JP5804243B2

JP5804243B2 - 投射型映像表示装置

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Publication number: JP5804243B2
Application number: JP2011096310A
Authority: JP
Inventors: 牧夫倉重
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: JP2012226274A; US9013641B2; US20140092321A1; WO2012144593A1

Description

本発明は、レーザー光などのコヒーレント光を用いて光変調素子を照明し、スクリーン上に映像を投射する投射型映像表示装置に関するものであって、特に光変調素子としてＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）を使用する投射型映像表示装置に関する。

光源からの照明光を、液晶やＭＥＭＳなどの光変調素子（マイクロディスプレイ）を用いて映像化し、スクリーンに投影するプロジェクタ（投射型映像表示装置）が知られている。このようなプロジェクタでは、その光源に高圧水銀ランプなどの白色光源を用いたものが知られており、液晶などの２次元光変調素子を照明し得られた画像を投射光学系で拡大してスクリーン上に映像を投射している。

しかしながら、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプは、寿命が比較的短くプロジェクタなどに利用した場合、頻繁にランプを交換する必要がある。また、装置自体が大型化してしまうという欠点もある。さらには、環境負荷の観点から水銀を使用する高圧水銀ランプの仕様は好ましいものとはいえない。このような欠点を解消するため、レーザー光を光源として使用するプロジェクタも提案されている。半導体レーザーは、高圧水銀ランプなどと比較して高寿命であり、また、装置全体の小型化を図ることも可能である。

このように、プロジェクタの次世代光源として期待されているレーザー光は直進性に優れるため、ＬＥＤなどと比較しても光入射効率の向上を図ることができると考えられる。しかしながら、レーザー光を光源として用いた場合、コヒーレンスの高さに起因するスペックルノイズが発生し、映像を見難くしてしまう欠点がある。

スペックルノイズは、コヒーレントなレーザー光を光源とした場合、照射対象表面の微少凹凸からの散乱光が干渉することで生ずる斑点状のノイズであって、プロジェクタで発生した場合には画質劣化の原因となるのみならず、観察者に対して生理的不快感をもたらすこともある。このスペックルノイズを低減するため、レーザー光が通過する拡散板を振動させる、レーザースペクトルの波長スペクトルを拡大する、レーザー光の照射対象となるスクリーン自体を振動させるなど、各種試みが行われている。このようなスペックルノイズ低減の試みとして、特許文献１には、コヒーレント光が通過する拡散素子を回転運動させることで、スペックルノイズの低減を図る無スペックル・ディスプレイ装置が開示されている。

特開平６−２０８０８９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるスペックルノイズ低減方法では、拡散素子到達前に生じていたスペックルノイズ（干渉パターン）は平均化できるものの、拡散中心からスクリーンへの入射光線角度はスクリーン上のいずれの点においても不変であるため、スクリーン各点の光散乱特性も一定となり、結果としてスクリーン上で発生するスペックルノイズの除去効果は殆ど得られないという問題があった。

近年、投射型映像表示装置としてのプロジェクタにおいて、光変調素子として反射型液
晶を使用するＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）が開発されている。このＬＣＯＳ
は、液晶面で入射光の偏光方向を変化させ、偏光ビームスプリッターで映像光を選択的に出力することで映像を形成する。このようなＬＣＯＳにおいてもレーザー光のようなコヒーレント光を光源に用いることが考えられるが、前述したようなスペックルによる様々な問題が考えられる。

また、ＬＣＯＳと偏光ビームスプリッターを組み合わせて使用する場合、偏光ビームスプリッターへの入射角度が制約されるため、特に、ＲＧＢ３色用の偏光ビームスプリッターを使用した場合には単色で使用する場合に比べて偏光選択性が低下してしまう。また、偏光選択性を高性能にした場合には、非常に高価となるといった課題がある。さらに、ＲＧＢ３色個々にＬＣＯＳを用いた場合、使用する偏光ビームスプリッターの増加や、光路が複雑になることにより各ＬＣＯＳパネルの位置合わせが煩雑になる等、更なる課題が生ずる。

