WO2006095855A1 - 画像投影装置 - Google Patents

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WO2006095855A1
WO2006095855A1 PCT/JP2006/304751 JP2006304751W WO2006095855A1 WO 2006095855 A1 WO2006095855 A1 WO 2006095855A1 JP 2006304751 W JP2006304751 W JP 2006304751W WO 2006095855 A1 WO2006095855 A1 WO 2006095855A1
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light
diffusion
diffusing element
coherent
diffusing
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PCT/JP2006/304751
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Inventor
Ken'ichi Kasazumi
Yoshikazu Hori
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Publication date
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    • G02B5/0221—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties the diffusion taking place at the element's surface, e.g. by means of surface roughening or microprismatic structures the surface having an irregular structure
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    • G—PHYSICS
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    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/208—Homogenising, shaping of the illumination light

Definitions

  • the present invention relates to an image display apparatus such as a television receiver and a video projector, and an image projection apparatus such as a semiconductor exposure apparatus. Specifically, the present invention relates to an image projection apparatus that uses a coherent light source as a light source.
  • lamps or the like a metal nitride, halogen, xenon, high-pressure mercury discharge lamp or the like
  • the light emitted from the lamp as a light source is separated into red light (long wavelength light), green light (intermediate wavelength light), and blue light (short wavelength light) by a wavelength selection mirror.
  • Each separated color light is individually modulated by a liquid crystal panel or the like, then combined by a dichroic prism, and projected onto a screen by a projection lens. As a result, a color image is formed on the screen.
  • the lamp and the like are relatively short-lived. For this reason, when the lamp or the like is used as a light source, the maintenance of the light source is complicated.
  • the optical system of the apparatus becomes complicated because the white light emitted from the lamp or the like is separated by the above-described method to create three primary colors!
  • the light separated by the wavelength selective mirror has a relatively wide spectral width due to the optical properties of the wavelength selective mirror. As a result, the color reproduction range of the apparatus is limited and it is difficult to express pure colors. Still further, the light use efficiency is low, which is another problem of this type of image projector.
  • the laser light source has a long life compared with the conventional white lamp, and has high energy efficiency, and is also advantageous in terms of light utilization efficiency due to the excellent directivity exhibited by the laser beam. Sarako can widen the color reproduction area of the image projection apparatus compared to the above-mentioned type of image projection apparatus due to the excellent monochromaticity exhibited by the laser beam.
  • speckle noise means that coherent light emitted from a laser light source is scattered at various positions on the object surface, scattered at a position on the object surface, and scattered at a position adjacent to that position. This is a phenomenon in which the wavefront of coherent light interferes with the observation surface and generates a granular intensity distribution on the observation surface.
  • image projection devices that use a laser as the light source, the reduction of speckle noise generated remains an important issue for practical application.
  • an exposure illumination apparatus using laser light described in Patent Document 1 includes a diffusing element that rotates in an optical system, and the diffusing element emits coherent light. Convert to incoherent light.
  • a diffusing element that moves rotates, Z, vibrates, or the like
  • coherent light is generated by the diffusing element. Is converted into incoherent light.
  • Patent Document 1 JP-A-7-297111
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 6-208089
  • the diffusing element includes a diffusing region that does not contribute to the diffusion of coherent light.
  • a large-area diffusing element including a diffusing region that is unnecessary for coherent light diffusion is used as the diffusing element.
  • An object of the present invention is to provide an image projection apparatus that realizes excellent projected image quality by suppressing the occurrence of speckle noise.
  • an object of the present invention is to provide an image projection apparatus including an optical system having a simpler configuration than conventional ones.
  • a coherent light source a collimation lens that converts coherent light that is also generated by coherent light source power into coherent parallel light
  • a projection that projects the coherent parallel light.
  • An image projection apparatus having an optical system, the first diffusing element capable of diffusing the light emitted from the coherent light source and oscillating in parallel with the optical axis of the coherent light, and the diffusing element for vibrating the first diffusing element
  • An image projection apparatus having a driving unit.
  • the first diffusing element is preferably disposed between the coherent light source power collimation lens on the optical path of the coherent light.
  • the first diffusing element is disposed between the collimation lens and the projection optical system on the optical path of the coherent parallel light.
  • the combined diffusion angle which is the sum of the diffusion angle of the first diffusion element and the diffusion angle of the second diffusion element, is a numerical aperture (NA) of the lens unit included in the projection optical system. It is preferred that the angle is less than the corresponding angle, ie asin (NA).
  • At least one of the first diffusion element and the second diffusion element has a monotonously decreasing diffusion angle as the central force is also directed toward the peripheral portion.
  • the vibration distance of the vibration motion is preferably equal to or greater than a value obtained by dividing the maximum period of the uneven shape of the first diffusion element by the sine of the diffusion angle of the first diffusion element.
  • the image projection apparatus of the present invention has an effect of reducing speckle noise by an extremely simple configuration in which a diffusing element installed in an optical system is vibrated in parallel with the traveling direction of light.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an image projector according to a first embodiment.
  • FIG. 3 Diagram showing diffuser surface shape and diffused light intensity distribution
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the distance between the first diffusion element and the second diffusion element and the effect of light diffusion.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an image projector according to a third embodiment.
  • FIG. 7B Cross-sectional view of diffusing element along line A—A ′ in FIG. 7A
  • FIG. 7C Cross section at the same position as Fig. 7B of the diffusing element modification
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an image projection apparatus according to the first embodiment.
  • the image projection apparatus is a semiconductor laser that is a laser light source (coherent light source).
  • Type liquid crystal spatial modulation element 14 a projection lens 15 constituting a projection optical system, and a screen 16, and further, a diffusing element driving unit 18 serving as a diffusing element driving unit and an image information generating unit serving as an image information generating unit Part 19.
  • the diffusing element 12 can diffuse incident light and can reciprocally vibrate in the optical axis direction, and is connected to the diffusing element driving unit 18.
  • the diffusion element driving unit 18 can reciprocate the diffusion element 12 in a reciprocating manner.
  • the image information generation unit 19 is connected to the transmissive liquid crystal spatial modulation element 14 and can send an input signal corresponding to the image information to the transmissive liquid crystal spatial modulation element 14.
  • the semiconductor laser 11 radiates and emits laser light.
