JPWO2005083492A1 - 照明光源及びそれを用いた２次元画像表示装置 - Google Patents

照明光源及びそれを用いた２次元画像表示装置 Download PDF

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Abstract

レーザ光源からのビームをスクリーン上にて２次元に走査し、映像を表示するレーザディスプレイにおいて、光源のコヒーレンシーに起因するスペックルノイズによって表示される画質が著しく低下する。スクリーンを振動するなどの方法でスペックルを除去するには装置が大がかりになる、スクリーンを自由に選ぶことができないなどの課題がある。 ビーム振動手段３によって、スクリーン上の光スポットを高速に振動することによって発生するスペックルパターンを高速に変化させ、観察者には時間平均されたスペックルノイズのない画像を認知させる。

Description

本発明は、レーザ光源を用いたテレビ受像器、映像投写装置などの画像表示装置、及び画像を投影するための照明光源に関するものである。
図７に例えば非特許文献１などに詳説されている従来のレーザディスプレイの概略構成を示す。ＲＧＢ３色のレーザ光源からの光はダイクロイックミラー１０２ａ，１０２ｂにて合波され、ポリゴンスキャナ１０４にて水平方向に、ガルバノスキャナ１０５によって垂直方向に走査され、スクリーン１０８上に照射される。このとき、入力映像信号に応じて光変調器１０６ａ〜１０６ｃで強度変調することで、スクリーン上に映像が表示される。たとえば、ＮＴＳＣビデオ信号に相当する動画を表示するためには、水平方向の走査線約５００本を毎秒３０フレーム表示することになり、水平走査線数は毎秒１５０００本となる。これはたとえばポリゴンスキャナを３０面体とし、３万ｒｐｍで回転させることで実現される。ガルバノミラーは毎秒３０回垂直方向に往復振動させる。水平方向の分解能は、この走査速度に対して、光変調器の変調速度で決まる。例えば上記の走査速度で水平方向に５００ＴＶ本の分解能を得るためには５００×１５０００＝７５０００００より、１０ＭＨｚ程度の帯域幅が必要となる。この帯域幅は、音響光学効果を用いた光変調器や電気光学効果を用いた光変調器によって実現される。
この構成のディスプレイの特徴は、ＲＧＢそれぞれの光源の光が単色光であるため、適当な波長のレーザ光源を用いることで、色純度が高く、鮮やかな画像の表示が可能となることである。例えば赤色光源として、波長６４７．１ナノメートルのクリプトンイオンレーザ、青色光源として波長４４１．６ナノメートルのヘリウムカドミウムレーザ、緑色光源として、波長５３２ナノメートルのネオジウムドープＹＡＧレーザの第２高調波を用いることでそれぞれの鮮やかな単色の色表示が可能となる。
しかしながら、図７の構成のディスプレイでは、光源に干渉性の高いレーザ光源を用いているために生じる、いわゆるスペックルノイズが問題となる。スペックルノイズは、レーザ光がスクリーン１０８で散乱される際、スクリーン１０８上の各部分からの散乱光同士が干渉することによって生じる微細なムラ状のノイズである。スクリーン１０８はランダムな表面形状をもち、スクリーンで散乱されるレーザ光は微細な凹凸形状によって干渉し、観察する方向によって微細な明暗のパターンを生じ、スペックルノイズとなる。
これに対して、従来はスクリーン１０８を振動させることで除去していた。これはスクリーンの位置が逐次変化するため、逐次スクリーンでの干渉状態が変化し、スペックルパターンが変化することを利用している。瞬時瞬時にはスペックルは消失しないが、そのパターンが振動によって高速に変化し、観察者はその時間平均されたパターンを認知するため、スペックルが消失したように観察される。このようにスクリーンを振動させる方法は、観察像から有効にスペックルを除去することができるが、反面、振動可能な特別なスクリーンを使用する必要があり、例えば固定された壁面などを、自由にスクリーンに用いることができないなどの問題があった。
Ｂａｋｅｒ ｅｔ ａｌ，"Ａ ｌａｒｇｅ ｓｃｒｅｅｎ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，"Ｐｒｏｃ．Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ６ｔｈ Ｎａｔ’ｌ Ｓｙｍｐ．，８５−１０１（１９６５）．
そこで本発明は、このような問題を解決し、レーザ光源等のコヒーレント光源を用いた場合に特有のスペックルノイズを効果的に抑制し得る照明光源、及び当該照明光源を用いた高画質な映像表示が可能な２次元画像表示装置を提供することを目的とする。
この目的のために本発明の一態様に係る２次元画像表示装置は、コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源からの光を２次元に走査させる２次元ビーム走査手段と、前記コヒーレント光源からの光を強度変調する光強度変調手段と、前記コヒーレント光源からの光を微小に振動させるビーム振動手段と、を少なくとも具備することを特徴とする。
この態様によれば、コヒーレント光源からの光は、光強度変調手段により、例えば入力映像信号等に応じて強度変調され、スクリーンとして機能する所定の壁等の上に投影され得る。当該投影された光は、例えばポリゴンスキャナやガルバノスキャナ等から選択された組み合わせを有する２次元ビーム走査手段によりスクリーン上で２次元に走査される。このとき、当該投影された光は、ビーム振動手段により微小に振動させられ、スクリーン上の異なる場所を次々と照射するため、散乱光により発生するスペックルノイズのパターンも次々と変動する。そして、人間の目ではスペックルノイズのパターンが時間平均されて感知されるため、レーザ光源等のコヒーレント光源を用いた表示装置に特有のスペックルノイズが効果的に抑制された、高画質な映像表示が可能となる。
また、本発明の一態様に係る照明光源は、コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源からの光を走査するビーム走査手段と、前記コヒーレント光源からの光を強度変調する光強度変調手段と、前記コヒーレント光源からの光を微小に振動するビーム振動手段と、を少なくとも具備することを特徴とする。
この態様によれば、コヒーレント光源からの光は、光強度変調手段により、例えば入力映像信号等に応じて強度変調され、所定のスクリーン等に投影される。このとき、ビーム走査手段は光を１次元に走査させる構成であってもよいし、２次元に走査させる構成であってもよい。１次元に走査させる構成の場合には、その走査方向と直交する方向に走査させる機構を外部に設けることで、例えば、２次元のスクリーン上に画像を表示させることも可能となる。
また、投影される光は、ビーム振動手段により微小に振動させられ、スクリーン上の異なる場所を次々と照射するため、散乱光により発生するスペックルノイズのパターンも次々と変動する。そして、人間の目ではスペックルノイズのパターンが時間平均されて感知されるため、レーザ光源等のコヒーレント光源に特有のスペックルノイズが効果的に抑制された、高画質な映像表示が可能な光源が実現できる。
［図１］本発明の２次元画像表示装置の実施の形態１の概略構成図
［図２］本発明の２次元画像表示装置の実施の形態１における照明ビームの走査方法を表す図
［図３］本発明の２次元画像表示装置の実施の形態１におけるビーム振動手段の概略図
［図４］本発明の２次元画像表示装置の実施の形態２の概略構成図
［図５］第２次高調波発生デバイスを用いた波長変換手段とビーム振動手段とを同一基板中に集積化する一形態を示す概略構成図
［図６］本発明の２次元画像表示装置の実施の形態３の概略構成図
［図７］従来のレーザ２次元画像表示装置の概略構成図
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１に本発明の２次元画像表示装置の概略構成図を示す。赤色レーザ光源１ａ、緑色レーザ光源１ｂ、青色レーザ光源１ｃから出射した光は映像信号によって光を変調する光変調器６ａ、６ｂ、６ｃによってそれぞれ変調され、ダイクロイックミラー２ａ、２ｂによって合波される。さらに光ビームはポリゴンスキャナ４によってｘ方向に偏向（水平走査）された後、ガルバノスキャナ５によってｙ方向に偏向（垂直走査）され、スクリーン８上に２次元画像として投射される。このとき、光変調器６ａ〜６ｃで変調された光ビームはビーム振動手段３によって、スクリーン８上で微小に振動させられる。このとき、スクリーン上でのビームは集光レンズ９によって微小な光スポットに集光されている。そして、当該光スポットの大きさは、ビーム振動手段３によるスクリーン８上での振動振幅よりも小さい。
本実施の形態及び以下の実施の形態２，３を通じて、ポリゴンスキャナ４とガルバノスキャナ５から選ばれる組み合わせが２次元ビーム走査手段としての、また光変調器６ａ〜６ｃが光強度変調手段としての、そして集光レンズ９がビーム集光手段としての機能を有する。
赤色レーザ光源１ａはＨｅ−Ｎｅレーザ、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザなど、緑色レーザ光源１ｂは、ＡｒレーザやＹＡＧ固体レーザを基本波とするＳＨＧレーザなど、青色レーザ光源１ｃはＨｅ−ＣｄレーザやＧａＮ系の半導体レーザ、ＹＶＯ４固体レーザを基本波とするＳＨＧレーザなどを用いることができる。
