JP2004102213A - 光走査装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来の１次元光変調素子アレーを用いた光走査装置に比して、各画素に走査される走査光の光量を高めることができ、しかも各光変調素子の応答速度を上げることなく多階調の画像表示が可能となる光走査装置を提供する。
【解決手段】光源１０１からの光束は光変調手段１０３により変調される。変調された光束は、回転多面鏡１０６を含む走査光学系１１１により走査されてスクリーン面１０７に投影結像される。光変調手段１０３は複数の１次元光変調素子アレーを並列配置してなる。これら１次元光変調素子アレーの各光変調素子で、制御手段１０８の制御により、光束のアナログ変調、デジタル変調、又はその両方を行うことにより、高階調数の画像表示が可能である。光変調素子としては、例えば、両端固定梁構造のミラーを静電力により変位させて、ミラーによる反射方向を変化させる構成の素子が用いられる。
【選択図】 図１
【解決手段】光源１０１からの光束は光変調手段１０３により変調される。変調された光束は、回転多面鏡１０６を含む走査光学系１１１により走査されてスクリーン面１０７に投影結像される。光変調手段１０３は複数の１次元光変調素子アレーを並列配置してなる。これら１次元光変調素子アレーの各光変調素子で、制御手段１０８の制御により、光束のアナログ変調、デジタル変調、又はその両方を行うことにより、高階調数の画像表示が可能である。光変調素子としては、例えば、両端固定梁構造のミラーを静電力により変位させて、ミラーによる反射方向を変化させる構成の素子が用いられる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリーン面などに画像を拡大投影するための光走査装置に係り、特に１次元光変調素子アレーを用いる光走査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、単一の１次元光変調素子アレーからの光束を走査しながらスクリーン上に２次元の画像を拡大表示する光走査装置が知られている。例えば、特許文献１及び非特許文献１には、回折格子面を有する光変調素子を１次元状に複数並べた光走査装置が開示されている。また、本出願人は、特願２００２−００７２０４号において、光利用効率の高いミラー型の光変調素子を１次元状に複数並べた光走査装置を提案している。これらの光走査装置では、上記１次元光変調素子アレーからの光束を、光変調素子の並び方向と直交する方向に偏向して走査しながらスクリーン上に結像させることにより、スクリーン面上に２次元の画像を拡大表示することができる。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５，３１１，３６０号明細書
【非特許文献１】
Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｈｉｌｔｏｎ Ｈｅａｄ Ｉｓｌａｎｄ，ＳＣ Ｊｕｎｅ １３−１６，１９９４
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記単一の１次元光変調素子アレーを用いた光走査装置では、各画素における光量が不足する場合があるという問題点が残されていた。
更に、この光走査装置では、１次元光変調素子アレを構成する光変調素子の応答速度に関して以下のような問題点が残されていた。ここで、光変調素子の総数が１５３６個（１５３６画素）の１次元光変調素子アレーを用い、光束の走査方向で２０４８画素の表示を行う場合、つまり、ＱＸＧＡ（１５３６×２０４８画素）の解像度の２次元画像を表示する場合を考える。この場合、各光変調素子（光スイッチ素子）に要求される応答速度（スイッチ速度）は以下のように見積ることができる。
２次元画像のフレーム周波数を一般的な６０Ｈｚとすると、２次元画像の１フレームを表示する時間は１／６０秒＝１６．７ｍｓｅｃである。この時間内で１次元光変調素子アレーは走査方向に２０４８画素列を表示しなければならないので、１画素列当たりの表示時間は（１６．７／２０４８）ｍｓｅｃ＝８．１５μｓｅｃとなる。この表示時間内で２５６階調を表示するための各光変調素子の応答時間は、各画素の表示時間の２０％とすれば、次のようになる。例えば、光量ゼロから光量最大まで変調するアナログ変調を行う場合は１．６３μｓｅｃとなる。また、単位時間の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変調するデジタル変調を行う場合は０．００６３７μｓｅｃとなる。これらの応答時間は応答周波数でそれぞれ６１３ｋＨｚと１５６ＭＨｚに相当する。このように、特にデジタル変調する場合に高い階調の画像を得ようとすると光スイッチデバイスで高い応答周波数が要求されるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、以上の問題点に鑑みなされたものである。本発明の目的は、従来の１次元光変調素子アレーを用いた光走査装置に比して、各画素に走査される走査光の光量を高めることができ、しかも各光変調素子の応答速度を上げることなく多階調の画像表示が可能となる光走査装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、複数の光変調素子が１次元的に並んだ１次元光変調素子アレーを有する光変調手段と、該１次元光変調素子アレーを照明する照明手段と、該１次元光変調素子アレー中の各光変調素子により変調された光束を、該変調素子の配列方向と直交する方向に偏向して走査する走査光学系とを有する光走査装置であって、上記１次元光変調素子アレーを、上記変調素子の配列方向と直交する方向に複数配列し、各１次元光変調素子アレーにより変調された光束を画素上に重ねて照射可能に構成したことを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの配列ピッチは、上記光変調素子の配列方向における該光変調素子の大きさの整数倍であることを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１又は２の光走査装置において、上記走査光学系は、上記走査光学系で走査した光束を画像表示対象面に投影結像するための投影光学系を有することを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、請求項１、２又は３の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、可動ミラーにより光束の反射方向を変化させることによって変調する素子であることを特徴とするものである。
また、請求項５の発明は、請求項４の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、静電力により可動ミラーを駆動する素子であることを特徴とするものである。
また、請求項６の発明は、請求項１、２又は３の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、液晶光スイッチ素子であることを特徴とするものである。
また、請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかの光走査装置において、前記照明手段は、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子それぞれに一対一に対応する複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレーを備えたことを特徴とするものである。
また、請求項８の発明は、請求項７の光走査装置において、上記マイクロレンズアレーは、互いに隣り合うマイクロレンズの間に遮光部を有することを特徴とするものである。
また、請求項９の発明は、請求項１乃至８のいずれかの光走査装置において、上記走査光学系は、回転多面鏡を用いて構成されていることを特徴とするものである。
また、請求項１０の発明は、請求項１乃至８のいずれかの光走査装置において、上記走査光学系は、ガルバノミラーを用いて構成されていることを特徴とするものである。
また、請求項１１の発明は、請求項１乃至１０のいずれかの光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、光束の光量を光量ゼロから光量最大まで変化させるアナログ変調を行うことを特徴とするものである。
