JP2004295130A - レーザー表示装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックル現象によるコントラストと解像度の低下を抑制して、表示される映像画質を向上させたレーザー表示装置及びその制御方法を提供する。
【解決手段】 レーザー表示装置は、レーザー光を発生させるレーザー光源21、このレーザー光源21で発生するレーザー光を転送する光ファイバ23、前記光ファイバに屈曲を形成して光ファイバ23内を進行するレーザー光の位相を制御する光位相制御部24を含む。
これにより、光ファイバ23から出射した光が、画像表示装置25に照射する第２照明光学系28と、画像表示装置25で表示された映像を拡大投射する投射光学系26を介してスクリーン27上に拡大された映像が結像する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー表示装置に関するもので、特にレーザー光の位相を制御するレーザー表示装置及びその制御方法に関するものである。

ディスプレイシステムとして、小さい画面を拡大、投射して大型画面を表示する投射表示装置システム(Projection Display System)がある。
通常は光源と照明系からなり、フィルム、画像等を拡大してスクリーンに投射するプロジェクターには陰極線管を採用したプロジェクターが一般化されて、最近では液晶を装着したプロジェクターが普及している状況にある。
また、このようなプロジェクターにパーソナルコンピューター又はビデオ等を接続して映画を鑑賞するのに使用したり、各種プレゼンテーションに活用されている。

一方、光源としてランプを使う投射表示装置は、表示される画像の色相、鮮明度、色再現範囲及びコントラストが異なる自発光ディスプレイ装置に比べて劣るという短所がある。

従って、このような短所を補うためにレーザーを光源として使用するレーザー表示装置が開発された。
レーザー表示装置は、レーザー光源を使用するもので、色の鮮明度が高まり色再現性に優れ、自然色に近い映像を表示することができ、コントラストが高くて鮮明な画質を再現することができる。

図５は、一般的なレーザー表示装置の構成を示す図面である。
図５に示したように、レーザー表示装置は、レーザー光を発生させるレーザー光源１１と、 レーザー光源１１から発生したレーザー光を画像表示装置１３に照射する照明光学系１２と、レーザー光で画像を表示する画像表示装置１３と、画像表示装置１３で表示された映像を拡大投射させる投射光学系１４と、投射光学系１４によって拡大された映像が結像するスクリーン１５からなる。
ここで、レーザー光源１１は単色光を発生させるので、カラー映像を実現するためには赤色(Ｒ)、 緑色(Ｇ)及び青色(Ｂ)の３色のレーザー光源が必要である。

前記レーザー光源１１は、物質の内部エネルギー放出現象を利用して光エネルギーを発生させた後、前記光エネルギーを増幅させる。このようなレーザー光源１１が連続した光エネルギーを発生させるために主に炭酸ガス等の気体レーザー光源が、 瞬間的に大きい光エネルギーを発生させるためにルビー等の固体レーザー光源が、それぞれ使用される。
また、砒素(As)とガリウム(Ga) 等による半導体レーザー光源が使用される場合もある。

ところで、前記レーザー光源によって生じた光は、自然光と異なり周波数及び位相が同一なコヒーレント波を発生させる。
このようにレーザーに固有の特性であるコヒーレンスによって、スクリーン上にレーザーの干渉現象が生じ、画面上で小さな粒子がきらめくようなスペックル現象が現われる。このようなスペックル現象は、コントラストと解像度を低下させて表示される映像画質を低下させる。

本発明の目的は、このような問題を解決するためのもので、スペックル現象によるコントラストと解像度の低下を抑制して、表示される映像画質を向上させたレーザー表示装置及びその制御方法を提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明のレーザー表示装置は、レーザー光を発生させるレーザー光源と、前記レーザー光源から発生するレーザー光を転送する光ファイバと、前記光ファイバ内を進行する前記レーザー光の位相を制御するために、前記光ファイバを屈曲させる光位相制御部とを含むことを特徴とする。

前記レーザー光源は、赤、緑、青の３色光源からなることを特徴とする。
前記光位相制御部は、ピエゾ素子と、前記ピエゾ素子に電源を印加する第１、第２の電極と、前記光ファイバを固定させる第１、第２の固定板とからなることを特徴とする。
前記光位相制御部は、ピエゾ素子の振動を吸収する弾性素子をさらに含んでいることを特徴とする。
前記弾性素子は、ピエゾ素子の下端に形成されることを特徴とする。
前記固定板上には、前記光ファイバを挿入するためのホームが形成されることを特徴とする。

前記ピエゾ素子は、前記第１、第２の電極に印加される電圧によって変形する変形層、 前記変形層と接触して形成されて前記変形層を屈曲させる固定層からなることを特徴とする。
前記光ファイバに形成される屈曲の程度は、前記ピエゾ素子の振動の大きさによって変わることを特徴とする。