次にスペックルノイズの抑圧される様子を、スクリーン８上の光スポットの走査パターンを用いて説明する。光スポットがスクリーン８上で走査される時の様子を表したのが図２である。スクリーン８に入射する光は上述のように、ポリゴンスキャナ４及びガルバノスキャナ５によって点線で示したように走査され、スクリーン８全体の矩形領域を照射しつつ、その走査位置の画素に応じて強度変調されている。
ここでスクリーン上の画素とは、図２の縦方向（垂直方向）の一辺として、ポリゴンスキャナ４及びガルバノスキャナ５による隣り合った走査線（本実施の形態においては水平方向）同士の間の長さを有し、横方向（水平方向）の一辺として、デジタル信号である入力映像信号の１画素に対応するデータを送出する時間に、ポリゴンスキャナ４及びガルバノスキャナ５により走査される走査線方向の長さを有する領域のことである。つまり、ここでは画素を光スポット径を無視した状態で定義している。
今、光スポットはポリゴンスキャナ４やガルバノスキャナ５よりさらに高速にビーム振動手段３によって振動されているため、図２のようにある１画素を表示している最中にも画素内で高速に振動されている。このとき、スクリーン８上には微小な凹凸が存在し、微小にビームが振動されるに従い、光スポットは凹凸パターンの異なる場所を振動して照射するため、散乱されてできるスペックルノイズのパターンもビームの振動に合わせて高速に変動する。すなわち、ある画素を表示している間に観察されるスペックルパターンが高速に変化し、人間の目で観測される際にはそれらが時間平均されて感知され、スペックルパターンが消失した映像が認知される。
スペックルをより有効に抑圧させるには、１画素を表示する間にスペックルをより高速に変化させるとよい。これは１画素分の入力映像信号を表示する間に当該画素内を２次元にくまなく微小振動させ、スクリーン８上のより多くの凹凸パターンをビームで照射することで実現される。しかしながら、画像表示中にはポリゴンスキャナ４によって各画素を順次走査していることを鑑みれば、図のようにポリゴンスキャナ４の走査方向に対して垂直の方向に１次元で高速に微小振動させることで画素内を２次元に高速振動、走査させることができる。このような構成によれば、ビーム振動手段３は１次元方向にビーム振動させるだけでよく、簡単な操作で実現することができる。
このような原理でスペックルを抑圧するには、スクリーン８上での光スポット径がビーム振動幅より小さく、光スポットが感じるスクリーン８の凹凸がビーム振動によって変化する必要がある。また、ビーム振動幅を映像の１画素より小さな範囲に限定して画像の分解能の低下を防ぐ必要がある。
図３は本発明の２次元画像表示装置に用いるビーム振動手段３の一例を示した図である。この図の例では電気光学結晶基板２０ａ中に、３角形の分極反転領域２１ａを形成し、光ビームを透過させている。今表面電極２２ａと裏面電極２３ａとの間に２軸の正又は負の方向の電圧を印加すると、電気光学結晶基板２０ａの屈折率が変化する。このとき、分極反転領域２１ａ中では電気光学結晶基板２０ａ内の他の領域と逆の屈折率変化が生じる。そのため、分極反転領域２１ａはプリズムとして働き、入射ビーム２５の入射方向がｙ軸の正の方向であるとすると、出射ビーム２６はｘ軸の正又は負の所定の一方向に屈折させられる。また、表面電極２２ａと裏面電極２３ａとの間に印加する電圧の向きを反転すると、上記とは逆の屈折率変化が生じ、入射ビーム２５はｘ軸の正又は負の所定の一方向であり、上記の方向とは逆の一方向に屈折させられる。
また、電圧を印加する電源として交流電源２４ａを用いることで、当該交流電源２４ａの周波数に応じて高速に屈折率を変化させることができるので、入射ビーム２５を交流電源２４ａの周波数に相当した高い周波数で振動させることができる。さらに、印加電圧の大きさを変えることで、相応して屈折角を変化させられるので、異なった振れ角でビームを振動させることがきる。つまり、交流電源２４ａを用いれば、ビームを所定の１次元方向に連続的に、かつ高速に振動させることができる。
実験では電気光学結晶にニオブ酸リチウム結晶を用い、表面電極２２ａ、裏面電極２３ａをフォトリソグラフィ法により形成し、両電極間に１ｋＶの電圧を印加することで分極反転領域２１ａを形成した。結晶厚みと分極反転領域幅はともに１ｍｍで、最大径１ｍｍのビームを偏向することができた。ビーム振動に対しては、印加電圧２０Ｖにて０．２度の偏向角（図３に示すθ）が得られた。
また、図３のビーム振動手段３は電気光学結晶のニオブ酸リチウム結晶を用いているが、この結晶は非線形定数が高いことから光波長変換素子にもしばしば用いられる。この波長変換技術は本発明の２次元画像表示装置にも有用であり、例えば１０６４ナノメートルの赤外光を入射してその半分の波長の光を出力することで５３２ナノメートルの緑色のレーザ光が得られる。このとき、後述するように波長変換用のニオブ酸リチウム結晶上に図３のビーム振動手段３を集積化することで、光源及びビーム振動手段の部品点数を削減することができる。上記波長変換を用いたレーザ光源の特徴は従来のアルゴンレーザのような気体レーザに比べてより小型の光源が実現されることである。その特徴を生かして、青色及び赤色用コヒーレント光源としてそれぞれ窒化ガリウム半導体レーザ光源とＡｌＧａＩｎＰ半導体レーザ光源を用いると、小型の２次元画像表示装置が実現される。そのときには上述のようにビーム振動手段を集積化することによってスペックルノイズを抑圧できる。また赤色光、青色光に対しては半導体レーザ光源を用いているため、半導体レーザの注入電流に高周波電流を印加することでレーザ光の可干渉性が低下し、スペックルを低減できる。このように波長変換素子を用いた光源と、半導体レーザ光源とを用い、波長変換素子を用いた光源にはビーム振動手段を集積化し、半導体レーザ光源はその注入電流に高周波電流を印加することで装置全体を小型化し、部品点数を削減することができる。
図１に示した光学系のうち、緑色レーザ光源１ｂ、集光レンズ９、ビーム振動手段３、ポリゴンスキャナ４、ガルバノスキャナ５，スクリーン８を用いてスペックル評価光学系を構築し、以下の実験を行ってスペックルが抑圧されることを確認した。ポリゴンスキャナは８面１万回転、ガルバノスキャナは１００Ｈｚの三角波で駆動した。集光レンズからスクリーン８迄の距離は３メートルとした。ビーム振動手段３に電圧を印加しないときには一様画像に細かいスペックルノイズが重畳し、ビーム振動手段に１ＭＨｚ、±２０Ｖの正弦波を印加することでスペックルパターンが消失することを確認した。スクリーン８上の光の大きさは約１００マイクロメートル、ビーム振動幅は約１ｍｍであった。
本実験ではビーム振動手段３として電気光学効果を用いた光偏向器を用いたが、音響光学効果を用いた光偏向器も用いることができる。ただし、音響光学効果による光偏向器は結晶内部のグレーティングによって偏向するため、特定の波長の光のみしか偏向することができない。そのため、音響光学効果を用いた光偏向器を用いる際には各色に対して１つずつの光偏向器が必要となる。
（実施の形態２）
図４は、本発明の２次元画像表示装置の実施の形態２の概略構成図である。前述の実施の形態１においては、赤色レーザ光源１ａ、緑色レーザ光源１ｂ、青色レーザ光源１ｃから出射した光が合波された後、ビーム振動手段３により振動させられる構成となっている。それと異なり、本実施形態においては、緑色の光源に赤外コヒーレント光源３３ｂと波長変換手段３２ｂとを用い、この緑色光のみをビーム振動手段３ｂにより振動させる。赤外コヒーレント光源３３ｂには例えば波長１０６４ナノメートルのＹＡＧレーザを用い、波長変換手段３２ｂにはニオブ酸リチウム基板に周期的分極反転構造を施した第２次高調波発生デバイスを用いる。波長変換手段３２ｂは入射した光の半分の波長の光、この例では波長５３２ナノメートルの緑色光を出射する。後述するように、波長変換手段３２ｂとビーム振動手段３ｂは同一のニオブ酸リチウム基板上に形成される。
赤色レーザ光源１ａはＡｌＧａＩｎＰをベースにした半導体レーザ、青色レーザ光源１ｃはＧａＮをベースにした半導体レーザである。これらを駆動する電流には、それぞれ高周波電流重畳手段３１ａ，３１ｃにより高周波電流が印加される。このとき、赤色レーザ光源１ａ及び青色レーザ光源１ｃから出射されるレーザ光は、そのスペクトル幅が広がるため、可干渉性が低下する。その結果、スクリーン８で散乱された際のスペックルノイズが抑圧される。高周波電流重畳手段３１ａ，３１ｃは、従来より光ディスクピックアップに用いられる半導体レーザ光源の戻り光誘起雑音低減のために一般的に用いられている方法と同様の構成で実現される。
図５は、第２次高調波発生デバイスを用いた波長変換手段とビーム振動手段とを同一基板中に集積化する一形態を示す概略構成図である。波長変換手段３２ｂは入射ビーム２５の進行方向に沿って周期的にその分極の方向が反転されている。これは周期的分極反転構造と呼ばれる。分極反転のない均質なニオブ酸リチウムにコヒーレント光が入射した際には、波長分散によって、電気光学結晶基板２０ａの各部分で発生する第２次高調波の位相が変化するため、高効率の波長変換ができない。これに対して、図５のデバイスでは周期的分極反転構造がニオブ酸リチウムの波長分散を補償し、結晶の各部で発生した第２次高調波がすべて同位相で加算され、高効率の波長変換が可能である。この波長変換技術に関しては文献「Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．９６，２００４，Ｎｏ．１１，６５８５−６５９０．」などに詳しい。
