JP2011090098A - 画像表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高品質な画像を表示可能な画像表示装置を提供する。
【解決手段】本発明の画像表示装置1は、第1波長の光L1と第2波長の光L2とが時間的に切替わり射出される光源系2と、光源系2から射出された第1波長の光L1および第2波長の光L2を変調する光変調素子3と、光変調素子3により変調された第1波長の光L1と第2波長の光L2とで光路をずらす光路調整系5と、光路調整系5を経た光を投射する投射光学系6と、を備える。光路調整系5は、第1波長の光L1を反射させるとともに第2波長の光L2を透過させる波長選択面51と、波長選択面51を経た第1波長の光L1と第2波長の光L2とで光路A1、A2がずれて進行方向が揃うように配置されたミラー系52と、を含んでいる。
【選択図】図1

Description

本発明は、画像表示装置に関する。
プロジェクター等の画像表示装置には、表示画像の高解像化が期待されている。液晶ライトバルブ等の光変調素子により形成された画像を表示する場合に、スクリーン等に表示された表示画像の画素数は、通常は光変調素子の画素数と同じになる。光変調素子を高解像度にすると、表示画像も高解像度になるが、製造コストが著しく増加してしまう。
光変調素子を高解像度にしなくとも高解像度の表示画像が得られる方法として、光変調素子の数を増やす方法がある。複数の光変調素子により形成された各画像を、画素の位置がスクリーン上で互いにずれるように投射することにより、スクリーン上での総画素数を増やすことができる。この方法では、光変調素子の数を増やした分だけコストが増大してしまう。このような不都合を解消しうる技術として、光変調装置の数を増やして複数の画像を形成する代わりに、1つの光変調素子に複数の画像を時分割で形成させる方法が提案されている(例えば特許文献1、2)。
特許文献1、2の画像表示装置では、光変調素子により時分割で形成された画像光が、平板プリズムを通って投射される。平板プリズムは、画像光の入射方向に対して傾斜している。平板プリズムに入射した画像光は、光路が平行にずれて射出される。入射前後の光路のずらし量が、画像形成と同期して制御されている。ずらし量を時間的に変化させる方法として、特許文献1には以下の第1〜第3の方法が記載されており、特許文献2には第4の方法が記載されている。
第1の方法では、平板プリズムの傾斜角を時間変化させる。第2の方法では、屈折量が異なる部分を含んだ平板プリズムを回転させ、画像光が通る部分の屈折量を時間変化させる。第3の方法では、印加電界により屈折率を可変制御可能な非線形光学結晶により平板プリズムを構成し、印加電界を時間変化させる。第4の方法では、第2の方法において屈折量が異なる部分の間に遮光部を設ける。
特開平11−2988289号公報 特開2005−91519号公報
特許文献1、2の技術には、以下のような課題がある。
第1、第2、第4の方法では、平板プリズムの空間的な変位に伴って、平板プリズムが振動するおそれがある。平板プリズムが振動すると光路のずらし量が不測に変化し、ずらし量を高精度に制御することが難しくなり、表示画像の品質が低下する。平板プリズムの変位を空間光変調素子の画像形成と高精度に同期させようとすれば、平板プリズムを空間的に動かす機構が複雑になる。平板プリズムの振動が騒音発生や短寿命化の一因になるおそれもある。
第1の方法では、画素が移動する間も画像が表示されるので、画像のボヤケを生じるおそれがある。第2の方法では、屈折量が異なる部分の境界付近で画素が分離されることや、表示画像の一端と他端とで画素の移動タイミングがずれること等により、表示画像の品質低下を招くおそれがある。第4の方法を採用すれば画素の分離を防止可能であるが、表示画像内で画素の移動タイミングがずれる点については未解決である。
第3の方法では、非線形光学結晶の寸法を、入射する画像光のスポットサイズ以上にする必要がある。このような寸法の非線形光学結晶に対して、高解像度感が得られるだけのシフト量を確保すべく電界を印加するには、光変調素子等の駆動よりも高電圧が必要になり、画像表示装置全体の駆動電圧が増加してしまう。
第3の方法において、カー効果を採用する場合には、非線形光学結晶のコストが高騰してしまい、光変調素子の数を増やす方法に対する優位性が損なわれてしまう。ポッケルス効果を利用する場合には、非線形光学結晶にて可視光の透過率が低下するので光の利用効率が低下することや、非線形光学結晶の状態管理が必要になること等の不都合がある。以上のように、非線形光学結晶により画像光の光路を可変制御することは現実的でない。
本発明は、前記事情に鑑み成されたものであって、高品質な画像を表示可能な画像表示装置を提供することを目的の1つとする。
本発明では、前記目的を達成するために以下の手段を採用している。
本発明の画像表示装置は、第1波長の光と第2波長の光とが時間的に切替わり射出される光源系と、前記光源系から射出された前記第1波長の光および前記第2波長の光を変調する光変調素子と、前記光変調素子により変調された前記第1波長の光と前記第2波長の光とで光路をずらす光路調整系と、前記光路調整系を経た光を投射する投射光学系と、を備え、前記光路調整系は、前記第1波長の光を反射させるとともに前記第2波長の光を透過させる波長選択面と、前記波長選択面を経た前記第1波長の光と前記第2波長の光とで光路がずれて進行方向が揃うように配置されたミラー系と、を含んでいることを特徴とする。
光源系から射出された光は、光変調素子により変調される。光変調素子により変調された光は、光路調整系を経て投射光学系により投射され、画像として表示される。第1波長の光と第2波長の光とが時間的に切替わり光源系から射出されるので、変調された第1波長の光と、変調された第2波長の光とが時間的に切替わり波長選択面に入射する。第1波長の光および第2波長の光は、波長選択面およびミラー系を経ることにより光路が互いにずれるので、投射された第1波長の光による画像および第2波長の光による画像は、互いにずれた位置に表示される。
本発明の画像表示装置によれば、光路調整系自体を動的に制御しなくとも第1波長の画像を第2波長の画像と時間的および空間的にずらして表示することができる。平板プリズム等を空間的に変位させて光路をずらすものと比較すると、光路調整系の振動をなくすことができ、振動による悪影響をなくすことができる。また、非線形光学結晶の屈折率を電気的に可変制御するものと比較すると、画像表示装置の駆動電圧の増加を回避することができる。また、第1波長の光の光束全体を一括して、あるいは第2波長の光の光束全体を一括してずらすことができ、表示画像内で画素の移動タイミングを揃えることができる。以上のように、本発明によれば、高品質な画像を表示可能な画像表示装置を実現することができる。
本発明に係る画像表示装置は、代表的な態様として以下のような態様をとりえる。
前記投射光学系により投射された光が結像する結像面において前記第1波長の光による画素が前記第2波長の光による複数の画素をまたいで配置されるように、前記光路調整系による前記第1波長の光の光路と前記第2波長の光の光路とのずらし量が設定されているとよい。
このようにすれば、第2波長の光による画素間を第1波長の光による画素によって埋めることができ、表示画像の解像度を効果的に高めることができる。
前記ミラー系は、前記波長選択面に対して略平行に配置された反射面により構成されているとよい。
このようにすれば、反射面で反射した第2波長の光の光路が、波長選択面で反射した第1波長の光の光路と略平行になる。したがって、光路調整系における光路のずらし量が、波長選択面と反射面との間隔、および波長選択面に入射する光の入射角によって定まり、シンプルな構成の光路調整系でありながら光路のずらし量を高精度に設定することが可能になる。
前記波長選択面が前記反射面と同一の光学素子に形成されているとよい。
波長選択面と反射面とが互いに独立した素子に設けられている場合と比較すると、波長選択面と反射面との相対位置を高精度に設定することができ、また長選択面と反射面との相対位置の経時変化を格段に減らすことができる。また、波長選択面と反射面との間の界面の数を減らすことができ、界面での光損失を減らすことができる。
前記光源系は、前記第1波長の光を射出する第1の固体光源と、前記第2波長の光を射出する第2の固体光源と、を含み、前記第1の固体光源および前記第2の固体光源は、点灯期間が互いにずれるように駆動されるとよい。
このようにすれば、電気的な制御により第1の固体光源の点灯期間を第2の固体光源の点灯期間とずらすことができる。これにより、光源から射出される光を第1波長の光と第2波長の光とで時間的に切替えることが容易になる。また、第1の固体光源の点灯期間と第2の固体光源の点灯期間とを高精度に制御することが可能になる。
前記光源系および前記光変調素子を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記第1波長の光により表示すべき画像に対応する第1の変調用信号および前記第2波長の光により表示すべき画像に対応する第2の変調用信号を時間的に切替えて前記光変調素子に供給し、前記第1の固体光源を前記第1の変調用信号に同期させて点灯させるとともに前記第2の固体光源を前記第2の変調用信号に同期させて点灯させるとよい。
