JP2013037335A - 照明装置および表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】照明装置は、レーザ光源を含んで構成され、このレーザ光源から出射されたレーザ光が所定の周波数で間欠的に出射される光源部と、この光源部から間欠的に出射されたレーザ光が通過する光学素子と、この光学素子を所定の駆動周波数で駆動することにより、レーザ光における可干渉性を変化させる駆動部とを備えている。上記周波数をf1[Hz]、上記光学素子から出射される照明光において光学素子に対する駆動により生ずる輝度の変動周波数をf2[Hz]、n1を0以上かつ10以下の任意の整数、n2,n3をそれぞれ0以上かつ10以下の所定の整数としたとき、所定の式を満たす。
【選択図】図1
Description
|2×f2−n1×f1|≧20 ……(1)
|2×f2−n2×f1|≦3 ……(2)
f2≧20 ……(3)
f2≦3 ……(4)
|f2−n1×f1|≧20 ……(5)
|f2−n3×f1|≦3 ……(6)
1.実施の形態(光学素子としてプリズムアレイを用いた例)
2.変形例
変形例1(発光波形のデューティ≠50%、発光波形がなまっている場合の例)
変形例2(発光周波数が複数の周波数成分を含む場合の例)
変形例3(振動周波数と照明光における輝度の変動周波数との関係を考慮した例)
変形例4(発光周波数および振動周波数を制御部によって動的に制御する例)
変形例5(光学素子として回折素子を用いた例)
変形例6(光学素子として液晶素子を用いて電気的に振動させる例)
変形例7(輝度むらにおいてホワイトノイズを考慮した例)
その他の変形例
[表示装置3の全体構成]
図1は、本開示の一実施の形態に係る表示装置(表示装置3)の全体構成を表すものである。この表示装置3は、スクリーン30(被投射面)に対して映像(映像光)を投射する投射型の表示装置であり、照明装置1と、この照明装置1からの照明光を用いて映像表示を行うための光学系(表示光学系)とを備えている。
照明装置1は、赤色レーザ11R、緑色レーザ11G、青色レーザ11B、レンズ12R,12G,12B、ダイクロイックプリズム131,132、光学素子(プリズムアレイ)14、駆動部15、コリメータレンズ16、フライアイレンズ17およびコンデンサレンズ18を備えている。なお、図中に示したZ0は光軸を表している。
前述した表示光学系は、偏光ビームスプリッタ(PBS;Polarization Beam Splitter)22、反射型液晶素子21および投射レンズ23(投射光学系)を用いて構成されている。
(1.表示動作)
この表示装置3では、図1に示したように、まず照明装置1において、赤色レーザ11R、緑色レーザ11Gおよび青色レーザ11Bからそれぞれ出射された光(レーザ光)が、レンズ12R,12G,12Bによってそれぞれコリメートされ、平行光となる。次いで、このようにして平行光とされた各レーザ光(赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光)は、ダイクロイックプリズム131,132によって色合成(光路合成)がなされる。光路合成がなされた各レーザ光は、プリズムアレイ14を通過したのち、コリメータレンズ16によってコリメートされて平行光となり、フライアイレンズ17へ入射する。この入射光は、フライアイレンズ17によって均一化(面内の強度分布の均一化)がなされて出射したのち、コンデンサレンズ18によって集光される。このようにして、照明装置1から照明光が出射される。
次に、本開示の特徴的部分の作用(照明装置1の作用)について、比較例と比較しつつ詳細に説明する。
図5は、比較例に係る表示装置(表示装置100)の全体構成を表したものである。この比較例の表示装置100は、本実施の形態の表示装置3と同様に、スクリーン30に対して映像光を投射する投射型の表示装置である。表示装置100は、赤色レーザ101R、緑色レーザ101G、青色レーザ101B、ダイクロイックミラー102R,102G,102B、拡散素子103、モータ(駆動部)104、レンズ105、光変調素子106および投射レンズ107を備えている。
