(57)【要約】【課題】簡単な光学系で、高解像力で光源の利用効率が高く、広い範囲の色再現域を備えるものとする。【解決手段】白色光源１を備える光源と、白色光が入射され、表示すべき画像を基づく画像信号に基づいて入射された白色光を空間的および時間的に変調した変調光を出力する空間光変調素子５と、変調光を波長ごとに異なる方向に射出する平面反射型回折格子７と、平面反射型回折格子７からの光を集光する照明光学系４と、照明光学系の平面反射型回折格子７に対する共役な位置に配置され、空間光変調素子の異なる位置で分光された異なる波長領域の光が重ね合わされて入射した画像の１次元像を出射するスリット部材９と、空間光変調素子５の変調に同期して動作し、スリットからの出射光を走査して、２次元像をなす走査画像を生成する走査鏡１１と、走査素子からの走査画像を投影面に投影する投影光学系結像レンズ１２と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色光を射出する光源と、
前記白色光が入射され、表示すべき画像を基づく画像信号に基づいて入射された前記白色光を空間的および時間的に変調した変調光を出力する空間光変調素子と、
前記変調光を波長ごとに異なる方向に射出する分光素子と、
前記分光素子からの光を集光する照明光学系と、
前記照明光学系の前記分光素子に対する共役な位置に配置され、前記空間光変調素子の異なる位置で分光された異なる波長領域の光が重ね合わされて入射した前記画像の１次元像を出射するスリット部材と、
前記空間光変調素子の変調に同期して動作し、前記スリットからの出射光を走査して、２次元像をなす走査画像を生成する走査素子と、
前記走査素子からの前記走査画像を投影面に投影する投影光学素子と、
を備えることを特徴とする走査型投影表示光学系。
【請求項２】
前記空間光変調素子は多数のマイクロミラーを備えて前記マイクロミラーの方向を変更して光変調を行う反射型素子であることを特徴とする請求項１に記載の走査型投影表示光学系。
【請求項３】
前記走査素子は、平面反射型回折格子であり、下段に集光光学素子を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型投影表示光学系。
【請求項４】
前記走査素子は、凹面反射型回折格子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型投影表示光学系。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の走査型投影表示光学系と、
入力された画像データに基づいて、前記空間光変調素子を駆動する変調信号および前記走査素子を駆動する走査信号を生成し、前記変調信号および前記走査信号を前記空間光変調素子および前記走査素子に前記画像データに基づいて２次元像が出力されるべく同期出力する投影制御部と、
を備えることを特徴とする走査型投影表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は白色光源、分光素子および２次元変調素子を備えてハイパースペクトル画像を生成する走査型投影表示光学系、およびこの画像を投影する走査型投影表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイパースペクトル画像、すなわち多数の波長チャンネル（例えば３０チャンネル以上）の画像を合成して、広い色領域での画像を表示する技術が提案されている。従来ハイパースペクトル画像を表示するための走査型投影表示光学系、走査型投影表示装置として以下のものが提案されている。特許文献１および特許文献２には、線状の白色光源あるいは２次光源を分光素子で分光して空間変調素子上に結像させて空間変調した後、分光素子を使用して当該空間変調した光を再合成してスリット状の像を作成するものが記載されている。
【０００３】
また、特許文献３には、白色光源あるいは２次光源を分光素子で分光して、さらにガルバノミラーでスキャンした光束で２次元空間変調子を照明して、２次元ハイパースペクトル像を得るものが記載されている。
【０００４】
また、非特許文献１は、米国ＮＩＳＴ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）のものであり、分光分布が自由に制御可能な光源であるいわゆるプログラマブル光源を照明光源として順次波長を変更し、その照明光にて２次元変調素子を照明して、それを投影するものが記載されている。これは、単板式のＤＭＤプロジェクターのカラーホイールをプログラマブル光源に置き換えたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開−２０１１−９００６１号公報
【特許文献２】特開−２０１１−９０２６１号公報
【特許文献３】特開−２０１２−１２３０６１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＳＰＩＥ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  Ｖｏｌ．６２９７  ６２９７０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１および特許文献２に記載のものは、分光素子を２回使用するため、効率が低下するという問題がある。また、再合成して同一位置に像を作成するために光学系が複雑で高精度での製造組み立てが必要となる。
