JP5892769B2

JP5892769B2 - 投写型表示装置及び画像表示方法

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Publication number: JP5892769B2
Application number: JP2011243480A
Authority: JP
Inventors: 貴雄遠藤; 柳澤　隆行; 隆行柳澤; 徹吉原; 中野　勇三; 勇三中野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2031-11-07
Also published as: JP2013101173A

Description

本発明は、光源からの光を画像としてスクリーンに表示する投写型表示装置及びその画像表示方法に関するものである。

投写型表示装置は光源からの光を画像としてスクリーンに映像表示を行うもので、ＣＲＴ（ＣａｔｈｏｄｅＲａｙＴｕｂｅ）やＰＤＰ（ＰｌａｓｍａＤｉｓｐｌａｙＰａｎｅｌ）とは異なり、非発光型の表示装置である。このような投写型表示装置は、一般に、画像信号に応じて光量を調整するライトバルブと、光源からの照明光によりライトバルブを照明する照明光学系と、ライトバルブで作られた小さな画像を大きなスクリーンに拡大投影する投写光学系とを備えている。

投写型表示装置は小さな画像を大きなスクリーンに拡大投影するため、光源の元々の空間的なコヒーレンス（光の持つ性質で干渉のしやすさを表す）が小さくても、光学系で画像光が拡大されるにつれ、空間的なコヒーレンスが大きくなり、投影されたスクリーン上の、光の波長より大きな微細な凹凸により無数の明暗の干渉パターンが作られる。この明暗のパターンはスペックルと呼ばれ、画像のノイズとなり、観察者に不快感を与える。特に、レーザのような発光点が小さく平行度の高い光源、つまりコヒーレンスの大きな光源ではスペックルノイズは大きな問題となる。

このスペックルノイズを低減する方法として、従来、例えば特許文献１に示された投写型表示装置があった。この投写型表示装置は、レーザ光源とコリメート光学系と、走査デバイスと、第一の光学系と光発散角変換素子と第二の光学系から順に配置されている。この構成では、コリメート光学系にて並行にされた光源からの光が走査デバイスで強度分布を与えられ画像を構成し、第一の光学系を経由して中間像が作られる。中間像付近に配置される光拡散角変換素子は、マイクロレンズアレイによって構成され、入射した光束を回折作用にて離散的に拡大する。拡大された画像光は第二の光学系にてスクリーンに投影される。スクリーン上の凹凸でスペックルノイズが発生するが、複数の異なる回折角の光によって形成された互いに異なる複数のスペックルパターンが重畳されて観測者に観察されるため、スペックルノイズを低減させることができる。

特開２００６−５３４９５号公報

しかしながら、上記従来の投写型表示装置は、光拡散角変換素子によりレーザ光の広がり角が大きくなり、複数の異なる回折角光が第二の光学系を経由してスクリーンに投影されるが、回折光の角度に対する強度分布は角度が小さい光が相対的に多く、角度が大きい光が相対的少ない。このためスペックルパターンを重畳しても、角度の小さい光で作られる明暗のパターン１に対して角度の大きい光で作られる明暗のパターン２が相対的に少ないため、角度の大・小でパターンが異なるものの、互いの明暗を打ち消し合う効果が十分でないという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、スペックルノイズを効率良く低減することのできる投写型表示装置及び画像表示方法を得ることを目的とする。

この発明に係る投写型表示装置は、少なくとも赤、緑、青色光をそれぞれ放射する複数の変調光源と、複数の変調光源からの光を合成する合成光学系と、合成光学系で合成された複数の変調光源からの光を映像信号に基づき変調するライトバルブと、ライトバルブが作る画像を所定の倍率で投影して中間像を形成する前段投写光学系と、前段投写光学系によって形成される中間像の位置に配置される角度変換手段と、中間像からの光を所定の倍率で表示面まで投影する後段投写光学系と、後段投写光学系の瞳位置またはその前後の空間に設置された空間透過率変換手段とを備え、後段投写光学系のＦ値は前段投写光学系のＦ値より小さく、角度変換手段は、表示面と共役の関係にあり、かつ、前段投写光学系から出射した光に角度の広がりを与えるよう設定され、空間透過率変換手段は、光の透過率分布が光軸中心から外側に向かって大きくなるよう設定されたものである。

この発明の投写型表示装置は、後段投写光学系のＦ値を前段投写光学系のＦ値より小さくし、角度変換手段を、表示面と共役の関係とし、かつ、前段投写光学系から出射した光に角度の広がりを与えるよう設定すると共に、空間透過率変換手段の光の透過率分布を光軸中心から外側に向かって大きくなるよう設定したので、角度の小さい光に対して相対的に少ない角度の大きい光の割合を増やし、スペックルノイズを効率良く低減することができる。

