JP6127714B2

JP6127714B2 - レーザープロジェクター

Info

Publication number: JP6127714B2
Application number: JP2013109004A
Authority: JP
Inventors: 信大谷
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2033-05-23
Also published as: CN104181758A; JP2014228741A; US9354503B2; US20140347633A1; CN104181758B

Description

本発明は、レーザープロジェクターに関する。

従来、大画面の画像表示が可能な画像表示装置の１つとして、走査型のプロジェクターが知られている。走査型のプロジェクターは、変調されたレーザー光をスクリーン等の被投射面上でラスタースキャンすることにより、画像を表示するものである。レーザー光は、単一波長であるために色純度が高いこと、コヒーレンスが高いためにビームを整形しやすいこと等の特徴を有している。したがって、レーザー光により画像を表示する画像表示装置にあっては、コントラストや色再現性、解像度等を格段に高めることが可能である。

近年では、内部に光拡散素子を配置し、変調されたレーザー光の像を当該光拡散素子に中間像として形成し、その中間像を投写レンズで拡大投射するプロジェクターが知られている（例えば、特許文献１）。この構成により、小型でスペックルノイズが低減されたレーザープロジェクターが得られる。

特開２００６−５３４９５号公報

しかしながら、上記のレーザープロジェクターに通常用いられるレーザー光源は、画質向上という観点から考えると、次のような理由において改善の余地があった。
走査型のプロジェクターでは、液晶素子などのような物理的な画素が存在せず、被投射面又は中間像の結像面におけるレーザー光のスポット径が、投射画像の画素の大きさに対応している。つまり、これらの面におけるスポット径が小さいほど高解像度の画像表示が可能となる。これに対して、レーザー光源のスポット径を小さくすることは、レーザー光源の出力や信頼性確保のためには限界があった。

以上のような事情に鑑み、光源の出力や信頼性を維持しつつ、高解像度化を図ることが可能となるレーザープロジェクターを提供することを目的とする。

本発明に係るレーザープロジェクターは、光源と、前記光源から射出された光を二次元的に走査する走査手段と、前記走査手段からの光が入射する集光光学系と、前記集光光学系からの光が入射する光拡散素子と、前記光拡散素子からの光を被投影面に投影する投写レンズとを備え、前記光源から射出された光の発散角度よりも前記光拡散素子に入射する集光角度の方が大きい。

本発明によれば、光源から射出された光の発散角度よりも前記光拡散素子に入射する光の集光角度の方が大きいため、光拡散素子において結像される光源像の大きさを、実際の光源像の大きさよりも小さくすることができる。これにより、光源の出力や信頼性を維持しつつ、高解像度化を図ることが可能となる。

上記のレーザープロジェクターにおいて、前記光源から射出された光を平行化して前記走査手段に入射させるコリメートレンズを更に備え、前記集光光学系の焦点距離は、前記コリメートレンズの焦点距離よりも小さいことが好ましい。
本発明によれば、光拡散素子に光を集光する集光光学系の焦点距離が、光源から射出された光を平行化して走査手段に入射させるコリメートレンズの焦点距離よりも小さくなっているため、光拡散素子において結像される光源像の大きさを、実際の光源像の大きさよりも小さくすることができる。

上記のレーザープロジェクターにおいて、前記光源は、第一波長の光を射出する第一光源と、前記第一波長とは異なる第二波長の光を射出する第二光源とを有することが好ましい。
本発明によれば、第一波長の光及び第二波長の光それぞれに対して解像度を高めることが可能となるため、高精細なカラー画像を表示することができる。

上記のレーザープロジェクターにおいて、前記第一波長の光の前記第一光源から前記光拡散素子までの光路長が、前記第二波長の光の前記第二光源から前記光拡散素子までの光路長と異なっていることが好ましい。
本発明によれば、前記第一波長の光の前記第一光源から前記光拡散素子までの光路長が、前記第二波長の光の前記第二光源から前記光拡散素子までの光路長と異なっているため、集光光学系で発生する倍率色収差や軸上色収差などを低減させることができる。

