画像表示装置
【課題】画像表示装置において、高解像度であっても、明るさとコントラストを良好に保ちつつ、簡素な構成にできるようにする。
【解決手段】画像表示装置１は、レーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを発生するレーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂと、表示面７ａ上に、複数の変調要素を備える２次元変調素子７と、レーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを、変調要素の２つ以上にまたがる大きさとなるように集光して、表示面７ａ上で、ラスタ走査させる走査部２０と、画像信号に基づいて、レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂの変調動作を制御するための第１の変調信号、および２次元変調素子７による空間変調動作を制御するための第２の変調信号を生成する信号変換部と、レーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを変調する光ビーム変調制御部と、２次元変調素子７の変調要素を制御する変調素子制御部と、投影光学系９とを備える。
【解決手段】画像表示装置１は、レーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを発生するレーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂと、表示面７ａ上に、複数の変調要素を備える２次元変調素子７と、レーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを、変調要素の２つ以上にまたがる大きさとなるように集光して、表示面７ａ上で、ラスタ走査させる走査部２０と、画像信号に基づいて、レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂの変調動作を制御するための第１の変調信号、および２次元変調素子７による空間変調動作を制御するための第２の変調信号を生成する信号変換部と、レーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを変調する光ビーム変調制御部と、２次元変調素子７の変調要素を制御する変調素子制御部と、投影光学系９とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザビーム走査を用いた画像表示装置や、ＬＣＯＳやＬＣＤなどの２次元光変調デバイスを用いた画像表示装置が知られている。
例えば、特許文献１には、レーザビームを偏向するミラーによって、レーザビームを２次元方向に走査せしめるレーザ投射部を備え、走査位置に応じてレーザビームを変調し、スクリーン上に２次元画像を表示するディスプレイ装置が記載されている。
【特許文献１】再公表特許第ＷＯ２００５／０８３４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような従来の画像表示装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、表示解像度は、レーザビームのスポット径、偏向ミラーの偏向速度、レーザビームの変調周波数などに制約される。この場合、表示解像度を高くするためには、レーザビームのスポット径を絞り、偏向ミラーの偏向速度およびレーザビームの変調周波数を増大させる必要がある。特に、変調周波数は水平解像度と垂直解像度の積に比例して高周波になるため、変調手段の応答性が急激に悪化し、表示解像度を向上してもかえって画像コントラストが低下してしまい、良好な画像を表示することができなくなるという問題がある。
また、２次元光変調デバイスを用いる場合には、表示光をフレーム画像ごとに空間変調するため、変調周波数は低減できるものの、カラー画像表示を行うためには、複数の２次元変調手段が必要となるため、装置構成が複雑になってしまうという問題がある。
また、１つの２次元変調デバイスを用いて、表示光を切り替えて色順次に変調することも考えられるが、この場合、変調の応答周波数を高くする必要があり、仮に応答周波数を向上できたとしても、光量が低下してしまうという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、高解像度であっても、明るさとコントラストを良好に保ちつつ、簡素な構成とすることができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明の画像表示装置は、変調可能な光ビームを発生する光源と、表示面上に、互いに直交する２軸方向に沿ってそれぞれに一定のピッチをなして配列された複数の変調要素を備える２次元変調素子と、前記光源で発生された前記光ビームを、少なくとも１方向の光束径が前記変調要素の２つ以上にまたがる大きさとなるように集光して、前記２次元変調素子の前記表示面上で、前記１方向に直交する方向を水平走査方向としてラスタ走査させる走査部と、画像信号に基づいて、前記光源の変調動作を制御するための第１の変調信号、および前記２次元変調素子による空間変調動作を制御するための第２の変調信号を生成する信号変換部と、前記第１の変調信号によって前記光源を制御して前記光ビームを変調する光ビーム変調制御部と、前記表示面に走査された光ビームを空間変調するため、前記第２の変調信号によって前記２次元変調素子の前記変調要素を制御する変調素子制御部と、前記空間変調された前記光ビームの像を、拡大投影する投影光学系とを備える構成とする。
この発明によれば、画像信号に基づいて、信号変換部により第１および第２の変調信号を生成し、これらの変調信号を、それぞれ光ビーム変調制御部および変調素子制御部に送出する。これにより、光源では第１の変調信号で変調された光ビームが発生され、この光ビームが、走査部によって２次元変調素子の表示面にラスタ走査される。このとき、光ビームの１方向の光束径は、２次元変調素子の変調要素の２つ以上にまたがる大きさとされ、この１方向をラスタ走査の垂直走査方向に合わせることで、ラスタ走査の水平走査ラインは、２以上の変調要素にまたがるライン幅を備える。
変調素子制御部は、第２の変調信号によって２次元変調素子の各変調要素を制御し、これにより走査された光ビームが空間変調される。そして、この空間変調された光ビームの像が、投影光学系によって、投影面に拡大投影され、画像信号に基づく画像が投影面に表示される。
２次元変調素子の変調要素は、光ビームの光束径の範囲に２つ以上含まれる大きさを有するため、投影面に表示された画像は、光ビームの走査条件による表示解像度を上回る２次元変調素子の表示解像度によって表示される。
また、走査部では、表示解像度の割に低速の走査を行うのみでよく、光源の変調周波数も低減される。
また、光ビームの光束径は２次元変調素子の表示要素２つ以上含む大きさで良いため、光ビーム光源として発光範囲のより広い高出力な光源を利用できるので、明るい画像を表示することが容易にできる。
また、表示画像のコントラストは、光ビームの変調によるコントラストと２次元表示素子による変調のコントラストとが重畳されたものとなるので、両者よりも高いコントラストを得ることができ、コントラストを良好に保つことができる。更には、元画像のコントラストを強調した画像を得ることもできる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の画像表示装置によれば、光ビームを２つ以上の変調素子を含む２次元変調素子上に走査して画像を表示するため、高解像度であっても、明るさとコントラストを良好に保ちつつ、簡素な構成とすることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【０００８】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す模式的な構成図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置の制御ユニットの機能構成を示す機能ブロック図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置に用いる２次元変調素子の表示面上における光ビームの走査について説明する模式説明図である。
【０００９】
本実施形態の画像表示装置１は、フルカラーの画像をスクリーン１０などの投影面に拡大投影するもので、例えば、ビデオプロジェクタ、プロジェクションテレビジョンなどの画像表示装置として好適に用いることができるものである。
画像表示装置１の概略構成は、図１、２に示すように、レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ、ダイクロイックミラー３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ、走査部２０、偏光ビームスプリッタ６、２次元変調素子７、投影光学系９、および制御ユニット２００（図２参照）を備える。
