JP4670876B2

JP4670876B2 - 照明光学系および画像表示装置

Info

Publication number: JP4670876B2
Application number: JP2008033010A
Authority: JP
Inventors: 令奈村瀬; 智広笹川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2028-02-14
Also published as: JP2009192789A

Description

本発明は、レーザアレイ光源を用いた照明光学系および画像表示装置に関するものである。

近年、光学式画像表示装置の光源として、レーザを利用した例が多数報告されている。一般に、レーザから射出された光は、高い指向性を有するため光利用効率の向上が見込まれ、また、その単色性は画像表示装置において必要とされる広い色再現領域を実現することが可能なため、照明用光源として有用であると考えられている。

しかしながら、レーザ光は高いコヒーレンスをもつため、被照射面においてスペックルノイズと呼ばれる光の干渉に起因する斑点模様が生じることが問題となる。これは、照明光学系内の素子、ライトバルブ、投写光学系の素子、あるいはスクリーン上に存在する微小な凹凸により、素子面内の異なる点を経由した各光束の位相が凹凸量に応じてずれ、互いに可干渉であるそれらの光束が被照射面上に干渉縞を形成することに起因する。これらの素子の面精度は有限であるので、コヒーレンスの高い光源を用いた場合には必ずスペックルノイズの影響が問題となる。

このようなスペックルノイズに関しては、レーザエミッタからなる複数の発光点をアレイ状に配列し、各発光点からの光束を異なる光学距離を経由して重ねることで、スペックルノイズを低減する照明装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一方で、レーザから射出される光の空間光強度分布はガウシアン形状、あるいは略ガウシアン形状を有するため光束中心の光強度が最も高く、中心から離れるにつれ光強度は指数関数的に低下する。各発光点から出射される光は、同様の空間強度分布を有するので、位相のずれた光束を重ねるだけでは改善しない。そのため、上述したような照明装置からの光を照明光に用いると、画像表示面中心位置における光強度に対して画像表示面端位置における光強度が非常に低くなり、画像表示面上の照度分布が均一であることを求められる画像表示装置においては好ましくない。

そこで、レーザアレイ光源の各発光点にそれぞれ対応するマイクロレンズを有するフライアイレンズをレーザアレイ光源に近接配置し、フライアイレンズの各マイクロレンズから出射され、各発光点からの平行な光束を分割・重ね合わせることにより、空間光強度分布を矩形状に変換するフライアイインレグレータ光学系を有する照明装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２０６００４号公報（段落００１４〜００１６、図２）特開２００３−１３１１６５号公報（段落００３６、００４１、図４）

しかしながら、一般的にアレイ状の半導体レーザ光源では、各発光点の間隔は数百μｍ程度と非常に小さく、各発光点に対応するマイクロレンズを有する微細なフライアイレンズを低コストかつ精度良く作製することは困難である。また、特許文献１の照明装置においても、各発光点からの光束をそれぞれ光学距離の異なる透明板を通すため、レーザアレイ光源の出射端に各発光点に対応するコリメートレンズセルを設ける必要があり、低コストかつ精度良く作製することは困難であった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡易に製作でき、スペックルノイズや空間光強度分布を改善して画像表示に適した照明光を出射できる照明光学系、および投写型映像表示装置を得ることを目的とする。

本発明にかかる照明光学系は、複数の発光点がアレイ状に配列されるレーザアレイ光源と、前記レーザアレイ光源の光軸とアレイ方向とで定義される面をアレイ面とすると、前記レーザアレイ光源から入射した光を前記アレイ面内において平行光として出射するアレイ方向コリメート光学素子と、前記アレイ面に垂直な方向をアレイ垂直方向とし、前記アレイ垂直方向とで定義される面をアレイ垂直面とすると、前記レーザアレイ光源から入射した光を前記アレイ垂直面内において平行光として出射するアレイ垂直方向コリメート光学素子と、前記アレイ方向コリメート光学素子および前記アレイ垂直方向コリメート光学素子を経て入射した光を前記光軸に垂直な平面内においてマトリクス状に複数の光束に分割し、該分割した複数の光束を被照射面上で重なり合うよう照射するインテグレータ光学素子と、を備え、前記アレイ方向コリメート光学素子は、前記複数の発光点から出射される発散性の光が重なりあって入射するように前記レーザアレイ光源から所定の間隔をあけて配置され、前記アレイ垂直方向コリメート光学素子は、入射光を前記アレイ垂直面内において平行光に変換して出射するアレイ垂直方向コリメートレンズと、前記レーザアレイ光源から入射した光を前記アレイ垂直方向で分割し、該分割した各光束を前記アレイ垂直方向コリメートレンズに重畳するように照射するアレイ垂直方向ビーム整形光学素子とを有し、前記アレイ垂直方向ビーム整形光学素子は、複数のシリンドリカルレンズが前記アレイ垂直面内において前記発光点を中心とする円弧上に並列される１次元多段レンズであることを特徴とするものである。

また、本発明にかかる画像表示装置は、上述した照明光学系と、前記照明光学系から入射した照明光を制御して画像を形成する光変調素子と、前記光変調素子からの画像光を拡大投写する投写光学系と、前記拡大投写された画像光を表示する画像表示部と、を備えたものである。

