JP4534453B2 - 投射型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、スクリーン等の表示部に画像を投射して表示を行う投射型画像表示装置に係わる。

大画面表示が可能な画像表示装置として、投射型画像表示装置、即ちいわゆるプロジェクタ装置が知られている。

この投射型画像表示装置においては、光源からの光をスクリーン上に投射して画像を表示し、このスクリーン上に映し出された画像を観察者が見るように構成されている。

投射型画像表示装置用の光源としては、従来例えば高輝度の投射管が用いられ、これを例えば画像が表示された液晶パネルを通して投射することにより、スクリーンに画像を投射していたが、明るさや色再現性等が充分に満たされなかった。
そこで、映像信号による変調の容易さ、色再現性の良さ、明るさの確保等を目的として、光源に赤、緑、青の各色のレーザ光を用いた投射型画像表示装置が提案されている。

ところが、このようにレーザ光を光源とした投射型画像表示装置においては、スペックルノイズという粒子状のノイズが画面上に発生し、画質を著しく劣化させることが問題となる。
これは、レーザ光の高い可干渉性により、レーザスペックル現象が生じるためである（例えば非特許文献１参照）。例えばスクリーン等の粗い表面等にレーザ光が照射されたときに、粒子状・斑点状の緩衝パターンが発生する。

レーザ光を光源として用いた画像表示装置において、このスペックルノイズを低減する方法としては、例えばレーザ光の光路中にディフューザを設置する方法が採用されている。
これにより、スペックルノイズを目立たなくさせることが可能である。

また、ディフューザを細かく振動させることによって、時間的に異なるスペックルパターンを発生させ、目の平均効果によりスペックルノイズを目立たなくさせることが可能であることも知られている。

ところで、投射型画像表示装置において、従来は液晶ライトバルブ等の２次元型光変調素子と投影光学系とを用いて、像を拡大投影する構成が採用されていた。

近年、新しい放送方式の導入や、演算素子の進歩に伴う画像処理速度の向上、あるいは、フィルムを使って拡大投影を行う従来形態（所謂アナログシネマ）から、ディジタル信号処理を利用した形態（ディジタルシネマ）への変換等において、高解像度化に対する要求が高まっている。

しかしながら、上述した２次元型光変調素子は、例えば画素数の増加や画素サイズの小型化に起因する不都合等により、このような高解像度化へ対応させることが難しい。

そこで、１次元型光変調素子を用いて１次元の中間像を形成し、この１次元の中間像を所定方向へ走査させることにより、２次元の中間像を形成して、この２次元の中間像を拡大投射する構成の投射型画像表示装置が提案されている（例えば特許文献１又は特許文献２参照）。
これにより、光変調素子が１次元で済むため、スクリーンに同じ画像を表示するために必要となる光変調素子の画素配列数を、大幅に低減することができる。

上述したように１次元型光変調素子を用いて、走査により２次元の中間像を形成する構成の投射型画像表示装置においても、２次元型光変調素子を用いた投射型画像表示装置と同様に、レーザ光等を光源として用いた場合にスペックルノイズを低減する必要がある。

そして、例えば２次元の中間像の位置に、ディフューザを設置する構成が提案されている（例えば特許文献３参照）。
米国特許５９８２５５３号明細書 特表２０００−５１３１１４号公報 米国特許４０３５０６８号明細書 J.C. Dainty編，"Laser Speckle and Related Phenomena"，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ社出版 (1975)

しかしながら、１次元型光変調素子を用いて、走査により２次元の中間像を形成する構成の投射型画像表示装置に対して、前述した従来のディフューザの構成をそのまま採用しても、スペックルノイズの低減効果を充分に得ることが難しい、という問題がある。

そして、１次元型光変調素子を用いて、走査により２次元の中間像を形成する構成の投射型画像表示装置において、スペックルノイズを効果的に低減することが可能なディフューザ等について、有効な提案がなされていない。

上述した問題の解決のために、本発明においては、高解像度化を容易にすると共に、スペックルノイズを低減して良好な画質が得られる投射型画像表示装置を提供するものである。

