JP2011002547A - レーザ投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ投影装置の光源の干渉性による斑点模様、スペックルを軽減する。
【解決手段】変調されたレーザ光を走査機構にて２次元的に走査して画像投影するレーザ投射装置において、レーザ光源からのレーザ光の集光領域に配置される拡散部１５０と、上記拡散部の入射側で近傍位置に配置され拡散部で生じた後方散乱光２５０を遮る第１絞り部材１６０とを備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光を２次元に偏向走査して画像を投影するレーザ投射装置に関する。

近年、レーザ光源を用いたプロジェクタが提案されており、従来の放電ランプ光源を用いたものと比較すると色再現範囲が大きく取れることから、次世代の高品質映像表示装置として注目されている。しかしながら、レーザのように可干渉な光源を用いた場合、光の干渉に起因してコントラストの高い斑点状の模様であるスペックルが発生する。これにより投影画像が浮いたように見え、映像品質が低下してしまう。一方、スペックルの発生は、レーザを使うこと自体に起因しているので、完全に除去することは原理的に難しい。従って、スペックルを除去するよりも、目立たない程度にまで低減する方法が望まれている。

スペックルを低減する方法の一つとして、光路内に拡散板を設けることは良く知られている。例えば、特許文献１では、レーザ光源を用いたプロジェクタの光学系において、光源像を再結合する第１光学系と、再結合させた光を拡散する（角度拡大する）拡散素子とを備えて、多くの角度成分を有する光を同時に発生させている。該構成により、拡散させた多数の光ビームが互いに重なり合い干渉部分が分散されることになる。その結果、投影画像におけるスペックルの低減が図られる。

米国特許公開２００８／０２９７７３１Ａ１

近年、注目されている超小型プロジェクタとして、レーザ走査式プロジェクタがある。これは、レーザ光源と、レーザ光を２次元的にスクリーン上に走査する走査手段とを有し、変調された、つまり映像情報を含むレーザ光を走査手段で走査して画像投影するレーザ投射装置である。又、これとは別の、プロジェクタの方式であって、液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micromirror Device）といった２次元空間変調素子を照明し、変調された画像を投影レンズで投影する方式と比較すると、上記レーザ走査式プロジェクタは、投影レンズが不要であるため、小型化を図ることができ、また、レーザ光源を直接変調することにより、例えば、黒い画面のときにはレーザの発光がなく、低消費電力化を図ることができるという利点がある。

このようなレーザ走査式のレーザ投射装置においても、上述したように、光路内に拡散板（角度拡大素子）を配置することでスペックルの低減を図ることが可能である。その一方、拡散板を設けたことによる不具合も発生する。
即ち、拡散板は、当該拡散板を透過する光の角度拡大を行うことができるが、一方、拡散板で反射し光源側へ戻る光、つまり後方散乱光も発生させる。この後方散乱光が光源付近の機構部品で再度反射し散乱すると、映像用の投影光と同じ経路を通って、走査手段に入りスクリーンに到達する可能性が大きい。このような不要な光が再びスクリーンに到達することはゴーストを生じさせ、投影画像品質を著しく低下させる。よって、ゴーストの発生を無くし必要な光のみをスクリーンに照射することは、映像品質面では重要である。
また、光源としてレーザを使用することから、上記後方散乱光が装置外へ漏れることは、当該プロジェクタの使用者に対して不快感を与えることからも、後方散乱光を低減する必要がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、光路内に拡散部を備えるとともにレーザ光を２次元に偏向走査して画像を投影するレーザ投射装置において、従来に比べて映像品質を向上可能なレーザ投射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様におけるレーザ投射装置は、レーザ光を発生し変調するレーザ光源と、上記レーザ光源からのレーザ光を合成し集光する第１光学系と、上記第１光学系にて集光されたレーザ光を再度コリメートする第２光学系と、上記第２光学系にてコリメートされたレーザ光を反射部にて反射して２次元的に走査しスクリーンへ画像投影する走査機構とを備えたレーザ投射装置であって、さらに、
上記第１光学系と上記第２光学系との間の光路中で、上記第１光学系にてレーザ光が集光される集光領域に配置され、上記第２光学系へ出射する透過光の出射角度を拡大する拡散部と、
上記拡散部のレーザ光入射側で上記拡散部に近接した入射側近接位置で光路中に配置され、上記第１光学系からの入射光を通過させる第１開口を有し、上記拡散部で発生し上記第１光学系側へ戻る後方散乱光を遮る第１絞り部材と、
を備えたことを特徴とする。

