JP4635102B2 - 投写型画像表示装置 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間光変調素子で形成される画像をレーザ光によって照明し、投射レンズを用いてスクリーン上に投射する投写型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大画面の画像を効率的に得るための一形態として、プロジェクターなどの投写型画像表示装置が用いられている。投写型画像表示装置では、映像信号に応じた画像を形成するための液晶パネル等の空間光変調素子を、ランプからの光で照明し、投射レンズによってその光学像をスクリーン上に拡大投射する。
【０００３】
しかしながら、ランプを光源とした場合、（１）光源の寿命が短くメンテナンスが煩雑になる、（２）白色光を光の三原色に分離するために光学系が複雑になる、（３）色再現範囲が狭い、といった種々の問題点がある。
【０００４】
これらの問題点を解決するために、ランプの代わりにレーザ光源を用いた投写型画像表示装置が提案されている。レーザ光源は、ランプに比べて寿命が長く、またレーザ光は指向性が高いために光利用効率も高い。さらに、その単色性により広い色再現範囲を確保できる。
【０００５】
しかしながら、レーザ光は干渉性が高いため、スペックルノイズが生じて画質が劣化する問題を伴う。スペックルノイズは、レーザ光源からの位相が揃った波が表面の荒い物体面によって散乱されることで、像面において複雑な位相関係で光束が干渉しあうことによって生じる。スペックルノイズは、不規則な粒状の強度分布として観察される。
【０００６】
画像表示装置においては、スペックルノイズが現れると、観察者は画質の劣化として認識する。そのため、レーザ光を用いた投写型画像表示装置を提供する際には、スペックルノイズの除去・低減が極めて重要である。このようなスペックルノイズを低減する方法として、種々の方法が提案されている（特許文献１〜５）。
【０００７】
特許文献１には、スペクトル幅を広げてレーザ発振させることによりスペックルノイズを低減することが開示されている。また、特許文献２には、波長の異なる複数の光源を用いることにより、同様の効果を得ることが開示されている。しかしながら、波長変換によって得られる緑色レーザ光のように、スペクトル幅が狭い光源では、これらの適用は一般に難しい。
【０００８】
また、特許文献３には、レーザ光をＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離し、光路差をつけて合波し、空間光変調素子にレーザ光を入射することが開示されている。しかしながら、この方法では、液晶ライトバルブのように、空間光変調素子への入射光が直線偏光でなければならない場合には適用が困難である。
【０００９】
別のアプローチとして、時間的に変化する相関のない様々なスペックルパターンを発生させ、その重畳効果によって人間が感じるスペックルノイズを低減させる方法がある。特許文献４には、光ファイバーを振動させてスクリーンに投射される光の位相に時間的な変調を与えることで、様々なスペックルパターンを発生させることが開示されている。特許文献５には、フライアイレンズをレーザ光軸を中心に回転させることで、空間光変調素子への光の入射角度を変化させ、様々なスペックルパターンを発生させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【特許文献１】
特開２００２−３２３６７５号公報
【特許文献２】
特表２００４−５０３９２３号公報
【特許文献３】
特開２００１−２９６５０３号公報
【特許文献４】
特開２００３−１５６６９８号公報
【特許文献５】
特開平１１−０６４７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これらの方法は、いずれもスペックルノイズの低減に効果的であるが、単一の方法でスペックルノイズを完全に除去できるものではなく、高画質の映像を得るためには、更なるスペックル低減手段を併用することが望ましい。
【００１１】
上記特許文献１〜５に開示された方法は、レーザ光の位相、偏光、波長といった特性に着目したものであるが、スペックルノイズの大小を左右する他の要因として、スクリーン上での投射光の輝度均一性が重要である。
【００１２】
