JP7058468B2 - 映像表示装置、及び映像表示システム - Google Patents

Description

本発明は、映像表示装置、及び映像表示システムに関する。

特許文献１には、レーザ投射装置に関する技術が開示されている。同文献の実施例中、段落［００１７］において、「本実施形態のレーザ投射装置１０１は、レーザ走査式のレーザ投射装置であり、レーザ光源１１０からの出射光の集光領域に拡散部１５０を配置し、拡散部１５０を透過し再びコリメートされたレーザ光を走査機構１４０にてスクリーン２０１に走査し映像を生成するという構成を有する。」と記載されている。

特開２０１１－２５４７号公報

レーザー光を用いる映像表示装置において、レーザーの可干渉性のために生じるスペックルの低減が求められる。

特許文献１に記載された技術は、スペックルの低減を目指すものの、コリメート光をスクリーン上に投影しているため、投影された映像の解像度が低下する場合がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、画質のよい映像を効率よく表示する技術の提供を目的とする。

本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下の通りである。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る映像表示装置は、レーザー光を出射するレーザー光源部と、前記レーザー光を分岐する光分岐部と、前記光分岐部を通過した光を集光する対物光学部と、前記対物光学部からの光を拡散する反射型の光拡散部と、前記光拡散部で拡散し、前記対物光学部を出射した略平行光を用いて投影面に結像する結像光学部と、前記結像光学部からの光を前記投影面上に走査する走査部と、を備え、前記対物光学部及び前記結像光学部は合成結像光学部を形成し、前記光分岐部は、前記光拡散部からの光を前記結像光学部へ導き、前記対物光学部は、前記投影面におけるビーム径及び前記走査部における有効径を、前記投影面から前記走査部までの第１の距離及び前記投影面から前記合成結像光学部までの第２の距離を用いて補外した値以下の径で、前記光拡散部により拡散した光が前記対物光学部の前記光拡散部側の面に照射されるものであり、前記レーザー光源部は、レンズ又はミラーを用いて、前記対物光学部の前記光拡散部側の面に照射される光の径であって、前記光拡散部の出射した光のエネルギーの１／２を取り込む光の径が前記補外した値以下の径となるよう構成されることを特徴とする。

本発明によれば、画質のよい映像を効率よく表示する技術を提供することができる。

上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１の実施形態における映像表示システムの構成例を示す図である。 第１の実施形態におけるレーザー光源部の構成例を示す図である。 第１の実施形態における位相付与部の構成例を示す図である。 光拡散部、結像光学部、走査部及びスクリーンの設置条件を説明するための図である。 第1の実施形態に係る映像表示装置の構成例を示す図である。 第１の実施形態の変形例における光拡散部を説明するための図である。 第２の実施形態における位相付与部の構成例を示す図である。 第３の実施形態における位相付与部の構成例を示す図である。 第４の実施形態における位相付与部の構成例を示す図である。

従来のレーザー光を用いた映像表示装置において、スクリーンに対して出射された光は、スクリーン表面の凹凸に応じて位相が付与され、散乱する。スクリーンで散乱した光の一部は、利用者の網膜に到達する。レーザーは可干渉性を有するため、利用者の網膜に到達した光は、スクリーンで付与された位相に応じて、強めあったり、又は弱めあったりする。

これにより、利用者はスクリーン上に、スペックルと呼ばれるランダムな斑点模様を視認する。スクリーンに投影される映像にスペックルが重畳されることで、利用者の視認する画質の低下を招く。

＜第１の実施形態＞

以下、図面に基づいて本発明の実施形態の例を説明する。図１は、第１の実施形態における映像表示システム１の構成例を示す図である。映像表示システム１は、映像表示装置２と、スクリーン３と、を備える。

映像表示装置２は、レーザー光を走査して、投影面であるスクリーン３上に映像１１を表示する装置である。映像表示装置２は、レーザー光源部１００と、位相付与部１１０と、走査部１２０と、を備える。詳細は後述するが、レーザー光源部１００は、利用者に映像１１を表示するための可視光を出射する。

位相付与部１１０は、レーザー光源部１００から入射した光に位相を付与し、走査部１２０へと出射する。走査部１２０は、走査素子１２１を用いて投影面に映像１１を走査する。走査素子１２１は、ミラー面を備えており、ミラー面を用いて位相付与部１１０から入射したレーザー光を反射させ、スクリーン３へ走査する。

ミラー面は、例えば２軸で回転し、レーザー光をスクリーン３上に走査する。より具体的には、ミラー面は、スクリーン３上でレーザー光を図１に示すｙ方向（垂直方向）に走査する第１の回転軸と、レーザー光を図１に示すｘ方向（水平方向）に走査する第２の回転軸とを中心として回転する。第１の回転軸と第２の回転軸とは直交している。

本実施形態における映像表示装置２は、第１の回転軸及び第２の回転軸によるミラー面の回転と、レーザー光源部１００による出力強度とを同期して駆動することで、スクリーン３上に映像１１を表示することができる。

なお、図１に示す走査部１２０は１つの走査素子１２１を備えているが、これに限定されるものではない。例えば、走査部１２０は、各々がミラー面を有する２つの走査素子１２１を備えていてもよい。各走査素子１２１は、互いに異なる回転軸により回転する。走査部１２０は、各走査素子１２１の回転により、レーザー光をスクリーン３上のｘ方向及びｙ方向に走査できればよい。

