JP2008147451A - Light source device for lighting and image display apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コヒーレント光源を用いた照明用光源装置に関し、特に光源が有するコヒーレンスにより生じるスペックルノイズを低減した照明用光源装置およびこの照明用光源装置を用いた画像表示装置に関するものである。 The present invention relates to an illumination light source device using a coherent light source, and more particularly to an illumination light source device that reduces speckle noise caused by coherence of a light source and an image display device using the illumination light source device.
近年、光学式画像表示装置の光源として、レーザーを利用した例が多数報告されている。一般に、レーザーから射出された光は、高い指向性を有するため光利用効率の向上が見込まれ、また、その単色性は画像表示装置において必要とされる広い色再現領域を実現することが可能なため、照明用光源として有用であると考えられている。一方で、レーザー光は高いコヒーレンスをもつため、レーザーを画像表示装置の光源に用いた場合、その像面においてスペックルノイズと呼ばれる光の干渉による斑点模様が生じることが問題となっている。これは、ライトバルブ、投写光学系の素子、あるいはスクリーン上に存在する微小な凹凸により、素子面内の異なる点を経由した各光束の位相が凹凸に応じた量だけずれ、互いに可干渉であるそれらの光束が像面上に干渉縞を形成するためである。これらの素子の面精度は有限であるので、コヒーレンスの高い光源を用いた場合には必ずスペックルノイズの影響が問題となる。近年のレーザー技術の進歩に伴い、小型で高出力、かつビーム品質の良い半導体レーザー等の開発が盛んに行われており、今後レーザーが画像表示装置の光源として用いられる機会は増加すると期待されるため、スペックルノイズ抑制法の確立が必要とされる。 In recent years, many examples using lasers as light sources of optical image display devices have been reported. In general, light emitted from a laser has high directivity, so that the light use efficiency is expected to be improved, and the monochromaticity can realize a wide color reproduction region required in an image display device. Therefore, it is considered useful as a light source for illumination. On the other hand, since laser light has high coherence, when a laser is used as a light source of an image display device, there is a problem that a spotted pattern caused by light interference called speckle noise occurs on the image plane. This is because the light bulb, the element of the projection optical system, or the minute unevenness present on the screen causes the phase of each light beam passing through different points in the element plane to be shifted by an amount corresponding to the unevenness and to be coherent with each other. This is because these light beams form interference fringes on the image plane. Since the surface accuracy of these elements is finite, the influence of speckle noise is always a problem when a light source with high coherence is used. With recent advances in laser technology, semiconductor lasers, etc. that are small, high output, and have good beam quality are being actively developed, and it is expected that opportunities for lasers to be used as light sources for image display devices will increase in the future. Therefore, it is necessary to establish a speckle noise suppression method.
スペックルの問題を解決するため、従来では回転拡散板を利用した手法が広く用いられている。拡散板表面には複雑な凹凸があるため、拡散板の異なる点を透過した各光束間では位相ずれが生じる。そのため、拡散板を回転させると時間軸に沿って干渉縞のパターン、すなわちスペックルの形状が複雑に変化するが、受光器の観測値としては、その応答速度内に取り込まれた情報の積分値が得られるため、応答速度よりも十分に速く拡散板を回転させた場合、受光器が認識する光強度分布はほぼ均一なものとなる。すなわち、受光器である人の目の応答速度よりも速い速度で拡散板を回転させることにより、人の目に映るスペックルの影響を小さくすることができる。しかし、拡散板は光の拡散作用を有するため、拡散板透過後の光は発散角をもち、ゆえに光強度の損失を引き起こす。また、回転拡散板のような可動物を用いることは、駆動回路やその電源を必要とし、さらに信頼性の低下、騒音等の問題が生じる。 In order to solve the problem of speckle, conventionally, a method using a rotating diffusion plate has been widely used. Since there are complex irregularities on the surface of the diffusion plate, a phase shift occurs between the light beams transmitted through different points of the diffusion plate. Therefore, when the diffuser plate is rotated, the interference fringe pattern, that is, the speckle shape, changes in a complex manner along the time axis, but the observed value of the receiver is the integrated value of the information captured within the response speed. Therefore, when the diffusion plate is rotated sufficiently faster than the response speed, the light intensity distribution recognized by the light receiver becomes almost uniform. That is, the influence of speckle reflected in the human eye can be reduced by rotating the diffusion plate at a speed faster than the response speed of the human eye that is the light receiver. However, since the diffusing plate has a light diffusing action, the light after passing through the diffusing plate has a divergence angle, thus causing a loss of light intensity. In addition, using a movable object such as a rotating diffusion plate requires a drive circuit and its power supply, and causes problems such as a decrease in reliability and noise.
