JP2018044970A - Light source device and image display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源装置及び画像表示装置に関する。 The present invention relates to a light source device and an image display device.
プロジェクタやヘッドアップディスプレイ等の画像表示装置に用いられる光源装置において、光源素子の光量変動が問題となる場合がある。そこで、光源素子の出射する光量を検出し、光源素子の出射する光量が一定になるように制御することが行われている。 In a light source device used for an image display device such as a projector or a head-up display, fluctuation in the light amount of the light source element may be a problem. Thus, the amount of light emitted from the light source element is detected and controlled so that the amount of light emitted from the light source element is constant.
例えば、発光ダイオードからなる３つの光源素子（赤色用の光源素子、緑色用の光源素子、青色用の光源素子）を有する光源装置において、各光源素子が出射する光を合成した照明光の一部を光分岐素子で分岐させて光検出素子で受光する。そして、光検出素子で受光した光量が一定となるように各光源素子にフィードバック制御を行うことで、各光源素子を所望の光量に制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。 For example, in a light source device having three light source elements (light source element for red, light source element for green, and light source element for blue) made of light emitting diodes, part of illumination light obtained by synthesizing light emitted from each light source element Is branched by the light branching element and received by the light detecting element. And the technique which controls each light source element to desired light quantity by performing feedback control to each light source element so that the light quantity received with the photon detection element may become constant is known (for example, refer to patent documents 1). .
しかしながら、上記の光源装置では、光検出素子への検出光の生成に、入射面と出射面とが平行な平板型の光分岐素子を用いている。平板型の光分岐素子では、光分岐素子の内部で多重干渉が起こるため、光検出素子で受光する光量が、光源素子に注入する電流に対して非線形となる。そのため、光源素子の光量変動を、光検出素子で精度よく検出することが困難であり、光源素子の光量制御の安定性が低下する。 However, in the light source device described above, a plate-type optical branching element whose incident surface and output surface are parallel is used for generating detection light to the light detection element. In the flat-type optical branching element, multiple interference occurs inside the optical branching element, so that the amount of light received by the photodetecting element becomes nonlinear with respect to the current injected into the light source element. For this reason, it is difficult to accurately detect the light amount fluctuation of the light source element by the light detection element, and the light amount control stability of the light source element is lowered.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、光源素子の光量変動を光検出素子で精度よく検出することが可能な光源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a light source device capable of accurately detecting a light amount variation of a light source element with a light detection element.
本光源装置は、光源素子と、前記光源素子からの光束を複数の光束に分岐する光分岐素子と、分岐された前記光束の光量を検出する光検出素子と、を有し、前記光分岐素子は入射面と出射面とが非平行であり、前記光源素子からの光束は前記入射面で分岐されることを要件とする。 The light source device includes a light source element, a light branching element that branches a light beam from the light source element into a plurality of light beams, and a light detection element that detects a light amount of the branched light beam, and the light branching element Requires that the entrance surface and the exit surface are non-parallel, and that the light beam from the light source element is branched at the entrance surface.
開示の技術によれば、光源素子の光量変動を光検出素子で精度よく検出することが可能な光源装置を提供できる。 According to the disclosed technology, it is possible to provide a light source device capable of accurately detecting a light amount variation of a light source element with a light detection element.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る光源装置を例示する図である。図１を参照するに、光源装置１０は、大略すると、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂと、カップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂと、アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂと、ミラー１４と、光路合成素子１５及び１６と、光分岐素子１７と、集光素子１８と、減光素子１９と、光検出素子２０とを有している。なお、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂを特に区別する必要がない場合には、各光源素子１１と記載する場合がある。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram illustrating a light source device according to the first embodiment. Referring to FIG. 1, the
光源装置１０において、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂは、それぞれ、互いに異なる波長λＲ、λＧ、及びλＢの光束を出射することができる。波長λＲ、λＧ、及びλＢは、例えば、６５０ｎｍ、５１５ｎｍ、及び４５０ｎｍとすることができる。
In the
光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂとしては、例えば、レーザ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子等を用いることができる。明るさや高画質を確保しながら小型化を実現する観点からすると、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂとして、それぞれ半導体レーザを用いると好適である。
As the
光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂから出射された各光束（発散光）は、それぞれカップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂで略平行光に変換されてアパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂに入射する。カップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂとしては、例えば、凸状のガラスレンズやプラスティックレンズ等を用いることができる。
The light beams (diverged light) emitted from the
アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂは、それぞれに入射される光束を整形する機能を有する。アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂは、それぞれに入射される光束の発散角等に応じて円形、楕円形、長方形、正方形等の様々な形状とすることができる。
