JP2004226485A - プロジェクタ - Google Patents

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Tetsuro Yamazaki
哲朗 山▲崎▼
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Abstract

【課題】小型で安価でありながら高い性能を有するプロジェクタを提供すること。
【解決手段】アドレッシング光ABの走査による書込みは、最初のフレーム期間中一定周期で繰り返される。各画素の書込み状態は、同一強度のアドレッシング光ABの繰り返し入射により、フレーム期間中、ほぼ一定の書込み状態に保たれる。発光ダイオード41aからの照明光CLaを利用した読出しは、アドレッシング光ABによる初回の走査が終了した後から、フレーム期間が終了するまで継続される。このように、アドレッシング光ABによる2回目の走査から読出しを開始する理由は、1回目のスキャンが完了するまでは、1フレームの書込みが終了しておらず、画像が未完成であることを考慮したものである。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を用いて情報の書込みを行う光アドレス型の空間光変調装置を用いて画像表示を行うプロジェクタに関する。
【従来の技術】
光アドレス型の空間光変調装置を用いて画像を投影するプロジェクタとして、空間光変調素の書込み側にCRTを対面配置し、CRTに画像を形成することによって、空間光変調装置への画像書込みを行うものが存在する(例えば、特許文献1等参照)。
【0002】
また、同様の空間光変調装置を用いて画像を投影するプロジェクタとして、画像信号によって強度変調されたレーザ光のスポットを空間光変調装置の書込み側に走査しつつ入射させるものが存在する(特許文献2参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平5−333367号公報
【特許文献2】
特開2000−196833号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第1例のプロジェクタは、書込み用のCRTを空間光変調装置に対向して設ける構造であることから、書込み用の光学系が大型化するだけでなく、コストの増大を招く。
【0004】
また、第2例のプロジェクタは、空間光変調装置に保持性を持たせることに起因して、その応答性が低下し空間光変調装置への書込みに時間がかかり、動画表示の場合など残像が見えてしまうことになる。
【0005】
そこで、本発明は、小型で安価でありながら高い性能を有するプロジェクタを提供することを目的とする。
【0006】
また、本発明は、応答が速く残像が残りにくいプロジェクタを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るプロジェクタは、アドレッシング光を書込み側に入射させた場合に、入射箇所で光学特性が変化する空間光変調装置と、アドレッシング光を空間光変調装置の書込み側に入射させこの空間光変調装置上でスキャンさせることによって書込みを行うアドレッシング手段と、読出し光を空間光変調装置の読出し側に照射することによって読出しを行う照明手段と、1フレームの期間中に、アドレッシング手段による空間光変調装置への書込みを複数回繰り返させる制御手段とを備える。ここで、「空間光変調装置」とは、例えば光アドレッシング液晶等の光を用いて情報の書込みを行う液晶ライトバルブに代表される光デバイスであり、▲1▼アドレッシング光が入射する部分すなわちアドレッシング光により特性が変化する部分と、▲2▼読出し光が入射する部分すなわち読出し光を変調する部分を有している。なお、光を用いて情報の書込みを行うライトバルブは、空間光増幅素子と称されることもあり、このような空間光増幅素子も「空間光変調装置」に含まれる概念である。
【0008】
