JP2012002922A - 投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックル雑音の低減率が低いという問題を解決することが可能な投射型画像表示装置を提供する。
【解決手段】光源部１０２は、光ビーム１０７を出射する。ビーム断面形状変化部１０３は、光源部１０２からの光ビーム１０７の断面形状を変化させて光ビーム１０８として出射する。投射部１０４は、ビーム断面形状変化部１０３からの光ビーム１０８を投射して、画像を投射する。制御部１０５は、ビーム断面形状変化部１０３を制御して、投射部１０４から投射される光ビームの断面形状を時間的に変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、投射型画像表示装置に関し、特には、光ビームを走査してスクリーンに画像を投射する走査型の投射型画像表示装置に関する。

ビジネスプレゼンテーションなどの用途で広く使用されている投射型画像表示装置（以下、プロジェクタと称する）において、色再現を実現するためには、３色以上の光を投射可能にする必要がある。また、プロジェクタの光源としては、従来、白色光を出射する高圧水銀ランプが用いられていた。

白色光の光源を用いて色再現を実現するためには、カラーフィルタなどを用いて、白色光から３色以上の光を生成する必要があった。この場合、白色光から他の色の光を生成する際に光の損失が発生するため、光の利用効率が低いという問題がある。

これに対して、光源としてレーザ光源を用いたレーザプロジェクタでは、レーザ光を直接スクリーン上に投射することができるため、光の利用効率が高い。また、レーザプロジェクタには、レーザ光が単色性を有するために、色再現域が広いという特徴もある。

しかしながら、レーザプロジェクタでは、レーザ光のコヒーレンス性に起因したスペックル雑音と呼ばれる雑音が問題となっている。スペックル雑音は、投射画像上に斑点模様のスペックルパターンとして現れ、投射画像の画質を劣化させる。

スペックルパターンの発生原理について説明する。レーザ光のようにコヒーレンス性の高い光ビームが、スクリーンのような表面に微小な凹凸のある面に投射された場合、その凹凸で拡散した光が観測者の目に入射される。その拡散光は、凹凸の影響で空間的にランダムな位相分布を有しており、そのランダムな空間位相分布が眼の中で干渉して、網膜上にランダムなパターンを形成する。このランダムなパターンがスペックルパターンとして観測者に認識される。

スペックル雑音を低減させる方法としては、スペックルパターンが統計的にそれぞれ異なる複数のビームを重畳させることで、スペックル雑音を統計的に低減させる方法がある。なお、スペックルパターンがそれぞれ統計的に異なるｎ個のビームが重畳された場合、スペックル雑音に対するＳ／Ｎ比（signal-noise ratio）は、１／√ｎに低減されることが知られている。

スペックルパターンが統計的にそれぞれ異なる複数のビームを生成する技術は、特許文献１〜３に記載されている。具体的には、特許文献１〜３に記載の技術では、ビームの偏光状態を時間的に切り換えることで、スペックルパターンが統計的にそれぞれ異なる複数のビームを生成している。

特開２００３−１５６７１０号公報 特開２００８−２８１６７２号公報 特開２００８−１５８１９１号公報

光ビームの互いに独立な偏光成分は、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との２つしかないため、光ビームの偏光状態が多数あっても、スペックルパターンが統計的に異なる光ビームは、Ｓ偏光成分の光ビームと、Ｐ偏光成分の光ビームの２つしかない。このため、スペックル雑音に対するＳ／Ｎ比は、原理的に元の１／√２（約７０％）以下にはならない。つまり、特許文献１〜３に記載の技術では、スペックル雑音の低減率が低いという問題があった。

本発明の目的は、上記の課題である、スペックル雑音の低減率が低いという問題を解決することが可能な投射型画像表示装置を提供することである。

本発明による投射型画像表示装置は、光ビームを出射する光源手段と、前記光源手段からの光ビームの断面形状を調整して出射するビーム断面形状変化手段と前記ビーム断面形状変化手段からの光ビームを投射して、画像を投射する投射手段と、前記ビーム断面形状変化手段を制御して、前記投射手段から投射される光ビームの断面形状を時間的に変化させる制御手段と、を有する。

本発明によれば、スペックル雑音の低減率を高くすることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る投射型画像表示装置の構成を示すブロック図である。 断面形状の切換周期の一例を説明するための図である。 断面形状の切換周期の他の例を説明するための図である。 断面形状の切換周期の他の例を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係るビーム断面形状変化部の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係るビーム断面形状変化部の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係るビーム断面形状変化部の構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態に係るビーム断面形状変化部の構成を示すブロック図である。 本発明の第６の実施形態に係るビーム断面形状変化部の構成を示すブロック図である。 本発明の第７の実施形態に係る光路変更部の構成を示すブロック図である。 本発明の第８の実施形態に係る光路変更部の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有する構成には同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る投射型画像表示装置の構成を示すブロック図である。図１において、投射型画像表示装置１０１は、光源部１０２と、ビーム断面形状変化部１０３と、投射部１０４と、制御部１０５とを有する。