本発明によればアレイ方向コリメート光学素子を、レーザアレイ光源から所定の間隔をあけて配置するよう構成したので、発光点から出射される光の発散性を利用し、アレイ方向コリメート光学素子に各発光点からの光が重なりあって入射するとともにレーザアレイ光源全体のビーム径よりも広いビーム径の光束として出射できるので、インテグレータ光学系を簡易に製作でき、スペックルノイズや空間光強度分布を改善して画像表示に適した照明光を出射できる照明光学系、および投写型映像表示装置を得ることができる。

実施の形態．１
図１に本実施の形態１における照明光学系１の全体構成を、図２に照明光学系１のうちレーザアレイ光源である１次元アレイ半導体レーザ２部分の構成を概念的に示す。以後、図１内に示したｘ軸方向をアレイ方向とし、ｚ方向を光軸Ｃ方向とし、ｘｙｚ軸に基づき、アレイ方向の軸と光軸Ｃからなる面をｘｚ平面（アレイ面）、アレイ面に垂直な軸（ｙ軸）と光軸Ｃからなる面をｙｚ平面（アレイ垂直面）と呼ぶ。

図において、照明光学系１は、発散性を有する光を射出するレーザエミッタである複数の発光点３がアレイ状に配列されたレーザアレイ光源である１次元アレイ半導体レーザ２と、１次元アレイ半導体レーザ２の光軸Ｃとアレイ方向とで定義される面をアレイ面（図中ｘｚ平面）とすると、１次元アレイ半導体レーザ２から入射した光をアレイ面内において平行光として出射するアレイ方向コリメート光学素子であるコリメートレンズ４と、アレイ面に垂直な方向（ｙ方向）をアレイ垂直方向とし、アレイ垂直方向と光軸Ｃとで定義される面をアレイ垂直面とすると、１次元アレイ半導体レーザ２から入射した光をアレイ垂直面内において平行光として出射するアレイ垂直方向コリメート光学素子５と、コリメートレンズ４およびアレイ垂直方向コリメート光学素子５を経て入射した光を光軸Ｃに垂直な平面内（ｘｙ平面）において縦横（ｘｙ平面内におけるアレイ方向に垂直な方向（以下アレイ垂直方向と称する。）とアレイ方向）のマトリクス状に複数光束に分割し、該分割した複数の光束をライトバルブ７の被照射面上で重なり合うよう照射するインテグレータ光学素子６と、を備えており、コリメートレンズ４は、複数の発光点３から出射される発散性の光が重なりあって入射するとともにアレイ方向において１次元アレイ半導体レーザ２の光源全体として、つまり出射端２ａにおける各発光点３からのビームを合わせたビーム径Ｂよりも広いビーム径の光束として出射するよう１次元アレイ半導体レーザ２から所定の間隔Ｌｘをあけて配置されている。

さらに、アレイ垂直方向コリメート光学素子５は、アレイ垂直面内において発散方向の光束を平行光に変換するアレイ垂直方向コリメートレンズ５ｂと、１次元アレイ半導体レーザ２から入射した光をアレイ垂直方向で分割し、該分割した各光束をアレイ垂直方向コリメートレンズ５ｂに重畳するように照射するアレイ垂直方向ビーム整形光学素子５ａと、を備えている。

上記照明光学系１から射出された光は、照明された光を空間的に変調し画像信号を与える変調素子としての液晶パネルやＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）等のライトバルブ７を照明する。このライトバルブ７から射出された光を画像表示部に拡大投影する投写光学系（図示せず）と、投写光学系からの光が投写されるスクリーンなどの画像表示部（図示せず）とを更に備えることで画像投写装置などの画像表示装置（図示せず）を構成する。以下に、詳細を示す。

レーザアレイ光源である１次元アレイ半導体レーザ２は、複数（２０個（図２では簡略化して１０個のみ表示））の発光点３が２００μｍの間隔ｄで一直線上に配置され、各発光点３から射出されるコヒーレント光は発散性を有し、ｙｚ面における発散角の半値半角αは３０度、ｘｚ面における発散角の半値半角βは１０度である。各発光点３のビーム径はアレイ垂直方向で０．０１ｍｍ（図２におけるａ）、アレイ方向で０．０４ｍｍ（同ｂ）であり、レーザアレイ光源２全体としての出射端２ａでのビーム径Ｂは３．８４ｍｍ（約４ｍｍ）となる。また、１次元アレイ半導体レーザ２内の各発光点３から射出されるレーザ光は個別に見れば非常にコヒーレンスが高い光であるが、１次元アレイ半導体レーザ２内の複数の発光点３は各々独立しており、各発光点３から射出されるレーザ光は異なる共振器から生成されるため位相が揃っておらず、互いにインコヒーレントな関係にある。

