JP2015055819A - Scanning projection display optical system and scanning projection display device - Google Patents

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卓司 佐藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scanning projection display optical system that is a simple optical system and has high resolving power, high use efficiency of a light source and a wide color reproduction range.SOLUTION: The scanning projection display optical system includes: a light source having a white light source 1; a spatial optical modulation element 5 that receives white light, spatially and temporally modulates the incident white light on the basis of an image signal in accordance with an image to be displayed, and outputs the modulated light; a planar reflective diffraction grating 7 that allows the modulated light to exit in different directions depending on wavelengths; an illumination optical system 4 that condenses the light from the planar reflective diffraction grating 7; a slit member 9 that is disposed at a conjugate position of the illumination optical system to the planar reflective diffraction grating 7 and projects a one-dimensional image of an incident image formed by superposing light in different wavelength regions spectrally separated at different positions on the spatial optical modulation element; a scanning mirror 11 that is synchronously operated with modulation of the spatial optical modulation element 5 to scan the exiting light from the slit to form a scanned image as a two-dimensional image; and a projection optical imaging lens 12 for projecting the scanned image from the scanning element onto a projection screen.

Description

本発明は白色光源、分光素子および2次元変調素子を備えてハイパースペクトル画像を生成する走査型投影表示光学系、およびこの画像を投影する走査型投影表示装置に関する。   The present invention relates to a scanning projection display optical system that includes a white light source, a spectroscopic element, and a two-dimensional modulation element to generate a hyperspectral image, and a scanning projection display apparatus that projects this image.

ハイパースペクトル画像、すなわち多数の波長チャンネル(例えば30チャンネル以上)の画像を合成して、広い色領域での画像を表示する技術が提案されている。従来ハイパースペクトル画像を表示するための走査型投影表示光学系、走査型投影表示装置として以下のものが提案されている。特許文献1および特許文献2には、線状の白色光源あるいは2次光源を分光素子で分光して空間変調素子上に結像させて空間変調した後、分光素子を使用して当該空間変調した光を再合成してスリット状の像を作成するものが記載されている。   A technique has been proposed in which a hyperspectral image, that is, an image of a large number of wavelength channels (for example, 30 channels or more) is combined to display an image in a wide color region. Conventionally, the following have been proposed as scanning projection display optical systems and scanning projection display apparatuses for displaying hyperspectral images. In Patent Document 1 and Patent Document 2, a linear white light source or a secondary light source is spectrally dispersed with a spectroscopic element, imaged on the spatial modulation element, spatially modulated, and then spatially modulated using the spectroscopic element. There is described a technique for recombining light to create a slit-like image.

また、特許文献3には、白色光源あるいは2次光源を分光素子で分光して、さらにガルバノミラーでスキャンした光束で2次元空間変調子を照明して、2次元ハイパースペクトル像を得るものが記載されている。   Patent Document 3 describes a technique in which a white light source or a secondary light source is dispersed with a spectroscopic element, and a two-dimensional spatial modulator is illuminated with a light beam scanned with a galvanometer mirror to obtain a two-dimensional hyperspectral image. Has been.

また、非特許文献1は、米国NIST(National Institute of Standard and Technology)のものであり、分光分布が自由に制御可能な光源であるいわゆるプログラマブル光源を照明光源として順次波長を変更し、その照明光にて2次元変調素子を照明して、それを投影するものが記載されている。これは、単板式のDMDプロジェクターのカラーホイールをプログラマブル光源に置き換えたものである。   Non-Patent Document 1 is from the United States NIST (National Institute of Standards and Technology), and changes the wavelength sequentially using a so-called programmable light source, which is a light source whose spectral distribution can be freely controlled, as an illumination light source. Illuminates a two-dimensional modulation element and projects it. This replaces the color wheel of a single-plate DMD projector with a programmable light source.

特開−2011−90061号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2011-90061 特開−2011−90261号公報JP-2011-90261 A 特開−2012−123061号公報JP-2012-123061 A

SPIE Proceeding Vol.6297 629701SPIE Proceeding Vol. 6297 629701

しかし、特許文献1および特許文献2に記載のものは、分光素子を2回使用するため、効率が低下するという問題がある。また、再合成して同一位置に像を作成するために光学系が複雑で高精度での製造組み立てが必要となる。   However, those described in Patent Document 1 and Patent Document 2 have a problem in that efficiency decreases because the spectroscopic element is used twice. In addition, in order to recombine and create an image at the same position, the optical system is complicated, and high-precision manufacturing and assembly are required.

