JP2007226172A - 画像投射装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な画質をもって横長の画像の表示を行う。
【解決手段】1次元空間光変調素子により変調された光を、ミラー面が4面もしくは5面のポリゴンスキャナ20により、1次元空間光変調素子の長手方向と略直交する方向に走査して、画像を投射する構成とする。4面もしくは5面ポリゴンスキャナを用いることによって、光学的な精度を保ち、かつ効率よく光を投射することができる。
【選択図】図1
【解決手段】1次元空間光変調素子により変調された光を、ミラー面が4面もしくは5面のポリゴンスキャナ20により、1次元空間光変調素子の長手方向と略直交する方向に走査して、画像を投射する構成とする。4面もしくは5面ポリゴンスキャナを用いることによって、光学的な精度を保ち、かつ効率よく光を投射することができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、1次元空間光変調素子により画像情報に対応して変調した光を投射して画像を表示する画像投射装置に関する。
高臨場感ディスプレーの要件として、高解像度、広色域、広視野角、高フレームレートが必要とされている。広視野角をプロジェクタ1台で実現しようとした場合、液晶パネルやDMD(Digital Micromirror Device)などの2次元型の空間光変調素子を用いて巨大なスクリーンや曲面スクリーンに投影する方法が一般的に用いられている。これらの場合は、画面の端部、特に四隅において画質が劣化してしまうため、画質と視野角が両立できないのが現状である。
一方1次元型の空間光変調素子は、空間光変調素子の長軸(長手方向)と直交する方向に走査する手段を合わせることで2次元画像を表示する。投射レンズの後に走査する手段を配置するポストプロジェクションスキャン方式では、広視野角を比較的狭い投射空間で実現しやすい。また、投射像面を円筒スクリーンとする場合は画面の四隅での劣化がなく、画質を損なうことなく広い視野角を実現できる利点がある(例えば特許文献1参照。)。
一方1次元型の空間光変調素子は、空間光変調素子の長軸(長手方向)と直交する方向に走査する手段を合わせることで2次元画像を表示する。投射レンズの後に走査する手段を配置するポストプロジェクションスキャン方式では、広視野角を比較的狭い投射空間で実現しやすい。また、投射像面を円筒スクリーンとする場合は画面の四隅での劣化がなく、画質を損なうことなく広い視野角を実現できる利点がある(例えば特許文献1参照。)。
しかしながら、メガビジョンのような横長の画像を撮影したものを投影するシステムとしては、複数のプロジェクタを用いることが必要であった。複数のプロジェクタを用いた場合装置構成が大型化、複雑化するという問題がある。
特に、横長の画像を高フレームレートで表示することが可能な画像投射装置は提案されていない。
特に、横長の画像を高フレームレートで表示することが可能な画像投射装置は提案されていない。
以上の問題に鑑みて、本発明は、良好な画質をもって横長の画像の表示を行うことが可能な画像投射装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の画像投射装置は、1次元空間光変調素子により変調された光を、ミラー面が4面もしくは5面のポリゴンスキャナにより、1次元空間光変調素子の長手方向と略直交する方向に走査して、画像を投射する構成とする。
また、本発明は、上述の画像投射装置において、ポリゴンスキャナにより、円筒面に画像が表示される構成とする。
また、本発明は、上述の画像投射装置において、ポリゴンスキャナにより、円筒面に画像が表示される構成とする。
更に、本発明の画像投射装置は、1次元空間光変調素子により変調された光を、ポリゴンスキャナにより、1次元空間光変調素子の長手方向と略直交する方向に走査して画像を表示し、ポリゴンスキャナを、画像信号における走査方向の解像度又はフレームレートに対応して回転数が制御される構成とする。
また、本発明は、上述の画像投射装置において、ポリゴンスキャナとして、ミラー面が4面もしくは5面のポリゴンスキャナが用いられる構成とする。
また、本発明は、上述の画像投射装置において、ポリゴンスキャナとして、ミラー面が4面もしくは5面のポリゴンスキャナが用いられる構成とする。
また、本発明による画像投射装置は、1次元空間光変調素子により光を変調して出射する2つの変調光学系と、1次元空間光変調素子により変調された光を走査して平面像にする1つのポリゴンスキャナと、を有して成り、変調光学系の光軸を、ポリゴンスキャナの回転軸から偏心して配置した構成とする。