  • the laser light which is divergent light, is diffused by passing through the ground glass-like diffusing element 12, and then enters the collimation lens 13 to be converted into substantially parallel laser light and emitted.
  • the parallel laser light is incident on the transmissive liquid crystal spatial modulation element 14 which is a spatial modulation element.
  • the transmissive liquid crystal spatial modulation element 14 includes a liquid crystal pixel, and the liquid crystal pixel can change the transmittance of the liquid crystal pixel in accordance with an input signal corresponding to image information to be projected on the screen 16. .
  • the parallel laser light modulated by the transmissive liquid crystal spatial modulation element 14 enters the projection lens 15 and reaches the screen 16. On the screen 16, an image is formed by laser light in which light and dark are spatially modulated according to image information.
  • the diffusing element 12 is installed in the diverging light path, that is, between the semiconductor laser 11 and the collimation lens 13.
  • the diffusing element 12 performs a reciprocating vibration motion with a predetermined amplitude at a frequency of several tens of hertz or more, for example, 30 hertz, in the light traveling direction (direction parallel to the optical axis).
  • the amplitude is a length value proportional to the vibration distance L shown in the figure.
  • the amplitude from the vibration center point to the peak point is L / 2.
  • the reciprocating vibration motion of the diffusing element 12 always changes the relative phase (optical path length) and the substantial incident angle of the laser light incident on each point of the diffusing element 12 in synchronization with the frequency. Therefore, the relative phase of the laser light reaching each pixel of the transmissive liquid crystal spatial modulation element 14 always changes in synchronization with the frequency.
  • the vibration period of the diffusing element 12 (frequency The reciprocal) is smaller than the human (observer) eye response time. Therefore, speckles (granular luminance intensity distribution that appears on the screen) formed in the image projected on the screen 16 move in a synchronized manner with the frequency, and in the visual sense of the observer. Speckle is averaged, and the observer observes a high-quality image with reduced speckle noise.
  • This reciprocating vibration motion of the diffusing element 12 is reciprocated at a predetermined amplitude at a frequency of several tens hertz or more, for example, 30 hertz or more in the direction parallel to the optical axis by the diffusing element driving unit 18. It is preferable to make a vibration motion.
  • the semiconductor laser 11 uses a red semiconductor laser (oscillation wavelength of about 650 nm) whose active layer is AlGalnP.
  • the collimation lens 13 uses a lens with NA of 0.5
  • the projection lens 15 uses a lens with NA of 0.4.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the surface shape of the diffusing element 12 and the diffusion of light.
  • the diffusing element 12 has a base material that is transparent to the laser light emitted from the semiconductor laser 11, and referring to FIG. 2, at least one main surface of the surface is processed to have a random uneven shape. ing.
  • the main surface of the diffusing element 12 randomly forms an uneven shape having unevenness of various sizes.
  • the maximum period (the maximum of the distance from the concave-convex concave portion to the concave portion or the convex portion force convex portion along the surface) is defined as a. To do. In general, the maximum period a is an amount on the order of several microns.
  • the average period of the concavo-convex shape (the average value of the distance from the concavo-convex concave portion to the concave portion or the convex portion to the convex portion along the surface) is 2.0 microns.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the intensity distribution of light incident on and diffused into the diffusing element 12.
  • the light 31 incident on the diffusing element 12 is diffused by the diffusing element 12.
  • the intensity distribution 35 is an intensity distribution in a cross section perpendicular to the optical axis at the downstream portion of the light diffusing element 12 in the traveling direction of the light 31.
  • 7? Is the angle formed by the optical axis and the straight line connecting the intersection of the diffusing element 12 and the optical axis and a point in the cross section.
  • the intensity of light diffused by a diffusing element shows a distribution that monotonously decreases along the deviation from the optical axis.
  • the intensity I (0) of diffused light on the optical axis is standardized to 1, the angle 7?
  • the diffusing element 12 of the present embodiment is a diffusing element having a diffusing angle of 20 degrees.
  • the vibration distance L of the reciprocating vibration motion of the diffusing element 12 is 30 microns.
  • the vibration distance L may be 6 microns or more when the maximum period a is 2.1 microns. That is, the vibration distance L may be greater than or equal to aZsin ⁇ (L ⁇ aZsin 0).
  • the diffusion angle ⁇ of the diffusing element 12 is equal to or smaller than the allowable divergence angle of the projection lens. In other words, it is desirable that the diffusion angle is ⁇ asin (NA).
  • NA of the projection lens 15 of the present embodiment disposed downstream of the diffusing element 12 is 0.4.
  • the diffusion angle of the diffusing element 12 of this embodiment is 20 degrees, and most of the diffused light can be used for projection.
  • the diffusing element 12 is installed in the diverging light path. Speckle noise can be further reduced by installing additional diffusion elements.
  • a further diffusing element is provided in the optical path.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of an image projection apparatus according to the second embodiment.
  • the image projection apparatus according to the present embodiment is similar to the image projection apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 1.
  • the collimation lens 13, the transmissive liquid crystal spatial modulation element 14, the projection lens 15, and the screen 16 A helium neon laser 41 that is a coherent light source, a light diverging element 27 having a concave lens power, a first diffusing element 22a, and a second diffusing element. 22b.
  • the first diffusing element 22 a and the second diffusing element 22 b are arranged on the optical path between the collimation lens 13 and the transmissive liquid crystal spatial modulation element 14.
  • the first diffusing element 22a can diffuse incident light and can reciprocate in the direction of the optical axis, and is connected to the diffusing element driving unit 18.
  • the diffusing element driving unit 18 can reciprocally vibrate the first diffusing element 22a.
  • the helium neon laser 41 which is a laser light source, is a laser light source having an oscillation wavelength of about 650 nm.
  • the light diverging element 42 is an element that converts coherent light emitted from the helium neon laser 41 into divergent light. Further, a semiconductor laser 11 may be used as a coherent light source. In that case, the light diverging element 42 can be omitted.
  • the laser light emitted from the helium neon laser 41 is diverged by the light diverging element 27, enters the collimation lens 12, and is converted into parallel laser light, and then the first diffusion element 22a. Then, after passing through the second diffusing element 22b, 14 transmissive liquid crystal spatial modulation elements are incident.
