JP2016114768A - Light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、イメージ光を拡散させて出射する光出射装置に関する。 The present invention relates to a light emitting device that diffuses and emits image light.
特許文献1は、レーザ光源を用いた照明装置において、レーザ光のコヒーレント性に起因して投射映像に発生するスペックルノイズを抑えるために、レーザ光源からの光束を拡散する拡散光学素子と、この拡散光学素子を往復振動させる加振部とを備えた構成を開示している。
しかし、特許文献1の照明装置では、拡散光学素子を振動させることでレーザ光の照射位置をずらしているが、確実に照射位置をずらすためには振動の速度を高速にするなど、複雑な制御が必要となると同時に駆動系にかかる機械的な負荷が増大する。さらに、拡散光学素子の振動を高速とすると、振動に伴う騒音の発生、加振部としてのモータの寿命低下、拡散光学素子の振動に伴う装置全体の振動の発生など、多くの問題を有していた。
However, in the illumination device of
特許文献2は、レーザ光源からの出射光の光路上に、互いに対向する第1拡散部と第2拡散部とを配置し、光路の上流側に位置する第1拡散部を振動させ、光路の下流側に第2拡散部を固定したプロジェクタを開示している。このような構成とすることによって、特許文献1の照明装置のように拡散光学素子が1つのみである装置において、スペックルノイズを抑えるために必要となる振動の高速化が不要となるため、騒音の発生、高速駆動することによるモータの寿命低下、装置全体の振動の発生などを改善することができる。
しかし、特許文献2のプロジェクタにおいては、以下の問題点が存在する。
(1)第1・第2拡散部における光の散乱・吸収によって投影画像の輝度が減少する、
(2)投影光の拡散角度がガウシャン分布の円形にしか出来ない、
(3)拡散角度を意図する数値に収めることが困難である。
However, the projector of
(1) The brightness of the projected image decreases due to light scattering and absorption in the first and second diffusing sections.
(2) The projection light diffusion angle can only be a circular with a Gaussian distribution.
(3) It is difficult to keep the diffusion angle within the intended value.
そこで本発明は、拡散部の駆動の高速化、高速化に伴う制御の複雑化と騒音の発生、拡散部の駆動系の寿命低下、及び、装置全体の振動の発生等を抑えることが可能であり、かつ、投影画像の輝度低下を抑えつつ拡散角度の制約を減らして、スペックルノイズの低減が可能な光出射装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention can suppress the speed of the diffusion unit drive, the control complexity and noise accompanying the increase in speed, the life reduction of the drive system of the diffusion unit, and the occurrence of vibration of the entire apparatus. It is another object of the present invention to provide a light emitting device capable of reducing speckle noise by reducing the restriction on the diffusion angle while suppressing the decrease in luminance of the projected image.
上記課題を解決するために、本発明の光出射装置は、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光に基づいてイメージ光を生成するイメージ光生成部と、イメージ光を拡散させ、第1拡散光として出射する第1拡散部と、第1拡散部と対向して配置され、第1拡散光を拡散させ、第2拡散光として出射する第2拡散部と、第1拡散部と第2拡散部の少なくとも一方を他方に対して相対的に駆動させる駆動部と、を備え、第1拡散部は第1焦点を有し、第2拡散部は第2焦点を有し、第2焦点は、第1拡散部の光軸に直交し、かつ、第1焦点を通る焦点面上に位置し、焦点面を介して、第1拡散部と第2拡散部が互いに対向して配置されていることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, a light emitting device of the present invention includes a light source that emits laser light, an image light generation unit that generates image light based on the laser light emitted from the light source, and diffuses the image light. A first diffuser that emits as the first diffused light, a second diffuser that is disposed opposite to the first diffuser, diffuses the first diffused light, and emits the second diffused light, and the first diffuser And a driving unit that drives at least one of the second diffusing units relative to the other, the first diffusing unit has a first focal point, the second diffusing unit has a second focal point, The two focal points are orthogonal to the optical axis of the first diffusing unit and are located on a focal plane passing through the first focal point, and the first diffusing unit and the second diffusing unit are arranged to face each other through the focal plane. It is characterized by being.
このような構成により、第1拡散部で拡散された光をさらに第2拡散部で拡散できるため、拡散条件のばらつきをランダマイズさせる効果を2つの拡散部に分担させることができ、これにより、各拡散部の駆動速度を抑えることができる。したがって、制御の複雑化、騒音の発生、拡散部の駆動系の寿命低下、及び装置全体の振動の発生等を抑えることができる。また、焦点面を介して、第1拡散部と第2拡散部が互いに対向して配置されているため、投影光の拡散角度の自由度を高めることができる。 With such a configuration, since the light diffused by the first diffusion unit can be further diffused by the second diffusion unit, the effect of randomizing the dispersion of the diffusion conditions can be shared between the two diffusion units, The driving speed of the diffusing unit can be suppressed. Therefore, complicated control, generation of noise, reduction in the life of the drive system of the diffusion unit, generation of vibration of the entire apparatus, and the like can be suppressed. In addition, since the first diffusing unit and the second diffusing unit are arranged to face each other via the focal plane, the degree of freedom in the diffusion angle of the projection light can be increased.
