JP4050126B2

JP4050126B2 - Image projection display device

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Publication number: JP4050126B2
Application number: JP2002304336A
Authority: JP
Inventors: 健南條; 静一加藤; 剛一大高
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: JP2004138881A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、入射光に対する出射光の方向を変えることのできる光偏向素子を、１次元または２次元にアレー状に並べた光偏向アレーを用いた画像投影表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
入射光を複数の所定の方向へ偏向する光偏向素子、および、複数の光偏向素子を１次元または２次元にアレー状に並べる光偏向アレーが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、そのような光偏向アレーを用いた画像表示装置も特願２００１−３４９４１５、特願２００２−９５９７３、特願２００２−１７８２１６等に記載されている。
【０００３】
上記文献等に示される光偏向素子には、１つの軸を中心に２方向に光偏向可能な素子、２軸或いはそれ以上の多軸を中心に、より多くの方向に偏向可能な素子等がある。画像表示装置として用いられる光偏向アレーは、単色表示であれば１軸の光偏向素子を用いたアレーで十分であるが、カラー画像を表示するためには、３原色の合成が必要なので、一工夫しなければならない。上記文献等には、白色光源の直前に置いたカラーフィルタを、回転等によって高速に切り換える装置が記載されている。
【０００４】
図９はカラー画像表示装置の従来例を示す概略構成図である。
図において符号Ｗは白色光源、Ｆは回転円板状のカラーフィルタ群、ＡＲは１軸２方向偏向の光偏向アレー、Ｍはマイクロレンズアレー、Ｌ１、Ｌ２は投影レンズ群、ＡＰはアパーチャ、Ｓはスクリーンをそれぞれ示す。
【０００５】
白色光源から出た光束は、時間順次で切り替わるフィルタ群Ｆの内のどれかのフィルタ、たとえば赤フィルタＦＲを通ったとする。光束は赤色光ＲとなってマイクロレンズアレーＭと光偏向アレーＡＲの組合せに入射する。光束は個々のマイクロレンズでほぼ平行光にされ光偏向アレーの個々の光偏向素子に入射する。このとき、光偏向アレーには赤画像に対応する色情報を入力して、個々の光偏向素子を色情報有りに対して２方向の内の一方の偏向方向を割り当て、色情報なしに対して他方の偏向方向を割り当てるようにして、互いに異なる偏向方向に偏向させる。上記色情報有りのことを単に色情報と呼び、色情報無しを、便宜上オフ情報と呼ぶことにする。
【０００６】
色情報の信号で偏向された方向に反射された光は、再度マイクロレンズアレーＭを経由後、投影レンズＬ１の方向に出射し、光偏向アレーＡＲ上に示された画像が、投影レンズＬ１、Ｌ２によってスクリーンＳ上に結像する。オフ情報の信号で偏向された方向に反射された光は、再度マイクロレンズを経由後、図示してないが投影レンズには入らない方向に出射し、吸収遮蔽板によってスクリーンＳには到達しないように構成される。
３色が時間順次にスクリーン上に高速で投影されると、人間の目で見たとき、残像により色分解された画像が個別には見えず、カラー画像として合成された像が見える。
【０００７】
この構成では、カラー画像の形成は可能であるが、フィルタの色の切換中は混色が起こるので画像表示ができない。したがって、フィルタの境界部分が光束断面を通過する時間をできるだけ短くし、フィルタの実部分が光束断面を通過する時間をできるだけ長くしなければならない。そのためには光束断面を、フィルタの円周長さに比べて十分小さくしなければならない。光束断面を小さくすると光量が小さくなるので好ましくない。光束断面が大きければ、その分、フィルタの円板形状を大きくしなければならず、装置の大型化につながる。
【０００８】
回転フィルタを使わずにカラー画像を表示するために、複数の光偏向素子を用いた画像表示装置の実用化が始まっている（例えば、非特許文献１参照。）。これらは高精細な画像表示ができる点で優れているが、高価な光偏向素子を複数使うのはコスト高になるので好ましくない。
回転フィルタを使わずに、１個の光偏向素子だけでカラー画像を表示するためには、３原色用の偏向方向と、オフ（黒）情報のための１方向の、すくなくとも４方向の偏向方向を有する光偏向素子を用いたアレーが必要である。
以下に光偏向素子と光偏向アレーの概要を説明する。
【０００９】
図１０は２軸４方向の偏向方向を有する光偏向素子の例を示す平面図である。
図１１は図１０に示す光偏向素子のＡ−Ａ’断面図である。
図１２は４軸８方向の偏向方向を有する光偏向素子の例を示す平面図である。
図において符号１は光反射面、２は板状部材、３は基板、４は支点部材、５は規制部材をそれぞれ示す。
以下説明の簡略化のため２軸偏向の素子を例にとって説明する。
【００１０】
板状部材２はそれ自身絶縁性部材で形成されるが、光反射面１が導電性を有する。支点部材４は正方形の基板３の上面にあり、該上面よりやや小さい底面を持つ四角錐の形状をしている。四角錐の頂点付近は導電性に形成されており、板状部材２上の導電性部分と導通するよう構成されている。四角錐の４つの斜面にはそれぞれ互いに絶縁され、上記頂点付近の導電性部分とも独立した電極６ａ１〜６ａ４が形成されている。板状部材２は支点部材４の頂点と４個の規制部材５によって形成される空間内で任意の方向に動き得る。
【００１１】
四角錐の斜面にあるいずれか１つの電極６と板状部材２との間に所定レベルの電位差を与えると、板状部材２は当該斜面に吸引されてその斜面方向に傾く。電位差を与える電極を変えてやれば、板状部材２の傾く方向もそれに応じて変わる。したがって、任意の方向から光反射面１に光を当てておくと、板状部材２の傾き方向に応じて光の反射方向が４方向に偏向される。四角錐の対称軸方向から光を入射させれば、反射光は入射光を中心とした対称な４方向に出射し得る。
【００１２】
光偏向アレーは、上記のような光偏向素子を縦横に密接して並べたものであり、縦横に並べるそれぞれの数は、画像表示に必要な縦横の画素数に応じて決める。光偏向アレー全体に平行光を与えた場合、すべての光偏向素子が同一方向に偏向された場合、反射光束は、断面が光偏向アレーとほぼ同型の平行光となって、所定の方向へ進む。ただし、光反射面１には隣接素子との間に反射に関して面積的な無効部分があるため、光束は素子ごとの反射光の集合体となっている。仮に、光偏向アレーからある程度離れた位置に、光偏向アレーの面と平行なスクリーンを置いたと考え、光偏向素子の偏向方向を一斉に任意の偏向方向に揃えて順次切り換えたとすると、スクリーン上には、光偏向アレーとほぼ同型の互いに分離した４個の光束断面が順次観測されることになる。
【００１３】
分離された４個の光束の内の３個に３原色用のカラーフィルタをそれぞれかけて、残りの１個は遮光するようにする。光偏向アレーの偏向を全体一括ではなく、画像の３原色分解データの有無により光偏向素子を個別に偏向させることにより、分離された光束はそれぞれの色情報を担った単色画像になる。したがって、これらの単色画像をうまく１つの画像に合成することができれば、カラー画像として表示できることになる。
４軸８方向偏向の素子を用いても、その中の４方向偏向を利用すれば上記とほぼ同様の画像表示装置が得られる。
【００１４】
【特許文献１】
特開平６−１３８４０３（段落００１０、図１、図３）
【非特許文献１】
ＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ３９巻７号２０００年７月ｐ．１８０２−１８０７
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
前記文献に示された画像表示装置は、高精細な画像表示ができるものの、コスト高が避けられない。
本発明は、あまりコスト高にならずに、高精細な画像表示装置として使用し得る具体的な光学系の構成を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、４方向以上の偏向方向を有する光偏向素子を複数個１次元または２次元アレー状に並べた１個の光偏向アレーと、照明用の１個の白色光源と、画像情報の三原色に対応し、それぞれの光軸が前記光偏向アレーの面に対する法線に平行な３個の投影レンズが含まれる投影光学系と、画像表示部とからなる画像表示装置であって、前記光偏向アレーと前記画像表示部とが前記投影光学系に関し光学的に互いに共役になるよう配置され、前記４方向以上の偏向方向のうち４方向の偏向方向にはそれぞれ前記三原色の色情報およびオフ情報を割り当て、前記照明用光源からの光束を、前記三原色の色情報の各々に対応させた偏向方向に、人間の目の残像現象によりフルカラーとして観察される切り替え周期によって時間順次で偏向させた後、前記白色光を前記三原色の色情報の各々に対応させた色のフィルタを経由させて、前記投影光学系の作用により前記画像表示部の面上に中心を合わせて重ね合わせることを特徴とする。
【００１８】
請求項２の発明では、請求項１に記載の画像投影表示装置において、前記投影光学系はさらに、前記光偏向アレーの偏向による前記色情報を含むすべての光束を透過する第１のフィールドレンズと、該第１のフィールドレンズとほぼ同じ大きさの第２のフィールドレンズからなり、前記第１のフィールドレンズと前記第２のフィールドレンズによる光学系は、両レンズの中間では各色別の画像の中央の光線が互いに平行となり、前記光偏向アレーと前記画像表示部とが光学的に互いに共役になるよう配置され、前記３個の投影レンズの各々は、前記２個のフィールドレンズと組合せで前記光偏向アレーと前記画像表示部とが、光学的に互いに共役になるよう配置されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項３の発明では、請求項１に記載の画像投影表示装置において、前記投影光学系は前記３個の投影レンズのそれぞれ前方に第１のプリズム、および、後方に第２のプリズムを有し、前記光偏向アレーの偏向により互いに離れる方向に進行する前記色情報を含む光束の中心を通る光線を、前記第１のプリズムにより前記光偏向アレーの面の法線に平行となし、前記投影レンズを通った後の光束の中心を通る光線を前記第２のプリズムにより、前記画像表示部の表示中心へ向かうように作用方向を設定されており、前記投影レンズの各々は、前記２個のプリズムと組合せで、前記光偏向アレーと前記画像表示部とが光学的に互いに共役となるよう構成されていることを特徴とする。
請求項４の発明では、請求項３に記載の画像投影表示装置において、前記第１、および第２のプリズムは、所望の偏角が最大偏角となるようなプリズムを用い、光束の中心を通る光線が各プリズムの面に対する入射角と、そのプリズムの反対の面から出射する出射角がほぼ等しくなる向きに設置されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項５の発明では、請求項１に記載の画像投影表示装置において、前記投影光学系は、前記光偏向アレーの偏向による前記色情報を含む光束を前記色情報に対応した３個の投影レンズにぞれぞれ透過させた後、前記光偏向アレーの面に対してほぼ４５度になるよう半透鏡を設置し、該半透鏡透過後の光束を個別に反射する再帰性光反射部材を光束毎に設け、前記投影レンズは、前記光偏向アレーと、前記画像表示部とが光学的に互いに共役になるよう設定されていることを特徴とする。
請求項６の発明では、請求項５に記載の画像投影表示装置において、前記再帰性光反射部材は、前記投影レンズを透過する光束全体を受け入れる開口を有する１個のコーナーキューブ反射体であることを特徴とする。
【００２１】
請求項７の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記光源から出た白色光は、断面が前記光偏向アレーの面形状より大きい平行光束に整形されることを特徴とする。
請求項８の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記光偏向アレーにより色情報を担って偏向された光束は、前記投影レンズのいずれか１つを通り、前記画像表示部に至り、その光路中、他の色情報を担った光束と重複部分を有しない範囲のいずれかにおいて、当該色情報に対応するカラーフィルターを経由することを特徴とする。
【００２２】
請求項９の発明では、請求項８に記載の画像投影表示装置において、前記カラーフィルタは前記投影レンズ内部または該投影レンズの前面または後面に設けられていることを特徴とする。
請求項１０の発明では、請求項８に記載の画像投影表示装置において、前記カラーフィルタは前記投影レンズ以外の光学素子に設けられていることを特徴とする。
請求項１１の発明では、請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記光源による照明光束は、前記光偏向アレーの面の法線から外れた方向から反射鏡を介して該光偏向アレーの面に垂直に投光されることを特徴とする。
【００２５】
請求項１２の発明では、請求項１ないし１６のいずれか１つに記載の画像投影表示装置において、前記光偏向アレーに含まれる各光偏向素子の各色情報に対応する反射方向に停止する時間を変えることにより、投影される画像情報を階調性を有して表示させることを特徴とする。
請求項１３の発明では、請求項１２に記載の画像投影表示装置において、前記各光偏向素子の３原色に対応する各反射方向に保持される時間の最大時間は、画像を表示する１フレームの表示時間のそれぞれ約３分の１であることを特徴とする。
【００２６】
請求項１４の発明では、請求項１２に記載の画像投影表示装置において、前記各光偏向素子の３原色に対応する各反射方向に保持される時間の最大時間は、画像を表示する１フレームの表示時間とほぼ等しく、３色分の時間を加算した時間は１フレームの表示時間以下とすることを特徴とする。
請求項１５の発明では、請求項１４に記載の画像投影表示装置において、前記３色分の時間を加算した時間が１フレームの表示時間を超えるときは、３色の階調性の比率を変えずに、３色分の時間の和が１フレームの表示時間にほぼ等しくなるよう自動調整することを特徴とする。
【００２７】
【実施例】
以下に実施例に従って本発明を説明する。
図１は本発明の実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
図２は光源からの光束の様子を示す部分斜視図である。
両図において符号１０は光偏向アレー、１１は第１のフィールドレンズ、１２は投影レンズ、１３は第２のフィールドレンズ、１４は画像表示部、１５は光源、１６は光束整形レンズ、１７は平面反射鏡、Ｌは光束、Ｏは光学系全体の光軸をそれぞれ示す。また、Ｒ、Ｇ、Ｂ、ｏｆｆは他の符号に添えて三原色赤、緑、青の色情報、およびオフ情報に関与する部材ないし部分であることを示す。
なお、図１では図の錯綜を避けるため、光偏向アレーに平行光束を入射させる光源系が省略されている。また、図２では第１フィールドレンズの面１１ａまでの光束が示され、透過後の光束が省略されている。
【００２８】
入射光束は、図２に示す光源１５から、通常コンデンサレンズと呼ばれる光束整形レンズ１６により平行光束Ｌとなって、平面反射鏡１７により向きを変えられて、光偏向アレーの面に垂直に設定された光軸Ｏに沿って入射するよう構成されている。光束Ｌの断面が光偏向アレーの有効部分の形状とほぼ同じでやや大きめになるよう、遮光マスク１６ａで光束の形状も整えられる。光源１５は例えば、キセノンランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプなどの白色光源とする。
ただし、光源からの入射光束を、光偏向アレー１０の面に垂直に入射させることは必須要件ではない。垂直入射のときは、すべての偏向方向において偏向角が等しくなるため、光学系の設計がしやすいからであって、必要に応じて垂直入射以外も採用可能である。
【００２９】
光偏向アレー１０に入射した光束Ｌは、色別の画像情報、すなわち色情報に応じて偏向され、例えば所定時間のあいだ、反射光は光束ＬＲとなる。光束ＬＲは第１のフィールドレンズ１１の面１１ａに入射すると、その中心光が光軸Ｏに平行になるような屈折を受け出射される。さらに光束ＬＲは、第１のフィールドレンズ１１に近接して置かれ、その光軸が光偏向アレー１０の面に対する法線に平行な投影レンズ１２Ｒを透過して結像作用を受け、第１のフィールドレンズ１１とほぼ同じ大きさの第２のフィールドレンズ１３に入射する。第２のフィールドレンズによって、光束ＬＲはその中心光が画像表示部１４の表示中心１４ａに向うように屈折される。
【００３０】
なお、図の光束を示す線は、いずれも光線追跡による光線を表したものではなく、単に光束の限界を示したものである。光偏向アレーから投影レンズに至る光束は平行光束であるが、投影レンズを出た光束は、光偏向アレーの反射点に対応する画像表示部上の共役位置に向かってそれぞれ進むため、光線単独で見れば上記光束の限界内であらゆる角度の光線があり得る。
【００３１】
投影レンズ１２Ｒの結像作用は、前後にあるフィールドレンズとの総合作用として、光偏向アレー１０が画像表示部１４に丁度結像するように設定されている。すなわち、投影レンズ１２Ｒは、上記２個のフィールドレンズ１１、１３と組合せで光偏向アレー１０と画像表示部１４とが、光学的に互いに共役になるよう配置されていることになる。
【００３２】
光束ＬＲが色情報を担っているとしても、白色光源から出た光をそのまま使う限り、カラー画像にはならない。本実施形態では第１フィールドレンズから第２フィールドレンズに至る光学系に含まれる光学素子のいずれかに白色光を３原色のカラー単色光に変えるカラーフィルタＦを設置する。カラーフィルタＦの設置位置としては投影レンズの内部に設けるのが一番小さくて済むが、互換性の問題を考慮するなら、投影レンズの前面もしくは後面のいずれかに設置するのがよい。ただし、本光学系のように投影レンズ入射前後の光束があまり大きく広がっていない場合は例えば第１もしくは第２フィールドレンズに密着させてカラーフィルタＦを設けても、フィルタサイズが特に大きくなると言う心配はない。図１ではカラーフィルタＦＲを第１フィールドレンズの入射面１１ａに設置した例を示している。カラーフィルタＦをこれらの光学素子に近接させて設けるのは取付が容易になるからであって、設置位置としては、光束が他の色情報を担った光束と重複部分を有しない位置であればどこでも採用し得る。
【００３３】
次の所定の時間のあいだ、光偏向アレーは次の色情報により偏向されて例えば光束ＬＧとなる。光束ＬＧはその中心光が、図１では光軸Ｏに一致しているように見えるが、図２の斜視図から分かるように平面図的には前記ＬＲと同じように光軸Ｏから離れている。したがって、以後の光束ＬＧが光学系から受ける作用も側面図と平面図の違い以外は光束ＬＲと全く同様である。よって、光束ＬＧは画像表示部の表示中心１４ａに光束の中心が合わせられて結像表示される。さらに、次の所定の時間は光束ＬＢが生成され、上記と同様画像表示部の表示中心１４ａに光束中心が一致して重ね合わされる。