光源部１０２は、光源手段の一例である。より具体的には、光源部１０２は、制御部１０５によって制御され、制御部１０５に入力される入力映像信号に応じて変調された光ビーム１０７を出射する。光ビーム１０７は、例えば、レーザ光である。

ビーム断面形状変化部１０３は、ビーム断面形状変化手段の一例である。ビーム断面形状変化部１０３は、光源部１０２の後段に配置され、光源部１０２から出射された光ビーム１０７が入射される。ビーム断面形状変化部１０３は、制御部１０５によって制御され、入射された光ビーム１０７の断面形状（断面強度分布形状）を調整して光ビーム１０８として出射する。

投射部１０４は、投射手段の一例である。ビーム断面形状変化部１０３の後段に配置され、ビーム断面形状変化部１０３から出射された光ビーム１０８が入射される。投射部１０４は、制御部１０５によって制御され、入射された光ビーム１０８を光ビーム１０９として被投射面１０６に投射して、入力映像信号に応じた画像を被投射面１０６上に投射する。

本実施形態では、投射部１０４は、光ビーム１０８を走査することで、光ビーム１０９として被投射面１０６に投射するものとする。より具体的には、投射部１０４は、振動や回転可能なミラーにて光ビーム１０８を反射させたり、屈折率の空間分布を時間的に変化可能な素子を透過させたりすることで、光ビーム１０８の伝播方向を変化させることで、光ビーム１０８を走査する。

振動や回転可能なミラーとしては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー、ガルバノミラーおよびポリゴンミラーなどがあり、屈折率の空間分布を時間的に変化可能な素子としては、音響光学素子、電気光学結晶および液晶などがある。なお、走査方式は、特に限定がなく、ラスタースキャン型でもよいし、ベクトルスキャン型でもよいし、その他の方式でもよい。

制御部１０５は、入力映像信号に応じた画像が投射部１０４から被投射面１０６上に投射されるように、光源部１０２および投射部１０４を制御する。

例として、ラスタースキャン型の走査方式の場合における制御部１０５の処理について説明する。

ラスタースキャン型の走査方式では、制御部１０５は、垂直走査方向に対しては、入力映像信号のフレーム周波数相当の周波数で光ビームの伝播方向が振動するように投射部１０４を制御する。また、制御部１０５は、水平走査方向に対しては、入力映像信号のフレーム周波数と、垂直走査方向の走査本数の積で表される周波数相当の周波数で光ビームの伝播方向が振動するように投射部１０４を制御する。

入力映像信号は、一般に、ＶＧＡ（Video Graphics Array）などの画面解像度に合わせて、ピクセルごとに色データを保持している。制御部１０５は、各ピクセルにおける光強度が、そのピクセルの色データに応じた光強度になるように、光源部１０２の光出力パワーを調整する。

このようにラスタースキャン型の走査方式では、入力映像信号のフレーム周波数と同期して、画像を投射することが可能である。

また、制御部１０５は、ビーム断面形状変化部１０３を制御して、投射部１０４から投射される光ビーム１０９の断面形状を時間的に変化させる。

スペックルパターンは、光ビームの波面形状に応じて異なる。したがって、光ビームの波面形状が時間的に変化されると、複数の異なるスペックルパターンが統計的に重畳されることになり、スペックル雑音が低減する。

しかしながら、波面形状が僅かにしか異ならない複数の光ビームの場合、例えば、ガウスビームにおいて波面の曲率が僅かにしか異ならない２つの光ビームの場合、それらの光ビームによるスペックルパターンは、互いに異なるものの、相関のあるパターンとなる。この場合、スペックル雑音の低減効果は、互いに完全に独立なスペックルパターンの重畳によるスペックル雑音の低減効果よりは小さい。

Ｓ／Ｎ比が同一であり、かつ、平均強度が同一である、２つのスペックルパターンの重畳によるスペックル雑音のＳ／Ｎ比低減率は、統計的に、

で表される。ρは、２つのスペックルパターンの相関の度合いを表す相関係数であり、−１〜１の値を有する。ρが１に近いほど２つのスペックルパターンの相関が高く、ρが１の場合、２つのスペックルパターンは同一であり、ρが０の場合、２つのスペックルパターンは無相関である。数１から分かるように、ρが０の場合、Ｓ／Ｎ比の低減率が最も高く、１／√２（約７０％）となる。なお、２つのスペックルパターンに強度差がある場合、強度が強い方のスペックルパターンの影響が大きくなり、Ｓ／Ｎ比の低減率が小さくなる。

以上より、スペックル雑音の低減効果を十分に実現するためには、互いに相関の少ないスペックルパターンとなるように、光ビームの波面形状を変化させることが望ましい。

ここで、光ビームの波面形状と断面形状とは、およそ１対１に対応する。より正確には、断面形状が同一で波面形状の異なることはあるが、断面形状が異なるときには波面形状は必ず異なる。したがって、断面形状を変化させることで、波面形状を変化させることが可能である。

