JP6009044B2

JP6009044B2 - レーザ光源装置

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Publication number: JP6009044B2
Application number: JP2015122557A
Authority: JP
Inventors: 裕貴山田
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2033-09-05
Also published as: JP2015179291A

Description

本発明は、レーザ光を出射するレーザ光源を複数備えるレーザ光源装置に関し、また、レーザ光源装置を備える画像投影装置に関する。

従来、レーザ光源装置として、複数のレーザ光源から出射したレーザ光を光ファイバー等に入射するレーザ光源装置が知られている（例えば、特許文献１）。そして、斯かるレーザ光源装置から出射した光を、露光用光源装置やプロジェクタ等の光源として用いる技術が知られている。斯かる技術において、レーザ光の照射面や観測者の網膜上に、スペックルノイズと呼ばれる光の強弱のあるノイズが発生する。

そこで、特許文献１においては、スペックルノイズを低減すべく、複数のレーザ光源のうち、少なくとも１つのレーザ光源は、他のレーザ光源と異なる波長の光を出射するレーザ光源装置が提案されている。しかしながら、特許文献１に係るレーザ光源装置においては、使用できる波長の範囲にも限界があるため、充分なスペックルノイズの低減（「デスペックル効果」又は「スペックルコントラストの低減」ともいう）が得られない、という問題がある。

特開２００４−１４６７９３号公報

よって、本発明は、斯かる事情に鑑み、充分なスペックルノイズの低減を得ることができるレーザ光源装置及び画像投影装置を提供することを課題とする。

本発明に係るレーザ光源装置は、同じ色のレーザ光を出射する複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源から出射された光が入射される入射面を有する導光体と、を備え、前記複数のレーザ光源のうち少なくとも二つのレーザ光源から出射される光においては、前記入射面に対する光軸の入射角度が等しく、当該少なくとも二つのレーザ光源は、異なる波長の光を出射する。

また、本発明に係るレーザ光源装置は、同じ色のレーザ光を出射する複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源から出射された光が入射され、当該光を、導光体の入射面に向けて出射する光学系と、を備え、前記複数のレーザ光源のうち少なくとも二つのレーザ光源から出射される光においては、前記入射面に対する光軸の入射角度が等しく、当該少なくとも二つのレーザ光源は、異なる波長の光を出射する。

斯かる構成によれば、入射面に対する光軸の入射角度が等しい光を出射するレーザ光源が、少なくとも二つ備えられている。そして、それらのレーザ光源のうち少なくとも二つのレーザ光源は、異なる波長の光を出射している。これにより、導光体に充分な光の量を入射できると共に、スペックルノイズの発生を抑制することができる。

また、本発明に係る画像投影装置は、前記のレーザ光源装置を少なくとも一つ備え、前記レーザ光源装置から出射される光を投射光として用いる。

以上の如く、本発明は、充分なスペックルノイズの低減を得ることができるという優れた効果を奏する。

図１は、本発明の一実施形態に係る画像投影装置の概略構成図である。図２は、同実施形態に係るレーザ光源装置の概略構成図である。図３は、同実施形態に係る光学系に入射される光の入射パターンを説明する図である。図４は、同実施形態に係る導光体の入射面における光の入射角度を説明する図である。図５は、同実施形態に係る「異なる波長」を説明する図である。図６は、同実施形態に係る「異なる波長」を説明する図である。図７は、同じ波長の光が導光体の入射面に異なる角度で入射した場合の効果を説明する図であって、光学系に入射される光の入射パターンを示す図である。図８は、異なる波長の光が導光体の入射面に入射した場合の効果を説明する図であって、光学系に入射される光の入射パターンを示す図である。図９は、本発明の他の実施形態に係る光学系に入射される光の入射パターンを説明する図である。図１０は、本発明のさらに他の実施形態に係る光学系に入射される光の入射パターンを説明する図である。