この発明の実施の形態１による投写型表示装置を示す構成図である。この発明の実施の形態１による投写型表示装置の時間に対する赤、緑、青色光の相対強度を示す説明図である。この発明の実施の形態１による投写型表示装置の角度変換手段が無い場合の動作を示す説明図である。この発明の実施の形態１による投写型表示装置の空間透過率変換手段が無い場合の動作を示す説明図である。この発明の実施の形態１による投写型表示装置の空間透過率変換手段を備えた場合の動作を示す説明図である。この発明の実施の形態１による監投写型表示装置の空間透過率変換手段における角度に対する透過率の関係を示す説明図である。この発明の実施の形態１による投写型表示装置のライトバルブを３つ設けた場合の構成図である。この発明の実施の形態１による投写型表示装置の間隔ｄのスリットと、有限の大きさＤのインコヒーレントな単色光源がある場合の干渉縞の説明図である。光学的不変量の模式図である。この発明の実施の形態２による投写型表示装置の説明図である。この発明の実施の形態３による投写型表示装置の説明図である。この発明の実施の形態４による投写型表示装置の説明図である。この発明の実施の形態５による投写型表示装置の説明図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による投写型表示装置を示す構成図である。
図１に示す投写型表示装置（プロジェクタ）１００は、複数の可視光の波長（３８０−７８０ｎｍ）を放射する光源モジュール１１２と、光源モジュール１１２からの照明光を被照面であるライトバルブ２２に導く照明光学系１１１と、照明光学系１１１により導かれた照明光を映像信号に応じて光量を調整し、空間的に変調するライトバルブ２２と、ライトバルブ２２で作られる小さな画像を表示面２６に拡大投影する投写光学系１１０から構成される。さらに詳細には、光源モジュール１１２は、複数の変調光源２０（２０ａ〜２０ｉ）と、複数の変調光源２０からの照明光をビーム形状に成形し、複数を混合して合成する合成光学系２１（２１ａ〜２１ｃ）から構成される。

また、光源モジュール１１２からの照明光を被照面であるライトバルブ２２に導く照明光学系１１１において、例えば、ロッドインテグレータや光ファイバに代表される、空間を伝搬している間に照明光の光強度分布を空間的に平均化する均一化要素１０が配置されている。また、投写光学系１１０は、前段投写光学系２４と後段投写光学系２７から構成され、光路の途中、中間像を作る位置に、拡散板やマイクロレンズアレー、回折格子等に代表される角度変換手段２５が配置されている。さらに、後段投写光学系２７は、その瞳位置、またはその前後のレンズなどの無い自由空間に、画像光の透過率が空間で異なる空間透過率変換手段２８が配置される。さらに、画像入力などに代表される外部信号３１に応じて画像を形成すると共に、赤緑青の３原色以上の光の組み合わせで画像を作るために光源モジュール１１２の点灯を制御する制御装置２９を有する。また、照明光学系１１１には、照明光の光束の量を調整する可動絞り（図示せず）を持つ場合もある。なお、外部電源３０は、光源モジュール１１２に電源供給を行うための電源である。

次に、図１に示された投写型表示装置１００の動作について説明する。この発明の投写型表示装置１００は、複数の変調光源２０からの照明光を成形し、強度分布を均一化しながら被照面であるライトバルブ２２に導き、ライトバルブ２２で作られた画像を表示面２６まで拡大投影するものである。複数配置された変調光源２０の光は合成光学系２１で合成され１つにまとめられる。図１に示す例では３つの合成光学系２１ａ〜２１ｃからの光を１つの均一化要素１０に導く例を示しており、具体的には、後述する実施の形態５の図１３に示すように各色の変調光源２０ａ〜２０ｉからの光を光ファイバで合成光学系２１ａ〜２１ｃまで導いているが、空間伝搬で合成光学系まで導いても良い。なお、図１では９つの変調光源２０ａ〜２０ｉから構成されている光源モジュール１１２を示しているが、特定の数に限定されるものではない。

また、一般にＣＲＴやＰＤＰ、投写型表示装置は波長の異なる３種以上の光の組み合わせで色を作るため、波長の異なる変調光源を３種類、もしくはそれ以上用意し、例えば、変調光源２０ａ〜２０ｃを赤色、変調光源２０ｄ〜２０ｆを青色、変調光源２０ｇ〜２０ｉを緑色といったように構成してもよい。

変調光源２０は、レーザ光源、例えば半導体レーザと、レーザ媒質と非線形材料からなるレーザ光源等で良い。レーザ媒質としては、一般的な固体レーザ材料として、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦなどを用いるものがある。また、非線形材料としては、一般的な波長変換用材料、例えば、ＫＴＰ、ＫＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などを用いることができる。

また、光量は変調光源２０のピーク電流を調節（電流制御）したり、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）のデューティ比を変化させることによって調節（ＰＷＭ制御）したり、照明光学系１１１の可動絞り（図示せず）を開閉することで調節したり、ライトバルブ２２により光を投写光学系方向（ＯＮ光）・非投写光学系方向（ＯＦＦ光）へ偏向することで、その量を調節することができる。

