JP4963925B2 - レーザ光源装置及び映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光源の複数の発光点から出射されるレーザ光を用いて均一な照度分布の光束を出力するレーザ光源装置及びこの装置を適用した映像表示装置に関するものである。

半導体レーザを光源として用いる映像表示装置では、レーザ光は可干渉性（コヒーレンシー）が高いため、干渉による光強度の明暗のムラ（スペックル）を生じる。このような明暗のムラは、１本のレーザ光が光学素子によって分割され、その後、重畳されたときや、レーザ光が光学素子の表面の微小な凹凸又は内部の欠陥などによって散乱したとき等に、レーザ光が互いに干渉して、スクリーン上で生じる。可干渉性の高いレーザ光を用いたときには、スペックルによる光強度のムラは目視によって明確に認識できるほど大きく、画質は大幅に劣化する。

この改善策として、光ファイバを用いる方法がある（例えば、特許文献１参照）。レーザ光を光ファイバ内に伝播させると、細径の光ファイバ内でレーザ光は全反射を繰り返すため、レーザ光の波面が乱れ、生じるスペックルパターンは細分化し、明暗の光強度比も小さくなる。その結果、スクリーン上の明暗のムラは低減され、均一度がある程度向上する。

特開２０００−８９１６０号公報

しかし、光ファイバを用いても依然としてスペックルパターンは残存し、目視で認識できる。特に、レーザ光の波面を乱す効果は、使用する光ファイバの長さにも依存するため、不十分な長さであれば明暗のムラが残り、画質低下の要因となる。

また、光ファイバを用いるスペックル低減手法として、光ファイバを振動させ、時間的にスペックルパターンを変化させるなどの付加的手段を併用する提案もある。しかし、光ファイバを振動させ、時間的にスペックルパターンを変化させるなどの付加的手段を併用する場合には、装置の構成が複雑になるという問題がある。

そこで、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、簡単な構成で、レーザ光源の複数の発光点から出射されるレーザ光を用いて均一な照度分布の光束を出力するレーザ光源装置及びこの装置を適用した映像表示装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ光源装置は、レーザ光を出射する複数の発光点を有するレーザ光源と、前記複数の発光点から出射された複数のレーザ光を集光する集光手段と、前記集光手段の集光点近傍に配置され、前記集光手段によって集光された前記複数のレーザ光の各々の発散角を広げる拡散素子と、前記拡散素子の後方に隣接して配置され、前記拡散素子で拡散された前記複数のレーザ光を入射し、前記レーザ光の強度分布を均一化する均一化手段とを備え、前記拡散素子は、隣接する２つのレーザ光が集光手段によって集光されたときになす角度よりも大きい拡散角度を有することを特徴としている。

また、本発明の映像表示装置は、上記レーザ光源装置と、入力される映像信号に応じて、入射したレーザ光を空間的に変調して出力する映像表示素子と、前記均一化手段から出射されたレーザ光を前記映像表示素子に照射する照明光学系と、前記映像表示素子によって変調されたレーザ光をスクリーンに投写する投写光学系とを有することを特徴としている。

本発明によれば、複数のレーザ光のうち２つ以上が重なり合うように、拡散素子を備えているので、複数のレーザ光が重なり合った後の光束の空間的コヒーレンシーが低下し、スペックルによる光強度のムラを低減することができる。

また、本発明によれば、拡散素子を用いているので、短い光路長でレーザ光を重ね合わせることができ、レーザ光源装置を小型化することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ装置光源１１及びこれを用いた映像表示装置２１の構成を概略的に示す図である。

図１に示されるように、レーザ光源装置１１は、レーザ光源１と、集光手段としての集光レンズ２と、拡散素子（拡散板）４とを有する。レーザ光源１は、レーザ光を出射する複数の発光点を有する。集光レンズ２は、複数の発光点から出射された複数のレーザ光Ｌから成るレーザ光（「レーザアレイ光束」とも言う。）を集光する。

また、図１に示されるように、映像表示装置２１は、レーザ光源装置１１に加えて、拡散素子４から出射されたレーザ光の強度を均一化する均一化手段としてのインテグレータロッド５と、入力される映像信号に応じて、入射したレーザ光を空間的に変調して出力する映像表示素子としてのライトバルブ７と、インテグレータロッド５から出射されたレーザ光をライトバルブ７に照明する照明光学系としてのリレーレンズ系６と、ライトバルブ７によって変調されたレーザ光をスクリーン９に投写する投写光学系としての投写レンズ８とを有する。図１には、反射型のライトバルブ７を示しているが、透過型のライトバルブを用いることもできる。また、インテグレータロッド５、リレーレンズ系６、ライトバルブ７、投写レンズ８、及びスクリーン９の構成及び配置は、図示の例に限定されない。さらに、映像表示装置２１が、背面投写型の映像表示装置である場合には、スクリーン９も映像表示装置の構成要素となる。

