JP4731938B2 - 画像表示装置・投射光学系 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示装置及び投射光学系に関し、より詳細には、プロジェクションディスプレイなどの電子ディスプレイ装置に応用可能な、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する小型の画像表示用素子をレンズで拡大した画像を観察するための画像表示装置に関する。

画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する画像表示用素子を投射レンズで拡大した画像を表示する画像表示装置としては、フロントプロジェクタ、リアプロジェクタ等の呼称で広く使用されている。
この種の画像表示用素子としては、ＣＲＴ、液晶パネル、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：登録商標：テキサスインストルメント社製）等が商品として開発、使用されており、また無機ＥＬ、無機ＬＥＤ、有機ＬＥＤ等も研究されている。
また、小型の画像表示用素子をレンズで拡大した画像を表示するのではなく、等倍で観察する画像表示装置としては、既述のＣＲＴ、液晶パネル、無機ＥＬ、無機ＬＥＤ、有機ＬＥＤ以外に、プラズマディスプレイ、蛍光表示管等が商品として開発、使用されており、ＦＥＤ（フィールドエミッションディスプレイ）、ＰＡＬＣ（プラズマアドレッシングディスプレイ）等も研究されている。
これらは、自発光型と空間光変調器型の２つに大きく分類されるが、いずれも光を制御可能な複数の画素を有するものである。

これらの画像表示装置に共通の課題は、高解像度化、つまりは大画素数化であり、ブロードキャストの表示を目的とした走査線１０００本程度のＨＤＴＶ用の表示装置が既に商品化され、ワークステーションコンピュータの高解像度表示を目的とした走査線２０００本程度の開発品が、液晶パネルを用いた技術で発表されている。
しかしながら、画素数を増加させることは、液晶パネルの歩留まりを低下させ、また開口率が減少するなどにより、コストが増加したり、輝度やコントラストが低下したり、消費電力が増加する等の問題を有していた。

これらの問題に対処すべく、特許第２９３９８２６号公報、特開平６−１９７２９７号公報等には、単一の画像表示用素子を用いて２倍の画素数を有するインタレース表示を行う画像表示装置が記載されている。
特開平７−３６５０４号公報には、単一の画像表示用素子を用いて４倍以上の画素数を有する表示装置が記載されている。これらは、画像表示用素子から出射した光路を時分割で高速に偏向させ、見かけ上画素数を増大させる方法、いわゆる画素シフト方式である。
特開２００２―１３９７９２公報には、画面全体を光路偏向手段により表示エリアを倍増させ、高解像化を図る技術が記載されている。

具体的に説明すると、特許２９３９８２６号公報に記載の投影表示装置では、表示素子からスクリーンに至る光路の途中に透過光の偏光方向を旋回できる光学素子と複屈折効果を有する透明素子をそれぞれ少なくとも１個以上有し、表示素子で形成された画像を投射光路中で投影画像をシフトする手段を設けている。
表示素子の開口率を実効的に低減させ、表示素子の各画素の投影領域がスクリーン上で離散的に投影される手段も併せて設け、コントラストの向上を図っている。

特開平６−１９７２９７号公報に記載の液晶プロジェクタでは、制御回路の制御により可変型プリズムのガラス板の傾斜を変位させる構成となっており、ガラス板が上方に傾いた場合には、光軸は可変型プリズムを透過することにより所定の角度だけ下方に屈折され、ガラス板が下方に傾いた場合には、所定の角度だけ上方に屈折されてスクリーン上に投射される。すなわち、プリズムの楔形形状を変化させることで、投射光学系への入射角度を微小角偏向し、画素シフトをなし得ている。
制御回路の制御を垂直同期信号などと同期して繰り返し行うことにより、スクリーン上に投射される映像の縦方向の解像度が向上する。
特開２００２―１３９７９２号公報に記載の画像表示装置では、スクリーンと光偏向手段による偏向前後における光軸の交点の変位量が、各交点を通る直線上における投影画像である画像片との幅と一致するように設定され、複数の画像片を所定時間間隔ごとに光偏向手段により光偏向することで切り替え表示することを特徴としている。光変調素子により形成された画像を光偏向手段によって、画素数を増加させるものである。

