JP5141080B2 - 光源装置、及び、それを用いた画像表示装置、モニタ装置、並びに照明装置 - Google Patents

光源装置、及び、それを用いた画像表示装置、モニタ装置、並びに照明装置 Download PDF

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Description

この発明は、光ビームを射出する光源ユニットを用いた光源装置、及び、その光源装置を備える各種の装置に関する。
光源装置として、複数のレーザビームを射出するレーザアレイ光源ユニットが用いられる場合がある。また、複数のレーザビームのレーザビーム同士の間隔を調整する方法として、複数の光学レンズを組み合わせて調整する方法が提案されている(特許文献1等)。
特開2004−86019 特開平9−21972 特開平5−13297
しかし、上記方法にように複数の光学レンズを組み合わせて用いる場合には、光学レンズごとの特性の精度を高くするとともに、その組み付けの精度を高くすることが要求される。従って、例えば、ビーム間隔を1mm以下にするような微小な調整を必要とする場合などには、十分な精度を得ることが困難であった。また、複数の光学レンズを用いるため当該レーザ光源装置が大型化する可能性もあった。なお、このような問題は、複数のレーザビームを用いる場合に限らず、一般に複数の光ビームを用いる場合に共通する問題であった。
本発明は、簡易な構成で複数の光ビームの間隔を調整できる技術を提供することを目的とする。
本発明の一形態による装置は、第1と第2の光ビームを含む複数の光ビームを互いに平行に射出する光源ユニットと、透光性材料で形成された光学素子であって、前記第1と第2の光ビームの間隔を調整するビーム間隔調整素子とを備え、前記ビーム間隔調整素子は、前記第1の光ビームが入射する第1の入射平面と、前記第1の入射平面と平行な平面であって、前記第1の光ビームが射出される第1の射出平面と、前記第2の光ビームが入射する第2の入射平面と、前記第2の入射平面と平行な平面であって、前記第2の光ビームが射出される第2の射出平面とを備え、前記第1の光ビームと前記第2の光ビームとが、前記ビーム間隔調整素子の内部で交差するように構成されていることを特徴とする。
この構成によれば、光源ユニットから射出された互いに平行な第1と第2の光ビームは、ビーム間隔調整素子を透過する際に2度の屈折をして進路がオフセットされるとともに、当該素子の内部で互いに交差する。すると、ビーム間隔調整素子によって、第1と第2の光ビームの間隔を変化させることができる。
前記ビーム間隔調整素子から射出された後の前記第1と第2の光ビームの間隔が、前記ビーム間隔調整素子に入射する前の前記第1と第2の光ビームの間隔より小さいものとしても良い。
前記ビーム間隔調整素子から射出された後の前記第1と第2の光ビームの間隔が、前記ビーム間隔調整素子に入射する前の前記第1と第2の光ビームの間隔より大きいものとしても良い。
前記ビーム間隔調整素子は、前記第1又は第2の光ビームの光路が存在する平面における断面形状が、平行四辺形、又は、平行四辺形から前記第1と第2の光ビームの光路を含まない領域の一部分が削除された形状であるものとしても良い。
この構成によれば、ビーム間隔素子を単体の立体形状として構成することができる。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、光源装置、その光源装置を備えた照明装置や画像表示装置、モニタ装置等の形態で実現することができる。
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1実施例:
B.第2実施例:
C.第3実施例:
D.変形例:
A.第1実施例:
図1は本発明の第1実施例としての投写型表示装置の構成を示す概略図である。この投写型表示装置100は、画像信号に応じて変調された画像光を投写スクリーン110に投写してカラー画像を表示することができる。なお、図1は、紙面の上方向をy軸とし、紙面の左方向をx軸とし、紙面に対して垂直上方向をz軸として示してある。
