JP4182580B2

JP4182580B2 - 照明装置及び画像表示装置

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Authority: JP
Inventors: 徹堂向
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Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2008-11-19
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明装置及びこれを具備した画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、画像表示装置の一形態として、画像を表示する液晶パネルを照明し、その反射光、あるいは透過光をスクリーンに映し出すように構成された光学式のプロジェクターがある。このようなプロジェクターにおいては、通常、メタルハライド、ハロゲン、あるいはキセノンといったランプが光源として用いられている。しかしながら、このようなランプ光源には、次のような幾つかの難点があり、その利用価値を妨げるものとなっている。
【０００３】
第一に、ランプは寿命は短く、メタルハライドランプの場合でも２，０００時間程度である。このため、着脱式のカートリッジに納めて交換可能とするなどの構成上の工夫を施さなければならない。
【０００４】
さらに、通常はランプからの白色光から光の三原色を切り出して構成するため、そのための光学系で体積が大きくなるという難点もあり、また、色再現領域も制限され、光利用効率も低下する。
【０００５】
これらの問題点を解決するために、発光ダイオード、あるいは半導体レーザといった光半導体素子を光源に用いる試みもなされている。例えば、発光ダイオードにおいては、寿命は、一般的には１０，０００時間以上と優れている。しかしながら、一般に発光ダイオードは、光の指向性が低く、発散して発光するため、光の利用効率を向上させるのが容易ではない。
【０００６】
この点で半導体レーザは、優れた指向性により放射される光を効率よく利用することができる。また、半導体レーザも十分に長寿命であり、一般的にエネルギー利用効率も発光ダイオードより大きい。さらに、半導体レーザはその単色性により、色再現領域を大きく取ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体レーザを上述のプロジェクターのような光源として利用する場合には、次に述べるような、スペックルノイズという問題があった。
【０００８】
一般に、レーザ光源を、例えば画像表示装置の照明に用いたとき、像面、例えば観察者の網膜上では、物体面、例えばスクリーンの各点、各領域からの寄与が集合されて像を形成すると考えることができる。この際、物体表面には、波長程度以上の深さの凹凸があるのが自然であるから、像面では複雑な位相関係の光束が重なり合っており、それらの光束が互いに可干渉であれば、干渉の結果、複雑な明暗のパターンを生じる。これが、スペックルであり、画像表示装置であれば、著しく画質を損なう原因となる。半導体レーザの場合も、一般的にスペックルノイズを生じさせるには十分な可干渉性を有しており問題になる。
【０００９】
また、レーザを用いた画像表示の別の方法として、レーザ走査型の構成も知られているが、この場合にもスペックルノイズが問題となる。一般的にレーザ走査型の画像表示装置の基本構成は、レーザ光源からの出射光をレンズで集光し、そのスポットをスクリーン上の一点に投影し、光路中に配置した偏向器で集光スポットをスクリーン上で２次元的に走査して画像を表示するもので、人間はそのスクリーンからの透過光あるいは反射光を見ることになる。
【００１０】
このとき、網膜上の像面では、集光スポット内の光束がスクリーンでのランダムな位相変化を伴って像点で重なることになる。こうして網膜上で重なる光束の、光源からの光路長差は極めて小さく、互いに干渉してスペックルが生じることになる。
【００１１】