また、特許文献3に記載のものは、分光素子が1つで透過率的には有利であるが、画像全体を全波長領域でスキャンする場合は1次元のハイパースペクトル像をスキャンするのと比較して2倍以上時間がかかり、時間平均の輝度は半分以下になる。   The one described in Patent Document 3 is advantageous in terms of transmittance with a single spectroscopic element, but compared with scanning a one-dimensional hyperspectral image when scanning the entire image in the entire wavelength region. Thus, it takes more than twice as much time, and the time average brightness is less than half.

さらに、非特許文献1に記載のものは、2次元変調素子が2枚同期させる必要があり以下の問題がある。スイッチング回数はフレームレート×波長数×階調作成フレーム数なので、波長数が多いハイパースペクトルディスプレーでは、実用的な2次元変調素子は現状DMDしか使用できない。通常のDMDプロジェクターでは1原色の階調はDMD(登録商標:Digital Micromirror Device)のオン状態の時間で決まる。しかし、波長チャンネル数が1桁多いハイパースペクトルディスプレーではDMDでもスイッチ速度は足りなくなる。   Furthermore, the thing of a nonpatent literature 1 needs to synchronize two two-dimensional modulation elements, and has the following problems. Since the number of times of switching is frame rate × number of wavelengths × number of gradation generation frames, in a hyperspectral display with a large number of wavelengths, a practical two-dimensional modulation element can only use DMD at present. In a normal DMD projector, the gradation of one primary color is determined by the time during which the DMD (registered trademark: Digital Micromirror Device) is on. However, in the case of a hyperspectral display having one digit number of wavelength channels, the switch speed becomes insufficient even with DMD.

このため、非特許文献1に記載のものは、1原色につき順次光量を1/2ずつ減少させて、画像作成用のDMDと同期をしている。これにより、階調表現のためのスイッチング回数は減少する。例えば、1024階調表現するのには通常の方法では1024回スイッチングするのに対して、10回に減少する。しかし、この結果最大光量は減少する。例えば、1024階調では約1/4になる。照明用と画像作成用のDMDの同期精度もスイッチング時間に対して十分に高い必要がある。また、DMDを2回むらなく照明するためには光量が無駄になる。   For this reason, the device described in Non-Patent Document 1 is synchronized with the DMD for creating an image by sequentially reducing the light amount by 1/2 for each primary color. As a result, the number of times of switching for gradation expression is reduced. For example, in order to express 1024 gradations, the normal method switches to 1024 times, but decreases to 10 times. However, as a result, the maximum amount of light decreases. For example, it becomes about 1/4 for 1024 gradations. The synchronization accuracy of the DMD for illumination and image creation needs to be sufficiently high with respect to the switching time. In addition, the amount of light is wasted in order to illuminate the DMD twice.

スリット像を走査して2次元ハイパースペクトル像を作成するためには高速な空間変調子であるDMDを使用するのが望ましい。この素子はミラーが±10度あるいは±12度の状態をつくることでスイッチングしている。また、ミラーの回転軸は通常はDMDの水平あるいは垂直から45度ずれている。プロジェクターで使用する場合は、アジマスで45度方向、エレベーションで70度あるいは66度方向から照明光を入射させて、垂直方向に結像光学系を配置する。しかし、この方向から入射させて、DMD上にX方向あるいはY方向に分光したスペクトル像をつくるのは困難であり、結像光学系で再合成するのはさらに難しく、解像力の高い光学系は困難である。   In order to create a two-dimensional hyperspectral image by scanning the slit image, it is desirable to use a DMD that is a high-speed spatial modulator. This element is switched when the mirror creates a state of ± 10 degrees or ± 12 degrees. Further, the rotation axis of the mirror is usually deviated by 45 degrees from the horizontal or vertical of the DMD. When used in a projector, illumination light is incident from the direction of 45 degrees with azimuth and the direction of 70 degrees or 66 degrees with elevation, and the imaging optical system is arranged in the vertical direction. However, it is difficult to create a spectral image that is incident in this direction and is split in the X or Y direction on the DMD, and it is more difficult to re-synthesize with the imaging optical system, and an optical system with high resolving power is difficult. It is.

以上のように、ハイパースペクトル画像作成では各原色単色の波長半値幅が狭いので、利用できる光量は三原色カラー画像作成装置と比較すると原理的に少なくなる。実用的な大きさの像で十分な輝度の画像を得るためには、従来の方法では効率が低い。   As described above, in the creation of a hyperspectral image, the wavelength half-value width of each primary color is narrow, so that the amount of light that can be used is reduced in principle compared to a three-primary color image creation device. In order to obtain a sufficiently bright image with a practically sized image, the efficiency is low in the conventional method.