このようにすれば、光変調素子に第1波長の光が入射するタイミングを、第1波長の光により表示すべき画像に応じて第1波長を変調するタイミングと、高精度に同期させることができる。また、光変調素子に第2波長の光が入射するタイミングを、第2波長を変調するタイミングと高精度に同期させることができる。
前記第1の固体光源と前記第2の固体光源との少なくとも一方が発光ダイオードにより構成されているとよい。
このようにすれば、光源系を長寿命にすることができ、結果として画像表示装置を長寿命にすることができる。固体光源としてレーザーダイオードを採用する場合と比較すると、所望の波長帯の光を得ることが容易になり、光源系の構成をシンプルにすることができる。
前記第1の固体光源と前記第2の固体光源との少なくとも一方がレーザーダイオードにより構成されているとよい。
一般にレーザー光のスペクトル幅は発光ダイオード(LED)等から射出される光のスペクトル幅よりも格段に狭いので、波長選択面にて第1波長の光を第2波長の光と高精度に分離することが容易になる。
前記第1波長および第2波長よりも長波長の第3波長の光を射出する第2の光源系と、前記第1波長および第2波長よりも短波長の第4波長の光を射出する第3の光源系と、前記第2の光源系から射出された光を変調する第2の光変調素子と、前記第3の光源系から射出された光を変調する第3の光変調素子と、前記光変調素子により変調された光、前記第2の光変調素子により変調された光および前記第3の光変調素子により変調された光を合成する色合成素子と、を含み、前記波長選択面は、前記第1波長および前記第2波長の間の所定の波長よりも長波長の光と前記所定の波長よりも短波長の光との一方の光を反射させるとともに他方の光を透過させ、前記色合成素子から射出される光の光路について、前記第3波長の光の光路又は前記第4波長の光の光路が前記第1波長の光の光路と略一致しているとともに、該第3波長の光の光路が該第4波長の光の光路とずれており、前記光路調整系を経た前記第3波長の光および前記第4波長の光で光路が略一致するように、前記色合成素子から射出される前記第3波長の光と前記第4波長の光との光路のずらし量が設定されているとよい。
このようにすれば、光源系、第2の光源系、第3の光源系から射出された光は、それぞれ、光変調素子、第2の光変調素子、第3の光変調素子により変調された後、色合成素子により合成される。合成された光で、第3波長の光の光路と第4波長の光の光路との相対関係が光路調整系を経る前後で変化する。第4波長の光の光路は第3波長の光の光路と、光路調整系に入射する前段階で互いずれているが、光路調整系を経て略一致する。これにより、第3波長の光による画素の位置および第4波長の光による画素の位置が、第1波長の光と第2波長の光の一方の光による画素の位置に略一致する。
このように、第1波長〜第4波長の光により画像が表示され、多彩な色相の画像を表示することができるので、高品質な画像を表示可能な画像表示装置になる。また、第1波長の光と第2波長の光の一方の光、第3波長の光および第4波長の光による画素からずれた位置に、第1波長の光と第2波長の光の他方の光による画素が表示され、表示された画像が全体として高解像度になる。以上のように、第1波長〜第4波長の光の光路を1つの光路調整系により調整可能であるので、画像表示装置をシンプルな構成にしつつ画像の解像度を効果的に高めることが可能になる。
(a)、(b)は第1実施形態の画像表示装置の構成を示す模式図である。 (a)、(b)は、画素ずらしによる画像表示方法の概念図である。 光源系、光変調素子および制御部の構成を示す模式図である。 光源系および光変調素子の動作タイミングの一例を示すチャートである。 図4と異なる動作タイミングの一例を示すチャートである。 変調用信号の生成方法の一例を示す概念図である。 変調用信号の生成方法について、画素を拡大して示す説明図である。 図6、図7と異なる変調用信号の生成方法の一例を示す概念図である。 光路調整系の構成を示す斜視図(a)、光路調整系を通る光のXZ面への投影図(b)およびXY面への投影図(c)である。 波長選択面の特性と、第1、第2波長との関係を示すグラフである。 (a)、(b)は、変形例1、2の構成を示す模式図である。 (a)〜(c)は、変形例4〜6の構成を示す模式図である。 (a)〜(c)は、変形例7の構成を示す模式図である。 第2実施形態の画像表示装置の構成を示す模式図である。 第2実施形態における光路のずれを示す模式図である。 (a)は画像の表示タイミングを色相ごとに示すタイミングチャート、(b)は表示される画像全体の概念図である。 第3実施形態の画像表示装置の構成を示す模式図である。 第3実施形態における光路のずれを示す模式図である。 波長選択面の特性と、第1〜第4波長との関係を示すグラフである。 (a)は画像の表示タイミングを色相ごとに示すタイミングチャート、(b)は表示される画像全体の概念図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。説明に用いる図面において、特徴的な部分を分かりやすく示すために、図面中の構造の寸法や縮尺を実際の構造に対して異ならせている場合がある。光路については、その中心軸で代表させて図示している場合がある。また、実施形態において同様の構成要素については、同じ符号を付して図示し、その詳細な説明を省略する場合がある。
[第1実施形態]
図1(a)、(b)は、第1実施形態のプロジェクター(画像表示装置)1の構成を示す模式図である。図1(a)には、第1波長の光により画像が表示される状態を図示している。図1(b)には、第2波長の光により画像が表示される状態を図示しており、第2波長の光との比較のために第1波長の光を併記している。図2(a)は、画素ずらしによる画像表示方法を示す概念図であり、図2(b)は画素ずらしにより表示される画像の画素を拡大して示す平面図である。
図1(a)、(b)に示すようにプロジェクター1は、光源系2、光変調素子3、制御部4、光路調整系5および投射光学系6を含んでいる。プロジェクター1は、概略すると以下のように動作する。
光源系2は、第1波長の光L1と、第1波長とは異なる第2波長の光L2とを時間的に切替えて射出する。光源系2から射出された光L1、L2は、光変調素子3に入射して変調される。制御部4は、光源系2から光L1、L2が射出されるタイミングを制御し、このタイミングに同期させて、光L1の変調用の第1の変調用信号と、光L2の変調用の第2の変調用信号とを時間的に切替えて光変調素子3に供給する。
光変調素子3により変調された光L1、L2は、光路調整系5に時間順次で入射する。光路調整系5に入射する前の光の光路に着目すると、第1波長の光L1の光路A1は、第2波長の光L2の光路A2と略一致している。光路調整系5は、光L1を反射させるとともに光L2を透過させる特性の波長選択面51、および波長選択面51を透過した第2波長の光L2を反射させる反射面(ミラー系)52を含んでいる。光L1は、波長選択面51で反射して投射光学系6に入射する。光L2は、波長選択面51を透過して反射面52で反射した後、波長選択面51を再度透過して投射光学系6に入射する。
図1(b)に示すように、光路調整系5を経た光L2の光路A2は、光路調整系5を経た光L1の光路A1からずれている。光路調整系5から射出された光の光路に着目すると、第2波長の光L2の光路A2は、第1波長の光L1の光路A1に対して略平行である。また、第1波長の光L1の光路A1と第2波長の光L2の光路A2とが、第1波長の光L1および第2波長の光L2の進行方向と略直交する方向にずれている。
光路調整系5を経た光L1、L2は、投射光学系6に時間順次で入射して、スクリーン等の被投射面(結像面)Sに投射される。
図2(a)に示すように、被投射面Sに投射された光L1により第1の画像B1が表示され、被投射面Sに投射された光L2により第2の画像B2が表示される。投射光学系6から射出された光L1の光路が光L2の光路とずれているので、図2(b)に示すように、第1の画像B1を構成する画素P1の位置は、第2の画像B2を構成する画素P2の位置からずれている。画像B1、B2は、観察者に認識されない程度に高速で時間的に切替えられて表示される。画像B1、B2は、画素P1、P2の位置が互いにずれた状態で重ね合わされて観察され、実質的に高解像度の画像が表示される。以下、プロジェクター1の構成要素について詳しく説明する。
図3は、光源系2、光変調素子3および制御部4の構成を示す模式図、図4は光源系2の動作タイミングおよび光変調素子3の動作タイミングの一例を示すタイミングチャートである。
図3に示すように光源系2は、発光パネル20および駆動部21を含んでいる。発光パネル20には、複数の第1の固体光源22および複数の第2の固体光源23が2次元的に配列されている。第1の固体光源22と第2の固体光源23とが、2つの配列方向の各々おいて、交互に配置されている。
固体光源22、23は、発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)等の固体光源により構成される。本実施形態では、固体光源22、23がLEDにより構成されている。第1の固体光源22は第1波長に強度のピークを有する光L1を射出し、第2の固体光源23は第1波長とは異なる第2波長に強度のピークを有する光L2を射出する。固体光源22、23をLEDにより構成すると、LDにより構成する場合と比較して緑色光を直接的に得ることが容易になる。ランプ光源を採用する場合と比較して、光源系2を低消費電力かつ長寿命にすることができる。
