JP2008309827A - 光遅延発生装置およびそれを用いた投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルノイズの低減と不要光の効率的な除去が可能な光遅延発生装置およびそれを用いた投射型画像表示装置を提供する。
【解決手段】基本波レーザ光２０および第二高調波レーザ光２１は、光遅延発生装置３０に入射される。光遅延発生装置３０は、張り合わされているプリズム３１およびプリズム３２により構成されており、偏光分離手段４１、波長選択手段４２、光路差発生手段４３を有している。光遅延発生装置３０を通過することにより、レーザ光２０とレーザ光２１が空間的に分離され、また、レーザ光２１はＳ偏光成分とＰ偏光成分に所望の光路差が発生して、それぞれレーザ光２２、２３として光遅延発生装置３０から出射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間光変調素子で形成される画像をレーザ光によって照明し、投射レンズを用いてスクリーン上に投射する投射型画像表示装置に関する。

従来、大画面の画像を効率的に得るための一形態として、映像信号に応じた画像を形成する小型の空間光変調素子をランプからの光で照明し、投射レンズによってその光学像をスクリーン上に拡大投射する、プロジェクター等の投射型画像表示装置が用いられている。

しかしながら、ランプを光源とした場合、（１）光源の寿命が短くメンテナンスが煩雑になる、（２）白色光を光の三原色に分離するために光学系が複雑になる、（３）色再現範囲が狭い、といった数々の問題点がある。

これらの問題点を解決するために、ランプの代わりにレーザ光源を用いた新しい投射型画像表示装置が提案されている。レーザ光源は、ランプに比べて寿命が長く、またレーザ光は指向性が高いために光利用効率も高い。さらに、その単色性により広い色再現範囲を確保できるという特徴を有している。

しかしながら、レーザ光は干渉性が高いため、スペックルが生じるという問題点がある。スペックルとは、レーザ光源からの位相が揃った波が表面の荒い物体面によって散乱されることで、像面において複雑な位相関係で光束が干渉し合うことによって生じる現象であり、不規則な粒状の強度分布として観察される。

投射型画像表示装置においては、スペックルノイズが現れると観察者は画質の劣化として認識するため、レーザ光を用いた投射型画像表示装置を提供する際には、スペックルノイズの除去・低減が極めて重要である。

スペックルノイズを低減する方法として、複数の方法が提案されている（例えば特許文献１〜３）。特許文献１では、スペクトル幅を広げてレーザ発振させることで、スペックルノイズを低減している。また、特許文献２では波長の異なる複数の光源を用いることで、同様の効果を得ている。

別のアプローチとして、相関のない複数のスペックルパターンを重畳させることにより、スペックルノイズを低減させる方法がある。特許文献３では、レーザ光をＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離し、光路差をつけて合波し、空間光変調素子にレーザ光を入射している。
特開２００２−３２３６７５号公報 特表２００４−５０３９２３号公報 特開２００１−２９６５０３号公報

画像表示にレーザ光を用いる際には、スペックルの低減に有利であるレーザ光源が好ましいことは前述の通りであるが、加えて、小型で高効率・低コストの光源が好ましいことは言うまでもない。

赤色および青色のレーザ光源については、その波長で直接発振する高出力レーザダイオードが実用化されており、小型化・低コスト化の面において、これらレーザダイオードは投射型画像表示装置用のレーザ光源として好適である。

一方、緑色のレーザ光源については、その波長で直接発振する高出力レーザダイオードは実用化されておらず、近赤外レーザの第二高調波発生により緑色レーザ光を得る手法が最も広く採用されている。

第二高調波発生により緑色光を得るレーザ光源では、波長変換されるもとの近赤外光（基本波）を非線形光学結晶に入射することにより、結晶内で第二高調波への波長変換が行われ、所望の緑色光を得る。その際、基本波から第二高調波への変換効率は、基本波のスペクトル幅が狭いほど高くなるため、非線形光学結晶を用いた波長変換によるレーザ光は、一般にスペクトル幅が狭帯域である。

しかしながら、レーザ光のスペクトル幅とスペックルには相関があり、スペクトル幅が狭いとスペックルノイズが大きくなることがよく知られている。そのため、第二高調波発生によるレーザ光は、広帯域の縦マルチモードで発振するレーザダイオード等に比べてスペックル低減が厳しく要求される。

