JP4158987B2

JP4158987B2 - ２次元画像形成装置

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Publication number: JP4158987B2
Application number: JP2005511943A
Authority: JP
Inventors: 研一笠澄; 公典水内; 和久山本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2008-10-01
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Description

本発明は、２次元画像形成装置に関し、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る。

図７は、従来のレーザディスプレイの概略構成を示す図である。
このレーザディスプレイ１００は、ＲＧＢ３色に対応するレーザ光源１０１ａ〜１０１ｃと、レーザ光源１０１ａ〜１０１ｃから出力されたレーザ光Ｌａ〜Ｌｃを、入力映像信号の原色信号Ｓａ〜Ｓｃに応じて強度変調する光変調器１０６ａ〜１０６ｃとを有している。レーザディスプレイ１００は、光変調器１０６ａにて変調されたレーザ光Ｌａを反射するミラー１０３と、光変調器１０６ｂにて変調されたレーザ光Ｌｂとミラー１０３で反射されたレーザ光Ｌａとを合波するダイクロイックミラー１０２ａと、光変調器１０６ｂにて変調されたレーザ光Ｌｂとダイクロイックミラー１０２ａからのレーザ光とを合波するダイクロイックミラー１０２ｂとを有している。さらに、このレーザディスプレイ１００は、ダイクロイックミラー１０２ｂで合波されたレーザ光を集光する集光レンズ１０７と、該集光レンズ１０７により集光されたレーザ光をｘ方向に走査するポリゴンスキャナ１０４と、ポリゴンスキャナ１０４からの光を、スクリーン１０８上に、２次元の画像が形成されるようｙ方向に走査するガルバノスキャナ１０５とを有している。

次に動作について説明する。
ＲＧＢ３色に対応するレーザ光源１０１ａ〜１０１ｃからのレーザ光Ｌａ〜Ｌｃは、入力映像信号の各原色信号Ｓａ〜Ｓｃに応じて光変調器１０６ａ〜１０６ｃで強度変調され、ミラー１０３及びダイクロイックミラー１０２ａ、１０２ｂからなる光学系にて合波される。さらに、集光レンズ１０７により集光されたレーザ光は、ポリゴンスキャナ１０４によってｘ方向に、ガルバノスキャナ１０５によってｙ方向に走査され、スクリーン１０８上に２次元の画像が表示される。

以上のように、従来のレーザディスプレイ１００では、ＲＧＢそれぞれのレーザ光源１０１ａ〜１０１ｃから照射される光が単色光であるため、適当な波長のレーザ光源を用いることで、色純度が高く、鮮やかな画像の表示が可能となる。

ところで、このような従来のレーザディスプレイでは、光源に干渉性の高い光を出力するレーザ光源を用いていることから、いわゆるスペックルノイズが生じるという問題がある。このスペックルノイズは、レーザ光がスクリーン１０８で散乱される際、スクリーン１０８上の各部分で散乱された散乱光同士が干渉することによって生じる微細なノイズである。

このようなスペックルノイズを除去する方法は、例えば、特開平７−２９７１１１号公報に開示されており、この公報には、集光光学系の光路上に拡散板を配置し、この拡散板を回転させることにより上記スペックルノイズを除去する方法が記載されている。

ところが、拡散板を回転させるための機構により装置規模が大きくなる、また、拡散板で散乱される光のロスにより、スクリーン上に表示される画像の明るさが低下するなどの問題があった。

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、スペックルノイズによる画像の劣化を拡散板により、装置規模をそれほど大きくすることなく防止するとともに、拡散板により散乱される光のロスを効果的に抑えて、明るい画像表示を行うことができる２次元画像形成装置を得ることを目的とする。

本発明の請求項１に記載の２次元画像形成装置は、光変調により２次元画像を形成する装置であって、コヒーレント光源と、光を拡散する拡散板と、上記コヒーレント光源からの光を拡散板に照射する照明光学系と、上記拡散板に近接して設置され、該拡散板で拡散された、上記コヒーレント光源からの光を変調する空間光変調素子と、上記空間光変調素子の像を空間上のある面に投写する投写レンズとを備え、上記拡散板の透過率ムラのピッチＰと、上記照明光学系の実質的な開口数ＮＡｉｎと、上記拡散板の拡散角θと、上記空間光変調素子の画像表示範囲の対角線の長さＤと、上記空間光変調素子と上記拡散板との間の距離Ｌとの間に、Ｐ／ＮＡｉｎ＜Ｌ＜Ｄ／（３×（θ／２＋ＮＡｉｎ））なる関係が成り立つものである。
これにより、拡散板の拡散角、拡散板の透過率ムラのピッチ、照明光学系の実質的な開口数、拡散板と空間光変調素子との距離が適切な関係となり、拡散板の局所的な透過率ムラによる画像の劣化を防ぎ、高品質の画像表示が可能になるという効果がある。

また、本発明の請求項２に記載の２次元画像形成装置は、請求項１に記載の２次元画像形成装置において、上記照明光学系は、光インテグレータを含むものである。
これにより、空間光変調素子上での一様な照明を実現できる効果がある。

