專利名稱：激光圖像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以激光為光源的圖像顯示裝置。更具體地說，涉及一種具有用于減少顯示器內(nèi)出現(xiàn)的斑點雜訊(speckle noise)的手段的激光圖像顯示裝置。
背景技術(shù)：
圖7示意的是以往的激光顯示器的概略結(jié)構(gòu)。RGB 3色(R紅色，G綠色，B藍(lán)色)的激光光源101a～101c發(fā)出的光，首先通過包括有聚光透鏡(collective lens)109a～109c的擴束器(expander)光學(xué)系統(tǒng)102而被射束擴大。然后，被擴大的光通過具備透鏡和小型透鏡陣列(lens array)的積分器光學(xué)系統(tǒng)103，而成形為射束以均勻照射空間光調(diào)制元件105。此處，場透鏡(field lens)104a～104c，使通過了空間光調(diào)制元件105a～105c的光變換成會聚射束，以便使光有效地通過投射透鏡107的開口。
接著，成為射束后的光，由空間光調(diào)制元件105a～105c按照輸入視頻信號進(jìn)行強度調(diào)制，經(jīng)分色棱鏡(dichroic prism)106被合波。合波后的光經(jīng)投射透鏡107而被擴大，并被投射在屏幕108上。由此，2維圖像被顯示在屏幕108上。在該結(jié)構(gòu)的顯示器中，由于RGB各光源的光都為單色光，所以，可以通過使用適當(dāng)波長的激光光源，實現(xiàn)色純度高、色彩鮮艷的圖像顯示。
然而，這樣的顯示器，因作為光源使用的是干涉性較高的激光光源，所以，產(chǎn)生的所謂斑點雜訊(speckle noise)則成為一個問題。斑點雜訊是激光在屏幕108上被散射時，由屏幕108上各部分的散射光相互干涉而產(chǎn)生的細(xì)微斑點狀的雜訊。
以往，如專利文獻(xiàn)1(日本專利公開公報特開昭55-65940號)所述，是通過由振動馬達(dá)110使屏幕108振動，或如專利文獻(xiàn)2(日本專利公開公報特開平6-208089號)所述，通過用外力使擴散板振動·轉(zhuǎn)動，來去除斑點雜訊。這些方法是以比人可察覺到的顯示的刷新時間更短的時間，來使斑紋圖案(speckle pattern)發(fā)生變化，通過斑紋圖案的平均化而使觀察者的眼睛不至于在視覺上注意到斑點雜訊。此外，專利文獻(xiàn)3(日本專利公開公報特開平3-109591號)也提出了一種方法，使激光的偏振光狀態(tài)按時間發(fā)生變化，并通過將該激光投射在涂敷有各向異性晶體(anisotropic crystal)粒子的屏幕上，來防止斑點雜訊。
另外，如專利文獻(xiàn)4(日本專利公開公報特開2003-98476號)所述，使用移動型擴散板也可以減少斑點雜訊，但存在一種擴散板移動時會產(chǎn)生馬達(dá)驅(qū)動聲等噪音的問題。因此，為了防止馬達(dá)驅(qū)動等的噪音，在專利文獻(xiàn)5(日本專利公開公報特開平11-218726號)中，作為以低成本、無需機械驅(qū)動即可防止斑點雜訊的方法，提出了一種使用了將微粒子裝入單元(cell)內(nèi)，使該單元內(nèi)的微粒子做電性微小振動的擴散單元光學(xué)系統(tǒng)的方法。然而，專利文獻(xiàn)5所示的減少斑點雜訊的減低方法，若空間光調(diào)制元件和擴散單元光學(xué)系統(tǒng)之間的距離增大，在擴散單元光學(xué)系統(tǒng)被散射的一部分光會散射至空間光調(diào)制元件的圖像顯示部分的外側(cè)。其結(jié)果，使光量損失增大，屏幕上的亮度下降。
此外，作為擴散單元光學(xué)系統(tǒng)，如果使用微粒子，則由于單元內(nèi)部的微粒子分布不均，擴散單元光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的局部的散射角及透射率等會隨處不同。因此，當(dāng)擴散單元光學(xué)系統(tǒng)和空間光調(diào)制元件的距離接近時，該透射率的偏差會使空間光調(diào)制元件上的光強度也產(chǎn)生分布亮度不均勻(luminosity irregularity)。而且，該亮度不均勻隨著擴散光學(xué)系統(tǒng)的運動在投影畫面上移動，從而被重疊在圖像上。因此，為了抑制由亮度不均勻引起的畫面質(zhì)量的下降，需要將擴散板和空間光調(diào)制元件隔開一定以上的距離進(jìn)行設(shè)置。
即，由使用了微粒子的擴散單元光學(xué)系統(tǒng)所代表的斑點雜訊防止光學(xué)系統(tǒng)，若不設(shè)置在相對于空間光調(diào)制元件為最佳的位置上，則無法去除斑點雜訊，實現(xiàn)沒有亮度不均勻的、畫面質(zhì)量高且明亮的圖像。然而，關(guān)于擴散單元光學(xué)系統(tǒng)和空間光調(diào)制元件的最佳位置關(guān)系，到目前為止還未進(jìn)行過討論。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供一種能夠有效地減少使用激光光源等相干(coherent)光源時特有的斑點雜訊，實現(xiàn)明亮且無亮度不均勻的畫面質(zhì)量較高的圖像的激光圖像顯示裝置。
為達(dá)到此目的，本發(fā)明所提供的一種激光圖像顯示裝置，包括，一個激光光源，封入有光散射物體且上述光散射物體或流動或搖動或振動的光擴散單元，將上述激光光源發(fā)出的光照射到上述光擴散單元的照明光學(xué)系統(tǒng)，靠近上述光擴散單元而被設(shè)置，通過由上述光擴散單元所擴散的光照射而成像的空間光調(diào)制元件，將通過上述空間光調(diào)制元件所成的像投射在空間上的指定的面上的投射透鏡，其中，上述光擴散單元的光的擴散角θ、上述光擴散單元產(chǎn)生的透過不規(guī)則(transmission irregularity)的間距P、上述照明光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑(numerical aperture)NA、上述空間光調(diào)制元件和上述光擴散單元之間的距離L之間存在以下的關(guān)系，P＜2×tan(θ/2+Sin-1(NA))×L。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，激光光源發(fā)出的光，首先通過照明光學(xué)系統(tǒng)而被照射到光擴散單元。光擴散單元中封入有光散射物體，來自照明光學(xué)系統(tǒng)的光通過該光散射物體而被擴散。此時，由于使該光散射物體或流動或搖動或振動，所以被擴散的光的相位模式時時發(fā)生變化，由此也引起斑紋圖案發(fā)生變化。即，產(chǎn)生時時不同的斑紋圖案，由于在觀察通過空間光調(diào)制元件和投射透鏡而被投射到指定面上的成像時，這些斑紋圖案被進(jìn)行了時間平均，因而可得到斑點雜訊被抑制的畫面質(zhì)量較高的2維圖像。
