照明光学系および画像表示装置
【課題】 従来の照明光学系では、スペックルノイズを低減するために装置が大きくなる、あるいは、光が損失するという不具合があった。そこで、光の損失や装置の大型化を招くことなく、スペックルを低減することができる照明光学系および画像表示装置を得ることを目的とする。
【解決手段】 直線偏光光（ｐ偏光光）を発するレーザ光源１と、レーザ光源１から入射した光束を、光軸Ｃに垂直な平面内の位置によって偏光軸を異ならせて（ｓ偏光とｐ偏光）出射する偏光光学素子２と、を備えるようにした。
【解決手段】 直線偏光光（ｐ偏光光）を発するレーザ光源１と、レーザ光源１から入射した光束を、光軸Ｃに垂直な平面内の位置によって偏光軸を異ならせて（ｓ偏光とｐ偏光）出射する偏光光学素子２と、を備えるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光を発生させる照明光学系およびこの照明光学系から発せされた照明光を用いて画像を表示する画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学式画像表示装置の光源として、レーザを利用した例が多数報告されている。一般に、レーザから射出された光は、高い指向性を有するため光利用効率の向上が見込まれ、また、その単色性は画像表示装置において必要とされる広い色再現領域を実現することが可能なため、照明用光源として有用であると考えられている。
【０００３】
しかし、レーザ光源はコヒーレンス（可干渉性）が高いため、スペックル（スペックルノイズ）が発生しやすい。スペックルは、スクリーン上に形成される空間的にランダムな干渉模様のことであり、可干渉性の高い光が粗い表面から反射したり透過したりするのに伴い発生し、表示画像の画質の低下を招く。
【０００４】
一般に、Ｎ個の互いにインコヒーレントで無相関なコヒーレント光のスペックルパターンを重ね合わせた時、その和は、各スペックルパターンの強度和となり、各光の強度が等しい場合、スペックルコントラストは、１／（Ｎ）1/2になることが知られている。
【０００５】
したがって、レーザ光源からの光ビームをＮ個に分岐し、分岐された光ビームそれぞれの光路長差が可干渉性の無くなる距離（コヒーレント長）Ｌｃ以上であれば、Ｎ個の光ビームはそれぞれインコヒーレントな光とみなすことができ、スペックルコントラストを低減することができる。そこで、光軸に垂直な平面内を複数の領域に分け、領域毎に厚みの異なる光路差発生部材、または長さが互いに異なる光ファイバを束ねた光ファイババンドルを用いた照明光学装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、コヒーレント長以上に光路差をつけるためには、光路差発生部材の厚みを大きくする、または、光ファイバの長さを長くする必要があり、装置が大型化してしまうという問題があった。そこで、光ファイバ内での実質的な光路長を考慮して、コヒーレンス長の６割程度に長さの差を抑えた複数の多モード光ファイバを束ねた光ファイバーバンドルを介して、コヒーレント光のコヒーレンスを低減する照明装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６０−２３０６２９号公報（２頁左上段、第１図、４頁右上段第７図）
【特許文献２】特開平１１−３２６６５３号公報（段落００５０、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、複数の光ファイバを束ねた構造であるために光源から出射された光ビームのうち、光ファイバ間のすき間、あるいは光ファイバのクラッドの部分に入射した光は損失光となってしまい、光源からの光を効率よくライトバルブに導くことが困難であるという問題があった。
【０００９】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、光の損失や装置の大型化を招くことなく、スペックルを低減することができる照明光学系および画像表示装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る照明光学系は、直線偏光光を発する光源と、前記光源から入射した光束を、光軸に垂直な平面内の位置によって偏光軸を異ならせて出射する偏光光学素子と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る画像表示装置は、上記照明光学系と、前記照明光学系から入射した照明光を制御して画像光を形成する光変調素子と、前記光変調素子からの画像光を拡大投写する投写光学系と、前記拡大投写された画像光を表示する画像表示部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、直線偏光光を平面内の位置によって偏光軸の異なる直線偏光光を有する光束に変換することにより、光の損失や装置の大型化を招くことなく、スペックルを低減することができる照明光学系および画像表示装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１に本発明の実施の形態１に係る照明光学系、および該照明光学系を用いた画像表示装置の構成を示す。
【００１４】
図において、照明光学系１０は、直線偏光光（ｐ偏光光）を発する光源であるレーザ光源１と、レーザ光源１からの光束を拡大して出射するビームエクスパンダ５と、ビームエクスパンダ５を介してレーザ光源１から入射した光束（ｐ偏光光）を、光軸Ｃに垂直な平面内の位置によって偏光軸の異ならせて出射する偏光光学素子２と、偏光光学素子２から出射された光束を集光させる集光レンズ３と、集光レンズ３によって入射面４ａに集光された光束を内面で複数回反射させたのち、出射面４ｂから出射する光伝播素子である光ファイバ４と、光ファイバ４の出射面４ｂから出射された断面が円形の光束をライトバルブ８の入射面の形状に相似の矩形形状に整形して出射する整形光学素子６と、整形光学素子６から出射された断面が矩形形状の光束を光変調素子であるライトバルブ８の入射面合致させるように照射するリレー光学系７とを備える。
【００１５】
そして、上述した照明光学系１０と、照明光学系１０から入射した照明光を制御して画像光を形成する光変調素子であるライトバルブ８と、ライトバルブ８からの画像光を拡大投写する投写光学系３０と、前記拡大投写された画像光を表示する画像表示部であるスクリーン４０とで画像表示装置を構成している。以下に詳細を示す。
【００１６】
直線偏光光を発する光源であるレーザ光源１は、略平行な直線偏光光の光ビームを出射する半導体レーザであり、直径が１ｍｍ以下の小さな発光点をひとつ備えている。発光点からは、光軸Ｃに略平行で、偏光軸が単一（ｐ偏光光）、かつ、位相が揃った直線偏光光が出射される。つまり、レーザ光源１からは、ビーム径が１ｍｍ以下の略平行なコヒーレント光が出射される。
【００１７】
ビームエクスパンダ５は、図示しない凹レンズと凸レンズの間隔を各レンズの焦点距離の和になるように配置（共焦点系）したもので、レーザ光源１から出射される直径が１ｍｍ以下の略平行のビームを１ｃｍ程度に拡大し、光軸Ｃに略平行な光として偏光光学素子２に向けて出射する。
【００１８】
図２に偏光光学素子２を光軸Ｃ方向から見た平面図を示す。偏光光学素子２は、図において平板ガラスの光軸Ｃの中心から右半分（２ｂ部分）の領域にλ／２板を貼ることにより形成したものであり、光軸Ｃに垂直な平面を２つの領域に分け、一方の領域２ａには透明板を配置し、他方の領域２ｂにはλ／２波長板を備えたものとなる。そして、領域２ｂにおけるλ／２波長板の光学軸（進相軸）は、レーザ光源１から入射してくるｐ偏光光の偏光軸に対して４５°傾けて配置している。したがって、偏光光学素子２を通過するｐ偏光光５０のうち、左側の透明領域２ａを通過した光はｐ偏光光のまま、右側のλ／２波長板領域２ｂを通過した光はｓ偏光光に変換されて出射し、集光レンズ３に入射する。つまり、偏光光学素子２は、レーザ光源１から発せられた光束のうち、少なくとも１種類（本実施の形態１ではレーザ光源１から発せられた全光束）の直線偏光光（ｐ偏光光）の光束を、光軸Ｃに垂直な平面内の位置によって偏光軸を異ならせて出射する機能を有している。
【００１９】
集光レンズ３は、偏光変換素子２を透過し、光軸Ｃに垂直な面内の光軸Ｃより右側がｓ偏光光で左側がｐ偏光光である直径が約１ｃｍの略平行光を光伝播素子である光ファイバ４の入射面４ａに向けて集光する。
【００２０】
光伝播素子である光ファイバ４は、コア径が５０μｍ、長さ２０ｃｍのマルチモード光ファイバである。光ファイバ４の入射面４ａ（コア径である直径５０μｍ）から入射した光は、光ファイバ４のコアとクラッド間の境界面、つまりコアの内面で全反射を繰り返し、さまざまな経路を経た光が混合された状態で直径５０μｍの出射面４ｂから出射する。なお、光ファイバ４は柔軟性があるので、ファイバ自体は曲げた状態で設置でき、入射面４ａと出射面４ｂとは平行である必要は無い。つまり、光ファイバ４内では光軸Ｃはファイバに沿った曲線状に変化することになるので、入射面４ａより手前部分と出射面４ｂより後段部分との光軸は空間的に必ずしも一致しない。しかし、図１においては理解が容易なように、入射面４ａより手前の光軸Ｃと出射面４ｂから後段の部分での光軸が一致するように、つまり、光ファイバ４が光軸Ｃとともに直線をなすように記載している。
