JP2013222056A - 投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の光学部材を流用しつつ、簡易な構成でスペックルを不可視化する。
【解決手段】投射装置２０は、インテグレータロッド７０と、インテグレータロッド７０の入射面に配置される拡散面５１を有し、コヒーレント光を拡散可能な光学素子５０と、コヒーレント光が光学素子５０上を走査するように、光学素子５０にコヒーレント光を照射する照射装置６０と、インテグレータロッド７０の出射面から出射されたコヒーレント光によって直接または間接に照明される光変調器３０と、光変調器３０で生成される変調画像を投射する投射光学系８０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、コヒーレント光を照射する光源とインテグレータロッドを用いた投射装置に関する。

光学式投射装置（プロジェクタ）では、光源から照射された光でスクリーンを均一に照明することが重要である。スクリーンの均一照明を実現する手法として、フライアイレンズを用いた液晶３板式やＤＭＤ（Digital Micromirror Device）用のインテグレータロッド方式などが提案されている。

ところが、これらの方式では、液晶ディスプレイの形状に合わせて矩形照明を行う際の構成レンズの焦点距離によって決定される光学配置の制約が大きく、設計自由度が低い上に、部品点数も多いという問題がある。

また、インテグレータロッド方式では、ロッド端面にゴミや傷が存在すると、像としてマイクロディスプレイ上に結像してしまうため、端面の清浄さを保つことが必要となる。

一方、光学式プロジェクタでは一般に、高圧水銀ランプなどの白色光源からなる照明装置を用いて液晶ディスプレイ等の空間光変調器を照明し、得られた変調画像をレンズでスクリーン上に拡大投影する方式を採用している。

ところが、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプは、寿命が比較的短く、光学式プロジェクタなどに用いた場合、頻繁にランプ交換を行う必要がある。そこで、レーザなどのコヒーレント光源を用いる方式も提案されている。例えば、産業界で広く利用されている半導体レーザは、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプに比べてはるかに長寿命である。また、単一波長の光を生成可能な光源であるため、ダイクロイックミラーなどの分光装置が不要になり、装置全体を小型化できるという利点もある。

ところで、レーザ光などのコヒーレント光源を用いる方式には、スペックルの発生といった新たな問題が生じている。スペックル（speckle）は、レーザ光などのコヒーレント光を散乱面に照射したときに現れる斑点状の模様であり、スクリーン上に発生すると斑点状の輝度ムラである明るさのムラとして観察され、観察者に対して生理的な悪影響を及ぼす要因になる。コヒーレント光を用いた場合にスペックルが発生する理由は、スクリーンなどの散乱反射面の各部で反射したコヒーレント光が、その極めて高い可干渉性ゆえに、互いに干渉し合うことによって生じるものとされている。たとえば、下記の非特許文献１には、スペックルの発生についての詳細な理論的考察がなされている。

このように、コヒーレント光源を用いる方式では、スペックルの発生という固有の問題が生じるため、スペックルの発生を抑制するための技術が提案されている。たとえば、下記の特許文献３には、レーザ光を散乱板に照射し、そこから得られる散乱光を空間光変調器に導くとともに、散乱板をモータによって回転駆動することにより、スペックルを低減する技術が開示されている。

特開２００９−２８２０８３号公報 特開２００８−２２４７６０号公報 特開平６−２０８０８９号公報

Speckle Phenomena in Optics, Joseph W. Goodman, Roberts & Co., 2006

上述したとおり、コヒーレント光源を用いた投射装置において、スペックルを低減する技術が提案されているが、これまでに提案された手法では、スペックルを効率的かつ十分に抑制することはできていない。たとえば、前掲の特許文献３に開示されている方法では、レーザ光を散乱板に照射して散乱させてしまうため、一部のレーザ光は映像表示に全く貢献することなく浪費されてしまう。また、スペックル低減のために散乱板を回転させる必要があるが、そのような機械的な回転機構は比較的大型の装置となり、また、電力消費も大きくなる。更に、散乱板を回転させたとしても、照明光の光軸の位置は変わらないため、スクリーン上での拡散に起因して発生するスペックルを十分に抑制することはできない。

ところで、コヒーレント光は、レーザ光に代表されるように、優れた直進性を有するとともに、非常にエネルギ密度の高い光として照射され得る。したがって、実際に開発される照明装置としては、このようなコヒーレント光の特性に対応して、コヒーレント光の光路が設計されていることが好ましい。

本件発明者らは、以上の点を踏まえて鋭意研究を重ね、その結果として、コヒーレント光で光変調器を照明した状態で、光変調器で生成される変調画像を投射させる投射装置を発明するにいたった。また、本件発明者らは、さらに研究を進め、コヒーレント光で光変調器を照明する際に、照明領域内に明るさが突出して明るくなる領域が生じることを安定して防止し得るように、当該照明装置を改善することができた。すなわち、本発明は、既存の光学部材を流用しつつ、簡易な構成でスペックルを不可視化できる投射装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、インテグレータロッドと、
前記インテグレータロッドの入射面に配置される拡散面を有し、コヒーレント光を拡散する光学素子と、
コヒーレント光が前記光学素子上を走査するように、前記光学素子にコヒーレント光を照射する照射装置と、
前記インテグレータロッドの出射面から出射されたコヒーレント光によって直接または間接に照明される光変調器と、
前記光変調器で生成される変調画像を投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする投射装置が提供される。

本発明によれば、既存の光学部材を流用しつつ、簡易な構成でスペックルを不可視化することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る投射装置２０の概略構成を示すブロック図。 図１にリレー光学系７２を追加した投射装置２０のブロック図。 ホログラム記録媒体５５に散乱板６の像を干渉縞として形成する様子を説明する図。 図３の露光工程を経て得られたホログラム記録媒体５５に形成された干渉縞を用いて散乱板の像を再生する様子を説明する図。 走査デバイス６５の走査経路を説明する図。 ミラーデバイス６６を二軸方向に回動させる例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから適宜変更したり、誇張してある。

