JP2006343413A - Image producing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コヒーレント光源を用いた画像生成装置において、スペックル低減及び安全性の向上に有効な技術に関する。 The present invention relates to a technique effective in reducing speckles and improving safety in an image generation apparatus using a coherent light source.
レーザ光源を用いた投射型画像表示装置等においては、例えば、一次元空間変調型の光変調素子に対して線状ビームを照射するとともに、該光変調素子を用いて光を変調して得られる一次元画像を、ガルバノメータ等の光走査手段で一次元方向とは直交する方向に沿って走査しながら投射レンズ系を介してスクリーン上に投影することにより、二次元画像を形成することができる。 In a projection-type image display device using a laser light source, for example, it is obtained by irradiating a linear beam onto a one-dimensional spatial modulation type light modulation element and modulating light using the light modulation element. A two-dimensional image can be formed by projecting a one-dimensional image onto a screen via a projection lens system while scanning along a direction orthogonal to the one-dimensional direction with an optical scanning unit such as a galvanometer.
レーザを光源とする画像生成装置においては、高い可干渉性に起因するスペックルが問題視される。つまり、粒子状のノイズ(スペックルノイズ)が画面上に発生し、これが画質を劣化させる原因となる。 In an image generating apparatus using a laser as a light source, speckles due to high coherence are regarded as a problem. That is, particulate noise (speckle noise) is generated on the screen, which causes the image quality to deteriorate.
レーザ光を用いたディスプレイ装置において、スペックル低減方法には下記に示す方法が知られている。 In display devices using laser light, the following methods are known as speckle reduction methods.
(A)中間像位置にディフューザ(光散乱用の光学素子)を設置し、該ディフューザを振動させることによって時間的に異なるスペックルパターンを発生させ、視覚的な平均化の効果によってノイズが目立たないようにする方法
(B)一次元型の光変調素子を用いた構成形態において、該素子による一次元中間像位置にディフューザを設置することにより、その後に光走査(スキャン)されてスクリーン上に投影される二次元画像のスペックルを低減させる方法(例えば、特許文献1参照)。
(A) A diffuser (an optical element for light scattering) is installed at the intermediate image position, and the diffuser is vibrated to generate temporally different speckle patterns, and noise is not noticeable due to the effect of visual averaging. (B) In a configuration using a one-dimensional type light modulation element, a diffuser is installed at a one-dimensional intermediate image position by the element, and then light scanning (scanning) is performed on the screen. A method for reducing speckles in a two-dimensional image (for example, see Patent Document 1).
尚、上記(B)では、ディフューザによる回折散乱角度を大きくして、投射レンズの入射瞳に入る光束を広げることで、スペックルの低減効果を高めることができる。 In the above (B), the speckle reduction effect can be enhanced by increasing the diffraction scattering angle by the diffuser and widening the light flux entering the entrance pupil of the projection lens.
しかしながら、従来の装置においては、複数の異なる波長、例えば、3原色(RGB)に対して共通のディフューザを使用する場合の問題が挙げられる。回折散乱角度は光源の波長に比例して大きくなるため、例えば、投射レンズの瞳径内に緑色(スペックル視感度が最も高い波長)の光束を拡げようとすると、波長の長い赤の光束が拡がり過ぎてケラレが生じてしまい、効率の大幅な低下を余儀なくされるといった問題が生じる。 However, in the conventional apparatus, there is a problem when a common diffuser is used for a plurality of different wavelengths, for example, three primary colors (RGB). Since the diffraction scattering angle increases in proportion to the wavelength of the light source, for example, when trying to spread a green beam (the wavelength with the highest speckle visibility) within the pupil diameter of the projection lens, a red beam with a long wavelength is generated. There is a problem that vignetting occurs due to excessive expansion, resulting in a significant reduction in efficiency.
そこで、本発明は、波長選択性を有するディフューザを中間像の形成位置に配置してスペックルを低減させるとともに、光利用効率の著しい低下を伴わずに各波長の光束を投射光学系の瞳径に対して充分に拡げることを課題とする。 Therefore, the present invention reduces the speckle by arranging a diffuser having wavelength selectivity at the formation position of the intermediate image, and emits the light flux of each wavelength without significantly reducing the light utilization efficiency. The problem is to expand sufficiently.
本発明は、上記した課題を解決するために、波長の異なる光を出力するコヒーレント光源を有する光源部と、該光源部からの光を受けて中間像を形成する光学系と、該中間像の形成位置に配置された光散乱部と、該光散乱部の後段に配置された投射光学系を備え、光散乱部に、コヒーレント光源の各波長に対して波長選択性を有する複数の回折格子が用いられ、波長に応じて光を散乱させる構成としたものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a light source unit having a coherent light source that outputs light having different wavelengths, an optical system that receives light from the light source unit, and forms an intermediate image. A light scattering portion disposed at the formation position and a projection optical system disposed at a subsequent stage of the light scattering portion, and the light scattering portion includes a plurality of diffraction gratings having wavelength selectivity with respect to each wavelength of the coherent light source. It is used and is configured to scatter light according to the wavelength.