また、他の手法として、複数の微小レンズが配列されたマイクロレンズアレイを利用した手法(例えば特許文献1)や長さの異なる複数の光ファイバーを束ねたファイバーバンドルを利用した手法(例えば特許文献2)が提案されている。これらの手法においては、レーザーから射出された光をそれらの素子を用いて複数の光束に分割し、各光束間の光学距離の差をその光の可干渉距離に対して大きくとることによりそれらの光束は互いにインコヒーレントな関係となるため、光源全体のコヒーレンスを低下させることができる。しかしながら、マイクロレンズアレイや複数のファイバーを利用し光を分割することは光利用効率の低下を招き、また光ファイバーを複数利用することは価格の面で問題が多い。 As other methods, a method using a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged (for example, Patent Document 1) or a method using a fiber bundle in which a plurality of optical fibers having different lengths are bundled (for example, Patent Document 2). ) Has been proposed. In these methods, the light emitted from the laser is divided into a plurality of light beams using these elements, and the difference in optical distance between the light beams is made large relative to the coherence distance of the light, thereby obtaining those light beams. Since the luminous fluxes are incoherent with each other, the coherence of the entire light source can be reduced. However, using a microlens array or a plurality of fibers to divide light causes a decrease in light utilization efficiency, and using a plurality of optical fibers is problematic in terms of cost.
上記のように、従来のスペックル低減法においては、可動機構の使用による信頼性の低下や騒音の問題、あるいは微小素子や複数個の素子の使用による光利用効率やコスト面の問題を有している。 As described above, the conventional speckle reduction method has problems such as a decrease in reliability and noise due to the use of a movable mechanism, or light utilization efficiency and cost due to the use of a microelement or a plurality of elements. ing.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コヒーレント光源を用いた照明装置において、簡易な構成によりスペックルノイズを低減可能な照明用光源装置およびこの照明用光源装置を用いた画像表示装置を得ることを目的としている。 The present invention has been made in view of the above, and in an illumination device using a coherent light source, an illumination light source device capable of reducing speckle noise with a simple configuration and an image display using the illumination light source device The purpose is to obtain a device.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、コヒーレント光を射出する複数の発光点をもつコヒーレント光源と、該コヒーレント光源からの複数のコヒーレント光が入射される光学手段とを備える照明用光源装置において、前記コヒーレント光源と光学手段との間の距離を、光学的に、少なくとも隣接する発光点の光を重畳する光学伝播距離以上に設定することを特徴とする。本発明では、独立した異なる発光点から射出される光は互いに可干渉性が低いことを利用して、光源内にある複数の発光点から射出された光を少なくとも隣接する発光点の光を重畳する光学伝播距離以上重ね合わせることにより光源全体のコヒーレンスを下げ、その重畳された光を新たな光源として用いている。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention includes a coherent light source having a plurality of emission points for emitting coherent light, and an optical means for receiving a plurality of coherent lights from the coherent light source. In the illumination light source device provided, the distance between the coherent light source and the optical means is optically set to be equal to or longer than an optical propagation distance for superimposing light of at least adjacent light emitting points. In the present invention, light emitted from a plurality of light emitting points in the light source is superposed on light emitted from a plurality of light emitting points in the light source by utilizing the fact that the light emitted from different independent light emitting points has low coherence. The coherence of the entire light source is lowered by superimposing more than the optical propagation distance, and the superimposed light is used as a new light source.
この発明によれば、スペックルノイズが低減され高品質な画像が得られる。 According to the present invention, speckle noise is reduced and a high quality image can be obtained.
以下に、本発明にかかる照明用光源装置および画像表示装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of an illumination light source device and an image display device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
実施の形態1.
図1に実施の形態1における照明用光源装置を用いた照明装置の構成図を示す。本実施形態1の照明装置1は、照明用光源装置1aと照明光学系1bとから構成されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows a configuration diagram of an illumination device using the illumination light source device in the first embodiment. The illuminating device 1 of this Embodiment 1 is comprised from the light source device 1a for illumination, and the illumination
照明用光源装置1aは、コヒーレント光源として複数の発光点を有する半導体レーザー2と、半導体レーザー2の複数の発光点から射出した複数のコヒーレント光3を重畳するための自由伝播空間4と、この自由伝播空間4での重畳により得られた低コヒーレント光を集光するためのコリメートレンズ5および集光レンズ6を備えている。 The illumination light source device 1a includes a semiconductor laser 2 having a plurality of light emitting points as a coherent light source, a free propagation space 4 for superimposing a plurality of coherent lights 3 emitted from the plurality of light emitting points of the semiconductor laser 2, and this free light. A collimating lens 5 and a condensing lens 6 are provided for condensing the low-coherent light obtained by superposition in the propagation space 4.
