WO2012144593A1 - 投射型映像表示装置 - Google Patents

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WO2012144593A1
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牧夫 倉重
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大日本印刷株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a projection-type image display device that illuminates a light modulation element using coherent light such as a laser beam and projects an image on a screen, and particularly LCOS (Liquid Crystal On On Silicon) as a light modulation element.
  • the present invention relates to a projection-type image display device that uses the.
  • a projector projection-type image display device
  • illumination light from a light source is imaged using a light modulation element (microdisplay) such as liquid crystal or MEMS and projected onto a screen.
  • a light modulation element microdisplay
  • a projector using a white light source such as a high-pressure mercury lamp as the light source is known, and an image obtained by illuminating a two-dimensional light modulation element such as a liquid crystal is magnified by a projection optical system. The image is projected above.
  • high-intensity discharge lamps such as high-pressure mercury lamps have a relatively short life and need to be frequently replaced when used in projectors.
  • the apparatus itself is increased in size.
  • the specification of a high-pressure mercury lamp that uses mercury is not preferable from the viewpoint of environmental load.
  • a projector using laser light as a light source has been proposed.
  • the semiconductor laser has a longer life than a high-pressure mercury lamp or the like, and the entire apparatus can be reduced in size.
  • the laser beam expected as the next-generation light source of the projector is excellent in straightness, it is considered that the light incident efficiency can be improved even when compared with the LED or the like.
  • speckle noise is generated due to high coherence and it is difficult to view an image.
  • Speckle noise is speckled noise caused by interference of light scattered from minute irregularities on the surface of the irradiation object when coherent laser light is used as the light source. As well as causing physiological discomfort to the observer.
  • various attempts have been made, such as vibrating the diffusion plate through which the laser beam passes, expanding the wavelength spectrum of the laser spectrum, and vibrating the screen itself that is the target of the laser beam irradiation.
  • Patent Document 1 discloses a non-speckle display device that reduces speckle noise by rotating a diffusion element through which coherent light passes.
  • LCOS Liquid Crystal On Silicon
  • This LCOS forms an image by changing the polarization direction of incident light on a liquid crystal surface and selectively outputting image light by a polarization beam splitter.
  • coherent light such as laser light as a light source, but various problems due to speckle as described above may be considered.
  • the incident angle to the polarizing beam splitter is restricted, and therefore, particularly when the polarizing beam splitter for RGB three colors is used, compared to the case of using a single color.
  • Polarization selectivity is lowered.
  • the polarization selectivity is made high, there is a problem that it becomes very expensive.
  • LCOS is used for each of the three RGB colors, further problems arise, such as an increase in the number of polarization beam splitters to be used and the complicated alignment of the LCOS panels due to complicated optical paths.
  • a projection-type image display device includes: A light source that emits coherent light; An optical scanning unit that scans coherent light emitted from the light source; LCOS having an image-forming region where an image is formed; A projection optical system that projects an image formed in the image forming area onto a screen; And a hologram that has polarization selectivity, diffuses the scanning light scanned by the optical scanning unit, and diffuses the light emitted from each point to illuminate the image forming region.
  • the optical scanning unit is composed of a mirror device.
  • the hologram having polarization selectivity has a liquid crystal hologram capable of switching between a diffracted state and a transmissive state according to voltage application with respect to polarized light oscillating in a specific direction. It is characterized by.
  • the light source has a unit color light source that emits coherent light of different wavelengths
  • the hologram is formed by laminating a plurality of liquid crystal holograms
  • the unit color light source is sequentially turned on, and the control unit is configured to switch the liquid crystal hologram corresponding to the unit color light source being turned on to a diffraction state.
  • the polarization-selective hologram includes a photorefractive material or a liquid crystal material having refractive index anisotropy.
  • the projection display apparatus of the present invention is A light source that emits coherent light; An optical scanning unit that scans coherent light emitted from the light source; LCOS having an image-forming region where an image is formed; A projection optical system that projects an image formed on the LCOS onto a screen; A first hologram for diffusing the scanning light scanned by the optical scanning unit; A second hologram having polarization selectivity and diffracting diffused light from the first hologram, The diffused light emitted from each point of the first hologram is diffracted by the second hologram to illuminate the image forming region in an overlapping manner.
  • the diffused light from each point of the light diffusing element scans the image forming area as the illuminated area at different angles by scanning the coherent light with the optical scanning unit.
  • the speckles generated in the illuminated area are temporally changed to make the viewer invisible.
  • speckles generated on the screen can be effectively suppressed by irradiating the screen at different angles in time.
  • the figure which shows the structure of the projection type video display apparatus concerning embodiment of this invention The figure which shows the structure of the illumination part which concerns on embodiment of this invention.
  • the figure which shows the mode of hologram production used with the illumination part which concerns on embodiment of this invention The figure which shows the mode of the optical scanning which concerns on embodiment of this invention.
  • the figure which shows the structure of the illumination part which concerns on other embodiment of this invention The figure which shows the structure of the illumination part which concerns on other embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a projection type video display apparatus according to an embodiment of the present invention. Note that the drawings described below are schematic views and are different from actual shapes, dimensions, and arrangements.