従って、本発明では、中間像形成位置に配置される光散乱部において、波長選択性を有する複数の回折格子を用いることによって、光源の波長毎に回折散乱角と回折格子面を独立に設計することができる。つまり、光束の拡がり角や回折面の位置が波長に応じて規定された上で投射光学系に入射される。 Therefore, in the present invention, the diffraction scattering angle and the diffraction grating surface are independently designed for each wavelength of the light source by using a plurality of diffraction gratings having wavelength selectivity in the light scattering portion arranged at the intermediate image forming position. be able to. That is, the beam divergence angle and the position of the diffractive surface are defined according to the wavelength and then incident on the projection optical system.
本発明によれば、コヒーレント光源を用いた画像生成装置への適用において、スペックル低減効果を高めることで画質向上を図るとともに、光利用効率の著しい低下を伴わずに各波長の光束を投射光学系の瞳径に対して充分に拡げることができ、安全性の向上に有効である。 According to the present invention, in application to an image generation apparatus using a coherent light source, image quality is improved by increasing the speckle reduction effect, and light beams of each wavelength are projected without significant decrease in light utilization efficiency. It can be expanded sufficiently with respect to the pupil diameter of the system, and is effective in improving safety.
そして、光散乱部において、各波長に対応した回折格子が上記光学系の光軸に沿って位置的にずらして配置された構成によれば、中間像面の位置を波長毎に配置できるという自由度が生まれるため、軸上色収差の低減等に有効である。 Further, according to the configuration in which the diffraction gratings corresponding to the respective wavelengths are shifted in position along the optical axis of the optical system in the light scattering portion, the position of the intermediate image plane can be arranged for each wavelength. This is effective in reducing longitudinal chromatic aberration.
また、各波長に対応した回折格子による散乱角度を波長毎に設定することによって、光学設計の自由度を高めることができ、光利用効率の著しい低下を伴わずに、所望の光束を拡げることができ、充分な安全対策を講じることが可能である。 In addition, by setting the scattering angle by the diffraction grating corresponding to each wavelength for each wavelength, the degree of freedom in optical design can be increased, and the desired luminous flux can be expanded without significantly reducing the light utilization efficiency. It is possible to take sufficient safety measures.
光源部がレーザ光源と光変調素子を備え、該光変調素子を用いた光変調による画像を、リレー光学系によって中間像位置に結像させる構成形態では、画像表示装置等への適用において、光利用効率や画質の向上等に寄与する。例えば、光変調素子として一次元光変調素子を用いるとともに、リレー光学系による一次元像を、光走査手段によって一次元像の形成方向とは直交する方向に走査することで二次元化する装置において、高画質化、高性能化に適した構成が実現され、また、小型化やコスト削減等に有用である。 In a configuration in which the light source unit includes a laser light source and a light modulation element, and an image obtained by light modulation using the light modulation element is formed at an intermediate image position by a relay optical system, Contributes to improved usage efficiency and image quality. For example, in an apparatus that uses a one-dimensional light modulation element as a light modulation element and makes a two-dimensional image by scanning a one-dimensional image by a relay optical system in a direction orthogonal to the direction in which the one-dimensional image is formed by an optical scanning unit. A configuration suitable for high image quality and high performance is realized, and it is useful for downsizing and cost reduction.
本発明は、例えば、波長の異なる複数のコヒーレント光源及び光変調素子を用いて画像表示や画像出力等を行う画像生成装置において、スペックル低減効果を高めるとともに、充分な安全対策を講じることを目的とする。 An object of the present invention is, for example, to enhance speckle reduction effect and take sufficient safety measures in an image generation apparatus that performs image display, image output, and the like using a plurality of coherent light sources and light modulation elements having different wavelengths. And
本発明の適用において、コヒーレント光源及び光変調素子の種類や構成の如何は問わないが、例えば、レーザ光源を用い、一次元空間変調型の光変調素子等により形成される一次元画像を、ガルバノメータ等の光走査手段によって走査することで二次元中間像を形成する画像表示装置に適用し、あるいはプリンタ等の画像出力装置に適用することが可能である。 In the application of the present invention, the type and configuration of the coherent light source and the light modulation element are not limited. For example, a one-dimensional image formed by a one-dimensional spatial modulation type light modulation element or the like using a laser light source is converted into a galvanometer. The present invention can be applied to an image display device that forms a two-dimensional intermediate image by scanning with an optical scanning means such as a printer, or an image output device such as a printer.
