JP4264570B2 - 偏向装置を用いた投影型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源から放射される光線を、可動ミラーを利用して高速スキャンを行う偏向装置を用いた投影型映像表示装置に関する。

現在の市場に出ている投影型表示装置は光源に超高圧水銀型発光管やハロゲンランプが使用されているが、それら光源の寿命が４，０００から６，０００時間レベルであるため、日常のテレビとして使用した場合、２年から３年でランプ交換をしなければならなく、支障を来たしている。

そのため、昨今では、光源にＬＥＤやレーザ等の固体照明素子を使用する提案が増加している。光源に固体照明素子を用いた場合、その寿命は２０，０００時間以上と考えられており、またそれらの発光スペクトル特性から、色再現性に優れる等のメリットがある。中でも、レーザ光源は発光スペクトル幅が狭くその色域が広いため、色再現性でＬＥＤより優れており、またレーザ光のコリメート特性から、光学系での光利用率の向上や、機構の小型化が期待できる観点から究極の光源と言われている。

レーザ素子を光源とした投影型映像表示装置に、偏向装置を用いたスキャン方式によるものがある。図１４は、従来のスキャン方式による投影型映像表示装置の基本構成を示す。この投影型映像表示装置は、光源照明部では、光源に赤色、緑色、青色（以下順にＲ，Ｇ，Ｂ）のレーザ素子（以下ＬＤ）１Ｒ、１Ｇ、１Ｂを配置し、光源の下流には、レンズ（２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ）を配置し各色の光線をコリメート光線に成形している。レンズ（２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ）の出射側には、光路合成手段としてダイクロイックミラー（以下ＤＭ）３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを配置し所望の波長を反射、もしくは透過させ、Ｒ，Ｇ，Ｂ光線を光軸Ａｘ１上に揃える。ここで、光学系の上流とはＬＤ光源で、最下流をスキャン面１７とする。

光源照明部から出射した光線Ｌａは、軸Ａｘ９を中心に往復回動運動する平面ミラーを備えた偏向装置１５で水平方向に偏向され、さらに軸Ａｘ１０を中心に往復回動運動する平面ミラーを備えた偏向装置１６で垂直方向に偏向されてスキャン面１７上に光線が投影される。具体的には、偏向装置１５の往復回動周波数が２２ＫＨｚで、偏向装置１６の往復回動周波数が６０Ｈｚであれば、垂直解像度７２０本の所謂ハイビジョン（ＨＤ）ＴＶ並みの高解像度映像表示が行なえる。

一般に、偏向装置としてはポリゴンミラーやガルバノミラーが用いられているが、高解像度の映像表示装置には、より高速に光を偏向制御できるＭｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ（以下ＭＥＭＳ）技術を用いたミラーデバイスが使用されている。

図１５は、電磁力型のＭＥＭＳを用いた従来の偏向装置の一例を示し、図１５（Ａ）は平面図、図１５（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。偏向装置４′は、中央部にＡｇ、ＡｌやＣｕ蒸着等で平面ミラー４２′が形成された可動部４１が一対のヒンジ４３ａ，４３ａにより固定部側である環状部材４４に連結され、また、環状部材４４の左右に設けられた磁石４５ａ，４５ｂとミラー可動部４１の両サイドに設けられたコイル電線４６とでミラー駆動手段を構成している。そして、コイル電線４６に電流を正負切り替えて流すことで電磁力（ローレンツ力）を発生させ、可動部４１を軸Ａｘ２を回転軸として往復回動駆動する構成となっている。

しかし、電磁力型では、大きなローレンツ力で高速スキャンを行おうとすると、磁石やヨーク等が大型化してしまうという問題がある。また、自己発熱、ねじれに伴う金属疲労による低寿命化の問題がある。投影型映像表示装置の偏向装置に用いるＭＥＭＳミラーデバイスの改善提案としては、ＭＥＭＳの振り角を大きくするための技術として、例えば、特許文献１のように光源から出射した光線を、ＭＥＭＳの第１のミラー面と第２のミラー面に同時に照射するようにしたものや、特許文献２のように可動ミラー部の支点の位置を変更するようにした振角改善、あるいは、スキャン角改善が多く、高速スキャンに関するものとしては、可動ミラーの形状や大きさ、材質などを工夫して共振周波数を制御することにより改善するようにしたものなどが見られる程度である。

投影型映像表示装置において、目的の空間解像度と時間解像度に対する偏向装置やレーザ光源ＬＤの必要な性能に関して説明する。１２８０×７２０のＨＤ解像度で、フレームレートを６０ｆｐｓの投影型表示装置を実現する場合、先ず偏向装置の駆動周波数（速度）は、７２０本の垂直ラインを１秒間に６０回描画（スキャン）しなければならないので、７２０×６０＝４３ｋＨｚ以上が必要である。図１５のように可動部４１の中央部にヒンジ４３ａ，４３ｂが位置する場合、１周期間で往復の２ラインの描画が行なえるから、実質的に必要な駆動周波数は４３ｋＨｚの半分の、２１．５ｋＨｚとなる。

レーザ光源においては、１画素にレーザ光線を照射できる時間が、１／（１２８０×７２０×６０）＝１／（５５ＭＨｚ）ｓｅｃであり、この期間毎に各ＬＤ（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）の光出力、即ち階調を切り替える必要がある。階調に関しては、ＬＤ光源に印加する電流を可変させる直接変調方式と、ＡＯＭ（音響光学素子）を用いてそれに印加する電力を可変させる間接変調方式が有る。