一方、本実施の形態の照明装置1においても、レーザ光が通過する光学素子(プリズムアレイ)14が振動(微小振動)するように、駆動部15によって光学素子140を駆動する。これにより、以下詳述するようにして、レーザ光に起因したスペックルノイズ(干渉パターン)の発生が低減する。
まず、プリズムアレイ14では、各プリズム140への入射光が、以下のようにして一対の傾斜面から出射する。すなわち、図6に示したように、各プリズム140の一対の傾斜面において、入射光の位置と、プリズムアレイ14から所定の距離を隔てた面上(ここでは、フライアイレンズ17の入射面上)における出射光の位置とが互いに入れ替わるように、出射光が出射する。具体的には、プリズムアレイ14における前述した1個目のプリズム140では、傾斜面S1および傾斜面S2の間で、入射光の入射位置と、フライアイレンズ17の入射面上における出射光の位置とが、互いに入れ替わる。すなわち、傾斜面S1からの出射光は、傾斜面S2への入射光の入射位置(1個目のプリズム140の出射面内における下方側)に向かって出射する一方、傾斜面S2からの出射光は、傾斜面S1への入射光の入射位置(1個目のプリズム140の出射面内における上方側)に向かって出射する。同様に、前述した(n/2)個目のプリズム140では、傾斜面Sn-1および傾斜面Snの間で、入射光の入射位置と、フライアイレンズ17の入射面上における出射光の位置とが、互いに入れ替わる。すなわち、傾斜面Sn-1からの出射光は、傾斜面Snへの入射光の入射位置((n/2)個目のプリズム140の出射面内における下方側)に向かって出射する一方、傾斜面Snからの出射光は、傾斜面Sn-1への入射光の入射位置((n/2)個目のプリズム140の出射面内における上方側)に向かって出射する。なお、このような入射光と出射光との位置の入れ替わり作用は、図4中に示したプリズムピッチdおよび傾斜角θの設定によって、任意に調整可能となっている。
(輝度むらの発生原理の概要)
ところで、このようにして光学素子(プリズムアレイ14)を微小振動させた場合、干渉パターンの発生については低減されるものの、場合によっては、例えば図8に示したような輝度むら(照明むら)が照明光において発生し、表示画質低下の要因となってしまう。このような輝度むらは、比較例のような拡散板の代わりにプリズムアレイ14を用いて干渉パターンの発生を低減させていることに起因している。
ここで、図12および図13を参照して、上記した輝度むらの発生原理の詳細について説明する。
・第一構成周波数1 …… f0
・第一構成周波数2 …… {(2X−1)×f1}
・第二構成周波数 …… {f0±(2X−1)×f1}
・f0 … 第一構成周波数1
・(2f0+X”f1) … 白色で示した部分(「ビート周波数B」)
・(f0+X”f1) … 灰色(薄い色のハッチング)で示した部分
(「ビート周波数C」)
以上説明した輝度むら(ビート現象)の発生原理を考慮して、本実施の形態の照明装置1では、そのような輝度むらの発生を低減する(ビート現象が視認されにくくなる)ように、以下の所定の条件式が満たされるようになっている。すなわち、上記した第一構成周波数1(f0)、ビート周波数B,Cのいずれの周波数もが、上記した3Hz以下となるか、あるいは上記した20Hz以上となるように設定されている。
|2×f2−n1×f1|≧20 ……(1)
|2×f2−n2×f1|≦3 ……(2)
f2≧20 ……(3)
f2≦3 ……(4)
|f2−n1×f1|≧20 ……(5)
|f2−n3×f1|≦3 ……(6)
|2×f2−n1×f1|≧50 ……(8)
|2×f2−n2×f1|≦0.5 ……(9)
f2≧50 ……(10)
f2≦0.5 ……(11)
|f2−n1×f1|≧50 ……(12)
|f2−n3×f1|≦0.5 ……(13)
(1/f32)≦A0 ……(7)
続いて、上記実施の形態の変形例(変形例1〜7)について説明する。なお、実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
