JP2013167661A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルノイズを低減する画像形成装置を提供する。
【解決手段】レーザー光を出射するレーザー光源と、レーザー光源からの光を拡散する光拡散素子２０と、光拡散素子で拡散したレーザー光を変調する光変調素子と、光変調素子で変調された光を投射する投射光学系と、を備え、光拡散素子２０は、円錐形状を有し、円錐形状の円錐斜面２１が光を拡散する拡散面であり、拡散面は、円錐形状の頂点から離れるにつれて入射した光に対する拡散度合いが漸次小さくなるように構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光源の光を拡散させる光拡散素子を備えた画像形成装置に関するものである。

近年、プロジェクターやディスプレイ等の画像形成装置では、さらなる高性能化が求められている。例えば、プロジェクターの高性能化に関する検討では、広色域かつ高効率な光源として、レーザー光源が注目されている。レーザー光源は、その特徴の一つとして高い可干渉性が挙げられる。しかし、この高い可干渉性の影響により、画像を投影した際にスクリーン上で拡散された光が、目の網膜上で干渉し、粒子状のノイズであるスペックルノイズが発生する。その結果、画像品質が劣化するという問題がある。

スペックルノイズを低減した画像を得るためには、光源の可干渉性を低下させる必要がある。可干渉性を低下させるための方法として一般的に使われている方法として、拡散板などの光拡散素子を光学系内に挿入することにより、光源の位相を空間的に変調させ、光の可干渉性を低下させる対策が必要となる（例えば特許文献１参照）。

特開平６−２０８０８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の拡散手段はデスペックル効果が得られる一方で、光拡散素子は一様に光を拡散させるため、光軸に垂直な面内の照明領域で見たときに、照明領域の境界付近でも同様に光を拡散する。このとき、照明領域における境界領域の境界付近の光が大きく拡散すると、照明対象である光変調器に入射しない光となるため、照明効率が低下するという課題があった。

本発明は上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る画像形成装置は、レーザー光を出射するレーザー光源と、前記レーザー光源からの光を拡散する光拡散素子と、前記光拡散素子で拡散したレーザー光を変調する光変調素子と、前記光変調素子で変調された光を投射する投射光学系と、を備え、前記光拡散素子は、円錐形状を有し、前記円錐形状の円錐斜面が光を拡散する拡散面であり、前記拡散面は、前記円錐形状の頂点から離れるにつれて入射した光に対する拡散度合いが漸次小さくなることを特徴とする。

本適用例によれば、光拡散素子が円錐形状を有し、円錐の頂点から離れるにつれて入射した光に対する拡散度合いが漸次小さくなるため、光軸近傍が最も拡散が強くなる。これによって、円錐形状を有するプリズムから出射するドーナツ形状の非回折ビームの中心付近の光量を拡散により平均化すると共に、光軸から離れた部分の拡散を弱くし、光変調素子の開口サイズ、及び投射レンズの入射瞳等で光量損失が生じる事を抑制することができる。
従って、光量損失を抑えたスペックルノイズ低減が可能な光拡散素子を有する画像形成装置を提供することができる。

［適用例２］上記適用例に係る画像形成装置において、前記光拡散素子は、異なる拡散度合いを持つ複数の拡散部材を、前記円錐形状となるように接合することにより形成されることが好ましい。

本適用例によれば、複数の異なる拡散度合いを持つ拡散部材を組み合わせて用いることにより、光拡散素子の頂点位置から漸次拡散度合いが異なる円錐形状の光拡散素子を形成することができる。また円錐形状の光拡散素子を形成する各拡散部材の拡散度合いを自由に選択することが可能であるため、用いる画像形成装置の光学系構成に合わせて拡散度合いを最適化し、照明効率の低下を抑えた最適な光拡散素子を形成することができる。

［適用例３］上記適用例に係る画像形成装置において、前記光拡散素子に、前記光拡散素子を回転させる回転機構を有することが好ましい。

本適用例によれば、光拡散素子が回転することによりスペックルノイズの時間重畳によりスペックル低減効果を向上させることができる。また上記光拡散素子の拡散むらに起因した輝度むらを平均化することができるため、投影画像のノイズ成分低減効果が増加し、これによって、ノイズの少ない美しい映像を投影することができる。

［適用例４］上記適用例に係る画像形成装置において、前記光拡散素子に、前記光拡散素子を振動させる振動機構を有することが好ましい。

本適用例によれば、光拡散素子を振動させることによりスペックルノイズの時間重畳によりスペックル低減効果を向上させることができる。また上記光拡散素子の拡散むらに起因した輝度むらを平均化することができるため、投影画像のノイズ成分低減効果が増加し、これによって、ノイズの少ない美しい映像を投影することができる。

