JP2005091610A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安全性を確保すると共に、色再現範囲を広くかつ表示画像を明るくすることが可能な構成の画像表示装置を提供する。
【解決手段】 レーザー光を光源として用いて画像を表示する第１の画像表示系１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７と、レーザー光以外の光源を用いて画像を表示する第２の画像表示系２１，２２，２３，２４，１６，１７とを備え、第１の画像表示系１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７及び第２の画像表示系２１，２２，２３，２４，１６，１７が、ほぼ同一の範囲に対して光を照射することが可能である画像表示装置１０を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源にレーザーを用いて画像の表示を行う画像表示装置に係わる。

大画面表示が可能な画像表示装置として、投射型画像表示装置、即ちいわゆるプロジェクタ装置が知られている。

従来からの投射型画像表示装置は、キセノンランプ、水銀ランプ等の高輝度白色ランプからの光を色フィルターで、例えば赤、緑、青に選別した光を、例えば透過型液晶デバイスで透過光を映像信号に従い遮蔽する程度を変えることにより画像を表示している。
このため、例えば赤色を構成する光は、赤色フィルターの特性に依存したある帯域の光スペクトルを含んだ色である。色純度を上げるには、色フィルターの透過率を低くすることになり、同じランプからの光出力では、画像が暗くなる。逆に、ランプの光利用効率を上げると、色純度が悪化し、色再現領域も小さくなる。

そして、投射型画像表示装置において、映像信号による変調の容易さ、色再現性の良さ、明るさを充分に確保できる等の利点から、光源にレーザー光を用いて、レーザービームを走査することにより画像を表示することが考えられている（例えば、特許文献１参照）。

レーザー光は単一スペクトル光の発光であり、色純度が非常に高い。これにより、複数のレーザー光を用いた画像表示装置、例えば赤、緑、青の３色のレーザー光を使用する表示装置は、原色の赤、緑、青の色純度が高く、また、これら原色の合成で作る中間色の再現範囲が広くなる。
つまり、レーザー光を用いたカラー画像表示装置は、色再現範囲が広い鮮やかな画像を表示することができる。

ところで、レーザー光は非常に小さい発光点から発光し、かつ発散角が小さい平行光であるため、その光を直接覗き込むと眼の網膜上に小さな点として集中し、そのレーザーパワーが大きいと眼の網膜に熱傷をもたらす性質を持っている。

そのため、レーザー光使用機器については、国際レーザー安全規格ＩＥＣ６０８２５シリーズ、及び各国のそれに準じた国内規格により、レーザー機器の製造者及び使用者に対する厳しい安全規格が設けられている。例えば、ＩＥＣ６０８２５−１では、レーザーパワーの大きさによってクラス１からクラス４までのクラス分類を行い、それぞれのクラスごとに、製造者及び使用者が守るべき指針を設けている。

レーザービームをスクリーン上に走査する画像表示装置の場合には、一旦スクリーンに当たって拡散反射されたレーザー光が、四方八方に拡散されるため、かなりの強度のレーザー（レーザークラス分類３Ｂ以下）でも安全であると確認されている。
特開平３−６５９１６号公報

ところが、万一、誤ってスクリーンに照射される以前のレーザービームを直接見てしまった場合には、レーザービームの光量が大きいと、眼の網膜を熱傷する危険性がある。

この危険性は、レーザー光のエネルギー密度（Ｗ／ｍ^２）、被爆時間、網膜上での像点の大きさに関係する。
そして、レーザー光のエネルギー密度（Ｗ／ｍ^２）が高いほど、被爆時間が長いほど、網膜上での像点の大きさが小さいほど、熱傷の危険性が増大する。

ここで、国際レーザー安全委員会が決めた国際基準によると、レーザー光が直接眼に入射した場合の網膜における最大許容被爆量（ＭＰＥ）が規定されている。この最大許容被爆量（ＭＰＥ）とは、同委員会の様々な実験評価により、これ以下のレーザー光を浴びた場合には人の眼に障害が起こらないとした基準値である（以上、同委員会国際基準IEC60825-1 amend2 p31 Table 6 参照）。

そして、上述の国際基準において規定された最大許容被爆量のうち、可視光領域（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の数値を基に、最小感知像点サイズ以下の一定の網膜上像点に関して（上記Table でＣ６＝１とした最も厳しい条件；レーザー光源を最小の物点としたとき）、被爆時間と許容されるレーザー照射強度（エネルギー密度（Ｗ／ｍ^２））との関係を図４に示す。