本発明の投射型画像表示装置は、複数の発光部又は光変調部を一方向に配列した１次元表示素子と、この１次元表示素子からの１次元像を結像するリレー光学系と、このリレー光学系で結像された１次元像を１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向と直交する面内において走査して２次元中間像を形成する光走査手段と、２次元中間像を表示部へ拡大投射する投射レンズと、１次元表示素子の画素サイズとほぼ同等のサイズに設定され、表面に正方形の凹部及び正方形の凸部から成る凹凸パターンが形成されたセルを使用して、このセルをしきつめてユニットを構成して、同一の凹凸パターンが形成されたユニットを繰り返し２次元中間像のサイズ全面にしきつめて成り、光走査手段と投射レンズとの間に配置されたディフューザと、ディフューザを光軸方向に略垂直でありかつ１次元像の方向に略平行な方向に駆動する駆動手段とを備え、画像表示の際には、駆動手段によりディフューザが、光軸方向に略垂直であり、かつ１次元像の方向に略平行な方向に駆動されて、ディフューザを通過する光に時間的な位相変調が与えられるものである。

上述の本発明の投射型画像表示装置の構成によれば、複数の発光部又は光変調部を一方向に配列した１次元表示素子と、この１次元表示素子からの１次元像を結像するリレー光学系と、このリレー光学系で結像された１次元像を１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向と直交する面内において走査して２次元中間像を形成する光走査手段と、２次元中間像を表示部へ拡大投射する投射レンズとを備えていることにより、１次元表示素子からの１次元像をリレー光学系で結像させて、光走査手段により走査して２次元中間像を形成し、投射レンズにより表示部に２次元画像を表示することができる。そして、１次元表示素子を用いているので、２次元表示素子を用いた場合と比較して、表示素子の画素数を大幅に低減することができる。
また、光走査手段と投射レンズとの間に配置されたディフューザと、ディフューザを光軸方向に略垂直でありかつ１次元像の方向に略平行な方向に駆動する駆動手段とを備え、画像表示の際には、駆動手段によりディフューザが、光軸方向に略垂直であり、かつ１次元像の方向に略平行な方向に駆動されて、ディフューザを通過する光に時間的な位相変調が与えられることにより、ディフューザが２次元中間像の位置に配置されており、１次元像の方向に略平行な方向に駆動されるため、光走査手段により走査して２次元中間像を形成している場合でも、時間的に異なるスペックルパターンを発生させて、目の平均効果によりスペックルノイズを目立たなくすることが可能になる。

上述の本発明によれば、１次元表示素子を用いることにより、高解像度化を容易にする。そして、１次元表示素子を用いて、光走査手段により２次元中間像を形成する構成の投射型画像表示装置においても、スペックルノイズを低減することが可能になる。
従って、高い解像度を有し、かつ良好な画質で画像表示を行うことができる投射型画像表示装置を実現することができる。

また、ディフューザの凹凸パターンの繰り返し周期（ピッチ）に対応して、ディフューザの駆動速度を設定することにより、効果的にスペックルノイズを低減することができるため、良好な画質で画像表示を行うことができる。
これにより、例えば３Ｈｚ〜３０Ｈｚ等の比較的低速で、かつ例えば２００μｍ以下と少ない移動量で、ディフューザを駆動することにより、最適なスペックル低減効果が得られる。そして、さらに高速に回転させることにより、さらにスペックルを低減することができる。

本発明の一実施の形態として、投射型画像表示装置の概略構成図を図１に示す。
この投射型画像表示装置１００は、１次元型光変調素子１と、オフナーリレー２と、ガルバノミラー３と、像面湾曲補正光学系４と、ディフューザ５と、投射レンズ６とを有して構成されている。
１次元型光変調素子１は、紙面に垂直な方向に多数の画素が並んで形成されている。

この１次元型光変調素子１には、例えばいわゆるＧＬＶ（Grating Light Valve ）素子に代表される位相反射型回折格子等を用いることができる。
このＧＬＶ素子等を用いた場合には、素子自身が発光しないので、図示しない光源と光源からの光を素子に投射する光学系とが必要になる。このとき、光源としては、コヒーレントな光源を用いることが望ましい。

ここで、１次元型光変調素子１に用いられるＧＬＶ素子７の動作原理について、図２及び図３を参照して説明する。なお、図２において、基板８に向かう矢印「Ｉ」が入射光の向きを示し、基板８から遠ざかる矢印「Ｒ」が反射光の向きを示しており、また、図３において、基板８に向かう矢印「Ｉ」が入射の向きを示し、矢印「Ｄ_＋１」が＋１次回折光の向きを示し、矢印「Ｄ_−１」が−１次回折光の向きを示している。