【００２１】
整形光学素子６は、光変調素子であるライトバルブ８の表示エリアと略相似な断面形状を有する角筒状体の内周面全体に反射膜を設けたライトパイプで構成されている。このライトパイプは、その一端の入射面６ａから入射した光を、内周面の反射膜で反射しながら出射面６ｂに導き、出射面６ｂから光軸Ｃに垂直な断面形状が矩形で、光軸Ｃに垂直な平面内での光強度分布が均一な光束を出射するものである。
【００２２】
リレー光学系７は、整形光学素子６とライトバルブ８との間に配置され、整形光学素子６の出射面６ｂとライトバルブ８とが共役な関係となるように結像させる機能を有する。そして、整形光学素子６の出射面６ｂから出射された断面形状の光をライトバルブ８の入射面に合致させるように伝達する。
【００２３】
すなわち、整形光学素子６及びリレー光学系７は、光ファイバ４から入射した略円形の微小な光束をライトバルブ８の表示エリアと略相似の断面形状で、光軸Ｃに垂直な平面内での光強度分布が均一な光束としてライトバルブ８に出射する整形光学系２０として機能する。
【００２４】
光変調素子であるライトバルブ８は、整形光学系２０から入射した光を光変調し、入力された画像信号に応じた画像光を生成して出射する。本実施の形態１では、ライトバルブ８として反射型のＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いた場合の構成を示している。これに限らず、ライトバルブ８として透過型の液晶パネル、または反射型の液晶パネル等を使用することもできる。また、ライトバルブ８を１枚使用した単板式の他、３枚のライトバルブ８を使用した３板式等、複数のライトバルブ８を使用する構成が可能である。
【００２５】
投写光学系３０は、図示しない複数のレンズで構成され、ライトバルブ８とスクリーン４０との間に配置され、ライトバルブ８とスクリーン４０とが共役な関係になるように結像させる機能を有する。そして、ライトバルブ８からの画像光を画像表示部であるスクリーン４０に拡大投写する機能を有する。
【００２６】
本実施の形態１においては画像表示装置をリアプロジェクションタイプで設定しているので、画像表示部であるスクリーン４０としては、透過型スクリーンを用いることになる。この場合、スクリーン４０は、投写光学系３０側に配置されたフレネルレンズと、観察者側に配置されたレンチキュラーレンズとを有し（図示せず）、観察者側に映像を映し出す。フレネルレンズは投写光学系３０からの投写光を略平行光として出射する作用を有する。レンチキュラーレンズはフレネルレンズで略平行光となって入射した投写光を、並列されたシリンドリカルレンズ群の特性により視野角を広げて、観察者側に映像光として出射する作用を有する。
【００２７】
つぎに動作について説明する。
図１において、レーザ光源１から出射された直径が１ｍｍ程度の光軸Ｃに略平行で位相の揃ったｐ偏光光は、ビームエクスパンダ５により、直径が１ｃｍ程度に拡大した光軸Ｃに略平行なｐ偏光光として偏光光学素子２に入射する。
【００２８】
偏光光学素子２は、図２における光軸Ｃを境に左側の領域２ａは単なるガラス板のみなので、左側の領域２ａを通過したｐ偏光光はｐ偏光光のまま出射する。一方、右側の領域２ｂには、ｐ偏光光の偏光軸に対して進相軸を４５°傾けてλ／２波長板が貼付されているので、領域２ｂを通過したｐ偏光光は偏光軸が９０°回転してｓ偏光光に変換されて出射する。このとき、光束の中心である光軸Ｃを境に等分するように領域２ａ、２ｂを形成し、レーザ光源１から出射された光ビーム５０が領域２ａと領域２ｂに略等分に当るように偏光光学素子２を配置したので、偏光光学素子２からはｐ偏光光とｓ偏光光とが略等量出射される。つまり、偏光光学素子２に入射したレーザ光源１から入射した直線偏光光（ｐ偏光光）の光束は、光軸Ｃに垂直な平面内の位置（左右）によって偏光軸の異なる直線偏光光（ｐ偏光光とｓ偏光光）となって出射する。
【００２９】
偏光光学素子２から出射され、集光レンズ３によって光ファイバ４の入射面４ａに集光されたｓ偏光光およびｐ偏光光は、光ファイバ４のコアの内面で全反射を繰り返すことになる。光ファイバのコア内を進む光は、集光レンズ３からの入射角度によって、反射回数が異なることになるので、出射面５ａからは、さまざまな光路長を経た光が混合された状態で出射されることになる。また、ｐ偏光光とｓ偏光光とでは、反射時の挙動が異なるので、ｐ偏光光とｓ偏光光とでは、光路差がより一層異なった状態で出射することになる。
【００３０】
なお、集光レンズ３により、光ファイバ４の入射面４ａに光ビームを集光する際、ビームスポットを光ファイバ４のコア径よりも小さくする必要がある。このようにすることにより、入射面４ａでの反射損失以外の光は光ファイバ４に入射させることができる。また光ファイバ４への入射光は、光ファイバ４のＮＡ（開口数）以下の入射角で入射させることが必要である。このようにすることにより、光ファイバ４に入射した光は、コア、クラッド界面での全反射条件を満たし、光ファイバ４内を進行することができる。
【００３１】
光伝播素子である光ファイバ４の直径５０μｍの出射面４ｂから出射された断面形状が略円形の微小な光束は、整形光学素子６内でさらに複数回反射した後、リレー光学系７によって光軸Ｃに垂直な断面形状が矩形で、光軸Ｃに垂直な平面内での光強度分布が均一な光束としてライトバルブ８に照射され、ライトバルブ８によって画像光に変換された後、投写光学系３０によってスクリーン４０に拡大投写される。
【００３２】
上述したように、本実施の形態１にかかる照明光学系１０では、偏光光学素子２から出射される光は光量がほぼ等しく互いに偏光方向が直交する一対の直線偏光光（ｐ偏光光とｓ偏光光と）を有する光束に変換されて出射されることになる。偏光方向が直交する光は互いに相関のない光とみなすことができるので、偏光光学素子２により、レーザ光源１からの高い相関をもつひとつの光束が、２つの相関のない光束に変換されることになる。
スペックルノイズの指標として広く使われているものにスペックルコントラストがある。これは強度の１次と２次のモーメントから定義される物理量で、平均値で規格化した標準偏差で表される。この標準偏差が小さいことは平均強度からのバラツキが小さい、すなわちスペックルノイズが小さいことを意味する。ここで、おのおのの強度が等しいＮ個の相関のない偏光光源の重ね合わせからなるスペックルコントラストは１／√Ｎ（Ｎの平方根の逆数）に比例することから、一対（Ｎ＝２）の直交する偏光の重ね合わせの場合１／√２となる。したがってレーザ光源１からの光によるスペックルノイズを低減することができる。なお、この偏光方向が直交する一対（Ｎ＝２）の直線偏光の重ね合わせは、ひとつ（Ｍ＝１）の非偏光光と考えることができる。同様にＭ個の相関のない非偏光光源の重ね合わせからなるスペックルコントラストは１／√（２Ｍ）（２Ｍの平方根の逆数）となるため、上記の例ではスペックルコントラストは１／√２となる。
【００３３】
さらに、偏光光学素子２から入射したｓ偏光光とｐ偏光光との混合光が光ファイバ４内で、異なる光路長を経て出射するので、位相が不揃いとなる。そのため、さらに相関のない光に分割されることになり、スペックルノイズをより低減させることができる。
【００３４】
また、整形光学素子６においても、入射した光を異なる光路長を経て出射することになるので、位相がより不揃いとなり、スペックルノイズをさらに低減させることができる。
【００３５】
以上のように、本実施の形態１にかかる照明光学系によれば、直線偏光光（ｐ偏光光）を発するレーザ光源１と、レーザ光源１から入射した光束を、光軸Ｃに垂直な平面内の位置によって偏光軸を異ならせて（ｓ偏光とｐ偏光）出射する偏光光学素子２と、を備えるようにしたので、偏光光学素子２を含む各光学素子や各光学素子間での光の漏れや吸収等による光の損失が少なく、また装置を大型化することもなく、スペックルを低減することができる。
【００３６】
とくに、偏光光学素子２は、光軸Ｃに垂直な平面を２つの領域に分け、一方の領域には透明板を配置し、他方の領域には光源１からの直線偏光光（ｐ偏光光）の偏光軸と異なる進相軸のλ／２波長板を備えて構成したので、簡単な構成で有効にスペックルを低減することができる。
【００３７】
さらに、光源１からの光束を拡大して偏光光学素子２に入射させるビームエクスパンダ５を備えるようにしたので、偏光光学素子２に入射するビーム径が大きくなり、偏光光学素子２内での光５０を均等に領域２ａと領域２ｂに振り分けることができるので、分割した光の強度比を容易に調整でき、スペックルをより効果的に低減できる。また、ビーム径が広がることにより、透過面積あたりの光強度が下がるので、レーザビームによるλ／２波長板での単位面積あたりの発熱量が低減され、素子の劣化を防止することができる。
