JP2008250024A

JP2008250024A - 光学ユニット及び映像表示装置

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Publication number: JP2008250024A
Application number: JP2007091686A
Authority: JP
Inventors: Seiji Murata; 誠治村田; Satoshi Ouchi; 敏大内; Tomoo Kobori; 智生小堀; Hidehiro Ikeda; 英博池田; Koji Hirata; 浩二平田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP5302512B2

Abstract

【課題】部品点数を減らし、スペックル低減を図った、高効率な光学ユニット又は該光学ユニットを備えた映像表示装置を提供する。
【解決手段】コヒーレント光を出射する１つ以上のコヒーレント光源１と、該コヒーレント光源１から得られる出射光を映像表示素子４に投影する光伝達手段とを備えて構成される光学ユニットであって、前記光伝達手段は光路変更手段２を有し、該光路変更手段は偏光依存性と拡散機能とを有する光学素子２ａ、２ｂと、スペックルを低減するように前記光学素子を移動若しくは変形させる駆動手段３とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、映像表示素子上に形成される映像光を利用した光学ユニット及び該光学ユニットを有する映像表示装置に関するものである。

従来、映像表示素子上に光を導き、その映像光を投影レンズを用いてスクリーン上に拡大投影する投射型映像表示装置が知られており、実用化されている。近年では、映像表示素子に液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micromirror Device）が利用された投射型映像表示装置がある。ユーザは高画質を求めており、色に関しては広い色再現性を求めている。広い色再現性を実現するためには、純色の鮮やかさが重要となる。特に、光源性能により、映像表示装置の色再現性性能は決定される。例えば、レーザ光源を用いると、波長幅が狭く、ピークが立っているために色純度が高く、色再現性が確保される。ただし、波長幅が狭いため、コヒーレント光となり干渉によるスペックルノイズが発生してしまう。従来は、スペックルノイズを低減するために、拡散板を振動させていた。（例えば、特開２００４−１４４９３６号公報）
特開２００４−１４４９３６号公報

従来の光学系では、光学部品点数が増えてコストが上がってしまう課題と、効率が低下する課題がある。光学素子には、例えば、拡散板が利用される。拡散板を利用した場合、偏光を揃えて入射させたとしても、拡散板の拡散作用によって偏光方向が乱れてしまう。そのため、映像表示素子が偏光特性を持っている場合、利用効率は低下してしまうことになる。結果として、映像表示装置としての効率低下を引き起こしてしまうため、偏光を乱す拡散素子を多数使用することは効率低下を招いてしまう。

本発明の目的は、上記課題を鑑みて考案された発明であり、コストアップを抑えたまま、高輝度化を推進する光学ユニット及び該光学ユニットを備えた映像表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、コヒーレント光を出射する１つ以上のコヒーレント光源と、該コヒーレント光源から得られる出射光を映像表示素子に投影する光伝達手段とを備えて構成される光学ユニットであって、前記光伝達手段は光路変更手段を有し、該光路変更手段は偏光依存性と拡散機能とを有する光学素子と、スペックルを低減するように前記光学素子を移動若しくは変形させる駆動手段とを有することを特徴とする。

また、本発明は、コヒーレント光を出射する１つ以上のコヒーレント光源と、該コヒーレント光源から得られる出射光を映像表示素子に投影する光伝達手段とを備えて構成される光学ユニットであって、前記光伝達手段は光路変更手段を有し、該光路変更手段は偏光依存性と拡散機能とを有する光学素子と、スペックルを低減するように前記コヒーレント光源と前記映像表示素子との間の光路長を変化させる駆動手段とを有することを特徴とする。

また、本発明は、コヒーレント光を出射する１つ以上のコヒーレント光源と、該コヒーレント光源から得られる出射光を映像表示素子に投影する光伝達手段とを備えて構成される光学ユニットであって、前記光伝達手段は光路変更手段を有し、該光路変更手段は偏光依存性と拡散機能とを有する光学素子と、スペックルを低減するように時間と共に前記光学素子の位置を略光軸方向に変化させる駆動手段とを有することを特徴とする。

