照明裝置和顯示裝置的製作方法

2023-05-27 01:45:46 2

專利名稱：照明裝置和顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及發光(包括發出雷射)的照明裝置以及利用這種照明裝置來顯示圖像的顯示裝置。
背景技術：
通常，投影儀(或投影顯示裝置)包含作為主要部件的光學模塊，且該光學模塊由包含光源的照明光學系統(或照明裝置)以及包含光調製元件的投影光學系統(或投射光學系統)組成。在這種投影儀的領域中，近年來，被稱作「微型投影儀」的小型(或手掌大小的)輕巧的便攜投影儀已經日益普及。通常，這種微型投影儀在其照明裝置中主要包含發光二極體(LED)作為光源。此外，最近人們逐漸感興趣的是把雷射用作照明裝置中的新型光源。舉例來說，目前已知一種配備有氣體雷射器的投影儀，它是使用了三原色(例如紅(R)、綠(G)和藍(B))雷射的投影儀。日本專利申請特開昭55-65940號公報和日本專利申請特開平06-208089號公報披露了如前所述使用雷射作為光源的投影儀的例子。通過使用雷射作為光源，投影儀實現了寬範圍的顏色再現和低的能耗。一般地，當諸如雷射等相干光照射到散射表面上時，在該散射表面上就可以觀察到光斑圖樣(spotty pattern),這與使用其他種類的光的情況不同。這樣的圖樣被稱作「散斑圖樣(speckle pattern)」。當上述光照射到散射表面上時，該光在散射表面的各個不同位置處被隨機地散射，具有隨機相位(這些相位與該表面上的略微凹凸不平相對應)的散射光相互幹涉。結果，產生了散斑圖樣。如果使用的是以雷射作為光源的投影儀，則上述散斑圖樣(或幹涉圖樣)會在屏幕上顯示的圖像上重疊。這些圖樣被人眼識別成強烈的隨機噪聲(random noise)，從而導致了顯示質量的降低。於是，為了減少由以雷射作為光源的投影儀產生的散斑圖樣(或散斑噪聲)，曾經提議了一種讓投影儀中的預定光學元件(雷射會從該元件中透過)等發生微小振動的技術。一般而言，人眼和人腦很難識別圖像上的在大約20miT50mS期間內的閃爍。因此，人眼對在這樣短的期間內的圖像變化進行積分，並將這個平均結果作為圖像而識別出來。可見，上面提到的技術的目的是通過在上述短期間內將屏幕上的大量的獨立的散斑圖樣重疊，將散斑噪聲平均化得不會被人眼所識別。這就可以減少因雷射而產生的幹涉圖樣。如上所述，當光學元件微小振動時，減少了幹涉圖樣的產生。但是，照明光的亮度容易變得非常不均勻。這就導致了顯示圖像質量的降低。照明光的照度不均勻性可能是不僅由於光學元件的微小振動還由於採取了另一種技術來操縱該光學元件而引起的。

發明內容
鑑於上述原因，目前需要在減少了幹涉圖樣的產生的同時還能抑制照度不均勻性的照明裝置和顯示裝置。本發明實施方式的照明裝置包括光源部，所述光源部包含雷射源並且能夠使從所述雷射源發出的雷射束以預定 頻率間歇地出射；光學元件，從所述光源部間歇地出射的所述雷射束透過所述光學元件；以及驅動部，所述驅動部通過以預定的驅動頻率驅動所述光學元件，來改變所述雷射束的相干性。在所述照明裝置中，滿足下列公式(I)或(2)、滿足下列公式(3)或⑷且滿足下列公式(5)或(6)2Xf2-nlXfl | ^ 20(I)2Xf2-n2Xfl | ^ 3(2)f2 彡 20(3)f2 ^ 3(4)f2-nlXfl | ^ 20 (5)|f2_n3Xfl| 彡 3 (6)這裡，fl表示所述預定頻率且單位為Hz，f2表示從所述光學元件出射的照明光的亮度的變化頻率且單位為Hz，所述變化頻率是由於對所述光學元件的所述驅動而產生的，nl表示(TlO (包含兩端點)範圍內的任意整數，n2和n3分別表示(TlO (包含兩端點)範圍內的預定整數。通常，可以以正弦波的形式對上述光學元件進行驅動(例如見圖10中的(B)部分)。在此情況下，上述「亮度的變化頻率(f2)」可以對應於該正弦波的頻率。然而，上述光學元件的驅動波形不限於正弦波。可供選擇地，「亮度的變化頻率(f2)」可以是具有最大振幅成分的主頻率。然而，如果不存在這樣的主頻率(例如，如果就像變形例7 (稍後說明)中那樣考慮的是白噪聲)，那麼「亮度的變化頻率(f2)」可以是任意頻率(或者是全部頻率中的任一頻率)。此外，上述雷射源通常可以以矩形脈衝的形式間歇地發出雷射束(例如見圖10中的(A)部分)。一般地，該矩形脈衝可以包含基本頻率的諧波成分。這就意味著上述「頻率(f I)」可以對應於驅動脈衝自身(例如矩形脈衝)的基本頻率。在本發明的一個實施例中，雷射束的「相干性」可以包括該雷射束的位置、角度、偏振和相位之中的至少一者。本發明實施方式的顯示裝置設有發出照明光的照明裝置和基於圖像信號對所述照明光進行調製的光調製元件。所述照明裝置包括光源部，所述光源部包含雷射源，且能夠使從所述雷射源發出的雷射束以預定頻率間歇地出射；光學元件，從所述光源部間歇地出射的所述雷射束透過所述光學元件；以及驅動部，所述驅動部通過以預定的驅動頻率驅動所述光學元件，來改變所述雷射束的相干性。在所述照明裝置中，滿足下列公式(I)或