図４より、被爆時間が０．０５秒より短くなると、許容されるレーザー光強度が急激に大きくなるが、それより長い被爆時間領域では、被爆時間が伸びたとしても、許容されるレーザー光強度は、あまり低下しない。
つまり、傾向的にはレーザー被爆時間を短くするに従い、レーザー光による眼への危険性は低下するが、被爆時間が０．０５秒程度より長くなるに従い許容されるレーザー光強度の低下の減少が小さくなる。
このことから、被爆時間が０．０５秒程度より短い場合（例えば、単発のレーザー光照射）には、眼への照射可能時間を極力小さくすること、即ち、より短いパルス照射にすることにより安全性を高め得ることがわかる。
また、被爆時間が０．０５秒程度より長くなる場合（例えば、連続発振レーザー、パルス発振が連続するレーザー、及びレーザー光を周期的に走査する場合等）は、総積算被爆時間を短くするよりは、単位時間当たり、単位面積当たりのレーザー光強度（Ｗ／ｍ^２）を小さくすることの方が効果的に、安全性を高め得ることがわかる。

レーザー光を周期的に走査することにより画像表示する装置においては、観客が万一投射レーザー光を直接覗く場合の安全性を考えると、レーザー光強度（Ｗ／ｍ^２）をできるだけ小さくすることが要請される。

しかしながら、レーザー光強度（Ｗ／ｍ^２）を小さく抑制することは、表示画像が暗くなることになる。
つまり、複数のレーザー光を走査することにより画像表示する装置、例えば、赤、緑、青３色のレーザー光を使用する表示装置は、単一スペクトル光による原色表示であることから、色再現範囲が広い鮮やかな画像を表示できるが、万一間違ってレーザー光を直接覗く危険性を考えると、眼に安全なレベルとしてのレーザー光強度（Ｗ／ｍ^２）の上限以上の明るい画像を表示できない。
従来のレーザー光走査でカラー画像を表示する装置では、このような見地からは設計されていない。

また、投射型に限らず、鑑賞者をスクリーンによってレーザー光源から分離するリアプロジェクタ等の画像表示装置であっても、画像を調整するために画像を観察しようとする際にレーザー光を覗く可能性があるため、この場合も安全性を確保する必要がある。

上述した問題の解決のために、本発明においては、安全性を確保すると共に、色再現範囲を広くかつ表示画像を明るくすることが可能な構成の画像表示装置を提供するものである。

本発明の画像表示装置は、レーザー光を光源として用いて画像を表示する第１の画像表示系と、レーザー光以外の光源を用いて画像を表示する第２の画像表示系とを備え、第１の画像表示系及び第２の画像表示系が、ほぼ同一の範囲に対して光を照射することが可能な構成とされているものである。

上述の本発明の画像表示装置の構成によれば、レーザー光を光源として用いて画像を表示する第１の画像表示系と、レーザー光以外の光源を用いて画像を表示する第２の画像表示系による画像の表示とが、ほぼ同一の範囲に対して光を照射することが可能な構成とされていることにより、第１の画像表示系により広い色再現領域と得ると共に、レーザー光以外の第２の画像表示系により、レーザー光の出力を抑えても明るい表示を行うことが可能になる。

上述の本発明によれば、従来のランプを光源として用いた画像表示装置よりも色再現領域が広い画像表示装置を実現することが可能になる。
また、高輝度領域で第１の画像表示系による画像の表示と第２の画像表示系による画像の表示を行うようにすれば、低輝度領域の色再現性をレーザー光のみで画像表示する画像表示装置と同等とし、かつ高輝度領域では従来のランプを用いた画像表示装置よりも色再現領域を広くすることが可能になる。

また、第１の画像表示系において、レーザー光の最大出力が人体に害のない程度に制限される構成とすることにより、レーザービームが直接眼に入った場合の最大レーザー強度を、従来のレーザー光を用いた画像表示装置よりも低減することもできる。
従って、眼に安全な（レーザー走査による）画像表示装置の構築が可能になる。

そして、本発明によれば、従来のレーザー光を光源として用いた画像表示装置と同様の明るさで画像の表示を行う場合、より安全な画像表示装置を構成することが可能になる。
一方、従来のレーザー光を光源として用いた画像表示装置と同様の安全基準を遵守する場合、より明るい画像の表示を行うことが可能になる。

従って、本発明により、安全性を確保すると共に、表示画像を明るくすることが可能な画像表示装置を実現することができる。
例えば、家庭用のレーザー機器はクラス１〜２の安全基準を満たすレーザー出力が求められるが、その安全基準内で充分明るい画像の表示を行うことが可能になる。

