JP2006048049A - レーザー斑点を除去した照明系、及びそれを採用したプロジェクションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザー斑点を除去した照明系、及びそれを採用したプロジェクションシステムを提供する。
【解決手段】 少なくとも一つのレーザーを有するレーザー光源、及びレーザー光源から出射されたビームを複数の部分ビームに分け、周期的な運動によりレーザービームの斑点を時間に対して平均化させることによって、斑点を除去する第１回折光学素子を備えることを特徴とする照明系である。これにより、レーザー光源が有する斑点を除去した照明系を提供し、このような照明系を採用して画質が改善されたプロジェクションシステムを提供する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レーザー光源の斑点を除去した照明系、及びそれを採用したプロジェクションシステムに係り、特に、回折光学素子を回転させて部分ビームを時間に対して平均化させることによって、効果的にレーザー斑点を減少または除去した照明系及びプロジェクションシステムに関する。

レーザー光源を備えたプロジェクションシステムは、広いカラーガマットを有するため、カラー表現範囲が広く、視準性にすぐれて、光効率が高いという利点がある一方、可干渉性により斑点が発生するという短所がある。斑点は、可干渉性のビームが粗い表面から反射されるとき、反射された任意の位相を有するビームの干渉により発生する。このような斑点は、画像の解像度及び画質を悪くする主原因となる。

従来のレーザー斑点を除去するためのプロジェクタが、特許文献１に開示されている。

従来のプロジェクタは、図１に示すように、同軸線上に配列されたレーザー光源１、ビーム拡張器２、ボログラフィック拡散器３、第１フィールドレンズ４及び第２フィールドレンズ５を備える。前記レーザー光源１から出射されたガウシアンレーザービームを、前記要素を通じて均一な四角形の断面形状を有するビームに分ける。

図２に示すように、光源１から出射されたビームは、ビーム拡張器２によりビーム断面が増大した平行拡張ビームとなり、この拡張ビームは、前記拡散器３により複数個の四角ビームに分けられる。前記四角ビームは、水平角θ_{ｈｏｒｉｚ}と垂直角θ_ｖｅｒとを有して発散され、前記水平角と垂直角とは、ボログラフィック拡散器３のパターンによって制御されうる。前記四角ビームは、再び第１フィールドレンズ４により互いに重なって照射され、これにより、ガウス分布を有するビームが均一なビームとなり、小さい四角ビームの形態は、マイクロディスプレイ素子の形状に合うように調節される。第１フィールドレンズ４を通過したビームは、第２フィールドレンズ５によりテレセントリックビームとなる。

前記ボログラフィック拡散器３により、ビームの強度分布を均一にし、またビームの断面形状を四角形状に変換し、前記四角ビームを重ねて照射することによって、レーザーの斑点が除去される。しかし、前記のようにボログラフィック拡散器３のみを利用してレーザー斑点を除去する場合、斑点除去効率が低下して画質が低下するという問題点がある。
米国特許第６，６０６，１７３ Ｂ２号明細書

本発明の目的は、前記の問題点を解決するためのものであって、回折光学素子を回転させるか、または周期的に運動させて、効果的にレーザー斑点を減少または除去し、小型化を達成した照明系及びそれを採用したプロジェクションシステムを提供するところにある。

前記の目的を達成するために、本発明による照明系は、少なくとも一つのレーザーを有するレーザー光源、及び前記レーザー光源から出射されたビームを複数の部分ビームに分け、周期的な運動によりレーザービームの斑点を時間に対して平均化させることによって、斑点を除去する第１回折光学素子を備えることを特徴とする。

前記の目的を達成するために、本発明による照明系は、少なくとも一つのレーザーを有するレーザー光源、前記レーザー光源から出射されたビームを複数の部分ビームに分ける第１回折光学素子、及び前記第１回折光学素子の前または後に配置され、回転運動により入射ビームの経路を変換させてレーザービームの斑点を時間に対して平均化させることによって、斑点を除去するウェッジ部を備えることを特徴とする。

