JP5058798B2 - 照明装置 - Google Patents
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Description
この発明は、照明装置に関するものであり、特に、光源としてレーザを使用し、空間光変調手段として液晶あるいはＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を使用した投写型ディスプレイにおいて、空間光変調手段を均一で効率良く照明する一方で、レーザの光束内に現れるスペックルを除去する技術に関するものである。
投写型ディスプレイは、画像表示装置として民生ＴＶ用、プレゼンテーション用、産業用、大劇場用など、様々な形態で現在利用されている。一般に、ライトバルブ（光弁）と呼ばれる空間光変調手段に光を照射して画像を形成し、その透過光あるいは反射光をスクリーンなどの補助面に投影して画像を表示する。
投写型ディスプレイの一般的な構成として、光源から出射する光でライトバルブを照明する光学系を照明光学系と呼び、ライトバルブから出射する光束を拡大投写する光学系を投写光学系と呼ぶ。
投写型ディスプレイの照明光学系の機能としては、ライトバルブを均一に照明すること、および効率良く照明することが必要とされる。ランプの光源からの光束における強度分布は空間的に不均一性をもち、ライトバルブ上で照度ムラが生じると投影した画像に明暗が現れてしまう。そのため、ライトバルブを均一に照明する方法として、ミキシングロッド（またはロッドインテグレータ、ライトトンネル）方式の光インテグレータが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
この方式によれば、光源からの光束をレンズにより集光させ、ミキシングロッドの入射口に入射させることで、入射した光束は、ロッド内で反射を繰り返し重畳されるため、ロッドの出射端面は均一分布を持つ二次光源と見なすことができる。
また、上記理由のため、ミキシングロッドの出射光の開口数（ＮＡ： Numerical Aperture）は、ミキシングロッドに入射した入射光の開口数が保存される。出射した光束はレンズやミラーから構成されるリレー光学系（照明光学系）により被照面であるライトバルブをムラなく均一に照明する。光インテグレータのもう一つの効果として、ビーム整形作用がある。ランプの光源から断面形状が略円形の光束を、ライトバルブとほぼ等しい方形に変換することにより、光利用効率を高めることができる。
ミキシングロッドの出射端面を光源とし、リレー光学系にて、光源（出射端面）の像をライトバルブに結ばせる。ここで、ミキシングロッドの出射光の開口数ＮＡをＮｒ、ミキシングロッドの開口サイズをＷｒ、照明光の開口数ＮＡをＮｉ、ライトバルブの開口サイズをＷｉとすると、照明系の横倍率βは、β＝Ｗｉ／Ｗｒと表される。照明系がAbbeの正弦条件を満足していれば、β＝Ｎｒ／Ｎｉより、Ｎｒ×Ｗｒ＝Ｎｉ×Ｗｉとなり、開口数と光源の大きさの積が保存する。これは、近軸領域においてはLagrange-Helmholtzの不変量で考えても良い。実際には、レンズの収差や、けられのため必ずしも等号ではない。
また、ライトバルブが均一に効率良く照明されたとしても、それが投写光学系によりスクリーンまで反映されなければならず、ライトバルブを照明した照明光の開口数を投写光学系のそれに整合させる必要がある。これは、照明光の開口数ＮＡが投写光学系の開口数ＮＡよりも大きいと、その分の照明光は投写光学系に入射しなくなり、光利用効率が低くなるからである。したがって、投写光学系と照明光学系、および照明光学系と光源の開口数と大きさは自由に選ぶことができない。
一方、投写型ディスプレイにおけるランプの光源をレーザの光源に置き換えることにより、単色スペクトルによる色再現領域拡大、光源強度変調による高コントラスト化、半導体レーザなどによる長寿命化、光指向性による光学系小型化が可能となり、従来のランプの光源に対し圧倒的な高性能化が図れる。
レーザの光源は、ランプの光源に比べて開口数ＮＡとビームサイズの積が非常に小さくなる。そのため、照明光の開口数ＮＡおよびライトバルブの開口サイズが決まっていると、ミキシングロッドへの入射光の開口数ＮＡが小さくなる、あるいは入射光のビームサイズが小さくなる。開口数ＮＡが小さいとロッド内で全反射を繰り返す回数が少なくなる。また、ビームサイズが小さいとロッドの開口で空間的に強度分布の偏りが大きくなる。これらにより、従来のランプの光源に用いられているミキシングロッドではライトバルブを均一に照明することが困難である。
ライトバルブを均一に照明する方法として、レーザの光源からの光を多モード光ファイバに結合し、均一分布の出射光をライトバルブに照射するものがある（例えば、特許文献２参照）。
しかし、断面形状が円形の光ファイバでは出射光が略円形の光束でライトバルブの形状と異なり、光利用効率が低くなる。
