JP5482789B2 - 投射型画像表示装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、投射型画像表示装置およびその制御方法に関し、特には、レーザ光を走査してスクリーン上に画像を表示する投射型画像表示装置およびその制御方法に関する。

ハロゲンランプや高圧水銀ランプなどの光源から出射されたインコヒーレント光を液晶ライトバルブなどの面状の画像表示素子に投射し、その画像表示素子からの出射光を、投射レンズでスクリーンに拡大投射して画像を表示する投射型画像表示装置が知られている。

このような投射型画像表示装置では、インコヒーレント光が使用されているため、電力消費が大きいという問題や、表示画像の輝度が小さいという問題があった。また、光源から出射されるインコヒーレント光の波長帯域が広いため、色度域を広くすることが困難であった。さらに、画像表示素子として面状の画像表示素子が使用されているため、装置の小型化が困難であった。また、表示画像が投射レンズの焦点深度以内に投射されないと、その表示画像のピントが合わないため、使用者はスクリーンの位置に応じてピントを調節する必要があり、利便性を損ねるという問題もあった。

これらの問題を解決するための技術として、レーザ光を出射するレーザ光源を用いた投射型画像表示装置が提案または開発されている。このような投射型画像表示装置には、光源から出射されたレーザ光を２次元走査してスクリーンに投射することで、画像を表示する走査型画像表示装置がある。

レーザ光源を用いた投射型画像表示装置では、スクリーン上にスペックルと呼ばれる人間にとって目障りなノイズが生じるために、画質が低いという問題がある。スペックルは、レーザ光のようなコヒーレンスを有する光がスクリーンに投射された際に、そのスクリーン上の各点で散乱された光が干渉することで生じる斑点状のノイズである。

このようなスペックルを低減させることが可能な技術には、特許文献１に記載の２次元画像表示装置や特許文献２に記載の光出射装置がある。

これらの技術では、光源から出射されたレーザ光の偏光状態（偏光方向および偏光の種類）がランダムに変更され、その偏光状態が変更されたレーザ光がスクリーンに投射される。これにより、スペックルのパターンが時間と共に変化するので、スペックルを時間的に平均化することが可能になり、スペックルを低減させることが可能になる。

再表２００５／０６１１１４号公報 特開２００６−０９１４７１号公報

特許文献１および２に記載の技術では、スペックルの低減率が小さいという問題がある。以下、この問題の原因について説明する。

図１は、スペックルの発生原因を説明するための説明図である。

図１で示されたように、光源から出射されたレーザ光１０１は、スクリーン１０２で反射して、その反射光１０３が使用者の目に入射される。レーザ光１０１が楕円偏光状態であるとすると、そのレーザ光１０１の電場ベクトルの互いに直交する偏光成分ＥｘおよびＥｙは、数１で表される。

ここで、ｊは、虚数単位を示し、δは、偏光成分ＥｘおよびＥｙの位相差を示す。

また、スクリーン１０２における偏光成分Ｅｘの複素振幅反射率ｒｘと、スクリーン１０２における偏光成分Ｅｙの複素振幅反射率ｒｙは、数２で表される。

ここで、Ｒｘ（ｘ、ｙ）およびＲｙ（ｘ、ｙ）は、スクリーン１０２における振幅反射率であり、φｘ（ｘ、ｙ）およびφｙ（ｘ、ｙ）は、スクリーン１０２における位相の跳びである。

この場合、反射光１０３の電場ベクトルの互いに直交する偏光成分の振幅ＡｘおよびＡｙは、数３で表される。

このとき、スクリーン１０２が完全拡散面であると仮定すると、レーザ光がスクリーンで反射された際にそのレーザ光の偏光状態が解消され、反射光１０３には、振幅ＡｘおよびＡｙが足し合わされた振幅を有する光が現れる。このような光の光強度Ｉ（ｘ、ｙ）は、数４で表される。

数４の右辺の第２項である２Ａｘ・Ａｙ・ｃｏｓ（φ―δ）は、反射光１０３の干渉によって現れる干渉項であり、この干渉項に係る光強度がスペックルとして現れる。

特許文献１および２に記載の技術では、レーザ光の偏光状態をランダムに変化させることで、位相差δをランダムに変化させている。このため、干渉項が時間的に平均化されて、スペックルが時間的に平均化される。しかしながら、この干渉項自体を抑制しているわけではないので、スペックルの低減率が小さい。

本発明の目的は、上記の課題であるスペックルの低減率が小さいという問題を解決することが可能な投射型画像表示装置およびその制御方法を提供することである。

本発明による投射型画像表示装置は、映像信号に応じて変調された光を出射する光源と、前記光源から出射された光を投射して画像を表示する投射手段と、前記光源から前記投射手段へ出射された光、または、前記投射手段が投射した光の偏光状態を変更する変更手段と、予め定められた複数の特定偏光状態のそれぞれを所定の順番に従って繰り返し選択し、前記変更手段にて変更される偏光状態を、当該選択した特定偏光状態に切り替えていく制御手段と、を含む。

また、本発明による制御方法は、映像信号に応じて変調された光を出射する光源と、前記光源から出射された光を投射して画像を表示する投射手段と、前記光源から前記投射手段へ出射された光、または、前記投射手段が投射した光の偏光状態を変更する変更手段と、を含む投射型画像表示装置の制御方法であって、予め定められた複数の特定偏光状態のそれぞれを所定の順番に従って繰り返し選択する選択ステップと、前記変更手段にて変更される偏光状態を当該選択された特定偏光状態に切り替えていく切替ステップと、を含む。

