JP4920679B2 - 投写型ディスプレイ装置及びスペックル低減素子 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を用いる投写型ディスプレイ装置、及びスペックルノイズを低減するスペックル低減素子に関するものである。

近年、高出力の青色半導体レーザが商用化されてきたことで、赤色半導体レーザや第２高調波発生（以下ＳＨＧと略記する）による緑色レーザと合わせて、３原色のレーザ光源を用いた投写型ディスプレイ装置の開発が進んでいる。光源として単色光であるレーザを用いることにより、再現できる色範囲が広く、かつ消費電力も小さい投写型ディスプレイ装置を得ることができる。このようにレーザ光源を用いた投写型ディスプレイ装置においてはスペックルノイズが問題となっている。スペックルノイズは、干渉性の高い光であるレーザ光を用いてスクリーン上に像を形成した時に、微細な凹凸を有するスクリーンから反射したレーザ光が干渉し合うことによって生じるランダムな干渉パターンである。従来の投写型ディスプレイ装置においては、拡散板を機械的に運動させることにより干渉パターンをスクリーン上で高速に運動させ、スペックルノイズが人の目に検知されないようにしている。（例えば、特許文献１参照）。

図１２は、特許文献１に記載された従来の投写型ディスプレイ装置の構成を示す図である。図１２において、赤色レーザ１０１と青色レーザ１０３と緑色レーザ１０５とから出射したレーザ光は、ダイクロイックミラー１０２、１０４、１０６で波長選択的にそれぞれ反射され、同一光軸上に合成される。合成されたレーザ光は、すりガラスなどで構成される拡散素子１０７で拡散された後、レンズ１０９によって空間光変調素子１１０を照明する。空間光変調素子１１０により変調されたレーザ光は、投射レンズ１１１によってスクリーン１１２に結像される。拡散素子１０７をモータ１０８によって回転させることにより、スクリーン１１２上で前述した干渉パターンが高速に運動し、スペックルノイズが消失する。
特開平６−２０８０８９号公報

しかしながら、従来の投写型ディスプレイ装置の構成では、拡散素子を機械的に運動させる必要があるため、モータ１０８などのアクチュエータが必要であり、装置が大型化したり、機械部の摩耗などにより信頼性が低下するといった問題があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、小型化することができるとともに、信頼性を向上させることができ、さらに、スペックルノイズを低減することができる投写型ディスプレイ装置及びスペックル低減素子を提供することを目的とするものである。

本発明の一局面に係る投写型ディスプレイ装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射した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により変調された光をスクリーンに投射する投射レンズと、前記レーザ光源と前記空間光変調素子との間に光軸に沿って並べられ、時間的かつ電気的に前記レーザ光の拡散度合いを変化させる複数の拡散素子とを備える。

この構成によれば、レーザ光源からレーザ光が出射され、レーザ光源から出射したレーザ光が空間光変調素子により変調され、空間光変調素子により変調された光が投射レンズによりスクリーンに投射される。そして、レーザ光源と空間光変調素子との間に光軸に沿って並べられた複数の拡散素子により、時間的かつ電気的にレーザ光の拡散度合いが変化される。

したがって、従来技術のようにアクチュエータを用いて機械的に拡散度合いを変化させるのではなく、電気的に拡散度合いを変化させるので、小型化することができるとともに、信頼性を向上させることができる。さらに、時間的にレーザ光の拡散度合いを変化させるので、スペックルノイズを低減することができる。

本発明の他の局面に係るスペックル低減素子は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザ光を変調する空間光変調素子との間に光軸に沿って並べられた複数の拡散素子と、前記複数の拡散素子に周期的に変化する電圧を印加し、時間的かつ電気的に前記レーザ光の拡散度合いを変化させる駆動部とを備える。

この構成によれば、複数の拡散素子が、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射したレーザ光を変調する空間光変調素子との間に光軸に沿って並べられている。そして、駆動部により、複数の拡散素子に周期的に変化する電圧が印加され、時間的かつ電気的にレーザ光の拡散度合いが変化される。

したがって、従来技術のようにアクチュエータを用いて機械的に拡散度合いを変化させるのではなく、電気的に拡散度合いを変化させるので、小型化することができるとともに、信頼性を向上させることができる。さらに、時間的にレーザ光の拡散度合いを変化させるので、スペックルノイズを低減することができる。

本発明によれば、従来技術のようにアクチュエータを用いて機械的に拡散度合いを変化させるのではなく、電気的に拡散度合いを変化させるので、小型化することができるとともに、信頼性を向上させることができる。さらに、時間的にレーザ光の拡散度合いを変化させるので、スペックルノイズを低減することができる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明はその要点を変更しない範囲において適宜変更して実施することができる。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における投写型ディスプレイ装置の構成を示す図である。図１において、投写型ディスプレイ装置は、青色レーザ１、赤色レーザ２、緑色レーザ３、ミラー４、ダイクロイックミラー５，６、集光レンズ７、第１の拡散素子８、第２の拡散素子９、駆動回路１０、ロッドインテグレータ１１、レンズ１２、偏光ビームスプリッタ１３、空間光変調素子１４及び投射レンズ１５を備える。なお、スペックル低減素子は、第１の拡散素子８、第２の拡散素子９及び駆動回路１０を備えて構成される。

青色レーザ１は、青色レーザ光を出射し、赤色レーザ２は、赤色レーザ光を出射し、緑色レーザ３は、緑色レーザ光を出射する。青色レーザ１と赤色レーザ２としては、半導体レーザが好適に利用可能である。緑色レーザ３としては、ＳＨＧを用いた固体レーザが好適に利用可能である。

ミラー４は、青色レーザ光を反射させる。ダイクロイックミラー５は、赤色レーザ光を選択的に反射させ、それ以外の波長の光を透過させる。ダイクロイックミラー６は、緑色レーザ光を選択的に反射させ、それ以外の波長の光を透過させる。集光レンズ７は、青色レーザ１、赤色レーザ２及び緑色レーザ３から出射した各レーザ光をロッドインテグレータ１１の入射面に集光する。

