JP2017129776A - 光源装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルノイズを低減しつつ入力光に対する出力光の効率を向上する。
【解決手段】本発明に係る光源装置１００は、出射口１３２よりも狭い入射口１３１を有し、入射口１３１に入射された光を反射面１３３で反射させて出射口１３２から出射する光学積分器１３０と、コヒーレント光を出射するコヒーレント光源１１０と、コヒーレント光源１１０から出射されたコヒーレント光を光学積分器１３０の入射口１３１へ集光する丸レンズ１２０と、光学積分器１３０から出射された光を出力するシリンドリカルレンズ１４０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置及びプロジェクタに関し、特に、コヒーレント光源を有する光源装置及びプロジェクタに関する。

近年、光源装置及びプロジェクタの光源としてレーザ等のコヒーレント光が用いられている。コヒーレント光を用いると、表示画像に斑点模様のようなスペックルノイズが発生し画質が劣化するため、スペックルノイズを低減する必要がある。

関連する技術として、例えば特許文献１〜３が知られている。スペックルノイズを低減するため、特許文献１では光拡散セルを用い、特許文献２では時間的周期変調を行い、特許文献３では光学積分器を用いている。

国際公開第２０１０／０４７０８９号 特開２０１４−００２１７６号公報 特開２０１４−０８５５４９号公報

しかしながら、上記特許文献１〜３のいずれの対応も、スペックルノイズの低減効果と入力光に対する出力光の効率とが反比例の関係にあるため、スペックルノイズを低減しつつ入力光に対する出力光の効率を向上することは困難であるという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑み、スペックルノイズを低減しつつ入力光に対する出力光の効率を向上することが可能な光源装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明に係る光源装置は、出射口よりも狭い入射口を有し、前記入射口に入射された光を内面で反射させて前記出射口から出射する光学積分器と、コヒーレント光を出射するコヒーレント光源と、前記コヒーレント光源から出射されたコヒーレント光を前記光学積分器の入射口へ集光する集光光学系と、前記光学積分器から出射された光を出力する出力光学系と、を備えるものである。

本発明に係るプロジェクタは、光源装置と、前記光源装置から出力された光に基づいて画像を投写する画像投写部と、を備えたプロジェクタであって、前記光源装置は、出射口よりも狭い入射口を有し、前記入射口に入射された光を内面で反射させて前記出射口から出射する光学積分器と、コヒーレント光を出射するコヒーレント光源と、前記コヒーレント光源から出射されたコヒーレント光を前記光学積分器の入射口へ集光する集光光学系と、前記光学積分器から出射された光を前記画像投写部へ出力する出力光学系と、を備えるものである。

本発明によれば、スペックルノイズを低減しつつ入力光に対する出力光の効率を向上することが可能な光源装置及びプロジェクタを提供することができる。

実施の形態１に係る光源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態２に係る光源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態３に係る光源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態４に係る光源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態５に係る光源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態６に係る光源装置の構成を示す構成図である。

（実施の形態の概要）
上記のように、特許文献１〜３のような関連する技術では、スペックルノイズの低減率と入力光に対する出力光の効率が反比例関係にあった。また、関連する技術では、光源の輝度や色度を安定化させるために光センサ等を用いた光量測定が必要な場合があり、この配置により入力光に対する出力光の効率が悪化する恐れもある。

各特許文献を検討すると、特許文献１の光拡散セルを用いる手法では、光拡散セルが固定されているため、スペックルノイズの低減効果を大きく得るには、光拡散セルの透過率を大きく下げる必要があり、入力光に対する出力光の効率が悪化する問題がある。

特許文献２の光偏向板を回転させる手法では、同期信号を必要とする駆動回路やスペックルノイズの低減効果を均一にするための回転角速度も考慮する必要があり、一般的には光偏向板を大型化しなければならないため、高価で大型な構造となってしまうという問題点がある。