  • the first diffusing element 22a has a frequency of several tens hertz or more, for example, 30 hertz in the light traveling direction (optical axis) by the diffusing element driving unit.
  • the relative phase and substantial incident angle of light that passes through the first diffusion element 22a and reaches each point on the surface of the second diffusion element 22b due to the vibration of the first diffusion element 22a is always the frequency. It changes synchronously. Therefore, the relative phase of light reaching each pixel of the transmissive liquid crystal spatial modulation element 14 always changes in synchronization with the frequency.
  • the vibration period (the reciprocal of the frequency) of the first diffusing element 22a is shorter than the response time of the human (observer) eye. Therefore, the speckles formed in the image projected on the screen 16 move in a synchronized manner with the frequency, and the speckles are averaged in the visual sense of the observer, and the observer Observe high-quality images with reduced noise.
  • the collimation lens has an NA of 0.5
  • the first and second diffusion elements 22a and 22b have an average irregularity period of 3.3 microns
  • the combined diffusion angle (half width at half maximum), which is the sum of the diffusion angles, is 20 degrees.
  • the vibration distance was 100 microns. If this vibration distance is about 20 microns or more, that is, aZsin 0 or more (where ⁇ is the divergence angle of the first diffusion element 22a and a is the maximum period of the unevenness of the diffusion element), the effect can be obtained. Was also confirmed.
  • the first diffusion element 22a and the second diffusion element 22b are shown, and the relationship between the diffusion of light by the first diffusion element 22a and the distance between the two diffusion elements is shown.
  • a is the maximum period of the first diffusion element 22a
  • b is the maximum period of the second diffusion element 22b.
  • the first diffusion element 22a reciprocally vibrates at the vibration distance L.
  • the oscillation distance L is such that light diffused at an angle 0 (see FIG. 3) by the first diffusing element 22a having an intensity of 0.5 when the distance between the two diffusing elements becomes the shortest (see FIG. 3). It is possible to set so that the diffused light is incident on another period of the uneven shape of the second diffusion element 22b when the distance between the two diffusing elements becomes the longest. desirable. By setting in this way, the light diffusion effect by the second diffusion element 22b becomes more effective.
  • the projection lens 15 used was an element with NA of 0.4.
  • the same effect as that of the present embodiment can be obtained. Can do.
  • the case where the first and second diffusing elements 22a and 22b are installed in the parallel optical path is shown.
  • an image projection apparatus having a configuration in which a first diffusing element is installed in a diverging optical path and a second diffusing element is installed in a parallel optical path is shown.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of an image projection apparatus according to the third embodiment.
  • the image projection apparatus according to the present embodiment is similar to the image projection apparatus according to the first embodiment shown in Fig. 1.
  • the semiconductor laser 11, the collimation lens 13, the transmissive liquid crystal spatial modulation element 14, and the projection lens 15 are used.
  • the first diffusing element 32a is disposed on the optical path between the semiconductor laser 11 and the collimation lens 13
  • the second diffusing element 22b is disposed on the optical path between the collimation lens 13 and the transmissive liquid crystal spatial modulation element 14. Arranged.
  • the first diffusion element 32a is capable of diffusing incident light and reciprocally oscillating in the direction of the optical axis, and is connected to the diffusion element driving unit 18.
  • the diffusing element driving unit 18 can reciprocally vibrate the first diffusing element 32a.
  • the semiconductor laser 11 is a laser light source having an oscillation wavelength of about 650 nm, as in the first embodiment.
  • the semiconductor laser 11 radiates and emits laser light.
  • the divergent laser beam is The light is diffused by passing through the diffusion element 32a, and then enters the collimation lens 13 to be converted into substantially parallel laser light and emitted. Thereafter, the parallel laser light is diffused again in the second diffusing element 32 b and then enters the transmissive liquid crystal spatial modulation element 14.
  • the first light diffusing element 32a is installed in the diverging light path, that is, between the semiconductor laser 11 and the collimation lens 13, and in the light traveling direction (optical axis). It is reciprocally vibrated at a frequency of several tens of hertz or more, for example, 30 hertz.
  • the relative phase of light reaching the surface of the diffusion element and the substantial incident angle are always synchronized with the frequency. Change . Therefore, the relative phase of the light reaching each arbitrary point of the second diffusing element 32b always changes in synchronization with the frequency.
  • the second diffusing element 32b further diffuses the incident light.
  • speckles formed on the image projected on the screen are averaged, and the observer can observe a high-quality image with reduced speckle noise.
  • the active layer is an AlGalnP red semiconductor laser (oscillation wavelength: about 650 nm) as the semiconductor laser, and the collimation lens has an NA of 0.5, and the first and second diffusion elements
  • the average period of irregularities was 3.3 microns
  • the diffusion angle (half width at half maximum) was 20 degrees
  • the projection lens used was an element with NA of 0.4.
  • the vibration distance was 100 microns. If the vibration distance is about 20 microns or more, that is, aZsin ⁇ or more (where ⁇ is the diffusion angle of the first diffusion element 32a and a is the maximum period of the unevenness of the first diffusion element 32a), the effect can be obtained. Was also confirmed.
  • a ground glass-like uniform diffusion element is used as the diffusion element. Force In the diffusing element used in any of the above embodiments, a concentric diffusing element as shown in FIG. 7A can be used.
  • FIG. 7A is a plan view of the concentric circular diffusion element.
  • Period of unevenness of diffuser element center 71 The concentric circular diffusion element (for example, a period of 2 microns at the center and 10 ⁇ m at the periphery) has a large concave / convex period (a concave force or a distance along the diameter from the convex part to the convex part).
  • a micron period By using a micron period), the light at the center of the Gaussian-distributed laser beam with high light intensity is diffused at a relatively large angle, and conversely, the diffusion angle at the periphery is reduced to make the projected image uniform. Can be achieved.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. 7A.
  • FIG. 7C is a cross-sectional view of a modification of the concentric circular diffusion element in the same Cf position as in FIG. 7B.
  • incident light is converted into light that travels straight without being diffused (0th order light) and diffused light that is diffracted and diffused.
  • the depth d of the groove is determined by the refractive index n of the base material constituting the diffusing element and the wavelength ⁇ of the light used.