ここでは、第2波長が、第1波長と概ね同じ色相(例えば緑)に属する波長帯から選択されており、第1波長よりも短波長であるとする。第1波長と第2波長との差は、光L1、L2を波長選択面51で分離可能な程度以上に設定される。第1波長と第2波長との差は、例えば10nm〜100nm程度である。
駆動部21は、複数の第1の固体光源22を一括して点灯させ、あるいは消灯させる。駆動部21は、複数の第2の固体光源23についても同様に、一括して点灯させ、あるいは消灯させる。第1の固体光源22の点灯消灯の切替え、および第2の固体光源23の点灯消灯の切替えを電気的に瞬時に行うことが可能になっている。駆動部21が、光源系2に設けられる代わりに、制御部4に設けられていてもよい。
光変調素子3は、制御部4から供給される変調用信号D、Dに基づいて入射光を変調し、画像を形成する。光変調素子3は、透過型もしくは反射型の液晶ライトバルブ、またはデジタルミラーデバイス(DMD)等の空間光変調素子により構成される。第1実施形態の光変調素子3は、透過型の液晶ライトバルブにより構成されている。
光源系2と光変調素子3との間の光路には、必要に応じて平行化光学系や照度均一化光学系等が設けられる。平行化光学系は、フィールドレンズ等からなり、光変調素子3に入射する光を平行化する。照度均一化光学系は、フライアイレンズアレイやロッドレンズ等からなり、光変調素子3に入射する光の照度分布を均一化する。
制御部4は、インターフェース41、タイミング生成回路42および画像処理回路43を含んでいる。インターフェース41は、DVDプレイヤーやコンピューター等の信号源9から入力画像に対応した電気信号Dを受け取り、電気信号Dを同期信号Dと画像信号Dとに分離する。同期信号Dには、入力画像のリフレッシュレート等の画像表示条件を示すデータが含まれている。画像信号Dには、画素ごとの階調データが含まれている。分離された同期信号Dは、タイミング生成回路42に出力される。分離された画像信号Dは、画像処理回路43に出力される。
第1の画像B1の表示期間(以下、第1の表示期間という)と、第2の画像B2の表示期間(以下、第2の表示期間という)との比率(以下、デューティという)は、可変値あるいは固定値として予め設定されている。デューティは、例えば光変調素子3の応答速度に応じて設定される。デューティが1に近づくほど、光変調素子3に要求される応答速度が遅くなるので、光変調素子3を低コストにすることができる。
また、デューティは、例えば光L1、L2の視角感度(人間の錐体細胞の光吸収率)に応じて設定される。画像B1、B2が略同じ明るさに観察されるようにするには、第1、第2波長での錐体細胞の光吸収率の違いに基づいて、第1、第2の表示期間で人間の錐体細胞に吸収される光エネルギーが均等になるように、デューティを設定するとよい。
タイミング生成回路42は、デューティの設定値および入力画像のリフレッシュレートに基づいて、第1の表示期間と第2の表示期間とを示すタイミング信号Dを生成する。タイミング信号Dは、駆動部21および画像処理回路43に出力される。
図4に示す例では、デューティが1に設定されており、第1の表示期間が第2の表示期間と重ならないように設定されている。1フレームの表示期間の長さは、同期信号Dにより規定される。
例えば、リフレッシュレートが60Hzであって、1フレームに画像を表示しない期間(以下、非表示期間という)を含まない場合には、1フレームの表示期間の長さ(t〜tN+1,N=0、1、2・・・)は1/60秒である。第1の表示期間の長さは1/120秒であり、第2の表示期間の長さは1/120秒である。
第1の表示期間の開始時刻(例えば、図4中のt)は、第2の表示期間の開始時刻(例えば、図4中のt0.5)と、1フレームの表示期間の長さの略半分(1/120秒)だけずれている。タイミング信号Dは、第1の表示期間の開始時刻および第2の表示期間の開示時刻を示すデータを含んでいる。
駆動部21は、タイミング信号Dに規定された第1の表示期間に、第1の固体光源22を点灯させるとともに第2の固体光源23を消灯させる。駆動部21は、タイミング信号Dに規定された第2の表示期間に、第1の固体光源22を消灯させるとともに第2の固体光源23を点灯させる。
画像処理回路43は、画像信号Dにガンマ処理等の各種画像処理を施すとともに、光変調素子3の画素数に整合するように画像信号Dを処理する。例えば、画像信号Dの画素数が光変調素子3の画素数よりも多い場合には、画像信号Dに含まれる複数の画素の階調データを平均化して1つの画素の階調データとし、光変調素子3の画素数に整合した画像信号を生成する。
画像処理回路43は、画像信号Dに基づいて第1の画像B1用の第1の変調用信号D、および第2の画像B2用の第2の変調用信号Dを生成する。画像処理回路43は、タイミング信号Dにより定まる第1の画像B1の表示タイミングに同期させて、第1の変調用信号Dを光変調素子3に供給する。画像処理回路43は、タイミング信号Dにより定まる第2の画像B2の表示タイミングに同期させて、第2の変調用信号Dを光変調素子3に供給する。
第1の表示期間に第1の固体光源22が点灯することにより、第1の表示期間に光変調素子3には光L1が入射する。光変調素子3は、第1の表示期間に第1の変調用信号Dが供給されることにより、光L1を変調して第1の画像B1を形成する。同様に、第2の表示期間に第2の固体光源23が点灯することにより、第2の表示期間に光変調素子3に光L2が入射し、光変調素子3は第2の変調用信号Dに基づいて光L2を変調して第2の画像B2を形成する。
図5は、図4に示した例と異なる動作タイミングを示すタイミングチャートである。図5に示す例では、1フレーム間に非表示期間が含まれている。このような場合にタイミング生成回路42は、1フレーム中の非表示期間の長さを1フレーム全体の長さから差し引いて1フレーム中の表示期間の長さを求め、1フレーム中の表示期間の長さとデューティとに基づいて第1、第2の表示期間の長さを求める。タイミング生成回路42は、第1の表示期間と第2の表示期間との間が非表示期間になり、光変調素子3の動作が第1の画像用変調から第2の画像用変調に切替わる時刻(例えば、t0.5)を含むように非表示期間を設定して、タイミング信号Dを生成する。駆動部21は、第2の表示期間および非表示期間において第1の固体光源22を消灯させ、第1の表示期間および非表示期間において第2の固体光源23を消灯させる。
ところで、光変調素子3の応答速度は、光変調素子の種類(例えば液晶ライトバルブ)によって限界がある。第1の表示期間と第2の表示期間との間を非表示期間にすれば、第1の画像用の変調から第2の画像用の変調に切替わる過渡的な期間に、固体光源22、23が消灯になる。これにより、光変調素子3の応答が光L1、L2の切替わりに追従しきれないことによる画像品質の低下を回避することができる。
次に、図6〜図8を参照しつつ、変調用信号D、Dの生成方法について説明する。図6、図7は、変調用信号D、Dの第1の生成方法を示す説明図、図8は、変調用信号D、Dの第2の生成方法を示す説明図である。第1の生成方法は、光変調素子3の画素数よりも入力画像の画素数が多い場合の例である。第2の生成方法は、光変調素子3の画素数が入力画像の画素数と同じ場合の例である。
第1の生成方法の説明では、説明の便宜上、画像信号Dの画素数が2048×1536(QXGA)であり、光変調素子3の画素数が1024×768(XGA)であるとする。図6に示すように、画像信号Dに含まれるアドレス(m,n)の画素の階調値をa(m,n)とする。mは0以上2047以下の整数であり、nは0以上1535以下の整数である。また、第1の変調用信号Dに含まれるアドレス(i,j)の画素の階調値をb(i,j)とし、第2の変調用信号Dに含まれるアドレス(i,j)の画素の階調値をc(i,j)とする。iは0以上1023以下の整数であり、jは0以上767以下の整数である。
画像処理回路43は、画素P1の各々に含まれる入力画像の画素の階調値に基づいて、この画素P1の階調値を算出する。ここでは、第1の画像B1の範囲が入力画像の範囲と一致しており、入力画像内の2×2配列の画素が画素P1に含まれる。図7に示すように画像処理回路43は、第1の画像B1のアドレス(i,j)の画素に含まれる入力画像の4画素の階調値であるa(2i,2j)、a(2i+1,2j)、a(2i,2j+1)、a(2i+1,2j+1)の平均値を算出し、平均値をb(i,j)に代入する。
画像処理回路43は、第2の画像B2の画素P2に含まれる入力画像の画素の階調値に基づいて、画素P2の階調値を算出する。画素P2に含まれる入力画像の画素は、第2の画像B2の第1の画像B1に対するずらし量から求められる。ずらし量は、光路調整系5内の部材の位置関係(後述する)により定まる。
ずらし量をΔW、光変調素子3の画素サイズをp、0を含む整数をN、0より大かつ1より小の小数をqとすると、ΔWは下記の式(1)で表される。
ΔW=p(N+q) ・・・式(1)
qは、画素P1、P2のずれを示す量である。例えば、画素P2の位置が画素P1の位置から画素サイズの0.5倍だけずれている場合にq=0.5である。画像B1、P2のずらし量が画素サイズの1.5倍だけずれている場合にも、N=1,q=0.5となり、画素P1、P2のずらし量は画素サイズの0.5倍になる。
