WO2011046034A1 - 画像投射装置、画像投射方法および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

　画像投射装置は、集光角が異なる複数のビームを同一の方向に向けて重ねて出射するビーム生成手段１と、ビーム生成手段１からのビームで被投射面４を走査する走査手段３を有する。

Description

画像投射装置、画像投射方法および画像表示装置

　本発明は、ガウスビーム（例えばレーザ光）等の光ビームで被投射面上を走査して画像を表示する画像投射装置および画像表示装置に関する。

　特許文献１には、画像信号に応じて変調された光ビームで被照射面上を走査することで画像を表示する画像表示装置が記載されている。この画像表示装置は、光源からの光ビームを集光する集光光学系と、この集光光学系で集光した光ビームを被照射面に向けて反射する反射ミラーを備えた走査部とを有する。

　集光光学系は、反射ミラーと被照射面との中間位置よりも反射ミラーから遠い位置においてビームウェストを形成する。これにより、走査部の反射ミラー上でのビーム径を小さくでき、かつ、被照射面上でのビーム径の拡大を抑制することができるので、反射ミラーの小型化および高精細な画像表示を行うことができる。

特開２００７－１２１５３８号公報

　レーザ光で被投射面上を走査して画像を表示する場合、レーザ光のコヒーレンスに起因するスペックルと呼ばれる斑点上のノイズが生じる。スペックルは、表示画像を観察する時に目障りであり、画質を低下させてしまう。

　特許文献１に記載の画像表示装置においては、走査部の反射ミラーと被照射面との間であって、その中間位置よりも反射ミラーから遠い位置において、ビームウェストを形成する。この構成においても、上記のスペックルが発生し、それにより画質が低下する。

　また、ビームウェストが中間位置近傍に配置された場合には、被照射面上のビーム径が大きくなるため、高精細な画像を得ることは困難である。

　本発明の目的は、上記問題を解決し、解像度を維持しつつ、スペックルを低減することができる、画像投射装置、画像投射方法および画像表示装置を提供することにある。

　上記目的を達成するため、本発明の一態様による画像投射装置は、集光角が異なる複数のビームを同一の方向に向けて重ねて出射するビーム生成手段と、前記ビーム生成手段からのビームで被投射面を走査する走査手段を有することを特徴とする。

　本発明の一態様による画像投射方法は、集光角が異なる複数のビームを光軸に垂直なビーム断面におけるエネルギー密度が最も高くなるように合成し、該合成したビームで被投射面を走査することを特徴とする。

　本発明の別の態様による画像投射方法は、
　入射ビームを複数のビームに分割し、
　焦点距離の異なる複数のレンズを用いて、前記複数のビームをそれぞれ集光し、
　前記複数のレンズによって集光された各ビームを合成し、該合成したビームで被投射面を走査する画像表示方法であって、
　前記複数のビームのそれぞれの光路に設けられた複数のシャッタを、一定の期間毎に順に開状態とすることを特徴とする。

　本発明の他の態様による画像投射方法は、
　入力駆動信号に応じた画像光を生成する空間光変調器を用いて、入射ビームを空間的に変調し、該変調により得られたビームで被投射面を走査する画像投射方法であって、
　焦点距離が異なる複数のフレネルゾーンプレートのそれぞれに対応する画像光を形成するための複数の駆動信号を一定の期間毎に順に前記空間光変調器に供給することを特徴とする。

　本発明の一態様による画像表示装置は、
　被投射面と、
　入射ビームを集光する集光手段と、
　前記集光手段からのビームで前記被投射面を走査する走査手段を有し、
　前記被投射面は、前記集光手段からのビームのビームウェストの位置よりも前記走査手段側であって、前記集光手段からのビームの収束側のレーリー長により規定される範囲内に設けられていることを特徴とする。

平行光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。 発散光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。 収束光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。 集光ビームで被投射面を走査する場合の波面の状態を説明するための模式図である。 被投射面をビームウェストの前後に移動した場合のスペックルコントラストの変化を示す特性図である。 本発明の第１の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。 図３に示す画像投射装置における第１、第２のビームの波面の状態およびエネルギー密度の状態を示す模式図である。 図３に示す画像投射装置における第１および第２のビームの径の変化を示す特性図である。 本発明の第１の実施形態である画像投射装置の全体の構成を示すブロック図である。 図６に示す画像投射装置に用いられる赤色レーザ光源や青色レーザ光源の構成を示すブロック図である。 図６に示す画像投射装置に用いられる緑色レーザ光源の構成を示すブロック図である。 図６に示す画像投射装置に用いられる緑色レーザ光源の別の構成を示すブロック図である。 図６に示す画像投射装置に用いられる走査手段の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。 図８に示す画像投射装置に用いられるビーム生成手段の構成を説明するための模式図である。 本発明の第３の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。 図１０に示す画像投射装置に用いられるシャッタとしての回転式チョッパを説明するための模式図である。 本発明の第３の実施形態である画像投射装置の全体の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。 本発明の第５の実施形態である画像表示装置の主要部の構成を示す模式図である。

１　ビーム生成手段
３　走査手段
４　被投射面
１１　分割手段
１２、１３　反射ミラー
１４、１５　レンズ
１６　合成手段

　本願の発明者は、スペックルの発生要因を解析し、以下のような新たな知見を得た。

　図１Ａは、平行光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。平行光１００が散乱物体１０１に到達すると、散乱物体１０１にて２次球面波が発生する。この２次球面波と平行光１００の波面との合成波面により規定される波数ベクトルの方向は、発散する方向となり、波数ベクトルの分散も大きくなる。波数ベクトルの分散が大きいほどスペックルが大きくなる。

　図１Ｂは、発散光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。発散光１１０が散乱物体１１１に到達すると、散乱物体１１１にて２次球面波が発生する。この２次球面波と発散光１１０の波面との合成波面により規定される波数ベクトルの方向は、図１Ａに示した場合よりもさらに発散（拡散）する方向となる。この場合の波数ベクトルの分散は、図１Ａに示した場合よりも大きくなるため、スペックルはさらに大きくなる。

