JP2006047421A - 表示光学系および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スペックルノイズを低減させることができ、かつコンパクトで光量ロスが少ない表示光学系を提供する。
【解決手段】 表示光学系は、コヒーレンス性を有する光を用いて光を発する光源１０１と、該光が入射する第１の領域および第２の領域を有し、該光のうち第１の領域に入射した光成分の偏光状態と第２の領域に入射した光成分の偏光状態とを異ならせる偏光制御手段１００とを有する。また、光源１０１と走査デバイス１０４との間に偏光制御手段１００を設けてもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光等のコヒーレント光（可干渉性を有する光）を用いて画像を投射する表示光学系に関するものである。

レーザ光を用いてスクリーン上に画像を投射する画像投射装置が種々提案されている。例えば、特許文献１には、偏向器を用いてレーザ光を走査することで、スクリーン上に画像を表示するレーザ走査型ディスプレイが提案されている。

但し、レーザ光はコヒーレンスが高いので、表示画像中にいわゆるスペックルノイズ（粒状の干渉パターン）が現われ、画質劣化の原因となる。

スペックルノイズを低減する方法として、例えば特許文献２には、厚さがΔｔずつ異なるＮ個の領域からなる屈折率ｎの透明光学素子を用いる方法が提案されている。具体的には、半導体レーザの発散光束をコリメーターレンズで平行光束として透明光学素子に入射させ、段差Δｔの異なる部分を通過した光束（分割光束）に光路差（ｎ−１）Δｔを与えて、各分割光束の可干渉性を低減させる。透明光学素子を通過した可干渉性のない複数の光束をレンズで重ね合わせることにより、スペックルノイズを低減することができる。

また、特許文献３には、回転可能な拡散素子でレーザ光を散乱させることによりスペックルノイズを低減する方法が提案されている。レーザ光を拡散素子で散乱させることによって、スペックルパターンを高速変化させ、人間の眼の残像効果によりスペックルパターンを重ね合わせて平均化することにより、スペックルノイズが視認されないようにするものである。

なお、特許文献４には、レーザ光の集光システムにおいて、集光照射されるレーザ光の強度分布を一様均一にするために、スペックル分布を平滑化する技術として、１つの偏光ビームを複屈折性結晶等を用いて偏光方向が直交する２つの光束系とする技術が提案されている。
特開２００３−０２１８００号公報（段落００２１〜００２３、図１等） 特開２０００−２０６４４９号公報（段落００２９〜００３２、図１等） 特開平０６−２０８０８９号公報（段落０００６〜０００８、図１等） 特開平１０−３９２６７号公報（段落０００２〜０００４、図１〜３等）

しかしながら、特許文献２において提案されている方法では、分割した光束に十分な光路差を与えるために、透明光学素子の段差Δｔを大きくする必要がある。この結果、光学系をコンパクト化することが困難になる。特に、固体レーザやシングルモードの半導体レーザのようなコヒーレンス長が長い光を用いた場合には、透明光学素子のサイズがきわめて大きくなる。

また、特許文献２において提案されている方法では、レーザ光を拡散素子を透過させることにより、比較的大きな光量ロスが発生する。さらに、散乱光の発生によりビーム径が変化し、表示画像の解像度が低下する。

さらに、特許文献４にて提案の技術は、核融合装置に用いられるレーザシステム等を前提としたものであり、表示光学系ないし画像投射装置にそのまま適用することは困難である。

本発明は、スペックルノイズを低減させることができ、かつコンパクトで光量ロスが少ない表示光学系を提供することを目的の１つとしている。

１つの観点としての本発明の表示光学系は、コヒーレンス性を有する光を用いて光を発する光源と、該光が入射する第１の領域および第２の領域を有し、該光のうち第１の領域に入射した光成分の偏光状態と第２の領域に入射した光成分の偏光状態とを異ならせる偏光制御手段とを有する。

本発明によれば、コンパクトで光量ロスが少ない表示光学系でありながら、スペックルノイズを低減させることができ、高画質の画像を表示することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である画像投射装置における表示光学系の構成を示している。図１において、１０１はレーザ光源（可干渉性、コヒーレンス性を有する光、すなわちコヒーレント光を発する光源）である。レーザ光源１０１から発せられた光束は、コリメーターレンズ１０２により略平行光束化される。

