JP2014170034A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光利用効率損失がなく、スペックルノイズが少ない小型薄型の画像表示装置を実現することを目的とする。
【解決手段】青色光を発光する青色光源と、緑色光を発光する緑色光源と、赤色光を発光する赤色光源と、三色の光源の少なくとも一つがレーザ光源であり、レーザ光を変調し、映像光を生成する空間光変調素子と、映像光を出射するための投射レンズを備え、投射レンズの出射瞳位置における光強度分布を、瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度が大きい分布にすることでスペックルノイズを低減する。または、ＭＥＭＳミラー素子を用いる場合、ビームウェスト位置における光強度分布を、ビーム中心部に対してビーム周辺部の光強度を大きい分布にすることでスペックルノイズを低減する。さらにレーザ光を平行光線化する光学素子に上記の光強度分布にする機能を持たせる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光源としてレーザを用いた光源装置を備えた画像表示装置に関するものである。

近年、画像表示装置には光源としてレーザを用いる技術が注目されている。レーザは、従来から画像表示装置に多用されている水銀ランプや発光ダイオード（ＬＥＤ）と比較して、単色性を有することで色再現性領域が広い点、瞬時点灯が可能である点、長寿命である点、強い指向性を有するため高効率で消費電力を低減することができる点、ならびに小型化、薄型化が容易である点など、種々の利点を有している（例えば特許文献１参照）。

このような画像表示装置は、プロジェクタとも呼ばれ、所要の画像を外部スクリーンに投影表示するもので、カラー表示のための３色の光源とそれらの光出力をスクリーンに投射するまで導く光学系を備えている。この光学系は、コリメートレンズやクロスプリズムなどからなる合波光学系、フライアイレンズ、コンデンサーレンズなどからなる照明光学系、映像光を作り出す空間光変調素子や走査型のＭＥＭＳミラーなどからなる画像パネル系、投射レンズなどのスクリーンへ画像を投影するための投射光学系、から選ばれるいくつかの部品から構成されているのが一般的である。

特開２００３−９８４７６号公報 特開２０１１−１８０２８１号公報

画像表示装置の光源に用いられるレーザは高い干渉性（コヒーレンス）を有するため、スペックルノイズの課題を有する。スペックルノイズとはレーザ光が散乱される際に生じる粒状のノイズであり、光を照射した物体の各点で散乱したコヒーレント光が不規則な位相関係で干渉し合うことによって生じ、スクリーン上できらきら輝く明暗の粒状模様が現れる。この粒状のノイズが深刻な表示画像の画質劣化を引き起こす。

特に小型の画像表示装置では、光の広がりが小さい光学系を用いるため、スペックルノイズは大きくなる。また、スペクトル分布が狭いレーザ光を光源とした場合や、小型のため単数個数のレーザを用いる場合や、複数個のレーザでも波長域がほぼ同じ場合では強い干渉性を示しスペックルノイズが大きくなるという課題がある。

レーザ光源を用いた画像表示装置では光の空間的な広がり（Ｆ値）を広げることで、スペックルの低減を行なうことができるが、本発明のような小型薄型の画像表示装置ではレーザ光の空間的な広がりの大きさが制限されるため、容易にスペックルノイズを低減させることができない。

これまで、レーザ光源を用いた画像表示装置のスペックルノイズ低減に向けて種々の提案がなされている（例えば、特許文献１及び２を参照）。

特許文献１に開示されるレーザプロジェクタは、レーザ光源、ビーム拡大器、２組のフライアイレンズと集光レンズと視野レンズとからなるビーム成形オプティクス並びに移動拡散器を備える。ビーム成形オプティクスと移動拡散器との組み合わせの結果、空間光変調素子に対する照明の均一化並びにスペックルノイズの低減が達成されている。