　図１Ｃは、収束光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。収束光１２０が散乱物体１２１に到達すると、散乱物体１２１にて２次球面波が発生する。この２次球面波と収束光１２０の波面の合成波面により規定される波数ベクトルはほぼ平行となる。この場合の波数ベクトルの分散は、図１Ａおよび図１Ｂに示した場合よりも小さいため、スペックルは小さくなる。

　図１Ａ～図１Ｃから分かるように、スペックルを低減するためには、収束光で被投射面（散乱物体）を走査することが望ましい。

　しかし、レーザ光を集光し、その集光したビームで被投射面を走査する光走査システムにおいて、当該システムから被投射面までの距離によっては、被投射面に投射されるビームが収束光にならない場合がある。

　図２Ａに、集光ビームで被投射面を走査する場合の波面の状態を模式的に示す。

　図２Ａに示す系では、レーザ光源２００からのレーザ光を集光レンズ２０１で集光する。走査手段２０２は、集光レンズ２０１からのビームで被投射面２０３を走査する。集光レンズ２０１から出射されたビームは収束球面波２０５として伝搬し、ビームウェスト２０４が形成される位置を境にして、収束球面波２０５から発散球面波２０６に状態が変化する。

　被投射面２０３がビームウェスト２０４よりも集光レンズ２０１側に位置する場合は、収束球面波２０５のビームで被投射面２０３を走査することになる。この場合は、収束光で被投射面２０３を走査することになるので、スペックルを低減することができる。

　一方、被投射面２０３がビームウェスト２０４よりも集光レンズ２０１から遠い側に位置する場合は、発散球面波２０６のビームで被投射面２０３を走査することになる。この場合は、発散光で被投射面２０３を走査することになるので、スペックルを低減することは困難である。

　図２Ｂに、ビームウェストの位置を基準として、被投射面をその前後に移動した場合のスペックルコントラスト（％）の変化を示す。スペックルコントラストは、スペックルの度合いを示すものであって、具体的には、スペックル画像についての、画素の値の標準偏差値を各画素の平均値で割った値である。図２Ｂにおいて、横軸は、ビームウェストからの距離（ｍｍ）を示す。ビームウェストの位置が０とされ、集光レンズ２０１側がマイナスで示され、その反対側がプラスで示されている。また、集光レンズ２０１の焦点距離を３００ｍｍ、４００ｍｍ、５００ｍｍとした場合のスペックルコントラスト変化がそれぞれ破線（短）、実線、破線（長）で示されている。

　図２Ｂから分かるように、被投射面がビームウェストの位置よりも集光レンズ側に位置する場合は、スペックルコントラストが低減する。この場合、被投射面が集光レンズ側に近ければ近いほど、スペックルコントラストが低減する。また、焦点距離が短いほど、スペックルコントラストが低減する。

　一方、被投射面がビームウェストの位置よりも集光レンズから遠くなる側に位置する場合は、スペックルコントラストが増大する。この場合、被投射面がビームウェストの位置から離れれば離れるほど、スペックルコントラストが増大する。また、焦点距離が短いほど、スペックルコントラストが増大する。

　したがって、レーザ光（ガウシアンビーム）で被投射面を走査する光走査システムにおいて、スペックルコントラストを低減するためには、被投射面をビームウェストの位置よりも集光レンズ側に配置する必要がある。

　また、被投射面上におけるビーム径が増大すると、解像度が低下する。したがって、解像度の低下を抑制するためには、被投射面は、ビームウェストの近傍に配置することが望ましい。具体的には、被投射面は、ビームウェストを基準にして、該基準からレーリー長により規定される範囲（ビーム径が√２倍になる距離の範囲）内に配置されることが望ましい。

　以上のことから、スペックル低減効果を得るために、収束光で被投射面（スクリーン）を走査するように構成するとともに、高精細な画像を得るために、ビーム径の広がりを抑制する必要がある。

　以下、本発明の実施形態として、収束光で被投射面（スクリーン）を走査することができ、かつ、ビーム径の広がりを抑制することができる画像投射装置（フロントプロジェクションタイプ）および画像表示装置（リアプロジェクションタイプ）について説明する。

　（第１の実施形態）
　図３は、本発明の第１の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。

　図３を参照すると、画像投射装置は、集光角が異なる複数のビームを同一方向に向けて重ねて出射するビーム生成手段１と、ビーム生成手段１からのビームで被投射面４を走査する走査手段３とを有する。

　ビーム生成手段１は、分割手段１１、反射ミラー１２、１３、レンズ１４、１５および合成手段１６を有する。分割手段１１は、入射したレーザ光（映像信号に応じて変調されたビーム）を２つに分割する。分割手段１１として、ビームスプリッタやハーフミラーが用いられる。

　分割手段１１からの第１のビーム（透過光）の進行方向に反射ミラー１２が設けられており、この反射ミラー１２で反射された第１のビームの進行方向にレンズ１４が設けられている。

　分割手段１１からの第２のビーム（反射光）の進行方向に反射ミラー１３が設けられており、この反射ミラー１３で反射された第２のビームの進行方向にレンズ１５が設けられている。

　レンズ１４の焦点距離は、レンズ１５の焦点距離と異なる。本実施形態では、レンズ１４の焦点距離を４００ｍｍとし、レンズ１５の焦点距離を３００ｍｍとしている。なお、レンズ１４、１５の焦点距離は別の値にしてもよい。

　合成手段１６は、例えばビームスプリッタやハーフミラーである。合成手段１６は、レンズ１４からの第１のビームとレンズ１５からの第２のビームとが交差する位置に設けられており、第１のビームの一部を反射し、第２のビームの一部を透過する。合成手段１６からの第１および第２のビームの進行方向は一致しており、かつ、それらビームの断面の中心を通る軸は互いに一致している。