【００１０】
レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは、それぞれ、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）に対応する波長を有するレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを発生させ、同径の平行光束として出射するものである。
レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは、画像表示装置１００のレーザ変調制御部２０２と電気的に接続されており、それぞれから出射されるレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを個別に変調できるようになっている。
レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは、例えば、それぞれの波長を有するレーザダイオードとコリメートレンズとの組合せや、ガスレーザと例えばＡＯ変調器、ＥＯ変調器などの変調手段との組合せなどを採用することができる。レーザダイオードを用いる場合には、レーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢの偏光方向は、後述する共通の光路上に合成されたときに、同方向となるような位置関係に配置される。
【００１１】
ダイクロイックミラー３Ｒ、３Ｇ、３Ｂは、それぞれレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを共通の光路上に合成して後述する走査部２０の偏向器４に導くために、適宜の反射率波長特性、透過率波長特性を有するフィルタ面を備えたものであり、レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂで発生されたレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢの光路上にそれぞれ配置されている。
【００１２】
本実施形態では、偏向器４から遠い側から、レーザ光源２Ｂ、２Ｇ、２Ｒが並列して配置され、それぞれの出射口側に、ダイクロイックミラー３Ｂ、３Ｇ、３Ｂが配置されている。
ダイクロイックミラー３Ｂは、レーザビームＬＢを高反射率で反射するフィルタ面が形成されている。
ダイクロイックミラー３Ｇは、レーザビームＬＢを高透過率で透過し、レーザビームＬＧを高反射率で反射するフィルタ面が形成されている。
ダイクロイックミラー３Ｒは、レーザビームＬＢ、ＬＧを高透過率で透過し、レーザビームＬＲを高反射率で反射するフィルタ面が形成されている。
高反射率、高透過率の大きさは、必要に応じて適宜設定することができるが、それぞれ、９０％以上１００％以下の範囲でなるべく高い値とすることが好ましい。
【００１３】
走査部２０は、ダイクロイックミラー３Ｒを透過したレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを一定の被走査面上で一定のビームスポットに結像し、ラスタ走査を行うものであり、偏向器４、および走査光学系５からなる。
【００１４】
偏向器４は、本実施形態では、傾斜角を２軸方向に変化させることができる可動ミラーを用いている。このような可動ミラーは、周知のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって、シリコン基板上に、ヒンジ部によって傾動可能に保持されたシリコン製のミラーと、ミラーに静電気力を加えて傾斜角を２軸方向に変化させるミラー駆動部とが形成された可動ミラーを採用している。
ラスタ走査方式は、水平方向走査による２ラインの走査を可動ミラーの往復走査によって行い、水平走査ラインの走査方向がラインごとに反転される方式を採用している。
偏向器４は、制御ユニット２００の偏向器制御部２０４と電気的に接続されている。
【００１５】
ただし、偏向器４の構成は、これに限定されるものではなく、例えば、反射ミラーの一定の角度範囲の間で往復揺動させるガルバノミラーや、ポリゴンミラーを一定方向に回転させるポリゴンスキャナなどを２つ組み合わせることで２軸方向の走査を行ったり、水平方向走査を行うガルバノミラーやポリゴンスキャナを回動機構に保持して、回動機構により垂直方向走査させたりする構成としてもよい。
また、ラスタ走査方式は水平走査ラインをラインごとに一定方向に走査する方式としてもよい。
【００１６】
走査光学系５は、偏向器４によって偏向されるレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを像面に結像して一定のビームスポットＳ（図３参照）を形成する光学素子または光学素子群である。
ビームスポットＳのスポット径は、図３に示すように、水平走査方向がＤＸ、垂直走査方向がＤＹとされる。
ここで、スポット径ＤＹは、後述する２次元変調素子７の変調要素Ｍの２つ以上にまたがる大きさとされる。本実施形態では、２つにまたがる大きさとしている。
水平走査方向のスポット径ＤＸは、安定した大きさであれば、特に制限はないが、スポット径ＤＹと同等か、もしくはより小さいことが好ましい。
【００１７】
偏光ビームスプリッタ６は、走査光学系５と走査部２０の像面との間の光路上に配置され、走査光学系５からの走査部２０の像面に向かうレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢの一定方向の偏光成分を透過させるとともに、これに直交する偏光成分を反射して、側方に分岐させる光路分岐手段である。
【００１８】
２次元変調素子７は、図３に示すように、矩形状の表示面７ａ上に、互いに直交する２軸方向に沿ってそれぞれに一定の配列ピッチＷＸ、ＷＹをなして配列された複数の変調要素Ｍを備える反射型の空間変調素子である。
本実施形態では、２次元変調素子７として、水平方向、垂直方向がそれぞれ、８００×６００の変調要素Ｍで構成されたＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）を採用している。変調要素Ｍの配列ピッチは、ＷＸ＝ＷＹ＝１２μｍである。ＬＣＯＳでは、変調要素Ｍの大きさも配列ピッチＷＸ、ＷＹに略等しい大きさを有する。
２次元変調素子７の表示面７ａは、走査部２０の像面に配置されている。また、表示面７ａの長辺側に沿う変調要素Ｍの配列方向は、走査部２０の水平走査方向に一致されている。
【００１９】
２次元変調素子７の変調要素Ｍは、鏡面上のシリコン基板表面に形成され、ＷＸ×ＷＹに略等しい大きさを有する光反射性の画素電極と、画素電極上に、透明電極に挟まれて封止された液晶と、液晶の配向制御を行う駆動回路とを備え、駆動回路が、制御ユニット２００の変調素子制御部２０３に電気的に接続されている。
これにより、変調素子制御部２０３からの変調信号に応じて、各変調要素Ｍの液晶の配向が個別に制御され、入射光が液晶に入射して画素電極またはシリコン基板で反射されると、変調信号に応じて、入射の偏光方向が最大９０°まで回転させる状態に制御される。この結果、２次元変調素子７に入射したレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢは、偏光方向が、空間変調され、偏光ビームスプリッタ６側に向かって反射されるようになっている。
【００２０】
投影光学系９は、２次元変調素子７で反射されてから、偏光ビームスプリッタ６によって反射されたレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢの像をスクリーン１０に拡大投影するレンズまたはレンズ群であり、偏光ビームスプリッタ６の側方に配置されている。
【００２１】
次に、制御ユニット２００について説明する。
制御ユニット２００は、図２に示すように、信号変換部２０１、レーザ変調制御部２０２、変調素子制御部２０３、偏向器制御部２０４、および装置制御部２０５を備える。
【００２２】
信号変換部２０１は、画像表示を行うために装置外部から入力される画像信号３００に基づいて、レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂの変調動作を制御するための変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂ、および２次元変調素子７による空間変調動作を制御するための変調信号３０２を生成するものである。
画像信号３００は、２次元のカラー画像を、２次元変調素子７の画素（変調要素Ｍ）数および画素配置に応じて、８００×６００個の画素でデジタル化した信号である。以下では、画像信号３００は、輝度信号Ｙと色信号Ｃからなるものとして説明する。
画像信号３００は、ＲＧＢ信号であってもよいが、この場合には、信号変換部２０１で、ＲＧＢ信号を輝度信号Ｙ、色信号Ｃに変換できるようにしておく。
【００２３】
