JP2009151221A - 照明装置、画像表示装置及び偏光変換拡散部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザ光を射出するレーザ光源と、該レーザ光源から射出されたレーザ光を複数種の偏光方向に変換して射出させる複数の領域を有する偏光変換部43とを備え、レーザ光源から射出されたレーザ光、あるいは、偏光変換部43から射出されたレーザ光を拡散させ被投射面50を照明することを特徴とする。
【選択図】図2
Description
そのプロジェクタの照明装置として、従来はメタルハライドランプやハロゲンランプ等が利用されていたが、近年では照明装置およびプロジェクタの小型化を図るため、半導体レーザ(LD)の利用が提案されている。レーザ光源の利点として、小型化以外にも、色再現性がよいことや、輝度およびコントラストの高い映像表示が可能であること、瞬時点灯が可能であることなどが挙げられる。
特許文献1に記載のディスプレイ装置では、レーザ光源から射出された光は拡散素子により拡散され、拡散された光はレンズにより空間的光変調器に集束される。そして、空間的光変調器によって画像に変換された光は観察面に表示される。
また、特許文献3の技術では、光拡散角変換素子の散乱角と投射レンズの飲み込み角との関係を最適化することにより、多くの散乱パターンをスクリーン上に投影できるため、明るく、かつ、スペックルを低減した画像を投影可能である。しかしながら、この構成の場合も人間の眼で知覚できないレベルまでスペックルノイズを低減することは難しい。
本発明の照明装置は、レーザ光を射出するレーザ光源と、該レーザ光源から射出されたレーザ光を複数種の偏光方向に変換して射出させる複数の領域を有する偏光変換部とを備え、前記レーザ光源から射出されたレーザ光、あるいは、前記偏光変換部から射出されたレーザ光を拡散させ被投射面を照明することを特徴とする。
本発明に係る画像表示装置では、偏光変換部には凹部が形成され、凹部によりレーザ光源から射出されたレーザ光を拡散させるため、装置全体の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。
したがって、中間像形成光学系により中間像を形成することで、より確実に光拡散部の位置に中間像を形成することができるため、被投射面に投射される画像のスペックルノイズをより確実に低減することが可能となる。
本発明に係る画像表示装置では、偏光変換部が投射手段の開口絞りまたは瞳位置に配置されているため、様々な空間周波数に異なる偏光情報を与えることが可能となる。したがって、被投射面に投射される画像のスペックルノイズをより低減することが可能となる。
本発明に係る画像表示装置では、光拡散部が回折素子であるため、光拡散部において拡散されるレーザ光の拡散角を所定の範囲内にすることができる。したがって、レーザ光の利用効率を向上させることが可能となる。
本発明に係る画像表示装置では、偏光変換部は、常光線と異常光線との位相差が異なる複屈折性材料からなるため、領域ごとに偏光方向を効率良く変換することが可能となる。
本発明に係る画像表示装置では、サンドブラスト処理により、簡易な方法で、凹部を形成することが可能となる。
本発明に係る画像表示装置では、複数の領域の1つの大きさが、投射手段の開口絞りの大きさより小さいため、スペックルノイズを確実に低減することが可能となる。
本発明のプロジェクタの第1実施形態について、図1から図5を参照して説明する。
本実施形態においては、プロジェクタとして空間光変調装置で生成された画像情報を含む色光を投射系を介してスクリーン上に投射する投射型のプロジェクタを例に挙げて説明する。
プロジェクタ1は、光源装置(レーザ光源)10と、光変調装置20と、ダイクロイックプリズム(色光合成手段)30と、投射装置(投射手段)40とを備えている。また、以下の説明においては、光変調装置を液晶ライトバルブと称する。
また、液晶ライトバルブ(光変調装置)20は、赤色光源装置10Rから射出されたレーザ光を画像情報に応じて光変調する2次元の透過型の赤色用光変調装置20Rと、緑色光源装置10Gから射出されたレーザ光を画像情報に応じて光変調する2次元の透過型の緑色用光変調装置20Gと、青色光源装置10Bから射出されたレーザ光を画像情報に応じて光変調する2次元の透過型の青色用光変調装置20Bとからなる。さらに、ダイクロイックプリズム30は、各光変調装置20R,20G,20Bにより変調された各色光を合成するものである。