また、請求項１２の発明は、請求項１１の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子によってｍ階調のアナログ変調を行い、該１次元光変調素子アレーの個数をｎ個とし、各画素について、各１次元光変調素子アレーの互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することを特徴とするものである。
また、請求項１３の発明は、請求項１乃至１０のいずれかの光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、単位時間内で時分割駆動され単位時間における光束の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変化させるデジタル変調を行うことを特徴とするものである。
また、請求項１４の発明は、請求項１３の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子によってｍ階調のデジタル変調を行い、該１次元光変調素子アレーの個数をｎ個とし、各画素について、各１次元光変調素子アレーの互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することを特徴とするものである。
また、請求項１５の発明は、請求項１乃至１０のいずれかの光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、光束の光量を光量ゼロから光量最大まで変化させるアナログ変調と、単位時間内で時分割駆動され単位時間における光束の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変化させるデジタル変調とを組み合わせた変調を行うことを特徴とするものである。
また、請求項１６の発明は、請求項１５の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子によってｍ階調のアナログ変調とＬ階調のデジタル変調とを行い、該１次元光変調素子アレーの個数をｎ個とし、各画素について、各１次元光変調素子アレーの互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することを特徴とするものである。
【０００７】
請求項１乃至１６の光走査装置では、並列配置された複数の１次元光変調素子アレー中の各光変調素子により変調された光束を、１次元光変調素子アレーの光変調素子の配列方向と直交する方向に走査する。そして、画像を構成する各画素に対して、複数の１次元光変調素子アレー中の各光変調素子により変調された複数の光束を重ねて照射することができる。従って、各光変調素子をアナログ変調する場合は、単一の１次元光変調素子アレーを用いる場合に比して、明るい画像表示が可能となる。また、各光変調素子をデジタル変調する場合は、単一の１次元光変調素子アレーを用いる場合に比して、１次元光変調素子アレーの各光変調素子の応答速度を高めることなく多階調の画像表示が可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の１つの実施の形態に係る光走査装置を示す概略構成図である。この実施の形態における光走査装置は、光変調手段１０３と照明手段１１０と走査光学系１１１と制御手段１０８とを備えている。光変調手段１０３は、複数個の１次元光変調素子アレーを並列配置したものである。照明手段１１０は、光変調手段１０３の各光変調素子を照明するものである。走査光学系１１１は、光変調手段１０３の各光変調素子により変調された光束を１次元光変調素子アレーの素子配列方向と直交する方向に走査するものである。制御手段１０８は、光変調手段１０３及び走査光学系１１１の動作を制御するものである。
【０００９】
上記照明手段１１０は、光源１０１と、それが発した光束を光変調手段１０３の各光変調素子に導くための照明光学系１０２とから構成される。
上記走査光学系１１１は、高速回転する回転多面鏡１０６と光学系１０４と投影光学系１０５とから構成される。光学系１０４は、光変調手段１０３の各光変調素子により変調された光束を回転多面鏡１０６の鏡面に導くための光学系である。投影光学系１０５は、回転多面鏡１０６の鏡面により走査（偏向）された高速を画像表示対象面としてのスクリーン面１０７に投影結像させるための光学系である。
【００１０】
光源１０１から発せられた光束（図中、一点鎖線）は、照明光学系１０２により光変調手段１０３の各光変調素子に導かれる。制御手段１０８により、回転多面鏡１０６の回転と同期がとられながら、光変調手段１０３の各光変調素子は画像信号に従って駆動される。走査光学系１１１においては、光変調手段１０３の光変調素子により変調された光束（図中、一点鎖線）が光学系１０４により回転多面鏡１０６の鏡面に導かれて光変調素子配列方向と直交する方向に走査され、投影光学系１０５によりスクリーン面１０７に投影結像される。スクリーン面１０７上の像の歪みの補正も走査光学系１１１により行われる。
【００１１】
なお、この実施の形態においては、走査光学系１１１に回転多面鏡１０６が用いられているが、これをガルバノミラーと置き換えることも可能であり、容易に可変速走査が可能になる。図示しないが、そのような実施の形態も本発明に当然に包含される。
【００１２】
光変調手段１０３には複数の１次元光変調素子アレーが並列配置される。その１次元光変調素子アレーとしては、反射型又は透過型の液晶光スイッチ素子、テキサスインスツルメンツ社から発売されているＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）のようなミラーデバイス、シリコンライトマシーン社より発表されたＧＬＶ（回折型光変調素子）等の光スイッチ素子を１次元配列したものを用いることができる。図示しないが、そのような１次元光変調素子アレーを用いる形態も当然に本発明に包含されるが、本実施の形態においては本出願人が特願２００１−１０８７０号により提案した光変調素子をアレー配置した１次元光変調素子アレーが用いられる。
【００１３】
この光変調素子は、図２に略示するように、基板上に形成したＶ字型溝５０１の上に両端固定梁構造のミラー５０２が形成され、このミラー５０２とＶ型溝の中に形成した電極間で静電アクチュエータを構成する（電極は図示せず）。この静電アクチュエータの作用で、ミラー５０２をＶ字型溝の壁面に当接させるように変形させ（図中、５０３）、ミラー５０２による光の反射方向を変えることで光束を変調するものである。
【００１４】
図３は、この光変調素子の動作を説明するための概略断面図である。電極に電圧を印加しない状態では、図３（ａ）に示すようにミラー５０２は平面を保っている。このときは入射光束はミラー面で正反射される。このときの反射光束の方向に走査光学系を配置すると、走査光束は「明」の状態になる。電極に当接電圧を印加すると、図３（ｂ）に示すように、ミラー５０３は変形しＶ字型溝の壁面に当接する。Ｖ字型溝の傾斜をθとすると、反射光束は、ミラーの変形前の光束の角度から±２θだけ向きを変えた方向に反射される。走査光学系がこのときの光束を取り込まないように角度θは設定することにより、反射光束は「暗」の状態になる。電極に中間的な電圧を印加すると、図３（ｃ）に示すようにミラー５０４を変形させることができ、走査光束は中間的な光量となる。これについて図４により具体的に説明する。
【００１５】
図４は、この光変調素子のミラーの大きさを１０μｍ×２５μｍ（固定端間が２５μｍ）、Ｖ字型溝の深さを０．８μｍとした場合の電極印加電圧とミラー中央部の落ち込み量の測定データを示している。図４を見ると、２０Ｖから４０Ｖの電圧の間でミラー中央部の落ちこみ量が単調に増加している。つまり、このような電圧範囲において、図３（ｃ）に示すようなミラーの中間的な変形状態を制御できるということである。この中間状態で、ミラーの変形しない部分からの反射光束を走査光学系に取りこむことにより、走査光束をアナログ変調することができる。
【００１６】