合成光学系２１でまとめられた各色の照明光束は均一化要素１０に導かれる。この均一化要素１０の中を伝搬する間に光束が空間で混ざり合い、面内で均一化される。均一化要素１０が、例えば、図１３に示すように矩形状であれば、出光面では均一な矩形の光に成形される。なお、均一化要素１０は、ロットインテグレータ、ライトトンネル、光ファイバ等で構成されるが、これらに特定するものではない。

均一化要素１０からの照明光は被照面であるライトバルブ２２を均一に照明する。均一化要素１０の出光面は均一な矩形の光となるため、均一化要素１０の出光面側とライトバルブ２２を光学的に共役（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ）関係にするとライトバルブ２２も均一に照明される。この複数の変調光源２０からの光を合成する合成光学系２１から、ライトバルブ２２を照明するために用いられる光学系を照明光学系１１１とする。

なお、実施の形態１では映像信号に代表される外部信号３１に基づいて画像を生成するライトバルブ２２が１つしかないため、光源モジュール１１２は、例えば図２に示すように、一般に３０Ｈｚ程度とされる目の応答速度より高速に、時間的に赤緑青の３原色、もしくはそれ以上の光のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるように制御装置２９にて光源の点灯を制御することで、ライトバルブ２２上で時系列に各色毎の画像を生成することができる。

また、このライトバルブ２２で生成された画像は、投写光学系１１０により画像光１１３として任意の表示面２６に拡大投影される。表示面２６は、一般に白色の壁やスクリーンが用いられる。この表示面２６とライトバルブ２２も光学的に共役（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ）関係にすることで表示面に均一で鮮明な画像を形成することができる。

次に、図３〜図５を用いて、本発明における２つのポイントについて説明する。
この発明の１つ目のポイントは、ライトバルブ２２の画像光を表示面２６に投影する際に、後段投写光学系２７に角度の広がりが大きな画像光を導き、その瞳上の空間分布を均一にすることで、表示面２６に配置されるスクリーンの表面の凹凸を照明する画像光のコヒーレンスを低減させ、結果として明暗の斑点であるスペックルノイズを低減するものである。よって、ここでは、本発明の特徴であるライトバルブ２２以降の動作について説明する。ライトバルブ２２は、外部の入力信号、主に画像信号に応じて照明光の空間分布に変調を与えて画像を形成する、透過型液晶、反射型液晶、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などであるが、これに特定するものではない。

ライトバルブ２２の画像を投写光学系１１０で投影する際に、途中で一度像を結ぶ光学系がある。これを中間結像と呼ぶ。この時の投写光学系１１０は、ライトバルブ２２の画像光を所定の倍率で投影し中間像２３を作る前段投写光学系２４と、中間像２３を表示面２６に所定の倍率（一般に前段投写光学系２４の倍率より大きい）で投影する後段投写光学系２７から構成される。物体面であるライトバルブ２２の像が表示面２６に作られるためには、ライトバルブ２２と中間像２３、中間像２３と表示面２６が光学的に共役（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ）な関係にある必要がある。なお、前段投写光学系２４から後段投写光学系２７に像を転写するレンズ系、リレーレンズ系が必要となるが、図３〜５ではその図示を省略している。また、図３〜５において、２００は観測者を示している。

実施の形態１ではこの中間像２３の位置に角度変換手段２５が配置されるが、図３は角度変換手段２５が無い場合を例示している（角度変換手段２５を破線で示している）。この場合、前段投写光学系２４からの画像光の広がりは変わらずに後段投写光学系２７に入射し、表示面２６に到達するため、表示面２６に配置されるスクリーンの表面の凹凸を照明する光束の広がりは前段投写光学系２４で決定される大きさとなる。

ここで、図４及び図５のように、前段投写光学系２４によって形成される中間像２３の位置に角度変換手段２５を配置すると、前段投写光学系２４からの画像光が角度変換手段２５、例えば拡散板やマイクロレンズアレー、回折格子等で、出射した光に角度の広がりを与えられ、後段投写光学系２７に入射する。
さらに、後段投写光学系２７のＦ値が前段投写光学系２４のＦ値より小さい、つまり後段投写光学系２７の方が広い角度の光を透過できる明るいレンズ系になっているとする。この場合、前段投写光学系２４の光が角度変換手段２５で広げられ、広がった光が後段投写光学系２７を透過することで、前段投写光学系２４で決定された光束の広がりより広がった画像光で表示面２６に配置されるスクリーンの表面の凹凸を照明できることになる。表面の凹凸を異なる角度の光で照明できると、凹凸でできる明暗のパターンが角度で異なることから、その明暗、光強度の和が平均化されて、明暗の差が小さくなる。このためぎらつき、すなわちスペックルノイズが小さくなる。

