JP2007163702A - スペックルキャンセラ及びこれを用いたプロジェクタ - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザ光源の直線偏光性を損なうことがなく、かつ低コストで機械的な駆動部を使用せずに、スペックルパターンを除去できるスペックルキャンセラ及びプロジェクタを提供すること。
【解決手段】入射するコヒーレント光の干渉により生じるスペックルを除去するスペックルキャンセラ7は、コヒーレント光が透過する一対の透明基板71と、これら一対の透明基板71の間に密閉封入され、入射するコヒーレント光の振動面に対して90deg以外の角度で分子の長軸方向が配向され、電圧印加により振動面に対する角度を変えることなく配向状態が変化する液晶を有し、複数の独立位相変調領域に区画された液晶位相変調部74と、各独立位相変調領域の液晶を構成する分子の配向状態を、時間的及び空間的の少なくともいずれかにランダムに変化させる液晶駆動部72、73とを備えている。
【選択図】図4
【解決手段】入射するコヒーレント光の干渉により生じるスペックルを除去するスペックルキャンセラ7は、コヒーレント光が透過する一対の透明基板71と、これら一対の透明基板71の間に密閉封入され、入射するコヒーレント光の振動面に対して90deg以外の角度で分子の長軸方向が配向され、電圧印加により振動面に対する角度を変えることなく配向状態が変化する液晶を有し、複数の独立位相変調領域に区画された液晶位相変調部74と、各独立位相変調領域の液晶を構成する分子の配向状態を、時間的及び空間的の少なくともいずれかにランダムに変化させる液晶駆動部72、73とを備えている。
【選択図】図4
Description
本発明は、スペックルキャンセラ及びこれを用いたプロジェクタに関する。
光源から射出された光束を、画像情報に応じて光変調素子により変調して拡大投射するプロジェクションシステム等に用いられる光源として、レーザ光源を用いることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
レーザ光源は、従来の放電発光管等の光源よりも色再現性が高く、光変調素子の画像形成領域に応じて小型化を図りやすく、さらには、長寿命であるといった様々な利点を有するものである。
レーザ光源は、従来の放電発光管等の光源よりも色再現性が高く、光変調素子の画像形成領域に応じて小型化を図りやすく、さらには、長寿命であるといった様々な利点を有するものである。
このようなレーザ光源から射出されるレーザ光は、コヒーレント光であるため、映像を表示するために拡大形成された光には明るさの明点、暗点がランダムに照明領域上に分布するいわゆるスペックルパターンが生じる。これは、拡大形成する手段の各点から射出された光が不規則な位相関係で干渉することによって生じるものである。
このため、前記特許文献1では、照明光の光路中に拡散素子を配置し、この拡散素子を外力で振動、回転させることにより、人間の知覚できる表示の書き換え時間よりも短い時間でスペックルパターンを変化させ、積分効果による平均化によって観察者の目がスペックルを視覚に留めないようにすることによって解決を図っている。
このため、前記特許文献1では、照明光の光路中に拡散素子を配置し、この拡散素子を外力で振動、回転させることにより、人間の知覚できる表示の書き換え時間よりも短い時間でスペックルパターンを変化させ、積分効果による平均化によって観察者の目がスペックルを視覚に留めないようにすることによって解決を図っている。
ところで、例えば、液晶表示素子のような光変調素子においては、照明光源としては直線偏光であることが望ましく、この点、レーザ光は直線偏光として射出するため、従来の光源のような偏光変換素子が不要となり、光利用効率的にも有利である。
しかしながら、前記特許文献1に記載の方法では、レーザ光から射出される直線偏光を拡散素子によってランダムな偏光とすることとなるため、レーザ光本来の利点を十分に生かすということができないという問題がある。
また、前記特許文献1に記載の拡散素子はモータ等で駆動する必要があるため、拡散素子を組み込むために、プロジェクションシステムの小型化を図る上で障害となる可能性がある。
しかしながら、前記特許文献1に記載の方法では、レーザ光から射出される直線偏光を拡散素子によってランダムな偏光とすることとなるため、レーザ光本来の利点を十分に生かすということができないという問題がある。
また、前記特許文献1に記載の拡散素子はモータ等で駆動する必要があるため、拡散素子を組み込むために、プロジェクションシステムの小型化を図る上で障害となる可能性がある。
本発明の目的は、レーザ光源の直線偏光性を損なうことがなく、かつ低コストで機械的な駆動部を使用せずに、スペックルパターンを除去できるスペックルキャンセラ及びプロジェクタを提供することにある。
本発明に係るスペックルキャンセラは、
入射するコヒーレント光の干渉により生じるスペックルを除去するスペックルキャンセラであって、
前記コヒーレント光が透過する一対の透明基板と、
これら一対の透明基板の間に密閉封入され、入射する前記コヒーレント光の振動面に対して90deg以外の角度で長軸方向が配向され、電圧印加により前記振動面に対する角度を変えることなく配向状態が変化する液晶を有し、複数の独立位相変調領域に区画された液晶位相変調部と、
各独立位相変調領域の液晶の配向状態を、時間的及び空間的の少なくともいずれかにランダムに変化させる液晶駆動部とを備えていることを特徴とする。
入射するコヒーレント光の干渉により生じるスペックルを除去するスペックルキャンセラであって、
前記コヒーレント光が透過する一対の透明基板と、
これら一対の透明基板の間に密閉封入され、入射する前記コヒーレント光の振動面に対して90deg以外の角度で長軸方向が配向され、電圧印加により前記振動面に対する角度を変えることなく配向状態が変化する液晶を有し、複数の独立位相変調領域に区画された液晶位相変調部と、
各独立位相変調領域の液晶の配向状態を、時間的及び空間的の少なくともいずれかにランダムに変化させる液晶駆動部とを備えていることを特徴とする。
