(57)【要約】【課題】レーザ光を用いた照明装置において、簡便な方法により効率的にレーザ光をロッドにカップリングし、均一な照明光を得ることを可能にした照明装置、およびそれを用いた投射型画像表示装置を提供する。【解決手段】複数のレーザ光源１０、１１、１２から出射するレーザ光を、集光レンズ４０でロッドインテグレータ３０の入射端面３０ａに集光させる。強度平滑化素子であるロッドインテグレータ３０には、側面で光が反射され、入射端面３０ａの開口径が出射端面３０ｂの開口径よりも大きいテーパロッドを用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する複数のレーザ光源と、前記レーザ光の強度分布を平滑化する強度平滑化素子とを備えた照明装置であって、前記強度平滑化素子は、側面で光が反射され、入射端面の開口径が出射端面の開口径よりも大きいテーパロッドインテグレータであり、前記強度平滑化素子へは、前記複数のレーザ光源から発せられる複数のレーザ光が入射されることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記強度平滑化素子は、光軸に垂直な断面形状が矩形であり、前記断面の少なくとも一方の辺方向において、入射端面幅よりも出射端面幅が小さいことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記複数のレーザ光源の光を集光する集光レンズを備え、前記強度平滑化素子における出射光の発散半角の上限をθ２、前記強度平滑化素子の光軸から最も離れた位置にあるレーザ光源が前記集光レンズによって前記強度平滑化素子に集光されるときのレーザ光の入射角をθ１、前記強度平滑化素子の入射端面口径をＬ１、出射端面口径をＬ２としたとき、下式の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
Ｌ１／Ｌ２≦θ２／θ１
【請求項４】
前記レーザ光源は、赤色、緑色、青色の色域を出射するレーザ光源により構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の照明装置。
【請求項５】
前記赤色、緑色、青色のレーザ光源は、それぞれの色域において、複数のレーザ光源により構成されていることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
【請求項６】
前記強度平滑化素子が、前記赤色、緑色、青色の色域を出射するレーザ光源ごとに配置されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の照明装置。
【請求項７】
前記レーザ光源は、半導体レーザを含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の照明装置。
【請求項８】
前記レーザ光源の出射位置にコリメートレンズが配置されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の照明装置。
【請求項９】
前記コリメートレンズは非球面レンズであることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記コリメートレンズはアナモルフィック光学系レンズであることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記強度平滑化素子が、直列に配置された複数の平滑化素子により構成されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の照明装置。
【請求項１２】
前記複数の平滑化素子の間に、前記レーザ光の位相を変調する位相変調手段を有していることを特徴とする請求項１１に記載の照明装置。
【請求項１３】
前記複数の平滑化素子の少なくとも１つが、入射端面の開口径が出射端面の開口径よりも大きいテーパロッドであることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の照明装置。
【請求項１４】
前記レーザ光源と前記強度平滑化素子との間に、前記レーザ光の位相を変調する位相変調手段を有していることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれかに記載の照明装置。
【請求項１５】