  • the ratio of the 0th order light in the total emitted light is the lowest, and the ratio of the diffused light is the highest. Therefore, speckle noise removal is most effectively realized.
  • the concentric diffusing element having a cross section as shown in Fig. 7 is configured such that the duty of the concave and convex portions is approximately 50% in both the central part of the diffusing element and the peripheral part of the diffusing element. With such a configuration, the ratio of the diffused light to the 0th-order light increases, which is effective for removing speckle noise.
  • the concentric diffusion element modification example having a cross section as shown in Fig. 7C is configured such that the duty deviates from 50% in the peripheral part where the duty is close to 50% in the central part of the diffusion element. According to such a configuration, more light is diffused in the light passing through the central part of the concentric circular diffusion element than in the light passing through the peripheral part of the concentric circular diffusion element. Therefore, it is possible to more effectively compensate for the intensity distribution of incident light having a particularly large light intensity incident on the central portion.
  • Fig. 7 (b) shows a concentric diffusing element with concavity and convexity on a concentric circle, but the diffusion angle of light is large at the central part and small at the peripheral part! / An element can be used.
  • the concentric diffusing element has a large light diffusion angle in the central portion and a small peripheral portion. . Therefore, it has the effect of increasing the light use efficiency and making the entire projected image have substantially uniform brightness.
  • an intensity modulation type transmissive liquid crystal is used as the spatial modulation element! /, It is not necessarily limited to the transmission type or the intensity modulation type. It may be a reflective liquid crystal element, a light reflective spatial modulation element formed by micromachine technology, or a spatial modulation element using diffracted light.
  • a concentric circular shape in which the irregularity period in the peripheral part is larger than the irregularity period in the central part is used.
  • the light of the central part where the light intensity of the Gaussian-distributed laser beam is large is diffused at a relatively large angle, and conversely, the diffusion angle at the peripheral part is reduced. It is possible to make the projected image uniform.
  • an example of a projection type information display apparatus using a monochromatic (red) light source has been described.
  • an optical system corresponding to three colors of blue, green, and red, and a spatial modulation element It is possible to realize a color display by installing and combining images of each color on the screen.
  • the image projection apparatus can reduce speckle noise with a very simple configuration.
  • the entire display screen provides an image display having uniform brightness, and has high industrial applicability.

Abstract