The
なお、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂに対して、共通の１つのカップリングレンズ、及び共通の１つのアパーチャを設ける構成としてもよい。但し、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂに対して、それぞれカップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂ、並びに、アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂを設けることにより、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂのそれぞれの発散角の差異に関わらず、光利用効率を確保しながら、ビームスポット径を所望の値に調整できるメリットがある。
In addition, it is good also as a structure which provides one common coupling lens and one common aperture with respect to the
アパーチャ１３Ｂで整形された光束は、ミラー１４で偏向され、光路合成素子１５によりアパーチャ１３Ｇで整形された光束と同一光路となる。アパーチャ１３Ｒで整形された光束は、光路合成素子１６によりアパーチャ１３Ｂで整形された光束及びアパーチャ１３Ｇで整形された光束と同一光路となる。光路合成素子１５及び１６は、例えば、プレート状或いはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じて各光束を反射又は透過し、１つの光路に合成する機能を有する。
The light beam shaped by the
光路合成素子１５及び１６で光路合成された波長の異なる光束の各々は、光分岐素子１７に入射する。光分岐素子１７は、入射面と出射面とが非平行なウェッジ型の光分岐素子である。各光源素子１１から出射され、光路合成素子１５及び１６で光路合成された波長の異なる光束の各々は、光分岐素子１７の入射面で複数の光束に分岐される。つまり、光分岐素子１７は、入射面が分岐面に設定されている。
Each of the light beams having different wavelengths synthesized by the optical
光分岐素子１７に入射した波長の異なる光束の各々の大部分（例えば、９５％程度）は、光分岐素子１７の入射面（分岐面）で反射し、反射光は光源装置１０からの出射光Ｌｏとなる。光分岐素子１７に入射した波長の異なる光束の各々の一部分（例えば、５％程度）は、光分岐素子１７を透過し、集光素子１８及び減光素子１９を経由して光検出素子２０に入射する。
Most of the light beams having different wavelengths incident on the optical branching element 17 (for example, about 95%) are reflected by the incident surface (branching surface) of the
集光素子１８は、分岐された波長の異なる光束の各々を集光して光検出素子２０へ入射させる。光分岐素子１７を透過した波長の異なる光束の各々は、波長の違いにより異なる出射角をもって透過するため光路がずれるが、光路がずれた波長の異なる光束の各々は、集光素子１８により光検出素子２０の略同一位置に集光される。
The
光検出素子２０は、例えば、フォトダイオードであり、光分岐素子１７で分岐された波長の異なる光束の各々の光量（光分岐素子１７の入射面及び出射面を透過した波長の異なる光束の各々の光量）を検出する。光検出素子２０は、小型化のために波長の異なる光束の各々を１つの素子で検出することが好ましい。このとき、波長の異なる光束の各々の強度が同程度であると処理精度が増すため、減光素子１９で波長の異なる光束の各々の光量が略同一となるように減光する。減光素子１９は、例えば、赤の波長の光を低減するレッドカットフィルタである。
The
光源装置１０は、例えば、光源装置１０の外部に設けられた制御部３０及び駆動部４０と接続されることで、動作することができる。制御部３０は、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂの出射光量や出射タイミング等を制御することができる。
The
特に、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂが半導体レーザである場合、温度により各光源素子１１の出射光量が変動する。そこで、制御部３０は、光検出素子２０の出力に基づいて、各光源素子１１の出射光量を一定に制御する（APC：Automatic Power Control）。
In particular, when the
より詳しくは、制御部３０は、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂの出射光量を光検出素子２０の出力によりモニタし、駆動部４０に光量制御信号を供給する。駆動部４０は、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂを独立に電流駆動可能に構成されている。光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂは、制御部３０からの光量制御信号に基づいて、所定の出射光量になるように駆動部４０により独立に電流制御される。
More specifically, the
なお、光検出素子２０が１つの素子で構成されている場合は、制御部３０が光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂを順次発光させることで、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂの出射光量の制御が可能となる。
In the case where the
制御部３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、メインメモリ等を含む構成とすることができる。この場合、制御部３０の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現できる。但し、制御部３０の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。又、制御部３０は、物理的に複数の装置等により構成されてもよい。又、制御部３０及び駆動部４０は、光源装置１０の内部に設けてもよい。
The
ここで、比較例を交えながら、入射面と出射面とが非平行なウェッジ型の光分岐素子１７を用いる効果について説明する。
Here, the effect of using the wedge-type optical branching
図２は、比較例に係る光源装置を例示する図である。図２を参照するに、光源装置１０Ｘは、光分岐素子１７が光分岐素子２７に置換された点が、光源装置１０（図１参照）と相違する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a light source device according to a comparative example. Referring to FIG. 2, the
光分岐素子２７は、入射面と出射面とが平行な平板型の光分岐素子である。光分岐素子２７は、光分岐素子１７と同様に入射面が分岐面であり、入射面に入射した各光束の大部分（例えば、９５％程度）が反射され、反射光は光源装置１０Ｘからの出射光Ｌｏとなる。
The
例えば、光分岐素子２７の厚さを０．５ｍｍとし、光路合成素子１５及び１６で光路合成された光束の入射角が４５度となるように設置する場合を考える。この場合、光源素子１１Ｒに注入した電流Ｉに対する、光検出素子２０で受光した光量Ｐのグラフ（ＩＰ特性）は、例えば、図３に示すようになる。
For example, let us consider a case where the thickness of the
図３からわかるように、ＩＰ特性は線形性がなく、周期的な揺らぎを生じている。これは光分岐素子２７内で生じた多重干渉の影響である。なお、光源素子１１Ｇ及び１１Ｂの何れに電流Ｉが注入された場合も、ＩＰ特性は図３と同様の周期的な揺らぎを生じる。
As can be seen from FIG. 3, the IP characteristic has no linearity and periodically fluctuates. This is an influence of multiple interference generated in the optical branching
図４は、平板型の光分岐素子における多重干渉について説明する図である。図４において、光束Ｂ０を光分岐素子２７の入射面２７１に入射させると、まず入射面２７１を透過する光束Ｂ１と入射面２７１で反射する光束Ｂ２とに分岐する。光束Ｂ１は更に出射面２７２を透過する光束Ｂ３と出射面２７２で反射する光束Ｂ４とに分岐する。
FIG. 4 is a diagram for explaining the multiple interference in the flat-type optical branching element. In FIG. 4, when a light beam B 0 is incident on the
その後、光束Ｂ４は、入射面２７１を透過する光束Ｂ５と入射面２７１で反射する光束Ｂ６とに分岐する。光束Ｂ６は更に出射面２７２を透過する光束Ｂ７と出射面２７２で反射する光束とに分岐する。出射面２７２で反射した光束は、以降も光分岐素子２７内で反射し続けるが、反射を繰り返すたびに光が減衰し、干渉が小さくなってゆくので説明は省略する。
Thereafter, the light beam B 4 is branched into a light beam B 5 that is transmitted through the
同じ方向に進む光束Ｂ２と光束Ｂ５は、互いに干渉し合う。同様に、同じ方向に進む光束Ｂ３と光束Ｂ７は、互いに干渉し合う。レーザのようにコヒーレンス性が高い光源からの光束であるほど、干渉の影響は大きくなる。 The light beam B 2 and the light beam B 5 traveling in the same direction interfere with each other. Similarly, the light beam B 3 and the light beam B 7 traveling in the same direction interfere with each other. The influence of interference increases as the luminous flux is from a light source having high coherence such as a laser.