実施形態１に係る光拡散素子を用いたプロジェクターの概略構成を示す模式図。 実施形態１に係る光拡散素子の断面形状図。 変形例１に係る光拡散素子の回転機構を示す模式図。 変形例２に係る光拡散素子の振動機構を示す模式図。 実施形態２に係るモニター装置の構成を示す模式図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る画像形成装置としてのプロジェクターの概略構成を示す模式図である。図２は光拡散素子の断面形状図である。
まず、実施形態１に係るプロジェクター１００の概略構成について説明する。

図１に示すように、プロジェクター１００は、レーザー光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ、光拡散素子２０、液晶ライトバルブ（光変調素子）３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂ、投射レンズ（投射光学系）４０などから構成されている。
レーザー光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは、単一の光源もしくは、アレイ状に配置された光源であり、赤色光を出射するレーザー光源１０Ｒ、緑色光を出射するレーザー光源１０Ｇ、青色光を出射するレーザー光源１０Ｂである。

光拡散素子２０は、図２に示すように円錐形状であり、円錐斜面２１が光を拡散する拡散面である。そして、素子による拡散度合いを光軸Ｌから離れるほど弱くし、光軸Ｌ近傍が最も拡散が強くなるように構成されている。
具体的には、光拡散素子２０は、異なる拡散度合いを有する複数の拡散部材２０ａ，２０ｂ，２０ｃを光学接着剤等で接合し、円錐形状に形成されている。
このように、複数の異なる拡散度合いを持つ拡散部材２０ａ，２０ｂ，２０ｃを組み合わせて用いることにより、光拡散素子２０の頂点位置から漸次拡散度合いが異なる円錐形状の光拡散素子２０を形成することができる。また円錐形状の光拡散素子２０を形成する各拡散部材２０ａ，２０ｂ，２０ｃの拡散度合いを自由に選択することが可能であるため、用いる画像形成装置の光学系の構成に合わせて拡散度合いを最適化し、照明効率の低下を抑えた最適な光拡散素子２０を形成することができる。
なお、光拡散素子２０は、光の進行方向に円錐形状の頂点が向くように配置されている。

液晶ライトバルブ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂは、拡散したレーザー光を空間的に変調する。
投射レンズ４０は、液晶ライトバルブ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂで変調された光を投射する。
なお、プロジェクター１００は、液晶ライトバルブ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂから出射された光を合成して投射レンズ４０に導くクロスダイクロイックプリズム（色光合成手段）３５を備えることができる。

このように、プロジェクター１００は、レーザー光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから出射された光を光拡散素子２０により拡散させ、液晶ライトバルブ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂによって形成された像を投射レンズ４０にて拡大してスクリーン（表示面）４５に投射することができる。

なお、上述の例では、光変調素子として透過型の液晶ライトバルブ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂを用いたが、液晶以外のライトバルブを用いてもよいし、反射型のライトバルブを用いてもよい。このようなライトバルブとしては、例えば、反射型の液晶ライトバルブや、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device）が挙げられる。また、投射光学系の構成は、使用されるライトバルブの種類によって適宜変更される。

以上述べたように、本実施形態に係るプロジェクター１００によれば、以下の効果を得ることができる。
円錐形状の光拡散素子２０を出射するビームは、非回折ビームであることが知られているため、ビームが回折せず、伝播によるビームの広がりを抑えることができる。しかしならが、ビーム形状がドーナツ形状であるため、中心の穴付近の光量を、拡散により平均化すると共に、光軸から離れた部分の拡散を弱くし、液晶ライトバルブ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂの開口、及び投射レンズ４０の入射瞳等で光量損失が生じる事を抑制する。その結果、スペックル低減と光量損失低減を両立させたノイズが少なく、明るいプロジェクター１００を提供することができる。

（変形例１）
次に第１実施形態の変形例１について説明する。本変形例では光拡散素子を回転させる回転機構が付加されている。このため、ここでは回転機構について詳細に説明する。
図３は、変形例１に係る光拡散素子の回転機構を示す模式図であり、図３（ａ）は光軸に対して平行面における断面図、図３（ｂ）は光軸に対して垂直面における断面図である。