なお、互いに異なるスペックルパターンとなるように光ビームの波面形状を切り換えるためには、断面形状を一定にしたまま波面形状を変化させることでも可能であるが、断面形状を変化させることで、波面形状を変化させる方が簡単である。また、断面形状が同一で波面形状の異なる光ビームとしては、ガウスビームにおいて、ビームウエストからの同一の距離にある２点での光ビームがある。

断面形状の切換時間は、投射画像の各ピクセル位置において、人間の目で知覚できる判別時間内に２つ以上の断面形状の光ビームが投射される時間とする。これは、判別時間内のスペックルパターンが積分されて知覚されるため、互いに異なるスペックルパターンが生成されれば、スペックルパターンが重畳されて、スペックル雑音が低減されるからである。

入力映像信号の切り換わり時間は、通常、判別時間より短いので、制御部１０５は、入力映像信号のフレーム周波数に応じて断面形状を切り換えることで、スペックル雑音を低減することができる。

例えば、断面形状がパターンＡおよびＢの２種類の場合、制御部１０５は、図２に示すように、入力映像信号のフレーム周波数と同じ周波数で断面形状を切り換えれば、断面形状がパターンＡおよびＢの光ビームが各ピクセル位置に時分割して入射される。このため、スペックル雑音の低減率を高くすることができる。

しかしながら、制御部１０５は、入力映像信号のフレーム周波数と同じ周波数で断面形状を切り換えなくてもよい。一般に、ＭおよびＮを互いに素な正の整数とし、断面形状がＭ種類あるとすると、制御部１０５は、フレーム周波数のＮ倍の周波数で断面形状を切り換えれば、断面形状がそれぞれ異なるＭ種類の光ビームが投射領域内の各点に時分割して入射される。例えば、図３に示すように、断面形状がパターンＡ、ＢおよびＣの３種類の場合、制御部１０５は、フレーム周波数の２倍の周波数で断面形状を切り換えれば、断面形状がパターンＡ、ＢおよびＣの光ビームが各ピクセル位置に時分割して入射される。このため、スペックル雑音の低減率を高くすることができる。

なお、ＭおよびＮが互いに素でない場合、例えば、図４に示すようにＭ＝４、Ｎ＝２のとき、断面形状は４種類あるにも関わらず、各ピクセル位置に入射する光ビームの断面形状は２種類だけとなり、スペックル雑音の低減率が低くなる。

また、断面形状の切換周波数が非常に早ければ、制御部１０５は、フレーム周波数と非同期に断面強度分布を切り換えてもよい。より具体的には、１ピクセルを描写している時間より短い時間で光ビーム１０９の断面形状が切り換えられれば、制御部１０５は、フレーム周波数と非同期に断面強度分布を切り換えても、各ピクセル位置に断面形状が異なる複数の光ビームを投射することが可能になるので、スペックル雑音を低減することができる。この場合、最大でフレーム周波数に応じたスペックル雑音低減効果が実現する。

また、フレーム周波数が非常に早ければ、制御部１０５は、フレーム周波数と非同期に断面強度分布を切り換えてもよい。より具体的には、光ビーム１０９が切り換えられる時間内に画像が複数回更新されるようなフレーム周波数であれば、各ピクセル位置に断面形状が異なる複数の光ビームを投射することが可能になるので、スペックル雑音を低減することができる。この場合、最大で断面形状の切換周波数に応じたスペックル雑音低減効果が実現する。

以上説明したように、本実施形態によれば、光源部１０２は、光ビーム１０７を出射する。ビーム断面形状変化部１０３は、光源部１０２からの光ビーム１０７の断面形状を変化させて光ビーム１０８として出射する。投射部１０４は、ビーム断面形状変化部１０３からの光ビーム１０８を投射して、画像を投射する。制御部１０５は、ビーム断面形状変化部１０３を制御して、投射部１０４から投射される光ビームの断面形状を時間的に変化させる。

この場合、投射部１０４から投射される光ビームの断面形状が時間的に変化する。互いに独立な断面形状は、互いに独立な偏光成分と異なり２つに限定されないので、スペックルパターンが統計的に異なる光ビームを３つ以上投射することが可能になる。したがって、スペックル雑音の低減率を高くすることが可能になる。

また、本実施形態では、制御部１０５は、投射部１０４から入力映像信号に応じた画像が投射されるように、光源部１０２および投射部１０４を制御するとともに、入力映像信号のフレーム周波数に対して、光ビーム１０９の断面形状の数と互いに素な整数倍の周波数で、光ビーム１０７の断面形状を時間的に変化させる。この場合、より的確にスペックル雑音の低減率を高くすることが可能になる。

以下、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態では、ビーム断面形状変化部１０３のより詳細な構成を説明する。また、ビーム断面形状変化部１０３以外の構成要素、すなわち、光源部１０２、投射部１０４、制御部１０５に関しては第１の実施形態と同じであるとする。ただし、制御部１０５に関しては、ビーム断面形状変化部１０３の構成により制御方法が異なる場合には、適宜説明を行う。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係るビーム断面形状変化部の構成を示す図である。図５では、ビーム断面形状変化部１０３の一例として、ビーム断面形状変化部５０１が示されている。ビーム断面形状変化部５０１は、シリンドリカルレンズ５０２と、回転駆動部５０３とを有する。回転駆動部５０３は、制御部１０５によって制御されている。

