(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤、緑、青色のレーザ光を出射する３種のレーザ光源と、
映像信号に応じて前記レーザ光を光変調する空間光変調器と、
光変調して形成した画像をスクリーンに投影しカラー画像を形成する画像形成手段と、
前記レーザ光源と前記空間光変調器間の光路上にあって、光学的調整を行う光学レンズ系と、多角形のマイクロレンズを整列させたもので前記光学レンズを介した入射光を多分割した後に再集光することで積分効果により均一な光強度分布を有する光を生成する１対のフライアイレンズを備え、前記フライアイレンズを前記光学レンズ系の光軸を回転軸として回転させることで前記空間光変調器を照射する光の角度を前記光学レンズ系の光軸を回転軸として回転させる光インテグレータと、
を具備し、前記一対のフライアイレンズの距離間隔を前記光学レンズ系の焦点距離に置き、
前記レーザ光源の出射光から輪帯状の光束を形成し、前記フライアイレンズに入射させる輪帯状光束形成手段を更に備えることを特徴とするレーザディスプレイ装置。
【請求項２】
赤、緑、青色のレーザ光を出射する３種のレーザ光源と、
映像信号に応じて前記レーザ光を光変調する空間光変調器と、
光変調して形成した画像をスクリーンに投影しカラー画像を形成する画像形成手段と、
前記レーザ光源と前記空間光変調器間の光路上にあって、光学的調整を行う光学レンズ系と、多角形のマイクロレンズを整列させたもので前記光学レンズを介した入射光を多分割した後に再集光することで積分効果により均一な光強度分布を有する光を生成する１対のフライアイレンズを備え、前記フライアイレンズを前記光学レンズ系の光軸を回転軸として回転させることで前記空間光変調器を照射する光の角度を前記光学レンズ系の光軸を回転軸として回転させる光インテグレータと、
を具備し、前記一対のフライアイレンズの距離間隔を前記光学レンズ系の焦点距離に置き、
前記輪帯状光束形成手段は、２個の円錐プリズムと、同心円の回折格子と円錐プリズムと、円錐柱軸を同じくすると共に円錐柱の底面を共有する相似形の円錐柱空間を有する円錐プリズムとのいずれかで構成されてなることを特徴とするレーザディスプレイ装置。
【請求項３】
前記レーザ光源は半導体レーザから構成されてなることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載のレーザディスプレイ装置。
【請求項４】
前記レーザ光源はガスレーザから構成されてなることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載のレーザディスプレイ装置。
【請求項５】
前記レーザ光源は固体レーザと波長変換器から構成されてなることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載のレーザディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３原色のレーザ光を用いる投射型のレーザディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤、緑、青の３原色のレーザ光を用いた投射型レーザディスプレイ装置としては、従来から気体レーザを用いたレーザディスプレイ装置が知られている。その一例として図１０に走査型レーザディスプレイ装置を示す。このレーザディスプレイ装置は、赤色レーザ１、緑色レーザ２、青色レーザ３を光源として、各色のレーザ光を光強度変調器２２で映像信号に応じて輝度変調する。そして赤、緑、青の３色光をダイクロイックミラー２３で色合成した後、水平同期信号に同期して高速回転するポリゴンミラー２４で水平方向へ偏向する。この光をさらに垂直同期信号に同期して反射角を変動するガルバノミラー２５で垂直方向へ偏向する。こうして、２次元に偏向されたレーザ光をｆ−θレンズ２６を用いてスクリーン１０に照射する。
【０００３】