図2(b)に示したように、画素P1が複数の画素P2と重なるようにqを設定すれば、画素P1間を画素P2で埋めるとともに画素P2間を画素P1で埋めることができ、効果的に解像度を高めることができる。特にqを0.25以上0.75以下の範囲内に設定すれば高解像度にする効果が高くなり、qを0.5にすれば高解像度にする効果が最大になる。画素が2次元的に配列されている場合に、少なくとも配列方向の一方にて画素をずらすことにより解像度を高めることができる。また、2つの配列方向の双方にて画素をずらすと、高解像度にする効果が高くなる。
図5に示す例では、i方向(例えば水平走査方向)における画素のずらし量ΔWiが、画素サイズの0.5倍であり、j方向(例えば垂直走査方向)における画素のずらし量ΔWjが、画素サイズの0.5倍である。図7に示すように画像処理回路43は、第2の画像B2のアドレス(i,j)の画素に含まれる入力画像の4画素の階調値であるa(2i+1,2j+1)、a(2i+2,2j+1)、a(2i+1,2j+2)、a(2i+2,2j+2)の平均値を算出し、平均値をc(i,j)に代入する。
画素P2の区画が、入力画像の画素の区画とずれる場合、例えば画素のずらし量が画素サイズの0.25倍である場合もありえる。この場合には、入力画像の画素数を光変調素子の画素数と整合させる際の補間処理等を用いて、c(i,j)を求めるとよい。例えば、画素P2の中心位置から、画素P2に含まれる入力画像の画素の中心位置までの距離の逆数に比例した重みづけにより、c(i,j)を求めることができる。
第2の画像B2の画素が、入力画像よりも外側になることもありえる。この場合には、入力画像の外側になる第2の画像B2の画素を黒表示にすればよい。また、例えば、図6に示したc(1023,0)〜c(1023,766)については、画素P2に含まれる入力画像の2画素の階調値の平均値にしてもよいし、黒の階調値にしてもよい。
第2の生成方法の説明では、説明の便宜上、画像信号Dの画素数が1024×768(XGA)であり、光変調素子3の画素数が1024×768(XGA)であるとする。画像処理回路43は、第1の画像B1のアドレス(i,j)の画素の階調値であるb(i,j)に、入力画像のアドレス(i,j)の画素の階調値であるa(i,j)を代入する。第2の画像B2のアドレス(i,j)の画素に一部が重なる入力画像の4画素の階調値であるa(i,j)、a(i+1,j)、a(i,j+1)、a(i+1,j+1)の平均値を算出し、平均値をc(i,j)に代入する。
次に、図9、図10を参照しつつ光路調整系5について説明する。図9(a)は、光路調整系5の構成を模式的に示す斜視図、図9(b)は光路調整系5に入射した光L1の光路A1および光L2の光路A2をXZ面に投影して示す平面図、図9(c)は光路A1、A2をXY面に投影して示す平面図、図10は波長選択面51の反射特性と光L1、L2のスペクトルとの関係を示すグラフである。図9(a)〜(c)に示すXYZ直交座標において、光路調整系5に入射する前の光L1、L2の光路A1、A2をX軸としている。Y軸は、例えば光変調素子3の画素配列において図5に示したi方向に対応しており、Z軸は例えばj方向に対応している。
図9(a)〜(c)に示すように、光路調整系5は波長選択素子53および反射ミラー54を含んでいる。波長選択素子53は、ダイクロイックミラー等からなり、波長選択面51を有している。反射ミラー54は、ダイクロイックミラーあるいは、反射膜を有する反射ミラー等からなり、反射面52を有している。反射面52は、波長選択面51と略平行になるように位置調整されている。本実施形態の反射ミラー54は、波長選択素子53と別に形成された素子であり、波長選択素子53と固定されている。波長選択面51の法線方向Vは、XZ面に投影した方向がX軸とθ[rad]の角度をなしており、XY面に投影した方向がX軸とφ[rad]の角度をなしている。
図10に示すように波長選択面51は、可視光領域において相対的に短波長側が透過域になっており、可視光領域において相対的に長波長側が反射域になっている。波長選択面51の反射率は、透過域にて最小値で飽和しており、反射域にて最大値で飽和している。透過域と反射域との間の中間域において、入射光が長波長になるにつれて波長選択面51での反射率が単調増加している。
波長選択面51で光L1、L2を高精度に分離するには、中間域の幅を狭くすることや光L1、L2のスペクトル幅を狭くすることが有効である。波長選択面51をダイクロイックミラーで構成する場合に、ダイクロイックミラーに含まれる多層膜の層数を増やすほど中間域の幅を狭くすることができる。また、固体光源22、23をLDにより構成することにより、L1、L2のスペクトル幅を狭くすることができる。
反射面を例えば波長選択面51と同様のダイクロイックミラー等により構成してもよい。このようにすれば、光L1の一部が波長選択面51を透過して漏れ光となった場合に、漏れ光の一部が反射面を透過する。反射面を透過した漏れ光は、光路調整系と投射光学系6との間の光路から除去される。したがって、漏れ光による画像が認識されにくくなり、漏れ光による画像品質の低下が回避される。
ここでは、可視光領域での反射率の最大値および最小値の平均値を中間値とし、反射率が中間値となるときの波長を閾値という。入射光の波長が閾値よりも長波長であると波長選択面51で入射光の反射が卓越し、入射光の波長が閾値よりも短波長であると波長選択面51で入射光の透過が卓越する。
本実施形態では第1波長が閾値よりも長波長に設定されており、第2波長が閾値よりも短波長に設定されている。光L2の波長帯が光L1の波長帯と重ならないように設定すると、波長選択面51で光L1と光L2とを高精度に分離することができるので、画像品質を向上させる上で有利である。光L2の波長帯の一部が光L1の波長帯と重なっている場合でも、表示される画像を高解像度にする効果は得られる。
図10には光L1、L2で光強度の最大値が同じとして示しているが、光L1、L2で光強度が異なっていてもよい。例えば、第1波長と第2波長とで前記した視角感度が異なる場合に、同じ階調の画素を表示する条件で第1の表示期間と第2の表示期間とで、人間の錐体細胞に吸収される光エネルギーが略同じになるように固体光源22、23の出力を異ならせてもよい。これにより、画像B1、B2が略同じ明るさに観察され、画像B1、B2の切替わりが観察されにくくなるので、画像品質を高めることができる。
光路調整系5に入射した光L1は、波長選択面51で反射し、投射光学系6に向かって進行する。光路調整系5に入射した光L2は、波長選択面51を透過して反射面52に入射して反射し、波長選択面51を再度透過して光L1と略同じ向きに進行する。投射光学系6に入射する直前の光L1の光路A1と光L2の光路A2とが、投射光学系6の光軸に対して略直交する方向にずれるように、光路調整系5から射出される光の光路が波長に応じて調整される。
図9(b)に示すように、光路調整系5からの射出後において、光L2の光路A2は光L1の光路A1からX方向にΔXだけ略平行にシフトしている。図9(c)に示すように、光路調整系5からの射出後において、光L2の光路A2は光L1の光路A1からY方向にΔYaだけ略平行にシフトしている。ΔX、ΔYaは、波長選択面51と反射面52との間隔をdとすると下記の式(2)、(3)で表される。式(2)、(3)から分かるように、ずらし量であるΔX、ΔYaは、波長選択面51と反射面52との間隔(d)、および波長選択面51に対する入射角(θ、φ)により定まる。
ΔX=2dsinθ ・・・式(2)
ΔYa=2dsinφ ・・・式(3)
以上のような構成のプロジェクター1によれば、画像B1、B2が時間的および空間的にずれて表示され、画像B1、B2を合わせて1つの画像としてみたときの画素数が光変調素子3の画素数よりも多くなる。したがって、光変調素子3の画素数を増やさなくとも高解像度な画像を表示することができ、高品質な画像を表示可能な画像表示装置を低コストで実現することができる。
また、光路調整系5を動的に制御しなくとも、光路調整系5から射出後の光L1、L2の光路A1、A2をずらすことができる。光路調整系5を空間的に動かさなくてもよいので、光路調整系5の振動をなくすことができる。したがって、光路調整系5に対する光L1、L2の入射角を高精度に制御することができ、画像B1、B2のずらし量がばらつくことが防止される。また、光路調整系5の振動をなくすことができるので、装置の構成部品が振動により故障しやすくなることが回避され、装置のメンテナンス頻度の増加や装置の短寿命化等の不都合が回避される。
光路調整系5に関する屈折率等の特性を電気的に変化させなくてもよいので、光路調整系5の駆動電圧を不要にすることができる。光源系2については、通常と同様の駆動電圧により駆動することが可能であるので、装置全体としての駆動電圧の上昇が回避される。
光源系2の光源が固体光源22、23により構成されているので、点灯および消灯を電気的に瞬時に切替えることができ、第1の画像B1と第2の画像B2とを高精度なタイミングで切替えることができる。したがって、画像B1、B2が切替わる過渡的な期間を最小限にすることができ、画像の切替わりが認識されることによる画像品質の低下が防止される。
なお、第1実施形態で説明した構成は本発明の態様を示す一例であり、本発明の技術範囲は第1実施形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。例えば、第1実施形態では説明の便宜上、第1波長が第2波長よりも長波長であるとしたが、第1波長が第2波長よりも短波長であってもよい。以下、光源系や光変調素子、光路調整系に関する変形例を説明する。