そこで、本発明は、簡単な光学系で、高解像力で光源の利用効率が高く、広い範囲の色再現域を備えた走査型投影表示光学系、および走査型投影表示装置を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a scanning projection display optical system and a scanning projection display apparatus that have a simple optical system, high resolution, high light source utilization efficiency, and a wide color reproduction range. And

前記課題を解決する請求項1に記載の発明は、白色光を射出する光源と、前記白色光が入射され、表示すべき画像を基づく画像信号に基づいて入射された前記白色光を空間的および時間的に変調した変調光を出力する空間光変調素子と、前記変調光を波長ごとに異なる方向に射出する分光素子と、前記分光素子からの光を集光する照明光学系と、前記照明光学系の前記分光素子に対する共役な位置に配置され、前記空間光変調素子の異なる位置で分光された異なる波長領域の光が重ね合わされて入射した前記画像の1次元像を出射するスリット部材と、前記空間光変調素子の変調に同期して動作し、前記スリットからの出射光を走査して、2次元像をなす走査画像を生成する走査素子と、前記走査素子からの前記走査画像を投影面に投影する投影光学素子と、を備えることを特徴とする走査型投影表示光学系である。   The invention according to claim 1, which solves the above-mentioned problem, spatially and irradiates the white light incident on the basis of an image signal based on an image signal based on an image to be displayed, and a light source that emits white light. Spatial light modulation element that outputs temporally modulated light, a spectroscopic element that emits the modulated light in different directions for each wavelength, an illumination optical system that collects light from the spectroscopic element, and the illumination optics A slit member that is arranged at a conjugate position with respect to the spectroscopic element of the system, and emits a one-dimensional image of the image that is incident by superimposing the light of different wavelength regions dispersed at different positions of the spatial light modulator; A scanning element that operates in synchronization with the modulation of the spatial light modulation element, scans the light emitted from the slit to generate a scanned image forming a two-dimensional image, and the scanned image from the scanning element is projected onto the projection surface. Project Is a scanning projection display optical system comprising: the projection optical element.

同じく請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の走査型投影表示光学系において、前記空間光変調素子は多数のマイクロミラーを備えて前記マイクロミラーの方向を変更して光変調を行う反射型素子であることを特徴とする。   Similarly, the invention according to claim 2 is the scanning projection display optical system according to claim 1, wherein the spatial light modulation element includes a plurality of micromirrors, and performs light modulation by changing the direction of the micromirrors. It is a reflective element.

同じく請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の走査型投影表示光学系において、前記走査素子は、平面反射型回折格子であり、下段に集光光学素子を備えることを特徴とする。   Similarly, the invention according to claim 3 is the scanning projection display optical system according to claim 1 or 2, wherein the scanning element is a plane reflection type diffraction grating, and a condensing optical element is provided in the lower stage. It is characterized by.

同じく請求項4に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の走査型投影表示光学系において、前記走査素子は、凹面反射型回折格子であることを特徴とする。   Similarly, the invention according to claim 4 is the scanning projection display optical system according to claim 1 or 2, wherein the scanning element is a concave reflection type diffraction grating.

同じく請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の走査型投影表示光学系と、入力された画像データに基づいて、前記空間光変調素子を駆動する変調信号および前記走査素子を駆動する走査信号を生成し、前記変調信号および前記走査信号を前記空間光変調素子および前記走査素子に前記画像データに基づいて2次元像が出力されるべく同期出力する投影制御部と、を備えることを特徴とする走査型投影表示装置である。   Similarly, the invention according to claim 5 drives the spatial light modulator based on the scanning projection display optical system according to any one of claims 1 to 4 and the input image data. A modulation signal and a scanning signal for driving the scanning element are generated, and the modulation signal and the scanning signal are synchronously output so that a two-dimensional image is output to the spatial light modulation element and the scanning element based on the image data. And a projection control unit.

本発明に係る走査型投影表示光学系、および走査型投影表示装置によれば、簡単な構造で、高解像力で光源の利用効率が高く、広い範囲の色再現域を備える。   The scanning projection display optical system and the scanning projection display apparatus according to the present invention have a simple structure, high resolution, high use efficiency of the light source, and a wide color reproduction range.

本発明の実施形態1に係る走査型投影表示光学系を示す光路図である。It is an optical path diagram which shows the scanning projection display optical system which concerns on Embodiment 1 of this invention. 同走査型投影表示装置の制御系を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control system of the scanning projection display apparatus. 本発明の実施形態2に係る走査型投影表示光学系を示す光路図である。It is an optical path diagram which shows the scanning projection display optical system which concerns on Embodiment 2 of this invention.