しかしながら、特許文献１に開示されるレーザプロジェクタは、比較的大きな光学系（ランプ光源とともに用いられる光学系と同様の大きさ）を必要とする。したがって、当該レーザプロジェクタは、光学系の小型薄型化には不向きである。加えて、当該レーザプロジェクタのスペックルノイズの低減に十分な水準に達していない。

特許文献２は、射出瞳面における光強度の空間分布を均一化する拡散光学素子を備え、スペックルノイズを下げるために光源分布を均一化することが提案されている。しかしながら、拡散光学素子を光路上に配置することで拡散した光をすべて利用することができず、光利用効率の低下とともに、均一化だけではスペックル低減が不十分であり、当該レーザプロジェクタもスペックルノイズの低減に十分な水準に達していない。また、拡散光学素子という新たな部品を加えることで装置の大型化、コストアップにもなる。

上記の課題を鑑み、本発明では光利用効率損失がなく、スペックルノイズが少ない小型薄型の画像表示装置を実現することを目的とする。

本発明は、青色光を発光する青色光源と、緑色光を発光する緑色光源と、赤色光を発光する赤色光源と、三色の光源の少なくとも一つがレーザ光源であり、レーザ光を変調し、映像光を生成する空間光変調素子と、映像光を出射するための投射レンズを備え、投射レンズの出射瞳における光強度分布が瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度が大きいことを特徴とする画像表示装置である。

また本発明は、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光の光強度分布を変更する光分布形成レンズと、光分布形成レンズからのレーザ光を変調して映像光を生成する空間変調素子と、映像光を装置外部に出射する投射レンズと、を備え、光分布形成レンズは、レーザ光が入射する面またはレーザ光が出射する面の少なくとも一方に円錐面を有するレンズであることを特徴とする画像表示装置である。

また本発明は、青色光を発光する青色光源と、緑色光を発光する緑色光源と、赤色光を発光する赤色光源と、三色の光源の少なくとも一つがレーザ光源であり、レーザ光を走査し、映像光を生成するＭＥＭＳミラー素子とを備え、レーザ光のビームウェスト位置における光強度分布が中心部に対してビーム周辺部の光強度が大きい分布であることを特徴とする画像表示装置である。

スペックルノイズは、レーザ光源の光強度分布のフーリエ変換で求まる空間的コヒーレンスに比例することがわかっている。たとえば、同じ光強度でも光強度分布幅が広くなれば空間的コヒーレンスは小さくなりスペックルノイズは小さくなる。つまり、光源からの光が同じ空間的な広がり（Ｆ値）を持っていても光強度分布幅によってスペックルが変化することになる。通常、レーザ光の光強度分布は概正規分布をなしているが、例えば特許文献２のように拡散光学素子を光路内に設けることでレーザ光を拡散させ、空間的な光強度分布を均一化することでスペックルの低減を行なうことができる。

本発明の画像表示装置では、投射レンズの出射瞳位置における光強度分布を、瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度が大きい分布、つまりドーナツ形状の光強度分布にすることでコヒーレンスが加算されスペックルノイズを低減することを特徴としている。

投射レンズの出射瞳位置における光強度分布が通常の概正規分布の場合と比較して瞳周辺光強度よりも瞳中心部が低いドーナツ形状の光強度分布である場合、同じＦ値でも空間的コヒーレンスが小さくなる。その結果、局所的に増加された光強度に起因するスペックルノイズは生じにくくなる。

また、本発明の画像表示装置では、走査型ＭＥＭＳミラーを用いる場合、レーザのビームウェスト位置における光強度分布を、中心部に対して周辺部の光強度が大きい分布、つまりドーナツ形状の光強度分布にすることでコヒーレンスが加算されスペックルノイズを低減することを特徴としている。

さらに本発明の画像表示装置では、上記のドーナツ形状の光強度分布を実現するための光学部品としてレーザ光を平行光線化する光学素子にドーナツ形状の光強度分布に光形状を成形する機能を持たせることで光利用効率の低下や部品点数を増加させること無くスペックルノイズを低減させることができる。

