JP2004138881A - 画像投影表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光偏向素子を１次元又は２次元に並べて構成される光偏向アレーを用いた画像投影表示装置は、幾つか実用化されてはいるが、低コストで簡単な構成のものは示されたものがない。
【解決手段】平行光に整形された白色光が、４方向の偏向方向を有する光偏向アレー１０にほぼ正面から入射される。３原色の赤の色情報で特定の偏向方向に偏向された光束ＬＲは、光路中のカラーフィルタＦＲと、第１のフィールドレンズ１１、投影レンズ１２Ｒ、第２のフィールドレンズ１３を経て画像表示部１４に至り、光偏向素子を１つの画素とした色情報が画像表示部１４上に結像される。他の色についても同様に画像表示部１４上に時間順次に重ね合わせられ、カラー画像として認識される。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、入射光に対する出射光の方向を変えることのできる光偏向素子を、１次元または２次元にアレー状に並べた光偏向アレーを用いた画像投影表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
入射光を複数の所定の方向へ偏向する光偏向素子、および、複数の光偏向素子を１次元または２次元にアレー状に並べる光偏向アレーが知られている（例えば、特許文献１　参照。）。また、そのような光偏向アレーを用いた画像表示装置も特願２００１−３４９４１５、特願２００２−９５９７３、特願２００２−１７８２１６等に記載されている。
【０００３】
上記文献等に示される光偏向素子には、１つの軸を中心に２方向に光偏向可能な素子、２軸或いはそれ以上の多軸を中心に、より多くの方向に偏向可能な素子等がある。画像表示装置として用いられる光偏向アレーは、単色表示であれば１軸の光偏向素子を用いたアレーで十分であるが、カラー画像を表示するためには、３原色の合成が必要なので、一工夫しなければならない。上記文献等には、白色光源の直前に置いたカラーフィルタを、回転等によって高速に切り換える装置が記載されている。
【０００４】
図９はカラー画像表示装置の従来例を示す概略構成図である。
図において符号Ｗは白色光源、Ｆは回転円板状のカラーフィルタ群、ＡＲは１軸２方向偏向の光偏向アレー、Ｍはマイクロレンズアレー、Ｌ１、Ｌ２は投影レンズ群、ＡＰはアパーチャ、Ｓはスクリーンをそれぞれ示す。
【０００５】
白色光源から出た光束は、時間順次で切り替わるフィルタ群Ｆの内のどれかのフィルタ、たとえば赤フィルタＦＲを通ったとする。光束は赤色光ＲとなってマイクロレンズアレーＭと光偏向アレーＡＲの組合せに入射する。光束は個々のマイクロレンズでほぼ平行光にされ光偏向アレーの個々の光偏向素子に入射する。このとき、光偏向アレーには赤画像に対応する色情報を入力して、個々の光偏向素子を色情報有りに対して２方向の内の一方の偏向方向を割り当て、色情報なしに対して他方の偏向方向を割り当てるようにして、互いに異なる偏向方向に偏向させる。上記色情報有りのことを単に色情報と呼び、色情報無しを、便宜上オフ情報と呼ぶことにする。
【０００６】
色情報の信号で偏向された方向に反射された光は、再度マイクロレンズアレーＭを経由後、投影レンズＬ１の方向に出射し、光偏向アレーＡＲ上に示された画像が、投影レンズＬ１、Ｌ２によってスクリーンＳ上に結像する。オフ情報の信号で偏向された方向に反射された光は、再度マイクロレンズを経由後、図示してないが投影レンズには入らない方向に出射し、吸収遮蔽板によってスクリーンＳには到達しないように構成される。
３色が時間順次にスクリーン上に高速で投影されると、人間の目で見たとき、残像により色分解された画像が個別には見えず、カラー画像として合成された像が見える。
【０００７】
この構成では、カラー画像の形成は可能であるが、フィルタの色の切換中は混色が起こるので画像表示ができない。したがって、フィルタの境界部分が光束断面を通過する時間をできるだけ短くし、フィルタの実部分が光束断面を通過する時間をできるだけ長くしなければならない。そのためには光束断面を、フィルタの円周長さに比べて十分小さくしなければならない。光束断面を小さくすると光量が小さくなるので好ましくない。光束断面が大きければ、その分、フィルタの円板形状を大きくしなければならず、装置の大型化につながる。
【０００８】
回転フィルタを使わずにカラー画像を表示するために、複数の光偏向素子を用いた画像表示装置の実用化が始まっている（例えば、非特許文献１　参照。）。これらは高精細な画像表示ができる点で優れているが、高価な光偏向素子を複数使うのはコスト高になるので好ましくない。
回転フィルタを使わずに、１個の光偏向素子だけでカラー画像を表示するためには、３原色用の偏向方向と、オフ（黒）情報のための１方向の、すくなくとも４方向の偏向方向を有する光偏向素子を用いたアレーが必要である。
以下に光偏向素子と光偏向アレーの概要を説明する。
【０００９】
図１０は２軸４方向の偏向方向を有する光偏向素子の例を示す平面図である。
図１１は図１０に示す光偏向素子のＡ−Ａ’断面図である。
図１２は４軸８方向の偏向方向を有する光偏向素子の例を示す平面図である。図において符号１は光反射面、２は板状部材、３は基板、４は支点部材、５は規制部材をそれぞれ示す。
以下説明の簡略化のため２軸偏向の素子を例にとって説明する。
【００１０】