スペックルノイズは、半導体レーザに限らず、高いコヒーレンスを有するレーザ光源に共通の問題であり、従来より解決の試みが多く行われてきた。その代表的な方法の一つは、回転拡散板を用いる方法である。これは照明光源から被照明面の間に擦りガラスのようなランダムな拡散板を挿入し、それを回転させることにより、像面に生じるスペックルパターンを時間的に変動させ、受光系の応答速度内での積分効果によりパターンを平均化する方法である。例えば、人間の目の場合その応答速度は３０ｍｓｅｃ程度といわれており、その時間内にパターンが幾重にも変動するような十分な速度で拡散板を回転させれば、人間の目には、スペックルパターンはほどんど認識できなくすることができる。
【００１２】
しかしながら、回転拡散板は、本来、光を発散させる作用を持つから、光学系に挿入した場合には、入射光の損失を生じることになる。特に、レーザ走査型の場合には，回転拡散板を介した後に、スクリーン上で集光できる光量に対し損失は大となる。また、モーターで回転させる回転拡散板は、体積をとるうえ、エネルギーを消費し、駆動音を生じるなど、民生用の画像表示装置として好ましくない。
【００１３】
スペックルノイズを低減させる別の方法は、ある程度のコヒーレンス長を有するコヒーレント光を複数の光束に分割し、互いにコヒーレンス長程度以上の光路差を与えた後、再び合流あるいは配列させる方法である。この低減方法は、各々の光束間で非可干渉となるので、分割される光束数が多いほど、合流あるいは配列されたコヒーレント光の空間的なコヒーレンス度を低減することができる。具体的な既知の構成としては、ファイバーバンドルが知られている。この方法においては、複数のファイバーを束ね、各ファイバーの長さに、入射する光源のコヒーレンス長より長い光路差を与えておく。ファイバーの両端は揃えておき、一端より光を入射すると、他端ではそれぞれのファイバーからの出射光は互いに非可干渉となり、全体としての空間コヒーレンスは低減する。したがって、これを照明等の光源として用いた場合は、被照射面のスペックルを低減させることができるという方法である。
【００１４】
しかしながら、ファイバーバンドルを用いる方法には以下のような問題点がある。例えば、５１本の光ファイバーを束ねて各々の長さの差を１ｃｍとした場合には、最短の光ファイバーと最長の光ファイバーとの長さの差は５０ｃｍとなる。そして、その両端を揃えて例えば画像表示装置内に納めるにほ大きな体積が必要であり、画像表示装置の小型化を図る上での阻害要因となる。また、ファイバーバンドルの入射端の開口率は１以下であるため、入射するコヒーレント光をファイバーバンドルに結合する際に損失が生じる。さらに、出射端では各ファイバーから光束が出射され、すなわち、出射光は広がった面積をもった出射口の各点から発散する光束で構成されることになり、後段の光学系で損失を生じる原因ともなる。さらに、ファイバーバンドルのような装置を大量に生産するのは基本的に困難であり、これもまた、民生用の画像表示装置には不向きである。
【００１５】
ところで、いかなる光路長差を生起する手段を用いたとしても、シングルモードのパワースペクトラムを有するコヒーレント光光源から出射されるコヒーレント光のコヒーレンス長は一般的に十分長いため、空間コヒーレンスを低減するのには限界がある。例えば、光源としてシングルモードの半導体レーザを用いる場合、その典型的なスペクトラム幅は１００ＭＨｚであり、したがって、コヒーレンス長は３ｍ程度となる。このように長い光路差を生起する光学系は、相当の体積を要し、民生用の画像表示装置に用いる上での大きな阻害要因である。
【００１６】
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、コンパクトで産業的に大量生産可能な構成でありながら、空間コヒーレンスの低減あるいはスペックルの低減を可能にした照明装置及びこれを具備した画像表示装置を提供しようとするものである。
【００１７】