シリンドリカルレンズ５０２は、光ビーム１０７の断面形状を空間的に変化させる光学部材である。シリンドリカルレンズ５０２は、光学的特性が所定の軸に対して回転非対称である。特に、シリンドリカルレンズ５０２は、光ビーム１０７の光軸に垂直な直交軸を２つ取ったとき、直交軸のそれぞれと光軸との作る平面内における焦点距離が、軸によって異なる。また、シリンドリカルレンズ５０２は、所定の軸と光ビーム１０７の光軸とが一致するように配置される。

このため、光ビーム１０７がシリンドリカルレンズ５０２を透過して光ビーム１０８として出射した場合、光ビーム１０７のビームスポット内で空間的な位相関係が変化し、光ビーム１０７に対して光ビーム１０８の断面形状が変化する。

回転駆動部５０３は、シリンドリカルレンズ５０２を用いて光ビーム１０９の断面形状を時間的に変化させる駆動手段である。本実施形態では、回転駆動部５０３は、シリンドリカルレンズ５０２を所定の軸を中心に回転可能に支持する。

制御部１０５は、回転駆動部５０３を制御して、光ビーム１０９光ビームの断面形状を時間的に変化させる。より具体的には、制御部１０５は、回転駆動部５０３を制御して、シリンドリカルレンズ５０２を所定の軸（つまり、光ビーム１０７の光軸）を中心に回転させることで、光ビーム１０７の光軸に垂直な直交軸を回転させる。これにより、光ビーム１０８の断面形状が時間的に変化するので、投射部１０４から投射される光ビーム１０９が時間的に変化されることになる。

なお、シリンドリカルレンズ５０２の回転軸が光軸と一致しないと、シリンドリカルレンズ５０２が回転することで、光ビーム１０８の光軸が時間と共に変化してしまう。

また、光学部材としてシリンドリカルレンズ５０２を用いているが、光学部材は、シリンドリカルレンズ５０２の代わりに、屈折率、表面曲率および透過率などの光学的特性が、所定の軸（光ビームの光軸、つまり回転軸）に対して回転非対称な部材であればよい。このような光学部材の例としては、中心対称でないアパーチャ・レンズなどが挙げられる。

以上説明したように、本実施形態によれば、シリンドリカルレンズ５０２やアパーチャ・レンズなどの光学部材を用いて光ビーム１０９の断面形状を時間的に変化させることができるので、容易に光ビーム１０９の断面形状を時間的に変化させることが可能になる。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係るビーム断面形状変化部の構成を示す図である。図６では、ビーム断面形状変化部１０３の一例として、ビーム断面形状変化部６０１が示されている。ビーム断面形状変化部６０１は、液晶セル６０２と、偏光板６０３とを有する。液晶セル６０２は、制御部１０５によって制御されている。

液晶セル６０２は、ガラスなどの透明基板に挟まれた液晶材料と、透明基板上に微小なパターンで形成された電極とを有する。また、液晶セル６０２には、光ビーム１０７が入射される。液晶セル６０２は、電極に電圧が印加されることによって、光ビーム１０７の偏光状態を変化させて出射する。

ここで、電極パターンは、光ビーム１０７のビームスポットより十分に小さいものとする。この場合、電極に電圧が印加されることにより、光ビーム１０７のビームスポット内の各点における偏光状態が変化される。したがって、液晶セル６０２は、光ビーム１０７をビームスポット内の空間偏光分布を変化させて出射する偏光素子として機能する。なお、偏光状態がどのように変化するかは、電極パターンに印加される電圧のパターンに応じて決定される。

偏光板６０３は、液晶セル６０２から出射された光ビームのうち、所定の偏光方向の偏光成分のみを透過して光ビーム１０８として出射し、その所定の偏光方向と直交する方向の偏光成分を遮断する。

制御部１０５は、液晶セル６０２を制御して、光ビーム１０７の空間偏光分布を時間的に切り換える。より具体的には、制御部１０５は、液晶セル６０２に印加する電圧パターンを時間的に切り換えることで、光ビーム１０７の空間偏光分布を切り換える。これにより、ビーム断面形状変化部６０１は、開口の変化するアパーチャとなり、偏光板６０３を透過する光の断面形状が時間的に切り換えられる。したがって、制御部１０５は、液晶セル６０２は、液晶セル６０２を制御して、光ビーム１０７空間偏光分布を時間的に切り換えることで、投射部１０４から投射される光ビーム１０９の断面形状を時間的に変化させることになる。

なお、光ビーム１０９の各断面形状の相関が大きいと、スペックルパターンも相関が大きい傾向にある。相関が小さくなるように、液晶セルへの電圧印加パターンを制御することが望ましい。これは、印加パターンをランダムに変化させるなど、印加パターンの相関を小さくすることで、簡単に実現することができる。