本発明を実施するための形態に係る走査型投影表示光学系、および走査型投影表示装置について説明する。本実施形態に係る走査型投影表示装置は、例えば30の波長領域(原色)のカラー画像を重ね合わせてハイパースペクトル投影画像を生成する。   A scanning projection display optical system and a scanning projection display apparatus according to embodiments for carrying out the present invention will be described. The scanning projection display apparatus according to the present embodiment generates a hyperspectral projection image by superimposing color images of, for example, 30 wavelength regions (primary colors).

<実施形態1>
まず、走査型投影表示光学系について説明する。本発明の実施形態1に係る走査型投影表示光学系は、光源である白色光源1と、楕円鏡2と、ライトパイプ3と、照明光学系4と、反射型の空間光変調素子5と、を備える。また、走査型投影表示光学系は、分光光学系コリメータレンズ6と、分光素子である平面反射型回折格子7と、下段に配置された集光光学素子である分光光学系結像レンズ8と、スリット部材9と、投影光学系コリメータレンズ10と、走査鏡11と、投影光学系結像レンズ12と、を備える。図1中符号13は投影面であるスクリーンを示している。
<Embodiment 1>
First, the scanning projection display optical system will be described. A scanning projection display optical system according to Embodiment 1 of the present invention includes a white light source 1, which is a light source, an elliptical mirror 2, a light pipe 3, an illumination optical system 4, a reflective spatial light modulation element 5, Is provided. The scanning projection display optical system includes a spectroscopic optical system collimator lens 6, a plane reflection type diffraction grating 7 that is a spectroscopic element, a spectroscopic optical system imaging lens 8 that is a condensing optical element arranged in the lower stage, A slit member 9, a projection optical system collimator lens 10, a scanning mirror 11, and a projection optical system imaging lens 12 are provided. Reference numeral 13 in FIG. 1 denotes a screen which is a projection plane.

白色光源1は例えばキセノンランプであり、楕円鏡2の一方の焦点に配置される。ライトパイプ3は入射端が楕円鏡2の他方の焦点に配置され、白色光源1からの光がライトパイプ3の入射端に高い効率で入射する。ライトパイプ3が適切に設計されていると、ミキシング効果で射出端では光が均一となる。ライトパイプ3の射出端と、空間光変調素子5とは、照明光学系4の共役な位置に配置される。これにより、空間光変調素子5上を均一にむらなく照明できる。照明光学系4は正のパワーをもつレンズで構成され、ライトパイプ3からの光を集光する。   The white light source 1 is a xenon lamp, for example, and is disposed at one focal point of the elliptical mirror 2. The incident end of the light pipe 3 is disposed at the other focal point of the elliptical mirror 2, and the light from the white light source 1 is incident on the incident end of the light pipe 3 with high efficiency. If the light pipe 3 is appropriately designed, the light becomes uniform at the exit end due to the mixing effect. The exit end of the light pipe 3 and the spatial light modulation element 5 are arranged at a conjugate position of the illumination optical system 4. Thereby, the spatial light modulation element 5 can be illuminated uniformly. The illumination optical system 4 is composed of a lens having a positive power, and collects light from the light pipe 3.

空間光変調素子5は、表示すべき画像を基づく画像信号に基づいて入射された前記白色光を空間的および時間的に変調した変調光を出力する。空間光変調素子5としては、DMD(登録商標:Digital Micromirror Device)を使用することができる。DMDは、多数の微小鏡面(マイクロミラー)を平面に配列し、各マイクロミラーの角度状態を独立して制御して、空間光変調を行う反射型素子である。各マイクロミラーは、傾かない状態から、±10度あるいは±12度に角度が変更できる。マイクロミラーが12度傾けられるタイプである場合に、照明光学系4を空間光変調素子5の法線から24度の方向から入射させる。これにより、オンの状態では法線方向に反射して、オフの状態では法線から48度の方向に反射する。   The spatial light modulator 5 outputs modulated light obtained by spatially and temporally modulating the incident white light based on an image signal based on an image to be displayed. As the spatial light modulator 5, DMD (registered trademark: Digital Micromirror Device) can be used. The DMD is a reflective element that performs spatial light modulation by arranging a large number of micromirror surfaces (micromirrors) on a plane and independently controlling the angle state of each micromirror. The angle of each micromirror can be changed to ± 10 degrees or ± 12 degrees from the non-tilt state. When the micromirror is tilted by 12 degrees, the illumination optical system 4 is incident from a direction of 24 degrees from the normal line of the spatial light modulator 5. Thereby, the light is reflected in the normal direction in the on state, and is reflected in the direction of 48 degrees from the normal in the off state.