さらに、一般的な光学系構成では、第二高調波と基本波が、結晶出射後に同一光路を伝播するため、基本波を空間的に分離して、第二高調波のみを照明光として空間光変調素子に入射する必要がある。そこで、基本波を透過して第二高調波を反射する、あるいは、基本波を反射して第二高調波を透過するようなハーモニックセパレーターと呼ばれるダイクロイックミラーを別途使用して二つの光を空間的に分離しなければならない。

このように、複数の波長の光（基本波と第二高調波）を扱うレーザ光源を用いて投射型画像表示装置を構成する場合には、所望光の分離や、スペックル低減といった種々の光学作用を施す必要があるため、光学系構成が煩雑になるという問題点があった。

そこで、本発明では、複数の波長のレーザ光が同一光路を伝播する光学系において、所望のレーザ光のみを分離し、かつ効果的にスペックルノイズの低減が可能である光遅延発生装置およびそれを用いた投射型画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光遅延発生装置では、少なくとも２つの異なる波長を有するレーザ光より構成される入射光のうち、少なくとも１つの波長のレーザ光のＰ偏光成分とＳ偏光成分を分離する偏光分離手段と、前記Ｐ偏光成分と前記Ｓ偏光成分との間に前記レーザ光のコヒーレンス長以上の光路差を発生させる光路差発生手段と、前記レーザ光を空間的に分離する波長選択手段とを備え、前記偏光分離手段と前記光路差発生手段と前記波長選択手段が１つの光学系で構成されていることを特徴とする。

特に、本発明の光遅延発生装置では、前記偏光分離手段に入射する前記レーザ光のＰ偏光成分とＳ偏光成分の強度比を変える偏光調整手段を備えていることや、前記レーザ光のうち、１つのレーザ光の波長が、残りのレーザ光のうちの１つのレーザ光の波長の整数倍であることを特徴とする。

また、本発明の投射型画像表示装置は、レーザ光を映像信号に応じて変調を行う空間光変調素子と、前記空間光変調素子から出射されたレーザ光をスクリーンに投射する投射光学系とを備える投射型画像表示装置であって、前記空間光変調素子を照明する照明光学装置が、少なくとも２つの異なる波長を有するレーザ光より構成される入射光のうち、少なくとも１つの波長のレーザ光のＰ偏光成分とＳ偏光成分を分離する偏光分離手段と、前記Ｐ偏光成分と前記Ｓ偏光成分との間に前記レーザ光のコヒーレンス長以上の光路差を発生させる光路差発生手段と、前記入射光のうち少なくとも１つの波長のレーザ光を空間的に分離する波長選択手段とを備えた光遅延発生装置を具備し、前記光遅延発生装置における前記偏光分離手段と前記光路差発生手段と前記波長選択手段が１つの光学系で構成されることを特徴とする。

特に、本発明の投射型画像表示装置は、前記レーザ光源と前記空間光変調素子との間に、前記レーザ光の位相を時間的に変調する位相変調手段を有していることを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、偏光分離手段、波長選択手段、光路差発生手段を兼ね備えた小型で効果的な光遅延発生装置を提供することができる。これは特に、波長変換を伴うレーザ光を扱うときに有用である。さらに、空間光変調素子を用いてレーザ光により照明された画像を投射する投射型画像表示装置において、スペックルノイズを低減した高品位な画像を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の光遅延発生装置を示す構成図であり、本発明の光遅延発生装置を第二高調波発生によるレーザ光源に適用したものである。

図において、第二高調波を発生するレーザ光源は、基本波レーザ光源１０と波長変換素子１１により構成されている。

基本波レーザ光源１０は波長１０６４ｎｍで発振するＮｄ：ＹＡＧレーザであり、Ｐ偏光の基本波レーザ光２０が出射される。波長変換素子１１は第二種位相整合により第二高調波発生が可能なＫＴｉＯＰＯ_４結晶（ＫＴＰ結晶）である。

図１に示すように、光の進行方向をｚ軸、Ｐ偏光方向をｘ軸、Ｓ偏光方向をｙ軸とすると、偏光軸がｘｙ平面内においてｘ軸から４５度傾いている偏光状態の第二高調波である波長５３２ｎｍのレーザ光２１が出射される。基本波レーザ光２０の波長は、レーザ光２１の波長のちょうど２倍である。このとき、波長変換されなかったレーザ光２０は、レーザ光２１と同一光路で波長変換素子１１から出射される。

