JP5417897B2 - 投射型映像表示装置および映像表示方法 - Google Patents

Description

本発明は、投射型映像表示装置および映像表示方法に関し、特に、コヒーレント光源からの光を用いて空間光変調器を照明し、スクリーン上に映像表示を行う技術に関する。

スクリーン上に光を投射して映像表示を行う投射型映像表示装置は、いわゆる「光学式プロジェクタ」と呼ばれている市販品を含めて、様々な方式のものが提案されている。このような投射型映像表示装置の基本原理は、液晶マイクロディスプレイやＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などの空間光変調器を利用して、元になる二次元画像を生成し、この二次元画像を投射光学系を利用してスクリーン上に拡大投影するものである。

一般的な光学式プロジェクタでは、高圧水銀ランプなどの白色光源を用いて液晶ディスプレイ等の空間光変調器を照明し、得られた変調画像をレンズでスクリーン上に拡大投影する方式を採っている。たとえば、下記の特許文献１には、超高圧水銀ランプで発生させた白色光を、ダイクロイックミラーによってＲ，Ｇ，Ｂの三原色成分に分け、これらの光を各原色ごとの空間光変調器へ導き、生成された各原色ごとの変調画像をクロスダイクロイックプリズムによって合成してスクリーン上に投影する技術が開示されている。

ただ、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプは、寿命が比較的短く、光学式プロジェクタなどに利用した場合、頻繁にランプ交換を行う必要がある。また、各原色成分の光を取り出すために、ダイクロイックミラーなどの比較的大型な光学系を利用する必要があるため、装置全体が大型化するという難点がある。そこで、レーザなどのコヒーレント光源を用いる方式も提案されている。たとえば、産業上で広く利用されている半導体レーザは、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプに比べて極めて長寿命である。また、単一波長の光を生成可能な光源であるため、ダイクロイックミラーなどの分光装置が不要になり、装置全体を小型化できるという利点も有する。

その一方で、レーザなどのコヒーレント光源を用いる方式には、スペックルの発生という新たな問題が生じている。スペックル（speckle）は、レーザ光などのコヒーレント光を拡散面に照射したときに現れる斑点状の模様であり、スクリーン上に発生すると斑点状の輝度ムラとして観察され、観察者に対して生理的な悪影響を及ぼす要因になる。コヒーレント光を用いるとスペックルが発生する理由は、スクリーンなどの拡散反射面の各部で反射したコヒーレント光が、その極めて高い可干渉性ゆえに、互いに干渉し合うことによって生じるものとされている。たとえば、下記の非特許文献１には、このスペックル発生についての詳細な理論的考察がなされている。

このように、コヒーレント光源を用いる方式では、スペックルの発生という固有の問題が生じるため、スペックルの発生を抑制するための技術が提案されている。たとえば、下記の特許文献２には、レーザ光を散乱板に照射し、そこから得られる散乱光を空間光変調器に導くとともに、散乱板をモータによって回転駆動することにより、スペックルを低減する技術が開示されている。

特開２００４−２６４５１２号公報 特開平６−２０８０８９号公報

Speckle Phenomena in Optics, Joseph W. Goodman, Roberts & Co., 2006

上述したとおり、コヒーレント光源を用いた投射型映像表示装置において、スペックルを低減する技術が提案されているが、従来から提案されている手法では、スペックルを効率的かつ十分に抑制することはできない。たとえば、前掲の特許文献２に開示されている方法では、レーザ光を散乱板に照射して散乱させてしまうため、一部のレーザ光は映像表示に全く貢献することなく浪費されてしまう。また、スペックル低減のために散乱板を回転させる必要があるが、そのような機械的な回転機構は比較的大型の装置となり、また、電力消費も大きくなる。更に、散乱板を回転させたとしても、照明光の光軸の位置は変わらないため、スクリーンの拡散面で発生するスペックルを十分に抑制することはできない。

そこで本発明は、コヒーレント光源を用いた投射型映像表示装置において、スペックルの発生を効率的かつ十分に抑制する技術を提供することを目的とする。

(1) 本発明の第１の態様は、スクリーン上に光を投射して映像表示を行う投射型映像表示装置において、
ほぼ平行な光線束からなるコヒーレント光を生成するコヒーレント光生成手段と、
このコヒーレント光を再生照明光として受けることにより、散乱板のホログラム再生実像を生成するホログラム記録媒体と、
上記ホログラム再生実像の生成位置に重畳して配置された空間光変調器と、
この空間光変調器上に得られる変調画像をスクリーン上に投射する投射光学系と、
ホログラム記録媒体を、周期的に運動させる駆動機構と、
を設け、
スクリーン上の任意の１点に対する配光角がいずれも０．４°以上となるように、空間光変調器の特性および配置、ならびに投射光学系の特性および配置を設定し、
スクリーン上を走査する光の線速度が、２００ｍｍ／秒以上となるように、駆動機構によるホログラム記録媒体の駆動が行われるようにしたものである。

(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る投射型映像表示装置において、
コヒーレント光生成手段が、
レーザ光を発生させて射出するレーザ光源と、
このレーザ光源から射出されたレーザ光を所定の断面積をもったほぼ平行な光線束に広げる光束拡大手段と、
を有するようにしたものである。

(3) 本発明の第３の態様は、上述した第１または第２の態様に係る投射型映像表示装置において、
ホログラム記録媒体を、フォトポリマーを用いた体積型ホログラムによって構成したものである。

(4) 本発明の第４の態様は、上述した第１〜第３の態様に係る投射型映像表示装置において、
コヒーレント光生成手段が、ホログラム記録媒体に散乱板の像を記録する際に用いた光の波長とほぼ同一波長のコヒーレント光を生成し、
ホログラム記録媒体が、「当該ホログラム記録媒体に対するコヒーレント光の入射角と、散乱板の像を記録する際に用いた参照光の入射角と、が同一となるような向き」に配置されているようにしたものである。

(5) 本発明の第５の態様は、上述した第１〜第４の態様に係る投射型映像表示装置において、
空間光変調器を、透過型もしくは反射型の液晶ディスプレイまたはデジタルマイクロミラーデバイスによって構成したものである。

(6) 本発明の第６の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る投射型映像表示装置において、
投射光学系が、スクリーンの観察面側に変調画像を投射する前方投射を行うようにしたものである。

(7) 本発明の第７の態様は、上述した第１〜第６の態様に係る投射型映像表示装置において、
駆動機構が、ホログラム記録媒体を、その記録面に平行な平面内で周期的に平行移動させるようにしたものである。

(8) 本発明の第８の態様は、上述した第７の態様に係る投射型映像表示装置において、
駆動機構が、ホログラム記録媒体の記録面にＸＹ二次元直交座標系を定義したときに、ホログラム記録媒体をＸ軸もしくはＹ軸方向に単振動させるか、または、ホログラム記録媒体をＸＹ平面上で円運動もしくは楕円運動させるようにしたものである。

(9) 本発明の第９の態様は、スクリーン上に光を投射してカラー映像表示を行う投射型映像表示装置において、
平行光線束からなる第１の波長域のコヒーレント光を生成する第１のコヒーレント光生成手段と、
第１の波長域のコヒーレント光を再生照明光として受けることにより、散乱板の第１のホログラム再生実像を生成する第１のホログラム記録媒体と、
第１のホログラム再生実像の形成位置に重畳して配置され、第１の波長域に対応する第１の原色成分をもった画像に基づく変調を行う第１の空間光変調器と、
第１のホログラム記録媒体を、周期的に運動させる第１の駆動機構と、
平行光線束からなる第２の波長域のコヒーレント光を生成する第２のコヒーレント光生成手段と、
第２の波長域のコヒーレント光を再生照明光として受けることにより、散乱板の第２のホログラム再生実像を生成する第２のホログラム記録媒体と、
第２のホログラム再生実像の形成位置に重畳して配置され、第２の波長域に対応する第２の原色成分をもった画像に基づく変調を行う第２の空間光変調器と、
第２のホログラム記録媒体を、周期的に運動させる第２の駆動機構と、
平行光線束からなる第３の波長域のコヒーレント光を生成する第３のコヒーレント光生成手段と、
第３の波長域のコヒーレント光を再生照明光として受けることにより、散乱板の第３のホログラム再生実像を生成する第３のホログラム記録媒体と、
第３のホログラム再生実像の形成位置に重畳して配置され、第３の波長域に対応する第３の原色成分をもった画像に基づく変調を行う第３の空間光変調器と、
第３のホログラム記録媒体を、周期的に運動させる第３の駆動機構と、
第１の空間光変調器上に得られる第１の変調画像、第２の空間光変調器上に得られる第２の変調画像、第３の空間光変調器上に得られる第３の変調画像を合成して、スクリーン上に投射する合成投射光学系と、
を設け、
スクリーン上の任意の１点に対する配光角がいずれも０．４°以上となるように、第１の空間光変調器、第２の空間光変調器、および第３の空間光変調器の特性および配置、ならびに合成投射光学系の特性および配置を設定し、
スクリーン上を走査する光の線速度が、２００ｍｍ／秒以上となるように、第１の駆動機構による第１のホログラム記録媒体の駆動、第２の駆動機構による第２のホログラム記録媒体の駆動、および第３の駆動機構による第３のホログラム記録媒体の駆動が行われるようにしたものである。