また、本発明は、コヒーレント光を出射する１つ以上のコヒーレント光源と、該コヒーレント光源から得られる出射光を映像表示素子に投影する光伝達手段とを備えて構成される光学ユニットであって、前記光伝達手段は光路変更手段を有し、該光路変更手段は偏光依存性と拡散機能とを有する光学素子と、スペックルを低減するように時間と共に前記光学素子の形状を略光軸方向に変化させる駆動手段とを有することを特徴とする。

また、本発明は、前記光学ユニットにおいて、前記光学素子の持つ空間的パターン周期をｄとしたとき、前記駆動手段による前記光学素子の駆動ストロークｓをｓ≧ｄであるように構成したことを特徴とする。

また、本発明は、前記光学ユニットにおいて、前記駆動手段は前記光学素子を振動させるように構成し、該振動周波数が前記光学素子の共振周波数ではないことを特徴とする。

また、本発明は、前記光学ユニットにおいて、前記光伝達手段の光路内にインテグレータを設けたことを特徴とする。

また、本発明は、前記光学ユニットを備えたことを特徴とする映像表示装置である。

本発明によれば、部品点数を減らし、スペックル低減を図った高効率な光学ユニットまたは該光学ユニットを備えた映像表示装置を実現することができる。

以下、本発明に係る投射型映像表示装置及び該投射型映像表示装置に用いられる光学ユニットの実施例について、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度説明したものについてはその説明を省略する。

図１には、本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの第１の実施例を示す。第１の実施例の光学ユニット２１ａは、色純度が高く、色再現性が確保されるレーザ光などのコヒーレント光を出射する１つ以上のコヒーレント光源（光源手段）１と、該コヒーレント光源（光源手段）１からの出射光を映像表示素子４上で略結像させるように導いて映像表示素子４に投影する光伝達手段とから構成される。該光伝達手段は光路変更手段２を有して構成される。そして、該光路変更手段２は偏光依存性と拡散機能とを有する光学素子２ａと、スペックルが低減するように上記光学素子２ａを駆動させる駆動手段３ａとを有して構成される。１２は投射レンズで、映像表示素子４によって生成された映像光をスクリーン上に拡大投影するものである。なお、投射レンズ１２は、拡大率可変（ズーム可変）に構成される。

映像表示装置は、図７に示すように、映像表示素子４に映像信号を供給する映像信号処理部１３と、コヒーレント光源１や光学部品を冷却する冷却装置１４と、コヒーレント光源１、映像信号処理部１３、映像表示素子４、冷却装置１４などへ所定の電力を供給する電源１６と、それらを囲む筐体１７とを有して構成される。

コヒーレント光源１としては、例えば、色純度が高く、色再現性が確保されるレーザ光を出射するレーザ光源などを利用することが可能である。

第１の実施例では、レーザ光源１を使用した場合について説明する。上記光学素子２ａは、レーザ光源１から出射された光を拡散させつつ、入射前後で偏光状態の変化が少ない偏光依存性と拡散機能とを有する光学素子である。該光学素子２ａとしては、例えば、拡散機能を持った薄い光学フィルムや、偏光多重反射膜、空間的に不均一な透過率を持つ光学フィルム、空間的に不均一な屈折率を持つ光学フィルム、空間的に不均一な厚みを持つ光学フィルムなどが利用でき、一定方向の偏光を通過させた時、その方向の偏光が６０％以上透過する光学素子２ａを利用することができる。

駆動手段３ａとしては、上記光学素子２ａを移動させる手段であり、例えばモータ、直動アクチュエータ、ボイスコイルモータなどを利用できる。このように光学素子２ａを駆動手段３ａにより移動させることにより、発生するスペックルノイズパターンを時間的に変化させ、人の目で平均化することによりスペックルノイズを視認させにくくする効果を得ることができる。