また、本発明の請求項３に記載の２次元画像形成装置は、請求項２に記載の２次元画像形成装置において、上記光インテグレータは、少なくとも２枚のレンズアレイからなるものである。
これにより、明暗ムラを無くすことができる効果がある。

また、本発明の請求項４に記載の２次元画像形成装置は、請求項２に記載の２次元画像形成装置において、上記光インテグレータは、ロッド型光インテグレータからなるものである。
これにより、空間光変調素子上での一様な照明を簡単な構成により実現することができる効果がある。

また、本発明の請求項５に記載の２次元画像形成装置は、請求項１に記載の２次元画像形成装置において、上記拡散板は、所望の拡散角が得られるよう表面が加工された擬似ランダム拡散板からなるものである。
これにより、一様な拡散角と透過率を実現し、よりノイズが少なく、明るい画像表示が可能になるという効果がある。

また、本発明の請求項６に記載の２次元画像形成装置は、請求項５に記載の２次元画像形成装置において、上記擬似ランダム拡散板は、透明基板を、その表面の格子状に区画されたセル領域を、隣接するセル領域の高さが異なるよう加工してなるものである。
これにより、拡散板を通過する光の拡散角がセルの大きさによって厳密にコントロールすることができ、光利用効率を向上させることができる効果がある。

また、本発明の請求項７に記載の２次元画像形成装置は、請求項６に記載の２次元画像形成装置において、上記透明基板を加工してなる擬似ランダム拡散板は、隣接するセル領域の高さの差が、これらのセル領域を通過する光の位相がπ／４だけずれるよう設定したものである。
これにより、拡散角が一定なるよう拡散板を作製することができ、光利用効率を向上させることができる効果がある。

また、本発明の請求項８に記載の２次元画像形成装置は、請求項５に記載の２次元画像形成装置において、上記擬似ランダム拡散板は、その表面の高さが連続して変化する凹凸表面形状を有するものである。
これにより、拡散板表面の隣接する凹凸部間での段差により生じる大きな角度で散乱される高次の回折光の発生を回避することができ、投影レンズでのけられによる光量のロスをなくして光利用効率を向上させることができる。

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）
図１は、本発明の実施の形態１による２次元画像形成装置を説明する概略構成図である。
図１に示す２次元画像形成装置１１０は、コヒーレント光源であるＲＧＢ３色の各原色信号に対応するレーザ光源１ａ〜１ｃと、光を拡散する拡散板６ａ〜６ｃと、上記レーザ光源１ａ〜１ｃから出力されたレーザ光Ｌ１ａ〜Ｌ１ｃをそれぞれ上記拡散板６ａ〜６ｃに照射する照明光学系とを有している。また、２次元画像形成装置１１０は、上記各拡散板６ａ〜６ｃを揺動する拡散板揺動部１３ａ〜１３ｃと、上記拡散板６ａ〜６ｃで拡散された上記各レーザ光源１ａ〜１ｃからの光を変調する、液晶パネルなどで構成される空間光変調素子７ａ〜７ｃと、上記各空間光変調素子７ａ〜７ｃを通過した光を合波するダイクロイックプリズム９と、上記ダイクロイックプリズム９にて合波された光をスクリーン１１上に投写する投写レンズ１０とを有している。

ここで、レーザ光源１ａは、赤色レーザ光Ｌ１ａを出力する赤色レーザ光源、レーザ光源１ｂは、緑色レーザ光Ｌ１ｂを出力する緑色レーザ光源、レーザ光源１ｃは、青色レーザ光Ｌ１ｃを出力する青色レーザ光源である。また、レーザ光源１ａ〜１ｃには、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、Ａｒレーザなどの気体レーザ、ＡｌＧａＩｎＰ系やＧａＮ系の半導体レーザ、あるいは固体レーザの出力光を基本波とするＳＨＧ（ＳｅｃｏｎｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ）レーザなどを用いることができる。

上記赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系は、上記レーザ光源１ａからの光を拡大するビームエキスパンダ２ａと、上記ビームエキスパンダ２ａにより拡大された光を二次元的に区分して拡大投影する光インテグレータ３ａとを有している。またこの光学系は、上記光インテグレータ３ａにより拡大投影された光を集光する集光レンズ１２ａと、集光された光を反射するミラー１５ａと、該ミラー１５ａからの反射光を変換して拡散板６ａに照射するフィールドレンズ８ａとを有している。このフィールドレンズ８ａは、上記投写レンズ１０の開口内を効率よく光が通過するよう、上記拡散板６ａを介して上記空間光変調素子７ａに入射する光を収束ビームに変換するものである。

上記緑色レーザ光源１ｂに対応する照明光学系は、上記レーザ光源１ｂからの光を拡大するビームエキスパンダ２ｂと、上記ビームエキスパンダ２ｂにより拡大された光を二次元的に区分して拡大投影する光インテグレータ３ｂとを有している。またこの光学系は、上記光インテグレータ３ｂにより拡大投影された光を集光する集光レンズ１２ｂと、集光された光を変換して拡散板６ｂに照射するフィールドレンズ８ｂとを有している。このフィールドレンズ８ｂは、上記投写レンズ１０の開口内を効率よく光が通過するよう、上記拡散板６ｂを介して上記空間光変調素子７ｂに入射する光を収束ビームに変換するものである。

