JPWO2012111698A1 - 走査型画像表示装置及びその画像表示方法 - Google Patents
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Abstract
走査型画像表示装置は、光源1と、光源1から出射された光ビームを走査して被投射面上に画像を表示する走査手段3と、画像の画素毎に光源1からの光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する発光時間を走査手段3の走査角に応じて制御する制御手段10と、を有する。
Description
本発明は、画像表示装置に関し、特に光ビームを走査して被投射面上に画像を表示する走査型画像表示装置に関する。
ハロゲンランプや高圧水銀ランプなどの白色光源から出射されたインコヒーレント光(例えば白色光)を、液晶ライトバルブなどの面状の表示素子に照射し、その表示素子からの出射光を、投射レンズによりスクリーンに拡大投射して画像を表示する投射型画像表示装置が知られている。
上記の投射型画像表示装置において、光源として用いられているハロゲンランプや高圧水銀ランプなどの放電ランプは、電力の消費量が多いという問題がある。
また、光源からの白色光からスペクトル幅の狭い赤(R)・緑(G)・青(B)の三原色の光を取り出すことで、高い色再現性を得ることが可能であるものの、スペクトル幅を狭くした分、光利用効率が低下して、投射画像が暗くなるという問題がある。
なお、三原色に対応する各色のスペクトル幅を広く設定して、白色光源からの光を最大限に利用することで、光利用効率の向上を図ることができる。しかし、この場合は、三原色の色純度が低下し、高い色再現性が得られなくなる。加えて、色度域を広くすることも困難である。
また、液晶ライトバルブなどの面状の表示素子を備える投射型画像表示装置は、どうしても大掛かりなものとなるため、装置の小型化が困難である。
さらに、投射レンズからスクリーンまでの距離によっては、表示素子で形成された画像が投射レンズの焦点深度以内に投射されず、その投射画像のピントが合わない場合がある。この場合は、使用者は、投射レンズからスクリーンまでの距離に応じて、投射レンズのピントを調節する操作を行う必要がある。このようなピント調整操作は、使用者に対する利便性を損ねる。
そこで、光源としてレーザー光源を用い、そのレーザー光源から出射されたレーザー光を2次元走査してスクリーンに投射することで画像を表示する走査型画像表示装置が提案されている(特許文献1、2参照)。
図1Aに、特許文献1に記載の投射型表示装置の構成を示す。
図1Aを参照すると、投射型表示装置は、光源111、112、113、色合成素子114、コリメータレンズ115、および光走査素子116、117を有する。
光源111は赤色半導体レーザーであり、光源112は青色半導体レーザーであり、光源113は緑色固体レーザーである。ここで、緑色固体レーザーは、非線形光学結晶を用いて、赤外線半導体レーザーの出射光から第2高調波を取り出すことで緑色の光を得るものである。
色合成素子114は、光源111〜113からの赤、青、緑の各色の光を合成する。色合成素子114からの光束は、コリメータレンズ115を介して光走査素子116に入射する。
光走査素子116は、水平方向の光走査を行う。光走査素子116からの光は光走査素子117に入射する。光走査素子117は、垂直方向の光走査を行う。
上記の投射型表示装置によれば、コリメータレンズ115によってビームウェスト位置を被投影面に一致させることで、高精細な画像を表示することができる。
図1Bに、特許文献2に記載の画像表示装置の構成を示す。
図1Bを参照すると、画像表示装置は、光源部101Gと、光源部101Gからのビーム光を集光する集光光学系LN1と、この集光光学系LN1で集光した光ビームをスクリーン110に向けて反射する反射ミラー202とを有する。
集光光学系LN1は、反射ミラー202とスクリーン110との中間位置よりも反射ミラー202から遠い位置においてビームウェストを形成する。これにより、反射ミラー202上でのビーム直径を小さくでき、かつ、スクリーン110上でのビーム直径の拡大を抑制することができるので、反射ミラー202の小型化を図ることができ、高精細な画像を表示することができる。
上述した特許文献1、2に記載された装置において、光走査素子116や反射ミラー202として、マイクロメカニカルミラーが用いられる。
