JP2004144794A

JP2004144794A - 照明装置及び画像表示装置

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Publication number: JP2004144794A
Application number: JP2002306412A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Suzuki; 鈴木　博明; Norihiro Oose; 大瀬　憲寛
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-21
Also published as: JP4165179B2

Abstract

【課題】照明光としてコヒーレント光を用い、装置構成を大型化することなく、光利用効率の低下を招来することなく、スペックルノイズの発生を抑える。
【解決手段】コヒーレント光源群をなす各半導体レーザ１Ａ，１Ｂ，１Ｃの温度を異ならせることにより、これら半導体レーザ１Ａ，１Ｂ，１Ｃの発する光束の波長を異ならせ、コヒーレント光源群が全体として発する光束のコヒーレンシを低下させる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に画像表示装置において空間光変調素子を照明するための照明装置及びこの照明装置を用いて構成された画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶パネルやいわゆる「ＤＭＤ素子」などの空間光変調素子を照明装置によって照明し、この空間光変調素子からの透過光、もしくは、反射光を投影レンズによってスクリーン上に投影するように構成された画像表示装置（光学式プロジェクタ）が提案されている。
【０００３】
このような画像表示装置における照明装置の光源としては、現在、主にメタルハライドランプや高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプが用いられている。しかし、これらの光源においては、以下に示すようないくつかの問題がある。
【０００４】
すなわち、高輝度放電ランプは、その寿命が短い。例えば、現在、投射型プロジェクタ用の光源として最もよく利用されている１５０Ｗクラスの高圧水銀ランプの寿命は、１５００時間から３０００時間程度である。したがって、このような光源を用いた画像表示装置においては、頻繁にランプの交換をしなければならない。
【０００５】
また、このような光源を用いた画像表示装置においては、通常、白色光をダイクロックミラー等で３原色に分離させたうえで、各色成分ごとに空間変調し、これを再び合成してカラー画像を構成している。そのため、このような画像表示装置においては、照明装置から投影レンズに至る光学系の構成が複雑であり、また、光利用効率を高くすることができない。
【０００６】
これらの問題を解消するために、照明装置の光源として、半導体レーザを用いることが試みられている。半導体レーザは、実用上十分な寿命を有しており、また、出射光の単色性が良好であるため、大きな色再現領域を実現することを可能とする。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０６−２０８０８９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように光源として半導体レーザを用いた照明装置においては、スペックルノイズの問題が発生する。一般に、画像表示装置によりスクリーン上に投影された画像を観測者が鑑賞する場合には、観測者の網膜上においては、投影された画像の各領域からの反射光が重なって画像が形成される。このとき、スクリーン上に波長程度以上の高さの凹凸があることによって、このスクリーン上の異なる領域から反射された反射光同士が複雑な位相関係で重ねられ、半導体レーザからの出射光は高いコヒーレンシ（可干渉性）を有していることから、互いに干渉し合うこととなる。このような干渉によって、ランダムな強度の変化、すなわち、スペックルノイズが形成されてしまう。このようなスペックルノイズが形成されることにより、表示画像の画質低下が招来される。
【０００９】
スペックルノイズは、コヒーレンシを有するレーザ光を照明として用いる場合に共通の問題であり、これまでにも、スペックルノイズを低減させるための種々の試みがなされてきた。例えば、ファイバーバンドルを用いた構成が提案されている。このファイバーバンドルは、複数の光ファイバーからなり、それぞれの光ファイバの互いの光路長差が、照明光として使われるレーザ光のコヒーレント長よりも長く、もしくは、コヒーレント長程度となされているものである。このようなファイババンドルの一端部よりコヒーレント光を入射させると、他端部からの出射光は、それぞれ非干渉となる。このようなファイババンドルの他端部からの出射光を照明光として使用することにより、照明系全体としてのコヒーレンシを低減させることができ、スクリーン上におけるスペックルノイズを低減させることができる。