レーザープロジェクターにおいて、前記光拡散素子は、前記集光光学系の光軸に平行な回転軸を中心として回転可能に設けられていることが好ましい。
本発明によれば、光拡散素子が集光光学系の光軸に平行な回転軸を中心として回転可能に設けられている構成においても、光拡散素子において結像される光源像の大きさを、実際の光源像の大きさよりも小さくすることができる。これにより、解像度を高めることが可能となる。さらに、光拡散素子を通過する光の位相を時間的に変化させることができるため、スペックルノイズを更に低減することができる。

レーザープロジェクターの全体構成を模式的に示す図。レーザープロジェクターの一部の構成を模式的に示す図。レーザープロジェクターにおける一光源についての光路を模式的に示す図。

本発明のレーザープロジェクターの一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
本実施形態においては、レーザープロジェクター１００として、走査素子で生成された画像光を、投写光学系を介してスクリーン（被投写面）８０上に投写する走査型のプロジェクターを例に挙げて説明する。

図１は、レーザープロジェクター１００の全体構成を模式的に示す図である。図１に示すように、レーザープロジェクター１００は、光源装置（光源）１０と、コリメートレンズ部２０と、ダイクロイックプリズム３０と、走査素子（走査手段）４０と、集光光学系５０と、光拡散素子６０と、投写レンズ７０とを備えている。

光源装置１０は、赤色光（第一波長の光）を射出する赤色光源装置（第一光源）１０Ｒ、緑色光（第二波長の光）を射出する緑色光源装置（第二光源）１０Ｇ、青色光（第三波長の光）を射出する青色光源装置（第三光源）１０Ｂ、とからなる。光源装置１０（１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ）は、レーザー光を射出することが可能なレーザーダイオード（ＬＤ）で構成されている。

コリメートレンズ部２０は、光源装置１０から射出された光を平行化する。コリメートレンズ部２０は、赤色光源装置１０Ｒから射出された光を平行化する第一コリメートレンズ２０Ｒと、緑色光源装置１０Ｇから射出された光を平行化する第二コリメートレンズ２０Ｇと、青色光源装置１０Ｂから射出された光を平行化する第三コリメートレンズ２０Ｂとを有している。

ダイクロイックプリズム３０は、第一コリメートレンズ２０Ｒ、第二コリメートレンズ２０Ｇ及び第三コリメートレンズ２０Ｂによって平行化された各色光を合成して射出するものである。

走査素子４０は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって製造された反射型の光変調素子である。走査素子４０は、ダイクロイックプリズム３０から順次射出された赤色光、緑色光および青色光を二次元的に走査して赤色の画像、緑色の画像および青色の画像を生成する。走査素子４０としては、例えばＭＥＭＳミラーなどが用いられる。

集光光学系５０は、走査素子４０から入射した光を集光し、所定の面に結像させる。集光光学系５０を通過する光の主光線は当該集光光学系５０の光軸に平行となる。すなわち、集光光学系５０は、テレセントリック光学系を構成している。

光拡散素子６０は、集光光学系５０によって集光された光が結像する位置に配置されている。したがって、光拡散素子６０においては、赤色画像、緑色画像及び青色画像の中間像が形成される。光拡散素子６０は、集光光学系５０から光拡散素子６０に入射する光の集光角度よりも光拡散素子６０から射出される光の拡散角を大きくする。光拡散素子６０は、例えばスリ硝子や拡散フィルム等の拡散板、ホログラフィックディフューザー等の回折光学素子、マイクロレンズアレイ等のレンズ部品等によって構成される。光拡散素子６０は、不図示の駆動機構により、集光光学系５０の光軸ＬＸに平行な中心軸ＡＸを中心として回転可能に設けられている。光拡散素子６０が設けられることにより、スクリーン８０に投射される光の配光分布が均一化され、スペックルノイズが低減されることになる。

