JP5590628B2 - 投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザを光源とする投写型表示装置に関する。

近年、投写型表示装置用の新たな光源として半導体レーザが注目されている。半導体レーザから出射される光（レーザ光）は指向性に優れた単色光である。したがって、半導体レーザを光源とする投写型表示装置は、光の利用効率が高く、色再現領域が広い。さらに、半導体レーザは、低消費電力で長寿命である。

しかしながら、レーザ光は、干渉性が高いコヒーレント光である。このため、レーザ光をスクリーンに照射すると、スクリーン表面の凹凸によりレーザ光が乱反射され、“スペックル”と呼ばれる斑点模様（干渉縞）が発生する。投写型表示装置によって投写された画像上にスペックルが現れると、視聴者は、ぎらぎらとしたチラツキを感じる。かかるチラツキは、一般的に“スペックルノイズ”と呼ばれる。

上記のようなスペックルノイズを低減させる技術が特許文献１に開示されている。具体的には、特許文献１には、半導体レーザから出射されたレーザ光を拡散させる拡散レンズを有するプロジェクタが開示されている。上記拡散レンズは、レーザ光の光軸上に配置され、振動または回転される。特許文献１によれば、拡散レンズを振動または回転させることによりスペックルパターンが連続的に変化し、特定のスペックルパターンが認識され難くなるとのことである。

特開２００８−１２２８２３号公報

特許文献１に記載されている技術によってスペックルノイズを低減させることは可能である。しかし、拡散レンズの光透過率は80％〜90％程度であるので、光損失が大きくなってしまう。すなわち、特許文献１に記載されている技術においては、スペックルノイズの低減効果と光利用効率（明るさ）とがトレードオフの関係にある。

また、一般的な投写型表示装置は、光変調素子に照射される光束を矩形光束に変換するとともに、輝度分布を均一化させる光インテグレータを備えている。光インテグレータの一つとして、内壁面に反射膜が蒸着された中空のライトトンネルが知られている。特許文献１に開示されているプロジェクタにライトトンネルを追加した場合、拡散レンズを透過したレーザ光は、ライトトンネル内で全反射を繰り返すことにより輝度が均一化される。したがって、ライトトンネルの出射端における輝度を均一にするためには、ライトトンネルの全長を長くして全反射の回数を増やす必要がある。しかし、ライトトンネルの全長が長くなると、光学系が大きくなり、装置の小型化が阻害される。

光インテグレータに他の一つとして、多数の微細な矩形両凸レンズ（マイクロレンズ）がアレイ状に集積されたマイクロレンズアレイが知られている。特許文献１に開示されているプロジェクタにマイクロレンズアレイを追加した場合、拡散レンズを透過したレーザ光は、矩形断面を有する複数の光束に変換される。この場合、各マイクロレンズから出射された各光束の輝度は均一化される。しかし、光変調素子上において、隣接する光束同士が部分的に重なったり、隣接する光束間に空隙が生まれたりして、全体としての照度均一性が不十分になることがある。

図１に、マイクロレンズアレイから出射された複数の光束が光変調素子に照射される様子を示す。図１に示すように、マイクロレンズアレイ６０に入射したレーザ光１１０は、マイクロレンズアレイ６０によって複数の光束１１０ａに変換される。マイクロレンズアレイ６０から出射した各光束１１０ａは、光変調素子９０に照射される。このとき、図１（ａ）に示すように、光変調素子９０の照明領域上において、隣接する光束同士が部分的に重なる場合がある。また、図１（ｂ）に示すように、光変調素子９０の照明領域上において、隣接する光束間に空隙が生じる場合がある。

本発明の投写型表示装置の一つは、光源としての半導体レーザと、前記半導体レーザから出射された光を屈折させて、入射方向と異なる方向に向けて出射させる第１の光学素子と、前記第１の光学素子から出射された光を複数の光束に変換する第２の光学素子と、前記第２の光学素子から出射された光を変調して画像光を形成する光変調素子と、前記第１の光学素子を回動または揺動させる駆動手段と、を有し、前記第１の光学素子が、第１光学面と、該第１光学面に対して傾斜した第２光学面とを有する二つのウェッジプリズムからなり、前記二つのウェッジプリズムは、互いの前記第１光学面同士が対向し、かつ、互いの前記第２光学面同士が平行となるように隣接配置され、前記駆動手段は、前記二つのウェッジプリズムを同一速度で同一方向に回動または振動させるものであり、前記第１の光学素子が回動または揺動することにより、該第１の光学素子から出射された光の前記第２の光学素子に対する照射位置が時間とともに変化する。