まず、上記実施の形態では、例えば図17(A),(C)に示したように、レーザ光の発光波形(矩形波)が急峻に立ち上がり、周波数の奇数倍の高周波しか存在しない場合を仮定した。ただし、実際には、例えば図17(B),(D)に示したように、レーザ光の発光波形の立ち上がりが、液晶の応答速度等に起因してなまることも多々ある。また上記実施の形態では、例えば図17(A),(B)に示したように、各レーザ光源11R,11G,11Bの発光波形におけるデューティ=50%に設定されていた。ただし、実際には、例えば図17(C),(D)に示したように、各レーザ光源11R,11G,11Bの発光波形におけるデューティ=33%ずつに設定されているのが一般的である。
また、発光周波数f1が複数の周波数成分を含む(周波数成分が混合している)場合には、上記実施の形態で説明した条件式を満たすように計算された結果(振動周波数f0の範囲)において、全条件の積集合を取った部分が使用可能となる。ただし、例えばf1=60Hzとf1=120Hzとのような倍数関係の混在がある場合、60Hzの考察の際には120Hzの高調波は考慮済みであるため、低倍の結果について有効となる。
更に、これまでは、光学素子14の振動周波数f0=照明光における輝度の変動周波数f2(照明光において光学素子14の振動により生ずる輝度の変動周波数)であるものと仮定した条件下において説明していた。ただし、実際には、これらの振動周波数f0と変動周波数f2とは一致しないことが多い。例えば図19に示したように、光学素子14が1次元配列のシリンドリカルレンズアレイであって、この光学素子14の振動の際の振幅がこの2倍周期である場合、光学素子14の1周期振動で得られる輝度分布の明滅(変動周波数f2)は、振動周波数f0の4倍となる(f2=4×f0)。
f2=(2×N×f0) ……(14)
|4N×f0−n1×f1|≧20 ……(15)
|4N×f0−n2×f1|≦3 ……(16)
2N×f0≧20 ……(17)
2N×f0≦3 ……(18)
|2N×f0−n1×f1|≧20 ……(19)
|2N×f0−n3×f1|≦3 ……(20)
|4N×f0−n2×f1|≦0.5 ……(22)
2N×f0≧50 ……(23)
2N×f0≦0.5 ……(24)
|2N×f0−n1×f1|≧50 ……(25)
|2N×f0−n3×f1|≦0.5 ……(26)
図22は、変形例4に係る表示装置(表示装置3A)の全体構成を表すものである。本変形例の表示装置3Aは、上記実施の形態の表示装置3において、照明装置1の代わりに以下説明する照明装置1Aを設けるようにしたものであり、他の構成は同様となっている。
図23は、変形例5に係る照明装置(照明装置1B)の要部構成(一部の構成)を表したものである。本変形例の照明装置1Bは、本開示における「光学素子」の一具体例として、上記実施の形態および変形例1で説明したプリズムアレイ14の代わりに、以下説明する回折素子14Bを設けたものであり、他の構成は照明装置1と同様となっている。
(表示装置3Cの構成)
図24は、変形例6に係る表示装置(表示装置3C)の全体構成を表すものである。本変形例の表示装置3Cは、上記実施の形態の表示装置3において、照明装置1の代わりに以下説明する照明装置1Cを設けると共に、1つの投射レンズ23の代わりに一対の投射レンズ23a,23bを設けるようにしたものであり、他の構成は同様となっている。
この表示装置3Cでは、まず、照明装置1Cから照明装置1と同様にして、照明光が出射される。次いで、この照明光は、偏光ビームスプリッタ22によって選択的に反射され、反射型液晶素子21へ入射する。反射型液晶素子21では、この入射光が映像信号に基づいて変調されつつ反射されることにより、映像光として出射する。このようにして反射型液晶素子21から出射した映像光は、選択的に偏光ビームスプリッタ22を透過する。そして、偏光ビームスプリッタ22を透過した映像光は、投射レンズ23a、液晶素子14Cおよび投射レンズ23bをこの順に通過し、スクリーン30に対して投射(拡大投射)される。
これまで(実施の形態および変形例1〜6)の例では、照明光における輝度の変動周波数f2として、最大の振幅成分を持つ主要周波数を採用する場合について説明してきた。これに対して本変形例では、照明光における輝度むらにおいて、例えば以下説明するいわゆるホワイトノイズを含む場合のように、そのような主要周波数が存在しない場合について説明する。