【０００８】
また、特許文献３に記載のものは、分光素子が１つで透過率的には有利であるが、画像全体を全波長領域でスキャンする場合は１次元のハイパースペクトル像をスキャンするのと比較して２倍以上時間がかかり、時間平均の輝度は半分以下になる。
【０００９】
さらに、非特許文献１に記載のものは、２次元変調素子が２枚同期させる必要があり以下の問題がある。スイッチング回数はフレームレート×波長数×階調作成フレーム数なので、波長数が多いハイパースペクトルディスプレーでは、実用的な２次元変調素子は現状ＤＭＤしか使用できない。通常のＤＭＤプロジェクターでは１原色の階調はＤＭＤ（登録商標：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）のオン状態の時間で決まる。しかし、波長チャンネル数が１桁多いハイパースペクトルディスプレーではＤＭＤでもスイッチ速度は足りなくなる。
【００１０】
このため、非特許文献１に記載のものは、１原色につき順次光量を１／２ずつ減少させて、画像作成用のＤＭＤと同期をしている。これにより、階調表現のためのスイッチング回数は減少する。例えば、１０２４階調表現するのには通常の方法では１０２４回スイッチングするのに対して、１０回に減少する。しかし、この結果最大光量は減少する。例えば、１０２４階調では約１／４になる。照明用と画像作成用のＤＭＤの同期精度もスイッチング時間に対して十分に高い必要がある。また、ＤＭＤを２回むらなく照明するためには光量が無駄になる。
【００１１】
スリット像を走査して２次元ハイパースペクトル像を作成するためには高速な空間変調子であるＤＭＤを使用するのが望ましい。この素子はミラーが±１０度あるいは±１２度の状態をつくることでスイッチングしている。また、ミラーの回転軸は通常はＤＭＤの水平あるいは垂直から４５度ずれている。プロジェクターで使用する場合は、アジマスで４５度方向、エレベーションで７０度あるいは６６度方向から照明光を入射させて、垂直方向に結像光学系を配置する。しかし、この方向から入射させて、ＤＭＤ上にＸ方向あるいはＹ方向に分光したスペクトル像をつくるのは困難であり、結像光学系で再合成するのはさらに難しく、解像力の高い光学系は困難である。
【００１２】
以上のように、ハイパースペクトル画像作成では各原色単色の波長半値幅が狭いので、利用できる光量は三原色カラー画像作成装置と比較すると原理的に少なくなる。実用的な大きさの像で十分な輝度の画像を得るためには、従来の方法では効率が低い。
【００１３】
そこで、本発明は、簡単な光学系で、高解像力で光源の利用効率が高く、広い範囲の色再現域を備えた走査型投影表示光学系、および走査型投影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】
【００１４】
前記課題を解決する請求項１に記載の発明は、白色光を射出する光源と、前記白色光が入射され、表示すべき画像を基づく画像信号に基づいて入射された前記白色光を空間的および時間的に変調した変調光を出力する空間光変調素子と、前記変調光を波長ごとに異なる方向に射出する分光素子と、前記分光素子からの光を集光する照明光学系と、前記照明光学系の前記分光素子に対する共役な位置に配置され、前記空間光変調素子の異なる位置で分光された異なる波長領域の光が重ね合わされて入射した前記画像の１次元像を出射するスリット部材と、前記空間光変調素子の変調に同期して動作し、前記スリットからの出射光を走査して、２次元像をなす走査画像を生成する走査素子と、前記走査素子からの前記走査画像を投影面に投影する投影光学素子と、を備えることを特徴とする走査型投影表示光学系である。
【００１５】
同じく請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の走査型投影表示光学系において、前記空間光変調素子は多数のマイクロミラーを備えて前記マイクロミラーの方向を変更して光変調を行う反射型素子であることを特徴とする。
【００１６】
同じく請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の走査型投影表示光学系において、前記走査素子は、平面反射型回折格子であり、下段に集光光学素子を備えることを特徴とする。
【００１７】
同じく請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の走査型投影表示光学系において、前記走査素子は、凹面反射型回折格子であることを特徴とする。
【００１８】
同じく請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の走査型投影表示光学系と、入力された画像データに基づいて、前記空間光変調素子を駆動する変調信号および前記走査素子を駆動する走査信号を生成し、前記変調信号および前記走査信号を前記空間光変調素子および前記走査素子に前記画像データに基づいて２次元像が出力されるべく同期出力する投影制御部と、を備えることを特徴とする走査型投影表示装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る走査型投影表示光学系、および走査型投影表示装置によれば、簡単な構造で、高解像力で光源の利用効率が高く、広い範囲の色再現域を備える。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態１に係る走査型投影表示光学系を示す光路図である。
