(57)【要約】【課題】レーザ光が投影される空間に人が入れないように制限しなくても、より明るいレーザ光を安全に投影することができる画像表示装置及び画像表示方法を提供する。【解決手段】レーザ光源１０からレーザ光Ｌが出射され、画像データに応じて光変調素子（一次元光変調素子）１２においてレーザ光Ｌが変調され、変調されたレーザ光が光学系（１３，１４）において走査及び投影され、画像データＤに応じた画像がスクリーン１５上に表示され、ここで、制御部２０Ｉから間歇的に変調された画像データが光変調素子１２に伝送されることにより、レーザ光Ｌが一定時間周期に従い間歇的に遮断して投影される構成とする。【選択図】図２
2009098544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射するレーザ光源と、
画像データに応じて前記レーザ光を変調する光変調素子と、
変調された前記レーザ光を走査及び投影する光学系と
変調された前記レーザ光が前記光学系から投影され、前記画像データに応じた画像が表示されるスクリーンと
を有し、
間歇的に変調された画像データが前記光変調素子に伝送されることにより、前記レーザ光が一定時間周期に従い間歇的に遮断して投影される
画像表示装置。
【請求項２】
前記レーザ光が間歇的に遮断して投影されるように前記画像データを変調するデータ変調部をさらに有し、
前記データ変調部において前記画像データが変調されて前記光変調素子に伝送される
請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記画像データとして、前記レーザ光が間歇的に遮断して投影されるように予め加工された画像データが用いられる
請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項４】
レーザ光を出射するレーザ光源と、
画像データに応じて前記レーザ光を変調する光変調素子と、
変調された前記レーザ光を走査及び投影する光学系と
変調された前記レーザ光が前記光学系から投影され、前記画像データに応じた画像が表示されるスクリーンと
を有し、
前記光学系内に、前記レーザ光を間歇的に遮断するシャッターが組み込まれている
画像表示装置。
【請求項５】
前記シャッターが、シャッターとして機能する光変調素子である
請求項４に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記シャッターが、光遮断領域と光透過領域を有する円板状または平板状の光学部品であって、回転または振動させて前記レーザ光の光軸が光遮断領域と前記光透過領域を交互に通過することで前記シャッターとして機能する
請求項４に記載の画像表示装置。
【請求項７】
レーザ光源からレーザ光を出射する工程と、
光変調素子において画像データに応じて前記レーザ光を変調する工程と、
変調された前記レーザ光を走査し、スクリーン上に投影して前記画像データに応じた画像を表示する工程と
を有し、
前記レーザ光を変調する工程において、間歇的に変調された画像データを前記光変調素子に伝送することにより、前記レーザ光を一定時間周期に従い間歇的に遮断して投影する
画像表示方法。
【請求項８】
データ変調部において前記レーザ光が間歇的に遮断して投影されるように前記画像データを変調する工程をさらに有し、
前記レーザ光を変調する工程において、前記データ変調部において変調された前記画像データが前記光変調素子に伝送される
請求項７に記載の画像表示方法。
【請求項９】
前記レーザ光を変調する工程において、前記画像データとして、前記レーザ光が間歇的に遮断して投影されるように予め加工された画像データが用いられる
請求項７に記載の画像表示方法。
【請求項１０】
レーザ光源からレーザ光を出射する工程と、
光変調素子において画像データに応じて前記レーザ光を変調する工程と、
変調された前記レーザ光を走査し、スクリーン上に投影して前記画像データに応じた画像を表示する工程と
を有し、
前記レーザ光を走査し、スクリーン上に投影する工程において、前記レーザ光を走査し、スクリーン上に投影する光学系内に組み込まれたシャッターにより前記レーザ光を間歇的に遮断して表示する
画像表示方法。
【請求項１１】
前記シャッターが、シャッターとして機能する光変調素子である
請求項１０に記載の画像表示方法。
【請求項１２】
前記シャッターが、光遮断領域と光透過領域を有する円板状または平板状の光学部品であって、回転または振動させて前記レーザ光の光軸が光遮断領域と前記光透過領域を交互に通過することで前記シャッターとして機能する
請求項１０に記載の画像表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像表示装置及び画像表示方法に関し、特にレーザ光を光源に用いてスクリーン上に投影する画像表示装置及び画像表示方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶ライトバルブ等の表示素子や、これらの表示素子を拡大投影するプロジェクタ装置が種々提案され、実用化されている。
しかしながら、近年、新しい放送方式の導入、演算素子の進歩による画像処理速度の向上、及び、フイルムを拡大投影するアナログシネマからデイジタルシネマへの変換が進んで、解像度に対する要求が高まりつつある。
【０００３】
二次元の表示素子の高解像化に対応するには素子画素数を増やすことになるが、表示素子のサイズを固定したまま高解像化をはかると、表示部の開口部の縮小化が避けられず、明るいプロジェクタ装置の実現が困難になる。一方、画素サイズ固定のまま高解像化をはかると、必然的に表示素子のサイズの増大化を招き、光学系を含めたプロジェクタ装置の大型化、高額化につながる。また、二次元表示素子の製造工程においても、画素の縮小化においては、より小さな異物混入防止策が必要で、また、表示素子の大型化においては、生産装置そのものの大型化が必要となる。