本発明の一実施の形態として、投射型画像表示装置の概略構成図を図１に示す。
この投射型画像表示装置１０は、図示しないレーザー光源からの、赤Ｒ・緑Ｇ・青Ｂの各色のレーザー光を用いて、これらのレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを水平走査してスクリーン１に照射することにより、スクリーン１に画像を表示するものである。

また、この投射型画像表示装置１０は、レーザー光源からの各色のレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂの光路を変えるためのミラー１１と、３色のレーザー光を合波するためのハーフミラー１２と、合波したレーザー光を水平偏向するためのポリゴンミラー１３と、レーザー光を垂直偏向するためのガルバノメーター１４と、調整用レンズ系１５と、ハーフミラー１６と、投射レンズ系１７とを備えている。

３色のレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂは、ミラー１１及びハーフミラー１２を経て合波された後に、ポリゴンミラー１３により水平方向に偏向され、ガルバノメーター１４により垂直方向に偏向され、調整用レンズ系１５を通過する(以下、この系をレーザー画像系と呼ぶ。)。さらに、ハーフミラー１６、投射レンズ系１７を経て、スクリーン１の画面（画像表示領域）に拡大照射される。
これにより、スクリーン１の画面にカラー画像が表示される。

本実施の形態の投射型画像表示装置１０は、特に、上述したレーザー光Ｒ，Ｇ，Ｂを光源として用いる他に、キセノンランプ２１を光源として用いて、レーザー光とキセノンランプ２１とを併用する構成となっている。
レーザー光をスクリーン１に照射するための光学系は、上述した各部品、即ちミラー１１、ハーフミラー１２、ポリゴンミラー１３、ガルバノメーター１４、調整用レンズ系１５、ハーフミラー１６、投射レンズ系１７から構成される。
キセノンランプ２１からの光をスクリーン１に照射される光学系は、照明レンズ系２２、透過型液晶パネル２３、調整用レンズ系２４、ハーフミラー１６、投射レンズ系１７から構成される。即ち、ハーフミラー１６及び投射レンズ系１７はレーザー光の光学系と共通になっており、ハーフミラー１６において両者の光が合成されるように構成されている。

このように、ハーフミラー１６及び投射レンズ系１７がレーザー光の光学系とキセノンランプ２１の光学系とで共通になっていることにより、光源が増えたことによる投射型画像表示装置１０の部品数や大きさの増加を抑えることができる。
なお、投射レンズ系を２つの光学系で共用せず別々に設けることも可能である。

キセノンランプ２１からは、白色光が発生し、この白色光が透過型液晶パネル２３の赤、緑、青色の画像信号で変調された各色フィルターを透過することにより、色のついた光となる(以下、この系をランプ画像系と呼ぶ。)。そして、調整用レンズ系２４を経てハーフミラー１６においてレーザー光と合成されて、投射レンズ系１７によりスクリーン１へ拡大照射される。これにより、スクリーン１の画面にカラー画像が表示される。

さらに、本実施の形態の投射型画像表示装置１０では、レーザー画像系とランプ画像系とで、映像（ビデオ）ドライブ信号を異なるようにする。

本実施の形態の投射型画像表示装置１０における、ビデオ信号ドライブ量とスクリーン輝度との関係を図２に示す。併せて、ビデオ信号ドライブ量と信号の出現頻度との関係も図２に示す。
図２に示すように、レーザー画像系のドライブ信号（線Ａ）は、ドライブ量の小さい低ドライブ領域ではドライブ量に比例して輝度を増加させるが、ドライブ量の大きい高ドライブ領域では、ほぼ一定の輝度に保たれ、高ドライブ領域では輝度が飽和するように制御する。
また、ランプ系のドライブ信号（線Ｂ）は、低ドライブ領域では発生しないようにして、高ドライブ領域ではドライブ量の増加に応じて輝度が直線的に増加するように制御する。
即ち、低ドライブ領域では、レーザー画像系のみにより画像を表現し、高ドライブ領域では、レーザー画像系とランプ画像系とを併用して表現する。