上記プロジェクタでは、アドレッシング手段がアドレッシング光を空間光変調装置上でスキャンさせることによって書込みを行うので、小型の光学系で精密かつ迅速な書込みが可能になる。また、制御手段が、1フレームの期間中にアドレッシング手段による空間光変調装置への書込みを複数回繰り返させるので、空間光変調装置の保持性が小さくても、書き込んだ画像をリフレッシュしつつ維持することができる。つまり、空間光変調装置の保持性が小さな点を複数回の書込みによって補って読出し中の画像が薄れることを防止しつつ、新たな画像の書込みすなわち書換えに際しては、保持性が小さなことを利用して迅速な駆動の立ち上げ等を行うことができるので、応答が速く残像が残りにくいプロジェクタを提供することができる。
【0009】
また、上記プロジェクタの具体的な態様では、制御手段が、照明手段による空間光変調装置の読出し中に、空間光変調装置への同一の書込みを複数回繰り返させる。この場合、読出し中の画像を複数回リフレッシュすることができ、読み出される画像の鮮明さやコントラストを確実に維持することができる。
【0010】
また、上記プロジェクタの別の具体的な態様では、制御手段は、アドレッシング手段による書込みを、空間光変調装置への書込みによって形成される光学状態が元の状態に復帰する過渡特性に基づいて設定された所定時間以下で繰り返させる。この場合、一旦書き込んだ画像を良好な状態で維持し続けることができる。
【0011】
また、上記プロジェクタのさらに別の具体的な態様では、制御手段が、アドレッシング手段による書込みを所定時間以下の周期で繰り返させる。この場合、簡単な制御で書き込んだ画像を安定した状態で保持し続けることができる。
【0012】
また、上記プロジェクタのさらに別の具体的な態様では、制御手段が、各色に対応するアドレッシング光のスキャンによる書込みと、各色に対応する読出し光の照射による読出しとを同期させつつ、この各色の書込み及び読出しを時系列的に繰り返す。この場合、カラーシーケンシャル照明によって、鮮明でカラーブレークアップの少ないカラー画像を投射することができる。
【0013】
また、上記プロジェクタのさらに別の具体的な態様では、照明手段が、各色に対応する複数の固体発光素子を含み、制御手段が、各固体発光素子の点燈及び消灯のタイミングを調節することによって読出しのタイミングを制御する。この場合、照明手段を小型にすることができるだけでなく、各色の読出し光を空間光変調装置に照射するタイミングを自在に、しかも極めて精密に調節することができる。
【0014】
また、上記プロジェクタのさらに別の具体的な態様では、アドレッシング手段が、レーザ素子からなる光源と、この光源からのアドレッシング光を空間光変調装置上で移動させるスキャンミラー及びアクチュエータをマイクロマシン技術で一体的に形成したマイクロスキャン装置(例えばMEMS(MicroElectroMechanical Systems)素子)とを備える。この場合、レーザ素子からの十分な強度のアドレッシング光を、マイクロスキャン装置を用いて空間光変調装置上で迅速かつ正確に走査することができるので、空間光変調装置への繰り返し書込み回数を増やすことができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
〔第1実施形態〕
図1は、第1実施形態に係るプロジェクタ10の全体構造を概念的に説明するブロック図である。このプロジェクタ10は、空間光変調装置である光アドレッシング液晶20と、アドレッシング手段である書込み部30と、照明手段である照明部40と、投射レンズ50と、制御手段である制御装置60とを備える。
【0016】
図2は、図1に示す光アドレッシング液晶20の一例を示す断面構造図である。この光アドレッシング液晶20は、TNモードの液晶であり、書き込まれた状態を短時間維持する保持性を有し、一対の平板ガラス21、22の間に透明電極23、24を介して感光体層25とミラー層26と液晶層27との積層体を挟んだ構造となっている。そして、一対の透明電極23、24間には、駆動用の交流電圧が印加される。
【0017】
光アドレッシング液晶20の作製の概要は以下のようなものである。まず、一方の平板ガラス21上に透明電極23と感光体層25とミラー層26とを順次形成し、他方の平板ガラス22上に透明電極24を形成する。その後、両平板ガラス21、22をミラー層26及び透明電極24側を内側にして対向させた隙間に、液晶層27を注入して封入することによって、光アドレッシング液晶20を完成する。
【0018】