【００１０】
しかし、このような構成においては、以下に示すような問題が発生する。すなわち、このようなファイババンドルにおいては、異なる光ファイバを通過した光束が各々非干渉となるため、光ファイバの本数が多いほど、つまり、光束の分割数が多いほど、これらを合流させた照明光のコヒーレンシを低減させることができる。ここで、ｎ本の光ファイバからなるファイババンドルを用いるとする。そして、一般に、シングルモードのパワースペクトラムを有する半導体レーザにおいては、出射光の典型的なスペクトラム幅は１００ＭＨｚ程度であり、コヒーレント長ｃは、数ｍのオーダとなる。すると、このファイバハンドルを用いて、非干渉の照明光を得るためには、最短の光ファイバと最長の光ファイバとの長さの差は、ｎｘｃ〔ｍ〕となる。例えば、光ファイバの本数ｎを５０本、コヒーレント長ｃを１ｍとした場合、最長の光ファイバの長さは５０ｍ以上となる。
【００１１】
このような互いの光路長差を有する多数本の光ファイバからなるファイババンドルを備えた光学系は、相当に大きな体積及び重量を有するものになってしまい、画像投影装置全体の大型化を招来してしまう。
【００１２】
一方、スペックルノイズを低減させるための他の構成として、回転拡散板等を用いたものが提案されている。この構成では、半導体レーザから出射された照明光の光路上に、高速で回転操作され照明光が透過する拡散板が配設されている。この拡散板は、高速回転されることによって、コヒーレント光である照明光により発生される干渉パターンを分裂させ、この干渉パターン、すなわち、スペックルノイズを、スクリーン上において高速に動き回らせる。
【００１３】
すなわち、この構成においては、実際にスペックルノイズが消失するわけではないのであるが、あたかもスペックルノイズが消失したかのように見えるのである。
【００１４】
しかし、この構成においては、拡散板として磨りガラス等が利用されるため、光利用効率が低下する。また、拡散板を機械的に駆動させるため、駆動音が大きくなる虞れがあり、長期に亘る信頼性には問題がある。さらに、このような構成を具体的に照明光学系に組み込む場合には、どのような場所に組み込むかや、どのような性質、大きさの拡散板を使用すればよいのかといった具体的な提案はほとんどなされていない。
【００１５】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、照明光としてコヒーレント光を用い、装置構成を大型化することなく、また、光利用効率の低下を招来することなく、スペックルノイズの発生が抑えられた照明装置を提供し、また、このような照明装置を備えて構成された画像表示装置を提供しようとするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る照明装置は、複数のコヒーレント光源からなるコヒーレント光源群と、各コヒーレント光源の温度を制御する温度制御素子と、この温度制御素子の動作を制御する制御手段とを備え、制御手段は、温度制御素子の動作を制御することにより、各コヒーレント光源の温度を異ならせることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明に係る画像表示装置は、複数のコヒーレント光源からなるコヒーレント光源群と、このコヒーレント光源群が発する光束によって照明される空間光変調素子と、この空間光変調素子の像を形成する結像手段と、各コヒーレント光源の温度を制御する温度制御素子と、この温度制御素子の動作を制御する制御手段とを備え、制御手段は、温度制御素子の動作を制御することにより、各コヒーレント光源の温度を異ならせることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明に係る照明装置及び画像表示装置においては、各コヒーレント光源の温度が異ならせられることにより、これらコヒーレント光源の発する光束の波長が異ならされ、コヒーレント光源群が全体として発する光束のコヒーレンシが低下し、空間光変調素子などの被照明面におけるスペックルノイズの発生が抑えられる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００２０】
本発明に係る照明装置は、光源から発せられたコヒーレント光束を、コリメータレンズ等の光学素子を介して、被照明面に導く装置である。そして、本発明に係る画像表示装置は、光源から発せられたコヒーレント光束を、コリメータレンズ等の光学素子を介して、被照明面となる空間光変調素子に導くとともに、結像手段となる結像光学系により、空間光変調素子の像（虚像、または、実像）を形成するものである。
【００２１】
これら照明装置及び画像表示装置において、光源としては、複数のコヒーレント光源からなるコヒーレント光源群が用いられている。このコヒーレント光源群は、図１に示すように、例えば、９個のコヒーレント光源である缶（ＣＡＮ）タイプの半導体レーザ１Ａ，１Ｂ，１Ｃから構成されている。
【００２２】
