JP2002139792A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 解像度に優れた高品質の画像を従来の光変調
素子を用いて形成することができる画像表示装置を提供
すること。 【解決手段】 スクリーンと各画像片の光軸の交点をそ
れぞれ４２ａ〜４２ｄとすると偏向前後におけるスクリ
ーンと光軸の交点の変位量は、垂直方向に対しては４２
ａ−４２ｄ、４２ｂ−４２ｃ間距離（変位量ｙ）、水平
方向に対しては４２ａ−４２ｃ、４２ｂ−４２ｄ間距離
(同ｘ)で表される。各交点を通る直線上における画像片
の幅を水平方向に対してＷ、垂直方向に対してＨとする
とＸ＝Ｗ、ｙ＝Ｈとなるよう設定される。光偏向手段５
０からスクリーン間の距離をＬとすれば、無偏向の状態
で光軸がスクリーン法線と平行に設定した時、水平方向
の光軸の偏向角θｈ、垂直方向の光軸の偏向角θｖを次
式の通りとすると画像片を良好な位置関係に保てる。ｔ
ａｎθｈ＝（Ｈ／２）／Ｌ、ｔａｎθｖ＝（Ｗ／２）／
Ｌ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源より放たれる
可視光を光変調素子に集光照射し、該光変調素子からの
反射光をスクリーンに拡大投影することで画像表示を行
う拡大投影型画像表示装置に関し、より詳細には光変調
素子の画素数以上の画素を表示させ高解像化を達成する
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、拡大投影型画像表示装置は、
高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンラン
プ等の光源、光変調素子（後記）、レンズアレイ、ＵＶ
ーＩＲカットフィルタ、重ね合わせレンズ、コンデンサ
レンズ、投影レンズ等を組み合わせてなる光学系、スク
リーン、および光変調素子を駆動するための駆動系から
なり、光変調素子に形成された画像を拡大投影すること
でスクリーン上に画像表示させている。その応用例とし
ては、フロントプロジェクションタイプとしては、大画
面シアター、フロントプロジェクションＴＶ、オフィス
用プロジェクターなどが、リアプロジェクションタイプ
としては、一般家庭用テレビ,パソコンモニターなどが
あげられる。また、ヘッドマウントディスプレイ用の画
像表示装置への対応も行われている。

【０００３】従来、拡大投影型画像表示装置としては光
変調素子として液晶材料を使用し、光を液晶材料に透過
させることで画像情報表示を行う表示装置が広く市販さ
れている。これに用いられる光変調素子を透過型液晶光
変調素子と呼ぶ。この拡大投影型画像表示装置の一般的
な構成を図１に示してある。光源２０から出射した光は
ＵＶ-ＩＲカットフィルタ２１によって可視光成分以外
をカットし、第１レンズアレイ２２、偏光変換プリズム
２３、第２レンズアレイ２４と進む。この間に光源から
放たれた自然光が直線偏光になり、またその後段の重ね
合わせレンズ２５を通過することで光源の光強度ムラが
改善され、コンデンサレンズ２６を経て光変調素子１０
に入射する。

【０００４】光変調素子１０には、光の入射側と出射側
に偏光素子が備わり(不図示)、入射側の偏光素子の偏光
面は入射する直線偏光の偏光面と一致し、この偏光特性
をさらに改善している。また、液晶材料は駆動手段から
の画像信号によって画素毎に液晶のネジレ角を制御する
ことで出射側の偏光素子とあわせて出射光強度を制御し
ている。光変調素子を通過した出射光は投影レンズ２７
を経て所望の倍率に拡大されスクリーン２８に画像が投
影される。

【０００５】図１においてはカラー化のための構成は略
されているが、カラー画像を得るためには、光変調素子
を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）それぞれに対応して各
色カラーフィルターと組み合わせて３枚用意し、各色毎
に画像を形成しスクリーン上で合成するか、または光源
からの光を可動カラーフィルタによりＲ→Ｇ→Ｂ→Ｒ…
と高速で切り替え各色を時分割で切り替え表示する方式
(フィールドシーケンシャル方式)等が取られる。この表
示装置に用いられる透過型液晶光変調素子は、ガラス基
板上に駆動回路を形成する必要があり、微細化したとき
の駆動回路の特性低下が著しく、また開口率が大きくと
れないため高解像度の画像表示が困難であった。この点
を改善するため駆動回路を単結晶シリコン上に形成しそ
の上に液晶材料を形成した光変調素子が提案された（Ｌ
ＣＯＣ；Ｔｈｒｅｅ−Ｆｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ、ＩＮ
Ｃ他）。この素子は、単結晶シリコンと液晶材料を挟ん
で逆面にガラス基板が配置され、光はガラス基板側から
入射され単結晶シリコンと液晶材料の間に形成された反
射層で反射される反射型液晶光変調素子である。

【０００６】偏光素子はガラス基板の上に設けられ、画
素毎に液晶のネジレ角を制御することで画像情報に応じ
た出射光が得られる。反射型とすることで透過型に比べ
開口率を大きくでき視認性を向上させることが可能にな
ると同時に、本素子においては単結晶シリコン上に駆動
回路を形成することで従来の駆動回路系の問題を改善し
高解像度の画像を表示することが可能になるといわれて
いる。図２には、反射型液晶光変調素子を用いた画像表
示装置の構成例を示してある。図１に比べて偏光ビーム
スプリッタ２９が加わっておりこの偏光ビームスプリッ
タを介して光変調素子への入射光と光変調素子からの出
射光が分離される。