照明装置から出射されたレーザ光を映像信号に応じて変調を行う空間光変調素子によって変調し、前記空間光変調素子から出射された変調レーザ光を、投射光学系を介して投射する投射型画像表示装置であって、前記照明装置が請求項１から請求項１４のいずれかに記載の照明装置であることを特徴とする投射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いた照明装置、および、空間光変調素子で形成される画像をレーザ光によって照明し、投射レンズを用いてスクリーン上に投射する投射型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大画面の画像を効率的に得るための一形態として、映像信号に応じた画像を形成する小型の液晶パネル等の空間光変調素子を、ランプなどの光源からの光で照明し、投射レンズによってその光学像をスクリーン上に拡大投射する、プロジェクターなどの投射型画像表示装置が用いられている。
【０００３】
しかしながら、ランプを光源とした場合、（１）光源の寿命が短くメンテナンスが煩雑になる、（２）白色光を光の三原色に分離するために光学系が複雑になる、（３）色再現範囲が狭い、といった数々の問題点がある。
【０００４】
これらの問題点を解決するために、ランプの代わりにレーザ光源などの固体光源を用いた新しい画像表示装置が提案されている。レーザ光源は、ランプに比べて寿命が長く、またレーザ光は指向性が高いために光利用効率も高い。さらに、その単色性により広い色再現範囲を確保できるなどの利点がある。
【０００５】
画像表示装置に好適なレーザ光源として、半導体レーザが挙げられる。半導体レーザは小型で量産にも適していることから、光ディスクドライブのピックアップ等、映像、音響機器の分野で既に可視域の半導体レーザが実用化されている。また、ＹＡＧレーザやファイバレーザ等の励起用光源として、大出力の近赤外半導体レーザが産業界で実用化されている。
【０００６】
画像表示装置に使用するための赤色、緑色、青色の色域では、赤色および青色の半導体レーザが実用化の段階に入っている。しかしながら、高効率・小型・高ビーム品質といった特性を満たす該色域の半導体レーザは、現状では光出力が１Ｗ級のものが多い。
【０００７】
また、緑色については、現在のところ、該色域で直接発振する半導体レーザが実用化されていないため、第二高調波に基づく波長変換レーザ等により緑色光を得る方法が一般的である。該方式による画像表示装置向け小型緑色レーザとしては、数Ｗ級のレーザが開発されている。
【０００８】
ところで、近年、投射型画像表示装置においては高輝度化に対する需要が目覚しく、５０００〜１００００ルーメン級のフルカラーの投射型画像表示装置が普及している。１Ｗ級のレーザ光から得られる光束は１０００ルーメン以下であり、このような高輝度の画像表示装置をレーザ光源によって達成するためには、各色域において、複数のレーザ光源が必要となる。
【０００９】
一方、投射型画像表示装置では、空間光変調素子を均一に照明するために、照明エリアの光強度の平滑化を行う必要があるが、その効果的な手法として、ロッドインテグレータ（またはロッドと略する）を使用する方法がある。ロッドインテグレータでは、側面で光が反射を繰り返すことにより、出射端面において、強度が平滑化される。
【００１０】
レーザのような半導体発光素子を光源に用い、ロッドインテグレータを平滑化に用いた例としては、例えば特許文献１、特許文献２に開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２８５０４３号公報
【特許文献２】特開２００７−１１４６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ロッドインテグレータを用いた照明光学系では、（１）損失なくロッドインテグレータに光をカップリングし、（２）十分な強度平滑化を行う、という２点を同時に満たすことが重要である。
【００１２】
ロッドへのカップリング効率を高くする簡便な方法としては、ロッド外形を大きくすることが挙げられるが、側面における十分な反射回数を確保するためには、ロッド長が大きくなり、その結果、照明装置全体が大きくなってしまう問題がある。逆に、ロッド外形を小さくすると、短いロッド長でも強度平滑化を行いやすい反面、ロッドへの照明光のカップリングが難しくなる。
【００１３】
特に、ランプやＬＥＤを光源に用いた投射型画像表示装置では、これらの光源からの発光が非常に広範囲の配光特性を有するため、ロッドの入射端面が小さい場合は、高いカップリング効率を得ることは困難となる。
【００１４】
一方、レーザ光は高い集光性と小さい拡がり角を有しているため、ランプやＬＥＤを光源に用いた場合に比べて、入射端面が小さいロッドにレーザ光をカップリングすることが原理的に可能である。
【００１５】