本発明の画像表示装置により、投射レンズの出射瞳位置における光強度分布を好適にドーナツ形状化すること、あるいは走査型ＭＥＭＳミラーを用いる場合はビームウェスト位置における光強度分布を好適にドーナツ形状化することにより、光強度の損失を最小限に抑え、スペックルノイズが低減された小型薄型のレーザ光源を用いた画像表示装置を提供することができる。

本発明における画像表示装置の概略構成図 本発明における画像表示装置の光分布形成レンズ周辺およびフライアイレンズ位置周辺の概略構成図 本発明における光分布形成レンズによるフライアイレンズ位置での光強度分布を示すグラフ 本発明における光分布形成レンズによる光強度分布を示す図 従来例におけるコリメートレンズ周辺の概略構成図 従来例におけるコリメートレンズによる光強度分布を示すグラフ 従来例におけるコリメートレンズによる光強度分布を示す図 本発明における光分布形成レンズによる光強度分布を示す図 本発明における光分布形成レンズの断面図 本発明における光分布形成レンズの断面図 本発明における光分布形成レンズのスペックルノイズ比較図 本発明における画像表示装置の概略構成図 本発明における画像表示装置の光分布形成レンズ周辺およびビームウェスト位置周辺の概略構成図 本発明における光分布形成レンズによるビームウェスト位置での光強度分布を示すグラフ

請求項１に記載の発明は、青色光を発光する青色光源と、緑色光を発光する緑色光源と、赤色光を発光する赤色光源と、これらの光源の少なくとも一つがレーザ光源であり、レーザ光を変調し、映像光を生成する空間光変調素子と、映像光を出射するための投射レンズを備え、投射レンズの出射瞳における光強度分布が瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度が大きいことを特徴とする画像表示装置であって、スペックルノイズが低減されたレーザ光源を用いた画像表示装置を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、青色光を発光する青色光源と、緑色光を発光する緑色光源と、赤色光を発光する赤色光源と、三色の光源の少なくとも一つがレーザ光源であり、レーザ光を変調し、映像光を生成する空間光変調素子と、映像光を出射するための投射レンズを備え、投射レンズの出射瞳における光強度分布において瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度を大きくする光分布形成レンズを備えていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置であって、光強度の損失を最小限に抑え、スペックルノイズが低減された小型薄型の画像表示装置を提供することができる。

請求項３に記載の発明は、青色光を発光する青色光源と、緑色光を発光する緑色光源と、赤色光を発光する赤色光源と、三色の光源の少なくとも一つがレーザ光源であり、レーザ光を変調し、映像光を生成する空間光変調素子と、映像光を出射するための投射レンズを備え、投射レンズの出射瞳における光強度分布において瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度を大きくする光分布形成レンズを備えており、光分布形成レンズがレーザ光源の直後に備えていることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置であって、容易にレーザ光をドーナツ状に形成させるレンズ設計が可能であり、光強度の損失を最小限に抑え、スペックルノイズが低減された小型薄型の画像表示装置を提供することができる。

請求項４に記載の発明は、光分布形成レンズがレーザ光を平行光にする機能を備えていることを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置であって、レーザ光の光を光強度分布において瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度を大きくする機能に加えて、レーザ光を平行光にする機能を兼ね備えることで画像表示装置の光学部品点数を少なくでき、従来レーザ光を平行光化するレンズに上記の機能を持たせることで新たな部品数を増やすことなく、光強度の損失を最小限に抑え、スペックルノイズが低減された小型薄型の画像表示装置を提供することができる。

請求項５に記載の発明は、光分布形成レンズが円錐面を有する円錐レンズであることを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置であって、円錐面を有した円錐レンズの光分布形成レンズを設けることでレーザ光の光強度分布において瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度を大きくする機能を持たせることができ、簡単な設計で効率よくレーザ光をドーナツ状に形成させることが可能で、光強度の損失を最小限に抑え、スペックルが低減された小型薄型の画像表示装置を提供することができる。

