照明装置及び投射型映像表示装置
【課題】スペックルノイズが目立つことなく、偏光方向の揃った照明光を出射する照明装置、投射型映像表示装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る照明装置は、光源から出射したコヒーレント光を異なる方向に分離する偏光ビームスプリッターと、偏光ビームスプリッターで分離されたコヒーレント光の一方を反射させる光反射素子と、光反射素子で反射されたコヒーレント光と、偏光ビームスプリッターで分離された他方のコヒーレント光を走査する光走査部と、偏光ビームスプリッターで分離された何れか一方のコヒーレント光の光路に配置され、偏光ビームスプリッターで分離された２つのコヒーレント光の偏光方向を揃える波長板と、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被照明領域を重ねて照明する光拡散素子と、を備える。
【解決手段】本発明に係る照明装置は、光源から出射したコヒーレント光を異なる方向に分離する偏光ビームスプリッターと、偏光ビームスプリッターで分離されたコヒーレント光の一方を反射させる光反射素子と、光反射素子で反射されたコヒーレント光と、偏光ビームスプリッターで分離された他方のコヒーレント光を走査する光走査部と、偏光ビームスプリッターで分離された何れか一方のコヒーレント光の光路に配置され、偏光ビームスプリッターで分離された２つのコヒーレント光の偏光方向を揃える波長板と、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被照明領域を重ねて照明する光拡散素子と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光などのコヒーレント光を使用する照明装置、及び、コヒーレント光を光源に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る。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２０８０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
このような、コヒーレント光を原因として生ずるスペックルは、コヒーレント光を光源
として使用するプロジェクタ（投射型映像表示装置）のみならず、コヒーレント光を使用する様々な照明装置において問題となっている。
【０００９】
ところで、光源に使用されるレーザーは、種類・状況によっては特定の振動方向の偏光成分に揃っていない、もしくは揃っていても振動方向が一定でない場合がある。例えば、ブリュースターウィンドウのないガスレーザー（偏光成分が揃っていない）や、面発光レーザー（ランダム偏光：偏光は揃っているが振動方向が変化する）等が挙げられる。このようなレーザーを光源に用いた場合、入射偏光が揃っている必要がある液晶パネルやＬＣＯＳなどの光変調素子、また、偏光成分ごとに視差画像を表示する３Ｄディスプレイ等の用途では光利用効率の低下、もしくは偏光成分のクロストークによる画質の低下等、様々な問題が生じる可能性がある。
【００１０】
本発明は、コヒーレント光を光源とした場合に生ずるスペックルを抑制するとともに、偏光方向の揃った照明光を出射する照明装置、及び、このような照明光を表示映像形成のために使用する投射型映像表示装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る照明装置は、
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異なる方向に分離する偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターで分離されたコヒーレント光の一方を反射させる光反射素子と、
前記光反射素子で反射されたコヒーレント光と、前記偏光ビームスプリッターで分離された他方のコヒーレント光を走査する光走査部と、
前記偏光ビームスプリッターで分離された何れか一方のコヒーレント光の光路に配置され、前記偏光ビームスプリッターで分離された２つのコヒーレント光の偏光方向を揃える波長板と、
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被照明領域を重ねて照明する光拡散素子と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
さらに本発明に係る照明装置において、前記偏光ビームスプリッターは、前記光源から入射するコヒーレント光がブリュースター角となるように配設された薄膜を含んで構成されることを特徴とする。
【００１３】
さらに本発明に係る照明装置において、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。
【００１４】
さらに本発明に係る照明装置において、前記光反射素子は、ミラーであることを特徴とする。
【００１５】
さらに本発明に係る照明装置において、前記偏光ビームスプリッターと前記光反射素子は、偏光ビームスプリッターアレイで構成されていることを特徴とする。
【００１６】
さらに本発明に係る照明装置において、前記波長板は、前記偏光ビームスプリッターの出射面に貼付けられていることを特徴とする。
【００１７】
さらに本発明に係る照明装置において、前記光拡散素子は、ホログラムであることを特徴とする。
【００１８】
さらに本発明に係る照明装置において、前記ホログラムは、第２の光拡散素子の像を記録したものであることを特徴とする。
【００１９】
さらに本発明に係る照明装置において、前記ホログラムは、透過型ホログラム、反射型ホログラムの何れかであることを特徴とする。
【００２０】
さらに本発明に係る照明装置において、前記光拡散素子は、拡散板であることを特徴とする。
【００２１】
さらに本発明に係る照明装置において、前記光拡散素子は、レンズアレイであることを特徴とする。
【００２２】
また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異なる方向に分離する偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターで分離されたコヒーレント光の一方を反射させる光反射素子と、
前記光反射素子で反射されたコヒーレント光と、前記偏光ビームスプリッターで分離された他方のコヒーレント光を走査する光走査部と、
前記偏光ビームスプリッターで分離された何れか一方のコヒーレント光の光路に配置され、前記偏光ビームスプリッターで分離された２つのコヒーレント光の偏光方向を揃える波長板と、
像が形成される像形成領域を有する変調素子と、
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光拡散素子と、
前記光変調素子の像をスクリーンに投影する投射光学系と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の照明装置によれば、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。
【００２４】
さらに、偏光ビームスプリッターと波長板を用いて偏光成分を揃えることで、光変調素子や一部のホログラムなど、偏光選択性を有する光学素子での光利用効率の向上を図ると共に、クロストークなどの画質劣化を抑制することが可能となる。また偏光変換は、レーザービームの状態で行うことができるため光学系の小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る照明装置を備えた投射型映像表示装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施形態に係る照明装置の構成を示す図
【図３】本発明の実施形態に係る照明装置で使用するホログラム作成の様子を示す図
【図４】本発明の実施形態に係る光走査の様子を示す図