特許２９３９８２６号公報 特開平６−１９７２９７号公報 特開２００２―１３９７９２号公報

上記のような従来における光路偏向素子を用いて高速に画素をシフトし、擬似的に画素を倍増化する画像表示装置の投射光学系についての基本的な構成を図１６に示し、ライトバルブと投射レンズとの位置関係を図１７に示した。
図１６において、符号１はライトバルブを、２は光路偏向素子を、３は投射光学系を、４はスクリーン面を、５、６は投射光学系における投射レンズをそれぞれ示している。
光路偏向素子２は、表示画素ピッチの半ピッチだけシフトさせるだけの角度を偏向する機能を有している。この場合、投射光学系３の投射レンズのバックフォーカスをＢＦ、液晶パネル（ライトバルブ１）と光偏向素子２の間隔をＤ（但し、Ｄ＜ＢＦ）、ライトバルブ１の画素ピッチをＰとする。

光路偏向角はＤに対して非常に微小量であるため、光路偏向素子２としては偏向角をΔθが必要であるとすると、
ｔａｎΔθ≒ｓｉｎΔθ≒Ｐ／２・Ｄ
となる。ちなみに、Ｐ＝１４μｍ、Ｄ＝３０ｍｍとすると、Δθ＝４８．１秒、つまりΔθ＝０．０１３３６ｄｅｇとなる。
逆にΔθが決まると、シフト量は、Ｐ／２＝Ｄ・ｓｉｎΔθで計算される。
Ｐ／２の値は、Ｄの値に比例していることが分かる。つまり、ライトバルブ１と光路偏向素子２との位置関係がシフト量に影響していることが分かる。
一方、従来の画像表示装置の組み立て工程においては、ライトバルブや各種プリズム部品、投射レンズ等を投射装置筐体にアッセンブリーする際、調整工程を無くし、部品公差、組み付け公差を厳しくして性能確保することも可能であるが、部品積み上げだけで性能を出すように公差配分をすることは、部品コストや、組み付けコストが非常高くなり、非現実的である。

実際のところ、各種部品精度、配置精度等がある程度許容範囲を有し、最終的に物体面にあたるライトバルブを光軸方向に微動する、いわゆるフォーカス調整により、スクリーン上への投射画像性能を確保させることが行われている。
このような現状において、光路偏向素子２が従来の画像表示装置のように、投射レンズ５とライトバルブ１の間に配置されている場合について検討した。
例えば、Ｄ＝３０ｍｍ、Ｐ＝１４μｍ、Δθ＝４８．１秒の偏向角を有する偏向素子を設定した場合、偏向素子の位置設定誤差が±０．５ｍｍ程度のパネルのフォーカス調整範囲を持たせるとする。±０．５ｍｍは３０ｍｍに対してはこのとき、３．４％の値となる。したがって、もし、偏向素子が固定された状態でパネルの光軸方向の位置調整を行った場合、シフト誤差が７μｍに対して、３．２％、つまり、０．２２μｍの誤差が生じることとなる。
この値は非常に小さい値であるが、ラインアンドスペース表示などで奇数ドットをＯＮにするか偶数ドットをＯＮにするかで、線幅が微妙に異なって表示される場合問題となる。

図１７では、この問題点を説明するために誇張して表示している。ライトバルブ１上のＯの位置の画素は、実線で描く光束で光路偏向素子２に向かい、実線と破線の２方向に高速にスイッチングされて、あたかも、Ｏ’の位置の画素の像を投射レンズでスクリーン上へ投射したかのようになる。
画素シフト量はＡに相当する量である。しかしながら、ライトバルブ１の焦点位置合わせによって、破線の位置にライトバルブ１が調整されたとすると、投射レンズ５からみたライトバルブ１上の画素シフト量はＡ＋Δの値となり、画素シフト量が変動してしまうことが分かる。
また、画素シフトする時間は光路偏向素子２の駆動時間に依存しており、この時間内の表示漏れが少なからず存在し、この漏れ光が解像度の劣化に影響していた。この劣化を防ぐために、従来においては照明光をカットしたりしていたが、光の有効利用の観点ではより向上が求められており、改善の余地があった。

