JP4246232B2

JP4246232B2 - 光拡散素子、スクリーンおよび画像投写装置

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Publication number: JP4246232B2
Application number: JP2006327231A
Authority: JP
Inventors: 宗晴桑田; 智広笹川; 潤染谷; 博明杉浦
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2009-04-02
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Description

本発明は、画像表示を行なう光拡散素子、スクリーンおよび画像投写装置に関するものである。

近年、液晶技術の発達に伴い、種々の画像表示装置の開発が進められている。液晶を用いた画像表示装置の１つとして、例えば、背面投射型の画像投写装置がある。この背面投射型の画像投写装置では、光源からの光を照明光学系から光変調素子に照射し、光変調素子によって変調することで画像光を形成し、この画像光をレンズやミラー等の光学系によってスクリーンに背面から投影することで、画像を表示する構造となっている。このような画像投写装置は、民生用途としては大型テレビ等に応用され、業務用途としては情報表示や広告用ディスプレイに応用されて広く普及している。

画像投写装置用の光源としては、例えばランプ等の白色光源が用いられる。画像投写装置用では、この白色光源の白色光を空間的あるいは時間的に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色に分離し、各色それぞれを光変調素子により映像信号に応じた変調を行い、変調後の各色を再合成することでカラー画像を形成している。

画像投写装置用の照明光学系は、光源の光強度分布を均一化するための光均一化手段、一般に円形である光源の光束断面を光変調素子に対応した矩形に変換するための光成形手段、光源の白色光を３原色に分離するための手段（カラーフィルター等）、光源からの光を所望の位置および大きさに結像させる光学素子（レンズやミラー等）を含んで構成されている。

画像投写装置用の光変調素子としては、例えば、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）（登録商標）などの反射型光変調素子や、透過型あるいは反射型の液晶パネル等を用いることができる。これらの光変調素子は、例えば光源の白色光を空間的に３原色に分離し、各色に対応した光変調素子を計３枚用いて各色ごとに独立した光変調を行う３板方式や、あるいは光路中に配置した回転する３原色カラーフィルター等により、白色光を時間的に３原色に分割し、１枚の光変調素子を用いて時間ごとに各色を光変調する単板方式等によって光変調を行なっている。

画像投写装置用のスクリーンは、背面から投影された画像光を透過させて前面の観測者に対して画像を表示する機能を有し、主に広がった画像光を観測者の方向へ偏向させるためのフレネルレンズと、主に水平方向の視野角を広げるためのレンチキュラーレンズとで構成されている。また、前記フレネルレンズとレンチキュラーレンズのいずれか一方、または両方に、光拡散層を設けて画像光を拡散させることで、垂直方向の視野角を広げることも可能である。

先述した従来のスクリーンでは、スクリーン内の拡散層による散乱光が干渉することにより、スペックル（シンチレーションと呼ばれる画像のぎらつき）が生じ、鮮明な画像を表示できないという問題があった。

また、近年、従来のスクリーンよりも色鮮やかな画像を表示するべく、例えば、それぞれＲ、Ｇ、Ｂの波長帯の光を発するレーザーを光源として用いた画像投写装置が開発されているが、前記レーザー光源の発する光は、可干渉性が高いため、スペックルが従来のスクリーンよりも顕著となってしまう。このため、レーザー光源を用いた場合に鮮明な画像を得るには、スペックルを低減することが重要となる。

スペックル低減の改善策として、光拡散層において散乱波の散乱分布および／または位相を時間的に変化させることでスペックルを低減させる手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、少なくとも２層の液晶層に周期的に電圧を印加させて散乱面を振動させる効果を得ることでスペックルを低減させる手法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−１００３１６号公報特開２００５−３５２０２０号公報