【図５】本発明の他の実施形態に係る光走査の様子を示す図
【図６】本発明の実施形態に係る照明装置で使用する偏光ビームスプリッターアレイの構成を示す図
【図７】偏光ビームスプリッターアレイを用いた照明装置の実施形態を示す図
【図８】偏光ビームスプリッターアレイを用いた照明装置の他の実施形態を示す図
【図９】偏光ビームスプリッターアレイを用いた他の実施形態における照明領域を示す図
【図１０】他の実施形態に係る照明装置を備えた投射型映像表示装置の構成を示す図
【図１１】他の実施形態に係る照明装置の構成を示す図
【図１２】他の実施形態に係る照明装置で使用するホログラム作成の様子を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
では、本発明の実施形態に係る照明装置、及び、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照明装置を備えた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、配置とは異なる場合もある。
【００２７】
本実施形態の投射型映像表示装置１０は、照明装置２０と、映像を形成するための光変調素子３１、光変調素子３１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。
【００２８】
本実施形態の照明装置２０は、光源１１、偏光ビームスプリッター１２、λ／２波長板１３（波長板）、光反射素子１４、光走査部１５、ホログラム２１（光拡散素子）を有して構成されている。
【００２９】
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。偏光ビームスプリッター１２は、光源１１から出射される偏光成分が揃っていないコヒーレント光Ｌ０をｐ偏光成分とそれに直交するｓ偏光成分とに分離する光学素子であって、本実施形態では、プリズム間に挟まれた薄膜１２ａを有して構成されており、プリズム同士は樹脂接着剤もしくは光学接着（オプティカルコンタクト）にて接合されている。薄膜１２aは誘電体多層膜よりなり、プリズム面への０°入射
角がブリュースター角になるよう設計されており、ｐ偏光成分はほぼ透過するがｓ偏光成分はほぼ反射する特性を有する。
【００３０】
λ／２波長板１３（波長板）は、偏光ビームスプリッター１２から出射される２つのコヒーレント光の偏光方向を揃えるために配置されたものであって、２本に分離されたコヒーレント光のどちらか一方の光路中に配置される。本実施形態では、偏光ビームスプリッター１２の一方の射出面に貼り付けられている。このようにλ／２波長板１３と偏光ビームスプリッター１２を一体化することで、部品点数の数を少なくするとともにレイアウトの簡素化が図られている。
【００３１】
λ／２波長板１３を透過したコヒーレント光Ｌ１は、偏光ビームスプリッター１２から出射されたもう一方のコヒーレント光Ｌ１’と偏光方向が揃えられる。このとき偏光方向は、後の光路中に配置される光変調素子３１の偏光方向に一致させておくことが好ましい。さらに、光拡散素子２１として偏光選択特性を有するホログラムを使用する場合には、その偏光方向も考慮した偏光方向とすることが好ましい。このように偏光方向が揃った２つのコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’は、その一方がミラーなど光反射素子１４で反射され光走査部１５に導かれる。
【００３２】
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。
【００３３】
λ／２波長板１３を透過したコヒーレント光Ｌ１と光反射素子１４にて反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、両コヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’を、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」とも言う）に入射させることが好ましい。このような基準点に両コヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’を入射させることで、光走査部１５が走査する両コヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’の走査範囲を略一致させることが可能となり、後で説明する光変調素子３１の入射光の均一化を図ることが可能となる。また、光拡散素子２１にホログラムを使用する場合には、ホログラム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が可能となり、記録されているホログラム再生像を確実に得ることも可能となる。
【００３４】
このように光走査部１５で反射された２本のコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’は、走査光Ｌａとなり、光拡散素子２１の入射面上を時間的に位置を変えつつ走査する。図２は、本発明の実施形態に係る照明装置２０の構成を示す図であって、光拡散素子２１による照明の様子を示した図である。実際には、光走査部１５では入射角度の異なる２本のコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’が反射されることとなるが、各図では説明を容易にするため、どちらか１本のコヒーレント光について時刻ｔ１、ｔ２における光線のみが示されている。本実施形態では、偏光ビームスプリッター１２で分離されたコヒーレント光は、異なる光路をとるが、光走査部１５の基準点で反射され、光拡散素子２１に同じ入射角度で入射するため支障はない。
【００３５】
ここで光拡散部１５による走査光にて走査される光拡散素子２１について説明する。光拡散素子２１は、走査光Ｌａが入射されることで被照明領域、すなわち、本実施形態の場合、光変調素子３１全体を照明する光学素子であって、本実施形態では透過型ホログラムが用いられている。光拡散素子２１としてホログラムを採用したことで、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、被照明領域となる光変調素子３１全体をムラ無く照明することができる。また、ホログラム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。
【００３６】
なお、光拡散素子２１には、このようなホログラムに限ることなく、各点から出射される拡散光が被照明領域を照明できる光学素子であればよく、各点から出射される拡散光が被照明領域全体を照明することが好ましい。例えば、微細なレンズがアレイ状に配列されて構成されたレンズアレイ、あるいは、オパールガラス、すりガラス、樹脂拡散板など、いわゆる通常の拡散板を用いてもよい。なお、本発明における光拡散素子における「拡散」とは、入射光を所定の方向に角度的に拡げて出射することを指し、回折光学素子やレンズアレイ等によう拡散角が十分に制御された場合のみならず、オパールガラス等の散乱粒子により出射角を拡げる場合も含まれるものとする。
【００３７】
本実施形態で使用する光拡散素子２１としての透過型ホログラムは、記録された再生像として拡散板像２２ｉを再生する。図２に示されるように、光走査部１５で走査されたコヒーレント光Ｌ１は、回動する光走査部１５で反射され、走査光Ｌａとなり光拡散素子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。本実施形態の光拡散素子２１は、所定の入射角を有する光（再生照明光）に対して、再生像を形成する透過型ホログラムが用いられて
いる。光走査部１５にて走査される走査光Ｌａは、何れの走査位置においても、この透過型ホログラム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透過型ホログラムの作成については後で説明する。
【００３８】
