(57)【要約】【課題】スペックルノイズが目立つことなく、被照明領域（像形成領域）を照明する照明装置、投射型映像表示装置を提供する。【解決手段】本発明に係る照明装置は、コヒーレント光を出射する光源１１と、光源１１から出射されたコヒーレント光を偏向する偏向用空間変調素子１５と、偏向用空間変調素子１５から出射される偏向されたコヒーレント光は、被照明領域を経時的に重ねて照明するとともに、前記被照明領域の各点への入射角度を経時的に変化させて照明することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光を出射する光源と、
前記光源から出射されたコヒーレント光を偏向する偏向用空間変調素子を備え、
前記偏向用空間変調素子から出射される偏向されたコヒーレント光は、被照明領域を経時的に重ねて照明するとともに、前記被照明領域の各点への入射角度を経時的に変化させて照明することを特徴とする
照明装置。
【請求項２】
前記偏向用空間変調素子の偏向方向によらず、前記偏向用空間変調素子から出射されるコヒーレント光は、前記被照明領域全体を照明することを特徴とする
請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記偏向用空間変調素子は、可変回折型素子を含んで構成されることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記偏向用空間変調素子は、位相変調素子を含んで構成されることを特徴とする
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記光源と前記偏向用空間変調素子の間に、ビーム成型手段が配置されていることを特徴とする
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項６】
コヒーレント光を出射する光源と、
前記光源から出射されたコヒーレント光を偏向する偏向用空間変調素子と、
像が形成される像形成領域を有する光変調素子と、
前記光変調素子の像をスクリーンに投影する投射光学系と、を備え
前記偏向用空間変調素子から出射される偏向されたコヒーレント光は、前記像形成領域を経時的に重ねて照明するとともに、前記像形成領域の各点への入射角度を経時的に変化させて照明することを特徴とする
投射型映像表示装置。
【請求項７】
前記偏向用空間変調素子からの出射されるコヒーレント光は、前記投射光学系に対する光軸を中心として対称に角度変化することを特徴とする
請求項６に記載の投射型映像表示装置。
【請求項８】
コヒーレント光が入射されるとともに、入射されたコヒーレント光を偏向して出射する偏向用空間変調素子を備え、
前記偏向用空間変調素子から出射される偏向されたコヒーレント光は、被照明領域を経時的に重ねて照明するとともに、前記被照明領域の各点への入射角度を経時的に変化させて照明することを特徴とする
光偏向装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光などのコヒーレント光を使用する照明装置、及び、コヒーレント光を光源に用いて光変調素子を照明し、スクリーン上に映像を投射する投射型映像表示装置、そしてそれらに用いられる光偏向装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光源からの照明光を、液晶やＭＥＭＳなどの光変調素子（マイクロディスプレイ）を用いて映像化し、スクリーンに投影するプロジェクタ（投射型映像表示装置）が知られている。このようなプロジェクタでは、その光源に高圧水銀ランプなどの白色光源を用いたものが知られており、液晶などの２次元光変調素子を照明し得られた画像を投射光学系で拡大してスクリーン上に映像を投射している。
【０００３】
しかしながら、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプは、寿命が比較的短くプロジェクタなどに利用した場合、頻繁にランプを交換する必要がある。また、装置自体が大型化してしまうという欠点もある。さらには、環境負荷の観点から水銀を使用する高圧水銀ランプの仕様は好ましいものとはいえない。このような欠点を解消するため、レーザー光を光源として使用するプロジェクタも提案されている。半導体レーザーは、高圧水銀ランプなどと比較して高寿命であり、また、装置全体の小型化を図ることも可能である。
【０００４】