光アドレッシング液晶20への書込みに際しては、書込み側である平板ガラス21の表面に図1の書込み部30からのアドレッシング光ABが入射し、アドレッシング光ABの入射領域では感光体層25が導通する。これにより、この領域の背後にある液晶層27の対応領域に電圧が印加され、この対応領域の光学状態すなわち偏光特性が切り替わる。この際、液晶層27や感光体層25に一定の限られた保持性を持たせておけば、応答性を犠牲にすることなく、アドレッシング光ABが通過した後も短期間だけ液晶層27の状態すなわち偏光特性を維持することができる。光アドレッシング液晶20からの読出しに際しては、読出し側である平板ガラス22の表面に図1の照明部40からの有色の照明光CLが偏光された状態で入射し、ミラー層26で反射される間に液晶層27で偏光状態が変調され画像光ILとして出射する。
【0019】
なお、感光体層25は、光起電力層に置き換えることができる。この場合、アドレッシング光ABが光起電力層に入射することによって一定の電圧が発生し、この電圧を利用して液晶層27の状態を変化させることができる。
【0020】
図3は、光アドレッシング液晶20の特性を説明するグラフである。横軸はアドレッシング光ABをONにした直後からの時間であり、縦軸は書き込みされた部分の画像光ILの明るさを示す。この光アドレッシング液晶20は、ノーマリーブラックのモードで動作させており、アドレッシング光ABのOFF直後から明るさが徐々に減少する。
【0021】
この場合、明るさの曲線DCは、ピークの後端が長く延びる波形を有しており、書込みがON状態からOFF状態に切り替わった直後の減光の速さつまりグラフの傾きは、最初小さくその後徐々に増大するが最後に再び減少する。書込みがON状態からOFF状態に切り替わった光アドレッシング液晶20の明るさが完全に減衰して概ね元の状態に復帰するまでの減衰時間は、光アドレッシング液晶20の原料、サイズ、製造工程等の選択によって、例えばμs〜msのオーダーで適宜調節することができる。また、光アドレッシング液晶20が元の状態に復帰するまでの波形も、材料等の選択によってある程度調節することができる。
【0022】
光アドレッシング液晶20の書込み時における応答性を高めるためには、液晶等の保持性を制限せざるを得ないことから、以上の減衰時間は、ある程度以上長くすることができない。一方、光アドレッシング液晶20の減衰時間があまり短くなると、1フレームの読出し中に書き込んだ画像が保持されなくなる。そこで、本実施形態の場合、光アドレッシング液晶20からの読出し画像の明るさが大きく減少する前に、光アドレッシング液晶20の書込みを繰り返す。これにより、光アドレッシング液晶20への迅速な書込みを可能にしつつも、光アドレッシング液晶20に書き込まれた光学状態を所望の時間だけ維持し続けることができる。
【0023】
図4は、光アドレッシング液晶20への書込みの繰り返しを説明するグラフである。単一のスキャンでは、図3に示す曲線DCのように、書込み状態がON状態からOFF状態に切り替わった直後から光アドレッシング液晶20の画像光ILの明るさが減少するが、フレーム期間FI中に亘って一定周期でアドレッシング光ABのスキャンを繰り返すことにより、光アドレッシング液晶20に書き込まれた光学状態をフレーム期間FI中ほぼ一定に維持することができる。例えばフレーム期間FI=16.7ms(1秒60コマ)とし、光アドレッシング液晶20の明るさが1/eとなる減衰時間DTが約3msであるとすると、減衰量が大きくなる前の保持時間HTが約1msとなり、フレーム期間FI中において周期TRをTR=HT=1ms以下として16回以上の再書込みを繰り返せば出力光が安定することになる。なお、フレーム期間FI中における最後又は最後を含む数回の書込みは、次のフレーム期間FIに延びる保持性のテールを形成することになるので、適宜省くことができる。
【0024】
図1に戻って、書込み部30は、変調されたレーザ光を発生するレーザ光源31と、レーザ光源31からのレーザ光を反射するスキャンミラー32と、スキャンミラー32の角度を調節するアクチュエータ33と、レーザ光源31やアクチュエータ33を制御装置60からの指示に基づいて適宜駆動する駆動ユニット35とを備える。
【0025】