しかしながら、上記前者の従来技術では、光拡散層の散乱分布等を時間的に変化させているので、散乱の強弱によってスクリーンの透過率（表示画像の輝度）が時間的に変化することになる。この手法を単板方式に適用した場合には、Ｒ、Ｇ、Ｂを表示するタイミングと光拡散層の散乱分布等を変化させるタイミングとの同期を取らないと、カラー画像の色バランスが崩れてしまうため、光拡散層の散乱分布等制御が複雑になるといった問題があった。また、上記後者の従来技術では、液晶層を複数枚使用する必要があるため、光拡散素子の構造が複雑になるとともに製造コストが高くなるといった問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で容易にスペックルを低減させることができる光拡散素子、スクリーンおよび画像投写装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、入射光を拡散させる光拡散層と、前記光拡散層を挟持するよう形成された１対の電極と、前記１対の電極に所定の電圧を印加する電圧印加手段と、を備え、前記光拡散層は、印加電圧と屈折率との関係としての光散乱特性が異なる少なくとも２種類の液晶分子を、印加電圧の変化に対して光散乱特性が変化しない高分子層中に複数分散させて構成され、前記少なくとも２種類の液晶分子は、任意の１種類の液晶分子の屈折率が前記高分子層の屈折率と略等しくなる電圧を印加した場合の前記光拡散素子の光散乱の強さと、他の異なる種類の液晶分子の屈折率が前記高分子層の屈折率と略等しくなる電圧を印加した場合の前記光拡散素子の光散乱の強さとがいずれも略等しくなるような、印加電圧に対する屈折率特性をそれぞれ有する種類の異なる液晶分子を組み合わせて構成され、前記電圧印加手段は、前記種類の異なる各液晶分子の屈折率と、前記高分子層の屈折率とが略同じ屈折率を示す複数の異なる電圧値を、周期的に前記１対の電極に印加し、前記電圧印加手段が前記複数の異なる電圧値を周期的に前記１対の電極に印加することによって、前記光拡散層での時間あたりの光透過率の平均値を一定にさせつつ前記光拡散層で生じるスペックルパターンを時間的に変化させることを特徴とする。

この発明によれば、光拡散層での時間あたりの光透過率の平均値を一定にさせつつ光拡散層で生じるスペックルパターンを時間的に変化させるので、簡易な構成で容易にスペックルを低減させることが可能になるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して、本発明に係る光拡散素子、スクリーンおよび画像投写装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１の画像投写装置の構成を示す図である。画像投写装置３００は、光源装置１０、画像投写機構３０を備えている。光源装置１０は、主光源２０とコンデンサレンズ１３を備えている。

主光源２０は、超高圧水銀ランプを用いたランプ光源１１と放物面リフレクタ１２を備えている。主光源２０は、ランプ光源１１から出射された光を放物面リフレクタ１２で反射させることによって略平行光束をコンデンサレンズ１３側へ出射する。ここでは、説明の便宜上、放物面リフレクタ１２からの出射光の光軸を光軸Ａｘとして画像投写装置３００の構成を説明する。

画像投写機構３０は、光源装置１０からの出射光を均一化する光均一化素子３７と、この光均一化素子３７の出射面３１からの出射光を伝達するリレー光学系３２と、リレー光学系３２からの光を光変調する光変調素子３３と、光変調素子３３からの出射光を画像表示用スクリーン２００に拡大投影する投写光学系３５と、画像表示用スクリーン２００と、を備えている。

ここでの光均一化素子３７およびリレー光学系３２は、光源装置１０からの光を光変調素子３３に照射する照明光学系３４を構成している。光均一化素子３７は、光変調素子３３の表示エリアと相似な断面形状を有する角筒状体の内周面全体に反射膜を設けたライトパイプで構成されている。このライトパイプは、その一端の入射面から入射した光を、内周面の反射膜で全反射しながら出射面３１に導き、出射面３１から均一な強度分布の光として出射するものである。

リレー光学系３２は、光均一化素子３７と光変調素子３３との間に配置され、光均一化素子３７の出射端と光変調素子３３とが共役な関係となるよう、光均一化素子３７からの出射光を結像させる機能を有している。

光変調素子３３は、例えば反射型のＤＭＤ（Digital Micro−mirror Device）や透過型の液晶パネル、または反射型の液晶パネル等を含めて構成する。光変調素子３３は、光変調素子を１枚だけ使用した単板式であってもよいし、複数の光変調素子を使用した構成（例えば、３枚の光変調素子３３を使用した３板式等）であってもよい。

投写光学系３５は、光変調素子３３と画像表示用スクリーン２００との間に配置され、光変調素子３３と画像表示用スクリーン２００とが共役な関係になるよう、光変調素子３３からの出射光を結像させる機能を有している。