照明光学系1bは、集光レンズ6によって集光されたレーザー光が入射し、内部を伝播することによって光の空間的強度分布を均一にするインテグレーターロッド7と、レンズやミラーで構成される照明光学系8と、照明された光を空間的に変調し画像信号を与える変調素子としての液晶パネルやDMD(デジタル・マイクロミラー・デバイス)等のライトバルブ9とを備えている。このライトバルブ9から射出された光を拡大投射するスクリーンに拡大投影する投写光学系(図示せず)と、投写光学系からの光が投写されるスクリーンなどの表示部(図示せず)とを更に備えることで画像投写装置などの画像表示装置を構成することができる。
The illumination
図2に示すように、一般的に半導体レーザー2は、複数の発光点10が等間隔で一列に配置された構成をとり、各発光点10から発散角をもつレーザー光11を射出する。本実施の形態においては、発光点10の個数は10個で、300μmの間隔aで一直線上に配置され、各発光点10から射出されるレーザー光の発散角の半値半角αは約5度である。このような各発光点10から射出される各レーザー光11は、相互間にコヒーレンス性は無いものの各発光点10から射出されるレーザー光11の空間的コヒーレンスが非常に高いので、そのまま光源として用いるとレーザー光の干渉に起因するスペックルノイズの問題が発生する。
As shown in FIG. 2, the semiconductor laser 2 generally has a configuration in which a plurality of
本実施の形態は、複数の異なる発光点10から射出するレーザー光を、その射出直後の空間すなわち半導体レーザー2と発光点10から射出するレーザー光が直接入射される光学素子であるコリメートレンズ5との間の空間において、一旦互いに重畳して空間的コヒーレンスを低下させ、このコヒーレンス性の低い合成レーザー光を光源とすることによりスペックルノイズを低減するものである。
In the present embodiment, laser light emitted from a plurality of different
以下、複数の発光点から射出された光を重畳することによるレーザー光のコヒーレンス低減の原理について述べる。光が照射される被照射面の空間位置rにおいて、式(1)、(2)で示すように位置rの関数で表される位相差Δφa(r)の関係をもつ2つの光、
A(r,t)=u・exp(iφa(r,t)) …(1)
A´(r,t)=u・exp[i(φa(r,t)+Δφa(r))]…(2)
がコヒーレントな関係にあるとき、被照射面におけるそれら2つの光が合成された光の強度Ico(r)は、被照射面の空間座標に関する式として式(3)のように表される。
Ico(r)∝|A+A´|2=2u2+2u2cosΔφa(r) …(3)
一方、この2つの光がインコヒーレントな関係にあるとしたとき、合成された光の被照射面における光の強度Iincoは以下の式(4)で表される。
Iinco(r)∝|A|2+|A´|2=2u2 …(4)
Hereinafter, the principle of reducing the coherence of laser light by superimposing light emitted from a plurality of light emitting points will be described. At the spatial position r of the irradiated surface irradiated with light, two lights having a relationship of phase difference Δφa (r) expressed by a function of the position r as shown by the equations (1) and (2),
A (r, t) = u · exp (iφa (r, t)) (1)
A ′ (r, t) = u · exp [i (φa (r, t) + Δφa (r))] (2)
Is in a coherent relationship, the intensity Ico (r) of the combined light of the two lights on the irradiated surface is expressed as an expression relating to the spatial coordinates of the irradiated surface as shown in Expression (3).
Ico (r) ∝ | A + A ′ | 2 = 2u 2 + 2u 2 cos Δφa (r) (3)
On the other hand, when the two lights are in an incoherent relationship, the light intensity Iinco on the irradiated surface of the combined light is expressed by the following formula (4).
Iinco (r) ∝ | A | 2 + | A ′ | 2 = 2u 2 (4)
これらの式をグラフにしたものを図3に示す。図3より明らかなように、インコヒーレントな関係にある2つの光が重畳された場合の光の強度Iincoは空間位置によらず、すなわち素子の凹凸により生じる位相ずれの量によらず一定であるのに対し、コヒーレントな関係にある2つの光が重畳された場合の光の強度Icoは異なる空間位置においては位相ずれ量の違いにより明暗が現れる。 A graph of these equations is shown in FIG. As is clear from FIG. 3, the light intensity Iinco when two lights having an incoherent relationship are superimposed is constant regardless of the spatial position, that is, regardless of the amount of phase shift caused by the unevenness of the element. On the other hand, the light intensity Ico in the case where two lights having a coherent relationship are superimposed shows light and dark due to the difference in phase shift amount at different spatial positions.
これらのことをふまえて、n(n≧2)個の発光点から射出されたレーザー光を、重畳しないで用いた場合と、十分に重畳させて用いた場合とを比較する。このとき、両者において被照射面に到達する全パワーItotalは等しいとする。 Based on these facts, a comparison is made between a case where laser beams emitted from n (n ≧ 2) light emitting points are used without being superimposed and a case where laser beams are sufficiently superimposed. At this time, it is assumed that the total power Itotal reaching the irradiated surface is equal in both cases.
各発光点のレーザー光を重畳しないで用いた場合、各発光点から射出されたレーザー光は被照射面上において空間的に点在し、被照射面上の任意の領域は1発光点のレーザー光のみにより照明されていることになる。この領域内において、1発光点から射出され素子の異なる空間位置を経由した各光束は、各々互いにコヒーレントな関係であるから、複雑な干渉縞を形成する。したがって、図4に示す空間強度分布Ispreadのように、被照射面には各発光点から射出された光のコヒーレンスに起因する干渉縞が複数点在することになる。 When used without superimposing the laser light of each light emitting point, the laser light emitted from each light emitting point is spatially scattered on the irradiated surface, and an arbitrary region on the irradiated surface is a laser of one light emitting point. It is illuminated only by light. In this region, the light beams emitted from one light emitting point and passing through different spatial positions of the elements have a coherent relationship with each other, and thus form a complex interference fringe. Therefore, as shown in the spatial intensity distribution Ispread shown in FIG. 4, a plurality of interference fringes resulting from the coherence of light emitted from each light emitting point are scattered on the irradiated surface.