そこで、本発明は、光路偏向素子の位置ずれによる投射ドット位置変動を抑制でき、高品質な画像を得ることができる画像表示装置及び投射光学系の提供を、その主な目的する。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明では、照明光源と、画像を表示する空間光変調素子と、該空間光変調素子上に形成された画像を拡大投射する投射光学系と、該投射光学系でスクリーン上に形成された画像と上記空間光変調素子の間にあって、画面フレーム周期に応じて、投影画像の光路を偏向する光路偏向素子とで構成され、該光路偏向素子により投射画像の光路を高速にシフトさせて、見かけ上画素数を増加させる画像表示装置において、上記光路偏向素子が、上記投射光学系の内部に配置されているとともに上記投射光学系の絞り位置又は絞り位置近傍に配置されており、且つ、上記光路偏向素子が段差の無い反射型の光路偏向素子であり、上記光路偏向素子として、画素シフト量が画素ピッチ未満となるシフト量を偏向させる光路偏向素子１と、画素シフト量が有効画素領域に相当するシフト量を偏向させる光路偏向素子２とで構成し、見かけ上表示画素数及び表示エリアを増加させることを特徴とする。

本発明によれば、空間光変調素子と光路偏向素子の位置関係を保ったまま、光軸方向の焦点合わせを行うことが可能となり、スクリーン上での画素シフト量の変動が無くなり、より高精細な画像表示を実現できる。
また、空間光変調素子の位置調整による画素シフト量の変化が従来より小さくなる。
また、光路偏向素子の面内のばらつきによる偏向角度の面内ばらつきを緩和できる。
また、光学系をコンパクトな構成にできる。
また、高密度と同時に表示エリアも拡大できる表示装置を実現できる。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。なお、第１０〜第１４の実施形態以外は参考例として示す。
まず、第１の実施形態を図１に基づいて説明する。なお、従来例と同一部分は同一符号で示す（以下の他の実施形態において同じ）。
図１（ａ）に示すように、画像表示装置１０は、図示しない照明光源と、画像を表示する空間光変調素子としてのライトバルブ１と、ライトバルブ１上に形成する画像信号に応じて光路を偏向する光路偏向素子２と、投射光学系３を有しており、光路偏向素子２は投射光学系３の内部に配置されている。

投射光学系３は、液晶や反射型ドットマトリクス液晶やデジタルマイクロミラーデバイス等の空間光変調素子で光変調された光を被投射面（スクリーン等）に投射する光学系であって、複数のレンズ、絞り、ミラー、プリズム、偏光変換光学系、照明光学系等からなる。なお投射光学系３の構成は図１に記載の構成に限定されず、一般的に投射光学系と呼ばれるものを含む。特にプロジェクションディスプレイ等で使用される投射光学系として光路折り曲げ型の投射光学系が一般的に知られているが、前記投射光学系も本発明に記載する投射光学系に含まれる。

図１（ａ）、（ｂ）に基づいて、本実施形態の動作を説明する。ライトバルブ１上の像高位置ｆ１、ｆ２、ｆ３の各位置は、投射光学系３によりｆ１’、ｆ２’、ｆ３’のように反転して投射される。本実施形態は、投射光学系３が空間像を結ぶことなくスクリーン面で倒立像を形成させるようなレンズ構成の場合である。

投射光学系３は設計にもよるが、照明光の反射光を効率よく取り込むためと、投射画面上での照度均一性を確保するために、ライトバルブ１面上の各像高位置からの主光線は互いに平行となる、いわゆる物体側（ライトバルブ１側）にテレセントリックな光学系が多く採用されている。
このような光学系では、一旦ライトバルブ１から発散的に広がった光束を、初段の光学系により収束させて、レンズ系内部ではライトバルブ１からの反射発散光束より絞められた角度で屈折した光路を通り、光学系出射側最終面から出た光束をスクリーン面４上に結像させている。
つまり、投射装置に採用されているテレセントリックな従来の投射光学系では、光学系の内部における光線の進む角度が、物体面上（ライトバルブ１上）の像高情報（画素位置情報）として対応してくる。