また、偏光素子として液晶セル６０２を用いているが、偏光素子は、液晶セル６０２の代わりに、屈折率、表面曲率、透過率および反射率などの光学的特性のビームスポット内の分布を変化させる可能な光学素子を用いることができる。このような光学素子の例としては、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）やＬＣＯＳ（登録商標：Liquid crystal on silicon）などが挙げられる。

以上説明したように、本実施形態によれば、第２の実施形態と比べて、回転駆動部５０３を必要としないので、機械的精度を厳密に必要としないという利点がある。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係るビーム断面形状変化部の構成を示す図である。図７では、ビーム断面形状変化部１０３の一例として、ビーム断面形状変化部７０１が示されている。ビーム断面形状変化部７０１は、シリンドリカルレンズ７０２と、ダブプリズム７０３と、ダブプリズム７０３を回転させる回転駆動部７０４とを有する。回転駆動部７０４は、制御部１０５によって制御されている。

シリンドリカルレンズ７０２は、光ビーム１０７の断面形状をその光軸に対して回転非対称にし、その断面形状を光軸に対して回転非対称にした光ビーム７０５をダブプリズム７０３に入射する前置光学部材である。

ダブプリズム７０３には、光ビーム７０５が入射される。ダブプリズム７０３は、入射された光ビーム７０５をその光軸を中心に回転させて光ビーム１０８として出射する光学部材である。

回転駆動部７０４は、ダブプリズム７０３を用いて光ビーム１０９の断面形状を時間的に変化させる駆動手段である。本実施形態では、回転駆動部７０４は、ダブプリズム７０３を所定の軸を中心に回転可能に支持する。

制御部１０５は、回転駆動部７０４を制御して、ダブプリズム７０３を所定の軸（つまり、光ビーム７０５の光軸）を中心に回転させることで、ダブプリズムの回転角度変位の倍の回転角度変位で光ビーム７０５を回転させて光ビーム１０８として出射させる。これにより、光ビーム１０８の断面形状を時間的に変化するので、投射部１０４から出射される光ビーム１０９の断面形状を時間的に変化させることが可能になる。

なお、光ビーム１０８の断面形状が時間的に変化するのは、光ビーム７０５の断面形状がその光軸に対して回転非対称だからである。このため、光ビーム１０７の断面形状が元々光軸に対して回転非対称であれば、シリンドリカルレンズ７０２はなくてもよい。また、ダブプリズム７０３の回転軸が光軸と一致しないと、ダブプリズム７０３が回転することで、光ビーム１０８の光軸が時間と共に変化してしまう。

また、前置光学部材としてシリンドリカルレンズ７０２を用いたが、前置光学部材は、シリンドリカルレンズ７０２の代わりに、屈折率、表面曲率、透過率などの光学的特性が、光ビームの光軸に対して、中心対称でない部材を用いることもできる。このような部材としては、例えば、アパーチャなどが挙げられる。

以上説明したように、本実施形態によれば、シリンドリカルレンズ７０２やアパーチャ・レンズなどの光学部材を用いて光ビーム１０９の断面形状を時間的に変化させることができるので、容易に光ビーム１０９の断面形状を時間的に変化させることが可能になる。

（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態に係るビーム断面形状変化部の構成を示す図である。図８では、ビーム断面形状変化部１０３の一例として、ビーム断面形状変化部８０１が示されている。ビーム断面形状変化部８０１は、ビーム分岐部８０２と、ビーム合流部８０３と、シリンドリカルレンズ８０４とを有する。ビーム分岐部８０２およびビーム合流部８０３の少なくともひとつは制御部１０５によって制御されている。

ビーム分岐部８０２およびビーム合流部８０３は、シリンドリカルレンズ８０４を用いて、光ビーム１０７の断面形状を時間的に変化させる駆動部を構成し、より具体的には、光ビーム１０７を複数の分岐光路の少なくともいずれか一つを経由させて出射する光路変更部を構成する。

ビーム分岐部８０２は、光ビーム１０７を、複数の方向に偏向して、複数の分岐光路に出射する。ビーム合流部８０３は、ビーム分岐部８０２から複数の分岐光路に出射された光ビームを所定光路に光ビーム１０８として出射する。

なお、光路変更部は、例えば、光ビーム１０７の伝播方向を変える偏向素子、および、光ビーム１０７を透過および反射する半透過鏡の少なくとも一方を用いて、光ビーム１０７を複数の分岐光路の少なくともいずれか一つを経由させて出射する。また、光路変更部は、光ビーム１０７の遮断可能な可動遮断素子をさらに用いてもよい。光路変更部のより詳細な構成については、後述する第７の実施形態および第８の実施形態で説明する。

シリンドリカルレンズ８０４は、複数の分岐光路の少なくとも一つの光路上に配置される。

本実施形態では、シリンドリカルレンズ８０４は、分岐光路のうち１つを除いた光路に配置されるものとする。なお、図８では、各光路に共通のシリンドリカルレンズ８０４に配置されているが、実際には、シリンドリカルレンズ８０４は複数あり、各光路のそれぞれに配置されることが望ましい。また、ビーム分岐部８０２から出射された光ビームのうち、シリンドリカルレンズ８０４が配置された光路への光ビームを８０５とし、シリンドリカルレンズ８０４が配置されていない光路への光ビームを８０６とする。また、光ビーム８０６や８０７をビーム合流部８０３まで導くためのミラーなどの光学素子は適宜挿入されているものとする。

