JP5719695B2 - 走査型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、走査型表示装置に関する。

本発明の背景技術として、例えば、特許文献１には「光源から射出されたレーザ光が光透過部材を透過する際に、光透過部材の運動によりレーザ光の透過領域の周縁部でレーザ光の位相が時間的に変化するので、異なるスペックルパターンが時間的に平均化され、スペックルノイズを低減することができる。」と記載されている。

特開２０１０−１５２０６６号公報

近年、レーザ光源から出射した光ビームを画面上に２次元走査し、画像を表示する走査型表示装置が実現されている。この走査型表示装置は、レーザ光源を用いるため従来の表示装置に比べて色再現範囲を広くすることができ、小型化も可能なため、次世代の表示デバイスとして期待されている。
しかし、レーザ光源を用いた走査型表示装置は、画面で反射した光ビームの干渉で生じる明点と暗点の分布、いわゆるスペックルノイズが画像を劣化させる問題がある。

このような問題に対し、特許文献１は、光ビームの周縁部のみ位相が時間的に変化できるような、回転機構を有する光透過部材を設置した光学系が記載されている。しかしながら、上記光学系は、光ビームの中心部のスペックルノイズが低減できない。さらに、回転機構を有する光透過部材を使用することにより、機構が複雑になる。
本発明は、簡単な構成でスペックルノイズの低減が可能な走査型表示装置を提供することを目的とする。

上記目的は、特許請求の範囲に記載の構成により達成できる。

本発明によれば、簡単な構成でスペックルノイズの低減が可能な走査型表示装置を提供することができる。

実施例１における走査型表示装置１００の光学系のブロック図である。 実施例１における位相分布変化素子１１１の断面図である。 実施例２における屈折率分布変化素子２１１の断面図である。 実施例３における偏光分布変化素子３１１の断面図である。 実施例４における走査型表示装置４００の光学系のブロック図である。

以下、図に示す実施例に基づいて詳細に説明するが、これにより本発明が限定されるものではない。

本発明の実施例１について図を用いて説明する。
図１は、本発明における実施例１の走査型表示装置１００のブロック図である。図中一点鎖線は、光ビームの光軸を示す。
レーザ光源１０１は例えば５２０ｎｍ帯の緑色光ビームを出射する半導体レーザ光源である。レーザ光源１０１から出射した緑色光ビームは、コリメートレンズ１０２にて平行光ビームに変換される。

レーザ光源１０３は例えば６４０ｎｍ帯の赤色光ビームを出射する半導体レーザ光源である。レーザ光源１０３から出射した赤色光ビームは、コリメートレンズ１０４にて平行光ビームに変換される。
光合成素子１０７は、緑色光ビームを透過、赤色光ビームを反射するダイクロイックミラーである。さらに、緑色光ビームと赤色光ビームの光軸が略一致するよう調整される。

レーザ光源１０５は例えば４４０ｎｍ帯の青色光ビームを出射する半導体レーザ光源である。レーザ光源１０５から出射した青色光ビームは、コリメートレンズ１０６にて平行光ビームに変換される。
光合成素子１０８は、緑色光ビームおよび赤色光ビームを透過、青色光ビームを反射するダイクロイックミラーである。青色光ビームと緑色および赤色光ビームの光軸が略一致するよう調整される。

合成された３色の光ビームは、位相分布変化装置１０９に入射される。
位相分布変化装置１０９は、走査素子１１０、位相分布変化素子１１１、走査素子１１２で構成される。
３色の光ビームは、まず走査素子１１０に入射される。
走査素子１１０は、例えば所定の走査軸のまわりに反射ミラーを偏向駆動することにより、３色の光ビームを位相分布変化素子１１１上に所定の方向に走査する機能がある。走査素子１１０は、例えば、Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ（以下、ＭＥＭＳ）ミラーや、ガルバノミラー等を用いることで実現できる。

