CN1894624A - 二维图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种二维图像显示装置，利用简单的结构降低斑点噪声。该二维图像显示装置，向投射面投射相干光进行图像显示，具有输出相干光的至少一个相干光源(1a)、(1b)、(1c)，对来自相干光源的相干光的偏振状态及相位的至少一个进行调制的偏振状态调制器(6)以及使来自上述偏振状态调制器的相干光的相位在空间上改变的双折射扩散片(7)，使显示在投影面上的图像的各像素中的光点的偏振状态在空间上并且在时间上改变，从而形成各种斑点图样。

Description

二维图像显示装置
技术领域
本发明涉及二维图像显示装置，特别涉及在使用相干光源作为光源的二维扫描型图像显示装置中的斑点噪声的减小。
背景技术
图9为示出现有的激光显示器的示意结构的示图。
此激光显示器900具有与RGB三色相对应的激光光源901a～901c和将从激光光源901a～901c输出的激光La～Lc根据输入影像信号的原色信号Sa～Sc进行强度调制的光调制器905a～905c。另外，激光显示器900具有反射经光调制器905a调制的激光La的反光镜903，使经该反光镜903反射的激光La和经上述光调制器905b调制的激光Lb合成的分色(dichroic)镜902a，使从该分色镜902a发出的激光和经上述光调制器905c调制的激光Lc合成的分色镜902b以及对由该分色镜902b合成的激光进行聚光的聚光透镜904。此外，此激光显示器900，具有将由该聚光透镜904聚光的激光在屏幕908上在x方向上进行扫描的多面扫描器906和使从多面扫描器906发出的光在屏幕908上在y方向上扫描以形成二维图像的电(galvano)扫描器907，而此激光显示器900的二维光束扫描单元由该多面扫描器906和电扫描器907构成。
下面对动作进行说明。
从与RGB三色相对应的激光光源901a～901c发出的激光La～Lc，根据输入影像信号的各原色信号Sa～Sc在光调制器905a～905c中进行强度调制，利用由反光镜903及分色镜902a、902b组成的光学系统进行合成而入射到聚光透镜904。此外，由聚光透镜904聚光的激光，利用多面扫描器906在屏幕908的x方向上进行扫描，利用电扫描器907在屏幕908的y方向上进行扫描而在屏幕908上显示二维的图像。
在此激光显示器900中，由于RGB各自的光源光是高输出的单色光，通过使用适当波长的激光光源，可以显示色纯度高的鲜明的图像。
此外，上述图9这样的二维扫描型的激光显示器的另一特长是：在从二维光束扫描单元到屏幕908的光学系统中不使用光学积分器那样复杂的光学部件可以得到一样的照明。例如，在现在市售的使用放电管等用作光源的投影仪中是使用两片透镜阵列构成的光学积分器达到照明强度的均匀化，但二维扫描型的激光显示器，可以不使用用来使照明强度均匀化的大的光学部件，不管从光源发出的出射光束的强度分布而实现一样的照明。
另外，上述二维扫描型的激光显示器的另一特长是：由于使用二维光束扫描单元，可以得到高分辨率和高亮度图像。在使用空间光调制元件的激光显示器中，一般使用液晶屏作为空间光调制元件，由于液晶中的光的散射及吸收，光源光的光束功率减小，在屏幕上的根据光源光的亮度下降。另一方面，因为在使用二维光束扫描单元的激光显示器中，通过提高光束扫描速度可以得到高分辨率图像，并且不存在使激光功率减小的光学系统，所以激光功率利用效率高，可以得到高亮度图像。
但是，在这种激光显示器中，成为问题的是由于在光源中使用相干性高的激光光源而产生的明点、暗点图样随机分布的所谓的斑点噪声。斑点噪声，是激光在屏幕908散射时，在屏幕908上的各部分中散射的各散射光之间由于干涉产生的微小斑点形状的噪声。
作为消除这种斑点噪声的方法，过去采取的是通过使斑点图样在比人可以感觉到的显示的改写时间短的时间中变化，使斑点图样平均化，以使在观察者的眼中感觉不到斑点噪声的方法。
例如，在专利文献1中，公开了通过使屏幕振动来消除斑点噪声的方法。另外，在专利文献2中，公开了通过在相干光的光路上配置使相干光扩散的扩散元件，利用外力使该扩散元件振动、转动来消除斑点噪声的方法。另外，在专利文献3中，公开了通过在屏幕上涂敷双折射性晶体的粒子，使偏振状态在时间上变化的激光投射到屏幕上而防止斑点噪声的发生的方法。
专利文献1：日本专利申请特开昭55-65940号公报
专利文献2：日本专利申请特开平6-208089号公报
专利文献3：日本专利申请特开平3-109591号公报
发明内容
然而，上述专利文献1的使屏幕振动的方法存在不能使用固定的壁面等作为屏幕的问题。