また、スクリーン３は、映像表示中に振動又は回転するものであってもよい。スクリーン３は、図示しない駆動機構により、水平方向（ｘ方向）又は垂直方向（ｙ方向）に振動する。又は、ある時点のスクリーン３を基準面とした場合に、基準面の法線を中心軸として、当該基準面に平行に回転する。

これにより、利用者が視認するスペックルパターンが動的に変化する。即ち、スペックルパターンの時間積分によるスペックルパターンの低減効果を得ることができる。

図２は、第１の実施形態におけるレーザー光源部１００の構成例を示す図である。レーザー光源部１００は、レーザー光源１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃと、ダイクロイックミラー１０２ａ，１０２ｂを備えている。以下、レーザー光源１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃを区別する必要のない場合は、レーザー光源１０１と記載する。

レーザー光源１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃは、例えばレーザーダイオードであって、各々異なる色のレーザー光を出射する。例えば、レーザー光源１０１ａは「Ｒ（赤）」のレーザー光を出射し、レーザー光源１０１ｂは「Ｇ（緑）」のレーザー光を出射し、レーザー光源１０１ｃは「青」のレーザー光を出射する。

ダイクロイックミラー１０２ａ，１０２ｂは、レーザー光源１０１が出射した光を合波する。レーザー光源部１００において、レーザー光源１０１及びダイクロイックミラー１０２ａ，１０２ｂは、３色のレーザー光が略同一光軸で略同一方向に進行するように配置される。

なお、レーザー光源部１００の有するレーザー光源１０１の数はこれに限定されない。例えば、レーザー光源部１００は、１つ又は２つのレーザー光源１０１を用いて、スクリーン３に映像１１を投影してもよい。または、レーザー光源部１００は、１色につき複数個のレーザー光源１０１を用い、光の出力強度を高めてもよい。

図３は、第１の実施形態における位相付与部１１０の構成例を示す図である。位相付与部１１０は、集光光学部１３０と、光拡散部１４０と、結像光学部１５０と、を備える。集光光学部１３０は、集光レンズ１３１を備える。集光光学部１３０は、集光レンズ１３１を用いて、レーザー光源部１００より出射された光を、光拡散部１４０上に集光する。

光拡散部１４０は、少なくとも１つの透過型拡散部材１４１を備えており、入射した光を拡散する。透過型拡散部材１４１は、例えば入射した光の偏光を略乱さない透過型の拡散板である。換言すれば、透過型拡散部材１４１は、単一の偏光の光を入射した場合に、透過光の偏光が略単一となる。透過型拡散部材１４１は、例えば透過型表面拡散板である。

透過型拡散部材１４１は、例えば透過型回折格子であってもよい。透過型回折格子には、特定のパターンが繰り返し配置されている。透過型回折格子に入射した光は回折により広がって、結像光学部１５０に向かって出射される。透過型回折格子には、例えば格子形状のパターンが配置されている。格子形状を最適化することで、光拡散部１４０は所望の回折パターン及び所望の回折強度分布を得ることができる。

また、透過型拡散部材１４１は、例えば複数であってもよい。その場合、光拡散部１４０には各透過型拡散部材１４１が多段的に設置される。光拡散部１４０へ入射した光は透過型拡散部材１４１を通過するにつれて拡散し、結像光学部１５０に向けて出射される。これにより、拡散部材の選択度が増し、透過光の配光分布を所望の分布にすることができる。

結像光学部１５０は、光拡散部１４０で拡散した光を用いて、投影面に結像する。結像光学部１５０は、レンズ１５１を備える。レンズ１５１は、集光性能のよい光学系又は光学部品から構成されることが好ましい。レンズ１５１は、例えば光拡散部１４０側が平となる平凸レンズ、光拡散部１４０側が凹となるメニスカスレンズ、又は非球面レンズである。

本実施形態では、レーザー光源部１００から位相付与部１１０に到達した光は、集光光学部１３０に入射する。集光光学部１３０に入射する光のプロファイルは、コリメート光でもよいし、拡散光、又は収束光であってもよい。

集光光学部１３０は、入射した光を光拡散部１４０に対して出射する。光拡散部１４０の設置位置は、集光光学部１３０から出射した光が集光している範囲内である。なお、光が集光している範囲とは、例えば、光の半径がビームウェスト半径の√２倍以下となる範囲である。当該範囲はビームウェスト位置を中心として長さがレイリー長の２倍となる範囲に一致する。

光拡散部１４０は、集光光学部１３０から入射した光を拡散し、結像光学部１５０へと出射する。結像光学部１５０は、入射した拡散光を絞り、走査部１２０へと出射する。走査部１２０は、結像光学部１５０により出射された光を投影面であるスクリーン３に走査する。

なお、本実施形態における光拡散部１４０の備える透過型拡散部材１４１は、偏光を略乱さない。そのため、レーザー光源部１００が略単一の偏光を有するレーザー光を出射し、集光光学部１３０と、結像光学部１５０と、走査部１２０とで偏光を略維持するように構成することで、映像表示装置２は略単一の偏光の光を出力することが可能となる。