アレイ方向コリメート光学素子であるコリメートレンズ４は、１次元アレイ半導体レーザ２からの光束をアレイ方向でコリメートするコリメートレンズである。サイズはアレイ方向５０ｍｍ×アレイ垂直方向４０ｍｍで、１次元アレイ半導体レーザ２の出射端２ａから光軸Ｃ方向に１００ｍｍの光学距離Ｌｘの間隔をあけて配置されている。これにより、アレイ方向でのコリメートレンズ４に入射する各発光点３からの半値半角βで定義したビーム径は、レーザビームの発散性により、１次元アレイ半導体レーザ２の出射端２ａでのビーム径ｂ（０．０４ｍｍ）の約９００倍である３６ｍｍとなる。このビーム径は、発光点３の一端から他端までの距離よりも大きく、各発光点３からは同じ方向で光が出射されるので、コリメートレンズ４の入射面内において、ほぼ全ての発光点３からのビームが重なることになる。また、１次元アレイ半導体レーザ２の出射端２ａ全体、つまりレーザアレイ光源全体としてのビーム径Ｂ（約４ｍｍ）に対し、コリメートレンズ４に入射する光の径は１０倍の４０ｍｍ（３６ｍｍ＋４ｍｍ）となる。なお、コリメートレンズ４のアレイ方向の幅は５０ｍｍあり、実際には、各発光点３から半値半角βよりも外側の光線（光軸から約１３度までの範囲）も利用している。そして、コリメートレンズ４からは各発光点３からの光が重畳され、アレイ方向において幅５０ｍｍの平行光が出射される。

アレイ垂直方向コリメート光学素子５は、各発光点３から射出されるレーザ光をアレイ垂直方向において光軸Ｃに対して平行光とするとともに、アレイ垂直方向における光強度分布を均一化するものである。図３に示すようにアレイ垂直方向ビーム整形光学素子である３個の平凹シリンドリカルレンズ５ａａ、５ａｂ、５ａｃが並列される１次元多段レンズ５ａと、アレイ垂直方向コリメートレンズである平凸シリンドリカルレンズ５ｂからなる。図において、１次元多段レンズ５ａは、出射端２ａから２０ｍｍの光学距離Ｌｙの間隔をおいた位置に３個の平凹シリンドリカルレンズ５ａａ、５ａｂ、５ａｃがアレイ垂直面内においてアレイ垂直方向に曲率をもつように、具体的には発光点３を中心とする円弧を描くように並列配置されている。アレイ垂直方向におけるビーム（アレイ垂直方向の説明においては、各発光点３からの光束は重なって一つのものとみなせるので、説明を容易にするため、１個の発光点３からのビームとして説明する。）の幅は、ビームの拡散性により、半値半角αの範囲において２３ｍｍまで拡大された状態で入射する。本実施の形態１では、平凹シリンドリカルレンズ５ａａ、５ａｂ、５ａｃの入射面の開口高さ（アレイ垂直方向）は９ｍｍあり、拡大されたビームは半値半角αよりも外側の領域を含めてアレイ垂直方向で３分割される。そして、３分割された各光束は、アレイ方向５０ｍｍ×アレイ垂直方向４０ｍｍの平凸シリンドリカルレンズ５ｂの入射面で重畳するよう、それぞれさらに拡大され、平凸シリンドリカルレンズ５ｂによって光軸Ｃに平行で幅（アレイ垂直方向）が約４０ｍｍの光束となってフライアイインテグレータ６に向けて出射される。

インテグレータ光学系６は、５０ｍｍ（アレイ方向）×４０ｍｍ（アレイ垂直方向）の基板上に１．０ｍｍの配列周期でレンズセルをマトリクス状（アレイ方向５０個、アレイ垂直方向４０個）に並べたフライアイレンズ対（６ａ、６ｂ）と光軸Ｃに対して回転対称な球面レンズ６ｃとからなるフライアイインテグレータ６で構成した。

つぎに、動作について説明する。
アレイ方向において、１次元アレイ半導体レーザ２の２０個の発光点３から出射された光は、それぞれ光軸Ｃに平行な方向に直進する。そして、光学距離Ｌｘ（１００ｍｍ）を進む間にその発散性によってビーム径が広がり、コリメートレンズ４の入射面の全面において、光軸Ｃを中心とする有効角１３度の範囲の光が重なった状態で入射する。この段階において、２０個の発光点３からのビームが重畳されることになり、スペックルノイズは１／４以下（詳細は後述する）に低下する。また、発光点３から出射されるビームは、中心部での光の強度が強く、周縁部にいくほど光の強度は弱くなる。しかし、本実施の形態では、各発光点３からのビームがそれぞれの配置位置にしたがって、少しずつ（配置間隔ｄに従って０．２ｍｍずつ）ビームの中心位置をずらしながら重なることになり、空間光強度分布も改善される。つまり、アレイ状に配列された各発光点３からの光を出射端２ａから光学距離Ｌｘをあけた位置でコリメートすることにより、インコヒーレントな光の重畳によるスペックルノイズ低減効果に加え、光強度の強いビームの中心位置をずらして重畳することによりアレイ方向での空間光強度分布の改善効果も得ることができる。

また、レーザ光が発散する性質を利用することにより、レンズ等の光学部材を用いることなく各発光点３からのビームを拡大させ、重畳させるようにしているので、各発光点３からのビームは等しい拡がり方をする。したがって、発光点３ごとにビームの傾きや広がり方が変化することがないので、容易にコリメートが可能となる。さらに、レンズ等の光学部材を用いることなく各発光点３からのビームを拡大させているので、出力の高いレーザを用いても発熱によるダメージを抑制することができる。