また、前記スキャン方式における別の投影手段として、図１６に示すように、固体発光素子（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）とＤＩＧＩＴＡＬ ＭＩＲＲＯＲ ＤＥＶＩＣＥ（以下ＤＭＤ）と呼ばれるミクロンオーダーの画素分の可動ミラーアレイを組合せ制御することで画像を構成するものがある。前記スキャン方式と異なる点を以下説明する。

光源照明部では、光源に赤色、緑色、青色（以下順にＲ，Ｇ，Ｂ）のレーザ素子ＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）を配置し、光源の下流には、レンズ（２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ）を配置し各色の光線をコリメート光線に成形している。レンズ（２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ）の出射側には、集光レンズ１８、ロッドインテグレータ１９、リレーレンズ２０、ミラー２１、が配置される。ＬＤ１Ｒ，１Ｇ，１ＢとＤＭＤ２２は、水平、垂直同期信号や画像信号により発光タイミングや偏向方向が制御されており、ＤＭＤ２２にＲ画像信号が入力されている時間帯にＬＤ１Ｒが発光する。同様にＤＭＤ２２にＧ，Ｂ画像信号が入力されている時間帯にＬＤ１Ｇ、１Ｂが時間順次発光する。このように、ＤＭＤ２２も時間順次的にＲ，Ｇ，Ｂ画像を構成し、前記Ｒ、Ｇ、Ｂ光線がＤＭＤ２２に入出射することで、時間順次的にＲ、Ｇ、Ｂ画像光線が形成される。また、ＤＭＤ２２の光路の下流には投影レンズ２３が配置されており、スクリーン２４上には、投影レンズ２３により、時間順次的にＲ、Ｇ、Ｂ映像が投射される。この際、スクリーン２４上に投射されたＲ，Ｇ，Ｂ映像は各々が１８０Ｈｚ以上の人間の色分解能以上、即ち１フレーム（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）映像が６０Ｈｚ以上の速さで切り替えられることで、錯覚的にカラー映像として視認される。
特開２００６−２０１３５０号公報 特開２００５−７００９１号公報

ＭＥＭＳ技術を用いたミラー型偏向装置においては、ハイビジョンクラスの垂直解像度７２０本、１０８０本やそれ以上の高解像度の表示装置を実現する場合、各２１．５ｋＨｚ，３３ｋＨｚ、それ以上の高速動作と広い振角を要し、これらを実現するには、静電力型では、数百Ｖの電圧が必要になり高耐圧部材を使用しなければならず、デバイス用周辺回路が大型化してしまうという問題がある。

本発明は、上述したような現状に鑑みてなされたものであり、ミラー部の駆動周波数や駆動電圧を高くすることなく、また、磁石やヨーク等を大型にすることなく２倍のスキャン速度が得られる偏向装置を実現し、その偏向装置を用いることにより、小型でハイビジョンクラス以上の高解像度に対応でき、また、立体映像表示やステレオ映像表示のサービスも可能な投影型映像表示装置を提供することを目的としている。

上述の課題を達成するために、本発明の第１の技術手段は、固体発光素子の発光を映像信号で変調する光源照明部と、前記光源照明部から出射された光線をスキャンする往復回動する可動部に設けたミラーによって偏向する偏向装置を有し、前記ミラーは、第１のミラー面と該第１のミラー面と反射方向が異なる第２のミラー面とを有するＶ字構造体ミラーで構成され、前記可動部に対し、前記第１のミラー面と第２のミラー面が交わる稜線と前記可動部の回動軸とを含む面を境に左右対称に設けられ、前記Ｖ字構造体ミラーの往復回動運動の前半の半周期間に前記第１のミラー面で２ライン分のスキャンを行ない、後半の半周期間に前記第２のミラー面でさらに２ライン分のスキャンを行うことにより前記可動部の１周期の往復回動運動で４ライン分の水平スキャンを行ない、更に、該偏向装置の第１のミラー面でスキャンされた光線を反射する第１の補助ミラー及び前記第２のミラー面でスキャンされた光線を反射する第２の補助ミラーと、当該第１及び第２の補助ミラーで反射された光線の光路を一致させる光路合成素子と、を備え、当該光路合成された光線を垂直スキャンして投影する投影型映像表示装置を特徴とする。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記偏向装置のＶ字構造体ミラーは、ＭＥＭＳの平面可動部に設けられることを特徴とする。

第３の技術手段は、第１又は２の技術手段において、前記偏向装置の前記可動部は前記回動軸と直交する軸を有し、該軸を中心に回動することより前記光路合成された光線が垂直スキャンすることを特徴とする。

第４の技術手段は、第１〜３のいずれかの技術手段において、前記光源照明部から出射された光線が、前記Ｖ字構造体ミラーにおける第１のミラー面と第２のミラー面に同時に入射する期間は前記固体発光素子の駆動を停止することを特徴とする。

第５の技術手段は、第１〜４のいずれかの技術手段において、前記第１の補助ミラーと第２の補助ミラーのいずれか一方の光路上において光線の偏光方向を９０度回転させる偏光変換素子を、該補助ミラーの光入射側、又はミラー上、もしくは光出射側に配置すると共、前記第１の補助ミラーで反射した光線と第２の補助ミラーで反射した互いに異なる偏光光線を同一光路に合成する偏光光線合成素子を配置したことを特徴とする。

第６の技術手段は、第１〜５のいずれかの技術手段において、前記光源照明部には、複数の固体発光素子を具備し該複数の固体発光素子から出射した光線群の光路を一致させる光路合成素子が設けられることを特徴とする。