図１は本発明の一実施形態に係る投射装置２０の概略構成を示すブロック図である。図１の投射装置２０は、光学素子５０と、照射装置６０と、インテグレータロッド７０と、光変調器３０と、投射光学系８０とを備えている。本明細書では、光学素子５０と照射装置６０を合わせたものを照明装置４０と呼ぶ。

照射装置６０は、コヒーレント光が光学素子５０の表面を走査するように、光学素子５０にコヒーレント光を照射する。照射装置６０は、コヒーレント光を放射するレーザ光源６１と、レーザ光源６１から放射されたコヒーレント光を光学素子５０の表面上で走査させる走査デバイス６５とを有する。本明細書では、照射装置６０からレーザ光源６１を除いた構成部分を照射制御装置と呼ぶ。

光学素子５０は、インテグレータロッド７０の入射面に配置される拡散面５１を有し、この拡散面５１は、走査デバイス６５から光学素子５０に照射されたコヒーレント光を拡散させて、インテグレータロッド７０の内部に入射させる。

インテグレータロッド７０は、中空の筒状になっており、拡散面５１で拡散されたコヒーレント光を内面で全反射させながら出射面方向に伝搬させる。これにより、インテグレータロッド７０の出射面からは、出射面内の全域で光量が均一なコヒーレント光が出射される。

光学素子５０は、例えばホログラム感光材料に干渉縞を記録して形成されるホログラム記録媒体５５を用いて構成される。ホログラム記録媒体５５の詳細については後述する。光学素子５０としてホログラム記録媒体５５を用いる場合、ホログラム記録媒体５５には、走査デバイス６５にて反射されたコヒーレント光が入射される。ホログラム記録媒体５５は干渉縞が記録された記録面を有し、この記録面にコヒーレント光が入射されると、干渉縞で回折されたコヒーレント光が発散光（拡散光）となって放射されて、インテグレータロッド７０に入射される。ホログラム記録媒体５５の記録面は、インテグレータロッド７０の入射面に配置される拡散面５１に対応する。

走査デバイス６５は、レーザ光源６１からのコヒーレント光の反射角度を時間的に変化させる。これにより、走査デバイス６５からのコヒーレント光は、光学素子５０上を走査することになる。例えば、光学素子５０として、干渉縞が記録されたホログラム記録媒体５５を用いる場合、走査デバイス６５からのコヒーレント光は、ホログラム記録媒体５５への入射角度および入射位置を時間的に変えながら、ホログラム記録媒体５５の記録面上の干渉縞により回折される。よって、インテグレータロッド７０には、入射角度や入射位置が時間的に変化するコヒーレント光が入射され、これらコヒーレント光がインテグレータロッド７０内で全反射しながら出射面方向に伝搬するため、インテグレータロッド７０の出射面は、時間的に異なる角度で、かつ均一な光量で照明されることになる。

図１の投射装置２０では、インテグレータロッド７０の出射面を被照明領域ＬＺとして利用して、この位置に光変調器３０を配置している。光変調器３０は、被照明領域ＬＺの照明光を利用して、変調画像を生成する。

光変調器３０としては、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子からなる反射型のマイクロディスプレイを用いることができる。上述した特許文献２に開示された装置でも、ＤＭＤが光変調器３０として利用されている。あるいは、光変調器３０として透過型の液晶パネルを用いてもよい。

光変調器３０の入射面は、照明装置４０がコヒーレント光を照射する被照明領域ＬＺと同一の位置で、かつ同一の形状および大きさであることが好ましい。この場合、照明装置４０からのコヒーレント光を、拡散スクリーン１５への映像の表示に高い利用効率で利用することができるからである。

光変調器３０で生成された変調画像は投射光学系８０に入射される。投射光学系８０は、例えば複数枚のレンズ群で構成されたプロジェクションレンズ８１を有する。光変調器３０で生成された変調画像は、プロジェクションレンズ８１で屈折されて拡散スクリーン１５上に投射される。プロジェクションレンズ８１の径や、プロジェクションレンズ８１と光変調器３０との距離や、プロジェクションレンズ８１と拡散スクリーン１５との距離によって、拡散スクリーン１５に投影される変調画像のサイズを調整することができる。図１の拡散スクリーン１５は透過型であり、投射された変調画像光を拡散する。なお、拡散スクリーン１５は、反射型でもよい。

図１では省略しているが、拡散スクリーン１５で拡散された変調画像を、不図示のハーフミラーに入射して、このハーフミラーで、拡散スクリーン１５で拡散された変調画像光の一部を反射させて変調画像の虚像を形成して、この虚像を外光とともにハーフミラーを介して観察者が視認できるようにしてもよい。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置を実現できる。この場合、ハーフミラーとして、例えば、車両のフロントガラスを用いることができ、観察者は運転席に座って前方を向くことで、フロントガラスを通して車外の景色を見ながら、虚像を視認できる。あるいは、ハーフミラーの代わりに、種々の光学素子やプリズムを用いてもよい。

光変調器３０では、種々の変調画像を生成可能であり、光変調器３０で変調画像を生成して、その変調画像を被照明領域ＬＺで照明することで、種々の変調画像を拡散スクリーン１５上に投射することができる。

なお、本実施形態を照明装置４０に適用する場合は、光変調器３０と投射光学系８０は不要となる。すなわち、インテグレータロッド７０の出射面に形成される被照明領域ＬＺを照明光として利用すればよい。

上述したように、インテグレータロッド７０の出射面は、時間的に異なる角度で照明され、この照明光を利用して光変調器３０で生成された変調画像が投射光学系８０で拡散スクリーン１５に投射されるため、拡散スクリーン１５の入射角度も時間的に角度変化する。これにより、拡散スクリーン１５で生成されるスペックルパターンが時間的に変化し、観察者の目には不可視化される。