図５（ａ）に、光変調手段１０３に用いられる１次元光変調素子アレー２０１を示す。ここに示す１次元光変調素子アレー２０１は、図２乃至図４により説明した光変調素子を１５３６個、直線的に配列してなるものである。個々の光変調素子は２３μｍ×５０μｍの大きさの可動ミラー２０２（図２中の両端固定梁構造ミラー５０２に相当）を持ち、素子間の間隔は２μｍ、素子配列ピッチは２５μｍである。ただし、この数値はあくまで例示である。
【００１７】
光変調手段１０３においては、図５（ｂ）に示すように、６個のそのような１次元光変調素子アレー２０１−１〜２０１−６が並列配置されている。１次元変調素子アレー間の間隔は５０μｍであり、アレー配列ピッチは１００μｍである。つまり、アレー配列ピッチは、アレー配列方向の光変調素子サイズ（ミラー・サイズ５０μｍ）の大きさの２倍となっている。後述のように、アレー配列ピッチは、アレー配列方向の光変調素子サイズの整数倍とするのが好ましい。
【００１８】
図６は、照明手段１１０にマイクロレンズアレーを組み込んだ構成例を示す説明図である。図中の光変調素子アレー基板８０１上に１次元光変調素子アレー８０２が４列形成されている。そして、マイクロレンズアレーを構成する基板８０３上に、複数のマイクロレンズ８０４が、光変調素子アレー８０２の個々の光変調素子と光学的に１対１で対応するように配置形成されている。また、マイクロレンズ８０４の周囲、即ち互いに隣り合うマイクロレンズ８０４の間には、遮光部としての遮光膜８０５が形成されている。図中の矢印は光源からの光束を示している。光源からの光束はマイクロレンズ８０４によって集光され、対応する光変調素子８０２に導かれるため、光源からの光を無駄なく利用できる。また、遮光膜８０５によりマイクロレンズ８０４を通過しない光は光変調素子アレー基板８０１上に届かないので、迷光が少なくなり、コントラストが上昇する。
【００１９】
次に、解像度ＱＸＧＡ（１５３６×２０４８）の画像を投影する場合の動作について図７及び図８を参照して説明する。図７は、光変調手段１０３に１次元光変調素子アレーが１個しかない場合の動作を説明するための図であり、図８は本実施の形態における動作を説明するための図である。図７及び図８において、横軸は走査光学系１１１による走査方向のスクリーン面上の画素位置（画素番号１〜２０４８）を示し、縦軸は１フレーム時間内の走査時間分割（Ｔｉｍｅ１〜Ｔｉｍｅ２０４８）を示す。
【００２０】
まず、図７に基づき、光変調手段１０３に１次元光変調素子アレーが１個しかない場合の動作について説明する。１次元光変調素子アレーの先頭の光変調素子Ａ（図５（ａ）参照）に注目する。この光変調素子Ａで変調された光束は、フレーム時間内の最初の走査時間分割Ｔｉｍｅ１で、スクリーン面上の画素番号１の位置に結像する。つまり、このタイミングで、画素番号１の階調が得られるように光変調素子Ａは駆動される。光変調素子Ａによって変調された光束の結像位置は、後続の走査時間分割Ｔｉｍｅ２，Ｔｉｍｅ３，・・・・で画素番号２，３，・・・・の位置に順次移動し、フレーム時間内の最後の走査時間分割Ｔｉｍｅ２０４８で最後の画素番号２０４８の位置に結像する。１次元光変調素子アレー中の他の光変調素子により変調された光束についても同様であり、スクリーン面上に２次元画像が表示される。通常、フレーム周波数は６０Ｈｚとするので、１フレームを表示する時間は１／６０秒＝１６．７ｍｓｅｃである。この時間内に１次元光変調素子アレーは走査方向で２０４８画素列を表示しなければならないので、１画素列当たりの表示時間は１６．７／２０４８ｍｓｅｃ＝８．１５μｓｅｃとなる。この表示時間で２５６階調を表示するためには、１次元光変調素子アレーの各素子の応答時間は、表示時間の２０％とすると、光変調素子でアナログ的な変調（光量ゼロから光量最大まで実光量を変調）を行う場合には１．６３μｓｅｃで、光変調素子でデジタル的な変調（単位時間の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変調）を行う場合には０．００６３７μｓｅｃとなる。これは応答周波数ではそれぞれ６１３ｋＨｚと１５６ＭＨｚに相当する。
【００２１】
次に、図８に基づき、本実施の形態における動作について説明する。６個の１次元光変調素子アレー２０１−１〜２０１−６の先頭の光変調素子１Ａ〜６Ａ（図５（ｂ）を参照）に注目する。まず、光変調素子１Ａで変調された光束は、フレーム時間内の最初の走査時間分割Ｔｉｍｅ１で、スクリーン面上の画素番号１の位置に結像する。つまり、このタイミングで、画素番号１の階調が得られるように光変調素子１Ａは駆動される。光変調素子１Ａによって変調された光束の結像位置は、後続の走査時間分割Ｔｉｍｅ２，Ｔｉｍｅ３，・・・・で画素番号２，３，・・・・の位置に順次移動し、フレーム時間内の最後の走査時間分割Ｔｉｍｅ２０４８で最後の画素番号２０４８の位置に結像する。光変調素子２Ａにより変調された光束は、光変調素子１Ａからの光束が画素番号３の位置に結像する走査時間分割Ｔｉｍｅ３で画素番号１の位置に結像し、走査時間分割Ｔｉｍｅ４で画素番号２の位置に結像する。このように、光変調素子２Ａにより変調された光束の結像位置は、光変調素子１Ａに比べ走査時間分割で２つ遅れて順次移動し、走査時間分割Ｔｉｍｅ２０５０で最後の画素番号２０４８の位置に達する。光変調素子３Ａ〜６Ａ、及び、各１次元光変調素子アレーの他の光変調素子についても同様である。最終的に光変調素子６Ａからの光束が画素番号２０４８の位置に結像する時間分割数は２０５８であり、この時間分割数で１フレームを表示できる。
【００２２】
１フレーム内に置ける任意の画素位置の光束は、６個の１次元光変調素子アレーの対応した光変調素子（例えば１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ、５Ａ、６Ａ）からの光束の合計である。すなわち、この合計の光束で光量階調を表現できることになる。本実施の形態の場合、フレーム周波数を６０Ｈｚとすると、１フレームを表示する時間は１／６０秒＝１６．７ｍｓｅｃであり、この時間内に各１次元光変調素子アレーは走査方向で２０４８画素列を表示しなければならないので、光変調素子６Ａの場合を考慮すると１画素列当たりの表示時間は１６．７／２０５８ｍｓｅｃ＝８．１２μｓｅｃとなる。図７の場合と同様に２５６階調を表現する場合を考えると、制御手段１０８で各１次元光変調素子アレーの各素子をアナログ的な変調（光量ゼロから光量最大まで実光量を変調）を行わせるように駆動する場合には、各１次元光変調素子アレーの各素子の応答時間は、表示時間の２０％とすると、１．６３μｓｅｃ（応答周波数６１３ｋＨｚに相当）となり、光変調素子アレーが１列の場合と変わらない。しかし、各画素位置の光束は６倍となるのでの６倍明るい画像の表示が可能である。
【００２３】
一方、２５６階調を表現するとして、制御手段１０８で各１次元光変調素子アレーの各素子をデジタル的な変調（単位時間の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変調）を行わせるように駆動する場合には、各画素位置で６個の光変調素子からの光束をデジタル変調できるので、各１次元光変調素子アレイの各素子の応答時間は０．０３８μｓｅｃ（応答周波数２６．３ＭＨｚに相当する）となり、１次元光変調素子アレーが１個の場合よりも、明るさが６倍となり、光変調素子に要求される応答周波数も６分の１に下がる。
【００２４】
また、ここまでの説明から明らかなように、複数の１次元光変調素子アレーを並列配置し、その配列ピッチを１次元光変調素子アレーの素子配列方向の素子サイズの整数倍とすると、光変調素子の制御の面でも有利である。すなわち、図８において、例えば光変調素子３Ａからの光束が画素番号１の位置に結像しているときに、光変調素子２Ａからの光束は画素番号３の位置、光変調素子１Ａからの光束は画素番号５の位置にそれぞれ結像するので、光変調素子１Ａ，２Ａ，３Ａを同時に画素番号１，３，５に当たる制御信号で制御することが出来るため、各１次元光変調素子アレーの制御が効率的である。
【００２５】
なお、光変調手段１０３を構成する１次元光変調素子アレーの個数は６個に限定されるわけではない。また、光変調手段１０３に、カラーフィルタを取り付けた１次元光変調アレーを用いることにより、カラー画像の表示も可能である。この場合、以上に述べた構成をＲ，Ｇ，Ｂ各色について適用すればよい。また、１次元光変調素子アレーの前段又は後段にカラーホイールを設け、時分割でＲ，Ｇ，Ｂ各色の光束を変調することによってカラー画像を形成することも可能である。このようなカラー画像を表示する形態も当然に本発明に包含される。