上記青色レーザ光源１ｃに対応する照明光学系は、上記レーザ光源１ｃからの光を拡大するビームエキスパンダ２ｃと、上記ビームエキスパンダ２ｃにより拡大された光を二次元的に区分して拡大投影する光インテグレータ３ｃとを有している。またこの光学系は、上記光インテグレータ３ｃにより拡大投影された光を集光する集光レンズ１２ｂと、集光された光を反射するミラー１５ｃと、該ミラー１５ｃからの反射光を変換して拡散板６ｃに照射するフィールドレンズ８ｃとを有している。このフィールドレンズ８ｃは、上記投写レンズ１０の開口内を効率良く光が通過するよう、上記拡散板６ｃを介して上記空間光変調素子７ｃに入射する光を収束ビームに変換するものである。

次に、上記赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系の原理について説明する。
図２は、図１に示す、２次元画像形成装置における赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系を簡略化して示す模式図である。なお、図中図１と同一符号は同一のものを示し、緑色レーザ光源１ｂに対応する照明光学系及び青色レーザ光源１ｃに対応する照明光学系は、赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系と同一の構成である。

ビームエキスパンダ２ａは、光源からの光が入射する拡大レンズ２１と、該拡大レンズ２１からの出射光を平行光束にするコリメータレンズ２２とよりなる。

光インテグレータ光学系３ａは、２枚の２次元レンズアレイ４及び５からなるものである。レンズアレイ４は、マトリクス状に配列された複数のエレメントレンズ４１からなり、レンズアレイ５は、マトリクス状に配列された複数のエレメントレンズ５１からなる。これらのレンズアレイ４及び５は、空間光変調素子側のエレメントレンズ５１によって、光源側のエレメントレンズ４１の像が全て空間光変調素子７ａ上に結像するようにそれぞれのエレメントレンズが配置されている。コリメータレンズ２２からのコリメートされた光は、該レンズアレイ４上の中央付近では明るく、その周辺では暗くなるよう分布している。レンズアレイ４及び５は、レンズアレイ４上に照射される光をレンズアレイ４の微小領域に相当する各エレメントレンズ４１で切り取り、各エレメントレンズ４１により切り取った光を、全て空間光変調素子７ａ上で重ね合わせることで、空間光変調素子７上での光強度分布を一様にするものである。

また、上記拡散板揺動部１３ａは、スクリーン上に投影される画像に存在していたスペックルノイズが低減されるよう、拡散板６ａを揺動するものであり、拡散板６を揺動させる動作条件等を規定することによって、スペックルノイズを有効に低減することができる。

次に動作について説明する。
赤色レーザ光源１ａ、緑色レーザ光源１ｂ、青色レーザ光源１ｃから出射した光Ｌ１ａ〜Ｌ１ｃは、それぞれ対応する照明光学系を経て拡散板６ａ〜６ｃに入射し、拡散板６ａ〜６ｃにより拡散される。該各拡散板６ａ〜６ｃに隣接して配置された空間光変調素子７ａ〜７ｃは、拡散板６ａ〜６ｃにより拡散されたレーザ光により照明され、各空間光変調素子７ａ〜７ｃ上には、２次元画像が形成される。そして、各空間光変調素子７ａ〜７ｃを通過した光は、ダイクロイックプリズム９により合波され、合波された光は投写レンズ１０によってスクリーン１１上に投影される。

ここで、赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系では、上記レーザ光源１ａからの光がビームエキスパンダ２ａにより拡大され、該拡大された光は、光インテグレータ３ａにより二次元的に区分して拡大投影される。さらに該照明光学系では、上記光インテグレータ３ａにより拡大投影された光は、集光レンズ１２ａにより集光され、ミラー１５ａ及びフィールドレンズ８ａを経て拡散板６ａに入射する。このとき、上記フィールドレンズ８ａでは、上記投写レンズ１０の開口内を効率よく光が通過するよう、上記拡散板を介して上記空間光変調素子７ａに入射する光が収束ビームに変換される。

なお、緑色レーザ光源１ｂに対応する照明光学系では、赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系とは異なり、集光レンズ１２ｂにより集光された光が直接フィールドレンズ８ａに入射する。青色レーザ光源１ｃに対応する照明光学系では、該レーザ光源１ｃから出力された光が、赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系と全く同様にして拡散板６ｃへ導かれる。

また、拡散板揺動部１３ａ〜１３ｃは、変調されたレーザ光をスクリーン上に投影している状態で、対応する拡散板６ａ〜６ｃをそれぞれ揺動するよう、つまり一定方向に往復運動するよう動作させる。