本発明の他の特徴である光位相制御方法は、レーザー表示装置の光位相を制御する光位相制御部で、ピエゾ素子の上部と下部にそれぞれ位置した第１、第２の電極に電源を印加する段階と、前記電源のオン、オフに沿って、前記ピエゾ素子の変形層が膨脹又は収縮する段階と、前記変形層の変化によって前記ピエゾ素子が振動する段階と、前記ピエゾ素子の振動によって光ファイバを屈曲させる段階とからなることを特徴とする。
本発明の他の目的、特徴及び利点は添付した図面を参照した実施例の詳細な説明を通して明らかになる。

本発明によると、レーザー光が有する規則的位相性質が光ファイバの振動によって不規則に変化してスペクル現象が除去される。

以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。
図１は、本発明によるレーザー表示装置の構成を示した図面である。
図示したように、本発明によるレーザー表示装置は、レーザー光を発生させるレーザー光源２１と、レーザー光源２１で発生した光を光ファイバ２３に照射する第１照明光学系２２と、第１照明光学系２２から出射した光を第２照明光学系２８の方に伝達する光ファイバ２３と、光ファイバ２３内を進行する光の位相を変換する光位相制御部２４を含む。

そして、光ファイバ２３から出射した光を画像表示装置２５に照射する第２照明光学系２８と、第２照明光学系２８から照射された光により画像を表示する画像表示装置２５と、 画像表示装置２５で表示された映像を拡大投射する投射光学系２６と、投射光学系２６によって拡大された映像が結像するスクリーン２７を含む。
ここで、レーザー光源２１は、単色光を発生させるため、カラー映像を実現するためには赤(R)、緑(G)及び青(B)の３色のレーザー光源が必要である。
レーザー光源２１は、物質の内部エネルギー放出現象を利用して光エネルギーを発生させた後、前記光エネルギーを増幅させる。このようなレーザー光源２１が連続した光エネルギーを発生するためには主に炭酸ガス等の気体レーザー光源が使用され、瞬間的に大きい光エネルギーを発生するためにはルビー等の固体レーザー光源が使用される。

そして、砒素(Ａｓ)とガリウム(Ｇａ) 等による半導体レーザー光源が使用される場合もある。
ここで、前記レーザー光源によって生じた光は、自然光と異なり周波数及び位相が同一なコヒーレント波を発生させる。
第１照明光学系２２は、光の反射や屈折を利用して物体の像を作ったり光エネルギーを転送するためにレンズとプリズムからなる。そして、光源から出射した光を光ファイバ２３に照射する役割を果す。

一方、光ファイバ２３は、一般的に硝子又は合成樹脂等の細い透明樹脂を利用して単一のワイヤ線又は多数の束のケーブルからなる。そして、情報信号や光像或いは光パワー等の転送の際に使用される。
このような光ファイバ２３の構造は、中央にあるコア部の周辺をクラッド部が包んでいる二重円柱状である。そして、光ファイバ２３の外部には衝撃から光ファイバを保護するために合成樹脂被覆を１〜２回包み重ねる。
光ファイバは、コア部の屈折率がクラッド部の屈折率より高いので、光がコア部に集束して全反射によって光を外部に少しも漏らさずに進行することができる。

このように光は、光ファイバの寸法や屈折率分布に関連した各種モードにおいて、コア部内で全反射を繰り返しながら低損失で進行できる。
従って、光ファイバ２３は、外部の電磁波による干渉や混信が無く保安性に優れる。また屈曲（へこみまたは湾曲を含む）等外部の力による変化にも強いという長所がある。
そして、第２照明光学系２８は、第１照明光学系２２と等しい構成要素を有し、光ファイバ２３から不規則な位相で出射された光を画像表示装置２５に照射する役割をする。

光ファイバ２３内を進行して第２照明光学系２８に照射された光は、光位相制御部２４によってその位相が調節される。前記光位相制御部は外部の電気的信号によって光ファイバ２３を屈曲させる(indenting)ことで光の位相を調節する。
一方、画像表示装置２５は、液晶表示パネルのように光の透過率を調節することができる装置からなり、第２照明光学系２８から入射する光の透過率を調節して画像を表示する。
又、投射光学系２６は、画像表示装置２５上に表示された画像を大画面に拡大し拡大された画像をスクリーン２７上に結像させる。
そうすると、鑑賞者はスクリーン２７上に結像された拡大映像を鑑賞できる