【００２６】
以上、本実施形態によれば、並列配置された複数の１次元光変調素子アレー２０１中の各光変調素子により変調された光束を、１次元光変調素子アレー２０１の光変調素子の配列方向と直交する方向に走査する。そして、表示される画像を構成する各画素に対して、複数の１次元光変調素子アレー２０１中の各光変調素子により変調された複数の光束を重ねて照射することができる。従って、各光変調素子をアナログ変調するときは、一つの１次元光変調素子アレーを用いる場合に比して、明るい画像表示が可能となる。また、各光変調素子をアナログ変調するときは、一つの１次元光変調素子アレーを用いる場合に比して、１次元光変調素子アレーの各光変調素子の応答速度を高めることなく多階調の画像表示が可能となる。
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレー２０１の配列ピッチを、光変調素子の配列方向における光変調素子の大きさの整数倍にすることにより、光変調素子の駆動を効率的に制御することができる。
また、本実施形態によれば、走査光学系として、走査した光束をスクリーン面などに投影結像するための投影光学系を用いることにより、スクリーン面などの画像表示対象面に投影される画像の大きさを任意に変えることができる。
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレー２０１の光変調素子として、可動ミラーにより光束の反射方向を変化させることによって変調する素子を用いることにより、光変調素子の光利用効率が高いため、明るい画像表示が可能となる。
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレー２０１の各光変調素子として、静電力により可動ミラーを駆動する素子を用いることにより、１次元光変調素子アレー２０１をＳｉ半導体デバイス製造技術によって高密度に作成することができる。
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレー２０１の各光変調素子として、液晶光スイッチ素子を用いることにより、１次元光変調素子アレー２０１を歩留まり良く作成できる。
また、本実施形態によれば、照明手段にマイクロレンズアレーを用いることにより、照明手段からの光に対する利用効率を高めることができる。
また、本実施形態によれば、マイクロレンズアレーの各マイクロレンズ８０３の周囲からの光を遮光部（遮光膜８０５）で遮光することにより、迷光が少なく高いコントラストの画像表示が可能となる。
また、本実施形態によれば、走査光学系に回転多面鏡を用いることにより、走査光学系で高速な走査が可能になる。
また、本実施形態によれば、走査光学系にガルバノミラーを用いることにより、走査光学系で容易に可変速走査が可能になる。
【００２７】
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレーの光変調素子で、光束の光量を光量ゼロから光量最大まで変化させるアナログ変調を行うことにより、アナログ変調による滑らかな階調表現ができる。
この場合、１次元光変調素子アレー２０１の各光変調素子によってｍ階調のアナログ変調を行い、１次元光変調素子アレー２０１の個数をｎ個とし、各画素について、各１次元光変調素子アレー２０１の互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することにより、１画素当たりの階調数として、ｎ×ｍ階調の高い階調数を得ることができる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレー２０１の光変調素子で、単位時間内で時分割駆動し、単位時間における光束の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変化させるデジタル変調を行うことにより、デジタル処理により光変調素子の制御信号をデジタル処理できる。
この場合、１次元光変調素子アレー２０１の各光変調素子によってｍ階調のデジタル変調を行い、１次元光変調素子アレー２０１の個数をｎ個とし、各画素について、各１次元光変調素子アレーの互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することにより、１画素当たりの階調数として、ｎ×ｍ階調の高い階調数を得ることができる。
【００２９】
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレー２０１の光変調素子で、上記アナログ変調と上記デジタル変調の組み合わせからなる変調を行うこともできる。この場合は、光変調素子の制御信号をデジタル化できるとともに滑らかな階調表現ができる。
この場合、１次元光変調素子アレー２０１の各光変調素子によってｍ階調のアナログ変調とＬ階調のデジタル変調とを行い、１次元光変調素子アレーの個数をｎ個とし、各画素について、各１次元光変調素子アレーの互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することにより、１画素当たりの階調数として、ｎ×ｍ×Ｌ階調の高い階調数を得ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上、請求項１乃至１６の発明によれば、各光変調素子をアナログ変調するときは、一つの１次元光変調素子アレーを用いる場合に比して、明るい画像表示が可能となる。また、各光変調素子をアナログ変調するときは、一つの１次元光変調素子アレーを用いる場合に比して、１次元光変調素子アレーの各光変調素子の応答速度を高めることなく多階調の画像表示が可能となるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光走査装置の概略構成図。
【図２】光変調素子の一例を示す概略斜視図。
【図３】図２に示す光変調素子の動作説明のための概略断面図。
【図４】図２に示す光変調素子の駆動電圧とミラー変位量の測定結果を示すグラフ。
【図５】光変調手段に用いられる１次元光変調素子アレーとその配列形態を示す説明図。
【図６】照明手段にマイクロレンズアレーを組み込んだ構成例を示す説明図。
【図７】従来例に係る１次元光変調素子アレーが１個のみの場合の走査動作の説明図。
【図８】本実施形態に係る６個の１次元光変調素子アレーを用いる場合の走査動作の説明図。
【符号の説明】
１０３ 光変調手段
１１０ 照明手段
１０５ 投影光学系
１０６ 回転多面鏡
１０７ スクリーン面
１０８ 制御手段
１１１ 走査光学系
２０１ １次元光変調素子アレー
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリーン面などに画像を拡大投影するための光走査装置に係り、特に１次元光変調素子アレーを用いる光走査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、単一の１次元光変調素子アレーからの光束を走査しながらスクリーン上に２次元の画像を拡大表示する光走査装置が知られている。例えば、特許文献１及び非特許文献１には、回折格子面を有する光変調素子を１次元状に複数並べた光走査装置が開示されている。また、本出願人は、特願２００２−００７２０４号において、光利用効率の高いミラー型の光変調素子を１次元状に複数並べた光走査装置を提案している。これらの光走査装置では、上記１次元光変調素子アレーからの光束を、光変調素子の並び方向と直交する方向に偏向して走査しながらスクリーン上に結像させることにより、スクリーン面上に２次元の画像を拡大表示することができる。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５，３１１，３６０号明細書
【非特許文献１】
Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｈｉｌｔｏｎ Ｈｅａｄ Ｉｓｌａｎｄ，ＳＣ Ｊｕｎｅ １３−１６，１９９４
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記単一の１次元光変調素子アレーを用いた光走査装置では、各画素における光量が不足する場合があるという問題点が残されていた。