以下に、一例として、特許文献2に記載されているマイクロメカニカルミラーを説明する。
このマイクロメカニカルミラーは、ミラー面と、このミラー面がトーションバーを介して固定された第1の基板と、第1の基板と対向して配置された第2の基板と、第2の基板の第1の基板側の面に形成された磁性体よりなるコアとを有する。コアに生じる電磁力によってミラー面が回転共振状態となる。
ミラー面を回転共振状態とする手段として、静電アクチュエータや電磁アクチュエータを用いることができる。
しかしながら、特許文献1、2に記載の装置には、以下のような問題がある。
図2Aに、ビームウェストが被投射面またはその近傍に配置される走査型の表示装置の主要部を示す。この主要部は、特許文献1、2に記載の装置の主要部に対応するものであって、光源121と、光源121から出射したレーザービームの進行方向に順に配置された集光レンズ122および走査ミラー123とからなる。
被投射面124を集光レンズ122の焦点距離に対応する位置近傍に配置し、光源121から出射されたレーザービームを集光レンズ122で集光することで、被投射面124もしくは被投射面124の近傍にビームウェストを配置することができる。
走査ミラー123の有効径(半径)をω、伝播距離をz、振幅値が最大値に対し1/eまで落ちる距離において形成されるビームウェスト半径をω0とすると、以下の式1および式2の関係が成り立つ。ここで、λはレーザービームの波長、πは円周率である。ビーム開口数はω/zで与えられる。
走査角θが0で、光路長L(0)にビームウェストを配置した場合の被投射面124におけるビーム径をω0とする。光路長L(0)は、レーザービームの中心光線の光路における、走査ミラー123の面から被投射面124までの距離である。投射距離fは、集光レンズ122から被投射面124までの距離であり、集光レンズ122の焦点距離により決まる。集光レンズ122の主点から走査ミラー123の面までの距離をdとすると、光路長L(0)は、投射距離fから距離dを差し引いた値である。
走査角θを0より大きくした場合の、レーザービームの中心光線の光路における、走査ミラー123の面から被投射面124までの距離を光路長L(θ)とすると、光路長L(θ)は以下の式3により与えられる。
走査角θを0より大きくすると、光路長L(θ)は光路長L(0)より大きくなるため、式1における伝搬距離zが増大し、その結果、ビーム径の値は、ω(L(0))からω(L(θ))に増大する(第1の現象)。
また、走査角θを0より大きくした場合は、図2Bに示すように、被投射面124に対してレーザービームが斜めに入射し、被投射面124上でのビーム径ωが、以下の式4に従って大きくなる(第2の現象)。
上記の第1および第2の現象のために、被投射面124上でのビーム径が大きくなり、その結果、画面の解像度が低下する。
上記の解像度低下の問題について、図3Aおよび図3Bを参照して、さらに詳細に説明する。
図3Aおよび図3Bは、ビーム形状と画像解像力の関係を示す図である。ここで、ビーム形状は、光軸に垂直な断面上の波動の振幅分布の2乗、即ち強度分布で規定される。
図3Aに、ビーム直径と画素ピッチPが等しい場合のビーム形状関数b(x)と、変調波形M(t)の空間展開関数T(x)の畳み込み関数G(x)との関係を示す。なお、図3Aにおいて、便宜上、変調波形M(t)は省略している。
空間展開関数T(x)は、レーザービームが一定速度Vで走査されている場合、T(V・t)=M(t)で定義される関数である。ここで、デューティ比を50%として、発光時間Δtおよび消光時間ΔtがそれぞれP/Vとされる条件で、レーザービームを矩形波変調すると、空間展開関数T(x)は、画素ピッチPの2倍を周期とした矩形波空間分布となる。
上記の条件において、ビーム形状関数b(x)がガウス関数の2乗である場合、表示画像となる畳み込み関数G(x)の解像力コントラストCは91%となる。
畳み込み関数G(x)の最大値、最小値をそれぞれImax、Iminとすると、解像力コントラストCは、以下の式5で表される。
図3Bに示すように、例えば、ビーム直径が画素ピッチの4/3倍に広がった場合、畳み込み関数G(x)の解像力コントラストCは71%となる。
以上のように、特許文献1、2に記載の装置には、走査角の増大に伴ってスクリーン上のビーム径が拡大するために、画面の周辺部における解像度が低いという問題がある。