図１(ａ)では、内部でほぼ平行となる光路を描く投射光学系３の概略図を示している。
光路偏向素子２で光路を偏向させる様子を図１（ｂ）に示す。光学系の内部で微小角度だけ光路を偏向し、スクリーン面４上で所望の画素シフト（シフト量Δ）を行う。画素シフト方向は、水平方向や、垂直方向、それらを組み合わせた上下左右の方向、あるいは斜め方向の一方向のみであり、これらの画素シフトにより高解像化が図られる。
投射光学系３にテレセントリックな光学系を採用した多くの投写型表示装置では、ライトバルブ１上の画素位置情報は、光路内での主光線の角度情報として対応付けることが可能となり、光学系内部に従来からある光路偏向素子２を配置することで、従来からある駆動方法を適用することにより容易に画素シフトを実現でき、高精細、高解像な画像を得ることが可能となる。
他の利点としては、ライトバルブ１の位置調整による画素シフト量の変化が従来技術より小さくなる点がある。これは、投射光学系３で光路がほぼ平行となる位置に光路偏向素子２を配置した場合が最も効果がある。

図示しないが、画像表示装置１０は他に、効率よく照明光をライトバルブ１へと導く照明光学系や、カラー画像を得るための作像系などを有している。単一のパネル（ライトバルブ１）にＲ、Ｇ、Ｂカラー照明光を時間順次に照明し、人の視覚上では、ＲＧＢの表示切り替わりが判別できないくらい高速に切り替えて、カラー画像を形成させるいわゆるカラーシーケンシャル方式を採用できる。
また、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色に対応したライトバルブ１へ、ＲＧＢ光をそれぞれ照射して、ダイクロイックプリズム等で合成した画像を画素ずらしさせて拡大投射する方式としてもよい。
本実施形態における画像表示装置１０に適用できる照明光源としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどがある。また、ＬＥＤランプ、ＬＤなどの単色光も適用可能である。高輝度な白色ＬＥＤなども照明光源として適用してもよい。
高効率な照明効率が得られるように照明光学系を搭載してもよい。照明光学系の具体例としては、超高圧水銀ランプなど、光源近傍に配置されたリフレクター（光源と一体となっている）がある。

リフレクターにより反射されて指向性を持った光束をインテグレータ光学系（フライアイレンズ対）といわれる照度均一化手段によりパネル面上へ均一な照明分布が得られるような照明光学系を搭載してもよい。
また、適用できるライトバルブ１としては、透過型液晶パネル、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：登録商標：テキサスインストルメント社製）パネルなどがある。
図示しないが、反射型タイプの液晶ライトバルブを用いる場合は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と組み合わせた照明光路と投射光路の分離手段を用いるなどでより効率よい照明が可能となる。ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：登録商標：テキサスインストルメント社製）パネルをライトバルブとして搭載する場合は、斜め入射光学系や、全反射プリズムを使った光路分離などが採用される。偏光依存性のないライトバルブを用いる場合は、光路偏向素子２としてガルバノミラーや、微小マイクロミラーアレイ等を用いるのが光利用効率の観点で好適である。このように、ライトバルブ１の種類に応じて適切な光学系を採用すればよい。

次に、第２の実施形態を説明する。
本実施形態では、第１の実施形態の構成に加え、図１３に示すように、光路偏向素子２を投射光学系３の絞り位置又は絞り位置近傍に配置したことを特徴とする。

光路偏向素子２を投射光学系３の絞り位置に配置した絞り部材８を図１４に示す。図１４に示すような絞り部材８を使用することにより、光の絞り位置と光路偏向素子の配置する位置が一致する。
図１４に示す絞りの形態はあくまでも一実施例であり、画面サイズに対応した矩形開口であってもよいし、楕円開口であってもよく、必ずしも円形開口に限定するものでない。
このような構成を採用することで、ライトバルブ１上のすべての画素からの光束が、光路偏向素子２の透過面有効領域内となるため、光路偏向素子２の面内のばらつき（光路偏向角度の位置ばらつき等）の影響を受けなくなる。
光路偏向素子を投射レンズとライトバルブの間に配置する従来技術では、図１（ａ）に示したライトバルブ１上の例えばｆ１の画素と、ｆ２の画素の光束は、ライトバルブ１から発した直後では空間的に同一とならず、それぞれの画素が通過する光路偏向素子２の位置が異なる。すなわち、光路偏向素子２を投射レンズとライトバルブの間に配置させる従来の方式では、光路偏向素子２の面内のばらつきを受けやすくなるといった問題点があったが、絞り位置又は絞り位置近傍に配置することでそのばらつきを平均化させる効果が得られ、画素シフト量の均一化を図ることができる。

