JP4175078B2 - Illumination device and image display device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に画像表示装置において空間光変調素子を照明するための照明装置及びこの照明装置を用いて構成された画像表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、液晶パネルやいわゆる「DMD素子」などの空間光変調素子を照明装置によって照明し、この空間光変調素子からの透過光、もしくは、反射光を投影レンズによってスクリーン上に投影するように構成された画像表示装置(光学式プロジェクタ)が提案されている。
【0003】
このような画像表示装置における照明装置の光源としては、現在、主にメタルハライドランプや高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプが用いられている。しかし、これらの光源においては、以下に示すようないくつかの問題がある。
【0004】
すなわち、高輝度放電ランプは、その寿命が短い。例えば、現在、投射型プロジェクタ用の光源として最もよく利用されている150Wクラスの高圧水銀ランプの寿命は、1500時間から3000時間程度である。したがって、このような光源を用いた画像表示装置においては、頻繁にランプの交換をしなければならない。
【0005】
また、このような光源を用いた画像表示装置においては、通常、白色光をダイクロックミラー等で3原色に分離させたうえで、各色成分ごとに空間変調し、これを再び合成してカラー画像を構成している。そのため、このような画像表示装置においては、照明装置から投影レンズに至る光学系の構成が複雑であり、また、光利用効率を高くすることができない。
【0006】
これらの問題を解消するために、照明装置の光源として、半導体レーザを用いることが試みられている。半導体レーザは、実用上十分な寿命を有しており、また、出射光の単色性が良好であるため、大きな色再現領域を実現することを可能とする。
【0007】
【特許文献1】
特開平06−208089号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように光源として半導体レーザを用いた照明装置においては、スペックルノイズの問題が発生する。一般に、画像表示装置によりスクリーン上に投影された画像を観測者が鑑賞する場合には、観測者の網膜上においては、投影された画像の各領域からの反射光が重なって画像が形成される。このとき、スクリーン上に波長程度以上の高さの凹凸があることによって、このスクリーン上の異なる領域から反射された反射光同士が複雑な位相関係で重ねられ、半導体レーザからの出射光は高いコヒーレンシ(可干渉性)を有していることから、互いに干渉し合うこととなる。このような干渉によって、ランダムな強度の変化、すなわち、スペックルノイズが形成されてしまう。このようなスペックルノイズが形成されることにより、表示画像の画質低下が招来される。
【0009】
スペックルノイズは、コヒーレンシを有するレーザ光を照明として用いる場合に共通の問題であり、これまでにも、スペックルノイズを低減させるための種々の試みがなされてきた。例えば、ファイバーバンドルを用いた構成が提案されている。このファイバーバンドルは、複数の光ファイバーからなり、それぞれの光ファイバの互いの光路長差が、照明光として使われるレーザ光のコヒーレント長よりも長く、もしくは、コヒーレント長程度となされているものである。このようなファイババンドルの一端部よりコヒーレント光を入射させると、他端部からの出射光は、それぞれ非干渉となる。このようなファイババンドルの他端部からの出射光を照明光として使用することにより、照明系全体としてのコヒーレンシを低減させることができ、スクリーン上におけるスペックルノイズを低減させることができる。
【0010】
しかし、このような構成においては、以下に示すような問題が発生する。すなわち、このようなファイババンドルにおいては、異なる光ファイバを通過した光束が各々非干渉となるため、光ファイバの本数が多いほど、つまり、光束の分割数が多いほど、これらを合流させた照明光のコヒーレンシを低減させることができる。ここで、n本の光ファイバからなるファイババンドルを用いるとする。そして、一般に、シングルモードのパワースペクトラムを有する半導体レーザにおいては、出射光の典型的なスペクトラム幅は100MHz程度であり、コヒーレント長cは、数mのオーダとなる。すると、このファイバハンドルを用いて、非干渉の照明光を得るためには、最短の光ファイバと最長の光ファイバとの長さの差は、nxc〔m〕となる。例えば、光ファイバの本数nを50本、コヒーレント長cを1mとした場合、最長の光ファイバの長さは50m以上となる。
【0011】
このような互いの光路長差を有する多数本の光ファイバからなるファイババンドルを備えた光学系は、相当に大きな体積及び重量を有するものになってしまい、画像投影装置全体の大型化を招来してしまう。
【0012】
一方、スペックルノイズを低減させるための他の構成として、回転拡散板等を用いたものが提案されている。この構成では、半導体レーザから出射された照明光の光路上に、高速で回転操作され照明光が透過する拡散板が配設されている。この拡散板は、高速回転されることによって、コヒーレント光である照明光により発生される干渉パターンを分裂させ、この干渉パターン、すなわち、スペックルノイズを、スクリーン上において高速に動き回らせる。
【0013】
すなわち、この構成においては、実際にスペックルノイズが消失するわけではないのであるが、あたかもスペックルノイズが消失したかのように見えるのである。
【0014】
しかし、この構成においては、拡散板として磨りガラス等が利用されるため、光利用効率が低下する。また、このような構成を具体的に照明光学系に組み込む場合には、どのような場所に組み込むかや、どのような性質、大きさの拡散板を使用すればよいのかといった具体的な提案はほとんどなされていない。
【0015】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、照明光としてコヒーレント光を用い、装置構成を大型化することなく、また、光利用効率の低下を招来することなく、スペックルノイズの発生が抑えられた照明装置を提供し、また、このような照明装置を備えて構成された画像表示装置を提供しようとするものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る照明装置は、コヒーレント光を出射しこのコヒーレント光によって被照明面を照明するコヒーレント光源手段と、このコヒーレント光源手段と被照明面との間のコヒーレント光の光路上に配設され該コヒーレント光源手段から入射するコヒーレント光の強度分布を変化させて所定の強度分布に配光して出射させるビーム整形素子と、このビーム整形素子を振動させる加振手段とを備えている。
【0017】
そして、この照明装置は、コヒーレント光源手段から出射されたコヒーレント光がビーム整形素子に入射するときの入射面内における任意の方向のビーム径をaとし、このビーム整形素子から被照明面までの光学的距離をbとし、ビーム整形素子を透過した光束の配光角をθとすると、
tanθ>(a/2b)
が成立しており、ビーム整形素子は、配光角に異方性を有していることを特徴とするものである。
【0018】
この照明装置においては、コヒーレント光のビーム整形素子に入射するときのビーム径a、ビーム整形素子から被照明面までの光学的距離b及びビーム整形素子を透過した光束の配光角θの間に上述の所定の条件が満たされていることにより、光源の光利用効率を高く維持しつつ、スペックルノイズを充分に低減することができる。
【0019】
また、この照明装置は、さらに、ビーム整形素子と被照射面との間に少なくとも一のレンズが配置されているものである。そして、コヒーレント光源手段から出射されたコヒーレント光がビーム整形素子に入射するときの入射面内における任意の方向のビーム径をaとし、このビーム整形素子から被照明面までの光学的距離をbとし、ビーム整形素子を透過した光束の配光角をθとし、ビーム整形素子に入射するコヒーレント光の中で光軸から最も離れた個所を透過した光束がビーム整形素子から数えてn枚目のレンズを透過したときの光軸に対する出射角をφnとし、このn枚目のレンズとビーム整形素子との間の光学的距離をbnとしたときに、nが1であるときには、
a/2<b1tanθ+(b−b1)tanφ1
が成立し、nが2以上の整数であるときには、
a/2<b1tanθ+i=2Σn(bi−bi−1)tanφi−1+(b−bn)tanφn
が成立しており、ビーム整形素子は、配光角に異方性を有していることを特徴とするものである。
【0020】
この照明装置においては、コヒーレント光のビーム整形素子に入射するときのビーム径a、ビーム整形素子から被照明面までの光学的距離b、ビーム整形素子を透過した光束の配光角θ、ビーム整形素子に入射するコヒーレント光の中で光軸から最も離れた個所を透過した光束がビーム整形素子から数えてn枚目のレンズを透過したときの光軸に対する出射角φn及びn枚目のレンズとビーム整形素子との間の光学的距離bnの間に上述の所定の条件が満たされていることにより、ビーム整形素子と被照射面との間にn枚のレンズが配置されている場合であっても、光源の光利用効率を高く維持しつつ、スペックルノイズを充分に低減することができる。
【0024】
そして、本発明に係る画像表示装置は、上述のいずれかの照明装置を備え、被照明面として空間光変調素子を備え、さらに、この空間光変調素子の像を形成する結像手段を備えたものである。
【0025】
この画像表示装置においては、光源の光利用効率を高く維持しつつ、スペックルノイズを充分に低減することができ、または、ビーム整形素子を小型化し、かつ、このビーム整形素子の振動振幅を小さくしつつ、スペックルノイズを充分に低減することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【0027】
なお、以下の各実施の形態は、本発明に係る照明装置を、画像表示装置における空間光変調素子を被照明面として照明するものとして構成し、また、この照明装置を用いて本発明に係る画像表示装置を構成したものである。
【0028】
〔実施の形態(1)〕
本発明に係る照明装置は、図1に示すように、コヒーレント光を出射して空間光変調素子を照明するコヒーレント光源手段となる半導体レーザ1を備えて構成されている。この半導体レーザ1から射出したコヒーレント光束は、コリメータレンズ2によって平行光束となされ、ビーム整形素子3に入射する。
【0029】
このビーム整形素子3は、例えば、図2及び図3に示すように、半導体レーザ1から入射するコヒーレント光の強度分布を変化させて、所定の角度及び所定の強度分布に配光して出射させるように形成されている。このビーム整形素子3は、例えば、透明な合成樹脂材料により、平板状に形成され、表面部に所定形状の凹凸が形成されているものである。表面部に形成する凹凸の大きさや形状、深さなどを適宜に設定することによって、出射光の角度及び強度分布を所望の状態とすることができる。
