JP4937125B2 - レーザ画像表示装置 - Google Patents
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Description
本発明の第1の実施形態は、レーザ画像表示装置である。本レーザ画像表示装置は、プロジェクション・ディスプレイ(レーザ・ディスプレイ)である。図1に、第1の実施形態によるレーザ画像表示装置100の構成概略図を示す。
以下、レーザ画像表示装置100の照明光学系2について、詳しく説明する。
レーザ画像表示装置100の照明光学系2は、ビーム偏向素子部3と、光インテグレータ4と、擬似面光源化素子5と、投影光学系6と、を含む。
ビーム偏向素子部3は、レーザ光源1R、1G、および、1Bからのレーザ光の進行方向に関し、光インテグレータ4よりも上流に配置され、レーザ光源1R、1G、および、1Bの少なくともいずれか1つから出射したレーザ光を受け、その進行方向を偏向させる機能を有する素子を含む。ビーム偏向素子制御部3Cは、ビーム偏向素子部3に入射するレーザ光の受ける偏向作用の程度(後述のビーム偏向角に相当)を、随時変更可能に制御する。ビーム偏向素子部3によって、進行方向を所定の方向へ偏向されたレーザ光は、その進行方向下流に配された光インテグレータ4へ入射する。
レーザ光源からのレーザ光は、ビーム偏向素子部3による偏向作用を受けた後、光インテグレータ4に入射する。光インテグレータ4は、所定形状の入射端面および所定形状の出射端面を有し、入射したレーザ光を、光インテグレータ4の内部境界面での内部反射を許しながら出射端面まで導光する。光インテグレータ4の入射端面の形状は、任意の形状でよいが、ビーム偏向素子部3から出射するレーザ光の取込が容易で、取込量を可能な限り大きくするように構成されることが好ましい。同様、光インテグレータ4の出射端面の形状は、任意の形状でよいが、好ましくは、矩形形状である。さらに好ましくは、光インテグレータ4の出射端面形状は、変調素子7において実際に画像形成のための変調に関与する素子が配置された領域の形状、すなわち、画像表示のためにレーザ光を照射すべき変調素子の領域の形状と相似の関係にある。或いは、実際にスクリーン10に形成される画像の形状と相似の関係を有することが好ましい。光インテグレータ4の出射端面が当該相似の関係を備えることにより、変調素子7を照明するレーザ光のうち実際には画像形成に貢献しないレーザ光の光量を最小限に抑えることが可能となる。例えば、レーザ画像表示装置100の変調素子7の上記領域が、縦横比4:3の長方形形状を有するならば、光インテグレータ4の出射端面形状も、縦横比4:3の長方形形状を有することが好ましい。或いは、レーザ画像表示装置100が、縦横比4:3の長方形形状の画像を表示する設計ならば、光インテグレータ4の出射端面の形状は、縦横比4:3の長方形形状に設計されることが好ましい。また、変調素子7の上記領域と、それを照明するレーザ光とが一致するように、光学系を構成することが望ましい。光インテグレータ4の側面形状は、任意の形状でよいが、好ましくは、上記内部反射が適切に効率的に行われ、入射したレーザ光を高効率で出射端面まで導光可能な形状である。なお、変調素子7として液晶等、偏光制御を行う素子を使用する場合、上記内部反射を行う内部境界面(反射面)が、入射したレーザ光の偏光方向に対して垂直または平行になるように、側面形状を構成することが望まれる。また、光インテグレータ4の入射端面と出射端面の形状が相違する場合、側面形状は、照明光学系2の光軸に対して非平行な平面または曲面を有してもよい。さらには、光軸を光インテグレータ4内で屈曲させるような形状を有してもよい。