このように、プロジェクタの次世代光源として期待されているレーザー光は直進性に優れるため、ＬＥＤなどと比較しても光入射効率の向上を図ることができると考えられる。しかしながら、レーザー光を光源として用いた場合、コヒーレンスの高さに起因するスペックルノイズが発生し、映像を見難くしてしまう欠点がある。
【０００５】
スペックルノイズは、コヒーレントなレーザー光を光源とした場合、照射対象表面の微少凹凸からの散乱光が干渉することで生ずる斑点状のノイズであって、プロジェクタで発生した場合には画質劣化の原因となるのみならず、観察者に対して生理的不快感をもたらすこともある。このスペックルノイズを低減するため、レーザー光が通過する拡散板を振動させる、レーザースペクトルの波長スペクトルを拡大する、レーザー光の照射対象となるスクリーン自体を振動させるなど、各種試みが行われている。このようなスペックルノイズ低減の試みとして、特許文献１には、コヒーレント光が通過する拡散素子を回転運動させることで、スペックルノイズの低減を図る無スペックル・ディスプレイ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２０８０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示されるスペックルノイズ低減方法では、拡散素子到達前に生じていたスペックルノイズ（干渉パターン）は平均化できるものの、拡散中心からスクリーンへの入射光線角度はスクリーン上のいずれの点においても不変であるため、スクリーン各点の光散乱特性も一定となり、結果としてスクリーン上で発生するスペックルノイズの除去効果は殆ど得られないという問題があった。
【０００８】
このような、コヒーレント光を原因として生ずるスペックルは、コヒーレント光を光源
として使用する投射型映像表示装置（プロジェクタ）のみならず、コヒーレント光を使用する様々な照明装置において問題となっている。
【０００９】
本発明は、コヒーレント光を光源とした場合に生ずるスペックルの抑制を図る照明装置、及び、このような照明装置を利用した投射型映像表示装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る照明装置は、
コヒーレント光を出射する光源と、
前記光源から出射されたコヒーレント光を偏向する偏向用空間変調素子を備え、
前記偏向用空間変調素子から出射される偏向されたコヒーレント光は、被照明領域を経時的に重ねて照明するとともに、前記被照明領域の各点への入射角度を経時的に変化させて照明することを特徴とする。
【００１１】
さらに本発明に係る照明装置は、
前記偏向用空間変調素子の偏向方向によらず、前記偏向用空間変調素子から出射されるコヒーレント光は、前記被照明領域全体を照明することを特徴とする。
【００１２】
さらに本発明に係る照明装置において、
前記偏向用空間変調素子は、可変回折型素子を含んで構成されることを特徴とする。
【００１３】
さらに本発明に係る照明装置において、
前記偏向用空間変調素子は、位相変調素子を含んで構成されることを特徴とする。
【００１４】
さらに本発明に係る照明装置において、
前記光源と前記偏向用空間変調素子の間に、ビーム成型手段が配置されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る投射型映像表示装置は、
コヒーレント光を出射する光源と、
前記光源から出射されたコヒーレント光を偏向する偏向用空間変調素子と、
像が形成される像形成領域を有する光変調素子と、
前記光変調素子の像をスクリーンに投影する投射光学系と、を備え
前記偏向用空間変調素子から出射される偏向されたコヒーレント光は、前記像形成領域を経時的に重ねて照明するとともに、前記像形成領域の各点への入射角度を経時的に変化させて照明することを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明に係る投射型映像表示装置において、
前記偏向用空間変調素子からの出射されるコヒーレント光は、前記投射光学系に対する光軸を中心として対称に角度変化することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る光偏向装置は、
コヒーレント光が入射されるとともに、入射されたコヒーレント光を偏向して出射する偏向用空間変調素子を備え、