図２に示されるように、時刻ｔ１のときの走査光Ｌａ（ｔ１）は、光拡散素子２１にて再生光としての照明光Ｌｂ（ｔ１）を出射し拡散板像２２ｉを形成する。また、時刻ｔ２のときの走査光Ｌａ（ｔ２）は、光拡散素子２１にて照明光Ｌｂ（ｔ２）を出射し、同じ拡散板像２２ｉを形成する。このように走査光Ｌａが走査されることで、光拡散素子２１の何れの入射位置を照射するときにも拡散板像２２ｉが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。
【００３９】
図３は、本発明の実施形態に係る照明装置で使用される透過型ホログラムを記録（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の少なくとも使用領域全面を照明するよう拡散させる。
【００４０】
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。
【００４１】
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ホログラム２１が作成される。また、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学素子（光拡散素子２１と峻別できるよう「第２の光拡散素子」と呼ぶ）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２１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。
【００４２】
図２の光拡散素子２１で再生される拡散板像２２ｉは、図１において光変調素子３１の像形成領域全体を照明するように位置される。図１において光変調素子３１の像形成領域は、ＸＹ平面に２次元的に位置している。本実施形態では、光走査部１５には、入射角度が異なる２本のコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’が入射することとなるが、両コヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’の光走査部１５での基準点を、ホログラム作成時の焦点位置Ａと一致させておくことで、どちらのコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’によっても同じ拡散板像２２ｉを形成させることが可能となる。
【００４３】
マイクロディスプレイなどの光変調素子３１は、光拡散素子２１からの照明光Ｌｂにて照明され、画素毎に照明光を透過して映像を形成する。このとき照明光Ｌｂの偏光方向は、偏光ビームスプリッター１２、λ／２波長板１３にて偏光方向が揃えられており、この偏光方向を光変調素子３１で使用される偏光方向と一致させておくことで、光変調素子３１での光利用効率の向上、そして画質の向上を図ることが可能となる。
【００４４】
光変調素子３１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。このときスクリーン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の入射角度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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、光変調素子３１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が光拡散素子２１を走査することで、被照明領域としての光変調素子３１の像形成領域を照明する。すなわち被照明領域を、光拡散素子２１の各点からの拡散光が時間的に分離されるように照明することで、光拡散素子２１より前の位相情報をキャンセルするとともに光拡散素子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。
【００４７】
以上、本発明の実施形態に係る照明装置、投射型映像表示装置について説明したが、この照明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の走査は、１次元的、２次元的走査どちらを利用してもよい。何れの場合においても光拡散素子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。
【００４８】
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、光拡散素子２１上をライン上に往復して走査する。光拡散素子２１としてホログラムを用いた場合には、何れの走査位置においても拡散板像２２ｉが形成される。このような実施形態では、走査領域がライン状で済むため、光拡散素子２１を小型化することができる。ライン状の走査で十分に被照明領域を得るためには、ホログラムを用いることが好ましい。
【００４９】
図５には、２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からのコヒーレント光は、２軸方向で共振振動する光走査部１５の反射面上で反射し、光拡散素子２１上を２次元的に走査する。この実施形態においても光拡散素子２１からの拡散光は、被照明領域全体を十分に照明するものとなっており、特にホログラムを用いた場合には、被照明領域に合わせた形状の拡散板像２２ｉを形成することが可能であり光の利用効率が高められる。このような実施形態は、オパールガラスのような通常の拡散板を用いた場合に有効である。各点からの拡散光の照度分布が一定でない場合であっても照度の平均化を図り、被照明領域全体を均一に照明することが可能となる。
【００５０】
また、前述の実施形態で使用した偏光ビームスプリッター１２と光反射素子１４は、偏光ビームスプリッターアレイとして構成することも可能である。図６は、偏光ビームスプリッターアレイの構成を説明する図である。偏光ビームスプリッターアレイ１６は、プリ
ズムで挟まれた複数の薄膜１６ａ、１６ｂにて構成され、本実施形態では、薄膜１６ａは、光源１１からのコヒーレント光Ｌ０をｐ偏光成分とｓ偏光成分とに分離する。もう一方の薄膜１６ｂは、分離された一方のコヒーレント光Ｌ１’を光走査部１５側に導く光反射素子として機能する。
【００５１】
このような偏光ビームスプリッターアレイ１６を使用した場合、出射される各コヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’が距離ｄだけ離れた平行光として出射される。そのため、光拡散部１５に入射させる際、あるいは、光拡散素子２１で被照明領域を照明する際に工夫が必要となる。
【００５２】
図７、図８は、偏光ビームスプリッターアレイを用いた照明装置の実施形態を示す図であって、ちょうど図２で説明した照明装置において、偏光ビームスプリッター１２、光反射素子１４に代えて、偏光ビームスプリッターアレイ１６を用いた実施形態となっている。どちらの実施形態においても図２と同様の点については説明を省略する。
【００５３】
図７に示される実施形態では、偏光ビームスプリッターアレイ１６で２本の平行光をレンズなどの集光光学系１８で、光走査部１５の基準点に集光させることとしている。この実施形態では、前述の実施形態と同様、入射角度の異なる２本のコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’が反射されることとなるが、光拡散素子２１の各入射位置において２本のコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’が同じ入射角度で入射される。そのため、特に、光拡散素子２１にホログラムを用いた場合には、光走査部１５の基準点を、ホログラム作成時の焦点位置Ａと一致させておくことで、どちらのコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’によっても同じ拡散板像２２ｉを形成させることができ、光の利用効率を向上させることが可能となる。