擬似面光源化素子5それ自体は、入射したレーザ光を散乱させ、出射する素子である。一般に、レーザ光は平行光である。擬似面光源化素子5は、その散乱作用により、それに入射した平行レーザ光を、略発散光にする。擬似面光源化素子5は、レーザ光の進行方向に関し、光インテグレータ4の一部分よりも下流に配置されればよい。そのような構成を採ることにより、レーザ画像表示装置100において、擬似面光源化素子5は、光インテグレータ4の導光部を導光されたレーザ光に対し散乱効果を与えることが可能となる。擬似面光源化素子5より上流にある光インテグレータ4の一部分の導光部は、光軸に沿って所定の長さよりも長いことが好ましい。この所定の長さは、光インテグレータ4を導光されたレーザ光が、擬似面光源化素子5に一様に入射するようになるために必要な長さの最小値と実質的に一致する。
投影光学系6は、光インテグレータ4を出射したレーザ光を、変調素子7に投影するための光学系である。投影光学系6は、光インテグレータ4を出射したレーザ光が、変調素子7に適切に入射されるように、1つのレンズ、または、1つ以上のレンズ群で構成することができ、倍率aを有する光学系である。また、投影光学系6をアナモフィック系として構成することもできる。このとき、投影光学系6は、光インテグレータ4の出射端面より出射されるレーザ光を歪曲させ、該歪曲されたレーザ光を変調素子7の有効面へ導く光学系である。その場合、光インテグレータ4の出射端面形状は、投影光学系6によるレーザ光の歪曲を考慮して設計する。
これより、照明光学系2の作用・効果について詳細に説明する。図2A、図2B、および、図2Cは、光インテグレータ4および擬似面光源化素子5の作用を説明する図である。先ず、図2Aは、光インテグレータ4に入射したレーザ光21c等が光インテグレータ4内を伝播する様子を示す図である。
本発明にかかるレーザ画像表示装置100においては、ビーム偏向素子部3によりその進路について偏向作用を受けたレーザ光が、光インテグレータ4に入射する。
レーザ光源1R、1G、および、1Bの少なくともいずれか1つから出射されたレーザ光の光源像は、先ず、ビーム偏向素子部3の作用の程度が時間的に変化する偏向作用、および、光インテグレータ4の上流部を導光される際の内部反射の作用により、その構成が時間的に変化する複数の点光源からなる光源像となる。そして、擬似面光源化素子5および光インテグレータ下流部の作用により、この複数の点光源からなる光源像は、擬似的に面光源化された光源像になる。このとき、擬似的に面光源化されたレーザ光束は、上記時間的に変化する複数の点光源像の変化と対応して時間的にその主たる進行方向を変化させる複数の略発散レーザ光から構成されている。
擬似面光源化素子5は、光インテグレータ内に構成することが好ましい。または、変調素子7上流に具備することが好ましい。ここで、「変調素子7上流」とは、光インテグレータ4の出射端面から、レーザ光束を変調する変調素子7までの区間を指す。この区間内に擬似面光源化素子を配置することにより、変調素子7を照明するレーザ光束の光源像は、複数の点光源の集まりではなく、連続的に繋がった1つの像とすることができる。レーザ光束の断面形状が、変調素子7と相似な矩形形状、或いは、略発散レーザ光束になっている位置に擬似面光源化素子5を配置することで、照明用のレーザ光束の光源像をほぼ連続的に繋がった像とすることができる。ただし、変調素子7上流に擬似面光源化素子5を具配置する場合は、擬似面光源化素子5に起因した像が、変調素子7に結像しないよう、光インテグレータ出射端面から1mm以上離すことが好ましい。
ビーム偏向制御素子部3により偏向されたレーザ光の光軸に対するビーム偏向角の最大値θ1、擬似面光源化素子5の平行レーザ光に対する平均散乱角をφ1は、θ1>φ1であることが好ましい。擬似面光源化素子5の散乱角は、効果的な擬似面光源化作用を発揮させるためには、ガウス分布に近い散乱角分布を有することが好ましい。効果的にスペックルノイズを低減させるためには、変調素子7またはスクリーン10に投射されるレーザ光の角度分布が均一なことが望まれ、また、投射光学系8のロスをなくすためには投射光学系8のエフナンバーFまでの角度分布とすることが望まれる。前記2つを両立させるためには、変調素子7の照明するレーザ光の角度分布は、トップハット型に近い角度分布が望まれる。この望まれる角度分布とするには、厳密な角度分布制御が可能なビーム偏向制御素子部3による角度制御が、有効に照明用レーザ光に残ることが好ましい。そのためには、前記関係θ1>φ1を満たすことが望まれる。角度制御をより厳密に行うには、θ1>2×φ1であることがより望ましい。