ここで、レーザ光源１０１には、光源変調回路１２０が接続されている。光源変調回路１２０は、レーザ光源１０１から発せられるレーザ光の強度を、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオデッキ、テレビチューナー等の画像信号供給装置１２１から入力される画像信号に応じて変調する。

コリメーターレンズ１０２から射出した略平行光束（以下、レーザビームという）は、該レーザービームの所定の成分と他の成分との偏光状態を異ならせる空間的偏光制御素子１００を介して集光光学系１０３に入射し、さらに走査デバイス１０４に入射する。なお、空間的偏光制御素子１００については後述する。また、偏光状態とは、後述するように直線偏光の偏光方向や楕円偏光の長軸方向といった偏光の形態を意味する。

集光光学系１０３は、所定の光学的パワー（屈折力：焦点距離の逆数）を有し、レーザビームを後述する投射面上に略結像させる。

走査デバイス１０４は、水平走査ミラー１０４Ｈと垂直走査ミラー１０４Ｖとを有しており、入射したレーザビームを２次元方向に走査する。なお、本実施例では、水平走査ミラー１０４Ｈとして、半導体製造技術等を用いて製作されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーデバイスであり、電磁力等を用いてミラーを往復揺動（共振振動）させることができるものを用いている。水平走査ミラー１０４Ｈのミラー面は１．５ｍｍ角というきわめて小さなサイズを有する。また、垂直走査ミラー１０４Ｖとしては、ガルバノミラーを用いている。

なお、本実施例では、それぞれレーザビームを一次元方向に偏向（走査）する水平走査ミラー１０４Ｈと垂直走査ミラー１０４Ｖを用いているが、１つのミラーを二次元方向に振動させることができるＭＥＭＳミラーデバイスを用いてもよい。

走査デバイス１０４によって走査されたレーザビームは、スクリーンや壁面などの走査面（投射面）１０５に向かう。走査面１０５上には、コリメーターレンズ１０２および集光光学系１０３によって光源１０１からのレーザビームが略集光されて結像する。したがって、走査デバイス１０４によって、走査面１０５上に形成される光源像が２次元方向に走査される。

図１において、矢印１１０は、水平走査ミラー１０４Ｈの揺動方向を、矢印１１１は垂直走査ミラー１０４Ｖの回転方向を示している。垂直走査ミラー１０４Ｖが矢印１１１の方向に回転することにより、走査面１０５上のレーザビームのスポット（光源像）は、矢印１０９の方向に走査される。したがって、走査面１０５上には、水平方向に往復する走査線１０６，１０７が走査面１０５の上端から下端に向かって形成されていく。これにより、人間の眼の残像効果により、１フレームの画像が表示される。

垂直走査ミラー１０４Ｖは、走査面１０５上の下端に走査線１０６を形成すると、次に走査面１０５の上端に走査線１０６を形成し、次のフレームの画像を形成していく。以下、この動作を繰り返す。例えば、水平方向８００画素、垂直方向６００画素のＳＶＧＡの画像を形成する場合、垂直方向の走査を６０Ｈｚで繰り返す場合、その１割が帰線時間、残りの９割が描画時間であって、水平走査線は往路と復路とでそれぞれ３００本ずつ必要となるので、水平走査ミラー１０４Ｈには２０ｋHz（６０Hz÷０.９倍×３００本）の共振周波数が必要になる。

なお、図１では、実際の走査線を間引いた形で示している。
走査面１１５上の領域１１２は、実際に画像が表示されるエリアである。水平走査ミラー１０４Ｈは、共振動作をすることから、振幅の最大のところに近づくと速度が遅くなり、画像を表示するのに適さないので、水平走査ミラー１０４Ｈの最大振幅に対応した領域よりも内側の領域１１２内でのみ画像を表示するようにしている。

本実施例では、レーザ光源１０１と投射面（走査面）としてのスクリーン１０５との間、特にレーザ光源１０１と走査デバイス１０４との間に、空間的偏光制御素子１００を配置している。さらに言えば、本実施例では、コリメーターレンズ１０２と集光光学系１０３との間に空間的偏光制御素子１００を配置している。

以下、空間的偏光制御素子１００の構成について、図２Ａを用いて説明する。図２Ａは、空間的偏光制御素子１００の概略構成を示している。また、この図には、図１に示したコリメーターレンズ１０２によって略平行光束に変換されたレーザビームが、空間的偏光制御素子１００を通過する様子を模式的に示している。