また、光拡散部１４０で拡散した光の広がり角を半角でθとした場合に、光拡散部１４０から距離Ｌだけ離れた位置における拡散光の半径は、Ｌ×ｔａｎθとなる。光拡散部１４０で拡散した光は、結像光学部１５０によりスクリーン３上で集光するが、結像光学部１５０とスクリーン３との間に位置する走査部１２０の有効半径を考慮しなければ、結像光学部１５０から出射した光が走査部１２０の有効半径からはみ出してしまい、光の利用効率の低下を招く。

また、結像光学部１５０は、光拡散部１４０を物面、スクリーン３を像面として、物面の像をスクリーン３に生成するが、光拡散部１４０におけるビーム径と、結像光学系の光学倍率を考慮しなければ、スクリーン３上のビーム半径が大きくなってしまい、映像１１の解像度が低下してしまう。また、光拡散部１４０におけるビーム径と、光拡散部１４０の有するパターンの間隔とを考慮しなければ、画質のよい映像１１を表示することができない。

そのため、本実施形態では、画質のよい映像を効率よく表示させるために、位相付与部１１０の各構成要素を調整する。以下、位相付与部１１０の各構成要素の設置条件について説明する。

図４は、光拡散部１４０、結像光学部１５０、走査部１２０及びスクリーン３の設置条件を説明するための図である。光拡散部１４０の出射側の光の半径をｈ、結像光学部１５０の半径をＲ、走査部１２０の有効半径をｒとし、光拡散部１４０で拡散した光の広がり角を半角でθとする。結像光学部１５０の半径は、例えばレンズ１５１の半径と同義である。また、光拡散部１４０と結像光学部１５０との距離をａ、結像光学部１５０とスクリーン３との距離をｂ、走査部１２０とスクリーン３との距離をｃとする。なお、走査部１２０とスクリーン３との距離ｃは、映像表示装置２の投影距離に略等しい。

光拡散部１４０により拡散した光は結像光学部１５０に入射し、走査部１２０に向かって出射される。結像光学部１５０から出射した光は、走査部１２０により走査され、スクリーン３まで到達する。位相付与部１１０は、光拡散部１４０を物面として、物面の像をスクリーン３に生成する。結像光学部１５０は、光拡散部１４０で拡散した光をより多く取り込むため、高開口数（numerical aperture：ＮＡ）の光学部品から構成されることが好ましい。

例えば、結像光学部１５０は、略ｓｉｎθかそれ以上の開口数を有するとよい。これにより、光拡散部１４０から出射された光が、結像光学部１５０の外へと漏れることを抑制することができる。

なお、広がり角θは、光拡散部１４０の出射した光のエネルギーのうち、所定の割合の光を取り込むことが可能な最小の立体角に対応する角度である。例えば、所定の割合を１／２とすると、光拡散部１４０の出射した光のエネルギーの１／２を取り込むことが可能な角度をθに設定することで、結像光学部１５０の外へと漏れる光を１／２以下に抑えることができる。

また、映像表示装置２がスクリーン３上に表示する映像１１の、単位長さあたりに解像させる画素数をｎとする。例えば、スクリーン３上の映像１１のｘ方向及びｙ方向の長さがそれぞれＬとＬ×ｇであって、表示する映像１１のｘ方向及びｙ方向の画素数がｍとｍ×ｇであるとする。映像１１の１画素毎をそれぞれ解像させる場合、ｎ＝ｍ／Ｌとなる。

一般に、映像１１のｋ画素毎をそれぞれ解像させる場合、ｎ＝ｍ／（ｋ×Ｌ）である。高解像度で映像１１を表示するためには、ｋ≦５となるように映像表示システム１を構成することが好ましい。

また、単位長さあたりに解像する画素数がｎであるため、映像表示装置２は、スクリーン３に投影される光の半径Ｈを１／２ｎと略等しくなるように構成する。Ｈ＝１／２ｎとなることが好ましい。

また、走査部１２０の有する走査素子１２１のミラー面は円形であって、該円形の半径をｓとする。走査部１２０の有効半径がｒであるため、結像光学部１５０から走査部１２０に入射する光の入射角がψである場合、ｒ＝ｓ×ｃｏｓψであるといえる。

結像光学部１５０から出射した光が、有効半径ｒの走査部１２０の外に漏れることなく、スクリーン３上で半径Ｈの光を投影するために、映像表示装置２は以下の構成を有する。具体的には、結像光学部１５０は、投影面であるスクリーンにおけるビーム径及び走査部１２０における有効径を、投影面から走査部１２０までの距離及び投影面から結像光学部１５０までの距離を用いて補外した値以下の径の光を入射するよう構成される。

即ち、スクリーン３における光の半径Ｈ及び走査部１２０における有効半径ｒを、スクリーンから走査部１２０までの距離ｃ及びスクリーンから結像光学部１５０までの距離ｂを用いて補外した値以下の半径の光を、結像光学部１５０に入射する。換言すれば、結像光学部１５０に入射する光の半径Ｒが、以下の条件を満たす。

Ｒ≦{（ｒ－Ｈ）×ｂ／ｃ}＋Ｈ

また、光拡散部１４０とスクリーン３は物面と像面の関係にあることから、スクリーン３上の光の半径をＨとするために、光拡散部１４０を出射する光の半径ｈが、Ｈを光学倍率（ｂ／ａ）で除した値に略等しいか、それ以下となるように映像表示装置２を構成する。