第１及び第２の拡散素子８，９は、液晶を分散させた透明フィルムを２枚の透明電極で挟んで構成され、本実施の形態では日本板硝子製「ウムフィルム」を用いている。第１及び第２の拡散素子８，９は、両電極間に電圧が印加されない時には不透明であり、電圧が印加されると、印加電圧の大きさに応じて拡散度が減少し、最終的には透明になる。第１及び第２の拡散素子８，９の拡散度の最大値は略同一である。駆動回路１０は、第１及び第２の拡散素子８，９に電圧を印加することにより、第１及び第２の拡散素子８，９を駆動する。ロッドインテグレータ１１は、直方体の硝子部材から構成され、入射したレーザ光の光量分布を均一化する。

レンズ１２は、ロッドインテグレータ１１の出射端面の像を空間光変調素子１４上に結像する。偏光ビームスプリッタ１３は、入射したレーザ光を、直交する２つの偏光成分に分離する。本実施の形態における偏光ビームスプリッタ１３は、Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射させる。空間光変調素子１４は、本実施の形態においては反射型液晶パネルで構成され、ロッドインテグレータ１１の出射端面の像を変調する。投射レンズ１５は、スクリーン１６上に空間光変調素子１４によって変調された像を投射する。

以下、図１を用いて実施の形態１における投写型ディスプレイ装置の動作について説明する。青色レーザ１から出射した青色レーザ光は、ミラー４によって反射され、赤色レーザ２及び緑色レーザ３から出射した赤色レーザ光及び緑色レーザ光は、それぞれダイクロイックミラー５，６によって波長選択的に反射され、各レーザ光は、同一光軸上に合成される。合成されたレーザ光は、集光レンズ７によりロッドインテグレータ１１の入射端面に集光される。合成されたレーザ光は、第１及び第２の拡散素子８，９を透過する際に、駆動回路１０から第１及び第２の拡散素子８，９に印加される電圧の大きさに応じて拡散される。

第１及び第２の拡散素子８，９で拡散されたレーザ光は、ロッドインテグレータ１１に入射する。ロッドインテグレータ１１に入射したレーザ光は、内部で多重反射するので、出射端面でほぼ均一な光量分布が得られる。ロッドインテグレータ１１から出射したレーザ光は、レンズ１２と偏光ビームスプリッタ１３とを通って空間光変調素子１４に照射される。レンズ１２は、ロッドインテグレータ１１の出射端面と空間光変調素子１４とが共役関係となるように配置される。また、偏光ビームスプリッタ１３に入射するレーザ光は、Ｓ偏光であり、偏光ビームスプリッタ１３の反射面で反射して空間光変調素子１４に入射する。

空間光変調素子１４は、図示しない制御回路からの信号に基づき照射された光を空間変調し、偏光ビームスプリッタ１３に対してＰ偏光となるように変調光を反射する。Ｐ偏光となった変調光は、偏光ビームスプリッタ１３を透過した後、投射レンズ１５によってスクリーン１６に結像される。青色レーザ１と赤色レーザ２と緑色レーザ３とは順次、パルス発光し、空間光変調素子１４が該パルス発光に同期して各色の成分情報に基づいてレーザ光を空間変調することにより、カラー映像が得られることとなる。

次に、図２〜図６を用いて第１及び第２の拡散素子８，９の動作について説明する。図２は、拡散素子の駆動回路の構成を示す模式図である。なお、図２において図１と同一物は同一番号を附して説明を省略する。図２において、第１の拡散素子８は、透明電極８ａ，８ｃと、透明電極８ａ，８ｃにより挟まれた液晶分散フィルム８ｂとで構成される。第２の拡散素子９は、透明電極９ａ，９ｃと、透明電極９ａ，９ｃにより挟まれた液晶分散フィルム９ｂとで構成される。

第１の拡散素子８の一方の透明電極８ａは接地されており、他方の透明電極８ｃは、第２の拡散素子９の一方の透明電極９ａに接続されるとともに交流電源１０ａに接続されている。また、第２の拡散素子９の一方の透明電極９ａは、第１の拡散素子８の他方の透明電極８ｃに接続されるとともに交流電源１０ａに接続され、他方の透明電極９ｃは、交流電源１０ａの出力電圧の最大値と同じ電圧を出力する直流電源１０ｂに接続されている。

透明電極９ｃは、直流電源１０ｂから電圧Ｖが印加されている。透明電極８ｃと透明電極９ａとは接続されており、それぞれ０からＶまでの交流電圧が交流電源１０ａから印加される。電圧変化の周期は例えば６０Ｈｚである。透明電極８ｃと透明電極９ａとの電圧が０の時には、第１の拡散素子８の印加電圧は０であり、第１の拡散素子８は散乱体となる。同時に、第２の拡散素子９の印加電圧はＶとなり第２の拡散素子９は透明体となる。一方、透明電極８ｃと透明電極９ａとの電圧がＶの時には、第１の拡散素子８の印加電圧はＶであり、第１の拡散素子８は透明体となる。同時に、第２の拡散素子９の印加電圧は０となり第２の拡散素子９は散乱体となる。

図３は、電源電圧の時間変化と、２つの第１及び第２の拡散素子８，９に印加される電圧の時間変化とを示す図である。図３に示すように、交流電源１０ａの電源電圧は、０からＶまで変化し、第１及び第２の拡散素子８，９は、１周期に１回ずつ散乱状態と透過状態とを繰り返す。第１及び第２の拡散素子８，９は、最大となる交流電圧値Ｖが印加された場合、透過状態となり、最小となる交流電圧値０が印加された場合、最大散乱状態となる。そして、電圧値がＶから０に変化する場合、第１及び第２の拡散素子８，９は、透過状態（最小散乱状態）から最大散乱状態へ変化し、電圧値が０からＶに変化する場合、第１及び第２の拡散素子８，９は、最大散乱状態から透過状態（最小散乱状態）へ変化する。また、第１の拡散素子８の電圧波形と、第２の拡散素子９の電圧波形とは１／２周期ずれている。すなわち、第１の拡散素子８が透明体の場合、第２の拡散素子９が散乱体となり、第１の拡散素子８が散乱体の場合、第２の拡散素子９が透明体となる。