一般に、液晶ライトバルブやデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）といった固定画素構造を有する二次元空間光変調素子では、画素と画素の間に光が通過できない部分が生じる。それにより、スクリーン上に、ブラックマトリックスと呼ばれる、光が照射されない画素格子部分が形成される。
【００１３】
画素格子による１画素単位の輝度ムラがあると、本来の信号では存在しない不自然な画像となるため、それだけで画質品位の低下を招く。更に、光源がレーザである場合は、スペックルノイズの量にも影響を与える。
【００１４】
スクリーン上に人間の目の分解能と同等、あるいはそれ以下の周期で輝度ムラがある場合、人間の目が感じるスペックルノイズの量は、高輝度部位におけるスペックルノイズの量で支配される。平均輝度が同じ場合でも、輝度ムラがあると、輝度ムラがない場合に比べてスペックルノイズは大きくなり、画質品位が低下する。そのため、高品位かつ自然な画像を得るためには、画素格子が目立たないようにすることが重要である。
【００１５】
輝度ムラを無くしてスペックルノイズを低減する簡便な方法としては、投射光学系をデフォーカスすることが考えられるが、投射画像自体がぼけた鮮鋭感のない画像となってしまうため、画質品位を維持することができない。
【００１６】
本発明は、上述の実情に鑑みて、簡便な方法により、画素格子を目立ち難くして自然な画像にするとともに、効率的にスペックルノイズを低減することを可能にした投写型画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために本発明の投写型画像表示装置は、レーザ光を出射する少なくとも１つのレーザ光源と、映像信号に応じて前記レーザ光を変調する空間光変調素子と、前記空間光変調素子から出射した変調レーザ光をスクリーンに投射する投射光学系と、前記変調レーザ光を複屈折により空間的に分離する画素分離素子とを備えている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、複屈折板によって画素が空間的に複数に分離されることにより、空間光変調素子の画素の非有効部である画素格子の領域が減少して画素格子が目立たなくなり、スクリーン上の輝度分布が均一化されて、スペックルノイズが低減される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における投写型画像表示装置の概略構成図
【図２Ａ】図２Ａは、同投写型画像表示装置における画素分離パターンの模式図
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａにおける画素パターンＢを偏光毎に分けて示す模式図
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ａにおける画素パターンＣを偏光毎に分けて示す模式図
【図３】図３は、本発明の実施の形態２における投写型画像表示装置の概略構成図
【図４】図４は、同投写型画像表示装置における画素分離パターンの模式図
【図５】図５は、本発明の実施の形態３における投写型画像表示装置の概略構成図
【図６】図６は、同投写型画像表示装置における画素分離の過程を表す模式図
【図７】図７は、同投写型画像表示装置における画素分離パターンの模式図
【図８】図８は、本発明の実施の形態４における投写型画像表示装置の概略構成図
【図９】図９は、本発明の実施の形態５における投写型画像表示装置の概略構成図
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態６における投写型画像表示装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の投写型画像表示装置は、上記構成を基本として以下のような態様をとることができる。
【００２１】
すなわち、前記画素分離素子を、前記空間光変調素子と前記投射光学系との間に配置することができる。また、前記画素分離素子が複数の複屈折板により構成され、前記複数の複屈折板の光学軸が互いに方向が異なるように配置されている構成とすることができる。前記空間光変調素子として、透過型液晶ライトバルブを用いることができる。
【００２２】
また、前記空間光変調素子と前記レーザ光源との間に、前記レーザ光の位相を時間的に変調する位相変調要素を配置することが好ましい。前記位相変調要素は、マイクロレンズアレイ、および前記マイクロレンズアレイを回転させるマイクロレンズアレイ回転駆動部で構成することができる。また、前記空間光変調素子と前記画素分離素子との間に、前記レーザ光の偏光状態を直線偏光から楕円偏光に変換する位相差板が配置された構成とすることができる。