すなわち、第１および第２のフィールドレンズを１つの光学系としてみれば、光偏向アレー１０と画像表示部１４を互いに光学的共役の位置となすように働いている。
【００３４】
以上の説明では、光束ＬＲ、ＬＧ、ＬＢが色情報を担った光束であることのみを示したが、色情報はここでは色が有り、無しの２値情報として入力される。したがって、上記光束には、色が有りのときの偏向方向によって得られた光線のみが含まれている。色が無しの情報、すなわちオフ情報のときは、光偏向素子の偏向方向は図２の光束Ｌｏｆｆの方向とする。しかも、オフ情報の偏向方向は３原色とも共通とする。光束Ｌｏｆｆは、画像表示にとっては不要な光束であるから、他の有効な光束に影響を与えない位置、例えば第１フィールドレンズ１１の入射面１１ａの面上において、図示しない遮光部材によって遮光される。
【００３５】
ところで、画像表示部に画像蓄積作用が無い限り、光束ＬＧによる画像が表示されたときは、光束ＬＲによる画像は消えている。同様に、光束ＬＢによる画像が表示されたときは、光束ＬＧによる画像は既に消えている。すなわち、３色の画像が時間順次に表示されるだけなので、どの瞬間をとってもフルカラーの画像は存在しない。しかし、このような画像も、切換周期が十分短ければ人間の目で見る限り、残像現象によりフルカラーとして観察される。これは、３原色に塗り分けた色ごまを回転させたとき、回転が速ければ個別の色を感じずに、こま全体が灰色に見えるのとほぼ同じ現象である。
【００３６】
図３は本発明の他の実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。同図において符号２１は第１プリズム、２３は第２プリズムをそれぞれ示す。図１、２と同じ符号は同じ機能を有する部分を示す。
本実施形態は、基本的には前述の実施形態に非常に似ているので、光束ＬＲのみについて説明する。
【００３７】
光束ＬＲは第１のプリズム２１Ｒに入射しプリズム固有の偏角作用を受け、光束の中心の光線が光軸Ｏに平行になる。光束ＬＲは投影レンズ１２Ｒの結像作用を受けて出射後第２のプリズム２３Ｒに入射する。ここで光束の中心を通る光線は画像表示部１４の表示中心１４ａへ向けて屈折される。光偏向アレー１０に表示された画像は、投影レンズ１２Ｒの結像作用により、画像表示部１４に結像する。
【００３８】
プリズムは一方向のみ屈折作用を有する光学素子である。その方向を便宜上作用方向と呼ぶ。プリズムは頂角が同じであっても、入射する光線の入射角が異なると、出射角との角度差、すなわち偏角が微妙に異なる。入射面と出射面のそれぞれの法線に対する光線の角度、すなわち入射角と出射角が等しいとき偏角は最大となる。そして、このときが、プリズムの設置誤差による偏角への影響が最も少ない。したがって、所望の偏角が最大偏角となるような頂角を有するプリズムを用いるのが最も良い。所望の偏角とは、両プリズムの間の光束中心光線が光軸Ｏと平行であるから、図３において、第１のプリズムで言えば、光偏向アレーによる反射光束が光軸Ｏとなす角度αであり、第２のプリズムで言えば、プリズム透過後、表示中心１４ａに至る光束中心の光線が光軸Ｏとなす角度βである。
【００３９】
図４は本発明のさらに他の実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
同図において符号１８は半透鏡、１９は再帰性光反射部材としてのコーナーキューブ反射体をそれぞれ示す。
再帰性光反射部材は、一般に、入射した光線が何らかの反射作用を受けた後入射光線と平行な方向に出射する性質を有する部材を言う。ガラスビーズタイプとコーナーキューブタイプが知られている。
【００４０】
ガラスビーズタイプは、入射する平行光束がガラスビーズの入射面でレンズ作用を受け、ちょうど反対面に集光するように屈折率が選ばれている。反対面には全反射性が付与されており、光束は上下左右が入れ替わるだけで、ほとんど同じ光路を逆行するようにたどり、同じ入射面が出射面となり、ほぼ元の平行光束となって同じ光路を逆行する。
【００４１】
コーナーキューブタイプは、立方体の１つの頂点を含む３面を三角錐状に切り取った形をしており、３面の内側が反射鏡になっている。三角錐の底面の側から光線を入射させると、光線は、入射した位置と角度によって、鏡面に１回ないし３回あたることによって３次元的に反射され、一般に入射点とは異なる出射点から入射光線と平行になって出て行く。したがってこの底面側から平行光束を入射させれば、出射光も平行光束となって元来た方向へ出て行く。
【００４２】
光偏向アレー１０により偏向された光束ＬＲは直接投影レンズ１２Ｒに入射する。投影レンズ１２Ｒによって結像作用を受けた光束ＬＲは半透鏡１８に至り、光量の２分の１は反射して損失となり、残りの２分の１が透過する。透過光はコーナーキューブ反射体１９Ｒに入射すると、光束中の各光線はそれぞれの入射した角度に平行に反射される。前述のように、投影レンズを通った後の光線は、入射点と異なる出射点から出て行き、光束の限界内であらゆる角度があり得るため、コーナーキューブ反射体１９Ｒを出射後の光束の限界は、入射前の光束の限界よりも拡がる。コーナーキューブ反射体は３次元構造になっているが、図では単純な直角断面で表してある。
【００４３】
コーナーキューブ反射体を出射後の光束は、再び半透鏡１８に至り、ここでさらに光量の２分の１が透過して損失となり、残りの２分の１が反射され画像表示部１４の面に結像する。このとき、光束の中心を通る光線は必然的に画像表示部の表示中心１４ａに至る。表示中心１４ａは半透鏡１８に関して光偏向アレーの中心と鏡像の関係になる。
このように、本実施形態の場合、光偏向アレー１０によって反射された光束の４分の１だけが結像に寄与する。
他の色情報を担った光束ＬＧ、ＬＢについても全く同様にして画像表示部１４の面上に中心を合わせて重ね合わされる。
【００４４】
図５は本発明のさらに他の実施形態を説明するための光源系の一部の斜視図である。
図６は図５に示す実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
両図において、符号ｒ、ｇ、ｂは先のＲ、Ｇ、Ｂと同様、符号に添えて３色に個別に関連するものであることを示す。
本実施形態では３原色の色別に対応して３個の独立した光源を用いる。図５は煩雑さを避けるため、３個の光源の内１個のみを示してある。
【００４５】
図２における光束ＬＧが第１フィールドレンズ１１ａに入射する位置とほぼ同じ位置に図６では集光レンズ１６Ｇを置いて、光源１５Ｇは、発散光束が集光レンズ１６Ｇによって上記光束ＬＧを逆行させる形で照明光束ＬＧ’を形成するよう配置する。
照明光束ＬＧ’は３原色の緑の単色光である。光源自体が緑色を発色してもよいし、白色光源に緑色のカラーフィルタをかけてもよい。カラーフィルタの位置は光源直前でも集光レンズの前後でもよい。他の単色光との重複部分がない位置であれば、カラーフィルタはどこに置いても構わない。
【００４６】
このように構成すると、光偏向アレーの各素子が図２において光束ＬＧを形成する方向に偏向したのと同じ方向に図５において偏向した場合、照明光束ＬＧ’は光偏向アレー１０の面に垂直な方向に、図５の光束Ｌ’として偏向される。図６の側面図では照明光束ＬＧ’と光束Ｌ’とが重なるため、光源１５Ｇは省略してあるが、光源１５Ｒ、照明光束ＬＲ’と光束Ｌ’が同様の関係にある。
光束Ｌ’は投影レンズ１２の開口１２ａに入射し、その出射光は、光束の中心を通る光線が画像表示部１４の表示中心１４ａに一致するように、画像表示部１４の面上に結像して、光偏向アレー１０に示された緑の色情報を有する画像が表示される。
【００４７】
同様に、３原色の他の単色、すなわち、赤、青に関しても全く同様な構成にすると、それぞれの単色の照明光束ＬＲ’、ＬＢ’は、光偏向アレー１０によって対応する色情報を担った光束がいずれも光束Ｌ’に一致する。したがって、画像表示部１４には誤差の心配が全くなく、３色の画像が一致して重ね合わせられる。
【００４８】
光偏向アレー１０の偏向方向がすべて赤の色情報対応の方向に向いていたとすると、照明光束ＬＲ’は光束Ｌ’の方向に偏向されるが、照明光束ＬＧ’、ＬＢ’はそれぞれ全く別の方向に偏向される。照明光束ＬＧ’について説明する。
光偏向素子の偏向面は平面鏡である。各素子の平面鏡はその法線Ｎの方向が入射光束と出射光束のなす内角を２等分する方向に向いており、平面鏡は光線を法線に関して対称な方向に反射する。したがって、上記条件のときは、照明光束ＬＧ’は図５のＬＧ’ｒで示したように、後述の法線Ｎｒに関し対称な反射光束となる。
【００４９】
図５では、作図の角度関係で光束ＬＧ’ｒは光束Ｌ’と見かけ上重なっているが両者は光偏向アレー１０からの出射方向が異なっている。
光偏向アレーは光偏向素子の集合体であるから、個別の法線は表示しきれないので、代表的に光偏向アレーの中心に１本だけＮｒを示す。以下も同様である。
【００５０】
光偏向アレー１０の偏向方向がすべて青の色情報対応の方向に向いていたとすると、上記と同様な理由で、照明光束ＬＧ’は図５のＬＧ’ｂで示したように、法線Ｎｂに関し対称な反射光束となる。これらの、画像表示にとって無効な光束は投影レンズに入射することがなく、いわゆる迷光となるので、必要に応じて吸収あるいは遮断するよう工夫すればよい。
【００５１】
各色情報を表示する際、オフ情報が入った光偏向素子は、図２において光束Ｌｏｆｆを形成したときと同じ方向に偏向面を傾ける。このとき、光偏向素子の平面鏡の法線はＮｏｆｆの方向に向いているので、照明光束ＬＧ’はその光偏向素子によって、光束ＬＧ’ｏｆｆとなり、投影レンズには入らないため、この光偏向素子に対応する画素は黒表示となる。
【００５２】
以上、照明光束ＬＧ’について説明したが、他の照明光束についても、図６のＬＲ’ｂ以外は図示しないが事情は全く同じである。なお、図５にも示したように、ＬＧ’ｂとＬＲ’ｏｆｆは実質同じ光束位置に重なる。
よって、各単色光源は、互いに他の色に干渉しないので、他の色情報が表示されるときでも、照明し続けることができる。
【００５３】
図７は各光偏向素子の光反射面の反射方向を色順次に切り替える実施例を示すタイムチャートである。
図において符号ｔは時間を表し、ｔ_R、ｔ_G、ｔ_Bは３色それぞれに割り当てられる保持時間を示す。
光偏向素子は光の反射方向を切り換える機能を有するが、反射光の強度を変調することはできない。カラー画像を表示するためには中間調の表示が不可欠である。そこで、反射光を時間制御により、時間積分のエネルギー量の変化で中間調を表すＰＷＭと呼ばれる方法が行われる（例えば、Proceedinng of the IEEE、８６巻８号 1998年8月 p1700）。
【００５４】
本実施例は、上記したような各種の画像投影表示装置に、上記ＰＷＭ技術を応用したもので、画像を毎秒６０フレームの早さで切り替えるものとし、すべての光偏向素子が個別に制御できるものとする。画像の１フレームの表示時間はおよそ１６．６７ミリ秒となる。３色に割り当てる表示時間を、最大で１フレームの表示時間の約３分の１の５ミリ秒とし、１フレームごとに約１．６７ミリ秒のリセット時間を設ける。ただし、リセット時間は省略して各色にその時間を割り振ることもできる。
【００５５】
１色当たりに表現すべき階調数を、例えば４階調、あるいは８階調といったように定め、その階調数に合わせて上記５ミリ秒を時間分割できるようにし、画素の階調情報に合わせて、それぞれの光偏向素子を所定の偏向方向に保持する時間を異ならせる。光偏向素子の偏向のときの切換時間にもよるが、最大２５６階調ぐらいまでは表示可能である。
例えば、画素Ａ１に対応する光偏向素子においては、３色とも最大表示時間の約２分の１を各色表示の偏向方向に保持しており、それ以外の時間はオフ情報の方向に保持している。したがってこのとき、この画素は観察者にとって中間レベルの白色、すなわち、灰色として見える。
画素Ａ２に関しては、赤表示方向の偏向保持時間が他の２色に比べて長くなっている。また、緑色より青色の方が少し長くなっている。したがってこのとき、この画素は観察者にとって紫がかった桃色として見える。
【００５６】
同様に画素Ａ３に関しては、赤表示方向の偏向保持時間が最大で、緑表示方向の偏向保持時間が短く行われている。このとき、この画素は観察者にとって赤みの強い橙色として見える。
画素Ａ４に関しては、青方向のみが偏向保持されている。このとき、この画素は観察者にとって青色として見える。
このようにして、各画素において異なる色彩を表現することが可能になる。
【００５７】
図８は他の実施例を示すタイムチャートである。
本実施例では、色別の最大保持時間をほぼ１フレームの表示時間Ｔに等しくする。ほぼ等しくすると言ったのは、フレーム毎にリセット時間を取る場合、最大保持時間に割り当てられる時間が１フレームの表示時間Ｔよりも若干小さくなるからである。そして３色の表示時間は、それぞれの保持時間の和が１フレームの表示時間Ｔより小さい場合はそのまま表示し、それを超える場合は、３色の階調の比率を保持したままで３色の保持時間の合計が１フレームの時間Ｔにほぼ等しくなるよう自動調整する。すなわち、各色に対応する保持時間をｔ_R、ｔ_G、ｔ_Bとすると、その時間の和ｔ_R+ｔ_G+ｔ_B＝＜Ｔであればそのまま表示する。ｔ_R+ｔ_G+ｔ_B＞Ｔであれば、ｋを常数として、
ｔ_R’＝ｋ・ｔ_R、ｔ_Ｇ’＝ｋ・ｔ_Ｇ、ｔ_Ｂ’＝ｋ・ｔ_Ｂと置き換えて、
ｔ_R’+ｔ_G’+ｔ_B’＝Ｔとなるようにｋを算出して自動調整する。
【００５８】
ただし、上記のような表示を行うと、単色における階調性は大きくとれるが、３色の階調の比率が同じで、ｔ_R+ｔ_G+ｔ_B＞Ｔとなった場合、その和の大きさがいくらであってもすべてｔ_R’+ｔ_G’+ｔ_B’＝Ｔとして同じ値になってしまうので、色合いは変わらないが、明るい方における階調性がうまく表現できなくなる。したがって、この実施例の場合は、あまり細かい階調性のない画像、例えば、線画のような画像の表示に向いている。
【００５９】
【発明の効果】
請求項１ないし１１に記載の発明によれば、光偏向アレーを用いた画像投影表示装置の具体的な構成が提供できる。
請求項１２ないし１５に記載の発明によれば、上記画像投影表示装置において、２値表示しかできない光偏向アレーを用いて中間調の表示ができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
【図２】光源からの光束の様子を示す部分斜視図である。
【図３】本発明の他の実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態を説明するための光源系の一部の斜視図である。
【図６】図５に示す実施形態の光学系の概要を説明するための側面図である。
【図７】各光偏向素子の光反射面の反射方向を色順次に切り替える実施例を示すタイムチャートである。
【図８】他の実施例を示すタイムチャートである。
【図９】カラー画像表示装置の従来例を示す概略構成図である。
【図１０】２軸４方向の偏向方向をを有する光偏向素子の例を示す平面図である。
【図１１】図１０に示す光偏向素子のＡ−Ａ’断面図である。
【図１２】４軸８方向の偏向方向を有する光偏向素子の例を示す平面図である。
【符号の説明】
１０光偏向アレー
１１第１のフィールドレンズ
１２投影レンズ
１３第２のフィールドレンズ
１４画像表示部
１５光源
１６集光レンズ
１８半透鏡
１９再帰性光反射部材
２１第１のプリズム
２３第２のプリズム[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an image projection display apparatus using an optical deflection array in which optical deflection elements capable of changing the direction of outgoing light with respect to incident light are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array.
[0002]
[Prior art]
A light deflection element that deflects incident light in a plurality of predetermined directions and a light deflection array in which a plurality of light deflection elements are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array are known (see, for example, Patent Document 1). . Also, image display apparatuses using such an optical deflection array are described in Japanese Patent Application Nos. 2001-349415, 2002-95973, 2002-178216, and the like.
[0003]
The optical deflection elements shown in the above documents include elements that can deflect light in two directions around one axis, elements that can deflect in more directions around two or more axes, and the like. is there. As an optical deflection array used as an image display device, an array using a uniaxial optical deflection element is sufficient for monochromatic display. However, in order to display a color image, synthesis of three primary colors is necessary. You have to devise. In the above-mentioned documents and the like, a device that switches a color filter placed immediately before a white light source at high speed by rotation or the like is described.
[0004]
FIG. 9 is a schematic diagram showing a conventional example of a color image display device.