図４〜図６に拡散素子での散乱の様子を示す。図４は、第１の拡散素子８の印加電圧が０であり、第２の拡散素子９の印加電圧がＶである場合における各拡散素子の散乱の様子を示す図であり、図５は、第１の拡散素子８の印加電圧がＶ’であり、第２の拡散素子９の印加電圧がＶ−Ｖ’である場合における各拡散素子の散乱の様子を示す図であり、図６は、第１の拡散素子８の印加電圧がＶであり、第２の拡散素子９の印加電圧が０である場合における各拡散素子の散乱の様子を示す図である。なお、電圧Ｖ’は０〜Ｖの間の値である。

図４〜図６に示すように透明電極８ｃと透明電極９ａとに印加する交流電圧が０からＶに変化する間に、第１及び第２の拡散素子８，９での光の散乱の様子は、図４、図５及び図６の順に変化する。すなわち、図４に示すように、交流電圧が０である場合、第１の拡散素子８は、入射したレーザ光を散乱させ、第２の拡散素子９は、第１の拡散素子８によって散乱されたレーザ光を透過させる。また、図５に示すように、交流電圧がＶ’（０〜Ｖの間の値）である場合、第１の拡散素子８は、入射したレーザ光を散乱させ、第２の拡散素子９は、第１の拡散素子８によって散乱されたレーザ光をさらに散乱させる。さらに、図６に示すように、交流電圧がＶである場合、第１の拡散素子８は、入射したレーザ光を透過させ、第２の拡散素子９は、第１の拡散素子８によって透過されたレーザ光を散乱させる。

このように、第１及び第２の拡散素子８，９が交互に散乱及び透過を繰り返すので、レーザ光を散乱する位置が第１及び第２の拡散素子８，９の間を移動するのと同じ作用を及ぼすこととなる。従って、図１において空間光変調素子１４の各画素を照明する光の角度が高速に変化するため、スクリーン１６上での干渉パターン、すなわちスペックルノイズが、人の目で追従できないほどの速さで変動し、結果としてスペックルノイズが低減できる。

さらに、比視感度を考慮すると赤色レーザ光や青色レーザ光のスペックルノイズに比べて緑色レーザ光のスペックルノイズの方が検出されやすい。そこで、緑色レーザ３が発光している時の第１及び第２の拡散素子８，９に印加する電圧Ｖ１を、青色レーザ１と赤色レーザ２とが発光している時の第１及び第２の拡散素子８，９に印加する電圧Ｖ２よりも小さくすることで、緑色レーザ光の拡散度を青色レーザ光及び赤色レーザ光の拡散度よりも大きくし、緑色レーザ光のスペックルノイズを減少させ、かつ青色レーザ光及び赤色レーザ光の拡散による光利用効率の損失を低減することができる。

なお、本実施の形態では、電圧変化の周期は例えば６０Ｈｚとしているが、本発明は特にこれに限定されず、１０Ｈｚ以上であればよい。人の目が画像のちらつきを検知する周波数（臨界フリッカ周波数）は、年齢や視環境に応じて変化するが、一般的に６０Ｈｚ程度と言われている。この画像のちらつきは、画面全体が明滅する場合の知覚であり、スペックルノイズのような画面内での輝度差の知覚においては、さらに検知できる周波数は下がる。輝度変化が０％の時には画像のちらつきは存在しない（臨界フリッカ周波数＝０Ｈｚ）。また、輝度変化が１００％に達する画面全体の明滅を６０Ｈｚ程度の周波数で知覚できるとするならば、スペックルノイズのような２０〜３０％程度の輝度変化の場合、１０〜２０Ｈｚ以上の周波数で第１及び第２の拡散素子８，９を駆動すれば充分である。

また、２つの拡散素子のうちの投射レンズ側の第２の拡散素子９をロッドインテグレータ１１に近接して設置し、ロッドインテグレータ１１の開口径をＡとし、光源側の第１の拡散素子８と投射レンズ側の第２の拡散素子９との間隔をＬとし、第１及び第２の拡散素子８，９の最大拡散角をθ（ｒａｄ）とする場合、拡散素子の間隔Ｌは、下記の（１）式で表される。

Ｌ＜Ａ／（２θ）・・・・（１）
上記の（１）式に示すように拡散素子の間隔Ｌを設定することにより、光源側の第１の拡散素子８が最大拡散角でレーザ光を拡散したとしても、レーザ光は全てロッドインテグレータ１１の開口内に入射するので、光量損失が無く、かつ最大の光拡散効果が得られ、スペックルノイズの除去効果も最大とすることができる。

なお、拡散素子が３つ以上ある場合であっても、最もレーザ光源に近い拡散素子と、最も投射レンズに近い拡散素子との間隔Ｌを上記の（１）式を満たすように設定することが好ましい。

かかる構成によれば、第１及び第２の拡散素子８，９を光軸方向に並べて配置し、第１及び第２の拡散素子８，９の拡散度の変化の周期を半周期ずらすことで、スペックルノイズが低減できることとなる。また、レーザ光の波長に応じて第１及び第２の拡散素子８，９の拡散度を変えることで、波長毎にスペックルノイズ低減の最適化を行うことができる。更に、第１及び第２の拡散素子８，９が集光レンズ７の収束光路中に設けられているので、第１及び第２の拡散素子８，９によって拡散された拡散光を投射レンズ１５の物側ＮＡ（開口数）よりも小さくすることができ、拡散光が投射レンズ１５の物側ＮＡよりも大きくなることによる利用効率の低下を防止することができる。