另外，在上述专利文献2的使扩散元件振动、转动的方法中，存在需要用于使扩散元件振动、转动的电动机等的驱动部，在使显示装置变为大型的同时，功耗增加，发生振动音的问题。
另外，在图9所示的二维扫描型的图像显示装置中，在实现高分辨率图像显示的场合，例如，在1秒间显示的图像数为60，画面的分辨率为横1000像素×纵1000像素时，每一像素的扫描时间为1/(60×106)秒。因此，为了消除斑点噪声，必须以比每一像素的扫描时间快的大于等于60MHz的调制频率使屏幕及扩散元件振动。但在利用以屏幕振动为代表的物体振动方式的消除斑点的方法中，存在跟不上实现高分辨率图像显示的光束扫描速度的问题。
另外，在上述专利文献3中记载的在屏幕上涂敷双折射性晶体的方法中，由于必需在整个屏幕上涂敷晶体，存在需要增加成本的问题。
本发明是为解决上述问题而完成的，其目的在于得到可以消除斑点噪声的、结构简单且安静性及耐久性优异的二维图像显示装置。
本发明的第1方面的二维图像显示装置的特征在于：在向投射面投射相干光进行图像显示的二维图像显示装置中，具有输出相干光的至少一个相干光源，对来自上述相干光源的相干光的偏振状态及相位的至少一个进行调制的偏振状态调制器以及使来自上述偏振状态调制器的相干光的相位在空间上改变的双折射扩散片，将由上述双折射扩散片改变相位的相干光投影到上述投射面。
因此，不需要使屏幕及扩散片振动或转动的驱动系统，可以在达到二维图像显示装置的小型化及低成本化的同时，改善安静性及耐久性。
本发明的第2方面的二维图像显示装置的特征在于：在第1方面中所述的二维图像显示装置中，上述双折射扩散片和上述投射面存在成像关系。
因此，可以防止双折射扩散片上的斑点表现在投影图像上，可以得到高精细的图像。
本发明的第3方面的二维图像显示装置的特征在于：在第1方面中所述的二维图像显示装置中，上述双折射扩散片的上述相干光的入射面在空间上被区域分割，在各个区域中其光轴的方向是随机设定的。
因此，可以使相干光的相位在空间上改变，可以产生多个斑点图样而减少斑点噪声。并且，上述双折射扩散片可以通过利用光刻等进行构图而形成，双折射扩散片的制作简单。
本发明的第4方面的二维图像显示装置的特征在于：在第1方面中所述的二维图像显示装置中，上述双折射扩散片，是上述相干光的入射面在空间上被区域分割，在各个区域中产生上述相干光的随机相位延迟量的部件。
因此，可以使相干光的相位在空间上改变，可以产生多个斑点图样而减小斑点噪声。
另外，上述双折射扩散片可以通过使具有双折射性的材料的厚度随机改变而形成，上述双折射扩散片的制作可以通过蚀刻加工等而简单地进行。
本发明的第5方面的二维图像显示装置的特征在于：在第1方面中所述的二维图像显示装置中，上述双折射扩散片，是上述相干光的入射面在空间上被区域分割，在各个区域中其光轴的方向被随机设定，且产生上述相干光的随机相位延迟量的部件。
因此，可以使屏幕上的斑点图样更加多样化，并且可以更加减小斑点噪声。
本发明的第6方面的二维图像显示装置的特征在于：在第1方面中所述的二维图像显示装置中，上述双折射扩散片，在从上述相干光源到投影面的光路上配置两片或更多。
因此，可以使屏幕上的斑点图样更加多样化，并且可以更加减小斑点噪声。
本发明的第7方面的二维图像显示装置的特征在于：在第4或第5方面中所述的二维图像显示装置中，上述双折射扩散片，是上述相位延迟量Δφ满足0≤Δφ≤2π，并且，以大致均匀的比例产生该相位延迟量的部件。
因此，在双折射扩散片的加工时，不需要形成大于等于预定量的厚度差，可以达到加工工序的简易化。
本发明的第8方面的二维图像显示装置的特征在于：在第1方面中所述的二维图像显示装置中，上述双折射扩散片，是由铁电体晶体形成的。
因此，可以通过电场控制使折射率分布改变，可以使屏幕上的斑点图样更加多样化。
本发明的第9方面的二维图像显示装置的特征在于：在第1方面中所述的二维图像显示装置中，上述双折射扩散片以液晶为构成材料。
因此，可以廉价制作双折射扩散片。
本发明的第10方面的二维图像显示装置的特征在于：在第1方面中所述的二维图像显示装置中，在从上述相干光源到投影面的光路上以光轴的方向不同的方式串联配置两个上述偏振状态调制器。
因此，可以形成任意的斑点图样，并且可以更加减小斑点噪声。
本发明的第11方面的二维图像显示装置的特征在于：在第10方面中所述的二维图像显示装置中，上述两个偏振状态调制器，以互相不同的频率，对来自上述相干光源的相干光的偏振状态及相位中的至少一个进行调制。
因此，可以使屏幕上的斑点图样多样化，并且可以更加减小斑点噪声。
