JP2010152178A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画質を高く保った上で、スペックルを低減させることができる画像表示装置を提供する。
【解決手段】光を射出する光源１０と、光源１０から射出された光Ｌの光路上に配置され、光Ｌを第１ビームＬａ，第２ビームＬｂに分離するハーフミラー３０と、第１ビームＬａ，第２ビームＬｂをスクリーン１０００上で２次元方向に走査して画像を描画する走査光学系５０と、光源１０から走査光学系５０までの光の光路に配置され、第２ビームＬｂに係る光路長を制御することで第２ビームＬｂの位相を時間的に変化させる位相変調手段４０と、を備え、走査光学系５０は、第１ビームＬａ，第２ビームＬｂの各々をスクリーン１０００上の同じ描画点Ｘに互いに異なる入射角度θａ、θｂで照射することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置に関するものである。

近年、半導体レーザーの高出力化や青色半導体レーザーの登場に伴い、レーザー光源を用いたプロジェクター（画像表示装置）が開発されている。この種のプロジェクターは、レーザー光源の波長域が狭いために色再現範囲を十分に広くすることができ、小型化や構成部品の削減も可能である。このことから、次世代のプロジェクターとして大きな可能性を秘めている。

しかしながら、レーザー光源を用いたプロジェクターにおいて表示を行う際、スクリーン等の散乱体で光の干渉が生じることによって明点と暗点が縞模様あるいは斑模様に分布する、いわゆるスペックルと呼ばれる現象が発生する場合がある。

スペックルは、観察者に対してぎらつき感を与え、画像鑑賞時に不快感を与えるなどの悪影響を及ぼす原因となる。特にレーザー光は干渉性が高い（コヒーレントな）光であることから、スペックルが発生しやすい。また、レーザー光源に限らずＬＥＤを光源に用いた場合でも同様にスペックルの課題が生じる他、ランプ光源の場合であっても、近年は短アーク化によって光の可干渉性が高くなっている。したがって、スペックルを除去する技術が重要になってきている。

スペックルを低減する手段としては、例えば、次の方法が知られている。１つは、互いに可干渉性の低い（インコヒーレントな）光を用いて、複数のパターンのスペックルを発生させ、複数のスペックル同士を同時に重畳させることによりスペックルのパターンを見にくくする方法である（方法１）。

例えば特許文献１では、互いに偏光方向が異なる偏光同士がインコヒーレントであることを利用して、光源から射出されたレーザー光を２つの偏光に分離し、一方の偏光に位相変調を与えた後に再合成した合成光を用いて画像形成を行っている。このようにすることで、２つの偏光に起因して生じるスペックル同士を重畳させ、平均化してスペックルを低減することを提案している。

もう１つは、画像形成に用いるレーザー光の可干渉性を低下させることでスペックルの発生自体を抑制する方法である（方法２）。例えば特許文献２では、屈折率の異なる複数の領域を有する複屈折率拡散板に、画像形成に用いるレーザー光を透過させることで、レーザー光の波面（同一位相となる点を結んでできる面）を乱している。このようにすることで、レーザー光内の空間的に異なる部分の波の干渉性（空間的コヒーレンス）を低下させて、レーザー光の干渉性を低下させ、スペックルの発生を抑制している。
特開２００５−２３４１５６号公報 特表２００５−６２１１４号公報

しかしながら、上記方法には、以下のような問題がある。

上記の方法１では、重畳させるスペックルパターンの数に応じてスペックルコントラスト（スペックルパターンにおいて、最も暗い部分と最も明るい部分との輝度の差）が低減する割合が決まる。ｎ個のスペックルパターンを重畳させた場合には、スペックルコントラストは１／√ｎとなることが理論および実験結果として知られている。従って、２つの偏光に起因するスペックルパターンを重畳させる特許文献１の方法では、スペックルコントラストは１／√２倍（約０．７倍）にしか低減せず、スペックル対策として満足いくものではない。

特許文献２では、空間的に位相変調を与えることによって射出するレーザー光の波面を乱し、スペックルを低減することとしているが、このような方法によるとレーザー光の品質が低下し、投射スクリーン上でのビームスポット径が大きくなる。走査型のプロジェクターでは、ビームスポット径が大きくなると画像解像度が低下するため、スペックルは低減するものの画質が大きく低下することになってしまう。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、画質を高く保った上で、スペックルを低減させることができる画像表示装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の画像表示装置は、光を射出する光源と、前記光源から射出された光の光路上に配置され、前記光を複数の分離光に分離する分離手段と、複数の前記分離光を被投射面上で２次元方向に走査して画像を描画する走査手段と、前記光源から前記走査手段までの前記光の光路に配置され、複数の前記分離光に係る光路長を制御することで前記分離光の位相を時間的に変化させる位相変調手段と、を備え、前記走査手段は、前記分離光の各々を被照射面の同じ描画点に互いに異なる入射角度で照射することを特徴とする。