しかしながら、投射型画像表示装置に好適である半導体レーザは、ビーム拡がり角が比較的大きいレーザ光源であるため、効率的にレーザ光を伝播させるために、コリメートレンズを用いることが多い。コリメート光のビーム径が大きくなりすぎないように、コリメートレンズは焦点距離が短くなっており、半導体レーザ筐体の直後にコリメートレンズを配置する。コリメートレンズによって略平行光となったレーザ光を強度平滑化素子であるロッドインテグレータに入射し、均一な照明光を得る。
【００１６】
図１１に半導体レーザ光、コリメートレンズ、ロッドインテグレータの位置関係を模式的に示す。半導体レーザとコリメートレンズの距離をＺ１、コリメートレンズとロッドインテグレータの距離をＺ２とし、レーザ光が伝播する光軸方向をＺ軸、Ｚ軸に垂直な紙面方向をＸ軸とする。
【００１７】
Ｘ軸方向にコリメートレンズをΔＸ１だけ動かすと、ロッドインテグレータ箇所において、レーザビームの位置はＸ軸方向におよそΔＸ２＝ΔＸ１×Ｚ２／Ｚ１だけ動くことになる。一般的な光学系ではＺ２＞Ｚ１であるので、コリメートレンズの変動が小さくても、ロッドインテグレータ箇所においては、大きくビーム位置が変動する。
【００１８】
すなわち、ロッドインテグレータ口径が、入射端面におけるレーザビーム径に比べて十分大きくない場合、あるいは、Ｚ２＞＞Ｚ１である場合は、半導体レーザ、コリメートレンズ、ロッドインテグレータのＸ軸方向の正確なアライメントを必要とする。
【００１９】
このようなアライメントは、コリメートレンズ、あるいは、レーザ光源をＸＹＺ軸の微動機構が設けられた治具に装着し、基準光を観察しながらコリメートレンズとレーザ光源の相対位置を調整し、所望の箇所で固着する方法等により達成できる。
【００２０】
しかしながら、複数のレーザ光源を必要とする高輝度の照明装置において、使用するレーザ光源が増えていくと、精密なアライメントを要するシステムでは、組み立て調整工数の煩雑さが大きな問題となる。
【００２１】
本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、レーザを用いた照明装置において、簡便な方法により効率的にレーザ光をロッドにカップリングし、均一な照明光を得ることを可能にした照明装置、およびそれを用いた投射型画像表示装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決するために本発明の照明装置は、レーザ光を出射する複数のレーザ光源と、前記レーザ光の強度分布を平滑化する強度平滑化素子とを備え、前記強度平滑化素子は、側面で光が反射され、入射端面の開口径が出射端面の開口径よりも大きいテーパロッドであり、該強度平滑化素子へは、前記複数のレーザ光源から発せられる複数のレーザ光が入射されることを特徴とする。
【００２３】
ロッドを用いた強度平滑化においては、特許文献１、特許文献２にも開示されている入射端面の開口径と出射端面の開口径が等しいロッド（以降、本発明においてはストレートロッドを示す）が、広く用いられている。
【００２４】
これに対して、入射端面の開口径が出射端面の開口径よりも大きいテーパロッドであるとは、すなわち、ロッド中の光束の進行方向をＺ軸とし、強度平滑化素子における前記光源との対向面内にＸ軸およびＹ軸をとったとき、Ｚ軸に沿った側面（ＹＺ面およびＸＺ面）のうち少なくとも一方について、該対向面から離れるに連れて徐々に幅が狭くなるテーパ状に形成されていることを示す。
【００２５】
上記の構成であれば、テーパロッドの入射端面の開口径を大きくすることにより、レーザ光のロッドへのカップリングが容易となり、出射端面の開口径が小さくなっているために、入射端面の開口径およびロッド長が同一のストレートロッドに比べて、反射回数を多くすることが可能となる。
【００２６】
上記の構成は、各種ランプ光やＬＥＤ光を用いた照明光学系においても可能であるが、これらの光源は広い角度の配光特性を有するために、ロッド入射光のＮＡ（ＮＵＭＥＲＩＣＡＬ  ＡＰＥＲＴＵＲＥ：開口数）が大きい。そのため、本発明のテーパロッドを適用すると、ロッドからの出射光ＮＡが大きくなりすぎるため、好適とならない。
【００２７】
すなわち、本発明における構成は、ランプやＬＥＤに比べて細いビーム径でコリメートすることのできるレーザ光において、特に、組み立て調整の簡素化が望まれる、複数のレーザ光源からのレーザ光が１つのロッドに入射される照明光学系に好適である。
【００２８】
なお、本発明の二次的な効果として、スペックルノイズの低減がある。レーザ光は干渉性が高いため、スペックルノイズが生じて画質が劣化するという問題点があり、レーザ光を用いた画像表示装置を提供する際には、スペックルノイズの除去・低減が極めて重要である。
【００２９】