本発明によれば、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。

スペックルの発生原因を説明するための説明図である。 本発明の第一の実施形態の投射型画像表示装置の構成を示したブロック図である。 特定偏光状態の切り替え方法をより詳細に説明するための説明図である。 液晶セルの特性をより詳細に説明するための説明図である。 交流電圧の振幅と偏光成分の位相差との関係の一例を示した説明図である。 交流電圧の一例を示した説明図である。 スペックルコントラストと特定偏光状態との関係を示した説明図である。 本発明の第二の実施形態の投射型画像表示装置の構成を示したブロック図である。 ダイクロイックプリズムの反射率および透過率と波長との関係の一例を示した説明図である。 ダイクロイックプリズムの反射率および透過率と波長との関係の他の例を示した説明図である。 ＥＣＢモードの液晶セルの配置例を説明するための説明図である。 交流電圧の振幅と偏光成分の位相差との関係の他の例を示した説明図である。 本発明の第三の実施形態の投射型画像表示装置の構成を示したブロック図である。 走査部の構成例を示した模式図である。 偏光状態変調部の構成例を示した模式図である。 本発明の第四の実施形態の投射型画像表示装置の構成を示したブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有する構成には同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

図２は、本発明の第一の実施形態の投射型画像表示装置の構成を示したブロック図である。図２において、投射型画像表示装置は、光源１ａ〜１ｃと、偏光状態変調部２ａ〜２ｃと、色合成部３と、走査部４と、制御部５とを含む。

光源１ａ〜１ｃのそれぞれは、互いに波長の異なるレーザ光を出射する。

以下では、光源１ａは、青色レーザ光（波長：４４０ｎｍ）を出射し、光源１ｂは、赤色レーザ光（波長：６４０ｎｍ）を出射し、光源１ｃは、緑色レーザ光（波長：５３２ｎｍ）を出射するものとする。また、光源１ａ〜１ｃのそれぞれから出射される各レーザ光のビーム径は、７００μｍであるとする。

また、光源１ａおよび１ｂは、半導体レーザであるとする。具体的には、光源１ａは、４４０ｎｍの青色半導体レーザであり、光源１ｂは、６４０ｎｍの赤色半導体レーザであるとする。また、光源１ｃは、１０６４ｎｍの赤外線半導体レーザと、その赤外線半導体レーザからの赤外線レーザ光の第二高調波（５３２ｎｍ）を緑色レーザ光として出射する光学素子（ＳＨＧ（second harmonic generation）など）とを有する。

なお、光源１ａ〜１ｃは、これらの例に限らず適宜変更可能である。例えば、光源１ｃは、ファイバーレーザでもよい。

偏光状態変調部２ａ〜２ｃは、変更手段の一例である。偏光状態変調部２ａ〜２ｃのそれぞれは、光源１ａ〜１ｃのいずれかひとつと一対一で対応し、その対応する光源から走査部４へ出射されたレーザ光の偏光状態を変更する。以下、偏光状態変調部２ａは、光源１ａに対応し、偏光状態変調部２ｂは、光源１ｂに対応し、偏光状態変調部２ｃは、光源１ｃに対応するものとする。

色合成部３は、偏光状態変調部２ａ〜２ｃのそれぞれで偏光状態が変更されたレーザ光を合成して合成光を生成する。より具体的には、色合成部３は、そのレーザ光を同一の光軸上に合成する。色合成部３は、例えば、ダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズムまたはファイバーカップラなどの合波光学系である。本実施形態では、色合成部３は、ダイクロイックミラーであるとする。

走査部４は、投射手段の一例である。走査部４は、色合成部３が生成した合成光を２次元走査することで、その合成光をスクリーン１０に投射して、画像をスクリーン１０上に表示する。なお、スクリーン１０は、光を反射する際にその光の偏光状態が解消される面を有する。

具体的には、走査部４は、合成光を水平方向に走査する水平スキャナと、水平スキャナで走査された合成光を垂直方向に走査して投射する垂直スキャナとを有する。例えば、走査部４は、水平スキャナとして共振型マイクロメカニカル走査素子を有し、垂直スキャナとしてガルバノミラーとを有する。また、走査部４は、合成光を共振型マイクロメカニカル走査素子で水平方向に往復走査し、その水平方向に走査された合成光をガルバノミラーで垂直方向に片道走査することで、合成光を２次元走査する。

本実施形態では、走査部４は、共振型マイクロメカニカル走査素子およびガルバノミラーを有し、共振型マイクロメカニカル走査素子には、直径１０００μｍの矩形ミラーを用い、ガルバノミラーには、直径１２００μｍの矩形ミラーを用いるものとする。

また、スクリーン１０に表示される画像の画像精細度としては、水平方向の画素数が１２８０であり、垂直方向の画素数が１０２４であるとする。また、その画像のサイズとしては、投射距離が１００ｃｍのときに、水平方向が１６０ｃｍであり、垂直方向が１２０ｃｍであるとする。

制御部５は、投射型画像表示装置の各部を制御する。具体的には、制御部５は以下の処理を行う。

制御部５は、映像信号を受け付け、その映像信号に応じて光源１ａ〜１ｃのそれぞれから出射されるレーザ光の光強度を変調する。これにより、光源１ａ〜１ｃのそれぞれは、映像信号に応じて変調されたレーザ光を出射することになり、走査部４は映像信号に応じた画像をスクリーン１０に表示することになる。

例えば、制御部５は、光源１ａ〜１ｃのそれぞれに供給する電流を映像信号に応じて変調する電流制御変調を用いて、光源１ａ〜１ｃのそれぞれから出射されるレーザ光の光強度を変調する。また、制御部５は、光源１ａ〜１ｃのそれぞれが光変調器を有していれば、その光変調器を映像信号に応じて制御して、光源１ａ〜１ｃのそれぞれから出射されるレーザ光の光強度を変調してもよい。光変調器としては、例えば、音響光学素子、グレーティング型ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）変調器、導波路型変調器または電気光学結晶などが挙げられる。なお、制御部５は、光源ごとに異なる方法を用いて、その光源から出射されるレーザ光を変調してもよい。