また、レーザ光は単一波長であり、広い色再現範囲を得るためには、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色などの複数波長のレーザ光が必要である。そのため、複数の光源からの複数波長のレーザ光を合成して一つのライトバルブに照射する場合、レーザ光を合成する光学系は複雑であり、装置が大型で高価になってしまう。
さらに、レーザをライトバルブに照明してスクリーンに投影すると、スペックルと呼ばれる明暗の斑点状の模様が画像上に現れる。これは、空間的および時間的にコヒーレントな光であるレーザが、光学的に粗い面を反射あるいは透過して位相の異なる光となり、人間の眼で異なる位相を干渉として観察するためである。スペックルは、画像のノイズ成分となり観察者にとって好ましくない。
スペックルを除去する方法として、レーザの光源からの光を多モード光ファイバに結合し、その光ファイバを振動させてモードスクランブルを引き起こすものがある（例えば、特許文献３参照）。
これにより、スペックルパターンが変化し、スペックルパターンが重ね合わされれば、スペックルは平均化されて低減する。しかし、光ファイバを振動させる機械的な装置が必要であり、その機械的な装置、および振動する光ファイバの耐久性が問題となる。また、断面形状が円形の光ファイバでは円周方向を周回するスキュー成分が発生し、スペックルパターンは空間的に偏りが大きく、スペックルを十分に除去できない。
この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、空間光変調手段を均一で効率良く照明することができる照明装置を得ることを目的とする。
この発明に係る照明装置は、レーザ光を出力する光源と、前記光源から出力されたレーザ光を横断面の外径形状が略多角形でなる内部のコアで伝搬する多モード光ファイバと、前記多モード光ファイバから照明された光で画像を生成する空間光変調手段とを備え、略楕円形状に巻回された前記多モード光ファイバの屈曲形状を前記略楕円形状の周方向の任意の複数の位置で時間的に変形させる光ファイバ変形手段をさらに備えたことを特徴とするものである。
この発明によれば、光源からレーザ光を出力し、コア横断面の外径形状が略多角形の多モード光ファイバにレーザ光を伝搬させて出力することにより、空間光変調手段を均一で効率良く照明することができる。
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明の好ましい実施の形態について、図面を用いてこれを説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による照明装置を示す構成図である。
この発明の実施の形態１に係る照明装置は、光源、コア横断面の外径形状が方形の多モード光ファイバ、および空間光変調手段を備えるものである。
図１は、この発明の実施の形態１による照明装置を示す構成図である。
この発明の実施の形態１に係る照明装置は、光源、コア横断面の外径形状が方形の多モード光ファイバ、および空間光変調手段を備えるものである。
図１において、光源１としては、半導体レーザや固体レーザを非線形光学材料により波長変換したレーザ、あるいは半導体レーザそれ自体などを用いることができる。出力されるレーザ光は、可視である４００〜７００ｎｍ程度の範囲の波長を有する。例えば、ＩｎＧａＡｓ系化合物の半導体混晶による波長６３０ｎｍの半導体レーザ、あるいはＮｄ：ＹＡＧのレーザ媒質による固体レーザをＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3の非線形光学材料により波長変換した波長５３２ｎｍの波長変換レーザ、あるいはＩｎＧａＡｓ系化合物の半導体混晶による半導体レーザをＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3の非線形光学材料により波長変換した波長４７３ｎｍの波長変換レーザの光源である。ここでは、簡単のため、その範囲の単一波長のレーザ光を用いた場合の照明装置について示す。
図２は、多モード光ファイバ２の横断面構造を図示している。
多モード光ファイバ２の横断面の中心には、光を伝搬させるコア２１があり、外径形状は方形である。方形の一辺長は、数十〜数百μｍ程度を有する。コア２１の外周には、光を全反射させるためのクラッド２２があり、コア２１よりも屈折率が低くなっている。
多モード光ファイバ２の横断面の中心には、光を伝搬させるコア２１があり、外径形状は方形である。方形の一辺長は、数十〜数百μｍ程度を有する。コア２１の外周には、光を全反射させるためのクラッド２２があり、コア２１よりも屈折率が低くなっている。
この多モード光ファイバ２の製造方法について説明する。
まず、ＭＣＶＤ法、ＯＶＤ法、ＶＡＤ法等の公知の光ファイバ用プリフォームの製造方法と同様にして、図３に示すように、石英製の円柱ロッド材２３を形成する。
まず、ＭＣＶＤ法、ＯＶＤ法、ＶＡＤ法等の公知の光ファイバ用プリフォームの製造方法と同様にして、図３に示すように、石英製の円柱ロッド材２３を形成する。
