JP2019128521A - 光源装置及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化を図りつつスペックル対策を実現できる、光源装置及びプロジェクターを提供する。【解決手段】光入射面と光射出面とを有し、内部に光透過性を有する液体が充填されたロッドと、ロッドの光入射面に向けてレーザー光を射出するレーザー発光素子と、液体の所定領域におけるレーザー光の平均屈折率を変化させる屈折率変化手段と、を備える光源装置に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置及びプロジェクターに関するものである。

プロジェクターに用いられる光源として、高輝度かつ高出力の光が得られる半導体レーザー等のレーザー光源が注目されている。
例えば下記の特許文献１に、赤色光用レーザー光源を含む赤色光用光源装置と、緑色光用レーザー光源を含む緑色光用光源装置と、青色光用レーザー光源を含む青色光用光源装置と、各色光の光路に設けられた光拡散装置および光変調装置と、投射光学系と、を備えたプロジェクターが開示されている。このプロジェクターでは、レーザー光線を集光させて、集光部に拡散板を配置することでレーザー光を拡散させることでスペックル対策を行っていた。

特開２０１５−０６４４４４号公報

しかしながら、拡散板を用いてスペックル対策を行うと、拡散板から射出された拡散光を飲み込むために大型の光学系が必要になるといった問題が生じる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、装置の小型化を図りつつスペックル対策を実現できる、光源装置及びプロジェクターを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の光源装置は、光入射面と光射出面とを有し、内部に光透過性を有する液体が充填されたロッドと、前記ロッドの前記光入射面に向けてレーザー光を射出するレーザー発光素子と、前記液体の所定領域における前記レーザー光の平均屈折率を変化させる屈折率変化手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の一つの態様の光源装置においては、液体の所定領域における平均屈折率を変化させることによって、光入射面から液体中に入射した光の位相、偏向方向及び進行方向の少なくともいずれかを変化させることができる。このように位相、偏向方向又は進行方向が変化した光はスペックルによる不具合の低減に有効に働くので、例えば、光源装置の光を画像光に用いる場合、スペックルによる画質低下を低減することができる。

上記態様の光源装置では、前記ロッドは、液体中に散乱された散乱粒子をさらに有するのが好ましい。

この構成によれば、液体中を進む光を散乱あるいは反射させることで、該光の進行方向又は位相を変化させることができる。よって、液体中に散乱粒子を散乱させることで、液体の所定領域における平均屈折率を変化させる構成を実現できる。

上記態様の光源装置では、前記屈折率変化手段は、前記ロッド内に液体を循環させるポンプであるのが好ましい。

この構成によれば、散乱粒子を含む液体が流動することで、液体の所定領域におけるレーザー光の平均屈折率を変化させる構成を簡便に実現できる。

上記態様の光源装置では、前記屈折率変化手段は、前記ロッド内の前記液体に超音波を発生させる超音波発生器であるのが好ましい。

この構成によれば、超音波によって液体の所定領域において水分子の粗密を発生させることができる。これにより、液体の所定領域における平均屈折率を変化させる構成を簡便に実現できる。

上記態様の光源装置では、前記超音波発生器は、前記超音波の周波数を３０Ｈｚ以上でランダムに変化させるのが好ましい。

この構成によれば、異なるスペックルパターンを重畳することで、スペックルノイズがより認識されにくくなるので、結果的にスペックルによる画質の低下をより低減できる。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、上記態様に係る光源装置と、前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学装置と、を備えることを特徴とする。

本発明の一つの態様のプロジェクターにおいては、小型化を実現しつつ、スペックルによる画質の低下の少ない良質な画像を表示できる。

第一実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 光源装置の構成を示す図である。 ロッドインテグレーターの構成を示す断面図である。 第二実施形態のロッドインテグレーターの構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図１は本実施形態のプロジェクターの概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１００は、光源装置１と、導光光学系２と、マイクロミラー型の光変調装置３と、投射光学装置４と、を備えている。光源装置１は、赤色光、緑色光および青色光の各色光を時分割で射出し、光変調装置３に順次入射させる。光源装置１の詳細な構成については、後で説明する。

導光光学系２は、反射ミラーから構成されている。導光光学系２は、光源装置１から射出された赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢを反射させ、光変調装置３に時分割で入射させる。

