WO2006090681A1 - 二次元画像形成装置 - Google Patents

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WO2006090681A1
WO2006090681A1 PCT/JP2006/303015 JP2006303015W WO2006090681A1 WO 2006090681 A1 WO2006090681 A1 WO 2006090681A1 JP 2006303015 W JP2006303015 W JP 2006303015W WO 2006090681 A1 WO2006090681 A1 WO 2006090681A1
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image forming
forming apparatus
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optical system
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PCT/JP2006/303015
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Ken'ichi Kasazumi
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a two-dimensional image forming apparatus that uses a coherent light source as a light source. More specifically, the present invention relates to a two-dimensional image forming apparatus having means for reducing speckle noise appearing in a display.
  • FIG. 16 shows a schematic configuration of a conventional laser display.
  • the light beams from the RGB three-color laser light sources 101 a to 101 c are expanded by the beam expander 102, and the two-dimensional spatial light modulator 107 is irradiated by the optical integrator 103.
  • the optical integrator 103 is a moth-eye lens in which rectangular unit lenses are two-dimensionally arranged, and the light intensity distribution having a substantially Gaussian distribution is substantially uniform on the two-dimensional spatial light modulator 107.
  • the two-dimensional spatial light modulator 107 is irradiated with uniform intensity.
  • a diffusion plate 105 is disposed in front of the two-dimensional spatial light modulator 107 and is rotated in the plane by the diffusion plate swinging portion 112.
  • the lights that have passed through the two-dimensional spatial light modulator 107 are combined by a dichroic prism 110 and projected as a full power image on a screen 108 by a projection lens 109.
  • a feature of such a laser display is that a laser light source with strong monochromaticity is used as the light source.
  • the light with the continuous spectrum of the lamp light source is decomposed into RGB three colors, so each RGB light also has a continuous spectral distribution and cannot display a pure single color.
  • a laser display uses a monochromatic light source, so that a vivid image with high color purity can be displayed.
  • the diffuser plate 105 is a glass whose surface is polished and covered in a glass shape, and gives random phase modulation to incident light.
  • the parallel beam incident on the diffuser plate 105 becomes divergent light diffused randomly within a certain angle.
  • the light that has passed through the diffusion plate 105 generates random speckle noise on the two-dimensional spatial light modulator 107.
  • the speckle noise on the two-dimensional spatial light modulator 107 changes at a high speed by oscillating the diffuser 105 in the plane, and the speckle noise of the image projected on the screen 108 is also changed. Change fast. When this is observed with the eyes, speckle noise that changes at high speed is time-averaged and recognized as a smooth image without noise.
  • the diffusion angle of light in the diffusion plate 105 may be increased.
  • the incident angle of the light that irradiates the two-dimensional spatial light modulator 107 increases, and as a result, the incident angle of the light that irradiates the screen 108 to the screen 108 also increases.
  • the speckle pattern that occurs instantaneously depends on the angle of incidence on the screen 108. Therefore, when the speckle pattern is incident at a larger angle, more speckle patterns are generated and averaged more effectively. .
  • the diffusion angle When the diffusion angle is increased as described above, the light that irradiates the outside of the image frame of the two-dimensional spatial light modulator 107 and the light emitted from the pupil of the projection lens 109 increase, resulting in light loss.
  • the distance between the two-dimensional spatial light modulation element 107 and the diffusion plate 105 By reducing the distance between the two-dimensional spatial light modulation element 107 and the diffusion plate 105, the light radiated outside the image frame of the two-dimensional spatial light modulation element 107 can be reduced.
  • the particle pattern is imaged on the screen 108 and becomes noise other than speckle noise. For this reason, the distance between the two-dimensional spatial light modulation element 107 and the diffusion plate 105 needs to be set at a constant interval, and light that falls outside the image frame of the two-dimensional spatial light modulation element 107 cannot be eliminated.
  • the diffusion angle at the diffusion plate 105 is less than the brightness (F value) of the projection lens 109, it is possible to prevent the loss of light due to the projection lens 109 being lost.
  • Diffusion characteristics show that the emitted light intensity distribution is a Gaussian distribution with respect to the diffusion angle, and the diffusion angle is increased. As a result, the squealing at the projection lens 109 increases.
  • the beam expander 102 and the optical integrator 103 are increased in size to increase the optical system, and it is difficult to reduce the size of the laser display.
  • Patent Document 1 JP-A-7-297111
  • An object of the present invention is to provide a two-dimensional image forming apparatus that can reduce speckle noise, reduce light loss, and further reduce the size of an optical system. That is.
  • a two-dimensional image forming apparatus includes at least one laser light source, beam deflection means for changing a traveling direction of a light beam emitted from the laser light source, and emission from the beam deflection means.
  • a driving means for driving the beam deflecting means to change the traveling direction of the light beam to be transmitted with time, and a rod integrator for guiding the light beam deflected by the beam deflecting means to the exit end while internally reflecting the light beam.
  • a first projection optical system that projects the light beam emitted from the rod integrator, a two-dimensional spatial light modulator that modulates the light beam emitted from the first projection optical system, and the two-dimensional And a second projection optical system that projects light emitted from the spatial light modulation element onto a predetermined surface.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view for mainly explaining the configuration of the prism array shown in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view for mainly explaining the configuration of the prism array shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view for mainly explaining the configuration of the lenticular lens shown in FIG. 4.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing the arrangement of the concavo-convex shape of the lenticular lens in the two-dimensional image forming apparatus shown in FIG.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing a planar configuration of a pseudo random diffuser used in the two-dimensional image forming apparatus shown in FIG.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to a tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to an eleventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a schematic configuration diagram of a conventional laser display.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • the two-dimensional image forming apparatus shown in FIG. 1 includes a laser light source 1, a prism array 2, a drive unit 3, a mouth integrator 4, a projection optical system 5, a field lens 6, a two-dimensional spatial light modulator 7, and a projection lens 8.
  • a laser light source 1 a prism array 2
  • a drive unit 3 includes a laser light source 1, a prism array 2, a drive unit 3, a mouth integrator 4, a projection optical system 5, a field lens 6, a two-dimensional spatial light modulator 7, and a projection lens 8.
  • the light beam emitted from the laser light source 1 that is a coherent light source passes through the prism array 2 and enters the rod integrator 4. Internal reflection in rod integrator 4 The light beam reaching the emission end by repeating the above is projected onto the transmissive two-dimensional spatial light modulator 7 via the field lens 6 by the projection optical system 5.
  • the two-dimensional spatial light modulator 7 is configured with a liquid crystal shutter isotropic force, and controls the opening / closing operation of each shutter according to image data output from a signal processing circuit (not shown) to project from the projection optical system 5.
  • the beam to be projected is modulated in accordance with the image to be displayed and guided to the projection lens 8.
  • the projection lens 8 projects light emitted from the two-dimensional spatial light modulator 7 onto a screen (not shown).
  • the field lens 6 converges the substantially divergent beam.
  • the light passing through the two-dimensional spatial light modulator 7 is efficiently incident on the projection lens.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view for mainly explaining the configuration of the prism array shown in FIG.
  • the prism array 2 is configured by a microscopic arrangement of minute prisms two-dimensionally, for example, a disk force in which minute unit prisms 2a are arranged on the circumference, and is composed of a motor or the like.
  • the light beam is rotated by different driving unit 3 and deflected by different unit prisms 2a.
  • the surface of each unit prism 2a is directed in a different direction, and the light beam is deflected in a different direction by the different unit prism 2a.
  • the light beam passes through a large number of unit prisms 2a per unit time by the rotation of the prism array 2 and is deflected in various directions, so that the beam is output at a high speed on the output end face of the rod integrator 4.
  • the position changes, and the average light irradiation power per hour is uniform within the output end face.
  • the surface of each unit prism 2a has a concave lens shape, the deflected light beam becomes a slightly divergent beam, and the light beam at the output end face of the rod integrator 4 becomes larger than a certain size.
  • the incident angle of the light beam that irradiates the two-dimensional spatial light modulator 7 changes from time to time, and as a result, the incident angle of the light beam that irradiates the screen changes to the screen. Speckle noise is suppressed.
  • the point of the optical system of the present embodiment is that the prism array 2 is used for deflecting the light beam, so that the deflection angle of the light beam can be designed accurately.
  • the magnification of projection optical system 5 is 2 and the brightness of projection lens 8 is 2.5
  • the F value of light emitted from rod integrator 4 is set to 1.25 or less
  • the light All the beams pass through the inside of the pupil of the projection lens 8, and an optical system is realized without any optical loss due to vignetting.
  • the rod integrator 4 is a rectangular parallelepiped optical prism, and when the light propagates from the entrance end to the exit end due to internal reflection, the tilt angle of the light is preserved.
  • the deflection angle in prism array 2 should be designed so that the tilt angle of the incident light beam is also less than or equal to the F value of 1.25.
  • the distance between the rod integrator 4 and the prism array 2 is made sufficiently close so that the beam position shift at the incident end face of the rod integrator 4 due to the deflection in the unit prism 2a is smaller than the size of the incident end face of the rod integrator 4. If so, all the light beams deflected by the prism array 2 enter the rod integrator 4 and irradiate the two-dimensional spatial light modulator 7. For this reason, as in the conventional example, the light outside the image frame of the two-dimensional spatial light modulator 7 is not generated, and an optical system with very little light loss is realized.
  • the optical system can be miniaturized, and the two-dimensional image forming apparatus can be miniaturized.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the difference between the two-dimensional image forming apparatus shown in FIG. 3 and the two-dimensional image forming apparatus shown in FIG. 1 is that a polarization beam splitter 9 is added and a transmissive two-dimensional spatial light modulator 7 is a reflective two-dimensional image forming apparatus.
  • Dimensional spatial light modulator 7a, projection lens 8 is polarized beam split Since the other points are the same as those of the two-dimensional image forming apparatus shown in FIG. 1, the same parts are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
  • the reflective two-dimensional spatial light modulator 7a is composed of, for example, a so-called LCOS (Liquid Crystal On Silicon) device in which ferroelectric liquid crystal is arranged on a silicon substrate.
  • LCOS Liquid Crystal On Silicon
  • optical switches are arranged two-dimensionally, and the polarization direction of the reflected light is rotated by the input signal. Therefore, of the incident light reflected by the polarizing beam splitter 9, the light incident on the optical switch in the ON state is reflected with its polarization direction rotated, passes through the polarizing beam splitter 9, and passes through the projection lens 8 Is incident on.