映像表示素子４は、液晶パネル、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等であり、映像信号に対応した映像光を生成する。特に、映像表示素子４に液晶パネルを利用する場合、特定方向の偏光のみを利用するため、光学素子２に偏光状態の乱れの少ない光学素子を利用しているため、明るい映像を得る光学ユニットを提供できる。

なお、コヒーレント光源１と光学素子２ａとの間にコヒーレント光源１から出射された光を２次元に走査する走査光学系を備えてもよい。

図２には、本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの第２の実施例を示す。

第２の実施例の光学ユニット２１ｂにおいて、第１の実施例の光学ユニット２１ａとの相違点は、光路変更手段２を構成する駆動手段３ｂをコヒーレント光源１に接続し、スペックルが低減するようにコヒーレント光源１を振動させるように構成する点である。このように駆動手段３ｂによりコヒーレント光源１を振動させることで映像表示素子４までの光路（例えば光路長）が変化し、スペックルノイズの発生パターンが時間的に変化する。即ち、駆動手段３ｂによりコヒーレント光源１と映像表示素子４との間の光路長を変化できる光学系であればよい。第２の実施例によれば、光路変更手段２を構成する光学素子２ａに偏光状態の乱れの少ない偏光依存性と拡散機能とを有する光学素子を利用している為、効率低下を抑えながら、スペックルノイズを低減する効果が得られる。

図３には、本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの第３の実施例を示す。

第３の実施例の光学ユニット２１ｃにおいて、第１及び第２の実施例の光学ユニット２１ａ、２１ｂとの相違点は、光路変更手段２を構成する駆動手段３ｃによりスペックルが低減するように時間と共に光学素子２ａを略光軸方向に位置を移動して光路（例えば光路長）を変化させる点にある。第３の実施例によれば、コヒーレント光源１から出射した光は光路変更手段２に入射し、駆動手段３ｃにより光学素子２ａが略光軸方向に振動することにより、スペックルの発生パターンが変化し、視認しにくくなる。光学素子２ａが光軸に略垂直な２次元方向のみの振動の場合、光学素子の持つ空間的なパターンにより、明暗のムラが発生してしまう。特に、光学素子２ａが略結像されている場合には、顕著に現れる。しかしながら、光学素子２ａを略光軸方向に移動（振動）させることにより明暗のムラを低減する効果が得られる。

図４には、本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの第４の実施例を示す。

第４の実施例の光学ユニット２１ｄにおいて、第１乃至第３の実施例の光学ユニット２１ａ〜２１ｃとの相違点は、光路変更手段２を構成する駆動手段３ｄによりスペックルが低減するように時間と共に光学素子２ｂを略光軸方向に変形（形状を変化）させる点にある。第４の実施例によれば、コヒーレント光源１から出射した光は光路変更手段２に入射し、駆動手段３ｄにより光学素子２ｂが略光軸方向に変形して振動し、光路（例えば光路長）が変化して第３の実施例と同じ効果を得ることができる。本第４の実施例では、光学素子２ｂとして、例えば弾性を持つ高分子フィルムや、プラスチック素材を利用することができる。第３の実施例のように光学素子２ａ自体を移動させる位置の変化よりも、第４の実施例のように光学素子２ｂを形状変化させた方が小さなエネルギーで光路を変化させることが可能となる。

図５には、本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの第５の実施例を示す。

第５の実施例の光学ユニット２１ｅにおいて、第１乃至第４の実施例の光学ユニット２１ａ〜２１ｄとの相違点は、駆動手段３ｅにより光学素子２ａを、光学素子２ａが持つ空間的パターン周期をｄとしたとき、ｓ≧ｄである駆動ストロークｓで光学素子２ａの空間的パターンの面方向（例えば光軸と略直角方向）に振動させる点である。第５の実施例によれば、コヒーレント光源１から出射した光は光路変更手段２に入射し、駆動手段３ｅにより光学素子２ａがｓ≧ｄ（ｄは光学素子２ａが持つ空間的パターン周期、ｓは光学素子２ａの駆動ストローク）で振動することにより、スペックルノイズの明部と暗部が十分に重なり、スペックルノイズも平均化されて視認しにくくなる。これは、スペックルノイズが光学素子２ａに追従して移動することに基づいており、光学素子２ａが持つ空間的パターン周期ｄを上回るストロークｓで光学素子２ａを振動させることにより、空間的パターンを時間平均したときの状態である一様にすることができる。従って、それに追従するスペックルノイズも平均化されることになり、視認しにくくなる。ただし、空間的パターンとは、光学素子２ａが持つ光学的、構造的周期のことを示している。

