JP5090900B2 - ２次元画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、テレビ受像機、映像プロジェクタなどの２次元画像形成装置に関するものである。

２次元画像形成装置として、スクリーン上に画像を映し出すプロジェクションディスプレイが普及している。このようなプロジェクションディスプレイにはランプ光源が用いられている。しかしながら、ランプ光源は、寿命が短く、色再現領域が制限されるとともに、光利用効率が低いという問題点がある。

これらの問題を解決するために、画像形成装置の光源としてレーザ光源を用いることが試みられている。レーザ光源は、ランプに比べて寿命が長く、指向性が強いため光利用効率を高めやすい。また、レーザ光源は単色性を示すため、色再現領域が大きく、鮮やかな画像の表示が可能である。

提案されているレーザ光源プロジェクションディスプレイの概略図を図６に示す。
図６に示す従来の２次元画像形成装置２００は、スクリーン１１上に２次元画像を投射するものであり、ＲＧＢ３色のレーザ光源１ａ〜１ｃ、ビームエクスパンダ２ａ〜２ｃ、光偏向手段４ａ〜４ｃ、光インテグレータ３ａ〜３ｃ、集光レンズ９ａ〜９ｃ、ミラー５ａ，５ｃ、フィールドレンズ６ａ〜６ｃ、空間光変調素子７ａ〜７ｃ、ダイクロイックプリズム８、及び投射レンズ１０を備えている。

ここで、ビームエクスパンダ２ａ、光偏向手段４ａ、光インテグレータ３ａ、集光レンズ９ａ、ミラー５ａ、フィールドレンズ６ａ、及び空間光変調素子７ａは、赤色レーザ光源１ａから出射されたレーザ光をダイクロイックプリズム８に導く赤色光学系を構成しており、これらの光学部材は、赤色レーザ光源１ａからダイクロイックプリズム８に向かうレーザ光の進路に沿って順に配置されている。

ビームエクスパンダ２ａは、レーザ光源１ａからの光を拡大して光インテグレータ３ａに導くものである。光インテグレータ３ａは、長方形の単位レンズをマトリクス状に配置してなるレンズアレイを２枚一組として対向させて配置したものであり、光強度分布を持つ光ビームを、強度がほぼ一様な長方形の光ビームに変換するものである。また、ビームエクスパンダ２ａと光インテグレータ３ａとの間に配置されている光偏向手段４ａは、光を偏向させる光学部品を振動させて、該ビームエクスパンダ２ａから光インテグレータ３ａに入射する光の角度を変化させるものである。

なお、ビームエクスパンダ２ｂ、光偏向手段４ｂ、光インテグレータ３ｂ、集光レンズ９ｂ、フィールドレンズ６ｂ、及び空間光変調素子７ｂは、緑色レーザ光源１ｂから出射されたレーザ光をダイクロイックプリズム８に導く緑色光学系を構成するもの、ビームエクスパンダ２ｃ、光偏向手段４ｃ、光インテグレータ３ｃ、集光レンズ９ｃ、ミラー５ｃ、フィールドレンズ６ｃ、及び空間光変調素子７ｃは、青色レーザ光源１ｃから出射されたレーザ光をダイクロイックプリズム８に導く青色光学系を構成するものであり、これらの光学系における各光学部材は、上記赤色光学系を構成する各光学部材と同様のものである。

また、ダイクロイックプリズム８は、空間光変調素子７ａ〜７ｃを通過した光を合波するもの、投射レンズ１０は、該ダイクロイックプリズム８によって合波された光をスクリーン１１上にフルカラーの映像として投射するものである。

このような構成の２次元画像形成装置２００では、ＲＧＢ３色のレーザ光源１ａ〜１ｃから出射された光は、ビームエキスパンダ２ａ〜２ｃによって拡大され、光偏向手段４ａ〜４ｃ及び光インテグレータ３ａ〜３ｃを介して空間光変調素子７ａ〜７ｃを照射する。光インテグレータ３ａ〜３ｃでは、略ガウス分布をしている光強度分布の光が、空間光変調素子７ａ〜７ｃ上でほぼ一様な長方形の光ビームとなるよう変換され、該光インテグレータ３ａ〜３ｃで変換された光ビームは、空間光変調素子７ａ〜７ｃを一様な強度で照射する。

空間光変調素子７ａ〜７ｃを通過した光は、ダイクロイックプリズム８によって合波され、投射レンズ１０によってスクリーン１１上にフルカラーの映像として投射される。

ところで、レーザ光源を用いたディスプレイでは、レーザの干渉性が高いことから生じるスペックルノイズが問題となる。スペックルノイズとは、レーザ光がスクリーン１１で散乱される際に、散乱光同士が干渉することによって生じる微細なムラ状のノイズである。