  • the polarization beam splitter 9 exists between the diffuser plate and the reflective two-dimensional spatial light modulator 7a, and the optical path becomes long. Therefore, most of the light diffused by the diffuser plate
  • the reflection type two-dimensional spatial light modulator 7a is out of the image frame. In this way, when the reflective two-dimensional spatial light modulator 7a and the diffusion plate are used in combination, the loss of light is particularly large.
  • the present invention is particularly effective when a reflective two-dimensional spatial light modulator is used.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic oblique view mainly illustrating the configuration of the lenticular lens shown in FIG. FIG.
  • two lenticular lenses 10a and 10b rotated by two drive units 3a and 3b are arranged between the laser light source 1 and the rod integrator 4. Then deflect the light beam. Since the other points are the same as those of the two-dimensional image forming apparatus shown in FIG. 1, the same parts are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
  • the lenticular lenses 10a and 10b used in the present embodiment are formed by forming a corrugated smooth uneven shape on a disc-shaped substrate on an annular region.
  • the concavo-convex shape is arranged so that the direction of is directed to the radial direction of the disk substrate. Therefore, the lenticular lenses 10a and 10b have a smooth uneven shape with a corrugated cross section, and deflect the incident light beam in a direction perpendicular to the uneven shape.
  • the lenticular lenses 10a and 10b are respectively rotated in the plane by the driving units 3a and 3b including a motor and the like with the center of the disk substrate as the center of rotation.
  • the driving units 3a and 3b including a motor and the like with the center of the disk substrate as the center of rotation.
  • the light beam is repeatedly deflected in a direction perpendicular to the concavo-convex shape.
  • one lenticular lens 10a deflects incident light in the horizontal direction
  • the other lenticular lens 10b deflects incident light in the vertical direction.
  • Lenses 10a and 10b are arranged as shown.
  • the depth and period of the concavo-convex shape of each lenticular lens 10a, 10b is designed so that the tilt angle does not cause the projection lens 8 to be distorted.
  • the feature of the two-dimensional image forming apparatus is that the surfaces of the lenticular lenses 10a and 10b have a continuous surface force, and there are no discontinuities, so there is no loss due to light scattering. is there.
  • the surface shape is discontinuous at the boundary line where the prism and the prism are adjacent to each other, and the light beam is slightly emitted when irradiating the discontinuous line.
  • the lenticular lenses 10a and 10b have a smooth surface shape, do not scatter light by the boundary line, and realize an optical system with little force loss.
  • the polarization direction of light passing through the lenticular lenses 1 Oa and 10b does not change.
  • the polarization beam splitter 9 is installed adjacent to the reflective two-dimensional spatial light modulator 7a. Only the polarization component in one direction is reflected by the polarization beam splitter 9 and enters the reflection type two-dimensional spatial light modulator 7a, and the polarization direction thereof changes according to the input signal.
  • the light whose polarization direction has changed is transmitted through the polarization beam splitter 9 and projected from the projection lens 8 onto the screen.
  • the unnecessary polarization component passes through the polarization beam splitter 9 as shown by a dotted line in FIG.
  • the light does not enter the reflective two-dimensional spatial light modulator 7a, resulting in light loss.
  • the liquid crystal two-dimensional spatial light modulator 7 is used as shown in FIG. 4, when the liquid crystal two-dimensional spatial light modulator is used, the liquid crystal two-dimensional spatial light modulator is used. Since polarizers (not shown) are arranged on the incident side and the exit side of the light source, unnecessary polarization components are absorbed by the polarizer on the incident side, as in the case of using the reflective liquid crystal two-dimensional spatial light modulator 7a. Unnecessary polarization component causes light loss.
  • the light from the laser light source 1 is, for example, linearly polarized light in the horizontal direction, and the inclination directions of the surfaces of the two lenticular lenses 10a and 10b are the lead direction and the horizontal direction, so that the lenticular lens 10a , 10b, the polarization direction does not change, and linearly polarized light is incident on the two-dimensional spatial light modulator 7 to realize a lossless optical system.
  • the polarization direction of the light that has passed through the diffusion plate 105 is slightly disturbed, and an unnecessary polarization component is generated, resulting in light loss.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram of the two-dimensional image forming apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows the arrangement of the lenticular lenses in the two-dimensional image forming apparatus shown in FIG. FIG. Note that the back surface shown in FIG. 7 shows a state in which the surface of the lenticular lens 10c, that is, the rod integrator 4 side force is also viewed.
  • the lenticular lens 10c has a corrugated smooth uneven shape on the front surface (the surface on the rod integrator 4 side) and the rear surface (the surface on the laser light source 1 side) of the disc-shaped substrate.
  • Two lenticular lenses are formed by forming on an annular region, and their optical axis directions are arranged orthogonal to each other as shown in FIG.
  • lenticular The direction of the concavo-convex shape on the front and back surfaces of the lens 10c is inclined 45 degrees with respect to the radial direction of the lenticular lens 10c (the direction of the broken line shown in Fig. 7).
  • the lenticular lens 10c is rotated in the plane by the drive unit 3c that also has a motor equal force with the center of the disk-shaped substrate as the rotation center (rotation axis RA). Since the other points are the same as those of the two-dimensional image forming apparatus shown in FIGS. 4 and 5, the same parts are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
  • the light beam is deflected in the horizontal direction by the lenticular lens on the front surface of the lenticular lens 10c, and is deflected in the vertical direction by the lenticular lens on the back surface.
  • the light beam exits from the lenticular lens 10c.
  • the exit direction of the incident light is deflected two-dimensionally.
  • the lenticular lens 10c is configured by a single substrate, the number of parts can be reduced and the lenticular lens 10c can be reduced. Since the rotating rotating shaft RA is unified, the driving unit 3c that is a rotating mechanism can be simplified.
  • the direction connecting the rotation axis RA of the lenticular lens 10c and the point BI where the light beam on the lenticular lens 10c is incident (the direction of the broken line in FIG. 6) is the rod integrator. Arranged at 45 degrees with respect to 4. Further, the incident light beam is arranged so that the deflection direction thereof is linearly polarized light in the horizontal direction or the vertical direction. With such a configuration, an optical system with little loss is realized in which the deflection direction of the light beam deflected by the lenticular lens 10c does not change, and an unnecessary deflection component incident on the two-dimensional spatial light modulator 7 does not occur.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to the fifth embodiment of the present invention.
  • a normal rotationally symmetric lens 11 is used instead of the lenticular lens, and the other points are the same as those of the two-dimensional image forming apparatus shown in FIG. Therefore, detailed description is omitted.
  • the rotationally symmetric lens 11 When the rotationally symmetric lens 11 is used, it is different from the case where a lenticular lens is used. Therefore, it is necessary to swing the lens 11 in a two-dimensional direction (in the direction of the arrow in the figure), and the lens 11 is moved in two directions by a drive unit 3d composed of an XY stage and the like using a stepping motor as a drive source. Swing in the dimension direction. Also in this case, the light force transmitted through the lens 11 is deflected in the direction in which the lens 11 is moved, and the angle of the light incident on the two-dimensional spatial light modulator 7 is changed in the same manner as when the lenticular lens is rotated. To suppress speckle noise.
  • the two-dimensional image forming apparatus according to the present embodiment can use a lens 11 that is smaller than a lenticular lens, and can achieve a small optical system.
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
  • a diffusing plate 12 is used instead of the lenticular lens, and the other points are the same as those of the two-dimensional image forming apparatus shown in FIG. Detailed description is omitted.
  • the light beam from the laser light source 1 irradiates the diffusion plate 12 provided near the incident end of the rod integrator 4.
  • the diffuser plate 12 has a random surface shape and has an action of diffusing transmitted light.
  • the light diffused in various angular directions repeats total reflection in the rod integrator 4, reaches the exit end of the rod integrator 4, and irradiates the two-dimensional spatial light modulator 7 through the projection optical system 5.
  • the light that illuminates the two-dimensional spatial light modulator 7 is incident at various angles to suppress speckle noise.
  • the speckle noise pattern that changes at a high speed when observed is observed by changing the pattern of the speckle noise generated at high speed by oscillating the diffusion plate 12 by the drive unit 3e. To be recognized as noise-free images.
  • the diffusion surface of the diffusion plate 12 approach the incident end of the rod integrator 4, the light emitted from the diffusion plate 12 can be incident on the rod integrator 4 without loss, and an optical device with less light aperture.
  • the system can be realized.
  • the light diffusion angle can be controlled by controlling the surface shape, such as the depth of unevenness of the diffusion plate 12 and the size of the graininess. In this way, the incident angle of the light incident on the two-dimensional spatial light modulation element 7 is controlled, and an optical system with little light loss due to the displacement of the projection lens 8 is realized.
  • the diffusion plate 12 since the diffusion plate 12 is used as the beam deflecting means, the swing speed of the diffusion plate 12 can be reduced.
  • the size of a lenticular lens is about 0.5 to 5 millimeters, whereas the diffuser 12 has a granular surface shape of 5 micrometers to 50 micrometers.
  • the oscillating speed of the diffusion plate 12 necessary to change the speckle noise sufficiently fast so that the speckle noise generated on the screen is averaged over time is the oscillating speed of the lenticular lens.
  • One tenth of the speed is sufficient. According to the experiment, when the diffuser plate 12 was swung at 5 mm per second, a noise-free image in which speckle noise was sufficiently suppressed was observed.
  • the diffusion plate used in the present embodiment is not particularly limited to the above example, and a pseudo-random diffusion plate 12a as shown in FIG. 10 may be used.
  • the light loss is further reduced. There is an effect to reduce.
  • the pseudo-random diffuser plate 12a shown in FIG. 10 forms a grid-like irregularity on the surface of the transparent substrate. It is made with.
  • the surface of the pseudo-random diffuser 12a is divided into two-dimensional lattice cells CE, and the depth of the unevenness is set so that the phase of light passing through each cell CE changes randomly. The maximum depth should be ⁇ ⁇ ( ⁇ – 1).
  • An advantage of using the pseudo-random diffusion plate 12a of Fig. 10 is that the diffusion angle of light passing through the pseudo-random diffusion plate 12a can be strictly controlled by the size of the cell CE. That is, if the cell pitch of the lattice cell CE is d and the angle is ⁇ ,
  • the light is diffused with an intensity distribution as follows.
  • the cell pitch d is 2.4, 2. 7, 3 2 microphones should be made with a meter.