この構成によれば、まず、各分離光は異なる入射角度で照射された描画点において干渉し、干渉縞を形成する。ここで、走査に伴って分離光のそれぞれの入射角度が変化するため、各分離光の走査手段から描画点までの距離が変化する。そのため、生じる干渉縞のパターンは走査に伴い変化することとなる。

また、位相変調手段は、分離光の光路長を制御する機能を有している。「光路長」とは、屈折率が一定の媒質内で、光線が２点間のある経路に沿って進むときの、経路に沿っての幾何学的な長さと屈折率との積である。経路内において、光線が屈折率の異なる複数の媒質を透過する場合、全体としての光路長は各媒質について求めたそれぞれの光路長の和となる。

位相変調手段を透過する分離光は光路長が変化するため、位相変調手段を透過しない分離光と比べて、相対的に位相がずれることとなる。この位相のずれは、位相変調手段を制御することにより時間的に変化させることができる。すると、分離光の干渉により生じる干渉縞が時間的に変化し、分離光の照射により生じるスペックルパターンも変動する。

このように生じる分離光の入射角度の変化に伴う干渉縞の変化と、分離光の位相変調に起因するスペックルパターンの変化と、に起因する様々なスペックルパターンは、表示画像の観察者の網膜上で重畳することとなる。そのため、観察者に均一な光として認識させ、スペックルの低減を実現することが可能な画像表示装置とすることができる。

本発明においては、前記位相変調手段は、複数の前記分離光の光路のうち少なくとも１つの光路上に配置され、前記位相変調手段は、前記分離光の光路において前記分離光が透過する媒質の屈折率を変更することが望ましい。
この構成によれば、屈折率を変更することで分離光の光路長を変化させることができ、良好に分離光の位相を変調させることができる。そのため、良好に様々なスペックルパターンを生じさせ、スペックルを抑制することが可能な画像表示装置とすることができる。

本発明においては、前記位相変調手段は、自身への印加電圧によって自身を透過する光に対する屈折率が変化する電気光学材料と、前記電気光学材料に電圧を印加する電圧供給手段と、を有することが望ましい。
この構成によれば、電気的な制御により所望の位相変調速度を実現することが可能であり、良好にスペックルを抑制した画像表示装置とすることができる。

本発明においては、前記電気光学材料は、強誘電体結晶であることが望ましい。
この構成によれば、高速な位相変調速度を実現することが可能であり、良好にスペックルを抑制した画像表示装置とすることができる。

本発明においては、前記電気光学材料は液晶材料であることが望ましい。
この構成によれば、液晶分子のような液晶材料の応答速度に応じた高速な位相変調速度を実現することが可能であり、良好にスペックルを抑制した画像表示装置とすることができる。

本発明においては、前記位相変調手段は、表面に凹凸を有し前記分離光が照射される凹凸板と、前記凹凸板を前記分離光の光軸と交わる方向に揺動させる、または前記分離光の光軸と平行な方向に設定された回転軸まわりに回転させる駆動手段と、を有することが望ましい。
この構成によれば、凹凸板を透過する位置における凹凸板の厚さに応じて、分離光が凹凸板を透過する際の光路長が変化するため、分離光は位相変調を受ける。そのため、単位時間あたりに変化する凹凸の総変化回数に応じた位相変調が可能であり、良好にスペックルを抑制した画像表示装置とすることができる。また、例えば、凹凸板を樹脂材料で形成すると、熱転写等の手法を用いることで安価に位相変調手段を量産することができるため、低い製造コストでスペックル抑制が可能な画像表示装置を提供することができる。

本発明においては、前記位相変調手段は、のうち少なくとも１つの光路上に配置され、前記位相変調手段は、前記分離光の光路における幾何学的な距離を変更することが望ましい。
この構成によれば、比較的高価な光学部材を用いることなく、機械的な制御で分離光の光路における幾何学的な距離を変更することで、分離光の光路長を制御することができる。そのため、安価な構成で分離光の位相を変調させ、干渉縞の様態に変動をあたえてスペックルを抑制することができる。

本発明においては、前記位相変調手段は、前記光源と前記分離手段との間の光路上に配置され、前記光源から射出される前記光における２つの偏光の偏光方向と同方向に屈折率異方性を有し、前記分離手段は、前記光を前記２つの偏光である前記分離光に分離し、前記分離手段から前記走査手段までの前記分離光の光路に、２つの前記分離光の偏光方向を、互いに同じ偏光方向とする位相差板を有することが望ましい。
この構成によれば、光源から射出された光に、予め特定方向の偏光成分への位相変調を与え、その後に分離することとしている。そのため、光を分離した後の構成を簡素化でき、装置を小型化することが可能となる。また、光の偏光方向によらずスペックル抑制が可能な画像表示装置とすることができる。

本発明においては、前記位相変調手段は、自身への印加電圧によって前記２方向の相対的な屈折率が変わる電気光学材料と、前記電気光学材料に電圧を印加する電圧供給手段と、を有することが望ましい。
この構成によれば、印加する電圧を変化させることで所望の位相変調速度を実現することが可能であり、良好にスペックルを抑制した画像表示装置とすることができる。