【図２】同走査型投影表示装置の制御系を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る走査型投影表示光学系を示す光路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明を実施するための形態に係る走査型投影表示光学系、および走査型投影表示装置について説明する。本実施形態に係る走査型投影表示装置は、例えば３０の波長領域（原色）のカラー画像を重ね合わせてハイパースペクトル投影画像を生成する。
【００２２】
＜実施形態１＞
まず、走査型投影表示光学系について説明する。本発明の実施形態１に係る走査型投影表示光学系は、光源である白色光源１と、楕円鏡２と、ライトパイプ３と、照明光学系４と、反射型の空間光変調素子５と、を備える。また、走査型投影表示光学系は、分光光学系コリメータレンズ６と、分光素子である平面反射型回折格子７と、下段に配置された集光光学素子である分光光学系結像レンズ８と、スリット部材９と、投影光学系コリメータレンズ１０と、走査鏡１１と、投影光学系結像レンズ１２と、を備える。図１中符号１３は投影面であるスクリーンを示している。
【００２３】
白色光源１は例えばキセノンランプであり、楕円鏡２の一方の焦点に配置される。ライトパイプ３は入射端が楕円鏡２の他方の焦点に配置され、白色光源１からの光がライトパイプ３の入射端に高い効率で入射する。ライトパイプ３が適切に設計されていると、ミキシング効果で射出端では光が均一となる。ライトパイプ３の射出端と、空間光変調素子５とは、照明光学系４の共役な位置に配置される。これにより、空間光変調素子５上を均一にむらなく照明できる。照明光学系４は正のパワーをもつレンズで構成され、ライトパイプ３からの光を集光する。
【００２４】
空間光変調素子５は、表示すべき画像を基づく画像信号に基づいて入射された前記白色光を空間的および時間的に変調した変調光を出力する。空間光変調素子５としては、ＤＭＤ（登録商標：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）を使用することができる。ＤＭＤは、多数の微小鏡面（マイクロミラー）を平面に配列し、各マイクロミラーの角度状態を独立して制御して、空間光変調を行う反射型素子である。各マイクロミラーは、傾かない状態から、±１０度あるいは±１２度に角度が変更できる。マイクロミラーが１２度傾けられるタイプである場合に、照明光学系４を空間光変調素子５の法線から２４度の方向から入射させる。これにより、オンの状態では法線方向に反射して、オフの状態では法線から４８度の方向に反射する。
【００２５】
空間光変調素子５は、投影する画像の１画素が例えば「８×３」を１単位とするマイクロミラーに対応する。１画素分のマイクロミラーがオン状態になる数を制御することにより表示画素の階調を制御する。空間光変調素子５には、１画素分の階調を表示するマイクロミラーの単位の必要に応じた数だけ配置される。ここで、空間光変調素子５の図１における紙面横方向に沿う位置に配列されたマイクロミラーの単位列が３０の原色の１つの色に対応する。従って、紙面に垂直な方向の単位数は投影画像の横画素数に対応する。なお、縦画素数は、入力される変調データの時間変調周波数と、走査鏡１１の走査周波数で定まる。
【００２６】
分光光学系コリメータレンズ６は、空間光変調素子５から出たオンの光束を平行光束に変換して、平面反射型回折格子７に照射する。平面反射型回折格子７は、図１中紙面に垂直な方向に沿った格子が多数形成されている。このため、入射した変調光は波長に応じて図１中紙面に沿って異なる角度に射出される。平面反射型回折格子７で回折した回折光は分光光学系結像レンズ８でスリット部材９に結像する。スリット部材９は、図１中紙面に垂直なスリット溝を備え、分光光学系結像レンズ８における平面反射型回折格子７の共役位置に配置される。これにより、スリット部材９には、空間光変調素子５の異なる全ての位置からの回折光、すなわち空間光変調素子５の異なる位置から異なる波長領域（色チャンネル）の光が入射する。スリット部材９に入射する光の波長は空間光変調素子５の位置で異なる。スリット部材９の隙間幅は、平面反射型回折格子７からの可視スペクトル幅を３０の波長領域に分けて出射する寸法とすることが望ましい。
【００２７】
実施形態に係る走査型投影表示光学系の各光学素子の仕様例は下記のとおりである。
白色光源１の波長領域：４３０〜７３０ｎｍ
空間光変調素子５のマイクロミラーの数：１０２４×７６８（ＳＸＧＡ）
平面反射型回折格子７の格子定数：３００Ｌ／ｍｍ 、大きさ□５０
スリット部材９の開口数、長さ：０．１１mm×１１ｍｍ
走査鏡１１のふり角：±２度、速度  ６０Ｈｚ
【００２８】
このような構成により、波長領域に対応する位置の空間光変調素子５のマイクロミラー単位をオン位置にすれば、所望の波長領域についての回折光がスリット部材９に入射でき、スリット部材９上に１次元のハイパースペクトル像を作成できる。平面反射型回折格子７は、１次回折光をスリット部材９に向け射出するように格子定数が定められる。