  • the pseudo-random diffuser 12a shown in FIG. 10 can be produced by forming a concavo-convex pattern on a glass plate by a photolithography method and an etching method used in a normal semiconductor process. At this time, if the phase shift is selected as 0, ⁇ / 2, ⁇ , 3 ⁇ ⁇ 2 as shown in Fig. 10, it is easily fabricated by two etchings corresponding to the phase shift of ⁇ / 2, ⁇ . be able to.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the configuration using a device using light refraction such as the prism array 2, the lenticular lens 10a to: LOc, the lens 11, and the diffusing plate 12 has been described as the beam deflecting means.
  • the same operation can be performed using a movable mirror including a mirror serving as a beam deflecting unit and a driving unit serving as a driving unit that drives the mirror.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • mirror 13 is used as an example of a movable mirror instead of a lenticular lens, and the other points are the same as the two-dimensional image forming apparatus shown in FIG. Therefore, the same parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the two-dimensional MEMS mirror 13 is a movable mirror having a silicon crystal force of about 10 microns in thickness, and the central mirror portion 13a is held at a position where the bottom substrate force is also lifted by the etching technique.
  • the central mirror part 13a is connected to the mirror holding part 13b by a beam from above and below. Further, the mirror holding portion 13b is supported by a beam from the left-right direction.
  • the electrostatic force causes the central mirror portion 13a to tilt in the left-right direction with the vertical rotation axis as the center, ie, the direction in which the beam is twisted.
  • the bottom substrate corresponding to the mirror holding portion 13b is formed with an electrode (not shown) that is divided into upper and lower parts, and the electrostatic force is applied by applying a voltage between the mirror holding portion 13b and the electrode on the bottom substrate. This causes the mirror holder 13b to twist the beam. It tilts in the up-down direction around the turning direction, that is, the left-right rotation axis. By controlling the tilt in both axial directions at the same time, the tilt of the central mirror portion 13a can be freely set in the two-dimensional direction.
  • the primary resonance frequency in the torsional direction can be increased by designing the thickness and width of the beam portion, and the horizontal direction A high primary resonance frequency can be easily obtained at the center of the rotation axis.
  • the central mirror 13a is lmm square
  • the beam width is 50 microns
  • the beam length is 200 microns
  • the primary resonance frequency is about 15kHz
  • the resonance frequency in the Y direction is about 4kHz. I was able to deflect the light beam.
  • the deflection angle of the light beam can be accurately controlled by the MEMS mirror 13, so that the light emitted from the pupil of the projection lens 8 and the two-dimensional spatial light modulator 7 Therefore, an optical system with very little loss of light can be realized without generating loss of light by irradiating outside the image frame.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
  • the same operation can be performed using a force polygon mirror or galvanometer mirror using the MEMS mirror 13 as the movable mirror.
  • a polygon mirror 14 and a galvano mirror 15 are used as examples of the movable mirror instead of the lenticular lens, and the other points are the same as those of the two-dimensional image forming apparatus shown in FIG. Are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the polygon mirror 14 reflects and deflects the light beam emitted from the laser light source 1 in the X direction, and the galvano mirror 15 further reflects the light beam reflected by the polygon mirror 14 to reflect the Y direction (X Deflected in a direction perpendicular to the direction) to perform two-dimensional beam deflection.
  • the deflection angle of the light beam can be accurately controlled by the polygon mirror 14 and the galvanometer mirror 15 in the present embodiment as well. Since no loss light is generated by irradiating the outside of the image frame of the three-dimensional spatial light modulator 7, an optical system with a very small light loss can be realized.
  • FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to a ninth embodiment of the present invention.
  • the same operation can be performed using two galvanometer mirrors using a polygon mirror 14 and a galvanometer mirror 15 as the movable mirror.
  • two galvano mirrors 15 and 16 are used as an example of a movable mirror instead of a lenticular lens, and the other points are the same as those of the two-dimensional image forming apparatus shown in FIG. Are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the galvanometer mirror 16 reflects and deflects the light beam emitted from the laser light source 1 in the X direction, and the galvanometer mirror 15 further reflects the light beam reflected by the galvanometer mirror 16 to reflect the Y direction. 2D beam deflection.
  • the deflection angle of the light beam can be accurately controlled by the galvanometer mirrors 15 and 16, so that the light emitted from the pupil of the projection lens 8 and the two-dimensional space can be controlled. Since no light is lost due to irradiation outside the image frame of the light modulation element 7, an optical system with very small light loss can be realized. In the present embodiment, the same effect can be obtained even when two polygon mirrors using two galvano mirrors are used.
  • FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to the tenth embodiment of the present invention.
  • one laser light source is used.
  • the present invention can also be applied to a case where a full-color image is formed using red, green, and blue laser light sources.
  • a color image is displayed using a red laser light source la, a green laser light source lb, and a blue laser light source lc.
  • each prism array 2a to 2c is provided with a driving unit for rotating the prism arrays 2a to 2c, as in the first embodiment, and is omitted in FIG. 14 for ease of illustration. is doing.
  • the light beam emitted from the rod integrator 4a is reflected by the mirror 17a through the projection optical system 5a, and illuminates the two-dimensional spatial light modulator 7a through the field lens 6a.
  • the light beam emitted from the deintegrator 4b is guided to the field lens 6b through the projection optical system 5b, illuminates the two-dimensional spatial light modulator 7b, and the light beam emitted from the rod integrator 4c is mirrored through the projection optical system 5c.
  • the light is reflected by 17c and illuminates the two-dimensional spatial light modulator 7c via the field lens 6c.
  • the dichroic prism 18 reflects red light incident from the upper side of the drawing in the left direction, reflects blue light incident from the lower side of the drawing in the left direction of the drawing, and emits green light incident on the right side of the drawing. It has a function to transmit. All the images on the three two-dimensional spatial light modulators 7a to 7c are projected on the screen 19 by the projection lens 8. At this time, video signals corresponding to red, green, and blue are respectively input to the three two-dimensional spatial light modulators 7a to 7c, and a full-color video is displayed on the screen 19.
  • the present embodiment has the same effects as the first embodiment, can display a full-color image, and further uses the projection lens 8 for each color light. Therefore, the number of parts can be reduced.
  • the prism array is used as the beam deflecting means.
  • a lenticular lens, a diffuser plate, a rotationally symmetric lens, a galvanometer mirror, a polygon mirror, and other beam deflecting means may be used.
  • FIG. 15 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional image forming apparatus according to an eleventh embodiment of the present invention.
  • a dichroic prism 20 is installed in front of the incident side of the prism array 2, and a color image is displayed using the red laser light source la, the green laser light source lb, and the blue laser light source lc. .
  • the light beams emitted from the red laser light source la, the green laser light source lb, and the blue laser light source lc are combined by the dichroic prism 20 before entering the prism array 2 and the rod integrator 4, and all colors are emitted. Both light beams follow the same optical path and enter the prism array 2 to be deflected.
  • the prism array 2 is provided with a drive unit for rotating the prism array 2 as in the first embodiment, and is omitted in FIG. 15 for ease of illustration.
  • each light beam deflected by the prism array 2 is transmitted by the rod integrator 4.
  • the behavior of each light beam until it reaches the screen 8 after being converted into a light beam having a uniform intensity distribution is the same as in the first embodiment.
  • This embodiment is different from the first embodiment in that it adopts a control method called so-called sequential lighting as described below.
  • Red, green, and blue video signals are sequentially switched and input on the two-dimensional spatial light modulator 7, and the red laser light source la, the green laser light source lb, Turn on the blue laser light source lc sequentially.
  • images of the respective colors are sequentially projected on the screen 19.
  • the images of each color are observed in an overlapping manner, and a full-color image is detected.
  • This embodiment can achieve the same effects as those of the tenth embodiment, and includes prism array 2, drive unit, rod integrator 4, projection lens 5, field lens 6, two-dimensional spatial light modulation Since all elements 7 are commonly used for red, green, and blue, the number of optical components is reduced, and a full-color video display is possible with a small configuration.
  • the projection optical system 5 and the screen are described as examples of the projection display.
  • the present invention is not limited to the projection optical system 5 and the transmissive screen.
  • the present invention can also be applied to a rear projection type two-dimensional image forming apparatus combined with a projector.
  • a power image projection apparatus has been described as an example, the present invention can also be used for a monochromatic laser image projection apparatus, such as a semiconductor exposure apparatus.
  • the two-dimensional image forming apparatus includes at least one laser light source, a beam deflection unit that changes a traveling direction of a light beam emitted from the laser light source, and the beam deflection.
  • a rod integrator a first projection optical system that projects a light beam emitted from the rod integrator; a two-dimensional spatial light modulator that modulates a light beam emitted from the first projection optical system; Second projection optical system for projecting light emitted from the two-dimensional spatial light modulator onto a predetermined surface It is characterized by providing.
  • the light beam emitted from the laser light source is deflected at different angles by the beam deflecting unit and the driving unit, and the deflected light beam is internally reflected by the rod integrator. Then, the light beam that is guided to the exit end and is emitted from the rod integrator is projected onto the two-dimensional spatial light modulator by the first projection optical system, and the light emitted from the two-dimensional spatial light modulator is second. Are projected onto a predetermined plane by the projection optical system. At this time, the light beam can be deflected at different angles in time by the beam deflecting means disposed between the laser light source and the rod integrator without disposing a diffusion plate immediately before the two-dimensional spatial light modulator.
  • the beam deflection means includes a prism array in which minute prisms are two-dimensionally arranged.
  • the deflection angle of the light beam can be accurately controlled by the prism array, light lost at the pupil of the lens of the second projection optical system or the outside of the image frame of the two-dimensional spatial light modulator is lost. Can be reduced, and an optical system with very little light loss can be realized.
  • the beam deflecting unit includes a lenticular lens having optical axes arranged substantially at right angles to each other.
  • the deflection angle of the light beam can be accurately controlled by the lenticular lens, the light emitted from the pupil of the lens of the second projection optical system or the outside of the image frame of the two-dimensional spatial light modulator is irradiated. Therefore, an optical system with a very small light aperture can be realized.
  • the surface shape of the lenticular lens is smooth, there is no light scattering due to the boundary line unlike a prism, so an optical system with less loss can be realized.
  • the lenticular lens includes a first substrate on which a first lenticular lens that deflects a light beam emitted from the beam deflecting unit in a horizontal direction is formed, and a light beam emitted from the beam deflecting unit. And a second substrate on which a second lenticular lens deflected in the vertical direction is formed.
  • a first substrate on which a first lenticular lens that deflects a light beam emitted from the beam deflecting unit in a horizontal direction is formed, and a light beam emitted from the beam deflecting unit.
  • a second substrate on which a second lenticular lens deflected in the vertical direction is formed.