本実施形態では、制御部５は、電流制御変調を用いて光源１ａおよび光源１ｂから出射されるレーザ光を変調する。また、光源１ｃは音響光学素子を有し、制御部５は、その音響光学素子を映像信号に応じて制御して、光源１ｃから出射されるレーザ光を変調するものとする。

また、制御部５は、走査部４を駆動させる。例えば、制御部５は、走査部４の共振型マイクロメカニカル走査素子を、振れ角±２０度、かつ、周波数３１ＫＨｚで駆動させ、走査部４のガルバノミラーを、振れ角±１５度、かつ、周波数が６０Ｈｚでノコギリ波駆動させる。

また、制御部５は、予め定められた複数の特定偏光状態のそれぞれを所定の順番に従って繰り返し選択する。ここで、制御部５は、映像信号の同期信号に基づいて、映像信号の１フレームごとに特定偏光状態を選択することが望ましい。また、特定偏光状態は二つあり、制御部５は、その二つの特定偏光状態を交互に選択することが望ましい。さらに、二つの特定偏光状態の一方のレーザ光の互いに直交する偏光成分の位相差と、他方のレーザ光の互いに直交する偏光成分の位相差とが１８０°異なっていることが望ましい。さらに言えば、二つの特定偏光状態のそれぞれは、右円偏光状態および左円偏光状態であることが望ましい。

制御部５は、特定偏光状態を選択するたびに、偏光状態変調部２ａ〜２ｃにて変更される偏光状態を、その選択した特定偏光状態に切り替えていく。

次に偏光状態の切り替えについてより詳細に説明する。

図３は、偏光状態の切り替えを説明するための説明図である。なお、偏光状態変調部２ａ〜２ｃは同じ構成を有するため、以下では、偏光状態変調部２ａを例に説明する。また、光源１ａ〜１ｃから出射されるレーザ光は、直線偏光状態であるとする。

図３では、偏光状態変調部２ａとして、ＥＣＢ（電界制御型複屈折：Electrically Controlled Birefringence）モードの液晶セル２１が用いられている。また、液晶セル２１は、交流電圧が印加されていない電圧無印加時において液晶分子の長軸方向が液晶セル２１の基板２２に略平行に並ぶホモジニアス配向を有しているものとする。

液晶セル２１に交流電圧が印加されると、その交流電圧の振幅に応じて、液晶セル２１の複屈折率Δｎが変化する。なお、液晶セル２１の遅相軸方向（図３のｘ方向）の屈折率である異常光屈折率をｎｅ、液晶セル２１の進相軸方向（図３のｙ方向）の屈折率である常光屈折率をｎｏとすると、複屈折率Δｎは、Δｎ＝ｎｅ−ｎｏで表される。

図４は、液晶セル２１の特性をより詳細に説明するための説明図である。図４では、電圧無印加時における液晶セル２１内の液晶分子２３ａの配向状態と、交流電圧が印加されている電圧印加時における液晶セル２１内の液晶分子２３ｂの配向状態とが示されている。液晶分子２３ａでは、その長軸方向が基板２２と略平行になっている。また、液晶分子２３ｂでは、その長軸方向が基板２２と平行となっていない。

図４で示されたように、液晶セル２１に交流電圧が印加されると、液晶セル２１内の液晶分子の配向状態が変化する。これにより、液晶セル２１の異常光屈折率が変化して、液晶セル２１の複屈折率Δｎが変化する。

図３の説明に戻る。液晶セル２１に入射されたレーザ光の遅相軸方向の偏光成分は異常光屈折率に応じた速度で液晶セル２１を通過し、そのレーザ光の進相軸方向の偏光成分は常光屈折率に応じた速度で液晶セル２１を通過する。これにより、異常光屈折率および常光屈折率が異なると、レーザ光の各偏光成分に位相差が生じ、レーザ光の偏光状態が変化する。

異常光屈折率は、上述のように、液晶セル２１に印加された交流電圧の振幅に応じて変化するので、制御部５は、液晶セル２１に印加する交流電圧の振幅を切り替えていくことで、液晶セル２１で変更されるレーザ光の偏光状態を切り替えていくことが可能になる。

図５は、交流電圧の振幅Ｖと各偏光成分の位相差δとの関係の一例を示した説明図である。図５において、横軸は、交流電圧の振幅Ｖ［Ｖ］を示し、縦軸は、各偏光成分の位相差δ［°］である。なお、制御部５は、図６で示したような、偏光状態を切り替える偏光切り替え期間を１周期とする矩形波の交流電圧である印加電圧２６を液晶セル２１に印加している。なお、図６では、偏光切り替え期間は、映像信号の１フレーム期間である１／６０秒としている。

なお、図５で示されたような振幅Ｖと位相差δの関係は、レーザ光が液晶セル２１に入射される入射角度に応じて変化する。図５では、レーザ光が液晶セル２１に垂直に入射された場合における、振幅Ｖと位相差δとの関係が示されている。

図５で示されたように、交流電圧の振幅Ｖが閾値２５より小さい場合、位相差δは初期値「０」のまま変化しない。このため、制御部５は、偏光状態を切り替えるためには、閾値２５より大きい振幅の交流電圧を液晶セル２１に印加する必要がある。

特定偏光状態が右円偏光状態および左円偏光状態の場合、各偏光成分の位相差δを９０°および２７０°（−９０°）にするために、制御部５は、振幅が２．１Ｖの矩形波と、振幅が３．９Ｖの矩形波とを交互に液晶セル２１に印加する。なお、液晶セル２１は、レーザ光が液晶セル２１に垂直に入射されるように、レーザ光の光路上に配置される。