スペックルノイズの量に影響を与える因子の一つとして、光学系のＮＡがある。光学系のＮＡが大きくなると、様々な角度からスクリーン上の一点に光が投射されるため、スペックルノイズが低減される。そこで、照明光学系、空間変調素子、投射光学系において損失を発生しない範囲で、本発明の手法によって大きなＮＡの光学系とすることは、スペックルノイズ低減の観点からも望ましい。
【００３０】
本発明の照明装置では、前記強度平滑化素子は、光軸に垂直な断面形状が矩形であり、前記断面の少なくとも一方の辺方向において、入射端面幅よりも出射端面幅が小さいことを特徴とする。角柱ロッドにおいて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の少なくとも一方について、入射端面幅よりも出射端面幅が小さいテーパ状を形成することによって、高効率かつ高均一性の照明光を得ることが可能である。
【００３１】
二次元空間光変調素子の表示部形状は一般的に長方形であるため、ロッドの形状としては、角柱ロッドとすることが有効である場合が多いが、本発明の照明装置に適応可能なロッドの形状はこれに限定されるものではなく、断面が円形となる円形ロッドや、断面が多角形となる多角柱ロッドでもよい。要するに、上記のようなテーパ状であればよい。
【００３２】
本発明のテーパロッドには、角柱状のガラスや結晶等を用いた全反射による中密の導光体のほかに、側面に金属ミラーや誘電体ミラー等を配置した中空の導光体等も含まれる。
【００３３】
次に、本発明の照明装置は、前記レーザ光源が、赤色、緑色、青色の色域を出射するレーザ光源により構成されており、特に、前記赤色、緑色、青色のレーザ光源は、それぞれの色域において、複数のレーザ光源により構成されていることを特徴とする。
【００３４】
本発明は、使用するレーザ光源の数が多くなるフルカラーの照明装置、特に、それぞれの色域において、多数のレーザ光源を使用する高輝度の照明装置において好適である。
【００３５】
赤色の色域のレーザ光とは、特に波長が限定されるものではないが、例えば、中心波長が６１０〜６５０ｎｍの範囲に存在するレーザ光である。同様に、緑色、青色の色域のレーザ光とは、例えば、中心波長がそれぞれ５１０〜５５０ｎｍ、４３０〜４８０ｎｍのレーザ光である。
【００３６】
また、本発明の照明装置は、前記強度平滑化素子が、前記赤色、緑色、青色の色域を出射するレーザ光源ごとに配置されていることを特徴とする。フルカラーの画像表示装置を提供するためには、赤色、緑色、青色の３色のレーザ光源を使用するが、それぞれの色毎に独立した二次元空間光変調素子を使用する場合は、各色域のレーザ光毎に、適切なテーパ角度を有する前記強度平滑化素子を使用するとよい。
【００３７】
更に、本発明の照明装置は、前記強度平滑化素子が、直列に配置された複数の平滑化素子により構成されていることや、前記複数の平滑化素子の間に、前記レーザ光の位相を変調する位相変調手段を有していることや、前記レーザ光源と前記強度平滑化素子との間に、前記レーザ光の位相を変調する位相変調手段を有していることを特徴とする。
【００３８】
本発明の照明装置を用いた投射型画像表示装置は、照明装置から出射されたレーザ光を映像信号に応じて変調を行う空間光変調素子によって変調し、前記空間光変調素子から出射された変調レーザ光を、投射光学系を介して投射する投射型画像表示装置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、レーザ光を用いた照明装置において、小型で高輝度、高効率、かつ均一性の高い照明装置を得ることが可能になり、さらには、スペックルノイズが抑制された投射型画像表示装置を提供することが可能になる。
【００４０】
更に詳細に説明すると、レーザ光の強度分布を平滑化する強度平滑化素子として、入射端面口径が出射端面口径よりも大きいテーパロッドを使用することにより、以下の効果が得られる。
【００４１】
（１）入射端面口径が大きいことにより、ロッドへのカップリング効率が高くなるため、レーザ光源およびコリメートレンズ等の取り付け位置精度が緩和される。
【００４２】
（２）出射端面口径が小さいことにより、ロッド長が短くても十分な強度平滑化の効果が得られ、ロッド以降の照明光学系の小型化も可能になるため、小型の照明装置を提供できる。
【００４３】
（３）複数のレーザ光源を簡便な組み立て調整にて使用することが容易となるため、高輝度の照明装置を提供できる。
【００４４】
（４）平滑化素子にＮＡ拡大機能を持たせることにより、効果的にＮＡの大きい照明光を得ることができるため、スペックルの低減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００４６】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る照明装置、およびそれを用いた画像表示装置を説明する概略構成図である。
