JP2013195501A - Laser emitting device and video display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光源を用いたレーザ照明装置、およびこのレーザ照明装置を用いた映像表示装置に関する。 The present invention relates to a laser illumination device using a laser light source and an image display device using the laser illumination device.
近年、プロジェクタやリアプロジェクションディスプレイなどの映像表示装置には、レーザ光源を用いた照明装置を備えたものが開発されている。レーザ光源は単色性がよいため、色再現範囲を広くすることができ、色鮮やかな画像が得られる。また、光源面積が小さいため、スタック化(レーザスタック)することで高輝度化を実現することができる。さらに、ランプ光源と比較して信頼性が格段に高く、大型のプロジェクションシステムなどにおいては、メンテナンス性が良いというメリットもある。 In recent years, video display devices such as projectors and rear projection displays have been developed that include an illumination device using a laser light source. Since the laser light source has good monochromaticity, the color reproduction range can be widened and a colorful image can be obtained. Further, since the area of the light source is small, high luminance can be realized by stacking (laser stack). In addition, the reliability is remarkably higher than that of a lamp light source, and a large projection system has an advantage of good maintainability.
しかしながら、レーザは可干渉性が高く、スペックルノイズと呼ばれる干渉パターンが発生して画質が低下するという問題がある。スペックルノイズには、光学系内の微小な凹凸により生じた干渉パターンが画像に重畳されるものと、スクリーンの粗面で散乱された光が鑑賞者の眼の中で干渉して生成される干渉パターンが網膜上で重畳されるものとがある。特に後者は低減が難しく、レーザ光源を用いる上での課題となっている。 However, the laser has a high coherence, and there is a problem that an image quality deteriorates due to an interference pattern called speckle noise. Speckle noise is generated by superimposing interference patterns generated by minute irregularities in the optical system on the image and light scattered by the rough surface of the screen in the viewer's eyes. Some interference patterns are superimposed on the retina. In particular, the latter is difficult to reduce and is a problem in using a laser light source.
このスペックルノイズの問題を解決するために、映像表示装置内の光路中の適当な箇所に拡散板を配置して、この拡散板を振動させる技術が提案されている。 In order to solve the problem of speckle noise, a technique has been proposed in which a diffusion plate is arranged at an appropriate position in an optical path in an image display device and the diffusion plate is vibrated.
例えば、特許文献1に開示された技術では、ライトトンネルの入射口に円錐プリズムを設け、その円錐プリズムによりレーザ光を集光させながらライトトンネルに導くと共に、円錐プリズムをライトトンネルの光軸方向に平行に振動させて、光束の光路を変化させることにより、異なる干渉パターンを生成させてスペックルノイズを低減している。 For example, in the technique disclosed in Patent Document 1, a conical prism is provided at the entrance of the light tunnel, and the conical prism is guided to the light tunnel while condensing laser light, and the conical prism is arranged in the optical axis direction of the light tunnel. By oscillating in parallel and changing the optical path of the light flux, different interference patterns are generated to reduce speckle noise.
しかしながら、特許文献1に示された従来の技術では、光路中に配置した円錐プリズムを振動させるため、振動音が発生するという問題がある。また、円錐プリズムを振動させるための機構部を設ける必要があるため、装置の小型化の妨げになるという問題もある。 However, the conventional technique disclosed in Patent Document 1 has a problem in that vibration sound is generated because the conical prism disposed in the optical path is vibrated. In addition, since it is necessary to provide a mechanism for vibrating the conical prism, there is a problem in that the size of the apparatus is hindered.
また、レーザ光源はエタンデュが小さいため、高輝度化のためには均一化素子を用いることが望ましいが、可動部(円錐プリズム)を内部に設けるためには、均一化素子として中空のライトトンネルを用いる必要がある。しかしながら、中空のライトトンネルは、入射光のエネルギーが高い場合の信頼性がインテグレータロッドよりも低いという問題がある。中空のライトトンネルは、4枚のガラス板等を接着剤で貼り合わせて形成されることが多く、熱により接着力の変化が生じるためである。 Also, since the laser light source has a small etendue, it is desirable to use a homogenizing element for high brightness, but in order to provide a movable part (conical prism) inside, a hollow light tunnel is used as the homogenizing element. It is necessary to use it. However, the hollow light tunnel has a problem that the reliability when the energy of the incident light is high is lower than that of the integrator rod. This is because a hollow light tunnel is often formed by bonding four glass plates or the like with an adhesive, and the adhesive force changes due to heat.