画像投写装置３００が、リアプロジェクションタイプの場合、画像表示用スクリーン２００は透過型となる。この場合、画像表示用スクリーン２００は、投写光学系３５側に配置されたフレネルレンズ（後述のフレネルレンズ８）と、観察者側に配置されたレンチキュラーレンズ（後述のレンチキュラーレンズ９）とを有し、観察者側に映像を映し出す。フレネルレンズは、投写光学系３５からの投写光を略平行光として出射する作用を有している。レンチキュラーレンズは、フレネルレンズで略平行光となって入射した投写光を、並列されたシリンドリカルレンズ群の特性により視野角を広げて、観察者側に映像光として出射する作用を有している。

画像投写装置３００が、フロントプロジェクションタイプの場合、画像表示用スクリーン２００は反射型となる。この場合、画像表示用スクリーン２００が略完全拡散面を有するよう画像表示用スクリーン２００を構成し、投写光学系３５からの投写光を視野角を広げて、投写光学系３５側に映像光として反射するようにしてもよい。

ランプ光源１１からの照明光は、放物面リフレクタ１２によって略平行光束にされる。この略平行光束は、コンデンサレンズ１３によって光軸Ａｘ上の所定の集光面１４に集光される。光源装置１０の集光面１４に集光された光は、集光面１４に配置された光均一化素子３７の入射面に入射し、光均一化素子３７の内部で反射を繰り返すことにより均一化され、出射面３１から出射される。出射面３１から出射された光は、リレー光学系３２により屈折や反射作用を受け、光変調素子３３に照射される。光変調素子３３は、入力された映像信号に応じて照射された光を変調し、その変調光は投写光学系３５により屈折や反射作用を受けて拡大され、画像表示用スクリーン２００に投写（投影）されて、映像が映し出される。

なお、光均一化素子３７は、光変調素子３３の表示エリアと相似な断面形状を有する透明な角棒状体からなるロッドインテグレータであってもよい。ロッドインテグレータは、その一端の入射面から入射した光を、側面（空気層との界面）で全反射しながら出射面３１に導き、出射面３１から均一な強度分布の光として出射するものである。

また、集光面１４よりも前段（光源装置１０側）、あるいは出射面３１よりも後段（画像表示用スクリーン２００側）のいずれかの位置（光均一化素子３７の外部）に、カラー画像を表示するためのカラーホイール、特定の波長帯の光を透過あるいは反射させるダイクロイックフィルター、異なる波長帯の光を合成するための合成プリズム等を設けてもよい。

また、ここでは、主光源２０のランプ光源１１として超高圧水銀ランプを用いた場合について説明したが、これに限らず、主光源２０のランプ光源１１に例えばキセノンランプ、メタルハライドランプ、無電極放電ランプ等を用いてもよい。また、ここでは、主光源２０が放物面リフレクタ１２を備える構成としたが、放物面リフレクタ１２に限らず、楕円リフレクタを備える構成としてもよい。主光源２０が楕円リフレクタを備える構成の場合は、光源装置１０においてコンデンサレンズ１３が不要となり、ランプ光源１１からの照明光は直接集光面１４に集光することとなる。

つぎに、画像表示用スクリーン２００に用いられれる光拡散素子の構成について説明する。図２は、本発明に係る実施の形態１の光拡散素子の構成を示す図である。光拡散素子１００は、光源装置１０からの光を拡散および透過させる素子であり、透明基板１、透明電極２、液晶層（光拡散層）３、電源回路７を備えている。

透明基板１は、２枚の透明電極２を介して液晶層３を挟持している。すなわち、一方の透明基板１の上層に一方の透明電極２を配設し、この透明電極２の上層に液晶層３を配設し、液晶層３の上層に他方の透明電極２を配設し、この透明電極２の上層に他方の透明基板１を配設している。各透明電極２へは、電源回路７が接続されている。

液晶層３は、高分子材料（高分子層）４、第１の液晶分子５、第２の液晶分子６を含んで構成されている。液晶層３へは、電源回路７から透明電極２を介して所定の電圧が印加される。電源回路７は、図示しない制御装置からの駆動信号に基づいて透明電極２へ電圧を印加する。

透明基板１の基板材料には、例えばガラス、プラスチック、ＰＥＴ（Poly Ethylene Terephtalate）フィルム等を用いる。また、透明電極２の電極材料には、例えばＩｎ₂Ｏ₃やＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、あるいはＳｎＯ₂等を用いる。液晶層３としては、例えばネマティック液晶等の小滴を均透明な高分子媒体中に略均一に分散させたものを用いる。