次いで、図３に示すように、円柱ロッド材２３の側面を研磨することにより、その横断面を円形からその円周に沿って弓形を除去した略方形に形成し、コア形成部のプリフォーム２４を作製する。作製したプリフォーム２４を線引き機にセットし、そのプリフォームを加熱延伸して細径化する線引き加工を施す。ここで、線引き加工の加熱温度を、横断面における外径形状が実質的に維持されたままコア形成部が線引き加工で光ファイバのコアになるように設定する。
次いで、線引きされたものの表面にラジカル発生剤を添加したアクリル樹脂液を付着させ、それに紫外線を照射することにより硬化させ、コア表面を被覆保護するクラッドを形成する。
以上のようにして、光ファイバの中心にあるコア２１と、コア２１を被覆するように設けられたクラッド２２とからなる多モード光ファイバ２が製造される。
空間光変調手段３は、液晶あるいはＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などを変調媒体として用いることができる。液晶を用いた方式は、液晶材料をガラス基板などで挟んで素子とし、外部から電界を加えて液晶の分子配列の変化とともに引き起こされる素子の光学的性質の変化を利用して画像を生成する。また、ＤＭＤを用いた方式は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製造したマイクロミラーを２次元に並べ、各ミラーを傾けることによりＯＮ／ＯＦＦ駆動して画像を生成する。
次に、動作について説明する。
光源１から出力されたレーザ光は、レンズ４により集光し、多モード光ファイバ２に入射される。多モード光ファイバ２に入射するレーザ光の開口数ＮＡは光ファイバを伝搬可能な開口数ＮＡと同等かもしくはそれ以下、ビームサイズは光ファイバのコアサイズと同等かもしくはそれ以下となっている。この条件となれば、光源１から出力されたレーザ光が直接多モード光ファイバ２に入射し、レンズ４を用いなくても良い。ここで、レーザ光はランプ光に比べて指向性の高いコヒーレンスな光であるため、レーザ光の開口数ＮＡおよびビームサイズが光ファイバの開口数ＮＡおよびコアサイズより小さくなり、光ファイバに入射して伝搬させることができる。
光源１から出力されたレーザ光は、レンズ４により集光し、多モード光ファイバ２に入射される。多モード光ファイバ２に入射するレーザ光の開口数ＮＡは光ファイバを伝搬可能な開口数ＮＡと同等かもしくはそれ以下、ビームサイズは光ファイバのコアサイズと同等かもしくはそれ以下となっている。この条件となれば、光源１から出力されたレーザ光が直接多モード光ファイバ２に入射し、レンズ４を用いなくても良い。ここで、レーザ光はランプ光に比べて指向性の高いコヒーレンスな光であるため、レーザ光の開口数ＮＡおよびビームサイズが光ファイバの開口数ＮＡおよびコアサイズより小さくなり、光ファイバに入射して伝搬させることができる。
多モード光ファイバ２に入射したレーザ光は、多モード光ファイバ２のコア２１内を伝搬して出射される。ここで、光を全反射しているため、高い輸送効率でレーザ光を伝搬させることができる。
多モード光ファイバ２には、光を伝搬可能なモードが多数存在する。最高次モードの伝搬角は全反射角にほぼ等しく、モードの伝搬角が０から全反射角の間の範囲にほぼ連続的に分布すると見なしてよい程度で、モード数は数百〜数千以上である。ここで、多モード光ファイバ２は長手方向に長尺で屈曲されているため、反射回数は十分で入射したレーザ光が複数のモードに展開されて多モード光ファイバ２を伝搬する。そのため、多モード光ファイバ２に入射する端面において、レーザ光の強度の空間分布はガウス分布であるのに対し、多モード光ファイバ２を出射する端面において、各モードの強度の空間分布が重ね合わされ、出射したレーザ光は空間的に平均化される。
多モード光ファイバ２の横断面のコア２１の外径形状は方形である。そのため、多モード光ファイバ２に入射する端面において、レーザ光のビーム形状は略円形であるのに対し、多モード光ファイバ２を出射する端面において、レーザ光のビーム形状は略方形が得られる。
多モード光ファイバ２を出射したレーザ光は、空間光変調手段３を照明する。ここで、出射したレーザ光の均一な強度の空間分布により、空間光変調手段３の被照面にムラなくレーザ光を照射することができる。また、空間光変調手段３の被照面は方形である。出射したレーザ光の略方形のビーム形状により、高い光利用効率でレーザ光を空間光変調手段３に照射することができる。
空間光変調手段３は、入力信号でデバイスの光学特性を変化させ、照明されたレーザ光の光束を局所的に変調し、画像を形成する。空間光変調手段３からの透過光あるいは反射光（図１では透過光）をスクリーンなどの補助面に投影すると、レーザ光を空間光変調手段３の被照面にムラなく照射し、高い光利用効率で空間光変調手段３に照射しているため、明るく明暗がない画像を表示することができる。