また、特許文献2には、複数の発光点を有する光源(面発光レーザ等)と集光レンズとインテグレータロッドとを備えた照明装置において、インテグレータロッドの直前に、レーザ光の発散角を広げる拡散素子を配置してスペックルノイズを低減する技術が開示されているが、面発光レーザ等を用いることが前提となっており、それ以外のレーザ光源を用いた場合には、インテグレータロッドの入射面に所定の角度内でレーザ光を無駄なく入射させることが難しく、光の利用効率の点で改善の余地がある。
Further,
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、スペックルノイズを低減することができるレーザ照明装置および映像表示装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a laser illumination device and an image display device that can reduce speckle noise.
本発明に係るレーザ照明装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光の強度分布を均一化する均一化素子と、レーザ光源から出射されたレーザ光を均一化素子に結合させる結合光学系とを備え、結合光学系は、レーザ光を透過し拡散させる拡散素子を有することを特徴とする。 A laser illumination apparatus according to the present invention includes a laser light source that emits laser light, a homogenizing element that equalizes the intensity distribution of the laser light, and a coupling optical system that couples the laser light emitted from the laser light source to the homogenizing element. The coupling optical system includes a diffusion element that transmits and diffuses laser light.
本発明に係る映像表示装置は、上記のレーザ照明装置と、レーザ照明装置によって照明される映像表示デバイスと、映像表示デバイスにより生成された映像光を投写する投写光学系とを備えたことを特徴とする。 An image display apparatus according to the present invention includes the above laser illumination apparatus, an image display device illuminated by the laser illumination apparatus, and a projection optical system that projects image light generated by the image display device. And
本発明によれば、拡散素子によってレーザ光を拡散させることにより、スペックルノイズを低減することができる。また、レーザ光を、均一化素子の入射面上の広い領域に入射させることができるため、光強度をより均一化することができる。また、特許文献1のように可動部を振動させる必要がないため、騒音が生じず、装置の小型化にも資することができる。 According to the present invention, speckle noise can be reduced by diffusing laser light with a diffusion element. Further, since the laser beam can be incident on a wide area on the incident surface of the homogenizing element, the light intensity can be made more uniform. Moreover, since it is not necessary to vibrate a movable part like patent document 1, a noise does not arise and it can contribute to size reduction of an apparatus.
さらに、特許文献2と異なり、結合光学系が、レーザ光を透過し拡散させる拡散素子を有しているため、均一化素子の入射面に所定の角度内でレーザ光を無駄なく入射させることができ、光の利用効率を向上することができる。
Further, unlike
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1におけるレーザ光源2を用いたレーザ照明装置1を備えた映像表示装置の構成を示す図である。映像表示装置は、レーザ光を出射するレーザ光源2と、拡散素子3と、レーザ光の光束断面内の強度分布を均一化する均一化素子としてのインテグレータロッド5と、レーザ光源2から出射されたレーザ光をインテグレータロッド5に結合するための結合光学素子としてのレンズ4とを有している。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a video display device provided with a laser illumination device 1 using a
映像表示装置は、また、インテグレータロッド5で強度分布が均一化されたレーザ光を非照明体(映像表示デバイス7)に照射する照明光学系としてのリレーレンズ6と、入射したレーザ光を空間的に変調して出力する反射型の映像表示デバイス7と、映像表示デバイス7によって変調されたレーザ光(映像光)を投写する投写光学系としての投写レンズ8と、投写レンズ8により映像光が投写されるスクリーン9とを備えている。
The video display device also includes a
これらの光学要素のうち、レーザ光源2、拡散素子3、レンズ(結合光学素子)4およびインテグレータロッド(均一化素子)5は、レーザ照明装置1を構成している。
Among these optical elements, the