投写型表示装置100は、赤、緑、青の3色の色成分光を射出する3つのレーザ光源装置10R、10G、10Bを備えている。緑色のレーザ光源装置10Gは、積層された2つのレーザアレイ光源ユニット11G、12Gと、ビーム間隔調整素子15とを備えている。2つのレーザアレイ光源ユニット11G、12Gはそれぞれ、緑色のレーザビームLG1、LG2を射出することができる。第1と第2のレーザビームLG1、LG2は互いに平行なレーザビームである。ビーム間隔調整素子15は、第1と第2のレーザビームLG1、LG2が入射すると、そのビームの進行方向は同一のまま、そのビーム間隔が狭く調整された平行なレーザビームLG1a、LG2aを射出する。
赤色と青色のレーザ光源装置10R、10Bも同様にそれぞれが、各色に対応した2つのレーザアレイ光源ユニット11R、12R、11B、12Bと、ビーム間隔調整素子15とを備えている。赤色の2つのレーザアレイ光源ユニット11R、12Rはそれぞれ、赤色の第1と第2のレーザビームLR1、LR2を射出し、青色の2つのレーザアレイ光源ユニット11B、12Bはそれぞれ、青色の第1と第2のレーザビームLB1、LB2を射出する。また、ビーム間隔調整素子15は、ビーム間隔が調整された第1と第2のレーザビームLR1a、LR2a、LB1a、LB2aを射出する。
図2は、緑色の2つのレーザアレイ光源ユニット11G、12Gの光射出面を示す概略図であり、図1に示すx軸方向に向かって見たときの正面図である。2つのレーザアレイ光源ユニット11G、12Gは、それぞれに複数のレーザビーム射出孔17が等間隔で一列に設けられている。即ち、第1と第2のレーザビームLG1、LG2はそれぞれ、複数のレーザビームが等間隔に直列に並んだ平行なビーム列である。第1と第2のレーザビームLG1、LG2は、間隔BDを有して射出される。なお、赤色と色の2つのレーザアレイ光源ユニット11R、12R、11B、12Bも同様である。
図3(A)は、ビーム間隔調整素子15の構成を示す概略斜視図である。ビーム間隔調整素子15は、その底面16が正方形である正四角柱形状を有しており、4つの側面18a、18b、18c、18dを有している。ビーム間隔調整素子15は、光学ガラスなどで構成することができる。なお、ビーム間隔調整素子15は、入射するレーザ光(レーザビーム)の色の波長に応じて屈折率が調整されていることが好ましい。
図3(B)は、ビーム間隔調整素子15に入射したレーザ光の経路を示す模式図であり、ビーム間隔調整素子15の底面16を正面として図示している。図に示すように、第1のレーザビームLG1は、ビーム間隔調整素子15の側面18a(「入射平面18a」と呼ぶ)に対して入射する。入射した第1のレーザビームLG1は屈折して、入射側面18aに対向する側面18c(「射出平面18c」と呼ぶ)から第1のレーザビームLG1aとして射出される。なお、2つの側面18a、18cは互いに平行であるため、入射する第1のレーザビームLG1と射出される第1のレーザビームLG1aとは進行方向が同一となる。
第2のレーザビームLG2は、第1のレーザビームLG1の入射側面18aに隣り合う側面18b(「入射平面18b」と呼ぶ)に入射する。入射した第2のレーザビームLG2は屈折して、入射側面18bに対向する側面18d(「射出平面18d」と呼ぶ)から第2のレーザビームLG2aとして射出される。なお、第2のレーザビームLG2は、ビーム間隔調整素子15内部において第1のレーザビームLG1と交差する。図3(B)の例では、第1と第2のレーザビームLG1a、LG2aのビーム間隔はBDaとなり、第1と第2のレーザビームLG1、LG2のビーム間隔BDより狭くなる。
ビーム間隔調整素子15を透過するレーザビームは、入射平面における入射位置や、ビーム間隔調整素子15の屈折率に応じて射出平面における射出される位置が変化する。従って、第1と第2のレーザビームLG1、LG2の入射位置やビーム間隔調整素子15の屈折率を調整することによって、射出後のビーム間隔を調整することが可能である。なお、他の成分光のレーザビームについても同様である。
