JP2000089160A

JP2000089160A - 光学装置

Info

Publication number: JP2000089160A
Application number: JP25876098A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Sato; 能久佐藤; Atsushi Matsuzaki; 敦志松崎; Yoshio Suzuki; 芳男鈴木; Junichi Iwai; 順一岩井; Tetsuyuki Miyawaki; 徹行宮脇
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】効果的なスペックルノイズ低減が可能で、か
つ高効率照明が可能な偏光変換ができ、レーザを光源と
する空間光変調素子を用いたプロジェクタに用いること
ができる光学装置の実現を課題とする。【解決手段】Ｓ偏光を出力するレーザ光源と、直線偏
光の分離を行う偏光ビームスプリッタ１１と、入力部か
ら出力部へ光を伝搬する光ファイバ１２と、光ファイバ
１２の出力部からの出射光を光ファイバ１２の入力部に
入射させる集光レンズ１３、１４とを設け、光ファイバ
１２、偏光ビームスプリッタ１１および集光レンズ１
３、１４で光ループを構成し、レーザ光源からのＳ偏光
を偏光ビームスプリッタ１１を通してこの光ループに導
入し、最終的に偏光ビームスプリッタ１１からＳ偏光を
出力するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学装置に関し、
特にスペックル雑音を低減したレーザを光源とする光学
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザを光源とするプロジェクタ（レー
ザ画像表示装置）を構成する場合、大きく分けて２つの
構成方法が考えられる。１つは、点スポットのレーザビ
ームをスクリーン上で走査し、レーザ強度を変調する
（１次元に変調された線状のレーザビームに対して、走
査と変調を同様に行う方法もある）。この方法は入力す
る映像信号と同程度の速度で光変調を行わなければなら
ない。このため機器がどうしても大型になるし、効率が
悪いなどの欠点がある。もう１つの方法として、放電ラ
ンプと空間光変調素子を用いるプロジェクタのように、
レーザと空間光変調素子を組み合わせる方法がある。こ
の方法では基本的には放電ランプを用いるプロジェクタ
と同じであるが、レ−ザを光源として用いる場合の特有
な問題が生じる。

【０００３】レーザを光源とする場合、上記２つのいず
れの構成を取るにしても、スクリーン上でのスペックル
ノイズの発生という問題が生じる。これは、空間コヒー
レント性が高い光源からでる光が、粗面で散乱反射した
場合や、粗面を透過した場合に、粗面の微小な凹凸で散
乱した光が不規則な位相関係で干渉して、スクリーン上
でランダムな干渉パターンを生じるものである。特にレ
ーザ光源を用いる場合は、コヒーレント性が非常に高い
ため、スクリーン上でのスペックルのコントラストが高
くなる。レーザを光源とするプロジェクタを構成した場
合、入力した画像上にスペックルノイズが重なって見え
るため、画質の劣化につながる。

【０００４】これまで、いくつかのスペックルノイズを
低減する方法が提案されてきた。スペックルノイズを低
減する方法は、基本的に次の５つに分類できる。１）空間的にコヒーレント性を制御する方法。２）時間的にコヒーレント性を制御する方法。３）空間的にサンプリングする方法。４）空間的に平均化する方法。５）ディジタル画像処理を行う方法。

【０００５】この中で、良く用いられる空間的にコヒー
レント性を制御する方法として、光ファイバなどの導光
路を用いる方法、回転すりガラスに光を通過させる方
法、ランダム位相差板を用いる方法などが特に有名であ
る。中でも特に光ファイバを用いる方法が簡便で一般に
よく用いられる。

【０００６】光ファイバにレーザ光を通すと、光は光フ
ァイバ内を全反射を起こしながら伝播していく。ファイ
バへのレーザ光の入射角度により、ファイバを通過する
ときの光路長が異なるようになる。これにより、フアイ
バ出射部分では、レーザから異なる時間に出射した光が
足し合わされるようになり、空間コヒーレンス度は減少
する。また光ファイバを振動させることで、光路長変化
を増大させ、重ねあわせ効果を大きくする方法も有効で
ある。