そして、波長変換手段３２ｂから出射されたビームは、隣り合って集積化されたビーム振動手段３ｂ（図３参照）により１次元方向に振動させられる。このときも、図３を用いて説明したように、交流電源２４ａを用いれば、ビームを所定の１次元方向（図５のｘ軸の正及び負の方向）に連続的に、かつ高速に振動させることができる。
図５に示したように、波長変換手段３２ｂとビーム振動手段３ｂとを同一基板中に集積化することで、部品点数を低減する事ができる。また周期的分極反転領域４０と、ビーム振動手段３ｂの分極反転領域２１ａは、それぞれの分極反転領域と同じ形状をした電極を形成して同時に高電圧を印加して作製することができる。そのため、本実施の形態のようにビーム振動手段３ｂと波長変換手段３２ｂとを同一基板中に集積化することで、デバイスの作製工程を低減することができる。以上説明した実施の形態２の構成によれば、スペックルノイズが抑えられた鮮やかなカラー画像の表示が可能な２次元画像表示装置が実現できる。
（実施の形態３）
図６は、本発明の２次元画像表示装置の実施の形態３の概略構成図である。本実施形態においては、緑色及び青色の光源に、それぞれ赤外コヒーレント光源３３ｂ，３３ｃと波長変換手段３２ｂ，３２ｃとを用い、この緑色光及び青色光をビーム振動手段３ｂ，３ｃによりそれぞれ振動させる。赤外コヒーレント光源３３ｂ、波長変換手段３２ｂ及びビーム振動手段３ｂは、前述の実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。
赤外コヒーレント光源３３ｃには、例えば波長８５０ナノメートルの半導体レーザを用い、波長変換手段３２ｃには、波長変換手段３２ｂと同様のニオブ酸リチウム基板に周期的分極反転構造を施した第２次高調波発生デバイスを用いる。ただし、青色用の波長変換手段３２ｃと、緑色用の波長変換手段３２ｂとでは、分極反転の周期が異なる。この波長変換手段３２ｃからは、波長４２５ナノメートル程度の青色光が出射される。
また、前述の実施の形態２と同様に、赤色レーザ光源１ａはＡｌＧａＩｎＰをベースにした半導体レーザであり、これを駆動する電流には高周波電流重畳手段３１ａにより高周波電流が印加される。これらのコヒーレント光源から出射されたビームが、光変調器６ａ〜６ｃによって変調させられる処理以降は前述の実施の形態２と同様であるので説明を省略する。以上説明した実施の形態３の構成によれば、スペックルノイズが抑えられた鮮やかなカラー画像の表示が可能な２次元画像表示装置が実現できる。
なお上記の説明はカラーディスプレイ装置を中心に説明したが、たとえば半導体露光装置のような単色のシステムにも利用可能である。この場合にはスクリーンの代わりに露光パターンが形成されたガラスマスク等が用いられ、その透過光をさらに縮小投影レンズで半導体ウエハなどに投影することになる。
また、以上の説明では前面投写型のディスプレイで説明したが、背面投写型のディスプレイ装置や、通常の液晶ディスプレイのように、２次元光スイッチを背面から照明し、その透過光を観察する形のディスプレイ装置の照明光学系としても用いることができることは自明である。
［実施の形態の概要］
本発明に係る実施の形態の概要を以下に記載する。
（１）上記したように、本願発明に係る２次元画像表示装置は、コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源からの光を２次元に走査させる２次元ビーム走査手段と、前記コヒーレント光源からの光を強度変調する光強度変調手段と、前記コヒーレント光源からの光を微小に振動させるビーム振動手段と、を少なくとも具備することが好ましい。
この構成によれば、コヒーレント光源からの光は、光強度変調手段により、例えば入力映像信号等に応じて強度変調され、スクリーンとして機能する所定の壁等の上に投影され得る。当該投影された光は、例えばポリゴンスキャナやガルバノスキャナ等から選択された組み合わせを有する２次元ビーム走査手段によりスクリーン上で２次元に走査される。このとき、当該投影された光は、ビーム振動手段により微小に振動させられ、スクリーン上の異なる場所を次々と照射するため、散乱光により発生するスペックルノイズのパターンも次々と変動する。そして、人間の目ではスペックルノイズのパターンが時間平均されて感知されるため、レーザ光源等のコヒーレント光源を用いた表示装置に特有のスペックルノイズが効果的に抑制された、高画質な映像表示が可能となる。
（２）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）であって、前記コヒーレント光源からの光をスクリーン上に集光するビーム集光手段をさらに備えることを特徴とする。この構成によれば、ビーム集光手段によりコヒーレント光源からの光を広がらせることなく、小さなスポットのままでスクリーン上に投影することができる。これにより、ビーム振動手段による振動の振幅を小さくしてもスポット同士の重なりを防ぐことができ、ぼけが少ない高画質な映像表示が可能となる。また、ビーム集光手段によりスポット径を制御できる構成とすれば、スクリーンの凹凸に合わせたスポット径に制御することも可能となるので、本２次元画像表示装置を様々なスクリーンへの投影に用いることができる。
（３）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）又は（２）であって、前記ビーム振動手段は、前記コヒーレント光源からの光を前記２次元ビーム走査手段による走査線に対して垂直な方向に振動させることが好ましい。
この構成によれば、例えば、２次元ビーム走査手段が走査する走査線が水平方向であっても鉛直方向であっても、ビーム振動手段はその方向に対して垂直な１次元方向にコヒーレント光源からの光を振動させる。つまり、ビーム振動手段は光を１次元方向に振動させるだけでよいので、簡易な構成で実現できる。さらに、光を走査線に対して垂直に振動させるので効率的に２次元上を走査させることができ、ムラのない高画質な映像表示が可能となる。
（４）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）乃至（３）のいずれかであって、前記ビーム振動手段が光を振動させる振幅は、スクリーン上において、前記ビーム集光手段によりスクリーン上に集光された光のスポット径以上であり、前記２次元ビーム走査手段による走査線の間隔以下であることが好ましい。
この構成によれば、ビーム振動手段はスクリーン上に集光された光のスポット径以上に光を振動させる。そのため、集光された光はお互いが重なることなくスクリーン上の異なる場所を次々と照射するため、スペックルノイズが効果的に抑制された、高画質な映像表示が可能となる。さらに、集光された光が振動させられる振幅は走査線の間隔以下であるため、隣り合った走査線上に投影される映像の重なりを小さく抑えることができ、ぼけが少ない高画質な映像表示が可能となる。
（５）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）乃至（４）のいずれかであって、前記２次元ビーム走査手段が、デジタル画像データの１つ分に対応する前記コヒーレント光源からの光を走査線に沿って走査させる間に、前記ビーム振動手段は当該光を少なくとも最大振幅から次の最大振幅まで振動させることが好ましい。
ここで、デジタル画像データとは、デジタル信号である入力映像信号の１画素に対応するデータのことである。したがって、このデジタル画像データの１つ分に対応する光を２次元ビーム走査手段が走査線に沿って走査させる距離が、スクリーン上での画素の走査線方向の大きさとなる。つまり、２次元ビーム走査手段がスクリーン上での１画素分の距離を走査する間に、ビーム振動手段は光を少なくとも最大振幅から次の最大振幅まで振動させる。これは、例えば、走査線が水平方向である場合、当該走査線に沿った振動のうち、ある画素において鉛直方向の最も高い位置から最も低い位置へと振動させたとすると、隣り合った次の画素においては鉛直方向の最も低い位置から最も高い位置へと振動させることを意味する。また、この２次元ビーム走査手段がスクリーン上での１画素分の距離を走査する間に、ビーム振動手段が光を振動させる回数は多い方が好ましい。これにより、スペックルノイズを抑えた上で、２次元ビーム走査手段により効率的に２次元上を走査させることができるので、ムラのない高画質な映像表示が可能となる。
（６）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）乃至（５）のいずれかであって、前記２次元ビーム走査手段が、デジタル画像データの１つ分に対応する前記コヒーレント光源からの光を走査線に沿って走査させる間に、前記ビーム振動手段は当該光を１周期の非整数倍分振動させることが好ましい。
２次元ビーム走査手段が光をデジタル画像データの１つ分に対応する光を走査させる間に、ビーム振動手段が当該光を１周期や２周期といった１周期の整数倍分振動させると、周期的な縞状のパターンであるモアレが発生する虞がある。そこで、例えば、ビーム振動手段が光を１．８周期といった１周期の非整数倍分振動させることにより、このモアレが発生せず高画質な映像表示が可能となる。
