JP5148868B2 - 空間位相変調素子および投影装置 - Google Patents
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Description
従来のLCやLCOSを用いた投影装置では、LCやLCOSの液晶に投影したい画像を表示し、照射光で液晶を照らし、液晶からの透過光または反射光を投影レンズを介してスクリーンに拡大投影することで画像を表示していた。一方で、DMDを用いた投影装置では、投影したい画像に従ってDMDのミラー素子を構成しているマイクロミラーに対応する電極への電圧の印加をON/OFFのバイナリー制御をすることでマイクロミラーの状態を切り替え、入射光を投影光路に反射して投影レンズを介して画像をスクリーンに投影していた。
図20では、光源(レーザー)201で射出した直線偏光の光をPBS(偏光ビームスプリッタ)203に入射させ、PBS203内で反射させて空間位相変調素子としてのLCOS202に入射させる。このPBS203とLCOS202の間には図示されていないλ/4板が設けられている。ここで、投影される画像情報に従ってLCOS202で位相変調を受けた回折光204は、λ/4板を再び通過し、さらにPBS203を透過して投影レンズ205を介しスクリーン206に画像を投影して表示する。なお、図20においては、LCOS202の位相変調の有無により位相差がπのバイナリー変調を得ることができる。
本発明の第4の態様の投影装置において、空間位相変調素子におけるミラー面の面粗さが、5nm以下であることが望ましい。
[実施形態1]
空間位相変調素子と、空間位相変調素子から回折されずに出射して集光する0次回折光をその集光位置で遮蔽する遮蔽部材とを備えている。
図1は、集光レンズと透過型の空間位相変調素子、遮蔽部材を備えた本発明の投影装置の一つの実施形態を示している。
以下に、信号の種類と信号が空間位相変調素子に入力されるまでの処理の流れを詳述する。
図4は、本発明の投影装置において色順次の光源制御をして画像をカラー表示する際における空間位相変調素子の動作と赤色光源、緑色光源、青色光源の発光動作との関係を同一時間軸tとして表しているタイミングチャートである。以下、実施形態の一つとして図4を参照して、時間tの進行に基づく赤色光源、緑色光源、青色光源と空間位相変調素子の動作を示す。
なお、本実施形態における光源としては、レーザーダイオード(LD)が好ましい。
次に、一つの実施形態として図5に示されている透過型の空間位相変調素子に表示された空間位相情報に読み出し光を入射することで回折光を生成して画像をスクリーンに投影する方法について述べる。
図5においては、簡単のために空間位相変調素子に回折格子51が表示されている場合を考える。ここでの空間位相変調素子には、投影したい画像の空間位相情報、例えばフーリエ変換情報、を表示している。この空間位相変調素子に表示されている回折格子51に読み出し光(reference light)、すなわち照明光束52を入射させると、信号光、すなわち回折光(diffraction light)53が射出される。この回折光53を適切な距離に配置したスクリーン54に投影することで画像を得ることができる。
以上より、空間位相変調素子の区画部分の横方向の列数Mを、投影表示したい画像の画素の横方向の列数Nに対して、
さらに、空間位相変調素子の位相変調部の幅D、投影表示したい画像の画素の横方向の列数Nとして、空間位相変調素子を構成する各区画部分間のピッチPを
次に、集光光学系と上述した空間位相情報を具現化する為の必要な条件を満たした空間位相変調素子と遮蔽部材を備えた投影装置について述べる。
図7のような構成の場合は、回折光79が0次回折光を挟んで生じていることでプラス1次だけでなく、マイナス1次の回折光も考慮した条件が必要となる。
以上より、透過型の空間位相変調素子の区画部分の横方向の列数Mを、投影したい画像の画素の横方向の列数Nに対して、
さらに、空間位相変調素子75の位相情報表示面、すなわち位相変調部の横幅D、投影したい画像の横方向の画素列数N、透過型の空間位相変調素子75の区画部分ピッチPを
[実施形態2]
図8において表示したい画像をg(x,y)とすると、そのフーリエ変換G(u,v)は、
は表示したい画像であり、k、lは画像における画素の番地と考えると理解しやすい。また、式(14)における画素数は、N×P個あることになる。
は、
のフーリエ変換であり、この時、