【問題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る照明装置は、複数の異なる発振波長を有するコヒーレント光を発振するマルチモードの半導体レーザと、上記半導体レーザからの出射光を集光する第１の集光レンズと、複数の要素レンズが並置されて成るレンズアレイと、上記レンズアレイの透過光を被照射面上に集光する第２の集光レンズとを備え、上記第１の集光レンズ、または、上記第２の集光レンズの一方が、光軸を中心に半径方向に周期的に厚み、あるいは、屈折率が変化するフレネルレンズである場合、上記半導体レーザから被照射面の少なくとも光軸上の一点に至る光束の光路長が、第１、または、第２の集光レンズの透過位置によって差が生じ、上記半導体レーザからのコヒーレンス光のコヒーレンス度を距離の関数として表したとき、上記マルチモードの半導体レーザより発振された複数の異なる発振波長のうちの一の極大波形のコヒーレンス度が上記半導体レーザからの距離０での値に対して最初に１／２になるまでの距離をｌ _c とし、第１の集光レンズ及び第２の集光レンズのいずれか一方のフレネルレンズの半径をｒとし、焦点距離をｆとすると、上記光路長の差は、ｒ sin ｛ tan ^-1 （ｒ／ｆ）｝＞ｌ _c を満たし、上記第１の集光レンズ及び上記第２の集光レンズの両方ともフレネルレンズである場合、入射光のコヒーレンス度を距離の関数として表したとき、上記マルチモードの半導体レーザより発振された複数の異なる発振波長のうちの一の極大波形のコヒーレンス度が上記半導体レーザからの距離０での値に対して最初に１／２になるまでの距離をｌ _c とし、第１の集光レンズ及び第２の集光レンズの半径をそれぞれｒ ₁ 、ｒ ₂ とし、焦点距離をそれぞれｆ ₁ 、ｆ ₂ とすると、上記光路長の差は、ｒ ₁ sin ｛ tan ^-1 （ｒ ₁ ／ｆ ₁ ）｝＋ｒ ₂ sin ｛ tan ^-1 （ｒ ₂ ／ｆ ₂ ）｝＞ｌ _c を満たし、上記フレネルレンズが、同心円状に分割された複数の領域からなり、各領域内での平均的な厚さが各領域間で略一定であり、かつ、複数の領域の数が、レンズアレイにおける要素レンズの数の１／２より大である。
【００１８】
本発明に係る画像表示装置は、上述した照明装置と、上記照明装置の被照射面配置された空間光変調素子あるいは空間光偏向素子とを備え、上記空間光変調素子あるいは空間光偏向素子は、細分に区画された画素ごとに画像信号に応じて透過率、透過方向、反射率、反射方向の少なくともいずれかを変化させる機能を有し、上記被照明面に、反射光あるいは透過光を投影して画像を表示する。
【００２５】
したがって、本発明に係る照明装置を画像表示装置に用いれば、スペックルの低減により、高品位の画像を得ることが可能になる。また、入射するコヒーレント光が、複数の異なる波長を有する、例えば光源にマルチモードの半導体レーザを用いた場合には、以下に説明する作用を得ることができる。特願平１０−１３７８２３号にその詳細を示すように、一般にマルチモートレーザは、レーザの共振器長で決まる一定間隔の複数の発振周波数を有し、パワースペクトラムから求まるコヒーレンス度も、一走間隔の極大を示す。一般に距離の関数として表したコヒーレンス度が、距離０での値に対して最初に１／２になるまでの距離は、単一波長で発振する同様な媒体を用いたレーザのコヒーレンス長よりも遙かに短い。また、コヒーレンス度の周期性を利用すれば、コヒーレンス長よりも短い距離で２光束間のコヒーレンスを低減することができる。したがって、同一の照明装置、あるいは画像表示装置を構成したとき、コヒーレント光光源にマルチモードレーザを用いた場合には、より効果的にスペックルを低減することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明は、半導体レーザ等のコヒーレント光を発する光源から出射されるコヒーレント光を扱う照明装置及びこれを具備する画像表示装置に適用することができる。
【００２７】
以下、本発明を適用した実施の形態について、図面を参照して説明する。
【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、コヒーレント光源からの出射光の光軸上に各光学素子が配置されて構成されている。
【００２９】
コヒーレント光源には、図１１にそのスペクトラムを示すように、複数の波長で発振するいわゆるマルチモードの半導体レーザ１１が用いられる。この半導体レーザ１１からの出射光のコヒーレンス度は、パワースペクトラムのフーリエ変換より求められ、一般的に、図１２に示すように、周期的な極大を有する。コヒーレンス度を距離を単位として表したときの第一の極大波形の半値幅、すなわち、コヒーレンス度が、距離０での値に対して最初に１／２になるまでの距離をｌ_cと表す。したがって、第１の極大波形の半値全幅は、２ｌ_cとなる。