【０００７】また、特開平５−１５０１３７号公報で
は、一方可変型ミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いた拡大
投影型画像表示装置が提案されている。これに用いられ
る光変調素子は、現状一辺が約１６μｍの正方形の微細
な鏡を半導体上に画素分だけ敷き詰めた反射型光変調素
子で、１つ１つの鏡が±１０°の角度で傾くことにより
光の方向を１か０に切り替えることで画像情報に応じた
反射光を出射する。液晶を用いた光変調素子に比べ、光
利用効率が高められコントラストに優れた画像を投影で
きる。ところでこれらの拡大投影型画像表示装置におい
ては、その解像度（スクリーン上の画素の数）は光変調
素子の画素数により決定される。解像度をあげるために
は光変調素子の画素数を増加させる必要があるが、光変
調素子の画素数を増加させることは光変調素子の全体面
積を大型化させることにつながり、光変調素子自体の単
価を増加させるとともに、表示装置内においてもムラの
ない投影画像を得るための光学系が高価になる。また、
個々の画素の面積を微細化し画素数増加を図る場合に
は、透過型液晶光変調素子で説明したのと同様に回路特
性の低下を招き、さらに製造工程が微細化に伴いより複
雑化し製造歩留まりも低下するためやはり高コスト化す
る。このように光変調素子の画素数を増加させ解像度を
あげることは非常に大きな技術的あるいは経済的負荷を
伴う。そこで従来と同解像度の光変調素子を用いてスク
リーン上で高解像化を図る技術が提示されている。例え
ば、特許第２９３９８２６号では、偏光旋回素子と複屈
折効果でシフトする技術、特開平６−３２４３２０号で
は、フィールド毎光路偏向する部材、特開平９−５４５
５４号では、マイクロレンズで開口絞る技術、特開平９
−３２６９８１号および特開平３−８５８７９号では、
つなぎ部画像処理技術、特開平１０−５５０２９号で
は、マイクロレンズを振動技術が開示されている。これ
らの方式として大別すると、次の２種に分けることがで
きる。 （１）複数枚の光変調素子を用い各光変調素子からの投
影画像（画像片）をスクリーン上で隙間なく並べること
で1枚の画像を得る方式(画像つなぎ方式、図４参照)。 （２）１枚の光変調素子の各画素開口をスクリーン上で
上下左右方向にそれぞれ半分のスケールまで絞り（面積
として約２５％）、１フレーム毎に、絞った開口部分を
上下左右に半ピッチづつずらして４倍の解像度を得る方
式（画素ずらし方式、図３参照）。 ここで、図４に画像つなぎ方式の概略図を示してある。
この図においては、各光学系は省略している。画像つな
ぎ方式では、複数毎の光変調素子のそれぞれを従来の投
射光学系とほぼ同じシステムで画像投影できるため、技
術的には比較的容易である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし各投影画像４１
（画像片と呼ぶ）の重なる部分４２（つなぎ部と呼ぶ）
の光強度が不連続に変化するためこの部分の画像の見栄
えが悪くなり、画像処理技術によりこれを解消する工夫
などがなされている（特開平９−３２６９８１号、特開
平３−８５８７９号）。しかし光変調素子のみならず光
学系も画像片の数だけ必要となるため装置が大型化しコ
スト増大を招いてしまう。

【０００９】一方、図３に画素ずらし方式の概略図を示
してある。この図においては、各光学系は省略してい
る。画素ずらし方式では光軸をずらすための光偏光手段
が光変調素子とスクリーンの間に設けられ（図３では不
図示）、これをフレーム周波数に対応させて駆動するこ
とで光軸を画素の半ピッチに相当する量だけずらすこと
ができる。この光偏向手段としては、たとえば特開平６
−３２４３２０号に示されるような複屈折板（水晶板、
方解石、液晶板）が用いられる。この画素ずらし方式で
は、画像つなぎ方式と比べて光学系が簡略化できコス
ト、装置の小型軽量化等には有利である。図に示すとお
り、光軸を時間分割し１→２→３→４→１…とずらすこ
とで高解像度化が達成できる。

【００１０】ただし従来方式でスクリーン上に形成され
る光変調素子１画素からの投影像１１ａ（画素投影像と
呼ぶ）に対して、本方式では投影像の重なりによる画像
劣化を防ぐために画素投影像１１ｂを２５％に絞らなけ
ればならず、このための光学系が必要となる。特開平９
ー５４５５４号、特開平１０ー５５０２９号では光変調
素子の各画素それぞれに対応したマイクロレンズを有す
るマイクロレンズアレイを光変調素子近傍に設置し、画
素投影像を絞る構成を提示している。しかしマイクロレ
ンズの作製精度のばらつきにより、すべての画素に対し
てスクリーン上の画素投影像を十分に最適化するのは困
難であり画像劣化を招きやすい。また、基本的には透過
型液晶光変調素子に比べ、反射型液晶光変調素子に対し
てマイクロレンズアレイを最適に設計するのはさらに難
しく上記画像劣化を一層招きやすくなる。さらに、マイ
クロレンズアレイを光が透過する際の光損失があるため
光利用効率が悪化する不具合もある。

【００１１】そこで、本発明の目的は、解像度に優れた
高品質の画像を従来の光変調素子を用いて形成すること
ができる画像表示装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、光源と、この光源より放たれる可視光を照射するこ
とで表示画像情報に対応した反射光もしくは透過光であ
る出射光を所定方向に放つ光変調素子と、この光変調素
子より放たれた出射光を投影するスクリーンと、前記光
変調素子およびこのスクリーンの間の出射光光路上に設
置され、出射光を所定方向に偏向する光偏向手段と、元
画像信号より表示画像信号を生成し前記光変調素子を駆
動する駆動手段とを備えた画像表示装置であって、前記
スクリーンと前記光偏向手段による偏向前後における光
軸の交点の変位量が、各交点を通る直線上における投影
画像である画像片との幅と一致するよう設定され、複数
の画像片を所定時間間隔ごとに前記光偏向手段により光
偏向することで切り替え表示することにより、前記目的
を達成する。