また、右円偏光状態および左円偏光状態では、各偏光成分の振幅を等しくする必要があるため、液晶セル２１は、レーザ光の偏光方向２４と液晶セル２１の遅延軸方向（ｘ方向）とが４５°を成すように配置される。

次に、スペックルノイズの強さを表わすスペックルコントラストを評価する。なお、スペックルコントラストは、具体的には、光の空間的な強度分布の標準偏差を、その強度分布の平均値で除算した値であり、スペックルノイズが強いほど大きくなる。

図７は、スペックルコントラストと特定偏光状態との関係を示した説明図である。図７では、偏光状態の切り替えを行っていない場合と、特定偏光状態を右円偏光状態（δ＝９０°）および右楕円偏光状態（δ＝４５°）とした場合と、特定偏光状態を右楕円偏光状態（δ＝４５°）と左楕円偏光状態（δ＝−４５°）とした場合と、特定偏光状態を右円偏光状態（δ＝９０°）と左円偏光状態（δ＝−９０°）とした場合とのそれぞれにおける、スペックルコントラスト［％］が示されている。なお、偏光切り替え期間は、映像信号の１フレーム期間である１／６０秒としている。

図７で示されたように、スペックルコントラストは、偏光状態の切り替えを行っていない場合、２４．０％であったが、偏光状態の切り替えを行った場合、特定偏光状態に関わらず、２４．０％よりも低くなっている。

特に、スペックルコントラストが最も低減されるのは、特定偏光状態を右円偏光状態および左円偏光状態とした場合であり、このときのスペックルコントラストは、１８．９％である。

この場合、右円偏光状態の光の光強度分布ＩＲと、左円偏光状態の光の光強度分布ＩＬとの平均値は、数５で表すことができる。

数５で示されたように、特定偏光状態を右円偏光状態および左円偏光状態とした場合、スペックルの要因となる干渉項が打ち消されるので、スペックルノイズの低減率が最も高くなる。

なお、光源１ａおよび１ｂに供給する映像信号に応じた電流に高周波電流を重畳すると、光源１ａおよび１ｂである半導体レーザの波長幅が広がり、光源１ａおよび１ｂから出射される赤色レーザ光および青色レーザ光に起因するスペックルが低減することが知られている。

特定偏光状態を右円偏光状態および左円偏光状態とした場合において、高周波電流として周波数が３００ＭＨｚの電流を重畳させた場合、光源１ａおよび１ｂから出射される赤色レーザ光および青色レーザ光から生じるスペックルは、１２％まで低減した。

また、スクリーン１０の偏光を解消させる作用が大きいほど、つまり、スクリーン１０が完全拡散面に近いほど、スペックルコントラストを低減することができる。スクリーン１０が略完全拡散面であり、かつ、特定偏光状態が右円偏光状態および左円偏光状態の場合、スペックルコントラストは、２％まで低減した。

なお、このスペックルコントラストの評価には、以下に記載の装置構成を用いた。

偏光状態変調部２ａ〜２ｃである液晶セル２１は、波長が５３２ｎｍのレーザ光に対して、常光屈折率ｎｏ＝１．５、異常光屈折率ｎｅ＝１．７、複屈折率Δｎ＝ｎｅ−ｎｏ＝０．２となるネマッティック液晶を用いた。なお、これらの常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅおよび複屈折率Δｎの値は、電圧無印加時における値である。また、液晶セル２１のセルギャップ間隔は、５μｍである。

また、制御部５は、走査部４の共振型マイクロメカニカル走査素子およびガルバノミラーの駆動に同期して、画素クロック（１２．７ｎｓ）の１／６以下の２ｎｓ単位で光源１ａ〜１ｃの発光タイミングと発光強度とを制御する。また、偏光切り替え期間は、１／６０秒である。

また、焦点距離１８ｍｍ、瞳径２．２５ｍｍのレンズを装着したＣＭＯＳセンサ（画素ピッチ：２．２μｍ）を用いた人間の眼球を模した評価系で光強度分布を測定し、その測定値に基づいてスペックルコントラストを評価した。

なお、特定偏光状態が右円偏光状態および左円偏光状態の場合、制御部５は、偏光状態変調部２ａに印加する交流電圧の振幅を２．６Ｖおよび５．６Ｖとし、偏光状態変調部２ｂに印加する交流電圧の振幅を１．８Ｖおよび４．０Ｖとし、偏光状態変調部２ｃに印加する交流電圧の振幅を２．２Ｖおよび４．８Ｖとした。

次に効果を説明する。

本実施形態では、光源１ａ〜１ｃは、映像信号に応じて変調されたレーザ光を出射する。走査部４は、光源１ａ〜１ｃから出射されたレーザ光を投射する。偏光状態変調部２ａ〜２ｃは、光源１ａ〜１ｃから走査部４に出射されたレーザ光の偏光状態を変更する。制御部５は、予め定められた複数の特定偏光状態のそれぞれを所定の順番に従って繰り返し選択する。制御部５は、偏光状態変調部２ａ〜２ｃにて変更される偏光状態を、その選択した特定偏光状態に切り替えていく。

この場合、光源１ａ〜１ｃから出射されたレーザ光の偏光状態が予め定められた複数の特定偏光状態の中で所定に順番に従って切り替えられる。したがって、ある特定偏光状態のレーザ光に対応する干渉項を、他の特定偏光状態のレーザ光に対応する干渉項を用いて抑制することが可能になるので、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。

また、本実施形態では、特定偏光状態は二つあり、制御部５は、その二つの特定偏光状態を交互に選択する。

この場合、一方の特定偏光状態のレーザ光に対応する干渉項を、他方の特定偏光状態に対応する干渉項を用いて抑制することが可能になるので、速やかに干渉項を抑制することが可能になり、スペックルの低減率をより向上させることが可能になる。