図２に基づいて第３の実施形態を説明する。本実施形態では、偏向角を大きくとることができるようにして設定の自由度を向上させ、また、光学系のコンパクト化を図ることを目的としている。
本実施形態においては、光路偏向素子２を投射光学系３内に配置する構成に加え、光路偏向素子２を反射型としている。
動作としては、光路偏向素子２により反射光路が微小角度偏向され、スクリーン面４上で所望の画素シフトを生じさせる。これを人間の視覚で感じない時間内で高速シフトを行うことにより、見かけ上高解像化が達成される。図２では画素シフトの様子を説明するために誇張表示している。

図１８に、光路偏向素子２を投射光学系３とライトバルブ１の間に配置した従来の構成を示す。従来の構成では、光路偏向素子２と投射光学系３との間に光を折り返すスペースが必要であり、図１８に示したように、光路偏向素子２を配置すると、照明光と結像光を分離するためのプリズムや、色合成用のプリズム等、他の光学部品を配置するための余裕度が著しく損なわれる。そのため、バックフォーカスが長い光学系が必要になる。

このようにライトバルブ１と投射光学系３の間に光路偏向素子２を配置する従来の構成では、バックフォーカスが十分長くできれば、反射型光路偏向素子を配置することが可能であるが、実際のところ、投射レンズまでの空間は光路分離用のＰＢＳやダイクロイックプリズムなどの光学部品で占められており、実質上、反射型光路偏向素子をライトバルブ１と投射光学系３の間に配置することはできなかった。

本実施形態のように反射型光路偏向素子２を光学系内部に配置することで、レイアウト上の問題点も一挙解決することができた。また、折り曲げた光学系となるため、投射光学系３のコンパクト化も図ることができる。

また、光路偏向素子２を投射光学系３の内部に設けることにより、次のような利点もある。図３に示すように、有効画素領域に相当する画素シフトを行う場合には、位置フレームの先頭ライン（スクリーン４上で点線で表示した画像の最下ライン）と最終ライン（スクリーン４上で実線で表示した画像の最上ライン）とが滑らかにつながるように画素シフト量を大きく、しかも、精度良く確保する必要がある。
つまり、画像のつなぎ目が判別できないように画素を合わせる必要があるが、光路偏向素子２を光学系の内部に配置することによって、光路偏向素子２の面内ばらつきの影響をなくすことができ、つなぎ目においても精度よくシフト量を確保することが可能となる。

図７に基づいて、第４の実施形態を説明する。本実施形態では、表示エリアを拡大することができ、ライトバルブの表示画素数を有効に利用して、解像度を落とすことなくアスペクト比を変化させることができるようにすることを目的としている。
上記目的達成のために、光路偏向素子２による画素シフト量を、ライトバルブ１の複数の画素シフトとし、見かけ上画面サイズを変化させた。
図７では、画素シフトしない画面（１）と、画素シフトした状態の画面（２）を示している。両画面はシフト量（３）で画像シフトして重なり合っている。図中の□は模式的に画素を示す。なお、図中の□の１辺の長さは、空間光変調素子で光変調された光はマイクロレンズ等により画素縮小されているため、空間光変調素子の１辺の長さの略半分になっている。
画素シフト方向は画面横方向に設定し、ライトバルブ１のアスペクト比が横４：縦３の比率のものを、横１６：縦９の比率になるように、横方向にシフトした様子を示す。
その結果、画面（１）と画面（２）のフレームが重なり合った部分（５）が生じるが、ここの表示画像は、あたかも同一画像となるように画像処理によってライトバルブ１の表示を切り替えればよい。

図８に基づいて、第５の実施形態を説明する。本実施形態では、表示エリアを拡大するとともに、中央部分の見かけの解像度を向上させ、より高品質な画像表示を可能とすることを目的としている。
第４の実施形態において、重なり合った部分（５）をさらに、１／２画素シフトすることによって、図８の重なり合った領域（６）の画素密度を倍増させることができる。この手法により、特に、テレビジョンなど中央部分の解像度を上げることが可能となる。