上述したように、本発明の画像投射装置においては、1次元空間光変調素子により変調された光を、ミラー面が4面もしくは5面のポリゴンスキャナにより、1次元空間光変調素子の長手方向と略直交する方向に走査して画像を表示する構成とする。このように、1次元空間光変調素子により変調された変調光を走査する手段としてミラー面が4面もしくは5面のポリゴンスキャナを用いることによって、後述するように高い光利用効率をもって、かつ画質を損なうことなく横長の画像を表示することができる。
また、ポリゴンスキャナを画像信号における走査方向の解像度又はフレームレートに対応して回転数が制御される構成とすることによって、低フレームレートから高フレームレートにわたって、同様に画質を損なうことなく横長の画像を表示することができる。
また、ポリゴンスキャナを画像信号における走査方向の解像度又はフレームレートに対応して回転数が制御される構成とすることによって、低フレームレートから高フレームレートにわたって、同様に画質を損なうことなく横長の画像を表示することができる。
更に、2つの変調光学系と、1つのポリゴンスキャナとを用いて、変調光学系の光軸をポリゴンスキャナの回転軸から偏心して配置する構成とすることによって、2台分の横長の画像を高フレームレートで良好な画質をもって表示することが可能となる。
以上説明したように、本発明によれば、良好な画質をもって横長の画像の表示を行うことが可能となる。
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
図1は本発明構成の画像投射装置の一実施形態例の概略構成図である。本発明の画像投射装置100は、1次元空間光変調素子により光を変調して出射する変調光学系10と、変調光学系10から出射される光を、1次元空間光変調素子の長手方向と直交する方向に走査して、スクリーン30に画像を表示するものである。
図1は本発明構成の画像投射装置の一実施形態例の概略構成図である。本発明の画像投射装置100は、1次元空間光変調素子により光を変調して出射する変調光学系10と、変調光学系10から出射される光を、1次元空間光変調素子の長手方向と直交する方向に走査して、スクリーン30に画像を表示するものである。
このような画像投射装置の一実施形態例に係る変調光学系の一例の概略構成図を図2に示す。この変調光学系10を有する画像投射装置は、例えば大型スクリーン用プロジェクタ、特にディジタル画像のプロジェクタとして、または、コンピュータ画像投影用として用いられるものである。
図2に示すように、この実施形態例に係る変調光学系10は、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色のレーザ光源82R、82G、82Bと、各レーザ光源に対して、それぞれ光軸上に順次設けられたミラー84R、84G、84B、各色照明光学系(レンズ群)86R、86G、86B、及び光変調素子として機能する回折素子型構成の1次元空間光変調素子88R、88G、88Bとを備えている。各色照明光学系(レンズ群)86R、86G、86Bは、後述するように回折素子型の1次元空間光変調素子88R、88G、88Bに対して効率よく光源からの光を照射するように光束形状を整える機能を有する。また、1次元空間光変調素子88R、88G、88Bによりそれぞれ光強度が変調された赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光を合成するダイクロイックミラー等の色合成フィルタ90、空間フィルタ92、ディフューザ94、ミラー96、レンズ97を備える構成とされる。この変調光学系10から出射された変調光が、ポリゴンスキャナ20により走査されて、スクリーン30に投射される。このスクリーン30は、例えばポリゴンスキャナ20の回転中心軸をほぼ中心位置とするほぼ円筒面として構成される。
図2に示すように、この実施形態例に係る変調光学系10は、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色のレーザ光源82R、82G、82Bと、各レーザ光源に対して、それぞれ光軸上に順次設けられたミラー84R、84G、84B、各色照明光学系(レンズ群)86R、86G、86B、及び光変調素子として機能する回折素子型構成の1次元空間光変調素子88R、88G、88Bとを備えている。各色照明光学系(レンズ群)86R、86G、86Bは、後述するように回折素子型の1次元空間光変調素子88R、88G、88Bに対して効率よく光源からの光を照射するように光束形状を整える機能を有する。また、1次元空間光変調素子88R、88G、88Bによりそれぞれ光強度が変調された赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光を合成するダイクロイックミラー等の色合成フィルタ90、空間フィルタ92、ディフューザ94、ミラー96、レンズ97を備える構成とされる。この変調光学系10から出射された変調光が、ポリゴンスキャナ20により走査されて、スクリーン30に投射される。このスクリーン30は、例えばポリゴンスキャナ20の回転中心軸をほぼ中心位置とするほぼ円筒面として構成される。