なお、本実施の形態において、ロッドインテグレータ１１の代わりに内部が中空のライトパイプを用いてもかまわない。また、拡散素子は３個以上の複数個であっても構わない。また、空間光変調素子として反射型液晶素子を用いたが、デジタルマイクロミラーデバイスなどの空間光変調素子を用いても構わない。また、ロッドインテグレータ１１は光量分布を均一化するために用いているだけであり、スペックルノイズの低減とは無関係である。そのため、光量分布に多少のムラがあったとしても許されるような場合にはロッドインテグレータ１１を省くことも可能である。また、本実施の形態において第１及び第２の拡散素子８，９の拡散度は略同一であるとしたが、拡散度は異なっていても良い。例えば、第１の拡散素子８の拡散度を第２の拡散素子９の拡散度よりも小さくすることで、ロッドインテグレータ１１の入射端面での光量損失を小さくすることも可能である。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２における投写型ディスプレイ装置について説明する。図７は、実施の形態２における投写型ディスプレイ装置の構成を示す図である。図７において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図７において、投写型ディスプレイ装置は、青色レーザ１、赤色レーザ２、緑色レーザ３、凹レンズ１７ａ〜１７ｃ、凸レンズ１８ａ〜１８ｃ、拡散素子１９ａ〜１９ｃ、駆動回路２０ａ〜２０ｃ、レンズ２１ａ〜２１ｃ、空間光変調素子２２ａ〜２２ｃ、色合成プリズム２３及び投射レンズ１５を備える。

凹レンズ１７ａ〜１７ｃと凸レンズ１８ａ〜１８ｃとは、それぞれビームエキスパンダー光学系をなしており、凹レンズ１７ａ〜１７ｃは入射したレーザ光を拡大し、凸レンズ１８ａ〜１８ｃは入射したレーザ光を平行光に変換する。拡散素子１９ａ〜１９ｃは、入射したレーザ光を拡散させる。なお、拡散素子１９ａ〜１９ｃについては後述する。駆動回路２０ａ〜２０ｃは、拡散素子１９ａ〜１９ｃに電圧を印加することにより、拡散素子１９ａ〜１９ｃを駆動する。レンズ２１ａ〜２１ｃは、拡散素子１９ａ〜１９ｃによって拡散された各レーザ光を空間光変調素子２２ａ〜２２ｃ上に結像する。空間光変調素子２２ａ〜２２ｃは、本実施の形態においては透過型液晶パネルで構成され、拡散素子１９ａ〜１９ｃによって拡散された各レーザ光を変調する。色合成プリズム２３は、空間光変調素子２２ａ〜２２ｃによって変調された各レーザ光を合成する。

続いて、図７を用いて実施の形態２における投写型ディスプレイ装置の動作について説明する。なお、青色レーザ１から出射するレーザ光の受ける作用は、赤色レーザ２及び緑色レーザ３から出射するレーザ光の受ける作用と同じであるので、図７において青色レーザ１から出射するレーザ光についてのみ説明し、他のレーザ光については説明を省略する。

青色レーザ１から出射したレーザ光は、凹レンズ１７ａと凸レンズ１８ａとからなるビームエキスパンダー光学系により拡大され拡散素子１９ａに入射する。拡散素子１９ａは、駆動回路２０ａによって時間的及び空間的に拡散度が変調され、透過するレーザ光を拡散させる。拡散素子１９ａによって拡散されたレーザ光は、レンズ２１ａを透過して空間光変調素子２２ａを照明する。空間光変調素子２２ａは、投影画像の青色成分の色信号を基にレーザ光を空間変調する。空間変調されたレーザ光は、色合成プリズム２３によって他の色のレーザ光と同一光軸上に合成される。色合成プリズム２３によって合成されたレーザ光は、投射レンズ１５によって図示しないスクリーン上に結像される。

拡散素子１９ａの構成及び動作について図８及び図９を用いて説明する。図８及び図９は、拡散素子１９ａの構成を示す図であり、図８は、実施の形態２における拡散素子１９ａを示す側面図、図９は、実施の形態２における拡散素子１９ａの電極を示す平面図である。なお、拡散素子１９ｂ，１９ｃの構成は、拡散素子１９ａの構成と同じである。

図８において、拡散素子１９ａは、第１の拡散素子２５と、第２の拡散素子２６と、共通基板２４とで構成される。第１の拡散素子２５は、透明電極２５ａ，２５ｃと、透明電極２５ａ，２５ｃにより挟まれた液晶分散フィルム２５ｂとで構成される。第２の拡散素子２６は、透明電極２６ａ，２６ｃと、透明電極２６ａ，２６ｃにより挟まれた液晶分散フィルム２６ｂとで構成される。共通基板２４は、第１の拡散素子２５によって透過又は拡散されたレーザ光を第２の拡散素子２６に導く。第１の拡散素子２５の透明電極２５ｃと、第２の拡散素子２６の透明電極２６ａとが対向するように、第１の拡散素子２５と第２の拡散素子２６とが共通基板２４に貼り合わされている。

図９において、環状透明電極２７は、光軸を中心とする複数の環状領域に透明電極２６ｃを分割することで構成されている。図９では、環状透明電極の一つだけを図示しているが、環状透明電極２７はレーザ光が通過する領域全体に、同軸上に複数個形成されている。すなわち、透明電極２５ａは、透明電極２６ｃと同様に、複数の環状領域に分割され、環状透明電極２７が形成されている。