本発明においては、前記電気光学材料は、強誘電体結晶であることが望ましい。
この構成によれば、高速な位相変調速度を実現することが可能であり、良好にスペックルを抑制した画像表示装置とすることができる。

本発明においては、前記電気光学材料は液晶材料であることが望ましい。
この構成によれば、液晶分子のような液晶材料の応答速度に応じた高速な位相変調速度を実現することが可能であり、良好にスペックルを抑制した画像表示装置とすることができる。

本発明においては、前記位相変調手段は、前記２方向に屈折率異方性を有するとともに表面に凹凸を有し前記分離光が照射される凹凸板と、前記凹凸板を前記分離光の光軸と交わる方向に揺動させる、または前記分離光の光軸と平行な方向に設定された回転軸まわりに回転させる駆動手段と、を有することが望ましい。
この構成によれば、凹凸板を透過する位置における凹凸板の厚さに応じて、分離光が凹凸板を透過する際の光路長が変化するため、分離光は位相変調を受ける。そのため、単位時間あたりに変化する凹凸の総変化回数に応じた位相変調が可能であり、良好にスペックルを抑制した画像表示装置とすることができる。

本発明においては、前記位相変調手段の変調速度が、複数の前記分離光が前記描画点を描画する描画速度よりも大きいことが望ましい。
「描画点」とは、表示画像を構成する最小単位である１画素に対応した被投射面上の照射領域のことである。この構成によれば、同一画素を描画中に複数のスペックルパターンが得られるため、これらのスペックルパターンを重ね合わせることで、よりスペックルを抑制することが可能な画像表示装置とすることができる。

本発明においては、前記走査手段は、前記分離光のそれぞれに対応して設けられることが望ましい。
この構成によれば、各々の分離光の入射角度を独立して制御することが容易となり、良好にスペックルを抑制した画像表示装置とすることができる。

［第１実施形態］
以下、図１〜図６を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る画像表示装置について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。

図１は、本実施形態の画像表示装置１を示す概略斜視図である。図に示すように画像表示装置１は、レーザー光を射出するレーザー光源１０、複数のレンズで構成されたリレー光学系２０、スクリーン（被投射面）１０００上にレーザー光線を走査し画像を描画する走査光学系（走査手段）５０を有している。また、リレー光学系２０の内の光路上には、ハーフミラー（分離手段）３０、反射ミラー３５、位相変調手段４０が配置されている。

レーザー光源１０は、その詳細な構造を図示しないが、赤色光を射出する半導体レーザー素子と、緑色光を射出する半導体レーザー素子と、青色光を射出する半導体レーザー素子とを含んでいる。３つの半導体レーザー素子から射出した光は、ダイクロイックプリズム等の色合成素子により合成され、レーザー光源１０から合成された光Ｌが射出される。各レーザー素子から射出されるレーザー光は可干渉性の高いコヒーレンス光となっている。また、レーザー光は空間的コヒーレンスが高く、ほぼ完全な平面波として射出されている。

本実施形態のリレー光学系２０は、光Ｌが入射する１つのコリメートレンズ２２と、２つの集光レンズ２４と、を含んでいる。レーザー光源１０から射出された光Ｌは、コリメートレンズ２２により平行化された後に、後述のように分岐され位相変調を受けた後に集光レンズ２４により集光される。リレー光学系２０に関しては、画像表示装置の構成に応じて、適宜変更することができる。例えば、光源から射出される光の平行度が極めて高い場合には、リレー光学系を簡略化、あるいは省略することもできる。また、コリメートレンズ２２および集光レンズ２４は、複数のレンズからなる光学系であっても良い。

リレー光学系２０が有するコリメートレンズ２２を透過した光Ｌは、光路上に配置されたビームスプリッターであるハーフミラー３０に入射し、第１ビーム（分離光）Ｌａおよび第２ビーム（分離光）Ｌｂに分岐される。平面波である光Ｌを分離して形成される第１ビームＬａおよび第２ビームＬｂは、いずれも平面波である。

第２ビームＬｂは、反射ミラー３５を介し、位相変調手段４０に入射する。位相変調手段４０は、第２ビームＬｂ内の高い空間的コヒーレンスを維持したまま（波面は平面のまま）、第２ビームＬｂ全体の光路長を変化させることで、第２ビームＬｂの位相を時間的に変化させる。その結果、同位相であった第１ビームＬａの位相に対して、第２ビームＬｂの位相が時間的に変化することとなる。

ここで、本実施形態の位相変調手段４０は、第２ビームＬｂが透過する際に、第２ビームＬｂが透過する媒質の屈折率を変化させることで、第２ビームＬｂの光路長を変化させる構成となっている。本実施形態では、位相変調手段４０として液晶素子を用いる。

図２は、本実施形態で用いる液晶素子１００の概略断面図である。図に示すように、液晶素子１００は、シール剤１１１を介して貼り合わされた一対のガラス基板１１２，１１３と、一対のガラス基板１１２，１１３の間に挟持された誘電率異方性が正の液晶分子を含む液晶層１１６と、一対のガラス基板１１２，１１３の内面に配置され、液晶層１６に電圧を印加する一対の電極１１７，１１８と、各電極１１７，１１８上の配向膜１１９，１２０と、を備えている。配向膜１１９，１２０は、初期配向状態で液晶層１１６中の液晶分子をランダム配向とする配向処理がなされている。