(10) 本発明の第１０の態様は、スクリーン上に光を投射して映像表示を行う投射型映像表示方法において、
散乱板のホログラム像を記録したホログラム記録媒体を作成する段階と、
ホログラム記録媒体にコヒーレント光を照射し、散乱板のホログラム再生実像を生成する段階と、
ホログラム再生実像の生成位置に重畳して空間光変調器を配置する段階と、
空間光変調器上に得られる変調画像をスクリーン上に投射する段階と、
を行い、
変調画像をスクリーン上に投射している間、ホログラム記録媒体を、その記録面に平行な平面内で周期的に平行移動させ、
スクリーン上の任意の１点に対する配光角がいずれも０．４°以上となり、スクリーン上を走査する光の線速度が、２００ｍｍ／秒以上となるようにしたものである。

本発明では、実在の空間光変調器の位置に重畳して、散乱板のホログラム再生実像が形成される。このため、空間光変調器上に得られる変調画像は、散乱板から直接散乱した散乱光と同様の挙動をもってスクリーン上に投影されることになり、スクリーン上でのスペックルの発生を効率的かつ十分に抑制することが可能になる。また、ホログラム記録媒体を周期的に運動させる駆動機構を備えた実施形態では、スクリーン上で光束走査が行われるため、スペックルの発生を更に低減させることが可能になる。

従来提案されている、スペックルの発生を抑制する機能をもったコヒーレント光式の投射型映像表示装置の一例を示す平面図である。 図１に示す投射型映像表示装置の問題点を示すための平面図である。 本発明に係る投射型映像表示装置の基本的実施形態を示す平面図である。 図３に示す装置におけるホログラム記録媒体２２０の作成方法を示す平面図である。 図３に示す装置におけるホログラム記録媒体２２０による実像再生の様子を示す平面図である。 図３示す投射型映像表示装置におけるホログラム記録媒体２２０の駆動態様の一例を示す平面図である。 図３示す投射型映像表示装置におけるホログラム記録媒体２２０の駆動態様の別な一例を示す平面図である。 図３に示す投射型映像表示装置の利点を示すための平面図である。 様々な条件で実験を行った場合のスペックルの発生度合を示す表である。 配光角θおよび光束走査の線速度をパラメータとした場合のスペックルの発生度合を示す実験結果のグラフである。 本発明をカラー映像表示装置に適用した実施形態を示す平面図である。

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。

＜＜＜ §１．従来提案されている投射型映像表示装置 ＞＞＞
ここでは、説明の便宜上、たとえば、前掲の特許文献２などで提案されているコヒーレント光式の投射型映像表示装置の基本原理を、図１の平面図を参照しながら述べておく。

図示のとおり、この投射型映像表示装置では、レーザなどのコヒーレント光源１１０から生成されたコヒーレント光を透過型の散乱板１２０に照射し、得られる散乱光を集光レンズ１３０で集め、空間光変調器１４０に導いている。空間光変調器１４０として、たとえば、透過型の液晶マイクロディスプレイを用いることにすれば、このディスプレイの画面上に変調画像が得られることになる。こうして得られた変調画像を、投射光学系１５０によってスクリーン１６０へ投射すれば、スクリーン１６０上に、拡大された変調画像が表示されることになる。

なお、空間光変調器１４０としては、反射型のマイクロディスプレイを用いることも可能である。その場合、コヒーレント光源１１０、散乱板１２０、集光レンズ１３０は、図１における空間光変調器１４０の斜め上方に配置され、空間光変調器１４０からの反射光が、投射光学系１５０によってスクリーン１６０へ投射されることになる。このような反射光を利用する場合、空間光変調器１４０としてＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などのＭＥＭＳ素子を用いることも可能であり、実際、前掲の特許文献２に開示されている実施例は、ＤＭＤを空間光変調器１４０として利用した反射型の装置である。

また、図示の例は、視点Ｅをスクリーン１６０の手前側に置いて観察する前方投影型の装置であるが、視点Ｅをスクリーン１６０の向こう側に置いて観察する後方投影型の装置（いわゆる、リアプロジェクタ装置）も広く利用されている。

既に述べたとおり、レーザなどのコヒーレント光源１１０を利用した装置では、スクリーン１６０上にスペックルが発生する問題が生じる。スペックルは、コヒーレント光を散乱面に照射したときに現れる斑点状の模様であり、散乱面の各部で反射したコヒーレント光の干渉によって生じるものとされている。そこで、前掲の特許文献２に開示されている実施例では、散乱板１２０を回転機構１２５によって、レーザ光の光軸を中心軸として回転駆動させることにより、スペックルの発生を低減させる工夫が施されている。

前掲の非特許文献１によると、スペックルの発生を低減させるためには、偏光・位相・角度・時間といったモードを多重化することが有効であるとされている。散乱板１２０を回転駆動すれば、散乱板１２０から発する散乱光のモードが多重化されるため、結果的に、スクリーン１６０上でのスペックルの発生を低減することができる。

しかしながら、従来提案されているこのタイプの装置では、スペックルの発生を効率的かつ十分に抑制することが困難であることは、既に指摘したとおりである。図２は、図１に示す投射型映像表示装置の問題点を示すための平面図である。図２に示す装置の構成自体は、図１に示す装置の構成と全く同一である。以下、この図２を参照しながら、従来装置のいくつかの問題点を具体的に説明する。

まず、第１に、散乱板１２０に照射されたレーザ光は、様々な方向に散乱することになるので、たとえば、図２に散乱光Ｌｓとして例示した光のように、集光レンズ１３０によって集光されない方向に向かう散乱光も存在する。このように、一部のレーザ光は映像表示に全く貢献することなく浪費されてしまうため、エネルギーの利用効率の点で問題がある。

第２に、スペックル低減のために散乱板１２０を回転機構１２５によって回転駆動させることは、必ずしも効率的な方法とは言えない。すなわち、散乱板１２０の質量が大きければ大きいほど、散乱板回転のために大きな電力消費が必要になる。実際、散乱板１２０に対して常に回転モーメントを与えるために必要な電力は無視できず、また、機械的な回転構造体が必要になるため、装置の小型化を阻む要因にもなる。

そして第３に、散乱板１２０を回転させたとしても、コヒーレント光源１１０からスクリーン１６０に対して供給される照明光の光軸の位置は変わらないため、スクリーン１６０の散乱面で発生するスペックルを十分に抑制することはできない。図２に示す装置の場合、スペックルの発生に寄与する光の散乱は、散乱板１２０とスクリーン１６０との２カ所で生じる。散乱板１２０を回転させれば、この散乱板１２０上の散乱に起因して発生するスペックル（いわば、照明光の光源側に起因して生じるスペックル）を低減させることはできる。しかしながら、スクリーン１６０上の散乱に起因して発生するスペックル（いわば、スクリーン側に起因して生じるスペックル）を低減させることはできない。

ここでは、図示するスクリーン１６０上の任意の投射点Ｑ１に到達する投射光Ｌ１の配光角（後述するように、スクリーン１６０への入射角の分布範囲）に着目してみよう。図示の装置の場合、空間光変調器１４０は、集光レンズ１３０側から入射してきた照明光に対して変調を加えた後、投射光学系１５０へ向けて透過させる機能を果たす。したがって、映像点Ｐ１の画素情報は、そのまま投射光Ｌ１によって、スクリーン１６０上の投射点Ｑ１に投射されることになる。これは、投射点Ｑ１側から投射光学系１５０を望んだ場合、配光角が極めて狭いことを意味する。散乱板１２０を回転させても、投射点Ｑ１を照らす投射光Ｌ１の光路に変化はなく、その入射角は常に一定になる。このように、スクリーン１６０の表面に対して、常に同一の方向からコヒーレント光が照射されると、スペックルを発生させる大きな要因になり、このようなスクリーン側に起因して生じるスペックルを低減させる上で、散乱板１２０の回転駆動は、何ら役に立たない。

本発明は、このような従来装置の問題点を解決するための新たな技術を提案するものである。その基本的な実施形態を以下に述べる。

＜＜＜ §２．本発明の基本的実施形態 ＞＞＞
図３は、本発明に係る投射型映像表示装置の基本的実施形態を示す平面図である。この投射型映像表示装置でも、コヒーレント光源２１０から生成されたコヒーレント光が用いられる。この装置の場合、コヒーレント光源２１０として、レーザ光を発生させて射出するレーザ光源が用いられており、射出されたレーザ光は、拡大レンズ２１１およびコリメートレンズ２１２からなる光束拡大手段により、所定の断面積をもった平行光線束に広げられる。なお、実用上は、厳密に平行な光線束でなく、ほぼ平行な光線束を用いても支障は生じない。