【００５４】
一方、図８に示される実施形態では、偏光ビームスプリッターアレイ１６から出射された２本の平行光Ｌ１、Ｌ１’をそのまま光走査部１５に入射させることとしている。このような形態では、光走査部１５の反射面の２箇所において各コヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’が反射されることとなる。そのため、光拡散素子２１の各入射位置では、２本の走査光ＬａとＬａ’による照射範囲が異なったものとなる。しかしながら、光拡散素子２１としてホログラムを利用した場合には、常に同じ位置に拡散板像２２ｉを形成することとなるため、光の利用効率の向上を図ることが可能となる。
【００５５】
また、このような場合、光拡散素子２１として、レンズアレイや、オパールガラスなどの通常の拡散板などを用いたときには、光拡散素子２１の各点における入射角度の違いによって照明領域にずれが生じる場合がある。そのため、図９に示すようにコヒーレント光Ｌａが入射したときの光拡散素子２１による照明領域２２ｉと、コヒーレント光Ｌａ’が入射したときの光拡散素子２１による照明領域２２ｉ’がどちらも被照明領域としての光変調素子３１の像形成領域全体を照明することが均一な照明を行う上で好ましい。
【００５６】
図１の実施形態では、透過型の光拡散素子２１を使用したが、光拡散素子２１としては反射型のものを用いることとしてもよい。図１０〜図１１は、光拡散素子２１として反射型ホログラムを使用したときの実施形態であって、各図は、それぞれ図１〜図３の透過型のものと対応した図となっている。
【００５７】
図１０は、投射型映像表示装置の構成を示す図であって、光拡散素子２１として反射型ホログラムを使用した実施形態となっている。前述の実施形態と同様、光走査部１５からの走査光Ｌａは、光拡散素子２１の入射面を時間的に位置を変えつつ走査を行う。反射型ホログラムでこの入射面が、反射面としても機能し、反射された再生像は、前実施形態と同様、被照明領域としての光変調素子３１の像形成領域全体を照明する。光拡散素子２１の何れの点を走査した場合にも、各点から出射される拡散光は、被照明領域を照明するこ
とで、被照明領域に対する入射角度を時間的に異ならせることが可能となる。したがって、前実施形態と同様、スクリーン４１上で発生するスペックル、並びに、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くすることができる。
【００５８】
図１２は、本実施形態で使用する反射型ホログラムを作成する際の構成（干渉露光）を示した図である。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からの各点からの拡散光（物体光Ｏｂ）は、ホログラム記録材料２４の少なくとも使用領域全面を照明するよう拡散させる。
【００５９】
そして、ホログラム記録材料２４の他の面から、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。
【００６０】
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反射型ホログラム２１が作成される。なお、前実施形態と同様、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拡散板２２だけでなく、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学素子（第２の光拡散素子）であればよい。また、この反射型ホログラムについても計算機合成ホログラムを使用することとしてもよい。
【００６１】
以上、本実施形態によれば、スペックルノイズが目立つことなく、偏光方向の揃った照明光を出射する照明装置、並びに、この照明装置にて光変調素子を照明することでスペックルノイズが目立たない映像を提供することのできる投射型映像表示装置を提供することが可能となる。
【００６２】
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。
【符号の説明】
【００６３】
１０…投射型映像表示装置
１１…光源
１２…偏光ビームスプリッター
１３…λ／２波長板
１４…光反射素子
１５…光走査部
１６…偏光ビームスプリッターアレイ
１７…λ／２波長板
２０…照明装置
２１…光拡散素子（ホログラム）
２２ｉ…拡散板像
２３…集光光学系
２４…ホログラム記録材料
３１…光変調素子（マイクロディスプレイ）
３１ａ…像形成領域
３２…投射光学系
４１…スクリーン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光などのコヒーレント光を使用する照明装置、及び、コヒーレント光を光源に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る。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２０８０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
このような、コヒーレント光を原因として生ずるスペックルは、コヒーレント光を光源
として使用するプロジェクタ（投射型映像表示装置）のみならず、コヒーレント光を使用する様々な照明装置において問題となっている。
【０００９】
ところで、光源に使用されるレーザーは、種類・状況によっては特定の振動方向の偏光成分に揃っていない、もしくは揃っていても振動方向が一定でない場合がある。例えば、ブリュースターウィンドウのないガスレーザー（偏光成分が揃っていない）や、面発光レーザー（ランダム偏光：偏光は揃っているが振動方向が変化する）等が挙げられる。このようなレーザーを光源に用いた場合、入射偏光が揃っている必要がある液晶パネルやＬＣＯＳなどの光変調素子、また、偏光成分ごとに視差画像を表示する３Ｄディスプレイ等の用途では光利用効率の低下、もしくは偏光成分のクロストークによる画質の低下等、様々な問題が生じる可能性がある。
【００１０】
本発明は、コヒーレント光を光源とした場合に生ずるスペックルを抑制するとともに、偏光方向の揃った照明光を出射する照明装置、及び、このような照明光を表示映像形成のために使用する投射型映像表示装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る照明装置は、
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異なる方向に分離する偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターで分離されたコヒーレント光の一方を反射させる光反射素子と、
前記光反射素子で反射されたコヒーレント光と、前記偏光ビームスプリッターで分離された他方のコヒーレント光を走査する光走査部と、
前記偏光ビームスプリッターで分離された何れか一方のコヒーレント光の光路に配置され、前記偏光ビームスプリッターで分離された２つのコヒーレント光の偏光方向を揃える波長板と、
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被照明領域を重ねて照明する光拡散素子と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
さらに本発明に係る照明装置において、前記偏光ビームスプリッターは、前記光源から入射するコヒーレント光がブリュースター角となるように配設された薄膜を含んで構成されることを特徴とする。
【００１３】
さらに本発明に係る照明装置において、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。
【００１４】
さらに本発明に係る照明装置において、前記光反射素子は、ミラーであることを特徴とする。
【００１５】