また、本実施形態では、二つの特定偏光状態の一方のレーザ光の互いに直交する偏光成分の位相差と、他方のレーザ光の互いに直交する偏光成分の位相差とが１８０°異なっている。

この場合、一方の特定偏光状態のレーザ光に対応する干渉項を、他方の特定偏光状態に対応する干渉項を用いて効率よく抑制することが可能になり、スペックルの低減率をより向上させることが可能になる。

また、本実施形態では、特定偏光状態は、右円偏光状態および左円偏光状態である。この場合、一方の特定偏光状態のレーザ光に対応する干渉項を、他方の特定偏光状態のレーザ光に対応する干渉項を用いて打ち消すことが可能になるので、スペックルの低減率をより向上させることが可能になる。

また、本実施形態では、制御部５は、映像信号の１フレームごとに特定偏光状態を選択する。この場合、スクリーン１０の同じ位置に入射されるレーザ光の特定偏光状態を変更することが可能になり、スペックルの低減率をより向上させることが可能になる。

また、本実施形態では、偏光状態変調部２ａ〜２ｃのそれぞれは、光源１ａ〜１ｃのいずれか一つと対応し、その対応する光源から出射されたレーザ光の偏光状態を変更する。この場合、光源１ａ〜１ｃから出射されたレーザ光のそれぞれの偏光状態を適切に切り替えることが可能になり、スペックルの低減率をより向上させることが可能になる。

また、本実施形態では、光源１ａ〜１ｃから出射される光としてレーザ光を用い、投射手段として、レーザ光を走査して投射する走査部４を用いている。

この場合、レーザ光を走査して投射すると強いスペックルが発生されるが、そのスペックルの低減率を向上させることが可能になるので、スペックルを大きく低減させることが可能になる。

次に第二の実施形態について説明する。

図８は、本実施形態の投射型画像表示装置の構成を示したブロック図である。図８において、投射型画像表示装置は、光源１ａ〜１ｃと、色合成部３と、走査部４と、制御部５と、偏光状態変調部６とを含む。

光源１ａおよび１ｂから出射されるレーザ光は、紙面に対して垂直方向に偏光しており、ダイクロイックプリズム３２および３３の反射面のそれぞれに対してＳ偏光であるとする。また、光源１ｃから出射されるレーザ光は、紙面に対して水平方向に偏光しており、ミラー３１の反射面に対してＰ偏光であるとする。なお、ダイクロイックプリズム３２および３３の反射面とミラー３１の反射面とは、並行である。

色合成部３は、ミラー３１と、ダイクロイックプリズム３２および３３とを含む。

ミラー３１は、光源１ｃから出射された緑色レーザ光を反射する。なお、反射されたレーザ光は、Ｐ偏光のままであるとする。

ダイクロイックプリズム３２は、ミラー３１で反射された緑色レーザ光を透過し、光源１ｂから出射された赤色レーザ光を反射する。

図９は、ダイクロイックプリズム３２の反射率および透過率と、波長との関係を示した説明図である。図９において、横軸は、レーザ光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は、反射率または透過率（％）を示す。また、図９では、Ｓ偏光の透過率（Ｓ透過）と、Ｐ偏光の透過率（Ｐ透過）と、Ｓ偏光の反射率（Ｓ反射）とが示されている。Ｓ偏光の透過率は、波長が４４５ｎｍのときに１００％となり、Ｐ偏光の透過率は、波長が５３２ｎｍのときに１００％となり、Ｓ偏光の反射率は、波長が６４０ｎｍのときに１００％となる。

図９で示されたように、ダイクロイックプリズム３２は、Ｐ偏光の緑色レーザ光（波長：５３２ｎｍ）を９９％以上透過し、Ｓ偏光の赤色レーザ光（波長：６４０ｎｍ）を９９％以上反射することが可能である。

図８の説明に戻る。ダイクロイックプリズム３３は、ダイクロイックプリズム３２を透過した緑色レーザ光と、ダイクロイックプリズム３２で反射された赤色レーザ光と、を透過し、光源１ａから出射された青色レーザ光を反射する。

図１０は、ダイクロイックプリズム３３の反射率および透過率と、波長との関係を示した説明図である。図１０において、横軸は、レーザ光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は、反射率または透過率（％）を示す。また、図１０では、Ｓ偏光の透過率と、Ｐ偏光の透過率と、Ｓ偏光の反射率とが示されている。Ｓ偏光の反射率は、波長が４４５ｎｍのときに１００％となり、Ｐ偏光の透過率は、波長が５３２ｎｍのときに１００％となり、Ｓ偏光の透過率は、波長が６４０ｎｍのときに１００％となる。

図１０で示されたように、ダイクロイックプリズム３２は、Ｐ偏光の緑色レーザ光（波長：５３２ｎｍ）とＳ偏光の赤色レーザ光（波長：６４０ｎｍ）とを９９％以上透過し、Ｓ偏光の青色レーザ光（波長：４４０ｎｍ）を９９％以上反射することが可能である。

ここで、ミラー３１と、ダイクロイックプリズム３２および３３とが同じ光軸上に各レーザ光を導くように配置することで、光源１ａ〜１ｃから出射されたレーザ光を同一の光軸上に合成して合成光を生成することができる。