次に、走査素子１１０で反射された３色の光ビームは、位相分布変化素子１１１に入射される。この位相分布変化素子１１１は、後に詳細に説明するように、光ビームが位相分布変化素子１１１を通過する位置によって異なる位相分布を光ビームに付加する機能を備えている。
次に、３色の光ビームは、走査素子１１２に入射される。走査素子１１２は、走査素子１１０と同様の偏向機能を備え、走査素子１１０と同期して反射ミラーを偏向駆動することにより、走査素子１１０内のミラー面と走査素子１１２内のミラー面とが常時略平行状態を保つよう制御される。走査素子１１０に入射された３色の光ビームは、走査素子１１２を反射後、所定の角度、例えば走査素子１１０に入射した光ビームと略平行な状態で位相分布変化装置１０９から出射される。走査素子１１２も、例えば、ＭＥＭＳミラーやガルバノミラーで実現できる。

位相分布変化装置１０９を出射した３色の光ビームは、所定の角度で画面走査素子１１３に入射される。画像走査素子１１３は、水平走査軸と垂直走査軸を有し、反射ミラーを各走査軸のまわりに偏向駆動することでスクリーン上を２次元に走査する機能がある。画像走査素子１１３も、例えば、ＭＥＭＳミラーやガルバノミラーで実現できる。
画面走査素子１１３を通過した３色の光ビームは、走査型表示装置１００の上面に設けた制限開口１１４を通って外部に設置されているスクリーン上の同じ位置に３個の光スポットを重ねて形成する。すなわち、スクリーン上には１個の光スポットとして確認できる。本実施例の走査型表示装置１００で表示する画像の場合、１個の光スポットは画像の１画素に相当する。

なお、本実施例では制限開口１１４に３色の光ビームの透過率が十分に高い透明なガラスまたはプラスチックのカバーを取り付けている。このようなカバーを取り付けることで、走査型表示装置１００内に入り込む粉塵等により、光学部品の透過率の劣化や走査素子の故障などを防ぐことが可能となる。
以上のように、本実施例の走査型表示装置１００は、少なくともレーザ光源１０１とコリメータレンズ１０２、レーザ光源１０３とコリメータレンズ１０４、レーザ光源１０５とコリメートレンズ１０６、ダイクロイックミラー１０７、ダイクロイックミラー１０８のような光合成素子、位相分布変化装置１０９、画面走査素子１１３、制限開口１１４にて構成されればよく、途中に回折格子や波長板などの素子が追加され、或いはミラーで光路を折り曲げた構成であっても何ら構わない。

続いて、図２を用いて位相分布変化素子１１１の具体的構成例について説明する。
位相分布変化素子１１１は、図のように、片面は平面、もう一方の面は所定の深さの凹凸が平面上に不規則に形成された透明なガラスまたはプラスチックの板である。図中矢印方向は３色の光ビームの進行方向を示す。外形は、３色の光ビームのビーム径に比べ十分に大きい。

３色の光ビームが位相分布変化素子１１１を通過する際、凹部を通過した光ビームより凸部を通過した光ビームの位相が遅れる。そのため、位相分布変化素子１１１を通過した３色の光ビームは、不揃いな位相分布が付加される。
上記のように、３色の光ビームは、走査素子１１０にて位相分布変化素子１１１上に走査されることにより、位相分布変化素子１１１を通過する位置が動的に変化する。位相分布変化素子１１１は、平面上に形成された凹凸が不規則なため、光ビームの通過位置によって異なる位相分布が光ビームに付加される。その結果、光ビームは、走査素子１１０で位相分布変化素子１１１上を走査されることにより、光ビーム内の位相分布が動的に変化する。

位相分布変化素子１１１を通過した３色の光ビームは、位相分布だけでなく、走査素子１１０にて位相分布変化素子１１１上を走査されることにより、その進行方向も変化する。しかし、上記のように、その進行方向の変化は走査素子１１２で相殺され、結局のところ位相分布変化素子１１１上の走査位置に関係なく、一定の出射方向を保持したまま位相分布変化装置１０９から出射される。
このように、位相分布変化装置１０９は、入射する光ビームの位相分布を動的変化させ、かつ所定角度で出射させるものである。
以下、スペックルノイズの発生理由とその低減方法について説明する。

