JP2015141393A - Illumination device and projection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、照明装置および照明装置を有する投射装置に関する。 The present invention relates to an illumination device and a projection device having the illumination device.
例えば特許文献1に開示されているように、レンズアレイやホログラムからなる光学素子を用いた照明装置が知られている。とりわけ特許文献1に開示された照明装置では、コヒーレント光を射出する光源と、光源からの光の光路を周期的に変化させる走査装置と、を有した照射装置が設けられている。この照明装置では、光学素子上の各領域に入射した光の光路が、光学素子によって調整されて一定の被照明領域に向けられる。この結果、被照明領域は、光学素子上の各領域に対応した種々の方向から照明されることになる。 For example, as disclosed in Patent Document 1, an illumination device using an optical element including a lens array or a hologram is known. In particular, the illumination device disclosed in Patent Document 1 includes an irradiation device including a light source that emits coherent light and a scanning device that periodically changes the optical path of light from the light source. In this illumination device, the optical path of light incident on each area on the optical element is adjusted by the optical element and directed to a certain illuminated area. As a result, the illuminated area is illuminated from various directions corresponding to each area on the optical element.
レーザー光などのコヒーレント光を射出する照明装置では、スペックルの発生という問題が生じる。スペックル(speckle)は、レーザー光などのコヒーレント光を散乱面に照射したときに現れる斑点状の模様である。スペックルは、例えばスクリーン上に発生すると斑点状の輝度ムラ(明るさのムラ)として観察され、観察者に対して生理的な悪影響を及ぼす要因になる。特許文献1に開示された照明装置によれば、照明光の散乱面への入射角度が経時的に変化するため、コヒーレント光の拡散で生じる散乱面上でのスペックルが重畳されて時間的に平均化されて目立たなくなる。 In an illumination device that emits coherent light such as laser light, there is a problem of speckle generation. A speckle is a speckled pattern that appears when a scattering surface is irradiated with coherent light such as laser light. For example, speckle is observed as spot-like luminance unevenness (brightness unevenness) when it occurs on the screen, and causes a physiological adverse effect on the observer. According to the illumination device disclosed in Patent Document 1, since the incident angle of the illumination light on the scattering surface changes with time, speckles on the scattering surface generated by the diffusion of the coherent light are superimposed and temporally. Averaged to be inconspicuous.
ところで、本件発明者らは、被照明領域での照度分布を均一化する観点から、図7に示すように、照明装置140に均一化光学素子165を追加することを検討している。図7に示された照明装置140では、拡散素子150とコンデンサレンズ155とを有した光学素子145が用いられている。コンデンサレンズは、拡散素子からの発散光束の光路を均一化光学素子の入射面に向ける。この照明装置におけるスペックルの不可視化は、コンデンサレンズから均一化光学素子に入射する入射光束の光軸の角度変動の大きさθxaを大きくすることによって、達成され得る。
By the way, the present inventors are considering adding a homogenizing
その一方で、拡散素子での拡散能の強さθyaは、スペックル低減に直接的に寄与しない。均一化光学素子まで光源光をより確実に誘導してより高い利用効率で利用する観点からは、拡散素子での拡散角θyaを広げ過ぎないことが有効である。また、光源光の利用効率以外の観点からも、図8及び図9に示すように、拡散素子での拡散角θyaを広げることには制約が生じる。図8に示すように、拡散素子150での拡散角θybを大きく設定すると、大型のコンデンサレンズ156を用いる必要が生じ照明装置も大型化してしまう。また、図9に示すように、コンデンサレンズ155を大型化させずに拡散素子150での拡散角θybを大きくするには、拡散素子151を小型化する必要が生じる。拡散素子151を小型すると、光軸の角度変動の大きさθxbが小さくなり、スペックルを十分に目立たなくすることができなくなる。
On the other hand, the intensity θ ya of the diffusibility in the diffusing element does not directly contribute to speckle reduction. From the viewpoint of more reliably guiding the light source light to the homogenizing optical element and using it with higher utilization efficiency, it is effective not to widen the diffusion angle θ ya at the diffusion element too much. Further, from the viewpoint other than the utilization efficiency of the light source light, as shown in FIGS. 8 and 9, there is a restriction on increasing the diffusion angle θ ya in the diffusion element. As shown in FIG. 8, when the diffusion angle θ yb in the
しかしながら、拡散素子での拡散角θyaが小さいと、図7に示すように、均一化光学素子165の長さにも依存するが、均一化光学素子165内で十分に全反射が繰り返されなくなる。結果として、各瞬間において、均一化光学素子165の出射面のうちの一部分のみからしか光が出射しなくなる。すなわち、各瞬間に照明可能となる領域LZaは、均一化光学素子165の出射面に対面する被照明領域LZの一部分となってしまい、被照明領域LZを均一な照度にて照明することができない。
However, if the diffusion angle θ ya at the diffusing element is small, the total reflection is not sufficiently repeated in the uniformizing
本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、スペックルを目立たなくさせながら十分に均一な照度で照明することができる照明装置、並びに、この照明装置を用いた投射装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and provides an illuminating device capable of illuminating with sufficiently uniform illuminance while making speckles inconspicuous, and a projection device using the illuminating device. The purpose is to do.