ここで、液晶位相変調部は、コヒーレント光の入射側透明基板と射出側透明基板のそれぞれの内面のラビング方向を一致させることにより、コヒーレント光の振動面に対する液晶分子の角度を一定にしながら、電圧印加による配向状態を変化させることができる。
この発明によれば、液晶位相変調部が、入射するコヒーレント光の振動面に対する分子の長軸方向の角度を変えることなく、電圧印加により分子の配向状態が変化する液晶を備えていることにより、入射光の偏光状態を乱すことなく位相のみを変調して射出することができるため、入射するコヒーレント光の直線偏光性を損なうことなく、位相を変化させることができる。
この発明によれば、液晶位相変調部が、入射するコヒーレント光の振動面に対する分子の長軸方向の角度を変えることなく、電圧印加により分子の配向状態が変化する液晶を備えていることにより、入射光の偏光状態を乱すことなく位相のみを変調して射出することができるため、入射するコヒーレント光の直線偏光性を損なうことなく、位相を変化させることができる。
そして、区画された複数の独立位相変調領域のそれぞれで液晶駆動部による時間的又は空間的に液晶の配向状態を変化させることにより、各独立位相変調領域に入射したコヒーレント光の位相をランダムに変化させ、コヒーレント光に特有のスペックルを解消することができる。
また、本発明のスペックルキャンセラでは、前記特許文献1のような機械的に駆動する部分もなく、照明領域に応じた大きさで作製すればよいので、レーザを光源とするプロジェクタ等の光学機器に組み込んでも、機器の小型化を図る上で障害となることもない。
また、本発明のスペックルキャンセラでは、前記特許文献1のような機械的に駆動する部分もなく、照明領域に応じた大きさで作製すればよいので、レーザを光源とするプロジェクタ等の光学機器に組み込んでも、機器の小型化を図る上で障害となることもない。
本発明では、液晶を構成する分子の長軸方向の配向角度は、入射する前記コヒーレント光の振動面に対して0degであるのが好ましい。
この発明によれば、液晶分子の長軸方向の配向角度が0degに設定されていることにより、直線偏光からなるコヒーレント光の偏光状態を全く変化させることなく、位相のみを変えて射出することが可能となるので、特に、液晶パネル等の光変調素子に本発明に係るスペックルキャンセラを用いた場合に光の利用率を向上し易く、本発明の有用性は高い。
この発明によれば、液晶分子の長軸方向の配向角度が0degに設定されていることにより、直線偏光からなるコヒーレント光の偏光状態を全く変化させることなく、位相のみを変えて射出することが可能となるので、特に、液晶パネル等の光変調素子に本発明に係るスペックルキャンセラを用いた場合に光の利用率を向上し易く、本発明の有用性は高い。
本発明では、液晶位相変調部を構成する液晶としては、次のようなものを採用することができる。
まず、液晶駆動部の印加電圧が0のときに、入射するコヒーレント光の振動方向に、液晶を構成する分子の長軸方向が配向する水平配向型液晶を採用することができる。
また、液晶駆動部の印加電圧が0のときに、入射するコヒーレント光の進行方向に、液晶を構成する分子の長軸方向が配向する垂直配向型液晶を採用することができる。
さらに、液晶駆動部の印加電圧が0のときに、入射するコヒーレント光の進行方向に沿った深度に応じて、コヒーレント光の振動方向から進行方向に、液晶を構成する分子の長軸方向角度が変化するハイブリッド型液晶を採用することができる。
これらのいずれを採用しても、前述した作用及び効果を享受することができ、変調させる位相の程度によって適宜選択することが可能である。
まず、液晶駆動部の印加電圧が0のときに、入射するコヒーレント光の振動方向に、液晶を構成する分子の長軸方向が配向する水平配向型液晶を採用することができる。
また、液晶駆動部の印加電圧が0のときに、入射するコヒーレント光の進行方向に、液晶を構成する分子の長軸方向が配向する垂直配向型液晶を採用することができる。
さらに、液晶駆動部の印加電圧が0のときに、入射するコヒーレント光の進行方向に沿った深度に応じて、コヒーレント光の振動方向から進行方向に、液晶を構成する分子の長軸方向角度が変化するハイブリッド型液晶を採用することができる。
これらのいずれを採用しても、前述した作用及び効果を享受することができ、変調させる位相の程度によって適宜選択することが可能である。
本発明では、独立位相変調領域は、前記コヒーレント光の入射方向を法線方向とする面内にマトリクス状に区画形成されているのが好ましい。
この発明によれば、独立位相変調領域がコヒーレント光の入射方向を法線方向とする面内にマトリクス状に区画形成されることにより、コヒーレント光の入射位置に応じてそれぞれ独立に位相変調を行うことができるため、空間的に液晶を構成する分子の配向状態を変化させて、より効率的にスペックル発生を抑制することができる。
この発明によれば、独立位相変調領域がコヒーレント光の入射方向を法線方向とする面内にマトリクス状に区画形成されることにより、コヒーレント光の入射位置に応じてそれぞれ独立に位相変調を行うことができるため、空間的に液晶を構成する分子の配向状態を変化させて、より効率的にスペックル発生を抑制することができる。
本発明では、液晶駆動部による駆動方法としては、アクティブマトリクス駆動により駆動してもよいが、液晶駆動部は、各独立位相変調領域をパッシブマトリクス駆動により駆動しているのが好ましい。
この発明によれば、パッシブマトリクス駆動とすることにより、アクティブマトリクス駆動のようにTFT、TFD等の複雑な構成を形成することなく、一対の透明基板のそれぞれに、互いに交差するように電極を形成するだけで液晶駆動部を構成できるので、スペックルキャンセラの製造の簡素化と製造コストの大幅な低減を図ることができる。
この発明によれば、パッシブマトリクス駆動とすることにより、アクティブマトリクス駆動のようにTFT、TFD等の複雑な構成を形成することなく、一対の透明基板のそれぞれに、互いに交差するように電極を形成するだけで液晶駆動部を構成できるので、スペックルキャンセラの製造の簡素化と製造コストの大幅な低減を図ることができる。