図1に示した投写型表示装置100は、さらに、各色成分光ごとに、拡散素子20と、凸レンズ30と、液晶パネル40R、40G、40Bとを備えている。3つのレーザ光源装置10R、10G、10Bから射出された第1と第2のレーザビームLR1a、LR2a、LG1a、LG2a、LB1a、LB2aはそれぞれ各色ごとに拡散素子20へと入射する。
拡散素子20は、後述する液晶パネル40R、40G、40Bに入射する光の照度分布を均一化するための素子である。拡散素子20としては、レンズアレイや、ホログラム素子などで構成することができる。凸レンズ30は、拡散素子20から射出された光を平行光へと変換する。
赤、緑、青の各色の液晶パネル40R、40G、40Bは、制御部(図示せず)からの画像信号に応じて、対応する各色成分光を変調して、画像を表す画像光を射出する。液晶パネル40R、40G、40Bには、射出された画像光が所定の直線偏光成分を有する光となるように、入射側及び射出側に偏光板が設けられているものとしても良い。
図4は、各色の液晶パネル40R、40G、40Bの光の入射面側を示す概略図である。各液晶パネル40R、40G、40Bは、変調対象となる光が入射される光入射平面42を有している。光入射平面42は、それぞれ変調動作を行う複数の画素PXのための入射平面を包含する領域を有しており、通常は、矩形形状を有している。拡散素子20と凸レンズ30とは、ビーム間隔調整素子15から射出された各光ビームを、液晶パネルの光入射平面42を含む照明領域44を照明する照明光に変換する機能を有している。なお、照明光は、光入射平面42を均一に照明することが好ましい。なお、光源装置から射出される各光ビームを液晶パネルの照明領域を照明する照明光に変換する光学系としては、他の構成を採用することも可能である。
投写型表示装置100は、さらに、クロスダイクロイックプリズム50と、投写レンズ60とを備えている。各色の液晶パネル40R、40G、40Bから射出された各色成分の画像光は、クロスダイクロイックプリズム50の各側面から入射して、合成されて合成画像光として射出される。クロスダイクロイックプリズム50から射出された合成画像光は、投写レンズ60を介して投写スクリーン110に投写される。
本実施例の構成によれば、ビーム間隔調整素子15によって各色の第1と第2のレーザビームLR1a、LR2a、LG1a、LG2a、LB1a、LB2aのビーム間隔が狭く調整されているため、その間隔に応じて拡散素子20を小さくすることが可能である。また、ビーム間隔調整素子15は、上述したように、その屈折率とレーザビームの入射位置によって射出後のビーム間隔を調整することが可能であるため、レーザビームのビーム間隔を容易に高い精度で調整することが可能である。
図5(A)、(B)は、ビーム間隔調整素子の他の断面形状例を示す概略図であり、図3(B)と同様にレーザビームの経路が示されている。図5(A)のビーム間隔調整素子15Aは、その底面16Aが菱形である略四角柱形状をしている点以外は、図3(A)、(B)で説明したビーム間隔調整素子15と同じである。図5(B)のビーム間隔調整素子15Bは、その底面16Bが平行四辺形である略四角柱形状をしている点以外は図3(A)、(B)で説明したビーム間隔調整素子15と同じである。これらの構成であっても、入射する平行なレーザビーム間の間隔を調整することができる。また、図5(B)の構成であれば、第1と第2のレーザビームの中心を、入射前の位置からオフセットさせて射出することができる。
図6(A)、(B)は、ビーム間隔調整素子のさらに他の断面形状の例を示す概略図である。図6(A)、(B)に示すビーム間隔調整素子15C15Dは、ビーム間隔調整素子の底面の形状の一部が欠けている点以外は図3(A)、(B)で説明したビーム間隔調整素子15と同じである。具体的には、図6(A)のビーム間隔調整素子15Cは、2つの入射平面18a、18bと2つの射出平面18c、18dの他に、レーザビームの入射側に側面19aを有している。従って、このビーム間隔調整素子15Cの底面16Cは、略五角形形状を有している。また、図6(B)のビーム間隔調整素子15Dは、第1の入射平面18aと第2の射出平面18dとに隣接する側面19bを有しており、第2の入射平面18bと第1の射出平面18cとに隣接する側面19cを有している。従って、このビーム間隔調整素子15Dの底面16Dは略六角形形状を有している。
