JP5096320B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、映像プロジェクタや、テレビ受信機、液晶パネル等の画像表示装置に関し、特に、小型で、携帯に適した画像表示装置に関する。

近年、発光効率が高く、小型化された赤色、緑色及び青色のレーザ光源と、液晶素子や、スキャンミラー、マイクロミラー等の空間光変調素子と、を組み合わせることによりレーザを実現し、そのレーザを光源とする画像表示装置の開発が盛んになっている。レーザは単色性であることから、上記の画像表示装置は、従来のカラーフィルタを用いた液晶ディスプレイ・プロジェクターや、蛍光体を用いたＣＲＴ、プラズマディスプレイ等と比較して、１．２〜１．７倍の色再現範囲を持つことができる。さらに、レーザ光は、集光が容易であること及び直進性を持つことから、光学系を小型化することが可能である。このため、従来実現が困難であった、高精彩ディスプレイや、超小型プロジェクター等の実現が期待されている。

特許文献１に開示されるように、レーザディスプレイの研究は古くから行われている。研究開始の当時は、レーザ光源としてガスレーザを使用したものがほとんどで、空間光変調素子としてもスキャンミラーやガルバノミラーを用いたものであった。近年になって、赤色及び青色の半導体レーザが高出力化されると共に、固体レーザと非線形光学効果による波長変換とを利用した緑色レーザ及び、さまざまな空間光変調素子が開発されて来た。特許文献２には、このようなレーザ光源と、スキャンミラーと、１次元マイクロミラーとを組み合わせた画像表示装置が開示されている。また、特許文献３には、２次元マイクロミラーを用いた画像表示装置が、特許文献４及び５には、小型液晶パネル、反射型液晶パネル（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ ：ＬＣＯＳ）を用いた画像表示装置が開発・報告されている。

また、上記の画像表示装置の装置構成については、特許文献４及び５に、色ごとに２次元変調を行った後、プリズムで合波する方法が開示されている。図２４に、特許文献４及び５に記載されている２次元画像表示装置の構成を示す。レーザ光源１０１より発せられたレーザ光１０２は、レンズ１０３及びシリンドリカルレンズ１０４でコリメートされる。コリメート光はミラー駆動装置１０６に設置された平面ミラー１０５でスキャンされる。スキャンされたビーム１０７は、フィールドレンズ１０８及び偏光プリズム１０９を介してＬＣＯＳ素子１１２に入射される。入射されたビーム１１０のうち、偏光方向が回転されたビーム１１１は、偏光プリズム１０９のプリズム面を通過し、リレーレンズ１１３、光路変換ミラー１１５及び投影レンズ１１７を通り、出射光１１８として出射される。

図２５に、従来のレーザディスプレイの概略構成を示す。赤色、緑色、青色それぞれのレーザ光源５１００ａ〜５１００ｃからの光は、ビームエキスパンダ５１０２によって、そのビーム径が拡大され、光インテグレータ５１０３に入射する。光インテグレータ５１０３は、空間光変調素子５１０７上の矩形開口を一様な照明強度で照明する均一照明光学系である。光インテグレータ５１０３は、矩形形状の単位レンズが２次元格子状に配列された、はえの目レンズを２枚直列に配置した構造を有している。

光インテグレータ５１０３を通過した光は、拡散板５１０６を通じて、空間光変調素子５１０７を照明する。空間光変調素子５１０７で変調された各色の光は、ダイクロイックプリズム５１０９で合波され、投写レンズ５１１０によりスクリーン５１１１上にフルカラーの画像として結像される。

ここで、拡散板５１０６は、レーザディスプレイ装置に特有のスペックルノイズを低減する。レーザ光源５１００ａ〜５１００ｃはスペクトル幅が狭く、干渉性が高い。このため、スクリーン５１１１に投写、散乱された光は、互いにランダムに干渉して、微細な粒状のスペックルノイズを生じる。拡散板５１０６は、入射した光の波面にランダムな位相分布を与える磨りガラス状の透明基板で構成されている。拡散板５１０６を、拡散板揺動手段５１１３で揺動すると、拡散板５１０６の移動にしたがって、スクリーン５１１１上に投影された光の位相分布が変動する。その結果、スペックルノイズの微細なパターンも時間的に変化する。スペックルノイズのパターン変化が観察者の残像時間より速くなるように拡散板５１０６を揺動することにより、スペックルノイズは観察者の眼で時間平均されて、ノイズの無い高画質の画像が感知される。

上記の画像表示装置では、赤色、緑色及び青色の各レーザ光源５１００ａ、５１００ｂ、５１００ｃに対して空間光変調素子５１０７が一対一に対応して配置されている。このため、各レーザ光源５１００ａ、５１００ｂ、５１００ｃごとに均一照明光学系が必要なため、部品点数が多く、ダイクロイックプリズムのようにコストの高い部品を使用している。また、均一照明光学系が大きな体積を占め、さらにスペックルノイズ低減のために別途、拡散板揺動手段５１１３が必要で、装置全体が大きくなるという課題がある。

一方、上記のプリズムで合波する方法とは異なり、各光源を順々に点灯させ、ヒトの目の残像を利用してカラー画像を表示させるフィールドシーケンシャル方式が、発光ダイオードを光源とした２次元画像表示装置で検討されて来ている。画像の美しさ、明るさの点では前者のプリズムで合波する方法が優れてはいるが、省スペース・部品点数（コスト）の点では後者のフィールドシーケンシャル方式が優れている。このフィールドシーケンシャル方式を用い、２つのスキャンミラーと、赤色、緑色及び青色のレーザ光源と、を組み合わせた、タバコケースサイズのポケットプロジェクターの開発が現在盛んとなっている。

上記のフィールドシーケンシャル方式では、空間光変調素子として、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）に代表されるマイクロミラーアレイや、強誘電液晶を用いた反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）を用いることができる。これらの空間光変調素子は、デジタル的に光のＯＮ／ＯＦＦ切り替えにより光変調を行っている。中間調を表現する場合には、画素ごとに光源の点灯時間に対する、空間光変調素子のＯＮ時間を変化させることで表現している。

図２６を用いて、ＬＣＯＳを空間光変調素子として使用した場合における階調表現方法を説明する。光源の点灯時間ｔ_ＬＤに対して、ＬＣＯＳ駆動信号ａ〜ｆのＯＮ／ＯＦＦ切り替えが制御される。すなわち、ｔ_ＬＤの１００％の期間、駆動信号をＯＮとすることで（駆動信号ａの場合）、明るい状態が実現される。また、駆動信号の位相を変化させて、ｔ_ＬＤに対してＯＮ時間が０となった場合（駆動信号ｆの場合）、暗状態が実現される。これらの中間の階調は、ＬＣＯＳの駆動信号のＯＮタイミングの位相を徐々にシフトさせることで実現されている（駆動信号ｂ〜ｅの場合）。このような動作を画素ごとに行うことにより映像を形成している。このような動作は、ＬＣＯＳだけでなく、デジタル変調を行っているＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）でも同様に行われる。

ところが、上記のようなレーザを用いた２次元画像表示装置において、上記の空間光変調素子と、スキャンミラーと、を用いて、レーザ光源をフィールドシーケンシャル方式により点灯させた場合、中間調を表現している画素において、画素の表示誤差の増大、コントラスト低下、砂嵐状のノイズ等の問題点が発生することがわかっている。この問題点は、小型で、携帯性に優れた画像表示装置を実現する上で必要不可欠なフィールドシーケンシャル方式の実現を阻む要因となり得るものである。

上述したように、近年、レーザ光源を用いたディスプレイ装置が注目を集めている。レーザ光源を用いたディスプレイでは、レーザ光源のそれぞれの光が単色光であるため、適当な波長のレーザ光源を用いることで、色純度が高く、きわめて鮮やかな画像の表示が可能となる。また、レーザ光源は指向性が高く、効率よく絞り込むことが出来るため、光学系を小型化することが容易である。さらに、従来のランプ光源に比べて、電気光変換効率が高いので省電力である。このような特徴から、レーザ光源を用いることにより、より小型のディスプレイ装置が実現でき、最近ではポケットプロジェクタのような携帯型のプロジェクタ装置も注目されている。

しかし、フィールドシーケンシャル方式には、表示速度の速い空間光変調素子が必要である。特許文献６では、単一の空間光変調素子を用いたフィールドシーケンシャル方式によるレーザプロジェクタの構成が開示されている。この構成では、固定したレーザビームを広げて空間光変調素子に照射している。このため、スペックルノイズ低減に対する考慮はなされておらず、高画質の画像を実現することができない。