板状部材２はそれ自身絶縁性部材で形成されるが、光反射面１が導電性を有する。支点部材４は正方形の基板３の上面にあり、該上面よりやや小さい底面を持つ四角錐の形状をしている。四角錐の頂点付近は導電性に形成されており、板状部材２上の導電性部分と導通するよう構成されている。四角錐の４つの斜面にはそれぞれ互いに絶縁され、上記頂点付近の導電性部分とも独立した電極６ａ１〜６ａ４が形成されている。板状部材２は支点部材４の頂点と４個の規制部材５によって形成される空間内で任意の方向に動き得る。
【００１１】
四角錐の斜面にあるいずれか１つの電極６と板状部材２との間に所定レベルの電位差を与えると、板状部材２は当該斜面に吸引されてその斜面方向に傾く。電位差を与える電極を変えてやれば、板状部材２の傾く方向もそれに応じて変わる。したがって、任意の方向から光反射面１に光を当てておくと、板状部材２の傾き方向に応じて光の反射方向が４方向に偏向される。四角錐の対称軸方向から光を入射させれば、反射光は入射光を中心とした対称な４方向に出射し得る。
【００１２】
光偏向アレーは、上記のような光偏向素子を縦横に密接して並べたものであり、縦横に並べるそれぞれの数は、画像表示に必要な縦横の画素数に応じて決める。光偏向アレー全体に平行光を与えた場合、すべての光偏向素子が同一方向に偏向された場合、反射光束は、断面が光偏向アレーとほぼ同型の平行光となって、所定の方向へ進む。ただし、光反射面１には隣接素子との間に反射に関して面積的な無効部分があるため、光束は素子ごとの反射光の集合体となっている。仮に、光偏向アレーからある程度離れた位置に、光偏向アレーの面と平行なスクリーンを置いたと考え、光偏向素子の偏向方向を一斉に任意の偏向方向に揃えて順次切り換えたとすると、スクリーン上には、光偏向アレーとほぼ同型の互いに分離した４個の光束断面が順次観測されることになる。
【００１３】
分離された４個の光束の内の３個に３原色用のカラーフィルタをそれぞれかけて、残りの１個は遮光するようにする。光偏向アレーの偏向を全体一括ではなく、画像の３原色分解データの有無により光偏向素子を個別に偏向させることにより、分離された光束はそれぞれの色情報を担った単色画像になる。したがって、これらの単色画像をうまく１つの画像に合成することができれば、カラー画像として表示できることになる。
４軸８方向偏向の素子を用いても、その中の４方向偏向を利用すれば上記とほぼ同様の画像表示装置が得られる。
【００１４】
【特許文献１】
特開平６−１３８４０３（段落００１０、図１、図３）
【非特許文献１】
Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　３９巻　７号　２０００年７月　ｐ．１８０２−１８０７
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
前記文献に示された画像表示装置は、高精細な画像表示ができるものの、コスト高が避けられない。
本発明は、あまりコスト高にならずに、高精細な画像表示装置として使用し得る具体的な光学系の構成を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、４方向以上の偏向方向を有する光偏向素子を複数個１次元または２次元アレー状に並べた１個の光偏向アレーと、照明用の光源と、投影光学系と、画像表示部とからなる画像表示装置であって、前記４方向以上の偏向方向のうち４方向の偏向方向にはそれぞれ画像情報の三原色の色情報およびオフ情報を割り当てることを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明では、請求項１に記載の画像投影表示装置において、前記光源は１個の白色光源であり、前記投影光学系には前記３原色に対応し、それぞれの光軸が前記光偏向アレーの面に対する法線に平行な３個の投影レンズが含まれることを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明では、請求項２に記載の画像投影表示装置において、前記投影光学系はさらに、前記光偏向アレーの偏向による前記色情報を含むすべての光束を透過する第１のフィールドレンズと、該第１のフィールドレンズとほぼ同じ大きさの第２のフィールドレンズからなり、前記第１のフィールドレンズと前記第２のフィールドレンズによる光学系は、両レンズの中間では各色別の画像の中央の光線が互いに平行となり、前記光偏向アレーと前記画像表示部とが光学的に互いに共役になるよう配置され、前記３個の投影レンズの各々は、前記２個のフィールドレンズと組合せで前記光偏向アレーと前記画像表示部とが、光学的に互いに共役になるよう配置されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明では、請求項２に記載の画像投影表示装置において、前記投影光学系は前記３個の投影レンズのそれぞれ前方に第１のプリズム、および、後方に第２のプリズムを有し、前記光偏向アレーの偏向により互いに離れる方向に進行する前記色情報を含む光束の中心を通る光線を、前記第１のプリズムにより前記光偏向アレーの面の法線に平行となし、前記投影レンズを通った後の光束の中心を通る光線を前記第２のプリズムにより、前記画像表示部の表示中心へ向かうように作用方向を設定されており、前記投影レンズの各々は、前記２個のプリズムと組合せで、前記光偏向アレーと前記画像表示部とが光学的に互いに共役となるよう構成されていることを特徴とする。