【００２３】
また、前記画素分離素子の復屈折の方向を時間的に変調する画素分離素子変調要素を備えることが好ましい。画素分離素子の復屈折の方向に時間的な変調を与えることにより、スクリーンに投射された光の偏光方向あるいは画素位置が時間的に変化し、様々なスペックルパターンが発生するため、一層スペックルノイズの低減効果を得ることができる。
【００２４】
その場合、前記スクリーンに拡大投射される変調レーザ光の偏光方向が、時間的に変調される構成とすることができる。あるいは、前記スクリーンに拡大投射される変調レーザ光の投射位置が、時間的に変調される構成とすることができる。また、前記画素分離素子が複屈折板であり、前記画素分離素子変調要素が、前記複屈折板を回転させる複屈折板回転駆動部である構成とすることができる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る投写型画像表示装置を説明する構成図である。本実施の形態では赤、緑、青の３色のレーザ光源を使用する。例えば、赤色レーザ光源１としては、波長６３８ｎｍで直接発振する半導体レーザ、緑色レーザ光源２としては、波長５３２ｎｍのＹｂファイバレーザの第二高調波、青色レーザ光源３としては、波長４４５ｎｍで直接発振する半導体レーザを用いる。
【００２７】
ただし、本発明に好適なレーザ光源は、本実施の形態で示すレーザ光源に限定されないことは言うまでもない。例えば、赤色レーザ光源１としては、近赤外の半導体レーザの第二高調波を使用することもできる。緑色レーザ光源２としては、緑色で直接発振する半導体レーザ、近赤外の半導体レーザの第二高調波、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの第二高調波なども使用できる。青色レーザ光源３としては、近赤外の半導体レーザの第二高調波なども使用できる。
【００２８】
いずれのレーザ光源の場合も、ビーム発散角度が大きい場合は、効率的にレーザビームを伝播させるためにコリメートレンズを用いることが望ましい。
【００２９】
図１において、赤色、緑色、青色レーザ光源１〜３から出射したレーザ光は各々、コリメートレンズ４〜６によって略平行ビームとなり、マイクロレンズアレイ７〜９によって集光されて、ロッドインテグレータ１０〜１２へと入射する。ロッドインテグレータ１０〜１２は、レーザ光の輝度分布を均一化して空間光変調素子への照明光として適した状態にするために用いられる。
【００３０】
ロッドインテグレータ１０〜１２に入射するレーザ光のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）は、以降の光学系において損失を発生しない範囲で、大きい方が好ましい。なお、ロッドインテグレータ１０〜１２の代わりにフライアイレンズを用いてもよい。
【００３１】
ロッドインテグレータ１０〜１２から出射したレーザ光は、リレー光学系１３〜１５によって、空間光変調素子である透過型液晶ライトバルブ１６〜１８へとリレーされる。透過型液晶ライトバルブ１６〜１８は、入射光を空間変調して、複数個の画素からなる光学画像を形成する。
【００３２】
透過型液晶ライトバルブ１６〜１８から出射した赤色、緑色、青色の各レーザ光は、光合成プリズム１９によって合成された後、画素分離素子である複屈折板２０に入射する。赤色、緑色、青色の各レーザ光は、複屈折板２０の画素分離作用によって、各画素が２つの画素に分離された画素パターンを形成するように分岐され、その後、投射光学系２１によってスクリーン２２へと投射される。画素分離とは、１個の画素が互いに配置のずれた複数の画素に分離されるように光束が分岐することを意味する。複屈折板２０を用いた画素分離素子の場合であれは、後述するように、偏光の方向に応じて光束を分岐させることにより、画素分離の作用を得るように構成される。
【００３３】
マイクロレンズアレイ７〜９は、マイクロレンズアレイ回転駆動部２３〜２５によって、入射光の光軸と平行な軸の周りに回転駆動される。複屈折板２０も複屈折板回転駆動部２６によって、投射光学系２１の光軸と平行な軸の周りに回転駆動される。回転駆動部としては、周知の技術で構成可能などのような構造のものを用いてもよい。
【００３４】
本実施の形態では、マイクロレンズアレイ７〜９として、水平方向にも垂直方向にも屈折力を有するレンズの集合体を使用するが、例えば、円筒形レンズの集合体であるレンチキュラーレンズを用いてもよい。
【００３５】