例えば、光束Ｂ２を画像表示装置の画像光として用い、光束Ｂ３をＡＰＣ用の光検出素子２０への検出光として用いる場合、例えば入射面２７１に多層膜を成膜し、光束Ｂ２を９５％、光束Ｂ１を５％とする。このとき、光束Ｂ２の光量に比べ光束Ｂ５の光量はかなり小さく、多重干渉を無視できる比率となる。これに対して、光束Ｂ３の光量と光束Ｂ７の光量は、多重干渉を無視できない比率となる。そのため、多重干渉によるＩＰ特性の非線形化は、光分岐素子２７を透過して光検出素子２０の検出光となる光束Ｂ３と光束Ｂ７で観測される。
For example, when the light beam B 2 is used as image light of the image display device and the light beam B 3 is used as detection light to the APC
光検出素子２０は、光量変動を補正するように各光源素子１１の光量を制御するが、検出光は多重干渉を生じて図３のＩＰ特性となっている。そのため、光が強めあう点では各光源素子１１の光量が増加し、光が弱めあう点では各光源素子１１の光量が減少したと判断される。
The
この場合、多重干渉を生じている検出光の光量変動に応じて各光源素子１１の光量をＡＰＣ制御すると、もともと線形性のあった各光源素子１１からの光は非線形となり、結果として画像光も非線形となって、画像表示装置において所望の画像を表示できなくなる。
In this case, if the light amount of each
比較例に係る平板型の光分岐素子２７では、入射面２７１と出射面２７２が平行であるため、図４に示すように光束Ｂ３及び光束Ｂ７は、出射面２７２における光束Ｂ３−光束Ｂ７間の距離を維持したまま光検出素子２０に入射する。このとき、光束Ｂ３−光束Ｂ７間の距離が近いので干渉の影響が大きい。そのため、ＩＰ特性は、例えば、図３に示すように非線形となる。
In flat type optical branching
一方、本実施の形態に係る光源装置１０では、ウェッジ型の光分岐素子１７を用いている。ウェッジ型の光分岐素子１７では、入射面１７１と出射面１７２が非平行であるため、図５に示すように光束Ｂ３及び光束Ｂ７は、光束Ｂ３−光束Ｂ７間の距離が出射面１７２からの距離によって変化しながら光検出素子２０に入射する。光束Ｂ３−光束Ｂ７間の距離が離れた位置に光検出素子２０を配置することで、干渉の影響が小さくなる。
On the other hand, in the
各光束間の干渉の影響が小さくなった結果、ウェッジ型の光分岐素子１７では、図６のＩＰ特性に示すように、各光源素子１１に注入される電流Ｉに対して、光検出素子２０で受光した光量Ｐは線形性が保たれる。
As a result of the influence of interference between the light beams being reduced, in the wedge-type optical branching
このように、ウェッジ型の光分岐素子１７を用いることにより、光分岐素子１７を透過した複数の光束は光束間の距離が変化しながら光検出素子２０に入射するため、光束間の距離が離れた位置に光検出素子２０を配置することで多重干渉の影響を低減できる。その結果、線形性の高いＩＰ特性が得られ、ＡＰＣ制御の精度を向上できる。言い換えれば、各光源素子１１の光量変動を光検出素子２０で精度よく検出することが可能となり、各光源素子１１の光量変動を低減できる。
As described above, by using the wedge-type optical branching
ここで、ウェッジ型の光分岐素子１７において、入射面１７１と出射面１７２とのなす角θ０について考える。光源装置１０における光分岐素子１７の配置としては、図７（ａ）に示すように、入射面１７１と出射面１７２とがなす角θ０が入射面１７１で反射する光束側（光束Ｂ２側）に狭い場合と、図７（ｂ）に示すように、入射面１７１と出射面１７２とがなす角θ０が入射面１７１に入射する光束側（光束Ｂ０側）に狭い場合とが考えられる。
Here, in the wedge-type optical branching
図７（ａ）及び図７（ｂ）の何れの場合においても、角θ０は、次の２つの理由から小さい方が良いと言える。１つ目の理由は、角θ０が小さい方が、光分岐素子１７を小型化できるからである。２つ目の理由は、角θ０が小さい方が、光分岐素子１７を容易に固定できるからである。
In either case of FIGS. 7A and 7B, it can be said that the angle θ 0 should be smaller for the following two reasons. The first reason is that the smaller the angle θ 0 , the smaller the optical branching
しかし、角θ０＝０の時は平板を意味するので、図３に示すようにＩＰ特性が多重干渉の影響により揺らいでしまう。この点から、下限は０＜角θ０と決定される。 However, since the angle θ 0 = 0 means a flat plate, the IP characteristics fluctuate due to the influence of multiple interference as shown in FIG. From this point, the lower limit is determined as 0 <angle θ 0 .