本発明の光出射装置において、第1拡散部と第2拡散部は、それぞれ、マイクロレンズアレイ、ランダムピッチの凹凸パターンの表面形状を有する透明部材、及び、屈折率の異なる素材を部分的に有する透明部材のいずれかからなることが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, each of the first diffusing unit and the second diffusing unit partially includes a microlens array, a transparent member having a surface shape of a concavo-convex pattern having a random pitch, and a material having a different refractive index. It is preferable to consist of any of transparent members.
これにより、投影画像の輝度低下を抑えつつ、投影光の拡散角度の自由度を高めることができる。 Thereby, the freedom degree of the diffusion angle of projection light can be raised, suppressing the brightness fall of a projection image.
本発明の光出射装置において、第1拡散部及び第2拡散部は、複数の微小レンズが列状に配置されたマイクロレンズアレイからなり、第1焦点は第1拡散部が有する複数の微小レンズのいずれかのレンズの焦点であり、第2焦点は第2拡散部が有する複数の微小レンズのいずれかのレンズの焦点であることが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, each of the first diffusing unit and the second diffusing unit includes a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged in a row, and the first focal point is a plurality of microlenses that the first diffusing unit has. It is preferable that the second focal point is the focal point of any one of the plurality of micro lenses included in the second diffusing unit.
これにより、投影画像の輝度低下を抑えつつ、投影光の拡散角度の自由度を高めることができる。 Thereby, the freedom degree of the diffusion angle of projection light can be raised, suppressing the brightness fall of a projection image.
本発明の光出射装置において、第1拡散部及び第2拡散部は、マイクロレンズアレイの微小レンズのピッチ又は配列が互いに一致しないように形成されていることが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, it is preferable that the first diffusing portion and the second diffusing portion are formed so that the pitches or arrangements of the microlenses of the microlens array do not coincide with each other.
これにより、単位時間内に生成される異なるスペックルパターンの発生数を増大させる効果が期待でき、スペックルパターンをランダマイズさせる効果を高めることが可能となり、スペックルノイズを低減できる。 As a result, the effect of increasing the number of different speckle patterns generated within a unit time can be expected, the effect of randomizing the speckle pattern can be enhanced, and speckle noise can be reduced.
本発明の光出射装置において、第1拡散部及び第2拡散部は、それぞれ、空間的に異なる領域を通過する複数の光の進行方向が互いに異なるように偏向させる第1パターンと、空間的に異なる領域を通過する複数の光の位相が互いに異なるように位相差を付与する第2パターンとのいずれかを形成することが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, each of the first diffusing unit and the second diffusing unit includes a first pattern that deflects the traveling directions of a plurality of lights that pass through spatially different regions, and spatially. It is preferable to form any one of a second pattern that gives a phase difference so that phases of a plurality of lights passing through different regions are different from each other.
これにより、拡散条件のばらつきをランダマイズさせる効果をさらに高めることができる。 Thereby, the effect of randomizing the dispersion of the diffusion conditions can be further enhanced.
本発明の光出射装置において、第1拡散部及び第2拡散部は、一方が第1パターンを形成し、他方が第2パターンを形成することが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, it is preferable that one of the first diffusion portion and the second diffusion portion forms a first pattern and the other forms a second pattern.
本発明の光出射装置において、第1拡散部及び第2拡散部は、第1パターンと第2パターンのいずれかの同じパターンを形成することが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, it is preferable that the first diffusing unit and the second diffusing unit form the same pattern of either the first pattern or the second pattern.
本発明の光出射装置において、第1拡散部と第2拡散部は、それぞれの光軸に直交する面内において移動するように駆動されることが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, it is preferable that the first diffusing unit and the second diffusing unit are driven so as to move in a plane orthogonal to the respective optical axes.
本発明の光出射装置において、第1拡散部及び第2拡散部は、それぞれ、列状に配置された複数の微小レンズを有するマイクロレンズアレイであって、第1拡散部は固定され、第2拡散部はその光軸に直交する面内で移動するように駆動され、第2拡散部が第1拡散部に対して相対的に駆動されることによって、第2拡散部の複数の微小レンズが現すパターンの数が次式(1)で表される各行列成分の総和であることが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, each of the first diffusing unit and the second diffusing unit is a microlens array having a plurality of microlenses arranged in a row, and the first diffusing unit is fixed and the second diffusing unit is fixed. The diffusion unit is driven to move in a plane orthogonal to the optical axis, and the second diffusion unit is driven relative to the first diffusion unit, so that the plurality of microlenses of the second diffusion unit are It is preferable that the number of patterns to be expressed is the total sum of each matrix component expressed by the following formula (1).