図11(a)は、変形例1のプロジェクター1Bの構成を示す模式図である。プロジェクター1Bは、光源系2Bの構成が第1実施形態と異なっている。図11(a)に示すように光源系2Bは、第1のレーザー光源22B、第2のレーザー光源23B、波長選択素子24B、光拡散素子25Bおよび平行化素子26Bを含んでいる。
本実施形態の第1のレーザー光源22Bは、第1の固体光源221、波長変換素子222および共振ミラー223を含んでいる。第1の固体光源221は、基本波長の光(例えば赤外光)を射出する。波長変換素子222は、例えば周期的な分極反転構造を有するニオブ酸リチウム結晶等からなり、入射光のうちの少なくとも一部を変換波長の光(例えば、緑色光)に変換する。共振ミラー223は、基本波長の光を反射させるとともに変換波長の光を透過させる特性を有している。
第1の固体光源221から射出された光は、第1の固体光源221と共振ミラー223との間を何度も往復してレーザー発振する。また、第1の固体光源221から射出された光は、波長変換素子222を通るたびに、その一部が変換波長の光に変換される。波長変換素子222により波長が変換されたレーザー光は、共振ミラー223を通って第1波長の光L1としてレーザー光源22Bから射出される。
第2のレーザー光源23Bは、第1のレーザー光源22Bと同様の構成になっており、第2の固体光源231、波長変換素子232および共振ミラー233を含んでいる。第2のレーザー光源23Bは、第2の固体光源231から射出される光の波長が第1の固体光源221と異なっている。波長変換素子232は、第2の固体光源231から射出される光の波長に対応する変換特性になっている。共振ミラー233は、第2の固体光源231から射出される光の波長に対応する反射透過特性になっている。第2のレーザー光源23Bからは、第2波長の光L2が射出される。
第1波長および第2波長としてレーザー素子から直接的に得られる波長を採用する場合には、波長変換素子を省くことができる。また、内部共振型のレーザー素子を用いてもよい。
波長選択素子24Bは、第1波長の光L1を反射させるとともに第2波長の光を透過させる特性を有している。波長選択素子24Bは、例えばダイクロイックミラー等からなり、ここでは光路調整系5の波長選択素子53と略同じ特性になっている。波長選択素子24Bに入射した光L2は、波長選択素子24Bを透過して光拡散素子25Bに入射する。波長選択素子24Bに入射した光L1は、波長選択素子24Bで反射し、進行方向が折れ曲がって光L2の光路と略同じになり、光拡散素子25Bに入射する。波長選択素子53を透過して漏れ光となる光L1の一部は、波長選択素子24Bを透過する。これにより、波長選択素子24Bと光拡散素子25Bとの間の光路から除去され、光路調整系5における漏れ光の発生が低減される。
光拡散素子25Bは、VHG等の光学回折格子や拡散板等からなり、光L1、L2を拡散させて射出する。本実施形態の光拡散素子25Bは、回折光学素子からなり、光L1、L2を拡散させるとともに光L1、L2のスポット形状を変化させる。光拡散素子25Bから射出された光L1、L2は、光変調素子3において複数の画素が配列された領域(例えば矩形領域)と略相似な形状のスポット形状になる。光拡散素子25Bから射出された光L1、L2は、フィールドレンズ等からなる平行化素子26Bにより略平行光となり、光変調素子3に入射する。以下、第1実施形態と同様にして、光L1により第1の画像B1が表示され、光L2により第2の画像B2が表示される。
プロジェクター1Bにあっては、光L1、L2がレーザー光になっており、例えばLEDから射出される光と比較してスペクトル幅が格段に狭くなっている。したがって、光L1と光L2とで波長に対する光強度分布が重ならないようにすることが容易になり、波長選択面51にて光L1、L2を分離することが容易になる。
光路調整系5にて漏れ光となる光の一部が波長選択素子24Bにて除去されるので、漏れ光による画像が認識されにくくなる。レーザー光源22B、23Bに代えてLED等による光源を採用する場合でも、漏れ光の画像を認識させにくくする効果は得られる。LEDとLDとを併用した光源系を採用してもよく、例えば、第1の固体光源をLEDにより構成し、第2の固体光源をLDにより構成してもよい。
図11(b)は、変形例2のプロジェクター1Cの構成を示す模式図である。図11(b)に示すように、プロジェクター1Cは、光源系2C、光変調素子3C、制御部4C、光路調整系5および投射光学系6を含んでいる。
光源系2Cは、ランプ光源21C、カラーホイール22Cおよび照度均一化素子23Cを含んでいる。ランプ光源21Cは、第1波長および第2波長を含んだ光L0を射出する。カラーホイール22Cは、例えば略円板状のものであり、回転可能に取付けられている。カラーホイール22Cは、第1、第2のカラーフィルターを含んでいる。第1のカラーフィルターは、第1波長の光を透過させるとともに第2波長の光を吸収する。第2のカラーフィルターは、第1波長の光を吸収するとともに第2波長の光を透過させる。カラーホイール22Cの回転に伴って、カラーホイール22Cから第1波長の光L1と第2波長の光L2とが時間的に切替えられて射出される。
カラーホイール22Cから射出された光L1、L2は、照度均一化素子23Cに入射して照度が均一化された後に、光変調素子3Cに入射する。光変調素子3Cは、画素ごとにミラーが設けられたデジタルミラーデバイスにより構成されている。制御部4Cは、カラーホイール22Cの回転を監視し、カラーホイール22Cの回転と同期させて第1、第2の変調用信号を時間的に切替えて光変調素子3Cに出力する。光変調素子3Cは、第1、第2の変調用信号に応じて画素ごとのミラーの向きを制御し、入射光の反射方向を画素ごとに制御する。光変調素子3から射出された光L1、L2は、第1実施形態と同様に光路調整系5および投射光学系6を経て、第1、第2の画像として被投射面に映し出される。
プロジェクター1Cにあっては、光源系2Cから射出される光の波長をカラーホイール22Cにより時間的に切替えるので、光源系2Cの構成をシンプルにすることができる。カラーホイール22Cが、回転により振動することはありえるが、カラーホイール22Cの振動が光L1、L2の光路に及ぼす影響は、光路調整系5が振動する場合と比較して格段に小さい。したがって、光路調整系自体を空間的に動かす構成と比較すると、光路のずらし量を高精度に設定することができ、振動による画像品質の低下を回避することができる。
図12(a)は、変形例3の光路調整系5Dの構成を示す側面図である。光路調整系5Dは、図9(c)に示した光路調整系5と比較して、反射ミラー等からなるガイド55Dを含んでいる点が異なっている。ガイド55Dは、波長選択面51を経た光L1、L2を反射させて投射光学系6に向かわせる。
光L1、L2の進行方向がプロジェクター本体となす角度は、光L1、L2が波長選択面51あるいは反射面52に入射することにより変化する。ガイド55Dは、光L1、L2の進行方向がプロジェクター本体となす角度が、光路調整系5Dの入射前後で変化しないように、位置や姿勢が設定されている。
ここでは、光路調整系5Dから射出された光L1、L2の進行方向が投射光学系6の光軸6Aと略平行になるように、ガイド55Dの位置や姿勢が設定されている。これにより、光L1、L2の進行方向が例えば水平面となす角度が光路調整系5Dの入射前後で変化しなくなり、プロジェクターから射出される光L1、L2の俯角あるいは仰角を制御することが容易になる。
図12(b)は、変形例4の光路調整系5Eの構成を示す模式図である。光路調整系5Eは、基板50Eと、基板50Eに積層された反射膜51Eおよび誘電体多層膜52Eと、を含んでいる。誘電体多層膜52Eは、屈折率が異なる2種類の層が交互に積層された構造になっている。誘電体多層膜52Eは、第1波長の光L1を反射させるとともに第2波長の光L2を透過させるように、各層の屈折率および厚みが調整されている。反射膜51Eの表面が反射面として機能し、誘電体多層膜52Eの表面が波長選択面として機能する。このように、光路調整系5Eにおいて、反射面は波長選択面と同一の光学素子に形成されている。
光路調整系5Eにあっては、反射面と波長選択面との間隔が誘電体多層膜52Eの膜厚により定まる。したがって、反射面と波長選択面との間隔を高精度に制御することができ、例えば間隔を画素サイズ程度の微細なスケール(例えばミクロンオーダー)で制御することもできる。また、反射面が波長選択面と同一の光学素子に形成されているので、反射面と波長選択面との間隔が経時変化しにくくなり、光L1、L2の光路のずらし量が経時変化しにくくなる。
なお、透光性を有するガラス基板等の一方の面に反射膜を形成し、他方の面に波長選択性を有する膜を形成することにより、反射面および波長選択面を同一の光学素子に形成してもよい。このようにすれば、誘電体多層膜の厚みのみで反射面と波長選択面との間隔を設定する場合と比較して、反射面と波長選択面との間隔を広げることが容易になる。
図12(c)は、変形例5の光路調整系5Fの構成を示す模式図である。光路調整系5Fは、波長選択素子51F、52Fおよび反射ミラー53F、54Fを含んでいる。波長選択素子51F、52Fはいずれも、第1実施形態の波長選択素子53と同様の特性のものである。反射ミラー53F、54Fは、第1波長の光を反射させる特性のものある。波長選択素子52Fおよび反射ミラー53F、54Fによりミラー系が構成されている。