以下、本発明に係るレーザ光源装置及び画像投影装置における一実施形態について、図１〜図８を参酌して説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る画像投影装置１は、それぞれ異なる色の光を出射する複数（本実施形態においては３つ）のレーザ光源装置２（２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ）と、各レーザ光源装置２から出射された光を光画像にする空間変調素子３とを備えている。また、画像投影装置１は、各空間変調素子３から出射された光画像を合成する色合成光学部材４と、色合成光学部材４から出射された光画像を拡大してスクリーン１００に投射する光画像投射機構５とを備えている。

レーザ光源装置２は、第１の色（例えば、赤色）のレーザ光を出射する第１のレーザ光源装置２Ｒと、第２の色（例えば、緑色）のレーザ光を出射する第２のレーザ光源装置２Ｇと、第３の色（例えば、青色）のレーザ光を出射する第３のレーザ光源装置２Ｂとを備えている。また、空間変調素子３は、例えば、デジタルマイクロミラーデバイスや液晶表示デバイス等からなり、色合成光学部材４は、例えば、ダイクロイックプリズム等の色合成プリズム等からなり、光画像投射機構５は、例えば、投射レンズ等からなる。

図２に示すように、本実施形態に係るレーザ光源装置２は、レーザ光を出射する複数のレーザ光源２１と、複数のレーザ光源２１から出射された光が入射される光学系２２と、光学系２２から出射される光が入射される入射面２３ａを有する導光体２３とを備えている。そして、レーザ光源装置２は、導光体２３から出射した光を空間変調素子３に入射している。

レーザ光源２１は、レーザ光を出射する半導体レーザ２１１と、半導体レーザ２１１から出射されるレーザ光を平行光にするコリメートレンズ２１２とを備えている。複数のレーザ光源２１は、出射する光の光軸が少なくとも光学系２２に入射される際に互いに平行となるように配置されている。

加えて、複数のレーザ光源２１は、出射する光の光軸が光学系２２の入射面２２ａで異なる位置となるように、配置されている。好ましくは、複数のレーザ光源２１（特に、同じ波長の光を出力するレーザ光源２１同士）は、出射する光が光学系２２の入射面２２ａで互いに重ならないように、配置されている。

複数のレーザ光源２１は、複数の波長の光を出射している。本実施形態においては、レーザ光源２１は、９つ設けられている（図２においては、４つのみ図示している）。例えば、第２のレーザ光源装置２Ｇにおいては、第１の波長（例えば、５３０ｎｍの波長）の光を出射するレーザ光源２１と、第２の波長（例えば、５３２ｎｍの波長）の光を出射するレーザ光源２１と、第３の波長（例えば、５３４ｎｍの波長）の光を出射するレーザ光源２１とが、それぞれ３つずつ設けられている。

光学系２２は、本実施形態において、複数のレーザ光源２１から出射された光を導光体２３の入射面２３ａの中心に向けて集光する集光レンズとしている。換言すると、光学系２２は、各レーザ光源２１から出射された光の光軸を導光体２３の入射面２３ａの中心に向けて変えている（屈折させている）。

導光体２３は、長尺に形成されており、平面状の入射面２３ａを一端に配置し、平面状の出射面２３ｂを他端に配置している。そして、導光体２３は、その側面で光を全反射することにより、入射面２３ａで入射された光の進行する角度を保持しつつ、長手方向に沿って光を伝搬するように構成されている。

本実施形態においては、導光体２３は、芯となるコアと、コアの外側に配置され、コアよりも低い屈折率であるクラッドと、クラッドを覆う被覆とからなる光ファイバーとしている（コアのみ図示している）。即ち、入射面２３ａは、コアの一端側の面で構成されている。なお、導光体２３は、光ファイバーに限られず、例えば、ロッドインテグレータ等でもよい。

ここで、各レーザ光源２１の配置（光学系２２に対する光の入射位置）及び光学系２２の作用による、導光体２３の入射面２３ａにおける光の入射角度及び入射位置について説明する。

図３に示すように、三つのレーザ光源２１，２１，２１から、同じ第１の波長の光Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３が出射されている。また、三つのレーザ光源２１，２１，２１から、同じ第２の波長の光Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３が出射されている。さらに、三つのレーザ光源２１，２１，２１から、同じ第３の波長の光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３が出射されている。なお、図３は、光学系２２の入射面２２ａに対する、各光Ｌ１１〜Ｌ１３，Ｌ２１〜Ｌ２３，Ｌ３１〜Ｌ３３の入射位置を示している。