此外，從照明光學(xué)系統(tǒng)射入光擴散單元的光的范圍(光的發(fā)散大小)(divergence)，若設(shè)該照明光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑為NA，光擴散單元的光的擴散角的全角為θ時，則為θ/2+Sin-1(NA)。因此，當(dāng)設(shè)上述光擴散單元和空間光調(diào)制元件之間的距離為L時，在空間光調(diào)制元件上的光的范圍則可用2×tan(θ/2+Sin-1(NA))×L來表示。該范圍若大于在光擴散單元產(chǎn)生的透過不規(guī)則(透過光的亮度不均勻)的間距P，則形成相鄰的不規(guī)則的光被擴散，并相互重疊。由此，可抑制不規(guī)則引起的畫面質(zhì)量的下降。


圖1是本發(fā)明的激光圖像顯示裝置的實施例1的概略結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是具有本發(fā)明的激光圖像顯示裝置的實施例1的電泳動擴散板的元件的概略結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是用來說明通過本發(fā)明的激光圖像顯示裝置的實施例1的電泳動擴散板而被擴散的光的范圍的模式圖。
圖4是本發(fā)明的激光圖像顯示裝置的實施例2的將電泳動擴散板和空間光調(diào)制元件構(gòu)成了一體的光學(xué)系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明的激光圖像顯示裝置的實施例2的將電泳動擴散板和反射型液晶元件構(gòu)成了一體的光學(xué)系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明的激光圖像顯示裝置的實施例3的將擴散板和空間光調(diào)制元件的功能合而為一的光學(xué)系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是以往的激光顯示器的概略結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行說明。
(實施例1)圖1示意的是本發(fā)明的激光圖像顯示裝置的概略結(jié)構(gòu)。從紅色激光光源1a、綠色激光光源1b、藍(lán)色激光光源1c射出的光，分別由聚光透鏡9a、9b、9c聚光。聚光后的光通過擴束器光學(xué)系統(tǒng)2和積分器光學(xué)系統(tǒng)(照明光學(xué)系統(tǒng))3，成形為光強度分布均勻的射束后，分別照射在電泳動擴散板(光擴散單元)(electrophoretic diffuser)10a、10b、10c上。射入電泳動擴散板10a、10b、10c的光，通過被封入在其中的光散射物體而被散射。其結(jié)果，通過電泳動擴散板10a、10b、10c后的光的行進(jìn)方向發(fā)生擴散。
在電泳動擴散板10a、10b、10c被擴散的激光，照明例如由液晶板等構(gòu)成的空間光調(diào)制元件5a、5b、5c，形成2維圖像。分別通過了空間光調(diào)制元件5a、5b、5c的光，在分色棱鏡6被合波，經(jīng)投射透鏡7而被投影在屏幕8上。
此處，場透鏡4a、4b、4c，使通過了空間光調(diào)制元件5a～5c的光變換成會聚射束，以便使光有效地通過投射透鏡7的開口內(nèi)。此外，作為激光光源1a、1b、1c，還可使用He-Ne激光、He-Cd激光、Ar激光等氣體激光、AlGaInP系或GaN系的半導(dǎo)體激光、以固體激光為基本波的SHG激光等。
下面用圖2對具有圖1所示結(jié)構(gòu)的激光圖像顯示裝置的斑點抑制的操作進(jìn)行說明。圖2是抽出了圖1的激光圖像顯示裝置中的某一色激光的光學(xué)系統(tǒng)的概念圖。為了簡化，省略了擴束器光學(xué)系統(tǒng)、積分器光學(xué)系統(tǒng)、場透鏡、分色棱鏡等光學(xué)系統(tǒng)。從激光光源1射出并通過了積分器光學(xué)系統(tǒng)的光束，被成形為在電泳動散射板10上有均勻的強度分布的光束。在電泳動擴散板10被擴散的光，以均勻的強度分布照射在空間光調(diào)制元件5上。然后，在空間光調(diào)制元件5上被進(jìn)行了強度調(diào)制后的光，通過投射透鏡7而被放大投影，作為影像而被投射在屏幕8上。
此處，在某時刻被投影在屏幕8上的圖像中，如上所述，存在著斑點雜訊。但在光束通過電泳動擴散板10時，若受到與作為溶劑的水溶液13一起被封入在該電泳動擴散板10的內(nèi)部的電泳動粒子A14或電泳動粒子B15的擴散，則通過電泳動擴散板10后的光束的相位模式發(fā)生變化。因此，在屏幕8上的圖像中產(chǎn)生的斑點雜訊的圖案也發(fā)生變化。在此，作為被封入在電泳動擴散板10內(nèi)的光散射物體，使用可通過施加電壓而使之或流動或搖動或振動(流動·搖動·振動)的物體(例如，由TiBaO3等構(gòu)成的產(chǎn)生介質(zhì)極化(inducedpolarization)的粒子等。以下稱之為泳動粒子)。