図３は、液晶素子１００の駆動の様子を示す説明図である。図３（ａ）に示すように、液晶素子１００の電極１１７，１１８に無印加の場合は、屈折率異方性を有する液晶分子ＬＣが面方向にランダムに配向する。そのため、液晶素子１００を透過する第２ビームＬｂに対する液晶層１１６の屈折率は、液晶分子ＬＣが有する２つの屈折率の平均値となる。

また、図３（ｂ）に示すように、電極１１７，１１８に印加時には、液晶分子ＬＣの長軸は、電極間に生じる電界方向に配向する。そのため、液晶素子１００を透過する第２ビームＬｂに対する液晶層１１６の屈折率は、液晶分子ＬＣの短軸方向の屈折率となる。

したがって、液晶素子１００は、電極１１７，１１８への印加電圧に応じて、液晶層１１６を透過する光に対する屈折率が変化する。第２ビームＬｂがこのような液晶素子１００を有する位相変調手段を透過することで、位相変調手段は第２ビームＬｂ全体に同じ位相変化を与える。

第１ビームＬａ、および位相変調手段４０により位相変調を受けた第２ビームＬｂは、それぞれの光路上に配置された集光レンズ２４Ａ，２４Ｂに入射し、集光される。集光された各々の光には、それぞれ対応する走査光学系５０Ａ、５０Ｂが設けられている。

走査光学系５０は、第１ビームＬａおよび第２ビームＬｂの各々の光軸を、スクリーン１０００の表面において主走査方向に変化させる第１偏向ミラー５０ａと、同じく第１および第２ビームの光軸をスクリーン１０００の表面において副走査方向に変化させる第２偏向ミラー５０ｂとを含んでいる。例えば、主走査方向はスクリーン１０００における水平方向であり、副走査方向はスクリーン１０００において水平方向と直交する垂直方向である。

走査光学系５０としては、第１偏向ミラー５０ａにはＭＥＭＳ技術等により形成されるマイクロメカニカルミラーを用い、第２偏向ミラー５０ｂにはガルバノミラー等を用いる構成を例示することができる。また、図では２つのミラーにより走査光学系５０が構成されている様子を示したが、例えば、１つのミラーに対して２つの駆動軸が設定され、１個で２次元の走査が可能なＭＥＭＳミラーを用いることとしても構わない。

走査光学系５０Ａ，５０Ｂは、第１ビームＬａ、第２ビームＬｂにスクリーン１０００上の同じ描画点Ｘを照射させる。また、走査光学系５０Ａ，５０Ｂの動作は互いに同期が取られており、ビームの照射箇所である描画点Ｘをそれぞれ主走査方向及び副走査方向に走査し、表示画像を形成する。このとき、光Ｌａ，Ｌｂは、互いに異なる走査光学系５０で走査されるため、描画点Ｘに対して異なる方位角から入射することとなり、描画点Ｘに異なる入射角度θａ、θｂで入射する。また、互いに独立する走査光学系５０で走査されるために、各々の光Ｌａ，Ｌｂの入射角度の制御を容易に行うことができる。
本実施形態の画像表示装置１は、以上のような構成となっている。

次に、課題となるスペックル発生の原理を説明した上で、本発明のスペックル低減の原理について図を用いて説明する。

スペックルは、主として、コヒーレントな光が凹凸のある被照射面に照射されるような場面で生じる。コヒーレントな光であるレーザー光をスクリーンに照射する場面を想定すると、スクリーンに到達したレーザー光は、スクリーン表面の凹凸で散乱して、観察者の網膜に達することとなる。この際、スクリーンの凹凸は、レーザー光の波長に対して十分に大きな振幅を有しており、レーザー光内に−πからπまでのランダムな位相変調を与えることとなる。これらの光が網膜上で結像するが、ランダムな位相変調を受けた各レーザー光同士が干渉し、非常に高いコントラストの干渉縞を生じる。この干渉縞が、スペックルと呼ばれて観察される不具合である。

本実施形態の画像表示装置１は、次のようにしてスペックルの低減を実現している。図４は、画像表示装置１の効果を示す概略図である。図では、レーザー光源１０から射出される光Ｌ、および第１ビームＬａ、第２ビームＬｂの光路を一点鎖線で示し、各光路に直交する線分で各光の波面を示している。

画像表示装置１では、走査光学系５０Ａ、５０Ｂを用いて、第１ビームＬａと第２ビームＬｂとを、それぞれ異なる角度からスクリーン１０００上の描画点Ｘに同時に照射させる。このとき、各ビームは互いに可干渉性を有する平面波であり、描画点Ｘにおいて交わって互いに干渉する。その結果、スクリーン上には干渉縞ＩＦが生じる。

ここで、走査に伴って第１ビームＬａおよび第２ビームＬｂのそれぞれの入射角度が変化するため、各分離光の走査手段から描画点Ｘまでの距離が変化する。そのため、生じる干渉縞ＩＦのパターンは走査に伴い変化することとなる。