請求項５の発明では、請求項４に記載の画像投影表示装置において、前記第１、および第２のプリズムは、所望の偏角が最大偏角となるようなプリズムを用い、光束の中心を通る光線が各プリズムの面に対する入射角と、そのプリズムの反対の面から出射する出射角がほぼ等しくなる向きに設置されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項６の発明では、請求項２に記載の画像投影表示装置において、前記投影光学系は、前記光偏向アレーの偏向による前記色情報を含む光束を前記色情報に対応した３個の投影レンズにぞれぞれ透過させた後、前記光偏向アレーの面に対してほぼ４５度になるよう半透鏡を設置し、該半透鏡透過後の光束を個別に反射する再帰性光反射部材を光束毎に設け、前記投影レンズは、前記光偏向アレーと、前記画像表示部とが光学的に互いに共役になるよう設定されていることを特徴とする。
請求項７の発明では、請求項６に記載の画像投影表示装置において、前記再帰性光反射部材は、前記投影レンズを透過する光束全体を受け入れる開口を有する１個のコーナーキューブ反射体であることを特徴とする。
【００２１】
請求項８の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記光源から出た白色光は、断面が前記光偏向アレーの面形状より大きい平行光束に整形されることを特徴とする。
請求項９の発明では、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記光偏向アレーにより色情報を担って偏向された光束は、前記投影レンズのいずれか１つを通り、前記画像表示部に至り、その光路中、他の色情報を担った光束と重複部分を有しない範囲のいずれかにおいて、当該色情報に対応するカラーフィルターを経由することを特徴とする。
【００２２】
請求項１０の発明では、請求項９に記載の画像投影表示装置において、前記カラーフィルタは前記投影レンズ内部または該投影レンズの前面または後面に設けられていることを特徴とする。
請求項１１の発明では、請求項９に記載の画像投影表示装置において、前記カラーフィルタは前記投影レンズ以外の光学素子に設けられていることを特徴とする。
請求項１２の発明では、請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記光源による照明光束は、前記光偏向アレーの面の法線から外れた方向から反射鏡を介して該光偏向アレーの面に垂直に投光されることを特徴とする。
【００２３】
請求項１３の発明では、請求項１に記載の画像投影表示装置において、前記光源は、画像情報の３原色に対応する光束を個別に投光する３個の光源であり、該３個の光源による光束は、前記光偏向アレーによる偏向後の光束の方向がいずれも該光偏向アレーの面に垂直であり、前記投影光学系は、前記光偏向アレーと前記画像表示部とが光学的に互いに共役になるような１個の投影レンズからなることを特徴とする。
【００２４】
請求項１４の発明では、請求項１３に記載の画像投影表示装置において、前記光源は、画像情報の３原色に対応する３個の単色光源であることを特徴とする。請求項１５の発明では、請求項１３に記載の画像投影表示装置において、前記光源は、画像情報の３原色に対応するカラーフィルタを照明光路中に個別に含む３個の白色光源であることを特徴とする。
請求項１６の発明では、請求項１３ないし１５のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記３個の光源による光束は、いずれも断面が前記光偏向アレーの面形状より大きい平行光束に整形されることを特徴とする。
【００２５】
請求項１７の発明では、請求項１ないし１６のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記光偏向アレーに含まれる各光偏向素子の各色情報に対応する反射方向に停止する時間を変えることにより、投影される画像情報を階調性を有して表示させることを特徴とする。
請求項１８の発明では、請求項１７に記載の画像投影表示装置において、前記各光偏向素子の３原色に対応する各反射方向に保持される時間の最大時間は、画像を表示する１フレームの表示時間のそれぞれ約３分の１であることを特徴とする。
【００２６】
請求項１９の発明では、請求項１７に記載の画像投影表示装置において、前記各光偏向素子の３原色に対応する各反射方向に保持される時間の最大時間は、画像を表示する１フレームの表示時間とほぼ等しく、３色分の時間を加算した時間は１フレームの表示時間以下とすることを特徴とする。
請求項２０の発明では、請求項１９に記載の画像投影表示装置において、前記３色分の時間を加算した時間が１フレームの表示時間を超えるときは、３色の階調性の比率を変えずに、３色分の時間の和が１フレームの表示時間にほぼ等しくなるよう自動調整することを特徴とする。
【００２７】
【実施例】
以下に実施例に従って本発明を説明する。
図１は本発明の実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
図２は光源からの光束の様子を示す部分斜視図である。