レーザ光源１は、例えば、面発光レーザである。レーザ光源１は、発光点のサイズが２０μｍ、発光点間隔が５００μｍ、発光点の数が５個であり、発光点が２ｍｍのアレイ幅方向に略等間隔で配列された光源である。レーザ光の発散角は、光強度が最高になる方向に対する、光強度が最高強度の５０％になる方向の角度（全角）である。レーザ光源１の各発光点から出射されるレーザ光の発散角は、約０．５度である。また、集光レンズ２のＦ値は、例えば、２である。ただし、発光点のサイズ、発光点間隔、発光点の数、集光レンズ２のＦ値は、上記値に限定されない。

レーザ光源１から出射される複数のレーザ光は互いに略平行に進行し、集光レンズ２に入射する。レーザ光源１から出射される各レーザ光の持つ発散角は約０．５度であり、レーザ光源１と集光レンズ２の間隔は約１０ｍｍであるため、レーザ光源１から出射する複数のレーザ光はほとんど重なり合うことなく集光レンズ２に入射する。集光レンズ２に入射したレーザ光は、集光レンズ２によって屈折作用を受け、拡散素子４上に集光する。拡散素子４は、集光レンズ２の後方（レーザ光の進行方向における後方）でありインテグレータロッド５の直前に配置されており、ホログラムを備えている。ホログラムを備えた拡散素子４は、入射する光の発散角を所定の角度に広げて出力することができる。実施の形態１に示す例では、拡散素子４は、平行光を入射させた場合に、出射した拡散光の光強度が最高強度の５０％になる方向の角度（拡散素子の拡散角度）が全角で５０度になるような拡散特性を有する。ただし、拡散素子の拡散角度は、５０度に限定されず、複数のレーザ光のうち２つ以上が重なり合うように、複数のレーザ光の各々の発散角を広げる拡散作用を有する角度であれば、５０度より小さい又は５０度より大きい角度であってもよい。

図２、図３、及び図４は、拡散素子４の機能を説明するための図である。図２は、拡散素子４に、拡散素子４の光軸に平行なレーザ光が入射したときの拡散素子４からの出射光の拡散角度θ_Ｈを示す。図３は、拡散素子４に斜めに（集光角全角をθ_１とするとき）レーザ光が入射したときの拡散素子４からの出射光の拡散角度を示す。図４は、拡散素子４の光軸に平行なレーザ光が入射したときの拡散素子４からの出射光と、拡散素子４に斜めに（集光角全角をθ_１とするとき）レーザ光が入射したときの拡散素子４からの出射光が重なり合う様子を示す図である。ホログラムを備えた拡散素子４に、平行光（拡散素子４の光軸に平行な光）以外の光、すなわち、拡散素子４の光軸にして０度より大きい角度で入射する光）が入射した場合、拡散素子４を出射する光の発散角θは、次式１から近似的に算出できる。
θ＝（θ_Ｈ ^２＋θ_１ ^２）^１／２ 式１
式１において、θ_Ｈは拡散素子４の拡散角度、θ_１は拡散素子４に入射する光の集光角全角、θは拡散素子を出射する光の発散角である。

実施の形態１においては、拡散角度θ_Ｈは２５度、集光角全角θ_１は集光レンズ２のＦ値より計算し約２９度であり、したがって発散角θは約３８度となる。発散角θは光強度が最高強度の５０％になる角度であり、発散角θが約３８度では、照明光学系の開口Ｆ値（ここでは、１とする。光の集光角では全角６０度に相当する。）に対してレーザ光の光強度の、例えば、約９５％が含まれるように、集光レンズ２のＦ値と拡散素子４の拡散角度が選択されている。なお、拡散角度θ_Ｈ、集光角全角θ_１は上記値に限定されない。

以上のようにして、レーザ光源からのレーザ光のほぼ１００％に近い強度のレーザ光がインテグレータロッド５に入射し、照度を均一化された後、照明光学系であるリレーレンズ系６と投写光学系である投写レンズ８に導かれる。

次に、拡散素子４の効果について説明する。図５は、実施の形態１の比較例として、拡散素子４がない場合のレーザ光源装置とインテグレータロッド５を加えた映像表示装置の構成を示す図である。図５において、図１の構成と同じ記号が付された構成は、同じ又は対応する構成を示している。図５に比較例として示されるように、レーザ光源装置が拡散素子４を有していない場合においても、インテグレータロッド５にはレーザ光源装置１１と同じ入射角度で光を入射させるため、集光レンズ２ａのＦ値は１となっている。