２つのレーザ光２０および２１は、光遅延発生装置３０に入射される。光遅延発生装置３０は、プリズム３１およびプリズム３２により構成されており、２つのプリズムは張り合わされている。２つのプリズムの寸法図を図２（ａ）に示した。いずれも三角柱の形状をしており、プリズム３１の底面は底角が４５度の直角二等辺三角形、プリズム３２の底面は底角が６７．５度の二等辺三角形である。

なお、プリズム３１とプリズム３２において、底面の二等辺三角形の底辺の長さは同じであり、図２ではＤと示した。

なお、図２（ｂ）に示すように、プリズム３２の頂点の部分を切り落として台形状とし、プリズム３１と張り合わせてペンタプリズムの形状をした構成も等価である。

図１に示すように、光遅延発生装置３０は、偏光分離手段４１、波長選択手段４２、光路差発生手段という３つの機能を有している。プリズム３１とプリズム３２の界面となる偏光分離手段４１は、偏光ビームスプリッタであり、Ｐ偏光であるレーザ光２０は偏光分離手段４１を透過するが、レーザ光２１のうちＳ偏光成分は偏光分離手段４１にて反射され、Ｓ偏光のレーザ光２２として光遅延発生装置３０から出射される。

偏光分離手段４１を透過したレーザ光２０とレーザ光２１のうちＰ偏光成分は、波長選択手段４２に入射する。波長選択手段４２はプリズム３２の界面であり、誘電体多層膜によるコーティングが施されている。波長選択手段４２は、レーザ光２０の波長に対しては高透過率、レーザ光２１の波長に対しては低透過率となっている。そのため、レーザ光２０のみがプリズム３２から出射される。

一方、レーザ光２１のＰ偏光成分は、偏光分離手段４１を透過後、レーザ光２３として、波長選択手段４２で反射し、波長選択手段４２と同じくレーザ光２１の波長に対して高反射率の誘電体多層膜が施されているプリズム界面４３でもう一度反射され、再び偏光分離手段４１に入射される。

偏光分離手段４１においてＰ偏光は透過するので、レーザ光２３はそのまま偏光ビームスプリッタを通過し、偏光分離手段４１で反射されたレーザ光２２と同一の進行方向となり光遅延発生装置３０から出射される。

このとき、図１から分かるように、光遅延発生装置３０から出射したレーザ光２２とレーザ光２３には、プリズム３２の大きさで決まる光路差（４４ａ、４４ｂ、４４ｃ）が発生している。ちょうど偏光分離手段４１の面の中心にレーザ光２１が入射するとき、レーザ光２２の光軸とレーザ光２３の光軸は光遅延発生装置３０出射後に空間的に重なり、その光路差は図２に示したＤを用いて１．７１Ｄである。すなわち、プリズム３２が光路差発生手段となっている。

光遅延発生装置３０から出射されるレーザ光２２およびレーザ光２３がスペックル低減に効果的であるためには、２つの光の干渉性がなくなっている必要がある。すなわち、レーザ光２２とレーザ光２３の光路差は、レーザ光２１のコヒーレンス長以上であることが好ましい。

一般に、レーザ光の波長λ、波長幅Δλ、コヒーレンス長Ｌｃには以下の関係があることが知られている。

Ｌｃ≒λ＾２／Δλ
本実施の形態における、波長変換されたレーザ光２１の波長幅は約０．１ｎｍであるので、コヒーレンス長は空気中において約３ｍｍである。すなわち、レーザ光２２とレーザ光２３の光路差をコヒーレンス長以上とするためには、プリズムの底辺の長さが２〜３ｍｍ以上であれば良く、非常に小型のプリズムでも容易にこれを実現できる。

なお、本発明は更に狭帯域のスペクトルを有するレーザ光においても有用であり、例えば波長５３２ｎｍ、波長幅０．０１ｎｍの光源においてもコヒーレンス長は空気中で３ｃｍ以下であり、２０〜３０ｍｍ以上のプリズムを用いることで効果が期待できる。

本実施の形態では、光遅延発生装置に入射するレーザ光として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光とその第二高調波を例に挙げたが、本発明の有用性が、特に決められたレーザ光の組み合わせに限定されないことは言うまでもない。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２の光遅延発生装置を示す構成図である。実施の形態１との構成上の違いとして、光遅延発生装置３０の中に、偏光調整手段５０が組み込まれている。本実施の形態では、基本波レーザ光源１０は、波長１０６４ｎｍで発振するＹｂファイバーレーザであり、波長変換素子１１は擬似位相整合により波長変換が可能な分極反転ニオブ酸リチウム結晶（ＰＰＬＮ結晶）である。