次に角θ０の上限は２つの配置それぞれにおいて定義できる。まず、図７（ａ）の場合、角θ０によっては光分岐素子１７内への透過光が出射面１７２に対し垂直に入射する状況が起こり得る。この場合、透過光の一部が出射面１７２で反射し、入射光と同じ光路をさかのぼって各光源素子１１への戻り光となり、各光源素子１１の光出力が不安定となるおそれがある。
Next, the upper limit of the angle θ 0 can be defined in each of the two arrangements. First, in the case of FIG. 7A, depending on the angle θ 0 , a situation may occur in which transmitted light into the
出射面１７２での反射光が戻り光となることを回避するためには、透過光と出射面１７２とのなす角度が垂直でなければよい。具体的には、出射面１７２での反射光が戻り光とならない条件としては、角θ０が以下の式（１）を満たせばよい。
In order to avoid the reflected light from the
次に、図７（ｂ）の場合、角θ０がある角度以上になると、光分岐素子１７内への透過光は出射面１７２で全反射する状況が起こり得る。この場合、光分岐素子１７を透過して光検出素子２０に到達する光がなくなるため、光検出素子２０で光量を検出することができない。
Next, in the case of FIG. 7B, when the angle θ 0 is greater than or equal to a certain angle, there may occur a situation where the transmitted light into the
光検出素子２０で光量を検出できないことを回避するためには、透過光と出射面１７２とのなす角度が、光の全反射条件を満たさなければよい。具体的には、出射面１７２における反射が全反射とならない条件としては、角θ０が以下の式（２）を満たせばよい。
In order to avoid that the
［光分岐素子１７の色収差］
一般に、長波長の光束の屈折率は小さく、短波長の光束の屈折率は大きい。そのため、互いに波長の異なる複数の光源素子を使用する場合、ウェッジ型の光分岐素子１７の透過光は、色収差の影響を受ける。
[Chromatic aberration of optical branching element 17]
In general, the refractive index of a long wavelength light beam is small, and the refractive index of a short wavelength light beam is large. Therefore, when a plurality of light source elements having different wavelengths are used, the transmitted light of the wedge-type optical branching
図８は、色収差について説明する図である。光分岐素子１７に異なる２つの波長の光を合成した光束Ｂ０を入射させる場合を考える。光束Ｂ０のうち入射面１７１で反射した光は、波長に関係なく反射の法則で同じ角度で反射されるので、入射面１７１で反射する光束Ｂ２は２つの波長が合成されたまま同じ光路を進む。そのため、色収差は生じない。
FIG. 8 is a diagram for explaining chromatic aberration. Consider a case where a light beam B 0 obtained by combining light of two different wavelengths is incident on the optical branching
一方、光分岐素子１７を透過する光は屈折率の違いから異なる光路を進む。具体的には、短波長の光束Ｂ１は屈折率が大きく、長波長の光束Ｂ３は屈折率が小さいため、異なる光路を進む。光束Ｂ１と光束Ｂ３とは、出射面１７２から光分岐素子１７外に出射されたときには光路が大きくずれており、色収差が生じている。
On the other hand, the light transmitted through the
このとき、色収差の影響を受けない入射面１７１での反射光（光束Ｂ２）を、画像表示装置の画像光として用いることが好ましい。ここでは、画像表示装置としてヘッドアップディスプレイ（以降、ＨＵＤ）を例にして理由を説明する。
At this time, it is preferable to use the reflected light (light beam B 2 ) at the
ＨＵＤの場合、光分岐素子１７から画像形成位置であるウインドシールドまでの光路長が、光分岐素子１７から光検出素子２０までの光路長よりも長くなる。そして、後述のように、光分岐素子１７からウインドシールドまでの光路中に光偏向器が配置される。
In the case of HUD, the optical path length from the
光偏向器は例えば２軸のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーであり、偏向面が小さいほど面変形が起こりにくく、又、偏向面が小さいほどＨＵＤの画素密度を決める共振周波数が大きくなるので画質が向上する。そのため、光偏向器の偏向面は、できるだけ小さい方が望ましい。 The optical deflector is, for example, a biaxial MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror. The smaller the deflection surface, the less likely the surface deformation occurs, and the smaller the deflection surface, the higher the resonance frequency that determines the pixel density of the HUD. Will improve. For this reason, it is desirable that the deflection surface of the optical deflector be as small as possible.