前記偏向用空間変調素子から出射される偏向されたコヒーレント光は、被照明領域を経時的に重ねて照明するとともに、前記被照明領域の各点への入射角度を経時的に変化させて照明することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の照明装置によれば、偏向用空間変調素子でコヒーレント光を偏向させることで、偏向用空間変調素子から出射される照明光は、被照明領域を経時的に重ねて照明するとともに、被照明領域の各点への入射角度を経時的に変化させて照明することとなり、被照明領域で発生するスペックルを時間的に変化させ、観察者に不可視の状態とさせることが可能となる。さらに、本発明の投射型映像表示装置では、スクリーンに対しても時間的に異なる角度で照射することで、スクリーン上で発生するスペックルを効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る照明装置を備えた投射型映像表示装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施形態に係る照明装置の構成を示す図
【図３】本発明の実施形態に係る偏向用空間変調素子（可変回折型素子）の構成を示す図
【図４】本発明の他の実施形態に係る偏向用空間変調素子（位相変調素子）の構成と位相変化の様子を示す図
【図５】本発明の他の実施形態に係る偏向用空間変調素子（位相変調素子）における位相変化の様子を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
では、本発明の実施形態に係る照明装置、及び、投射型映像表示装置について図面を参照しつつ説明を行う。図１は、本発明の実施形態に係る照明装置を備えた投射型映像表示装置の構成を示す図である。なお、以下に説明する図面は、模式的に示した図であって、実際の形状、寸法、配置とは異なる場合もある。
【００２１】
本実施形態の投射型映像表示装置１０は、照明装置と、映像を形成するための光変調素子３１、光変調素子３１で形成された映像をスクリーン４１に投射する投射光学系３２などを備えている。なお、図では、映像が投影されるスクリーン４１面をＸ−Ｙ平面、それに直交する軸をＺ軸としている。スクリーン４１には、スクリーン４１で反射された映像を観察する反射型スクリーン、あるいは、スクリーン４１を透過した映像を観察する透過型スクリーンどちらを使用することもできる。
【００２２】
本実施形態の照明装置は、光源１１と、偏向用空間変調素子１５を有して構成されている。
【００２３】
光源１１には、コヒーレント光としてのレーザー光を出射する半導体レーザーなどの発光素子１１１が使用される。本実施形態の光源１１は、発光素子１１１の後段に配置されたビームエキスパンダー１１２を含んで構成されている。ビームエキスパンダー１１２は、凸レンズ１１２ａ、１１２ｂの組みで構成され、光変調素子３１の像形成領域を照明するに十分な口径に拡大されている。このような構成以外に、凹レンズと凸レンズの組み合わせなど適宜形態を採用することができる。光源１１から偏向用空間変調素子１５に出射されたコヒーレント光は、平行または略平行なコヒーレント光として出射することが好ましい。後段に配置される偏向用空間変調素子１５の各点を同じ条件で照明することが可能となる。
【００２４】
光源１１から出射されたコヒーレント光は、偏向用空間変調素子１５を照明する。なお、光源１１から出射されるコヒーレント光に対して、その断面方向の強度分布の均一化を図るビーム成型手段を設けておくことが好ましい。設計例として、ビームエキスパンダー１１２の後段にビーム成型手段を設けることで、偏向用空間変調素子１５を均一な強度で照明することが可能となる。ビーム成型手段は、屈折や回折等の効果によりビームの断面
強度分布を変える素子で、ホログラムや屈折型素子などが用いられる。
【００２５】
偏向用空間変調素子１５は、光源１１にて出射されたコヒーレント光の方向を時間的に変化させる光学素子である。本実施形態の偏向用空間変調素子１５には、電気的に回折条件を変化させることで出射方向を変化させる可変回折型素子、あるいは、位相変調素子などが用いられる。このような偏向用空間変調素子１５は可動部を有していないため、装置の小型化、メンテナンス性能の向上を図ることが可能となる。本実施形態では、偏向用空間変調素子１５を、被照明領域を有する光変調素子３１に近接させて配置させているが、偏向用空間変調素子１５と光変調素子３１は、互いに密着させて配置することとしてもよい。
【００２６】
光源１１から入射するコヒーレント光は、この偏向用空間変調素子１５にて時間的に方向が変化する偏向光Ｌａとなり、被照明領域としての光変調素子３１の像形成領域を照明する。図では、最外端付近の偏向光Ｌａ（ｔ１）とＬａ（ｔ２）の様子が示されているが、実際には、偏向光Ｌａは、このＬａ（ｔ１）とＬａ（ｔ２）の間を経時的に連続移動もしくは間欠移動することとなる。