In the figure, W is a white light source, F is a rotating disk-shaped color filter group, AR is a light deflection array of uniaxial bi-directional deflection, M is a microlens array, L1 and L2 are projection lens groups, AP is an aperture, and S Indicates a screen respectively.
[0005]
It is assumed that the light beam emitted from the white light source passes through one of the filters in the filter group F that switches in time sequence, for example, the red filter FR. The luminous flux becomes red light R and enters the combination of the microlens array M and the light deflection array AR. The light beam is made substantially parallel light by each microlens and enters each light deflection element of the light deflection array. At this time, the color information corresponding to the red image is input to the optical deflection array, and one of the two deflection directions is assigned to the individual optical deflection elements with respect to the presence of the color information. The other deflection direction is assigned so that the deflection directions are different from each other. The presence of the color information is simply referred to as color information, and the absence of color information is referred to as off-information for convenience.
[0006]
The light reflected in the direction deflected by the color information signal again passes through the microlens array M and then exits in the direction of the projection lens L1, and the image shown on the light deflection array AR is converted into the projection lens L1, An image is formed on the screen S by L2. The light reflected in the direction deflected by the off-information signal again passes through the microlens and then exits in a direction not shown but does not enter the projection lens, so that it does not reach the screen S by the absorption shielding plate. Configured.
When the three colors are projected onto the screen in time sequence at high speed, when viewed with the human eye, the image that has been color-separated by the afterimage cannot be seen individually, but an image synthesized as a color image can be seen.
[0007]
With this configuration, it is possible to form a color image, but color mixing occurs during the switching of the filter colors, so that the image cannot be displayed. Therefore, the time for the boundary portion of the filter to pass through the beam cross section must be made as short as possible, and the time for the real portion of the filter to pass through the beam cross section must be made as long as possible. For this purpose, the cross section of the light beam must be made sufficiently smaller than the circumferential length of the filter. If the cross section of the light beam is reduced, the amount of light is reduced, which is not preferable. If the cross section of the light beam is large, the disk shape of the filter must be increased correspondingly, leading to an increase in the size of the apparatus.
[0008]
In order to display a color image without using a rotating filter, an image display device using a plurality of light deflection elements has been put into practical use (for example, see Non-Patent Document 1). These are excellent in that a high-definition image can be displayed. However, it is not preferable to use a plurality of expensive optical deflection elements because of the high cost.
In order to display a color image with only one light deflection element without using a rotating filter, the deflection direction for the three primary colors and one direction for off (black) information, at least four deflection directions. An array using an optical deflection element having
The outline of the optical deflection element and the optical deflection array will be described below.
[0009]
FIG. 10 is a plan view showing an example of an optical deflecting element having two biaxial and four deflecting directions.
11 is a cross-sectional view of the optical deflection element shown in FIG.
FIG. 12 is a plan view showing an example of an optical deflecting element having deflection directions of four axes and eight directions.
In the figure, reference numeral 1 denotes a light reflecting surface, 2 denotes a plate-like member, 3 denotes a substrate, 4 denotes a fulcrum member, and 5 denotes a regulating member.
In order to simplify the description, a biaxial deflection element will be described below as an example.
[0010]
The plate-like member 2 itself is formed of an insulating member, but the light reflecting surface 1 has conductivity. The fulcrum member 4 is on the upper surface of the square substrate 3 and has a quadrangular pyramid shape with a bottom surface slightly smaller than the upper surface. The vicinity of the apex of the quadrangular pyramid is formed to be conductive and is configured to conduct with the conductive portion on the plate-like member 2. The four inclined surfaces of the quadrangular pyramid are formed with electrodes 6a1 to 6a4 that are insulated from each other and independent of the conductive portion near the apex. The plate-like member 2 can move in any direction within the space formed by the apex of the fulcrum member 4 and the four restricting members 5.
[0011]
When a predetermined level of potential difference is applied between any one electrode 6 on the slope of the quadrangular pyramid and the plate-like member 2, the plate-like member 2 is attracted to the slope and tilted in the direction of the slope. If the electrode that gives the potential difference is changed, the direction in which the plate-like member 2 is tilted changes accordingly. Therefore, when light is applied to the light reflecting surface 1 from an arbitrary direction, the light reflection direction is deflected in four directions according to the inclination direction of the plate-like member 2. If light is incident from the direction of the symmetry axis of the quadrangular pyramid, the reflected light can be emitted in four symmetric directions with the incident light as the center.
[0012]
The optical deflection array is formed by closely arranging the optical deflection elements as described above in the vertical and horizontal directions, and the number of the optical deflection elements arranged in the vertical and horizontal directions is determined according to the number of vertical and horizontal pixels necessary for image display. When parallel light is applied to the entire optical deflection array, when all the optical deflection elements are deflected in the same direction, the reflected light beam becomes parallel light having a cross section substantially the same type as the optical deflection array, and proceeds in a predetermined direction. . However, since the light reflecting surface 1 has an ineffective area regarding reflection between adjacent elements, the light flux is an aggregate of reflected light for each element. Assuming that a screen parallel to the surface of the light deflection array is placed at some distance from the light deflection array, and the deflection directions of the light deflection elements are simultaneously aligned to any deflection direction and switched sequentially, In this case, four light beam sections separated from each other of the same type as the optical deflection array are observed in sequence.
[0013]
A color filter for three primary colors is applied to three of the four separated light beams, and the remaining one is shielded from light. By deflecting the light deflection elements individually according to the presence or absence of the three primary color separation data of the image instead of the deflection of the light deflection array as a whole, the separated light flux becomes a single color image carrying the respective color information. Therefore, if these single color images can be successfully combined into one image, it can be displayed as a color image.
Even if a four-axis eight-direction deflection element is used, an image display apparatus substantially similar to the above can be obtained by utilizing the four-direction deflection.
[0014]
[Patent Document 1]
JP-A-6-138403 (paragraph 0010, FIGS. 1 and 3)
[Non-Patent Document 1]
Optical Engineering Vol.39 No.7 July 2000 p. 1802-1807
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
Although the image display apparatus disclosed in the above document can display a high-definition image, the cost is unavoidable.