  • the lenticular lens has a first lenticular lens that horizontally deflects the light beam emitted from the beam deflecting unit on one surface, and the other surface from the beam deflecting unit.
  • a substrate on which a second lenticular lens for deflecting the emitted light beam in the vertical direction is formed may be included.
  • the lenticular lens can also be configured with a single substrate, which reduces the number of parts and simplifies the configuration of the driving means. .
  • the beam deflecting means preferably includes a diffusion plate.
  • the light beam can be deflected at different angles in time by disposing a diffuser plate between the laser light source and the rod integrator without disposing a diffuser plate immediately before the two-dimensional spatial light modulator.
  • the loss of light can be reduced, and an optical system with small light loss can be realized.
  • the diffusion plate preferably has a pseudo-random diffusion plate force. In this case, it is possible to reduce the light that is lost by irradiating the outside of the image frame of the two-dimensional spatial light modulation element, and it is possible to reduce the light emitted from the lens pupil of the second projection optical system. Therefore, it is possible to realize an optical system with smaller light loss.
  • the beam deflection means includes a lens.
  • the deflection angle of the light beam can be accurately controlled by driving the lens two-dimensionally, the light emitted from the pupil of the lens of the second projection optical system and the two-dimensional spatial light modulator Illuminate outside the image frame This makes it possible to reduce the loss of light and realize an optical system with very little light loss.
  • a lens that is smaller than a lenticular lens is used, a smaller optical system can be realized.
  • the beam deflecting unit and the driving unit include a movable mirror that drives the mirror two-dimensionally.
  • the deflection angle of the light beam can be accurately controlled by a movable mirror that drives the mirror two-dimensionally, the light emitted from the lens pupil of the second projection optical system and the two-dimensional spatial light modulator It is possible to reduce the loss of light by irradiating the outside of the image frame, and it is possible to realize an optical system with very little light loss.
  • the MEMS mirror is much smaller than the lenticular lens, so that a smaller optical system can be realized.
  • the two-dimensional spatial light modulator is preferably a reflective two-dimensional spatial light modulator. In this case, since it is not necessary to place a diffuser plate in front of the reflective two-dimensional spatial light modulator, it is possible to prevent a decrease in the amount of light.
  • the laser light source includes three laser light sources that respectively generate blue light, green light, and red light.
  • the beam deflecting unit, the rod integrator, the first projection optical system, and the second light source The three-dimensional spatial light modulator is preferably arranged individually for each of the three laser light sources. In this case, a full-color image can be displayed and the second projection optical system can be shared by the light of each color, so that the number of parts can be reduced.
  • the laser light source includes three laser light sources that respectively generate blue light, green light, and red light.
  • the laser light source further includes a light combining unit that combines light from the three laser light sources.
  • the synthesized light may be incident on the beam deflecting means.
  • a full-color image can be displayed, and the beam deflecting unit, the driving unit, the rod integrator, the first projection optical system, the two-dimensional spatial light modulator, and the second projection optical system can be used as light of each color. Since they can be shared, the number of parts can be further reduced.
  • the two-dimensional image forming apparatus irradiates the outside of the image frame of the two-dimensional spatial light modulator. If there is no loss of light, and speckle noise can be reduced with an optical system with very little loss of light, this has the effect of creating a two-dimensional image using a coherent light source as the light source. It is useful as a device.

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Description

明 細 書
二次元画像形成装置
技術分野
[0001] 本発明は、光源としてコヒーレント光源を使用する二次元画像形成装置に関するも のである。より詳細には、ディスプレイ内に現れるスペックルノイズを低減するための 手段を有する二次元画像形成装置に関するものである。
背景技術
[0002] 図 16に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 101 a〜101cからの各光ビームは、ビームエキスパンダ 102によって拡大され、光インテ グレータ 103によって二次元空間光変調素子 107を照射する。この光インテグレータ 103は、長方形の単位レンズが二次元に配置された蠅の目レンズになっており、略 ガウス分布をしている光強度分布は、二次元空間光変調素子 107上ではほぼ一様 な長方形となり、二次元空間光変調素子 107を一様な強度で照射する。二次元空間 光変調素子 107の手前には拡散板 105が配置され、拡散板揺動部 112によってそ の面内で回転している。二次元空間光変調素子 107を通過した各光は、ダイクロイツ クプリズム 110によって合波され、投射レンズ 109によってスクリーン 108上にフル力 ラーの映像として投射される。
[0003] このようなレーザディスプレイの特徴は、光源に単色性の強いレーザ光源を用いて いることである。ランプを用いたプロジェクタでは、ランプ光源の連続なスペクトルを持 つ光を RGB3色に分解するため、 RGBそれぞれの光も連続的なスペクトル分布をも ち、純粋な単色を表示することができない。それに対してレーザディスプレイでは、単 色光源を用いているため、色純度が高ぐ鮮やかな画像の表示が可能である。
[0004] ところで、このようなディスプレイでは、光源に干渉性の高!、レーザ光源を用いて ヽ 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。このスペックルノイズを抑圧 するために、従来提案されているレーザディスプレイでは、図 16で説明したように、拡 散板 105を揺動する構成をとる。
