JP5000914B2 - 映像プロジェクション装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源として半導体素子を用いる映像プロジェクション装置に関する。

最新の映像プロジェクターは、マイクロディスプレイパネルと言われる映像表示素子を半導体素子であるＬＥＤ光源で照明光学系を介して照明し、映像表示素子上で作られた映像を投射レンズでスクリーンへ投映する（例えば特許文献１参照）。
映像表示素子としては、透過型や反射型の液晶パネルや、ＭＥＭＳ(micro electro mechanical systems)デバイスである反射型のＤＭＤ(digital micro mirror device)パネルなどがある（例えば特許文献２参照）。
また、半導体レーザあるいは半導体レーザ励起の固定レーザさらにそれらの波長変換光を投射光源としたシステムがあり、このシステムでは、ビームスキャン光学系を用いてスクリーン面を走査して映像を表示する（例えば特許文献３参照）。本走査方法には、光の点を走査する方法と光の線を走査する方法がある。
特開２００１−４２４３１号公報 特開２００６−６５１９２号公報 特開２００３−２７９９４３号公報

ところで、ＬＥＤを投射光源に用いた照明光学系では、映像表示素子のEtendue（集光面積と立体角の積）の制約から一般に光利用効率が低く、さらに、高出力ＬＥＤの発光効率が低いという問題から、総合的な電気効率が低いという問題がある。
一方、レーザを光源に用いる光学系では、レーザ及びスキャン光学系が高価であり、また、スペックルと言われる光の干渉を抑制しなければならないという問題がある。また、レーザ光は、眼に対する安全性の視点からも問題が残る。

本発明の課題は、光の利用効率を向上し、コストを軽減し、光の干渉をなくす等して、構成が簡単で長寿命かつ信頼性の高い映像プロジェクション装置を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、投射光源と映像表示素子を兼用する面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）２次元アレイを光学エンジンとして搭載し、
前記面発光型半導体レーザ２次元アレイからのレーザ光の光軸上に挿入されているビームスプリッターと撮像レンズ及び２次元アレイ撮像素子からなる光サンプリング撮像系により前記面発光型半導体レーザ２次元アレイの発光強度分布を計測して前記面発光型半導体レーザ２次元アレイの各単一要素面発光型半導体レーザ間の出力のバラツキを補正する２次元信号を面発光型半導体レーザ駆動回路へフィードバックする映像プロジェクション装置を特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の映像プロジェクション装置であって、前記ＶＣＳＥＬ２次元アレイは波長変換器を備えていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の映像プロジェクション装置であって、映像信号に基づいて前記ＶＣＳＥＬ２次元アレイの各要素ＶＣＳＥＬのレーザ光出力が強度変調することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の映像プロジェクション装置であって、光の３原色の１色を放射する前記ＶＣＳＥＬまたはその波長変換器２次元アレイからのレーザ光を３原色分合成してフルカラー映像を投映することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の映像プロジェクション装置であって、面発光型半導体レーザまたはその波長変換器２次元アレイ単板中に光の３原色を放射する３種類の面発光型半導体レーザ２次元アレイを含むことを特徴とする。

本発明によれば、投射光源と映像表示素子を兼用する面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）２次元アレイを光学エンジンとして搭載したことにより、従来の映像プロジェクターにおける投射光源と映像表示素子の役目をＶＣＳＥＬ２次元アレイという一つの素子で兼用しているので、光学エンジンは投射光学系のみのシンプルな構成となり、照明光学系やスキャン光学系が不要となるので、光学系のコストを圧縮できるとともに、光の損失を抑えられる。
さらに、光源の面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、その製造プロセスが半導体メモリー等のＬＳＩとほとんど同じなので、量産に適し、通常の半導体レーザに比べて長寿命・高信頼性という特長がある。また、元来レーザ光なので、発光ダイオード（ＬＥＤ）からの放射光と比較すると輝度が高く、そのため発光の利用効率が高い。
また、各画素ＶＣＳＥＬはレーザ発振の動作上独立しているので、各画素ＶＣＳＥＬ間での光波の干渉が無く、そのため照明光が直接眼に到達する映像表示装置にも適している。
そして、ＭＥＭＳ素子やスキャン系に比べると機械的可動部分がなく、また、液晶パネルの偏光子のように光吸収材を用いていないため、光学部品の光劣化も少なく、従来技術に比べるとかなり高信頼・長寿命である。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は本発明を適用した第一の実施形態の構成を示すもので、面発光型半導体レーザの２次元マトリックス配列を投射光源及び映像表示素子として用いたものである。
すなわち、映像プロジェクション装置は、図示のように、プロジェクター光学エンジン１内の色合成プリズム２の各原色の入射面に、各原色に対応した波長でレーザ発振する３種類（赤色用、緑色用、青色用）の面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）の単一要素ＶＣＳＥＬをマトリックス状に配列したＶＣＳＥＬ２次元アレイ３を配置している。ここで、必要に応じて各要素ＶＣＳＥＬに波長変換器を組み合わせても良い。

図２はＶＣＳＥＬ２次元アレイ３の一部を拡大して示したもので、単位（単一要素）ＶＣＳＥＬ４間の配列ピッチは15ミクロンで横に1920列、縦に1080行のフルＨＤ表示になっており、発光部の全体サイズは約3cm×1.5cmである。
このＶＣＳＥＬ２次元アレイ３は、従来のプロジェクター装置における光源と映像表示素子を兼ねた役割を担うものである。

