(57)【要約】【課題】  本発明は、２つの分光素子を同時に有し、白色光の波長を数ナノメートル以下の細かい分解を行い、色分け調整を単独に制御可能なＣＭＯＳ等の空間変調素子を用いて、全ての波長分布を制御して分光分布を再現可能な走査型光学系を提供する。【解決手段】  本発明の走査型表示装置光学系は、ランプ１からの光を少なくとも２つの透過型回折素子７、１１により分光および合成し、分光と合成の間に配置されたＬＣＯＳ９により空間変調し、空間変調され合成された光を１次元スキャナーミラー１４によりスクリーンＳ上に画像投影し、各線画要素が任意の波長分布を有する２次元画像を投影する。【選択図】  図１
2011090261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色光源からの光を少なくとも２つの分光素子により分光および合成し、分光と合成の間に配置された空間変調素子により強度変調し、強度変調され合成された光を走査手段によりスクリーン上に画像投影し、各線画要素が任意の波長分布を有する２次元画像を投影することを特徴とする走査型表示装置光学系。
【請求項２】
白色光源からの光を少なくとも２つの分光素子により分光および合成し、分光と合成の間に配置された空間変調素子により強度変調し、強度変調され合成された光をレンズによりスクリーン上に画像投影し、各線画要素が任意の波長分布を有する２次元画像を投影することを特徴とする無走査１次元表示装置光学系。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の表示装置光学系を有する表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型回折素子や透過型回折素子等の少なくとも２つの分光素子と、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）に代表される高速な空間変調素子を用いて画像内の各線分画像要素が任意の分光分布を持つ画像を走査により形成するライン走査型表示光学系及びライン走査型表示装置、あるいはライン走査を持たない表示光学系（無走査１次元表示装置光学系）およびそれらの光学系を用いた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、白色光を出射する光源と、光源により出射された白色光を空間に連続的に分布するスペクトル光に変換する連続スペクトル光形成手段と、表示すべきカラー画像の各画素に対応して二次的に配列された各画素素子を駆動して入射光を時分割変調するライトバルブと、連続したスペクトル光をライトバルブ上で一方向に巡回走査させるスペクトル光走査手段とを含む投影型表示装置（例えば、特許文献１)や、スペクトル的および空間的に分解された光を提供するように構成された少なくとも１つの光源と、スペクトル的および空間的分解された光を受け取って変調し、光源から選択された空間色を選択的に送って部分画像の集合を形成するように構成された空間光変調器と、部分画像の集合を受け取り、表示エリア全体にわたり該部分画像の集合を走査してフルフレームカラー画像を作成するように構成された少なくとも１つの走査装置とを含んでなる表示システムからなる走査型表示装置光学系および走査型表示装置（例えば、特許文献２）などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２４０２９３号公報(特許請求の範囲請求項１、図１参照)
【特許文献２】特開２００５−３２６８３７号公報(特許請求の範囲請求項１、図１、２参照)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、各画素の分光分布が任意に決められる２次元画像表示装置は、２個の分光素子と空間変調素子、走査系を使って実現されている。
しかしながら、この表示装置では、空間変調素子の書き換え速さ、つまり変調周波数が非常にはやければならないため、コスト高になったり、ＤＭＤを使用することにより光学系が複雑になったりしてきた。
【０００５】
また、従来の表示装置や、走査型表示装置光学系及び走査型表示装置では、条件等色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）によるカラー表示が基本であるので、個人の等色関数の違いにより、観察する人によって知覚される色に違いが出てくるという問題があった。つまり、カメラで撮影した対象となる物体の画像が、標準的な等色関数と同じ等色関数を持つ観察者にはもとの色と再現された表示装置上での色が同じであっても、等色関数のずれた観察者では同じ色には見えなかった。