[0005] すなわち、拡散板 105は、表面を磨りガラス状にカ卩ェしたもので、入射した光にラン ダムな位相変調を与える。拡散板 105に入射した平行ビームは、一定の角度内にラ ンダムに拡散された発散光となる。拡散板 105を通過した光は、二次元空間光変調 素子 107上にランダムなスペックルノイズを生じる。拡散板 105をその面内で揺動す ることにより、二次元空間光変調素子 107上のスペックルノイズは、高速に変化し、同 様にスクリーン 108上に投射された画像のスペックルノイズも高速に変化する。これを 目で観察したときには高速で変化するスペックルノイズが時間平均され、ノイズのない 滑らかな画像として認識される。
[0006] し力しながら、上記の構成における課題は、拡散板 105で散乱された光の一部が口 スとなることである。以下にその様子を詳説する。
[0007] スペックルノイズをより効果的に抑圧するには、拡散板 105での光の拡散角を大きく すればよい。このとき、二次元空間光変調素子 107を照射する光の入射角が大きく なり、ひいてはスクリーン 108を照射する光のスクリーン 108への入射角も大きくなる。 瞬時瞬時に生じて 、るスペックルパターンは、スクリーン 108への入射角に依存する ため、より大きな角度で入射することで、より多くのスペックルパターンが生じ、より効 果的に平均化される。
[0008] 上記のように拡散角を大きくしたときには、二次元空間光変調素子 107の画像枠外 を照射する光と、投射レンズ 109の瞳でけられる光とが増加して光のロスとなる。二次 元空間光変調素子 107と拡散板 105との距離を小さくすることにより、二次元空間光 変調素子 107の画像枠外を照射する光を少なくすることができるが、反面、拡散板 1 05の粒子パターンがスクリーン 108上に結像され、スペックルノイズ以外のノイズとな る。このため、二次元空間光変調素子 107と拡散板 105との間の距離は一定間隔を あける必要があり、二次元空間光変調素子 107の画像枠外にはずれる光をなくすこ とはできない。
[0009] 一方、拡散板 105での拡散角を投射レンズ 109の明るさ（F値)以下にすると投射レ ンズ 109でのけられによる光のロスを防ぐことができる力 通常、拡散板 105の拡散特 性は、拡散角に対して出射光強度分布がガウス関数状の分布を示し、拡散角を大き く取るに従い、投射レンズ 109でのけられが増加することになる。
[0010] また、上記のレーザディスプレイでは、光インテグレータ 103を用いてビームの光強 度を均一化しているため、光インテグレータ 103にある程度の光路長が必要となり、 光インテグレータ 103の長さが長くなる。また、光インテグレータ 103に入射されるビ ームがビームエキスパンダ 102によって拡大されているため、ビーム径も大きくなり、 ビームエキスパンダ 102及び光インテグレータ 103に大径のものを用いる必要がある 。この結果、ビームエキスパンダ 102及び光インテグレータ 103が大型化して光学系 が大きくなり、レーザディスプレイを小型化することが困難である。
特許文献 1 :特開平 7— 297111号公報
発明の開示
[0011] 本発明の目的は、スペックルノイズを低減することができるとともに、光のロスを小さ くすることができ、さらに、光学系を小型化することができる二次元画像形成装置を提 供することである。
[0012] 本発明の一の局面に従う二次元画像形成装置は、少なくとも一つのレーザ光源と、 前記レーザ光源から出射される光ビームの進行方向を変化させるビーム偏向手段と 、前記ビーム偏向手段から出射される光ビームの進行方向を時間的に変化させるた めに前記ビーム偏向手段を駆動する駆動手段と、前記ビーム偏向手段により偏向さ れた光ビームを内部反射させつつ出射端に導くロッドインテグレータと、前記ロッドィ ンテグレータから出射される光ビームを投影する第 1の投影光学系と、前記第 1の投 影光学系から出射される光ビームを変調する二次元空間光変調素子と、前記二次 元空間光変調素子から出射される光を所定の面上に投影する第 2の投影光学系とを 備えるものである。
[0013] この二次元画像形成装置においては、スペックルノイズを低減することができるとと もに、光のロスを小さくすることができ、さらに、光学系を小型化することができる。 図面の簡単な説明
[0014] [図 1]本発明の第 1の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図である。
[図 2]図 1に示すプリズムアレイの構成を主に説明するための模式的斜視図である。
[図 3]本発明の第 2の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図である。 [図 4]本発明の第 3の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図である。
[図 5]図 4に示すレンチキュラーレンズの構成を主に説明するための模式的斜視図で ある。
[図 6]本発明の第 4の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図である。
[図 7]図 6に示す二次元画像形成装置におけるレンチキュラーレンズの凹凸形状の 配置を表す図である。
[図 8]本発明の第 5の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図である。
[図 9]本発明の第 6の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図である。
[図 10]図 9に示す二次元画像形成装置に用いる擬似ランダム拡散板の平面構成を 示す図である。
[図 11]本発明の第 7の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図である。
[図 12]本発明の第 8の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図である。
[図 13]本発明の第 9の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図である。
[図 14]本発明の第 10の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図である
[図 15]本発明の第 11の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図である
[図 16]従来のレーザディスプレイの概略構成図である。
発明を実施するための最良の形態
[0015] 以下、本発明の各実施の形態による二次元画像形成装置について図面を参照し ながら説明する。
[0016] (第 1の実施の形態）
図 1は、本発明の第 1の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図であ る。図 1に示す二次元画像形成装置は、レーザ光源 1、プリズムアレイ 2、駆動部 3、口 ッドインテグレータ 4、投影光学系 5、フィールドレンズ 6、二次元空間光変調素子 7、 投射レンズ 8を備える。
[0017] コヒーレント光源であるレーザ光源 1から出射した光ビームは、プリズムアレイ 2を通 過し、ロッドインテグレータ 4に入射する。ロッドインテグレータ 4内において内部反射 を繰り返して出射端に達した光ビームは、投影光学系 5によって透過型の二次元空 間光変調素子 7上にフィールドレンズ 6を介して投射される。二次元空間光変調素子 7は、液晶シャッター等力 構成され、信号処理回路（図示省略)から出力される画像 データに応じて各シャッターの開閉動作を制御することにより、投影光学系 5から出 射されるビームを、表示すべき画像に応じて変調して投射レンズ 8へ導く。投射レン ズ 8は、二次元空間光変調素子 7から出射される光をスクリーン（図示省略)上に投影 する。
[0018] 投影光学系 5によって二次元空間光変調素子 7上に投影される光ビームは、図 1に 示すように略発散ビームとなって 、るため、フィールドレンズ 6が略発散ビームを収束 ビームに変換し、二次元空間光変調素子 7を通過した光が、効率よく投射レンズ 8〖こ 入射されるようにしている。
[0019] 図 2は、図 1に示すプリズムアレイの構成を主に説明するための模式的斜視図であ る。図 2に示すように、プリズムアレイ 2は、微小なプリズムが二次元状に配置され、例 えば、微小な単位プリズム 2aが円周上に並べられた円板力も構成され、モーター等 から構成される駆動部 3によって回転され、光ビームは、連続的に異なる単位プリズ ム 2aによって偏向させられる。それぞれの単位プリズム 2aは、その表面が異なる方向 を向いており、光ビームは、異なる単位プリズム 2aによって異なる方向に偏向させら れる。
[0020] このように、光ビームは、プリズムアレイ 2の回転によって単位時間あたり多数の単 位プリズム 2aを通過し、種々の方向に偏向させられるため、ロッドインテグレータ 4の 出力端面では、高速にビーム位置が変化し、時間あたりの平均光照射パワーは、出 力端面内で一様となる。より一様性を高めるには、それぞれの単位プリズム 2aの表面 を凹レンズ形状とし、偏向された光ビームがわずかに発散ビームとなり、ロッドインテ グレータ 4の出力端面における光ビームが一定以上の大きさとなるようにすればよい
[0021] このとき、二次元空間光変調素子 7を照射する光ビームの入射角が時々刻々変化 し、結果として、スクリーンを照射する光ビームのスクリーンへの入射角が変化するた め、効率よくスペックルノイズが抑圧される。 [0022] 本実施の形態の光学系のポイントは、光ビームの偏向にプリズムアレイ 2を用いて いるため、光ビームの偏向角を正確に設計できることである。例えば、投影光学系 5 の拡大倍率が 2倍、投射レンズ 8の明るさが 2. 5のとき、ロッドインテグレータ 4から出 射する光の F値を 1. 25以下になるようにすれば、光ビームはすべて投射レンズ 8の 瞳の内側を通過し、けられによる光ロスのな 、光学系が実現される。
[0023] ここで、ロッドインテグレータ 4は、直方体の光学プリズムであり、内部反射により入 射端から出射端に光が伝搬する際に光の倒れ角が保存されるため、ロッドインテグレ ータ 4に入射する光ビームの倒れ角も F値 1. 25相当の角度以下になるように、プリズ ムアレイ 2における偏向角を設計すればよい。
[0024] また、ロッドインテグレータ 4とプリズムアレイ 2との距離を十分に近接させ、単位プリ ズム 2aでの偏向によるロッドインテグレータ 4の入射端面におけるビーム位置ずれを ロッドインテグレータ 4の入射端面のサイズより小さくしておけば、プリズムアレイ 2によ つて偏向された光ビームはすべて、ロッドインテグレータ 4に入射し、二次元空間光変 調素子 7を照射する。このため、従来例で生じたような、二次元空間光変調素子 7の 画像枠外を照射してロスとなる光が発生せず、光のロスの非常に小さな光学系が実 現される。
[0025] 上記のように、本実施の形態では、投射レンズ 8の瞳でけられる光や二次元空間光 変調素子 7の画像枠外を照射してロスとなる光が発生しないため、光のロスの非常に 小さな光学系を実現することができる。
[0026] また、本実施の形態では、レーザ光源 1から出射される光ビームを拡大することなく 、小型のロッドインテグレータ 4を用いて光ビームの強度分布を一定にしているので、 大型のビームエキスパンダ及び光インテグレータを用いる必要がなくなり、光学系を 小型化することができ、二次元画像形成装置を小型化することができる。
[0027] (第 2の実施の形態）
図 3は、本発明の第 2の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図であ る。図 3に示す二次元画像形成装置と図 1に示す二次元画像形成装置とで異なる点 は、偏光ビームスプリッタ 9が付加されるとともに、透過型の二次元空間光変調素子 7 が反射型の二次元空間光変調素子 7aに変更され、投射レンズ 8が偏光ビームスプリ ッタ 9の上部に配置される点であり、その他の点は図 1に示す二次元画像形成装置と 同様であるので、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
[0028] 反射型の二次元空間光変調素子 7aは、例えば、強誘電性液晶をシリコン基板上に 配したいわゆる LCOS (Liquid Crystal On Silicon)デバイスと呼ばれる二次元 空間光変調素子から構成される。 LCOS二次元空間光変調素子では、光スィッチが 二次元に配列され、入力信号によってその反射光の偏光方向が回転される。したが つて、偏光ビームスプリッタ 9によって反射された入射光のうち、 ON状態の光スィッチ に入射された光は、その偏光方向が回転されて反射され、偏光ビームスプリッタ 9を 通過して投射レンズ 8に入射する。