空間光変調素子5は、投影する画像の1画素が例えば「8×3」を1単位とするマイクロミラーに対応する。1画素分のマイクロミラーがオン状態になる数を制御することにより表示画素の階調を制御する。空間光変調素子5には、1画素分の階調を表示するマイクロミラーの単位の必要に応じた数だけ配置される。ここで、空間光変調素子5の図1における紙面横方向に沿う位置に配列されたマイクロミラーの単位列が30の原色の1つの色に対応する。従って、紙面に垂直な方向の単位数は投影画像の横画素数に対応する。なお、縦画素数は、入力される変調データの時間変調周波数と、走査鏡11の走査周波数で定まる。   The spatial light modulator 5 corresponds to a micromirror in which one pixel of an image to be projected has, for example, “8 × 3” as one unit. The gradation of the display pixel is controlled by controlling the number of micromirrors for one pixel that are turned on. The spatial light modulator 5 is arranged in the number corresponding to the number of units of micromirrors for displaying gradation for one pixel. Here, the unit row of the micromirrors arranged at the position along the horizontal direction in FIG. 1 of the spatial light modulator 5 corresponds to one of the 30 primary colors. Therefore, the number of units in the direction perpendicular to the paper surface corresponds to the number of horizontal pixels of the projected image. The number of vertical pixels is determined by the time modulation frequency of the input modulation data and the scanning frequency of the scanning mirror 11.

分光光学系コリメータレンズ6は、空間光変調素子5から出たオンの光束を平行光束に変換して、平面反射型回折格子7に照射する。平面反射型回折格子7は、図1中紙面に垂直な方向に沿った格子が多数形成されている。このため、入射した変調光は波長に応じて図1中紙面に沿って異なる角度に射出される。平面反射型回折格子7で回折した回折光は分光光学系結像レンズ8でスリット部材9に結像する。スリット部材9は、図1中紙面に垂直なスリット溝を備え、分光光学系結像レンズ8における平面反射型回折格子7の共役位置に配置される。これにより、スリット部材9には、空間光変調素子5の異なる全ての位置からの回折光、すなわち空間光変調素子5の異なる位置から異なる波長領域(色チャンネル)の光が入射する。スリット部材9に入射する光の波長は空間光変調素子5の位置で異なる。スリット部材9の隙間幅は、平面反射型回折格子7からの可視スペクトル幅を30の波長領域に分けて出射する寸法とすることが望ましい。   The spectroscopic optical system collimator lens 6 converts the ON light beam emitted from the spatial light modulator 5 into a parallel light beam, and irradiates the plane reflection diffraction grating 7. The plane reflection type diffraction grating 7 is formed with a large number of gratings along the direction perpendicular to the paper surface in FIG. Therefore, the incident modulated light is emitted at different angles along the paper surface in FIG. 1 according to the wavelength. The diffracted light diffracted by the plane reflection diffraction grating 7 forms an image on the slit member 9 by the spectroscopic optical system imaging lens 8. The slit member 9 includes a slit groove perpendicular to the paper surface in FIG. 1 and is disposed at a conjugate position of the plane reflection type diffraction grating 7 in the spectroscopic optical system imaging lens 8. As a result, diffracted light from all different positions of the spatial light modulator 5, that is, light in different wavelength regions (color channels) from different positions of the spatial light modulator 5 enters the slit member 9. The wavelength of light incident on the slit member 9 differs depending on the position of the spatial light modulator 5. The gap width of the slit member 9 is preferably set to a size that allows the visible spectrum width from the plane reflection type diffraction grating 7 to be emitted in 30 wavelength regions.

実施形態に係る走査型投影表示光学系の各光学素子の仕様例は下記のとおりである。
白色光源1の波長領域:430〜730nm
空間光変調素子5のマイクロミラーの数:1024×768(SXGA)
平面反射型回折格子7の格子定数:300L/mm 、大きさ□50
スリット部材9の開口数、長さ:0.11mm×11mm
走査鏡11のふり角:±2度、速度 60Hz
A specification example of each optical element of the scanning projection display optical system according to the embodiment is as follows.
White light source 1 wavelength region: 430 to 730 nm
Number of micromirrors of the spatial light modulator 5: 1024 × 768 (SXGA)
Lattice constant of the plane reflection type diffraction grating 7: 300 L / mm 2, size □ 50
The numerical aperture and length of the slit member 9: 0.11 mm × 11 mm
Prediction angle of scanning mirror 11: ± 2 degrees, speed 60 Hz