請求項６に記載の発明は、光分布形成レンズが円錐レンズの円錐面が凹面であることを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置であって、凹面形状の円錐面を有した円錐レンズの光分布形成レンズを設けることでレーザ光の光強度分布において瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度を大きくする機能を持たせることができ、光分布形成レンズにおける光損失を最小限にでき、スペックルノイズが低減された小型薄型の画像表示装置を提供することができる。

請求項７に記載の発明は、光分布形成レンズが円錐レンズであり、円錐面がレーザ光源側であり、レーザ光源と反対側の面が凸面であることを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置であって、円錐面を有した円錐レンズの光分布形成レンズを設ける際に、円錐面をレーザ光源側向きに設けることでレーザ光の光強度分布において瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度を大きくする機能を持たせることができ、光分布形成レンズの厚みを小さくでき、光分布形成レンズにおける光損失を最小限にでき、スペックルノイズが低減された小型薄型の画像表示装置を提供することができる。

請求項８に記載の発明は、光分布形成レンズが非球面を備えていることを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置であって、円錐面を有した円錐レンズの光分布形成レンズの光学面を非球面形状にすることで、レーザ光の光強度分布において瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度を大きくする機能を持たせることができるとともにレーザ光線の平行光化を容易にすることができる。また、光強度の損失を最小限に抑え、特に光分布形成レンズでの光損失を最小限にでき、スペックルノイズが低減された小型薄型の画像表示装置を提供することができる。

また、本発明の画像表示装置は、青色光を発光する青色光源と、緑色光を発光する緑色光源と、赤色光を発光する赤色光源と、青、緑、赤の三色の少なくとも一つがレーザ光を出射するレーザ光源部であり、三色の光を合波するためのダイクロイックミラーなどからなる合波光学系、コリメートレンズなどからなる照明光学系、映像光を生成する走査型ＭＥＭＳミラーなどから構成されており、レーザ光のビームウェスト位置での光強度分布がビーム中心部に対してビーム周辺部の光強度が大きい分布、つまりドーナツ形状の光強度分布であることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、青色光を発光する青色光源と、緑色光を発光する緑色光源と、赤色光を発光する赤色光源と、三色の光源の少なくとも一つがレーザ光源であり、レーザ光を走査し、映像光を生成するＭＥＭＳミラー素子とを備え、ビームウェスト位置における光強度分布がビーム中心部に対してビーム周辺部の光強度が大きい分布、つまりドーナツ形状の光強度分布であることを特徴とする画像表示装置であって、スペックルを低減されたレーザ光源を用いた画像表示装置を提供することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の画像表示装置について図面を用いて説明する。

なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に良好な条件の限定が記載されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する記載が無い限り、これらの条件に限られるものでは無い。

本発明の画像表示装置は、青色光を発光する青色光源と、緑色光を発光する緑色光源と、赤色光を発光する赤色光源と、青、緑、赤の三色の少なくとも一つがレーザ光を出射するレーザ光源部であり、三色の光を合波するためのクロスプリズムなどからなる合波光学系、フライアイレンズ、コンデンサーレンズなどからなる照明光学系、映像光を生成する空間光変調素子と、投射レンズなどからなる投射光学系で構成されており、レーザ光の投射レンズの出射瞳位置での光強度分布が瞳周辺光強度よりも瞳中央光強度が低い、つまりドーナツ形状の光強度分布であることを特徴とする。

また、本発明の画像表示装置は、レーザ光のビーム形状が投射レンズの出射瞳位置での光強度分布が瞳周辺光強度よりも瞳中央光強度が低い、つまりドーナツ形状の光強度分布を実現するための光学部品として光分布形成レンズを備え、この光分布形成レンズにレーザ光を平行光線化する機能とともにドーナツ形状の光強度分布に光形状を成形する機能を持たせることで光利用効率の低下や部品点数を増加させること無くスペックルノイズを低減させることができる。