An object of the present invention is to provide a specific configuration of an optical system that can be used as a high-definition image display device without being very expensive.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, there is provided a single light deflection array in which a plurality of light deflection elements having four or more deflection directions are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, 1 white A light source; Includes three projection lenses corresponding to the three primary colors of image information, each optical axis being parallel to the normal to the plane of the light deflection array An image display device comprising a projection optical system and an image display unit, The light deflection array and the image display unit are arranged to be optically conjugate with each other with respect to the projection optical system; Of the four or more deflection directions, there are four deflection directions. Said Assign color information and off information for the three primary colors The light beam from the illumination light source is deflected time-sequentially in a deflection direction corresponding to each of the color information of the three primary colors by a switching cycle that is observed as a full color by the afterimage phenomenon of the human eye, and then the white color The light is passed through a color filter corresponding to each of the color information of the three primary colors, and is superimposed on the surface of the image display unit by the action of the projection optical system. It is characterized by that.
[0018]
Claim 2 In the invention of Claim 1 In the image projection display device described in (1), the projection optical system further includes a first field lens that transmits all light beams including the color information by deflection of the light deflection array, and substantially the same as the first field lens. The optical system using the first field lens and the second field lens includes a second field lens having a size. In the middle of both lenses, the central light beam of each color image is parallel to each other. The array and the image display unit are arranged so as to be optically conjugate with each other, and each of the three projection lenses includes the light deflection array and the image display unit in combination with the two field lenses. They are arranged so as to be optically conjugate with each other.
[0019]
Claim 3 In the invention of Claim 1 In the image projection display device described in (1), the projection optical system has a first prism in front of each of the three projection lenses and a second prism in the rear, and is separated from each other by deflection of the light deflection array. A light beam passing through the center of the light beam including the color information traveling in the direction is made parallel to the normal of the surface of the light deflection array by the first prism, and passes through the center of the light beam after passing through the projection lens. The direction of action is set by the second prism so as to go to the display center of the image display unit, and each of the projection lenses is combined with the two prisms, and the light deflection array and the The image display unit is configured to be optically conjugate with each other.
Claim 4 In the invention of Claim 3 In the image projection display device described in (1), the first and second prisms use prisms whose desired deviation angle is the maximum deviation angle, and light rays passing through the center of the light beam are incident on the surfaces of the prisms. And the emission angles emitted from the opposite surfaces of the prisms are set to be substantially equal to each other.
[0020]
Claim 5 In the invention of Claim 1 In the image projection display device described in the above, after the projection optical system transmits the light beam including the color information by the deflection of the light deflection array to each of the three projection lenses corresponding to the color information, A semi-transparent mirror is installed so as to be approximately 45 degrees with respect to the surface of the light deflection array, and a retroreflecting light reflecting member that individually reflects the light beam after transmission through the semi-transparent mirror is provided for each light beam. The optical deflection array and the image display unit are set so as to be optically conjugate with each other.
Claim 6 In the invention of Claim 5 In the image projection display device described in (1), the retroreflecting light reflecting member is a single corner cube reflector having an opening for receiving the entire light beam transmitted through the projection lens.
[0021]
Claim 7 In the invention of claim 1, 6 In the image projection display device according to any one of the above, the white light emitted from the light source is shaped into a parallel light beam whose cross section is larger than the surface shape of the light deflection array.
Claim 8 In the invention of claim 1, 7 In the image projection display device according to any one of the above, the light beam deflected by carrying the color information by the light deflection array passes through any one of the projection lenses, reaches the image display unit, and its optical path Among these, the color filter corresponding to the color information is passed through any one of the ranges that do not overlap with the light flux carrying other color information.
[0022]
Claim 9 In the invention of Claim 8 In the image projection display device described in (1), the color filter is provided in the projection lens or on the front or rear surface of the projection lens.
Claim 10 In the invention of Claim 8 In the image projection display device described above, the color filter is provided in an optical element other than the projection lens.
Claim 11 In the invention of claim 1, 10 In the image projection display device according to any one of the above, the illumination light beam from the light source is projected perpendicularly to the surface of the light deflection array via a reflecting mirror from a direction deviating from the normal of the surface of the light deflection array. It is characterized by being illuminated.
[0025]
Claim 12 In the invention of claim 1, 16 In the image projection display device according to any one of the above, the image information to be projected is converted into grayscale by changing the time to stop in the reflection direction corresponding to each color information of each light deflection element included in the light deflection array. It is characterized by having a display.
Claim 13 In the invention of Claim 12 In the image projection display device described in 1), the maximum time held in each reflection direction corresponding to the three primary colors of each light deflection element is about one third of the display time of one frame for displaying an image. It is characterized by being.
[0026]
Claim 14 In the invention of Claim 12 In the image projection display device described in (1), the maximum time of the time held in each reflection direction corresponding to the three primary colors of each of the light deflecting elements is substantially equal to the display time of one frame for displaying an image, corresponding to three colors. The time added is set to be shorter than the display time of one frame.
Claim 15 In the invention of Claim 14 In the image projection display device described in 1), when the time obtained by adding the times for the three colors exceeds the display time for one frame, the sum of the times for the three colors without changing the gradation ratio of the three colors. Is automatically adjusted so that is substantially equal to the display time of one frame.
[0027]
【Example】
The present invention will be described below with reference to examples.
FIG. 1 is a side view for explaining an outline of an optical system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial perspective view showing the state of the light flux from the light source.
In both figures, reference numeral 10 denotes an optical deflection array, 11 denotes a first field lens, 12 denotes a projection lens, 13 denotes a second field lens, 14 denotes an image display unit, 15 denotes a light source, 16 denotes a light beam shaping lens, and 17 denotes a plane. Reflector, L is a light beam, and O is the optical axis of the entire optical system. In addition, R, G, B, and off indicate members or portions that are related to the color information of the three primary colors red, green, and blue and off information in addition to other symbols.