此時，在電泳動擴散板10的兩端形成電極11，若在電極11上施加交流電壓，電泳動擴散板10內(nèi)的泳動粒子則相應(yīng)于該交流電壓的調(diào)制頻率等或流動或搖動或振動。由此，泳動粒子在電泳動擴散板10內(nèi)的面內(nèi)的分布狀態(tài)時時發(fā)生變化，因此所產(chǎn)生的斑紋圖案也時時發(fā)生變化。即，由于產(chǎn)生時時不同的斑紋圖案，在觀察投影圖像時，這些斑紋圖案被進(jìn)行了時間平均，因而可以觀察到斑點雜訊被抑制的2維圖像。此時，由于在使電泳動擴散板10中的泳動粒子或流動或搖動或振動時的交流電壓的調(diào)制頻率越高，電壓振幅越大，泳動粒子在電泳動擴散板10內(nèi)的空間分布的變化則越大，所以經(jīng)時間平均后，可目測的斑點雜訊可以更好地得到抑制。
此外，為了有效地使用電泳動擴散板10，除了如上所述的主要由調(diào)制頻率所決定的移動速度以外，還需要規(guī)定電泳動擴散板10和空間光調(diào)制元件5之間的距離。圖3是用來說明通過本發(fā)明的激光圖像顯示裝置的實施例1的電泳動擴散板而被擴散的光的范圍的模式圖。
從積分器光學(xué)系統(tǒng)3射入電泳動擴散板10的光的范圍，若設(shè)積分器光學(xué)系統(tǒng)3的數(shù)值孔徑為NA，則用與射向電泳動擴散板10的入射位置無關(guān)的Sin-1(NA)來表示。該光作為擴散前的光在圖中以虛線表示。若設(shè)電泳動擴散板10的擴散角的全角為θ，則經(jīng)電泳動擴散板10擴散前的光(圖中以虛線表示的光)，以該擴散前的光為中心軸分別呈圓錐狀地被擴散θ/2。其結(jié)果，通過電泳動擴散板10的光的范圍角，再被加上θ/2而成為θ/2+Sin-1(NA)。
因此，若設(shè)電泳動擴散板10和空間光調(diào)制元件5之間的距離為L，則空間光調(diào)制元件5上的光的范圍可用2×tan(θ/2+Sin-1(NA))×L來表示。在此，積分器光學(xué)系統(tǒng)3的數(shù)值孔徑NA取決于投射透鏡7的數(shù)值孔徑。由于數(shù)值孔徑大的投射透鏡7價格高，因此為了降低成本一般使用數(shù)值孔徑較小的投射透鏡7。作為投射透鏡7，一般使用的是F值為1.4～2.0、數(shù)值孔徑為0.25～0.36的投射透鏡。因此，無論有無電泳動擴散板10，積分器光學(xué)系統(tǒng)3的數(shù)值孔徑NA都必須小于這些值。
若電泳動擴散板10和空間光調(diào)制元件5的距離增大，則由電泳動擴散板10散射的一部分光會散射至空間光調(diào)制元件5的圖像顯示部分的外側(cè)。其結(jié)果，使光量損失增大，屏幕上的亮度下降。為了將該光量損失抑制在一定程度以下，如圖3所示，在設(shè)電泳動擴散板10的擴散角為θ，積分器光學(xué)系統(tǒng)3(光積分器的照明光學(xué)系統(tǒng))的數(shù)值孔徑為NA，電泳動擴散板10和空間光調(diào)制元件5之間的距離為L，空間光調(diào)制元件5的圖像顯示范圍的對角長度為D時，使其滿足下述的條件式
tan(θ/2+Sin-1(NA))×L＜D/3…(公式1)即可。在此，由于向空間光調(diào)制元件5內(nèi)的方向擴散的光與光量損失沒有關(guān)系，所以(公式1)的左邊所示的光的范圍是上述的空間光調(diào)制元件5上的光的范圍的一半。
(公式1)的左邊所示的光的范圍，隨著電泳動擴散板10和空間光調(diào)制元件5之間的距離L的增加而單調(diào)地增加，屏幕上的亮度降低。此外，認(rèn)為若使用具有通常亮度的激光光源，并使用具有如圖1所示的本發(fā)明的一實施例的結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)時，人可以很自然地識別出屏幕8上的圖像的亮度允許范圍，不低于射入電泳動擴散板10的光的亮度的25％左右。即，若亮度在該值或該值以下，則屏幕8上的圖像會變得過暗。因此，為了得到色彩鮮明的影像，需要增大光源的功率或抑制光量損失。將該光量損失抑制在75％或75％(空間光調(diào)制元件5的取光量為25％)以下，可以通過將光的范圍設(shè)定為小于空間光調(diào)制元件5的圖像顯示范圍的對角長度D的三分之一(＝D/3)來實現(xiàn)。
以下，本說明書中的NA值，并不表示理想條件下所確定的一個值，而是指包含制造構(gòu)成積分器光學(xué)系統(tǒng)3的各光學(xué)系統(tǒng)時的誤差、或作為積分器光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行配置時的位置偏差等的影響在內(nèi)的實際的值。也就是說，例如，即使設(shè)計上是NA＝0.2的結(jié)構(gòu)，也并不排除0.19、或0.22等其左右的值。
作為電泳動擴散板10，若使用泳動粒子的空間分布不均的電泳動擴散板，則局部的散射角及透射率會隨電泳動擴散板10的位置而不同。因此，當(dāng)電泳動擴散板10靠近空間光調(diào)制元件5時，該透射率的偏差會使空間光調(diào)制元件5上的光強度也產(chǎn)生分布。而且，亮度不均勻也會隨著電泳動擴散板10內(nèi)的泳動粒子的運動在投影畫面上移動，從而重疊在圖像上。為防止這種情況，需要將電泳動擴散板10和空間光調(diào)制元件5隔開一定以上的距離進(jìn)行設(shè)置。電泳動擴散板10從積分器光學(xué)系統(tǒng)3的各組成透鏡(element lens)獲得不同方向的照明。因此，通過取足電泳動擴散板10和空間光調(diào)制元件5的距離L，可對分別由各組成透鏡照明的光的亮度不均勻加以平均。
具體而言，使電泳動擴散板10的擴散角θ、電泳動擴散板10的靠空間光調(diào)制元件5一側(cè)的面上透射光的亮度不均勻(透過不規(guī)則)的間距P、電泳動擴散板10和空間光調(diào)制元件5的距離L，對應(yīng)積分器光學(xué)系統(tǒng)3的數(shù)值孔徑NA滿足P＜2×tan(θ/2+Sin-1(NA))×L…(公式2)即可。在圖3中，電泳動擴散板10的靠空間光調(diào)制元件5一側(cè)的面上透射光的亮度最高的部分，在電泳動擴散板10上用橫向(y方向)的實線來表示?？v向(x方向)的該最高亮度部分的間隔是不規(guī)則的間距P。本來橫向(y方向)也有不規(guī)則產(chǎn)生，但在該圖中為了簡化而加以省略。此外，在圖3中，與電泳動擴散板10上的間距P相同的長度，也在空間光調(diào)制元件5上用橫向(y方向)的實線來表示，并在相鄰的實線之間，用虛線表示與該實線的距離相等的位置。