図6(A)、(B)に示すように、ビーム間隔調整素子の断面形状としては、レーザビームの経路となる領域以外の一部分が削除された形状であっても良い。このように余分な部位を削除することによって、ビーム間隔調整素子を小型化し、軽量化することが可能である。
これまでの説明からも理解できるように、ビーム間隔調整素子としては、互いに平行な第1と第2の光ビームが、それぞれ入射する第1と第2の入射平面と、第1と第2の入射平面にそれぞれ平行な第1と第2の射出平面とを有するとともに、第1と第2の光ビームが当該素子の内部で交差する種々の形状を採用することが可能である。
B.第2実施例:
図7は、本発明の第2実施例としてのモニタ装置の構成を示す概略図である。このモニタ装置200は、装置本体210と、光伝送部220とを備えている。装置本体210は、光源装置10と、集光レンズ211と、カメラ212とを備えている。
光源装置10は、2つのレーザアレイ光源ユニット11、12と、ビーム間隔調整素子15とを備えている。2つのレーザアレイ光源ユニット11、12は、第1実施例で説明した2つのレーザアレイ光源ユニット11R、12R、11G、12G、11B、12Bと同様のものであるが、色成分光ではなく白色光である第1と第2のレーザビームL1、L2を射出する。ビーム間隔調整素子15は、第1実施例で説明したものと同様のものであり、第1と第2のレーザビームL1、L2のビーム間隔を調整する。
光伝送部220は、2つのライトガイド221、222と、拡散板223と、結像レンズ224とを備えている。2つのライトガイド221、222は、光を遠方に送るためのものであり、多数本の光ファイバを束ねることにより構成できる。第1のライトガイド221は、被写体を照射するための光を伝送するためのものである。第2のライトガイド222は、被写体からの反射光をカメラ212へと伝送するためのものである。拡散板223は、入射する光ビームを拡散して射出可能な素子である。拡散板223は、第1のライトガイド221の射出側に配置され、結像レンズ224は、第2のライトガイド222の入射側に配置されている。
第1のライトガイド221の入射側及び第2のライトガイド222の射出側は、装置本体210と連結されている。装置本体210には、第1のライトガイド221の入射側に、集光レンズ211とレーザ光源装置10とが配置されている。また、装置本体210には、第2のライトガイド222の射出側にカメラ212が配置されている。
レーザ光源装置10から射出されたレーザ光は、集光レンズ211で集められ、第1のライトガイド221を介して拡散板223へと入射し、拡散されて被写体を照射する。被写体からの反射光は、結像レンズ224に入射して、第2のライトガイド222を介してカメラ212へと送られる。このようにして、レーザ光源装置10から射出されたレーザ光を照射光として被写体の画像をカメラ212で撮像することができる。
このモニタ装置200に用いられているレーザ光源装置10は、ビーム間隔調整素子15を有しているため、2つのレーザアレイ光源ユニット11、12からそれぞれ射出されるレーザ光同士の間隔を狭く調整することができる。従って、集光レンズ211の径を小さくすることができる。また、第1のライトガイド221への入射角を小さくすることができるため、第1のライトガイド221の開口数(NA)が小さい場合でも、より確実にレーザ光を被写体側に伝達することができる。
C.第3実施例:
図8は本発明の第3実施例としての照明装置の構成を示す概略図である。この照明装置300は、レーザ光源装置10Aと拡散素子310とを備えている。レーザ光源装置10Aは、2つのレーザアレイ光源ユニット11、12と、ビーム間隔調整素子15Eとを備えている。2つのレーザアレイ光源ユニット11、12は、第2実施例で説明したものと同じである。