図６は、図５に比較例として示されるレーザ光源装置における、ロッドインテグレータの光入射端におけるレーザ光の角度強度分布を示す図である。比較例のレーザ光源装置においては、直進性の高い複数のレーザ光を集光レンズ２を用いて集光するので、角度強度分布は離散的である。また、離散的な角度強度分布の各山の部分は、１発光点から出射したレーザ光に対応する。インテグレータロッド５内部では、光は全反射を繰り返して進行するため、角度強度分布は保存される。その結果、インテグレータロッド５出射後のレーザ光は、出射角度により各発光点から出射したレーザ光が分離しており、図５に示すように、特定方向へは１発光点から出射したレーザ光のみが到達することになる。

前述したように、１発光点から出射したレーザ光は可干渉性が高く、微小な光学素子の欠陥や凹凸によって、干渉ムラ（スペックル）が発生する。図５に示される構成においても、インテグレータロッド５の後方に配置された光学素子を通過すると、スペックルが発生してしまう。

一方、図１に示す拡散素子４を含む構成のレーザ光源装置１１では、上述したようなスペックルの発生を抑制することができる。

図７は、図１のレーザ光源装置１１における集光レンズ２と拡散素子４によるレーザ光の、光の重ね合わせを示した図である。図７においては、アレイ状に並んだ発光点の内、最も外側の発光点から出射されたレーザ光と、光軸上にある発光点から出射されたレーザ光のみを図示している。集光レンズ２によってＦ値２（集光角全角約２９度）で集光されたレーザ光は、拡散素子４によってレーザ光の発散角が約３８度に広げられる。一方、光軸上の発光点から出射したレーザ光は、発散角全角約２５度に広げられる。このようにして各々拡散されたレーザ光は重なり合い、互いに分離できない光束となる。なお、図７には、アレイ状に並んだ発光点の内、最も外側の発光点から出射されたレーザ光と、光軸上にある発光点から出射されたレーザ光が、拡散素子によって重なり合う場合を図示しているが、本発明は、このような態様に限定されない。本発明は、隣り合う発光点からのレーザ光が拡散素子４によって重なり合う構成であればよい。

一般に、異なる発光点から出射したレーザ光は、時間位相差があるため互いに可干渉性を持たず、それらが重畳されたレーザ光束は空間的コヒーレンシーが低下する。図７で得られた重畳光束は、隣り合うレーザ光同士のみならず、光軸上の発光点から出射したレーザ光と、最も外側の発光点から出射したレーザ光同士でも一部重なっており、多数のレーザ光が重畳されて、空間的コヒーレンシーを低減させた光束となっている。したがって、実施の形態１のレーザ光源装置１１は、図５に示される比較例のレーザ光源装置（拡散素子４が無い構成）に比較し、スペックルを大幅に低減することが可能である。

また、上記説明において、集光レンズ２のＦ値を大きく（すなわち集光角を小さく）、拡散素子４の拡散角度を大きくとるようにすれば、互いのレーザ光の重なりを増し、空間的コヒーレンシーを低減させ、スペックル低減効果を高めることができる。

なお、以上の説明においては、拡散素子４としてホログラムが形成された拡散素子を用いた場合を説明したが、本発明はこれに限るものではなく、拡散素子４として拡散材を含んだ拡散板などの他の拡散手段を用いてもよい。

また、以上の説明においては、光強度均一化手段としてインテグレータロッド５を用いた場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、フライアイレンズなどの他の光学素子を用いて構成してもよい。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源装置１２及びこれを用いた映像表示装置２２の構成を概略的に示す構成図である。

図８において、図１に示される構成と同一または対応する構成には、同じ符号を付す。実施の形態２に係るレーザ光源装置１２は、複数の発光点が配列されたレーザ光源１が複数個（図８では３個の場合を図示）と、集光手段としての集光レンズ２と、導光手段としての光ファイバ３と、拡散素子４とを有する。

各レーザ光源１から出射したレーザ光束は、集光レンズ２で集光され、光ファイバ入射端３ａから入射させる。光ファイバ３は、入射端３ａ、導光部３ｂ、及び出射端３ｃを有し、入射端３ａから入射されたレーザ光Ｌを導光部３ｂ内を伝播させて出射端３ｃから出射させる。

また、光ファイバの出射端は１束にバンドルされ、近接して配置された拡散素子４とインテグレータロッド５が配置されている。このような光ファイバを用いた構成によれば、複数のレーザ光源１からの光束を単純かつ容易な光学系でインテグレータロッド５に結合することが可能である。

図８のように出射後のレーザ光束を光ファイバ３に結合すると、レーザ光束は、光ファイバ３内を、全反射を繰り返して伝播する。光ファイバが直線状に設置されている場合、光ファイバ伝播過程において、角度強度分布は保存するため、拡散素子４における光の拡散の様子は図９（光軸上の発光点から出射したレーザ光と、最も外側の発光点から出射したレーザ光のみを図示）のようになり、図９と類似の拡散作用を受ける。そして、拡散素子４を通過後のレーザ光束が互いに重畳され、空間的コヒーレンシーを低下させ、スペックル低減に効果を奏することは、実施の形態１と同様である。