図1は、本発明に係る画像生成装置1を、前面投射型の画像表示装置に適用した場合の基本構成について概要を例示したものである。
FIG. 1 illustrates an outline of a basic configuration when an
本例において、コヒーレント光源2から出力される光は、照明光学系3を経て光変調部4に到達し、ここで変調された光が色合成部5、光学系6(空間フィルタを含む。)、光散乱部7を経て、投射及び光走査系8に到達する。
In this example, the light output from the coherent light source 2 reaches the light modulation unit 4 through the illumination
コヒーレント光源2には、複数の光源が用いられる。例えば、R(赤)、G(緑)、B(青)の波長毎に半導体レーザや固体レーザ等を用いたレーザ光源2R、2G、2Bが設けられており、図示しない電源部からの電力供給を受けて各色に応じた波長のレーザビームをそれぞれ出力する。
A plurality of light sources are used as the coherent light source 2. For example,
照明光学系3は、レーザビームを光変調部4に対して所定の光強度プロファイルをもって照射するために設けられている。本例では、各レーザ光源から出力されるビームを一次元の線状ビームに変換する役目を有し、ビーム拡大光学系やラインジェネレータ等を用いて構成される。尚、R、G、Bの各色に応じた光学系3R、3G、3Bがそれぞれに用いられる。
The illumination
光変調部4には、例えば、一次元型の光変調素子が使用される。R、G、Bの各色に対応した一次元光変調素子4R、4G、4Bを用いて構成され、上記光学系3R、3G、3Bを経て均一化された強度分布(所謂「トップハット」分布)の線状ビームが各素子に照射される。尚、一次元光変調素子には、例えば、GLV(グレーティング・ライト・バルブ)素子を使用することができる。反射型回折格子の場合、複数の可動リボン及び固定リボンが所定の方向に沿って交互に配置されている。例えば、1画素を構成する6本のリボン素子が設けられていて、3本ずつの可動リボンと固定リボンとが1つおきにそれぞれ配置されている場合に、1ライン分の1080画素では6480本のリボン素子が一次元方向(画素配列方向)に沿って配列される。レーザ光の照射面に対して、可動リボンの表面である第1面と、固定リボンの表面である第2面については、アルミニウム銅(AlCu)合金等が用いられ、各面が交互に配置されるとともに、後述する駆動制御部(9)からの駆動信号を受けて可動リボンが移動されてその第1面がレーザ光の照射方向に沿う方向に位置制御される。つまり、画像信号に応じた駆動電圧が印加されると、駆動電圧に応じた変位量をもって可動リボンが移動し、この状態(所謂ピクセルオン時)では入射光に対する反射型回折格子が構成される(1次回折光の発生)。また、可動リボンを動かさずに固定リボンとの間で変位量を揃えた状態(所謂ピクセルオフ時)では、1次回折光が発生しない(入射光に対する正反射のみ)。
For the light modulation unit 4, for example, a one-dimensional light modulation element is used. Intensity distribution composed of one-dimensional
尚、GLV素子を使用する形態では、高速な動作制御が可能あることや、広い帯域幅で高い解像度の画像表示を行う場合に低い動作電圧でもって駆動可能なこと等の特長が得られるが、本発明の適用においては、一次元空間変調型素子に限らず、二次元空間変調型素子を用いた構成形態でも構わない。また、光源2、照明光学系3、光変調部4を含む光源部に限らず、光源部に自己発光型デバイスを用いた構成形態への適用が可能である。
In addition, in the form using the GLV element, features such as being capable of high-speed operation control and being able to be driven with a low operating voltage when displaying a high resolution image with a wide bandwidth are obtained. The application of the present invention is not limited to a one-dimensional spatial modulation element, and may be a configuration using a two-dimensional spatial modulation element. Further, the present invention is not limited to the light source unit including the light source 2, the illumination
図1において、一次元光変調素子4R、4G、4Bに照射された照明光の反射光や回折光が発生されて、色合成部5では、変調された各色光が合成された後、光学系6に到達する。
In FIG. 1, the reflected light and diffracted light of the illumination light irradiated on the one-dimensional
光学系6には、光学素子や空間フィルタが含まれ、光源部からの光を受けて所定位置に中間像を形成する。空間フィルタは、特定次数の回折光成分を選別する役目をもち、例えば、一次元光変調素子4R、4G、4Bを用いて変調された光のうち、±1次回折光をとり出すためにシュリーレンフィルタが用いられる(画像表示に用いない0次光が遮光される。)。
The
光学系6による中間像の形成位置には、光散乱部7が配置されており、後で詳述するように各レーザ光源の波長に対して選択性を有する光散乱素子(所謂「ディフューザ」)が用いられる。
A
光散乱部7の後段には、投射及び光走査系8が配置されており、上記中間像の投影機能及び光走査による二次元像化の機能を有する。例えば、下記に示す構成形態が挙げられる。
A projection and
・投射系の後段に光走査系を配置する構成
・光走査系の後段に投射系を配置する構成
・投射系内に光走査系が包含されるようにした一体的構成。
A configuration in which the optical scanning system is arranged in the subsequent stage of the projection system. A configuration in which the projection system is arranged in the subsequent stage of the optical scanning system. An integrated configuration in which the optical scanning system is included in the projection system.