又、上記第１態様において、上記第１絞り部材は、上記拡散板に対向し平面にて形成され上記第１開口を有する出射側面と、上記出射側面に対向しレーザ光の入射側に位置する入射側面から上記第１開口に向けて傾斜する斜面を有する漏斗状部とを有するように構成してもよい。

又、上記第１態様において、上記入射側近接位置は、上記拡散部から１．５ｍｍを超えない範囲で、上記第１開口の直径と上記拡散部からの距離との比例係数が１．１から２．８の間で設定される距離にてなる位置とすることができる。

又、上記第１態様において、上記第２光学系と上記走査機構との間に設けられ、上記走査機構への入射側で走査光を遮ることのない近傍位置に位置し、上記コリメートされ上記反射部へ向かう上記入射光を通過させ上記反射部外へ向かう漏れ光を遮る第２開口を有する第２絞り部材をさらに備えるように構成してもよい。

又、上記第１態様において、上記拡散部のレーザ光出射側で上記拡散部に近接した出射側近接位置に配置され、上記拡散部からの透過光の内、上記第２光学系に入射する光を制限して上記拡散部で発生した前方散乱光を遮る第３開口を有する第３絞り部材をさらに備えるように構成してもよい。

本発明の第１態様におけるレーザ投射装置によれば、拡散部を備えることでスペックルの低減を図るとともに、拡散部にて生じる後方散乱光を遮る第１絞り部材をさらに備えた。後方散乱光は、拡散部に入射するレーザ光が当該拡散部で反射して再び第１光学系側へ向かう光であり、該後方散乱光が第１光学系等の構成部分にて再び反射し映像用の入射光に混入した場合等、映像品質の劣化を引き起こす原因となる。そこで、第１絞り部材を、拡散部のレーザ光入射側で拡散部に近接した入射側近接位置に配置した。即ち、拡散部にて発生した後方散乱光は、様々な方向へ進むことから、拡散部に対して上記入射側近接位置に第１絞り部材を配置することで、後方散乱光の光路長が短いうちに、言い換えると散乱領域が狭いうちに、再び第１光学系側へ向かう後方散乱光を効果的に遮ることができる。したがって、後方散乱光が再び映像用入射光に混入するのを低減することができ、本第１態様のレーザ投射装置によれば、従来に比べて映像品質の向上を図ることが可能となる。
又、本第１態様のレーザ投射装置は走査型であるので、小型化及び低消費電力化を図ることができるという効果もある。

本発明の一実施形態におけるレーザ投射装置の概略構成を示す図である。 図１に示す第１光学系及び第２光学系の一部分の拡大図である。 図２に示す第１絞り部材の拡大図である。 図１に示すレーザ投射装置において、拡散部に対して第１絞り部材を遠方に配置した場合の状態を示す図である。 図１に示すレーザ投射装置において、拡散部に対して第１絞り部材を近傍に配置した場合の状態を示す図である。 図１に示すレーザ投射装置の構成部分の一部について、各実施例における構成例を表にて示した図である。

本発明の実施形態であるレーザ投射装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。

既に説明したように、レーザ走査式のレーザ投射装置において、映像品質の向上を図るために重要な点は、スペックル低減のため光路に設けた拡散部で発生する後方散乱光によるゴーストの発生を低減することである。本実施形態のレーザ投射装置において、上記ゴースト発生低減のための手法について、まずその概要を以下に説明し、その後で実施形態における構成を説明する。

まず本実施形態のレーザ投射装置の概略構成について図１を参照して簡単に説明すると、本実施形態のレーザ投射装置１０１は、レーザ走査式のレーザ投射装置であり、レーザ光源１１０からの出射光の集光領域に拡散部１５０を配置し、拡散部１５０を透過し再びコリメートされたレーザ光を走査機構１４０にてスクリーン２０１に走査し映像を生成するという構成を有する。

このような構成において、光路中に設けた拡散部１５０で発生する後方散乱光、つまり拡散部１５０からレーザ光源１１０側へ向かう光を遮るためには、遮光部材に相当する絞り部材を適切に配置する必要がある。上記絞り部材の設置場所は、当然ながら、拡散部１５０の入射側であるが、光源近傍ではその効果が小さい。即ち、図４（図４Ａ及び図４Ｂ）に示すように、集光レンズ１２３による集光領域に拡散部１５０が配置されたとき、拡散部１５０からは、拡散部１５０の例えば入射側へ向かって後方散乱光２５０が出射される。尚、図４では、拡散部１５０の一例として透光性の拡散板を例に採る。また、図４では一例として、拡散部１５０の出射側面１５０ａにて入射光が反射して後方散乱光２５０となる場合を図示しているが、後方散乱光２５０は、拡散部１５０の入射側面１５０ｂでも発生し、また、後方散乱光２５０の出射向きも図示の場合に限らず多方向である。