これにより、合成された光のスクリーン輝度（線Ｔ）では、ほぼビデオ信号ドライブ量に比例して、輝度が増加するようになっている。

そして、図２中曲線Ｓで示すように、信号頻度はドライブ量の小さい信号が多く、ドライブ量の大きい信号は少なくなっている。
一般的な映画や自然画像の映像信号は、この曲線Ｓで示すように、最大ドライブ量の半分以下のドライブ量の映像信号が大半であるので、この部分の映像を色再現範囲の広いレーザー画像系で表現すると、色鮮やかな画像を表示することができる。
一方、映像ドライブ量の大きい、明るい映像信号の部分は、ランプ画像系が併用され、輝度の増大によりランプ画像系の輝度が増加することにより、レーザー光の強度は一定値で飽和させても明るい表示を行うことができると共に、万一レーザー光が直接眼に入った場合の危険性を小さくするようにレーザーの光強度を抑制することができる。

ここで、ＣＩＥ色度図を模した図３を用いて、本実施の形態の投射型画像表示装置１０の色再現性について説明する。図３において、外側の線４０は、人間の目で感じ取ることができる色の範囲を示している。
レーザー光は単スペクトルであるため、例えば青、緑、赤色レーザー光を用いた３原色レーザー光表示装置の色再現範囲は、図中４１で示すように広くなり、人間の目で感じ取ることができる色の範囲のほとんどをカバーすることができる。
キセノンランプ２１から発光して透過型液晶パネル２２を透過した光の色再現範囲は、図中４３で示すように狭くなる。
本実施の形態では、低輝度領域（前述した低ドライブ領域）では、レーザー発光のみであるため４１の色再現範囲になり、高輝度領域（前述した高ドライブ領域）では、レーザー発光とランプ発光とを併用するため４１と４３を按分した４２で示すような色再現範囲になる。

従って、低輝度領域では、レーザー画像系と同様の広い色再現範囲が実現され、高輝度領域では、レーザー画像系の色再現範囲には劣るが、従来のデバイスを用いた投射型表示装置よりは広い色再現範囲が実現する。
そして、このような色再現特性は、低輝度領域画像の表出頻度が高い一般的な映像特性と合致し、従来の投射型画像表示装置よりも自然な画像を表現できる。
つまり、上述した構成にすることにより、レーザー光が直接眼に入った場合の危険性を抑制しながら、従来のランプを用いた投射型画像表示装置よりも広い色再現範囲を実現でき、色鮮やかな画像表示が可能となる。

上述の本実施の形態の投射型画像表示装置１０によれば、低輝度領域の色再現性は、レーザー光のみで画像表示する投射型画像表示装置と同等であり、かつ高輝度領域では、従来のランプにより画像表示する投射型画像表示装置よりも色再現領域が広くなる。
これにより、従来のランプを光源として用いた投射型画像表示装置より色再現領域が広い画像表示装置が実現できる。

また、本実施の形態の投射型画像表示装置１０によれば、高輝度領域でレーザー光の出力が制御されてレーザー光の輝度が飽和するので、レーザー光の出力の制御により人体に害を与えない程度のレーザービームとすることができる。これにより、レーザービームが直接眼に入った場合の最大レーザー強度を、従来のレーザー光を光源として用いた投射型画像表示装置よりも低減することができる。
従って、眼に安全なレーザー走査画像表示装置の構築が可能になる。

そして、このレーザー光の出力が飽和した状態で、キセノンランプ２１を光源とした画像表示系による画像の表示を同時に行うことにより、明るい画像の表示を行うことができるため、レーザー安全クラス分類を変えることなく、従来のレーザー光を光源として用いた投射型画像表示装置よりも高輝度画像を表示することが可能になる。即ち、従来のレーザー光を用いた投射型画像表示装置と同様のレーザー安全基準を遵守する場合には、より明るい画像の表示が可能になる。
また、従来のレーザー光を用いた投射型画像表示装置と同様の明るさで表示する場合、より安全な投射型画像表示装置を構成することができる。

従って、広い色再現範囲でかつ明るい画像の表示と、安全性とを共に実現することが可能になる。例えば家庭用のレーザー機器はクラス１〜２の安全基準を満たすレーザー出力が求められるが、その安全基準内で広い色再現範囲でかつ充分明るい画像の表示を行うことが可能になる。

従って、本実施の形態の投射型画像表示装置１０により、１枚の画像の中で明るい部分（高輝度領域の部分）と暗い部分（低輝度領域の部分）とを共に有する場合でも、それぞれの部分で広い色再現範囲を実現することができ、また明るい部分でのレーザー光強度を抑制して安全基準を満足することができる。

なお、本発明において、偏向方法については本質ではなく、上述の実施の形態で採用されている偏向方法に限定されるものではない。
例えば、水平偏向をガルバノメーターにより行い、垂直偏向をポリゴンミラーにより行う構成も可能であり、水平偏向及び垂直偏向を両方ともポリゴンミラー若しくはガルバノミラーにより行う構成としても良い。また、ＧＬＶ（Grating Light Valve ）素子等の光回折素子を用いて偏向を行う構成としても良い。