【0030】
すなわち、図2に示す特性のビーム整形素子3においては、このビーム整形素子3を透過した光束の強度分布は、ガウシアン分布になっている。また、図3に示す特性のビーム整形素子3においては、このビーム整形素子3を透過した光束の強度分布は、矩形状の分布となっている。なお、このような、透過した光束の強度分布を矩形状の分布とするような特性を有するビーム整形素子は、例えば、ホログラム素子として形成することによって実現することができる。
【0031】
なお、これらビーム整形素子3を透過した光束の強度分布は、このビーム成形素子3に入射する光束の入射角や強度分布に依存するものであってもよい。
【0032】
そして、このビーム整形素子3は、光軸に直交する平面内において移動可能に支持されており、加振手段4によって、光軸に直交する平面内において、すなわち、このビーム整形素子3の主面部に平行な平面内において、所定の周波数で振動させられる。この加振手段4の駆動力源としては、圧電素子、ボイスコイル、または、超音波モータなどを使用することができる。
【0033】
ビーム整形素子3を透過してこのビーム整形素子3から出射した光束は、被照明面となる空間光変調素子5を照明する。この空間光変調素子5としては、例えば、液晶表示デバイスや、いわゆる「DMD素子」などが使用される。
【0034】
ここで、ビーム整形素子3の入射面内での光束径の任意の方向の長さ(ビーム径)a、ビーム整形素子3から空間光変調素子5までの距離b、及び、ビーム整形素子3を透過した光束の配光角θの関係を以下に示すように所定の条件に設定し、さらに、ビーム整形素子3を加振手段4によって微小振動させることにより、効率的に空間光変調素子5でのスペックルノイズの発生を低減させることができる。
【0035】
なお、ここで配光角θとは、ビーム整形素子3を透過した光束の強度分布の角度依存性において、ビーム強度が最大値の1/2になる出射角(ビーム整形素子3の主面に垂直な軸に対する角度)のことを言う。
【0036】
例えば、図2に示す特性においては、角度θ0が配光角を示しており、図3に示す特性においては、角度θ0が配光角を示している。このとき、強度分布に異方性がある場合には、ビーム強度が最大値の1/2になる角度のうち、もっとも大きな角度を配光角とすることとする。また、光束径とは、ビーム整形素子3に入射した光束において、強度が最大値になる点を含み、かつ、強度が最大値の1/2になる2点間を結ぶ直線の長さのことを指すこととする。
【0037】
上述のようなビーム整形素子3と被照明面となる空間光変調素子5との間における光束の状態を概要的に示すと、図4に示すように、空間光変調素子5の中心点Pに対し、ビーム整形素子3の広い範囲から光束が到達している。ビーム整形素子3を透過し、点Pに至ってこの点Pを照明する光束を考えると、ビーム整形素子3の配光角θが狭くθ1のときには、ビーム整形素子3の中心付近を透過した光束R1のみが点Pの照明に寄与し、一方、ビーム整形素子3の配光角θが広くθ2のときには、光束R1よりもビーム整形素子3の広い範囲を透過した光束R2が点Pの照明に寄与することになる。
【0038】
ここで、光束R2では、ビーム成形素子3に入射した光束のすべてが点Pに寄与するように配光角θ2を選んでいる。
【0039】
また、光束R1は、ビーム整形素子3の配光角をθ1を、上述の配光角θ2よりも小さく(θ1<θ2)したものであり、この場合、ビーム整形素子3に入射した光束(光束径a)のうち、一部分のみが点Pに寄与することになる。
【0040】
すなわち、この照明系において、ビーム整形素子3の配光角θが狭い配光角θ1の場合と、広い配光角θ2の場合とでは、広い配光角θ2の場合の方が、ビーム整形素子3上のより大きな面積からの光束が空間光変調素子5上に集まり、平均化される。そのため、特に、ビーム整形素子3を微小振動させたときのスペックルノイズの低減効果は、ビーム整形素子3の配光角θが広い場合のほうが大きい。しかし、ビーム整形素子3の配光角を上述の広い配光角θ2よりもさらに大きくした場合には、スペックルノイズの低減効果の向上はそれほど望めない。
【0041】
ビーム整形素子3の配光角θ及びビーム整形素子3の振動の光軸に直交する方向の振幅と、スペックルコントラストとの関係を調べると、図5に示すように、ビーム整形素子3の配光角θが広いほど、また、ビーム整形素子3の振動の光軸に直交する方向の振幅が大きいほど、スペックルコントラストは低下するが、これらビーム整形素子3の配光角θ及び振幅のいずれについても、ある数値以上は、それより大きくしてもスペックルコントラストを低下させる効果はいわば飽和状態となってしまい、あまり変化がなくなってしまう。
【0042】
なお、ここでいうスペックルコントラストとは、照明面上での光の空間的な強度分布の標準偏差を、強度分布の平均値で規格化した値であり、スペックルノイズが多い場合には、その値は大きくなり、逆にスペックルノイズが低減されている場合には、その値は小さくなる。
【0043】
すなわち、この照明系において、図4に示すように、光束R2のようにビーム整形素子3に入射した光束全体が点Pの照明に寄与するときのビーム整形素子3の配光角θがθ2であるすると、配光角θがθ2よりも小さい(θ<θ2)場合は、図5に示すように、その度合いによってスペックルコントラストは変化している。すなわち、配光角θがθ2よりも小さい場合においては、配光角θがθ2に近いほど、スペックルコントラストは低下している。しかし、配光角θがθ2よりも大きい(θ>θ2)場合には、その大きさに関係なく、スペックルコントラストはほぼ一定値なるという結果を得た。
【0044】
なお、図5に示す実験結果は、光源としてクリプトンレーザを用いたものであるが、半導体レーザを光源として用いた場合でも、スペックルコントラストの値は異なるが、スペックルコントラストの低減については、同様の傾向が確認できている。
【0045】
このように、図4における光束R2を満たす条件、つまり、ビーム整形素子3に入射した光束すべてが、点Pの照明に寄与するように配光角を選択した場合、それを満たすかぎりどのような配光角θを選んでも、スペックルコントラストの変化はほとんどなくなってしまう。一方、一般的に、ビーム整形素子3の配光角θが小さい方が、より効率よく光源からの光を利用できる。以上のことから、ビーム整形素子3への入射面内での光束径の任意の方向の長さをa、ビーム整形素子3から空間光変調素子5までの距離をb、ビーム整形素子3を透過した光束の配光角をθとした場合、下記の関係を満たし、かつ、可能な範囲で配光角θを小さくすることによって、高い光利用効率を維持しつつ、スペックルノイズを除去することができるのである。
tanθ>(a/2b)
【0046】
そして、ビーム整形素子3の振動周波数は、30Hz以上が望ましい。振動周波数がこの値以下だと、スペックルノイズが被照明面上で動き回るのが認識されてしまうため、スペックルノイズの低減効果は小さくなってしまう。
【0047】
また、ビーム整形素子3の振動振幅は、小さすぎると、スペックルノイズの低減効果が小さくなってしまい、逆に、大き過ぎると、騒音の発生原因や、機械的信頼性の低下を引き起こしてしまう。この点に関しては、本件発明者による実験結果によると、100μm以上400μm以下が望ましい。
【0048】
そして、圧電素子、ボイスコイル、または、超音波モータ等の振動素子を用いてビーム整形素子3を振動させる場合、ビーム整形素子3の共振周波数(固有振動数)を30Hz程度に設定することにより、少ない消費電力で振動させることができる。この場合、比較的比重の大きいガラス等からなるビーム拡散素子3を用いた場合には、上述の共振条件を満たすように振動系を設計した場合に、質量の大きさに応じて振動系のばね定数も大きくしなければ、共振周波数を30Hz程度とすることが達成できず、そのために駆動音の増加や、機械的信頼性の低下が引き起こされる可能性が増加する。
【0049】
したがって、ビーム整形素子3をなす材料としては、比較的比重の小さい材料、例えば、ポリカーボネイト、ポリエステル等の合成樹脂材料を用いることが好ましい。
【0050】
さらに、光源となる半導体レーザとしては、コヒーレンシの低いマルチモード発振のものが良い。しかし、単一波長の光源を必要とする照明装置、例えば、色収差の許容量が極めて小さい光学系を用いる場合などにおいてはこの限りではない。
【0051】
また、図1に示した構成では、単一の半導体レーザを用いているが、複数の半導体レーザを並列的に用いたほうが、照明装置全体でのスペックルノイズの低減効果を大きくすることができる。
【0052】
以上のような条件を満たした光学系を利用することによって、スペックルノイズのない、もしくはスペックルノイズの非常に少ない照明装置を実現することができる。
【0053】
そして、本発明に係る画像表示装置は、いわゆるフロントプロジェクタとして構成され、結像手段となる図示しない投影レンズによって、空間光変調素子5の実像をスクリーン上に投影することにより、空間光変調素子5による空間光変調に応じた画像表示を行う。
【0054】
〔実施の形態(2)〕
次に、スペックルノイズを低減する照明装置の他の実施の形態として、図6に示すように、放射光強度分布に異方性をもった半導体レーザからの出射光のビーム整形と、スペックルノイズの除去とを同一光学素子によって実現するようにした照明装置の構成を示す。
【0055】
半導体レーザ1から放射された光束は、図7に示すように、θ⊥方向(半導体レーザチップをなす積層構造の各層に直交する方向)のビーム径が、θ//方向(半導体レーザチップをなす積層構造の各層に平行な方向)のビーム径に対して長くなっている楕円形状である。そのため、このままでは、効率よく光束を利用することが困難であり、また、画像表示装置等において、所定の領域を均一に照明することが困難である。
【0056】
そこで、この照明装置においては、図6に示すように、垂直に入射してきた断面が楕円形状の光束に対し、断面円形状の光束を出射するような性質を有するビーム整形素子6を透過させる。
【0057】
そして、ビーム整形素子6を透過した光束は、コリメータレンズ2によって平行光束となされて、被照明面となる空間光変調素子5を照明する。ビーム整形素子6は、上述の実施の形態におけると同様に、加振手段4によって、光軸に直交する面内で振動される。このようにビーム整形素子6が振動されることによって、空間光変調素子5において形成される干渉パターンが人の目に認識されにくいように動き回り、結果的にスペックルノイズが低減される。
【0058】
なお、図6において、B1は、半導体レーザ1から出射された光束のビーム形状を示し、B2は、ビーム整形素子6を透過した後の光束のビーム形状を示し、B3は、コリメータレンズ2を透過した後の光束のビーム形状を示している。
【0059】
