JP4427737B2 - 照明装置及び画像生成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光源を用いた照明装置と該照明装置を用いた画像生成装置（プロジェクタやプリンタ等）への適用において、経時変化や個体差等に伴って生じる照明光の不均一性に起因する弊害を克服するための技術に関する。
複数のレーザ光源又は複数本のレーザビームを用いて均一な光強度分布の照明を実現するための光学系が知られている。例えば、プロジェクション型の画像表示装置等への適用においては、一次元空間変調型の光変調素子に対して線状ビームを照射するとともに、該光変調素子を用いて光を変調して得られる一次元画像を、ガルバノメータ等の光走査手段で一次元方向に直交する方向に沿って走査しながらスクリーン上に投影することにより、二次元画像を形成することができる。尚、一次元空間変調型の光変調素子として、例えば、米国シリコン・ライト・マシン（ＳＬＭ）社開発のグレーティング・ライト・バルブ（Grating Light Valve、以下、「ＧＬＶ」という。）が挙げられる。このＧＬＶ素子は反射型回折格子により構成され、複数の可動リボンが所定間隔で配置され、隣り合う可動リボンの間に固定リボンが配置されている。そして、共通電極と可動リボンとの間に駆動電圧を印加することによって可動リボンが移動し、入射光に対する回折格子が構成される。
このような一次元光変調素子への照明においては、所定の範囲で光強度が一定である必要があり（所謂「トップハット」形状の分布）、例えば、レーザアレイ光源とフライアイレンズを用いて均一な照明を行う場合に、フライアイレンズの分割数がレーザアレイ数の約数であるときでも、強度分布の均一性を高めることができるように、各レンズアレイに入射されるレーザアレイ光のプロファイルについて空間的な位相がそれぞれ異なるようにした設計的手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２１８０１７号公報
ところで、上記した照明光学系の設計においては、各レーザ光源やレーザアレイの個々のエミッタに関する特性が理想的な状態であること、つまり、個体差や特性のバラツキがなく、理想的なガウシアンビームが出力されるものと仮定される。
しかしながら、複数のレーザ光源やレーザアレイにおいて同一特性及び同一性能を設計上の前提としながらも、現実のレーザの特性は実に様々であって個体差の存在等について充分な配慮が必要である。例えば、複数本のレーザ光を重ね合わせることで得られる一次元照明光を光変調素子に照射する場合に、個々のレーザの特性が強度分布にそのまま反映される。よって、照明光の光強度分布（照明光プロファイル）について均一性を得るためには、レーザのニアフィールドパターン（近視野像）に対してトップハット形状の分布を実現する必要がある。
また、レーザや光学系の特性が経時的に変化することや、レーザ出力の予期しない低下や出力停止等への対策が必要である。つまり、光学系の設計段階での設定や初期調整等を想定しただけでは、経時変化等に伴う照明光の不均一性や照明光プロファイルの変動等に対して充分に対応できないことが問題とされる（強度不足や画質低下等の原因となる。）。
そこで、本発明は、複数本のレーザビームを用いた照明装置及び画像生成装置において、経時変化等に伴う強度分布の変動を補償して、均一性の高い照明光が得られるようにすることを課題とする。
本発明に係る照明装置又は画像生成装置は、上記した課題を解決するために、レーザ光源を含む光源部から、複数のレーザビームが光学系に入射され、該光学系に係る結像面上の光強度分布を検出手段によって検出する構成において、該検出手段の検出情報に基づいて上記結像面上での光強度分布を変化させて均一化させるための調整手段を設け、上記調整手段が、上記レーザ光源と上記光学系との間に配置される光学素子の位置を光軸上に沿って変更するとともに、上記光強度分布データの変動が検出された場合に、予め記憶装置に保持されたレーザ光源ごとの駆動電流及び光出力の関係を示す特性データを読み出し、該読み出された特性データに基づいて、検出された光強度分布の最小値に揃えるようにレーザ光源ごとに光出力を制御するようにしたものである。
従って、本発明では、上記検出情報に基づいて光強度分布に係る調整を行うことで、経時変化等により照明光が著しく不均一にならないように防止することができる。
本発明によれば、経時変化やビームの欠落等に伴う強度分布の変動への対応が可能であり、照明光の均一性を高めることができ、光学的な影響の緩和や性能保証に有効である。
そして、上記光学系を構成する光学素子の位置又は姿勢を調整手段によって変更する形態では、一部の光学素子の位置等を調整すれば良い。例えば、レンズアレイを用いた前群と、後群のリレーレンズ系とを備えた光学系において、調整手段によって後群の構成レンズの位置を光軸上に沿って変更して、レンズアレイによる像の重ね合わせ状態を変化させる形態では、調整専用の光学素子が不要である。また、該リレーレンズ系内に配置されるビーム発散用レンズの位置を調整手段で変更する形態では、調整量の低減等に有効である。
上記光学系に対するレーザビームの入射位置を調整手段によって変更する形態を採用した場合には、ビーム毎の入射位置を個別に調整することができ、損失低減に有効である。
また、調整機構の簡素化の観点からは、レーザ光源と上記光学系との間に配置される光学素子の位置又は姿勢を調整手段によって変更する形態の採用が好ましい。
上記レーザ光源の出力を制御する形態では、予め記憶されている該レーザの特性データ又は上記検出手段によるレーザ毎のプロファイルの検出データをもとに各レーザ光源の出力を個別に変化させることで、より詳細な調整が可能となる。