実施の形態２における拡散素子１９ａの動作について、実施の形態１における第１及び第２の拡散素子８，９の動作と異なるのは、環状透明電極２７を形成したことであり、空間的にも拡散度を異ならせることを可能にした点である。すなわち、環状透明電極２７を形成する複数の環状領域にそれぞれ異なる電圧を印加する。例えば、環状透明電極２７の中心部分では拡散度が大きくなるように電圧を印加し、周辺部分では拡散度が小さくなるように電圧を印加する。レーザ光の光強度分布は、中心部分の光強度が高く、周辺部分の光強度が小さいため、光強度の高い領域は大きく拡散させ、光強度の小さい領域は小さく拡散させることにより、拡散素子１９ａを透過した後のレーザ光の光強度分布を均一化することができる。

なお、本実施の形態における環状領域は、光軸を中心とする円形状の領域だけでなく、光軸を中心とする楕円形状の領域も含む。

このように、図９に示したような環状透明電極２７を第１の拡散素子２５の透明電極２５ａと第２の拡散素子２６の透明電極２６ｃとに設け、各々異なる電圧を印加すると共に透明電極２５ｃと透明電極２６ａに交流電圧を印加することで、レーザ光の拡散度合いを時間的及び空間的に変調し、スペックルノイズの低減と強度分布の均一化を行うことができる。かかる構成によれば、拡散素子の拡散度を時間的及び空間的に変調することで、レーザ光の強度分布を均一化することができる共に、スペックルノイズを低減することができる。

また、複数の領域は、光軸を中心とする複数の環状領域を含むので、レーザ光のビーム断面形状に応じて拡散度合いを空間的に変化させることができ、レーザ光の強度分布を均一化することができる。また、複数の環状領域は、中心部分の環状領域から周辺部分の環状領域に向けて、レーザ光の拡散度合いを小さくしてもよい。すなわち、レーザ光の強度分布は、中心部分の強度が高く、周辺部分の強度が小さい。そのため、強度の高い領域は大きく拡散させ、強度の小さい領域は小さく拡散させることにより、拡散素子１９ａを透過した後のレーザ光の強度分布をより均一化することができる。さらに、透明な通基板２４の光軸に垂直な面に第１の拡散素子２５及び第２の拡散素子２６をそれぞれ対向して形成したことにより、第１の拡散素子２５と第２の拡散素子２６との間隔が共通基板２４により予め決められ、拡散素子相互の位置合わせが不要になり、薄型化も可能となる。

なお、実施の形態１，２では、２つの第１及び第２の拡散素子８，９の共通電極（透明電極８ｃ，９ａ）に交流電圧を印加しているが、本発明は特にこれに限定されず、２つの第１及び第２の拡散素子８，９それぞれに単独で電圧を印加してもよい。

図１０は、各拡散素子に独立して電圧を印加する場合における拡散素子の構成を示す図である。第１の拡散素子８の透明電極８ａ，８ｃは、−Ｖから＋Ｖまで周期的に変化する交流電圧を印加する第１の交流電源３１に接続され、第２の拡散素子９の透明電極９ａ，９ｃは、−Ｖから＋Ｖまで周期的に変化する交流電圧を印加する第２の交流電源３２に接続されている。第１及び第２の拡散素子８，９の印加電圧が＋Ｖ及び−Ｖである場合、第１及び第２の拡散素子８，９は散乱体となり、第１及び第２の拡散素子８，９の印加電圧が０である場合、第１及び第２の拡散素子８，９は透明体となる。

図１１は、２つの拡散素子にそれぞれ印加される電圧の時間変化を示す図である。図１１に示すように、第１の拡散素子８の電圧波形３３と、第２の拡散素子９の電圧波形３４とは１／４周期ずれている。そのため、第１の拡散素子８の印加電圧が＋Ｖである場合、第１の拡散素子８は散乱体となる。このとき、第２の拡散素子９の印加電圧は０であり、第２の拡散素子９は透明体となる。また、第１の拡散素子８の印加電圧が０である場合、第１の拡散素子８は透明体となる。このとき、第２の拡散素子９の印加電圧は＋Ｖであり、第２の拡散素子９は散乱体となる。さらに、第１の拡散素子８の印加電圧が−Ｖである場合、第１の拡散素子８は散乱体となる。このとき、第２の拡散素子９の印加電圧は０であり、第２の拡散素子９は透明体となる。

第１及び第２の拡散素子８，９は、交流電圧値±Ｖが印加された場合、最大散乱状態となり、交流電圧値０が印加された場合、透過状態となる。そして、電圧値が＋Ｖから０に変化する場合、第１及び第２の拡散素子８，９は、最大散乱状態から透過状態（最小散乱状態）へ変化し、電圧値が０から−Ｖに変化する場合、第１及び第２の拡散素子８，９は、透過状態（最小散乱状態）から最大散乱状態へ変化する。また、電圧値が−Ｖから０に変化する場合、第１及び第２の拡散素子８，９は、最大散乱状態から透過状態（最小散乱状態）へ変化し、電圧値が０から＋Ｖに変化する場合、第１及び第２の拡散素子８，９は、透過状態（最小散乱状態）から最大散乱状態へ変化する。

このように、第１及び第２の拡散素子８，９それぞれに単独で電圧を印加した場合も、空間光変調素子１４の各画素を照明する光の角度が高速に変化するため、スクリーン１６上での干渉パターン、すなわちスペックルノイズが、人の目で追従できないほどの速さで変動し、結果としてスペックルノイズが低減できる。

なお、上記の投写型ディスプレイ装置は、２つの拡散素子を設け、各拡散素子に単独で電圧を印加しているが、本発明は特にこれに限定されず、３つ以上の拡散素子を設け、各拡散素子に単独で電圧を印加してもよい。特に、ｎ（ｎは自然数）個の拡散素子を設け、各拡散素子に単独で電圧を印加する場合、各拡散素子に印加する電圧の位相差は１／（２ｎ）周期となるように設定する。これにより、ｎ個の拡散素子にそれぞれ単独で電圧を印加した場合も、空間光変調素子１４の各画素を照明する光の角度が高速に変化するため、スクリーン１６上での干渉パターン、すなわちスペックルノイズが、人の目で追従できないほどの速さで変動し、結果としてスペックルノイズが低減できる。