このように、図示のコヒーレント光源２１０（レーザ光源）、拡大レンズ２１１、コリメートレンズ２１２は、平行光線束からなるコヒーレント光を生成するコヒーレント光生成手段として機能する。図示のとおり、平行光線束からなるコヒーレント光は、ホログラム記録媒体２２０に所定の入射角φをもって入射する。後述するように、この平行光線束からなるコヒーレント光は、ホログラム記録媒体２２０に対する再生照明光として機能する。したがって、拡大レンズ２１１およびコリメートレンズ２１２は、ホログラム記録媒体２２０の記録面全域に平行光線束からなる再生照明光が照射されるように、レーザビームの光束を拡大する。別言すれば、平行光線束の断面は、ホログラム記録媒体２２０の記録面全域を照射するのに必要十分な面積をもっている。もっとも、ホログラム記録媒体２２０の各点は、いずれも散乱板の像を再生する機能をもっているので、再生照明光は必ずしも記録面全域を照射するのに必要な断面積をもっている必要はない。

ホログラム記録媒体２２０には、予め、散乱板（光学的な拡散板）のホログラム像を記録しておくようにし、上記平行光線束からなるコヒーレント光が再生照明光として照射されたときに、当該散乱板のホログラム再生実像が生成されるようにする。

図４は、このホログラム記録媒体２２０の作成方法を示す平面図である。図に示す散乱板２３０は、内部に光を散乱するための微小粒子（光の散乱体）が練り込まれた透過型散乱板（たとえば、オパールガラス板）であり、ホログラム感光媒体２２２は、ホログラム像を記録するために用いる感光性の媒体である。図示の例では、散乱板２３０の下方から所定波長λをもったレーザ光を照明光Ｌとして照射し、散乱板２３０による散乱で生じた散乱光を物体光Ｌｏとして、ホログラムの記録を行っている。このとき、照明光Ｌと同一波長λをもったレーザ光を参照光Ｌｒとして、入射角φでホログラム感光媒体２２２に照射するようにし、物体光Ｌｏと参照光Ｌｒとの干渉縞パターンがホログラム感光媒体２２２の記録面上に記録されるようにする。

図５は、こうして作成されたホログラム記録媒体２２０による実像再生の様子を示す平面図である。図５に示すホログラム記録媒体２２０は、図４に示すホログラム感光媒体２２２（ホログラムの記録が完了したもの）に対応するものであるが、図における上下の面を逆に配置したものになる。すなわち、図４に示すプロセスで、ホログラムの記録が完了した後、記録済みのホログラム感光媒体２２２を上下ひっくり返して配置したものが、図５に示すホログラム記録媒体２２０である。

図５に示すとおり、このホログラム記録媒体２２０の下方から、波長λ（図４の記録プロセスで用いた照明光Ｌや参照光Ｌｒの波長と同一波長）をもったレーザ光を再生照明光ＬＬとして入射角φで照射すると、図の上方に、散乱板のホログラム再生実像２３５が生じることになる。このホログラム再生実像２３５は、図４に示す散乱板（オパールガラス板）を原画像とした再生像である。

図３に示す装置で用いられているコヒーレント光源（レーザ光源）２１０は、図５に示す再生照明光ＬＬを生成するための光源であり、図４の記録プロセスで用いた照明光Ｌや参照光Ｌｒの波長と同一波長λをもったコヒーレント光を発生する。このコヒーレント光は、上述したとおり、ホログラム記録媒体２２０に対して入射角φで照射される。ここで、入射角φは、図４に示すホログラム記録プロセスにおける参照光Ｌｒの入射角φに等しい。このため、図３において、ホログラム記録媒体２２０の上方位置に、ホログラム再生実像２３５が得られることになる。なお、実際には、ホログラム記録媒体２２０を作成するプロセスで、媒体材料に収縮が生じる場合がある。このような場合、材料の収縮を考慮して、再生照明光ＬＬの波長を調整するのが好ましい。したがって、コヒーレント光源２１０で生成するコヒーレント光の波長は、図４の記録プロセスで用いた光の波長と厳密に一致させる必要はなく、ほぼ同一となっていればよい。

本発明の重要な特徴は、このホログラム再生実像２３５の生成位置に重畳して、空間光変調器２４０が配置される点である。ここで、空間光変調器２４０は、液晶マイクロディスプレイやＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などの実在の装置であるのに対して、ホログラム再生実像２３５は光学的な再生像であり、両者は同一空間上に重複して配置することが可能である。図３には、実在の空間光変調器２４０のみしか描かれていないが、この同じ空間位置に、ホログラム記録媒体２２０によって再生された散乱板のホログラム再生実像２３５が重なることになる。

もっとも、こうして得られたホログラム再生実像２３５の実体は、ホログラム記録媒体２２０上に形成された干渉縞によって回折させられたコヒーレント光であり、空間光変調器２４０は、このようなコヒーレント光による照明を受け、所定の変調画像を生成することになる。たとえば、空間光変調器２４０として、透過型の液晶マイクロディスプレイを用いた場合、ディスプレイを透過した照明光の濃淡パターンとして、変調画像が得られることになる。

投射光学系２５０は、こうして空間光変調器２４０上に得られた変調画像を、スクリーン２６０上に投射する機能を果たす。空間光変調器２４０として、透過型の液晶マイクロディスプレイを用いた場合であれば、このディスプレイ上に形成された変調画像が、スクリーン２６０上に投射され、映像表示が行われることになる。

図３に示す装置では、更に、ホログラム記録媒体２２０を、周期的に運動させる駆動機構２２５が設けられている。より具体的には、駆動機構２２５は、ホログラム記録媒体２２０を、その記録面に平行な平面内で周期的に平行移動させる機能を果たす。たとえば、図示のように、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸、図の紙面垂直方向にＹ軸をそれぞれとったＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、ホログラム記録媒体２２０の記録面がＸＹ平面に含まれるように配置されているものとすれば、駆動機構２２５は、ホログラム記録媒体２２０を、その記録面がＸＹ平面に含まれている状態を維持したまま、周期的に平行移動させる機能を果たす。ここで、「平行移動」とは、回転ファクターを含まない運動であることを意味し、ホログラム記録媒体２２０は、同じ姿勢を維持したまま、ＸＹ平面上で位置のみを変える運動を行うことになる。

図６および図７は、このようなＸＹ平面上でのホログラム記録媒体２２０の駆動態様の一例を示す平面図である。図６は、ホログラム記録媒体２２０を、矢印Ｍｘに示すようにＸ軸方向に沿って単振動させるか、あるいは、矢印Ｍｙに示すようにＹ軸方向に沿って単振動させる例である。いずれの場合も、ホログラム記録媒体２２０の運動には回転ファクターは含まれず、矢印Ｍｘもしくは矢印Ｍｙに沿った周期的な平行移動となる。図７は、ホログラム記録媒体２２０をＸＹ平面上で円運動させた例であり、ホログラム記録媒体２２０は矢印Ｍｃで示す円軌道に沿って移動することになるが、この場合も、ホログラム記録媒体２２０の運動には回転ファクターは含まれず、あくまでも平行移動しているだけである。円運動の代わりに楕円運動させてもかまわない。

このような周期的運動では、ホログラム記録媒体２２０の記録面は、常にＸＹ平面上の位置を保つことになるため、コリメートレンズ２１２を出た平行光線束のホログラム記録媒体２２０への入射角φには何ら変化は生じない。もちろん、ホログラム記録媒体２２０をＸＹ平面に沿って移動させれば、得られる再生像の位置も平行移動することになるが、ホログラム記録媒体２２０から所定距離だけ離れて配置された空間光変調器２４０の位置に、散乱板のホログラム再生実像２３５が得られる点は変わらない。

図４に示すホログラム記録プロセスにおいて、原画像として用いる散乱板２３０の平面サイズを、空間光変調器２４０の画像形成面の平面サイズより所定量Δだけ大きくしておき、上記単振動Ｍｘ，Ｍｙの振幅や円運動Ｍｃの直径を、上記所定量Δ以下に抑えるようにしておけば、ホログラム記録媒体２２０を運動させたとしても、空間光変調器２４０の画像形成面上には、常に、散乱板２３０の再生実像２３５が得られた状態になる。

このように、駆動機構２２５によって、ホログラム記録媒体２２０を周期的に運動させるのは、スクリーン２６０上に生じるスペックルを低減させるためである。その基本原理は、§４で説明する。また、スペックルを効率的に低減させるための運動条件については、§５で詳述する。

＜＜＜ §３．個々の要素の具体的構成を示す実施例および変形例 ＞＞＞
続いて、本願発明者が実際に試作した実施例に係る装置に基づいて、図３に示す投射型映像表示装置の個々の要素の具体的構成例を述べておく。

まず、コヒーレント光源２１０としては、波長λ＝５３２ｎｍ（緑色）のレーザ光を射出することが可能なＤＰＳＳ（Diode Pumped Solid State）レーザを用いた。ＤＰＳＳレーザは、小型でありながら比較的高出力の所望の波長のレーザ光を得ることができるため、本発明のような投射型映像表示装置に用いるコヒーレント光源として最適である。なお、拡大レンズ２１１およびコリメートレンズ２１２としては、このＤＰＳＳレーザが射出したレーザ光の光束を拡大して平行光線束を生成することができるレンズであれば、どのようなレンズを用いてもかまわない。