しかしながら、1次元変調素子と走査素子を組み合わせた投射装置には、これらの不都合を招かない長所がある。
【０００４】
特許文献１には、一次元光変調素子を用いた二次元の画像表示装置が開示されている。
上記の一次元光変調素子としては、例えば、特許文献２に開示されているような、アメリカのシリコンライトマシーンズ（Ｓｉｌｉ−ｃｏｎ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍａｃｈｉｎｅｓ）社のＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｌｉｇｈｔ  Ｖａｌｖｅ）素子を用いることができる。ＧＬＶ素子は、ＭＥＭＳ（ＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ  ＳＹＳＴＥＭ）技術を用いて形成された位相反射型回折格子より成っている。
【０００５】
このＧＬＶ素子を、ＧＬＶ素子を照射する照明光学系とともに用いると、画像信号により各画素を構成する回折格子を機械的に動作させ、これによって生ずる位相差をコントロールすることにより、画像表示素子として機能する。
光学系としては、各画素からの±１次回折光、０次回折光を分離し、ＯＦＦ光の遮蔽を行う、いわゆるシュリーレン光学系を採用することにより、画像が形成される。
【０００６】
また、特許文献３あるいは特許文献４には、上記の一次元表示素子を用いた大型ディスプレイとしてのプロジェクタ光学系として、一次元表示素子の一次元中間像を投影レンズにより拡大投影し、さらにその投影レンズの瞳位置、またはその周辺に光偏向部を配置し、走査を行いスクリーン上で二次元投影像を得るシステムが提案されている。
【０００７】
上記のＧＬＶ素子を用いた画像表示装置などにおいて、光源としてレーザ光を用いることが検討されている。
【０００８】
レーザ光は、一般に、非常に小さい光源より光が発せられる平行光であるから、眼で直接レーザ光を見ると、光が網膜上に集中し網膜に熱傷を生じる危険があるため、レーザ光を発する機器については、国際レーザ安全標準IEC60825-1に基づき、その光の仕事量（エネルギー量）若しくはパワーをもって安全性をクラス分けし、そのクラスにおいて安全上必要とされる対策を施して使用するよう規定されている。
【０００９】
このレーザ安全の安全対策システムは、レーザを加工、工作用途に用いる場合には、有効に機能する。例えば、レーザ光を用いて金属を溶接する場合には、通常クラス４に相当するクラスに分類され、レーザ光が空中を飛行し加工対象の金属に照射する空間領域には、人が立入れない施策または、人が直接見ることができないように遮蔽する等の対策がなされ、レーザ光による災害が起こることを防止できる。
【００１０】
ところで、近年、レーザ光の単一波長性に由来する高色度特性を映像目的に利用することが拡大してきている。
例えば、（１）観客にレーザ光を縦横に走査して鮮やかな色の動きを見せるレーザショー、（２）赤、緑、青色のレーザ光を光源としたレーザディスプレイ装置のようなものがある。
【００１１】
上記のような用途でレーザ光を用いる場合のレーザ安全上の問題は、レーザ光そのものを人が見ることが目的であるため、上記のレーザ安全対策のように、人からレーザ光を遮断する対策を講じ難い。
【００１２】
上記のような用途でレーザ光を用いる場合の対策としては、
（１）人がレーザ光を被ばくする可能性がある場合は、そのレーザ光が眼に入っても安全な光エネルギー若しくはパワーに制限する。
この場合、この代償として、明るいレーザ光を投射できず、せっかくのレーザ光の鮮やかな光を楽しめないことになる。
【００１３】
（２）人がレーザ光に触れることがないように、レーザ光が投影される空間に人が入れないようにする。
例えば、レーザ安全国際標準IEC60825-3（レーザショーとレーザディスプレイのガイダンス）では、不可視光クラス３R、クラス３B、およびクラス4のレーザ光において、監視人がいる場合には、床より高さ3ｍ以上、および、人がいる場所より横方向2.5ｍ以上離れた空間にのみ投射すること（監視人がいない場合は、床より6ｍ以上）を規定している。しかし、一般的な建物では、高さ方向に３ｍ以上の空間を確保することは難しく、レーザ投影の機会を制限することになる。
【特許文献１】特開２００６−７２１０４号公報
【特許文献２】米国特許５，３１１，３６０号公報
【特許文献３】米国特許５，９８２，５５３号公報
【特許文献４】特表２０００−５１３１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
レーザ光を光源に用いた画像表示装置などにおいて、レーザ光が投影される空間に人が入れないようにすることを要せずに、しかもできるだけ明るいレーザ光を安全に投影することは、非常に困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の画像表示装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、画像データに応じて前記レーザ光を変調する光変調素子と、変調された前記レーザ光を走査及び投影する光学系と変調された前記レーザ光が前記光学系から投影され、前記画像データに応じた画像が表示されるスクリーンとを有し、間歇的に変調された画像データが前記光変調素子に伝送されることにより、前記レーザ光が一定時間周期に従い間歇的に遮断して投影される。
【００１６】