さらに、本実施の形態における２つの拡散素子は、アナログ的に拡散度合いを変化させているが、本発明は特にこれに限定されず、拡散素子を３つ以上設ける場合、これらの拡散素子の拡散度合いをデジタル的に変化させてもよい。この場合、拡散素子を駆動する駆動回路として安価で回路ノイズに強いデジタル回路を用いることができる。なお、拡散素子の数を増加させることで、より高い精度で拡散度合いを変化させることができる。また、拡散素子の数が２つであっても、アナログ的に（多値で）駆動することにより、拡散素子の数を増加させた場合と同様に、より高い精度で拡散度合いを変化させることができる。

さらにまた、本実施の形態における拡散素子の印加電圧は正弦波であるが、本発明は特にこれに限定されず、例えば三角波であってもよく、各印加電圧が相補的にキャンセルする波形であればよい。

なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。

本発明の一局面に係る投写型ディスプレイ装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射した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により変調された光をスクリーンに投射する投射レンズと、前記レーザ光源と前記空間光変調素子との間に光軸に沿って並べられ、時間的かつ電気的に前記レーザ光の拡散度合いを変化させる複数の拡散素子とを備える。

この構成によれば、レーザ光源からレーザ光が出射され、レーザ光源から出射したレーザ光が空間光変調素子により変調され、空間光変調素子により変調された光が投射レンズによりスクリーンに投射される。そして、レーザ光源と空間光変調素子との間に光軸に沿って並べられた複数の拡散素子により、時間的かつ電気的にレーザ光の拡散度合いが変化される。

したがって、従来技術のようにアクチュエータを用いて機械的に拡散度合いを変化させるのではなく、電気的に拡散度合いを変化させるので、小型化することができるとともに、信頼性を向上させることができる。さらに、時間的にレーザ光の拡散度合いを変化させるので、スペックルノイズを低減することができる。

また、上記の投写型ディスプレイ装置において、前記複数の拡散素子は、それぞれ周期的に拡散度合いが変化し、前記拡散素子毎の周期的な拡散度合いの変化の位相がずれていることが好ましい。

この構成によれば、複数の拡散素子は、それぞれ周期的に拡散度合いが変化し、拡散素子毎の周期的な拡散度合いの変化の位相がずれているので、スペックルノイズを時間的に変動させることができる。

また、上記の投写型ディスプレイ装置において、前記複数の拡散素子は、収束光路中に設けられていることが好ましい。この構成によれば、複数の拡散素子が収束光路中に設けられているので、複数の拡散素子によって拡散された拡散光を投射レンズの物側開口数よりも小さくすることができ、拡散光が投射レンズの物側開口数よりも大きくなることによる利用効率の低下を防止することができる。

また、上記の投写型ディスプレイ装置において、前記複数の拡散素子は、散乱状態から透明状態に１周期に１回変化する２つの拡散素子を含み、前記２つの拡散素子の位相差は半周期であることが好ましい。

この構成によれば、散乱状態から透明状態に１周期に１回変化する２つの拡散素子の位相差は半周期であるので、一方の拡散素子が散乱状態であれば、他方の拡散素子は透明状態であり、空間光変調素子の各画素を照明する光の角度が高速に変化するため、スペックルノイズが人の目で追従できないほどの速さで変動し、結果としてスペックルノイズを低減することができる。

また、上記の投写型ディスプレイ装置において、前記複数の拡散素子は、液晶を分散させた透明フィルムと、前記透明フィルムを挟む２つの透明電極とをそれぞれ備える第１の拡散素子及び第２の拡散素子を含み、第１の拡散素子の一方の透明電極は接地され、他方の透明電極は、第２の拡散素子の一方の透明電極に接続されるとともに交流電源に接続され、第２の拡散素子の一方の透明電極は、第１の拡散素子の他方の透明電極に接続されるとともに交流電源に接続され、他方の透明電極は、前記交流電源の出力電圧の最大値と同じ電圧を出力する直流電源に接続されることが好ましい。

この構成によれば、第１の拡散素子及び第２の拡散素子は、液晶を分散させた透明フィルムと、透明フィルムを挟む２つの透明電極とをそれぞれ備える。そして、第１の拡散素子の一方の透明電極は接地され、他方の透明電極は、第２の拡散素子の一方の透明電極に接続されるとともに交流電源に接続される。また、第２の拡散素子の一方の透明電極は、第１の拡散素子の他方の透明電極に接続されるとともに交流電源に接続され、他方の透明電極は、交流電源の出力電圧の最大値と同じ電圧を出力する直流電源に接続される。

すなわち、第１の拡散素子の他方の透明電極と第２の拡散素子の一方の透明電極とにそれぞれ０からＶまでの交流電圧が交流電源から印加される場合、交流電圧が０の時には、第１の拡散素子への印加電圧は０であり、第１の拡散素子は散乱体となる。同時に、第２の拡散素子への印加電圧はＶとなり第２の拡散素子は透明体となる。一方、交流電圧がＶの時には、第１の拡散素子への印加電圧はＶであり、第１の拡散素子は透明体となる。同時に、第２の拡散素子の印加電圧は０となり第２の拡散素子は散乱体となる。したがって、２つの拡散素子に交流電圧を印加するという簡単な構成で、２つの拡散素子を散乱状態と透過状態とに切り替えることができる。

また、上記の投写型ディスプレイ装置において、前記複数の拡散素子は、散乱状態から透明状態に１周期に２回変化するｎ個の拡散素子を含み、各拡散素子の位相差は、１／（２ｎ）周期であることが好ましい。

この構成によれば、散乱状態から透明状態に１周期に２回変化するｎ個の拡散素子のそれぞれの位相差は、１／（２ｎ）周期であるので、例えば、拡散素子が２つであれば、一方の拡散素子が散乱状態であれば、他方の拡散素子は透明状態となり、空間光変調素子の各画素を照明する光の角度が高速に変化するため、スペックルノイズが人の目で追従できないほどの速さで変動し、結果としてスペックルノイズを低減することができる。