ここで、
第1拡散部と第2拡散部の光軸に直交する面が、互いに直交するX軸とY軸で定義され、
Δtは、経過時間、
tqは、1フレーム時間、
tpは、第2拡散部が有する微小レンズがとなりの微小レンズの位置に重なるまで移動するのに要する時間、
Vxは、X軸方向における第2拡散部の移動速度、
Pxは、X軸方向における微小レンズの口径、
Vyは、Y軸方向における第2拡散部の移動速度、
Pyは、Y軸方向における微小レンズの口径
である。
here,
The surfaces orthogonal to the optical axis of the first diffusion part and the second diffusion part are defined by the X axis and the Y axis orthogonal to each other,
Δt is the elapsed time,
tq is one frame time,
tp is the time required for the micro lens of the second diffusion unit to move until it overlaps the position of the micro lens next to it,
Vx is the moving speed of the second diffusion part in the X-axis direction,
Px is the aperture of the micro lens in the X-axis direction,
Vy is the moving speed of the second diffusion part in the Y-axis direction,
Py is the aperture of the micro lens in the Y-axis direction.
本発明によると、投影画像の輝度低下を抑えつつ拡散角度の制約を減らして、スペックルノイズの低減が可能な光出射装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a light emitting device capable of reducing speckle noise by reducing the restriction on the diffusion angle while suppressing the decrease in luminance of the projected image.
以下、本発明の実施形態に係る光出射装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。
図1は本実施形態にかかる光出射装置10の構成を示す平面図、図2は、光出射装置10の構成を示すブロック図、図3は、マイクロレンズアレイの構成例を示す斜視図である。各図には、基準座標としてX−Y−Z座標が示されている。図1に示すように、Z1−Z2方向は、第1拡散部40の光軸40cと第2拡散部50の光軸50cの方向に沿っており、X−Y面はZ方向に直交する面である。
Hereinafter, a light emitting device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing the configuration of the
図1に示すように、光出射装置10は、レーザ光源20と、位相変調部30と、集光レンズ31と、第1拡散部40と、第2拡散部50とを備える。位相変調部30、集光レンズ31、第1拡散部40、及び第2拡散部50は、レーザ光源20側から順に配置されている。図2に示すように、光出射装置10は、さらに、制御部70と、メモリ71と、モータドライバ72と、レーザドライバ74と、LCOSドライバ75とを備える。
As shown in FIG. 1, the
レーザ光源20は、可視領域のレーザ光を出射する光源であって、レーザドライバ74から供給される電流量に応じた強度の光を出射する。レーザドライバ74から供給される電流量は制御部70によって制御される。
The
位相変調部30は、図2に示す例では、反射型LCOSである。LCOS(Liquid Crystal On Silicon)は、液晶層とアルミニウムなどの電極層とを有するパネルである。LCOSは、液晶層に電界を与える電極が規則的に並んで複数のピクセルが構成されている。それぞれの電極に与えられる電界強度の変化により、液晶層内の結晶の層の厚さ方向への倒れ角度が変化し、透過するレーザ光はピクセル毎に位相が変化させられる。このようなピクセル毎の位相の変化は、LCOSドライバ75によって制御される。LCOSドライバ75には、予めメモリ71に格納された画像データを読み出した制御部70から、画像データに対応する指示信号が送出され、この指示信号にしたがって、LCOSドライバ75は、LCOSのピクセル毎の位相変化を制御し、これにより所定の位相変調光が生成される。
The
この位相変調光は、フーリエ変換レンズ(FTレンズ)としての集光レンズ31に入射する。集光レンズ31においては、位相変調光を集光するとともにフーリエ変換することにより、イメージ光を生成する。このイメージ光は、第1拡散部40上に結像する。
This phase-modulated light is incident on a
ここで、位相変調部30と集光レンズ31は、レーザ光源20から出射されたレーザ光に基づいてイメージ光を生成するイメージ光生成部を構成する。なお、位相変調部30は、反射型LCOSのほか、透過型LCOSやその他の位相変調素子を用いても良い。また、イメージ光生成部としてガルバノミラーやポリゴンミラーを用い、レーザ光源20からの出射光をガルバノミラーやポリゴンミラーでラインごとにスキャンすることによって、イメージ光を生成することも可能である。
Here, the
第1拡散部40及び第2拡散部50はいずれも透光性のマイクロレンズアレイであって、図3に例示するマイクロレンズアレイ60のように、同一形状の複数の微小レンズ61がX1−X2方向及びY1−Y2方向にそれぞれ列状に一定の間隔で並んだ形態を有する。このマイクロレンズアレイ60は、各微小レンズ61の平面状の第1面が連なった平面部60aと、各微小レンズ61の曲面状の第2面が並んだ曲面部60bとを有する。複数の微小レンズ61は、光軸61cと焦点61fをそれぞれ有しており、焦点61fを結んだ面が焦点面62を形成している。焦点面62は、マイクロレンズアレイ60の光軸60cに直交している。ここで、光軸60cは、マイクロレンズアレイ60全体の中心を結ぶ直線であり、第1拡散部40の光軸40c及び第2拡散部50の光軸50cも同様である。
Each of the
図1に示すように、第1拡散部40と第2拡散部50は、それぞれの光軸40c、50cがレーザ光源20の光軸20c上に載るように配置されており、曲面部40b、50bが互いに対向している。図1に示すように、第1拡散部40の微小レンズ41と第2拡散部50の微小レンズ51は、曲面状の第2面の曲率半径が異なる。第1拡散部40においては、位相変調部30からの出射光が平面部40aに入射して、曲面部40bの各微小レンズ41から拡散光が出射する。これらの拡散光は、第2拡散部50の曲面部50bの各微小レンズ51に入射して、平面部50aから拡散光として出射する。図1に示すように、第2拡散部50から出射する拡散光の拡散角度θ2は、第1拡散部40から出射する拡散光の拡散角度θ1よりも大きい。
As shown in FIG. 1, the
第1拡散部40の微小レンズ41と第2拡散部50の微小レンズ51は、レーザ光源20の光軸20cに直交するXY平面において、ピッチ及び配列が互いに異なるように形成されている。ここで、ピッチとは各微小レンズの光軸の間隔であり、配列とは、XY平面において各微小レンズが並ぶ方向である。