ビーム間隔調整素子15Eは、2つのレーザアレイ光源ユニット11、12のそれぞれから射出される第1と第2のレーザビームL1、L2の間隔に対して十分に大きいサイズを有しており、2つのレーザビームL1、L2は、そのビーム間隔が大きくなるように射出される。具体的には、ビーム間隔調整素子15Eの底面が正方形又は菱形の場合には、入射する2つのレーザビームL1、L2の交点Pが、ビーム間隔調整素子15Eの底面の中心Oより入射側に存在すれば、ビーム間隔は大きくなる。
2つのレーザアレイ光源ユニット11、12から射出されたレーザビームL1、L2は、ビーム間隔調整素子15Eによってそのビーム間隔を大きくされて拡散素子310に入射し、拡散素子310によって拡散された照明光として射出される。このように、この光源装置10Aを用いれば、2つのレーザアレイ光源ユニット11、12のサイズに比して広い範囲を照射することができる照明装置を構成することができる。
D.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
D1.変形例1:
上記実施例において、光源としてレーザビームを射出するレーザアレイ光源ユニットを用いていたが、光源としては、他の光ビームを射出する光源ユニット(例えば発光ダイオードユニット)を用いても良い。また、上記実施例において、光源ユニットを2つ積層して用いていたが、光源ユニットは1つであっても良い。光源ユニットとしては、少なくとも2本以上の平行な光ビームが射出されるものを採用すればよい。
D2.変形例2:
上記第1実施例及び第2実施例において、ビーム間隔調整素子によって、第1と第2のレーザビームの間隔を小さくしていたが、間隔を大きくするものとしても良い。また、上記第3実施例において、ビーム間隔調整素子によって、第1と第2のレーザビームの間隔を大きくしていたが、間隔を小さくするものとしても良い。
D3.変形例3:
上記実施例において、1つの光源装置に対して1つのビーム間隔調整素子を用いていたが、2つ以上の複数のビーム間隔調整素子が用いられるものとしても良い。
第1実施例としての投写型表示装置の構成を示す概略図。 レーザアレイ光源ユニットを説明するための説明図。 ビーム間隔調整素子を説明するための説明図。 液晶パネルを説明するための説明図。 ビーム間隔調整素子の断面形状を説明するための説明図。 ビーム間隔調整素子の断面形状を説明するための説明図。 第2実施例としてのモニタ装置の構成を示す概略図。 第3実施例としての照明装置の構成を示す概略図。
符号の説明
10、10A、10R、10G、10B…レーザ光源装置
11、11R、11G、11B…レーザアレイ光源ユニット
15、15A〜15E…ビーム間隔調整素子
16、16A〜16D…底面
17…レーザビーム射出孔
18a…第1の入射平面
18b…第2の入射平面
18c…第1の射出平面
18d…第2の射出平面
19a〜19c…側面
20…拡散素子
30…凸レンズ
40R、40G、40B…液晶パネル
42…光入射平面
44…照明領域
50…クロスダイクロイックプリズム
60…投写レンズ
100…投写型表示装置
110…投写スクリーン
200…モニタ装置
210…装置本体
211…集光レンズ
212…カメラ
220…光伝送部
221…ライトガイド
221…第1のライトガイド
222…第2のライトガイド
223…拡散板
224…結像レンズ
300…照明装置
310…拡散素子
BD、BDa…ビーム間隔
L1、LR1、LG1、LB1…第1のレーザビーム
L2、LR1、LG1、LB1…第2のレーザビーム
LR1a、LG1a、LB1a…第1のレーザビーム(射出後)
LR1a、LG1a、LB1a…第2のレーザビーム(射出後)
O…中心
P…交点
PX…画素

Claims (9)

  1. 光を射出する光源装置であって、
    第1の光ビームと第2の光ビームを互いに平行に射出する光源ユニットと、
    透光性材料で形成された光学素子であって、互いに隣り合って射出された前記第1の光ビームと前記第2の光ビームの間隔を調整するビーム間隔調整素子と、
    を備え、
    前記ビーム間隔調整素子は、
    前記第1の光ビームが入射する第1の入射平面と、
    前記第1の入射平面と平行な平面であって、前記第1の光ビームが射出される第1の射出平面と、
    前記第2の光ビームが入射する第2の入射平面と、