(2)、滿足下列公式(3)或(4)且滿足下列公式(5)或(6)2Xf2-nlXfl | ^ 20 (I)|2Xf2_n2Xfl I 彡 3 (2)f2 彡 20(3)f2 ^ 3(4)
|f2-nlXfl I 彡 20(5)f2-n3Xfl | ^ 3(6)這裡，fl表示所述預定頻率且單位為Hz，f2表示從所述光學元件出射的照明光的亮度的變化頻率且單位為Hz，所述變化頻率是由於對所述光學元件的所述驅動而產生的，nl表示(TlO (包含兩端點)範圍內的任意整數，n2和n3分別表示(TlO (包含兩端點)範圍內的預定整數。本發明各個實施例的照明裝置和顯示裝置對上述光學元件(從雷射源發出的雷射束透過該光學元件)進行驅動，從而改變雷射束的相干性。這就減少了因雷射束而產生的幹涉圖樣。此外，上述照明裝置和上述顯示裝置滿足公式(I)或(2)、公式(3)或(4)以及公式(5)或(6)。這就掩蓋了拍現象，該拍現象的出現原因與雷射束的頻率和照明光的亮度的變化頻率(振動頻率)二者的混合有關，上述變化頻率是由於對上述光學元件的驅動而產生的。
·
如上所述，本發明各個實施例的照明裝置和顯示裝置對上述光學元件(從雷射源發出的雷射束透過該光學元件)進行驅動從而改變雷射束的相干性，同時還滿足公式(I)或
(2)、公式(3)或(4)以及公式(5)或(6)。這使得可以減少因雷射束而產生的幹涉圖樣，同時還掩蓋了拍現象(該拍現象的出現原因與雷射束的頻率和照明光的亮度變化頻率(振動頻率)二者的混合有關)。所以，本發明各個實施例的照明裝置和顯示裝置可以在減少幹涉圖樣的產生的同時抑制亮度不均勻性，從而提高顯示圖像質量。應當理解，前面的一般說明和後面的具體說明都是示例性的，旨在進一步解釋本發明權利要求所要保護的技術方案。


這裡提供了附圖以便進一步理解本發明，這些附圖被併入本說明書中且構成本說明書的一部分。附示了實施例，並且與本說明書一起用來解釋本發明的原理。圖I示出了本發明實施例的顯示裝置的整體結構。圖2中的(A)部分至(C)部分是時序圖，示出了由圖I中所示的各個雷射源所執行的脈衝發光操作的示例。圖3是用於解釋圖I中所示的光學元件的作用的示意圖。圖4是示意性地示出了稜鏡陣列的具體結構示例的立體圖，該稜鏡陣列是圖I中所示的光學元件的一個實例。圖5示出了比較例的顯示裝置的整體結構。圖6是用於解釋圖4中所示的稜鏡陣列的作用的示意圖。圖7是用於解釋通過上述稜鏡陣列的振動而進行的束掃描的示意圖。圖8是示意圖，示出了本發明實施例中屏幕上的可識別的亮度不均勻性的示例。圖9中的(A)部分至(C)部分是時序圖，示出了發光頻率、振動頻率和屏幕上的亮度不均勻性三者之間關係的一個示例。圖10中的(A)部分至(C)部分是時序圖，不出了發光頻率、振動頻率和屏幕上的亮度不均勻性三者之間關係的另一示例。圖11是示意圖，示出了從圖I中所示的各個雷射源射出的雷射束的遠場圖(farfield pattern ；FFP)的不例。圖12A和圖12B用於解釋本發明實施例中的拍頻(beat frequency)的示例。圖13A和圖13B用於解釋本發明實施例中的可避免拍頻和拍現象(beatphenomenon)的頻率範圍的示例。圖14A至圖14C用於解釋本發明實施例中的可避免拍現象的頻率範圍的一個示例。圖15A至圖15C用於解釋本發明實施例中的可避免拍現象的頻率範圍的另一示例。圖16是用於解釋屏幕上的亮度不均勻性降低的區域、屏幕上的亮度不均勻性不變的區域、因光學元件的振動而引起的亮度分布的空間振幅三者之間關係的示意圖。圖17中的(A)部分至(D)部分是時序圖，示出了在各個雷射源所執行的脈衝發光操作時的光波形的示例。圖18A和圖18B用於解釋變形例I中的拍頻的示例。圖19中的(A)部分至(C)部分用於解釋振動頻率與照明光的亮度的變化頻率之間關係的不例。圖20用於解釋變形例3中的可避免拍現象的頻率範圍的一個示例。圖21用於解釋變形例3中的可避免拍現象的頻率範圍的另一示例。圖22示出了變形例4的顯示裝置的整體結構。