以下、上記拡散板の動作条件について図３を用いて説明する。
図３（ａ）は、本実施の形態１の２次元画像形成装置１１０における赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系を挙げて、照明光学系の開口数ＮＡｉｎ、空間光変調素子７ａの出射光の開口数ＮＡｏｕｔ、拡散板６ａと空間光変調素子７ａとの間の距離Ｌを示す図である。図３（ｂ）は、拡散板６ａの拡散角θを示す図である。これらの図において、図１と同じ符号は同一のものを示している。また、緑色レーザ光源１ｂに対応する照明光学系及び青色レーザ光源１ｃに対応する照明光学系においても、拡散板の動作条件は赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系のものと同一である。

まず、拡散板６ａ〜６ｃの揺動速度について説明する。
拡散板６ａを通過した光が空間光変調素子７ａ上に照射されると、該空間光変調素子７ａ上には、拡散板６ａの粒状性に応じたスペックルパターンが形成される。スペックルノイズは、拡散板揺動部１３ａを用いて拡散板６ａを揺動することにより抑圧される。つまり拡散板６ａの揺動により、スペックルパターンが空間光変調素子７ａに対して平行に移動することとなり、観察映像中のスペックルが平均化される。このとき、拡散板６ａの揺動速度はその粒状性から規定される。具体的には、拡散板６ａの揺動速度は、拡散板６ａの粒状性により決まる粒子サイズｄ、例えば拡散板６ａのランダムな表面形状における山と山あるいは谷と谷の距離ｄを、人間の目の特性である残像時間（約１／３０秒）の間に移動させることができる速度である。従って、拡散板６ａの揺動速度Ｖ（ミリメートル／秒）は、
Ｖ＞ｄ×３０・・・（式１）
の条件を満たせばよい。具体的には、通常の拡散板６ａは、粒子サイズが５マイクロメートルから１００マイクロメートルである粒状性を持つため、拡散板６ａの揺動速度は、数百マイクロメートル毎秒から数ミリメートル毎秒とすれば良い。
なお、拡散板６ｂ，６ｃの揺動速度も、上記拡散板６ａの揺動速度と同様に設定される。

次に、拡散板６ａ〜６ｃの拡散角について説明する。
拡散板６ａの拡散角θは、投写レンズ１０のｆ値によって制限される。すなわち、投写レンズ１０のｆ値に対して１／ｆラジアンを越える角度で入射した光線は投写レンズ１０で遮光される。そのため十分に光の利用効率を確保するには、空間光変調素子７ａの出射光の開口数ＮＡoutを１／ｆ以下にする必要がある。すなわち、拡散板６ａの拡散角θと、光インテグレータ３ａを含む照明光学系の実質的な開口数ＮＡｉｎと、投写レンズ１０の明るさｆとの間に、
θ／２＋Ｓｉｎ^-1（ＮＡｉｎ）＜２×Ｔａｎ^-1（１／２ｆ）・・・（式２）
の関係が成り立つようにすると良い。ここで拡散角θは、拡散板に平行な光が入射したときの出射光の強度が中心強度の１／２になる角度（全角）で定義される。

例えば、拡散角θ（θ＝１０度）の拡散板と開口数ＮＡｉｎ（ＮＡｉｎ＝０．１）の光インテグレータを用いると、投写レンズ１０は、ｆ５程度のものでよい。

簡単に説明すると、上記（式２）を変形すると、以下の（式２ａ）が得られる。
（２×Ｔａｎ（（θ／２＋Ｓｉｎ^-1（ＮＡｉｎ））／２）^-1＞ｆ・・・（式２ａ）
この（式２ａ）の左辺の変数θに１０、ＮＡｉｎに０．１を代入すると、
（２×ｔａｎ（（５度＋Ｓｉｎ^-1（０．１））／２））^-1＝５．７
となる。従って、投写レンズ１０の明るさｆは、５程度あれば、上記（式２）が示す関係は満たされる。
なお、拡散板６ｂ，６ｃの拡散角も、上記拡散板６ａの拡散角と同様に設定される。

また、拡散板６ａを効果的に用いるためには、上述のような拡散板６ａの揺動速度や拡散角を規定する以外に、拡散板６ａと空間光変調素子７ａとの間の距離を規定する必要がある。ここで、空間光変調素子７ａと拡散板６ａとの距離が大きくなると、拡散板６ａによって散乱された光の一部が空間光変調素子７ａの画像表示部分の外側にまで散乱され、トータルの光量ロスとなる。この光量ロスを一定以下に抑えるためには、拡散板６ａと空間光変調素子７ａとの間の距離Ｌは、拡散板６ａの拡散角θ、光インテグレータ３ａを含む照明光学系の実質的な開口数ＮＡｉｎ、拡散板６ａと空間光変調素子７ａとの間の距離Ｌ、及び空間光変調素子７ａの画像表示範囲の対角線の長さＤの間に、
（θ／２＋ＮＡｉｎ）×Ｌ＜Ｄ／３・・・（式３）
の関係が成り立つように設定すると良い。

