JP2008294108A - レーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を用いた照明のスペックルノイズを低減する装置において、光学系における損失を伴わず、且つ機構部品を必要とせず、レーザ光のスペックルノイズパターンを効果的に除去できるレーザ光源装置を提供する。
【解決手段】レーザ光を発するレーザ光源と、前記レーザ光の光軸上に配設され屈折力を変えることにより前記レーザ光の進行方向を偏向させる偏向素子と、前記偏向素子からの出射光を一様にするロッドレンズと、前記ロッドレンズの出力光を投射面に投射するための投射レンズと、から成るレーザ光源装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源を用いた投射型投影装置に関し、特にスペックルノイズを低減することのできるレーザ光源装置に関する。

レーザ光はコヒーレンス特性が高いため、投射型投影装置の光源にレーザ光源を用いると、投射画面上で相互干渉によるスペックルノイズが生じ、画面の視認性が著しく損なわれる。従ってレーザ光源をリアプロジェクション型テレビ装置の光源として用いるためには、このスペックルノイズを除去が必要となる。

従来、レーザ光をランダム位相板に透過させ、個々の透過光をファイバの長さをそれぞれ変えたバンドルファイバに分割して入射して、その後重畳して、相互の可干渉性を失わせ、投射スクリーンで一様な像を得る方法が開示されている。(例えば、特許文献１参照。)。また、レーザ光の光路に拡散板を挿入して光軸と垂直方向に所定の周波数で振動させることにより透過したレーザ光のスペックルノイズパターンを時間的に変化させて、スペックルノイズを時間的に重畳して観察者の目に一様に見えるようにするという、擬似的にスペックルを除去する方法（例えば、特許文献２参照。）、あるいは、屈折力中心が回転軸から偏心した位置に設けられた凸または凹レンズからなり、レーザ光の進行方法を偏向させる偏向素子を回転させることでレーザ光を偏向させることで、レンズを透過したレーザ光のスペックルノイズパターンを時間的に変化させて擬似的にスペックルを除去する方法が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
特開平１１−１０１９２５号公報 特開平６−２０８０８９号公報 特開２００３−１５６７１０号公報

しかしながら特許文献１では、バンドルファイバに光を入射する際、単純なレンズのような光学系では損失が大きくなる恐れがある。同様にバンドルファイバから出射すされる光は光束が多数分割された状態であり、その後の光学系における損失が免れない。

また、特許文献２で行っている拡散板を挿入しこれを振動させる方法では、ビームは拡散板を透過しなければならないため、大きな損失が生じる。特許文献３は、この損失を改善する優れた方法である。しかし、擬似的にスペックルを除去するには、最低でも１００Ｈｚ以上の周波数で振動させなければならないので、特許文献３の構成では、屈折力中心が回転軸から偏心した位置に設けた凸又は凹レンズを６０００ｒｐｍ以上で駆動させなければならず、複雑な機構部品が必要になる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、光学系における損失を伴わず、且つ機構部品を必要とせず、レーザ光のスペックルノイズパターンを効果的に除去できるレーザ光源装置を提供することにある。

前記従来の課題を解決するために、本発明のレーザ光源装置は、レーザ光を発するレーザ光源と、前記レーザ光の光軸上に配設され屈折力を変えることにより前記レーザ光の進行方向を偏向させる偏向素子と、前記偏向素子からの出射光を一様にするロッドレンズと、前記ロッドレンズの出力光を投射面に投射するための投射レンズとを特徴としたものである。

本発明のレーザ光源装置によれば、レーザ光に含まれるスペックルノイズのパターンを人の目で追従できる速度以上の速度で変動させることにより、観察者はスペックルノイズのない一様で鮮明な画像の観察が可能となる。加えて、本発明のレーザ光源装置によれば、回転機構あるいは振動機構といった機構部品を用いることがないので、高い信頼性を確保できる。

以下に、本発明のレーザ光源装置の実施の形態を、図面とともに詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明のレーザ光源装置の第１の実施の形態について説明するためのもので、投射型ディスプレイに適用した状態の構成図である。図１において、１００はレーザ光源装置であり、このレーザ光源装置１００は、例えばレーザダイオードのようなレーザ光を発するレーザ光源１０１と、レーザ光の光軸に挿入した例えばＬｉＮｂＯ₃などの強誘電体材料からなる偏向素子１０２と、この偏向素子１０２に周期的に変動する電圧を印加するための電源１０３から構成されている。

偏向素子１０２を透過したレーザ光は、一様光を形成するためのロッドレンズ１０４を透過したのち、コリメートレンズ１０５によってコリメートされ、像を作成するための透過型液晶表示装置１０６を透過することで映像を作成し、投射レンズ１０７によって、スクリーン１０８に拡大投射される。ロッドレンズは断面６ｍｍ×９ｍｍ、長さ５０ｍｍの直方体であり、偏向素子１０２からコリメートレンズ１０５までの距離は７０ｍｍである。