さらに、ビーム整形素子6を透過した後のビーム形状が、空間光変調素子5と同一の形状となるようにすることも考えられる。この場合には、楕円形、または、円形の断面形状を有する光束が入射されたときにこの光束の断面形状を矩形として出射させる特性を有するビーム整形素子6を用いる。そして、このようなビーム整形素子6を光軸上に対して垂直方向に振動させることによって、空間光変調素子5において形成される干渉パターンを人の目に認識されにくいように動き回らせることができ、結果的にスペックルノイズを低減させることができる。
【0060】
本発明に係る照明装置においては、この実施の形態に示したような光学系を用いることによって、光利用効率を高く維持しつつ、スペックルノイズを充分に低減させることが可能となる。
【0061】
さらに、効果的にスペックルノイズを低減させる条件としては、図6の一部を拡大して示す図8に示すように、半導体レーザからの光束のビーム整形素子6の入射面内での任意の方向の光束径をaとし、この光束径aに対応する方向についてのビーム整形素子6からの出射光の配光角をθとし、ビーム整形素子6から空間光変調素子5までの距離をbとし、ビーム整形素子6からコリメータレンズ2までの距離をb1とし、ビーム整形素子6に入射する光束の中で前記光束径aに対応する方向について光軸から最も離れた個所を透過した光束がコリメータレンズ2を透過したときの光軸に対する出射角をφ1としたとき、下記の条件を満たすように、これら各光学素子設置するとよい。
a/2<b1tanθ+(b−b1)tanφ1
【0062】
この条件が満たされることにより、ビーム整形素子6上のより大きな面積からの光束が空間光変調素子5上に集まって平均化されるため、スペックルノイズを低減させる効果を最大限に発揮することが可能となる。
【0063】
なお、ビーム整形素子6と空間光変調素子5との間に、コリメータレンズの他、コンデンサレンズやリレーレンズなど、2枚以上のn枚のレンズが配置されている場合には、効果的にスペックルノイズを低減させる条件としては、半導体レーザからの光束のビーム整形素子6の入射面内での任意の方向の光束径をaとし、この光束径aに対応する方向についてのビーム整形素子6からの出射光の配光角をθとし、ビーム整形素子6から空間光変調素子5までの距離をbとし、ビーム整形素子6側から数えてn枚目のレンズとビーム整形素子6との間の光学的距離をbnとし、ビーム整形素子6に入射する光束の中で前記光束径aに対応する方向について光軸から最も離れた個所を透過した光束がn枚目のレンズを透過したときの光軸に対する出射角をφnとしたとき、下記の条件を満たすように、これら各光学素子設置するとよい(ただし、nは2以上の整数である)。
a/2<b1tanθ+i=2Σn(bi−bi−1)tanφi−1+(b−bn)tanφn
【0064】
この条件が満たされることにより、ビーム整形素子6上のより大きな面積からの光束が空間光変調素子5上に集まって平均化されるため、スペックルノイズを低減させる効果を最大限に発揮することが可能となる。
【0065】
そして、この実施の形態においても、ビーム整形素子6の振動周波数は、30Hz以上が望ましい。振動周波数がこの値以下だと、スペックルノイズが空間光変調素子5上で動き回るのが認識されてしまうため、スペックルノイズの低減効果は小さくなってしまう。
【0066】
また、ビーム整形素子6の振動振幅は、小さすぎると、スペックルノイズの低減効果が小さくなってしまい、逆に、大き過ぎると、騒音の発生原因や、機械的信頼性の低下を引き起こしてしまう。この点に関しては、本件発明者による実験結果によると、100μm以上400μm以下が望ましい。
【0067】
そして、圧電素子、ボイスコイル、または、超音波モータ等の振動素子を用いてビーム整形素子6を振動させる場合、ビーム整形素子6の共振周波数(固有振動数)を30Hz程度に設定することにより、少ない消費電力で振動させることができる。この場合、比較的比重の大きいガラス等からなるビーム拡散素子3を用いた場合には、上述の共振条件を満たすように振動系を設計した場合に、質量の大きさに応じて振動系のばね定数も大きくしなければ、共振周波数を30Hz程度とすることが達成できず、そのために駆動音の増加や、機械的信頼性の低下が引き起こされる可能性が増加する。
【0068】
したがって、ビーム整形素子6をなす材料としては、比較的比重の小さい材料、例えば、ポリカーボネイト、ポリエステル等の合成樹脂材料を用いることが好ましい。
【0069】
さらに、光源となる半導体レーザとしては、コヒーレンシの低いマルチモード発振のものが良い。しかし、単一波長の光源を必要とする照明装置、例えば、色収差の許容量が極めて小さい光学系を用いる場合などにおいてはこの限りではない。
【0070】
また、図6に示した構成では、単一の半導体レーザを用いているが、複数の半導体レーザを並列的に用いたほうが、照明装置全体でのスペックルノイズの低減効果を大きくすることができる。
【0071】
以上のような条件を満たした光学系を利用することによって、スペックルノイズのない、もしくはスペックルノイズの非常に少ない照明装置を実現することができる。
【0072】
なお、図6に示した実施の形態において、垂直な入射光に対して、主射光の空間的な強度分布がガウシアン分布等のように角度依存性を持つ場合は、空間光変調素子5に対する均一照明が難しくなる。その場合は、コリメータレンズ2と、空間光変調素子5との間に、フライアイレンズ等を挿入することにより、スペックルノイズが減少された均一な照明を実現することができる。
【0073】
そして、本発明に係る画像表示装置は、いわゆるフロントプロジェクタとして構成され、結像手段となる図示しない投影レンズによって、空間光変調素子5の実像をスクリーン上に投影することにより、空間光変調素子5による空間光変調に応じた画像表示を行う。
【0074】
〔実施の形態(3)〕
さらに、半導体レーザ、または、その他のレーザ光源を用いてスペックルノイズを低減する照明光学系を有して構成された本発明に係る照明装置及び本発明に係る画像表示装置について説明する。
【0075】
この照明装置において、光源としては、図9に示すように、赤色(以下、「R」とする。)、緑色(以下、「G」とする。)、青色(以下、「B」とする。)の3色のうちの互いに異なる一色の光を発する3個のレーザ光源1R,1G,1Bを用いている。
【0076】
なお、この図9においては、レーザ光源を各色1個ずつとして示しているが、それぞれの色について複数個のレーザ光源を用いるようにしてもよい。各色について複数個のレーザ光源を並列的に用いたほうが、照明光学系全体について、後述するスペックルノイズの低減効果を大きくすることができる。
【0077】
各レーザ光源1R,1G,1Bから出射されたR、G、Bのコヒーレント光は、それぞれコリメータレンズ7R,7G,7Bによって平行光束となされる。Rの光束は、ミラー(またはR光のみを反射するダイクロックミラー)8Rによって反射され、G光のみを反射するダイクロックミラー8G及びB光のみを反射するダイクロックミラー8Bを透過する。Gの光束は、G光のみを反射するダイクロックミラー8Gによって反射され、B光のみを反射するダイクロックミラー8Bを透過する。Bの光束は、B光のみを反射するダイクロックミラー8Bによって反射される。このようにして、R、G、B各色光は、合成されて、コンデンサーレンズ9に入射される。
【0078】
コンデンサーレンズ9に入射された光束は、このコンデンサーレンズ9によって集光され、リレーレンズ10を介して拡散光となってコリメータレンズ11に入射する。このコリメータレンズ11は、入射された光束を平行光束として空間光変調素子5に入射させる。このようにして、空間光変調素子5が照明される。
【0079】
そして、本発明に係る画像表示装置は、いわゆるフロントプロジェクタとして構成され、空間光変調素子5を照明しこの空間光変調素子5によって表示する画像信号に応じて変調された光束を、結像手段となる図示しない投射レンズによって、スクリーン上等に投影し、空間光変調素子5の実像を形成して画像表示を行う。
【0080】
なお、上述の図9においては、透過型の空間光変調素子5を示しているが、この透過型の空間光変調素子5に代えて、反射型の空間光変調素子を用いることもできる。
【0081】
このような構成からなる照明光学系においては、リレーレンズ10の近傍の光束は、他の場所に比べて光束径が細くなっている。そして、リレーレンズ10の近傍には、リレーレンズ10の入射側にビーム整形素子3A、もしくは、リレーレンズ10の出射側にビーム整形素子3Bが配設されている。すなわち、ビーム整形素子3A,3Bは、コヒーレント光の光路上の任意の点の近傍に配置されており、この点は、この点におけるコヒーレント光の断面積がこのコヒーレント光の光軸上の前後位置における該コヒーレント光の断面積より小さくなっている点、すなわち、リレーレンズ10の近傍である。
【0082】
このビーム整形素子3A、3Bは、上述の実施の形態におけると同様に、加振手段4によって、光軸に直交する平面内において、すなわち、このビーム整形素子3A、3Bの主面部に平行な平面内において、所定の周波数で振動させられる。ビーム整形素子3A、3Bがこのように振動されることにより、スペックルノイズが低減される。
【0083】
そして、このような照明光学系においては、以下のような利点が存在する。まず、第一の利点は、ビーム整形素子3A、3Bの最適な振動振幅を小さくできることである。すなわち、ビーム整形素子3A、3Bを振動させると、コヒーレント光による干渉パターンがビーム整形素子3A、3Bの配光角に応じて分裂され、これによって、空間光変調素子5におけるスペックルノイズが目立たなくなる。そのため、同一の振動周波数にて振動させた場合には、振動の振幅が大きい方が、スペックルノイズの低減効果は大きい。
【0084】
この実施の形態においては、例えば、ビーム整形素子3A、3Bを光軸に直交する方向に100μmの振幅で振動させた場合、空間光変調素子5における干渉パターン、すなわち、スペックルノイズの振動の光軸に直交する方向の振幅は、100(c/a)μmとなる。なお、ここで、aは、レーザ光源1R,1G,1Bからの光束のビーム整形素子3A、もしくは3Bの入射面内での任意の方向の光束径であり、cは、レーザ光源からの光束の空間光変調素子5の出射面内での任意の方向の光束径である。すなわち、この実施の形態において、空間光変調素子5上でのスペックルノイズの振動の光軸に直交する方向の振幅が100μmである場合、(c/a)が1であれば、ビーム整形素子3A、3Bの光軸に直交する方向の振動の振幅は、100μmであるが、 (c/a)を4とすれば、ビーム整形素子3A、3Bの光軸に直交する方向の振動の振幅を25μmとすることができる。
【0085】
したがって、この照明光学系においては、ビーム整形素子3A、3Bの実際の振動振幅よりも、より振動振幅を大きくした場合のように、効率的にスペックルノイズの低減を実現することができる。また、逆に、スペックルノイズの低減が充分になされている状態においては、ビーム整形素子3A、3Bの振動振幅を小さくすることが可能であり、駆動音の発生や、機械的長期信頼性の劣化などが生ずる可能性を減少させることができる。
【0086】