また、上述の実施の形態では、カラー画像を表示する投射型画像表示装置について述べたが、単色、例えば緑色単色の投射型画像表示装置においても、低輝度時にはレーザー光（この場合はレーザー光は１本もしくは同色の複数本となる）により画像を表示し、高輝度時には主としてランプ発光により画像を表示することも同様に可能である。

また、赤、緑、青の３原色でなく、他の色の単色レーザーを複数個用いることによりカラー画像を表示してもよい。

なお、レーザー画像系と組み合わせる画像表示系の光源として、キセノンランプ以外のランプ（例えば水銀ランプ）やＣＲＴ（陰極線管）を用いても良い。
また、レーザー画像系と組み合わせる画像表示系の画像信号変換デバイスとして、透過型液晶だけでなく、反射型液晶、デジタルマイクロミラーデバイス等を用いても良い。
さらにまた、レーザー画像系と組み合わせる画像表示系として、フィルムを映写してスクリーンに投射する構成のフィルム映写デバイスを用いてもよい。

また、レーザー画像系及びその他の画像系の、各ドライブ信号のドライブ量による輝度の変化の組み合わせは、図２に示した組み合わせに限定されるものではなく、その他の組み合わせも可能である。例えば、低輝度領域においても両者の画像系を併用することも可能である。

なお、本発明では、例えば高輝度領域においてレーザー画像系のドライブ信号を停止する（もしくはレーザー光源の閾値以下にする）ことにより、レーザー画像系からその他の画像系に完全に切り替えるような使用方法も可能である。

また、上述の実施の形態では、レーザー画像系の画像表示をレーザー光を偏向走査する構成としていたが、レーザー画像系の画像表示をレーザースポットを拡大投射する構成として、このレーザー画像系とその他の画像系を重ねて投射する構成としても良い。

また、上述の実施の形態では、本発明を投射型画像表示装置に適用した場合であったが、本発明はレーザー光を光源として使用可能なその他の構成の画像表示装置にも適用することが可能である。
例えば、いわゆるリアプロジェクタ装置等のように鑑賞者をスクリーンによってレーザー光源から分離する構成の画像表示装置にも、本発明を適用することが可能である。そして、本発明を適用することにより、安全性を確保すると共に、色再現範囲を広くかつ表示画像を明るくすることが可能になる。
いずれの構成の画像表示装置であっても、レーザー光を光源として用いる第１の画像表示系と、レーザー光以外の光源を用いる第２の画像表示系とが、スクリーン等の、ほぼ同一の範囲に対して光を照射することが可能な構成とすればよい。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明の一実施の形態の投射型画像表示装置の概略構成図である。 図１の投射型画像表示装置における、ビデオ信号ドライブ量とスクリーン輝度との関係を示す図である。 ＣＩＥ色度図を模して、図１の投射型画像表示装置の色再現性について説明する図である。 被爆時間と許容されるレーザー照射強度との関係を示す図である。

符号の説明

１ スクリーン、１０ 投射型画像表示装置、１１ ミラー、１２，１６ ハーフミラー、１３ ポリゴンミラー、１４ ガルバノメーター、１７ 投射レンズ系、２１ キセノンランプ、２３ 透過型液晶パネル

Claims (10)

1. レーザー光を光源として用いて、画像を表示する第１の画像表示系と、
   レーザー光以外の光源を用いて、画像を表示する第２の画像表示系とを備え、
   前記第１の画像表示系及び前記第２の画像表示系が、ほぼ同一の範囲に対して光を照射することが可能な構成とされている
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記レーザー光が複数のレーザービームにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１の画像表示系及び前記第２の画像表示系において、画像を拡大投射する投射レンズ系が共用されることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 高輝度領域を表示する場合に、前記第１の画像表示系による画像の表示と前記第２の画像表示系による画像の表示とが同時に行われることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
5. 前記第１の画像表示系において、レーザー光の最大出力が人体に害のない程度に制限されることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
6. 前記第２の画像表示系の光源として、陰極線管が用いられていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
7. 前記第２の画像表示系に、透過型液晶による画像表示デバイスが用いられていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
8. 前記第２の画像表示系に、反射型液晶による画像表示デバイスが用いられていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
9. 前記第２の画像表示系に、デジタルマイクロミラーデバイスが用いられていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
10. 前記第２の画像表示系に、フィルム映写デバイスが用いられていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。

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