JP2015037017A

JP2015037017A - 導光系及び駆動制御方法

Info

Publication number: JP2015037017A
Application number: JP2013167488A
Authority: JP
Inventors: 裕一中村; Yuichi Nakamura
Original assignee: Toshiba Digital Media Engineering Corp
Current assignee: Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2015-02-23

Abstract

【課題】導光系を低コスト化及び小型化しつつ観者に認識されるスペックルノイズを軽減させる。
【解決手段】実施形態によれば、導光系は、コヒーレント光を発生及び出射する光源１０１、１０２または１０３と、コヒーレント光を導光するライトパイプ１１０とを含む。光源１０１、１０２または１０３の発光強度は、当該光源１０１、１０２または１０３のそれぞれのＯＮ期間において複数のレベルに切り替えられる。ライトパイプ１１０の内面の少なくとも一部は、コヒーレント光を乱反射させるように形成されている。
【選択図】図５

Description

実施形態は、コヒーレント光を光源とする光学系に関する。

近年、プロジェクタ用光源としてレーザが注目されている。レーザを光源として用いることにより、光利用効率及び色再現性を向上させることができる。他方、レーザ光は、コヒーレンスが高いので、光の干渉によるスペックルノイズ（例えば、２次元的な干渉縞及び３次元的なシンチレーション）が問題となる。

従来、スペックルノイズの生じる位置（スペックルパターン）を変化させるための拡散板が提案されている。この拡散板は、高速回転しながらレーザ光源からのレーザ光を透過させることにより、スペックルパターンを高速に変化させることができる。この結果、観者はスペックルノイズを認識しにくくなる。

しかしながら、拡散板を導入するためには、当該拡散板を回転させるための機構、部品、回路などが必要となる。更に、複数色の照明光を合成するための部材（例えば、クロスプリズム）を配置する必要もあるし、拡散板を回転させるためのスペースを確保しなければならない。即ち、拡散板の導入は、導光系のコスト及び消費電力を増大させるだけでなく、導光系の小型化を困難にする。

特開２０１０−６０９１２号公報

実施形態は、導光系を低コスト化及び小型化しつつ観者に認識されるスペックルノイズを軽減させることを目的とする。

実施形態によれば、導光系は、コヒーレント光を発生及び出射する光源と、コヒーレント光を導光するライトパイプとを含む。光源の発光強度は、当該光源のそれぞれのＯＮ期間において複数のレベルに切り替えられる。ライトパイプの内面の少なくとも一部は、コヒーレント光を乱反射させるように形成されている。

レーザ光を表示装置に投影した場合の光の干渉の様子の説明図。レーザ光を表示装置に投影した場合に生じるスペックルノイズの説明図。レーザ光を表示装置に投影した場合に生じるスペックルノイズの説明図。比較例の導光系を例示する図。第１の実施形態に係る導光系を例示する図。ＲＧＢシーケンシャル光学系における各レーザダイオード及びＬＣＯＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｏｎＳｉｌｉｃｏｎ）型イメージャのＯＮ期間及びＯＦＦ期間を例示するタイミングチャート。レーザダイオードをＣＷ発光させた場合の発光強度を例示するタイミングチャート。レーザダイオードの発光強度制御を行った場合の発光強度を例示するタイミングチャート。レーザダイオードの発光強度制御を行った場合の発光強度を例示するタイミングチャート。レーザダイオードの発光強度とレーザ光の出射角度との関係の説明図。

以下、図面を参照しながら実施形態の説明が述べられる。尚、以降、説明済みの要素と同一または類似の要素には同一または類似の符号が付され、重複する説明は基本的に省略される。

プロジェクタ用光源として例えばレーザ光などのコヒーレント光を用いると、スペックルノイズが問題となることがある。具体的には、図１に例示されるように、レーザ光が例えばスクリーンなどの表示装置に投影されると、その反射光（または散乱光）は相互に干渉し合うことになる。

光の干渉により、図２に例示されるスペックルノイズが生じることがある。即ち、表示画像に平面的な明暗の縞模様が投影され、当該表示画像の画質が大幅に劣化する。更に、光の干渉により、図３に例示されるスペックルノイズが生じることもある。即ち、表示装置と観者との間の空間に立体的な明暗パターン（これは、シンチレーションと呼ばれる斑点模様のちらつきに相当する）が生じる。この結果、上記空間には多数の輝点が分布するので、観者は焦点を定め辛く表示画像を長時間に亘って観察することが困難となる。

係るスペックルノイズを軽減するために、図４に例示される導光系が採用されることがある。この導光系は、３色のレーザ光源から出射されたレーザ光をコリメートレンズによって平行な光へと整形し、整形された光をクロスプリズム１０４によって合成する。合成光（ＲＧＢシーケンシャル光）は、モータ１０５によって回転される拡散板１０６を透過する。拡散板１０６が回転することにより、合成光が表示装置に投影された場合のスペックルパターンは変化する。このスペックルパターンの変化の速度が観者の目の認識速度に比べて十分に速ければ、観者はスペックルノイズを認識しにくくなる。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る導光系は、図５に例示されるように、赤色レーザダイオード（Ｒ−ＬＤ）１０１と、緑色レーザダイオード（Ｇ−ＬＤ）１０２と、青色レーザダイオード（Ｂ−ＬＤ）１０３と、ライトパイプ１１０とを備える。図１の導光系は、例えばＬＣＯＳ型イメージャを用いるプロジェクタ光学系に適用されてもよいが、これに限られない。