ところで、本実施形態においては、光学系２２により、レーザ光源２１からの光が導光体２３の入射面２３ａの中心に向けて集光している。したがって、レーザ光源２１から出射された光の光軸が、光学系２２の入射面２２ａにおいて、中心から異なる距離に位置する場合は、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度は、異なることになる。

例えば、同じ第１の波長の光であるＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３においては、光軸Ａ１１，Ａ１２，Ａ１３は、光学系２２の入射面２２ａにおいて、中心から異なる距離に位置している。したがって、同じ第１の波長の光であるＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３においては、図４に示すように、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸Ａ１１，Ａ１２，Ａ１３の入射角度θ１，θ２，θ３は、それぞれ異なっている。

図３に戻り、同じ第２の波長の光であるＬ２１，Ｌ２２，Ｌ２３においても、光軸Ａ２１，Ａ２２，Ａ２３は、光学系２２の入射面２２ａにおいて、中心から異なる距離に位置している。したがって、同じ第２の波長の光Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３においても、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸Ａ２１，Ａ２２，Ａ２３の入射角度θ１，θ２，θ３は、それぞれ異なっている。

同様に、同じ第３の波長の光であるＬ３１，Ｌ３２，Ｌ３３においても、光軸Ａ３１，Ａ３２，Ａ３３は、光学系２２の入射面２２ａにおいて、中心から異なる距離に位置している。したがって、同じ第３の波長の光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３においても、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸Ａ３１，Ｌ３２，Ａ３３の入射角度θ１，θ２，θ３は、それぞれ異なっている。

なお、レーザ光源２１から出射された光の光軸が、光学系２２の入射面２２ａにおいて、中心から同じ距離（図３における破線の位置）に位置する場合は、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度は、同じ位置となる。したがって、同じ波長の光においては、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度が全て異なっており、また、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度が等しい光においては、波長が全て異なっている。

ここで、本実施形態における「異なる波長の光」と「等しい波長の光」とについて、図５及び図６を参酌して説明する。

図５に示すように、各レーザ光源２１から出射される光に対して、面積が１となるように、スペクトル（波長−スペクトル強度のグラフ）を算出する。なお、図５に示すスペクトルは、複数（例えば、２４個）の発光部（エミッタ）からなるレーザ半導体２１１のスペクトルであるため、凹凸のある形状となっている。

図６に示すように、二つの光のスペクトルの重複部分（図６における斜線部）の面積を算出することにより、二つの光が等しい波長か異なる波長かを判定する。具体的には、重複部分の面積が０．２４以下の場合に、異なる波長とする。好ましくは、重複部分の面積が０．０７以下の場合に、異なる波長とする。より好ましくは、重複部分の面積が０．０７以下であり且つピーク波長がスペクトルの半値全幅の平均値以上離れている場合に、異なる波長とする。なお、重複部分の面積が０．２４より大きい場合に、等しい波長とする。

また、本実施形態においては、二つの光において、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度の差が２°以上の場合に、「入射角度が異なる」とする。好ましくは、二つの光において、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度の差が５°以上の場合に、「入射角度が異なる」とする。より好ましくは、二つの光において、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度の差が８°以上の場合に、「入射角度が異なる」とする。なお、二つの光において、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度の差が２°より小さい場合に、「入射角度が等しい」とする。

次に、本実施形態に係るレーザ光源装置２の作用効果について、図７及び図８を参酌して、検証する。なお、図７及び図８は、図３のように、光学系２２の入射面２２ａに対する、各光の入射位置を示している。

検証するために、レーザ光源装置２から出射された光をロッドインテグレータに入射し、ロッドインテグレータの端面像をスクリーン１００に約１００倍に拡大投射し、そのスクリーン１００をＣＣＤカメラで撮影することで、スクリーン１００に投影された画像からスペックルコントラストを測定した。なお、スペックルコントラストは、ＣＣＤの各ピクセルにおける光強度の標準偏差を各ピクセルにおける光強度の平均値で除したものであり、大きいほど光強度のバラツキ（スペックルノイズ）を有するという指標である。