表示速度の速い空間光変調素子としては、強誘電性液晶素子がある。強誘電性液晶素子は、従来のネマティック液晶相を用いた素子とは異なり、自発分極を持ったキラルスメクティックＣ液晶相を用いている。このキラルスメクティックＣ液晶相では、液晶分子は層構造を形成し、層に対して垂直な方向に自発分極（ＰＳ）を持っており、その方向に電界を印加すると分子は電界の方向に自発分極を揃えるように再配列し、双安定な状態となる。これに一対の偏光板（偏光子と検光子）を組み合わせることによって、白黒の表示を行うことができる。従来のネマティック液晶は常誘電性であるため、電界印加によって引き起こされる応答速度はｍｓｅｃのオーダーであるが、強誘電性液晶は自発分極による電場との直接相互作用によってスイッチングするため、３桁程度速いμｓｅｃオーダーの応答速度が可能となる。したがって、上記の強誘電性液晶素子は、フィールドシーケンシャル方式に適し、白黒表示の時間幅の変調によりデジタル的に階調表示を行う。このような強誘電性液晶素子を用いた製品として、半導体シリコンウェハーをバックプレーンに用いたＬＣＯＳ型マイクロディスプレイ（例えば、Ｄｉｓｐｌａｙｔｅｃｈ社のＬＶ３１１）がある。
米国特許第３８１８１２９号公報 米国特許第５２５５０８２号公報 米国特許第５５０６５９７号公報 米国特許第６１８３０９２号公報 米国特許第６９１０７７４号公報 特開平５−１５０２０９号公報

ここで、さらにディスプレイ装置を小型化するには、均一照明光学系を小型化することが考えられる。光源にレーザを用いれば、絞ったレーザビームを走査することで効率よく均一化できるので、均一照明光学系の小型化が可能である。さらに、拡散板を通すことでスペックルノイズの低減も同時に行える。しかし、上記の強誘電性液晶素子は、時間幅変調で階調表示することから、ビーム走査と画素表示のタイミングによっては、適切に階調表示できない場合が起こり得る。このため、アナログ階調表示の空間光変調素子を用いる必要があるが、アナログ階調表示が可能な空間光変調素子は表示速度が遅く、フィールドシーケンシャル方式には適さない。すなわち、フィールドシーケンシャル方式の実現は困難であった。したがって、図２５に示す、空間光変調素子をレーザ光源ごとに必要とする従来の構成は依然として必要であり、装置の小型化を実現することができなかった。

本発明の目的は、画像を高精度に表示可能な、小型で、携帯性に優れた画像表示装置を実現することである。

本発明の一局面に従う画像表示装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザビームを走査するビーム走査部と、前記ビーム走査部により走査されるレーザビームを空間的にデジタル変調する空間光変調素子と、前記ビーム走査部と前記空間光変調素子との間に配置され、前記ビーム走査部により走査されるレーザビームを、前記ビーム走査部の走査方向に拡散させる拡散部材とを備え、前記ビーム走査部は、複数のフィールドの連続表示により１フレームの画像が形成されるように、前記レーザビームを走査し、前記ビーム走査部の走査タイミングと前記レーザ光源の発光タイミングとは同期している。

上記の画像表示装置によれば、均一化とスペックルノイズ低減効果を兼ね備えた、小型でシンプルな照明光学系が実現することができる。

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。なお、以下の図面の記載において、同じ要素または類似する要素には、同じまたは類似の符号を付しており、説明を省略する場合がある。

（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１における２次元画像表示装置の構成を示す。本実施の形態における２次元画像表示装置は、青色レーザ光源３０１ｂと、赤色レーザ光源３０１ｒと、緑色レーザ光源３０１ｇと、コリメートレンズ３０２ｂ、３０２ｒ、３０２ｇと、ミラー３０３ｂ、３０３ｒ、３０３ｇと、スキャンミラー３０４と、シリンドリカルレンズ３０５と、リレーレンズ３０６と、拡散板３０７と、フィールドレンズ３０８と、プリズム３０９と、２次元空間光変調素子３１０と、投影レンズ３１１と、スクリーン３１２と、を備えている。本実施の形態では、２次元空間光変調素子３１０として強誘電体液晶表示デバイス（ＬＣＯＳ）を用いた場合について述べる。もちろん、本実施の形態の２次元空間光変調素子３１０は、ＬＣＯＳに限られるものではない。

青色レーザ光源３０１ｂ、赤色レーザ光源３０１ｒ、緑色レーザ光源３０１ｇから発せられたレーザ光は、コリメートレンズ３０２ｒ、３０２ｇ、３０３ｂにより平行光にコリメートされる。ミラー３０３ｒ、３０３ｂ、３０３ｇはそれぞれ、赤（波長６００ｎｍ以上）、青（波長４００〜４６０ｎｍ）、緑（波長５２０〜５６０ｎｍ）領域に反射特性を持つ誘電体多層ミラーである。ミラー３０３ｇの直後で、青色レーザ光源３０１ｂ、赤色レーザ光源３０１ｒ、緑色レーザ光源３０１ｇの各ビームパスが同軸となるように、レンズ３０２ｒ、３０２ｇ、３０２ｂ及びミラー３０３ｒ、３０３ｇ、３０３ｂの配置が調整されている。スキャンミラー３０４は、ミラー３０３ｇから出射されるビームを図１の紙面内の方向に走査する。シリンドリカルレンズ３０５は、スキャンミラー３０４によりスキャンされるビームを線状の輝線に整形する。拡散板３０７はリレーレンズ３０６とフィールドレンズ３０８との間に配置され、シリンドリカルレンズ３０５で輝線に整形されたビームを、さらに帯状に形成する。プリズム３０９は偏光ビームスプリッターである。ＬＣＯＳ３１０のＯＮ／ＯＦＦの切り替えは、光の偏光方向を回転させることで行われている。このため、プリズム３０９は偏光ビームスプリッターである必要がある。スキャンミラー３０４で光路を振られたビームは、Ｓ偏光でプリズム３０９に入射される。プリズム３０９内の反射膜はＳ偏光を反射するように設計されているため、Ｓ偏光の光がＬＣＯＳ３１０を照明することになる。

次に、図２Ａ及びＢを用いて、図１のＬＣＯＳ３１０の動作について説明する。図２Ａは、レーザ光源３０１からのレーザ光がプリズム３０９を介してＬＣＯＳ３１０に入射されて偏光方向が変えられた後、ＬＣＯＳ３１０から出射される様子を示す模式図、図２Ｂは、ＬＣＯＳ３１０に印加される駆動電圧の時間的変化を示す図である。ＬＣＯＳ３１０は、駆動電圧を加えない状態ではランダム偏光となっており、例えば、正電圧印加により偏光方向が９０度回転し、負電圧印加により偏光方向が維持される。この偏光方向の回転／維持は、ＬＣＯＳ３１０の素子構成による。電圧を印加しない状態で偏光がランダムであるため、黒を表示する際にも電圧を印加する必要がある。

ＬＣＯＳ３１０の画素のうち、正電圧印加によりＯＮとなっているものでは、偏光方向が９０度回転する。このため、レーザ光源３０１からのＳ偏光のレーザ光は、Ｐ偏光に変更される。そして、再びプリズム３０９に入射する。Ｐ偏光の光はプリズム３０９をそのまま透過し、投影レンズ３１１により拡大され、映像はスクリーン３１２に投影される仕組みとなっている。スキャンミラー３０４により光を走査するのは、ＬＣＯＳ３１０の表示領域全体を照明するためである。スキャンミラーが１周期走査することにより輝線がＬＣＯＳ３１０の表示領域を１往復するように設計されている。

このようなレーザ光源を用いた２次元画像表示装置において、ＬＣＯＳ等の空間光変調素子と、スキャンミラーと、を用いて、レーザ光源をフィールドシーケンシャル方式により点灯させた場合、中間調を表現している画素において、画素の表示誤差の増大、コントラスト低下、砂嵐状のノイズ発生等の問題点が発生することがわかっている。

一方で、レーザ光源をフィールドシーケンシャル方式により順次点灯させる際に、レーザ光源の温度特性等が原因となり、その光強度は一定とならない。図３Ａは、青色（波長４５０ｎｍ）半導体レーザを変調動作させた場合の発光時間と光強度の関係を示すプロット図、図３Ｂは、赤色（波長６４０ｎｍ）半導体レーザを変調動作させた場合の発光時間と光強度との関係を示すプロット図である。例えば、熱の影響を受けやすい波長６３５〜６４０ｎｍの赤色半導体レーザを変調させた場合、図３Ｂに示すように、その光強度波形には“ドループ”と呼ばれるひずみが発生し、点灯直後の光強度は大きいが、徐々に光強度が低下していくという問題がある。赤色半導体レーザだけでなく、青色半導体レーザにおいても、このような傾向があることが図３Ａのプロット図より分かる。このような光源を用いた場合、表示画面上に輝線が現れたり、明るさにムラが生じたり、コントラストが低下したりする原因となる。