高分子材料中に液晶分子を分散させた液晶層に電圧を印加すると、液晶分子は、印加電圧に応じてその配向状態を変化させるので、液晶分子の屈折率も印加電圧に応じて変化する。高分子材料と液晶分子との屈折率が等しい場合は、液晶層に入射した光は散乱することなく直進するが、高分子材料と液晶分子との屈折率が異なる場合は、液晶層に入射した光は液晶分子により散乱される。したがって、液晶層に対して電圧を印加することにより、液晶層の光散乱特性を制御することができる。

本実施の形態では、第１の液晶分子５と第２の液晶分子６とを光散乱特性が互いに異なる液晶分子で構成しておく。換言すると、第１の液晶分子５と第２の液晶分子６とでは、印加電圧と屈折率との関係（光散乱特性）が異なっている。

ここで、液晶層３内（第１の液晶分子５、第２の液晶分子６、高分子材料４）における、印加電圧と屈折率との関係（光散乱特性）について説明する。図３は、第１の液晶分子、第２の液晶分子、高分子材料における、印加電圧と屈折率との関係を示す図である。図３に示すように、第１の液晶分子５および第２の液晶分子６は、印加電圧に応じてそれぞれの屈折率を変化させるが、同一の印加電圧に対してそれぞれの屈折率が異なる。すなわち、第１の液晶分子５と第２の液晶分子６とでは、光散乱特性が異なっている。

また、高分子材料４は、所定（一定）の屈折率を有しており、印加電圧を変化させても屈折率が変化することはない。図３では、印加電圧Ａ（第１の電圧値）のときに第１の液晶分子５と高分子材料４の屈折率が等しくなり、印加電圧Ｂ（第２の電圧値）のときに第２の液晶分子５と高分子材料４の屈折率が等しくなる場合を示している。

つぎに、液晶層３への印加電圧を変化させた場合の液晶層３内での光の散乱状態の変化について説明する。図４は、印加電圧の変化に伴う光の散乱状態を説明するための図である。図４では、図３に示した光散乱特性を有した液晶層へ印加電圧Ａ，Ｂを与えた場合の光の散乱状態を示している。

液晶層３への印加電圧が印加電圧Ａの場合、第１の液晶分子５の屈折率は高分子材料４の屈折率と等しいので、第１の液晶分子５に入射した光は散乱されず直進する。一方、第２の液晶分子６の屈折率は、高分子材料４の屈折率と異なるので、第２の液晶分子６に入射した光は散乱される。したがって、液晶層３への印加電圧が印加電圧Ａの場合、第２の液晶分子６による散乱光の干渉に起因したスペックル（以下、第２のスペックルパターンという）が形成されることとなる。

液晶層３への印加電圧が印加電圧Ｂの場合、第１の液晶分子５の屈折率は、高分子材料４の屈折率と異なるので、第１の液晶分子５に入射した光は散乱される。一方、第２の液晶分子６の屈折率は高分子材料の屈折率と等しいので、第２の液晶分子６に入射した光は散乱されず直進する。したがって、液晶層３への印加電圧が印加電圧Ｂの場合、第１の液晶分子５による散乱光の干渉に起因したスペックル（以下、第１のスペックルパターンという）が形成されることとなる。

なお、ここでのスペックルは、シンチレーションと呼ばれる画像のぎらつきであり、スクリーンで発生する光の干渉による角度分布ムラのことである。シンチレーションは、スクリーンに入射した光がスクリーン内で違う光路を通り抜けることによって、スクリーンの同じ位置で同じ向きに出射する光が強めあったり弱めあったりすることによって発生する。

このような散乱特性を有する液晶層３に対して、印加電圧Ａと印加電圧Ｂを周期的に変化させると、液晶層３の光散乱特性（第１の液晶分子５と第２の液晶分子６の各屈折率）が時間的に変化し、第１のスペックルパターンと、第２のスペックルパターンとが周期的に切り替わる。例えば、液晶層３に対して、印加電圧Ａと印加電圧Ｂを所定のタイミングで同時間ずつ周期的に変化させると、液晶層３の時間あたりの透過率が平均化されて略一定（光透過率の時間あたりの平均値が一定）（高分子材料４と同じ透過率）となる。これにより、第１のスペックルパターンと第２のスペックルパターンの形成が時間的に平均化されるため、見た目上のスペックルを低減することが可能となる。