光走査系には、例えば、ガルバノメータが用いられ、一次元像の入射光を受けて二次元像を形成する。即ち、一次元像の形成方向を「第一の方向」とするとき、該方向は一次元光変調素子の長軸方向に対応しており、該第一の方向に対して直交する「第二の方向」に沿って光走査を行うことにより二次元像が形成される。 For example, a galvanometer is used in the optical scanning system, and a two-dimensional image is formed by receiving incident light of a one-dimensional image. That is, when the formation direction of the one-dimensional image is the “first direction”, the direction corresponds to the major axis direction of the one-dimensional light modulation element, and the “second direction” is orthogonal to the first direction. A two-dimensional image is formed by performing optical scanning along the “direction of”.
光走査によって得られる二次元像は、投射光学系の作用によってスクリーン「SCN」上に拡大投影され、映像表示が行われる。 The two-dimensional image obtained by optical scanning is enlarged and projected on the screen “SCN” by the action of the projection optical system, and image display is performed.
上記光変調部4の駆動制御については、図中に「VIDEO」で示す映像信号に応じて駆動制御部9により行われる。例えば、映像信号は色差信号からRGBの色信号に変換される。そして、γ(ガンマ)特性等の非線形特性が付与されている場合には、逆補正を行うことで線形特性への変換が行われた後、照明光源の色再現範囲への対応のための色空間変換処理等が行われる。駆動制御部9の出力信号は、一次元光変調素子4R、4G、4Bの駆動回路を介して、一次元光変調素子にそれぞれ供給され、これにより、色毎にレーザ光の変調制御が行われる。
The drive control of the light modulation unit 4 is performed by the drive control unit 9 in accordance with a video signal indicated by “VIDEO” in the drawing. For example, the video signal is converted from a color difference signal to an RGB color signal. If a nonlinear characteristic such as a γ (gamma) characteristic is given, the color for conversion to the color reproduction range of the illumination light source is obtained after conversion to the linear characteristic by performing reverse correction. Spatial conversion processing and the like are performed. The output signal of the drive control unit 9 is supplied to the one-dimensional light modulation elements via the drive circuits of the one-dimensional
光走査制御部10は、投射及び光走査系8を構成する光学素子の駆動制御(例えば、ガルバノミラーの回転制御)を行う。つまり、一次元光変調素子4R、4G、4Bを用いた光変調により得られる一次元像を走査して二次元化するための制御を行うものであり、図中に「SYNC」で示す同期信号に従って制御信号を投射及び光走査系8に送出し、機構部の動作を制御する。
The optical
図2及び図3は、画像生成装置の主要部について光学的構成の一例を示したものであり、図2は、一次元光変調素子の長軸方向(画素配列方向)に沿う方向から見た構成図を示し、図3は、該長軸方向とは直交する方向から見た場合の、光変調素子4c(「c」は色を表す指標であり、R、G、Bのいずれかを示す。)、光学系6、光散乱部7、投射及び光走査系8を示している。尚、これらの図には、レーザ光源、照明光学系、光変調素子に関して、便宜上、3原色のうち、ある波長だけを例示しているが、実際の光学系では、上記のように波長毎に光源部が設けられて、各色光が色合成部5において合成される。
2 and 3 show an example of the optical configuration of the main part of the image generation apparatus, and FIG. 2 is viewed from the direction along the major axis direction (pixel arrangement direction) of the one-dimensional light modulation element. FIG. 3 shows a configuration diagram, and FIG. 3 shows a
図2において、レーザ光源2c(「c」は色を表す指標であり、R、G、Bのいずれかを示す。)から出射されたビームは、照明光学系3において、発散レンズ11、コリメートレンズ12、シリンドリカルレンズ13を透過して一次元光変調素子4cに照射される。尚、シリンドリカルレンズ13は図2の紙面に平行な面内でパワーをもち、紙面に直交する面内ではパワーをもたない。
In FIG. 2, a beam emitted from a
一次元光変調素子4cには、例えば、反射型回折格子が用いられ、その配列方向が図2の紙面に垂直な方向(あるいは図3における素子4cの長手方向)とされる。一次元光変調素子4cにおける反射光や回折光は、光学系6(リレー光学系)にて、第1リレーレンズ14、シュリーレン絞り15、第2リレーレンズ16の順に透過する。例えば、シュリーレン絞り15において0次光が遮光され、±1次回折光が選択的に通過して後段の光散乱部7に到達する。尚、本発明の適用においては、図示のようなレンズを用いたリレー光学系に限らず、オフナーリレー光学系(例えば、主鏡及び副鏡を用いて、副鏡にシュリーレン絞りを設置した光学系)等を用いても良く、光源部からの光を受けて中間像を形成する各種光学系への適用が可能である。