The
第1拡散部40は、各微小レンズ41の後側(像側)の焦点41f(第1焦点)を結んだ焦点面42を有し、第2拡散部50は、その各微小レンズ51の前側(レーザ光源20側)の焦点(第2焦点)が焦点面42に位置するように配置される。したがって、第1拡散部40と第2拡散部50は、焦点面42を介して互いに対向するように配置されている。
The
第1拡散部40は、モータドライバ72によって駆動されるモータ73の回転軸に接続されており、光軸40cを中心として所定の速度で一定方向に回転する。モータドライバ72は、制御部70からの指示信号にしたがって、第1拡散部40の回転速度に対応した電流をモータ73に対して供給する。一方、第2拡散部50は固定されているため、第1拡散部40は第2拡散部50に対して相対的に駆動されることとなる。
The
ここで、第1拡散部40は、回転させるのではなく、光軸40cに関して一定の角度範囲内で、光軸40cを中心として回動させてもよい。また、第1拡散部40を固定として、第2拡散部50を光軸50cを中心として回転又は回動させてもよい。
Here, the
次に、図4と図5を参照して、対向する2つの拡散部として2枚のマイクロレンズアレイを用いた場合と、拡散部としてのマイクロレンズアレイが1枚である場合とにおける、スペックルノイズ低減に寄与する拡散パターン(スペックルパターン)の数の違いについて説明する。図4(A)、(B)は、光軸方向に沿ったZ1−Z2方向において対向する2枚のマイクロレンズアレイD1、D2を用いた場合において、第1マイクロレンズアレイD1の微小レンズL11、L12及び第2マイクロレンズアレイD2の微小レンズL21、L22の配置を示す平面図、図5(A)、(B)は、マイクロレンズアレイが1枚である場合において、マイクロレンズアレイD10の微小レンズL110、L120の配置を示す平面図である。図4(A)と図5(A)は、時間t=0における初期状態の微小レンズの配置を示し、図4(B)と図5(B)は、時間Δtが経過した後の微小レンズの配置を示す図である。以下の説明において「*」は乗算記号である。 Next, referring to FIG. 4 and FIG. 5, the speckle in the case where two microlens arrays are used as the two opposing diffusion parts and the case where there is one microlens array as the diffusion part. The difference in the number of diffusion patterns (speckle patterns) that contribute to noise reduction will be described. FIGS. 4A and 4B show microlenses L11 of the first microlens array D1, when two microlens arrays D1 and D2 facing each other in the Z1-Z2 direction along the optical axis direction are used. FIGS. 5A and 5B are plan views showing the arrangement of the microlenses L21 and L22 of L12 and the second microlens array D2, and FIGS. 5A and 5B are microlenses of the microlens array D10 when there is one microlens array. It is a top view which shows arrangement | positioning of L110 and L120. 4A and 5A show the arrangement of the microlenses in the initial state at time t = 0, and FIGS. 4B and 5B show the microlenses after the time Δt has elapsed. It is a figure which shows arrangement | positioning. In the following description, “*” is a multiplication symbol.
図4(A)、(B)においては、第1マイクロレンズアレイD1は固定されており、第2マイクロレンズアレイD2はXY平面内で変位する。したがって、第1マイクロレンズアレイD1に対して第2マイクロレンズアレイD2が相対的に駆動されている。以下の説明は、図1に示すように、第1拡散部40が駆動され、第2拡散部50が固定される場合にも同様に成り立つものである。
4A and 4B, the first microlens array D1 is fixed, and the second microlens array D2 is displaced in the XY plane. Therefore, the second microlens array D2 is driven relative to the first microlens array D1. The following description holds true similarly when the
図4(A)から図4(B)への時間Δtの経過において、第2マイクロレンズアレイD2のX1−X2方向における移動速度(変位速度)をVxとしたとき、図4(B)に示すように、第2マイクロレンズアレイD2の移動量はVx*Δtとなる。よって、第1マイクロレンズアレイD1の1つのレンズL11に対応するエリアA11内に、微小レンズL21、L22に対応する2つのパターンが形成される。これは、レンズL12に対応するエリアA12についても同様である。これら2つのパターンのX1−X2方向における長さは、図4(B)に示すように、(Px−Vx*Δt)と(Vx*Δt)になる。これらの長さを比率で表現すると、(1−(Vx*Δt)/Px)と((Vx*Δt)/Px)になる。 FIG. 4B shows the movement speed (displacement speed) of the second microlens array D2 in the X1-X2 direction as Vx in the lapse of time Δt from FIG. 4A to FIG. 4B. As described above, the movement amount of the second microlens array D2 is Vx * Δt. Therefore, two patterns corresponding to the microlenses L21 and L22 are formed in the area A11 corresponding to one lens L11 of the first microlens array D1. The same applies to the area A12 corresponding to the lens L12. The lengths of these two patterns in the X1-X2 direction are (Px−Vx * Δt) and (Vx * Δt) as shown in FIG. When these lengths are expressed as a ratio, they are (1− (Vx * Δt) / Px) and ((Vx * Δt) / Px).