この変調光学系10において、レーザ光源82R、82G、82Bとしては、それぞれ赤色光(例えば波長642nm、光出力約3W)、緑色光(例えば波長532nm、光出力約2W)、青色光(波長457nm、光出力約1.5W)のレーザを射出するレーザダイオード等を用いることができる。なお、レーザ光の波長及び光出力はこれらに限定されるものではない。
また1次元空間光変調素子88R、88G、88Bとしては、例えば静電駆動方式によるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスである静電駆動素子を用いることができる。具体的には例えば基板上に下部電極が形成され、この下部電極に対向して、この下部電極とは空間によって電気的に絶縁された薄膜リボン状の梁が上部電極としてブリッジ状に配列形成された構成の静電駆動素子が利用可能である。この静電駆動素子は、基板側の下部電極と上部電極に与える電位に応じて、上部電極と下部電極との間の静電引力又は静電反発力により上部電極が変位することを利用し、下部電極に対して例えば1つおきの上部電極を基板側に変位させることによって、回折格子として作用させることができるものである。レーザ光等のコヒーレント光を用いることによって、光の干渉により、特定の方向への反射光強度を連続的に変える階調制御を精度よく行うことができる。実用的には、梁(上部電極)を2以上並列した静電駆動素子を、数百〜千個程度の画素数分並置配列することによって、1次元型の光変調素子として使用されている。この1次元型光変調素子としては、米国Silicon Light Machine社製の回折ライトバルブ(GLV:grating light valve)などが開発されている。
このような構成の変調光学系10において、レーザ光源82R、82G、82Bから射出された赤色、緑色及び青色の各レーザ光は、それぞれミラー84R、84G、84Bを経て各色照明光学系86R、86G、86Bから各1次元空間光変調素子88R、88G、88Bに同期入力される。
更に、各レーザ光は、1次元空間光変調素子88R、88G、88Bによって回折されることにより空間変調され、これら3色の回折光が色合成フィルタ90によって合成され、続いて空間フィルタ92によって信号成分のみが取り出される。
次いで、このRGBの画像信号は、ディフューザ94によってレーザスペックルが低減され、ミラー96及びレンズ97を経て、画像信号と同期する走査照明系である例えばミラー面が4面もしくは5面、図示の例では4面のポリゴンスキャナ20によって空間に展開され、スクリーン30上にフルカラー画像として投影される。
更に、各レーザ光は、1次元空間光変調素子88R、88G、88Bによって回折されることにより空間変調され、これら3色の回折光が色合成フィルタ90によって合成され、続いて空間フィルタ92によって信号成分のみが取り出される。
次いで、このRGBの画像信号は、ディフューザ94によってレーザスペックルが低減され、ミラー96及びレンズ97を経て、画像信号と同期する走査照明系である例えばミラー面が4面もしくは5面、図示の例では4面のポリゴンスキャナ20によって空間に展開され、スクリーン30上にフルカラー画像として投影される。
このように、レンズ97の後にスキャナ20を配置するいわゆるポストプロジェクションと呼ばれる構成とする場合、光が透過する領域はレンズ97のいわば芯の部分しか使用しないので、スクリーン30における四隅の劣化が少なく、したがってスクリーン30の四隅までくっきりした画質に優れた映像を投影することが可能である。
また、従来は、円筒面状のスクリーンに映像を投影する場合、例えば液晶パネルやDMDなどの2次元空間光変調素子を用いる場合は、四隅が歪んでしまうため円筒面状のスクリーンの全ての領域で鮮明な画像を投影することは難しく、多面体として投影することしかできなかった。しかしながら、本発明の画像投射装置を用いることにより、横長の画像としても切れ目がなく、且つ円筒面状のスクリーンの四隅まで歪のない優れた画質の画像を表示することが可能となる。円筒面状のスクリーンとすることによって、平面状スクリーンを用いる場合と比較して容易に広視野角を得ることができ、また広視野角とする場合においても、プロジェクタを増加することなく、高精細を保って投影することが可能となる。