本発明に係る投射型映像表示装置は、
コヒーレント光を出射する光源と、
前記光源から出射したコヒーレント光を走査する光走査部と、
像が形成される像形成領域を有するＬＣＯＳと、
前記像形成領域に形成される像をスクリーンに投影する投射光学系と、
偏光選択性を有するとともに、前記光走査部で走査された走査光を回折することで拡散させ、各点から出射される拡散光が前記像形成領域を重ねて照明するホログラムと、を備えることを特徴とする。

さらに本発明の投射型映像表示装置において、前記光走査部は、ミラーデバイスからなることを特徴とする。

さらに本発明の投射型映像表示装置において、前記偏光選択性を有するホログラムは、特定方向に振動する偏光に対して、電圧の印加に応じて回折状態と透過状態を切り替え可能な液晶ホログラムを有することを特徴とする。

さらに本発明の投射型映像表示装置において、前記光源は、それぞれ異なる波長のコヒーレント光を出射する単位色光源を有し、
前記ホログラムは、前記液晶ホログラムが複数積層され、
前記単位色光源を順番に点灯させ、点灯している前記単位色光源に対応する前記液晶ホログラムを回折状態に切り替える制御部を備えることを特徴とする。

さらに本発明の投射型映像表示装置において、前記偏光選択性を有するホログラムは、屈折率異方性を有するフォトリフラクティブ材料または液晶材料を含むことを特徴とする。

また本発明の投射型映像表示装置は、
コヒーレント光を出射する光源と、
前記光源から出射したコヒーレント光を走査する光走査部と、
像が形成される像形成領域を有するＬＣＯＳと、
前記ＬＣＯＳに形成される像をスクリーンに投影する投射光学系と、
前記光走査部で走査された走査光を拡散させる第１のホログラムと、
偏光選択性を有するとともに、前記第１のホログラムからの拡散光を回折する第２のホログラムと、を備え、
前記第１のホログラムの各点から出射される拡散光は、前記第２のホログラムで回折さ
れて前記像形成領域を重ねて照明することを特徴とする。

本発明の投射型映像表示装置によれば、光走査部でコヒーレント光を走査することで、光拡散素子の各点からの拡散光は、被照明領域としての像形成領域を時間的に異なる角度で照射することとなり、被照明領域で発生するスペックルを時間的に変化させ、観察者に不可視の状態とさせることが可能となる。さらに、本発明の投射型映像表示装置では、スクリーンに対しても時間的に異なる角度で照射することで、スクリーン上で発生するスペックルを効果的に抑制することができる。

本発明の実施形態に係る投射型映像表示装置の構成を示す図本発明の実施形態に係る照明部の構成を示す図本発明の実施形態に係る照明部で使用するホログラム作成の様子を示す図本発明の実施形態に係る光走査の様子を示す図本発明の他の実施形態に係る照明部の構成を示す図本発明の他の実施形態に係る照明部の構成を示す図

では、本発明の実施形態に係る投射型映像表示装置について図面を参照しつつ説明を行う。図１は、本発明の実施形態に係る投射型映像表示装置の構成を示す図である。なお、以下に説明する図面は、模式的に示した図であって、実際の形状、寸法、配置とは異なっている。

本実施形態の投射型映像表示装置１０は、照明部と、映像を形成するためのＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）３１、ＬＣＯＳ３１の像形成領域にで形成された映像をス
クリーン４１に投射する投射光学系３２を備えている。なお、図では、映像が投影されるスクリーン４１面をＸ−Ｙ平面、それに直交する軸をＺ軸としている。スクリーン４１には、スクリーン４１で反射された映像を観察する反射型スクリーン、あるいは、スクリーン４１を透過した映像を観察する透過型スクリーンどちらを使用することもできる。

本実施形態の照明部２０は、光源１１、光走査部１５、ホログラム２１、ＬＣＯＳ３１を有して構成されている。

光源１１は、コヒーレント光としてのレーザー光を出射する半導体レーザー装置など各種レーザー装置が使用される。本実施形態では、光変調素子としてＬＣＯＳが用いられるため、直性偏光、例えばｐ偏光のコヒーレント光を出射する光源１１とされている。

