JP2007121899A - 光路合成装置および光ビーム合成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化を可能にすると共に、単純な光学系により確実な光ビームの合成が可能な光路合成装置およびその方法を提供する。
【解決手段】光路合成装置１は、互いに波長の異なる光ビームを放射する複数の光源部2,3,4と、これらの複数の光源部からの光ビームの光路を合成するための回折格子5とを有し、各光源部2,3,4から回折格子5に入射する光ビームが回折格子5によって反射され、共通の光路10に合致して出射するように、複数の光源部2,3,4の各々と回折格子5の相対的な位置関係を設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、小型の投射型ディスプレイ装置に使用される光合成装置、特に、回折格子を用いて波長の異なる複数の光ビームを合成する光路合成装置およびその方法に関するものである。

小型の投射型ディスプレイ装置では、装置全体の外形寸法や、演色性、放熱性、信頼性、価格面等の制約から高出力発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）が使用される傾向にあり、特に、波長の異なる複数の光ビームを光源に用いた小型プロジェクターが急速に市場を形成しつつある。この際、複数の光ビームとしては、赤色、緑色、青色の３色（ＲＧＢ）が光源部に用いられる場合が多く、プロジェクター内の光学エンジン部では、３つの光ビームを同一光路上に合成して透過型液晶（ＬＣＤ）やＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）からなる表示デバイスに透過、あるいは反射させた後、投射レンズでスクリーン上に投射させて使用している。

また、最近のマイクロディスプレイ方式のリアプロジェクションＴＶ用光源部にも寿命の短い放電灯に代わり、ＲＧＢ−ＬＥＤやＲＧＢ−ＬＤが検討されつつあり、投射型ディスプレイ装置への様々な適用が浸透しつつある。

従来の光路合成装置においては、例えば、特許文献１に記載のように、波長の異なる複数の光ビームを合成するため、ダイクロイックフィルタを用いたり、あるいは偏光ビームスプリッタを用いたりしていたが、どちらも高価な誘電体多層膜を用いなければならないという問題があった。

また、ダイクロイックフィルタを備えたクロスキューブプリズムを使用する場合には、中心部において、形状的な誤差要因が発生することが多く、透過光に歪や悪影響をもたらす。
さらに、偏光ビームスプリッタを用いた場合には、一度に二つの光ビームまでしか対応できず、ＲＧＢのような３つの光ビームを同一光路上に合成するにはダイクロイックフィルタ等の他の手段を併用するために構造が複雑化し、コストの上昇を伴う原因となっていた。

上記装置に使用されるＬＥＤ光は、無偏光であり、このＬＥＤ光を偏光ビームスプリッタに適用した場合には、１回の透過、あるいは反射によって透過光、あるいは反射光の光量が半減してしまう欠点を有していた。

また、別の従来技術として、特許文献２に記載のように、プリズムの屈折角を利用して光路を合成する手法もあるが、プリズム形状が複雑となり、作製手法が難しいという問題を生じていた。さらに、このプリズムを使用して、光路の分離／合成を十分行う場合には、プリズム面に対する光軸角が狭く（小さく）なる傾向にあり、光軸調整が困難であった。

また、プリズムの屈折角を利用して光路を合成する手法では、使用するＲＧＢ−ＬＥＤのスペクトラム特性が色の再現性を支配するため、半値幅等の広いＬＥＤを使用する場合には、演色性の悪い色彩となってしまうといった問題も生じていた。
特開２００３−１２１９２３号公報 特開２００２−２５０８９３号公報

本発明は、上記のような問題点を解決して、装置の小型化を可能にすると共に、単純な光学系により確実な光ビームの合成が可能な光路合成装置およびその方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の光路合成装置は、互いに波長の異なる光ビームを放射する複数の光源部と、これらの複数の光源部からの前記光ビームの光路を合成するための回折格子とを有し、各光源部から前記回折格子に入射する光ビームが前記回折格子によって反射され、共通の光路に合致して出射するように、前記複数の光源部の各々と回折格子の相対的な位置関係を設定したことを特徴としている。

また、複数の光源部は、波長λの光ビームが回折格子の法線となす入射角αで前記回折格子の溝に入射した場合、前記波長λの光が所定の出射角βで回折するとき、
ｄ（sinα±sinβ）＝ｎλ
すなわち、
sinα±sinβ＝Ｎｎλ
ここで、
ｄ：格子間隔
Ｎ：1ｍｍ当たりのスリット数（溝本数）＝１／ｄ
ｎ：回折次数
λ：波長
の式が成り立つように、上記式の各パラメータが定められ、各光源部からの光ビームが、回折格子の法線となす出射角βに合致した１つの光路を進むように、各光源部の入射角αを求めることによって、前記複数の光源部の配置を決定する。