変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂは、画像信号３００の色信号Ｃに係る色情報を、レーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢに与えるための信号である。本実施形態では、画像信号３００を２×２画素の領域に区画して、これら２００×１５０個の領域内の色信号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３、Ｃ４に演算ｆを施して、色信号ＣＬを、ＣＬ＝ｆ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３、Ｃ４）として生成し、この色信号ＣＬと、適宜値に設定した輝度信号ＹＬとからＲＧＢ信号に変換したものである。
本実施形態では、一例として、演算ｆは単純平均を採用し、輝度信号ＹＬは、画像信号３００が取りうる最大輝度に設定する。
変調信号３０２は、画像信号３００の輝度信号Ｙに係る輝度情報に基づいて、２次元変調素子７の空間変調動作を制御するものである。本実施形態では、輝度信号Ｙと同じ信号を採用している。
【００２４】
レーザ変調制御部２０２は、変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂによって、それぞれレーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを制御してレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを変調するものである。
変調素子制御部２０３は、表示面７ａに走査されたレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを空間変調するため、変調信号３０２によって２次元変調素子７の各変調要素Ｍを制御するものである。
偏向器制御部２０４は、偏向器４の２軸方向の偏向動作を制御するものである。
装置制御部２０５は、信号変換部２０１、レーザ変調制御部２０２、変調素子制御部２０３、および偏向器制御部２０４の各動作を、所定のタイミングに基づいて制御するものである。
【００２５】
制御ユニット２００の装置構成は、専用のハードウェアを用いるものでもよいし、ＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェース、外部記憶装置などからなるコンピュータで適宜のプログラムを実行するものでもよい。
【００２６】
次に、本実施形態の画像表示装置１の動作について説明する。
図４は、画像信号の一例に対応する画像を示す模式図である。図５は、図４における画像信号に基づく第１の変調信号について説明するための模式図である。図６は、図４における画像信号に基づく第２の変調信号について説明するための模式図である。図７は、投影面に投影される画像について説明するための模式図である。
【００２７】
まず、画像表示装置１の光路について説明する。
レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂで発生され、平行光として出射されたレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢは、それぞれ、ダイクロイックミラー３Ｒ、３Ｇ、３Ｂで反射されてから、共通の光路に沿って進む。すなわち、レーザビームＬＲは、ダイクロイックミラー３Ｇ、３Ｂを透過した後に、レーザビームＬＧは、ダイクロイックミラー３Ｒを透過した後に、それぞれ共通の光路に合成されて、偏向器４に入射する。
以後もレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢは共通の光路を進むため、以下では、特に区別する必要がない場合には、これらをまとめてレーザビームＬと表記することにする。
【００２８】
偏向器４は、偏向器制御部２０４によって２軸方向に揺動され、その揺動位置に応じてレーザビームＬの偏向方向が変化される。表示面７ａに対応する矩形領域を、水平走査方向に往復しつつ、垂直走査方向に移動されていく。
偏向器４で偏向されたレーザビームＬは、走査光学系５によって集光されつつ偏光ビームスプリッタ６に到達し、一定の偏光成分が透過し、２次元変調素子７の表示面７ａに、ビームスポットＳを形成する。
本実施形態では、図３に示すように、ビームスポットＳのスポット径ＤＹが、２つの変調要素Ｍにまたがる大きさを有するため、水平走査ラインＬＸは、変調要素Ｍの２行分を同時に走査するラインとなっている。図３において、矢印Ｘはラスタ走査の一方の水平走査方向、矢印Ｙはラスタ走査の垂直走査方向を示す（図４〜７も同じ）。
【００２９】
２次元変調素子７の各変調要素Ｍは、変調信号３０２に応じて、液晶の配向方向が制御され、偏光方向が回転された状態で反射される。本実施形態では、レーザビームＬは、表示面７ａに垂直入射するようになっており、レーザビームＬは、入射した光路を逆進して、偏光ビームスプリッタ６に到達する。ここで、レーザビームＬは、変調要素Ｍ上を水平走査ラインＬＸに沿って走査するため、水平走査ラインＬＸ内の走査位置の変調要素Ｍごとに、偏光方向が変化し、偏光方向が空間変調されたレーザビームＬが反射される。
偏光ビームスプリッタ６では、透過光に対して偏光方向が９０°異なる成分が反射されるため、偏光ビームスプリッタ６に再入射したレーザビームＬは、偏光方向に応じた輝度が変化されたレーザビームＬとなって、側方に反射される。
偏光ビームスプリッタ６で反射されたレーザビームＬは、投影光学系９を透過して、スクリーン１０上に拡大投影される。
【００３０】
次に、画像表示装置１によってスクリーン１０に表示される画像について説明する。
以下では、画像信号３００の一例として、図４に示す画像を用いて説明する。
図４の矩形のマスは、２次元変調素子７上の変調要素Ｍに対応する画素を示し、それぞれに、画像信号３００が割り当てられている。説明を簡単にするため、画像信号３００は、画像信号Ｉ０（図示の無地部分）の背景に画像信号Ｉ８（図示の８が記載された網点部分）が分布された１画素ラインによって、文字Ｒ、Ｇ、Ｂが描かれる画像としている。
画像信号Ｉ０は、レーザビームＬの消灯を意味する黒画像を表し、画像信号Ｉ８は、一定の色画像を示す。画像Ｉ８の輝度は適宜の値をとることができるが、以下では簡単のため、輝度信号の最大値であるとして説明する。
ここで、添字０、８は、大小が直観的に分かりやすくなるように設けたもので、実際の画像信号の信号値を表すものではない。
【００３１】
このような画像信号３００が、信号変換部２０１に入力されると、画像信号Ｉ０、Ｉ８は、それぞれ、輝度信号Ｙ０、Ｙ８、色信号Ｃ０、Ｃ８に変換される。
信号変換部２０１は、図５に示すように、画像信号３００を、水平走査ラインＬＸおよび水平走査ラインＬＸに直交する２列分の変調要素Ｍに対応する２×２画素の領域Ａに区画し、各領域Ａ内の色信号Ｃを、それぞれ平均して、色信号ＣＬを生成する。この色信号ＣＬと、輝度信号ＹＬ＝Ｙ８とを、ＲＧＢ信号に変換して、領域Ａごとに対応する変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂを生成し、レーザ変調制御部２０２に送出する。
このような変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂは、領域Ａの平均化された色情報を有する変調信号になっている。
図４の例では、領域Ａの画像信号Ｉ８が含まれる場合、２個、１個の２通りになっており、色信号ＣＬは、図５に示すように、それぞれＣ４（図示の４が記載された網点部分）、Ｃ２（図示の２が記載された網点部分）のように平均化される。
【００３２】
変調信号３０２は、本実施形態では、図６に示すように、各変調要素Ｍに対応して、画像信号３００から得られた輝度信号Ｙ０、Ｙ８をそのまま用い、変調素子制御部２０３に送出する。
【００３３】
これにより、レーザビームＬが走査する各領域Ａにおいて、変調要素Ｍによって、空間変調され、スクリーン１０には、図７に模式的に示すように画像Ｊが表示される。
画像Ｊは、画像信号３００の画像信号Ｉ８に対応する各画素が、それぞれ対応する領域Ａに照射されるレーザビームＬは、領域Ａの平均的な色情報と最大輝度を有する光であり、一方、領域Ａ内の変調要素Ｍは、画像信号３００の各画素の輝度情報に基づいて変調動作が制御されている。
したがって、画像Ｊは、画像信号３００に対して、解像度が同一で、色情報のみが領域Ａ内で平均化された画像要素Ｊ４、Ｊ２に変換されたものとなる。
なお、上記の説明は、分かりやすくするため、元の画像が、レーザビームＬのビームスポットＳよりも細い線のみからなる画像であるとして説明したが、より粗い画像部分では、色情報の変化はほとんど起こらない。
【００３４】
人の視覚は、解像度やコントラストには敏感で、色情報には鈍感であるから、このような画像Ｊは、高解像度のため、画面内に多数の情報や、画像ディーテイルを表すことができ、しかも視覚的な違和感も少ないものとなる。
【００３５】