圖23示出了變形例5的照明裝置的主要部分的結構。圖24示出了變形例6的顯示裝置的整體結構。圖25是示意性地示出了液晶元件的具體結構的一個示例的平面圖，該液晶元件是圖24中所示的光學元件的一個實例。圖26是用於解釋圖25中所示的液晶元件的作用的示意圖。圖27是特性圖，示出了施加到圖25中所示液晶元件上的驅動電壓隨時間而變化以及雷射束的線性偏振角度隨時間而變化的示例。圖28是示意圖，示出了變形例6中屏幕上的可識別的亮度不均勻性的示例。圖29是示意性地示出了液晶元件的結構的另一示例的平面圖，該液晶元件是圖24中所示的光學元件的一個實例。圖30A和圖30B是用於解釋變形例7的白噪聲的特性圖。
具體實施例方式下文中，參照附圖詳細說明本發明的實施例。將會按照下列順序進行說明。I、實施例(該不例中，使用稜鏡陣列作為光學兀件)2、變形例變形例I (該示例中，光波形的佔空比(duty ratio)不等於50且光波形呈圓形)變形例2 (該示例中，發光頻率包含多種頻率成分)變形例3 (該示例中，考慮了振動頻率與照明光的亮度的變化頻率之間的關係)變形例4 (該示例中，控制部動態地控制發光頻率和振動頻率)
變形例5 (該示例中，使用衍射元件作為光學元件)變形例6 (該示例中，使用液晶元件作為光學元件且讓該液晶元件電振動)變形例7 (該示例中，在亮度不均勻性方面考慮了白噪聲)其他變形例一、實施例顯示裝置3的整體結構圖I示出了本發明實施例的顯示裝置(顯示裝置3)的整體結構。該顯示裝 置3是將圖像(或光學圖像)投射到屏幕30 (或被投射面)上的投影顯示裝置。具體地，顯示裝置3包括照明裝置I和光學系統(或顯示光學系統)，該光學系統利用來自照明裝置I的照明光來顯示圖像。照明裝置I照明裝置I包括紅色雷射器11R、綠色雷射器11G、藍色雷射器11B、透鏡12R、透鏡12G、透鏡12B、二向色稜鏡(dichroic prism)131、二向色稜鏡132、光學元件(稜鏡陣列)14、驅動部15、準直透鏡16、複眼透鏡(flyeye lens) 17和會聚透鏡18。請注意，該圖中的附圖標記「Z0」代表光軸。紅色雷射器11R、綠色雷射器IlG和藍色雷射器IlB對應於三個種類的光源，且分別射出紅色雷射束、綠色雷射束和藍色雷射束。這些雷射源構成了光源部，且本實施例中每個上述光源都是雷射源。紅色雷射器I IR、綠色雷射器IlG和藍色雷射器IlB每一者例如可以是半導體雷射器或固體雷射器等。如果各個雷射源都是半導體雷射器，則作為一個例子，紅色雷射束的波長λ r、綠色雷射束的波長λ g和藍色雷射束的波長λ b分別是大約600nm 700nm、500nm 600nm 和 400nm 500nm。紅色雷射器I IR、綠色雷射器IlG和藍色雷射器IlB每一者被構造成射出脈衝光束，例如分別如圖2中的(A)部分至(C)部分所示。更具體地，紅色雷射器IlR以預定的發光頻率fir [Hz](或在發光周期Tr=l/flr內)間歇地(不連續地)射出紅色雷射束。綠色雷射器IlG以預定的發光頻率fig [Hz](或在發光周期Tg=l/flg內)間歇地(不連續地)射出綠色雷射束。藍色雷射器IlB以預定的發光頻率fib [Hz](或在發光周期Tb=l/flb內)間歇地(不連續地)射出藍色雷射束。此外，分別如圖2中的(A)部分至(C)部分所示，紅色雷射束、綠色雷射束和藍色雷射束按照這個順序以時分(time division)的方式依次發光。在本實施例中，發光頻率nr、flg和Hb代表著相應的主頻率。作為一個例子，發光頻率fir、fig和fib彼此相等(下文中，合適的時候用「flr=flg=flb=fl」表示)。另外，發光頻率fl典型地可以是約60[ΗΖΓ120[ΗΖ]，但不限於此。可以根據投影儀(顯示裝置I)的顯示質量等來確定發光頻率fl。透鏡12R和透鏡12G是這樣的透鏡(或耦合透鏡)它們分別將從紅色雷射器IlR射出的紅色雷射束和從綠色雷射器IlG射出的綠色雷射束準直，從而讓準直後的光束到達二向色稜鏡131。同樣，透鏡12B將從藍色雷射器IlB射出的雷射束準直，從而讓準直後的光束到達二向色稜鏡132。請注意，透鏡12R、透鏡12G和透鏡12B每一者都對入射光束進行準直(或者生成準直後的光束)，但本實施例不限於此。作為一種可選的方案，透鏡12R、透鏡12G和透鏡12B每一者可以不將入射光束準直(或不產生準直後的光束)。然而，從裝置結構的小型化方面而言，可以認為如上述那樣將光束準直是更優選的。
