JP6700579B2 - 可変スペックル発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、スペックルコントラストを変化させる可変スペックル発生装置に関する。

例えば、特許文献１に開示されているように、コヒーレント光源を用いたプロジェクターが広く利用に供されている。コヒーレント光として、典型的には、レーザー光源から発振されるレーザー光が用いられる。プロジェクターからの画像光がコヒーレント光によって形成される場合、画像光が照射されるスクリーン上にスペックルが観察されるようになる。スペックルは、斑点模様として認識され、表示画質を劣化させる。

特許文献１では、スペックルを低減する目的から、プリズムを回動させることによってスクリーン上の各位置に入射する画像光の入射角度が、経時的に変化するようになっている。この結果、スクリーン上で相関の無い散乱パターンが発生し、観察面上で重畳されることにより、スペックルを低減することができる。

特開２０１３−１５２３８５号公報

Tatsuo Fukui, Koji Suzuki, Shigeo Kubota, "Speckle Contrast Measurement in Arbitrary Observation Distance", Proc. IDW13, PRJ4-1 (2013) Kazuo Kuroda, Tomoharu Ishikawa, Miyoshi Ayama, Shigeo Kubota, "Color Speckle ", OPTICAL REVIEW , Vol.21,No.1,2014,P83-P89

しかしながら、従来、映像に対するスペックルの影響を評価するために、所望のスペックルコントラストとなるような出力光を投射する装置は、考えられていなかった。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであって、波長を変化させることなくスペックルコントラストを変化させることが可能な可変スペックル発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係る可変スペックル発生装置は、

コヒーレント光を出射する光源と、
前記光源から出射された前記コヒーレント光のビーム径を変更可能なズーム光学系からなるビーム径可変部と、
電気的に回折条件を変更することで、前記光源から出射された前記コヒーレント光の出射方向を変化させる非可動の光走査部と、
前記光走査部で走査された光を拡散させる複数の要素レンズからなる光拡散部と、
前記光拡散部から拡散された光によって像が形成される光変調部と、
前記光変調部で形成された前記像を投射する投射部と、
を備える
ことを特徴とする。

本発明に係る可変スペックル発生装置は、
前記光拡散部から拡散された光によって像が形成される光変調部を備え、
前記光変調部で形成された前記像を前記投射部から投射する
ことを特徴とする。

本発明に係る可変スペックル発生装置は、
前記投射部から投射された光を映すスクリーンと、
前記スクリーンに映された光の開口数におけるスペックルパターンを測定する測定部と、
前記測定部が測定した前記開口数におけるスペックルパターンから前記光のスペックルコントラストを演算する演算部と、
を備える
ことを特徴とする。

本発明に係る可変スペックル発生装置では、
前記光源が、赤、緑、及び、青に対応する波長のコヒーレント光をそれぞれ出射し、
前記ビーム径可変部が、前記光源から出射した前記複数の波長のコヒーレント光のビーム径をそれぞれ変更して、
前記測定部が、前記スクリーンに映された前記複数の波長のコヒーレント光に対応したそれぞれの前記開口数におけるスペックルパターンを測定した後、
前記演算部が、予め求めた赤、緑、及び、青のそれぞれに対応するスペックルコントラスト及び強度と、前記測定部が測定した前記コヒーレント光のそれぞれの前記開口数におけるスペックルパターンと、に基づいて前記スクリーンに映された光のカラースペックルの色度図上の分散を演算する
ことを特徴とする。

本発明の可変スペックル発生装置によれば、波長を変化させることなくスペックルコントラストを変化させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る可変スペックル発生装置を示す。 本発明の一実施形態に係る可変スペックル発生装置の第１ビーム径の光が中心軸に入射した状態を示す。 図２の状態の可変スペックル発生装置のスペックルコントラストを測定する状態を示す。 本発明の一実施形態に係る可変スペックル発生装置の第２ビーム径の光が中心軸に入射した状態を示す。 図４の状態の可変スペックル発生装置のスペックルコントラストを測定する状態を示す。 本発明の一実施形態に係る可変スペックル発生装置のビーム径の変更に対するスクリーン入射光のＮＡを示す。