次に、図２を用いて、偏向素子１０２と電源１０３の動作について詳細な説明をする。

本実施の形態での偏向素子１０２は、ＬｉＮｂＯ₃からなるシリンドリカル形状をなす強誘電体から成り、レンズ径Ｄは７ｍｍ、焦点距離は１０ｍｍで作成した。図２に示すように、この偏向素子１０２の両方の端面には、スパッタ等薄膜形成技術によりＴａ等からなる電極１０９と１１０が形成されている。ＬｉＮｂＯ₃は、あらかじめ電極１０９から電極１１０方向へ分極されており、電極１０９と電極１１０とは、各々電源１０３に電気的に接続されている。この電極１０９と電極１１０との間に、適当な電圧を周期的に印加すれば、偏向素子１０２の屈折率が、印加された電圧周期に応じて変化する。本実施の形態では、この印加電圧と電圧周期とを、それぞれ１００Ｖと１００Ｈｚにした。

レーザ光源１０１と偏向素子１０２との位置関係を図３に示す。ここでレーザ光源１０１から発したレーザ光１１１は、図に示すように偏向素子１０２の屈折力中心からずれた位置に入射するように規制されているので、レーザ光１１１は偏向素子１０２を透過する際に偏向する。本実施の形態では、このレーザ光１１１の入射位置の屈折力中心からのずれを３ｍｍとした。

ＬｉＮｂＯ₃の屈折率は、電圧を印加しない状態では２．１であるが、電圧を印加すると、偏向素子１０２内部の分極状態が変化するので、屈折率が増加する方向に変化する。変化の詳細を図４に示す。１００Ｖの電圧を印加した場合には、屈折率は約１×１０^-4程度、増加する。

ここで、偏向素子１０２のレーザ入射面、出射面の曲率半径をそれぞれＲ₁、Ｒ₂とすると、レンズの公式より焦点距離ｆと屈折率ｎの関係は次式によって示される。

１／ｆ＝（ｎ−１）（１／Ｒ₁−１／Ｒ₂）
このレンズの公式を微分して、屈折率が変わることによる焦点距離の変化を求めると、
Δｆ／ｆ＝Δｎ／（ｎ−１）となる。

ここで、ｆ＝１０ｍｍ、ｎ＝２．１、Δｎ＝１×１０^-4を代入すると、Δｆは０．９１μｍになる。すなわち、１００Ｖの電圧を印加することによって焦点距離が約０．９μｍ変化する。この焦点距離の変化にしたがい、偏向素子１０２からコリメートレンズ１０５までの光路長は以下に示す長さだけ変化する。

電圧を印加していない状態での偏向素子１０２からコリメートレンズ１０５までの光路長は、√（３²＋１０²）×（７０／１０）＝７３．０８２１５ｍｍ、（焦点距離１０ｍｍ、屈折力中心からのずれ３ｍｍ、偏向素子１０２からコリメートレンズ１０５までの距離７０ｍｍ）。電圧を印加した状態での偏向素子１０２からコリメートレンズ１０５までの光路長は、焦点距離が約０．９μｍ短くなり、９．９９９１ｍｍとなるので、√（３²＋９．９９９１²）×（７０／９．９９９１）＝７３．０８２６９ｍｍ、となる。

以上のように電圧を印加した状態としない状態とでは、光路長に差が生じる。その値は、 ７３．０８２６９−７３．０８２１５＝０．０００５１ｍｍとなり、約０．５１μｍである。光路長さが変わると、光の干渉強度が変化する。可視光では波長の半分の０．２〜０．４μｍの光路長さの変化で１周期分の変化を示す。ただし、偏向素子１０２を透過したレーザ光はある程度の広がりをもち、その中心部分と周辺部分とでは厳密には光路長さが異なるので、干渉のパターン、言い換えればスペックルノイズのパターンは、周期的に同じものにはならず、光路長さの変化に応じて常に異なるパターンとなる。このスペックルノイズのパターンの変化を印加電圧の周波数を早くして人の目が追従できない速度で行うと、観察者はスペックルノイズのない一様で鮮明な画像の観察が可能となる。

表１は、本実施例において印加周波数１００Ｈｚ一定の条件下で偏向素子１０２に印加する電圧の値を変え、被験者４人でスクリーン上に投影されるレーザ光を目視して、スペックルノイズを評価した結果を示す。評価したスクリーン上の投影サイズは約５０インチ相当で、光源には波長５３５ｎｍの緑色レーザを用いた。表１において、×で示したものは被験者４人全員がスペックル低減効果は無いと判断した印加電圧、△は被験者のうち少なくとも１人は効果があると判断した印加電圧、○は全ての被験者が効果有りと判断した印加電圧を示す。