レーザ光源2は、例えばレーザダイオードであり、発光部2aから発散状態のレーザ光を出射する。なお、高いエネルギーを得るためには、発光領域の大きいレーザダイオードを用いることが好ましく、また、大口径光ファイバに結合したレーザ光を用いても良い。
The
レーザ光源2の出射側には、拡散素子3とレンズ4とが配置されている。拡散素子3については、後述する。
A diffusing
レンズ4は、図2に模式的に示すように、レーザ光源2から出射されたレーザ光を、インテグレータロッド5の入射面5a上に集光する機能を有する。ここでは、レンズ4の光軸4cを、レーザ照明装置1の全体の光軸と規定する。なお、レンズ4は、単一のレンズで構成してもよく、複数のレンズで構成してもよい。
The
図1に戻り、インテグレータロッド5は、中実の角柱状の光学素子である。インテグレータロッド5の入射面5aおよび出射面5bの形状、並びに軸方向に直交する断面形状は、いずれも、映像表示デバイス7の表示面7aと略相似の矩形状であり、長辺と短辺を有している。
Returning to FIG. 1, the
インテグレータロッド5は、入射面5aから入射したレーザ光を内部で有限回数全反射し、断面内の強度分布を均一化したレーザ光を出射面5bから出射する。ここでは、インテグレータロッド5の中心軸5cは、レンズ4の光軸4c(図2)と同軸上にある。また、入射面5aには、反射防止膜(ARコート)を形成してもよい。
The
リレーレンズ6は、インテグレータロッド5から出射されたレーザ光を映像表示デバイス7の表示面7aに照射する。このとき、リレーレンズ6は、インテグレータロッド5の出射面5bの像を映像表示デバイス7の表示面7aに形成することにより、映像表示デバイス7の表示面7aを均一に照明する。
The
映像表示デバイス7(光変調素子、ライトバルブとも称する)は、例えば反射型液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイスなどで構成される。デジタルマイクロミラーデバイスは、多数のマイクロミラーを平面的に配列したものであり、画像情報に応じて各マイクロミラーの傾角を変化させることで入射光を変調する。 The video display device 7 (also referred to as a light modulation element or a light valve) is configured by, for example, a reflective liquid crystal panel or a digital micromirror device. The digital micromirror device has a large number of micromirrors arranged in a plane and modulates incident light by changing the tilt angle of each micromirror according to image information.
投写レンズ8は、映像表示デバイス7により変調されたレーザ光(映像光)を、スクリーン9に拡大投写する。前面投写型(フロントプロジェクタ)の場合には、スクリーン9は微小な構造を有する粗面を有しており、投写レンズ8により投写された映像光が粗面で拡散反射され、鑑賞者が映像を鑑賞する。一方、背面投写型(リアプロジェクタ)の場合には、スクリーン9は、樹脂等の素材に拡散剤を分散させた透過型スクリーンで構成され、鑑賞者は透過光による映像を観賞する。
The
スクリーン9の表面と映像表示デバイス7の表示面7aとは、互いに共役な位置に配置されている。また、映像表示デバイス7の表示面7aと、インテグレータロッド5の出射面5bとは、互いに共役な位置に配置されている。
The surface of the
図3は、本実施の形態におけるレーザ照明装置1を示す斜視図である。図3に示すように、拡散素子3(光束分割素子)は、結合光学素子であるレンズ4の光路中に配置されている。ここでは、拡散素子3は、レンズ4の手前側(レーザ光源2側)に配置されているが、レンズ4のインテグレータロッド5側に配置されていてもよい。
FIG. 3 is a perspective view showing the laser illumination device 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the diffusing element 3 (light beam splitting element) is disposed in the optical path of the
拡散素子3は、多数の微小なセル(レンズセル)3aを平面的に配列したレンズアレイである。各レンズセル3aの形状(開口形状)は、インテグレータロッド5の矩形状の入射面5aと略相似の矩形状である。
The diffusing
また、拡散素子3の各レンズセル3aは、インテグレータロッド5の入射面5aと光学的に平行である。すなわち、拡散素子3の各レンズセル3aの長辺方向をX方向とし、短辺方向をY方向とすると、これらX方向およびY方向は、インテグレータロッド5の入射面5aの長辺方向(X’方向)および短辺方向(Y’方向)とそれぞれ光学的に平行である。なお、光学的に平行とは、例えば反射素子による光路の折り曲げがあった場合に、その光路の折り曲げを考慮して実質的に平行であることをいう。
Each
拡散素子3の各レンズセル3aは、正のパワーを有するレンズであり、ここでは入射面側(光源2側)に凸形状の球面レンズである。レンズセル3aの正のパワーとレンズ4の作用により、レーザ光を集光する。すなわち、拡散素子3のレンズセル3aおよびレンズ4は、レーザ光をインテグレータロッド5の入射面5aに(所望の集光スポットが得られるように)入射させる結合光学系10を構成している。
Each
レンズセル3aのX方向、Y方向の大きさ(セルサイズ)は、数10μmである。また、拡散素子3は、例えば、X方向に100個、Y方向に100個のレンズセル3aを配列したものである。すなわち、拡散素子3は、入射したレーザ光を100×100程度の光束に分割して出射するよう構成されている。
The size (cell size) of the
次に、拡散素子3を用いることによる効果について説明する。図4は、レーザ光源2から出射され、拡散素子3の1つのレンズセル3aに入射したレーザ光の光路を示す模式図であり、図4(A)はY方向から見た図、図4(B)はX方向から見た図である。
Next, the effect of using the