上記の本発明の画像表示装置は、レーザ光源からレーザ光が出射され、画像データに応じて光変調素子においてレーザ光が変調され、変調されたレーザ光が光学系において走査及び投影され、画像データに応じた画像がスクリーン上に表示される。
ここで、間歇的に変調された画像データが光変調素子に伝送されることにより、レーザ光が一定時間周期に従い間歇的に遮断して投影される。
【００１７】
また、本発明の画像表示装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、画像データに応じて前記レーザ光を変調する光変調素子と、変調された前記レーザ光を走査及び投影する光学系と変調された前記レーザ光が前記光学系から投影され、前記画像データに応じた画像が表示されるスクリーンとを有し、前記光学系内に、前記レーザ光を間歇的に遮断するシャッターが組み込まれている。
【００１８】
上記の本発明の画像表示装置は、レーザ光源からレーザ光が出射され、画像データに応じて光変調素子においてレーザ光が変調され、変調されたレーザ光が光学系において走査及び投影され、画像データに応じた画像がスクリーン上に表示される。
ここで、光学系内に、前記レーザ光を間歇的に遮断するシャッターが組み込まれている。
【００１９】
また、本発明の画像表示方法は、レーザ光源からレーザ光を出射する工程と、光変調素子において画像データに応じて前記レーザ光を変調する工程と、変調された前記レーザ光を走査し、スクリーン上に投影して前記画像データに応じた画像を表示する工程とを有し、前記レーザ光を変調する工程において、間歇的に変調された画像データを前記光変調素子に伝送することにより、前記レーザ光を一定時間周期に従い間歇的に遮断して投影する。
【００２０】
上記の本発明の画像表示方法は、レーザ光源からレーザ光を出射し、光変調素子において画像データに応じてレーザ光を変調し、変調されたレーザ光を走査し、スクリーン上に投影して画像データに応じた画像を表示する。
ここで、レーザ光を変調する際に、間歇的に変調された画像データを光変調素子に伝送することにより、レーザ光を一定時間周期に従い間歇的に遮断して投影する。
【００２１】
また、本発明の画像表示方法は、レーザ光源からレーザ光を出射する工程と、光変調素子において画像データに応じて前記レーザ光を変調する工程と、変調された前記レーザ光を走査し、スクリーン上に投影して前記画像データに応じた画像を表示する工程とを有し、前記レーザ光を走査し、スクリーン上に投影する工程において、前記レーザ光を走査し、スクリーン上に投影する光学系内に組み込まれたシャッターにより前記レーザ光を間歇的に遮断して表示する。
【００２２】
上記の本発明の画像表示方法は、レーザ光源からレーザ光を出射し、光変調素子において画像データに応じてレーザ光を変調し、変調されたレーザ光を走査し、スクリーン上に投影して画像データに応じた画像を表示する。
ここで、レーザ光を走査し、スクリーン上に投影する際に、レーザ光を走査し、スクリーン上に投影する光学系内に組み込まれたシャッターによりレーザ光を間歇的に遮断して表示する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の画像表示装置は、画像を形成するレーザ光が間歇的に遮断されることにより、レーザ光が投影される空間に人が入れないように制限しなくても、より明るいレーザ光を安全に投影することが可能となる。
【００２４】
本発明の画像表示方法は、画像を形成するレーザ光を間歇的に遮断することにより、レーザ光が投影される空間に人が入れないように制限しなくても、より明るいレーザ光を安全に投影することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２６】
第１実施形態
図１は、本実施形態に係る画像表示装置の模式構成図である。
図１に示すように、例えば、レーザ光Ｌを出射するレーザ光源１０、照明光学系１１、一次元光変調素子１２、投影光学系１３、走査ミラー１４、スクリーン１５、制御部２０が配置されて構成される。
【００２７】
例えば、レーザ光源１０は、例えば、半導体レーザや固体レーザなどからなる。
【００２８】
レーザ光源１０から発した光は、例えば、照明光学系１１を経て線状ビームとして一次元光変調素子１２に照射される。尚、照明光学系１１にはビーム整形やビーム拡大等のためのレンズ系が含まれる。
【００２９】
一次元光変調素子１２は、例えば、後述のＧＬＶ（グレーティングライトバルブ）素子や液晶表示素子等であって、所定方向に配列された複数の構成素子を有しており、制御部２０からの画像データＤに応じてレーザ光を変調する。本実施形態では、図示の便宜上、反射型素子を示しているが、これに限らず、透過型素子等を用いることもできる。
【００３０】
例えば、制御部２０は、一次元光変調素子１２の駆動回路を含み、外部回路等から入力された画像データに基づく駆動信号を生成して一次元光変調素子１２に供給する。
制御部２０からの駆動信号によって、レーザ光Ｌの一次元光変調素子１２における光変調が行われ、一次元像（一次元の変調光）となったレーザ光Ｌが生成される。
【００３１】
上記の一次元像のレーザ光Ｌは、例えば、投影光学系１３により走査ミラー１４に導かれ、スクリーン１５上に投影され、走査ミラー１４によってスクリーン１５上で方向Ｓに走査される。
以上のようにして、スクリーン１５上に制御部２０から入力された画像データＤに応じた二次元の画像が表示される。
走査ミラー１４などの光学系からスクリーンまでのレーザ光が投射される空間が投射空間ＰＳであり、不可視光クラス３R、クラス３B、およびクラス4のレーザ光投射装置の場合、人が入れないようにされている領域である。
【００３２】
以下に、ＧＬＶ素子について説明する。