レーザ光源と光変調素子を用いた画像生成装置への適用においては、光変調素子への照明光に係る均一性を高めることが重要であり（不均一性は効率低下に繋がり、高輝度化等への支障を来す原因となる。また、ディスプレイ装置等への適用においてダイナミックレンジを充分にとれなくなる等の弊害が生じる。）、本発明によって、高性能化、画質の向上等を実現することが可能となる。
本発明は、複数本のレーザビームを用いて均一性の高い照明光が得られるようにし、レーザ光源の経時変化に伴う出力低下又は部分的な出力停止に対して、光強度分布が著しく不均一にならないように調整することを目的とする。そして、本発明は、例えば、一次元空間変調型の光変調素子により形成される一次元画像を、ガルバノメータ等の光走査手段にて走査することで二次元画像を形成し、これを投影表示する前面投射型又は背面投射型の画像表示装置、あるいはプリンタ等の画像出力装置等に適用することが可能である。
図１は本発明に係る照明装置１の基本構成を示すものであり、光源部２、光学系３、検出手段４、調整手段５を備えている。
光源部２は半導体レーザや固体レーザ等のレーザ光源を含み、複数本のレーザビームを出力する。例えば、下記に示す構成形態が挙げられる。
・複数のレーザ光源を配置して、一つの光源から一本又は複数本のレーザビームを出力する形態
・一つのレーザ光源、例えば、複数のエミッタ（放射源）を一定方向に配列させた半導体レーザアレイ等を用いてエミッタ数に応じた本数のレーザビームを出力する形態。
このように、本発明では、複数のレーザビームを用いるに際してレーザ光源の配置等について特定の形態に限定される訳ではないので、設計上の自由度が高い。
光源部２からの複数本のレーザビームは光学系３に送られた後、該光学系３に係る結像面上において均一性の高い照明光が得られる。尚、この結像面は、例えば、一次元光変調素子の被照射面に相当し、一次元方向（素子の長軸方向）の所定範囲に亘って均一な強度分布をもった照明が行われる。
検出手段４は、結像面上での光強度分布を直接的に又は間接的に検出するために設けられている。つまり、結像面（図中の「Ｓ」参照。）又はその近傍に検出手段４を配置して照明光の光強度分布に係るプロファイル検出を行うか、あるいは結像後に図示しない光学系を経た像に対して、検出手段４によってプロファイル検出を行う。いずれの形態でも検出情報から目標とする特性との差異を把握することが可能である。尚、検出手段４には、例えば、積分球と光センサを用いた形態や、フォトダイオード（ＰＤ）アレイ等を用いた形態等が挙げられるが、本発明の適用においてその構成形態の如何は問わない。
調整手段５は、検出手段４によって検出される光強度分布が均一化するように光学的な調整又は光源部２の出力調整を行うために設けられており、経時変化等に伴って著しく光強度分布が不均一にならないように補正によって均一性を回復させるための補正手段を検出手段４とともに形成している。即ち、調整手段５は、検出手段４の検出情報に基づいて結像面上での光強度分布を変化させ、又は該光強度分布が均一である場合においてその状態を維持する。
照明光のプロファイルに関して、強度分布の均一化を目的とする調整には、例えば、下記に示す形態が挙げられる。
（Ａ）光学的な調整
（Ｂ）光出力の調整
（Ｃ）（Ａ）と（Ｂ）との併用
尚、（Ａ）については、例えば、定期的な調整や装置の保守時等に行われる調整において有効とされ、また、（Ｂ）は装置使用中での調整や、常態的に行われる調整に有効とされる。また、（Ｃ）では、例えば、（Ａ）と（Ｂ）とを組み合せる形態において、（Ａ）を粗調整、（Ｂ）を微調整に用いる構成等が挙げられ、また、（Ａ）又は（Ｂ）の一方が機能不全に陥った場合等において安全策を講じることが可能である。
上記（Ａ）には、下記に示す形態が挙げられる。
（Ｉ）光学系３を構成する光学素子を調整する構成形態
（ＩＩ）光学系３に対してレーザビームの入射位置を調整する構成形態
（ＩＩＩ）光源部２と光学系３との間に配置される光学素子を調整する構成形態
（ＩＶ）上記（Ｉ）乃至（ＩＩＩ）の２以上を組み合せた構成形態
先ず、形態（Ｉ）について説明する。
図２は、レンズアレイを用いて均一照明を実現する光学系３を例示したものであり、レンズアレイ６ａ、６ｂを用いた前群６と、後群のリレーレンズ系７とを備えている。
図２において、左側に太線で示す複数の矢印がレーザビーム列（ビームスタック）を表しており（破線は主光線を示す。）、図の上下方向に配列された状態で前段のレンズアレイ６ａに入射される。尚、各レーザビームのプロファイルについては理想的にはガウシアン分布とされるが、現実には個々のレーザ光源のもつ特性のバラツキやレーザアレイにおけるエミッタの特性のバラツキ等が存在するため、一般に個々のビームプロファイルは不揃いである。
レンズアレイ６ａ、６ｂはインテグレータを構成しており、前段のレンズアレイ６ａが左方に凸のレンズエレメントを有し、後段のレンズアレイ６ｂが右方に凸のレンズエレメントを有している。
レンズアレイ６ａで集光されたビームがレンズアレイ６ｂを透過した後、リレーレンズ系７を介して結像面Ｓ上の被照射部（例えば、一次元光変調素子）に到達する。尚、本例では、レンズアレイにおける分割数（アレイ数）を、レーザビーム本数に対して特定の関係（例えば、約数関係）にする必要はないので、光学設計上の自由度が高い。
リレーレンズ系７を構成するレンズ７ａ、７ｂについては、前段のレンズ７ａが左方に凸とされ、後段のレンズ７ｂが右方に凸とされる。尚、レンズ７ｂの出射光は、その角度が光軸に対して極力平行化された上で被照射部に照射される（被照射部への入射角度にムラが生じないように抑制できる。）。つまり、ＧＬＶ素子のように被照射面への入射角度範囲が問題とされるデバイスへの対応を考慮した場合に、例えば、シュリーレンフィルタリング後のコントラスを十分に高くとるためには、ＧＬＶ素子への入射角度を所定範囲（例えば、±０．３度以内）に抑えることが実用上望ましいとされる。
本例において、図２の左方から各ビームが入射すると、実線や二点鎖線の光線で代表して示すように、入射側のレンズアレイ６ａによる像が結像面Ｓ上で重ね合わされることによって、被照射部への均一な照明が行われる。