本发明的第12方面的二维图像显示装置的特征在于：在第1方面中所述的二维图像显示装置中，上述偏振状态调制器和上述双折射扩散片是一体形成。
因此，二维图像显示装置的小型化成为可能。
本发明的第13方面的二维图像显示装置的特征在于：在第1方面中所述的二维图像显示装置中，具有使来自上述相干光源的相干光在二维方向上进行扫描以在上述投影面上显示图像的二维光束扫描系统。
因此，在二维扫描型的图像显示装置中可以得到消除斑点噪声的高品质的图像。
本发明的第14方面的二维图像显示装置的特征在于：在第1方面中所述的二维图像显示装置中，上述偏振状态调制器利用满足下述的(1)式的频率f对来自上述相干光源的相干光的偏振状态及相位中的至少一个进行调制。
f≥X×Y×N(Hz)…(1)
X：在上述投射面上显示的图像的纵向像素数
Y：在上述投射面上显示的图像的纵向像素数
N：在1秒的时间显示的图像数
因此，在二维扫描型的图像显示装置中可以得到消除斑点噪声的高品质的图像。
本发明的第15方面的二维图像显示装置的特征在于：在第1方面中所述的二维图像显示装置中，上述偏振状态调制器是利用电光学效应的光调制器。
因此，可以以MHz量级或GHz量级对激光的偏振状态进行调制，在二维扫描型的图像显示装置中可以消除斑点噪声。
根据本发明的二维图像显示装置，因为斑点噪声消除用光学系统是由偏振状态调制器和双折射扩散片构成的，所以不需要使屏幕及扩散片振动或转动的驱动系统，在达到小型化及低成本化的同时，可以改善安静性及耐久性。
另外，在本发明的二维图像显示装置中，通过使用高速偏振状态调制器，可以使斑点图样高速改变。因此，本发明的二维图像显示装置，也可以适用于二维扫描型的高分辨率图像显示装置，具有可以在屏幕上投射没有微小斑点形状噪声的鲜明而且高精细的影像的效果。
附图说明
图1为示出根据本实施方式1的二维图像显示装置的概略结构的示图。
图2为本实施方式1的动作说明图，示意性地示出二维图像显示装置的一色部分的光学系统。
图3(a)为说明本实施方式1的二维图像显示装置中的双折射扩散片的平面图。
图3(b)为说明本实施方式1的二维图像显示装置中的双折射扩散片的断面图，示意地示出入射到双折射扩散片中的激光和从双折射扩散片射出的激光的相位状态。
图4(a)为说明本实施方式1的二维图像显示装置中的双折射扩散片的另一示例的平面图。
图4(b)为说明本实施方式1的二维图像显示装置中的双折射扩散片的另一示例的断面图，示意地示出入射到双折射扩散片中的激光和从双折射扩散片射出的激光的相位状态。
图5(a)为说明本实施方式2的二维图像显示装置中的双折射扩散片的平面图。
图5(b)为说明本实施方式2的二维图像显示装置中的双折射扩散片的断面图，示意地示出入射到双折射扩散片中的激光和从双折射扩散片射出的激光的相位状态。
图6(a)为说明本实施方式2的二维图像显示装置中的双折射扩散片的另一示例的平面图。
图6(b)为说明本实施方式2的二维图像显示装置中的双折射扩散片的另一示例的断面图，示意地示出入射到双折射扩散片中的激光和从双折射扩散片射出的激光的相位状态。
图7为说明本发明的实施方式3的二维图像显示装置的示图，示出使一体化的偏振状态调制器和双折射扩散片一体化的装置。
图8(a)为本实施方式4的动作说明图，示意性地示出二维图像显示装置的一色部分的光学系统。
图8(b)为本实施方式4的动作说明图，示意地示出激光Ld的偏振状态。
图8(c)为本实施方式4的动作说明图，示意地示出激光Ld的偏振状态的另一示例。
图9为示出现有的激光图像显示装置的示意结构的示图。
(附图标记说明)
1a、1b、1c激光光源
2a、2b、2c光调制器
3反光镜
4a、4b分色镜
5聚光透镜
6偏振状态调制器
7双折射扩散片
8多面扫描器
9电扫描器
10屏幕
13投射透镜
14电极
901a、901b、901c激光光源
902a、902b分色镜
903反光镜
904聚光透镜
905a、905b、905c光调制器
906多面扫描器
907电扫描器
908屏幕
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式1)
图1为示出根据本发明的本实施方式1的二维图像显示装置的示意结构的示图。
图1示出的二维图像显示装置100具有：与RGB三色相对应的激光光源1a～1c、和将从激光光源1a～1c输出的激光La～Lc根据输入影像信号的原色信号Sa～Sc进行强度调制的光调制器2a～2c。其中，激光光源1a、1b、1c可以使用He-Ne激光器、He-Cd激光器、Ar激光器等气体激光器，AlGaInP类及GaN类的半导体激光器，以固体激光器的输出为基波的SHG(二次谐波产生)激光器等等。