さらに、効果的にスペックルノイズを低減させる条件としては、図9の一部を拡大して示す図10に示すように、レーザ光源1R,1G,1Bからの光束のビーム整形素子3Bの入射面内での任意の方向の光束径をaとし、この光束径aに対応する方向についてのビーム整形素子3Bからの出射光の配光角をθとし、ビーム整形素子3Bから空間光変調素子5までの距離をbとし、ビーム整形素子3Bからコリメータレンズ11までの距離をb1とし、ビーム整形素子3Bに入射する光束の中で前記光束径aに対応する方向について光軸から最も離れた個所を透過した光束がコリメータレンズ11を透過したときの光軸に対する出射角をφ1としたとき、下記の条件を満たすように、これら各光学素子設置するとよい。
a/2<b1tanθ+(b−b1)tanφ1
【0087】
この条件が満たされることにより、ビーム整形素子3B上のより大きな面積からの光束が空間光変調素子5上に集まって平均化されるため、スペックルノイズを低減させる効果を最大限に発揮することが可能となる。
【0088】
なお、ビーム整形素子3A、3Bと空間光変調素子5との間に、コリメータレンズの他、コンデンサレンズやリレーレンズなど、2枚以上のn枚のレンズが配置されている場合には、効果的にスペックルノイズを低減させる条件としては、レーザ光源からの光束のビーム整形素子3A、3Bの入射面内での任意の方向の光束径をaとし、この光束径aに対応する方向についてのビーム整形素子3A、3Bからの出射光の配光角をθとし、ビーム整形素子3A、3Bから空間光変調素子5までの距離をbとし、ビーム整形素子3A、3B側から数えてn枚目のレンズとビーム整形素子3A、3Bとの間の光学的距離をbnとし、ビーム整形素子3A、3Bに入射する光束の中で前記光束径aに対応する方向について光軸から最も離れた個所を透過した光束がn枚目のレンズを透過したときの光軸に対する出射角をφnとしたとき、下記の条件を満たすように、これら各光学素子設置するとよい(ただし、nは2以上の整数である)。
a/2<b1tanθ+i=2Σn(bi−bi−1)tanφi−1+(b−bn)tanφn
【0089】
この条件が満たされることにより、ビーム整形素子3A、3B上のより大きな面積からの光束が空間光変調素子5上に集まって平均化されるため、スペックルノイズを低減させる効果を最大限に発揮することが可能となる。
【0090】
そして、この実施の形態においても、ビーム整形素子3A、3Bの振動周波数は、30Hz以上が望ましい。振動周波数がこの値以下だと、スペックルノイズが空間光変調素子5上で動き回るのが認識されてしまうため、スペックルノイズの低減効果は小さくなってしまう。
【0091】
また、空間光変調素子5上でのスペックルノイズの振動の光軸に直交する方向の振幅は、小さすぎると、スペックルノイズの低減効果が小さくなってしまい、逆に、大き過ぎると、騒音の発生原因や、機械的信頼性の低下を引き起こしてしまう。この点に関しては、本件発明者による実験結果によると、100μm以上400μm以下が望ましい。
【0092】
そして、圧電素子、ボイスコイル、または、超音波モータ等の振動素子を用いてビーム整形素子3A、3Bを振動させる場合、ビーム整形素子3A、3Bの共振周波数(固有振動数)を30Hz程度に設定することにより、少ない消費電力で振動させることができる。この場合、比較的比重の大きいガラス等からなるビーム拡散素子3を用いた場合には、上述の共振条件を満たすように振動系を設計した場合に、質量の大きさに応じて振動系のばね定数も大きくしなければ、共振周波数を30Hz程度とすることが達成できず、そのために駆動音の増加や、機械的信頼性の低下が引き起こされる可能性が増加する。
【0093】
したがって、ビーム整形素子3A、3Bをなす材料としては、比較的比重の小さい材料、例えば、ポリカーボネイト、ポリエステル等の合成樹脂材料を用いることが好ましい。
【0094】
さらに、光源としては、コヒーレンシの低いマルチモード発振の半導体レーザが良い。しかし、単一波長の光源を必要とする照明装置、例えば、色収差の許容量が極めて小さい光学系を用いる場合などにおいてはこの限りではない。
【0095】
以上のような条件を満たした光学系を利用することによって、スペックルノイズのない、もしくはスペックルノイズの非常に少ない照明装置及び画像表示装置を実現することができる。
【0096】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る照明装置においては、コヒーレント光のビーム整形素子に入射するときのビーム径a、ビーム整形素子から被照明面までの光学的距離b及びビーム整形素子を透過した光束の配光角θの間に上述の所定の条件、
tanθ>(a/2b)
が満たされていることにより、光源の光利用効率を高く維持しつつ、スペックルノイズを充分に低減することができる。
【0097】
また、この照明装置は、さらに、ビーム整形素子と被照射面との間に少なくとも一のレンズが配置されている場合において、コヒーレント光のビーム整形素子に入射するときのビーム径a、ビーム整形素子から被照明面までの光学的距離b、ビーム整形素子を透過した光束の配光角θ、ビーム整形素子に入射するコヒーレント光の中で光軸から最も離れた個所を透過した光束がビーム整形素子から数えてn枚目のレンズを透過したときの光軸に対する出射角φn及びn枚目のレンズとビーム整形素子との間の光学的距離bnの間に上述の所定の条件、
(n=1のとき、)a/2<b1tanθ+(b−b1)tanφ1
(n≧2のとき、)
a/2<b1tanθ+i=2Σn(bi−bi−1)tanφi−1+(b−bn)tanφn
が満たされていることにより、ビーム整形素子と被照射面との間にn枚のレンズが配置されている場合であっても、光源の光利用効率を高く維持しつつ、スペックルノイズを充分に低減することができる。
【0098】
さらに、本発明に係る照明装置においては、ビーム整形素子を、コヒーレント光の断面積がこのコヒーレント光の光軸上の前後位置における該コヒーレント光の断面積より小さくなっている点の近傍に配置することにより、ビーム整形素子を小型化し、かつ、このビーム整形素子の振動振幅を小さくしつつ、スペックルノイズを充分に低減することができる。
【0099】
そして、本発明に係る画像表示装置においては、上述のような照明装置を備えることにより、光源の光利用効率を高く維持しつつ、スペックルノイズを充分に低減することができ、または、ビーム整形素子を小型化し、かつ、このビーム整形素子の振動振幅を小さくしつつ、スペックルノイズを充分に低減することができる。
【0100】
すなわち、本発明は、照明光としてコヒーレント光を用い、装置構成を大型化することなく、また、光利用効率の低下を招来することなく、スペックルノイズの発生が抑えられた照明装置を提供し、また、このような照明装置を備えて構成された画像表示装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る照明装置の構成を示す側面図である。
【図2】上記照明装置におけるビーム整形素子の出射角の特性を示すグラフである。
【図3】上記照明装置におけるビーム整形素子の出射角の特性の他の例を示すグラフである。
【図4】上記照明装置においてビーム整形素子を出射した光束の光路を示す側面図である。
【図5】上記照明装置におけるビーム整形素子の振動振幅とスペックルノイズの減少との関係を示すグラフである。
【図6】上記照明装置においてビーム整形素子として断面楕円形の光束を断面円形の光束に変換する特性を有するものを使用した構成を示す側面図である。
【図7】上記照明装置における光源となる半導体レーザから出射される光束の断面形状を示す斜視図である。
【図8】上記図6に示した照明装置においてビーム整形素子を出射した光束の光路を示す側面図である。
【図9】本発明に係る画像表示装置の構成を示す側面図である。
【図10】上記画像表示装置においてビーム整形素子を出射した光束の光路を示す側面図である。
【符号の説明】
1 半導体レーザ、1R,1G,1B レーザ光源、2,7R,7G,7B コリメータレンズ、3,3A,3B,6 ビーム整形素子、4 加振手段、5 空間光変調素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention mainly relates to an illumination device for illuminating a spatial light modulation element in an image display device and an image display device configured using the illumination device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a spatial light modulation element such as a liquid crystal panel or a so-called “DMD element” is illuminated by a lighting device, and transmitted light or reflected light from the spatial light modulation element is projected onto a screen by a projection lens. An image display device (optical projector) has been proposed.
[0003]
Currently, high-intensity discharge lamps such as metal halide lamps and high-pressure mercury lamps are mainly used as light sources for illumination devices in such image display devices. However, these light sources have several problems as described below.
[0004]
That is, the high-intensity discharge lamp has a short life. For example, the lifetime of a 150 W class high-pressure mercury lamp that is currently most often used as a light source for a projection projector is about 1500 to 3000 hours. Therefore, in an image display apparatus using such a light source, the lamp must be frequently replaced.
[0005]