また、画像表示装置１によれば、レーザビームＬを、水平走査方向に直交する方向で２つの変調要素Ｍにまたがって、ラスタ走査するので、画像の表示解像度の割に、レーザビームＬの偏向速度や、変調周波数を低減することができる。そのため、レーザビーム走査のみを用いる画像表示装置に比べて、高い表示解像度が得られる。また、表示解像度が同じ場合も、偏向器４を高速化したり、レーザ変調制御部２０２、変調素子制御部２０３を高周波仕様にしたりしなくてもよいため、より簡素で、安価な装置構成とすることができる。
【００３６】
また、画像表示装置１によれば、２次元変調素子７の変調要素Ｍに対して、フルカラーのレーザビームＬを照射して、画像表示を行うので、いわゆる１板式の画像表示装置が構成されている。
このため、３つの空間変調素子によって色分解画像を表示し、それぞれの色分解画像を合成してから投影する、いわゆる３板式の画像表示装置に比べて、簡素な構成とすることができ、３板式に比べて、２次元変調素子７の周りを省スペース化することができ、小型化が可能となる。
また、２次元変調素子を色順次に変調する1枚式の画像表示装置に用いられる変調の応答周波数が高い高性能な２次元変調素子ではなく、３板式の画像表示装置に用いられる一般的な２次元変調素子を用いることができるので、汎用性が高くでき、安価な装置構成とすることができる。
【００３７】
次に、本実施形態の変調信号の変形例について説明する。
上記第１の実施形態では、変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂとして、色信号を単純平均して、輝度信号を最大値として求めたが、レーザの変調性能、２次元変調素子の変調性能、スクリーン１０に投影されたときの色再現性を考慮して種々の変形を施してもよい。
例えば、演算ｆは、重み付け演算や、移動平均などを採用することができる。また、隣接する画素領域の色信号Ｃを用いる信号処理を施してもよい。
【００３８】
また、輝度信号ＹＬとして、画像信号３００の最大輝度値を採用したが、より低輝度値を採用してもよい。例えば、平均化された色信号ＣＬが元の画像と同じ輝度となることで、画像の条件によって目立つノイズとなりやすい場合、低輝度とすることで、ノイズを押さえることができる。例えば、輝度信号ＹＬも、領域内で、単純平均、重み付け演算、移動平均などしてもよい。
また、輝度信号ＹＬは、固定値とせず、領域Ａごとに変化させてもよい。また、輝度信号ＹＬとして、より高輝度値を採用してもよい。この場合、元画像の明るい部分、暗い部分を強調して、よりメリハリの利いた画像を表示することができる。
【００３９】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る画像表示装置について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す模式的な構成図である。
【００４０】
本実施形態に係る画像表示装置１００は、図８に示すように、上記第１の実施形態の画像表示装置１において、偏光ビームスプリッタ６を削除し、２次元変調素子７に代えて、２次元変調素子７０を備えるものである。また、制御ユニット２００は共通である。
２次元変調素子７０、投影光学系９は、走査光学系５の光軸上に、この順に配置されている。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４１】
２次元変調素子７０は、図３に示すように、矩形状の表示面７０ａ上に、互いに直交する２軸方向に沿ってそれぞれに一定の配列ピッチＷＸ、ＷＹをなして配列された複数の変調要素Ｍを備える透過型の空間変調素子である。
本実施形態では、２次元変調素子７０として、水平方向、垂直方向がそれぞれ、８００×６００の変調要素Ｍで構成されたＬＣＤ（Liquid Crystal Display）を採用している。 ２次元変調素子７の表示面７０ａは、走査部２０の像面に配置されている。また、表示面７０ａの長辺側に沿う変調要素Ｍの配列方向は、走査部２０の水平走査方向に一致されている。
【００４２】
２次元変調素子７０の変調要素Ｍは、ＷＸ×ＷＹよりわずかに狭い矩形開口を有する液晶シャッタであり、それぞれ、偏光板および透明電極に挟まれて封止された液晶と、液晶の配向制御を行う駆動回路とを備え、駆動回路が、制御ユニット２００の変調素子制御部２０３に電気的に接続されている。
これにより、変調素子制御部２０３からの変調信号に応じて、各変調要素Ｍの液晶の配向が個別に制御され、矩形開口の透過率が制御される。この結果、２次元変調素子７０に入射したレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢは、空間変調され、表示面７０ａ上に画像が表示される。この画像は、投影光学系９によって、スクリーン１０に拡大投影される。
【００４３】
本実施形態の画像表示装置１００は、上記第１の実施形態の反射型の空間変調素子を、透過型の空間変調素子を用いた点のみが異なるため、上記第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００４４】
なお、上記の説明では、光の３原色に対応するレーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを備え、フルカラー画像を表示する場合の例で説明したが、フルカラー画像が必要ない場合には、２色または単色の光源を備えるのみでもよい。この場合、上記と同様に、偏向速度や光源の変調周波数の大きさの割に、高解像度の画像を表示することができる。
【００４５】
また、上記の説明では、ビームスポットＳが、変調要素Ｍの２つにまたがる場合の例で説明したが、３つ以上にまたがる大きさとしてもよい。
また、上記の説明では、領域Ａは、正方形領域の場合で説明したが、矩形領域であってもよい。
【００４６】
また、上記の実施形態および変形例に記載された構成要素は、技術的に可能であれば、本発明の技術的思想の範囲内で適宜組み合わせて実施することができる。
【００４７】
ここで、上記各実施形態の用語と特許請求の範囲の用語との対応関係について名称が異なる場合について説明する。
レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは、それぞれ光源の一実施形態である。変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂは、第１の変調信号、変調信号３０２は、第２の変調信号の一実施形態である。レーザ変調制御部２０２は、光ビーム変調制御部の一実施形態である。レーザビームＬ、ＬＲ、ＬＧ、ＬＢは、光ビームの一実施形態である。スポット径は、光束径に対応する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す模式的な構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置の制御ユニットの機能構成を示す機能ブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置に用いる２次元変調素子の表示面上における光ビームの走査について説明する模式説明図である。
【図４】画像信号の一例に対応する画像を示す模式図である。
【図５】図４における画像信号に基づく第１の変調信号について説明するための模式図である。
【図６】図４における画像信号に基づく第２の変調信号について説明するための模式図である。
【図７】投影面に投影される画像について説明するための模式図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す模式的な構成図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 画像表示装置
２Ｒ、２Ｂ、２Ｇ レーザ光源（光源）
３Ｒ、３Ｂ、３Ｇ ダイクロイックミラー
４ 偏向器
５ 走査光学系
６ 偏光ビームスプリッタ
７、７０ ２次元変調素子
７ａ、７０ａ 表示面
９ 投影光学系
２０ 走査部
Ａ 領域
Ｃ、ＣＬ、Ｃ０、Ｃ２、Ｃ４ 色信号
Ｊ 画像
Ｌ、ＬＲ、ＬＧ、ＬＢ レーザビーム（光ビーム）
Ｍ 変調要素
Ｓ ビームスポット
Ｙ、ＹＬ、Ｙ０、Ｙ２、Ｙ４、Ｙ８ 輝度信号
ＤＸ、ＤＹ スポット径
３００、Ｉ０、Ｉ８ 画像信号
ＬＸ 水平走査ライン
２００ 制御ユニット
２０１ 信号変換部
２０２ レーザ変調制御部（光ビーム変調制御部）
２０３ 変調素子制御部
３０１Ｒ、３０１Ｇ，３０１Ｂ 変調信号（第１の変調信号）
３０２ 変調信号（第２の変調信号）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザビーム走査を用いた画像表示装置や、ＬＣＯＳやＬＣＤなどの２次元光変調デバイスを用いた画像表示装置が知られている。
例えば、特許文献１には、レーザビームを偏向するミラーによって、レーザビームを２次元方向に走査せしめるレーザ投射部を備え、走査位置に応じてレーザビームを変調し、スクリーン上に２次元画像を表示するディスプレイ装置が記載されている。