【００３０】
半導体レーザ光源１１を発した光束は、レンズ１２によりコリメートされた後、透明光学素子１３に至る。透明光学素子１３は、屈折率ｎの光学ガラスからなり、厚さが互いに△ｔづつ異なるＮ個の領域から構成されている。透明光学素子１３の後段には、レンズアレイ１４が配置されている。レンズアレイ１４は、焦点位置が互いに等しいＮ個のエレメントレンズが並置され構成されている。また、エレメントレンズの大きさは、透明光学素子１３を構成する領域の大きさに略々等しく、透明光学素子１３で分割された各々の領域が、エレメントレンズの一つに略々一対一に相当するよう配置されている。
【００３１】
レンズアレイ１４の後段には、後側焦点距離ｆを有するレンズ１５が配置され、さらにその後側焦点位置には、被照射面１６が配置されている。したがって、レンズアレイ１４により分割された光束は、被照射面１６において同一の領域を照射するように重なることになる。
【００３２】
すなわち、逆に言えば、被照射面１６上の一点に至る光束は、透明光学素子１３の各領域及ぴ各エレメントレンズを通過した光束の重ね合わせで構成される。ところで、被照射面の光軸上の点１７に至る各エレメントレンズからの光束には、透明光学素子１３を通過することにより、それぞれ（ｎ−１）△ｔを単位とした光路差が生じている。したがって、それがｌ_cより大であれば、各レンズアレイ１４からの光束は、インコヒーレントに重なり、干渉しない。光軸外の被照射面上の点でほ光路差は幾分異なってくるが、それらがコヒーレンス関数の極大に相当しなければ、互いインコヒーレントである。このとき、被照射面１６全体として各レンズアレイ１４からの光束の重ね合わせを互いにインコヒーレントとして、スペックルノイズを低減することができる。△ｔ、Ｎ等は、ｌ_cが与えられたとき、スペックルノイズ低減の効果の程度、装置全体の大きさ等を勘案して定めることができる。例えば、ｌｃ＝０．２ｍｍのとき、△ｔ＝０．５ｍｍとして透明光学素子にｎ＝１．８４のガラスを用い、７×７の領域から構成させると、厚さの最大部は、おおよそ２．５ｃｍとなる。各領域から被照射面１６上の一点１７までの光路長には、０．４２ｍｍを単位とした光路差が生じ、これらはｌ_cより大であり、互いにインコヒーレントである。したがって、被照射面１６では、スペックルノイズを、概ね１／７に低減することができる。
【００３３】
この照明装置を用いた画像表示装置は、図２に示すように、図１に示した照明装置と同様の照明部２１を有し、その被照明面に液晶の空間光変調器２２が配置されている。液晶の空間変調器２２は、画像信号を受けて画素ごとにその透過率を制御する働きを有し、その透過光はプロジェクションレンズ２３によりスクリーン２４に投影される。
【００３４】
空間光変調器２２において、照明部２１は、スペックルの低減された照明をし、したがって、その投影であるスクリーンを見る場合においても、スペックルノイズは低減され、高品位な画像を得ることができる。
【００３５】
〔実施の形態２〕
この実施の形態では、半導体レーザ光源３１と半導体レーザ光源３１からの出射光をコリメートするレンズ３２、透明光学素子３３、レンズ３４、ファイバー３５、及ぴレンズ３６を構成要素としている。
【００３６】
半導体レーザ光源３１、レンズ３２及び透明光学素子３３は、上述の〔実施の形態１〕で示した半導体レーザ光源１１、レンズ１２、及び透明光学素子１３と基本的に同一の作用を有する。
【００３７】
半導体レーザ光源３１を発した光束は、レンズ３２によりコリメートされた後、透明光学素子３３に至る。光束は透明光学素子３３を透過することにより、その強度分布は変化をほとんど受けないものの光路差の生じた複数の領域で構成されることになる。光束は、さらに、レンズ３４により集光され、ファイバー３５に導かれる。光束はファイバー３５の複数のモードに結合し、出射光をレンズ３６により集光して被照射面３７を照明するよう構成される。この際、透明光学素子の各領域を透過した光束は、ファイバー３５を通過することにより、その出射光束内では混合されることになる。すなわち、被照射面３７上の一点に至る光束は、透明光学素子３３の複数の領域を通過した光束の重なりで構成されることになる。
【００３８】