另外，激光显示器100具有反射经光调制器2a调制的激光La的反光镜3，使经该反光镜3反射的激光La和经上述光调制器2b调制的激光Lb合成的分色镜4a，使从该分色镜4a发出的激光和经上述光调制器2c调制的激光Lc合成生成激光Ld的分色镜4b。
另外，此激光显示器100具有：对由分色镜4b合成的激光Ld进行聚光的聚光透镜5，使由该聚光透镜5聚光的激光Ld的偏振状态及相位中的至少一个利用电光学效应(EO)在时间上改变的偏振状态调制器6，以及使从该偏振状态调制器6射出的激光Ld的光束断面内的相位图案改变的双折射扩散片7。
此外，此激光显示器100具有：使从双折射扩散片7射出的激光Ld在屏幕10上在x方向上进行扫描的多面扫描器8，和使从该多面扫描器8发出的光在屏幕10的y方向上扫描而在屏幕10上形成二维图像的电扫描器9。
下面对动作进行说明。
从红色激光光源1a、绿色激光光源1b、蓝色激光光源1c射出的光，根据输入影像信号Sa～Sc由光调制器2a～2c进行强度调制，由分色镜4a、3b合成，作为激光Ld入射到聚光透镜5。
由该聚光透镜聚光的激光Ld，通过偏振状态调制器6和双折射扩散片7，入射到多面扫描器8。因此，激光Ld，利用多面扫描器8在屏幕上在x方向上进行扫描，利用电扫描器9在屏幕上在y方向上进行扫描。利用激光在屏幕上形成的各光照区域，即各个光点相当于在整个屏幕10上显示的图像的一个像素，通过使激光在二维的屏幕10上进行扫描而显示整个二维图像。
此时，如果扫描整个一个画面的时间比人眼的图像残留时间短，可以在意识不到画面上的激光的扫描的情况下观察整个二维图像。另外，在显示运动图像时，在一帧的显示时间以内在对整个画面进行扫描时可以进行流畅的运动图像显示。
下面对本实施方式1的二维图像显示装置100中的斑点噪声的抑制原理予以说明。
在图9所示的现有的激光显示器900中，通过由分色镜4a、4b组成的合成光学系统的来自激光光源的激光，在利用多面扫描器906进行扫描之前经过大致聚光而形成光点，利用由多面扫描器906及电扫描器907组成的二维光束扫描系统投射到屏幕908上。此处，在示出屏幕908上的一个像素大小的位置中，如上所述，存在斑点噪声。
因此，在本实施方式1的二维图像显示装置100中，在多面扫描器8和聚光透镜5之间，配置偏振状态调制器6及双折射扩散片7，使入射到该多面扫描器8的经过聚光的激光的偏振状态及相位中的至少一个在时间上改变，并且使该激光的相位图案改变。
图2为示意性地示出从二维图像显示装置100提取的一色的光学系统200的图。在图2中，1是红色激光光源1a、绿色激光光源1b、蓝色激光光源1c中的任一个光源。12是由多面扫描器8和电扫描器9组成的二维光束扫描系统。另外，13是将来自二维光束扫描系统的激光Ld扩大投影到屏幕10上的投射透镜。另外，在图2中，对于与图1相同的结构要件使用同一符号。此处，双折射扩散片7和屏幕10存在成像关系。
在图2所示的光学系统200中，斑点噪声可以由以下方式消除。
首先，偏振状态调制器6，使来自聚光透镜5的激光Ld的偏振状态或相位中的至少某一个在时间上改变。此时，是使激光Ld的偏振状态改变，还是使激光Ld的相位改变，或是使偏振状态及相位两者都改变，由施加到偏振状态调制器6上的控制电压决定。于是，双折射扩散片7，使从偏振状态调制器6射出的激光Ld的相位根据激光Ld的偏振状态在空间上随机改变。就是说，入射到双折射扩散片7的激光Ld的偏振状态，由于在时间上改变，从双折射扩散片7射出的激光Ld的相位图案也就在时间上和空间上改变。
在这种激光Ld投射到屏幕10上时，可以使在屏幕10上发生的斑点图样在时间上改变，在观察者观察屏幕10上的图像或影像的场合，可以在视觉上使这些多个斑点图样平均化而消除微小斑点形状的噪声图像。此时，在扩大投影系统中的双折射扩散片7上的激光Ld和在屏幕10上扩大的激光Ld，相对投射透镜13是一一对应的，所以可以防止由于在激光Ld从双折射扩散片7射出时的散射所引起的在屏幕10上映出的影像的分辨率的降低。
下面对本实施方式1的偏振状态调制器6和双折射扩散片7进行详细说明。
在本实施方式1中，作为偏振状态调制器6使用的是利用电光学效应(EO)的EO偏振元件。具体言之，是使用在Z板LiNbO3的±Z面上形成电极的元件。利用电光学效应的偏振元件，可以与调制速度的高速化相对应，适用于本实施方式1的二维图像显示装置100这样的二维扫描型的高分辨率图像显示装置。