このスペックルノイズを抑圧するために、例えば、図６に示す光偏向手段４ａ〜４ｃなど、光学部品を振動させる動的機構を用いて、スペックルノイズのパターンを変動させることでこれを時間的に平均化し、スペックルノイズを低減する方法が提案されている。

その他、空間光変調素子に入射させる光に、該空間光変調素子における隣接する画素に入射する光の偏光方向が異なるよう偏光分布を与える手段を用いて、空間光変調素子の隣接ピクセル間での散乱光の干渉を低減させることで、スペックルノイズを低減する方法なども提案されている。
特開２００２−６２５８２号公報 特開平１０−２９３２６８号公報

しかしながら、上述したような、レーザ光源を使用するディスプレイ（２次元画像形成装置）で生じるスペックルノイズを低下させるこれまでの方法は、十分にノイズを低減できたとは言えず、更なるスペックルノイズの低減方法が必要となっている。
また、空間光変調素子の入射前に偏光分布を与えた場合、光の制御が難しくなるという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点を解消するためになされたものであり、更なるスペックルノイズの低減を可能とし、高品位な画像を形成することができる２次元画像形成装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る２次元画像形成装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射した光を変調する変調手段とを有する２次元画像形成装置において、前記変調手段により変調した光を、直線偏光性を有するものとし、前記変調手段により変調した光の直線偏光性を解消する偏光解消手段と、前記変調した光を画像表示面に投射する投射部とを備え、前記投射部は、２次元画像を拡大および結像させるための投射レンズ群を含み、前記偏光解消手段は前記投射部内にあって、前記投射部に含まれる前記投射レンズ群の入射側もしくは出射側、または前記投射レンズ群の中に前記偏光解消手段が挿入されて前記投射レンズ群と一体化されている、ことを特徴とするものである。

これにより、変調手段により変調された光の直線偏光性は解消されることとなり、変調手段に入射する前後の光には直線偏光性を有する光を用いることができ、また、画像表示面に投射する光を直線偏光性を有しない光として、該画像表示面で生ずるスペックルノイズを低減させることができ、さらに、画像結像面と異なる位置に偏光解消手段を組み込むようにしたので、画像表示面に投射する光は、画像表示面で画像を形成する１画素内においても、様々な偏光状態の光が混合したランダム偏光状態となるため、１画素内のスペックルノイズの低減が可能となる。

また、本発明の請求項２に係る２次元画像形成装置は、請求項１に記載の２次元画像形成装置において、前記偏光解消手段の挿入位置は、前記変調手段と前記偏光解消手段との距離をＬ、前記投射部のエフナンバーをＦ／♯、前記投射部の前記変調手段側の焦点距離をｆとした場合、Ｆ／♯＜Ｌ＜５ｆの関係を満たす、ことを特徴とするものである。

これにより、画像表示面に入射する光を、画像表示面で画像を形成する１画素内でスペックルノイズを除去するのに十分なランダム偏光状態とすることができ、かつ偏光解消手段を必要以上の大きさにすることなく、効率よく作製することができる。

また、本発明の請求項３に係る２次元画像形成装置は、請求項１または２に記載の２次元画像形成装置において、前記偏光解消手段は、厚み分布を有する板状に形成された複屈折性材料よりなる複屈折性部材を含み、前記変調手段により変調されて出力される直線偏光性を有する光が、その偏光方向が該複屈折部材の光学軸に対して傾いた状態で、該複屈折性部材に入射される、ことを特徴とするものである。

これにより、画像表示面に投射する光をランダム偏光状態の光として、該画像表示面で生ずるスペックルノイズを低減させることができる。

また、本発明の請求項４に係る２次元画像形成装置は、請求項３に記載の２次元画像形成装置において、前記偏光解消手段は、前記複屈折部材と、該複屈折部材の厚み分布を補償する厚み分布を有する板状の厚み補償部材とを重ね合わせてなる光学素子よりなり、前記変調手段により変調されて出力される直線偏光性を有する光が、その偏光方向が前記複屈折性部材の光学軸に対して傾いた状態で、該光学素子に入射される、ことを特徴とするものである。

これにより、前記偏光解消手段を通過する光が曲がるのを回避することができる。

また、本発明の請求項５に係る２次元画像形成装置は、請求項１または２に記載の２次元画像形成装置において、前記偏光解消手段は、その複屈折性が面内分布を持つ、ことを特徴とするものである。