また、光拡散部１４０で拡散した光の広がり角は半角でθであるため、光拡散部１４０で拡散した光が結像光学部１５０まで到達したときの、結像光学部１５０における光の半径Ｒはｈ＋ａ×ｔａｎθと表すことができる。そのため、映像表示装置２は以下の条件を満たすよう構成される。

ｈ＋ａ×ｔａｎθ≦{（ｒ－Ｈ）×ｂ／ｃ}＋Ｈ

また、光拡散部１４０の拡散パターンの代表長さを、光拡散部１４０によって光に付与される位相パターンの相関長と定義する。この場合、代表長さが、光拡散部１４０における光の半径ｈ以下となるように、光拡散部１４０を構成する。

なお、レーザー光源部１００及び集光光学部１３０は、光拡散部１４０からの出射側の光の半径がｈとなるよう構成する。そのため、レーザー光源部１００は、図示しないレンズや曲面ミラー等の光学部品を備えていてもよい。

図５は、第1の実施形態に係る映像表示装置２の構成例を示す図である。本実施形態において、投影距離に対し映像表示装置２自体の大きさが小さくなるよう構成するため、光学倍率（ｂ／ａ）は大きくなる。そのため、光拡散部１４０における光の半径ｈは、スクリーン３上での光の半径Ｈより小さくなる。

図５に示す構成例２では、構成例１と比べて走査部１２０の有効半径ｒが小さいため、結像光学部１５０での光の半径Ｒを構成例１と比べて小さくする。そのために、構成例２では、光拡散部１４０から結像光学部１５０までの距離ａを構成例１と比べて小さくなるよう構成している。即ち、構成例２の光学倍率（ｂ／ａ）は構成例１より大きくなる。そのため、光拡散部１４０での光の半径ｈが構成例１より小さくなるよう構成している。

本実施形態によれば、光拡散部１４０で拡散した光が、結像光学部１５０及び走査部１２０の有効半径から漏れ出ることを抑止しつつ、スクリーン３に到達する。そのため、光の利用効率が向上する。また、拡散した光を絞ることができるため、スクリーン３に高画質の映像１１を表示することが可能である。

また、レーザー光源部１００から出射した光は、位相付与部１１０によって位相が付与され、走査部１２０によりスクリーン３上を走査する。そのため、スクリーン３上に表示される映像１１に対するスペックルを低減することができる。

＜変形例＞

次に、第１の実施形態の変形例について説明する。図６は、第１の実施形態の変形例における光拡散部１４０を説明するための図である。以下、上述の実施形態と異なる点について説明する。変形例における光拡散部１４０は、偏光を乱すよう構成される。

図６（ａ）は、変形例における光拡散部１４０の一例を示す図である。光拡散部１４０は、透過型拡散部材１４１に代えて、又は透過型拡散部材１４１に加えて、偏光を乱す透過型の拡散板１４２を備える。拡散板１４２は、例えば透過型の体積拡散板である。拡散板１４２は、入射した光を拡散するとともに、単一の偏光の光を入射した場合であっても、拡散した光の偏光をランダムにするという性質を有する。

従って、レーザー光源部１００が略単一の偏光を有する光を出力し、集光光学部１３０と、結像光学部１５０と、走査部１２０とが偏光を略維持するよう構成された場合であっても、拡散板１４２を用いることにより、映像表示装置２が出力する光の偏光は単一でないものとなる。これにより、偏光の多重によるスペックル低減効果を得ることができる。

図６（ｂ）は、変形例における光拡散部１４０の他の例を示す図である。光拡散部１４０は、透過型拡散部材１４１に代えて、又は透過型拡散部材１４１に加えて、透過型の複合波長板１４３を備えている。複合波長板１４３は、偏光軸の異なる波長板が二次元上（同一平面上）に複数配置されている波長板である。

図６（ｃ）は、複合波長板１４３による偏光を説明するための図である。複合波長板１４３には、図６（ｃ）に示すように、偏光軸が４５度ずれている２種類の波長板が格子形状に配置されている。偏光軸の異なる波長板が二次元上に複数配置されていることにより、光が回折して広がって出力される。これにより、複合波長板１４３は光を拡散する機能を発揮する。

また、複合波長板１４３に単一の偏光を有する光を入射すると、偏光軸の異なる波長板により、偏光の異なる複数の光が出力される。従って、偏光の多重によるスペックル低減効果を得ることができる。

＜第２の実施形態＞

図７は、第２の実施形態における位相付与部１１０の構成例を示す図である。第２の実施形態における位相付与部１１０は、第１の実施形態における位相付与部１１０と一部において共通し、一部において異なる。以下、第１の実施形態と異なる点について説明する。第２の実施形態における位相付与部１１０は、光拡散部駆動部２００を備える。また、第２の実施形態における位相付与部１１０は、光拡散部１４０に代わって、可動式光拡散部１４０Ａを備える。光拡散部駆動部２００は、可動式光拡散部１４０Ａを駆動する。

光拡散部駆動部２００は、モーター等の図示しない駆動素子を備え、可動式光拡散部１４０Ａを駆動する。光拡散部駆動部２００は、例えば可動式光拡散部１４０Ａを振動又は回転させる。可動式光拡散部１４０Ａは、第１の実施形態における拡散部と同様に、透過型拡散部材１４１を備えている。透過型拡散部材１４１は、入射された光の偏光を乱さないものであってもよいし、偏光を乱すものであってもよい。可動式光拡散部１４０Ａは、光拡散部駆動部２００によって駆動する点においてのみ、光拡散部１４０と異なる。