図１は、本発明における画像表示装置の概略構成図である。

この画像表示装置１は、所要の画像をスクリーン１５に投影表示するものであり、緑色レーザ光（例えば発光波長５３２ｎｍ）を出力する緑色レーザ光源装置３と、赤色レーザ光（例えば発光波長６５５ｎｍ）を出力する赤色レーザ光源装置２と、青色レーザ光（例えば発光波長４４５ｎｍ）を出力する青色レーザ光源装置４と、各色のレーザ光を合波するためのクロスプリズム６と、映像信号に応じて各レーザ光源装置からのレーザ光の変調を行う空間光変調器７とを備えており、各レーザ光源装置からのレーザ光を均一に空間光変調器７に照射させるためのフライアイレンズ８とコンデンサーレンズ１０と、照明光を空間光変調器７に導く反射ミラー１１と、照明光を平行光として空間光変調器７に照射させるためのフィールドレンズ１２と、空間光変調器７からの映像信号を含む反射光をスクリーン１５部に投射するための投射レンズ１３から形成されている。

この画像表示装置１は、いわゆるフィールドシーケンシャル方式でカラー画像を表示するものであり、各レーザ光源装置から各色のレーザ光が時分割で順次出力され、各色のレーザ光による画像が視覚の残像効果によってカラー画像として認識される。空間光変調素子は、微小ミラー（図示せず）を動作させ、表示面に表示される映像光のみを投射レンズ１３に導く。尚、空間光変調素子にはこのような微小ミラーを用いたものや反射型液晶あるいは透過型液晶を用いたものが好適に用いられる。

図１には光源から出射した代表的な光線として中心の光線と２種の周辺光線の計３本の光線を実太線、実細線、点線の３種を図示している。３色のレーザ光源装置から射出したレーザ光は光分布形成レンズ５を介して平行光線となりクロスプリズム６へと導かれる。クロスプリズム６は光の入射方向により特定の波長の光を反射または透過する機能を有しており、これによりレーザ光源装置からの赤、緑、青の３色の光線が合波される。合波された光はフライアイレンズ８へと入射され、微小なレンズ群からなるフライアイレンズ８で均一光とし、コンデンサーレンズ１０で広がった光を収束させて、反射ミラー１１を介して空間光変調器７を均一照明する。空間光変調器７の前にあるフィールドレンズ１２は照明光を平行光にする役割をはたし光学系を小型化する役目がある。

フライアイレンズ位置９での中心光線と２種の周辺光線の３種の各光線は各々３点の仮想点光源として広がりを持った光線として射出される。また、図１には投射レンズ１３の出射瞳位置１４が示されているが、フライアイレンズ位置９での３種の仮想点光源は最終的に、投射レンズ１３の出射瞳位置１４において結像する。

このように投射レンズ１３の出射瞳位置１４は、フライアイレンズ位置９と共役関係にあるので、フライアイレンズ８に入射する光強度分布は、投射レンズ１３の出射瞳に反映される。つまりフライアイレンズ８でのレーザ光の光強度分布を変えることは、投射レンズ１３の出射瞳位置１４での光強度分布を変えることを意味する。

尚、図１で示されている３色のレーザ光源装置は互いにどの配置にあってもよい。クロスプリズム６の３色の透過、反射機能を適宜変えることで３色の配置は任意に取ることができる。