図4(A)および(B)に示すように、レーザ光源2から発散状態で出射されたレーザ光は、拡散素子3の1つのレンズセル3aに入射し、インテグレータロッド5の入射面5aと略相似な矩形断面を有する光束として出射される。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the laser light emitted from the
そして、拡散素子3の一つのレンズセル3aを透過したレーザ光は、当該レンズセル3aの正のパワーとレンズ4の作用により、インテグレータロッド5の入射面5aの手前に集光する。レンズセル3aの開口により集光NA(開口数)が規定され、インテグレータロッド5の入射面5a上では、レンズセル3aの開口形状と略相似な矩形状に広がったレーザ光の集光分布が得られる。
Then, the laser light transmitted through one
拡散素子3のレンズセル3aの分割数を多くすると、1つのレンズセル3aに入射するレーザ光束の強度分布はほぼ一定に近くなり、そのため、インテグレータロッド5の入射面5a上での強度分布もほぼ一定となる。また、レンズセル3aのレンズ曲率とXY方向の大きさとを適宜設定することにより、インテグレータロッド5の入射面5a内に収まる略相似形状の集光スポット(入射領域)を形成することができる。その結果、光量損失を抑えつつ、レーザ光をインテグレータロッド5に結合させることができる。
When the number of divisions of the
図5は、レーザ光源2から出力されたレーザ光全体の光路を示す模式図である。レーザ光源2から出射されたレーザ光は、拡散素子3およびレンズ4を透過して、インテグレータロッド5の入射面5a上に集光スポットを形成する。この集光スポットは、拡散素子3の各レンズセル3aを透過してインテグレータロッド5の入射面5a上に広がって入射した光束の重ね合わせになる。このような重ね合わせの結果、インテグレータロッド5の入射面5a上では、レーザ光全体として、矩形状の均一な強度分布(集光分布)が得られる。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the optical path of the entire laser beam output from the
図6は、インテグレータロッド5の入射面5aでのレーザ光の面内強度分布を、拡散素子3を設けない場合(A)と拡散素子3を設けた場合(B)のそれぞれについて示した図である。図6(A)に示すように、拡散素子3を設けない場合には、レーザ光源2の発光領域を転写した矩形状の小さな集光スポットが、インテグレータロッド5の入射面5aに形成される。これに対し、図6(B)に示すように、拡散素子3を設けた場合には、レーザ光源2の発光領域の形状・大きさに関わらず、インテグレータロッド5の入射面5aの全体に矩形状に広がった均一な強度分布が得られる。
FIG. 6 is a diagram showing the in-plane intensity distribution of the laser light on the
また、このように拡散素子3の各レンズセル3aを通ったレーザ光がインテグレータロッド5の入射面5a上で重ね合わされるため、インテグレータロッド5の入射面5aにおける任意の1点には、拡散素子3のほぼ全てのレンズセル3aを透過した光が集光することになる。
In addition, since the laser light that has passed through each
図7は、インテグレータロッド5の入射面5a上の任意の1点における入射光の角度強度分布を示すグラフである。図7(A)は、拡散素子3を設けない場合の角度強度分布を示し、図7(B)は、拡散素子3を設けた場合の角度強度分布を示す。図7の横軸は入射光の入射角度を示し、縦軸は強度を示す。
FIG. 7 is a graph showing the angular intensity distribution of incident light at an arbitrary point on the
図7(B)では、図7(A)と比較して、インテグレータロッド5の入射面5a上の1点における入射光の角度強度分布は離散的になっている。これは、拡散素子3の各レンズセル3aによってレーザ光束が細分化されているためである。但し、拡散素子3のレンズセル3aのサイズが数10μmと非常に小さく、入射したレーザ光を約100×100程度の光束に分割しているため、分布全体の形状は、レーザ光源2から出射された光の分布に近くなっている。
In FIG. 7B, compared to FIG. 7A, the angular intensity distribution of incident light at one point on the
このように、結合光学系10に拡散素子3を設けることによって、インテグレータロッド5の入射面5aに広く分布した矩形の集光スポットが形成され、且つ、集光スポット上の各点は、レーザ光源2から出射された際のレーザ光の角度分布に近い分布を有することになる。
As described above, by providing the diffusing
レーザ光の角度強度分布は、ガウシアン分布などの中央が急峻に高い分布となっているため、インテグレータロッド5の有限な反射回数では均一化が難しい。インテグレータロッド5の内部を伝播中のレーザ光の反射回数を増せば改善できるが、インテグレータロッド5の長さは、映像表示装置の大きさに基づき、通常は約100mm以下に制限される。
The angular intensity distribution of the laser light is steeply high in the center such as a Gaussian distribution, so that it is difficult to make it uniform with a finite number of reflections of the
そこで、本実施の形態では、結合光学系10に拡散素子3を設けることで、インテグレータロッド5の入射面5aでの強度分布を均一化している。これにより、短い長さのインテグレータロッド5を用いた場合でも、レーザ光の強度分布を均一化することができる。
Therefore, in the present embodiment, by providing the diffusing