図２の右上方に概略的に示す照明光のプロファイルにおいて、「ｘ軸」が縦方向に延びる軸（例えば、一次元光変調素子の長軸、つまり、画素配列方向の位置座標軸に相当する。）を示し、「Ｌ軸」が光強度軸を示している。
光強度分布を示すグラフ線Ｇａは、ｘ軸方向においてほぼ一定化された強度をもち、その周縁部で強度低下を示す（図に斜線部で示す範囲が、有効に利用される部分を表している。）。これは、各レンズエレメントへの入射光のプロファイルが空間的に充分に重ね合わされる結果である。
この均一な状態が常に維持されると限らない理由は、例えば、入射ビームの経時変化によって、強度が低下し又はレーザが不点灯状態に陥るためであり、照明光のプロファイルに変動があった場合には被照射部に対する照明の均一性が著しく損なわれる虞がある。
図３は、左側に破線の矢印で区別して示すレーザビームにおいて、強度低下やビームプロファイルの変動が起こった場合の様子を示すものである。
図３の右上方に概略的に示す照明光プロファイルにおいて（ｘ軸、Ｌ軸の意味は前述の通りである。）、グラフ線Ｇｂでは、ｘ軸方向において破線の円形枠内に示す部分の強度が低下している。つまり、部分的な強度の落ち込みが発生すると、照明光の不均一性を齎す（図に斜線部で示す範囲のように、有効利用可能な光が減少してしまう。）。
そこで、光学系３を構成する光学素子の位置又は姿勢を、調整手段５によって変更することにより、照明光の不均一性を是正する。
図４は、図２、図３の構成において、リレーレンズ系７の構成レンズの位置を光軸上に沿って変更することにより、レンズアレイにより得られる像の重ね合わせ状態を変化させ、強度分布を均一化させるようにした例を示す。
図に両向きの矢印で示すように、レンズ７ａ、７ｂの一方を光軸に沿って移動させるか又は両レンズを光軸に沿って移動させるための機構８が設けられている。
レンズ７ａ、７ｂの位置を調整してそれらの配置を変えることで、照明光に係るビームの重ね合わせ状態を微妙に変更することができる。即ち、各レンズアレイの個々の像について空間的な重なり位置（ｘ軸に平行な軸上での位置）が微妙にずれる。そのため、重ね合わせの結果として得られる照明光のプロファイルが変化するので、検出手段４による検出情報に基づく調整によって照明光のプロファイルをｘ軸上の所定範囲に亘り滑らかにすることができる。つまり、図４の右上方に概略的に示す照明光のプロファイルにおいて（ｘ軸、Ｌ軸の意味は前述の通りである。）、グラフ線Ｇｃに示すように、照明光の均一性が改善される。
尚、検出手段４によって得られる強度分布の測定結果を見ながら手動で上記の調整を行う方法も考えられるが、作業性や利便性等を考慮した場合に調整の自動化が好ましい（例えば、モータ等の駆動源で機構８を動作させながら、強度分布測定を行い、光強度分布のバラツキが最小又は予め決められた許容範囲内となるように調整処理を行えば良い。）。また、このような調整作業は適宜に行うことが可能であるが、頻繁に行う必要性は低いので、例えば、インターバルタイマー等の計時手段を用いて一定時間毎に定期的に行うようにした形態、あるいは装置を使用する前の準備段階（例えば、画像投射前等）において必要に応じて行う形態等が挙げられる。
本例では、既存のレンズ７ａ、７ｂの位置調整で済むため、調整専用の光学素子は不要である。
上記（Ｉ）に係る他の構成形態として、例えば、図５に示すように、リレーレンズ系７内に配置されるビーム発散用の負レンズの位置を調整しても構わない。
レンズ７ａと７ｂとの間に配置されるレンズ９及び該レンズを光軸に沿って移動させるための機構を設け、調整手段５によってレンズ９の位置調整を行う場合に、その調整量（レンズ変位量）が少なくて済む等の利点が得られるが、レンズ９をレンズ７ａ及び／又は７ｂとともに移動させる等、各種の実施態様が勿論可能である。
次に、上記形態（ＩＩ）について説明する。
光学系３に対するレーザビームの入射位置を調整手段５によって変更する形態としては、レーザ光源の位置を各別に調整する機構を設けた構成が挙げられる。
例えば、図６に示すように、各レーザ光源１０、１０、…をそれぞれ所定の方向（図の上下方向）に沿って位置調整するための機構１１を設けるとともに、検出手段４によって得られる検出情報から照明光の不均一性が検出された場合に、一部のレーザ光源１０を同図に破線の矢印で示すようにずらすことで、照明光の均一性を回復させる。つまり、光学系３に入射するビームアレイについて、一部のレーザビームの入射位置をずらすことで、該ビームに対応する、レンズアレイ６ａのレンズエレメントへの入射プロファイルを変更する。これによりプロファイルの重ね合わせ時のずれによる損失をなくし、さらには、レーザ光源毎の個別調整を行うことができるので、プロファイル調整の自由度を高めることが可能である。
尚、図６には便宜上、光学系３の前群だけを図示しているが、図４や図５に示す構成への適用が可能であることは勿論である。
レーザ光源に係る位置調整を行う代わりに、例えば、反射鏡やレンズ等の中継用の光学素子を各レーザ光源と光学系３との間に配置する形態が可能である。つまり、検出手段４によって得られる検出情報から照明光の不均一性が検出された場合に、中継用の反射鏡の角度を個別に調整し、又はレンズ位置を個別に調整すれば良い。
上記形態（ＩＩＩ）では、光源部と光学系との間に配置される光学素子の位置又は姿勢が、調整手段５によって変更される。
例えば、光学素子１２として、図７に示すようなガラス製平行平板を挿入するとともに、その光軸に対する角度を調整するための機構１３を設ける。これにより、同図の大円枠内に拡大して示すように、平行平板の入射面及び出射面を境界面として光が屈折されてビームシフトが起きる。即ち、平行平板の角度を調整することでビームの入射位置をシフトさせることができるので、レーザ光源位置を変える構成よりも簡単な機構で上記と同じ効果が得られる。尚、平行平板に限らず、回折素子等を用いることも可能である。また、図７には光学系３の前群だけを図示しているが、図４や図５に示す構成への適用が可能であることは勿論である。