但し、角度変換手段２５を用いると、スクリーンを照明する光束の角度の広がりは確かに広がるが、図４に示すように、広がりの小さい光束と広がりの大きい光束の量は異なり、一般に広がりの小さい光束に比べて広がりの大きな光束が少ない。つまり、表面の凹凸を異なる角度の光で照明できると、凹凸でできる明暗のパターンが角度で異なるため、光強度の和を取ると平均化されるが、仮に広がりの小さい光束が多く、広がりの大きな光束が少ない場合、平均化でパターンは打ち消し合うものの、効率が悪いことになる。例えば、図４では広がりの小さい光束が４単位、広がりの大きな光束が２単位のため、平均化でパターンは４：２で打ち消し合うため、低減効果が十分でない。

そこで、本発明の２つ目のポイントは、図５に示すように、後段投写光学系２７の瞳位置またはその前後の空いた空間に、空間透過率変換手段２８、例えば中心から半径方向に、その透過率が場所で異なる半透明なガラス板を配置する。なお、透過率の空間分布は例えば図６に示すように、光軸中心から外側に向かって大きくなるのが望ましいが、このような構成に限定するものではない。周辺部の光束に対して中央部の光束を相対的に減らせばよく、具体的には透明な硝子板の開口に、吸収を中央部、もしくは同心円状、放射状に与えればよい。このように空間透過率変換手段２８を後段投写光学系２７の瞳位置またはその前後の空いた空間に配置すると、そこを透過する光束の量が場所に依存して吸収されて現象することになる。これにより、広がりの大きな光束と比べて相対的に多かった広がりの小さい光束が吸収される。例えば、図５では空間透過率変換手段２８を透過すると広がりの小さい光束は２単位、広がりの大きな光束が２単位のため、平均化でパターンは２：２で打ち消し合うことになる。これによりスペックルノイズを効率良く低減することができる。

なお、上記例ではライトバルブ２２を１つだけ用いる例を示したが、図７の投写型表示装置１００ａに示すように、光の３原色、赤緑青に対応したライトバルブを３つ（ライトバルブ２２ａ〜２２ｃ）備えた系であってもよい。なお、３つのライトバルブ２２ａ〜２２ｃに対応して均一化要素１０ａ〜１０ｃも３つとなる。この場合、時間的に赤緑青の３原色の光のＯＮ／ＯＦＦを切り替える必要はなくなるが、明るさを増やすために３原色を同時に点灯する等、光源の点灯を制御で明るさの改善ができるメリットがある。また、異なる波長の光を同時に表示面２６に照明できるため、ライトバルブ２２が１つの場合に比べてスペックルノイズの低減効果をさらに高めることもできるようになる。

次に、光束の広がりと光波のコヒーレンスとスペックルノイズの関係について数式および数値を用いて説明する。
一般にスペックル、もしくはシンチレーションと呼ばれる現象が透過型スクリーンで見られる原因について説明する。物体の表面が光の波長のスケールに対して粗い凹凸を持つ場合、表面で散乱、透過、反射したコヒーレント照明光の像に現れる。これは異なる散乱点から発生した、多数の振幅分布（強度分布ではない）の重畳からなされるもので、光源のもつコヒーレンスによる干渉で説明できる。

説明を簡略化するため、単色波
Ｅ_ｊ（ｒ，ｔ）＝Ｒｅ［Ｅ_ｊｋｅｘｐｉ（ｋｒ−ωｔ＋δ_ｊｋ）］（１）
の重ね合わせを考える。２つの単色波がある点で重なり合う、つまり、
Ｅ＝Ｅ_１＋Ｅ_２（２）
の状態を考えると、その強度の時間平均は、

で表される。これは各々の強度の和に加えて干渉項

が付加されていることから、各々の偏光や位相差によって強度が変化することになる。

一方で、例えば遠方にある天体からの光を地上から観測する場合もスペックルを観測することがある。天体からの光とレーザ光源の違いについて説明すると、天体からの光のスペクトルは連続でインコヒーレントであり、レーザ光源のスペクトルは単色でコヒーレントである。

これについて図８を用いて説明する。
間隔ｄのスリットと、有限の大きさＤのインコヒーレントな単色光源があり、この両端、第一の光源と第二の光源から光が出る場合を考える。第一の光源からの光が異なる光路を通るため実線の干渉縞を作り、第二の光源からの光も同様に破線の干渉縞を作る。それぞれの干渉縞の原点は、光源の位置の差Ｄが小さければ干渉縞の原点のずれも小さくなる。

この第一の光源と第二の光源には互いに相関がないので、実線の干渉縞と破線の干渉縞の重ね合わせは、（振幅でなく）単純に強度の重ね合わせとなる。ここで考えているスリット間隔ｄが小さい場合（干渉縞の周期は逆に大きくなるので）、干渉縞の原点のずれは周期に比べて小さく、強度が足し合わさった結果、一点鎖線の縞のように強め合うことになる。反対にスリット間隔ｄが大きい場合（干渉縞の周期は逆に小さくなるので）、干渉縞の原点のずれは周期に比べて大きく、強度が足し合わさった結果、山と谷が打ち消し合って均一化されることになる。