ここで、本実施例では、レーザ光源１０１として半導体レーザを用いており、該レーザ光源１０１は、直線偏光のレーザ光束を射出する。このため、図２Ａには、空間的偏光制御素子１００に入射するレーザビームの偏光方向（水平方向）を矢印で示し、以下、この直線偏光をＰで示す。

空間的偏光制御素子１００は、レーザビームの径方向において複数のエリアに分割されており、１つのレーザビームの中で隣り合うエリアを通過したビーム成分（以下、エリア成分という）に異なる位相差を与えるように構成されている。本実施例では、位相差を与える光学部材としての位相差板が設けられたエリア（以下、第１エリアという）１００ａと、エリア成分に位相差を与えない（つまりは、位相差板が設けられていない）単なる透過部材が設けられたエリア（以下、第２エリアという）１００ｂとを交互に配置した縦ストライプ状に構成されている。

第１エリア１００ａに設けられた位相差板は、１/２波長板である。このため、第１エリア１００ａに入射した水平方向の直線偏光Ｐは、該第１エリア１００ａを通過することによってその偏光方向が９０ｄｅｇ回転し、垂直方向の偏光方向を持つ直線偏光Ｐａとして射出される。一方、第２エリア１００ｂに入射した水平方向の直線偏光Ｐは、その偏光方向が回転せず、水平方向の直線偏光Ｐｂのまま射出する。

このように、空間的偏光制御素子１００は、レーザビームを複数のエリア成分に分割し、該レーザビーム内に水平方向の直線偏光Ｐｂと垂直方向の偏光成分Ｐａとを通過エリア別に存在させることができる。以下、この偏光方向が異なる直線偏光が存在したレーザビームを偏光合成ビームと称し、またこのような、空間的偏光制御素子１００の機能を、偏光合成機能と称する。

そして、この偏光合成ビームは、走査デバイス１０４によって２次元方向に走査されながらスクリーン１０５上に導びかれ、投射画像を形成する。

以下、本実施例の空間的偏光制御素子１００の作用によるスクリーン上でのスペックルノイズ低減の原理について説明する。

スペックルノイズは、走査面１０５に配置されたスクリーンで反射したレーザビームの散乱光が網膜上でランダムな位相関係で重なり合うことで発現する。通常のスクリーンは、表面粗さがレーザ光の波長より十分大きく、表面粗さの相関長（例えば、後述する相関係数を略０にする表面凹凸の周期）が照射スポット径より十分小さいため、スクリーン上の各点で散乱したレーザ光の位相は、スクリーン面の微視的な凹凸に対応してランダムになり、（−π、π）間で一様な分布をとる。このため、スクリーンからのレーザ光の散乱光が網膜上でランダムな位相関係で重なり合い、網膜上に不規則な粒状の干渉パターン（スペックルパターン）が発現する。

スペックルノイズを低減する手法の１つに、互いに相関の少ない複数のスペックルパターンを重ね合わせて、スペックル強度を平滑化する方法がある。互いに相関の少ない（独立した）複数のスペックルパターンを重ね合わせると、スペックル強度の定量化値を示すスペックルコントラストＣは１/√Ｎ倍に低減する。スペックルコントラストＣは、以下のように、スペックル強度Ｉの標準偏差σＩと平均値＜Ｉ＞の比として定義される。

Ｃ＝σＩ/＜Ｉ＞
この手法を用いてスペックルノイズを低減するためには、互いに相関の少ない複数のスペックルパターンを発生させる必要がある。

本実施例でも、互いに相関の少ない複数のスペックルパターンを発生させて、スペックル強度を重ね合わせることにより、スペックルノイズを低減する方法を用いる。

ここで、スクリーンに入射するレーザビームの偏光方向と表示画像のスペックルパターンとの関係について、実験結果をもとに説明する。レーザビームの偏光方向がスクリーンの水平方向に対して０°、３０°、４５°、９０°の場合におけるスペックル強度の等高線図を図３に示す。図３の横方向と縦方向は、スクリーンの水平方向と垂直方向に対応しており、スクリーンでのスペックル強度が高い部分を黒色で表している。

図３に示すように、表示画像のスペックルパターンは、スクリーンに入射するレーザビームの偏光方向に依存して異なるパターンになった。さらに、スクリーンの水平方向に振動面を持つ直線偏光によって生じるスペックルパターンと、水平方向に対して角度θをなす直線偏光によって生じるスペックルパターンの相関をみると、θが大きくなるにつれてスペックルパターンの相関は小さくなり、偏光方向が直交した場合（θ＝９０°）には、互いに相関のない独立したパターンになった。