（７）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）乃至（５）のいずれかであって、前記２次元ビーム走査手段が走査線に沿って、デジタル画像データの１つ分に対応する前記コヒーレント光源からの光を走査させる間に、当該光が前記ビーム振動手段によりＮ周期分振動させられる場合、スクリーン上に投影される光のスポット径は、当該時間内に前記２次元ビーム走査手段が走査させる距離の１／（４Ｎ）以上の大きさであることが好ましい。
この構成によれば、光スポットが２次元上を有効に塗りつぶすことができるので、ムラのない高画質な映像表示が可能となる。
（８）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）乃至（７）のいずれかであって、前記ビーム振動手段が電気光学効果を用いていることが好ましい。この構成によれば、ビーム振動手段が光を振動させる際に機械的な機構に基づくのではなく、電気光学効果を用い電気的に行うために、安定した振動を高速に行うことが可能となる。
（９）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）乃至（８）のいずれかであって、前記コヒーレント光源は青色コヒーレント光源と緑色コヒーレント光源と赤色コヒーレント光源とからなることが好ましい。この構成によれば、ＲＧＢそれぞれの光源の光が単色光である、適当な波長のコヒーレント光源を用いるので、色純度が高く、鮮やかなカラー画像の表示が可能な２次元画像表示装置が実現できる。
（１０）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（９）であって、前記青色コヒーレント光源と前記赤色コヒーレント光源とが半導体レーザ光源であり、前記緑色コヒーレント光源は前記赤外コヒーレント光源と前記赤外コヒーレント光源からの光の波長を半分に変換する光波長変換手段とからなり、前記赤色コヒーレント光源と前記青色コヒーレント光源の駆動電流に高周波電流を重畳する高周波電流重畳手段をさらに備え、前記光波長変換手段と同一基板中に前記ビーム振動手段が集積化されていることが好ましい。
この構成によれば、半導体レーザである青色コヒーレント光源と赤色コヒーレント光源の駆動電流には、高周波電流重畳手段により高周波電流が重畳される。これにより、半導体レーザから出射されるレーザ光のスペクトル幅が広がり、その可干渉性が低下するため、スクリーンで散乱された際のスペックルノイズが抑圧される。
また、緑色コヒーレント光源においては、光波長変換手段により赤外コヒーレント光源からの光の波長が半分に変換される。このとき、緑色コヒーレント光を振動させるためのビーム振動手段は、光波長変換手段と別の機構部品として形成するのではなく、光波長変換手段と同一の基板中に集積化されている。これは、例えば、非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム等を基板として用い、当該基板中に光波長変換手段とビーム振動手段とを形成することで実現される。これにより、部品点数を減らし装置を小型化できる。以上の構成により、スペックルノイズが抑えられた鮮やかなカラー画像の表示が可能な２次元画像表示装置が実現できる。
（１１）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（９）であって、前記赤色コヒーレント光源が半導体レーザ光源であり、前記緑色コヒーレント光源は第１の赤外コヒーレント光源と前記第１の赤外コヒーレント光源からの光の波長を半分に変換する緑色用光波長変換手段とからなり、前記青色コヒーレント光源は第２の赤外コヒーレント光源と前記第２の赤外コヒーレント光源からの光の波長を半分に変換する青色用光波長変換手段とからなり、前記赤色コヒーレント光源の駆動電流に高周波電流を重畳する高周波電流重畳手段をさらに備え、前記緑色用光波長変換手段と前記青色用光波長変換手段の同一基板中にともに前記ビーム振動手段が集積化されていることが好ましい。
この構成によれば、半導体レーザである赤色コヒーレント光源の駆動電流には、高周波電流重畳手段により高周波電流が重畳される。これにより、半導体レーザから出射されるレーザ光のスペクトル幅が広がり、その可干渉性が低下するため、スクリーンで散乱された際のスペックルノイズが抑圧される。また、青色コヒーレント光源と緑色コヒーレント光源とにおいては、光波長変換手段により赤外コヒーレント光源からの光の波長が半分に変換される。つまり、緑色コヒーレント光源が備える第１の赤外コヒーレント光源の波長は、所望の緑色の波長の２倍であり、青色コヒーレント光源が備える第２の赤外コヒーレント光源の波長は、所望の青色の波長の２倍である。
そして、青色あるいは緑色コヒーレント光を振動させるためのビーム振動手段は、光波長変換手段と別の機構部品として形成するのではなく、光波長変換手段と同一の基板中に集積化されている。これは、例えば、非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム等を基板として用い、当該基板中に光波長変換手段とビーム振動手段とを形成することで実現される。これにより、部品点数を減らし装置を小型化できる。以上の構成により、スペックルノイズが抑えられた鮮やかなカラー画像の表示が可能な２次元画像表示装置が実現できる。
（１２）上記したように、本願発明に係る照明光源は、コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源からの光を走査するビーム走査手段と、前記コヒーレント光源からの光を強度変調する光強度変調手段と、前記コヒーレント光源からの光を微小に振動するビーム振動手段と、を少なくとも具備することが好ましい。
この構成によれば、コヒーレント光源からの光は、光強度変調手段により、例えば入力映像信号等に応じて強度変調され、所定のスクリーン等に投影される。このとき、ビーム走査手段は光を１次元に走査させる構成であってもよいし、２次元に走査させる構成であってもよい。１次元に走査させる構成の場合には、その走査方向と直交する方向に走査させる機構を外部に設けることで、例えば、２次元のスクリーン上に画像を表示させることも可能となる。
また、投影される光は、ビーム振動手段により微小に振動させられ、スクリーン上の異なる場所を次々と照射するため、散乱光により発生するスペックルノイズのパターンも次々と変動する。そして、人間の目ではスペックルノイズのパターンが時間平均されて感知されるため、レーザ光源等のコヒーレント光源に特有のスペックルノイズが効果的に抑制された、高画質な映像表示が可能な光源が実現できる。
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、全ての局面において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
本発明にかかる２次元画像表示装置はスペックルノイズのない高画質の画像表示が可能であり、テレビ受像器、投写型データディスプレイ、家庭用シアターシステム、劇場用映画投写装置、大画面広告表示媒体などに利用可能である。また半導体露光装置などのフォトリソグラフィ技術にかかる製造装置にも利用可能である。
本発明は、レーザ光源を用いたテレビ受像器、映像投写装置などの画像表示装置、及び画像を投影するための照明光源に関するものである。
図７に例えば非特許文献１などに詳説されている従来のレーザディスプレイの概略構成を示す。ＲＧＢ３色のレーザ光源からの光はダイクロイックミラー１０２ａ、１０２ｂにて合波され、ポリゴンスキャナ１０４にて水平方向に、ガルバノスキャナ１０５によって垂直方向に走査され、スクリーン１０８上に照射される。このとき、入力映像信号に応じて光変調器１０６ａ〜１０６ｃで強度変調することで、スクリーン上に映像が表示される。たとえば、ＮＴＳＣビデオ信号に相当する動画を表示するためには、水平方向の走査線約５００本を毎秒３０フレーム表示することになり、水平走査線数は毎秒１５０００本となる。これはたとえばポリゴンスキャナを３０面体とし、３万ｒｐｍで回転させることで実現される。ガルバノミラーは毎秒３０回垂直方向に往復振動させる。水平方向の分解能は、この走査速度に対して、光変調器の変調速度で決まる。例えば上記の走査速度で水平方向に５００ＴＶ本の分解能を得るためには５００×１５０００＝７５０００００より、１０ＭＨｚ程度の帯域幅が必要となる。この帯域幅は、音響光学効果を用いた光変調器や電気光学効果を用いた光変調器によって実現される。
この構成のディスプレイの特徴は、ＲＧＢそれぞれの光源の光が単色光であるため、適当な波長のレーザ光源を用いることで、色純度が高く、鮮やかな画像の表示が可能となることである。例えば赤色光源として、波長６４７．１ナノメートルのクリプトンイオンレーザ、青色光源として波長４４１．６ナノメートルのヘリウムカドミウムレーザ、緑色光源として、波長５３２ナノメートルのネオジウムドープＹＡＧレーザの第２高調波を用いることでそれぞれの鮮やかな単色の色表示が可能となる。