反射回折格子型の素子では、基板８上に多数の可動格子９及び固定格子１０を一定方向に配列した構成を有しており、交互に配列された可動格子９と固定格子１０の表面には反射膜がそれぞれ形成されている。つまり、可動格子９は可撓性梁（マイクロブリッジ）とされて基板上に弾性支持され、その表面に反射膜９ａが形成され、また、固定格子１０の表面には反射膜１０ａが形成されている。
そして、基板８のうち、可動格子９及び固定格子１０が配置される方の面８ａとは反対側の面には電極層８ｂが形成されている。

まず、可動格子９と電極層８ｂとの間に電位差を与えない状態では、図２に示すように、可動格子９と固定格子１０との高さが揃っていて、それらの反射面の高さ（基板８からの距離）が一致するので、回折作用が起きない。
よって、面８ａに平行な破線で示すＩ方向からの入射光波面Ｗｉについては、そのまま正反射光、即ち０次光としてＲ方向に反射される。

ここで、可動格子９と電極層８ｂとの間に電圧をかけると、静電引力により可動格子９が基板８側に撓んで引き寄せられるので、光学的光路差を変化させることができる。
即ち、図３において誇張して示すように、格子の深さ（可動格子９と固定格子１０との高さの差）が、光波長λの４分の１（λ／４）になるように可動格子９と電極層８ｂとの間に電位差を与えて、可動格子９を基板上の面８ａに近づけると、反射回折作用が起きる。
そして、Ｉ方向からの入射光波面Ｗｉは、「Ｄ_＋１」方向や、「Ｄ_−１」方向に向かう±１次回折光の波面Ｗ_ｄ＋，Ｗ_ｄ−（図３では、Ｗｉを示す破線よりも間隔の狭い破線で示す。）となって出射される。

このように、電圧をかけない非駆動状態で正反射（０次反射光）が、また電圧印加による駆動状態で回折光（１次回折光）が得られるので、それらの状態を画素毎に制御することで光変調が可能となる。つまり、各画素に対応する個々の可動格子の深さを画像信号に対応させて制御を行うことにより、位相反射型回折格子が得られる。

オフナーリレー２は、反射ミラーの組み合わせによるリレー光学系であり、一次元画像の等倍像を形成するものである。本実施の形態では、正鏡２Ａと副鏡２Ｂとにより、オフナーリレー２が構成されている。
正鏡２Ａは、１次元型光変調素子１側に凹面が向いた凹面鏡であり、１次元型光変調素子１からの光について、１回目と３回目の反射を担当している。
副鏡２Ｂは、正鏡２Ａ側に凹面が向いた凹面鏡であり、２回目の反射を担当している。
１次元型光変調素子１からオフナーリレー２に入射した光は、まず正鏡２Ａで反射されてから副鏡２Ｂに到達し、ここで２回目の反射を受けて再び正鏡２Ａへと向かう。そして、正鏡２Ａで３回目の反射を受けた光がガルバノミラー３へと向かうことになる。

ガルバノミラー３は、平板状のミラーから成り、オフナーリレー２の結像位置の手前に配置され、画像信号と同期して一次元像を走査する、光走査手段を構成する。
そして、１次元型光変調素子１の配列方向（Ｙ軸方向）に対して垂直なＸＺ面（図１の紙面）において、図示しない駆動手段（アクチュエータ等）により、図中矢印で示すように平板状のミラーを回動させることにより、走査を行うことができる。
このとき、ガルバノミラー３の走査角に応じた画像信号に基づいて、１次元型光変調素子１で光変調を行うことにより、１次元像から、この１次元像を含む面に直交する方向に走査して形成される２次元像が得られる。この２次元像はガルバノミラー３の回転軸を中心とした円筒面上（図１では円弧上になる）に形成される。

このように円筒面上に形成された２次元像をそのまま投射しても、平面のスクリーンに画像を正しく表示することができない。
そこで、ガルバノミラー３により形成される２次元像の位置に、像面湾曲補正光学系４を設置している。この像面湾曲補正光学系４を通過させることにより、平面状の２次元中間像を形成することができる。
この像面湾曲補正光学系４としては、例えば円筒レンズを用いて構成することができる。