【特許文献１】再公表特許第ＷＯ２００５／０８３４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような従来の画像表示装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、表示解像度は、レーザビームのスポット径、偏向ミラーの偏向速度、レーザビームの変調周波数などに制約される。この場合、表示解像度を高くするためには、レーザビームのスポット径を絞り、偏向ミラーの偏向速度およびレーザビームの変調周波数を増大させる必要がある。特に、変調周波数は水平解像度と垂直解像度の積に比例して高周波になるため、変調手段の応答性が急激に悪化し、表示解像度を向上してもかえって画像コントラストが低下してしまい、良好な画像を表示することができなくなるという問題がある。
また、２次元光変調デバイスを用いる場合には、表示光をフレーム画像ごとに空間変調するため、変調周波数は低減できるものの、カラー画像表示を行うためには、複数の２次元変調手段が必要となるため、装置構成が複雑になってしまうという問題がある。
また、１つの２次元変調デバイスを用いて、表示光を切り替えて色順次に変調することも考えられるが、この場合、変調の応答周波数を高くする必要があり、仮に応答周波数を向上できたとしても、光量が低下してしまうという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、高解像度であっても、明るさとコントラストを良好に保ちつつ、簡素な構成とすることができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明の画像表示装置は、変調可能な光ビームを発生する光源と、表示面上に、互いに直交する２軸方向に沿ってそれぞれに一定のピッチをなして配列された複数の変調要素を備える２次元変調素子と、前記光源で発生された前記光ビームを、少なくとも１方向の光束径が前記変調要素の２つ以上にまたがる大きさとなるように集光して、前記２次元変調素子の前記表示面上で、前記１方向に直交する方向を水平走査方向としてラスタ走査させる走査部と、画像信号に基づいて、前記光源の変調動作を制御するための第１の変調信号、および前記２次元変調素子による空間変調動作を制御するための第２の変調信号を生成する信号変換部と、前記第１の変調信号によって前記光源を制御して前記光ビームを変調する光ビーム変調制御部と、前記表示面に走査された光ビームを空間変調するため、前記第２の変調信号によって前記２次元変調素子の前記変調要素を制御する変調素子制御部と、前記空間変調された前記光ビームの像を、拡大投影する投影光学系とを備える構成とする。
この発明によれば、画像信号に基づいて、信号変換部により第１および第２の変調信号を生成し、これらの変調信号を、それぞれ光ビーム変調制御部および変調素子制御部に送出する。これにより、光源では第１の変調信号で変調された光ビームが発生され、この光ビームが、走査部によって２次元変調素子の表示面にラスタ走査される。このとき、光ビームの１方向の光束径は、２次元変調素子の変調要素の２つ以上にまたがる大きさとされ、この１方向をラスタ走査の垂直走査方向に合わせることで、ラスタ走査の水平走査ラインは、２以上の変調要素にまたがるライン幅を備える。
変調素子制御部は、第２の変調信号によって２次元変調素子の各変調要素を制御し、これにより走査された光ビームが空間変調される。そして、この空間変調された光ビームの像が、投影光学系によって、投影面に拡大投影され、画像信号に基づく画像が投影面に表示される。
２次元変調素子の変調要素は、光ビームの光束径の範囲に２つ以上含まれる大きさを有するため、投影面に表示された画像は、光ビームの走査条件による表示解像度を上回る２次元変調素子の表示解像度によって表示される。
また、走査部では、表示解像度の割に低速の走査を行うのみでよく、光源の変調周波数も低減される。
また、光ビームの光束径は２次元変調素子の表示要素２つ以上含む大きさで良いため、光ビーム光源として発光範囲のより広い高出力な光源を利用できるので、明るい画像を表示することが容易にできる。
また、表示画像のコントラストは、光ビームの変調によるコントラストと２次元表示素子による変調のコントラストとが重畳されたものとなるので、両者よりも高いコントラストを得ることができ、コントラストを良好に保つことができる。更には、元画像のコントラストを強調した画像を得ることもできる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の画像表示装置によれば、光ビームを２つ以上の変調素子を含む２次元変調素子上に走査して画像を表示するため、高解像度であっても、明るさとコントラストを良好に保ちつつ、簡素な構成とすることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【０００８】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す模式的な構成図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置の制御ユニットの機能構成を示す機能ブロック図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置に用いる２次元変調素子の表示面上における光ビームの走査について説明する模式説明図である。
【０００９】
本実施形態の画像表示装置１は、フルカラーの画像をスクリーン１０などの投影面に拡大投影するもので、例えば、ビデオプロジェクタ、プロジェクションテレビジョンなどの画像表示装置として好適に用いることができるものである。
画像表示装置１の概略構成は、図１、２に示すように、レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ、ダイクロイックミラー３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ、走査部２０、偏光ビームスプリッタ６、２次元変調素子７、投影光学系９、および制御ユニット２００（図２参照）を備える。
【００１０】
レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは、それぞれ、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）に対応する波長を有するレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを発生させ、同径の平行光束として出射するものである。
レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは、画像表示装置１００のレーザ変調制御部２０２と電気的に接続されており、それぞれから出射されるレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを個別に変調できるようになっている。
レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは、例えば、それぞれの波長を有するレーザダイオードとコリメートレンズとの組合せや、ガスレーザと例えばＡＯ変調器、ＥＯ変調器などの変調手段との組合せなどを採用することができる。レーザダイオードを用いる場合には、レーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢの偏光方向は、後述する共通の光路上に合成されたときに、同方向となるような位置関係に配置される。
【００１１】
ダイクロイックミラー３Ｒ、３Ｇ、３Ｂは、それぞれレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを共通の光路上に合成して後述する走査部２０の偏向器４に導くために、適宜の反射率波長特性、透過率波長特性を有するフィルタ面を備えたものであり、レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂで発生されたレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢの光路上にそれぞれ配置されている。
【００１２】
本実施形態では、偏向器４から遠い側から、レーザ光源２Ｂ、２Ｇ、２Ｒが並列して配置され、それぞれの出射口側に、ダイクロイックミラー３Ｂ、３Ｇ、３Ｂが配置されている。
ダイクロイックミラー３Ｂは、レーザビームＬＢを高反射率で反射するフィルタ面が形成されている。
ダイクロイックミラー３Ｇは、レーザビームＬＢを高透過率で透過し、レーザビームＬＧを高反射率で反射するフィルタ面が形成されている。
ダイクロイックミラー３Ｒは、レーザビームＬＢ、ＬＧを高透過率で透過し、レーザビームＬＲを高反射率で反射するフィルタ面が形成されている。
高反射率、高透過率の大きさは、必要に応じて適宜設定することができるが、それぞれ、９０％以上１００％以下の範囲でなるべく高い値とすることが好ましい。
【００１３】
走査部２０は、ダイクロイックミラー３Ｒを透過したレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを一定の被走査面上で一定のビームスポットに結像し、ラスタ走査を行うものであり、偏向器４、および走査光学系５からなる。