を実時間において短時間でフーリエ変換することができ、動画の速度に対応させることができる。したがって、投影表示したい画像の画素の横の列数×縦の列数=N×Pと空間位相変調素子の位相変調用の区画部分の横の列数×縦の列数=M×Lとを等しくしておく、即ち、NとM、PとLを等しくしておくと都合がよい。このようにする事により、フーリエ変換によっても情報量を保つことができる必要十分条件を満たすことが出来るため、表示される画像を形成するのに十分な情報量が確保され、解像度等が確保された高品位の画像を表示することができる。もちろん投影表示したい画素の列数より区画部分の列数が多ければさらに情報量の増大化が可能である。加えて、N、Pにおいては、それぞれの2のべき乗の計算がしやすいと言う利点がある。したがって、空間位相変調素子における区画部分の縦の列数および横の列数は、2のべき乗とすることで演算処理の高速化が実現できる。
投影したい画像g(x)の画素数をNとした場合、離散的フーリエ変換をおこなった結果、G(u)の数値の個数はN個となる。ここで図10Aでは、投影したい画像をg(x)として示しており、図10Bでは、図10Aの投影したい画像g(x)をフーリエ変換して、画像周波数に座標変換したG(u)を示している。図10Bでは、G0が周波数0を示しており、GN-1は、画像周波数を表示できる最大周波数を示している。
[実施形態3]
図12における投影装置120は、光源121、集光光学系としての集光レンズ122、反射型の空間位相変調素子123、遮蔽部材124、回折光128を投影するスクリーン125とを含んで構成される。図12の構成においては、空間フィルタを省略してある。この光学構成においても、λ板を用いなくともよい照明光学系とすることで非常に簡単であり、低コストで済む上に、小型化も可能である。
図13Aは投影装置130の平面図であり、図13Bは、図13Aの青色光源に対応する空間位相変調素子133bを含んでいる部分を視線方向Iから見た時の側面図を示している。
ここでは、図13Aにおいて回折光でフルカラー画像を投影する為の原理として、まず、簡単の為に図13Bの青色の空間位相変調素子133bに対応する部分のみに着目し、青色の回折光を射出する原理を述べる。
以上のような構成で、小型で廉価かつ0次回折光の影響をも回避できる画像のフルカラー表示を行う投影装置を提供できる。
[実施形態4]
MMD(Magic Mirror Device)素子のミラー151,161は、光源からの光を位相変調するための区画部分と、この各区画部分に対応して配置された弾性部材と、弾性部材にそれぞれ対応して配置され、電圧を印加することで前記弾性部材の復元力に抗して前記ミラーを移動するための電極と、電極が配置される基板とを有している。図14Aおよび図14Bでは、MMD素子150,160における位相変調を行う為の区画部分93を陰影をつけて示している。本発明の光源からの光から位相変調した回折光を出射させる空間位相変調素子であるMMD素子は、位相変調を行うための区画部分93が、2次元に複数配置されていると共に、各区画部分93の区画数が、投影される画像の画素数に等しいか、または多くなるようにしている。さらに、MMD素子における区画部分93の縦の列数および横の列数が、投影される画像の画素の縦の列数および横の列数に等しい、または多いことが好ましい。また、MMD素子における区画部分93の縦の列数および横の列数が、2のべき乗であるとさらに良い。そして、MMD素子の位相変調を行うための区画部分93の全てで形成される位相変調部における輪郭形状が、縦横比の等しい正方形であり、投影される画像の縦横比に依存しない。
図15Aは、図14AのMMD素子150の線XV−Aにおける断面図を示している。
図15Bでは、図15Aの初期状態から電極155に電圧を印加する事で対応する区画部分93における弾性部材154と電極155との間にクーロン力が作用し、弾性部材154が電極155に近づき、柔軟性を有する一体型のミラー151の表面が窪むように湾曲し、ミラー面の移動量Δh1が生じる。ここで、他の湾曲していないミラー面で反射される入射光と湾曲しているミラー面で反射される入射光とでミラー面の移動量Δh1の違いによる光路差が生じる事で位相の変調を可能とする。そのミラー面が湾曲して窪んでいる量、すなわちミラー面の変形量Δh1が、1/4波長分である場合は、湾曲しているミラーで反射される入射光は、往復で1/2波長、すなわち他の湾曲していないミラー面で反射される反射光と比べてπの位相差を作り出す事ができる。このように本発明のMMD素子において、電極に電圧をON/OFFするバイナリー動作によって位相を反転させる事が可能となる。また、同様にして、ミラー面の変形量Δh1が最大1/2波長分湾曲するようにすると、湾曲しているミラー面で反射される反射光は、他の湾曲していないミラー面で反射される反射光と比べて往復で最大1波長分の位相差を作り出す事ができる。
以上に述べたように特定の電極155に電圧を印加し、一体型に繋がったミラー151の特定部分を選択的に湾曲させることで位相変調をすることができる。ミラー151の高さの変化を連続的且つ緩やかに行う事で不要な回折次数の発生が抑えられ、さらに、バイナリー変調よりも高い回折効率を得られる。