図１の投射装置２０は、インテグレータロッド７０の出射面に光変調器３０を配置しており、光変調器３０の照明領域のサイズは、インテグレータロッド７０の出射面のサイズに依存することになる。よって、例えばインテグレータロッド７０の出射面のサイズに見合ったサイズの光変調器３０を配置しなければならないという制約が生じる。

このような制約をなくすには、インテグレータロッド７０の出射面と光変調器３０との間に、被照明領域ＬＺのサイズ変換手段を設ければよい。このサイズ変換手段は、例えばリレー光学系７２で実現可能である。

図２は図１にリレー光学系７２を追加した投射装置２０のブロック図である。図２の投射装置２０は、インテグレータロッド７０の出射面と光変調器３０との間に配置されるリレー光学系７２を備えている。このリレー光学系７２は、インテグレータロッド７０の出射面の光情報を任意の倍率に変換して光変調器３０を照明する。これにより、リレー光学系７２の光学倍率を変更することで、インテグレータロッド７０の出射面に設けられる被照明領域ＬＺのサイズを任意のサイズに変換して光変調器３０を照明可能となる。これにより、本実施形態で用いられる光変調器３０の制限が緩和される。このように、リレー光学系７２は、インテグレータロッド７０の出射面から出射されたコヒーレント光の光束の形状と相似形の光束を形成する。ここで、相似形とは、インテグレータロッド７０の出射面から出射されたコヒーレント光の光束の形状と同じ形状、あるいはその形状を変えずに拡大または縮小した形状を意味する。また、リレー光学系７２を用いることにより、光変調器３０を照明した後、プロジェクションレンズ８１の入射瞳に効率よく光を集めることができる。

本実施形態は、インテグレータロッド７０から投射光学系８０までを既存の光学部材を流用して構成できるという特徴を持っている。すなわち、図１と図２の投射装置２０は、既存の光学部材に独自の照明装置４０を組み合わせるだけで、スペックルの不可視化を実現できるものである。このように、本実施形態では、既存の光学部材を流用できることから、設計変更が容易で、設計変更に要するコストと時間を削減できる。

また、本実施形態では、照明装置４０内の光学素子５０の拡散面５１をインテグレータロッド７０の入射面に配置したことを特徴としており、照明装置４０とインテグレータロッド７０との位置合わせが容易になり、光学設計が容易になり、製造時の作業性も向上し、光学的な位置ずれも生じにくく、性能のばらつきを抑制できる。

なお、インテグレータロッド７０の入射面に光学素子５０を配置すると、光学素子５０で拡散されたコヒーレント光のうち０次光がインテグレータロッド７０の出射面から出射されるおそれもあり、スペックルを不可視化させる性能を劣化させる要因になる。よって、本実施形態では、０次光が直接インテグレータロッド７０の出射面から出射されないような拡散特性、すなわち、インテグレータロッド７０の入射光がインテグレータロッド７０の内面で全反射しながら出射面方向に伝搬する拡散特性を持つ光学素子５０を利用するのが望ましい。

また、本実施形態では、インテグレータロッド７０の径サイズも重要である。インテグレータロッド７０の径サイズが小さい場合は、インテグレータロッド７０の入射面に配置される光学素子５０のサイズも小さくせざるを得ず、走査デバイス６５で光学素子５０上を走査させるのが困難になる。よって、走査デバイス６５の走査性能を加味して、インテグレータロッド７０の径サイズを定めるのが望ましい。

本実施形態では、被照明領域ＬＺの光量の均一性や被照明領域ＬＺのビーム形状はインテグレータロッド７０に依存するため、光学素子５０でコヒーレント光を均等に拡散させる必要はない。多少不均一であっても、インテグレータロッド７０を介在することで、光量の均一化を実現できる。また、光学素子５０でのコヒーレント光の拡散範囲が狭くても、インテグレータロッド７０の出射面の形状で、被照明領域ＬＺのビーム形状が決まる。このため、光学素子５０の拡散性能はある程度緩和されるが、拡散面５１で拡散されたコヒーレント光が、インテグレータロッド７０内の内面で全反射するような拡散特性を持った光学素子５０を使用する必要がある。

光学素子５０として、干渉縞が記録されたホログラム記録媒体５５を用いる場合、ホログラム記録媒体５５は、照射装置６０から放射されるコヒーレント光を再生照明光Ｌａとして受けて、当該コヒーレント光を高効率で回折する必要がある。とりわけ、ホログラム記録媒体５５は、その各位置、言い換えると、その各点とも呼ばれるべき各微小領域に入射するコヒーレント光を回折することによって、散乱板の像を再生することができるようになっている。

一方、照射装置６０は、ホログラム記録媒体５５に照射されるコヒーレント光が、走査デバイス６５によりホログラム記録媒体５５上を走査するようにしている。したがって、ある瞬間に、照射装置６０によってコヒーレント光が照射されたホログラム記録媒体５５上の領域は、ホログラム記録媒体５５の表面の一部分であって、とりわけ図示する例では、点と呼ばれるべき微小領域となっている。

そして、照射装置６０から放射されてホログラム記録媒体５５上を走査するコヒーレント光は、ホログラム記録媒体５５上の各位置（各点または各領域（以下、同じ））に、当該ホログラム記録媒体５５の回折条件を満たすような入射角度で、入射するようになっている。照射装置６０からホログラム記録媒体５５の各位置に入射したコヒーレント光は、それぞれ、ホログラム記録媒体５５で回折されてインテグレータロッド７０に入射され、インテグレータロッド７０内の内面で全反射しながら伝搬して、インテグレータロッド７０の出射面に設けられる被照明領域ＬＺを照明する。

このようなコヒーレント光の回折作用を可能にするホログラム記録媒体５５として、フォトポリマーを用いた透過型の体積型ホログラムを用いることができる。

図３はホログラム記録媒体５５に散乱板６の像を干渉縞として形成する様子を説明する図である。ここで、散乱板６とは、光を散乱させる参照部材であり、参照部材の具体的な形態は問わない。