本発明による照明装置は、
第1拡散素子と、
前記第1拡散素子上を走査するようにして前記第1拡散素子にコヒーレント光を照射する照射装置と、
前記第1拡散素子で拡散されたコヒーレント光の光路を変更する偏向素子と、
前記偏向素子で光路を変更されたコヒーレント光が反射しながら通過する均一化光学素子と、
前記偏向素子から前記均一化光学素子までの光路に配置される第2拡散素子と、を備え、
前記第1拡散素子上の或る領域に入射して拡散されたコヒーレント光、並びに、前記第1拡散素子上の前記或る領域とは異なる別の領域に入射して拡散されたコヒーレント光が、それぞれ、前記偏向素子によって前記第2拡散素子に集められ、当該第2拡散素子によって拡散された後に均一化光学素子を通過して照明に用いられる。
The lighting device according to the present invention comprises:
A first diffusing element;
An irradiation device for irradiating the first diffusion element with coherent light so as to scan on the first diffusion element;
A deflection element for changing an optical path of coherent light diffused by the first diffusion element;
A uniformizing optical element through which the coherent light whose optical path has been changed by the deflecting element is reflected, and
A second diffusing element disposed in an optical path from the deflecting element to the homogenizing optical element,
Coherent light that has been incident and diffused on a certain region on the first diffusion element, and coherent light that has been incident and diffused on another region different from the certain region on the first diffusion element are: Each is collected by the deflecting element on the second diffusing element, diffused by the second diffusing element, and then passed through the uniformizing optical element and used for illumination.
本発明による照明装置において、前記第2拡散素子は、凹レンズを含むようにしてもよい。 In the illumination device according to the present invention, the second diffusing element may include a concave lens.
本発明による照明装置において、前記第2拡散素子は、凸レンズを含むようにしてもよい。 In the illumination device according to the present invention, the second diffusing element may include a convex lens.
本発明による照明装置において、前記第2拡散素子は、前記均一化光学素子の入射面上に配置されていてもよい。 In the illumination device according to the present invention, the second diffusing element may be disposed on an incident surface of the uniformizing optical element.
本発明による照明装置において、前記第2拡散素子の主点は、前記偏向素子の後側焦点上に位置していてもよい。 In the illuminating device according to the present invention, the principal point of the second diffusing element may be located on the rear focal point of the deflecting element.
本発明による照明装置において、前記偏向素子から前記第2拡散素子までの距離は、前記偏向素子の焦点距離以上であるようにしてもよい。 In the illumination device according to the present invention, a distance from the deflection element to the second diffusion element may be equal to or greater than a focal length of the deflection element.
本発明による照明装置において、前記第2拡散素子から前記均一化光学素子の入射面までの距離は、前記偏向素子から前記第2拡散素子までの距離よりも短くなっていてもよい。 In the illumination device according to the present invention, a distance from the second diffusion element to the incident surface of the uniformizing optical element may be shorter than a distance from the deflection element to the second diffusion element.
本発明による照明装置において、前記第1拡散素子の入射面から前記偏向素子までの距離は、前記第2拡散素子から前記均一化光学素子の入射面までの距離よりも長く、前記偏向素子から前記第2拡散素子までの距離よりも短くなっていてもよい。 In the illumination device according to the present invention, a distance from the incident surface of the first diffusing element to the deflecting element is longer than a distance from the second diffusing element to the incident surface of the homogenizing optical element. It may be shorter than the distance to the second diffusion element.
本発明による照明装置において、前記第1拡散素子は、複数の凹レンズを含むレンズアレイを有するようにしてもよい。 In the illumination device according to the present invention, the first diffusion element may have a lens array including a plurality of concave lenses.
本発明による照明装置において、前記第1拡散素子は、複数の凸レンズを含むレンズアレイを有するようにしてもよい。 In the illumination device according to the present invention, the first diffusion element may have a lens array including a plurality of convex lenses.
本発明による照明装置において、前記第1拡散素子は、ホログラム記録媒体を含むようにしてもよい。 In the illumination device according to the present invention, the first diffusion element may include a hologram recording medium.
本発明による投射装置は、
上述した本発明による照明装置のいずれかと、
前記照明装置からの光によって照明される空間光変調器と、を備える。
The projection apparatus according to the present invention
Any of the lighting devices according to the invention described above;
A spatial light modulator illuminated by light from the illumination device.
本発明による投射装置が、前記空間光変調器からの光を被投射体上に向ける投射光学系を、さらに備えるようにしてもよい。 The projection apparatus according to the present invention may further include a projection optical system that directs light from the spatial light modulator onto the projection target.
本発明による投射型表示装置は、
上述した本発明による投射装置のいずれかと、
前記投射装置から光を投射される被投射体と、を備える。
The projection display device according to the present invention is
Any of the projection devices according to the invention described above;
A projection object to which light is projected from the projection device.
本発明によれば、スペックルを目立たなくさせることができるとともに、十分に均一な照度で照明することができる。 According to the present invention, speckles can be made inconspicuous, and illumination can be performed with sufficiently uniform illuminance.
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings attached to the present specification, for the sake of illustration and ease of understanding, the scale, the vertical / horizontal dimension ratio, and the like are appropriately changed and exaggerated from those of the actual product.