次に、本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの第６の実施例について説明する。

第６の実施例の光学ユニット２１ｆ（図示省略）において、第１乃至第５の実施例の光学ユニット２１ａ〜２１ｅとの相違点は、光学素子２ａ、２ｂを駆動手段３ａ、３ｃ〜３ｅにより強制振動させる場合において、該強制振動の周期を光学素子２ａ、２ｂの共振周期に一致させないことにある。このように駆動手段３ａ、３ｃ〜３ｅの駆動周期を光学素子２ａ、２ｂの共振周期に一致させると、振幅が大きくなり、光学素子２ａ、２ｂが破壊される。本現象を回避する為に、光学素子２ａ、２ｂの共振周期と駆動手段３ａ、３ｃ〜３ｅの駆動周期をずらし、光学素子２ａ、２ｂを保護する効果を実現する。

更に、第６の実施例の光学ユニット２１ｆは、コヒーレント光源１又はスペックルを低減する光学系を駆動手段３ｂにより強制振動させる場合においても、該強制振動の周期をコヒーレント光源１又はスペックルを低減する光学系の共振周期に一致させないことにある。即ち、コヒーレント光源１又はスペックルを低減する光学系の共振周期と駆動手段３ｂの駆動周期をずらすことにより、コヒーレント光源１又はスペックルを低減する光学系を保護することが可能である。

図６には、本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの第７の実施例を示す。

第７の実施例の光学ユニット２１ｇは、上記光伝達手段の光路内（例えばコヒーレント光源１と映像表示素子４との間の光路内）にインテグレータ１１を設けることにより、第１乃至第６の実施例までの効果に加え、さらにスペックル低減を図ることができる。スペックルノイズは複数のコヒーレント光源を用いると、コヒーレント光源の数Ｎに対し、スペックルノイズのコントラストはＣ＝Ｎ^−０．５で表されることが分かっている。インテグレータ１１を設けることにより、複数のコヒーレント光源から出射している状態を作り出すことができるため、更にスペックルノイズを低減する効果が得られる。

インテグレータ１１には、全反射を利用したインテグレータである、透明素材で出来たロットレンズや、鏡面反射を利用した、ミラーを張り合わせたライトファネルなどを利用することができる。また、Ｆ値を変換する為に、インテグレータ１１の入射口と出射口の形状を異なるように設計しても良い。

インテグレータ１１に、マルチレンズを利用する手段もある。マルチレンズの持つここのレンズセルに入射した光を、コンデンサレンズで集光し重ね合わせることで、複数のコヒーレント光源から光線が飛んできた状態を作り出すことが出来、スペックルノイズを低減することが出来る。

次に、本発明に係る映像表示装置の第８の実施例について図８を用いて説明する。本発明に係る映像表示装置の第８の実施例は、第１乃至第７の実施例で説明した複数の光学ユニット２１−１〜２１−３を有しており、レーザ光源等のコヒーレント光源１から出射される光が光路変更手段２を有する光伝達手段を介して映像表示素子４に導かれ、映像光を得る。各光学ユニット２１−１〜２１−３は異なる色を発するコヒーレント光源を備えており、それぞれが異なる色で点灯し、その点灯した色に応じた映像光が得られるように映像信号処理部１３（図７に示す）は各光学ユニット２１−１〜２１−３の映像表示素子４を駆動し、各色に応じた映像光を得る。図８においては、Ｒ，Ｇ，Ｂの三色の場合を示す。この映像光を色合成手段１８によりフルカラーの映像光を得て、これを投射レンズ１２により拡大投射し、大画面を得る。複数の映像表示素子４を用いてフルカラー映像を得るため、色光の切り替えによる損失を抑え、明るい映像表示装置を提供することができる。更に、コヒーレント光源１にＬＥＤやレーザを使用しても良く、これらの光源はピーク波長を持つ。そのため、色合成手段１８が光源のピーク波長に合せておよそピークの反射率、もしくは透過率で設計することにより、光利用効率が高い映像表示装置を提供できる。