さらに本発明に係る照明装置において、前記偏光ビームスプリッターと前記光反射素子は、偏光ビームスプリッターアレイで構成されていることを特徴とする。
【００１６】
さらに本発明に係る照明装置において、前記波長板は、前記偏光ビームスプリッターの出射面に貼付けられていることを特徴とする。
【００１７】
さらに本発明に係る照明装置において、前記光拡散素子は、ホログラムであることを特徴とする。
【００１８】
さらに本発明に係る照明装置において、前記ホログラムは、第２の光拡散素子の像を記録したものであることを特徴とする。
【００１９】
さらに本発明に係る照明装置において、前記ホログラムは、透過型ホログラム、反射型ホログラムの何れかであることを特徴とする。
【００２０】
さらに本発明に係る照明装置において、前記光拡散素子は、拡散板であることを特徴とする。
【００２１】
さらに本発明に係る照明装置において、前記光拡散素子は、レンズアレイであることを特徴とする。
【００２２】
また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異なる方向に分離する偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターで分離されたコヒーレント光の一方を反射させる光反射素子と、
前記光反射素子で反射されたコヒーレント光と、前記偏光ビームスプリッターで分離された他方のコヒーレント光を走査する光走査部と、
前記偏光ビームスプリッターで分離された何れか一方のコヒーレント光の光路に配置され、前記偏光ビームスプリッターで分離された２つのコヒーレント光の偏光方向を揃える波長板と、
像が形成される像形成領域を有する変調素子と、
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光拡散素子と、
前記光変調素子の像をスクリーンに投影する投射光学系と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の照明装置によれば、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。
【００２４】
さらに、偏光ビームスプリッターと波長板を用いて偏光成分を揃えることで、光変調素子や一部のホログラムなど、偏光選択性を有する光学素子での光利用効率の向上を図ると共に、クロストークなどの画質劣化を抑制することが可能となる。また偏光変換は、レーザービームの状態で行うことができるため光学系の小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る照明装置を備えた投射型映像表示装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施形態に係る照明装置の構成を示す図
【図３】本発明の実施形態に係る照明装置で使用するホログラム作成の様子を示す図
【図４】本発明の実施形態に係る光走査の様子を示す図
【図５】本発明の他の実施形態に係る光走査の様子を示す図
【図６】本発明の実施形態に係る照明装置で使用する偏光ビームスプリッターアレイの構成を示す図
【図７】偏光ビームスプリッターアレイを用いた照明装置の実施形態を示す図
【図８】偏光ビームスプリッターアレイを用いた照明装置の他の実施形態を示す図
【図９】偏光ビームスプリッターアレイを用いた他の実施形態における照明領域を示す図
【図１０】他の実施形態に係る照明装置を備えた投射型映像表示装置の構成を示す図
【図１１】他の実施形態に係る照明装置の構成を示す図
【図１２】他の実施形態に係る照明装置で使用するホログラム作成の様子を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
では、本発明の実施形態に係る照明装置、及び、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照明装置を備えた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、配置とは異なる場合もある。
【００２７】
本実施形態の投射型映像表示装置１０は、照明装置２０と、映像を形成するための光変調素子３１、光変調素子３１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。
【００２８】
本実施形態の照明装置２０は、光源１１、偏光ビームスプリッター１２、λ／２波長板１３（波長板）、光反射素子１４、光走査部１５、ホログラム２１（光拡散素子）を有して構成されている。
【００２９】
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。偏光ビームスプリッター１２は、光源１１から出射される偏光成分が揃っていないコヒーレント光Ｌ０をｐ偏光成分とそれに直交するｓ偏光成分とに分離する光学素子であって、本実施形態では、プリズム間に挟まれた薄膜１２ａを有して構成されており、プリズム同士は樹脂接着剤もしくは光学接着（オプティカルコンタクト）にて接合されている。薄膜１２aは誘電体多層膜よりなり、プリズム面への０°入射
角がブリュースター角になるよう設計されており、ｐ偏光成分はほぼ透過するがｓ偏光成分はほぼ反射する特性を有する。
【００３０】
λ／２波長板１３（波長板）は、偏光ビームスプリッター１２から出射される２つのコヒーレント光の偏光方向を揃えるために配置されたものであって、２本に分離されたコヒーレント光のどちらか一方の光路中に配置される。本実施形態では、偏光ビームスプリッター１２の一方の射出面に貼り付けられている。このようにλ／２波長板１３と偏光ビームスプリッター１２を一体化することで、部品点数の数を少なくするとともにレイアウトの簡素化が図られている。
【００３１】
λ／２波長板１３を透過したコヒーレント光Ｌ１は、偏光ビームスプリッター１２から出射されたもう一方のコヒーレント光Ｌ１’と偏光方向が揃えられる。このとき偏光方向は、後の光路中に配置される光変調素子３１の偏光方向に一致させておくことが好ましい。さらに、光拡散素子２１として偏光選択特性を有するホログラムを使用する場合には、その偏光方向も考慮した偏光方向とすることが好ましい。このように偏光方向が揃った２つのコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’は、その一方がミラーなど光反射素子１４で反射され光走査部１５に導かれる。
【００３２】
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。
【００３３】
λ／２波長板１３を透過したコヒーレント光Ｌ１と光反射素子１４にて反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、両コヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’を、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」とも言う）に入射させることが好ましい。このような基準点に両コヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’を入射させることで、光走査部１５が走査する両コヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’の走査範囲を略一致させることが可能となり、後で説明する光変調素子３１の入射光の均一化を図ることが可能となる。また、光拡散素子２１にホログラムを使用する場合には、ホログラム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が可能となり、記録されているホログラム再生像を確実に得ることも可能となる。
【００３４】