また、位相変調手段４０に達するまでは、第１ビームＬａと第２ビームＬｂとは空間的に同位相であるが、位相変調手段４０を透過する第２ビームＬｂには、位相変調が与えられる。そのため、第２ビームＬｂの波面ＷＦｂは、例えば、実線で図示しているＷＦ１と波線で図示しているＷＦ２との間で変化する。

すると、第１ビームＬａの波面ＷＦａと第２ビームＬｂの波面ＷＦｂとの干渉により生じる干渉縞ＩＦは、例えば、波面ＷＦａと波面ＷＦ１とが干渉するときには実線で図示するＩＦ１を生じ、波面ＷＦａと波面ＷＦ２とが干渉するときには波線で図示するＩＦ２を生じる、というように変化し揺らぐ。この干渉縞ＩＦの変化（揺らぎ）によって、第１ビームＬａと第２ビームＬｂとの照射により生じるスペックルパターンも変動する。

干渉縞ＩＦの変化の速度は、主に位相変調手段４０による位相変調速度に対応している。例として、画像表示装置１を用いてフレームレート３０Ｈｚで画像表示を行う場合、位相変調手段４０が、フレームレート以上の変調速度で第２ビームＬｂの位相を変調させると、１秒間に表示する３０枚の画像のそれぞれに発生するスペックルパターンが異なることとなる。そのため、画像毎に発生するスペックルパターンを重畳させ、スペックルパターンを認識させにくくすることができる。

本実施形態では、位相変調手段４０として液晶素子１００を用いている。液晶素子が有する液晶分子として、一般的なコレステリック液晶を用いた場合、１ＭＨｚ程度の応答速度が得られるため、フレームレートと比べて遙かに早い変調が可能である。したがって、生じる干渉縞ＩＦを高速に変化させることができ、観察者の網膜上で様々なスペックルパターンが重畳される。

以上のようにして、第１ビームＬａと第２ビームＬｂとの入射角度の変化に伴う干渉縞の変化と、第２ビームＬｂの位相変調に起因するスペックルパターンの変化と、によって生じる様々なスペックルパターンが重畳することで、観察者に均一な光として認識させ、スペックルの低減を実現している。

以上のような構成の画像表示装置１によれば、スペックルの低減を実現し、高品質な画像表示が可能な画像表示装置とすることができる。

また、本実施形態では、位相変調手段４０として液晶素子を用いることとしている。そのため、液晶素子が有する液晶分子の応答速度に応じた高速な位相変調速度を実現することが可能であり、良好にスペックルを抑制した画像表示装置１とすることができる。

なお、本実施形態においては、コヒーレント光を射出する光源としてレーザー光源を用いることとしたが、コヒーレント光を射出可能であれば、レーザー光源に限らずＬＥＤを光源や、短アーク化されたランプ光源を用いることもできる。

また、本実施形態においては、位相変調手段４０は第２ビームＬｂの光路上に配置することとしたが、もちろん第１ビームＬａの光路上に配置することとしても良い。また、位相変調手段４０は、第１ビームＬａと第２ビームＬｂとの位相を相対的に変化させることを目的としているため、本実施形態では第２ビームＬｂの光路上にのみ配置しているが、目的を達するならば、両方の光路上に配置することとしても構わない。

また、本実施形態においては、同期が取られた２つの走査光学系５０Ａ，５０Ｂを用いることとしたが、これに限らない。例えば、走査光学系５０Ａ，５０Ｂに対応する２つの反射ミラーを備えた１つの走査光学系を用い、２つの反射ミラーを介した分離光が、各々スクリーン上の同じ描画点へ照射されるように操作することで、同期が取られた２つの走査光学系を用いた描画と同様の描画を行うこととしても良い。

また、本実施形態においては、フロント型の画像表示装置について説明したが、走査型プロジェクション方式を採用する画像表示装置であればリア投影型にも適応することができる。

また、本実施形態では、位相変調手段４０として、液晶素子を用いることとしたが、これに限らない。

例えば、画像表示装置１を用いて、出画解像度をＳＶＧＡ（８００×６００）、フレームレートを３０Ｈｚとして画像表示を行う場合、表示する画像において、１枚の画像の画素毎に異なるスペックルパターンを形成させると、更に滑らかな画像表示が可能となる。このような位相変調を実現するためには、約１５ＭＨｚ（３０×８００×６００＝１４４０００００Ｈｚ）の位相変調速度が必要となる。

しかし上述のように、位相変調手段４０として液晶素子１００を用いる場合、１ＭＨｚ程度の変調速度しか実現出来ないため、算出される変調速度は実現出来ない。このような高速の位相変調が必要となる場合には、位相変調手段として強誘電体結晶を用いることができる。

図５は、強誘電体結晶を用いた位相変調手段４２の概略図である。位相変調手段４２は、強誘電体結晶（電気光学材料）２１０と、強誘電体結晶２１０を挟持する透明電極２１７，２１８と、透明電極２１７，２１８に接続された電源（電圧供給手段）２３０と、を有している。強誘電体結晶としては、ＬｉＮｂＯ_３や、ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）を用いることができる。