投射レンズ６は、形成された平面状の２次元中間像をスクリーン上に拡大投影するものである。

そして、像面湾曲補正光学系４と投射レンズ６との間の、上述の平面上の２次元中間像が形成されている位置に、ディフューザ５が配置されている。
このディフューザ５は、２次元中間像のサイズに対応した平面形状を有しており、例えば図示されている上下方向（Ｘ方向）が長手方向である長方形状とされる。

本実施の形態の投射型画像表示装置１００においては、特に、２次元中間像の位置に設置されたディフューザ５を、図示しないが、光軸方向（図中Ｚ方向）に垂直であり、かつ１次元型光変調素子１からの１次元像の方向（図中紙面に垂直なＹ方向）に平行な方向、即ち図中Ｙ方向に振動させる。このディフューザ５を振動させる方向（図中Ｙ方向）は、ガルバノミラー３による光走査の方向（図中Ｘ方向）と垂直になっている。
ディフューザ５は、図示しない駆動装置に接続されており、この駆動装置により上述のようにＹ方向に振動させることができる。

このようにディフューザ５を振動させることにより、ガルバノスキャナ３で走査を行うことにより形成された２次元像に対しても、スペックルノイズを低減することができる。

なお、図１では、ディフューザ５を図中Ｙ方向に振動させる構成としているが、駆動装置によりディフューザ５を図中Ｙ方向に駆動させる（動かす）構成であれば、その他の構成でもよい。
例えば後述するようにディスク状のディフューザを光軸に垂直に配置して、これを回転させることにより、光路内ではディフューザがＹ方向に運動するようにした構成も可能である。

さらに、本実施の形態の投射型画像表示装置１００においては、ディフューザ５の表面形状に特徴を有する。
即ち、ディフューザ５の表面に凹凸を有し、またこの凹凸が所定の間隔で繰り返すパターンとなっている。
このようなディフューザ５は、透明材例えばガラス基板を用いて、フォトリソグラフィ等の手法により、繰り返しの凹凸パターンを形成することにより製造することができる。

このようなディフューザ５の一形態を図４及び図５に示す。
まず、凹凸パターンの一単位を図４に示す。
図４に示すように、一辺が３μｍの正方形を８×８個しきつめて、一辺２４μｍの正方形から成る凹凸パターンの一単位、即ち「セル」１２を構成している。これは、ＧＬＶ素子の画素サイズ（一辺２５μｍの正方形）とほぼ同等のサイズに設定されている。
なお、図４Ａ中、白い正方形と黒い正方形は、それぞれ凹凸パターンの凹部或いは凸部のいずれか一方に対応している。
例えばガラス基板に対して、例えば深さ約０．５μｍでエッチングを行うことにより、凹部と凸部とを形成することができる。

さらに、同様のセル１２を８×８＝６４個しきつめることにより、一辺１９６μｍの正方形のユニット１３を構成する。ここで、６４個の各セル１２は、互いに相関性の低いパターンとなるように選ばれる。
そして、図５に示すように、一辺１９６μｍの正方形のユニット１３を、２次元中間像のサイズ全面にしきつめて、ディフューザ５の凹凸パターンが形成される。各ユニット１３には、同一の凹凸パターンが形成されており、各ユニット１３がディフューザ５の凹凸パターンの繰り返しの単位となっている。
図５では、２次元中間像のサイズが、縦（Ｙ方向）が３５ｍｍ、横（Ｘ方向）が７４．０ｍｍ＋（−０．１〜＋０．０ｍｍ）と設定されている。なお、縦横の精度が異なっているのは、縦は１次元光変調素子１のサイズに対応して設定されるのに対して、横はガルバノミラー３の光走査によって設定されるからである。

ディフューザ５の表面に、上述した凹凸パターンを形成したことにより、ディフューザ５を通過した光は、凹凸パターンの形状に対応した空間位相変調を受ける。
スクリーンに投影された投影像のスペックルノイズパターンは、光の位相によって変化する。
従って、ディフューザ５を駆動する（動かす）ことにより、時々刻々異なる位相変調を与えれば、スクリーン上のスペックルパターンは変化するため、人間の目の平均効果によりノイズが低減されることになる。