可動式光拡散部１４０Ａの駆動は、可動式光拡散部１４０Ａに入射する光に略垂直な面内で行われることが好ましい。具体的には、可動式光拡散部１４０Ａは、入射する光に垂直な状態を保ったまま、即ち入射する光を法線とする状態のまま、上下左右に駆動することが好ましい。また、可動式光拡散部１４０Ａは、入射する光に平行する線を中心軸として回転することが好ましい。

これにより、集光光学部１３０から可動式光拡散部１４０Ａまでの距離、及び可動式光拡散部１４０Ａから結像光学部１５０までの距離を保ったまま、可動式光拡散部１４０Ａを通過する光に、時間的に変化する位相を付与することができる。なお、集光光学部１３０から可動式光拡散部１４０Ａまでの距離、及び可動式光拡散部１４０Ａから結像光学部１５０までの距離を保つということは、表示する映像１１の解像度を保つことができることを意味する。

なお、可動式光拡散部１４０Ａの駆動の周波数は、走査部１２０における図１に示すｙ方向の走査周波数の略整数倍又は略半整数倍とならないよう構成することが好ましい。これにより、可動式光拡散部１４０Ａの駆動と、走査部１２０による光の走査とのビートによる明るさムラなどの映像１１の乱れを視認しにくくすることが可能である。

また、可動式光拡散部１４０Ａは、複数の透過型拡散部材１４１を備えていてもよい点は、第１の実施形態と同様である。この場合、光拡散部駆動部２００は、１つの透過型拡散部材１４１を駆動してもよいし、複数の透過型拡散部材１４１を駆動してもよい。また、複数の透過型拡散部材１４１を駆動する場合、各駆動の位相や軌跡が異なるように駆動すれば、駆動の振幅や周波数を低減することが可能となる。

本実施形態により、可動式光拡散部１４０Ａを通過する光に時間変化する位相を付与することができる。これにより、利用者の網膜上で生成されるスペックルパターンが時間変化するため、スペックルパターンの時間積分により、スペックルの発生を抑制することができる。

＜第３の実施形態＞

図８は、第３の実施形態における位相付与部１１０の構成例を示す図である。第３の実施形態における位相付与部１１０は、第１，第２の実施形態における位相付与部１１０と一部において共通し、一部において異なる。以下、第１，第２の実施形態と異なる点を説明する。

第３の実施形態における位相付与部１１０は、光分岐部２１０と、対物光学部２２０と、光拡散部２３０と、結像光学部２４０と、を備える。光分岐部２１０は、レーザー光源部１００から後述の光拡散部２３０に向かって進行する光路と、光拡散部２３０からスクリーン３に向かって進行する光路とを分離する。光分岐部２１０は、例えば入射した光の有する偏光により光を分岐する。また、光分岐部２１０は、光拡散部２３０から対物光学部２２０を経由して入射した光を分岐し、後述の結像光学部２４０へと導く。

光分岐部２１０は、偏光分岐素子２１１と、λ／４波長板２１３とを備える。偏光分岐素子２１１は、所定の偏光の光を通過させ、所定の偏光と異なる偏光の光を反射する面２１２を有する。偏光分岐素子２１１は、例えば偏光ビームスプリッターである。偏光分岐素子２１１の面２１２は、例えばＰ偏光の光を透過させ、Ｓ偏光の光を反射する。λ／４波長板２１３は、直線偏光と円偏光とを互いに変換する。偏光分岐素子２１１は、レーザー光源部１００側に位置する第１の面２１１ａと、第１の面２１１ａに対向し対物光学部２２０側に位置する第２の面２１１ｂと、第１の面２１１ａ及び第２の面２１１ｂと直交する第３の面２１１ｃとを有する。

対物光学部２２０は、光分岐部２１０から入射した光を集光する。また、対物光学部２２０は、後述の光拡散部２３０から入射した光を光分岐部２１０へ導く。対物光学部２２０は、例えば主軸が光拡散部２３０の法線と平行であって、かつ光分岐部２１０から入射した光の光軸と該主軸とが略等しい。また、対物光学部２２０は、光拡散部２３０から入射した光を光分岐部２１０へと出射する際、略平行光（コリメート光）の光を出射する。

光拡散部２３０は、少なくとも１つの反射型拡散部材２３１を備えており、入射した光を拡散する。反射型拡散部材２３１は、例えば入射した光の偏光を略乱さない反射型の拡散板である。換言すれば、反射型拡散部材２３１は、単一の偏光の光を入射した場合に、反射光の偏光が略単一となる。例えば、反射型拡散部材２３１に右回り円偏光の光を入射すると、反射光の偏光は略左回り円偏光になる。

例えば光拡散部２３０の備える反射型拡散部材２３１は、反射型表面拡散板又は反射型の回折素子である。また、光拡散部２３０は、複数の反射型拡散部材２３１を備えていてもよい。なお、光拡散部２３０の設置位置は、対物光学部２２０から出射した光が集光している範囲内である。

結像光学部２４０は、光拡散部２３０で拡散した光を用いて、スクリーン３上に映像を結像する。結像光学部２４０は、光分岐部２１０により分岐された光を入射するレンズ２４１を備える。