このように構成すれば、多モード光ファイバ２の横断面のコア外径形状を空間光変調手段３の被照面とほぼ等しい形状とすることにより、空間光変調手段３を均一で効率良く照明することができる。例えば、空間光変調手段３の被照面がアスペクト比４：３の長方形である場合、多モード光ファイバ２の横断面のコア外径形状もアスペクト比４：３の長方形で相似形状とする。また、空間光変調手段３の被照面が正六多角形である場合は、多モード光ファイバ２の横断面のコア外径形状も正六多角形で相似形状とする。
また、多モード光ファイバ２の出射光の開口数ＮＡは、光ファイバの開口数ＮＡと等しくなり、入射光の開口数ＮＡが保存されない。そのため、照明光の開口数ＮＡ、空間光変調手段３の被照面サイズ、および光ファイバ２のコアサイズが決まっていても、入射光の開口数ＮＡは光ファイバ２の開口数ＮＡ以下で任意に設定することができる。これにより、光学系の信頼性を高くすることができる。
また、多モード光ファイバ２は、自由に屈曲することができるため、装置のサイズを小さく、配置を自由に設定することができる。これにより、装置のコストを安くすることができる。
さらに、多モード光ファイバ２と空間光変調手段３の間にレンズ、ミラーからなるリレー光学系（照明光学系）を設ければ、多モード光ファイバ２の出射端面（これは元のレーザ光の二次光源に相当する）におけるレーザ光の強度の空間分布およびビーム形状を空間光変調手段３の被照面にそのまま像転写することができるため、より効果的に空間光変調手段３を均一で効率良く照明することができる。また、光ファイバ２のコアサイズおよび開口数がロッドインテグレータのそれより小さいためリレー光学系（照明光学系）を構成するレンズの小型化が可能となる。さらに、従来のリレー光学系は装置の小型化のため光路の折り返しを行っているが、同様の理由のため折り返しミラーやプリズムの小型化が可能となる。また、リレー光学系の構成部材が小さくなるため、装置のコストを安くすることができる。
具体的に、図４と数値を使って示すと、
ミキシングロッドＬ1＝８ｍｍ、ＮＡ1＝０．５（θ1＝３０．０度）、積＝４．０、
ファイバＬ0＝０．６ｍｍ、ＮＡ0＝０．２２（θ0＝１２．７度）、積＝０．１３２
と３０倍も積が小さくなる。ミキシングロッドとファイバで、同じライトバルブを照明する場合、ライトバルブの開口サイズＬ2＝Ｌ3は同じであるから、光源を（ランプ光源の二次光源である）ミキシングロッドから（レーザの二次光源である）ファイバに変えるだけで、照明光のＮＡ3がＮＡ2に比べ３０倍も小さくなる。
ミキシングロッドＬ1＝８ｍｍ、ＮＡ1＝０．５（θ1＝３０．０度）、積＝４．０、
ファイバＬ0＝０．６ｍｍ、ＮＡ0＝０．２２（θ0＝１２．７度）、積＝０．１３２
と３０倍も積が小さくなる。ミキシングロッドとファイバで、同じライトバルブを照明する場合、ライトバルブの開口サイズＬ2＝Ｌ3は同じであるから、光源を（ランプ光源の二次光源である）ミキシングロッドから（レーザの二次光源である）ファイバに変えるだけで、照明光のＮＡ3がＮＡ2に比べ３０倍も小さくなる。
従来の照明光学系は、高い周辺光量比を得るためにテレセントリック光学系にしていることも多いが、ＮＡが３０倍も小さくなると、照明光束はテレセントリック光学系を構築せずとも平行に近い光束となる。テレセントリック光学系は被照面と同等の大きさのレンズ（大きなレンズ）が必要になるが、このような光学系を構成する必要が無くなる。
また、コスト削減のためにライトバルブが年々小型化しているが、開口数を保ったまま小さい領域を照明するには、光源側の開口数と大きさの積を小さくする必要がある。これも同様の理由のため、光源を（ランプ光源の二次光源である）ミキシングロッドから（レーザの二次光源である）ファイバに変えるだけで問題を解決することができる。
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る照明装置は、光源、コア横断面の外径形状が円形の多モード光ファイバ、コア横断面の外径形状が方形の多モード光ファイバ、および空間光変調手段を備えるものである。
この発明の実施の形態２に係る照明装置は、光源、コア横断面の外径形状が円形の多モード光ファイバ、コア横断面の外径形状が方形の多モード光ファイバ、および空間光変調手段を備えるものである。
実施の形態１では、全ての多モード光ファイバのコア横断面の外径形状が方形の場合であったが、実施の形態２では、レーザ光が出力する端面を含む一部の多モード光ファイバのコア横断面の外径形状が方形であり、レーザ光を入力する端面を含む他の多モード光ファイバのコア横断面の外径形状が円形の場合である。
図５は、この発明の実施の形態２による照明装置を示す構成図である。
図５に示す構成においては、図１の照明装置と同様の構成を示しており、特に明記しない限り、図１の照明装置と同様の機能を有する。
図５に示す構成においては、図１の照明装置と同様の構成を示しており、特に明記しない限り、図１の照明装置と同様の機能を有する。
図５において、多モード光ファイバとしては、コア横断面の外径形状が円形の多モード光ファイバ５とコア横断面の外径形状が方形の多モード光ファイバ２が融着接続されている。ここで、円形の多モード光ファイバ５のＮＡと方形の多モード光ファイバ２のＮＡはほぼ等しくなっている。