次に、複屈折板２０による画素分離について説明する。複屈折板２０は、入射光を常光線と異常光線に分岐させる作用を与えるために用いられ、光学軸は投射光学系２１の光軸と平行ではない。複屈折板２０の光学軸と投射光学系２１の光軸とのなす角度は、単位厚みあたりの分離量が最大となるように、略４５度となるように構成されている。分離量とは、画素分離により位置のずれた画素間の距離を意味する。
【００３６】
本実施の形態では、複屈折板２０として、例えば水晶の複屈折板を用いることができる。複屈折板の材料は特に限定されるものではなく、サファイア、ニオブ酸リチウムをはじめ、様々な複屈折性材料が適用可能である。
【００３７】
光合成プリズム１９と投射光学系２１の間に、画素分離素子として複屈折板２０を挿入することにより、二つに分離された画素を含む画素パターンが投影されるため、スクリーン上の画素格子の面積が低減される。すなわち、画素分離素子を用いない場合であれば各画素間に形成される画素格子の領域に、分離された画素の少なくとも一部が投影されて、画素格子の一部が画素の領域になるからである。
【００３８】
本実施の形態では、赤色レーザ光源１が放出する赤色光と青色レーザ光源３が放出する青色光はＳ偏光、緑色レーザ光源２が放出する緑色光はＰ偏光であり、その偏光状態で複屈折板２０に入射する。複屈折板２０を回転させることにより、画素分離の状態は以下のように時間的に変動する。
【００３９】
複屈折板２０からの出射光がスクリーン２２上に形成する画素パターンを、図２Ａに模式的に示す。図中の黒色の円形は、Ｓ偏光である赤色光（または青色光）の画素パターンの各画素、白色の円形は、Ｐ偏光である緑色光の画素パターンの各画素を表わす。矢印は、各画素の光の偏光方向を示す。各円形の大きさは、各画素の光の相対的な強度関係を表す。直交座標の原点は、複屈折板２０が無い場合の画素の中心位置を示す。点線の円の半径は、複屈折板２０を通過して屈折することによる画素パターン中の分離画素のシフト量、すなわち、上述の分離量に相当する。
【００４０】
図２ＡにおけるＡからＰまでの１６の画素パターンは、それぞれ複屈折板２０の原点を中心とする回転角度が順次、２２．５度毎に変化したときの画素分離の様子を示す。例えば、画素パターンＡに対応する複屈折板２０の回転角度を基準とすれば、画素パターンＢは、画素パターンＡの場合に対して複屈折板２０が２２．５度回転した状態に対応する。
【００４１】
画素パターンＡでは、Ｐ偏光である緑色光の画素パターン（白色の円形）は、複屈折板２０による屈折作用を受けることなく全光量が直進し、画素分離は発生しない。これに対して、Ｓ偏光である赤色光および青色光の画素パターン（黒色の円形）は、全光量が屈折作用を受けるため、画素分離は発生しないが、中心位置が上方にシフトする。この画素パターンＡでは、Ｐ偏光、Ｓ偏光ともに、スクリーン２２上では光の強度の変化がない画素が形成される。
【００４２】
これに対して、画素パターンＢでは、Ｓ偏光もＰ偏光も光量の一部が屈折作用を受ける。そのため、Ｐ偏光、Ｓ偏光の画素パターンのいずれも、原点の画素と、図示した方向に沿ってシフトした画素に分離する。各画素パターンの画素の光の相対的な強度関係は、Ｓ偏光（黒色の円形）では原点の画素の強度が小さく、シフトした画素の強度が大きくなり、Ｐ偏光（白色の円形）では逆になる。図２Ａにおける画素パターンＢの図示では、両偏光の画素パターンが重ねて図示されているが、図２Ｂに、画素パターンＢを偏光毎に分けて図示する。同図において、ＢＰはＰ偏光、ＢＳはＳ偏光の画素パターンを示す。
【００４３】
また、画素パターンＣでは、各分離画素の光の相対的な強度関係は、Ｓ偏光、Ｐ偏光ともに、原点の画素の強度と、シフトした画素の強度が同等である。従って、図２Ａでは、それぞれ黒色の円形と白色の円形が一致して重なっているため、円形内にドットを付して示した。これを偏光毎に分けて図示すると、図２Ｃのようになる。
【００４４】
画素分離素子（複屈折板２０）による画素の好ましい分離量は、空間光変調素子（透過型液晶ライトバルブ１６〜１８）の開口率に依存する。ここでいう開口率とは、画素面積に対する有効画素面積の比である。有効画素面積は、空間光変調素子における、光の透過あるいは反射を制御するために有効に作用する面積として定義される。
【００４５】
開口率が５０％程度である場合は、分離量は画素ピッチの５０％以下であることが好ましい。開口率が８０％程度であるときは、分離量は固定画素ピッチの２０％以下であることが好ましい。この理由は、分離量を大きくし過ぎると、分解能が低下するためである。
【００４６】