本実施形態において、レーザー光源部１００は、略単一の偏光の光を出射する。以下、レーザー光源部１００が、略Ｐ偏光のみの光を出射するものとして説明する。レーザー光源部１００の出射した光は、位相付与部１１０に到達し、光分岐部２１０の備える偏光分岐素子２１１の第１の面２１１ａに入射する。本実施形態において、偏光分岐素子２１１の有する面２１２は、Ｐ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する。

レーザー光源部１００から偏光分岐素子２１１に入射した光は略Ｐ偏光であるため、面２１２を通過し、偏光分岐素子２１１の有する第２の面２１１ｂから出射される。出射された光は、λ／４波長板２１３に入射する。λ／４波長板２１３は、入射した略Ｐ偏光の光を円偏光の光に変換する。λ／４波長板２１３は、例えば略右回り円偏光の光を、入射した面と反対側の面から対物光学部２２０へと出射する。

出射した光は対物光学部２２０により光拡散部２３０上に集光される。光拡散部２３０は、入射した光を拡散して出射する。光拡散部２３０には略右回り円偏光の光が入射されたため、光拡散部２３０は略左回り円偏光の光を出射する。対物光学部２２０は、光拡散部２３０からの光を入射する。

なお、対物光学部２２０は、第１の実施形態における結像光学部１５０と同様に、光拡散部２３０で拡散した光をより多く取り込むため、高開口数の光学部品から構成されることが好ましい。例えば、対物光学部２２０は、光拡散部２３０で拡散した光の広がり角を半角でθとした場合に、略ｓｉｎθかそれ以上の開口数を有することが好ましい。これにより、光拡散部２３０から出射された光が、対物光学部２２０の外へと漏れることを抑制し、光の利用効率を高めることができる。

また、対物光学部２２０は、スクリーン３上に高画質の映像１１を生成するために、集光性能の良い光学系又は光学部品から構成されることが好ましい。例えば、対物光学部２２０に用いられるレンズ２２１は、光拡散部２３０側が平となる平凸レンズ、光拡散部２３０側が凹となるメニスカスレンズ、又は非球面レンズである。

対物光学部２２０の出射した光は、位相付与部１１０に到達し、λ／４波長板２１３に入射される。対物光学部２２０は偏光を維持するため、λ／４波長板２１３の入射する光の偏光は、光拡散部２３０から出射された略左回り円偏光である。λ／４波長板２１３は、入射した略左回り円偏光の光を直線偏光、例えば略Ｓ偏光に変換して出射する。

λ／４波長板２１３から出射した光を、偏光分岐素子２１１が入射する。入射した光は略Ｓ偏光であるため、面２１２に反射され、第２の面２１１ｂに垂直な第３の面２１１ｃから出射される。換言すれば、偏光分岐素子２１１は、λ／４波長板２１３から入射した光を分岐して結像光学部２４０へと導く。偏光分岐素子２１１から出射した光は、結像光学部２４０に入射し、結像光学部２４０から走査部１２０に出射される。結像光学部２４０は、出射した光を用いてスクリーン３上に映像を結像する。

次に、本実施形態における映像表示装置２の設置条件について、第１の実施形態における映像表示装置２と設置条件が一部共通するため、図４を用いて説明する。本実施形態において、レーザー光源部１００から出射した光は、対物光学部２２０によって光拡散部２３０上で集光する。これは、第１の実施形態において、レーザー光源部１００から出射した光が、集光光学部１３０によって光拡散部２３０上で集光する点と同様である。

また、本実施形態において、対物光学部２２０及び結像光学部２４０は、光拡散部２３０を物面として、物面の像をスクリーン３上に生成する。これは、第１の実施形態において、結像光学部２４０が、光拡散部２３０を物面として、物面の像をスクリーン３上に生成することに対応している。

対物光学部２２０と結像光学部２４０とを構成する光学素子、及びその間の光学的な間隔から定まる光学系を、合成結像光学部１５０Ａと定義する。即ち、合成結像光学部１５０Ａは、対物光学部２２０と、結像光学部２４０とを含む。本実施形態において、図４は、合成結像光学部１５０Ａが光拡散部２３０を物面として、物面の像をスクリーン３上に生成する光学系を示す。図４において、ａは光拡散部２３０から合成結像光学部１５０Ａの前側（光拡散部２３０側）主平面までの距離、ｂは合成結像光学部１５０Ａの後側（走査部１２０側）主平面からスクリーン３までの距離、Ｒは対物光学部２２０と結像光学部２４０とを合成結像光学部１５０Ａで置き換えた場合における合成結像光学部１５０Ａの光の半径である。

合成結像光学部１５０Ａは、投影面であるスクリーン３上におけるビーム径及び走査部１２０における有効半径を、距離ｃ及び距離ｂを用いて補外した値以下の径の光を入射するよう構成される。即ち、スクリーン３における光の半径Ｈ及び走査部１２０における有効半径ｒを、スクリーンから走査部１２０までの距離ｃ及びスクリーンから合成結像光学部１５０Ａの主平面までの距離ｂを用いて補外した値以下の半径の光を、合成結像光学部１５０Ａに入射する。換言すれば、合成結像光学部１５０Ａに入射する光の半径Ｒが、以下の条件を満たす。

Ｒ≦{（ｒ－Ｈ）×ｂ／ｃ}＋Ｈ

また、第１の実施形態と同様に、スクリーン３上の光の半径をＨとするために、光拡散部２３０を出射する光の半径ｈが、Ｈを光学倍率（ｂ／ａ）で除した値に略等しいか、それ以下となるように映像表示装置２を構成する。