For example, a reflection type diffraction grating is used for the one-dimensional
光学系6を通った後に形成される一次元中間像の像面には光散乱素子が設置されており、該素子を用いて波長毎に回折により散乱された光は、投射及び光走査系18を介してスクリーン「SCN」上に投影される。尚、投射及び光走査系8において、例えば、前段に投射光学系17(図には投射レンズだけを示す。)が配置されており、光散乱素子によって拡散された光束が入射される。投射光学系17の後段には、光走査系18(図2には、紙面に垂直な回転軸「R」を有する回転反射鏡19を示す。)が配置されており、画像信号と同期した光走査によって一次元像が二次元化されてスクリーン上に投影される。
A light scattering element is provided on the image plane of the one-dimensional intermediate image formed after passing through the
中間像形成位置に設置される光散乱素子については、光源毎の波長に対して波長選択性を有する材料を用いて複数の回折格子が形成される。つまり、特定の波長に対してのみ回折効果を有し、他の光源波長に対する回折効果については画質への影響が無視できるほど充分に小さいという特徴をもっており、例えば、下記に示す構成形態が挙げられる。 For the light scattering element installed at the intermediate image forming position, a plurality of diffraction gratings are formed using a material having wavelength selectivity with respect to the wavelength of each light source. That is, it has a feature that it has a diffraction effect only for a specific wavelength, and the diffraction effect for other light source wavelengths is sufficiently small that the influence on image quality can be ignored. .
(I)一つの波長に対応する回折格子をそれぞれに形成する構成
(II)複数の波長に対応する回折格子の組み合わせ、又は該回折格子と上記(I)の回折格子とを組み合わせた形態
(I) Configuration in which diffraction gratings corresponding to one wavelength are respectively formed (II) A combination of diffraction gratings corresponding to a plurality of wavelengths, or a combination of the diffraction grating and the diffraction grating of (I) above
先ず、(I)では、例えば、3原色(R、G、B)のそれぞれに対応する波長に関して、一つの波長においては屈折率差を有するが残りの2つの波長においては同じ屈折率又はほぼ等しい屈折率をもつ材料(例えば、有機物顔料を含有する光硬化型樹脂、熱硬化型樹脂等の有機材料)を組み合わせた複合構造とする。つまり、それらの材料をフォトリソグラフィ技術により、一定の繰り返し周期(回折ピッチ)で基板(合成石英やガラス等)上に配置して格子パターンを形成する。 First, in (I), for example, with respect to the wavelengths corresponding to the three primary colors (R, G, B), there is a difference in refractive index at one wavelength, but the same or almost the same refractive index at the remaining two wavelengths. A composite structure in which materials having a refractive index (for example, organic materials such as a photocurable resin and a thermosetting resin containing an organic pigment) are combined is used. That is, these materials are arranged on a substrate (synthetic quartz, glass, etc.) with a constant repetition period (diffraction pitch) by a photolithography technique to form a lattice pattern.
例えば、図4の(A)図に示すような波長選択性回折格子を有する光散乱素子20では、赤色光(その波長を「λR」と記すとき、例えば、λR=640nm)に対応する回折格子20Rと、緑色光(その波長を「λG」と記すとき、例えば、λG=530nm)に対応する回折格子20Gと、青色光(その波長を「λB」と記すとき、例えば、λB=450nm)に対応する回折格子20Bとが、所定の間隔(回折格子面間隔「d1」、「d2」参照。例えば、100μm程度)をおいて位置的にずらした状態で形成されている。
For example, in the
回折格子20Rは、波長λRにおいて屈折率差を有し、かつ波長λG、λBでは屈折率差が殆どない材料を組み合わせて形成され、よって、赤色光に対する回折作用が得られ、緑色光や青色光については回折作用をもたない(透過作用のみ)。同様に、回折格子20Gは、波長λGにおいて屈折率差を有し、かつ波長λR、λBでは屈折率差が殆どない材料を組み合わせて形成され、回折格子20Bは、波長λBにおいて屈折率差を有し、かつ波長λR、λGでは屈折率差が殆どない材料を組み合わせて形成される。
The
(B)図は、ある特定波長の入射光に対する回折の様子を示す概念的な説明図であり、「20c」は回折格子を表している(「c」は、R、G、Bのいずれかを示す色指標である。)。 FIG. 5B is a conceptual explanatory diagram showing the state of diffraction with respect to incident light having a specific wavelength, where “20c” represents a diffraction grating (“c” is one of R, G, and B). Is a color index indicating.).