波長選択素子51Fは、画像光の入射角が略45°になるように配置されており、波長選択素子52Fと略90°の角度をなしている。波長選択素子51Fは、反射ミラー53Fと略平行に配置されている。波長選択素子52Fは、反射ミラー54Fと略平行に配置されている。波長選択素子51Fおよび反射ミラー53Fの間隔は、波長選択素子52Fおよび反射ミラー54Fの間隔と異なっている。
光路調整系5Fにおいて光L1、L2は、まず波長選択素子51Fに入射する。光L2は、波長選択素子51Fを透過した後に波長選択素子52Fに入射し、波長選択素子52Fを透過して光路調整系5Fから射出される。
光L1は、波長選択素子51Fで反射した後、反射ミラー53F、54Fで順に反射して、波長選択素子52Fに入射する。波長選択素子52Fに入射した光L1は、波長選択素子52Fで反射し、波長選択素子52Fを透過した光L2とともに光路調整系5Fから射出される。光L1は、反射するたびに進行方向が折れ曲がり、光路調整系5Fから射出される段階での光路が光L2の光路とずらし量だけずれて略平行になる。
このように、波長選択面で反射した光L1の光路を調整することにより、波長選択面を透過した光L1の光路を、波長選択面で反射した光L2の光路からずらすことも可能である。また、複数の反射部材によりミラー系を構成することも可能である。反射ミラー53F、54Fとしては、ダイクロイックミラーを採用してもよく、例えば波長選択素子51F、52Fと略同じ特性にしてもよい。
図13は、変形例6の光路調整系5Gの構成を示す斜視図である。第1実施形態と同様の波長選択素子51G、53Gおよび反射ミラー52G、54Gを含んでいる。波長選択素子51Gと反射ミラー52Gが組になっており、波長選択素子53Gと反射ミラー54Gとが組になっている。
波長選択素子51Gの波長選択面は、反射ミラー52Gの反射面と略平行になっている。波長選択面および反射面は、XZ面(あるいはYZ面)をZ軸周りに略45°回転させた面と略平行になっている。
波長選択素子53Gの波長選択面は、反射ミラー54Gの反射面と略平行になっている。波長選択面および反射面は、XZ面(あるいはXY面)をX軸周りに略45°回転させた面と略平行になっている。
光変調素子3から射出された光L1、L2は、X正方向に向かって進行し、波長選択素子51Gに入射する。光L1は、波長選択素子51Gで反射して進行方向が略90°折れ曲がり、Y負方向に向かって進行する。光L2は、波長選択素子51Gを透過した後、反射ミラー52Gで反射して進行方向が略90°折れ曲がり、波長選択素子51Gを再度透過してY負方向に向かって進行する。波長選択素子51Gで反射した光L1の光路は、反射ミラー52Gで反射した光L2の光路と、X方向にΔXだけずれている。
波長選択素子51Gを経てY負方向に進行した光L1、L2は、波長選択素子53Gに入射する。光L1は、波長選択素子53Gで反射して進行方向が略90°折れ曲がり、Z正方向に向かって進行する。光L2は、波長選択素子53Gを透過した後、反射ミラー54Gで反射して進行方向が略90°折れ曲がり、波長選択素子53Gを再度透過してZ正方向に向かって進行する。波長選択素子53Gで反射した光L1の光路は、反射ミラー54Gで反射した光L2の光路と、Y方向にΔYだけずれている。
波長選択素子53Gを経た光L1、L2は、投射光学系6に入射する。投射光学系6に入射する段階で、光L1の光路は光L2の光路と、X方向にΔXずれており、Y方向にΔYずれている。
以上のような構成の光路調整系5Gのように、光L1と光L2とで光路をずらす方向ごとに、波長選択面および反射面の組を設けてもよい。このようにすれば、波長選択素子51Gと反射ミラー52Gとの間隔によりΔXを設定し、波長選択素子53Gと反射ミラー54Gとの間隔によりΔYを設定することができる。すなわち、2方向のずらし量を独立して設定することができる。
[第2実施形態]
次に、図14〜図16を参照しつつ第2実施形態のプロジェクターについて説明する。図14、15は、第2実施形態のプロジェクター7の構成を示す模式図、図16(a)は画像の表示タイミングを色相ごとに示すタイミングチャート、図16(b)は表示される画像全体の概念図である。図14には、第1の画像B3が表示される状態を図示しており、図15には、第2の画像B4が表示される状態を図示している。
プロジェクター7は、3系統の画像形成系70r、70g、70b、制御部71、色合成素子76および投射光学系77を含んでいる。画像形成系70r、70g、70bの各々の構成は、第1実施形態のプロジェクター1の構成から投射光学系6を除いた構成と同様である。ここでは、色合成素子76から射出される光の第1の光路7Aに沿って、投射光学系77と反対側に画像形成系70gが配置されている。画像形成系70r、70bは、第1の光路7Aと略直交する方向に色合成素子76を挟んで、互いに対向して配置されている。
制御部71は、画像形成系70r、70g、70bにそれぞれタイミング信号Dを供給する。第1の表示期間に制御部71は、画像形成系70rに第1の赤色光Lr1の変調用信号Drを、画像形成系70gに第1の緑色光Lg1の変調用信号Dgを、画像形成系70bに第1の青色光Lb1の変調用信号Dbを供給する。第2の表示期間に制御部71は、画像形成系70rに第2の赤色光Lr2の変調用信号Drを、画像形成系70gに第2の緑色光Lg2の変調用信号Dgを、画像形成系70bに第2の青色光Lb2の変調用信号Dbを供給する。
図16(a)、(b)に示すように、第1の表示期間において、第1の赤色画像、第1の緑色画像および第1の青色画像が略同じ位置に表示され、フルカラーの第1の画像B3が表示される。第2の表示期間において、第2の赤色画像、第2の緑色画像および第2の青色画像が略同じ位置に表示され、フルカラーの第2の画像B4が表示される。第2の画像B4は、第1の画像B3と画素の位置がずれている。
画像形成系70rは、制御部71、光源72r、フィールドレンズ73r、光変調素子74rおよび光路調整系75rを含んでいる。光源72rおよびフィールドレンズ73rにより光源系が構成されている。光源72rは、タイミング信号Dに基づいて第1の赤色光Lr1および第2の赤色光Lr2を時間的に切替えて射出する。第1の赤色光Lr1および第2の赤色光Lr2は、赤の色相に属する波長帯(例えば波長が625nm以上740nm以下)にスペクトルのピークを有する光である。
光源72rから射出された赤色光Lr1、Lr2は、フィールドレンズ73rに入射して平行化された後、光変調素子74rに入射する。光変調素子74rに入射した赤色光Lr1、Lr2は、時分割で変調されて射出された後、光路調整系75rに入射する。光路調整系75rに入射した赤色光Lr1は、波長選択素子751rで反射して、色合成素子76に入射する。光路調整系75rに入射した赤色光Lr2は、波長選択素子751rを透過して反射ミラー752rで反射した後、波長選択素子751rを再度透過して色合成素子76に入射する。
画像形成系70gは、画像形成系70rと同様の構成になっている。光源72gから第1の緑色光Lg1と第2の緑色光Lg2とが時間的に切替えられて射出される。第1の緑色光Lg1および第2の緑色光Lg2は、緑の色相に属する波長帯(例えば波長が500nm以上565nm以下)にスペクトルのピークを有する光である。
緑色光Lg1、Lg2はフィールドレンズ73gで平行化され、光変調素子74gに時分割で変調される。光路調整系75gに入射した緑色光Lg1は、波長選択素子751gで反射して、色合成素子76に入射する。光路調整系75gに入射した緑色光Lg2は、波長選択素子751gを透過して反射ミラー752gで反射した後、波長選択素子751gを再度透過して色合成素子76に入射する。
画像形成系70bは、波長選択素子751bが第1の青色光Lb1を透過させるとともに第2の青色光Lb2を反射させる特性になっている点で、画像形成系70r、70gと異なっている。光源72bから第1の青色光Lb1と第2の青色光Lb2とが時間的に切替えられて射出される。第1の青色光Lb1および第2の青色光Lb2は、青の色相に属する波長帯(例えば波長が450nm以上485nm以下)にスペクトルのピークを有する光である。
青色光Lb1、Lb2はフィールドレンズ73bで平行化され、光変調素子74bに時分割で変調される。光路調整系75bに入射した青色光Lb1は、波長選択素子751bを透過して反射ミラー752bで反射した後、波長選択素子751bを再度透過して色合成素子76に入射する。光路調整系75bに入射した青色光Lb2は、波長選択素子751bで反射して、色合成素子76に入射する。
色合成素子76は、ダイクロイックプリズムにより構成されている。ダイクロイックプリズムは、波長選択性を有する2種類の反射膜を内包している。2種類の反射膜の一方は、赤色光Lr1、Lr2を反射させ、緑色光Lg1、Lg2および青色光Lb1、Lb2を透過させる特性を有している。2種類の反射膜の他方は、青色光Lb1、Lb2を反射させ、緑色光Lg1、Lg2および赤色光Lr1、Lr2を透過させる特性を有している。2種類の反射膜は互いに直交するように設けられている。ここでは、一方の反射膜は、色合成素子76に入射する前の赤色光Lr1、Lr2の光路と略45°の角度をなしている。また、他方の反射膜は、色合成素子76に入射する前の青色光Lb1、Lb2の光路と略45°の角度をなしている。