一方、ホログラム記録媒体２２０は、既に述べたように、図４に示すホログラム記録プロセスによって作成されたものである。原画像となる散乱板２３０としては、空間光変調器２４０より平面サイズが若干大きなオパールガラス板（光学的拡散板として一般に市販されているもの）を用いた。また、ホログラムの記録プロセスで用いる照明光Ｌや参照光Ｌｒを生成するためには、上述した波長λ＝５３２ｎｍ（緑色）のレーザ光を射出することが可能なＤＰＳＳレーザを用いた。

結局、コヒーレント光を生成する手段として機能するコヒーレント光源２１０は、散乱板２３０の像を記録する際に用いた光の波長と同一波長のコヒーレント光を生成する光源ということになる。そして、図３に示すホログラム記録媒体２２０は、「当該ホログラム記録媒体２２０に対するコヒーレント光の入射角φ（図３の角度φ）と、散乱板２３０の像を記録する際に用いた参照光Ｌｒの入射角φ（図４の角度φ）と、が同一となるような向き」に配置されていることになる。

ここで、ホログラム記録媒体２２０としては、フォトポリマーを用いた体積型ホログラムを用いるのが好ましい。一般に、キャッシュカードや金券などに偽造防止用シールとして利用されているホログラムは、レリーフ（エンボス）型ホログラムと呼ばれており、表面の凹凸構造によってホログラム干渉縞の記録が行われる。しかしながら、このレリーフ型ホログラムの場合、表面の凹凸構造による散乱が、新たなスペックル生成要因となる可能性があるため、本発明のような投射型映像表示装置への利用には向いていない。体積型ホログラムでは、媒体内部の屈折率分布としてホログラム干渉縞の記録が行われるため、表面の凹凸構造による散乱による影響を受けることはない。

もっとも、体積型ホログラムでも、銀塩材料を含む感光媒体を利用して記録するタイプのものは、銀塩粒子による散乱が新たなスペックル生成要因となる可能性があるため、避けた方が好ましい。このような理由から、本願発明者は、本発明に利用するホログラム記録媒体２２０としては、フォトポリマーを用いた体積型ホログラムが最適であると考えている。このようなフォトポリマーを用いた体積型ホログラムの具体的な化学組成は、たとえば、特許第２８４９０２１号公報に例示されている。

なお、図３に示す実施形態では、再生照明光を透過してホログラム再生実像を生成する透過タイプのホログラム記録媒体２２０を用いた例を示したが、再生照明光を反射してホログラム再生実像を生成する反射タイプのホログラム記録媒体を用いてもかまわない。この場合、図３に示すホログラム記録媒体２２０の斜め上方から、再生照明光が照射されるように、コヒーレント光源２１０、拡大レンズ２１１、コリメートレンズ２１２を配置すればよい。

また、図３に示す実施形態では、ホログラム記録媒体２２０に対して、斜め下方向に光源２１０やレンズ２１１，２１２を配置しているが、ホログラム記録媒体２２０に対しての入射角がφとなるような工夫を施すことができれば、これらをホログラム記録媒体２２０の真下に配置してもかまわない。たとえば、ホログラム記録媒体２２０の下面側に偏光素子板などを張り付けておけば、この偏光素子板に対しては垂直下方から再生照明光が入射するような配置を採ったとしても、偏光素子板による偏光作用によって、ホログラム記録媒体２２０に対しての入射角がφとなるのであれば、特に問題は生じない。

なお、図４に示す記録プロセスでは、いわゆるフレネルタイプのホログラム記録媒体が作成されることになるが、レンズを用いた記録を行うことにより得られるフーリエ変換タイプのホログラム記録媒体を作成してもかまわない。ただ、フーリエ変換タイプのホログラム記録媒体を用いる場合には、像再生時にもレンズが必要になる。

一方、空間光変調器２４０としては、前述したとおり、透過型の液晶マイクロディスプレイを用いた。このディスプレイでは、電気信号に基づく液晶の相変化により個々の画素ごとに光の透過率を制御することができるので、ディスプレイの表示面に、与えられた画像データに応じた変調画像を生成することができる。なお、空間光変調器２４０として、反射型の液晶マイクロディスプレイを用いることも可能であるが、その場合は、ホログラム記録媒体２２０からの光が、図の斜め上方から空間光変調器２４０へ入射するような構成を採る必要がある。

もちろん、本発明に利用可能な空間光変調器２４０は、液晶マイクロディスプレイに限定されるものではなく、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：Digital Micromirror Device）やＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）などの素子を用いてもかまわない。

投射光学系２５０は、空間光変調器２４０上に得られた変調画像を、スクリーン２６０上に投射する機能をもった光学系であれば、どのようなものを用いてもかまわない。通常は、焦点距離を調節できるよう、複数枚のレンズによって構成される。なお、図示の例は、視点Ｅをスクリーン２６０の手前側に置いて観察する前方投影型の装置であるが、本発明に係る投射型映像表示装置は、視点Ｅをスクリーン２６０の向こう側に置いて観察する後方投影型の装置（いわゆる、リアプロジェクタ装置）にも利用することが可能である。

ただ、一般的には、後方投影型の装置では、スクリーンの材質を工夫することによりスペックルの発生を抑制することが可能である。すなわち、後方投影型の装置の場合、観察者が目にする光は、スクリーンを透過した光になるため、スクリーン内部に散乱粒子を埋め込むような措置を施すことにより、スペックルの発生に対処することが可能になる。したがって、実用上、本発明によるスペックルの低減技術は、スクリーンの観察面側に変調画像を投射する前方投射を行う前方投影型の装置において、その真価を発揮することになる。

なお、駆動機構２２５は、図６および図７に例示したように、ホログラム記録媒体２２０をＸＹ平面上で運動させることができる機構であれば、どのような仕組を用いてもよいが、本願発明者が実際に試作した装置では、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に駆動するためのステッピングモータを設け、デジタル駆動信号により、単振動もしくは円運動を行わせるようにした。この他、圧電素子、ボイスコイル、超音波モータなどを用いて駆動機構２２５を構成することも可能である。

＜＜＜ §４．本発明の利点 ＞＞＞
ここでは、図１に例示した従来装置に対する本発明の利点を説明する。図８は、図３に示す実施形態の利点を示すための平面図であり、ここに示されている装置の構成自体は、図３に示されている装置の構成と全く同一である。ここでは、便宜上、図２に示す従来装置と、図８に示す実施形態に係る装置と、を対比して説明する。

§１で述べたとおり、図２に示す従来装置の第１の問題点は、散乱板１２０に照射されたレーザ光の一部が、散乱光Ｌｓとして例示したように、映像表示に全く寄与せずに無駄になってしまう点である。これに対して、図８に示す装置では、図示のような無駄な散乱光Ｌｄが生じることはない。これは、図５に示すように、ホログラム記録媒体２２０を通過した光が、ホログラム再生実像２３５を形成する方向に回折させられるためである。ホログラム記録媒体２２０自体は、入射した光をランダムに散乱する散乱板ではないので、図示する散乱光Ｌｄのように、再生像が生じない方向に向かう無駄な光は発生しない。このため、ホログラム記録媒体２２０に照射された光は、すべてホログラム再生実像２３５を形成するために有効利用されることになる。

図２に示す従来装置の第２の問題点は、散乱板１２０を回転させるために大がかりな回転機構が必要になり、装置の小型化を阻む点である。これに対して、図８に示す装置の場合、駆動機構２２５は、ホログラム記録媒体２２０を回転運動させる必要はなく、図６および図７に示すような単振動、円運動、楕円運動を行えばよい。このように、回転ファクターを含まない運動を行うための機構は、回転運動を行うための機構に比べて小型化することができ、また、電力の消費も少ない。

そして、図２に示す従来装置の第３の問題点は、散乱板１２０の回転運動により、照明光の光源側に起因して生じるスペックルを低減させることはできるが、スクリーン側に起因して生じるスペックルを低減させることはできない点である。図２で説明したとおり、空間光変調器１４０は散乱板ではないので、映像点Ｐ１の画素情報は、そのまま投射光Ｌ１によって、スクリーン１６０上の投射点Ｑ１に投射されることになり、投射点Ｑ１側から投射光学系１５０を望んだ場合、投射光Ｌ１が投射点Ｑ１に入射する方向は常に一定になる。このように、スクリーン１６０の表面に対して、常に同一の方向からコヒーレント光が照射されると、スペックルを発生させる大きな要因になる。

これに対して、図８に示す装置では、空間光変調器２４０の空間的な位置に重畳するように、散乱板のホログラム再生実像２３５が形成される。このため、空間光変調器２４０上の各点に入射した光は、既に角度に関する多重化が行われていることになる。すなわち、図５に示すとおり、散乱板のホログラム再生実像２３５の各点は、ホログラム記録媒体２２０の様々な点からの光によって構成されることになる。このため、光源側のスペックルは、この段階で解消することになる。