次に、第６の実施形態を説明する。本実施形態では、表示エリアを倍増させ、高解像化を行うこと、また、２画面独立の表示も可能とし、画像表示装置の使い勝手を向上させることを目的としている。
第５の実施形態における構成では、正確に画素を合わせることが必要であるが、完全に表示エリアを分離するまで画素シフトを行うようにしてもよい。すなわち、図６に示すように、２画面表示としてもよい。
この場合、例えば図６に示したように、完全に表示エリアを離す偏向角に設定すればよい。上下方向であっても、左右方向であっても、斜め方向であってもよい。２画面表示が可能となるので様々な用途に適用可能となる。また、左右別の表示を行ったりすることもできる。
左右の視差を応用した立体映像表示へも適用可能である。このように、単純に２画面表示であれば、２画面のつなぎ目を画素ピッチレベルで合わせる必要もなくなる。

図２、図３、図４に基づいて、第７の実施形態を説明する。本実施形態では、偏光を取り扱う必要を無くし、光の利用効率を向上させることを目的としている。
第５、第６の実施形態における構成において、光路偏向素子２として、ガルバノミラーを用いたことを特徴としている。
従来の液晶部材を用いた光路偏向素子では、偏光依存性を利用したスイッチングを行っていたために、ライトバルブとして液晶パネル等と組み合わせた構成が好適であった。本実施形態の構成を採用するとことで、マイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：登録商標：テキサスインストルメント社製）を用いた反射型ライトバルブと組み合わせることも容易になる。つまり、偏光変換光学系や、照明光と投射結像光を分離する偏光分離素子（ＰＢＳ）等といった素子が不要になり、より簡単な光学系を実現できる。

図４は、ライトバルブ１からの反射光を光路偏向素子としてのガルバノミラー７により偏向方向を２方向に高速に切り替える様子を示しており、この２方向の光路を実線と破線で示している。
このとき図示したように、ガルバノミラー７の支点近傍と、支点から離れた位置とで反射位置が異なる。つまり、光学系が偏芯系となり、微小角度の変化では問題とならなかった画像劣化が、偏向角度を大きく設定する必要があるフレーム単位の画素シフトによる高解像の画像表示装置では、投射性能を劣化させる要因となっていた。この光路差をなくす手段としてＤＭＤ（マイクロミラーデバイス：登録商標：テキサスインストルメント社製）を採用することにより、微小なエリア毎に反射角度を振ることができるために、図４に示したような破線と実線のような反射位置が変わる現象がなくなり、ひいては、投射光学系による劣化を防ぐことが可能となる。

ＤＭＤ（マイクロミラーデバイス：登録商標：テキサスインストルメント社製）は非常にスイッチング速度が高速で、数μ〜数十μ・ｓｅｃの機械的スイッチング速度を有しており、画素シフト中の表示の状態はほとんど無視できるので、これまで、液晶を使った光路偏向素子では偏向させている、すなわちシフトしている時間だけ表示させない工夫、つまり遮光（照明側で高速に遮光したり、ライトバルブでＯＦＦしたり）して見かけ上の解像度の劣化を防いでいたが、本実施形態のように、ＤＭＤ（マイクロミラーデバイス：登録商標：テキサスインストルメント社製）を光路偏向素子に使うことで、このような遮光は不要となる。
また、ＤＭＤ（マイクロミラーデバイス：登録商標：テキサスインストルメント社製）は数度から数十度といったミラー振れ角を実現できるので、フレーム全体をシフトするには非常に好適なデバイスとなる。
図２は、画素ピッチ以下のシフトにより見かけ上高解像表示を行うときの光路の様子を示しており、図３は、シフト方向の画面サイズ以上にシフトして、画面サイズを増大させたときの光路の様子を示している。

次に、第８の実施形態を示す。本実施形態では、大径ミラーによる光路偏向素子の不具合であった反射位置変化を防ぎ、高品質な画像を提供すること、光路偏向素子の微小ミラー化により、より高速駆動を実現し、高速な画素シフトを行うこと、従来技術で必要であった遮光等を不要にして、より光利用効率の向上を図ることを目的としている。
第５、第６の実施形態における構成の光路偏向素子２として、機械的に可動なミラーを２次元的に配列したミラーアレイとしたことを特徴としている。機械的に可動なミラーを２次元的に配列したミラーアレイとしては、ライトバルブとしても多く用いられているＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：登録商標：テキサスインストルメント社製）などが代表的なデバイスであり、この素子を光路偏向素子として用いたことを特徴としている。