【００１３】ここで述べる表示画像情報とは、ある１つ
の画素に対しては赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を合成
してある光強度の色を表すための情報であり、Ｒ、Ｇ、
Ｂそれぞれの光の強さ（光源の光出力）、または単位時
間内でスクリーンに光照射すべき時間を規定している。
具体的には、表示装置によって一定光出力の元で光照射
時間を変化させる方法（本発明においては画像片表示時
間の範囲内で各画素それぞれに光照射時間が定められ
る）、あるいは光源の出力を変化させながら光照射時間
を変化させる方法などがとられており、それぞれ表示画
像情報の内容が異なる。本説明において光強度という場
合、特にこれらを厳密に分けない。また、減光もしくは
減光処理するということは光の強さを弱める、または単
位時間に光照射する時間を短くするという２つの場合が
ある。表示画像情報としては、前述の各画素の光強度が
規定されるとともに、各画素の位置情報もあわせ持つ。
さらに画像信号とはこの情報をコード化した信号であ
る。仮に光変調素子として垂直方向に７６８個、水平方
向に１０２８個の画素が並んでいるものを想定し、元画
像信号における規定画素数が１５３６×２０４８である
とする。この場合従来であれば解像度が光変調素子の解
像度で規定されるため、元画像信号からの画像情報は垂
直方向、水平方向それぞれに半減させざるを得なかっ
た。今、元画像信号の垂直方向i(０≦i≦１５３５)番
目、水平方向j(０≦j≦２０４８)番目の画素の元画像信
号における光強度を配列を用いてP(ｉ，ｊ)とあらわ
す。また、画像片の数を垂直方向２列、水平方向２列の
計４枚とし左上画像片をa、右上画像片をｂ、右下画像
片をｃ、左下画像片をｄとした時(図６参照)、元画像の
ｉ,jの組み合わせに対して、図１６の表に従って画像片
が選ばれ、かつ光変調素子に入力される表示画像信号を
P'(ｉ',ｊ')(０≦i'≦７６７０≦j'≦１０２３)とすれ
ばP(ｉ，ｊ)よりP'(ｉ',ｊ')が導かれる。画像の切り替
えは、所定時間間隔ごとに光偏向することでａ→ｂ→ｃ
→ｄ→ａと切り替え表示させればよい。

【００１４】請求項２記載の発明では、光源と、この光
源より放たれる可視光を照射することで表示画像情報に
対応した反射光もしくは透過光である出射光を所定方向
に放つ光変調素子と、この光変調素子より放たれた出射
光を投影するスクリーンと、前記光変調素子およびこの
スクリーンの間の出射光光路上に設置され、出射光を所
定方向に偏向する光偏向手段と、元画像信号より表示画
像信号を生成し前記光変調素子を駆動する駆動手段とを
備えた画像表示装置であって、前記スクリーンと前記光
偏向手段による偏向前後における光軸の交点の変位量
が、各交点を通る直線上における投影画像である画像片
の幅より狭くなるよう設定され、この設定によって発生
する前記スクリーン上の画像片と画像片の重なり部分に
対し、重なりあう部分の各画素信号源を一致させ、かつ
該画像信号源からの画像信号の照射光強度に対して減光
処理を施すことを特徴とする。

【００１５】この請求項２記載の発明は、請求項１に示
す画像片と画素の関係においては、あらかじめ隣り合う
画像片のそれぞれの端部画素には元信号の隣接画素が配
置される（例えば図１６の表において、あるｉに対して
jが１０２３の画素と１０２４の画素の関係）。装置を
製作する上で仮に画像片の位置が微小にずれた場合、こ
れら隣り合う画素が位置ずれを起こし視認性を低下させ
るため、厳密に位置調整を行う必要がある。一方請求項
２に示す画像表示装置においては、あらかじめ表示装置
製作時に位置ズレが発生しても、その位置ズレを別途検
出しソフト的に位置ずれ量に対応した画素の重ね合わせ
補正が可能であるため製作容易性の点で有利である。こ
の検出は、装置製作工程に行うのでも良いし、利用者が
必要に応じて行えるようにシステムに機能を組み込んで
もよい。

【００１６】請求項３記載の発明では、請求項２記載の
発明において、スクリーン上のある点ｑにおいて、ある
２枚の画像片ａ,ｂが重なっている場合、それぞれの画
像片の、画像片が重なっている部分と重なっていない部
分の境界線からこの点ｑまでの距離をそれぞれ、Ｌａ
ｑ、Ｌｂｑとすると、点ｑにおける画像片ａ、ｂのそれ
ぞれの光強度Ｐａ',Ｐｂ'に対する減光処理後の光強度
Ｐａ'',Ｐｂ''が、 ０．８[Lbq／（Laq+Lbq）]Pa' ≦ Pa'' ≦ 1.2[Lbq／
（Laq+Lbq）]Pa' ０．８[Laq／（Laq+Lbq）]Pb' ≦ Pb'' ≦ 1.2[Laq／
（Laq+Lbq）]Pb' で設定されることを特徴とする。