図16AのMMD素子160では、図15Aや図15Bで示したような一体型のミラーを複数に分割することで複数のミラー161とし、分割した各ミラー161に一対一の対応となるように支柱153、弾性部材154、電極155を配置した。それ以外は、図15Aと図15BにおけるMMD素子150と同様の構成である。この構成において薄膜162をミラー161の下部分に用いる場合には、薄膜162に固い有機フィルムやSiなどを用いても良い。なお、本図ではミラー161と薄膜162を略方形にしたとして以下に詳細を述べる。この構成においても、図15Aと図15Bと同様にミラーを用いているので、光をほぼ100%で利用でき、光の利用効率の良い空間位相変調素子を提供する事ができる。図16Aでは、位相変調を行うための各区画部分93はそれぞれ1つのミラーとしているものである。
図16Bでは、図16Aの状態から電極155に電圧を印加する事で各弾性部材154と各電極155との間にクーロン力が作用し、弾性部材154が電極155と近づく。ここで弾性部材154が基板157に近づく事に伴い、支柱153を介して弾性部材154上にあるミラー161が下方に移動する。このミラー161が下方に移動することにより、ミラー161に入射する光に対し、電圧が印加されていない他のミラーと電圧が印加されている下方に移動しているミラーとでミラー面の移動量Δh2、すなわち光路差が生じる事で光の位相変調を可能とする。そのミラーが下方に移動しているミラーの高さの変化量即ち移動量Δh2が、入射光の位相の1/4波長分である場合は、往復で1/2波長、すなわち電圧が印加されていない他のミラーと電圧が印加されて下方に移動しているミラーとの入射光において往復でπの位相差を作り出す事ができる。このように、電極に電圧をON/OFFするバイナリー制御をすることで位相を反転させる事が可能となる。なお、制御はバイナリー制御に限定されない。例えば、ミラー面の最大移動量を、入射する光源の光の1/2波長相当分以内としておき、この最大移動量を生成できる場合の電圧値を最大値としてその範囲内の電圧を印加することでミラー面の移動量を任意の量に設定することができる。制御はアナログ的な制御としても良く、あるいはゼロから最大電圧値までをいくつかの電圧ステップに予め分割しておき、制御はこのステップを1つずつ順次連続的に増減させるようにしても良い。ミラー面の最大移動量を、入射する光源の光の1/2波長相当分以内としても、出射する回折光において形成される位相差は1波長分となり、全ての位相差を作り出すことができる。もちろん1波長以上でも良い。
以上に述べたように特定の電極155に電圧を印加し、特定のミラー161を選択的に移動させることで位相変調をすることができる。ミラー161の高さの変化を連続的且つ緩やかに行う事で不要な回折次数の発生が抑えられ、さらに、バイナリー変調よりも高い回折効率を得られる。
図17Aでは、図15A、図15Bの絶縁層内156上方に設けられている電極155を絶縁層156上に設けた構成を表している。絶縁層内上部の電極155の配置を絶縁層156上の電極171の配置に変えた以外は全て同じである。
図17Bでは、図16A、図16Bの絶縁層内上方に設けられている電極155を絶縁層156上に設けた構成を表している。絶縁層156内上部の電極155の配置を絶縁層上の電極171の配置に変えた以外は全て同じである。
本図では、図15Aおよび図15Bならびに図16Aおよび図16Bに示されているMMD素子150、160における弾性部材154および支柱153を、基板157上に二次元的に縦横に配置している様子を模式的に示している。
図19Aでは、MMD素子における支柱153の断面を円形状としている。
もちろん、MMD素子における支柱の断面形状はこれ以外の形状であっても良く、楕円状や長方形等の任意の断面を適宜選択しても良い。
さらに、本発明は、上述の実施形態としての例に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
11、74、112、122・・・集光レンズ
12、51、75・・・透過型の空間位相変調素子
13、76、114、124、136b、136g、136r・・・遮蔽部材
14、54、77、115、125、139、206・・・スクリーン
15、116、126・・・照明光束
16、78、117、127、207・・・0次回折光
17、53、79、118、128、204・・・回折光
30・・・スイッチ回路
31、Y1、Y2、Y3・・・信号線
32、X1、X2、X3・・・走査線
33・・・トランジスタ
34、155、171・・・電極
35・・・キャパシター
36・・・弾性部材
41・・・空間位相変調素子の空間位相情報の書き換え時間
52・・・読み出し光(照明光束)
71、111、121、134b、201・・・光源
72・・・空間フィルタ