このような状態において、図４Ａに示すように、拡散部１５０から離れた位置、例えば集光レンズ１２３の近傍に絞り部材１６９を設けた場合、絞り部材１６９の開口１６９ａは、集光レンズ１２３の出射光を通過させる大きさが必要であり、比較的大きくなる。よって、当該開口１６９ａを通過可能な後方散乱光２５０は多くなり、ゴースト発生の可能性が高くなってしまう。

これに対し、図４Ｂに示すように、絞り部材１６０を拡散部１５０の入射側の近傍位置に設けた場合には、絞り部材１６０の開口１６０ｃは、集光レンズ１２３にてレーザ光が集光されたビーム径を通過させる大きさでよく、上記開口１６９ａに比べて格段に小さい。したがって、図４Ａの場合と同方向へ生じた後方散乱光２５０であっても、開口１６０ｂを通過することはできず、後方散乱光２５０は、絞り部材１６０にて遮られる。よって、このときゴーストは発生しない。
このように、絞り部材１６０は、拡散部１５０の入射側で拡散部１５０に近接して配置するのが良い。

次に、後方散乱光によるものではないが、映像におけるゴーストの発生を低減し映像品質を向上させる手法として、走査機構１４０の入射側に第２絞り部材１７０（図１）を配置するのが良い。その際に、走査機構１４０の外側への漏れ光（ゴースト）を少なくするため、上記第２絞り部材は、走査機構１４０に近いほどよい。好ましくは、直前がよいが、走査機構１４０からはスクリーン２０１への走査光が射出されるので、走査光を遮らない範囲で最も走査機構１４０の近傍に配置するのがよい。

上述した絞り部材１６０（以下、第１絞り部材１６０と呼ぶ）、及び第２絞り部材１７０について、実際には、スクリーン２０１への走査に用いる光に悪影響を与える光は、走査機構１４０の直前で規制することになるので、拡散部１５０の直前に配置する第１絞り部材１６０では、入射光を規制しないのが好ましい。その理由は、第１絞り部材１６０及び第２絞り部材１７０で二重に規制する必要がないこと、及び、上述のように第１絞り部材１６０の設置場所の集光点付近では、入射ビーム径が小さいことから、第１絞り部材１６０の設置精度や第１絞り部材１６０の開口１６０ｃの径精度は、高精度が要求され、位置ずれ等により必要な入射光が遮られる可能性があること、である。したがって、第１絞り部材１６０は、上述のように拡散部１５０で発生する後方散乱光２５０を遮光するように構成し配置すれば良い。

さらに、前方散乱を抑える構成として、拡散部１５０の出射側に第３絞り部材１８０を設けることができる。このとき、図４を参照して説明した理由と同様に、第３絞り部材１８０は、拡散部１５０の出射側で拡散部１５０の直後の位置にて前方散乱光２２２（図２）を抑えるのが好ましい。即ち、第３絞り部材１８０は、拡散部１５０の出射側で拡散部１５０に近接して配置することが好ましい。

次に、以上説明した当該レーザ投射装置の概略構成を元に、本実施形態のレーザ投射装置１０１について、具体的に説明する。

レーザ投射装置１０１は、基本的構成部分として、レーザ光源１１０と、レーザ光源１１０からのレーザ光を合成し集光する第１光学系１２０と、第１光学系１２０にて集光されたレーザ光を再度コリメートし光路変更する第２光学系１３０と、第２光学系１３０にてコリメートされたレーザ光を反射部１４１にて反射してスクリーン２０１に２次元的に走査する走査機構１４０と、拡散部１５０と、第１絞り部材１６０とを備える。これらの基本的構成部分に加え、本実施形態のレーザ投射装置１０１は、上述したようにさらに、第２絞り部材１７０及び第３絞り部材１８０をも備えている。以下に、これらの各構成部分について詳しく説明する。

レーザ光源１１０は、Ｇ（緑色）光を発生するレーザ素子１１１Ｇと、Ｒ（赤色）光を発生するレーザ素子１１１Ｒと、Ｂ（青色）光を発生するレーザ素子１１１Ｂとを備える。レーザ素子１１１Ｇは、例えば、ＰＰＬＮ導波路による第２高調波発生を用いて、波長５３２ｎｍの光を発生する半導体励起の固体レーザで構成される。レーザ素子１１１Ｒは、例えば、波長６３０ｎｍの光を発生する半導体レーザで構成される。レーザ素子１１１Ｂは、例えば、波長４４５ｎｍの光を発生する半導体レーザで構成される。