Ｒ−ＬＤ１０１、Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３は、ライトパイプ１１０の一端側に取り付けられる。Ｒ−ＬＤ１０１、Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３は、駆動時（即ち、ＯＮ期間）に、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光をそれぞれ発生及び出射する。尚、Ｒ−ＬＤ１０１、Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３は、任意の方式のコヒーレント光源に置き換えられてもよい。また、コヒーレント光源の個数は３に限定されない。

Ｒ−ＬＤ１０１、Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３は、図示されない駆動回路によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。更に、Ｒ−ＬＤ１０１、Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３は、駆動回路によってＯＮ期間における発光強度も制御される。即ち、Ｒ−ＬＤ１０１、Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３は、駆動回路によって制御されたＯＮ期間に亘って、当該駆動回路によって制御された発光強度で発光する。

ライトパイプ１１０は、Ｒ−ＬＤ１０１、Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３からの赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光を合成及び導光する。具体的には、ライトパイプ１１０は、一端側が三叉路状に形成されている。前述の通り、ライトパイプ１１０の一端には、Ｒ−ＬＤ１０１、Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３が取り付けられる。Ｒ−ＬＤ１０１、Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３からの赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光は、ライトパイプ１１０の一端側から他端側へと導光され、導光の途上で合成される。尚、ライトパイプ１１０の一端側の形状は、三叉路状に限られず、例えばライトパイプ１１０の一端側に取り付けられるコヒーレント光源の個数に応じて適宜決定されてもよい。

ライトパイプ１１０の内面の少なくとも一部は、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光を乱反射させるように（要するに、粗面として）形成されている。具体的には、ライトパイプ１１０の内面の少なくとも一部は、例えばブラスト加工を用いることによって、粗面として形成することができる。

ライトパイプ１１０によって導光される赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光は、当該ライトパイプ１１０の内面によって乱反射される（換言すれば、拡散光として反射される）。故に、Ｒ−ＬＤ１０１（Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３についても同様）からライトパイプ１１０の他端までの赤色レーザ光のパスは多様化し、同一時刻に出射された赤色レーザ光の間でもパスに応じた経路差（例えば、反射回数の差異）が生じる。即ち、ライトパイプ１１０の他端より出射される赤色レーザ光（緑色レーザ光及び青色レーザ光についても同様）は様々な位相を持つことになる。従って、この赤色レーザ光が表示装置に投影される場合に生じるスペックルノイズは軽減される。

ライトパイプ１１０によれば、図４に例示される導光系に比べて低コスト、低消費電力かつ省スペースに、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光を合成及び導光することができる。

前述の通り、ライトパイプ１１０によれば、様々な位相を持つ赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光が出射されるので、これらのレーザ光が表示装置に投影される場合に生じるスペックルノイズは軽減される。更に、Ｒ−ＬＤ１０１、Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３の発光強度を後述されるように制御することによって、スペックルノイズをいっそう軽減することができる。

例えば、ＲＧＢシーケンシャル光学系によれば、図６に例示されるように、ＬＣＯＳ型イメージャのそれぞれのＯＮ期間において、Ｒ−ＬＤ１０１、Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３のうち所定の順序によって定められるいずれか１つが独立にＯＮとなる。

例えば、ＬＣＯＳ型イメージャの第１のＯＮ期間においてＲ−ＬＤ１０１が独立にＯＮとなり、ＬＣＯＳ型イメージャの第２のＯＮ期間においてＧ−ＬＤ１０２が独立にＯＮとなり、ＬＣＯＳ型イメージャの第３のＯＮ期間においてＢ−ＬＤ１０３が独立にＯＮとなり、ＬＣＯＳ型イメージャの第４のＯＮ期間において再びＲ−ＬＤ１０１が独立にＯＮとなる。

一般的に、Ｒ−ＬＤ１０１、Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３の各々は、それぞれのＯＮ期間において図７に示されるようにＣＷ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）駆動するように制御される。

しかしながら、本実施形態において、Ｒ−ＬＤ１０１、Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３の各々は、それぞれのＯＮ期間において発光強度が複数のレベルに切り替えられる（例えば、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）駆動する）ように制御されることが好ましい。

レーザダイオードには、図１０に例示されるように、発光強度の変化と共に出射角度も変化する特性がある。故に、例えばＲ−ＬＤ１０１（Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３についても同様）がそれぞれのＯＮ期間内で発光強度が複数のレベルに切り替えられるように制御されれば、赤色レーザ光の出射角度は当該ＯＮ期間内で発光強度のレベルに応じた複数の大きさに切り替わることになる。即ち、赤色レーザ光（緑色レーザ光及び青色レーザ光についても同様）は、ライトパイプ１１０の内面の様々な位置で乱反射されるので、当該赤色レーザ光が表示装置に投影される場合に生じるスペックルパターンも変化することになる。従って、スペックルノイズはいっそう軽減される。