このような構成により、波長領域に対応する位置の空間光変調素子5のマイクロミラー単位をオン位置にすれば、所望の波長領域についての回折光がスリット部材9に入射でき、スリット部材9上に1次元のハイパースペクトル像を作成できる。平面反射型回折格子7は、1次回折光をスリット部材9に向け射出するように格子定数が定められる。   With such a configuration, when the micromirror unit of the spatial light modulator 5 at a position corresponding to the wavelength region is turned on, diffracted light for the desired wavelength region can be incident on the slit member 9, and A one-dimensional hyperspectral image can be created. The plane reflection type diffraction grating 7 has a lattice constant determined so as to emit the first-order diffracted light toward the slit member 9.

投影光学素子である投影光学系コリメータレンズ10は、スリット部材9からの出射光を平行光に変換する正のパワーをもつレンズとして構成される。走査鏡11は、例えばガルバノミラーで構成され、空間光変調素子の変調に同期して走査動作する。これにより、1次元のハイパースペクトル像を走査して2次元像とする。投影光学系結像レンズ12はこの2次元像をスクリーン13に投影し、スクリーン13上には2次元のハイパースペクトル像が投影される。   The projection optical system collimator lens 10 which is a projection optical element is configured as a lens having a positive power for converting the light emitted from the slit member 9 into parallel light. The scanning mirror 11 is composed of, for example, a galvanometer mirror, and performs a scanning operation in synchronization with the modulation of the spatial light modulation element. As a result, the one-dimensional hyperspectral image is scanned into a two-dimensional image. The projection optical system imaging lens 12 projects this two-dimensional image onto the screen 13, and a two-dimensional hyperspectral image is projected onto the screen 13.

次に実施形態1に係る走査型投影表示装置について説明する。走査型投影表示装置は、図1に示した走査型投影表示光学系の空間光変調素子5および走査鏡11を制御系で駆動制御するものである。図2は本発明の実施形態1に係る走査型投影表示装置の制御系を示すブロック図である。   Next, the scanning projection display apparatus according to the first embodiment will be described. The scanning projection display apparatus drives and controls the spatial light modulation element 5 and the scanning mirror 11 of the scanning projection display optical system shown in FIG. 1 with a control system. FIG. 2 is a block diagram showing a control system of the scanning projection display apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.

走査型投影表示装置の制御系は、投影制御部として、画像処理部21と、同期制御部22と、変調駆動部23と、走査駆動部24とを備える。画像処理部21は、表示すべき画像の画像データに基づいて、空間光変調素子5に入力する変調信号および走査鏡11に入力する駆動信号を生成する。変調信号および走査信号は、同期制御部22で同期が取られて変調駆動部23および走査駆動部24に同期出力される。入力される画像データは、ハイパースペクトルカメラで取得した像や人工的に作成した画像である。例えば、画素数120×96である。また、投影される画像のサイズは、50mm×40mm、30原色、512階調、60FPSである   The control system of the scanning projection display apparatus includes an image processing unit 21, a synchronization control unit 22, a modulation driving unit 23, and a scanning driving unit 24 as a projection control unit. The image processing unit 21 generates a modulation signal input to the spatial light modulator 5 and a drive signal input to the scanning mirror 11 based on image data of an image to be displayed. The modulation signal and the scanning signal are synchronized by the synchronization control unit 22 and output to the modulation driving unit 23 and the scanning driving unit 24 in synchronization. The input image data is an image acquired by a hyperspectral camera or an artificially created image. For example, the number of pixels is 120 × 96. The size of the projected image is 50 mm × 40 mm, 30 primary colors, 512 gradations, 60 FPS.

制御系は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等を備えるマイクロコンピュータで構成される。マイクロコンピュータは、CPUで画像処理プログラム、制御プログラムを実行することにより、各処理部を実現する。   The control system includes a microcomputer including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like. The microcomputer implements each processing unit by executing an image processing program and a control program by the CPU.