これにより、画像表示面に投射する光をランダム偏光状態の光として、画像表示面で生ずるスペックルノイズを低減させることができる。

また、本発明の請求項６に係る２次元画像形成装置は、請求項１ないし５のいずれかに記載の２次元画像形成装置において、前記変調手段の前段に、該変調手段に入射する光の角度を変化させる手段を備えた、ことを特徴とするものである。

これにより、画像表示面に投射する光は、時間によって角度変化し、画像表示面で生ずるスペックルノイズのパターンが変動することとなり、ノイズが平均化されてよりスペックルノイズを低減することができる。

また、本発明の請求項７に係る２次元画像形成装置は、請求項１ないし６のいずれかに記載の２次元画像形成装置において、前記変調手段の前段に設けられた、前記光源から出射されたランダム偏光状態の光を、直線偏光性を有する光に変換する光変換手段を備えた、ことを特徴とするものである。

これにより、光源から出射された光がランダム偏光状態であっても、直線偏光状態に変換した光を変調手段に入射することができる。

本発明にかかる２次元画像形成装置によれば、レーザ光源から出射した直線偏光状態の光を、変調手段により変調した後に、該変調光を、画像表示面に照射する際にランダム偏光状態とする偏光解消手段を備え、変調手段に入射する前後の光に直線偏光性を有する光を用い、該変調後に、該照射光における直線偏光性を解消して、画像表示面にランダム偏光の光を投射するようにしたので、スクリーンで生ずるスペックルノイズを大幅に低減することができる。

また、本発明にかかる２次元画像形成装置によれば、結像面と違う位置に偏光解消手段を組み込むようにしたので、画像表示面に投射する光は、画像表示面で画像を形成する１画素の中であっても、様々な偏光状態の光が混合したランダム偏光の状態となり、１画素内のスペックルノイズをも低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による２次元画像形成装置を示し、図１（ａ）は、その概略構成図、図１（ｂ）は、該２次元画像形成装置における光学部品の適正な位置を示す図である。

本実施の形態１の２次元画像形成装置１００は、レーザ光源を用いた前方投射型プロジェクションディスプレイなどの２次元画像形成装置であり、スクリーン１１上に２次元画像を形成するものである。この２次元画像形成装置１００は、赤色レーザ光源１ａ、緑色レーザ光源１ｂ、青色レーザ光源１ｃ、回転レンチキュラーレンズ１４ａ〜１４ｃ、ロッドインテグレータ１３ａ〜１３ｃ、投影光学系１９ａ〜１９ｃ、ミラー５ａ，５ｃ、フィールドレンズ６ａ〜６ｃ、空間光変調素子７ａ〜７ｃ、ダイクロイックプリズム８、及び投射部２０を備えている。

ここで、光源１ａ〜１ｃ、ミラー５ａ，５ｃ、フィールドレンズ６ａ〜６ｃ、空間光変調素子７ａ〜７ｃ、及びダイクロイックプリズム８は、従来の２次元画像形成装置２００におけるものと同一のものである。

なお、上記レーザ光源１ａ〜１ｃには、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、Ａｒレーザなどの気体レーザ、ＡｌＧａＩｎＰ系やＧａＮ系の半導体レーザ、固体レーザやファイバーレーザを基本波とするＳＨＧレーザなどのレーザ光源を用いることができる。

また、空間光変調素子７ａ〜７ｃには、偏光方向を利用する液晶素子などの素子や、偏向・回折方向を利用するミラー素子などの素子が用いられるが、どちらの素子も直線偏光性を有する光を入射させ、変調した光にも直線偏光性を持たせるようにすることで、変調が容易となるものである。

この実施の形態１では、空間光変調素子７ａ〜７ｃには、偏光方向を利用する液晶素子を用いており、また、該液晶素子での変調は直線偏光性を利用した変調であるため、該液晶素子への入射光は、直線偏光性を有する光としている。

ロッドインテグレータ１３ａ〜１３ｃは、直方体形状の光学部品であり、該ロッドインテグレータに入射した光は、その内部で反射を繰り返して出射端から出射する。また、投影光学系１９ａ〜１９ｃは、ロッドインテグレータ１３ａ〜１３ｃから出射された光を、空間光変調素子７ａ〜７ｃ上に投影する光学系である。

投射部２０は、空間変調素子７ａ〜７ｃとスクリーン１１との間に配置されており、該空間光変調素子により変調された２次元画像を視聴者が見られるようにスクリーン１１に投射するものである。本実施の形態１の投射部２０は、空間光変調素子７ａ〜７ｃで変調された光の直線偏光性を解消する偏光解消手段２１を含んでいる。