各パターンの相関係数を計算した結果を、図４に示す。各パターンのスペックル強度Ｘ_１、Ｘ_２の相関係数ｒは、スペックル強度の平均値＜Ｘ_１＞、＜Ｘ_２＞を用いて下式のように定義される。

本実施例では、空間的偏光制御素子１００の第１エリア１００ａに位相差板（１／２波長板）を配置し、第２エリア１００ｂに透過部材を配置することで、空間的偏光制御素子１００に偏光合成機能を持たせ、これにより、互いに相関の少ない複数のスペックルパターンを発生させて、スペックル強度を重ね合わせる。

具体的には、図２Ａ中に示したように、水平方向に振動面を持つ直線偏光Ｐのレーザビームを空間的偏光制御素子１００に入射させ、一部のエリア成分（第２エリア１００ｂを通過した成分）が水平方向に振動面を有し、かつ他のエリア成分（第１エリア１００ａを通過した成分）が垂直方向に振動面を有する偏光合成ビームを生成する。そして、この偏光合成ビームをスクリーン１０５へ導き、投射画像を表示する。

このとき、スクリーン１０５の表面粗さから、該スクリーン１０５に導いたレーザビームの散乱が生じてスペックルパターンが発生するが、該スペックルパターンはスクリーン１０５への到達光の偏光方向によって異なり、偏光方向が略直交すると相関のほとんどない複数のスペックルパターンが生じる。

そして、本実施例では、水平方向の直線偏光Ｐｂによって生じるスペックルパターンと垂直方向の直線偏光Ｐａによって生じるスペックルパターンとを重ね合わせることにより、視認されるスペックルノイズを低減さる。

実験によれば、スペックルコントラストＣを０.７４倍（Ｃ＝０.３１からＣ＝０.２３）に低減することができた。これは、重ね合わせのパターンの数Ｎ＝２の場合に、スペックルコントラストＣを約１／√２倍に低減させたことに相当する。

このように、空間的偏光制御素子１００を用いることにより、簡単な構成でスペックルコントラストＣを低減させることができる。したがって、レーザを光源とする表示光学系（画像投射装置）によって投射される画像の画質を向上させることが可能であるとともに、光学系の小型化および低コスト化が図れるというメリットがある。

なお、本実施例では、空間的偏光制御素子１００を、レーザ光源１０１と走査デバイス１０４との間に配置さしているが、特にこの位置に限らず、レーザ光源１０１からスクリーン１０５までのいずれの位置に配置してもよい。但し、本実施例のように、レーザビームが走査デバイス１０４による偏向（走査）を受ける前であり、かつレーザビーム径も細い本実施例の位置に配置することにより、空間的偏光制御素子１００に必要な大きさを小さくすることができ、ひいては光学系の小型化に有効である。さらに、以下のメリットもある。

すなわち、本実施例の空間的偏光制御素子１００は、位相差板と透過部材とを交互に（周期的に）ストライプ配置したものであり、ストライプの配列方向に回折光が発生する。±１、±２次よりも高次の回折光は、０次回折光に対してスクリーン上の照射位置が異なるために解像度が劣化する問題が発生してしまう。

前述したように、本実施例では、水平走査ミラー１０４ＨとしてＭＥＭＳミラーを用いており、その反射面のサイズは１．５×１．５ｍｍと小さい。そこで、本実施例では、空間的偏光制御素子１００をレーザ光源１０１と走査デバイス１０４との間に配置して、ＭＥＭＳミラーで高次回折光をカットし、高次回折光がスクリーンへ到達しないようにしている。

また、図１に示したように、水平走査ミラー１０４ＨとしてのＭＥＭＳミラーは、回動軸となる梁部（反射面の外周の枠部とつなぐ棒状の部位）を有しており、該梁部で反射した光がスクリーンへ到達する可能性がある。

そこで、本実施例の変形例として、図２Ｂに示すたように、ストライプの配列方向をＭＥＭＳミラーの梁部の長手方向（図１参照）に対して略直交する方向とした空間的偏光制御素子１００を用いるとよい。これにより、回折光をＭＥＭＳミラーの梁部とは別の方向に、すなわちＭＥＭＳミラーの回動軸方向に対して略直交する方向に発生させることができるので、高次回折光はＭＥＭＳミラーにもＭＥＭＳミラーの梁部にも入射しないように構成することができる。このため、高次の回折光がゴースト光となって画質を劣化させることを回避することが可能となる。