図４Ａ〜Ｄに、レーザ光源３０１ｂ、３０１ｒ、３０１ｇの光強度とスキャンミラー３０４の駆動信号との関係を示す。図４Ａは、レーザ光源３０１ｂ、３０１ｒ、３０１ｇの光強度の時間的変化を示す図、図４Ｂは、レーザ光源３０１ｂ、３０１ｒ、３０１ｇの点灯開始タイミングとスキャンミラー３０４の駆動信号との位相が不一致の場合を示す図、図４Ｃは、レーザ光源３０１ｂ、３０１ｒ、３０１ｇの点灯開始タイミングとスキャンミラー３０４の駆動信号との位相が一致し、かつ、照明光がＬＣＯＳ３１０上を１回だけ走査（照明光がミラーを片道のみ走査）する場合を示す図、図４Ｄは、レーザ光源３０１ｂ、３０１ｒ、３０１ｇの点灯開始タイミングとスキャンミラー３０４の駆動信号との位相が一致し、かつ、照明光がＬＣＯＳ３１０上を２回走査（照明光がミラーを往復して走査）する場合を示す図である。

また、図５Ａは、スクリーン３１２の模式図、図５Ｂは、図４Ｂの場合における、図５Ａの直線ｘ−ｘ'上の面内位置と光強度との関係を示す図、図５Ｃは、図４Ｃの場合における、図５Ａの直線ｘ−ｘ'上の面内位置と光強度との関係を示す図、図５Ｄは、図４Ｄの場合における、図５Ａの直線ｘ−ｘ'上の面内位置と光強度との関係を示す図である。また、図５Ｂ〜Ｄではさらに、スクリーン３１２上での明るさ、色の観察者による見え方が模式的に示されている。

図５Ｂは、図４Ｂの駆動信号でスキャンミラー３０４を走査した場合を示している。スクリーン３１２の直線ｘ−ｘ'上の途中で、レーザ光源が点灯して光強度が最も強い部分が発生している。このため、スクリーン３１２内に輝線が現れている。また、スクリーン３１２のすべてを照明する前にレーザ光源が消灯するために、照明光が照射されない領域Ｙが存在している。

図５Ｃは、図４Ｃの駆動信号でスキャンミラー３０４を走査した場合を示している。この場合、レーザ光源の点灯時間と駆動信号の位相とを一致させている。スクリーン３１２全体を照明できているが、レーザ光源特有のドループによりスクリーン３１２の左右で明暗差が発生する。これは、照明光がＬＣＯＳ３１０上を１回のみ走査しているためである。

以上のように、パルス駆動レーザ光源とスキャン光学系を使用した際、図５Ｂ及びＣに例示するように、ＬＣＯＳ３１０上を一様に照明することができない同期方法、スキャン回数があり得る。

そこで、図４Ｄの駆動信号でスキャンミラー３０４を走査し、レーザ光源の点灯時間と駆動信号の位相とを一致させ、かつ、照明光がＬＣＯＳ３１０上を往復させる。この場合の結果を示したものが図５Ｄである。図５Ｂ及びＣの場合と比較して、スクリーン上の光強度が均一化されている。

このように、スキャンミラーの駆動信号の周期Ｔ_ｓｃａｎとレーザ光源の点灯時間Ｔ_{Ｌａｓｅｒ＿ＯＮ}との関係を、Ｔ_{Ｌａｓｅｒ＿ＯＮ}＝ｎ・Ｔ_ｓｃａｎ（ｎは整数）とすることにより、スクリーン３１２上をより均一に照明することが可能となる。図４Ｄの場合、ｎ＝１となる。

本実施の形態の場合、スキャンミラー３０４は可動マグネット（ムービングマグネット）方式の電磁アクチュエータを使用し、共振周波数近辺の周波数で使用している。電磁アクチュエータは構成が簡単で、低コストで作製可能という利点を持つ。スキャンミラー３０４の駆動周波数を大きくするほど、より照明の均一化の効果が大きくなる。しかし、スキャンミラー３０４を駆動する電磁アクチュエータの共振周波数を大きくすると、ＬＣＯＳ３１０の照明に十分な触れ角を得ることが難しい。そのため、拡散板３０７を使用することで、同じスキャンスピード及び触れ角であっても、単位時間内に照明できる面積を大きくする。それにより、スキャンミラー３０４の触れ角を小さくすることが可能となり、スキャンミラー３０４を高速化させることができる。以下、図６Ａ及びＢを用いて、拡散板３０７の効果について説明する。

図６Ａは、図１の２次元画像表示装置から拡散板３０７を外した場合のスクリーン３１２上の照射領域を示す図、図６Ｂは、図１の２次元画像表示装置のスクリーン３１２上の照射領域を示す図である。図６Ａ及びＢは共に、スキャンミラー３０４によるスキャンを停止した時における、スクリーン３１２上の照射領域を示している。図６Ａ及びＢから明らかなように、拡散板３０７の配置により照射領域が広がることが分かる。スキャンを停止させた場合の照射領域は、画像表示領域の２０〜５０％程度が望ましい。一方で、拡散板３０７の拡散角を考慮した場合、拡散角が大きすぎると光量のロスに繋がる。このため、拡散角は３〜１０°の範囲であることが望ましく、３〜５°の範囲であることがより望ましい。

図７及び８に、図１のＬＣＯＳ３１０のＬＣＯＳ信号を駆動する垂直同期信号（Ｖ−ＳＹＮＣ）と、赤色、緑色及び青色のレーザ光源３０１ｒ、３０１ｇ、３０１ｂの発光タイミングと、スキャンミラー３０４の駆動信号とのタイミングチャートを示す。図７は、ＬＣＯＳ３１０上を片道で照明した場合について示しているが、このときのスキャンミラー３０４の駆動信号の周波数は５４３Ｈｚである。図８は、ＬＣＯＳ３１０上を１往復する場合で、このときのスキャンミラー３０４の駆動信号の周波数は１０８６Ｈｚとなっている。

図７及び８に示したものは、Ｖ−ＳＹＮＣの周期の２倍の早さで光源が点灯する、２倍速モードで各レーザ光源を駆動させた場合について説明しているが、カラーブレーキング等の問題を回避するためには少なくとも４倍速以上であることが望ましい。一方で、電磁スキャナーの駆動周波数は高くなるほど触れ角が小さくなる傾向にあり、触れ角±５度の場合２ｋＨｚ程度で限界となる。そこで、拡散板３０７を挿入して触れ角を±３°と小さくすることで、４倍速においても駆動することができる。

次に、図１のレーザ光源３０１ｒ、３０１ｇ、３０１ｂ、スキャンミラー３０４及びＬＣＯＳ３１０を制御する構成について説明する。図９は、図１のレーザ光源３０１ｒ、３０１ｇ、３０１ｂ、スキャンミラー３０４及びＬＣＯＳ３１０を制御する構成例を説明するための図である。なお、図１と同一部分については同一の符号が付してある。

コントローラー１１０１は、ＬＣＯＳ駆動回路１１０２と、レーザ及びスキャンミラー駆動回路１１０３と、レーザ電流源１１０４と、を備えている。コントローラー１１０１の外部からのビデオ信号１１０５がＬＣＯＳ駆動回路１１０２に入力されると、ＬＣＯＳ駆動回路１１０２はＬＣＯＳ駆動信号１１０６を生成する。ＬＣＯＳ駆動回路１１０２は、ＬＣＯＳ信号１１０６をＬＣＯＳ３１０に出力すると共に、その一部であるＶ−ＳＹＮＣ信号１１０７をレーザ及びスキャンミラー駆動回路１１０３に出力する。レーザ及びスキャンミラー駆動回路１１０３は、Ｖ−ＳＹＮＣ信号１１０７をトリガとして、スキャンミラー３０４の駆動信号１１０９及び、レーザ光源３０１ｒ、３０１ｇ、３０１ｂの発光タイミングを決める発光トリガ１１０８を生成する。レーザ及びスキャンミラー駆動回路１１０３は、駆動信号１１０９をスキャンミラー３０４に出力すると共に、発光トリガ１１０８をレーザ電流源１１０４に出力する。レーザ電流源１１０４は、発光トリガ１１０８に合わせてレーザ光源３０１ｒ、３０１ｇ、３０１ｂへ電流１１１０を供給する。Ｖ−ＳＹＮＣ信号１１０７は、６０Ｈｚのパルス信号であり、そのＶ−ＳＹＮＣ信号１１０７を元にして、２倍速モードの場合は、１２０Ｈｚの発光トリガ１１０８が生成される。つまり、ｎ倍速の場合であれば、ｎ・６０Ｈｚの発光トリガ１１０８が生成される。レーザ光源３０１ｒ、３０１ｇ、３０１ｂの発光時間を決定するデューティー比は、２次元空間光変調素子であるＬＣＯＳ３１０の駆動方法で決定される。図１０に、上記のＶ−ＳＹＮＣ信号１１０７と発光トリガ１１０８との関係を示す。階調が黒に近づくに従い、ＬＣＯＳ３１０の駆動信号１１０６のＯＮタイミングの位相が徐々にシフトする。黒表示となるまで、駆動信号１１０６のＯＮタイミングの位相が９２０μｓシフトするため、駆動信号の１１０６のデューティー比を３３％とする必要がある。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態では、上記の実施の形態１における２次元画像表示装置に、半導体レーザの出力を自動制御する自動出力制御（オートパワーコントロール：ＡＰＣ）を適用した実施の形態である。半導体レーザの出力を自動制御することにより、半導体レーザを順次発光させた際に生じる“ドループ”を改善する。図１１に、本実施の形態における２次元画像表示装置の構成を示す。