以上のように、実施形態1に係る走査型投影表示光学系および走査型投影表示装置によれば、簡単な構成でハイパースペクトル像を投影できる。また、実施形態に係る走査型投影表示光学系、および走査型投影表示装置では、分光光学系として、1つの回折格子を備え、スリットを設けて、各波長領域の1次元像を重ね合わせているので、素子の配置ずれによる像のずれは生じない。また、空間光変調素子5として、DMDを使用しているので、共軸光学系として構成でき、設計、製造、組み立てが簡易な構造となる。これらにより、高解像な1次元像を作成できる。実施形態1に係る走査型投影表示光学系、および走査型投影表示装置は、光学変調素子を1つしか使用しないので、光の利用効率が高く、また複数の光学変調素子を使用する場合と比して同期精度を高くする必要がなく、容易に実現できる。   As described above, according to the scanning projection display optical system and the scanning projection display apparatus according to Embodiment 1, a hyperspectral image can be projected with a simple configuration. In the scanning projection display optical system and the scanning projection display apparatus according to the embodiment, the spectroscopic optical system includes one diffraction grating, a slit is provided, and a one-dimensional image in each wavelength region is overlaid. Therefore, there is no image shift due to element displacement. Further, since the DMD is used as the spatial light modulation element 5, it can be configured as a coaxial optical system and has a structure that is easy to design, manufacture, and assemble. As a result, a high-resolution one-dimensional image can be created. Since the scanning projection display optical system and the scanning projection display apparatus according to the first embodiment use only one optical modulation element, the light use efficiency is high, and compared with the case where a plurality of optical modulation elements are used. Thus, it is not necessary to increase the synchronization accuracy and can be easily realized.

<実施形態2>
次に本発明の実施形態2に係る走査型投影表示光学系、および走査型投影表示装置について説明する。図3は本発明の実施形態2に係る走査型投影表示光学系を示す光路図である。実施形態2に係る走査型投影表示光学系は、分光光学系コリメータレンズ6、平面反射型回折格子7、分光光学系結像レンズ8に替え、凹面反射型回折格子7Aを備える。他の構成は実施形態1に係る走査型投影表示光学系と同一である。実施形態2に係る走査型投影表示光学系によれば、より簡単な構成で実施形態1に係る走査型投影表示装置と同様の効果を有する。
<Embodiment 2>
Next, a scanning projection display optical system and a scanning projection display apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described. FIG. 3 is an optical path diagram showing a scanning projection display optical system according to Embodiment 2 of the present invention. The scanning projection display optical system according to the second embodiment includes a concave reflection type diffraction grating 7A in place of the spectroscopic optical system collimator lens 6, the plane reflection type diffraction grating 7, and the spectroscopic optical system imaging lens 8. Other configurations are the same as those of the scanning projection display optical system according to the first embodiment. The scanning projection display optical system according to the second embodiment has the same effects as the scanning projection display apparatus according to the first embodiment with a simpler configuration.

なお、実施形態1および実施形態2において、白色光源としては、輝度が高く分光分布がフラットな光源であれば、キセノンランプの他にメタルハライドランプを使用することができる。また、必要な波長範囲や輝度とダイナミックレンジが満たせれば白色発光ダイオード(LED)やハロゲンランプや超高圧水銀灯を使用することもできる。   In the first and second embodiments, as the white light source, a metal halide lamp can be used in addition to a xenon lamp as long as the light source has a high luminance and a flat spectral distribution. In addition, a white light emitting diode (LED), a halogen lamp, or an ultrahigh pressure mercury lamp can be used as long as the required wavelength range, luminance, and dynamic range are satisfied.

また、空間光変調素子5を均一に照明するために使用するライトパイプに替え、フライアイや、ケーラー照明などを使用できる。光量に余裕があれば拡散板を使用してもよい。さらに、空間光変調素子としては、DMDに替え、透過型液晶や反射型液晶を使用できる。さらに分光素子としては、透過型の回折格子やプリズム、回折格子とプリズムを組み合せたグリズムなどを使用できる。各実施形態に係る走査型投影表示装置では、ポリクロメータやマルチチャンネル分光器の光学系を逆に使用することができる。   Further, instead of the light pipe used to uniformly illuminate the spatial light modulation element 5, fly eye, Koehler illumination, or the like can be used. A diffuser plate may be used if there is a margin in the amount of light. Further, as the spatial light modulator, transmissive liquid crystal or reflective liquid crystal can be used instead of DMD. Further, as the spectroscopic element, a transmission type diffraction grating or prism, a grism combining a diffraction grating and a prism, or the like can be used. In the scanning projection display apparatus according to each embodiment, the optical system of a polychromator or a multichannel spectrometer can be used in reverse.

さらに、スクリーン13に替え、スクリーン13の位置を焦点とする接眼レンズを配置すれば、肉眼でハイパースペクトル画像を観察できる。この場合、白色光源の輝度が低くても観察が可能となる。   Furthermore, by replacing the screen 13 with an eyepiece that focuses on the position of the screen 13, a hyperspectral image can be observed with the naked eye. In this case, observation is possible even when the luminance of the white light source is low.