また、映像表示装置では、インテグレータロッド5の出射面5b、映像表示デバイス7の表示面7a、またはスクリーン9の粗面において、レーザ光の有する高い可干渉性に起因してスペックルノイズが発生する場合がある。これは、光路上の光学素子の表面の微小な凹凸や拡散粒子などによってレーザ光が部分的に微小な位相差を持ち、そのレーザ光が重なり合ったときの干渉により生じる。
In the video display device, speckle noise is generated on the
これに対し、本実施の形態では、拡散素子3が多数の微細なレンズセル3aを有しているため、拡散素子3を透過したレーザ光はセル数分の光束に分割され、それぞれ異なる位相差が付与される。このように異なる位相差が付与された光束は、干渉パターン(スペックルパターン)が互いに異なるため、これらの光束の重ね合わせによりスペックルノイズが低減される。
On the other hand, in the present embodiment, since the diffusing
また、上記のようにスクリーン9の粗面の微小な凹凸に起因してレーザ光に位相差が付与されると、そのレーザ光が鑑賞者の眼の中で干渉して生成された干渉パターンが網膜上に結像されることによりスペックルノイズが形成され、不快な映像のちらつきやぎらぎらとして認識される。このようなスクリーンの粗面で発生するスペックルノイズは、以下で説明するように、投写されるレーザ光の角度多重によって低減される。
Further, when a phase difference is given to the laser light due to the minute unevenness of the rough surface of the
すなわち、スクリーン9の粗面のある一点に着目した場合、互いに異なる角度で粗面に入射するレーザ光には、互いに異なる位相差が付与されるため、発生する干渉パターンも互いに異なることとなる。従って、これらのレーザ光の重ね合わせにより、スペックルノイズを低減させることができる。
That is, when attention is paid to a certain point on the rough surface of the
上述したように、スクリーン9の粗面と映像表示デバイス7の表示面7aとは互いに共役であり、映像表示デバイス7の表示面7aとインテグレータロッド5の出射面5bとは互いに共役である。そのため、スクリーン9上の1点に対応するインテグレータロッド5の出射面5b上の1点の光の角度強度分布を、次のように制御すればよい。
As described above, the rough surface of the
図8は、インテグレータロッド5の出射面5b上のある1点から出射されるレーザ光の角度強度分布を、拡散素子3を設けない場合(A)と設けた場合(B)のそれぞれについて示す図である。拡散素子3を設けない場合には、有限な長さのインテグレータロッド5内でレーザ光が折り返されるため、図8(A)に示すような強度分布となる。
FIG. 8 is a diagram showing the angular intensity distribution of laser light emitted from a certain point on the
インテグレータロッド5の製造上の制約や、映像表示装置内の配置上の制約から、インテグレータロッド5でのレーザ光の反射回数は約10回以下であり、インテグレータロッド5の長手方向の折り返し回数はさらに少ない。そのため、インテグレータロッド5のある1点から出射されるレーザ光の強度分布は、反射回数分に対応する数のピークを有する離散的な分布となる。従って、スクリーン9の粗面上の1点に入射するレーザ光の入射角度の分布も離散的であり、その結果、異なる干渉パターンの重ね合わせが十分になされず、スペックルノイズが視認される。
Due to restrictions on the manufacturing of the
これに対し、本実施の形態では、結合光学系10に、微細なレンズセル3aを有する拡散素子3を設けたことにより、拡散素子3により分割された多数の光束が、ほぼ同じ角度強度分布を持って、インテグレータロッド5の入射面5aに位置を変えて入射する。それぞれの光束が出射面5bの微小領域から出射されるときには、(上述したインテグレータロッド5内部での反射により)離散的な角度分布を有しているが、それぞれの光束のインテグレータロッド5の入射面5a上の入射位置が異なるため、出射面5b上では異なる離散的な角度分布の光束が多数足し合わされる。その結果、インテグレータロッド5の出射面5b上の1点から出射されるレーザ光の強度分布は、図8(B)のような連続的に近い分布となる。
In contrast, in the present embodiment, by providing the coupling
そのため、スクリーン9の粗面上の任意の1点には、インテグレータロッド5の出射面5bから出射された、様々な入射角度の光束が入射することになる(すなわち入射角度が多重化される)。その結果、異なる干渉パターンの重ね合わせが十分に行われ、スペックルノイズが十分に低減される。
Therefore, light beams having various incident angles emitted from the
以上説明したように、本発明の実施の形態1によれば、結合光学系10が、レーザ光源2から出射されたレーザ光を透過し拡散させる拡散素子3を有しているため、位相差が付加された複数の光束の重ね合わせにより、スペックルノイズを低減することができる。また、均一化素子5の入射面5a上に、レーザ光の集光スポットを広く形成することができ、これにより光強度を均一化して、光の利用効率を向上することができる。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the coupling
また、従来技術のように可動部を振動させる必要がないため、騒音が発生せず、また、振動用の機構部が不要であるため、映像表示装置の小型化に資することができる。 Further, since there is no need to vibrate the movable part as in the prior art, no noise is generated, and no vibration mechanism is required, which can contribute to downsizing of the video display device.