以上の形態（Ｉ）乃至（ＩＩＩ）については、それぞれを独立に採用することも可能であるが、必要に応じて上記形態（ＩＶ）のような組み合せの形態が可能である。但し、徒らに機構を複雑化させるよりは、経時変化に対して安定な調整機構の採用が好ましい。
上記した構成を採ることで、例えば、下記に示す利点が得られる。
・上記形態（Ｉ）では、レンズ配置に係る若干の変更によって照明光のプロファイルを変更することが可能となり、経時変化等に起因する照明光のムラを緩和することができる。
・上記形態（ＩＩ）では、入射ビーム位置を光学系に対して移動させることで、照明光のプロファイルを変更することができる。また、プロファイルの変更に制限を受けずに、重ね合わせ前の個別のプロファイルを変更することができるので、調整の自由度を高めることができる。
・上記形態（ＩＩＩ）では、機構的な簡素化を図ることができる。
次に、前記形態（Ｂ）について説明する。
本形態では、光源部２を構成する各レーザ光源の出力を、例えば、予め記憶されている該レーザの特性データに基づいて調整手段５によって個別に変化させるため、光学素子の位置調整等を必要とせずに、照明光プロファイルの均一化が可能である。
複数のレーザ光源を使用する構成形態において、前記したように、レーザの個体差及び個々のレーザの経時変化によるパワー変動、あるいは製造上の公差のバラツキ等によって照明光プロファイルの完全な均一化の達成は困難である。そこで、被照明対象とされる表示デバイスが有する変調機能を活用し、プロファイル上での光強度の落ち込み具合に合わせて階調範囲を調整する制御方法が挙げられる（つまり、表示デバイスの各画素について全階調範囲を使用するのではなく、光強度分布に応じて画素毎の階調範囲を調整する方法であり、該デバイスの駆動制御によって実現される。）。
しかしながら、そのような制御では、表示デバイスからの透過光又は反射光について均一化を図ろうとした場合、映像表示に用いる階調数が減ってしまうという問題があり、結果的にダイナミックレンジの低下に繋がる（プロファイルの均一化に必要な階調範囲の分だけ、映像表示として利用可能な階調範囲が減少してしまう。）。
そこで、レーザ光源（例えば、レーザアレイバー等のアレイ状光源）を用いて、映像用の表示デバイスに対して均一な照明を行う光学系において、個々のレーザのパワーを制御することによって照明光プロファイルの不均一さを緩和する機能を実現する場合に、例えば、下記に示す形態を採用する。
（１）個々のレーザに関する駆動電流とパワーとの関係を示す特性曲線のデータをもとに各レーザの出力を制御する構成形態
（２）個々のレーザのプロファイル波形について検出するとともに、検出データに基づいて各レーザの出力を制御して、プロファイルの均一化を図るようにした構成形態
（３）表示デバイスからの透過光又は反射光を投射光学系に出力する構成において、プロファイルの検出装置を投射光学系の後段に設置して各レーザの出力制御を行うことにより、投射光学系の周辺光量比をも考慮したプロファイル形状の制御を行う形態。
以上により、個々のレーザの個体差、製造公差のバラツキ等によって生じる照明の不均一さを是正することが可能となる。
図８は、上記形態（１）の説明図であり、光学系の基本構成は図２と同じである。
図の左側から各レーザビームが入射すると、入射側のレンズアレイの像が結像面で重ね合わされ、被照射部への照明が行われる。しかし、入射するビームの設置精度や経時変化、輝度の低下等で個々のプロファイルの変動が生じた場合には、照明光の均一性が損なわれる場合がある。そこで、表示デバイスへの照明光プロファイルを検出して、強度分布上での最小値に揃えるように個々のレーザパワーを制御すれば、図の右上に概略的に示す照明光プロファイルにおいて（ｘ軸、Ｌ軸の意味は前述の通りである。）、調整前の強度分布（破線参照）から均一性の高い強度分布（実線参照）が得られる。
レーザパワーを制御する際には、図９に示すように、個々のレーザの特性のバラツキを考慮することが必要である。尚、図９は、横軸に電流（駆動電流）をとり、縦軸にレーザ出力をとって、グラフ線ｇ１、ｇ２、ｇ３に示す個々のレーザの特性を例示したものである。
個々のレーザ特性について、しきい電流の値や、電流変化に対する光出力の変化率等の違いについてそれぞれのデータを事前に調べておき、該データを不揮発性メモリ等の記憶装置に保持する。そして、実際のプロファイル調整を行う時に該データを読み出して個々のレーザの駆動電流を変化させることで正確にレーザパワーを制御することが好ましい。
上記形態（２）では、レーザ特性の経時変化等への対応を考慮した場合に、図１０に示すように、個々のレーザを１個ずつ駆動して、そのパワーを変動させたときの光強度分布を検出して、その個別のプロファイルデータを記録する。そして、該データに基づいてプロファイルの均一化を図るために個々のレーザの駆動電流を変化させてパワーを制御することが好ましい。
図１１は各レーザ光源のプロファイルＰｒ１、Ｐｒ２、…と、それらが光学系を経て結像面上で重ね合わされて形成される全体のプロファイルＰｒ_totについて説明するための概略的なグラフ図である。
プロファイル調整の手順は、概ね下記に示す通りである。
（イ）特定のレーザ光源を駆動して光輝させる
（ロ）レーザパワーを変化させていったときのプロファイルデータを取得して、メモリ等に記憶させる
（ハ）別のレーザ光源を対象として（イ）及び（ロ）を繰り返す
（ニ）全レーザ光源を最大出力で作動させて、合成プロファイルに係る強度測定を行う
（ホ）個々のレーザ光源のパワーを変化させた場合に得られる合成プロファイルを測定しながら各レーザ光源のパワーを個別に制御する
（へ）合成プロファイルの均一性が許容範囲内となるまで（ホ）を繰り返す。
パワー配分に係る具体的な決定方法は、例えば、下記の通りである。