例えば、可動する３本のリボンと動かない３本のリボンが交互に配列され、この６本のリボンで画像垂直方向における１画素が構成され、１画素に相当するリボンの組が縦方向に複数画素分、ＧＬＶ素子全体としては数千本のリボンが並べられて、構成されている。
可動するリボンを光の１／４波長程度の振幅で変位させることにより、光回折現象を発生させる。リボンの沈み込み変位は静電的に制御される。
【００３３】
全てのリボンが凹まずに揃った状態の時には鏡のように反射するが、交互に凹むと、入射したレーザビームがリボン面により反射されるまでの行路に距離の差が生じ、その反射光に回折現象が発生する。つまり、入射する光の波長の１／４の奇数倍に相当する分の段差が生じたときが、反射光間の位相差が最も大きくなり、最大強度の光回折が生じる。
この回折光は、鏡面での反射光の角度方向からずれた角度方向に反射する。例えば、１次回折光は、鏡面での反射光の反射角度所定の角度でずれた２方向に反射する。２方向あるので便宜上、＋１次、−１次と称せられる。
以上のように、ＧＬＶ素子を用いることにより、映像信号をレーザ光の強弱に変換できる。
また、ＧＬＶ素子は、静電力により可動するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスであって、高速応答性に優れており、応答時間は例えば数ｎ秒程度である。
【００３４】
図２は、本実施形態の画像表示装置の構成を示す構成図である。
本実施形態の画像表示装置において、制御部は、レーザ光Ｌが一定時間周期に従い間歇的に遮断される、即ち、スクリーン上に周期的に黒を表示するような画像データＤを一次元光変調素子１２に提供する制御部２０Ｉとなっている。
例えば、間歇的に遮断される周期は、０．１μ秒〜１μ秒程度である。
【００３５】
上記のように、レーザ光Ｌが一定時間周期に従い間歇的に遮断されることにより、スクリーンに投射される画像には、走査方向に対して黒の画像が付加され、水平方向にのみレーザを走査する本実施形態のＧＬＶ素子を用いたレーザ投射型画像表示装置の場合、スクリーンに投射される画像に、垂直方向に伸びる黒帯（ブラックストライプ）が周期的に映し出されることになる。
しかし、黒帯部分が細かく点在していることになるので、スクリーンから離れて見れば、目障りではない。光学レンズを用いて拡大して観察すれば認識できるが、映像信号の画素自体、通常の観賞位置からは認識できないものであり、それより小さい黒帯は、十分無視できるノイズであり鑑賞する画質に影響を与えないものである。
【００３６】
例えば、スクリーンに投射される映像の横縦比が１６：９のフルＨＤ（横方向１９２０画素）であり、１２０Ｈｚで走査する場合、１画素の走査時間は約４μ秒に相当する。この１画素内に、例えば４本縦ストライプを挿入するとすれば、１μ秒程度の周期で間歇的とすることができる。
【００３７】
上記のレーザ光Ｌが一定時間周期に従い間歇的に遮断される、即ち、スクリーン上に周期的に黒を表示するような画像データＤを一次元光変調素子１２に提供する制御部２０Ｉは、以下のように構成される。
図３は、制御部２０Ｉの構成を示す構成図である。
例えば、外部などから画像データＤが入力されるデータ入力部２１と、レーザ光Ｌが間歇的に遮断して投影されるように画像データＤを変調するデータ変調部２２を有する。外部からデータ入力部２１に入力された画像データＤは、データ変調部２２において、レーザ光が一定時間周期に従い間歇的に遮断されるような画像データに加工され、一次元光変調素子１２に伝送される。
【００３８】
次に、ＧＬＶ素子へ映像信号を入力する部分に、信号開閉回路を付加することによって、本発明を実現する構成を説明する。
図４（ａ）は、上記のデータ入力部２１とデータ変調部２２を有する制御部２０ＩとＧＬＶ素子（一次元光変調素子１２）の構成を示す模式図である。
ＧＬＶ素子は基板１２ａに対向するように、不動リボン１２ｂと可動リボン１２ｃが交互に配置され、データ入力部２１に入力される画像データ信号Ｄに対応する電圧が可動リボン１２ｃにかけられている。
ここで、図４（ａ）に示すように、抵抗器Ｒと高速開閉器２２ｓ（具体的には、ＭＯＳＦＥＴ素子のような半導体による高速スイッチング素子）が設けられて、データ変調部２２が構成されている。高速開閉器２２ｓは図中に示すように高速に開閉され、高速開閉器２２ｓが閉じた時のみ、画像データ信号Ｄの強度に応じてＧＬＶ素子の可動リボンが動かされて回折光が発生する。逆に、高速開閉器が開いている時は、画像データ信号Ｄに関係なくＧＬＶ素子の可動リボン１２ｃは不動リボン１２ｂと同じ位置にとどまり、鏡面を構成し回折光は発生しない。
上記のようにして、画像データ信号に応じたレーザ光の出力を、短い持続時間を間歇的に時間周期で繰り返すレーザ光（以下、レーザ光パルス列）に変換することができる。
【００３９】
図４（ｂ）は、切り替え型の高速開閉器を用いた場合の例である。図４（ａ）の例では、画像データ信号Ｄの出力とＧＬＶ素子の時定数の関係で、ＧＬＶ素子動作の応答遅延が問題になる場合があるが、図４（ｂ）の例では、切り替え型の高速開閉器２２ｓを用いることでその場合問題が解決される。切り替え型の高速開閉器を用いた回路では、ＧＬＶ素子の可動リボンと接地の間に入れる抵抗値を大きくすることができる。上記以外は図４（ａ）と同様である。
【００４０】
本実施形態の画像表示装置は、画像を形成するレーザ光が間歇的に遮断されることにより、レーザ光が投影される空間に人が入れないように制限しなくても、より明るいレーザ光を安全に投影することが可能となる。
【００４１】
上記の実施形態で用いることができるＧＬＶ素子は、例えば特許文献３に記載されているものを用いることができる。
【００４２】