前記の目的を達成するために、本発明によるプロジェクションシステムは、少なくとも一つのレーザーを有するレーザー光源、前記レーザー光源から出射されたビームを複数の部分ビームに分け、周期的な運動によりレーザービームの斑点を時間に対して平均化させることによって、斑点を除去する第１回折光学素子、前記第１回折光学素子を通過したビームを、画像を形成するディスプレイ素子の形状に対応する形状を有するように整形する第２回折光学素子、前記第２回折光学素子を通過したビームを利用して画像を形成するディスプレイ素子、及び前記画像をスクリーンに拡大投射させる投射レンズユニットを備えることを特徴とする。

前記第１回折光学素子は、回転自在であるか、または直線状に往復動自在になっていることを特徴とする。

前記の目的を達成するために、本発明によるプロジェクションシステムは、少なくとも一つのレーザーを有するレーザー光源、前記レーザー光源から出射されたビームを複数の部分ビームに分ける第１回折光学素子、前記第１回折光学素子の前または後に配置され、回転運動により入射ビームの経路を変換させてレーザービームの斑点を時間に対して平均化させることによって、斑点を除去するウェッジ部、前記第１回折光学素子を通過したビームを、画像を形成するディスプレイ素子の形状に対応する形状を有するように整形する第２回折光学素子、前記第２回折光学素子を通過したビームを利用して画像を形成するディスプレイ素子、及び前記画像をスクリーンに拡大投射させる投射レンズユニットを備えることを特徴とする。

前記第２回折光学素子は、入射ビームの発散角を調節してＦナンバーを大きくすることを特徴とする。

前記部分ビームは、複数のビームレットから形成され、前記複数のビームレットが互いに重なって集束されることを特徴とする。

前記ディスプレイ素子は、透過型ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＤＭＤ（Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｖｉｃｅ）、回折型ライトバルブのうちいずれか一つであることを特徴とする。

本発明では、光源としてレーザーを利用するにおいて、レーザー光源が有する斑点を減少させるか、または除去した照明系を提供し、このような照明系を採用して画質が改善されたプロジェクションシステムを提供する。

回折光学素子やウェッジ部を回転させることによって、部分ビームを時間に対して平均化させて、斑点を効果的に除去できる。また、回折光学素子を利用してビームの発散角を減少させることができるので、プロジェクションシステムを小型化できる。

以下、添付された図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態による斑点を除去したプロジェクションシステムが図３に示されている。

本発明の第１実施形態によるプロジェクションシステムは、レーザー光源２０、レーザー光源２０から出射されたレーザービームの斑点を除去するための回転自在な第１回折光学素子２４、及び前記第１回折光学素子２４を通過したビームを利用して、画像を形成するためのディスプレイ素子２８を備える。

前記斑点除去用の第１回折光学素子２４とディスプレイ素子２８との間の光路上には、ビーム整形のための第２回折光学素子２６が備えられ、前記ディスプレイ素子２８からの画像をスクリーン３２に拡大投射させる投射レンズユニット３０が備えられる。

前記第１回折光学素子２４は、回転自在になっているので、レーザー光源２０からのビームが時間に対して平均化されて効果的に除去される。図４に示すように、第１回折光学素子２４は、複数のユニットセル２４ａを備え、望ましくは、円形を有するが、その他にも多様な形態を有することができる。第１回折光学素子２４の各ユニットセル２４ａを通過したビームは、それぞれ位相とビーム経路とが異なる部分ビーム２７となり、このビームが互いに重なって集束される。前記部分ビーム２７それぞれは、複数のビームレット２７ａからなっている。

前記第１回折光学素子２４がモータ２２により回転されることによって、前記ビームレット２７ａが時間に対して平均化されて斑点が除去される。図５Ａは、斑点が除去される前のレーザービームを、図５Ｂは、本発明によって第１回折光学素子２４を回転させて斑点を除去した後のビームを示す図面である。