更に、この光走査装置では、１次元光変調素子アレを構成する光変調素子の応答速度に関して以下のような問題点が残されていた。ここで、光変調素子の総数が１５３６個（１５３６画素）の１次元光変調素子アレーを用い、光束の走査方向で２０４８画素の表示を行う場合、つまり、ＱＸＧＡ（１５３６×２０４８画素）の解像度の２次元画像を表示する場合を考える。この場合、各光変調素子（光スイッチ素子）に要求される応答速度（スイッチ速度）は以下のように見積ることができる。
２次元画像のフレーム周波数を一般的な６０Ｈｚとすると、２次元画像の１フレームを表示する時間は１／６０秒＝１６．７ｍｓｅｃである。この時間内で１次元光変調素子アレーは走査方向に２０４８画素列を表示しなければならないので、１画素列当たりの表示時間は（１６．７／２０４８）ｍｓｅｃ＝８．１５μｓｅｃとなる。この表示時間内で２５６階調を表示するための各光変調素子の応答時間は、各画素の表示時間の２０％とすれば、次のようになる。例えば、光量ゼロから光量最大まで変調するアナログ変調を行う場合は１．６３μｓｅｃとなる。また、単位時間の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変調するデジタル変調を行う場合は０．００６３７μｓｅｃとなる。これらの応答時間は応答周波数でそれぞれ６１３ｋＨｚと１５６ＭＨｚに相当する。このように、特にデジタル変調する場合に高い階調の画像を得ようとすると光スイッチデバイスで高い応答周波数が要求されるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、以上の問題点に鑑みなされたものである。本発明の目的は、従来の１次元光変調素子アレーを用いた光走査装置に比して、各画素に走査される走査光の光量を高めることができ、しかも各光変調素子の応答速度を上げることなく多階調の画像表示が可能となる光走査装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、複数の光変調素子が１次元的に並んだ１次元光変調素子アレーを有する光変調手段と、該１次元光変調素子アレーを照明する照明手段と、該１次元光変調素子アレー中の各光変調素子により変調された光束を、該変調素子の配列方向と直交する方向に偏向して走査する走査光学系とを有する光走査装置であって、上記１次元光変調素子アレーを、上記変調素子の配列方向と直交する方向に複数配列し、各１次元光変調素子アレーにより変調された光束を画素上に重ねて照射可能に構成したことを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの配列ピッチは、上記光変調素子の配列方向における該光変調素子の大きさの整数倍であることを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１又は２の光走査装置において、上記走査光学系は、上記走査光学系で走査した光束を画像表示対象面に投影結像するための投影光学系を有することを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、請求項１、２又は３の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、可動ミラーにより光束の反射方向を変化させることによって変調する素子であることを特徴とするものである。
また、請求項５の発明は、請求項４の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、静電力により可動ミラーを駆動する素子であることを特徴とするものである。
また、請求項６の発明は、請求項１、２又は３の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、液晶光スイッチ素子であることを特徴とするものである。
また、請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかの光走査装置において、前記照明手段は、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子それぞれに一対一に対応する複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレーを備えたことを特徴とするものである。
また、請求項８の発明は、請求項７の光走査装置において、上記マイクロレンズアレーは、互いに隣り合うマイクロレンズの間に遮光部を有することを特徴とするものである。
また、請求項９の発明は、請求項１乃至８のいずれかの光走査装置において、上記走査光学系は、回転多面鏡を用いて構成されていることを特徴とするものである。
また、請求項１０の発明は、請求項１乃至８のいずれかの光走査装置において、上記走査光学系は、ガルバノミラーを用いて構成されていることを特徴とするものである。
また、請求項１１の発明は、請求項１乃至１０のいずれかの光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、光束の光量を光量ゼロから光量最大まで変化させるアナログ変調を行うことを特徴とするものである。
また、請求項１２の発明は、請求項１１の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子によってｍ階調のアナログ変調を行い、該１次元光変調素子アレーの個数をｎ個とし、各画素について、各１次元光変調素子アレーの互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することを特徴とするものである。
また、請求項１３の発明は、請求項１乃至１０のいずれかの光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、単位時間内で時分割駆動され単位時間における光束の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変化させるデジタル変調を行うことを特徴とするものである。
また、請求項１４の発明は、請求項１３の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子によってｍ階調のデジタル変調を行い、該１次元光変調素子アレーの個数をｎ個とし、各画素について、各１次元光変調素子アレーの互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することを特徴とするものである。
また、請求項１５の発明は、請求項１乃至１０のいずれかの光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、光束の光量を光量ゼロから光量最大まで変化させるアナログ変調と、単位時間内で時分割駆動され単位時間における光束の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変化させるデジタル変調とを組み合わせた変調を行うことを特徴とするものである。
また、請求項１６の発明は、請求項１５の光走査装置において、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子によってｍ階調のアナログ変調とＬ階調のデジタル変調とを行い、該１次元光変調素子アレーの個数をｎ個とし、各画素について、各１次元光変調素子アレーの互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することを特徴とするものである。
【０００７】
請求項１乃至１６の光走査装置では、並列配置された複数の１次元光変調素子アレー中の各光変調素子により変調された光束を、１次元光変調素子アレーの光変調素子の配列方向と直交する方向に走査する。そして、画像を構成する各画素に対して、複数の１次元光変調素子アレー中の各光変調素子により変調された複数の光束を重ねて照射することができる。従って、各光変調素子をアナログ変調する場合は、単一の１次元光変調素子アレーを用いる場合に比して、明るい画像表示が可能となる。また、各光変調素子をデジタル変調する場合は、単一の１次元光変調素子アレーを用いる場合に比して、１次元光変調素子アレーの各光変調素子の応答速度を高めることなく多階調の画像表示が可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の１つの実施の形態に係る光走査装置を示す概略構成図である。この実施の形態における光走査装置は、光変調手段１０３と照明手段１１０と走査光学系１１１と制御手段１０８とを備えている。光変調手段１０３は、複数個の１次元光変調素子アレーを並列配置したものである。照明手段１１０は、光変調手段１０３の各光変調素子を照明するものである。走査光学系１１１は、光変調手段１０３の各光変調素子により変調された光束を１次元光変調素子アレーの素子配列方向と直交する方向に走査するものである。制御手段１０８は、光変調手段１０３及び走査光学系１１１の動作を制御するものである。