　本発明は、スペックルノイズの発生を抑制して優れた投影画像画質を実現する画像投影装置を提供する。本発明は、その一態様においては、コヒーレント光源と、コヒーレント光源から発せられたコヒーレント光をコヒーレント平行光に変換するコリメーションレンズと、コヒーレント平行光を投影する投影光学系を有する画像投影装置であって、コヒーレント光源から発せられた光を拡散すると共にコヒーレント光の光軸と平行に振動可能な第１拡散素子と、第１拡散素子を振動運動させる拡散素子駆動手段を有する画像投影装置である。

Description

明 細 書
画像投影装置
技術分野
[0001] 本発明は、テレビ受像機、映像プロジヱクタなどの画像表示装置や、半導体露光装 置などの画像投影装置に関する。具体的には、特に光源にコヒーレント光源を用いる 画像投影装置に関する。
背景技術
[0002] 近年、光源としてメタルノヽライド、ハロゲン、キセノン、高圧水銀放電ランプ等（以下 、「ランプ等」と称する。）を用いた画像投影装置が普及している。このタイプの画像投 影装置においては、光源であるランプ等力もの出射光は、波長選択ミラーによって赤 色光 (長波長光)、緑色光（中間波長光)、青色光 (短波長光）に分離され、分離され た各色光は、個別的に液晶パネル等によって変調された後、ダイクロイツクプリズムに よって合波され、投影レンズによってスクリーン上に投影される。その結果として、スク リーン上にカラー画像が形成される。
[0003] しかし、残念なことに上記ランプ等は比較的短命である。そのため、上記ランプ等を 光源として用いる場合、光源のメンテナンスが煩雑である。また、上記ランプ等から出 射される白色光を上述の方法により分離し三原色を作り出して!/、るために装置の光 学系は複雑なものとなる。さらに、波長選択ミラーで分離された光は、波長選択ミラー の光学的性質上、比較的広いスペクトル幅を備える。その結果、装置の色再現領域 は狭く制限され、鮮ゃ力な純色の表現も困難である。なおさらには、光の利用効率が 低 、点も、このタイプの画像投影装置の抱える問題点である。
[0004] 光源として上記ランプ等を用いた画像投影装置におけるこれらの問題を解決する ため、最近では、光源としてレーザ光源を使用する試みが活発になされている。レー ザ光源は従来の白色ランプとの比較においては長寿命であり、かつ、エネルギー効 率が高ぐカ卩えて、レーザ光の示す優れた指向性により光利用効率の点でも有利で ある。さら〖こは、レーザ光の示す優れた単色性により画像投影装置の色再現領域を、 上述のタイプの画像投影装置と較べて広くするができる。 [0005] しカゝしながら、上述の様に画像投影装置にレーザ光源を使用した場合、レーザ光 源に固有のコヒーレンシ一（可干渉性）に起因して画像にスペックルノイズが発生し、 その結果、投影画像の画質が劣化する、という問題がある。ここで、スペックルノイズと は、レーザ光源から出射されるコヒーレント光が物体面の様々な位置で散乱し、物体 面のある位置で散乱したコヒーレント光と、その位置に隣接する位置において散乱し たコヒーレント光の波面とが観察面にぉ 、て干渉し合 、、観察面上に粒状の強度分 布を発生させる現象である。光源としてレーザを用いる画像投影装置において、発生 するスペックルノイズの低減は実用化に向けた重要課題として残されている。
[0006] このスペックルノイズを抑制するために、例えば、特許文献 1に記載のレーザ光を用 いた露光照明装置は、光学系に回転運動する拡散素子を配し、当該拡散素子により コヒーレント光をインコヒーレント光に変換して ヽる。
[0007] また、例えば、特許文献 2に記載のレーザ光を用いた投影型ディスプレイ装置は、 光学系に運動（回転および Zまたは振動等)する拡散素子を配し、当該拡散素子に よりコヒーレント光をインコヒーレント光に変換して 、る。
特許文献 1 :特開平 7— 297111号公報
特許文献 2：特開平 6 - 208089号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] し力しながら、拡散素子を回転運動させつつコヒーレント光の拡散に使用する場合
、その各瞬間において、拡散素子は、コヒーレント光の拡散に寄与しない拡散領域を 含む。逆の見方をすれば、コヒーレント光の拡散に不要な拡散領域を含んだ大面積 の拡散素子が拡散素子として用いられる。その結果として、装置の光学系が不要に 大きなものとなる点が問題としてある。
[0009] 本発明は、スペックルノイズの発生を抑制して優れた投影画像画質を実現する画 像投影装置の提供を課題とする。
[0010] 本発明は、特に、従来よりも簡単な構成の光学系を備える画像投影装置を提供す ることを課題とする。
課題を解決するための手段 [0011] 本発明は、その一態様にぉ 、ては、コヒーレント光源と、コヒーレント光源力も発せら れたコヒーレント光をコヒーレント平行光に変換するコリメーシヨンレンズと、コヒーレン ト平行光を投影する投影光学系を有する画像投影装置であって、コヒーレント光源か ら発せられた光を拡散すると共にコヒーレント光の光軸と平行に振動可能な第 1拡散 素子と、第 1拡散素子を振動運動させる拡散素子駆動手段を有する画像投影装置 である。
[0012] 本発明の一態様においては、第 1拡散素子は、コヒーレント光の光路上、コヒーレン ト光源力 コリメ一シヨンレンズの間に配されることが好ましい。
[0013] 本発明の一態様においては、第 1拡散素子は、コヒーレント平行光の光路上、コリメ ーシヨンレンズから投影光学系の間に配されることが好ましい。
[0014] 本発明の一態様においては、さらに、コヒーレント平行光の光路上、コリメーシヨンレ ンズから投影光学系の間に配される第 2拡散素子を有することが好ましい。
[0015] 本発明の一態様においては、第 1拡散素子の拡散角および第 2拡散素子の拡散 角の和である合成拡散角は、投影光学系に含まれるレンズ部の開口数 (NA)に対応 する角度すなわち asin (NA)以下の角度であることが好ま 、。
[0016] 本発明の一態様においては、第 1拡散素子および第 2拡散素子の少なくともいず れかは、中心部力も周辺部に向力つて拡散角が単調減少することが好ましい。
[0017] 本発明の一態様においては、振動運動の振動距離は、第 1拡散素子の凹凸形状 の最大周期を、第 1拡散素子の拡散角の正弦で割った値以上であることが好ましい。 発明の効果
[0018] 本発明の画像投影装置は、光学系に設置した拡散素子を光の進行方向と平行に 振動させるという極めて簡単な構成により、スペックルノイズを低減する効果を有する 図面の簡単な説明
[0019] [図 1]第 1の実施形態による画像投影装置の構成概略図
[図 2]拡散素子による光拡散の様子を示す図
[図 3]拡散素子表面形状、および、拡散光の強度分布を示す図
圆 4]第 2の実施形態による画像投影装置の構成概略図 [図 5]第 1拡散素子と第 2拡散素子の間隔と光拡散の効果との関係を示す図
[図 6]第 3の実施形態による画像投影装置の構成概略図
[図 7A]拡散素子の平面図
[図 7B]拡散素子の図 7Aにおける線 A— A'に沿った断面図
