CN103797414A - 照明装置、投射型影像显示装置以及光学装置 - Google Patents

照明装置、投射型影像显示装置以及光学装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种以斑点干扰不显眼的方式对被照明区域(像形成区域)进行照明的照明装置、投射型影像显示装置。本发明所涉及的照明装置的特征在于，具备：射出相干光的光源(11)；使从光源(11)射出的相干光扫射的光扫射部(15)；以及以通过光扫射部(15)扫射的相干光随时间经过而反复对被照明区域进行照明的方式设定的光路变换***(21)，入射于被照明区域的各点的相干光的入射角度随时间变化。

Description

照明装置、投射型影像显示装置以及光学装置
技术领域
本发明涉及使用激光等相干光的照明装置、以及、将相干光用作光源对光调制元件照明并将影像投射于屏幕上的投射型影像显示装置、还有在它们中使用的光学装置。
背景技术
已知使用液晶、MEMS等光调制元件(微显示器)将来自光源的照明光影像化并投影于屏幕的投影仪(投射型影像显示装置)。在此种投影仪中，已知在光源中使用高压水银灯等白色光源的投影仪，对液晶等二维光调制元件进行照明将所获得的图像通过投射光学***放大并将影像投射于屏幕上。
然而，高压水银灯等高亮度放电灯寿命比较短，当利用于投影仪等时，需要频繁地更换灯。另外，还存在装置自身大型化的缺点。而且，从环境负载的观点看，使用汞的高压水银灯的规格不能说是理想的。为了消除此种缺点，还提案有将激光用作光源的投影仪。半导体激光器与高压水银灯等相比较为高寿命的，另外，还能够谋求装置整体的小型化。
如此，由于被期待为投影仪的下一代光源的激光的直线前进性优秀，可以认为，即使与LED等相比较也能够谋求光入射效率的提高。然而，当将激光用作光源时，存在如下缺点，即产生起因于相干性高度的斑点干扰(speckle noise)，使影像难以观察。
斑点干扰是将相干的激光用作光源时，来自照射对象表面的微少凹凸的散射光干涉从而产生的斑点状的干扰，当在投影仪中产生时不仅成为画质劣化的原因，有时还对观察者带来生理上的不适感。为了降低该斑点干扰，进行了各种尝试，即，使激光所通过的漫射板振动、放大激光光谱的波长光谱、使成为激光的照射对象的屏幕自身振动等。作为此种斑点干扰降低的尝试，在专利文献1中，公开了通过使相干光所通过的漫射元件旋转运动来谋求斑点干扰的降低的无斑点显示器装置。
专利文献
专利文献1：日本特开平6-208089号公报。
发明内容
然而，在专利文献1所公开的斑点干扰降低方法中，存在如下问题，即虽然在漫射元件到达前产生的斑点干扰(干涉图案)能够平均化，但是从漫射中心去往屏幕的入射光线角度在屏幕上的任一点处都是不变的，所以屏幕各点的光散射特性也变得恒定，作为结果，几乎得不到在屏幕上产生的斑点干扰的去除效果。
此种以相干光为原因而产生的斑点不仅在将相干光作为光源而使用的投射型影像显示装置(投影仪)中，而且在使用相干光的各种照明装置中也成为问题。
本发明的第一目的是提供谋求抑制在将相干光作为光源的情况下产生的斑点的照明装置、以及利用了此种照明装置的投射型影像显示装置。而且，在本发明中，以在此种照明装置、投射型影像显示装置中，有效地对被照明区域进行照明、谋求光的利用效率为目的。而且，目的在于通过以大致相同的条件对被照明区域进行照明来均匀地对被照明区域整体进行照明。
本发明所涉及的照明装置的特征在于，具备：
射出相干光的光源；
使从所述光源射出的相干光扫射的光扫射部；以及
以通过所述光扫射部扫射的相干光随时间经过而反复对被照明区域进行照明的方式设定的光路变换***，
入射于所述被照明区域的各点的相干光的入射角度随时间变化。
而且在本发明所涉及的照明装置中，其特征在于，
所述光路变换***与所述光扫射部的相干光的扫射位置无关地对所述被照明区域整体进行照明。
而且在本发明所涉及的照明装置中，其特征在于，
所述光路变换***具备第一聚光元件和第二聚光元件，