有限の大きさＤを持つ光源からの波面は、その見込む大きさＤ／ｚの傾きを持つ。スリット間隔ｄ離れた位置で光路長差が１λと同等以下であれば干渉性を保つ、つまり、

と考えられる。この干渉性を保つ長さｄは、

となる。ＦはＦ値で光束の広がり（の逆数）Ｆ〜ｚ／Ｄを表す。従って光束の広がりが狭いほど（Ｆ値が大きいほど）干渉性を保つ長さｄが大きくなる。

ここで光学的不変量について説明する。図９に模式図を示す。物体の大きさｙ_１がレンズにより大きさｙ_２の像を形成するとする。このとき見込み角θとの関係について証明は省略するが、
ｙ_１θ_１＝ｙ_２θ_２（７）
となる。この関係式は、像の大きさと見込み角θの積は光学系の中で不変であることを示し、Ｈｅｌｍｈｏｌｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅの不変量と呼ばれ、厳密には近軸理論で成り立つ。

例えば図９を見ると、像の大きさをｙ_２＜ｙ_３＜ｙ_４と大きくすると、見込み角θは順にθ_２＞θ_３＞θ_４となることがわかる。つまり光束の広がり（ここでは見込み角θで表す）は、光学系の横倍率
β＝ｙ_２／ｙ_１（８）
に反比例して小さくなることがわかる。プロジェクタ光学系の倍率は一般に５０〜１００倍といった高倍率なものが多いため、光束の広がりはそれに反比例して小さくなる。

次に、投写型表示装置の光学系、および表示面の関係について説明する。
像は投写光学系１１０の横倍率β＝ｙ_２／ｙ_１で拡大されるので、光束の広がりθ_２は、１／β倍となり、干渉性を保つ長さｄは、

となる。例えば、投写光学系の倍率β＝１００倍、照明光学系のＦ値、Ｆ＝３．５、波長λ＝５３０ｎｍとすると、ｄ＜１８６ミクロンとなる。距離ｄは倍率βやＦ値に比例するため、Ｆ値とβが大きいほど（光束の広がりが狭いほど）ｄも大きくなる。

表示面２６に配置されるスクリーンは、例えば表面の凹凸で光を拡散させるもの（表面拡散）、または媒質と異なる屈折率の様々な粒径のビーズが混在して光を拡散させるもの（体積拡散）等がある。この凹凸やビーズの特徴的な長さは可視光の波長（およそ３８０〜７８０ｎｍ）より大きく、せいぜい１〜５０ミクロン、実際には５〜２０ミクロン程度が主流である。

照明される面（被照面）の表面等のゆらぎの特徴的な長さが、干渉性を保つ長さｄに比べて十分小さい場合、空間的なコヒーレンスから、この光束は部分的にコヒーレントな照明光となるため、明暗の斑点、つまりスペックルノイズが発生することになる。

なお、証明は省略するが、上記の単色光に関する説明は（振幅でなく）強度の重ね合わせであることから、準単色光等の帯域幅をもつ光源に適応することも可能である。以上から、インコヒーレント光源であっても、有限の大きさを持つ光源の空間的なコヒーレンスから、部分的にコヒーレントな照明になり、（振幅でなく）強度の重ね合わせでスペックル現象を説明することができる。

レーザ光源は狭い帯域幅をもつ準単色光源のため、仮にレーザ光源の持つ高いコヒーレンスをなんらかの手段で低減したとしても、上述したようにスペックルが観測される。

以上のことから、Ｆ値を小さくすると、干渉性を保つ長さｄも小さくなることから、投写光学系１１０を前段投写光学系２４と後段投写光学系２７に分けて、かつ角度変換手段２５により後段投写光学系２７への光束を広げることで、干渉性を保つ長さｄを小さくできる。表示面２６に配置されるスクリーンなどの光拡散要素の凹凸、微粒子の粒径と比較して、干渉性を保つ長さｄが小さくなることで、スペックルノイズが減少する。

以上説明したように、実施の形態１の投写型表示装置によれば、少なくとも赤、緑、青色光をそれぞれ放射する複数の変調光源と、複数の変調光源からの光を合成する合成光学系と、合成光学系で合成された複数の変調光源からの光を映像信号に基づき変調するライトバルブと、ライトバルブが作る画像を所定の倍率で投影して中間像を形成する前段投写光学系と、前段投写光学系によって形成される中間像の位置に配置される角度変換手段と、中間像からの光を所定の倍率で表示面まで投影する後段投写光学系と、後段投写光学系の瞳位置またはその前後の空間に設置された空間透過率変換手段とを備え、後段投写光学系のＦ値は前段投写光学系のＦ値より小さく、角度変換手段は、表示面と共役の関係にあり、かつ、前段投写光学系から出射した光に角度の広がりを与えるよう設定されると共に、空間透過率変換手段の光の透過率分布が光軸中心から外側に向かって大きくなるよう設定したので、スペックルノイズを効率良く低減することができる。