レーザ素子１１１Ｒ及びレーザ素子１１１Ｂは、レーザチップへの注入電流を直接変調してもよく、あるいはＡＯ（音響光学）素子等の光変調器を別途設けても構わない。レーザ素子１１１Ｇは、励起用レーザチップへの注入電流を直接変調してもよく、あるいはＡＯ素子等の光変調器を別途設けても構わない。また、レーザの変調を直接電流変調で行う際には、高周波変調を行うことが好ましい。

第１光学系１２０は、各レーザ素子１１１Ｇ，１１１Ｒ，１１１Ｂに対応して設けたコリメートレンズ１２１Ｇ，１２１Ｒ，１２１Ｂと、各コリメートレンズ１２１Ｇ，１２１Ｒ，１２１Ｂに対応して設けたダイクロイックミラー１２２−１，１２２−２，１２２−３と、集光レンズ１２３とを備える。

コリメートレンズ１２１Ｇ，１２１Ｒ，１２１Ｂは、一実施例として、ＮＡ（開口数）が０．４で、焦点距離４ｍｍのレンズであり、通過しコリメートされたレーザ光のビーム径は、直径で３．２ｍｍとなる。

ダイクロイックミラー１２２−３は、レーザ素子１１１Ｂにて発生しコリメートレンズ１２１Ｂを通過してコリメートされたＢ（青色）のレーザ光を反射するミラーである。ダイクロイックミラー１２２−２は、上記Ｂ（青色）のレーザ光を透過し、かつレーザ素子１１１Ｒにて発生しコリメートレンズ１２１Ｒを通過してコリメートされたＲ（赤色）のレーザ光を反射するミラーである。つまり、ダイクロイックミラー１２２−２は、上記Ｂ（青色）のレーザ光と、上記Ｒ（赤色）のレーザ光とを合成し出射する。ダイクロイックミラー１２２−１は、上記Ｂ（青色）及び上記Ｒ（赤色）のレーザ光と、レーザ素子１１１Ｇにて発生しコリメートレンズ１２１Ｇを通過してコリメートされたＧ（緑色）のレーザ光とを合成して白色のレーザ光として出射するミラーである。

尚、上述した、レーザ素子１１１Ｇ、レーザ素子１１１Ｒ、及びレーザ素子１１１Ｂと、コリメートレンズ１２１Ｇ，１２１Ｒ，１２１Ｂと、ダイクロイックミラー１２２−１，１２２−２，１２２−３と、集光レンズ１２３とは、それぞれ別個に構成しても良いし、レーザ光源ユニットとして一体的に構成しても良い。

集光レンズ１２３は、ダイクロイックミラー１２２−１でＧ，Ｒ，Ｂのレーザ光が合成された白色のレーザ光を集光するレンズであり、一実施例として、ＮＡが０．２で、焦点距離が８ｍｍのレンズである。

第２光学系１３０は、再コリメートレンズ１３１と、ミラー１３２とを備える。ここで、再コリメートレンズ１３１は、集光レンズ１２３にて集光され、その後拡散するレーザ光２１２（図２）を、走査機構１４０へ照射するために再度コリメートするレンズであり、一実施例として、ＮＡが０．４で、焦点距離が４ｍｍのレンズである。ミラー１３２は、再コリメートレンズ１３１にてコリメートされたレーザ光２１３（図２）を走査機構１４０へ導くために光路を調整するためのミラーである。

走査機構１４０は、再コリメートレンズ１３１にてコリメートされたレーザ光２１３を走査光２１４として反射するミラーにて構成される反射部１４１と、スクリーン２０１に対して走査光２１４が走査するように反射部１４１を駆動する駆動部１４２とを備え、レーザ光をスクリーン２０１上で２次元的に走査する機構である。走査機構１４０は、主走査ミラーと副走査ミラーとを別個に設けた構成でも良いし、単一ミラーに主走査駆動機構及び副走査駆動機構を設けた構成でもよい。本実施形態では、走査機構１４０は、圧電素子によって水平方向及び垂直方向に振動する走査ミラーを備えたＭＥＭＳミラー機構にて構成している。

拡散部１５０は、第１光学系１２０に含まれる集光レンズ１２３と、第２光学系１３０に含まれる再コリメートレンズ１３１との間の光路中で、集光レンズ１２３から出射されたレーザ光２１１（図２）が集光される集光領域に配置され、再コリメートレンズ１３１へ出射する透過光の出射角度を拡大する部材である。拡散部１５０としては、例えば、板状のスリガラスや、マイクロレンズアレイ、回折光学素子、ホログラフィック素子、ビーズ等の拡散剤を混入させた樹脂シート、表面を散乱面とした樹脂シート、等にて構成することができる。このような拡散部１５０は、表面の形状や、部材材質等を調整することで、最適な拡散角度が得られるように制御できることから、好ましい。