光散乱素子への入射角(「θin」参照)については、例えば、±10°程度が許容範囲とされる。つまり、高次回折光の回折角度に対して小さい角度であることが求められる。 Regarding the incident angle to the light scattering element (see “θin”), for example, about ± 10 ° is an allowable range. That is, the angle is required to be small with respect to the diffraction angle of the high-order diffracted light.
3次回折光の回折角(「θ3」参照)については、0次光を基準として、例えば、±9°程度とされる。許容範囲を広げすぎると、投射レンズの開口数(NA)を大きくする必要が生じ、投射レンズのコスト上昇等を招く原因となる。 The diffraction angle of the third-order diffracted light (see “θ3”) is, for example, about ± 9 ° with respect to the zeroth-order light. If the allowable range is excessively widened, it is necessary to increase the numerical aperture (NA) of the projection lens, which causes an increase in the cost of the projection lens.
4次以上の回折光比率については、効率等を考慮して、例えば、10%未満にすることが好ましい。+3次〜−3次の回折光量のバラツキに関しては、各次数の光量平均値を基準として±50%以下にすることが好ましい(投射レンズの射出瞳上で光量分布が集中するとレーザ安全対策上の問題が生じる虞があり、好ましくないため。)。尚、回折効率については、格子高さや格子形状によって変化させることができる。 The fourth-order or higher diffracted light ratio is preferably less than 10% in consideration of efficiency and the like. With respect to the variation of the + 3rd to -3rd order diffracted light amounts, it is preferable to set the light amount average value of each order to be ± 50% or less (if the light amount distribution is concentrated on the exit pupil of the projection lens, it is necessary for laser safety measures). This may cause problems and is not preferable.) The diffraction efficiency can be changed depending on the grating height and the grating shape.
また、R、G、Bの各色の波長選択性に関して、設計対象とする波長(例えば、R色の波長)を基準として、残り2波長(例えば、G色、B色の各波長)の回折光強度を最小限に抑えることが望ましい(例えば、相対強度比で5%未満とする。)。つまり、結像位置と異なる面での回折による散乱は、例えば、画像投射装置への適用においてスクリーンでの解像度低下につながるため、そのような不具合を生じさせないことが求められる。 Further, regarding the wavelength selectivity of each color of R, G, and B, diffracted light of the remaining two wavelengths (for example, each wavelength of G color and B color) on the basis of the wavelength to be designed (for example, wavelength of R color) It is desirable to minimize the strength (for example, the relative strength ratio is less than 5%). That is, scattering due to diffraction on a surface different from the imaging position leads to a decrease in resolution on the screen when applied to an image projection apparatus, for example, and thus it is required that such a problem does not occur.
回折散乱角及び回折格子面位置については、3原色の色毎に独立して設計することができる。 The diffraction scattering angle and the diffraction grating surface position can be designed independently for each of the three primary colors.
回折格子に係る繰り返し周期が回折散乱角に対応しており、回折散乱角が波長に比例することから、波長に応じて繰り返し周期を規定すれば、回折散乱角度を波長に拠らない一定値又は一定範囲内にすることができる(つまり、回折散乱角Δθが、波長「λ」に比例し、繰り返し周期「p」に反比例する関係において、波長λに比例したp値に規定すれば良い。)。 Since the repetition period related to the diffraction grating corresponds to the diffraction scattering angle, and the diffraction scattering angle is proportional to the wavelength, if the repetition period is defined according to the wavelength, the diffraction scattering angle does not depend on the wavelength, or (In other words, the diffraction scattering angle Δθ is proportional to the wavelength “λ” and is inversely proportional to the repetition period “p”. The p value is proportional to the wavelength λ.) .
尚、各回折格子を含むそれぞれの素子を独立に作成して配置することもできるが、上記のようにそれらを一体化した素子として作成した方が、小型化や精度面、製造工数等の観点から望ましい。 In addition, although each element including each diffraction grating can be independently created and arranged, it is better to create them as elements integrated as described above in terms of downsizing, accuracy, manufacturing man-hours, etc. Desirable from.
上記(II)では、例えば、特定の2色に対応する波長に関して、波長選択性を有する材料の組み合わせを使用して、これをフォトリソグラフィ技術により、一定の繰り返し周期で基板上に配置し、格子パターンを形成する。 In the above (II), for example, for a wavelength corresponding to two specific colors, a combination of materials having wavelength selectivity is used, and this is arranged on a substrate with a constant repetition period by a photolithography technique. Form a pattern.