本発明によれば、スペックルノイズが少なく、かつ、輝度分布が均一な画像を投写可能な投写型表示装置が実現される。

マイクロレンズアレイから出射された光束の、光変調素子に対する照射状態を示す模式図である。 本発明の投写型表示装置の第１の実施形態を示す模式的平面図である。 本発明の投写型表示装置の第１の実施形態を示す模式的斜視図である。 図１、図２に示すに示すウェッジプリズムの拡大斜視図である。 図１、図２に示すウェッジプリズムの拡大側面図である。 図１、図２に示すマイクロレンズアレイの拡大側面図である。 図１、図２に示すマイクロレンズアレイから出射された光束の、光変調素子に対する照射状態を示す模式図である。 図１、図２に示すウェッジプリズムの回動によって得られる作用を説明する模式的側面図である。 図１、図２に示すマイクロレンズアレイ上の光照射領域の変化を示す模式的平面図である。 図１、図２に示す光変調素子上の光照射領域の変化を示す模式的平面図である。 本発明の投写型表示装置の第２の実施形態を示す模式的側面図である。 本発明の投写型表示装置の第３の実施形態を示す模式的側面図である。 本発明の投写型表示装置の第４の実施形態を示す模式的平面図である。 本発明の投写型表示装置の第４の実施形態を示す模式的斜視図である。 図１３、図１４に示す光変調素子上の光照射領域の変化を示す模式図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の投写型表示装置の第１の実施形態について説明する。図２は、本実施形態に係る投写型表示装置の照明光学系を示す模式的平面図であり、図３は模式的斜視図である。

図２、図３に示すように、本実施形態に係る投写型表示装置は、光源としての半導体レーザ２ｒ、２ｇ、２ｂと、コリメータレンズ３ｒ、３ｇ、３ｂと、プリズム４ａ、４ｂと、ウェッジプリズム５と、ウェッジプリズム５を回動させる駆動手段（不図示）と、マイクロレンズアレイ６と、照明エリア調整レンズ７と、ミラー８と、光変調素子９とを有する。

半導体レーザ２ｒは赤色のレーザ光を出射し、コリメータレンズ３ｒは半導体レーザ２ｒから出射されたレーザ光をコリメートする。半導体レーザ２ｇは緑色のレーザ光を出射し、コリメータレンズ３ｇは半導体レーザ２ｇから出射されたレーザ光をコリメートする。半導体レーザ２ｂは青色のレーザ光を出射し、コリメータレンズ３ｂは半導体レーザ２ｂから出射されたレーザ光をコリメートする。

コリメータレンズ３ｒから出射されたレーザ光（赤色レーザ光）およびコリメータレンズ３ｇから出射されたレーザ光（緑色レーザ光）は、それぞれプリズム４ａに入射する。プリズム４ａに入射した２つのレーザ光は、プリズム４ａの共通の出射面から出射する。すなわち、プリズム４ａは、半導体レーザ２ｒから出射されたレーザ光と半導体レーザ２ｇから出射されたレーザ光とを合成する。

プリズム４ａから出射されたレーザ光およびコリメートレンズ３ｂから出射されたレーザ光（青色レーザ光）は、それぞれプリズム４ｂに入射する。プリズム４ｂに入射した２つのレーザ光は、プリズム４ｂの共通の出射面から出射する。すなわち、プリズム４ｂは、プリズム４ａから出射されたレーザ光とコリメートレンズ３ｂから出射されたレーザ光とを合成する。要するに、３つの半導体レーザ２ｒ、２ｇ、２ｂからそれぞれ出射されたレーザ光は、２つのプリズム４ａ、４ｂによって１つのレーザ光に合成される。

ウェッジプリズム５は、ガラス材から形成されており、98％以上の光透過率を有する。また、ウェッジプリズム５は、図４に示すように、２つの光学面５ａ、５ｂを有し、第２光学面５ｂは、第１光学面５ａに対して傾斜している。よって、図５に示すように、ウェッジプリズム５の第１光学面５ａに入射した光は、所定の偏角（θｄ）で第２光学面５ｂから出射する。ここで、第１光学面５ａに光が垂直に入射する場合、第２光学面５ｂの傾き（頂角θｗ）は次式で表される。式中の“n”は、ウェッジプリズム５の屈折率である。
θｗ＝arc tan{sinθ/(n-cosθ_ｄ)}
再び図２、図３を参照する。上記特徴を有するウェッジプリズム５は、第１光学面５ａが入射面、第２光学面５ｂが出射面となるように、プリズム４ｂから出射されるレーザ光の光軸上に配置されている。また、ウェッジプリズム５は、不図示の駆動手段によって図中の矢印方向に回動される。ウェッジプリズム５の回転軸は、レーザ光の光軸と平行かつ不一致である。ウェッジプリズム５の回動によって得られる効果については後に詳述する。