本実施の形態では、例えば、図５に示す印加電圧のパターン（駆動信号）を用いて、液晶層３への印加電圧を変化させる。第１のスペックルパターンと第２のスペックルパターンとを切り替える周期としては、スペックルパターンの切り替わりを人間の目が感知し難い程度とする。第１のスペックルパターンと第２のスペックルパターンとを切り替える周期としては、例えば３０Ｈｚ以上、より好ましくは５０Ｈｚ以上とするのがよい。

ここで、従来の光拡散素子（液晶層）と本実施の形態の光拡散素子１００（液晶層３）の差異を明確にするため、１種類の液晶分子（例えば、第１の液晶分子）のみを用いた液晶層への印加電圧を時間的に変化させた場合の光散乱特性（拡散の強さ）について説明する。

例えば、１種類の液晶分子のみを用いた液晶層（従来の液晶層）への印加電圧を、先述の液晶層３への印加電圧と同様に所定の周期で時間的に変化させる。１種類の液晶分子のみを用いた液晶層に、印加電圧Ｂをかけた場合は液晶層で光が散乱されるが、印加電圧Ａをかけた場合は液晶層で光の散乱は起こらず光は透過する。このため、印加電圧Ａをかけた場合と印加電圧Ｂをかけた場合とで、光拡散素子の透過率が異なってしまう。したがって、時分割によりＲ、Ｇ、Ｂの各色の画像を生成する単板方式の画像投写装置の画像を従来の光拡散素子に表示させた場合、映像信号が有するＲ、Ｇ、Ｂの各色の輝度バランスが崩れるため、本来の色彩をもつ画像を表示することができなくなる。

従来の光拡散素子において、光拡散素子の拡散特性を考慮して映像信号に予め信号処理を施し、所望の色彩を有した画像を表示することも可能である。ところが、映像信号へ信号処理を施す場合には、画像を表示するタイミングと、光拡散素子の駆動タイミングとの同期を取る必要があるため、所望の色彩を有した画像を表示する際の制御が複雑になってしまう。

これに対し、本実施の形態に係る光拡散素子１００では、印加電圧Ａの場合の第２の液晶分子６による光拡散の強さと、印加電圧Ｂの場合の第１の液晶分子５による光拡散の強さとが概ね等しくなるよう各液晶分子（第１の液晶分子５、第２の液晶分子６）を選択する。これにより、液晶層３に印加電圧Ａまたは印加電圧Ｂをかけている間（画像表示の間）、常に光拡散素子１００の透過率を等しくすることができる。

このように、映像信号に特別な処理（信号処理など）を施すことなく、本来の色彩を持つ画像を容易に表示することが可能となる。また、光拡散素子１００の駆動において画像を表示するタイミングとの同期を取ることなく、本来の色彩を持つ画像を容易に表示することが可能となる。

なお、本実施の形態では、液晶層３を構成する液晶分子を２種類としたが、所定の散乱特性を有する３種類以上の液晶分子を用いて液晶層３を構成してもよい。例えば、高分子材料４の屈折率と等しくなる印加電圧として、第１〜第ｎ（ｎは自然数）の各液晶分子の印加電圧を予めｎ個分だけ設定しておき、この印加電圧を所定のタイミングで周期的に切り替えていく。このとき、液晶層３の透過率が平均化されて略一定（高分子材料４と同じ透過率）となるよう、印加電圧を切り替えていく。この場合も、液晶層３を２種類の液晶分子で構成した場合と同様の効果が得られる。

また、本実施の形態では、一方の液晶分子（第１の液晶分子５または第２の液晶分子６の何れか一方）の屈折率が高分子材料４の屈折率に等しくなるよう印加電圧の上限値（印加電圧Ｂ）および下限値（印加電圧Ａ）を設定したが、このような印加電圧に限ることなく、常に何れの液晶分子も光の散乱を行なうように印加電圧の上限値および下限値を設定してもよい。この場合も、一方の液晶分子の屈折率が高分子材料４の屈折率に等しくなるよう印加電圧の上限値および下限値を設定した場合と同様の効果が得られる。

また、本実施の形態では、液晶層３への印加電圧の駆動波形を矩形波としたが、矩形波に限ることなく、正弦波や三角波等の駆動波形を有した印加電圧を液晶層３へかけてもよい。この場合も、矩形波の駆動波形で液晶層３へ電圧を印加した場合と同様の効果が得られる。