図５に基づいて第９の実施形態を説明する。本実施形態では、第７の実施形態の目的に加え、低コストで有効画素数の増大、高精細化を実現することを目的としている。
本実施形態では、互いに直交する方向に設定し、画素数を縦横２倍、合計４倍の画素数となるようにした。図５に投射スクリーン上での表示エリア拡大された様子を示す。
縦方向には、縦方向の有効画素数×画素ピッチ分を、横方向には、横方向の有効画素数×画素ピッチ分をスクリーン上でシフトし、あたかも表示エリアを４倍、画素も４倍としている。画素シフト駆動しない場合は（１）の表示のみしか見えないが、高速に画像シフトを繰り返し、（２）から（４）の位置に応じた画像信号を同期させたライトバルブ駆動を行うことにより、表示エリアを拡大させている。

次に、第１０の実施形態を説明する。本実施形態では、第７の実施形態の目的に加え、低コストで有効画素数の増大、高精細化を実現することを目的としている。
具体的には、微小角度の偏向を行う光路偏向素子２によって、画素ピッチ未満のシフトによる画素倍増効果と、ライトバルブ１の有効画素相当の画素シフトにより、表示エリアを倍増する素子を両方持ち合わせて見かけ上の画素数を増加させたことを特徴とする。
構成としては、画素の半ピッチシフトさせるためのものを光路偏向素子２Ａ、ライトバルブ１の有効画素に相当するシフトを行うものを光路偏向素子２Ｂとすると、光路偏向素子２Ａ、２Ｂ共にライトバルブ１と投射光学系３の間に配置する構成、一方を投射光学系３の内部に配置する構成、両方を投射光学系３の内部に配置する構成、それそれの素子が反射型であるか透過型であるかの合計８通りが考えられる。
光路偏向素子２Ａを投射光学系３の手前に、光路偏向素子２Ｂを投射光学系３に配置する構成が最もレイアウト上有利である。

図９にスクリーン上に投影された画像表示の様子を示した。図９（ａ）は全体画面を示しており、図９（ｂ）は、図９（ａ）の囲み部１１を拡大した様子である。パネルサイズは左右に２分した縦長の表示エリアに相当するアスペクト比であって、光路偏向素子２により所望のアスペクト比となる画面サイズを得る。横方向は画素の半ピッチ高速にシフトして合計４倍の画素を表示させた（第１１の実施形態）。
上記各実施形態は、一例であって、縦と横の関係は逆転してもよい。また、同じ方向であっても効果がある。図１０は第１２の実施形態を示しており、縦方向に画面エリアシフトし、横方向は画素半ピッチシフトした。

図１１は、第１３の実施形態を示しており、横方向に画面サイズ以上のシフトによる２画面表示と、１／２画素シフトによる組み合わせにより高解像化と表示サイズ拡大を両立させた例である。
図１２は、第１４の実施形態を示しており、アスペクト比を変える方向の複数画素シフトと、そのシフト方向に直交する方向に１／２画素ピッチシフトして高解像化を行った場合の例である。
図示はしないが、微小角度を偏向する光路偏向素子２を斜め方向にシフトさせて画素密度を倍増させてもよい。

第８の実施形態以下、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：登録商標：テキサスインストルメント社製）などの機械的に可動なミラーを２次元配列したミラーアレイでの一方向角度偏向を行う光路偏向素子での例を示したが、本発明は、一次元方向の駆動に限定する趣旨ではない。一方向のみならず、互いに直交する方向にも駆動できれば、単一のミラーにより縦、横各２倍の画素を倍増する表示が可能となる。

図１５に第１５の実施形態を示す。本実施形態では、投射光学系の中にミラーからなる光路偏向素子が配設されている。
図示しない空間光変調素子から出た光は、図１５の左方向から投射光学系１５に入射される。投射光学系１５に入射された光は投射レンズを通って、ミラーからなる光路偏向素子１６で反射し、入射軸から見て斜め上方向に配設されている投射レンズ（投射光学系１７）を通じて、スクリーン等の被投影面１８に画像を投影する。
ここで、前記ミラーからなる光路偏向素子１６にはアクチュエータ等の駆動部が設けられており、駆動部によって光路変向素子１６の光の入射軸に対する傾斜角を変化させる。この光路偏向素子１６の傾斜角の変化を高速に行うことにより、光路偏向素子１６で反射される光の反射方向も高速に変化する。このようにすることによって、１つの画素から出た光は、人間の目には残像として、あたかも２つの画素から出たものに見える。