また、投射部２０は、スクリーン１１に２次元画像を拡大および結像させるための投射レンズ群を含むものであり、偏光解消手段２１を投射部２０に組み込む場合、投射レンズ群の入射側や出射側、あるいは該投射レンズ群の中に挿入しても良い。偏光解消手段２１の挿入位置は、空間光変調素子および偏光解消手段の間の距離（ｍｍ）をＬ、投射部のエフナンバーをＦ／＃、投射部の空間光変調素子側の焦点距離（ｍｍ）をｆとした場合、Ｆ／＃＜Ｌ＜５ｆの関係を満たすことが好ましい。偏光解消手段２１は、前記条件を満たすと、画像表示面に入射する光を、画像表示面で画像を形成する１画素内でスペックルノイズを除去するのに十分なランダム偏光状態とすることができ、かつ偏光解消手段２１を必要以上の大きさにすることなく、効率よく作製することができる。

図１（ｂ）は、本実施の形態１の２次元画像形成装置１００における、空間光変調素子７と偏光解消手段２１の間の距離Ｌと、スペックルノイズ除去効果の良否と、偏光解消手段２１のサイズと、偏光解消手段２１のコストの適正性との関係を示す図である。

ＬがＦ／＃よりも短い場合は、画像表示面の１画素内で入射光の十分なランダム偏光状態を実現することができず、スペックルノイズの除去が不十分となる。一方、Ｌが５ｆよりも大きい場合、画面全体のスペックルノイズを除去するために巨大な偏光解消手段を用いる必要があり、コスト的に不利になると共に装置の小型化が困難となる。

従って、本実施の形態１では、１画素内でのスペックルノイズの十分な除去効果と偏光解消手段２１の小型化とが両立するよう、距離Ｌは３５ｍｍ、エフナンバーＦ／＃は１．７、焦点距離ｆは４０．７mmとし、偏光解消手段２１を投射部２０の投射レンズ群の入射側に挿入している。

また、このような偏光解消手段２１には、厚み分布を持つ複屈折性を有する部材が用いられる。厚み分布を持つ複屈折性を有する部材は、その光学軸に対して直線偏光性の光の偏光方向を傾けて該光を入射させることにより、様々な偏光をもつ光を発生させる。

図２は、本実施の形態１における偏光解消手段（偏光解消素子）２１を示す図である。図２（ａ）は断面図であり、光線は紙面の右から左に向かって通過する。また、図２（ｂ）は正面図であり、光線は紙面の奥から手前に向かって通過する。

この偏光解消手段２１は、厚み分布を持つ複屈折性を有する複屈折部材２１ａと、この厚み分布を補償する厚み補償部材２１ｂとからなり、これらの部材はＵＶ樹脂などで接着されている。

ここで、複屈折部材２１ａは、複屈折性を有する材料である光学用水晶からなり、その厚み分布は一定の傾斜を有している。この部材２１ａは、その光学軸Ａが、変調された光の偏光方向に対し傾いた方向を向くよう、例えば、垂直もしくは水平の直線偏光方向に対しては水平から４５°の方向を向くよう配置される。

また、厚み補償部材２１ｂは光学用水晶からなり、上記部材２１ａの厚み分布を補償する厚み分布を有している。この部材２１ｂは、その光学軸Ｂが、部材２１ａの光学軸Ａと異なる方向に向くよう、例えば、変調された光の直線偏光方向と同じ方向を向くよう、前記部材２１ａに接合して配置される。この部材２１ｂは、上記のように上記部材２１ａの厚み分布を補償するためにこれに形成して配置したものであるが、上記部材２１ａと同じ材料よりなるものとする必要はなく、また、複屈折性を有しないものでもよい。要は、部材２１ｂは、その屈折率が上記部材２１ａとほぼ等価で、該部材２１ａの厚み分布を補償する厚み分布を有するものであればよい。

このような構成の偏光解消手段２１では、直線偏光性を有する光が、複屈折部材２１ａに入射する場所によって該複屈折部材２１ａの厚みが異なるため、該偏光解消素子２１を通過した光は、その通過した箇所の部材２１ａの厚みによって異なる偏光性を有するものとなり、このように異なる偏光性を有する光は、スクリーン１１で混ざりあってランダム偏光状態となる。