【００１７】ここで、Ｐａ’、Ｐｂ’は元画像信号が同
一であるため値は等しい。しかし実際にこれをスクリー
ンに照射した場合、光学系の損失等が異なるため必ずし
もスクリーン上での光強度が等しくはならない。従って
単純にこれらを平均化しＰａ’’、Ｐｂ’’を求めたの
では重なり部分の不連続性は解消しない。上記式の範囲
でＰａ’’、Ｐｂ’’を設定することで不連続性は低減
し、さらに好ましくは略Ｐａ’’=［Ｌｂｑ／（Ｌａｑ
＋Ｌｂｑ）］Ｐａ’ および略Ｐｂ’’＝［Ｌａｑ／
（Ｌａｑ＋Ｌｂｑ）］Ｐｂ’に設定することで一層自然
に見える。なおＰａ’’、Ｐｂ’’ともに上記式の下限
値を下回った場合、重なり部分の光強度が弱すぎて不連
続性が観察され、逆に上限値を上回った場合、重なり部
分の光強度が強すぎてやはり不連続性が観察されてしま
う。

【００１８】請求項４記載の発明では、請求項１または
請求項２記載の発明において、複数の画像片のそれぞれ
に元画像の一部が投影され、前記光偏向手段による光偏
向によりすべての画像片を時分割で投影することで全体
として元画像が表示されることを特徴とする。

【００１９】請求項５記載の発明では、請求項１または
請求項２記載の発明において、画像片の数を元画像信号
に応じて自動的に切り替えることが可能な自動切替手段
と、利用者により適宜切替ることが可能な手動切替手段
とをさらに備えたことを特徴とする。請求項６記載の発
明では、請求項１または請求項２における画像片の表示
時間である画像片表示時間ｔが、複数の画像片の数を垂
直方向にｍ（ｍ≧１）、水平方向にｎ(ｎ≧1)としたと
き、 ｔ≦１／[６０(ｍ・ｎ)] (ｓｅｃ) であることを特徴とする。

【００２０】請求項７記載の発明では、請求項１または
請求項２記載の発明において、前記光偏向手段が回転ミ
ラーより構成されることを特徴とする。請求項８記載の
発明では、前記光変調素子が強誘電液晶材料または可変
型ミラーデバイスより構成されていることを特徴とす
る。

【００２１】請求項９記載の発明では、請求項１または
請求項２記載の発明において、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青
（Ｂ）を出力することが可能な３種類の半導体レーザダ
イオード、あるいは半導体レーザダイオードと第二次高
調波発生装置を組み合わせた光源を用い、かつ赤、緑、
青の３色が時分割にて一色ずつ前記光変調素子に照射さ
れ、 各色の切り替えと各画像片表示切り替えが同期し
てなされることを特徴とする。３色のレーザーダイオー
ドの波長はそれぞれ赤（Ｒ）６３０ｎｍ、緑）Ｇ）５３
０ｎｍ、青（Ｂ）４６０ｎｍ程度のものが好適に選ばれ
る。

【００２２】請求項１０記載の発明では、請求項９記載
の発明において、一色照射されている間にすべての画像
片を切り替え表示し、かつ１色を照射する時間t color
および画像片表示時間ｔが、画像片の数を垂直方向にｍ
（ｍ≧１）、水平方向にｎ（ｎ≧１）としたとき、それ
ぞれ t color≦１／１８０（ｓｅｃ） t≦１／[１８０（ｍ・ｎ)] (ｓｅｃ) であることを特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面を参照して、詳細に説明する。まず、本拡大投影
型画像表示装置の全体構成例を、図５を参照して説明す
る。図５は、反射型液晶光変調素子を３枚用いてカラー
表示を行う例を示した図である。光源にはＲ、Ｇ、Ｂそ
れぞれの光照射が可能な半導体レーザ（６０Ｒ、６０
Ｇ、６０Ｂ）が使用される。半導体レーザはランプ光源
に比べて小型、高効率等の特徴を有し、また後に示す第
２の構成例(図９参照）において高速な照明の切り替え
が必要であるため、高速なスイッチングが可能な半導体
レーザが特に適している。光照射強度を十分なものにす
るために、たとえばＧ、Ｂに対しては赤外線半導体レー
ザを光源とし擬似位相整合素子等第２次高調波によって
波長変換する構成をとってもよい。

【００２４】各色光源から出射した光はコリメータレン
ズ６１によって略平行光となり第１レンズアレイ２２、
第２レンズアレイ２４、重ね合わせレンズ２５へと進
む。これらを光路に組み込むのはレーザの光強度分布を
平坦化しムラの少ない光を光変調素子に入射させるため
である。その後コンデンサレンズ２６、偏光ビームスプ
リッタ２９を経て光変調素子１０に入射する。この光変
調素子１０では、画素毎に画像情報に応じて光の出射光
強度を制御している。光変調素子から出射した出射光は
再び偏光ビームスプリッタ２９を経て、ＲおよびＢ光は
全反射ミラー、ダイクロイックミラーと経て、Ｇ光は直
接、光偏向手段５０に達する。光偏向手段において光軸
を定められた角度θ（光偏向手段への入射光光軸に対す
る光偏向手段からの出射光光軸のなす角）に偏向された
後、投影レンズ２７を経て所望の倍率に拡大されスクリ
ーン２８に画像投影される。