また、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。 In addition, as used in this specification, the shape and geometric conditions and the degree thereof are specified, for example, terms such as “parallel”, “orthogonal”, “identical”, length and angle values, etc. are strictly Without being bound by meaning, it should be interpreted including the extent to which similar functions can be expected.
図1に示す投射型映像表示装置10は、スクリーン15と、映像光を投射する投射装置20と、を有している。投射装置20は、仮想面上に位置する被照明領域LZをコヒーレント光で照明する照明装置40と、被照明領域LZと重なる位置に配置され照明装置40によって照明される空間光変調器30と、空間光変調器30からのコヒーレント光をスクリーン15に投射する投射光学系25と、を有している。すなわち、ここで説明する一実施の形態において、照明装置40は、空間光変調器30を照明するための照明装置として、投射装置20に組み込まれている。そして、照明装置40は、コヒーレント光によって被照明領域LZを照明するが、この照明装置40には、スペックルを目立たなくさせる工夫がなされている。
A projection
まず、照明装置40について説明する。図1に示されているように、照明装置40は、コヒーレント光を照射する照射装置70と、照射装置からの光を所定の領域に向ける光学素子45と、光学素子45から照射されるコヒーレント光を拡散させる第2拡散素子60と、第2拡散素子60で拡散されたコヒーレント光を誘導する均一化光学素子65と、を有している。
First, the
この照明装置40において、照射装置70は、光学素子45上を走査するようにして当該光学素子45にコヒーレント光を照射する。したがって、ある瞬間に、照射装置70によってコヒーレント光を照射されている光学素子45上の領域は、光学素子45の表面の一部分となる。光学素子45は、走査経路上の或る一つの領域に入射したコヒーレント光、並びに、走査経路上の前記或る一つの領域からずれた位置にある別の一つの領域に入射したコヒーレント光が、それぞれ第2拡散素子60に入射するように、光路を調整する。とりわけ、以下に説明する実施の形態では、光学素子45の入射面をなす第1拡散素子50を平面分割してなる複数の領域にそれぞれに入射した光が、第2拡散素子60に入射するよう、照射装置70から光学素子45に照射されたコヒーレント光の光路が調整される。第2拡散素子60に入射した光は、当該第2拡散素子60で拡散された後に、均一化光学素子65を通過して被照明領域LZの照明に用いられる。
In the
照射装置70は、特定波長帯域のコヒーレント光を射出する光源装置71と、光源装置71からの光の進行方向を光学素子45に向ける走査装置75と、を有している。光源装置71は、コヒーレント光を生成する光源72、例えばレーザー光源72を有している。
The
一方、走査装置75は、光源72からのコヒーレント光の光路を経時的に変化させるデバイスである。図示された具体例において、走査装置75は、一つの回動軸Raを中心として回動可能な光路変更部材を有している。光路変更部材は、それ自体、入射光の光路を変更する機能を有している。この光路変更部材が、一つの軸Raを中心として回動する。すなわち、図示された照射装置70は、一次元走査デバイスとして構成されている。光路変更部材としては、プリズム等を例示することもできるが、図示された例では、反射面76aを有した反射部材76として構成されている。この反射部材76は、反射面76aと平行な回動軸Raを中心として回動可能に保持されている。このような走査装置75は、一例として、共振ミラーデバイスから構成され得る。
On the other hand, the
次に、光学素子45について説明する。光学素子45は、上述したように、各領域への入射光を当該領域の位置に応じた特定の方向に向ける光路制御機能を有している。ここで説明する光学素子45は、各領域への入射光の進行方向を変更して、第2拡散素子60に集める。すなわち、光学素子45の入射面を平面分割してなる各領域に照射された照射装置70からのコヒーレント光は、光学素子45を経由した後に、第2拡散素子60に向かうようになる。
Next, the
図1及び図2に示すように、光学素子45は、光学素子45の入射面をなす第1拡散素子50と、第1拡散素子50で拡散されたコヒーレント光の光路を調整する偏向素子55と、を有している。図2に示すように、光学素子45は、入射光を拡散して、当該光の光路幅を広げる。偏向素子55は、光路幅を広げられた光学素子45からの光束の光路を補正して第2拡散素子60に集める。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
一例として、図1及び図2に示された例において、第1拡散素子50は、照射装置70からの光の入射方向に対応して形成されたレンズアレイ51を含んで構成され得る。ここで「レンズアレイ」とは、単位レンズとも呼ばれる小さなレンズの集合体であり、屈折または反射によって光の進行方向を偏向させる素子として機能する。図示された例において、レンズアレイ51は、凹レンズからなる単位凹レンズ52を敷き詰めて形成されている。レンズアレイ51をなす複数の単位凹レンズ52は、各凹レンズの光軸と直交する仮想面上に並べられている。そして、レンズアレイ51は、各単位凹レンズ52に対応する各領域に入射する光を拡散させる。一方、図2に示された一具体例において、偏向素子55は、レンズアレイ51に対向して配置されたコンデンサレンズまたはフィールドレンズとして機能するレンズ56から構成されている。
As an example, in the example shown in FIGS. 1 and 2, the first diffusing
