JP2012230321A - 走査型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像歪みを抑えるとともに、画像の高解像度化に伴う画面周辺の輝度低下を抑えることのできる走査型画像表示装置を提供すること。
【解決手段】レーザ光源１１，１２，１３から出射された光ビームは、走査ミラー５０のミラー面に略垂直に入射しかつ略垂直に反射する。走査ミラー５０のミラー面は、走査ミラー駆動回路５により所定の走査角度だけ２次元的に反復回転駆動される。偏光ビームスプリッタ４０は、光源から出射された光ビームを１／４波長板４１を介して走査ミラー５０に入射させるとともに、走査ミラー５０で反射され１／４波長板４１を通過した光ビームをスクリーン９の方向へ出射させる。偏光ビームスプリッタ４０の出射側には、光ビームの走査角度をＮ倍に拡大する画角拡大素子４２を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ビームを走査ミラーにより２次元的に走査しスクリーンに画像を表示する走査型画像表示装置に関するものである。

近年、レーザ光源から発せられた光ビームをスクリーンに投射させる際、光ビームを画像信号により強度変調し、走査手段により光ビームをスクリーンに２次元的に走査させ、その残像効果によってスクリーンに画像を表示する走査型画像表示装置が提案されている。これに用いる走査手段として、ミラー面を回転させ光源から出射した光ビームを２次元的に走査するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーが知られる（例えば、特許文献１、２参照）。以下、ＭＥＭＳミラーを「走査ミラー」と呼ぶ。

特許文献１の図６や特許文献２の図２０には、走査ミラーへの入射方向をほぼ垂直方向（入射角がほぼ０）とした構成が示され、ミラー面の回転角に対するビームの偏向角（偏光効率）が大きくとれることが述べられている。この場合、走査ミラーへの入射光と反射光の光路が共通となるので、投射する光ビームを直線偏光とし、光路中に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と１／４波長板とを用いて入射光と反射光を分離する構成としている。

特開２００６−１８９５７３号公報 特表２００９−５３３７１５号公報

走査型画像表示装置において、スクリーン上の表示画像に発生する歪みは走査ミラーに対する光ビームの入射角に依存し、斜め方向入射の場合画像歪が大きくなることが知られている。そこで、走査ミラーへのビーム入射方向を垂直入射とすることで、画像の歪みを小さくすることができる。ただし垂直入射の場合には、入射光と反射光を分離するために新たに偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を設ける必要がある。ＰＢＳは、特定の波長あるいは波長帯域の直線偏光を反射（あるいは透過）する反射膜で構成されるが、反射膜への光ビームの入射角によって、反射率（あるいは透過率）が変化する性質がある。

一方、走査型画像表示装置において、画像の高解像度化のためには、スクリーンに対するビームの走査角（偏向角）を大きくする必要がある。すなわち、スクリーン上でのビームサイズに対する表示画面のサイズの比を大きくするためには、走査ミラーの走査角（ミラー面の回転角）を大きくせねばならない。走査ミラーの走査角が大きくなると、ＰＢＳを構成する反射膜への入射角が大きくなり、所望の反射率あるいは透過率が得られなくなる。例えば、反射膜の光学特性（反射率または透過率）が入射角が４５°に対して最適の特性を有するものである場合、入射角が４５°から概ね±１０°程度以上ずれると反射率または透過率が低下する。その結果、表示画面の周辺領域では出射ビーム強度が不足し、輝度が低下するとともに、画面内に輝度分布が発生するという問題が生じる。

本発明の目的は、画像歪みを抑えるとともに、画像の高解像度化に伴う画面周辺の輝度低下を抑えることのできる走査型画像表示装置を提供することである。

本発明は、光ビームを走査しスクリーンに画像を表示する走査型画像表示装置であって、光ビームを出射する光源と、画像信号に応じて前記光源から出射する光ビームの強度を制御する光源駆動回路と、前記光ビームを略垂直にミラー面に入射し該光ビームを略垂直に反射する走査ミラーと、該走査ミラーのミラー面を所定の走査角度だけ２次元的に反復回転駆動する走査ミラー駆動回路と、前記光源から出射された光ビームを１／４波長板を介して前記走査ミラーに入射させるとともに、該走査ミラーで反射され前記１／４波長板を通過した光ビームをスクリーンの方向へ出射させる偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタから出射された光ビームの走査角度をＮ倍に拡大する画角拡大素子を備える。