所述光扫射部设于所述第一聚光元件的前侧焦点位置，
所述第二聚光元件的前侧焦点位置设于所述第一聚光元件的后侧焦点位置，
被照明区域位于所述第二聚光元件的后侧焦点位置。
而且在本发明所涉及的照明装置中，其特征在于，
所述光扫射部包含振镜而构成。
而且在本发明所涉及的照明装置中，其特征在于，
所述光扫射部包含多面镜而构成。
而且在本发明所涉及的照明装置中，其特征在于，
所述光扫射部包含可变衍射型元件而构成。
而且在本发明所涉及的照明装置中，其特征在于，
所述光扫射部包含相位调制元件而构成。
而且在本发明所涉及的照明装置中，其特征在于，
在所述光源与所述光扫射部之间配置有光束成型单元。
另外本发明所涉及的投射型影像显示装置的特征在于，具备：
射出相干光的光源；
使从所述光源射出的相干光扫射的光扫射部；
具有形成像的像形成区域的光调制元件；
以通过所述光扫射部扫射的相干光随时间经过而反复对所述像形成区域进行照明的方式设定的光路变换***；以及
将所述光调制元件的像投射于屏幕的投射光学***，
入射于所述像形成区域的各点的相干光的入射角度随时间变化。
另外本发明所涉及的光学装置的特征在于，具备：
使相干光扫射的光扫射部；以及
以通过所述光扫射部扫射的相干光随时间经过而反复对被照明区域进行照明的方式设定的光路变换***。
根据本发明的照明装置，通过光扫射部使相干光扫射，从光路变化***射出的照明光以根据时间而不同的角度对被照明区域进行照射，能够使在被照明区域产生的斑点成为对观察者不可见的状态。而且，在本发明的投射型影像显示装置中，通过对屏幕也以根据时间而不同的角度进行照射，能够有效地抑制在屏幕上产生的斑点。
附图说明
图1是示出具备本发明的实施方式所涉及的照明装置的投射型影像显示装置的构成的图；
图2是示出本发明的实施方式所涉及的照明装置的构成的图；
图3是示出本发明的其他实施方式所涉及的光扫射部(可变衍射型元件)的构成的图；
图4是示出本发明的其他实施方式所涉及的光扫射部(相位调制元件)的构成和相位变化的情况的图；
图5是示出本发明的其他实施方式所涉及的光扫射部(相位调制元件)的相位变化的情况的图。
具体实施方式
那么，参照附图进行本发明的实施方式所涉及的照明装置以及投射型影像显示装置的说明。图1是示出具备本发明的实施方式所涉及的照明装置的投射型影像显示装置的构成的图。此外，以下所说明的附图是示意性地示出的图，有时与实际的形状、尺寸、配置不同。
本实施方式的投射型影像显示装置10具备照明装置20、用于形成影像的光调制元件31、将在光调制元件31中形成的影像投射于屏幕41的投射光学***32等。此外，在图中，将影像所投影的屏幕41面作为X-Y平面，将与其正交的轴作为Z轴。屏幕41能够使用观察在屏幕41反射的影像的反射型屏幕、或者、观察透射了屏幕41的影像的透射型屏幕中的任一种。
本实施方式的照明装置20具有光学11、光扫射部15、光路变换***21而构成。此外，在本发明中所说的光学装置由从照明装置20除去了光源11的光扫射部15、光路变换***21构成。
光源11使用射出作为相干光的激光的半导体激光器装置等各种激光器装置。从光源11射出的相干光对光扫射部15进行照明。此外，优选设置光束成型单元，该光束成型单元对从光源11射出的相干光谋求其截面方向的强度分布的均匀化。作为设计例，以在光扫射部附近的面处均匀化的方式设置光束成型单元，并且以光调制元件面与该面成为共轭的方式设定光路变换***21，从而能够以均匀的强度对被照明区域进行照明。另外，光束成型单元还可以是使强度均匀化的同时将激光光束的截面形状变形为光调制元件的形状的单元。另外，还可以根据作为被照明区域的光调制元件31的像形成区域的大小、光路变换***21的放大率等各种条件，通过光束扩展器(beam expander)调节射出的相干光的口径。