回折格子は、平面型または曲面型で構成することができ、光源部は、発光ダイオードまたは半導体レーザで構成されている。また、複数の光源部は、赤色、緑色、青色の光ビームを放射する光源部で構成することが可能である。

また、本発明の光路合成方法は、互いに波長の異なる複数の光源部から回折格子に対して、光ビームが所定の入射角で入射するように、前記複数の光源部を配置し、回折格子の溝の面で反射した各光ビームが１つの光路に合致するように合成し、この合成した光ビームを前記回折格子から投射光学系に向けて出射する、各ステップを有する。

前記投射光学系は、同一光軸上に配置された集光用レンズ、光インテグレータロッド、および表示デバイスにより映像情報に変換された後、投射用レンズによってスクリーン上に投射されることを特徴としている。また、本発明の方法において、複数の光源部は、赤色、緑色、青色の光ビームを放射する光源部で構成することが可能である。

本発明の光路合成装置は、高価なダイクロイックフィルタや光ビームスプリッタ等を用いることなく、複数の光源部と、1つの回折格子とで構成されるために、装置の構成部品が少なく、組立が容易となり、単純な構成によって装置の小型化を達成することができる。さらに、回折格子に対する光ビームの入射角αおよび回折角（出射角）β、各波長λ_R、λ_G、λ_B、格子の溝本数Ｎ、回折次数ｎ等のパラメータの設定により、回折格子に対する光源部の配置設定を容易に定めることができ、また、回折光の光スペクトル特性を任意に可変することにより、色再現性の高い光源部を提供することができる。

以下、本発明の光路合成装置を図面に基づいて説明する。
図１、図２は、本発明に係る光路合成装置の原理的な構成を示しており、図１は、平面型回折格子を用いた場合の構成図であり、図２は、曲面型回折格子を用いた場合の構成図である。

図１及び図２において、本発明に係る光路合成装置１は、赤色、緑色、青色の各光ビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を有する３つの光源部２,３,４と、平面型または曲面型のブレーズド回折格子５を用いる。この回折格子５は、一般的に鏡面加工した金属板に1mmに300〜数千本の溝を平行に作り、反射光が干渉し合うことを利用するもので、この回折格子５に対する入射角αと回折角(出射角)βを選択することで、特定波長の光を取り出すことができる。

Ｒ、Ｇ、Ｂの光源部２,３,４は、回折格子５の法線Ｐに対して所定の角度で回折格子５に入射するように配置される。３つの光源部からの光線Ｒ、Ｇ、Ｂは、回折格子５の溝６の斜面８に形成された反射面で回折（反射）され、Ｒ、Ｇ、Ｂの光線が同一の光路１０に合致して出射されるようになっている。
Ｒ、Ｇ、Ｂの光源部２,３,４の光源は、装置の小型化、信頼性等の目的から、赤色、緑色、青色の光ビームを放射する発光ダイオードまたは半導体レーザが用いられる。

図１の平面型回折格子の場合では、光源部２,３,４からの光線Ｒ、Ｇ、Ｂが、カップリングレンズ１２を通過し、平行ビームとなって回折格子５に向けて、それぞれ、回折格子の法線Ｐとなす角度θ_R、θ_G、θ_B（図３参照）で入射する。また、図２では、回折格子５とレンズの役目をする曲面型回折格子５'を用いているので、Ｒ光源２、Ｇ光源３、およびＢ光源４の光線をレンズなしで直接回折格子５'に向けて入射させている。

赤色、緑色、青色の各光ビームは、それぞれ波長λ_R、λ_G、λ_Bのビームであり、例えば、波長λ_Rは６３８ｎｍの赤色光線、波長λ_Gは５４５ｎｍの緑色光線、波長λ_Bは４５３ｎｍの青色光線である。本発明の実施形態では、上述したように、赤色、緑色、青色の光ビームを用いているが、他の波長(色)の光ビームを用いることが可能であり、さらに、光源の個数も３に限定されるものではなく、２または４以上の光源を用いることも可能である。

本発明の光路合成装置１において用いられる回折格子の断面形状としては、矩形状、正弦波状、鋸歯状などがあるが、好ましくは、平面および曲面の鏡面に鋸歯状の断面形状の溝を有するブレーズド型の回折格子が望ましい。この回折格子は、樹脂またはソーダガラス等のブランク材料に鋸歯状の溝を形成し、その表面にアルミニウムを真空蒸着によりコーティングしたものである。