シリンドリカルレンズ８０４は、光ビーム８０６の断面形状を空間的に変化させて光ビーム８０７として出射する光学部材として機能する。また、各光路のそれぞれに配置されるシリンドリカルレンズ８０４にて変化される断面形状がそれぞれ異なる。

制御部１０５は、ビーム分岐部８０２およびビーム合流部８０３の少なくとも１つを制御して、ビーム合流部８０３から光ビーム１０８として出射される光ビームの分岐光路を切り換えて、投射部１０４から出射される光ビーム１０９の断面形状を時間的に変化させる。

例えば、ビーム分岐部８０２を制御する場合、制御部１０５は、ビーム分岐部８０２から光ビーム８０５および８０６が出射される分岐光路を切り換えて、光ビーム１０９の断面形状を時間的に変化させる。

また、ビーム合流部８０３を制御する場合、制御部１０５は、光ビーム８０５および８０６のうち光ビーム１０８としてビーム合流部８０３から出射される光ビームを切り換えて、光ビーム１０９の断面形状を変化させる。

また、ビーム分岐部８０２およびビーム合流部８０３を制御する場合、制御部１０５は、ビーム分岐部８０２から光ビーム８０５および８０６が出射される分岐光路を切り換え、かつ、その分岐光路に出射された光ビーム８０５または８０６をビーム合流部８０３から光ビーム１０９から出射させて、光ビーム１０８の断面形状を変化させる。

なお、光学部材としてシリンドリカルレンズ８０４を用いたが、光学部材は、シリンドリカルレンズの代わりに、屈折率、表面曲率および透過率などの光学的特性が、所定の軸（光ビームの光軸、つまり回転軸）に対して回転非対称な部材であればよい。このような光学部材の例としては、中心対称でないアパーチャ・レンズなどが挙げられる。

以上説明したように、本実施形態によれば、第２および第４の実施形態と比べて、回転駆動部５０３を必要としないので、機械的精度を厳密に必要としないという利点がある。また、第３の実施形態と比べて、電気的に簡単な系で光ビーム１０９の断面形状を時間的に変化させることができる。

（第６の実施形態）
図９は、本発明の第６の実施形態に係るビーム断面形状変化部の構成を示す図である。図９では、ビーム断面形状変化部１０３の一例として、ビーム断面形状変化部９０１が示されている。ビーム断面形状変化部９０１は、シリンドリカルレンズ９０２と、ビーム分岐部９０３と、ビーム合流部９０４と、ダブプリズム９０５とを有する。ビーム分岐部９０３およびビーム合流部９０４の少なくともひとつは制御部１０５によって制御されている。

シリンドリカルレンズ９０２は、図７で示したシリンドリカルレンズ７０２と同等な機能を有する前置光学部材であり、光ビーム１０７の断面形状をその光軸に対して回転非対称にし、その断面形状を光軸に対して回転非対称にした光ビーム９０６をビーム分岐部９０３に入射する。

ビーム分岐部９０３およびビーム合流部９０４は、ビーム分岐部８０２およびビーム合流部８０３の同様に、ダブプリズム９０５を用いて、光ビーム１０７の断面形状を時間的に変化させる駆動部を構成し、より具体的には、光ビーム１０７を複数の分岐光路の少なくともいずれかを経由させて出射する光路変更部を構成する。つまり、ビーム分岐部９０３は、光ビーム９０６を複数の方向に偏向して、複数の分岐光路に出射する。ビーム合流部９０４は、ビーム分岐部９０３から複数の分岐光路に出射された光ビームを所定光路に光ビーム１０８として出射する。

ダブプリズム９０５は、複数の分岐光路の少なくとも一つの光路上に配置される。

本実施形態では、ダブプリズム９０５は、分岐光路のうち１つを除いた光路に配置されるものとする。なお、図９では、各光路に共通のダブプリズム９０５に配置されているが、実際には、ダブプリズム９０５は複数あり、各光路のそれぞれに配置されることが望ましい。また、ビーム分岐部９０３から出射された光ビームのうち、ダブプリズム９０５が配置された分岐光路への光ビームを９０７とし、ダブプリズム９０５が配置されていない分岐光路への光ビームを９０８とする。また、光ビーム９０８や９０９をビーム合流部９０４まで導くためのミラーなどの光学素子は適宜挿入されているものとする。

ダブプリズム９０５は、入射された光ビーム９０７をその光軸を中心に回転させて光ビーム９０９として出射する光学部材として機能する。また、各光路のそれぞれに配置されたダブプリズム９０５にて回転される光ビーム９０７の回転角度がそれぞれ異なる。

制御部１０５によるビーム分岐部９０３およびビーム合流部９０４の制御方法は、第５の実施形態におけるビーム分岐部８０２およびビーム合流部８０３の制御方法と同じである。