在空間光調(diào)制元件5上擴散后的光的范圍，若大于電泳動擴散板10上透射光的不規(guī)則的間距P，則形成相鄰不規(guī)則的光被擴散，并相互重疊。即通過滿足(公式2)，可以抑制不規(guī)則引起的畫面質(zhì)量的下降。
并且，雖然在上述的說明中透射光的不規(guī)則的間距P是一定的，但該間距的值亦可不是一定的而有所差異。此時，只要將多個間距P的平均(例如，相加平均)重新設(shè)為一定的間距P即可。
此外較為理想的是，由(公式1)和(公式2)，可將電泳動擴散板10和空間光調(diào)制元件5之間的距離L設(shè)定在P/tan(θ/2+Sin-1(NA))/2＜L＜D/tan(θ/2+Sin-1(NA))/3…(公式3)之間。通常，擴散板透射光的不規(guī)則的間距P在擴散板的粒狀直徑d的10倍或10倍以下。因此，在使用例如數(shù)值孔徑為0.1的積分器光學(xué)系統(tǒng)3時，可根據(jù)擴散板內(nèi)的泳動粒子的粒狀直徑(從10微米到100微米)，隔開0.26毫米到2.6毫米或其以上的距離即可。
另外，本實施例中，利用的是采用了電泳動的泳動粒子的移動單元，但利用熱、聲波、磁的光散射物體的流動·搖動·振動單元亦可取得相同的效果。此外，使所封入的溶劑連同光散射物體一起流動·搖動·振動也可以取得相同的效果。
關(guān)于所封入的光散射物體，若混入2種或2種以上的特性不同的粒子，則由于各種粒子的移動速度不同，而使粒子的空間分布變得更加復(fù)雜。因此，由于通過擴散板后的光束的相位模式形成有更多種，因而不同的斑紋圖案數(shù)會增加。所以，混入2種或2種以上的特性不同的粒子，對減少斑點雜訊很有效。例如，用液晶構(gòu)成如上所述的擴散板時，若包含有2種或2種以上的極化大小不同的液晶，則施加電場時的應(yīng)答速度不同。因此，由于光束的散射模式可形成多種及多個斑紋圖案，因而對減少斑點雜訊很有效。
此外，作為光散射物體所使用的粒子的特性，除上述極化(polarization)以外，還可舉出粒子的大小、質(zhì)量以及密度等。例如，包含有極化的大小和密度相同而尺寸大小不同的粒子時，施加了電壓后小粒子的移動快，而大粒子相比之下移動較慢。由于任一種情況都可像這樣使粒子的移動速度不同，故可減少斑點雜訊。
舉一個其他例子，當(dāng)使用不同種類的泳動粒子時，由于粒子對電場的應(yīng)答速度不同，所以，與包含有一種泳動粒子的情況相比，可以產(chǎn)生更不規(guī)則的復(fù)雜的擴散狀態(tài)。通過包含應(yīng)答速度因粒子的電或磁作用而不同的粒子，可使擴散板內(nèi)的粒子的空間分布更加復(fù)雜，因而就減少斑點雜訊而言可以取得相同效果。
另外，為了引起不規(guī)則的擴散，使粒子的流動(搖動、振動)速度、流動(搖動、振動)方向隨機化的方法也很有效。例如，通過將電泳動擴散板10所包括的電極11(透明電極)劃分成幾個部分，分別對其進(jìn)行電場控制的方法、使劃分后的電極11的電極形狀分別成為不同形狀而進(jìn)行電場控制的方法，以及在圖2所示的電泳動擴散板10中，除上下方向的電極11外，還在前側(cè)和后側(cè)也配置另外的電極而分別進(jìn)行電場控制的方法等，電泳動擴散板10內(nèi)的粒子可以形成復(fù)雜、多樣的空間分布，從而增大斑點雜訊的減少率。此外，上述電極未必要如圖2所示的電極11那樣形成在同一平面上，也可形成在有高低差異的面上。
本發(fā)明的激光圖像裝置的特點是，由于不使屏幕8或電泳動擴散板10進(jìn)行振動和移動，因而不會產(chǎn)生隨之而來的聲音，從而可實現(xiàn)低噪音的激光圖像裝置。
以上，是用投影光學(xué)系統(tǒng)和屏幕各自分離的投影型顯示器的示意圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行了說明。然而，本發(fā)明的實施例亦可應(yīng)用于將投影光學(xué)系統(tǒng)和透射型屏幕組合而成的背面投影型圖像顯示裝置、或直接觀察從背面用激光照射的空間光調(diào)制元件的類型的2維圖像顯示裝置(例如目前已經(jīng)實用化的液晶電視等)。
此外，是以彩色圖像的顯示裝置為例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明也可利用于單色激光的圖像投影裝置，例如，半導(dǎo)體加工中使用的曝光照明裝置等。在曝光照明裝置中，作為空間光調(diào)制元件，可使用在玻璃基板上形成金屬膜圖案的光掩模(photo mask)等，用半導(dǎo)體基板作為屏幕而在其上形成掩模圖案圖像。
(實施例2)此外，本發(fā)明的激光圖像顯示裝置的另一結(jié)構(gòu)，如圖4所示，是通過使封入有光散射物體的電泳動擴散板10和空間光調(diào)制元件5成為一體，來減少、去除斑點雜訊。此處，為了簡化，省略了積分器光學(xué)系統(tǒng)3等的光學(xué)系統(tǒng)。在該結(jié)構(gòu)中，從光源射出的光束通過擴束器光學(xué)系統(tǒng)和積分器光學(xué)系統(tǒng)后，可以將該光束以均勻的照明光狀態(tài)照射在電泳動散射板10和空間光調(diào)制元件5成為一體的光學(xué)系統(tǒng)上。另外，也可以是如圖5所示的空間光調(diào)制元件為反射型空間光調(diào)制元件的結(jié)構(gòu)。在此，作為反射型空間光調(diào)制元件，采用了即使在反射型液晶16中也具有代表性的LCOS(Liquid Crystal On Silicon)。此外，除了上述的以外，作為反射型液晶若使用強介電液晶(ferroelectric liquid crystal)，由于可加快液晶的應(yīng)答速度，從而使得投影無余像的影像成為可能。