尚、Ｒ−ＬＤ１０１（Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３についても同様）のそれぞれのＯＮ期間における発光強度は、図８に例示されるように２レベルに切り替えられるように制御されてもよいし、図９に例示されるようにより多くのレベルに切り替えられるように制御されてもよい。切り替え可能な発光強度のレベル数が増えるほど、レーザ光の出射角度を多様化させることが可能であるから、スペックルノイズの軽減に有効である。

また、Ｒ−ＬＤ１０１（Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３についても同様）の発光強度は、好ましくは、当該Ｒ−ＬＤ１０１のそれぞれのＯＮ期間におけるＤＣ換算時の総光量が所望値に一致するように、それぞれのＯＮ期間において複数のレベルに切り替えられる。ここで、所望値は、例えばＲ−ＬＤ１０１（Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３についても同様）をＣＷ駆動した場合のそれぞれのＯＮ期間における総光量に等しい。

更に、Ｒ−ＬＤ１０１（Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３についても同様）の発光強度は、観者の目の認識速度に比べて高速に切り替えられる必要がある。具体的には、発光強度の切り替え周波数（例えばＰＷＭ周波数）は、１〜２ｋＨｚ程度であることが好ましい。尚、Ｒ−ＬＤ１０１（Ｇ−ＬＤ１０２及びＢ−ＬＤ１０３についても同様）の実用的な駆動周波数は１８０Ｈｚ程度であるから、１〜２ｋＨｚ程度の切り替え周波数が設定されていれば、それぞれのＯＮ期間内でＲ−ＬＤ１０１の発光強度を１０〜２０回程度切り替えることができる。

以上説明したように、第１の実施形態に係る導光系は、複数色のレーザ光を合成及び導光するために、内面の少なくとも一部が上記複数色のレーザ光を乱反射させるように形成（例えばブラスト加工）されたライトパイプを備える。従って、この導光系によれば、低コスト、低消費電力かつ省スペースに複数色のレーザ光の合成及び導光を実現できると共に、複数色のレーザ光が表示装置に投影される場合に生じるスペックルノイズも軽減される。

更に、本実施形態に係る導光系は、複数色のレーザ光をそれぞれ発生及び出射する複数のレーザダイオードの各々の発光強度が、当該レーザダイオードのそれぞれのＯＮ期間において複数のレベルに切り替えられるように制御される。従って、この導光系によれば、レーザ光の出射角度が多様化するので、複数色のレーザ光が表示装置に投影される場合に生じるスペックルノイズをいっそう軽減することができる。

上記実施形態の処理は、汎用のコンピュータを基本ハードウェアとして用いることで実現可能である。上記実施形態の処理を実現するプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体に格納して提供されてもよい。プログラムは、インストール可能な形式のファイルまたは実行可能な形式のファイルとして記憶媒体に記憶される。記憶媒体としては、磁気ディスク、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ等）、光磁気ディスク（ＭＯ等）、半導体メモリなどである。記憶媒体は、プログラムを記憶でき、かつ、コンピュータが読み取り可能であれば、何れであってもよい。また、上記実施形態の処理を実現するプログラムを、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ（サーバ）上に格納し、ネットワーク経由でコンピュータ（クライアント）にダウンロードさせてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０１・・・赤色レーザダイオード、１０２・・・緑色レーザダイオード、１０３・・・青色レーザダイオード、１０４・・・クロスプリズム、１０５・・・モータ、１０６・・・拡散板、１１０・・・ライトパイプ

Claims

コヒーレント光を発生及び出射する光源と、
前記コヒーレント光を導光するライトパイプと
を具備し、
前記光源の発光強度は、当該光源のそれぞれのＯＮ期間において複数のレベルに切り替えられ、
前記ライトパイプの内面の少なくとも一部は、前記コヒーレント光を乱反射させるように形成されている、
導光系。
前記光源の発光強度は、当該光源のそれぞれのＯＮ期間におけるＤＣ換算時の総光量が所望値に一致するように、それぞれのＯＮ期間において複数のレベルに切り替えられる、
請求項１の導光系。
前記ライトパイプの内面の少なくとも一部は、ブラスト加工されている、
請求項１の導光系。
内面の少なくとも一部がコヒーレント光を乱反射するように形成されたライトパイプによって導光されるコヒーレント光を発生及び出射する光源の発光強度を、当該光源のそれぞれのＯＮ期間において複数のレベルに切り替えること
を具備する駆動制御方法。
複数色のコヒーレント光をそれぞれ発生及び出射する複数の光源と、
前記複数色のコヒーレント光を合成及び導光するライトパイプと
を具備し、
前記複数の光源の各々の発光強度は、当該光源のそれぞれのＯＮ期間において複数のレベルに切り替えられ、
前記ライトパイプの内面の少なくとも一部は、前記複数色のコヒーレント光を乱反射させるように形成されている、
導光系。