図３に示すように、ホログラム記録媒体５５は、実物の散乱板６からの散乱光を物体光Ｌｏとして用いて作製されている。図３には、ホログラム記録媒体５５をなすようになる感光性を有したホログラム感光材料５８に、互いに干渉性を有するコヒーレント光からなる参照光Ｌｒと物体光Ｌｏとが露光されている状態が示されている。

参照光Ｌｒとしては、例えば、特定波長域のレーザ光を発振するレーザ光源からのレーザ光が用いられている。参照光Ｌｒは、レンズからなる集光素子７を透過してホログラム感光材料５８に入射する。図３に示す例では、参照光Ｌｒをなすようになるレーザ光が、集光素子７の光軸と平行な平行光束として、集光素子７へ入射する。参照光Ｌｒは、集光素子７を透過することによって、それまでの平行光束から収束光束に整形（変換）され、ホログラム感光材料５８へ入射する。この際、収束光束Ｌｒの焦点位置ＦＰは、ホログラム感光材料５８を通り過ぎた位置にある。すなわち、ホログラム感光材料５８は、集光素子７と、集光素子７によって集光された収束光束Ｌｒの焦点位置ＦＰと、の間に配置されている。

次に、物体光Ｌｏは、たとえばオパールガラスからなる散乱板６からの散乱光として、ホログラム感光材料５８に入射する。図３の例では、作製されるべきホログラム記録媒体５５が透過型であり、物体光Ｌｏは、参照光Ｌｒと同じ側の面からホログラム感光材料５８へ入射する。物体光Ｌｏは、参照光Ｌｒと干渉性を有することが前提である。したがって、例えば、同一のレーザ光源から発振されたレーザ光を分光させて、分光された一方を上述の参照光Ｌｒとして利用し、他方を物体光Ｌｏとして使用することができる。

図３に示す例では、散乱板６の板面への法線方向と平行な平行光束が、散乱板６へ入射して散乱され、そして、散乱板６を透過した散乱光が物体光Ｌｏとしてホログラム感光材料５８へ入射している。この方法によれば、通常安価に入手可能な等方散乱板を散乱板６として用いた場合に、散乱板６からの物体光Ｌｏが、ホログラム感光材料５８に概ね均一な光量分布で入射することが可能となる。またこの方法によれば、散乱板６による散乱の度合いにも依存するが、ホログラム感光材料５８の各位置に、散乱板６の出射面６ａの全域から概ね均一な光量で参照光Ｌｒが入射しやすくなる。このような場合には、得られたホログラム記録媒体５５の各位置に入射した光が、それぞれ、散乱板６の像５を同様の明るさで再生すること、および、再生された散乱板６の像５が概ね均一な明るさで観察されることが実現され得る。

以上のようにして、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｏがホログラム記録材料５８に露光されると、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｏが干渉してなる干渉縞が生成され、この光の干渉縞が、何らかのパターン、体積型ホログラムでは、一例として、屈折率変調パターンとして、ホログラム記録材料５８に記録される。その後、ホログラム記録材料５８の種類に対応した適切な後処理が施され、ホログラム記録材料５５が得られる。

図４は図３の露光工程を経て得られたホログラム記録媒体５５に形成された干渉縞を用いて散乱板の像を再生する様子を説明する図である。図４に示すように、図３のホログラム感光材料５８にて形成されたホログラム記録媒体５５は、露光工程で用いられたレーザ光と同一波長の光であって、露光工程における参照光Ｌｒの光路を逆向きに進む光によって、そのブラッグ条件が満たされるようになる。すなわち、図４に示すように、露光工程時におけるホログラム感光材料５８に対する焦点ＦＰの相対位置（図３参照）と同一の位置関係をなすようにしてホログラム記録媒体５５に対して位置する基準点ＳＰから発散し、露光工程時における参照光Ｌｒと同一の波長を有する発散光束は、再生照明光Ｌａとして、ホログラム記録媒体５５にて回折され、露光工程時におけるホログラム感光材料５８に対する散乱板６の相対位置（図３参照）と同一の位置関係をなすようになるホログラム記録媒体５５５０に対する特定の位置に、散乱板６の再生像５を生成する。

この際、散乱板６の再生像５を生成する再生光（再生照明光Ｌａをホログラム記録媒体５５で回折してなる光）Ｌｂは、露光工程時に散乱板６からホログラム感光材料５８へ向かって進んでいた物体光Ｌｏの光路を逆向きに進む光として散乱板６の像５の各点を再生する。そして、上述したように、また図３に示すように、露光工程時に散乱板６の出射面６ａの各位置から出射する散乱光Ｌｏが、それぞれ、ホログラム感光材料５８の概ね全領域に入射するように拡散している（広がっている）。すなわち、ホログラム感光材料５８上の各位置には、散乱板６の出射面６ａの全領域からの物体光Ｌｏが入射し、結果として、出射面６ａ全体の情報がホログラム記録媒体５５の各位置にそれぞれ記録されている。このため、図４に示された、再生照明光Ｌａとして機能する基準点ＳＰからの発散光束をなす各光は、それぞれ単独で、ホログラム記録媒体５５の各位置に入射して互いに同一の輪郭を有した散乱板６の像５を、互いに同一の位置（被照明領域ＬＺ）に再生することができる。

ホログラム記録媒体５５に入射した光は、インテグレータロッド７０を介して被照明領域ＬＺの方向に伝搬されるため、無駄な散乱光を効果的に抑制できる。したがって、ホログラム記録媒体５５に入射される再生照明光Ｌａをすべて、散乱板６の像を形成するために有効利用できる。