【００２７】
光変調素子３１は、映像信号に基づいて像が形成される像形成領域を有するディスプレイであって、本実施形態では透過型の液晶表示素子が用いられている。光変調素子３１としては、このような透過型のもの以外に、ＭＥＭＳなどの反射型のものを利用することも可能である。偏向用空間変調素子１５からの偏向光Ｌａは、時間の経過に伴い入射角度を変化させつつ光変調素子３１に入射し、像形成領域に表示される像に基づいて変調光Ｌｂに変換される。
【００２８】
投射光学系３２は、光変調素子３１からの変調光Ｌｂを映像再生光Ｌｃに拡大変換してスクリーン４１に投射する。本実施形態では、この投射光学系３２の後段に絞り３３が設けられている。
【００２９】
では、この投射型映像表示装置１０において、スペックルを抑制するための主要構成である照明装置について、その原理などを詳細に説明する。図２は、本発明の実施形態に係る照明装置の構成を示す図であって、偏向用空間変調素子１５による照明の様子を示した図である。なお、このように被照明領域に対して配置された偏向用空間変調素子は、本発明でいう光偏向装置を構成するものである。
【００３０】
図２に示されるように、時刻ｔ１のときの偏向光Ｌａ（ｔ１）は、光変調素子３１における像形成領域の少なくとも一部の領域を照明する。時刻ｔ２のときの偏向光Ｌａ（ｔ２）も同様に、像形成領域の少なくとも一部の領域を照明する。この図に示されるように照明装置は、入射角度を時間的に変化させつつ被照明領域としての像形成領域全体を照明することとなる。被照明領域は、偏向用空間変調素子１５の偏向方向によらず、常に照明している領域に設定されることが輝度の均一化を図る上で好ましい。
【００３１】
偏向用空間変調素子１５に入射される光源１１からのコヒーレント光は、平行光あるいは略平行光とすることが好ましい。光源１１からのコヒーレント光を平行光あるいは略平行光とすることで、偏向用空間変調素子１５の各点に入射するコヒーレント光を同じ条件で照明することが可能となり、偏向用空間変調素子１５の各点における偏向条件の設計が容易となる。さらに、偏向用空間変調素子１５から出射される偏向光Ｌａについて平行または略平行とすることで、光変調素子３１の像形成領域の各点を同じ条件で照明し、例えば、光変調素子３１全体を均一に照明するなどの改善が図られる。
【００３２】
さらに、偏向用空間変調素子１５から出射される変調光Ｌｂは、投射光学系３２の光軸
すなわち光変調素子３１と直交する方向に対して対称となるように角度変化することが好ましい。図に示されるように光軸に対して最外端付近の変調光Ｌｂ（ｔ１）とＬｂ（ｔ２）が光軸となす角度を同一とすることで、結像性能を面内で等方的にすることができる。
【００３３】
図１に戻り、光変調素子３１で変調された変調光Ｌｂは、投射光学系３２で拡大され映像再生光Ｌｃとしてスクリーン４１上に投射され、反射、あるいは、透過される映像を観察者に観察させる。このときスクリーン４１の面上で拡散されるコヒーレント光は互いに干渉することでスペックルを生じさせる。しかしながら、本実施形態では、偏向用空間変調素子１５によってコヒーレント光が偏向されるため、結果としてスクリーン４１に投射する映像再生光Ｌｃの入射角度を経時的に変化させ、このスペックルを極めて効果的に目立たなくしている。
【００３４】
図１に示されるスクリーン上の点Ｐ１において、例えば、時刻ｔ１における映像再生光Ｌｃ（ｔ１）と、時刻ｔ２における映像再生光Ｌｃ（ｔ２）が異なる入射角度で照射されることとなる。図に示す他の点Ｐ２や図示しない他の点においても同様であって、映像再生光Ｌｃは、入射角度を時間的に変化させつつスクリーン４１上に映像を投射する。したがって、ごく短い時間ではスクリーン上に形成されるスペックルも、映像再生光Ｌｃが時間によって異なる入射角度で照射されることで視覚の応答時間内で時間的に平均化され、スクリーン４１に投射される像を観察する観察者には十分に目立たない状態となる。
【００３５】
以上、図１、図２における本実施形態を用いて投射型映像表示装置、及び、それに用いられる照明装置について説明したが、これらの装置において入射光を偏向させる偏向用空間変調素子１５について説明する。本実施形態で使用する偏向用空間変調素子１５は、電気的駆動により入射光の偏向方向を可変させる光学素子であって、可変回折型素子、あるいは、位相変調素子などが使用可能である。
【００３６】
図３は、本発明の実施形態に係る偏向用空間変調素子（可変回折型素子）の構成を示す図であり、図４は、本発明の他の実施形態に係る偏向用空間変調素子（位相変調素子）の構成と位相変化の様子を示す図であり、図５は、本発明の他の実施形態に係る偏向用空間変調素子（位相変調素子）における位相変化の様子を示す図である。