第1マイクロレンズアレイD1の1つのレンズに対応するエリア内に、第2マイクロレンズアレイD2の2つの微小レンズに対応するパターンが形成するのは、Y1−Y2方向についても同様であり、1つのレンズのエリア内に形成される2つのパターンの長さの比率は、(1−(Vy*Δt)/Py)と((Vy*Δt)/Py)になる。 The pattern corresponding to the two microlenses of the second microlens array D2 is formed in the area corresponding to one lens of the first microlens array D1 as well in the Y1-Y2 direction. The ratio of the lengths of the two patterns formed in the lens area is (1- (Vy * Δt) / Py) and ((Vy * Δt) / Py).
以上より、スペックルノイズ除去に寄与するパターン数は次式で表すことができる。 From the above, the number of patterns contributing to speckle noise removal can be expressed by the following equation.
ここで、
前記光源の光軸に直交する面が、互いに直交するX軸とY軸で定義され、
Δtは、経過時間、
tqは、1フレーム時間、
tpは、第2マイクロレンズアレイD2が有する微小レンズがとなりの微小レンズの位置に重なるまで移動するのに要する時間、
Vxは、X軸方向における第2マイクロレンズアレイD2の移動速度、
Pxは、X軸方向における第2マイクロレンズアレイD2の微小レンズの口径、
Vyは、Y軸方向における第2マイクロレンズアレイD2の移動速度、
Pyは、Y軸方向における第2マイクロレンズアレイD2の微小レンズの口径
である。
here,
A plane orthogonal to the optical axis of the light source is defined by an X axis and a Y axis orthogonal to each other,
Δt is the elapsed time,
tq is one frame time,
tp is the time required for the micro lens of the second micro lens array D2 to move until it overlaps the position of the adjacent micro lens,
Vx is the moving speed of the second microlens array D2 in the X-axis direction,
Px is the aperture of the micro lens of the second micro lens array D2 in the X-axis direction,
Vy is the moving speed of the second microlens array D2 in the Y-axis direction,
Py is the aperture of the micro lens of the second micro lens array D2 in the Y-axis direction.
なお、観察者とは、光出射装置10から出射されるホログラム画像の観察者であり、1フレーム時間とは、イメージ光によって1フレーム分の画像が表示されるのに要する時間である。
Note that the observer is an observer of the hologram image emitted from the
一方、図5(A)、(B)においては、マイクロレンズアレイD10がXY平面内で変位しているが、第2マイクロレンズアレイは設けられていない。図5(A)から図5(B)への時間Δtの経過においては、マイクロレンズアレイD10のX1−X2方向における移動速度(変位速度)をVxとしたとき、図5(B)に示すように、マイクロレンズアレイD10の移動量はVx*Δtとなる。しかしながら、図5(A)、(B)に示す場合では、拡散部としてのマイクロレンズアレイが1枚であるため、図4(A)、(B)に示す場合のように1つのレンズのエリア内に2つのパターンが形成されるということにはならず、単に同じパターンが移動しただけと考えられる。これは、Y1−Y2方向についても同様である。 On the other hand, in FIGS. 5A and 5B, the microlens array D10 is displaced in the XY plane, but the second microlens array is not provided. In the passage of time Δt from FIG. 5A to FIG. 5B, when the moving speed (displacement speed) in the X1-X2 direction of the microlens array D10 is Vx, as shown in FIG. 5B. Furthermore, the movement amount of the microlens array D10 is Vx * Δt. However, in the case shown in FIGS. 5A and 5B, since there is one microlens array as the diffusing unit, the area of one lens as in the case shown in FIGS. 4A and 4B. Two patterns are not formed, but the same pattern is considered to have moved. The same applies to the Y1-Y2 direction.
以上より、図5(A)、(B)に示す場合において、スペックルノイズ除去に寄与するパターン数は次式で表すことができる。 From the above, in the case shown in FIGS. 5A and 5B, the number of patterns contributing to speckle noise removal can be expressed by the following equation.