なお、本実施例では、レーザ光源に半導体レーザを用い、該光源の直接変調を行って画像を表示するようにしているが、本発明では、これに限らず、例えば、連続発光する固体レーザを、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等の空間光変調器に照射して画像を表示させるようにしてもよい。

図５には、本発明の実施例２である画像投射装置の表示光学系の水平断面を示している。本実施例では、赤色、緑色および青色の３色のレーザ光源を用いている。

赤色レーザ光源２０１ａ、緑色レーザ光源２０１ｂおよび青色レーザ光源２０１ｃのそれぞれから発せられた発散光束は、コリメーターレンズ２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃによって略平行光束化された後、クロスダイクロイックプリズム２１０によって合成される。クロスダイクロイックプリズム２１０から射出した光束（色合成レーザビーム）は、空間的偏光制御素子２００に入射する。

空間的偏光制御素子２００から射出した色合成レーザビームは、照明光学系２０３に入射する。照明光学系２０３は、入射したレーザビームの径を拡大するとともに略平行光束とし、空間光変調器２０４に照射する。

空間光変調器２０４は、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）により構成される２次元光変調器であり、入射した光を画像信号供給装置（図１参照）からの画像信号に応じて変調する。空間光変調器２０４から射出したレーザビームは、不図示の投影光学系によってスクリーン等の投射面上に投射される。

本実施例でも、空間的偏光制御素子２００によって、一部のエリア成分が水平方向に振動面を有し、かつ他のエリア成分が垂直方向に振動面を有する偏光合成ビームを生成する。そして、この偏光合成ビームを空間光変調器２０４を介してスクリーン２０５へ導き、カラー投射画像を表示する。

なお、本実施例では、二次元空間光変調器を用いた場合について説明したが、一次元の空間光変調器を用い、他の一次元方向に変調後のレーザビームを走査することで、２次元画像を表示できるようにしてもよい。

図６Ａには、本実施例における空間的偏光制御素子の構成を示している。本実施例の空間的偏光制御素子２００は、位相差板としての１／２波長板を設けたエリア（第１エリア）２００ａと単なる透過部材を設けたエリア（第２エリア）２００ｂとを２次元格子状ないし市松模様状に配置して構成されている。この空間的偏光制御手段２００に、水平方向（図の左右方向）を偏光方向とする直線偏光（色合成ビーム）を入射させると、該直線偏光のうち第１エリア２００ａを通過したエリア成分は、その偏光方向が回転して射出し、第２エリア２００ｂを通過したエリア成分は水平方向の直線偏光のまま射出する。このため、水平方向の直線偏光である１つの色合成ビームを、水平方向の偏光成分と水平方向とは異なる方向の偏光成分とが通過エリア別に存在する偏光合成ビームに変換することができる。

そして、この偏光合成ビームをスクリーンに照射すると、スクリーンでの散乱光によって各偏光方向に応じたスペックルパターンが発生する。これらのスペックルパターンが重ね合わさることにより、スペックルコントラストを低減することができる。

実施例１で説明したように、２つの偏光方向の偏光成分が含まれる偏光合成ビームによって生じるスペックルパターンは、それらの偏光方向が直交する場合に、スペックルパターンの相関がほとんどなくなる。つまり、各スペックルパターンがほぼ独立したパターンとなる。このため、第１エリア２００ａを通過する成分の偏光方向を９０ｄｅｇ回転させて垂直方向の偏光成分とすることが最適である。しかし、本実施例では、レーザ光源の発振波長（色）が３つあり、各色のレーザビームの偏光方向を同時に９０ｄｅｇ回転させることは難しい。

一方、カラー画像表示に用いられる赤色、緑色および青色のうち、観察者にとってスペックルノイズが最も顕著に感じられるのは比視感度が高い緑色である。

そこで、本実施例では、第１エリア２００ａに設ける位相差板としては、設定波長（設計中心波長）が緑色領域である１／２波長板を用いる。具体的には、緑色は波長λｇ＝５３０ｎｍであり、緑色のレーザビームが通過したときにその偏光方向が９０ｄｅｇ回転するように設定された１／２波長板を使用する。これにより、緑色レーザビームによって生じるスペックルノイズを最も効率良く低減させることができる。また、緑色の波長λｇ＝５３０ｎｍは、赤色の波長λｒ＝６４０ｎｍと青色の波長λｂ＝４４０ｎｍのほぼ中間にあるので、３色のレーザビームの偏光方向を効率良く回転させることが可能となる。