なお、光源１ａおよびダイクロイックプリズム３３の位置と、光源１ｂおよびダイクロイックプリズム３２の位置とを交換してもよい。

図８の説明に戻る。偏光状態変調部６は、変更手段の一例である。偏光状態変調部６は、色合成部３で生成された合成光の偏光状態を変更する。

偏光状態変調部６は、第一の実施形態の偏光状態変調部６ａ〜６ｃと同様に、ＥＣＢモードの液晶セルであるとする。

図１１は、ＥＣＢモードの液晶セルの配置を説明するための説明図である。図１１では、特定偏光状態が右円偏光状態および左円偏光状態の場合におけるＥＣＢモードの液晶セルの配置例が示されている。

図１１では、ＥＣＢモードの液晶セル５１の遅相軸方向５２と、合成光に含まれる赤色レーザ光および青色レーザ光の偏光方向５３とが４５°を成し、かつ、遅相軸方向５２と緑色レーザ光の偏光方向５４とが４５°を成している。

図１２は、液晶セル５１に印加される交流電圧の振幅Ｖと、合成光に含まれる各レーザ光の偏光成分の位相差δとの関係を示した説明図である。図１２において、横軸は、液晶セル５１に印加される交流電圧の振幅Ｖを示し、縦軸は、各レーザ光の偏光成分の位相差δを示す。

図１２で示されたように、振幅Ｖと位相差δとの関係は、レーザ光の色（波長）に応じて変化する。このため、振幅Ｖを調節しても、合成光に含まれる全てのレーザ光の偏光成分の位相差δを９０°および−９０°の中で切り替えて、その全てのレーザ光を右円偏光状態および左円偏光状態の中で切り替えることは困難である。

本実施形態では、緑色レーザ光を右円偏光状態および左円偏光状態の中で切り替える。つまり、緑色レーザ光の各偏光成分の位相差δが−９０°および９０°になるように、制御部５は、振幅がＶ１（２．２Ｖ）の交流電圧と、振幅がＶ２（４．８）の交流電圧とを交互に液晶セル５１に印加する。

これは、人間は緑色の光によるスペックルを最も強く感じるので、緑色レーザ光によるスペックルを最も低減させることで、人間が感じるスペックルを効率良く低減させることができるためである。また、上述のように、光源１ａおよび１ｂに供給する映像信号に応じた電流に高周波電流を重畳することで、赤色レーザ光および青色レーザ光によるスペックルを低減することができる。このため、高周波電流を重畳してスペックルを低減することが困難な緑色レーザ光のスペックルを最も低減させることで、全ての色のレーザ光によるスペックルを効率よく低減させることができるという理由もある。

走査部４は、偏光状態変調部６で偏光状態が変更された光を２次元走査して投射する。

次に効果を説明する。

本実施形態では、色合成部３は、光源１ａ〜１ｃのそれぞれから出射されたレーザ光を合成する。偏光状態変調部６は、色合成部３にて合成されたレーザ光の偏光状態を変更する。この場合、光源が複数あっても、偏光状態変調部６の数を一つにすることが可能になるので、投射型画像表示装置の構成の単純化を図ることが可能になる。

次に第三の実施形態について説明する。

図１３は、本実施形態の投射型画像表示装置の構成を示したブロック図である。偏光状態変調部６が走査部４の後段にある点が図１２と異なる。

走査部４は、色合成部３で生成された合成光を２次元走査して投射する。

偏光状態変調部６は、走査部４で投射された合成光の偏光状態を変更する。

このとき、偏光状態変調部６として、図１１で示したようなＥＣＢモードの液晶セルを用いる場合、走査部４で２次元走査された合成光に含まれる各レーザ光の偏光状態が直線偏光状態である必要がある。したがって、走査部４は、合成光に含まれる各レーザ光の直線偏光状態を保ったまま２次元走査する必要がある。

図１４は、レーザ光の直線偏光状態を保ったまま合成光を走査することが可能な走査部４の構成を示した模式図である。図１４において、走査部４は、水平スキャナ４１と、垂直スキャナ４２とを含む。

水平スキャナ４１は、走査部４に入射される合成光４３を水平方向に走査するための走査ミラーであり、垂直スキャナ４２は、水平スキャナ４１で走査された合成光を垂直方向に走査するための走査デバイスである。

ここで、水平スキャナ４１は、その回転軸４１ａが合成光４３に含まれる緑色レーザ光（水平スキャナ４１の反射面に対してＳ偏光）の偏光方向と平行になるように配置され、垂直スキャナ４２は、その回転軸４２ａが合成光４３の進行方向と平行になるように配置される。

これにより、合成光４３に含まれる緑色レーザ光の偏光方向は、その偏光方向がその緑色レーザ光の水平スキャナ４１に対する入射面と垂直になるので、緑色レーザ光が水平スキャナ４１で走査（反射）されても変化しない。

水平スキャナ４１で走査された緑色レーザ光の偏光方向は、その偏光方向がその緑色レーザ光の垂直スキャナ４２の回転軸４２ａに対して垂直になるので、緑色レーザ光が垂直スキャナ４２で反射する（走査される）と変化して垂直方向になる。つまり、緑色レーザ光は、走査部４で走査されると、垂直スキャナ４２の反射面に対してＰ偏光に変化する。

また、合成光４３に含まれる赤色レーザ光および青色レーザ光（水平スキャナ４１の反射面に対してＰ偏光）の偏光方向は、その偏光方向がその赤色レーザ光および青色レーザ光の回転軸４１ａに対して垂直になるので、赤色レーザ光および青色レーザ光が水平スキャナ４１で反射する（走査される）と変化して、垂直スキャナ４２の回転軸４２ａと同じ方向になる。

水平スキャナ４１で走査された赤色レーザ光および青色レーザ光の偏光方向は、その偏光方向がその赤色レーザ光および青色レーザ光の垂直スキャナ４２に対する入射面と垂直になるので、赤色レーザ光および青色レーザ光が垂直スキャナ４２で走査されても変化しない。つまり、赤色レーザ光は、走査部４で走査されるのと、垂直スキャナ４２の反射面に対してＳ偏光に変化する。