しかるに、レーザのようなコヒーレント光を拡散面に照射すると、通常の光ではみられない斑点上の模様が観察される。このような模様のことを、スペックル模様と呼んでいる。この模様の写真を図１１に示す。この模様は、拡散面の各点で散乱された光が面の微視的な凹凸に応じたランダムな位相関係で干渉し合う為に生じるものである。一般にスペックル模様は、２種類に大別される。１つは、結像系を通さないで観察されるもので、このようなものを回折界のスペックルというが、ＣＣＤカメラにレンズをつけずに拡散光をみたときに観察することができる。回折界スペックルでは拡散面上の光の当たっている全ての点が干渉に寄与することになる。もう１つは結像系を介して観察したときにみられるもので、眼で拡散面をみたときに見えるスペックルがこれに当たる。このようなスペックルのことを、像界スペックルと呼んでいる。
【０００４】
上述のように、スクリーン１０に投影されるレーザ画像には、このようなスペックル模様が重畳され、強度のランダムノイズとして人間の眼に認識されるので、スクリーン画像は観賞に堪えられないとなる。そこで、従来の走査型レーザディスプレイ装置において、このスペックルノイズを低減、もしくは消滅する方法として、スクリーン１０を微小振動させる方法が考えられた。
【０００５】
一般的に人間の眼及び脳は２０〜４０ｍｓｅｃ内の画像のちらつきは判別できない。つまり、その間の画像は眼の中で積分され、平均化されているわけである。従って、この時間内にスクリーン画面上で独立のスペックルパターンを５０〜１００重量することにより、スペックルノイズを人間の眼の中で気にならない程度に平均化しようとするものである。
そこで、走査型レーザディスプレイ装置の場合、どの程度の速度でスクリーン１０を動かせば、スペックルノイズ低減に効果があるのかを試算した。
【０００６】
ただし、つぎの仮定条件で計算する。
映像信号はハイビジョン信号とし、走査線数１１２５本、１画面は１／３０ｓｅｃで構成され、ブランキング期間は無視する。スクリーンサイズば横１６００×縦９００ｍｍ（１６：９画面）、レーザビーム径は１ｍｍ、レーザ光の波長を５１４ｎｍ、人間はスクリーンから１m離れた位置で画像をみるものとし、その人の眼の瞳孔は５ｍｍで瞳孔から眼底までの距離が３０ｍｍとする。
【０００７】
まず、スクリーン画像が眼底に結像する倍率Mは
M  =  ３０／１０００  =  ０．０３
であり、スペックルの平均的な大きさ△χは、像界である為に
0003975514.tif 000002
で求められる。
一画面の走査時間が１／３０ｓｅｃであるから、人間の眼の積分時間τａ内に１、２回しかレーザ光は走査されない。スクリーン上で一点がτａ内に光っている時間τｂを求めると、
0003975514.tif 000003
従って、眼の積分時間τａ内にスペックルパターンを１００重ねる為にスクリーンを振動させるときのスクリーンの速度υは
0003975514.tif 000004
となる。
【０００８】
この速度は実に光速の約１／１０００である。これは、点でスクリーンを照射する為、一点が照射される時間が３．７×１０-8ｓｅｃときわめて短い為、その短い時間内にスクリーンを１００回程度振動させる為で、超高速の振動が必要となり、実際上は実現不可能な振動速度である。
このようにスペックルノイズの存在が、これまでレーザディスプレイ装置の
実用化を難しくしてきた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述のような問題を解決する為になされたもので、赤、緑、青の３原色のレーザ光を光源に用いて、且つ、レーザ特有のスペックルノイズを除去した投射型のレーザディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成する為に、本発明の第１の観点によれば、赤、緑、青色のレーザ光を出射する３種のレーザ光源と、映像信号に応じて前記レーザ光を光変調する空間光変調器と、光変調して形成した画像をスクリーンに投影しカラー画像を形成する画像形成手段と、前記レーザ光源と前記空間光変調器間の光路上にあって、光学的調整を行う光学レンズ系と、多角形のマイクロレンズを整列させたもので前記光学レンズを介した入射光を多分割した後に再集光することで積分効果により均一な光強度分布を有する光を生成する１対のフライアイレンズを備え、前記フライアイレンズを前記光学レンズ系の光軸を回転軸として回転させることで前記空間光変調器を照射する光の角度を前記光学レンズ系の光軸を回転軸として回転させる光インテグレータと、を具備し、前記一対のフライアイレンズの距離間隔を前記光学レンズ系の焦点距離に置き、前記レーザ光源の出射光から輪帯状の光束を形成し、前記フライアイレンズに入射させる輪帯状光束形成手段を更に備えることを特徴とするレーザディスプレイ装置が提供される。
