JP5609615B2 - レーザ光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、プロジェクタ装置の光源として用いられるレーザ光源装置に関する。

現在、例えば、液晶パネルやＤＭＤ（登録商標）素子を用いた映像投影装置としてプロジェクタ装置が広く用いられているが、近年においては、プロジェクタ装置に用いられる光源として、レーザ光を利用する技術の開発が進められている。

しかしながら、プロジェクタ装置における光源としてレーザ光源装置が用いられる場合には、スクリーン上において、『スペックルノイズ』と称される、ギラギラとしたチラツキが生ずることが観測される。この現象は、コヒーレント光であるレーザ光をスクリーン等に投射して映像光を観測すると、位相の合った光が干渉して網膜上に光量の強弱が生じることで発生するものである。

スペックルノイズを低減する方法としては、これまでに種々の方法が提案されており、例えば、特許文献１の特開２００８−１３４２７１号公報には、光源であるレーザ光をＳ偏光とＰ偏光とに分離し、光の伝搬距離を変えることにより位相差を形成し、再度その光を合成することによりスペックルノイズを低減させる方法が記載されている。また、特許文献２の特開２００８−２１６９２３号公報には、高さの異なる円錐プリズムを組み合わせた変形円錐プリズムを回転させることにより時間的に光路差を変化させて、スペックルノイズを低減させる方法が記載されている。さらにまた、特許文献３の特許第４３７９４８２号公報においても、時間的に光路を変化させることによりスペックルノイズを低減させる方法が記載されている。

特開２００８−１３４２７１号公報 特開２００８−２１６９２３号公報 特許第４３７９４８２号公報

しかしながら、スペックルノイズを低減させるために、光路を変化させる方法を利用した場合には、擬似的には光源の大きさが大きくなったことと等しくなり、光の利用率が低下する（Ｅｔｅｎｄｕｅ（ΩＳ）が大きくなる）、という問題がある。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、例えばプロジェクタ装置の光源として用いられるレーザ光源装置において、明るさを低下させることなく、スペックルノイズを低減することのできるレーザ光源装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ光源装置は、レーザ光を放射するレーザ光源と、
各々同一の大きさの頂角を構成する二つの光学的平面を有するプリズム要素の複数が、各プリズム要素の一方の光学的平面が同一平面上に位置されると共に他方の光学的平面のレベルが互いに異なる状態で、プリズム要素の高さ方向に密接して配置されてなる複合プリズムよりなり、前記一方の光学的平面および他方の光学的平面のどちらかがレーザ光源から放射されるレーザ光の光路に対して直交する状態で設けられたプリズムと、
当該プリズムを、前記レーザ光の光路と直交しない他方の光学的平面が位置される平面に沿って、当該プリズム中のレーザ光の光路長が変化する方向に平行移動するよう、振動させる振動駆動機構とを備えてなり、
前記プリズムにおいて、プリズム要素の互いに隣接するものの前記レーザ光の光路と直交する光学的平面のレベルの差の大きさが、前記振動駆動機構による当該プリズムの平行移動における、当該プリズム要素におけるレーザ光の光路と直交する光学的平面の光進行方向の最大移動距離以上の大きさとされていることを特徴とする。

本発明のレーザ光源装置においては、前記振動駆動機構は、前記プリズムにおける一方の光学的平面または他方の光学的平面上において、レーザ光が円状の軌跡を描くよう、前記プリズムを振動させる構成とされていることが好ましい。

また、本発明のレーザ光源装置においては、複数のレーザ光源を備えており、各々のレーザ光源からのレーザ光が共通のプリズムに入射される構成とすることができる。

本発明のレーザ光源装置によれば、各々、レーザ光源からのレーザ光が通過する一方の光学的平面がレーザ光の光路に対して直交する状態で設けられた複数のプリズム要素によって構成される特定の複合プリズムよりなるプリズムを、振動駆動機構によって、当該プリズムにおけるレーザ光の光路が直交しない他方の光学的平面の位置される平面に沿って、プリズム中のレーザ光の光路長が変化する方向に平行移動するよう振動させる構成とされると共に、当該プリズムにおいて、プリズム要素の互いに隣接するものの前記レーザ光の光路と直交する光学的平面のレベルの差の大きさが、前記振動駆動機構による当該プリズムの平行移動における、当該プリズム要素におけるレーザ光の光路と直交する光学的平面の光進行方向の最大移動距離以上の大きさとされていることにより、レーザ光源からのレーザ光に時間的にかつ空間的に位相差を形成させてレーザ光の干渉が生ずることを低減させることができるので、スペックルノイズが発生することを低減することができる。
しかも、プリズムの振動がレーザ光の出射点の位置を変更させない条件で行われるので、明るさが低下することを防止することができる。

