JP5726498B2 - 投影装置、及び色覚検査装置 - Google Patents

Description

本発明は投影装置、及び色覚検査装置に係り、特に簡単な構成で鮮明なフルカラー画像を得ることができる投影装置、及びこの投影装置を使用した色覚検査装置に関する。

従来、白色光を出射する光源と、該光源により出射された白色光を空間に連続的に分布するスペクトル光に変換する連続スペクトル光形成手段と、表示すべきカラー画像の各画素に対応して二次的に配列された各画素素子を駆動して入射光を時分割変調するライトバルブ（画像形成素子）と、連続したスペクトル光を前記ライトバルブ上で一方向に巡回走査させるスペクトル光走査手段とを含む投影型表示装置が公知である（特許文献１、請求項１、図１参照）。

また、スペクトル的及び空間的に分解された光を提供するように構成された少なくとも１つの光源と、スペクトル的及び空間的分解された光を受け取って変調し、光源から選択された空間色を選択的に送って部分画像の集合を形成するように構成された空間光変調器と、部分画像の集合を受け取り、表示エリア全体にわたり該部分画像の集合を走査してフルフレームカラー画像を作成するように構成された少なくとも１つの走査装置とを含んでなる表示システムからなる走査型表示装置光学系及び走査型表示装置が公知である（特許文献２の特許請求の範囲請求項１、図１、２参照）。

さらに、白色光を、体積型ホログラム素子や液晶素子などによって赤外光、緑色光、及び青色光の３色の光に分波し、ＧＬＶ（グレーティングライトバルブ、Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖｕｌｂ）に集光し、ＧＬＶによって、各色の光をそれぞれ独立して空間的に変調し、再び体積型ホログラム素子に入射させ、３色の光を合成し、ガルバノミラーによって所定の方向に走査し、投影面にカラー表示された画像を投影する画像表示装置が知られている（特許文献３、要約、段落番号０００７参照）。なお、空間変調器として、例えば、液晶パネルやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）などが用いられる旨記載されている。

また、投射型表示装置として、ロッドインテグレータの射出面から射出した光は、瞳位置に配置された開口絞りを有するリレーレンズに入射し、その後色分解光学系に入射され、ライトバルブによって変調され射出され、投射光は投射レンズに入射され、スクリーン上に投射されるものが公知である（特許文献４、段落番号００８１〜００９１、図８参照）。

さらに、時分割方式映像投写装置として、光源からの出射光がコンデンサレンズ、透過型カラーホイールを透過し、ロッドレンズ、リレーレンズを介して、反射ミラーで反射されて、コンデンサレンズを透過し、反射型光変調素子へ入射し反射されて、投写レンズでスクリーン上に拡大投写されるものが公知である（特許文献５、段落番号００４６〜００５４、図４参照）。

そして、投影装置として、光源から発せられた白色光がリフレクタ（放物面鏡）により略平行光とされ、反射型の回折格子でＲ光、Ｇ光、Ｂ光の各波長域に対応する光束に分離され、集光レンズで３つのミラーで反射され、反射型の３つの液晶パネルに集光され、それぞれ反射され、Ｒ光束、Ｇ光束、Ｂ光束のそれぞれの光束は投影光学系に導光され、３つの液晶パネルの画像情報をスクリーンでフルカラー画像として合成投影するものが公知である（特許文献６、段落番号０１２４〜０１３５、図１０、１１参照）。

特開２００４−２４０２９３号公報 特開２００５−３２６８３７号公報 特開２００２−１６２５７３号公報 特許４１７５４４２号公報 特許３３３５９６１号公報 特許３３３５０９１号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載された走査型表示装置光学系及び走査型表示装置は、Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）に限定されない波長の光で合成し、表示する色合いの度合いを微妙に変化させる具体的な光学系が明確かつ一義的に記載されておらず、実現することが極めて困難であった。これは、実際の装置で実現するには技術的な困難性があったからである。

そのため、従来の走査型表示装置光学系及び走査型表示装置では、各画素が任意の分光分布をもつ画像を表示することができず、例えば自然の色を忠実に再現した超高解像度画像（ハイビジョン）にマッチすることができず、さらに奥行きのあるように見せる三次元フルカラー画像を画像表示することができないという問題がある。

また、特許文献３のガルバノミラー、特許文献４のリレーレンズ光学系内の開口絞り、特許文献５、６のミラー走査による画像表示技術を特許文献１、２と組み合わせたとしても、ロッドインテグレータの出射端に開口絞りを備えないので、その後の光路上のコリメートレンズで平行光束にすることができず、光束を効率よく絞ることができないという問題がある。