偏向面の小さな光偏向器へ光束を入射させるためには、光束を入射させる精度が求められるため、できるだけ複数の光束は同一光路上にある方がよい。よって、色収差の影響を受けず、波長が異なっても同じ光路を進む入射面１７１での反射光を、画像表示装置の画像光として用いることが好ましい。
In order to cause a light beam to be incident on an optical deflector having a small deflection surface, the accuracy with which the light beam is incident is required. Therefore, it is preferable that a plurality of light beams be on the same optical path as much as possible. Therefore, it is preferable to use the reflected light from the
一方、色収差の影響を受ける光分岐素子１７の透過光は、終端までの光路長が短い光路に用いる方が好ましい。つまり、図１に示すように、光分岐素子１７の透過光を光検出素子２０に導光することが好ましい。
On the other hand, it is preferable to use the transmitted light of the
［光分岐素子１７の分岐比率］
光源装置１０を搭載する画像表示装置の画像光にとって、光検出素子２０への検出光は光量損失であるため、入射光に対する検出光の分岐比率はできるだけ小さい方が好ましい。しかし、分岐比率を小さくすると次のような問題が発生する。
[Branching ratio of optical branching element 17]
For the image light of the image display device on which the
光分岐素子１７の分岐面である入射面１７１は、通常、誘電体多層膜でコーティングされるが、図９に示すように分岐面における分光感度特性は波長に対して滑らかに変化しているわけではなく、僅かなリップルを有している。一方で、図１０に示すように、各光源素子１１の波長は、光量Ｐに応じて変化する。
The
従って、光量Ｐを変化させると、それに伴い波長も変化し、これが光分岐素子１７の分岐面における分光感度リップルの影響を受ける。特に、光検出素子２０への検出光は画像表示装置の画像光に対して光量が小さいため、分光感度リップルの影響が顕著に現れる。例えば、分岐面において検出光と画像光との分岐比率を１：９９とした場合、図３に示したＩＰ特性と同様に、ＩＰ特性が揺らいでしまう。つまり、検出光は注入電流Ｉに対して非線形になる。
Therefore, when the light quantity P is changed, the wavelength is changed accordingly, which is influenced by the spectral sensitivity ripple on the branch surface of the optical branching
分光感度リップルを抑えることが可能な分岐面のコーティングができれば、分光感度リップルの問題を考慮する必要はなくなるが、分光感度リップルをゼロにすることは困難であり、実際のリップル量は±１％程度を見ておく必要がある。 If the coating of the branch plane that can suppress the spectral sensitivity ripple is made, it is not necessary to consider the problem of the spectral sensitivity ripple, but it is difficult to make the spectral sensitivity ripple zero, and the actual ripple amount is ± 1%. It is necessary to look at the degree.
発明者らの検討によれば、光分岐素子１７の入射面１７１に入射する波長の異なる光束の全てについて、入射面１７１に入射する光束の５％以上を光検出素子２０へ分岐することで、リップル量が±１％程度あっても、安定にＡＰＣ制御を実行することができる。例えば、分岐面における検出光と画像光との分岐比率を５：９５とすることで、図６に示したＩＰ特性と同様に、線形なＩＰ特性を得ることができる。
According to the study by the inventors, for all of the light beams having different wavelengths incident on the
［集光素子１８］
光検出素子２０は、ほぼ全てのビーム径を受光できるよう受光面積の大きなものが望ましいが、一般的に光検出素子２０は、高周波の応答性が高くなるように受光面積が小さい。前述のように、光検出素子２０への検出光は、波長の違いにより光分岐素子１７で色収差の影響を受ける。
[Condensing element 18]
The
そのため、図１１に示すように、光分岐素子１７に異なる２つの波長の光を合成した光束Ｂ０を入射させると、互いに波長の異なる光束Ｂ１と光束Ｂ２とは異なる光路を進む。
ここで、何らの対策も講じないと、異なる光路を進む光束Ｂ１と光束Ｂ２とは、光検出素子２０の受光面から外れてしまう。
Therefore, as shown in FIG. 11, when a light beam B 0 obtained by combining light of two different wavelengths is incident on the optical branching
Here, if no measures are taken, the light beam B 1 and the light beam B 2 traveling in different optical paths will be separated from the light receiving surface of the
そこで、光源装置１０では、光分岐素子１７と光検出素子２０との間に、集光素子１８を配置している。集光素子１８を配置することで、波長の異なる光束Ｂ１及び光束Ｂ２を集光し、光検出素子２０に導光することが可能となり、光分岐素子１７で生じた色収差の影響を小さくできる。
Therefore, in the
このとき、光分岐素子１７の入射面１７１で分岐された波長の異なる光束のうち、集光素子１８を透過した最も波長が離れている２つの光束の主光線（図１１の光束Ｂ１及び光束Ｂ２を示す２つの実線）の集光点に、光検出素子２０の受光面の中心を配置することが好ましい。これにより、光検出素子２０の受光面の中心が光束の各々の中心と揃うので、最も波長が離れている２つの光束の光強度を効率よく測定できる。
At this time, out of the light beams with different wavelengths branched by the
なお、本実施の形態において、集光素子１８を１枚のレンズとしているが、これに限定されるものではなく、複数枚のレンズを組み合わせてもよいし、凹面レンズを用いてもよい。
In the present embodiment, the condensing
図１２は、光検出素子２０の円形の光検出領域２０１中に、複数光が重なった光束Ｂ１１が入射する様子を示している。受光面の中心が主光線の集光点Ｏと一致するように配置された光検出素子２０では、光束Ｂ１１は完全に集光されていなく、広がりを持っている。
パワー密度の観点からすると、光検出素子２０に入射する光束Ｂ１１は、図１２のようにある程度の大きさを持っていることが好ましい。
FIG. 12 shows a state in which a light beam B 11 in which a plurality of lights are overlapped enters a circular