次に、図３に示した手法で干渉縞が形成されるホログラム記録媒体５５からなる光学素子５０にコヒーレント光を照射する照射装置６０の構成について説明する。図１に示す照射装置６０は、コヒーレント光を生成するレーザ光源６１と、このレーザ光源６１からのコヒーレント光の進行方向を変化させる走査デバイス６５と、を有する。

レーザ光源６１は、単色のレーザ光源でもよいし、発光色の異なる複数のレーザ光源でもよい。例えば、赤、緑、青の複数のレーザ光源を用いて構成してもよい。複数のレーザ光源６１を用いる場合は、各レーザ光源６１からのレーザ光が走査デバイス６５上の同一点を照射するようにする。これにより、ホログラム記録媒体５５は、各レーザ光源６１の照明色が混ざり合った再生照明光で照明されることになる。この場合、各レーザ光源からのコヒーレント光は、走査デバイス６５の入射角度に応じた反射角度で反射されて、ホログラム記録媒体５５上に入射され、ホログラム記録媒体５５から別個に回折されて、被照明領域ＬＺ上で重ね合わされて合成色になる。例えば、赤、緑、青の複数のレーザ光源を用いて構成して場合には白色になる。あるいは、各レーザ光源ごとに、別個の走査デバイス６５を設けてもよい。

なお、例えば白色で照明する場合は、赤緑青以外の色で発光するレーザ光源、例えば、黄色で発光するレーザ光源を別個に設けた方が、より白色に近い色を再現できる場合もある。したがって、照射装置６０内に設けるレーザ光源の種類や数は、特に限定されるものではない。

光変調器３０にてカラーの変調画像を形成する場合には、種々の実現手法が考えられる。光変調器３０がシリコン基板上に形成された液晶表示装置などで構成されていて、各画素ごとにカラーフィルタを有する場合には、被照明領域ＬＺを白色光とすることで、光変調器３０で生成される変調画像をカラー化することができる。

あるいは、例えば、赤色の変調画像を生成する光変調器３０と、緑色の変調画像を生成する光変調器３０と、青色の変調画像を生成する光変調器３０とを近接配置し、これら３つの光変調器３０のそれぞれを照明する３つの被照明領域ＬＺを、順次にホログラム記録媒体５５からの拡散光で照明してもよい。これにより、３つの光変調器３０で生成された３色の変調画像が合成されて、カラーの変調画像を生成可能となる。このような時分割駆動の代わりに、３つの光変調器３０で同時に生成した３色の変調画像をプリズム等を用いて合成して、カラーの変調画像を生成してもよい。

上述した投射光学系８０は、主には、光変調器３０の変調画像を拡散スクリーン１５に投影するために設けられている。拡散スクリーン１５を設けることで、スペックルが重ねられて平均化される結果、スペックルが目立たなくなる。

走査デバイス６５は、コヒーレント光の進行方向を経時的に変化させ、コヒーレント光の進行方向が一定とはならないよう種々の方向へ向ける。この結果、走査デバイス６５で進行方向を変化させられるコヒーレント光が、光学素子５０のホログラム記録媒体５５の入射面上を走査するようになる。

図５は、走査デバイス６５の走査経路を説明する図である。図５からわかるように、反射デバイス６６は、一つの軸線ＲＡ１を中心として回動可能な反射面６６ａとしてのミラーを有したミラーデバイス６６を有する。このミラーデバイス６６は、ミラー６６ａの配向を変化させることによって、レーザ光源６１からのコヒーレント光の進行方向を変化させるようになっている。この際、図２に示すように、ミラーデバイス６６は、概ね、基準点ＳＰにおいてレーザ光源６１からコヒーレント光を受けるようになっている。

ミラーデバイス６６で進行方向を最終調整されたコヒーレント光は、基準点ＳＰからの発散光束の一光線をなし得る再生照明光Ｌａ（図４参照）として、光学素子５０のホログラム記録媒体５５へ入射し得る。結果として、照射装置６０からのコヒーレント光がホログラム記録媒体５５上を走査するようになり、且つ、ホログラム記録媒体５５上の各位置に入射したコヒーレント光が同一の輪郭を有した散乱板６の像５を同一の位置（被照明領域ＬＺ）に再生するようになる。

図５に示すミラーデバイス６６は、一つの軸線ＲＡ１に沿ってミラー６６ａを回動させるように構成されている。図５に示された例では、ミラー６６ａの回動軸線ＲＡ１は、ホログラム記録媒体５５の板面上に定義されたＸＹ座標系（つまり、ＸＹ平面がホログラム記録媒体５５の板面と平行となるＸＹ座標系）のＹ軸と、平行に延びている。そして、ミラー６６ａが、ホログラム記録媒体５５の板面上に定義されたＸＹ座標系のＹ軸と平行な軸線ＲＡ１を中心として回動するため、照射装置６０からのコヒーレント光の光学素子５０への入射点ＩＰは、ホログラム記録媒体５５の板面上に定義されたＸＹ座標系のＸ軸と平行な方向に往復動するようになる。すなわち、図５に示された例では、照射装置６０は、コヒーレント光がホログラム記録媒体５５上を直線経路に沿って走査するように、光学素子５０にコヒーレント光を照射する。

ミラーデバイス６６等で構成される走査デバイス６５は、上述したように、少なくとも軸線Ａ１回りに回動可能な部材であり、例えば、ＭＥＭＳなどを用いて構成される。走査デバイス６５は、周期的に回動運動を行うが、その回動周波数には特に制限はない。

なお、実際上の問題として、ホログラム記録媒体５５を作成する際、ホログラム記録材料５８が収縮する場合がある。このような場合、ホログラム記録材料５８の収縮を考慮して、ホログラム記録媒体５５を作成する際のコヒーレント光の入射角度が調整されることが好ましい。したがって、レーザ光源６１で生成するコヒーレント光の波長は、図３の露光工程（記録工程）で用いた光の波長と厳密に一致させる必要はなく、ほぼ同一となっていてもよい。