本発明に係るプロジェクタは、レーザ光を射出する光源と、この光源から射出されたレーザ光を画像情報に応じて変調する光変調素子と、この光変調素子で変調された変調光を拡大投射する投射光学系とを備えたプロジェクタであって、
前述したいずれかに記載のスペックルキャンセラを備えていることを特徴とする。
ここで、レーザ光を射出する光源としては、面発光型、端面発光型のいずれのタイプのものでも使用することができる。
また、光変調素子としては、透過型液晶パネル、反射型液晶パネルの液晶を用いた素子の他、マイクロミラーを用いたデバイスを採用することができる。
前述したいずれかに記載のスペックルキャンセラを備えていることを特徴とする。
ここで、レーザ光を射出する光源としては、面発光型、端面発光型のいずれのタイプのものでも使用することができる。
また、光変調素子としては、透過型液晶パネル、反射型液晶パネルの液晶を用いた素子の他、マイクロミラーを用いたデバイスを採用することができる。
この発明によれば、プロジェクタが前述したスペックルキャンセラを備えていることにより、レーザ光を射出する光源を採用しても、投射画像にスペックルが生じることを防止でき、色再現性の高い投射画像を形成することができる上、スペックルキャンセラが液晶の配向性でスペックルの発生を防止しているので、機械的駆動部を設ける必要がなく、プロジェクタの小型化が図りやすい。
本発明では、スペックルキャンセラは、光源及び光変調素子の間に配置されているのが好ましく、例えば、スペックルキャンセラを光変調素子の光束入射側又は光束射出側近傍や、光源のレーザ光射出面近傍に配置することが考えられる。
この発明によれば、光源装置近傍、又は光変調素子の近傍にスペックルキャンセラを配置することにより、光路中に介在配置される偏光板等の光学素子の保持構造に、スペックルキャンセラを保持させることが可能となるので、プロジェクタの内部構造の簡素化を図ることができる。
この発明によれば、光源装置近傍、又は光変調素子の近傍にスペックルキャンセラを配置することにより、光路中に介在配置される偏光板等の光学素子の保持構造に、スペックルキャンセラを保持させることが可能となるので、プロジェクタの内部構造の簡素化を図ることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第1実施形態〕
(1)リアプロジェクタの主な構成
図1は、本発明の第1実施形態に係るリアプロジェクタの側断面である。図1において、1は、リアプロジェクタであり、このリアプロジェクタ1は、キャビネット2と、プロジェクタとしてのプロジェクタユニット3と、制御ユニット4と、反射ミラー5と、透過型スクリーン6とにより大略構成されている。
〔第1実施形態〕
(1)リアプロジェクタの主な構成
図1は、本発明の第1実施形態に係るリアプロジェクタの側断面である。図1において、1は、リアプロジェクタであり、このリアプロジェクタ1は、キャビネット2と、プロジェクタとしてのプロジェクタユニット3と、制御ユニット4と、反射ミラー5と、透過型スクリーン6とにより大略構成されている。
キャビネット2は、図1に示すように、背面側(図1中、右側)が傾斜した箱形に構成され、内部にプロジェクタユニット3、制御ユニット4、および反射ミラー5を収納配置する。なお、具体的な図示は省略するが、キャビネット2内部には、プロジェクタユニット3、制御ユニット4、および反射ミラー5の他、リアプロジェクタ1の各構成部材に電力を供給する電源ユニット、および、リアプロジェクタ1内部を冷却する冷却ユニット、音声を出力する音声出力部等が配設される。
また、このキャビネット2の前面側(図1中、左側)には、平面視矩形状の開口部21が形成され、開口部21周縁に透過型スクリーン6が支持固定される。
プロジェクタユニット3は、キャビネット2内の底面に配設され、制御ユニット4から出力された画像信号に基づいて画像光Lを形成して反射ミラー5に向けて拡大投射する。このプロジェクタユニット3の具体的な構成は後述する。
制御ユニット4は、具体的な図示は省略するが、例えば、チューナ、IF回路、音声検波回路、映像検波回路、増幅回路、およびCPU等を備えて構成され、プロジェクタユニット3を統括的に制御する。また、制御ユニット4は、例えば、リモートコントローラ(図示略)の操作によって選択されたチャンネルに対応する周波数の放送信号を抽出して、画像信号をプロジェクタユニット3に出力するとともに音声信号を音声出力部(図示略)に出力する。
反射ミラー5は、キャビネット2内の上部の背面側に配設され、プロジェクタユニット3によって投射された画像光Lを透過型スクリーン6の背面側に反射する。
透過型スクリーン6は、矩形形状を有し、キャビネット2の開口部21周縁に支持固定される。この透過型スクリーン6は、背面側に配設されるフレネルレンズシート61と、前面側に配設されるレンチキュラーレンズシート62とにより構成されている。そして、透過型スクリーン6は、反射ミラー5を介して入射した画像光をフレネルレンズシート61にて平行光に変換し、前記平行光をレンチキュラーレンズシート62にて拡大(拡散)光に変換して、画像光を背面側から前面側に投影して投影画像を表示する。
(2)プロジェクタユニットの構成
次にプロジェクタユニット3の構成について、図2に基づいて説明する。図2は、プロジェクタユニットの内部に構成される光学系の概略を示す模式図である。
プロジェクタユニット3は、光源から射出された光束を画像情報に応じて変調し、投射面上に拡大投射する光学機器であり、光源装置31と、液晶パネル32と、偏光板33と、クロスダイクロイックプリズム34と、投射レンズ35とを備え、光源装置31から液晶パネル32の光路中には、スペックルキャンセラ7が設けられている。尚、本実施形態に係るプロジェクタユニット3は、R、G、Bの色光毎に変調を行う三板式のプロジェクタを採用しており、光源装置31は、赤色光源装置31R、緑色光源装置31G、青色光源装置31Bを備え、液晶パネル32も、32R、32G、32Bを備えて構成される。
次にプロジェクタユニット3の構成について、図2に基づいて説明する。図2は、プロジェクタユニットの内部に構成される光学系の概略を示す模式図である。