ここで、
tpはマイクロレンズアレイD10が有する微小レンズがとなりの微小レンズの位置に重なるまで移動するのに要する時間、
Vxは、X軸方向におけるマイクロレンズアレイD10の移動速度、
Pxは、X軸方向におけるマイクロレンズアレイD10の微小レンズの口径、
Vyは、Y軸方向におけるマイクロレンズアレイD10の移動速度、
Pyは、Y軸方向におけるマイクロレンズアレイD10の微小レンズの口径
である。
here,
tp is the time required for the micro lens of the micro lens array D10 to move until it overlaps the position of the adjacent micro lens,
Vx is the moving speed of the microlens array D10 in the X-axis direction,
Px is the aperture of the micro lens of the micro lens array D10 in the X-axis direction,
Vy is the moving speed of the microlens array D10 in the Y-axis direction,
Py is the aperture of the micro lens of the micro lens array D10 in the Y-axis direction.
上述の図4(A)、(B)に示す場合のパターン数と、図5(A)、(B)に示す場合のパターン数とを比較すると、マイクロレンズアレイを2枚配置した、図4(A)、(B)に示す例の方が圧倒的にパターン数が多いことがわかる。 When the number of patterns shown in FIGS. 4A and 4B is compared with the number of patterns shown in FIGS. 5A and 5B, two microlens arrays are arranged. It can be seen that the examples shown in (A) and (B) have an overwhelmingly large number of patterns.
したがって、マイクロレンズアレイを2枚配置して一方を他方に対して相対的に駆動した形態の方が、マイクロレンズアレイが1枚のみの場合と比べて、拡散条件のばらつきがランダマイズされるため、スペックルノイズの除去のためには好ましい。また、マイクロレンズアレイが1枚のみの場合と比べて、マイクロレンズアレイを2枚用いた方が、低い回転速度で同等のパターン数を得られるため、マイクロレンズアレイの振動を抑えることができ、高速回転による騒音、駆動系の寿命低下、装置全体の振動の発生等を抑えることが可能となる。 Therefore, in the configuration in which two microlens arrays are arranged and one is relatively driven with respect to the other, variation in diffusion conditions is randomized as compared to the case where only one microlens array is provided. It is preferable for removing speckle noise. In addition, compared to the case where only one microlens array is used, the use of two microlens arrays can obtain the same number of patterns at a low rotational speed, so that vibration of the microlens array can be suppressed. It is possible to suppress noise caused by high-speed rotation, a reduction in the life of the drive system, and the occurrence of vibrations in the entire apparatus.
以下に変形例について説明する。
上述の実施形態では、第1拡散部及び第2拡散部としてマイクロレンズアレイを用いたが、入射光を拡散させて出射することのできる光学部材として、例えば、ランダムピッチの凹凸パターンの表面形状を有する透明部材や、屈折率の異なる素材を部分的に有する透明部材を用いることができる。ここで、第1拡散部及び第2拡散部の両方を、上述の、マイクロレンズアレイ、ランダムピッチの凹凸パターンの表面形状を有する透明部材、及び、屈折率の異なる素材を部分的に有する透明部材のいずれか1種のみで構成してもよいし、組み合わせてもよい。
A modification will be described below.
In the above-described embodiment, the microlens array is used as the first diffusing unit and the second diffusing unit. However, as an optical member that can diffuse and emit incident light, for example, the surface shape of a concavo-convex pattern with random pitch The transparent member which has and the transparent member which partially has the material from which refractive index differs can be used. Here, both the first diffusing portion and the second diffusing portion are made of the above-described microlens array, the transparent member having the surface shape of the concavo-convex pattern of the random pitch, and the transparent member partially having the material having different refractive index You may comprise only in any 1 type of these, and may combine.
また、第1拡散部及び第2拡散部は、光強度の異なるパターン(第1パターン)を生成する部材、又は、位相差のあるパターン(第2パターン)を生成する部材とすることが好ましい。光強度の異なるパターンは、空間的に異なる領域を通過する複数の光の進行方向が互いに異なるように偏向させることによって生成するものであり、例えばマイクロレンズアレイにおいて液晶層内の結晶の層ごとに倒れ角度を変えることによって拡散光の光強度分布を変更することができる。また、位相差のあるパターンは、空間的に異なる領域を通過する複数の光の位相が互いに異なるように位相差を付与することによって生成するものであり、ランダムピッチの凹凸パターンの表面形状を有する透明部材や屈折率の異なる素材を部分的に有する透明部材を用いることによって、凹凸パターンや屈折率分布に応じて、領域毎に位相差が異なる拡散光を出射することが可能となる。 Moreover, it is preferable that a 1st spreading | diffusion part and a 2nd spreading | diffusion part are used as the member which produces | generates the pattern (1st pattern) from which light intensity differs, or the member which produces | generates a pattern (2nd pattern) with a phase difference. Patterns with different light intensities are generated by deflecting a plurality of light passing through spatially different regions so that the traveling directions thereof are different from each other. For example, in a microlens array, for each crystal layer in a liquid crystal layer The light intensity distribution of the diffused light can be changed by changing the tilt angle. A pattern having a phase difference is generated by giving a phase difference so that phases of a plurality of lights passing through spatially different regions are different from each other, and has a surface shape of an uneven pattern with a random pitch. By using a transparent member or a transparent member that partially includes a material having a different refractive index, it becomes possible to emit diffused light having a different phase difference for each region in accordance with the uneven pattern and the refractive index distribution.
