JP2008134269A - 画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像投射装置においてスペックルノイズを低減し高画質表示を実現する。
【解決手段】コヒーレント光源１１から発散放射された光線をコリメーションレンズ１３により一定の径を有する平行光線に変換し、二次元空間変調素子１４にほぼ一様に照射する照射光学系、及び該空間変調素子１４に形成される画像を投影する投影光学系１５を含んでなる画像投射装置において、発散光路中に光拡散素子１２が設置されていると共に光拡散素子が光の進行方向と平行方向に揺動することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、テレビ受像機、映像プロジェクタなどの画像表示装置や、半導体露光装置などの画像形成装置に関するものであり、特にコヒーレント光源を用いる画像投影装置に関する。

近年、メタルハライド、ハロゲン、キセノン、高圧水銀放電ランプ等を光源とした画像投写装置が普及している。これは高圧水銀放電ランプからの出射光を、波長選択ミラーで赤色光（長波長光）、緑色光（中間波長光）、青色光（短波長光）に分割し、それぞれの色の光を個別に液晶パネル等で変調し、ダイクロイックプリズムにて合波して、投写レンズにてスクリーンにカラー画像を投写する物である。ところが、このようなランプを光源とした場合には、ランプの光源の寿命が短くメインテナンスが煩雑であるという問題があった。またランプからの白色光から上記の様に三原色に分割するために光学系が煩雑であると共に、波長選択ミラーで分割された光は比較的広いスペクトル幅を持つために色再現領域が制限され鮮やかな純色の表現が困難であり、しかも光の利用効率が低いという問題があった。

これらの問題を解決するために、最近はレーザ光源を使用するという試みが活発になされている。レーザ光源は従来の白色ランプに比較すると寿命が長く、またエネルギー効率が高いことに加えて、優れた指向性を有することから光利用効率が高く、更に単色性に優れていることから色再現領域を大きくとることができるなど多くの利点を有している。
特開平７−２９７１１１号公報 特開平６−２０８０８９号公報

しかしながら、上述の様に画像投影装置にレーザ光源を使用した場合、レーザ光源固有のコヒーレンシー（可干渉性）に起因してスペックルノイズが生じて画質が劣化するという問題がある。スペックルノイズはレーザ光源からの位相が揃ったコヒーレント光がランダムな位相をもつ物体面によって散乱されることにより、物体面の隣接する領域から乱れた波面が観察面上で干渉することにより、観察面上に粒状の強度分布として発生する現象である。従って、このようなスペックルノイズをいかに低減するかが、レーザ光源を用いた画像投射装置の実用化に向けて重要な問題である。

このスペックルノイズを抑制するために、例えば特許文献１においては、レーザ光を用いる露光照明装置において、光学系に拡散板を設置すると共に拡散板を回転させてコヒーレント光をインコヒーレント光に変換することによりペックルノイズを抑制するという方式が開示されている。

また特許文献２においてはレーザ光を用いる投射型ディスプレイ装置において、光源から出射されたレーザ光線を発散させるための拡散板を設置すると共に該拡散板を回転させることによりコヒーレント光をインコヒーレント光に変換し、スペックルノイズの無い画像を表示するという方式が開示されている。

ところが、これらの方法は拡散板を回転させるという方式を用いているため、瞬時的には不要な拡散領域を有する大面積の拡散板が必要となり、その結果光学系が大きくなるという問題があった。

本発明はこれらの問題を解決するために簡単な光学系で優れた画像を投影できる投射装置を提供するものである。

本発明は、コヒーレント光源、該光源から放射された光線を発散もしくは発散放射された光を一定の径を有する平行光線に変換することにより二次元空間変調素子にほぼ一様に照射する照射光学系、及び該空間変調素子に形成される画像を投影する投影光学系を含んでなる画像投射装置において、発散光路中に光拡散素子が設置されていると共に光拡散素子が光の進行方向と平行方向に揺動することを特徴とする画像投射装置である。