プロジェクタユニット3は、光源から射出された光束を画像情報に応じて変調し、投射面上に拡大投射する光学機器であり、光源装置31と、液晶パネル32と、偏光板33と、クロスダイクロイックプリズム34と、投射レンズ35とを備え、光源装置31から液晶パネル32の光路中には、スペックルキャンセラ7が設けられている。尚、本実施形態に係るプロジェクタユニット3は、R、G、Bの色光毎に変調を行う三板式のプロジェクタを採用しており、光源装置31は、赤色光源装置31R、緑色光源装置31G、青色光源装置31Bを備え、液晶パネル32も、32R、32G、32Bを備えて構成される。
(2-1)光源装置31の構成
光源装置31は、赤色光源装置31R、緑色光源装置31G、青色光源装置31B共に略同様の構造を備えた端面発光型レーザ光源として構成され、図3に示されるように、レーザ光源本体311、コリメータレンズ312、及びSHG(Second Harmonic Generation)素子313を備えて構成される。
レーザ光源本体311は、帯状のレーザ媒体311Aが上下のクラッド層311B間に挟層された構成を具備し、レーザ媒体311Aの端部が露出するレーザ光源本体311の両側端面には、ミラー層311Cが形成されている。
光源装置31は、赤色光源装置31R、緑色光源装置31G、青色光源装置31B共に略同様の構造を備えた端面発光型レーザ光源として構成され、図3に示されるように、レーザ光源本体311、コリメータレンズ312、及びSHG(Second Harmonic Generation)素子313を備えて構成される。
レーザ光源本体311は、帯状のレーザ媒体311Aが上下のクラッド層311B間に挟層された構成を具備し、レーザ媒体311Aの端部が露出するレーザ光源本体311の両側端面には、ミラー層311Cが形成されている。
レーザ媒体311Aは、半導体材料からなる活性層として構成される。用いられる半導体材料組成は発振波長により変わる。ここでは赤色(630nm)に対応した波長(1260nm)の場合Ga1-xInxNyAs1-yを、緑色(532nm)および青色(460nm)に対応した波長(920,1064nm)の場合Ga1-xInxAs系を量子井戸構造にしたものを用いた。
クラッド層311Bは、レーザ媒体311Aと同様の材料をp型又はn型にドーピングしたものである。ここで、レーザ媒体311Aを挟層する一方のクラッド層311Bがp型であれば、他方のクラッド311Bはn型とされ、レーザ光源本体311は、全体としてダブルへテロ構造をとっている。また、ミラー層311Cは、半導体結晶の劈開面を利用した鏡面として構成される。尚、レーザ光の射出しない側の劈開面は、完全反射鏡面とされ、出射側は若干の光透過率を有する鏡面とされている。
このようなレーザ光源本体311は、クラッド層311B間に電流を流すと、レーザ媒体311A内に所定の発振波長の光が生じ、ミラー層311C間を往復するうちに誘導放射により光増幅され、ミラー層311Cから所定の発振波長のレーザ光として射出される。
コリメータレンズ312は、レーザ光源本体311から発振出力されたレーザ光を平行化する光学素子である。尚、SHG素子の波長変換効率はレーザー光のエネルギー密度の二乗に比例するため、コリメータはレーザー光源本体の近傍に置かれる。
クラッド層311Bは、レーザ媒体311Aと同様の材料をp型又はn型にドーピングしたものである。ここで、レーザ媒体311Aを挟層する一方のクラッド層311Bがp型であれば、他方のクラッド311Bはn型とされ、レーザ光源本体311は、全体としてダブルへテロ構造をとっている。また、ミラー層311Cは、半導体結晶の劈開面を利用した鏡面として構成される。尚、レーザ光の射出しない側の劈開面は、完全反射鏡面とされ、出射側は若干の光透過率を有する鏡面とされている。
このようなレーザ光源本体311は、クラッド層311B間に電流を流すと、レーザ媒体311A内に所定の発振波長の光が生じ、ミラー層311C間を往復するうちに誘導放射により光増幅され、ミラー層311Cから所定の発振波長のレーザ光として射出される。
コリメータレンズ312は、レーザ光源本体311から発振出力されたレーザ光を平行化する光学素子である。尚、SHG素子の波長変換効率はレーザー光のエネルギー密度の二乗に比例するため、コリメータはレーザー光源本体の近傍に置かれる。
SHG素子313は、レーザ光源本体311から発振出力されたレーザ光の発振波長を2分の1波長のレーザ光に変換する部分であり、コリメータレンズ312の後段に配置されている。このSHG素子313は、例えばLN(LiNbO3)や、LT(LiTaO3)などの無機非線形光学材料の単結晶基板を用い、フォトリソグラフィーにより周期的にストライプ状絶縁層を形成した後、電界を印加する事により周期的分極反転構造を形成された基板を、適当なサイズに切り出し、レーザ光の入出射する表面を研磨し、さらに反射防止膜を形成したものを用いる。
分極反転のピッチは、波長が短くなるほど、ピッチも短くなり。レーザ光源本体311からのレーザ光の発振波長により適宜決定される。
分極反転のピッチは、波長が短くなるほど、ピッチも短くなり。レーザ光源本体311からのレーザ光の発振波長により適宜決定される。
(2-2)その他の光学素子
液晶パネル32(32R、32G、32B)は、例えば、ポリシリコンTFT(Thin Film Transistor)をスイッチング素子として用いたものであり、光源装置31から射出された各色光は、これら3枚の液晶パネル32とこれらの光束入射側および射出側にある偏光板33によって、画像情報に応じて変調されて光学像を形成する。
偏光板33は、各液晶パネル32R、32G、32Bの光路前段側および光路後段側に配置され、入射側に配置される偏光板33は、光源装置31R、31G、31Bから射出された各色光のうち、一定方向の直線偏光のみ透過させ、その他の光を吸収するものである。
射出側に配置される偏光板33も同様に構成されるが、一般に、入射側の偏光板33の偏光方向とは異なる直線偏光を透過させるようになっていて、液晶パネル32R、32G、32Bで変調された変調光のうち、一定方向の直線偏光のみ透過させ、その他の光を吸収する。