　走査手段３は、合成手段１６からの第１および第２のビームの進行方向に設けられている。走査手段３は、第１および第２のビームのそれぞれのビームウェストの位置よりも合成手段１６側に設けられている。

　図４に、レンズ１４、１５からの第１、第２のビームの波面の状態およびエネルギー密度の状態を模式的に示す。図４では、説明を簡単化するために、レンズ１４、１５の各光軸は、平行とされ、かつ、同一面内に含まれており、その面に対して垂直な方向から見た場合の第１および第２のビームの状態が示されている。

　なお、図４において、走査手段は省略している。走査手段は、ビーム生成手段と被投射面の間であれば、どこに配置されていてもよい。例えば、走査手段は、ビーム生成手段から被投射面側に１０ｍｍ離れた位置に設けてもよい。

　第１のビームの集光角は、第２のビームの集光角より小さい。図４において、レンズ１４、１５のレンズ中心を結ぶ線によって示される位置Ｐ０を基準とする。位置Ｐ０からレンズ１５の焦点距離（３００ｍｍ）の位置Ｐ１（第２のビームのビームウェストが形成される位置）までの範囲Ａにおいて、第１、２のビームはいずれも収束光（収束球面波のビーム）である。位置Ｐ１からレンズ１４の焦点距離（４００ｍｍ）の位置Ｐ２（第２のビームのビームウェストが形成される位置）までの範囲Ｂにおいて、第２のビームは発散光（発散球面波のビーム）であり、第１のビームは収束光（収束球面波のビーム）である。

　位置Ｐ１において、第１のビームの径は３７５μｍであり、第２のビームの径は２００μｍである。位置Ｐ２において、第１のビームの径は３００μｍであり、第２のビームの径は４００μｍである。位置Ｐ２において、第１のビームのエネルギー密度は第２のビームのエネルギー密度の１．７８倍である。なお、ビーム径は、強度が１／ｅの２乗となる位置の直径で定義される（ｅは自然対数の底を意味する）。

　第２のビームのレーリー長（ビーム径が√２倍になる距離）は５９ｍｍである。位置Ｐ１から位置Ｐ２側の方向にレーリー長（５９ｍｍ）だけ離れた位置Ｐ３において、第１のビームの径は３１２μｍであり、第２のビームの径は２８３μｍである。

　図５に、図４に示した第１および第２のビームの径の変化を示す。縦軸はビーム径（μｍ）を示し、横軸は図４に示す位置Ｐ０からの距離（ｍｍ）を示す。図５に示すように、位置Ｐ０から位置Ｐ３付近までの範囲において、第１のビームの径は、第２のビームの径よりも大きい。位置Ｐ３付近を超えると、第１のビームの径は、第２のビームの径よりも小さくなる。ビーム径はエネルギー密度により規定される。

　本実施形態では、集光角が大きな第２のビームの発散球面波側のレーリー長により規定される位置（図４の位置Ｐ３）において、集光角が小さな第１のビームの径が第２のビームの径と一致、または、ほぼ一致する。これにより、解像度を維持しつつ、スペックルを低減することができる範囲をより広くとることができる。この理由を、以下に具体的に説明する。

　図４に示した例において、集光角が大きな第２のビームの収束球面波側のレーリー長により規定される位置をＰ４とする。位置Ｐ０から位置Ｐ４までの範囲においては、第１および第２のビームはともに収束光であるので、この範囲に被投射面が位置するように画像投射装置を設置することで、スペックルコントラストを低減することができる。

　しかし、この場合、第１のビームの径はビームウェストの位置Ｐ２におけるビーム径（３００μｍ）の√２倍の値を超え、第２のビームの径もビームウェストの位置Ｐ１におけるビーム径（２００μｍ）の√２倍の値を超える。このため、被投射面上におけるビーム径が大きくなり、表示画像の解像度が低くなる。

　位置Ｐ４から位置Ｐ１までの範囲において、第１および第２のビームはともに収束光であるので、この範囲内に被投射面が位置するように画像投射装置を設置することで、スペックルコントラストを低減することができる。

　上記の場合、第１のビームの径は、一部の範囲において、ビームウェストの位置Ｐ２におけるビーム径（３００μｍ）の√２倍の値を超えるが、第２のビームの径は、全範囲において、ビームウェストの位置Ｐ１におけるビーム径（２００μｍ）の√２倍の値以下である。表示画像の解像度は、主に、エネルギー密度の高い第２のビームによって決まるので、第１のビームの径が位置Ｐ２におけるビーム径（３００μｍ）の√２倍の値を超えても、高い解像度を維持することができる。

　位置Ｐ１から位置Ｐ３までの範囲において、第１のビームは収束光であるが、第２のビームは発散光である。図２Ｂに示したように、スペックルコントラストの大きさは、ビームウェストの位置からの距離に応じてリニアに変化する。したがって、ビームウェスト位置近傍（具体的には、レーリー長の範囲内）であれば、ビームが発散球面波であっても、スペックルコントラストの増加分は小さい。

　また、位置Ｐ３において、第１のビームの径が第２のビームの径とほぼ一致する。この設定によれば、位置Ｐ１から位置Ｐ３までの範囲において、第１のビームのエネルギー密度を第２のビームのエネルギー密度に近い値とすることができる。

　このように、第２のビーム（発散光）によるスペックルコントラストの増加分は小さいこと、および、第１のビームのエネルギー密度と第２のビームのエネルギー密度との差が少ないことから、第１および第２のビームを合成したビームにおいて、第１のビーム（収束光）によるスペックルコントラストの低減効果を十分に得ることができる。

　位置Ｐ３から位置Ｐ２までの範囲において、第１のビームは収束光であるが、第２のビームは発散光である。この範囲においては、第１のビームのエネルギー密度は第２のビームのエネルギー密度以上であるので、第１のビーム（収束光）によるスペックルコントラストの低減効果を十分に得ることができる。

　また、第１のビーム（収束光）のエネルギー密度は、位置Ｐ３における第２のビームのエネルギー密度とほぼ同等の値またはそれ以上の値とされるので、高い解像度を維持することができる。