ここで、レーザ光源31については、光アドレッシング液晶20に設けた感光体層25のスペクトル特性を考慮して適宜発生波長が選択される。また、スキャンミラー32は、例えば半導体基板上に薄膜作製プロセスによりアクチュエータ33と一体的に形成されたMEMS(MicroElectroMechanical Systems)素子とすることができ、レーザ光源31からのアドレッシング光ABを光アドレッシング液晶20の書込み面20aにおける任意の画素位置に入射させることができ、書込み光であるアドレッシング光ABの高速スキャンを可能にする。なお、このアドレッシング光ABは、レンズ等のビーム整形光学系(不図示)を経て収束され、光アドレッシング液晶20の書込み面20aに微細スポットとして入射する。駆動ユニット35は、レーザ光源31の動作を制御して、アドレッシング光ABの強度をRGBの各色の1コマ画像(フレーム)の輝度分布に応じて変調する。この際、この駆動ユニット35は、レーザ光源31とアクチュエータ33とを同期させて動作させることができ、アドレッシング光ABが刻々と入射する画素位置に応じてアドレッシング光ABの強度変調を行う。
【0026】
図5は、光アドレッシング液晶20の書込み面20aにおけるアドレッシング光ABの具体的な走査を説明する図である。アドレッシング光ABが入射する画素点PPは、±X方向に高速で主走査され、±Y方向に低速で副走査され、走査全体によって書込み面20aの全面に書込みが行われる。なお、画素点PPのサイズは、アドレッシング光ABのスポットサイズを調節することによって変更することができる。つまり、アドレッシング光ABのスポットサイズ等に応じて解像度を変更することができる。
【0027】
アドレッシング光ABを光アドレッシング液晶20上で走査する書込みは、既に図4等で説明したようにフレーム期間中に亘って一定周期で繰り返される。光アドレッシング液晶20への書込み状態が大きく減衰する前までの許容時間すなわち保持時間HTを例えば1msとすると、この保持時間HT=1msを周期として再書込みを繰り返す必要がある。ここで、画像サイズを1024×768ピクセルとすると、許容時間1ms中にレーザを最低でも384往復させる必要がある。つまり、図1に示すスキャンミラー32を384kHzで動作させることになるが、MEMS技術を利用し20×20μm程度のスキャンミラー32を作製すれば、このような周波数での動作も十分可能である。なお、アドレッシング光ABを走査する書込みをフレーム期間中に繰り返した場合、レーザ光源31やアクチュエータ33を連続駆動する必要があり、一見消費電力がかなり増加するようにも見えるが、アドレッシング光ABによる走査を1フレーム期間中に繰り返さない場合にも、動作の安定性保持の観点からアクチュエータ33を連続動作させるのが通常であり、消費電力の増加はレーザ光源31による照射時間の増加分だけである。
【0028】
図1において、照明部40は、固体発光素子である3つの発光ダイオード41a、41b、41cと、これらの発光ダイオード41a、41b、41cから射出された照明光を効率よく直線偏光に変換する偏光変換素子42と、各発光ダイオード41a、41b、41cを制御装置60からの指示に基づいて適宜発光させる駆動ユニット43とを備える。ここで、発光ダイオード41a、41b、41cは、RGBの各色をそれぞれ読出し光として発生する。発光ダイオード41a、41b、41cからの各色の照明光CLa、CLb、CLcは、これらに内蔵し或いは外付けした光学系(不図示)を経て必要な発散角及び一様な分布とされ、偏光変換素子42及び偏光フィルタ52を通過して光アドレッシング液晶20の読出し面20bに均一に入射する。駆動ユニット43は、各発光ダイオード41a、41b、41cの動作を制御して各照明光CLa、CLb、CLcの発光タイミングを調節する。具体的に説明すると、駆動ユニット43は、光アドレッシング液晶20の書込み面20aに入射する書込み部30からのアドレッシング光ABと同期をとって、各発光ダイオード41a、41b、41cを順次時系列的に繰り返し発光させる。これにより、光アドレッシング液晶20の読出し面20bをRGBの3原色でカラーシーケンシャルに照明することができる。
【0029】
このようにカラーシーケンシャル照明された光アドレッシング液晶20で反射され偏光フィルタ52を通過した画像光ILは、投射レンズ50を経てスクリーンSC上に投射される。このような画像光ILは、アドレッシング光ABの走査を利用した書込みにより、各色の画像の輝度分布に応じて変調されたものであり、スクリーンSC上には、RGBの3原色が合成されたカラー画像が形成される。
【0030】