Ｂａｋｅｒ ｅｔ ａｌ， "Ａ ｌａｒｇｅ ｓｃｒｅｅｎ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，" Ｐｒｏｃ． Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ６ｔｈ Ｎａｔ’ｌ Ｓｙｍｐ．， ８５−１０１ （１９６５）．
しかしながら、図７の構成のディスプレイでは、光源に干渉性の高いレーザ光源を用いているために生じる、いわゆるスペックルノイズが問題となる。スペックルノイズは、レーザ光がスクリーン１０８で散乱される際、スクリーン１０８上の各部分からの散乱光同士が干渉することによって生じる微細なムラ状のノイズである。スクリーン１０８はランダムな表面形状をもち、スクリーンで散乱されるレーザ光は微細な凹凸形状によって干渉し、観察する方向によって微細な明暗のパターンを生じ、スペックルノイズとなる。
これに対して、従来はスクリーン１０８を振動させることで除去していた。これはスクリーンの位置が逐次変化するため、逐次スクリーンでの干渉状態が変化し、スペックルパターンが変化することを利用している。瞬時瞬時にはスペックルは消失しないが、そのパターンが振動によって高速に変化し、観察者はその時間平均されたパターンを認知するため、スペックルが消失したように観察される。このようにスクリーンを振動させる方法は、観察像から有効にスペックルを除去することができるが、反面、振動可能な特別なスクリーンを使用する必要があり、例えば固定された壁面などを、自由にスクリーンに用いることができないなどの問題があった。
そこで本発明は、このような問題を解決し、レーザ光源等のコヒーレント光源を用いた場合に特有のスペックルノイズを効果的に抑制し得る照明光源、及び当該照明光源を用いた高画質な映像表示が可能な２次元画像表示装置を提供することを目的とする。
この目的のために本発明の一態様に係る２次元画像表示装置は、コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源からの光を２次元に走査させる２次元ビーム走査手段と、前記コヒーレント光源からの光を強度変調する光強度変調手段と、前記コヒーレント光源からの光を微小に振動させるビーム振動手段と、を少なくとも具備することを特徴とする。
この態様によれば、コヒーレント光源からの光は、光強度変調手段により、例えば入力映像信号等に応じて強度変調され、スクリーンとして機能する所定の壁等の上に投影され得る。当該投影された光は、例えばポリゴンスキャナやガルバノスキャナ等から選択された組み合わせを有する２次元ビーム走査手段によりスクリーン上で２次元に走査される。このとき、当該投影された光は、ビーム振動手段により微小に振動させられ、スクリーン上の異なる場所を次々と照射するため、散乱光により発生するスペックルノイズのパターンも次々と変動する。そして、人間の目ではスペックルノイズのパターンが時間平均されて感知されるため、レーザ光源等のコヒーレント光源を用いた表示装置に特有のスペックルノイズが効果的に抑制された、高画質な映像表示が可能となる。
また、本発明の一態様に係る照明光源は、コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源からの光を走査するビーム走査手段と、前記コヒーレント光源からの光を強度変調する光強度変調手段と、前記コヒーレント光源からの光を微小に振動するビーム振動手段と、を少なくとも具備することを特徴とする。
この態様によれば、コヒーレント光源からの光は、光強度変調手段により、例えば入力映像信号等に応じて強度変調され、所定のスクリーン等に投影される。このとき、ビーム走査手段は光を１次元に走査させる構成であってもよいし、２次元に走査させる構成であってもよい。１次元に走査させる構成の場合には、その走査方向と直交する方向に走査させる機構を外部に設けることで、例えば、２次元のスクリーン上に画像を表示させることも可能となる。
また、投影される光は、ビーム振動手段により微小に振動させられ、スクリーン上の異なる場所を次々と照射するため、散乱光により発生するスペックルノイズのパターンも次々と変動する。そして、人間の目ではスペックルノイズのパターンが時間平均されて感知されるため、レーザ光源等のコヒーレント光源に特有のスペックルノイズが効果的に抑制された、高画質な映像表示が可能な光源が実現できる。
本発明によれば、レーザ光源等のコヒーレント光源を用いた表示装置に特有のスペックルノイズが効果的に抑制された、高画質な映像表示が可能となる。
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１に本発明の２次元画像表示装置の概略構成図を示す。赤色レーザ光源１ａ、緑色レーザ光源１ｂ、青色レーザ光源１ｃから出射した光は映像信号によって光を変調する光変調器６ａ、６ｂ、６ｃによってそれぞれ変調され、ダイクロイックミラー２ａ、２ｂによって合波される。さらに光ビームはポリゴンスキャナ４によってｘ方向に偏向（水平走査）された後、ガルバノスキャナ５によってｙ方向に偏向（垂直走査）され、スクリーン８上に２次元画像として投射される。このとき、光変調器６ａ〜６ｃで変調された光ビームはビーム振動手段３によって、スクリーン８上で微小に振動させられる。このとき、スクリーン上でのビームは集光レンズ９によって微小な光スポットに集光されている。そして、当該光スポットの大きさは、ビーム振動手段３によるスクリーン８上での振動振幅よりも小さい。
本実施の形態及び以下の実施の形態２，３を通じて、ポリゴンスキャナ４とガルバノスキャナ５から選ばれる組み合わせが２次元ビーム走査手段としての、また光変調器６ａ〜６ｃが光強度変調手段としての、そして集光レンズ９がビーム集光手段としての機能を有する。
赤色レーザ光源１ａはＨｅ−Ｎｅレーザ、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザなど、緑色レーザ光源１ｂは、ＡｒレーザやＹＡＧ固体レーザを基本波とするＳＨＧレーザなど、青色レーザ光源１ｃはＨｅ−ＣｄレーザやＧａＮ系の半導体レーザ、ＹＶＯ４固体レーザを基本波とするＳＨＧレーザなどを用いることができる。
次にスペックルノイズの抑圧される様子を、スクリーン８上の光スポットの走査パターンを用いて説明する。光スポットがスクリーン８上で走査される時の様子を表したのが図２である。スクリーン８に入射する光は上述のように、ポリゴンスキャナ４及びガルバノスキャナ５によって点線で示したように走査され、スクリーン８全体の矩形領域を照射しつつ、その走査位置の画素に応じて強度変調されている。
ここでスクリーン上の画素とは、図２の縦方向（垂直方向）の一辺として、ポリゴンスキャナ４及びガルバノスキャナ５による隣り合った走査線（本実施の形態においては水平方向）同士の間の長さを有し、横方向（水平方向）の一辺として、デジタル信号である入力映像信号の１画素に対応するデータを送出する時間に、ポリゴンスキャナ４及びガルバノスキャナ５により走査される走査線方向の長さを有する領域のことである。つまり、ここでは画素を光スポット径を無視した状態で定義している。
今、光スポットはポリゴンスキャナ４やガルバノスキャナ５よりさらに高速にビーム振動手段３によって振動されているため、図２のようにある１画素を表示している最中にも画素内で高速に振動されている。このとき、スクリーン８上には微小な凹凸が存在し、微小にビームが振動されるに従い、光スポットは凹凸パターンの異なる場所を振動して照射するため、散乱されてできるスペックルノイズのパターンもビームの振動に合わせて高速に変動する。すなわち、ある画素を表示している間に観察されるスペックルパターンが高速に変化し、人間の目で観測される際にはそれらが時間平均されて感知され、スペックルパターンが消失した映像が認知される。
スペックルをより有効に抑圧させるには、１画素を表示する間にスペックルをより高速に変化させるとよい。これは１画素分の入力映像信号を表示する間に当該画素内を２次元にくまなく微小振動させ、スクリーン８上のより多くの凹凸パターンをビームで照射することで実現される。しかしながら、画像表示中にはポリゴンスキャナ４によって各画素を順次走査していることを鑑みれば、図のようにポリゴンスキャナ４の走査方向に対して垂直の方向に１次元で高速に微小振動させることで画素内を２次元に高速振動、走査させることができる。このような構成によれば、ビーム振動手段３は１次元方向にビーム振動させるだけでよく、簡単な操作で実現することができる。
このような原理でスペックルを抑圧するには、スクリーン８上での光スポット径がビーム振動幅より小さく、光スポットが感じるスクリーン８の凹凸がビーム振動によって変化する必要がある。また、ビーム振動幅を映像の１画素より小さな範囲に限定して画像の分解能の低下を防ぐ必要がある。
図３は本発明の２次元画像表示装置に用いるビーム振動手段３の一例を示した図である。この図の例では電気光学結晶基板２０ａ中に、３角形の分極反転領域２１ａを形成し、光ビームを透過させている。今表面電極２２ａと裏面電極２３ａとの間にｚ軸の正又は負の方向の電圧を印加すると、電気光学結晶基板２０ａの屈折率が変化する。このとき、分極反転領域２１ａ中では電気光学結晶基板２０ａ内の他の領域と逆の屈折率変化が生じる。そのため、分極反転領域２１ａはプリズムとして働き、入射ビーム２５の入射方向がｙ軸の正の方向であるとすると、出射ビーム２６はｘ軸の正又は負の所定の一方向に屈折させられる。また、表面電極２２ａと裏面電極２３ａとの間に印加する電圧の向きを反転すると、上記とは逆の屈折率変化が生じ、入射ビーム２５はｘ軸の正又は負の所定の一方向であり、上記の方向とは逆の一方向に屈折させられる。