一方、n個の発光点から射出されるレーザー光を互いに重畳して、合成された光を光源として用いた場合、各発光点から射出されたレーザー光は何れも被照射面を均一に照明する。すなわち、図5の空間強度分布に示すように、任意の1発光点に関するコヒーレンスのため生じる干渉縞の強度振幅I1は全体の強度に対して小さく、また、他の発光点から射出される光とは互いにインコヒーレントな関係にあることから、各々の光の強度分布I1,I2,・・・,Inは単純に積算され、平均化により全体の強度分布Ioverlapは一定に近づく。 On the other hand, when laser beams emitted from n light emitting points are superimposed on each other and the combined light is used as a light source, all of the laser lights emitted from the respective light emitting points uniformly illuminate the irradiated surface. . That is, as shown in the spatial intensity distribution of FIG. 5, the intensity amplitude I1 of the interference fringes generated due to coherence with respect to any one light emitting point is small with respect to the entire intensity, and the light emitted from other light emitting points Are incoherent to each other, so that the light intensity distributions I1, I2,..., In are simply integrated, and the overall intensity distribution Ioverlap approaches a constant by averaging.
このようにして、各発光点から射出されるレーザー光がコヒーレンスの高い光であっても、互いの位相が異なり互いにインコヒーレントな関係にある複数の発光点から射出されるレーザー光を十分に重畳することにより、合成されたレーザー光としてのコヒーレンスを低減することが可能となる。したがって、複数の発光点を有するコヒーレント光源と、これらの発光点から射出されるレーザー光を重畳するための光学系を備えた照明用光源装置は低コヒーレント光源装置とみなすことができる。 In this way, even if the laser light emitted from each light emitting point is light with high coherence, the laser light emitted from a plurality of light emitting points having different phases and incoherent relations is sufficiently superimposed. By doing so, it becomes possible to reduce the coherence as a synthesized laser beam. Therefore, an illumination light source device including a coherent light source having a plurality of light emission points and an optical system for superimposing laser light emitted from these light emission points can be regarded as a low coherent light source device.
本実施の形態1の照明用光源装置においては、複数の発光点10から射出されるレーザー光11を重畳するための光学系として自由伝播空間4を設けている。各発光点10から射出されたレーザー光11は発散角を有するため、各レーザー光11の径は伝播距離が長くなるに伴い大きくなり、隣接する発光点から射出される光との重なりを増していく。したがって、複数の発光点から射出される光に対し、所定の光学距離を空間伝播させるという単純な方法を適用することによって低コヒーレント光を作り出すことができる。なお、本実施の形態1は、レーザー光射出直後の自由伝播空間4でレーザー光11を重畳する構成となっているため、レーザー光11の発散角が比較的大きな(本実施の形態においては半値半角で約5度)発光点のものを採用したほうが自由伝播空間4の長さを短くして装置をコンパクトにするうえで望ましい。
In the illumination light source device according to the first embodiment, a free propagation space 4 is provided as an optical system for superimposing laser beams 11 emitted from a plurality of light emitting points 10. Since the laser light 11 emitted from each
ここで、低コヒーレント光を作り出すのに必要な、空間伝播距離について考える。コヒーレンス低減の原理は、異なる発光点から射出したレーザー光が互いに重畳されることであるから、少なくとも隣り合う発光点から射出したレーザー光が重畳されることが必要条件となる。 Here, let us consider the spatial propagation distance necessary to produce low-coherent light. The principle of coherence reduction is that laser beams emitted from different emission points are superimposed on each other, and therefore it is a necessary condition that laser beams emitted from at least adjacent emission points are superimposed.
すなわち、発光点間の距離をa、発光点から射出されるレーザー光11の発散角の半値半角をα、光の光学的伝播距離をLdisとしたとき、上記の空間伝播距離に関する必要条件を満たす式は以下のように表される。
Ldis≧a/(2・tanα) …(5)
That is, when the distance between the light emitting points is a, the half-value half angle of the divergence angle of the laser light 11 emitted from the light emitting point is α, and the optical propagation distance of the light is Ldis, the above-mentioned requirements regarding the spatial propagation distance are satisfied. The formula is expressed as follows:
Ldis ≧ a / (2 · tan α) (5)
ただし、上記式(5)により定義される光の空間伝播距離はコヒーレンスを低減するために最低限必要とされる距離であって、実際には発光点の数や光源の光強度、さらにはライトバルブやスクリーン等といった構成要素に関する条件に従い必要とされる空間伝播距離は異なる。そのため、各条件下におけるスペックルの評価を行い最適な空間伝播距離を決定することが求められる。なお、半導体レーザー2のレーザー光射出直後の空間4に、複数の発光点10からのレーザー光を重畳するために空気以外の所定の材料を設けるようにしてもよい。 However, the spatial propagation distance of light defined by the above equation (5) is the minimum distance required to reduce coherence, and actually the number of light emitting points, the light intensity of the light source, and the light The required spatial propagation distance varies according to the conditions regarding components such as valves and screens. Therefore, it is required to evaluate speckle under each condition and determine an optimum spatial propagation distance. A predetermined material other than air may be provided in the space 4 immediately after the laser light emission of the semiconductor laser 2 in order to superimpose the laser light from the plurality of light emitting points 10.