このように、スペックルパターンの変化によりレンズが低減されることを、図６を参照して説明する。
図６は、図４及び図５に示した形態のディフューザ５を用いて、ディフューザ５の駆動による移動量とスペックルノイズとの関係について、測定を行った結果を示している。図６中横軸はディフューザの移動量［μｍ］を示しており、縦軸は、ディフューザの移動量が０であるときのスペックルノイズの画像と比較しての、スペックルノイズの相関度を数値化したものを示している。そして、全く同じノイズパターンであれば、相関度は１００％となり、全く無相関の画像であれば、相関度は０％となる。なお、この相関度ρは以下の式（１）により求められる。

この図６に示す測定結果から明らかなように、ディフューザ５をほんのわずか移動させる、例えば１０μｍ程度移動させるだけで、相関性の極めて低いスペックルノイズを発生させることができることがわかる。
また、図４及び図５に示した形態のディフューザ５は、１９６μｍ毎に同じパターンが出現するので、図６では１９６μｍ及び３９２μｍにおいて、即ち１９６μｍの移動の度に、相関性の高いスペックルノイズが出現している。

これらの結果から、ディフューザ５の凹凸パターンの設計条件や、一次元画像を２次元画像に変換するガルバノミラー３の光走査の周波数とディフューザ５の移動の線速度との関係が、それぞれ求められる。

ここで、ガルバノミラー３の光走査の周波数をｆｓｃａｎとする。一般的に、この周波数ｆｓｃａｎとしては、ＨＤＴＶのフレームレート＝６０Ｈｚが選択される。
さらに、投射型画像表示装置１の横解像度（走査方向）をＨＤＴＶ規格の１９２０ピクセルとすると、１ラインあたりの描画時間は １／ｆｓｃａｎ／（１９２０ピクセル）＝１／６０／１９２０＝８．７μ秒となる。言い換えると、ディフューザ５の一辺２４μｍのセル１２が、持続時間８．７μ秒の閃光で１秒間に６０回照明されることになる。

このとき、スペックルノイズを効果的に低減するためには、ディフューザ５の移動について、以下２つに挙げる条件のいずれかを満たす必要がある。
（１） ８．７μ秒の照明期間の間に、相関性の低いスペックルパターンを複数枚発生できるように、ディフューザ５を高速移動させる。
図６に示したように、ディフューザ５を１０μｍ移動させることによってもある程度のスペックル低減が確保できる。
また、１９６μｍの移動によって、最大の効果が得られる。移動量が１９６μｍを超えると、相関度が高いパターンを２回以上含むので、効果が低下する。
よって、望ましいディフューザ５の移動の線速度は、１０〜１９６μｍ／８．７μ秒＝１．１〜２２．８（ｍ／ｓ）と計算される。
（２）より低速のディフューザ移動によっても、ある程度のスペックル低減効果は得られる。１フレームを描画する毎（１／６０＝１６．７ｍ秒）に、ディフューザ５が異なるスペックルパターンを発生させればよい。１フレーム描画の度に、２４μｍ正方のセル１２の１個分だけディフューザ５を移動させるとすると、線速度は１．４４ｍｍ／ｓとなる。

（２）を低速移動によるフレームレートスペックル低減、（１）を高速移動によるラインレートスペックル低減と称する。
（２）の低速移動は、ボイスコイルモータやピエゾ素子等のアクチュエータによるリニア振動によって、比較的容易に実現できる。例えば振幅１９６μｍ（Peak to Peak値）、周波数１０Ｈｚでディフューザ５を振動させれば、線速度は６ｍｍ／ｓとなる。ディフューザ５の振動速度（周波数）は、３〜３０Ｈｚの範囲から選定される。
一方、（１）の高速移動は、（２）の低速移動によるフレームレートスペックル低減に対して付加的な効果をもたらす。リニア振動では、所望の効果を得るための高速移動を実現することが困難である。そこで、ディスク状のディフューザを用意し、これを光軸方向（Ｚ方向）に垂直な面内で回転運動させる必要がある。例えば、ディフューザ面（光路が通過する部分であり凹凸パターンが形成された面）の回転半径を２０ｍｍ、線速度を５ｍ／ｓとすると、回転数は２４００ｒｐｍとなる。