図２は、本発明における画像表示装置の光分布形成レンズ周辺およびフライアイレンズ位置周辺の概略構成図であり、図１の光分布形成レンズ５を含む部分を拡大した図である。尚、図２では３色のレーザ光の１種のみを図示している。レーザ光源装置１６から射出したレーザが円錐面を持つ光分布形成レンズ５を通過することで光線は光軸１８に対してほぼ平行に形成されるとともにフライアイレンズ位置９に入射する光強度分布が中心部に対して周辺部が大きいドーナツ形状の分布になるように光線を導く機能を有している。従来、この位置に配置する素子はコリメートレンズ１７と言われ、レーザ光を平行光にする機能しか有していなかったが、本発明の画像表示装置１の光分布形成レンズ５はレーザ光を平行光にする機能に加えて光強度分布をドーナツ形状にする機能を有している。

具体的な光強度分布は図３に示す。図３は本発明における光分布形成レンズによるフライアイレンズ位置での光強度分布を示すグラフである。縦軸が光強度、横軸がフライアイレンズ位置９での断面位置、横軸の中心が光軸位置を示す。光軸位置に底値を持ち、２つのガウス分布状の光強度分布を示している。これによって投射レンズ１３の出射瞳位置１４における光強度分布も同様な分布となり、光強度分布が出射瞳周辺光強度よりも中央光強度が低いドーナツ形状にすることで、スペックルノイズを低減させることができる。

図４は、本発明における光分布形成レンズによる光強度分布を示す図であり、フライアイレンズ８に対して光強度分布の様子を模式的に示した図である。フライアイレンズ８の中央部にはほとんど光が達していないが、ドーナツ状に周辺部にレーザ光が分布していることがわかる。

図５は従来例におけるコリメートレンズ周辺の概略構成図、図６は従来例におけるコリメートレンズによる光強度分布を示すグラフ、図７は従来例におけるコリメートレンズによる光強度分布を示す図である。図５〜図７は、従来例のコリメートレンズ１７を用いた場合の図２〜図４に対応する図である。従来例ではコリメートレンズ１７を通過したレーザ光はフライアイレンズ位置９で中央部にピーク値を持つガウス分布状の光強度分布となる。

図８は本発明における光分布形成レンズによる光強度分布を示す図であり、フライアイレンズ位置９における光強度分布は中央部の光強度が小さく周辺部が大きければ円状でなくても良く、図８のように楕円状の光強度分布でもよい。

次に本発明の光分布形成レンズ５の具体的な形状、材質について説明する。

図９は本発明における光分布形成レンズの断面図であり、非球面の円錐凹面を持つ図左側光学面を光学面１０１、非球面凸形状を持つ図右側光学面を光学面１０２としている。図左側光学面の光学面１０１側から光線が入射され、図右側光学面の光学面１０２側から光が射出される。光分布形成レンズ５は光の屈折原理を用いて光線を曲げるレンズの機能を有しており、光分布形成レンズ５の材料の屈折率としてｎｄ＝１．５１２、分散値としてアッベ数ｖ＝５６．５８の材料で形成されている。材料としては光を透過する機能を有するものであればガラス材料、樹脂材料などが考えられる。

光学面１０１、光学面１０２のそれぞれの面形状は、表２に曲率半径、厚み、レンズ半径と、表３（光学面１０１を示す）、表４（光学面１０２を示す）にそれぞれの面のコーニック係数および非球面係数の２次から１０次までの値を示す。

このようにレンズ面を非球面化することでドーナツ状の光強度分布を得るとともにレーザ光の平行光化の機能も同時に持たせることができる。

また、本発明の光分布形成レンズ５は円錐凹面と凸面を持つことが特徴となっている。

図１０は、本発明における光分布形成レンズの断面図であり、図１０（ａ）は円錐面が凸面、図１０（ｂ）は円錐面が凹面である。

ドーナツ状の光強度分布を得るには図９以外の形状として図１０（ａ）に示す円錐凸面の場合であってもよいが、この場合、光分布形成レンズ５が厚くなるとともに光線の円錐凸面への入射角が大きくなり、光線の一部が円錐凸面で反射され、光利用効率が低下するという課題がある。図１０（ａ）のレンズ面での反射光線１９の分だけ光利用効率が低下する。よって円錐面は図１０（ｂ）に示す凹面の方がより効果的である。