また、電圧を印加する電源として交流電源２４ａを用いることで、当該交流電源２４ａの周波数に応じて高速に屈折率を変化させることができるので、入射ビーム２５を交流電源２４ａの周波数に相当した高い周波数で振動させることができる。さらに、印加電圧の大きさを変えることで、相応して屈折角を変化させられるので、異なった振れ角でビームを振動させることができる。つまり、交流電源２４ａを用いれば、ビームを所定の１次元方向に連続的に、かつ高速に振動させることができる。
実験では電気光学結晶にニオブ酸リチウム結晶を用い、表面電極２２ａ、裏面電極２３ａをフォトリソグラフィ法により形成し、両電極間に１ｋＶの電圧を印加することで分極反転領域２１ａを形成した。結晶厚みと分極反転領域幅はともに１ｍｍで、最大径１ｍｍのビームを偏向することができた。ビーム振動に対しては、印加電圧２０Ｖにて０．２度の偏向角（図３に示すθ）が得られた。
また、図３のビーム振動手段３は電気光学結晶のニオブ酸リチウム結晶を用いているが、この結晶は非線形定数が高いことから光波長変換素子にもしばしば用いられる。この波長変換技術は本発明の２次元画像表示装置にも有用であり、例えば１０６４ナノメートルの赤外光を入射してその半分の波長の光を出力することで５３２ナノメートルの緑色のレーザ光が得られる。このとき、後述するように波長変換用のニオブ酸リチウム結晶上に図３のビーム振動手段３を集積化することで、光源及びビーム振動手段の部品点数を削減することができる。上記波長変換を用いたレーザ光源の特徴は従来のアルゴンレーザのような気体レーザに比べてより小型の光源が実現されることである。その特徴を生かして、青色及び赤色用コヒーレント光源としてそれぞれ窒化ガリウム半導体レーザ光源とＡｌＧａＩｎＰ半導体レーザ光源を用いると、小型の２次元画像表示装置が実現される。そのときには上述のようにビーム振動手段を集積化することによってスペックルノイズを抑圧できる。また赤色光、青色光に対しては半導体レーザ光源を用いているため、半導体レーザの注入電流に高周波電流を印加することでレーザ光の可干渉性が低下し、スペックルを低減できる。このように波長変換素子を用いた光源と、半導体レーザ光源とを用い、波長変換素子を用いた光源にはビーム振動手段を集積化し、半導体レーザ光源はその注入電流に高周波電流を印加することで装置全体を小型化し、部品点数を削減することができる。
図１に示した光学系のうち、緑色レーザ光源１ｂ、集光レンズ９、ビーム振動手段３、ポリゴンスキャナ４、ガルバノスキャナ５，スクリーン８を用いてスペックル評価光学系を構築し、以下の実験を行ってスペックルが抑圧されることを確認した。ポリゴンスキャナは８面１万回転、ガルバノスキャナは１００Ｈｚの三角波で駆動した。集光レンズからスクリーン８迄の距離は３メートルとした。ビーム振動手段３に電圧を印加しないときには一様画像に細かいスペックルノイズが重畳し、ビーム振動手段に１ＭＨｚ、±２０Ｖの正弦波を印加することでスペックルパターンが消失することを確認した。スクリーン８上の光の大きさは約１００マイクロメートル、ビーム振動幅は約１ｍｍであった。
本実験ではビーム振動手段３として電気光学効果を用いた光偏向器を用いたが、音響光学効果を用いた光偏向器も用いることができる。ただし、音響光学効果による光偏向器は結晶内部のグレーティングによって偏向するため、特定の波長の光のみしか偏向することができない。そのため、音響光学効果を用いた光偏向器を用いる際には各色に対して１つずつの光偏向器が必要となる。
（実施の形態２）
図４は、本発明の２次元画像表示装置の実施の形態２の概略構成図である。前述の実施の形態１においては、赤色レーザ光源１ａ、緑色レーザ光源１ｂ、青色レーザ光源１ｃから出射した光が合波された後、ビーム振動手段３により振動させられる構成となっている。それと異なり、本実施形態においては、緑色の光源に赤外コヒーレント光源３３ｂと波長変換手段３２ｂとを用い、この緑色光のみをビーム振動手段３ｂにより振動させる。赤外コヒーレント光源３３ｂには例えば波長１０６４ナノメートルのＹＡＧレーザを用い、波長変換手段３２ｂにはニオブ酸リチウム基板に周期的分極反転構造を施した第２次高調波発生デバイスを用いる。波長変換手段３２ｂは入射した光の半分の波長の光、この例では波長５３２ナノメートルの緑色光を出射する。後述するように、波長変換手段３２ｂとビーム振動手段３ｂは同一のニオブ酸リチウム基板上に形成される。
赤色レーザ光源１ａはＡｌＧａＩｎＰをベースにした半導体レーザ、青色レーザ光源１ｃはＧａＮをベースにした半導体レーザである。これらを駆動する電流には、それぞれ高周波電流重畳手段３１ａ，３１ｃにより高周波電流が印加される。このとき、赤色レーザ光源１ａ及び青色レーザ光源１ｃから出射されるレーザ光は、そのスペクトル幅が広がるため、可干渉性が低下する。その結果、スクリーン８で散乱された際のスペックルノイズが抑圧される。高周波電流重畳手段３１ａ，３１ｃは、従来より光ディスクピックアップに用いられる半導体レーザ光源の戻り光誘起雑音低減のために一般的に用いられている方法と同様の構成で実現される。
図５は、第２次高調波発生デバイスを用いた波長変換手段とビーム振動手段とを同一基板中に集積化する一形態を示す概略構成図である。波長変換手段３２ｂは入射ビーム２５の進行方向に沿って周期的にその分極の方向が反転されている。これは周期的分極反転構造と呼ばれる。分極反転のない均質なニオブ酸リチウムにコヒーレント光が入射した際には、波長分散によって、電気光学結晶基板２０ａの各部分で発生する第２次高調波の位相が変化するため、高効率の波長変換ができない。これに対して、図５のデバイスでは周期的分極反転構造がニオブ酸リチウムの波長分散を補償し、結晶の各部で発生した第２次高調波がすべて同位相で加算され、高効率の波長変換が可能である。この波長変換技術に関しては文献「Journal of Applied Physics, Vol.96, 2004, No.11, 6585-6590.」などに詳しい。
そして、波長変換手段３２ｂから出射されたビームは、隣り合って集積化されたビーム振動手段３ｂ（図３参照）により１次元方向に振動させられる。このときも、図３を用いて説明したように、交流電源２４ａを用いれば、ビームを所定の１次元方向（図５のｘ軸の正及び負の方向）に連続的に、かつ高速に振動させることができる。
図５に示したように、波長変換手段３２ｂとビーム振動手段３ｂとを同一基板中に集積化することで、部品点数を低減する事ができる。また周期的分極反転領域４０と、ビーム振動手段３ｂの分極反転領域２１ａは、それぞれの分極反転領域と同じ形状をした電極を形成して同時に高電圧を印加して作製することができる。そのため、本実施の形態のようにビーム振動手段３ｂと波長変換手段３２ｂとを同一基板中に集積化することで、デバイスの作製工程を低減することができる。以上説明した実施の形態２の構成によれば、スペックルノイズが抑えられた鮮やかなカラー画像の表示が可能な２次元画像表示装置が実現できる。
（実施の形態３）
図６は、本発明の２次元画像表示装置の実施の形態３の概略構成図である。本実施形態においては、緑色及び青色の光源に、それぞれ赤外コヒーレント光源３３ｂ，３３ｃと波長変換手段３２ｂ，３２ｃとを用い、この緑色光及び青色光をビーム振動手段３ｂ，３ｃによりそれぞれ振動させる。赤外コヒーレント光源３３ｂ、波長変換手段３２ｂ及びビーム振動手段３ｂは、前述の実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。
赤外コヒーレント光源３３ｃには、例えば波長８５０ナノメートルの半導体レーザを用い、波長変換手段３２ｃには、波長変換手段３２ｂと同様のニオブ酸リチウム基板に周期的分極反転構造を施した第２次高調波発生デバイスを用いる。ただし、青色用の波長変換手段３２ｃと、緑色用の波長変換手段３２ｂとでは、分極反転の周期が異なる。この波長変換手段３２ｃからは、波長４２５ナノメートル程度の青色光が出射される。
また、前述の実施の形態２と同様に、赤色レーザ光源１ａはＡｌＧａＩｎＰをベースにした半導体レーザであり、これを駆動する電流には高周波電流重畳手段３１ａにより高周波電流が印加される。これらのコヒーレント光源から出射されたビームが、光変調器６ａ〜６ｃによって変調させられる処理以降は前述の実施の形態２と同様であるので説明を省略する。以上説明した実施の形態３の構成によれば、スペックルノイズが抑えられた鮮やかなカラー画像の表示が可能な２次元画像表示装置が実現できる。
なお上記の説明はカラーディスプレイ装置を中心に説明したが、たとえば半導体露光装置のような単色のシステムにも利用可能である。この場合にはスクリーンの代わりに露光パターンが形成されたガラスマスク等が用いられ、その透過光をさらに縮小投影レンズで半導体ウエハなどに投影することになる。
また、以上の説明では前面投写型のディスプレイで説明したが、背面投写型のディスプレイ装置や、通常の液晶ディスプレイのように、２次元光スイッチを背面から照明し、その透過光を観察する形のディスプレイ装置の照明光学系としても用いることができることは自明である。