また、図６に示すように、円形の多モード光ファイバ５と方形の多モード光ファイバ２のコア円形の直径とコア方形の一辺長はほぼ等しくなっている。そのため、融着接続は容易であり、円形の多モード光ファイバ５から方形の多モード光ファイバ２に入射したレーザ光の結合損失は小さくなっている。
次に、動作について説明する。
実施の形態１と同様に、光源１から出力されたレーザ光は、レンズ４により集光し、多モード光ファイバ５に入射される。コア横断面の外径形状が円形の多モード光ファイバ５に入射したレーザ光は、多モード光ファイバ５のコア内を伝搬してコア横断面の外径形状が方形の多モード光ファイバ２から出射される。
実施の形態１と同様に、光源１から出力されたレーザ光は、レンズ４により集光し、多モード光ファイバ５に入射される。コア横断面の外径形状が円形の多モード光ファイバ５に入射したレーザ光は、多モード光ファイバ５のコア内を伝搬してコア横断面の外径形状が方形の多モード光ファイバ２から出射される。
ここで、コア横断面の外径形状が円形の多モード光ファイバ５は長手方向に長尺で屈曲されているため、反射回数は十分で入射したレーザ光が複数のモードに展開されて円形の多モード光ファイバ２を伝搬する。そのため、円形の多モード光ファイバ５に入射する端面において、レーザ光の強度の空間分布はガウス分布であるのに対し、円形の多モード光ファイバ５を出射する端面において、各モードの強度の空間分布が重ね合わされ、出射したレーザ光は空間的に平均化される。
また、コア横断面の外径形状が方形の多モード光ファイバ２は、円形の多モード光ファイバ５と異なるモードが多数存在し、長手方向に長尺で屈曲されているため、反射回数は十分で円形の多モード光ファイバ５から方形の多モード光ファイバ２に入射したレーザ光が異なる複数のモードに展開されて多モード光ファイバを伝搬する。そのため、多モード光ファイバを出射する端面において、各モードの強度の空間分布が重ね合わされ、より効果的に出射したレーザ光は空間的に平均化される。
実施の形態１と同様に、多モード光ファイバを出射したレーザ光は、空間光変調手段３を照明する。ここで、出射したレーザ光の均一な強度の空間分布により、空間光変調手段３の被照面にムラなくレーザ光を照射することができる。また、空間光変調手段３の被照面は方形である。出射したレーザ光の略方形のビーム形状により、高い光利用効率でレーザ光を空間光変調手段３に照射することができる。
このように構成すれば、コア横断面の外径形状が円形の多モード光ファイバ５からレーザ光が出力する光源と融着接続して使用することができる。また、多モード光ファイバは、自由に屈曲することができるため、装置のサイズを小さく、配置を自由に設定することができる。これにより、装置のコストを安くすることができる。
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る照明装置は、複数の光源、複数に分岐したコア横断面の外径形状が方形の多モード光ファイバ、および一つの空間光変調手段を備えるものである。
この発明の実施の形態３に係る照明装置は、複数の光源、複数に分岐したコア横断面の外径形状が方形の多モード光ファイバ、および一つの空間光変調手段を備えるものである。
実施の形態１では、一つの光源、一本の多モード光ファイバの場合であったが、実施の形態３では、三つの光源、三本に分岐した多モード光ファイバの場合である。
図７は、この発明の実施の形態３による照明装置を示す構成図である。
図７に示す構成においては、図１の照明装置と同様の構成を示しており、特に明記しない限り、図１の照明装置と同様の機能を有する。
図７に示す構成においては、図１の照明装置と同様の構成を示しており、特に明記しない限り、図１の照明装置と同様の機能を有する。
図７において、光源１ａ、１ｂ、１ｃは、三つであり、半導体レーザや固体レーザを非線形光学材料により波長変換したレーザ、および半導体レーザそれ自体などを組み合わせて用いることができる。出力される三つのレーザ光は、可視である４００〜７００ｎｍ程度の範囲の波長を有する。例えば、ＩｎＧａＡｓ系化合物の半導体混晶による波長６３０ｎｍの半導体レーザ、およびＮｄ：ＹＡＧのレーザ媒質による固体レーザをＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3の非線形光学材料により波長変換した波長５３２ｎｍの波長変換レーザ、およびＩｎＧａＡｓ系化合物の半導体混晶による半導体レーザをＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3の非線形光学材料により波長変換した波長４７３ｎｍの波長変換レーザの三つの光源である。ここでは、簡単のため、三波長のレーザ光を用いた場合の照明装置について示す。
図８は、多モード光ファイバの縦断面構造を図示している。