第2拡散素子60は、第1拡散素子50の単位レンズと同様に、入射光を拡散して、光路幅を広げることができる。図示された例において、第2拡散素子60は、凹レンズ61として形成されている。
Similar to the unit lens of the first diffusing
均一化光学素子65は、被照明領域LZにおける照度の均一化を確保するために設けられた素子である。均一化光学素子65の入射面65aへ入射したコヒーレント光は、均一化光学素子65内で反射、例えば全反射を繰り返し、出射面65bから出射する。この結果、均一化光学素子65の出射面65bでの照度分布は均一化する。図示された例では、均一化光学素子65の出射面65bに対面する領域を被照明領域LZとしている。すなわち、均一化光学素子65を設けることで、被照明領域LZ内の全域が均一な光量で照明されることになる。
The homogenizing
均一化光学素子65は、例えばインテグレータロッド66を用いて構成可能である。インテグレータロッド66は、筒状になっており、その入射面に入射したコヒーレント光を内壁で全反射させながら出射面方向に伝搬させる。これにより、インテグレータロッド66の出射面からは、出射面内の全域で光量が均一なコヒーレント光が出射される。ここで、均一化の程度は、個々の使用形態によって異なるが、概略的な目安としては、出射面での照度分布のばらつきが10%以内である。なお、均一化光学素子65としては、インテグレータロッドに限られることなく、例えばカライドスコープやライトパイプを用いることができる。
The homogenizing
次に、空間光変調器30について説明する。空間光変調器30は、被照明領域LZに重ねて配置される。そして、空間光変調器30は、照明装置40によって照明され、変調画像を形成する。照明装置40からの光は、被照明領域LZの全域のみを照明する。したがって、空間光変調器30の入射面は、照明装置40によって光を照射される被照明領域LZと同一の形状および大きさであることが好ましい。この場合、照明装置40からの光を、変調画像の形成に高い利用効率で利用することができるからである。
Next, the spatial
空間光変調器30は、特に制限されることなく、種々の公知の空間光変調器を利用することができる。例えば、偏光を利用することなく変調画像を形成する空間光変調器、例えばデジタルミラーデバイス(DMD)や、偏光を利用して変調画像を形成する透過型の液晶マイクロディスプレイや反射型のLCoS(Liquid Crystal On Silicon(登録商標))を、空間光変調器30として用いることができる。
The spatial
図1に示された例のように、空間光変調器30が、透過型の液晶マイクロディスプレイである場合、照明装置40によって面状に照明される空間光変調器30が、画素毎にコヒーレント光を選択して透過させることにより、空間光変調器30をなすディスプレイの画面上に変調画像が形成されるようになる。こうして得られた変調画像は、最終的には、投射光学系25によって、等倍で或いは変倍されてスクリーン15へ投射される。これにより、観察者は、スクリーン15上に投射された当該画像を観察することができる。スクリーン15は、透過型スクリーンとして構成されていてもよいし、反射型スクリーンとして構成されていてもよい。
As in the example shown in FIG. 1, when the spatial
次に、以上の構成からなる照明装置40、投射装置20および投射型映像表示装置10の作用について説明する。
Next, the operation of the
まず、照射装置70は、光学素子45の第1拡散素子50上を走査するようにして、第1拡散素子50へコヒーレント光を照射する。具体的には、光源装置71の光源72で一定方向に沿って進む特定波長帯域のコヒーレント光が生成され、このコヒーレント光が走査装置75で進行方向を変えられる。走査装置75は、周期的な動作を行っており、この結果、第1拡散素子50上でのコヒーレント光の入射位置も、周期的に変化するようになる。
First, the
第1拡散素子50の各単位凹レンズ52に入射したコヒーレント光は、それぞれ、第1拡散素子50での拡散機能により拡散され、光路幅を広げて偏向素子55に入射する。偏向素子55へ入射したコヒーレント光は、偏向素子55での光路調整機能により、第2拡散素子60向けられる。すなわち、第1拡散素子50の各領域に入射したコヒーレント光は、それぞれ、第2拡散素子60に集められるようになる。なお、図示された例において、第1拡散素子50上の各領域に入射したコヒーレント光は、それぞれ、図1に一点鎖線で示された光軸が互いに平行となるように、光路を変更される。そして、偏向素子55での光路変更機能により、第1拡散素子50上の各領域に入射したコヒーレント光の光軸は、偏向素子55をなすレンズ56の後側焦点Pfにて交わるようになる。
The coherent light incident on each unit
第2拡散素子60は、均一化光学素子65の入射面65aに対面する位置に配置されている。したがって、第2拡散素子60に入射したコヒーレント光は、発散角を広げて、均一化光学素子65に入射する。均一化光学素子65は、入射光の全反射を繰り返し引き起こすことにより、光量の面内分布を均一化させる機能を有している。そして、第2拡散素子60で拡散された発散光は、この均一化光学素子65の均一化作用を効果的に及ぼされやすくなる。すなわち、第1拡散素子50上へのコヒーレント光の入射領域に依存することなく、常に、均一化光学素子65の出射面65b内の各位置から均一な光量にてコヒーレント光が出射することができるようになる。以上のようにして、照射装置70は、均一化光学素子65の出射面65bに対面する被照明領域LZをコヒーレント光で均一に照明することができる。
The
図1に示すように、投射装置20においては、照明装置40の被照明領域LZと重なる位置に空間光変調器30が配置されている。このため、空間光変調器30は、照明装置40によって面状に照明され、画素毎にコヒーレント光を選択して透過させることにより、映像を形成するようになる。この映像は、投射光学系25によってスクリーン15に投射される。スクリーン15に投射されたコヒーレント光は、拡散され、観察者に映像として認識されるようになる。