［実施の形態の概要］
本発明に係る実施の形態の概要を以下に記載する。
（１）上記したように、本願発明に係る２次元画像表示装置は、コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源からの光を２次元に走査させる２次元ビーム走査手段と、前記コヒーレント光源からの光を強度変調する光強度変調手段と、前記コヒーレント光源からの光を微小に振動させるビーム振動手段と、を少なくとも具備することが好ましい。
この構成によれば、コヒーレント光源からの光は、光強度変調手段により、例えば入力映像信号等に応じて強度変調され、スクリーンとして機能する所定の壁等の上に投影され得る。当該投影された光は、例えばポリゴンスキャナやガルバノスキャナ等から選択された組み合わせを有する２次元ビーム走査手段によりスクリーン上で２次元に走査される。このとき、当該投影された光は、ビーム振動手段により微小に振動させられ、スクリーン上の異なる場所を次々と照射するため、散乱光により発生するスペックルノイズのパターンも次々と変動する。そして、人間の目ではスペックルノイズのパターンが時間平均されて感知されるため、レーザ光源等のコヒーレント光源を用いた表示装置に特有のスペックルノイズが効果的に抑制された、高画質な映像表示が可能となる。
（２）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）であって、前記コヒーレント光源からの光をスクリーン上に集光するビーム集光手段をさらに備えることを特徴とする。この構成によれば、ビーム集光手段によりコヒーレント光源からの光を広がらせることなく、小さなスポットのままでスクリーン上に投影することができる。これにより、ビーム振動手段による振動の振幅を小さくしてもスポット同士の重なりを防ぐことができ、ぼけが少ない高画質な映像表示が可能となる。また、ビーム集光手段によりスポット径を制御できる構成とすれば、スクリーンの凹凸に合わせたスポット径に制御することも可能となるので、本２次元画像表示装置を様々なスクリーンへの投影に用いることができる。
（３）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）又は（２）であって、前記ビーム振動手段は、前記コヒーレント光源からの光を前記２次元ビーム走査手段による走査線に対して垂直な方向に振動させることが好ましい。
この構成によれば、例えば、２次元ビーム走査手段が走査する走査線が水平方向であっても鉛直方向であっても、ビーム振動手段はその方向に対して垂直な１次元方向にコヒーレント光源からの光を振動させる。つまり、ビーム振動手段は光を１次元方向に振動させるだけでよいので、簡易な構成で実現できる。さらに、光を走査線に対して垂直に振動させるので効率的に２次元上を走査させることができ、ムラのない高画質な映像表示が可能となる。
（４）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）乃至（３）のいずれかであって、前記ビーム振動手段が光を振動させる振幅は、スクリーン上において、前記ビーム集光手段によりスクリーン上に集光された光のスポット径以上であり、前記２次元ビーム走査手段による走査線の間隔以下であることが好ましい。
この構成によれば、ビーム振動手段はスクリーン上に集光された光のスポット径以上に光を振動させる。そのため、集光された光はお互いが重なることなくスクリーン上の異なる場所を次々と照射するため、スペックルノイズが効果的に抑制された、高画質な映像表示が可能となる。さらに、集光された光が振動させられる振幅は走査線の間隔以下であるため、隣り合った走査線上に投影される映像の重なりを小さく抑えることができ、ぼけが少ない高画質な映像表示が可能となる。
（５）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）乃至（４）のいずれかであって、前記２次元ビーム走査手段が、デジタル画像データの１つ分に対応する前記コヒーレント光源からの光を走査線に沿って走査させる間に、前記ビーム振動手段は当該光を少なくとも最大振幅から次の最大振幅まで振動させることが好ましい。
ここで、デジタル画像データとは、デジタル信号である入力映像信号の１画素に対応するデータのことである。したがって、このデジタル画像データの１つ分に対応する光を２次元ビーム走査手段が走査線に沿って走査させる距離が、スクリーン上での画素の走査線方向の大きさとなる。つまり、２次元ビーム走査手段がスクリーン上での１画素分の距離を走査する間に、ビーム振動手段は光を少なくとも最大振幅から次の最大振幅まで振動させる。これは、例えば、走査線が水平方向である場合、当該走査線に沿った振動のうち、ある画素において鉛直方向の最も高い位置から最も低い位置へと振動させたとすると、隣り合った次の画素においては鉛直方向の最も低い位置から最も高い位置へと振動させることを意味する。また、この２次元ビーム走査手段がスクリーン上での１画素分の距離を走査する間に、ビーム振動手段が光を振動させる回数は多い方が好ましい。これにより、スペックルノイズを抑えた上で、２次元ビーム走査手段により効率的に２次元上を走査させることができるので、ムラのない高画質な映像表示が可能となる。
（６）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）乃至（５）のいずれかであって、前記２次元ビーム走査手段が、デジタル画像データの１つ分に対応する前記コヒーレント光源からの光を走査線に沿って走査させる間に、前記ビーム振動手段は当該光を１周期の非整数倍分振動させることが好ましい。
２次元ビーム走査手段が光をデジタル画像データの１つ分に対応する光を走査させる間に、ビーム振動手段が当該光を１周期や２周期といった１周期の整数倍分振動させると、周期的な縞状のパターンであるモアレが発生する虞がある。そこで、例えば、ビーム振動手段が光を１．８周期といった１周期の非整数倍分振動させることにより、このモアレが発生せず高画質な映像表示が可能となる。
（７）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）乃至（５）のいずれかであって、前記２次元ビーム走査手段が走査線に沿って、デジタル画像データの１つ分に対応する前記コヒーレント光源からの光を走査させる間に、当該光が前記ビーム振動手段によりＮ周期分振動させられる場合、スクリーン上に投影される光のスポット径は、当該時間内に前記２次元ビーム走査手段が走査させる距離の１／（４Ｎ）以上の大きさであることが好ましい。
この構成によれば、光スポットが２次元上を有効に塗りつぶすことができるので、ムラのない高画質な映像表示が可能となる。
（８）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）乃至（７）のいずれかであって、前記ビーム振動手段が電気光学効果を用いていることが好ましい。この構成によれば、ビーム振動手段が光を振動させる際に機械的な機構に基づくのではなく、電気光学効果を用い電気的に行うために、安定した振動を高速に行うことが可能となる。
（９）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（１）乃至（８）のいずれかであって、前記コヒーレント光源は青色コヒーレント光源と緑色コヒーレント光源と赤色コヒーレント光源とからなることが好ましい。この構成によれば、ＲＧＢそれぞれの光源の光が単色光である、適当な波長のコヒーレント光源を用いるので、色純度が高く、鮮やかなカラー画像の表示が可能な２次元画像表示装置が実現できる。
（１０）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（９）であって、前記青色コヒーレント光源と前記赤色コヒーレント光源とが半導体レーザ光源であり、前記緑色コヒーレント光源は前記赤外コヒーレント光源と前記赤外コヒーレント光源からの光の波長を半分に変換する光波長変換手段とからなり、前記赤色コヒーレント光源と前記青色コヒーレント光源の駆動電流に高周波電流を重畳する高周波電流重畳手段をさらに備え、前記光波長変換手段と同一基板中に前記ビーム振動手段が集積化されていることが好ましい。
この構成によれば、半導体レーザである青色コヒーレント光源と赤色コヒーレント光源の駆動電流には、高周波電流重畳手段により高周波電流が重畳される。これにより、半導体レーザから出射されるレーザ光のスペクトル幅が広がり、その可干渉性が低下するため、スクリーンで散乱された際のスペックルノイズが抑圧される。
また、緑色コヒーレント光源においては、光波長変換手段により赤外コヒーレント光源からの光の波長が半分に変換される。このとき、緑色コヒーレント光を振動させるためのビーム振動手段は、光波長変換手段と別の機構部品として形成するのではなく、光波長変換手段と同一の基板中に集積化されている。これは、例えば、非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム等を基板として用い、当該基板中に光波長変換手段とビーム振動手段とを形成することで実現される。これにより、部品点数を減らし装置を小型化できる。以上の構成により、スペックルノイズが抑えられた鮮やかなカラー画像の表示が可能な２次元画像表示装置が実現できる。