マイクロミラー型の光変調装置３としては、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）が用いられる。ＤＭＤは、複数のマイクロミラーがマトリクス状に配列された構成を有する。ＤＭＤは、複数のマイクロミラーの傾斜方向を切換えることにより、入射光の反射方向を、投射光学装置４に入射する方向と投射光学装置４に入射しない方向との間で高速に切り替える。このように、光変調装置３は、光源装置１から射出される赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢ（図２参照）を順次変調し、緑色画像、赤色画像、および青色画像を生成する。

投射光学装置４は、緑色画像、赤色画像、および青色画像をスクリーンＳＣＲに投射する。投射光学装置４は、例えば複数の投射レンズにより構成されている。

図２は光源装置１の構成を示す図である。
図２に示すように、光源装置１は、赤色用発光部２０Ｒと、緑色用発光部２０Ｇと、青色用発光部２０Ｂと、光路変更素子２１と、集光レンズ２２と、ロッドインテグレーター２４と、ピックアップ光学系２５と、第２集光レンズ２６と、を備える。

本実施形態において、赤色用発光部２０Ｒ、光路変更素子２１及び青色用発光部２０Ｂは、赤色用発光部２０Ｒの光軸ａｘ１上に設けられている。緑色用発光部２０Ｇ、光路変更素子２１、集光レンズ２２、ロッドインテグレーター２４と、ピックアップ光学系２５と、第２集光レンズ２６とは、光源装置１の照明光軸ａｘ２上に設けられている。光軸ａｘ１と照明光軸ａｘ２とは、互いに直交している。なお、青色用発光部２０Ｂの光軸は赤色用発光部２０Ｒの光軸ａｘ１と一致しており、緑色用発光部２０Ｇの光軸は照明光軸ａｘ２と一致している。

赤色用発光部２０Ｒは、複数の赤色光線Ｂｒからなる赤色光ＬＲを射出する。緑色用発光部２０Ｇは、複数の緑色光線Ｂｇからなる緑色光ＬＧを射出する。青色用発光部２０Ｂは、複数の青色光線Ｂｂからなる青色光ＬＢを射出する。

赤色用発光部２０Ｒ、緑色用発光部２０Ｇ及び青色用発光部２０Ｂは、射出する光の色が異なる以外、同様の構成を有している。そのため、以下では、緑色用発光部２０Ｇ及び青色用発光部２０Ｂの構成部材のうち赤色用発光部２０Ｒの構成と共通の部材については同じ符号を付し、その説明を省略する。

赤色用発光部２０Ｒは、基板１１と、基板１１上に実装される複数の赤色発光素子１２Ｒと、複数のコリメーターレンズ１３とを有する。基板１１は、例えば、アルミニウム、銅などの放熱性に優れた金属材料から構成されている。赤色発光素子１２Ｒは、赤色光線Ｂｒ（例えば５８５ｎｍ〜７２０ｎｍの波長域のレーザー光）を射出する半導体レーザーから構成されている。本実施形態において、赤色発光素子１２Ｒは特許請求の範囲に記載の「レーザー発光素子」に相当する。

複数のコリメーターレンズ１３は、複数の赤色発光素子１２Ｒに１対１で対応している。コリメーターレンズ１３は、対応する赤色発光素子１２Ｒから射出された赤色光線Ｂｒを平行化する。このような構成に基づき、赤色用発光部２０Ｒは、平行化された複数の赤色光線Ｂｒを含む平行光束からなる赤色光ＬＲを光路変更素子２１に向けて射出する。

緑色用発光部２０Ｇは、基板１１と、基板１１上に実装される複数の緑色発光素子１２Ｇと、複数のコリメーターレンズ１３とを有する。緑色発光素子１２Ｇは、緑色光線Ｂｇ（例えば４９５ｎｍ〜５８５ｎｍの波長域のレーザー光）を射出する半導体レーザーから構成されている。本実施形態において、緑色発光素子１２Ｇは特許請求の範囲に記載の「レーザー発光素子」に相当する。

複数のコリメーターレンズ１３は、複数の緑色発光素子１２Ｇに１対１で対応している。コリメーターレンズ１３は、対応する緑色発光素子１２Ｇから射出された緑色光線Ｂｇを平行化する。このような構成に基づき、緑色用発光部２０Ｇは、平行化された複数の緑色光線Ｂｇを含む平行光束からなる緑色光ＬＧを光路変更素子２１に向けて射出する。