　以上のように、本実施形態の画像投射装置によれば、図４に示した位置Ｐ４から位置Ｐ２の範囲に被投射面が位置すれば、高い解像度を維持しつつ、スペックルコントラストを低減することができる。

　また、本実施形態によれば、収束光による走査が可能とされる被投射面の配置範囲は、位置Ｐ４から位置Ｐ２の範囲であり、この範囲は、図２Ａに示した系における被投射面２０３が配置可能な範囲よりも十分に大きい。このように被投射面を配置可能な範囲が広くなるので、画像投射装置の設置作業の煩わしさを改善することができる。

　なお、図３に示した構成では、ビーム生成手段１は、集光角の異なる２つのビームを出射するように構成されているが、集光角の異なる３つ以上のビームを出射するように構成されてもよい。各ビームは、ビームの断面の中心を通る軸が一致した状態で出射される。

　ただし、各ビームのエネルギー密度が次のような条件を満たす。第１のビームと、該第１のビームの集光角より大きく、その大きさが該集光角の次とされる第２のビームとの組み合わせにおいて、第１のビームのビームウェスト位置におけるエネルギー密度は、第２のビームのビームウェスト位置から発散側のレーリー長の位置の範囲（具体的には、図４に示す位置Ｐ１から位置Ｐ３の範囲）に存在する位置におけるエネルギー密度と一致する。このような組み合わせの場合は、２つのビームからなるものに比較して、被投射面を配置可能な範囲をさらに広くすることができる。なお、エネルギー密度が一致するとは、値が完全に一致するだけでなく、製造誤差等による値のずれを含む範囲内で値がほぼ一致することをも意味する。

　次に、本実施形態の画像投射装置の全体の構成について説明する。

　図６は、本実施形態の画像投射装置の全体の構成を示すブロック図である。図６を参照すると、画像投射装置は、ビーム生成手段１、走査手段３、ダイクロイックプリズム５ａ、５ｂ、反射ミラー６、緑色レーザ光源７、赤色レーザ光源８、青色レーザ光源９、および光源駆動回路１０を有する。ビーム生成手段１および走査手段３は、図３に示したものと同じである。

　光源駆動回路１０は、入力映像信号に応じて、緑色用レーザ変調信号、赤色用レーザ変調信号および青色用レーザ変調信号をそれぞれ生成する。緑色用レーザ変調信号は、緑色レーザ光源７に供給される。赤色用レーザ変調信号は、赤色レーザ光源８に供給される。青色用レーザ変調信号は、青色レーザ光源９に供給される。

　図７Ａに、赤色レーザ光源８や青色レーザ光源９として用いられるレーザ光源の構成を示す。

　図７Ａに示すレーザ光源は、電流変調回路７１、半導体レーザ７２、コリメート光学系７３を有する。電流変調回路７１は、光源駆動回路１０からのレーザ変調信号（赤色用または青色用）に応じて半導体レーザ７２に流れる電流を制御する。これにより半導体レーザ７２の出力光の強度が変調される。半導体レーザ７２からのレーザ光は、コリメート光学系７３にて平行光束化される。

　半導体レーザ７２として発振波長が６４０ｎｍの半導体レーザを用いたものが赤色レーザ光源８である。半導体レーザ７２として発振波長が４４０ｎｍの半導体レーザを用いたものが青色レーザ光源９である。

　図７Ｂに緑色レーザ光源７の構成を示す。図７Ｂに示すレーザ光源は、駆動回路７４、赤外個体レーザ７５、第２高調波素子７６、音響光学素子７７、コリメート光学系７８および集光光学系７９ａ、７９ｂを有する。

　第２高調波素子７６は、赤外個体レーザ７５から集光光学系７９ａを介して入射する赤外レーザ（１０６４ｎｍ）の第２高調波（５３２ｎｍ）を出力する。第２高調波素子７６からの第２高調波のビームは集光光学系７９ｂを介して音響光学素子７７に入射する。駆動回路７４は、光源駆動回路１０からのレーザ変調信号（緑色用）に応じて音響光学素子７７を駆動する。これにより、第２高調波素子７６からの第２高調波のビームの強度が変調される。音響光学素子７７からのビームは、コリメート光学系７８にて平行光束化される。

　図７Ｃに緑色レーザ光源７の別の構成を示す。図７Ｃに示すレーザ光源は、電流変調回路８０、赤外半導体レーザ８１、集光光学系８２、第２高調波素子８３およびコリメート光学系８４を有する。

　電流変調回路８０は、光源駆動回路１０からのレーザ変調信号（緑色用）に応じて赤外半導体レーザ８１に供給される電流を変調する。赤外半導体レーザ８１からの赤外レーザは、集光光学系８２を介して第２高調波素子８３に入射する。

　第２高調波素子８３は、入射した赤外レーザの第２高調波を出力する。第２高調波素子８３からの第２高調波のビームは、コリメート光学系８４にて平行光束化される。

　図６を再び参照する。緑色レーザ光源７からのレーザ光（緑色）の進行方向には反射ミラー６が設けられており、この反射ミラー６で反射されたレーザ光（緑色）の進行方向に、ダイクロイックプリズム５ａ、５ｂ、ビーム生成手段１、走査手段３がこの順番で順に設けられている。

　ダイクロイックプリズム５ａは、緑色レーザ光源７からのレーザ光（緑色）と赤色レーザ光源８からのレーザ光（赤色）との交差部に配置されている。ダイクロイックプリズム５ａは、緑色レーザ光源７からのレーザ光（緑色）を透過し、赤色レーザ光源８からのレーザ光（赤色）を反射する。これにより、レーザ光（緑色）とレーザ光（赤色）が色合成される。

　ダイクロイックプリズム５ｂは、ダイクロイックプリズム５ａからの色合成されたビーム（緑色＋赤色）と青色レーザ光源９からのレーザ光（青色）との交差部に配置されている。ダイクロイックプリズム５ｂは、ダイクロイックプリズム５ａからの色合成されたビーム（緑色＋赤色）を透過し、青色レーザ光源９からのレーザ光（青色）を反射する。これにより、ビーム（緑色＋赤色）とレーザ光（青色）が色合成される。