画像表示装置の光源としては、各半導体レーザの発振波長は、３８０ｎｍ乃至７８０ｎｍの可視光の領域の中にあり、例えば、赤色については、波長６５０ｎｍ程度のレーザ光を用いることが考えられる。ただし、９個の半導体レーザ１Ａ，１Ｂ，１Ｃが全て同一温度にて同一の発振波長の光を発する必要はなく、９個のうち３つが６４０ｎｍ、他の３つが６５０ｎｍ、残りの３つが６６０ｎｍの波長の光を発するというように、互いに僅かに異なる波長の光束を発するものである方が好ましい。
【００２３】
これら缶タイプの半導体レーザ１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、レーザ支持基体２に支持されて設置されており、互いに熱的に繋がっている。このレーザ支持基体２をなす材料としては、例えば、銅、銀、金、アルミニウムなど、適度な熱伝導率を有する金属材料を用いることができる。そして、このレーザ支持基体２は、さらに、基台４上に設置されている。
【００２４】
半導体レーザは、温度に対して極めて敏感な特性を有しており、温度上昇に伴って、レーザ発振電流値、発光効率、最高発振出力、発振波長等、種々の特性が変化することが知られている。そのため、半導体レーザを安定して動作させるためには、熱電素子等を用いて、半導体レーザの温度を一定に保つように設計する必要がある。
【００２５】
この照明装置においては、各半導体レーザの温度を所定の温度に保つために、ペルチエ素子３を用いている。このペルチエ素子３は、基台４とレーザ支持基体２との間に挟まれた状態に設置されている。すなわち、このペルチエ素子３と各半導体レーザ１Ａ，１Ｂ，１Ｃとは、レーザ支持基体２を介して、熱的に繋がった状態となっている。すなわち、半導体レーザ１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、発光することによって発熱し、レーザ支持基体２を加熱する。これと同時に、このレーザ支持基体２は、ペルチエ素子３によって冷却されるので、半導体レーザ１Ａ，１Ｂ，１Ｃを冷却することとなる。半導体レーザ１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、これら半導体レーザ１Ａ，１Ｂ，１Ｃの発熱量と、ペルチエ素子３による冷却能力とが均衡する温度に維持されることとなる。
【００２６】
このようにして、各半導体レーザ１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、所定の一定温度に保たれ、安定した動作が可能となる。そして、このコヒーレント光源群においては、全ての半導体レーザ１Ａ，１Ｂ，１Ｃが等しい温度に維持されるのではなく、ペルチエ素子３に対する熱的な距離（熱伝導体の長さ）の違いによって、異なる温度に維持される。すなわち、ペルチエ素子３は、９個の半導体レーザ１Ａ、１Ｂ、１Ｃに対して熱的な距離が異なるように配置されており、各半導体レーザ１Ａ、１Ｂ、１Ｃを互いに異なる温度分布とする。
【００２７】
すなわち、このコヒーレント光源群においては、９個の半導体レーザ１Ａ、１Ｂ、１Ｃのうち、ペルチエ素子３から最も離れた３個の半導体レーザ１Ａの温度Ｔ_Ａと、次にペルチエ素子３から離れた３個の半導体レーザ１Ｂの温度Ｔ_Ｂと、ペルチエ素子３に最も近い３個の半導体レーザ１Ｃの温度Ｔ_Ｃとは、下記の条件が満たされている関係となっている。
【００２８】
Ｔ_Ａ＞Ｔ_Ｂ＞Ｔ_Ｃ
したがって、これら９個の半導体レーザ１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、全てが同一種類の同一特性を有する半導体レーザであるとしても、温度の違いに応じて、互いに異なる波長の光束を出射することとなる。
【００２９】
このようにして各半導体レーザ１Ａ、１Ｂ、１Ｃが互いに異なる波長の光束を出射することにより、コヒーレント光源群からの出射光束全体としてのコヒーレンシが低下し、後述するような照明装置全体、または、画像表示装置として、被照明面におけるスペックルノイズの発生を抑えることができることとなる。
【００３０】
また、この照明装置及び画像表示装置におけるコヒーレント光源群は、図２に示すように、複数の半導体レーザチップ５を用いて、これら半導体レーザチップ５をモジュール化して構成してもよい。図２に示す実施の形態においては、９個の半導体レーザチップ５を筐体状のパッケージ７内に収納し、モジュール化して、コヒーレント光源群を構成している。
【００３１】
このコヒーレント光源群において、各半導体レーザチップ５は、図３に示すように、それぞれ金属ブロック６の側面部に、半田、もしくは、銀ペースト等によって接合されており、この金属ブロック６を介して、基台ブロック９上に設置されている。すなわち、基台ブロック９上には、複数の金属ブロック６が並列的に配列されて設置されており、これら各金属ブロック６のそれぞれの側面部に半導体レーザチップ５が接合されている。
【００３２】
金属ブロック６は、半導体レーザチップ５からの放熱を良好とするという観点をも考慮して、一般には、銅により形成されている。複数の金属ブロック６が接合されている基台ブロック９は、金属ブロック６と同様に、熱伝導率の高い材料により形成されている。