また、本発明は前記拡散素子うち少なくとも一つは、光の拡散角が中心部で大きく、周辺部で小さいことを特徴とする画像投射装置である。

上記の手段により、本発明の画像投射装置では光学系に設置した回折素子を光の進行方向と平行に揺動させるという極めて簡単な構成により、スペックルノイズを低減する効果を発揮することができる。

また本発明において、光の拡散角が中心部で大きく、周辺部で小さいことを特徴とする拡散素子を用いることにより、光利用効率が高くしかも表示画面全体が均一な輝度を有する画像表示が可能になるという効果を持つ。

以下本発明の実施の形態を 図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１を図１に示す。

半導体レーザ１１から発散放射された光はすりガラス状の拡散板１２を透過し、コリメーションレンズ１３によりほぼ平行光線に変換されて透過型液晶空間変調素子１４に照射される。この空間変調素子においては各画素に入力画像信号が供給され、画像情報に応じて各画素の透過率が独立に変調される。この画像情報は投射レンズ１５により拡大され、スクリーン１６上に空間変調素子に形成される画像情報に対応する画像が表示される。本実施の形態における投射装置においては、光拡散板が発散光路中、つまり半導体レーザ１１とコリメーションレンズ１３の中間に設置されると共に、光の進行方向（光軸）に数１０ヘルツ以上の振動数で往復振動される。この拡散素子の揺動により拡散素子の表面に到達する光の相対的な位相と実質的な入射角が常に変化するので、空間変調素子の各画素に到達する光の相対的位相は常に変化する。このとき拡散素子は人間の目の応答時間よりも視感覚よりも早い速度で揺動するので、スクリーン上に投射された画像に形成されるスペックルは平均され、観察者はスペックルノイズが低減された高画質画像を観察することができる。

本実施の形態においては、半導体レーザとしては活性層がＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザ（発振波長約６５０ｎｍ）、コリメーションレンズはＮＡが０．５、拡散素子としては凹凸の平均周期２ミクロン、拡散角度（半値半幅）２０度、投射レンズはＮＡが０．４の素子を用いた。また揺動距離は３０ミクロンとした。揺動距離については約６ミクロン以上、即ちａ／ｓｉｎΘ以上（ここで、Θは発散角、ａは拡散素子の凹凸の周期）であれば効果を得られることも確認できた。また拡散角度は２０度であり、投射レンズのＮＡ（＝０．４）に対応する発散許容角度より小さく、拡散光の殆どは投射に利用することができる。

（実施の形態２）
実施の形態１においては、拡散素子が発散光路中にのみ設置された場合を示したが、拡散素子を複数設置することにより更にスペックルノイズを低減することが可能である。

実施の形態２の一例を図２に示す。

ヘリウムネオンレーザ２１から放射した光は、凹レンズ等の光発散素子２７により発散されコリメーションレンズ２３によりほぼ平行光線に変換される。平行になった光は第１の拡散板２２aと第２の拡散素子２２ｂを透過し、透過型液晶空間変調素子２４に照射される。この空間変調素子においては各画素に入力画像信号が供給され、画像情報に応じて各画素の透過率が独立に変調される。この画像情報は投射レンズ２５により拡大され、スクリーン２６上に空間変調素子に形成される画像情報に対応する画像が表示される。本実施の形態における投射装置においては、二つの光拡散板が平行光路中、つまりコリメーションレンズ２３と投射レンズ２５の中間に設置されると共に、第１の拡散素子２２ａが光の進行方向（光軸）に数１０ヘルツ以上の振動数で往復振動される。この第１の拡散素子の揺動によりこれを通過し、第２の拡散素子２２ｂの表面に到達する光の相対的な位相と実質的な入射角が常に変化するので、空間変調素子の各画素に到達する光の相対的位相は常に変化する。このとき拡散素子は人間の目の応答時間よりも視感覚よりも早い速度で揺動するので、スクリーン上に投射された画像に形成されるスペックルは平均され、観察者はスペックルノイズが低減された高画質画像を観察することができる。