  • the projection-type image display apparatus 10 is a projection optical that projects an image formed on an image forming area of an illumination unit, an LCOS (Liquid Crystal On On Silicon) 31 for forming an image, and the LCOS 31 onto a screen 41.
  • a system 32 is provided.
  • the screen 41 on which an image is projected is an XY plane, and an axis perpendicular to the XY plane is a Z axis.
  • a reflective screen for observing an image reflected by the screen 41 or a transmissive screen for observing an image transmitted through the screen 41 can be used.
  • the illumination unit 20 of the present embodiment includes a light source 11, an optical scanning unit 15, a hologram 21, and an LCOS 31.
  • the light source 11 various laser devices such as a semiconductor laser device that emits laser light as coherent light are used.
  • the light source 11 since LCOS is used as the light modulation element, the light source 11 emits coherent light of direct polarization, for example, p-polarization.
  • the optical scanning unit 15 is a mirror device that can rotate the reflection surface around the rotation center Ra, and mechanically rotates a movable mirror such as a polygon mirror, a galvano scanner, or a MEMS scanner. Is used. In addition, various forms such as an acousto-optic effect scanner that modulates the refractive index can be employed.
  • the scanning light La scanned temporally with the coherent light L1 by the optical scanning unit 15 is diffracted by the hologram 21 having polarization selectivity, and becomes illumination light Lb that illuminates the LCOS 31 as a light modulation element.
  • the polarization component (p-polarized component) of the coherent light emitted from the light source 11 is set to be diffracted.
  • the LCOS 31 is a reflective liquid crystal display panel in which a liquid crystal layer is formed on a silicon substrate.
  • the LCOS 31 controls a pixel electrode provided on the silicon substrate to control the polarization characteristics of incident light, thereby forming an image forming area. Form an image in it. Pixels that are turned on are reflected by changing the phase of incident light by 90 degrees on the liquid crystal layer, and pixels that are turned off are reflected as they are.
  • the emitted light of the pixel that is turned on passes through the hologram 21 having polarization characteristics and enters the projection optical system 32 to form a bright portion on the screen 41.
  • the emitted light of the pixel turned off is diffracted by the hologram 21 and diffracted to the optical scanning unit 15 side.
  • the coherent light L1 emitted from the light source 11 is incident on the reflection surface of the optical scanning unit 15. At this time, the coherent light is reflected with little positional fluctuation when the optical scanning unit 15 rotates.
  • the light is incident on one point on the surface (hereinafter also referred to as “reference point”).
  • reference point By making the coherent light incident on such a reference point, the condensing position of the reference light used when creating the hologram 21 is set to the reference point of the optical scanning unit 15, and the image recorded on the hologram 21. Can be obtained reliably.
  • FIG. 2 is a diagram in which the illumination unit 20 in the projection type image display device of FIG. 1 is partially extracted.
  • the hologram 21 is an optical element that illuminates the illuminated area, in this embodiment, the entire image forming area of the LCOS 31 when the scanning light La is incident thereon. In this embodiment, the reflection hologram 21 is used. .
  • the hologram 21 is preferably made of a photorefractive material or a liquid crystal material having refractive index anisotropy.
  • the hologram 21 By adopting the hologram 21, it becomes possible to always obtain the same reproduced image regardless of the incident position of the scanning light La, and it is possible to illuminate the entire image forming area of the LCOS 31 as the illuminated area without unevenness. . Further, the beam cross-sectional shape of the scanning light La incident on the hologram 21 or the incident angle thereof can be given freedom, and the layout of the apparatus can be made flexible.
  • the hologram 21 used in the present embodiment reproduces the diffusion plate image 22i as a recorded reproduction image.
  • the coherent light emitted from the light source 11 is reflected by the rotating optical scanning unit 15 to become scanning light La, and scans back and forth on the incident surface of the hologram 21.
  • the figure shows the state of the scanning lights La (t1) and La (t2) at certain times t1 and t2.
  • the hologram 21 of the present embodiment forms a diffusion plate image 22i as a reproduced image with respect to light (reproduced illumination light) having a predetermined incident angle.
  • the scanning light La scanned by the optical scanning unit 15 is set to be reproduction illumination light for the hologram 21 at any scanning position.
  • the creation of the hologram 21 used in this embodiment will be described later.
  • the scanning light La (t1) at time t1 diffracts the illumination light Lb (t1) as reproduction light at the hologram 21 to form a diffusion plate image 22i.
  • the scanning light La (t2) at the time t2 diffracts the illumination light Lb (t2) by the hologram 21 to form a diffusion plate image 22i.
  • the diffusion plate image 22i having the same shape is formed to overlap the same position when any incident position of the hologram 21 is irradiated.
  • the diffusion plate image 22i By positioning the diffusion plate image 22i so as to include the entire illuminated area, the entire illuminated area can be illuminated uniformly at any scanning position.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration (interference exposure) when recording (creating) a transmission hologram 21 used in the illumination unit according to the embodiment of the present invention.
  • Laser light is irradiated from the back side of the diffusion plate 22, and the object light Ob diffused forward is incident from one surface of the hologram recording material 24.