本発明は、複数のレーザ光源等のコヒーレント光源を用いた高輝度光学系を提供できるため、１つでは明るさ性能が低いコヒーレント光源でも有効に活用できる。その為、光源に新規光源を用いた投射型映像表示装置において有効に利用される可能性がある。

本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの第１の実施例を示す図である。本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの第２の実施例を示す図である。本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの第３の実施例を示す図である。本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの第４の実施例を示す図である。本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの第５の実施例を示す図である。本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの第７の実施例を示す図である。本発明に係る映像表示装置の光学ユニットの全体を示す図である。本発明に係る映像表示装置についての第８の実施例を示す図である。

符号の説明

１…コヒーレント光源、２…光路変更手段、２ａ、２ｂ…光学素子、３ａ〜３ｅ…駆動手段、４…映像表示素子、１１…インテグレータ、１２…投射レンズ、１３…映像信号処理部、１４…冷却装置、１６…電源部、１７…筐体、１８…色合成手段、２１ａ〜２１ｇ…光学ユニット、２１−１〜２１−３…光学ユニット。

Claims

コヒーレント光を出射する１つ以上のコヒーレント光源と、該コヒーレント光源から得られる出射光を映像表示素子に投影する光伝達手段とを備えて構成される光学ユニットであって、
前記光伝達手段は光路変更手段を有し、
該光路変更手段は偏光依存性と拡散機能とを有する光学素子と、スペックルを低減するように前記光学素子を移動若しくは変形させる駆動手段とを有することを特徴とする光学ユニット。
コヒーレント光を出射する１つ以上のコヒーレント光源と、該コヒーレント光源から得られる出射光を映像表示素子に投影する光伝達手段とを備えて構成される光学ユニットであって、
前記光伝達手段は光路変更手段を有し、
該光路変更手段は偏光依存性と拡散機能とを有する光学素子と、スペックルを低減するように前記コヒーレント光源と前記映像表示素子との間の光路長を変化させる駆動手段とを有することを特徴とする光学ユニット。
コヒーレント光を出射する１つ以上のコヒーレント光源と、該コヒーレント光源から得られる出射光を映像表示素子に投影する光伝達手段とを備えて構成される光学ユニットであって、
前記光伝達手段は光路変更手段を有し、
該光路変更手段は偏光依存性と拡散機能とを有する光学素子と、スペックルを低減するように時間と共に前記光学素子の位置を略光軸方向に変化させる駆動手段とを有することを特徴とする光学ユニット。
コヒーレント光を出射する１つ以上のコヒーレント光源と、該コヒーレント光源から得られる出射光を映像表示素子に投影する光伝達手段とを備えて構成される光学ユニットであって、
前記光伝達手段は光路変更手段を有し、
該光路変更手段は偏光依存性と拡散機能とを有する光学素子と、スペックルを低減するように時間と共に前記光学素子の形状を略光軸方向に変化させる駆動手段とを有することを特徴とする光学ユニット。
前記光学素子の持つ空間的パターン周期をｄとしたとき、前記駆動手段による前記光学素子の駆動ストロークｓをｓ≧ｄであるように構成したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の光学ユニット。
前記駆動手段は前記光学素子を振動させるように構成し、該振動周波数が前記光学素子の共振周波数ではないことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載の光学ユニット。
前記光伝達手段の光路内にインテグレータを設けたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一つに記載の光学ユニット。
請求項１乃至７の何れか一つに記載の光学ユニットを備えたことを特徴とする映像表示装置。