本実施の形態においてはヘリウムネオンレーザ（発振波長約６５０ｎｍ）を用い、コリメーションレンズはＮＡが０．５、第１及び第２の拡散素子としては凹凸の平均周期３．３ミクロン、両者による総合拡散角度（半値半幅）２０度、投射レンズはＮＡが０．４の素子を用いた。また揺動距離は１００ミクロンとした。揺動距離については約２０ミクロン以上、即ちａ／ｓｉｎΘ以上（ここで、Θは発散角、ａは拡散素子の凹凸の周期）であれば効果を得られることも確認できた。また総合拡散角度は２０度であり、投射レンズのＮＡ（＝０．４）に対応する発散許容角度より小さく、拡散光の殆どは投射に利用することができる。

本実施の形態においても、図４に示すような、中心部の凹凸の周期に対して周辺部の凹凸の周期が大きな同心円状の拡散素子を少なくとも１つを使用することにより、ガウス分布するレーザ光線の光強度の大きな中心部の光を比較的大きな角度に拡散させ、逆に周辺部の拡散角度を小さくすることにより、投射画像の均一化を図ることが可能である。

本実施の形態においては、同様に単色（赤色）光源を用いた投射型情報表示装置の例を示したが、青、緑、赤の三色に対応する光学系、及び空間変調素子を設置し、また各色の画像をスクリーン上で合成することによりカラーディスプレイを実現することが可能である。

（実施の形態３）
実施の形態３として、第１の拡散素子が発散光路中に設置され、第２の拡散素子が平行光路中に設置された場合の実施の形態を示す。

半導体レーザ３１から発散放射された第１の拡散板３２ａを透過し、コリメーションレンズ３３によりほぼ平行光線に変換され、更に第２の拡散板３３ｂを通して透過型液晶空間変調素子３４に照射される。この空間変調素子においては各画素に入力画像信号が供給され、画像情報に応じて各画素の透過率が独立に変調される。この画像情報は投射レンズ３５により拡大され、スクリーン３６上に空間変調素子に形成される画像情報に対応する画像が表示される。本実施の形態における投射装置においては、第１の光拡散板が発散光路中、つまり半導体レーザ３１とコリメーションレンズ３３の中間に設置されると共に、光の進行方向（光軸）に数１０ヘルツ以上の振動数で往復振動される。この拡散素子の揺動により拡散素子の表面に到達する光の相対的な位相と実質的な入射角が常に変化するので、空間変調素子の各画素に到達する光の相対的位相は常に変化する。このとき拡散素子は人間の目の応答時間よりも視感覚よりも早い速度で揺動するので、スクリーン上に投射された画像に形成されるスペックルは平均され、観察者はスペックルノイズが低減された高画質画像を観察することができる。

本実施の形態においては、半導体レーザとしては活性層がＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザ（発振波長約６５０ｎｍ）、コリメーションレンズはＮＡが０．５、第１及び第２の拡散素子としては凹凸の平均周期３．３ミクロン、両者による拡散角度（半値半幅）２０度、投射レンズはＮＡが０．４の素子を用いた。また揺動距離は１００ミクロンとした。揺動距離については約２０ミクロン以上、即ちａ／ｓｉｎΘ以上（ここで、Θは発散角、ａは拡散素子の凹凸の周期）であれば効果を得られることも確認できた。また拡散角度は２０度であり、投射レンズのＮＡ（＝０．４）に対応する発散許容角度より小さく、拡散光の殆どは投射に利用することができる。