73、131b、131g、131r・・・コリメータ
80・・・リアルドメイン
90、91、92・・・フーリエドメイン
93・・・区画部分
113、123、133b、133g、133r、134、135・・・反射型の空間位相変調素子
132b、132g、133r・・・全反射プリズム
137・・・色合成プリズム
138、205・・・投影レンズ
150、160・・・MMD素子
148、149・・・ミラー素子
151、161・・・ミラー
152、162・・・薄膜
153、153a・・・支柱
154・・・弾性部材
156・・・絶縁層
157・・・基板
202・・・LCOS
203・・・偏光ビームスプリッタ(PBS)
θδ・・・空間光変調素子の開口の大きさによる回折光の広がり角
θR・・・読み出し光(照明光束)の入射角
θS・・・回折光の回折角
d・・・回折格子の間隔
g(x)・・・投影したい画像の関数
G(v)・・・g(x)の一次元フーリエ変換関数
Δh1、Δh2・・・ミラーの移動量
Claims (30)
- 光源からの光を経由させ位相変調を行った回折光を出射させることによって映像の投影表示を行わしめるための空間位相変調素子であって、
前記空間位相変調素子における位相変調を行うための区画部分が、2次元に複数配置されていると共に、前記各区画部分の区画数が、投影されて表示される画像の画素数に等しいか、または多く、
前記区画部分の縦の列数および横の列数が、2のべき乗であることを特徴とする空間位相変調素子。 - 前記光源からの光を反射する際に位相変調を行う為のミラー面を有し、
前記ミラー面上に設けられた位相変調を行う為の前記各区画部分に対応して配置された弾性部材と、
前記弾性部材にそれぞれ対応して配置され、電圧を印加することで前記弾性部材の復元力に抗して前記ミラー面を移動または変形させるための電極と、
前記電極が配置される基板と、
を備えることを特徴とする請求項1記載の空間位相変調素子。 - 前記ミラー面は、一体型のミラーから形成され、当該一体型のミラーにおけるミラー面の位相変調を行う為の各区画部分に対応してそれぞれ弾性部材及び電極が配置されることを特徴とする請求項2記載の空間位相変調素子。
- 光源からの光を経由させ位相変調を行った回折光を出射させることによって映像の投影表示を行わしめるための空間位相変調素子であって、
前記空間位相変調素子における位相変調を行うための区画部分が、2次元に複数配置されていると共に、前記各区画部分の区画数が、投影されて表示される画像の画素数に等しいか、または多く、
前記光源からの光を反射する際に位相変調を行う為のミラー面を有し、
前記ミラー面上に設けられた位相変調を行う為の前記各区画部分に対応して配置された弾性部材と、
前記弾性部材にそれぞれ対応して配置され、電圧を印加することで前記弾性部材の復元力に抗して前記ミラー面を移動または変形させるための電極と、
前記電極が配置される基板と、を備え、
前記ミラー面は、一体型のミラーから形成され、当該一体型のミラーにおけるミラー面の位相変調を行う為の各区画部分に対応してそれぞれ弾性部材及び電極が配置されることを特徴とする空間位相変調素子。 - 前記区画部分の縦の列数および横の列数が、表示される画像の画素の縦の列数および横の列数に等しい、または多いことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の空間位相変調素子。
- 位相変調を行うための区画部分の全てで形成される位相変調部における輪郭形状が、縦横比の等しい正方形であり、表示される画像の縦横比に依存しないことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一つに記載の空間位相変調素子。
- 前記ミラー面は、前記電極への電圧の印加に対応して移動し、その移動量または変形量に応じて位相変調量が決定されることを特徴とする請求項2から請求項6のいずれか一項に記載の空間位相変調素子。
- 前記ミラー面の移動制御または変形制御が、前記電極への電圧の印加の有無のみで決定されることを特徴とする請求項7記載の空間位相変調素子。
- 前記ミラー面の移動量または変形量は、入射する光源の光の1/4波長相当分であり、出射する回折光において1/2波長分の位相差を形成することを特徴とする請求項8記載の空間位相変調素子。
- 前記ミラー面の移動量または変形量の制御は、前記電極に印加される電圧値に依存して決定されると共に、印加される電圧の変化量は連続的に順次増加または減少されるべく制御されることを特徴とする請求項7記載の空間位相変調素子。
- 前記ミラー面の最大移動量または変形量が、入射する光源の光の1/2波長相当分以内であり、出射する回折光において形成される位相差は1波長分以内であることを特徴とする請求項10記載の空間位相変調素子。