1:白色光源(光源)
2:楕円鏡
3:ライトパイプ
4:照明光学系
5:空間光変調素子
6:分光光学系コリメータレンズ
7:回折格子(分光素子)
7A:凹面反射型回折格子
8:分光光学系結像レンズ
9:スリット部材
10:投影光学系コリメータレンズ
11:走査鏡(走査素子)
12:投影光学系結像レンズ(投影光学素子)
13:スクリーン(投影面)
21:画像処理部
22:同期制御部
23:変調駆動部
24:走査駆動部
1: White light source (light source)
2: Elliptical mirror 3: Light pipe 4: Illumination optical system 5: Spatial light modulation element 6: Spectral optical system collimator lens 7: Diffraction grating (spectral element)
7A: Concave reflection type diffraction grating 8: Spectroscopic optical system imaging lens 9: Slit member 10: Projection optical system collimator lens 11: Scanning mirror (scanning element)
12: Projection optical system imaging lens (projection optical element)
13: Screen (projection surface)
21: Image processing unit 22: Synchronization control unit 23: Modulation drive unit 24: Scanning drive unit

Claims (5)

白色光を射出する光源と、
前記白色光が入射され、表示すべき画像を基づく画像信号に基づいて入射された前記白色光を空間的および時間的に変調した変調光を出力する空間光変調素子と、
前記変調光を波長ごとに異なる方向に射出する分光素子と、
前記分光素子からの光を集光する照明光学系と、
前記照明光学系の前記分光素子に対する共役な位置に配置され、前記空間光変調素子の異なる位置で分光された異なる波長領域の光が重ね合わされて入射した前記画像の1次元像を出射するスリット部材と、
前記空間光変調素子の変調に同期して動作し、前記スリットからの出射光を走査して、2次元像をなす走査画像を生成する走査素子と、
前記走査素子からの前記走査画像を投影面に投影する投影光学素子と、
を備えることを特徴とする走査型投影表示光学系。
A light source that emits white light;
A spatial light modulation element that outputs the modulated light obtained by spatially and temporally modulating the white light incident on the basis of an image signal based on an image signal based on the image to be displayed;
A spectroscopic element that emits the modulated light in different directions for each wavelength;
An illumination optical system for condensing light from the spectroscopic element;
A slit member that is arranged at a conjugate position with respect to the spectroscopic element of the illumination optical system, and emits a one-dimensional image of the image that is incident upon superimposing light of different wavelength regions that are spectrally separated at different positions of the spatial light modulator When,
A scanning element that operates in synchronization with the modulation of the spatial light modulator, scans the light emitted from the slit, and generates a scanned image forming a two-dimensional image;
A projection optical element that projects the scanned image from the scanning element onto a projection plane;
A scanning projection display optical system comprising:
前記空間光変調素子は多数のマイクロミラーを備えて前記マイクロミラーの方向を変更して光変調を行う反射型素子であることを特徴とする請求項1に記載の走査型投影表示光学系。   The scanning projection display optical system according to claim 1, wherein the spatial light modulation element is a reflective element that includes a plurality of micromirrors and performs light modulation by changing the direction of the micromirrors. 前記走査素子は、平面反射型回折格子であり、下段に集光光学素子を備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の走査型投影表示光学系。   The scanning projection display optical system according to claim 1, wherein the scanning element is a plane reflection type diffraction grating, and includes a condensing optical element in a lower stage. 前記走査素子は、凹面反射型回折格子であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の走査型投影表示光学系。   The scanning projection display optical system according to claim 1, wherein the scanning element is a concave reflection type diffraction grating. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の走査型投影表示光学系と、
入力された画像データに基づいて、前記空間光変調素子を駆動する変調信号および前記走査素子を駆動する走査信号を生成し、前記変調信号および前記走査信号を前記空間光変調素子および前記走査素子に前記画像データに基づいて2次元像が出力されるべく同期出力する投影制御部と、
を備えることを特徴とする走査型投影表示装置。
A scanning projection display optical system according to any one of claims 1 to 4,
Based on the input image data, a modulation signal for driving the spatial light modulation element and a scanning signal for driving the scanning element are generated, and the modulation signal and the scanning signal are transmitted to the spatial light modulation element and the scanning element. A projection control unit that outputs a two-dimensional image synchronously based on the image data;
A scanning projection display apparatus comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10908021B2 (en) 2016-10-12 2021-02-02 Nec Corporation Spectroscopic device and imaging device

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