図5に示す波長選択性回折格子を有する光散乱素子21では、赤色光に対応する回折格子21Rと、緑色光及び青色光を含む波長範囲に対応する回折格子21GBとが、所定の間隔(回折格子面間隔)をおいて位置的にずらした状態で形成されている。
In the
回折格子21Rは、波長λRにおいて屈折率差を有し、かつ波長λG、λBでは屈折率差が殆どない材料を組み合わせて形成され、よって、赤色光に対する回折作用が得られ、緑色光や青色光については回折作用をもたない(透過作用のみ)。また、回折格子21GBは、波長λG やλBを含む波長範囲において屈折率差を有し、かつ波長λRでは屈折率差が殆どない材料を組み合わせて形成される。
The
このような構成は、例えば、緑色に対する比視感度が高いこと及び緑色光束の散乱角を充分に確保したいといった要請を考慮した光学系等に適用することができ、又は、多原色再現系等への適用において有効である。 Such a configuration can be applied to, for example, an optical system that takes into account the demand for high specific visibility for green and a sufficient scattering angle of the green luminous flux, or to a multi-primary color reproduction system. It is effective in the application of.
光源波長に対して波長選択性を有する回折格子型の光散乱素子は、例えば、有機プレーナ光学素子として高精度で製造することができ、波長に応じた積層構造の採用により、格子面間隔の制御が容易であり、格子ピッチや格子高さの制御はもとより、材料選択及び材料の組み合わせにより波長選択性を現出させることができる。また、製造面では、光学式ディスクや光磁気ディスク等の再生ヘッドや記録ヘッドに用いられるホログラム素子等の分野で実績のある技術を用いることにより、マスクプロセスによる量産性や設計自由度の高さ等を生かすことができる。 A diffraction grating type light scattering element having wavelength selectivity with respect to a light source wavelength can be manufactured with high accuracy, for example, as an organic planar optical element, and by controlling the grating plane spacing by adopting a laminated structure according to the wavelength. In addition to controlling the grating pitch and grating height, wavelength selectivity can be realized by selecting materials and combinations of materials. On the manufacturing side, mass production by mask process and high degree of freedom of design are achieved by using technologies that have been proven in the field of hologram elements used for reproducing heads and recording heads such as optical disks and magneto-optical disks. Etc. can be utilized.
図6は、上記(I)の形態において、3原色の波長毎に選択性を有する各回折格子20R、20G、20B(図には、破線で示す。)を、光学系の光軸(図の「L−L」線参照。)に沿って位置的にずらして配置した構成例を示す。尚、この光軸は、リレー光学系や投射光学系の光軸に一致し、中間像位置に光散乱素子が配置される。
FIG. 6 shows the
回折格子の設計においては、下記に示す事項が独立して行われる。 In designing the diffraction grating, the following items are performed independently.
(a)波長毎の回折面を光軸方向にずらすこと
(b)波長毎に回折格子間隔(ピッチ)を変更すること
(A) Shift the diffraction surface for each wavelength in the optical axis direction. (B) Change the diffraction grating interval (pitch) for each wavelength.
先ず、上記(a)では、光軸上において回折格子面の間隔を設計パラメータとする。例えば、回折格子20Rと20Gとの面間隔を「d1」と記し、20Gと20Bとの面間隔を「d2」と記すとき、d1値とd2値とを同じにする必要はなく、d1値又はd2値を、許容範囲内で任意に変更する設計上の自由度が得られる。回折格子の面間隔の設定により、画像プロジェクタ等への適用において軸上色収差の問題を解決することができ、光学的性能の向上に寄与する。
First, in (a) above, the distance between the diffraction grating surfaces on the optical axis is used as a design parameter. For example, when the surface distance between the
また、上記(b)では、波長毎に回折格子間隔(格子周期)を変更することで、回折散乱角度を波長毎に設定可能である。例えば、上記したように、波長に比例した格子周期にして回折散乱角が波長に依存しないように設計することができ、緑色光でも赤色光と同じか又はほぼ同程度の回折角を得ることができ、実効瞳径の拡大に寄与する。つまり、投射レンズの瞳径内に緑色光束を、赤色光束と同程度に拡げることができ、赤色光束のケラレの問題がなく、効率低下を伴うことがなくなる。また、光束を拡げることが、安全面においてレーザ光による障害防止対策として有効である。つまり、誤って投射レンズを覗き込んだ観察者の目に入射される光量を充分に低下させ、網膜上で結像する光の最小サイズを大きくすることで障害防止や被爆軽減等に効果的である。 In (b) above, the diffraction scattering angle can be set for each wavelength by changing the diffraction grating interval (grating period) for each wavelength. For example, as described above, it is possible to design the grating period in proportion to the wavelength so that the diffraction scattering angle does not depend on the wavelength, and even green light can obtain the same or almost the same diffraction angle as red light. And contributes to the expansion of the effective pupil diameter. In other words, the green light beam can be expanded within the pupil diameter of the projection lens to the same extent as the red light beam, there is no problem of vignetting of the red light beam, and there is no reduction in efficiency. In addition, expanding the luminous flux is effective as a measure for preventing failure due to laser light in terms of safety. In other words, the amount of light incident on the eyes of an observer mistakenly looking into the projection lens is sufficiently reduced, and the minimum size of light that forms an image on the retina is increased, which is effective in preventing damage and reducing exposure. is there.