【０００６】
これは、色覚異常をもつ観察者では更に顕著で、ＬＥＤ光源３色を使った表示装置では、大きな問題となる可能性がある。また、限られたＲ、Ｇ、Ｂの三原色の合成では、単波長での色、その近くの色は表示できず、本来の色度座標の限られた領域での色再現となっていた。
【０００７】
また、運転に関係する色覚の検査において、ＬＥＤを使った信号機の表示は従来の表示装置ではＬＥＤの分光分布を再現した画像を作ることができなかったので、本当のＬＥＤを使う以外、汎用の表示装置で行うことはできなかった。
【０００８】
そこで、本発明では、２つの分光素子を同時に有し、白色光の波長を数ナノメートル以下の細かい分解を行い、色分け調整を単独に制御可能なＬＣＯＳ等の空間変調素子を用いて、全ての波長分布を制御して分光分布を再現可能な走査型光学系又は無走査一次元表示装置光学系及びそれらの光学系を用いた表示装置を提供とすることを目的とする。
【０００９】
例えば、反射型回折素子、透過型回折素子などの少なくとも２つの光学素子（分光素子）を同時に用い、白色光の三原色（Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光））に限定されない多くの種類の波長の光に分離・合成を行い、所望の分光調整制御を少なくとも２つの光学素子（分光素子）間に配置されたＬＣＯＳなどの高速空間変調器で行い、微妙な分光分布を再現し、従来の投影装置では実現が困難であった、画像内の一つの方向に各ラインが任意の分光分布をもった格子模様が生成された２次元画像（従来のプログラマブル光源による分光分布の生成と同様である。ただしプログラマブル光源は１種類の分光分布を表示するだけである。）を表示したり、自然の分光分布を完全に再現したり、ＬＥＤなどの特異な分光分布も再現することができる表示装置を提供することを目的とする。また、色コントラスト、輝度コントラストなどの検査に使用できる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】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、白色光源からの光をスリット状にして、第１分光素子で波長毎の分解を行い、空間変調素子によりこの分解された波長毎の透過強度の調整を、時間的な方法あるいは透過率の変更で行い、第２分光素子で波長毎の合成を行って、各画素が任意の波長分布を有する１次元画像（もとの白色スリットに対応した１次元画像）を形成し、走査型投影系で、この任意の波長分布をもつ１次元画像をその垂直方向あるいは水平方向に走査投影することで、画像の一方向のライン要素が任意の波長分布を有する２次元画像を表示することを特徴とする走査型表示装置光学系である。
【００１１】
すなわち、請求項１に記載の発明は、白色光源からの光を少なくとも２つの分光素子により分光および合成し、分光と合成の間に配置された空間変調素子により強度変調し、強度変調され合成された光を走査手段によりスクリーン上に画像投影し、各線画要素が任意の波長分布を有する２次元画像を投影することを特徴とする走査型表示装置光学系である。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、白色光源からの光を少なくとも２つの分光素子により分光および合成し、分光と合成の間に配置された空間変調素子により強度変調し、空間変調され合成された光をシリンダーレンズによりスクリーン上に画像投影し、各線画要素が任意の波長分布を有する２次元画像を投影することを特徴とする無走査１次元表示装置光学系である。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の表示装置光学系を有する表示装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、反射型回折素子、透過型回折素子等の少なくとも２つの分光素子を同時に用い、白色光の三原色（Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光））に限定されない波長の光を用いて分離・合成を行い、所望の分光透過率制御をＬＣＯＳなどの高速空間変調素子で行い、任意の分光分布を有する縦線、あるいは横線を提示することが可能となり、色覚に関する心理物理実験用の実験でこれまででは考えられなかった大きな効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明に係わる走査型表示装置光学系の第１実施例の光学図である。