次に、本実施の形態によるスペックルノイズの低減作用について説明する。まず、複屈折板２０によって画素が２つに分離されることにより、画素分離素子のない投写型画像表示装置に比べて、スクリーン２２上の輝度分布が均一化される。そのため、スクリーン２２にフォーカスが合っている状態においても、スペックルノイズを低減することが可能となる。
【００４７】
更に、複屈折板回転駆動部２６によって、複屈折板２０を投射光学系２１の光軸と平行な回転軸に沿って回転させることにより、複屈折板２０の光学軸の向きが時間的に変化する。そのため、図２Ａに示したように、画素分離の状態が変化する。すなわち、スクリーン上の画素パターンの偏光状態と照射位置が時間的に変化するので、様々なスペックルパターンが発生して、スペックルノイズが低減される。
【００４８】
また、ロッドインテグレータ１０〜１２の前に挿入されているマイクロレンズアレイ７〜９の回転によって、スペックルが更に低減される。マイクロレンズアレイ７〜９は、マイクロレンズアレイ回転駆動部２３〜２５によって回転することにより、位相変調要素として機能する。レーザ光は各マイクロレンズを通過することで、様々な光路差を持つようになる。そのため、スクリーン上には高速に変化する様々なスペックルパターンが現れ、スペックルノイズの低減が可能となる。
【００４９】
スペックルノイズを低減する効果を高めるためには、マイクロレンズアレイ７〜９の回転と、複屈折板２０の回転は同期しないように調整される。
【００５０】
マイクロレンズアレイ７〜９の回転は、スクリーン投射光の位相を時間的に平均化するので、スペックルノイズの低減に効果的であるが、スクリーン上の画素格子の大きさには変化を与えることはできない。これに対して、複屈折板２０のような画素分離素子を用いることで、上述のように、画素格子の領域を低減して輝度が均一化されるとともに、偏光が時間的に平均化されるので、より一層スペックルノイズ低減を実現できる。
【００５１】
本実施の形態では、スペックルを低減させるために、複屈折板２０を用いた画素分離素子によるスペックル低減手段と、マイクロレンズアレイ７〜９の回転によるスペックル低減手段とを併用したが、スペックル低減手段の組み合わせはこれに限定されない。
【００５２】
以上のように、本実施の形態の画素分離素子によるスペックル低減手段は、スクリーン投射光の偏光、輝度均一性、画素位置に変化を与えることを特徴とし、他の物理的な作用を与えるスペックル低減手段と併用することで、重畳効果が得られる。
【００５３】
二次元空間光変調素子に起因する画素格子を目立たなくするためには、空間光変調素子とスクリーンの間に何らかの手段を配置する必要がある。レーザ光源と空間光変調素子の間では、画素格子の面積を低減することは困難だからである。また、本実施の形態による画素分離素子を用いたスペックル低減手段は、レーザ光源自体に適用されるスペックル低減手段、およびレーザ光源と空間光変調素子の間に適用されるスペックル低減手段と、効果的に併用することが可能である。
【００５４】
より具体的には、画素分離素子によるスペックル低減手段は、（１）レーザ光源の波長幅を拡げる、（２）波長の異なる複数のレーザ光源を使用する、（３）空間光変調素子への照明光の位相を平均化する、（４）スクリーン側ＮＡを大きくする、といったスペックル低減手段との併用が有効である。
【００５５】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る投写型画像表示装置を説明する構成図である。本実施の形態は、光合成プリズム１９と複屈折板２０との間に位相差板２７が追加されていることだけが、実施の形態１と相違する。従って、実施の形態１における要素と同一の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを簡略にする。
【００５６】
位相差板２７は、Ｓ偏光方向とＰ偏光方向との間にπ／２の位相差を発生させる４分の１波長板である。位相差板２７を通過することにより、赤色・緑色・青色の各レーザ光の偏光状態は、直線偏光から円偏光へと変換される。
【００５７】
本実施の形態における複屈折板２０からの出射光が形成する画素パターンを、図４に模式的に示す。図４におけるＡからＰまでの１６の画素パターンは、図２と同様、それぞれ複屈折板２０の回転角度が順次、２２．５度毎に変化したときの画素分離の様子を示す。図中の黒色の円形は、各色光の画素パターンにおける各画素の位置、矢印は偏光方向を表している。
【００５８】