マイクロレンズアレイ６は、図６に示すように、アレイ状に配列された複数の矩形両凸レンズ（マイクロレンズ６ａ）を有する。図６に示すように、各マイクロレンズ６ａは、曲率Ｒ１の入射面６ｂと、曲率Ｒ２（≠Ｒ１）の出射面６ｃとを有する。マイクロレンズアレイ６の厚み（Ｗ）は、各マイクロレンズ６ａの入射面６ｂに入射した光束が、各マイクロレンズ６ａの出射面６ｃの頂点に集光されるように調整されている。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように、マイクロレンズアレイ６に入射したレーザ光１１は、各マイクロレンズ６ａを通過することにより複数の光束１１ａに変換される。また、各マイクロレンズ６ａの出射面から出射された各光束１１ａは、矩形形状を保持したまま拡散し、その後、光変調素子９の照明領域に入射する。このとき、各光束１１ａは、一旦、１点（各マイクロレンズ６ａの出射面６ｃの頂点）に集光された後に拡散するため、輝度が均一化される。すなわち、光変調素子９における照度分布が均一化される。

上記のような構造および光学作用を有するマイクロレンズアレイには、平行光を入射させることが望ましい。よって、マイクロレンズアレイは、直進性の高いレーザ光との相性が良い。また、マイクロレンズアレイは、ビーム整形および輝度均一化の２つの役割を同時に果たすので、照明光学系の小型化に貢献する。

再び図２、図３を参照する。マイクロレンズアレイ６から出射された光束（レーザ光）の集合体は、照明エリア調整レンズ７およびミラー８を経由して、光変調素子９に入射する。光変調素子９は、入射したレーザ光を、ビデオ信号に応じて変調する。光変調素子９によって変調されたレーザ光（画像光）は、不図示の投写レンズを介して不図示のスクリーンへ投写される。本実施形態における光変調素子９はＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）である。もっとも、光変調素子９はＤＭＤに限られず、例えば、液晶パネルであってもよい。

次に、ウェッジプリズム５の回動によって得られる効果について詳細に説明する。図８に示すように、ウェッジプリズム５は、駆動手段によって高速で回転される。よって、ウェッジプリズム５の第２光学面５ｂ（出射面）の、マイクロレンズアレイ６に対する傾斜方向が時間とともに変化する。換言すれば、ウェッジプリズム５の第２光学面５ｂから出射されるレーザ光の出射方向が時間とともに変化する。したがって、マイクロレンズアレイ６上の、レーザ光が照射される位置が時間とともに変化、すなわち振動（円振動）する（図９）。その結果、図１０に示すように、マイクロレンズアレイ６から出射される各光束の集合体も、光変調素子９上で円振動する。

以上により、光変調素子９の照明領域における照度分布が均一化される。また、時間的に重畳された複数の光束が光変調素子９によって変調されて画像光が形成されることになるので、スペックルノイズも抑制される。

（第２の実施形態）
次に、本発明の投写型表示装置の第２の実施形態について説明する。もっとも、本実施形態に係る投写型表示装置の基本構成は、第１の実施形態に係る投写型表示装置の基本構成と同一である。よって、第１の実施形態に係る投写型表示装置と共通する構成については説明を省略し、異なる構成についてのみ以下に説明する。

図１１に示すように、本実施形態に係る投写型表示装置は、頂角の等しい一対のウェッジプリズム２０、２１を有する。ウェッジプリズム２０、２１は、レーザ光の光軸に沿ってこの順で配置されている。さらに、ウェッジプリズム２０は、傾斜した第２光学面２０ｂが入射面、垂直な第１光学面２０ａが出射面となるように配置されている。一方、ウェッジプリズム２１は、垂直な第１光学面２１ａが入射面、傾斜した第２光学面２１ｂが出射面となるように配置されている。換言すれば、ウェッジプリズム２０の第１光学面２０ａと、ウェッジプリズム２１の第１光学面２１ａとは対向している。

ウェッジプリズム２０、２１は、不図示の駆動手段によって、同一方向へ同一速度で回動される。すなわち、ウェッジプリズム２０、２１は、相対的位置関係を変えることなく回動する。

ウェッジプリズム２０、２１が回転することにより、マイクロレンズアレイ６から出射される光束の集合体は、不図示の光変調素子上で円振動する。よって、第１の実施形態に係る投写型表示装置と同様の効果が得られる。

さらに、本実施形態に係る投写型表示装置には、第１の実施形態に係る投写型表示装置と比べて次の利点がある。すなわち、一対のウェッジプリズム２０、２１を用いることにより、マイクロレンズアレイ６に入射するレーザ光をより一層コリメートさせることができる。したがって、マイクロレンズアレイ６の各マイクロレンズ６ａにおける光損失が低減され、光利用効率が向上する。