なお、ビームウェストをより小さく絞ることで、画面全体で高精細な画像を得ることができる。しかし、ビームウェストを小さく絞るためには、走査ミラーの有効径を大きくし、かつ、ビームの開口数を大きくする必要がある。また、表示画素数を増やすために、走査角度を大きくする必要がある。
マイクロメカニカルミラー等の共振型走査ミラーにおいて、ミラー面の有効径を大きくすると、ミラー面の慣性モーメントが増大するため、ミラー面の共振振動の駆動力を発生する静電アクチュエータや電磁アクチュエータの駆動電流を増やす必要がある。このため、消費電力が大きくなる。
また、共振型走査ミラーにおいては、走査角度が大きくなると、トーションバー(ヒンジ)が破断する場合があり、装置の耐久性、信頼性の確保が困難である。
本発明の目的は、上記の問題を解決し、走査角の増大に伴って被投射面上のビーム径が拡大した場合の解像力の低下を抑制することができる、走査型画像表示装置およびその画像表示方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、固体光源と、前記固体光源から出射された光ビームを走査して被投射面上に画像を表示する走査手段と、前記画像の画素毎に前記固体光源からの光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する前記発光時間を前記走査手段の走査角に応じて制御する制御手段と、を有する走査型画像表示装置が提供される。
本発明の別の態様によれば、光ビームを走査して被投射面に画像を表示する走査型画像表示装置において行われる画像表示方法であって、前記画像の画素毎に前記光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する前記発光時間を前記光ビームの走査角に応じて制御する、画像表示方法が提供される。
本発明の他の態様によれば、焦点距離が可変の可変焦点レンズを備え、該可変焦点レンズからの光ビームを走査して被投射面に画像を表示する走査型画像表示装置において行われる画像表示方法であって、前記画像の画素毎に前記光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する前記発光時間を前記光ビームの走査角に応じて制御し、かつ、前記可変焦点レンズの焦点距離を前記走査角に応じて制御する、画像表示方法が提供される。
1 光源
2 集光レンズ
3 走査手段
4 レーザー変調手段
5 変調波形・出力算出手段
6 ルックアップテーブル
7 映像信号
8 同期信号
2 集光レンズ
3 走査手段
4 レーザー変調手段
5 変調波形・出力算出手段
6 ルックアップテーブル
7 映像信号
8 同期信号
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
(第一の実施形態)
図4は、本発明の第一の実施形態の走査型画像表示装置の構成を示すブロック図である。
(第一の実施形態)
図4は、本発明の第一の実施形態の走査型画像表示装置の構成を示すブロック図である。
図4を参照すると、走査型画像表示装置は、リアプロジェクションタイプのものであって、光源1、集光レンズ2、走査手段3、ルックアップテーブル6、制御手段10、および被投射面9を有する。走査手段3から被投射面9までの距離は固定である。
制御手段10は、走査型画像表示装置全体の動作を制御するものであって、レーザー変調手段4および変調波形・出力算出手段5を有する。
外部装置からの映像信号7は、変調波形・出力算出手段5に供給される。映像信号7による画像の表示における垂直同期および水平同期をとるための同期信号8は、外部装置から変調波形・出力算出手段5および走査手段3に供給される。外部装置は、例えばパーソナルコンピュータ等の映像供給装置である。
光源1は、半導体レーザーに代表される固体光源である。光源1からのレーザービームの進行方向に、集光レンズ2および走査手段3がこの順番で配置されている。集光レンズ2は、光源1からのレーザービームを集光する。
走査手段3は、マイクロメカニカルミラーに代表される共振型走査ミラーである。走査手段3は、同期信号8に従って、集光レンズ2で集光されたレーザービームを走査して被投射面9上に画像を表示する。走査手段3が水平方向および垂直方向の2次元の走査を行う場合、水平方向の走査は水平同期信号に基づいて行われ、垂直方向の走査は垂直同期信号に基づいて行われる。
ルックアップテーブル6は、走査角に対する光路長差および斜め投射によるビーム広がり(ビーム径の変化)を示す特性データを格納する。この特性データは、前述した式1乃至4に基づいて算出することができる。