なお、前置光学部材としてシリンドリカルレンズ９０２を用いたが、前置光学部材は、シリンドリカルレンズ９０２の代わりに、屈折率、表面曲率、透過率などの光学的特性が、光ビームの光軸に対して、中心対称でない部材を用いることもできる。このような部材としては、例えば、アパーチャなどが挙げられる。

本実施形態でも、第５の実施形態と同様な効果を奏する。

（第７の実施形態）
図１０は、第７の実施形態に係る光路変更部の構成を示す図である。なお、光路変更部は、ビーム分岐部８０２およびビーム合流部８０３で構成されているものとするが、ビーム分岐部９０３およびビーム合流部９０４に構成されているものにも適用することができる。

図１０では、ビーム分岐部８０２がガルバノミラー１００１で構成され、ビーム合流部８０３がガルバノミラー１００２で構成されている。制御部１０５は、ビーム分岐部８０２およびビーム合流部８０３の両方を制御する。

ガルバノミラー１００１は、光ビーム１０７を偏向して、複数の光路のいずれかに光ビーム８０５として出射する偏向素子である。ガルバノミラー１００２は、シリンドリカルレンズ８０４からの光ビーム８０７を偏向して所定の光路に光ビーム１０８として出射する偏向素子である。

制御部１０５は、ガルバノミラー１００１から出射された光ビーム８０５に応じた光ビーム８０７を所定の光路に光ビーム１０８として出射されるように、ガルバノミラー１００１および１００２が同期させて駆動する。

なお、偏向素子は、ガルバノミラー１００１に限らず、ＭＥＭＳミラーまたはポリゴンミラーなどの可動ミラーや、音響光学結晶および電気光学結晶などの光ビームを偏向可能な光学結晶でもよい。

また、ガルバノミラー１００１および１００２うちの一方を半透過鏡に代えてもよい。半透過鏡は、反射率が１００％でない鏡であり、例えば、透過率が５０％であり、反射率が５０％である鏡である。

（第８の実施形態）
図１１は、第８の実施形態に係るビーム分岐部およびビーム合流部の構成を示す図である。図１１では、ビーム分岐部８０２が半透過鏡１１０１で構成され、ビーム合流部８０３が半透過鏡１１０２およびシャッター１１０３で構成されている。制御部１０５は、シャッター１１０３を制御する。

半透過鏡１１０１および１１０２は、反射率が１００％でない鏡であり、例えば、透過率が５０％であり、反射率が５０％である鏡である。

半透過鏡１１０１は、光ビーム１０７を反射および透過して、それらの光ビームを光ビーム８０５および８０６として出射する。なお、光ビーム８０５は、シリンドリカルレンズ８０４にて光ビーム８０７に変換されて半透過鏡１１０２に入射され、光ビーム８０６は、半透過鏡１１０２に直接入射される。

半透過鏡１１０２は、入射された光ビームを反射または透過して光ビーム１０８として出射する。本実形態では、半透過鏡１１０２は、入射された光ビーム８０６を透過して出射するとともに、入射された光ビーム８０７を反射して出射する。このとき、光ビーム８０６および８０８が共に入射された場合、半透過鏡１１０２は、光ビーム８０６および８０７の合成光を光ビーム１０８として出射する。

シャッター１１０３は、光ビーム８０５および８０６の光路の少なくとも一つの光路上に配置される可動遮光手段であり、その光路上の光ビームを遮蔽することが可能である。本実施形態では、シャッター１１０３は、光ビーム８０６の光路上に配置されているものとする。なお、シャッター１１０３は、機械的に駆動するものでも良いし、液晶セルや偏光板を組み合わせたものや、偏向させる光学素子などでもよい。

制御部１０５は、シャッター１１０３の開閉を切り換えて、半透過鏡１１０２から出射される光ビームを切り換える。なお、制御部１０５によるシャッター１１０３の駆動周波数は、光ビーム１０８の断面形状の切換周波数に応じて定められる。

なお、シャッター１１０３が閉じている場合、光ビーム８０６が遮蔽されるので、光ビーム８０７のみが半透過鏡１１０２から出射され、シャッター１１０３が開いている場合、光ビーム８０６および８０７の合成光が出射される。このため、制御部１０５は、シャッター１１０３の開閉に合わせて、光源部１０２から出射される光ビームの光出力パワーを制御する必要がある。また、合成光に含まれる光ビーム８０６および８０７の光強度の比は、スペックル雑音の低減率を最大にするためには１対１であることが望ましい。

また、シャッター１１０３は、ビーム分岐部８０２に含まれていてもよい。

また、上記の構成を複数使用することで、光ビーム１０７の分岐数を増やすことが可能である。例えば、ビーム分岐部８０２から出射された各光ビームの光路上に、新たなビーム分岐部やビーム合流部を配置することで、光ビーム１０７の分岐数を増やすことが可能である。また、ビーム合流部は、ビーム断面形状変化部の中で、少なくとも１つあればよい。シャッター１１０３は、少なくとも[分岐数−１]個必要である。

以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

例えば、投射型画像表示装置には、反射や屈折を利用して光ビームの伝播方向を変化させる光学素子が設けられてもよい。なお、このような光学素子には、ミラーやプリズムなどがある。