強誘電体結晶は、外から加える電場により分極反転構造が変化し、屈折率が変化すること（電気光学現象）が知られている。この現象を利用することにより、強誘電体結晶を用いた位相変調手段４２では、数１００ＭＨｚ以上の位相変調速度が実現可能となる。

このような位相変調手段４２は、加える電場に応じて、入射する光Ｌｂが透過する領域の屈折率を時間的に変化させることができる。すると、屈折率の変化に応じて光Ｌｂの光路長が変化し、光Ｌａの位相に対する光Ｌｂの位相が変化することとなる。

また、上記のような位相変調手段４２を用いると、上述のような画像を表示する際には、同一画素を描画中に複数回の位相変調を行うことが可能となる。すると、更にスペックルが低減した高品質の画像を表示することが可能となる。なお、電圧を印加して屈折率が変わるならば、位相変調手段に用いる結晶は強誘電体でなくても良い。

また、位相変調手段は、次の図６に示す様な構成のものを用いても良い。図６は位相変調手段の他の例を示す概略図である。図６（ａ）は、光路長を制御するための凹凸板を示す断面図であり、図６（ｂ）（ｃ）は、凹凸板を用いた位相変調手段の装置構成を示す概略図である。

位相変調手段は、例えば図６（ａ）に示す様な断面構造を有する透明な凹凸板３００を有する。凹凸板３００は、屈折率ｎの形成材料を用い８段の段差を有して設けられている。各ステップ部３００ｓの大きさＷは、第２ビームＬｂのビーム径ＷＬよりも大きく設定する。図では、階段状に段差が変化することとしているが、隣接するステップ部４２ｓ同士の段差の変化はランダムであっても良い。

また、最も厚く設けられたステップ部と最も薄く設けられたステップ部との、厚さ方向（高さ方向）の値Ｈは、Ｈ＝λ／（ｎ−ｎ_０）（λ：第２ビームの波長、ｎ_０：環境気体の屈折率、空気の場合≒１）とし、第２ビームＬｂ内に０から２πまでの位相差を与えるものとする。

このような凹凸板３００は、例えばアクリル樹脂（ｎ≒１．５）を用いて形成することができる。透明樹脂を用いると、熱転写によって同じ形状の凹凸板を安価に量産することが可能となり、製造コストを下げることができる。

図６（ｂ）は、上述の凹凸板を揺動させて位相変調を行う位相変調手段４４の概略図である。位相変調手段４４は、平面視略矩形の凹凸板３００Ａを備え、凹凸板３００Ａの一辺の両端部に、偏心板（駆動手段）３１０が付設されている。

偏心板３１０は、接続ピン３１２を介して凹凸板３００と接続されているとともに、接続ピン３１２の配置位置とは異なる接続部３１４に、回転モータなどの駆動装置（駆動手段）３２０が接続されている。接続部３１４と重なって、偏心板３１０の回転中心軸が設定されている。

駆動装置３２０は、２つの偏心板３１０を同期して駆動させることができるならば、２つの偏心板３１０に対して共通して１つ設けられていても良く、２つの偏心板３１０にそれぞれ設けられていても良い。駆動装置３２０には電源３３０から電力が供給されている。

このような位相変調手段４４は、駆動装置３２０を駆動させることで、接続部３１４と重なる回転中心軸周りを偏心板３１０が回転し、凹凸板３００Ａが揺動する。凹凸板３００Ａに照射される第２ビームＬｂのビームスポットＳは、凹凸板の揺動に伴って位置が変化し、第２ビームＬｂは、ビームスポットＳの照射位置における凹凸板３００Ａのステップ部の厚さに応じて位相変調を受ける。

このような位相変調手段４４では、凹凸板３００Ａのステップ部の幅を１ｍｍ、接続ピン３１２の中心と接続部３１４の中心との距離を２ｍｍ、偏心板３１０の回転速度を１００Ｈｚとすると、約１ｋＨｚ（２×２π×１００≒１２６０Ｈｚ）の位相変調速度を実現することができる。

図６（ｃ）は、上述の凹凸板を回転させて位相変調を行う位相変調手段４６の概略図である。位相変調手段４６は、平面視略円形の凹凸板３００Ｂを備え、凹凸板３００Ａの中心部に、シャフト３１６が付設されている。シャフト３１６には、回転モータなどの駆動装置３２０および電源３３０が接続されている。

このような位相変調手段４６は、駆動装置３２０を駆動させることで、シャフト３１６と重なって設定されている回転軸Ｒ周りに凹凸板３００Ｂが回転する。凹凸板３００Ｂに照射される第２ビームＬｂのビームスポットＳは、凹凸板の回転に伴って位置が変化し、第２ビームＬｂは、ビームスポットＳの照射位置における凹凸板３００Ｂのステップ部の厚さに応じて位相変調を受ける。