したがって、透明光学素子１３において生じる（ｎ−１）△ｔの光路差がｌ_cより大であれば、ファイバー３５を導波することによる各モード間の光路差は僅かであるとして、基本的に被照明面３７で各領域からの光束はインコヒーレントに重なり合い、スペックルノイズは低減されることになる。
【００３９】
この照明装置を用いたプロジェクション型の画像表示装置は、図４に示すように、照明部４１は、図３に示した照明装置と同様である。その被照明面には、液晶の空間変調器４２が配置されている。液晶の空間変調器４２の透過光は、プロジェクションレンズ４３によりスクリーン４４に投影され、画像を表示する。この場合も、上述の〔実施の形態１〕で説明したのと同様に、スペックルノイズの低減された高品位な画像を得ることができる。
【００４０】
上述の照明装置を用いたスキャン型の画像表示装置は、図５に示すように、照明部５１は、図３に示した照明装置と同様である。集光レンズ５２は、ファイバーの出射光をスクリーン５４上の一点を照射するよう配設されている。またレンズ５２とスクリーン５４との光路中には光偏向器５３が配置されており、その照射スポットはスクリーン上で走査させることができる。
【００４１】
したがって、例えば３０Ｈｚのビデオ周波数でスクリーンを走査させ映像信号にしたがって半導体レーザの動作電流を制御すれば、画像を表示することができる。この場合、人間は目の積分時間範囲内にある照射点を視覚して、画面全体を認識するのであるが、その画面を構成する各画素のスペックルノイズは低減されており、したがって画面全体に認識されるスペックルノイズも低減させることができる。
【００４２】
〔実施の形態３〕
この実施の形態では、図６に示すように、マルチモード半導体レーザ光源６１とマルチモード半導体レーザ光源６１からの出射光をコリメートするレンズ６２、透明光学素子６３、レンズ６４、及び光偏向器６５を構成要素としている。
【００４３】
半導体レーザ光源６１、レンズ６２及び透明光学素子６３は、上述の〔実施の形態１〕で示した半導体レーザ光源１１、レンズ１２、及び透明光学素子１３と基本的に同一の作用を有する。
【００４４】
半導体レーザ光源６１を発した光束は、レンズ６２によりコリメートされた後、透明光学素子６３に至る。光束は、透明光学素子６３を透過することにより、その強度分布は変化をほとんど受けないものの、光路差の生じた複数の領域で構成されることになる。光束は、さらに、レンズ６４により、スクリーン上の一点で略々焦点を結ぶよう構成されており、光偏向器６５によりその照射点が走査されることによって画像を表示する。光束は、透明光学素子６３の透過直後では、互いに光路長差の生じた複数の領域が並置された分布となっているが、それがレンズ６４によりスクリーン上に略々焦点を結び、微小な照射点となると、その照射点内を観察することにより人間の網膜上に生じる光束の点像においては、重なりを生じ、スペックルの低減効果を得ることができる。
【００４５】
〔実施の形態４〕
この実施の形態では、図７に示すように、半導体レーザ光源７１と半導体レーザ光源７１からの出射光をコリメートするレンズ７２、レンズアレイ７３、及ぴフレネルレンズ７４を基本構成とする。
【００４６】
ここで半導体レーザ光源７１、レンズ７２及ぴレンズアレイ７３は基本的に上述の〔実施の形態１〕で示した半導体レーザ光源１１、レンズ１２、及びレンズアレイ１４と同一の作用を有する。
【００４７】
フレネルレンズ７４は、レンズアレイにて分割される領域の大きさａに略々等しい周期でその厚さが変化し、各領域で平均の厚さは略々等しくなるように設計されている。したがって、例えば光軸上に位置するエレメントレンズ７５と、隣接するエレメントレンズ７６からの光束の光路長には、被照射面７７の光軸上の点７８では、
ａsin｛tan^-1（ａ／ｆ）｝
の光路差が生じる。
【００４８】
ここで、ｆは、フレネルレンズ７４と被照射面７７間の距離であり、フレネルレンズ７４の焦点距離に等しい。したがって、ａ及ぴｆを適当に選ぶことによって、被照射面７７上での光束をインコヒーレントな光束の重ね合わせとし、スペックルノイズを低減することができる。
【００４９】