In FIG. 1, a light source system for allowing parallel light beams to enter the optical deflection array is omitted in order to avoid complication of the drawing. In FIG. 2, the light flux up to the surface 11a of the first field lens is shown, and the light flux after transmission is omitted.
[0028]
The incident light beam is changed from the light source 15 shown in FIG. 2 into a parallel light beam L by a light beam shaping lens 16 usually called a condenser lens, changed in direction by a plane reflecting mirror 17, and set perpendicular to the surface of the light deflection array. It is configured to enter along the optical axis O. The shape of the light beam is adjusted by the light shielding mask 16a so that the cross section of the light beam L is substantially the same as the shape of the effective portion of the light deflection array and is slightly larger. The light source 15 is a white light source such as a xenon lamp, a halogen lamp, or a mercury lamp.
However, it is not an essential requirement that the incident light beam from the light source is incident on the surface of the light deflection array 10 perpendicularly. In the case of normal incidence, the deflection angles are equal in all the deflection directions, so that the design of the optical system is easy, and other than normal incidence can be adopted as necessary.
[0029]
The light beam L incident on the light deflection array 10 is deflected according to image information for each color, that is, color information. For example, the reflected light becomes a light beam LR for a predetermined time. When the light beam LR is incident on the surface 11 a of the first field lens 11, the light beam LR is refracted and emitted so that its central light is parallel to the optical axis O. Further, the light beam LR is placed in the vicinity of the first field lens 11, and its optical axis is transmitted through the projection lens 12R parallel to the normal to the surface of the light deflection array 10 to receive an image forming action. The light is incident on the second field lens 13 having the same size as the field lens 11. The light flux LR is refracted by the second field lens so that the central light thereof is directed toward the display center 14 a of the image display unit 14.
[0030]
Note that the lines indicating the luminous fluxes in the figure do not represent the light rays by the ray tracing, but merely indicate the limits of the luminous flux. The light beam from the light deflection array to the projection lens is a parallel light beam, but the light beam exiting the projection lens travels toward the conjugate position on the image display unit corresponding to the reflection point of the light deflection array. As can be seen, there can be rays of any angle within the limits of the luminous flux.
[0031]
The image forming action of the projection lens 12R is set so that the light deflection array 10 forms an image just on the image display unit 14 as a comprehensive action with the front and rear field lenses. In other words, the projection lens 12R is arranged such that the light deflection array 10 and the image display unit 14 are optically conjugate with each other in combination with the two field lenses 11 and 13.
[0032]
Even if the light beam LR bears color information, it does not become a color image as long as the light emitted from the white light source is used as it is. In the present embodiment, a color filter F that changes white light into three primary colors is provided in any of the optical elements included in the optical system from the first field lens to the second field lens. The installation position of the color filter F may be the smallest in the projection lens. However, in consideration of compatibility, it is preferable to install the color filter F on either the front surface or the rear surface of the projection lens. However, when the luminous flux before and after the incidence of the projection lens is not so large as in the present optical system, for example, even if the color filter F is provided in close contact with the first or second field lens, the filter size is particularly increased. There is no. FIG. 1 shows an example in which the color filter FR is installed on the incident surface 11a of the first field lens. The color filter F is provided close to these optical elements because it is easy to mount. The installation position is a position where the light beam does not overlap with the light beam carrying other color information. Adopt anywhere.
[0033]
During the next predetermined time, the light deflection array is deflected by the next color information to become, for example, a light beam LG. The central beam of the light beam LG appears to coincide with the optical axis O in FIG. 1, but as seen from the perspective view of FIG. Yes. Therefore, the subsequent effect of the light beam LG from the optical system is exactly the same as that of the light beam LR except for the difference between the side view and the plan view. Therefore, the light beam LG is imaged and displayed with the center of the light beam aligned with the display center 14a of the image display unit. Further, the light beam LB is generated for the next predetermined time, and the light beam center coincides with the display center 14a of the image display unit in the same manner as described above.
In other words, if the first and second field lenses are viewed as one optical system, the optical deflection array 10 and the image display unit 14 work so as to be optically conjugate with each other.
[0034]
In the above description, the light beams LR, LG, and LB are only shown as the light beams carrying the color information. However, the color information is input as binary information with and without a color here. Therefore, the light beam includes only the light beam obtained according to the deflection direction when there is a color. When there is no color information, that is, off information, the deflection direction of the light deflection element is the direction of the light beam Loff in FIG. In addition, the deflection direction of the off information is common to the three primary colors. Since the light flux Loff is unnecessary for image display, the light flux Loff is shielded by a light shielding member (not shown) at a position that does not affect other effective light flux, for example, on the incident surface 11a of the first field lens 11. .
[0035]
By the way, as long as there is no image accumulating action in the image display unit, when the image by the light beam LG is displayed, the image by the light beam LR disappears. Similarly, when the image by the light beam LB is displayed, the image by the light beam LG has already disappeared. That is, since only three color images are displayed in time sequence, no full color image exists at any moment. However, such an image is also observed as a full color due to the afterimage phenomenon as long as it is viewed by human eyes if the switching cycle is sufficiently short. This is almost the same phenomenon as when the sesame seeds that are painted in the three primary colors are rotated, if the rotation speed is fast, the individual tops look gray without feeling the individual colors.
[0036]
FIG. 3 is a side view for explaining the outline of an optical system according to another embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 21 denotes a first prism, and 23 denotes a second prism. 1 and 2 indicate parts having the same function.
Since this embodiment is basically very similar to the previous embodiment, only the light beam LR will be described.
[0037]
The light beam LR is incident on the first prism 21R and receives a declination effect unique to the prism, so that the light beam at the center of the light beam becomes parallel to the optical axis O. The light beam LR receives the image forming action of the projection lens 12R and enters the second prism 23R after being emitted. Here, the light beam passing through the center of the light beam is refracted toward the display center 14 a of the image display unit 14. The image displayed on the optical deflection array 10 is imaged on the image display unit 14 by the imaging action of the projection lens 12R.
[0038]