また、光拡散部２３０で拡散した光の広がり角は半角でθであって、光拡散部２３０で拡散した光が合成結像光学部１５０Ａまで到達したときの、合成結像光学部１５０Ａにおける光の半径Ｒはｈ＋ａ×ｔａｎθと表すことができる。そのため、映像表示装置２は以下の条件を満たすよう構成される。

ｈ＋ａ×ｔａｎθ≦{（ｒ－Ｈ）×ｂ／ｃ}＋Ｈ

なお、レーザー光源部１００及び集光光学部１３０は、光拡散部２３０からの出射側の光の半径がｈとなるよう構成する。そのため、レーザー光源部１００は、図示しないレンズや曲面ミラー等の光学部品を備えていてもよい。

本実施形態によれば、光利用効率がよく、かつスペックル低減により画質の高い映像表示装置２を提供することができる。また、レーザー光源部１００からスクリーン３に到達するまでの光路の一部を共通化しているため、映像表示装置２を小型にすることが可能である。また、光拡散部２３０への集光や拡散光の入射を対物光学部２２０で行うことから、多くの光学部品を使用する場合に比べて設置難易度を低減することができる。

付言すれば、対物光学部２２０は光分岐部２１０に対して略平行光を出射し、光分岐部２１０は当該略平行光を結像光学部２４０に導くため、光路長に不敏感な合成結像光学部１５０Ａを構成することができ、設置難易度の低減に寄与しうる。

＜第４の実施形態＞

図９は、第４の実施形態における位相付与部１１０の構成例を示す図である。以下、第１・第２・第３の実施形態と異なる点を説明する。本実施形態における位相付与部１１０は、光拡散部２３０への入射光と光拡散部２３０からの出射光とが異なる光軸を有する。

光分岐部２１０は、第３の実施形態における偏光分岐素子２１１及びλ／４波長板２１３に代えて、反射ミラー２１４を備える。反射ミラー２１４は、レーザー光源部１００から入射した光と、対物光学部２２０から入射した光とのいずれか一方を反射する。反射ミラー２１４は、対物光学部２２０から入射した光を反射する場合、反射した光を結像光学部２４０へと導く。

また、対物光学部２２０はレンズ２２１を備えており、レーザー光源部１００から光分岐部２１０を経由して対物光学部２２０へと入射する光の光軸と、レンズ２２１の主軸との位置が異なる。なお、レーザー光源部１００から対物光学部２２０の入射する光の光軸と、レンズ２２１の主軸と、光拡散部２３０の有する反射型拡散部材２３１の法線とは、平行であることが好ましい。

即ち、第４の実施形態における位相付与部１１０は、レーザー光源部１００から対物光学部２２０へと入射する光の光軸と、対物光学部２２０から光分岐部２１０へと入射する光の光軸との位置が異なるよう構成されている。

本実施形態において、レーザー光源部１００の出射した光は光分岐部２１０を通過して対物光学部２２０に入射する。対物光学部２２０の出射した光が光拡散部２３０に反射し、拡散して再度対物光学部２２０に入射する。対物光学部２２０を出射した光は、反射ミラー２１４において反射し、走査部１２０へと入射し、スクリーン３上を走査する。

なお、光拡散部２３０は、偏光を略乱さない反射型拡散装置を備えるものであってもよいし、偏光を乱す反射型拡散部材２３１を備えるものであってもよい。偏光を乱す反射型拡散部材２３１を備える光拡散部２３０を用いることで、偏光の多重によるスペックル低減効果を得ることができる。

また、対物光学部２２０の出射した光が反射ミラー２１４に反射し、結像光学部２４０へ入射するものと説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、レーザー光源部１００から位相付与部１１０へと出射した光が反射ミラー２１４に反射し、対物光学部２２０へと入射してもよい。その後対物光学部２２０の出射した光が光拡散部２３０に反射し、対物光学部２２０へと再度入射した後、反射ミラー２１４に反射されずに結像光学部２４０へと入射されるよう構成してもよい。

又は、光分岐部２１０は、複数の反射ミラー２１４を備え、レーザー光源部の出射した光と、対物光学部２２０の出射した光との各々を反射してもよい。

本実施形態によれば、偏光分岐素子２１１や波長板を用いる場合に比べて、映像表示装置２をより簡素化することができる。また、光拡散部２３０によるスペックル低減効果により、高画質な映像１１を表示する映像表示装置２を提供することができる。また、合成結像光学部１５０Ａを適切に設置することにより、光の利用効率を向上させることができる。

以上、本発明に係る各実施形態及び変形例の説明を行ってきたが、本発明は、上記した実施形態の一例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態の一例は、本発明を分かり易くするために詳細に説明したものであり、本発明は、ここで説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ある実施形態の一例の構成の一部を他の一例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の一例の構成に他の一例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の一例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることもできる。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、図中の制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、全てを示しているとは限らない。ほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