光ビームが通常のスクリーンで反射されると、スクリーンの表面粗さにより散乱光が発生する。一方、レーザ光源から出射された光ビームは一般的に可干渉性があるため、レーザ光ビームの散乱光は網膜内で干渉し、一様な明点と暗点の分布、いわゆるスペックルパターンとなる。スペックルパターンは、画像劣化の要因となり、スペックルノイズと呼ばれる。
スペックルノイズを低減する方法に、互いに相関がない複数のスペックルパターンを重ね合わせ、スペックル強度を平滑化する方法がある。

位相分布が異なる複数の光ビームで発生したスペックルパターンは、それぞれ異なり、かつ各光ビーム間で相関がない性質がある。このような相関が異なる複数のスペックルパターンを重ね合わせると、スペックル強度の平均化により、平滑化することができる。また、相関が異なる複数のスペックルパターンを交互に高速表示しても、目は所定の時間積分の光量を感知するため、それぞれのスペックルパターンを重ね合わせたものとして感知される。その結果、スペックル強度が平滑化される。

本実施例の位相分布変化装置１０９は、入射した３色の光ビームの位相分布を動的に変化させることで、相関のない複数のスペックルパターンをスクリーン上に交互に表示させるように作用する。
走査素子１１０および走査素子１１２はＭＥＭＳミラーやガルバノミラーを想定しており、３色の光ビームを位相分布変化素子１１１上に高速に走査できる。そのため、３色の光ビームの位相分布は高速変化し、複数の互いに相関のないスペックルパターンを交互に高速表示することが可能である。その結果、スペックル強度は平滑化され、スペックルノイズを低減することができる。

本実施例は、上記のように、２個の走査素子と１個の位相分布変化素子を有する位相分布変化装置１０９を光学系に挿入する簡素な構成で、スペックルノイズの低減が可能である。
なお、位相分布変化素子１１１は、光ビームの入射側が平面、出射側に凹凸が形成されるとしたが、入射側に凹凸が形成されていてもよい。また、両面に所定の凹凸が形成されていても何ら構わない。さらに、両面または片面に所定の凹凸が形成された複数の透明なガラスまたはプラスチックの板であっても何ら構わない。
また、液晶素子も光ビームの位相を変化させることができる。位相分布変化素子１１１は、複数の領域を持つ液晶素子で構成されても何ら構わない。

上記のように、緑色、赤色、青色の３色の光ビームは、光合成素子１０８を経た後光軸が合成される。本実施例は、３色の光ビームが合成される構成であればよく、２個のダイクロイックミラーの代わりに２個のダイクロイックプリズムを用いる構成であってもよい。また、緑色、赤色、青色のレーザ光源の配置が異なってもよい。さらに、液晶プロジェクタ等で一般的に用いられる１個のダイクロイッククロスプリズムを用いてもよい。

ここでは、緑色、赤色、青色光ビームを出射するレーザ光源は別々のパッケージ内にあると想定しているが、同一パッケージ内にあっても何ら構わない。
本実施例は、３個のコリメートレンズを用いて、３色の光ビームを平行光に変換後、２個のミラーを用いて３色の光ビームを合成する構成である。この構成は、レーザ光源から発散光で出射した光ビームを平行光に変換する取り込み効率を高めることが可能である。取り込み効率が高い程、明るい画像を表示できる効果がある。しかしながら、３色の光ビームをミラーまたはプリズムで合成後、１個のコリメートレンズで平行光に変換しても何ら構わない。また、各コリメートレンズはマイクロレンズアレイであってもよい。

続いて、本発明の実施例２について説明する。
本実施例は、実施例１の位相分布変化素子１１１を図３に示す屈折率分布素子２１１に置き換えたものである。よって、光学系の詳細な説明は割愛する。
屈折率分布素子２１１は、屈折率が異なる２種類の透明なガラスまたはプラスチックを平面上に不規則に並べて構成された平板である。図に示す網目領域は、他の領域よりも屈折率が高い材料であることを示す。図中矢印方向は３色の光ビームの進行方向を示す。外形は、３色の光ビームのビーム径に対して十分に大きい。