本発明の実施形態に係る可変スペックル発生装置について図面を参照しつつ説明を行う。

図１は、本発明の一実施形態に係る可変スペックル発生装置の構成を示す図である。なお、以下に説明する図面は、模式的に示した図であって、実際の形状、寸法、配置とは異なる場合もある。

本実施形態の可変スペックル発生装置１は、照明部２と、映像を形成してスクリーン４に投射する投射部３と、を備えている。

なお、図では、映像が投射されるスクリーン４には、スクリーン４で反射された映像を観察する反射型スクリーン、あるいは、スクリーン４を透過した映像を観察する透過型スクリーンどちらを使用してもよい。

本実施形態の照明部２は、光源２１と、ビーム径可変部２２と、光走査部２３と、光拡散部２４と、照明光学系２５と、を有する。

光源２１は、コヒーレント光Ｌ１としてのレーザー光を出射する半導体レーザー装置など各種レーザー装置が使用される。光源２１は、所定の波長のコヒーレント光Ｌ１を出射可能である。また、光源２１は、例えば、カラー等の複数の波長のコヒーレント光Ｌ１をそれぞれ出射できる構成であってもよい。

ビーム径可変部２２は、光源２１から入射したコヒーレント光Ｌ１のビーム径を変更して変更コヒーレント光Ｌ２とする。光源２１が複数の波長のコヒーレント光Ｌ１をそれぞれ出射できる構成の場合、ビーム径可変部２２も複数の波長のコヒーレント光Ｌ１のビーム径を変更できる構成とする。ビーム径可変部２２によるビーム径の変更は、アフォーカル光学系又はズーム光学系を使用すればよい。

ビーム径可変部２２でビーム径が変更された変更コヒーレント光Ｌ２は、光走査部２３に入射する。なお、光走査部２３の後段にビーム径可変部２２を設置してもよい。

また、光源２１から出射されるコヒーレント光Ｌ１に対して、その断面方向の強度分布の均一化を図るビーム成型手段を設けておくことが好ましい。設計例として、光走査部２３近傍の面で均一化されるようにビーム成型手段を設けるとともに、その面と光変調素子面を共役に設定することにより、被照明領域を均一な強度とすることが可能となる。

光走査部２３は、変更コヒーレント光Ｌ２の方向を時間的に変化させる光学素子である。本実施形態では、回動中心を中心として反射面を回動させることのできるガルバノミラーが用いられている。この他、可動ミラーを機械的に回動させる可動式ミラーデバイスとしては、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳスキャナを用いることも考えられる。また、可動式ミラーデバイスに限らず、電気的に回折条件を変更することで、出射方向を変化させる可変回折型素子、あるいは、位相変調素子を用いることとしてもよい。このような素子では、可動式ミラーデバイスと異なり、可動部を有さないため、製造時あるいはメンテナンス時などの工程負担を軽減することが可能となる。

本実施形態の光走査部２３は、コヒーレント光をスクリーン上で１次元的又は２次元的に走査する。何れの場合においても光拡散部２４の入射面を走査し、結果として被照明領域を十分に照明できることが必要とされる。

変更コヒーレント光Ｌ２は、この光走査部２３にて時間的に方向が変化する走査光Ｌ３となり、光拡散部２４に入射する。本実施形態では、光拡散部２４として、レンズアレイ等を用いる。

光拡散部２４は、複数の要素レンズが、光走査部２３による光の走査位置に配列された光学素子であって、各要素レンズに入射する走査光Ｌ３を拡散光Ｌ４に変換する。光拡散部２４を構成する要素レンズの大きさ、形状は、必要に応じて適宜に設定することが可能であって、例えば、要素レンズの形状としてシリンドリカルレンズを用いたシリンドリカルレンズアレイを用いることや、極小さい大きさの要素レンズで構成されたマイクロレンズアレイを用いることとしてもよい。

さらに光拡散部２４は、各要素レンズが光軸方向に複数段（２段）配列された構成としてもよい。光源２１から出射されるコヒーレント光Ｌ１は、必ずしも平行光として出射されるとは限らず、平行な状態から幾分かずれた散乱成分を含む場合がある。本実施形態では、要素レンズを光軸方向に複数段配置することで、この散乱成分の抑制が図られる。光軸方向に配列される要素レンズは、同等の径を有するとともにその中心軸が光の進行方向に揃えられて配列される。なお、光拡散部２４としてのレンズアレイは、各要素レンズが光軸方向に１段で構成された形態のものを使用してもよい。また、光拡散部２４の後段に照明光学系２５を設置し、光路を調整してもよい。