一方、アレイ垂直方向においても、１次元アレイ半導体レーザ２の各発光点３から出射されたそれぞれの光は、それぞれ光軸Ｃに平行な方向に直進する。そして、光学距離Ｌｙ（２０ｍｍ）を進む間にその発散性によってビーム径が広がり、１次元多段レンズ５ａの平凹シリンドリカルレンズ５ａａ、５ａｂ、５ａｃによって、アレイ垂直方向で幅９ｍｍ毎に３つの光束に分割され、後段の平凸シリンドリカルレンズ５ｂの入射面（５０ｍｍ×４０ｍｍ）内で重畳され、光軸Ｃに平行で幅（アレイ垂直方向）が約４０ｍｍの光束となってフライアイインテグレータ６に向けて出射される。

このとき、発光点３から出射されるビームはアレイ垂直方向の場合でも、中心部での光の強度が強く、周縁部にいくほど光の強度は弱くなる。しかし、本実施の形態では、ひとつの発光点（とみなして説明）から広がった光束をアレイ垂直方向で複数の光束に分割し、分割した光束を重畳させることで空間光強度分布が均一化される。つまり、アレイ垂直方向コリメート光学素子５は、単にレーザアレイ光源から入射した光をアレイ垂直面内において平行光として出射するアレイ垂直方向でのコリメート機能だけではなく、アレイ垂直方向での空間光強度分布の均一化、つまり、ビーム整形機能をも有する。とくに、各平凹シリンドリカルレンズ５ａａ、５ａｂ、５ａｃの開口がそれぞれ発光点３の中心を向くように、発光点３を中心とする円弧を描くように並列配置したので、発散性のあるビームの方向、発散角度を正確に変換でき、平凸シリンドリカルレンズ５ｂにて容易にコリメートできる。

さらに、本実施の形態１では、アレイ垂直方向の半値半角αがアレイ方向の半値半角βよりも大きいことを利用し、コリメートレンズ４と出射端２ａ間の光学距離Ｌｘの１／５の光学距離Ｌｙに１次元多段レンズ５ａを配置しても、アレイ垂直面内でのビーム径を十分に広げることができる。そのため、各平凹シリンドリカルレンズ５ａａ、５ａｂ、５ａｃを１０ｍｍピッチと容易に製作できる大きさに設定することができる。そして、コリメートレンズ４とアレイ垂直方向コリメート光学素子５とを空間的に尤度を持って設置することができ、しかも、アレイ垂直方向でビームを適切な配分で分割するための位置決めも容易に行うことができる。

このようにして、１次元アレイ半導体レーザ２の各発光点３から出射された光はアレイ垂直方向コリメート光学素子５により、アレイ垂直方向において幅４０ｍｍに拡大され、光軸Ｃに平行で空間光強度分布がほぼ均一化された、つまり整形されたビームとしてインテグレータ光学系であるフライアイインテグレータ６に入射する。

なお、上述したコリメートレンズ４から出射されるｘ方向でのビーム径は、半値半角βと光学距離Ｌｘから式１に従って計算した値であり、この式で定義したビームの場合、ビーム径の縁部分でも中心部の光強度の１／２の光強度があり、ビーム径よりも外側の部分であっても照明光として利用可能である。
ビーム径＝２×Ｌｘ×Ｔａｎ（β）＋ｂ・・・（１）

そこで、本実施の形態においては、発光点３からアレイ方向で光軸Ｃを中心とする１３度、アレイ垂直方向で光軸Ｃを中心とする３４度の範囲の光束を照明光として利用し、アレイ方向５０ｍｍ、アレイ垂直方向４０ｍｍの平行光とした。

なお、アレイ垂直方向の半値半角αが小さく、アレイ垂直方向においてほぼ平行光でビームが出射される場合でも、１次元多段レンズ５ａの前段にビームを広げるための光学レンズ系を設置することで上述したようにアレイ垂直方向コリメート光学素子５を配置することが可能となる。また、ビームを広げるための光学レンズ系を設置しない場合でも、図４に示すように微細な平凹シリンドリカルレンズを有する１次元多段レンズ１５ａをアレイ垂直方向でビームを適切な配分で分割するために精密に位置決めできれば、平凸シリンドリカルレンズ１５ｂと組み合わせることによって、アレイ垂直方向コリメート光学素子１５を形成することができる。

アレイ方向コリメート光学素子４およびアレイ垂直方向コリメート光学素子５を経た光は、図１に示すようにアレイ方向５０ｍｍ、アレイ垂直方向４０ｍｍの平行な光束となって、インテグレータ光学系であるフライアイインテグレータ６に入射する。入射した光は、アレイ方向５０×アレイ垂直方向４０個とｘｙ平面内にマトリクス状に配置されたフライアイレンズ６ａの各マイクロレンズによって２次元方向に計２０００の光束に分割される。分割された各光束は、それぞれ対応するフライアイレンズ６ｂのレンズセルに入射し、フライアイレンズ６ｂの各レンズセルに入射した光束は球面レンズ６ｃを経由することで、ライトバルブ７の被照射面の全面で重畳される。つまり、フライアイインテグレータ６は、入射した平行光を空間的に分割し、分割した光束を重ね合わせることにより、空間光強度分布を矩形状になるまで均一に変換してライトバルブ７に照射する。

つまり、インテグレータ光学系は、光軸Ｃに対して平行となった光束を、光軸Ｃに垂直な平面内において２次元的に（空間的に）分割し、分割した光束を重ね合わせることにより、アレイ方向およびアレイ垂直方向、つまり光軸Ｃに垂直な断面内における空間光強度分布を矩形状に変換してライトバルブ７に照射する。