３色の光ビームが屈折率分布素子２１１を通過するとき、屈折率が低い領域を通過する光ビームの位相比べ屈折率が高い領域を通過する光ビームの位相が遅れる。そのため、屈折率分布素子２１１も位相分布変化素子１１１と同様、通過する３色の光ビームに不揃いな位相分布を付加できる。
走査素子１１０で３色の光ビームを屈折率分布素子２１１上に走査すると、屈折率分布素子２１１を通過する光ビームの位置が動的に変化する。屈折率分布素子２１１を構成する屈折率分布は不規則なため、光ビームが通過する位置によって光ビームに付加される位相分布は異なる。その結果、屈折率分布素子２１１を通過した後の光ビームも、光ビームに付加される位相分布が動的に変化する。すなわち、屈折率分布素子２１１は、位相分布変化素子１１１と同じように、通過する光ビームの位置によって異なる位相分布を付加させる機能をもつ。位相分布変化素子１１１を屈折率分布素子２１１に置き換えても３色の光ビームの位相分布を動的に高速変化させることが可能であり、スペックルノイズを低減することができる。

本実施例も、上記のように、２個の走査素子と１個の屈折率分布素子を光学系に挿入するだけの簡素な構成で、スペックルノイズの低減が可能である。
なお、屈折率分布素子２１１は、屈折率が異なる２種類の透明なガラスまたはプラスチックにて構成される平板としたが、屈折率が異なる２種類以上の透明なガラスまたはプラスチックにて構成されてもよい。

また、屈折率分布素子２１１は、透明な板上に複数の屈折率が異なる２種類以上の透明なガラスまたはプラスチックが並べられた構成であっても何ら構わない。
また、屈折率が異なる２種類の透明なガラスまたはプラスチックにて構成された平板を２枚以上用いる構成であっても何ら構わない。
また、屈折率が異なる２種類以上の透明なガラスまたはプラスチックにて構成される平板の両面もしくは片面に不規則な深さの凹凸を設けた構成であっても何ら構わない。

続いて、本発明の実施例３について説明する。
本実施例は、実施例１の位相分布変化装置１０９を偏光分布変化装置に置き換えたものである。よって、光学系の詳細な説明は割愛する。
偏光分布変化装置は、走査素子１１０、偏光分布変化素子３１１、走査素子１１２にて構成される。走査素子１１０、走査素子１１２の機能は位相分布変化装置１０９と同じであり、詳細な説明を割愛する。

図４に、偏光分布変化素子３１１の具体的構成例を示す。
偏光分布変化素子３１１は、波長板と透明なガラス板を複数個平面上に不規則に並べて構成したものである。図は、斜線領域は波長板、他の領域は透明なガラス板を示す。図中矢印方向は３色の光ビームの進行方向を示す。外形は、３色の光ビームのビーム径に比べて十分に大きい。
偏光分布変化素子３１１に入射した３色の光ビームは、斜線領域では偏光方向が回転し、その他の領域では偏光方向の回転はなくそのまま通過する。偏光分布変化素子３１１を通過した３色の光ビームは、不揃いな偏光分布が付加される。

一般的に、光ビームの干渉による明点と暗点の分布、いわゆるスペックルパターンの発生は、偏光方向が同一の光ビームで起こる現象である。このことから、偏光分布が異なる光ビームで発生したスペックルパターンもそれぞれ異なり、かつ各光ビーム間において相関がない。偏光分布が異なる複数のスペックルパターンを交互に高速表示しても、スペックル強度は平滑化されスペックルノイズを低減することができる。
偏光分布変化素子３１１を構成する波長板とガラス板は不規則に並んでいるため、光ビームは通過する位置によって異なる偏光分布が付加される。一方、上記のように、走査素子１１０は偏光分布変化素子３１１上を高速に走査可能である。その結果、走査素子１１０で反射した光ビームは、偏光分布変化素子３１１を通過すると、その光ビーム内の偏光分布が動的に高速変化する。その結果、偏光分布が異なる複数のスペックルパターンを交互に高速表示することが可能となり、スペックル強度の平滑化によってスペックルノイズを低減することができる。