二向色稜鏡131是這樣的稜鏡其選擇性地讓從透鏡12R入射的紅色雷射束透過，且選擇性地反射從透鏡12G入射的綠色雷射束。二向色稜鏡132是這樣的稜鏡其選擇性地讓從二向色稜鏡131入射的紅色雷射束和綠色雷射束透過，且選擇性地反射從透鏡12B入射的藍色雷射束。於是，紅色雷射束、綠色雷射束和藍色雷射束進行顏色合成(或光路合成)。光學元件(稜鏡陣列)14處於各光源與複眼透鏡17之間的光路上(或者更具體地說，處於二向色稜鏡132與準直透鏡16之間的光路上)。請注意，光學元件14相當於本發明實施方式的「光學元件」的一個具體實例。稜鏡陣列14是用來減少散斑噪聲(幹涉圖樣)(稍後說明)的光學元件，且被定位成使得在圖I中所示的光軸ZO上傳播的雷射束能夠從該稜鏡陣列14中透過。更具體地，已經從光源部(或分別從紅色雷射器11R、綠色雷射器IlG和藍色雷射器11B)以發光頻率fl (=flr、fig或fib)間歇地射出的各個激 光束(或紅色、綠色和藍色雷射束)從該稜鏡陣列14中透過。本發明實施方式的「光學元件」(它的一個實例是上述稜鏡陣列14)例如如圖3所示將入射光線(或入射光束Lin)分離成在兩個以上的不同方向上(或在兩個以上的彼此不同的方向上)傳播的光線，然後使這些光線作為出射光束Lout而出射。更具體地，當入射光束Lin進入該光學元件時，該光學元件不是通過改變入射光束Lin的光路來使出射光束Lout在一個方向上射出，而是通過向入射光束Lin賦予相位差來使出射光束Lout在兩個以上(非對稱)的方向上射出。圖4是示意性地示出了稜鏡陣列14的具體結構示例的立體圖。稜鏡陣列14具有這樣的結構該結構中，多個(本實施例中為n/2個(η為2以上的整數))稜鏡140 (結構單元)在Y軸上(或在稜鏡陣列140的振動方向(稍後說明)上)並排排列著。各個稜鏡140具有一對傾斜面，這對傾斜面形成於雷射束的出射側(+Z軸側)且在X軸上延伸。更具體地，稜鏡140都在一個方向(Y軸方向)上並排排列著，該方向(Y軸方向)垂直於上述那一對傾斜面在光出射面(X-Y平面)內延伸的方向(X軸方向)。確切地說，在該圖中所示的Y軸上從正側往負側的方向上，第一個稜鏡140具有一對傾斜面S1和S2 (第一表面和第二表面)，然後第二個稜鏡140具有一對傾斜面S3和S4 (第三表面和第四表面)，以此類推。最後，第(n/2)個稜鏡140具有一對傾斜面Slri和Sn(第η-i表面和第η表面)。於是，各個稜鏡140的形狀為在X軸方向上延伸的三角柱(「d」表示稜鏡140在Y軸方向上的節距(稜鏡節距)，「 Θ 」表示各個傾斜面的傾斜角)，在整個光出射面上都交替地形成了山(凸)部和谷(凹)部。請注意，在本實施例中，各個稜鏡140的凸部(傾斜面)都被設置在光出射面上，但各個稜鏡140的結構不限於此。各個稜鏡140的凸部可被設置在光入射面和光出射面的任一者上或兩者上。稍後將會說明稜鏡陣列14的具體作用(見圖6和圖7)。驅動部15以預定頻率驅動稜鏡陣列14，由此改變雷射束的相干性(本實施例中，是指雷射束的位置、角度、偏振和相位中的至少一者)。具體地，在本實施例中，驅動部15以預定的振動頻率f0作為上述驅動頻率使稜鏡陣列14機械地(且微小地)振動，由此改變雷射束的位置和角度中的至少一者。驅動部15改變稜鏡陣列14與複眼透鏡17 二者的相對位置，從而改變雷射束在複眼透鏡17的入射面上的入射位置和入射角度中的至少一者(即入射位置，或者入射角度，或者入射位置及入射角度)。此外，在本實施例中，驅動部15使稜鏡陣列14 (微小地)振動(具體而言，如圖4所示，使稜鏡陣列14在與稜鏡140的排列方向一致的Y軸方向上振動)，從而改變上述相對位置。稍後將會說明用於規定(確定)振動頻率 (該振動頻率 是如上所述稜鏡陣列14進行振動時的頻率)的技術(本實施例中的特徵之一)的細節。在本實施例中，振動頻率f0代表著具有最大振幅的主頻率(但是，在變形例7中將會說明這樣的主頻率不存在的情形(考慮了白噪聲等))。請注意，該驅動部15例如可以包括線圈和永久磁體(例如，由諸如釹(Nd)、鐵(Fe)和硼(B)等材料製成的永久磁體)。準直透鏡16被設置在稜 鏡陣列14與複眼透鏡17之間的光路上，它是對從稜鏡陣列14射出的光束進行準直從而產生準直後的光束的透鏡。複眼透鏡17是其中將多個透鏡以二維形式排列在基板上的光學部件(或積分器)，該光學部件依據上述這些透鏡的排列將入射光線在空間上分割開，然後讓分割後的光線射出。於是，使得已經進入複眼透鏡17的光線均一化(使得該光線在平面內的強度分布均一化)，然後作為照明光從複眼透鏡17射出。