本発明の第２の観点によれば、赤、緑、青色のレーザ光を出射する３種のレーザ光源と、映像信号に応じて前記レーザ光を光変調する空間光変調器と、光変調して形成した画像をスクリーンに投影しカラー画像を形成する画像形成手段と、前記レーザ光源と前記空間光変調器間の光路上にあって、光学的調整を行う光学レンズ系と、多角形のマイクロレンズを整列させたもので前記光学レンズを介した入射光を多分割した後に再集光することで積分効果により均一な光強度分布を有する光を生成する１対のフライアイレンズを備え、前記フライアイレンズを前記光学レンズ系の光軸を回転軸として回転させることで前記空間光変調器を照射する光の角度を前記光学レンズ系の光軸を回転軸として回転させる光インテグレータと、を具備し、前記一対のフライアイレンズの距離間隔を前記光学レンズ系の焦点距離に置き、前記輪帯状光束形成手段は、２個の円錐プリズムと、同心円の回折格子と円錐プリズムと、円錐柱軸を同じくすると共に円錐柱の底面を共有する相似形の円錐柱空間を有する円錐プリズムとのいずれかで構成されてなることを特徴とするレーザディスプレイ装置が提供される。
前述した第１、第２の観点において、さらに前記レーザ光源は半導体レーザ、ガスレーザ、あるいは固体レーザと波長変換器の組み合わせから構成されてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
＜実施の形態例１＞
図１は本発明の実施の形態例１に係るレーザディスプレイ装置を説明する構成図である。図において、実施の形態例１のレーザディスプレイ装置は、赤色レーザ１、緑色レーザ２、青色レーザ３を光源として有し、各色のレーザ光を平行光にするコリメータレンズ４と、この光をフライアイレンズ１４を用いて均一な光強度分布を有する光にする光インテグレータ５と、この光インテグレータ５の光を集光して空間光変調器７を照射するコンデンサレンズ６と、このレーザ光を映像信号に応じて輝度変調して画像（単色）を形成する空間光変調器７とで赤、緑、青（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の光学ユニット１１、１２、１３を構成している。光学ユニット１１、１２、１３の３原色の出力画像をダイクロイックミラー８により光合成し、合成したカラー画像をプロジェクタレンズ９によりスクリーン１０に投射する。なお、本実施の形態例ではレーザ光源として半導体レーザを用いたが、連続発振またはパルス発振するガスレーザを用いてもよい。さらに固体レーザの発振光から波長変換器を用いて、赤、緑、青色波長のレーザ光を生成してもよい。
【００１７】
つぎに、本レーザディスプレイ装置の動作について、特にスペックルノイズの除去について、詳細に説明する。
図１において、コリメータレンズ４の焦点距離の位置に設置された赤色レーザ１、緑色レーザ２、青色レーザ３の出射光はそれぞれコリメータレンズ４で平行光となり、光インテグレータ５に入射する。この光インテグレータ５は不均一な光強度分布、例えばガウス分布、を有する入射光を多分割し多数の異なる光路を経た後、集光、積分化して均一な光強度分布を有する光とするものである。図２は光インテグレータ５としてフライアイレンズ１４を用いた光学ユニットの概略斜視図である。図から分かるように、この光インテグレータ５は一対のフライアイレンズ１４で構成され、互いに光学的テレセントリック（共役）な位置関係に配設されている（一対のフライアイレンズ１４の距離間隔をレンズの焦点距離に置く）。また、このフライアイレンズ１４は図のように多数の４角形のマイクロレンズを整列させたもので、これにより入射光を一旦多分割した後、再集光して、その積分効果により、均一な光強度分布を有する光を生成している。なお、マイクロレンズの形状は６角形でもよい。
【００１８】