図７に示すように、波長が５３０ｎｍである同じ二つの光Ｌ４１，Ｌ４２が存在する場合について、検証する。同じ波長の各光Ｌ４１，Ｌ４２の光軸Ａ４１，Ａ４２が、光学系２２の入射面２２ａにおいて、中心から同じ距離に位置している場合、即ち、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸Ａ４１，Ａ４２の入射角度が等しい場合は、スペックルコントラストが９．５％である。

それに対して、同じ波長の各光Ｌ４１，Ｌ４２の光軸Ａ４１，Ａ４２が、光学系２２の入射面２２ａにおいて、中心から異なる距離に位置している場合、即ち、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸Ａ４１，Ａ４２の入射角度が異なる場合は、スペックルコントラストが８．２％である。これにより、同じ波長の光においては、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度が異なることで、スペックルノイズを低減することができる。

また、図８に示すように、波長が５３０ｎｍである同じ二つの光Ｌ５１，Ｌ５２と波長が５３４ｎｍである一つの光Ｌ５３とが存在する場合について、検証する。各光Ｌ５１〜５３の光軸Ａ５１〜５３が、光学系２２の入射面２２ａにおいて、中心から異なる距離に位置している場合、即ち、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸Ａ５１〜Ａ５３の入射角度が全て異なる場合は、スペックルコントラストが７．５％である。

それに対して、異なる波長の光Ｌ５１，Ｌ５３の光軸Ａ５１，５３が、光学系２２の入射面２２ａにおいて、中心から同じ距離に位置している場合、即ち、導光体２３の入射面２３ａに対して、異なる波長の光Ｌ５１，Ｌ５３の光軸Ａ５１，Ａ５３の入射角度が等しい場合は、スペックルコントラストが７．７％である。これにより、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度が等しい光においては、波長が異なることで、スペックルノイズの発生を抑制することができる。

以上より、本実施形態に係る画像投影装置１及びレーザ光源装置２よれば、複数のレーザ光源２１からそれぞれ出射された光は、光学系２２に入射され、光学系２２から出射された光は、導光体２３の入射面２３ａに入射される。そして、複数のレーザ光源２１から出射される光においては、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度が異なっている。これにより、スペックルノイズを低減することができる。

また、本実施形態に係る画像投影装置１及びレーザ光源装置２よれば、同じ波長の光を出射するレーザ光源２１が、三つずつ備えられている。そして、それらのレーザ光源２１から出射される光Ｌ１１〜Ｌ１３（Ｌ２１〜Ｌ２３，Ｌ３１〜Ｌ３３）においては、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸Ａ１１〜Ａ１３（Ａ２１〜Ａ２３，Ａ３１〜Ａ３３）の入射角度θ１〜θ３が全て異なっている。これにより、スペックルノイズをさらに効果的に低減することができる。

また、本実施形態に係る画像投影装置１及びレーザ光源装置２よれば、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸Ｌ１１，Ｌ２１，Ｌ３１（Ｌ１２，Ｌ２２，Ｌ３２）（Ｌ１３，Ｌ２３，Ｌ３３）の入射角度θ１（θ２）（θ３）が等しい光を出射するレーザ光源２１が、三つずつ備えられている。そして、それらのレーザ光源２１は、全て異なる波長の光を出射している。これにより、導光体２３に充分な光の量を入射できると共に、スペックルノイズの発生を抑制することができる。

なお、本発明は、上記した実施形態の構成に限定されるものではなく、また、上記した作用効果に限定されるものではない。また、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、下記する各種の変更例に係る構成や方法等を任意に選択して、上記した実施形態に係る構成や方法等に採用してもよいことは勿論である。