  • the diffused light (object light Ob) from each point of the diffusion plate 22 is diffused so as to illuminate at least the entire diffraction region used during reproduction of the hologram recording material 24.
  • the reference light R condensed by the condensing optical system 23 is irradiated from the same surface of the hologram recording material 24.
  • the focal position A of the condensing optical system 23 is arranged so as to coincide with a reference point by the optical scanning unit 15 in use.
  • the object light Ob and the reference light R are simultaneously incident and interfered in the hologram recording material 24.
  • the object beam Ob and the reference beam need to have coherency. Therefore, it is conceivable to divide laser light oscillated from the same light source and use one as object light Ob and the other as reference light R.
  • the hologram recording material 24 is subjected to post-processing such as heating and ultraviolet irradiation, and a transmission type hologram 21 for reproducing the diffuser plate image at the same position is created at each point on the surface.
  • a transmission type hologram 21 for reproducing the diffuser plate image at the same position is created at each point on the surface.
  • a normal diffusing plate 22 such as an opal glass file glass
  • a light diffusing element capable of illuminating the entire use area with diffused light from each point such as a lens array. It may be used.
  • interference fringe recording interference exposure
  • the interference fringes calculated by the computer are directly recorded on the hologram recording material 24.
  • a so-called computer-generated hologram may be used.
  • the modulated light Lc modulated by the LCOS 31 is magnified by the projection optical system 32 and projected onto the screen 41 as the image reproduction light Ld, and allows the observer to observe the reflected or transmitted image.
  • the projection optical system 32 is an optical system that is set so as to form an image on the screen 41 even when the modulated light Lc changes with time. Actually, it is formed of a plurality of optical elements such as lenses.
  • the video reproduction light Ld (t1) at time t1 and the video reproduction light Ld (t2) at time t2 are irradiated at different incident angles.
  • the image reproduction light Ld projects an image on the screen 41 while changing the incident angle with time. Therefore, speckles formed on the screen in a very short time are averaged by the image reproduction light Ld being irradiated at different incident angles depending on the time, and an observer who observes the image projected on the screen 41 is used. It becomes inconspicuous enough.
  • the speckles observed by the observer are not only speckles generated due to the scattering of coherent light on the screen 41 as described above, but also those generated on various optical elements of the projection display apparatus 10. is there.
  • the speckle is observed by the observer by being projected onto the screen 41 via the projection optical system 32.
  • the scanning light La scans the hologram 21 to illuminate the image forming area of the LCOS 31 as the illuminated area.
  • the projection type video display apparatus concerning the embodiment of the present invention was explained, the embodiment of various composition used with this projection type picture display device is explained.
  • the scanning mode of the optical scanning unit 15 may be performed by scanning the hologram 21 one-dimensionally or two-dimensionally. Good. In any case, it is necessary that the diffused light from each point on the hologram 21 can sufficiently illuminate the entire illuminated area.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the optical scanning unit 15 that performs one-dimensional scanning.
  • the coherent light L1 emitted from the light source unit 11 is reflected on the reflection surface of the optical scanning unit 15 that resonates and vibrates in one axial direction, and scans the hologram 21 by reciprocating in a line shape.
  • the diffusion plate image 22i recorded on the hologram 21 can be obtained. It is possible to reliably reproduce.
  • the scanning light emitted from the light scanning unit 15 scans the hologram 21 and emits a recorded diffuser image 22i.
  • the hologram 21 is designed to form the diffusion plate image 22i at any scanning position.
  • the hologram 21 that is scanned by scanning light La reciprocatingly between the X marks shown in the figure in a line form always forms the same diffusion plate image 22i.
  • the scanning region can be formed into a line shape, and the small hologram 21 can be used.
  • the optical scanning unit 15 is also rotated about one axis, the drive system and the control system can be simplified. Note that the scanning mode is not limited to the one-dimensional scanning as described above.
  • the hologram 21 may be scanned two-dimensionally by making the optical scanning unit 15 rotatable in two axes.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of an illumination unit according to another embodiment of the present invention.
  • an image is reproduced with a monochromatic light source 11, whereas
  • unit color light sources 11R, 11G, and 11B having different wavelengths for RGB colors are provided, and a full color video can be reproduced.
  • the hologram 21 used in this embodiment is configured by laminating liquid crystal holograms 211R, 211G, and 211B corresponding to the wavelengths of the respective colors.
  • Each liquid crystal hologram 211 is switched between a diffraction state and a transmission state with respect to polarized light oscillating in a specific direction by applying a voltage. Therefore, a control unit 33 that controls the application of voltages VR, VG, and VB to each liquid crystal hologram 211 is provided.
  • the control unit 33 controls lighting of each unit color light source 11.
  • the unit color light sources 11 of each color are turned on in order, and the liquid crystal hologram 211 corresponding to the unit color light source that is lit is set in the diffracted state, and the other liquid crystal holograms 211 are set in the transmissive state.
  • a diffusion plate image 22i corresponding to the wavelength of light is formed.
  • Each of the liquid crystal holograms 211 used in this embodiment is a diffractive element having polarization selectivity, as in the above-described embodiment, and is used from the optical scanning unit 15 when used in a projection type image display device. The incident polarized light component is diffracted, and the polarized light component rotated 90 degrees by the LCOS 31 is transmitted and projected onto the screen 41.