テレセントリックな１対のフライアイレンズ１４を光軸を回転軸として回転させる。その時フライアイレンズ近傍にあるコンデンサレンズ６は一緒に回転させても、回転させなくてもよい。フライアイレンズ１４が回転することによって、空間光変調器７を照射する光の角度が光軸上で回転する。従って、２０〜４０ｍｓｅｃの時間内に独立のスペックルパターンを１００以上重量することが可能となり、空間光変調器７を照射するレーザ光のスペックルノイズを低減もしくは消滅することができる。
【００１９】
光インテグレータ５を出射した光はコンデンサレンズ６で集光され、空間光変調器７を照射する。ここでのレーザ光は上述のようにスペックルノイズが平均化され人間の眼では感知できないレベルになっている。更に、所望のテレビ画面を投射する必要な全面積にわたり均一な光強度分布を有するレーザ光でもある。この光は空間光変調器７により、映像信号に応じて輝度変調され、赤、緑、青の画像を形成する。なお、空間光変調器７としては透過型単板空間変調器、例えば透過型の液晶パネルを用いている。
【００２０】
赤、緑、青色の３画像は、ダイクロイックミラー８で色合成後、プロジェクタレンズ９で所定のスクリーン１０にカラー画像を投影する。
【００２１】
＜実施の形態例２＞
本実施の形態例のレーザディスプレイ装置は、実施の形態例１におけるフライアイレンズ１４への入射光を輪帯状の光束にしたものである。その光学ユニットを図３に示す。図において、赤色レーザ１（緑色レーザ２、青色レーザ３でも同じ）光をコリメータレンズ４で平行とした光を同心円上の回折格子１５で回折させて、円錐プリズム１６の側面に沿った光束にして、円錐プリズム１６に入射させて、輪帯状の光束を形成する。この輪帯状光束を形成する光路図を図６（ａ）に示す。輪帯状の光束は光軸から離れている為に、より大きな角度を持って、空間光変調器７へ入射する。従って、空間光変調器７への入射角度の変化が大きく、光インテグレータ５を回転することにより、より独立したスペックルパターンを重畳することができ、空間光変調器７上のスペックルノイズをより低減、もしくはより消失することができる。なお、本実施の形態例では、回折格子１５と円錐プリズム１６のみが実施の形態例１のレーザディスプレイ装置に追加され、フライアイレンズ１４への入射光の光分布形状が実施の形態例１では円形であったのが実施の形態例２では輪帯状をなしていること以外は実施の形態例１と同じであるから、以下説明を省略する。
【００２２】
輪帯状の光束は図４に示すように、２個の円錐プリズム１６をその頂点が対面するように光軸上に配設して形成することもできる。この光路図を図６（ｂ）に示す。また、図５に示すように、円錐プリズム１７の内部を円錐軸を同じくする相似形の円錐柱で中空を形成した円錐プリズム１７でも輪帯状光束の形成は可能である。図６（ｃ）はその光路を示す。さらに、図７に示すように、半導体レーザをリング状に配列し、各々の出射光をコリメータレンズ４で平行光にしてフライアイレンズ１４を輪帯状に照射する方法もある。
【００２３】
＜実施の形態例３＞
以上説明した本発明の実施の形態に係るレーザディスプレイ装置では、空間光変調器７に透過型を使用してカラー画像を形成する装置であるが、本実施の形態例３においては、反射型の空間光変調器１８を用いる。このレーザディスプレイ装置の概略構成図を図８に示す。図において、赤色レーザ１、緑色レーザ２、青色レーザ３の出射光はそれぞれコリメータレンズ４で平行光となり、ダイクロイックミラー８にそれぞれ入射する。このダイクロイックミラー８で光合成された白色のレーザ光は光インテグレータ５、例えば、フライアイレンズ１４に入射後、コンデンサレンズ６で集光され均一な光強度分布の白色光となる。この白色光は反射型の空間光変調器１８を照射する為に、ビームスプリッタ１９で光路を曲げられる。反射型の空間光変調器１８は、例えば、反射型の液晶パネルや可動型のマイクロミラーを多数個配列し電気的にミラーを制御して光変調する半導体光学素子を用い、映像信号からカラー画像を生成し、ビームスプリッタ１９を透過後、プロジェクタレンズ９で投影する。なお、光インテグレータ５を回転することにより、空間光変調器１８を照射する白色光はスペックルノイズが低減または消滅されていることは、実施の形態例１と同じである。
【００２４】