したがって、合成光４３に含まれる各レーザ光が走査部４で走査されても、各レーザ光の偏光方向は変化するが、各レーザ光は直線偏光状態のままとなる。

図１３の説明に戻る。偏光状態変調部６は、走査部４からの合成光の偏光状態を変更する。

このとき、走査部４で走査された合成光は様々な方向に出射されるので、その合成光は、偏光状態変調部６に様々な入射角度で入射される。

偏光状態変調部６にＥＣＢモードの液晶セルが用いられる場合、液晶セルに印加される交流電圧の振幅が同じでも、合成光に含まれる各レーザ光は、入射角度に応じて偏光状態が変化する。したがって、このような偏光状態の入射角依存性を補償して、合成光に含まれる緑色レーザ光の偏光状態を右円偏光状態および左偏光状態で切り替えることが望ましい。

図１５は、偏光状態の入射角依存性を補償することが可能な偏光状態変調部６の構成の一例を示した模式図である。

図１５において、偏光状態変調部６では、複数のライン状の電極６１が垂直方向に並設され、複数のライン状の電極６２が水平方向に並設される。また、電極６１および６２が交差するように対峙して配置される。電極６１および電極６２の各交差部６３に、ＥＣＢモードの液晶セル６５が挟持される。これにより、液晶セル６５を単純マトリクス状に配置することが可能になる。

この偏光状態変調部６を走査部４の前方に配置すると、単純マトリックス状に配置された液晶セル６４のそれぞれには、互いに異なる入射角度で合成光が入射される。したがって、制御部５は、合成光が入射される液晶セル６４のそれぞれに、互いに異なる振幅の交流電圧を印加することで、偏光状態の入射角依存性を補償することが可能になる。

例えば、制御部５は、走査部４の駆動に同期して、合成光が入射される液晶セル６４に、電極６１および６２を介して選択電圧を印加し、それ以外の液晶セル６４には、電極６１および６２を介して非選択電圧を印加する電圧平均化法を用いて、単純マトリクス状に配置された液晶セル６４を駆動する。

ここで、選択電圧は、緑色レーザ光の偏光状態が右円偏光状態または左偏光状態になるような振幅の交流電圧である。また、非選択電圧は、位相差δが初期値のまま変化しない、閾値より小さい振幅の交流電圧である。

なお、液晶セルをアクティブマトリクス状に配置してもよいし、電圧平均化法以外の駆動方法が用いられてもよい。

次に効果を説明する。

本実施形態では、走査部４が色合成部３で生成された合成光を投射する。偏光状態変調部６が走査部４で投射された合成光の偏光状態を変更する。この場合、投射された合成光の偏光状態が変更される。したがって、走査部４で合成光が投射される際に、その合成光の偏光状態が変化して、合成光の偏光状態が特定偏光状態からずれることを防止することが可能になる。

次に第四の実施形態について説明する。

図１６は、本発明の第四の実施形態の投射型画像表示装置の構成を示したブロック図である。図１６において、投射型画像表示装置は、光源１と、制御部５と、投射部７と、変更部８とを含む。

光源１は、光を出射する。

投射部７は、光源１から出射された光を投射して画像をスクリーン１０上に表示する。なお、投射部７は、水平スキャナおよび垂直スキャナなどの走査素子が用いられてもよいし、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）やＧＬＶ（Grating Light Valve）などの走査素子と異なる投射素子が用いられてもよい。

変更部８は、光源１と投射部７と間に設けられ、光源１から投射部７へ出射された光の偏光状態を変更する。なお、変更部８は、投射部７の後段に設けられ、投射部７が投射した光の偏光状態を変更してもよい。また、変更部８は、例えば、図３で示したＥＣＢモードの液晶セル２１である。

制御部５は、映像信号を受け付け、その受け付けた映像信号に応じて光源１から出射される光を変調する。これにより、光源１は、映像信号に応じて変調された光を出射することになる。なお、制御部５による光の変調方法は、特に限定されない。

また、制御部５は、映像信号に応じて、投射部７による光の投射方向を調整する。

また、制御部５は、複数の特定偏光状態のそれぞれを所定の順番に従って繰り返し選択する。そして、制御部５は、変更部８にて変更される偏光状態を、その選択した特定偏光状態に切り替えていく。

次に効果を説明する。

本実施形態では、光源１は、映像信号に応じて変調された光を出射する。投射部７は、
光源１から出射された光を投射して画像を表示する。変更部８は、光源１から投射部７に出射された光、または、投射部７から投射された光の偏光状態を変更する。制御部５は、複数の特定偏光状態のそれぞれを所定の順番に従って繰り返し選択する。制御部５は、変更部８にて変更される偏光状態を、その選択した特定偏光状態に切り替えていく。

この場合、光源１から出射された光の偏光状態が複数の特定偏光状態の中で所定に順番に従って切り替えられるので、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態に限定されたものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。

例えば、光源の数は、第一の実施形態〜第三の実施形態では、３つ、第四の実施形態では、１つであったが、実際には、３または１に限らず適宜変更可能である。また、光源から出射されるレーザ光の色（波長）は、青、赤および緑に限らず適宜変更可能である。また、光源から出射される光はレーザ光であったが、コヒーレントを有する光であればよい。

また、偏光状態変調部２ａ〜２ｃおよび６と変更部８とは、ＥＣＢモードの液晶セル２１に限らず適宜変更可能である。例えば、偏光状態変調部２ａ〜２ｃおよび６と変更部８とは、ニオブ酸リチオム（ＬｉＮｂＯ３）またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）などの、偏光状態を変調可能な電気光学素子でもよい。