投写レンズ７０は、光拡散素子６０に形成された中間像をスクリーン８０上に投写するものである。投写レンズ７０の像面は、コリメートレンズ部２０の配置面及び光拡散素子６０の配置面と共役である。投写レンズ７０は、通常の投写レンズ等により構成され、必要に応じてズーム機構やフォーカス機構を有するものが用いられる。光拡散素子６０に形成された中間像の各点から射出された光の像は、投写レンズ７０によってスクリーン８０において結像される。

また、レーザープロジェクター１００は、上記各部を統括的に制御すると共に、二次元画像を示す画像情報をＤＶＤプレイヤーやＰＣ等の外部装置から受信する不図示の制御部を有している。

制御部は、画像情報が示す二次元画像の各画素の階調値及び表示タイミングに基づいて、光源装置１０の赤色光源装置１０Ｒ、緑色光源装置１０Ｇ及び青色光源装置１０Ｂに供給する電気信号を生成する。また、制御部は、光源装置１０から各タイミングで射出された赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ、青色光Ｌｂにより表示される画素が、画像情報に規定された二次元画像内の所定の位置と対応するように、走査素子４０を制御する。

図２は、光源装置１０から光拡散素子６０までの光路を拡大して示す模式図である。図２では、便宜上、走査素子４０が光透過型であるとして示している。
図２に示すように、赤色光源装置１０Ｒから射出された赤色光Ｌｒは、発散角度α１で射出されて第一コリメートレンズ２０Ｒに入射する。緑色光源装置１０Ｇから射出された緑色光Ｌｇは、発散角度α２で射出されて第二コリメートレンズ２０Ｇに入射する。青色光源装置１０Ｂから射出された青色光Ｌｂは、発散角度α３で射出されて第三コリメートレンズ２０Ｂに入射する。これらの発散角度α１〜α３は、同一としてもよいし、異なる値としてもよい。

また、集光光学系５０は、走査素子４０から入射した赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇおよび青色光Ｌｂ各々を集光角度βで集光する。本実施形態では、集光角度βは、赤色光Ｌｒの発散角度α１、緑色光Ｌｇの発散角度α２及び青色光Ｌｂの発散角度α３のそれぞれよりも大きい。このため、光拡散素子６０において結像される赤色光Ｌｒ（Ｌ１）、緑色光Ｌｇ（Ｌ２）および青色光Ｌｂ（Ｌ３）の各像の大きさは、赤色光源装置１０Ｒ、緑色光源装置１０Ｇ及び青色光源装置１０Ｂの各光源像の大きさよりも小さくなる。

赤色光Ｌｒの発散角度α１、緑色光Ｌｇの発散角度α２及び青色光Ｌｂの発散角度α３と、赤色光Ｌｒ（Ｌ１）、緑色光Ｌｇ（Ｌ２）および青色光Ｌｂ（Ｌ３）の集光角度βとが上記の関係を満たす構成を実現する場合、集光光学系５０の焦点距離が、コリメートレンズ部２０を構成する第一コリメートレンズ２０Ｒ、第二コリメートレンズ２０Ｇ及び第三コリメートレンズ２０Ｂの焦点距離よりも小さくなるようにすればよい。

このように、縮小光学系を構成するコリメートレンズ部２０及び集光光学系５０により、赤色光源装置１０Ｒ、緑色光源装置１０Ｇ及び青色光源装置１０Ｂの各光源像は、縮小された状態で光拡散素子６０に結像される。なお、光拡散素子６０に入射した光は、集光角度βよりも大きい拡散角度γで拡散されるように射出される。

また、本実施形態では、集光光学系５０において発生する倍率色収差と軸上色収差を低減するため、赤色光源装置１０Ｒと光拡散素子６０との間における赤色光の光路長と、緑色光源装置１０Ｇと光拡散素子６０との間における緑色光の光路長と、青色光源装置１０Ｂと光拡散素子６０との間における青色光の光路長とは、それぞれ異なっている。このため、集光光学系５０の構成として、色収差を補正したいわゆる色消しレンズを用いる必要が無く、レンズ枚数の削減や使用する硝材の選択肢も増えることになるため、設計の自由度が確保され、小型化も可能となる。