更に、空間光変調器２４０上に重ねて、散乱板のホログラム再生実像２３５が形成されるので、空間光変調器２４０上に形成される変調画像からの光は、あたかも散乱板から発せられる散乱光と同様の振る舞いをすることになる。したがって、図８に示す映像点Ｐ１の画素情報は、様々な方向へ向かう散乱光の情報として伝播し、投射光学系２５０を構成するレンズによって、スクリーン２６０上の投射点Ｑ１で結像する。ここで、映像点Ｐ１から投射点Ｑ１に向かう散乱光の光路は様々であり（図では、破線によって、２通りの光路を例示している）、投射点Ｑ１側から投射光学系２５０を望んだ場合、投射点Ｑ１に入射する光の入射角は様々である。

結局、ある投射点Ｑ１について、様々な方向から入射してくる入射光の光路を束ねると、当該投射点Ｑ１を頂点とする円錐体が形成されることになる。ここで、当該円錐体を中心軸で切断することにより得られる三角形の頂角θは、一般に「配光角」と呼ばれている。図８に破線で示されている光路のなす角度θは、投射点Ｑ１についての配光角である。配光角θは、個々の投射点ごとに異なる値をとり、一般に、スクリーン２６０の中央ほど大きくなり、スクリーン２６０の端部へゆくほど小さくなる。

ある投射点Ｑ１についての配光角θは、当該投射点Ｑ１に入射する光の入射角の多重度を示すパラメータになる。配光角θが大きければ大きいほど、入射角の多重度は大きくなり、それだけ様々な方向から光が入射していることになる。そして、この入射角の多重度は、スペックルの発生要因と密接な関係をもっている。すなわち、前掲の非特許文献１にも記載されているとおり、入射角の多重度を高めれば、スペックルの発生を低減させることができる。したがって、スクリーン２６０上のいずれの投射点についても、できるだけ配光角θが大きくなるようにすれば、スペックルの発生は低減する。

実際の配光角θの値は、空間光変調器２４０の特性（特に、変調画像生成面のサイズ）および配置、投射光学系２５０の特性（特に、レンズの口径や焦点距離）および配置、ならびにホログラム記録媒体２２０に記録された散乱板２３０の特性（特に、投射光学系２５０内の投射レンズの最大取り込み径とライトバルブとの位置関係に応じて決定されるサイズや散乱角などの散乱特性）に依存して定まる量になるが、本発明に係る装置では、従来提案されている装置に比べて、スクリーン２６０上の任意の投射点についての配光角θを高めることが可能になる。その理由は、図８に示すように、空間光変調器２４０の空間的な位置に重畳するように、散乱板のホログラム再生実像２３５が形成されているためである。

上述したように、本発明に係る装置構成を採れば、空間光変調器２４０上に形成される変調画像からの光は、あたかも散乱板から発せられる散乱光と同様の振る舞いをすることになり、図示の映像点Ｐ１の画素情報は、様々な方向へ向かう散乱光の情報として伝播する。図示の例で、投射点Ｑ１について配光角θが得られているのは、映像点Ｐ１から様々な方向に向かう散乱光が、投射光学系２５０によって、投射点Ｑ１に集光されたためである。このように、本発明における「空間光変調器２４０の位置に重ねて、散乱板のホログラム再生実像２３５を形成する」という特徴は、スクリーン側に起因して生じるスペックルを低減させる上で極めて重要な機能を果たす。

それに加えて、図８に示す装置では、スクリーン側に起因して生じるスペックルを更に低減させるための工夫が施されている。それは、駆動機構２２５によって、ホログラム記録媒体２２０を駆動させる仕組である。上述したとおり、本発明では、散乱板のホログラム再生実像２３５を空間光変調器２４０の位置に重畳して形成させることにより、従来装置に比べてより大きな配光角θを確保することが可能になり、スペックルを低減させる効果が得られるが、駆動機構２２５によって、ホログラム記録媒体２２０を駆動させることにより、スペックル低減効果を更に向上させることができる。

既に述べたとおり、駆動機構２２５は、ホログラム記録媒体２２０を、ＸＹ平面上（すなわち、記録面が含まれる平面上）で周期的に平行移動運動させる機能を有している。このようにホログラム記録媒体２２０を平行移動させれば、散乱板のホログラム再生実像２３５も平行移動することになる。ただ、空間光変調器２４０は静止したままであるから、変調画像も移動することはなく、スクリーン２６０上に投射される映像も移動することはない。したがって、ホログラム記録媒体２２０のＸＹ平面上での平行移動は、スクリーン２６０上に投射される本来の映像には、何ら影響を及ぼすものではない。

しかしながら、ホログラム記録媒体２２０のＸＹ平面上での平行移動は、スクリーン２６０上に生じるスペックルを低減させる働きをする。このようなスペックル低減効果が生じる理由は、ホログラム記録媒体２２０の駆動が、図８に示す映像点Ｐ１から発せられる光に、どのような影響を及ぼすかを考えれば容易に理解できよう。すなわち、映像点Ｐ１の画素（空間光変調器２４０の画素）は静止したままなので、映像点Ｐ１に与えられた変調画像情報には何ら変わりはないが、映像点Ｐ１の位置に重畳して再生される散乱板の再生実像２３５は移動するため、映像点Ｐ１における散乱現象は、時間的に変化することになる。よって、映像点Ｐ１から投射点Ｑ１へ向かう散乱光の特性も時間的に変化することになり、投射点Ｑ１で生じる散乱現象も時間的に変化し、時間的に多重化されることになる。かくして、投射点Ｑ１で生じる散乱に起因して発生するスペックルは低減する。

なお、ここに示す実施形態では、駆動機構によって、ホログラム記録媒体２２０を周期的に運動させているが、その代わりに、投射光学系２５０を構成するレンズを、その光軸に垂直な平面内で周期的に運動させるようにしても、スクリーン２６０上で生じる散乱に起因して発生するスペックルを低減することができる。但し、投射光学系２５０を構成するレンズを運動させると、スクリーン２６０上に投射される映像自体が振動して画像にぼけが生じることになるので、実用上は、ホログラム記録媒体２２０を駆動するのが好ましい。

また、駆動機構によって、ホログラム記録媒体２２０を運動させる代わりに、空間光変調器２４０を、その変調画像形成面に沿って周期的に運動させるようにしても、スクリーン２６０上で生じる散乱に起因して発生するスペックルを低減することができる。但し、この方法では、空間光変調器２４０上に形成される変調画像も運動することになるので、スクリーン２６０上に投射される映像も運動することになる。スクリーン２６０上での映像の変位（振幅）を微小量に抑えれば、肉眼では、映像が振動していることを認識できないようにすることも可能であるが、やはり実用上は、ホログラム記録媒体２２０を駆動するのが好ましい。

更に、別な方法として、駆動機構によって、コヒーレント光生成手段として機能するコヒーレント光源２１０，拡大レンズ２１１，コリメートレンズ２１２と、ホログラム記録媒体２２０と、空間光変調器２４０と、投射光学系２５０と、によって構成される装置本体を全体的に、周期的に運動させることによっても、スクリーン２６０上で生じる散乱に起因して発生するスペックルを低減することができる。但し、この方法では、やはりスクリーン２６０上に投射される映像も運動することになる上に、駆動機構が大がかりになるため、やはり実用上は、ホログラム記録媒体２２０のみを駆動するのが好ましい。

＜＜＜ §５．最適な数値条件 ＞＞＞
続いて、ここでは、§２で述べた基本的実施形態を実施する上での最適な数値条件を示しておく。まず、本発明のような投射型映像表示装置において、スペックルを低減する上で重要なファクターが何であるかを調べるために、本願発明者が行った実験結果を提示しよう。

図９は、様々な条件で実験を行った場合のスペックルの発生度合を示す表である。前掲の非特許文献１には、スクリーン上に生じたスペックルの程度を示すパラメータとして、スペックルコントラスト（単位％）という数値を用いる方法が提案されている。このスペックルコントラストは、本来は均一の輝度分布をとるべきテストパターン映像を表示した際に、スクリーン上に実際に生じる輝度のばらつきの標準偏差を、輝度の平均値で除した値として定義される量である。このスペックルコントラストの値が大きければ大きいほど、スクリーン上のスペックル発生程度が大きいことを意味し、観察者に対して、斑点状の輝度ムラ模様がより顕著に提示されていることを示す。

図９の表は、図３に示す装置構成を利用して、３通りの条件について、スペックルコントラストを測定した結果を示すものである。まず、条件１として示す測定結果は、光源２１０として、緑色のレーザを用い、この光源２１０と空間光変調器２４０との間に、何ら拡散素子が設けなかった場合の測定結果である。要するに、図３に示す装置からホログラム記録媒体２２０を取り去った測定系で測定を行った結果ということになる。この場合、表に示すとおり、スペックルコントラスト２０．７％という結果が得られた。これは、肉眼観察した場合に、斑点状の輝度ムラ模様がかなり顕著に観察できる状態である。