本実施例も、上記のように、２個の走査素子と１個の偏光分布変化素子で構成される偏光分布変化素子を光ビームの光路に挿入するだけで、スペックルノイズの低減が可能である。
なお、偏光分布変化素子３１１は、波長板と透明なガラス板とで構成されるとしたが、主軸方向が異なる２個以上の波長板で構成されても何ら構わない。
また、液晶素子も、波長板と同様に偏光を回転させることができる。偏光分布変化素子３１１は、複数の領域を持つ液晶素子で構成されても何ら構わない。

続いて、本発明の実施例４について図を用いて説明する。
図５は、本発明における実施例４の走査型表示装置４００のブロック図である。
走査型表示装置４００は、走査型表示装置１００に対して、位相分布変化装置４０１、画面走査素子４０２が異なる。それ以外の部品は走査型表示装置１００と同じものであるため、同じ番号を付与し、詳細な説明を割愛する。

位相分布変化装置４０１は、走査素子１１０と位相分布変化素子１１１で構成される。すなわち、位相分布変化装置１０９から走査素子１１２を除いたものである。
画面走査素子４０２は、水平走査軸と垂直走査軸を有し、各走査軸のまわりに反射ミラーを偏向駆動することで、スクリーン上を２次元に走査することができる。さらに、画面走査素子４０２は、その回転角度が走査素子１１０と同期制御され、走査素子１１０にて走査されることで変化した光ビームの進行方向を相殺する機能を兼ね備えている。画面走査素子は、例えばＭＥＭＳミラーやガルバノミラーで実現できる。

すなわち、画面走査素子４０２は、走査型表示装置１００の走査素子１１２と画面走査素子１１３を合わせた機能をもつものである。
走査型表示装置４００は、複雑な回転機構などを有せず、位相分布変化装置４０１を光学系に挿入し、画像走査素子４０２と走査素子１１０とを同期制御するだけで、スペックルノイズの低減が可能である。
さらに、走査型表示装置４００は、走査型表示装置１００に対して走査素子１１２の機能をもつ走査素子を削減することができ、小型化できる。

位相分布変化素子１１１は、実施例２で説明した屈折率分布素子２１１に置き換えても何ら構わない。
位相分布変化素子１１１は、実施例３で説明した偏光分布変化素子３１１に置き換えても何ら構わない。

１０９，４０１…位相分布変化装置、１１１…位相分布変化素子、２１１…屈折率分布素子、３１１…偏光分布変化素子、１１０，１１１…走査素子、１１３，４０２…画面走査素子。

Claims (11)