From the viewpoint of power density, it is preferable that the light beam B 11 incident on the
光検出素子２０に入射する光束Ｂ１１の径が小さいほど、ほぼ全ての光を検出できるが、同じ光強度でも面積が小さくなるとパワー密度が高くなり、パワー密度が高いと光検出素子２０の応答性が悪くなるからである。光検出素子２０に入射する光束Ｂ１１が、ある程度の大きさを持っていることで、光検出素子２０の応答性の悪化を低減できる。
As the diameter of the light beam B 11 incident on the
［減光素子１９］
図１において、集光素子１８と光検出素子２０との間には、減光素子１９が配置されている。減光素子１９は、例えば、レッドカットフィルタである。減光素子１９としてレッドカットフィルタを設けることで、光検出素子２０の分解能を向上できる。なお、減光素子１９は、各光源素子１１への戻り光を低減させるため、集光素子１８の光軸に対して傾斜して配置されている（入射面を入射光に対して傾けて配置されている）ことが好ましい。
[Light-reducing element 19]
In FIG. 1, a dimming
光検出素子２０が入射光に対して電流や電圧を出力する場合、その出力をデジタル値に変換することで光量が演算できる。このデジタル値は１０ｂｉｔ（１０２４段階）等の固定値なので、受光ダイナミックレンジが小さいほど光量検出の分解能が高くなる。波長が互いに異なる複数の光を検出する場合、受光ダイナミックレンジを小さくするには、入射光の光強度を揃えればよい。
When the
しかし、受光ダイナミックレンジは、以下の２つの理由により大きくなる。１つ目の理由は、一般的に光検出素子は図１３に示すような長波長側の感度が高い分光感度特性を持ち、同じ光強度が入射しても長波長側の出力が大きくなるので、検出結果としての受光ダイナミックレンジが大きくなるからである。 However, the light receiving dynamic range becomes large for the following two reasons. The first reason is that the light detection element generally has a spectral sensitivity characteristic with high sensitivity on the long wavelength side as shown in FIG. 13, and the output on the long wavelength side becomes large even when the same light intensity is incident. This is because the light receiving dynamic range as a detection result is increased.
２つ目の理由は、各光源素子１１の光量に差があるからである。ＨＵＤ等の画像表示装置で表示する画像は、白を基準に他の色が生成されるので、受光ダイナミックレンジを決めるのは最も輝度の高い白を形成する光量である。例えば、波長が６５０ｎｍ、５１５ｎｍ、４５０ｎｍの３つの光源素子を使用するときの光量比はおよそ２．５：１：０．５である。
The second reason is that there is a difference in the light amount of each
以上の２つの理由により、光検出素子２０が受光する光量には、例えば図１４（ａ）に示すような差が生じる。図１４（ａ）の場合、受光ダイナミックレンジは、おおよそ０μＷから６５００μＷとなり、１０ｂｉｔ＝１０２４段階に分割すると、１段階あたりの光量は約６．３５μＷとなる。
For the above two reasons, for example, a difference as shown in FIG. 14A occurs in the amount of light received by the
そこで、減光素子１９の減光率を、波長の異なる光束の最大光量の差が小さくなるように設定する。例えば、減光素子１９の減光率は、波長の異なる光束のうちの最大光量の光束が光検出素子２０に入射するとき、波長の異なる光束のうちの光量が２番目に大きい光束の光量と同一となるように設定することができる。
Therefore, the dimming rate of the dimming
例えば、波長の異なる光束のうちの最大光量の光束である波長６５０ｎｍの光束の受光量を減光して、光量が２番目に大きい光束である波長５１５ｎｍの光束の受光量と等しくなるように、減光素子１９としてレッドカットフィルタを設ける。
For example, the received light amount of a light beam having a wavelength of 650 nm, which is a light beam having the maximum light amount among light beams having different wavelengths, is dimmed so that the received light amount becomes equal to the received light amount of a light beam having a wavelength of 515 nm, which is a second largest light beam. A red cut filter is provided as the
これにより、図１４（ｂ）に示すように、各波長の光束の受光量がほぼ等しくなり、受光ダイナミックレンジは、おおよそ０μＷから２６００μＷとなり、１０ｂｉｔ＝１０２４段階に分割すると、１段階あたりの光量は約２．５４μＷとなる。 As a result, as shown in FIG. 14B, the received light amounts of the light beams of the respective wavelengths are substantially equal, and the dynamic range of the received light is approximately 0 μW to 2600 μW. When divided into 10 bits = 1024 steps, the light amount per step is About 2.54 μW.
このように、減光素子１９としてレッドカットフィルタを設けることにより、光検出素子２０の分解能を向上できる。
Thus, by providing a red cut filter as the
なお、以上の説明では、減光素子１９の例として長波長の光強度を落とすレッドカットフィルタを例示したが、光検出素子２０の入射光量に応じて各波長で透過率の異なる減光素子を用いてもよい。
In the above description, a red cut filter that reduces the light intensity of a long wavelength is illustrated as an example of the
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１に実施の形態に係る光源装置を備えた画像表示装置の例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, an example of an image display device including the light source device according to the first embodiment is shown. In the second embodiment, description of the same components as those of the already described embodiments may be omitted.