【００２５】図６は、図５の表示装置を用いてスクリー
ン上に画像表示する場合の概略を示している。図６では
光軸１２を偏向させることで４枚の画像片(ａ〜ｄ)を形
成しているが、偏向を多段にすることでさらに所望の数
の画像片を形成することもできる。図６において、スク
リーンと各画像片の光軸の交点をそれぞれ４２ａ〜４２
ｄとすると、偏向前後におけるスクリーンと光軸の交点
の変位量は、垂直方向に対しては４２ａ−４２ｄ、４２
ｂ−４２ｃ間距離（変位量ｙとする）、水平方向に対し
ては４２ａ−４２ｃ、４２ｂ−４２ｄ間距離(同ｘ)であ
らわされる。一方で各交点を通る直線上における画像片
の幅を水平方向に対してＷ、垂直方向に対してＨとする
と、 Ｘ＝Ｗ、ｙ＝Ｈ となるよう設定される。また、光偏向手段５０からスク
リーンまでの距離をＬ（図５参照）とすれば、無偏向の
状態で光軸がスクリーン法線と平行になるよう設定した
時、水平方向の光軸の偏向角θｈ、垂直方向の光軸の偏
向角θｖを下記式の通りとすることで画像片を良好な位
置関係に保てる。 ｔａｎθｈ＝（Ｈ／２）／Ｌ ｔａｎθｖ＝（Ｗ／２）／Ｌ

【００２６】続いて、本画像表示装置で用いる光偏向手
段について以下に説明する。本画像表示装置で用いる光
偏向手段は画像片表示時間に対して十分短時間でスイッ
チングする必要があり、かつ画像片が水平方向もしくは
垂直方向に３枚以上並べられる場合は、画像片の数に応
じた多段の偏向切り替えができる必要がある。また、画
像片の数に応じた偏向角が得られることも必要である。
図１２に光偏向手段５０として光音響素子５１０を用い
た例を示してある。光音響素子は二酸化テルル等よりな
る素子にトランジューサによって横波超音波を発生、伝
播させることによって入射するレーザの回折現象を利用
する。

【００２７】図中の矢印は光の進行方向を示し、音波の
周波数により回折角が変化することを表している。画像
片の数に応じて周波数設定させることで、複数枚の画像
片を切り替え表示させることができる。光音響素子は機
械的稼動部がなくさらに偏向方向を任意に設定できるこ
とが特徴である。

【００２８】図１３は光偏向手段として、偏波面回転手
段５２０と複屈折素子５２１とを組み合わせた例であ
る。偏波面回転手段としては具体的には強誘電液晶材料
等が用いられ、複屈折素子としては水晶板、方解石、液
晶板当が用いられる。光変調素子を出射した光（直線偏
光）は、偏波面回転手段に入射するが、この入射光が複
屈折素子から見て正常光であれば、光は直進し、異常光
であれば複屈折により光路が変化する。したがって、偏
波面回転手段により正常光と異常光を切り替えることに
よって光の進行方向を切り替えることができる。ただ
し、画像片として水平方向もしくは垂直方向に３枚以上
並べられる場合は、これを多段に並べる必要がある。本
光偏向手段は機械的稼動部がないこと、および偏光の切
り替えが偏波面回転手段への電圧の印加だけで制御でき
るため比較的駆動系の負担が少ないこと等が特徴であ
る。

【００２９】図１４は、光偏光手段として回転ミラーを
使用した例を示している。回転ミラーはある回転軸の周
りに所定の角度だけ往復回転運動するものである。回転
角を設定することで任意に光路を変化させることができ
る。回転ミラーを用いることで偏向角を自由に設定で
き、その角度も比較的大きく取れる。また、出射光が直
線偏光である必要がないため、可変型ミラーデバイスを
光変調素子に用いる場合に有用である。水平方向と垂直
方向それぞれに光偏光する場合には、上記光偏光手段を
組み合わせて行うことができる。

【００３０】図１５は、回転ミラーを２枚組み合わせて
水平方向と垂直方向に光偏向させる例である。特に２段
目の光偏向（図１５では回転ミラー５３２）は入射して
くる光軸の位置が変化するため、各光軸の入射位置を結
んだ直線（図１５では直線５３３）を回転軸とする回転
ミラーが好適である。

【００３１】本画像表示装置で用いる光変調素子につい
て以下に説明する。本画像表示装置では、画像片を４枚
とすると後述の通り１／２４０秒(＝４.２ｍ秒)で１枚
の画像片の表示を行う必要がある（この時間を画像片表
示時間という）。画像片表示時間は、後に示すフィール
ドシーケンシャル方式のカラー表示を行う場合さらに１
／３の時間(＝１.４ｍ秒)となる。この時間の中で、光
変調素子は画像信号に応じたスイッチング（信号電圧印
加から各画素が明→暗または暗→明に切り替わる動作）
を行い、その上で画像表示を行うことになるため、光変
調素子のスイッチングに要する時間は短ければ短いほど
効率が良い。現在光変調素子として広く普及しているＴ
Ｎ（ツイストネマティック）液晶タイプの光変調素子
は、画素の応答速度は数ｍ秒から数十ｍ秒であるため本
画像表示装置には適さない。

【００３２】一方で強誘電液晶タイプの光変調素子の開
発が進んでいる（Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ、ｖｏｌ.２０ Ｎ
ｏ.７ ｐ７８７−７８９）が、この強誘電液晶は数十
μｓから数百μｓでスイッチング可能であるため本画像
表示装置に適している。また、各画素への信号電圧印加
時の電界ベクトルが画素エッヂ部で画素面法線方向から
傾くことによって、ＴＮ液晶タイプにおいては、画素エ
ッヂ部から光漏れが発生する不具合があり、本画像表示
装置においては画像片と画像片のつなぎ部がぼやける現
象を発生させる原因になるが、強誘電液晶タイプでは光
漏れが発生せず、従って画像片のつなぎ部の劣化が抑制
でき好都合である。さらに、可変型ミラーデバイス（Ｄ
ＭＤ）光変調素子を用いて本画像表示装置を構成した場
合、スイッチングの高速性（数μｓ〜数十μｓ）、画素
エッヂから光漏れが発生しない点など、強誘電液晶タイ
プ光変調素子と同様に優れた性能を発揮し、加えて可変
型ミラーデバイスでは直線偏光を必要としない。そのた
め、自然光をそのまま利用でき、偏光子を組み込むこと
による光損失を防ぐことができ、高効率の光利用が図れ
る。