次に、ディフューザ５を構成する正方格子のサイズについて考察する。
ディフューザ５によって散乱された光を効率よく、投射レンズ６に取り込むには、ディフューザ５による散乱角が、図７に示す投射レンズ６の取り込み角αよりも小さい必要がある。
この投射レンズ６の取り込み角αは、投射レンズのＦナンバーによって規定される。例えば、Ｆナンバーが２．４の投射レンズ６の場合、取り込み角αは全角で２４度となる。

一方、ディフューザ５による散乱角の最大値は、ディフューザを構成する格子の最小ピッチによって決定される。この格子が図４Ａに示した一辺３μｍの正方形である場合には、波長６４０ｎｍの赤色光について、回折角は約１２度と計算される。
実際には、ディフューザに入射する光が既に広がり角（約１２度）を有しているので、散乱光の角度広がりは√（１２）²＋（１２）²＝１７度と計算される。
この角度は投射レンズの取り込み角α（＝２４度）よりも小さな値なので、効率よく、散乱光を集光できる。
一方、ディフューザ５の格子サイズが３μｍより大きい場合は、散乱角が小さくなるので、レンズの集光効率は改善する。ただし、格子のサイズがあまり大きいと、ＧＬＶ素子の画素サイズ（２５μｍ）と比較して無視できない大きさとなるので、スクリーン上画面へのディフューザ５のパターンの映り込みが問題となる。

以上の観点から、例えば画素サイズが２５μｍ程度であるＧＬＶ素子及びＦナンバーが２．４である投射レンズの組み合わせにおいて、ディフューザの正方格子サイズは２〜６μｍの範囲から選ぶことが望ましい。

ディフューザ５の凹凸パターンは、散乱される光の散乱角が、投射レンズのＦナンバーから決定される投射レンズの取り込み角と同程度又はそれ以下となるよう設定することが望ましい。
また、ディフューザ５の凹凸パターンは、スクリーン上に投影された画像に、ディフューザ５のパターンが映り込まないほどの大きさに設定することが望ましい。
このように、ディフューザ５の凹凸パターン、特にその繰返し周期（ピッチ）等のサイズを設定することにより、効率よく投射レンズ６で光を取り込めると同時に、表示部のスクリーン上へのディフューザ５のパターンの映り込みを抑制することができる。

上述の本実施の形態の投射型画像表示装置１００によれば、ディフューザ５を２次元中間像の位置に設置し、さらに駆動装置により光軸方向に垂直であり、かつ１次元型光変調素子１からの１次元像の方向に平行な方向、即ちＹ方向に振動させる構成となっているので、１次元型光変調素子１からの１次元像を走査して２次元中間像を形成する構成の投射型画像表示装置１００であっても、ディフューザ５をＹ方向に振動させることにより、時間的に異なるスペックルパターンを発生させて、目の平均効果によりスペックルノイズを目立たなくすることが可能になる。
これにより、１次元型光変調素子１を用いて、素子の画素数を大幅に低減することができ、高解像度化に対応できると共に、スペックルノイズを低減して、良好な画像を得ることが可能になる。

また、本実施の形態の投射型画像表示装置１００によれば、ディフューザ５に繰り返しの凹凸パターンを形成していることにより、前述したように、パターンの繰り返し周期に対応してディフューザ５の振動速度（線速度）を設定することにより、相関性の低いスペックルパターンを複数形成することが可能になり、効果的にスペックルノイズを低減することができる。

そして、ディフューザ５の振動速度（線速度）を、ガルバノミラー３の走査により画像が１フレーム形成される毎に異なる位相を画像に与えるように設定する（前述した低速移動によるフレームレートスペックル低減）ことにより、１フレームの描画の間に異なるスペックルパターンを発生させることができ、より効果的にスペックルノイズを低減することができる。

また、ディフューザ５の振動速度（線速度）を、ガルバノミラー３の走査により１ライン分の画像が形成される時間内に異なる位相を画像に与えるように設定する（前述した高速移動によるラインレートスペックル低減）ことにより、１ラインの描画の間に相関性の低いスペックルパターンを発生させることができ、これによっても、より効果的にスペックルノイズを低減することができる。