このように光走査部１５で反射された２本のコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’は、走査光Ｌａとなり、光拡散素子２１の入射面上を時間的に位置を変えつつ走査する。図２は、本発明の実施形態に係る照明装置２０の構成を示す図であって、光拡散素子２１による照明の様子を示した図である。実際には、光走査部１５では入射角度の異なる２本のコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’が反射されることとなるが、各図では説明を容易にするため、どちらか１本のコヒーレント光について時刻ｔ１、ｔ２における光線のみが示されている。本実施形態では、偏光ビームスプリッター１２で分離されたコヒーレント光は、異なる光路をとるが、光走査部１５の基準点で反射され、光拡散素子２１に同じ入射角度で入射するため支障はない。
【００３５】
ここで光拡散部１５による走査光にて走査される光拡散素子２１について説明する。光拡散素子２１は、走査光Ｌａが入射されることで被照明領域、すなわち、本実施形態の場合、光変調素子３１全体を照明する光学素子であって、本実施形態では透過型ホログラムが用いられている。光拡散素子２１としてホログラムを採用したことで、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、被照明領域となる光変調素子３１全体をムラ無く照明することができる。また、ホログラム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。
【００３６】
なお、光拡散素子２１には、このようなホログラムに限ることなく、各点から出射される拡散光が被照明領域を照明できる光学素子であればよく、各点から出射される拡散光が被照明領域全体を照明することが好ましい。例えば、微細なレンズがアレイ状に配列されて構成されたレンズアレイ、あるいは、オパールガラス、すりガラス、樹脂拡散板など、いわゆる通常の拡散板を用いてもよい。なお、本発明における光拡散素子における「拡散」とは、入射光を所定の方向に角度的に拡げて出射することを指し、回折光学素子やレンズアレイ等によう拡散角が十分に制御された場合のみならず、オパールガラス等の散乱粒子により出射角を拡げる場合も含まれるものとする。
【００３７】
本実施形態で使用する光拡散素子２１としての透過型ホログラムは、記録された再生像として拡散板像２２ｉを再生する。図２に示されるように、光走査部１５で走査されたコヒーレント光Ｌ１は、回動する光走査部１５で反射され、走査光Ｌａとなり光拡散素子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。本実施形態の光拡散素子２１は、所定の入射角を有する光（再生照明光）に対して、再生像を形成する透過型ホログラムが用いられて
いる。光走査部１５にて走査される走査光Ｌａは、何れの走査位置においても、この透過型ホログラム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透過型ホログラムの作成については後で説明する。
【００３８】
図２に示されるように、時刻ｔ１のときの走査光Ｌａ（ｔ１）は、光拡散素子２１にて再生光としての照明光Ｌｂ（ｔ１）を出射し拡散板像２２ｉを形成する。また、時刻ｔ２のときの走査光Ｌａ（ｔ２）は、光拡散素子２１にて照明光Ｌｂ（ｔ２）を出射し、同じ拡散板像２２ｉを形成する。このように走査光Ｌａが走査されることで、光拡散素子２１の何れの入射位置を照射するときにも拡散板像２２ｉが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。
【００３９】
図３は、本発明の実施形態に係る照明装置で使用される透過型ホログラムを記録（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の少なくとも使用領域全面を照明するよう拡散させる。
【００４０】
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。
【００４１】
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ホログラム２１が作成される。また、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学素子（光拡散素子２１と峻別できるよう「第２の光拡散素子」と呼ぶ）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２１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。
【００４２】
図２の光拡散素子２１で再生される拡散板像２２ｉは、図１において光変調素子３１の像形成領域全体を照明するように位置される。図１において光変調素子３１の像形成領域は、ＸＹ平面に２次元的に位置している。本実施形態では、光走査部１５には、入射角度が異なる２本のコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’が入射することとなるが、両コヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’の光走査部１５での基準点を、ホログラム作成時の焦点位置Ａと一致させておくことで、どちらのコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’によっても同じ拡散板像２２ｉを形成させることが可能となる。
【００４３】
マイクロディスプレイなどの光変調素子３１は、光拡散素子２１からの照明光Ｌｂにて照明され、画素毎に照明光を透過して映像を形成する。このとき照明光Ｌｂの偏光方向は、偏光ビームスプリッター１２、λ／２波長板１３にて偏光方向が揃えられており、この偏光方向を光変調素子３１で使用される偏光方向と一致させておくことで、光変調素子３１での光利用効率の向上、そして画質の向上を図ることが可能となる。
【００４４】
光変調素子３１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。このときスクリーン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の入射角度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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、光変調素子３１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が光拡散素子２１を走査することで、被照明領域としての光変調素子３１の像形成領域を照明する。すなわち被照明領域を、光拡散素子２１の各点からの拡散光が時間的に分離されるように照明することで、光拡散素子２１より前の位相情報をキャンセルするとともに光拡散素子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。
【００４７】
以上、本発明の実施形態に係る照明装置、投射型映像表示装置について説明したが、この照明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の走査は、１次元的、２次元的走査どちらを利用してもよい。何れの場合においても光拡散素子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。
【００４８】
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、光拡散素子２１上をライン上に往復して走査する。光拡散素子２１としてホログラムを用いた場合には、何れの走査位置においても拡散板像２２ｉが形成される。このような実施形態では、走査領域がライン状で済むため、光拡散素子２１を小型化することができる。ライン状の走査で十分に被照明領域を得るためには、ホログラムを用いることが好ましい。
【００４９】