両図において符号１０は光偏向アレー、１１は第１のフィールドレンズ、１２は投影レンズ、１３は第２のフィールドレンズ、１４は画像表示部、１５は光源、１６は光束整形レンズ、１７は平面反射鏡、Ｌは光束、Ｏは光学系全体の光軸をそれぞれ示す。また、Ｒ、Ｇ、Ｂ、ｏｆｆは他の符号に添えて三原色赤、緑、青の色情報、およびオフ情報に関与する部材ないし部分であることを示す。
なお、図１では図の錯綜を避けるため、光偏向アレーに平行光束を入射させる光源系が省略されている。また、図２では第１フィールドレンズの面１１ａまでの光束が示され、透過後の光束が省略されている。
【００２８】
入射光束は、図２に示す光源１５から、通常コンデンサレンズと呼ばれる光束整形レンズ１６により平行光束Ｌとなって、平面反射鏡１７により向きを変えられて、光偏向アレーの面に垂直に設定された光軸Ｏに沿って入射するよう構成されている。光束Ｌの断面が光偏向アレーの有効部分の形状とほぼ同じでやや大きめになるよう、遮光マスク１６ａで光束の形状も整えられる。光源１５は例えば、キセノンランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプなどの白色光源とする。
ただし、光源からの入射光束を、光偏向アレー１０の面に垂直に入射させることは必須要件ではない。垂直入射のときは、すべての偏向方向において偏向角が等しくなるため、光学系の設計がしやすいからであって、必要に応じて垂直入射以外も採用可能である。
【００２９】
光偏向アレー１０に入射した光束Ｌは、色別の画像情報、すなわち色情報に応じて偏向され、例えば所定時間のあいだ、反射光は光束ＬＲとなる。光束ＬＲは第１のフィールドレンズ１１の面１１ａに入射すると、その中心光が光軸Ｏに平行になるような屈折を受け出射される。さらに光束ＬＲは、第１のフィールドレンズ１１に近接して置かれ、その光軸が光偏向アレー１０の面に対する法線に平行な投影レンズ１２Ｒを透過して結像作用を受け、第１のフィールドレンズ１１とほぼ同じ大きさの第２のフィールドレンズ１３に入射する。第２のフィールドレンズによって、光束ＬＲはその中心光が画像表示部１４の表示中心１４ａに向うように屈折される。
【００３０】
なお、図の光束を示す線は、いずれも光線追跡による光線を表したものではなく、単に光束の限界を示したものである。光偏向アレーから投影レンズに至る光束は平行光束であるが、投影レンズを出た光束は、光偏向アレーの反射点に対応する画像表示部上の共役位置に向かってそれぞれ進むため、光線単独で見れば上記光束の限界内であらゆる角度の光線があり得る。
【００３１】
投影レンズ１２Ｒの結像作用は、前後にあるフィールドレンズとの総合作用として、光偏向アレー１０が画像表示部１４に丁度結像するように設定されている。すなわち、投影レンズ１２Ｒは、上記２個のフィールドレンズ１１、１３と組合せで光偏向アレー１０と画像表示部１４とが、光学的に互いに共役になるよう配置されていることになる。
【００３２】
光束ＬＲが色情報を担っているとしても、白色光源から出た光をそのまま使う限り、カラー画像にはならない。本実施形態では第１フィールドレンズから第２フィールドレンズに至る光学系に含まれる光学素子のいずれかに白色光を３原色のカラー単色光に変えるカラーフィルタＦを設置する。カラーフィルタＦの設置位置としては投影レンズの内部に設けるのが一番小さくて済むが、互換性の問題を考慮するなら、投影レンズの前面もしくは後面のいずれかに設置するのがよい。ただし、本光学系のように投影レンズ入射前後の光束があまり大きく広がっていない場合は例えば第１もしくは第２フィールドレンズに密着させてカラーフィルタＦを設けても、フィルタサイズが特に大きくなると言う心配はない。図１ではカラーフィルタＦＲを第１フィールドレンズの入射面１１ａに設置した例を示している。カラーフィルタＦをこれらの光学素子に近接させて設けるのは取付が容易になるからであって、設置位置としては、光束が他の色情報を担った光束と重複部分を有しない位置であればどこでも採用し得る。
【００３３】
次の所定の時間のあいだ、光偏向アレーは次の色情報により偏向されて例えば光束ＬＧとなる。光束ＬＧはその中心光が、図１では光軸Ｏに一致しているように見えるが、図２の斜視図から分かるように平面図的には前記ＬＲと同じように光軸Ｏから離れている。したがって、以後の光束ＬＧが光学系から受ける作用も側面図と平面図の違い以外は光束ＬＲと全く同様である。よって、光束ＬＧは画像表示部の表示中心１４ａに光束の中心が合わせられて結像表示される。　さらに、次の所定の時間は光束ＬＢが生成され、上記と同様画像表示部の表示中心１４ａに光束中心が一致して重ね合わされる。
すなわち、第１および第２のフィールドレンズを１つの光学系としてみれば、光偏向アレー１０と画像表示部１４を互いに光学的共役の位置となすように働いている。
【００３４】
以上の説明では、光束ＬＲ、ＬＧ、ＬＢが色情報を担った光束であることのみを示したが、色情報はここでは色が有り、無しの２値情報として入力される。したがって、上記光束には、色が有りのときの偏向方向によって得られた光線のみが含まれている。色が無しの情報、すなわちオフ情報のときは、光偏向素子の偏向方向は図２の光束Ｌｏｆｆの方向とする。しかも、オフ情報の偏向方向は３原色とも共通とする。光束Ｌｏｆｆは、画像表示にとっては不要な光束であるから、他の有効な光束に影響を与えない位置、例えば第１フィールドレンズ１１の入射面１１ａの面上において、図示しない遮光部材によって遮光される。
【００３５】