また、従来は、円筒面状のスクリーンに映像を投影する場合、例えば液晶パネルやDMDなどの2次元空間光変調素子を用いる場合は、四隅が歪んでしまうため円筒面状のスクリーンの全ての領域で鮮明な画像を投影することは難しく、多面体として投影することしかできなかった。しかしながら、本発明の画像投射装置を用いることにより、横長の画像としても切れ目がなく、且つ円筒面状のスクリーンの四隅まで歪のない優れた画質の画像を表示することが可能となる。円筒面状のスクリーンとすることによって、平面状スクリーンを用いる場合と比較して容易に広視野角を得ることができ、また広視野角とする場合においても、プロジェクタを増加することなく、高精細を保って投影することが可能となる。
またこのような1次元空間光変調素子及びポリゴンスキャナを用いる画像投射装置においては、画像高は投射用のレンズ97の倍率で決まり、画像幅(走査角)はポリゴンスキャナの面数で決定される。
したがって、従来の画像投射装置においては、スクリーンに投射される画像の縦横比はレンズの性能のみで決定されるが、本発明による画像投射装置では、縦横比を自由に選定することが可能となる。
したがって、従来の画像投射装置においては、スクリーンに投射される画像の縦横比はレンズの性能のみで決定されるが、本発明による画像投射装置では、縦横比を自由に選定することが可能となる。
次に、上述したような回折素子型等の1次元空間光変調素子により変調した光を、ポリゴンスキャナを用いて走査する場合の光利用効率について検討した結果を説明する。
走査方向の画像投射角度はポリゴンスキャナの多面体ミラーの仕様によって決定される。有効スキャン光学角Θは、下記の数1により表される。
走査方向の画像投射角度はポリゴンスキャナの多面体ミラーの仕様によって決定される。有効スキャン光学角Θは、下記の数1により表される。
ただし、上記数1において、Wbはポリゴンのミラー面への入射ビーム幅、Wmはミラー面1面の幅、Nmはミラー面の面数である。図3に示すように、有効スキャン光学角は、入射ビーム幅Wbに依存して変化する。図3においてはミラー面数を4面とした場合を示し、実線はミラー面の幅が80mm、破線はミラー面の幅が40mmの場合をそれぞれ示す。ビームが幅広になるとビームがポリゴンスキャナのミラー面の稜部にて分割されてしまう時間が長くなる。
一方、ビームがポリゴンスキャナのミラー稜部にて分割されない時間に相当するスキャン効率Effは、下記の数2により表され、図4に示すようなミラー入射ビーム幅依存性を示す。図4においては、ミラー面の幅を80mmとし、入射ビーム幅を20mmとした場合を示す。
一方、ビームがポリゴンスキャナのミラー稜部にて分割されない時間に相当するスキャン効率Effは、下記の数2により表され、図4に示すようなミラー入射ビーム幅依存性を示す。図4においては、ミラー面の幅を80mmとし、入射ビーム幅を20mmとした場合を示す。
図5に示すように、例えば4面のミラー面を有するポリゴンスキャナ20を用いる場合、入射ビームLiに対し、矢印Rで示す方向に回転するにつれて、反射光は矢印Lo1、Lo2、Lo3、・・・、Lo6、Lo7で示すように反射され、ビーム幅が0の理想ビームであれば、この場合有効スキャン光学角は180度となる。図示しないが、例えば3面のミラー面を有するポリゴンスキャナを用いる場合は240度となる。
しかしながら、現実はビーム幅をもつので有効スキャン光学角度は限定される。すなわち図6A〜Fに示すように、ポリゴンスキャナ20が一回転する場合、図6B〜Eにおいてはビームがポリゴンスキャナ20により良好に反射される有効スキャン領域42となるが、図6A及びFに示す場合は入射光Liがポリゴンスキャナ20の稜線に照射されるので、矢印Loa及びLobで示すように2方向に分割されてしまうので、無効領域41となる。無効領域41に対し、有効スキャン領域42の割合が高いことが望ましい。
一方、レーザを用いたディスプレーにおいて画質を悪化させる要因としてスペックルがある。スペックルコントラストを低減する方法として、ディフューザなどを用いて光束を分割し、異なる角度からスクリーンに光を入射させることで異なるスペックルパターンを発生させ、それらを重ね合わせることで光量を平均化し、スペックルを低減化する技術が知られている。そのため、視聴に耐える画質を確保するためには投射環境条件に合わせて投影Fナンバー内に光束を有効に広げること、すなわち入射ビーム幅をなるべく大きくすることが必要となる。