ここで、第1拡散部及び第2拡散部は、一方が光強度の異なるパターンを形成し、他方が位相差のあるパターンを形成するようにしてもよいし、第1拡散部及び第2拡散部の両方が、いずれかの同じパターンを形成するようにしてもよい。前者の例としては、図6に示すように、レーザ光源20の光軸20c上に、レーザ光源20側から順に、第1拡散部として光位相差のあるパターンを生成可能な透明スクリーン140と、第2拡散部として光強度の異なるパターンを生成可能なマイクロレンズアレイ150とを配置した構成がある。この構成によれば、レーザ光源20から出射され、位相変調部30で位相変調されることによって生成されたイメージ光は、透明スクリーン140によって領域ごとに位相差が生じた出射光となり、さらに、マイクロレンズアレイ150によって、領域毎に光強度の異なる拡散光となって外部へ出射する。これにより、拡散条件のばらつきがさらにランダマイズされるため、効果的にスペックルノイズを低減することができる。
Here, one of the first diffusion unit and the second diffusion unit may form a pattern having different light intensity, and the other may form a pattern having a phase difference, or the first diffusion unit and the second diffusion unit. Both parts may form any one of the same patterns. As an example of the former, as shown in FIG. 6, on the
また、図7に示すように、第1拡散部280として、第1スクリーン260と第1マイクロレンズアレイ240を組み合わせ、第2拡散部290として、第2マイクロレンズアレイ250と第2スクリーン270を組み合わせた構成も可能である。第1スクリーン260は、位相差のあるパターンを生成可能な透明スクリーンであり、第2スクリーン270は、光強度の異なるパターンを生成可能な透明スクリーンである。第1マイクロレンズアレイ240と第2マイクロレンズアレイ250は入射光を拡散して出射する。この構成によれば、レーザ光源20から出射され、位相変調部30で位相変調されて生成されたイメージ光は、第1スクリーン260によって領域ごとに位相差が生じた光となり、第1マイクロレンズアレイ240によって拡散光として出射される。この拡散光は第2マイクロレンズアレイ250でさらに拡散され、第2スクリーン270において光強度の異なる拡散光となって外部へ出射する。これにより、拡散条件のばらつきがさらにランダマイズされるため、効果的にスペックルノイズを低減することができる。
Further, as shown in FIG. 7, the
また、第1拡散部と第2拡散部の相対的な駆動は、上述の実施形態のように、XY平面内における回転や回動運動に限定されず、曲面状の運動とするとさらに拡散条件のばらつきをランダマイズできるため好ましく、この曲面形状をより複雑にすることによってスペックルノイズの低減効果を高めることができる。 In addition, the relative driving of the first diffusing unit and the second diffusing unit is not limited to rotation or rotation in the XY plane as in the above-described embodiment. It is preferable because the variation can be randomized, and the effect of reducing speckle noise can be enhanced by making the curved surface shape more complex.
以上のように構成されたことから、上記実施形態及び変形例によれば、次の効果を奏する。 With the configuration as described above, the following effects can be obtained according to the embodiment and the modification.
(1)上述のように、互いに相対的に駆動される、第1拡散部40と第2拡散部50を配置したことにより、第1拡散部40で拡散された光をさらに第2拡散部50で拡散できるため、拡散条件のばらつきをランダマイズさせる効果を2つの拡散部に分担させることができ、これにより、各拡散部の駆動速度を低く抑えることができる。したがって、制御の複雑化、騒音の発生、拡散部の駆動系の寿命低下、及び装置全体の振動の発生等を抑えることができる。
(1) As described above, the
(2)焦点面42を介して、第1拡散部40と第2拡散部50が互いに対向して配置されているため、投影光の拡散角度の自由度を高めることができる。この効果は、第2拡散部50のマイクロレンズアレイの焦点を焦点面42上に配置することにより、さらに高めることができる。
(2) Since the
(3)第1拡散部40及び第2拡散部50を、複数の微小レンズが列状に配置されたマイクロレンズアレイで構成したことにより、投影画像の輝度低下を抑えつつ、投影光の拡散角度の自由度を高めることができる。
(3) Since the
(4)第1拡散部40及び第2拡散部50を構成する、マイクロレンズアレイの微小レンズのピッチ及び配列が互いに一致しないように形成することにより、拡散条件のばらつきをランダマイズさせる効果を高めることができる。
(4) The effect of randomizing variation in diffusion conditions is enhanced by forming the
(5)第1拡散部及び第2拡散部において、それぞれ、空間的に異なる領域を通過する複数の光の進行方向が互いに異なるように偏向させる第1パターンと、空間的に異なる領域を通過する複数の光の位相が互いに異なるように位相差を付与する第2パターンとのいずれかを形成することにより、拡散条件のばらつきをランダマイズさせる効果をさらに高めることができる。 (5) In the first diffusing unit and the second diffusing unit, the first pattern deflected so that the traveling directions of the plurality of lights passing through the spatially different regions are different from each other, and the spatially different regions. By forming any one of the second patterns that give the phase difference so that the phases of the plurality of lights are different from each other, it is possible to further enhance the effect of randomizing the dispersion of the diffusion conditions.