レーザー斑点のコントラストは、次の式のように表し、このコントラスト値が４％以下であれば、肉眼で感知できないレベルとなる。

ここで、＜Ｉ_ｉ＞は回折光学素子のｉ番目のユニットセルを通過したビームの強度の平均値を表し、＜Ｉ_ｉ ^２＞は、回折光学素子のｉ番目のユニットセルを通過したビームの強度の２乗の平均値を表し、σは標準偏差を表し、μは平均値を表す。

一方、第１回折光学素子２４を通過したビームは、均一な強度分布を有するビームに変換される。レーザービームは、レーザー光源から出射時、ガウス分布を有するが、前記第１回折光学素子２４を通じて複数の部分ビームに分けられた後、重なって結合されることによって均一な強度分布を有するビームに変換されて、画質が改善されるという利点がある。

次いで、前記第２回折光学素子２６は、ビームの断面形状をディスプレイ素子２８の形状にする。ディスプレイ素子としては、例えば透過型ＬＣＤ、ＬＣｏＳ、ＤＭＤ、回折型ライトバルブのうちいずれか一つが使われ、それらのディスプレイ素子は、４：３または１６：９の縦横比を有する四角形の形態を有する。レーザー光源２０から出射されたビームは、その断面が円形を有し、ディスプレイ素子は、四角形の形態を有するので、光効率のために、レーザー光源２０から出射されたビームの形状をディスプレイ素子の形状のようにする必要がある。したがって、図６に示すように、前記第２回折光学素子２６により、前記ディスプレイ素子２８の形状に合うように変換する。

また、第２回折光学素子２６のパターンを調節して、ビームの発散角を調節できる。ビームの発散角を調節して照明系のＦナンバーを大きくすることによって、プロジェクションシステムの構成を小型化できる。

前記第２回折光学素子２６を通じて整形されたビームがディスプレイ素子２８に入射され、ディスプレイ素子２８により形成された画像が、投射レンズユニット３０によりスクリーン３２に拡大投射される。

前記レーザー光源２０は、相異なる波長のビームを照射する複数個のレーザーを備えて、カラー別に順次にレーザービームを出射させる。例えば、前記レーザー光源２０は、赤色ビーム（Ｒ）、緑色ビーム（Ｇ）、青色ビーム（Ｂ）を照射する第１、第２及び第３レーザーを備え、Ｒ、Ｇ、Ｂを順次に照射しつつＲ、Ｇ、Ｂに対する画像を順次に形成してスクリーン３２に投射することによって、カラー画像を形成する。

本発明の第１実施形態による照明系は、相異なる波長のビームを照射する複数のレーザーを有するレーザー光源２０、レーザー光源２０から照射されたビームの斑点を除去するための第１回折光学素子２４、及び画像を形成するためのディスプレイ素子２８の形状のようにビームを整形するための第２回折光学素子２６を備える。前記第１回折光学素子２４は、レーザー光源２０から出射されたビームを複数の部分ビームに分けて重ねて集束させ、第１回折光学素子２４が回転されることによって、前記部分ビームが時間に対して平均化されて斑点を除去する。

一方、前記実施形態では、第１回折光学素子２４を回転させて、部分ビームを時間に対して平均化することによって斑点を除去したが、このような方法以外に、図７に示すように、第１回折光学素子２４´を、移送手段２５を利用して直線状に往復動させることによって、時間に対して平均化させることもできる。ここで、図３と同一な参照番号を使用する要素は、同一な機能及び作用を行うものであって、その詳細な説明を省略する。

次に、本発明の第２実施形態による照明系、及びそれを採用したプロジェクションシステムについて説明する。

本発明の第２実施形態による照明系は、図８に示すように、レーザー光源４０、レーザー光源４０から照射されたビームの斑点を除去するための第１回折光学素子４４、及びレーザービームを整形するための第２回折光学素子４６を備える。そして、前記レーザー光源４０と第１回折光学素子４４との間、または第１回折光学素子４４と第２回折光学素子４６との間に、回転自在なウェッジ部４２が配置される。前記ウェッジ部４２は、その断面がウェッジ型に形成された板形態に製作され、ガラスで形成されうる。