例えば、特性データは、走査角θが0°〜最大角度θmaxまでの範囲において、走査角θを段階的に変化させた場合の、走査角毎のビーム広がり(ビーム径の変化)を示すデータをテーブル化したものである。走査角のステップ幅は例えば0.5°であるが、これに限定されない。走査角のステップ幅は適宜に設定可能である。
ビーム広がりのデータは、図2Aに示した光路長L(θ)と光路長L(0)との差による影響と、図2Bに示した斜め投射による影響とを含む。図5に、そのようなビーム広がりのデータに基づく特性データの一例を示す。
図5において、実線で示す曲線(2ω(L(θ)))は、図2Aに示した光路長差の影響を含むビーム広がりを示す。また、破線で示す曲線(2ω(L(θ)/cosθ))は、図2Aに示した光路長差の影響および図2Bに示した斜め投射の影響を含むビーム広がりを示す。この破線で示す曲線に対応する特性データに基づいてルックアップテーブル6が作成される。
図5に示した例では、走査角θが0のときの被投射面9上の照射位置を基準にして画面を2分割したものを想定しており、1/2画面サイズは150mm、1/2画素数は512、画素ピッチは293μm(画面サイズを画素数で割った値に相当する)である。また、走査手段3のミラー面上のビーム径ωは1mm、レーザービームの波長λは640nm、光路長L(0)は400mm、走査角の最大振れ角は20.5°である。この条件で、被投射面9上のビーム直径(破線:2ω(L(θ))/cosθ)は、走査角θが0のときに348μmとなり、これは、画素ピッチの293μmの約1.2倍である。また、走査角θが20.5°のときのビーム直径は377μmとなり、これは画素ピッチの293μmの約1.3倍である。
変調波形・出力算出手段5は、ルックアップテーブル6に保持されている特性データを、同期信号8に基づいて読み出す。特性データの読み出しと走査手段3による走査とを同期信号8と同期させることで、変調波形・出力算出手段5は、映像信号7に基づく画像の各画素に対する走査角を取得することができる。
例えば、被投射面9の表示領域の左上を開始点とし、右下を終了点として、往復走査を上側から下側に向かって行った場合、同期信号8に含まれている垂直同期信号により開始点および終了点をそれぞれ判別することができ、また、各画素の位置(照射タイミング)は水平同期信号に基づいて判断することができる。各画素における走査角は予め分かっているので、各画素の走査角をそれぞれの位置(照射タイミング)から判断することができる。
変調波形・出力算出手段5は、ルックアップテーブル6から読み出した特性データに基づいて、走査手段3の走査角に対応するビーム径を取得し、その取得したビーム径に基づいて変調時間を算出し、その算出結果に基づいて変調波形信号を生成する。さらに、変調波形・出力算出手段5は、映像信号7に基づいて強度変調信号を生成する。
図6Aに走査角と変調波形信号の関係を示す。この変調波形信号は、発光時間t1と消光時間t2とからなる変調時間Tが走査角θに応じて変化する変調波形を有する。発光時間t1が1画素に相当する。
被投射面9上でのレーザービームの走査速度が一定となるように、変調時間Tは、走査角θの増大に伴って短くなっている。
図6Bに、変調波形信号のデューティ比の変化を示す。縦軸は変調デューティ比を示し、横軸は走査角θを示す。変調デューティ比は、発光時間t1と消光時間t2の比である。図6Bに示すように、走査角θが増大すると、変調デューティ比は小さくなる。
また、図6Cに示すように、変調波形の振幅を走査角に応じて変化させてもよい。具体的には、走査角の増大に伴って変調波形の振幅を大きくする。これにより、画素あたりのレーザービームのエネルギーが一定になる。
変調波形・出力算出手段5で生成された変調波形信号および強度変調信号は、レーザー変調手段4に供給される。なお、変調波形・出力算出手段5は、変調波形信号に強度変調信号を加算した変調信号(具体的には、図6Cに示した変調波形の振幅を映像信号7に基づいて変化させた信号)をレーザー変調手段4に供給してもよい。
レーザー変調手段4は、変調波形・出力算出手段5からの変調波形信号に基づいて、光源1から出射されるレーザービームの発光時間を制御する。また、レーザー変調手段4は、変調波形・出力算出手段5からの強度変調信号に基づいて、光源1から出射されるレーザービームの強度を制御する。