表１に示したように、電圧５０Ｖ（焦点距離の変化で約０．３μｍ）程度から効果が出始め、電圧１００Ｖ（焦点距離の変化で約０．９μｍ）以上とすることで十分な効果が得られていることがわかる。

次に、印加電圧の適正な周波数を求めるために、印加電圧１００Ｖ一定の条件で偏向素子１０２に印加する電圧変化の周波数を変えて、表１と同様にして被験者４人でスクリーン上に投影されるレーザ光を目視して、スペックルノイズを評価した。結果を表２に示す。本評価でも、波長５３５ｎｍの緑のレーザ光を用い、その効果を×、△、○で表している。×、△、○の意味合いは表１の場合と同じである。

表２から、印加する周波数は５０Ｈｚから効果が現れ、１００Ｈｚ以上であれば十分な効果が得られることがわかる。

以上のように表１と表２に示した結果から、偏向素子１０２に１００Ｖ以上で１００Ｈｚ以上の電圧を印加すれば、視覚的にスペックルノイズを抑制することができることがわかる。さらに、本実施の形態では、回転機構などの機構部品によって偏向素子１０２を物理的に動かす必要が無いので、簡素な構成で高い信頼性を得ることが出来る。

なお本実施の形態では、偏向素子１０２をシリンドリカル形状に加工してあるが、図５に示すように偏向素子１０２は直方体などのバルク形状で、電極１０９および電極１１０を略半円形状とすることで、電圧を印加する場所と電圧を印加しない場所の屈折率の違いを利用してレンズ効果得るような構成であってもよい。このように構成した場合には、電圧を印加した際に、対向する電極１０９と電極１１０との間の屈折率だけが変化するが、電極は配していない箇所と電極を設けた箇所との間に屈折率の差が生じ、レンズ効果を示し、入射したレーザ光を偏向させる。印加する電圧を変化させることによって、偏向を変化させることができるので、偏向素子１０２をシリンドリカル形状に加工した場合と同様に、スペックルノイズのない、一様で鮮明な画像がスクリーン１０８上に表示されているように観察させることができる。

（実施の形態２）
図６は、本発明における実施例２のレーザ光源装置の構成を示す。図１の実施例１における構成との違いは偏向素子２０２を液晶レンズにて作成した点にある。図７は、本実施例における液晶レンズの断面を模式的にあらわしたものである。上面のアルミニウム電極２０３に直径１０ｍｍの孔２０４が形成されており、ガラスよりなる上部基板２０５、第１ポリイミド膜２０６、液晶層２０７、第２ポリイミド膜２０８、透明電極２０９、ガラスよりなる下部基板２１０から構成されたネマティック液晶よりなっている。ネマティック液晶セルにおいて、液晶分子は電界の方向に配向するという性質を利用すると、不均一電界による液晶分子配向効果により、空間的な屈折率分布特性を有する液晶レンズが得られるので、適切な電界を与えることにより孔２０４は凸レンズの効果を示す。

即ち、液晶層２０７がガラス基板２０５、２１０間に挟持され、液晶層２０７の上下には、液晶層２０７の配向を促すためのポリイミド膜２０６、２０８が被服される構造となっており、液晶層２０７の上下にポリイミド層２０６、２０８を配し、更にその上下にアルミニウム電極と透明電極を配し、このアルミニウム電極と透明電極間に電圧を印加して液晶レンズの屈折率を変化するものである。

ここで、アルミニウム電極２０３と液晶層２０７との絶縁距離、本実施の形態では、上部基板２０５と第１ポリイミド膜２０６の厚み合計が２μｍから３ｍｍであることが望ましいが、とくに限定されるものではない。第１ポリイミド膜２０６および第２ポリイミド膜２０８それぞれの液晶層２０７側の面には一方向にラッピングがされており、この作用により液晶層２０７がラッピング方向に配向されている。さらにアルミニウム電極２０３および透明電極２０９は電源２１１に接続されている。

孔２０４の設けられたアルミニウム電極２０３と液晶層２０７は、上部基板２０５および第１ポリイミド膜２０６によって一定の距離だけ離間しているので、アルミニウム電極２０３と透明電極２０９との間に電圧を印加すると、電圧印加により生じた不均一な電界が、液晶層２０７の広い領域にわたって分布し、屈折率の勾配の分布がその領域に形成される。屈折率分布は、印加される電圧により変化する。そのため、レンズの焦点距離は、外部電圧の関数であり、外部電圧によって、レンズの焦点距離を任意に変えることが可能である。図８は図７に示した液晶レンズの屈折率変化特性を示し、３０Ｖ程度の印加電圧により０．３程度の屈折率変化が得られる。