ところで、画像表示部に画像蓄積作用が無い限り、光束ＬＧによる画像が表示されたときは、光束ＬＲによる画像は消えている。同様に、光束ＬＢによる画像が表示されたときは、光束ＬＧによる画像は既に消えている。すなわち、３色の画像が時間順次に表示されるだけなので、どの瞬間をとってもフルカラーの画像は存在しない。しかし、このような画像も、切換周期が十分短ければ人間の目で見る限り、残像現象によりフルカラーとして観察される。これは、３原色に塗り分けた色ごまを回転させたとき、回転が速ければ個別の色を感じずに、こま全体が灰色に見えるのとほぼ同じ現象である。
【００３６】
図３は本発明の他の実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。同図において符号２１は第１プリズム、２３は第２プリズムをそれぞれ示す。図１、２と同じ符号は同じ機能を有する部分を示す。
本実施形態は、基本的には前述の実施形態に非常に似ているので、光束ＬＲのみについて説明する。
【００３７】
光束ＬＲは第１のプリズム２１Ｒに入射しプリズム固有の偏角作用を受け、光束の中心の光線が光軸Ｏに平行になる。光束ＬＲは投影レンズ１２Ｒの結像作用を受けて出射後第２のプリズム２３Ｒに入射する。ここで光束の中心を通る光線は画像表示部１４の表示中心１４ａへ向けて屈折される。光偏向アレー１０に表示された画像は、投影レンズ１２Ｒの結像作用により、画像表示部１４に結像する。
【００３８】
プリズムは一方向のみ屈折作用を有する光学素子である。その方向を便宜上作用方向と呼ぶ。プリズムは頂角が同じであっても、入射する光線の入射角が異なると、出射角との角度差、すなわち偏角が微妙に異なる。入射面と出射面のそれぞれの法線に対する光線の角度、すなわち入射角と出射角が等しいとき偏角は最大となる。そして、このときが、プリズムの設置誤差による偏角への影響が最も少ない。したがって、所望の偏角が最大偏角となるような頂角を有するプリズムを用いるのが最も良い。所望の偏角とは、両プリズムの間の光束中心光線が光軸Ｏと平行であるから、図３において、第１のプリズムで言えば、光偏向アレーによる反射光束が光軸Ｏとなす角度αであり、第２のプリズムで言えば、プリズム透過後、表示中心１４ａに至る光束中心の光線が光軸Ｏとなす角度βである。
【００３９】
図４は本発明のさらに他の実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
同図において符号１８は半透鏡、１９は再帰性光反射部材としてのコーナーキューブ反射体をそれぞれ示す。
再帰性光反射部材は、一般に、入射した光線が何らかの反射作用を受けた後入射光線と平行な方向に出射する性質を有する部材を言う。ガラスビーズタイプとコーナーキューブタイプが知られている。
【００４０】
ガラスビーズタイプは、入射する平行光束がガラスビーズの入射面でレンズ作用を受け、ちょうど反対面に集光するように屈折率が選ばれている。反対面には全反射性が付与されており、光束は上下左右が入れ替わるだけで、ほとんど同じ光路を逆行するようにたどり、同じ入射面が出射面となり、ほぼ元の平行光束となって同じ光路を逆行する。
【００４１】
コーナーキューブタイプは、立方体の１つの頂点を含む３面を三角錐状に切り取った形をしており、３面の内側が反射鏡になっている。三角錐の底面の側から光線を入射させると、光線は、入射した位置と角度によって、鏡面に１回ないし３回あたることによって３次元的に反射され、一般に入射点とは異なる出射点から入射光線と平行になって出て行く。したがってこの底面側から平行光束を入射させれば、出射光も平行光束となって元来た方向へ出て行く。
【００４２】
光偏向アレー１０により偏向された光束ＬＲは直接投影レンズ１２Ｒに入射する。投影レンズ１２Ｒによって結像作用を受けた光束ＬＲは半透鏡１８に至り、光量の２分の１は反射して損失となり、残りの２分の１が透過する。透過光はコーナーキューブ反射体１９Ｒに入射すると、光束中の各光線はそれぞれの入射した角度に平行に反射される。前述のように、投影レンズを通った後の光線は、入射点と異なる出射点から出て行き、光束の限界内であらゆる角度があり得るため、コーナーキューブ反射体１９Ｒを出射後の光束の限界は、入射前の光束の限界よりも拡がる。コーナーキューブ反射体は３次元構造になっているが、図では単純な直角断面で表してある。
【００４３】
コーナーキューブ反射体を出射後の光束は、再び半透鏡１８に至り、ここでさらに光量の２分の１が透過して損失となり、残りの２分の１が反射され画像表示部１４の面に結像する。このとき、光束の中心を通る光線は必然的に画像表示部の表示中心１４ａに至る。表示中心１４ａは半透鏡１８に関して光偏向アレーの中心と鏡像の関係になる。
このように、本実施形態の場合、光偏向アレー１０によって反射された光束の４分の１だけが結像に寄与する。
他の色情報を担った光束ＬＧ、ＬＢについても全く同様にして画像表示部１４の面上に中心を合わせて重ね合わされる。
【００４４】
図５は本発明のさらに他の実施形態を説明するための光源系の一部の斜視図である。
図６は図５に示す実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
両図において、符号ｒ、ｇ、ｂは先のＲ、Ｇ、Ｂと同様、符号に添えて３色に個別に関連するものであることを示す。
本実施形態では３原色の色別に対応して３個の独立した光源を用いる。図５は煩雑さを避けるため、３個の光源の内１個のみを示してある。