ここで、レーザ光とスペックルノイズについて説明する。１次元アレイ半導体レーザ２から射出されるレーザ光は、波長幅が狭帯域であるため単色性に優れ、また高い指向性を有するため、画像表示装置への適用は大変好ましい。しかし一方で、単一の発光点から射出される光は非常にコヒーレンスが高く、画像表示装置への利用においてはスペックルの問題が懸念される。

光が照射される被照射面の空間位置ｒにおいて、式（２）、（３）で示すように位置ｒの関数で表される位相差Δφa(ｒ)の関係をもつ２つの光束、Ａ_１、Ａ_２がコヒーレントな関係にあるとき、被照射面におけるそれら２つの光束が合成された光の強度Ｉ_co(r)は、被照射面の空間座標に関する式として式（４）のように表される。一方、この２つの光束がインコヒーレントな関係にあるとしたとき、合成された光の被照射面における光の強度Ｉ_incoは以下の式（５）で表される。
Ａ_１（ｒ，ｔ）＝ｕ・exp（ｉφａ（ｒ，ｔ））・・・（２）
Ａ_２（ｒ，ｔ）＝ｕ・exp［ｉ（φａ（ｒ，ｔ）＋Δφａ（ｒ））］・・・（３）
Ｉ_co（ｒ）∝｜Ａ_１＋Ａ_２｜^２＝２ｕ^２＋２ｕ^２ｃｏｓΔφａ（ｒ）・・・（４）
Ｉ_inco（ｒ）∝｜Ａ_１｜^２＋｜Ａ_２｜^２＝２ｕ^２・・・（５）

これらの式（４）、（５）をグラフで示したものを図５に示す。図５より明らかなように、インコヒーレントな関係にある２つの光束が重ね合わされた場合の光の強度Ｉ_incoは空間位置によらず、すなわち素子の凹凸により生じる位相ずれの量によらず一定であるのに対し、コヒーレントな関係にある２つの光束が重畳された場合の光の強度Ｉ_coは異なる空間位置においては位相ずれ量の違いにより明暗が現れる。この光源のコヒーレンスに起因して生じる明暗の縞をスペックルという。

本発明においては、アレイレーザ光源である１次元アレイ半導体レーザ２内の各発光点３から射出されるレーザ光が、独立した共振器から生成されるため、互いにインコヒーレントな関係にあることを利用し、これら複数のレーザ光を空間的に重ね合わせることによりスペックルコントラストを下げ、スペックルノイズの影響を抑制している。これは、互いにインコヒーレントな複数の光を重ね合わせた場合、その全体の光強度は各光の光強度の単純な積算となるため、単一の光においてはそのコヒーレンスのためにスペックルに起因する不均一な空間光強度分布を有していても、互いにインコヒーレントでランダムな空間光強度分布を有する複数の光を空間的重ね合わせると全体の空間光強度分布は平均化され均一な分布となることによる。統計学において明らかなように、ランダムな分布の平均値の標準偏差はサンプル数の平方根に反比例するから、インコヒーレントな関係にあるｎ個の発光点から射出されるコヒーレント光を重ね合わせた場合のスペックルコントラストは、式（６）に示すように１個の発光点から射出されるコヒーレント光により生じるスペックルコントラストに対し、重ね合わせる光源数の平方根の逆数に比例し、重ね合わされるコヒーレント光の数が多くなるほどスペックルコントラストは小さくなる。
スペックルコントラスト＝１/（ｎ）^１／２・・・（６）

本発明においては上記のようなランダム分布の重ね合わせによる空間光強度分布均一化の効果を得るため、アレイ面内において発散角を有する１次元アレイ半導体レーザ２に対し、所定の光学距離Ｌｘをあけて設置したコリメートレンズ４を設けることにより、各発光点３からのビームが自然に拡大し、互いにインコヒーレントな関係にある複数の光が重ね合わせられるようにした。本実施の形態１では、１次元アレイ半導体レーザ２の２０個の発光点３からのビームが重なることによって、スペックルコントラストは式（６）によれば、１／４以下に低減する。

さらに、このようにして重畳された光が、フライアイインテグレータ６により複数の光束に分割された後、光束ごとにライトバルブ７の被照射面を照明することになる。図１に示すようにフライアイレンズ６ａによって分割された各光束は、それぞれ異なる光学距離を経由してライトバルブ７上に照射されることになる。つまり、出射端２ａを単一の発光点とみなした場合でも、発光点から射出されるレーザ光のビーム径が拡大されることによって、フライアイインテグレータ６内のレンズセルを最大限利用できるようになる。異なるレンズセルを透過した光束はライトバルブ７の被照射部まで各々異なる光学距離を伝播し可干渉距離以上の光路差がつくことになるので、該光はコヒーレンスの低い光となる。とくに、所定の光学距離Ｌｘをあけて設置したコリメートレンズ４を設けることにより、フライアイインテグレータ６の光軸Ｃに垂直な面の大きさが、１次元アレイ半導体レーザ２の出射端２ａ全体のサイズと比べて１０倍まで拡大されており、レンズセルごとの光路差はより大きくなる。