光走査部１５は、回動中心Ｒａを中心として反射面を回動させることのできるミラーデバイスであって、ポリゴンミラー、ガルバノスキャナ、ＭＥＭＳスキャナのような可動ミラーを機械的に回動させるミラーデバイスが用いられる。この他、音響光学効果スキャナのような屈折率を変調させるものなど各種形態を採用することができる。

光走査部１５にてコヒーレント光Ｌ１を時間的に走査された走査光Ｌａは、偏光選択性を有するホログラム２１で回折され、光変調素子としてのＬＣＯＳ３１を照明する照明光Ｌｂとなる。本実施形態では、光源１１が出射するコヒーレント光の偏光成分（ｐ偏光成分）を回折するように設定されている。

ＬＣＯＳ３１は、シリコン基板上に液晶層が形成された反射型の液晶表示パネルであって、シリコン基板上に設けられた画素電極を制御して、入射する光の偏光特性を制御し、
像形成領域中に像を形成する。オンとされた画素は液晶層で入射光の位相を９０度変化させて反射され、オフとされた画素はそのまま反射される。オンとされた画素の出射光は、偏光特性を有するホログラム２１を通過して投射光学系３２へと入射しスクリーン４１上で明部を形成する。一方、オフとされた画素の出射光は、ホログラム２１にて回折され、光走査部１５の側へ回折される。

光源１１から出射されたコヒーレント光Ｌ１は、光走査部１５の反射面に入射されることとなるが、このとき、コヒーレント光は、光走査部１５が回動運動する場合において位置変動が少ない反射面上の１点（以下、「基準点」とも呼ぶ）に入射させることが好ましい。このような基準点にコヒーレント光を入射させることで、ホログラム２１の作成時に使用した参照光の集光位置を、光走査部１５の基準点に設定することとなり、ホログラム２１に記録されている像を確実に得ることが可能となる。

図２は、図１の投射型映像表示装置における照明部２０を部分的に取り出した図である。ここでは、光走査部１５による走査光Ｌａにて走査されるホログラム２１の機能について説明する。ホログラム２１は、走査光Ｌａが入射されることで被照明領域、本実施形態においてはＬＣＯＳ３１の像形成領域全体を照明する光学素子であって本実施形態では反射型のホログラム２１が用いられている。また、ホログラム２１には、屈折率異方性を有するフォトリフラクティブ材料または液晶材料を用いることが好ましい。

ホログラム２１を採用したことで、走査光Ｌａの入射位置に因らず、常に同一の再生像を得ることが可能となり、被照明領域となるＬＣＯＳ３１の像形成領域全体をムラ無く照明することができる。また、ホログラム２１に入射させる走査光Ｌａのビーム断面形状、あるいは、その入射角度などに自由度を持たせることができ、装置のレイアウトなどを自在なものとすることができる。

本実施形態で使用するホログラム２１は、記録された再生像として拡散板像２２ｉを再生する。光源１１から出射されたコヒーレント光は、回動する光走査部１５で反射されることで走査光Ｌａとなりホログラム２１の入射面上を往復して走査する。図にはある時刻ｔ１、ｔ２についての走査光Ｌａ（ｔ１）、Ｌａ（ｔ２）の様子が示されている。本実施形態のホログラム２１は、所定の入射角を有する光（再生照明光）に対して再生像としての拡散板像２２ｉを形成する。光走査部１５にて走査された走査光Ｌａは、何れの走査位置においても、このホログラム２１に対する再生照明光となるように設定されている。なお、本実施形態で使用するホログラム２１の作成については後で説明する。

図２に示されるように、時刻ｔ１のときの走査光Ｌａ（ｔ１）は、ホログラム２１にて再生光としての照明光Ｌｂ（ｔ１）を回折し拡散板像２２ｉを形成する。また、時刻ｔ２のときの走査光Ｌａ（ｔ２）は、ホログラム２１にて照明光Ｌｂ（ｔ２）を回折し拡散板像２２ｉを形成する。このように走査光Ｌａが走査されることで、ホログラム２１の何れの入射位置を照射するときにも同一形状の拡散板像２２ｉが同じ位置に重なるように形成される。この拡散板像２２ｉが被照明領域全体を含むように位置させることで、何れの走査位置においても被照明領域全体を均一に照明することが可能となる。