画像表示装置100を用い、画質評価を行った。評価対象は、スクリーン10に到達する光量とスペックルノイズの多寡である。スクリーン到達光量はパワーメータで測定した。スペックルノイズは、スクリーン10を、視覚カメラで撮影することにより評価した。スクリーン10には、フロントプロジェクション用のマットスクリーンを用いた。視覚カメラは、瞳に対応するレンズと仮想網膜上のスペックルをCCDに拡大するレンズとCCDからなる。スペックルノイズ評価には、緑色レーザ光源1Gのみから緑色レーザ光を出射させ、一様画像をスクリーン10に表示し、一様画像部のCCD受光量平均値Xとスペックルノイズによる強度ばらつきの標準偏差σの比、σ/Xを用いた。ビーム偏向角の制御には回転レンチキュラーレンズを用い、NAの異なるレンチキュラーレンズを用いてビーム偏向角θ1(=sin−1NA)を変化させた。擬似面光源化素子5は、ホログラムパターンのランダム凹凸パターンを有する素子に反射防止コートし、2本のロッドインテグレータ間に挟み固定させた。擬似面光源化素子5も、半値散乱角θ1が異なるものを複数用いた。投影光学系の倍率aは2、投射光学系エフナンバーFは2.5であった。
図9は、照明光学系2の変形例の構成概略図である。
図11は、レーザ光源の構成例を示す図である。図11において、画像表示装置100の赤色レーザ光源1Rは、半導体レーザであり、変調素子7は、長方形形状の有効面(画像表示に実際に使用される領域)を有する。本発明においては、有効面が長方形形状の変調素子7の有効面の長辺方向1109と、半導体レーザの活性層1105の厚み方向とが平行であることが好ましい。
レーザ画像表示装置100のレーザ光源は、図1に示したように、各光源を個別的に配置してよいが、1つのレーザ光源パッケージを用いてよい。このレーザ光源パッケージは、複数の波長を出射するレーザ光源を実質的に1つの筐体に備える。図12および図13に、そのようなレーザ光源パッケージの構成例を示す。図12および図13においては、図の明瞭性のため、パッケージ筐体を省略して図示する。
図14は、本発明にかかるレーザ画像表示装置における照明光学系の別例を示す概略図である。本例において、レーザ光源を出射したレーザ光は、レンズ22、揺動的に振動可能な振動ミラー3Mを経て、矩形の出射端面を有するマルチロッドインテグレータ1401に入射する。マルチロッドインテグレータ1401は、複屈折擬似面光源化素子1403を挟み込んだ構造を有するとともに、入射端面にレンズアレイ1405を備える。
図15は本発明の第3の実施形態におけるレーザ画像表示装置200の概略図である。図15において図1と同じ構成要素については同じ符号を用いる。
1G・・緑色レーザ光源
1B・・青色レーザ光源
1C・・レーザ光源制御部
2・・・照明光学系
3・・・ビーム偏向素子部
3a・・レンチキュラーレンズアレイ
3b・・レンチキュラーレンズアレイ
3c・・レンチキュラーレンズ変形例
3C・・ビーム偏向素子制御部
3M・・振動ミラー
4・・・光インテグレータ
5・・・擬似面光源化素子
6・・・投影光学系
7・・・変調素子
7C・・変調素子制御部
8・・・投射光学系
10・・・スクリーン
21・・・ダイクロイックミラー
22・・・レンズ
41・・・透明接着剤
55・・・光インテグレータ入射端面
57・・・光インテグレータ出射端面
59・・・光インテグレータ側面
71・・・中空モータ
100・・・レーザ画像表示装置