また、投射装置40は、ダイクロイックプリズム30で合成されたレーザ光をスクリーン(被投射面)50上に投射するものである。
投射装置40は、図2に示すように、光路上に第1レンズ群41と、偏光変換板(偏光変換部)43と、第2レンズ群45とをこの順に備えている。偏光変換板43は、中心部である回転軸Pを中心にアクチュエータ(図示略)により回転される。なお、偏光変換板43の中心部を回転軸Pとしたが、これに限らず、偏光変換板43の端部を回転軸Pとしても良い。
さらに、偏光変換板43は、図3に示すように、第1レンズ群41により形成された中間像Tが形成される位置に配置されている。偏光変換板43の各領域Aの大きさは、中間像Tの大きさより小さくなっている。また、第1レンズ群41は等倍結像レンズであるため、液晶ライトバルブ20R,20G,20Bの画像形成領域の大きさが中間像Tと略同じ大きさである。したがって、偏光変換板43の各領域Aの大きさは、液晶ライトバルブ20R,20G,20Bの画像形成領域の大きさより、小さくなっている。
なお、偏光変換板43の各領域Aの大きさが開口絞り42の大きさより小さくしても良い。
本実施形態では、偏光変換板43の領域Aの大きさは、すべて同じであるが、すべて異なっていても良く、また、何種類かの大きさが混ざっていても良い。
また、偏光変換板43は、光弾性係数の高い材料、例えば、ポリカーボネートから形成されている。そして、ポリカーボネートは、延伸時に材料に加わる応力により、延伸方向とそれと略垂直な方向とに異なる屈折率を有することが可能であり、1軸性の光学異方性を有する複屈折材料として機能する。
ここで、偏光変換板43を形成する材料の光弾性係数をC[Pa−1]とし、延伸時に材料に加わる応力をσ[Pa]とすると、常光線と異常光線との屈折率差は、
また、屈折率差Δnを有する材料は、隣接する領域Aの厚みの差をdとすると、
まず、各光源装置10R,10G,10Bから射出された赤色光,緑色光,青色光は、均一なレーザ光となり、角度調整用光学素子14に入射する。角度調整用光学素子14から射出された均一な赤色光,緑色光,青色光は、液晶ライトバルブ20R,20G,20Bに入射し、ダイクロイックプリズム30で合成される。
合成されたレーザ光は、第1レンズ群41を介して偏光変換板43に入射する。偏光変換板43に入射するレーザ光の偏光方向は、直線偏光となっている。そして、偏光変換板43において、領域Aごとに偏光方向が変換された後、射出端面43bで拡散される。したがって、偏光変換板43からは、偏光方向の異なる複数種の直線偏光や楕円率の異なる楕円偏光が射出される。そして、領域Aごとに偏光方向の異なる画像が、第2レンズ群45によりスクリーン50に投射される。このとき、スクリーン50に投射されるレーザ光も、領域Aごとに偏光方向の異なるレーザ光となる。
また、中間像が形成される位置に偏光変換板43が配置されているため、中間像Tを領域Aごとに偏光方向を変換し拡散するため、より確実にスペックルノイズを低減することが可能となる。また、第1レンズ群41により中間像を形成するため、より確実に偏光変換板43の位置に中間像Tを形成することが可能となる。
また、偏光変換板43が、凹部43Mを有し各光源装置10R,10G,10Bから射出されたレーザ光を拡散させるため、装置全体の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。
つまり、本実施形態のプロジェクタ1は、より確実にスペックルノイズを低減することが可能である。
また、偏光変換板43を回転させる構成にしたがスクリーンの形状等によっては、回転させなくても良い。さらに、偏光変換板43を揺動させる構成であっても良い。
また、拡散機能を有する偏光変換板43を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、偏光変換板43とは別にレーザ光を拡散する光拡散部を備えていても良い。この構成では、偏光変換板43と光拡散部とを近接、または、接触させて配置しても良い。また、偏光変換板43と光拡散部とを別々に設けた場合は、少なくとも光拡散部を中間像が形成される位置に配置すれば良い。このように、光拡散部を備えることにより、レーザ光をより確実に拡散することができるため、よりスペックルノイズを低減することができる。