一方、条件２として示す測定結果は、図３に示す装置構成において、駆動機構２２５を動作させずに測定を行った結果である。すなわち、光源として緑色のレーザを用い、この光源２１０と空間光変調器２４０との間に、拡散素子として機能するホログラム記録媒体２２０を配置するが、これを駆動せずに静止状態においた場合の測定結果である（ホログラム記録媒体２２０を駆動した場合の測定結果は、後述するように、図１０のグラフに示す）。なお、この測定では、スクリーン２６０上のいずれの点においても、配光角θ＝１０°以上になるという条件設定を行った。この場合、表に示すとおり、スペックルコントラスト１７．９％という結果が得られた。これは、肉眼観察した場合に、依然として斑点状の輝度ムラ模様が観察できる状態である。

これに対して、条件３として示す測定結果は、図３に示す装置において、光源２１０を緑色のＬＥＤ（非コヒーレント光源）に交換し、このＬＥＤと空間光変調器２４０との間に、何ら拡散素子を設けなかった場合（すなわち、ホログラム記録媒体２２０を取り去った場合）の測定結果である。この場合、表に示すとおり、スペックルコントラスト４．０％という結果が得られた。これは、肉眼観察した場合に、輝度ムラ模様がほとんど観察できない極めて良好な状態である。

条件３の測定結果が、条件１，２の測定結果に比べて、著しく良好な結果を示している理由は、光源として「非コヒーレント光源（ＬＥＤ）」を用いたためである。既に述べたとおり、スペックルの発生という問題は、実用上、レーザなどの「コヒーレント光源」を用いた場合に生じる固有の問題であり、ＬＥＤなどの「非コヒーレント光源」を用いた装置では、考慮する必要のない問題である。したがって、理想的には、レーザなどの「コヒーレント光源」を用いた装置においても、「非コヒーレント光源」を用いた装置と同程度のスペックルコントラストが得られるようにするのが好ましい。

実際、ＨＤＴＶ（高精細テレビ）の映像表示用途の場合、観察者が肉眼観察した場合に、輝度ムラ模様がほとんど認識できないレベルとして、スペックルコントラスト６．０％以下という基準が示されている（たとえば、ＷＯ／２００１／０８１９９６号公報参照）。したがって、レーザなどの「コヒーレント光源」を用いた装置において、スペックルコントラストを６．０％以下に抑えることが、１つの技術目標になる。

図９の測定結果によれば、図３に示す装置では、拡散素子として機能するホログラム記録媒体２２０を設けることにより、スペックルコントラストを２．８ポイントだけ低減させることができた（条件１→条件２）。確かに、ホログラム記録媒体２２０の介挿により、スペックルをある程度低減させることに成功しているが、スペックルコントラストが１７．９％という結果は、実用上、決して満足できる結果ではない。

このように、ホログラム記録媒体２２０の介挿だけでは、スペックルコントラストを十分に低減できない理由は、照明光の光源側に起因して生じるスペックルを低減させることはできるが、スクリーン側に起因して生じるスペックルを十分に低減させることができないためである。図３に示す本発明の基本的実施形態に係る装置では、スペックルの低減を図るために、次の２通りのアプローチを採っている。

第１のアプローチは、各投射点における配光角θの確保である。従来装置の場合、図２に示す投射点Ｑ１に入射する光の光路は１本のみであり、配光角θ＝０°の状態である。このため、スクリーン側に起因して生じるスペックルの低減を図ることはできない。これに対して、本発明に係る装置の場合、図８に示す投射点Ｑ１には、映像点Ｐ１からの散乱光が様々な光路を経て集まっており、ある程度の配光角θを確保することが可能になる。

第２のアプローチは、駆動機構２２５による駆動である。前述したとおり、駆動機構２２５は、ホログラム記録媒体２２０をその記録面内（ＸＹ平面内）で周期的に移動させる。ここで、ホログラム記録媒体２２０の特定の点から特定の方向に向かって発せられた１本の光に着目すると、当該光は、空間光変調器２４０上の所定点を透過してスクリーン２６０上の所定の投射点まで届くことになる。したがって、ホログラム記録媒体２２０がＸＹ平面内で移動すると、この１本の光の最終到達点（スクリーン２６０上の投射点）も移動し、スクリーン２６０上を走査することになる。図６に示す例のように、ホログラム記録媒体２２０を所定軸方向に単振動させると、当該光による投射点もスクリーン上で単振動することになり、図７に示す例のように、ホログラム記録媒体２２０を円運動させると、当該光による投射点もスクリーン上で円運動することになる。このように、スクリーン２６０上で光を走査させることにより、スクリーン側に起因して生じるスペックルを低減させることができるのは、光束走査により、スペックルパターンが時間的に積分されることになるためである。

そこで、本願発明者は、図３に示す実施形態に係る装置を用いて、上記第１のアプローチ（配光角θの確保）と、上記第２のアプローチ（光束走査）とが、スペックルコントラストの低減にどの程度貢献できるかを調べてみた。その結果を図１０のグラフに示す。このグラフは、ホログラム記録媒体２２０を介挿し、かつ、これを駆動することを前提とし、配光角θおよび光束走査の線速度をパラメータとした場合のスペックルの発生度合（スペックルコントラスト）を示す実験結果である。

グラフの縦軸は、スクリーン２６０上に表示された映像について求めたスペックルコントラスト値（単位％）である。一方、グラフの横軸に示されている運動速度は、スクリーン２６０上で走査される光の運動速度である。実験は、図７に示すように、ホログラム記録媒体２２０を円運動させることにより行った。このとき、光の運動速度としては、当該円運動の接線方向の速度を用いた。なお、「ｍｍ／秒」の単位で示される線速度は、あくまでもスクリーン２６０上での光の走査速度なので、ホログラム記録媒体２２０の円運動の接線方向の速度に、所定の投影倍率を乗じた値になる。

なお、この実験に用いた測定系では、投射光学系２５０のレンズの出射光の有効径が５０ｍｍ、Ｆナンバーが１．８、このレンズとスクリーン２６０との距離が約７ｍ、空間光変調器２４０の中心点からホログラム記録媒体２２０を望む最大角が１５°、投射光学系２５０のレンズから空間光変調器２４０を望む最大角が１５°となる設定がなされている。このような設定において、空間光変調器２４０上の変調画像は、スクリーン２６０上において約８０倍に拡大されて表示される。したがって、駆動機構２２５によりホログラム記録媒体２２０を駆動する際の運動速度の約８０倍の速度で、スクリーン２６０上で光が走査されることになる。

このグラフには、７通りの配光角θについての測定結果が示されている。すなわち、配光角θ＝０°，０．２°，０．４°，０．６°，１°，３°，５°の７通りの結果がプロットされている。前述したとおり、実際の配光角θの値は、空間光変調器２４０の特性および配置、投射光学系２５０の特性および配置、ならびに記録された散乱板２３０の特性に依存して定まる。たとえば、空間光変調器２４０の平面サイズを小さくし、投射光学系２５０による投射倍率を大きくすれば、同じスクリーン２６０上に同じ大きさの映像が得られるが、配光角θはより大きくなる。そこで、空間光変調器２４０の特性および配置、ならびに投射光学系２５０の特性および配置といったパラメータを様々に変えることにより、上記７通りの配光角θが得られる設定を行い、各設定ごとにスペックルコントラスト値の測定を行った。

なお、前述したとおり、配光角θは、スクリーン２６０上の各位置ごとに異なる値をとり、スクリーン２６０の中央ほど大きくなり、スクリーン２６０の端部へゆくほど小さくなる。そこで、ここでは、スクリーン２６０上の各投射点についての配光角θの中の最小値を最小配光角とし（この最小配光角が得られる投射点は、スクリーン２６０の端部の投射点である）、７通りの配光角θ＝０°，０．２°，０．４°，０．６°，１°，３°，５°は、この最小配光角が得られる投射点を基準として設定することにした。したがって、たとえば、図１０のグラフにおける配光角θ＝０．２°という結果が得られた条件設定は、スクリーン２６０上において最小配光角が得られる投射点（スクリーン２６０の端部）において、配光角θ＝０．２°が得られた条件設定を意味するものであり（当然、スクリーン２６０の中央部では、それ以上の配光角θが得られている）、スクリーン２６０上のいずれの地点においても、最低限、０．２°の配光角θが得られるような設定がなされていることを意味する。

さて、この図１０のグラフを見ると、○印でプロットした配光角θ＝０．２°の結果と、△印でプロットした配光角θ＝０．４°の結果との間に、スペックルコントラスト値に大きな差が生じていることがわかる。これは、配光角θを０．４°以上に設定することにより、スペックルの発生を著しく低減させる効果が得られることを意味している。別言すれば、スクリーン２６０上の任意の１点に対する配光角がいずれも０．４°以上となるように、空間光変調器２４０の特性および配置、ならびに投射光学系２５０の特性および配置を設定すれば、スペックルの発生を著しく低減させる効果が得られることになる。これは、配光角が０．４°以上となるような設定では、１つの投射点において、入射角の多重化が十分に行われる（互いに相関のない角度モードが多数盛り込まれる）ことを意味する。