ところで、フレネルレンズ７４は、図１０に示すように、階段状に厚さが変化する透明光学素子１０１とレンズ１０２の一組と等価な作用を持つ。したがって、図７に示した実施の形態におけるスペックル低減は、図１に示す〔実施の形態１〕と基本的に同様の効果を得られるようにしながら、構成部品点数を一点削減したものと考えることもできる。図７に示す実施の形態では、フレネルレンズ７４は、各領域で平均の厚さを持つものとしたが、それに限られず、被照射面上７７での各要素からの光路差がインコヒーレントとなるよう、最適化された透明光学部品を組み含わせたのものと等価になるように設計することができる。さらに、フレネルレンズの周期は、レンズアレイの周期と必ずしも同一である必要はない。
【００５０】
また、フレネルレンズは、厚さの変化する透明光学素子をレンズと一体化したものであるという考えによれば、図７におけるフレネルレンズ７４の代わりに、レンズ７２をフレネルレンズとする構成でも、同様の効果が得られる。また、レンズ７２とフレネルレンズ７４の両方をフレネルレンズとしても構わない。このように両方をフレネルレンズとすると、光学系の大きさを略々同様としながらも、各光束間の光路差をより大とすることができる。
【００５１】
さらに、本実施の形態の照明装置を用いた画像表示装置も、基本的に図２にて示した画像表示装置と略々同様にして構成することができる。すなわち、図７に示す照明装置を図２における照明装置２１部分に用いれば、同様にしてスペックルの低減されたプロジェクター型画像表示装置を構成することができる。
【００５２】
〔実施の形態５〕
この実施の形態では、図８に示すように、半導体レ一ザ光源８１とフレネルレンズ８２、８３、ファイバー８４、及ぴレンズ８５を構成要素としている。半導体レーザ光源８１は、基本的に上述の〔実施の形態１〕で示した半導体レーザ光源１１と同一の特徴を有する。
【００５３】
コヒーレント光源８１を発した光束は、フレネルレンズ８２、８３により集光され、ファイバー８４に導かれる。この際、半導体レーザ光源８１からファイバー入射端面８６に至る光路長は、フレネルレンズの通過位置により異なる。すなわち、光軸を透過する光束の光路長が最短となり、それに対してｄ離れたレンズ周辺部を透過する光束の光路長は、
ｄ（sin｛tan^-1（ｄ／ｆ₁）｝＋sin｛tan^-1（ｄ／ｆ₂）｝）
だけ長いことになる。ここで、ｆ₁、ｆ₂は、それぞれ、フレネルレンズ７２、７３の焦点距離である。したがって、この光路差をｌ_cより十分に大とすれば、被照射面に至る光束は、インコヒーレントな光束の重ね合わせとなり、スペックルノイズを低減することができる。
【００５４】
なお、図８ではフレネルレンズを二つ用いる構成としたが、一方のみがフレネルレンズであっても、また一つのフレネルレンズで光源の出射光をファイバー端面に結合させたとしても、同様の効果が得られる。また、フレネルレンズを多段に用いることもできる。
【００５５】
この図８に示す照明装置を用いて画像表示装置を構成するには、上述の〔実施の形態３〕に倣うことができる。すなわち、図４で示した照明装置４１部分に用いれば、同様にしてスペックルノイズの低減されたプロジェクター型の画像表示装置を構成することができる。また、図５で示した照明装置５１部分に用いれば、同様にしてスペックルノイズの低減されたスキャン型の画像表示装置を構成することができる。
【００５６】
〔実施の形態６〕
この実施の形態では、図９に示すように、マルチモード半導体レーザ光源９１とマルチモード半導体レーザ光源９１からの出射光をコリメートするフレネルレンズ９２、９３、さらに光偏向器９４を構成要素としている。コヒーレント光源９１は、上述の〔実施の形態１〕で示したコヒーレント光源１１と基本的に同一の特徴を有する。
【００５７】
半導体レーザ光源９１を発した光束は、フレネルレンズ９２、９３によりスクリーン９５上の一点に略々焦点を結ぶよう構成されており、光路中の光偏向器９４により照射点は走査されてスキャン型の画像表示装置を構成する。したがって、半導体レーザ光源９１からスクリーン９５上の照射点に至る光束は、フレネルレンズ９２、９３の透過位置により異なり、上述の〔実施の形態３〕で述べたのと同様の効果によって、画像上のスペックルノイズを低減することができる。
【００５８】