【００３３】本画像表示装置においては画像片に対する
一回あたりの表示時間比率が低いので、表示輝度を稼ぐ
上で光利用効率を高めることはきわめて重要な技術であ
り、この点からも可変型ミラーデバイスを用いることが
有用であるといえる。また、カラー表示を行う上で、各
色Ｒ、Ｇ、Ｂの光強度を精度良く調整する技術は重要で
ある。先にも述べたとおり光強度に対しては、一定光出
力の元で光照射時間を変化させる方法、あるいは光源の
出力を変化させながら光照射時間を変化させる方法など
がある。いずれの場合も光変調素子の各画素のオン・オ
フタイミングで光照射時間が制御される。

【００３４】次に、本拡大投影型画像表示装置の動作に
ついて説明する。ここで、図７に示す画像を表示する場
合を考える。画像片は図６に示す４枚とする。光変調素
子を駆動する駆動手段において、元画像信号が入力され
るとこの信号から各画像片毎に図８（ａ）〜（ｄ）に示
す表示画像信号を生成する。４枚の画像片は所定時間間
隔ごとに光偏向することで切り替え表示される。すなわ
ち、まず光変調素子は（ａ）の画像信号に応じた光変調
を行い、このとき光偏向手段において光軸が図６、４２
ａに向かうように操作される。所定時間経過後、次に
（ｂ）を表示するとともに、光軸は光変更手段において
図６、４２ｂに向かうように切り替えられる。その後順
次（ｃ）、（ｄ）も同様に表示され、（ｄ）が表示され
た時点で、図７に示す元画像が観察者に視認される。観
察者には高品位の、すなわち光変調素子１枚で元画像を
表示するのに比べ４倍の高精細画像を観察することがで
きる。

【００３５】ただしこの切り替えが所定の速度以下の場
合、表示画像にフリッカ（ちらつき）が観察され好まし
くない。一般的に1フレーム６０Ｈｚ以下の表示速度で
はフリッカが観察されるようになるため、本実施例にお
ける画像片の表示切り替えはその４倍すなわち２４０Ｈ
ｚ以上で行うのが好ましい。一般に複数の画像片の数を
垂直にｍ（ｍ≧１）、水平方向にｎ（ｎ≧１）としたと
き画像片表示時間ｔは式の通り設定するのが望ましい。 ｔ≦１／[６０（ｍ・ｎ）]（ｓｅｃ）

【００３６】本表示装置においては、光偏向の角度を光
偏向手段を外部操作することで設定可能である。このこ
とから画像片の数を外部操作で自由に組み合わせること
ができる。すなわち元画像信号の解像度に任意にあわせ
込める利便さを有する。画像つなぎ技術はあらかじめ用
意する光変調素子の数で最高解像度が決められ、画素ず
らし技術も画素の絞り開口を任意に変化させることがで
きないため、やはり初期的に最高解像度が定められてし
まうのに比べ、本表示装置はこの点において非常に優れ
ている。この画像片数の切り替えは,元画像信号に応じ
て自動的に切り替えることが可能な自動切り替え手段
と、利用者により適宜切り替えることが可能な手動切り
替え手段をあわせ持たせることで、利用者にとって利便
性に優れた機能が提供される。

【００３７】図９には本発明における別の実施形態を示
してある。図９は、反射型液晶光変調素子１枚でカラー
表示を行う例であり、いわゆるフィールドシーケンシャ
ル方式による画像表示装置の形態である。この方式で
は、図５に示す構成と比較して光学系を簡略化できるた
め表示装置本体を小型軽量化でき、さらに製造コストの
削減が見込める。光源にはＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの光照射
が可能な半導体レーザ（６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂ）が使
用される。半導体レーザの特徴は前記の通りであるが、
この構成ではさらに照射するレーザを時分割で切り替え
光変調素子に光入射させる。光源から出射した光は、コ
リメータレンズ６１によって略平行光となりダイクロイ
ックプリズム６２入射し、ダイクロイックプリズム６２
においてＲ、Ｂは反射しＧは透過することで、各色の光
路は重ね合わされる。

【００３８】ダイクロイックプリズム６２からの光は第
１レンズアレイ、第２レンズアレイ２４へと進む。その
後重ね合わせレンズ２５、コンデンサレンズ２６を経て
光変調素子１０に入射する。光変調素子１０では画像情
報に応じて光の出射光強度を制御している。光変調素子
から出射した出射光は、光偏向手段５０を通過し、光軸
を定められた角度θ（光偏向手段への入射光光軸に対す
る光偏向手段からの出射光光軸のなす角）に偏向し、投
影レンズ２７を経て所望の倍率に拡大されスクリーン２
８に画像投影される。本構成で画像表示を行う際は光軸
をずらす操作と色を時分割で切り替える操作を両立させ
る必要がある。その方法として以下の２方式が考えられ
る。図１０および図１１には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青
（Ｂ）を出力することが可能な３種類の半導体レーザダ
イオードを時分割にて一色ずつ光変調素子に照射し、各
色の切り替えと各画像片（ここでは４枚）の表示切り替
えを同期して行う場合のタイミングチャートを示してい
る。