また、投射型画像表示装置には、光源部１０２からの光ビームをコリメートビームにするためのコリメートレンズや、ビーム断面形状変化部からの光ビーム１０８のビーム成型を行うためのレンズなどが設けられてもよい。

１０１ 投射型画像表示装置
１０２ 光源部
１０３、５０１、６０１、７０１、８０１、９０１ ビーム断面形状変化部
１０４ 投射部
１０５ 制御部
１０６ 被投射面
１０７、１０８、１０９ 光ビーム
５０２、７０２、８０４、９０２ シリンドリカルレンズ
５０３、７０４ 回転駆動部
６０２ 液晶セル
６０３ 偏光板
７０３、９０５ ダブプリズム
８０２、９０３ ビーム分岐部
８０３、９０４ ビーム合流部
１００１、１００２ ガルバノミラー
１１０１、１１０２ 半透過鏡
１１０３ シャッター

Claims (12)

1. 光ビームを出射する光源手段と、
   前記光源手段からの光ビームの断面形状を調整して出射するビーム断面形状変化手段と
   前記ビーム断面形状変化手段からの光ビームを投射して、画像を投射する投射手段と、
   前記ビーム断面形状変化手段を制御して、前記投射手段から投射される光ビームの断面形状を時間的に変化させる制御手段と、を有する投射型画像表示装置。
2. 請求項１に記載の投射型画像表示装置において、
   前記ビーム断面形状変化手段は、
   前記光ビームの断面形状を空間的に変化させる光学部材と、
   前記光学部材を用いて、前記光ビームの断面形状を時間的に変化させる駆動手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記駆動手段を制御して、前記光ビームの断面形状を時間的に変化させる、投射型画像表示装置。
3. 請求項２に記載の投射型画像表示装置において、
   前記光学部材は、光学的特性が所定の軸に対して回転非対称であり、前記所定の軸と前記光ビームの光軸とが一致するように配置されている、投射型画像表示装置。
4. 請求項２に記載の投射型画像表示装置において、
   前記光学部材は、前記光ビームの光軸を中心に当該光ビームを回転させるダブプリズムである、投射型画像表示装置。
5. 請求項４に記載の投射型画像表示装置において、
   前記ビーム断面形状変化手段は、前記光源手段からの光ビームの断面形状を光軸に対して回転非対称にし、当該断面形状を回転非対称にした光ビームを前記光学部材へ出射する前置光学部材をさらに有する、投射型画像表示装置。
6. 請求項３ないし５のいずれか１項に記載の投射型画像表示装置において、
   前記駆動手段は、前記光学部材を回転可能に支持し、
   前記制御手段は、前記駆動手段を用いて、前記光学部材を前記光ビームの光軸を中心に回転させて、前記光ビームの断面形状を時間的に変化させる、投射型画像表示装置。
7. 請求項３ないし５のいずれか１項に記載の投射型画像表示装置において、
   前記駆動手段は、前記光ビームを複数の光路のいずれかを経由させて出射する光路変更手段であり、
   前記光学部材は、前記複数の光路の少なくとも１つの光路上に配置され、
   前記制御手段は、前記光路変更手段から出射される光ビームの光路を切り換えて、前記光ビームの断面形状を時間的に変化させる、投射型画像表示装置。
8. 請求項７に記載の投射型画像表示装置において、
   前記光路変更手段は、前記光ビームの伝播方向を変える偏向素子、および、前記光ビームを透過および反射する半透過鏡の少なくとも一方を用いて、前記光ビームを複数の光路のいずれかを経由させて出射する、投射型画像表示装置。
9. 請求項８に記載の投射型画像表示装置において、
   前記光路変更手段は、前記光ビームの遮蔽可能な可動遮蔽手段をさらに用いて、前記光ビームを複数の光路のいずれかを経由させて出射する、投射型画像表示装置。
10. 請求項１に記載の投射型画像表示装置において、
    前記ビーム断面形状変化手段は、
    前記光ビームをビームスポット内の空間偏光分布を変化させて出射する偏光素子と、
    前記偏光素子から出射された光ビームの所定の偏光方向の偏光成分のみを透過して出射する偏光板と、を有し、
    前記制御手段は、前記偏光素子を制御して、前記空間偏光分布を時間的に切り換えて、前記光ビームの断面形状を時間的に変化させる、投射型画像表示装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の投射型画像表示装置において、
    前記制御手段は、前記投射手段から入力映像信号に応じた画像が投射されるように、前記光源手段および前記投射手段を制御するとともに、前記入力映像信号のフレーム周波数に対して、前記光ビームの断面形状の数と互いに素な整数倍の周波数で、前記光ビームの断面形状を時間的に変化させる、投射型画像表示装置。
12. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の投射型画像表示装置において、
    前記制御手段は、前記投射手段から入力映像信号に応じた画像が投射されるように、前記光源手段および前記投射手段を制御し、前記入力映像信号のフレーム周波数とは非同期に前記光ビームの断面形状を時間的に変化させる、投射型画像表示装置。

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