(實施例3)此外，本發(fā)明的激光圖像顯示裝置的另一結(jié)構(gòu)，如圖6所示，是將封入了光散射物體的擴散板和在用于投影影像的二維空間光調(diào)制元件中所使用的液晶封入同一液體內(nèi)。例如，通過使粒子在熱的作用下流動，使其作為擴散板而發(fā)揮其功能，另一方面，通過用電控制液晶(圖6中使用反射型液晶)，使其作為二維光調(diào)制元件而發(fā)揮其功能。
此處也與實施例1相同，為了將光量損失和亮度不均勻抑制在最小限度內(nèi)，需要將擴散板和光調(diào)制元件的距離配置在最佳位置上。因此，需要將擴散功能和光調(diào)制功能的位置各自分開，被封入在同一液體內(nèi)的粒子和液晶也必須配置在適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀?br> (其他理想的實施例)在圖4和圖5中，作為擴散板的一實施例，記述的是電泳動擴散板10，但本發(fā)明的實施例的擴散板并不僅限于此，亦可是在單元內(nèi)封入可通過施加熱、聲波或磁場而使之或流動或搖動或振動的光散射物體的擴散板。此時，較為理想的是，例如，光散射物體可以包含大小、質(zhì)量、密度或磁矩的大小等特性不同的2種或2種以上的物質(zhì)。
(實施例的概要)本發(fā)明的實施例的概要如下所述。
(1)如上所述，本發(fā)明的激光圖像顯示裝置較為理想的是，包括，一個激光光源，封入光散射物體且上述光散射物體或流動或搖動或振動的光擴散單元，將上述激光光源發(fā)出的光照射到上述光擴散單元的照明光學(xué)系統(tǒng)，靠近上述光擴散單元而被設(shè)置、通過由上述光擴散單元所擴散的光的照射而成像的空間光調(diào)制元件，以及將通過上述空間光調(diào)制元件所成的像投射在空間上的指定的面上的投射透鏡，其中，上述光擴散單元的光的擴散角θ、在上述光擴散單元產(chǎn)生的透過不規(guī)則的間距P、上述照明光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA、上述空間光調(diào)制元件和上述光擴散單元之間的距離L之間存在以下的關(guān)系，P＜2×tan(θ/2+Sin-1(NA))×L。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，激光光源發(fā)出的光，首先通過照明光學(xué)系統(tǒng)而被照射到光擴散單元。光擴散單元中封入有光散射物體，來自照明光學(xué)系統(tǒng)的光通過該光散射物體而被擴散。此時，由于使該光散射物體或流動或搖動或振動，所以被擴散的光的相位模式時時發(fā)生變化，由此也引起斑紋圖案發(fā)生變化。即，產(chǎn)生時時不同的斑紋圖案。因此，在觀察通過空間光調(diào)制元件和投射透鏡被投射到指定面上的像時，由于這些斑紋圖案被進(jìn)行了時間平均，因而可得到斑點雜訊被抑制的畫面質(zhì)量較高的2維圖像。
此外，從照明光學(xué)系統(tǒng)射入光擴散單元的光的范圍，當(dāng)設(shè)照明光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑為NA時，為Sin-1(NA)。若設(shè)光擴散單元的光的擴散角的全角為θ，則由于通過光擴散單元，光的范圍角再被加上θ/2而成為θ/2+Sin-1(NA)。因此，當(dāng)設(shè)光擴散單元和空間光調(diào)制元件之間的距離為L時，在空間光調(diào)制元件上的光的范圍可用2×tan(θ/2+Sin-1(NA))×L來表示。該范圍若大于在光擴散單元中產(chǎn)生的透過不規(guī)則(透過光的亮度不均勻)在光擴散單元上靠空間光調(diào)制元件一側(cè)的面上的間距P，則形成相鄰的不規(guī)則的光被擴散，并相互重疊。由此，可抑制不規(guī)則引起的畫面質(zhì)量的下降。
(2)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(1)，較為理想的是，上述光擴散單元的光的擴散角θ、上述照明光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA、上述空間光調(diào)制元件和上述光擴散單元之間的距離L、上述空間光調(diào)制元件的對角方向的畫面尺寸D之間存在以下的關(guān)系，tan(θ/2+Sin-1(NA))×L＜D/3。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于在空間光調(diào)制元件上的光的范圍大于光擴散單元的靠空間光調(diào)制元件一側(cè)的面上的透射光的不規(guī)則的間距P，所以形成相鄰的不規(guī)則的光被擴散，并相互重疊。由此，可抑制不規(guī)則引起的畫面質(zhì)量的下降。另外，由于將空間光調(diào)制元件上的光的范圍的一半設(shè)定為小于空間光調(diào)制元件的圖像顯示范圍的對角長度D的三分之一(＝D/3)，因而可將射入不到空間光調(diào)制元件的光量(光量損失)抑制在75％左右。由此，可以自然地識別被投射在屏幕等指定的面上的圖像。
(3)如上所述，本發(fā)明的激光圖像顯示裝置，較為理想的是包括，一個激光光源，封入有光散射物體且上述光散射物體或流動或搖動或振動的光擴散單元，將上述激光光源發(fā)出的光照射到上述光擴散單元的照明光學(xué)系統(tǒng)，靠近上述光擴散單元而被設(shè)置，通過由上述光擴散單元所擴散的光照射而成像的空間光調(diào)制元件，將通過上述空間光調(diào)制元件所成的像投射在空間上指定的面上的投射透鏡，其中，上述光擴散單元的光的擴散角θ、上述照明光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA、上述空間光調(diào)制元件和上述光擴散單元之間的距離L、上述空間光調(diào)制元件的對角方向的畫面尺寸D之間存在以下的關(guān)系，tan(θ/2+Sin-1(NA))×L＜D/3。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，激光光源發(fā)出的光，首先通過照明光學(xué)系統(tǒng)而被照射到光擴散單元。光擴散單元中封入有光散射物體，來自照明光學(xué)系統(tǒng)的光通過該光散射物體而被擴散。此時，由于使該光散射物體或流動或搖動或振動，所以被擴散的光的相位模式時時變化，由此也引起斑紋圖案發(fā)生變化。即，產(chǎn)生時時不同的斑紋圖案。因此，在觀察經(jīng)空間光調(diào)制元件和投射透鏡投射到指定面上的像時，由于上述斑紋圖案被進(jìn)行了時間平均，因而可得到斑點雜訊被抑制的畫面質(zhì)量較高的2維圖像。