また、制御部５が行う光源１、１ａ〜１ｃから出射されるレーザ光の光強度の変調として、光源１、１ａ〜１ｃのそれぞれに供給する電流を、１画素を走査する時間内の幅を有するパルス電流とし、そのパルス電流のデューティー比を変化させるパルス幅変調を用いてもよい。

画像の画像精細度としては、水平方向の画素数が１２８０であり、垂直方向の画素数が１０２４である例を示したが、実際には、これらの値に限らず適宜変更可能である。

走査部４内の水平スキャナおよび垂直スキャナは、サイズがレーザ光１ａ〜１ｃのビーム径より大きければ、形状などが適宜変更可能である。

この出願は、２００９年４月９日に出願された日本出願特願２００９−９４７７５号公報を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (8)

1. 映像信号に応じて変調された、波長がそれぞれ異なるコヒーレントな光を出射する複数の光源と、
   前記光源から出射された光を走査して投射することで画像を表示する投射手段と、
   前記複数の光源のそれぞれに対応し、当該対応する光源から前記投射手段へ出射された光の偏光状態を変更する複数の変更手段と、
   前記複数の変更手段のそれぞれで偏光状態が変更された光を同一の光軸上に合成する合成手段と、
   予め定められた複数の特定偏光状態のそれぞれを所定の順番に従って繰り返し選択し、前記変更手段にて変更される偏光状態を、当該選択した特定偏光状態に切り替えていく制御手段と、を含み、
   前記特定偏光状態は、二つあり、また、少なくとも楕円偏光状態または円偏光状態を含み、
   前記特定偏光状態のうち一方の特定偏光状態の光における互いに直交する偏光成分の位相差と、他方の特定偏光状態の光における互いに直交する偏光成分の位相差とが、１８０°異なっており、
   前記制御手段は、前記二つの特定偏光状態のそれぞれを交互に繰り返し選択する、投射型画像表示装置。
2. 映像信号に応じて変調された、波長がそれぞれ異なるコヒーレントな光を出射する複数の光源と、
   前記複数の光源のそれぞれから出射された光を同一の光軸上に合成する合成手段と、
   前記合成手段にて合成された光を走査して投射することで画像を表示する投射手段と、
   前記投射手段が投射した光の偏光状態を変更する変更手段と、
   予め定められた複数の特定偏光状態のそれぞれを所定の順番に従って繰り返し選択し、前記変更手段にて変更される偏光状態を、当該選択した特定偏光状態に切り替えていく制御手段と、を含み、
   前記特定偏光状態は、二つあり、また、少なくとも楕円偏光状態または円偏光状態を含み、
   前記特定偏光状態のうち一方の特定偏光状態の光における互いに直交する偏光成分の位相差と、他方の特定偏光状態の光における互いに直交する偏光成分の位相差とが、１８０°異なっており、
   前記制御手段は、前記二つの特定偏光状態のそれぞれを交互に繰り返し選択する、投射型画像表示装置。
3. 請求項１または２に記載の投射型画像表示装置において、
   前記特定偏光状態は、右円偏光状態および左円偏光状態である、投射型画像表示装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の投射型画像表示装置において、
   前記制御手段は、前記映像信号の１フレームごとに前記特定偏光状態を選択する、投射型画像表示装置。
5. 映像信号に応じて変調された、波長がそれぞれ異なるコヒーレントな光を出射する複数の光源と、前記光源から出射された走査して投射することで画像を表示する投射手段と、前記複数の光源のそれぞれに対応し、当該対応する光源から前記投射手段へ出射された光の偏光状態を変更する複数の変更手段と、前記複数の変更手段のそれぞれで偏光状態が変更された光を同一の光軸上に合成する合成手段と、を含む投射型画像表示装置の制御方法であって、
   予め定められた複数の特定偏光状態のそれぞれを所定の順番に従って繰り返し選択する選択ステップと、
   前記変更手段にて変更される偏光状態を当該選択された特定偏光状態に切り替えていく切替ステップと、を含み、
   前記特定偏光状態は、二つあり、また、少なくとも楕円偏光状態または円偏光状態を含み、
   前記特定偏光状態のうち一方の特定偏光状態の光の直交する偏光成分の位相差と、他方の特定偏光状態の光の直交する偏光成分の位相差とが１８０°異なっており、
   前記選択ステップでは、前記二つの特定偏光状態のそれぞれを交互に繰り返し選択する、制御方法。
6. 映像信号に応じて変調された、波長がそれぞれ異なるコヒーレントな光を出射する複数の光源と、前記複数の光源のそれぞれから出射された光を同一の光軸上に合成する合成手段と、前記合成手段にて合成された光を走査して投射することで画像を表示する投射手段と、前記投射手段が投射した光の偏光状態を変更する変更手段と、を含む投射型画像表示装置の制御方法であって、
   予め定められた複数の特定偏光状態のそれぞれを所定の順番に従って繰り返し選択する選択ステップと、
   前記変更手段にて変更される偏光状態を当該選択された特定偏光状態に切り替えていく切替ステップと、を含み、
   前記特定偏光状態は、二つあり、また、少なくとも楕円偏光状態または円偏光状態を含み、
   前記特定偏光状態のうち一方の特定偏光状態の光の直交する偏光成分の位相差と、他方の特定偏光状態の光の直交する偏光成分の位相差とが１８０°異なっており、
   前記選択ステップでは、前記二つの特定偏光状態のそれぞれを交互に繰り返し選択する、制御方法。
7. 請求項５または６に記載の制御方法において、
   前記特定偏光状態は、右円偏光状態および左円偏光状態である、制御方法。
8. 請求項５ないし７のいずれか１項に記載の制御方法において、
   前記切替ステップでは、前記映像信号の１フレームごとに前記特定偏光状態を切り替える、制御方法。

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