(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、入射位置に応じて偏向角度が異なる偏向光学素子２１と、偏向光学素子２１を経時的に移動させる移動手段を備え、移動手段によって移動される偏向光学素子２１から出射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、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、
入射位置に応じて偏向角度が異なる偏向光学素子と、
前記偏向光学素子を移動させる移動手段を備え、
前記移動手段によって移動される前記偏向光学素子から出射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】
前記移動手段によって移動される前記偏向光学素子の各点から出射されたコヒーレント光は、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】
前記偏向光学素子は、入射位置により厚さの異なる光透過性基板であることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記偏向光学素子は、入射位置により干渉縞のピッチが異なる回折格子が形成されてい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５】
前記移動手段は、回転により前記偏向光学素子を移動させ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】
前記光源と前記偏向光学素子の間に、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５の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項７】
コヒーレント光を出射する光源と、
入射位置に応じて偏向角度が異なる偏向光学素子と、
前記偏向光学素子を移動させる移動手段と、
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
前記移動手段によって移動される前記偏向光学素子から出射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８】
コヒーレント光が入射されるとともに、入射位置に応じて偏向角度が異なる偏向光学素子と、
前記偏向光学素子を移動させる移動手段を備え、
前記移動手段によって移動される前記偏向光学素子から出射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、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、及びそれ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、
入射位置に応じて偏向角度が異なる偏向光学素子と、
前記偏向光学素子を経時的に移動させる移動手段を備え、
前記移動手段によって移動される前記偏向光学素子から出射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において、前記移動手段によって移動される前記偏向光学素子の各点から出射されたコヒーレント光は、常に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、前記偏向光学素子は、入射位置により厚さの異なる光透過性基板であ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、前記偏向光学素子は、入射位置により干渉縞のピッチの異なる回折格子が形成されてい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、前記移動手段は、回転により前記偏向光学素子を経時的に移動させることを特徴とする。
【００１５】
さらに本発明に係る照明装置は、前記光源と前記偏向光学素子の間に配置され、前記光源から出射されるコヒーレント光の強度分布を均一化するビーム成型手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
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、
入射位置に応じて偏向角度が異なる偏向光学素子と、
前記偏向光学素子を経時的に移動させる移動手段と、
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
前記移動手段によって移動される前記偏向光学素子から出射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。
【００１７】
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、入射位置に応じて偏向角度が異なる偏向光学素子と、
前記偏向光学素子を移動させる移動手段を備え、
前記移動手段によって移動される前記偏向光学素子から出射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】
本発明の投射型映像表示装置によれば、移動手段によって経時的に移動される偏向光学素子でコヒーレント光を偏向させることで、偏向光学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における照明の様子を示す図
【図３】本発明の実施形態に係る偏向光学素子（回転型）の構成を示す図
【図４】本発明の他の実施形態に係る偏向光学素子（平行移動型）の構成を示す図
【図５】本発明の他の実施形態に係る照明装置の構成を示す図
【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光偏向装置、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、偏向光学素子２１、さらに図示しない偏向光学素子を移動させる移動手段を有して構成されている。また、照明装置において、光源１１を除く他の構成（偏向光学素子２１と移動手段）にて光偏向装置が構成される。
【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の組み合わせで構成され、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から偏向光学素子２１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光学素子２１の各点を同じ条件で照明することが可能とる。
【００２４】
光源１１から出射されたコヒーレント光は偏向光学素子２１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により光変調素子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】