拡散部１５０が設置される上記集光領域とは、集光レンズ１２３の焦点位置と、光軸方向において上記焦点位置の前後の範囲に相当する、上記焦点位置の近傍位置との両方を含む範囲をいう。

次に、当該レーザ投射装置１０１における特徴の一つである第１絞り部材１６０について説明する。
概略については上述したように、第１絞り部材１６０は、拡散部１５０のレーザ光入射側で拡散部１５０に近接した入射側近接位置で光路中に配置され、第１光学系１２０に含まれる集光レンズ１２３からのレーザ光２１１を通過させる第１開口１６０ｃを有し、拡散部１５０で発生し第１光学系１２０側へ戻る後方散乱光２５０を遮る部材である。

ここで上記入射側近接位置とは、図２を参照して、拡散部１５０の入射側面１５０ｂと、第１絞り部材１６０の出射側面１６０ａとを接して第１絞り部材１６０が配置される位置、及び、拡散部１５０の入射側面１５０ｂの近傍に第１絞り部材１６０の出射側面１６０ａを位置して第１絞り部材１６０が配置される位置の両方を含む位置である。尚、第１絞り部材１６０を拡散部１５０に接して配置する場合、第１開口１６０ｃの大きさを、集光されたレーザ光２１１のビーム径に略一致させる必要があり、組み立て精度等から当該配置が困難な場合もある。

また、拡散部１５０の入射側面１５０ｂの近傍に第１絞り部材１６０の出射側面１６０ａを位置して第１絞り部材１６０を配置する場合、つまり拡散部１５０の入射側面１５０ｂと、第１絞り部材１６０の出射側面１６０ａとの間に隙間Ａを設ける場合、隙間Ａは、第１絞り部材１６０の第１開口１６０ｃの直径の大小に概略比例して設定可能な距離である。具体的には、隙間Ａは、拡散部１５０から１．５ｍｍを超えない範囲であり、第１開口１６０ｃの直径と、拡散部１５０からの距離つまり隙間Ａとの比例係数が１．１から２．８の間で設定される距離である。これは、距離Ａが１．５ｍｍを超えるとゴーストの発生が多くなり、また、上記比例係数が１．１を下回ると光線のケラレを無くすように第１絞り部材１６０を配置するのが難しくなり、一方、２．８を上回るとゴーストの発生が多くなることに基づく。より好ましくは、上記比例係数は１．２から２．５である。

記載を換えると、隙間Ａは、１ｍｍ以下が好ましく、さらには０．５ｍｍ以下がより好ましい。本実施形態では、隙間Ａを０．５ｍｍとして第１絞り部材１６０を配置している。第１開口１６０ｃは、後方散乱光２５０を有効に遮蔽するためには、０．２ｍｍ程度の直径の開口が好ましいが、この場合には隙間Ａの距離が非常に小さくなり上述のように組み立て精度等から第１絞り部材１６０の配置が困難な場合がある。よって、実際には、第１開口１６０ｃは、約０．３ｍｍ以上となる。
尚、図５には、４つの実施例について、第１絞り部材１６０の第１開口１６０ｃの直径値、その場合の隙間Ａの距離を示している。

第１絞り部材１６０についてさらに詳しく説明すると、図３に示すように、拡散部１５０の入射側面１５０ｂに対向する第１絞り部材１６０の出射側面１６０ａは、平面にて形成され、さらに第１開口１６０ｃを有する。また、図２では図示を簡略化して第１開口１６０ｃは、光軸に平行な周面を有する貫通穴として図示しているが、本実施形態では第１絞り部材１６０は、レーザ光２１１が入射する側の入射側面１６０ｂから出射側面１６０ａの第１開口１６０ｃに向けて傾斜する斜面１６１ａを有する漏斗状部１６１を有する。

即ち、図２に示し、また、上述したように、集光レンズ１２３の出射光は、集光されながら第１絞り部材１６０の入射側面１６０ｂから出射側面１６０ａへ通過し、また、光軸方向において第１絞り部材１６０は、ある程度の厚みを有する。よって、入射側面１６０ｂから出射側面１６０ａへ向かい幅が狭くなっていく斜面１６１ａを形成して出射側面１６０ａに第１開口１６０ｃを位置させることで、レーザ光２１１のビーム径に、より近い口径の第１開口１６０ｃを形成することが可能となり、また、第１絞り部材１６０の剛性を確保することも可能となる。レーザ光２１１のビーム径に、より近い口径の第１開口１６０ｃを形成可能なことは、拡散部１５０からの後方散乱光２５０が第１開口１６０ｃを通過する確率を低減させることから、第１絞り部材１６０による後方散乱光２５０の遮蔽能力の向上にもつながり、ひいては投影される映像品質の向上を図ることが可能となる。