就是说，在二维扫描型的图像显示装置中，必须使激光Ld的偏振状态以比二维的扫描速度更快的调制速度改变。例如，在一帧的显示时间为1/60秒，画面的分辨率为横1000像素×纵1000像素来显示影像时，每一像素的扫描时间为1/(60×106)秒，必须对激光Ld的偏振方向以大于等于60MHz的调制频率进行调制。利用EO偏振元件，由于可以以大于等于60MHz的调制频率驱动，所以即使是二维扫描型的图像显示装置这样的必须进行高速调制的场合，也可以足以对应。
偏振状态调制器6的调制频率，如上所述，以比二维的扫描速度更快的调制速度为好，屏幕10上的斑点图样在偏振状态调制器6的调制频率越高时其变化越快，更可以抑制屏幕10上的斑点噪声。例如，在对调制频率为60MHz的场合和其10倍的600MHz的场合进行比较时，在600MHz的场合，可以得到更好地消除斑点噪声的图像。另外，在偏振状态调制器6是可以以比二维的扫描速度更快的调制速度改变偏振状态的光调制器时，也可以是使用电光学效应以外的效应的装置。
下面对双折射扩散片7进行说明。
图3(a)为双折射扩散片7的平面图。在图7中，SLd表示激光Ld的光点直径，并且图中的箭头表示光轴(以下称其为C轴)。
双折射扩散片7，如图3(a)所示，相对于光点直径而言，其大小与之相同或比其大，是将因入射光的偏振方向不同而折射率不同的材料，就是说，具有双折射性的材料基板划分为栅格形状以形成多个单元区域Rc，并且将各个单元区域Rc的光轴取向设定为不规则的部件。就是说，在双折射扩散片7中，各单元区域的快轴(折射率小的轴)和慢轴(折射率大的轴)进行不规则配置，各单元区域的C轴的取向在二维空间上变成不规则取向。
作为双折射扩散片7的具体制作方法，例如，可以通过多次进行在玻璃基板上对光刻胶的构图及之后的对具有双折射性的电介质薄膜(MgF2)的斜向蒸镀，而随机地设定各单元区域的C轴的取向。另外，作为双折射扩散片7使用的材质，除了上述的铁电体晶体之外，可以使用液晶的双折射性大的材料。
在确定构成双折射扩散片7的各单元区域的单元宽度时，为了不影响投射透镜13的光束的入射效率，必须考虑激光Ld的扩散角。这是因为在扩散角增大时，会产生图2中的投射透镜13的光束入射效率减小，投射到屏幕10上的图像的亮度降低的问题。例如，在通过将在上述专利文献3中公开的斑点噪声消除方法中使用的双折射性晶体的粒子涂敷在透明的片状材料上来制作与双折射扩散片7相当的扩散片的场合，由于双折射性晶体的粒子的直径小或涂敷的表面的断面形状变得不规则，激光Ld反复折射和反射而使激光的扩散角变大。因此，在本实施方式1这样的光学系统中，在投射前将涂敷双折射粒子的扩散片插入是很困难的。
在本实施方式1的光学系统200中，因为在双折射扩散片7的单元宽度为d时，扩散角Δθ对于波长λ的光存在Δθ＝λ/d的关系，扩散角Δθ取决于单元宽度，单元宽度越大，扩散角越小。因此，在本实施方式1中，是以单元宽度d＝10μm进行制作。另外，在单元宽度d＝10μm时，使用波长λ＝500nm的绿色光的场合的扩散角Δθ＝0.5/10＝50mrad(～3°)，确认不会影响投射透镜的入射效率。
下面对双折射扩散片7的作用、效果进行说明。
图3(b)为示出双折射扩散片7的断面结构的示图，其中示意地示出入射到双折射扩散片7中的激光Ld和从双折射扩散片7射出的激光Ld的相位分布。
在图3(b)中，例如，相位一致的直线偏振的激光Ld入射到双折射扩散片7。其中，为了简单，设定激光Ld的偏振方向为与C轴方向平行的方向和与C轴方向正交的方向的两个方向。在设对偏振方向与C轴方向平行的激光Ld的折射率为n1，对偏振方向与C轴方向正交的激光Ld的折射率为n2时，由于双折射扩散片7的各单元区域具有双折射性，n1≠n2的关系成立。因此，偏振方向不同的激光Ld通过双折射扩散片7时的光路长度变得各自不同，从双折射扩散片7射出的各个激光成为相位偏移的激光。就是说，入射到双折射扩散片7的激光Ld的相位图案，在通过双折射扩散片7之后，根据双折射扩散片7上的各单元区域的C轴方向的分布，如图3(b)所示，以产生相位差的形式改变。
所以，通过利用偏振状态调制器6使激光Ld的偏振状态，即偏振方向和偏振种类，在时间上改变，就可以使从双折射扩散片7射出的激光的相位图案在时间上和空间上改变。
这样，因为在根据本实施方式1的二维图像显示装置100中，使激光Ld的偏振状态及相位中的至少一个由利用电光学效应的偏振状态调制器6在时间上改变，以及利用由具有双折射性的多个材料组成的双折射扩散片7使从偏振状态调制器6发出的激光Ld的相位图案随机改变，所以在屏幕10上可以产生多个不同的斑点图样，因此可以得到斑点噪声受到抑制的二维图像。
另外，在本实施方式1中，上述双折射扩散片7是将具有双折射性的单元区域Rc配置成为各个C轴方向与正交的两个方向一致，但上述双折射扩散片并不限定于其单元区域Rc的C轴方向与正交的两个方向一致。