なお、上記偏光解消手段２１は、その２つの部材２１ａ、２１ｂのいずれが、光線の入射側にあっても、同様の作用を示す。

図３は、本実施の形態１における、赤色光学系の回転レンチキュラーレンズ１４ａを示す図である。
この回転レンチキュラーレンズ１４ａは、回転する２枚のレンチキュラーレンズ板１５，１６からなる。各レンチキュラーレンズ板１５，１６は、その断面が蒲鉾状で平面台形状のレンズ体を、所定半径の円周上に隣接させて、その長手方向が該円周の中心を向くよう複数並べてなるもので、該円周上に配置したレンズ体に入射した光を偏向させて出射するものである。ここで、レンチキュラーレンズ板１５は、光源からの出射光の偏向方向を垂直方向に変化させ、レンチキュラーレンズ板１６は、光源からの出射光の偏向方向を水平方向に変化させるよう配置されている。なお、緑色光学系の回転レンチキュラーレンズ１４ｂ及び青色光学系の回転レンチキュラーレンズ１４ｃは、上記赤色光学系の回転レンチキュラーレンズ１４ａと同一の構成となっている。

次に、本実施の形態１の動作、作用効果について説明する。
赤色レーザ光源１ａから出射された光は、回転レンチキュラーレンズ１４ａに入射されると、まず、レンチキュラーレンズ板１５により垂直方向に偏向され、その後、レンチキュラーレンズ板１６により水平方向に偏向される。その結果、回転レンチキュラーレンズ１４ａからは、常に偏向方向が上下左右に変化した光が、ロッドインテグレータ１３ａに導入される。

ロッドインテグレータ１３ａに導かれた光は、該ロッドインテグレータ１３ａ内において内部反射を繰り返して出射端に達し、該出射端に達した光は、投影光学系１９ａ、ミラー５ａ、およびフィールドレンズ６ａを経て、光強度分布が一様な長方形の光ビームとして空間光変調素子７ａに投影される。

該空間光変調素子７ａでは赤色レーザ光源からの光が２次元画像に変調され、変調された赤色光が、ダイクロイックプリズム８に導入される。

緑色レーザ光源１ｂから出射された緑色レーザ光は、赤色レーザ光源から出射された光と同様に、回転レンチキュラーレンズ１４ｂ、ロッドインテグレータ１３ｂ、投影光学系１９ｂ、およびフィールドレンズ６ｂを介して空間光変調素子７ｂに投影され、該空間光変調素子７ｂで２次元画像に変調され、変調された緑色レーザ光がダイクロイックプリズム８に導入される。

また、青色レーザ光源１ｃから出射された青色レーザ光も、赤色レーザ光源から出射された光と同様に、回転レンチキュラーレンズ１４ｃ、ロッドインテグレータ１３ｃ、投影光学系１９ｃ、ミラー５ｃ、およびフィールドレンズ６ｃを介して空間光変調素子７ｃに投影され、該空間光変調素子７ｃで２次元画像に変調され、変調された青色レーザ光がダイクロイックプリズム８に導入される。

すると、ダイクロイックプリズム８では、各空間光変調素子で変調された光が合波され、投射部２０によってスクリーン１１上にフルカラーの２次元画像として投射される。

このとき、上記投射部２０における偏光解消手段２１で、各空間光変調素子７ａ〜７ｃにより空間変調した光の直線偏光性が解消され、ランダム偏光状態の光がスクリーン上に投射される。

ここで、ランダム偏光状態は、直線偏光性を有する状態が、光波の電気ベクトルが一定の方向への単振動状態となり、その直交方向の振動成分が極めて小さい状態であるのに対し、光波の電気ベクトルが進行方向に垂直な面内であらゆる方向の振動成分をもった状態であり、また、偏光方向が直交する光同士は干渉しないことから、このようなランダム偏光状態の光がスクリーン１１に投射すると、スクリーン１１で散乱した投射光の干渉性が低下し、スペックルノイズが低減することとなる。また、スクリーン１１上に投射する光の角度が変化するため、スクリーンの同一箇所でも複数の異なったスペックルパターンが発生し、その結果、スペックルパターンが多様化し、スペックルノイズ強度が低下することになる。

以上説明したように、本実施の形態１の２次元画像形成装置によれば、レーザ光源から出射された直線偏光状態の光を、空間光変調素子により変調した後、偏光解消手段２１によりランダム偏光状態とすることにより、装置負荷をかけずに、スクリーン上に現われるスペックルノイズを大幅に低減することができる。

また、本実施の形態１では、スクリーン１１上に形成する２次元画像の結像面から離れた位置に偏光解消手段２１を挿入しているため、スクリーンに投射する光を、２次元画像の１画素内でもランダム偏光状態とすることができ、１画素内のスペックルノイズをも低減することが可能である。