参考例に係るレーザ光源装置を備えたプロジェクタ装置の一例における構成の概略を示す説明図である。 参考例に係るレーザ光源装置を構成するレーザ光源の一例における構成の概略を示す説明図である。 参考例に係るレーザ光源装置を構成するプリズムの一例における構成の概略を示す、（Ａ）斜視図、（Ｂ）底面図である。 参考例に係るレーザ光源装置を構成するプリズムの他の例における構成の概略を示す、（Ａ）斜視図、（Ｂ）底面図である。 本発明の実施の形態に係るレーザ光源装置を構成するプリズムの一例における構成の概略を示す斜視図である。 図５におけるＡ方向から見た底面図である。 図５に示すプリズムの振動方法を説明するための、レーザ光出射面側から見たプリズムの平面図である。 図５に示すプリズムの振動条件の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜参考例＞
図１は、参考例に係るレーザ光源装置を備えたプロジェクタ装置の一例における構成の概略を示す説明図、図２は、参考例のレーザ光源装置を構成するレーザ光源の一例における構成の概略を示す説明図である。
このプロジェクタ装置は、レーザ光源装置１０と、このレーザ光源装置１０から投射されるレーザ光Ｌを均一な輝度の光として出射するロッド状のインテグレータレンズ３０と、このインテグレータレンズ３０から出射されるレーザ光を平行光とするコリメータレンズ３１と、コリメータレンズ３１からのレーザ光を反射してＤＭＤ（登録商標）などの表示デバイス３３に入射させる反射ミラー３２と、表示デバイス３３において変調されて形成された映像光をスクリーンＳ上に拡大投射する投射レンズ３４とを備えている。

このレーザ光源装置１０は、各々、赤色光，緑色光および青色光を投射する複数のレーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃと、各々のレーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃから互いに平行に投射されるレーザ光Ｌが入射される共通のプリズムと、このプリズムから出射される各レーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃに係るレーザ光を集光して、インテグレータレンズ３０に入射させる集光レンズ１３とを備えている。
各々のレーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃとしては、例えば図２に示すように、複数個のレーザ素子１２が二次元的にアレイ状に（縦横に並んで）に配置されてなるものが用いられている。具体的には例えば、赤色光を投射するレーザ光源１１Ａとしては、半導体レーザアレイを用いることができ、緑色光を投射するレーザ光源１１Ｂおよび青色光を投射するレーザ光源１１Ｃとしては、赤外線を波長変換する波長可変（ＳＨＧ）レーザアレイを用いることができる。

この例におけるプリズムとしては、例えば図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、直角三角柱プリズム１５が用いられている。
この直角三角柱プリズム１５においては、例えば、頂角αを構成する二つの光学的平面のうちの一方の光学的平面（底面１５Ａ，１５Ｂを構成する直角三角形の長辺を含む平面）がレーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃからのレーザ光Ｌが入射されるレーザ光入射面１６とされると共に、他方の光学的平面 （底面１５Ａ，１５Ｂを構成する直角三角形の斜辺を含む平面）がプリズム１５中を伝播したレーザ光が出射されるレーザ光出射面１７とされている。そして、例えば、レーザ光入射面１６がレーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃからのレーザ光Ｌの光路に対して直交する状態で設けられている。

而して、上記のレーザ光源装置１０は、直角三角柱プリズム１５を、レーザ光の光路に直交しない光学的平面であるレーザ光出射面１７の位置する平面に沿って、当該直角三角柱プリズム１５中のレーザ光の光路長が変化する方向に平行移動するよう、振動させる振動駆動機構（図示せず）を備えている。
この例における振動駆動機構は、直角三角柱プリズム１５を、レーザ光出射面１７が位置される平面（ｘ−ｙ平面）において、底面１５Ａ，１５Ｂを構成する直角三角形の斜辺が伸びる方向（図３（Ｂ）における左右方向，ｘ方向）に直線往復運動するよう、振動させる構成のものが用いられており、例えば、モータの回転運動をカムにより直線往復運動に変換する機構を有するものにより構成することができる。