【００４５】
図２における光束ＬＧが第１フィールドレンズ１１ａに入射する位置とほぼ同じ位置に図６では集光レンズ１６Ｇを置いて、光源１５Ｇは、発散光束が集光レンズ１６Ｇによって上記光束ＬＧを逆行させる形で照明光束ＬＧ’を形成するよう配置する。
照明光束ＬＧ’は３原色の緑の単色光である。光源自体が緑色を発色してもよいし、白色光源に緑色のカラーフィルタをかけてもよい。カラーフィルタの位置は光源直前でも集光レンズの前後でもよい。他の単色光との重複部分がない位置であれば、カラーフィルタはどこに置いても構わない。
【００４６】
このように構成すると、光偏向アレーの各素子が図２において光束ＬＧを形成する方向に偏向したのと同じ方向に図５において偏向した場合、照明光束ＬＧ’は光偏向アレー１０の面に垂直な方向に、図５の光束Ｌ’として偏向される。図６の側面図では照明光束ＬＧ’と光束Ｌ’とが重なるため、光源１５Ｇは省略してあるが、光源１５Ｒ、照明光束ＬＲ’と光束Ｌ’が同様の関係にある。
光束Ｌ’は投影レンズ１２の開口１２ａに入射し、その出射光は、光束の中心を通る光線が画像表示部１４の表示中心１４ａに一致するように、画像表示部１４の面上に結像して、光偏向アレー１０に示された緑の色情報を有する画像が表示される。
【００４７】
同様に、３原色の他の単色、すなわち、赤、青に関しても全く同様な構成にすると、それぞれの単色の照明光束ＬＲ’、ＬＢ’は、光偏向アレー１０によって対応する色情報を担った光束がいずれも光束Ｌ’に一致する。したがって、画像表示部１４には誤差の心配が全くなく、３色の画像が一致して重ね合わせられる。
【００４８】
光偏向アレー１０の偏向方向がすべて赤の色情報対応の方向に向いていたとすると、照明光束ＬＲ’は光束Ｌ’の方向に偏向されるが、照明光束ＬＧ’、ＬＢ’はそれぞれ全く別の方向に偏向される。照明光束ＬＧ’について説明する。
光偏向素子の偏向面は平面鏡である。各素子の平面鏡はその法線Ｎの方向が入射光束と出射光束のなす内角を２等分する方向に向いており、平面鏡は光線を法線に関して対称な方向に反射する。したがって、上記条件のときは、照明光束ＬＧ’は図５のＬＧ’ｒで示したように、後述の法線Ｎｒに関し対称な反射光束となる。
【００４９】
図５では、作図の角度関係で光束ＬＧ’ｒは光束Ｌ’と見かけ上重なっているが両者は光偏向アレー１０からの出射方向が異なっている。
光偏向アレーは光偏向素子の集合体であるから、個別の法線は表示しきれないので、代表的に光偏向アレーの中心に１本だけＮｒを示す。以下も同様である。
【００５０】
光偏向アレー１０の偏向方向がすべて青の色情報対応の方向に向いていたとすると、上記と同様な理由で、照明光束ＬＧ’は図５のＬＧ’ｂで示したように、法線Ｎｂに関し対称な反射光束となる。これらの、画像表示にとって無効な光束は投影レンズに入射することがなく、いわゆる迷光となるので、必要に応じて吸収あるいは遮断するよう工夫すればよい。
【００５１】
各色情報を表示する際、オフ情報が入った光偏向素子は、図２において光束Ｌｏｆｆを形成したときと同じ方向に偏向面を傾ける。このとき、光偏向素子の平面鏡の法線はＮｏｆｆの方向に向いているので、照明光束ＬＧ’はその光偏向素子によって、光束ＬＧ’ｏｆｆとなり、投影レンズには入らないため、この光偏向素子に対応する画素は黒表示となる。
【００５２】
以上、照明光束ＬＧ’について説明したが、他の照明光束についても、図６のＬＲ’ｂ以外は図示しないが事情は全く同じである。なお、図５にも示したように、ＬＧ’ｂとＬＲ’ｏｆｆは実質同じ光束位置に重なる。
よって、各単色光源は、互いに他の色に干渉しないので、他の色情報が表示されるときでも、照明し続けることができる。
【００５３】
図７は各光偏向素子の光反射面の反射方向を色順次に切り替える実施例を示すタイムチャートである。
図において符号ｔは時間を表し、ｔ_Ｒ、ｔ_Ｇ、ｔ_Ｂは３色それぞれに割り当てられる保持時間を示す。
光偏向素子は光の反射方向を切り換える機能を有するが、反射光の強度を変調することはできない。カラー画像を表示するためには中間調の表示が不可欠である。そこで、反射光を時間制御により、時間積分のエネルギー量の変化で中間調を表すＰＷＭと呼ばれる方法が行われる（例えば、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ、８６巻８号　１９９８年８月　ｐ１７００）。
【００５４】
本実施例は、上記したような各種の画像投影表示装置に、上記ＰＷＭ技術を応用したもので、画像を毎秒６０フレームの早さで切り替えるものとし、すべての光偏向素子が個別に制御できるものとする。画像の１フレームの表示時間はおよそ１６．６７ミリ秒となる。３色に割り当てる表示時間を、最大で１フレームの表示時間の約３分の１の５ミリ秒とし、１フレームごとに約１．６７ミリ秒のリセット時間を設ける。ただし、リセット時間は省略して各色にその時間を割り振ることもできる。
【００５５】
１色当たりに表現すべき階調数を、例えば４階調、あるいは８階調といったように定め、その階調数に合わせて上記５ミリ秒を時間分割できるようにし、画素の階調情報に合わせて、それぞれの光偏向素子を所定の偏向方向に保持する時間を異ならせる。光偏向素子の偏向のときの切換時間にもよるが、最大２５６階調ぐらいまでは表示可能である。