さらに、ディフューザ５を通って散乱された光の散乱角が投射レンズ６の取り込み角αと同程度以下になるように、ディフューザ５のパターン（特にパターンの格子等のサイズ）を設定することにより、散乱された光が投射レンズから外れることを防止して、ディフューザ５で散乱された光を効率良く投射レンズ６に取り込んで、画像表示に使用することができる。
これにより、光源からの光を効率よく画像表示に使用することができ、例えば画像表示に必要な電力量を低減することも可能になる。

上述の実施の形態の投射型画像表示装置１００では、ＧＬＶ素子に代表される１次元型光変調素子１を用いたが、その他の構成にも本発明を適用することができる。
本発明では、複数の発光部又は光変調部により１次元表示素子を構成し、この１次元表示素子からの光を走査する構成とする。
従って、１次元表示素子としては、上述の１次元型光変調素子１のように、複数の光変調部をライン状に配列した１次元光変調素子の他に、複数の発光部をライン状に配列した１次元発光表示素子を用いることが可能である。

続いて、本発明の他の実施の形態を示す。
前述したように、ガルバノミラー３などの光走査手段により走査して、２次元画像を得る場合、像面が円弧状となるため、投射レンズによるスクリーンへの投影には適さない。

前述した実施の形態では、例えば円筒レンズから構成される、像面湾曲補正光学系４を設けることにより、２次元中間像の像面をフラットにしていた。
ただし、この場合には、図８に概略図を示すように、２次元像のうち、光軸付近の中央部では光の光線方向Ｌ０が光軸と平行であるのに対して、光軸から遠い周辺部では、光の光線方向Ｌ１，Ｌ２が光軸に対して平行ではなく、光軸から離れる方向になっている。そのため、投射後の像の周辺部では、光量が低下してしまうことがある。

これを防ぐためには、周辺部についても、光線方向を光軸に対して平行にするように、テレセントリック補正を行う。
具体的には、図９に概略図を示すように、像面湾曲補正光学系４とディフューザ５との間に、テレセントリック補正を行う補正光学系２１を設ける。この補正光学系２１は、例えばリニアフレネルレンズなどの光線方向変更手段によって実現することができる。なお、図示しないその他の部分は、図１に示した投射型画像表示装置１００と同様の構成とすることができる。
これにより、周辺部においても、光の光線方向Ｌ１，Ｌ２を光軸に対して平行にすることができる。

なお、スペックル低減手段であるディフューザに、このテレセントリック補正機能を付加することも可能である。図１０に概略図を示すように、テレセントリック補正機能が付加されたディフューザ２２を像面湾曲補正光学系４の後段に設ければよい。
このようなディフューザ２２は、ディフューザ２２の周辺部において、適当なピッチのブレーズ（鋸波）型の段差形状を、光走査方向に垂直であり１次元像に平行である方向（図１のＹ方向に相当）にのみ形成することにより、構成することができる。
これにより、周辺部の光についても、光線方向が光軸に平行になるように、補正を行うことができる。

また、この場合、ディフューザ２２の光走査方向に平行な方向（図１のＸ方向に相当）についてはランダムな位相パターンとする。この結果、ディフューザ２２はリニアフレネルの効果を果たしつつ、振動させることによってスペックルを低減する機能も持たせられる。
なお、図示しないその他の部分は、図１に示した投射型画像表示装置１００と同様の構成とすることができる。

なお、上述した各実施の形態において、ディフューザ５，２２は、像の位置に設置されるフィールドレンズとして機能するので、ディフューザ５，２２を動かしても、スクリーンに投影された像が揺れることはない。

また、ディフューザのさらに他の形態として、ディフューザに、強力なレーザ光によって目を損傷してしまうことを防止する機能を持たせることもできる。
レーザ光を用いた投射型画像表示装置に対して、人が不意に、光路内から投射レンズを覗き込んだ場合、レーザビームを直接観察することとなり、強力なレーザ光による目の損傷を発生させる可能性がある。
この危険性を測る手段として、網膜上に結像されるレーザスポットの大きさが挙げられる。即ち、スポットが小さいほど、網膜上の光密度が高くなり、局所的な目の損傷を発生させる可能性が高くなる。この危険性を低減するには、網膜上のスポットサイズをなるべく大きく、かつ一様な強度分布にすることが望ましい。