また、本実施形態に係る画像表示方法は、レーザ光源からレーザ光を出射し、光変調素子において画像データに応じてレーザ光を変調し、変調されたレーザ光を走査し、スクリーン上に投影して画像データに応じた画像を表示する。
ここで、レーザ光を変調する際に、間歇的に変調された画像データを前記光変調素子に伝送することにより、レーザ光を一定時間周期に従い間歇的に遮断して投影する。
例えば、間歇的に遮断される周期は、０．１μ秒〜１μ秒程度である。
【００４３】
例えば、データ変調部においてレーザ光が間歇的に遮断して投影されるように画像データを変調し、レーザ光を変調する際に、データ変調部において変調された画像データが前記光変調素子に伝送される。
【００４４】
本発明の画像表示方法は、画像を形成するレーザ光を間歇的に遮断することにより、レーザ光が投影される空間に人が入れないように制限しなくても、より明るいレーザ光を安全に投影することが可能となる。
【００４５】
第２実施形態
本実施形態に係る画像表示装置は、第１実施形態と同様であるが、第１実施形態においてデータ変調部によってレーザ光が間歇的に遮断して投影されるようにデータを変調加工するのではなく、画像データとして、レーザ光が間歇的に遮断して投影されるように予め加工された画像データが用いられる。
【００４６】
図５（ａ）は、レーザ光が間歇的に遮断して投影されるように画像データを変調加工する前のオリジナルの画像データ信号の模式図であり、時間に対する電圧の変動で示している。
一水平走査期間ＨＳのうち、ブランキング期間ＢＬを除いて、画像データに応じた電圧値が設定されている。
【００４７】
図５（ｂ）は、レーザ光が間歇的に遮断して投影されるように画像データを変調加工した画像データ信号の模式図である。
図中、一部Ｘを拡大した拡大図Ｙが挿入されている。
即ち、画像データ信号において、一定時間周期に従い間歇的に画像データ信号がゼロとなるように加工されており、この画像データに従って画像を表示することにより、レーザ光が間歇的に遮断して投影されるようになっている。信号がゼロとなった領域を領域Ｉで示している。
【００４８】
本実施形態の画像表示装置は、画像を形成するレーザ光が間歇的に遮断されることにより、レーザ光が投影される空間に人が入れないように制限しなくても、より明るいレーザ光を安全に投影することが可能となる。
【００４９】
本実施形態の画像表示方法においては、データ変調部においてレーザ光が間歇的に遮断して投影されるように画像データを変調する工程をさらに有し、レーザ光を変調する際に、データ変調部において変調された画像データが光変調素子に伝送される。
元の画像データの信号を断続的に出力ゼロに落とし、1周期の持続時間が１μ秒程度のレーザ光パルス列からなる映像信号に変換することで、変調された画像データが得られる。
【００５０】
本発明の画像表示方法は、画像を形成するレーザ光を間歇的に遮断することにより、レーザ光が投影される空間に人が入れないように制限しなくても、より明るいレーザ光を安全に投影することが可能となる。
【００５１】
第３実施形態
図６は、本実施形態の画像表示装置の構成を示す構成図である。
例えば、レーザ光Ｌを出射するレーザ光源１０、照明光学系（不図示）、一次元光変調素子１２、投影光学系１３、走査ミラー１４、スクリーン１５、制御部２０が配置されて構成される。
【００５２】
例えば、レーザ光源１０は、例えば、半導体レーザや固体レーザなどからなる。
【００５３】
レーザ光源１０から発した光は、例えば、照明光学系を経て線状ビームとして一次元光変調素子１２に照射される。尚、照明光学系にはビーム整形やビーム拡大等のためのレンズ系が含まれる。
【００５４】
一次元光変調素子１２は、例えば、ＧＬＶ素子や液晶表示素子等であって、所定方向に配列された複数の構成素子を有しており、制御部２０からの画像データＤに応じてレーザ光を変調する。透過型でも反射型でもよい。
【００５５】
例えば、制御部２０は、一次元光変調素子１２の駆動回路を含み、外部回路等から入力された画像データＤに基づく駆動信号を生成して一次元光変調素子１２に供給する。
制御部２０からの駆動信号によって、レーザ光Ｌの一次元光変調素子１２における光変調が行われ、一次元像（一次元の変調光）となったレーザ光Ｌが生成される。
【００５６】
上記の一次元像のレーザ光Ｌは、例えば、投影光学系１３により走査ミラー１４などを含む光学系ＰＯによりスクリーン１５上に投影され、走査される。
以上のようにして、スクリーン１５上に制御部２０から入力された画像データＤに応じた二次元の画像が表示される。
【００５７】
ここで、本実施形態の画像表示装置において、光学系ＰＯ内に、レーザ光を間歇的に遮断するシャッター３０が組み込まれている。例えば、シャッター３０は、シャッターとして機能するＧＬＶ素子など光変調素子である。
例えば、間歇的に遮断される周期は、０．１μ秒〜１μ秒程度である。
【００５８】
ＧＬＶ素子は、レーザ光を高速で繰り返し遮断できる機能素子として用いることができる。
ＧＬＶ素子により回折光を発生させ、シャッターとして働かせることができる。
即ち、ＧＬＶ素子の可動リボンを全て不動リボンと同じ位置に並べた時には、レーザ光は鏡面反射して回折光を発生しないが、全ての可動リボンを入射光の１／４波長分変動させると、最大強度の回折光を生じるので、この２状態を交互に高速に繰り返すことにより、１周期の持続時間が１μ秒程度のレーザ光パルス列を発生させることが可能である。
【００５９】
図７（ａ）及び（ｂ）は上記のシャッターとして働かせることができるＧＬＶ素子の構成を示す模式図である。
ＧＬＶ素子３１の先に、ある角度の光のみを通すフィルター３２を置く。レーザ光Ｌを入射したとき、ＧＬＶ素子３１上で得られるある次数の回折光のみ投射レンズに導くことができる。