【００３８】
また、偏光光学素子２から入射した光を内面で複数回反射させたのちに出射する光伝播素子である光ファイバ４を備えたことにより、出射光の位相が不揃いとなり、スペックルノイズをより低減させることができる。
【００３９】
そして、本実施の形態１にかかる画像表示装置によれば、上述した照明光学系と、照明光学系から入射した照明光を制御して画像光を形成する光変調素子であるライトバルブ８と、ライトバルブ８からの画像光を拡大投写する投写光学系３０と、拡大投写された画像光を表示する画像表示部であるスクリーン４０と、を備えるようにようにしたので、光の損失や装置の大型化を招くことなく、スペックルを低減した画像を表示することができる。
【００４０】
なお、本実施の形態１では、領域２ａと領域２ｂに入射する光量が等量となるように、各領域の照射面積を等しくなるようにした。しかし、領域２ａと領域２ｂ内での光線の吸収量の違いを考慮して、各領域から出射される光量が等しくなるよう各領域の面積を調整してもよい。例えば透明板のみの領域２ａに光線５０が入射する面積よりも、λ／２波長板を貼付して吸収量が多くなる領域２ｂに光線５０が入射する面積を大きくするようにしてもよい。
【００４１】
実施の形態２．
本実施の形態２では、上述した実施の形態１における照明光学系１０において、偏光光学素子２の構成を変更した。つまり、図１における照明光学系１０の偏光光学素子２を偏光光学素子１０２に入れ替えたものである。したがって偏光光学素子以外の構成については実施の形態１と同様であるので、主に変更した偏光光学素子１０２についてのみ説明する。
【００４２】
図３は、本実施の形態２にかかる照明光学系、および画像表示装置に用いる偏光光学素子１０２の光軸Ｃ方向から見た平面図を示す。図において、偏光光学素子１０２は光束の中心である光軸Ｃを中心として周方向に４つの領域に分割されており、光が透過する時に偏光軸が変化しない透過領域１０２ａ（第１の透過領域）と、光が透過する時に偏光軸が６０°回転するλ／２波長板からなる透過領域１０２ｂ（第２の透過領域）と、光が透過する時に偏光軸が９０°回転するλ／２波長板からなる透過領域１０２ｃ（第３の透過領域）と、光が透過する時に偏光軸が１５０°回転するλ／２波長板からなる透過領域１０２ｄ（第４の透過領域）とが並べて配置されている。なお、透過領域１０２ａは光学的には入射光の偏光軸と同じ角度の進相軸のλ／２波長板とみなすことができるので、偏光光学素子１０２は、光軸Ｃに垂直な平面を光軸Ｃに対して点対称となる複数の領域１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄに分け、複数の領域１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ毎に進相軸の異なるλ／２波長板を備えた構成と等価といえる。
【００４３】
つぎに動作について説明する。図４に光源１からの光５０（ビームエクスパンダ５を経由）が透過領域１０２ｂを透過する時の偏光軸の状態を模式的に示す。レーザ光源１から出射される光が水平面内で振動する直線偏光光（ｐ偏光光）である場合、λ／２波長板を透過する前の入射光５０の偏光軸は５０ｉで表される。λ／２波長板の進相軸５０ａが入射光５０の偏光軸５０ｉに対し角度θ＝３０°傾けられていることにより、出射光の偏光軸５０ｅは入射光５０の偏光軸５０ｉから進相軸５０ａの方に向けて角度２θ＝６０°回転した偏光軸となる。
【００４４】
このときの透過光の強度について説明する。偏光光学素子１０２への入射光のｐ偏光成分をＥｘ、ｓ偏光成分をＥｙとし、入射光の単位ベクトルを次の列ベクトルＥで表し、強度をＩ０で表す。
【００４５】
【数１】
同様に、偏光光学素子１０２からの出射光のｐ偏光成分をＥ'ｘ、ｓ偏光成分をＥ'ｙとし、出射光の単位ベクトルを次の列ベクトルＥ'で表し、強度をＩで表す。
【００４６】
【数２】
また、入射光のｐ偏光成分の強度、ｓ偏光成分の強度をそれぞれ、Ｉ０ｘ、Ｉ０ｙとし、出射光のｐ偏光成分の強度、ｓ偏光成分の強度をそれぞれ、Ｉｘ、Ｉｙとすると、
【００４７】
【数３】
【００４８】
【数４】
で表される。
【００４９】
入射光が水平面内で振動する直線偏光光（ｐ偏光光）でその強度がＩｉの時、λ／２波長板の進相軸が入射光５０の偏光軸５０ｉに対し角度θ傾けられている場合の出射光は偏光軸が２θ回転するので出射光は次の列ベクトルＥ２θ'で表される。
【００５０】
【数５】
また、出射光強度Ｉ２θは、
【００５１】
【数６】
で表される。
【００５２】
偏光光学素子１０２への入射光が水平面内で振動する直線偏光光（ｐ偏光光）で光強度が１である場合、入射光は、
【００５３】
【数７】
で表される。この時、入射光のｐ偏光成分の強度Ｉ０ｘ、入射光のｓ偏光成分の強度Ｉ０ｙはそれぞれ、
【００５４】
【数８】
で表される。
【００５５】
偏光光学素子１０２の第１の透過領域１０２ａを出射する光は、光が透過する時に偏光軸が変化しないので、
【００５６】
【数９】
で表される。偏光光学素子１０２は周方向に４つの領域に略等分割されており、透過損失が無いと仮定した場合、入射光強度Ｉ０の１／４が第１の透過領域１０２ａを透過するので、出射光強度Ｉ０°は、
【００５７】
【数１０】
となる。この時、出射光のｐ偏光成分の強度Ｉ０°ｘ、出射光のｓ偏光成分の強度Ｉ０°ｙはそれぞれ、
【００５８】
【数１１】
となる。
【００５９】
次に、光が透過する時に偏光軸が６０°回転するλ／２波長板からなる第２の透過領域１０２ｂを出射する光は、
【００６０】
【数１２】
で表される。偏光光学素子１０２は周方向に４つの領域に略等分割されており、透過損失が無いと仮定した場合、入射光強度Ｉ０の１／４が第２の透過領域１０２ｂを透過するので、出射光強度Ｉ６０°は、
【００６１】
【数１３】
となる。この時、出射光のｐ偏光成分の強度Ｉ６０°ｘ、出射光のｓ偏光成分の強度Ｉ６０°ｙはそれぞれ、
【００６２】
【数１４】
となる。
【００６３】
同様に、光が透過する時に偏光軸が９０°回転するλ／２波長板からなる第３の透過領域１０２ｃを出射する光は、
【００６４】
【数１５】
で表される。偏光光学素子１０２は周方向に４つの領域に略等分割されており、透過損失が無いと仮定した場合、入射光強度Ｉ０の１／４が第３の透過領域１０２ｃを透過するので、出射光強度Ｉ９０°は、
【００６５】
【数１６】
となる。この時、出射光のｐ偏光成分の強度Ｉ９０°ｘ、出射光のｓ偏光成分の強度Ｉ９０°ｙはそれぞれ、
【００６６】
【数１７】
となる。
【００６７】
また、光が透過する時に偏光軸が１５０°回転するλ／２波長板からなる第４の透過領域１０２ｄを出射する光は、
【００６８】
【数１８】
で表される。偏光光学素子１０２は周方向に４つの領域に略等分割されており、透過損失が無いと仮定した場合、入射光強度Ｉ０の１／４が第４の透過領域１０２ｄを透過するので、出射光強度Ｉ１５０°は、
【００６９】
【数１９】
となる。この時、出射光のｐ偏光成分の強度Ｉ１５０°ｘ、出射光のｓ偏光成分の強度Ｉ１５０°ｙはそれぞれ、
【００７０】
【数２０】
となる。
よって、偏光光学素子１０２から出射される出射光のｐ偏光成分の強度Ｉｘ、出射光のｓ偏光成分の強度Ｉｙはそれぞれ、
【００７１】
【数２１】
【００７２】
【数２２】
となり、出射光強度Ｉは、
【００７３】
【数２３】
となる。
【００７４】
このように偏光光学素子１０２から出射される出射光のｐ偏光成分の強度Ｉｘとｓ偏光成分の強度Ｉｙを等しくすることにより、互いに相関のない同一強度の光に分割することで、スペックルを低減することができる。また、第１の透過領域１０２ａからの出射光と第３の透過領域１０２ｃからの出射光とは、互いに偏光方向が直交する対となる光束、つまり一つの非偏光光束となる。同様に第２の透過領域１０２ｂからの出射光と第４の透過領域１０２ｄからの出射光とは、互いに偏光方向が直交する対となる光束、つまりもう一つの非偏光光束となる。この２つの非偏光光束の相関が無ければ、２つ(Ｍ＝２)の非偏光光源の重ね合わせからなるスペックルコントラストは１／√４（２Ｍの平方根の逆数）＝１／２となる。
【００７５】
また、偏光成分の異なる光束は後段の光ファイバ４内や整形光学素子６内で内面反射する際に異なる光路長で伝播することになり、細分化された各光束の位相が容易にずれ、スペックルを低減できるようになる。
【００７６】
以上のように、本実施の形態２にかかる照明光学系によれば、偏光光学素子２として、光軸Ｃに垂直な平面を光軸Ｃに対して点対称となる複数の領域１０２ａ〜ｄに分け、複数の領域１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ毎に進相軸の異なるλ／２波長板を備えるように構成したので、互いに偏光方向が直交し光量が等しい光束対が複数含まれる光を利用できるようになり、スペックルを効率よく低減することができる。