次に、スクリーン２６０上の任意の１点に対する配光角がいずれも０．４°以上となるような設定を行うことを前提とした場合に、「非コヒーレント光源」を用いた装置と同程度のスペックルコントラストが得られる理想的な条件を考えてみる。前述したとおり、ＨＤＴＶ（高精細テレビ）の映像表示用途の場合、観察者が肉眼観察した場合に、輝度ムラ模様がほとんど認識できないレベルとして、スペックルコントラスト６．０％以下という基準が示されている。図１０に示すグラフからわかるとおり、ホログラム記録媒体２２０を運動させないと、６．０％以下という理想的なスペックルコントラストを得ることは到底できない（運動速度が１ｍｍ／秒の結果では、スペックルコントラストはいずれも１０％以上である）。したがって、理想的なスペックルコントラストを得るには、駆動機構２２５によってホログラム記録媒体２２０を駆動することが前提となる。グラフに示すとおり、運動速度を高めれば高めるほど、スペックルコントラストは低下してゆくが、配光角を０．４°以上にするという前提において、６．０％以下という理想的なスペックルコントラストを得るためには、運動速度を２００ｍｍ／秒以上とすればよいことがわかる。

本願発明者は、現在市販されている様々なタイプの前方投射用スクリーンを用いて同様の実験を行ったが、いずれも図１０に示すグラフと同等の結果が得られた。また、ホログラム記録媒体２２０に記録する原画像となる散乱板２３０についても、複数の異なる散乱板を用いて同様の実験を行ったが、やはりいずれも図１０に示すグラフと同等の結果が得られた。したがって、図１０のグラフに示す実験結果は、前方投射用スクリーンであれば、用いる散乱板等の特性に依存しない普遍性をもつ結果ということができる（もちろん、用いる散乱板は、発明の実施に必要な十分な散乱特性を有していることが前提となる。）。

結局、図３に示す前方投射型の実施形態の場合、理想的な数値条件として、スクリーン上の任意の１点に対する配光角がいずれも０．４°以上となるように（別言すれば、スクリーン上のいずれの位置においても０．４°以上の配光角が得られるように）、空間光変調器２４０の特性（特に、変調画像生成面のサイズ）および配置、ならびに投射光学系２５０の特性（特に、レンズの口径や焦点距離）および配置を設定するようにし、かつ、スクリーン２６０上を走査する光の線速度が、２００ｍｍ／秒以上となるように、駆動機構２２５によるホログラム記録媒体２２０の駆動を行う、という条件が導出される。たとえば、空間光変調器２４０上の変調画像が、スクリーン２６０上において約８０倍に拡大される場合であれば、駆動機構２２５によりホログラム記録媒体２２０を駆動する際の実際の運動速度を、２．５ｍｍ／秒以上に設定すればよい。

なお、ホログラム記録媒体２２０を、図７に示すように円運動させる場合（あるいは、楕円運動させる場合）は、光の線速度を一定速度に維持することができるので、当該一定速度（スクリーン上での移動速度）が２００ｍｍ／秒以上となるように設定すればよいが、図６に示すように単振動させる場合は、光の線速度を一定速度に維持することはできない。すなわち、単振動の端点では、一時的に運動速度が零になってしまうため、この時点でスペックルが観察されてしまうことになる。したがって、単振動させる場合には、端点での静止時間を、スペックルが観察されないような短時間に抑えるようにするのが好ましい。具体的には、映像として動画を表示する場合であれば、端点での静止時間を、通常の動画ビットレートである１／３０秒以下に抑えるのが望ましい。

＜＜＜ §６．カラー映像表示装置への適用 ＞＞＞
さて、これまで述べてきた実施形態は、いずれも、単色のレーザ（具体的には、波長λ＝５３２ｎｍ（緑色）のＤＰＳＳレーザ）をコヒーレント光源２１０として用いた例であり、スクリーン２６０上に得られる映像は、このレーザの色に対応するモノクロ映像ということになる。しかしながら、一般的な光学式プロジェクタ装置に利用するには、カラー映像表示装置として利用できることが望ましい。そこで、ここでは、本発明に係る装置をカラー映像表示装置として用いた実施形態を述べておく。

図１１は、本発明をカラー映像表示装置に適用した実施形態を示す平面図である。本発明をカラー映像表示装置に適用するには、基本的には、図３に示す構成要素のうち、投射光学系２５０およびスクリーン２６０を除いた部分を、三原色Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれについて用意し、三原色Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれについての変調画像を独立して生成し、これらを合成してスクリーン上に投射すればよい。

図１１の中央部に示されているクロスダイクロイックプリズム２７０は、この三原色Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれについての変調画像を合成する機能を有し、こうして合成された画像は、投射光学系２５０によってスクリーン２６０上に投射される。

このクロスダイクロイックプリズム２７０の下方に配置された構成要素は、Ｇ色（緑色）の変調画像を生成するための構成要素であり、コヒーレント光源（レーザ）２１０Ｇ、拡大レンズ２１１Ｇ、コリメートレンズ２１２Ｇ、ホログラム記録媒体２２０Ｇ、空間光変調器（たとえば、液晶マイクロディスプレイ）２４０Ｇによって構成されている。これらの各構成要素は、図３に示すコヒーレント光源２１０、拡大レンズ２１１、コリメートレンズ２１２、ホログラム記録媒体２２０、空間光変調器２４０と全く同一の構成要素であり、表示すべきカラー映像のうちのＧ色成分画像が、空間光変調器２４０Ｇによって変調され、Ｇ色の変調画像が生成されることになる。

一方、クロスダイクロイックプリズム２７０の左方に配置された構成要素は、Ｒ色（赤色）の変調画像を生成するための構成要素であり、コヒーレント光源（レーザ）２１０Ｒ、拡大レンズ２１１Ｒ、コリメートレンズ２１２Ｒ、ホログラム記録媒体２２０Ｒ、空間光変調器（たとえば、液晶マイクロディスプレイ）２４０Ｒによって構成されている。これらの各構成要素は、図３に示すコヒーレント光源２１０、拡大レンズ２１１、コリメートレンズ２１２、ホログラム記録媒体２２０、空間光変調器２４０に対応する構成要素である。ただ、Ｒ色の変調画像を生成する必要があるため、コヒーレント光源２１０Ｒとしては、Ｒ色の波長域をもったレーザ光を射出するレーザ光源が用いられる。また、ホログラム記録媒体２２０Ｒに対する散乱板の記録プロセス（図４参照）では、Ｒ色の照明光ＬおよびＲ色の参照光Ｌｒが用いられ、Ｒ色の再生照明光ＬＬを照射することにより、Ｒ色の再生実像２３５が形成されることになる。そして、表示すべきカラー映像のうちのＲ色成分画像が、空間光変調器２４０Ｒによって変調され、Ｒ色の変調画像が生成されることになる。

同様に、クロスダイクロイックプリズム２７０の右方に配置された構成要素は、Ｂ色（青色）の変調画像を生成するための構成要素であり、コヒーレント光源（レーザ）２１０Ｂ、拡大レンズ２１１Ｂ、コリメートレンズ２１２Ｂ、ホログラム記録媒体２２０Ｂ、空間光変調器（たとえば、液晶マイクロディスプレイ）２４０Ｂによって構成されている。これらの各構成要素は、図３に示すコヒーレント光源２１０、拡大レンズ２１１、コリメートレンズ２１２、ホログラム記録媒体２２０、空間光変調器２４０に対応する構成要素である。ただ、Ｂ色の変調画像を生成する必要があるため、コヒーレント光源２１０Ｂとしては、Ｂ色の波長域をもったレーザ光を射出するレーザ光源が用いられる。また、ホログラム記録媒体２２０Ｂに対する散乱板の記録プロセス（図４参照）では、Ｂ色の照明光ＬおよびＢ色の参照光Ｌｒが用いられ、Ｂ色の再生照明光ＬＬを照射することにより、Ｂ色の再生実像２３５が形成されることになる。そして、表示すべきカラー映像のうちのＢ色成分画像が、空間光変調器２４０Ｂによって変調され、Ｂ色の変調画像が生成されることになる。

空間光変調器２４０Ｒによって生成されたＲ色の変調画像と、空間光変調器２４０Ｇによって生成されたＧ色の変調画像と、空間光変調器２４０Ｂによって生成されたＢ色の変調画像とは、クロスダイクロイックプリズム２７０によって合成され、こうして合成されたカラー画像が、投射光学系２５０によってスクリーン２６０上に投射されることになる。

結局、スクリーン上に光を投射してカラー映像表示を行う投射型映像表示装置に本発明を適用する場合、三原色成分のそれぞれに対応する第１の波長域、第２の波長域、第３の波長域を設定し、個々の波長域ごとに、それぞれ独立した変調画像作成部を設ければよい。

ここで、第１の変調画像作成部は、平行光線束からなる第１の波長域のコヒーレント光を生成する第１のコヒーレント光生成手段と、この第１の波長域のコヒーレント光を再生照明光として受けることにより、散乱板の第１のホログラム再生実像を生成する第１のホログラム記録媒体と、第１のホログラム再生実像の形成位置に重畳して配置され、第１の波長域に対応する第１の原色成分をもった画像に基づく変調を行う第１の空間光変調器と、によって構成される。