  • the LCOS 31 is synchronously controlled so as to form an image corresponding to the emitted coherent light L1R, L1G, and L1B, and the hologram 21 illuminates the entire image forming region of the LCOS 31 with a color corresponding to the formed image. As a result, modulated light Lc of each wavelength is emitted.
  • the apparatus can be miniaturized. It is also possible to employ a configuration in which the illumination unit 20 and the LCOS 31 described in FIG. 2 are prepared for each wavelength, and modulated light formed by the LCOS 31 of each color is synthesized by an optical element and projected.
  • the hologram 21 may be configured as a plurality of holograms 21 by dividing its function.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of an illumination unit according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, the function of the hologram 21 described above is performed by the first hologram 21a and the second hologram 21b. It has become a thing.
  • the first hologram 21a is a recording of the diffusion plate image 22i as in the above-described embodiment.
  • the second hologram 21b diffracts so that the diffusion plate image 22i reproduced by the first hologram 21a illuminates the entire image forming region of the LCOS 31.
  • the range of the diffraction angle of the first hologram 21a is limited to an angle range in which the second hologram 21b can be diffracted.
  • the reference light of the second hologram 21b and the diffracted light of the first hologram 21a have the same angle profile, it is not necessary to restrict the diffraction angle of the first hologram 21a.
  • the coherent light L1 emitted from the light source 11 forms the same diffusion plate image 22i regardless of the scanning position of the optical scanning unit 15. Similar to the above-described embodiment, the incident angle of light forming the diffuser plate image 22i changes with time, and as a result, speckles can be averaged and invisible.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Projection type image display apparatus 11 ... Light source 11R, 11G, 11B ... Unit color light source 12 ... Condensing optical system 15 ... Optical scanning part 20 ... Illumination part 21 ... Hologram 21a ... 1st hologram 21b ... 2nd hologram 211R , 211G, 211B ... liquid crystal hologram 22 ... diffusion plate 22i ... diffusion plate image 23 ... condensing optical system 24 ... hologram recording material 31 ... LCOS (Liquid Crystal On Silicon) 32 ... Projection optical system 33 ... Control unit 41 ... Screen

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Abstract