なお、上述の各実施の形態の説明は、本発明の照明装置及ぴ画像表示装置によるスペックル低減の効果を説明するための基本構成を略線的に示した概略図を用いた説明であり、その他の光学部品、例えば、半導体レーザの楕円状の出射光束分布をより真円に近づけるための、いわゆるアナモルフィックプリズム等を付加して、照明光源としてより効果的な構成とすることもできる。しかし、その場合でも、スべックルノイズは、上述の実施の形態で示したのと本質的に同一の効果により低減することができる。
【００５９】
また、図２、図４、図５、図６及び図９に示した画像表示装置は、簡単化のため、単一の光源の構成のみを示している。一般的にカラーの画像表示装置には、光の３原色が必要であり、その場合は、各色の光源を組み合わせて使用することとなる。しかし、その場合も、各色の光源に対する基本構成は本発明にしたがい、スペックルの低減された画像表示装置を構成することができる。
【００６０】
また、上述の実施の形態の半導体レーザ光源を、複数のレーザストライプを有するいわゆるマルチストライプレーザとすると、各ストライプからの出射光間は一般にインコヒーレントであるため、さらに効果的にスペックルを低減させることができる。あるいは、複数の半導体レーザを光源に用いた場合でも、基本的に本発明での照明装置を並置して、同様の効果により、スペックルの低減を図ることができる。
【００６１】
また、上述の実施の形態では、複数の周波数で発振するマルチモードの半導体レーザを光源として示したが、マルチモード半導体レーザは、本来、複数の発振波長を有するものでも良いし、本来、単一波長で発振する半導体レーザの注入電流に高周波信号を重量させることによっても得られる。このようなマルチモードの半導体レーザは、一般的にｌ_cが小さく、上述したスペックル低減の効果を得るための構成が比較的容易である。しかしながら、コヒーレント光源としては、マルチモードの半導体レーザに限られるものではなく、同様の原理を用いれば、コヒーレント光源であるレーザ一般に適用できる。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の照明装置及び画像表示装置によれば、以下のような効果を得ることができる。すなわち、コヒーレント光源からの光束が異なる光路と光路長をもって被照射面上の一点に至り、かつそれらがインコヒーレントに重なるため、被照射面のスペックルノイズを低減できる。また、光路差を発生させる素子の作製に大きな手間を有することがなく、大量生産が可能である。さらに、レンズの少なくとも一つをフレネルレンズとする構成により、照明装置を構成する部品点数を増やすことなく、光路差を発生させ、スペックルノイズを低減することができる。さらに、コヒーレント光源を複数の波長で発振するマルチモードレーザとすれば、生起させるべき光路差が比較的小さいので、全体の光学系をコンパクトにすることができる。
【００６３】
また、本発明による照明装置を用いて、プロジェクター型あるいはレーザスキャン型の画像表示装置を構成すれば、スペックルノイズの低減された高品位な画像表示を得ることができる。
【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】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３】本発明に係る照明装置の構成の他の形態を示す側面図である。
【図４】本発明に係る画像表示装置の構成の他の形態を示す側面図である。
【図５】本発明に係る照明装置の構成のさらに他の形態を示す側面図である。
【図６】本発明に係る画像表示装置の構成のさらに他の形態を示す側面図である。
【図７】フレネルレンズを用いた本発明に係る照明装置の構成を示す側面図である。
【図８】２枚のフレネルレンズを用いた本発明に係る照明装置の構成を示す側面図である。
【図９】２枚のフレネルレンズを用いた照明部を用いて構成した画像表示装置を示す側面図である。
【図１０】フレネルレンズと通常のレンズの形状を示す側面図である。
【図１１】半導体レーザの発振周波数を示すグラフである。
【図１２】半導体レーザのコヒーレンス度を示すグラフである。
【符号の説明】
１１半導体レーザ光源、１３透明光学素子、１４レンズアレイ、７４フレネルレンズ

Claims

複数の異なる発振波長を有するコヒーレント光を発振するマルチモードの半導体レーザと、
上記半導体レーザからの出射光を集光する第１の集光レンズと、