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。 Although the present invention has been described with reference to the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be improved or changed within the scope of the purpose of the improvement or the idea of the present invention.
以上のように、本発明に係る光出射装置は、拡散部の高速化等を抑えつつ、スペックルノイズを低減することができる点で有用である。 As described above, the light emitting device according to the present invention is useful in that speckle noise can be reduced while suppressing the speeding up of the diffusion unit and the like.
10 光出射装置
20 レーザ光源
20c 光軸
30 位相変調部(LCOS)
31 集光レンズ
40 第1拡散部
40c 光軸
41 微小レンズ
42 焦点面
50 第2拡散部
50c 光軸
51 微小レンズ
60 マイクロレンズアレイ
61 微小レンズ
61f 焦点
62 焦点面
70 制御部
140 透明スクリーン
150 マイクロレンズアレイ
240 第1マイクロレンズアレイ
250 第2マイクロレンズアレイ
260 第1スクリーン
270 第2スクリーン
280 第1拡散部
290 第2拡散部
D1 第1マイクロレンズアレイ
D2 第2マイクロレンズアレイ
L11、L12、L21、L22 微小レンズ
DESCRIPTION OF
31
Claims (9)
前記光源から出射された前記レーザ光に基づいてイメージ光を生成するイメージ光生成部と、
前記イメージ光を拡散させ、第1拡散光として出射する第1拡散部と、
前記第1拡散部と対向して配置され、前記第1拡散光を拡散させ、第2拡散光として出射する第2拡散部と、
前記第1拡散部と前記第2拡散部の少なくとも一方を他方に対して相対的に駆動させる駆動部と、を備え、
前記第1拡散部は第1焦点を有し、前記第2拡散部は第2焦点を有し、
前記第2焦点は、前記第1拡散部の光軸に直交し、かつ、前記第1焦点を通る焦点面上に位置し、
前記焦点面を介して、前記第1拡散部と前記第2拡散部が互いに対向して配置されている
ことを特徴とする光出射装置。 A light source that emits laser light;
An image light generation unit that generates image light based on the laser light emitted from the light source;
A first diffusion unit that diffuses the image light and emits the first diffused light;
A second diffusing section that is disposed opposite to the first diffusing section, diffuses the first diffusing light, and emits the second diffusing light;
A drive unit that drives at least one of the first diffusion unit and the second diffusion unit relative to the other, and
The first diffuser has a first focal point; the second diffuser has a second focal point;
The second focal point is located on a focal plane orthogonal to the optical axis of the first diffusing unit and passing through the first focal point,
The light emitting device, wherein the first diffusing portion and the second diffusing portion are arranged to face each other with the focal plane interposed therebetween.
前記第1焦点は前記第1拡散部が有する前記複数の微小レンズのいずれかのレンズの焦点であり、
前記第2焦点は前記第2拡散部が有する前記複数の微小レンズのいずれかのレンズの焦点であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光出射装置。 The first diffusing unit and the second diffusing unit include a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged in a row,
The first focal point is a focal point of any one of the plurality of micro lenses included in the first diffusion unit,
3. The light emitting device according to claim 1, wherein the second focal point is a focal point of any one of the plurality of micro lenses included in the second diffusion unit.
前記第1拡散部は固定され、前記第2拡散部はその光軸に直交する面内で移動するように駆動され、
前記第2拡散部が前記第1拡散部に対して相対的に駆動されることによって、前記第2拡散部の前記複数の微小レンズが現すパターンの数が次式(1)で表される各行列成分の総和である
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の光出射装置。
前記第1拡散部と前記第2拡散部の光軸に直交する面が、互いに直交するX軸とY軸で定義され、
Δtは、経過時間、
tqは、1フレーム時間、
tpは、前記第2拡散部が有する前記微小レンズがとなりの微小レンズの位置に重なるまで移動するのに要する時間、
Vxは、前記X軸方向における前記第2拡散部の移動速度、
Pxは、前記X軸方向における前記微小レンズの口径、
Vyは、前記Y軸方向における前記第2拡散部の移動速度、
Pyは、前記Y軸方向における前記微小レンズの口径
である。 Each of the first diffusion unit and the second diffusion unit is a microlens array having a plurality of microlenses arranged in a row,
The first diffusion unit is fixed, and the second diffusion unit is driven to move in a plane perpendicular to the optical axis;
When the second diffusing unit is driven relative to the first diffusing unit, the number of patterns expressed by the plurality of microlenses of the second diffusing unit is represented by the following formula (1). The light emitting device according to claim 1, wherein the light emitting device is a total sum of matrix components.
A plane orthogonal to the optical axis of the first diffusion part and the second diffusion part is defined by an X axis and a Y axis orthogonal to each other,
Δt is the elapsed time,
tq is one frame time,
tp is the time required for the micro lens included in the second diffusing section to move until it overlaps the position of the adjacent micro lens,
Vx is the moving speed of the second diffusion part in the X-axis direction,
Px is the aperture of the micro lens in the X-axis direction,
Vy is the moving speed of the second diffusion part in the Y-axis direction,
Py is the aperture of the micro lens in the Y-axis direction.
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