このように液晶レンズを用いれば、図１で示した誘電体材料を用いた方法に比べ、大きな屈折率の変化を得ることが可能であるので、本実施の形態においても、周期的な屈折率変化によって、レーザ光の偏向方向を変えることで、あたかも一様で鮮明な画像がスクリーン１０８上に表示されているように観察することができる。

以上の実施例１及び実施例２に説明したように、偏向素子１０２あるいは偏向素子２０２の屈折率を変動させることにより、レーザ光に含まれるスペックルノイズのパターンを人の目が追従できない速度で常に変動させることで、スペックルノイズのない、一様で鮮明な画像の観察を可能とすることができる。なお、本発明は、上記実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、屈折率を変化することができる種々の態様で実施し得ることはもちろんである。例えば、偏向素子１０２を流体レンズで構成することも可能である。即ち、薄い絶縁層で覆われた金属電極基板に流体を封入し、該基板の印加電圧を変化して、流体間の界面の屈折率が変化して、当該流体レンズの焦点距離を変化させる構成で実現することができる。

更に、偏向素子１０２の形状を変動させることで偏向方向を変動し、スペックルノイズのパターンを変動させ、一様で鮮明な画像をスクリーン１０７上に表示することも可能である。

本発明にかかるレーザ光源装置は、レーザ光に含まれるスペックルノイズのパターンを常に変動させ、観察者の目にその時間積分像として認識させることにより、観察者はスペックルノイズのない、一様で鮮明な画像の観察を可能とする技術として有用である。また、本発明にかかるレーザ光源装置は、光源の強度分布の均一性が望まれるプロジェクションなどのディスプレイ、照明装置などの広い分野での用途に適用できる。

本発明に係るレーザ光源装置の図 実施の形態における偏向素子の図 実施の形態における偏向を示す模式図 誘電体の屈折率変化と電圧の関係図 実施の形態における偏向素子の図 本発明に係るレーザ光源装置の図 液晶レンズの断面構成図 液晶レンズの屈折率変化と電圧の関係図

符号の説明

１００ レーザ光源装置
１０１ レーザ光源
１０２ 偏向素子
１０３ 電源
１０４ ロッドレンズ
１０５ コリメートレンズ
１０６ 透過型液晶表示装置
１０７ 投射レンズ
１０８ スクリーン
１０９、１１０ 電極
１１１ レーザ光
１１２ 偏向素子
２０２ 偏向素子
２０３ アルミニウム電極
２０４ 孔
２０５ 上部基板
２０６ 第１ポリイミド膜
２０７ 液晶層
２０８ 第２ポリイミド膜
２０９ 透明電極
２１０ 下部基板
２１１ 電源

Claims (9)

1. レーザ光を発するレーザ光源と、
   前記レーザ光の光軸上に配設され屈折力を変えることにより前記レーザ光の進行方向を偏向させる偏向素子と、
   前記偏向素子からの出射光を一様にするロッドレンズと、
   前記ロッドレンズの出力光を投射面に投射するための投射レンズと、
   から成るレーザ光源装置。
2. 前記偏向素子は、強誘電体材料からなるシリンドリカルレンズであり、その両側面を覆うように金属電極が設けられており、前記電極間に変動電圧を印加するための電源装置を持つ請求項１記載のレーザ光源装置。
3. 前記偏向素子はその曲面部が前記レーザ光の出射する面に配置されるとともに、その屈折力中心からずれた位置に前記レーザ光が入射するように配置されている請求項１記載のレーザ光源装置。
4. 前記偏向素子は、強誘電体材料からなる直方体であり、その両側面を覆うように半円状の金属電極が設けられており、前記電極間に変動電圧を印加するための電源装置を持つ請求項１記載のレーザ光源装置。
5. 前記偏向素子は、その金属電極の曲面部が前記レーザ光の出射方向に沿って配置されているとともに、その屈折力中心からずれた位置に前記レーザ光が入射するように配置されている請求項１記載のレーザ光源装置。
6. 前記強誘電体材料はＬｉＮｂＯ₃から成り、前記金属電極はＴａから成る請求項２または４記載のレーザ光源装置。
7. 前記変動電圧は、周波数が１００Ｈｚ以上且つ電圧が１００Ｖ以上の交流電圧とする請求項２または４記載のレーザ光源装置。
8. 前記偏向素子は液晶レンズからなり、前記液晶レンズの電極に所定の周波数を持つ電圧を印加するための電源装置を備えた請求項１に記載のレーザ光源装置。
9. 前記所定の周波数は、１００Ｈｚ以上とする請求項８に記載のレーザ光源装置。

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