【００７７】
なお、スペックルの低減については、偏光光学素子１０２の周方向の領域を分割する分割数は多い方が望ましく、偏光光学素子１０２の出射光のｐ偏光成分の強度とｓ偏光成分の強度が等しくなるようにすることが望ましい。こうすることで、光学素子からの出射光は互いに偏光方向が直交し光量が等しい光束対の数がさらに増加することになる。例えば、本実施の形態２においては、レーザ光源１からの光束を４つに（２対に）分割する場合について示したが、偏光光学素子１０２の周方向の分割において、θ＝３０°の領域をさらにθ＝３０°の領域とθ＝−３０°の領域とに等分割し、θ＝７５°の領域をさらにθ＝７５°の領域とθ＝−７５°の領域とに等分割してもよい。
【００７８】
その際、ビームエクスパンダ５によって、偏光光学素子１０２に入射するビーム径が大きくなるようにしたので、分割数を容易に増加することが可能となる。なお、本実施の形態２では、各領域に入射する光量を容易に均等分割できるよう、各領域を光軸Ｃに対して点対称となるよう周方向で分けたが、これに限る必要はない。各領域に入射する光量が当分できるのであれば、光軸Ｃに垂直な平面をマトリクス状に分割して形成しても良い。
【００７９】
実施の形態３．
上記実施の形態１または２では透明板にλ／２波長板を貼付して偏光光学素子２、１０２を形成するようにしているが、偏光光学素子２０２として光軸Ｃに垂直な平面を光軸Ｃに対して点対称となる複数の領域に分け、複数の領域毎に異方性軸の異なるフォトニック結晶偏光子を集積したもので形成するようにしてもよい。
【００８０】
この場合、各領域をμｍ単位のサイズで形成することができ、分割数を増加させ、より効果的にスペックルノイズを低減させることが可能となる。また、フォトニック結晶で各領域を形成すると、λ／２波長板を貼付する場合と比較して各領域の境界近傍における偏光状態の乱れが少なく、安定した照明光を出射することができる。さらに、フォトニック結晶で形成された光学素子は、２００℃程度まで使用することが可能となり、高温動作が可能となるので冷却構造を簡略化することができる。
【００８１】
なお、上述した各実施の形態１〜３では、レーザ光源１として半導体レーザを使用した場合について説明したが、その他に、固体レーザ、気体レーザ、色素レーザ等を用いてもよい。また、ｐ偏光光を出射するレーザ光源について述べたが、これに限らず、ｓ偏光光を出射するレーザ光源を用いた場合においても、同様の構成で、同様の効果が得られる。
【００８２】
また、偏光光学素子に入射するビーム径を拡大するために、上記各実施の形態１〜３では、レーザ光源１と偏光光学素子２との間にビームエクスパンダ５を設置した。しかし、例えば、発散性のある直線偏光光を出射する光源を使用する場合、偏光光学素子を光源から所定の間隔をあけて配置することにより、発散性によって拡大したビーム径の光束が偏光光学素子に入射するようにしてもよい。
【００８３】
また、光ファイバ４としては、マルチモード光ファイバの他、シングルモード光ファイバを用いることもできるが、マルチモード光ファイバを用いることが望ましい。これによって、異なる角度で入射した光ビーム間において光ファイバ４内で光路長差を発生させることができ、レーザ光のスペックルコントラストを低減することができ、スクリーン４０に映し出される映像のスペックルを低減することができる。また、光ファイバ４としては、ガラス材料、プラスティック材料の他に液体を材料とするものも使用することができる。また、光ファイバ４の入射面４ａ、出射面４ｂに反射防止膜を施すことにより、光の利用効率をより向上させるようにしてもよい。
【００８４】
また、光伝播素子として光ファイバ４を用いた場合の説明をしたが、光ファイバ４の代わりに角筒状体の内周面全体に反射膜を設けたライトパイプや、透明な角棒状体からなるロッドインテグレータを用いても良い。
【００８５】
なお、整形光学素子６は、ライトバルブ８の表示エリアと略相似な断面形状を有する透明な角棒状体からなるロッドインテグレータであってもよい。ロッドインテグレータは、その一端の入射面６ａから入射した光を、側面（すなわち空気層との界面）で全反射しながら出射面６ｂに導き、出射面６ｂから均一な強度分布の光として出射するものである。
【００８６】
なお、上記実施の形態１〜３においては簡略化のため、１色（白黒）対応でレーザ光源１がひとつの場合について説明したが、カラー画像を得るために、赤、緑、青の各色に対応したレーザ光源１Ｒ、１Ｇ、１Ｂを用いた照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂを少なくとも１つずつ使用してもよい。この場合、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの各光ファイバ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの出射面４Ｒｂ、４Ｇｂ、４Ｂｂを光軸Ｃ上に束ねて入射面６ａに近接させ、各色のレーザ光源を周期的に発振させ、その周期毎にライトバルブ８によって変調を行うことにより実現できる。また、複数のライトバルブを用いる場合には異なる波長領域の光を合成するための合成プリズム等を設けてもよい。
【００８７】
また、画像表示装置をフロントプロジェクションタイプに設定する場合、画像表示部であるスクリーンとしては反射型スクリーンを用いることになる。この場合、スクリーンが略完全拡散面を有するようにし、投写光学系３０からの投写光の視野角を広げて、投写光学系３０側に映像光として反射するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る画像表示装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る照明光学系の部分である偏光光学素子の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る照明光学系の部分である偏光光学素子の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る照明光学系での動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８９】
１ レーザ光源、 ２，１０２，２０２ 偏光光学素子、 ３ 集光レンズ、
４ 光ファイバ（光伝播素子）、４ａ 光ファイバ入射面、４ｂ 光ファイバ出射面、 ５ ビームエクスパンダ、 ６ 整形光学素子（整形光学系２０）、６ａ 整形光学素子入射面、６ｂ 整形光学素子出射面、 ７ リレー光学系（整形光学系２０）
８ ライトバルブ（光変調素子）、 １０ 照明光学系、 ３０ 投写光学系、
４０ スクリーン（画像表示部）、 ５０ 光ビーム、 ５０ｉ 入射光の偏光軸、 ５０ａ 進相軸、 ５０ｅ 出射光の偏光軸、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光を発生させる照明光学系およびこの照明光学系から発せされた照明光を用いて画像を表示する画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学式画像表示装置の光源として、レーザを利用した例が多数報告されている。一般に、レーザから射出された光は、高い指向性を有するため光利用効率の向上が見込まれ、また、その単色性は画像表示装置において必要とされる広い色再現領域を実現することが可能なため、照明用光源として有用であると考えられている。
【０００３】
しかし、レーザ光源はコヒーレンス（可干渉性）が高いため、スペックル（スペックルノイズ）が発生しやすい。スペックルは、スクリーン上に形成される空間的にランダムな干渉模様のことであり、可干渉性の高い光が粗い表面から反射したり透過したりするのに伴い発生し、表示画像の画質の低下を招く。
【０００４】
一般に、Ｎ個の互いにインコヒーレントで無相関なコヒーレント光のスペックルパターンを重ね合わせた時、その和は、各スペックルパターンの強度和となり、各光の強度が等しい場合、スペックルコントラストは、１／（Ｎ）1/2になることが知られている。
【０００５】
したがって、レーザ光源からの光ビームをＮ個に分岐し、分岐された光ビームそれぞれの光路長差が可干渉性の無くなる距離（コヒーレント長）Ｌｃ以上であれば、Ｎ個の光ビームはそれぞれインコヒーレントな光とみなすことができ、スペックルコントラストを低減することができる。そこで、光軸に垂直な平面内を複数の領域に分け、領域毎に厚みの異なる光路差発生部材、または長さが互いに異なる光ファイバを束ねた光ファイババンドルを用いた照明光学装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、コヒーレント長以上に光路差をつけるためには、光路差発生部材の厚みを大きくする、または、光ファイバの長さを長くする必要があり、装置が大型化してしまうという問題があった。そこで、光ファイバ内での実質的な光路長を考慮して、コヒーレンス長の６割程度に長さの差を抑えた複数の多モード光ファイバを束ねた光ファイバーバンドルを介して、コヒーレント光のコヒーレンスを低減する照明装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６０−２３０６２９号公報（２頁左上段、第１図、４頁右上段第７図）