LCOS(Liquid Crystal On Silicon)を用いた投射型映像表示装置において、コヒーレント光を光源に用いた場合に発生するスペックルノイズの効果的抑制を図ることを目的とする。投射型映像表示装置は、コヒーレント光を出射する光源と、光源から出射したコヒーレント光を走査する光走査部と、像が形成される像形成領域を有するLCOSと、LCOSに形成される像をスクリーンに投影する投射光学系と、偏光選択性を有するとともに、光走査部で走査された走査光を拡散させ、各点から出射される拡散光が像形成領域を重ねて照明するホログラムと、を備える。

Description

投射型映像表示装置
 本発明は、レーザー光などのコヒーレント光を用いて光変調素子を照明し、スクリーン上に映像を投射する投射型映像表示装置に関するものであって、特に光変調素子としてLCOS(Liquid Crystal On Silicon)を使用する投射型映像表示装置に関する。
 光源からの照明光を、液晶やMEMSなどの光変調素子(マイクロディスプレイ)を用いて映像化し、スクリーンに投影するプロジェクタ(投射型映像表示装置)が知られている。このようなプロジェクタでは、その光源に高圧水銀ランプなどの白色光源を用いたものが知られており、液晶などの2次元光変調素子を照明し得られた画像を投射光学系で拡大してスクリーン上に映像を投射している。
 しかしながら、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプは、寿命が比較的短くプロジェクタなどに利用した場合、頻繁にランプを交換する必要がある。また、装置自体が大型化してしまうという欠点もある。さらには、環境負荷の観点から水銀を使用する高圧水銀ランプの仕様は好ましいものとはいえない。このような欠点を解消するため、レーザー光を光源として使用するプロジェクタも提案されている。半導体レーザーは、高圧水銀ランプなどと比較して高寿命であり、また、装置全体の小型化を図ることも可能である。
 このように、プロジェクタの次世代光源として期待されているレーザー光は直進性に優れるため、LEDなどと比較しても光入射効率の向上を図ることができると考えられる。しかしながら、レーザー光を光源として用いた場合、コヒーレンスの高さに起因するスペックルノイズが発生し、映像を見難くしてしまう欠点がある。
 スペックルノイズは、コヒーレントなレーザー光を光源とした場合、照射対象表面の微少凹凸からの散乱光が干渉することで生ずる斑点状のノイズであって、プロジェクタで発生した場合には画質劣化の原因となるのみならず、観察者に対して生理的不快感をもたらすこともある。このスペックルノイズを低減するため、レーザー光が通過する拡散板を振動させる、レーザースペクトルの波長スペクトルを拡大する、レーザー光の照射対象となるスクリーン自体を振動させるなど、各種試みが行われている。このようなスペックルノイズ低減の試みとして、特許文献1には、コヒーレント光が通過する拡散素子を回転運動させることで、スペックルノイズの低減を図る無スペックル・ディスプレイ装置が開示されている。
特開平6-208089号公報
 しかしながら、特許文献1に開示されるスペックルノイズ低減方法では、拡散素子到達前に生じていたスペックルノイズ(干渉パターン)は平均化できるものの、拡散中心からスクリーンへの入射光線角度はスクリーン上のいずれの点においても不変であるため、スクリーン各点の光散乱特性も一定となり、結果としてスクリーン上で発生するスペックルノイズの除去効果は殆ど得られないという問題があった。
 近年、投射型映像表示装置としてのプロジェクタにおいて、光変調素子として反射型液晶を使用するLCOS(Liquid Crystal On Silicon)が開発されている。このLCOSは、液晶面で入射光の偏光方向を変化させ、偏光ビームスプリッターで映像光を選択的に出力することで映像を形成する。このようなLCOSにおいてもレーザー光のようなコヒーレント光を光源に用いることが考えられるが、前述したようなスペックルによる様々な問題が考えられる。
 また、LCOSと偏光ビームスプリッターを組み合わせて使用する場合、偏光ビームスプリッターへの入射角度が制約されるため、特に、RGB3色用の偏光ビームスプリッターを使用した場合には単色で使用する場合に比べて偏光選択性が低下してしまう。また、偏光選択性を高性能にした場合には、非常に高価となるといった課題がある。さらに、RGB3色個々にLCOSを用いた場合、使用する偏光ビームスプリッターの増加や、光路が複雑になることにより各LCOSパネルの位置合わせが煩雑になる等、更なる課題が生ずる。
 本発明に係る投射型映像表示装置は、
 コヒーレント光を出射する光源と、
 前記光源から出射したコヒーレント光を走査する光走査部と、
 像が形成される像形成領域を有するLCOSと、
 前記像形成領域に形成される像をスクリーンに投影する投射光学系と、
 偏光選択性を有するとともに、前記光走査部で走査された走査光を拡散させ、各点から出射される拡散光が前記像形成領域を重ねて照明するホログラムと、を備えることを特徴とする。
 さらに本発明の投射型映像表示装置において、前記光走査部は、ミラーデバイスからなることを特徴とする。
 さらに本発明の投射型映像表示装置において、前記偏光選択性を有するホログラムは、特定方向に振動する偏光に対して、電圧の印加に応じて回折状態と透過状態を切り替え可能な液晶ホログラムを有することを特徴とする。
 さらに本発明の投射型映像表示装置において、前記光源は、それぞれ異なる波長のコヒーレント光を出射する単位色光源を有し、
 前記ホログラムは、前記液晶ホログラムが複数積層され、
 前記単位色光源を順番に点灯させ、点灯している前記単位色光源に対応する前記液晶ホログラムを回折状態に切り替える制御部を備えることを特徴とする。
 さらに本発明の投射型映像表示装置において、前記偏光選択性を有するホログラムは、屈折率異方性を有するフォトリフラクティブ材料または液晶材料を含むことを特徴とする。
 また本発明の投射型映像表示装置は、
 コヒーレント光を出射する光源と、
 前記光源から出射したコヒーレント光を走査する光走査部と、
 像が形成される像形成領域を有するLCOSと、
 前記LCOSに形成される像をスクリーンに投影する投射光学系と、