【０００９】
上記照明手段１１０は、光源１０１と、それが発した光束を光変調手段１０３の各光変調素子に導くための照明光学系１０２とから構成される。
上記走査光学系１１１は、高速回転する回転多面鏡１０６と光学系１０４と投影光学系１０５とから構成される。光学系１０４は、光変調手段１０３の各光変調素子により変調された光束を回転多面鏡１０６の鏡面に導くための光学系である。投影光学系１０５は、回転多面鏡１０６の鏡面により走査（偏向）された高速を画像表示対象面としてのスクリーン面１０７に投影結像させるための光学系である。
【００１０】
光源１０１から発せられた光束（図中、一点鎖線）は、照明光学系１０２により光変調手段１０３の各光変調素子に導かれる。制御手段１０８により、回転多面鏡１０６の回転と同期がとられながら、光変調手段１０３の各光変調素子は画像信号に従って駆動される。走査光学系１１１においては、光変調手段１０３の光変調素子により変調された光束（図中、一点鎖線）が光学系１０４により回転多面鏡１０６の鏡面に導かれて光変調素子配列方向と直交する方向に走査され、投影光学系１０５によりスクリーン面１０７に投影結像される。スクリーン面１０７上の像の歪みの補正も走査光学系１１１により行われる。
【００１１】
なお、この実施の形態においては、走査光学系１１１に回転多面鏡１０６が用いられているが、これをガルバノミラーと置き換えることも可能であり、容易に可変速走査が可能になる。図示しないが、そのような実施の形態も本発明に当然に包含される。
【００１２】
光変調手段１０３には複数の１次元光変調素子アレーが並列配置される。その１次元光変調素子アレーとしては、反射型又は透過型の液晶光スイッチ素子、テキサスインスツルメンツ社から発売されているＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）のようなミラーデバイス、シリコンライトマシーン社より発表されたＧＬＶ（回折型光変調素子）等の光スイッチ素子を１次元配列したものを用いることができる。図示しないが、そのような１次元光変調素子アレーを用いる形態も当然に本発明に包含されるが、本実施の形態においては本出願人が特願２００１−１０８７０号により提案した光変調素子をアレー配置した１次元光変調素子アレーが用いられる。
【００１３】
この光変調素子は、図２に略示するように、基板上に形成したＶ字型溝５０１の上に両端固定梁構造のミラー５０２が形成され、このミラー５０２とＶ型溝の中に形成した電極間で静電アクチュエータを構成する（電極は図示せず）。この静電アクチュエータの作用で、ミラー５０２をＶ字型溝の壁面に当接させるように変形させ（図中、５０３）、ミラー５０２による光の反射方向を変えることで光束を変調するものである。
【００１４】
図３は、この光変調素子の動作を説明するための概略断面図である。電極に電圧を印加しない状態では、図３（ａ）に示すようにミラー５０２は平面を保っている。このときは入射光束はミラー面で正反射される。このときの反射光束の方向に走査光学系を配置すると、走査光束は「明」の状態になる。電極に当接電圧を印加すると、図３（ｂ）に示すように、ミラー５０３は変形しＶ字型溝の壁面に当接する。Ｖ字型溝の傾斜をθとすると、反射光束は、ミラーの変形前の光束の角度から±２θだけ向きを変えた方向に反射される。走査光学系がこのときの光束を取り込まないように角度θは設定することにより、反射光束は「暗」の状態になる。電極に中間的な電圧を印加すると、図３（ｃ）に示すようにミラー５０４を変形させることができ、走査光束は中間的な光量となる。これについて図４により具体的に説明する。
【００１５】
図４は、この光変調素子のミラーの大きさを１０μｍ×２５μｍ（固定端間が２５μｍ）、Ｖ字型溝の深さを０．８μｍとした場合の電極印加電圧とミラー中央部の落ち込み量の測定データを示している。図４を見ると、２０Ｖから４０Ｖの電圧の間でミラー中央部の落ちこみ量が単調に増加している。つまり、このような電圧範囲において、図３（ｃ）に示すようなミラーの中間的な変形状態を制御できるということである。この中間状態で、ミラーの変形しない部分からの反射光束を走査光学系に取りこむことにより、走査光束をアナログ変調することができる。
【００１６】
図５（ａ）に、光変調手段１０３に用いられる１次元光変調素子アレー２０１を示す。ここに示す１次元光変調素子アレー２０１は、図２乃至図４により説明した光変調素子を１５３６個、直線的に配列してなるものである。個々の光変調素子は２３μｍ×５０μｍの大きさの可動ミラー２０２（図２中の両端固定梁構造ミラー５０２に相当）を持ち、素子間の間隔は２μｍ、素子配列ピッチは２５μｍである。ただし、この数値はあくまで例示である。
【００１７】
光変調手段１０３においては、図５（ｂ）に示すように、６個のそのような１次元光変調素子アレー２０１−１〜２０１−６が並列配置されている。１次元変調素子アレー間の間隔は５０μｍであり、アレー配列ピッチは１００μｍである。つまり、アレー配列ピッチは、アレー配列方向の光変調素子サイズ（ミラー・サイズ５０μｍ）の大きさの２倍となっている。後述のように、アレー配列ピッチは、アレー配列方向の光変調素子サイズの整数倍とするのが好ましい。
【００１８】
図６は、照明手段１１０にマイクロレンズアレーを組み込んだ構成例を示す説明図である。図中の光変調素子アレー基板８０１上に１次元光変調素子アレー８０２が４列形成されている。そして、マイクロレンズアレーを構成する基板８０３上に、複数のマイクロレンズ８０４が、光変調素子アレー８０２の個々の光変調素子と光学的に１対１で対応するように配置形成されている。また、マイクロレンズ８０４の周囲、即ち互いに隣り合うマイクロレンズ８０４の間には、遮光部としての遮光膜８０５が形成されている。図中の矢印は光源からの光束を示している。光源からの光束はマイクロレンズ８０４によって集光され、対応する光変調素子８０２に導かれるため、光源からの光を無駄なく利用できる。また、遮光膜８０５によりマイクロレンズ８０４を通過しない光は光変調素子アレー基板８０１上に届かないので、迷光が少なくなり、コントラストが上昇する。
【００１９】
次に、解像度ＱＸＧＡ（１５３６×２０４８）の画像を投影する場合の動作について図７及び図８を参照して説明する。図７は、光変調手段１０３に１次元光変調素子アレーが１個しかない場合の動作を説明するための図であり、図８は本実施の形態における動作を説明するための図である。図７及び図８において、横軸は走査光学系１１１による走査方向のスクリーン面上の画素位置（画素番号１〜２０４８）を示し、縦軸は１フレーム時間内の走査時間分割（Ｔｉｍｅ１〜Ｔｉｍｅ２０４８）を示す。
【００２０】
まず、図７に基づき、光変調手段１０３に１次元光変調素子アレーが１個しかない場合の動作について説明する。１次元光変調素子アレーの先頭の光変調素子Ａ（図５（ａ）参照）に注目する。この光変調素子Ａで変調された光束は、フレーム時間内の最初の走査時間分割Ｔｉｍｅ１で、スクリーン面上の画素番号１の位置に結像する。つまり、このタイミングで、画素番号１の階調が得られるように光変調素子Ａは駆動される。光変調素子Ａによって変調された光束の結像位置は、後続の走査時間分割Ｔｉｍｅ２，Ｔｉｍｅ３，・・・・で画素番号２，３，・・・・の位置に順次移動し、フレーム時間内の最後の走査時間分割Ｔｉｍｅ２０４８で最後の画素番号２０４８の位置に結像する。１次元光変調素子アレー中の他の光変調素子により変調された光束についても同様であり、スクリーン面上に２次元画像が表示される。通常、フレーム周波数は６０Ｈｚとするので、１フレームを表示する時間は１／６０秒＝１６．７ｍｓｅｃである。この時間内に１次元光変調素子アレーは走査方向で２０４８画素列を表示しなければならないので、１画素列当たりの表示時間は１６．７／２０４８ｍｓｅｃ＝８．１５μｓｅｃとなる。この表示時間で２５６階調を表示するためには、１次元光変調素子アレーの各素子の応答時間は、表示時間の２０％とすると、光変調素子でアナログ的な変調（光量ゼロから光量最大まで実光量を変調）を行う場合には１．６３μｓｅｃで、光変調素子でデジタル的な変調（単位時間の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変調）を行う場合には０．００６３７μｓｅｃとなる。これは応答周波数ではそれぞれ６１３ｋＨｚと１５６ＭＨｚに相当する。