光扫射部15是使光源11射出的相干光的方向根据时间变化的光学元件。在本实施方式中，使用能够以转动中心Ra为中心使反射面转动的振镜(galvanomirror)。此外，作为使可动反射镜机械地转动的可动式反射镜器件，还能够考虑使用多面镜、MEMS扫射仪。另外，不限于可动式反射镜器件，还可以使用通过电气地变更衍射条件来使射出方向变化的可变衍射型元件、或者相位调制元件。在此种元件中，与可动式反射镜器件不同，不具有可动部，因而能够减轻制造时或维护时等的工序负担。之后说明细节。
设本实施方式的光扫射部15在Y轴方向上具有转动中心Ra，进行使相干光在X-Z面内扫射的一维扫射，但是由光扫射部15进行的相干光的扫射可以利用一维、二维扫射中的任一种。不管在何种情况下都扫射光路变换***21的入射面，作为结果，需要能够充分地对被照明区域进行照明。
从光源11入射的相干光在该光扫射部15处成为方向根据时间变化的扫射光La，入射于光路变换***21。在图中，示出最外端附近的扫射光La(t1)和La(t2)的情况，但实际上，扫射光La在该La(t1)与La(t2)之间随时间经过而连续移动或者间歇移动。光路变换***21是使用从光扫射部15射出的扫射光La对作为被照明区域的像形成区域进行照明的光学元件。由光扫射部15进行光扫射的扫射光La经由该光路变换***21，以随时间经过而反复的方式对被照明区域进行照明。特别是，在本实施方式中，设光路变换***21与光扫射部15的扫射位置无关地对光调制元件31的作为被照明区域的像形成区域整体进行持续照明，谋求光的利用效率的提高。而且，通过持续地使用平行光或者大致平行光对像形成区域进行照明，能够以相同条件对像形成区域的各点进行照明，例如，对像形成区域整体均匀地进行照明。
光调制元件31是具有基于影像信号形成像的像形成区域的显示器，在本实施方式中使用透射型的液晶显示元件。作为光调制元件31，在此种透射型的元件之外，还能够利用MEMS等反射型的元件。来自光路变换***21的照明光Lb随着时间的经过而使入射角度变化并入射于光调制元件31，基于显示于像形成区域的像而被变换为调制光Lc。
投射光学***32将来自光调制元件31的调制光Lc放大并转换为影像再现光Ld并投射于屏幕41。在本实施方式中，在该投射光学***32的后级设有光阑33。
那么，针对作为在该投射型影像显示装置10中用于抑制斑点的主要构成的照明装置20，详细地说明其原理等。图2是示出本发明的实施方式所涉及的照明装置20构成的图，是示出了由光路变换***21进行的照明的情况的图。
如图2所示，时刻t1时的扫射光La(t1)入射于光路变换***21，在被变换为对光调制元件31的像形成区域的至少一部分区域进行照明的照明光Lb(t1)之后，对该区域进行照明。时刻t2时的扫射光La(t2)也同样，在由光路变换***21变换为照明光Lb(t2)之后，对像形成区域的至少一部分区域进行照明。如该图所示，照明装置20使相对于被照明区域的入射角度根据时间变化，并且对像形成区域整体进行照明。
本实施方式中的光路变换***21由第一聚光元件21a和第二聚光元件21b构成。如图所示，在第一聚光元件21a中，设前侧焦距为F1＃a，设后侧焦距为F1＃b，光扫射部15的转动中心Ra位于前侧焦点位置。另一方面，在第二聚光元件21b中，设前侧焦距为F2＃a，设后侧焦距为F2＃b，光调制元件31的入射面位于后侧焦点位置。而且，第一聚光元件21a的后侧焦点位置以位于第二聚光元件21b的前侧焦点位置的方式配置。
作为第一聚光元件21a、第二聚光元件21b，具备具有聚光功能的功能即可，使用透镜、凹面镜等。也可以通过具有同等的功能的全息元件、衍射元件等实现。另外，还可以通过它们的组合而实现。另外，光路变换***21具有所扫射的相干光随时间经过而反复对被照明区域进行照明那样的功能即可，除了聚光元件的组合以外，还可以通过多个反射镜、多个棱镜、多个导光元件、光纤阵列等实现。
在此种第一聚光元件21a、第二聚光元件21b的光学配置中，从光源11入射的平行或大致平行的相干光能够持续以平行或大致平行的照明光Lb对光调制元件31的既定区域整体进行照明。在本实施方式中，该照明光Lb所照明的既定区域被设定为光调制元件31的像形成区域。通过对像形成区域整体进行持续照明来谋求光的利用效率的提高。而且，通过采用平行或大致平行的照明光Lb，能够以相同条件对像形成区域的各点进行照明。