本願発明によれば、走査ミラーの走査角を縮小することによって、偏光ビームスプリッタの光学特性（反射率または透過率）の変化を抑え画面輝度の低下を防止する。また、画角拡大素子によりスクリーンへ出射する角度範囲を拡大させ、高解像度で高画質の画像を表示することが可能となる。

本発明による走査型画像表示装置の第１の実施例を示す全体構成図。 図１における光モジュール部１の詳細構成図。 光モジュール部１の走査部と投射部の動作を説明する図。 本発明の第２の実施例として、光モジュール部１の構成を示す図。 本発明の第３の実施例として、光モジュール部１の構成を示す図。 ＰＢＳ反射膜の透過率の入射角依存性の一例を示す図。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明による走査型画像表示装置の第１の実施例を示す全体構成図である。

光モジュール部１は、緑（Ｇ）／赤（Ｒ）／青（Ｂ）の３色のレーザ光源１１，１２，１３と、各レーザ光源から発せられた光ビームを合成する光合成部と、合成した光ビームをスクリーン９へ投射する投射部と、投射する光ビームをスクリーン９上で２次元的に走査する走査部とを有する。光合成部には波長選択性ミラー２１および２２など、投射部には偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４０、１／４波長板４１、画角拡大素子４２など、走査部には走査ミラー５０などを含む。光モジュール部１の詳細構成は図２で説明する。

表示する画像信号は、電源等を含む制御回路２を経由してビデオ信号処理回路３に入力する。ビデオ信号処理回路３では画像信号に対し各種の処理を施すとともに、Ｒ／Ｇ／Ｂの３色信号に分離しレーザ光源駆動回路４に送る。レーザ光源駆動回路４では、Ｒ／Ｇ／Ｂの各信号の輝度値に応じて、光モジュール部１内の対応するレーザ光源１１，１２，１３に対して発光用の駆動電流を供給する。その結果レーザ光源１１，１２，１３は、表示タイミングに合わせてＲ／Ｇ／Ｂ信号の輝度値に応じた強度の光ビームを出射する。

またビデオ信号処理回路３は、画像信号から同期信号を抽出して走査ミラー駆動回路５に送る。走査ミラー駆動回路５は、水平・垂直同期信号に合わせて光モジュール部１内の走査ミラー５０に対しミラー面を２次元的に反復回転させる駆動信号を供給する。これにより走査ミラー５０は、ミラー面を所定の角度だけ周期的に反復回転して光ビームを反射させ、スクリーン９上に水平方向および垂直方向に光ビームを走査して画像を表示する。

フロントモニター信号検出回路６は、光モジュール部１内のフロントモニター６０からの信号を入力して、レーザ光源１１，１２，１３から出射されるＲ／Ｇ／Ｂそれぞれの出力レベルを検出する。検出された出力レベルは、ビデオ信号処理回路３に入力され、所定の出力になるようレーザ光源１１，１２，１３の出力が制御される。

本実施例の走査型画像表示装置では、高解像度で高画質の画像を表示する。具体的には、従来のＶＧＡモードの画像だけでなく、高解像度ＸＧＡモード（１０２４×７６８画素）の画像表示を行う。そのため、スクリーン９に投射する光ビームの角度幅（以下、「偏向角」と呼ぶ）は、例えば水平方向θｈ＝±２４°、垂直方向θｖ＝±１８°に拡大する。この偏向角を走査ミラー５０の回転角度幅（以下、「走査角」と呼ぶ）でそのまま実現しようとすると、ＰＢＳ４０へのビーム入射角が上記偏向角だけ変化し、ＰＢＳ４０の光学特性の変化（低下）が避けられない。その結果、表示画面の周辺領域に対する出射ビーム強度が不足し、輝度が低下してしまう。そこで本実施例では、走査ミラー５０の走査角は、高解像度の画像表示に必要な偏向角の１／Ｎに縮小する。例えばＮ＝２として、走査角を水平方向θｈ＝±１２°、垂直方向θｖ＝±９°に縮小し、ＰＢＳ４０の光学特性の変化を受けないようにした。そして、走査ミラー５０で反射されＰＢＳ４０を通過した光ビームの出射側に、出射角度幅をＮ倍（例えばＮ＝２）に拡大する画角拡大素子４２を配置し、スクリーン９への必要な偏向角を確保するようにした。