そのため、フライアイインテグレータ６に入射する光が単一の位相であったとしても、フライアイインテグレータ６によってライトバルブ７に重畳される各レンズセルからの光束は、それぞれ異なる位相でライトバルブ７に照射されることになる。つまり、ライトバルブ７の被照射面上においては複数の互いにインコヒーレントな２０００の光が重なり合った状態となり、スペックルコントラストは式（６）によれば、さらに１／４０以下に低減される。したがって、本発明における実施の形態１のように、各発光点３から射出される光の径を拡大した後、フライアイインテグレータ６に入射する構成は、スペックル低減に有効である。

上記のように、スペックルの低減には光束を重畳することが有効であり、本実施の形態１では、コリメートレンズ４を１次元アレイ半導体レーザ２から離して設置することにより、インテグレータ光学素子に入射する前に全ての発光点３からの光が重畳するように構成している。ただし、インテグレータ光学素子でスペックル低減効果を発揮するためであれば、少なくとも隣接する発光点３の光が重なり合うようにコリメートレンズ４に入射するように間隔Ｌｘを設定すればよい。その場合、インテグレータ光学素子６の入射面において入射光がアレイ方向で途切れることがないので、連続した光を分割して重畳することにより、効率よくスペックルノイズを低減することができる。また、少なくとも式１で表されるビーム径が、アレイ光源としてのビーム径Ｂよりも大きくなるように間隔Ｌｘを設定すれば、全ての発光点３からの光を重畳でき、アレイ方向コリメート光学系でのスペックル低減効果を最大にできる。しかし、本実施の形態では、さらに間隔をあけることにより、光束の幅を大きくし、後段に設置するインテグレータ光学系のフライアイレンズ対６ａ、６ｂを容易に製作できるようにし、インテグレータ光学系において効果的に光束を分割・重畳できるようにした。

つぎに、空間光強度分布について説明する。
１次元アレイレーザ光源２の各発光点３から射出されるレーザ光はガウシアン形状の空間光強度分布を有しており、光束中心の光強度が最も高く、中心から離れるにつれ光強度は指数関数的に低下する。この様な分布をフライアイインテグレータ６により十分に均一化するためには、ガウシアン分布を有するレーザ光をフライアイレンズ６ａ、６ｂ内をできるだけ多数のレンズセルにより分割し、分割された光束ごとにライトバルブ７の被照射部に投射することによって空間光強度分布を均一化する必要がある。１次元アレイ半導体レーザ２のように発光点３が高密度で並んでいる場合、各発光点３から射出される光に対してそれぞれ対応するレンズセルを備えるためには微小なレンズセルを複数並列させる必要がある。例えば本実施の形態において用いた１次元アレイ半導体レーザ２は、ほぼ点光源とみなせる大きさ（ｂ＝０．０４ｍｍ）で、アレイ方向での広がり角として半値半角１０度の光を射出する発光点が２００μｍの間隔で配置されており、このような光源内の各発光点から射出される光に対して複数のレンズセルを配置できるフライアイレンズを作製することは技術的に容易ではない。

しかしながら本発明においては、各発光点３から射出されるレーザビームは光源自身の性質であるビームの拡散性を利用して、拡大された状態でフライアイレンズ６ａに入射する。そのため、本実施の形態１において用いているようなｍｍ単位の大きさのレンズセル径とレンズセル配置のピッチを有するフライアイレンズ対６ａ、６ｂを設けた場合においても各発光点３から射出されるレーザ光は、フライアイレンズ対６ａ、６ｂに設けられた各レンズセルを最大限に利用することで、多数の光束に分割され、重畳されるのでライトバルブ７の被照射面上における空間光強度分布は矩形とみなせるほど均一となる。さらに、レーザ光が拡大された状態でレンズ等の光学部材に入射されるので、入射光のエネルギー密度が低くなり、光学部材での発熱量が抑制され、レーザの大出力化が容易となる。

一方で、アレイ垂直方向においても光強度分布はガウシアン形状の空間光強度分布を有しており、同様の空間光強度を有するアレイ方向の各発光点３の光を単に重畳しても空間光強度分布の改善は困難である。しかし、アレイ垂直方向コリメート光学素子５により、ビームをアレイ垂直方向に分割し、重畳することにより、光強度分布を矩形に近づけることができると同時に、ビーム径が拡大される。ビーム径が拡大されることにより、アレイ方向と同様にｍｍ単位の大きさのレンズセル径とレンズセル配置のピッチを有するフライアイレンズをもちいてもレンズセルを最大限に利用することで、多数の光束に分割し、重畳することで、ライトバルブ７の被照射面上における空間光強度分布を矩形とみなせるほど均一化できる。

また、互いにコヒーレントな関係にある２光束により生じる光強度分布は式（４）に示した通りであるが、式（４）より明らかなように振動成分（式（４）内右辺第２項部）には光強度（光振幅の２乗）が掛かかるため、光強度が大きい光束内で生じるスペックルコントラストは大きく、逆に光強度が小さい光束内で生じるスペックルコントラストは小さくなる。フライアイインテグレータ６に入射される光は空間位置の違いにより異なるレンズセルを透過し可干渉距離以上の光路差がつき互いにインコヒーレントな複数の光束に分割された後、光束ごとに被照射部全面を重畳するように照明するため、スペックルコントラストを低下させることができる。しかし、フライアイインテグレータ６にガウシアン形状の空間光強度分布を有したまま光が入射した場合、光強度の大きい中心部レンズセルを透過した光と光強度の小さい周辺部のレンズセルを透過した光の足し合わせとなるため、光強度の大きい光により生じるコントラストの高いスペックルの影響が残ってしまう。