以上，针对光路变换***21，说明了由第一聚光元件21a和第二聚光元件21b构成的***，但是光路变换***21的构成不限于该实施方式，是将扫射光La对作为被照明区域的像形成区域的至少一部分进行照明，并且随着由光扫射部15进行的光扫射，随时间经过而对像形成区域整体进行照明的***即可。
返回图1，在光调制元件31中被调制的调制光Lc在投射光学***32中被放大并被作为影像再现光Lb投射于屏幕41上，使观察者观察反射或者透射的影像。此时在屏幕41的面上漫射的相干光通过相互干涉而产生斑点。然而，在本实施方式中，由于通过光扫射部15使相干光扫射，故作为结果使投射于屏幕41的影像再现光Ld角度随时间经过而变化，极为有效地使该斑点不显眼。
在图1所示的屏幕上的点P1处，例如，时刻t1时的影像再现光Ld(t1)和时刻t2时的影像再现光Ld(t2)以不同的入射角度照射。在图示的其他点P2、未图示的其他点也同样，影像再现光Ld使入射角度根据时间变化，并且将影像投射于屏幕41上。从而，在极短时间内，在屏幕上形成的光斑也通过影像再现光Ld以随时间而不同的入射角度照射而在视觉的响应时间内根据时间平均化，对观察投射于屏幕41的像的观察者而言成为足够不显眼的状态。
在由观察者观察的斑点中，不仅有如此以屏幕41上的相干光的散射为原因而产生的斑点，还有在投射型影像显示装置10的各种光学元件上产生的斑点。该斑点通过经由光调制元件31投射于屏幕41而被观察者观察到。在本实施方式中，通过扫射光La对光路变换***21进行扫射，从而能够使在投射型影像显示装置10的各种光学元件中产生的斑点为足够不显眼的状态。
以上，在图1、图2的本实施方式中，针对光扫射部15说明了使用振镜的可动式反射镜器件，但是还能够使用不具有可动部的可变衍射型元件、或者相位调制元件。图3是示出本发明的其他实施方式所涉及的光扫射部(可变衍射型元件)的构成的图，图4是示出本发明的其他实施方式所涉及的光扫射部(相位调制元件)的构成和相位变化的情况的图，图5是示出本发明的其他实施方式所涉及的光扫射部(相位调制元件)的相位变化的情况的图。
图3的光扫射部15是利用了可变衍射型元件的实施方式，在该实施方式中，设作为可变衍射型元件而利用振幅调制型的液晶元件。构成光扫射部15的液晶元件通过液晶151而形成衍射光栅。通过使该由液晶151形成的衍射光栅的间距根据时间变化并改变衍射角度，能够使从光源11入射的相干光的射出方向根据时间变化。在本实施方式中，通过相对于光扫射部15的入射面斜向地使相干光入射，从而能够放走0级光，并且使衍射光沿元件的法线方向射出。
作为可变衍射型元件，在该液晶元件以外，还可以使用声光元件等将通过的光的相位调制的光学元件。或者，针对反射的光，还能够使用将相位调制的微反射镜器件。
图4的光扫射部15是利用了相位调制元件的实施方式，在该实施方式中，设利用仅进行相位的调制的液晶元件。图4(a)是示出该构成例的图，光扫射部15具有在透明基材153、154之间封入的液晶层152而构成。在液晶层152，设有在每个部分配置的像素电极152a和公用电极152b，能够在每个部分中随时间经过而使折射率变化来使透射光的相位变化。
图4(b)是示出相位变化的基本型的图，以与图4(a)的构成图对应的形式示出相位分布。通过使施加于像素电极152a的偏压根据时间变化，例如能够形成如时刻t1、t2所示的相位分布。在此种相位分布中，如图4(a)所示，能够使时刻t1时的扫射光La(t1)偏转为时刻t2时的扫射光La(t2)的状态。实际上，通过在t1的相位状态与t2的相位状之间多级或者连续地变化，对于扫射光La，也能够多级或者连续地使方向变化。