【０００７】このように、光ファイバを用いてスペック
ル低減をおこなう方法は簡便であるが、問題点がある。
それは、レ−ザ光が光ファイバを通過することによっ
て、偏光度が落ちてしまうことである。レーザ光は偏光
度が非常に高いという特徴がある。このレーザの高偏光
度を利用して高い効率で素子まで光を導くことが可能で
ある。これにより、空間光変調素子として液晶などの偏
光を利用して変調を行う素子を、プロジェクタに用いる
場合に、照明効率を高くすることができる。しかし、ス
ペックル低減のために、レーザ光を光ファイバに通過さ
せることで、偏光度が下がり、したがって照明効率が下
がる。

【０００８】この偏光度の低下を解消する方法として、
図８のように光ファイバ１２の後に偏光ビームスプリッ
タ（以下ＰＢＳ）１１、反射鏡１８、λ／２位相差板１
９を配置して偏光を一方向にそろえるようにする方法が
ある。これは放電ランプなどの非偏光の光を光源に用い
るプロジェクタでもよく用いられる方法で、偏光変換と
呼ばれる。

【０００９】図８で、Ｐ偏光を光ファイバ１２を通過さ
せると、偏光度が低下し、Ｐ偏光とＳ偏光の混在した光
となって出力される。この光を集光レンズ１３で集光さ
せてＰＢＳ１１に入力する。ＰＢＳ１１はＰ偏光成分は
透過し、Ｓ偏光成分は反射する性質がある。反射したＳ
偏光成分は反射鏡１８で反射され、λ／２位相差板１９
を通ってＰ偏光となって出力される。これにより、すべ
ての出力光がＰ偏光に統一される。しかし、この方法に
よると、光のビーム径が２倍以上に広がつてしまうとい
う問題がある。

【００１０】今、液晶パネルなどの空間光変調素子に、
光ファイバを通過したレーザ光を照明することを考え
る。光学系では、図９に示す構成で、以下に述べる定理
が成り立つ。Ｓ１×θ１＝Ｓ２×θ２ただし、Ｓ１は物体の大きさ（面積）Ｓ２は像の大きさ（面積） θ１は物体から出る光の発散角度（立体角） θ２は像に入射する光の角度（立体角）である。

【００１１】空間光変調素子の大きさ、物体から出る光
の発散角度θ１が一定である場合、物体の大きさが２倍
になれば、像に入射する光の角度θ２は２倍になる。上
に述べた偏光変換を用いる場合、光のビーム径が２倍に
なることにより、物体の大きさが２倍になると見做せる
ので、空間光変調素子に入射する光の角度も２倍にな
る。これにより照明効率の低下、構成する機器が大きく
なるなどの問題が生じる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のごとく、レーザ
を光源とする空間光変調素子を用いたプロジェクタを構
成する場合、光ファイバを用いてスペックル低減を図ろ
うとすると、偏光度が低下したり照明効率が低下する等
の問題があった。