図１５及び図１６は、第２の実施の形態に係る画像表示装置を例示する模式図であり、図１６では画像表示装置１００を中心に図示している。
15 and 16 are schematic views illustrating the image display device according to the second embodiment. In FIG. 16, the
図１５を参照するに、画像表示装置１００は、自車両９００に搭載されている。画像表示装置１００は、所定の画像を視認者Ｖの前方のフロントウィンドシールド９１０に投影し、視認者Ｖの視界に虚像Ｉとして重畳して表示する機能を有する、所謂ヘッドアップディスプレイである。
Referring to FIG. 15, the
なお、視認者Ｖは、ここでは自車両９００の乗員である運転者である。フロントウィンドシールド９１０は、入射光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材としても機能する。
Here, the viewer V is a driver who is an occupant of the
画像表示装置１００は、自車両９００のインテリアデザインに準拠して任意の位置に配置してよく、例えば、自車両９００内のダッシュボード上に配置することができる。画像表示装置１００を自車両９００のダッシュボード内に埋め込んでもよい。
The
但し、本実施の形態では、画像表示装置１００を自車両９００に搭載する例を示すが、これには限定されない。画像表示装置１００は、例えば、車両、航空機、船舶、産業用ロボット等の移動体に搭載され、移動体のフロントウィンドシールドを介して、移動体の操縦に必要なナビゲーション情報を視認可能にする。ここで、ナビゲーション情報とは、例えば、移動体の速度、進行方向、目的地までの距離、現在地名称、移動体前方における物体（現実物体）の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報等の情報である。
However, in the present embodiment, an example in which the
図１６を参照するに、画像表示装置１００は、主要な構成要素として、光源装置１０と、レンズ１０１と、光偏向器１０２と、ミラー１０３と、被走査面１０４と、凹面ミラー１０５とを有している。
Referring to FIG. 16, the
画像表示装置１００において、光源装置１０からの出射光Ｌｏは、レンズ１０１により光偏向器１０２の反射面に向かって導かれる。レンズ１０１としては、例えば、凹面側を光偏向器１０２に向けて配置された単一のメニスカスレンズ等を用いることができる。光偏向器１０２の反射面に導かれた出射光Ｌｏは、光偏向器１０２により２次元的に偏向される。
In the
光偏向器１０２としては、例えば、直交する２軸に対して揺動する１つの微小なミラーや、１軸に揺動又は回動する２つの微小なミラー等を用いることができる。光偏向器１０２は、例えば、半導体プロセス等で作製されたＭＥＭＳとすることができる。光偏向器１０２は、例えば、圧電素子の変形力を駆動力とするアクチュエータにより駆動することができる。
As the
但し、光偏向器１０２として、２軸のＭＥＭＳミラーを用いる構成に代えて、ガルバノミラーを２つ組み合わせて用いる構成、回転多面鏡を用いる構成、音響光学素子を用いる構成等としてもよい。
However, instead of the configuration using the biaxial MEMS mirror as the
光偏向器１０２により２次元的に偏向された光は、ミラー１０３に入射し、ミラー１０３により折り返され、被走査面１０４（スクリーン）に２次元の画像（中間像）を描画する。ミラー１０３としては、例えば凹面鏡を用いることができるが、凸面鏡や平面鏡を用いてもよい。被走査面１０４としては、入射光を所望の発散角で発散させる機能を有するマイクロレンズアレイやマイクロミラーアレイを用いると好適であるが、入射光を拡散させる拡散板、表面が平滑な透過板や反射板等を用いてもよい。
The light that is two-dimensionally deflected by the
被走査面１０４から射出された光は、凹面ミラー１０５で反射され、フロントウィンドシールド９１０に入射する。フロントウィンドシールド９１０への入射光束の一部はフロントウィンドシールド９１０を透過し、残部の少なくとも一部は視点位置Ｅに向けて反射される。この結果、視認者Ｖはフロントウィンドシールド９１０を介して中間像の拡大された虚像Ｉを視認可能となる、すなわち、視認者Ｖから見て虚像Ｉがフロントウィンドシールド９１０越しに拡大表示される。
Light emitted from the scanned
通常、フロントウィンドシールド９１０は、平面ではなく僅かに湾曲している。このため、凹面ミラー１０５とフロントウィンドシールド９１０の曲面とにより、虚像Ｉの結像位置が決定される。
Normally, the
又、ミラー１０３及び凹面ミラー１０５の少なくとも一方は、フロントウィンドシールド９１０の影響で中間像の水平線が上又は下に凸形状となる光学歪み要素を補正するように設計、配置されることが好ましい。
Further, at least one of the
なお、フロントウィンドシールド９１０よりも視点位置Ｅ側に透過反射部材としてコンバイナを配置してもよい。コンバイナに凹面ミラー１０５からの光を照射するようにしても、フロントウィンドシールド９１０に凹面ミラー１０５からの光を照射した場合と同様に、虚像Ｉを表示することができる。
Note that a combiner may be disposed as a transmission / reflection member on the viewpoint position E side of the
画像表示装置１００は、図１に示した制御部３０及び駆動部４０を含む電気系を備えている。図１７は、第２の実施の形態に係る画像表示装置の電気系のハードウェアブロックを例示する図である。図１８は、第２の実施の形態に係る画像表示装置の制御部の機能ブロックを例示する図である。
The
図１７に示すように、画像表示装置１００は、電気系として、制御部３０、駆動部４０、及びＭＥＭＳコントローラ５０を有している。ＭＥＭＳコントローラ５０は、光偏向器１０２の偏向走査を制御する機能を有している。
As illustrated in FIG. 17, the
又、制御部３０は、ＣＰＵ３１と、ＲＯＭ３２と、ＲＡＭ３３と、Ｉ／Ｆ３４と、バスライン３５とを有している。ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、及びＩ／Ｆ３４は、バスライン３５を介して相互に接続されている。
The
ＣＰＵ３１は、制御部３０の各機能を制御する。記憶手段であるＲＯＭ３２は、ＣＰＵ３１が制御部３０の各機能を制御するために実行するプログラムや、各種情報を記憶している。記憶手段であるＲＡＭ３３は、ＣＰＵ３１のワークエリア等として使用される。又、ＲＡＭ３３は、所定の情報を一時的に記憶することができる。Ｉ／Ｆ３４は、画像表示装置１００を他の機器等と接続するためのインターフェイスである。画像表示装置１００は、Ｉ／Ｆ３４を介して、外部ネットワーク等と接続されてもよい。
The