断面が鋸歯状の格子溝６は、レーザの２光束干渉法を利用したホログラフィック露光法等により光の精度で製作される。回折格子がブレーズタイプでは、凹凸が非対称であるため、回折光を特定の次数に集中できるので、光を有効に利用でき、溝６の周期誤差による迷光が極めて少ない。また、イオンビームエッチング法により、溝６のブレーズ加工を行うので、各種のブレーズ角を有するブレーズド格子を製作することが可能である。

曲面型の回折格子５'は、平面型回折格子５と異なり、回折格子のグレーティング部分が凹面形状であり、この曲面に沿って鋸歯状の格子溝６が形成されており、凹レンズの特性を有するために、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光源２,３,４からの光線は、レンズ１２を介することなく直接回折格子の溝６の斜面８に入射させることが可能になる。

このようなブレーズド回折格子５では、図３(a)に示すように、光源部から放射された光ビームが、回折格子５の溝の斜面８に入射角（入射光と回折格子法線とのなす角）αで入射すると、波長λの光は、出射角βで回折することになる。この入射角αと出射角（回折角）βの関係は、次式のグレーティング方程式を満足する。

ｄ（sinα±sinβ）＝ｎλ （1）
すなわち、
sinα±sinβ＝Ｎｎλ （2）
ここで、
ｄ：格子間隔
Ｎ：1ｍｍ当たりのスリット数（溝本数）＝１／ｄ
ｎ：回折次数
λ：波長

この一般式は、単一の白色光が入射角α（θ_i）で入射したとき、３原色に分光して、赤色、緑色、青色のＲＧＢの３つの異なる波長λ_R、λ_G、λ_Bの光ビームを、それぞれ、回折角β（θ_R、θ_G、θ_B）で出射する場合に適用される。

本発明では、図３(a)で示す単一の白色光を３原色に分光する形ではなく、図３(b)に示すように、Ｒ、Ｇ、Ｂの３つの光源から出た光線が、回折格子により回折されて、１つの光路に合致して出射されるものである。光の入射光と出射光とは、可逆性があるので、入射光と出射光を、出射光と入射光に入れ替えてもその法則は成り立つ。

本発明では、回折格子に対する光ビームの入射と出射が、図３(a)に示す関係とは逆になっており、３つの異なる波長λ_R、λ_G、λ_Bの光ビームが、回折格子５にそれぞれ、θ_R、θ_G、θ_Bで入射する形となる。
それゆえ、本発明の実際の使用では、上記入射角αは、実際の使用時における出射角θiに該当し、上記出射角βは、回折角θ_R、θ_G、θ_Bで表わされる角度であり、実際の使用時における入射角に該当する。

上記グレーティング方程式のパラメータであるｄ、Ｎ、ｎ、λ、θ_iを設定して、各光源の入射角θ_R、θ_G、θ_Bを決定することができる。

図４および図５は、上記式の関係により得られるグラフであり、図４は、波長対回折角を示し、入射角θ_iが４５°において、回折格子の溝本数が300本／ｍｍ、600本／ｍｍ、および1200本／ｍｍの場合の各特性線を表わしている。
一方、図５は、回折格子の溝本数が600本／ｍｍの場合におけるＲ、Ｇ、Ｂの３光源の入射角と回折角の関係を示している。
図５中の３本の特性線は、３つの光線Ｒ、Ｇ、Ｂが回折格子に反射して１つの光ビームとなる場合の回折角（回折光と回折格子法線とのなす角θ_i）に対するＲ、Ｇ、Ｂの入射角θ_R、θ_G、θ_Bの値を求めるためのものである。

次に、図１および図２の構成において、上記グレーティング方程式、およびこの式に基づいて得られる上述の図４および図５のグラフを用いて、本発明に係るＲ光源２、Ｇ光源３、およびＢ光源４のそれぞれの配置を決定する。

以下において、必要とされる回折格子５の入射角θ_R、θ_G、θ_Bの値を求める手法を説明することにする。

ここで、簡単のため、上記パラメータの数値として、入射角α：４５°、溝本数Ｎ：６００本／ｍｍ、回折次数ｎ：１とし、赤色光の波長λ_R：６３８ｎｍ、緑色光の波長λ_G：５４５ｎｍ、緑色光の波長λ_B：４５３ｎｍであると定める。

実際の使用時における合成光の出射角θ_iを４５°とし、溝本数600本／ｍｍと仮定した場合、図４の波長対回折角の特性線(b)と、波長６３８ｎｍから下ろした垂線との交点Ａを求め、この交点Ａから、水平に伸びた線上で交わる交点Ｂの回折角の数値を読み取ると、Ｒ光源の回折角、すなわち、入射角は、θ_R＝19.26°となる。同様に、Ｇ光源とＢ光源の入射角は、それぞれ、θ_G＝22.94°、θ_B＝25.57°と求めることができる。