また、拡散板６ａとして表面にランダムな凹凸パターンが形成された構造のものを用いた場合には、局所的な拡散角及び透過率が拡散板６ａ上の場所によって異なる。このため、拡散板６ａが空間光変調素子７ａの近くに位置していると、この透過率の偏在によって空間光変調素子７ａ上での光強度分布にもばらつきが生じ、拡散板６ａの動きに応じた明度のムラの動きがスクリーン上に現われ、これが画像に重畳されてしまう。これを防ぐため、拡散板６ａを空間光変調素子７ａから一定以上の距離を離して設置することになる。拡散板６ａには、光インテグレータ３ａを構成するレンズアレイ５の各エレメントレンズからの光が、それぞれ異なる方向から入射するため、拡散板６ａと空間光変調素子７ａとの間の距離Ｌを十分にとることで、拡散板６ａにより拡散された、それぞれのエレメントレンズからの光による明度ムラが平均化される。すなわち、拡散板６ａと空間光変調素子７ａとの間の距離Ｌは、拡散板６ａの透過率ムラのピッチＰと、光インテグレータ３ａの実質的な開口数ＮＡｉｎと、拡散板６ａと空間光変調素子７ａとの間の距離Ｌとの間に、
Ｌ＞Ｐ／ＮＡｉｎ・・・（式４）
の関係が成り立つよう設定すると良い。

さらに、拡散板６ａをより効果的に用いるためには、上記（式３）及び上記（式４）より、拡散板６ａと空間光変調素子７ａとの間の距離Ｌが、
Ｐ／ＮＡｉｎ＜Ｌ＜Ｄ／（３×（θ／２＋ＮＡｉｎ））・・・（式５）
の関係が成り立つように設定すれば良い。

通常の拡散板の透過率ムラのピッチＰは、拡散板６ａの粒状性ｄの１０倍以下であるから、例えば、開口数０．１の光インテグレータ３ａを含む照明光学系を用いた時には、拡散板６ａの粒状性が５マイクロメートルから１００マイクロメートルであれば、拡散板６ａと空間光変調素子７ａとの間は、数百マイクロメートルから１０ミリメートル以上の距離を離せばよい。

なお、拡散板６ｂと空間光変調素子７ｂとの距離、及び拡散板６ｃと空間光変調素子７ｃとの距離も、上記拡散板６ａと空間光変調素子７ａとの距離と同様に設定される。

このように、本実施の形態１では、ＲＧＢ３色のレーザ光源１ａ〜１ｃと、光を拡散する拡散板６ａ〜６ｃと、上記レーザ光源１からの光を上記拡散板に照射する照明光学系と、上記拡散板６ａ〜６ｃを揺動する拡散板揺動部１３ａ〜１３ｃと、上記拡散板６ａ〜６ｃに近接して設置され、該拡散板６ａ〜６ｃで拡散された、上記レーザ光源１ａ〜１ｃからの光を変調する空間光変調素子７ａ〜７ｃとを備え、上記拡散板６ａ〜６ｃを揺動させる動作条件等を規定することによって、明るくかつノイズのない高品質の画像表示が可能となる。

つまり、本実施の形態１では、上記拡散板６ａ〜６ｃの揺動速度を、拡散板の粒子サイズｄと、拡散板６ａ〜６ｃを揺動する速度Ｖとの間に、Ｖ＞ｄ×３０（ミリメートル／秒）の関係が成り立つよう設定したので、スクリーン１１上に投影される画像に存在するスペックルノイズを有効に低減することができる。

また、本実施の形態１では、上記拡散板６ａ〜６ｃの拡散角θを、照明光学系の実質的な開口数ＮＡｉｎと、上記投写レンズ１０の明るさｆに基づいて決定するようにしたので、拡散板の拡散角、照明光学系の実質的な開口数、投写レンズの明るさが適切な関係となり、投写レンズでのけられによる光量ロスを防ぎ、明るい画像表示が可能である。

また、本実施の形態１では、上記空間光変調素子７ａ〜７ｃと上記拡散板６ａ〜６ｃとの間の距離Ｌを、上記拡散板の拡散角θと、上記照明光学系の実質的な開口数ＮＡｉｎと、上記空間光変調素子の対角方向の画面サイズＤとに基づいて決定するようにしたので、拡散板の拡散角、照明光学系の実質的な開口数、空間光変調素子の対角方向の画面サイズが適切な関係となり、拡散板により空間光変調素子の画像表示部分の外側にまで光が散乱されるのを防ぎ、レーザ光源からスクリーンに至る光伝達経路でのトータルの光量ロスを低減させることができる。

また、本実施の形態１では、上記空間光変調素子７ａ〜７ｃと上記拡散板６ａ〜６ｃとの間の距離Ｌを、上記拡散板の透過率ムラのピッチと、上記照明光学系の実質的な開口数ＮＡｉｎとに基づいて決定するようにしたので、拡散板の拡散角、拡散板の透過率ムラのピッチ、照明光学系の実質的な開口数、拡散板と空間光変調素子との距離が適切な関係となり、拡散板の局所的な透過率ムラによる画像の劣化を防ぎ、高品質の画像表示が可能である。