次に、投射部３について説明する。投射部３は、光拡散部２４から出射された拡散光Ｌ４が入射する光路変換部３１と、スクリーンに光を投射する投射光学系３２と、を有する。

光路変換部３１は、光拡散部２４から出射される拡散光Ｌ４にて、被照明領域としての像形成領域を照明する部分である。光走査部２３によって光走査され光拡散部２４の各点から出射される拡散光Ｌ４は、この光路変換部３１を経て、経時的に重なるように被照明領域を照明する。

この光路変換部３１は、光拡散部２４から出射される拡散光Ｌ４が、被照明領域としての光変調素子３１ｂの像形成領域を照明する集光機能を持つ集光部３１ａを有することが好ましい。

光拡散部２４にて発散された拡散光Ｌ４の拡散角度を抑え、像形成領域に集光させることで、光の利用効率の向上が図られる。さらに、光路変換部３１は、拡散光Ｌ４が平行光あるいは略平行光となるように変換することが好ましい。平行光あるいは略平行光として像形成領域を照明することで、像形成領域の各領域を略同条件にて照明することが可能となり、例えば、像形成領域全体を均一に照明することが可能となる。

なお、光路変換部３１としては、拡散角度を抑える機能を有すればよく、レンズや凹面鏡、ミラーやプリズムの組み合わせなどが用いられる。同等の機能を有するホログラム素子や回折素子などで実現してもよい。また、これらの組み合わせにより実現してもよい。

また、光路変換部３１から出射される変調光Ｌ５は、各時点において、像形成領域の少なくとも一部を照明し、光走査部２３の走査によって像形成領域全体を照明することで足りるものであるが、変調光Ｌ５が各時点において像形成領域全体を照明することが好ましい。このような構成によれば、像形成領域における輝度分布の均一化を図ることが可能となる。

光変調素子３１ｂは、映像信号に基づいて像が形成される像形成領域を有するディスプレイであって、本実施形態では透過型の液晶表示素子が用いられている。光変調素子３１ｂとしては、このような透過型のもの以外に、ＭＥＭＳなどの反射型のものを利用することも可能である。光路変換部３１ａからの光は、時間の経過に伴い入射角度を変化させつつ光変調素子３１ｂに入射し、像形成領域に表示される像に基づいて変調光Ｌ５に変換される。

投射光学系３２は、光変調素子３１ｂからの変調光Ｌ５を投射光Ｌ６に拡大変換してスクリーン４に投射する。本実施形態では、この投射光学系３２の前段に絞り３３が設けられている。この絞り３３と、レンズアレイの各要素レンズの焦点面とは、略共役に保たれることが好ましい。この構成により、すべての要素レンズからの光束に対し、結像の光学特性を、光変調素子の面内で均一にすることが可能となる。なお、絞り３３は、投射光学系３２の後段に設けてもよい。

このような可変スペックル発生装置を用いることによって、光源２１から出射されるコヒーレント光の波長を変化させることなく、スクリーン４のスペックルコントラストを変更することが可能となる。

図２は、本発明の一実施形態に係る可変スペックル発生装置の変更コヒーレント光Ｌ２が第１ビーム径Ａである状態を示す。図３は、図２の状態の可変スペックル発生装置のスペックルコントラストを測定する状態を示す。

図１に示したように光走査部２３が走査している光には、図２に示すように、スクリーン４の中心軸Ｃに入射する光がある。本実施形態では、図３に示すように、この光のスペックルコントラストを測定する。

測定部５は、スクリーン４に投射された光のスペックルパターンを測定する。スペックルパターンとは、測定部５のセンサ面上のスペックルの照度分布で定義される。測定部５は、ＣＣＤカメラ５１、図示しない光学系および偏光フィルタ等を内蔵する。測定部５の中心線５ｃと投射部３の中心線Ｃは、スクリーン４上で交差する。スペックルコントラストは、測定部５の中心線５ｃと投射部３の中心線Ｃとの角度θ、測定部５の絞り５２からスクリーン４までの距離Ｌ、投射部３からスクリーン４に入射した光の開口数ＮＡにおけるスペックルパターン、によって求められる(非特許文献１参照)。