また、第１絞り部材１６０の出射側面１６０ａを平面とすることで、出射側面１６０ａに照射された後方散乱光２５０の出射側面１６０ａにおける反射方向を一定化することができる。よって、出射側面１６０ａを平面とすることは、複数回の反射を繰り返した後方散乱光２５０が第１開口１６０ｃに入射する確率をも低減可能とし、映像品質の向上に寄与する。

さらに、上述のように第１絞り部材１６０の主な機能は、後方散乱光２５０の遮光であることから、少なくとも出射側面１６０ａについて、レーザ光に対して非反射性及び光吸収性の少なくとも一つの特性を有するように、処理を施すこと、例えば黒色でつや消しの面とする等、が好ましい。

次に、上述した、集光レンズ１２３と、再コリメートレンズ１３１と、さらにこれらの間に配置した拡散部１５０との関係について、より具体的に説明を行う。
本実施形態では、第１光学系１２０に含まれる集光レンズ１２３は、上述のようにＮＡが０．２、焦点距離が８ｍｍであるので、図２に示すように集光されるレーザ光２１１において、光軸に対する片側の角度θは１１．５度である。又、第２光学系１３０に含まれる再コリメートレンズ１３１は、上述のようにＮＡが０．４、焦点距離が４ｍｍである。

これらの集光レンズ１２３と、再コリメートレンズ１３１との間では、第１光学系１２０にてレーザ光はコリメートされて集光され、集光後の拡散光は再コリメートレンズ１３１で再度コリメートされている。よって、集光レンズ１２３と再コリメートレンズ１３１との間は、アフォーカルコンバータと同じ役目を果たし、集光レンズ１２３と再コリメートレンズ１３１との焦点距離の相違により、ビーム径を半分にする作用を有する。ここで、再コリメートレンズ１３１のＮＡを０．２ではなく０．４としているのは、拡散部１５０で拡散されたレーザ光も再コリメートレンズ１３１の開口に入射可能とするためである。拡散部１５０は、ＮＡ０．２の集光レンズ１２３の出射光を、ＮＡ０．４の再コリメートレンズ１３１への入射光にする特性までであれば、再コリメートレンズ１３１でのロスはない。したがって、本実施形態では、拡散部１５０での拡散角度は、上記片側で１１．５度以下であれば、拡散するレーザ光２１２は、再コリメートレンズ１３１の有効径に含まれる。

スペックルを低減させるためには、なるべく多くの拡散成分が再コリメートレンズ１３１に入射するのが好ましいことから、拡散部１５０における光の拡散角度は、上記片側１０度等のものがよい。もちろん、１５度や２０度等の拡散角度を有する拡散部でも良いが、本実施形態の構成では、そのような高角度拡散光成分は、再コリメートレンズ１３１に入射できない。

このように、上記アフォーカルコンバータの入射前後では、レーザ光のビーム径は同じであるが、その中身は、拡散成分の有無として異なっており、本実施形態では拡散成分がその面積の３／４を占めているので、スペックル低減の効果が得られる。拡散部１５０は、理想的には例えば１０度の拡散を与えるが、実際にはわずかではあるが、１０度を超える拡散成分も生じる。また、表面反射もあるので、こういったゴーストを除去するために、上述した第１絞り部材１６０、さらには第２及び第３の絞り部材１７０，１８０を設けている。

次に、第２絞り部材１７０及び第３絞り部材１８０について説明する。これらは、レーザ光の進行方向側へ散乱する光、いわゆる前方散乱光を遮るものであり、前方散乱光を遮ることで投影される映像品質の向上を図るものである。

まず、第２絞り部材１７０について説明する。
第２絞り部材１７０は、第２光学系１３０に含まれるミラー１３２と、走査機構１４０との間で、走査機構１４０への入射側で走査光２１４を遮ることのない、走査機構１４０の近傍位置に配置され、第２開口１７１を有する板状の部材である。第２開口１７１は、コリメートされミラー１３２にて反射し走査機構１４０の反射部１４１に入射するレーザ光２１３を通過させ、反射部１４１外へ向かう漏れ光２２１（図２）を遮る開口である。尚、上記漏れ光２２１も前方散乱光の一種と考えることができる。

第２絞り部材１７０の設置位置である上記近傍位置は、本実施形態では、光路長で、再コリメートレンズ１３１から１０ｍｍで、走査機構１４０の入射側で走査機構１４０から５ｍｍの位置である。又、第２開口１７１は、本実施形態では、直径３．２ｍｍである。