第７の技術手段は、第５又は６の技術手段において、前記第１のミラー面と、前記第２のミラー面で反射される光線の変調映像信号を、それぞれ独立して立体映像で投影するようにしたことを特徴とする。

第８の技術手段は、第７の技術手段において、前記第１の補助ミラーから投影された第１の偏光映像と、第２の補助ミラーから投影された第２の偏光映像のそれぞれの１ラインを重ねて投影するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果が得られる。
・偏向装置の可動ミラー部が往復回動運動する１周期間で４ラインのスキャンが行なえるので、ミラー面が平面である従来の偏向装置と比較し、ミラー部の駆動周波数や駆動電圧を高くすることなく、また、磁石やヨーク等を大型にすることなく２倍のスキャン速度を得ることが可能となる。
・Ｖ字構造体のミラーを偏向装置の可動部の往復振動軸を境に対称形とすることで、光学設計の上で、片側の設計だけすれば良く、開発期間を短縮できることや、スキャン面にライン表示をさせる際に、各ライン長の制御が行い易くなる。
・本発明の偏向装置を用いることにより容易に、異なる２つの投影領域に同一、もしくは異なる映像を投影するステレオ映像表示が可能な投影型映像表示装置を提供することできる。
・ミラー可動部を、回転軸を中心に往復回動駆動する従来と同等の簡易な装置構成であるにもかかわらず、スキャン速度を２倍にすることが可能となる。
・Ｖ字構造体ミラーを直交する２軸方向に回動可能な可動部に設けることで、投影型映像表示装置における偏向装置が１つで済むので装置の小型化が可能となり、また、その偏向装置を用いることで簡単にステレオ映像表示が可能な投影型映像表示装置を提供することができる。
・本発明の偏向装置に２つの補助ミラーを組み合わせることで、２つの投影映像の合成や隣接、分離させることが可能となり、投影箇所を自由に可変できる投影型映像表示装置や投影型ステレオ映像表示装置を容易に作製することができる。
・本発明の偏向装置と、２つの補助ミラー及び光路合成素子を組み合わせることで、平面ミラー型の偏向装置の駆動周波数に比べて半分の駆動周波数でフルハイビジョンクラスの投影表示が可能となることと併せ、１つの偏向装置でスクリーン上にＰ波画像とＳ波画像が同時に投影可能となるため、それぞれに対応した偏光フィルタ（めがね等）を使用することで、立体映像表示サービスが可能な投影型映像表示装置を提供することできる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明のＶ字構造体のミラーを一体化した偏向装置を用いた投影型画像表示装置の基本概念図を示す図１により、その構成と光線の振る舞いについて説明する。

光源照明部においては、光源には、赤色、緑色、青色のレーザダイオード光源（以下ＬＤ）１Ｒ、１Ｇ、１Ｂを使用し、レンズ群（２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）を配置し、ＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）の出射光線をコリメート化している。レンズ群（２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）によりコリメート化した光線は、特定波長の光線のみ反射し、その他の光線を透過させるダイクロイックミラー（以下ＤＭ）３Ｒ，３Ｇ，３Ｂにより同一光路を通過し、図１中の［Ｉ］に到達する。ＤＭ（３Ｒ）では、赤色光線Ｒは反射され、ＤＭ（３Ｇ）で緑色光線Ｇは反射され、赤色光線Ｒは透過する。ＤＭ（３Ｂ）では、青色光線Ｂは反射され、赤色光線Ｒと緑色光線Ｇは透過する。また、ＤＭ（３Ｒ）に関しては、全反射ミラーでも同様の光線の振る舞いとなる。

本実施形態では、表示解像度を１２８０×７２０ドット、フレーム周波数を６０Ｈｚの投影映像表示装置を作製するため、偏向部において、第１の偏向装置４には光線を水平１軸方向に偏向するタイプでその駆動周波数が１１ｋＨｚのミラー型ＭＥＭＳを使用した。第２の偏向装置７には、光線を垂直１軸方向に偏向し、その駆動周波数が６０Ｈｚのものを使用した。また、偏光部の図示［Ｉ］に到達する光線をＰ波（Ｐ偏光）になるように各シングルモードのレーザダイオード（以下ＬＤ）を使用し、配置方向を定めた。

本実施形態における光線の振舞いは、先ず始めの駆動半周期間では、各ＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）を出射した光線は、第１の偏向装置４のＶ字構造体の第１ミラー面４２ａで水平スキャンされ、第１の補助ミラー５ａで反射し、Ｐ波を透過する光路合成素子６を通過し、第２の偏向装置７によって垂直スキャンされて、スクリーン（スキャン）面８に到達する。

そして、残りの駆動半周期間で、各ＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）を出射した光線は、第１の偏向装置４のＶ字構造体の第２ミラー面４２ｂで水平スキャンされ、第２の補助ミラー５ｂに入射する。この際、第２の補助ミラー５ｂの光線出射側には、偏光方向を９０度回転する波長板（λ／２板）９を挿入しＳ偏光に変換しており、光路合成素子６内部の誘電体薄膜形成面６ａで反射し、進行方向が変わり、第１の補助ミラー５ａからのＰ波が進行した同一光路上を進み、第２の偏向装置７により垂直スキャンされ、スキャン面８に到達する。

本実施形態では、各ＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）は、１画素での階調を表現するため、１／（１２８０×７２０×６０）ｓｅｃで電流可変制御している。また、ＬＤ１Ｇに関しては、１０６４ｎｍの赤外ＬＤにＳＨＧ素子を組み合わせて６３２ｎｍの光線を得ている。なお、ＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）のＰ偏光をＳ偏光にする方法としては、第２の補助ミラー５ｂの反射面にλ／４板を使用する方法と、第２の補助ミラー５ｂの入射側、もしくは出射側にλ／２板を使用する方法がある。