例えば、画素Ａ１に対応する光偏向素子においては、３色とも最大表示時間の約２分の１を各色表示の偏向方向に保持しており、それ以外の時間はオフ情報の方向に保持している。したがってこのとき、この画素は観察者にとって中間レベルの白色、すなわち、灰色として見える。
画素Ａ２に関しては、赤表示方向の偏向保持時間が他の２色に比べて長くなっている。また、緑色より青色の方が少し長くなっている。したがってこのとき、この画素は観察者にとって紫がかった桃色として見える。
【００５６】
同様に画素Ａ３に関しては、赤表示方向の偏向保持時間が最大で、緑表示方向の偏向保持時間が短く行われている。このとき、この画素は観察者にとって赤みの強い橙色として見える。
画素Ａ４に関しては、青方向のみが偏向保持されている。このとき、この画素は観察者にとって青色として見える。
このようにして、各画素において異なる色彩を表現することが可能になる。
【００５７】
図８は他の実施例を示すタイムチャートである。
本実施例では、色別の最大保持時間をほぼ１フレームの表示時間Ｔに等しくする。ほぼ等しくすると言ったのは、フレーム毎にリセット時間を取る場合、最大保持時間に割り当てられる時間が１フレームの表示時間Ｔよりも若干小さくなるからである。そして３色の表示時間は、それぞれの保持時間の和が１フレームの表示時間Ｔより小さい場合はそのまま表示し、それを超える場合は、３色の階調の比率を保持したままで３色の保持時間の合計が１フレームの時間Ｔにほぼ等しくなるよう自動調整する。すなわち、各色に対応する保持時間をｔ_Ｒ、ｔ_Ｇ、ｔ_Ｂとすると、その時間の和ｔ_Ｒ＋ｔ_Ｇ＋ｔ_Ｂ＝＜Ｔであればそのまま表示する。ｔ_Ｒ＋ｔ_Ｇ＋ｔ_Ｂ＞Ｔであれば、ｋを常数として、
ｔ_Ｒ’＝ｋ・ｔ_Ｒ、ｔ_Ｇ’＝ｋ・ｔ_Ｇ、ｔ_Ｂ’＝ｋ・ｔ_Ｂと置き換えて、
ｔ_Ｒ’＋ｔ_Ｇ’＋ｔ_Ｂ’＝Ｔとなるようにｋを算出して自動調整する。
【００５８】
ただし、上記のような表示を行うと、単色における階調性は大きくとれるが、３色の階調の比率が同じで、ｔ_Ｒ＋ｔ_Ｇ＋ｔ_Ｂ＞Ｔとなった場合、その和の大きさがいくらであってもすべてｔ_Ｒ’＋ｔ_Ｇ’＋ｔ_Ｂ’＝Ｔとして同じ値になってしまうので、色合いは変わらないが、明るい方における階調性がうまく表現できなくなる。したがって、この実施例の場合は、あまり細かい階調性のない画像、例えば、線画のような画像の表示に向いている。
【００５９】
【発明の効果】
請求項１ないし１６に記載の発明によれば、光偏向アレーを用いた画像投影表示装置の具体的な構成が提供できる。
請求項１７ないし２０に記載の発明によれば、上記画像投影表示装置において、２値表示しかできない光偏向アレーを用いて中間調の表示ができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
【図２】光源からの光束の様子を示す部分斜視図である。
【図３】本発明の他の実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態を説明するための光源系の一部の斜視図である。
【図６】図５に示す実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
【図７】各光偏向素子の光反射面の反射方向を色順次に切り替える実施例を示すタイムチャートである。
【図８】他の実施例を示すタイムチャートである。
【図９】カラー画像表示装置の従来例を示す概略構成図である。
【図１０】２軸４方向の偏向方向をを有する光偏向素子の例を示す平面図である。
【図１１】図１０に示す光偏向素子のＡ−Ａ’断面図である。
【図１２】４軸８方向の偏向方向を有する光偏向素子の例を示す平面図である。
【符号の説明】
１０　　　光偏向アレー
１１　　　第１のフィールドレンズ
１２　　　投影レンズ
１３　　　第２のフィールドレンズ
１４　　　画像表示部
１５　　　光源
１６　　　集光レンズ
１８　　　半透鏡
１９　　　再帰性光反射部材
２１　　　第１のプリズム
２３　　　第２のプリズム

Claims (20)

1. ４方向以上の偏向方向を有する光偏向素子を複数個１次元または２次元アレー状に並べた１個の光偏向アレーと、照明用の光源と、投影光学系と、画像表示部とからなる画像表示装置であって、前記４方向以上の偏向方向のうち４方向の偏向方向にはそれぞれ画像情報の三原色の色情報およびオフ情報を割り当てることを特徴とする画像投影表示装置。
2. 請求項１に記載の画像投影表示装置において、前記光源は１個の白色光源であり、前記投影光学系には前記３原色に対応し、それぞれの光軸が前記光偏向アレーの面に対する法線に平行な３個の投影レンズが含まれることを特徴とする画像投影表示装置。
3. 請求項２に記載の画像投影表示装置において、前記投影光学系はさらに、前記光偏向アレーの偏向による前記色情報を含むすべての光束を透過する第１のフィールドレンズと、該第１のフィールドレンズとほぼ同じ大きさの第２のフィールドレンズからなり、前記第１のフィールドレンズと前記第２のフィールドレンズによる光学系は、両レンズの中間では各色別の画像の中央の光線が互いに平行となり、前記光偏向アレーと前記画像表示部とが光学的に互いに共役になるよう配置され、前記３個の投影レンズの各々は、前記２個のフィールドレンズと組合せで前記光偏向アレーと前記画像表示部とが、光学的に互いに共役になるよう配置されていることを特徴とする画像投影表示装置。