そして、網膜上のパターンが最小になる可能性が生じるケースは、投射レンズの瞳におけるビームに目の焦点があった場合である。
この投射レンズの瞳位置における光の強度分布は、ディフューザによって散乱された光の散乱角度分布と一対一で対応する。

そこで、ディフューザ５のパターンを最適設計することにより、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、瞳面内における光強度分布が一様になるようにする。図１１Ａの左側は散乱角度に対する光強度分布を示しており、広い角度範囲で分布が一様になっている。また、図１１Ｂは瞳面内強度分布を模式的に示し、瞳面内の強度分布が一様になっていることを示している。
この結果、網膜損傷の危険性を低減することができる。

なお、比較対照として、危険なケースの場合について、瞳面内の光強度分布の状態を、図１２Ａ及び図１２Ｂに示す。中央部の光強度分布が特に強くなっていて、レーザ光による網膜損傷を発生させる危険性が高まることがわかる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明の一実施の形態の投射型画像表示装置の概略構成図である。 ＧＬＶ素子の動作説明図であり、非駆動状態を示す図である。 ＧＬＶ素子の動作説明図であり、駆動状態を示す図である。 凹凸パターンを形成したディフューザの一形態の凹凸パターンの一単位（セル）を示す図である。 図４Ｂのユニットをしきつめたディフューザを示す図である。 ディフューザの移動量とスペックルパターンの相関度との関係を示す図である。 ディフューザで散乱された光と投射レンズの取り込み角とを示す図である。 図１の実施の形態の２次元像の光線方向を示す概略図である。 テレセントリック補正を行う補正光学系を設けた実施の形態の２次元像の光線方向を示す概略図である。 テレセントリック補正機能を備えたディフューザ設けた実施の形態の２次元像の光線方向を示す概略図である。 Ａ、Ｂ 瞳面内における光強度分布が一様になるようにした形態の光強度分布を示す図である。 Ａ、Ｂ 危険なケースの場合において、瞳面内における光強度分布を示す図である。

符号の説明

１ １次元型光変調素子、２ オフナーリレー、２Ａ 正鏡、２Ｂ 副鏡、３ ガルバノミラー、４ 像面湾曲補正光学系、５，２２ ディフューザ、６ 投射レンズ、７ ＧＬＶ素子、８ 基板、９ 可動格子、１０ 固定格子、１２ セル、１３ ユニット、２１ 補正光学系、１００ 投射型画像表示装置

Claims (4)

1. 複数の発光部又は光変調部を一方向に配列した１次元表示素子と、
   前記１次元表示素子からの１次元像を結像するリレー光学系と、
   前記リレー光学系で結像された１次元像を、前記１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向と直交する面内において走査して２次元中間像を形成する光走査手段と、
   前記２次元中間像を表示部へ拡大投射する投射レンズと、
   前記１次元表示素子の画素サイズとほぼ同等のサイズに設定され、表面に正方形の凹部及び正方形の凸部から成る凹凸パターンが形成されたセルを使用して、前記セルをしきつめてユニットを構成して、同一の凹凸パターンが形成された前記ユニットを繰り返し前記２次元中間像のサイズ全面にしきつめて成り、前記光走査手段と前記投射レンズとの間に配置されたディフューザと、
   前記ディフューザを、光軸方向に略垂直であり、かつ前記１次元像の方向に略平行な方向に駆動する駆動手段とを備え、
   画像表示の際には、前記駆動手段により、前記ディフューザが、光軸方向に略垂直であり、かつ前記１次元像の方向に略平行な方向に駆動されて、前記ディフューザを通過する光に時間的な位相変調が与えられる
   投射型画像表示装置。
2. 前記ディフューザは、前記正方形の凹部及び正方形の凸部の一辺が３μｍであり、前記セルが一辺２４μｍの正方形であり、前記ユニットが前記セルを６４個しきつめて構成された一辺１９６μｍの正方形である、請求項１に記載の投射型画像表示装置。
3. 前記ディフューザを駆動する速度が、前記光走査手段により画像が１フレーム形成される毎に異なる位相を画像に与えるように設定されている請求項１または請求項２に記載の投射型画像表示装置。
4. 前記ディフューザを駆動する速度が、前記光走査手段により１ライン分の画像が形成される時間内に異なる位相を画像に与えるように設定されている請求項１または請求項２に記載の投射型画像表示装置。

Images