【００１３】本発明は、この点を解決して、比較的簡単
な方法で、効果的なスペックルノイズ低減が可能で、か
つ高効率照明が可能な偏光変換ができ、レーザを光源と
する空間光変調素子を用いたプロジェクタに用いること
ができる光学装置の実現を課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明は、単一直線偏光モード発振するレーザ光源
手段と、直線偏光の分離を行う偏光ビームスプリッタ手
段と、光の入力部と出力部を有し、この入力部から出力
部へ光を伝搬する導光手段と、前記導光手段の出力部か
らの出射光を前記導光手段の入力部に入射させる集光光
学系とを具備し、前記偏光ビームスプリッタ手段を前記
集光光学系内に設けて、前記導光手段、前記偏光ビーム
スプリッタ手段および前記集光光学系で光ループを構成
し、前記レーザ光源手段出力を前記偏光ビームスプリッ
タ手段を通して前記光ループに導入し、前記偏光ビーム
スプリッタ手段から直線偏光を出力することを特徴とす
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる光学装置を
添付図面を参照にして詳細に説明する。本発明は、光フ
ァイバを用いた、効果的なスペックルノイズ低減と、高
効率照明が可能な偏光変換の両立を実現することを目的
としている。図１に本発明の一実施の形態の光学装置の
構成を示す。図１で、１１は偏光ビームスプリッタ（Ｐ
ＢＳ）、１２は光ファイバ、１３、１４は集光レンズで
ある。この構成の特徴は、偏光ビームスプリッタ１１を
１つだけ用いて構成した点である。

【００１６】この光学装置の動作を図２にそって説明す
る。ここで入力されるレーザ光は、偏光ビームスプリッ
タに対し、Ｓ偏光であるとする。レーザ光は非常に高い
偏光度を持っているため、ほとんどの光は偏光ビームス
プリッタ１１で反射される（図２−ａ）。反射された光
は集光レンズ１３により光ファイバ１２に入射され、光
ファイバ内部を全反射しながら進行する。このとき、光
の重ねあわせにより空間コヒーレンス度が下がる。ま
た、Ｓ偏光の一部はＰ偏光に変わって行く（図２−
ｂ）。

【００１７】こうして光ファイバ出射部から出るレーザ
光は、空間コヒーレンス度が下がり、Ｓ偏光にＰ偏光を
含むようになっている（図２−ｃ）。光ファイバ１２か
ら出射された光は広がるが、集光レンズ１４によって平
行光に近づける。そして再び偏光ビームスプリッタ１１
に入射される。偏光ビームスプリッタ１１では、Ｓ偏光
は反射し、Ｐ偏光は透過する。このため、反射したＳ偏
光は先に入射された方向へ向かい、プロジェクタ装置の
次の光学素子へと向かう。また透過したＰ偏光は、再
び、光ファイバ１２に入射される（図２−ｄ）。再度光
ファイバ１２に入射されたＰ偏光は、光ファイバ１２を
通過するうちにＰ＋Ｓ偏光に変化する。このうちＳ偏光
は偏光ビームスプリッタ１１により出て行くことにな
る。

【００１８】光ファイバ１２内部の損失や、光ファイバ
１２への入射部分での挿入損失が低ければ、入射したＳ
偏光は、最終的にすべてＳ偏光となって出力されること
になる。しかも光ファイバ１２内部を何度も回るレ−ザ
光が存在するために、光の重ねあわせを大きくすること
ができ、スペックル低減についても大きな効果をあげる
ことが可能である。

【００１９】図３に、本発明の他の実施の形態を示す。
この実施の形態では、レーザ光を本光学装置に入射する
場合にＰ偏光を用いる。基本的な動作は同じである。こ
の場合は、出射光はＰ偏光となる。また、図４のよう
に、光ファイバ１２を加振装置１７で振動させること
で、光ファイバ１２内の光の伝搬経路を変動させて、よ
り大きなスペックル低減を得ることも可能である。

【００２０】本発明では、光ファイバの中間部分を振動
させても、挿入損失などは変止しないため、光ファイバ
を振動させることとの組み合わせで、効果的なスペック
ル低減を行える。

【００２１】光ファイバとしては、ガラス材料・プラス
ティック材料のほかに、液体を材料とするものも使用す
ることができる。これはコアに透過率の高い液体を用い
るものである。このような液体を用いた光ファイバは、
コア径が太いので挿入損失を小さくできることや、前述
した光ファイバを振動させる操作において優位であると
考えられる。また、光ファイバの入り口部分および出口
部分での反射による挿入損失の増加を防ぐために、反射
防止膜を設けることも有効である。