図１１の２次元画像表示装置においても、２次元空間光変調素子３１０としてＬＣＯＳを使用している点は、上記の実施の形態１と同様である。本実施の形態の２次元画像表示装置では、赤色、緑色及び青色半導体レーザ３０１ｒ、３０１ｇ、３０１ｂのそれぞれの出力をフォトディテクタ１３０１ｒ、１３０１ｇ、１３０１ｂでモニターする。フォトディテクタ１３０１ｒ、１３０１ｇ、１３０１ｂは、モニター信号１３０３をレーザ電流源１１０４へフィードバックする。レーザ電流原１１０４は、レーザ及びスキャンミラー駆動回路１１０３からのレーザ変調信号１３０４と、外部からの各レーザ光源３０１ｒ、３０１ｇ、３０１ｂの出力設定値１３０２とを乗算し、その積とフォトディテクタ１３０１からのモニター信号１３０３とを比較することにより、各レーザ光源の発光強度を均一にし、ドループの発生を抑制することができる。

この際、レーザ及びスキャンミラー駆動回路１１０３内に光強度補正テーブル１３０５を設けておけば良い。レーザ及びスキャンミラー駆動回路１１０３は、光強度補正テーブル１３０５を参照してレーザ変調信号１３０４を設定することにより、光学部品や、レーザ光源の特性などによる色ムラ、明るさムラを補正することができる。例えば、スクリーン上で中央部が明るく、左右部が中央部に比べて暗くなってしまう場合には、スクリーン上の左右部を照明する時のレーザ光源の出力を増加させることにより、均一な照明を行うことができる。光強度補正テーブル１３０５は例えば、半導体メモリで構成すれば良い。あらかじめレーザ光源の出力の調整データを機器毎に設定できるため、光学調整を簡便にすることができる。

図１２に、上記の光強度補正テーブル１３０５に代えて、光強度補正回路１３０６を設けたレーザ及びスキャンミラー駆動回路１１０３の構成を示す。光強度補正回路１３０６は、スキャンミラー３０４の駆動信号１１０９からレーザ変調信号１３０４を生成する。例えば、光強度補正回路１３０６は、図１３Ａに示す駆動信号１１０９が入力されると、駆動信号１１０９を全波整流する。そして、図１３Ｂに示す全波整流された駆動信号１１０９に、外部からの各レーザ光源３０１ｒ、３０１ｇ、３０１ｂの出力設定値１３０２を加算することにより、レーザ変調信号１３０４を生成する。この構成により、部品コストを増大させること無く、均一な照明を実現することができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本発明の実施の形態における２次元画像表示装置は、上記の実施の形態１及び２の緑色半導体レーザ光源として、ファイバレーザの第２高調波を用いた実施の形態である。図１４に、本実施の形態における２次元画像表示装置の緑色半導体レーザとして用いられるファイバレーザの構成を示す。

励起用（ポンプ用）ＬＤ１５０１から出射されるレーザ光をレーザ媒質である希土類ドープクラッドポンプファイバ１５０３に入射し、反射ミラーであるファイバグレーティング１５０２及び１５０４で構成されたレーザ共振器内で共振させることによりレーザ光が発振する。ポラライザ１５０５は発振したレーザ光の偏光方向を単一にするために挿入されている。このファイバレーザは、ビーム品質が良く、発振波長スペクトルを出口側のファイバグレーティング１５０４における反射スペクトルの線幅で規定することが可能である。そのため、ファイバレーザを基本波光源とし、非線形光学結晶を用いた高調波発生（波長変換光源と呼ぶ）に非常に適している。第２高調波発生（ＳＨＧ）モジュール１５０８は第２高調波発生を行うための機構で、この機構を用いることで、最終的に２倍の第２高調波１５０７が出射される。

ファイバレーザの変調を行う場合、大別すると、次の２つの方法が考えられる。

（１）ファイバアンプの構成とし、変調された種光を増幅する方法

（２）励起光を強度変調する方法

上記の（１）の方法では、高速に変調動作できることから、上記の実施の形態２で述べたドループの抑制が可能である。しかしながら、種光のレーザが高価であり、コストの面で課題がある。一方、上記の（２）の方法では、コスト面では有利であるが、基本波及び第２高調波の立ち上がり時のジャイアントパルス発生の課題がある。図１５Ａ及びＢに、上記のジャイアントパルスを示す。このジャイアントパルスの発生により、実施の形態２に述べたドループを改善するための自動出力制御（オートパワーコントロール：ＡＰＣ）を使用することが不可能である。そのため、ファイバレーザを１０ｋＨｚ程度のパルス駆動とし、出力調整のための変調方法をＦＭ変調とすることにより、レーザ光源の点灯時間内での光強度を一定とすることができる。このような構成とすることにより、波長変換時にジャイアントパルスを利用することができ、緑色光への変換効率を向上させることも可能となる。図１６に、本実施の形態における変調波形を示す。図１６において、上段がレーザ光源の発光タイミング、下段が第２高調波の出力を示している。本実施の形態のファイバーレーザを緑色半導体レーザとして用いる点については、下記の実施の形態４についても同様に適用可能である。

以上説明したように、本発明の実施の形態１〜３によれば、輝線や明るさのムラ、コントラストの低下を回避することができる。

また、拡散角が３度以上の拡散板と組み合わせることにより、より中間調を表現することができる。このため、コントラストをより上昇させることができる。

上記の実施の形態１〜３において、２次元空間光変調素子としてＬＣＯＳを使用しているが、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）に代表される、デジタル変調のマイクロミラー素子（ＭＥＭＳ素子）を使用することも可能である。

上記の実施の形態１〜３において、２次元空間光変調素子への照明方法を赤色、緑色及び青色レーザ光を順次点灯させるフィールドシーケンシャル方式によるものについて説明したが、照射位置を各色でずらして照明するスクロール照明を用いても良い。スクロール照明を用いることにより、発光時間を拡大することができるため、スクリーン面での輝度を向上させることができる。

上記の実施の形態１〜３において、レーザ光源からレーザ光が出射される前に、スキャンミラーを動作させるよう設定しておくことにより、高強度のレーザ光が２次元空間光変調素子に照射されることを防止することができる。それにより、２次元空間光変調素子をレーザダメージから保護することができる。

なお、デジタル階調の２次元空間光変調素子を使用した際は、スキャン照明をすることで階調が低下する問題が生じていた。しかし、上記実施の形態１〜３と同様に、拡散板を使用することにより、単位領域あたりの照明時間を大きくし、かつ、スキャンミラーの高速化も可能である。それにより、スキャンミラー高速化による単位領域あたりの照明時間拡大の効果を得ることができるため、階調低下を抑制することができる。

また、上記の実施の形態１〜３は、２次元画像表示装置に限られるものでは無く、変調された赤外光を利用した距離画像センサ等のセンシング用途としても使用できる。

なお、以上の各実施の形態に例示した２次元画像表示装置はあくまでも一例であり、他の態様をとることが可能であることは言うまでもない。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。上記の実施の形態１〜３では、レーザ光源の点灯時間内にスキャンミラーを複数回スキャンさせることにより、照明光を空間光変調素子を複数回照射させるものであった。これに対し、本実施の形態では、時間変調による階調表示を行う空間光変調素子を用いる場合に、レーザ光源の連続する点灯時間に対して、照明光が空間光変調素子を照射する走査方向を逆転させるものである。

図１７は、本実施の形態における２次元画像表示装置の構成を示す概略図である。本実施の形態における２次元画像表示装置は、赤色レーザ光源５１ａと、緑色レーザ光源５１ｂと、青色レーザ光源５１ｃと、コリメートレンズ５２と、ミラー５３と、ダイクロイックミラー５４と、スキャンミラー５５と、凹レンズ５６と、フィールドレンズ５７と、拡散板５８と、偏光ビームスプリッタ５９と、２次元空間光変調素子５１０と、投影レンズ５１１と、スクリーン５１２と、を備えている。