例えば、図７（ａ）はＧＬＶ素子３１上で全反射したレーザ光Ｌがフィルター３２を通過する様子を示し、一方で、図７（ｂ）は回折光が発生して全反射光がない場合であり、全てのレーザ光が遮られて黒信号（明るさなし）がスクリーンに投影される。
逆に、ＧＬＶ素子のリボンが揃ったときに明るくする使い方も可能である。
【００６０】
また、本実施形態に係る画像表示方法は、レーザ光源からレーザ光を出射し、光変調素子において画像データに応じてレーザ光を変調し、変調されたレーザ光を走査し、スクリーン上に投影して画像データに応じた画像を表示する。
ここで、レーザ光Ｌを走査し、スクリーン上に投影する際に、スクリーン上に投影する光学系内に組み込まれたシャッター３０によりレーザ光Ｌを間歇的に遮断して表示する。
例えば、間歇的に遮断される周期は、０．１μ秒〜１μ秒程度である。
【００６１】
例えば、シャッターが、シャッターとして機能する光変調素子であり、例えば、ＧＬＶ素子である。
【００６２】
本発明の画像表示方法は、画像を形成するレーザ光を間歇的に遮断することにより、レーザ光が投影される空間に人が入れないように制限しなくても、より明るいレーザ光を安全に投影することが可能となる。
【００６３】
第４実施形態
本実施形態に係る画像表示装置は、第３実施形態と同様であるが、第３実施形態においてシャッターとして機能するＧＬＶ素子などの光変調素子の代わりに、光遮断領域と光透過領域を有する円板状または平板状の光学部品であって、回転または振動させてレーザ光の光軸が光遮断領域と光透過領域を交互に通過することでシャッターとして機能するシャッターが用いられる。
【００６４】
図８（ａ）は上記のシャッターを用いる場合の光学系の模式図である。
例えば、光学系中に、レーザ光ＬをレンズＬＳ１で集光し、焦点近くの領域Ｚにシャッターを配置し、レンズＬＳ２で再び平行光に戻すような光学系が組み込まれている構成である。上記のように、シャッターはレンズでビーム径が絞られている部分に配置することが重要である。
【００６５】
図８（ｂ）は、光遮断領域３３ｂと光透過領域３３ａを有する円板状の光学部品３３であって、回転させてレーザ光の光軸ＳＰが光遮断領域と光透過領域を交互に通過することでシャッターとして機能するものである。
例えば、５０００本の光透過領域３３ａと光遮断領域３３ｂを交互に並べた円板状の光学部品３３を１２０００ＲＰＭで回転させた場合、半径１００ｍｍの位置において、Ｄｕｔｙ５０％（開口率５０％）でシャッタリングする場合、光透過領域の幅を６３μｍとする。
【００６６】
図８（ｃ）は、光遮断領域３４ｂと光透過領域３４ａを有する平板状の光学部品３４であって、振動させてレーザ光の光軸ＳＰが光遮断領域と光透過領域を交互に通過することでシャッターとして機能するシャッターである。
例えば、１０００本の光透過領域３４ａと光遮断領域３４ｂ（開口率５０％）を交互に並べた円板状の光学部品３４において、振幅２０ｍｍ、１００ｋＨｚで振動させた場合、光透過領域の幅を１００μｍとする。
【００６７】
本実施形態の画像表示方法においては、シャッターが、光遮断領域と光透過領域を有する円板状または平板状の光学部品であって、回転または振動させてレーザ光の光軸が光遮断領域と光透過領域を交互に通過することでシャッターとして機能する。
【００６８】
本発明の画像表示方法は、画像を形成するレーザ光を間歇的に遮断することにより、レーザ光が投影される空間に人が入れないように制限しなくても、より明るいレーザ光を安全に投影することが可能となる。
【００６９】
以下に、上記の各実施形態において、画像を形成するレーザ光が間歇的に遮断されることにより、レーザ光が投影される空間に人が入れないように制限しなくても、より明るいレーザ光を安全に投影することが可能となる理由を説明する。
【００７０】
レーザ光を発する機器については、国際レーザ安全標準IEC60825-1に、その光の仕事量（エネルギー量）若しくはパワーをもって安全性をクラス分けし、そのクラスにおいて安全上必要とされる対策を施して使用するよう規定されている。
【００７１】
国際レーザ安全標準IEC60825-1（JISC6802）の８．４章のｆ）においては、繰り返しパルスレーザのクラス分けがなされ、下記Ａ），Ｂ）及びＣ）の中で最も厳しい場合にてクラス分けを決定する。
【００７２】
Ａ)  単一パルスに対するＡＥＬ（Accessible Emission Limit、被ばく放出限界）と比較して、どのパルス列内の単一パルスもそれを超えない。
【００７３】
Ｂ)  放出持続時間（可視光の場合０．２５秒）内のパルス列の平均パワーが、放出持続時間の単一パルスの許容量を超えない。
【００７４】
Ｃ)  パルス列内のパルスの平均パルスエネルギーは、ＡＥＬtrain＝ＡＥＬsingle・Ｃ５を超えない。
ここで、ＡＥＬtrainは、パルス列中の任意の単一パルスに対するＡＥＬであり、ＡＥＬsingleは単一パルスに対するＡＥＬであり、Ｃ５はＮ−０．２５であり、Ｎは放出持続時間内のパルス列中に含まれるパルス数である。
但し、可視光（波長：４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の場合、パルス持続時間が１８μ秒より短いパルスは１８μ秒ごとに累積してＮを決定する。
【００７５】
Ａ）は、各単一パルスが対応するＡＥＬ以下でなければならないということで、繰り返しパルスレーザに限定した規定ではなく、当然の前提である。
【００７６】
Ｂ）は、一定の基準時間である放出持続時間におけるパルス列の全エネルギーを規定するものであり、最大限許されるとしても、放出持続時間を時間幅とする単一パルスの許容量であると制限を加えている。
【００７７】