また、上記の投写型ディスプレイ装置において、前記拡散素子は、液晶を分散させた透明フィルムと、前記透明フィルムを挟む２つの透明電極とを含み、各拡散素子の２つの透明電極は、交流電源に接続されることが好ましい。

この構成によれば、拡散素子は、液晶を分散させた透明フィルムと、透明フィルムを挟む２つの透明電極とを含む。そして、各拡散素子の２つの透明電極は、交流電源に接続される。したがって、各拡散素子には、それぞれ個別に交流電圧が印加されるので、複数の拡散素子を散乱状態と透過状態とに個別に切り替えることができ、より細かく拡散度合いを変化させることができる。

また、上記の投写型ディスプレイ装置において、前記レーザ光源は、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源と、青色レーザ光を出射する青色レーザ光源と、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源とを含み、前記複数の拡散素子は、前記赤色レーザ光、前記青色レーザ光及び前記緑色レーザ光の波長に応じて拡散度合いを変化させることが好ましい。

この構成によれば、赤色レーザ光、青色レーザ光及び緑色レーザ光の波長に応じて拡散度合いが変化されるので、レーザ光の波長毎にスペックルノイズ低減の最適化を行うことができる。

また、上記の投写型ディスプレイ装置において、前記複数の拡散素子は、前記緑色レーザ光源から出射された緑色レーザ光が入射される時に拡散度合いが最大になることが好ましい。

比視感度を考慮すると赤色や青色の光のスペックルノイズに比べて緑色の光のスペックルノイズの方が検出されやすい。そのため、複数の拡散素子は、緑色レーザ光源から出射された緑色レーザ光が入射される時に拡散度合いが最大になるので、緑色レーザ光の拡散度合いを青色レーザ光及び赤色レーザ光の拡散度合いよりも大きくすることができ、緑色レーザ光のスペックルノイズを減少させ、かつ青色レーザ光及び赤色レーザ光の拡散による光利用効率の損失を低減することができる。

また、上記の投写型ディスプレイ装置において、前記複数の拡散素子は、拡散度合いが略同一であることが好ましい。この構成によれば、複数の拡散素子の拡散度合いが略同一であるので、各拡散素子に印加する電圧の最大値を略同一にすることができ、構成を簡略化することができる。

また、上記の投写型ディスプレイ装置において、前記複数の拡散素子は、複数の領域に分割され、前記複数の領域毎に拡散度合いを時間的かつ電気的に変化させることが好ましい。

この構成によれば、複数の拡散素子は、複数の領域に分割され、複数の領域毎に拡散度合いが時間的かつ電気的に変化されるので、レーザ光の拡散度合いを空間的に変化させることができ、レーザ光の強度分布を均一化することができる。

また、上記の投写型ディスプレイ装置において、前記複数の領域は、前記光軸を中心とする複数の環状領域を含むことが好ましい。この構成によれば、複数の領域は、光軸を中心とする複数の環状領域を含むので、レーザ光のビーム断面形状に応じて拡散度合いを空間的に変化させることができ、レーザ光の強度分布を均一化することができる。

また、上記の投写型ディスプレイ装置において、前記複数の拡散素子は、透明な共通基板の光軸に垂直な面にそれぞれ対向して形成されていることが好ましい。この構成によれば、複数の拡散素子は、透明な共通基板の光軸に垂直な面にそれぞれ対向して形成されているので、各拡散素子の間隔が共通基板により予め決められ、拡散素子相互の位置合わせが不要になり、薄型化も可能となる。

また、上記の投写型ディスプレイ装置において、前記複数の拡散素子のうちの前記投射レンズに最も近い拡散素子に近接しており、入射したレーザ光の光量分布を均一化するホモジナイザーをさらに備え、前記レーザ光源に最も近い拡散素子と前記投射レンズに最も近い拡散素子との間隔Ｌと、各拡散素子の最大拡散角θと、前記ホモジナイザーの入射面の開口径Ａとの関係は、Ｌ＜Ａ／（２θ）であることが好ましい。

この構成によれば、ホモジナイザーは、複数の拡散素子のうちの投射レンズに最も近い拡散素子に近接しており、入射したレーザ光の光量分布を均一化する。そして、レーザ光源に最も近い拡散素子と投射レンズに最も近い拡散素子との間隔Ｌと、各拡散素子の最大拡散角θと、ホモジナイザーの入射面の開口径Ａとの関係は、Ｌ＜Ａ／（２θ）である。

したがって、レーザ光源に最も近い拡散素子が最大拡散角でレーザ光を拡散したとしても、レーザ光は全てホモジナイザーの開口内に入射するので、光量損失が無く、かつ最大の光拡散効果が得られ、スペックルノイズの除去効果も最大とすることができる。

本発明の他の局面に係るスペックル低減素子は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザ光を変調する空間光変調素子との間に光軸に沿って並べられた複数の拡散素子と、前記複数の拡散素子に周期的に変化する電圧を印加し、時間的かつ電気的に前記レーザ光の拡散度合いを変化させる駆動部とを備える。

この構成によれば、複数の拡散素子が、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射したレーザ光を変調する空間光変調素子との間に光軸に沿って並べられている。そして、駆動部により、複数の拡散素子に周期的に変化する電圧が印加され、時間的かつ電気的にレーザ光の拡散度合いが変化される。

したがって、従来技術のようにアクチュエータを用いて機械的に拡散度合いを変化させるのではなく、電気的に拡散度合いを変化させるので、小型化することができるとともに、信頼性を向上させることができる。さらに、時間的にレーザ光の拡散度合いを変化させるので、スペックルノイズを低減することができる。