また、図５は、溝本数が６００本／ｍｍの場合における、入射角と回折角(出射角)との関係を示すものであり、この特性線からも同様にして、Ｒ光源の入射角は、θ_R＝19.26°Ｇ光源の入射角は、θ_G＝22.94°、Ｂ光源の入射角は、θ_B＝25.57°となる。
上記図４および図５のいずれかのグラフより求めた数値の結果が、図６に示されている。

以上説明したことから明らかなように、上記グレーティング方程式に基づいて、計算された数値により、赤色、緑色、青色のそれぞれの波長λ_R、λ_G、λ_Bに対応する光ビームの入射角を定めることができる。そして、この数値で決められた関係を満足する位置に３つの光源部２,３,４を配置すれば、回折格子から放射される光線は、１つの合致した光路を進むことになる。

このようにして、本発明の光路合成装置１は、回折格子５から１つの合成光路１０に出射されるＲＧＢの合成された光ビームの各光源部２,３,４の配置設定を、実施例で求めたそれぞれの入射角θ_R、θ_G、θ_Bを用いて行うことができる。

この光路合成装置１は、公知のように、ＬＣＤ利用のリアプロジェクション方式およびフロントプロジェクション方式に利用することができる。
その一例として、図７の装置を示す。この放射型ディスプレイ装置３０は、３つの光源部２,３,４、回折格子５、集光用フレネルレンズ２０、光インテグレータロッド２２、投射用フレネルレンズ２４を含んでいる。このディスプレイ装置３０は、光源部２,３,４からのＲＧＢの光線が回折格子５に入射し、１つの合成光ビームとなり、回折格子５から同一光軸上を進む光ビームは、最終的に集光用フレネルレンズ２０で集光され、光インテグレータロッド２２内で光強度が均一化され、ＤＭＤやＬＣＤ等の表示デバイス(図示略)により映像情報を経た後、投射用レンズ２４によってスクリーン上に投射して使用される。

本発明の光路合成装置１では、光源として、高出力の発光ダイオードを用いたが、この場合、ＬＥＤを使用すると、図８に示すように、各原色のサブピークがなくなり、原色の純度が向上することにより色再現域が拡大する。また、図９に示す色再現範囲によれば、ＬＥＤバックライト（LED-BL）の色空間が他のアドビＲＧＢやＣＲＴの色再現域を示すｓＲＧＢに比較して広いことから、発光ダイオードを光源として用いる優位性が明らかである。

次に、上記本発明の光路合成装置１を用いた場合の光路合成方法について説明する。
この方法は、互いに波長の異なる、赤色、緑色、青色の複数の光源部からブレーズド型の回折格子に対して、光ビームが所定の入射角で入射するように、前記複数の光源部２,３,４を配置し、回折格子５の溝６の面で反射した各光ビームが１つの光路１０に合致するように合成し、この合成した光ビームを前記回折格子５から投射光学系に向けて出射する、各ステップを有する。

上記入射角θ_R、θ_G、θ_Bは、既に説明したグレーティング方程式（1）または（2）
に基づく複数のパラメータを設定して求められる。

こうして、互いに波長の異なる、赤色、緑色、青色の複数の光源部２,３,４を所定の位置に配置し、ブレーズド型の回折格子５に対して、光源部２,３,４からの各光ビームを所定の角度で所定の位置に入射させ、回折格子５の溝６の面で反射した各光ビームを１つの光路１０に合致するように合成し、この合成した光ビームが回折格子５から投射光学系に向けて出射する。

さらに、前記投射光学系では、図７に示すように、回折格子５から出射された光ビームは、同一光軸上に配置された集光用レンズ２０、光インテグレータロッド２２、および表示デバイス(図示略)により映像情報に変換された後、投射用レンズ２４によってスクリーン上に投射されることになる。

従来の投影型ディスプレイ装置では、ＲＧＢの光源から出射された光が２枚のダイクロイックミラーからなる色合成手段で集光され、各色に応じた分散角でマイクロレンズアレイに出射されるようにダイクロイックミラーの角度が調整され、そして、マイクロレンズアレイから出射されたＲＧＢの各成分が、それぞれ液晶パネルの各ＲＧＢの画素部を通り液晶パネルで変調されて形成された映像が投射レンズで拡大されスクリーン上に投影されている。