このような位相変調手段４６では、シャフト３１６の中心からビームスポットＳの中心までの距離を３ｍｍ、凹凸板３００Ｂの回転速度を２００Ｈｚとすると、ビームスポットＳの中心では約３．８ｋＨｚ（３×２π×２００≒３７７０Ｈｚ）の位相変調速度を実現することができる。

位相変調手段４４、４６で可能な位相変調速度は、フレームレートの数十倍以上の速さであることから、表示画像間でスペックルパターンを重畳させ、スペックルが低減した画像を表示することができる。

［第２実施形態］
図７は、本発明の第２実施形態に係る画像表示装置の説明図である。本実施形態の画像表示装置は、第１実施形態の画像表示装置と一部共通している。異なるのは、位相変調手段が、第２ビームの光路の幾何学的な長さである行路長を変化させることである。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

ここで、本実施形態の位相変調手段６０は、第２ビームＬｂの経路（光路）の幾何学的な距離である行路長を変化させることで、第２ビームＬｂの光路長を変化させる構成となっている。

図に示すように、本実施形態の画像表示装置２が有する位相変調手段６０は、駆動ステージ６１上に設置された２枚のミラー６２，６３を有している。ハーフミラー３０で分離される第２ビームＬｂは、ミラー６２，６３で反射されたのち、反射ミラー３７を介してコンデンサレンズ２４Ｂに入射する。図では、ミラー６２，６３は、各々９０°の角度で第２ビームＬｂを反射しており、第２ビームＬｂが入射する方向へ反射する。

駆動ステージ６１は、不図示の静電アクチュエーターで制御され、ミラー６２に入射する第２ビームＬｂの光軸方向に往復振動する。この振動に伴い、第２ビームＬｂの行路は、振動の振幅ＡＭの倍量の幅で連続的に変化する。これにより、第２ビームＬｂは光路長が変化し、位相が変調する。

スクリーン１０００上では、対応する走査光学系５０Ａ，５０Ｂに走査された平面波である第１ビームＬａと、位相変調された平面波である第２ビームＬｂとが干渉することで干渉縞が生じ、第１実施形態と同様に、第２ビームＬｂの位相変調に伴って干渉縞が時間変動することにより、複数の干渉縞が観察者の網膜上で重畳される。

ここで、画像表示に用いるレーザー光は可視光領域の波長を有しており、長くても６５０ｎｍ程度である。そのため、振幅ＡＭが６５０ｎｍの数倍程度の値（例えば数μｍ）であったとしても、第２ビームＬｂの波長に対しては十分に大きい行路差を生じさせることとなる。

例えば、駆動ステージ６１が、１００μｍ／ｓの速度で往復運動をする構成であるならば、１秒間に約１５０周期分（１０００００÷６５０≒１５０）の波長に相当する行路差を生じさせることとなり、スクリーン上では１秒間に約１５０回干渉縞の明暗が変動し、異なるパターンの干渉縞が生じることとなる。これらの様々な干渉縞が重畳することで、観察者はスペックルが低減した画像として認識される。

以上のような構成の画像表示装置２によれば、機械的な制御で行路長を変更することで第２ビームＬｂの光路長を制御することができるため、安価な構成で第２ビームＬｂの位相を変調させ、干渉縞の様態に変動をあたえてスペックルを抑制することができる。

［第３実施形態］
図８は、本発明の第３実施形態に係る画像表示装置の説明図である。本実施形態の画像表示装置は、第１実施形態の画像表示装置と一部共通している。異なるのは、レーザー光源から射出した光を２つに分離するまえに位相変調を行うことである。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図に示すように、本実施形態の画像表示装置３では、レーザー光源１１から射出された直線偏光Ｌｐがコリメートレンズ２２を介して平行化され、コリメートレンズ２２の下手側に配置されている位相変調手段７０に入射する。

位相変調手段７０は、直線偏光Ｌｐの光路に直交し、且つ互いに直交する２方向に対して異なる屈折率を有しており、更に、異なる屈折率のうち一方の屈折率は変調可能な異方性位相変調素子となっている。本実施形態の位相変調手段７０には液晶素子を用い、電極への印加電圧によって２方向の屈折率差を制御する構成となっている。直線偏光Ｌｐは、上記直交する２方向に対して４５°の方向となるように入射されることで、円偏光Ｌｃに変調される。

その後、円偏光Ｌｃは、偏光ビームスプリッター（分離手段）３２によってｐ偏光成分である第１ビームＬａと、ｓ偏光成分である第２ビームＬｂに分離される。第２ビームＬｂは、反射ミラー２５を介して光路上に配置されたλ／２板である位相差板７２に入射され、偏光方向が９０°回転してｐ偏光となる。位相差板７２としては、例えば適切な厚さを備えた方解石を用いることができる。

スクリーン１０００上では、対応する走査光学系５０Ａ，５０Ｂに走査された平面波である第１ビームＬａと、位相変調された平面波である第２ビームＬｂとが干渉することで干渉縞が生じ、第１実施形態と同様に、第２ビームＬｂの位相変調に伴って干渉縞が時間変動することにより、複数の干渉縞が観察者の網膜上で重畳される。