　ダイクロイックプリズム５ｂからの色合成ビーム（緑色＋赤色＋青色）は、ビーム生成手段１に供給される。ビーム生成手段１は、ダイクロイックプリズム５ｂからの色合成ビームを、集光角が異なる複数のビームに分割し、各ビームを同一方向に向けて重ねて出射する。ビーム生成手段１からのビームは、走査手段３に供給される。

　図７Ｄに、走査手段３の構成を示す。図７Ｄに示すように、走査手段３は、水平スキャナ３１および垂直スキャナ３２を有する。

　水平スキャナ３１は、例えば共振型マイクロメカニカル走査素子よりなる。共振型マイクロメカニカル走査素子は、往復走査が可能な素子である。触れ角は±２０度であり、駆動周波数は１５ＫＨｚである。ここでは、駆動周波数１５ＫＨｚでの駆動を可能とするために、共振型マイクロメカニカル走査素子として、直径１４００μｍの矩形ミラーを用いる。

　垂直スキャナ３２は、ガルバノミラーよりなる。ガルバノミラーは、例えば、触れ角±１５度とされており、６０Ｈｚのノコギリ波により駆動される。

　図３～図６および図７Ａ～図７Ｄに示した本実施形態の画像投射装置において、被投射面４をレンズ１４の焦点距離４００ｍｍの位置に配置して第２のビームのみを投射した場合、スペックルコントラストは１９．１％であった。被投射面４を同条件で配置し、第１および第２のビームを投射した場合、スペックルコントラストは１６．４％であった。また、第１のビームのみを投射した場合、スペックルコントラストは１６．８％であった。この結果から、集光角が異なる第１および第２のビームで走査することで、スペックルを低減することができることが分かる。

　また、赤色レーザ光源８および青色レーザ光源９の各変調電流に３００ＭＨｚの高周波電流を重畳することにより、それら光源の波長幅を広げることができる。これにより、赤色レーザ光および青色レーザ光で生じるスペックルコントラストを１２．０％まで低減することができる。

　なお、上記のスペックルコントラストの評価では、焦点距離が１８ｍｍ、瞳径が２．２５ｍｍのレンズを装着したＣＭＯＳセンサを用いた。ＣＭＯＳセンサの画素ピッチは２．２μｍである。また、画像精細度は、水平が６４０画素、垂直が４８０画素のものとした。画面サイズは、投射距離４００ｍｍにおいて、水平が２９０ｃｍ、垂直が２２０ｃｍのものとした。

　（第２の実施形態）
　図８は、本発明の第２の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。

　図８を参照すると、画像投射装置は、集光角が異なる複数のビームを同一方向に向けて重ねて出射するビーム生成手段２０と、ビーム生成手段２０からのビームで被投射面を走査する走査手段３とを有する。

　走査手段３は、第１の実施形態のものと同じである。ビーム生成手段２０は、フレネルゾーンプレート（レンズ作用を有する回折格子）を用いた多重焦点レンズである。図９に、ビーム生成手段２０を構成するフレネルゾーンプレートを模式的に示す。

　図９に示すように、ビーム生成手段２０は、焦点距離が異なる２つのフレネルゾーンプレート２０ａ、２０ｂを有する。フレネルゾーンプレート２０ａ、２０ｂは、透明な輪帯と不透明な輪帯が交互に配置された複数の同心円状の輪帯からなる。フレネルゾーンプレート２０ａ、２０ｂとして、透明な輪帯と不透明な輪帯のそれぞれの位相差が０、πである位相型のフレネルゾーンプレートや、透明な輪帯と不透明な輪帯のそれぞれの透過率が１００％、０％である透過型のフレネルゾーンプレートを用いてもよい。不透明な輪帯は中間諧調であってもよい。

　これらフレネルゾーンプレート２０ａ、２０ｂを互いの輪帯の中心位置が一致するように重ねることで多重焦点レンズが構成される。多重焦点レンズは、フレネルゾーンプレート２０ａ、２０ｂそれぞれの透明な輪帯と不透明な輪帯を同一のガラス板上に形成したものであってもよい。また、多重焦点レンズは、フレネルゾーンプレート２０ａ、２０ｂそれぞれの透明な輪帯と不透明な輪帯からなる画像を形成する空間光変調器（例えば液晶パネル）であってもよい。このような多重焦点レンズによりビーム生成手段２０が構成される。

　ビーム生成手段２０では、フレネルゾーンプレート２０ａにより第１のビーム２１ａが生成され、フレネルゾーンプレート２０ｂにより第２のビーム２１ｂが生成される。第１のビーム２１ａの集光角は、第２のビーム２１ｂの集光角よりも小さい。

　走査手段３は、ビーム生成手段２０からの第１および第２のビームで被投射面を走査する。

　本実施形態の画像投射装置においても、第１の実施形態のものと同様、集光角が大きな第２のビーム２１ｂの発散球面波側のレーリー長により規定される位置（図４の位置Ｐ３に相当する）において、集光角が小さな第１のビーム２１ａの径（またはエネルギー密度）が第２のビームの径（またはエネルギー密度）と一致、または、ほぼ一致する。これにより、解像度を維持しつつ、スペックルを低減することができる範囲をより広くとることができる。

　また、収束光による走査が可能とされる被投射面の配置範囲が広くなるので、画像投射装置の設置作業の煩わしさを改善することができる。

　なお、図８に示した構成では、ビーム生成手段２０は、集光角の異なる２つのビームを出射するように構成されているが、集光角の異なる３つ以上のビームを出射するように構成されてもよい。この場合、各ビームのうち、第１のビームと、該第１のビームの集光角より大きく、その大きさが該集光角の次とされる第２のビームとの間において、第１のビームのビームウェスト位置におけるエネルギー密度は、第２のビームのビームウェスト位置から発散側のレーリー長の位置の範囲に存在する位置におけるエネルギー密度と一致する。３つ以上のビームを用いることで、被投射面を配置可能な範囲をさらに広くすることができる。なお、エネルギー密度が一致するとは、値が完全に一致するだけでなく、製造誤差等による値のずれを含む範囲内で値がほぼ一致することをも意味する。