例如，如图4(a)所示，通过使双折射扩散片的各单元区域在二维空间中配置成为其C轴随机取向，则如图4(b)所示，还可以形成更多的相位图案，可以显示斑点噪声更加降低的高品质的图像。图4(a)所示的这种双折射扩散片7b，与上述双折射扩散片7a一样，可以通过光刻等方法制作。
另外，在本实施方式1中，二维图像显示装置是利用激光对屏幕进行扫描而显示图像的二维扫描型装置，上述二维图像显示装置也可以是根据影像信号利用空间光调制元件对激光进行调制并投影到屏幕的上的空间调制方式的装置。
另外，在本实施方式1中，在二维图像显示装置的光源中使用的是激光光源1a～1c，但二维图像显示装置的光源并不限定于激光光源，只要是相干性高的光源，即使是灯泡及LED等也可作为该光源应用。
另外，在本实施方式1中，构成二维图像显示装置的光学系统的双折射扩散片是一片，但构成二维图像显示装置的光学系统的双折射扩散片也可以使用多片。例如，通过将二维图像显示装置的光学系统制作成为具有相对于光束的传播方向串联配置的两片或更多片的双折射扩散片的装置，与该光学系统中的双折射扩散片为一片的场合比较，可以使斑点图样更加多样化，可以实现斑点噪声的进一步降低。
(实施方式2)
图5(a)及图5(b)为说明本发明的实施方式2的二维图像显示装置的示图。图5(a)为示出构成该二维图像显示装置的双折射扩散片7c的平面图。另外，图5(b)示出双折射扩散片7c的断面结构，并且示意地示出入射到双折射扩散片7c中的照明光以及从双折射扩散片7射出的照明光的相位分布。
本实施方式2的二维图像显示装置，是使用在空间上随机改变具有双折射性的材料的基板厚度的双折射扩散片7c代替实施方式1的二维图像显示装置100的双折射扩散片7。所以，此实施方式2的其他结构与实施方式1的相同。
本实施方式2的双折射扩散片7c，是将具有双折射性的材料的基板，划分成为多个单元区域Rc以栅格形状排列，使基板厚度不同的单元区域Rc随机排列地加工而成。在本实施方式2中，作为双折射扩散片7c的材料基板是使用LiNbO3基板，通过蚀刻加工或激光加工等使各单元区域中的基板厚度改变。
作为双折射扩散片7c的具体制作方法，在通过的光的波长为λ，双折射率差(普通光折射率和异常光折射率之差)为Δn，扩散片的面内的最大基板厚度差为Δt的场合，为了得到足够的扩散，需要满足λ≤Δn×Δt的关系。所以，因为LiNbO3基板的双折射率差Δn大约为0.09，在使用波长600nm的激光的场合，对LiNbO3基板进行刻蚀加工等的处理以使其具有大于等于7μm的厚度差。
下面对作用效果进行说明。
在图5(a)中，例如，假设相位一致的直线偏振的激光Ld入射到双折射扩散片7。由于双折射扩散片7c的各单元区域每一个的基板厚度都是随机设定的，在激光Ld通过双折射扩散片7c时，在激光Ld的通过各单元区域的部分中，产生与各单元区域的基板厚度相应的相位延迟，而从双折射扩散片7射出的激光Ld，如图5(b)所示，具有在空间上随机的相位图案。
此外，入射到双折射扩散片7c的激光Ld的偏振状态，与实施方式1一样，由于在时间上改变，从双折射扩散片7c射出的激光Ld的相位图案在空间上和时间上改变。因此，在屏幕10上可以产生多个不同的斑点图样，在观察者观察投影像时，这些斑点图样被时间平均化而可以观察到斑点噪声受到抑制的二维图像。
这样，在根据本实施方式2的二维图像显示装置中，因为是将双折射扩散片7c制作成为每个单元区域的基板厚度为随机改变的结构，所以可以利用结构简单的双折射扩散片，与实施方式1一样，消除斑点噪声。
另外，在上述实施方式2中，双折射扩散片7c是对作为材料基板的LiNbO3基板的表面进行加工而制成的，但是双折射扩散片7c并不限定于这一种。例如，通过在使基板厚度不规则改变的中空透明部件的内部中封入液晶，可以与本实施方式2的使用LiNbO3的双折射扩散片7c同样，得到结构简单的双折射扩散片。另外，此时，通过在上述中空透明部件的表面上随机配置透明电极，可以对封入内部的液晶施加电场，可以使透明材料内部的液晶的取向方向在空间上随机改变。其结果，可以作出更多的相位图案，可以进一步降低斑点噪声。另外，液晶可以以廉价购得，所以可以使双折射扩散片的制造成本下降。
另外，在上述实施方式2中，双折射扩散片7c是基板厚度不同的单元区域随机排列构成的，各单元区域中的C轴方向是一定的方向，但双折射扩散片7c，不仅改变基板厚度，各单元区域中的C轴方向也可以针对每个单元区域随机设定。
图6(a)为示出这种双折射扩散片7d的平面图。
此双折射扩散片7d是使实施方式2的双折射扩散片7c变形为各单元区域的C轴方向变成随机方向的扩散片。