また、白色光を分光したＲ光、Ｇ光、Ｂ光の各光束を画像表示用部材に投射することができず、画素毎にずれてしまうことがあり、色パターン毎の間隔が乱れてしまうとか、フルカラーの鮮明な画像をスクリーン上に投影することができないという問題もある。

そこで、本発明では、簡単な構成で、画素毎のずれが発生することなく、フルカラーの鮮明な画像を投影することができる投影装置、及び色覚検査装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、 白色光を射出する光源部と、前記白色光の回折光を色分解された光束として発生する回折格子と、前記光束を偏向走査するガルバノミラーと、前記偏向走査された光束を結像する結像光学系と、前記結像光学系の結像位置に配置され、画像信号に基づいて入射する各色の光束を画素毎に変調して画像を生成する画像形成素子と、を備え、前記光源部が、楕円鏡と、該楕円鏡の一方の焦点位置に配置され白色光を発生する光源と、前記楕円鏡の他方の焦点位置に入射部を配置した輝度均一化素子と、前記輝度均一化素子の射出部に配置され、光束を絞るスリットと、前記絞られた光束を平行光とするコリメートレンズと、から構成されることを特徴とする投影装置である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の投影装置において、前記画像形成素子が液晶パネルであることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載の投影装置において、前記画像形成素子がＤＭＤであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の投影装置において、前記回折格子が反射型回折格子であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の投影装置において、画像形成素子の下流側に投影光学系を備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の投影装置と、この投影装置で投影される画像の周囲に背景パターンを表示する背景パターン表示装置と、を備える色覚検査装置である。

本発明では、輝度均一化素子の出射端に設けられたスリットにより光束を絞り、絞られた光束をコリメートレンズにより平行光束にし、反射型の回折格子に入射させ、色分解して反射させ、色分解された光束をガルバノミラーにより画像表示用部材の画素毎に結像させ、像表示させることで、画素毎にずれることなく、整然と色パターンが投影され、フルカラーの鮮明な画像を投影することができる。

実施形態に係る投影装置の光学系を示す模式図である。 同じく投影装置において、ガルバノミラーが３９°となった状態を示す模式図である。 同じくガルバノミラーが４２°となった状態を示す模式図である。 同じくガルバノミラーが４５°となった状態を示す模式図である。 画像表示装置における各色光の結像状態を示すものであり、（ａ）はガルバノミラーが３９°の状態、（ｂ）は同じく４２°の状態、（ｃ）は同じく４５°の状態を示す模式図である。 第２の実施形態に係る投影装置を示す模式図である。 実施形態に係る色覚検査装置を示すものであり、（ａ）は光学系の模式図、（ｂ）はスクリーン像を示す模式図である

以下本発明に係る投影装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は実施形態に係る投影装置の光学系を示す模式図である。この実施形態に係る投影装置１００は、白色光を発生する光源部１０と、この白色光の回折光を色分解された光束として発生する回折格子２０と、前記光束を偏向走査するガルバノミラー３０と、前記偏向走査された光束を結像する結像光学系４０と、前記結像光学系４０の結像位置に配置され、画像信号に基づいて入射する各色の光束を画素毎に時分割変調して画像を生成する画像形成素子５０と、画像形成素子５０が生成した画像を投影する図示していない投影光学系とを備える。

光源部１０は、楕円鏡１１と、この楕円鏡の一方の焦点位置に配置され白色光を発生する光源１２と、前記楕円鏡の他方の焦点位置に入射部を配置した輝度均一化素子であるライトパイプ１３と、前記ライトパイプの射出部に配置され、光束を絞るスリット１４と、前記絞られた光束を平行光とするコリメートレンズ１５と、を備える。

楕円鏡１１は、回転楕円形状の一部の内面を反射鏡面とする曲面鏡である。また、光源１２は、可視域(４００〜７００ｎｍ)で分光分布がフラットなキセノンランプが使用され、前記楕円鏡１１の２つの焦点のうち一方の焦点の位置にその発光部が配置される。

ライトパイプ１３は、例えば４枚の平面ミラーを壁面とした中空構造体であり、入口と出口が矩形であり、光が入射すると内部で多重反射して、出口から均一化されムラが低減された光束を射出する。なお、このライトパイプ１３に替えフライアイアレイ素子などの他の均一化素子を使用することができる。