In an image display device using such a light source, normally, white light is separated into three primary colors by a dichroic mirror or the like, then spatially modulated for each color component, and synthesized again to produce a color image. Is configured. Therefore, in such an image display device, the configuration of the optical system from the illumination device to the projection lens is complicated, and the light use efficiency cannot be increased.
[0006]
In order to solve these problems, an attempt has been made to use a semiconductor laser as a light source of an illumination device. The semiconductor laser has a practically sufficient life, and the monochromaticity of the emitted light is good, so that a large color reproduction region can be realized.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-208089
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the illumination device using the semiconductor laser as the light source as described above, a problem of speckle noise occurs. Generally, when an observer appreciates an image projected on a screen by an image display device, an image is formed on the observer's retina by overlapping reflected light from each region of the projected image. . At this time, the unevenness with a height of about the wavelength or more on the screen causes the reflected light reflected from different areas on the screen to overlap with each other in a complicated phase relationship, and the light emitted from the semiconductor laser has high coherency. Since they have (coherence), they interfere with each other. Such interference causes random intensity changes, that is, speckle noise. By forming such speckle noise, the image quality of the display image is degraded.
[0009]
Speckle noise is a common problem when using laser light having coherency as illumination, and various attempts have been made so far to reduce speckle noise. For example, a configuration using a fiber bundle has been proposed. This fiber bundle is composed of a plurality of optical fibers, and the optical path length difference between the optical fibers is longer than the coherent length of the laser light used as the illumination light or about the coherent length. When coherent light is incident from one end of such a fiber bundle, the light emitted from the other end is non-interfering. By using the light emitted from the other end of the fiber bundle as illumination light, coherency of the entire illumination system can be reduced, and speckle noise on the screen can be reduced.
[0010]
However, such a configuration causes the following problems. That is, in such a fiber bundle, since the light beams that have passed through different optical fibers are each non-interfering, the more the number of optical fibers, that is, the greater the number of divided light beams, the more the illumination light that is combined. Coherency can be reduced. Here, it is assumed that a fiber bundle composed of n optical fibers is used. In general, in a semiconductor laser having a single mode power spectrum, the typical spectrum width of emitted light is about 100 MHz, and the coherent length c is on the order of several meters. Then, in order to obtain non-interfering illumination light using this fiber handle, the difference in length between the shortest optical fiber and the longest optical fiber is nxc [m]. For example, when the number n of optical fibers is 50 and the coherent length c is 1 m, the length of the longest optical fiber is 50 m or more.
[0011]
Such an optical system including a fiber bundle composed of a large number of optical fibers having different optical path lengths has a considerably large volume and weight, leading to an increase in the size of the entire image projection apparatus. End up.
[0012]
On the other hand, as another configuration for reducing speckle noise, a configuration using a rotating diffusion plate or the like has been proposed. In this configuration, a diffusion plate that is rotated at high speed and transmits the illumination light is disposed on the optical path of the illumination light emitted from the semiconductor laser. The diffusion plate is rotated at a high speed, thereby splitting an interference pattern generated by illumination light that is coherent light, and this interference pattern, that is, speckle noise, moves around on the screen at high speed.
[0013]
That is, in this configuration, speckle noise does not actually disappear, but it looks as if speckle noise has disappeared.
[0014]
However, in this configuration, polished glass or the like is used as the diffusion plate, so that the light use efficiency is lowered. In addition, when such a configuration is specifically incorporated into the illumination optical system, specific proposals such as where to install it, what kind of properties and size of diffusion plate should be used are Little has been done.