また、実施の形態１の画像表示方法によれば、少なくとも赤、緑、青色光をそれぞれ放射する複数の変調光源と、複数の変調光源からの光を合成する合成光学系と、合成光学系で合成された複数の変調光源からの光を映像信号に基づき変調するライトバルブと、ライトバルブが作る画像を所定の倍率で投影して中間像を形成する前段投写光学系と、前段投写光学系によって形成される中間像の位置に配置される角度変換手段と、中間像からの光を所定の倍率で表示面まで投影する後段投写光学系と、後段投写光学系の瞳位置またはその前後の空間に設置された空間透過率変換手段とを備えた投写型表示装置の画像表示方法であって、後段投写光学系のＦ値を前段投写光学系のＦ値より小さくし、かつ、角度変換手段を表示面と共役の関係とすると共に、角度変換手段は、前段投写光学系から出射した光に角度の広がりを与え、かつ、空間透過率変換手段は、光の透過率分布が光軸中心から外側に向かって大きくなるよう設定したので、投写型表示装置においてスペックルノイズを効率良く低減することができる。

実施の形態２．
図１０は、実施の形態２の投写型表示装置を示す構成図である。実施の形態２における投写型表示装置は、空間透過率変換手段２８の設置位置を、実施の形態１の後段投写光学系２７の瞳位置またはその前後の空間の設置に代えて、前段投写光学系２４の瞳位置またはその前後に設置するようにしたものである。他の構成については、実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。

次に、実施の形態２における投写型表示装置の動作について説明する。
空間透過率変換手段２８は、実施の形態１で説明したように、Ｆ値が大きい後段投写光学系２７に配置することが望ましいが、レンズ系やその他部品等の隙間の関係から、配置が困難な場合も考えられる。この場合、次善の例として、空間透過率変換手段２８を前段投写光学系２４の瞳位置またはその近傍に配置しておくことで、前段投写光学系２４の瞳面上の空間分布を均一に近づけておくことができるので、仮に角度変換手段２５がなければ後段投写光学系２７の瞳も均一に近づくことになる。但し、角度変換手段２５により後段投写光学系２７へ入射する光束を広げる必要があるので、その効果を考慮して瞳面上の空間分布に多少の分布を残しておくことが望ましい。

以上説明したように、実施の形態２の投写型表示装置によれば、空間透過率変換手段は、後段投写光学系の瞳位置またはその前後の空間の設置に代えて、前段投写光学系の瞳位置またはその前後に設置したので、後段投写光学系に配置するのが困難であるような場合でも、スペックルノイズを効率良く低減することができる。

実施の形態３．
実施の形態３は、ライトバルブ２２に入射する光の配光分布を、角度に対して中心強度が小さく周辺強度が大きくなるようにしたものであり、図１１に実施の形態３の投写型表示装置の構成を示す。
図１１に示すように、実施の形態３では、ライトバルブ２２に入射される光の配光分布が、角度に対して中心強度が小さく周辺強度が大きくなるよう設定され、また、実施の形態１、２における空間透過率変換手段２８が省かれている。なお、図示のような光源の配光分布を得るには、照明光学系１１１によって行う。その他の構成は実施の形態１、２と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。

次に、実施の形態３の投写型表示装置の動作について説明する。
これまで実施の形態１、２では空間透過率変換手段２８にて瞳面上の光束の空間分布を均一にしてきた。一方、実施の形態３では、照明光の起源である光源モジュール１１２からの照明光の配光分布を、中心が少なく、周辺が多くなるように事前に調整しておくものである。このように調整すると、起源の光源の配光分布にて周辺光量が多くなるため、後段投写光学系２７の瞳まで光学系を伝搬した光束の光量分布も均一に近づくことになる。これによりスペックルノイズが効率良く低減できる。

以上説明したように、実施の形態３の投写型表示装置によれば、少なくとも赤、緑、青色光をそれぞれ放射する複数の変調光源と、複数の変調光源からの光を合成する合成光学系と、合成光学系で合成された複数の変調光源からの光を映像信号に基づき変調するライトバルブと、ライトバルブが作る画像を所定の倍率で投影して中間像を形成する前段投写光学系と、前段投写光学系によって形成される中間像の位置に配置される角度変換手段と、中間像からの光を所定の倍率で表示面まで投影する後段投写光学系とを備え、後段投写光学系のＦ値は前段投写光学系のＦ値より小さく、角度変換手段は、表示面と共役の関係にあり、かつ、前段投写光学系から出射した光に角度の広がりを与えるよう設定されると共に、ライトバルブに入射する光の配光分布を、角度に対して中心強度が小さく周辺強度が大きくなるようにしたので、スペックルノイズを効率良く低減することができる。

実施の形態４．
図１２は実施の形態４の投写型表示装置を示す構成図である。
図示の投写型表示装置は、実施の形態３におけるライトバルブ２２に入射する光の配光分布を角度に対して中心強度が小さく周辺強度が大きくなるようにした構成を実施の形態１に適用したものである。すなわち、ライトバルブ２２以降の構成は図５に示した実施の形態１の構成と同様である。