また、本実施の形態では、光源装置１０の主光源２０にランプ光源１１を用いた場合について説明したが、光源装置１０の主光源２０は、ランプ光源に限られない。例えば、光源装置１０の主光源２０として、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やレーザ光を用いてもよい。

なお、本実施の形態では、画像投写装置３００が主光源２０を備える構成としたが、さらに赤の波長領域の照明光を出射する副光源を備える構成としてもよい。この場合、主光源２０の光と副光源の光が合成されてコンデンサレンズ１３側へ光が出射される。

このように実施の形態１によれば、液晶層３に異なる散乱特性を有する少なくとも２種類の液晶分子を含ませるとともに、液晶層３への印加電圧を周期的に切り替えているので、スペックル（第１のスペックルパターンと第２のスペックルパターン）を低減することができ、鮮明な画像を表示することが可能となる。

また、スペックルは、可干渉性の強い光において顕著となるため、本実施の形態にかかる光拡散素子１００は、画像投写装置３００の光源としてレーザーを使用した場合に、スペックル低減の効果が高まる。したがって、簡易な構成で容易にスペックルを低減させることができる光拡散素子１００、画像表示用スクリーン２００および画像投写装置３００を得ることが可能となる。これにより、レーザー等の可干渉性の強い光源を使用した場合においても、簡易な構成で容易に、輝度や色味を変化させることなく鮮明な画像を表示することが可能となる。

実施の形態２．
つぎに、図６を参照して本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、画像表示用スクリーン２００内の所定の距離だけ互いに離れた位置に複数の拡散層を配置しておく。

図６は、本発明に係る実施の形態２の画像表示用スクリーンの構成を示す図である。画像表示用スクリーン２００は、フレネルレンズ８、レンチキュラーレンズ９、光拡散素子１００を備えている。

フレネルレンズ８は、画像投写装置（投写光学系）３００側に配設され、画像投写装置から送られる広がった画像光を屈折・透過させて所定の角度範囲内に収束させる機能を有してる。

レンチキュラーレンズ９は、フレネルレンズ８と光拡散素子１００の間に配設されている。レンチキュラーレンズ９は、フレネルレンズ８を透過した画像光を屈折・透過させて画像光を適切な角度範囲内に広げ、所望の視野角を確保する機能を有している。

光拡散素子１００は、実施の形態１の図２で説明した光拡散素子１００である。光拡散素子１００は、観測者側に配設され、レンチキュラーレンズ９を透過した画像光を拡散するとともに、拡散させた散乱光の干渉により発生するスペックルパターンを時間的に平均化して表示画像のスペックルを低減する機能を有している。

光拡散素子１００は、主面と垂直な方向の厚み（幅）が増えるにしたがって光の拡散強度が強くなり、スペックルの低減効果も高くなる。しかしながら、厚みが増すと、透明電極（図２に示した透明電極２）間の距離が大きくなり、駆動電圧が高くなる。このため、低電圧で光拡散素子１００を駆動させるためには、光拡散素子１００の厚みは薄いほうが好ましい。

互いに所定の距離だけ離れた位置に複数の拡散層（散乱層）を配置した場合、レーザ光が先に入射する側の拡散層（先の拡散層）により生じた干渉光（拡散による干渉光）が、レーザ光が後に入射する側の拡散層（後の拡散層）でさらに拡散されるので、スペックルの低減効果が大きくなる。

そこで、光拡散素子１００の厚みを小さくしつつ、スペックルの低減効果を高めるため、例えば光拡散素子１００から所定の距離だけ離れた位置に光拡散素子１００とは別の拡散層を配置する。例えば、フレネルレンズ８あるいはレンチキュラーレンズ９の何れか一方または両方に、拡散剤を含有させる。また、拡散シート等の新たな拡散層を別の構成要素として画像表示用スクリーン２００内の任意の位置に加えてもよい。

画像表示用スクリーン２００内に複数の拡散層を配置する場合において、一定のスペックル低減効果を得るためには、各々の拡散層の拡散機能が強いほど拡散層を互いに近い位置に配置し、各々の拡散層の拡散機能が弱いほど拡散層を互いに離れた位置に配置すればよい。すなわち、各々の拡散層の拡散機能の強弱に応じた位置（配置間隔）で、画像表示用スクリーン２００内に各拡散層を配置する。