前記レーザー光源４０は、相異なる波長のビームを照射する複数のレーザーを備え、前記ウェッジ部４２は、モータ４１により回転自在になっている。

前記ウェッジ部４２を通過したビームは、ウェッジ部４２が回転されるにつれて、図９に示すように入射ビームが屈折され、ビーム経路が周期的に変換して、第１回折光学素子４４に入射される。前記第１回折光学素子４４は、図４を参照して説明したように、入射ビームを複数の部分ビームに分け、この部分ビームは、複数のビームレットからなっている。

前記部分ビームは、ウェッジ部４２の回転によって、ビーム経路が周期的に変換して第１回折光学素子４４に入射されるので、前記部分ビームが回転される効果を得ることができる。これにより、入射ビームが時間に対して平均化されて、レーザー斑点が除去される。また、前記部分ビームが重なって集束されるので、ガウス分布を有するビームが均一な強度分布を有するようになる。

一方、レーザー光源４０から出射されたビームは円形断面を有するが、第２回折光学素子４６を通じて、ディスプレイ素子４８の形状に対応する形状を有するように変換される。ディスプレイ素子４８に入射されたビームを利用して画像を形成し、この画像を、投射レンズユニット５０を通じてスクリーン５２に拡大投射させる。

前記レーザー光源４０は、相異なる波長のビームを照射する複数のレーザーを備え、前記レーザーを順次に出射させることによってカラー画像を形成する過程は、前述したようである。

第２実施形態では、第１回折光学素子４４を回転させる代わりにウェッジ部４２を備え、このウェッジ部４２を回転させることによって、レーザーの斑点を除去する。第１回折光学素子を回転させる構造では、回折光学素子の面積を広く製作せねばならず、回折パターンの設計コストが高いのに比べて、ウェッジ部４２を回転させる構造では、製造コストが低いという利点がある。

本発明は、プロジェクションシステムに関連の技術分野に適用可能である。

特許文献１に開示されたレーザープロジェクタ用の照明系を示す図面である。 図１の照明系に備えられたビーム拡散器を通じて分割された四角ビームのプロファイルを示す図面である。 本発明の第１実施形態によるプロジェクションシステムを概略的に示す図面である。 本発明の第１実施形態によるプロジェクションシステムに使われる第１回折光学素子により生成された部分ビームのプロファイルを示す図面である。 レーザー斑点が除去される前の照明ビームを示す図面である。 本発明の第１実施形態による照明系によりレーザー斑点が除去された照明ビームを示す図面である。 本発明の第１実施形態によるプロジェクションシステムに使われる第２回折光学素子により整形されたビームのプロファイルを示す図面である。 本発明の第１実施形態によるプロジェクションシステムの変形例を示す図面である。 本発明の第２実施形態によるプロジェクションシステムを概略的に示す図面である。 本発明の第２実施形態によるプロジェクションシステムに備えられたウェッジ部が回転されるにつれて、ビームの経路が周期的に変換されることを示す図面である。

符号の説明

２０ レーザー光源
２２ モータ
２４ 第１回折光学素子
２６ 第２回折光学素子
２８ ディスプレイ素子
３０ 投射レンズユニット
３２ スクリーン

Claims (20)