【特許文献２】特開平１１−３２６６５３号公報（段落００５０、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、複数の光ファイバを束ねた構造であるために光源から出射された光ビームのうち、光ファイバ間のすき間、あるいは光ファイバのクラッドの部分に入射した光は損失光となってしまい、光源からの光を効率よくライトバルブに導くことが困難であるという問題があった。
【０００９】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、光の損失や装置の大型化を招くことなく、スペックルを低減することができる照明光学系および画像表示装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る照明光学系は、直線偏光光を発する光源と、前記光源から入射した光束を、光軸に垂直な平面内の位置によって偏光軸を異ならせて出射する偏光光学素子と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る画像表示装置は、上記照明光学系と、前記照明光学系から入射した照明光を制御して画像光を形成する光変調素子と、前記光変調素子からの画像光を拡大投写する投写光学系と、前記拡大投写された画像光を表示する画像表示部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、直線偏光光を平面内の位置によって偏光軸の異なる直線偏光光を有する光束に変換することにより、光の損失や装置の大型化を招くことなく、スペックルを低減することができる照明光学系および画像表示装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１に本発明の実施の形態１に係る照明光学系、および該照明光学系を用いた画像表示装置の構成を示す。
【００１４】
図において、照明光学系１０は、直線偏光光（ｐ偏光光）を発する光源であるレーザ光源１と、レーザ光源１からの光束を拡大して出射するビームエクスパンダ５と、ビームエクスパンダ５を介してレーザ光源１から入射した光束（ｐ偏光光）を、光軸Ｃに垂直な平面内の位置によって偏光軸の異ならせて出射する偏光光学素子２と、偏光光学素子２から出射された光束を集光させる集光レンズ３と、集光レンズ３によって入射面４ａに集光された光束を内面で複数回反射させたのち、出射面４ｂから出射する光伝播素子である光ファイバ４と、光ファイバ４の出射面４ｂから出射された断面が円形の光束をライトバルブ８の入射面の形状に相似の矩形形状に整形して出射する整形光学素子６と、整形光学素子６から出射された断面が矩形形状の光束を光変調素子であるライトバルブ８の入射面合致させるように照射するリレー光学系７とを備える。
【００１５】
そして、上述した照明光学系１０と、照明光学系１０から入射した照明光を制御して画像光を形成する光変調素子であるライトバルブ８と、ライトバルブ８からの画像光を拡大投写する投写光学系３０と、前記拡大投写された画像光を表示する画像表示部であるスクリーン４０とで画像表示装置を構成している。以下に詳細を示す。
【００１６】
直線偏光光を発する光源であるレーザ光源１は、略平行な直線偏光光の光ビームを出射する半導体レーザであり、直径が１ｍｍ以下の小さな発光点をひとつ備えている。発光点からは、光軸Ｃに略平行で、偏光軸が単一（ｐ偏光光）、かつ、位相が揃った直線偏光光が出射される。つまり、レーザ光源１からは、ビーム径が１ｍｍ以下の略平行なコヒーレント光が出射される。
【００１７】
ビームエクスパンダ５は、図示しない凹レンズと凸レンズの間隔を各レンズの焦点距離の和になるように配置（共焦点系）したもので、レーザ光源１から出射される直径が１ｍｍ以下の略平行のビームを１ｃｍ程度に拡大し、光軸Ｃに略平行な光として偏光光学素子２に向けて出射する。
【００１８】
図２に偏光光学素子２を光軸Ｃ方向から見た平面図を示す。偏光光学素子２は、図において平板ガラスの光軸Ｃの中心から右半分（２ｂ部分）の領域にλ／２板を貼ることにより形成したものであり、光軸Ｃに垂直な平面を２つの領域に分け、一方の領域２ａには透明板を配置し、他方の領域２ｂにはλ／２波長板を備えたものとなる。そして、領域２ｂにおけるλ／２波長板の光学軸（進相軸）は、レーザ光源１から入射してくるｐ偏光光の偏光軸に対して４５°傾けて配置している。したがって、偏光光学素子２を通過するｐ偏光光５０のうち、左側の透明領域２ａを通過した光はｐ偏光光のまま、右側のλ／２波長板領域２ｂを通過した光はｓ偏光光に変換されて出射し、集光レンズ３に入射する。つまり、偏光光学素子２は、レーザ光源１から発せられた光束のうち、少なくとも１種類（本実施の形態１ではレーザ光源１から発せられた全光束）の直線偏光光（ｐ偏光光）の光束を、光軸Ｃに垂直な平面内の位置によって偏光軸を異ならせて出射する機能を有している。
【００１９】
集光レンズ３は、偏光変換素子２を透過し、光軸Ｃに垂直な面内の光軸Ｃより右側がｓ偏光光で左側がｐ偏光光である直径が約１ｃｍの略平行光を光伝播素子である光ファイバ４の入射面４ａに向けて集光する。
【００２０】
光伝播素子である光ファイバ４は、コア径が５０μｍ、長さ２０ｃｍのマルチモード光ファイバである。光ファイバ４の入射面４ａ（コア径である直径５０μｍ）から入射した光は、光ファイバ４のコアとクラッド間の境界面、つまりコアの内面で全反射を繰り返し、さまざまな経路を経た光が混合された状態で直径５０μｍの出射面４ｂから出射する。なお、光ファイバ４は柔軟性があるので、ファイバ自体は曲げた状態で設置でき、入射面４ａと出射面４ｂとは平行である必要は無い。つまり、光ファイバ４内では光軸Ｃはファイバに沿った曲線状に変化することになるので、入射面４ａより手前部分と出射面４ｂより後段部分との光軸は空間的に必ずしも一致しない。しかし、図１においては理解が容易なように、入射面４ａより手前の光軸Ｃと出射面４ｂから後段の部分での光軸が一致するように、つまり、光ファイバ４が光軸Ｃとともに直線をなすように記載している。
【００２１】
整形光学素子６は、光変調素子であるライトバルブ８の表示エリアと略相似な断面形状を有する角筒状体の内周面全体に反射膜を設けたライトパイプで構成されている。このライトパイプは、その一端の入射面６ａから入射した光を、内周面の反射膜で反射しながら出射面６ｂに導き、出射面６ｂから光軸Ｃに垂直な断面形状が矩形で、光軸Ｃに垂直な平面内での光強度分布が均一な光束を出射するものである。
【００２２】
リレー光学系７は、整形光学素子６とライトバルブ８との間に配置され、整形光学素子６の出射面６ｂとライトバルブ８とが共役な関係となるように結像させる機能を有する。そして、整形光学素子６の出射面６ｂから出射された断面形状の光をライトバルブ８の入射面に合致させるように伝達する。
【００２３】
すなわち、整形光学素子６及びリレー光学系７は、光ファイバ４から入射した略円形の微小な光束をライトバルブ８の表示エリアと略相似の断面形状で、光軸Ｃに垂直な平面内での光強度分布が均一な光束としてライトバルブ８に出射する整形光学系２０として機能する。
【００２４】
光変調素子であるライトバルブ８は、整形光学系２０から入射した光を光変調し、入力された画像信号に応じた画像光を生成して出射する。本実施の形態１では、ライトバルブ８として反射型のＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いた場合の構成を示している。これに限らず、ライトバルブ８として透過型の液晶パネル、または反射型の液晶パネル等を使用することもできる。また、ライトバルブ８を１枚使用した単板式の他、３枚のライトバルブ８を使用した３板式等、複数のライトバルブ８を使用する構成が可能である。
【００２５】
投写光学系３０は、図示しない複数のレンズで構成され、ライトバルブ８とスクリーン４０との間に配置され、ライトバルブ８とスクリーン４０とが共役な関係になるように結像させる機能を有する。そして、ライトバルブ８からの画像光を画像表示部であるスクリーン４０に拡大投写する機能を有する。
【００２６】