振動駆動機構によって振動される直角三角柱プリズム１５の振動数は、例えば１０Ｈｚ以上（１秒間の時間の間における往復動の回数が１０回以上）であることが好ましい。これにより、後述する実験例の結果にも示されているように、スペックルノイズ低減効果を確実に得ることができる。
また、直角三角柱プリズム１５の振幅（ｘ方向最大移動距離）ｓは、各色のレーザ光において、時間的な位相差（直角三角柱プリズム１５中の光路長の差）を確実に形成させることができる大きさであることが好ましい。

而して、上記のレーザ光源装置１０においては、振動駆動機構によって、レーザ光出射面１７の位置する平面（ｘ−ｙ平面）に沿ってｘ方向に直線往復運動されるよう、振動された直角三角柱プリズム１５のレーザ光入射面１６に、各々のレーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃから放射された複数本の互いに平行なレーザ光Ｌが、それぞれ、垂直に入射されることにより、同一の光路上を進行するレーザ光において、直角三角柱プリズム１５中を伝播する光路長の異なるレーザ光が時間的に合成されてレーザ光出射面１７から出射されることとなる。
従って、上記のレーザ光源装置１０によれば、直角三角柱プリズム１５をその光学的平面の一方、例えばレーザ光入射面１６を構成する光学的平面がレーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃからのレーザ光の光路に直交する状態で設け、振動駆動機構によって、直角三角柱プリズム１５を、レーザ光出射面１７を構成する他方の光学的平面の位置される平面に沿って、直角三角柱プリズム１５中のレーザ光の光路長が変化する方向に平行移動するよう振動させる構成とされていることにより、レーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃからのレーザ光Ｌに時間的に位相差を形成させてレーザ光の干渉が生ずることを低減させることができるので、スクリーンＳ上においてスペックルノイズが発生することを低減することができる。
しかも、直角三角柱プリズム１５の振動がレーザ光の出射点の位置（光路）を変更させない条件で行われるので、明るさが低下することを防止することができる。

以上においては、プリズムとして直角三角柱プリズム１５を用いた構成のものについて説明したが、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すような台形柱プリズム２０を用いることができる。
この台形柱プリズム２０は、例えば上記図３に示したものと同一形状すなわち頂角αを構成する二つの光学的平面を有する直角三角柱プリズムの一部が、当該直角三角柱プリズムの底面を構成する直角三角形の短辺を含む平面に平行な切断面によって切断された形態を有するものである。

この台形柱プリズム２０においては、図３に示すものと同様に、例えば、頂角αを構成する二つの光学的平面のうちの一方の光学的平面（底面１５Ａ，１５Ｂを含む直角三角形の長辺を含む平面）がレーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃからのレーザ光Ｌが入射されるレーザ光入射面１６とされると共に、他方の光学的平面（底面１５Ａ，１５Ｂを含む直角三角形の斜辺を含む平面）がプリズム２０中を伝播したレーザ光が出射されるレーザ光出射面１７とされている。そして、例えば、レーザ光入射面１６がレーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃからのレーザ光Ｌの光路に対して直交する状態で設けられ、振動駆動機構によって、レーザ光出射面１７の位置される平面（ｘ−ｙ平面）に沿って、台形柱プリズム２０中のレーザ光の光路長が変化する方向（ｘ方向）に平行移動するよう、振動される。

このような台形柱プリズム２０を備えたレーザ光源装置においても、プリズムとして直角三角柱プリズム１５が用いられた場合と同様の効果を得ることができる。

＜本発明の実施の形態＞
図５は、本発明の実施の形態に係るレーザ光源装置を構成するプリズムの一例における構成の概略を示す斜視図、図６は、図５におけるＡ方向から見た底面図である。
この実施の形態に係るレーザ光源装置を構成するプリズムは、各々頂角αを構成する二つの光学的平面を有する例えば三つのプリズム要素２６，２７，２８が、各プリズム要素の一方の光学的平面２６Ｂ，２７Ｂ，２８Ｂが同一平面上に位置されると共に他方の光学的平面２６Ａ，２７Ａ，２８Ａのレベルが互いに異なる状態で、プリズム要素の高さ方向（図６における紙面に垂直方向）に密接して配置されてなる複合プリズム２５により構成されている。
複合プリズム２５における各々のプリズム要素２６（２７，２８）は、例えば、頂角αを構成する二つの光学的平面を有する直角三角柱プリズムの一部が、当該直角三角柱プリズムの底面を構成する直角三角形の短辺を含む平面に平行な切断面によって切断された形態を有するもの（台形柱プリズム）により構成されており、平行四辺形柱プリズム部分２６１，２７１，２８１の、一方の光学的平面に垂直な方向（図６において上下方向）の寸法Ｈ₁ ，Ｈ₂ ，Ｈ₃ が互いに異なるものである。