制御装置60は、プロジェクタ10の動作を統括的に制御するための制御手段であり、外部から入力されるビデオ信号を適当に加工して、駆動ユニット35、43に適当な制御信号を与え、読出しや書込みのタイミング等を制御して、スクリーンSCにビデオ信号や各種デジタル画像信号に対応する動画等の多様な表示を行わせる。
【0031】
図6は、図1のプロジェクタ10の動作を説明するものであり、制御装置60に制御された光アドレッシング液晶20の書込み及び読出しを説明するタイミングチャートである。図6(a)は、アドレッシング光ABによる第1画素(走査の開始点)の書込みのタイミングを示し、図6(b)は、上記第1画素の書込み状態すなわち光学状態の保持を示し、図6(c)は、照明光CLを利用した読出しのタイミングを示す。
【0032】
図6(a)に示すように、アドレッシング光ABの走査による書込みは、最初のフレーム期間FI(この場合R色の1コマ分の画像に割り当てられた時間)中一定周期で繰り返される。同様に、次のフレーム期間FI(G色の1コマ分の画像に割り当てられた時間)中も、アドレッシング光ABによる書込みが一定周期で繰り返される。
【0033】
図6(b)に示すように、第1画素の書込み状態は、同一強度のアドレッシング光ABの繰り返し入射により、フレーム期間中、ほぼ一定の書込み状態RS1に保たれる。フレーム期間の最後は、次のフレーム期間FI(G)に延びる保持性のテールによる影響を緩和するため書込みを停止する。
【0034】
図6(c)に示すように、R光の照明、すなわち発光ダイオード41aからの照明光CLaを利用した読出しは、アドレッシング光ABによる初回の走査が終了した後から、フレーム期間FIが終了するまで継続される。このように、アドレッシング光ABによる第1回目の走査終了後から読出しを開始する理由は、1回目のスキャンが完了するまでは、1フレームの書込みが終了しておらず、画像が未完成であることを考慮したものである。なお、本実施例では、光アドレッシング液晶20の保持性を適度に低くしてあるので、再書込みを繰り返す周期TRを短くすることになり、初回の走査が終了するまで照明しなくても、時間開口率を大きくとることができ、明るい画像を得ることができる。例えば光アドレッシング液晶20への再書込みを繰り返す周期をTR=1msとし、フレーム期間FI=16.7msとすると、時間開口率は94%程度となり、極めて明るい画像となることが分かる。
【0035】
なお、タイムチャートでは詳細を省略しているが、以上のような書込み及び読出しは、色Rだけ出なく、色G及びBについても同様に行われ、各色ごとに明るい画像がスクリーンSCに投射される。
【0036】
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係るプロジェクタについて説明する。第2実施形態のプロジェクタは、第1実施形態の一部を変更したものである。この場合、図1の発光ダイオード41a、41b、41cや駆動ユニット43に代えて、カラーホイールを用いる。
【0037】
図7は、第2実施形態のプロジェクタに組み込まれる照明部140の構成を説明するブロック図である。この照明部140は、照明光を発生するランプ等の白色光源145と、この白色光源145からの光を時系列的に色分割した照明光CLとして射出させるカラーホイール146と、このカラーホイール146を図1に示す制御装置60からの指示に基づいて適宜回転させる駆動ユニット143とを含む。
【0038】
図8は、カラーホイール146の構造を説明する平面図である。図からも明らかなように、カラーホイール146には、RGBの3色に対応する3つのフィルタ領域146a、146b、146cが形成されている。これらのフィルタ領域146a、146b、146cの間には、NDフィルタ等の遮光体、又は反射ミラー等からなる3つの同一形状の遮光部分146dが形成されている。
【0039】
カラーホイール146の各部は、白色光源145の正面を順次通過する。このカラーホイール146において、フィルタ領域146aは、図1に示す発光ダイオード41aからのR色の照明光CLaに対応し、フィルタ領域146bは、発光ダイオード41bからのG色の照明光CLbに対応し、フィルタ領域146bは、発光ダイオード41bからのB色の照明光CLcに対応する。カラーホイール146を通過した各色の照明光CLは、偏光変換素子42を経て特定の直線編光に変換され、ビーム整形光学系を経て、偏光フィルタ52及び光アドレッシング液晶20の読出し面20bに均一に入射する。なお、カラーホイール146の遮光部分146dは、図6(c)に示すように、フレーム期間中の初期に照明又は読出しを行わないOFF状態に対応し、フレーム期間中に複数回繰り返される走査のうち初回の走査時間と一致している。