また、上記の映像表示装置の構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。

１：映像表示システム、２：映像表示装置、３：スクリーン、１１：映像、１００：レーザー光源部、１０１：レーザー光源、１１０：位相付与部、１２０：走査部、１２１：走査素子、１３０：集光光学部、１３１：集光レンズ、１４０・２３０：光拡散部、１４０Ａ：可動式光拡散部、１４１：透過型拡散部材、１４２：拡散板、１４３：複合波長板、１５０・２４０：結像光学部、１５０Ａ：合成結像光学部、１５１・２２１・２４１：レンズ、２００：光拡散部駆動部、２１０：光分岐部、２１１：偏光分岐素子、２１２：面、２１３：λ／４波長板、２１４：反射ミラー、２２０：対物光学部、２３１：反射型拡散部材

Claims (9)

1. レーザー光を出射するレーザー光源部と、
   前記レーザー光を分岐する光分岐部と、
   前記光分岐部を通過した光を集光する対物光学部と、
   前記対物光学部からの光を拡散する反射型の光拡散部と、
   前記光拡散部で拡散し、前記対物光学部を出射した略平行光を用いて投影面に結像する結像光学部と、
   前記結像光学部からの光を前記投影面上に走査する走査部と、を備え、
   前記対物光学部及び前記結像光学部は合成結像光学部を形成し、
   前記光分岐部は、前記光拡散部からの光を前記結像光学部へ導き、
   前記結像光学部は、前記投影面におけるビーム径及び前記走査部における有効径を、前記投影面から前記走査部までの第１の距離及び前記投影面から前記結像光学部までの第２の距離を用いて補外した値以下の径で、前記光拡散部により拡散した光が前記結像光学部の前記光拡散部側の面に照射されるものであり、
   前記レーザー光源部は、レンズ又はミラーを用いて、前記結像光学部の前記光拡散部側の面に照射される光の径であって、前記光拡散部の出射した光のエネルギーの１／２を取り込む光の径が前記補外した値以下の径となるよう構成されることを特徴とする、映像表示装置。
2. 請求項１に記載の映像表示装置であって、
   前記対物光学部は、前記光拡散部からの光が入射され、略平行光を出射することを特徴とする、映像表示装置。
3. 請求項１に記載の映像表示装置であって、
   前記対物光学部は、主軸が前記光拡散部の法線と平行であって、該主軸と前記光分岐部から入射した光の光軸とが略等しいことを特徴とする、映像表示装置。
4. 請求項１に記載の映像表示装置であって、
   前記光分岐部は、偏光分岐素子及びλ／４波長板を備え、
   前記偏光分岐素子は、λ／４波長板から入射した光を分岐して前記結像光学部へ導くことを特徴とする、映像表示装置。
5. レーザー光を出射するレーザー光源部と、
   前記レーザー光源部が出射した光を集光する対物光学部と、
   前記レーザー光源部から入射した光又は前記対物光学部から入射した光を反射するミラーと、
   前記対物光学部からの光を拡散する反射型の光拡散部と、
   前記光拡散部で拡散し、前記対物光学部を出射した略平行光を用いて投影面に結像する結像光学部と、
   前記結像光学部からの光を前記投影面上に走査する走査部と、を備え、
   前記対物光学部及び前記結像光学部は合成結像光学部を形成し、
   前記ミラーは、
   前記レーザー光源部から入射した光を反射する場合、反射した光は前記対物光学部に入射され、
   前記対物光学部から入射した光を反射する場合、反射した光は前記結像光学部に入射され、
   前記対物光学部へ出射した光の光軸と、前記対物光学部から入射した光の光軸とが異なり、
   前記結像光学部は、前記投影面におけるビーム径及び前記走査部における有効径を、前記投影面から前記走査部までの第１の距離及び前記投影面から前記結像光学部までの第２の距離を用いて補外した値以下の径で、前記光拡散部により拡散した光が前記結像光学部の前記光拡散部側の面に照射されるものであり、
   前記レーザー光源部は、レンズ又はミラーを用いて、前記結像光学部の前記光拡散部側の面に照射される光の径であって、前記光拡散部の出射した光のエネルギーの１／２を取り込む光の径が前記補外した値以下の径となるよう構成されることを特徴とする、映像表示装置。
6. 請求項１又は５に記載の映像表示装置であって、
   前記光拡散部を出射する光の半径＝ｈ、前記光拡散部と前記合成結像光学部の前側主平面との距離＝ａ、前記合成結像光学部の後側主平面と前記投影面との距離＝ｂ、前記走査部と前記投影面との距離＝ｃ、前記光拡散部で拡散した光の広がり角の半角＝θ、前記投影面に投影される光の半径＝Ｈである場合に、
   ｈ＋ａ×ｔａｎθ≦{（ｒ－Ｈ）×ｂ／ｃ}＋Ｈ
   を満たし、
   θは、前記光拡散部の出射した光のエネルギーの１／２を取り込むことが可能な前記広がり角の半角であることを特徴とする、映像表示装置。
7. 請求項１に記載の映像表示装置であって、
   前記光拡散部は少なくとも１つの拡散部材を備え、
   前記拡散部材の少なくとも１つは、振動又は回転することを特徴とする、映像表示装置。
8. 請求項１に記載の映像表示装置であって、
   前記結像光学部は、前記光拡散部側が平となる平凸レンズ、前記光拡散部側が凹となるメニスカスレンズ、又は非球面レンズを備えることを特徴とする、映像表示装置。
9. 請求項１に記載の映像表示装置と、スクリーンとを備え、
   前記映像表示装置は、前記スクリーンを前記投影面として映像を表示し、
   前記スクリーンは、映像表示中に振動又は回転することを特徴とする、映像表示システム。

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