図２は、図１における光モジュール部１の詳細構成図である。
光モジュール部１において、レーザ光源１１はＧ光（波長５２０ｎｍ帯）、レーザ光源１２はＲ光（波長６４０ｎｍ帯）、レーザ光源１３はＢ光（波長４４０ｎｍ帯）のビームをそれぞれ発生する。各色の光ビームは、コリメートレンズ１４，１５，１６によって略平行な光ビームに変換される。波長選択性ミラー（ダイクロイックミラー）２１は、Ｇ光を透過しＲ光を反射する。また波長選択性ミラー２２は、Ｇ光とＲ光を透過しＢ光を反射する。Ｇ、Ｒ、Ｂ光の各ビームは、それらの光軸の傾きと位置を調整することで、各ビームの断面が互いに重なり合って１本の合成された光ビームとして進行する。なお、ここに示したＧ光、Ｒ光、Ｂ光の配置は各光ビームの伝達効率を考慮して決定したものであるが、その配置はこれに限定せず適宜変更することができる。

スペックルノイズ低減素子３０は、レーザ光が通過する光学部品からの戻り光との干渉により発生するスペックルノイズを低減するための素子で、例えば液晶素子で構成する。また、フロントモニター６０，６１は、光路中の各色光の光ビームの強度を検出する。一方のフロントモニター６１は省略することもできる。

合成された光ビームは、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４０に入射し、反射膜４０ａによって反射され１／４波長板４１を通過して走査ミラー５０へほぼ垂直に入射する。走査ミラー５０は例えば所謂ＭＥＭＳミラーで構成され、そのミラー面を２次元的に所定の走査角で反復回転させることで、入射した光ビームを走査角の範囲でほぼ垂直方向に反射させる。反射された光ビームはＰＢＳ４０の反射膜４０ａを透過し、画角拡大素子４２に入射する。画角拡大素子４２は例えばプロジェクタに等で使用されるような凹レンズ、あるいはレンズを複数枚組み合わせた画角拡大の光学系を使用する。画角拡大素子４２は、ＰＢＳ４０から入射した光ビームの走査角をＮ倍に拡大して出射し、スクリーン９へ画像を投射する。

図３は、光モジュール部１の走査部と投射部の動作を説明する図である。
レーザ光源１１，１２，１３から出射され合成された光ビーム１０１は、Ｓ偏光としてＰＢＳ４０に入射する。入射光偏光をＳ偏光にするためには、各レーザ光源あるいは各コリメートレンズ出射部分に偏光板を設ける方法、レーザ光源自体を回転させて取り付ける方法等、種々の方法が考えられるが、いずれを用いても本発明の本質が変わることはない。ＰＢＳ４０の反射膜４０ａは、Ｓ偏光を反射しＰ偏光を透過する特性を有する。よってＳ偏光の光ビーム１０１は反射膜４０ａで反射され、１／４波長板４１に入射する。Ｓ偏光の光ビーム１０１は１／４波長板４１で概ね円偏光の光ビーム１０２に変換され、走査ミラー５０に略垂直に入射する。

走査ミラー５０は光ビーム１０２を反射し、その反射ビーム１０３は所定の走査角（水平方向θ１ｈ、垂直方向θ１ｖ）で振られる。光ビーム１０３は１／４波長板４１を再度通過することによって、円偏光からＰ偏光の光ビーム１０４に変換されてＰＢＳ４０に入射する。Ｐ偏光の光ビーム１０４は反射膜４０ａを透過し、ＰＢＳ４０から画角拡大素子４２に入射する。画角拡大素子４２は走査角（θ１ｈ、θ１ｖ）で入射した光ビーム１０４をＮ倍の走査幅（水平方向θ２ｈ＝Ｎ×θ１ｈ、垂直方向θ２ｖ＝Ｎ×θ１ｖ）の光ビーム１０５に変換して出射する。すなわち、スクリーン９への投射表示する画角（偏向角）は水平方向θ２ｈ、垂直方向θ２ｖとなる。