 前記光走査部で走査された走査光を拡散させる第1のホログラムと、
 偏光選択性を有するとともに、前記第1のホログラムからの拡散光を回折する第2のホログラムと、を備え、
 前記第1のホログラムの各点から出射される拡散光は、前記第2のホログラムで回折されて前記像形成領域を重ねて照明することを特徴とする。
 本発明の投射型映像表示装置によれば、光走査部でコヒーレント光を走査することで、光拡散素子の各点からの拡散光は、被照明領域としての像形成領域を時間的に異なる角度で照射することとなり、被照明領域で発生するスペックルを時間的に変化させ、観察者に不可視の状態とさせることが可能となる。さらに、本発明の投射型映像表示装置では、スクリーンに対しても時間的に異なる角度で照射することで、スクリーン上で発生するスペックルを効果的に抑制することができる。
本発明の実施形態に係る投射型映像表示装置の構成を示す図 本発明の実施形態に係る照明部の構成を示す図 本発明の実施形態に係る照明部で使用するホログラム作成の様子を示す図 本発明の実施形態に係る光走査の様子を示す図 本発明の他の実施形態に係る照明部の構成を示す図 本発明の他の実施形態に係る照明部の構成を示す図
 では、本発明の実施形態に係る投射型映像表示装置について図面を参照しつつ説明を行う。図1は、本発明の実施形態に係る投射型映像表示装置の構成を示す図である。なお、以下に説明する図面は、模式的に示した図であって、実際の形状、寸法、配置とは異なっている。
 本実施形態の投射型映像表示装置10は、照明部と、映像を形成するためのLCOS(Liquid Crystal On Silicon)31、LCOS31の像形成領域にで形成された映像をスクリーン41に投射する投射光学系32を備えている。なお、図では、映像が投影されるスクリーン41面をX-Y平面、それに直交する軸をZ軸としている。スクリーン41には、スクリーン41で反射された映像を観察する反射型スクリーン、あるいは、スクリーン41を透過した映像を観察する透過型スクリーンどちらを使用することもできる。
 本実施形態の照明部20は、光源11、光走査部15、ホログラム21、LCOS31を有して構成されている。
 光源11は、コヒーレント光としてのレーザー光を出射する半導体レーザー装置など各種レーザー装置が使用される。本実施形態では、光変調素子としてLCOSが用いられるため、直性偏光、例えばp偏光のコヒーレント光を出射する光源11とされている。
 光走査部15は、回動中心Raを中心として反射面を回動させることのできるミラーデバイスであって、ポリゴンミラー、ガルバノスキャナ、MEMSスキャナのような可動ミラーを機械的に回動させるミラーデバイスが用いられる。この他、音響光学効果スキャナのような屈折率を変調させるものなど各種形態を採用することができる。
 光走査部15にてコヒーレント光L1を時間的に走査された走査光Laは、偏光選択性を有するホログラム21で回折され、光変調素子としてのLCOS31を照明する照明光Lbとなる。本実施形態では、光源11が出射するコヒーレント光の偏光成分(p偏光成分)を回折するように設定されている。
 LCOS31は、シリコン基板上に液晶層が形成された反射型の液晶表示パネルであって、シリコン基板上に設けられた画素電極を制御して、入射する光の偏光特性を制御し、像形成領域中に像を形成する。オンとされた画素は液晶層で入射光の位相を90度変化させて反射され、オフとされた画素はそのまま反射される。オンとされた画素の出射光は、偏光特性を有するホログラム21を通過して投射光学系32へと入射しスクリーン41上で明部を形成する。一方、オフとされた画素の出射光は、ホログラム21にて回折され、光走査部15の側へ回折される。
 光源11から出射されたコヒーレント光L1は、光走査部15の反射面に入射されることとなるが、このとき、コヒーレント光は、光走査部15が回動運動する場合において位置変動が少ない反射面上の1点(以下、「基準点」とも呼ぶ)に入射させることが好ましい。このような基準点にコヒーレント光を入射させることで、ホログラム21の作成時に使用した参照光の集光位置を、光走査部15の基準点に設定することとなり、ホログラム21に記録されている像を確実に得ることが可能となる。
 図2は、図1の投射型映像表示装置における照明部20を部分的に取り出した図である。ここでは、光走査部15による走査光Laにて走査されるホログラム21の機能について説明する。ホログラム21は、走査光Laが入射されることで被照明領域、本実施形態においてはLCOS31の像形成領域全体を照明する光学素子であって本実施形態では反射型のホログラム21が用いられている。また、ホログラム21には、屈折率異方性を有するフォトリフラクティブ材料または液晶材料を用いることが好ましい。
 ホログラム21を採用したことで、走査光Laの入射位置に因らず、常に同一の再生像を得ることが可能となり、被照明領域となるLCOS31の像形成領域全体をムラ無く照明することができる。また、ホログラム21に入射させる走査光Laのビーム断面形状、あるいは、その入射角度などに自由度を持たせることができ、装置のレイアウトなどを自在なものとすることができる。
 本実施形態で使用するホログラム21は、記録された再生像として拡散板像22iを再生する。光源11から出射されたコヒーレント光は、回動する光走査部15で反射されることで走査光Laとなりホログラム21の入射面上を往復して走査する。図にはある時刻t1、t2についての走査光La(t1)、La(t2)の様子が示されている。本実施形態のホログラム21は、所定の入射角を有する光(再生照明光)に対して再生像としての拡散板像22iを形成する。光走査部15にて走査された走査光Laは、何れの走査位置においても、このホログラム21に対する再生照明光となるように設定されている。なお、本実施形態で使用するホログラム21の作成については後で説明する。