液晶パネル32(32R、32G、32B)は、例えば、ポリシリコンTFT(Thin Film Transistor)をスイッチング素子として用いたものであり、光源装置31から射出された各色光は、これら3枚の液晶パネル32とこれらの光束入射側および射出側にある偏光板33によって、画像情報に応じて変調されて光学像を形成する。
偏光板33は、各液晶パネル32R、32G、32Bの光路前段側および光路後段側に配置され、入射側に配置される偏光板33は、光源装置31R、31G、31Bから射出された各色光のうち、一定方向の直線偏光のみ透過させ、その他の光を吸収するものである。
射出側に配置される偏光板33も同様に構成されるが、一般に、入射側の偏光板33の偏光方向とは異なる直線偏光を透過させるようになっていて、液晶パネル32R、32G、32Bで変調された変調光のうち、一定方向の直線偏光のみ透過させ、その他の光を吸収する。
クロスダイクロイックプリズム34は、各液晶パネル32R、32G、32Bから射出された色光毎に変調された光学像を合成してカラー画像を形成する光学素子である。このクロスダイクロイックプリズム34は、4つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた界面には、2つの誘電体多層膜が形成されている。
これら誘電体多層膜は、互いに対向する各液晶パネル32から射出された各色光を反射し、投射レンズ35に対向する液晶パネル32から射出された色光を透過する。このようにして、各液晶パネル32にて変調された各色光が合成されてカラー画像が形成される。
投射レンズ35は、複数のレンズが組み合わされた組レンズとして構成される。そして、この投射レンズ35は、クロスダイクロイックプリズム34にて形成されたカラー画像に基づいた画像光を形成して反射ミラー5に向けて拡大投射する。
これら誘電体多層膜は、互いに対向する各液晶パネル32から射出された各色光を反射し、投射レンズ35に対向する液晶パネル32から射出された色光を透過する。このようにして、各液晶パネル32にて変調された各色光が合成されてカラー画像が形成される。
投射レンズ35は、複数のレンズが組み合わされた組レンズとして構成される。そして、この投射レンズ35は、クロスダイクロイックプリズム34にて形成されたカラー画像に基づいた画像光を形成して反射ミラー5に向けて拡大投射する。
(3)スペックルキャンセラ7の構成
図2に示されるように、本実施形態においては、各液晶パネル32R、32G、32Bの光路前段には、スペックルキャンセラ7が配置されている。尚、このようなスペックルキャンセラ7は、図2では図示を略したが、液晶パネル32R、32G、32Bの前段に配置される入射側の偏光板33を保持する構造体に一体的に取り付けるのが好ましい。
このスペックルキャンセラ7は、コヒーレントなレーザ光に起因して照明領域上に生じるスペックルを除去するための光学素子であり、図4に示されるように、一対の透明基板71、X方向電極72、Y方向電極73、及び液晶位相変調部74を備えて構成される。
一対の透明基板71は、液晶材料を密閉封入する部材であり、互いに対向する面には、金属酸化膜(ITO膜)によるX方向電極72、Y方向電極73が形成されており、ITO膜のラビング方向は同じ方向に設定されている。これにより、液晶位相変調部74中のネマチック液晶の棒状分子が一定方向に揃えられることとなる。
図2に示されるように、本実施形態においては、各液晶パネル32R、32G、32Bの光路前段には、スペックルキャンセラ7が配置されている。尚、このようなスペックルキャンセラ7は、図2では図示を略したが、液晶パネル32R、32G、32Bの前段に配置される入射側の偏光板33を保持する構造体に一体的に取り付けるのが好ましい。
このスペックルキャンセラ7は、コヒーレントなレーザ光に起因して照明領域上に生じるスペックルを除去するための光学素子であり、図4に示されるように、一対の透明基板71、X方向電極72、Y方向電極73、及び液晶位相変調部74を備えて構成される。
一対の透明基板71は、液晶材料を密閉封入する部材であり、互いに対向する面には、金属酸化膜(ITO膜)によるX方向電極72、Y方向電極73が形成されており、ITO膜のラビング方向は同じ方向に設定されている。これにより、液晶位相変調部74中のネマチック液晶の棒状分子が一定方向に揃えられることとなる。
X方向電極72及びY方向電極73は、液晶位相変調部74に印加電圧を与える液晶駆動部を構成し、X方向電極72はX方向に配列された複数の電極721を備え、Y方向電極73はY方向に配列された複数の電極731を備えて構成される。
電極721及び電極731は、図5に示されるように、互いに直交する方向に配列され、両電極721及び電極731が正面視で重なり合う領域(独立位相変調領域)741に対して、それぞれの電極721、731に与える印加電圧を調整することにより、各領域741に異なる電圧を印加できるようになっている。
電極721及び電極731は、図5に示されるように、互いに直交する方向に配列され、両電極721及び電極731が正面視で重なり合う領域(独立位相変調領域)741に対して、それぞれの電極721、731に与える印加電圧を調整することにより、各領域741に異なる電圧を印加できるようになっている。
液晶位相変調部74は、ネマチック液晶等の棒状の分子が一定方向に揃えられて配列された液晶材料から構成され、その分子の長軸方向は、前述した光源装置31から射出されたレーザ光の振動面(直線偏光の偏光面)に沿っていて、その状態は、X方向電極72、Y方向電極73に与える印加電圧を変更しても変化しないようになっている。
この液晶位相変調部74は、印加電圧が0のときには、液晶分子の長軸方向がレーザ光の振動面に沿って、かつ振動方向に沿って配列される水平配向型液晶を採用している。
また、前述したX方向電極72、Y方向電極73の交差領域は、この液晶位相変調部74の独立位相変調領域741とされ、各独立位相変調領域741は、透明基板71上にマトリクス状に配置される。そして、それぞれの独立位相変調領域741に異なる電圧を印加することにより、各領域で独立して液晶分子の配向状態にすることができるようになっている。