在这种双折射扩散片7d中，如图6(b)所示，可以作出更多的相位图案。
另外，在上述实施方式2中，构成二维图像显示装置的光学系统的双折射扩散片7c是一片，但二维图像显示装置也可以是具有沿着其光学系统的光轴串联配置的多片双折射扩散片7c的装置。在此场合，与在上述光学系统中配置的双折射扩散片7c为一片的场合比较，可以使斑点图样更加多样化，可以实现斑点噪声的进一步降低。另外，在使用多个如图5(a)所示的各单元区域的C轴方向都一致为一定方向的双折射扩散片7c的场合，优选是使多个双折射扩散片7c的各个快轴及慢轴的方向配置成为互相不同的方向。
(实施方式3)
图7为说明本发明的实施方式3的二维图像显示装置的示图，示意地示出二维图像显示装置中的斑点噪声消除光学系统。
本实施方式3的二维图像显示装置是使构成实施方式2的斑点噪声消除光学系统的偏振状态调制器6和双折射扩散片7c一体化的装置。另外，实施方式3的其他结构与实施方式2的相同。
本实施方式3的二维图像显示装置的斑点噪声消除光学系统是在单一的LiNbO3晶体上使对激光Ld的偏振状态进行调制的偏振状态调制器6e和在空间上改变偏振状态被调制的激光的相位的双折射扩散片7e一体形成的系统。
具体的制作方法是将LiNbO3晶体的一端侧端面，与上述实施方式2一样，划分成为多个单元区域以栅格形状排列，使基板厚度不同的单元区域Rc随机排列地加工而形成双折射扩散片7e。另外，在LiNbO3晶体的另一端侧部分上，在其±Z面上配置电极14而制作偏振状态调制器6e。
下面对作用效果进行说明。
在本实施方式3的二维图像形成装置中，在相位一致的直线偏振的激光Ld入射到偏振状态调制器6e时，由于偏振状态调制器6e的作用，其偏振状态及相位中的至少一个在时间上改变。于是，通过使从该偏振状态调制器6e发出的激光通过双折射扩散片7e，在激光的与各单元区域相对应的部分之中产生与各单元区域的基板厚度相应的相位延迟，如图7所示，成为具有在空间上随机的相位图案的激光。
于是，在屏幕上，由于来自双折射扩散片7e的出射激光产生多个不同的斑点图样，在观察者观察投影像时，这些斑点图样被时间平均化而可以观察到斑点受到抑制的二维图像。
这样，在本实施方式3的二维图像显示装置中，因为是将构成斑点消除光学系统的偏振状态调制器6e与双折射扩散片7c一体化，所以可以实现小型的斑点消除光学系统，因此可以做到使整个二维图像显示装置小型化。
(实施方式4)
图8(a)及图8(b)为说明本发明的实施方式4的二维图像显示装置的示图，图8(a)示出二维图像显示装置的照明光学系统的示意结构，图8(b)为说明二维图像显示装置的动作的图。另外，图中，800是构成此实施方式4的二维图像显示装置的照明光学系统，6a及6b是偏振状态调制器。另外，与图2相同的符号表示与实施方式1中的相同的部件。
就是说，此实施方式4的二维图像显示装置，是具有沿着上述照明光学系统的光轴串联配置的、其各个C轴方向正交的两个偏振状态调制元件6a及6b来代替上述实施方式1的二维图像显示装置中的偏振状态调制器6的装置。
其中，上述偏振状态调制器6a及6b，与实施方式1的偏振状态调制器6一样，是在Z板LiNbO3的±Z面上分别形成电极的元件。另外，偏振状态调制器6a，在激光束的偏振为直线偏振的场合，如图8(a)所示，配置成为使Z板LiNbO3的C轴相对偏振方向倾斜45度的状态。另外，偏振状态调制器6b配置成为其C轴与偏振状态调制器6a的C轴正交。
下面对作用效果进行说明。
图8(b)示意地示出入射到偏振状态调制器6a的激光Ld的偏振状态。
在激光从激光光源1射出时，该激光Ld经合成光学系统(未图示)入射到聚光透镜5，由聚光透镜5会聚的激光入射到偏振状态调制器6a。由于偏振状态调制器6a的C轴方向Da，如上所述，相对激光Ld的偏振方向DLd倾斜45°，利用电场控制，如图8(b)所示，在偏振状态调制器6a的入射面上形成的激光Ld可以以内接于正方形框F0内的形状，使偏振种类变化为直线偏振、椭圆偏振或圆偏振，并且，可以使其偏振方向改变。
例如，直线偏振的激光Ld，可以利用上述偏振状态调制器6a成为与长方形框F1相接的椭圆偏振光Ld1或与长方形框F1相比纵向长度更长的长方形框F2相接的椭圆偏振光Ld2。
此外，来自偏振状态调制器6a的激光，利用偏振状态调制器6b，例如，是椭圆偏振光Ld1时，利用与长方形框F1内接的形状，或是椭圆偏振光Ld2时，利用与长方形框F2内接的形状，可以使偏振方向或偏振的种类改变。
另外，在激光Ld的偏振方向DLd相对于偏振状态调制器6a的C轴方向Da的倾角小于45°时，例如，为20°时，如图8(c)所示，在偏振状态调制器6a的入射面上形成的激光Ld，只能以与长方形框F3内内接的形状，使偏振的种类变成直线偏振、椭圆偏振或圆偏振。