（第３の実施形態）
次に、本発明の投写型表示装置の第３の実施形態について説明する。ここでも、第１の実施形態に係る投写型表示装置と共通する構成については説明を省略し、異なる構成についてのみ以下に説明する。

図１２に示すように、本実施形態に係る投写型表示装置は、図１に示すウェッジプリズム５と同一のウェッジプリズム３０を有する。但し、図１に示すウェッジプリズム５は回動するのに対し、図１２に示すウェッジプリズム３０は揺動する。具体的には、ウェッジプリズム３０は、レーザ光の光軸方向前後に交互に倒れる。換言すれば、ウェッジプリズム３０は、レーザ光の光軸と直交する回転軸を中心に回動する。なお、ウェッジプリズム３０の揺動は、不図示の駆動手段によって実現される。

ウェッジプリズム３０が上記のように揺動することにより、マイクロレンズアレイ６上の、レーザ光が照射される位置が時間とともに変化、すなわち振動（直線振動）する。よって、第1の実施形態と同様に、マイクロレンズアレイ６から出射される光束の集合体は、不図示の光変調素子上で直線振動する。結果、第１の実施形態に係る投写型表示装置と同様の効果が得られる。

さらに、本実施形態に係る投写型表示装置には、第１の実施形態に係る投写型表示装置と比べて次の利点がある。すなわち、ウェッジプリズムを光軸と平行かつ不一致な回転軸上で回動させる必要がないので、ウェッジプリズムの小型化が可能である。また、ピエゾ素子、超音波加振器、小型モータなどの小型の駆動手段を用いることが可能である。総じて、照明光学系をより一層小型化することが可能である。

（第４の実施形態）
次に、本発明の投写型表示装置の第４の実施形態について説明する。図１３は、本実施形態に係る投写型表示装置の照明光学系を示す模式的平面図であり、図１４は模式的斜視図である。但し、第１の実施形態に係る投写型表示装置と共通する構成については図１３、図１４中に同一の符号を付して説明を省略する。

図１３、図１４に示すように、本実施形態に係る投写型表示装置には、図２、図３に示すウェッジプリズム５とその駆動手段（不図示）が設けられていない。一方、本実施形態に係る投写型表示装置では、照明エリア調整レンズ７が可動とされている。また、照明エリア調整レンズ７を上下、左右または前後に揺動させる不図示の駆動手段が設けられている。

上記のように照明エリア調整レンズ７を揺動させることにより、光変調素子９へ照射されるレーザ光を振動させることができる。よって、第１の実施形態に係る投写型表示装置と同様の効果が得られる（図１５）。

さらに、本実施形態に係る投写型表示装置には、第１の実施形態に係る投写型表示装置と比べて次の利点がある。すなわち、ウェッジプリズムが不要なので、照明光学系の構造がシンプルになり、小型化および低コストが図られる。

なお、照明エリア調整レンズ７は、二方向または三方向に揺動させてもよい。例えば、照明エリア調整レンズ７を前後及び左右に揺動させてもよい。また、照明エリア調整レンズ７を揺動させるための駆動手段には、ピエゾ素子、超音波加振器、小型モータなどを用いることができる。

Claims (3)

1. 画像を拡大投写する投写型表示装置であって、
   光源としての半導体レーザと、
   前記半導体レーザから出射された光を屈折させて、入射方向と異なる方向に向けて出射させる第１の光学素子と、
   前記第１の光学素子から出射された光を複数の光束に変換する第２の光学素子と、
   前記第２の光学素子から出射された光を変調して画像光を形成する光変調素子と、
   前記第１の光学素子を回動または揺動させる駆動手段と、を有し、
   前記第１の光学素子が、第１光学面と、該第１光学面に対して傾斜した第２光学面とを有する二つのウェッジプリズムからなり、
   前記二つのウェッジプリズムは、互いの前記第１光学面同士が対向し、かつ、互いの前記第２光学面同士が平行となるように隣接配置され、
   前記駆動手段は、前記二つのウェッジプリズムを同一速度で同一方向に回動または振動させるものであり、
   前記第１の光学素子が回動または揺動することにより、該第１の光学素子から出射された光の前記第２の光学素子に対する照射位置が時間とともに変化する、投写型表示装置。
2. 請求項１に記載の投写型表示装置であって、
   複数の前記半導体レーザと、各半導体レーザから出射された光を合成する第３の光学素子を有し、
   前記第３の光学素子によって合成された光が前記第１の光学素子に入射する、投写型表示装置。
3. 請求項１または２に記載の投写型表示装置であって、
   前記第２の光学素子がマイクロレンズアレイである、投写型表示装置。

Images