図１１は、本発明における光分布形成レンズのスペックルノイズ比較図であり、本発明の光分布形成レンズ５を用いた場合と従来例のコリメートレンズ１７を用いた場合のスペックルノイズの測定結果を示す。本発明の光分布形成レンズ５を用いた場合、従来に比べて１０％程度スペックルが低減していることがわかる。

尚、本実施例に示したレンズ形状および材料の数値は代表的な例として示しており、これに限定されるものではない。

（実施の形態２）
図１２は、本発明における画像表示装置の概略構成図である。

この画像表示装置１は、所要の画像をスクリーン１５に投影表示するものであり、緑色レーザ光（例えば発光波長５３２ｎｍ）を出力する緑色レーザ光源装置３と、赤色レーザ光（例えば発光波長６５５ｎｍ）を出力する赤色レーザ光源装置２と、青色レーザ光（例えば発光波長４４５ｎｍ）を出力する青色レーザ光源装置４と、各色のレーザ光を合波するためのダイクロイックミラー２０と、映像信号に応じて各レーザ光源装置からのレーザ光を走査するＭＥＭＳミラー２１素子を備えており、各レーザ光源装置からのレーザ光をＭＥＭＳミラー２１素子位置付近でレーザのビームウェスト位置となるように集光するためのレンズから形成される。

この画像表示装置１は、各レーザ光源装置からのレーザ光がダイクロイックミラー２０を介し、ダイクロイックミラー２０で色合成されたレーザ光を微小なＭＥＭＳミラー２１素子に照明し、このＭＥＭＳミラー２１の角度を変えることで２次元的に走査する。このミラーの走査とレーザ光を変調同期させてスクリーン１５上に画像投影される。尚、ＭＥＭＳミラー２１の駆動方式としては静電引力を用いた静電駆動方式、ローレンツ力を用いた電磁駆動方式、圧電効果を用いた圧電駆動方式などが好適に用いられる。

図１２にはレーザ光源から出射した代表的な光線として中心の光線と２種の周辺光線の計３本の光線を実太線、実細線、点線の３種を図示している。３色のレーザ光源装置から射出したレーザ光は光分布形成レンズ５を介してほぼ平行光線となりダイクロイックミラー２０へと導かれる。ダイクロイックミラー２０は光の入射方向により特定の波長の光を反射または透過する機能を有しており、これによりレーザ光源装置からの赤、緑、青の３色の光線が合波される。

合波された光は反射ミラー１１などを介して微小なミラーを有するＭＥＭＳミラー２１素子に照明される。ＭＥＭＳミラー２１の角度を高速に変えることでスクリーン１５上に投射する光線を高速に走査することができ、２次元画像として投影される。

レーザ光源から発せられたレーザ光は光分布形成レンズ５を介してほぼ平行光線となるが、レーザ光の広がりがもっとも微小となるビームウェスト位置が形成されるように構成されている。図１３および図１４に示すように、このビームウェスト位置における光強度分布がビーム中心部に対してビーム周辺部の光強度が大きい分布、つまりドーナツ形状の光強度分布であることを特徴としている。

このようにビームウェスト位置２２でのドーナッツ形状の光強度分布を作成することで、スクリーン１５上の画像でのスペックルノイズを低減することができる。

尚、図１２で示されている３色のレーザ光源装置は互いにどの配置にあってもよい。ダイクロイックミラー２０の３色の透過、反射機能を適宜変えることで３色の配置は任意に取ることができる。また、本実施例に示したレンズ形状および材料の数値は代表的な例として示しており、これに限定されるものではない。