 図2に示されるように、時刻t1のときの走査光La(t1)は、ホログラム21にて再生光としての照明光Lb(t1)を回折し拡散板像22iを形成する。また、時刻t2のときの走査光La(t2)は、ホログラム21にて照明光Lb(t2)を回折し拡散板像22iを形成する。このように走査光Laが走査されることで、ホログラム21の何れの入射位置を照射するときにも同一形状の拡散板像22iが同じ位置に重なるように形成される。この拡散板像22iが被照明領域全体を含むように位置させることで、何れの走査位置においても被照明領域全体を均一に照明することが可能となる。
 図3は、本発明の実施形態に係る照明部で使用される透過型のホログラム21を記録(作成)する際の構成(干渉露光)を示す図である。拡散板22の背面側からレーザー光を照射し、前方に拡散した物体光Obをホログラム記録材料24の一方の面から入射させる。その際、拡散板22の各点からの拡散光(物体光Ob)は、ホログラム記録材料24の少なくとも再生時に使用する回折領域全面を照明するよう拡散させる。
 そして、ホログラム記録材料24の同じ面から、集光光学系23にて集光した参照光Rが照射される。集光光学系23の焦点位置Aは、使用時の光走査部15による基準点と一致するように配置されている。物体光Obと参照光Rを同時に入射させ、ホログラム記録材料24中で干渉させる。なお、物体光Obと参照光とは干渉性を有する必要がある。そのため、同一の光源から発振されたレーザー光を分割して一方を物体光Ob、他方を参照光Rとして使用することなどが考えられる。
 ホログラム記録材料24は加熱、紫外線照射等の後処理を経て面上の各点において、同じ位置に拡散板像を再生する透過型のホログラム21が作成される。ここで、記録時に用いられる物体光Obの照射には、オパールガラスやすりガラスといった通常の拡散板22のみならず、レンズアレイなど、各点からの拡散光が使用領域全面を照明できる光拡散素子を用いることとしてもよい。なお、本実施形態では、物体光Obと参照光Rとを干渉させることで干渉縞の記録(干渉露光)を行うこととしたが、計算機にて計算された干渉縞を直接、ホログラム記録材料24に記録する、いわゆる計算機合成ホログラムを採用するものであってもよい。
 図1に戻り、LCOS31で変調された変調光Lcは、投射光学系32で拡大され映像再生光Ldとしてスクリーン41上に投射され、反射、あるいは、透過される映像を観察者に観察させる。この投射光学系32は、変調光Lcが時間的に変化した場合においても、スクリーン41上に像を結ぶように設定されている光学系である。実際には、レンズなど複数の光学素子で形成される。
 通常、スクリーン41の面上に投射されたコヒーレント光は互いに干渉することでスペックルを生じさせる。しかしながら、本実施形態では、光走査部15によってコヒーレント光が走査されるため、結果としてスクリーン41に投射する映像再生光Ldを経時的に変化させ、このスペックルを極めて効果的に目立たなくしている。
 例えば、図1に示されるスクリーン上の点P1においては、時刻t1における映像再生光Ld(t1)と、時刻t2における映像再生光Ld(t2)が異なる入射角度で照射されることとなる。図に示す他の点P2や図示しない他の点においても同様であって、映像再生光Ldは、入射角度を時間的に変化させつつスクリーン41上に映像を投射する。したがって、ごく短い時間ではスクリーン上に形成されるスペックルも、映像再生光Ldが時間によって異なる入射角度で照射されることで平均化され、スクリーン41に投射される像を観察する観察者には十分に目立たない状態となる。
 観察者によって観察されるスペックルには、このようにスクリーン41上でのコヒーレント光の散乱を原因として発生するスペックルだけではなく、投射型映像表示装置10の各種光学素子上で発生するものもある。このスペックルは、投射光学系32を介してスクリーン41に投影されることで観察者に観察される。本実施形態では、走査光Laがホログラム21を走査することで、被照明領域としてのLCOS31の像形成領域を照明する。すなわち被照明領域を、ホログラム21の各点からの拡散光が時間的に分離するように照明することで、ホログラム21より前の位相情報をキャンセルするとともにホログラム21の各点からの拡散光同士が干渉することも防ぐことができ、投射型映像表示装置10の各種光学素子で発生するスペックルを十分に目立たない状態とすることが可能となる。
 以上、本発明の実施形態に係る投射型映像表示装置について説明したが、この投射型映像表示装置にて使用する各種構成の実施形態について説明する。前述の実施形態では、光走査部15の走査形態については詳細を説明しなかったが、光走査部15によるコヒーレント光L1の走査は、ホログラム21を1次元的、2次元的に走査してもよい。何れの場合においてもホログラム21上の各点からの拡散光が被照明領域全体を十分に照明できることが必要とされる。
 図4には、1次元的に走査を行う光走査部15の実施形態が示されている。この形態では、光源部11から出射されたコヒーレント光L1は、1軸方向に共振振動する光走査部15の反射面上で反射し、ホログラム21上をライン状に往復して走査する。このとき光走査部15において回動量の少ない基準点を、ホログラム21の記録時に使用した集光光学系23の焦点位置Aにあわせておくことで、ホログラム21に記録されている拡散板像22iを確実に再生することが可能となる。
 光走査部15から出射された走査光は、ホログラム21上を走査して、記録している拡散板像22iを出射する。前述したようにホログラム21は、何れの走査位置においても拡散板像22iを形成するように設計されている。走査光Laにより、図に示す×印間をライン状に往復して走査されるホログラム21は、常に同一の拡散板像22iを形成する。このようにホログラム21を利用することで、走査領域(回折領域)をライン状とすることも可能であって小型のホログラム21を用いることが可能となる。さらに、光走査部15についても一軸に関する回動であるため駆動系、制御系を簡略化することも可能となる。なお、走査の形態はこのように1次元的な走査に限らず、例えば、光走査部15を2軸回動可能とすることで、ホログラム21を2次元的に走査することとしてもよい。