As shown in FIG. 1, in the
ところで、スクリーン上に投射されたコヒーレント光は拡散によって干渉し、スペックルを生じさせることになる。一方、ここで説明する照明装置40によれば、次に説明するように、スペックルを極めて効果的に目立たなくさせることができる。
By the way, the coherent light projected on the screen interferes by diffusion and causes speckle. On the other hand, according to the illuminating
スペックルを目立たなくさせるには、偏光・位相・角度・時間といったパラメータを多重化し、モードを増やすことが有効であるとされている。ここでいうモードとは、互いに無相関なスペックルパターンのことである。例えば、複数のレーザー光源から同一のスクリーンに異なる方向からコヒーレント光を投射した場合、レーザー光源の数だけ、モードが存在することになる。また、同一のレーザー光源からのコヒーレント光を、時間を区切って異なる方向から、スクリーンに投射した場合、人間の目で分解不可能な時間の間にコヒーレント光の入射方向が変化した回数だけ、モードが存在することになる。そして、このモードが多数存在する場合には、光の干渉パターンが無相関に重ねられ平均化され、結果として、観察者の目によって観察されるスペックルが目立たなくなるものと考えられている。 In order to make speckles inconspicuous, it is effective to multiplex parameters such as polarization, phase, angle, and time and increase the mode. The mode here refers to speckle patterns that are uncorrelated with each other. For example, when coherent light is projected from different directions onto the same screen from a plurality of laser light sources, there are as many modes as the number of laser light sources. In addition, when coherent light from the same laser light source is projected onto the screen from different directions at different times, the mode will be the same as the number of times the incident direction of the coherent light has changed during a time that cannot be resolved by the human eye. Will exist. When there are a large number of these modes, the interference patterns of light are uncorrelated and averaged, and as a result, speckles observed by the observer's eyes are considered inconspicuous.
上述した照明装置40では、コヒーレント光が、第1拡散素子50上を走査するようにして、第1拡散素子50に照射される。第1拡散素子50へ入射したコヒーレント光は、偏向素子55にて光路を調整された後に、第2拡散素子60を経て均一化光学素子65に入射する。したがって、均一化光学素子65に入射するコヒーレント光の入射方向は、変化し続ける。そして、均一化光学素子65による均一化機能は、当該均一化光学素子65の内部での全反射に起因している。したがって、ある瞬間に均一化光学素子65から出射する光束の進行方向は、当該光束が均一化光学素子65に入射した際の進行方向に依存して決定される。均一化光学素子65による均一化機能が十分に発揮されていると仮定すれば、当該光束の均一化光学素子65の入射面65aへの入射時における最大入射角度の大きさは、当該光束の均一化光学素子65の出射面65bからの出射時における最大出射角度の大きさとなり、同様に、当該光束の均一化光学素子65の入射面65aへの入射時における最小入射角度の大きさが、当該光束の均一化光学素子65の出射面65bからの出射時における最小出射角度の大きさとなる。
In the
すなわち、均一化光学素子65の出射面65bから出射するコヒーレント光の出射方向の角度域は、当該光が均一化光学素子65の入射面65aへ入射する際の入射角度の角度域に依存する。そして、均一化光学素子65へのコヒーレント光の入射角度が経時的に変化することから、均一化光学素子65の出射面65bから出射するコヒーレント光の出射方向の角度域も変化することになる。その一方で、任意の瞬間に均一化光学素子65の出射面65bから出射するコヒーレント光の出射方向の角度域は、出射面65b内の各位置において或る程度均一化する。
That is, the angle range of the coherent light exiting from the
すなわち、照射装置70から第1拡散素子50の各領域に入射したコヒーレント光は、それぞれ、同一の被照明領域LZの全域をコヒーレント光で照明することになるが、当該被照明領域LZを照明するコヒーレント光の照明方向は互いに異なる。そして、コヒーレント光が入射する第1拡散素子50上の領域が経時的に変化するため、被照明領域LZへのコヒーレント光の入射方向も経時的に変化する。
That is, the coherent light incident on each area of the
被照明領域LZを基準にして考えると、被照明領域LZ内の各領域には絶えずコヒーレント光が入射してくるが、その入射方向は、図3に矢印A1で示すように、常に変化し続けることになる。結果として、空間光変調器30の透過光によって形成された映像の各画素をなす光が、図3に矢印A2で示すように経時的に光路を変化させながら、スクリーン15の特定の位置に投射されるようになる。