また、ポリゴンスキャナの大きさや形状にも制限が生じる。例えば図7Aに概略斜視構成図を示す一般的な構造のポリゴンスキャナにおいて、ポリゴンスキャナの直径、すなわちミラー面の回転軸と直交する断面(多角形となる)が内接する円の直径をスキャナの大きさとする。ミラー面が4面の場合は図7Bに示すようにその対角線の長さがスキャナ直径となり、ミラー面が3面の場合は図7Cに示すように、断面の三角形が内接する円(破線で示す)の直径に相当する。この直径Dmは、ミラー面数Nm及びミラー面幅Wmを用いて下記の数3により表される。
スキャン光利用効率を確保するためにミラー面幅を一定にした場合、図8に示すように、ミラー面数Nmの増加に対応して有効スキャン光学角Θは低下する。図8においては、ミラー面幅を80mm、入射ビーム幅を20mmとした場合を示す。
没入感を伴う高臨場感を得られる角度は一般に100°となっており、この角度を有効スキャン光学角Θとして得るためには、図8よりポリゴンスキャナは5面以下であることが求められる。
そして効率Effを増加させるには、図9及び図10に示すようにポリゴンスキャナの直径を大きくする必要がある。図9においては、ミラー面数が20面、図10においては、ミラー面数が4面とし、それぞれ入射ビーム幅を20mmとした場合のスキャン効率Effに対応するスキャナの直径の変化をそれぞれ示す。ミラー面数が4面の場合のほうが、小さいスキャナの直径で高いスキャン効率が得られることがわかる。また、ミラー面数に対するスキャナの直径を図11に示す。この例では、入射ビーム幅を20mm、スキャン効率を0.7とした場合を示す。
没入感を伴う高臨場感を得られる角度は一般に100°となっており、この角度を有効スキャン光学角Θとして得るためには、図8よりポリゴンスキャナは5面以下であることが求められる。
そして効率Effを増加させるには、図9及び図10に示すようにポリゴンスキャナの直径を大きくする必要がある。図9においては、ミラー面数が20面、図10においては、ミラー面数が4面とし、それぞれ入射ビーム幅を20mmとした場合のスキャン効率Effに対応するスキャナの直径の変化をそれぞれ示す。ミラー面数が4面の場合のほうが、小さいスキャナの直径で高いスキャン効率が得られることがわかる。また、ミラー面数に対するスキャナの直径を図11に示す。この例では、入射ビーム幅を20mm、スキャン効率を0.7とした場合を示す。
ポリゴンスキャナが大きすぎると画像投射装置全体の小型化を図り難く、悪影響を及ぼすと同時に、多面体ミラー製造上の理由から、120mmを超える直径を有するものは製造コストが大幅に増加するという不都合がある。
また、3面以下のポリゴンスキャナにおいてはミラー間の稜線部が鋭角となるため空気抵抗いわゆる風損による角速度不安定化が急速に増大し、また騒音の原因ともなる。よって広色域、高解像度、広視野角を両立した高臨場感の画像表示を実現するためには、ミラー面が4面もしくは5面のポリゴンミラーが望ましい。
さらに、ポリゴンスキャナの各ミラー面間の角度誤差、すなわちミラー面の鉛直度やミラー面間の角度の誤差は、スクリーン上で解像度の悪化となって現れる。小型化を考慮してミラー面数が4面もしくは5面のポリゴンスキャナの場合、低コストかつ高精度加工の容易性を考慮すると、平行面があり反対面を利用して面精度を出し易く、面間角度が90°となる4面のポリゴンスキャナが最も好ましい。
以上の理由により、広色域、高解像度、広視野角を両立した高臨場感の画像表示を実現するためには、ポリゴンスキャナのミラー面数を4面もしくは5面とすることが最適であり、低コストかつ高精度加工の容易性を実現するには4面とすることが最も好ましいといえる。
また、3面以下のポリゴンスキャナにおいてはミラー間の稜線部が鋭角となるため空気抵抗いわゆる風損による角速度不安定化が急速に増大し、また騒音の原因ともなる。よって広色域、高解像度、広視野角を両立した高臨場感の画像表示を実現するためには、ミラー面が4面もしくは5面のポリゴンミラーが望ましい。
さらに、ポリゴンスキャナの各ミラー面間の角度誤差、すなわちミラー面の鉛直度やミラー面間の角度の誤差は、スクリーン上で解像度の悪化となって現れる。小型化を考慮してミラー面数が4面もしくは5面のポリゴンスキャナの場合、低コストかつ高精度加工の容易性を考慮すると、平行面があり反対面を利用して面精度を出し易く、面間角度が90°となる4面のポリゴンスキャナが最も好ましい。