第1の表示期間において、画像形成系70rから色合成素子76に入射する第1の赤色光Lr1の光路は、画像形成系70bから色合成素子76に入射する第1の青色光Lb1の光路と略一致している。色合成素子76に入射した赤色光Lr1および青色光Lb1は、進行方向が折り曲げられて射出され、色合成素子76を透過した緑色光Lg1の光路(第1の光路7A)と光路が略一致する。すなわち、色合成素子76に入射した第1の赤色光Lr1、第1の緑色光Lg1、第1の青色光Lb1は、光路が第1の光路7Aに揃えられて合成された後、投射光学系77により被投射面Sに投射される。
第2の表示期間において、画像形成系70rから色合成素子76に入射する第2の赤色光Lr2の光路は、画像形成系70bから色合成素子76に入射する第2の青色光Lb2の光路とずれている。第2の表示期間に色合成素子76に入射した赤色光Lr2および青色光Lb2は、進行方向が折り曲げられて射出され、色合成素子76を透過した緑色光Lg2と光路が略一致する。すなわち、色合成素子76に入射した第2の赤色光Lr2、第2の緑色光Lg2、第2の青色光Lb2は、光路が第2の光路7Bに揃えられて合成された後、投射光学系77により被投射面Sに投射される。
色合成素子76に対する入射位置をずらしたときに射出位置がずれる方向について説明する。本実施形態との比較のために、第1の表示期間と第2の表示期間とで色合成素子に対して入射位置がずれる方向(第1の光路7Aに沿う方向)の正負の向きが、赤色光および青色光で同じである構成(比較例という)を考える。比較例は、例えば第1の表示期間に第1の青色光が波長選択素子で反射し、第2の表示期間に第2の青色光が波長選択素子を透過する構成である。
比較例の構成では、第1の表示期間から第2の表示期間になると、色合成素子76から射出される青色光の光路が赤色光の画像形成系側にシフトし、色合成素子76から射出される赤色光の光路が、青色光の画像形成系側にシフトする。すなわち、色合成素子76からの射出位置がシフトする方向が青色光と赤色光とで逆になる。
本実施形態では、第1の表示期間と第2の表示期間とで色合成素子76への入射位置がずれる向きが、互いに対向して配置される画像形成系70r、70bで逆になる。したがって、第1の表示期間と第2の表示期間とで色合成素子76からの射出位置がずれる向きが画像形成系70r、70bで同じになり、第1、第2の表示期間ごとに色合成素子76を経た光の光路を揃えることができる。
第2の画像B4に対応する第2の光路7Bが、第1の画像B3に対応する第1の光路7Aとずれていることにより、図16(b)に示すように第2の画像B4は第1の画像B3とずれた位置に表示される。画像B3、B4は、観察者に認識されない程度に高速で時間的に切替えられて表示される。画像B3、B4は、画素の位置が互いにずれた状態で重ね合わされて観察され、実質的に高解像度の画像が表示される。
以上のようにプロジェクター7にあっては、多彩な色相の画像を表示することができるので、高品質な画像を表示可能になっている。
なお、第1の表示期間と第2の表示期間とで光路がずれる向きが、色合成素子を挟んで互いに対向して配置される画像形成系で逆になる構成として、以下のような構成も挙げられる。1つ目の構成例は、第1の青色光が波長選択素子で反射するとともに第2の青色光Lb2が波長選択素子を透過し、第1の赤色光が波長選択素子を透過するとともに第2の赤色光が波長選択素子で反射する構成である。この構成を実現するには、光源の構成または波長選択素子の特性を変更すればよい。
2つ目の構成例は、光源系から光路調整系に向かう光の進行方向が、色合成素子を挟んで互いに対向して配置される画像形成系で逆になっている構成である。この構成を実現するには、例えば青色光に対応する画像形成系の配置を、第1の光路7Aに直交する面に対して反転させるとよい。青色光の画像が反転する点については、変調用信号における画素の並びを調整することにより対応可能である。
また、青色光と赤色光とで光路がずれる向きが異なっていてもよい。いずれの場合でも、表示画素の位置に対応する入力画像の画素のデータ等に基づいて、ずれた位置で画素が表示すべきデータを示す変調用信号を生成すればよい。
[第3実施形態]
次に、図17〜図20を参照しつつ第3実施形態のプロジェクターについて説明する。図17、18は第3実施形態のプロジェクター8の構成を示す模式図、図19は波長選択面の特性と第1〜第4波長との関係を示すグラフ、図20(a)は画像の表示タイミングを色相ごとに示すタイミングチャート、図20(b)は表示される画像全体の概念図である。図17には、第1の画像B5が表示される状態を図示しており、図18には、第2の画像B6が表示される状態を図示している。
第3実施形態は、波長が異なる複数の色光により画像を表示する点で第2実施形態と類似している。第3実施形態は、複数の色光の1つについて第1の表示期間と第2の表示期間とで光路をずらす点で第2実施形態と異なっている。
図17、図18に示すように、プロジェクター8は、3系統の画像形成系80r、80g、80b、制御部81、色合成素子85、光路調整系86および投射光学系87を含んでいる。色合成素子85から射出される光の第1の光路8Aに沿って、光路調整系86と反対側に画像形成系80gが配置されている。画像形成系80r、80bは、第1の光路7Aと略直交する方向に色合成素子85を挟んで、互いに対向して配置されている。
制御部81は、第1表示期間および第2表示期間を通じて、画像形成系80rに赤色光の変調用信号Drを供給するとともに画像形成系80bに青色光の変調用信号Dbを供給する。制御部81は、第1表示期間に画像形成系80gに対して、第1の緑色光Lg1の変調用信号Dgを供給する。制御部81は、第2表示期間に画像形成系80gに対して、第2の緑色光Lg2の変調用信号Dgを供給する。
図20(a)、(b)に示すように第1の表示期間において、赤色画像、第1の緑色画像および青色画像が略同じ位置に表示され、フルカラーの第1の画像B5が表示される。第2の表示期間において、赤色画像および青色画像は、第1の表示期間と同様に表示される。第2の表示期間において、第1の緑色画像の代わりに第2の緑色画像が表示される。第2の緑色画像は、第1の緑色画像と画素の位置がずれている。第2の表示期間において、赤色画像、第2の緑色画像および青色画像により、フルカラーの第2の画像B6が表示される。
画像形成系80gは、光源82g、フィールドレンズ83gおよび光変調素子84gを含んでいる。光源82gおよびフィールドレンズ83gにより光源系が構成されている。光源82gは、タイミング信号Dに基づいて第1波長の緑色光Lg1と第2波長の緑色光Lg2とを時間的に切替えて射出する。光源82gから射出された緑色光Lg1、Lg2は、フィールドレンズ83gにより平行化された後に光変調素子84gに入射する。光変調素子84gは、変調用信号Dgに基づいて第1の緑色光Lg1を変調し、変調用信号Dgに基づいて第2の緑色光Lg2を変調する。光変調素子84gにより変調されたLg1、Lg2は、色合成素子76に入射し、色合成素子85を透過して光路調整系86に入射する。色合成素子85から射出される緑色光Lg1、Lg2の光路は、第1の光路8Aと略一致している。
画像形成系80rは、光源82r、フィールドレンズ83rおよび第2の光変調素子84rを含んでいる。光源82rおよびフィールドレンズ83rにより第2の光源系が構成されている。光源82rは、第1波長および第2波長よりも長波長の第3波長の光として、赤色光Lrを射出する。光源82rから射出された赤色光Lrは、フィールドレンズ83rにより平行化された後に、第2の光変調素子84rに入射する。第2の光変調素子84rは、変調用信号Drに基づいて赤色光Lrを変調する。第2の光変調素子84rにより変調された赤色光Lrは、色合成素子85に入射して進行方向が折れ曲がり、第1の光路8Aに沿って射出される。色合成素子85から射出された赤色光Lrは、光路調整系86に入射する。
画像形成系80bは、光源82b、フィールドレンズ83bおよび第3の光変調素子84bを含んでいる。光源82bおよびフィールドレンズ83bにより第3の光源系が構成されている。光源82bは、第1波長および第2波長よりも短波長の第4波長の光として、青色光Lbを射出する。光源82bから射出された青色光Lbは、フィールドレンズ83bにより平行化された後に、第3の光変調素子84bに入射する。第3の光変調素子84bは、変調用信号Dbに基づいて青色光Lbを変調する。第2の光変調素子84rにより変調された青色光Lbは、色合成素子85に入射して進行方向が折れ曲がり、第2の光路8Bに沿って射出される。色合成素子85から射出された青色光Lbは、光路調整系86に入射する。
第1の表示期間において、光路調整系86に入射した第1の緑色光Lg1は、波長選択素子861で反射して第3の光路8Cに沿って進行する。光路調整系86から射出された第1の緑色光Lg1は、投射光学系87に入射して被投射面Sに投射される。
第2表示期間において、光路調整系86に入射した第2の緑色光Lg2は、波長選択素子861を透過して反射ミラー862で反射し、第4の光路8Dに沿って進行する。反射ミラー862で反射した第2の緑色光Lg2は、波長選択素子861を再度透過し、投射光学系87に入射して被投射面Sに投射される。
このように、光路調整系86にて緑色光Lg1、Lg2の光路がずれることにより、第2の緑色画像は、第1の緑色画像と異なる位置に表示される。
第1表示期間および第2表示期間を通じて、光路調整系86に入射した赤色光Lrは、波長選択素子861で反射して第3の光路8Cに沿って進行する。光路調整系86から射出された赤色光Lrは、投射光学系87に入射して被投射面Sに投射される。