特許文献３は、光学積分器を用いた手法であるが、光源を光学積分器に直接入射させるため、入射口の径を小さくできない点、複数の光源を用いる場合、複数の入射口が必要になる点、光学積分器内に光センサが配置されるため、光センサに入射される反射光が吸収される点で、入力光に対する出力光の効率が悪化する問題がある。加えて、特許文献３では、駆動ミラーが光学積分器内に配置されているため、可動部の摩耗等による埃で光学積分器内部の反射率が劣化し、入力光に対する出力光の効率が悪化する問題がある。

実施の形態では、これらの問題点の少なくとも一部を解消することを可能とする。具体的には、実施の形態では、レーザ等から照射された広がり角があるコヒーレント光線を丸レンズで集光し、集光点で光学積分器の入射口に入射させる。この集光点径は、コヒーレント光線のため理論的に数百［ｎｍ］の回析限界まで集光できるため、光学積分器の入射口径は極小径にできる。

この様な構造により、光学積分器の入射口に戻ってくる内部反射光量を少なくすることで、スペックルノイズを低減しつつ、入力光に対する出力光の効率を向上することができる。また、密閉で且つ可動部が光学積分器内部に無いため、特許文献３のような問題は発生しない。また、任意の実施の形態では、光センサの配置も考慮し、スペックルノイズ低減を小型で安価な構成で行うこともできる。

（実施の形態１）
まず、図面を参照して実施の形態１について説明する。本実施の形態は、本発明の基本構成となる光源装置の例である。

図１は、本実施の形態に係る光源装置の構成を示している。図１に示すように、本実施の形態に係る光源装置１００は、コヒーレント光源１１０、丸レンズ１２０、光学積分器１３０、シリンドリカルレンズ１４０を備えている。例えば、光源装置１００は、プロジェクタ等の光源となる装置である。プロジェクタの一例では、光源装置１００と、光源装置１００から出力された光に基づいて画像を投写する画像投写部を備えている。

コヒーレント光源１１０は、レーザ光等の広角があるコヒーレント光線２０１を出射する。丸レンズ１２０は、コヒーレント光源１１０から照射されたコヒーレント光線２０１を集光し、その縮角があるコヒーレント光線２０２を集光点で光学積分器１３０の入射口１３１に入射させる。丸レンズ１２０は、コヒーレント光線２０１を集光する集光光学系の一例である。

光学積分器１３０は、内面の一部もしくは全体が反射面（拡散反射面）１３３で構成された球体（積分球）であり、光を入射する入射口１３１と光を出射する出射口１３２を備えている。なお、光学積分器１３０の形状は説明を判りやすくするため球型を想定しているが、球型に限らずその他の形状で実現してもよい。

光学積分器１３０は、入射口１３１及び出射口１３２のみ透明な構造で密閉されており、湿気や埃等の光学積分器内部反射を劣化させる要因を排除でき、長時間使用しても入力光に対する出力光の効率が下がらない。光学積分器１３０は、入射口１３１に入射された光を球体内部の反射面１３３で反射（拡散反射）を繰り返して多重反射させ、球体内部で空間的に積分され均一強度分布となった反射光を出射口１３２から出射する。本実施の形態では、入射口１３１のサイズ（口径）が、出射口１３２よりも狭い。光学積分器１３０は、丸レンズ１２０により集光されて入射したコヒーレント光線２０２を反射面１３３で反射し、反射光による光線２０３を出射口１３２から出射する。

出射口１３２から出射される光線２０３は、積分効果によりスペックルノイズが低減された広角があるコヒーレント光線となり、必要によりシリンドリカルレンズ１４０を用いて平行光２０４として出力する。平行光２０４は、スペックルノイズが低減された広角がない光線である。シリンドリカルレンズ１４０は、光学積分器１３０から出射された光を所望の光に変換して出力する出力光学系の一例である。例えば、シリンドリカルレンズ１４０からの光はプロジェクタの画像投写部へ出力される。