【００３３】
各半導体レーザ５は、図２及び図３中矢印Ｌで示すように、パッケージ７の開放された一端側に向けて、すなわち、基台ブロック９の主面部に略々垂直な方向に光束を出射するように設置されている。
【００３４】
パッケージ７は、複数の半導体レーザ５を保護するための外筐体であり、同時に、放熱板の役割も有している。基台ブロック９は、パッケージ７の底面部上に設置されている。
【００３５】
各半導体レーザチップ５は、キャリアを注入されることによって、レーザ光束を出射する。各半導体レーザチップ５へのキャリア供給は、図示しない外部の回路基盤を経由し、パッケージ７の側面部より外方側に引き出された金属線８を通して、外部から行われる。金属線８を通して供給されたキャリアは、各金属ブロック６を介して、各半導体レーザ５に供給される。
【００３６】
このコヒーレント光源群においても、各半導体レーザチップ５の温度を所定の温度に保つために、ペルチエ素子１１を用いている。このペルチエ素子１１は、基台ブロック９とパッケージ７の底面部との間に挟まれた状態に、支持板１０に取付けられて設置されている。すなわち、このペルチエ素子１１と各半導体レーザチップ５とは、基台ブロック９を介して、熱的に繋がった状態となっている。すなわち、半導体レーザチップ５は、発光することによって発熱し、基台ブロック９を加熱する。これと同時に、この基台ブロック９は、ペルチエ素子１１によって冷却されるので、半導体レーザチップ５を冷却することとなる。半導体レーザチップ５は、これら半導体レーザチップ５の発熱量と、ペルチエ素子１１による冷却能力とが均衡する温度に維持されることとなる。
【００３７】
このようにして、各半導体レーザチップ５は、所定の一定温度に保たれ、安定した動作が可能となる。そして、このコヒーレント光源群においては、全ての半導体レーザチップ５が等しい温度に維持されるのではなく、例えば、各３個の半導体レーザチップ５Ａ、５Ｂ、５Ｃが互いに異なる温度に維持される。すなわち、ペルチエ素子１１は、各半導体レーザチップ５Ａ、５Ｂ、５Ｃを互いに異なる温度分布とする。
【００３８】
すなわち、このコヒーレント光源群においては、９個の半導体レーザチップ５Ａ、５Ｂ、５Ｃのうち、第１の３個の半導体レーザチップ５Ａの温度Ｔ_Ａと、第２の３個の半導体レーザチップ５Ｂの温度Ｔ_Ｂと、第３の３個の半導体レーザチップ５Ｃの温度Ｔ_Ｃとは、下記の条件が満たされている関係となっている。
【００３９】
Ｔ_Ａ＞Ｔ_Ｂ＞Ｔ_Ｃ
したがって、これら９個の半導体レーザチップ５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、全てが同一種類の同一特性を有する半導体レーザチップであるとしても、温度の違いに応じて、互いに異なる波長の光束を出射することとなる。
【００４０】
このようにして各半導体レーザチップ５Ａ、５Ｂ、５Ｃが互いに異なる波長の光束を出射することにより、コヒーレント光源群からの出射光束全体としてのコヒーレンシが低下し、後述するような照明装置全体、または、画像表示装置として、被照明面におけるスペックルノイズの発生を抑えることができることとなる。
【００４１】
上述のような構成のコヒーレント光源群において、半導体レーザ１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、または、半導体レーザチップ５からの出射光束の波長と、温度との関係は、図４に示すように、温度が上昇するほど、波長が長くなる関係となっている。例えば、０°Ｃで波長６５４ｎｍの光束を出射する半導体レーザは、２５°Ｃでは波長６５８ｎｍの光束を出射し、５０°Ｃでは波長６６５ｎｍの光束を出射し、７５°Ｃでは波長６６７ｎｍの光束を出射することとなる。このように異なる波長の光束が同時に出射された場合には、単一の波長の光束に比較して、コヒーレンシが低下することとなる。
【００４２】
そして、上述のような構成のコヒーレント光源群を有する本発明に係る照明装置は、図５に示すように、コヒーレント光源群が発した光束を、例えば、空間光変調素子である被照明面に導いて、この被照明面を照明する。そして、この被照明面が空間光変調素子である場合において、この空間光変調素子の像（虚像、または、実像）を結像手段となる結像光学系により形成するようにすれば、本発明に係る画像表示装置が構成される。
【００４３】
すなわち、この画像表示装置は、光源として、赤色（以下、「Ｒ」とする。）、緑色（以下、「Ｇ」とする。）、青色（以下、「Ｂ」とする。）の３色のうちの互いに異なる一色の光を発する３組のコヒーレント光源群１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂを有している。
【００４４】