そのため、１次元アレイ半導体レーザ２において、ガウシアン形状の空間光強度分布を有したままアレイ垂直方向に広がった光をフライアイインテグレータ６に投入した場合、アレイ垂直方向での分割・重畳によるスペックルノイズ低減効果は低下する。しかし、本実施の形態１においては、フライアイインテグレータ６に入射する光の空間光強度分布をアレイ垂直方向ビーム整形光学系５によって略均一化しているので、アレイ垂直方向での分割・重畳は重畳数に応じたスペックル低減効果が得られる。つまり、式（６）におけるセル数としてアレイ方向のレンズセル数（ｎ＝５０、スペックル低減１／７）だけでなく、アレイ垂直方向のレンズセル数（４０）も算入した総セル数（ｎ＝２０００、スペックル低減１／４０）によるスペックル低減効果が期待できる。

以上のように、本発明の実施の形態１にかかる照明光学系１によれば、複数の発光点３がアレイ状に配列されるレーザアレイ光源である１次元アレイ半導体レーザ２と、レーザアレイ光源２の光軸Ｃ（ｚ方向）とアレイ方向（ｘ方向）とで定義される面をアレイ面（ｘｚ面）とすると、レーザアレイ光源２から入射した光をアレイ面内において平行光として出射するアレイ方向コリメート光学素子であるコリメートレンズ４と、アレイ面に垂直な方向をアレイ垂直方向（ｙ方向）とし、アレイ垂直方向と光軸Ｃとで定義される面をアレイ垂直面とすると、レーザアレイ光源から入射した光をアレイ垂直面内において平行光として出射するアレイ垂直方向コリメート光学素子５と、アレイ方向コリメート光学素子４およびアレイ垂直方向コリメート光学素子５を経て入射した光を光軸Ｃに垂直な平面内においてマトリクス状に複数の光束に分割し、該分割した複数の光束をライトバルブ７の被照射面上で重なり合うよう照射するインテグレータ光学素子であるフライアイインテグレータ６と、を備え、アレイ方向コリメート光学素子４は、複数の発光点３から出射される発散性の光が重なりあって入射するようにレーザアレイ光源２から所定の間隔Ｌｘをあけて配置されるように構成したので、発光点３から出射される光の発散性を利用し、アレイ方向コリメート光学素子４に各発光点３からの光が重なりあって入射するとともにレーザアレイ光源２全体のビーム径Ｂよりも広いビーム径の光束として出射できるので、インテグレータ光学系を簡易に製作でき、スペックルノイズや空間光強度分布を改善して画像表示に適した照明光を出射することができる。

とくに、アレイ垂直方向コリメート光学素子５は、入射光をアレイ垂直面内において平行光に変換して出射するアレイ垂直方向コリメートレンズ５ｂと、レーザアレイ光源２から入射した光をアレイ垂直方向で分割し、該分割した各光束をアレイ垂直方向コリメートレンズ５ｂに重畳するように照射するアレイ垂直方向ビーム整形光学素子５ａと、を備えるように構成したので、レーザアレイ光源２から入射した光をアレイ垂直面内において平行光として出射するアレイ垂直方向でのコリメート作用に加え、アレイ垂直方向での空間光強度分布を均一化する作用も奏することができる。そのため、インテグレータ光学素子において、アレイ垂直方向でのレンズセルもスペックル低減に有効に活用することができる。

さらに、アレイ垂直方向ビーム整形光学素子５ａは、複数のシリンドリカルレンズがアレイ垂直面内において発光点３を中心とする円弧上に並列される１次元多段レンズで構成したので、発散性のあるビームを効率的に分割・重畳し、アレイ垂直方向でのコリメートが容易にできる。

また、インテグレータ光学素子６は、複数のレンズセルが光軸Ｃに垂直な平面内にマトリクス状に配列されるフライアイレンズ対６ａ、６ｂと光軸Ｃに対して回転対称なレンズ６ｂとからなるフライアイインテグレータ６で構成したので、容易にフライアイレンズ対が製作できるとともに、入射した光束を確実に分割・重畳し、効率的に空間光強度分布を均一化できるとともに、各分割光束に光路差ができて位相がずれ、効率的にスペックルノイズを低減することができる。

また、本発明の実施の形態１にかかる画像表示装置は、上述した照明光学系１と、照明光学系１から入射した照明光を制御して画像を形成する光変調素子であるライトバルブ７と、光変調素子７からの画像光を拡大投写する投写光学系と、拡大投写された画像光を表示する画像表示部と、を備えるように構成したので、空間光強度の偏りやコヒーレンス性を有するレーザ光源を用いても、簡易に製作できる照明光学系１により、スペックルノイズや空間光強度分布を改善した画像表示が可能となる。

なお、本実施の形態１においては、複数の発光点３がアレイ状に配列されるレーザアレイ光源の例として発光点が１次元に配列される１次元アレイ半導体レーザを挙げたが、本発明はこれに限るものではなく、例えばビームがアレイ状に射出される固体レーザや面発光レーザ等を用いてもよい。また、１次元レーザアレイをアレイ垂直方向に積層した２次元レーザアレイを用いてもよい。