此外，從照明光學(xué)系統(tǒng)射入光擴散單元的光的范圍，當(dāng)設(shè)照明光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑為NA時，為Sin-1(NA)。若設(shè)光擴散單元的光的擴散角的全角為θ，則由于通過光擴散單元，光的范圍角再被加上θ/2而成為θ/2+Sin-1(NA)。因此，當(dāng)設(shè)上述光擴散單元和空間光調(diào)制元件之間的距離為L時，空間光調(diào)制元件上光的范圍可用2×tan(θ/2+Sin-1(NA))×L來表示。另外，由于將該范圍的一半設(shè)定為小于空間光調(diào)制元件的圖像顯示范圍的對角長度D的三分之一(＝D/3)，因而可將射入不到空間光調(diào)制元件的光量(光量損失)抑制在75％左右。由此，可以自然地識別被投射在屏幕等指定面上的像。
(4)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(1)至(3)的其中任何之一，較為理想的是，上述光散射物體在施加于上述光擴散單元的電壓的作用下或流動或搖動或振動。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，作為光散射物體，使用的是可通過施加電壓而或流動或搖動或振動的物質(zhì)。作為該物質(zhì)的一個例子，可舉出由TiBaO3等構(gòu)成的產(chǎn)生介質(zhì)極化的粒子等。在此，例如，若在光擴散單元上施加交流電壓，則可使光散射物體按照該電壓的調(diào)制頻率或流動或搖動或振動。即，由于可按照電壓的調(diào)制頻率，使由光擴散單元擴散的光的斑紋圖案產(chǎn)生多種變化，因而可以有效地減少斑點雜訊。
(5)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(4)，較為理想的是，上述光擴散單元具有多個電極，其中，上述光散射物體的運動可通過分別被施加在該多個電極上的電壓而予以控制。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，光擴散單元所包括的多個電極分別施加有交流電壓。這樣，各電極間產(chǎn)生不同的電場，受到該電場的影響的光散射物體的運動在各電極間也不同。即，由于可使被光擴散單元擴散的光的斑紋圖案，例如按照分別被施加在多個電極上的調(diào)制頻率產(chǎn)生多種變化，因而可以更為有效地減少斑點雜訊。而且，此時，通過調(diào)整電極的配置等，使得電場的方向是在垂直等非平行的方向上被施加，可使光散射物體的運動變化更為復(fù)雜，從而可以進(jìn)一步有效地減少斑點雜訊。
(6)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(1)至(3)的其中任何之一，較為理想的是，上述光散射物體在加于上述光擴散單元的熱的作用下或流動或搖動或振動。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，無需對光散射物體施加電荷、進(jìn)行分極，也無需使用特別的物質(zhì)即可使之或流動或搖動或振動。此外，由于通過加熱，可使光散射物體的移動速度等產(chǎn)生多種變化，因而可以有效地減少斑點雜訊。
(7)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(1)至(3)的其中任何之一，較為理想的是，上述光散射物體在外加于上述光擴散單元的聲波的作用下或流動或搖動或振動。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，無需對光散射物體施加電荷、進(jìn)行分極，也無需使用特別的物質(zhì)即可使之或流動或搖動或振動。此外，例如，若采用可控制調(diào)制頻率的聲波，則由于可使由光擴散單元擴散的光的斑紋圖案按照該調(diào)制頻率而產(chǎn)生多種變化，因而可以有效地減少斑點雜訊。
(8)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(1)至(3)的其中任何之一，較為理想的是，上述光散射物體在施加于上述光擴散單元的磁場的作用下或流動或搖動或振動。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，作為光散射物體，使用可通過施加磁場使之或流動或搖動或振動的物質(zhì)。作為該物質(zhì)，可列舉出由各種強磁性體(ferromagnetic substance)或磁體(ferrimagneticsubstance)等構(gòu)成的粒子等。此處，例如，當(dāng)作為磁場，在光擴散單元上施加通過在線圈上施加交流電壓而產(chǎn)生的調(diào)制磁場時，則可使光散射物體按照該施加電壓的調(diào)制頻率或流動或搖動或振動。即，由于可按照使磁場產(chǎn)生的電壓的調(diào)制頻率，使被擴散的光的斑紋圖案產(chǎn)生多種變化，因而可以有效地減少斑點雜訊。
(9)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(1)至(3)的其中任何之一，較為理想的是，上述光散射物體連同溶劑一起被封入，且該溶劑或流動或搖動或振動。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在光擴散單元中，同光散射物體一起被封入的溶劑或流動或搖動或振動。因此，即使不直接移動光散射物體，該光散射物體也會通過該溶劑的運動而被移動，而使由光擴散單元擴散的光的斑紋圖案時時不同。由此，可得到斑點雜訊被抑制的畫面質(zhì)量較高的2維圖像。