所以，通过使偏振状态调制器6a的C轴方向Da，如上所述，相对激光Ld的偏振方向DLd倾斜45°，就可以利用两片偏振状态调制器6a、6b使偏振的种类任意地改变，并且，对于直线偏振及椭圆偏振，可以使其偏振方向改变为360度的所有方向。这些偏振状态的改变是利用两片偏振状态调制器6a、6b的电场控制进行，为了作成任意的偏振状态，利用各个不同的频率使偏振状态在时间上改变。
因此，通过使从偏振状态调制器6b射出的激光Ld通过双折射扩散片7，就可以在屏幕10上生成多个斑点图样，在观察者观察投影像时，这些斑点图样被时间平均化而可以使斑点噪声受到抑制。
这样，在本实施方式4的二维图像显示装置中，因为沿着其照明光学系统的光轴将两个偏振状态调制器6a、6b串联配置成为其各个C轴方向不同，所以可以作出任意的偏振状态，可以使激光Ld通过双折射扩散片之后产生的相位图案进一步增加。因此，可以做到使在屏幕10上出现的斑点噪声进一步减少。
另外，本发明的斑点噪声消除系统也可以适用于单色激光的图像投影装置。例如，也可以应用于作为空间光调制元件使用在玻璃基板上对金属膜进行构图而产生的光刻掩模等，在作为屏幕的半导体基板上形成掩模图案的像的在半导体工艺中使用的曝光照明装置中。
本发明的二维图像显示装置，是利用在照明光学系统中串联配置的偏振状态调制器及双折射扩散片，通过使激光Ld的空间相位图案随机改变，可以利用简单的结构消除斑点噪声的装置，在消除将投影光学系统和屏幕分开的投射型显示器及将投影光学系统和透射型屏幕组合而成的背投型显示器中的斑点噪声方面是有用的。

Claims (15)

1.一种二维图像显示装置，向投射面投射相干光进行图像显示，其特征在于具有：
输出相干光的至少一个相干光源，
对来自上述相干光源的相干光的偏振状态及相位的至少一个进行调制的偏振状态调制器，以及
使来自上述偏振状态调制器的相干光的相位在空间上改变的双折射扩散片，
由上述双折射扩散片改变了相位的相干光被投影到上述投射面。
2.如权利要求1所述的二维图像显示装置，其特征在于：
上述双折射扩散片和上述投射面存在成像关系。
3.如权利要求1所述的二维图像显示装置，其特征在于：
上述双折射扩散片为，上述相干光的入射面在空间上被区域分割，在各个区域中其光轴的方向是随机设定的。
4.如权利要求1所述的二维图像显示装置，其特征在于：
上述双折射扩散片为，上述相干光的入射面在空间上被区域分割，在各个区域中产生上述相干光的随机相位延迟量。
5.如权利要求1所述的二维图像显示装置，其特征在于：
上述双折射扩散片为，上述相干光的入射面在空间上被区域分割，在各个区域中其光轴的方向被随机设定，且产生上述相干光的随机相位延迟量。
6.如权利要求1所述的二维图像显示装置，其特征在于：
在从上述相干光源到投影面的光路上配置有两片或更多上述双折射扩散片。
7.如权利要求4或5所述的二维图像显示装置，其特征在于：
上述双折射扩散片为，上述相位延迟量Δφ满足0≤Δφ≤2π且以大致均匀的比例产生该相位延迟量。
8.如权利要求1所述的二维图像显示装置，其特征在于：
上述双折射扩散片是由铁电体晶体形成的。
9.如权利要求1所述的二维图像显示装置，其特征在于：
上述双折射扩散片以液晶为构成材料。
10.如权利要求1所述的二维图像显示装置，其特征在于：
在从上述相干光源到投影面的光路上以光轴的方向不同的方式串联配置有两片上述偏振状态调制器。
11.如权利要求10所述的二维图像显示装置，其特征在于：
上述两片偏振状态调制器，以互相不同的频率，对来自上述相干光源的相干光的偏振状态及相位中的至少一个进行调制。
12.如权利要求1所述的二维图像显示装置，其特征在于：
上述偏振状态调制器和上述双折射扩散片是一体形成的。
13.如权利要求1所述的二维图像显示装置，其特征在于，具有：
使来自上述相干光源的相干光在二维方向上进行扫描以在上述投影面上显示图像的二维光束扫描系统。
14.如权利要求1所述的二维图像显示装置，其特征在于：
上述偏振状态调制器利用满足下述的(1)式的频率f对来自上述相干光源的相干光的偏振状态及相位中的至少一个进行调制，
f≥X×Y×N(Hz)...(1)
X：在上述投射面上显示的图像的纵向像素数
Y：在上述投射面上显示的图像的纵向像素数
N：在1秒的时间显示的图像数。
15.如权利要求1所述的二维图像显示装置，其特征在于：
上述偏振状态调制器是利用电光学效应的光调制器。
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