赤色レーザ光源５１ａ、緑色レーザ光源５１ｂ、青色レーザ光源５１ｃから出射された光はそれぞれ、コリメートレンズ５２で平行光とされ、ミラー５３またはダイクロイックミラー５４で反射される。各レーザ光は合波され、１ビームとなってビーム走査手段であるスキャンミラー５５に導かれる。スキャンミラー５５は、典型的には、電磁駆動の共振ミラーである。

スキャンミラー５５で反射されたビームは、凹レンズ５６で１次元方向（図１７の紙面に対して垂直方向）に拡大されて線状ビームとなり、フィールドレンズ５７、拡散板５８、偏光ビームスプリッタ５９を経て、空間光変調素子５１０を照射する。空間光変調素子５１０は、入力された映像信号５２１にしたがって制御回路５２２によって駆動され、画素ごとにＯＮ／ＯＦＦされて照明ビームを変調する。ＯＮ画素を照射した光は偏光が回転し、偏光ビームスプリッタ５９を透過して、投射レンズ５１１によりスクリーン５１２へ投射され、画像が表示される。

ここでは、線状ビームは画像の縦方向とし、ビームを横方向に走査することによって全体を照明している。同時に、拡散板５８を通してビームが走査されることによって、空間光変調素子５１０の各画素に照射される光の入射角度が刻々変化する。それにより、投射画像のスペックルノイズを低減する効果を持つ。

制御回路５２２は、映像信号５２１から得た同期信号をレーザ駆動回路５２４に送って各レーザ光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃの点灯タイミングを制御するとともに、その点灯タイミングと同期してスキャンミラー駆動回路５２３でスキャンミラー５５を駆動する。

スキャンミラー５５は、一定周波数で共振駆動され、その駆動周波数は少なくとも表示画像のフレームレート以上であれば良いが、投射される画像は、空間光変調素子５１０が画像を表示するタイミングとの関係で様々に変化するため、良好な画像が投射できる周波数を選ぶ必要がある。

以下、本実施の形態における画像表示装置の動作を説明する。

図１８Ａ〜Ｄは、本実施の形態における画像表示装置のビーム走査と投射画像との関係を示す図である。図１８Ａは、スキャンミラー５５が中立位置にあり、拡散板５８を省いた状態とそのときの照明光の様子である。凹レンズ５６によって上下に拡大され水平方向に絞り込まれて細い線状ビームとなり、画面の中央を照射している。

図１８Ｂは、図１８Ａと同じく、スキャンミラー５５が中立位置にあり、拡散板５８を通した状態である。拡散されたビームは幅が広がって画面中央部を広く照射している。ここで、ビームの光軸が画面中央に当たっており、画面中央を照射する光５３１は空間光変調素子５１０に垂直に当たっている。

図１８Ｃは、スキャンミラー５５を１方向に駆動し、ビームの光軸が画面の右端に来た状態である。このとき、ビーム光軸は画面中央をはずれており、画面中央を照射する光５３１はビームの一方の端の光であって、空間光変調素子５１０に対して斜めに当たっている。

図１８Ｄは、スキャンミラー５５を図１８Ｃの場合と逆方向に駆動し、ビームの光軸が画面の左端に来た状態である。このとき、ビーム光軸は画面中央を、図１８Ｃの場合とは逆方向にはずれており、画面中央を照射する光５３１はビームの他方の端の光であって、空間光変調素子５１０に対して、上記の場合とは逆方向から斜めに当たっている。

このように、拡散板５８で拡散したビームを走査して空間光変調素子５１０に照射することによって、画面の各画素を照射する光の入射角度が刻々変化することになり、これによって投射画像のスペックルノイズは効果的に低減される。また、拡散されたビームは一定の幅を持っているので、ビーム走査の振幅は画面の全幅まで広げる必要はない。このため、ビーム走査の振幅を画面の全幅に対して概ね７０〜８０％程度の振幅とすれば、ほぼ画面の全面に均等に照明することができる。

このような構成によって、均一化とスペックルノイズ低減効果を兼ね備えた、小型でシンプルな照明光学系が実現されている。

次に、画像の表示タイミングとビーム走査の関係について説明する。

図１９Ａ〜Ｃは、本実施の形態における画像表示装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。図１９Ａ〜Ｃの各タイミングチャートにおいて、１段目は、各レーザ光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃの点灯タイミング、２段目は、スキャンミラー５５の駆動波形、３段目は、ＳＬＭ（空間光変調素子）５１０の１つの画素の画素値、４段目は、上記の画素に照射される照明光強度、５段目は、上記の画素の投射光強度を、それぞれ示している。

図１９Ａ〜Ｃでは、画像の１フレームが２つのフィールドに分割されており、同一フレーム画像が２回表示される（１／２フィールド、２／２フィールド）。さらに、各フィールドにおいて、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のカラーフィールドが１／３のデューティで表示される（Ｒ１〜２、Ｇ１〜２、Ｂ１〜２）。

フレームレートが６０Ｈｚの場合、フィールドレートは１２０Ｈｚ、カラーフィールドレートは３６０Ｈｚとなり、各色のレーザ光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃの点灯期間は、さらに３倍の１０８０Ｈｚとなる。

これに対し、スキャンミラー５５の駆動周波数をレーザ光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃの半分の５４０Ｈｚとし、さらに、スキャンミラー５５の駆動の位相とレーザ光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃの点灯の位相とを合わせる。このようにすると、図１９Ａ〜Ｃに示すように、レーザ光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃの点灯期間中、スキャンミラー５５による照射光の走査が、画面の一方の端から他方の端までの片道走査となる。ここで、上記したように、各色のカラーフィールドの点灯デューティを１／３としている。このため、図１９Ａ〜Ｃの各２段目の矢印が示すように、連続する点灯期間ごとに、照射光が画面を走査する方向が反転することになる。さらに、各色の１／２フィールドと２／２フィールドとの間で、走査方向が反転する。なお、点灯デューティが１／２であれば、全ての点灯期間で走査方向が同じになってしまう。

各点灯期間中、空間光変調素子５１０の各画素は、画像データに従ってＯＮ時間幅が変調されることにより、階調を表示する。すなわち、画素値が高い色は、ＯＮ時間が長く、画素値が低い色は、ＯＮ時間が短く制御される。

さらに、画素に照射される照明光強度は、画面内の場所によって走査タイミングにより変化する。例えば、図１９Ａに示すように、画面の左端付近の画素では、点灯期間の初めと終わりにピークが生じる。図１９Ｂに示すように、画面の中央付近の画素では、点灯期間の中央でピークが生じる。同様に、図１９Ｃに示すように、画面の右端付近の画素では、点灯期間の初めと終わりに、図１９Ａの場合とは逆のタイミングでピークが生じる。

こうして、各画素のＯＮタイミングと照明光強度のタイミングで投射光強度が決まる。同じ画素値でも、照明光のタイミングすなわち画面の位置で実際に表示される階調が変化することとなる。

このように、照明光を走査して得られる投射画像をシミュレーションして、元画像との誤差を求めた。

スキャンミラー５５の走査条件として、周波数倍率＝スキャンミラー駆動周波数／光源点灯期間周波数を変化させ、誤差の指標として、ＡＡＤ＝差の絶対値の平均＝（元画像とスキャン画像の各画素値の差の絶対値の総和）／画素数／２５５を用いた。図２０に、ある画像に対する計算結果を示す。

スキャンミラー５５の駆動周波数を上げていくと、誤差は減少するが、周波数倍率を整数倍とするよりもｎ−０．５（ｎ＝１、２、３・・・・）とした方が誤差が少ない。ｎ−０．５倍では、点灯期間ごとに走査方向が反転するため、走査によって生じる逆の階調変化が２フィールドで重なって１フレームを形成するので、誤差が左右均等となり、かつ、分散されて目立たなくなる効果がある。これに対し、特に、１倍の時の誤差が非常に大きくなるが、これは、点灯期間中にちょうど１往復走査するタイミングとなっており、全ての点灯期間で同じ方向の走査が繰り返されることになる。したがって、各点灯期間では照明光の均一化は図られるものの、逆方向の重ね合わせ効果がなく、左右で階調変化が大きく異なった画像となって誤差が大きい状態となる。

スキャンミラー５５の駆動周波数を高くすると、スキャンミラー５５を駆動するのに大きな電力が必要となり、また、振動や騒音が発生しやすくなる。したがって、最も低い周波数で良好な画像が得られる、０．５倍とするのが最適である。