このような従来の投影型ディプレイ装置は、上述した従来技術における問題点を生じているが、本発明の装置では、回折原理を利用してＲＧＢの光ビームを合成するので、単純な光学系により確実な光ビームの合成が可能になる。
また、回折格子の格子間隔ｄや回折次数ｎを変えることで、回折格子５への入出射角を任意に設定でき、設計上の自由度が増えるので、装置の小型化設計が有利となる。
回折格子５は、プリズムに比べ、平面あるいは曲面形状上に周期性の溝６を形成するので、作製手法が単純であることからコストを削減することができる。

一般的に回折光の光スペクトル特性は、光ビームと照射される回折格子５の有効溝本数Ｎによって決まることから、溝本数や光ビーム径によって回折光の光スペクトル特性を任意に可変することが可能となる。このため、回折格子の有効溝本数が多いほど、回折格子による波長選択性が高まり、回折光の光スペクトル特性が狭くなる。その結果、３つの光源部２,３,４からの光ビーム径をレンズ系によって調整したり、回折格子５の格子間隔ｄを可変させることで、回折光の光スペクトル特性を調整することによって色再現性の高い光源を提供することができる。

本発明に係る光路合成装置の第１実施形態を示す構成図である。 本発明に係る光路合成装置の第２実施形態を示す構成図である。 本発明に使用する回折格子に入射する光線の方向を表わす関係式を示す図であり、３(a)は、一般式の場合を示し、３(b)は、３つの光ビームが１つの光路に合成される場合の関係式を示す図である。 本発明の回折格子において、入射角が４５°の場合の３つの異なる溝本数に対応する波長対回折角の関係を示す図である。 溝本数が600本／ｍｍの場合の入射角対回折角の関係を示す図である。 本発明に係る光路合成装置における出射角θiに対する入射角θ_R、θ_G、θ_Bの各数値を示す図である。 本発明の光合成装置を放射型ディスプレイ装置に適用する場合に構成を示す斜視図である。 発光ダイオードの発光スペクトラムの一例を示す図である。 ＬＥＤバックライトと他の色空間との色再現範囲を比較した一例を示す図である。

符号の説明

１ 光合成装置
２,３,４ 光源部
５,５' 回折格子
６ 溝
８ 斜面
１０ 光路
２０ 集光用フレネルレンズ
２２ 光インテグレータロッド
２４ 投射用フレネルレンズ
３０ 放射型ディスプレイ装置

Claims (8)

1. 互いに波長の異なる光ビームを放射する複数の光源部と、
   これらの複数の光源部からの各光ビームの光路を合成する回折格子とを有し、
   各光源部から前記回折格子に入射される光ビームが前記回折格子によって反射され、共通の光路に合致して出射するように、上記複数の光源部の各々と回折格子の相対的な位置関係を設定したことを特徴とする光路合成装置。
2. 前記複数の光源部は、波長λの光ビームが回折格子の法線となす入射角αで前記回折格子の溝に入射した場合、前記波長λの光が所定の出射角βで回折するとき、
   ｄ（sinα±sinβ）＝ｎλ
   すなわち、
   sinα±sinβ＝Ｎｎλ
   ここで、
   ｄ：格子間隔
   Ｎ：1ｍｍ当たりのスリット数（溝本数）＝１／ｄ
   ｎ：回折次数
   λ：波長
   の式が成り立つように、上記式の各パラメータが定められ、各光源部からの光ビームが、前記回折格子の法線となす前記出射角βに合致した１つの光路を進むように、各光源部の入射角を求めることによって、前記複数の光源部の配置を決定することを特徴とする請求項１記載の光路合成装置。
3. 前記回折格子は、平面型または曲面型であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光路合成装置。
4. 前記光源部は、発光ダイオードまたは半導体レーザであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光路合成装置。
5. 前記複数の光源部は、赤色、緑色、青色の光ビームを放射する光源部であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光路合成装置。
6. 互いに波長の異なる複数の光源部からの各光ビームを１つの光路に合成する方法であって、
   前記複数の光源部からの各光ビームが回折格子に対して所定の入射角で入射するように、前記複数の光源部を配置し、回折格子の溝の面で反射した各光ビームが１つの光路に合致するように合成し、この合成した光ビームを前記回折格子から投射光学系に向けて出射する、各ステップを有することを特徴とする光ビーム合成方法。
7. 前記投射光学系は、同一光軸上に配置された集光用レンズ、光インテグレータロッド、および表示デバイスにより映像情報に変換された後、投射用レンズによってスクリーン上に投射されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記複数の光源部は、赤色、緑色、青色の光ビームを放射する光源部であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の方法。
   
   

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