The prism is an optical element having a refractive action only in one direction. That direction is called the action direction for convenience. Even if the prisms have the same apex angle, if the incident angle of the incident light beam is different, the angle difference from the emission angle, that is, the declination angle is slightly different. When the angle of the light beam with respect to the normal of each of the incident surface and the outgoing surface, that is, the incident angle and the outgoing angle are equal, the deflection angle becomes maximum. At this time, the influence of the prism installation error on the deflection angle is the least. Therefore, it is best to use a prism having an apex angle such that the desired declination becomes the maximum declination. The desired declination is that the central beam of the light beam between both prisms is parallel to the optical axis O. Therefore, in FIG. 3, the first prism is the angle formed by the reflected light beam from the light deflection array and the optical axis O. In terms of the second prism, it is the angle β formed by the light beam at the center of the light beam reaching the display center 14a after passing through the prism and the optical axis O.
[0039]
FIG. 4 is a side view for explaining the outline of an optical system according to still another embodiment of the present invention.
In the figure, reference numeral 18 denotes a semi-transparent mirror, and 19 denotes a corner cube reflector as a retroreflecting light reflecting member.
The retroreflective member generally refers to a member having a property of emitting an incident light beam in a direction parallel to the incident light beam after receiving some reflection effect. Glass bead type and corner cube type are known.
[0040]
The refractive index of the glass bead type is selected so that the incident parallel light beam is subjected to a lens action on the incident surface of the glass bead and is condensed on the opposite surface. The opposite surface is given total reflection, and the light beam can be swapped up and down, left and right, so that it follows almost the same optical path, the same incident surface becomes the exit surface, and it becomes the original parallel light beam. Go backwards.
[0041]
The corner cube type has a shape in which three surfaces including one vertex of a cube are cut into a triangular pyramid shape, and the inside of the three surfaces is a reflecting mirror. When a light beam is incident from the bottom side of the triangular pyramid, the light beam is reflected three-dimensionally by hitting the mirror surface once or three times depending on the incident position and angle, and is generally incident from an exit point different from the incident point. Going out parallel to the rays. Therefore, if a parallel light beam is incident from the bottom side, the emitted light also becomes a parallel light beam and exits in the original direction.
[0042]
The light beam LR deflected by the optical deflection array 10 directly enters the projection lens 12R. The light beam LR imaged by the projection lens 12R reaches the semi-transparent mirror 18, and half of the amount of light is reflected and lost, and the remaining half is transmitted. When the transmitted light enters the corner cube reflector 19R, each light beam in the light beam is reflected parallel to the incident angle. As described above, the light beam that has passed through the projection lens exits from an exit point that is different from the incident point, and can have any angle within the limit of the light beam. Therefore, the limit of the light beam after exiting the corner cube reflector 19R. Extends beyond the limit of the luminous flux before incidence. The corner cube reflector has a three-dimensional structure, but is represented by a simple right-angle cross section in the figure.
[0043]
The light beam that has exited the corner cube reflector again reaches the semi-transparent mirror 18, where a further half of the light amount is transmitted and lost, and the remaining half is reflected and reflected on the surface of the image display unit 14. Form an image. At this time, the light beam passing through the center of the light beam inevitably reaches the display center 14a of the image display unit. The display center 14 a has a mirror image relationship with the center of the light deflection array with respect to the semi-transparent mirror 18.
Thus, in the case of the present embodiment, only a quarter of the light beam reflected by the light deflection array 10 contributes to the image formation.
The light beams LG and LB carrying other color information are also superimposed on the surface of the image display unit 14 with the center aligned in the same manner.
[0044]
FIG. 5 is a perspective view of a part of a light source system for explaining still another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a side view for explaining the outline of the optical system of the embodiment shown in FIG.
In both figures, the symbols r, g, and b indicate that they are individually associated with the three colors in addition to the symbols, as in the previous R, G, and B.
In the present embodiment, three independent light sources are used corresponding to the three primary colors. FIG. 5 shows only one of the three light sources to avoid complexity.
[0045]
In FIG. 6, the condensing lens 16G is placed at a position substantially the same as the position where the light beam LG in FIG. 2 is incident on the first field lens 11a, and the light source 15G has a shape in which the divergent light beam reverses the light beam LG by the condensing lens 16G. Is arranged so as to form an illumination light beam LG ′.
The illumination light beam LG ′ is green light of three primary colors. The light source itself may develop a green color, or a white color light source may be covered with a green color filter. The position of the color filter may be just before the light source or before or after the condenser lens. The color filter may be placed anywhere as long as it does not overlap with other monochromatic light.
[0046]
With this configuration, when each element of the light deflection array is deflected in FIG. 5 in the same direction as that in which the light beam LG is formed in FIG. 2, the illumination light beam LG ′ is perpendicular to the surface of the light deflection array 10. Is deflected as a light beam L ′ in FIG. In the side view of FIG. 6, since the illumination light beam LG ′ and the light beam L ′ overlap, the light source 15G is omitted, but the light source 15R, the illumination light beam LR ′, and the light beam L ′ have the same relationship.
The light beam L ′ enters the opening 12a of the projection lens 12, and the emitted light forms an image on the surface of the image display unit 14 so that the light beam passing through the center of the light beam coincides with the display center 14a of the image display unit 14. Then, the image having the green color information shown in the light deflection array 10 is displayed.
[0047]
Similarly, when the other primary colors of the three primary colors, that is, red and blue are configured in the same manner, the illumination beams LR ′ and LB ′ of the respective single colors are light beams carrying corresponding color information by the light deflection array 10. Are coincident with the luminous flux L ′. Therefore, the image display unit 14 has no worries about errors, and the three color images coincide with each other and are superimposed.
[0048]
If the deflection direction of the light deflection array 10 is all directed to the direction corresponding to the red color information, the illumination light beam LR ′ is deflected in the direction of the light beam L ′, but the illumination light beams LG ′ and LB ′ are completely different from each other. Deflected in the direction. The illumination light beam LG ′ will be described.
The deflection surface of the optical deflection element is a plane mirror. The plane mirror of each element has its normal line N oriented in a direction that bisects the internal angle formed by the incident light beam and the outgoing light beam, and the plane mirror reflects the light beam in a symmetric direction with respect to the normal line. Therefore, under the above conditions, the illumination light beam LG ′ is a reflected light beam that is symmetric with respect to a normal line Nr described later, as indicated by LG′r in FIG.
[0049]