- 前記ミラー面は、位相変調を行うための各区画部分において、それぞれ個別のミラーとして形成され、前記各ミラーに対して弾性部材及び電極がそれぞれ配置されることを特徴とする請求項2記載の空間位相変調素子。
- 前記ミラー面の面精度が、50nm以下であることを特徴とする請求項2から請求項12のいずれか一項に記載の空間位相変調素子。
- 前記ミラー面の面粗さが、5nm以下であることを特徴とする請求項2から請求項12のいずれか一項に記載の空間位相変調素子。
- 光源と、
前記光源から出射される光を集光する集光光学系と、
前記光源から出射された光が前記集光光学系を経由して集光される集光位置までの途中位置に配置され、2次元に複数配置された位相変調を行う為の各区画部分の区画数が、投影されて表示される画像の画素数に等しいか、または多い空間位相変調素子と、
前記空間位相変調素子から回折されずに出射して集光する0次回折光をその集光位置で遮蔽する遮蔽部材と、
を備えることを特徴とする投影装置。 - 前記空間位相変調素子の各区画部分は、投影されて表示される画像情報に対応して生成される空間位相情報に基づいて変調する位相が制御され、投影されて表示される画像の各画素はそれぞれ前記空間位相変調素子のすべての区画部分から出射される回折光によって形成されることを特徴とする請求項15記載の投影装置。
- 前記光源は前記集光光学系の光軸上から離間した位置に配置されており、且つ、前記遮蔽部材は前記空間位相変調素子から出射されて投影される画像を形成する回折光の光束外に配置されることを特徴とする請求項15記載の投影装置。
- 前記空間位相変調素子における区画部分の縦の列数および横の列数が、投影されて表示される画像の画素の縦の列数および横の列数に等しいか、または多いことを特徴とする請求項15から請求項17のいずれか一項に記載の投影装置。
- 前記空間位相変調素子における区画部分の縦の列数および横の列数が、2のべき乗であることを特徴とする請求項15から請求項18のいずれか一項に記載の投影装置。
- 前記空間位相変調素子の位相変調を行う為の区画部分の全てで形成される位相変調部における輪郭形状が、縦横比の等しい正方形であり、表示される画像の縦横比に依存しないことを特徴とする請求項15から請求項19のいずれか一項に記載の投影装置。
- 前記空間位相変調素子が、
光源からの光を反射する際に位相変調を行う為のミラー面を有し、
前記ミラー面上に設けられた位相変調を行う為の前記各区画部分に対応して配置された弾性部材と、
前記弾性部材にそれぞれ対応して配置され、電圧を印加することで前記弾性部材の復元力に抗して前記ミラー面を移動または変形させるための電極と、
前記電極が配置される基板と、
を備えることを特徴とする請求項15から請求項20のいずれか一項に記載の投影装置。 - 前記空間位相変調素子におけるミラー面が、前記電極への電圧の印加に対応して移動し、その移動量または変形量に応じて位相変調量が決定されることを特徴とする請求項21記載の投影装置。
- 前記空間位相変調素子におけるミラー面の移動制御または変形制御が、前記電極への電圧の印加の有無のみで決定されることを特徴とする請求項22記載の投影装置。
- 前記空間位相変調素子におけるミラー面の移動量または変形量が、入射する光源の光の1/4波長相当分であり、出射する回折光において1/2波長分の位相差を形成することを特徴とする請求項23記載の投影装置。
- 前記空間位相変調素子におけるミラー面の移動量または変形量の制御が、前記電極に印加される電圧値に依存して決定されると共に、印加される電圧の変化量は連続的に順次増加または減少されるべく制御されることを特徴とする請求項22記載の投影装置。
- 前記空間位相変調素子におけるミラー面の最大移動量または変形量が、入射する光源の光の1/2波長相当分以内であり、出射する回折光において形成される位相差は1波長分以内であることを特徴とする請求項25記載の投影装置。
- 前記空間位相変調素子におけるミラー面は、一体型のミラーから形成され、当該一体型のミラーにおけるミラー面の位相変調を行う為の各区画部分に対応してそれぞれ弾性部材及び電極が配置されることを特徴とする請求項21から請求項26のいずれか一項に記載の投影装置。
- 前記空間位相変調素子におけるミラー面は、位相変調を行うための各区画部分において、それぞれ個別のミラーとして形成され、前記各ミラーに対して弾性部材及び電極がそれぞれ配置されることを特徴とする請求項21から請求項26のいずれか一項に記載の投影装置。
- 前記空間位相変調素子におけるミラー面の面精度が、50nm以下であることを特徴とする請求項21記載の投影装置。
- 前記空間位相変調素子におけるミラー面の面粗さが、5nm以下であることを特徴とする請求項21記載の投影装置。
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