一般に、光ファイバは、任意に曲げられて設置されることが多い。曲げられた光ファイバ内を光が伝播する場合には、光ファイバの内面の全反射面が平面でないため、入射時と出射時において、角度強度分布は完全には保存されない。しかし、細い径の光ファイバでは、曲げによる角度分布の変化は必ずしも大きくはない。例えば、ファイバ内径０．６ｍｍの光ファイバに、レーザ光束を入射させ、光ファイバを曲げ半径１００ｍｍで１８０度曲げた場合、光ファイバ出射口での角度強度分布は、一例として、図１０のようになる。図１０では、依然離散的な角度強度分布が確認でき、レーザ光束は、角度方向で分離している、もしくは、個々の発光点から出射したレーザ光は互いに重なり合わない。したがって、前述した光ファイバが直線状の場合と同様、拡散素子４によるレーザ光の重ね合わせによって、スペックル低減を図ることができる。

また、実施の形態２においては、レーザ光束を光ファイバに結合し、内部を伝播させているので、レーザ光の波面を乱し、さらにスペックル低減効果を増すことができる。

なお、実施の形態２において、上記以外の点は、上記実施の形態１の場合と同じである。

また、導光手段としては、リキッドファイバ、導光板、ライトトンネル、及びライトパイプの中のいずれかを用いることができる。

本発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置及び映像表示装置の構成を概略的に示す図である。 拡散素子に、拡散素子の光軸に平行なレーザ光が入射したときの拡散素子からの出射光の拡散角度を示す図である。 拡散素子に斜めにレーザ光が入射したときの拡散素子からの出射光の拡散角度を示す図である。 拡散素子に、拡散素子の光軸に平行なレーザ光が入射したときの拡散素子からの出射光と、拡散素子に斜めに（集光角全角をθ_１とするとき）レーザ光が入射したときの拡散素子からの出射光が重なり合う様子を示す図である。 比較例のレーザ光源装置を示す図である。 比較例のレーザ光源装置における、ロッドインテグレータの光入射端におけるレーザ光の角度強度分布を示す図である。 実施の形態１に係るレーザ光源装置における拡散素子に入射するレーザ光と、拡散されたレーザ光の様子を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係るレーザ光源装置及び映像表示装置の構成を概略的に示す図である。 実施の形態２に係るレーザ光源装置における光ファイバから出射するレーザ光と、拡散素子によって拡散されたレーザ光の様子を示す説明図である。 実施の形態２に係るレーザ光源装置における曲げた光ファイバから出射する複数のレーザ光の角度強度分布を示す図である。

符号の説明

１ レーザ光源、 ２ 集光レンズ、 ３ 光ファイバ、 ４ ホログラムを備えた拡散素子、 ５ インテグレータロッド、 ６ リレーレンズ系、 ７ ライトバルブ、 ８ 投写レンズ、 ９ スクリーン、 １１，１２ レーザ光源装置、 ２１，２２ 映像表示装置。

Claims (5)

1. レーザ光を出射する複数の発光点を有するレーザ光源と、
   前記複数の発光点から出射された複数のレーザ光を集光する集光手段と、
   前記集光手段の集光点近傍に配置され、前記集光手段によって集光された前記複数のレーザ光の各々の発散角を広げる拡散素子と、
   前記拡散素子の後方に隣接して配置され、前記拡散素子で拡散された前記複数のレーザ光を入射し、前記レーザ光の強度分布を均一化する均一化手段と
   を備え、
   前記拡散素子は、隣接する２つのレーザ光が集光手段によって集光されたときになす角度よりも大きい拡散角度を有する
   ことを特徴とするレーザ光源装置。
2. 入射されたレーザ光を伝播させる内部構造を持ち、前記集光手段によって集光された前記複数のレーザ光が入射され、該入射された複数のレーザ光を伝播させて出射する導光手段をさらに有し、
   前記拡散素子によって発散角を広げられる前記複数のレーザ光は、前記導光手段から出射されたレーザ光である
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
3. 前記導光手段は、光ファイバ、リキッドファイバ、導光板、ライトトンネル、及びライトパイプの中のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載のレーザ光源装置。
4. 前記拡散素子は、ホログラムを備えた光学素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ光源装置と、
   入力される映像信号に応じて、入射したレーザ光を空間的に変調して出力する映像表示素子と、
   前記均一化手段から出射されたレーザ光を前記映像表示素子に照射する照明光学系と、
   前記映像表示素子によって変調されたレーザ光をスクリーンに投写する投写光学系と
   を有することを特徴とする映像表示装置。

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