偏向光学素子２１は、光の入射位置に応じて出射する偏向角度が異なる光学素子であって、本実施形態では、回転軸２１ａを中心として回転可能な円板形状であって、各所の厚さを変化させることで、裏面（スクリーン４１側の面）に曲面が形成されている。また、光源１１からのコヒーレント光が入射する面は平面に形成されており、光透過性の素材の基板で構成されている。この円板形状の偏向光学素子２１をＺ軸方向の回転軸２１ａを中心として、モーターなどの移動手段で回転させることで、光源１１から入射するコヒーレント光の方向を時間的に変化させている。
【００２６】
図３に本実施形態の偏向光学素子２１について、Ｚ方向から眺めたときの模式図が示されている。この図に示されるように、円板形状を有する偏向光学素子２１は、円周方向に凸面２１１ａ、凹面２１１ｂが交互に形成されている。回転軸２１ａを中心として移動手段にて偏向光学素子２１を回転させつつ、破線で示される照明領域を光源１１からのコヒーレント光で照明することで、入射するコヒーレント光の方向を経時的に変化させることを可能としている。なお、偏向光学素子２１に形成される凸面２１１ａ、凹面２１１ｂにて形成される曲面は、連続的に変化するように形成することが好ましい。偏向方向を滑らかに変化させることが可能となる。
【００２７】
本実施形態では、このように偏向光学素子２１の厚さを変化させ、裏面側に凸面２１１ａ、凹面２１１ｂを形成することとしたが、偏向光学素子２１の形態は、これに限られるものではなく、移動手段にて移動することで入射するコヒーレント光の方向を経時的に変化させるものであれば適宜形態をとることができる。例えば、各所の厚さの変化は、表面（光源１１側の面）に形成されるものであってもよく、また、両面に形成されていてもよい。また、回折格子を形成することで偏向させることとしてもよい。その場合、偏向方向の変化は、偏向光学素子２１の円周方向に向かって回折格子を形成する干渉縞のピッチを変化させることで実現される。
【００２８】
図１において、光源１１から入射するコヒーレント光は、移動手段によって回転される偏向光学素子２１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（ｔ３）、並びに光変調素子３１に垂直な方向の偏向光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）〜Ｌａ（ｔ３）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。
【００２９】
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。偏向光学素子２１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。
【００３０】
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。
【００３１】
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２０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光偏向素子２１から出射される偏向光Ｌａの時間的変化の様子が示されている。
【００３２】
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、偏向光学素子２１の移動に伴って変化する偏向光Ｌａの様
子が示されている。なお、この図では、円板形状の偏向光学素子２１を引き延ばした形態で示しており、偏向光学素子２１の曲面変化の様子が分かり易く示されている。この図に示されるように、偏向光学素子２１の各点からの偏向光Ｌａは、時間経過に伴い、出射する方向を変化させており、何れの時刻においても光変調素子３１の像形成領域の少なくとも一部の領域を照明する。また、各点から出射される偏向光Ｌａは、経時的に被照明領域としての像形成領域を重ねて照明するとともに、入射角度を時間的に変化させつつ像形成領域全体を照明することとなる。被照明領域は、偏向光学素子２１による偏向方向によらず、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とともに光の利用効率向上を図る上で好ましい。
【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の面上で散乱された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、移動手段によって回転される偏向光学素子２１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ｔ３における映像再生光Ｌｃ（ｔ３）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、偏向光学素子２１の形状は、図３で説明した円板形状に限らず、各種形状を採用することができる。
【００３６】
図４は、矩形形状とした場合の偏向光学素子２１を示した図であって、移動手段は、この偏向光学素子２１を水平方向に往復移動させることとしている。また、偏向光学素子２１の移動方向には、交互に凸面２１１ａと凹面２１１ｂが形成されている。光源１１にて所定の照明領域を照明することで、偏向光学素子２１から出射される光の方向を経時的に変化させることが可能である。この実施形態においても、凹面２１１ａ、凸面２１１ｂに代え、移動方向について干渉縞のピッチが変化するように形成された回折格子を利用することも可能である。
【００３７】
また、図１で説明した実施形態においては、偏向光学素子２１から出射された偏向光Ｌａを直接、被照明領域としての光変調素子３１の像形成領域に入射させることとしたが、この偏向光学素子２１と被照明領域の間に結像光学系を設けることとしてもよい。
【００３８】
図５は、偏向光学素子２１と被照明領域の間に結像光学系２２を配置した実施形態であって、投射型映像表示装置１０における偏向光学素子２１から光変調素子３１までの構成が示されている。本実施形態の結像光学系２２は、集光機能を有する第１光学素子２２ａ、第２光学素子２２ｃと、それらの間に配置された絞り２２ｂを備えて構成されている。偏向光学素子２１が移動することで、偏向光Ｌａは、Ｌａ（ｔ１）からＬａ（ｔ３）に示されるように出射する方向を変化させることとなるが、本実施形態のように結像光学系２２を用いて、光変調素子３１の像形成領域に結像させることで、偏向光学素子２１を光変調素子３１から離して設けることが可能になるため設計が容易となる。
【００３９】
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。
【００４０】
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】
【００４１】
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
２１…偏向光学素子
２１ａ…回転軸
２１１ａ…凸面
２１１ｂ…凹面
２２…結像光学系
２２ａ…第１光学素子
２２ｂ…絞り
２２ｃ…第２光学素子
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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