【００２１】
次に、図８に基づき、本実施の形態における動作について説明する。６個の１次元光変調素子アレー２０１−１〜２０１−６の先頭の光変調素子１Ａ〜６Ａ（図５（ｂ）を参照）に注目する。まず、光変調素子１Ａで変調された光束は、フレーム時間内の最初の走査時間分割Ｔｉｍｅ１で、スクリーン面上の画素番号１の位置に結像する。つまり、このタイミングで、画素番号１の階調が得られるように光変調素子１Ａは駆動される。光変調素子１Ａによって変調された光束の結像位置は、後続の走査時間分割Ｔｉｍｅ２，Ｔｉｍｅ３，・・・・で画素番号２，３，・・・・の位置に順次移動し、フレーム時間内の最後の走査時間分割Ｔｉｍｅ２０４８で最後の画素番号２０４８の位置に結像する。光変調素子２Ａにより変調された光束は、光変調素子１Ａからの光束が画素番号３の位置に結像する走査時間分割Ｔｉｍｅ３で画素番号１の位置に結像し、走査時間分割Ｔｉｍｅ４で画素番号２の位置に結像する。このように、光変調素子２Ａにより変調された光束の結像位置は、光変調素子１Ａに比べ走査時間分割で２つ遅れて順次移動し、走査時間分割Ｔｉｍｅ２０５０で最後の画素番号２０４８の位置に達する。光変調素子３Ａ〜６Ａ、及び、各１次元光変調素子アレーの他の光変調素子についても同様である。最終的に光変調素子６Ａからの光束が画素番号２０４８の位置に結像する時間分割数は２０５８であり、この時間分割数で１フレームを表示できる。
【００２２】
１フレーム内に置ける任意の画素位置の光束は、６個の１次元光変調素子アレーの対応した光変調素子（例えば１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ、５Ａ、６Ａ）からの光束の合計である。すなわち、この合計の光束で光量階調を表現できることになる。本実施の形態の場合、フレーム周波数を６０Ｈｚとすると、１フレームを表示する時間は１／６０秒＝１６．７ｍｓｅｃであり、この時間内に各１次元光変調素子アレーは走査方向で２０４８画素列を表示しなければならないので、光変調素子６Ａの場合を考慮すると１画素列当たりの表示時間は１６．７／２０５８ｍｓｅｃ＝８．１２μｓｅｃとなる。図７の場合と同様に２５６階調を表現する場合を考えると、制御手段１０８で各１次元光変調素子アレーの各素子をアナログ的な変調（光量ゼロから光量最大まで実光量を変調）を行わせるように駆動する場合には、各１次元光変調素子アレーの各素子の応答時間は、表示時間の２０％とすると、１．６３μｓｅｃ（応答周波数６１３ｋＨｚに相当）となり、光変調素子アレーが１列の場合と変わらない。しかし、各画素位置の光束は６倍となるのでの６倍明るい画像の表示が可能である。
【００２３】
一方、２５６階調を表現するとして、制御手段１０８で各１次元光変調素子アレーの各素子をデジタル的な変調（単位時間の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変調）を行わせるように駆動する場合には、各画素位置で６個の光変調素子からの光束をデジタル変調できるので、各１次元光変調素子アレイの各素子の応答時間は０．０３８μｓｅｃ（応答周波数２６．３ＭＨｚに相当する）となり、１次元光変調素子アレーが１個の場合よりも、明るさが６倍となり、光変調素子に要求される応答周波数も６分の１に下がる。
【００２４】
また、ここまでの説明から明らかなように、複数の１次元光変調素子アレーを並列配置し、その配列ピッチを１次元光変調素子アレーの素子配列方向の素子サイズの整数倍とすると、光変調素子の制御の面でも有利である。すなわち、図８において、例えば光変調素子３Ａからの光束が画素番号１の位置に結像しているときに、光変調素子２Ａからの光束は画素番号３の位置、光変調素子１Ａからの光束は画素番号５の位置にそれぞれ結像するので、光変調素子１Ａ，２Ａ，３Ａを同時に画素番号１，３，５に当たる制御信号で制御することが出来るため、各１次元光変調素子アレーの制御が効率的である。
【００２５】
なお、光変調手段１０３を構成する１次元光変調素子アレーの個数は６個に限定されるわけではない。また、光変調手段１０３に、カラーフィルタを取り付けた１次元光変調アレーを用いることにより、カラー画像の表示も可能である。この場合、以上に述べた構成をＲ，Ｇ，Ｂ各色について適用すればよい。また、１次元光変調素子アレーの前段又は後段にカラーホイールを設け、時分割でＲ，Ｇ，Ｂ各色の光束を変調することによってカラー画像を形成することも可能である。このようなカラー画像を表示する形態も当然に本発明に包含される。
【００２６】
以上、本実施形態によれば、並列配置された複数の１次元光変調素子アレー２０１中の各光変調素子により変調された光束を、１次元光変調素子アレー２０１の光変調素子の配列方向と直交する方向に走査する。そして、表示される画像を構成する各画素に対して、複数の１次元光変調素子アレー２０１中の各光変調素子により変調された複数の光束を重ねて照射することができる。従って、各光変調素子をアナログ変調するときは、一つの１次元光変調素子アレーを用いる場合に比して、明るい画像表示が可能となる。また、各光変調素子をアナログ変調するときは、一つの１次元光変調素子アレーを用いる場合に比して、１次元光変調素子アレーの各光変調素子の応答速度を高めることなく多階調の画像表示が可能となる。
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレー２０１の配列ピッチを、光変調素子の配列方向における光変調素子の大きさの整数倍にすることにより、光変調素子の駆動を効率的に制御することができる。
また、本実施形態によれば、走査光学系として、走査した光束をスクリーン面などに投影結像するための投影光学系を用いることにより、スクリーン面などの画像表示対象面に投影される画像の大きさを任意に変えることができる。
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレー２０１の光変調素子として、可動ミラーにより光束の反射方向を変化させることによって変調する素子を用いることにより、光変調素子の光利用効率が高いため、明るい画像表示が可能となる。
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレー２０１の各光変調素子として、静電力により可動ミラーを駆動する素子を用いることにより、１次元光変調素子アレー２０１をＳｉ半導体デバイス製造技術によって高密度に作成することができる。
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレー２０１の各光変調素子として、液晶光スイッチ素子を用いることにより、１次元光変調素子アレー２０１を歩留まり良く作成できる。
また、本実施形態によれば、照明手段にマイクロレンズアレーを用いることにより、照明手段からの光に対する利用効率を高めることができる。
また、本実施形態によれば、マイクロレンズアレーの各マイクロレンズ８０３の周囲からの光を遮光部（遮光膜８０５）で遮光することにより、迷光が少なく高いコントラストの画像表示が可能となる。
また、本実施形態によれば、走査光学系に回転多面鏡を用いることにより、走査光学系で高速な走査が可能になる。
また、本実施形態によれば、走査光学系にガルバノミラーを用いることにより、走査光学系で容易に可変速走査が可能になる。
【００２７】
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレーの光変調素子で、光束の光量を光量ゼロから光量最大まで変化させるアナログ変調を行うことにより、アナログ変調による滑らかな階調表現ができる。