【図２】図２はスクリーンに描画された線画像の一例を示す説明図である。
【図３】図３はスクリーンに描画された線画像の他の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施例１）
図１は本発明に係わる走査型表示装置光学系の第1実施例を示す光学図である。
【００１７】
走査型表示装置光学系は、白色光源であるランプ１、楕円形リフレクタ１ａ、ライトパイプ２、リレーレンズ３、スリット部材４、リレーレンズ５、透過型回折素子（第1分光素子）７、集光レンズ８、透過型空間変調素子であるＬＣＯＳ９、コリメートレンズ１０、透過型回折格子（第２分光素子）９、集光レンズ１０、空間変調素子（透過型回折素子）１１、リレーレンズ１２、リレーレンズ１３、１次元スキャナーミラー１４及びエンコーダ装置（なおエンコーダ装置は図示せず）、スクリーンＳを有する。
【００１８】
この走査型表示装置光学系により合成された光は、画素ごとにそれぞれの分光分布を有する１次元画像（扇形のこともある）１５’となり、この１次元画像が走査型光学系によりスクリーンＳに走査投影され、各線画要素が任意の波長分布を有する２次元画像がスクリーンＳに表示される。
【００１９】
また、透過型空間変調素子であるＬＣＯＳ９が十分に高速である場合には、各画素が任意の分光分布を有する２次元画像を表示することもできる。さらに、透過型空間変調素子であるＬＣＯＳ９の速度が中程度である場合には、走査方向に分光分布の変化が遅く（空間周波数が低く）、縦横の空間解像度が異なる画像（視覚刺激）の表示（提示）が可能である。
少なくとも、最終的に得られた、次元方向のみに分光分布をもつ２次元画像も、３０から３００ｆｒａｍｅｓ  ｐｅｒ  ｓｅｃｏｎｄでの画像の書き直しはできる。これにより、視覚心理物理実験として、運動視の実験も可能である。
【００２０】
この点について、図２、図３をもとに説明する。
図２に示すように、走査型表示装置光学系は、各線画要素が任意の分光分布を有する２次元画像を示す。例えば、走査線ＳＬが紙面（図２）の横方向に６４０ラインあるとする。図２は一次元スキャナーミラー１４で紙面（図２）の縦方向に走査する場合を表わし、それぞれの走査領域において異なる分光分布をもっている（この例では６４０種類の分光分布をもつことになる）。
【００２１】
これは、ある領域を走査した後、その隣りの領域を走査する場合に、もとの領域を走査する分光分布に加重して分光を重ねて隣りの領域を走査することになり、それぞれの走査領域において異なる分光分布を有することになり、画像内の一つの方向に各ラインが任意の分光分布をもった格子模様が生成された２次元画像を表示することができ、自然の分光分布を完全に再現したり、ＬＥＤなどの特異な分光分布も再現することができる。
【００２２】
また、走査型表示装置光学系は、図３に示すように、走査線ＳＬが６４０ラインあって、空間変調素子であるＬＣＯＳ９の書き換えにより縦方向の分光分布を変えることも可能である。なお、走査しないシリンダーレンズ方式では不可能である。例えば、ＬＣＯＳ９などの空間変調素子のフレームレート(画像書き換え速度)が３００ＦＰＳ、最終画像が３０ＦＰＳとすると、縦方向に１０回書き換え可能である。
【００２３】
これは、１本の縦方向の線画の各画素毎に異なる分光分布を持たせることができることを意味する。すなわち、１本の縦方向の線画の、１つの画素を形成した後、隣り合う画素を形成する場合に、異なる分光を重ね合せ、異なる分光分布を形成することができ、隣り合う画素で分光分布を変えることができる。
【００２４】
これにより、画像内の一つの線画における任意の画素が任意の分光分布をもった格子模様が生成された２次元画像を表示したり、自然の分光分布を完全に再現したり、ＬＥＤなどの特異な分光分布も再現することができる。
【００２５】
図１に示すように、この走査型表示装置光学系は、透過型回折素子として少なくとも２つの回折素子７、１１を同時に有している。
【００２６】
ここでは、ランプ１には、キセノンランプを用いてもよく、３００Ｗから５００Ｗの明るさである。ライトパイプ２は、その開口数ＮＡが０．５、その長辺が２．１ｍｍ程度、その短辺が０．０１〜０．１ｍｍであり、最適な短辺の寸法は０．０３〜０．０５ｍｍである。リレーレンズ４は、その倍率が５倍程度が望ましい。
【００２７】
スリット部材４は、その開口数ＮＡが０．１で、その長さが１０．０ｍｍ〜１１．０ｍｍ程度であり、最適な長さは１０．９２ｍｍである。また、そのスリット部材４の穴径の大きさは、０．１〜０．５ｍｍ、最適な大きさは０．２ｍｍ程度である。
【００２８】