図において、Ｙｂファイバーレーザ１０からの出力光２０がＰ偏光となるように配置しているが、その場合、ＰＰＬＮ結晶１１から出力される第二高調波のレーザ光２１もＰ偏光となる。そのため、光遅延発生装置３０において、プリズム３１に光を入射する前に、偏光調整手段５０によってレーザ光２１の偏光方向を４５度回転させるようにしている。

より具体的には、偏光調整手段５０は水晶によって構成される２分の１波長板であり、偏光調整手段５０を通過することにより、レーザ光２１の偏光方向は４５度回転するが、レーザ光２０の偏光方向は回転しないように、水晶の結晶軸の向きと厚さが調整されている。

偏光調整手段５０を通過後は、レーザ光２１はＳ偏光成分とＰ偏光成分を等しく有することになる。実施の形態１の場合と同様の過程を経ることにより、レーザ光２０とレーザ光２１が空間的に分離され、また、レーザ光２１はＳ偏光成分とＰ偏光成分に所望の光路差が発生し、それぞれ光遅延発生装置３０から出射される。

なお、偏光調整手段５０をプリズム３１の入射面に張り合わせて、より小型の構成にしてもよい。

（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３の光遅延発生装置を示す構成図である。本実施の形態では、実施の形態２で用いた光遅延発生装置を２つ使用する構成となっている。レーザ光の波長変換では、波長変換されなかった基本波を再利用して複数回波長変換を行うことが、光利用効率を高める上で効果的であることが少なくない。本実施の形態は、残留した基本波を用いて波長変換を行う場合に好適な構成例であり、第一の光遅延発生装置３０と第二の光遅延発生装置６０により構成されている。

図において、第一の光遅延発生装置３０中の波長選択手段４２を透過したレーザ光２０は、波長変換素子１２に入射されて、再度、第二高調波であるレーザ光２４へと変換される。波長変換素子１２から出射されたレーザ光２０とレーザ光２４は、第二の光遅延発生装置６０へと入射され、レーザ光２０とレーザ光２４が空間的に分離され、また、レーザ光２４はＳ偏光成分とＰ偏光成分に所望の光路差が発生し、それぞれ光遅延発生装置６０からレーザ光２５とレーザ光２６として出射される。

本実施の形態では、二段の波長変換素子および光遅延発生装置を適用する構成を挙げたが、同様の構成を拡張することにより、三段以上の波長変換にも本発明を適用することが可能である。

（実施の形態４）
図５は本発明の実施の形態４の投射型画像表示装置を示す構成図である。本実施の形態は、実施の形態１〜３で示した本発明の光遅延発生装置、および第二高調波発生によるレーザ光源を備えた投射型画像表示装置である。

光遅延発生装置３０から出射されたレーザ光２２、レーザ光２３はそれぞれ偏光方向が直交している直線偏光であり、かつコヒーレンス長以上の光路差があるため、お互いに干渉しない。これらレーザ光２２、２３は、回転マイクロレンズアレイ１０１を通過した後でロッドインテグレータ１０２へと入射される。ロッドインテグレータ１０２からの出射光は、リレー光学系１０３および反射ミラー１０４を経由して空間光変調素子であるデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）１０５へと結像される。ＤＭＤ１０５からの反射光は投射光学系１０６によってスクリーン１０７へと投射される。

本実施の形態の投射型画像表示装置は、光遅延発生装置３０によって干渉性のないレーザ光２２と２３を出射しているが、その際、基本波の不要なレーザ光２０と、波長変換された照明用レーザ光２１との空間的な分離を、光遅延発生装置３０の内部で行うことができるため、新たな波長選択手段を設ける必要がなく、装置の小型化が可能となっている。

スクリーン１０７上に形成されるスペックルは、レーザ光２２とレーザ光２３で相関のない独立したパターンとなるため、レーザ光スペックルノイズが低減される。さらに、レーザ光の位相を時間的に変調する位相変調手段として、ロッドインテグレータ１０２の直前に回転マイクロレンズアレイ１０１を挿入している。回転マイクロレンズアレイ１０１が回転することにより、時間的に様々な位相を持つレーザ光がスクリーン１０７に投射されることになり、一層スペックルノイズが低減される。