また、射出端面43bに凹部43Mが形成された偏光変換板43を用いたが、入射端面43aにも凹部が形成されていても良い。
また、光変調装置として、透過型の液晶ライトバルブを用いたが、反射型の液晶ライトバルブ、DMD(Digital Mirror Device),LCOS(Liquid Crystal On Silicon)のいずれであっても良い。
次に、本発明に係る第2実施形態について、図6を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態の図面において、上述した第1実施形態に係るプロジェクタ1と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係るプロジェクタ60では、第1実施形態と同様の偏光変換板43が光源(レーザ光源)61と反射型ライトバルブ64との光路の間に配置されている点において第1実施形態と異なる。その他の構成においては第1実施形態と同様である。
光源61は、レーザ光を射出するLD(Laser Diode)である。ホログラム素子62は、光源61から射出されたレーザ光を矩形上の照明光に変換する素子である。
偏光変換板43は、第1実施形態と同様に、入射したレーザ光を領域Aごとに偏光方向を異ならせ拡散させるものであり、回転軸Pを中心に回転可能となっている。したがって、ホログラム素子62から射出されたレーザ光が偏光変換板43を通過することにより、複数種の偏光方向を有するレーザ光が複数の領域から拡散されて射出される。
反射型ライトバルブ(光変調装置)64は、平行化レンズ63から射出された平行なレーザ光を画像信号に応じて変調する。反射型ライトバルブ64としては、例えば、DMD(Digital Mirror Device)を用いることが可能である。
投射装置65は、複数のレンズにより構成されており、反射型ライトバルブ64において変調された画像をスクリーン50に向かって投射するものである。
まず、光源61から射出されたレーザ光は、ホログラム素子62により矩形状のレーザ光に変換され、偏光変換板43に入射する。偏光変換板43に入射するレーザ光の偏光方向は、直線偏光となっている。そして、偏光変換板43において、領域ごとに偏光方向が変換され拡散されたレーザ光は、複数種の直線偏光や楕円率の異なる楕円偏光となり、反射型ライトバルブ64に入射する。そして、反射型ライトバルブ64で反射された領域ごとに偏光方向の異なる画像が、投射装置65によりスクリーン50に投射される。このとき、スクリーン50に投射されるレーザ光も、領域ごとに偏光方向の異なるレーザ光となる。
また、光変調装置として、DMDを用いたが、これに限るものではなく、偏光板を通す必要のない光変調装置であれば良い。
また、カラーの画像をスクリーン50に投射するには、光源61として、赤色光、緑色光、青色光のレーザ光源をダイクロイックプリズムなどで合成し、ホログラム素子62に入射させる。このときRGBの光源それぞれを時分割で駆動させる。この構成により、カラーの画像をスクリーン50に投射することができる。
次に、本発明に係る第3実施形態について、図7を参照して説明する。
本実施形態に係るプロジェクタ(画像表示装置)70では、偏光変換板51と、光拡散板52とが別々に設けられている点において、第2実施形態と異なる。
また、光拡散板(光拡散部)52が、反射型ライトバルブ64と投射装置65との間の光路上に配置されている。光拡散板52は、例えば、凹凸部を有するガラス板であり、反射型ライトバルブ64から射出されたレーザ光を拡散させ、投射装置65に入射させる。なお、光拡散板52は、投射装置40の中間像位置に配置されている。また、反射型ライトバルブ64と光拡散板52との間には、中間像を形成するために、中間像レンズ66が設けられている。
また、図9に示すように、第1実施形態と同様に、第1レンズ群41の前段レンズ群41aと後段レンズ群41bとの間に開口絞り42を備えた構成において、開口絞り42の開口42aに偏光変換部69が設けられた構成であっても良い。