【0040】
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、書込み部30は、レーザ光源31に限らず、LED光源等とすることができ、スキャンミラー32及びアクチュエータ33もポリゴンミラー等に変更することができる。
【0041】
書込み部30に設けたレーザ光源31は、LED光源等の他の光源に置き換えることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係るプロジェクタを説明するブロック図である。
【図2】液晶の一例の断面構造を説明する図である。
【図3】液晶の特性を説明するグラフである。
【図4】液晶への画像書込みの繰り返しを説明するグラフである。
【図5】アドレッシング光の具体的な走査を説明する図である。
【図6】(a)〜(c)はプロジェクタの動作を説明する図である。
【図7】第2実施形態のプロジェクタを説明するブロック図である。
【図8】カラーホイールの構造を説明する平面図である。
【符号の説明】
10 プロジェクタ
20 光アドレッシング液晶
23,24 透明電極
25 感光体層
26 ミラー層
27 液晶層
30 書込み部
31 レーザ光源
32 スキャンミラー
33 アクチュエータ
40 照明部
41a,41b,41c 発光ダイオード
50 投射レンズ
60 制御装置
140 照明部
145 白色光源
146 カラーホイール
CLa,CLb,CLc 照明光
SC スクリーン

Claims (7)

  1. アドレッシング光を書込み側に入射させた場合に、入射箇所で光学特性が変化する空間光変調装置と、
    前記アドレッシング光を前記空間光変調装置の書込み側に入射させ当該空間光変調装置上でスキャンさせることによって書込みを行うアドレッシング手段と、
    読出し光を前記空間光変調装置の読出し側に照射することによって読出しを行う照明手段と、
    1フレームの期間中に、前記アドレッシング手段による前記空間光変調装置への書込みを複数回繰り返させる制御手段と
    を備えるプロジェクタ。
  2. 前記制御手段は、前記照明手段による前記空間光変調装置の読出し中に、前記空間光変調装置への同一の書込みを複数回繰り返させることを特徴とする請求項1記載のプロジェクタ。
  3. 前記制御手段は、前記アドレッシング手段による書込みを、前記空間光変調装置への書込みによって形成される光学状態が元の状態に復帰する過渡特性に基づいて設定された所定時間以下で繰り返させることを特徴とする請求項1及び請求項2のいずれか一項記載のプロジェクタ。
  4. 前記制御手段は、前記アドレッシング手段による書込みを前記所定時間以下の周期で繰り返させることを特徴とする請求項3記載のプロジェクタ。
  5. 前記制御手段は、各色に対応する前記アドレッシング光のスキャンによる書込みと、各色に対応する前記読出し光の照射による読出しとを同期させつつ、当該各色の書込み及び読出しを時系列的に繰り返すことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項記載のプロジェクタ。
  6. 前記照明手段は、前記各色に対応する複数の固体発光素子を含み、前記制御手段は、各固体発光素子の点燈及び消灯のタイミングを調節することによって読出しのタイミングを制御することを特徴とする請求項5記載のプロジェクタ。
  7. 前記アドレッシング手段は、レーザ素子からなる光源と、当該光源からの前記アドレッシング光を前記空間光変調装置上で移動させるスキャンミラー及びアクチュエータをマイクロマシン技術で一体的に形成したマイクロスキャン装置とを備えることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項記載のプロジェクタ。
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