図２１Ａ〜Ｃに、グレースケールを走査した場合の投射画像の計算結果を示す。図２１Ａは、元画像を示しており、上端が画素値＝０で黒、下端が画素値＝２５５で白、の上下方向の直線的なグレースケール画像である。図２１Ｂは、周波数倍率を１で走査した場合の計算結果である。画面の左、中央、右の縦ライン上の画素値をプロットしている。図２１Ｃは、周波数倍率を０．５で走査した場合の計算結果である。同じく画面の左、中央、右の縦ライン上の画素値をプロットしている。

これらの結果から分かるように、走査の結果、直線的なグレースケールが場所によって異なる階調変化を受け異なるトーンカーブを描く。周波数倍率が１の場合は、左右でアンバランスな階調変化を受け、誤差も０．１０８と大きい。各部のトーンカーブも極端な形となっており、補正するのも困難である。

一方、周波数倍率０．５では、左右対称な画像となっており、誤差も０．０７７と小さくなっている。比較的なだらかなカーブであって、補正も容易である。

このような結果から、画像の場所によって異なるトーンカーブを画像の横画素数だけ算出し、それぞれの逆変換するための補正量を求めておけば、元画像を補正することが出来る。精度よく補正するには階調ビット数以上のビット数で処理する必要があるが、あらかじめ誤差の小さな走査条件を選んでおけば、比較的少ないビット数で良好な補正が可能である。補正した画像を走査すれば、ほぼ元画像に近い投射画像が得られる。

ここで、上記の補正の処理手順について、図２２Ａ〜Ｃを用いて説明する。図２２Ａは、元画像を示しており、上端が画素値Ｄ＝０で黒、下端が画素値Ｄ＝２５５で白、の上下方向の直線的なグレースケール画像である。図２２Ｂは、図２２Ａの元画像を周波数倍率を０．５で走査した場合の計算結果である。図２２Ｃは、図２２Ｂのトーンカーブから上記の逆変換カーブを求める手順を説明するための図である。

図２２Ａに示すように、元画像は、水平方向の画素数がＮ、垂直方向の画素数が２５６の垂直グレースケール画像である。ここでは、図２２Ａの元画像の座標（ｉ_ｎ，ｊ_ｎ）の画素の画素値をＰ（ｉ_ｎ，ｊ_ｎ）とする。なお、図２２Ａの元画像は垂直グレースケール画像であるので、Ｐ（ｉ_ｎ，ｊ_ｎ）はＤ_ｎとなる。

座標（ｉ_ｎ，ｊ_ｎ）の画素の画素値Ｄ_ｎ＝Ｐ（ｉ_ｎ，ｊ_ｎ）が走査によってＤ_ｘ＝Ｐ’（ｉ_ｎ，ｊ_ｎ）に変換される場合について説明する。この場合、トーンカーブ上で画素値Ｄ_ｘとなる座標（ｉ_ｍ，ｊ_ｎ）を求め、図２２Ａの元画像での座標（ｉ_ｍ，ｊ_ｎ）の画素値Ｄ_ｍを求める。そして、上記の補正の補正量として、座標（ｉ_ｎ，ｊ_ｎ）の画素の画素値に対して補正量Ｄ_ｍを設定すればよい。この補正量を各画素について行うことで、Ｐ（ｉ_ｎ，ｊ_ｎ）＝Ｄ_ｎに対して上記のトーンカーブと対称な逆変換カーブを得ることができる。

この補正量の設定により、走査による座標（ｉ_ｎ，ｊ_ｎ）の画素の画素値Ｄ_ｎからＤ_ｘへの変換を補正することができる。この補正量を水平方向の画素数Ｎ個分をあらかじめ保持しておくことにより、任意の画素に対して上記の補正を行うことができる。

さらに、画素のＯＮタイミングをビーム走査のタイミングに同期するよう制御すれば、より誤差は小さくなる。走査ビームは各点灯期間の間、サイン波状に移動しているので、画面の任意の位置に到達するタイミングを予め計算することができる。この計算結果に基づいて画素のＯＮタイミングを制御すればよい。

この状態で上述したようなグレースケール画像の走査結果を用いて同様に補正量を計算し、元画像を補正すれば、さらに誤差を圧縮できる。

この補正の処理については、上記の実施の形態１〜３についても同様に適用可能である。

本実施の形態では、単純な時間幅変調について説明したが、デジタル階調表示方式としてはビットパターンを生成して、より細かくＯＮ／ＯＦＦを繰り返すような場合も同様に適用可能である。

また、本実施の形態では、各レーザ光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、点灯時間中には連続的にレーザ光を出射するものであったが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図２３の赤色レーザ光源５１ａは、点灯期間中、パルス発振させている。この場合、点灯タイミングの位相を、１／２フィールドでの点灯期間と２／２フィールドでの点灯期間との間で反転させる必要がある。そうすることにより、上記の実施の形態４と同様、点灯期間ごとに走査方向を反転させることができる。従って、上記の実施の形態４と同様の効果を得ることができる。さらに、レーザ光源をパルス発振させることにより、消費電力の低減を図ることができる。もちろん、レーザ光源の出力パワーの低下があれば、レーザ光源の発振をパルス発振から連続発振に変更すればよい。それにより、レーザ光源からの出力パワーを維持することができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態４によれば、スキャンミラーにより走査されるレーザビームを、拡散板を通して、空間光変調素子に照射することにより、拡散板によりビームを拡散するとともに、画面の各画素を照射する光の入射角度を刻々変化させることができる。それにより、投射画像のスペックルノイズを効果的に低減することができる。

また、拡散されたビームは幅を持っているので、ビーム走査の振幅を画面の全幅まで広げる必要はなく、画面の全幅の概ね７０〜８０％程度の振幅で、ほぼ画面の全面に均等な照明がなされる。このような構成によって、均一化とスペックルノイズ低減効果を兼ね備えた、小型でシンプルな照明光学系が実現することができる。

さらに、スキャンミラーの駆動周波数の倍率をｎ−０．５倍（ｎ＝１、２、３・・・）とすると、点灯期間ごとに走査方向が反転する。このため、走査によって生じる逆方法の諧調変化が２フィールドで重なって１フレームを形成するので、照明光を走査して得られる投射画像と、元画像との誤差が左右均等となり、かつ、分散されて目立たなくなる効果がある。また、低い駆動周波数で誤差を減少させることができるため、低電力で、振動や騒音を少なくすることができる。

上記の各実施の形態から本発明について要約すると、以下のようになる。すなわち、本発明の画像表示装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザビームを走査するビーム走査部と、前記ビーム走査部により走査されるレーザビームを空間的にデジタル変調する空間光変調素子と、前記ビーム走査部と前記空間光変調素子との間に配置され、前記ビーム走査部により走査されるレーザビームを、前記ビーム走査部の走査方向に拡散させる拡散部材とを備え、前記ビーム走査部は、複数のフィールドの連続表示により１フレームの画像が形成されるように、前記レーザビームを走査し、前記ビーム走査部の走査タイミングと前記レーザ光源の発光タイミングとは同期している。

本発明の画像表示装置によれば、均一化とスペックルノイズ低減効果を兼ね備えた、小型でシンプルな照明光学系が実現することができる。

上記の画像表示装置において、前記ビーム走査部の走査周期Ｔ_ｓｃａｎと前記レーザ光源の発光時間Ｔ_{Ｌａｓｅｒ＿ＯＮ}とは、Ｔ_{Ｌａｓｅｒ＿ＯＮ}＝ｎ・Ｔ_ｓｃａｎ（ｎ：整数）なる式を満たすことが好ましい。

この構成によれば、レーザ光源の発光時間をビーム走査部の走査周期の整数倍とすることにより、空間光変調素子をレーザビームで均一に照明することができる。このため、輝線や明るさのムラ、コントラストの低下を招くことなく、高精度に画像を表示することができる。

上記の画像表示装置において、前記レーザ光源の出力を検出する検出部と、前記検出部による検出値に基づいて前記レーザ光源の出力を制御する制御部とをさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、レーザ光源から出射されるレーザビームの出力を高精度に把握することができるので、レーザ光源の発光強度が均一化され、さらに精度良く画像を表示することができる。

上記の画像表示装置において、前記空間光変調素子は、強誘電液晶から構成された反射型液晶素子であることが好ましい。

この構成によれば、レーザビームを高速にデジタル変調することができるので、さらに精度良く画像を表示することができる。

上記の画像表示装置において、前記空間光変調素子は、マイクロミラー素子であることが好ましい。

この構成によれば、レーザビームを高速にデジタル変調することができるので、さらに精度良く画像を表示することができる。

上記の画像表示装置において、前記拡散部材の拡散角は、３°以上５°以下であることが好ましい。

この構成によれば、レーザ走査部の走査角を小さくすることができ、それにより、レーザ走査部の走査速度を高めることができる。

上記の画像表示装置において、前記レーザ光源は、緑色レーザ光源であり、前記緑色レーザ光源は、レーザ活性物質を含み、ファイバーグレーティングが形成されたファイバと、前記ファイバに励起光を入射する励起光源と、前記ファイバから出射されるレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを備え、前記波長変換素子から出力される高調波は周波数変調されることが好ましい。