この場合、１次元光変調素子アレー２０１の各光変調素子によってｍ階調のアナログ変調を行い、１次元光変調素子アレー２０１の個数をｎ個とし、各画素について、各１次元光変調素子アレー２０１の互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することにより、１画素当たりの階調数として、ｎ×ｍ階調の高い階調数を得ることができる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレー２０１の光変調素子で、単位時間内で時分割駆動し、単位時間における光束の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変化させるデジタル変調を行うことにより、デジタル処理により光変調素子の制御信号をデジタル処理できる。
この場合、１次元光変調素子アレー２０１の各光変調素子によってｍ階調のデジタル変調を行い、１次元光変調素子アレー２０１の個数をｎ個とし、各画素について、各１次元光変調素子アレーの互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することにより、１画素当たりの階調数として、ｎ×ｍ階調の高い階調数を得ることができる。
【００２９】
また、本実施形態によれば、１次元光変調素子アレー２０１の光変調素子で、上記アナログ変調と上記デジタル変調の組み合わせからなる変調を行うこともできる。この場合は、光変調素子の制御信号をデジタル化できるとともに滑らかな階調表現ができる。
この場合、１次元光変調素子アレー２０１の各光変調素子によってｍ階調のアナログ変調とＬ階調のデジタル変調とを行い、１次元光変調素子アレーの個数をｎ個とし、各画素について、各１次元光変調素子アレーの互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することにより、１画素当たりの階調数として、ｎ×ｍ×Ｌ階調の高い階調数を得ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上、請求項１乃至１６の発明によれば、各光変調素子をアナログ変調するときは、一つの１次元光変調素子アレーを用いる場合に比して、明るい画像表示が可能となる。また、各光変調素子をアナログ変調するときは、一つの１次元光変調素子アレーを用いる場合に比して、１次元光変調素子アレーの各光変調素子の応答速度を高めることなく多階調の画像表示が可能となるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光走査装置の概略構成図。
【図２】光変調素子の一例を示す概略斜視図。
【図３】図２に示す光変調素子の動作説明のための概略断面図。
【図４】図２に示す光変調素子の駆動電圧とミラー変位量の測定結果を示すグラフ。
【図５】光変調手段に用いられる１次元光変調素子アレーとその配列形態を示す説明図。
【図６】照明手段にマイクロレンズアレーを組み込んだ構成例を示す説明図。
【図７】従来例に係る１次元光変調素子アレーが１個のみの場合の走査動作の説明図。
【図８】本実施形態に係る６個の１次元光変調素子アレーを用いる場合の走査動作の説明図。
【符号の説明】
１０３ 光変調手段
１１０ 照明手段
１０５ 投影光学系
１０６ 回転多面鏡
１０７ スクリーン面
１０８ 制御手段
１１１ 走査光学系
２０１ １次元光変調素子アレー
Claims (16)
- 複数の光変調素子が１次元的に並んだ１次元光変調素子アレーを有する光変調手段と、該１次元光変調素子アレーを照明する照明手段と、該１次元光変調素子アレー中の各光変調素子により変調された光束を、該変調素子の配列方向と直交する方向に偏向して走査する走査光学系とを有する光走査装置であって、
上記１次元光変調素子アレーを、上記変調素子の配列方向と直交する方向に複数配列し、
各１次元光変調素子アレーにより変調された光束を画素上に重ねて照射可能に構成したことを特徴とする光走査装置。 - 請求項１の光走査装置において、
上記１次元光変調素子アレーの配列ピッチは、上記光変調素子の配列方向における該光変調素子の大きさの整数倍であることを特徴とする光走査装置。 - 請求項１又は２の光走査装置において、
上記走査光学系は、上記走査光学系で走査した光束を画像表示対象面に投影結像するための投影光学系を有することを特徴とする光走査装置。 - 請求項１、２又は３の光走査装置において、
上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、可動ミラーにより光束の反射方向を変化させることによって変調する素子であることを特徴とする光走査装置。 - 請求項４の光走査装置において、
上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、静電力により可動ミラーを駆動する素子であることを特徴とする光走査装置。 - 請求項１、２又は３の光走査装置において、
上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、液晶光スイッチ素子であることを特徴とする光走査装置。 - 請求項１乃至６のいずれかの光走査装置において、
前記照明手段は、上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子それぞれに一対一に対応する複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレーを備えたことを特徴とする光走査装置。 - 請求項７の光走査装置において、
上記マイクロレンズアレーは、互いに隣り合うマイクロレンズの間に遮光部を有することを特徴とする光走査装置。 - 請求項１乃至８のいずれかの光走査装置において、
上記走査光学系は、回転多面鏡を用いて構成されていることを特徴とする光走査装置。 - 請求項１乃至８のいずれかの光走査装置において、
上記走査光学系は、ガルバノミラーを用いて構成されていることを特徴とする光走査装置。 - 請求項１乃至１０のいずれかの光走査装置において、
上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、光束の光量を光量ゼロから光量最大まで変化させるアナログ変調を行うことを特徴とする光走査装置。 - 請求項１１の光走査装置において、
上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子によってｍ階調のアナログ変調を行い、
該１次元光変調素子アレーの個数をｎ個とし、
各画素について、各１次元光変調素子アレーの互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することを特徴とする光走査装置。 - 請求項１乃至１０のいずれかの光走査装置において、
上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、単位時間内で時分割駆動され単位時間における光束の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変化させるデジタル変調を行うことを特徴とする光走査装置。 - 請求項１３の光走査装置において、
上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子によってｍ階調のデジタル変調を行い、
該１次元光変調素子アレーの個数をｎ個とし、
各画素について、各１次元光変調素子アレーの互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することを特徴とする光走査装置。 - 請求項１乃至１０のいずれかの光走査装置において、
上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子は、光束の光量を光量ゼロから光量最大まで変化させるアナログ変調と、単位時間内で時分割駆動され単位時間における光束の積分光量を光量ゼロから光量最大まで段階的に変化させるデジタル変調とを組み合わせた変調を行うことを特徴とする光走査装置。 - 請求項１５の光走査装置において、
上記１次元光変調素子アレーの各光変調素子によってｍ階調のアナログ変調とＬ階調のデジタル変調とを行い、
該１次元光変調素子アレーの個数をｎ個とし、
各画素について、各１次元光変調素子アレーの互いに対応する光変調素子で変調された光束を重畳して照射することを特徴とする光走査装置。
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