また、この実施の形態1では、拡散素子3が、入射したレーザ光を複数の光束に分割する素子(具体的には、複数のレンズセル3aが配列されたレンズアレイ)で構成されているため、レーザ光を多数の光束に分割して均一化素子5の入射面5a上に矩形状の集光スポットを形成させる制御(拡散度の制御)を容易にすることができる。
Further, in the first embodiment, the diffusing
また、レンズアレイ3の各レンズセル3aの形状が、均一化素子5の矩形状の入射面5aと略相似であり、長辺同士が光学的に平行になるように配置されているため、レーザ光の拡散度を均一化素子5の長辺・短辺方向で異ならせ、均一化素子5の入射面5aに均一な集光スポットを広く形成することができる。
Further, the shape of each
また、レンズアレイ3の各レンズセル3aが正のパワーを有しているため、各レンズセル3aが光束を所定の集光位置(例えば、均一化素子5の入射面5aの手前)に集光させる機能を発揮することができる。これにより、レンズアレイ3を、結合光学系10の一部として構成することができる。
Further, since each
また、拡散素子3が、結合光学系10内の最も広い光束が通過する光学素子(レンズ4)の近傍に配置されているため、レーザ光を多数の光束に分割して均一化素子5の入射面5aに入射させる際の光量損失を抑えることができる。
Further, since the diffusing
実施の形態2.
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
図9は、実施の形態2における映像表示装置の構成を示す図である。実施の形態1で説明した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付す。この実施の形態2では、レーザ光源2と結合光学系10との間に、光ファイバ11を設けている。また、レーザ光源2と光ファイバ11との間に、ファイバ結合光学系12(光整形手段)を設けている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of the video display device according to the second embodiment. The same components as those described in Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals. In the second embodiment, an
光ファイバ11は、レーザ光源2側に入射端面11aを有し、結合光学系10側に出射端面11bを有する。出射端面11bは、結合光学系10の入射口に対応する位置、すなわち、実施の形態1(図1)におけるレーザ光源2の発光部2aに相当する位置にある。
The
ファイバ結合光学系12は、レーザ光源2から出射されたレーザ光を、光ファイバ11に結合するものである。ファイバ結合光学系12は、レーザ光源2から出射されたレーザ光の強度分布を、ガウシアン分布から略トップハット状の分布に変換するものである。このようなファイバ結合光学系12としては、公知のビーム整形素子(例えば、特許第4670876号公報に開示されたもの等)を使用することができる。
The fiber coupling
拡散素子3は、レーザ光源2とインテグレータロッド5との間であればどこに配置してもよいが、結合光学系10内において最も広い光束が通過する光学素子(ここではレンズ4)の近傍に配置することが望ましい。その理由は、以下の通りである。
The diffusing
すなわち、拡散素子3を、結合光学系10内において狭い光束が通過する部分に配置した場合、インテグレータロッド5の入射面5a上の集光スポットを広く確保するためには、レンズセル3aのレンズの曲率をきつく(曲率半径を小さく)しなければならない。この場合、拡散素子3のレンズセル3aを透過した光束は大きく広がることになるため、光量損失が生じる。
That is, when the diffusing
これに対し、拡散素子3を、結合光学系10内において最も広い光束が通過する光学素子(レンズ4)の近傍に配置すれば、光ファイバ11から出射されたレーザ光の略トップハット状の強度分布を保ちながら、レーザ光束を細分化することができる。これにより、多数の干渉パターンを重畳させ、効果的にスペックルノイズを低減することができる。
On the other hand, if the diffusing
なお、ここでは、光ファイバ11を用いた構成について説明したが、必ずしも光ファイバ11を用いなくともよく、結合光学系10に入射するレーザ光の強度分布を略トップハット状に制御する光学系(例えばファイバ結合光学系12)を設け、拡散素子3が当該強度分布を保つように構成されていればよい。
Here, the configuration using the
以上説明したように、本発明の第2の実施の形態によれば、拡散素子3によって、ファイバ結合光学系12で略トップハット状に制御されたレーザ光の強度分布を保ちながら、多数の光束に分割することができる。そのため、光量損失を抑制しつつ、均一化素子5の入射面5a上に広い集光スポットを形成することができる。その結果、スペックルノイズを効果的に低減し、光強度の均一化を図ることができる。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, a large number of light beams can be obtained while maintaining the intensity distribution of the laser light controlled in a substantially top hat shape by the fiber coupling
実施の形態3.