この液晶位相変調部74は、印加電圧が0のときには、液晶分子の長軸方向がレーザ光の振動面に沿って、かつ振動方向に沿って配列される水平配向型液晶を採用している。
また、前述したX方向電極72、Y方向電極73の交差領域は、この液晶位相変調部74の独立位相変調領域741とされ、各独立位相変調領域741は、透明基板71上にマトリクス状に配置される。そして、それぞれの独立位相変調領域741に異なる電圧を印加することにより、各領域で独立して液晶分子の配向状態にすることができるようになっている。
このようなスペックルキャンセラ7は、X方向電極72、Y方向電極73に電圧を印加するために、図6に示されるように、ドライバIC75、76が設けられ、これらが液晶駆動部を構成している。
このドライバIC75、76には、正弦波もしくは矩形波等の時間的に変化する電圧Vinが入力され、さらに、ドライバIC75、76に接続される電極721、731が交差する独立位相変調領域741に印加する印加電圧の位相をずらしている。
これにより、液晶位相変調部74の各独立位相変調領域74には、時間的、空間的にランダムな電圧が印加されることとなり、配向状態も各独立位相変調領域74で異なったものとなる。
このドライバIC75、76には、正弦波もしくは矩形波等の時間的に変化する電圧Vinが入力され、さらに、ドライバIC75、76に接続される電極721、731が交差する独立位相変調領域741に印加する印加電圧の位相をずらしている。
これにより、液晶位相変調部74の各独立位相変調領域74には、時間的、空間的にランダムな電圧が印加されることとなり、配向状態も各独立位相変調領域74で異なったものとなる。
(4)スペックルキャンセラ7の作用
前述した構成のスペックルキャンセラ7では、図7に示されるように、異なる独立位相変調領域741のある部分、かつある時点では、図7(A)に示されるように、印加電圧V=0となっていて、液晶分子の長軸方向は、入射するレーザ光の振動方向に沿った方向に揃えられ、レーザ光は、この配向状態に基づいて、液晶セル内で位相変調が独立して行われる。
前述した構成のスペックルキャンセラ7では、図7に示されるように、異なる独立位相変調領域741のある部分、かつある時点では、図7(A)に示されるように、印加電圧V=0となっていて、液晶分子の長軸方向は、入射するレーザ光の振動方向に沿った方向に揃えられ、レーザ光は、この配向状態に基づいて、液晶セル内で位相変調が独立して行われる。
一方、同時点でこの独立位相変調領域741とは異なる独立位相変調領域741では、図7(B)に示されるように、印加電圧V=Vmax(最大印加電圧)となっていて、この部分の独立位相変調領域741では、液晶分子の長軸方向がすべて入射するレーザ光の進行方向に沿った方向に揃えられ、レーザ光は、この配向状態に基づいて、液晶セル内での独立位相変調が行われる。
このように異なる位置の独立位相変調領域741で時間的に異なる位相変調が行われることにより、スペックルキャンセラ7から出力されるレーザ光はそれぞれが異なる位相となり、これにより、それぞれのレーザ光同士の干渉がなくなるため、コヒーレントなレーザ光に特有のスペックルを除去することができる。
さらに独立位相変調領域741のうち任意の2領域を比較した時に、それらの時間的な変化が必ず異なるように駆動する事により、スペックルをより効果的にキャンセルする事ができる。そのようにするために、図6に示されるように、ドライバIC75は、駆動する電極721に対して、いずれの個別電極に対しても同一位相の波形は印加しない。ドライバIC76の場合においても同様である。
このように異なる位置の独立位相変調領域741で時間的に異なる位相変調が行われることにより、スペックルキャンセラ7から出力されるレーザ光はそれぞれが異なる位相となり、これにより、それぞれのレーザ光同士の干渉がなくなるため、コヒーレントなレーザ光に特有のスペックルを除去することができる。
さらに独立位相変調領域741のうち任意の2領域を比較した時に、それらの時間的な変化が必ず異なるように駆動する事により、スペックルをより効果的にキャンセルする事ができる。そのようにするために、図6に示されるように、ドライバIC75は、駆動する電極721に対して、いずれの個別電極に対しても同一位相の波形は印加しない。ドライバIC76の場合においても同様である。
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態について説明する。尚、以下の説明では、既に説明した部分と同一の部分等については同一符号を付してその説明を省略する。
前述した第1実施形態では、スペックルキャンセラ7は、液晶パネル32R、32G、32Bの光路前段で入射側の偏光板33の保持構造に一体的に取り付けられていた。
これに対して、第2実施形態では、図8に示されるように、面発光型のレーザダイオードアレイからなる光源装置41のレーザ光射出面近傍にスペックルキャンセラを配置している点が相違する。
また、前述の第1実施形態では、光源装置31として端面発光型のレーザ光源本体311を採用していた。
以下、相違点について詳述する。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。尚、以下の説明では、既に説明した部分と同一の部分等については同一符号を付してその説明を省略する。
前述した第1実施形態では、スペックルキャンセラ7は、液晶パネル32R、32G、32Bの光路前段で入射側の偏光板33の保持構造に一体的に取り付けられていた。
これに対して、第2実施形態では、図8に示されるように、面発光型のレーザダイオードアレイからなる光源装置41のレーザ光射出面近傍にスペックルキャンセラを配置している点が相違する。
また、前述の第1実施形態では、光源装置31として端面発光型のレーザ光源本体311を採用していた。
以下、相違点について詳述する。
本実施形態におけるスペックルキャンセラ7は、図8に示されるように、面発光型の光源装置41のレーザ光射出面を覆うように配置され、光源装置41の面外方向(図8の矢印方向)に射出されるレーザ光の位相を変調する。