また、本実施の形態１では、上記照明光学系が光インテグレータを含むので、空間光変調素子上での一様な照明を実現可能である。

（実施の形態２）
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本発明の実施の形態２による２次元画像形成装置を説明するための図であり、図４（ａ）は、照明光の開口数ＮＡｉｎ、及び空間光変調素子７ａの出射光の開口数ＮＡｏｕｔを示し、図４（ｂ）は、拡散板６ａの拡散角θを示している。図において、図３と同一または相当する構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。

本実施の形態２の２次元画像形成装置１２０の赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系は、上記実施の形態１の２次元画像形成装置１１０の赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系の光インテグレータ３ａ及び集光レンズ１２ａに代わる、ロッド型光インテグレータ１４ａ及び投影レンズ１５ａを有している。

上記ロッド型光インテグレータ１４ａは、例えばガラスなどでできた、矩形の断面を持つ透明媒体で、その内部に光を反射する反射面が形成されたものであり、拡大レンズ２１により拡大された光を内部反射して、その出射側端面ではその光強度分布を一様な分布として出射するものである。

上記投影レンズ１５ａは、上記ロッド型光インテグレータ１４ａからの光を、その出射側端面が空間光変調素子７ａの画像表示部分に対して１対１に対応するよう空間光変調素子７ａ上に投影するものである。

なお、図示していないが、本実施の形態２の２次元画像形成装置１２０の緑色レーザ光源１ｂ及び青色レーザ光源１ｃに対応する照明光学系は、この実施の形態２の赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系と同様、上記実施の形態１の２次元画像形成装置１１０の緑色レーザ光源１ｂ及び青色レーザ光源１ｃに対応する照明光学系の光インテグレータ３ｂ、３ｃ及び集光レンズ１２ｂ、１２ｃに代わる、ロッド型光インテグレータ及び投影レンズを有している。

次に動作について説明する。
この実施の形態２の２次元画像形成装置１２０においても、実施の形態１の２次元画像形成装置１１０と同様、赤色レーザ光源、緑色レーザ光源、青色レーザ光源から出射した光は、それぞれ対応する照明光学系を経て拡散板に入射し、拡散板により拡散される。該拡散板により拡散されたレーザ光により空間光変調素子は照明され、各空間光変調素子上には、２次元画像が形成される。そして、各空間光変調素子を通過した光は、ダイクロイックプリズムにより合波され、合波された光は投写レンズによってスクリーン上に投影される。

ここで、赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系では、上記レーザ光源１ａからの光は、拡大レンズ２１を介してロッド型光インテグレータ１４ａに入射し、ロッド型光インテグレータ１４ａ内で内部反射を繰り返し、その出射側端面では一様な光強度分布となって出射される。出射された光は、投影レンズ１５ａによりその出射側端面が空間光変調素子７ａの画像表示部分に対して１対１に対応するよう空間光変調素子７ａ上投影される。これにより、空間光変調素子７ａを照明する光はその光強度分布が一様なものとなる。

なお、緑色レーザ光源に対応する照明光学系では、赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系とは異なり、図１に示すように、集光レンズ１２ｂにより集光された光が直接フィールドレンズ８ａに入射する。青色レーザ光源１ｃに対応する照明光学系では、該レーザ光源１ｃから出力された光が、赤色レーザ光源１ａに対応する照明光学系と全く同様にして拡散板６ｃへ導かれる。

このように本実施の形態２では、上記拡散板６ａ〜６ｃを揺動させる動作条件等を規定することによって、明るくかつノイズのない高品質の画像表示が可能となる。

また、この実施の形態２では、照明光学系を、実施の形態１の２枚の２次元レンズアレイ４及び５からなる光インテグレータに代わる、矩形の断面を持つガラスなどの透明媒体からなるロッド型光インテグレータを含むものとしたので、空間光変調素子上での一様な照明を簡単な構成により実現することができる効果がある。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３による２次元画像形成装置を説明するための図であり、該２次元画像形成装置を構成する拡散板を示している。

上記実施の形態１，２と異なる点は、上記実施の形態１，２では、拡散板として、表面にランダムな凹凸形状を持つすりガラス状の拡散板を用いているが、本実施の形態３では、表面が規則的な凹凸形状を持つ擬似ランダム拡散板１８を用いている点である。

実施の形態１及び２の拡散板は通常、ガラスや樹脂等の透明基板表面をランダムに荒らすことによって作製されるものであるのに対し、実施の形態３の擬似ランダム拡散板１８は、透明基板の表面を格子状に区分し、区分された各小領域をその高さが隣接する小領域の高さと異なるよう加工して、その表面領域に凹凸を形成したものである。つまり、この擬似ランダム拡散板１８の表面は、２次元の格子状セル１９に分割され、それぞれのセルを通過する光の位相がランダムに変移するよう、その高さがランダムに設定される。凹凸の最大の深さｄは、凹部と凸部を通過する光の位相差がλとなる場合であり、拡散板の屈折率がｎ、空気の屈折率が１であるので、ｄ×（ｎ−１）＝λの関係式が成立する。従って、凹凸の最大の深さｄは、λ／（ｎ−１）とすればよい。