また、同様の理由から、光学素子５０のホログラム記録媒体５５へ入射する光の進行方向も、基準点ＳＰからの発散光束に含まれる一光線と厳密に同一の経路を取っていなくとも、被照明領域ＬＺに像５を再生することができる。実際に、図５に示す例では、走査デバイス６５をなすミラーデバイス６６のミラー（反射面）６６ａは、必然的に、その回動軸線ＲＡ１からずれる。したがって、基準点ＳＰを通過しない回動軸線ＲＡ１を中心としてミラー６６ａを回動させた場合、ホログラム記録媒体５５へ入射する光は、基準点ＳＰからの発散光束をなす一光線とはならないことがある。しかしながら、実際には、図示された構成の照射装置６０からのコヒーレント光によって、被照明領域ＬＺに重ねて像５を実質的に再生することができる。

（本実施形態の作用効果）
次に、以上の構成からなる投射装置２０の作用および効果について説明する。

本来的に、インテグレータロッド７０は、出射面内での光量を均一化させる作用を行うものであり、その入射面に光拡散機能を持たせる必要はない。ところが、本実施形態では、インテグレータロッド７０の入射面に、あえて拡散面５１を配置している。

より具体的には、本実施形態では、インテグレータロッド７０の入射面に光学素子５０の拡散面５１を配置し、走査デバイス６５からのコヒーレント光を光学素子５０上で走査させるようにしている。これにより、光学素子５０で拡散されたコヒーレント光をインテグレータロッド７０の内面で全反射させながら出射面方向に伝搬させることができ、出射面では光量が均一なコヒーレント光が得られるだけでなく、出射面でのコヒーレント光の出射角度が時間的に変化するようになる。よって、出射面でのコヒーレント光を、リレー光学系７２を介して、あるいは介さずに投射光学系８０に導くことで、拡散スクリーン１５上のスペックルパターンを時間的に変化させることができ、スペックルが不可視化される。

このように、本実施形態によれば、インテグレータロッド７０を、光量の均一化という本来の目的の他に、スペックルの不可視化のためにも用いることができる。

また、本実施形態のように、インテグレータロッド７０の入射面に光学素子５０の拡散面５１を配置する場合は、インテグレータロッド７０と光学素子５０との光学的な位置ずれが起きなくなり、光学設計が容易になるとともに、投射装置２０も小型化できる。

さらに、本実施形態では、インテグレータロッド７０から投射光学系８０までは既存の光学部材をそのまま流用できるため、既存の光学部材からの設計変更を容易に行うことができ、設計変更に要する時間とコストも抑制できる。

本実施形態におけるスペックルの不可視化について、以下に詳述する。前掲の非特許文献１によれば、スペックルを目立たなくさせるには、偏光・位相・角度・時間といったパラメータを多重化し、モードを増やすことが有効であるとされている。ここでいうモードとは、互いに無相関なスペックルパターンのことである。例えば、複数のレーザ光源６１から同一のスクリーンに異なる方向からコヒーレント光を投射した場合、レーザ光源６１の数だけ、モードが存在することになる。また、同一のレーザ光源６１からのコヒーレント光を、単位時間毎に異なる方向からスクリーンに投射した場合、人間の目で分解不可能な時間の間にコヒーレント光の入射方向が変化した回数だけ、モードが存在することになる。そして、このモードが多数存在する場合には、光の干渉パターンが無相関に重ねられて平均化され、結果として、観察者の目によって観察されるスペックルが目立たなくなるものと考えられている。

上述したように、本実施形態では、コヒーレント光は、光学素子５０上を連続的に走査する。これにより、光学素子５０の各点に入射されるコヒーレント光の入射角度は時間とともに変化する。また、光学素子５０から拡散されてインテグレータロッド７０に入射されたコヒーレント光は、インテグレータロッド７０の内面で全反射されながら出射面方向に伝搬する。これらの作用により、インテグレータロッド７０の出射面（被照明領域ＬＺ）から出射されるコヒーレント光は、きわめて光量の均一性が高くなり、かつコヒーレント光の出射方向も連続的に変化する。

ここで、光学素子５０へのコヒーレント光の入射方向が僅か（例えば０．数°）だけ変化すれば、被照明領域ＬＺ上に生じるスペックルのパターンも大きく変化し、無相関なスペックルパターンが重畳されることになる。加えて、実際に市販されているＭＥＭＳミラーやポリゴンミラー等の走査デバイス６５の周波数は通常数百Ｈｚ以上であり、数万Ｈｚにも達する走査デバイス６５も珍しくない。

以上のことから、本実施形態によれば、インテグレータロッド７０の出射面に設けられる被照明領域ＬＺの各位置において時間的にコヒーレント光の入射方向が変化していき、且つ、この変化は、人間の目で分解不可能な速さである。したがって、仮に被照明領域ＬＺにスクリーンを配置したとすると、各入射角度に対応して生成されたスペックルが重ねられ平均化されて観察者に観察されることから、スクリーンに表示されている映像を観察する観察者に対して、スペックルを極めて効果的に目立たなくさせることができる。

本実施形態の場合は、被照明領域ＬＺの位置に重ねて光変調器３０を配置か、あるいは、リレー光学系７２を介して光変調器３０を配置し、この光変調器３０から投射光学系８０を介して拡散スクリーン１５に投射している。本実施形態では、被照明領域ＬＺから出射されるコヒーレント光の出射角度が連続的に変化することから、リレー光学系７２や投射光学系８０を介して拡散スクリーンに入射されるコヒーレント光の入射角度も連続的に変化し、拡散スクリーン１５上で発生するスペックルが重ねられて平均化されて、拡散スクリーン１５上で発生するスペックルは目立たなくなる。