また、第２開口１７１は、図２では、光軸に平行な周面を有する貫通穴として図示しているが、これに限らず、第１絞り部材１６０の第１開口１６０ｃのように漏斗状に形成してよい。但し、第２絞り部材１７０では、レーザ光の入射側面１７０ｂで上記漏れ光２２１を遮る必要があることから、第２絞り部材１７０の入射側面１７０ｂを平面とし、該入射側面１７０ｂに第２開口１７１を有する。そして、第２開口１７１から第２絞り部材１７０の出射側面１７０ａに向けて幅が広くなっていく斜面を形成する。また、第２絞り部材１７０の入射側面１７０ｂは、第１絞り部材１６０の出射側面１６０ａと同様に、レーザ光に対して非反射性及び光吸収性の少なくとも一つの特性を有するように処理を施すこと、例えば黒色でつや消しの面とする等、が好ましい。

このように、走査機構１４０の入射側の上記近傍位置に第２絞り部材１７０を配置することで、走査機構１４０の反射部１４１にのみレーザ光２１３を照射することができる。よって、反射部１４１外の領域にはレーザ光が照射されないので、反射部１４１外の領域にて反射して投影用レーザ光に混入する光が低減される。したがって、第２絞り部材１７０を設けることは、投影される映像品質をさらに向上させることに寄与する。

次に、第３絞り部材１８０について説明する。
第３絞り部材１８０は、拡散部１５０のレーザ光出射側で拡散部１５０に近接した出射側近接位置に配置され、第３開口１８１を有する板状の部材である。第３開口１８１は、拡散部１５０からの透過光の内、第２光学系１３０に入射する光を制限して拡散部１５０で発生した前方散乱光２２２（図２）を遮る開口である。

第３絞り部材１８０の設置位置である上記出射側近接位置は、本実施形態では、拡散部１５０の出射側面１５０ａから０．５ｍｍ離れて第３絞り部材１８０の入射側面１８０ｂを配置した位置である。また、上記出射側近接位置とは、拡散部１５０の出射側面１５０ａと、第３絞り部材１８０の入射側面１８０ｂとの間に隙間を設けた第３絞り部材１８０の位置であってもよいし、拡散部１５０の出射側面１５０ａと第３絞り部材１８０の入射側面１８０ｂとを接触させた第３絞り部材１８０の位置であってもよい。
又、第３開口１８１は、直径０．４ｍｍが好ましいが、本実施形態では、誤差等を考慮して直径０．５ｍｍとしている。

また、第３開口１８１は、図２では、光軸に平行な周面を有する貫通穴として図示しているが、これに限らず、第１絞り部材１６０の第１開口１６０ｃのように漏斗状に形成してよい。但し、上述した第２絞り部材１７０の場合と同様に、第３絞り部材１８０の入射側面１８０ｂを平面とし、該入射側面１８０ｂに第３開口１８１を有する。そして、第３開口１８１から第３絞り部材１８０の出射側面１８０ａに向けて幅が広くなっていく斜面を形成する。また、第３絞り部材１８０の入射側面１８０ｂは、第１絞り部材１６０の出射側面１６０ａと同様に、レーザ光に対して非反射性及び光吸収性の少なくとも一つの特性を有するように処理を施すこと、例えば黒色でつや消しの面とする等、が好ましい。

このように、拡散部１５０の出射側の上記出射側近接位置に第３絞り部材１８０を配置することで、拡散部１５０にて発生し第２光学系１３０へ入射する前方散乱光２２２を遮ることができる。よって、前方散乱光２２２が第２光学系１３０の特に再コリメートレンズ１３１へ入射するのが低減されることから、投影用レーザ光に混入する光が低減される。したがって、第３絞り部材１８０を設けることは、投影される映像品質をさらに向上させることに寄与する。

以上のように構成された本実施形態のレーザ投射装置１０１における動作について以下に説明する。
それぞれのレーザ素子１１１Ｇ，１１１Ｒ，１１１Ｂで発生され変調されたレーザ光は、各コリメートレンズ１２１Ｇ，１２１Ｒ，１２１Ｂにてコリメートされた後、各ダイクロイックミラー１２２−１，１２２−２，１２２−３にて合成されて集光レンズ１２３に入射する。集光レンズ１２３にて集光されたレーザ光は、第１絞り部材１６０の第１開口１６０ｃを通過して、集光後、再び拡散するとともに、集光レンズ１２３の集光領域つまり焦点位置あるいはその近傍に配置された拡散部１５０を透過することで出射角度が拡大され、第３絞り部材１８０の第３開口１８１を通過して再コリメートレンズ１３１へ入射される。