１）各レーザを単体で点灯したとき、プロファイルのどの位置に寄与するかを記録しておく
２）プロファイルの谷部分に寄与するレーザの出力を電流―出力換算値に基づいて上げる
３）プロファイルの山部分に寄与するレーザの出力を電流―出力換算値に基づいて下げる
４）プロファイルの「最大値−最小値」の幅がある一定値内に入るまで上記２）及び３）の作業を繰り返す。
以上のプロセスに従ってそれぞれの出力を決めていくことができる。
尚、均一性の判断方法としては、例えば、プロファイルの有効範囲の長さ（照明光の必要長さ）において、最大値と最小値が予め決められた規定値以内に入っていることを判断基準とする方法が挙げられる。
また、上記形態（３）では、図１２に示すように、プロファイルの検出手段４を、投射光学系（投影レンズを含む。）の後段に配置したシステム構成において、該検出手段によるプロファイルの測定データに基づいて、各レーザパワーを個別に制御する。尚、ここで、投射光学系としては、一次元投射系や、光走査手段を含めた二次元投射系等が含まれる。また、検出手段４については、例えば、集光レンズ、積分球、フォトディテクタ等を用いた構成が挙げられる。
図１３は、横軸にレンズ光軸を基準とする位置座標（相対値）をとり、縦軸にレンズ中心を基準とする光量（相対比）をとって、投影レンズの特性を例示したものである。
図示のように、投影レンズを透過した光については、周辺光量の低下を考慮する必要がある。
そこで、投射光学系を経た出力光のプロファイルを検出するシステムを構築する場合に、該プロファイルの検出データに応じてレーザパワーを制御することにより、投射光学系での周辺光量比を含めたプロファイル補正が可能になる。
上記のように、本発明に係る照明光プロファイルの制御方法についてまとめると下記のようになる。
・レーザ光源を含む光源部によって複数のレーザビームを得るとともに、該レーザビームが光学系を経て出力される場合において、その結像面上での光強度分布に係る検出情報を取得すること。
・上記検出情報に基づいて、光学系の調整又はレーザ光源の出力調整によって結像面上での光強度分布を変化させ、照明光プロファイルの均一性を高めること。
以下に、本発明を画像表示装置に適用した実施の一例について説明する。
図１４は、前面投射型（フロントプロジェクションタイプ）の画像表示装置１４に適用した場合の構成について概要を示したものである。
先ず、光学系の構成について説明すると、光源部１５からの出射光が、照明光学系１６を経て光変調部１７に到達し、ここで変調された光が色合成部１８、空間フィルタ１９を経て光走査部２０に到達する。そして、光拡散部２１、投射光学系（投影光学系）２２を経てスクリーンＳＣＮ上に画像表示が行われる。
光源部１５には、例えば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の色毎に半導体レーザや固体レーザ等を用いたレーザ光源１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂが設けられており、図示しない電源部からの電力供給を受けて各色に応じた波長のレーザビームをそれぞれ出力する。
照明光学系１６は、各レーザ光源から出力されるビームを一次元の線状ビームに変換する役目を有し、例えば、ビーム拡大光学系やラインジェネレータ等を用いて構成される。尚、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に応じた光学系１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂがそれぞれに用いられる。
光変調部１７は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に対応した一次元光変調素子１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂを用いて構成され、上記光学系１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂを経て均一化された照明光プロファイルの線状ビームが各素子に照射される。
一次元光変調素子としてＧＬＶ素子を使った適用例において、反射型回折格子の場合、複数の可動リボン及び固定リボンが所定の方向に沿って交互に配置されている。例えば、１画素を構成する６本のリボン素子が設けられていて、３本ずつの可動リボンと固定リボンとが１つおきにそれぞれ配置されている場合に、１ライン分の１０８０画素では６４８０本のリボン素子が一次元方向（長軸方向）に沿って配列される。レーザ光の照射面において、可動リボンの表面である第１面と、固定リボンの表面である第２面とが交互に配置されるとともに、後述する駆動部（２５）からの駆動信号を受けて可動リボンが移動されてその第１面がレーザ光の照射方向に沿う方向に位置制御される。つまり、画像信号に応じた駆動電圧を印加すると、駆動電圧値に対応する変位量をもって可動リボンが移動し、この状態（所謂ピクセルオン時）では入射光に対する反射型回折格子が構成される（１次回折光の発生）。また、可動リボンを動かさずに固定リボンとの間で変位量を揃えた状態（所謂ピクセルオフ時）では、１次回折光が発生しない（入射光に対する正反射のみ）。尚、ＧＬＶ素子の使用により、高速な動作制御が可能であることや、広い帯域幅で高い解像度の画像表示を、低い動作電圧でもって駆動可能なこと等の特長が得られる。
このように一次元光変調素子に照射された照明光の反射光や回折光が発生されて、色合成部１８では、変調された各色光が合成された後、空間フィルタ１９に送られる。
空間フィルタ１９は、特定次数の回折光成分を選別する役目をもち、本例では、一次元光変調素子を用いて変調された光のうち、±１次回折光をとり出すためにシュリーレンフィルタを用いている（画像表示に用いない０次光が遮断される。）。