【００２９】
投影光学素子である投影光学系コリメータレンズ１０は、スリット部材９からの出射光を平行光に変換する正のパワーをもつレンズとして構成される。走査鏡１１は、例えばガルバノミラーで構成され、空間光変調素子の変調に同期して走査動作する。これにより、１次元のハイパースペクトル像を走査して２次元像とする。投影光学系結像レンズ１２はこの２次元像をスクリーン１３に投影し、スクリーン１３上には２次元のハイパースペクトル像が投影される。
【００３０】
次に実施形態１に係る走査型投影表示装置について説明する。走査型投影表示装置は、図１に示した走査型投影表示光学系の空間光変調素子５および走査鏡１１を制御系で駆動制御するものである。図２は本発明の実施形態１に係る走査型投影表示装置の制御系を示すブロック図である。
【００３１】
走査型投影表示装置の制御系は、投影制御部として、画像処理部２１と、同期制御部２２と、変調駆動部２３と、走査駆動部２４とを備える。画像処理部２１は、表示すべき画像の画像データに基づいて、空間光変調素子５に入力する変調信号および走査鏡１１に入力する駆動信号を生成する。変調信号および走査信号は、同期制御部２２で同期が取られて変調駆動部２３および走査駆動部２４に同期出力される。入力される画像データは、ハイパースペクトルカメラで取得した像や人工的に作成した画像である。例えば、画素数１２０×９６である。また、投影される画像のサイズは、５０ｍｍ×４０ｍｍ、３０原色、５１２階調、６０ＦＰＳである
【００３２】
制御系は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等を備えるマイクロコンピュータで構成される。マイクロコンピュータは、ＣＰＵで画像処理プログラム、制御プログラムを実行することにより、各処理部を実現する。
【００３３】
以上のように、実施形態１に係る走査型投影表示光学系および走査型投影表示装置によれば、簡単な構成でハイパースペクトル像を投影できる。また、実施形態に係る走査型投影表示光学系、および走査型投影表示装置では、分光光学系として、１つの回折格子を備え、スリットを設けて、各波長領域の１次元像を重ね合わせているので、素子の配置ずれによる像のずれは生じない。また、空間光変調素子５として、ＤＭＤを使用しているので、共軸光学系として構成でき、設計、製造、組み立てが簡易な構造となる。これらにより、高解像な１次元像を作成できる。実施形態１に係る走査型投影表示光学系、および走査型投影表示装置は、光学変調素子を１つしか使用しないので、光の利用効率が高く、また複数の光学変調素子を使用する場合と比して同期精度を高くする必要がなく、容易に実現できる。
【００３４】
＜実施形態２＞
次に本発明の実施形態２に係る走査型投影表示光学系、および走査型投影表示装置について説明する。図３は本発明の実施形態２に係る走査型投影表示光学系を示す光路図である。実施形態２に係る走査型投影表示光学系は、分光光学系コリメータレンズ６、平面反射型回折格子７、分光光学系結像レンズ８に替え、凹面反射型回折格子７Ａを備える。他の構成は実施形態１に係る走査型投影表示光学系と同一である。実施形態２に係る走査型投影表示光学系によれば、より簡単な構成で実施形態１に係る走査型投影表示装置と同様の効果を有する。
【００３５】
なお、実施形態１および実施形態２において、白色光源としては、輝度が高く分光分布がフラットな光源であれば、キセノンランプの他にメタルハライドランプを使用することができる。また、必要な波長範囲や輝度とダイナミックレンジが満たせれば白色発光ダイオード（ＬＥＤ）やハロゲンランプや超高圧水銀灯を使用することもできる。
【００３６】
また、空間光変調素子５を均一に照明するために使用するライトパイプに替え、フライアイや、ケーラー照明などを使用できる。光量に余裕があれば拡散板を使用してもよい。さらに、空間光変調素子としては、ＤＭＤに替え、透過型液晶や反射型液晶を使用できる。さらに分光素子としては、透過型の回折格子やプリズム、回折格子とプリズムを組み合せたグリズムなどを使用できる。各実施形態に係る走査型投影表示装置では、ポリクロメータやマルチチャンネル分光器の光学系を逆に使用することができる。
【００３７】
さらに、スクリーン１３に替え、スクリーン１３の位置を焦点とする接眼レンズを配置すれば、肉眼でハイパースペクトル画像を観察できる。この場合、白色光源の輝度が低くても観察が可能となる。
【符号の説明】
【００３８】
１：白色光源（光源）
２：楕円鏡
３：ライトパイプ
４：照明光学系
５：空間光変調素子
６：分光光学系コリメータレンズ
７：回折格子（分光素子）
７Ａ：凹面反射型回折格子
８：分光光学系結像レンズ
９：スリット部材
１０：投影光学系コリメータレンズ
１１：走査鏡（走査素子）
１２：投影光学系結像レンズ（投影光学素子）
１３：スクリーン（投影面）
２１：画像処理部
２２：同期制御部
２３：変調駆動部
２４：走査駆動部
【図１】
2015055819.tif 000003
【図２】
2015055819.tif 000004
【図３】
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