Considering the illuminated area LZ as a reference, coherent light constantly enters each area in the illuminated area LZ, but the direction of incidence always changes as shown by an arrow A1 in FIG. It will be. As a result, the light forming each pixel of the image formed by the light transmitted through the spatial
以上のことから、上述してきた照明装置40を用いることによれば、映像を表示しているスクリーン15上の各位置において時間的にコヒーレント光の入射方向が変化していき、且つ、この変化は、人間の目で分解不可能な速さであり、結果として、人間の目には、相関の無いコヒーレント光の散乱パターンが多重化されて観察されることになる。したがって、各散乱パターンに対応して生成されたスペックルが重ねられ平均化されて、観察者に観察されることになる。これにより、スクリーン15に表示されている映像を観察する観察者に対して、スペックルを極めて効果的に目立たなくさせることができる。
From the above, according to the
なお、人間によって観察される従来のスペックルには、スクリーン15上でのコヒーレント光の散乱を原因とするスクリーン側でのスペックルだけでなく、スクリーンに投射される前におけるコヒーレント光の散乱を原因とする投射装置側でのスペックルも発生し得る。この投射装置側で発生したスペックルパターンは、空間光変調器30を介してスクリーン15上に投射されることによって、観察者に認識され得るようにもなる。しかしながら、本実施の形態によれば、コヒーレント光が光学素子45の第1拡散素子50上を連続的に走査し、そして光学素子45の各領域に入射したコヒーレント光が、それぞれ、空間光変調器30が重ねられた被照明領域LZの全域を照明するようになる。すなわち、光学素子45が、スペックルパターンを形成していたそれまでの波面とは別途の新たな波面を形成し、複雑且つ均一に、被照明領域LZ、さらには、空間光変調器30を介してスクリーン15を照明するようになる。このような光学素子45での新たな波面の形成により、投射装置側で発生するスペックルパターンは不可視化されることになる。
Note that conventional speckles observed by humans include not only speckles on the screen caused by scattering of coherent light on the
ところで、以上に説明したように、照明装置40及び投射装置20におけるスペックルの不可視化は、偏向素子55から均一化光学素子に入射する入射光束の光軸の角度変動の大きさθx(図2参照)を大きくすることによって、達成され得る。その一方で、第1拡散素子50での拡散能の強さは、すなわち発散角の大きさθy(図2参照)は、光軸の経時的な角度変動の大きさθxと比較して、スペックル低減に大きな影響を及ぼすものではない。このため、均一化光学素子65の入射面65aに光源光をより確実に入射させてより高い利用効率で光源光を利用する観点からは、拡散素子での拡散角を広げ過ぎないことが有効である。むしろ、図1、図2及び図7の例と比較して、図8に示すように拡散素子150での拡散角θybを大きく設定すると、大型のコンデンサレンズ156を用いる必要が生じ照明装置140も大型化してしまう。或いは、コンデンサレンズ155を大型化させずに拡散素子での拡散角θybを大きくするには、図9に示すように、拡散素子151を小型化する必要が生じる。拡散素子151を小型すると、光軸の角度変動の大きさθxbが小さくなり、スペックル低減の点において不利である。
Incidentally, as described above, the speckle invisibility in the
以上のように、照射装置70から照射されるコヒーレント光の利用効率の観点から、第1拡散素子50での拡散角θyaは、大きくなり過ぎない方が好ましい、また、第1拡散素子50での拡散角θyaを大きくすることには、その他の弊害をともなう。
As described above, from the viewpoint of the utilization efficiency of the coherent light irradiated from the
しかしながら、第1拡散素子50での拡散角θyaが十分な大きさまで大きくなっていないと、図7に示すように、各瞬間に均一化光学素子165に入射する光の入射方向が狭い角度範囲内に揃ってしまう。この場合、均一化光学素子165を十分に長くしない限り、均一化光学素子165内で十分に全反射が繰り返されなくなる。均一化光学素子165を長くすると、当然、照明装置40が大型化するといった不都合が生じる。均一化光学素子165内での全反射が十分に生じていないと、各瞬間において、均一化光学素子165の出射面のうちの一部の領域LZaのみからしか光が出射しなくなる。すなわち、各瞬間に照明可能となる領域LZaは、均一化光学素子165の出射面に対面する被照明領域LZの一部分となってしまい、被照明領域LZを均一な照度にて照明することができない。
However, if the diffusion angle θ ya at the
一方、本実施の形態においては、偏向素子55から均一化光学素子65までの光路に、第2拡散素子60が配置されている。第2拡散素子60は、均一化光学素子65の入射面65aに対面して配置されている。このため、第2拡散素子60は、各瞬間に均一化光学素子65内に入射するコヒーレント光の発散角θz(図2参照)を、均一化光学素子65への入射直前に広げることができる。すなわち、スペックルの低減に直接的な影響を及ぼす光軸の経時的な角度変動の大きさθxを小さくしてしまうことなく、任意の瞬間に均一化光学素子65へ入射するコヒーレント光の入射角度範囲の大きさを広げることができる。これにより、均一化光学素子65の長さを長くしなくとも均一化光学素子65での全反射が促進され、均一化光学素子65の出射面65bの各位置から出射するコヒーレント光の光量を、効果的に均一化することができ、これにより、スペックルの目立たせることなく、被照明領域LZを均一な照度にて照明することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the