多モード光ファイバは、三本の多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃが、一本の多モード光ファイバ２ｄに合成されて融着接続されている。ここで、一本に合成された多モード光ファイバ２ｄの横断面のコア外径形状は方形である。一本に合成された多モード光ファイバ２ｄのＮＡは、三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃのＮＡよりも大きくなっている。また、一本に合成された多モード光ファイバ２ｄの直径は、三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃの直径よりも大きくなっている。そのため、三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃから一本の多モード光ファイバ２ｄに入射したレーザ光の結合損失は小さくなる。ここでは、三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃの横断面のコア外径形状は方形の場合であるが、円形の場合でも良い。
多モード光ファイバは、三本の多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃが、一本の多モード光ファイバ２ｄに合成されて融着接続されている。ここで、一本に合成された多モード光ファイバ２ｄの横断面のコア外径形状は方形である。一本に合成された多モード光ファイバ２ｄのＮＡは、三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃのＮＡよりも大きくなっている。また、一本に合成された多モード光ファイバ２ｄの直径は、三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃの直径よりも大きくなっている。そのため、三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃから一本の多モード光ファイバ２ｄに入射したレーザ光の結合損失は小さくなる。ここでは、三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃの横断面のコア外径形状は方形の場合であるが、円形の場合でも良い。
次に、動作について説明する。
実施の形態１と同様に、三つの光源１ａ，１ｂ，１ｃから出力された各レーザ光は、レンズ４ａ，４ｂ，４ｃにより集光し、各々の多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃに入射される。三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃに入射した各レーザ光は、各々の多モード光ファイバのコア内を伝搬して一本に合成された多モード光ファイバ２ｄから出射される。
実施の形態１と同様に、三つの光源１ａ，１ｂ，１ｃから出力された各レーザ光は、レンズ４ａ，４ｂ，４ｃにより集光し、各々の多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃに入射される。三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃに入射した各レーザ光は、各々の多モード光ファイバのコア内を伝搬して一本に合成された多モード光ファイバ２ｄから出射される。
ここで、三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃは、長手方向に長尺で屈曲されているため、反射回数は十分で入射した各レーザ光が複数のモードに展開されて各々の多モード光ファイバを伝搬する。また、一本に合成された多モード光ファイバ２ｄは、三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃと異なるモードが多数存在し、長手方向に長尺で屈曲されているため、反射回数は十分で三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃから一本に合成された多モード光ファイバ２ｄに入射した各レーザ光が異なる複数のモードに展開されて多モード光ファイバを伝搬する。
そのため、三本に分岐した多モード光ファイバ２ａ，２ｂ，２ｃに入射する各端面において、各レーザ光の強度の空間分布はガウス分布であるのに対し、一本に合成された多モード光ファイバ２ｄを出射する端面において、各モードの強度の空間分布が重ね合わされ、出射したレーザ光は空間的に平均化される。これにより、三波長のレーザ光を一本の多モード光ファイバで合成させることができる。
実施の形態１と同様に、一本に合成された多モード光ファイバ２ｄを出射したレーザ光は、空間光変調手段３を照明する。ここで、出射したレーザ光の均一な強度の空間分布により、空間光変調手段３の被照面にムラなくレーザ光を照射することができる。また、空間光変調手段３の被照面は方形である。出射したレーザ光の略方形のビーム形状により、高い光利用効率でレーザ光を空間光変調手段３に照射することができる。