图5是示出相位变化的其他方式的图，通过使相位分布为基诺全息照片(kinoform)型，即通过根据时间变更在0到2π内反复的图案，从而随时间变化而变更偏转条件，与图4(b)的情况同样地使偏转方向变化。该图与图4(b)同样，是以与图4(a)的构成图对应的形式示出相位分布的图，图5(a)示出时刻t1的相位状态，图5(e)示出时刻t2的相位状态。通过使从图5(a)到图5(e)、从图5(e)到图5(a)之间的相位形状根据时间变化，从而使从光源11入射的相干光偏转。此外，相位分布还可以使用设定为0至2π以外的范围的菲涅尔透镜(fresnel lens)型。
在如此将相位调制元件利用为光扫射部15的情况下，由于与利用所述可变衍射型元件的情况不同，不产生0级光，故能够谋求光的利用效率的提高。另外，还能够如图所示相对于光扫射部15的入射面垂直地使相干光入射。
以上，根据本实施方式，能够提供斑点干扰不显眼的照明装置、以及通过使用该照明装置对光调制元件31进行照明从而能够提供斑点干扰不显眼的影像的投射型影像显示装置。特别是，在本实施方式中，通过使用光扫射部15扫射的光经由光路变换***21进行照明，从而能够谋求光的利用效率提高。
此外，本发明不仅仅限于这些实施方式，将各个实施方式的构成适当地组合而构成的实施方式也成为本发明的范畴。
附图标记说明
10 投射型影像显示装置；11 光源；15 光扫射部；151 液晶；152 液晶层；152a 像素电极；152b 公用电极；153、154 透明基材；21 光路变换***；21a 第一聚光元件；21b 第二聚光元件。

Claims (10)

1. 一种照明装置，其特征在于，具备：
射出相干光的光源；
使从所述光源射出的相干光扫射的光扫射部；以及
以通过所述光扫射部扫射的相干光随时间经过而反复对被照明区域进行照明的方式设定的光路变换***，
入射于所述被照明区域的各点的相干光的入射角度随时间变化。
2. 根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，
所述光路变换***与所述光扫射部的相干光的扫射位置无关地对所述被照明区域整体进行照明。
3. 根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，
所述光路变换***具备第一聚光元件和第二聚光元件，
所述光扫射部设于所述第一聚光元件的前侧焦点位置，
所述第二聚光元件的前侧焦点位置设于所述第一聚光元件的后侧焦点位置，
被照明区域位于所述第二聚光元件的后侧焦点位置。
4. 根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，
所述光扫射部包含振镜而构成。
5. 根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，
所述光扫射部包含多面镜而构成。
6. 根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，
所述光扫射部包含可变衍射型元件而构成。
7. 根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，
所述光扫射部包含相位调制元件而构成。
8. 根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，
在所述光源与所述光扫射部之间配置有光束成型单元。
9. 一种投射型影像显示装置，其特征在于，具备：
射出相干光的光源；
使从所述光源射出的相干光扫射的光扫射部；
具有形成像的像形成区域的光调制元件；
以通过所述光扫射部扫射的相干光随经过变化而反复对所述像形成区域进行照明的方式设定的光路变换***；以及
将所述光调制元件的像投射于屏幕的投射光学***，
入射于所述像形成区域的各点的相干光的入射角度随时间变化。
10. 一种光学装置，其特征在于，具备：
使相干光扫射的光扫射部；以及
以通过所述光扫射部扫射的相干光随时间经过而反复对被照明区域进行照明的方式设定的光路变换***。
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