次に、本発明の実施の形態3について説明する。
図10は、実施の形態3における映像表示装置のレーザ照明装置1を示す図である。実施の形態1で説明した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付す。この実施の形態3におけるレーザ光源2は、複数の発光部2aを一方向(ここではX方向)に配列した1次元アレイ光源として構成されている。図10(A)は、レーザ照明装置1をY方向から見た図であり、図10(B)は、レーザ照明装置1をX方向から見た図である。
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 10 is a diagram showing the laser illumination device 1 of the video display device in the third embodiment. The same components as those described in Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals. The
1次元レーザアレイ光源は、一般に、活性層の厚み方向のエタンデシュは小さく、発光部2aの配列方向(アレイ方向)の幅と発散角から計算されるエタンデュは非常に大きい。そのため、拡散素子3を設けない状態で、レンズ4の集光作用によりインテグレータロッド5の入射面5aに形成される集光スポットは、図2に示したような点にならず、入射面5aに対してアレイ方向に有意な大きさを持つ場合がある。
In general, the one-dimensional laser array light source has a small etendue in the thickness direction of the active layer, and an etendue calculated from the width in the arrangement direction (array direction) of the
このような場合には、実施の形態1,2で説明したように拡散素子3のレンズセルの形状(開口形状)をインテグレータロッド5の入射面5aの形状と略相似にするのではなく、インテグレータロッド5の入射面5a上に形成される光源像の大きさを、インテグレータロッド5の入射面(開口)5aの大きさに近付けるように、拡散素子3の開口形状を決定すればよい。
In such a case, as described in the first and second embodiments, the shape (opening shape) of the lens cell of the diffusing
そこで、本実施の形態の拡散素子3は、図10(A)、(B)に示すように、複数のシリンドリカルレンズセル3bを有するシリンドリカルレンズアレイで構成されている。シリンドリカルレンズセル3bは、軸方向をX方向とする半円筒レンズであり、このシリンドリカルレンズセル3bがY方向に複数配列されている。
Therefore, as shown in FIGS. 10A and 10B, the diffusing
すなわち、本実施形態の拡散素子3は、アレイ方向(X方向)にはレーザ光を分割せず、アレイ方向に直交する方向(Y方向)にのみレーザ光を分割して位相差を付与する。言い換えると、この拡散素子3は、インテグレータロッド5の入射面5aの余裕のある方向(Y方向)にのみ、レーザ光束を分割して位相差を付加する。このように構成することによって、光量損失を抑制しつつスペックルノイズを低減し、光強度の均一化を図ることができる。
That is, the diffusing
なお、ここでは、レーザ光源2を1次元アレイ光源とした構成について説明したが、このような構成に限らず、複数の光ファイバを一列に配列してバンドル化した構成にも適用することができる。
In addition, although the structure which used the
以上説明したように、本発明の第3の実施の形態では、拡散素子3が、複数のシリンドリカルレンズセル3bを配列したシリンドリカルレンズアレイで構成されているため、1次元アレイ光源を用いた場合であっても、スペックルノイズを低減し、光強度の均一化を図ることができる。
As described above, in the third embodiment of the present invention, since the diffusing
上記の実施の形態1〜3では、スペックルノイズの低減や映像表示装置の小型化等の効果について説明したが、これらに加え、インテグレータロッド5の入射面5aでの集光スポットを大きくできるため、入射面5aにおけるエネルギー密度を低く抑えることができ、これにより入射面5aの反射防止膜(ARコート)の信頼性が向上するという効果も得られる。
In Embodiments 1 to 3 described above, the effects of reducing speckle noise and reducing the size of the video display device have been described. However, in addition to these, the condensing spot on the
上述した各実施の形態は、種々の変形が可能であることは言うまでもない。
例えば、実施の形態1〜3では、拡散素子3として、複数のレンズセル3aを有するレンズアレイを用いたが、その他に、例えば、異方性散乱特性を有するホログラム素子などの微細構造の拡散素子を用いてもよい。この場合も、レーザ光の拡散度を均一化素子5の入射面5aの長辺方向と短辺方向とで異ならせることで、入射面5aに広く均一な集光スポットを形成し、スペックルノイズを低減することができる。
Needless to say, the above-described embodiments can be variously modified.