具体的な駆動機構としては、圧電素子を用いて、電界をかけることによって微動駆動する素子を、例えば、光路偏向素子１６のミラー一辺に密着させて、他辺を固定するなどすることによって、圧電素子の駆動がミラーの角度変化となる。
この圧電素子の電圧を制御することによって、光路偏向角度を制御できる。また、ピックアップ光学系では従来から用いられている電磁駆動によるアクチュエータ機構を採用してもよい。また、ミラーを固定する支点を実質一点にし、駆動方向を２軸としてもよい。
図１５に記載した投射光学系１５、１７は従来からある屈折光学系を用いた、いわゆる投射レンズの例であり、本発明はこのレンズ形状を特定するものではない。

次に第１６の実施形態を説明する。上で説明した、１軸方向に光路偏向が可能な光路偏向素子を２つ用い、且つ、この２つの光路偏向素子の光偏向方向が互いに直交するように２つの光路偏向素子を配設することにより、光路の偏向方向を４通りにすることが可能である。このように構成することによって、１つの画素から出た光は、人間の目の残像により、あたかも４つの画素から出たものに見える。
もちろん、レンズ設計レイアウトにより、光学系内部に２回折り返す構成をとり、２組の光路偏向を行ってもよい。あるいは、少なくとも一軸方向の光路偏向素子が光学系内部にあり、一方が、パネルと投射光学系の間にある従来の構成を採用すればよい。２組の光路偏向素子をパネルと投射光学系の間に配置した構成より、パネルと投射レンズの間隔を短くでき、レイアウト的に自由度が広がる。

第１の実施形態における画像表示装置の要部を示す図である。 第３の実施形態における画像表示装置の要部を示す図である。 第７の実施形態における画像表示装置の要部を示す図である。 第７の実施形態におけるガルバノミラーの動作を示す図である。 第９の実施形態におけるシフト動作を示す模式図である。 第６の実施形態におけるシフト動作を示す模式図である。 第４の実施形態におけるシフト動作を示す模式図である。 第５の実施形態におけるシフト動作を示す模式図である。 第１１の実施形態におけるシフト動作を示す模式図で、（ｂ）は（ａ）の囲み部１１の拡大図である。 第１２の実施形態におけるシフト動作を示す模式図で、（ｂ）は（ａ）の囲み部１２の拡大図である。 第１３の実施形態におけるシフト動作を示す模式図で、（ｂ）は（ａ）の囲み部１３の拡大図である。 第１４の実施形態におけるシフト動作を示す模式図である。 第２の実施形態における画像表示装置の要部を示す図である。 第２の実施形態における光路偏向素子及び絞り部材を光軸方向から見た図である。 第１５の実施形態における画像表示装置の要部を示す図である。 従来における画像表示装置の要部を示す図である。 従来における不具合を説明する図である。 光路偏向素子を投射光学系と空間光変調素子の間に配置した従来の構成を示す図である。

符号の説明

１ 空間光変調素子としてのライトバルブ
２、１６ 光路偏向素子
２Ａ 光路偏向素子１としての光路偏向素子
２Ｂ 光路偏向素子２としての光路偏向素子
３、１５、１７ 投射光学系
４、１８ スクリーン
７ ガルバノミラー

Claims (1)

1. 照明光源と、画像を表示する空間光変調素子と、該空間光変調素子上に形成された画像を拡大投射する投射光学系と、該投射光学系でスクリーン上に形成された画像と上記空間光変調素子の間にあって、画面フレーム周期に応じて、投影画像の光路を偏向する光路偏向素子とで構成され、該光路偏向素子により投射画像の光路を高速にシフトさせて、見かけ上画素数を増加させる画像表示装置において、
   上記光路偏向素子が、上記投射光学系の内部に配置されているとともに上記投射光学系の絞り位置又は絞り位置近傍に配置されており、且つ、上記光路偏向素子が段差の無い反射型の光路偏向素子であり、
   上記光路偏向素子として、画素シフト量が画素ピッチ未満となるシフト量を偏向させる光路偏向素子１と、画素シフト量が有効画素領域に相当するシフト量を偏向させる光路偏向素子２とで構成し、見かけ上表示画素数及び表示エリアを増加させることを特徴とする画像表示装置。

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