[0029] この光学系において、従来例のように拡散板を反射型の二次元空間光変調素子 7 aの直近に配置してスペックルノイズを防止する方法を適用する場合には、図 3の破 線の長方形で表した位置に拡散板を配置することになる。なんとなれば、反射型の 二次元空間光変調素子 7aと投射レンズ 8との間に拡散板を配置すると、スクリーンに 投射される画像がぼけてしまうために、反射型の二次元空間光変調素子 7aからの反 射光が通過する光路中に拡散板を配置することができないことによる。
[0030] このため、拡散板と反射型の二次元空間光変調素子 7aとの間に偏光ビームスプリ ッタ 9が存在し、その光路が長くなるため、拡散板で拡散された光の多くが反射型の 二次元空間光変調素子 7aの画像枠外にはずれる。このように、反射型の二次元空 間光変調素子 7aと拡散板とを組み合わせて使用する場合に、特に光のロスが大きく なる。これに対して、本実施の形態では、第 1の実施の形態の効果に加え、反射型の 二次元空間光変調素子 7aの手前に拡散板をおく必要がないため、光量低下を防ぐ ことができ、本発明は、反射型二次元空間光変調素子を用いたときに特に有効であ る。
[0031] (第 3の実施の形態）
図 4は、本発明の第 3の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図であ り、図 5は、図 4に示すレンチキュラーレンズの構成を主に説明するための模式的斜 視図である。本実施の形態では、レーザ光源 1からロッドインテグレータ 4までの間に 、 2個の駆動部 3a, 3bによって回転される 2枚のレンチキュラーレンズ 10a, 10bを配 して光ビームを偏向して 、る。その他の点は図 1に示す二次元画像形成装置と同様 であるので、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
[0032] 本実施の形態に用いるレンチキュラーレンズ 10a, 10bは、円盤状の基板に波板状 の滑らかな凹凸形状を円環領域上に形成することによりレンチキュラーレンズを形成 したものであり、凹凸形状の方向が円盤基板の半径方向に向くように凹凸形状が配 置されている。したがって、レンチキュラーレンズ 10a, 10bは、その断面が波板状の 滑らかな凹凸形状を有しており、入射した光ビームを凹凸形状に直角な方向に偏向 させる。
[0033] レンチキュラーレンズ 10a, 10bは、円盤基板の中心を回転中心として面内で、モ 一ター等カゝら構成される駆動部 3a, 3bによってそれぞれ回転される。入射した光ビ ームがレンチキュラーレンズ 10a, 10bの凹凸形状を横断するたびに、光ビームは凹 凸形状に垂直な方向に繰り返し偏向される。このとき、レンチキュラーレンズ 10a, 10 bを 2枚用いて、一方のレンチキュラーレンズ 10aは入射光を水平方向に偏向し、他 方のレンチキュラーレンズ 10bは入射光を鉛直方向に偏向するように、レンチキユラ 一レンズ 10a, 10bが図示のように配置される。各レンチキュラーレンズ 10a, 10bの 凹凸形状の深さや周期は、その傾斜角が投射レンズ 8でけられが生じないように設計 される。
[0034] 本実施の形態の二次元画像形成装置の特長は、レンチキュラーレンズ 10a, 10b の表面が連続な面力 構成され、不連続点がないことから、光の散乱によるロスがな いことである。例えば、第 1の実施の形態に用いられるプリズムアレイ 2では、プリズム とプリズムとが隣接する境界線でその表面形状が不連続となり、光ビームがこの不連 続線上を照射する際にわずかではあるが光が散乱されてロスとなる。これに対してレ ンチキユラ一レンズ 10a, 10bでは表面形状が滑らかであり、境界線による光の散乱 がな 、こと力 ロスの少な 、光学系が実現される。
[0035] また、本実施の形態の二次元画像形成装置の別の特長は、レンチキュラーレンズ 1 Oa, 10bを通過する光の偏光方向が変わらないことである。例えば、二次元空間光 変調素子 7に液晶二次元空間光変調素子を用いた場合には、二次元空間光変調素 子 7への入射前後に、光ビームは偏光分離素子を通過する。 [0036] 例えば、図 3の構成では、反射型の二次元空間光変調素子 7aに隣接して偏光ビー ムスプリッタ 9が設置されている。一方向の偏光成分のみが偏光ビームスプリッタ 9で 反射されて反射型二次元空間光変調素子 7aに入射し、入力信号に応じて、その偏 光方向が変化する。偏光方向が変化した光は、偏光ビームスプリッタ 9を透過して投 射レンズ 8からスクリーンに投射される。ここで、ロッドインテグレータ 4から偏光ビーム スプリッタ 9に入射する光が直線偏光でなぐ不要な偏光成分が含まれるときには、不 要偏光成分は、図 3に点線で表したごとく偏光ビームスプリッタ 9を通過して反射型二 次元空間光変調素子 7aに入射せず、光のロスとなる。
[0037] また、図 4のように透過型の二次元空間光変調素子 7を用いた場合にも、液晶二次 元空間光変調素子を用いている場合には、液晶二次元空間光変調素子の入射側と 出射側に偏光子（図示省略)が配置されるため、不要偏光成分は入射側の偏光子で 吸収され、反射型の液晶二次元空間光変調素子 7aを用いた場合と同様に不要偏光 成分が光のロスとなる。これに対して、レーザ光源 1からの光は、例えば、水平方向の 直線偏光であり、前記二つのレンチキュラーレンズ 10a, 10bの表面の傾斜方向が鉛 直方向および水平方向であるため、レンチキュラーレンズ 10a, 10bで偏向される時 に偏光方向が変化せず、二次元空間光変調素子 7に直線偏光の光が入射し、ロス のない光学系が実現される。図 16に示した従来例の光学系においては、拡散板 10 5を通過した光はその偏光方向がわずかに乱され、不要偏光成分が生じるため、光 のロスとなる。
[0038] (第 4の実施の形態）
図 6は、本発明の第 4の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図であ り、図 7は、図 6に示す二次元画像形成装置におけるレンチキュラーレンズの凹凸形 状の配置を表す図である。なお、図 7に示す裏面は、レンチキュラーレンズ 10cの表 面すなわちロッドインテグレータ 4側力も見た状態を示している。
[0039] 本実施の形態では、レンチキュラーレンズ 10cは、円盤状の基板の表面（ロッドイン テグレータ 4側の面）と裏面（レーザ光源 1側の面）とに波板状の滑らかな凹凸形状を 円環領域上に形成することにより 2つのレンチキュラーレンズを形成したものであり、 その光軸方向は図 7に示したごとく互いに直交して配置される。また、レンチキュラー レンズ 10cの表面及び裏面の凹凸形状の方向がそれぞれレンチキュラーレンズ 10c の半径方向（図 7に示す破線方向）に対して 45度傾斜（ロッドインテグレータ 4側から 見て、表面の凹凸形状の方向は時計回りに 45度傾斜、裏面の凹凸形状の方向は時 計回りに 45度傾斜）して配置される。レンチキュラーレンズ 10cは、円盤状の基板の 中心を回転中心（回転軸 RA)として面内で、モーター等力も構成される駆動部 3cに よって回転される。その他の点は図 4及び図 5に示す二次元画像形成装置と同様で あるので、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
[0040] このような構成では、光ビームは、レンチキュラーレンズ 10cの表面のレンチキユラ 一レンズで水平方向に偏向され、裏面のレンチキュラーレンズで鉛直方向に偏向さ れ、その結果、レンチキュラーレンズ 10cからの出射光は、二次元的にその出射方向 が偏向される。
[0041] 上記の構成により、本実施の形態の二次元画像形成装置は、レンチキュラーレンズ 10cが 1枚の基板で構成されるため、部品点数を削減することができるとともに、レン チキユラ一レンズ 10cを回転する回転軸 RAがーつに統一されるため、回転機構であ る駆動部 3cを簡素化することができる。
[0042] また、本実施の形態では、レンチキュラーレンズ 10cの回転軸 RAと、レンチキユラ 一レンズ 10c上の光ビームが入射する点 BIとを結んだ方向（図 6に示す破線方向）は 、ロッドインテグレータ 4に対して 45度方向に配置される。また、入射する光ビームは 、その偏向方向が水平方向あるいは鉛直方向の直線偏光をなすように配置される。 このような構成によって、レンチキュラーレンズ 10cで偏向された光ビームの偏向方向 が変化せず、二次元空間光変調素子 7に入射する不要偏向成分が生じない、ロスの 少ない光学系が実現される。
[0043] (第 5の実施の形態）
図 8は、本発明の第 5の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図であ る。本実施の形態では、レンチキュラーレンズの代わりに通常の回転対称のレンズ 11 を用いており、その他の点は図 1に示す二次元画像形成装置と同様であるので、同 一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
[0044] 回転対称のレンズ 11を用いた場合には、レンチキュラーレンズを用いた場合と異な り、レンズ 11を二次元方向（図中の矢印方向）に揺動する必要があり、ステッピングモ 一タ等を駆動源とする XYステージ等カゝら構成される駆動部 3dにより、レンズ 11を二 次元方向に揺動する。この場合にも、レンズ 11を透過した光力 レンズ 11を移動させ た方向に偏向され、レンチキュラーレンズを回転させたときと同様に二次元空間光変 調素子 7に入射する光の角度を変化させてスペックルノイズを抑圧する効果を発揮 する。また、本実施の形態の二次元画像形成装置は、レンチキュラーレンズより小型 のレンズ 11を用いることができ、小型の光学系が実現できると!、う効果を持つ。
[0045] (第 6の実施の形態）
図 9は、本発明の第 6の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図であ る。本実施の形態では、レンチキュラーレンズの代わりに拡散板 12を用いており、そ の他の点は図 1に示す二次元画像形成装置と同様であるので、同一部分には同一 符号を付して詳細な説明を省略する。
[0046] レーザ光源 1からの光ビームは、ロッドインテグレータ 4の入射端付近に設けられた 拡散板 12を照射する。拡散板 12は、ランダムな表面形状をもち、透過する光を拡散 させる作用を持つ。さまざまな角度方向に拡散された光は、ロッドインテグレータ 4中 で全反射を繰り返してロッドインテグレータ 4の出射端に到達し、投影光学系 5を通じ て二次元空間光変調素子 7を照射する。この光学系においても、レンチキュラーレン ズのようなビーム偏向手段を用いた光学系と同様に、二次元空間光変調素子 7を照 射する光は、様々な角度をもって入射し、スペックルノイズを抑圧する効果を持つ。す なわち、駆動部 3eにより拡散板 12を揺動することで、発生するスペックルノイズのパ ターンを高速に変化させ、観察したときにそれら高速に変化するスペックルノイズバタ ーンが時間的に平均化されてノイズのない画像として認識される。
[0047] また、拡散板 12の拡散表面をロッドインテグレータ 4の入射端に接近させることで、 拡散板 12からの出射光をロスなくロッドインテグレータ 4に入射させることができ、光口 スの少ない光学系を実現できる。また、拡散板 12の凹凸の深さや粒状性の大きさな ど、表面形状を制御することで、光の拡散角を制御できる。こうして、二次元空間光変 調素子 7に入射する光の入射角を制御し、投射レンズ 8でのけられによる光ロスの少 ない光学系が実現される。 [0048] また、本実施の形態では、ビーム偏向手段として拡散板 12を用いているため、拡散 板 12の揺動速度を小さくすることができる。通常、レンチキュラーレンズの大きさは 0. 5から 5ミリメートル程度であるのに対して、拡散板 12は 5マイクロメートルから 50マイ クロメートルの粒状の表面形状を持つ。このため、スクリーンで発生するスペックルノィ ズが観察されたときに時間平均されるように、スペックルノイズを十分高速に変化させ るために必要な拡散板 12の揺動速度は、レンチキュラーレンズの揺動速度に対して 10分の 1程度でよい。実験によると拡散板 12を毎秒 5mmで揺動したときに、スペック ルノイズが十分に抑圧されたノイズのない画像が観察された。