そして、このスペックルキャンセラ7を構成する液晶位相変調部174は、図9に示されるように、第1実施形態の場合とは異なり、ハイブリッド型液晶を採用している。
そして、このスペックルキャンセラ7を構成する液晶位相変調部174は、図9に示されるように、第1実施形態の場合とは異なり、ハイブリッド型液晶を採用している。
このハイブリッド型液晶によって構成される液晶位相変調部174は、図9(A)に示されるように、印加電圧V=0であっても、レーザ光の進行方向に沿った深度に応じて、液晶を構成する分子の長軸方向角度が変化するような状態となっている。尚、液晶分子の長軸方向角度は、深度方向には変化しているが、図9の紙面平行方向にあたるレーザ光の振動面に対しては、常に0degとされている。
そして、このような液晶位相変調部174に電圧が印加されると、図9(B)及び図9(C)に示されるように、入射側の液晶分子の倒れが大きくなるように配向状態が変化し、これにより、入射するレーザ光の位相を変調することができる。尚、液晶分子の深度方向に傾斜する角度は、材料選択によって任意に設定可能である。
そして、このような液晶位相変調部174に電圧が印加されると、図9(B)及び図9(C)に示されるように、入射側の液晶分子の倒れが大きくなるように配向状態が変化し、これにより、入射するレーザ光の位相を変調することができる。尚、液晶分子の深度方向に傾斜する角度は、材料選択によって任意に設定可能である。
光源装置41は、図8に示されるように、n型半導体基板411上に形成される赤外レーザ光源、赤外レーザ光源をRGBの可視光に変換するSHG素子415および可視光を外部に透過させ、赤外光を内部に反射させる外部カプラー416等より形成される。赤外レーザ光源は、n型GaAs半導体基板411、ミラー層412、量子井戸構造の活性層413、及びp型半導体層414を備えて構成されている。ここでは活性層に電流を注入する電極は省略している。
活性層413で生じたレーザ光は、ミラー層412により活性層の面外方向に射出されるように構成されている。
活性層413で生じたレーザ光は、ミラー層412により活性層の面外方向に射出されるように構成されている。
レーザ光源に必須となる一対のミラーのうち、一方のミラー層412はDBR(Distributed Bragg Reflector)ミラーとして構成される。もう一方のミラーは外部カプラー416が用いられている。外部カプラーとしてはVBG(Volume Bragg Grating)素子が用いられる。VBG素子は、発振波長のレーザ光を狭帯域化して反射する光学素子である。このVBG素子は、SiO2を主体とした例えばアルカリボロアルミノシリケートガラスなどのガラス層に所定波長の紫外線を照射し、ガラス層中に屈折率の異なる干渉パターンを層状に形成したものである。
このVBG素子は、形成された干渉パターンを利用して、発振波長のレーザ光のみを選択的に反射し、SHG素子415により発生した可視光は透過させる。
そして、活性層413に電流を流すと、活性層413で生じた光は、ミラー層412と、外部カプラー416間で反射を繰り返し、共振して増幅され、所定の発信周波数の赤外レーザ光となる。この赤外レーザー光は、SHG素子415により波長が半分の可視光に変換され、外部カプラー416より、光源装置41の面外方向に出力される。
このVBG素子は、形成された干渉パターンを利用して、発振波長のレーザ光のみを選択的に反射し、SHG素子415により発生した可視光は透過させる。
そして、活性層413に電流を流すと、活性層413で生じた光は、ミラー層412と、外部カプラー416間で反射を繰り返し、共振して増幅され、所定の発信周波数の赤外レーザ光となる。この赤外レーザー光は、SHG素子415により波長が半分の可視光に変換され、外部カプラー416より、光源装置41の面外方向に出力される。
SHG素子415は、前述の第1実施形態と同様の構成なので、説明を省略する。また、スペックルキャンセラ7の他の構造、及び液晶駆動部による時間的、空間的にランダムに駆動する方法も前記第1実施形態と同様である。
このような本実施形態によっても、本発明の作用及び効果を享受することができ、レーザ光のスペックルを除去することができる。
このような本実施形態によっても、本発明の作用及び効果を享受することができ、レーザ光のスペックルを除去することができる。
〔実施形態の変形〕
尚、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、次に示すような変形をも含むものである。
前記第1実施形態では、光源装置31におけるレーザ光の平行化手段としてコリメータレンズ312を用いていたが、図10に示されるように、CGH(Computer Generated Hologram)素子512を用いてレーザ光源本体311から射出されたレーザ光のビーム形状を、ガウス分布から、液晶パネルに対応した矩形形状に整形すると同時に光強度分布の均一化を実現した光源装置51を採用してもよい。
尚、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、次に示すような変形をも含むものである。
前記第1実施形態では、光源装置31におけるレーザ光の平行化手段としてコリメータレンズ312を用いていたが、図10に示されるように、CGH(Computer Generated Hologram)素子512を用いてレーザ光源本体311から射出されたレーザ光のビーム形状を、ガウス分布から、液晶パネルに対応した矩形形状に整形すると同時に光強度分布の均一化を実現した光源装置51を採用してもよい。
前記各実施形態では、光源装置31、41としてレーザダイオードを用いていたが本発明は、これに限らず、他のレーザ発振方式に本発明を採用してもよい。
前記第1実施形態では、液晶位相変調部74を構成する液晶として水平配向型液晶を用いていたが、これに限らず、電圧印加と配向状態が第1実施形態の場合と全く逆の垂直配向型液晶を本発明の液晶位相変調部74としてもよい。尚、この場合、図7における印加電圧Vと配向状態は、印加電圧V=0の場合に、図7(B)のような配向状態を取り、印加電圧V=Vmaxの場合に、図7(A)のような配向状態を取ることとなる。