なお、本発明に必要な間隔Ｌｘは本実施の形態１に示したものに限られるものではなく、インテグレータ光学素子６を容易に形成できるよう、コリメートレンズ４に入射するビーム径がじゅうぶんに拡大されるための間隔（光学距離）であれば、他の光学距離を有すように間隔を設定してよい。また、インテグレータ光学素子６としては、光源の仕様、被照射面の大きさ、焦点距離等の条件により異なる構成のものを採用してもよい。

また、アレイ垂直方向コリメート光学素子５の構成としては、同様の作用を達成できるものであれば他の構成を採用してもよい。具体的には、３個の平凹シリンドリカルレンズが並列される１次元多段レンズ５ａの代わりに、例えば３個の平凸シリンドリカルレンズ、さらに多数の平凸シリンドリカルレンズが並列されるマルチレンズや、多数の平凹シリンドリカルレンズが並列されるマルチレンズ、あるいはグラディエントインデックスマイクロレンズ、あるいはホログラフィック素子等を採用してもよい。また、平凸シリンドリカルレンズ５ｂの代わりに、例えば全光のｘｚ、ｙｚ両平面方向の広がり角に対して設計される球面レンズを用いる構成や、前記マルチレンズによる光の広がり角を吸収することが可能な集光光学系を設けることにより素子を用いない構成を採用してもよい。

また、本発明においては照明光学系１を画像表示装置に適用する場合について説明したが、スペックルノイズ、空間光強度分布を改善した照明光を利用できる機器としては、露光装置やレーザ加工装置等への適用も可能である。とくに、レーザ光をレーザ光源の性質を利用して拡大させた状態で光学部材に入射するように構成したので、レーザ加工装置等に適用した場合、レーザ出力を大出力化することが容易となる。

本発明の実施の形態１にかかる照明光学系を示す構成図である。本発明の実施の形態１にかかる照明光学系の部分である１次元アレイ半導体レーザの構成を示す図である。本発明の実施の形態１にかかる照明光学系の部分であるアレイ垂直方向ビーム整形光学素子の構成を示す図である。本発明の実施の形態１の別形態にかかる照明光学系の部分であるアレイ垂直方向ビーム整形光学素子の構成を示す図である。スペックルノイズを説明するため、２光束が重畳された場合の空間位置に対する光強度分布を示す図である

符号の説明

１照明光学系、２１次元アレイ半導体レーザ（レーザアレイ光源）、２ａ出射端、３発光点、４コリメートレンズ（アレイ方向コリメート光学素子）、
５，１５アレイ垂直方向コリメート光学素子、５ａ，１５ａ１次元多段レンズ（（アレイ垂直方向ビーム整形光学素子）、５ｂ，１５ｂ平凸シリンドリカルレンズ（アレイ垂直方向コリメートレンズ）、
６フライアイインテグレータ（インテグレータ光学素子）、６ａ、６ｂフライアイレンズ（対）、６ｃ球面レンズ、
７ライトバルブ、Ｌｘ、Ｌｙ間隔（光学距離）

Claims

複数の発光点がアレイ状に配列されるレーザアレイ光源と、
前記レーザアレイ光源の光軸とアレイ方向とで定義される面をアレイ面とすると、前記レーザアレイ光源から入射した光を前記アレイ面内において平行光として出射するアレイ方向コリメート光学素子と、
前記アレイ面に垂直な方向をアレイ垂直方向とし、前記アレイ垂直方向と前記光軸とで定義される面をアレイ垂直面とすると、前記レーザアレイ光源から入射した光を前記アレイ垂直面内において平行光として出射するアレイ垂直方向コリメート光学素子と、
前記アレイ方向コリメート光学素子および前記アレイ垂直方向コリメート光学素子を経て入射した光を前記光軸に垂直な平面内においてマトリクス状に複数の光束に分割し、該分割した複数の光束を被照射面上で重なり合うように照射するインテグレータ光学素子と、を備え、
前記アレイ方向コリメート光学素子は、前記複数の発光点から出射される発散性の光が重なりあって入射するように前記レーザアレイ光源から所定の間隔をあけて配置され、
前記アレイ垂直方向コリメート光学素子は、
入射光を前記アレイ垂直面内において平行光に変換して出射するアレイ垂直方向コリメートレンズと、
前記レーザアレイ光源から入射した光を前記アレイ垂直方向で分割し、該分割した各光束を前記アレイ垂直方向コリメートレンズに重畳するように照射するアレイ垂直方向ビーム整形光学素子とを有し、
前記アレイ垂直方向ビーム整形光学素子は、複数のシリンドリカルレンズが前記アレイ垂直面内において前記発光点を中心とする円弧上に並列される１次元多段レンズであることを特徴とする照明光学系。
前記インテグレータ光学素子は、複数のレンズセルが前記光軸に垂直な平面内にマトリクス状に配列されるフライアイレンズ対と前記光軸に対して回転対称なレンズとからなるフライアイインテグレータであることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
請求項１または２に記載の照明光学系と、
前記照明光学系から入射した照明光を制御して画像を形成する光変調素子と、
前記光変調素子からの画像光を拡大投写する投写光学系と、
前記拡大投写された画像光を表示する画像表示部と、
を備えたことを特徴とする画像表示装置。