In FIG. 5, the light beam LG′r apparently overlaps with the light beam L ′ due to the drawing angle relationship, but both have different emission directions from the light deflection array 10.
Since the optical deflection array is an assembly of optical deflection elements, individual normal lines cannot be displayed, and therefore only one Nr is typically shown at the center of the optical deflection array. The same applies to the following.
[0050]
If all the deflection directions of the light deflection array 10 are directed to the direction corresponding to the blue color information, the illumination light beam LG ′ is related to the normal line Nb as indicated by LG′b in FIG. 5 for the same reason as described above. It becomes a symmetrical reflected light beam. Since these light beams that are ineffective for image display do not enter the projection lens and become so-called stray light, it may be devised to absorb or block as necessary.
[0051]
When displaying each color information, the light deflection element containing the off information tilts the deflection surface in the same direction as when the light beam Loff is formed in FIG. At this time, since the normal line of the plane mirror of the light deflection element is directed in the Noff direction, the illumination light beam LG ′ becomes a light beam LG′off by the light deflection element and does not enter the projection lens. Pixels corresponding to are displayed in black.
[0052]
Although the illumination light beam LG ′ has been described above, the other illumination light beams are exactly the same although not shown except for LR′b in FIG. As shown in FIG. 5, LG'b and LR'off overlap at substantially the same light beam position.
Therefore, since each monochromatic light source does not interfere with each other, it can continue to illuminate even when other color information is displayed.
[0053]
FIG. 7 is a time chart showing an embodiment in which the reflection direction of the light reflecting surface of each light deflection element is switched in color sequence.
In the figure, the symbol t represents time, t _R , T _G , T _B Indicates the holding time assigned to each of the three colors.
Although the light deflection element has a function of switching the light reflection direction, it cannot modulate the intensity of the reflected light. In order to display a color image, halftone display is indispensable. Therefore, a method called PWM is used in which reflected light is time-controlled to represent a halftone by a change in energy amount of time integration (for example, Proceedinng of the IEEE, Vol. 86, No. 8, August 1998, p1700).
[0054]
In this embodiment, the above-described PWM technology is applied to various image projection display devices as described above, and the image is switched at a rate of 60 frames per second, and all the light deflection elements can be individually controlled. And The display time for one frame of the image is approximately 16.67 milliseconds. The display time assigned to the three colors is 5 milliseconds, which is about one third of the display time of one frame, and a reset time of about 1.67 milliseconds is provided for each frame. However, the reset time can be omitted and the time can be assigned to each color.
[0055]
The number of gradations to be expressed per color is determined to be, for example, 4 gradations or 8 gradations, and the above 5 milliseconds can be divided in time according to the number of gradations. In addition, the time for holding each light deflection element in a predetermined deflection direction is varied. Depending on the switching time when deflecting the optical deflection element, a maximum of 256 gradations can be displayed.
For example, in the light deflection element corresponding to the pixel A1, about one half of the maximum display time is held in the deflection direction of each color display for all three colors, and other times are held in the direction of off information. Yes. Therefore, at this time, the pixel appears to the observer as an intermediate level of white, that is, gray.
Regarding the pixel A2, the deflection holding time in the red display direction is longer than that of the other two colors. Also, blue is slightly longer than green. Therefore, at this time, this pixel appears to the observer as purpleish pink.
[0056]
Similarly, regarding the pixel A3, the deflection holding time in the red display direction is the maximum, and the deflection holding time in the green display direction is short. At this time, this pixel appears to the observer as a strong reddish orange color.
For the pixel A4, only the blue direction is deflected and held. At this time, this pixel looks blue to the observer.
In this way, different colors can be expressed in each pixel.
[0057]
FIG. 8 is a time chart showing another embodiment.
In this embodiment, the maximum holding time for each color is made substantially equal to the display time T for one frame. The reason why they are almost equal is that when the reset time is taken for each frame, the time allocated to the maximum holding time is slightly smaller than the display time T of one frame. The display time of the three colors is displayed as it is when the sum of the respective holding times is smaller than the display time T of one frame, and when the sum is exceeded, the display time of the three colors is maintained while maintaining the ratio of the three colors. Automatic adjustment is performed so that the total holding time is approximately equal to the time T of one frame. That is, the holding time corresponding to each color is set to t _R , T _G , T _B Then, the sum of the times t _R + t _G + t _B If it is = <T, it is displayed as it is. t _R + t _G + t _B If> T, let k be a constant,
t _R '= K · t _R , T _G '= K · t _G , T _B '= K · t _B Replace with
t _R '+ t _G '+ t _B K is calculated and automatically adjusted so that '= T.
[0058]
However, when the display as described above is performed, the gradation property of a single color can be increased, but the gradation ratio of the three colors is the same, and t _R + t _G + t _B If> T, all t will be whatever the sum _R '+ t _G '+ t _B Since '= T will be the same value, the hue will not change, but the gradation on the brighter side cannot be expressed well. Therefore, this embodiment is suitable for displaying an image with very little gradation, for example, an image such as a line drawing.
[0059]
【The invention's effect】
Claim 1 11 According to the invention described in (4), a specific configuration of an image projection display device using an optical deflection array can be provided.
Claims 12 to 15 According to the invention described in (1), the image projection display device can perform halftone display using an optical deflection array that can only perform binary display.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view for explaining an outline of an optical system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial perspective view showing a state of a light beam from a light source.
FIG. 3 is a side view for explaining an outline of an optical system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a side view for explaining an outline of an optical system according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of a part of a light source system for explaining still another embodiment of the present invention.
6 is a side view for explaining the outline of the optical system of the embodiment shown in FIG. 5; FIG.
FIG. 7 is a time chart showing an embodiment in which the reflection direction of the light reflection surface of each light deflection element is switched in color sequence.
FIG. 8 is a time chart showing another embodiment.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram illustrating a conventional example of a color image display device.
FIG. 10 is a plan view showing an example of an optical deflection element having deflection directions in two axes and four directions.
11 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the optical deflection element shown in FIG.
FIG. 12 is a plan view showing an example of an optical deflecting element having deflection directions of four axes and eight directions.
[Explanation of symbols]
10 Light deflection array
11 First field lens
12 Projection lens
13 Second field lens
14 Image display
15 Light source
16 Condensing lens
18 Semi-transparent mirror
19 Retroreflective member
21 First prism
23 Second prism