また、上記で定義した空間伝播距離をよりコンパクトな空間で実現する方法として、下記のような方法も提案する。 In addition, the following method is also proposed as a method for realizing the spatial propagation distance defined above in a more compact space.
図6は、空間伝播距離を確保するための反射面を有する2枚の平行平板15、16を備えた照明装置12の構成図を示したものである。照明装置12は照明用光源装置12aと照明光学系12bとから構成される。
FIG. 6 shows a configuration diagram of the illuminating
半導体レーザー13の複数の発光点から射出したコヒーレント光14は平行に配置されたミラー15、16間を、反射を繰り返しながら進み、射出面17から射出される。射出面17から射出した光は、図1と同様に、照明光学系12bに入射する。図6においては、レーザー光を重畳するための空間伝播距離を、図1のように直線ではなく、2枚のミラー間で複数回折り曲げて確保するため、照明用光源装置全体を小型化することができる。
The
また、図7に示すように、2つの反射面を柱状の光学素子18の対向する2面に設ける構成によっても、図6と同様の効果を実現できる。このとき、2つの反射面は、光学素子18と外部の空気との屈折率差による全反射を利用する構成とすれば、効率のよい反射となり、光損失の少ない効率のよい照明用光源装置を作製することが可能である。また、2つの反射面として利用する面に、ミラーコーティングを施せば、全反射を利用するときのような入射角度の制限がなくなり、自由なレイアウトが可能となる。
In addition, as shown in FIG. 7, the same effect as that in FIG. 6 can be realized by providing two reflecting surfaces on two opposing surfaces of the columnar
また、光学素子18の入射面は、図7に示すように、光軸に対して垂直となるようにすれば、入射面における反射損失を少なくすることができる。さらに入射面に無反射コーティングなどを施せば、さらに入射面での損失を少なくすることができる。
Further, if the incident surface of the
このようにして、式(5)を満たす自由伝播空間4が設けられた照明用光源装置1aあるいは向かい合う平行な2つの反射面からなる光学素子15・16、18が設けられた照明用光源装置12aを照明装置に組み込むことにより、レーザーの単色性、高い指向性を生かしながらも、スペックルノイズによる明るさのムラが抑制された照明装置を提供することが可能となる。
In this way, the illumination light source device 1a provided with the free propagation space 4 satisfying the expression (5) or the illumination
本実施の形態1においては、複数の発光点からなる半導体レーザーをコヒーレント光源の例として挙げたが、本発明はこれに限るものではなく、面発光レーザーやビームがアレイ状に射出される固体レーザーなどを用いてもよい。また、本実施の形態1において、インテグレーターロッド7においても各レーザー光の重畳が行われるため、このインテグレーターロッド7内においてもコヒーレンスの若干の低下が望める。しかし、インテグレーターロッド7の本来の機能は光の空間的強度分布を均一にするためであり、インテグレーターロッド7内のみで充分なコヒーレンスの低下を得るためには、インテグレーターロッド7のロッド長を長くする必要があり、この場合、光損失が大きくなる、コンパクト性が損なわれるなどの面で実用上問題がある。
In the first embodiment, a semiconductor laser having a plurality of light emitting points is given as an example of a coherent light source. However, the present invention is not limited to this, and a surface emitting laser or a solid-state laser in which a beam is emitted in an array shape. Etc. may be used. In the first embodiment, each laser beam is also superimposed on the
以上説明したとおり、実施の形態1における照明用光源装置によれば、コヒーレント光源内の各発光点から射出される光が、少なくとも隣接する発光点の光を重畳する光学距離を伝播することにより、隣接する複数の発光点から射出された互いに可干渉性の低い関係にある光と重畳され、光源全体のコヒーレンスを簡易な構成で低くすることが可能となる。このとき、重畳される発光点の数が増加するにつれコヒーレンスはより低下する。当該照明用光源装置の場合、重畳された光は高い指向性、単色性をもちながらもコヒーレンスが低い新しい光源であると見なすことができ、例えば画像表示装置に本照明用光源装置を組み込むことにより、スペックルノイズが低減され高品質な画像が得られる。 As described above, according to the illumination light source device in the first embodiment, the light emitted from each light emitting point in the coherent light source propagates at least the optical distance that superimposes the light at the adjacent light emitting point, It is superimposed on light emitted from a plurality of adjacent light emitting points and having a low coherence relationship, and the coherence of the entire light source can be reduced with a simple configuration. At this time, the coherence decreases as the number of superposed light emitting points increases. In the case of the illumination light source device, the superimposed light can be regarded as a new light source having high directivity and monochromaticity but low coherence. For example, by incorporating the illumination light source device into an image display device, Speckle noise is reduced and a high quality image is obtained.
実施の形態2.