以上のように、開口絞り42の位置に偏光変換部68,69が設けられた構成の場合、各領域Aの大きさと開口絞り42の開口42aの大きさT1との関係は、図10に示すように、複数の領域Aの1つの大きさは、開口絞り42の開口42aの大きさより小さくなっている。
なお、偏光変換板68,69の配置は開口絞り67,42の開口67a,42aに限らず、瞳位置に配置されていても良い。
さらに、第1レンズ群41から射出されたレーザ光が、偏光変換板51,光拡散板52の順に入射する構成としたが、光拡散板52,偏光変換板51の順に入射する構成であっても良い。
また、光変調装置として、第1実施形態のように透過型の液晶ライトバルブを用い、偏光変換板51と、光拡散板52とを別々に設ける場合、偏光変換板51を液晶ライトバルブ20R,20G,20Bとスクリーン50との間の光路上に配置し、光拡散板52を光源装置10と液晶ライトバルブ20R,20G,20Bとの間の光路上に配置する。すなわち、光変調装置が液晶ライトバルブ20R,20G,20Bである場合、偏光部材を用いて特定の偏光方向のレーザ光が液晶ライトバルブ20R,20G,20Bに入射する。そこで、偏光変換板51を液晶ライトバルブ20R,20G,20Bの後段側に配置することにより、効率良く領域ごとに偏光方向の異なるレーザ光をスクリーン50に投射することが可能となる。
次に、本発明に係る第4実施形態について、図11を参照して説明する。
本実施形態に係るプロジェクタでは、偏光変換板73及び光拡散板74が一体的に形成されたディフューザ71である点において第3実施形態と異なる。その他の構成においては第3実施形態と同様である。
ディフューザ(偏光変換拡散部材)71は、図11に示すように、ポリカーボネートからなる基材72の一方の面72aに偏光変換部73が形成され、一方の面72aと反対の他方の面72bに光拡散部74が形成されている。すなわち、本実施形態の偏光変換部73及び光拡散部74は、同一材料で一体的に形成された構成である。また、レーザ光はディフューザ71の一方の面72aから入射する。
偏光変換部73は、図5に示す第1実施形態の偏光変換部43のように凹部72Mを備えている。これにより、複数種の偏光方向を有するレーザ光が複数の領域Aから射出されるようになっている。
さらに、偏光変換部73と光拡散部74との間に界面が生じないため、偏光変換部73から射出され、光拡散部74に入射する光は、偏光変換部73と、光拡散部74との間で屈折が生じない。したがって、後段に配置された第2レンズ群45の有口径以上に、レーザ光が拡散するのを抑えることができる。
なお、レーザ光を基材72の一方の面72aから入射させたが、他方の面72bから入射させても良い。
次に、本発明に係る第5実施形態について、図12を参照して説明する。
本実施形態に係るプロジェクタでは、偏光変換部77及び光拡散部78が一体的に構成されたディフューザ75である点において第3実施形態と異なる。その他の構成においては第3実施形態と同様である。
偏光変換部77は、図5に示す第1実施形態の偏光変換部43のように凹部76Mを備えている。これにより、複数種の偏光方向を有するレーザ光が複数の領域Aから射出されるようになっている。
光拡散部78は、2次元アレイ状に複数の溝78aを有する表面レリーフ型の回折素子である。
さらに、基材76の他方の面76bには、光拡散部78である表面レリーフ型の回折素子が形成されているため、光拡散部78において拡散されるレーザ光の拡散角を所定の範囲内にすることができる。したがって、レーザ光の利用効率を向上させることが可能となる。
次に、本発明に係る第6実施形態について、図13を参照して説明する。
本実施形態に係るプロジェクタでは、偏光変換板をサンドブラストにより形成する方法について説明する。なお、本実施形態では、領域Aの大きさが異なる偏光変換板80となっている。
偏光変換板(偏光変換部)80は、図13に示すように、ポリカーボネートからなる基材81に複数の凹部81aが形成されている。基材81の厚みをtとすると、t>λ/(2・△n)であり、λ/2以上の位相差を得ることができるようにする。