また、色合成プリズム２の出射面側には、投射レンズ５の入射面を、ＶＣＳＥＬ２次元アレイ３面からバックフォーカスの距離だけ離れた位置に配置している。
投射レンズ５は、ＶＣＳＥＬ２次元アレイ３面をスクリーン６に投映する。

ここで、ＶＣＳＥＬ２次元アレイ３は、図示しないレーザドライバーによって駆動され、レーザドライバーは図示しない映像エンジンにより制御される。
すなわち、各原色（赤色、緑色、青色）毎のＶＣＳＥＬ２次元アレイ３面内の各単一要素ＶＣＳＥＬ４は、各原色映像に対応した画素として動作し、対応する画素の明るさを指定する信号の変化に応じてレーザ発振の光量が変化する。つまり、映像信号に基づいてＶＣＳＥＬ２次元アレイ３の各要素ＶＣＳＥＬ４のレーザ光出力が強度変調する。

以上は基本構成であり、実際には、各単一要素ＶＣＳＥＬ４間の光量バラツキを補正するために、図示のように、ビームスプリッター７と撮像レンズ８及び２次元アレイ撮像素子９からなる光サンプリング撮像系を光軸１０上に挿入している。
これにより、プロジェクター光学エンジン１は各単一要素ＶＣＳＥＬ４の放射光量の不均一を校正する校正機能を具備している。
すなわち、ＶＣＳＥＬ２次元アレイ３面の発光強度分布を計測して各単一要素ＶＣＳＥＬ４間の出力のバラツキを補正する２次元信号を図示しないＶＣＳＥＬ駆動回路へフィードバックする。このフィードバックは各単一要素ＶＣＳＥＬ４の光出力の経時変化も同時に補正することができる。

以上のような構成により、長時間に渡り均一で色バランスに優れた映像を保証することができる。

〔第２実施形態〕
次に、図３は本発明を適用した第二の実施形態の構成を示すもので、面発光型半導体レーザの２次元マトリックス配列を投射光源及び映像表示素子として用いていることは前述した第一の実施形態と同じである。
本実施形態の光学エンジン１で用いるＶＣＳＥＬ２次元アレイパネル１３は、第一の実施形態とは異なり、１枚のみであるが、図４に拡大して示すように、本パネル１３中のＶＣＳＥＬ２次元アレイは、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３種類の光の原色をそれぞれ放射する３種類の単色ＶＣＳＥＬ２次元アレイ１４から構成されている。
本実施形態によれば、第一の実施形態と比較すると、画素サイズは大きくなるが、色の合成系が不要となるので、光学エンジン１の構成がシンプルになり、コストメリットが大きいという利点がある。

なお、以上の実施形態においては、リア投射型の映像プロジェクターとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、フロント投射型の映像プロジェクターであっても良い。
なお、実施形態の他、光学部品の具体的な配置や細部構造等について適宜に変更可能であることは勿論である。

本発明を適用した第一の実施形態の構成を示すもので、映像プロジェクション装置の概略構成図である。 図１の矢印Ａ部の拡大図である。 本発明を適用した第二の実施形態の構成を示すもので、映像プロジェクション装置の概略構成図である。 図３の矢印Ａ部の拡大図である。

符号の説明

１ 光学エンジン
２ 色合成プリズム
３ ＶＣＳＥＬ２次元アレイ（赤色用、緑色用、青色用）
４ 単一要素ＶＣＳＥＬ
５ 投射レンズ
６ スクリーン
７ ビームスプリッター
８ 撮像レンズ
９ ２次元アレイ撮像素子
１０ 光軸
１３ 単板式３原色ＶＣＳＥＬ２次元アレイパネル
１４ 単色ＶＣＳＥＬ２次元アレイ

Claims (5)

1. 投映光源と映像表示素子を兼用する面発光型半導体レーザ２次元アレイを光学エンジンとして搭載し、
   前記面発光型半導体レーザ２次元アレイからのレーザ光の光軸上に挿入されているビームスプリッターと撮像レンズ及び２次元アレイ撮像素子からなる光サンプリング撮像系により前記面発光型半導体レーザ２次元アレイの発光強度分布を計測して前記面発光型半導体レーザ２次元アレイの各単一要素面発光型半導体レーザ間の出力のバラツキを補正する２次元信号を面発光型半導体レーザ駆動回路へフィードバックすることを特徴とする映像プロジェクション装置。
2. 前記面発光型半導体レーザ２次元アレイは波長変換器を備えていることを特徴とする請求項１に記載の映像プロジェクション装置。
3. 映像信号に基づいて前記面発光型半導体レーザ２次元アレイの各要素のレーザ光出力が強度変調することを特徴とする請求項１または２に記載の映像プロジェクション装置。
4. 光の３原色の１色を放射する前記面発光型半導体レーザまたはその波長変換器２次元アレイからのレーザ光を３原色分合成してフルカラー映像を投映することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の映像プロジェクション装置。
5. 面発光型半導体レーザ２次元アレイ単板中に光の３原色を放射する３種類の面発光型半導体レーザ２次元アレイを含むことを特徴とする請求項１に記載の映像プロジェクション装置。

Images