例えば、光源1が半導体レーザーである場合、レーザー変調手段4は、変調波形信号および強度変調信号に基づいて半導体レーザーへの電流供給(電流供給量および電流供給時間)を制御する。また、レーザー変調手段4が、光源1からのレーザービームを変調する変調器を有する場合は、変調波形信号および強度変調信号に基づいてその変調器の透過率を制御する。
本実施形態の走査型画像表示装置によれば、走査角に応じてレーザービームの発光時間を制御することにより、走査角の増大に伴って被投射面9上のビーム径が拡大した場合でも、解像力を走査角の増大前の解像度(すなわち、走査角θが0である場合の解像度)で保つことができる。
以下に、解像度が維持される原理を具体的に説明する。
図7Aは、レーザー変調手段4の制御なしで、ビーム直径が画素ピッチの4/3倍まで広がった状態における、ビーム形状関数b(x)と空間展開関数T(x)と畳み込み関数G(x)との関係を示す特性図である。ビーム形状関数b(x)、空間展開関数T(x)および畳み込み関数G(x)の定義については、前述したとおりである。
図7Aに示す例では、ビーム直径の拡大のために、畳み込み関数G(x)の解像度コントラストCは71%となっており、画像の解像度が低い。
図7Bは、レーザー変調手段4の制御を適用した場合の、ビーム直径が画素ピッチの4/3倍まで広がった状態における、ビーム形状関数b(x)と空間展開関数T(x)と畳み込み関数G(x)との関係を示す特性図である。
図7Bに示す例では、レーザー変調手段4は、レーザービームの発光時間t1が1/2Δtの値とされ、消光時間t2が3/2Δtの値とされた変調波形信号に基づいて光源1からのレーザービームの発光時間を制御する。これにより、表示画像となる畳み込み関数G(x)の解像力コントラストCは91%となり、ビーム直径が画素ピッチと同じである場合(図3A))と同等の解像力を得られる。
例えば、図5の説明で示した条件で、レーザービームを変調すると、ビーム広がりが4/3倍(1.33倍)以内であれば、ビーム直径が画素ピッチに等しい場合と同等かそれ以上の解像力コントラストを得ることができる。
以下、ビーム形状と変調信号の関係、および変調波形信号に基づく制御によるコントラストの改善効果について具体的に説明する。
図8Aは、速度Vで走査した場合のビーム形状と変調信号の関係を説明するための図である。
図8Aに示す例では、画素ピッチP(=V・t)毎にレーザービームがオン/オフ制御されるようになっており、その変調デューティ―比は50%である。この場合の空間展開関数T(x)は、T(V・t)=M(t)で定義される。
また、表示画像の畳み込み関数G(x)は、ビーム形状関数b(x)と空間展開関数T(x)との畳み込み積分で表わされる以下の式6で与えられる。ここで、Nは画素数を示す。
上記の条件において、ビーム直径が画素ピッチPより大きくなった場合、図8Bに示すように、表示画像の畳み込み関数G(x)の解像力コントラストCが低下する。
そこで、本実施形態では、ビーム直径が画素ピッチPより大きくなる場合は、レーザービームの発光時間t1を短くするような変調制御を行う。
図8Cに、そのような変調制御が行われた場合のビーム形状と変調信号の関係を示す。
図8Cに示す例では、発光時間t1はP/2の値とされ、消光時間t2は(3/4)×Pの値とされている。この変調制御によれば、表示画像の畳み込み関数G(x)の解像力コントラストCは、図8Aに示した場合と同等の値となる。
以上のように、本実施形態の走査型画像表示装置によれば、走査角の増大に伴って被投射面上のビーム直径が拡大した場合の解像力の低下を抑制することができる。
なお、ミラー直径を増大させることで、被投射面上のビーム直径を画素ピッチに相当する値とすることができる。しかし、この場合には、例えば、図5の説明で示した条件を適用した場合に、ミラー面上のビーム直径を1000μmから1300μmに拡大する必要がある(拡大率30%)。この場合、回転軸と垂直な方向の慣性モーメントは、ミラー径の3乗に比例して大きくなり、少なくとも2.2倍の駆動力(トルク)が必要になり、その結果、消費電力が増大する。
一般に、走査ミラー径を拡大する場合は、剛性を高めるためにミラーの厚さを増やすため、慣性モーメントはより一層大きくなる。このため、走査角度を大きくした場合は、より大きな駆動力を与える必要があり、その結果、慣性モーメントがトーションバーのねじり降伏点を超え、トーションバーが破断する場合がある。