また、第２の変調画像作成部は、平行光線束からなる第２の波長域のコヒーレント光を生成する第２のコヒーレント光生成手段と、この第２の波長域のコヒーレント光を再生照明光として受けることにより、散乱板の第２のホログラム再生実像を生成する第２のホログラム記録媒体と、第２のホログラム再生実像の形成位置に重畳して配置され、第２の波長域に対応する第２の原色成分をもった画像に基づく変調を行う第２の空間光変調器と、によって構成される。

一方、第３の変調画像作成部は、平行光線束からなる第３の波長域のコヒーレント光を生成する第３のコヒーレント光生成手段と、この第３の波長域のコヒーレント光を再生照明光として受けることにより、散乱板の第３のホログラム再生実像を生成する第３のホログラム記録媒体と、第３のホログラム再生実像の形成位置に重畳して配置され、第３の波長域に対応する第３の原色成分をもった画像に基づく変調を行う第３の空間光変調器と、によって構成される。

そして、このカラー映像表示を行う投射型映像表示装置には、更に、第１の空間光変調器上に得られる第１の変調画像、第２の空間光変調器上に得られる第２の変調画像、第３の空間光変調器上に得られる第３の変調画像を合成して、スクリーン上に投射する合成投射光学系を設けるようにすればよい。なお、図には駆動機構が描かれていないが、実用上は、個々のホログラム記録媒体２２０Ｒ，２２０Ｇ，２２０Ｂを、それぞれ記録面に平行な面内で周期的に平行移動させる駆動機構を設けるのが好ましい。

１１０：コヒーレント光源
１２０：散乱板
１２５：回転機構
１３０：集光レンズ
１４０：空間光変調器
１５０：投射光学系
１６０：スクリーン
２１０，２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂ：コヒーレント光源（レーザ）
２１１，２１１Ｒ，２１１Ｇ，２１１Ｂ：拡大レンズ
２１２，２１２Ｒ，２１２Ｇ，２１２Ｂ：コリメートレンズ
２２０，２２０Ｒ，２２０Ｇ，２２０Ｂ：ホログラム記録媒体
２２２：ホログラム感光媒体
２２５：駆動機構
２３０：散乱板
２３５：散乱板のホログラム再生実像
２４０，２４０Ｒ，２４０Ｇ，２４０Ｂ：空間光変調器
２５０：投射光学系
２６０：スクリーン
２７０：クロスダイクロイックプリズム
Ｅ：視点
Ｌ，ＬＬ：照明光
Ｌ１：投射光
Ｌｄ：散乱光
Ｌｏ：物体光
Ｌｒ：参照光
Ｌｓ：散乱光
Ｍｃ：円運動
Ｍｘ：Ｘ軸方向の単振動
Ｍｙ：Ｙ軸方向の単振動
Ｐ１：映像点
Ｑ１：投射点
Ｘ，Ｙ，Ｚ：三次元直交座標系の各座標軸
θ：配光角
φ：照明光の入射角

Claims (10)

1. スクリーン上に光を投射して映像表示を行う投射型映像表示装置であって、
   ほぼ平行な光線束からなるコヒーレント光を生成するコヒーレント光生成手段と、
   前記コヒーレント光を再生照明光として受けることにより、散乱板のホログラム再生実像を生成するホログラム記録媒体と、
   前記ホログラム再生実像の生成位置に重畳して配置された空間光変調器と、
   前記空間光変調器上に得られる変調画像を前記スクリーン上に投射する投射光学系と、
   前記ホログラム記録媒体を、周期的に運動させる駆動機構と、
   を備え、
   前記スクリーン上の任意の１点に対する配光角がいずれも０．４°以上となるように、前記空間光変調器の特性および配置、ならびに前記投射光学系の特性および配置が設定されており、
   前記スクリーン上を走査する光の線速度が、２００ｍｍ／秒以上となるように、前記駆動機構による前記ホログラム記録媒体の駆動が行われることを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
   コヒーレント光生成手段が、
   レーザ光を発生させて射出するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から射出されたレーザ光を所定の断面積をもったほぼ平行な光線束に広げる光束拡大手段と、
   を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
3. 請求項１または２に記載の投射型映像表示装置において、
   ホログラム記録媒体が、フォトポリマーを用いた体積型ホログラムによって構成されていることを特徴とする投射型映像表示装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の投射型映像表示装置において、
   コヒーレント光生成手段が、ホログラム記録媒体に散乱板の像を記録する際に用いた光の波長とほぼ同一波長のコヒーレント光を生成し、
   ホログラム記録媒体が、「当該ホログラム記録媒体に対するコヒーレント光の入射角と、散乱板の像を記録する際に用いた参照光の入射角と、が同一となるような向き」に配置されていることを特徴とする投射型映像表示装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の投射型映像表示装置において、
   空間光変調器が、透過型もしくは反射型の液晶ディスプレイまたはデジタルマイクロミラーデバイスによって構成されていることを特徴とする投射型映像表示装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の投射型映像表示装置において、
   投射光学系が、スクリーンの観察面側に変調画像を投射する前方投射を行うことを特徴とする投射型映像表示装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の投射型映像表示装置において、
   駆動機構が、ホログラム記録媒体を、その記録面に平行な平面内で周期的に平行移動させることを特徴とする投射型映像表示装置。
8. 請求項７に記載の投射型映像表示装置において、
   駆動機構が、ホログラム記録媒体の記録面にＸＹ二次元直交座標系を定義したときに、ホログラム記録媒体をＸ軸もしくはＹ軸方向に単振動させるか、または、ホログラム記録媒体をＸＹ平面上で円運動もしくは楕円運動させることを特徴とする投射型映像表示装置。
9. スクリーン上に光を投射してカラー映像表示を行う投射型映像表示装置であって、
   平行光線束からなる第１の波長域のコヒーレント光を生成する第１のコヒーレント光生成手段と、
   前記第１の波長域のコヒーレント光を再生照明光として受けることにより、散乱板の第１のホログラム再生実像を生成する第１のホログラム記録媒体と、
   前記第１のホログラム再生実像の形成位置に重畳して配置され、前記第１の波長域に対応する第１の原色成分をもった画像に基づく変調を行う第１の空間光変調器と、
   前記第１のホログラム記録媒体を、周期的に運動させる第１の駆動機構と、
   平行光線束からなる第２の波長域のコヒーレント光を生成する第２のコヒーレント光生成手段と、
   前記第２の波長域のコヒーレント光を再生照明光として受けることにより、散乱板の第２のホログラム再生実像を生成する第２のホログラム記録媒体と、
   前記第２のホログラム再生実像の形成位置に重畳して配置され、前記第２の波長域に対応する第２の原色成分をもった画像に基づく変調を行う第２の空間光変調器と、
   前記第２のホログラム記録媒体を、周期的に運動させる第２の駆動機構と、
   平行光線束からなる第３の波長域のコヒーレント光を生成する第３のコヒーレント光生成手段と、
   前記第３の波長域のコヒーレント光を再生照明光として受けることにより、散乱板の第３のホログラム再生実像を生成する第３のホログラム記録媒体と、
   前記第３のホログラム再生実像の形成位置に重畳して配置され、前記第３の波長域に対応する第３の原色成分をもった画像に基づく変調を行う第３の空間光変調器と、
   前記第３のホログラム記録媒体を、周期的に運動させる第３の駆動機構と、
   前記第１の空間光変調器上に得られる第１の変調画像、前記第２の空間光変調器上に得られる第２の変調画像、前記第３の空間光変調器上に得られる第３の変調画像を合成して、前記スクリーン上に投射する合成投射光学系と、
   を備え、
   前記スクリーン上の任意の１点に対する配光角がいずれも０．４°以上となるように、前記第１の空間光変調器、前記第２の空間光変調器、および前記第３の空間光変調器の特性および配置、ならびに前記合成投射光学系の特性および配置が設定されており、
   前記スクリーン上を走査する光の線速度が、２００ｍｍ／秒以上となるように、前記第１の駆動機構による前記第１のホログラム記録媒体の駆動、前記第２の駆動機構による前記第２のホログラム記録媒体の駆動、および前記第３の駆動機構による前記第３のホログラム記録媒体の駆動が行われることを特徴とする投射型映像表示装置。
10. スクリーン上に光を投射して映像表示を行う投射型映像表示方法であって、
    散乱板のホログラム像を記録したホログラム記録媒体を作成する段階と、
    前記ホログラム記録媒体にコヒーレント光を照射し、前記散乱板のホログラム再生実像を生成する段階と、
    前記ホログラム再生実像の生成位置に重畳して空間光変調器を配置する段階と、
    前記空間光変調器上に得られる変調画像を前記スクリーン上に投射する段階と、
    を有し、
    前記変調画像を前記スクリーン上に投射している間、前記ホログラム記録媒体を、その記録面に平行な平面内で周期的に平行移動させ、
    前記スクリーン上の任意の１点に対する配光角がいずれも０．４°以上となり、前記スクリーン上を走査する光の線速度が、２００ｍｍ／秒以上となるようにすることを特徴とする投射型映像表示方法。

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