なお、本実施の形態では、照明に使用するレーザ光として波長５３２ｎｍの緑色の単色光を用いた投射型画像表示装置を例に挙げたが、赤色および青色のレーザ光を併用したフルカラーの投射型画像表示装置にも容易に拡張できる。例えば、緑色のレーザ光２２と２３に加えて、赤色と青色のレーザ光を本発明の光遅延発生装置に入射し、その出射光をロッドインテグレータ１０２に入射すればよい。

また、空間光変調素子として、二次元空間変調素子であるＤＭＤの代わりに、一次元および二次元の走査を伴うスキャン型のミラーデバイスを使用することも可能である。

本発明の光遅延発生装置およびそれを用いた投射型画像表示装置は、スペックルノイズの低減と不要光の効率的な除去を可能とし、レーザ光源を用いたプロジェクターなどの投射型画像表示装置に有用である。

本発明の実施の形態１に係る光遅延発生装置の概略構成図 本発明の実施の形態１に係る光遅延発生装置のプリズムの寸法図 本発明の実施の形態２に係る光遅延発生装置の概略構成図 本発明の実施の形態３に係る光遅延発生装置の概略構成図 本発明の実施の形態４に係る投射型画像表示装置の概略構成図

符号の説明

１０ 基本波レーザ光源
１１ 波長変換素子
２０ 基本波レーザ光
２１ 第二高調波レーザ光
２２ Ｓ偏光の第二高調波レーザ光
２３ Ｐ偏光の第二高調波レーザ光
２４ 第二高調波レーザ光
２５ Ｓ偏光の第二高調波レーザ光
２６ Ｐ偏光の第二高調波レーザ光
３０ 光遅延発生装置
３１、３２ プリズム
４１ 偏光分離手段
４２ 波長選択手段
４３ プリズム界面
５０ 偏光調整手段
６０ 光遅延発生装置
１０１ 回転マイクロレンズアレイ
１０２ ロッドインテグレータ
１０３ リレー光学系
１０４ 反射ミラー
１０５ ＤＭＤ
１０６ 投射光学系
１０７ スクリーン

Claims (7)

1. 少なくとも２つの異なる波長を有するレーザ光より構成される入射光のうち、少なくとも１つの波長のレーザ光のＰ偏光成分とＳ偏光成分を分離する偏光分離手段と、
   前記Ｐ偏光成分と前記Ｓ偏光成分との間に前記レーザ光のコヒーレンス長以上の光路差を発生させる光路差発生手段と、
   前記レーザ光を空間的に分離する波長選択手段とを備え、
   前記偏光分離手段と前記光路差発生手段と前記波長選択手段が１つの光学系で構成されていることを特徴とする光遅延発生装置。
2. 前記偏光分離手段に入射する前記レーザ光のＰ偏光成分とＳ偏光成分の強度比を変える偏光調整手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光遅延発生装置。
3. 前記レーザ光のうち、１つのレーザ光の波長が、残りのレーザ光のうちの１つのレーザ光の波長の整数倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光遅延発生装置。
4. レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を映像信号に応じて変調を行う空間光変調素子と、前記空間光変調素子から出射されたレーザ光をスクリーンに投射する投射光学系とを備える投射型画像表示装置であって、前記空間光変調素子を照明する照明光学装置が、少なくとも２つの異なる波長を有するレーザ光より構成される入射光のうち、少なくとも１つの波長のレーザ光のＰ偏光成分とＳ偏光成分を分離する偏光分離手段と、前記Ｐ偏光成分と前記Ｓ偏光成分との間に前記レーザ光のコヒーレンス長以上の光路差を発生させる光路差発生手段と、前記入射光のうち少なくとも１つの波長のレーザ光を空間的に分離する波長選択手段とを備えた光遅延発生装置を具備し、前記光遅延発生装置における前記偏光分離手段と前記光路差発生手段と前記波長選択手段が１つの光学系で構成されることを特徴とする投射型画像表示装置。
5. 前記光遅延発生装置が、前記偏光分離手段に入射する前記レーザ光のＰ偏光成分とＳ偏光成分の強度比を変える偏光調整手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の投射型画像表示装置。
6. 前記レーザ光のうち、１つのレーザ光の波長が、残りのレーザ光のうちの１つのレーザ光の波長の整数倍であることを特徴とする請求項４又は５に記載の投射型画像表示装置。
7. 前記レーザ光源と前記空間光変調素子との間に、前記レーザ光の位相を時間的に変調する位相変調手段を有していることを特徴とする請求項４又は５に記載の投射型画像表示装置。