本実施形態の走査型画像表示装置によれば、走査手段3のミラー面の有効径を大きくすることなく、解像力コントラストを保つことができる。よって、慣性モーメントの大きな走査ミラーを作製する必要がなくなり、装置の耐久性、信頼性の確保が可能である。
なお、本実施形態において、走査角θは、水平方向の走査角および垂直方向の走査角のいずれか一方または両方を意味する。前者の場合は、水平方向および垂直方向の一方に対に対して、走査角に応じた光ビームの発光時間および強度の制御が実施される。後者の場合は、水平方向および垂直方向のそれぞれの方向において、走査角に応じた光ビームの発光時間および強度の制御が実施される。
また、ルックアップテーブル6には、光路長差に基づくビーム広がりと走査角との対応関係を示す第1の特性データと、斜め投射によるビーム広がりと走査角との対応関係を示す第2の特性データとの少なくとも一方を格納してもよい。
第1の特性データがルックアップテーブル6に格納された場合は、図2Aに示した光路長差の影響による解像度の低下を抑制することができる。第2の特性データがルックアップテーブル6に格納された場合は、図2Bに示した斜め投射の影響による解像度の低下を抑制することができる。
また、集光レンズ2を削除し、走査手段3が、光源1からのコリメートされた光ビームを走査して被投射面9上に画像を表示してもよい。この場合は、図2Bに示した斜め投射の影響のみを光量すればよいので、ルックアップテーブル6には、第2の特性データのみが格納される。
(第二の実施形態)
図9は、本発明の第二の実施形態の走査型画像表示装置の構成を示すブロック図である。
(第二の実施形態)
図9は、本発明の第二の実施形態の走査型画像表示装置の構成を示すブロック図である。
本実施形態の画像表示装置は、集光レンズ2を可変焦点レンズ41に置き換え、その可変焦点レンズ41を制御するおよび焦点制御手段42を追加した点で、第一の実施形態の走査型画像表示装置と異なる。
変調波形出力算出手段5は、ルックアップテーブル6から取得した特性データに基づいて、走査手段3の走査角θに応じた焦点距離を算出し、その焦点距離算出結果を焦点制御手段42に供給する。走査手段3の走査角θと可変焦点レンズ41の焦点距離との関係は、前述した式3に基づいて算出することができる。
変調波形出力算出手段5における焦点距離の算出およびその算出結果の送出は、同期信号8に同期して行われる。焦点制御手段42は、変調波形出力算出手段5からの焦点距離算出結果に基づいて可変焦点レンズ41の焦点距離を制御する。
図10Aに、可変焦点レンズ41の焦点距離の変化とビーム直径の変化を模式的に示す。焦点制御手段42は、走査角θに応じて、可変焦点レンズ41の焦点距離を制御する。
図10Bに、走査角θを増大させた場合の可変焦点レンズ41の状態を示し、図10Cに、走査角θが0である場合の可変焦点レンズ41の状態を示す。
図10Bおよび図10Cに示す可変焦点レンズ41は、集光レンズ55と発散レンズ56とからなり、集光レンズ55と発散レンズ56の間隔δの調整が可能とされている。間隔δは、例えば、電磁アクチュエータを用いて調整する。なお、間隔δの調整手段としては、電磁アクチュエータ以外に、静電アクチュエータ等の各種アクチュエータを用いることができる。
焦点制御手段42は、走査角θが0である場合は、図10Cに示すように、集光レンズ55と発散レンズ56の間隔δを所定値に設定する。この状態から走査角θが増大すると、焦点制御手段42は、その変化に応じて、集光レンズ55と発散レンズ56の間隔δを所定値よりも小さくする。
この制御によれば、走査角θの全角度範囲において、被投射面9上では、常に、ビームウェストが位置することになるので、光路長差の影響(図2Aに示した第1の現象)を低減することができる。この結果、ビーム直径の広がりは、斜め投射による影響(図2Bに示した第2の現象)のみを含む。
なお、図10Bおよび図10Cに示した可変焦点レンズ41の構成は一例であり、これに限定されるものではない。可変焦点レンズ41は、焦点距離を変えることができるのであればどのような構成であってもよい。
ルックアップテーブル6は、走査角の変化と斜め投射によるビーム広がりとの関係を示す特性データを格納する。ビーム広がりのデータは、図2Bに示した斜め投射による影響を含む。この特性データも、前述した式1乃至4に基づいて算出することができる。
例えば、特性データは、走査角θが0°〜最大角度θmaxまでの範囲において、走査角θを段階的に変化させた場合の、走査角毎のビーム広がりのデータをテーブル化したものである。走査角のステップ幅は例えば0.5°であるが、これに限定されない。