本実施の形態では、実施の形態１と異なり、赤色、緑色、青色の全てのレーザ光が円偏光で複屈折板２０に入射されるため、色分散の影響を無視すると、複屈折により画素分離された画素パターンは、波長に関係なく同一である。また、２つに分離した各画素の光の強度は等しく保たれる。
【００５９】
本実施の形態においても、複屈折板２０を用いた画素分離素子によるスペックル低減手段と、マイクロレンズアレイ７〜９を回転させる構成によるスペックル低減手段とを組み合わせているが、スペックル低減手段の組み合わせはこれに限定されない。
【００６０】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る投写型画像表示装置を説明する構成図である。本実施の形態は、画素分離素子を構成する複屈折板２８が、３枚の密接した第１〜第３複屈折板２８ａ〜２８ｃにより構成されていることが、実施の形態２と相違する。第１〜第３複屈折板２８ａ〜２８ｃを使用することで、画素パターンは、空間的に４つの画素に分離されたものになる。
【００６１】
本実施の形態における複屈折板の構成について、より詳しく説明する。位相差板２７から出射した円偏光の赤色・緑色・青色光は、第１複屈折板２８ａに入射し、第１複屈折板２８ａからの出射光が第２複屈折板２８ｂに入射し、第２複屈折板２８ｂからの出射光が第３複屈折板２８ｃに入射する。第２複屈折板２８ｂの入射側表面に射影した第２複屈折板２８ｂの光学軸は、第１複屈折板２８ａの入射側表面に射影した第１複屈折板２８ａの光学軸とは、互いに直交する関係にある。また、第３複屈折板２８ｃの入射側表面に射影した第３複屈折板２８ｃの光学軸は、第１複屈折板２８ａの入射側表面に射影した第１複屈折板２８ａの光学軸とのなす角度が、ｎ×４５°（ｎは０を除く整数）となっている。
【００６２】
１つの画素パターンが４つの画素パターンに分離される過程を図６に示す。複屈折板２８の入射面内で、水平方向をｘ軸、垂直方向をｙ軸とし、投射光の進行方向をｚ軸とする。図６（ａ）は、第１複屈折板２８ａに入射する光を表しており、円偏光である。
【００６３】
第１複屈折板２８ａは、その入射面に射影した第１複屈折板２８ａの光学軸がｘ軸を基準として＋４５度方向となるように構成されている。従って、第１複屈折板２８ａに入射した光は、図６（ｂ）に示すように、常光線（（ｂ）の中央の画素）と異常光線（（ｂ）の右上の画素）に分離される。
【００６４】
第２複屈折板２８ｂは、その入射面に射影した第２複屈折板２８ｂの光学軸が、ｘ軸を基準として−４５度方向となるように構成されている。従って、第１複屈折板２８ａを通過したときに常光線だった光（（ｂ）の中央の画素）のみが、第２複屈折板２８ｂを通過するときに今度は異常光線となり、画素の分離は伴わずに、ウォークオフ（入射光軸に対する出射光軸のズレ角）によって画素位置だけがシフトする（（ｃ）の右下の画素）。
【００６５】
ここで、第１複屈折板２８ａによる異常光線のウォークオフ量と、第２複屈折板２８ｂによる異常光線のウォークオフ量が等しくなるように、複屈折板２８が調整されている。
【００６６】
最後に第２複屈折板２８ｂから出射した光は、第３複屈折板２８ｃに入射する。第３複屈折板２８ｃは、その入射面に射影した第３複屈折板２８ｃの光学軸が、ｘ軸を基準として＋１８０度の方向となるように構成されている。
【００６７】
第３複屈折板２８ｃに入射する光は、ｘ軸を基準として＋４５度方向の直線偏光と−４５度方向の直線偏光である。従って、それぞれ２つの画素が常光線と異常光線に分離され、図６（ｄ）に示すように、合計４つの画素パターンが形成される。
【００６８】
ここで、第３複屈折板２８ｃによる異常光線のウォークオフ量は、第１および第２複屈折板２８ａ、２８ｂによる異常光線のウォークオフ量に対して√２倍になるように複屈折板２８が調整されている。従って、４つに分離された画素が、正方形の各頂点に配置された画素パターンになる。
【００６９】
複屈折板２８からの出射光の画素パターンの変化を、図７に模式的に示す。同図に示される画素パターンの変化は、赤色、緑色、青色の全てのレーザ光について同様である。図中の黒色の円形が分離画素の位置、矢印が偏光方向を表す。ＡからＰまでの１６の画素パターンは、図２の場合と同様、それぞれ複屈折板２８の回転角度が２２．５度毎に変化したときの画素分離の様子を示している。複屈折板２８への入射光はいずれも円偏光となっているため、画素分離素子からの出射光は、常に正方形の四隅の位置に４分離される。
【００７０】