(10)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(1)至(9)的其中任何之一，較為理想的是，上述光散射物體包含2種或2種以上的特性不同的物質(zhì)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，光散射物體包含2種或2種以上的極化度的大小、粒子大小、質(zhì)量或密度等特性不同的物質(zhì)。例如，極化度的大小不同時，由于在光擴散單元施加了電壓后，2種或2種以上的各光散射物體的移動速度等不同，因而可使光散射物體整體的運動變化更為復(fù)雜。由此，產(chǎn)生多種斑紋圖案，從而可得到斑點雜訊被抑制的畫面質(zhì)量較高的2維圖像。
(11)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(1)至(5)的其中任和之一，較為理想的是，上述光散射物體包含2種或2種以上的極化度大小不同的液晶。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，2種或2種以上的極化度大小不同的液晶，施加電場時的應(yīng)答速度等各不相同。因此，由于光擴散單元的光擴散模式可形成多種及多個斑紋圖案，對減少斑點雜訊很有效。
(12)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(1)至(10)中任一者，較為理想的是，上述光散射物體由2種以上極化度大小不同的粒子構(gòu)成。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，2種以上極化度大小不同的粒子施加電場時的移動速度等各不相同。因此，由于光擴散單元的光的擴散模式可形成多種及多個斑紋圖案，因而對減少斑點雜訊很有效。
(13)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(1)至(12)的其中任何之一，較為理想的是，上述光擴散單元與上述空間光調(diào)制元件成為一體。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，使光擴散單元和空間光調(diào)制元件粘合在一起而成為一體時，可將被光擴散單元擴散的、射入不到空間光調(diào)制元件中的光量抑制在最小限度內(nèi)。此外，若光擴散單元和空間光調(diào)制元件保持一定距離而形成為一體時，除了可將射入不到空間光調(diào)制元件中的光量抑制得較少之外，還可抑制由空間光調(diào)制元件上的透射光的不規(guī)則所引起的畫面質(zhì)量的降低。由于任一種情況都可以抑制振動等引起的光擴散單元和空間光調(diào)制元件的相對位置偏差，因而使逐時變化減少成為可能。
(14)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(13)，較為理想的是，上述空間光調(diào)制元件通過液晶來進(jìn)行光調(diào)制。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于可按照被供給電的輸入視頻信號而容易地控制液晶的取向，因而可以有效地進(jìn)行強度調(diào)制。
(15)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(14)，較為理想的是，上述空間光調(diào)制元件通過反射型液晶來進(jìn)行光調(diào)制。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于射入空間光調(diào)制元件的光不從液晶中穿過，因而光量的損失較少，可以顯示明亮的圖像。
(16)激光圖像顯示裝置為激光圖像顯示裝置(1)至(15)的其中任何之一，較為理想的是，上述激光光源為射出紅色激光的激光光源、射出藍(lán)色激光的激光光源和射出綠色激光的激光光源，從該激光光源射出的激光，在分別通過該激光光源各自包括的上述光擴散單元、上述照明光學(xué)系統(tǒng)和上述空間光調(diào)制元件后，被合波成一束激光，上述投射透鏡將該合波的激光投射在空間上的指定的面上。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，RGB 3色(R紅色，G綠色，B藍(lán)色)的激光光源分別包括有光擴散單元、照明光學(xué)系統(tǒng)和空間光調(diào)制元件。而且，從這3個激光光源發(fā)出的光，分別通過照明光學(xué)系統(tǒng)而被照射到光擴散單元。在該光擴散單元中，由于封入有可以或流動或搖動或振動的光散射物體，因而可產(chǎn)生時時不同的斑紋圖案。通過空間光調(diào)制元件的RGB 3色的激光被合波成一束光之后，經(jīng)投射透鏡而被投射在空間上的指定的面上。由此，可實現(xiàn)能夠顯示斑點雜訊被抑制的色彩鮮艷的彩色圖像的激光圖像顯示裝置。
以上對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，但上述說明只是所有應(yīng)用場合中的示例，并非是對本發(fā)明的限定?？烧J(rèn)為大量沒有列舉的變形實施例也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
產(chǎn)業(yè)上的利用可能性本發(fā)明的激光圖像顯示裝置，通過包括一個激光光源和封入有光散射物質(zhì)的光擴散單元，則可以不使用屏幕等的振動系統(tǒng)即可使激光發(fā)生散射，以減少或去除斑點雜訊，因而可在安靜的環(huán)境下將沒有細(xì)微斑狀雜訊的色彩鮮艷的影像投射在屏幕上，并由于將包括有光擴散單元的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置在最佳位置上，所以可使光擴散后的光量損失達(dá)到最小，實現(xiàn)沒有亮度不均勻的明亮的畫面質(zhì)量較高的圖像，作為具有用來減少顯示器內(nèi)出現(xiàn)的斑點雜訊的手段的激光圖像顯示裝置很有實用價值。
權(quán)利要求