このように、本実施の形態では、丸レンズ１２０によりコヒーレント光線を集光し、光学積分器１３０に入射するようにした。光学積分器１３０の入射光はコヒーレント光線であるため理論的に1［μｍ］以下の回析限界まで集光でき、それに伴い光学積分器１３０の入射口１３１の口径も理論的に１［μｍ］、もしくは現実的に加工の限界である１０［μｍ］程度まで小さくすることができる。そのため、入射口１３１に戻る光学積分器１３０内の反射光を関連する技術よりも大幅に減らすことができ、結果的に入力光に対する出力光の効率を関連する技術よりも大幅に改善できる。したがって、本実施の形態によれば、光学積分器によりスペックルノイズを低減しつつ、入出力光の効率を向上することが可能となる。

本実施の形態の光源装置をプロジェクタ等に応用する場合、例えば平行光２０４の後にＬＣＤ等の映像素子（画像投写部）を設けることで実現可能である。また、この光源装置による同色の光源を複数組用いる事により、強力な出力光を容易に得ることができる。加えて、光３原色（ＲＧＢ）に対応した３つの光源装置の組を用いて、ＬＣＤ等の映像素子を通した映像光線を別途プリズム等で合成することも可能である。この時、関連するプロジェクタの分光プリズム等が不要となる為、そのロスが無くなくなり入力光に対する出力光の効率が高まる。

（実施の形態２）
次に、図面を参照して実施の形態２について説明する。本実施の形態は、実施の形態１の光源装置において、複数組の光源を用いた例である。

図２は、本実施の形態に係る光源装置の構成を示している。図２に示すように、本実施の形態に係る光源装置１００は、実施の形態１の図１と基本的な構成は同様であり、図１のコヒーレント光源１１０及び丸レンズ１２０に対応した複数の光源を備えている。例えば、光源装置１００は、Ｒ（赤）色のレーザ光を出射するコヒーレント光源１１０Ｒ及び丸レンズ１２０Ｒ、Ｇ（緑）色のレーザ光を出射するコヒーレント光源１１０Ｇ及び丸レンズ１２０Ｇ、Ｂ（青）色のレーザ光を出射するコヒーレント光源１１０Ｂ及び丸レンズ１２０Ｂを備えている。

コヒーレント光源１１０Ｒ、１１０Ｇ及び１１０Ｂから出射されたコヒーレント光線２０１Ｒ、２０１Ｇ及び２０１Ｂは、それぞれ丸レンズ１２０Ｒ、１２０Ｇ及び１２０Ｂで集光され、集光した光線２０２Ｒ、２０２Ｇ及び２０２Ｂの集光点を光学積分器１３０の入射口１３１に各々入射させる。その他の構成及び機能は、実施の形態１の内容と同様である。

例えば、コヒーレント光源１１０Ｒ、１１０Ｇ及び１１０Ｂの光線が同色であれば、同色の強力な出力光を得る構成が容易に実現できる。また、コヒーレント光源１１０Ｒ、１１０Ｇ及び１１０Ｂを光３原色（ＲＧＢ）組とすれば、白色光出力を容易に構成できる。

なお、図２は、説明を判りやすくする為に平面的な表現をしているが、実際には立体的な構成が可能であり、入射角を穏やかにすることや４つ以上の光源の構成も容易に実現できる。

（実施の形態３）
次に、図面を参照して実施の形態３について説明する。本実施の形態は、実施の形態１または２の光源装置において、更なるスペックルノイズ低減のために振動素子を追加した例である。

図３は、本実施の形態に係る光源装置の構成を示している。図３に示すように、本実施の形態に係る光源装置１００は、実施の形態１の図１の構成に加えて、さらに丸レンズ１２０を振動させる振動素子３０１、振動素子３０１の振動を駆動する振動素子駆動回路３０２、振動素子駆動回路３０２の電気信号（駆動信号）を振動素子３０１に伝搬する配線３０３を備えている。