本実施の形態１においては画像表示装置をリアプロジェクションタイプで設定しているので、画像表示部であるスクリーン４０としては、透過型スクリーンを用いることになる。この場合、スクリーン４０は、投写光学系３０側に配置されたフレネルレンズと、観察者側に配置されたレンチキュラーレンズとを有し（図示せず）、観察者側に映像を映し出す。フレネルレンズは投写光学系３０からの投写光を略平行光として出射する作用を有する。レンチキュラーレンズはフレネルレンズで略平行光となって入射した投写光を、並列されたシリンドリカルレンズ群の特性により視野角を広げて、観察者側に映像光として出射する作用を有する。
【００２７】
つぎに動作について説明する。
図１において、レーザ光源１から出射された直径が１ｍｍ程度の光軸Ｃに略平行で位相の揃ったｐ偏光光は、ビームエクスパンダ５により、直径が１ｃｍ程度に拡大した光軸Ｃに略平行なｐ偏光光として偏光光学素子２に入射する。
【００２８】
偏光光学素子２は、図２における光軸Ｃを境に左側の領域２ａは単なるガラス板のみなので、左側の領域２ａを通過したｐ偏光光はｐ偏光光のまま出射する。一方、右側の領域２ｂには、ｐ偏光光の偏光軸に対して進相軸を４５°傾けてλ／２波長板が貼付されているので、領域２ｂを通過したｐ偏光光は偏光軸が９０°回転してｓ偏光光に変換されて出射する。このとき、光束の中心である光軸Ｃを境に等分するように領域２ａ、２ｂを形成し、レーザ光源１から出射された光ビーム５０が領域２ａと領域２ｂに略等分に当るように偏光光学素子２を配置したので、偏光光学素子２からはｐ偏光光とｓ偏光光とが略等量出射される。つまり、偏光光学素子２に入射したレーザ光源１から入射した直線偏光光（ｐ偏光光）の光束は、光軸Ｃに垂直な平面内の位置（左右）によって偏光軸の異なる直線偏光光（ｐ偏光光とｓ偏光光）となって出射する。
【００２９】
偏光光学素子２から出射され、集光レンズ３によって光ファイバ４の入射面４ａに集光されたｓ偏光光およびｐ偏光光は、光ファイバ４のコアの内面で全反射を繰り返すことになる。光ファイバのコア内を進む光は、集光レンズ３からの入射角度によって、反射回数が異なることになるので、出射面５ａからは、さまざまな光路長を経た光が混合された状態で出射されることになる。また、ｐ偏光光とｓ偏光光とでは、反射時の挙動が異なるので、ｐ偏光光とｓ偏光光とでは、光路差がより一層異なった状態で出射することになる。
【００３０】
なお、集光レンズ３により、光ファイバ４の入射面４ａに光ビームを集光する際、ビームスポットを光ファイバ４のコア径よりも小さくする必要がある。このようにすることにより、入射面４ａでの反射損失以外の光は光ファイバ４に入射させることができる。また光ファイバ４への入射光は、光ファイバ４のＮＡ（開口数）以下の入射角で入射させることが必要である。このようにすることにより、光ファイバ４に入射した光は、コア、クラッド界面での全反射条件を満たし、光ファイバ４内を進行することができる。
【００３１】
光伝播素子である光ファイバ４の直径５０μｍの出射面４ｂから出射された断面形状が略円形の微小な光束は、整形光学素子６内でさらに複数回反射した後、リレー光学系７によって光軸Ｃに垂直な断面形状が矩形で、光軸Ｃに垂直な平面内での光強度分布が均一な光束としてライトバルブ８に照射され、ライトバルブ８によって画像光に変換された後、投写光学系３０によってスクリーン４０に拡大投写される。
【００３２】
上述したように、本実施の形態１にかかる照明光学系１０では、偏光光学素子２から出射される光は光量がほぼ等しく互いに偏光方向が直交する一対の直線偏光光（ｐ偏光光とｓ偏光光と）を有する光束に変換されて出射されることになる。偏光方向が直交する光は互いに相関のない光とみなすことができるので、偏光光学素子２により、レーザ光源１からの高い相関をもつひとつの光束が、２つの相関のない光束に変換されることになる。
スペックルノイズの指標として広く使われているものにスペックルコントラストがある。これは強度の１次と２次のモーメントから定義される物理量で、平均値で規格化した標準偏差で表される。この標準偏差が小さいことは平均強度からのバラツキが小さい、すなわちスペックルノイズが小さいことを意味する。ここで、おのおのの強度が等しいＮ個の相関のない偏光光源の重ね合わせからなるスペックルコントラストは１／√Ｎ（Ｎの平方根の逆数）に比例することから、一対（Ｎ＝２）の直交する偏光の重ね合わせの場合１／√２となる。したがってレーザ光源１からの光によるスペックルノイズを低減することができる。なお、この偏光方向が直交する一対（Ｎ＝２）の直線偏光の重ね合わせは、ひとつ（Ｍ＝１）の非偏光光と考えることができる。同様にＭ個の相関のない非偏光光源の重ね合わせからなるスペックルコントラストは１／√（２Ｍ）（２Ｍの平方根の逆数）となるため、上記の例ではスペックルコントラストは１／√２となる。
【００３３】
さらに、偏光光学素子２から入射したｓ偏光光とｐ偏光光との混合光が光ファイバ４内で、異なる光路長を経て出射するので、位相が不揃いとなる。そのため、さらに相関のない光に分割されることになり、スペックルノイズをより低減させることができる。
【００３４】
また、整形光学素子６においても、入射した光を異なる光路長を経て出射することになるので、位相がより不揃いとなり、スペックルノイズをさらに低減させることができる。
【００３５】
以上のように、本実施の形態１にかかる照明光学系によれば、直線偏光光（ｐ偏光光）を発するレーザ光源１と、レーザ光源１から入射した光束を、光軸Ｃに垂直な平面内の位置によって偏光軸を異ならせて（ｓ偏光とｐ偏光）出射する偏光光学素子２と、を備えるようにしたので、偏光光学素子２を含む各光学素子や各光学素子間での光の漏れや吸収等による光の損失が少なく、また装置を大型化することもなく、スペックルを低減することができる。
【００３６】
とくに、偏光光学素子２は、光軸Ｃに垂直な平面を２つの領域に分け、一方の領域には透明板を配置し、他方の領域には光源１からの直線偏光光（ｐ偏光光）の偏光軸と異なる進相軸のλ／２波長板を備えて構成したので、簡単な構成で有効にスペックルを低減することができる。
【００３７】
さらに、光源１からの光束を拡大して偏光光学素子２に入射させるビームエクスパンダ５を備えるようにしたので、偏光光学素子２に入射するビーム径が大きくなり、偏光光学素子２内での光５０を均等に領域２ａと領域２ｂに振り分けることができるので、分割した光の強度比を容易に調整でき、スペックルをより効果的に低減できる。また、ビーム径が広がることにより、透過面積あたりの光強度が下がるので、レーザビームによるλ／２波長板での単位面積あたりの発熱量が低減され、素子の劣化を防止することができる。
【００３８】
また、偏光光学素子２から入射した光を内面で複数回反射させたのちに出射する光伝播素子である光ファイバ４を備えたことにより、出射光の位相が不揃いとなり、スペックルノイズをより低減させることができる。
【００３９】
そして、本実施の形態１にかかる画像表示装置によれば、上述した照明光学系と、照明光学系から入射した照明光を制御して画像光を形成する光変調素子であるライトバルブ８と、ライトバルブ８からの画像光を拡大投写する投写光学系３０と、拡大投写された画像光を表示する画像表示部であるスクリーン４０と、を備えるようにようにしたので、光の損失や装置の大型化を招くことなく、スペックルを低減した画像を表示することができる。
【００４０】
なお、本実施の形態１では、領域２ａと領域２ｂに入射する光量が等量となるように、各領域の照射面積を等しくなるようにした。しかし、領域２ａと領域２ｂ内での光線の吸収量の違いを考慮して、各領域から出射される光量が等しくなるよう各領域の面積を調整してもよい。例えば透明板のみの領域２ａに光線５０が入射する面積よりも、λ／２波長板を貼付して吸収量が多くなる領域２ｂに光線５０が入射する面積を大きくするようにしてもよい。
【００４１】
実施の形態２．
本実施の形態２では、上述した実施の形態１における照明光学系１０において、偏光光学素子２の構成を変更した。つまり、図１における照明光学系１０の偏光光学素子２を偏光光学素子１０２に入れ替えたものである。したがって偏光光学素子以外の構成については実施の形態１と同様であるので、主に変更した偏光光学素子１０２についてのみ説明する。
【００４２】
図３は、本実施の形態２にかかる照明光学系、および画像表示装置に用いる偏光光学素子１０２の光軸Ｃ方向から見た平面図を示す。図において、偏光光学素子１０２は光束の中心である光軸Ｃを中心として周方向に４つの領域に分割されており、光が透過する時に偏光軸が変化しない透過領域１０２ａ（第１の透過領域）と、光が透過する時に偏光軸が６０°回転するλ／２波長板からなる透過領域１０２ｂ（第２の透過領域）と、光が透過する時に偏光軸が９０°回転するλ／２波長板からなる透過領域１０２ｃ（第３の透過領域）と、光が透過する時に偏光軸が１５０°回転するλ／２波長板からなる透過領域１０２ｄ（第４の透過領域）とが並べて配置されている。なお、透過領域１０２ａは光学的には入射光の偏光軸と同じ角度の進相軸のλ／２波長板とみなすことができるので、偏光光学素子１０２は、光軸Ｃに垂直な平面を光軸Ｃに対して点対称となる複数の領域１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄに分け、複数の領域１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ毎に進相軸の異なるλ／２波長板を備えた構成と等価といえる。