投射部３からスクリーン４に入射した光の開口数ＮＡにおけるスペックルパターンは、ビーム径可変部２２によって変更されるビーム径と対応する。したがって、測定部５の中心線５ｃと投射部３の中心線３ｃとの角度θ、及び、測定部５の絞り５２からスクリーン４までの距離Ｌを固定値にすれば、ビーム径可変部２２によって変更されるビーム径とスペックルコントラスト値は、１対１に対応することになり、演算部６で演算することができる。

次に、この可変スペックル発生装置１において、スペックルを測定するための方法について説明する。

図４は、本発明の一実施形態に係る可変スペックル発生装置の変更コヒーレント光Ｌ２が第２ビーム径Ｂである状態を示す。図５は、図４の状態の可変スペックル発生装置のスペックルコントラストを測定する状態を示す。図６は、本発明の一実施形態に係る可変スペックル発生装置のビーム径の変更に対するスクリーン入射光のＮＡを示す。

まず、図３に示されるように、光源２１から出射されたコヒーレント光Ｌ１をビーム径可変部２２で第１ビーム径Ａに変更する。第１ビーム径Ａに変更された光は、照明部２及び投射部３を経て、スクリーン４に投射される。スクリーン４に投射される光は、図６に示した光のうち、第１開口数ＮＡ１で投射される。この第１開口数ＮＡ１の状態で発生するスペックルパターンを測定部５が測定し、演算部６がスペックルコントラストを演算する。

次に、図５に示されるように、光源２１から出射されたコヒーレント光Ｌ１をビーム径可変部２２で第２ビーム径Ｂに変更する。第２ビーム径Ｂに変更された光は、照明部２及び投射部３を経て、スクリーン４に投射される。スクリーン４に投射される光は、図６に示した光のうち、第２開口数ＮＡ２で投射される。この第２開口数ＮＡ２の状態で発生するスペックルパターンを測定部５が測定し、演算部６がスペックルコントラストを演算する。

このような可変スペックル発生装置を用いることによって、異なるビーム径において、あらかじめ複数の水準のスペックルコントラスト値を測定しておけば、それと比較することで、再現性良く定量的なスペックルコントラストを発生させることが可能となる。

また、観察者がスクリーン４を観察しながらビーム径可変部２２を調整してスペックルコントラストを変更することで、スペックルコントラストの値が観察者に与える影響を評価することが可能となる。

次に、複数の波長の光を出射する光源２１に対応した可変スペックル発生装置１の使用方法について説明する。

例えば、可変スペックル発生装置１は、赤Ｒ、緑Ｇ、及び、青Ｂのような基準となる色を用いて、演算によって、スクリーン４に映された色の光に対するスペックルコントラストを求めることができる（非特許文献２参照）。

光源２１には、赤Ｒ、緑Ｇ、及び、青Ｂに対応する半導体レーザー等を用いる。そして、それぞれの光源２１に対応する３つのビーム径可変部２２を用いる。予め定めた色を再現するためには、予めその色に対応する赤Ｒ、緑Ｇ、及び、青Ｂの強度の割合を求めておく。

赤Ｒ、緑Ｇ、及び、青Ｂのそれぞれに対応するスペックルコントラストは、予め求めておく。カラースペックルの色度図上の分散は、予め定めた色を再現するための赤Ｒ、緑Ｇ、及び、青Ｂの割合に対応して計算によって求めることが可能である。

すなわち、可変スペックル発生装置１では、光源２１が、赤、緑、及び、青に対応する波長のコヒーレント光Ｌ１をそれぞれ出射し、ビーム径可変部２２が、光源２１から出射した複数の波長のコヒーレント光のビーム径をそれぞれ変更して、測定部５が、スクリーン４に映された複数の波長のコヒーレント光に対応したそれぞれの光の開口数ＮＡにおけるスペックルパターンを測定した後、演算部６が、予め求めた赤、緑、及び、青のそれぞれに対応するスペックルコントラストと、コヒーレント光のそれぞれの開口数ＮＡにおけるスペックルパターン及び強度に基づいてスクリーン４に映された光のカラースペックルの色度図上の分散を演算する。