　本実施形態の画像投射装置の全体の構成は、第１の実施形態で説明した画像投射装置の全体の構成（図６および図７Ａ～図７Ｄ参照）と同じである。

　（第３の実施形態）
　図１０は、本発明の第３の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。

　図１０を参照すると、画像投射装置は、図１に示したビーム生成手段１および走査手段３を有するが、ビーム生成手段１の一部が第１の実施形態のものと異なる。ビーム生成手段１は、図１に示した構成に加えて、シャッタ切り替え手段４０およびシャッタ４１、４２を有する。

　シャッタ４１、４２は、液晶シャッタやチョッパなどにより構成される。シャッタ４１は、分割手段１１と反射ミラー１２の間に設けられている。シャッタ４２は、反射ミラー１３とレンズ１５の間に設けられている。

　シャッタ切り替え手段４０は、垂直同期信号に従って、シャッタ４１が開状態とされ、シャッタ４２が閉状態とされる第１の状態と、シャッタ４１が閉状態とされ、シャッタ４２が開状態とされる第２の状態とを交互に切り替える。例えば、フレーム周波数が６０Ｈｚの映像信号の垂直同期信号がシャッタ切り替え手段４０に供給された場合、シャッタ切り替え手段４０は、１／６０秒毎に、第１の状態と第２の状態とを交互に切り替える。

　シャッタ４１、４２が第１の状態である場合、反射ミラー１３からレンズ１５へ向かうビームはシャッタ４２で遮蔽され、レンズ１４にて集光された第１のビームのみが走査手段３に到達する。走査手段３は、レンズ１４からの第１のビームで被投射面４を走査する。

　シャッタ４１、４２が第２の状態である場合、分割手段１１から反射ミラー１２へ向かうビームはシャッタ４１で遮蔽され、レンズ１５にて集光された第２のビームのみが走査手段３に到達する。走査手段３は、レンズ１５からの第２のビームで被投射面４を走査する。

　本実施形態においても、レンズ１４からの第１のビームおよびレンズ１５からの第２のビームは図４に示したような状態とされる。位置Ｐ１から位置Ｐ２までの範囲に被投射面４が配置された場合に、シャッタ４１、４２が第１および２の状態の間で切り替えられると、レンズ１４からの第１のビーム（収束球面波）とレンズ１５からの第２のビーム（発散球面波）とが時分割で交互に被投射面４に投射される。この場合、被投射面４上では、収束球面波のビームの強度と発散球面波のビームの強度との足し合わせが行われる。これは、インコヒーレントのビームを足し合わせることに相当し、これにより、第１の実施形態や第２の実施形態のものよりも大きなスペックル低減効果を得ることができる。

　例えば、被投射面４が図４に示した位置Ｐ２に位置する場合、レンズ１５からの第２のビームで被投射面４を走査した場合、スペックルコントラストは１９．１％であった。これに対し、被投射面４を同条件で配置し、レンズ１４からの第１のビームとレンズ１５からの第２のビームとを時分割で交互に切り替えて被投射面４を走査した場合、スペックルコントラストは１４．８％であった。

　本実施形態の画像投射装置によれば、第１の実施形態と同様に、被投射面を配置可能な範囲を、図４に示した位置Ｐ４から位置Ｐ２の範囲とすることができるため、画像投射装置の設置作業が容易になる。

　また、位置Ｐ１から位置Ｐ２までの範囲においては、レンズ１４からの第１のビーム（収束球面波）とレンズ１５からの第２のビーム（発散球面波）とを時分割で交互に切り替えることで、第１の実施形態に比べて、さらにスペックルを低減することができる。

　シャッタ４１、４２に用いるチョッパとして、回転式チョッパを用いてもよい。図１１に、回転式チョッパの一例を示す。

　図１１に示す回転式チョッパ４３は、円盤状のものであって、周方向に９０度毎に分割された第１から第４の領域を備える。第１および第３の領域は不透明な領域である。第２および第４の領域は透明な領域である。透明な領域と不透明な領域は交互に配置されている。

　回転式チョッパ４３の中心部は、不図示のモーターの回転軸に支持されている。モーターの回転数は、ＰＬＬ（Phase-Locked　Loop）回路などを用いて映像信号と同期させる。分割手段１１からのビームがシャッタ４１を構成する回転式チョッパの不透明な領域により遮られている期間は、反射ミラー１３からのビームがシャッタ４２を構成する回転式チョッパの透明な領域を通過する。反対に、反射ミラー１３からのビームがシャッタ４２を構成する回転式チョッパの不透明な領域により遮られている期間は、分割手段１１からのビームがシャッタ４１を構成する回転式チョッパの透明な領域を通過する。これにより、レンズ１４からの第１のビームとレンズ１５からの第２のビームとを時分割に切り替えることができる。

　次に、本実施形態の画像投射装置の全体の構成について説明する。

　図１２は、本実施形態の画像投射装置の全体の構成を示すブロック図である。図１２を参照すると、画像投射装置は、ビーム生成手段１、走査手段３、ダイクロイックプリズム５ａ、５ｂ、反射ミラー６、緑色レーザ光源７、赤色レーザ光源８、青色レーザ光源９、および光源駆動回路１０を有する。ビーム生成手段１および光源駆動回路１０を除く構成は、図６に示したものと同じである。

　光源駆動回路１０は、緑色レーザ光源７、赤色レーザ光源８および青色レーザ光源９のそれぞれに対して、映像信号に応じたレーザ変調信号を供給するとともに、その映像信号との同期をとるための同期信号をビーム生成手段１に供給する。