[0015]
Therefore, the present invention is proposed in view of the above circumstances, using coherent light as illumination light, without increasing the size of the apparatus configuration, and without causing a decrease in light utilization efficiency, It is an object of the present invention to provide an illumination device in which the generation of speckle noise is suppressed, and to provide an image display device configured to include such an illumination device.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, an illumination apparatus according to the present invention includes coherent light source means that emits coherent light and illuminates the surface to be illuminated with the coherent light, and coherent light between the coherent light source means and the illuminated surface. A beam shaping element that is arranged on the optical path of the coherent light and changes the intensity distribution of the coherent light incident from the coherent light source means to distribute the light to a predetermined intensity distribution and emits the light, and an excitation means that vibrates the beam shaping element. It has.
[0017]
In this illumination device, the beam diameter in an arbitrary direction in the incident surface when the coherent light emitted from the coherent light source unit enters the beam shaping element is defined as a, and the optical from the beam shaping element to the illuminated surface is defined as a. If the target distance is b and the light distribution angle of the light beam transmitted through the beam shaping element is θ,
tan θ> (a / 2b)
Is establishedThe beam shaping element has anisotropy in the light distribution angle.It is characterized by this.
[0018]
In this illumination device, the beam diameter a when entering the beam shaping element of coherent light, the optical distance b from the beam shaping element to the illuminated surface, and the light distribution angle θ of the light beam transmitted through the beam shaping element. By satisfying the predetermined condition described above, speckle noise can be sufficiently reduced while maintaining high light use efficiency of the light source.
[0019]
In addition, in this illumination device, at least one lens is disposed between the beam shaping element and the irradiated surface. A beam diameter in an arbitrary direction in the incident surface when the coherent light emitted from the coherent light source unit enters the beam shaping element is a, and an optical distance from the beam shaping element to the illuminated surface is b. The light distribution angle of the light beam transmitted through the beam shaping element is θ, and the coherent light incident on the beam shaping element is transmitted through the part farthest from the optical axis and the nth lens counted from the beam shaping element The exit angle with respect to the optical axis when passing throughnAnd the optical distance between the nth lens and the beam shaping element is bnWhen n is 1,
a / 2 <b1tan θ + (b−b1) Tanφ1
And when n is an integer greater than or equal to 2,
a / 2 <b1tanθ +i=2Σn(Bi-Bi-1) Tanφi-1+ (B−bn) Tanφn
Is establishedThe beam shaping element has anisotropy in the light distribution angle.It is characterized by this.
[0020]
In this illumination device, the beam diameter a when entering the beam shaping element of coherent light, the optical distance b from the beam shaping element to the illuminated surface, the light distribution angle θ of the light beam transmitted through the beam shaping element, the beam shaping. Outgoing angle φ with respect to the optical axis when the light beam transmitted through the part farthest from the optical axis among the coherent light incident on the element passes through the nth lens counted from the beam shaping elementnAnd the optical distance b between the nth lens and the beam shaping elementnBy satisfying the above-mentioned predetermined condition during the period, even when n lenses are arranged between the beam shaping element and the irradiated surface, the light use efficiency of the light source is kept high. However, speckle noise can be sufficiently reduced.
[0024]
An image display device according to the present invention includes any one of the above-described illumination devices, includes a spatial light modulation element as a surface to be illuminated, and further includes an imaging unit that forms an image of the spatial light modulation element. Is.
[0025]
In this image display device, speckle noise can be sufficiently reduced while maintaining high light use efficiency of the light source, or the beam shaping element can be downsized and the vibration amplitude of the beam shaping element can be reduced. However, speckle noise can be sufficiently reduced.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0027]
In each of the following embodiments, the illumination device according to the present invention is configured to illuminate the spatial light modulation element in the image display device as an illuminated surface, and the illumination device is used to relate to the present invention. An image display apparatus is configured.
[0028]
[Embodiment (1)]
As shown in FIG. 1, the illuminating device according to the present invention includes a semiconductor laser 1 serving as coherent light source means for emitting coherent light to illuminate a spatial light modulator. The coherent light beam emitted from the semiconductor laser 1 is converted into a parallel light beam by the
[0029]
For example, as shown in FIGS. 2 and 3, the
[0030]
That is, in the
[0031]
The intensity distribution of the light beam transmitted through these
[0032]
The
[0033]
The light beam transmitted through the
[0034]
Here, the length (beam diameter) a in the arbitrary direction of the beam diameter within the incident surface of the
[0035]
Here, the light distribution angle θ is an emission angle (on the main surface of the beam shaping element 3) at which the beam intensity is ½ of the maximum value in the angle dependency of the intensity distribution of the light beam transmitted through the
[0036]
For example, in the characteristic shown in FIG.0Indicates the light distribution angle, and in the characteristics shown in FIG.0Indicates the light distribution angle. At this time, if there is anisotropy in the intensity distribution, the largest angle among the angles at which the beam intensity is ½ of the maximum value is set as the light distribution angle. The light beam diameter is the length of a straight line connecting two points including the point where the intensity reaches the maximum value in the light beam incident on the
[0037]
When the state of the light beam between the
[0038]
Where the luminous flux R2Then, the light distribution angle θ so that all the light beams incident on the
[0039]
In addition, the luminous flux R1Is the angle of light distribution of the
[0040]
That is, in this illumination system, the light distribution angle θ of the
[0041]
When the relationship between the light distribution angle θ of the
[0042]
In addition, the speckle contrast here is a value obtained by standardizing the standard deviation of the spatial intensity distribution of light on the illumination surface by the average value of the intensity distribution, and when there is a lot of speckle noise, The value becomes large. Conversely, when speckle noise is reduced, the value becomes small.
[0043]
That is, in this illumination system, as shown in FIG.2The light distribution angle θ of the
[0044]
The experimental results shown in FIG. 5 are obtained using a krypton laser as a light source. Even when a semiconductor laser is used as a light source, the speckle contrast value is different, but the reduction in speckle contrast is the same. The tendency of can be confirmed.
[0045]
Thus, the light flux R in FIG.2When the light distribution angle is selected so that all the light beams incident on the
tanθ> (a / 2b)
[0046]
The vibration frequency of the
[0047]
On the other hand, if the vibration amplitude of the
[0048]
When the
[0049]
Therefore, as the material forming the
[0050]
Further, as a semiconductor laser serving as a light source, a multimode oscillation with low coherency is preferable. However, this is not the case in an illuminating device that requires a light source of a single wavelength, for example, when an optical system having an extremely small chromatic aberration tolerance is used.
[0051]
In the configuration shown in FIG. 1, a single semiconductor laser is used. However, the use of a plurality of semiconductor lasers in parallel can increase the speckle noise reduction effect in the entire lighting device. .
[0052]
By using an optical system that satisfies the above conditions, it is possible to realize an illumination device that has no speckle noise or very little speckle noise.
[0053]
The image display device according to the present invention is configured as a so-called front projector, and projects a real image of the spatial
[0054]
[Embodiment (2)]
Next, as another embodiment of an illumination device for reducing speckle noise, as shown in FIG. 6, the beam shaping of the emitted light from the semiconductor laser having anisotropy in the radiated light intensity distribution, and the speckle are performed. The structure of the illuminating device which implement | achieved noise removal with the same optical element is shown.
[0055]
As shown in FIG. 7, the light beam emitted from the semiconductor laser 1 has a beam diameter in the θ⊥ direction (direction perpendicular to each layer of the stacked structure forming the semiconductor laser chip) in the θ // direction (forming the semiconductor laser chip). It has an elliptical shape that is long with respect to the beam diameter in the direction parallel to each layer of the laminated structure. For this reason, it is difficult to efficiently use the light flux as it is, and it is difficult to uniformly illuminate a predetermined area in an image display device or the like.
[0056]
Therefore, in this illuminating device, as shown in FIG. 6, a beam shaping element 6 having such a property as to emit a light beam having a circular cross section is transmitted through a light beam having an elliptical cross section incident vertically.
[0057]
Then, the light beam that has passed through the beam shaping element 6 is converted into a parallel light beam by the
[0058]
In FIG. 6, B1Indicates the beam shape of the light beam emitted from the semiconductor laser 1, and B2Indicates the beam shape of the light beam after passing through the beam shaping element 6;3These show the beam shape of the light beam after passing through the
[0059]
Furthermore, it is also conceivable that the beam shape after passing through the beam shaping element 6 is the same as that of the spatial
[0060]
In the illumination apparatus according to the present invention, by using the optical system as shown in this embodiment, it is possible to sufficiently reduce speckle noise while maintaining high light utilization efficiency.