次段の光走査部２０には、例えば、ガルバノメータが用いられ、一次元像の入射光を受けて二次元中間像を形成する。即ち、一次元像の形成方向を「第一の方向」とするとき、該方向は一次元光変調素子の長軸方向に対応しており、該第一の方向に対して直交する「第二の方向」に沿って光走査を行うことにより二次元中間像が形成される。尚、走査方式については、一方向性スキャン方式と双方向性スキャン方式が挙げられる。前者の方式では、例えば、表示画面の左端縁が走査開始位置とされ、右端縁が走査終了位置とされており、左端縁から光走査が開始されて上記第一の方向に延びる縦ラインが上記第二の方向に沿って走査された後、右端縁に達すると再び左端縁に戻って光走査が繰り返される。また、後者の方式では、表示画面の左端縁及び右端縁が走査開始位置及び走査終了位置とされ、例えば、左端縁から光走査が開始されて、上記第一の方向に延びる縦ラインが上記第二の方向に沿って走査された後、右端縁に達すると、今度は反対方向に光走査が行われ、元の左端縁に達すると左端縁から再び光走査を開始するという動作が繰り返される。
このような光走査によって得られる二次元中間像が光拡散部２１を経た後、投射光学系２２によってスクリーン「ＳＣＮ」上に投影されることで映像が表示される。
尚、光拡散部２１は、スペックル（ノイズ）低減等のためにディフューザ(diffuser）を用いて拡散光を得るためのものであり、また、投射光学系２２は投影レンズを含む二次元投射光学系である。
投射光学系２２に対して光検出装置２３が設けられており、該投射光学系から出射される光を受光して光強度を検出するものである（その詳細については後述する。）。
次に、画像処理系や制御系統について説明する。
図中に「ＶＩＤＥＯ」で示す映像信号は、信号処理部２４を経て駆動部２５に送出される。
信号処理部２４において映像信号は色差信号からＲＧＢの色信号に変換される。そして、γ（ガンマ）特性等の非線形特性が付与されている場合には、逆補正を行うことで線形特性への変換を行った後、照明光源の色再現範囲への対応のための色空間変換処理を行う。
駆動部２５は一次元光変調素子を駆動するために設けられており、素子駆動回路を含み、信号処理部２４からの信号に応じた駆動信号を生成して上記光変調部１７の各一次元光変調素子にそれぞれ供給する。即ち、光変調素子の駆動制御によって、各色のレーザ光の変調が行われる。
光強度分布計測処理部２６は上記光検出装置２３からの検出情報を処理して光強度分布を測定するために設けられたものであり、光検出装置２３とともに光強度分布測定手段を構成している。
調整部２７は、光強度分布計測処理部２６からの指令に応じて光源部１５や照明光学系１６に係る光学的な調整又は光源部１５を構成するレーザ光源の出力調整を行うために設けられており、上記調整手段５に相当する。つまり、一次元光変調素子の被照射面において均一な照明光が得られるように、経時変化等に対して光強度分布が適時に補正される。尚、調整部２７には、例えば、モータを駆動源とする移動機構やアクチュエータにより光学素子の位置や姿勢を調整するための手段、あるいは回動機構等を用いて光学素子の姿勢を調整するための手段が含まれる。また、調整部２７には、光学系１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂに対するレーザビームの入射位置や方向等を調整するための手段や、レーザ光出力の制御手段が含まれる。
光走査制御部２８は、光走査部２０とともに光走査手段を構成しており、一次元光変調素子を用いて光を変調することにより得られる一次元画像を走査するための制御を行う。つまり、図中に「ＳＹＮＣ」で示す同期信号や光強度分布計測処理部２６からの指令（光走査位置の指示信号）に従って制御信号を光走査部２０に送出し、その動作（ガルバノミラーの回転）を制御する。
尚、本例では、光走査手段の後に投射光学系２２を配置した構成形態を採っているが、これに限らず投射光学系の後に光走査手段を配置する形態での実施が可能である。
光強度の測定用画像を表示して光強度分布測定を行う場合の構成形態には、下記に示す例が挙げられる。
・画像投射の準備段階として、キャリブレーションや初期設定等を行う段階で測定用画像を投射光学系２２から出力し、光検出装置２３で検出する形態
・画像投射を行いつつ、画像表示に悪影響を与えないように測定用画像を投射光学系２２から出力し、光検出装置２３で検出する形態。
図１５は、画像表示装置１４に係る光学系について要部を例示した概略図である。
Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に対応した一次元光変調素子１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂには、図示しない照明光源からの光が光学系を介してそれぞれ照射される。尚、各光源には各色レーザ光をそれぞれに照射するレーザが使用され、各レーザビームは、例えば、ラインジェネレータ等によって線状ビームに整形された上で、各素子１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂに照射される。
変調された各レーザ光は、色合成ミラー１８ａ、１８ｂを用いて光学的に合成された後、オフナーリレー系２９を介してガルバノスキャナ３０に到達して光走査を受ける。
オフナーリレー系２９は主鏡（凹面鏡）２９ａと副鏡（凸面鏡）２９ｂを用いて構成され、色合成後の光は、先ず、主鏡２９ａで１回目の反射を受けた後で、副鏡２９ｂで反射され、さらに主鏡２９ａで２回目の反射を受けてから、ガルバノスキャナ３０に向けて出射される。副鏡２９ｂにシュリーレンフィルタの機能（正反射光成分と回折光成分とを分離して、特定次数の回折光だけをとり出す機能）を持たせるか又はシュリーレンフィルタを副鏡２９ｂに付設することにより、１次回折光と０次回折光を分離し、１次回折光を選別して通過させることができる。例えば、副鏡２９ｂにシュリーレン開口を形成して不要光成分（０次光や２次回折光等）を透過させ、±１次回折光だけを主鏡２９ａに向けて反射させるようにした構成が挙げられる。光学的な構成が簡単であって小型化等に好適であり、また、収差低減等に有効である。