丸レンズ１２０は振動素子３０１に固定されており、振動素子３０１による振動は丸レンズ１２０に伝わって丸レンズ１２０が振動し、この振動方向は上下方向３０４（コヒーレント光線の出射方向と垂直な方向）である。例えば、振動素子３０１の振動周波数は人間の目に感知できない２００Ｈｚ以上とする。これらの構成により丸レンズ１２０を振動させると、丸レンズ１２０で集光される光線２０２も上下方向３０４に対応した上下方向に振れる。

なお、図１の説明でも触れた入射口１３１の口径は現実的には加工の限界である１０［μｍ］となり、光線２０２の集光径は１［μｍ］以下である。このため、上下方向の振れ寸法にもよるが、振動素子３０１に圧電素子等の微細振動素子を用いた場合、振れ幅５［μｍ］程度とすれば入射口１３１は図１と同等に光線２０２を入射口１３１へ入射できる。例えば、光線２０２を全て光学積分器１３０に入射させるため、入射口１３１を光源方向から見た形状として拡大図１３１ａのように、上下方向に伸びた楕円形状としてもよい。

光学積分器１３０に入射された光線２０２は内部反射し出射口１３２に至るが、上下方向に振れているため内部反射は一定では無く、振動に同期した反射光となる。つまり、出射口１３２から出射される光線２０３は振動素子３０１により積分状態が変化する事で更なるスペックルノイズ低減が得られる。

（実施の形態４）
次に、図面を参照して実施の形態４について説明する。本実施の形態は、実施の形態１〜３の光源装置において、光センサ等の光量検出機能を追加した例である。

図４は、本実施の形態に係る光源装置の構成を示している。図４に示すように、本実施の形態に係る光源装置１００は、実施の形態１の図１の構成に加えて、さらに拡散板４０１、光センサ４０２、制御装置４０３を備えている。

拡散板４０１は、コヒーレント光源１１０から照射される広がり角があるコヒーレント光線２０１に一部差し掛かって配置されている。光センサ４０２は、拡散板４０１と光学結合されており、拡散板４０１を介してコヒーレント光線２０１の光量を検出し、検出した光量観測値を制御装置４０３へ出力する。制御装置４０３は、光センサ４０２から出力された光量観測値（電気信号）に応じて、コヒーレント光源１１０の出射光量を制御する。

拡散板４０１は光線２０１に一部に差し掛かっているため、光線２０１に比例した拡散板内拡散光４０１ａが発生する。この拡散板内拡散光４０１ａを光学結合された光センサ４０２で検出し、光量を読み取る。の光量から必要な光源駆動電力を制御装置４０３にて計算し、コヒーレント光源１１０にフィードバックを行う。

プロジェクタ等のようにＲＧＢ光源の光量調整を外部から行う機器においては、一般的に光量調整を行ったとしてもＲＧＢの合成から作られる白色の色度は変化してはならない。つまり、ＲＧＢの比率を一定にしてＲＧＢ光源の光量調整を行わなければならない。また、光源駆動電力のみの光量調整制御も考えられるが、光源の劣化等もあり正確な光量調整ができず、結果としてＲＧＢの比率を一定にできない。そのため、本実施の形態を適用し、ＲＧＢ各色に光センサ等の光量検出機を追加することで、実際の光量を検出し、正確に光量の調整を行うことができる。

（実施の形態５）
次に、図面を参照して実施の形態５について説明する。本実施の形態は、実施の形態１〜４の光源装置において、光源の光を一旦平行光し、丸レンズで集光する例である。

図５は、本実施の形態に係る光源装置の構成を示している。図５に示すように、本実施の形態に係る光源装置１００は、実施の形態１の図１の構成に加えて、さらに、シリンドリカルレンズ１２１を備えている。シリンドリカルレンズ１２１は、コヒーレント光源１１０から照射される広がり角があるコヒーレント光線２０１を一旦広がり角が無いコヒーレント光線２０５（平行光）にする。丸レンズ１２０は、この平行光を集光し、光学積分器１３０に入射させる。その他の構成及び機能は、図１の内容と同様である。