図３は、本発明の実施形態に係る照明部で使用される透過型のホログラム２１を記録（作成）する際の構成（干渉露光）を示す図である。拡散板２２の背面側からレーザー光を照射し、前方に拡散した物体光Ｏｂをホログラム記録材料２４の一方の面から入射させる。その際、拡散板２２の各点からの拡散光（物体光Ｏｂ）は、ホログラム記録材料２４の少なくとも再生時に使用する回折領域全面を照明するよう拡散させる。

そして、ホログラム記録材料２４の同じ面から、集光光学系２３にて集光した参照光Ｒ
が照射される。集光光学系２３の焦点位置Ａは、使用時の光走査部１５による基準点と一致するように配置されている。物体光Ｏｂと参照光Ｒを同時に入射させ、ホログラム記録材料２４中で干渉させる。なお、物体光Ｏｂと参照光とは干渉性を有する必要がある。そのため、同一の光源から発振されたレーザー光を分割して一方を物体光Ｏｂ、他方を参照光Ｒとして使用することなどが考えられる。

ホログラム記録材料２４は加熱、紫外線照射等の後処理を経て面上の各点において、同じ位置に拡散板像を再生する透過型のホログラム２１が作成される。ここで、記録時に用いられる物体光Ｏｂの照射には、オパールガラスやすりガラスといった通常の拡散板２２のみならず、レンズアレイなど、各点からの拡散光が使用領域全面を照明できる光拡散素子を用いることとしてもよい。なお、本実施形態では、物体光Ｏｂと参照光Ｒとを干渉させることで干渉縞の記録（干渉露光）を行うこととしたが、計算機にて計算された干渉縞を直接、ホログラム記録材料２４に記録する、いわゆる計算機合成ホログラムを採用するものであってもよい。

図１に戻り、ＬＣＯＳ３１で変調された変調光Ｌｃは、投射光学系３２で拡大され映像再生光Ｌｄとしてスクリーン４１上に投射され、反射、あるいは、透過される映像を観察者に観察させる。この投射光学系３２は、変調光Ｌｃが時間的に変化した場合においても、スクリーン４１上に像を結ぶように設定されている光学系である。実際には、レンズなど複数の光学素子で形成される。

通常、スクリーン４１の面上に投射されたコヒーレント光は互いに干渉することでスペックルを生じさせる。しかしながら、本実施形態では、光走査部１５によってコヒーレント光が走査されるため、結果としてスクリーン４１に投射する映像再生光Ｌｄを経時的に変化させ、このスペックルを極めて効果的に目立たなくしている。

例えば、図１に示されるスクリーン上の点Ｐ１においては、時刻ｔ１における映像再生光Ｌｄ（ｔ１）と、時刻ｔ２における映像再生光Ｌｄ（ｔ２）が異なる入射角度で照射されることとなる。図に示す他の点Ｐ２や図示しない他の点においても同様であって、映像再生光Ｌｄは、入射角度を時間的に変化させつつスクリーン４１上に映像を投射する。したがって、ごく短い時間ではスクリーン上に形成されるスペックルも、映像再生光Ｌｄが時間によって異なる入射角度で照射されることで平均化され、スクリーン４１に投射される像を観察する観察者には十分に目立たない状態となる。

観察者によって観察されるスペックルには、このようにスクリーン４１上でのコヒーレント光の散乱を原因として発生するスペックルだけではなく、投射型映像表示装置１０の各種光学素子上で発生するものもある。このスペックルは、投射光学系３２を介してスクリーン４１に投影されることで観察者に観察される。本実施形態では、走査光Ｌａがホログラム２１を走査することで、被照明領域としてのＬＣＯＳ３１の像形成領域を照明する。すなわち被照明領域を、ホログラム２１の各点からの拡散光が時間的に分離するように照明することで、ホログラム２１より前の位相情報をキャンセルするとともにホログラム２１の各点からの拡散光同士が干渉することも防ぐことができ、投射型映像表示装置１０の各種光学素子で発生するスペックルを十分に目立たない状態とすることが可能となる。