オフナーリレー系２９からガルバノスキャナ３０に到達する一次元像の形成方向は、図１５の紙面に垂直な方向とされ、光走査によって二次元中間像「ｇ２」が形成される。本例では、ガルバノスキャナ３０の後に像面湾曲補正光学系３１を配置することで二次元像の像面湾曲を除去している。
像面湾曲補正後の二次元中間像ｇ２は投射光学系２２によってスクリーン上に拡大投影されるが、その光強度分布を測定するために測定装置３２が用いられる。この測定装置３２は上記光検出装置２３を構成するものであり、投射光学系２２の出射口近傍に手動又は自動制御により設置され、投射光学系２２からの出射光を集光した後に平均化された光強度を検出する。
本例では、集光レンズ３３、積分球３４、光検出部３５を備えており、投射光学系２２からの出射光を集光レンズ３３によって集光して積分球３４の入射ポートから該積分球内に導入する。積分球３４により平均化された光強度の検出が光検出部３５を用いて行われる。尚、集光レンズ３３は、投影レンズから出射する光を全て集光して再結像させる機能を有する。また、積分球３４の内部では、多重反射によって積分球内での光強度が均一化される。そして、光検出部３５を構成する光センサにおいて受光信号を電気信号に変換して出力し、検出信号が光強度分布計測の基礎データとされる（上記光強度分布計測処理部２６に送出されて処理される。）。
測定装置３２の設置形態としては、例えば、測定装置を画像生成装置の本体部に対して取り付け可能にした構成形態や、可動ステージ等の移動手段を用いて測定装置の位置制御を行えるようにした構成形態等が挙げられる。尚、後者の形態では、例えば、ガルバノスキャナ３０の光走査状態に応じて、測定装置３２を動かしながら投射光学系２２からの出射光を積分球３４内に導入することができる。
一次元光変調素子において、その長軸方向の画素数に応じた数の測定が行われ、例えば、一次元方向に１０８０個の画素配列とされるＧＬＶ素子の場合、１番目の画素から始まって１０８０番目の画素まで、１画素ずつ個別に点灯（ピクセルオン状態）にして光センサの出力を記録する処理を逐次に行うことにより、測定データを収集する。これにより、各画素に関して独立した光強度の測定が可能となる。
尚、実際上では、一次元光変調素子に係る特性や駆動回路の特性等にバラツキがあることへの配慮が必要である。つまり、測定装置３２を用いた測定データには、変調特性のバラツキによる影響と、経時変化等に起因する照明光の不均一化の影響がともに反映されているので、両者の影響を分離することが望ましい。現実の一次元光変調素子には製造上の精度等に起因する素子自体の特性バラツキや、素子の駆動回路に係る特性のバラツキ等が存在するので、それらの影響を含めた素子の変調特性を事前に測定しておくことで対処できる。
実際に装置を使用する前あるいは使用中において、一次元光変調素子への照明光のプロファイルを測定する場合に、素子や駆動回路等の個体差や製造誤差等に起因する影響を排除することができる。具体的な方法の説明は省略するが、例えば、一次元光変調素子の変調特性を調べるための専用装置を用いて、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のレーザ光源（基準光源）からの光を整形した後、スポット状のビームを測定対象である一次元光変調素子（ＧＬＶ素子等）に照射する。一次元光変調素子における各画素の構成素子のうち、ビームスポットの照射対象とされる素子については、所定のテスト信号に従う駆動電圧が印加され、これによって変調された光をレンズで結像させ、空間フィルタを経て検出する（照明光の不均一性の影響を排除した条件下で素子固有の変調特性のデータを取得できる。）。
尚、図１４では、投射光学系２２の直後で光検出を行っているが、光変調部１７以降の光学系による影響を受けないようにするには、図１４に破線矢印で示すように、一次元光変調素子の被照射面に極力近い場所でプロファイル測定を行うようにした形態が好ましい。但し、測定装置の配置に必要なスペース等の確保や、測定精度等について充分な配慮が必要である。
図１６は、任意の色のレーザ光源（例えば、図１４の１５Ｒ）からの６本のビームが、光学系（例えば、図１４の１６Ｒ）を介して被照射部（ＧＬＶ素子）に照射される様子を示している。本例では、上記形態（Ｉ）を採用しており、その構成は図４と同様である（各レーザビームがレンズアレイ６ａ、６ｂ、リレーレンズ系７を透過することで個々のビームプロファイルが重ね合わされる。）。
図１７は、照明光の基準プロファイルを概略的に例示したものであり、横軸「ｘ」にＧＬＶ素子の長軸方向における座標値（画素位置に相当する。）をとり、縦軸「Ｌ」に光強度（相対値）をとったものである。
一定の範囲に亘って平坦な強度部分（Ａ部参照）が認められ、両端寄りの部分（Ｂ部参照）がやや盛り上がっていて強度が高くなっているが、これは光学系内のケラレ等に起因する周辺領域での光量低下を予め見込んで、意図的に増強したことに依るものである。尚、矩形枠内の斜線部分が有効に利用される範囲を示す。
図１６において、例えば、下から３番目のレーザビーム（破線参照）に関して光源の不点灯による欠落（又は強度低下）が発生した場合を想定すると、これによって、例えば、図１８に示すように、照明光の強度分布が不均一化する。
図１８では、上記レーザビームの欠落によって、円形枠で囲んで示すように、横軸中央よりもやや右方の位置（Ｃ部参照）で強度の落ち込みが発生している（斜線部で示す有効利用可能な範囲での強度が減少する。）。
このような場合に、例えば、図１６に矢印「Ｆ」で示すようにレンズ７ａを移動させることによって光強度の落ち込み量を低減させ、基準プロファイルに近い状態への回復が可能である（図１８の矢印「Ｕ」参照。）。