次に、本実施の形態におけるスペックルノイズの低減について説明する。複屈折板２８によって画素が４つに分離されてスクリーン２２に投影されることにより、画素分離がされない場合や、２つに画素分離される場合に比べて、スクリーン２２上の輝度分布がより均一化される。そのため、スクリーン２２にフォーカスが合っている状態においても、スペックルノイズを低減することが可能となる。
【００７１】
また、複屈折板回転駆動部２６によって、複屈折板２８を投射光の光軸と平行な回転軸の周りに回転させることによって、複屈折板２８の光学軸の向きが時間的に変化するため、図７に示したように、画素パターンの偏光状態と照射位置が変化する。その結果、様々なスペックルパターンが発生してスペックルノイズが低減される。
【００７２】
さらに、回転マイクロレンズアレイ７〜９を使ったスペックル低減手段を併用することにより、スペックル低減効果が重畳される。
【００７３】
ここで、４つの画素パターンのそれぞれの強度は、複屈折板２８の回転に伴って変化することなく一定である。また、図７における点線円は、複屈折板２８の回転に伴う分離画素の中心の位置変化の軌跡を示す。この軌跡上のどの点においても、時間積分したＳ偏光成分の強度とＰ偏光成分の強度は同じである。これらは、いずれもスペックル低減に効果的である。
【００７４】
本実施の形態の構成に基づいて、スペックルコントラストを実測した結果は、以下のとおりであった。
【００７５】
評価時の光源としては、Ｙｂファイバレーザの第二高調波による波長５３２ｎｍの緑色レーザ光源２のみを、連続駆動で使用した。液晶パネル１７として、画素ピッチ１２ミクロンで画素数が横１２８０×縦７２０のマイクロレンズアレイ付０．７型液晶パネルを用いた。複屈折板２８（画素分離素子）としては、水晶の複屈折板２８ａ〜２８ｃを３枚貼り合わせたものを使用した。測定系としては、人間の眼を模したモデル光学系と１４０万画素のＣＣＤカメラを使用した。
【００７６】
画素分離素子を未使用の場合に１３．５％だったスペックルコントラストは、本実施の形態による複屈折板２８を固定して挿入することによって１１．５％に低下した。更に複屈折板２８を回転させることによって、１０．２％にまで低下した。
【００７７】
（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４に係る投写型画像表示装置を説明する構成図である。本実施の形態は、空間光変調素子として反射型液晶ライトバルブ３５〜３７が用いられていることが、実施の形態３の場合と相違する。空間光変調素子が異なることに伴い、照明光学系が若干異なっている。
【００７８】
図８において、ロッドインテグレータ１０〜１２から出射したレーザ光はそれぞれ、全反射ミラー２９〜３１、リレー光学系１３〜１５、および偏光ビームスプリッタ３２〜３４を経由して、空間光変調素子である反射型液晶ライトバルブ３５〜３７上に結像される。
【００７９】
偏光ビームスプリッタ３２〜３４は、Ｓ偏光の光を反射し、Ｐ偏光の光を透過する特性を有する。赤色、緑色、青色レーザ光源１〜３から出射される光はＰ偏光になっており、往路では、入射光は偏光ビームスプリッタ３２〜３４を透過する。
【００８０】
反射型液晶ライトバルブ３５〜３７によって偏光が９０度回転してＳ偏光になることにより、復路においては、偏光ビームスプリッタ３２〜３４で光が反射され、光合成プリズム１９へと入射する。緑色レーザ光源２からのレーザ光だけは、光合成プリズム１９に入射する前に、偏光方向を９０度回転する２分の１波長板３８を透過する。
【００８１】
本実施の形態においても、複屈折板２８によって画素パターンが４つに分離され、且つ、その画素パターンの位置と偏光が時間的に変調されているため、効果的なスペックル低減が可能である。
【００８２】
また、マイクロレンズアレイ７〜９を回転させることにより、スペックル低減効果の重畳を達成できる。
【００８３】
本実施の形態では、反射型の空間光変調素子として液晶ライトバルブを用いた例を示したが、ＤＭＤをはじめとする他の反射型空間光変調素子を用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００８４】
（実施の形態５）
図９は、本発明の実施の形態５に係る投写型画像表示装置を説明する構成図である。本実施の形態は、画素分離素子として液晶素子３９を使用し、その変調手段として液晶素子制御ユニット４０を有することが、実施の形態３の場合と相違する。液晶素子制御ユニット４０は、液晶の複屈折を時間的および空間的に変調することが可能である。
【００８５】