[図 7C]拡散素子変形例の図 7Bと同じ位置における断面図
符号の説明
[0020] 11、 41 レーザ光源
12 拡散素子
13 コリメーシヨンレンズ
14 透過型液晶空間変調素子
15 投影レンズ
16 スクリーン
18 拡散素子駆動部
19 画像情報生成部
21 光軸
22a, 32a 第 1拡散素子
22b, 33b 第 2拡散素子
31 入射光
33a、 33b 拡散光
35 強度分布
42 光発散素子
71 拡散素子中心部
73 拡散素子周辺部
発明を実施するための最良の形態
[0021] 以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
[0022] (実施の形態 1)
図 1は、第 1の実施形態による画像投影装置の模式図である。
[0023] 本実施形態の画像投影装置は、レーザ光源 (コヒーレント光源)である半導体レー ザ 11を備え、半導体レーザ 11の出力するレーザ光の光路に沿って順に、発散光光 路中に拡散素子 12、発散光を平行光に変換するコリメーシヨンレンズ 13、空間変調 素子である透過型液晶空間変調素子 14、投影光学系を構成する投影レンズ 15、お よび、スクリーン 16を有し、さらに拡散素子駆動手段である拡散素子駆動部 18およ び画像情報生成手段である画像情報生成部 19を有する。
[0024] 拡散素子 12は、入射光を拡散可能であると共に、光軸方向に往復的振動運動可 能であり、拡散素子駆動部 18と接続されている。拡散素子駆動部 18は、拡散素子 1 2を往復的振動運動させることができる。
[0025] 画像情報生成部 19は、透過型液晶空間変調素子 14に接続され、透過型液晶空 間変調素子 14に対して画像情報に対応する入力信号を送ることができる。
[0026] 半導体レーザ 11は、レーザ光を発散放射する。発散光であるレーザ光は、すりガラ ス状の拡散素子 12を透過することによって拡散され、その後、コリメーシヨンレンズ 13 に入射して実質上平行レーザ光に変換されて出射される。その後、平行レーザ光は 、空間変調素子である透過型液晶空間変調素子 14に入射する。この透過型液晶空 間変調素子 14は、液晶画素を備え、液晶画素は、スクリーン 16に投影されるべき画 像の情報に対応する入力信号に応じて液晶画素の透過率を変更することができる。 透過型液晶空間変調素子 14により変調された平行レーザ光は投影レンズ 15に入射 し、スクリーン 16に到達する。スクリーン 16上において、画像情報に応じて明暗が空 間的に変調されたレーザ光により画像が形成される。
[0027] 第 1の実施形態による画像投影装置において、拡散素子 12は発散光路中、つまり 半導体レーザ 11とコリメーシヨンレンズ 13の間に設置される。この拡散素子 12は、光 の進行方向（光軸に平行な方向）に数 10ヘルツ以上の振動数、例えば 30ヘルツ、 で、所定の振幅で、往復的振動運動を行う。ここで、振幅は、図中に示した振動距離 Lに比例する長さの値である。例えば、振動中心点からピーク点までの振幅は、 L/2 である。この拡散素子 12の往復的振動運動により拡散素子 12の各点に入射するレ 一ザ光の相対的な位相 (光路長)および実質的な入射角が常に、振動数と同期して 変化する。そのため、透過型液晶空間変調素子 14の各画素に到達するレーザ光の 相対的位相も常に、振動数と同期して変化する。拡散素子 12の振動周期 (振動数の 逆数）は、人間 (観察者)の目の応答時間よりも小さ 、。よって、スクリーン 16上に投 影された画像に形成されるスペックル (画面上に現われる粒状の輝度の強弱分布）は 、振動数と同期して振動的に移動し、観察者の視感覚においては、スペックルは平 均化され、観察者はスペックルノイズが低減された高画質画像を観察する。
[0028] この拡散素子 12の往復的振動運動は、拡散素子駆動部 18により、光軸と平行な 方向に数 10ヘルツ以上、例えば、 30ヘルツ以上、の振動数で、所定の振幅で往復 的振動運動することが好まし ヽ。
[0029] 本実施形態においては、半導体レーザ 11は、活性層が AlGalnP系の赤色半導体 レーザ（発振波長約 650nm)を用いる。コリメーシヨンレンズ 13には、 NAが 0. 5のレ ンズを用い、投影レンズ 15には、 NAが 0. 4のレンズを用いる。
[0030] 図 2は、拡散素子 12の表面形状および光の拡散について説明する模式図である。
拡散素子 12は、半導体レーザ 11の出射するレーザ光に対し透明な基材を有し、図 2を参照すれば、その表面のうち少なくとも 1主面は、ランダムな凹凸形状を持つよう に加工されている。拡散素子 12の当該主面は、ランダムに、様々な大きさの凹凸を 有する凹凸形状を形成している。本図に示すように、拡散素子 12の表面の凹凸のう ち、その最大周期（表面に沿った凹凸の凹部から凹部までもしくは凸部力 凸部まで の距離のうち最大のもの）を aとする。一般に、最大周期 aは、数ミクロンオーダの量で ある。本実施形態においては、また、凹凸形状の平均周期（表面に沿った凹凸の凹 部から凹部までもしくは凸部から凸部までの距離の平均値）は 2. 0ミクロンである。
[0031] 図 3は、拡散素子 12に入射し、拡散される光の強度分布について説明する模式図 である。拡散素子 12に入射する光 31は、拡散素子 12によって拡散する。強度分布 3 5は、光 31の進行方向拡散素子 12下流部において光軸に垂直な断面における強 度分布である。ここで、 7?は、拡散素子 12と光軸の交点と断面内のある一点を結ぶ 直線と、光軸が成す角である。一般に拡散素子によって拡散された光の強度は、光 軸からのずれに沿って単調減少する分布を示す。光軸上における拡散光の強度 I (0 )を 1に規格ィ匕した場合に強度 I ( r? ) = 0. 5となる角度 7?を 0とし、これを拡散角と呼 ぶことにする。本実施形態の拡散素子 12は、 20度の拡散角を有する拡散素子であ る。 [0032] 図 1を再び参照すれば、拡散素子 12の往復的振動運動の振動距離 Lは 30ミクロン である。この振動距離 Lは、例えば、最大周期 aを 2. 1ミクロンとした場合、 6ミクロン以 上であればよい。つまり、振動距離 Lは aZsin Θ以上（L≥aZsin 0 )であればよい。
[0033] また、拡散素子 12の拡散角 Θは、投影レンズの発散許容角度以下であることが望 ましい。つまり、拡散角は、 Θ≤asin (NA)であることが望ましい。拡散素子 12の下流 に配された、本実施形態の投影レンズ 15の NAは、 0. 4である。本実施形態の拡散 素子 12の拡散角は、 20度であって、拡散光の殆どを投影に利用できている。
[0034] (実施の形態 2)
第 1の実施形態においては、拡散素子 12が発散光路中に設置された場合を示し た。さらなる拡散素子を設置することにより更にスペックルノイズを低減することが可能 である。第 2の実施形態では、さらなる拡散素子を光路中に設けている。
[0035] 図 4は、第 2の実施形態による画像投影装置の模式図である。