請注意，該複眼透鏡17相當於本發明實施方式的「光學部件」的一個具體實例。會聚透鏡18是接收已經被複眼透鏡17均一化的上述光(照明光)並將該光聚焦的透鏡。顯不光學系統上述顯示光學系統包括偏振分束器(pola rization beam splitter ;PBS) 22、反射型液晶元件21和投影透鏡23 (或投影光學系統)。偏振分束器22是選擇性地允許特定偏振光(例如，P偏振光)透過而選擇性地反射另一偏振光(例如，S偏振光)的光學構件。於是,來自照明裝置I的照明光(例如，S偏振光)被偏振分束器22選擇性地反射，然後進入反射型液晶元件21。此外，從反射型液晶元件21出射的光學圖像(例如，P偏振光)選擇性地透過偏振分束器22，然後入射到投影透鏡23上。反射型液晶元件21是這樣的光調製元件它在基於將要從顯示控制部(未圖示)提供的圖像信號對來自照明裝置I的照明光進行調製的同時將該照明光反射，由此出射光學圖像。在本實施例中，反射型液晶兀件21以讓入射光和反射光各自的偏振(例如S偏振和P偏振)互不相同的方式將照明光反射。該反射型液晶兀件21可以由例如LC0S(liquidcrystal on silicon ;娃基液晶)等形式的液晶元件製成。投影透鏡23是把已經由反射型液晶元件21調製過的照明光(光學圖像)投射(並放大)到屏幕30上的透鏡。顯示裝置3的作用效果I、顯示操作在上述顯示裝置3的照明裝置I中，如圖I所示，首先，紅色雷射器11R、綠色雷射器IIG和藍色雷射器IIB分別發出光束(雷射束)，這些光束被透鏡12R、透鏡12G和透鏡12B轉變成準直後的光束。然後，利用二向色稜鏡131和二向色稜鏡132把準直後的雷射束(或者說，紅色雷射束、綠色雷射束和藍色雷射束)進行顏色合成(或光路合成)。已進行了光路合成的雷射束透過稜鏡陣列14，並被準直透鏡16轉變成準直後的光束，然後進入複眼透鏡17。該光束(該光束在平面內的強度分布)被複眼透鏡17均一化，然後從複眼透鏡17出射。隨後，該光束被會聚透鏡18聚集。以此方式，照明光從照明裝置I發射出來。接著，上述照明光被偏振分束器22選擇性地反射，然後入射到反射型液晶元件21上。該入射光在被反射型液晶元件21基於圖像信號進行調製的同時被反射型液晶元件21反射。隨後，上述經過調製的反射光作為光學圖像從反射型液晶元件21射出。在此情形下，入射到反射型液晶元件21上的光與從反射型液晶元件21射出的光具有不同的偏振。因此，從反射型液晶元件21射出的光學圖像選擇性地透過偏振分束器22，然後進入投影透鏡23。最後，該光(光學圖像)被投影透鏡23 (放大並且)投射到屏幕30上。在本實施例中，例如如圖2中的(A)部分至(C)部分所示，紅色雷射器11R、綠色雷射器IlG和藍色雷射器IlB每一者以預定頻率fl (=flr、flg或fib)間歇地發出光束。因此，各雷射束(紅色雷射束、綠色雷射束和藍色雷射束)以時分的方式依次出射。接著，這些雷射束被反射型液晶元件21基於含有各顏色成分(紅色成分、綠色成分和藍色成分)的圖像信號以時分的方式依次調製。以此方式，顯示裝置3基於上述圖像信號顯示出彩色圖像。2、作用效果接著，與比較例相對照，在下文中詳細說明由照明裝置I產生的作用效果。2-1、比較例圖5示出了比較例的顯示裝置(顯示裝置100)的整體結構。類似於本發明實施例的顯示裝置3，比較例的顯示裝置100是將光學圖像投射到屏幕30上的投影顯示裝置。該顯示裝置100包括紅色雷射器101R、綠色雷射器101G、藍色雷射器101B、分色鏡(dich roicmirror) 102R、分色鏡 102G、分色鏡 102B、散射元件(diffusing element) 103、馬達(驅動部)104、透鏡105、光調製元件106和投影透鏡107。在該顯示裝置100中，紅色雷射器101R、綠色雷射器IOlG和藍色雷射器IOlB發出對應顏色的雷射束，然後，分色鏡102R、分色鏡102G和分色鏡102B對這些雷射束進行顏色合成(或光路合成)。合成後的光束入射至散射元件103。散射元件103將該入射光束散射，然後透鏡105用該光束作為照明光照射至光調製元件106。光調製元件106在基於圖像信號對照明光進行調製的同時將該照明光反射，然後讓該經過調製的反射光作為光學圖像出射。投影透鏡107將光學圖像(放大且)投射到屏幕30上。於是，基於圖像信號，顯示裝置100顯示出彩色圖像。一般地，當諸如雷射等相干光照射到散射表面上時，在該散射表面上就觀察到了光斑圖樣，這與使用其他種類的光的情況不同。這樣的圖樣被稱作「散斑圖樣」。