この構成によれば、緑色光の高出力化を図ると共に、レーザ光源の点灯期間内での出力強度を安定にすることができる。

上記の画像表示装置において、前記レーザ光源は、前記ビーム走査部による走査の開始後に発光することが好ましい。

この構成によれば、レーザ光源の発光直後の高強度のレーザビームが空間光変調素子に照射されることを防止することができ、それにより、空間光変調素子のレーザビーム照射によるダメージを抑制することができる。

上記の画像表示装置において、前記レーザ光源は、赤色レーザ光源、青色レーザ光源及び緑色レーザ光源の３つのレーザ光源を含み、前記フィールドは、赤色、青色及び緑色の３つのカラーフィールドの連続表示により形成され、かつ、前記３つのカラーフィールドの表示デューティは１／３であることが好ましい。

この構成によれば、連続するカラーフィールドごとにレーザ走査部の走査方向を反転させると共に、同一色のカラーフィールド間においてもレーザ走査部による走査方向を反転させることができる。

上記の画像表示装置において、前記複数のフィールドの数は、偶数であることが好ましい。

この構成によれば、同一の１フレーム画像が偶数個のフィールドの連続表示により形成されるので、ビーム走査部による走査方向を確実に逆転させることができる。

上記の画像表示装置において、前記ビーム走査部は、共振周波数で駆動されることが好ましい。

この構成によれば、ビーム走査部を安定して駆動することができるので、消費電力を低減し、振動や騒音の発生を抑制することができる。

上記の画像表示装置において、前記ビーム走査部の走査方向と垂直な方向にグレースケールを有するグレースケール画像を表示する際、前記走査部の走査に起因する、前記グレースケール画像を構成する各画素の画素値の変化を、補償するべく構成されていることが好ましく、前記空間光変調素子は、前記グレースケール画像を構成する各画素の画素値の変化に従うトーンカーブが逆変換された結果に基づき、前記ビーム走査部により走査されるレーザビームを空間的にデジタル変調することが好ましい。

この構成によれば、元画像により近い画像を表示することができる。

上記の画像表示装置において、前記ビーム走査部の走査周波数ｆｓと前記レーザ光源の発光周波数ｆｉとが、ｆｓ＝（ｎ−０．５）ｆｉ（ｎ：整数）なる式を満たすことにより、前記複数のフィールドの表示順に前記ビーム走査部の走査方向が逆転することが好ましい。

この構成によれば、ビーム走査部の走査周波数をレーザ光源の発光周波数の（ｎ−０．５）倍（ｎ＝１、２、３・・・）とすることにより、複数のフィールドの表示順にビーム走査部の走査方向が逆転する。このため、走査によって生じる、互いに逆方向の諧調変化が２つのフィールドで重なって１フレームを形成することができるので、ビーム走査部の周波数を低くしても、レーザビームを走査して得られる画像と、元画像との誤差が左右均等となり、かつ、分散されて目立たなくなる。

上記の画像表示装置において、前記レーザ光源の出力を検出する検出部と、前記検出部による検出値に基づいて前記レーザ光源の出力を制御する制御部とをさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、レーザ光源から出射されるレーザビームの出力を高精度に把握することができるので、レーザ光源の発光強度が均一化され、さらに精度良く画像を表示することができる。

上記の画像表示装置において、前記空間光変調素子は、強誘電液晶から構成された反射型液晶素子であることが好ましい。

この構成によれば、レーザビームを高速にデジタル変調することができるので、さらに精度良く画像を表示することができる。

上記の画像表示装置において、前記空間光変調素子は、マイクロミラー素子であることが好ましい。

この構成によれば、レーザビームを高速にデジタル変調することができるので、さらに精度良く画像を表示することができる。

上記の画像表示装置において、前記拡散部材の拡散角は、３°以上５°以下であることが好ましい。

この構成によれば、レーザ走査部の走査角を小さくすることができ、それにより、レーザ走査部の走査速度を高めることができる。

上記の画像表示装置において、前記レーザ光源は、緑色レーザ光源であり、前記緑色レーザ光源は、レーザ活性物質を含み、ファイバーグレーティングが形成されたファイバと、前記ファイバに励起光を入射する励起光源と、前記ファイバから出射されるレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを備え、前記波長変換素子から出力される高調波は周波数変調されることが好ましい。

この構成によれば、緑色光の高出力化を図ると共に、レーザ光源の点灯期間内での出力強度を安定にすることができる。

上記の画像表示装置において、前記レーザ光源は、前記ビーム走査部による走査の開始後に発光することが好ましい。

この構成によれば、レーザ光源の発光直後の高強度のレーザビームが空間光変調素子に照射されることを防止することができ、それにより、空間光変調素子のレーザビーム照射によるダメージを抑制することができる。

上記の画像表示装置において、前記レーザ光源は、赤色レーザ光源、青色レーザ光源及び緑色レーザ光源の３つのレーザ光源を含み、前記フィールドは、赤色、青色及び緑色の３つのカラーフィールドの連続表示により形成され、かつ、前記３つのカラーフィールドの表示デューティは１／３であることが好ましい。

この構成によれば、連続するカラーフィールドごとにレーザ走査部の走査方向を反転させると共に、同一色のカラーフィールド間においてもレーザ走査部による走査方向を反転させることができる。

上記の画像表示装置において、前記複数のフィールドの数は、偶数であることが好ましい。

この構成によれば、同一の１フレーム画像が偶数個のフィールドの連続表示により形成されるので、ビーム走査部による走査方向を確実に逆転させることができる。

上記の画像表示装置において、前記ビーム走査部は、共振周波数で駆動されることが好ましい。

この構成によれば、ビーム走査部を安定して駆動することができるので、消費電力を低減し、振動や騒音の発生を抑制することができる。

上記の画像表示装置において、前記ビーム走査部の走査方向と垂直な方向にグレースケールを有するグレースケール画像を表示する際、前記走査部の走査に起因する、前記グレースケール画像を構成する各画素の画素値の変化を、補償するべく構成されていることが好ましく、前記空間光変調素子は、前記グレースケール画像を構成する各画素の画素値の変化に従うトーンカーブが逆変換された結果に基づき、前記ビーム走査部により走査されるレーザビームを空間的にデジタル変調することが好ましい。

この構成によれば、元画像により近い画像を表示することができる。

本発明によれば、簡単な構成と少ない部品により、レーザ光源を用いたフルカラーで、スペックルノイズの少ない高画質の映像表示装置を実現されるので、均一化とスペックルノイズ低減効果を兼ね備えた、小型でシンプルな照明光学系に有用である。