以上のように本実施例の光モジュール部１では、スクリーン９へ投射する光ビームの偏向角（θ２ｈ＝±２４°，θ２ｖ＝±１８°）に対して、走査ミラー５０の走査角（θ１ｈ，θ１ｖ）を１／Ｎに縮小することができる。例えばＮ＝２の画角拡大素子４２を用いることで、走査ミラー５０の走査角をθ１ｈ＝±１２°，θ１ｖ＝±９°と縮小させた状態で、高解像度ＸＧＡモードの画像を表示する。その際、ＰＢＳ４０の反射膜４０ａへの入射角のずれは上記走査角（θ１ｈ，θ１ｖ）に縮小されているので光学特性の変化を受けず、画面輝度の低下を防止することが可能となる。

ここでＰＢＳ４０の反射膜４０ａの光学特性について説明する。
図６は、ＰＢＳ反射膜の透過率の入射角依存性の一例を示す図である。縦軸は、波長４５５ｎｍのＰ偏光に対する反射膜の透過率を示し、横軸は、４５°傾斜した反射膜に対する入射角を示す。入射角が（＋）方向と（−）方向とでは透過率の変化は非対称になる。これは、入射角（＋）側では反射膜の法線方向に近付くのに対し、（−）側では反射膜の法線方向から遠ざかることに起因している。いずれも入射角が約±１０°を超えると透過率の低下が始まり、特に（−）側での低下が激しくなる。その結果、表示される画像の明るさが低下するだけでなく、左右画面の明るさにアンバランスが生じることになる。図に示す特性の場合には、波長依存性や製造バラツキ等を考慮すると、実用上使用可能な入射角の変化範囲は±１５°程度、すなわち走査ミラー５０の走査角は±１５°以内とする必要がある。従って前記した走査ミラー５０の縮小された走査角θ１ｈ＝±１２°，θ１ｖ＝±９°であれば問題ないと言える。なお、ＰＢＳ４０の反射膜４０ａの光学特性が異なれば、使用可能な入射角の範囲に合わせて画角拡大素子４２の拡大率Ｎを設定すれば良い。

また本実施例の構成では、走査ミラー５０への光ビームの入射方向はほぼ垂直方向となるので、スクリーン上での表示画像の歪みも抑えられることは言うまでもない。

図４は、本発明の走査型画像表示装置の第２の実施例として、その光モジュール部１の構成を示す図である。本実施例の光モジュール部１は、実施例１（図２）と比べて光合成部の構成が異なり、走査部と投射部は同一構成である。以下、図２と異なる部分について説明する。

本実施例では、レーザ光源１１，１２，１３の配置を変え、光合成のためクロスプリズム２３と色選択偏光回転素子２４を設けている。クロスプリズム２３には２枚のダイクロイック膜２３ａ，２３ｂがクロス状に形成されている。また色選択偏光回転素子２４は、選択された色光について偏光回転を行う素子である。

レーザ光源１１から出射されたＧ光は、図示しない偏光板等によりＰ偏光としてクロスプリズム２３に入射する。レーザ光源１２，１３から出射されたＲ光とＢ光は、図示しない偏光板等によりＳ偏光としてクロスプリズム２３に入射する。クロスプリズム２３内のダイクロイック膜２３ａはＢ光を反射し、ダイクロイック膜２３ｂはＲ光を反射する。よって、レーザ光源１１からのＧ光はダイクロイック膜２３ａ，２３ｂを透過し、レーザ光源１２，１３からのＲ光とＢ光はダイクロイック膜２３ａ，２３ｂで反射される。その結果各色光のビームは合成され、１本の光ビームとなって進行する。ここでクロスプリズム２３による光合成ではダイクロイック膜２３ａ，２３ｂの分光特性を考慮し、Ｒ光とＢ光をＳ偏光、Ｇ光をＰ偏光とする所謂ＳＰＳ合成を行うことで、効率良く光合成することができる。なお、各レーザ光源から出射する光ビームを、所定の偏光にするためには、レーザ光源自体を回転させても良い。