実施の形態2における照明用光源装置を用いた照明装置の構成図を図8に示す。図8において、照明装置19は照明用光源装置19aと照明光学系19bとから構成される。照明用光源装置19aは、コヒーレント光源として複数の発光点を有する面発光レーザー20と、面発光レーザー20の複数の発光点から射出された複数のレーザー光21を重畳かつ伝播させる光ファイバー23と、レーザー光21を光ファイバー23の入射端に集光する集光レンズ22とを備えている。また、照明光学系19bは、光ファイバー23から射出された光の空間的強度分布を均一にするインテグレーターロッド24と、レンズやミラーで構成される照明光学系25、及び照明された光を空間的に変調して画像を形成するライトバルブ26を備えている。このライトバルブ26から射出された光を拡大投射するスクリーンに拡大投影する投写光学系(図示せず)と、投写光学系からの光が投写されるスクリーンなどの表示部(図示せず)とを更に備えることで画像投写装置などの画像表示装置を構成することができる。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 8 shows a configuration diagram of a lighting device using the lighting light source device in the second embodiment. In FIG. 8, the
一般に面発光レーザー20は、複数の発光点30がほぼ等間隔に配列され、各発光点30からは、コヒーレンスが非常に高く、光の広がり角が小さく、かつ指向性の高いレーザー光が射出される。本実施の形態においては、発光点30の個数は11個で、150μmの間隔で一直線上に配置され、各発光点30から射出されるレーザー光の発散角の半値半角は約0.6度である。このような面発光レーザーは、相互間にコヒーレンス性は無いものの各発光点から射出されるレーザー光の空間的コヒーレンスが非常に高いので、そのまま光源として用いるとレーザー光の干渉に起因するスペックルノイズの問題が発生する。
In general, the
実施の形態1においては、複数の発光点10から射出されるレーザー光を重畳するための自由伝播空間4を設けることにより低コヒーレント光を生成する方法を説明した。本実施の形態2では、光ファイバー23を備えることにより同様の効果が得られる方法について説明する。
In the first embodiment, the method of generating the low coherent light by providing the free propagation space 4 for superimposing the laser light emitted from the plurality of light emitting
本実施の形態2における作用について説明する。面発光レーザー20の複数の発光点30から射出したレーザー光21は、その発散角が小さいため、互いに重なりあうことなく集光レンズ22に入射し、光ファイバー23に結合される。光ファイバー23内に入射したコヒーレントなレーザー光は、集光レンズ22の集光角に応じた広がりをもって伝播する。したがって、光ファイバー23の長さを所定距離以上確保することによって、内部のレーザー光が十分に広がり、各発光点から射出されたレーザー光は互いに重畳し合う。異なる発光点から射出したレーザー光が互いに重畳されることによって、重畳された光のコヒーレンスが低下することに関しては、実施の形態1において説明した通りである。したがって、複数の発光点から射出される光を所定の長さをもつ光ファイバー23に結合し、伝播させるという方法においても、低コヒーレント光を作り出すことができる。
The operation in the second embodiment will be described.
ここで、本構成を実現するために必要な光ファイバーの長さを見積もる。各発光点30の光がファイバー23の径と同等の大きさに広がれば、全ての発光点の光が光ファイバー23の径の大きさに重畳され、光ファイバー23の射出端の光はコヒーレンスの低い光となる。11個の発光点から各々射出されたレーザー光は同じレンズ22により集光されるので、レンズ22の外側部に入射した光ほど光ファイバーへの入射角度が大きく、コア内での反射回数が増えるため、光ファイバーの長さに対して光が伝播する距離が長くなり、ビーム径は早く広がる。逆に、レンズ22の中心に入射した光ほど光ファイバーの長さに対してビーム径の広がりが遅い。ゆえに、光軸上に位置する発光点から射出されるレーザー光の径が光ファイバー径と同程度に広がる光学距離が、全ての光が重畳するために必要な光学距離の条件となる。
Here, the length of the optical fiber required to realize this configuration is estimated. If the light at each
そこで、光軸上に位置する発光点の光に着目して、その光の径が光ファイバーと同等になるために必要な光学距離を導く。図9は、本照明用光源装置内で用いた光ファイバーへの光の結合に関する概念図である。図9に示すように、光軸上にある発光点から射出されたレーザー光27の光ファイバー28内での広がり角の半値半角をβ、光ファイバー28のコア径をbとすると、このレーザー光27が光ファイバー28のコア径と同等の大きさに広がるために必要な光ファイバー長Lfibは、
Lfib≧b/(2・tanβ) …(6)
となる。
Therefore, paying attention to the light at the light emitting point located on the optical axis, the optical distance necessary for the light diameter to be equal to that of the optical fiber is derived. FIG. 9 is a conceptual diagram relating to the coupling of light to the optical fiber used in the illumination light source device. As shown in FIG. 9, when the half-value half angle of the spread angle of the
Lfib ≧ b / (2 · tan β) (6)
It becomes.