言い換えれば、以下の条件を満足するとよい。

λｂ＜λｗ＜λｒ
但し、λｗは前記波長板の設定波長、λｂは前記青色光の波長、λｒは前記赤色光の波長である。

つまり、緑色レーザ光を１／２波長板を透過させたときに、該レーザ光に与えられる位相差がπになるような波長を１／２波長板の設定波長とする。

これにより、スクリーン上に表示されたカラー画像のスペックルノイズを効率良く低減させることができると共に、観察者にとって最もスペックルノイズを少なく感じられるようにカラー画像を表示することができる。

本実施例では、位相差板としての１／２波長板と透過部材とを２次元格子状（市松模様状）に配置したが、実施例１に示したようにストライプ状に１／２波長板と透過部材とが配列された空間的偏光制御素子を２つ用意して、これらのストライプ配列方向を直交させて重ねることにより、本実施例の空間的偏光制御素子２００と同等の作用を持たせることができる。これは、レーザビームが各空間的偏光制御素子を通過するとき、透過部材が重なったエリアを通過するエリア成分は偏光方向が回転せずに水平方向のままで通過し、一方の空間的偏光制御素子の第１エリアと他方の空間的偏光制御素子の第２エリアを通過するエリア成分は偏光方向が９０ｄｅｇ回転して垂直方向の直線偏光に変換される。また、両空間的偏光制御素子の第１エリアを通過するエリア成分は、偏光方向が１８０ｄｅｇ回転し、水平方向の直線偏光に変換される。こうして、１つのレーザビーム内で、水平方向の偏光成分と垂直方向の偏光成分とが２次元格子状に並んだ偏光合成ビームになる。このようにすると、２次元格子状の偏光合成ビームを生成するための空間的偏光制御素子を簡単に製作することができる。

なお、本実施例では、空間的偏光制御素子２００をレーザ光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃと空間光変調器２０４との間に配置したが、空間的偏光制御素子２００は、レーザ光源と投射面との間のどの位置に配置しても構わない。但し、空間光変調器２０４よりも投射面側、さらに言えば、照明光学系２０３よりも投射面側に比べてレーザビーム径が細いレーザ光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃと空間光変調器２０４又は照明光学系２０３との間に配置することによって、空間的偏光制御素子２００を小型にすることができる。

また、本実施例においては、実施例１と同様に、空間的偏光制御素子２００からの回折光が水平走査ミラー１０４ＨとしてのＭＥＭＳミラーの梁部にて反射しないようにするために、図６Ｂに示すように、空間的偏光制御素子２００を、第１および第２エリア２００ａ，２００ｂの配列方向（格子配列方向）が該梁部の長手方向（ＭＥＭＳミラーの回動軸方向：図中の水平方向）に対して４５ｄｅｇをなすように配置するとよい。このように、格子配列方向とＭＥＭＳミラーの梁部の長手方向と異ならせることで、回折光はＭＥＭＳミラーにも、ＭＥＭＳミラーの梁部にも入射しないようにすることができる。したがって、高次の回折光によって生じるゴースト光をほぼ排除し、表示画像を高品位なものとすることができる。

さらに本実施例では、空間的偏光制御素子２００に１種類の位相差板を用いたが、本発明はこれに限られない。例えば、図７に示すように、赤色波長域を設定波長とした１／２波長板２００ａ_ｒと、緑色波長域を設定波長とした１／２波長板２００ａ_ｇと、青色波長域を設定波長とした１／２波長板２００ａ_ｂとをモザイク状に配置するなど、第１エリア２００ａごとに異なる設定波長の位相差板を配置するようにしてもよい。この場合でも、スペックルノイズを低減する効果を得ることができる。

また、緑色レーザ光源２０１ｂとしては、赤外レーザから波長変換して緑色レーザを発生させるＳＨＧ方式の光源を用いてもよい。

図８には、本発明の実施例３である画像投射装置の表示光学系に用いられる空間的偏光制御素子を示している。本実施例の表示光学系は、実施例１又は実施例２で説明したものと同様である。