また、前記偏光解消手段は、厚み分布を持つ複屈折を有する板状の複屈折部材と、この厚み分布を補償する板状の厚み補償部材とを重ね合わせて構成しているので、偏光解消手段を通過した光が曲がるのを回避することができる。また偏光解消手段は、これを構成する２つの部材２１ａ及び２１ｂの厚み分布に、それぞれ一定の傾斜を持たせたものであるので、その作製が容易である。

また、本実施の形態１では、レーザ光源から出射された直線偏光状態の光を、空間光変調素子により変調した後、偏光解消手段２１によりランダム偏光状態とし、しかも、空間光変調素子に入射する光の角度を、予め回転レンチキュラーレンズにより変化させるので、よりスペックルノイズを低減することができ、スペックルノイズは視聴者が認識できないレベルまで低下することとなる。

なお、上記実施の形態１では、偏光解消手段２１は、複屈折性を有する厚み分布を持つものであるが、該偏光解消手段２１は、実施の形態１のものに限らない。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２による２次元画像形成装置は、実施の形態１の２次元画像形成装置において、該実施の形態１の偏光解消手段２１に代えて、複屈折性が面内分布を持つ偏光解消手段２３を用いたものである。

図４は、本実施の形態２における、複屈折性が面内分布を持つ偏光解消手段（偏光解消素子）２３を示し、図４（ａ）はその断面図、図４（ｂ）はその正面図である。

この偏光解消手段２３は、その厚み方向に沿って、空間光変調素子で変調された光が通過するよう投射部２０（図１参照）内に配置されており、図４（ｂ）に示すように、異常屈折率を変化させた領域２３ｂと、これが変化していない領域２３ａとを持ち、また、図４（ａ）に示すように、異常屈折率を変化させた領域２３ｂは、その位置によって深さが異なっている。

このような偏光解消手段２３は、ＬｉＮｂＯ３などの複屈折材料基板にマスキングして、酸によりプロトン交換処理を施して作成され、プロトン交換された領域は、異常屈折率が変化した領域２３ｂとなる。この複屈折性の面内分布を持つ偏光解消手段２３は、上記プロトン交換処理を施す方法の他に、複屈折材料の光学軸方向を変化させながら、複屈折材料膜を形成する方法によっても作製することができる。この複屈折材料の光学軸方向は、複屈折率材料膜の成膜時に該材料を基板に入射させる方向を変化させることにより変化させることができる。

次に、本実施の形態２の動作、作用効果について説明する
この偏光解消手段２３に、その光学軸に対して直線偏光方向が傾いた光線が入射すると、異常屈折率を変化させた領域２３ｂと変化していない領域２３ａとでは異なった偏光状態が発生し、これにより、上記複屈折材料に入射した光の直線偏光性が解消される。また、この偏光解消手段２３では、入射光は、異常屈折率を変化させた領域２３ｂの深さによっても多様な偏光状態の光となるため、入射した光の直線偏光性の解消はより進むことになる。

なお、上記実施の形態１では、厚み分布を有する複屈折性を持つ偏光解消手段２１を用い、実施の形態２では、実施の形態１の偏光解消手段２１の代わりに、複屈折性の面内分布を有する偏光解消手段２３を用いているが、偏光解消手段はこれらに限られるものではなく、直線偏光性の光をランダム偏光とする偏光解消が可能な光学素子であればよい。

また、上記各実施の形態では、光源には、直線偏光性を有するレーザ光を出射するレーザ光源を用いているが、光源は、多数のレーザ光源から出射された光を光ファイバなどで結合した直線偏光性を有していない光を出射するものであってもよく、この場合、光源からの出射光は直線偏光性の光に変換して変調素子に導入するのが好ましい。

（実施の形態３）
図５は、本実施の形態３による２次元画像形成装置を示す図である。
本実施の形態３による２次元画像形成装置３００は、前記実施の形態１の２次元画像形成装置１００において、該実施の形態１の赤色レーザ光源に代えて、多数のレーザ光源から出射された光を結合して直線偏光性を有していない光を出射する赤色レーザ光源１ａ０を用いたものである。また、この実施の形態３では、このような赤色レーザ光源１ａ０から出射される光はランダム偏光状態となっており、このままでは、変調手段の種類が限られるとともに容易に扱いにくいことから、マルチモードファイバ１ａ３の出射端に直線偏光性を有する光に変換する偏光変換素子１ａ４を配置し、変調手段には直線偏光性の光が入射するようにしている。