図５には、２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からのコヒーレント光は、２軸方向で共振振動する光走査部１５の反射面上で反射し、光拡散素子２１上を２次元的に走査する。この実施形態においても光拡散素子２１からの拡散光は、被照明領域全体を十分に照明するものとなっており、特にホログラムを用いた場合には、被照明領域に合わせた形状の拡散板像２２ｉを形成することが可能であり光の利用効率が高められる。このような実施形態は、オパールガラスのような通常の拡散板を用いた場合に有効である。各点からの拡散光の照度分布が一定でない場合であっても照度の平均化を図り、被照明領域全体を均一に照明することが可能となる。
【００５０】
また、前述の実施形態で使用した偏光ビームスプリッター１２と光反射素子１４は、偏光ビームスプリッターアレイとして構成することも可能である。図６は、偏光ビームスプリッターアレイの構成を説明する図である。偏光ビームスプリッターアレイ１６は、プリ
ズムで挟まれた複数の薄膜１６ａ、１６ｂにて構成され、本実施形態では、薄膜１６ａは、光源１１からのコヒーレント光Ｌ０をｐ偏光成分とｓ偏光成分とに分離する。もう一方の薄膜１６ｂは、分離された一方のコヒーレント光Ｌ１’を光走査部１５側に導く光反射素子として機能する。
【００５１】
このような偏光ビームスプリッターアレイ１６を使用した場合、出射される各コヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’が距離ｄだけ離れた平行光として出射される。そのため、光拡散部１５に入射させる際、あるいは、光拡散素子２１で被照明領域を照明する際に工夫が必要となる。
【００５２】
図７、図８は、偏光ビームスプリッターアレイを用いた照明装置の実施形態を示す図であって、ちょうど図２で説明した照明装置において、偏光ビームスプリッター１２、光反射素子１４に代えて、偏光ビームスプリッターアレイ１６を用いた実施形態となっている。どちらの実施形態においても図２と同様の点については説明を省略する。
【００５３】
図７に示される実施形態では、偏光ビームスプリッターアレイ１６で２本の平行光をレンズなどの集光光学系１８で、光走査部１５の基準点に集光させることとしている。この実施形態では、前述の実施形態と同様、入射角度の異なる２本のコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’が反射されることとなるが、光拡散素子２１の各入射位置において２本のコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’が同じ入射角度で入射される。そのため、特に、光拡散素子２１にホログラムを用いた場合には、光走査部１５の基準点を、ホログラム作成時の焦点位置Ａと一致させておくことで、どちらのコヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’によっても同じ拡散板像２２ｉを形成させることができ、光の利用効率を向上させることが可能となる。
【００５４】
一方、図８に示される実施形態では、偏光ビームスプリッターアレイ１６から出射された２本の平行光Ｌ１、Ｌ１’をそのまま光走査部１５に入射させることとしている。このような形態では、光走査部１５の反射面の２箇所において各コヒーレント光Ｌ１、Ｌ１’が反射されることとなる。そのため、光拡散素子２１の各入射位置では、２本の走査光ＬａとＬａ’による照射範囲が異なったものとなる。しかしながら、光拡散素子２１としてホログラムを利用した場合には、常に同じ位置に拡散板像２２ｉを形成することとなるため、光の利用効率の向上を図ることが可能となる。
【００５５】
また、このような場合、光拡散素子２１として、レンズアレイや、オパールガラスなどの通常の拡散板などを用いたときには、光拡散素子２１の各点における入射角度の違いによって照明領域にずれが生じる場合がある。そのため、図９に示すようにコヒーレント光Ｌａが入射したときの光拡散素子２１による照明領域２２ｉと、コヒーレント光Ｌａ’が入射したときの光拡散素子２１による照明領域２２ｉ’がどちらも被照明領域としての光変調素子３１の像形成領域全体を照明することが均一な照明を行う上で好ましい。
【００５６】
図１の実施形態では、透過型の光拡散素子２１を使用したが、光拡散素子２１としては反射型のものを用いることとしてもよい。図１０〜図１１は、光拡散素子２１として反射型ホログラムを使用したときの実施形態であって、各図は、それぞれ図１〜図３の透過型のものと対応した図となっている。
【００５７】
図１０は、投射型映像表示装置の構成を示す図であって、光拡散素子２１として反射型ホログラムを使用した実施形態となっている。前述の実施形態と同様、光走査部１５からの走査光Ｌａは、光拡散素子２１の入射面を時間的に位置を変えつつ走査を行う。反射型ホログラムでこの入射面が、反射面としても機能し、反射された再生像は、前実施形態と同様、被照明領域としての光変調素子３１の像形成領域全体を照明する。光拡散素子２１の何れの点を走査した場合にも、各点から出射される拡散光は、被照明領域を照明するこ
とで、被照明領域に対する入射角度を時間的に異ならせることが可能となる。したがって、前実施形態と同様、スクリーン４１上で発生するスペックル、並びに、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くすることができる。
【００５８】
図１２は、本実施形態で使用する反射型ホログラムを作成する際の構成（干渉露光）を示した図である。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からの各点からの拡散光（物体光Ｏｂ）は、ホログラム記録材料２４の少なくとも使用領域全面を照明するよう拡散させる。
【００５９】
そして、ホログラム記録材料２４の他の面から、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。
【００６０】
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反射型ホログラム２１が作成される。なお、前実施形態と同様、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拡散板２２だけでなく、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学素子（第２の光拡散素子）であればよい。また、この反射型ホログラムについても計算機合成ホログラムを使用することとしてもよい。
【００６１】
以上、本実施形態によれば、スペックルノイズが目立つことなく、偏光方向の揃った照明光を出射する照明装置、並びに、この照明装置にて光変調素子を照明することでスペックルノイズが目立たない映像を提供することのできる投射型映像表示装置を提供することが可能となる。
【００６２】
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。
【符号の説明】
【００６３】
１０…投射型映像表示装置
１１…光源
１２…偏光ビームスプリッター
１３…λ／２波長板
１４…光反射素子
１５…光走査部
１６…偏光ビームスプリッターアレイ
１７…λ／２波長板
２０…照明装置
２１…光拡散素子（ホログラム）
２２ｉ…拡散板像
２３…集光光学系
２４…ホログラム記録材料
３１…光変調素子（マイクロディスプレイ）
３１ａ…像形成領域
３２…投射光学系
４１…スクリーン
【特許請求の範囲】
【請求項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異なる方向に分離する偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターで分離されたコヒーレント光の一方を反射させる光反射素子と、
前記光反射素子で反射されたコヒーレント光と、前記偏光ビームスプリッターで分離された他方のコヒーレント光を走査する光走査部と、