【００３９】図１０では一色照射されている間にすべて
の画像片を切り替え表示するタイミングを示し、図１１
では画像片表示時間内に３色を切り替え表示するタイミ
ングを示す。光変調素子はいずれの場合も垂直同期信号
に同期し画像信号に応じた変調を行う。前者の場合は、
垂直方向および水平方向の光偏向切り替え信号に同期さ
せ光源の切り替えタイミング信号をオン／オフし、後者
の場合は光源の切り替えタイミング信号に同期させ、垂
直方向および水平方向の光偏向切り替え信号をオン／オ
フさせるのが良い。両者を比較した場合、前者の方が画
像片の切り替えが高速でなされるためちらつきの少な
い、より自然な画像が得られやすい。この場合、１色を
照射する時間t colorおよび画像片表示時間ｔが、画像
片の数を垂直方向にｍ（ｍ≧１）、水平方向にｎ（ｎ≧
１）としたとき、それぞれ tcolor≦１／１８０（ｓｅｃ） t≦１／［１８０（ｍ・ｎ）］（ｓｅｃ） とすることで自然な画像が得られる。t colorがこれよ
り長い場合はフリッカが観察されやすくなり好ましくな
い。

【００４０】

【発明の効果】請求項１記載の発明では、光変調素子以
上の高解像の表示画像が得られるため、薄型、軽量さら
に低コストで画像表示装置を構成する事ができる。従来
の画像つなぎ方式に比較して光学系が簡略化できるた
め、コストが削減でき装置を小型薄型化できる。従来の
画素ずらし方式と比較して画素投影像を絞る必要がない
ためマイクロレンズ等光学系が簡略化できる。この投影
像絞りに起因する画像劣化が防げるとともに光学系によ
る光損失が防げる。請求項２記載の発明では、表示装置
製作時に画素片の位置ズレに対して厳密な調整を施さな
くとも、その位置ズレを別途検出しソフト的に位置ずれ
量に対応した画素の重ね合わせ補正が可能であるため製
作容易性の点で有利である。請求項３記載の発明では、
スクリーン上の画像片重なり部分の不連続性が低減し自
然な画像を投影できる。請求項に示される各式の下限値
を下回った場合、重なり部分の光強度が弱すぎて不連続
性が観察され、 逆に上限値を上回った場合、重なり部
分の光強度が強すぎてやはり不連続性が観察されてしま
う。

【００４１】請求項４記載の発明では、３元画像を、画
像片を使用して再現するための方式の提供できる。請求
項５記載の発明では、画像片の数を元画像信号に応じて
自動的に切り替えることが可能な自動切り替え手段と、
利用者により適宜切り替えることが可能な手動切り替え
手段をあわせ持つことで利用者にとって利便性に優れた
機能が提供できる。

【００４２】請求項６記載の発明では、画像片表示時間
ｔを、複数の画像片の数を垂直方向にｍ（ｍ≧１）、水
平方向にｎ（ｎ≧１）としたとき、ｔ≦１／［６０（ｍ
・ｎ）］（ｓｅｃ）に設定することで、フリッカのない
高品質な画像を投影する事ができる。ｔが上式の範囲以
下の場合、フリッカが顕著になり画像品質が劣化する。 請求項７記載の発明では、光偏向手段を回転ミラーによ
り構成することで光偏向の設定角度を好適に設定でき
る。特に水平方向と垂直方向の両方に変更させる場合、
光学系の設定の余裕度が稼げる。

【００４３】請求項８記載の発明では、光変調素子を、
強誘電液晶材料または可変型ミラーデバイスを用いて構
成することで高速な光変調が行えるため、良好な画像品
質が得られる。請求項９および請求項１０記載の発明で
は、レーザダイオードを光源に使用する事で、ランプ光
源と比較し装置を小型軽量化でき、コスト削減できると
ともに高速な光源切り替えが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】透過型液晶光変調素子を用いた画像表示装置の
構成例を示した図である。

【図２】反射型液晶光変調素子を用いた画像表示装置の
構成例を示した図である。

【図３】画素ずらし方式の概略を示した図である。

【図４】画像つなぎ方式の概略を示した図である。

【図５】本発明の画像表示装置構成例を示した図であ
る。

【図６】スクリーン上画像片の説明図である。

【図７】元画像信号の画像片への分割説明図である。

【図８】元画像信号の画像片への分割説明図である。

【図９】本実施例に係る画像表示装置構成例を示した図
である。

【図１０】本実施例にかかる光源切り替えと光偏向切り
替えのタイミングチャートを示した図である。

【図１１】本実施例の光源切り替えと光偏向切り替えの
タイミングチャートを示した図である。

【図１２】光音響素子による光偏向手段構成例を示した
図である。

【図１３】偏波面回転手段と複屈折素子による光偏向手
段構成例を示した図である。

【図１４】回転ミラーによる光偏向手段構成例を示した
図である。

【図１５】回転ミラーによる光偏向手段構成例を示し図
である。

【図１６】元画像信号から光変調素子への画像信号の変
換を示した表である。

【符号の説明】

６１ コリメータレンズ ２２ 第１レンズアレイ ２４ 第２レンズアレイ ２５ 重ね合わせレンズ ２６ コンデンサレンズ ２９ 偏光ビームスプリッタ １０ 光変調素子 ５０ 光偏向手段 ２８ スクリーン ５１０ 光音響素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｂ 33/12 Ｈ０４Ｎ 3/10 Ｈ０４Ｎ 3/10 5/74 Ａ 5/74 9/31 Ｚ 9/31 Ｇ０２Ｆ 1/1335 ５３０ Ｆターム(参考） 2H091 FA05X FA07X FA14X FA26X FA41Z HA07 HA12 LA11 LA30 MA02 MA07 5C058 AA06 AA18 BA23 BA24 BA25 EA02 EA11 EA12 EA13 EA23 EA26 EA42 5C060 BA03 BA08 BB13 BC05 BD03 BE04 BE05 BE09 BE10 EA01 GA01 GB02 GB06 HC07 HC11 HC20 HC21 HD07 JB06