以上、本発明の実施形態に係る投射型映像表示装置について説明したが、この投射型映像表示装置にて使用する各種構成の実施形態について説明する。前述の実施形態では、光走査部１５の走査形態については詳細を説明しなかったが、光走査部１５によるコヒーレント光Ｌ１の走査は、ホログラム２１を１次元的、２次元的に走査してもよい。何れの場合においてもホログラム２１上の各点からの拡散光が被照明領域全体を十分に照明できることが必要とされる。

図４には、１次元的に走査を行う光走査部１５の実施形態が示されている。この形態では、光源部１１から出射されたコヒーレント光Ｌ１は、１軸方向に共振振動する光走査部１５の反射面上で反射し、ホログラム２１上をライン状に往復して走査する。このとき光走査部１５において回動量の少ない基準点を、ホログラム２１の記録時に使用した集光光学系２３の焦点位置Ａにあわせておくことで、ホログラム２１に記録されている拡散板像２２ｉを確実に再生することが可能となる。

光走査部１５から出射された走査光は、ホログラム２１上を走査して、記録している拡散板像２２ｉを出射する。前述したようにホログラム２１は、何れの走査位置においても拡散板像２２ｉを形成するように設計されている。走査光Ｌａにより、図に示す×印間をライン状に往復して走査されるホログラム２１は、常に同一の拡散板像２２ｉを形成する。このようにホログラム２１を利用することで、走査領域（回折領域）をライン状とすることも可能であって小型のホログラム２１を用いることが可能となる。さらに、光走査部１５についても一軸に関する回動であるため駆動系、制御系を簡略化することも可能となる。なお、走査の形態はこのように１次元的な走査に限らず、例えば、光走査部１５を２軸回動可能とすることで、ホログラム２１を２次元的に走査することとしてもよい。

図５は、本発明の他の実施形態に係る照明部の構成を示す図であって、前述の投射型映像表示装置では、単色の光源１１にて映像を再生していたのに対し、本実施形態では、ＲＧＢ各色について異なる波長の単位色光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを備え、フルカラーの映像を再生できる形態となっている。

この実施形態で使用するホログラム２１は各色の波長に対応した液晶ホログラム２１１Ｒ、２１１Ｇ、２１１Ｂが積層されて構成されている。各液晶ホログラム２１１は電圧が印加されることで、特定方向に振動する偏光に対して回折状態と透過状態が切り替えられる。そのため、各液晶ホログラム２１１に対して電圧ＶＲ、ＶＧ、ＶＢを印加制御する制御部３３が設けられている。この制御部３３は、各単位色光源１１の点灯を制御する。各色の単位色光源１１を順番に点灯させて、点灯している単位色光源に対応した液晶ホログラム２１１を回折状態に、その他の液晶ホログラム２１１を透過状態とすることで、光源１１から出射するコヒーレント光の波長に応じた拡散板像２２ｉが形成される。なお、この実施形態で使用される各液晶ホログラム２１１は、前述の実施形態と同様、偏光選択性を有する回折素子であって、投射型映像表示装置に組み込んで使用した場合、光走査部１５からの入射偏光成分は回折し、ＬＣＯＳ３１にて９０度回転された偏光成分は透過してスクリーン４１に投影されることとなる。

ＬＣＯＳ３１は、出射されるコヒーレント光Ｌ１Ｒ、Ｌ１Ｇ、Ｌ１Ｂに応じた像を形成するように同期制御されており、ホログラム２１は、形成されている像に応じた色でＬＣＯＳ３１の像形成領域全体を照明することで各波長の変調光Ｌｃが出射される。