【００１４】
偏向器４は、本実施形態では、傾斜角を２軸方向に変化させることができる可動ミラーを用いている。このような可動ミラーは、周知のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって、シリコン基板上に、ヒンジ部によって傾動可能に保持されたシリコン製のミラーと、ミラーに静電気力を加えて傾斜角を２軸方向に変化させるミラー駆動部とが形成された可動ミラーを採用している。
ラスタ走査方式は、水平方向走査による２ラインの走査を可動ミラーの往復走査によって行い、水平走査ラインの走査方向がラインごとに反転される方式を採用している。
偏向器４は、制御ユニット２００の偏向器制御部２０４と電気的に接続されている。
【００１５】
ただし、偏向器４の構成は、これに限定されるものではなく、例えば、反射ミラーの一定の角度範囲の間で往復揺動させるガルバノミラーや、ポリゴンミラーを一定方向に回転させるポリゴンスキャナなどを２つ組み合わせることで２軸方向の走査を行ったり、水平方向走査を行うガルバノミラーやポリゴンスキャナを回動機構に保持して、回動機構により垂直方向走査させたりする構成としてもよい。
また、ラスタ走査方式は水平走査ラインをラインごとに一定方向に走査する方式としてもよい。
【００１６】
走査光学系５は、偏向器４によって偏向されるレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを像面に結像して一定のビームスポットＳ（図３参照）を形成する光学素子または光学素子群である。
ビームスポットＳのスポット径は、図３に示すように、水平走査方向がＤＸ、垂直走査方向がＤＹとされる。
ここで、スポット径ＤＹは、後述する２次元変調素子７の変調要素Ｍの２つ以上にまたがる大きさとされる。本実施形態では、２つにまたがる大きさとしている。
水平走査方向のスポット径ＤＸは、安定した大きさであれば、特に制限はないが、スポット径ＤＹと同等か、もしくはより小さいことが好ましい。
【００１７】
偏光ビームスプリッタ６は、走査光学系５と走査部２０の像面との間の光路上に配置され、走査光学系５からの走査部２０の像面に向かうレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢの一定方向の偏光成分を透過させるとともに、これに直交する偏光成分を反射して、側方に分岐させる光路分岐手段である。
【００１８】
２次元変調素子７は、図３に示すように、矩形状の表示面７ａ上に、互いに直交する２軸方向に沿ってそれぞれに一定の配列ピッチＷＸ、ＷＹをなして配列された複数の変調要素Ｍを備える反射型の空間変調素子である。
本実施形態では、２次元変調素子７として、水平方向、垂直方向がそれぞれ、８００×６００の変調要素Ｍで構成されたＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）を採用している。変調要素Ｍの配列ピッチは、ＷＸ＝ＷＹ＝１２μｍである。ＬＣＯＳでは、変調要素Ｍの大きさも配列ピッチＷＸ、ＷＹに略等しい大きさを有する。
２次元変調素子７の表示面７ａは、走査部２０の像面に配置されている。また、表示面７ａの長辺側に沿う変調要素Ｍの配列方向は、走査部２０の水平走査方向に一致されている。
【００１９】
２次元変調素子７の変調要素Ｍは、鏡面上のシリコン基板表面に形成され、ＷＸ×ＷＹに略等しい大きさを有する光反射性の画素電極と、画素電極上に、透明電極に挟まれて封止された液晶と、液晶の配向制御を行う駆動回路とを備え、駆動回路が、制御ユニット２００の変調素子制御部２０３に電気的に接続されている。
これにより、変調素子制御部２０３からの変調信号に応じて、各変調要素Ｍの液晶の配向が個別に制御され、入射光が液晶に入射して画素電極またはシリコン基板で反射されると、変調信号に応じて、入射の偏光方向が最大９０°まで回転させる状態に制御される。この結果、２次元変調素子７に入射したレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢは、偏光方向が、空間変調され、偏光ビームスプリッタ６側に向かって反射されるようになっている。
【００２０】
投影光学系９は、２次元変調素子７で反射されてから、偏光ビームスプリッタ６によって反射されたレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢの像をスクリーン１０に拡大投影するレンズまたはレンズ群であり、偏光ビームスプリッタ６の側方に配置されている。
【００２１】
次に、制御ユニット２００について説明する。
制御ユニット２００は、図２に示すように、信号変換部２０１、レーザ変調制御部２０２、変調素子制御部２０３、偏向器制御部２０４、および装置制御部２０５を備える。
【００２２】
信号変換部２０１は、画像表示を行うために装置外部から入力される画像信号３００に基づいて、レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂの変調動作を制御するための変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂ、および２次元変調素子７による空間変調動作を制御するための変調信号３０２を生成するものである。
画像信号３００は、２次元のカラー画像を、２次元変調素子７の画素（変調要素Ｍ）数および画素配置に応じて、８００×６００個の画素でデジタル化した信号である。以下では、画像信号３００は、輝度信号Ｙと色信号Ｃからなるものとして説明する。
画像信号３００は、ＲＧＢ信号であってもよいが、この場合には、信号変換部２０１で、ＲＧＢ信号を輝度信号Ｙ、色信号Ｃに変換できるようにしておく。
【００２３】
変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂは、画像信号３００の色信号Ｃに係る色情報を、レーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢに与えるための信号である。本実施形態では、画像信号３００を２×２画素の領域に区画して、これら２００×１５０個の領域内の色信号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３、Ｃ４に演算ｆを施して、色信号ＣＬを、ＣＬ＝ｆ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３、Ｃ４）として生成し、この色信号ＣＬと、適宜値に設定した輝度信号ＹＬとからＲＧＢ信号に変換したものである。
本実施形態では、一例として、演算ｆは単純平均を採用し、輝度信号ＹＬは、画像信号３００が取りうる最大輝度に設定する。
変調信号３０２は、画像信号３００の輝度信号Ｙに係る輝度情報に基づいて、２次元変調素子７の空間変調動作を制御するものである。本実施形態では、輝度信号Ｙと同じ信号を採用している。
【００２４】
レーザ変調制御部２０２は、変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂによって、それぞれレーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを制御してレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを変調するものである。
変調素子制御部２０３は、表示面７ａに走査されたレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢを空間変調するため、変調信号３０２によって２次元変調素子７の各変調要素Ｍを制御するものである。
偏向器制御部２０４は、偏向器４の２軸方向の偏向動作を制御するものである。
装置制御部２０５は、信号変換部２０１、レーザ変調制御部２０２、変調素子制御部２０３、および偏向器制御部２０４の各動作を、所定のタイミングに基づいて制御するものである。
【００２５】
制御ユニット２００の装置構成は、専用のハードウェアを用いるものでもよいし、ＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェース、外部記憶装置などからなるコンピュータで適宜のプログラムを実行するものでもよい。
【００２６】
次に、本実施形態の画像表示装置１の動作について説明する。
図４は、画像信号の一例に対応する画像を示す模式図である。図５は、図４における画像信号に基づく第１の変調信号について説明するための模式図である。図６は、図４における画像信号に基づく第２の変調信号について説明するための模式図である。図７は、投影面に投影される画像について説明するための模式図である。
【００２７】
まず、画像表示装置１の光路について説明する。
レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂで発生され、平行光として出射されたレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢは、それぞれ、ダイクロイックミラー３Ｒ、３Ｇ、３Ｂで反射されてから、共通の光路に沿って進む。すなわち、レーザビームＬＲは、ダイクロイックミラー３Ｇ、３Ｂを透過した後に、レーザビームＬＧは、ダイクロイックミラー３Ｒを透過した後に、それぞれ共通の光路に合成されて、偏向器４に入射する。