すなわち、各々がコヒーレントなレーザー光であっても、複数の発光点から射出されるレーザー光をLfib以上の長さの光ファイバーに結合し伝播させて重畳するとき、光ファイバー28の射出端において得られる重畳されたレーザー光は低コヒーレント光と見なすことができる。このようにして得られる照明用光源装置19aは、実施の形態1の照明用光源装置1aと同様に、光源として用いられるレーザーの単色性、高い指向性といった特徴をもちながらもコヒーレンスの低い光を射出することが可能であり、照明光学系19bに入射させて照明装置に用いれば、スペックルノイズによる明るさのムラが抑制された照明装置を提供することができる。
That is, even if each is a coherent laser beam, when the laser beam emitted from a plurality of light emitting points is coupled to an optical fiber having a length of Lfib or longer and propagated, the superposition obtained at the exit end of the
さらに照明用光源装置19aは、ファイバーの利用により光学系の配置に関する自由度が高まるため、より小型な装置を構成することが可能となる。すなわち、発散角が小さいレーザー光を採用したときは、これら小さい発散角のレーザー光を重畳するに当たって実施の形態1のように自由伝播空間4を用いた場合、低コヒーレンス光を得るためには自由伝播空間4の長さが長くなってしまう。これに対し、実施の形態2においては、曲げ自在の光ファイバー23によってレーザー光を重畳しているので、発散角が小さいレーザー光を採用した場合でもレーザー光を重畳するためのスペースが大きくなることがなく、装置の小型化に寄与する。このように、本実施の形態2は、発散角が比較的小さいレーザー光を採用した場合に好適に機能する。
Furthermore, since the
また、本実施の形態2によれば、複数のレーザー光の重畳によるスペックル低減効果に加えて、光ファイバー内を伝播したレーザー光は波面が乱れるため光のコヒーレンスがさらに下がり、スペックル低減効果がさらに高まる。 Further, according to the second embodiment, in addition to the speckle reduction effect by superimposing a plurality of laser beams, the laser beam propagating in the optical fiber has a disturbed wavefront, so that the coherence of the light further decreases, and the speckle reduction effect is achieved. Further increase.
光ファイバーの利用により得られる効果は他にも挙げられる。光ファイバー内を伝播する光は、ファイバーコアとクラッドの界面で全反射されながら進行するためコア径より光の径が大きくなることはなく、後続の光学素子の小型化が可能となる。さらに、ファイバーは曲げに対して強いため光学系の配置に対して柔軟性をもち、光学系の縮小につながる。 There are other effects obtained by using an optical fiber. Since the light propagating in the optical fiber travels while being totally reflected at the interface between the fiber core and the clad, the diameter of the light does not become larger than the core diameter, and the subsequent optical element can be miniaturized. Furthermore, since the fiber is strong against bending, it has flexibility in arrangement of the optical system, leading to reduction of the optical system.
例えば、本照明装置19を画像表示装置に組み込むことにより、高い光利用効率と広い色再現領域をもち、なおかつスペックルノイズの低減により高い画像品質を有する画像表示装置の小型化、コンパクト化が可能となる。
For example, by incorporating this
本実施の形態2においては、複数の発光点を有するコヒーレント光源の例として面発光レーザーを挙げたが、本発明はこれに限るものではなく、例えばビームがアレイ状に射出される固体レーザーや複数の発光点を有する半導体レーザー等を用いてもよい。 In the second embodiment, a surface emitting laser is given as an example of a coherent light source having a plurality of light emitting points. However, the present invention is not limited to this, and for example, a solid laser or a plurality of lasers that emit a beam in an array form. A semiconductor laser or the like having a light emitting point may be used.
また、実施の形態1及び実施の形態2においては、照明光学系の空間光強度分布の均一化素子としてインテグレーターロッドを用いたが、本発明はこれに限るものではなく、例えばマイクロレンズ等、空間光強度分布を均一化するための他の素子を用いてもよい。 In Embodiments 1 and 2, the integrator rod is used as an element for uniformizing the spatial light intensity distribution of the illumination optical system. However, the present invention is not limited to this, and for example, a microlens or the like Other elements for making the light intensity distribution uniform may be used.
また、実施の形態2においては、光ファイバーを直線状に配置する場合について説明した。しかしながら、当該光ファイバーを曲げて(すなわち、所定の曲率を持たせて)配置するようにしてもよい。この場合、当該光ファイバーを直線状に配置するよりも、当該光ファイバー長を短くすることができる。そうすると、光ファイバーを配置するスペースを小さくすることができる。したがって、当該照明装置を小型化することが可能となる。なお、光ファイバーを曲げたときの曲率等の条件については、実験またはシミュレーションによって、当該照明装置の仕様等に応じて適宜設定すればよい。 Further, in the second embodiment, the case where the optical fibers are arranged linearly has been described. However, the optical fiber may be bent (that is, provided with a predetermined curvature). In this case, the length of the optical fiber can be made shorter than arranging the optical fiber in a straight line. If it does so, the space which arrange | positions an optical fiber can be made small. Therefore, the lighting device can be reduced in size. In addition, what is necessary is just to set suitably conditions, such as a curvature when an optical fiber is bent, according to the specification etc. of the said illuminating device by experiment or simulation.
実施の形態3.
実施の形態3においては、図10に示すような複数個の発光点40が2次元状にマトリクス配置された半導体レーザー45を採用した場合について考察する。このような半導体レーザー45を用いて、図1に示すように、半導体レーザーのレーザー光射出直後の空間に、レーザー光を重畳するための自由伝播空間4を設けるとする。この半導体レーザー45においては、各発光点40から射出されるレーザー光のX方向についての発散角の半値半角αxは約5度であり、Y方向についての発散角の半値半角αyは約20度である。また、X方向についての発光点40間の間隔はaxであり、Y方向についての発光点40間の間隔はayである。
Embodiment 3 FIG.