Ｃ）は、繰り返しパルスレーザに対する特別の規定であるが、パルス持続時間が１８μ秒以下の場合には、放出持続時間内のパルス数を実際より小さく算定することにより、Ｃ５の値は、１８μ秒より長いパルス持続時間の場合より減少率は小さい。
【００７８】
図９は、１パルスあたりの最大許容露光量（ＭＰＥ）を、露光時間Ｔｅｘｐに対してプロットしたグラフである。
波長に依存するが、１ｎ秒〜１８μ秒程度の熱制限領域ＲＴＣにおいて、最大許容露光量が一定となり、それより露光時間が長い領域では露光時間が長いほど最大許容露光量も大きくなる。
１ｎ秒以下の領域は、加えられた光エネルギーが直接分子結合を切断する仕事に消費される非熱的破壊が生じてくる領域となる。
【００７９】
具体的な計算について説明する。
走査周波数ｆｓ（Ｈｚ）で眼の前を周期的にレーザ光が走査される場合を考え、クラス３Ｒにクラス分けされるには、どの程度のレーザ光のエネルギー量まで許容されるかをIEC60825-1（JISC6802）の８．４章“クラス分けの規則”に基づいて評価する。
ちなみに、クラス３Ｒについて計算するのは、IEC60825-3でレーザ光が投影される空間に人が入れないようにする防護策を講ずることを要請されない限界が、可視光クラス３Ｒであることによる。
【００８０】
前提として、可視光（光の波長４００〜７００nm）とし、走査レーザ光が眼に滞在する時間（パルス持続時間）をＴｓ秒、眼の網膜上に結ぶ像の大きさによる補正係数をＣ６とする。
なお、IEC60825-1の８．４章ｅ項より、可視光のクラス３Ｒを評価対象にすると、評価の基準時間は０．２５秒となり、放出持続時間は、０．２５秒とみなされる。
【００８１】
レーザ光が走査され眼の前を通過する状態を、眼に対するパルス光と考え、その１回の走査により眼の前を通りすぎるレーザ光を単一パルスとみなし、そのクラス３ＲのＡＥＬをＡＥＬsingleとし、また、その単一パルスが走査により０．２５秒の時間内において眼の前を繰り返し通過する場合のクラス３ＲのＡＥＬをＡＥＬtrainとすると、上記Ａ），Ｂ），Ｃ）の場合のＡＥＬは以下のように計算される。
【００８２】
Ａ）単一パルスに対するＡＥＬは以下のように算出される。
IEC60825-1の表６より、パルス持続時間（露光時間）が１８μ秒〜０．２５秒（評価の基準時間が０．２５秒であるから０．２５秒が最大値）のとき、ＡＥＬsingle＝３．５×１０−３・Ｔｓ０．７５（Ｊ）となる。
パルス持続時間（露光時間）が1ｎ秒〜１８μ秒のとき、ＡＥＬsingle＝３．５×１０−３・（１８μ秒）０．７５・Ｃ６＝１．０×１０−６・Ｃ６（Ｊ）となる。
【００８３】
Ｂ）放出持続時間（可視光の場合０．２５秒）の単一パルスのＡＥＬは、以下のように算出される。
ＡＥＬsingle＝３．５×１０−３・（０．２５）０．７５・Ｃ６＝１．２×１０−３・Ｃ６（Ｊ）となる。
【００８４】
Ｃ）パルス列に対するＡＥＬは、以下のように算出される。
走査周波数がｆｓ（Ｈｚ）であるから、０．２５秒間に眼の前を通過する回数は、０．２５・ｆｓであり、Ｃ５＝（０．２５・ｆｓ）−０．２５、となり、ＡＥＬtrain = ＡＥＬsingle・Ｃ５となる。
但し、パルス持続時間（露光時間）が1ｎ秒〜１８μ秒のときは、Ｃ５＝（０．２５・ｆｓ・Ｔｓ／１８μS）−０．２５となる。
【００８５】
ここで、Ｃ５は、０．２５秒間に１パルス以上あれば１より小さくなること、及び、レーザ光を走査することにより眼にとってパルス光となる場合を評価しているので単一パルスの光強度が大きく変動することがないことから、常にＡ）よりＣ）で、ＡＥＬが小さく制限され、Ｂ）とＣ）のみを評価すればよいことになる。
【００８６】
ところで、ＡＥＬは、眼に入る１パルスに対する許容量であり、レーザ光投射装置に許されるレーザ光のパワーは、このＡＥＬに単位時間内のパルス数を乗じた値に比例する。
レーザ光投射装置に許されるレーザ光の全パワーを求めるには、さらに眼を置いた位置におけるレーザ光の単位時間における広がり（面積）を眼の瞳孔の面積（レーザ安全上Φ７ｍｍの円とみなす）で除算したものを乗ずることになるが、ここでの議論は相対比較であるので省略する。
【００８７】
つまり、１パルスに対する許容量が減少しても、単位時間内のパルス数がそれを補充する以上に増加すれば、レーザ光投射装置に許されるレーザ光のパワーは、増加することになる。
よって、比較に用いる単位時間を０．２５秒とすると、レーザ光投射装置に許されるレーザ光のパワーは、Ｃ）が制限条件になるときは、そのＡＥＬに1秒間のパルス数Ｎを乗じた値であるＡＥＬtrain・Ｎとなり、また、Ｂ）が制限条件になるときは、０．２５秒間の平均パワー、即ち、Ｂ）の値の４倍となる。
【００８８】
以上の考察を基に、走査されるレーザ光が、定常発振（ＣＷレーザ使用）している場合と、パルス持続時間幅が１８μ秒以下でパルス発振している場合とを比較する。
光源自体のパルス持続時間をＴｐ、発振周波数をｆｐとすると、パルス持続時間幅が１８μ秒以下でパルス発振している光源を用いて、上記同様に走査している場合のＣ５は、
Ｃ５＝（０．２５・ｆｓ・Ｔｓ・ｆｐ・Ｔｐ／１８μＳ）−０．２５
となる。
【００８９】
（実施例）
ＧＬＶ素子を用いたレーザ投射型画像表示装置について、レーザ投射空間に人が侵入し、投射装置のレンズを直接覗いた場合を想定する。投射装置から、走査鏡を支点として水平方向に走査されているのであるから、走査鏡に近づくほど危険となる。
上記の画像表示装置において、走査周波数ｆｓを１２０Ｈｚ、レーザを走査することにより眼にパルスとして露光されるパルス露光持続時間Ｔｐを３００μ秒として、レーザ光源のレーザ発振のパルス持続時間が、１ｎ秒〜１８μ秒に変化した場合について、パルス発振のＤｕｔｙ（発光時間／全時間）が０．１，０．５，０．９の各場合について、どの程度の光パワーがレーザ安全上許されるか検討した。