以後もレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢは共通の光路を進むため、以下では、特に区別する必要がない場合には、これらをまとめてレーザビームＬと表記することにする。
【００２８】
偏向器４は、偏向器制御部２０４によって２軸方向に揺動され、その揺動位置に応じてレーザビームＬの偏向方向が変化される。表示面７ａに対応する矩形領域を、水平走査方向に往復しつつ、垂直走査方向に移動されていく。
偏向器４で偏向されたレーザビームＬは、走査光学系５によって集光されつつ偏光ビームスプリッタ６に到達し、一定の偏光成分が透過し、２次元変調素子７の表示面７ａに、ビームスポットＳを形成する。
本実施形態では、図３に示すように、ビームスポットＳのスポット径ＤＹが、２つの変調要素Ｍにまたがる大きさを有するため、水平走査ラインＬＸは、変調要素Ｍの２行分を同時に走査するラインとなっている。図３において、矢印Ｘはラスタ走査の一方の水平走査方向、矢印Ｙはラスタ走査の垂直走査方向を示す（図４〜７も同じ）。
【００２９】
２次元変調素子７の各変調要素Ｍは、変調信号３０２に応じて、液晶の配向方向が制御され、偏光方向が回転された状態で反射される。本実施形態では、レーザビームＬは、表示面７ａに垂直入射するようになっており、レーザビームＬは、入射した光路を逆進して、偏光ビームスプリッタ６に到達する。ここで、レーザビームＬは、変調要素Ｍ上を水平走査ラインＬＸに沿って走査するため、水平走査ラインＬＸ内の走査位置の変調要素Ｍごとに、偏光方向が変化し、偏光方向が空間変調されたレーザビームＬが反射される。
偏光ビームスプリッタ６では、透過光に対して偏光方向が９０°異なる成分が反射されるため、偏光ビームスプリッタ６に再入射したレーザビームＬは、偏光方向に応じた輝度が変化されたレーザビームＬとなって、側方に反射される。
偏光ビームスプリッタ６で反射されたレーザビームＬは、投影光学系９を透過して、スクリーン１０上に拡大投影される。
【００３０】
次に、画像表示装置１によってスクリーン１０に表示される画像について説明する。
以下では、画像信号３００の一例として、図４に示す画像を用いて説明する。
図４の矩形のマスは、２次元変調素子７上の変調要素Ｍに対応する画素を示し、それぞれに、画像信号３００が割り当てられている。説明を簡単にするため、画像信号３００は、画像信号Ｉ０（図示の無地部分）の背景に画像信号Ｉ８（図示の８が記載された網点部分）が分布された１画素ラインによって、文字Ｒ、Ｇ、Ｂが描かれる画像としている。
画像信号Ｉ０は、レーザビームＬの消灯を意味する黒画像を表し、画像信号Ｉ８は、一定の色画像を示す。画像Ｉ８の輝度は適宜の値をとることができるが、以下では簡単のため、輝度信号の最大値であるとして説明する。
ここで、添字０、８は、大小が直観的に分かりやすくなるように設けたもので、実際の画像信号の信号値を表すものではない。
【００３１】
このような画像信号３００が、信号変換部２０１に入力されると、画像信号Ｉ０、Ｉ８は、それぞれ、輝度信号Ｙ０、Ｙ８、色信号Ｃ０、Ｃ８に変換される。
信号変換部２０１は、図５に示すように、画像信号３００を、水平走査ラインＬＸおよび水平走査ラインＬＸに直交する２列分の変調要素Ｍに対応する２×２画素の領域Ａに区画し、各領域Ａ内の色信号Ｃを、それぞれ平均して、色信号ＣＬを生成する。この色信号ＣＬと、輝度信号ＹＬ＝Ｙ８とを、ＲＧＢ信号に変換して、領域Ａごとに対応する変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂを生成し、レーザ変調制御部２０２に送出する。
このような変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂは、領域Ａの平均化された色情報を有する変調信号になっている。
図４の例では、領域Ａの画像信号Ｉ８が含まれる場合、２個、１個の２通りになっており、色信号ＣＬは、図５に示すように、それぞれＣ４（図示の４が記載された網点部分）、Ｃ２（図示の２が記載された網点部分）のように平均化される。
【００３２】
変調信号３０２は、本実施形態では、図６に示すように、各変調要素Ｍに対応して、画像信号３００から得られた輝度信号Ｙ０、Ｙ８をそのまま用い、変調素子制御部２０３に送出する。
【００３３】
これにより、レーザビームＬが走査する各領域Ａにおいて、変調要素Ｍによって、空間変調され、スクリーン１０には、図７に模式的に示すように画像Ｊが表示される。
画像Ｊは、画像信号３００の画像信号Ｉ８に対応する各画素が、それぞれ対応する領域Ａに照射されるレーザビームＬは、領域Ａの平均的な色情報と最大輝度を有する光であり、一方、領域Ａ内の変調要素Ｍは、画像信号３００の各画素の輝度情報に基づいて変調動作が制御されている。
したがって、画像Ｊは、画像信号３００に対して、解像度が同一で、色情報のみが領域Ａ内で平均化された画像要素Ｊ４、Ｊ２に変換されたものとなる。
なお、上記の説明は、分かりやすくするため、元の画像が、レーザビームＬのビームスポットＳよりも細い線のみからなる画像であるとして説明したが、より粗い画像部分では、色情報の変化はほとんど起こらない。
【００３４】
人の視覚は、解像度やコントラストには敏感で、色情報には鈍感であるから、このような画像Ｊは、高解像度のため、画面内に多数の情報や、画像ディーテイルを表すことができ、しかも視覚的な違和感も少ないものとなる。
【００３５】
また、画像表示装置１によれば、レーザビームＬを、水平走査方向に直交する方向で２つの変調要素Ｍにまたがって、ラスタ走査するので、画像の表示解像度の割に、レーザビームＬの偏向速度や、変調周波数を低減することができる。そのため、レーザビーム走査のみを用いる画像表示装置に比べて、高い表示解像度が得られる。また、表示解像度が同じ場合も、偏向器４を高速化したり、レーザ変調制御部２０２、変調素子制御部２０３を高周波仕様にしたりしなくてもよいため、より簡素で、安価な装置構成とすることができる。
【００３６】
また、画像表示装置１によれば、２次元変調素子７の変調要素Ｍに対して、フルカラーのレーザビームＬを照射して、画像表示を行うので、いわゆる１板式の画像表示装置が構成されている。
このため、３つの空間変調素子によって色分解画像を表示し、それぞれの色分解画像を合成してから投影する、いわゆる３板式の画像表示装置に比べて、簡素な構成とすることができ、３板式に比べて、２次元変調素子７の周りを省スペース化することができ、小型化が可能となる。
また、２次元変調素子を色順次に変調する1枚式の画像表示装置に用いられる変調の応答周波数が高い高性能な２次元変調素子ではなく、３板式の画像表示装置に用いられる一般的な２次元変調素子を用いることができるので、汎用性が高くでき、安価な装置構成とすることができる。
【００３７】
次に、本実施形態の変調信号の変形例について説明する。
上記第１の実施形態では、変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂとして、色信号を単純平均して、輝度信号を最大値として求めたが、レーザの変調性能、２次元変調素子の変調性能、スクリーン１０に投影されたときの色再現性を考慮して種々の変形を施してもよい。
例えば、演算ｆは、重み付け演算や、移動平均などを採用することができる。また、隣接する画素領域の色信号Ｃを用いる信号処理を施してもよい。
【００３８】
また、輝度信号ＹＬとして、画像信号３００の最大輝度値を採用したが、より低輝度値を採用してもよい。例えば、平均化された色信号ＣＬが元の画像と同じ輝度となることで、画像の条件によって目立つノイズとなりやすい場合、低輝度とすることで、ノイズを押さえることができる。例えば、輝度信号ＹＬも、領域内で、単純平均、重み付け演算、移動平均などしてもよい。
また、輝度信号ＹＬは、固定値とせず、領域Ａごとに変化させてもよい。また、輝度信号ＹＬとして、より高輝度値を採用してもよい。この場合、元画像の明るい部分、暗い部分を強調して、よりメリハリの利いた画像を表示することができる。
【００３９】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る画像表示装置について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す模式的な構成図である。
【００４０】
本実施形態に係る画像表示装置１００は、図８に示すように、上記第１の実施形態の画像表示装置１において、偏光ビームスプリッタ６を削除し、２次元変調素子７に代えて、２次元変調素子７０を備えるものである。また、制御ユニット２００は共通である。
２次元変調素子７０、投影光学系９は、走査光学系５の光軸上に、この順に配置されている。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４１】