本実施例では、空間的偏光制御素子３００を同心円状にエリア分割し、径方向において偏光素子３００ａと単なる透過部材３００ｂとを交互に配置している。

偏光素子３００ａには、ＳＷＳ(Sub-Wavelength Structure)と呼ばれる、使用波長よりも細かいピッチを有する周期構造を透明基板等の素子の表面に形成して、波長板としての機能を持たせものが用いられている。ＳＷＳによって波長板の機能を持たせた場合、図７に示したような、同心円状に分割されたエリアなど、自由な形状を製造できるメリットがある。さらに、波長依存性が少なく、広い波長範囲で、すなわち各色レーザ光の偏光方向の回転角度を９０ｄｅｇ付近に設定することができ、スペックルノイズの低減効果が大きくなる。また、金型を作製して射出成型することにより、容易かつ低価格で製造することができるメリットもある。

本実施例においても、空間的偏光制御素子３００を通過したレーザビーム内には、水平方向の直線偏光と垂直方向の直線偏光とが通過エリア別に混在する。したがって、実施例１および実施例２と同様に、スクリーン上への投射画像のスペックルコントラスト（スペックルノイズ）を低減することができる。

ここで、スクリーンに照射される光の入射角に応じて、発生するスペックルパターンが変化することも知られている。
位相差板等の光学部材と透過部材とを周期的に配置した空間的偏光制御素子にレーザ光束を入射させると回折光が生じる。±１，±２次・・・３０次などの回折光は、０次回折光に対してスクリーンへの入射角が異なるため、各入射角に応じたスペックルパターンが発生する。それぞれのスペックルパターンを重ね合わせることにより、スペックルコントラストを更に低減することが可能である。しかしながら、スクリーンへの照射位置が異なるために解像度が劣化する問題が生ずる。

これに対し、本実施例の空間的偏向制御素子では、位相差板と透過部材を同心円状に交互に並べているため、入射した光束の回折光も光軸中心に発生する。このため、０次回折光をスクリーン上に結像させたとき、±１次，±２次・・・３０次などの回折光はスクリーン上の同じ位置に照射される。このとき、回折光束内に含まれる光線の角度はそれぞれの光束によって異なるので、各次数の回折光に対応したスペックルパターンを発生させることができる。したがって、これらいくつかのスペックルパターンの重ね合わせにより、スペックルコントラストを更に低減することができる。

また、本実施例のような走査型の画像投射装置では、一般にスポット深度が非常に広い特徴がある。このため、０次回折光をスクリーン上に結像させたときに、±１次，±２次回折光など比較的低次の回折光の集光位置がスクリーンに対して前後したとしても、スポット深度内に収まるので解像度を劣化しない利点がある。

このように、本実施例の空間的偏光制御素子を用いると、偏光によるスペックルコントラストの低減効果に加えて、入射角の違いによるスペックルコントラストの低減効果を得ることができる。さらに、投射画像の解像度を殆ど劣化させないという効果を得ることもできる。これにより、スペックルコントラストを小さく抑えた高品位な画像を表示することができる画像投射装置を実現することができる。

なお、本実施例では、図８に示したように、同心円状に位相差板と透過部材とを交互に配置した空間的偏光制御素子を用いたが、本発明ではこれに限らない。例えば、図９に示すように、同心円ラインと十字ラインとによって区切られたエリアに位相差板等の光学部材と透過部材とを交互に配置してもよい。

また、上記各実施例では、空間的偏光制御素子の複数のエリアに位相差板等の光学部材と透過部材とを配置された場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、上記複数のエリアに、第１の位相差板とレーザ光束に該第１の位相差板とは異なる位相差を与える第２の位相差とを配置するようにしてもよい。

また、上記各実施例では、コヒーレンス性を有する光としてレーザ光を用いる場合について説明したが、ＬＥＤから発せられる光等、他のコヒーレンス性を有する光を用いる場合にも本発明を適用することができる。

また、上記各実施例では、空間的偏光制御素子に１／２波長板を設けた場合について説明したが、位相差板としては他の位相差板を用いることもできる。例えば、入射した直線偏光を、透過部材をそのまま透過する直線偏光の偏光方向とは異なる長軸方向の楕円偏光に変換する波長板を用いてもよい。

すなわち、空間的偏光制御素子としては、入射したレーザビーム内に、異なるスペックルパターンを発生させる複数の偏光状態の光成分（エリア成分）を生じさせるものであれば、その構成を問わず、また、位相差板を用いない素子（光に対して与える位相差が異なる複数のエリアを有する複屈折素子等）を用いることも可能である。