上記赤色レーザ光源１ａ０は、複数のレーザダイオード（ＬＤ）を含むＬＤチップアレイ１ａ１と、該ＬＤチップアレイ１ａ１における各レーザダイオード（ＬＤ）から出力されたレーザ光が入射する複数の光ファイバ１ａ２と、該複数の光ファイバ１ａ２から出射された光を結合して出力するマルチモードファイバ１ａ３とを有している。このような赤色レーザ光源１ａ０は、マルチモードファイバを用いることにより、光源の配置などの機構設計を容易とし、また光源と画像形成装置との分離も可能とするものである。

また、上記偏光変換素子１ａ４は、マルチモードファイバ１ａ３の出射端に配置され、入射したランダム偏光状態の光をＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する偏光ビームスプリッタ１ａ５と、分離されたＰ偏光成分をＳ偏光光に変換して出力する１／２波長板１ａ６とから構成されている。

次に、本実施の形態３の動作、作用効果について説明する。
このような構成の実施の形態３の２次元画像形成装置では、ＬＤチップアレイ１ａ１の各レーザダイオードから出射した直線偏光性を有するレーザ光は、マルチモードファイバ１ａ３で結合され、該ファイバからはランダム偏光状態の光となって出射される。この赤色レーザ光源１ａ０から出射される光は、前記偏光変換素子１ａ４では、入射したランダム偏光状態の光が偏光ビームスプリッタ１ａ５によりＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離される。分離されたＳ偏光成分は、該スプリッタ内で反射してＳ偏光光として出力され、分離されたＰ偏光成分はスプリッタを通過し、１／２波長板１ａ６でＳ偏光光に変換されて出力される。このように偏光変換素子１ａ４に入射したランダム偏光状態の光は直線偏光性を有する光に変換されて、変調手段などの光学系に導入される。その他の動作は実施の形態１のものと同一である。

このように本実施の形態３では、ランダム偏光状態の光を、直線偏光性を有する光に変換する偏光変換素子１ａ４を備え、変調手段には直線偏光状態の光が入射するようにしたので、光源には、多数のレーザ光源から出射された光を光ファイバーなどで結合した直線偏光性を有していない光を出射するものを用いることができる。

なお、上記実施の形態３では、ランダム偏光状態の光を出射する赤色レーザ光源の例を示したが、緑色レーザ光源あるいは青色レーザ光源を、直線偏光性を有していない光を直線偏光状態に変換して出力する光源としてもよい。

また、本発明にかかる２次元画像形成装置は、上記各実施の形態に限定されない。例えば、上記各実施の形態では、２次元画像形成装置として前方のスクリーン１１に画像を投射して表示する前面投射型ディスプレイについて説明したが、本発明にかかる２次元画像形成装置は、透過型スクリーンを用いた背面投射型ディスプレイであってもよい。

また、上記各実施の形態では、変調手段への入射光の角度を変化させる手段として回転レンチキュラーレンズ１４を用いたが、これは、振動拡散板やＤＭＤなどのミラーによる偏向素子であってもよい。また、偏向素子の挿入位置は、レーザ光源と変調手段との間にあればよく、光インテグレータの入射前に限られたものではない。

また、上記各実施の形態では、２次元画像形成装置は、ロッドインテグレータ１３及び回転レンチキュラーレンズを備えたものであるが、上記２次元画像形成装置はこれらを備えていないものでもよく、この場合にも、スペックルノイズを低減可能である。

また、上記各実施の形態では、変調手段は、液晶素子などの直線偏光性を用いるものを示したが、変調手段はこれに限定されず、ポリゴンミラーなどを用いた、入射光を偏向する方向を変えて入射光の変調を行う手段を用いることもできる。

また、上記各実施の形態では、ダイクロイックプリズム８でＲＧＢの各色の光を合波して表示面に投影させているが、合波せずに各々の光を表示面に投影させてもよい。この場合、ＲＧＢ３色の光のうち少なくとも一つの光に対し、変調後にその直線偏光性を解消する処理を行うとよい。

また、上記各実施の形態では、ＲＧＢ３色の光を、それぞれ別々の変調手段７ａ〜７ｃによって変調しているが、これらのＲＧＢ３色の光の変調は、単一の変調手段により時分割で行い、これら各変調したＲＧＢ３色の光をスクリーン上に投影させて、カラー表示させるようにしてもよい。

本発明の２次元画像形成装置は、スクリーン上に２次元画像を表示したときのスペックルノイズを大幅に低減可能なものであり、またスクリーン以外に２次元画像を表示する場合も適用可能であり、例えば、半導体露光装置などにも利用可能である。
また、本発明の２次元画像形成装置は、カラー画像ではなく単色の画像表示にも用いることができる。