図２は、光源照明部と偏向部についての信号制御を行う制御回路ブロック図を示し、制御部３３では、映像信号（入力）に含まれる水平同期信号、並びに垂直同期信号によってＬＤ階調制御、即ち電流制御を行い、併せて、水平方向の偏向装置と、垂直方向の偏向装置のシークエンスを行ない、各制御信号や駆動電圧を光源照明部３１と偏向部３２に供給する。また、画像信号は、予め、フレームメモリに構築される時点で、スキャン方向に合わせてデータ並べ替えを行っている。具体的には、１ライン目が左から右へのスキャン方向の場合、１ライン目の画像信号はそのまま、フレームメモリ構築され、２ライン目が右から左の場合、２ライン目の画像信号は、逆配列に変換され、フレームメモリに構築される。また、入力映像信号が立体画像に対応している場合は、後述する立体映像表示のための画像処理も行われる。

次に、図３から図６を用いて上述した実施形態に係る偏向装置の構造と光学設計の詳細について説明する。図３は、１軸方向に偏向制御する電磁（ローレンツ）力により、１つの平面可動部が振動するＭＥＭＳ（ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＬＥＣＴＲＯ ＭＡＣＨＩＮＥ ＳＹＳＴＥＭ）にＶ字構造体ミラーを設けた例を示したものであり、図３（Ａ）は偏向装置の平面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。Ｖ字構造体ミラー４２は、可動部４１に対し、第１のミラー面４２ａと第２のミラー面４２ｂが交わる稜線と可動部４１の回動軸Ａｘ２とを含む面を境に左右対称に設けられている。固定部である環状部材（ヨーク）４４には、回転軸Ａｘ２を境に左右に1対の磁石４５ａ，４５ａが対称配置され、平面可動部４１には、Ｖ字構造体ミラー４２の周囲にコイル電線４６が形成されており、このコイル電線４６に印加する電流値を制御することで平面可動部４１が回転駆動される。ＭＥＭＳでは、前述したローレンツ力、可動部の材料や形状および自重により決まる共振周波数が存在し、Ｖ字構造体ミラー４２を含む平面可動部４１を共振駆動させることで、高速振動で広い振り角が得られる。本実施形態で使用したＭＥＭＳの駆動周波数は１１ｋＨｚで振り角が±１５ｄｅｇである。また、Ｖ字構造体ミラーは、Ａｇ全反射薄膜でミラー面４２ａ、４２ｂを形成（接着）した。なお、実際のＶ字型構造体にはＭＥＭＳの平面可動部４１と貼り付けるための耳が具備されているが、ここでは省略している。ミラーを設けるＶ字構造体については、プレス加工で成形したが、ガラス材等の三角柱プリズムにミラーを形成したものや、ＭＥＭＳを作製する際のエッチング加工時に一体成形しても構わない。

図４は、Ｖ字構造体ミラーを直交する２軸の周り振動するＭＥＭＳの平面可動部に取り付けるようにした、本発明の第２の実施形態に係る偏向装置の断面図を示す。なお、図３の場合と同様の機能を有する部分については同じ番号が付してある。本実施形態の場合、Ｖ字構造体ミラー４２が設けられる第１の可動部４１は、一対のヒンジ４３ａ，４３ａによって第２の可動部４７に連結され、第２の可動部４７は、一対のヒンジ４３ｂ，４３ｂによって固定部である環状部材４４に連結され、ジンバル機構によってＶ字構造体ミラー４２は、直交する２軸を回転軸として回動可能になっている。環状部材４４には、水平スキャン用の一対の磁石４５ａ，４５ｂと垂直スキャン用の一対の対の磁石４５ｃ，４５ｄとがそれぞれ左右と上下に対称配置され、また、水平スキャン用のコイル４６ａ，４６ａは第１の可動部４１の周辺に、垂直スキャン用のコイル４６ｂ，４６ｂは第２の可動部４７の周辺にそれぞれ配設され、各スキャン方向の駆動手段が構成されている。この偏向装置４０を用いることにより、小型の投影型映像表示装置で後述するステレオ映像表示のサービスも可能となる。

次に、レーザ光源ＬＤからの光線が、ＭＥＭＳ上に形成したＶ字構造体第１のミラー面４２ａに入射した際の振る舞いを図５により、Ｖ字構造体第２のミラー面４２ｂに入射した際の振る舞いを図６により説明する。なお、ここでは垂直スキャンに関する説明は省略する。

図５（１）は、ＭＥＭＳのコイル電線４６（図３）に流れる駆動電流が０の場合を示し、可動部４１が回動していない（光学角度０°）場合の光線の振る舞いであり、光線がＶ字構造体の両ミラー面（４２ａ，４２ｂ）に同時に入射しており、光線は２方向に分かれる。このままではスキャン面での映像表示に支障を来たすので、光線が同時にＶ字構造体の両ミラー面（４２ａ，４２ｂ）に照射している期間は、ＬＤ光源をＯＦＦさせ、スクリーン上へＬＤ光線を投影しないようにするのが好ましい。図５（２）は、ＭＥＭＳのコイル電線４６に流れる電流の振幅が正の領域で増加した際のもので、可動部４１が回動し始めた場合の光線の振る舞いである。この時、ＬＤからの光線はＶ字構造体第１のミラー面４２ａで反射され、スクリーンにＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）の光線が到達する（図示の白点）。図５（３）は、駆動電流が正の領域で最大振幅となった場合で、ＭＥＭＳの可動部４１が最大振り角（＋１５ｄｅｇ）まで回動する。この時、スキャン面８には、１ライン目のスキャンが完了する（図示の黒点から白点間）。図５（４）は、駆動電流の振幅が正の領域で減少していく場合で、ＭＥＭＳの可動部４１が逆方向に偏向することと併せ、前記の１ライン目のスキャン方向とは逆方向にスキャンする。そして、駆動電流の振幅が０になった時に、２ライン目のスキャンが完了する。以上が、ＭＥＭＳの半周期間のスキャン状態であり、Ｖ字構造体第１のミラー面４２ａにて２ラインのスキャンを行っている。