前記偏光ビームスプリッターで分離された何れか一方のコヒーレント光の光路に配置され、前記偏光ビームスプリッターで分離された２つのコヒーレント光の偏光方向を揃える波長板と、
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被照明領域を重ねて照明する光拡散素子と、を備えたことを特徴とする
照明装置。
【請求項２】
前記偏光ビームスプリッターは、前記光源から入射するコヒーレント光がブリュースター角となるように配設された薄膜を含んで構成されることを特徴とする
請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
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または請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記光反射素子は、ミラーであることを特徴とする
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記偏光ビームスプリッターと前記光反射素子は、偏光ビームスプリッターアレイで構成されていることを特徴とする
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記波長板は、前記偏光ビームスプリッターの出射面に貼付けられていることを特徴とする
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記光拡散素子は、ホログラムであることを特徴とする
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記ホログラムは、第２の光拡散素子の像を記録したものであることを特徴とする
請求項７に記載の照明装置。
【請求項９】
前記ホログラムは、透過型ホログラム、反射型ホログラムの何れかであることを特徴とする
請求項７または請求項８に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記光拡散素子は、拡散板であることを特徴とする
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記光拡散素子は、レンズアレイであることを特徴とする
請求項１から請求項６の何れかに記載の照明装置。
【請求項１２】
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異なる方向に分離する偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターで分離されたコヒーレント光の一方を反射させる光反射素子と、
前記光反射素子で反射されたコヒーレント光と、前記偏光ビームスプリッターで分離された他方のコヒーレント光を走査する光走査部と、
前記偏光ビームスプリッターで分離された何れか一方のコヒーレント光の光路に配置され、前記偏光ビームスプリッターで分離された２つのコヒーレント光の偏光方向を揃える波長板と、
像が形成される像形成領域を有する変調素子と、
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光拡散素子と、
前記光変調素子の像をスクリーンに投影する投射光学系と、を備えることを特徴とする
投射型映像表示装置。
【請求項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異なる方向に分離する偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターで分離されたコヒーレント光の一方を反射させる光反射素子と、
前記光反射素子で反射されたコヒーレント光と、前記偏光ビームスプリッターで分離された他方のコヒーレント光を走査する光走査部と、
前記偏光ビームスプリッターで分離された何れか一方のコヒーレント光の光路に配置され、前記偏光ビームスプリッターで分離された２つのコヒーレント光の偏光方向を揃える波長板と、
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被照明領域を重ねて照明する光拡散素子と、を備えたことを特徴とする
照明装置。
【請求項２】
前記偏光ビームスプリッターは、前記光源から入射するコヒーレント光がブリュースター角となるように配設された薄膜を含んで構成されることを特徴とする
請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
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または請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記光反射素子は、ミラーであることを特徴とする
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記偏光ビームスプリッターと前記光反射素子は、偏光ビームスプリッターアレイで構成されていることを特徴とする
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記波長板は、前記偏光ビームスプリッターの出射面に貼付けられていることを特徴とする
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記光拡散素子は、ホログラムであることを特徴とする
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記ホログラムは、第２の光拡散素子の像を記録したものであることを特徴とする
請求項７に記載の照明装置。
【請求項９】
前記ホログラムは、透過型ホログラム、反射型ホログラムの何れかであることを特徴とする
請求項７または請求項８に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記光拡散素子は、拡散板であることを特徴とする
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記光拡散素子は、レンズアレイであることを特徴とする
請求項１から請求項６の何れかに記載の照明装置。
【請求項１２】
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異なる方向に分離する偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターで分離されたコヒーレント光の一方を反射させる光反射素子と、
前記光反射素子で反射されたコヒーレント光と、前記偏光ビームスプリッターで分離された他方のコヒーレント光を走査する光走査部と、
前記偏光ビームスプリッターで分離された何れか一方のコヒーレント光の光路に配置され、前記偏光ビームスプリッターで分離された２つのコヒーレント光の偏光方向を揃える波長板と、
像が形成される像形成領域を有する変調素子と、
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光拡散素子と、
前記光変調素子の像をスクリーンに投影する投射光学系と、を備えることを特徴とする
投射型映像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２２６２７０（Ｐ２０１２−２２６２７０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９６３０６（Ｐ２０１１−９６３０６）
【出願日】平成２３年４月２２日（２０１１．４．２２）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２２日（２０１１．４．２２）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]