【００２２】

【実施例】本発明の光学装置を用いた単色のレーザ画像
表示装置のブロック図を図５に示す。図５において、１
は本発明の光学装置、１１は偏光ビームスプリッタ、１
２は光ファイバ、１３、１４、１５、１６は集光レン
ズ、１７は加振装置、２０はレーザ光源、２５はＬＣＤ
パネル、２６はプロジェクションレンズ、２７はスクリ
ーン、２８はフライアイレンズである。

【００２３】レーザ光源２０からのレーザ光は集光レン
ズ１３をへて偏光ビームスプリッタ１１に対してＳ偏光
で入力される。ここでの偏光ビームスプリッタ１１、光
ファイバ１２、集光レンズ１４、１５の構成は図１に示
したものと同一なので、その動作は図２で説明した通り
である。これにより、フライアイレンズ２８に向かう光
はスペックル低減されたＳ偏光となって出力される。フ
ライアイレンズ２８は空間的な照度むらを均一にする働
きがある。照度を均一化された光学装置１の出力Ｓ偏光
は集光レンズ１６で集光され、ＬＣＤパネル２５上に照
明され、ＬＣＤパネル２５を透過した光はプロジェクシ
ョンレンズ２６によってスクリーン２７上に投影され
る。

【００２４】図７および図６に、この実施例によるスペ
ックル低減の効果を示す。測定に用いたレーザ光の波長
は０．４μｍ〜０．７μｍの可視光である。図６はレー
ザ光源２０からのレーザ光をこの光学装置１を通さず直
接フライアイレンズ２８に入力した場合のスクリーン２
７の画面上での光の強度分布を示し、図７はこの光学装
置１の光ファイバ１２を通してフライアイレンズ２８に
入力した場合のスクリーン２７の画面上での光の強度分
布を示す。共に横軸は画面上での位置を示し、縦軸は基
準化された光の強度（最大２５５）である。図６および
図７を比較することで、明らかに本光学装置１を通した
方が強度のむらが小さい事が分かる。これを、分散を平
均で割った値（Ｓｐｅｃｌｅｃｏｎｔｒａｓｔ）で比
較すると０．６１２から０．４２３への大幅な改善にな
る。

【００２５】装置に用いる光ファイバ１２の長さは、長
ければ長いほど光の重ね合わせの確率が増えてスペック
ル低減の効果が大きくなるが、光ファイバ１２内部の損
失が大きくなる。光ファイバ１２の長さとしては、物理
的に曲げることのできる長さから数十ｍの長さまでのす
べての長さから、スペックル低減の効果と損失の両面の
兼ね合いで選択される。しかし、長さがそれほど長くな
くても、光ファイバ１２を加振装置１７で振動させるこ
とによって、より大きなスペックル低減効果を上げるこ
とができる。

【００２６】このように、本発明の光学装置によって、
スペックル除去された高い偏光度のレーザ光を効率よく
得ることができる。装置には、光ファイバと偏光ビーム
スプリッタを、それぞれ１つだけ使用する。特に比較的
高価な偏光ビームスプリッタが１つだけで済むことは、
コストの点から有利である。また偏光変換に関して、レ
ーザ光のスポットサイズが広がらないことから、効率的
な照明が可能である。