とりわけ、本実施の形態では、第2拡散素子60が凹レンズ61として構成されている。凹レンズ61によれば、凸レンズのように一度焦点を結んだ後に拡散現象が生じるのではなく、入射光を入射直後に拡散させて光路幅を広げることができる。すなわち、導光方向の長さが短い均一化光学素子65を用いながら、均一化光学素子65の出射面65bの各位置からの出射光量を均一化することができる。同様に、本実施の形態では、第1拡散素子50をなすレンズアレイ51が、単位レンズとして、凹レンズからなる単位凹レンズ52を含んでいる。したがって、第1拡散素子50と偏向素子55との距離を短くして、照明装置40及び投射装置20の小型化を図ることができる。
In particular, in the present embodiment, the
なお、第2拡散素子60の主点Pmcから均一化光学素子65の入射面65aまでの距離Lcは、偏向素子55の主点Pmbから第2拡散素子60の主点Pmcまでの距離Lbよりも短くなっている。すなわち、第2拡散素子60は、偏向素子55から離間して、均一化光学素子65の直前に配置され得る。このような配置は、照射装置70から射出された光の利用効率を向上させる観点並びに装置の小型化の観点から、好ましい。なお、「主点」とは、レンズの光学的な中心であり、焦点距離を定める中心点である。
The distance L c from the principal point P mc of the
また、図1及び図2において、第2拡散素子60は、均一化光学素子65の入射面65aから離間して配置されている。しかしながら、照射装置70から射出された光の利用効率を向上させる観点並びに装置の小型化の観点から、第2拡散素子60は、均一化光学素子65の入射面65aに接触して、当該入射面65a上に配置されていることが好ましい。
In FIGS. 1 and 2, the
さらに、第2拡散素子60が凹レンズ61からなる場合、偏向素子55の主点Pmbから第2拡散素子60の主点Pmcまでの距離Lbは、偏向素子55の焦点距離fb以上であることが好ましい。このような例によれば、スペックルの低減に直接的な影響を及ぼす光軸の経時的な角度変動の大きさθxが、第2拡散素子60によって、小さくなってしまうことを防止することができる。すなわち、第2拡散素子60からの出射後における光軸の経時的な角度変動の大きさθZが、第2拡散素子60への入射前における光軸の経時的な角度変動の大きさθx以上となり、スペックル低減に有利である。
Further, when the
なお、偏向素子55の主点Pmbから第2拡散素子60の主点Pmcまでの距離Lbが、偏向素子55の焦点距離fbより大きくなると、照明装置40が大型化してしまう。この点を考慮して、図1及び図2に示すように、第2拡散素子60の主点Pmcが、偏向素子55の後側焦点Pf上に位置していることが、スペックルの低減及び装置の大型化回避の両立において好ましい。第2拡散素子60の主点Pmcが、偏向素子55の後側焦点Pf上に位置している場合、第2拡散素子60に各瞬間に入射する光の光軸は、第2拡散素子60で曲がらない。したがって、期待したスペックル低減機能を安定して確保することが可能となる。なお、後側焦点Pfとは、偏向素子55の入射側及び出射側の両側に位置することになる一対の焦点のうち、出射側に位置する焦点、本実施の形態では、第2拡散素子60の側に位置する焦点のことを意味している。
If the distance L b from the principal point P mb of the deflecting
さらに、上述した実施の形態では、第1拡散素子50の入射面から偏向素子55の主点Pmbまでの距離Laが、第2拡散素子60の主点Pmcから均一化光学素子65の入射面65aまでの距離Lcよりも長く、偏向素子55の主点Pmbから第2拡散素子60の主点Pmcまでの距離Lbよりも短くなっている。この結果、スペックルを目立たなくさせることができるとともに十分に均一な照度で被照明領域LZを照明することを可能にした有用な照明装置40において、装置の十分な小型化を実現することができる。
Furthermore, in the embodiment described above, the distance L a from the incident surface of the
上述した実施の形態に対して様々な変更を加えることが可能である。以下、図面を参照しながら、変形の一例について説明する。以下の説明および以下の説明で用いる図面では、上述した実施の形態と同様に構成され得る部分について、上述の実施の形態における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いることとし、重複する説明を省略する。 Various modifications can be made to the above-described embodiment. Hereinafter, an example of modification will be described with reference to the drawings. In the following description and the drawings used in the following description, the same reference numerals as those used for the corresponding parts in the above embodiment are used for the parts that can be configured in the same manner as in the above embodiment. A duplicate description is omitted.