1.一種激光圖像顯示裝置，其特征在于包括一個激光光源；光擴散單元，封入有光散射物體，且上述光散射物體或流動或搖動或振動；照明光學(xué)系統(tǒng)，將上述激光光源發(fā)出的光照射到上述光擴散單元；空間光調(diào)制元件，靠近上述光擴散單元而被設(shè)置，通過由上述光擴散單元所擴散的光照射而成像；以及投射透鏡，將通過上述空間光調(diào)制元件所成的像投射在空間上的指定的面上；其中，上述光擴散單元的光的擴散角θ、在上述光擴散單元產(chǎn)生的透過不規(guī)則的間距P、上述照明光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA、上述空間光調(diào)制元件和上述光擴散單元之間的距離L之間存在以下的關(guān)系，P＜2×tan(θ/2+Sin-1(NA))×L。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述光擴散單元的光的擴散角θ、上述照明光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA、上述空間光調(diào)制元件和上述光擴散單元之間的距離L、上述空間光調(diào)制元件的對角方向的畫面尺寸D之間存在以下的關(guān)系，tan(θ/2+Sin-1(NA))×L＜D/3。
3.一種激光圖像顯示裝置，其特征在于包括一個激光光源；光擴散單元，封入有光散射物體，且上述光散射物體或流動或搖動或振動；照明光學(xué)系統(tǒng)，將上述激光光源發(fā)出的光照射到上述光擴散單元；空間光調(diào)制元件，靠近上述光擴散單元而被設(shè)置，通過由上述光擴散單元所擴散的光照射而成像；以及投射透鏡，將通過上述空間光調(diào)制元件所成的像投射在空間上的指定的面上；其中，上述光擴散單元的光的擴散角θ、上述照明光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA、上述空間光調(diào)制元件和上述光擴散單元之間的距離L、上述空間光調(diào)制元件的對角方向的畫面尺寸D之間存在以下的關(guān)系，tan(θ/2+Sin-1(NA))×L＜D/3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述光散射物體，在施加于上述光擴散單元的電壓的作用下或流動或搖動或振動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述光擴散單元具有多個電極，其中上述光散射物體的運動可通過分別施加在該多個電極上的電壓而予以控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述光散射物體，在外加于上述光擴散單元的熱的作用下或流動或搖動或振動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述光散射物體，在外加于上述光擴散單元的聲波的作用下或流動或搖動或振動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述光散射物體，在施加于上述光擴散單元的磁場的作用下或流動或搖動或振動。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述光散射物體與溶劑共同被封入，且該溶劑或流動或搖動或振動。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述光散射物體包含2種或2種以上的特性不同的物質(zhì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述光散射物體包含2種或2種以上的極化度的大小不同的液晶。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述光散射物體包含2種或2種以上的極化度的大小不同的粒子。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一項所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述光擴散單元與上述空間光調(diào)制元件構(gòu)成一體。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述空間光調(diào)制元件通過液晶來進(jìn)行光調(diào)制。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述空間光調(diào)制元件通過反射型液晶來進(jìn)行光調(diào)制。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中的任一項所述的激光圖像顯示裝置，其特征在于上述激光光源，為射出紅色激光的激光光源、射出藍(lán)色激光的激光光源和射出綠色激光的激光光源；從該激光光源射出的激光，在分別通過該激光光源各自包括的上述光擴散單元、上述照明光學(xué)系統(tǒng)和上述空間光調(diào)制元件后，被合波成一束激光，上述投射透鏡將該合波的激光投射在空間上的指定的面上。
全文摘要
本發(fā)明所提供的激光圖像顯示裝置，將封入有光散射物體的光擴散單元設(shè)置在空間光調(diào)制元件和照明光學(xué)系統(tǒng)之間的最佳位置上。作為光散射物體的粒子，對激光光源射出的射束進(jìn)行光擴散。由此，讓形成非特別指定的多數(shù)的斑紋圖案，而使投射在屏幕上的圖像中產(chǎn)生的斑點雜訊減少。從而可提供一種將光擴散后的光量損失抑制得較小，并可顯示無亮度不均勻的明亮、且畫面質(zhì)量較高的圖像的激光圖像顯示裝置。
文檔編號G03B21/14GK1879057SQ20058000122
公開日2006年12月13日 申請日期2005年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月9日
發(fā)明者森川顯洋, 笠澄研一, 水內(nèi)公典 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社