1. 光ビームを被投射面上で走査し２次元画像を表示する走査型表示装置において、
   前記光ビームを出射するレーザ光源と、
   前記被投射面上に前記光ビームを走査する画面走査素子と、
   前記光ビームの位相分布を時間的に変化させる位相分布変化装置を備え、
   該位相分布変化装置は、
   少なくとも１個の位相分布変化素子と、
   所定の回転軸のまわりに偏向駆動される反射ミラーを有する少なくも２個の走査素子を備え、
   前記レーザ光源から出射された光ビームは、前記走査素子のうちの一つで反射されて前記位相分布変化素子を走査するよう入射され、
   該位相分布変化素子を通過した前記光ビームは、前記走査素子のうち他の一つで反射されて前記画面走査素子に入射されることを特徴とする走査型表示装置。
2. 請求項１記載の走査型表示装置において、
   前記少なくも２個の走査素子は同期駆動され、
   該各走査素子内の反射ミラーが常に略平行の状態を保持することを特徴とする走査型表示装置。
3. 請求項１記載の走査型表示装置において、
   前記位相分布変化素子は、表面に所定の深さの凹凸を有する略透明な透明板で構成され、
   該位相分布変化素子を透過する前記光ビームの入射位置に応じ該光ビーム内の位相分布を変化させることを特徴とする走査型表示装置。
4. 請求項１記載の走査型表示装置において、
   前記位相分布変化素子は、屈折率が異なる複数の領域を有する略透明な透明板で構成され、
   該位相分布変化素子を透過する前記光ビームの入射位置に応じ該光ビーム内の位相分布を変化させることを特徴とする走査型表示装置。
5. 請求項１記載の走査型表示装置において、
   前記位相分布変化素子は、入射した光ビームに異なる位相の変化を与える複数の領域を有する液晶素子であって、
   該位相分布変化素子を透過する前記光ビームの入射位置に応じ該光ビーム内の位相分布を変化させることを特徴とする走査型表示装置。
6. 光ビームを被投射面上で走査し２次元画像を表示する走査型表示装置において、
   前記光ビームを出射するレーザ光源と、
   前記被投射面上に前記光ビームを走査する画面走査素子と、
   前記光ビームの偏光方向を時間的に変化させる偏光分布変化装置を備え、
   該偏光分布変化装置は、
   少なくとも１個の偏光分布変化素子と、
   所定の回転軸のまわりに偏向駆動される反射ミラーを有する少なくも２個の走査素子を備え、
   前記レーザ光源から出射された光ビームは、前記走査素子のうちの一つで反射されて前記偏光分布変化素子を走査するよう入射され、
   該偏光分布変化素子を通過した前記光ビームは、前記走査素子のうち他の一つで反射されて前記画面走査素子に入射されることを特徴とする走査型表示装置。
7. 請求項６記載の走査型表示装置において、
   前記２個以上の走査素子は同期駆動され、
   該各走査素子内の反射ミラーが常に略平行の状態を保持することを特徴とする走査型表示装置。
8. 請求項６記載の走査型表示装置において、
   前記偏光分布変化素子は、主軸方向が異なる波長板を複数個平面上に並べて構成され、
   該偏光分布変化素子を透過する前記光ビームの入射位置に応じ該光ビーム内の偏光分布を変化させることを特徴とする走査型表示装置。
9. 請求項６記載の走査型表示装置において、
   前記偏光分布変化素子は、複数個の波長板を有し、
   該複数個の波長板は、隣接の波長板と主軸が直交するよう平面上に並べて構成され、
   該偏光分布変化素子を透過する前記光ビームの入射位置に応じ該光ビーム内の偏光分布を変化させることを特徴とする走査型表示装置。
10. 請求項６記載の走査型表示装置において、
    前記偏光分布変化素子は、入射した光ビームに異なる偏光の変化を与える複数の領域を有する液晶素子であって、
    該偏光分布変化素子を透過する前記光ビームの入射位置に応じ該光ビーム内の偏光方向分布を変化させることを特徴とする走査型表示装置。
11. 光ビームを被投射面上で走査し２次元画像を表示する走査型表示装置において、
    前記光ビームを出射するレーザ光源と、
    前記光ビームの位相分布を時間的に変化させる位相分布変化装置もしくは前記光ビームの偏光方向を時間的に変化させる偏光分布変化装置を備え、
    前記位相分布変化装置は、
    前記光ビームを走査する第１の走査素子と、
    前記光ビームを走査する第２の走査素子と、
    少なくとも１個の位相分布変化素子で構成され、
    前記偏光分布変化装置は、
    前記光ビームを走査する第１の走査素子と、
    前記光ビームを走査する第２の走査素子と、
    少なくとも１個の偏光分布変化素子で構成され、
    前記レーザ光源から出射された光ビームは、前記第１の走査素子を介して前記位相分布変化素子もしくは偏光分布変化素子を走査するよう入射され、
    該位相分布変化素子もしくは偏光分布変化素子を通過した前記光ビームは、前記第２の走査素子を走査するよう入射され、
    前記第１及び第２の走査素子は、互いに回転速度が同期するように制御され、前記第２の走査素子は前記第１の走査素子による前記光ビームに対する走査を相殺し、かつ前記被投射面上に前記光ビームを走査することを特徴とする走査型表示装置。

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