２次元変調素子７０は、図３に示すように、矩形状の表示面７０ａ上に、互いに直交する２軸方向に沿ってそれぞれに一定の配列ピッチＷＸ、ＷＹをなして配列された複数の変調要素Ｍを備える透過型の空間変調素子である。
本実施形態では、２次元変調素子７０として、水平方向、垂直方向がそれぞれ、８００×６００の変調要素Ｍで構成されたＬＣＤ（Liquid Crystal Display）を採用している。 ２次元変調素子７の表示面７０ａは、走査部２０の像面に配置されている。また、表示面７０ａの長辺側に沿う変調要素Ｍの配列方向は、走査部２０の水平走査方向に一致されている。
【００４２】
２次元変調素子７０の変調要素Ｍは、ＷＸ×ＷＹよりわずかに狭い矩形開口を有する液晶シャッタであり、それぞれ、偏光板および透明電極に挟まれて封止された液晶と、液晶の配向制御を行う駆動回路とを備え、駆動回路が、制御ユニット２００の変調素子制御部２０３に電気的に接続されている。
これにより、変調素子制御部２０３からの変調信号に応じて、各変調要素Ｍの液晶の配向が個別に制御され、矩形開口の透過率が制御される。この結果、２次元変調素子７０に入射したレーザビームＬＲ、ＬＧ、ＬＢは、空間変調され、表示面７０ａ上に画像が表示される。この画像は、投影光学系９によって、スクリーン１０に拡大投影される。
【００４３】
本実施形態の画像表示装置１００は、上記第１の実施形態の反射型の空間変調素子を、透過型の空間変調素子を用いた点のみが異なるため、上記第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００４４】
なお、上記の説明では、光の３原色に対応するレーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを備え、フルカラー画像を表示する場合の例で説明したが、フルカラー画像が必要ない場合には、２色または単色の光源を備えるのみでもよい。この場合、上記と同様に、偏向速度や光源の変調周波数の大きさの割に、高解像度の画像を表示することができる。
【００４５】
また、上記の説明では、ビームスポットＳが、変調要素Ｍの２つにまたがる場合の例で説明したが、３つ以上にまたがる大きさとしてもよい。
また、上記の説明では、領域Ａは、正方形領域の場合で説明したが、矩形領域であってもよい。
【００４６】
また、上記の実施形態および変形例に記載された構成要素は、技術的に可能であれば、本発明の技術的思想の範囲内で適宜組み合わせて実施することができる。
【００４７】
ここで、上記各実施形態の用語と特許請求の範囲の用語との対応関係について名称が異なる場合について説明する。
レーザ光源２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは、それぞれ光源の一実施形態である。変調信号３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂは、第１の変調信号、変調信号３０２は、第２の変調信号の一実施形態である。レーザ変調制御部２０２は、光ビーム変調制御部の一実施形態である。レーザビームＬ、ＬＲ、ＬＧ、ＬＢは、光ビームの一実施形態である。スポット径は、光束径に対応する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す模式的な構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置の制御ユニットの機能構成を示す機能ブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置に用いる２次元変調素子の表示面上における光ビームの走査について説明する模式説明図である。
【図４】画像信号の一例に対応する画像を示す模式図である。
【図５】図４における画像信号に基づく第１の変調信号について説明するための模式図である。
【図６】図４における画像信号に基づく第２の変調信号について説明するための模式図である。
【図７】投影面に投影される画像について説明するための模式図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す模式的な構成図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 画像表示装置
２Ｒ、２Ｂ、２Ｇ レーザ光源（光源）
３Ｒ、３Ｂ、３Ｇ ダイクロイックミラー
４ 偏向器
５ 走査光学系
６ 偏光ビームスプリッタ
７、７０ ２次元変調素子
７ａ、７０ａ 表示面
９ 投影光学系
２０ 走査部
Ａ 領域
Ｃ、ＣＬ、Ｃ０、Ｃ２、Ｃ４ 色信号
Ｊ 画像
Ｌ、ＬＲ、ＬＧ、ＬＢ レーザビーム（光ビーム）
Ｍ 変調要素
Ｓ ビームスポット
Ｙ、ＹＬ、Ｙ０、Ｙ２、Ｙ４、Ｙ８ 輝度信号
ＤＸ、ＤＹ スポット径
３００、Ｉ０、Ｉ８ 画像信号
ＬＸ 水平走査ライン
２００ 制御ユニット
２０１ 信号変換部
２０２ レーザ変調制御部（光ビーム変調制御部）
２０３ 変調素子制御部
３０１Ｒ、３０１Ｇ，３０１Ｂ 変調信号（第１の変調信号）
３０２ 変調信号（第２の変調信号）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調可能な光ビームを発生する光源と、
表示面上に、互いに直交する２軸方向に沿ってそれぞれに一定のピッチをなして配列された複数の変調要素を備える２次元変調素子と、
前記光源で発生された前記光ビームを、少なくとも１方向の光束径が前記変調要素の２つ以上にまたがる大きさとなるように集光して、前記２次元変調素子の前記表示面上で、前記１方向に直交する方向を水平走査方向としてラスタ走査させる走査部と、
画像信号に基づいて、前記光源の変調動作を制御するための第１の変調信号、および前記２次元変調素子による空間変調動作を制御するための第２の変調信号を生成する信号変換部と、
前記第１の変調信号によって前記光源を制御して前記光ビームを変調する光ビーム変調制御部と、
前記表示面に走査された光ビームを空間変調するため、前記第２の変調信号によって前記２次元変調素子の前記変調要素を制御する変調素子制御部と、
前記空間変調された前記光ビームの像を、拡大投影する投影光学系とを備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記光源は、色の異なる複数の光ビームを発生させ、
前記信号変換部は、前記画像信号の色情報に基づいて前記第１の変調信号を生成し、前記画像信号の輝度情報に基づいて前記第２の変調信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項１】
変調可能な光ビームを発生する光源と、
表示面上に、互いに直交する２軸方向に沿ってそれぞれに一定のピッチをなして配列された複数の変調要素を備える２次元変調素子と、
前記光源で発生された前記光ビームを、少なくとも１方向の光束径が前記変調要素の２つ以上にまたがる大きさとなるように集光して、前記２次元変調素子の前記表示面上で、前記１方向に直交する方向を水平走査方向としてラスタ走査させる走査部と、
画像信号に基づいて、前記光源の変調動作を制御するための第１の変調信号、および前記２次元変調素子による空間変調動作を制御するための第２の変調信号を生成する信号変換部と、
前記第１の変調信号によって前記光源を制御して前記光ビームを変調する光ビーム変調制御部と、
前記表示面に走査された光ビームを空間変調するため、前記第２の変調信号によって前記２次元変調素子の前記変調要素を制御する変調素子制御部と、
前記空間変調された前記光ビームの像を、拡大投影する投影光学系とを備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記光源は、色の異なる複数の光ビームを発生させ、
前記信号変換部は、前記画像信号の色情報に基づいて前記第１の変調信号を生成し、前記画像信号の輝度情報に基づいて前記第２の変調信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１５７１１１（Ｐ２００９−１５７１１１Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３５３０１（Ｐ２００７−３３５３０１）
【出願日】平成１９年１２月２６日（２００７．１２．２６）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】ＳＡＭＳＵＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ ４４２−７４２（ＫＲ）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２６日（２００７．１２．２６）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】ＳＡＭＳＵＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ ４４２−７４２（ＫＲ）
【Ｆターム（参考）】
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