200・・・レーザ画像表示装置
202・・・照明光学系
206・・・投影光学系
208・・・投射光学系
209・・・ダイクロイックプリズム
210・・・スクリーン
261・・・ミラー
262・・・フィールドレンズ
271・・・マイクロレンズアレイ付2次元光変調素子
1101・・・活性層
1103・・・ストライプ
1401・・・マルチロッドインテグレータ
1403・・・複屈折擬似面光源化素子
1405・・・マルチロッドインテグレータ1401に形成されたレンズアレイ
Claims (14)
- レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光を受けてその進行方向を偏向させるビーム偏向素子と、
前記ビーム偏向素子による偏向の程度を制御可能なビーム偏向素子制御部と、
前記偏向を受けたレーザ光を入射し、導光し、その出射端面より出射する光インテグレータと、
前記光インテグレータに入射され導光されたレーザ光を散乱させる擬似面光源化素子と、
前記擬似面光源化素子によって散乱されたレーザ光を受け、それを変調する変調素子と、を有するレーザ画像表示装置。 - 前記光インテグレータの出射端面の形状は、前記変調素子の有効面の形状と相似である請求項1に記載のレーザ画像表示装置。
- 前記光インテグレータは、レーザ光を導光する光インテグレータ上流部および光インテグレータ下流部を有し、
前記擬似面光源化素子は、前記光インテグレータ上流部の導光部および光インテグレータ下流部の導光部に、前記レーザ光の光路に沿って、挟まれて配置される請求項1に記載のレーザ画像表示装置。 - 前記擬似面光源化素子は、前記レーザ光の光路に沿って、前記光インテグレータの出射端面と、前記変調素子との間に配置される請求項1に記載のレーザ画像表示装置。
- 前記ビーム偏向素子制御部は、前記ビーム偏向素子による偏向の程度を、時系列に沿って可変的に制御する請求項1に記載のレーザ画像表示装置。
- 前記擬似面光源化素子は、それに入射するレーザ光の位置および入射の角度の少なくともいずれかに依存して、前記レーザ光に異なる位相を与える請求項1に記載のレーザ画像表示装置。
- 前記ビーム偏向素子は、その前記レーザ光に及ぼす偏向作用が、光軸に対し0度ないしθ1度の間の角度θを成す方向に変化させることができる素子であり、
前記擬似面光源化素子は、光軸に平行に入射するレーザ光に、半値散乱角φ1を有する散乱作用を及ぼすことができる素子であり、
前記θ1と前記φ1との間に、θ1>φ1の関係が成立する請求項1に記載のレーザ画像表示装置。 - 前記擬似面光源化素子は、それに入射するレーザ光の偏光方向を実質的にランダムに変化させる請求項1に記載のレーザ画像表示装置。
- 前記擬似面光源化素子は、それが含まれる光学系の光軸と垂直な方向に関して非一様な厚み分布を示し、複屈折材料を含む請求項9に記載のレーザ画像表示装置。
- 前記変調素子は、前記レーザ光の進行方向上流側に、前記変調素子に含まれる画素に入射するレーザ光を偏向させるマイクロレンズを有する請求項1に記載のレーザ画像表示装置。
- 前記レーザ光源は、半導体レーザを有し、
前記変調素子は、その有効面が長方形形状であり、
前記半導体レーザの活性層の厚み方向と、前記長方形形状の長辺方向が平行である請求項1に記載のレーザ画像表示装置。 - 前記半導体レーザは、出射可能なレーザ光の波長の10倍以上のストライプ幅を有する請求項12に記載のレーザ画像表示装置。
- 前記レーザ光源は、第1の波長を有する第1レーザ光を出射可能な第1レーザ光源部と、前記第1の波長よりも長い第2の波長を有する第2レーザ光を出射可能な第2レーザ光源部を含み、
前記第1レーザ光の前記変調素子までの光路長は、前記第2レーザ光の前記変調素子までの光路長よりも短い請求項1に記載のレーザ画像表示装置。
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