複数の要素レンズが並置されて成るレンズアレイと、
上記レンズアレイの透過光を被照射面上に集光する第２の集光レンズとを備え、
上記第１の集光レンズ、または、上記第２の集光レンズの一方が、光軸を中心に半径方向に周期的に厚み、あるいは、屈折率が変化するフレネルレンズである場合、上記半導体レーザから被照射面の少なくとも光軸上の一点に至る光束の光路長が、第１、または、第２の集光レンズの透過位置によって差が生じ、
上記半導体レーザからのコヒーレンス光のコヒーレンス度を距離の関数として表したとき、上記マルチモードの半導体レーザより発振された複数の異なる発振波長のうちの一の極大波形のコヒーレンス度が上記半導体レーザからの距離０での値に対して最初に１／２になるまでの距離をｌ_cとし、第１の集光レンズ及び第２の集光レンズのいずれか一方のフレネルレンズの半径をｒとし、焦点距離をｆとすると、上記光路長の差は、ｒsin｛tan^-1（ｒ／ｆ）｝＞ｌ_c を満たし、
上記第１の集光レンズ及び上記第２の集光レンズの両方ともフレネルレンズである場合、
入射光のコヒーレンス度を距離の関数として表したとき、上記マルチモードの半導体レーザより発振された複数の異なる発振波長のうちの一の極大波形のコヒーレンス度が上記半導体レーザからの距離０での値に対して最初に１／２になるまでの距離をｌ _c とし、第１の集光レンズ及び第２の集光レンズの半径をそれぞれｒ ₁ 、ｒ ₂ とし、焦点距離をそれぞれｆ ₁ 、ｆ ₂ とすると、上記光路長の差は、ｒ ₁ sin ｛ tan ^-1 （ｒ ₁ ／ｆ ₁ ）｝＋ｒ ₂ sin ｛ tan ^-1 （ｒ ₂ ／ｆ ₂ ）｝＞ｌ _c を満たし、
上記フレネルレンズが、同心円状に分割された複数の領域からなり、各領域内での平均的な厚さが各領域間で略一定であり、かつ、複数の領域の数が、レンズアレイにおける要素レンズの数の１／２より大である照明装置。
複数の異なる発振波長を有するコヒーレント光を発振するマルチモードの半導体レーザと、この半導体レーザからの出射光を集光する第１の集光レンズと、複数の要素レンズが並置されて成るレンズアレイと、このレンズアレイの透過光を被照射面上に集光する第２の集光レンズとを有し、上記第１の集光レンズ、または、上記第２の集光レンズの一方が、光軸を中心に半径方向に周期的に厚み、あるいは、屈折率が変化するフレネルレンズである場合、上記半導体レーザから被照射面の少なくとも光軸上の一点に至る光束の光路長が、第１、または、第２の集光レンズの透過位置によって差が生じ、上記半導体レーザからのコヒーレンス光のコヒーレンス度を距離の関数として表したとき、上記マルチモードの半導体レーザより発振された複数の異なる発振波長のうちの一の極大波形のコヒーレンス度が上記半導体レーザからの距離０での値に対して最初に１／２になるまでの距離をｌ_cとし、第１の集光レンズ及び第２の集光レンズのいずれか一方のフレネルレンズの半径をｒとし、焦点距離をｆとすると、上記光路長の差は、ｒsin｛tan^-1（ｒ／ｆ）｝＞ｌ_c を満たし、上記第１の集光レンズ及び上記第２の集光レンズの両方ともフレネルレンズである場合、入射光のコヒーレンス度を距離の関数として表したとき、上記マルチモードの半導体レーザより発振された複数の異なる発振波長のうちの一の極大波形のコヒーレンス度が上記半導体レーザからの距離０での値に対して最初に１／２になるまでの距離をｌ _c とし、第１の集光レンズ及び第２の集光レンズの半径をそれぞれｒ ₁ 、ｒ ₂ とし、焦点距離をそれぞれｆ ₁ 、ｆ ₂ とすると、上記光路長の差は、ｒ ₁ sin ｛ tan ^-1 （ｒ ₁ ／ｆ ₁ ）｝＋ｒ ₂ sin ｛ tan ^-1 （ｒ ₂ ／ｆ ₂ ）｝＞ｌ _c を満たし、上記フレネルレンズが、同心円状に分割された複数の領域からなり、各領域内での平均的な厚さが各領域間で略一定であり、かつ、複数の領域の数が、レンズアレイにおける要素レンズの数の１／２より大である照明装置と、
上記照明装置の被照射面配置された空間光変調素子あるいは空間光偏向素子とを備え、
上記空間光変調素子あるいは空間光偏向素子は、細分に区画された画素ごとに画像信号に応じて透過率、透過方向、反射率、反射方向の少なくともいずれかを変化させる機能を有し、上記被照明面に、反射光あるいは透過光を投影して画像を表示する画像表示装置。