スリット１４は、所定のスリット幅を備えて構成され、ライトパイプ１３の射出口に配置され、ライトパイプ１３からの光束を絞る。

コリメートレンズ１５は、例えば光源側から凸、凹、凸の３枚のレンズで構成され、スリット１４からの光束を平行光束にする。

回折格子２０は、反射型であり、入射した白色光を色分解して連続スペクトルとなるよう射出する。回折格子２０は、所定の格子定数を備え、前記４００〜７００ｎｍの白色光の１次回折光をガルバノミラー３０に向け射出する。回折格子２０の格子定数は、投影装置１００の大きさ、各素子の配置状態などを考慮して定める。

ガルバノミラー３０は、マグネット付きミラーをコイル等で発生する外部磁力で高速、高精度に揺動駆動させる構造を備える。このガルバノミラー３０は、回折格子２０で色分解された光束を画像形成素子５０に結像させる。

この実施形態において、ガルバノミラー３０は、角度３９°〜角度４５°の間を高速揺動する。図２は投影装置において、ガルバノミラーが３９°となった状態を示す模式図、図３は同じくガルバノミラーが４２°となった状態を示す模式図、図４は同じくガルバノミラーが４５°となった状態を示す模式図である。ここで、ガルバノミラー３０の角度は光軸を基準とした値である。

このガルバノミラー３０は、角度３９°の状態で、図２に示すように、色分解された波長（λ）が４００ｎｍの領域だけが画像形成素子５０に入射し、他の波長領域は画像形成素子５０から外れている。また、角度４２°の状態で、図３に示すように、波長（λ）が４００ｎｍ〜５５５ｎｍの領域が画像形成素子５０に入射し、他の波長領域は画像形成素子５０から外れている。さらに角度４５°の状態で、図４に示すように、波長（λ）が４００ｎｍ〜７００ｎｍの領域の光が画像形成素子５０の全域にわたり照射されている。

結像光学系４０は、光源側から凸、凹、凸の３枚のレンズで構成され、ガルバノミラー３０からの光束を集束して画像形成素子５０に結像する。

画像形成素子５０は、透過型の液晶画像表示素子であり、外部から入力される画像信号に基づいて、ガルバノミラー３０から入射される光束を変調して画像を形成する。この画像形成素子５０で生成された画像は、投影光学系に入射され、図示外のスクリーンに表示される。

次に画像形成素子５０に入射される光束の状態について説明する。図５は画像表示装置における画像形成素子への各色光の結像状態を示すものであり、（ａ）はガルバノミラーが３９°の状態、（ｂ）は同じく４２°の状態、（ｃ）は同じく４５°の状態を示す模式図である。画像形成素子５０の一番左の画素列５１に注目する。ガルバノミラーが３９°のとき（図２参照）、画素列５１には図５（ａ）に示すように、青の光束が照射される。またガルバノミラーが４２°のとき（図３参照）、画素列には同図（ｂ）に示すように、緑の光束が照射される。さらにガルバノミラーが４５°のとき（図３参照）、画素列５１には同図（ｃ）に示すように、赤の光束が照射される。このように画素列５１には、ガルバノミラー３０のスキャンに従って、青、緑、赤の順に光束が通過する。そして、画像形成素子５０の画素列５１の各画素を各色の通過のタイミングで透過するよう変調することにより、各画素において各色を合成でき所望の色を作成できる。

同様の処理を画像形成素子５０のすべての画素で行い、２次元のフルカラーの画像パターンが得られる。その後、この表示デバイス上の色パターンを投影光学系によって拡大投影すれば、大画面でＲＧＢの加法混色ではないフルカラー映像を投影することができる。

このように、本実施形態に係る投影装置は、フルカラーの映像を簡略な光学系で得ること、１枚の回折格子及び液晶画像表示素子で実現できる。また、投影光学系としては公知のプロジェクターのものを使用できるので特別な投影光学系を使用することなく容易に実現することができる。

なお、回折格子は前述した反射型のものの他、透過型のものも使用することができるが、効率、迷光の観点から反射型が好適である。また、反射型の回折格子を僅かに傾けて配置することでレイアウトに余裕をもたせることができる。