（照射装置６０）
上述した形態では、照射装置６０が、レーザ光源６１と走査デバイス６５とを有する例を説明した。走査デバイス６５は、コヒーレント光の進行方向を反射によって変化させる一軸回動型のミラーデバイス６６からなる例を示したが、これに限られない。走査デバイス６５は、図６に示すように、ミラーデバイス６６のミラー（反射面６６ａ）が、第１の回動軸線ＲＡ１だけでなく、第１の回動軸線ＲＡ１と交差する第２の回動軸線ＲＡ２を中心としても回動可能となっていてもよい。図６に示された例では、ミラー６６ａの第２の回動軸線ＲＡ２は、ホログラム記録媒体５５の面上に定義されたＸＹ座標系のＹ軸と平行に延びる第１回動軸線ＲＡ１と、直交している。そして、ミラー６６ａが、第１軸線ＲＡ１および第２軸線ＲＡ２の両方を中心として回動可能なため、照射装置６０からのコヒーレント光の光学素子５０への入射点ＩＰは、ホログラム記録媒体５５の板面上で二次元方向に移動可能となる。このため、一例として図６に示されているように、コヒーレント光の光学素子５０への入射点ＩＰが円周上を移動するようにすることもできる。

また、走査デバイス６５は、二以上のミラーデバイス６６を含んでいてもよい。この場合、ミラーデバイス６６のミラー６６ａが、単一の軸線を中心としてのみ回動可能であっても、照射装置６０からのコヒーレント光の光学素子５０への入射点ＩＰを、ホログラム記録媒体５５の板面上で二次元方向に移動させることができる。

なお、走査デバイス６５に含まれるミラーデバイス６６ａの具体例としては、ＭＥＭＳミラー、ポリゴンミラー、ガルバノスキャナ等を挙げることができる。

また、走査デバイス６５は、反射によってコヒーレント光の進行方向を変化させる反射デバイス、すなわち、本実施形態において、一例として上述してきたミラーデバイス６６以外のデバイスを含んで構成されていてもよい。例えば、走査デバイス６５が、屈折プリズムやレンズ等を含んでいていてもよい。

そもそも、走査デバイス６５は必須ではなく、照射装置６０の光源６１が、光学素子５０に対して変位可能（移動、揺動、回転）に構成され、光源６１の光学素子５０に対する変位によって、光源６１から照射されたコヒーレント光がホログラム記録媒体５５上を走査するようにしてもよい。

さらに、照射装置６０の光源６１が、線状光線として整形されたレーザ光を発振する前提で説明してきたが、これに限られない。とりわけ、上述した形態では、光学素子５０の各位置に照射されたコヒーレント光は、光学素子５０によって、被照明領域ＬＺの全域に入射するようになる光束に整形される。したがって、照射装置６０の光源６１から光学素子５０に照射されるコヒーレント光は精確に整形されていなくとも不都合は生じない。このため、光源６１から発生されるコヒーレント光は、発散光であってもよい。また、光源６１から発生されるコヒーレント光の断面形状は、円でなく、楕円等であってもよい。さらには、光源６１から発生されるコヒーレント光の横モードがマルチモードであってもよい。

なお、光源６１が発散光束を発生させる場合、コヒーレント光は、光学素子５０のホログラム記録媒体５５に入射する際に、点ではなくある程度の面積を持った領域に入射することになる。この場合、ホログラム記録媒体５５で回折されて被照明領域ＬＺの各位置に入射する光は、角度を多重化されることになる。言い換えると、各瞬間において、被照明領域ＬＺの各位置には、或る程度の角度範囲の方向からコヒーレント光が入射する。このような角度の多重化によって、スペックルをさらに効果的に目立たなくさせることができる。

さらに、図１では、走査デバイス６５で反射されたコヒーレント光を直接に光学素子５０に入射させる例を示したが、走査デバイス６５と光学素子５０の間に集光レンズを設けて、この集光レンズでコヒーレント光を平行光束にして光学素子５０に入射するようにしてもよい。このような例では、ホログラム記録媒体５５を作製する際の露光工程において、参照光Ｌｒとして、上述した収束光束に代えて、平行光束を用いることになる。このようなホログラム記録媒体５５は、より簡単に作製および複製することができる。

（光学素子５０）
上述した形態において、光学素子５０が、フォトポリマーを用いた透過型の体積型ホログラム５５からなる例を示したが、これに限られない。また、光学素子５０は、銀塩材料を含む感光媒体を利用して記録するタイプの体積型ホログラムを含んでもよい。さらに、光学素子５０は、レリーフ型（エンボス型）のホログラム記録媒体５５を含んでいてもよい。

また、図２に示す記録工程では、いわゆるフレネルタイプのホログラム記録媒体５５が作成されることになるが、レンズを用いた記録を行うことにより得られるフーリエ変換タイプのホログラム記録媒体５５を作成してもかまわない。ただ、フーリエ変換タイプのホログラム記録媒体５５を用いる場合には、像再生時にもレンズを使用してもよい。

また、ホログラム記録媒体５５に形成されるべき縞状パターン、例えば屈折率変調パターンや凹凸パターンは、現実の物体光Ｌｏおよび参照光Ｌｒを用いることなく、予定した再生照明光Ｌａの波長や入射方向、並びに、再生されるべき像の形状や位置等に基づき計算機を用いて設計されてもよい。このようにして得られたホログラム記録媒体５５は、計算機合成ホログラムとも呼ばれる。また上述した変形例のように波長域の互いに異なる複数のコヒーレント光が照射装置６０から照射される場合には、計算機合成ホログラムとしてのホログラム記録媒体５５は、各波長域のコヒーレント光にそれぞれ対応して設けられた複数の領域に平面的に区分けされ、各波長域のコヒーレント光は対応する領域で回折されて像を再生するようにしてもよい。