照射到散射表面上的光在該散射表面上被散射，具有隨機相位(這些相位與該表面上的凹凸不平相對應)的散射光相互幹涉，於是產生了散斑圖樣。當配有雷射源的投影儀(諸如比較例的上述顯示裝置100)將光學圖像投射到屏幕上時，散斑圖樣(或幹涉圖樣)重疊到在屏幕上顯示出來的圖像上。由於這些圖樣被人眼識別成強烈的隨機噪聲，因而這些圖樣往往會使所顯示的圖像質量降低。為了減少由配有雷射源的投影儀產生的散斑圖樣(或散斑噪聲)，可以考慮一種讓屏幕或者讓投影儀中的預定光學元件(雷射會從該元件中透過)發生微小振動的技術。一般而言，人眼和人腦很難識別在大約20miT50mS期間內出現的閃爍。因此，人眼對在這一期間內的圖像的變化進行積分和平均化。於是，如果有大量的獨立的散斑圖樣在屏幕上重疊，就將散斑噪聲平均化得讓人眼不易識別出來。鑑於上述內容，在比較例的顯示裝置100中，馬達104使散射元件103機械地旋轉，從而讓屏幕30上的散斑圖樣高速地移位(或微小振動)，並且減少散斑噪聲的產生。
2-2、實施例相比而言，在本實施例的照明裝置I中，驅動部15驅動光學元件14 (稜鏡陣列)，從而讓光學元件14 (雷射束從該光學元件中透過)(微小地)振動。這減少了因雷射束而產生的散斑噪聲(或幹涉圖樣)，稍後進行詳細說明。A.使幹涉圖樣減少的作用效果·首先，當光束入射到稜鏡陣列14時，各稜鏡140按照如下方式從它的一對傾斜面出射各個光束。如圖6所不,光束以下列方式從各個稜鏡140的一對傾斜面射出入射光束的位置與出射光束的在與稜鏡陣列14相距預定距離的平面上(或者，本例中在複眼透鏡17的入射面上)的位置相反。具體而言，在稜鏡陣列14的上述第一個稜鏡140中，入射到傾斜面S1上的光束的位置和入射到傾斜面S2上的光束的位置在到達複眼透鏡17的入射面上時發生互換。更具體地說，已從傾斜面S1出射的光束朝著已進入傾斜面S2的另一光束的位置(或者朝著第一個稜鏡140的出射面的下部位置)傳播。同時，已從傾斜面S2出射的光束朝著已進入傾斜面S1的另一光束的位置(或者朝著第一個稜鏡140的出射面的上部位置)傳播。類似地，在上述第(n/2)個稜鏡140中，入射到傾斜面Slri上的光束的位置和入射到傾斜面Sn上的光束的位置在複眼透鏡17的入射面上發生互換。更具體地說，已從傾斜面Slri出射的光束朝著已進入傾斜面Sn的另一光束的位置(或者朝著第(n/2)個稜鏡140的出射面的下部位置)傳播。同時，已從傾斜面Sn出射的光束朝著已進入傾斜面Slri的另一光束的位置(或者朝著第(n/2)個稜鏡140的出射面的上部位置)傳播。請注意，使上述光束的位置在從稜鏡140出射之後發生互換的作用是通過圖4所示的稜鏡節距d和傾斜角Θ來任意調節的。驅動部15改變稜鏡陣列14與複眼透鏡17 二者的相對位置。具體而言，為了改變上述相對位置，例如如圖7中的箭頭Pl所示，驅動部15使稜鏡陣列14沿著稜鏡140在與光軸ZO垂直的平面上的排列方向(或沿Y軸方向)振動。在此情況下，例如如圖7中的箭頭P21和P22所示，從各個稜鏡140的傾斜面出射的光束的位置(這些光束在一對傾斜面上的位置在出射後發生互換)也在Y軸方向上發生移位(或者偏移)。結果，從稜鏡陣列14內的各稜鏡140出射的光束對複眼透鏡17的入射面進行光束掃描。通過利用上述原理(散斑圖樣的多重化(時間平均))，減少了因雷射束而產生的散斑噪聲(或幹涉圖樣)。在本實施例中，為了改變雷射束在複眼透鏡17的入射面上的入射位置和入射角中的至少一者，驅動部15改變稜鏡陣列14與複眼透鏡17 二者的相對位置(或者，在本例中使稜鏡陣列14自身振動)。即使改變了上述相對位置(或者實現了光束掃描)，這仍降低了或者避免了光束從稜鏡陣列14入射到複眼透鏡17時的光損失。比較例的顯示裝置100所採取的技術是通過利用散射元件103自身來使入射至散射元件103的光束散射。這可能會導致光束的利用效率下降。與比較例的技術不同，本實施例的顯示裝置3被配置成通過利用多重化(時間平均)來減少散斑噪聲的產生，且同時儘可能地降低了或避免了雷射束的損失。B.使亮度不均勻性降低的作用效果亮度不均勻性的產生原理的概述如上所述，光學元件(稜鏡陣列14)的微小振動減少了幹涉圖樣的產生。但是在這種情況下，例如如圖8所示，該振動可能會導致照明光的亮度(或照度)不均勻。這就導致了顯示圖像質量的降低。這種亮度不均勻性的產生歸因於沒有使用比較例的顯示裝置100中的散射板(diffuser plate)而是為了減少幹涉圖樣的產生使用了稜鏡陣列14。