図６（５）は、ＭＥＭＳのコイル電線４６に供給する駆動電流の振幅が０の場合で、可動部４１が回動していない（光学角度０°）場合の光線の振る舞いであり、この場合も前記と同様にＬＤ光源をＯＦＦさせ、スクリーン上へＬＤ光線を照射しないようにしている。図６（６）は、ＭＥＭＳのコイル電線４６の駆動電流の振幅が負の領域で増加した際のもので、可動部４１が回動し始めた時の光線の振る舞いである。この時、ＬＤからの光線はＶ字型ミラーの第２のミラー面４２ｂでスキャンされ、所望のスキャン面（スクリーン）８に、ＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）の光線が到達する（図示の白点）。図６（７）は、駆動電流が負の領域で最大振幅になった場合のもので、ＭＥＭＳの可動部４１が最大振り角（−１５ｄｅｇ）まで回動する。この時、スキャン面８には、Ｖ字型ミラーの第２のミラー面４２ｂにより３ライン目のスキャンが完了する（図示の黒点から白点間）。図６（８）は、駆動電流の振幅が負の領域で減少していく場合で、ＭＥＭＳのＶ字型ミラーの第２ミラー面４２ｂが逆方向に偏向することと併せ、前記の３ライン目のスキャン方向とは逆方向にスキャンする。そして、駆動電流の振幅が０になった時に、４ライン目のスキャンが完了する。このように、ＭＥＭＳの駆動１周期間にＶ字型ミラーの両ミラー面４２ａ，４２ｂにより４ライン分のスキャン、もしくは、投影画像表示が行なえる。

図７は、本発明による偏向装置の変形例を示す。本変形例は、偏向装置におけるミラー部を、平面ミラーとＶ字型ミラーとを組み合わせて構成するようにしたものであり、この場合の偏向装置（４−１，４−２）は、ＭＥＭＳの可動部上にＡｇ蒸着により形成した平面ミラー４２−１と、平面ミラー４２−１の出射光側に、第１の実施形態に用いたものと同様のＶ字型ミラー４２−２を固定配置して構成される。

光源照明部に関しては、図１と同様、ＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）を使用し、レンズ群（２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）を配置し、ＤＭ（３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ）により光線を同一光路上で通過させ、図１中［Ｉ］に到達させる。［Ｉ］からの光線はＭＥＭＳの平面可動部４１′における平面ミラー４２−１上の略中央に到達するようにした。平面ミラー４２−１でスキャンされた光線は、Ｖ字構造体ミラー４２−１の第１ミラー面４２ａに始めの半周期間入射し、残りの半周期間でＶ字構造体ミラー４２−２の第２ミラー面４２ｂに入射する。以後の光線の振る舞いは、実施の形態１と同様であるので省略する。

次に、本発明による偏向装置の光学設計の詳細について、図８により説明する。図８は、ＭＥＭＳ４の可動部４１が光軸Ａｘ５から、θ２ｄｅｇ偏向した状態を示しており、図中の軸Ａｘ２はＭＥＭＳ４の可動部４１の回転軸、軸Ａｘ６は軸Ａｘ２とＶ字構造体ミラー面の頂点を結ぶ線をあらわしている。また、Ｖ字構造体ミラー４２の第１ミラー面４２ａと基準軸Ａｘ４が成す角をθ３、光軸Ａｘ５と軸Ａｘ６が成す角をθ４、Ｖ字構造体４２の第１ミラー面４２ａと光軸Ａｘ５が成す角をθ５とし、Ｖ字構造体４２の第１ミラー面４２ａの法線Ａｘ７とすると、光線Ｌａが光軸Ａｘ５を進行しＶ字構造体４２の第２ミラー面４２ｂで反射し、光軸Ａｘ５に対してθｙの角度で反射した時、θｙは次のように求められる。すなわち、法線Ａｘ７は、θｙの２等分線であり、Ａｘ７はＶ字構造体４２の第１ミラー面４２ａの法線であるから

θｙ／２＋θ５＝９０
θｙ＝２×（９０−θ５） ・・・（１）

また、三角形Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３より

θ３＋θ５＋９０＝１８０
θ５＝９０−θ３ ・・・（２）

また、三角形Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４より

θ１＋θ４＋θ３＋９０＝１８０
θ３＝９０−（θ１＋θ４）・・・（３）

また、θ２とθ４は偏向角であるから

θ４＝θ２ ・・・（４）

従って、（１）式は

θｙ＝２×［９０−（θ１＋θ２）］・・・（５）

ここで、設計時にＶ字構造体のミラー面４２ａ，４２ｂの頂点の半角θ１＝４０ｄｅｇ、可動部の最大振り角θ２＝１５ｄｅｇとすると、式（５）より

θｙ（ｍａｘ）＝９４ｄｅｇ ・・・（６）

また、偏向角３ｄｅｇの時に、光線Ｌａが片側のミラー面４２ａだけに入射したとすると、同様に（５）式より

θｙ（ｍｉｎ）＝７０ｄｅｇ ・・・（７）

従って、（６）、（７）式より、この場合の、スキャン角θｙは９４−７０＝２４ｄｅｇとなる。

水平方向のスキャン角θｙが小さい時、即ち画角が小さい時には、ＬＤ光源径の横寸法をレンズ設計やスリットにより予め結像倍率分小さくし、シリンドリカルレンズや、ｆθレンズ等を、場合によっては投影レンズ群と併せて用いることで画角を広げることが可能になる。