Claims

Corresponding to one light deflection array in which a plurality of light deflection elements having four or more deflection directions are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, one white light source for illumination, and three primary colors of image information, An image display device comprising: a projection optical system including three projection lenses each having an optical axis parallel to a normal to the surface of the light deflection array; and an image display unit,
The light deflection array and the image display unit are arranged to be optically conjugate with each other with respect to the projection optical system;
The assignment of color information and off information of each of the three primary colors in the four directions of the deflection direction of the four or more directions of the deflection direction
The light beam from the illumination light source is deflected time-sequentially in a deflection direction corresponding to each of the color information of the three primary colors by a switching period that is observed as a full color by the afterimage phenomenon of the human eye, and then the white color The light is passed through a color filter corresponding to each of the color information of the three primary colors, and is superposed with the center on the surface of the image display unit by the action of the projection optical system. An image projection display device.

2. The image projection display device according to claim 1, wherein the projection optical system further includes a first field lens that transmits all light beams including the color information by deflection of the light deflection array, and the first field lens. 3. A second field lens of approximately the same size as the optical system of the first field lens and the second field lens, in the middle of both lenses, the central ray of each color image is parallel to each other, The light deflection array and the image display unit are optically conjugate with each other, and each of the three projection lenses is combined with the two field lenses, and the light deflection array and the image display unit. Are arranged so as to be optically conjugate with each other .

2. The image projection display device according to claim 1 , wherein the projection optical system includes a first prism in front of each of the three projection lenses and a second prism in the rear, and the deflection of the optical deflection array. The light beam passing through the center of the light beam including the color information traveling in the direction away from each other is made parallel to the normal of the surface of the light deflection array by the first prism, and the light beam after passing through the projection lens The direction of action is set so that a light beam passing through the center is directed to the display center of the image display unit by the second prism, and each of the projection lenses is combined with the two prisms to generate the light deflection. image projection display apparatus characterized by the array and the image display unit is arranged so as to be optically conjugate to each other.

4. The image projection display device according to claim 3 , wherein the first and second prisms use a prism having a desired deflection angle having a maximum deflection angle, and a light beam passing through the center of the light beam is a surface of each prism. An image projection display device characterized in that the incident angle with respect to the light beam and the outgoing angle emitted from the opposite surface of the prism are substantially equal .

2. The image projection display device according to claim 1 , wherein the projection optical system transmits a light beam including the color information by deflection of the light deflection array to each of three projection lenses corresponding to the color information. Then, a semi-transparent mirror is installed so as to be approximately 45 degrees with respect to the surface of the light deflection array, and a retroreflecting light reflecting member for individually reflecting the light beam after passing through the semi-transparent mirror is provided for each light beam, and the projection lens The image projection display device is characterized in that the light deflection array and the image display unit are optically conjugate with each other .

6. The image projection display device according to claim 5 , wherein the retroreflecting light reflecting member is a single corner cube reflector having an opening for receiving the entire light beam transmitted through the projection lens. apparatus.

7. The image projection display device according to claim 1 , wherein the white light emitted from the light source is shaped into a parallel light beam whose cross section is larger than the surface shape of the light deflection array. Image projection display device.

8. The image projection display device according to claim 1, wherein the light beam deflected by carrying the color information by the light deflection array passes through any one of the projection lenses, and the image display unit. An image projection display device characterized by passing through a color filter corresponding to the color information in any one of the ranges that do not overlap with the light flux carrying other color information in the optical path .

9. The image projection display device according to claim 8 , wherein the color filter is provided in the projection lens or on a front surface or a rear surface of the projection lens .

9. The image projection display device according to claim 8 , wherein the color filter is provided in an optical element other than the projection lens.

The image projection display device according to any one of claims 1 to 10 , wherein an illumination light beam from the light source is transmitted through a reflecting mirror from a direction deviating from a normal line of the surface of the light deflection array. An image projection display device characterized by being projected perpendicularly to a surface .

12. The image projection display device according to claim 1 , wherein the projection is performed by changing a stop time in a reflection direction corresponding to each color information of each light deflection element included in the light deflection array. An image projection display device that displays image information with gradation .

13. The image projection display device according to claim 12 , wherein the maximum time of the time held in each reflection direction corresponding to the three primary colors of each light deflection element is about 3 minutes for each display time of one frame for displaying an image. image projection display apparatus which is a one.

13. The image projection display device according to claim 12 , wherein a maximum time of time held in each reflection direction corresponding to the three primary colors of each light deflection element is substantially equal to a display time of one frame for displaying an image. An image projection display device characterized in that the time obtained by adding the time for colors is equal to or shorter than the display time of one frame .

15. The image projection display device according to claim 14 , wherein a time obtained by adding the time for the three colors exceeds a display time for one frame, and the ratio for the three colors is not changed without changing the gradation ratio of the three colors. image projection display equipment, characterized in that the sum of the time is automatically adjusted so that approximately equal to the display time of one frame.