さらに、上述した形態では、光学素子５０としてホログラム記録媒体５５を用いる例を示したが、光学素子５０は必ずしもホログラム記録媒体５５には限られない。例えば、光学素子５０は、ホログラム記録媒体５５に代えて、或いはホログラム記録媒体５５に加えて、各位置に照射されたコヒーレント光の進行方向を変化させるとともに拡散させて、被照明領域ＬＺの全域をコヒーレント光で照明する光学要素としてのレンズアレイを備えていてもよい。このような具体例として、拡散機能を付与された全反射型または屈折型フレネルレンズや、フライアイレンズ等を挙げることができる。このような照明装置４０においても、照射装置６０が、レンズアレイ上をコヒーレント光が走査するようにして、光学素子５０にコヒーレント光を照射するようにし、且つ、照射装置６０から光学素子５０の各位置に入射したコヒーレント光が、レンズアレイによって進行方向を変化させられて被照明領域ＬＺを照明するよう、照射装置６０および光学素子５０を構成しておくことにより、スペックルの不可視化が実現される。

インテグレータロッド７０の入射面にレンズアレイを設ける場合、インテグレータロッド７０にＲＧＢの合成光を直接入射させ利用することが容易となり、光学系を簡略化・小型化することが可能となる。

また、インテグレータロッド７０の入射面を直接凹凸加工して、計算機合成ホログラムやレンズアレイを形成するようにすれば、インテグレータロッド７０と光学素子５０を一体成形でき、作業性がよくなる。例えば、インテグレータロッド７０の入射面の凹凸加工は、入射面を構成するガラス端面にレジストを付着して露光し、その後にエッチング加工することにより行うことができる。

（照明方法）
上述した形態において、照射装置６０が光学素子５０上でコヒーレント光を一次元方向に走査可能とするように構成され、且つ、光学素子５０の各位置に照射されたコヒーレント光を二次元方向に拡散するように構成され、これにより、照明装置４０が二次元的な被照明領域ＬＺを照明する例を示した。ただし、既に説明してきたように、このような例に限定されることはなく、例えば、照射装置６０が光学素子５０上でコヒーレント光を二次元方向に走査可能とするように構成され、且つ、光学素子５０の各位置に照射されたコヒーレント光を二次元方向に拡散するように構成され、これにより、図６に示したように、照明装置４０が二次元的な被照明領域ＬＺを照明してもよい。

また、既に言及しているように、照射装置６０が光学素子５０上でコヒーレント光を一次元方向に走査可能とするように構成され、且つ、光学素子５０のホログラム記録媒体５５が各位置に照射されたコヒーレント光を一次元方向に拡散するように構成され、これにより、照明装置４０が一次元的な被照明領域ＬＺを照明するようにしてもよい。この態様において、照射装置６０によるコヒーレント光の走査方向と、光学素子５０のホログラム記録媒体５５の拡散方向と、が平行となるようにしてもよい。

さらに、照射装置６０が光学素子５０上でコヒーレント光を一次元方向または二次元方向に走査可能とするように構成され、且つ、光学素子５０のホログラム記録媒体５５が各位置に照射されたコヒーレント光を一次元方向に拡散するように構成されていてもよい。この態様において、光学素子５０が複数のホログラム記録媒体５５を有し、各ホログラム記録媒体５５に対応した被照明領域ＬＺを順に照明していくことによって、照明装置４０が二次元的な領域を照明するようにしてもよい。この際、各被照明領域ＬＺが、人間の目では同時に照明されているかのような速度で、順に照明されていってもよいし、あるいは、人間の目でも順番に照明していると認識できるような遅い速度で、順に照明されていってもよい。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１５ 拡散スクリーン、２０ 投射装置、３０ 空間光変調器、４０ 照明装置、５０ 光学素子、５５ ホログラム記録媒体、５８ ホログラム感光材料、６０ 照射装置、６１ 光源、６５ 走査デバイス、６６ ミラーデバイス（反射デバイス）、６６ａ ミラー（反射面）、７０ インテグレータロッド、７２ リレー光学系、８０ 投射光学系、８１ プロジェクションレンズ、ＬＺ 被照明領域

Claims (7)

1. インテグレータロッドと、
   前記インテグレータロッドの入射面に配置される拡散面を有し、コヒーレント光を拡散する光学素子と、
   コヒーレント光が前記光学素子上を走査するように、前記光学素子にコヒーレント光を照射する照射装置と、
   前記インテグレータロッドの出射面から出射されたコヒーレント光によって直接または間接に照明される光変調器と、
   前記光変調器で生成される変調画像を投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする投射装置。
2. 前記インテグレータロッドの出射面から出射されたコヒーレント光の光束の形状と相似形の光束を生成するリレー光学系を備え、
   前記光変調器は、前記リレー光学系を通過したコヒーレント光により照明されることを特徴とする請求項１に記載の投射装置。
3. 前記光学素子は、前記拡散面で拡散されたコヒーレント光が前記インテグレータロッドの内面で全反射しながら出射面方向に伝搬する拡散特性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の投射装置。
4. 前記光学素子は、前記照射装置から前記光学素子の各位置に入射したコヒーレント光のそれぞれを回折または屈折させて、前記インテグレータロッドに入射させ、
   前記インテグレータロッドの内面で全反射されたコヒーレント光のそれぞれが、前記出射面に重ねて前記光学素子の再生像を形成することを特徴とする請求項３に記載の投射装置。
5. 前記光学素子は、透過型のホログラム記録媒体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の投射装置。
6. 前記照射装置は、
   コヒーレント光を放射する光源と、
   前記光源から放射された前記コヒーレント光の反射角度を調整可能で、反射されたコヒーレント光を前記ホログラム記録媒体上で走査させる走査デバイスと、を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の投射装置。
7. 前記光学素子は、入射光の進行方向を変化させるレンズアレイを有し、
   前記照射装置は、コヒーレント光が前記レンズアレイ上を走査するように、前記レンズアレイに前記コヒーレント光を照射し、
   前記レンズアレイは前記照射装置から照射されたコヒーレント光を屈折させて前記拡散面から前記インテグレータロッドに入射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の投射装置。

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