次に、図９により、軸Ａｘ２を回転軸として回動するＶ字構造体ミラー面（４２ａ，４２ｂ）、補助ミラー（５ａ，５ｂ）、光路合成素子６（便宜上図示せず）の光学設計の詳細について説明する。上方から入射する光線がＶ字構造体の第１ミラー面４２ａで反射した反射光線と光軸Ａｘ５との成す角度をθ６、第１の補助ミラー５ａに入射する光線と反射する光線が成す角をθ７、その反射光線と光軸Ａｘ５と成す角をθ８とする。

図示した光線をスキャン角θｙ（ｍａｘ）−θｙ（ｍｉｎ）を２等分する光線とすると、θ６は前式の（６）、（７）より、
θ６＝θｙ（ｍｉｎ）＋［θｙ（ｍａｘ）−θｙ（ｍｉｎ）］／２ ・・・（８）
＝７０°＋（９４°−７０°）／２ ＝８２°

第１の補助ミラー５ａの法線Ａｘ８と光軸Ａｘ５が成す角をθ９とし、
基準軸Ａｘ４に対して、第１の補助ミラー５ａはθ１０傾いているとすると

θ１０＋θ９＝９０°
θ１０＝９０°−θ９ ・・・（９）

三角形Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の関係から

θ６＋θ９＋θ７／２＝１８０°
θ９＝１８０°−（θ６＋θ７／２）・・・（１０）

また、三角形Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７の関係から
θ６＋θ７＋θ８＝１８０°
θ７＝１８０°−（θ６＋θ８）・・・（１１）
以上から、（９）は、
θ１０＝９０°−［１８０°−（θ６＋θ７／２）］
＝９０°−１８０°＋θ６＋［１８０°−（θ６＋θ８）］／２
＝４１°−θ８／２ ・・・（１２）

ここで、図１や図７において、光路合成素子６の光線入射面に光線（の中心光線）を垂直に入射するように設計する際にはθ８を４５ｄｅｇとすれば良いので、（１２）式から、
θ１０＝＝４１−４５／２＝１８．５ｄｅｇとなる。

図１０は、第２の実施形態として図４に示した偏向装置４０を利用し、入力映像信号に含まれる２つの映像情報を、異なる場所に投影するステレオ映像表示についての説明図である。なお、光源照明部は省略してあるが、図１の場合と同様にＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）を用いる。図１０（Ａ）において、Ｖ字構造体ミラー４２は、直交する２軸方向にそれぞれ往復回動駆動されることにより、１ライン目と２ライン目、の映像は、スクリーンＳ１に投影され、３ライン目と４ライン目はスクリーンＳ２に投影される。そして順次、スクリーンＳ１には、５，６ライン目、９，１０ライン目・・・、スクリーンＳ２には、７，８ライン目、１１、１２ライン目・・・が投影される。このように１つの偏向装置で、図１０（Ｂ）に示すように壁や柱の異なる２面（前記スクリーンＳ１，Ｓ２）に同時に同じ、もしくは異なる投影映像を形成できる。したがって、この偏向装置４０を用いることにより、投影型ステレオ映像表示装置における偏向装置を１つにすることができるので、装置の小型が可能となる。

図１１は、第１の実施形態として図３に示した偏向装置４を利用したステレオ映像表示の例を示す。本例の場合は、図１１（Ａ）に示すように、可動部にＶ字構造体ミラー４２が設けられた偏光器４を水平スキャン用とし、垂直スキャン用の偏向装置７を別途設けるようにしたもので、偏向装置４と偏向装置７との間の光路上に２つの補助ミラー５ａ，５ｂをそれぞれ配置する構成となっている。光源照明部には図１の場合と同様にＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）を用いている。本例の場合も図１０の場合と同様に、１ライン目と２ライン目、の映像は、スクリーンＳ３に投影され、３ライン目と４ライン目はスクリーンＳ４に投影される。そして順次、スクリーンＳ３には、５，６ライン目、９，１０ライン目・・・、スクリーンＳ４には、７，８ライン目、１１、１２ライン目・・・が投影される。

ステレオ映像表示の用途としては、例えば、図１１（Ｂ）のように車のインパネの異なる２面（スクリーンＳ３，Ｓ４）に投影映像を形成でき、２つの補助ミラー５ａ、５ｂの位置、角度等を調節可能とすることで、スクリーンＳ３とスクリーンＳ４の表示位置や表示画面サイズが調節可能となる。

次に、本発明に係る偏向装置を用いて立体映像表示を行う例について、図１、図１２、１３にもとづいて説明する。なお、光源照明部にはこれまで説明した実施形態と同様に、３原色のＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）を用いた。光源照明部からの光線は、順次、水平方向スキャン用の偏向装置４におけるＶ字構造体４２のミラー面４２ａ、４２ｂに入射する。この際、ＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）はＶ字構造体ミラー面４２ａ，４ｂに対して、Ｐ偏光としたがＳ偏光でも構わない。