以上、実施の形態および変形例を挙げて本開示の技術を説明したが、本技術はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。
[1]
レーザ光源を含んで構成され、前記レーザ光源から出射されたレーザ光が所定の周波数で間欠的に出射される光源部と、
前記光源部から間欠的に出射されたレーザ光が通過する光学素子と、
前記光学素子を所定の駆動周波数で駆動することにより、前記レーザ光における可干渉性を変化させる駆動部と
を備え、
前記周波数をf1[Hz]、前記光学素子から出射される照明光において前記光学素子に対する駆動により生ずる輝度の変動周波数をf2[Hz]、n1を0以上かつ10以下の任意の整数、n2,n3をそれぞれ0以上かつ10以下の所定の整数としたとき、
以下の(1)式または(2)式を満たし、かつ、以下の(3)式または(4)式を満たし、かつ、以下の(5)式または(6)式を満たす
照明装置。
|2×f2−n1×f1|≧20 ……(1)
|2×f2−n2×f1|≦3 ……(2)
f2≧20 ……(3)
f2≦3 ……(4)
|f2−n1×f1|≧20 ……(5)
|f2−n3×f1|≦3 ……(6)
[2]
前記(1)式、前記(3)式または前記(5)式を満たす場合において、
前記光学素子に対する駆動が停止しているときにおける前記照明光の輝度分布の空間周波数を、低周波側から順にf31,…,f3M(M:2以上の整数)とし、かつ、
前記光学素子を駆動しているときにおける前記照明光の輝度分布の空間振幅をA0としたとき、
以下の(7)式を更に満たす
上記[1]に記載の照明装置。
(1/f32)≦A0 ……(7)
[3]
前記光源部は、複数種類の波長のレーザ光を出射するものであり、
前記複数種類の波長のうち、少なくとも、視感度が最も高い色に対応する波長のレーザ光における前記周波数について、
前記(1)式または前記(2)式を満たし、かつ、前記(3)式または前記(4)式を満たし、かつ、前記(5)式または前記(6)式を満たす
上記[1]または[2]に記載の照明装置。
[4]
前記複数種類の波長のうち、少なくとも、視感度が相対的に高い2色以上の各色に対応する波長のレーザ光における前記周波数について、
前記(1)式または前記(2)式を満たし、かつ、前記(3)式または前記(4)式を満たし、かつ、前記(5)式または前記(6)式を満たす
上記[3]に記載の照明装置。
[5]
前記複数種類の波長の全てのレーザ光における前記周波数について、
前記(1)式または前記(2)式を満たし、かつ、前記(3)式または前記(4)式を満たし、かつ、前記(5)式または前記(6)式を満たす
上記[4]に記載の照明装置。
[6]
前記(1)式または前記(2)式を満たし、かつ、前記(3)式または前記(4)式を満たし、かつ、前記(5)式または前記(6)式を満たすように、前記駆動周波数および前記周波数をそれぞれ動的に制御する制御部を備えた
上記[1]ないし[5]のいずれかに記載の照明装置。
[7]
前記(3)式を満たす
上記[1]ないし[6]のいずれかに記載の照明装置。
[8]
以下の(8)式または(9)式を満たし、かつ、以下の(10)式または(11)式を満たし、かつ、以下の(12)式または(13)式を満たす
上記[1]ないし[7]のいずれかに記載の照明装置。
|2×f2−n1×f1|≧50 ……(8)
|2×f2−n2×f1|≦0.5 ……(9)
f2≧50 ……(10)
f2≦0.5 ……(11)
|f2−n1×f1|≧50 ……(12)
|f2−n3×f1|≦0.5 ……(13)
[9]
前記(10)式を満たす
上記[8]に記載の照明装置。
[10]
前記レーザ光源は、前記周波数としての所定の発光周波数により、間欠的に前記レーザ光を出射する
上記[1]ないし[9]のいずれかに記載の照明装置。
[11]
前記駆動部は、前記光学素子を駆動することにより、前記レーザ光の位置、角度、偏光および位相のうちの少なくとも1つを変化させる
上記[1]ないし[10]のいずれかに記載の照明装置。
[12]
前記駆動部は、前記駆動周波数としての所定の振動周波数によって、前記光学素子を機械的に振動させることにより、前記レーザ光の位置および角度のうちの少なくとも一方を変化させる
上記[11]に記載の照明装置。