また、拡散層は、画像の結像面に近く配置するほどスペックル低減効果が弱く、画像の結像面から離れるほどスペックル低減効果が強くなる。一般に、スペックルの低減と画像の鮮鋭度とはトレードオフの関係にあり、拡散作用を強くしてスペックルを低減すると画像がぼける傾向がある。したがって、本実施の形態では、スペックルの低減効果と画像の鮮鋭度を勘案して、拡散層を配置する位置、拡散層の数、拡散層の拡散強度等を決定する。

また、スペックルは、可干渉性の強い光において顕著となるため、本実施の形態に係る画像表示用スクリーン２００は、画像投写装置の光源としてレーザーを使用した場合に、スペックル低減の効果が高くなる。

なお、本実施の形態では、光拡散素子１００を観測者側に配置する場合について説明したが、光拡散素子１００の配置位置はこの位置に限られない。すなわち、光拡散素子１００を、フレネルレンズ８より画像投写装置側やフレネルレンズ８とレンチキュラーレンズ９との間等に配置してもよい。この場合も、光拡散素子１００を観測者側に配置する場合と同様の効果が得られる。

このように実施の形態２によれば、画像表示用スクリーン２００内において、所定の距離だけ互いに離れた位置に複数の拡散層を配置しているので、画像投写装置からの画像光のスペックルを低減し、レーザー等の可干渉性の強い光源を使用した場合においても、鮮明な画像を表示することが可能となる。したがって、簡易な構成で容易にスペックルを低減させるながら鮮明な画像を表示できる画像表示用スクリーンを得ることが可能となる。

以上のように、本発明に係る光拡散素子、スクリーンおよび画像投写装置は、画像の表示に適している。

本発明に係る実施の形態１の画像投写装置の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態１の光拡散素子の構成を示す図である。液晶層内での印加電圧と屈折率との関係を示す図である印加電圧の変化に伴う光の散乱状態を説明するための図である。液晶層への印加電圧のパターンの一例を示す図である。本発明に係る実施の形態２の画像表示用スクリーンの構成を示す図である。

符号の説明

１透明基板
２透明電極
３液晶層
４高分子材料
５第１の液晶分子
６第２の液晶分子
７電源回路
８フレネルレンズ
９レンチキュラーレンズ
１０光源装置
１１ランプ光源
１２放物面リフレクタ
１３コンデンサレンズ
１４集光面
２０主光源
３０画像投写機構
３１出射面
３２リレー光学系
３３光変調素子
３４照明光学系
３５投写光学系
３７光均一化素子
１００光拡散素子
２００画像表示用スクリーン
３００画像投写装置

Claims

入射光を拡散させる光拡散層と、
前記光拡散層を挟持するよう形成された１対の電極と、
前記１対の電極に所定の電圧を印加する電圧印加手段と、
を備え、
前記光拡散層は、印加電圧と屈折率との関係としての光散乱特性が異なる少なくとも２種類の液晶分子を、印加電圧の変化に対して光散乱特性が変化しない高分子層中に複数分散させて構成され、
前記少なくとも２種類の液晶分子は、任意の１種類の液晶分子の屈折率が前記高分子層の屈折率と略等しくなる電圧を印加した場合の前記光拡散素子の光散乱の強さと、他の異なる種類の液晶分子の屈折率が前記高分子層の屈折率と略等しくなる電圧を印加した場合の前記光拡散素子の光散乱の強さとがいずれも略等しくなるような、印加電圧に対する屈折率特性をそれぞれ有する種類の異なる液晶分子を組み合わせて構成され、
前記電圧印加手段は、前記種類の異なる各液晶分子の屈折率と、前記高分子層の屈折率とが略同じ屈折率を示す複数の異なる電圧値を、周期的に前記１対の電極に印加し、
前記電圧印加手段が前記複数の異なる電圧値を周期的に前記１対の電極に印加することによって、前記光拡散層での時間あたりの光透過率の平均値を一定にさせつつ前記光拡散層で生じるスペックルパターンを時間的に変化させることを特徴とする光拡散素子。
画像光が投影されることにより画像を表示するスクリーンであって、請求項１に記載の光拡散素子を備えたことを特徴とするスクリーン。
照明光を出射する光源と、
前記光源からの照明光を略平行光束にして光軸上の所定の集光面に集光する集光部と、
前記集光面に集光された光を変調して拡大するとともに、拡大後の光を画像光として投影する画像投影部と、
前記画像投影部で投影される画像光を表示する請求項２に記載のスクリーンと、
を備えたことを特徴とする画像投写装置。