図３は、レーザープロジェクター１００の一色成分の光学系を抽出して示す模式図である。図３においては、便宜上、ダイクロイックプリズム３０の図示を省略すると共に、走査素子４０が光透過型であるとして示している。
図３に示すように、光源装置１０から出射された光はコリメートレンズ部２０を通過し、ダイクロイックプリズム３０を通過して、走査素子４０に入射する。

走査素子４０からの光は、集光光学系５０に入射する。集光光学系５０に入射した光は、当該集光光学系５０によって所定の集光角度βで集光され、光拡散素子６０が配置された位置において中間像（二次元像）を結ぶ。光拡散素子６０において形成された中間像は、投写レンズ７０によってスクリーン８０に拡大されて投影される。

レーザープロジェクター１００において、スクリーン８０に投写される画素の大きさは、赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇおよび青色光Ｌｂの中間像の結像面におけるスポット径の大きさに対応している。つまり、当該中間像の結像面におけるスポット径が小さいほど高解像度の画像表示が可能となる。

本実施形態によれば、集光光学系５０の集光角度βは、上記赤色光Ｌｒの発散角度α１、緑色光Ｌｇの発散角度α２及び青色光Ｌｂの発散角度α３のそれぞれよりも大きくなっている。このため、光拡散素子６０において結像される赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇおよび青色光Ｌｂの各像の大きさが、赤色光源装置１０Ｒ、緑色光源装置１０Ｇ及び青色光源装置１０Ｂの各光源像の大きさよりも小さくなる。このように、本実施形態に係るレーザープロジェクター１００においては、赤色光源装置１０Ｒ、緑色光源装置１０Ｇ及び青色光源装置１０Ｂ自体のスポット径を変更することなく、中間像の結像面におけるスポット径を小さくすることができるので、光源装置１０の出力や信頼性を維持しつつ、高解像度化を図ることが可能となる。
なお、本実施形態においては、光拡散素子６０は、集光光学系５０の光軸ＬＸに平行な中心軸ＡＸを中心として回転可能に設けられていたが、これに限定されない。必ずしも光拡散素子を回転可能に設けなくてもよい。

ＬＸ…光軸ＡＸ…中心軸Ｌｒ…赤色光Ｌｇ…緑色光Ｌｂ…青色光 α１、α２、α３…発散角度 β…集光角度 γ…拡散角度１０…光源装置１０Ｒ…赤色光源装置１０Ｇ…緑色光源装置１０Ｂ…青色光源装置２０…コリメートレンズ部２０Ｒ…第一コリメートレンズ２０Ｇ…第二コリメートレンズ２０Ｂ…第三コリメートレンズ３０…ダイクロイックプリズム４０…走査素子５０…集光光学系６０…光拡散素子７０…投写レンズ８０…スクリーン１００…レーザープロジェクター

Claims

光源と、
前記光源から射出された光を二次元的に走査する走査手段と、
前記走査手段からの光が入射する集光光学系と、
前記集光光学系からの光が入射する光拡散素子と、
前記光拡散素子からの光を被投影面に投影する投写レンズと
を備え、
前記光源から射出された光の発散角度よりも前記光拡散素子に入射する集光角度の方が大きい
レーザープロジェクター。
前記光源から射出された光を平行化して前記走査手段に入射させるコリメートレンズ
を更に備え、
前記集光光学系の焦点距離は、前記コリメートレンズの焦点距離よりも小さい
請求項１に記載のレーザープロジェクター。
前記光源は、
第一波長の光を射出する第一光源と、
前記第一波長とは異なる第二波長の光を射出する第二光源と
を有する
請求項１又は請求項２に記載のレーザープロジェクター。
前記第一波長の光の前記第一光源から前記光拡散素子までの光路長が、前記第二波長の光の前記第二光源から前記光拡散素子までの光路長と異なっている
請求項３に記載のレーザープロジェクター。
前記光拡散素子は、前記集光光学系の光軸に平行な回転軸を中心として回転可能に設けられている
請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のレーザープロジェクター。