[13]
前記光学素子は、自身の振動方向に沿って配列された複数の単位構造を有し、
前記振動周波数をf0、(前記光学素子が振動する際の振幅/前記振動方向に沿った前記単位構造のピッチ)=Nとしたとき、
f2=(2×N×f0)を満たす
上記[12]に記載の照明装置。
[14]
前記駆動部は、前記駆動周波数によって前記光学素子を電気的に振動させることにより、前記レーザ光の偏光および位相のうちの少なくとも一方を変化させる
上記[11]に記載の照明装置。
[15]
前記光学素子が液晶素子である
上記[14]に記載の照明装置。
[16]
前記光源部は、赤色光、緑色光または青色光を発する3種類の光源を有する
上記[1]ないし[15]のいずれかに記載の照明装置。
[17]
前記3種類の光源のうちの少なくとも1つが、前記レーザ光源である
上記[16]に記載の照明装置。
[18]
照明光を出射する照明装置と、
前記照明光を映像信号に基づいて変調する光変調素子と
を備え、
前記照明装置は、
レーザ光源を含んで構成され、前記レーザ光源から出射されたレーザ光が所定の周波数で間欠的に出射される光源部と、
前記光源部から間欠的に出射されたレーザ光が通過する光学素子と、
前記光学素子を所定の駆動周波数で駆動することにより、前記レーザ光における可干渉性を変化させる駆動部と
を有し、
前記周波数をf1[Hz]、前記光学素子から出射される照明光において前記光学素子に対する駆動により生ずる輝度の変動周波数をf2[Hz]、n1を0以上かつ10以下の任意の整数、n2,n3をそれぞれ0以上かつ10以下の所定の整数としたとき、
以下の(1)式または(2)式を満たし、かつ、以下の(3)式または(4)式を満たし、かつ、以下の(5)式または(6)式を満たす
表示装置。
|2×f2−n1×f1|≧20 ……(1)
|2×f2−n2×f1|≦3 ……(2)
f2≧20 ……(3)
f2≦3 ……(4)
|f2−n1×f1|≧20 ……(5)
|f2−n3×f1|≦3 ……(6)
[19]
前記光変調素子により変調された照明光を被投射面に対して投射する投射光学系を更に備えた
上記[18]に記載の表示装置。
[20]
前記光学素子が、前記投射光学系における瞳近傍または瞳の共役点近傍に配置されている
上記[19]に記載の表示装置。
Claims (20)
- レーザ光源を含んで構成され、前記レーザ光源から出射されたレーザ光が所定の周波数で間欠的に出射される光源部と、
前記光源部から間欠的に出射されたレーザ光が通過する光学素子と、
前記光学素子を所定の駆動周波数で駆動することにより、前記レーザ光における可干渉性を変化させる駆動部と
を備え、
前記周波数をf1[Hz]、前記光学素子から出射される照明光において前記光学素子に対する駆動により生ずる輝度の変動周波数をf2[Hz]、n1を0以上かつ10以下の任意の整数、n2,n3をそれぞれ0以上かつ10以下の所定の整数としたとき、
以下の(1)式または(2)式を満たし、かつ、以下の(3)式または(4)式を満たし、かつ、以下の(5)式または(6)式を満たす
照明装置。
|2×f2−n1×f1|≧20 ……(1)
|2×f2−n2×f1|≦3 ……(2)
f2≧20 ……(3)
f2≦3 ……(4)
|f2−n1×f1|≧20 ……(5)
|f2−n3×f1|≦3 ……(6) - 前記(1)式、前記(3)式または前記(5)式を満たす場合において、
前記光学素子に対する駆動が停止しているときにおける前記照明光の輝度分布の空間周波数を、低周波側から順にf31,…,f3M(M:2以上の整数)とし、かつ、
前記光学素子を駆動しているときにおける前記照明光の輝度分布の空間振幅をA0としたとき、
以下の(7)式を更に満たす
請求項1に記載の照明装置。
(1/f32)≦A0 ……(7) - 前記光源部は、複数種類の波長のレーザ光を出射するものであり、
前記複数種類の波長のうち、少なくとも、視感度が最も高い色に対応する波長のレーザ光における前記周波数について、
前記(1)式または前記(2)式を満たし、かつ、前記(3)式または前記(4)式を満たし、かつ、前記(5)式または前記(6)式を満たす
請求項1に記載の照明装置。 - 前記複数種類の波長のうち、少なくとも、視感度が相対的に高い2色以上の各色に対応する波長のレーザ光における前記周波数について、