For example, in the first to third embodiments, a lens array having a plurality of
また、実施の形態1〜3では、均一化素子としてインテグレータロッド5を用いたが、ライトトンネルを用いることも可能である。但し、インテグレータロッド5の方が、入射光のエネルギーが高い場合の信頼性が高いという利点がある。
In the first to third embodiments, the
また、実施の形態1〜3では、映像表示デバイス7を、反射型の液晶パネルまたはデジタルマイクロミラーデバイスと説明したが、投写型の液晶パネル等であってもよい。
In the first to third embodiments, the
本発明におけるレーザ照明装置は、例えば、プロジェクタやリアプロジェクションディスプレイなどの映像表示装置の照明装置として利用することができる。 The laser illumination device according to the present invention can be used as an illumination device for a video display device such as a projector or a rear projection display.
1 レーザ照明装置、 2 レーザ光源、 3 拡散素子、 3a レンズセル、 3b シリンドリカルレンズセル、 4 レンズ(結合光学素子)、 5 インテグレータロッド(均一化素子)、 5a 入射面、 5b 出射面、 6 リレーレンズ(照明光学系)、 7 映像表示デバイス、 8 投写レンズ(投写光学系)、 9 スクリーン、 10 結合光学系、 11 光ファイバ、 11a 入射端面、 11b 出射端面、 12 ファイバ結合光学系(光整形手段)。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser illuminating device, 2 Laser light source, 3 Diffusing element, 3a Lens cell, 3b Cylindrical lens cell, 4 Lens (combining optical element), 5 Integrator rod (homogenizing element), 5a Incident surface, 5b Emission surface, 6 Relay lens (Illumination optical system), 7 image display device, 8 projection lens (projection optical system), 9 screen, 10 coupling optical system, 11 optical fiber, 11a incident end face, 11b emitting end face, 12 fiber coupling optical system (light shaping means) .
Claims (13)
レーザ光の強度分布を均一化する均一化素子と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記均一化素子に結合させる結合光学系と
を備え、
前記結合光学系が、レーザ光を透過し拡散させる拡散素子を有すること
を特徴とするレーザ照明装置。 A laser light source for emitting laser light;
A uniformizing element for uniformizing the intensity distribution of the laser beam;
A coupling optical system that couples the laser light emitted from the laser light source to the homogenizing element;
The laser illumination apparatus, wherein the coupling optical system includes a diffusion element that transmits and diffuses laser light.
前記レンズアレイの各レンズセルは、前記均一化素子の前記入射面の長辺と光学的に平行な長辺を有する矩形状であることを特徴とする請求項2に記載のレーザ照明装置。 The entrance surface of the uniformizing element is rectangular,
3. The laser illumination device according to claim 2, wherein each lens cell of the lens array has a rectangular shape having a long side optically parallel to a long side of the incident surface of the uniformizing element.
前記シリンドリカルレンズアレイの各シリンドリカルレンズセルの軸方向は、前記レーザ光源の発光点の配列方向と平行であることを特徴とする請求項9に記載のレーザ照明装置。 The laser light source is a plurality of light emitting units arranged in one direction,
The laser illuminating apparatus according to claim 9, wherein an axial direction of each cylindrical lens cell of the cylindrical lens array is parallel to an arrangement direction of light emitting points of the laser light source.
前記レーザ照明装置によって照明される映像表示デバイスと、
前記映像表示デバイスにより生成された映像光を投写する投写光学系と
を備えたことを特徴とする映像表示装置。 The laser illumination device according to any one of claims 1 to 12,
An image display device illuminated by the laser illumination device;
An image display apparatus comprising: a projection optical system that projects image light generated by the image display device.
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CN110221509A (en) * | 2018-03-01 | 2019-09-10 | 青岛海信激光显示股份有限公司 | A kind of lens and laser projection device |
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US10915014B1 (en) | 2019-08-28 | 2021-02-09 | Seiko Epson Corporation | Illumination optical device and projector |
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