円錐形状の光拡散素子２０の回転機構５０は、光拡散素子２０を保持する保持枠５１、回転モーター５２などから構成されている。
光拡散素子２０を保持する保持枠５１は、光拡散素子２０の円錐形状の周囲を囲む形状をしており、光拡散素子２０に加わる衝撃からの保護をしている。また、保持枠５１の外周には歯形が形成された歯車構造を有している。回転モーター５２は、保持枠５１に隣接する位置に配置され、歯車を介して回転モーター５２の回転運動を外周に歯形形状を持つ保持枠５１に伝達させ、光拡散素子２０を回転させる。
このように、変形例１では実施形態１による空間的な位相変調に加えて回転運動による時間的な位相変調によるスペックル低減機構を備えることができる。

本変形例１に係る光拡散素子２０の回転機構５０によれば、光拡散素子２０の回転により時間的に光拡散素子２０による拡散パターンを変化させることが可能であるため、目の積分時間内に発生するスペックルパターンを重畳させ、スペックルノイズの低減効果を増大させることが可能である。

（変形例２）
次に第１実施形態の変形例２について説明する。本変形例では光拡散素子を振動させる振動機構が付加されている。このため、ここでは回転機構について詳細に説明する。
図４は、変形例２に係る光拡散素子の回転機構を示す模式図であり、図４（ａ）は光軸に対して平行面における断面図、図４（ｂ）は光軸に対して垂直面における断面図である。

円錐形状の光拡散素子２０の振動機構６０は、光拡散素子２０を保持する保持枠６１、振動源６２などから構成されている。
光拡散素子２０を保持する保持枠６１は、光拡散素子２０の円錐形状の周囲を囲む形状をし、振動源６２から直接振動が光拡散素子２０に伝わらないように保護している。ただし、振動が光拡散素子２０を損傷させない程度の微弱な場合は、保持枠６１はなくてもよい。振動源６２は、保持枠６１もしくは、光拡散素子２０に直接隣接する位置に配置した圧電素子等からなる。圧電素子に電源６３から加える電圧を制御することにより振動源６２を振動させ、保持枠６１に振動源６２を接触させることにより振動を伝達し、光拡散素子２０を振動させる。
このように、変形例２では実施形態１による空間的な位相変調に加えて振動によるスペックル低減機構を備えることができる。

本変形例２に係る振動機構６０によれば、光拡散素子２０の振動により時間的に光拡散素子２０による拡散状態を変化させることにより、目の積分時間内に発生するスペックルパターンを重畳させ、スペックルノイズの低減効果を増大させることが可能である。

（実施形態２）
次に実施形態２の画像形成装置としてのモニター装置の説明をする。
図５は、モニター装置の構成を示す模式図である。

実施形態２に係るモニター装置２００は、レーザー光源１０、光拡散素子２０、投射レンズ４０、撮像部７０などから構成されている。レーザー光源１０、光拡散素子２０、投射レンズ４０により照明された被写体を、撮像部７０で撮像する。
このような構成のモニター装置２００においても、実施形態１、変形例１、変形例２で説明した光拡散素子２０を用いることができる。

本実施形態に係るモニター装置２００によれば、上述の光拡散素子２０を備えているので、光源装置は可干渉性が低い光を射出し、輝度むらのない明るい光により被写体が照射される。したがって、撮像部７０により被写体を鮮明に撮像することが可能となる。

１０，１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ…レーザー光源、２０…光拡散素子、２１…円錐斜面、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…拡散部材、３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂ…光変調素子としての液晶ライトバルブ，４０…投射光学系としての投射レンズ、５０…回転機構、５１…保持枠、５２…回転モーター、６０…振動機構、６１…保持枠、６２…振動源、６３…電源、７０…撮像部、１００…画像形成装置としてのプロジェクター、２００…画像形成装置としてのモニター装置。

Claims (4)

1. レーザー光を出射するレーザー光源と、
   前記レーザー光源からの光を拡散する光拡散素子と、
   前記光拡散素子で拡散したレーザー光を変調する光変調素子と、
   前記光変調素子で変調された光を投射する投射光学系と、を備え、
   前記光拡散素子は、円錐形状を有し、前記円錐形状の円錐斜面が光を拡散する拡散面であり、前記拡散面は、前記円錐形状の頂点から離れるにつれて入射した光に対する拡散度合いが漸次小さくなる
   ことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記光拡散素子は、異なる拡散度合いを持つ複数の前記拡散部材を、円錐形状となるように接合することにより形成された
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記光拡散素子に、前記光拡散素子を回転させる回転機構を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成装置。
4. 前記拡散素子に、前記光拡散素子を振動させる振動機構を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成装置。

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