図２は、本発明によるレーザー表示装置で光位相制御部の構成を示した図面である。
図２に示したように、本発明によるレーザー表示装置の光位相制御部はピエゾ素子３０を含む。
前記ピエゾ素子３０は、薄板型で形成されて変形層３２と固定層３３とからなる。変形層３２は電気的信号によって変形が生じる層であり、固定層３３は変形層３２との接触による相互作用により振動を発生させる。

また、変形層３２と固定層３３は、それぞれの第１、第２の電極３４、３４によって電源３８と繋がる。
そして、第１、第２の電極３４、３４上には、光ファイバ３１が挿入されるように上部と下部にそれぞれ形成される台１、第２の固定板３５、３７が形成される。第１、第２の固定板３５、３８には、光ファイバを固定させることができるようにホーム（溝）３６が形成される。 このホーム３６は、光ファイバの周りの外形に対応した形状を有するようにする。

一方、ピエゾ素子３０で振動が発生すれば、光ファイバ３１のみならず光位相制御部が固定されたレーザー表示装置にも振動が伝達される。そして、レーザー表示装置の振動によってスクリーン上にノイズが発生することがある。
従って、ピエゾ素子３０の下部に弾性素子３９を形成する。弾性素子３９はピエゾ素子３０の振動を吸収してレーザー表示装置に振動が伝達されないようにして不必要なノイズを減少させる役割を果す。

図３ａ及び図３ｂは、本発明によるレーザー表示装置で光位相制御部の動作原理を示した図面である。
上述したように、光位相制御部は、電気的信号によってその形象が変化するピエゾ素子４３を含む。このピエゾ素子４３は、駆動電力が非常に低くて電気的信号の変更で振動数、振幅等が調節される特性を有する。
図３ａに示したように、ピエゾ素子４３の変形層４１と固定層４２に電圧が印加されなければ、ピエゾ素子４３は変形しない。

反対に図３ｂに示したように、ピエゾ素子４３の変形層４１と固定層４２に電圧が印加されれば、ピエゾ素子４３の変形層４１の長さが伸張又は収縮する。
ピエゾ素子４３は、電極に加えられる電圧の大きさによってその変形の程度が変わり、電源のオン(On)、オフ(Off)に応じて変形と復元とを繰り返すようになる。
このように、ピエゾ素子４３が変形と復元を繰り返しながら振動するようになる。 従って、振動が光ファイバに３１伝達されて、光ファイバ３１に微細な湾曲が発生し、この湾曲によって光ファイバ３１内を進行する光の位相が変化するようになる。

上述したように光ファイバを通過する光の位相を制御して干渉現象によるスペックル現象を防止することができる。ここでスペックル現象とは、鑑賞者にスクリーン上に小さな粒子がきらめくように見える現象のことをいう。

図４は、本発明によるレーザー表示装置でスペクル現象が除去される原理を示した図面である。
光位相制御部の第１、第２の電極に電圧を印加すれば、図４に示したように光ファイバが曲がる。即ち、本来直線状の光ファイバにピエゾ素子による微細な変形が生じて湾曲が発生する。
ここで、"ａ"は光ファイバのコア半径５２を示し、"ｂ"は、コア部とクラッド部とを含んだ光ファイバの半径５３を示す。そして、Ｒbは、光ファイバ５１の湾曲半径を示す。
一方、 湾曲した光ファイバ５１内で進行する光の状態は、"ａ"、 "ｂ"と、Ｘ軸座標５５、Ｙ軸座標５６、Ｚ軸座標、ｒ座標５７、φ座標５８及び時間(t)との関系式で示すことができる。

先に、前記光ファイバに沿って進む光の電場Ｅは次のような波動方程式で表現される。

ここで、nは光ファイバの屈折率、ｃは光束、ｔは時間を示す。
ところで、レーザー光は直線光を発生させるため、その電場は、次のように実数部分だけ考慮することができる。