（１１）２次元画像表示装置は、２次元画像表示装置（９）であって、前記赤色コヒーレント光源が半導体レーザ光源であり、前記緑色コヒーレント光源は第１の赤外コヒーレント光源と前記第１の赤外コヒーレント光源からの光の波長を半分に変換する緑色用光波長変換手段とからなり、前記青色コヒーレント光源は第２の赤外コヒーレント光源と前記第２の赤外コヒーレント光源からの光の波長を半分に変換する青色用光波長変換手段とからなり、前記赤色コヒーレント光源の駆動電流に高周波電流を重畳する高周波電流重畳手段をさらに備え、前記緑色用光波長変換手段と前記青色用光波長変換手段の同一基板中にともに前記ビーム振動手段が集積化されていることが好ましい。
この構成によれば、半導体レーザである赤色コヒーレント光源の駆動電流には、高周波電流重畳手段により高周波電流が重畳される。これにより、半導体レーザから出射されるレーザ光のスペクトル幅が広がり、その可干渉性が低下するため、スクリーンで散乱された際のスペックルノイズが抑圧される。また、青色コヒーレント光源と緑色コヒーレント光源とにおいては、光波長変換手段により赤外コヒーレント光源からの光の波長が半分に変換される。つまり、緑色コヒーレント光源が備える第１の赤外コヒーレント光源の波長は、所望の緑色の波長の２倍であり、青色コヒーレント光源が備える第２の赤外コヒーレント光源の波長は、所望の青色の波長の２倍である。
そして、青色あるいは緑色コヒーレント光を振動させるためのビーム振動手段は、光波長変換手段と別の機構部品として形成するのではなく、光波長変換手段と同一の基板中に集積化されている。これは、例えば、非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム等を基板として用い、当該基板中に光波長変換手段とビーム振動手段とを形成することで実現される。これにより、部品点数を減らし装置を小型化できる。以上の構成により、スペックルノイズが抑えられた鮮やかなカラー画像の表示が可能な２次元画像表示装置が実現できる。
（１２）上記したように、本願発明に係る照明光源は、コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源からの光を走査するビーム走査手段と、前記コヒーレント光源からの光を強度変調する光強度変調手段と、前記コヒーレント光源からの光を微小に振動するビーム振動手段と、を少なくとも具備することが好ましい。
この構成によれば、コヒーレント光源からの光は、光強度変調手段により、例えば入力映像信号等に応じて強度変調され、所定のスクリーン等に投影される。このとき、ビーム走査手段は光を１次元に走査させる構成であってもよいし、２次元に走査させる構成であってもよい。１次元に走査させる構成の場合には、その走査方向と直交する方向に走査させる機構を外部に設けることで、例えば、２次元のスクリーン上に画像を表示させることも可能となる。
また、投影される光は、ビーム振動手段により微小に振動させられ、スクリーン上の異なる場所を次々と照射するため、散乱光により発生するスペックルノイズのパターンも次々と変動する。そして、人間の目ではスペックルノイズのパターンが時間平均されて感知されるため、レーザ光源等のコヒーレント光源に特有のスペックルノイズが効果的に抑制された、高画質な映像表示が可能な光源が実現できる。
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、全ての局面において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
本発明にかかる２次元画像表示装置はスペックルノイズのない高画質の画像表示が可能であり、テレビ受像器、投写型データディスプレイ、家庭用シアターシステム、劇場用映画投写装置、大画面広告表示媒体などに利用可能である。また半導体露光装置などのフォトリソグラフィ技術にかかる製造装置にも利用可能である。
本発明の２次元画像表示装置の実施の形態１の概略構成図 本発明の２次元画像表示装置の実施の形態１における照明ビームの走査方法を表す図 本発明の２次元画像表示装置の実施の形態１におけるビーム振動手段の概略図 本発明の２次元画像表示装置の実施の形態２の概略構成図 第２次高調波発生デバイスを用いた波長変換手段とビーム振動手段とを同一基板中に集積化する一形態を示す概略構成図 本発明の２次元画像表示装置の実施の形態３の概略構成図 従来のレーザ２次元画像表示装置の概略構成図

Claims (12)

  1. コヒーレント光源と、
    前記コヒーレント光源からの光を２次元に走査させる２次元ビーム走査手段と、
    前記コヒーレント光源からの光を強度変調する光強度変調手段と、
    前記コヒーレント光源からの光を微小に振動させるビーム振動手段と、
    を少なくとも具備することを特徴とする２次元画像表示装置。
  2. 前記コヒーレント光源からの光をスクリーン上に集光するビーム集光手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の２次元画像表示装置。
  3. 前記ビーム振動手段は、前記コヒーレント光源からの光を前記２次元ビーム走査手段による走査線に対して垂直な方向に振動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元画像表示装置。
  4. 前記ビーム振動手段が光を振動させる振幅は、スクリーン上において、前記ビーム集光手段によりスクリーン上に集光された光のスポット径以上であり、前記２次元ビーム走査手段による走査線の間隔以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の２次元画像表示装置。
  5. 前記２次元ビーム走査手段が、デジタル画像データの１つ分に対応する前記コヒーレント光源からの光を走査線に沿って走査させる間に、前記ビーム振動手段は当該光を少なくとも最大振幅から次の最大振幅まで振動させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の２次元画像表示装置。
  6. 前記２次元ビーム走査手段が、デジタル画像データの１つ分に対応する前記コヒーレント光源からの光を走査線に沿って走査させる間に、前記ビーム振動手段は当該光を１周期の非整数倍分振動させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の２次元画像表示装置。
  7. 前記２次元ビーム走査手段が走査線に沿って、デジタル画像データの１つ分に対応する前記コヒーレント光源からの光を走査させる間に、当該光が前記ビーム振動手段によりＮ周期分振動させられる場合、スクリーン上に投影される光のスポット径は、当該時間内に前記２次元ビーム走査手段が走査させる距離の１／（４Ｎ）以上の大きさであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の２次元画像表示装置。
  8. 前記ビーム振動手段が電気光学効果を用いていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の２次元画像表示装置。
  9. 前記コヒーレント光源は青色コヒーレント光源と緑色コヒーレント光源と赤色コヒーレント光源とからなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の２次元画像表示装置。
  10. 前記青色コヒーレント光源と前記赤色コヒーレント光源とが半導体レーザ光源であり、前記緑色コヒーレント光源は赤外コヒーレント光源と前記赤外コヒーレント光源からの光の波長を半分に変換する光波長変換手段とからなり、前記赤色コヒーレント光源と前記青色コヒーレント光源の駆動電流に高周波電流を重畳する高周波電流重畳手段をさらに備え、前記光波長変換手段と同一基板中に前記ビーム振動手段が集積化されていることを特徴とする請求項９記載の２次元画像表示装置。
  11. 前記赤色コヒーレント光源が半導体レーザ光源であり、前記緑色コヒーレント光源は第１の赤外コヒーレント光源と前記第１の赤外コヒーレント光源からの光の波長を半分に変換する緑色用光波長変換手段とからなり、前記青色コヒーレント光源は第２の赤外コヒーレント光源と前記第２の赤外コヒーレント光源からの光の波長を半分に変換する青色用光波長変換手段とからなり、前記赤色コヒーレント光源の駆動電流に高周波電流を重畳する高周電流重畳手段をさらに備え、前記緑色用光波長変換手段と前記青色用光波長変換手段の同一基板中にともに前記ビーム振動手段が集積化されていることを特徴とする請求項９記載の２次元画像表示装置。
  12. コヒーレント光源と、
    前記コヒーレント光源からの光を走査するビーム走査手段と、
    前記コヒーレント光源からの光を強度変調する光強度変調手段と、
    前記コヒーレント光源からの光を微小に振動するビーム振動手段と、
    を少なくとも具備することを特徴とする照明光源。
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