同様に、青色用発光部２０Ｂは、基板１１と、基板１１上に実装される複数の青色発光素子１２Ｂと、複数のコリメーターレンズ１３とを有する。青色発光素子１２Ｂは、青色光線Ｂｂ（例えば４９５ｎｍ〜５８５ｎｍの波長域のレーザー光）を射出する半導体レーザーから構成されている。本実施形態において、青色発光素子１２Ｂは特許請求の範囲に記載の「レーザー発光素子」に相当する。

複数のコリメーターレンズ１３は、複数の青色発光素子１２Ｂに１対１で対応している。コリメーターレンズ１３は、対応する青色発光素子１２Ｂから射出された青色光線Ｂｂを平行化する。このような構成に基づき、青色用発光部２０Ｂは、平行化された複数の青色光線Ｂｂを含む平行光束からなる青色光ＬＢを光路変更素子２１に向けて射出する。

光路変更素子２１は、赤色用発光部２０Ｒ、緑色用発光部２０Ｇ及び青色用発光部２０Ｂから射出されるＲＧＢ各色の光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）の光路を変更して一方向に揃える。光路変更素子２１は、クロスダイクロイックプリズムから構成されている。光路変更素子２１は、クロスダイクロイックプリズムを構成する４つのプリズムの間に設けられた、第１のダイクロイックミラー２１ａと第２のダイクロイックミラー２１ｂとを含む。

第１のダイクロイックミラー２１ａ及び第２のダイクロイックミラー２１ｂは、それぞれ光軸ａｘ１及び照明光軸ａｘ２に対して４５°で交差するように配置されている。また、第１のダイクロイックミラー２１ａ及び第２のダイクロイックミラー２１ｂは、互いに４５°の角度をなすように交差する。

第１のダイクロイックミラー２１ａは、赤色光ＬＲを反射するとともに、緑色光ＬＧ及び青色光Ｌｂを透過させる光学特性を有している。第２のダイクロイックミラー２１ｂは、青色光ＬＢを反射するとともに、赤色光ＬＲ及び緑色光ＬＧを透過させる光学特性を有している。

このような構成に基づき、光路変更素子２１は、各色光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）を集光レンズ２２に向けて射出するようになっている。集光レンズ２２は、各色光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）を集光させつつロッドインテグレーター２４に入射させる。

続いて、ロッドインテグレーター２４の構成について説明する。図３はロッドインテグレーター２４の構成を示す断面図である。
図３に示すように、本実施形態のロッドインテグレーター２４は、四角柱状の外形からなるロッド本体３０と、ロッド本体３０の内部に充填された液体３１と、ポンプ２７とを有している。ロッド本体３０は中空の管状部材から構成され、各色光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）が入射する光入射面２４ａと、光入射面２４ａと対向する光射出面２４ｂと、内面が反射面として機能する反射面２４ｃとを有している。なお、本実施形態において、光入射面２４ａ及び光射出面２４ｂの大きさは等しい。すなわち、すなわち、本実施形態のロッドインテグレーター２４は、テーパを持たないロッドインテグレーターで構成されている。なお、ロッドインテグレーター２４は特許請求の範囲に記載の「ロッド」に相当する。

ロッド本体３０は、液体３１として内部に水を充填している。本実施形態において、ロッド本体３０に充填された液体３１はポンプ２７によって循環されている。これにより、ロッド本体３０内には、液体３１による流動が生じている。本実施形態において、ロッド本体３０は、ポンプ２７に向けて液体３５を排出する液体排出口３０ａと、ポンプ２７から送り出された液体３５を内部に流入させる液体注入口３０ｂとを有している。

ロッドインテグレーター２４は、液体３１中に散乱された散乱粒子３１ａをさらに有する。散乱粒子３１ａとしては、空気による気泡、油性成分の微小粒子、或いはポリマー粒子（例えば、ポリスチレンラテックス）を用いることができる。すなわち、散乱粒子３１ａの種類としては、光を散乱あるいは反射させることで、液体３１内を進む光の進行方向又は位相を変化させるものであれば上記に限定されることはなく、適宜用いることができる。