以上の実施の形態においては、拡散素子としてすりガラス状の一様な拡散板を用いたが、図４に示すような、中心部４８の凹凸の周期に対して周辺部４９の凹凸の周期が大きな同心円状の拡散素子（たとえば中心部では２ミクロン、周辺部では１０ミクロン）を使用することにより、ガウス分布するレーザ光線の光強度の大きな中心部の光を比較的大きな角度に拡散させ、逆に周辺部の拡散角度を小さくすることにより、投射画像の均一化を図ることが可能である。本実施の形態においては同心円上の凹凸形状からなる拡散素子を用いたが、光の拡散角が中心部で大きく、周辺部で小さいことを特徴とする拡散素子を用いることが可能である。

さらに、上記の実施の形態においては、単色（赤色）光源を用いた投射型情報表示装置の例を示したが、青、緑、赤の三色に対応する光学系、及び空間変調素子を設置し、また各色の画像をスクリーン上で合成することによりカラーディスプレイを実現することが可能である。

また、空間変調素子として強度変調型の透過型液晶を使用しているが、必ずしも透過型や強度変調型に限定されることはない。反射型の液晶素子、マイクロマシン技術により形成した光反射型の空間変調素子、或いは、回折光を用いる空間変調素子であってもよい。

本発明の画像投射装置では極めて簡単な構成によりスペックルノイズを低減することが可能となる。また、表示画面全体が均一な輝度を有する画像表示を提供するものであり、産業上高い利用可能性を有する。

本発明の画像投影装置の実施の形態１の概略構成図 本発明の画像投影装置の実施の形態２の概略構成図 本発明の画像投影装置の実施の形態３の概略構成図 本発明において均一な光強度を有する画像表示に適用される拡散素子の一例を示す図

符号の説明

１１，２１，３１ レーザ光源
１２ 拡散素子
２２ａ，３２ａ 第１の拡散素子（揺動）
２２ｂ，３２ｂ 第２の拡散素子（揺動）
１３，２３，３３ コリメーションレンズ
１４，２４，３４ 空間変調素子
１５，２５，３５ 投射レンズ
１６，２６，３６ スクリーン
２７ 発散レンズ
４８ 中心部
４９ 周辺部

Claims (8)

1. コヒーレント光源、前記光源から放射された光線を発散、もしくは発散放射された光を一定の径を有する平行光線に変換することにより二次元空間変調素子にほぼ一様に照射する照射光学系、及び前記空間変調素子に形成される画像を投影する投影光学系を含んでなる画像投射装置において、発散光路中に光拡散素子が設置されていると共に光拡散素子が光の進行方向と平行方向に揺動することを特徴とする画像投射装置。
2. コヒーレント光源、前記光源から放射された光線を発散、もしくは発散放射された光を一定の径を有する平行光線に変換することにより二次元空間変調素子にほぼ一様に照射する照射光学系、及び前記空間変調素子に形成される画像を投影する投影光学系を含んでなる画像投射装置において、光拡散素子が複数設置され、少なくとも一つの拡散素子が光の進行方向と平行方向に揺動することを特徴とする画像投射装置。
3. 前記画像投射装置において、少なくとも一つの拡散素子が発散光路中に光拡散素子が設置されていると共に光拡散素子が光の進行方向と平行方向に揺動することを特徴とする請求項２に記載の画像投射装置。
4. 前記拡散素子のうち少なくとも一つは、光の拡散角が中心部で大きく、周辺部で小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の画像投射装置。
5. 前記拡散素子が同心円上の凹凸形状からなる拡散素子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の画像投射装置。
6. 前記拡散素子による総拡散角（半値半角）が前記投影光学系のレンズの開口数（NA_ｐ）に対応する角度、即ちｓｉｎ^−１ＮＡ_ｐ以下の角度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の画像投射装置。
7. 発散光路中に設置された前記拡散素子の揺動距離が、拡散素子の凹凸の最大周期以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の画像投射装置。
8. 前記動揺距離がａ／ｓｉｎΘ以上（ここで、Θは発散角、ａは拡散素子の凹凸の最大周期）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の画像投射装置。

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