各コヒーレント光源群１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂから出射されたＲ、Ｇ、Ｂのコヒーレント光は、それぞれコリメータレンズ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂによって平行光束となされる。Ｒの光束は、ミラー（またはＲ光のみを反射するダイクロックミラー）１４Ｒによって反射され、Ｇ光のみを反射するダイクロックミラー１４Ｇ及びＢ光のみを反射するダイクロックミラー１４Ｂを透過する。Ｇの光束は、Ｇ光のみを反射するダイクロックミラー１４Ｇによって反射され、Ｂ光のみを反射するダイクロックミラー１４Ｂを透過する。Ｂの光束は、Ｂ光のみを反射するダイクロックミラー１４Ｂによって反射される。このようにして、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色光は、合成されて、コンデンサーレンズ１５に入射される。
【００４５】
コンデンサーレンズ１５に入射された光束は、このコンデンサーレンズ１５によって集光され、リレーレンズ１６を介して拡散光となってコリメータレンズ１７に入射する。このコリメータレンズ１７は、入射された光束を平行光束として空間光変調素子１８に入射させる。このようにして、空間光変調素子１８が照明される。空間光変調素子１８を照明し、この空間光変調素子１８によって表示する画像信号に応じて変調された光束は、結像光学系である投射レンズ１９によって、スクリーン２０上に投影される。
【００４６】
なお、上述の図５においては、透過型の空間光変調素子１８を示しているが、この透過型の空間光変調素子１８に代えて、反射型の空間光変調素子を用いることもできる。
【００４７】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る照明装置及び画像表示装置においては、コヒーレント光源群をなす各コヒーレント光源の温度が異ならせられることにより、これらコヒーレント光源の発する光束の波長が異ならされ、コヒーレント光源群が全体として発する光束のコヒーレンシ（可干渉性）が低下し、空間光変調素子などの被照明面におけるスペックルノイズの発生が抑えられる。
【００４８】
すなわち、本発明は、照明光としてコヒーレント光を用い、装置構成を大型化することなく、また、光利用効率の低下を招来することなく、スペックルノイズの発生が抑えられた照明装置を提供し、また、このような照明装置を備えて構成された画像表示装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る照明装置及び画像表示装置における光源となるコヒーレント光源群の構成を示す斜視図である。
【図２】上記コヒーレント光源群の構成の他の例を示す斜視図である。
【図３】上記図２に示したコヒーレント光源群の構成を示す分解斜視図である。
【図４】上記コヒーレント光源群をなす半導体レーザにおける発振波長と温度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る照明装置及び画像表示装置の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ　半導体レーザ、３，１１　ベルチエ素子、５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ　半導体レーザチップ、１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ　コリメータレンズ、１８空間光変調素子、１９　投影レンズ、２０　スクリーン

Claims

複数のコヒーレント光源からなるコヒーレント光源群と、
上記各コヒーレント光源の温度を制御する温度制御素子と、
上記温度制御素子の動作を制御する制御手段と
を備え、
上記制御手段は、上記温度制御素子の動作を制御することにより、上記各コヒーレント光源の温度を異ならせる
ことを特徴とする照明装置。
上記各コヒーレント光源は、互いに等しい温度においては、互いに等しい発振波長の光を射出するものであることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
上記コヒーレント光源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
複数のコヒーレント光源からなるコヒーレント光源群と、
上記コヒーレント光源群が発する光束によって照明される空間光変調素子と、
上記空間光変調素子の像を形成する結像手段と、
上記各コヒーレント光源の温度を制御する温度制御素子と、
上記温度制御素子の動作を制御する制御手段と
を備え、
上記制御手段は、上記温度制御素子の動作を制御することにより、上記各コヒーレント光源の温度を異ならせる
ことを特徴とする画像表示装置。
上記各コヒーレント光源は、互いに等しい温度においては、互いに等しい発振波長の光を射出するものであることを特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
上記コヒーレント光源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項４記載の画像表示装置。