本実施形態のロッドインテグレーター２４では、散乱粒子３１ａを含む液体３１がロッド本体３０内を循環するため、液体３１の所定領域Ａに着目すると、該所定領域Ａに含まれる散乱粒子３１ａの個数が継時的に変化する。ここで、散乱粒子３１ａは液体３１中を進む光を屈折あるいは反射させるので、液体３１の所定領域Ａにおける散乱粒子３１ａの個数を変化させることは、該所定領域Ａにおける平均屈折率を変化させることと等価である。したがって、液体３１をロッド本体３０内に循環させるポンプ２７は、特許請求の範囲に記載の「屈折率変化手段」として機能する。

本実施形態のロッドインテグレーター２４によれば、液体３１の所定領域Ａにおける平均屈折率を変化させることによって、光入射面２４ａから液体３１中に入射した各色光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）の位相、偏向方向及び進行方向の少なくともいずれかを変化させることができる。

また、各色光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）は、ロッドインテグレーター２４内を反射面２４ｃで反射された後、光射出面２４ｂから射出されることで照度分布が均一化される。

ここで、本実施形態のロッドインテグレーター２４は、テーパロッド構成ではないため、光の角度分布はロッドインテグレーター２４内で保存される。本実施形態において、各色光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）は、内部を透過する過程で位相、偏向方向及び進行方向のいずれかが変化しているが、これら変化によるロッドからの射出角の変化は僅かである。そのため、各色光は光入射面２４ａに対する入射角と概ね等しい射出角で光射出面２４ｂから射出される。

各色光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）は光射出面２４ｂから射出されてピックアップ光学系２５に入射する。ピックアップ光学系２５は、ロッドインテグレーター２４の光射出面２４ｂから射出された各色光を略平行化する。凸レンズから構成された第２集光レンズ２６は、ピックアップ光学系２５から射出された光線束を光変調装置３に向けて集光する。

本実施形態のプロジェクター１００は、光源装置１から順次射出される赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ（図２参照）を光変調装置３で変調し、生成した緑色画像、赤色画像、および青色画像を投射光学装置４によってスクリーンＳＣＲに投射する。本実施形態の光源装置１によれば、各色光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）の位相、偏向方向及び進行方向の少なくともいずれかを変化させることができるので、投射光学装置４からスクリーンＳＣＲのある点に投射される光の角度分布が時間的に変化する。このように角度分布が時間的に変化するとスペックルパターンが時間的に変化するため、スペックルノイズが観察者に認識されにくくなり、スペックルによる画質低下を低減される。

ここで、スペックル対策として拡散板を用いる従来の光源装置の場合、拡散板から大きな射出角で拡散光が射出されるため、拡散板の後段のピックアップ光学系に入射されない光が生じ、光利用効率が低下するおそれがあった。また、ピックアップ光学系に入射されない光が生じないようにピックアップ光学系の口径を大きくすると、光源装置が大型化してしまうという問題が生じる。

また、拡散板を用いると、拡散板への光入射時に後方散乱によって拡散板内に光が効率良く入射しないという問題があった。また、拡散板に入射した光が拡散板内を導波して拡散板の端部から外部に射出されることで損失を生じるという問題があった。

これに対し、本実施形態の光源装置１によれば、拡散板に代えて、内部に液体３１を充填したロッドインテグレーター２４を用いることでスペックル対策を行うことができる。また、本実施形態のロッドインテグレーター２４は、上述のように、光入射面２４ａに対する入射角と概ね等しい射出角で光射出面２４ｂから光を射出させることができる。そのため、ロッドインテグレーター２４の光射出面２４ｂから射出される光の射出角は拡散板を用いた場合に比べて小さくなる。よって、ロッドインテグレーター２４の光射出側に配置するピックアップ光学系２５として、口径を小さいものを採用できるので、光源装置１を小型化できる。また、拡散板を用いないため、上述した後方散乱や内部導波による光の損失を低減することができる。

以上のように、本実施形態のプロジェクター１００によれば、上記光源装置１を備えることで、小型化を実現しつつ、スペックルによる画質の低下が少ない、良質な画像を表示できる。また、光源装置１における光利用効率が高いので、明るい画像を表示できる。

（第二実施形態）
続いて、第二実施形態に係る光源装置について説明する。本実施形態と第一実施形態との違いは、ロッドインテグレーターの構成であり、それ以外の構成については共通である。そのため、以下では第一実施形態と共通の部材及び構成については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。