このように、実施の形態４では、ライトバルブ２２に入射する光の配光分布を角度に対して中心強度が小さく周辺強度が大きくなるようにすると共に、空間透過率変換手段２８を設けたので、スペックルノイズをさらに効率良く低減することができる。

なお、実施の形態４では、実施の形態３の構成を実施の形態１に適用した場合を説明したが、実施の形態２に適用しても良い。

以上説明したように、実施の形態４の投写型表示装置によれば、実施の形態１または２の投写型表示装置において、ライトバルブに入射する光の配光分布を、角度に対して中心強度が小さく周辺強度が大きくなるようにしたので、スペックルノイズをさらに効率良く低減することができる。

実施の形態５．
実施の形態５は、複数の変調光源からの光の偏光方向を変化させる複屈折層を設け、合成光学系は、前記複屈折層を介して前記複数の変調光源からの光を受け取ることにより、当該複数の変調光源からの光の位相をずらして合成するようにしたものである。

図１３は、実施の形態５の投写型表示装置を示す構成図である。
図において、複屈折層１２０ａ〜１２０ｃは、複数の変調光源２０ａ〜２０ｉからの光の偏光方向を変化させるものであり、それぞれの出力は合成光学系２１ａ〜２１ｃに入力されるようになっている。その他の構成は、実施の形態１〜４のいずれかに記載の投写型表示装置と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。なお、均一化要素１０は、図中、破線円の拡大部分に示すように矩形状の均一化要素１０である。

次に、実施の形態５の投写型表示装置の動作について説明する。
まず、光波のコヒーレンスについて簡単に説明する。一般にコヒーレンスは位相・振幅に一定の関係がある波とされているが、初期位相、周波数（スペクトル）、波数（ベクトル量のため方向を示す）のひとまとめ（モード）が似ている状態にあるとコヒーレンスが高いとされる。反対にこれらのモードがばらばらな状態にあるとコヒーレンスが低くなる。つまり位相が揃った光であったり、光の周波数が揃った光であったり、方向が揃った光であるとコヒーレンスが高くなる。例えば、レーザ光は初期位相が揃っていて、周波数幅が狭く（周波数が揃った光）、広がりの小さい（方向の揃った）光であるため、コヒーレンスが高い。反対に、白色光は初期位相がばらばらで、周波数幅が広く（例えば黒体放射スペクトルなど）、広がりも大きいため、コヒーレンスが低い（インコヒーレントな）光となる。

ここで、方向がそろった光、偏光について考える。光は電磁波であり、直交する二方向の成分で表される。また、量子力学的には光はスピンの自由度を２つもっている。コヒーレンスは状態が同じであると高く、異なる状態にあると低くなることから、異なる偏光方向（異なるスピンの状態）を持つとコヒーレンスは低く、偏光方向がそろっていると（スピンの状態がそろっていると）コヒーレンスが高くなる。エネルギでいうと基底状態に落ちこんで縮退するとコヒーレンスが高く、縮退が解けるとコヒーレンスが低くなる。そこでコヒーレンスを低減させるにはそろっている偏光方向を様々な向きにして、混ぜればよい。

光源は無偏光であることが好ましいが、そのようなことは難しく、現実には多からず偏光を持つことが予想される。そこで、変調光源２０に偏光依存性が残っている場合を考える。合成光学系２１で変調光源２０を混合する際に、例えば半量の光を波長板を透過させることで偏光方向を例えば９０度回転させ、その後残り半量の光と混合させると、光源毎の個体差は除いて半量の光の偏光方向は直交することから、平均化すると偏光が様々な向きで混ざることになる。つまり状態が異なる光をまぜることで、合成された照明光束のコヒーレンスを低減することができる。

ここで、複屈折層１２０ａ〜１２０ｃは、複屈折の光学軸の方向がそろっている波長板、たとえば１／４波長板などでもよいが、単純に押し出し成形にて作られた薄いシート状の樹脂、例えばＰＥＴ（ＰｏｌｙＥｔｈｙｌｅｎｅＴｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）でもよい。押し出し成形では樹脂をロールにて押しつぶして薄く引き延ばすが、この際に樹脂（高分子）の分子配列が空間的に対称で無い場合、応力によりある方向に並びやすくなる。この方向により光の位相がずれて偏光方向が変えられるが、単純に押し出し成形にて作られた薄いシート状の樹脂の場合、光学軸の方向は残留応力に応じて面内でバラバラな方向を向いている。つまり特定の位相差を与えるように設計された波長板などをわざわざ用いなくても、薄いシート状の（押し出し成形などで残留応力の残った）樹脂を用いるだけでコヒーレンスを低減させることができる。
なお、同じシート状の樹脂でもＴＡＣ（ＴｒｉＡｃｅｔｙｌＣｅｌｌｕｌｏｓｅ）フィルムは押し出し成形で作られることがないため、上記のような効果は有しない。