このとき、拡散部１５０の上記入射側近接位置に配置された第１絞り部材１６０により、拡散部１５０で生じた後方散乱光２５０を遮ることができ、拡散部１５０の上記出射側近接位置に配置された第３絞り部材１８０により、拡散部１５０で生じた前方散乱光２２２を遮ることができる。

再コリメートレンズ１３１にて再度コリメートされたレーザ光は、ミラー１３２を介して第２絞り部材１７０の第２開口１７１を通過し、走査機構１４０の反射部１４１に照射される。このとき、第２絞り部材１７０により上記漏れ光２２１を遮ることができる。

反射部１４１に照射されたレーザ光は、走査機構１４０の駆動部１４２にて反射部１４１が駆動され、スクリーン２０１に対して水平方向及び垂直方向に走査される。これによって、スクリーン２０１上に映像が投影される。

尚、本実施形態では、後方散乱光２５０を遮光する第１絞り部材１６０とともに、前方散乱光を遮光する第２絞り部材１７０及び第３絞り部材１８０の両方を設けたが、第１絞り部材１６０に加えて第２絞り部材１７０又は第３絞り部材１８０のいずれか一方を設けてもよい。この場合、上述したように、第２絞り部材１７０の設置を優先するのが好ましい。

図５には、上述した実施形態のレーザ投射装置１０１と基本構成を同じとし、コリメートレンズ１２１Ｇ，１２１Ｒ，１２１Ｂ、集光レンズ１２３、及び再コリメートレンズ１３１においてＮＡ等を変更した構成、並びに、第１〜第３の絞り部材１６０〜１８０における各開口寸法、配置位置を変更した構成を表にして示している。

本発明は、レーザ光を２次元に偏向走査して画像を投影するレーザ投射装置に利用可能である。

１０１…レーザ光源、１２０…第１光学系、１３０…第２光学系、１４０…走査機構、
１４１…反射部、１５０…拡散部、１６０…第１絞り部材、１６０ａ…出射側面、
１６０ｂ…入射側面、１６１…漏斗状部、１６１ａ…斜面、１７０…第２絞り部材、
１７１…第２開口、１８０…第３絞り部材、１８１…第３開口、
２０１…スクリーン、２１４…走査光、２２１…漏れ光、
２２２…前方散乱光、２５０…後方散乱光。

Claims (5)

1. レーザ光を発生し変調するレーザ光源（１１０）と、上記レーザ光源からのレーザ光を合成し集光する第１光学系（１２０）と、上記第１光学系にて集光されたレーザ光を再度コリメートする第２光学系（１３０）と、上記第２光学系にてコリメートされたレーザ光を反射部にて反射して２次元的に走査しスクリーン（２０１）へ画像投影する走査機構（１４０）とを備えたレーザ投射装置であって、さらに、
   上記第１光学系と上記第２光学系との間の光路中で、上記第１光学系にてレーザ光が集光される集光領域に配置され、上記第２光学系へ出射する透過光の出射角度を拡大する拡散部（１５０）と、
   上記拡散部のレーザ光入射側で上記拡散部に近接した入射側近接位置で光路中に配置され、上記第１光学系からの入射光を通過させる第１開口（１６０ｃ）を有し、上記拡散部で発生し上記第１光学系側へ戻る後方散乱光を遮る第１絞り部材（１６０）と、
   を備えたことを特徴とするレーザ投射装置。
2. 上記第１絞り部材は、上記拡散板に対向し平面にて形成され上記第１開口を有する出射側面（１６０ａ）と、上記出射側面に対向しレーザ光の入射側に位置する入射側面（１６０ｂ）から上記第１開口に向けて傾斜する斜面（１６１ａ）を有する漏斗状部（１６１）とを有する、請求項１記載のレーザ投射装置。
3. 上記入射側近接位置は、上記拡散部から１．５ｍｍを超えない範囲で、上記第１開口の直径と上記拡散部からの距離との比例係数が１．１から２．８の間で設定される距離にてなる位置である、請求項１又は２記載のレーザ投射装置。
4. 上記第２光学系と上記走査機構との間に設けられ、上記走査機構への入射側で走査光を遮ることのない近傍位置に位置し、上記コリメートされ上記反射部へ向かう上記入射光を通過させ上記反射部外へ向かう漏れ光を遮る第２開口（１７１）を有する第２絞り部材（１７０）をさらに備えた、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ投射装置。
5. 上記拡散部のレーザ光出射側で上記拡散部に近接した出射側近接位置に配置され、上記拡散部からの透過光の内、上記第２光学系に入射する光を制限して上記拡散部で発生した前方散乱光を遮る第３開口（１８１）を有する第３絞り部材（１８０）をさらに備えた、請求項１から４のいずれかに記載のレーザ投射装置。

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