上記した波長選択性を有する光散乱素子を、中間像面位置に配置することは、スペックル低減に有効であるとともに、解像度維持のためにも必要とされる。つまり、波長毎に異なった位置に中間像面が存在する場合であっても、上記の構成形態によって、解像度の劣化を伴うことなく、波長に応じた回折格子面を各別に配置することができる。 Arranging the light scattering element having the wavelength selectivity described above at the position of the intermediate image plane is effective for reducing speckles and is also required for maintaining the resolution. In other words, even when the intermediate image plane exists at a different position for each wavelength, the above-described configuration allows the diffraction grating planes corresponding to the wavelengths to be arranged separately without degrading the resolution. .
以上に説明したように、波長選択性を有する光散乱素子を用いて、波長毎に光を回折散乱させる構成によれば、画像生成装置への適用において、長い波長の光(例えば、赤色)の利用効率を低下させることなく、各色の光束を投射光学系の入射瞳径まで最大限に拡げることで開口を有効に活用することができ、例えば、下記に示す利点が得られる。 As described above, according to the configuration in which light is diffracted and scattered for each wavelength using a light-scattering element having wavelength selectivity, long wavelength light (for example, red) can be applied to an image generation apparatus. The aperture can be used effectively by maximizing the luminous flux of each color to the entrance pupil diameter of the projection optical system without reducing the utilization efficiency. For example, the following advantages can be obtained.
・スペックル低減効果を高めることができ(S/N比の向上に寄与する。)、しかも、そのために光利用効率の低下や、構成の複雑化、著しいコスト上昇等を伴わないこと。
・レーザ光を用いた装置の安全性を充分に保証することができ、しかも、そのためにレーザ光出力等を低下させる必要がないこと。
・中間像面の位置を波長毎に自由に設定できることにより、投射光学系やリレー光学系の軸上色収差について厳しい要求が課せられないこと(軸上色収差に対する許容範囲が広がる。)。
・光学的な設計自由度が高くなり、投射光学系の解像度性能の向上、画像歪の低下等に関して設計マージンが大きくなることや、光学素子に特殊な硝材を用いる必要がなくなり、投射光学系の低コスト化が可能になること。
The speckle reduction effect can be enhanced (contributes to the improvement of the S / N ratio), and for that purpose, the light utilization efficiency is not reduced, the configuration is complicated, and the cost is not significantly increased.
-The safety of the apparatus using the laser beam can be sufficiently guaranteed, and it is not necessary to reduce the laser beam output or the like for that purpose.
-Since the position of the intermediate image plane can be freely set for each wavelength, strict requirements are not imposed on the axial chromatic aberration of the projection optical system and the relay optical system (the allowable range for the axial chromatic aberration is widened).
・ Optical design flexibility is increased, the design margin is increased for improving the resolution performance of the projection optical system and the image distortion is reduced, and there is no need to use a special glass material for the optical element. Cost reduction is possible.
1…画像生成装置、2…コヒーレント光源、2R、2G、2B…レーザ光源、4R、4G、4B…光変調素子、6…光学系、7…光散乱部、17…投射光学系、20R、20G、20B…回折格子、21R、21GB…回折格子
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記光散乱部に、上記コヒーレント光源の各波長に対して波長選択性を有する複数の回折格子が用いられ、波長に応じて光を散乱させる構成とした
ことを特徴とする画像生成装置。 A light source unit having a coherent light source that outputs light having different wavelengths, an optical system that receives light from the light source unit to form an intermediate image, a light scattering unit disposed at a position where the intermediate image is formed, and the light In the image generation apparatus provided with the projection optical system arranged in the subsequent stage of the scattering unit,
A plurality of diffraction gratings having wavelength selectivity with respect to each wavelength of the coherent light source are used in the light scattering unit, and the light generating unit is configured to scatter light according to the wavelength.
各波長に対応した上記回折格子が、上記光学系の光軸に沿って位置的にずらして配置されている
ことを特徴とする画像生成装置。 The image generation apparatus according to claim 1,
The image generating apparatus, wherein the diffraction grating corresponding to each wavelength is arranged so as to be shifted in position along the optical axis of the optical system.
各波長に対応した上記回折格子による散乱角度が波長毎に設定されている
ことを特徴とする画像生成装置。 The image generation apparatus according to claim 1,
An image generating apparatus, wherein a scattering angle by the diffraction grating corresponding to each wavelength is set for each wavelength.
上記光源部がレーザ光源と光変調素子を備えており、該光変調素子を用いた光変調による画像を、リレー光学系によって中間像位置に結像させる
ことを特徴とする画像生成装置。 The image generation apparatus according to claim 1,
An image generating apparatus, wherein the light source section includes a laser light source and a light modulation element, and an image obtained by light modulation using the light modulation element is formed at an intermediate image position by a relay optical system.
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