 図5は、本発明の他の実施形態に係る照明部の構成を示す図であって、前述の投射型映像表示装置では、単色の光源11にて映像を再生していたのに対し、本実施形態では、RGB各色について異なる波長の単位色光源11R、11G、11Bを備え、フルカラーの映像を再生できる形態となっている。
 この実施形態で使用するホログラム21は各色の波長に対応した液晶ホログラム211R、211G、211Bが積層されて構成されている。各液晶ホログラム211は電圧が印加されることで、特定方向に振動する偏光に対して回折状態と透過状態が切り替えられる。そのため、各液晶ホログラム211に対して電圧VR、VG、VBを印加制御する制御部33が設けられている。この制御部33は、各単位色光源11の点灯を制御する。各色の単位色光源11を順番に点灯させて、点灯している単位色光源に対応した液晶ホログラム211を回折状態に、その他の液晶ホログラム211を透過状態とすることで、光源11から出射するコヒーレント光の波長に応じた拡散板像22iが形成される。なお、この実施形態で使用される各液晶ホログラム211は、前述の実施形態と同様、偏光選択性を有する回折素子であって、投射型映像表示装置に組み込んで使用した場合、光走査部15からの入射偏光成分は回折し、LCOS31にて90度回転された偏光成分は透過してスクリーン41に投影されることとなる。
 LCOS31は、出射されるコヒーレント光L1R、L1G、L1Bに応じた像を形成するように同期制御されており、ホログラム21は、形成されている像に応じた色でLCOS31の像形成領域全体を照明することで各波長の変調光Lcが出射される。
 以上、この実施形態では、RGB3色のコヒーレント光を用いてフルカラー像を再生するものであるが、本実施形態のようにホログラム21を用いたことで、従来、波長毎に設けられていた光学系をまとめ、装置の小型化を図ることが可能となる。なお、図2で説明した照明部20とLCOS31を波長毎に用意し、各色のLCOS31で形成される変調光を光学素子で合成し、投射する構成を採用することも可能である。
 ホログラム21はその機能を分割し、複数のホログラム21として構成することとしてもよい。図6は、本発明の他の実施形態に係る照明部の構成を示す図であって、本実施形態では、前述のホログラム21の機能を、第1のホログラム21aと第2のホログラム21bで担うものとなっている。
 第1のホログラム21aは、前述の実施形態と同様、拡散板像22iが記録されたものである。一方、第2のホログラム21bは、第1のホログラム21aにて再生された拡散板像22iがLCOS31の像形成領域全体を照明するように回折する。この場合、第1のホログラム21aには、その回折角度の範囲が第2のホログラム21bが回折できる角度範囲に制約される。なお、第2のホログラム21bの参照光と第1のホログラム21aの回折光が同じ角度プロファイルを有している場合には、第1のホログラム21aの回折角度に制約を設ける必要はない。
 本実施形態においても、光源11から出射されたコヒーレント光L1は、光走査部15の走査位置によらず、同じ拡散板像22iを形成する。前述の実施形態と同様、拡散板像22iはそれを形成する光の入射角度が時間的に変化するため、結果的にスペックルを平均化し不可視化することが可能となる。
 なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
10…投射型映像表示装置
11…光源
11R、11G、11B…単位色光源
12…集光光学系
15…光走査部
20…照明部
21…ホログラム
21a…第1のホログラム
21b…第2のホログラム
211R、211G、211B…液晶ホログラム
22…拡散板
22i…拡散板像
23…集光光学系
24…ホログラム記録材料
31…LCOS(Liquid Crystal On Silicon)
32…投射光学系
33…制御部
41…スクリーン

Claims (6)

  1.  コヒーレント光を出射する光源と、
     前記光源から出射したコヒーレント光を走査する光走査部と、
     像が形成される像形成領域を有するLCOSと、
     前記像形成領域に形成される像をスクリーンに投影する投射光学系と、
     偏光選択性を有するとともに、前記光走査部で走査された走査光を拡散させ、各点から出射される拡散光が前記像形成領域を重ねて照明するホログラムと、を備えることを特徴とする
     投射型映像表示装置。
  2.  前記光走査部は、ミラーデバイスからなることを特徴とする
     請求項1に記載の投射型映像表示装置。
  3.  前記偏光選択性を有するホログラムは、特定方向に振動する偏光に対して、電圧の印加に応じて回折状態と透過状態を切り替え可能な液晶ホログラムを有することを特徴とする
     請求項1に記載の投射型映像表示装置。
  4.  前記光源は、それぞれ異なる波長のコヒーレント光を出射する単位色光源を有し、
     前記ホログラムは、前記液晶ホログラムが複数積層され、
     前記単位色光源を順番に点灯させ、点灯している前記単位色光源に対応する前記液晶ホログラムを回折状態に切り替える制御部を備えることを特徴とする
     請求項3に記載の投射型映像表示装置。
  5.  前記偏光選択性を有するホログラムは、屈折率異方性を有するフォトリフラクティブ材料または液晶材料を含むことを特徴とする
     請求項1に記載の投射型映像表示装置。
  6.  コヒーレント光を出射する光源と、
     前記光源から出射したコヒーレント光を走査する光走査部と、
     像が形成される像形成領域を有するLCOSと、
     前記像形成領域に形成される像をスクリーンに投影する投射光学系と、
     前記光走査部で走査された走査光を拡散させる第1のホログラムと、
     偏光選択性を有するとともに、前記第1のホログラムからの拡散光を回折する第2のホログラムと、を備え、
     前記第1のホログラムの各点から出射される拡散光は、前記第2のホログラムで回折されて前記像形成領域を重ねて照明することを特徴とする
     投射型映像表示装置。
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