図１３は、本発明における画像表示装置の光分布形成レンズ周辺およびビームウェスト位置周辺の概略構成図であり、図１２の光分布形成レンズ５を含む部分を拡大した図である。尚、図１３では３色のレーザ光の１種のみを図示している。レーザ光源装置１６から射出したレーザが円錐面を持つ光分布形成レンズ５を通過することで光線は光軸１８に対してほぼ平行に形成されるとともにビームウェスト位置２２に入射する光強度分布が中心部に対して周辺部が大きいドーナツ形状の分布になるように光線を導く機能を有している。従来、この位置に配置する素子はコリメートレンズ１７と言われ、レーザ光を平行光にする機能しか有していなかったが、本発明の画像表示装置１の光分布形成レンズ５はレーザ光を平行光にする機能に加えて光強度分布をドーナツ形状にする機能を有している。

具体的な光強度分布は図１４に示す。図１４は本発明における光分布形成レンズによるビームウェスト位置での光強度分布を示すグラフである。縦軸が光強度、横軸がビームウェスト位置２２での断面位置、横軸の中心が光軸位置を示す。光軸位置に底値を持ち、２つのガウス分布状の光強度分布を示している。このように周辺光強度よりも中央光強度が低いドーナツ形状にすることで、スペックルノイズを低減させることができる。

本発明にかかる画像表示装置は、投射光学系の投射レンズの出射瞳における光強度分布が瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度を大きくすることで、レーザスペックルが低減できるとともに光強度の損失を最小限に抑え、装置の小型薄型に有用である。

１ 画像表示装置
２ 赤色レーザ光源装置
３ 緑色レーザ光源装置
４ 青色レーザ光源装置
５ 光分布形成レンズ
６ クロスプリズム
７ 空間光変調器
８ フライアイレンズ
９ フライアイレンズ位置
１０ コンデンサーレンズ
１１ 反射ミラー
１２ フィールドレンズ
１３ 投射レンズ
１４ 出射瞳位置
１５ スクリーン
１６ レーザ光源装置
１７ コリメートレンズ
１８ 光軸
１９ レンズ面での反射光線
２０ ダイクロイックミラー
２１ ＭＥＭＳミラー
２２ ビームウェスト位置
１０１ 光学面
１０２ 光学面

Claims (9)

1. 青色光を発光する青色光源と、緑色光を発光する緑色光源と、赤色光を発光する赤色光源と、これら三色の光源の少なくとも一つがレーザ光源であり、前記レーザ光を変調し、映像光を生成する空間光変調素子と、前記映像光を出射するための投射レンズを備え、前記投射レンズの出射瞳における光強度分布が瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度が大きいことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記レーザ光の光強度分布を変更する光分布形成レンズを備え、前記光分布形成レンズは、前記投射レンズの出射瞳における光強度分布において瞳中心部に対して瞳周辺部の光強度を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記光分布形成レンズは、前記レーザ光源の直後に位置することを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
4. レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光の光強度分布を変更する光分布形成レンズと、前記光分布形成レンズからのレーザ光を変調して映像光を生成する空間変調素子と、前記映像光を装置外部に出射する投射レンズと、を備え、前記光分布形成レンズは、前記レーザ光が入射する面または前記レーザ光が出射する面の少なくとも一方に円錐面を有するレンズであることを特徴とする画像表示装置。
5. 前記レンズは、前記円錐面が凹面であることを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
6. 前記レンズは円錐面と凸面を有し、前記円錐面は前記レーザ光源側に位置し、前記凸面は前記レーザ光源と反対側の面に位置することを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
7. 前記レンズは、非球面を備えていることを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
8. 前記レンズは、前記レーザ光を平行光にする機能を備えることを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。
9. 青色光を発光する青色光源と、緑色光を発光する緑色光源と、赤色光を発光する赤色光源と、前記三色の光源の少なくとも一つがレーザ光源であり、前記レーザ光を走査し、映像光を生成するＭＥＭＳミラー素子とを備え、ビームウェスト位置における光強度分布がビーム中心部に対してビーム周辺部の光強度が大きい分布、つまりドーナツ形状の光強度分布であることを特徴とする画像表示装置。