在上述顯示裝置I中，與散射板不同的是，稜鏡陣列14使入射光束Lin的光路改變(彎折)而不會降低光的利用效率(或者不會使光散射)。因此，在原理上講，在照明光中(在屏幕30上)易於產生亮度不均勻。例如，當使用稜鏡陣列14時，各個稜鏡140中的凹凸表面(或者傾斜面S1至Sn)的陰影易於使照明光中產生亮度不均勻性。然而，如果將凹凸表面的角度(或者傾斜面S1至Sn的傾斜角Θ )減小得使亮度不均勻性不是很明顯，那麼也會削弱幹涉圖樣的減少效果(減少量很小)，這就失去了意義。通過使稜鏡陣列14振動在某種程度上減少了上述亮度不均勻性。但是，根據稜鏡陣列14的振動頻率fO與雷射束的發光頻率Π之間的特定關係，亮度不均勻性也可能變得更明顯。具體而言，取決于振動頻率f0與發光頻率fl的混合，會(或很可能)出現拍現象(稍後詳細說明)，從而使得亮度不均勻性更容易被識別到。更具體地說，當振動頻率f0與
發光頻率Π彼此接近時，它們二者的混合會產生拍頻。這使得在圖像上緩慢移動的不均勻亮度更容易被識別到。如果雷射源如圖9中的(A)部分所示那樣發出光束且光學元件(稜鏡陣列)14如圖9中的(B)部分所示那樣進行振動(或者如果振動頻率f0等於發光頻率f I)，那麼通過讓這些波形相乘而得到的照明光(或者屏幕30上的光學圖像)的亮度例如就如圖9中的(C)部分所示。於是，照明光的亮度由在一定周期上變化的時序波形(timing waveform)來描述。但是，請注意，由於這個周期的一個循環內的亮度變化沒有被人眼識別出來而是被人眼平均化(在時間上積分)了，因此如同用圖9的(C)部分中的短劃線表示的可識別信號所示，該亮度變化似乎是靜止不變的。所以，即使在照明光中原本就出現了空間上的亮度不均勻性，該照度不均勻性也不會被識別為是移動的，即被識別為是靜止不動的。另一方面，如圖10中的(A)部分和(B)部分所示，如果振動頻率fO略微不同於(大致上等於)發光頻率fl (振動頻率fO 發光頻率fl)，那麼照明光(或者屏幕30上的光學圖像)的亮度例如就如圖10中的(C)部分所示。具體而言，根據時間平均而得到的可識別信號(用圖10的(C)部分中的短劃線表示)不是如上所述的恆定值，而是例如由低頻的正弦波形描述。該低頻移動(上述拍現象的產生)可以被識別到。所以，如果在照明光中原本就出現了空間上的亮度不均勻性，則照明光的亮度不均勻性的移動可能被識別為閃爍。除了不是使用散射板而是使用稜鏡陣列以便減少幹涉圖樣的產生這個起因之外，上述亮度不均勻性的產生還存在下列起因。如圖11所示，例如，如果雷射束的遠場圖(FFP)不是理想的圓形(各向同性)(本例中為橢圓形)，則照明光的亮度分布在空間上可能是不均勻的，因而易於導致亮度不均勻性。具體而言，取決於複眼透鏡17的作用，不一定能夠減少照明光的亮度不均勻性(或者，亮度分布不一定被均勻化)。為了解決此問題，可以考慮一種設置有像歪曲透鏡(ana morphotic lens)(或具有各向異性曲率(aerotropic curvature)的透鏡)的技術。然而，在此情況中，往往增大了構件的成本。亮度不均勻性的產生原理的細節下面，參照圖12A至圖13B詳細說明上述亮度不均勻性的產生原理。首先，用來規定發光頻率fl的亮暗圖形(閃爍)的函數由「匕⑴」定義。此外，亮狀態(本例中，是指正在發出雷射束的狀態)為「 I 」，暗狀態(本例中，是指不發出雷射束的狀態)為「O」。在此情況下，假定這些亮狀態與暗狀態之間的佔空比(duty ratio)為50%，當把光的閃爍視為矩形波的振動時，對上述函數FJt)進行傅立葉展開，因此得到了由下列公式(A)表示的函數Fjt)。此外，假定響應於光學元件14的振動(振動頻率fO)而發生亮度變化的周期與光學元件14的振動周期成比例，如果用來規定在亮度變化時的亮暗程度的函數由「匕⑴」定義，就得到了由下列公式⑶表示的函數匕⑴。[方程式I]
權利要求
1.一種照明裝置，其包括 光源部，所述光源部包含雷射源並且能夠使從所述雷射源發出的雷射束以預定頻率間歇地出射； 光學元件，從所述光源部間歇地出射的所述雷射束透過所述光學元件；以及驅動部，所述驅動部通過以預定的驅動頻率驅動所述光學元件，來改變所述雷射束的相干性， 其中，滿足下列公式(I)或(2)、滿足下列公式(3)或(4)且滿足下列公式(5)或(6)
2.根據權利要求I所述的照明裝置，其中，當滿足了所述公式(I)、所述公式(3)和所述公式(5)時，還要滿足下列公式(7) (l/f32) ≤ AO(7) 這裡，當停止對所述光學元件的所述驅動時所述照明光的亮度分布的空間頻率按照升序由f31、…、f3M表示，M是2以上的整數，AO表示當對所述光學元件進行所述驅動時所述照明光的亮度分布的空間振幅。