以上の理由により、広色域、高解像度、広視野角を両立した高臨場感の画像表示を実現するためには、ポリゴンスキャナのミラー面数を4面もしくは5面とすることが最適であり、低コストかつ高精度加工の容易性を実現するには4面とすることが最も好ましいといえる。
また、本発明の画像投射装置においては、画像の高さすなわちスクリーンの高さは投影用のレンズの倍率で決まる。一方画像幅はポリゴン面数で決まるので、それぞれを独別に、すなわち表示する画像のアスペクト比を独立に設定することができるという利点を有する。
なお、投射用のレンズとポリゴンスキャナとの間に、例えば角度可変の折り返しミラーを配置し、ポリゴンスキャナの走査方向と直交する方向に各ミラー面の面倒れ量に合わせて光軸を変化させる構成とする場合は、ミラー面の鉛直度のばらつきによる解像度劣化を最小化することが可能である。
さらに、この角度可変の折り返しミラーを1フレーム毎に0.5ピクセル相当の角度分垂直方向に変化させる構成とする場合は、1次元空間光変調素子の解像度を擬似的に倍増させることも可能である。
さらに、この角度可変の折り返しミラーを1フレーム毎に0.5ピクセル相当の角度分垂直方向に変化させる構成とする場合は、1次元空間光変調素子の解像度を擬似的に倍増させることも可能である。
次に、ポリゴンスキャナを、画像信号における走査方向の解像度又はフレームレートに対応して回転数が制御される構成とする本発明の他の実施形態例について説明する。
1次元空間光変調素子をその長軸に直交する方向に走査する画像投射装置の特徴として、横方向の画像解像度が1次元空間光変調素子の変調速度以内であれば可変であることが挙げられる。ポリゴンスキャナを走査手段として用いた場合、表示可能な画像の横ピクセル数Npixelは、下記の数4により表される。
1次元空間光変調素子をその長軸に直交する方向に走査する画像投射装置の特徴として、横方向の画像解像度が1次元空間光変調素子の変調速度以内であれば可変であることが挙げられる。ポリゴンスキャナを走査手段として用いた場合、表示可能な画像の横ピクセル数Npixelは、下記の数4により表される。
ただし、上記数4中、Tpixelは1次元型空間光変調素子の1ピクセル駆動時間、rpmはポリゴンスキャナの1分間あたりの回転数である。図12に回転数とピクセル数の関係を示す。図12においては、ミラー面幅が80mm、ミラー面数が4面、ビーム幅が20mmの場合を示し、実線は1μm動作が可能な1次元空間光変調素子の場合、破線は1.5μs動作が可能な1次元空間光変調素子の場合をそれぞれ示す。図12から明らかなように、1.5μm動作が可能な1次元空間光変調素子の場合、1000rpmの4面ポリゴンスキャナと組み合わせると、約8K画素(ピクセル数8000)の解像度に相当する。4000rpmに速度を増加すると、約2K画素(ピクセル数2000)となる。このとき、1K画素の1次元空間光変調素子を用いた場合、1000rpmから4000rpmに変化させると1K8Kの2次元画像から1K2Kの画像まで連続的に変化させることができることとなる。したがって、横方向のピクセル数を自在に選択することが可能となる。
また、回転数の変化に対応するフレームレートfpsは、下記の数5により表される。
4面ポリゴンスキャナと組み合わせた場合、図13に示すように、1000rpmで60fps、4000rpmで240fpsを実現することができる。
さらに、ポリゴンスキャナの回転数を変化させると、画像の幅が変化せずに横ピクセル数が変化することで、1ピクセルあたりの横幅が変化する。画像の縦幅は1次元空間光変調素子の長さと投影倍率で決定されており、投射用のレンズの焦点距離を変化させることで自由に変化させることができる。1088ピクセルを有する長さHSLMの1次元空間光変調素子を用いて正方形のピクセルで投射する条件にした場合は、投射レンズの焦点距離fprojは、下記の数6で表される。
ポリゴンスキャナの回転数を変化させたとき、HSLM=27.7mmの場合、図14に示すように投射レンズの焦点距離を変化させればよいことになる。正方形のピクセルにこだわらない場合はこの限りではない。
このように、ポリゴンスキャナの回転数を制御可能として画像投射装置を構成する場合、入力画像の縦横解像度、縦横比いわゆるアスペクトレシオ、フレームレートに合わせて、光利用効率を下げることなく画像投射装置の動作条件を変化させることができる。換言すれば、1台の画像投射装置でこれらの条件に対応することができ、従来構成の複数の画像投射装置の機能を1台で担うことが可能となる。