凹部81aの形成方法としては、隣接する領域Aの厚みの最大の差dがλ/2の位相差、すなわち、d(max)=Re(max)/△n=λ/(2・△n)となるように、基材81の表面81bにサンドブラストメディア82を吹き付けるサンドブラスト処理により表面を加工する。
このように、サンドブラスト処理によって偏光変換板80を形成することにより、簡易な方法で、基材81に凹部81aを形成することができる。
次に、本発明に係る第7実施形態について、図14を参照して説明する。
本実施形態に係るプロジェクタでは、偏光変換板をフォトリソグラフィ法及びエッチングにより形成する方法について説明する。なお、本実施形態では、領域Aの大きさが異なる偏光変換板90となっている。
偏光変換板(偏光変換部)90は、図14に示すように、ポリカーボネートからなる基材91に複数の凹部91aが形成されている。基材91の厚みをtとすると、t>λ/(2・△n)であり、λ/2以上の位相差を得ることができるようにする。
凹部91aの形成方法としては、隣接する領域Aの厚みの最大の差dがλ/2の位相差、すなわち、d(max)=Re(max)/△n=λ/(2・△n)となるように、基材91の表面91bに領域Aごとに開口率(開口部93の大きさ)及び透過率(開口部93を透過する光線の割合)が異なるマスク92を用いる。そして、基材91の表面91bにレジストを塗布し、基材91と対向するマスク92の面92aと反対の面92bから光線を照射し、レジストをパターニングする。その後、エッチング処理を施すことにより、凹部91aが形成される。
また、エッチング処理の方法は、ドライエッチングでもウェットエッチングでも良い。また、透過率変調マスク(面積階調を含む)を用いることにより、レジスト残膜量を自由に変更することができるため、エッチングの深さを自由に変更することが可能である。すなわち、偏光変換板90を所望の位相差に調整することも容易に可能となる。
また、凹部91aのパターニングに用いるマスク92は、メタルマスクを用いて直接加工しても良い。
例えば、色光合成手段として、ダイクロイックプリズムを用いたが、これに限るものではない。色光合成手段としては、例えば、ダイクロイックミラーをクロス配置とし色光を合成するもの、ダイクロイックミラーを平行に配置し色光を合成するものを用いることができる。
また、照明装置、たとえば、レーザ加工機、レーザ露光機に用いる偏光変換部として、第1実施形態の偏光変換部に限らず、第2〜第7実施形態のいずれの偏光変換部及び光拡散部を用いても良い。
また、液晶ライトバルブを備えずに、例えば、画像情報を含むスライド(ポジフィルム)の面を照明装置で照明し、スクリーン上に画像情報を含む光を投射する、所謂スライドプロジェクタに、上述の実施形態の照明装置を適用することも可能である。
Claims (23)
- レーザ光を射出するレーザ光源と、
該レーザ光源から射出されたレーザ光を複数種の偏光方向に変換して射出させる複数の領域を有する偏光変換部とを備え、
前記レーザ光源から射出されたレーザ光、あるいは、前記偏光変換部から射出されたレーザ光を拡散させ被投射面を照明することを特徴とする照明装置。 - 拡散されたレーザ光、あるいは、前記偏光変換部から射出されたレーザ光を前記被投射面に投射する投射手段を備えることを特徴とする照明装置。
- レーザ光を射出するレーザ光源と、
該レーザ光源から射出されたレーザ光を複数種の偏光方向に変換して射出させる複数の領域を有する偏光変換部と、
前記レーザ光源から射出されたレーザ光を画像信号に応じて変調する光変調装置と、
該光変調装置により変調されたレーザ光を被投射面に投射する投射手段とを備え、
前記レーザ光源から射出されたレーザ光を拡散させ前記被投射面を照射することを特徴とする画像表示装置。 - 前記偏光変換部には凹部が形成され、該凹部により前記レーザ光源から射出されたレーザ光を拡散させることを特徴とする請求項3に記載の画像表示装置。
- 前記偏光変換部には凹部が形成され、
前記レーザ光源から射出されたレーザ光を拡散させる光拡散部を備えることを特徴とする請求項3に記載の画像表示装置。 - 前記偏光変換部及び前記光拡散部が、前記光変調装置と前記被投射面との間の光路上に配置され、
少なくとも前記光拡散部が、前記光変調装置から射出されたレーザ光により中間像が形成される位置に配置されていることを特徴とする請求項5に記載の画像表示装置。 - 前記光変調装置と前記光拡散部との間の光路上に中間像形成光学系が配置され、