本発明に係る投写型ディスプレイ装置及びスペックル低減素子は、小型化することができるとともに、信頼性を向上させることができ、さらに、スペックルノイズを低減することができ、レーザ光を用いる投写型ディスプレイ装置及びスペックルノイズを低減するスペックルノイズ低減素子として有用である。

また、本発明に係る投写型ディスプレイ装置は、スペックルノイズが低減されるレーザ光学系を有し、フロントプロジェクタやリアプロジェクタ等としても有用である。またその照明光学系だけを利用して照明装置や液晶ディスプレイのバックパネル等の用途にも応用できる。

実施の形態１における投写型ディスプレイ装置の構成を示す図である。 実施の形態１における拡散素子の駆動回路の構成を示す模式図である。 電源電圧の時間変化と、２つの拡散素子に印加される電圧の時間変化とを示す図である。 第１の拡散素子の印加電圧が０であり、第２の拡散素子の印加電圧がＶである場合における各拡散素子の散乱の様子を示す図である。 第１の拡散素子の印加電圧がＶ’であり、第２の拡散素子の印加電圧がＶ−Ｖ’である場合における各拡散素子の散乱の様子を示す図である。 第１の拡散素子の印加電圧がＶであり、第２の拡散素子の印加電圧が０である場合における各拡散素子の散乱の様子を示す図である。 実施の形態２における投写型ディスプレイ装置の構成を示す図である。 実施の形態２における拡散素子を示す側面図である。 実施の形態２における拡散素子の電極を示す平面図である。 各拡散素子に独立して電圧を印加する場合における拡散素子の構成を示す図である。 ２つの拡散素子にそれぞれ印加される電圧の時間変化を示す図である。 従来の投写型ディスプレイ装置の構成を示す図である。

Claims (10)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射した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により変調された光をスクリーンに投射する投射レンズと、
   前記レーザ光源と前記空間光変調素子との間に光軸に沿って並べられ、時間的かつ電気的に前記レーザ光の拡散度合いを変化させる複数の拡散素子とを備え、
   前記複数の拡散素子は、それぞれ周期的に拡散度合いが変化し、前記拡散素子毎の周期的な拡散度合いの変化の位相がずれており、
   前記複数の拡散素子は、散乱状態から透明状態に１周期に１回変化する２つの拡散素子を含み、
   前記２つの拡散素子の位相差は半周期であり、
   前記複数の拡散素子は、液晶を分散させた透明フィルムと、前記透明フィルムを挟む２つの透明電極とをそれぞれ備える第１の拡散素子及び第２の拡散素子を含み、
   第１の拡散素子の一方の透明電極は接地され、他方の透明電極は、第２の拡散素子の一方の透明電極に接続されるとともに交流電源に接続され、
   第２の拡散素子の一方の透明電極は、第１の拡散素子の他方の透明電極に接続されるとともに交流電源に接続され、他方の透明電極は、前記交流電源の出力電圧の最大値と同じ電圧を出力する直流電源に接続されることを特徴とする投写型ディスプレイ装置。
2. 前記複数の拡散素子は、収束光路中に設けられていることを特徴とする請求項１記載の投写型ディスプレイ装置。
3. 前記レーザ光源は、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源と、青色レーザ光を出射する青色レーザ光源と、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源とを含み、
   前記複数の拡散素子は、前記赤色レーザ光、前記青色レーザ光及び前記緑色レーザ光の波長に応じて拡散度合いを変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の投写型ディスプレイ装置。
4. 前記複数の拡散素子は、前記緑色レーザ光源から出射された緑色レーザ光が入射される時に拡散度合いが最大になることを特徴とする請求項３記載の投写型ディスプレイ装置。
5. 前記複数の拡散素子は、拡散度合いが略同一であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の投写型ディスプレイ装置。
6. 前記複数の拡散素子は、複数の領域に分割され、前記複数の領域毎に拡散度合いを時間的かつ電気的に変化させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の投写型ディスプレイ装置。
7. 前記複数の領域は、前記光軸を中心とする複数の環状領域を含むことを特徴とする請求項６記載の投写型ディスプレイ装置。
8. 前記複数の拡散素子は、透明な共通基板の光軸に垂直な面にそれぞれ対向して形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の投写型ディスプレイ装置。
9. 前記複数の拡散素子のうちの前記投射レンズに最も近い拡散素子に近接しており、入射したレーザ光の光量分布を均一化するホモジナイザーをさらに備え、
   前記レーザ光源に最も近い拡散素子と前記投射レンズに最も近い拡散素子との間隔Ｌと、各拡散素子の最大拡散角θと、前記ホモジナイザーの入射面の開口径Ａとの関係は、Ｌ＜Ａ／（２θ）であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の投写型ディスプレイ装置。
10. レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザ光を変調する空間光変調素子との間に光軸に沿って並べられた複数の拡散素子と、
    前記複数の拡散素子に周期的に変化する電圧を印加し、時間的かつ電気的に前記レーザ光の拡散度合いを変化させる駆動部とを備え、
    前記複数の拡散素子は、それぞれ周期的に拡散度合いが変化し、前記拡散素子毎の周期的な拡散度合いの変化の位相がずれており、
    前記複数の拡散素子は、散乱状態から透明状態に１周期に１回変化する２つの拡散素子を含み、
    前記２つの拡散素子の位相差は半周期であり、
    前記複数の拡散素子は、液晶を分散させた透明フィルムと、前記透明フィルムを挟む２つの透明電極とをそれぞれ備える第１の拡散素子及び第２の拡散素子を含み、
    第１の拡散素子の一方の透明電極は接地され、他方の透明電極は、第２の拡散素子の一方の透明電極に接続されるとともに交流電源に接続され、
    第２の拡散素子の一方の透明電極は、第１の拡散素子の他方の透明電極に接続されるとともに交流電源に接続され、他方の透明電極は、前記交流電源の出力電圧の最大値と同じ電圧を出力する直流電源に接続されることを特徴とするスペックル低減素子。

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