本発明の実施の形態１における２次元画像表示装置の構成を示す概略図である。 図２Ａは、レーザ光源からのレーザ光がプリズムを介してＬＣＯＳに入射されて偏光方向が変えられた後、ＬＣＯＳから出射される様子を示す模式図、図２Ｂは、ＬＣＯＳに印加される駆動電圧の時間的変化を示す図である。 図３Ａは、青色（波長４５０ｎｍ）半導体レーザを変調動作させた場合の発光時間と光強度の関係を示すプロット図、図３Ｂは、赤色（波長６４０ｎｍ）半導体レーザを変調動作させた場合の発光時間と光強度との関係を示すプロット図である。 図４Ａは、レーザ光源の光強度の時間的変化を示す図、図４Ｂは、レーザ光源の点灯開始タイミングとスキャンミラーの駆動信号との位相が不一致の場合を示す図、図４Ｃは、レーザ光源の点灯開始タイミングとスキャンミラーの駆動信号との位相が一致し、かつ、照明光がＬＣＯＳ上を１回だけ走査する場合を示す図、図４Ｄは、レーザ光源の点灯開始タイミングとスキャンミラーの駆動信号との位相が一致し、かつ、照明光がＬＣＯＳ上を２回走査する場合を示す図である。 図５Ａは、スクリーンの模式図、図５Ｂは、図４Ｂの場合における、図５Ａの直線ｘ−ｘ'上の面内位置と光強度との関係を示す図、図５Ｃは、図４Ｃの場合における、図５Ａの直線ｘ−ｘ'上の面内位置と光強度との関係を示す図、図５Ｄは、図４Ｄの場合における、図５Ａの直線ｘ−ｘ'上の面内位置と光強度との関係を示す図である。 図６Ａは、図１の２次元画像表示装置から拡散板を外した場合のスクリーン上の照射領域を示す図、図６Ｂは、図１の２次元画像表示装置のスクリーン上の照射領域を示す図である。 図１のＬＣＯＳのＬＣＯＳ信号を駆動する垂直同期信号と、赤色、緑色及び青色のレーザ光源の発光タイミングと、スキャンミラーの駆動信号との関係を示すタイミングチャートである。 図１のＬＣＯＳのＬＣＯＳ信号を駆動する垂直同期信号と、赤色、緑色及び青色のレーザ光源の発光タイミングと、スキャンミラーの駆動信号との関係を示すタイミングチャートである。 図１のレーザ光源、スキャンミラー及びＬＣＯＳを制御する構成例を説明するための概略図である。 図９のＶ−ＳＹＮＣ信号と発光トリガとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態２における２次元画像表示装置の構成を示す概略図である。 図１１の光強度補正テーブルに代えて、光強度補正回路を設けたレーザ及びスキャンミラー駆動回路の構成例を説明するための概略図である。 図１３Ａは、図１２の駆動信号の波形を示す図、図１３Ｂは、図１３Ａの駆動信号を全波整流した後の波形を示す図、図１３Ｃは、図１３Ｂの全波整流後の駆動信号から生成されたレーザ変調信号の波形を示す図である。 本発明の実施の形態３における２次元画像表示装置の緑色半導体レーザとして用いられるファイバレーザの構成を示す概略図である。 図１５Ａは、ファイバーレーザの基本波の出力波形を示す図、図１５Ｂは、ファイバーレーザの高調波の出力波形を示す図である。 図１４のファイバーレーザの発光タイミング及び高調波の出力波形を示す図である。 本発明の実施の形態４における２次元画像表示装置の構成を示す概略図である。 図１８Ａは、図１７のスキャンミラーが中立位置にあり、拡散板を省いた状態の照明光の様子を示す図、図１８Ｂは、スキャンミラーが中立位置にあり、拡散板を通した状態の照明光の様子を示す図、図１８Ｃは、スキャンミラーを１方向に駆動し、ビームの光軸が画面の右端に来た状態の照明光の様子を示す図、図１８Ｄは、スキャンミラーを図１８Ｃの場合と逆方向に駆動し、ビームの光軸が画面の左端に来た状態の照明光の様子を示す図である。 本発明の実施の形態４における画像表示装置の動作を説明するためのタイミングチャートである（画面の左端付近の画素）。 本発明の実施の形態４における画像表示装置の動作を説明するためのタイミングチャートである（画面の中央付近の画素）。 本発明の実施の形態４における画像表示装置の動作を説明するためのタイミングチャートである（画面の右端付近の画素）。 周波数倍率とＡＡＤとの関係を示す図である。 図２１Ａは、上下方向の直線的なグレースケール画像を示す図、図２１Ｂは、周波数倍率を１で走査した場合の計算結果を示す図、図２１Ｃは、周波数倍率を０．５で走査した場合の計算結果を示す図である。 図２２Ａは、上下方向の直線的なグレースケール画像を示す図、図２２Ｂは、周波数倍率を０．５で走査した場合の計算結果を示す図、図２２Ｃは、トーンカーブから逆変換カーブを求める手順を説明するための図である。 赤色レーザ光源をパルス発振させる場合を説明するための図である。 従来の２次元画像表示装置の構成を示す概略図である。 従来の他の２次元画像表示装置の構成を示す概略図である。 ＬＣＯＳを空間光変調素子として使用した場合における階調表現方法を説明するための図である。

Claims (24)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されるレーザビームを走査するビーム走査部と、
   前記ビーム走査部により走査されるレーザビームを空間的にデジタル変調する空間光変調素子と、
   前記ビーム走査部と前記空間光変調素子との間に配置され、前記ビーム走査部により走査されるレーザビームを、前記ビーム走査部の走査方向に拡散させる拡散部材と
   を備え、
   前記ビーム走査部は、複数のフィールドの連続表示により１フレームの画像が形成されるように、前記レーザビームを走査し、
   前記ビーム走査部の走査タイミングと前記レーザ光源の発光タイミングとは同期しており、
   前記ビーム走査部の走査周期Ｔ _ｓｃａｎ と前記レーザ光源の発光時間Ｔ _{Ｌａｓｅｒ＿ＯＮ} とは、Ｔ _{Ｌａｓｅｒ＿ＯＮ} ＝ｎ・Ｔ _ｓｃａｎ （ｎ：整数）なる式を満たすことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記レーザ光源の出力を検出する検出部と、
   前記検出部による検出値に基づいて前記レーザ光源の出力を制御する制御部と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記空間光変調素子は、強誘電液晶から構成された反射型液晶素子であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記空間光変調素子は、マイクロミラー素子であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
5. 前記拡散部材の拡散角は、３°以上５°以下であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
6. 前記レーザ光源は、緑色レーザ光源であり、
   前記緑色レーザ光源は、
   レーザ活性物質を含み、ファイバーグレーティングが形成されたファイバと、
   前記ファイバに励起光を入射する励起光源と、
   前記ファイバから出射されるレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子と
   を備え、
   前記波長変換素子から出力される高調波は周波数変調されることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
7. 前記レーザ光源は、前記ビーム走査部による走査の開始後に発光することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
8. 前記レーザ光源は、赤色レーザ光源、青色レーザ光源及び緑色レーザ光源の３つのレーザ光源を含み、
   前記フィールドは、赤色、青色及び緑色の３つのカラーフィールドの連続表示により形成され、かつ、前記３つのカラーフィールドの表示デューティは１／３であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
9. 前記複数のフィールドの数は、偶数であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
10. 前記ビーム走査部は、共振周波数で駆動されることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
11. 前記ビーム走査部の走査方向と垂直な方向にグレースケールを有するグレースケール画像を表示する際、前記走査部の走査に起因する、前記グレースケール画像を構成する各画素の画素値の変化を、補償するべく構成されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
12. 前記空間光変調素子は、前記グレースケール画像を構成する各画素の画素値の変化に従うトーンカーブが逆変換された結果に基づき、前記ビーム走査部により走査されるレーザビームを空間的にデジタル変調することを特徴とする請求項１１に記載の画像表示装置。
13. レーザ光源と、
    前記レーザ光源から出射されるレーザビームを走査するビーム走査部と、
    前記ビーム走査部により走査されるレーザビームを空間的にデジタル変調する空間光変調素子と、
    前記ビーム走査部と前記空間光変調素子との間に配置され、前記ビーム走査部により走査されるレーザビームを、前記ビーム走査部の走査方向に拡散させる拡散部材と
    を備え、
    前記ビーム走査部は、複数のフィールドの連続表示により１フレームの画像が形成されるように、前記レーザビームを走査し、
    前記ビーム走査部の走査タイミングと前記レーザ光源の発光タイミングとは同期しており、
    前記ビーム走査部の走査周波数ｆｓと前記レーザ光源の発光周波数ｆｉとが、ｆｓ＝（ｎ−０．５）ｆｉ（ｎ：整数）なる式を満たすことにより、前記複数のフィールドの表示順に前記ビーム走査部の走査方向が逆転することを特徴とする画像表示装置。
14. 前記レーザ光源の出力を検出する検出部と、
    前記検出部による検出値に基づいて前記レーザ光源の出力を制御する制御部と
    をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。
15. 前記空間光変調素子は、強誘電液晶から構成された反射型液晶素子であることを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。
16. 前記空間光変調素子は、マイクロミラー素子であることを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。
17. 前記拡散部材の拡散角は、３°以上５°以下であることを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。
18. 前記レーザ光源は、緑色レーザ光源であり、
    前記緑色レーザ光源は、
    レーザ活性物質を含み、ファイバーグレーティングが形成されたファイバと、
    前記ファイバに励起光を入射する励起光源と、
    前記ファイバから出射されるレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子と
    を備え、
    前記波長変換素子から出力される高調波は周波数変調されることを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。
19. 前記レーザ光源は、前記ビーム走査部による走査の開始後に発光することを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。
20. 前記レーザ光源は、赤色レーザ光源、青色レーザ光源及び緑色レーザ光源の３つのレーザ光源を含み、
    前記フィールドは、赤色、青色及び緑色の３つのカラーフィールドの連続表示により形成され、かつ、前記３つのカラーフィールドの表示デューティは１／３であることを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。
21. 前記複数のフィールドの数は、偶数であることを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。
22. 前記ビーム走査部は、共振周波数で駆動されることを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。
23. 前記ビーム走査部の走査方向と垂直な方向にグレースケールを有するグレースケール画像を表示する際、前記走査部の走査に起因する、前記グレースケール画像を構成する各画素の画素値の変化を、補償するべく構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。
24. 前記空間光変調素子は、前記グレースケール画像を構成する各画素の画素値の変化に従うトーンカーブが逆変換された結果に基づき、前記ビーム走査部により走査されるレーザビームを空間的にデジタル変調することを特徴とする請求項２３に記載の画像表示装置。