前記第1実施形態では、液晶位相変調部74を構成する液晶として水平配向型液晶を用いていたが、これに限らず、電圧印加と配向状態が第1実施形態の場合と全く逆の垂直配向型液晶を本発明の液晶位相変調部74としてもよい。尚、この場合、図7における印加電圧Vと配向状態は、印加電圧V=0の場合に、図7(B)のような配向状態を取り、印加電圧V=Vmaxの場合に、図7(A)のような配向状態を取ることとなる。
また、前記実施形態では、光変調素子として透過型の液晶パネル32を用いていたが、本発明はこれに限らず、反射型液晶パネル、マイクロミラーを用いた光変調素子に本発明を用いてもよい。
さらに、前記実施形態では、プロジェクタに本発明に係るスペックルキャンセラ7を用いていたが、これに限らず、レーザ光を光源とする他の光学機器に本発明を採用してよい。
また、前記第1実施形態では、スペックルキャンセラ7の独立位相変調領域741が3×2で6分割程度しかされていなかったが、これに限らず、3×3の9分割としてもよく、要するに独立位相変調領域は、除去できるスペックルの程度に応じて適宜設定すればよい。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造及び形状等は本発明の目的を達成できる範囲で他の構成等としてもよい。
さらに、前記実施形態では、プロジェクタに本発明に係るスペックルキャンセラ7を用いていたが、これに限らず、レーザ光を光源とする他の光学機器に本発明を採用してよい。
また、前記第1実施形態では、スペックルキャンセラ7の独立位相変調領域741が3×2で6分割程度しかされていなかったが、これに限らず、3×3の9分割としてもよく、要するに独立位相変調領域は、除去できるスペックルの程度に応じて適宜設定すればよい。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造及び形状等は本発明の目的を達成できる範囲で他の構成等としてもよい。
1…プロジェクタ、7…スペックルキャンセラ、31、41…光源装置、32…光変調素子、35…投射光学系、71…透明基板、72、73、75、76…液晶駆動部、74…液晶位相変調部、741…独立位相変調領域
Claims (10)
- 入射するコヒーレント光の干渉により生じるスペックルを除去するスペックルキャンセラであって、
前記コヒーレント光が透過する一対の透明基板と、
これら一対の透明基板の間に密閉封入され、入射する前記コヒーレント光の振動面に対して90deg以外の角度で分子の長軸方向が配向され、電圧印加により前記振動面に対する角度を変えることなく配向状態が変化する液晶を有し、複数の独立位相変調領域に区画された液晶位相変調部と、
各独立位相変調領域の液晶を構成する分子の配向状態を、時間的及び空間的の少なくともいずれかにランダムに変化させる液晶駆動部とを備えていることを特徴とするスペックルキャンセラ。 - 請求項1に記載のスペックルキャンセラにおいて、
前記液晶を構成する分子の長軸方向の配向角度は、入射する前記コヒーレント光の振動面に対して0degであることを特徴とするスペックルキャンセラ。 - 請求項2に記載のスペックルキャンセラにおいて、
前記液晶位相変調部は、前記液晶駆動部の印加電圧が0のときに、入射する前記コヒーレント光の振動方向に、前記液晶を構成する分子の長軸方向が配向する水平配向型液晶を有することを特徴とするスペックルキャンセラ。 - 請求項2に記載のスペックルキャンセラにおいて、
前記液晶位相変調部は、前記液晶駆動部の印加電圧が0のときに、入射する前記コヒーレント光の進行方向に、前記液晶を構成する分子の長軸方向が配向する垂直配向型液晶を有することを特徴とするスペックルキャンセラ。 - 請求項2に記載のスペックルキャンセラにおいて、
前記液晶位相変調部は、前記液晶駆動部の印加電圧が0のときに、入射する前記コヒーレント光の進行方向に沿った深度に応じて、前記コヒーレント光の振動方向から進行方向に、前記液晶を構成する分子の長軸方向角度が変化するハイブリッド型液晶を有することを特徴とするスペックルキャンセラ。 - 請求項2乃至請求項5のいずれかに記載のスペックルキャンセラにおいて、
前記独立位相変調領域は、前記コヒーレント光の入射方向を法線方向とする面内にマトリクス状に区画形成されていることを特徴とするスペックルキャンセラ。 - 請求項6に記載のスペックルキャンセラにおいて、
前記液晶駆動部は、前記各独立位相変調領域をパッシブマトリクス駆動により駆動していることを特徴とするスペックルキャンセラ。 - レーザ光を射出する光源と、この光源から射出されたレーザ光を画像情報に応じて変調する光変調素子と、この光変調素子で変調された変調光を拡大投射する投射光学系とを備えたプロジェクタであって、
請求項1乃至請求項7のいずれかに記載のスペックルキャンセラを備えていることを特徴とするプロジェクタ。 - 請求項8に記載のプロジェクタにおいて、
前記スペックルキャンセラは、前記光変調素子の光束入射側又は光束射出側近傍に配置されていることを特徴とするプロジェクタ。 - 請求項8に記載のプロジェクタにおいて、
前記スペックルキャンセラは、前記光源のレーザ光射出面近傍に配置されていることを特徴とするプロジェクタ。
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JP2005358172A JP2007163702A (ja) | 2005-12-12 | 2005-12-12 | スペックルキャンセラ及びこれを用いたプロジェクタ |
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- 2005-12-12 JP JP2005358172A patent/JP2007163702A/ja not_active Withdrawn
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