上記実施形態に係る画像投影装置１は、レーザ光源装置２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを三つ備える、という構成である。しかしながら、本発明に係る画像投影装置１は、斯かる構成に限られない。例えば、本発明に係る画像投影装置１は、レーザ光源装置２を一つ備える構成でもよく、レーザ光源装置２を二つ備える構成でもよく、さらに、レーザ光源装置２を四つ以上備える構成でもよい。

また、上記実施形態に係るレーザ光源装置２においては、複数のレーザ光源２１は、複数の波長の光を出射する、という構成である。しかしながら、本発明に係るレーザ光源装置２は、斯かる構成に限られない。例えば、本発明に係るレーザ光源装置２においては、複数のレーザ光源２１は、図９に示すように、全て等しい波長の光Ｌ６１〜６６を出射する、という構成でもよい。

なお、図９は、図３のように、光学系２２の入射面２２ａに対する、各光Ｌ６１〜Ｌ６６の入射位置を示している。図９においては、同じ波長の六つの光Ｌ６１〜Ｌ６６が、光学系２２の入射面２２ａに入射されていることを示している。

斯かる構成において、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸Ａ６１（Ａ６２，Ａ６３），Ａ６４（Ａ６５，Ａ６６）の入射角度が異なる光だけでなく、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸Ａ６１〜Ａ６３（Ａ６４〜Ａ６６）の入射角度が等しい光も存在するという構成でもよい。勿論、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度が異なる光だけ存在するという構成でもよい。

また、上記実施形態に係るレーザ光源装置２は、同じ波長の光においては、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度が異なる、という構成である。しかしながら、本発明に係るレーザ光源装置２は、斯かる構成に限られない。例えば、図１０に示すように、本発明に係るレーザ光源装置２は、等しい波長の光Ｌ７２、Ｌ７３、Ｌ７５、Ｌ７６のうち、一部の光Ｌ７２，Ｌ７３（Ｌ７５，Ｌ７６）においては、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度が等しい、という構成でもよい。

なお、図１０は、図３のように、光学系２２の入射面２２ａに対する、各光Ｌ７１〜Ｌ７６の入射位置を示している。図１０においては、第１の波長の二つの光Ｌ７１，Ｌ７４と、第２の波長の四つの光Ｌ７２、Ｌ７３、Ｌ７５、Ｌ７６とが、光学系２２の入射面２２ａに入射されていることを示している。

また、上記実施形態に係るレーザ光源装置２は、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度が等しい光においては、全て波長が異なる光である、という構成である。しかしながら、本発明に係るレーザ光源装置２は、斯かる構成に限られない。例えば、本発明に係るレーザ光源装置２は、図１０に示すように、導光体２３の入射面２３ａに対する光軸の入射角度が等しい光Ｌ７１〜Ｌ７３のうち、一部の光Ｌ７１，Ｌ７２（Ｌ７３）においては、波長が異なる、という構成でもよい。

また、上記実施形態に係るレーザ光源装置２は、画像投影装置１に用いられるという構成である。しかしながら、本発明に係るレーザ光源装置２は、斯かる構成に限られない。例えば、本発明に係るレーザ光源装置２は、レーザ光を用いて露光を行う露光装置に用いられるという構成でもよい。

１…画像投影装置、２，２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ…レーザ光源装置、３…空間変調素子、４…色合成光学部材、５…光画像投射機構、２１…レーザ光源、２２…光学系、２２ａ…入射面、２３…導光体、２３ａ…入射面、２３ｂ…出射面、１００…スクリーン、２１１…半導体レーザ、２１２…コリメートレンズ

Claims

赤、緑、青のうち何れか一つの色で且つ同じ色のレーザ光を出射する複数のレーザ光源と、
前記複数のレーザ光源から出射された光が入射される入射面を有する導光体と、を備え、
前記複数のレーザ光源から出射された光は、拡散素子を通過することなく、前記入射面に入射され、
前記導光体は、光ファイバーであり、
前記複数のレーザ光源のうち少なくとも二つのレーザ光源から出射される光においては、前記入射面に入射する際における当該入射面に対する光軸の入射角度が等しく、
当該少なくとも二つのレーザ光源は、異なる波長の光を出射するレーザ光源装置。