このように、ポリゴンスキャナの回転数を制御可能として画像投射装置を構成する場合、入力画像の縦横解像度、縦横比いわゆるアスペクトレシオ、フレームレートに合わせて、光利用効率を下げることなく画像投射装置の動作条件を変化させることができる。換言すれば、1台の画像投射装置でこれらの条件に対応することができ、従来構成の複数の画像投射装置の機能を1台で担うことが可能となる。
また、上述した本発明構成の画像投射装置において、例えば図15に一実施形態例の概略構成図を示すように、3台の変調光学系10A、10B及び10Cと1つのポリゴンスキャナ20とを用いることによって、いわゆるメガビジョンのような3つの画像をタイリングさせ、略円筒形の360度にわたる広視野角のスクリーン30への投射を1台の画像投射装置で実現することが可能である。
次に、2つの変調光学系と、1つのポリゴンスキャナを用いて、各変調光学系の光軸をポリゴンスキャナの回転軸から偏心させて配置する本発明の画像投射装置の実施形態例について説明する。
この例においては、図16に示すように、1次元空間光変調素子により光を変調して出射する2つの変調光学系11及び12と、1次元空間光変調素子により変調された光を走査して平面像にする1つのポリゴンスキャナ20が設けられる。そして、変調光学系11及び12の光軸b1及びb2が、ポリゴンスキャナ20の回転軸aから偏心して配置される。すなわち、ポリゴンスキャナ20の回転軸aと直交する軸c1及びc2から、変調光学系11及び12の光軸b1及びb2がそれぞれ距離Δ1及びΔ2だけずらして配置し、画像投射装置を構成するものである。図示の例においては、円筒形状のスクリーン30を配置した場合を示す。
この例においては、図16に示すように、1次元空間光変調素子により光を変調して出射する2つの変調光学系11及び12と、1次元空間光変調素子により変調された光を走査して平面像にする1つのポリゴンスキャナ20が設けられる。そして、変調光学系11及び12の光軸b1及びb2が、ポリゴンスキャナ20の回転軸aから偏心して配置される。すなわち、ポリゴンスキャナ20の回転軸aと直交する軸c1及びc2から、変調光学系11及び12の光軸b1及びb2がそれぞれ距離Δ1及びΔ2だけずらして配置し、画像投射装置を構成するものである。図示の例においては、円筒形状のスクリーン30を配置した場合を示す。
そしてこのような構成において、2つの変調光学系の光軸b1及びb2の成す角を、ポリゴンスキャナ20の隣り合うミラー面の成す角と略等しくなるように配置すると、図17に示すように、画像をスキャンするタイミングがずれることとなる。図17において、図16と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この場合、変調光学系11から出射された光は、破線L11で示すようにスクリーン30に投射され、像I11を表示しながら矢印e11で示すように走査される。一点鎖線b1´はポリゴンスキャナ20で反射された変調光学系11からの光の光軸を示す。他方の変調光学系12から出射された光は、実線L12で示すようにスクリーン30に投射され、像I12を表示しながら矢印e12で示すように走査される。すなわちこの場合、一方の変調光学系11のフレームの間に他方の変調光学系12のフレームが挿入されることとなり、いわば画像が1フレームのほぼ半位相分ずれることとなる。
一方、ポリゴンスキャナ20の回転軸aに対する変調光学系11及び12の光軸b1及びb2の偏心量Δ1及びΔ2を、Δ1=Δ2=Δとし、ポリゴンスキャナ20のミラー面の回転軸と直交する断面の内接円の半径をrm、ミラー面の面数をNmとすると、
Δ=Δ1=Δ2=rm×sin[90°/Nm] ・・・(1)
となるように、両変調光学系11及び12の光軸を偏心させる構成とする場合は、2台の変調光学系11及び12から表示される画像表示位置が同じ位置となる。
Δ=Δ1=Δ2=rm×sin[90°/Nm] ・・・(1)
となるように、両変調光学系11及び12の光軸を偏心させる構成とする場合は、2台の変調光学系11及び12から表示される画像表示位置が同じ位置となる。
したがって、このように2台の変調光学系11及び12を使って、画像を1フレームの略半位相分ずらして表示し、かつ同じ位置に画像を映し出す構成とすると、例えば120Hzの変調光学系2台を用いる場合、240Hzで画像を表示することが可能となり、従来にはないハイフレームレートを実現できることとなる。
上記式(1)に基づき、ミラー面が4面のポリゴンスキャナと6面のポリゴンスキャナを用いる場合において、それぞれスキャナ直径、光学振れ角、頂点数、偏心量、スキャン効率について計算した結果を表1及び2に示す。