次に作用効果について説明する。
この実施の形態３の２次元画像形成装置は、実施の形態１及び２の２次元画像形成装置とは、拡散板として擬似ランダム拡散板を用いる点のみ異なるので、以下、擬似ランダム拡散板を用いる利点について説明する。

つまり、図５に示す擬似ランダム拡散板１８を用いる利点は、擬似ランダム拡散板１８を通過する光の拡散角がセルの大きさによって厳密にコントロールすることができる点である。すなわち、擬似ランダム拡散板１８を通過する光は、以下の（式６）が示す強度分布でもって拡散される。
Ｉ（θ）＝｛ｓｉｎ（α）／α｝² （ α＝θ×ｄc／（π・λ））・・・（式６）
ここで、ｄcは、格子状セル１９のセルピッチ、θは、拡散角である。
例えば、擬似ランダム拡散板１８の拡散角の半値全角が１０度となる拡散板１８を作製するには、上記（式６）でＩ（θ）＝１／２、θ＝１０・（２π／３６０）を代入して得られる。青、緑、赤色の光波長がそれぞれλ＝０．４７３、０．５３２、０．６４０マイクロメートルのレーザ光源を用いた場合には、セルピッチｄcはそれぞれ、２．４、２．７、３．２マイクロメートルで作製すれば良い。

擬似ランダム拡散板１８の作製方法としては、通常の半導体プロセスで用いられるフォトリソグラフィー法とエッチング法によってガラス板上に凹凸パターンを形成する方法を用いることができる。このとき、図５のように、格子状セル１９の深さを、位相変移０、π／４、π／２、３π／４に相当する深さに設定しておくと、ガラス板の表面を、２回のエッチング処理、つまりπ／４及び位相変移に相当する深さだけエッチングするエッチング処理と、π／２位相変移に相当する深さだけエッチングするエッチング処理により、擬似ランダム拡散板１８を容易に作製することができる。

このようにして拡散板を作製することで、通常の拡散板では、表面形状がランダムであることから生じていた課題を解決することができる。
つまり、図５に示すような擬似ランダム拡散板１８では、１）場所によって局所的な拡散角が異なり、光利用効率が低下する、２）場所によって透過率が変化し、画像に強度分布ムラが生じる、３）拡散角が一定になるよう拡散板を作製することが困難である、４）拡散角を大きく取った際には偏向方向が乱れる、などの課題を解決することが可能である。

このように本実施の形態３では、拡散板として、擬似ランダム拡散板１８を用いるようにしたので、一様な拡散角と透過率を実現することができ、よりノイズが少なく、明るい画像表示が可能となる。

また、本実施の形態３では、上記擬似ランダム拡散板１８の表面の格子状に区画されたセル領域を、隣接するセル領域の高さが異なるよう加工しているので、拡散板１８を通過する光の拡散角をセルの大きさによって厳密にコントロールすることができ、光利用効率を向上させることができる効果がある。

また、本実施の形態３では、上記擬似ランダム拡散板１８表面の、隣接するセル領域の高さの差を、これらのセル領域を通過する光の位相がπ／４だけずれるよう設定するようにしたので、拡散角が一定になるよう安定に拡散板を作製することができ、光利用効率を向上させることができる効果がある。

（実施の形態４）
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、本発明の実施の形態４による２次元画像形成装置を説明する図であり、図６（ａ）は、上記２次元画像形成装置を構成する拡散板を示す平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡＡ´断面を示す図である。

この実施の形態４の２次元画像形成装置は、実施の形態３の２次元画像形成装置における擬似ランダム拡散板１８に代わる、表面の凹凸の変化が滑らかである構造の擬似ランダム拡散板２０を用いたものである。

次に、作用効果について説明する。
この実施の形態４の２次元画像形成装置は、実施の形態３の２次元画像形成装置の拡散板とはその表面形状が異なる擬似ランダム拡散板２０を用いるものであり、この点のみ上記実施の形態３と異なるので、以下、この擬似ランダム拡散板２０を用いる利点について説明する。

図６に示す擬似ランダム拡散板２０では、拡散板表面の隣接する凹凸部間での段差により生じていた大きな角度で散乱される高次の回折光が生じず、光利用効率を向上させることができる。

回折光の回折角は、凹凸形状の粒状性のサイズｄに依存するものである。この粒状性サイズｄが大きいとき、回折角は小さくなり、粒状性サイズｄが小さいとき、回折角は大きくなる。本実施の形態４では、粒状性サイズｄが一定以下の大きさになるよう設定することで、回折角を一定以下に抑えることができ、その結果、投影レンズ１０のｆ値を越える光線が無くなり、光利用効率が向上する。

滑らかに変化する凹凸形状を持つ擬似ランダム拡散板２０の作製方法としては、まず、ガラス基板表面を、ランダムな面内分布を持つ段差形状となるよう、つまり段差部がランダムに分布した表面形状となるよう加工する。