　ビーム生成手段１は、図１０に示しものである。ビーム生成手段１では、シャッタ切り替え手段４０が、光源駆動回路１０からの同期信号に応じてシャッタ４１、４２を制御する。

　（第４の実施形態）
　図１３は、本発明の第４の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。

　図１３を参照すると、画像投射装置は、集光角が異なる複数のビームを同一方向に向けて重ねて出射するビーム生成手段２２と、ビーム生成手段２２からのビームで被投射面を走査する走査手段３とを有する。

　走査手段３は、第１の実施形態のものと同じである。ビーム生成手段２２は、液晶パネル等の空間光変調器２２ａおよびその駆動回路２２ｂを有する。

　駆動回路２２ｂは、垂直同期信号に従って、図９に示したフレネルゾーンプレート２０ａに対応する第１の画像を形成するための第１の駆動信号と、図９に示したフレネルゾーンプレート２０ｂに対応する第２の画像を形成するための第２の駆動信号とを交互に出力する。第１および第２の駆動信号は、空間光変調器２２ａに供給される。

　空間光変調器２２ａは、多重焦点レンズであって、駆動回路２２ｂからの第１および第２の駆動信号に従って、フレネルゾーンプレート２０ａ、２０ｂそれぞれに対応する第１の画像、第２の画像を個別に形成する。

　本実施形態では、垂直同期信号により特定されるフレーム毎に、第１および第２の駆動信号が交互に駆動回路２２ｂから空間光変調器２２ａに供給される。

　第１の駆動信号が空間光変調器２２ａに供給されると、空間光変調器２２ａは第１の画像を形成する。この結果、フレネルゾーンプレート２０ａにより集光された第１のビーム２１ａが走査手段３に供給される。走査手段３は、第１のビーム２１ａで被投射面を走査する。

　第２の駆動信号が空間光変調器２２ａに供給されると、空間光変調器２２ａは第２の画像を形成する。この結果、フレネルゾーンプレート２０ｂにより集光された第２のビーム２１ｂが走査手段３に供給される。走査手段３は、第２のビーム２１ｂで被投射面を走査する。

　本実施形態においても、第１および第２のビームは、図４に示したような状態とされる。位置Ｐ１から位置Ｐ２までの範囲に被投射面４が配置された場合は、第１のビーム（収束球面波）と第２のビーム（発散球面波）とが時分割で交互に被投射面４に投射される。したがって、第３の実施形態と同様、被投射面４上では、収束球面波のビームの強度と発散球面波のビームの強度との足し合わせが行われることとなり、第１の実施形態や第２の実施形態のものよりも大きなスペックル低減効果を得ることができる。

　また、第１の実施形態と同様に、被投射面を配置可能な範囲を、図４に示した位置Ｐ４から位置Ｐ２の範囲（または、位置Ｐ１から位置Ｐ２までの範囲）とすることができるため、画像投射装置の設置作業が容易になる。

　なお、本実施形態の画像投射装置の全体の構成は、図１２に示した構成において、ビーム生成手段１をビーム生成手段２２に置き換えたものとなる。

　また、ビーム生成手段２２は、集光角の異なる２つのビームを出射するように構成されているが、集光角の異なる３つ以上のビームを出射するように構成されてもよい。この場合、各ビームのうち、第１のビームと、該第１のビームの集光角より大きく、その大きさが該集光角の次とされる第２のビームとの間において、第１のビームのビームウェスト位置におけるエネルギー密度は、第２のビームのビームウェスト位置から発散側のレーリー長の位置の範囲に存在する位置におけるエネルギー密度と一致する。３つ以上のビームを用いることで、被投射面を配置可能な範囲をさらに広くすることができる。なお、エネルギー密度が一致するとは、値が完全に一致するだけでなく、製造誤差等による値のずれを含む範囲内で値がほぼ一致することをも意味する。

　以上の第１乃至第４の実施形態の画像投射装置は、フロントプロジェクションタイプのものであるが、リアプロジェクションタイプのものにも適用することができる。

　例えば、第１及び第２の実施形態の画像投射装置をリアプロジェクションタイプのものに適用する場合は、被投射面として用いられるスクリーンを含めて、図６に示した全ての構成を、筐体に収容する。第３の実施形態の画像投射装置をリアプロジェクションタイプのものに適用する場合は、図１２に示した全ての構成（スクリーンを含む）を、筐体に収容する。第４の実施形態の画像投射装置をリアプロジェクションタイプのものに適用する場合は、図１２に示した構成（ビーム生成手段１をビーム生成手段２２に置き換えたものであって、スクリーンを含む）を筐体に収容する。いずれの場合も、スクリーンは、拡散特性を有する。走査手段３からの光ビームでスクリーンの内面（筐体内部側の面）を走査する。光がスクリーンを透過する際に光の拡散が生じ、観察者は、その拡散した光を観察する。

　上記のリアプロジェクションタイプの画像表示装置において、ビーム生成手段により集光角の異なるｎ本（ｎは２以上の整数）のビームが生成される場合、スクリーンは、集光角の最も小さな第１のビームのビームウェストの位置から集光角の最も大きな第ｎのビームの収束側のレーリー長の位置までの間に配置される。

　上述した第１乃至第４の実施形態の画像投射装置または画像表示装置によれば、集光角の異なる複数のビームを重ねることで、その光路上における被投射面に対する収束光による走査が可能な範囲を広くすることができ、しかも、その範囲内におけるビームの広がりを抑制することができる。したがって、収束光を用いた走査によるスペックル低減効果を得ることができるとともに、高精細な画像を得ることができる。

　（第５の実施形態）
　図１４は、本発明の第５の実施形態である画像表示装置の構成を示すブロック図である。

　図１４に示す画像表示装置５０は、ビーム生成手段１に代えて集光手段５１を設け、被投射面４として拡散特性を有するスクリーン５２を設けた点が、図６に示したものと異なる。走査手段３、ダイクロイックプリズム５ａ、５ｂ、反射ミラー６、緑色レーザ光源７、赤色レーザ光源８、青色レーザ光源９、および光源駆動回路１０は、図６に示したものと基本的に同じである。