次に第２の実施形態について説明する。図６は第２の実施形態に係る投影装置を示す模式図である。この投影装置２００は、画像形成素子２１０として、反射型の素子、例えばＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を使用している他、画像形成素子２１０からの射出光の方向を変更するため、２個のプリズム２２０、２３０を備えている。この投影装置２００によっても、前記実施形態に係る投影装置１００と同様に、簡単な構成でフルカラー画像を表示することができる。

次に本発明に係る色覚検査装置について説明する。図７は実施形態に係る色覚検査装置を示すものであり、（ａ）は光学系の模式図、（ｂ）はスクリーン像を示す模式図である。従来、色覚検査に際しては、単に周辺が真っ黒な状態でカラー表示された画像しか表示されない。このため、正確な色覚検査ができない場合があった。これは、真っ黒な周囲の中にカラー表示されたときの画像から受ける印象と、周辺が明るい色で表示された状態でカラー表示されたときの画像から受ける印象とが全く異なるためであると考えられる。

そこで、本実施形態に係る色覚検査装置３００は、スクリーン３３０に２次元の色分布をなした検査パターン３３１を表示すると共に、検査パターン３３１の周囲に所定色の背景パターン３３２を表示する。

本実施形態の色覚検査装置３００は、前述した投影装置１００と、投影装置１００の画像形成素子５０に作成した検査パターンの中間像を作成するリレーレンズ３１１と、前記背景パターン３３２を作成するための背景パターン表示装置としての拡散板３２０と、第２のリレーレンズ３１２を配置して構成する。

また、拡散板３２０は、リレーレンズ３１１、３１２の間に配置され、所定色の照明光３４０が照射される。この照明光３４０は単色光であってもよいし、プログラマブル光源で自由に作成された色であってもよい。また、検査パターンは、２次元の色分布で記述したが、１次元の色分布とすることができる。

この色覚検査装置３００では、画像形成素子５０で形成された検査像は、リレーレンズ３１１で中間像が形成され、この中間像は再びリレーレンズ３１２によって拡散板３２０に結像される、また、拡散板３２０に照射された照明光３４０の拡散像はリレーレンズ３１２で背景パターン３３２として検査パターン３３１の周囲に投影される。なお、色覚検査装置３００には、透過型の画像形成素子に換え反射型の画像形成素子を使用した第２の実施形態に係る色覚検査装置３００を使用することができる。

本実施形態に係る色覚検査装置３００によれば、本発明により、周辺が明るい色で表示された状態でカラー表示されたときの画像でも色覚検査ができるようになり、色覚が正常なのか異常なのかを正確に検査することができる。

１０ 光源部
１１ 楕円鏡
１２ 光源
１３ ライトパイプ
１４ スリット
１５ コリメートレンズ
２０ 回折格子
３０ ガルバノミラー
４０ 結像光学系
５０ 画像形成素子
５１ 画素列
１００ 投影装置
２００ 投影装置
２１０ 画像形成素子
２２０、２３０ プリズム
３００ 色覚検査装置
３１０ リレーレンズ
３１２ 第２のリレーレンズ
３２０ 拡散板
３３０ スクリーン
３３１ 検査パターン
３３２ 背景パターン
３４０ 照明光

Claims (6)

1. 白色光を射出する光源部と、
   前記白色光の回折光を色分解された光束として発生する回折格子と、
   前記光束を偏向走査するガルバノミラーと、
   前記偏向走査された光束を結像する結像光学系と、
   前記結像光学系の結像位置に配置され、画像信号に基づいて入射する各色の光束を画素
   毎に変調して画像を生成する画像形成素子と、
   を備え、
   前記光源部が、
   楕円鏡と、
   該楕円鏡の一方の焦点位置に配置され白色光を発生する光源と、
   前記楕円鏡の他方の焦点位置に入射部を配置した輝度均一化素子と、
   前記輝度均一化素子の射出部に配置され、光束を絞るスリットと、
   前記絞られた光束を平行光とするコリメートレンズと、
   から構成されることを特徴とする投影装置。
2. 前記画像形成素子が液晶パネルであることを特徴とする請求項１に記載の
   投影装置。
3. 前記画像形成素子がＤＭＤであることを特徴とする請求項１に記載の投影
   装置。
4. 前記回折格子が反射型回折格子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれ
   かに記載の投影装置。
5. 画像形成素子の下流側に投影光学系を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の
   いずれかに記載の投影装置。
6. 請求項５に記載の投影装置と、
   この投影装置で投影される画像の周囲に背景パターンを表示する背景パターン表示装置
   と、
   を備えることを特徴とする色覚検査装置。