[0049] なお、本実施の形態に用いる拡散板としては、上記の例に特に限定されず、図 10 に示すような擬似ランダム拡散板 12aを用いてもよぐこの場合、光のロスをより低減さ せる効果がある。拡散板は通常ガラスゃ榭脂等の透明基板表面をランダムに荒らす ことによって作製されるのに対し、図 10に示す擬似ランダム拡散板 12aは、透明基板 の表面に格子状の凹凸を形成することで作製される。擬似ランダム拡散板 12aの表 面は、二次元の格子状セル CEに分割され、それぞれのセル CEを通過する光の位 相がランダムに変移するよう、凹凸の深さが設定される。最大の深さは λ Ζ (η— 1)と すればよい。
[0050] 図 10の擬似ランダム拡散板 12aを用いる利点は、擬似ランダム拡散板 12aを通過 する光の拡散角度がセル CEの大きさによって厳密にコントロールできることである。 すなわち、格子状セル CEのセルピッチを d、角度を Θとすると、
l ( 0 ) = {sin ( a ) / a }2 ( α = θ Χ ά/ ( π · λ ) )
となる強度分布をもって光が拡散される。例えば、拡散角の半値全角が 10度となる 拡散板を作製するには、上式で Ι ( θ ) = 1Ζ2として、波長えに対するセルピッチ dを 得られる。青、緑、赤の波長をそれぞれ、 X = 0. 473, 0. 532、 0. 640マイクロメ一 トルとする光源を用いた場合には、セルピッチ dはそれぞれ、 2. 4、 2. 7、 3. 2マイク 口メートルで作製すればよ 、。
[0051] 通常の拡散板では、表面形状がランダムであるため、（1)場所によって局所的な拡 散角度が異なり、光利用効率が低下する、（2)場所によって透過率が変化し、画像 に強度分布ムラが生じる、（3)拡散角度が一定になるよう安定に作製することが困難 であるなどの課題がある。また、通常の拡散板では散乱角を大きく取った際には偏向 方向が乱れる課題がある。図 10の擬似ランダム拡散板 12aでは、これらの課題が解 決可能である。
[0052] また、図 10の擬似ランダム拡散板 12aは、通常の半導体プロセスで用いられるフォ トリソグラフィー法とエッチング法とによってガラス板上に凹凸パターンを形成すること で作製できる。このとき、図 10のように位相変移を 0、 π /2、 π、 3 π Ζ2のように選 んでおくと、 π /2、 πの位相変移に相当する 2回のエッチングにより容易に作製する ことができる。
[0053] (第 7の実施の形態）
図 11は、本発明の第 7の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図で ある。上記の各実施の形態では、ビーム偏向手段として、プリズムアレイ 2、レンチキ ユラ一レンズ 10a〜： LOc、レンズ 11、拡散板 12など、光の屈折を用いたデバイスを用 いた構成を説明したが、ビーム偏向手段となるミラーと、ミラーを駆動する駆動手段と なる駆動部とからなる可動ミラーを用いて同様の動作をさせることもできる。本実施の 开態では、レンチキュラーレンズの代わりに可動ミラーの例として、 MEMS (Micro El ectro Mechanical Systems)ミラー 13を用いており、その他の点は図 1に示す二次元 画像形成装置と同様であるので、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省 略する。
[0054] 2次元 MEMSミラー 13は、 10ミクロン程度の厚みのシリコン結晶力 なる可動ミラ 一であり、エッチング技術により底面基板力も浮上した位置に中央ミラー部 13aが保 持されている。中央ミラー部 13aは、上下方向から梁によってミラー保持部 13bに接 続されている。また、ミラー保持部 13bは、左右方向から梁によって支持されている。
[0055] 中央ミラー部 13aの下側の底面基板には、左右に分割された電極（図示省略）が形 成され、中央ミラー部 13aと底面基板上の電極との間に電圧を印可することで、その 静電気力により中央ミラー部 13aが梁にねじりを生じる方向すなわち上下回転軸を中 心にして左右方向に傾斜する。ミラー保持部 13bに対応する底面基板には、上下に 分割された電極（図示省略)が形成され、ミラー保持部 13bと底面基板上の電極との 間に電圧を印可することで、その静電気力によりミラー保持部 13bが梁にねじりを生 じる方向すなわち左右回転軸を中心にして上下方向に傾斜する。この両軸方向の傾 斜を同時に制御することで、中央ミラー部 13aの傾きを 2次元方向に自由に設定でき る。
[0056] 中央ミラー部 13aの大きさは、約 lmm角と小さぐその回転モーメントも小さいため 、梁部の厚みや幅の設計によってねじれ方向の 1次共振周波数を高くすることができ 、左右方向の回転軸中心には容易に高い 1次共振周波数を得ることができる。中央ミ ラー部 13aを lmm角、梁の幅を 50ミクロン、梁の長さを 200ミクロンとしたとき、 1次共 振周波数は約 15kHz、 Y方向の共振周波数は約 4kHzとなり、十分に高い周波数で 光ビームを偏向することができた。
[0057] 上記の構成により、本実施の形態では、 MEMSミラー 13により光ビームの偏向角 を正確に制御することができるので、投射レンズ 8の瞳でけられる光や二次元空間光 変調素子 7の画像枠外を照射してロスとなる光が発生せず、光のロスの非常に小さな 光学系を実現することができる。
[0058] (第 8の実施の形態）
図 12は、本発明の第 8の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図で ある。上記実施の形態では、可動ミラーとして、 MEMSミラー 13を用いた力 ポリゴン ミラーやガルバノミラーを用いて同様の動作をさせることもできる。本実施の形態では 、レンチキュラーレンズの代わりに可動ミラーの例としてポリゴンミラー 14及びガルバ ノミラー 15を用いており、その他の点は図 1に示す二次元画像形成装置と同様であ るので、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
[0059] ポリゴンミラー 14は、レーザ光源 1から出射される光ビームを反射して X方向に偏向 させ、ガルバノミラー 15は、ポリゴンミラー 14により反射された光ビームをさらに反射し て Y方向（X方向と直交する方向）に偏向させ、 2次元のビーム偏向を行う。
[0060] 上記の構成により、本実施の形態でも、ポリゴンミラー 14及びガルバノミラー 15によ り光ビームの偏向角を正確に制御することができるので、投射レンズ 8の瞳でけられる 光や二次元空間光変調素子 7の画像枠外を照射してロスとなる光が発生しないため 、光のロスの非常に小さな光学系を実現することができる。
[0061] (第 9の実施の形態） 図 13は、本発明の第 9の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図で ある。上記実施の形態では、可動ミラーとして、ポリゴンミラー 14及びガルバノミラー 1 5を用いた力 2個のガルバノミラーを用いて同様の動作をさせることもできる。本実施 の形態では、レンチキュラーレンズの代わりに可動ミラーの例として 2個のガルバノミラ 一 15, 16を用いており、その他の点は図 1に示す二次元画像形成装置と同様である ので、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
[0062] ガルバノミラー 16は、レーザ光源 1から出射される光ビームを反射して X方向に偏 向させ、ガルバノミラー 15は、ガルバノミラー 16により反射された光ビームをさらに反 射して Y方向に偏向させ、 2次元のビーム偏向を行う。
[0063] 上記の構成により、本実施の形態でも、ガルバノミラー 15, 16により光ビームの偏 向角を正確に制御することができるので、投射レンズ 8の瞳でけられる光や二次元空 間光変調素子 7の画像枠外を照射してロスとなる光が発生しな 、ため、光のロスの非 常に小さな光学系を実現することができる。なお、本実施の形態では、 2個のガルバ ノミラーを用いた力 2個のポリゴンミラーを用いても、同様の効果を得ることができる。
[0064] (第 10の実施の形態）
図 14は、本発明の第 10の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図 である。上記の各実施の形態では、一つのレーザ光源を用いたが、赤、緑、青の各レ 一ザ光源を用いてフルカラーの画像を形成する場合にも、本発明を適用することが できる。本実施の形態では、赤色レーザ光源 laと、緑色レーザ光源 lbと、青色レー ザ光源 lcとを用いて、カラー画像を表示する。
[0065] 赤色レーザ光源 la、緑色レーザ光源 lb、及び青色レーザ光源 lcから出射された 各光ビームは、それぞれ、プリズムアレイ 2a〜2cとロッドインテグレータ 4a〜4cとを通 過してロッドインテグレータ 4a〜4cの出射端面で一様な強度分布を持つビームとな る。なお、各プリズムアレイ 2a〜2cには、第 1の実施の形態と同様に、各プリズムァレ ィ 2a〜2cを回転させる駆動部が設けられている力 図示を容易にするために、図 14 では省略している。
[0066] ロッドインテグレータ 4aを出射した光ビームは、投影光学系 5aを通じてミラー 17aに より反射され、フィールドレンズ 6aを介して二次元空間光変調素子 7aを照明し、ロッ ドインテグレータ 4bを出射した光ビームは、投影光学系 5bを通じてフィールドレンズ 6bへ導かれ、二次元空間光変調素子 7bを照明し、ロッドインテグレータ 4cを出射し た光ビームは、投影光学系 5cを通じてミラー 17cにより反射され、フィールドレンズ 6c を介して二次元空間光変調素子 7cを照明する。
[0067] ダイクロイツクプリズム 18は、図面上側から入射した赤色の光を左方向に反射し、図 面下側から入射した青色の光を図面左方向に反射し、図面右側力 入射した緑色の 光を透過させる機能を持つ。 3枚の二次元空間光変調素子 7a〜7c上の画像は、す ベて投射レンズ 8によりスクリーン 19上に重ねて投影される。このとき、 3枚の二次元 空間光変調素子 7a〜7cにはそれぞれ赤色、緑色、青色に対応した映像信号が入 力されており、スクリーン 19上にはフルカラーの映像が表示される。
[0068] 上記の構成により、本実施の形態では、第 1の実施の形態と同様の効果を奏すると ともに、フルカラーの映像を表示することができ、さらに、投射レンズ 8を各色の光に 共用しているので、部品点数を削減することもできる。なお、本実施の形態では、ビ ーム偏向手段としてプリズムアレイを用いたが、レンチキュラーレンズ、拡散板、回転 対称のレンズ、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、その他のビーム偏向手段を用いてもよ い。
[0069] (第 11の実施の形態）
図 15は、本発明の第 11の実施の形態による二次元画像形成装置の概略構成図 である。本実施の形態では、プリズムアレイ 2の入射側の前にダイクロイツクプリズム 2 0を設置し、赤色レーザ光源 laと、緑色レーザ光源 lbと、青色レーザ光源 lcとを用 いて、カラー画像を表示する。
[0070] 赤色レーザ光源 la、緑色レーザ光源 lb、及び青色レーザ光源 lcから出射された 各光ビームは、プリズムアレイ 2及びロッドインテグレータ 4に入射する前にダイクロイ ックプリズム 20により合波され、すべての色の光ビームがともに同じ光路をたどり、プリ ズムアレイ 2へ入射されて偏向される。なお、プリズムアレイ 2には、第 1の実施の形態 と同様に、プリズムアレイ 2を回転させる駆動部が設けられている力 図示を容易にす るために、図 15では省略している。
[0071] その後、プリズムアレイ 2により偏向された光ビームは、ロッドインテグレータ 4により 一様な強度分布を持つ光ビームに変換され、スクリーン 8に到達するまでのそれぞれ の光ビームの振る舞いは、第 1の実施の形態と同様である。本実施の形態が第 1の実 施の形態と異なるのは、以下に述べるような、いわゆる順次点灯と呼ばれる制御方式 をとることである。