1. 少なくとも一つのレーザーを有するレーザー光源と、
   前記レーザー光源から出射されたビームを複数の部分ビームに分け、周期的な運動によりレーザービームの斑点を時間に対して平均化させることによって、斑点を除去する第１回折光学素子と、を備えることを特徴とする照明系。
2. 前記第１回折光学素子は、回転自在になっていることを特徴とする請求項１に記載の照明系。
3. 前記第１回折光学素子は、直線状に往復動自在になっていることを特徴とする請求項１に記載の照明系。
4. 前記第１回折光学素子を通過したビームを、画像を形成するディスプレイ素子の形状に対応する形状を有するように整形する第２回折光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか一項に記載の照明系。
5. 前記第２回折光学素子は、入射ビームの発散角を調節してＦナンバーを大きくすることを特徴とする請求項４に記載の照明系。
6. 前記部分ビームは、複数のビームレットから形成され、前記複数のビームレットが互いに重なって集束されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか一項に記載の照明系。
7. 少なくとも一つのレーザーを有するレーザー光源と、
   前記レーザー光源から出射されたビームを複数の部分ビームに分ける第１回折光学素子と、
   前記第１回折光学素子の前または後に配置され、回転運動により入射ビームの経路を変換させてレーザービームの斑点を時間に対して平均化させることによって、斑点を除去するウェッジ部と、を備えることを特徴とする照明系。
8. 前記第１回折光学素子を通過したビームを、画像を形成するディスプレイ素子の形状に対応する形状を有するように整形する第２回折光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の照明系。
9. 前記第２回折光学素子は、入射ビームの発散角を調節してＦナンバーを大きくすることを特徴とする請求項８に記載の照明系。
10. 前記部分ビームは、複数のビームレットから形成され、前記複数のビームレットが互いに重なって集束されることを特徴とする請求項７ないし請求項９のうちいずれか一項に記載の照明系。
11. 少なくとも一つのレーザーを有するレーザー光源と、
    前記レーザー光源から出射されたビームを複数の部分ビームに分け、周期的な運動によりレーザービームの斑点を時間に対して平均化させることによって、斑点を除去する第１回折光学素子と、
    前記第１回折光学素子を通過したビームを、画像を形成するディスプレイ素子の形状に対応する形状を有するように整形する第２回折光学素子と、
    前記第２回折光学素子を通過したビームを利用して画像を形成するディスプレイ素子と、
    前記画像をスクリーンに拡大投射させる投射レンズユニットと、を備えることを特徴とするプロジェクションシステム。
12. 前記第１回折光学素子は、回転自在になっていることを特徴とする請求項１１に記載のプロジェクションシステム。
13. 前記第１回折光学素子は、直線状に往復動自在になっていることを特徴とする請求項１１に記載のプロジェクションシステム。
14. 前記第２回折光学素子は、入射ビームの発散角を調節してＦナンバーを大きくすることを特徴とする請求項１１ないし請求項１３のうちいずれか一項に記載のプロジェクションシステム。
15. 前記部分ビームは、複数のビームレットから形成され、前記複数のビームレットが互いに重なって集束されることを特徴とする請求項１１ないし請求項１３のうちいずれか一項に記載のプロジェクションシステム。
16. 前記ディスプレイ素子は、透過型ＬＣＤ、ＬＣｏＳ、ＤＭＤ、回折型ライトバルブのうちいずれか一つであることを特徴とする請求項１１ないし請求項１５のうちいずれか一項に記載のプロジェクションシステム。
17. 少なくとも一つのレーザーを有するレーザー光源と、
    前記レーザー光源から出射されたビームを複数の部分ビームに分ける第１回折光学素子と、
    前記第１回折光学素子の前または後に配置され、回転運動により入射ビームの経路を変換させてレーザービームの斑点を時間に対して平均化させることによって、斑点を除去するウェッジ部と、
    前記第１回折光学素子を通過したビームを、画像を形成するディスプレイ素子の形状に対応する形状を有するように整形する第２回折光学素子と、
    前記第２回折光学素子を通過したビームを利用して画像を形成するディスプレイ素子と、
    前記画像をスクリーンに拡大投射させる投射レンズユニットと、を備えることを特徴とするプロジェクションシステム。
18. 前記第２回折光学素子は、入射ビームの発散角を調節してＦナンバーを大きくすることを特徴とする請求項１７に記載のプロジェクションシステム。
19. 前記部分ビームは、複数のビームレットから形成され、前記複数のビームレットが互いに重なって集束されることを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載のプロジェクションシステム。
20. 前記ディスプレイ素子は、透過型ＬＣＤ、ＬＣｏＳ、ＤＭＤ、回折型ライトバルブのうちいずれか一つであることを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載のプロジェクションシステム。