[0061]
Furthermore, as a condition for effectively reducing speckle noise, as shown in FIG. 8 which shows a part of FIG. 6 in an enlarged manner, an arbitrary light beam within the incident surface of the beam shaping element 6 of the light beam from the semiconductor laser can be used. The light beam diameter in the direction is a, the light distribution angle of the emitted light from the beam shaping element 6 in the direction corresponding to the light beam diameter a is θ, and the distance from the beam shaping element 6 to the spatial
a / 2 <b1tanθ + (b−b1) Tanφ1
[0062]
By satisfying this condition, light beams from a larger area on the beam shaping element 6 are collected on the spatial
[0063]
If two or more n lenses such as a condenser lens and a relay lens are disposed between the beam shaping element 6 and the spatial
a / 2 <b1tanθ +i = 2Σn(Bi-Bi-1) Tanφi-1+ (B−bn) Tanφn
[0064]
By satisfying this condition, light beams from a larger area on the beam shaping element 6 are collected on the spatial
[0065]
Also in this embodiment, the vibration frequency of the beam shaping element 6 is desirably 30 Hz or more. If the vibration frequency is less than this value, it is recognized that speckle noise moves around on the spatial
[0066]
On the other hand, if the vibration amplitude of the beam shaping element 6 is too small, the effect of reducing speckle noise is reduced. Conversely, if the vibration amplitude is too large, the cause of noise generation and the decrease in mechanical reliability are caused. . With respect to this point, according to the results of experiments by the present inventors, it is preferably 100 μm to 400 μm.
[0067]
When the beam shaping element 6 is vibrated using a vibration element such as a piezoelectric element, a voice coil, or an ultrasonic motor, by setting the resonance frequency (natural frequency) of the beam shaping element 6 to about 30 Hz, It can be vibrated with low power consumption. In this case, when the
[0068]
Therefore, as the material forming the beam shaping element 6, it is preferable to use a material having a relatively low specific gravity, for example, a synthetic resin material such as polycarbonate or polyester.
[0069]
Further, as a semiconductor laser serving as a light source, a multimode oscillation with low coherency is preferable. However, this is not the case in an illuminating device that requires a light source of a single wavelength, for example, when an optical system having an extremely small chromatic aberration tolerance is used.
[0070]
In the configuration shown in FIG. 6, a single semiconductor laser is used. However, the use of a plurality of semiconductor lasers in parallel can increase the speckle noise reduction effect in the entire lighting device. .
[0071]
By using an optical system that satisfies the above conditions, it is possible to realize an illumination device that has no speckle noise or very little speckle noise.
[0072]
In the embodiment shown in FIG. 6, when the spatial intensity distribution of the main incident light has an angle dependency such as a Gaussian distribution with respect to the perpendicular incident light, the spatial
[0073]
The image display device according to the present invention is configured as a so-called front projector, and projects a real image of the spatial
[0074]
[Embodiment (3)]
Furthermore, the illumination device according to the present invention and the image display device according to the present invention configured to have an illumination optical system that reduces speckle noise using a semiconductor laser or other laser light source will be described.
[0075]
In this lighting device, as shown in FIG. 9, the light source is red (hereinafter referred to as “R”), green (hereinafter referred to as “G”), and blue (hereinafter referred to as “B”). The three
[0076]
In FIG. 9, the laser light source is shown as one for each color, but a plurality of laser light sources may be used for each color. The use of a plurality of laser light sources in parallel for each color can increase the speckle noise reduction effect described later for the entire illumination optical system.
[0077]
The R, G, and B coherent lights emitted from the
[0078]
The light beam incident on the
[0079]
The image display device according to the present invention is configured as a so-called front projector, and illuminates the spatial
[0080]
Although FIG. 9 shows the transmissive spatial
[0081]
In the illumination optical system having such a configuration, the luminous flux in the vicinity of the
[0082]
In the same manner as in the above-described embodiment, the
[0083]
Such an illumination optical system has the following advantages. First, the first advantage is that the optimum vibration amplitude of the
[0084]
In this embodiment, for example, when the
[0085]
Therefore, in this illumination optical system, it is possible to efficiently reduce speckle noise as in the case where the vibration amplitude is made larger than the actual vibration amplitude of the
[0086]
Furthermore, as a condition for effectively reducing speckle noise, the incident surface of the
a / 2 <b1tanθ + (b−b1) Tanφ1
[0087]
By satisfying this condition, light beams from a larger area on the
[0088]
It is effective when two or more n lenses such as a condenser lens and a relay lens are disposed between the
a / 2 <b1tanθ +i = 2Σn(Bi-Bi-1) Tanφi-1+ (B−bn) Tanφn
[0089]
When this condition is satisfied, light beams from a larger area on the
[0090]
Also in this embodiment, the vibration frequency of the
[0091]
On the other hand, if the amplitude in the direction orthogonal to the optical axis of speckle noise vibration on the spatial
[0092]
When the
[0093]
Therefore, it is preferable to use a material having a relatively low specific gravity, for example, a synthetic resin material such as polycarbonate or polyester, as the material forming the
[0094]
Furthermore, as a light source, a multimode oscillation semiconductor laser with low coherency is preferable. However, this is not the case in an illuminating device that requires a light source of a single wavelength, for example, when an optical system having an extremely small chromatic aberration tolerance is used.
[0095]
By using an optical system that satisfies the above conditions, it is possible to realize an illumination device and an image display device that are free from speckle noise or have very little speckle noise.
[0096]
【The invention's effect】
As described above, in the illumination device according to the present invention, the beam diameter a when entering the beam shaping element of coherent light, the optical distance b from the beam shaping element to the surface to be illuminated, and the light beam transmitted through the beam shaping element. The above-mentioned predetermined condition during the light distribution angle θ of
tanθ> (a / 2b)
Is satisfied, speckle noise can be sufficiently reduced while maintaining high light use efficiency of the light source.
[0097]
Further, the illumination device further includes a beam diameter a when entering the beam shaping element of coherent light when the at least one lens is disposed between the beam shaping element and the irradiated surface, the beam shaping element The optical distance b from the surface to be illuminated, the light distribution angle θ of the light beam that has passed through the beam shaping element, and the light beam that has passed through the part farthest from the optical axis among the coherent light incident on the beam shaping element Angle φ with respect to the optical axis when passing through the nth lens counted fromnAnd the optical distance b between the nth lens and the beam shaping elementnDuring the predetermined conditions described above,
(When n = 1) a / 2 <b1tanθ + (b−b1) Tanφ1
(When n ≧ 2)
a / 2 <b1tanθ +i = 2Σn(Bi-Bi-1) Tanφi-1+ (B−bn) Tanφn
Is satisfied, even if n lenses are arranged between the beam shaping element and the irradiated surface, speckle noise is sufficiently maintained while maintaining high light use efficiency of the light source. Can be reduced.
[0098]
Furthermore, in the illumination device according to the present invention, the beam shaping element is disposed in the vicinity of a point where the cross-sectional area of the coherent light is smaller than the cross-sectional area of the coherent light at the front and rear positions on the optical axis of the coherent light. As a result, the beam shaping element can be reduced in size, and the speckle noise can be sufficiently reduced while reducing the vibration amplitude of the beam shaping element.
[0099]
In the image display device according to the present invention, by including the illumination device as described above, speckle noise can be sufficiently reduced while maintaining high light use efficiency of the light source, or beam shaping. The speckle noise can be sufficiently reduced while downsizing the element and reducing the vibration amplitude of the beam shaping element.
[0100]
That is, the present invention provides an illuminating device using coherent light as illumination light, suppressing the generation of speckle noise without increasing the size of the device and without causing a decrease in light utilization efficiency. In addition, an image display device configured to include such an illumination device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing a configuration of a lighting device according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a characteristic of an emission angle of a beam shaping element in the illumination device.
FIG. 3 is a graph showing another example of the emission angle characteristics of the beam shaping element in the illumination device.
FIG. 4 is a side view showing an optical path of a light beam emitted from a beam shaping element in the illumination device.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the vibration amplitude of the beam shaping element and the reduction in speckle noise in the illumination device.
FIG. 6 is a side view showing a configuration in which a beam shaping element having a characteristic of converting a light beam having an elliptical cross section into a light beam having a circular cross section is used as the beam shaping element in the illumination device.
FIG. 7 is a perspective view showing a cross-sectional shape of a light beam emitted from a semiconductor laser serving as a light source in the illumination device.
8 is a side view showing an optical path of a light beam emitted from a beam shaping element in the illumination device shown in FIG.
FIG. 9 is a side view showing a configuration of an image display device according to the present invention.