[0072] 二次元空間光変調素子 7上には赤色用、緑色用、青色用の映像信号が順次切り 替えて入力され、各映像信号に同期して、赤色レーザ光源 la、緑色レーザ光源 lb、 青色レーザ光源 lcを順次点灯させる。この結果、スクリーン 19にはそれぞれの色の 映像が順次投影される。このように、映像信号の 1フレーム毎に赤色、緑色、青色が それぞれ数回ずつ点灯するよう高速に切り替えることで、それぞれの色の映像が重 なって観察され、フルカラーの映像が感知される。
[0073] 本実施の形態は、第 10の実施の形態と同様の効果を奏することができるとともに、 プリズムアレイ 2、駆動部、ロッドインテグレータ 4、投射レンズ 5、フィールドレンズ 6、 二次元空間光変調素子 7がすべて、赤色用、緑色用、青色用に共通に使用されるた め、光学部品点数がより少なくなり、小型の構成でフルカラーの映像表示が可能であ るという効果を持つ。
[0074] なお、上記の各実施の形態では、投影光学系 5とスクリーンとが別体になった投写 型ディスプレイの例を用いて説明したが、本発明は、投影光学系 5と透過型スクリー ンとを組み合わせた背面投写型二次元画像形成装置にも適用可能である。また、力 ラー画像の投影装置を例に説明したが、本発明は、単色レーザの画像投影装置、た とえば半導体露光装置などにも利用可能である。
[0075] 上記のように、本発明に係る二次元画像形成装置は、少なくとも一つのレーザ光源 と、前記レーザ光源から出射される光ビームの進行方向を変化させるビーム偏向手 段と、前記ビーム偏向手段から出射される光ビームの進行方向を時間的に変化させ るために前記ビーム偏向手段を駆動する駆動手段と、前記ビーム偏向手段により偏 向された光ビームを内部反射させつつ出射端に導くロッドインテグレータと、前記ロッ ドインテグレータカ 出射される光ビームを投影する第 1の投影光学系と、前記第 1の 投影光学系から出射される光ビームを変調する二次元空間光変調素子と、前記二 次元空間光変調素子から出射される光を所定の面上に投影する第 2の投影光学系 とを備えることを特徴とする。
[0076] この二次元画像形成装置においては、レーザ光源から出射される光ビームがビー ム偏向手段及び駆動手段により時間的に異なる角度で偏向され、偏向された光ビー ムがロッドインテグレータにより内部反射されつつ出射端に導かれ、ロッドインテグレ 一タカ 出射される光ビームが第 1の投影光学系により二次元空間光変調素子上に 投影され、二次元空間光変調素子から出射される光が第 2の投影光学系により所定 の面上に投影される。このとき、二次元空間光変調素子の直前に拡散板を配置する ことなく、レーザ光源とロッドインテグレータとの間に配置されたビーム偏向手段により 光ビームを時間的に異なる角度で偏向することができるので、二次元空間光変調素 子の画像枠外を照射してロスとなる光を低減することができ、光のロスの非常に小さ な光学系にてスペックルノイズの低減が実現される。また、レーザ光源から出射される 光ビームを拡大することなぐ小型のロッドインテグレータを用いて光ビームの強度分 布を一定にしているので、大型のビームエキスパンダ及び光インテグレータを用いる 必要がなくなり、光学系を小型化することができる。この結果、スペックルノイズを低減 することができるとともに、光のロスを小さくすることができ、さらに、光学系を小型化す ることがでさる。
[0077] 前記ビーム偏向手段は、微小なプリズムが二次元状に配置されたプリズムアレイを 含むことが好ましい。この場合、プリズムアレイにより光ビームの偏向角を正確に制御 することができるので、第 2の投影光学系のレンズの瞳でけられる光や二次元空間光 変調素子の画像枠外を照射してロスとなる光を低減することができ、光のロスの非常 に小さな光学系を実現することができる。
[0078] 前記ビーム偏向手段は、互いに光軸が略直角に配置されたレンチキュラーレンズ を含むことが好ましい。この場合、レンチキュラーレンズにより光ビームの偏向角を正 確に制御することができるので、第 2の投影光学系のレンズの瞳でけられる光や二次 元空間光変調素子の画像枠外を照射してロスとなる光を低減することができ、光の口 スの非常に小さな光学系を実現することができる。また、レンチキュラーレンズの表面 形状が滑らかであるため、プリズムのように境界線による光の散乱がないことから、より ロスの少ない光学系を実現することができる。 [0079] 前記レンチキュラーレンズは、前記ビーム偏向手段から出射される光ビームを水平 方向に偏向する第 1のレンチキュラーレンズが形成された第 1の基板と、前記ビーム 偏向手段から出射される光ビームを垂直方向に偏向する第 2のレンチキュラーレンズ が形成された第 2の基板とを含むことが好ましい。この場合、第 1及び第 2のレンチキ ユラ一レンズを通過する光の偏光方向が変わらないため、不要偏光成分の発生を抑 制して直線偏光の光を少ないロスで二次元空間光変調素子に入射させることができ 、よりロスの少ない光学系を実現することができる。
[0080] 前記レンチキュラーレンズは、一方の面に前記ビーム偏向手段から出射される光ビ ームを水平方向に偏向する第 1のレンチキュラーレンズが形成されるとともに、他方の 面に前記ビーム偏向手段から出射される光ビームを垂直方向に偏向する第 2のレン チキユラ一レンズが形成された基板を含むようにしてもよい。この場合、レンチキユラ 一レンズを通過する光の偏光方向が変わらないため、不要偏光成分の発生を抑制し て直線偏光の光を少ないロスで二次元空間光変調素子に入射させることができ、より ロスの少ない光学系を実現することができるとともに、レンチキュラーレンズを 1枚の基 板力も構成することができるため、部品点数を削減することができるとともに、駆動手 段の構成を簡素化することができる。
[0081] 前記ビーム偏向手段は、拡散板を含むことが好ましい。この場合、二次元空間光変 調素子の直前に拡散板を配置することなぐレーザ光源とロッドインテグレータとの間 に拡散板を配置して光ビームを時間的に異なる角度で偏向することができるので、二 次元空間光変調素子の画像枠外を照射してロスとなる光を低減することができ、光の ロスの小さな光学系を実現することができる。
[0082] 前記拡散板は、擬似ランダム拡散板力 なることが好ま 、。この場合、二次元空 間光変調素子の画像枠外を照射してロスとなる光を低減することができるとともに、第 2の投影光学系のレンズの瞳でけられる光を軽減することができるため、より光のロス の小さな光学系を実現することができる。
[0083] 前記ビーム偏向手段は、レンズを含むことが好ま 、。この場合、レンズを 2次元的 に駆動することにより光ビームの偏向角を正確に制御することができるので、第 2の投 影光学系のレンズの瞳でけられる光や二次元空間光変調素子の画像枠外を照射し てロスとなる光を低減することができ、光のロスの非常に小さな光学系を実現すること ができる。また、レンチキュラーレンズより小型のレンズを用いてるので、より小型の光 学系を実現することができる。
[0084] 前記ビーム偏向手段及び駆動手段は、ミラーを 2次元的に駆動する可動ミラーを含 むことが好ましい。この場合、ミラーを 2次元的に駆動する可動ミラーにより光ビーム の偏向角を正確に制御することができるので、第 2の投影光学系のレンズの瞳でけら れる光や二次元空間光変調素子の画像枠外を照射してロスとなる光を低減すること ができ、光のロスの非常に小さな光学系を実現することができる。また、可動ミラーとし て MEMSミラーを用いた場合、 MEMSミラーはレンチキュラーレンズより非常に小型 であるので、さらに小型の光学系を実現することができる。
[0085] 前記二次元空間光変調素子は、反射型の二次元空間光変調素子であることが好 ましい。この場合、反射型の二次元空間光変調素子の手前に拡散板をおく必要がな いため、光量の低下を防ぐことができる。
[0086] 前記レーザ光源は、それぞれ青色光、緑色光、赤色光を発生する 3つのレーザ光 源を含み、前記ビーム偏向手段と、前記ロッドインテグレータと、前記第 1の投影光学 系と、前記二次元空間光変調素子とは、前記 3つのレーザ光源の各々に対して個別 に配置されることが好ましい。この場合、フルカラーの映像を表示することができるとと もに、第 2の投影光学系を各色の光に共用することができるので、部品点数を削減す ることがでさる。
[0087] 前記レーザ光源は、それぞれ青色光、緑色光、赤色光を発生する 3つのレーザ光 源を含み、前記 3つのレーザ光源からの光を合成する光合成手段をさらに備え、前 記光合成手段により合成された光は、前記ビーム偏向手段に入射されるようにしても よい。この場合、フルカラーの映像を表示することができるとともに、ビーム偏向手段、 駆動手段、ロッドインテグレータ、第 1の投影光学系と、二次元空間光変調素子及び 第 2の投影光学系を各色の光に共用することができるので、部品点数をより削減する ことができる。
産業上の利用可能性
[0088] 本発明に係る二次元画像形成装置は、二次元空間光変調素子の画像枠外を照射 してロスとなる光が発生せず、光のロスの非常に小さな光学系にてスペックルノイズの 低減が実現できると ヽぅ効果を有し、光源としてコヒーレント光源を使用する二次元画 像形成装置等として有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 少なくとも一つのレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射される光ビームの進行方向を変化させるビーム偏向手段 と、
前記ビーム偏向手段から出射される光ビームの進行方向を時間的に変化させるた めに前記ビーム偏向手段を駆動する駆動手段と、
前記ビーム偏向手段により偏向された光ビームを内部反射させつつ出射端に導く ロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータカ 出射される光ビームを投影する第 1の投影光学系と、 前記第 1の投影光学系から出射される光ビームを変調する二次元空間光変調素子 と、
前記二次元空間光変調素子から出射される光を所定の面上に投影する第 2の投 影光学系とを備えることを特徴とした二次元画像形成装置。
[2] 前記ビーム偏向手段は、微小なプリズムが二次元状に配置されたプリズムアレイを 含むことを特徴とした請求項 1記載の二次元画像形成装置。
[3] 前記ビーム偏向手段は、互いに光軸が略直角に配置されたレンチキュラーレンズ を含むことを特徴とした請求項 1記載の二次元画像形成装置。
[4] 前記レンチキュラーレンズは、
前記ビーム偏向手段から出射される光ビームを水平方向に偏向する第 1のレンチ キュラーレンズが形成された第 1の基板と、
前記ビーム偏向手段から出射される光ビームを垂直方向に偏向する第 2のレンチ キュラーレンズが形成された第 2の基板とを含むことを特徴とした請求項 3記載の二 次元画像形成装置。
[5] 前記レンチキュラーレンズは、一方の面に前記ビーム偏向手段から出射される光ビ ームを水平方向に偏向する第 1のレンチキュラーレンズが形成されるとともに、他方の 面に前記ビーム偏向手段から出射される光ビームを垂直方向に偏向する第 2のレン チキユラ一レンズが形成された基板を含むことを特徴とした請求項 3記載の二次元画 像形成装置。
[6] 前記ビーム偏向手段は、拡散板を含むことを特徴とした請求項 1に記載の二次元 画像形成装置。
[7] 前記拡散板は、擬似ランダム拡散板力 なることを特徴とした請求項 4に記載の二 次元画像形成装置。
[8] 前記ビーム偏向手段は、レンズを含むことを特徴とした請求項 1に記載の二次元画 像形成装置。
[9] 前記ビーム偏向手段及び駆動手段は、ミラーを 2次元的に駆動する可動ミラーを含 むことを特徴とした請求項 1に記載の二次元画像形成装置。
[10] 前記二次元空間光変調素子は、反射型の二次元空間光変調素子であることを特 徴とした請求項 1〜9のいずれか 1項に記載の二次元画像形成装置。
[11] 前記レーザ光源は、それぞれ青色光、緑色光、赤色光を発生する 3つのレーザ光 源を含み、
前記ビーム偏向手段と、前記ロッドインテグレータと、前記第 1の投影光学系と、前 記二次元空間光変調素子とは、前記 3つのレーザ光源の各々に対して個別に配置 されることを特徴とした請求項 1〜10のいずれか 1項に記載の二次元画像形成装置
[12] 前記レーザ光源は、それぞれ青色光、緑色光、赤色光を発生する 3つのレーザ光 源を含み、
前記 3つのレーザ光源からの光を合成する光合成手段をさらに備え、
前記光合成手段により合成された光は、前記ビーム偏向手段に入射されることを特 徴とした請求項 1〜： LOのいずれか 1項に記載の二次元画像形成装置。
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