In the third embodiment, a case where a
このように、X、Y方向での発散角と発光点間隔が異なった場合、少なくとも隣り合う発光点から射出したレーザー光が重畳されるためには、X、Y方向の何れか一方が前述した式(5)を満たす必要がある。このため、このような場合は、(5)式から求めたX方向についての最低必要距離をLdisxとし、Y方向についての最低必要距離をLdisyとした場合、LdisxとLdisyのうちの短い方の長さを選択し、この選択した長さ以上にレーザー光を重畳するための自由伝播空間4の距離を設定する。 As described above, when the divergence angles and the emission point intervals in the X and Y directions are different, at least one of the X and Y directions has been described in order to superimpose laser beams emitted from adjacent emission points. It is necessary to satisfy Expression (5). Therefore, in such a case, when the minimum required distance in the X direction obtained from Equation (5) is Ldisx and the minimum required distance in the Y direction is Ldisy, the shorter of Ldisx and Ldisy Then, the distance of the free propagation space 4 for superimposing the laser beam over the selected length is set.
また、前述したように、X、Y方向での発散角と発光点間隔が異なった場合、ある所定長さの自由伝播空間4を通過後のコヒーレンス性は、X、Y方向で異なる可能性が高い。各発光点のX、Y方向の発散角を変更することは困難なので、X、Y方向での発光点間隔ax、ayを適宜変更設定することで、所定長さの自由伝播空間4を通過後のX,Y方向でのコヒーレンス性を同じになるようにしてもよい。 Further, as described above, when the divergence angle and the emission point interval in the X and Y directions are different, the coherence after passing through the free propagation space 4 having a predetermined length may be different in the X and Y directions. high. Since it is difficult to change the divergence angle of each light emitting point in the X and Y directions, the light emitting point intervals ax and ay in the X and Y directions are appropriately changed and set so as to pass through the free propagation space 4 having a predetermined length. The coherence in the X and Y directions may be the same.
以上のように、本発明にかかる照明用光源装置は、コヒーレント光源としてレーザーが用いられる照明用光源装置および該照明用光源装置が用いられる画像表示装置に有用である。 As described above, the illumination light source device according to the present invention is useful for an illumination light source device using a laser as a coherent light source and an image display device using the illumination light source device.
1、12、19 照明装置
1a、12a、19a 照明用光源装置
1b、12b、19b 照明光学系
2、13 コヒーレント光源(半導体レーザー)
3、14 コヒーレント光(レーザー光)
4 自由伝播空間
5 コリメートレンズ
6 集光レンズ
7 インテグレーターロッド
8、25照明光学系
9、26 ライトバルブ
10 発光点
11、27 レーザー光
15 光学素子(ミラー)
17 射出面
18 光学素子
20 面発光レーザー
21 レーザー光
22 集光レンズ
23 光ファイバー
24 インテグレーターロッド
28 光ファイバー
30、40 発光点
45 半導体レーザー
1, 12, 19
3, 14 Coherent light (laser light)
4 Free Propagation Space 5 Collimating Lens 6
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記コヒーレント光源と光学手段との間の距離を、光学的に、少なくとも隣接する発光点の光を重畳する光学伝播距離以上に設定することを特徴とする照明用光源装置。 In an illumination light source device comprising: a coherent light source having a plurality of emission points that emits coherent light; and an optical unit on which a plurality of coherent lights from the coherent light source are incident.
An illumination light source device characterized in that a distance between the coherent light source and the optical means is optically set to be equal to or greater than an optical propagation distance for superimposing light of at least adjacent light emitting points.
前記コヒーレント光源から射出した前記コヒーレント光が当該光学素子の内部で反射を繰り返しながら伝播する距離が、前記光学伝播距離以上の距離であることを特徴とする請求項1または2に記載の照明用光源装置。 An optical element having two reflecting surfaces disposed so as to face each other between the coherent light source and the optical means;
3. The illumination light source according to claim 1, wherein a distance that the coherent light emitted from the coherent light source propagates while repeating reflection inside the optical element is equal to or longer than the optical propagation distance. 4. apparatus.
光ファイバー長をLfib、光ファイバーのコア径をb、各コヒーレント光の光ファイバー内における広がり角の半値半角をβとしたとき、前記光ファイバーの長さLfibを、
Lfib≧b/(2・tanβ)
としたことを特徴とする照明用光源装置。 A coherent light source having a plurality of emission points for emitting coherent light, an optical element for collecting the plurality of coherent light emitted from the coherent light source, and an optical fiber for transmitting the collected plurality of coherent lights in combination. With
When the optical fiber length is Lfib, the core diameter of the optical fiber is b, and the half-value half angle of the spread angle of each coherent light in the optical fiber is β, the length Lfib of the optical fiber is
Lfib ≧ b / (2 · tanβ)
An illumination light source device characterized by the above.
該照明光学系から入射した照明光を制御して画像を形成する光変調素子と、
前記光変調素子からの光を表示する表示部と、
を備えたことを特徴とする画像表示装置。 An illumination optical system that has the illumination light source device according to any one of claims 1 to 6 and outputs illumination light;
A light modulation element for controlling the illumination light incident from the illumination optical system to form an image;
A display unit for displaying light from the light modulation element;
An image display device comprising:
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- 2006-12-11 JP JP2006333434A patent/JP2008147451A/en active Pending
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