図１８を参照するに、制御部３０は、機能ブロックとして、画像データ生成部３０１と、光源装置制御部３０２と、光偏向器制御部３０３とを有している。
Referring to FIG. 18, the
画像データ生成部３０１は、描画すべき画像（速度、走行距離等の情報）の画像データを生成する。画像データ生成部３０１は、画像データを生成する際に、表示する虚像の位置、大きさ、形、色、明るさ（輝度）等を調整することができる。
The image
光源装置制御部３０２及び光偏向器制御部３０３は、画像データ生成部３０１が生成した画像データに応じて光源装置１０及び光偏向器１０２を制御する。具体的には、光源装置制御部３０２は、駆動部４０に駆動信号を供給し、各光源素子１１の出射タイミングを制御する。又、光源装置制御部３０２は、光検出素子２０の出力に基づいて、駆動部４０に光量制御信号を供給し、各光源素子１１の出射光量を一定に制御する。
The light source
光偏向器制御部３０３は、画像データ生成部３０１が生成した画像データに応じて、ＭＥＭＳコントローラ５０に駆動信号を供給し、光偏向器１０２を２次元的に偏向走査する。これにより、フロントウィンドシールド９１０に光が照射され、視認者Ｖの視点位置Ｅから虚像Ｉが視認可能となる。
The optical
このように、光源装置１０を備えた画像表示装置１００により、フロントウィンドシールド９１０に対して画像を形成する光（画像光）を照射することで、視認者Ｖの視点位置Ｅ（左右の目の中間点）から画像の虚像Ｉを視認可能にすることができる。つまり、視認者Ｖは、画像表示装置１００の被走査面１０４に形成（描画）される画像（中間像）を、フロントウィンドシールド９１０を介して虚像Ｉとして視認することができる。
In this way, the
光源装置１０では、ウェッジ型の光分岐素子１７を用いることにより多重干渉の影響を低減し、ＡＰＣ制御の精度を向上しているため、光源装置１０を備えた画像表示装置１００では、光量変動の少ない画像光が得られ、所望の画像を良好に表示できる。
In the
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiment has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and replacements are made to the above-described embodiment without departing from the scope described in the claims. Can be added.
例えば、上記の実施の形態では、光源装置１０を画像表示装置の一例であるＨＵＤに適用する例を示した。しかし、光源装置１０は、ＨＵＤ以外の画像表示装置に適用することができる。ＨＵＤ以外の画像表示装置としては、例えば、プロジェクタやヘッドマウントディスプレイ等が挙げられる。
For example, in the above-described embodiment, an example in which the
又、光源装置１０は複数の光源素子を有する構成には限定されず、単一の光源素子を有する構成としてもよい。この場合、光源装置１０は、単一色の画像を表示する画像表示装置等に搭載することができる。
The
１０ 光源装置
１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ 光源素子
１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ カップリングレンズ
１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂ アパーチャ
１４ ミラー
１５、１６ 光路合成素子
１７ 光分岐素子
１８ 集光素子
１９ 減光素子
２０ 光検出素子
３０ 制御部
３１ ＣＰＵ
３２ ＲＯＭ
３３ ＲＡＭ
３４ Ｉ／Ｆ
３５ バスライン
４０ 駆動部
５０ ＭＥＭＳコントローラ
１００ 画像表示装置
１０１ レンズ
１０２ 光偏向器
１０３ ミラー
１０４ 被走査面
１０５ 凹面ミラー
１７１ 入射面
１７２ 出射面
２０１ 光検出領域
３０１ 画像データ生成部
３０２ 光源装置制御部
３０３ 光偏向器制御部
９００ 自車両
９１０ フロントウィンドシールド
DESCRIPTION OF
32 ROM
33 RAM
34 I / F
35
Claims (13)
前記光源素子からの光束を複数の光束に分岐する光分岐素子と、
分岐された前記光束の光量を検出する光検出素子と、を有し、
前記光分岐素子は入射面と出射面とが非平行であり、前記光源素子からの光束は前記入射面で分岐される光源装置。 A light source element;
A light branching element that splits a light flux from the light source element into a plurality of light fluxes;
A light detecting element for detecting the light quantity of the branched light flux,
The light splitting element is a light source device in which an incident surface and an exit surface are non-parallel, and a light beam from the light source element is branched at the incident surface.
前記光分岐素子は、前記同一光路に合成された前記波長の異なる光束の各々を複数の光束に分岐し、
前記光検出素子は、分岐された前記波長の異なる光束の各々の光量を検出する請求項１乃至４の何れか一項に記載の光源装置。 The light source element has other light source elements that emit light beams having different wavelengths, and an optical path combining element that combines light beams having different wavelengths emitted from the plurality of light source elements in the same optical path,
The optical branching element branches each of the light beams having different wavelengths synthesized in the same optical path into a plurality of light beams,
The light source device according to any one of claims 1 to 4, wherein the light detection element detects a light amount of each of the branched light beams having different wavelengths.
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