空間光変調手段３は、入力信号でデバイスの光学特性を変化させ、照明された三波長のレーザ光の光束を局所的に変調し、画像を形成する。ここで、三波長のレーザ光を光源のパルス動作、あるいはフィルタなどで時間的に分割させて空間光変調手段に照明することにより、広い色再現範囲の画像を得ることができる。
このように構成すれば、複数の光源１ａ，１ｂ，１ｃからのレーザ光を合成して使用することができる。複数の波長のレーザ光を合成して複数波長化したレーザ光を一つの空間光変調手段３に照明する、および同じの波長のレーザ光を合成して高出力化したレーザ光を一つの空間光変調手段３に照明することができる。また、多モード光ファイバは、自由に屈曲することができるため、装置の大きさや配置を自由に設定することができる。これにより、装置のコストを安くすることができる。
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る照明装置は、光源、コア横断面の外径形状が方形の多モード光ファイバ、光ファイバ変形手段、および空間光変調手段を備えるものである。
この発明の実施の形態４に係る照明装置は、光源、コア横断面の外径形状が方形の多モード光ファイバ、光ファイバ変形手段、および空間光変調手段を備えるものである。
図９は、この発明の実施の形態４による照明装置を示す構成図である。
図９に示す構成において、図１の照明装置と同様の構成を示しており、特に明記しない限り、図１の照明装置と同様の機能を有する。
図９に示す構成において、図１の照明装置と同様の構成を示しており、特に明記しない限り、図１の照明装置と同様の機能を有する。
図９において、光ファイバ変形手段６は、多モード光ファイバ２の長手方向の屈曲形状を時間的に変形させるものである。例えば、巻き取られた光ファイバの略楕円形状を伸縮するアームにより変形させる機構である。また、図１０Ａに示すように、アームの伸縮の振幅を別々に与えても良い。また、図１０Ｂに示すように、アームの伸縮の振幅は同じでも光ファイバの位置間隔を別々に与えても良い。また、図１０Ｃに示すように、アームの伸縮の振幅も光ファイバの位置間隔も別々に与えても良い。
次に、動作について説明する。
実施の形態１と同様に、光源１から出力されたレーザ光は、レンズ４により集光し、多モード光ファイバ２に入射される。多モード光ファイバ２に入射したレーザ光は、多モード光ファイバ２のコア内を伝搬して出射される。
実施の形態１と同様に、光源１から出力されたレーザ光は、レンズ４により集光し、多モード光ファイバ２に入射される。多モード光ファイバ２に入射したレーザ光は、多モード光ファイバ２のコア内を伝搬して出射される。
多モード光ファイバ２に存在する最低次モード（基本モード）は、伝搬角が非常に小さく、光ファイバの光軸にほぼ平行に伝搬するので最も早く出射端に到達する。一方、高次モードの伝搬角はほぼ全反射角θcに等しく、図１１に示すように、等価的に基本モードよりも1／ｃｏｓθc倍だけ長い距離を伝搬することになる。そのため、距離Ｌを伝搬したときの基本モードと最高次モードの伝搬時間差Δｔは、式（１）となる。
光ファイバ変形手段６により多モード光ファイバ２の長手方向の屈曲形状を時間的に変形させると、光の伝搬角が時間的に変化する、つまりモードの次数が時間的に変化する。モードの次数により伝搬時間が異なるため、各モードの位相が時間的に変化する。ここで、スペックルは、空間的および時間的にコヒーレントなレーザ光が、スクリーン（物体面）などの光学的に粗い面を反射あるいは透過して位相の異なる光となり、人間の眼（像面）で異なる位相を干渉として観察している。各モードの位相が時間的に変化するため、スペックルパターンは時間的に変化する。
人間が安定な画像として認識することができるのは、視覚の光刺激に対する感覚が一定期間残っていて、その期間内に別の刺激が視野内の別の場所に到来すると同時に光っているような感覚を生じる。もし、ここで、光ファイバが振動されずに一定で、後続の光刺激が同じ場所に到来するならば、感覚の強度が足し合わされる（積分される）ことになる。時間的に短い間隔をおいて２つの光刺激を提示し、光刺激の強度を調節し光刺激が知覚される閾値を調べる方法により、時間間隔２０ｍｓ程度までは２つの刺激が完全に足し合わされて１つの光刺激と同等になることが分かっている。光ファイバ変形手段６により、スペックルパターンは時間間隔２０ｍｓ以下で変化するため、この時間的足し合わせ効果（時間積分効果）でスペックルを除去することができる。
多モード光ファイバ２の横断面のコア外径形状は方形である。そのため、光ファイバの円周方向を周回するスキュー成分が低減し、スペックルパターンは空間的に均一化することにより、より効果的にスペックルを除去することができる。
実施の形態１と同様に、多モード光ファイバ２を出射したレーザ光は、空間光変調手段３を照明する。ここで、出射したレーザ光の均一な強度の空間分布により、空間光変調手段３の被照面にムラなくレーザ光を照射することができる。また、空間光変調手段３の被照面は方形である。出射したレーザ光の略方形のビーム形状により、高い光利用効率でレーザ光を空間光変調手段３に照射することができる。