図４は本実施形態のロッドインテグレーター４４の構成を示す断面図である。図４に示すように、本実施形態のロッドインテグレーター４４は、四角柱状の外形からなるロッド本体４０と、ロッド本体４０の内部に充填された液体４１と、超音波発生器４２とを有している。ロッド本体４０は中空の管状部材から構成され、各色光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）が入射する光入射面４０ａと、光入射面４０ａと対向する光射出面４０ｂと、内面が反射面として機能する４つの反射面４０ｃとを有している。なお、本実施形態において、光入射面４０ａ及び光射出面４０ｂの大きさは等しい。すなわち、すなわち、本実施形態のロッドインテグレーター４４は、テーパを持たないロッドインテグレーターで構成されている。

ロッド本体４０は、液体４１として内部に水を充填している。なお、液体４１中には散乱粒子が散乱されていない。本実施形態において、ロッド本体４０の反射面４０ｃの外面には超音波発生器４２が配置されている。

超音波発生器４２は、ロッド本体４０内の液体４１に対して超音波Ｐを発生させる。本実施形態において、超音波発生器４２は、超音波の周波数（例えば、６０Ｈｚ〜１２０Ｈｚ）を３０Ｈｚ以上、すなわち１秒間の間に３０回以上ランダムに変化（変調）させる。

本実施形態のロッドインテグレーター４４では、超音波発生器４２により液体４１に発生した超音波Ｐによって、液体４１の所定領域Ａ１において水分子の粗密状態を生じさせることができる。ここで、水分子の粗密は液体４１中を進む光を屈折あるいは反射させるので、液体４１の所定領域Ａにおいて水分子に粗密を生じさせることは、該所定領域Ａにおける平均屈折率を変化させることと等価である。したがって、ロッド本体４０内の液体４１に超音波Ｐを発生する超音波発生器４２は、特許請求の範囲に記載の「屈折率変化手段」として機能する。

本実施形態のロッドインテグレーター４４によれば、液体４１の所定領域Ａにおける平均屈折率を変化させることによって、光入射面４０ａから液体４１中に入射した各色光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）の位相、偏向方向及び進行方向の少なくともいずれかを変化させることができる。

本実施形態のロッドインテグレーター４４では、超音波発生器４２によって超音波の周波数を３０Ｈｚ以上でランダム変調させるので、異なるスペックルパターンが重畳されることで、スペックルノイズがより観察者に認識されにくくなるので、結果的にスペックルによる画質の低下をより低減することができる。

なお、本発明は上記実施形態の内容に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記第二実施形態では液体４１中に散乱粒子を散乱させない場合を例に挙げたが、液体４１中に第一実施形態と同様に散乱粒子３１ａを散乱させるようにしてもよい。このようにすれば、液体４１中の所定領域における平均屈折率をより変化させ易くすることができる。

また、上記実施形態では本発明による光源装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。

１…光源装置、３…光変調装置、４…投射光学装置、２４ａ，４０ａ…光入射面、２４ｂ，４０ｂ…光射出面、２７…ポンプ（屈折率変化手段）、３１，３５，４１…液体、３１ａ…散乱粒子、４２…超音波発生器（屈折率変化手段）、１００…プロジェクター、Ａ，Ａ１…所定領域。

Claims (6)

1. 光入射面と光射出面とを有し、内部に光透過性を有する液体が充填されたロッドと、
   前記ロッドの前記光入射面に向けてレーザー光を射出するレーザー発光素子と、
   前記液体の所定領域における前記レーザー光の平均屈折率を変化させる屈折率変化手段と、を備える
   光源装置。
2. 前記ロッドは、液体中に散乱された散乱粒子をさらに有する
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記屈折率変化手段は、前記ロッド内に液体を循環させるポンプである
   請求項２に記載の光源装置。
4. 前記屈折率変化手段は、前記ロッド内の前記液体に超音波を発生させる超音波発生器である
   請求項１に記載の光源装置。
5. 前記超音波発生器は、前記超音波の周波数を３０Ｈｚ以上でランダムに変化させる
   請求項４に記載の光源装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
   前記画像光を投射する投射光学装置と、を備える
   プロジェクター。

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