以上、本実施形態の可変スペックル発生装置１によれば、コヒーレント光を出射する光源２１と、光源２１から出射されたコヒーレント光Ｌ１のビーム径を変更可能なビーム径可変部２２と、光源２１から出射されたコヒーレント光を走査する光走査部２３と、前記光走査部２３で走査された光を拡散させる光拡散部２４と、光拡散部２４から拡散された光を投射する投射部３と、を備えるので、波長を変化させることなくスペックルコントラストを変化させることが可能となる。

本実施形態の可変スペックル発生装置１によれば、光拡散部２４から拡散された光によって像が形成される光変調部３１を備え、光変調部３１で形成された像を投射部３から投射するので、輝度分布が均一化された像を投射することが可能となる。

本実施形態の可変スペックル発生装置１によれば、投射部３から投射された光を映すスクリーン４と、スクリーン４に映された光の開口数ＮＡにおけるスペックルパターンを測定する測定部５と、測定部５が測定した開口数ＮＡにおけるスペックルパターンから前記光のスペックルコントラストを演算する演算部と、を備えるので、異なるビーム径において、あらかじめ複数の水準のスペックルコントラスト値を求めておけば、それと比較することで、再現性良く定量的なスペックルコントラストを発生させることが可能となる。

また、観察者がスクリーン４を観察しながらビーム径可変部２２を調整してスペックルコントラストを変更することで、スペックルコントラストの値が観察者に与える影響を評価することが可能となる。

本実施形態の可変スペックル発生装置１によれば、光源２１が、赤、緑、及び、青に対応する波長のコヒーレント光Ｌ１をそれぞれ出射し、ビーム径可変部２２が、光源２１から出射した複数の波長のコヒーレント光のビーム径をそれぞれ変更して、測定部５が、スクリーン４に映された複数の波長のコヒーレント光に対応したそれぞれの光の開口数ＮＡにおけるスペックルパターンを測定した後、演算部６が、予め求めた赤、緑、及び、青のそれぞれに対応するスペックルコントラスト及び強度と、コヒーレント光のそれぞれの開口数ＮＡにおけるスペックルパターンと、に基づいてスクリーン４に映された光のカラースペックルの色度図上の分散を演算するので、スクリーン４に映された色の光に対するカラースペックルの色度図上の分散を求めることが可能となる。

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１…可変スペックル発生装置
２…照明部
２１…光源
２２…ビーム径可変部
２３…光走査部
２４…光拡散部
３…投射部
３１…光変調部
３１ａ…集光部
３１ｂ…光変調素子
３２…投射光学系
４…スクリーン
５…測定部
６…演算部

Claims (3)

1. コヒーレント光を出射する光源と、
   前記光源から出射された前記コヒーレント光のビーム径を変更可能なズーム光学系からなるビーム径可変部と、
   電気的に回折条件を変更することで、前記光源から出射された前記コヒーレント光の出射方向を変化させる非可動の光走査部と、
   前記光走査部で走査された光を拡散させる複数の要素レンズからなる光拡散部と、
   前記光拡散部から拡散された光によって像が形成される光変調部と、
   前記光変調部で形成された前記像を投射する投射部と、
   を備える
   ことを特徴とする可変スペックル発生装置。
2. 前記投射部から投射された光を映すスクリーンと、
   前記スクリーンに映された光の開口数におけるスペックルパターンを測定する測定部と、
   前記測定部が測定した前記開口数におけるスペックルパターンから前記光のスペックルコントラストを演算する演算部と、
   を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変スペックル発生装置。
3. 前記光源が、赤、緑、及び、青に対応する波長のコヒーレント光をそれぞれの強度で出射し、
   前記ビーム径可変部が、前記光源から出射した前記コヒーレント光のビーム径をそれぞれ変更して、
   前記測定部が、前記スクリーンに映された前記コヒーレント光に対応したそれぞれの前記開口数におけるスペックルパターンを測定した後、
   前記演算部が、予め求めた赤、緑、及び、青のそれぞれに対応するスペックルコントラスト及び強度と、前記測定部が測定した前記コヒーレント光のそれぞれの前記開口数におけるスペックルパターンと、に基づいて前記スクリーンに映された光のカラースペックルの色度図上の分散を演算する
   ことを特徴とする請求項２に記載の可変スペックル発生装置。

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