前記中間像形成光学系により前記中間像が形成されることを特徴とする請求項6に記載の画像表示装置。 - 前記偏光変換部及び前記光拡散部が、前記光源と前記光変調装置との間の光路上に配置され、
前記光変調装置が、反射型光変調装置であることを特徴とする請求項5に記載の画像表示装置。 - 前記偏光変換部が前記投射手段の開口絞りまたは瞳位置に配置されていることを特徴とする請求項3から請求項8のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 基材の一方の面に前記偏光変換部が形成され、前記一方の面と反対の他方の面に前記光拡散部が形成されていることを特徴とする請求項5から請求項9のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記光拡散部が前記他方の面に2つの光を干渉させることにより形成されることを特徴とする請求項10に記載の画像表示装置。
- 前記光拡散部が回折素子であることを特徴とする請求項10に記載の画像表示装置。
- 前記偏光変換部及び前記光拡散部のうち、一方が前記光源と前記光変調装置との間に配置され、他方が前記光変調装置と前記被投射面との間に配置されていることを特徴とする請求項5に記載の画像表示装置。
- 前記光変調装置が、透過型の液晶素子であり、
前記偏光変換部が、前記液晶素子と前記被投射面との間の光路上に配置され、
前記光拡散部が、前記光源と前記液晶素子との間の光路上に配置されていることを特徴とする請求項13に記載の画像表示装置。 - 前記偏光変換部により前記光源から射出されたレーザ光の偏光方向を前記領域ごとに変換した後、変換されたレーザ光を前記光拡散部により拡散させることを特徴とする請求項5から請求項13のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記偏光変換部は、常光線と異常光線との位相差が異なる複屈折性材料からなることを特徴とする請求項3から請求項15のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記レーザ光源から射出されたレーザ光の波長をλとし、前記常光線と前記異常光線との位相差をReとすると、0≦Re≦λ/2であることを特徴とする請求項16に記載の画像表示装置。
- サンドブラスト処理により前記凹部を形成することを特徴とする請求項3から請求項17のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- フォトリソグラフィ法及びエッチングにより前記凹部を形成することを特徴とする請求項3から請求項17のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記複数の領域の1つの大きさは、前記光変調装置の画像形成領域の大きさより小さいことを特徴とする請求項3から請求項19のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記複数の領域の1つの大きさは、前記投射手段の開口絞りの大きさより小さいことを特徴とする請求項3から請求項19のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 入射したレーザ光を複数種の偏光方向に変換して射出させる複数の領域を有する偏光変換部と、
入射したレーザ光を拡散させる光拡散部とを備え、
基材の一方の面に前記偏光変換部が形成され、前記一方の面と反対の他方の面に前記光拡散部が形成され、
前記光拡散部が前記他方の面に2つの光を干渉させることにより形成されることを特徴とする偏光変換拡散部材。 - 入射したレーザ光を複数種の偏光方向に変換して射出させる複数の領域を有する偏光変換部と、
入射したレーザ光を拡散させる光拡散部とを備え、
基材の一方の面に前記偏光変換部が形成され、前記一方の面と反対の他方の面に前記光拡散部が形成され、
前記光拡散部が回折素子であることを特徴とする偏光変換拡散部材。
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