上記表1及び表2の結果から、同程度のスキャン効率を得るためには、ミラー面が4面のポリゴンスキャナを用いるほうが、スキャナ直径を小さくできることがわかる。したがって、この場合においても、ポリゴンスキャナとしてはミラー面が4面のポリゴンスキャナを用いることが望ましいといえる。
以上説明したように、本発明の画像投射装置によれば、ミラー面が4面もしくは5面、より好ましくは4面のポリゴンスキャナを用いることにより、小型でかつ低コスト、さらに高解像度、広視野角を両立した画像表示を実現できる。
また、本発明の画像投射装置において、円筒面に画像を表示する場合は、スクリーンの四隅まで歪みがなく、また比較的狭い空間でより広い視野角、すなわち高臨場感の画像表示が可能となる。
更に、本発明の画像投射装置において、1次元空間光変調素子として、回折素子型の静電駆動素子を用いる場合は、レーザ光等のコヒーレント光を用いて光の干渉を利用することから、階調制御を精度よく行い、より良質な画像の表示が可能となる。
更に、本発明の画像投射装置において、1次元空間光変調素子として、回折素子型の静電駆動素子を用いる場合は、レーザ光等のコヒーレント光を用いて光の干渉を利用することから、階調制御を精度よく行い、より良質な画像の表示が可能となる。
また、ポリゴンスキャナを画像信号における走査方向の解像度又はフレームレートに対応して回転数が制御される構成とすることによって、低フレームレートから高フレームレートにわたって、同様に画質を損なうことなく横長の画像を表示することができる。
更に、2つの変調光学系と、1つのポリゴンスキャナとを用いて、変調光学系の光軸をポリゴンスキャナの回転軸から偏心して配置する構成とすることによって、横長の画像を2倍のフレームレートでより良好な画質をもって表示することが可能となる。
なお、本発明による画像投射装置は、上述の実施形態例に限定されるものではなく、その他1次元空間光変調素子の種類や材料構成、変調光学系内の光学部品の構成など、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
10.変調光学系、11.変調光学系、12.変調光学系、20.ポリゴンスキャナ、30.スクリーン、82R.光源、82G.光源、82B.光源、86R.照明光学系、86G.照明光学系、86B.照明光学系、88R.1次元空間光変調素子、88G.1次元空間光変調素子、88B.1次元空間光変調素子、90.色合成フィルタ、92.空間フィルタ、94.ディフューザ、96.ミラー、97.レンズ
Claims (10)
- 1次元空間光変調素子により変調された光が、ミラー面が4面もしくは5面のポリゴンスキャナにより、前記1次元空間光変調素子の長手方向と略直交する方向に走査されて、画像が表示される
ことを特徴とする画像投射装置。 - 前記ポリゴンスキャナにより、円筒面に画像が表示される
ことを特徴とする請求項1記載の画像投射装置。 - 前記1次元空間光変調素子として、回折素子型の静電駆動素子が用いられる
ことを特徴とする請求項1記載の画像投射装置。 - 1次元空間光変調素子により変調された光が、ポリゴンスキャナにより、前記1次元空間光変調素子の長手方向と略直交する方向に走査されて画像が表示され、
前記ポリゴンスキャナは、画像信号における走査方向の解像度又はフレームレートに対応して回転数が制御される
ことを特徴とする画像投射装置。 - 前記ポリゴンスキャナとして、ミラー面が4面もしくは5面のポリゴンスキャナが用いられる
ことを特徴とする請求項4記載の画像投射装置。 - 前記ポリゴンスキャナにより、円筒面に画像が表示される
ことを特徴とする請求項4記載の画像投射装置。 - 前記1次元空間光変調素子として、回折素子型の静電駆動素子が用いられる
ことを特徴とする請求項4記載の画像投射装置。 - 1次元空間光変調素子により光を変調して出射する2つの変調光学系と、
前記1次元空間光変調素子により変調された光を走査して平面像にする1つのポリゴンスキャナと、を有して成り、
前記変調光学系の光軸が、前記ポリゴンスキャナの回転軸から偏心して配置されて成る
ことを特徴とする画像投射装置。 - 前記2つの変調光学系の光軸の成す角が、前記ポリゴンスキャナの隣り合うミラー面の成す角と略等しくされて配置された
ことを特徴とする請求項8記載の画像投射装置。 - 前記ポリゴンスキャナの回転軸に対する前記変調光学系の光軸の偏心量Δが、前記ポリゴンスキャナのミラー面の内接円の半径をrm、前記ミラー面の面数をNmとすると、
Δ=rm×sin[90°/Nm]
で表される
ことを特徴とする請求項8記載の画像投射装置。
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