液晶素子制御ユニット４０により液晶素子３９に印加する電圧を変化させることで、液晶素子３９の複屈折の光学軸の方向が変化し、画素分離素子としての出射光の状態を時間的に変調させることができる。その結果として、画素パターンの偏光状態と照射位置が時間的に変化してスペックルノイズが低減される。
【００８６】
（実施の形態６）
図１０は、本発明の実施の形態６に係る投写型画像表示装置を説明する構成図である。本実施の形態の投写型画像表示装置は、筐体４１の中に、レーザ光源から投射光学系までの要素と、スクリーン４４を組み込んだ、いわゆるリアプロジェクションテレビである。光学エンジン４２は、例えば、実施の形態３の投写型画像表示装置におけるスクリーン２２を取り除いた光学系により構成されている。
【００８７】
図において、光学エンジン４２から出射した投射光は、全反射ミラー４３で反射された後で、スクリーン４４に結像される。
【００８８】
本実施の形態でも、実施の形態３で示した画素分離素子である複屈折板２８および複屈折板回転駆動部２６を用いることにより、スクリーン４４に投射される画素の画素格子が低減され、また、画素パターンの偏光状態と照射位置が時間的に変化するため、スペックルノイズが低減される。
【００８９】
光学エンジン４２を構成する要素は、実施の形態３の投写型画像表示装置の光学系に限らず、リアプロジェクションテレビに好適な光学エンジン４２として、他の実施の形態を含めて、本発明による如何なるスペックル抑制手段を用いた光学エンジンでも用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の投写型画像表示装置は、簡便な方法により、画素格子を目立ち難くして効果的にスペックルノイズを低減することができ、レーザ光源を用いたプロジェクターなどの投写型画像表示装置に有用である。
【符号の説明】
【００９１】
１ 赤色レーザ光源
２ 緑色レーザ光源
３ 青色レーザ光源
４〜６ コリメートレンズ
７〜９ マイクロレンズアレイ
１０〜１２ ロッドインテグレータ
１３〜１５ リレー光学系
１６〜１８ 透過型液晶ライトバルブ
１９ 光合成プリズム
２０、２８ 複屈折板
２１ 投射光学系
２２ スクリーン
２３〜２５ マイクロレンズアレイ回転駆動部
２６ 複屈折板回転駆動部
２７ 位相差板
２８ａ〜２８ｃ 第１〜第３複屈折板
２９〜３１ 全反射ミラー
３２〜３４ 偏光ビームスプリッタ
３５〜３７ 反射型液晶ライトバルブ
３８ ２分の１波長板
３９ 液晶素子
４０ 液晶素子制御ユニット
４１ 筐体
４２ 光学エンジン
４３ 全反射ミラー
４４ スクリーン

Claims (10)

1. レーザ光を出射する少なくとも１つのレーザ光源と、
   映像信号に応じて前記レーザ光を変調する空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子から出射した変調レーザ光をスクリーンに投射する投射光学系と、
   前記変調レーザ光を複屈折により空間的に分離する画素分離素子と、
   前記画素分離素子の複屈折の方向を時間的に変調する画素分離素子変調要素とを備えた投写型画像表示装置。
2. 前記画素分離素子が、前記空間光変調素子と前記投射光学系との間に配置されている請求項１に記載の投写型画像表示装置。
3. 前記画素分離素子が複数の複屈折板により構成され、前記複数の複屈折板の光学軸が互いに方向が異なるように配置されている請求項１に記載の投写型画像表示装置。
4. 前記空間光変調素子が、透過型液晶ライトバルブである請求項１に記載の投写型画像表示装置。
5. 前記空間光変調素子と前記レーザ光源との間に、前記レーザ光の位相を時間的に変調する位相変調要素が配置された請求項１に記載の投写型画像表示装置。
6. 前記位相変調要素が、マイクロレンズアレイ、および前記マイクロレンズアレイを回転させるマイクロレンズアレイ回転駆動部で構成された請求項５に記載の投写型画像表示装置。
7. 前記空間光変調素子と前記画素分離素子との間に、前記レーザ光の偏光状態を直線偏光から楕円偏光に変換する位相差板が配置されている請求項２に記載の投写型画像表示装置。
8. 前記スクリーンに拡大投射される変調レーザ光の偏光方向が、時間的に変調される請求項１に記載の投写型画像表示装置。
9. 前記スクリーンに拡大投射される変調レーザ光の投射位置が、時間的に変調される請求項１に記載の投写型画像表示装置。
10. 前記画素分離素子が複屈折板であり、前記画素分離素子変調要素が、前記複屈折板を回転させる複屈折板回転駆動部である請求項１に記載の投写型画像表示装置。

Images