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 この光源より放たれる可視光を照射することで表示画像
   情報に対応した反射光もしくは透過光である出射光を所
   定方向に放つ光変調素子と、 この光変調素子より放たれた出射光を投影するスクリー
   ンと、 前記光変調素子およびこのスクリーンの間の出射光光路
   上に設置され、出射光を所定方向に偏向する光偏向手段
   と、 元画像信号より表示画像信号を生成し前記光変調素子を
   駆動する駆動手段とを備えた画像表示装置であって、 前記スクリーンと前記光偏向手段による偏向前後におけ
   る光軸の交点の変位量が、各交点を通る直線上における
   投影画像である画像片との幅と一致するよう設定され、
   複数の画像片を所定時間間隔ごとに前記光偏向手段によ
   り光偏向することで切り替え表示することを特徴とする
   画像表示装置。
2. 【請求項２】 光源と、 この光源より放たれる可視光を照射することで表示画像
   情報に対応した反射光もしくは透過光である出射光を所
   定方向に放つ光変調素子と、 この光変調素子より放たれた出射光を投影するスクリー
   ンと、 前記光変調素子およびこのスクリーンの間の出射光光路
   上に設置され、出射光を所定方向に偏向する光偏向手段
   と、 元画像信号より表示画像信号を生成し前記光変調素子を
   駆動する駆動手段とを備えた画像表示装置であって、 前記スクリーンと前記光偏向手段による偏向前後におけ
   る光軸の交点の変位量が、各交点を通る直線上における
   投影画像である画像片の幅より狭くなるよう設定され、
   この設定によって発生する前記スクリーン上の画像片と
   画像片の重なり部分に対し、重なりあう部分の各画素信
   号源を一致させ、かつ該画像信号源からの画像信号の照
   射光強度に対して減光処理を施すことを特徴とする画像
   表示装置。
3. 【請求項３】 スクリーン上のある点ｑにおいて、ある
   ２枚の画像片ａ,ｂが重なっている場合、それぞれの画
   像片の、画像片が重なっている部分と重なっていない部
   分の境界線からこの点ｑまでの距離をそれぞれ、Ｌａ
   ｑ、Ｌｂｑとすると、点ｑにおける画像片ａ、ｂのそれ
   ぞれの光強度Ｐａ',Ｐｂ'に対する減光処理後の光強度
   Ｐａ'',Ｐｂ''が、 ０．８[Lbq／（Laq+Lbq）]Pa' ≦ Pa'' ≦ 1.2[Lbq／
   （Laq+Lbq）]Pa' ０．８[Laq／（Laq+Lbq）]Pb' ≦ Pb'' ≦ 1.2[Laq／
   （Laq+Lbq）]Pb' で設定されることを特徴とする請求項２記載の画像表示
   装置。
4. 【請求項４】 複数の画像片のそれぞれに元画像の一部
   が投影され、 前記光偏向手段による光偏向によりすべての画像片を時
   分割で投影することで全体として元画像が表示されるこ
   とを特徴とする請求項１または請求項２記載の画像表示
   装置。
5. 【請求項５】 画像片の数を元画像信号に応じて自動的
   に切り替えることが可能な自動切替手段と、 利用者により適宜切替ることが可能な手動切替手段とを
   さらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２
   記載の画像表示装置。
6. 【請求項６】 請求項１または請求項２における画像片
   の表示時間である画像片表示時間ｔが、複数の画像片の
   数を垂直方向にｍ（ｍ≧１）、水平方向にｎ(ｎ≧1)と
   したとき、 ｔ≦１／［６０（ｍ・ｎ）］(ｓｅｃ) であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の
   画像表示装置。
7. 【請求項７】 前記光偏向手段が回転ミラーより構成さ
   れることを特徴とする請求項１または請求項２記載の画
   像表示装置。
8. 【請求項８】 前記光変調素子が強誘電液晶材料または
   可変型ミラーデバイスより構成されていることを特徴と
   する請求項１または請求項２記載の画像表示装置。
9. 【請求項９】 赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を出力す
   ることが可能な３種類の半導体レーザダイオード、ある
   いは半導体レーザダイオードと第二次高調波発生装置を
   組み合わせた光源を用い、 かつ赤、緑、青の３色が時分割にて一色ずつ前記光変調
   素子に照射され、 各色の切り替えと各画像片表示切り替えが同期してなさ
   れることを特徴とする請求項１または請求項２記載の画
   像表示装置。
10. 【請求項１０】 一色照射されている間にすべての画像
    片を切り替え表示し、かつ１色を照射する時間t color
    および画像片表示時間ｔが、画像片の数を垂直方向にｍ
    （ｍ≧１）、水平方向にｎ（ｎ≧１）としたとき、それ
    ぞれ t color≦１／１８０（ｓｅｃ） t≦１／[１８０（ｍ・ｎ)] (ｓｅｃ) であることを特徴とする請求項９記載の画像表示装置。