レーザ光等のコヒーレント光源の光学特性により、丸レンズだけで集光しようとした場合、集光点が大きくなる場合がある。そのため、本実施の形態のように、コヒーレント光線を一旦平行光にしてから丸レンズで集光することで、集光点を小さくすることができる。

（実施の形態６）
次に、図面を参照して実施の形態６について説明する。これまで説明した実施の形態は、説明を判りやすくするため各々特化した構造としているが、それらの一部または全てを組み合わせて構成してもよい。

例えば、図６に示す例は、実施の形態１、４及び５の構成を組み合わせた光源装置の例である。図６の例では、光源装置１００は、実施の形態１の構成に加えて、実施の形態４の拡散板４０１、光センサ４０２、制御装置４０３、実施の形態５のシリンドリカルレンズ１２１を備えている。これにより、実施の形態１、４及び５と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１００ 光源装置
１１０ コヒーレント光源
１２０ 丸レンズ
１２１ シリンドリカルレンズ
１３０ 光学積分器
１３１ 入射口
１３２ 出射口
１３３ 反射面
１４０ シリンドリカルレンズ
２０１〜２０５ 光線
３０１ 振動素子
３０２ 振動素子駆動回路
３０３ 配線
３０４ 上下方向
４０１ 拡散板
４０１ａ 拡散板内拡散光
４０２ 光センサ
４０３ 制御装置

Claims (10)

1. 出射口よりも狭い入射口を有し、前記入射口に入射された光を内面で反射させて前記出射口から出射する光学積分器と、
   コヒーレント光を出射するコヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源から出射されたコヒーレント光を前記光学積分器の入射口へ集光する集光光学系と、
   前記光学積分器から出射された光を出力する出力光学系と、
   を備える、光源装置。
2. 前記コヒーレント光は、前記集光光学系による集光点で前記光学積分器の入射口に入射される、
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記集光光学系に固定され、前記集光光学系を振動させる振動素子をさらに備える、
   請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記振動素子は、前記集光光学系を前記コヒーレント光の出射方向に対し垂直方向へ振動させる、
   請求項３に記載の光源装置。
5. 前記コヒーレント光の光量を検出する光センサと、
   前記光センサの検出結果に基づいて、前記コヒーレント光源の出射光量を制御する制御部と、
   をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記コヒーレント光の一部を拡散する拡散板を備え、
   前記光センサは、前記拡散板が拡散した拡散光に応じて前記コヒーレント光の光量を検出する、
   請求項５に記載の光源装置。
7. 前記集光光学系は、
   前記コヒーレント光源から出射された広がり角のあるコヒーレント光を平行光とするシリンドリカルレンズと、
   前記平行光を前記光学積分器の入射口へ集光する丸レンズと、
   を備える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 前記コヒーレント光源及び前記集光光学系を複数備え、
   複数の前記コヒーレント光源から出射され、複数の前記集光光学系で集光された光を前記光学積分器の入射口へ入射する、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光源装置。
9. 光源装置と、前記光源装置から出力された光に基づいて画像を投写する画像投写部と、を備えたプロジェクタであって、
   前記光源装置は、
   出射口よりも狭い入射口を有し、前記入射口に入射された光を内面で反射させて前記出射口から出射する光学積分器と、
   コヒーレント光を出射するコヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源から出射されたコヒーレント光を前記光学積分器の入射口へ集光する集光光学系と、
   前記光学積分器から出射された光を前記画像投写部へ出力する出力光学系と、
   を備える、プロジェクタ。
10. 前記光源装置を複数備え、
    前記画像投写部は、複数の前記光源装置の光を合成し、前記画像を投写する、
    請求項９に記載のプロジェクタ。

Images