4. 請求項２に記載の画像投影表示装置において、前記投影光学系は前記３個の投影レンズのそれぞれ前方に第１のプリズム、および、後方に第２のプリズムを有し、前記光偏向アレーの偏向により互いに離れる方向に進行する前記色情報を含む光束の中心を通る光線を、前記第１のプリズムにより前記光偏向アレーの面の法線に平行となし、前記投影レンズを通った後の光束の中心を通る光線を前記第２のプリズムにより、前記画像表示部の表示中心へ向かうように作用方向を設定されており、前記投影レンズの各々は、前記２個のプリズムと組合せで、前記光偏向アレーと前記画像表示部とが光学的に互いに共役となるよう構成されていることを特徴とする画像投影表示装置。
5. 請求項４に記載の画像投影表示装置において、前記第１、および第２のプリズムは、所望の偏角が最大偏角となるようなプリズムを用い、光束の中心を通る光線が各プリズムの面に対する入射角と、そのプリズムの反対の面から出射する出射角がほぼ等しくなる向きに設置されていることを特徴とする画像投影表示装置。
6. 請求項２に記載の画像投影表示装置において、前記投影光学系は、前記光偏向アレーの偏向による前記色情報を含む光束を前記色情報に対応した３個の投影レンズにぞれぞれ透過させた後、前記光偏向アレーの面に対してほぼ４５度になるよう半透鏡を設置し、該半透鏡透過後の光束を個別に反射する再帰性光反射部材を光束毎に設け、前記投影レンズは、前記光偏向アレーと、前記画像表示部とが光学的に互いに共役になるよう設定されていることを特徴とする画像投影表示装置。
7. 請求項６に記載の画像投影表示装置において、前記再帰性光反射部材は、前記投影レンズを透過する光束全体を受け入れる開口を有する１個のコーナーキューブ反射体であることを特徴とする画像投影表示装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記光源から出た白色光は、断面が前記光偏向アレーの面形状より大きい平行光束に整形されることを特徴とする画像投影表示装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記光偏向アレーにより色情報を担って偏向された光束は、前記投影レンズのいずれか１つを通り、前記画像表示部に至り、その光路中、他の色情報を担った光束と重複部分を有しない範囲のいずれかにおいて、当該色情報に対応するカラーフィルターを経由することを特徴とする画像投影表示装置。
10. 請求項９に記載の画像投影表示装置において、前記カラーフィルタは前記投影レンズ内部または該投影レンズの前面または後面に設けられていることを特徴とする画像投影表示装置。
11. 請求項９に記載の画像投影表示装置において、前記カラーフィルタは前記投影レンズ以外の光学素子に設けられていることを特徴とする画像投影表示装置。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記光源による照明光束は、前記光偏向アレーの面の法線から外れた方向から反射鏡を介して該光偏向アレーの面に垂直に投光されることを特徴とする画像投影表示装置。
13. 請求項１に記載の画像投影表示装置において、前記光源は、画像情報の３原色に対応する光束を個別に投光する３個の光源であり、該３個の光源による光束は、前記光偏向アレーによる偏向後の光束の方向がいずれも該光偏向アレーの面に垂直であり、前記投影光学系は、前記光偏向アレーと前記画像表示部とが光学的に互いに共役になるような１個の投影レンズからなることを特徴とする画像投影表示装置。
14. 請求項１３に記載の画像投影表示装置において、前記光源は、画像情報の３原色に対応する３個の単色光源であることを特徴とする画像投影表示装置。
15. 請求項１３に記載の画像投影表示装置において、前記光源は、画像情報の３原色に対応するカラーフィルタを照明光路中に個別に含む３個の白色光源であることを特徴とする画像投影表示装置。
16. 請求項１３ないし１５のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記３個の光源による光束は、いずれも断面が前記光偏向アレーの面形状より大きい平行光束に整形されることを特徴とする画像投影表示装置。
17. 請求項１ないし１６のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記光偏向アレーに含まれる各光偏向素子の各色情報に対応する反射方向に停止する時間を変えることにより、投影される画像情報を階調性を有して表示させることを特徴とする画像投影表示装置。
18. 請求項１７に記載の画像投影表示装置において、前記各光偏向素子の３原色に対応する各反射方向に保持される時間の最大時間は、画像を表示する１フレームの表示時間のそれぞれ約３分の１であることを特徴とする画像投影表示装置。
19. 請求項１７に記載の画像投影表示装置において、前記各光偏向素子の３原色に対応する各反射方向に保持される時間の最大時間は、画像を表示する１フレームの表示時間とほぼ等しく、３色分の時間を加算した時間は１フレームの表示時間以下とすることを特徴とする画像投影表示装置。
20. 請求項１９に記載の画像投影表示装置において、前記３色分の時間を加算した時間が１フレームの表示時間を超えるときは、３色の階調性の比率を変えずに、３色分の時間の和が１フレームの表示時間にほぼ等しくなるよう自動調整することを特徴とする画像投影表示装置。

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