3.根據權利要求I所述的照明裝置，其中， 所述光源部能夠出射多種波長的所述雷射束， 並且，具有如下波長的所述雷射束的所述預定頻率滿足所述公式(I)或(2)、滿足所述公式(3)或(4)且滿足所述公式(5)或(6):該波長是所述多種波長之中的至少與視亮度因子最高的顏色對應的波長。
4.根據權利要求3所述的照明裝置，其中，分別具有如下波長的各所述雷射束的所述預定頻率滿足所述公式(I)或(2)、滿足所述公式(3)或(4)且滿足所述公式(5)或(6)這些波長是所述多種波長之中的至少與視亮度因子相對較高的兩種以上顏色對應的波長。
5.根據權利要求4所述的照明裝置，其中，所述多種波長的各所述雷射束的所述預定頻率滿足所述公式(I)或(2)、滿足所述公式(3)或(4)且滿足所述公式(5)或(6)。
6.根據權利要求I所述的照明裝置，還包括控制部，所述控制部動態地控制所述驅動頻率和所述預定頻率，使得滿足所述公式(I)或(2)、滿足所述公式(3)或(4)且滿足所述公式(5)或(6)。
7.根據權利要求I所述的照明裝置，其中，滿足所述公式(3)。
8.根據權利要求I所述的照明裝置，其中，滿足下列公式(8)或(9)、滿足下列公式(10)或(11)且滿足下列公式(12)或(13)
9.根據權利要求8所述的照明裝置，其中，滿足所述公式(10)。
10.根據權利要求I所述的照明裝置，其中，所述雷射源能夠使所述雷射束以預定的發光頻率間歇地出射，該預定的發光頻率作為所述預定頻率。
11.根據權利要求I至10中任一項所述的照明裝置，其中，所述驅動部通過驅動所述光學元件來改變所述雷射束的位置、角度、偏振和相位之中的至少一者。
12.根據權利要求11所述的照明裝置，其中，所述驅動部通過以預定的振動頻率使所述光學元件機械地振動，來改變所述雷射束的位置和角度之中的至少一者，所述預定的振動頻率作為所述驅動頻率。
13.根據權利要求12所述的照明裝置，其中， 所述光學元件包括多個結構單元，所述多個結構單元沿著所述光學元件的振動方向排列著， 並且，滿足下列公式f2=(2XNXfO),這裡，f0表示所述振動頻率，N表示所述光學元件的振動的振幅與所述結構單元在所述振動方向上的節距之比。
14.根據權利要求11所述的照明裝置，其中，所述驅動部通過以所述驅動頻率使所述光學元件電振動，來改變所述雷射束的偏振和相位之中的至少一者。
15.根據權利要求14所述的照明裝置，其中，所述光學元件是液晶元件。
16.根據權利要求I所述的照明裝置，其中，所述光源部包括分別發出紅色光束、綠色光束和藍色光束的三種光源。
17.根據權利要求16所述的照明裝置，其中，所述三種光源之中的至少一者包括所述雷射源。
18.—種顯示裝置，其具有發出照明光的照明裝置和基於圖像信號對所述照明光進行調製的光調製元件，所述照明裝置如前面權利要求I至17中任一項所述。
19.根據權利要求18所述的顯示裝置，還包括投影光學系統，所述投影光學系統把由所述光調製元件調製過的所述照明光投射到被投射面上。
20.根據權利要求19所述的顯示裝置，其中，所述光學元件設置於所述投影光學系統的光瞳附近，或者設置於所述光瞳的共軛點附近。
全文摘要
本發明公開了照明裝置和顯示裝置。所述照明裝置包括光源部，所述光源部包含雷射源並且能夠使從所述雷射源發出的雷射束以預定頻率間歇地出射；光學元件，所述雷射束透過所述光學元件；以及驅動部，所述驅動部通過以預定的驅動頻率驅動所述光學元件，來改變所述雷射束的相干性。在所述照明裝置中，滿足公式(1)|2×f2-n1×f1|≥20或公式(2)|2×f2-n2×f1|≤3，滿足公式(3)f2≥20或公式(4)f2≤3，且滿足公式(5)|f2-n1×f1|≥20或公式(6)|f2-n3×f1|≤3。這裡，f1表示所述預定頻率且單位為Hz，f2表示從所述光學元件出射的照明光的亮度的變化頻率且單位為Hz，所述變化頻率是由於對所述光學元件的所述驅動而產生的，n1表示0~10(包含兩端點)範圍內的任意整數，n2和n3分別表示0~10(包含兩端點)範圍內的預定整數。
文檔編號G03B21/20GK102879988SQ20121023533
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月6日 優先權日2011年7月13日
發明者安井利文, 磯部裕史, 高橋一幸 申請人:索尼公司