【００４３】
つぎに動作について説明する。図４に光源１からの光５０（ビームエクスパンダ５を経由）が透過領域１０２ｂを透過する時の偏光軸の状態を模式的に示す。レーザ光源１から出射される光が水平面内で振動する直線偏光光（ｐ偏光光）である場合、λ／２波長板を透過する前の入射光５０の偏光軸は５０ｉで表される。λ／２波長板の進相軸５０ａが入射光５０の偏光軸５０ｉに対し角度θ＝３０°傾けられていることにより、出射光の偏光軸５０ｅは入射光５０の偏光軸５０ｉから進相軸５０ａの方に向けて角度２θ＝６０°回転した偏光軸となる。
【００４４】
このときの透過光の強度について説明する。偏光光学素子１０２への入射光のｐ偏光成分をＥｘ、ｓ偏光成分をＥｙとし、入射光の単位ベクトルを次の列ベクトルＥで表し、強度をＩ０で表す。
【００４５】
【数１】
同様に、偏光光学素子１０２からの出射光のｐ偏光成分をＥ'ｘ、ｓ偏光成分をＥ'ｙとし、出射光の単位ベクトルを次の列ベクトルＥ'で表し、強度をＩで表す。
【００４６】
【数２】
また、入射光のｐ偏光成分の強度、ｓ偏光成分の強度をそれぞれ、Ｉ０ｘ、Ｉ０ｙとし、出射光のｐ偏光成分の強度、ｓ偏光成分の強度をそれぞれ、Ｉｘ、Ｉｙとすると、
【００４７】
【数３】
【００４８】
【数４】
で表される。
【００４９】
入射光が水平面内で振動する直線偏光光（ｐ偏光光）でその強度がＩｉの時、λ／２波長板の進相軸が入射光５０の偏光軸５０ｉに対し角度θ傾けられている場合の出射光は偏光軸が２θ回転するので出射光は次の列ベクトルＥ２θ'で表される。
【００５０】
【数５】
また、出射光強度Ｉ２θは、
【００５１】
【数６】
で表される。
【００５２】
偏光光学素子１０２への入射光が水平面内で振動する直線偏光光（ｐ偏光光）で光強度が１である場合、入射光は、
【００５３】
【数７】
で表される。この時、入射光のｐ偏光成分の強度Ｉ０ｘ、入射光のｓ偏光成分の強度Ｉ０ｙはそれぞれ、
【００５４】
【数８】
で表される。
【００５５】
偏光光学素子１０２の第１の透過領域１０２ａを出射する光は、光が透過する時に偏光軸が変化しないので、
【００５６】
【数９】
で表される。偏光光学素子１０２は周方向に４つの領域に略等分割されており、透過損失が無いと仮定した場合、入射光強度Ｉ０の１／４が第１の透過領域１０２ａを透過するので、出射光強度Ｉ０°は、
【００５７】
【数１０】
となる。この時、出射光のｐ偏光成分の強度Ｉ０°ｘ、出射光のｓ偏光成分の強度Ｉ０°ｙはそれぞれ、
【００５８】
【数１１】
となる。
【００５９】
次に、光が透過する時に偏光軸が６０°回転するλ／２波長板からなる第２の透過領域１０２ｂを出射する光は、
【００６０】
【数１２】
で表される。偏光光学素子１０２は周方向に４つの領域に略等分割されており、透過損失が無いと仮定した場合、入射光強度Ｉ０の１／４が第２の透過領域１０２ｂを透過するので、出射光強度Ｉ６０°は、
【００６１】
【数１３】
となる。この時、出射光のｐ偏光成分の強度Ｉ６０°ｘ、出射光のｓ偏光成分の強度Ｉ６０°ｙはそれぞれ、
【００６２】
【数１４】
となる。
【００６３】
同様に、光が透過する時に偏光軸が９０°回転するλ／２波長板からなる第３の透過領域１０２ｃを出射する光は、
【００６４】
【数１５】
で表される。偏光光学素子１０２は周方向に４つの領域に略等分割されており、透過損失が無いと仮定した場合、入射光強度Ｉ０の１／４が第３の透過領域１０２ｃを透過するので、出射光強度Ｉ９０°は、
【００６５】
【数１６】
となる。この時、出射光のｐ偏光成分の強度Ｉ９０°ｘ、出射光のｓ偏光成分の強度Ｉ９０°ｙはそれぞれ、
【００６６】
【数１７】
となる。
【００６７】
また、光が透過する時に偏光軸が１５０°回転するλ／２波長板からなる第４の透過領域１０２ｄを出射する光は、
【００６８】
【数１８】
で表される。偏光光学素子１０２は周方向に４つの領域に略等分割されており、透過損失が無いと仮定した場合、入射光強度Ｉ０の１／４が第４の透過領域１０２ｄを透過するので、出射光強度Ｉ１５０°は、
【００６９】
【数１９】
となる。この時、出射光のｐ偏光成分の強度Ｉ１５０°ｘ、出射光のｓ偏光成分の強度Ｉ１５０°ｙはそれぞれ、
【００７０】
【数２０】
となる。
よって、偏光光学素子１０２から出射される出射光のｐ偏光成分の強度Ｉｘ、出射光のｓ偏光成分の強度Ｉｙはそれぞれ、
【００７１】
【数２１】
【００７２】
【数２２】
となり、出射光強度Ｉは、
【００７３】
【数２３】
となる。
【００７４】
このように偏光光学素子１０２から出射される出射光のｐ偏光成分の強度Ｉｘとｓ偏光成分の強度Ｉｙを等しくすることにより、互いに相関のない同一強度の光に分割することで、スペックルを低減することができる。また、第１の透過領域１０２ａからの出射光と第３の透過領域１０２ｃからの出射光とは、互いに偏光方向が直交する対となる光束、つまり一つの非偏光光束となる。同様に第２の透過領域１０２ｂからの出射光と第４の透過領域１０２ｄからの出射光とは、互いに偏光方向が直交する対となる光束、つまりもう一つの非偏光光束となる。この２つの非偏光光束の相関が無ければ、２つ(Ｍ＝２)の非偏光光源の重ね合わせからなるスペックルコントラストは１／√４（２Ｍの平方根の逆数）＝１／２となる。
【００７５】
また、偏光成分の異なる光束は後段の光ファイバ４内や整形光学素子６内で内面反射する際に異なる光路長で伝播することになり、細分化された各光束の位相が容易にずれ、スペックルを低減できるようになる。
【００７６】
以上のように、本実施の形態２にかかる照明光学系によれば、偏光光学素子２として、光軸Ｃに垂直な平面を光軸Ｃに対して点対称となる複数の領域１０２ａ〜ｄに分け、複数の領域１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ毎に進相軸の異なるλ／２波長板を備えるように構成したので、互いに偏光方向が直交し光量が等しい光束対が複数含まれる光を利用できるようになり、スペックルを効率よく低減することができる。
【００７７】
なお、スペックルの低減については、偏光光学素子１０２の周方向の領域を分割する分割数は多い方が望ましく、偏光光学素子１０２の出射光のｐ偏光成分の強度とｓ偏光成分の強度が等しくなるようにすることが望ましい。こうすることで、光学素子からの出射光は互いに偏光方向が直交し光量が等しい光束対の数がさらに増加することになる。例えば、本実施の形態２においては、レーザ光源１からの光束を４つに（２対に）分割する場合について示したが、偏光光学素子１０２の周方向の分割において、θ＝３０°の領域をさらにθ＝３０°の領域とθ＝−３０°の領域とに等分割し、θ＝７５°の領域をさらにθ＝７５°の領域とθ＝−７５°の領域とに等分割してもよい。
【００７８】
その際、ビームエクスパンダ５によって、偏光光学素子１０２に入射するビーム径が大きくなるようにしたので、分割数を容易に増加することが可能となる。なお、本実施の形態２では、各領域に入射する光量を容易に均等分割できるよう、各領域を光軸Ｃに対して点対称となるよう周方向で分けたが、これに限る必要はない。各領域に入射する光量が当分できるのであれば、光軸Ｃに垂直な平面をマトリクス状に分割して形成しても良い。
【００７９】
実施の形態３．
上記実施の形態１または２では透明板にλ／２波長板を貼付して偏光光学素子２、１０２を形成するようにしているが、偏光光学素子２０２として光軸Ｃに垂直な平面を光軸Ｃに対して点対称となる複数の領域に分け、複数の領域毎に異方性軸の異なるフォトニック結晶偏光子を集積したもので形成するようにしてもよい。
【００８０】
この場合、各領域をμｍ単位のサイズで形成することができ、分割数を増加させ、より効果的にスペックルノイズを低減させることが可能となる。また、フォトニック結晶で各領域を形成すると、λ／２波長板を貼付する場合と比較して各領域の境界近傍における偏光状態の乱れが少なく、安定した照明光を出射することができる。さらに、フォトニック結晶で形成された光学素子は、２００℃程度まで使用することが可能となり、高温動作が可能となるので冷却構造を簡略化することができる。
【００８１】
なお、上述した各実施の形態１〜３では、レーザ光源１として半導体レーザを使用した場合について説明したが、その他に、固体レーザ、気体レーザ、色素レーザ等を用いてもよい。また、ｐ偏光光を出射するレーザ光源について述べたが、これに限らず、ｓ偏光光を出射するレーザ光源を用いた場合においても、同様の構成で、同様の効果が得られる。
【００８２】