以上、この実施形態では、ＲＧＢ３色のコヒーレント光を用いてフルカラー像を再生するものであるが、本実施形態のようにホログラム２１を用いたことで、従来、波長毎に設けられていた光学系をまとめ、装置の小型化を図ることが可能となる。なお、図２で説明した照明部２０とＬＣＯＳ３１を波長毎に用意し、各色のＬＣＯＳ３１で形成される変調光を光学素子で合成し、投射する構成を採用することも可能である。

ホログラム２１はその機能を分割し、複数のホログラム２１として構成することとしてもよい。図６は、本発明の他の実施形態に係る照明部の構成を示す図であって、本実施形態では、前述のホログラム２１の機能を、第１のホログラム２１ａと第２のホログラム２１ｂで担うものとなっている。

第１のホログラム２１ａは、前述の実施形態と同様、拡散板像２２ｉが記録されたものである。一方、第２のホログラム２１ｂは、第１のホログラム２１ａにて再生された拡散板像２２ｉがＬＣＯＳ３１の像形成領域全体を照明するように回折する。この場合、第１のホログラム２１ａには、その回折角度の範囲が第２のホログラム２１ｂが回折できる角度範囲に制約される。なお、第２のホログラム２１ｂの参照光と第１のホログラム２１ａの回折光が同じ角度プロファイルを有している場合には、第１のホログラム２１ａの回折角度に制約を設ける必要はない。

本実施形態においても、光源１１から出射されたコヒーレント光Ｌ１は、光走査部１５の走査位置によらず、同じ拡散板像２２ｉを形成する。前述の実施形態と同様、拡散板像２２ｉはそれを形成する光の入射角度が時間的に変化するため、結果的にスペックルを平均化し不可視化することが可能となる。

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１０…投射型映像表示装置
１１…光源
１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ…単位色光源
１２…集光光学系
１５…光走査部
２０…照明部
２１…ホログラム
２１ａ…第１のホログラム
２１ｂ…第２のホログラム
２１１Ｒ、２１１Ｇ、２１１Ｂ…液晶ホログラム
２２…拡散板
２２ｉ…拡散板像
２３…集光光学系
２４…ホログラム記録材料
３１…ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）
３２…投射光学系
３３…制御部
４１…スクリーン

Claims

コヒーレント光を出射する光源と、
前記光源から出射したコヒーレント光を走査する光走査部と、
像が形成される像形成領域を有するＬＣＯＳと、
前記像形成領域に形成される像をスクリーンに投影する投射光学系と、
偏光選択性を有するとともに、前記光走査部で走査された走査光を回折することで拡散させ、各点から出射される拡散光が前記像形成領域を重ねて照明するホログラムと、を備えることを特徴とする
投射型映像表示装置。
前記光走査部は、ミラーデバイスからなることを特徴とする
請求項１に記載の投射型映像表示装置。
前記偏光選択性を有するホログラムは、特定方向に振動する偏光に対して、電圧の印加に応じて回折状態と透過状態を切り替え可能な液晶ホログラムを有することを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の投射型映像表示装置。
前記光源は、それぞれ異なる波長のコヒーレント光を出射する単位色光源を有し、
前記ホログラムは、前記液晶ホログラムが複数積層され、
前記単位色光源を順番に点灯させ、点灯している前記単位色光源に対応する前記液晶ホログラムを回折状態に切り替える制御部を備えることを特徴とする
請求項３に記載の投射型映像表示装置。
前記偏光選択性を有するホログラムは、屈折率異方性を有するフォトリフラクティブ材料または液晶材料を含むことを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の投射型映像表示装置。
コヒーレント光を出射する光源と、
前記光源から出射したコヒーレント光を走査する光走査部と、
像が形成される像形成領域を有するＬＣＯＳと、
前記像形成領域に形成される像をスクリーンに投影する投射光学系と、
前記光走査部で走査された走査光を拡散させる第１のホログラムと、
偏光選択性を有するとともに、前記第１のホログラムからの拡散光を回折する第２のホログラムと、を備え、
前記第１のホログラムの各点から出射される拡散光は、前記第２のホログラムで回折されて前記像形成領域を重ねて照明することを特徴とする
投射型映像表示装置。