偏向装置４のＶ字構造体ミラー４２が１回の往復運動をする半周期で、ＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）はＶ字構造体ミラー４２の第１ミラー面４２ａで水平スキャンされ、第１の補助ミラー５ａで反射して光路合成素子６に入射する。光路合成素子６は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と一般には呼ばれているものを、光線の入出射を逆に使用したものであり、第１の補助ミラー５ａで反射した光線のＰ波は、そのまま透過する。

光路合成素子６を透過した光線は第２の偏向装置７で垂直スキャンされてスクリーン８に到達し、１ライン目、２ライン目が投影される。次いで、Ｖ字構造体ミラー４２が１回の往復運動をする残りの半周期で、ＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）はＶ字構造体ミラー４２の第２ミラー面４２ｂで水平スキャンされ、第２の補助ミラー５ｂで反射し、光路合成素子６に入射する。本実施形態においては、第２の補助ミラー５ｂのミラー面にはλ／４板を施しており、ＬＤ（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）のＰ波は、第２の補助ミラー５ｂを出射した際に、Ｓ波に変換される。Ｐ波をＳ波に変換する方法としては、図１のところでも記載したように、第２の補助ミラー５ｂの反射面にλ／４板を設ける方法の他に、第２の補助ミラー５ｂの入射側、もしくは出射側にλ／２板を配置させる方法によっても同様の効果が得られる。

Ｓ波に変換された光線は、光路合成素子６に入射し、偏光光線合成素子６の内部に形成された誘電体薄膜形成面６ａにより反射され、透過したＰ波と同一の光路を進行し、第２の偏向装置７で垂直スキャンされ、スクリーン８に到達して３ライン目、４ライン目が投影され、スクリーン８には、図１２（Ａ）に示したように、Ｐ波とＳ波により、画像が表示される。ここで、入力映像信号に立体映像情報が含まれている場合、観測者の左目の前に、Ｐ波を透過する第１のフィルタ１１を配置すると、左目にはＰ波による１ライン目と２ライン目の画像だけが視認され、右目の前にＳ波を透過する第２のフィルタ１２を配置すると、右目にはＳ波による３ライン目と４ライン目の画像だけが視認される。したがって、２ライン目（Ｐ波）と３ライン目（Ｓ波）（以降の４ライン目と５ライン目、６ライン目と７ライン目・・・）は同一画像を表示させ、該２ライン目には左目における視差を考慮した画像とし、該３ライン目には右目における視差を考慮した画像とすることで、立体的な映像を観測者に認識させることが可能となる。

図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）のスクリーン８に４ライン目までの画像が表示された際の、第１の偏向装置４に印加された駆動電流１３ａと、第２の偏向装置７に印加された駆動電流１３ｂを示す。駆動電流１３ａの１周期は（i）−（ｖ）で、先ず（i）−（ii）に移行する際、即ち、駆動電流の振幅が正の領域で増加していく時には、スクリーン８上に１ライン目が表示される。（ii）−（iii）に移行する際、即ち、駆動電流の振幅が正の領域で減少する時には、スクリーン８上に２ライン目が表示される。振幅が正の領域にある場合には、第１の偏向装置４のＶ字構造体ミラー４２の第１ミラー面４２ａに光線が照射している。次に、駆動電流１３ａの（iii）−（iv）期間の駆動電流の振幅が負の領域で増加する時には、スクリーン８上に３ライン目が表示され、（iv）−（ｖ）期間の駆動電流の振幅が負の領域で減少する時には、スクリーン８上に４ライン目が表示される。振幅が負の領域にある場合には、第１の偏向装置４のＶ字構造体ミラー４２の第のミラー面４２ｂに光線が照射している。図１２においては、第２の偏向装置７の駆動電流は、３０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの正弦波としているため、各目の視野角を考慮に入れた同一画像である２ライン目と３ライン目が１ライン分ずれてしまうことにより、同一画像がずれてしまうことで立体表現能力にやや支障を来たす。

そこで、図１３（Ｂ）のように第２の偏向装置７の駆動電流１４ｂを、ステップ波とした。すなわち、Ｐ波による２ライン目の表示が終了した（ii）−（iii）の期間の後、（iii）−（iv）の期間では駆動電流１４ｂの電圧値を固定することで、図１３（Ａ）のようにＳ波で２ライン目を重複しスキャン（表示）させることができ、立体表示性能が向上する。なお、図１２、１３では、第１の偏向装置４及び第２の偏向装置７に印加する駆動電流を正弦波で行なったが、矩形波や、ノコギリ波を使用することや、それらの波形を組み合わせることで、更にＰ波とＳ波を同一ライン上で重ねることが可能であり、立体表示性能が向上する。

本実施形態の場合も、従来では、１２８０×７２０ドットの解像度でフレーム周波数６０Ｈｚを得るためには、２２ｋＨｚで駆動できるＭＥＭＳを使用する必要があったが、本発明では、その半分の１１ｋＨｚ駆動で７２０ＰのＨＤ画像が得られた。更には、従来の２２ｋＨｚのＭＥＭＳを本発明に適応すれば、水平解像度１０８０ＰのＨＤ画像が得られ、最大水平解像度１４００Ｐまで高性能化が可能となる。

以上に説明したように、本発明によれば、ミラー部の駆動周波数や駆動電圧を高くすることなく、また、磁石やヨーク等を大型にすることなく２倍のスキャン速度が得られる偏向装置を実現することができ、その偏向装置を用いることにより、小型でハイビジョンクラス以上の高解像度に対応でき、しかも簡単な構成で立体映像表示やステレオ映像表示のサービスも可能な投影型映像表示装置を提供することできる。なお、本発明の偏向装置はスキャナーに用いることも可能であることは言うまでもない。