空間変調素子であるＬＣＯＳ  ９は、０．７インチ、縦横（１４ｍｍ〜１５ｍｍ）×（１０ｍｍ〜１１ｍｍ）であり、最適な一例として、１４．５６ｍｍ×１０．９２ｍｍのものを用いる。
【００２９】
なお、分光方向（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）で約１２．３ｍｍの大きさを有する。透過型回折格子１１は、１ｍｍ当たり１０００本程度の回折格子を有する。
【００３０】
リレーレンズ１２、１３は、その焦点距離ｆがそれぞれｆ＝１６ｍｍ、２５ｍｍ程度である。
１次元スキャナーミラー１４の走査角は、（スキャン角)±８度であり、そのミラーサイズは、４ｍｍ×４ｍｍである。
ＬＣＯＳ９のフレームレート(画像書き換え速度)は典型的には３００  Ｆｒａｍｅｓ  ｐｅｒ  ｓｅｃｏｎｄ（ＦＰＳ）である。
【００３１】
スキャナーミラー１４からスクリーンＳまでの距離は７５０ｍｍ程度であり、スクリーンサイズは２０インチである。
スリット部材４と空間変調素子であるＬＣＯＳ９とは、波長毎に考えれば共役とされている。
【００３２】
以上の構成により、白色光源からの光を第１分光素子で波長毎に分解を行い、ＬＣＯＳで分光透過率をそれぞれの位置の液晶分子の姿勢により調整し、第２分光素子で波長毎の合成を行って、任意の波長分布を各画素に対応した部分に有する１次元画像を形成し、スキャナーミラー１４を有する走査型走査型表示装置光学系でこの１次元画像をスクリーンＳに投影し、各線画要素が任意の分光分布を有する２次元画像を表示する。
【００３３】
本発明は、空間変調素子であるＬＣＯＳ９を変化させずに１次元スキャナー１４を走査することで、例えば、自然の色に近い鮮明な縦縞の画像を形成することができ、眼科における色覚検査や、運転免許試験場の視覚・色覚検査、または光度計、輝度計の検査などにも適応することができる。
【００３４】
演算制御部１６により、所望の分光分布の合成を行うべく、ＬＣＯＳ９は制御され、透過型回折素子７により詳細に分解された各波長成分の光が空間変調素子であるＬＣＯＳ９で空間変調され、透過型回折素子１１を介して、分光分布の詳細な合成を行う。
【００３５】
心理物理学の実験や、色覚の検査で必要な、ある１次元方向にあらゆる分光分布、輝度での変調がなされた画像を提示することができる。
また、被検者に提示される色の刺激は、ＬＣＯＳの書き換え周波数で書き換えることができるので、分光分布が一次元的な変化のみの場合には、表示自体はかなりの速さ（ＬＣＯＳが３００Ｈｚの場合３００ｆｒａｍｅｓ  ｐｅｒ  ｓｅｃｏｎｄ）で書き換えることができるため、一次元格子の運動閾値を測定する心理物理学的実験に使用することもできる。
【００３６】
なお、白色光源に限定されず、白色光、またはそれに準ずる波長幅の広い光源、または、複数の光源を利用して擬似的に波長幅を広くした複合光源、また、とびとびの波長を広い波長域に持つ光源でも可能である。
【００３７】
また、図１の走査型表示装置光学系に映像情報提供部を追加し、映像データが記録されたディスクを映像情報提供部に入れて、それを演算制御部に提供する。または電波、あるいは光ケーブルなどで伝送されてきた映像情報を演算部に提供することもできる。
【００３８】
縦２５６画素、横３２０画素の任意分光分布表示のための演算制御部１４による空間変調器の制御は下記のとおりである。
ＬＣＯＳ９が３００ＦＰＳの書き換え速度 ６４０×４８０画素を有しているとすると、線画としては、最大６４０ラインのそれぞれ異なる分光分布を有する画像が得られる。
【００３９】
また、途中の分光分布を持った１次元は像は３００回秒まで書き換えが可能であるので、最終的な画像が３０ＦＰＳの書き換え速度が必要とすると、各ラインで１０回の書き換えがかのうであり、６４０×１０画素の２次元画像を得ることが可能である。
【００４０】
これはＬＣＯＳ９または、透過型の空間変調素子、あるいは反射型の変調素子の書き換え速度が上げれば、たとえば３０００ＦＰＳになれば、同じ画素数の空間変調素子を仮定すれば、６４０×１００画素の２次元画像が得られる。
【００４１】
なお、スキャナー部をシリンダーレンズにして、紙面に並行方向にスリットを拡大することにより、機械的な走査と同様な効果をえて、各線画要素が任意の波長分布を有する、２次元画像を提示する装置とすることもできる。
【符号の説明】
【００４２】
１…ランプ
７…透過型回折素子
９…ＬＣＯＳ
１１・・・透過型回折素子
１４・・・１次元スキャナー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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