この複合プリズム２５においては、例えば、各々のプリズム要素２６，２７，２８における他方の光学的平面がレーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃからのレーザ光Ｌが入射されるレーザ光入射面２６Ａ，２７Ａ，２８Ａとされると共に、他方の光学的平面（底面を含む直角三角形の斜辺を含む平面）がプリズム要素２６，２７，２８中を伝播したレーザ光が出射されるレーザ光出射面２６Ｂ，２７Ｂ，２８Ｂとされている。そして、例えば、レーザ光入射面２６Ａ，２７Ａ，２８Ａを構成する光学的平面がレーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃからのレーザ光Ｌの光路に対して直交する状態で設けられ、振動駆動機構によって、レーザ光出射面２６Ｂ，２７Ｂ，２８Ｂの位置される平面（ｘ−ｙ平面）に沿って、ｘ方向およびｙ方向の一方または両方に平行移動するよう、振動される。例えば、複合プリズム２５がｘ方向に平行移動するよう振動される場合には、同一の光路上を進行するレーザ光の、各プリズム要素２６，２７，２８中の光路長が変化することとなり、一方、複合プリズム２５がｙ方向に平行移動するよう振動される場合には、同一の光路上を進行するレーザ光が異なるプリズム要素を通過することにより光路長が変化することとなる。

以上において、プリズム要素２６とプリズム要素２７との当該寸法の差（ΔＨ₁ ＝Ｈ₁ −Ｈ₂ ）、および、プリズム要素２７とプリズム要素２８との当該寸法の差（ΔＨ₂ ＝Ｈ₂ −Ｈ₃ ）は、複合プリズム２５をｘ−ｙ平面内において例えばｘ方向に直線往復動させた場合における、ｘ方向最大移動距離ｓだけ移動したときに生じるレーザ光入射面２６Ａ，２７Ａ，２８Ａの光進行方向の移動距離ｄ以上の大きさであることが好ましい。

このような複合プリズム２５を備えたレーザ光源装置においては、レーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃからのレーザ光Ｌに時間的にかつ空間的に位相差を形成させてレーザ光の干渉が生ずることを低減させることができるので、スクリーン上においてスペックルノイズが発生することを低減することができ、しかも、複合プリズム２５の振動がレーザ光の出射点の位置を変更させない条件で行われるので、明るさが低下することを防止することができる。

このような複合プリズム２５が用いられる場合には、振動駆動機構は、複合プリズム２５を、レーザ光の光路と直交しない光学的平面が位置される平面に沿って直線往復動するよう、振動させる構成のものに限定されるものではなく、図７に示すように、複合プリズム２５を、そのレーザ光出射面２６Ｂ，２７Ｂ，２８Ｂ上あるいはレーザ光入射面２６Ａ，２７Ａ，２８Ａ上においてレーザ光の出射点が円状の軌跡（図７において二点鎖線で示す。）Ｒを描くよう、レーザ光出射面２６Ｂ，２７Ｂ，２８Ｂの位置する平面（ｘ−ｙ平面）に沿って、振動させる構成とされていることが好ましい。このような構成の振動駆動機構によれば、複合プリズム２５の振動の制御を容易に行うことができるという、付随的な効果を得ることができる。なお、図７においては、破線で示す領域は、レーザ光が通過しうる領域を示している。