[0036] 本実施形態の画像投影装置は、図 1に示す第 1の実施形態による画像投影装置と 同様、コリメーシヨンレンズ 13、透過型液晶空間変調素子 14、投影レンズ 15、スクリ ーン 16、拡散素子駆動部 18、および、画像情報生成部を有し、さらに、コヒーレント 光源であるヘリウムネオンレーザ 41、凹レンズ等力 なる光発散素子 27、第 1拡散素 子 22a、および、第 2拡散素子 22bを有する。第 1拡散素子 22a、および、第 2拡散素 子 22bは、コリメーシヨンレンズ 13と透過型液晶空間変調素子 14の間、光路上に配 される。
[0037] 第 1拡散素子 22aは、入射光を拡散可能であると共に、光軸方向に往復的振動運 動可能であり、拡散素子駆動部 18と接続されている。拡散素子駆動部 18は、第 1拡 散素子 22aを往復的振動運動させることができる。
[0038] レーザ光源であるヘリウムネオンレーザ 41は、発振波長約 650nmのレーザ光源で ある。光発散素子 42は、ヘリウムネオンレーザ 41の発するコヒーレント光を発散光に 変換する素子である。また、コヒーレント光源として、半導体レーザ 11を用いてもよい 。その場合、光発散素子 42は省略できる。
[0039] ヘリウムネオンレーザ 41の発するレーザ光は、光発散素子 27により発散されてコリ メーシヨンレンズ 12に入射し、平行レーザ光に変換され、その後、第 1拡散素子 22a を透過し、更に第 2の拡散素子 22bを透過してから透過型液晶空間変調素子 14〖こ 入射する。
[0040] 本実施の形態における画像投影装置においては、第 1の拡散素子 22aは、拡散素 子駆動部によって光の進行方向（光軸）に数 10ヘルツ以上、例えば、 30ヘルツ、の 振動数で往復的振動運動される。第 1拡散素子 22aの振動により、第 1拡散素子 22a を通過し、第 2の拡散素子 22bの表面の各点に到達する光の相対的な位相と実質的 な入射角は常に、振動数に同期して変化する。そのため、透過型液晶空間変調素子 14の各画素に到達する光の相対的位相は常に、振動数に同期して変化する。第 1 拡散素子 22aの振動周期 (振動数の逆数)は、人間 (観察者)の目の応答時間よりも 小さい。よって、スクリーン 16上に投影された画像に形成されるスペックルは、振動数 と同期して振動的に移動し、観察者の視感覚においては、スペックルは平均化され、 観察者はスペックルノイズが低減された高画質画像を観察する。
[0041] 本実施の形態においては、コリメーシヨンレンズは NAが 0. 5、第 1及び第 2の拡散 素子 22aおよび 22bは、凹凸の平均周期が 3. 3ミクロンであり、両拡散素子の拡散角 の和である合成拡散角（半値半幅）が 20度である。振動距離は 100ミクロンとした。こ の振動距離は、については約 20ミクロン以上、即ち aZsin 0以上（ここで、 Θは第 1 拡散素子 22aの発散角、 aは拡散素子の凹凸の最大周期）であれば効果を得られる ことも確認できた。
[0042] またさらに、図 5を参照すれば、第 1拡散素子 22aおよび第 2拡散素子 22bが図示 され、第 1拡散素子 22aによる光の拡散と、両拡散素子間の距離との関係について 示されている。ここで、 aは、第 1拡散素子 22aの最大周期、 bは、第 2拡散素子 22bの 最大周期である。
[0043] 先述のとおり、第 1拡散素子 22aは、振動距離 Lで往復的振動運動を行う。この振 動距離 Lは、両拡散素子間隔が最短となった時に第 1拡散素子 22aにより強度 0. 5と なるような角度 0に拡散された光（図 3参照。）が第 2拡散素子 22bの任意の凹凸形 状一周期に入射し、両拡散素子間隔が最長となった時には、当該拡散された光が第 2拡散素子 22bの別の凹凸形状一周期に入射するように設定することが望ましい。こ のように設定すれば、第 2拡散素子 22bによる光拡散効果は、より有効なものとなる。 また、 Lの変更が容易でない場合、上記の条件を満たすように、拡散素子 (拡散板） 間距離を調整すること、第 1拡散素子 22aの最大周期 aを調整すること、および Zまた は、第 2拡散素子 22bの最大周期 bを調整することによって上記条件を満たしてもよ い。
[0044] 投影レンズ 15は NAが 0. 4の素子を用いた。また合成拡散角は 20度であり、投影 レンズの NA ( = 0. 4)に対応する発散許容角度より小さぐ拡散光の殆どは投影に 禾 IJ用することがでさる。
[0045] また、第 1拡散素子 22aを固定し、第 2拡散素子 22bを光軸と平行に往復的振動さ せるように構成した場合であっても、本実施形態と同等の効果を得ることができる。
[0046] (実施の形態 3)
第 2の実施形態においては、第 1および第 2拡散素子 22aおよび 22bが平行光路 中に設置された場合を示した。第 3の実施形態においては、第 1拡散素子が発散光 路中に設置され、第 2拡散素子が平行光路中に設置された形態を有する画像投影 装置を示す。
[0047] 図 6は、第 3の実施形態による画像投影装置の模式図である。
[0048] 本実施形態の画像投影装置は、図 1に示す第 1の実施形態による画像投影装置と 同様、半導体レーザ 11、コリメーシヨンレンズ 13、透過型液晶空間変調素子 14、投 影レンズ 15、スクリーン 16、拡散素子駆動部 18、および、画像情報生成部を有し、 第 2の実施形態と同様、第 1拡散素子 32a、および、第 2拡散素子 32bを有する。第 1 拡散素子 32aは、半導体レーザ 11とコリメーシヨンレンズ 13の間の光路上に配され、 第 2拡散素子 22bは、コリメーシヨンレンズ 13と透過型液晶空間変調素子 14の間の 光路上に配される。
[0049] 第 1拡散素子 32aは、入射光を拡散可能であると共に、光軸方向に往復的振動運 動可能であり、拡散素子駆動部 18と接続されている。拡散素子駆動部 18は、第 1拡 散素子 32aを往復的振動運動させることができる。
[0050] 半導体レーザ 11は、第 1の実施形態と同様、発振波長約 650nmのレーザ光源で ある。
[0051] 半導体レーザ 11は、レーザ光を発散放射する。発散光であるレーザ光は、第 1拡 散素子 32aを透過することによって拡散され、その後、コリメーシヨンレンズ 13に入射 して実質上平行レーザ光に変換されて出射される。その後、平行レーザ光は、第 2拡 散素子 32bにおいて再度拡散された後、透過型液晶空間変調素子 14に入射する。
[0052] 本実施の形態における投影装置においては、第 1光拡散素子 32aは、発散光路中 、つまり半導体レーザ 11とコリメーシヨンレンズ 13の間に設置され、光の進行方向（光 軸）に数 10ヘルツ以上の振動数、例えば、 30ヘルツ、で往復的振動運動される。
[0053] この第 1拡散素子 32aの振動運動により、第 1の実施形態と同様、拡散素子の表面 に到達する光の相対的な位相と実質的な入射角が常に、振動数と同期して変化する 。よって、第 2拡散素子 32bの任意の各点に到達する光の相対的位相も常に、振動 数に同期して変化する。そして第 2拡散素子 32bは、入射する光をさらに拡散する。