また、偏光光学素子に入射するビーム径を拡大するために、上記各実施の形態１〜３では、レーザ光源１と偏光光学素子２との間にビームエクスパンダ５を設置した。しかし、例えば、発散性のある直線偏光光を出射する光源を使用する場合、偏光光学素子を光源から所定の間隔をあけて配置することにより、発散性によって拡大したビーム径の光束が偏光光学素子に入射するようにしてもよい。
【００８３】
また、光ファイバ４としては、マルチモード光ファイバの他、シングルモード光ファイバを用いることもできるが、マルチモード光ファイバを用いることが望ましい。これによって、異なる角度で入射した光ビーム間において光ファイバ４内で光路長差を発生させることができ、レーザ光のスペックルコントラストを低減することができ、スクリーン４０に映し出される映像のスペックルを低減することができる。また、光ファイバ４としては、ガラス材料、プラスティック材料の他に液体を材料とするものも使用することができる。また、光ファイバ４の入射面４ａ、出射面４ｂに反射防止膜を施すことにより、光の利用効率をより向上させるようにしてもよい。
【００８４】
また、光伝播素子として光ファイバ４を用いた場合の説明をしたが、光ファイバ４の代わりに角筒状体の内周面全体に反射膜を設けたライトパイプや、透明な角棒状体からなるロッドインテグレータを用いても良い。
【００８５】
なお、整形光学素子６は、ライトバルブ８の表示エリアと略相似な断面形状を有する透明な角棒状体からなるロッドインテグレータであってもよい。ロッドインテグレータは、その一端の入射面６ａから入射した光を、側面（すなわち空気層との界面）で全反射しながら出射面６ｂに導き、出射面６ｂから均一な強度分布の光として出射するものである。
【００８６】
なお、上記実施の形態１〜３においては簡略化のため、１色（白黒）対応でレーザ光源１がひとつの場合について説明したが、カラー画像を得るために、赤、緑、青の各色に対応したレーザ光源１Ｒ、１Ｇ、１Ｂを用いた照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂを少なくとも１つずつ使用してもよい。この場合、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの各光ファイバ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの出射面４Ｒｂ、４Ｇｂ、４Ｂｂを光軸Ｃ上に束ねて入射面６ａに近接させ、各色のレーザ光源を周期的に発振させ、その周期毎にライトバルブ８によって変調を行うことにより実現できる。また、複数のライトバルブを用いる場合には異なる波長領域の光を合成するための合成プリズム等を設けてもよい。
【００８７】
また、画像表示装置をフロントプロジェクションタイプに設定する場合、画像表示部であるスクリーンとしては反射型スクリーンを用いることになる。この場合、スクリーンが略完全拡散面を有するようにし、投写光学系３０からの投写光の視野角を広げて、投写光学系３０側に映像光として反射するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る画像表示装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る照明光学系の部分である偏光光学素子の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る照明光学系の部分である偏光光学素子の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る照明光学系での動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８９】
１ レーザ光源、 ２，１０２，２０２ 偏光光学素子、 ３ 集光レンズ、
４ 光ファイバ（光伝播素子）、４ａ 光ファイバ入射面、４ｂ 光ファイバ出射面、 ５ ビームエクスパンダ、 ６ 整形光学素子（整形光学系２０）、６ａ 整形光学素子入射面、６ｂ 整形光学素子出射面、 ７ リレー光学系（整形光学系２０）
８ ライトバルブ（光変調素子）、 １０ 照明光学系、 ３０ 投写光学系、
４０ スクリーン（画像表示部）、 ５０ 光ビーム、 ５０ｉ 入射光の偏光軸、 ５０ａ 進相軸、 ５０ｅ 出射光の偏光軸、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光光を発する光源と、
前記光源から入射した光束を、光軸に垂直な平面内の位置によって偏光軸を異ならせて出射する偏光光学素子と、
を備えてなる照明光学系。
【請求項２】
前記偏光光学素子は、前記光軸に垂直な平面を２つの領域に分け、一方の領域には透明板を配置し、他方の領域には前記光源からの直線偏光光の偏光軸と異なる進相軸のλ／２波長板を備えたことを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記偏光光学素子は、前記光軸に垂直な平面を前記光軸に対して点対称となる複数の領域に分け、前記複数の領域毎に進相軸の異なるλ／２波長板を備えたことを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記偏光光学素子は、前記光軸に垂直な平面を複数の領域に分け、前記複数の領域毎に異方性軸の異なるフォトニック結晶偏光子が集積されたものであることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項５】
前記光源からの光束を拡大して前記偏光光学素子に入射させるビームエキスパンダを備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の照明光学系。
【請求項６】
前記偏光光学素子から入射した光を内面で複数回反射させたのちに出射する光伝播素子を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の照明光学系。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の照明光学系と、
前記照明光学系から入射した照明光を制御して画像光を形成する光変調素子と、
前記光変調素子からの画像光を拡大投写する投写光学系と、
前記拡大投写された画像光を表示する画像表示部と、
を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１】
直線偏光光を発する光源と、
前記光源から入射した光束を、光軸に垂直な平面内の位置によって偏光軸を異ならせて出射する偏光光学素子と、
を備えてなる照明光学系。
【請求項２】
前記偏光光学素子は、前記光軸に垂直な平面を２つの領域に分け、一方の領域には透明板を配置し、他方の領域には前記光源からの直線偏光光の偏光軸と異なる進相軸のλ／２波長板を備えたことを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記偏光光学素子は、前記光軸に垂直な平面を前記光軸に対して点対称となる複数の領域に分け、前記複数の領域毎に進相軸の異なるλ／２波長板を備えたことを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記偏光光学素子は、前記光軸に垂直な平面を複数の領域に分け、前記複数の領域毎に異方性軸の異なるフォトニック結晶偏光子が集積されたものであることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項５】
前記光源からの光束を拡大して前記偏光光学素子に入射させるビームエキスパンダを備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の照明光学系。
【請求項６】
前記偏光光学素子から入射した光を内面で複数回反射させたのちに出射する光伝播素子を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の照明光学系。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の照明光学系と、
前記照明光学系から入射した照明光を制御して画像光を形成する光変調素子と、
前記光変調素子からの画像光を拡大投写する投写光学系と、
前記拡大投写された画像光を表示する画像表示部と、
を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２１０９８７（Ｐ２００９−２１０９８７Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５６１４４（Ｐ２００８−５６１４４）
【出願日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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