前記(1)式または前記(2)式を満たし、かつ、前記(3)式または前記(4)式を満たし、かつ、前記(5)式または前記(6)式を満たす
請求項3に記載の照明装置。 - 前記複数種類の波長の全てのレーザ光における前記周波数について、
前記(1)式または前記(2)式を満たし、かつ、前記(3)式または前記(4)式を満たし、かつ、前記(5)式または前記(6)式を満たす
請求項4に記載の照明装置。 - 前記(1)式または前記(2)式を満たし、かつ、前記(3)式または前記(4)式を満たし、かつ、前記(5)式または前記(6)式を満たすように、前記駆動周波数および前記周波数をそれぞれ動的に制御する制御部を備えた
請求項1に記載の照明装置。 - 前記(3)式を満たす
請求項1に記載の照明装置。 - 以下の(8)式または(9)式を満たし、かつ、以下の(10)式または(11)式を満たし、かつ、以下の(12)式または(13)式を満たす
請求項1に記載の照明装置。
|2×f2−n1×f1|≧50 ……(8)
|2×f2−n2×f1|≦0.5 ……(9)
f2≧50 ……(10)
f2≦0.5 ……(11)
|f2−n1×f1|≧50 ……(12)
|f2−n3×f1|≦0.5 ……(13) - 前記(10)式を満たす
請求項8に記載の照明装置。 - 前記レーザ光源は、前記周波数としての所定の発光周波数により、間欠的に前記レーザ光を出射する
請求項1に記載の照明装置。 - 前記駆動部は、前記光学素子を駆動することにより、前記レーザ光の位置、角度、偏光および位相のうちの少なくとも1つを変化させる
請求項1に記載の照明装置。 - 前記駆動部は、前記駆動周波数としての所定の振動周波数によって、前記光学素子を機械的に振動させることにより、前記レーザ光の位置および角度のうちの少なくとも一方を変化させる
請求項11に記載の照明装置。 - 前記光学素子は、自身の振動方向に沿って配列された複数の単位構造を有し、
前記振動周波数をf0、(前記光学素子が振動する際の振幅/前記振動方向に沿った前記単位構造のピッチ)=Nとしたとき、
f2=(2×N×f0)を満たす
請求項12に記載の照明装置。 - 前記駆動部は、前記駆動周波数によって前記光学素子を電気的に振動させることにより、前記レーザ光の偏光および位相のうちの少なくとも一方を変化させる
請求項11に記載の照明装置。 - 前記光学素子が液晶素子である
請求項14に記載の照明装置。 - 前記光源部は、赤色光、緑色光または青色光を発する3種類の光源を有する
請求項1に記載の照明装置。 - 前記3種類の光源のうちの少なくとも1つが、前記レーザ光源である
請求項16に記載の照明装置。 - 照明光を出射する照明装置と、
前記照明光を映像信号に基づいて変調する光変調素子と
を備え、
前記照明装置は、
レーザ光源を含んで構成され、前記レーザ光源から出射されたレーザ光が所定の周波数で間欠的に出射される光源部と、
前記光源部から間欠的に出射されたレーザ光が通過する光学素子と、
前記光学素子を所定の駆動周波数で駆動することにより、前記レーザ光における可干渉性を変化させる駆動部と
を有し、
前記周波数をf1[Hz]、前記光学素子から出射される照明光において前記光学素子に対する駆動により生ずる輝度の変動周波数をf2[Hz]、n1を0以上かつ10以下の任意の整数、n2,n3をそれぞれ0以上かつ10以下の所定の整数としたとき、
以下の(1)式または(2)式を満たし、かつ、以下の(3)式または(4)式を満たし、かつ、以下の(5)式または(6)式を満たす
表示装置。
|2×f2−n1×f1|≧20 ……(1)
|2×f2−n2×f1|≦3 ……(2)
f2≧20 ……(3)
f2≦3 ……(4)
|f2−n1×f1|≧20 ……(5)
|f2−n3×f1|≦3 ……(6) - 前記光変調素子により変調された照明光を被投射面に対して投射する投射光学系を更に備えた
請求項18に記載の表示装置。 - 前記光学素子が、前記投射光学系における瞳近傍または瞳の共役点近傍に配置されている
請求項19に記載の表示装置。
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