第1表示期間および第2表示期間を通じて、光路調整系86に入射した青色光Lbは、波長選択素子861を透過して反射ミラー862で反射し、第3の光路8Cに沿って進行する。反射ミラー862で反射した青色光Lbは、波長選択素子861を再度透過し、投射光学系87に入射して被投射面Sに投射される。
青色光Lbの光路と赤色光Lrの光路との関係に着目すると、光路調整系86を経る前後で、青色光Lbの光路は赤色光Lrの光路に対して略平行にシフトしている。光路調整系86による光路のシフトを打ち消すように、第2の光路8Bは第1の光路8Aとずらして設定されている。具体的には、画像形成系80bから色合成素子85への入射位置が、画像形成系80rから色合成素子85への入射位置とずれるように、画像形成系80b、80rの配置が調整されている。これにより、第1表示期間および第2表示期間を通じて、赤色画像および青色画像は、第1の緑色画像と略同じ位置に表示される。
以上のようにプロジェクター8にあっては、多彩な色相の画像を表示することができるので、高品質な画像を表示可能になっている。第2実施形態のプロジェクターと比較して、光路調整系の数を減らすことができ、装置構成をシンプルにすることができる。複数の色光(赤、緑、青)の画像のうちで相対的に視角感度が高い色光の画像について画素をずらすので、効果的に高解像度感が得られる。このように、プロジェクター8によれば、シンプルな構成でありながら高品質な画像を表示することができる。
なお、第2、第3実施形態のプロジェクターにおいて、前記した各種変形例等を採用して、光源系や光変調素子、光路調整系について適宜変形することが可能である。例えば、画像形成系80gに含まれる光源系として、図11(b)に示した光源系2C等を採用してもよい。
1、1B、1C・・・プロジェクター(画像表示装置)、2、2B、2C・・・光源系、
3、3C・・・光変調素子、4、4C・・・制御部、
5、5D、5E、5F、5G・・・光路調整系、6・・・投射光学系、6A・・・光軸、
7・・・プロジェクター(画像表示装置)、7A・・・第1の光路、
7B・・・第2の光路、8・・・プロジェクター(画像表示装置)、
8A・・・第1の光路、8B・・・第2の光路、8C・・・第3の光路、
8D・・・第4の光路、9・・・信号源、20・・・発光パネル、21・・・駆動部、
21C・・・ランプ光源、22・・・第1の固体光源、
22B・・・第1のレーザー光源、22C・・・カラーホイール、
23・・・第2の固体光源、23B・・・第2のレーザー光源、
23C・・・照度均一化素子、24B・・・波長選択素子、25B・・・光拡散素子、
26B・・・平行化素子、41・・・インターフェース、
42・・・タイミング生成回路、43・・・画像処理回路、50E・・・基板、
51・・・波長選択面、51E・・・反射膜、51F、51G・・・波長選択素子、
52・・・反射面(ミラー系)、52E・・・誘電体多層膜(ミラー系)、
52F・・・波長選択素子(ミラー系)、52G・・・反射ミラー(ミラー系)、
53・・・波長選択素子、53F・・・反射ミラー、53G・・・波長選択素子、
54、54G・・・反射ミラー、55D・・・ガイド、
70b、70g、70r・・・画像形成系、71・・・制御部、
72b、72g、72r・・・光源、73b、73g、73r・・・フィールドレンズ、
74b、74g、74r・・・光変調素子、75b、75g、75r・・・光路調整系、
76・・・色合成素子、77・・・投射光学系、
80b、80g、80r・・・画像形成系、81・・・制御部、
82b、82g、82r・・・光源、83b、83g、83r・・・フィールドレンズ、
84b・・・第3の光変調素子、84g・・・光変調素子、
84r・・・第2の光変調素子、85・・・色合成素子、86・・・光路調整系、
87・・・投射光学系、221・・・第1の固体光源、222・・・波長変換素子、
223・・・共振ミラー、231・・・第2の固体光源、232・・・波長変換素子、
233・・・共振ミラー、751b、751g751r・・・波長選択素子、
752b、752g、752r・・・反射ミラー(ミラー系)、
861・・・波長選択素子、862・・・反射ミラー(ミラー系)、
A1、A2・・・光路、B1・・・第1の画像、B2・・・第2の画像、
B3・・・第1の画像、B4・・・第2の画像、B5・・・第1の画像、
B6・・・第2の画像、D・・・電気信号、D・・・同期信号、
・・・画像信号、D・・・タイミング信号、D・・・第1の変調用信号、
・・・第2の変調用信号、
Db、Dr、Db、Db、Dg、Dg、Dr、Dr・・・変調用信号、
L0・・・光、L1・・・第1波長の光、L2・・・第2波長の光、
Lb・・・青色光、Lr・・・赤色光、Lb1・・・第1の青色光、
Lb2・・・第2の青色光、Lg1・・・第1の緑色光、Lg2・・・第2の緑色光、
Lr1・・・第1の赤色光、Lr2・・・第2の赤色光、P1、P2・・・画素、
S・・・被投射面、V・・・法線方向、

Claims (9)

  1. 第1波長の光と第2波長の光とが時間的に切替わり射出される光源系と、
    前記光源系から射出された前記第1波長の光および前記第2波長の光を変調する光変調素子と、
    前記光変調素子により変調された前記第1波長の光と前記第2波長の光とで光路をずらす光路調整系と、
    前記光路調整系を経た光を投射する投射光学系と、
    を備え、
    前記光路調整系は、
    前記第1波長の光を反射させるとともに前記第2波長の光を透過させる波長選択面と、
    前記波長選択面を経た前記第1波長の光と前記第2波長の光とで光路がずれて進行方向が揃うように配置されたミラー系と、
    を含んでいることを特徴とする画像表示装置。
  2. 前記投射光学系により投射された光が結像する結像面において前記第1波長の光による画素が前記第2波長の光による複数の画素をまたいで配置されるように、前記光路調整系による前記第1波長の光の光路と前記第2波長の光の光路とのずらし量が設定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. 前記ミラー系は、前記波長選択面に対して略平行に配置された反射面により構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の画像表示装置。
  4. 前記波長選択面が前記反射面と同一の光学素子に形成されていることを特徴とする請求項3に記載の画像表示装置。
  5. 前記光源系は、前記第1波長の光を射出する第1の固体光源と、前記第2波長の光を射出する第2の固体光源と、を含み、
    前記第1の固体光源および前記第2の固体光源は、点灯期間が互いにずれるように駆動されることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の画像表示装置。
  6. 前記光源系および前記光変調素子を制御する制御部を備え、
    前記制御部は、前記第1波長の光により表示すべき画像に対応する第1の変調用信号および前記第2波長の光により表示すべき画像に対応する第2の変調用信号を時間的に切替えて前記光変調素子に供給し、前記第1の固体光源を前記第1の変調用信号に同期させて点灯させるとともに前記第2の固体光源を前記第2の変調用信号に同期させて点灯させることを特徴とする請求項5に記載の画像表示装置。
  7. 前記第1の固体光源と前記第2の固体光源との少なくとも一方が発光ダイオードにより構成されていることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の画像表示装置。
  8. 前記第1の固体光源と前記第2の固体光源との少なくとも一方がレーザーダイオードにより構成されていることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の画像表示装置。
  9. 前記第1波長および第2波長よりも長波長の第3波長の光を射出する第2の光源系と、
    前記第1波長および第2波長よりも短波長の第4波長の光を射出する第3の光源系と、
    前記第2の光源系から射出された光を変調する第2の光変調素子と、
    前記第3の光源系から射出された光を変調する第3の光変調素子と、
    前記光変調素子により変調された光、前記第2の光変調素子により変調された光および前記第3の光変調素子により変調された光を合成する色合成素子と、
    を含み、
    前記波長選択面は、前記第1波長および前記第2波長の間の所定の波長よりも長波長の光と前記所定の波長よりも短波長の光との一方の光を反射させるとともに他方の光を透過させ、
    前記色合成素子から射出される光の光路について、前記第3波長の光の光路又は前記第4波長の光の光路が前記第1波長の光の光路と略一致しているとともに、該第3波長の光の光路が該第4波長の光の光路とずれており、
    前記光路調整系を経た前記第3波長の光および前記第4波長の光で光路が略一致するように、前記色合成素子から射出される前記第3波長の光と前記第4波長の光との光路のずらし量が設定されていることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の画像表示装置。
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