また、本例においても、レーザ光源として図７と同様な複数個の半導体レーザをリング状に配列し、光インテグレータ５への入射光として輪帯状の白色光束を用いることにより、より一層スペックルノイズを低減また消滅することができる。
【００２５】
以上、本発明の実施の形態例を説明したが、本発明はこれらの実施の形態例に限定されるものでない。例えば、光インテグレータ５として、多角形のガラスロッドを用いてもよい。多角形ロッド２０を用いた光学ユニットの一例を図９に示す。例えば、半導体レーザを用いた赤色レーザ１光をコリメータレンズ４で平行光とし、集光レンズ２１で集光して多角形ロッド２０の端面を照射する。多角形ロッド２０に入射した光は、ロッド内で拡散し、一部の光は直進し、一部の光はロッド内の側面で１回または複数回反射を繰り返し多角形ロッド２０の出力端面に達する。従って、出力端面における出力光は均一な光強度分布を有し、且つ、この多角形ロッドを回転することにより、人間の眼のちらつき判別限界である２０〜４０ｍｓｅｃ内に独立のスペックルパターンを１００以上重量することが可能となり、空間光変調器７を照射するレーザ光のスペックルノイズを低減もしくは消滅することができる。なお、図９において、集光レンズ２１と、多角形ロッド２０と、コンデンサレンズ６とは光学的テレセントリックな位置関係に配設する必要がある。
【００２６】
また、上述の多角形ロッドは図９に示すような４角形に限定されることなく、多角形状をなし、ロッド側面に光を反射する平面があればよい。
さらに、上述の説明に供した多角形ロッド２０の材料にはガラスを使用したが、プラスチックや複屈折性を有する光学材料を用いることもできる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、投射型のレーザディスプレイ装置において、スクリーン上の全画面領域の光強度分布を均一にすることでき、且つ、レーザ特有のスペックルノイズを低減また消滅することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態例１に係るレーザディスプレイ装置の概略構成図である。
【図２】  実施の形態例１の光インテグレータを説明する為の光学ユニットの概略斜視図である。
【図３】  輪帯状光束形成手段を説明する為の光学ユニットの概略斜視図である。
【図４】  他の輪帯状光束形成手段を説明する為の光学ユニットの概略斜視図である。
【図５】  他の輪帯状光束形成手段を説明する為の光学ユニットの概略斜視図である。
【図６】  輪帯状光束形成手段を説明する光路図である。
【図７】  他の輪帯状光束形成手段を説明する為の光学ユニットの概略斜視図である。
【図８】  本発明の実施の形態例３に係るレーザディスプレイ装置の概略構成図である。
【図９】  多角形ロッドを用いた光学ユニットの概略斜視図である。
【図１０】  従来の投射型レーザディスプレイ装置の概略斜視図である。
【図１１】  スペックルノイズの模様写真である。
【符号の説明】
１…赤色レーザ、２…緑色レーザ、３…青色レーザ、４…コリメータレンズ、５…光インテグレータ、６…コンデンサレンズ、７，１８…空間光変調器、８，２３…ダイクロイックミラー、９…プロジェクタレンズ、１０…スクリーン、１１，１２，１３…光学ユニット、１４…フライアイレンズ、１５…回折格子、１６，１７…円錐プリズム、１９…ビームスプリッタ、２０…多角形ロッド、２１…集光レンズ、２２…光強度変調器、２４…ポリゴンミラー、２５…ガルバノミラー、２６…ｆ−θレンズ。
【図１】
0003975514.tif 000005
【図２】
0003975514.tif 000006
【図３】
0003975514.tif 000007
【図４】
0003975514.tif 000008
【図５】
0003975514.tif 000009
【図６】
0003975514.tif 000010
【図７】
0003975514.tif 000011
【図８】
0003975514.tif 000012
【図９】
0003975514.tif 000013
【図１０】
0003975514.tif 000014
【図１１】
0003975514.tif 000015