図１は、本発明の実施の形態１による２次元画像形成装置１００を示す図であり、図１（ａ）はその概略構成を示す図、図１（ｂ）は該装置における光学部品の適正な位置を示す図である。 図２は、上記実施の形態１の２次元画像形成装置における偏光解消手段の構成を示す図である。 図３は、上記実施の形態１の２次元画像形成装置における回転レンチキュラーレンズの構成を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態２による２次元画像形成装置２００における偏光解消手段２３の構成を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態３による２次元画像形成装置３００における赤色レーザ光源の構成を示す図である。 図６は、従来の２次元画像形成装置の概略構成図である。

符号の説明

１ レーザ光源
１ａ，１ａ０ 赤色レーザ光源
１ａ１ ＬＤチップアレイ
１ａ２ 光ファイバー
１ａ３ マルチモードファイバ
１ａ４ 偏光変換素子
１ａ５ 偏光ビームスプリッタ
１ａ６ １／２波長板
１ｂ 緑色レーザ光源
１ｃ 青色レーザ光源
２ａ〜２ｃ ビームエキスパンダ
３ａ〜３ｃ 光インテグレータ
４ａ~４ｃ 光偏向手段
５ａ，５ｃ ミラー
６ａ〜６ｃ フィールドレンズ
７ａ〜７ｃ 空間光変調素子
８ ダイクロイックプリズム
９ａ〜９ｃ 集光レンズ
１０ 投射レンズ
１１ スクリーン
１３ａ〜１３ｃ ロッドインテグレータ
１４，１４ａ〜１４ｃ 回転レンチキュラーレンズ
１５，１６ レンチキュラーレンズ板
１９ａ〜１９ｃ 投影光学系
２０ 投射部
２１ 偏光解消手段（偏光解消素子）
２１ａ 複屈折部材
２１ｂ 厚み補償部材
２３ 偏光解消手段（偏光解消素子）
２３ａ 異常屈折率を変化させていない領域
２３ｂ 異常屈折率を変化させた領域

Claims (7)

1. レーザ光源と、前記レーザ光源から出射した光を変調する変調手段とを有する２次元画像形成装置において、
   前記変調手段により変調した光を、直線偏光性を有するものとし、
   前記変調手段により変調した光の直線偏光性を解消する偏光解消手段と、
   前記変調した光を画像表示面に投射する投射部とを備え、
   前記投射部は、２次元画像を拡大および結像させるための投射レンズ群を含み、
   前記偏光解消手段は前記投射部内にあって、前記投射部に含まれる前記投射レンズ群の入射側もしくは出射側、または前記投射レンズ群の中に前記偏光解消手段が挿入されて前記投射レンズ群と一体化されている、
   ことを特徴とする２次元画像形成装置。
2. 請求項１に記載の２次元画像形成装置において、
   前記偏光解消手段の挿入位置は、前記変調手段と前記偏光解消手段との距離をＬ、前記投射部のエフナンバーをＦ／♯、前記投射部の前記変調手段側の焦点距離をｆとした場合、Ｆ／♯＜Ｌ＜５ｆの関係を満たす、
   ことを特徴とする２次元画像形成装置。
3. 請求項１または２に記載の２次元画像形成装置において、
   前記偏光解消手段は、
   厚み分布を有する板状に形成された複屈折性材料よりなる複屈折性部材を含み、
   前記変調手段により変調されて出力される直線偏光性を有する光が、その偏光方向が該複屈折性部材の光学軸に対して傾いた状態で、該複屈折性部材に入射される、
   ことを特徴とする２次元画像形成装置。
4. 請求項３に記載の２次元画像形成装置において、
   前記偏光解消手段は、
   前記複屈折性部材と、該複屈折性部材の厚み分布を補償する厚み分布を有する板状の厚み補償部材とを重ね合わせてなる光学素子よりなり、
   前記変調手段により変調されて出力される直線偏光性を有する光が、その偏光方向が前記複屈折性部材の光学軸に対して傾いた状態で、該光学素子に入射される、
   ことを特徴とする２次元画像形成装置。
5. 請求項３または４に記載の２次元画像形成装置において、
   前記複屈折性部材は、その複屈折性が面内分布を持つ、
   ことを特徴とする２次元画像形成装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の２次元画像形成装置において、
   前記変調手段の前段に、該変調手段に入射する光の角度を変化させる偏向手段を備えた、
   ことを特徴とする２次元画像形成装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の２次元画像形成装置において、
   前記変調手段の前段に設けられた、前記光源から出射されたランダム偏光状態の光を、直線偏光性を有する光に変換する光変換手段を備えた、
   ことを特徴とする２次元画像形成装置。

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