    前記第2の入射平面と平行な平面であって、前記第2の光ビームが射出される第2の射出平面と、
    を備え
    前記ビーム間隔調整素子は、前記第1の光ビームと前記第2の光ビームと、内部で交差するように構成されており、
    前記第1の入射平面と前記第1の射出平面との間隔は、前記第2の入射平面と前記第2の射出平面との間隔とは異なることを特徴とする光源装置。
  2. 請求項1記載の光源装置であって、
    前記ビーム間隔調整素子は、断面形状が平行四辺形であり、
    前記第1の入射平面と前記第2の入射平面とが交わる第1の角部と、前記第2の入射平面と前記第1の射出平面とが交わる第2の角部との間の距離である、前記第2の入射平面の幅は前記第1の角部と、前記第1の入射平面と前記第2の射出平面とが交わる第3の角部との間の距離である、前記第1の入射平面の幅より大きく、
    前記第1の角部と、前記第2の入射平面における前記第2の光ビームの入射位置との間の距離は、前記第1の角部と、前記第1の入射平面における前記第1の光ビームの入射位置との間の距離より大きい、光源装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の光源装置であって、
    前記ビーム間隔調整素子から射出された後の前記第1の光ビーム前記第2の光ビームの間隔が、前記ビーム間隔調整素子に入射する前の前記第1の光ビーム前記第2の光ビームの間隔より小さい、光源装置。
  4. 請求項1または請求項2に記載の光源装置であって、
    前記ビーム間隔調整素子から射出された後の前記第1の光ビーム前記第2の光ビームの間隔が、前記ビーム間隔調整素子に入射する前の前記第1の光ビーム前記第2の光ビームの間隔より大きい、光源装置。
  5. 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の光源装置であって、
    前記ビーム間隔調整素子は、前記第1の光ビーム又は前記第2の光ビームの光路が存在する平面における断面形状が、平行四辺形、又は、平行四辺形から前記第1の光ビーム前記第2の光ビームの光路を含まない領域の一部分が削除された形状である、光源装置。
  6. 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の光源装置であって、
    前記光源ユニットは、
    所定の配列方向に沿って一列に配列された複数の光ビームによって構成される第1の光ビーム列を射出する第1の光源ユニットと、
    前記所定の配列方向に沿って一列に配列された複数の光ビームによって構成され、前記第1の光ビーム列に並列な第2の光ビーム列を射出する第2の光源ユニットと、
    を含み、
    前記ビーム間隔調整素子の前記第1と第2の入射平面はそれぞれ、前記第1と第2の光ビーム列のそれぞれが入射可能なように、前記所定の配列方向に沿って延びている、光源装置。
  7. 画像表示装置であって、
    請求項1ないし請求項のいずれかに記載の光源装置と、
    入射される光を受ける光入射面を有し、前記光入射面に入射された光を画像信号に応じて変調して画像光を生成する光変調部と、
    前記光源装置から射出される各光ビームを、前記光変調部の前記光入射面を含む照明領域を照明する照明光に変換する照明光変換光学素子と、
    前記光変調部により変調された画像光を投写する投写光学系と、
    を備える、画像表示装置。
  8. モニタ装置であって、
    請求項1ないし請求項のいずれかに記載の光源装置と、
    被写体を撮像する撮像部と、
    前記光源装置から射出される各光ビームを前記被写体を照射する照明光に変換する照明光変換光学素子と、
    を備える、モニタ装置。
  9. 照明装置であって、
    請求項1ないし請求項のいずれかに記載の光源装置と、
    前記光源装置から射出される各光ビームを拡散して照明光に変換する照明光変換光学素子と、
    を備える、照明装置。
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