照明光束のコヒーレンスが低減すると、被照面であるライトバルブ２２上の光束のコヒーレンスも低減する。光束は最終的に表示面２６まで光学系を伝搬するため、厳密に言うと光学系と照明光束の関係でコヒーレンスが増減するが、元のコヒーレンスが低減するのであれば、表示面２６に配置されるスクリーンを照明する光束のコヒーレンスも低減しやすいことになる。以上のことから、スクリーン上で発生するスペックルノイズが減少する。この方法では光路の途中に回折格子や拡散層を用いないため、拡散による波長依存性も小さく（色温度も高く）、解像力も高い画像表示が可能となる。なお、実施の形態５は、上記の実施の形態１〜４と組み合わせても良いことは言うまでもない。

以上説明したように、実施の形態５の投写型表示装置によれば、少なくとも赤、緑、青色光をそれぞれ放射する複数の変調光源と、複数の変調光源からの光の偏光方向を変化させる複屈折層と、複屈折層を介して複数の変調光源からの光を受け取ることにより、複数の変調光源からの光の位相をずらして合成する合成光学系と、合成光学系で合成された複数の変調光源からの光を映像信号に基づき変調するライトバルブと、ライトバルブが作る画像を所定の倍率で投影して表示面まで投影する投写光学系とを備えたので、スペックルノイズを効率良く低減することができる。

また、実施の形態５の投写型表示装置によれば、実施の形態１〜４の投写型表示装置において、複数の変調光源からの光の偏光方向を変化させる複屈折層を設け、合成光学系は、複屈折層を介して複数の変調光源からの光を受け取ることにより、複数の変調光源からの光の位相をずらして合成するようにしたので、スペックルノイズをさらに効率良く低減することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１０，１０ａ〜１０ｃ均一化要素、２０，２０ａ〜２０ｉ変調光源、２１，２１ａ〜２１ｃ合成光学系、２２，２２ａ〜２２ｃライトバルブ、２３中間像、２４前段投写光学系、２５角度変換手段、２６表示面、２７後段投写光学系、２８空間透過率変換手段、２９制御装置、３０外部電源、３１外部信号、１００，１００ａ投写型表示装置、１１０投写光学系、１１１照明光学系、１１２光源モジュール、１１３画像光、１２０ａ〜１２０ｃ複屈折層、２００観測者、

Claims

少なくとも赤、緑、青色光をそれぞれ放射する複数の変調光源と、
前記複数の変調光源からの光を合成する合成光学系と、
前記合成光学系で合成された前記複数の変調光源からの光を映像信号に基づき変調するライトバルブと、
前記ライトバルブが作る画像を所定の倍率で投影して中間像を形成する前段投写光学系と、
前記前段投写光学系によって形成される中間像の位置に配置される角度変換手段と、
前記中間像からの光を所定の倍率で表示面まで投影する後段投写光学系と、
前記後段投写光学系の瞳位置またはその前後の空間に設置された空間透過率変換手段とを備え、
前記後段投写光学系のＦ値は前記前段投写光学系のＦ値より小さく、
前記角度変換手段は、表示面と共役の関係にあり、かつ、前記前段投写光学系から出射した光に角度の広がりを与えるよう設定され、
前記空間透過率変換手段は、光の透過率分布が光軸中心から外側に向かって大きくなるよう設定されたことを特徴とする投写型表示装置。
前記空間透過率変換手段は、前記後段投写光学系の瞳位置またはその前後の空間の設置に代えて、前記前段投写光学系の瞳位置またはその前後の空間に設置されたこと特徴とする請求項１記載の投写型表示装置。
前記ライトバルブに入射する光の配光分布を、角度に対して中心強度が小さく周辺強度が大きくなるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の投写型表示装置。
複数の変調光源からの光の偏光方向を変化させる複屈折層を設け、前記合成光学系は、前記複屈折層を介して前記複数の変調光源からの光を受け取ることにより、当該複数の変調光源からの光の位相をずらして合成することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の投写型表示装置。
少なくとも赤、緑、青色光をそれぞれ放射する複数の変調光源と、
前記複数の変調光源からの光を合成する合成光学系と、
前記合成光学系で合成された前記複数の変調光源からの光を映像信号に基づき変調するライトバルブと、
前記ライトバルブが作る画像を所定の倍率で投影して中間像を形成する前段投写光学系と、
前記前段投写光学系によって形成される中間像の位置に配置される角度変換手段と、
前記中間像からの光を所定の倍率で表示面まで投影する後段投写光学系と、
前記後段投写光学系の瞳位置またはその前後の空間に設置された空間透過率変換手段とを備えた投写型表示装置の画像表示方法であって、
前記後段投写光学系のＦ値を前記前段投写光学系のＦ値より小さくし、かつ、前記角度変換手段を表示面と共役の関係とすると共に、前記角度変換手段は、前記前段投写光学系から出射した光に角度の広がりを与え、かつ、前記空間透過率変換手段は、光の透過率分布が光軸中心から外側に向かって大きくなるよう設定することを特徴とする画像表示方法。