以上のような構成の画像表示装置３によれば、射出された直線偏光Ｌｐに、予め特定方向の偏光成分への位相変調を与え、その後に分離することとしている。そのため、偏光ビームスプリッター３２の後の構成を簡素化でき、装置を小型化することが可能となる。

なお、本実施形態においては、位相変調手段４０として、液晶素子を用いることとしたが、これに限らない。他にも例えば、２軸の屈折率異方性を有する強誘電体結晶のような電気光学材料を用いることができる。

また、本実施形態においては、レーザー光源１１は直線偏光を射出することとしたが、円偏光を射出する光源であっても同様に用いることができる。また、特定方向に振動方向を有する偏光でなく、全方位に振動を有する通常のレーザー光でもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

本発明の第１本実施形態に係る画像表示装置を示す概略斜視図である。 第１実施形態の位相変調手段を示す説明図である。 第１実施形態の位相変調手段を示す説明図である。 第１実施形態の画像表示装置の効果を示す概略図である。 第１実施形態の位相変調手段に係る他の例を示す概略図である。 第１実施形態の位相変調手段に係る他の例を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係る画像表示装置の説明図である。 本発明の第３実施形態に係る画像表示装置の説明図である。

符号の説明

１，２，３…画像表示装置、１０、１１…レーザー光源（光源）、３０…ハーフミラー（分離手段）、３２…偏光ビームスプリッター（分離手段）４０，４２，４４，４６，６０，７０…位相変調手段、５０，５０Ａ，５０Ｂ…走査光学系（走査手段）、１００…液晶素子、２１０…強誘電体結晶（電気光学材料）、３００，３００Ａ，３００Ｂ…凹凸板、３２０…駆動装置（駆動手段）、３３０…電源（電圧供給手段）、１０００…スクリーン（被投射面）、Ｌ…光、Ｌａ…第１ビーム（分離光）、Ｌｂ…第２ビーム（分離光）、Ｌｐ…直線偏光、ＬＣ…液晶分子（液晶材料、電気光学材料）、Ｘ…描画点、θａ，θｂ…入射角度、

Claims (14)

1. 光を射出する光源と、
   前記光源から射出された光の光路上に配置され、前記光を複数の分離光に分離する分離手段と、
   複数の前記分離光を被投射面上で２次元方向に走査して画像を描画する走査手段と、
   前記光源から前記走査手段までの前記光の光路に配置され、複数の前記分離光に係る光路長を制御することで前記分離光の位相を時間的に変化させる位相変調手段と、を備え、
   前記走査手段は、前記分離光の各々を被照射面の同じ描画点に互いに異なる入射角度で照射することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記位相変調手段は、複数の前記分離光の光路のうち少なくとも１つの光路上に配置され、
   前記位相変調手段は、前記分離光の光路において前記分離光が透過する媒質の屈折率を変更することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記位相変調手段は、自身への印加電圧によって自身を透過する光に対する屈折率が変化する電気光学材料と、
   前記電気光学材料に電圧を印加する電圧供給手段と、を有することを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記電気光学材料は、強誘電体結晶であることを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
5. 前記電気光学材料は、液晶材料であることを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
6. 前記位相変調手段は、表面に凹凸を有し前記分離光が照射される凹凸板と、
   前記凹凸板を前記分離光の光軸と交わる方向に揺動させる、または前記分離光の光軸と平行な方向に設定された回転軸まわりに回転させる駆動手段と、を有することを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
7. 前記位相変調手段は、複数の前記分離光の光路のうち少なくとも１つの光路上に配置され、
   前記位相変調手段は、前記分離光の光路における幾何学的な距離を変更することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
8. 前記位相変調手段は、前記光源と前記分離手段との間の光路上に配置され、前記光源から射出される前記光における２つの偏光の偏光方向と同方向に屈折率異方性を有し、
   前記分離手段は、前記光を前記２つの偏光である前記分離光に分離し、
   前記分離手段から前記走査手段までの前記分離光の光路に、２つの前記分離光の偏光方向を、互いに同じ偏光方向とする位相差板を有することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
9. 前記位相変調手段は、自身への印加電圧によって前記２方向の相対的な屈折率が変わる電気光学材料と、
   前記電気光学材料に電圧を印加する電圧供給手段と、を有することを特徴とする請求項８に記載の画像表示装置。
10. 前記電気光学材料は、強誘電体結晶であることを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
11. 前記電気光学材料は、液晶材料であることを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
12. 前記位相変調手段は、前記２方向に屈折率異方性を有するとともに表面に凹凸を有し前記分離光が照射される凹凸板と、
    前記凹凸板を前記分離光の光軸と交わる方向に揺動させる、または前記分離光の光軸と平行な方向に設定された回転軸まわりに回転させる駆動手段と、を有することを特徴とする請求項８に記載の画像表示装置。
13. 前記位相変調手段の変調速度が、複数の前記分離光が前記描画点を描画する描画速度よりも大きいことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の画像表示装置。
14. 前記走査手段は、前記分離光のそれぞれに対応して設けられることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の画像表示装置。

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