合成された光ビームは、色選択偏光回転素子２４に入射する。色選択偏光回転素子２４は、Ｇ光成分について偏光回転させＰ偏光からＳ偏光に変換し、Ｒ光とＢ光成分についてはＳ偏光のまま通過させる。その結果、色選択偏光回転素子２４を通過した光ビームは、各色成分とも全てＳ偏光に揃えられる。その後光ビームは、スペックルノイズ低減素子３０を介してＰＢＳ４０に入射し、走査ミラー５０により走査され、画角拡大素子４２を介してスクリーンへ投射される。

本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、レーザ光源１１，１２，１３をクロスプリズム２３の３面方向に配置したので、光モジュール部１の長さ、すなわちレーザ光源１１からフロントモニター６１までの距離を短縮する効果がある。

図５は、本発明の走査型画像表示装置の第３の実施例として、その光モジュール部１の構成を示す図である。本実施例の光モジュール部１は、実施例２（図４）と比べて光合成部のコリメートレンズの構成が異なり、他は同一構成である。以下、図４と異なる部分について説明する。

本実施例では、各レーザ光源１１，１２，１３から出射された光ビームを平行な光ビームに変換するために、個別のコリメートレンズではなく３光源共通のコリメートレンズ１７を用いて、色選択偏光回転素子２４とスペックルノイズ低減素子３０の間に配置した。共通のコリメートレンズ１７としては、３光源の波長差を考慮して色収差を補正した所謂色消しレンズを使用する。これに伴い、各レーザ光源１１，１２，１３の位置は、各波長によって生じる焦点位置のずれを考慮して、各波長における共通コリメートレンズの焦点位置に配置する。

本実施例によれば、実施例１と実施例２の効果に加えて、各光源の光ビームに対するコリメートレンズを共通化することで、部品点数を削減する効果がある。

１…光モジュール部、
２…制御回路、
３…ビデオ信号処理回路、
４…レーザ光源駆動回路、
５…走査ミラー駆動回路、
９…スクリーン、
１１，１２，１３…レーザ光源、
１４，１５，１６，１７…コリメートレンズ、
２１，２２…波長選択性ミラー、
２３…クロスプリズム、
２４…色選択偏光回転素子、
３０…スペックルノイズ低減素子、
４０…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、
４１…１／４波長板、
４２…画角拡大素子、
５０…走査ミラー、
６０，６１…フロントモニター。

Claims (4)

1. 光ビームを走査しスクリーンに画像を表示する走査型画像表示装置において、
   光ビームを出射する光源と、
   画像信号に応じて前記光源から出射する光ビームの強度を制御する光源駆動回路と、
   前記光ビームを略垂直にミラー面に入射し該光ビームを略垂直に反射する走査ミラーと、
   該走査ミラーのミラー面を所定の走査角度だけ２次元的に反復回転駆動する走査ミラー駆動回路と、
   前記光源から出射された光ビームを１／４波長板を介して前記走査ミラーに入射させるとともに、該走査ミラーで反射され前記１／４波長板を通過した光ビームをスクリーンの方向へ出射させる偏光ビームスプリッタと、
   該偏光ビームスプリッタから出射された光ビームの走査角度をＮ倍に拡大する画角拡大素子を備えることを特徴とする走査型画像表示装置。
2. 請求項１に記載の走査型画像表示装置であって、
   前記光源として赤色、緑色、青色の光ビームを発光する３個の光源と、
   該３色の光ビームを入射して１本の光ビームに合成するクロスプリズムを有することを特徴とする走査型画像表示装置。
3. 請求項１または２に記載の走査型画像表示装置であって、
   前記光源からの光ビームが前記偏光ビームスプリッタに入射する側に、該偏光ビームスプリッタ側からの戻り光との干渉により発生するスペックルノイズを低減するためスペックルノイズ低減素子を設けたことを特徴とする走査型画像表示装置。
4. 請求項２に記載の走査型画像表示装置であって、
   前記クロスプリズムで合成された光ビームを略平行な光ビームに変換するとともに、前記３個の光源からの色収差を補正する共通のコリメートレンズを設けたことを特徴とする走査型画像表示装置。

Images