変調波形・出力算出手段5は、ルックアップテーブル6に保持されている特性データを、同期信号8と同期して読み出す。変調波形・出力算出手段5は、ルックアップテーブル6から読み出した特性データに基づいて変調波形信号を生成するとともに、映像信号7に基づいて強度変調信号を生成する。
レーザー変調手段4は、変調波形・出力算出手段5からの変調波形信号に基づいて、光源1から出射されるレーザービームの発光時間を制御する。また、レーザー変調手段4は、変調波形・出力算出手段5からの強度変調信号に基づいて、光源1から出射されるレーザービームの強度を制御する。
本実施形態の走査型画像表示装置によれば、光源1から出射されるレーザービームの発光時間および強度が走査角に応じて制御されることにより、斜め投射によるビーム広がりの影響を抑制し、かつ、可変焦点レンズ41の焦点距離が走査角に応じて制御されることにより、光路長差によるビーム広がりの影響を抑制することができる。よって、本実施形態の走査型画像表示装置においても、第一の実施形態と同様の作用効果を奏する。
加えて、光路長差の影響を考慮する必要がないので、ルックアップテーブル6の特性データの作り込みが容易である。
なお、本実施形態において、走査角θは、水平方向の走査角および垂直方向の走査角のいずれか一方または両方を意味する。前者の場合は、水平方向および垂直方向の一方に対に対して、走査角に応じた光ビームの発光時間および強度の制御と、走査角に応じた焦点距離の制御がそれぞれ実施される。後者の場合は、水平方向および垂直方向のそれぞれの方向において、走査角に応じた光ビームの発光時間および強度の制御と、走査角に応じた焦点距離の制御がそれぞれ実施される。
上述した第一または第二の実施形態の走査型画像表示装置において、光源1として、赤色レーザー光源、緑色レーザー光源および青色レーザー光源を備える。各色のレーザー光源のビーム直径はいずれも、1000μmである。
赤色レーザー光源は、波長が640nmの半導体レーザーである。青色レーザー光源は、波長が440nmの半導体レーザーである。これら赤色レーザー光源および青色レーザー光源の変調は電流制御によって行う。
緑色レーザー光源は、波長1064nmの赤外レーザーの第2高調波(532nm)を利用するレーザー光源である。音響光学素子を用いて、緑色レーザー光源の変調を行う。
集光レンズ2の焦点距離は400mmである。走査手段3は、水平走査を行う共振型マイクロメカニカル走査素子と、垂直走査を行う電磁駆動ガルバノミラーとを有する。
共振型マイクロメカニカル走査素子は、周波数27kHzの駆動信号に基づいて駆動され、その振れ角は±20°である。共振型マイクロメカニカル走査素子は、周波数27kHzでの駆動に耐えられる直径1500μmの円形ミラーを有する。
電磁駆動ガルバノミラーは、周波数60Hzのノコギリ波駆動信号に基づいて駆動され、その振れ角は、±15°である。電磁駆動ガルバノミラーは、1500μm×6000μmの矩形ミラーを有する。
水平方向が1024画素、垂直方向が768画素とされた画像精細度を有する。ただし、画像精細度は、この画素数に限定されるものはなく、他の画素数を適用してもよい。
画面サイズは、投射距離400mmにおいて、水平方向が300cm、垂直方向が200cmとされている。
各色のレーザービームについて、走査素子と同期して画素クロック(15.4ns)の1/10以下の1ns単位で、発光タイミング・強度制御が行われる。
本実施例の構成によっても、走査角の増大に伴って被投射面9上のビーム直径が拡大した場合においても解像力を保つことができた。また、走査ミラーの有効径を大きくせずに、解像力コントラストを保つことができた。さらに、慣性モーメントの大きな走査ミラーを作製する必要がないので、装置の耐久性、信頼性の確保が可能となった。
本実施例において、緑色レーザー光源の変調は、赤外半導体レーザーを変調して第2高調波に変換する方法を用いてもよい。
緑色レーザー光源として、ファイバーレーザーまたは半導体レーザーを用いてもよい。
レーザーの強度変調手段として、グレーティング型MEMS変調器、導波路型変調器、電気光学結晶等、各種光変調器を用いてもよい。
水平走査、垂直走査には、音響光学素子、電気光学結晶等を用いてもよく、また、フォトニック結晶を用いたプリズム等で触れ角を増大させる光学系を用いてもよい。