つまり、ガラス基板表面にフォトレジストをスピンコートし、フォトリソグラフィー法によってランダムな面内分布を持つレジストパターンを作製する。作製したレジストパターンをイオンビームエッチング、ウエットエッチング等の方法によりガラス基板表面形状に転写する。このようにして作製されたガラス基板表面は、凹部と凸部がランダムに分布する段差形状をなしている。

次に、ガラス基板表面を、その表面の凸凹の変化が滑らかになるよう研磨処理する。この際、研磨板としてバフのような柔らかい材料を用いると、図６(b)に示すように、基板表面の、凹部と凸部がランダムに分布する段差形状が、表面の高さの変化が緩やかな凸凹形状となる。研磨の際、基板表面の凹部の深さが減少するので、所望の凹部の深さＤｘを得るためには、エッチングによって作製する基板表面の凹部の深さを、所望の凹部の深さＤｘの２〜３倍とするのが良い。

このように本実施の形態４では、拡散板として、その表面の凹凸の変化が滑らかな構造の擬似ランダム拡散板２０を用いるので、拡散板表面の隣接する凹凸部間での段差により生じる大きな角度で散乱される高次の回折光の発生を回避することができ、投影レンズ１０でのけられによる光量のロスをなくして光利用効率を向上させることができる。

なお、上記説明では、カラー画像の投影装置を例に挙げたが、本発明は単色レーザの画像投影装置、たとえば半導体露光装置などにも利用可能である。
また、上記各実施の形態では、２次元画像形成装置が、投影光学系とスクリーンとが別体になった投写型ディスプレイである場合について説明したが、２次元画像形成装置は、投影光学系と透過型スクリーンとを組み合わせた背面投写型２次元画像形成装置であってもよい。

本発明の２次元画像形成装置は、明るくかつノイズのない高品質の画像表示を可能とするものであり、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おいて有用なものである。

本発明の実施の形態１による２次元画像形成装置を説明する図である。上記実施の形態１の２次元画像形成装置における照明光学系を説明する図である。上記実施の形態１の２次元画像形成装置における、照明光の開口数、空間光変調素子の出射光の開口数、拡散板と空間光変調素子との間の距離、を示す図である。上記実施の形態１の２次元画像形成装置における拡散板の拡散角を示す図である。本発明の実施の形態２による２次元画像形成装置における、照明光の開口数、空間光変調素子の出射光の開口数、を表す図である。上記実施の形態２による２次元画像形成装置における拡散板の拡散角を表す図である。本発明の実施の形態３による２次元画像形成装置を説明する図であり、該２次元画像形成装置で用いる擬似ランダム拡散板を示している。本発明の実施の形態４による２次元画像形成装置を説明する図であり、該２次元画像形成装置で用いる擬似ランダム拡散板を説明する平面図である。上記実施の形態４による２次元画像形成装置で用いる擬似ランダム拡散板を説明する断面図である。従来の２次元画像形成装置を示す概略構成図である。

Claims

光変調により２次元画像を形成する装置であって、
コヒーレント光源と、
光を拡散する拡散板と、
上記コヒーレント光源からの光を拡散板に照射する照明光学系と、
上記拡散板に近接して設置され、該拡散板で拡散された、上記コヒーレント光源からの光を変調する空間光変調素子と、
上記空間光変調素子の像を空間上のある面に投写する投写レンズとを備え、
上記拡散板の透過率ムラのピッチＰと、上記照明光学系の実質的な開口数ＮＡｉｎと、上記拡散板の拡散角θと、上記空間光変調素子の画像表示範囲の対角線の長さＤと、上記空間光変調素子と上記拡散板との間の距離Ｌとの間に、
Ｐ／ＮＡｉｎ＜Ｌ＜Ｄ／（３×（θ／２＋ＮＡｉｎ））
なる関係が成り立つ、
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
請求項１に記載の２次元画像形成装置において、
上記照明光学系は、光インテグレータを含む、
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
請求項２に記載の２次元画像形成装置において、
上記光インテグレータは、少なくとも２枚のレンズアレイからなる、
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
請求項２に記載の２次元画像形成装置において、
上記光インテグレータは、ロッド型光インテグレータからなる、
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
請求項１に記載の２次元画像形成装置において、
上記拡散板は、所望の拡散角が得られるよう表面が加工された擬似ランダム拡散板からなる、
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
請求項５に記載の２次元画像形成装置において、
上記擬似ランダム拡散板は、透明基板を、その表面の格子状に区画されたセル領域を、隣接するセル領域の高さが異なるよう加工してなるものである、
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
請求項６に記載の２次元画像形成装置において、
上記透明基板を加工してなる擬似ランダム拡散板は、隣接するセル領域の高さの差が、これらのセル領域を通過する光の位相がπ／４だけずれるよう設定したものである、
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
請求項５に記載の２次元画像形成装置において、
上記擬似ランダム拡散板は、その表面の高さが連続して変化する凹凸表面形状を有する、
ことを特徴とする２次元画像形成装置。