　集光手段５１は、ダイクロイックプリズム５ａ、５ｂにて合成された各色（赤、緑、青）を含む光ビームを集光する。走査手段３は、集光手段５１からの光ビームでスクリーン５２上を走査する。光がスクリーン５２を透過する際に光の拡散が生じ、観察者は、その拡散した光を観察する。

　スクリーン５２は、集光手段５１からの光ビームのビームウェストよりも走査手段３側に配置される。より望ましくは、スクリーン５２は、集光手段５１からの光ビームのビームウェストよりも走査手段３側であって、その光ビームの収束側のレーリー長の範囲内に配置される。これにより、スクリーン５２は、必ず収束ビームで照射され、かつ、スクリーン５２上のビーム径は、ビームウェストにおけるビーム径の√２倍とされる。

　このように、本実施形態の画像表示装置５０によれば、必ず収束光でスクリーン５２を走査することになるので、スクリーンがビームウェストの位置やビームの発散側に配置されるものに比較して、スペックルを低減することができる。

　また、スクリーン５２上のビーム径は、大きくても、ビームウェストにおけるビーム径の√２倍の大きさとされるので、高精細な画像を提供することができる。

　以上説明した各実施形態は、本発明の一例であり、その構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更することができる。

　各実施形態において、被投射面上に投射または表示される画像は、映像や写真などの画像データだけでなく、文字、図形、表など、電子データに基づいて被投射面上に投射または表示することが可能なものを含む。

　本発明は、ラスター走査のもの以外に、ベクトル走査のものにも適用することができる。

　以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成および動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。

　この出願は、２００９年１０月１５日に出願された日本出願特願２００９－２３８０８８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 (14)

1. 　集光角が異なる複数のビームを同一の方向に向けて重ねて出射するビーム生成手段と、
   　前記ビーム生成手段からのビームで被投射面を走査する走査手段を有する画像投射装置。
2. 　前記複数のビームのうちの、第１のビームと、該第１のビームの集光角より大きく、かつ、大きさが該集光角の次とされる第２のビームとの間において、前記第１のビームのビームウェスト位置におけるエネルギー密度は、前記第２のビームのビームウェスト位置から発散側のレーリー長の位置の範囲に存在する位置におけるエネルギー密度と一致する、請求の範囲第１項に記載の画像投射装置。
3. 　前記ビーム生成手段は、
   　入射ビームを複数のビームに分割する分割手段と、
   　前記分割手段からの前記複数のビームをそれぞれ集光する焦点距離の異なる複数のレンズと、
   　前記複数のレンズによって集光された各ビームを合成する合成手段を有する、請求の範囲第１項または第２項に記載の画像投射装置。
4. 　前記ビーム生成手段は、焦点距離が異なる複数のフレネルゾーンプレートからなる多重焦点レンズより構成される、請求の範囲第１項または第２項に記載の画像投射装置。
5. 　前記ビーム生成手段は、前記複数のビームを時分割で重ねる、請求の範囲第１項または第２項に記載の画像投射装置。
6. 　前記ビーム生成手段は、
   　入射ビームを複数のビームに分割する分割手段と、
   　前記分割手段からの前記複数のビームをそれぞれ集光する焦点距離の異なる複数のレンズと、
   　前記複数のレンズによって集光された各ビームを合成する合成手段と、
   　前記分割手段からの前記複数のビームのそれぞれの光路に設けられた複数のシャッタと、
   　一定の期間毎に前記複数のシャッタを順に開状態とするシャッタ切り替え手段を有する、請求の範囲第５項に記載の画像投射装置。
7. 　前記ビーム生成手段は、
   　入射ビームを空間的に変調して入力駆動信号に応じた画像光を生成する空間光変調器と、
   　焦点距離が異なる複数のフレネルゾーンプレートのそれぞれに対応する画像光を形成するための複数の駆動信号を一定の期間毎に順に前記空間光変調器に供給する駆動回路を有する、請求の範囲第５項に記載の画像投射装置。
8. 　前記入射ビームが映像信号に応じて変調されたビームであり、
   　前記一定の期間が前記映像信号を構成するフレームの期間である、請求の範囲第６項または第７項に記載の画像投射装置。
9. 　集光角が異なる複数のビームを光軸に垂直なビーム断面におけるエネルギー密度が最も高くなるように合成し、該合成したビームで被投射面を走査する、画像投射方法。
10. 　前記合成したビームが、前記複数のビームを時分割で重ねたものである、請求の範囲第９項に記載の画像投射方法。
11. 　入射ビームを複数のビームに分割し、
    　焦点距離の異なる複数のレンズを用いて、前記複数のビームをそれぞれ集光し、
    　前記複数のレンズによって集光された各ビームを合成し、該合成したビームで被投射面を走査する画像表示方法であって、
    　前記複数のビームのそれぞれの光路に設けられた複数のシャッタを、一定の期間毎に順に開状態とする、画像投射方法。
12. 　入力駆動信号に応じた画像光を生成する空間光変調器を用いて、入射ビームを空間的に変調し、該変調により得られたビームで被投射面を走査する画像投射方法であって、
    　焦点距離が異なる複数のフレネルゾーンプレートのそれぞれに対応する画像光を形成するための複数の駆動信号を一定の期間毎に順に前記空間光変調器に供給する、画像投射方法。
13. 　前記入射ビームが映像信号に応じて変調されたビームであり、前記一定の期間が前記映像信号を構成するフレームの期間である、請求の範囲第１１項または第１２項に記載の画像投射方法。
14. 　被投射面と、
    　入射ビームを集光する集光手段と、
    　前記集光手段からのビームで前記被投射面を走査する走査手段を有し、
    　前記被投射面は、前記集光手段からのビームのビームウェストの位置よりも前記走査手段側であって、前記集光手段からのビームの収束側のレーリー長により規定される範囲内に設けられている、画像表示装置。

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