以上説明したように、上記各実施例によれば、空間的偏光制御素子によって、レーザ光束を少なくとも２種類の偏光方向を持つ光束に変換し、投射面上に導くので、少なくとも２種類のスペックルパターンを同時に発生させることができる。人間の眼には、これらのスペックルパターンが重ね合わされて観察されるため、スペックルパターンの縞模様が均一化され、投射画像のスペックルを低減し、画質を向上させることができる。

本発明の実施例１である画像投射装置に用いられる表示光学系の概略構成図。 実施例１における空間的偏光制御素子の構成を示す説明図。 実施例１における空間的偏光制御素子の他の構成を示す説明図。 実施例１におけるスペックルパターンの変化の様子（実験例）を示す説明図。 実施例１におけるスペックルパターンの相関係数（実験例）を示す表図。 本発明の実施例２である画像投射装置に用いられる表示光学系の概略構成図。 実施例２における空間的偏光制御素子の構成を示す説明図。 実施例２における空間的偏光制御素子の他の構成を示す説明図。 実施例２における空間的偏光制御素子の他の構成を示す説明図。 本発明の実施例３である画像投射装置に用いられる空間的偏光制御素子の構成を示す説明図。 実施例３における空間的偏光制御素子の他の構成を示す説明図。

符号の説明

１００，２００，３００ 空間的偏光制御素子
１０１，２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ レーザ光源
１０２，２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ コリメーターレンズ
１０３ 集光光学系
１０４ 走査デバイス
１０５ 走査面
１００ａ，２００ａ，３００ａ １／２波長板が設けられた第１エリア
１００ｂ，２００ｂ，３００ｂ 透過部材が設けられた第２エリア
２０３ 照明光学系
２０４ 空間光変調器
２１０ クロスダイクロイックプリズム

Claims (14)

1. コヒーレンス性を有する光を用いて画像を投射する表示光学系であって、
   前記光を発する光源と、
   前記光が入射する第１の領域および第２の領域を有し、前記光のうち前記第１の領域に入射した光成分の偏光状態と前記第２の領域に入射した光成分の偏光状態とを異ならせる偏光制御手段とを有することを特徴とする表示光学系。
2. 前記光源から発せられた前記光を走査する走査手段を有し、
   前記偏光制御手段は、前記光源と前記走査手段との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の表示光学系。
3. 前記光源から発せられた前記光を画像信号に応じて変調する画像変調手段を有し、
   前記偏光制御手段は、前記光源と前記画像変調手段との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の表示光学系。
4. 前記偏光制御手段は、前記第１の領域に前記光成分に対して位相差を与える光学部材を有し、前記第２の領域に前記光成分に位相差を与えない部材を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の表示光学系。
5. 前記偏光制御手段は、前記第１の領域に前記光成分に対して位相差を与える第１の光学部材を有し、前記第２の領域に前記第１の光学部材とは前記光成分に与える位相差が異なる第２の光学部材を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の表示光学系。
6. 前記光学部材は、位相差板であることを特徴とする請求項４又は５に記載の表示光学系。
7. 前記光学部材は、前記光の波長よりも小さい周期を有する微細格子構造を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の表示光学系。
8. 前記偏光制御手段において、前記第１の領域と前記第２の領域とが交互に配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の表示光学系。
9. 前記偏光制御手段において、前記第１の領域と前記第２の領域とが格子状に配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の表示光学系。
10. 前記偏光制御手段において、前記第１の領域と前記第２の領域とが同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の表示光学系。
11. 前記光源は、赤色光、緑色光および青色光を発し、かつ以下の条件を満足することを特徴とする請求項４から７のいずれか１つに記載の表示光学系。
    λｂ＜λｗ＜λｒ
    但し、λｗは前記光学部材の設定波長、λｂは前記青色光の波長、λｒは前記赤色光の波長である。
12. 前記光源は、赤色光、緑色光および青色光を発し、
    前記偏光制御手段は、前記第１の領域として、前記赤色光、緑色光および青色光の波長領域をそれぞれ設定波長とする前記光学部材が設けられた複数の領域を有することを特徴とする請求項４から７のいずれか１つに記載の表示光学系。
13. 請求項１から１２のいずれか１つに記載の表示光学系を有することを特徴とする画像投射装置。
14. 請求項１３に記載の画像投射装置と、
    該画像投射装置に画像信号を供給する画像信号供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。

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