[0054] よって、スクリーン上に投影された画像に形成されるスペックルは平均化され、観察 者はスペックルノイズが低減された高画質画像を観察することができる。
[0055] 本実施の形態においては、半導体レーザとしては活性層が AlGalnP系の赤色半 導体レーザ (発振波長約 650nm)、コリメーシヨンレンズは NAが 0. 5、第 1及び第 2 の拡散素子としては凹凸の平均周期 3. 3ミクロン、両者による拡散角度（半値半幅） 20度、投影レンズは NAが 0. 4の素子を用いた。また振動距離は 100ミクロンとした。 振動距離については約 20ミクロン以上、即ち aZsin Θ以上 (ここで、 Θは第 1拡散素 子 32aの拡散角、 aは第 1拡散素子 32aの凹凸の最大周期）であれば効果を得られる ことも確認できた。また、第 1および第 2拡散素子 32aおよび 32bによる合成拡散角は 20度であり、投影レンズの NA ( = 0. 4)に対応する発散許容角度より小さぐ拡散光 の殆どは投影に利用することができる。
[0056] 本実施形態においても、第 1拡散素子 32aを固定し、第 2拡散素子 32bを光軸と平 行に往復的振動運動させるように構成することは可能であるが、第 1拡散素子 32aに 振動運動させる構成の方がより好まし 、。
[0057] 以上の実施の形態においては、拡散素子としてすりガラス状の一様な拡散素子を 用いた。だ力 上記いずれの実施形態において使用される拡散素子においても、図 7Aに示すような、同心円状拡散素子を使用することができる。
[0058] 図 7Aは、同心円状拡散素子の平面図である。拡散素子中心部 71の凹凸の周期 に対して拡散素子周辺部 73の凹凸の周期（凹部力 凹部または凸部から凸部まで の直径に沿った距離)が大きな同心円状の拡散素子 (たとえば中心部では 2ミクロン 周期、周辺部では 10ミクロン周期）を使用することにより、ガウス分布するレーザ光の 光強度の大きな中心部の光を比較的大きな角度に拡散させ、逆に周辺部の拡散角 を小さくすることにより、投影画像の均一化を図ることが可能である。
[0059] 図 7Bは、図 7Aの線 A—A'における断面図である。また、図 7Cは、図 7Bと同 Cf立 置における同心円状拡散素子の変形例の断面図である。このような拡散素子におい て、入射光は、拡散されずに直進する光 (0次光）と、回折されて拡散される拡散光に 変換される。溝部の深さ dは、拡散素子を構成する基材の屈折率 nと、使用する光の 波長 λに対し、
ά= λ /{ 2 Χ (η— 1) }
となるようにすることが好ましい。この場合、全出射光における 0次光の割合は最も低 くなり、拡散光の割合が最も高くなる。そのため、スペックルノイズの除去が最も効果 的に実現される。
[0060] 図 7Βのような断面を有する同心円状拡散素子においては、拡散素子中心部およ び拡散素子周辺部とも、凹部と凸部のデューティがほぼ 50%となるように構成されて いる。このような構成により、 0次光に対する拡散光の割合は大きくなり、スペックルノ ィズ除去に効果的である。
[0061] 図 7Cのような断面を有する同心円状拡散素子変形例においては、拡散素子中心 部におけるデューティが 50%に近ぐ周辺部においてはデューティが 50%から乖離 するように構成されている。このような構成によれば、同心円状拡散素子中心部を透 過する光は、同心円状拡散素子周辺部を透過する光と比較してより多くの光が拡散 される。よって、中心部に入射する光強度が特に大きな入射光の強度分布をより効 果的に補償することができる。
[0062] 図 7Αは、同心円上の凹凸形状力 なる同心円状拡散素子を示したが、光の拡散 角が中心部で大きぐ周辺部で小さ!/、ことを特徴とする様々なパターンの拡散素子を 用いることが可能である。
[0063] このように、同心円状拡散素子は、光の拡散角が中心部で大きぐ周辺部で小さい 。よって、光利用効率を高め、投影画像全体が実質的に均一な輝度にするという効 果を有する。
[0064] また、空間変調素子として強度変調型の透過型液晶を使用して!/、るが、必ずしも透 過型や強度変調型に限定されることはない。反射型の液晶素子、マイクロマシン技 術により形成した光反射型の空間変調素子、或いは、回折光を用いる空間変調素子 であってもよい。
[0065] 本発明に力かるいずれの実施形態においても、図 7A、図 7B、および、図 7Cに示 すような、中心部の凹凸の周期に対して周辺部の凹凸の周期が大きな同心円状の 拡散素子を少なくとも 1つを使用することにより、ガウス分布するレーザ光線の光強度 の大きな中心部の光を比較的大きな角度に拡散させ、逆に周辺部の拡散角度を小 さくすることにより、投影画像の均一化を図ることが可能である。
[0066] 本実施の形態においては、同様に単色 (赤色)光源を用いた投影型情報表示装置 の例を示したが、青、緑、赤の三色に対応する光学系、及び空間変調素子を設置し 、また各色の画像をスクリーン上で合成することによりカラーディスプレイを実現するこ とが可能である。
産業上の利用可能性
[0067] 本発明にカゝかる画像投影装置は極めて簡単な構成によりスペックルノイズを低減す ることが可能となる。また、表示画面全体が均一な輝度を有する画像表示を提供する ものであり、産業上高い利用可能性を有する。

Claims

請求の範囲
[1] コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源から発せられたコヒーレント光をコヒーレン ト平行光に変換するコリメーシヨンレンズと、前記コヒーレント平行光を投影する投影 光学系を有する画像投影装置であって、
前記コヒーレント光源力 発せられた光を拡散すると共に前記コヒーレント光の光軸 と平行に振動可能な第 1拡散素子と、前記第 1拡散素子を振動運動させる拡散素子 駆動手段を有する画像投影装置。
[2] 前記第 1拡散素子は、前記コヒーレント光の光路上、前記コヒーレント光源から前記 コリメーシヨンレンズの間に配される請求項 1に記載の画像投影装置。
[3] 前記第 1拡散素子は、前記コヒーレント平行光の光路上、前記コリメ一シヨンレンズ から前記投影光学系の間に配される請求項 1に記載の画像投影装置。
[4] さらに、前記コヒーレント平行光の光路上、前記コリメ一シヨンレンズから前記投影光 学系の間に配される第 2拡散素子を有する請求項 2または 3に記載の画像投影装置
[5] 前記第 1拡散素子の拡散角および前記第 2拡散素子の拡散角の和である合成拡 散角は、前記前記投影光学系に含まれるレンズ部の開口数 (NA)に対応する角度 すなわち asin (NA)以下の角度である請求項 4に記載の画像投影装置。
[6] 前記第 1拡散素子および前記第 2拡散素子の少なくともいずれかは、中心部から周 辺部に向カゝつて拡散角が単調減少する請求項 4に記載の画像投影装置。
[7] 前記振動運動の振動距離は、前記第 1拡散素子の凹凸形状の最大周期を、前記 第 1拡散素子の拡散角の正弦で割った値以上である請求項 1に記載の画像投影装 置。
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