ここで、ｘはX座標を、yはＹ座標を、zはＺ座標を、tは時間を示す。

ここで、式１の波動方程式のうち、スカラー方程式は、次のように示すことができる。

ここで、ｋは光の真空における伝搬定数(Propagation Constant)、nは光ファイバの屈折率、ωは前記光ファイバの位相を示す。

一方、図４と同様に、光ファイバがＲ軸方向からＲbの半径に湾曲が生ずる場合、上の式３はＲ、θ、Ｙの円柱座標系において次のような式で示すことができる。

ここで、Rは光ファイバの湾曲半径方向座標を示す。

一方、前記光ファイバ上の新しい座標系(r、 Φ、 y)に対して式を変換するために次のような関系を利用する。

結局、前記スカラー波動方程式は、次のような式で整理することができる。

ところで上の式６の方程式の態様はb/Ｒbが非常に小さな場合、即ち、光ファイバが湾曲を起こす場合、次のように b/Ｒbの級数で示すことができる。

上の[数７]の式において、b/Ｒb が非常に小さければ、前記式は m=1まで近似させて考慮しても構わないので次のように示すことができる。

ここで、Ｅｏは光ファイバ５１が湾曲しない場合の光の電場を示し、Ｅ１は、１次微小変化時の電場を示す。

上記[数８]の式から分かるように、光ファイバに入射した光の電場は、光ファイバが湾曲しない場合の電場と、光ファイバの湾曲によって現われる電場と、に分離するので位相の変化が生ずるようになる。
即ち、ピエゾ素子４３の振動によって前記光ファイバの湾曲半径Ｒbが時間によって変化するので、前記光の電場も時間によって不規則に変化するようになる。

以上、本発明の好適な一実施態様について説明したが、前記実施態様に限定されず、本発明の技術思想に基づいて種々の変形が可能である。

本発明によるレーザー表示装置の構成を示した図である。 本発明によるレーザー表示装置で光位相制御部の構成を示した図である。 図３a及び図３ｂは、本発明によるレーザー表示装置で光位相制御部の動作原理を示した図である。 本発明によるレーザー表示装置でスペクル現象が除去される原理を示した図である。 一般的なレーザー表示装置の構成を示す図である。

符号の説明

２１ レーザー光源
２２、２８ 照明光学系
２３ 光ファイバ
２４ 光位相制御部
２５ 画像表示装置
２６ 投射光学系
２７ スクリーン

Claims (15)

1. レーザー光を発生させるレーザー光源と、
   前記レーザー光源で発生するレーザー光を転送する光ファイバと、
   前記光ファイバ内を進行する前記レーザー光の位相を制御するために、前記光ファイバに屈曲を形成する光位相制御部と、を含んでいることを特徴とするレーザー表示装置。
2. 前記レーザー光源は、赤、緑、青の３色光源からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザー表示装置。
3. 前記光位相制御部は、
   ピエゾ素子と、
   前記ピエゾ素子の上部と下部にそれぞれ位置して前記ピエゾ素子に電源を印加する第1 、第２の電極と、
   前記第１電極上に位置して前記光ファイバを固定させる第1、第２の固定板からなることを特徴とする請求項３に記載のレーザー表示装置。
4. 前記光位相制御部は、ピエゾ素子の振動を吸収する弾性素子を更に含んでいることを特徴とする請求項３に記載のレーザー表示装置。
5. 前記弾性素子は、ピエゾ素子の下端に形成されることを特徴とする請求項４に記載のレーザー表示装置。
6. 前記固定板上には、前記光ファイバを挿入するためのホームが形成されることを特徴とする請求項３に記載のレーザー表示装置。
7. 前記ピエゾ素子は、
   前記第１、２電極に印加される電圧によって変形される変形層と、
   前記変形層と接触して形成されて前記変形層を屈曲させる固定層からなることを特徴とする請求項３に記載のレーザー表示装置。
8. 前記光ファイバに形成される屈曲の程度は、前記ピエゾ素子の振動の大きさによって変わることを特徴とする請求項１に記載のレーザー表示装置。
9. ピエゾ素子に電源を印加する段階と、
   前記印加された電源によって前記ピエゾ素子を振動させる段階と、
   前記ピエゾ素子の振動によって光ファイバを屈曲させ、 この屈曲によって前記光ファイバを通過する光の位相を制御する段階と
   からなることを特徴とするレーザー表示装置の制御方法。
10. 前記光位相制御部は、前記光ファイバを固定させる第１、第２の固定板からなることを特徴とする請求項９に記載のレーザー表示装置の制御方法。
11. 前記光位相制御部は、ピエゾ素子の振動を吸収する弾性素子を更に備えることを特徴とする請求項９に記載のレーザー表示装置の制御方法。
12. 前記弾性素子は、ピエゾ素子の下端に形成されることを特徴とする請求項１１に記載のレーザー表示装置の制御方法。
13. 前記固定板上には、前記光ファイバを挿入するためのホームが形成されることを特徴とする請求項１０に記載のレーザー表示装置の制御方法。
14. 前記ピエゾ素子は、
    前記第１、２電極に印加される電圧によって変形する変形層と、
    前記変形層と接触して形成されて前記変形層が曲がるようにする固定層とからなることを特徴とする請求項９に記載のレーザー表示装置の制御方法。
15. 前記光ファイバに形成される屈曲の程度は、前記ピエゾ素子の振動の大きさによって変わることを特徴とする請求項９に記載のレーザー表示装置の制御方法。
    

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