<第1拡散素子>
上述した実施の形態において、光学素子45の第1拡散素子50のレンズアレイ51が、単位レンズとして、凹レンズからなる単位凹レンズ52を有する例を示したが、これに限られない。図4に示すように、光学素子45の第1拡散素子50のレンズアレイ51が、単位レンズとして、凸レンズからなる単位凸レンズ53を有するようにしてもよい。なお、図4中に点線で示したレンズアレイは、凹レンズからなる単位レンズを含んだ図2のレンズアレイの配置を示している。また、図5に示すように、光学素子45の第1拡散素子50が、ホログラム記録媒体54を含むようにしてもよい。
<First diffusion element>
In the above-described embodiment, the example in which the
<第2拡散素子>
また上述した実施の形態において、第2拡散素子60が、凹レンズ61として構成されている例を示したが、これに限られない。一例として、図4に示すように、第2拡散素子60が、凸レンズ62として構成されていてもよい。
<Second diffusion element>
In the above-described embodiment, the example in which the
<光源装置>
さらに上述した実施の形態において、光源装置71は、単一の光源72を有していた。しかしながら、この例に限られず、光源装置71が、複数の光源を含むようにしてもよい。一例として、光源装置71が、複数のレーザー光源を含むレーザーアレイとして構成されていてもよい。光源装置71に含まれる複数の光源は、互いに異なる波長帯域の光を生成するようにしてもよいし、同一波長帯域の光を生成するようにしてもよい。異なる波長帯域の光を生成する複数の光源を用いた場合、加法混色により、単一の光源では生成することができない色の光によって、被照明領域LZを照明することができる。また、複数の光源が、赤色波長帯域の光、緑色波長帯域の光、青色波長帯域の光をそれぞれ生成する場合には、白色光にて被照明領域LZを照明することができる。一方、同一の波長帯域の光を生成する複数の光源を用いた場合、高出力で被照明領域LZを照明することが可能となる。
<Light source device>
Further, in the above-described embodiment, the
<走査装置>
また、走査装置75が、コヒーレント光の進行方向を反射によって変化させる一軸回動型のデバイスとして形成されている例を示したが、この例に限られない。走査装置75は、反射部材76の反射面76aが、第1の回動軸線Raだけでなく、第1の回動軸線Raと交差する第2の回動軸線を中心としても回動可能となっていてもよい。また、走査装置75が、二以上の反射デバイスを含んでいてもよい。この場合、各反射デバイスの反射面が、単一の軸線を中心としてのみ回動可能であっても、走査装置75は、第1拡散素子50上での走査経路を二次元的な経路とすることができる。なお、走査装置75に含まれる反射デバイスの具体例としては、MEMSミラー等を挙げることができる。また、走査装置75は、反射によってコヒーレント光の進行方向を変化させる反射デバイス以外のデバイスを含んで構成されていてもよい。例えば、走査装置75が、屈折プリズムやレンズ等を含んでいていてもよい。
<Scanning device>
In addition, although the example in which the
<投射装置>
さらに上述した実施の形態では、空間光変調器30が、均一化光学素子65の出射面65bに直面するようにして配置され、空間光変調器30が均一な光量にて照明されるようになっている例を示したが、この例に限られない。例えば、図6に示すように、均一化光学素子65と空間光変調器30との間にリレー光学系35が配置されていてもよい。リレー光学系35によって、空間光変調器30が配置されている位置は、均一化光学素子65の出射面65bと共役な面となっている。このため、図6に示された例においても、空間光変調器30は、均一な光量にて照明される。
<Projection device>
Further, in the above-described embodiment, the spatial
<他の用途>
さらに、上述した実施の形態において、照明装置40が、投射装置20及び投射型映像表示装置10に組み込まれた例を示したが、これに限られず、種々の用途に照明装置40を用いることができる。一例として、上述した照明装置40を、スキャナ用の照明装置等に用いることができる。
<Other uses>
Further, in the above-described embodiment, the example in which the
<変形例の組み合わせ>
なお、以上において上述した実施の形態に対するいくつかの変形例を説明してきたが、当然に、複数の変形例を適宜組み合わせて適用することも可能である。
<Combination of modification>
In addition, although the some modification with respect to embodiment mentioned above was demonstrated above, naturally, it is also possible to apply combining several modifications suitably.
10 投射型映像表示装置
15 スクリーン
20 投射装置
25 投射光学系
30 空間光変調器
35 リレー光学系
40 照明装置
45 光学素子
50 第1拡散素子
51 レンズアレイ
52 単位凹レンズ
53 単位凸レンズ
54 ホログラム記録媒体
55 偏向素子
56 レンズ
57 主点
60 第2拡散素子
61 凹レンズ
62 主点
62 凸レンズ
65 均一化光学素子
65a 入射面
65b 出射面
66 インテグレータロッド
70 照射装置
71 光源装置
72 光源
75 走査装置
76 反射部材
76a 反射面
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記第1拡散素子上を走査するようにして前記第1拡散素子にコヒーレント光を照射する照射装置と、
前記第1拡散素子で拡散されたコヒーレント光の光路を変更する偏向素子と、
前記偏向素子で光路を変更されたコヒーレント光が反射しながら通過する均一化光学素子と、
前記偏向素子から前記均一化光学素子までの光路に配置される第2拡散素子と、を備え、
前記第1拡散素子上の或る領域に入射して拡散されたコヒーレント光、並びに、前記第1拡散素子上の前記或る領域とは異なる別の領域に入射して拡散されたコヒーレント光が、それぞれ、前記偏向素子によって前記第2拡散素子に集められ、当該第2拡散素子によって拡散された後に均一化光学素子を通過して照明に用いられる、照明装置。 A first diffusing element;
An irradiation device for irradiating the first diffusion element with coherent light so as to scan on the first diffusion element;
A deflection element for changing an optical path of coherent light diffused by the first diffusion element;
A uniformizing optical element through which the coherent light whose optical path has been changed by the deflecting element is reflected, and
A second diffusing element disposed in an optical path from the deflecting element to the homogenizing optical element,
Coherent light that has been incident and diffused on a certain region on the first diffusion element, and coherent light that has been incident and diffused on another region different from the certain region on the first diffusion element are: An illuminating device, wherein each of the illuminating devices is collected in the second diffusing element by the deflecting element, diffused by the second diffusing element, and then used for illumination through the uniformizing optical element.
前記照明装置からの光によって照明される空間光変調器と、を備える、投射装置。 The lighting device according to any one of claims 1 to 7,
And a spatial light modulator illuminated by light from the illumination device.
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