図１０は上記の結果をグラフにしたものであり、光源のパルス時間幅Ｐに対して、レーザ安全許容投射パワーＷをプロットしたグラフである。図１０中、曲線ａ，ｂ，ｃが、それぞれＤｕｔｙ０．１，０．５，０．９の場合の結果であり、曲線は上述の条件Ｂ）による制限である。
【００９０】
この結果から、下記のことが言える。
（１）レーザ光源のレーザ発振のパルス持続時間を短くするに従って、レーザ安全性を損なわずにレーザ投射装置の光パワーを増加させることができる。
（２）この条件下では、レーザ光源のレーザ発振のパルス持続時間を０．１〜１μ秒程度より短くしても、繰り返しパルスレーザの放出持続時間（可視光の場合０．２５秒）内のパルス列の平均パワーの制限により、それ以上光パワーを増加させることができない。ちなみに、この制限値は、レーザ光を走査するのではなく投射スクリーンに向かって、一様にレーザ光を投射したときのレーザ安全許容量に相当する。
（３）上記の（１），（２）より、レーザ光源のレーザ発振のパルス持続時間を０．１〜１μ秒程度にすれば、パルス発振しないレーザ光源を走査する場合より、この条件下では、約１０倍、レーザ安全性を損なわずにレーザ投射装置の光パワーを増加させることができる。
【００９１】
ここで注意すべきは、単に１周期の持続時間が１μ秒程度のレーザ光パルス列を生成するレーザ光源を用いることにより、走査型レーザ投射装置の光パワーを増加させることができるとは言えないことである。
なぜなら、パルス持続時間１μ秒程度の短パルスの安全性が増すのは、眼にレーザ光が短い時間照射されその後照射されない時間があること、つまり、短い時間であってもレーザ光露光の間歇が明確にあることによるからである。
よって、この原理を用いて明るくて安全な走査型レーザ投射装置を実現するには、下記の２つの要件とも満足しなければならない。
【００９２】
（１）レーザ光発振源が複数あっても、それらの総体としてパルス持続時間が１μ秒程度のパルス発振波形を持つことが必要である。つまり発振の位相が揃っていなければならない。
【００９３】
（２）カラー表示のレーザ投射装置では、赤、緑、青の３色のレーザ光源を使用するが、それらのパルス発振位相を調整し、全体としてパルス持続時間が１μ秒程度のパルス発振波形を持つことが必要である。
【００９４】
これらは、単にパルス発振レーザを光源に用いることでは、ほとんど不可能である。
【００９５】
よって、本発明のように、投射レーザを投射装置から出射する前に、１μ秒程度のパルス持続時間を有する間歇レーザに強制的に変換する機能を付加した装置が有効である。
【００９６】
本発明は、上記の実施形態に限定されない。
例えば、一次元光変調素子はＧＬＶ素子に限らず、特に限定されない。
上記のほか、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本実施形態の画像表示装置は、スクリーンにレーザ光を投射する画像表示装置に適用でき、画像表示方法は、スクリーンにレーザ光を投射する画像表示方法に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係る画像表示装置の模式構成図である。
【図２】図２は本発明の第１実施形態の画像表示装置の構成を示す構成図である。
【図３】図３は本発明の第１実施形態の制御部の構成を示す構成図である。
【図４】図４（ａ）は本発明の第１実施形態の制御部のデータ入力部とデータ変調部を有する制御部とＧＬＶ素子（一次元光変調素子）の構成を示す模式図であり、図４（ｂ）は、切り替え型の高速開閉器を用いた場合の例である。
【図５】図５（ａ）は、レーザ光が間歇的に遮断して投影されるように画像データを変調加工する前のオリジナルの画像データ信号の模式図であり、図５（ｂ）は、レーザ光が間歇的に遮断して投影されるように画像データを変調加工した画像データ信号の模式図である。
【図６】図６は本発明の第３実施形態の画像表示装置の構成を示す構成図である。
【図７】図７（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３実施形態のシャッターとして働かせることができるＧＬＶ素子の構成を示す模式図である。
【図８】図８（ａ）は本発明の第４実施形態のシャッターを用いる場合の光学系も模式図であり、図８（ｂ）は、円板状の光学部品、図８（ｃ）は、平板状の光学部品の模式構成図である。
【図９】図９は１パルスあたりの最大許容露光量（ＭＰＥ）を、露光時間Ｔｅｘｐに対してプロットしたグラフである。
【図１０】図１０は実施例において光源のパルス時間幅Ｐに対して、レーザ安全許容投射パワーＷをプロットしたグラフである。
【符号の説明】
【００９９】
１０…レーザ光源、１１…照明光学系、１２…一次元光変調素子、１２ａ…基板、１２ｂ…不動リボン、１２ｃ…可動リボン、１３…投影光学系、１４…走査ミラー、１５…スクリーン、２０，２０Ｉ…制御部、２１…データ入力部、２２…データ変調部、２２ｓ…高速開閉器、３０…シャッター、３１…ＧＬＶ素子、３２…フィルター、３３，３４…光学部品、３３ａ，３４ａ…光透過領域、３３ｂ，３４ｂ…光遮断領域、Ｄ…画像データ、Ｌ…レーザ光、ＬＳ１，ＬＳ２…レンズ、ＰＯ…光学系、ＰＳ…投射空間、Ｒ…抵抗器、ＳＰ…光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009098544.tif 000009
【図８】
2009098544.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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