水平走査および垂直走査の各素子のビーム偏向部(ミラー等)は、コリメートされたビーム直径より大きければ、どのようなサイズ・形状のものを用いてもよい。
(他の実施形態)
本発明の他の実施形態の走査型画像表示装置は、固体光源と、上記固体光源から出射された光ビームを走査して被投射面上に画像を表示する走査手段と、上記画像の画素毎に上記固体光源からの光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する上記発光時間を上記走査手段の走査角に応じて制御する制御手段と、を有する。
本発明の他の実施形態の走査型画像表示装置は、固体光源と、上記固体光源から出射された光ビームを走査して被投射面上に画像を表示する走査手段と、上記画像の画素毎に上記固体光源からの光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する上記発光時間を上記走査手段の走査角に応じて制御する制御手段と、を有する。
上記の構成によれば、走査角の増大に伴って被投射面上のビーム直径が拡大した場合の解像力の低下を抑制することができる。
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成および動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。
この出願は、2011年2月18日に出願された日本出願特願2011−033184を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
Claims (9)
- 固体光源と、
前記固体光源から出射された光ビームを走査して被投射面上に画像を表示する走査手段と、
前記画像の画素毎に前記固体光源からの光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する前記発光時間を前記走査手段の走査角に応じて制御する制御手段と、を有する走査型画像表示装置。 - 前記走査角に対する前記被投射面上のビーム径の変化を示すデータが格納されたルックアップテーブルを、さらに有し、
前記制御手段は、前記ルックアップテーブルを参照して、前記走査角に応じた前記ビーム径を取得し、該取得したビーム径に基づいて前記発光時間を算出する、請求項1に記載の走査型画像表示装置。 - 前記制御手段は、
前記ビーム径から算出した前記発光時間に基づいて前記光ビームを変調するための変調波形信号を生成する算出手段と、
前記変調波形信号に基づいて、前記光ビームの変調制御を行う変調手段と、を有する、請求項2に記載の走査型画像表示装置。 - 前記算出手段は、前記変調波形信号の空間展開関数の畳み込み積分値により求まる解像力コントラストが前記各画素において一定となるように前記変調波形信号を生成する、請求項3に記載の走査型画像表示装置。
- 前記算出手段は、前記各画素における前記発光時間内に照射される光エネルギーが一定となるように前記変調波形信号の振幅を決定する、請求項3または4に記載の走査型画像表示装置。
- 前記固体光源からの光ビームを集光する、焦点距離が可変の可変焦点レンズをさらに有し、
前記制御手段は、前記可変焦点レンズの焦点距離を前記走査角に応じて制御する焦点制御手段をさらに備える、請求項1から5のいずれか1項に記載の走査型画像表示装置。 - 前記焦点制御手段は、前記走査手段のいずれの走査角においても、前記可変焦点レンズの焦点が前記被投射面上に位置するように前記焦点距離を制御する、請求項6に記載の走査型画像表示装置。
- 光ビームを走査して被投射面に画像を表示する走査型画像表示装置において行われる画像表示方法であって、
前記画像の画素毎に前記光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する前記発光時間を前記光ビームの走査角に応じて制御する、画像表示方法。 - 焦点距離が可変の可変焦点レンズを備え、該可変焦点レンズからの光ビームを走査して被投射面に画像を表示する走査型画像表示装置において行われる画像表示方法であって、
前記画像の画素毎に前記光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する前記発光時間を前記光ビームの走査角に応じて制御し、かつ、前記可変焦点レンズの焦点距離を前記走査角に応じて制御する、画像表示方法。
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