FIG. 10 is a side view showing an optical path of a light beam emitted from a beam shaping element in the image display device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor laser, 1R, 1G, 1B Laser light source, 2, 7R, 7G, 7B Collimator lens, 3, 3A, 3B, 6 Beam shaping element, 4 Excitation means, 5 Spatial light modulation element
Claims (24)
上記コヒーレント光源手段と上記被照明面との間の上記コヒーレント光の光路上に配設され、該コヒーレント光源手段から入射するコヒーレント光の強度分布を変化させて所定の強度分布に配光して出射させるビーム整形素子と、
上記ビーム整形素子を振動させる加振手段と
を備え、
上記コヒーレント光源手段から出射されたコヒーレント光が上記ビーム整形素子に入射するときの入射面内における任意の方向のビーム径をaとし、このビーム整形素子から上記被照明面までの光学的距離をbとし、ビーム整形素子を透過した光束の配光角をθとすると、
tanθ>(a/2b)
が成立しており、
上記ビーム整形素子は、配光角に異方性を有している
ことを特徴とする照明装置。Coherent light source means for emitting coherent light and illuminating the illuminated surface with the coherent light;
It is arranged on the optical path of the coherent light between the coherent light source means and the surface to be illuminated, changes the intensity distribution of the coherent light incident from the coherent light source means, and distributes the light to a predetermined intensity distribution and emits it. A beam shaping element to be
Vibration means for vibrating the beam shaping element,
The beam diameter in an arbitrary direction in the incident surface when the coherent light emitted from the coherent light source means enters the beam shaping element is a, and the optical distance from the beam shaping element to the illuminated surface is b. And the light distribution angle of the light beam transmitted through the beam shaping element is θ,
tan θ> (a / 2b)
Is established,
The beam shaping element has anisotropy in a light distribution angle.
上記コヒーレント光源手段と上記被照明面との間の上記コヒーレント光の光路上に配設され、該コヒーレント光源手段から入射するコヒーレント光の強度分布を変化させて所定の強度分布に配光して出射させるビーム整形素子と、
上記ビーム整形素子を振動させる加振手段と、
上記ビーム整形素子と上記被照射面との間に配置された少なくとも一のレンズと
を備え、
上記コヒーレント光源手段から出射されたコヒーレント光が上記ビーム整形素子に入射するときの入射面内における任意の方向のビーム径をaとし、このビーム整形素子から上記被照明面までの光学的距離をbとし、ビーム整形素子を透過した光束の配光角をθとし、ビーム整形素子に入射するコヒーレント光の中で光軸から最も離れた個所を透過した光束がn枚目のレンズを透過したときの光軸に対する出射角をφnとし、ビーム整形素子から数えてn枚目のレンズとビーム整形素子との間の光学的距離をbnとしたときに、nが1であるときには、
a/2<b1tanθ+(b−b1)tanφ1
が成立し、nが2以上の整数であるときには、
a/2<b1tanθ+i=2Σn(bi−bi−1)tanφi−1+(b−bn)tanφn
が成立しており、
上記ビーム整形素子は、配光角に異方性を有している
ことを特徴とする照明装置。Coherent light source means for emitting coherent light and illuminating the illuminated surface with the coherent light;
It is arranged on the optical path of the coherent light between the coherent light source means and the surface to be illuminated, changes the intensity distribution of the coherent light incident from the coherent light source means, and distributes the light to a predetermined intensity distribution and emits it. A beam shaping element to be
Vibration means for vibrating the beam shaping element;
And at least one lens disposed between the beam shaping element and the irradiated surface,
The beam diameter in an arbitrary direction in the incident surface when the coherent light emitted from the coherent light source means enters the beam shaping element is a, and the optical distance from the beam shaping element to the illuminated surface is b. And the light distribution angle of the light beam that has passed through the beam shaping element is θ, and the light beam that has passed through the most distant portion from the optical axis in the coherent light incident on the beam shaping element is transmitted through the nth lens. When n is 1 when the output angle with respect to the optical axis is φ n and the optical distance between the nth lens counted from the beam shaping element and the beam shaping element is b n ,
a / 2 <b 1 tan θ + (b−b 1 ) tan φ 1
And when n is an integer greater than or equal to 2,
a / 2 <b 1 tan θ + i = 2 Σ n (b i −b i−1 ) tan φ i−1 + (b−b n ) tan φ n
Is established,
The beam shaping element has anisotropy in a light distribution angle.
上記コヒーレント光によって照明される空間光変調素子と、
上記空間光変調素子の像を形成する結像手段と、
上記コヒーレント光源手段と上記空間光変調素子との間の上記コヒーレント光の光路上に配設され、該コヒーレント光源手段から入射するコヒーレント光の強度分布を変化させて所定の強度分布に配光して出射させるビーム整形素子と、
上記ビーム整形素子を振動させる加振手段と
を備え、
上記コヒーレント光源手段から出射されたコヒーレント光が上記ビーム整形素子に入射するときの入射面内における任意の方向のビーム径をaとし、このビーム整形素子から上記空間光変調素子までの光学的距離をbとし、ビーム整形素子を透過した光束の配光角をθとすると、
tanθ>(a/2b)
が成立しており、
上記ビーム整形素子は、配光角に異方性を有している
ことを特徴とする画像表示装置。Coherent light source means for emitting coherent light;
A spatial light modulation element illuminated by the coherent light;
An imaging means for forming an image of the spatial light modulator;
It is arranged on the optical path of the coherent light between the coherent light source means and the spatial light modulator, and changes the intensity distribution of the coherent light incident from the coherent light source means to distribute light to a predetermined intensity distribution. A beam shaping element to be emitted;
Vibration means for vibrating the beam shaping element,
The beam diameter in an arbitrary direction in the incident surface when the coherent light emitted from the coherent light source means enters the beam shaping element is a, and the optical distance from the beam shaping element to the spatial light modulation element is defined as a. b, and θ is the light distribution angle of the light beam that has passed through the beam shaping element.
tan θ> (a / 2b)
Is established,
The image display device, wherein the beam shaping element has anisotropy in a light distribution angle.
上記コヒーレント光によって照明される空間光変調素子と、
上記空間光変調素子の像を形成する結像手段と、
上記コヒーレント光源手段と上記空間光変調素子との間の上記コヒーレント光の光路上に配設され、該コヒーレント光源手段から入射するコヒーレント光の強度分布を変化させて所定の強度分布に配光して出射させるビーム整形素子と、
上記ビーム整形素子を振動させる加振手段と、
上記ビーム整形素子と上記空間光変調素子との間に配置された少なくとも一のレンズと
を備え、
上記コヒーレント光源手段から出射されたコヒーレント光が上記ビーム整形素子に入射するときの入射面内における任意の方向のビーム径をaとし、このビーム整形素子から上記空間光変調素子までの光学的距離をbとし、ビーム整形素子を透過した光束の配光角をθとし、ビーム整形素子に入射するコヒーレント光の中で光軸から最も離れた個所を透過した光束がn枚目のレンズを透過したときの光軸に対する出射角をφnとし、ビーム整形素子から数えてn枚目のレンズとビーム整形素子との間の光学的距離をbnとしたときに、nが1であるときには、
a/2<b1tanθ+(b−b1)tanφ1
が成立し、nが2以上の整数であるときには、
a/2<b1tanθ+i=2Σn(bi−bi−1)tanφi−1+(b−bn)tanφn
が成立しており、
上記ビーム整形素子は、配光角に異方性を有している
ことを特徴とする画像表示装置。Coherent light source means for emitting coherent light;
A spatial light modulation element illuminated by the coherent light;
An imaging means for forming an image of the spatial light modulator;
It is arranged on the optical path of the coherent light between the coherent light source means and the spatial light modulator, and changes the intensity distribution of the coherent light incident from the coherent light source means to distribute light to a predetermined intensity distribution. A beam shaping element to be emitted;
Vibration means for vibrating the beam shaping element;
And at least one lens disposed between the beam shaping element and the spatial light modulation element,
The beam diameter in an arbitrary direction in the incident surface when the coherent light emitted from the coherent light source means enters the beam shaping element is a, and the optical distance from the beam shaping element to the spatial light modulation element is defined as a. b, when the light distribution angle of the light beam that has passed through the beam shaping element is θ, and the light beam that has passed through the most distant portion from the optical axis in the coherent light incident on the beam shaping element has passed through the nth lens When n is 1 when the output angle with respect to the optical axis is φ n and the optical distance between the nth lens and the beam shaping element counted from the beam shaping element is b n ,
a / 2 <b 1 tan θ + (b−b 1 ) tan φ 1
And when n is an integer greater than or equal to 2,
a / 2 <b 1 tan θ + i = 2 Σ n (b i −b i−1 ) tan φ i−1 + (b−b n ) tan φ n
Is established,
The image display device, wherein the beam shaping element has anisotropy in a light distribution angle.
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