【００３７】
図３の偏向用空間変調素子１５は、可変回折型素子を利用した実施形態であって、この実施形態では、可変回折型素子として振幅変調型の液晶素子を利用したものとしている。偏向用空間変調素子１５を構成する液晶素子は、液晶１５１によって回折格子を形成する。この液晶１５１によって形成される回折格子のピッチを時間的に変化させて回折角度を変えることで、光源１１から入射されるコヒーレント光の出射方向を時間的に変化させることが可能となっている。本実施形態では、偏向用空間変調素子１５の入射面に対して斜めにコヒーレント光を入射させることで、０次光を逃がすとともに、回折光を素子の法線方向に出射させることが可能としている。
【００３８】
可変回折型素子としては、この液晶素子以外に、音響光学素子など通過する光の位相を変調する光学素子を用いることとしてもよい。あるいは、反射させる光について位相を変調するマイクロミラーデバイスを用いることも可能である。
【００３９】
図４の偏向用空間変調素子１５は、位相変調素子を利用した実施形態であって、この実施形態では、位相のみの変調を行う液晶素子を利用したものとしている。図４（ａ）は、この構成例を示した図であって、偏向用空間変調素子１５は、透明基材１５３、１５４の間に封入された液晶層１５２を有して構成されている。液晶層１５２には、部分毎に配設された画素電極１５２ａと、共通電極１５２ｂが設けられており、部分毎に経時的に屈折率を変化させることで透過光の位相を変化させることが可能となっている。
【００４０】
図４（ｂ）は、位相変化の基本型を示した図であって、図４（ａ）の構成図と対応した形で位相分布が示されている。画素電極１５２ａに印加するバイアスを時間的に変化させることで、例えば、時刻ｔ１、ｔ２に示すような位相分布を形成することが可能である。このような位相分布では、図４（ａ）に示すように時刻ｔ１では、走査光Ｌａ（ｔ１）が、時刻ｔ２では、走査光Ｌａ（ｔ２）の状態に偏向させることが可能となる。実際には、ｔ１の位相状態とｔ２の位相状間を多段階あるいは連続的に変化させることで、走査光Ｌａについても多段階あるいは連続的に方向を変化させることが可能となる。
【００４１】
図５は、位相変化の他の形態を示した図であって、位相分布をキノフォーム型に、すなわち０〜２πで繰り返すパターンを時間的に変更することで、偏向条件を経時的に変更し、図４（ｂ）の場合と同様に偏向方向を変化させるものである。この図は、図４（ｂ）と同様、図４（ａ）の構成図と対応した形で位相分布が示されたものであって、図５（ａ）は、時刻ｔ１における位相状態、図５（ｅ）は、時刻ｔ２における位相状態が示されている。図５（ａ）から図５（ｅ）、図５（ｅ）から図５（ａ）間の位相形状を時間的に変化させることで、光源１１から入射されるコヒーレント光を偏向させている。なお、位相分布は、０〜２π以外の範囲に設定されたフレネルレンズ型を用いることとしてもよい。
【００４２】
このように偏向用空間変調素子１５として位相変調素子を利用した場合には、前述の可変回折型素子を利用する場合と異なり０次光が発生しないため、光の利用効率の向上が図られる。また、図に示すように偏向用空間変調素子１５の入射面に対して垂直にコヒーレント光を入射させることも可能となる。
【００４３】
以上、本実施形態によれば、スペックルノイズが目立たない照明装置、並びに、この照明装置にて光変調素子３１を照明することでスペックルノイズが目立たない映像を提供することのできる投射型映像表示装置を提供することが可能となる。特に、本実施形態では、偏向用空間変調素子１５にて光源１１からのコヒーレント光を電気的に偏向させることで、可動部を有さないとともに、装置の小型化そしてメンテナンス性能の向上が図られている。
【００４４】
なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【符号の説明】
【００４５】
１０…投射型映像表示装置
１１…光源
１１１…発光素子
１１２…ビームエキスパンダー
１１２ａ、１１２ｂ…凸レンズ
１５…偏向用空間変調素子
１５１…液晶
１５２…液晶層
１５２ａ…画素電極
１５２ｂ…共通電極
１５３、１５４…透明基材
３１…光変調素子
３２…投射光学系
３３…絞り
４１…スクリーン
【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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