空間光変調手段３は、入力信号でデバイスの光学特性を変化させ、照明されたレーザ光の光束を局所的に変調し、画像を形成する。空間光変調手段３からの透過光あるいは反射光をスクリーンなどの補助面に投影すると、スペックルパターンは時間的に変化するため、スペックルが除去されるとともに、明るく明暗がない画像を表示することができる。
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る照明装置は、光源、コア横断面の外径形状が湾曲線で各辺が構成された略多角形の多モード光ファイバ、および空間光変調手段を備えるものである。
この発明の実施の形態５に係る照明装置は、光源、コア横断面の外径形状が湾曲線で各辺が構成された略多角形の多モード光ファイバ、および空間光変調手段を備えるものである。
図１２は、この発明の実施の形態５に係る照明装置を説明するもので、多モード光ファイバの横断面構造を図示している。この発明の実施の形態５は、図１の照明装置と同様の構成を示しており、特に明記しない限り、図１の照明装置と同様の機能を有する。
図１２に示すこの発明の実施の形態５に係る照明装置における多モード光ファイバの横断面構造において、多モード光ファイバ２の横断面のコア２１の外径形状は外径形状が湾曲線で各辺が構成された方形である。なお、２２はコア外周のクラッドを示す。
実施の形態１と同様に、この多モード光ファイバ２の製造方法について説明する。
まず、ＭＣＶＤ法、ＯＶＤ法、ＶＡＤ法等の公知の光ファイバ用プリフォームの製造方法と同様にして、石英製の円柱ロッド材を形成する。次いで、円柱ロッド材の側面を研磨することにより、その横断面を円形からその円周に沿って弓形を除去した略方形とし、さらに略方形から弓形を除去して湾曲線で各辺が構成された略方形に形成し、コア形成部のプリフォームを作製する。作製したプリフォームを線引き機にセットし、そのプリフォームを加熱延伸して細径化する線引き加工を施す。
まず、ＭＣＶＤ法、ＯＶＤ法、ＶＡＤ法等の公知の光ファイバ用プリフォームの製造方法と同様にして、石英製の円柱ロッド材を形成する。次いで、円柱ロッド材の側面を研磨することにより、その横断面を円形からその円周に沿って弓形を除去した略方形とし、さらに略方形から弓形を除去して湾曲線で各辺が構成された略方形に形成し、コア形成部のプリフォームを作製する。作製したプリフォームを線引き機にセットし、そのプリフォームを加熱延伸して細径化する線引き加工を施す。
ここで、線引き加工の加熱温度を、横断面における外径形状が実質的に維持されたままコア形成部が線引き加工で光ファイバのコアになるように設定する。次いで、線引きされたものの表面にラジカル発生剤を添加したアクリル樹脂液を付着させ、それに紫外線を照射することにより硬化させ、コア表面を被覆保護するクラッドを形成する。
以上のように、光ファイバの中心にあるコア２１と、コア２１を被覆するように設けられたクラッド２２とからなる多モード光ファイバ２が製造される。
次に、動作について説明する。
実施の形態１と同様に、光源１から出力されたレーザ光は、レンズ４により集光し、多モード光ファイバ２に入射される。多モード光ファイバ２に入射したレーザ光は、多モード光ファイバ２のコア２１内を伝搬して出射される。
実施の形態１と同様に、光源１から出力されたレーザ光は、レンズ４により集光し、多モード光ファイバ２に入射される。多モード光ファイバ２に入射したレーザ光は、多モード光ファイバ２のコア２１内を伝搬して出射される。
多モード光ファイバ２の横断面のコア２１の外径形状は湾曲線で各辺が構成された方形である。そのため、多モード光ファイバ２に入射する端面において、レーザ光のビーム形状は略円形であるのに対し、多モード光ファイバ２を出射する端面において、レーザ光のビーム形状は湾曲線で各辺が構成された略方形が得られる。
多モード光ファイバ２を出射したレーザ光は、空間光変調手段３を照明する。多モード光ファイバ２から出力された光が空間光変調手段３まで伝搬し、回折により横断面のビーム形状が変形して、レーザ光のビーム形状は略方形が得られる。ここで、出射したレーザ光の均一な強度の空間分布により、空間光変調手段３の被照面にムラなくレーザ光を照射することができる。また、空間光変調手段３の被照面は方形である。出射したレーザ光の略方形のビーム形状により、高い光利用効率でレーザ光を空間光変調手段３に照射することができる。
Claims (1)
- レーザ光を出力する光源と、
前記光源から出力されたレーザ光を横断面の外径形状が略多角形でなる内部のコアで伝搬する多モード光ファイバと、
前記多モード光ファイバから照明された光で画像を生成する空間光変調手段と
を備え、
略楕円形状に巻回された前記多モード光ファイバの屈曲形状を前記略楕円形状の周方向の任意の複数の位置で時間的に変形させる光ファイバ変形手段をさらに備えた
ことを特徴とする照明装置。
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