振動駆動機構によって振動される複合プリズム２５の振動数は、例えば１０Ｈｚ以上（１秒間の時間の間における回転数が１０回以上）であることが好ましい。これにより、スペックルノイズ低減効果を確実に得ることができる。
図８は、複合プリズム２５の振動条件の一例を示す図であって、この条件は、レーザ光出射面２６Ｂ，２７Ｂ，２８Ｂ上においてレーザ光の出射点が半径が５ｍｍの円状の軌跡を描くよう、複合プリズム２５を２０Ｈｚの振動数で円運動するよう振動させるものである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、プリズムは上記において例示した形状のものに限定されない。
また、プリズムにおけるレーザ光の光路に直交する光学的平面がレーザ光出射面とされ、当該光路に直交しない他の光学的平面がレーザ光入射面とされるよう、プリズムが設けられた構成とされていてもよい。
さらにまた、プリズムが、レーザ光の出射点の位置（光路）を変更させない条件で、プリズム中の光路長が変化されるよう、振動される構成とされていれば、プリズムを振動させる方向（移動方向）は、上記の実施の形態において例示した方向に特に限定されるものではない。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
図１に示す構成に従って、以下に示す仕様を有する本発明に係るレーザ光源装置（１０）を備えたプロジェクタ装置を作製した。
＜レーザ光源装置の仕様＞
レーザ光源（１１Ａ）：レーザ光の波長が６４０ｎｍである半導体レーザアレイ、
レーザ光源（１１Ｂ）：レーザ光の波長が５３０ｎｍであるＳＨＧレーザアレイ、
レーザ光源（１１Ｃ）：レーザ光の波長が４６０ｎｍであるＳＨＧレーザアレイ、
各々のレーザ光源のアレイの大きさ：４ｍｍ×１０ｍｍ、
プリズム（１５）：内角が３０°，６０°，９０°の直角三角柱プリズム、長辺；２０ｍｍ、短辺；１１．５ｍｍ、高さ（図１において紙面に垂直な方向の寸法）６ｍｍ、材質；ホウ珪酸ガラス（屈折率；１．５）、
プリズム（１５）の振動条件：プリズムの斜面（レーザ光出射面）が位置される平面に沿った直線往復運動、振幅（図３（Ｂ）における「ｓ」）；１０ｍｍ（プリズムにおけるレーザ光入射面の最大移動距離（図３（Ｂ）における「ｄ」）：５ｍｍ、光路長の変化量：０から２．５ｍｍ）、

上記のプロジェクタ装置について、プリズムの振動数を下記表１に従って変更して、スクリーン上に投影される映像の品質の主観評価を行った。結果を下記表１に示す。評価は、「目立たないが、確認できる」場合を「○」、「やや目立ち、容易に確認できる」場合を「△」、「非常に目立ち、容易に確認できる」場合を「×」とした。

以上の結果より、プリズムを、プリズムのレーザ光出射面とされる斜面が位置される平面に沿った直線往復運動するよう、振動させることによって、スペックルノイズの低減効果が得られることが確認され、さらに、プリズムを振動数が２０Ｈｚ以上となる条件で振動させることにより、一層高いスペックルノイズの低減効果が得られることができることが確認された。
また、スクリーン上での光強度を測定したところ、プリズムを振動させない場合における光強度に対する光強度の低下の程度は、いずれの条件においても、９５％程度であり、明るさが維持されることが確認された。

１０ レーザ光源装置
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ レーザ光源
１２ レーザ素子
１３ 集光レンズ
１５ 直角三角柱プリズム
１５Ａ，１５Ｂ 底面
１６ レーザ光入射面
１７ レーザ光出射面
２０ 台形柱プリズム
２５ 複合プリズム
２６，２７，２８ プリズム要素
２６１，２７１，２８１ 平行四辺形柱プリズム部分
２６Ａ，２７Ａ，２８Ａ レーザ光入射面
２６Ｂ，２７Ｂ，２８Ｂ レーザ光出射面
３０ インテグレータレンズ
３１ コリメータレンズ
３２ 反射ミラー
３３ 表示デバイス（ＤＭＤ（登録商標））
３４ 投射レンズ
Ｓ スクリーン

Claims (3)

1. レーザ光を放射するレーザ光源と、
   各々同一の大きさの頂角を構成する二つの光学的平面を有するプリズム要素の複数が、各プリズム要素の一方の光学的平面が同一平面上に位置されると共に他方の光学的平面のレベルが互いに異なる状態で、プリズム要素の高さ方向に密接して配置されてなる複合プリズムよりなり、前記一方の光学的平面および他方の光学的平面のどちらかがレーザ光源から放射されるレーザ光の光路に対して直交する状態で設けられたプリズムと、
   当該プリズムを、前記レーザ光の光路と直交しない他方の光学的平面が位置される平面に沿って、当該プリズム中のレーザ光の光路長が変化する方向に平行移動するよう、振動させる振動駆動機構とを備えてなり、
   前記プリズムにおいて、プリズム要素の互いに隣接するものの前記レーザ光の光路と直交する光学的平面のレベルの差の大きさが、前記振動駆動機構による当該プリズムの平行移動における、当該プリズム要素におけるレーザ光の光路と直交する光学的平面の光進行方向の最大移動距離以上の大きさとされていることを特徴とするレーザ光源装置。
2. 前記振動駆動機構は、前記プリズムにおける一方の光学的平面または他方の光学的平面上において、レーザ光が円状の軌跡を描くよう、前記プリズムを振動させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
3. 複数のレーザ光源を備えており、各々のレーザ光源からのレーザ光が共通のプリズムに入射されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ光源装置。
   

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