本発明による偏向装置を用いた投影型映像表示装置の基本的構成の説明図である。 図１の投影型映像表示装置における光源照明部と偏向部の信号制御についての説明図である。 本発明による偏向装置の第１の実施の形態に係る説明図である。 本発明による偏向装置の第２の実施の形態に係る説明図である。 本発明の偏向装置におけるＶ字構造体ミラーの往復回動運動の前半周期に行われるスキャンについての説明図である。 本発明の偏向装置におけるＶ字構造体ミラーの往復回動運動の後半周期に行われるスキャンについての説明図である。 本発明による偏向装置の第１の実施の形態の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態におけるＶ字構造体ミラーの光学設計に関する説明図である。 本発明の実施の形態におけるＶ字構造体ミラーの下流に補助ミラーが配置される場合の光学設計に関する説明図である。 本発明の第２の実施形態における偏向装置を利用してステレオ映像表示を行う場合の説明図である。 本発明の第１の実施形態おける偏向装置と補助ミラーを組み合わせてステレオ映像表示を行う場合の説明図である。 本発明の偏向装置を利用する立体映像表示についての説明図である。 本発明の偏向装置を利用して立体表示を行う場合の立体表示性能を高める方法についての説明図である。 従来のミラー型ＭＥＭＳと固体照明素子を用いた投影型表示装置の説明図である。 従来の平面ミラー型ＭＥＭＳの説明図である。 従来の画素型表示デバイスと固体照明素子を用いた投影型表示装置の説明図である。

符号の説明

１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ…固体発光素子、２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ…集光レンズ、３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ…ダイクロイックミラー、４…第１の偏向装置、４１…可動部、４２…Ｖ字構造体ミラー、４２ａ…第１のミラー面、４２ｂ…第２のミラー面、４３ａ，４３ｂ…ヒンジ、４４…環状部材（ヨーク）、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ…磁石、４６，４６ａ，４６ｂ…コイル電線、５ａ…第１の補助ミラー、５ｂ…第２の補助ミラー、６…光路合成素子、７…第２の偏向装置、８…スキャン面（スクリーン）、９…波長板、１１ａ…第１のフィルタ（偏光タイプ）、１１ｂ…第２のフィルタ（偏光タイプ）、１２ａ，１３ａ…ＭＥＭＳの水平スキャン用の駆動電流波形、１２ｂ，１３ｂ…ＭＥＭＳの垂直スキャン用の駆動電流波形。

Claims (8)

1. 固体発光素子の発光を映像信号で変調する光源照明部と、前記光源照明部から出射された光線をスキャンする往復回動する可動部に設けたミラーによって偏向する偏向装置を有し、
   前記ミラーは、第１のミラー面と該第１のミラー面と反射方向が異なる第２のミラー面とを有するＶ字構造体ミラーで構成され、前記可動部に対し、前記第１のミラー面と第２のミラー面が交わる稜線と前記可動部の回動軸とを含む面を境に左右対称に設けられ、前記Ｖ字構造体ミラーの往復回動運動の前半の半周期間に前記第１のミラー面で２ライン分のスキャンを行ない、後半の半周期間に前記第２のミラー面でさらに２ライン分のスキャンを行うことにより前記可動部の１周期の往復回動運動で４ライン分の水平スキャンを行ない、
   更に、該偏向装置の第１のミラー面でスキャンされた光線を反射する第１の補助ミラー及び前記第２のミラー面でスキャンされた光線を反射する第２の補助ミラーと、当該第１及び第２の補助ミラーで反射された光線の光路を一致させる光路合成素子と、を備え、当該光路合成された光線を垂直スキャンして投影することを特徴とする投影型映像表示装置。
2. 前記偏向装置のＶ字構造体ミラーは、ＭＥＭＳの平面可動部に設けられることを特徴とする請求項１に記載の投影型映像表示装置。
3. 前記偏向装置の前記可動部は前記回動軸と直交する軸を有し、該軸を中心に回動することにより前記光路合成された光線を垂直スキャンすることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影型映像表示装置。
4. 前記光源照明部から出射された光線が、前記Ｖ字構造体ミラーにおける第１のミラー面と第２のミラー面に同時に入射する期間は前記固体発光素子の駆動を停止することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の投影型映像表示装置。
5. 前記第１の補助ミラーと第２の補助ミラーのいずれか一方の光路上において光線の偏光方向を９０度回転させる偏光変換素子を、該補助ミラーの光入射側、又はミラー上、もしくは光出射側に配置すると共に、前記第１の補助ミラーで反射した光線と第２の補助ミラーで反射した互いに異なる偏光光線を同一光路に合成する偏光光線合成素子を配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の投影型映像表示装置。
6. 前記光源照明部には、複数の固体発光素子を具備し該複数の固体発光素子から出射した光線群の光路を一致させる光路合成素子が設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の投影型映像表示装置。
7. 前記第１のミラー面と、前記第２のミラー面で反射される光線の変調映像信号を、それぞれ独立して立体映像で投影するようにしたことを特徴とする請求項５又は６に記載の投影型映像表示装置。
8. 前記第１の補助ミラーから投影された第１の偏光映像と、第２の補助ミラーから投影された第２の偏光映像のそれぞれの１ラインを重ねて投影するようにしたことを特徴とする請求項７に記載の投影型映像表示装置。

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