また、あるレーザ光源のパワー低下等に起因して、照明光プロファイルに落ち込み部分が生じた場合に、一次元光変調素子等の表示デバイスに係る変調制御を利用して均一化を図る方法では、前記のように、表示デバイスにおいて本来の映像表示に用いるべき階調数が減少してしまう。つまり、出力の均一化を図るために利用される階調数が多くなると、本来の画像表示のための階調数が不足してしまうことが問題となる。
そこで、図１９に概念的に示すように、（Ａ）図に示す照明光プロファイルにおける落ち込み部分（Ｃ部参照）に合わせるべく、それぞれのレーザ光源の出力を低下させ、（Ｂ）図のように強度分布を均一化する。これにより全体の出力は低下することになるが、無効階調領域（「Ｒm」参照。）が減るので、相対的に有効階調領域（「Ｒe」参照。）の低減を抑えることができる。
上記した構成をとることで、表示デバイスにおけるプロファイル均一化のための階調消費の問題を解消して、本来の映像表示のための階調数を増やすことができる。
また、個々のレーザ光源の特性データやプロファイルデータをもとにレーザ出力を制御することで、より正確なプロファイル制御を実現することができ、照明光プロファイルの均一度を高めることができる（よって、表示デバイスでの無駄な階調消費を抑えることができる。）。特に、個々のレーザ光源のプロファイルデータをパワー制御に反映させることにより、製造公差等を含めたデータに基づいて各レーザ光源のパワーを個別に制御し、正確なプロファイル制御を行うことが可能である。
そして、投射光学系の後段でプロファイル検出を行う構成形態では、投影レンズ等の光学特性（周辺光量低下等）をも考慮して、最終的なプロファイルの均一化を図ることが可能になる。
以上に説明した構成によれば、複数本のレーザビームを用いて均一性の高い照明光を得る場合に、経時変化等への対策を充分に講じることができるので、光変調素子を用いて、光学系からの光を変調することにより画像を生成する装置への適用において、画質低下等の防止に効果的である。
本発明に係る照明装置の基本構成例を示す図である。 レンズアレイを用いて均一照明を実現するための光学系を例示した説明図である。 レーザビームの強度低下やビームプロファイルの変動が生じた様子を示す説明図である。 本発明に係る構成例について説明するための図である。 本発明に係る構成の別例について説明するための図である。 本発明に係る別の構成形態について説明するための図である。 本発明に係るさらに別の構成形態について説明するための図である。 本発明に係る光出力制御についての説明図である。 個々のレーザ特性のバラツキを示す図である。 本発明に係る光出力制御について、あるレーザ光源のプロファイル測定を例示した説明図である。 各レーザ光源のプロファイルと、全体のプロファイルを示す概略的な説明図である。 投射光学系の後段にプロファイルの検出手段を配置した構成例を示す図である。 レンズ系の周辺光量低下について説明するための図である。 図１５乃至図１９とともに、本発明に係る実施の一例を示すものであり、本図は画像表示装置例の概要を示す図である。 光変調以降における光学系の構成例を示す図である。 ＧＬＶ素子への照明光学系を例示した説明図である。 照明光の基準プロファイルを概略的に示す図である。 照明光プロファイルの不均一性とその是正について示す図である。 表示デバイスの階調維持のためのパワー調整に関する説明図である。
符号の説明
１…照明装置、２…光源部、３…光学系、４…検出手段、５…調整手段、６…前群、６ａ、６ｂ…レンズアレイ、７…リレーレンズ系、７ａ、７ｂ…レンズ、９…ビーム発散用レンズ、１０…レーザ光源、１２…光学素子、１５…光源部、１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂ…レーザ光源、１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ…光変調素子

Claims (2)

  1. レーザ光源を含む光源部と、複数のレーザビームが入射される光学系と、該光学系に係る結像面上の光強度分布について検出するための検出手段とを備えた照明装置において、
    上記検出手段で検出された光強度分布に基づいて上記結像面上での光強度分布を変化させて均一化させるための調整手段を設け、
    上記調整手段は、
    上記レーザ光源と上記光学系との間に配置される光学素子の位置を光軸上に沿って変更するとともに、
    上記光強度分布データの変動が検出された場合に、予め記憶装置に保持されたレーザ光源ごとの駆動電流及び光出力の関係を示す特性データを読み出し、該読み出された特性データに基づいて、検出された光強度分布の最小値に揃えるようにレーザ光源ごとに光出力を制御する
    ことを特徴とする照明装置。
  2. レーザ光源を含む光源部と、複数のレーザビームが入射される光学系と、該光学系からの光の変調に用いる光変調素子と、該光変調素子への照明光又は光変調素子を経た後の投射光の光強度分布について検出するための検出手段とを備え、該光変調素子を用いた光変調により画像を生成する画像生成装置において、
    上記検出手段で検出された光強度分布に基づいて上記結像面上での光強度分布を変化させて均一化させるための調整手段を設け、
    上記調整手段は、
    上記レーザ光源と上記光学系との間に配置される光学素子の位置を光軸上に沿って変更するとともに、
    上記光強度分布データの変動が検出された場合に、予め記憶装置に保持されたレーザ光源ごとの駆動電流及び光出力の関係を示す特性データを読み出し、該読み出された特性データに基づいて、検出された光強度分布の最小値に揃えるようにレーザ光源ごとに光出力を制御する
    ことを特徴とする画像生成装置。
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