【００２７】以上の説明では、本発明の用途をレーザを
光源とするプロジェクタにおいて説明したが、例えば半
導体装置を作成する際に用いられる半導体露光装置など
それ以外の多様な用途にも用いることができことはいう
までもない。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１の
発明は、単一直線偏光モード発振するレーザ光源手段
と、直線偏光の分離を行う偏光ビームスプリッタ手段
と、光の入力部と出力部を有し、この入力部から出力部
へ光を伝搬する導光手段と、導光手段の出力部からの出
射光を導光手段の入力部に入射させる集光光学系とを具
備し、偏光ビームスプリッタ手段を集光光学系内に設け
て、導光手段、偏光ビームスプリッタ手段および集光光
学系で光ループを構成し、レーザ光源手段出力を偏光ビ
ームスプリッタ手段を通してこの光ループに導入し、偏
光ビームスプリッタ手段から直線偏光を出力することを
特徴とする。これにより、複数回・光ファイバを通りう
るレーザ光が存在することで、光の重ねあわせ効果が大
きくなるため、比較的簡単な方法で、効果的なスペック
ルノイズ低減がができ、かつビーム径を広がらせること
なく偏光変換ができ、レーザを光源とする空間光変調素
子を用いたプロジェクタに用いることができる高効率の
照明が可能な光学装置を廉価に実現することができる。

【００２９】本発明の請求項２の発明は、導光手段を光
ファイバで構成することを特徴とする。これにより、比
較的容易にかつ廉価に導光路を構成することができ、目
的の光学装置を廉価に実現することができる。

【００３０】本発明の請求項３の発明は、導光手段を内
部が液体で満たされ、その内部壁が光を全反射する管で
構成することを特徴とする。これにより、比較的容易に
かつ廉価にスペックルノイズ低減効果の大きい導光路を
構成することができ、目的の光学装置を廉価に実現する
ことができる。

【００３１】本発明の請求項４の発明は、導光手段を加
振する加振手段を具備することを特徴とする。これによ
り、導光手段の長さが比較的短い場合でも、スペックル
ノイズ低減効果を大きくすることができる。

【００３２】本発明の請求項５の発明は、導光手段の入
力部および出力部に反射防止膜を具備することを特徴と
する。これにより、導光手段の損失を低減することがで
き、高効率の照明が可能な光学装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の光学装置の構成を示す
概略図。

【図２】図１の実施の形態の動作を説明する説明図。

【図３】本発明の他の実施の形態の光学装置の構成を示
す概略図。

【図４】本発明のさらに他の実施の形態の光学装置の構
成を示す概略図。

【図５】本発明を用いたレーザ画像表示装置の一実施例
の構成を示す概略図。

【図６】光ファイバを通さない場合のスクリーン画面上
の強度むらを示す図表。

【図７】図５の一実施例でのスクリーン画面上の強度む
らを示す図表。

【図８】従来の偏光変換の構成を示す概略図。

【図９】像の大きさと入射角との関係を示す説明図。

【符号の説明】

１…本発明の光学装置、１１…偏光ビームスプリッタ、
１２…光ファイバ、１３、１４、１５、１６…集光レン
ズ、１７…加振装置、１８…反射鏡、１９…λ／２位相
差板、２０…レーザ光源、２５…ＬＣＤパネル、２６…
プロジェクションレンズ、２７…スクリーン、２８…フ
ライアイレンズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岩井順一東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者宮脇徹行東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単一直線偏光モード発振するレーザ光源
手段と、直線偏光の分離を行う偏光ビームスプリッタ手段と、光の入力部と出力部を有し、この入力部から出力部へ光
を伝搬する導光手段と、前記導光手段の出力部からの出射光を前記導光手段の入
力部に入射させる集光光学系とを具備し、前記偏光ビームスプリッタ手段を前記集光光学系内に設
けて、前記導光手段、前記偏光ビームスプリッタ手段お
よび前記集光光学系で光ループを構成し、前記レーザ光源手段出力を前記偏光ビームスプリッタ手
段を通して前記光ループに導入し、前記偏光ビームスプ
リッタ手段から直線偏光を出力することを特徴とする光
学装置。
【請求項２】前記導光手段は光ファイバであることを
特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】前記導光手段は内部が液体で満たされ、
その内部壁が光を全反射する管であることを特徴とする
請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】前記導光手段を加振する加振手段を具備
することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】前記導光手段の入力部および出力部に反
射防止膜を具備することを特徴とする請求項１に記載の
光学装置。