【００４７】
本実施の形態では赤色、緑色、青色の３色のレーザ光源を使用しており、赤色レーザ光源１０は、波長６４０ｎｍで直接発振する半導体レーザ、緑色レーザ光源１１は、波長５３２ｎｍで出力されるＹｂファイバレーザの第二高調波、青色レーザ光源１２は、波長４４５ｎｍで直接発振する半導体レーザである。
【００４８】
ただし、本発明に好適なレーザ光源が本実施の形態で示したレーザ光源に限定されないことは言うまでもない。例えば、赤色レーザ光源１０としては、近赤外の半導体レーザの第二高調波なども挙げられる。緑色レーザ光源１１としては、緑色で直接発振する半導体レーザ、近赤外の半導体レーザの第二高調波、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの第二高調波なども挙げられる。青色レーザ光源１２としては、近赤外の半導体レーザの第二高調波なども挙げられる。
【００４９】
いずれのレーザ光源の場合も、光源からのビーム発散角度が大きい場合は、効率的にレーザビームを伝播するために、コリメートレンズを用いることが好ましい。そこで、各色のレーザ光源１０〜１２から出射されたレーザ光１３、１４、１５は、コリメートレンズ２０〜２２によって略平行ビームとなり集光レンズ４０に入射されている。
【００５０】
本実施の形態では、コリメートレンズ２０〜２２として、各色のレーザ光の光軸に対して回転対称である非球面レンズを用いているが、縦方向と横方向のビーム発散角が顕著に異なる高出力半導体レーザ等においては、コリメートレンズとしてシリンドリカルレンズなどのアナモルフィック光学系を使う方が望ましい場合もある。
【００５１】
集光レンズ４０により、赤色、緑色、青色の３色のレーザ光１３、１４、１５は集光され、位相変調素子５０を通過後に、強度平滑化素子であるロッドインテグレータ３０に入射される。レーザ光１３、１４、１５はコリメートレンズ出射後にそれぞれのビームの光軸が略平行となっており、ロッドインテグレータ３０の入射端面３０ａが集光レンズ４０のおよそ焦点付近に一致するように配置されている。
【００５２】
位相変調素子５０は、回転するマイクロレンズアレイより構成されており、本素子を挿入することにより、スクリーン７１上に発生するスペックルノイズが低減される。マイクロレンズアレイ以外の位相変調素子としては、拡散板などが挙げられる。
【００５３】
ロッドインテグレータ３０は、入射端面３０ａの形状と出射端面３０ｂの形状が略相似の関係となる長方形の形状をした角柱状の中密の導光体であり、入射端面３０ａより出射端面３０ｂが小さいテーパ状のロッドである。ロッドの形状を図２の模式図に示した。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、平面図、側面図、入射側端面図、出射側端面図を示す。ロッド端面の縦横比は略４：３となっている。
【００５４】
本実施の形態では、ロッド長Ｌ０を出射端面３０ｂの対角長Ｌ２の７倍程度としたが、目的に応じて適宜ロッド三辺の長さの比を選ぶことができる。ロッド材料は石英であり、入射端面３０ａと出射端面３０ｂには反射防止コーティングが施されている。
【００５５】
ロッドインテグレータ３０から出射されたレーザ光は、リレー光学系６０および全反射ミラー６１によって、空間光変調素子であるデジタル・マイクロミラー・デバイス６２へとリレーされる。デジタル・マイクロミラー・デバイス６２から出射された変調レーザ光は、投射光学系７０によってスクリーン７１へと投射される。
【００５６】
本装置は、光源からリレー光学系６０までの構成は照明装置であり、この照明装置を独立して使用することもできる。これは、以下に述べる実施の形態２以降においても同様である。
【００５７】
本実施の形態では、ロッドインテグレータ３０の入射端面３０ａが大きくなっているため、レーザ光１３、１４、１５をロッドインテグレータ３０にカップリングすることが容易である。
【００５８】
また、出射端面３０ｂが小さくなっているために、反射回数を大きくし、ロッド出射光のＮＡを大きくすることができる。これらは、照明均一性の向上、照明装置の小型化、スペックルノイズの低減に効果的となっている。
【００５９】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る照明装置およびそれを用いた画像表示装置を説明する構成図である。
【００６０】
本実施の形態では、赤色、緑色、青色のレーザ光を色合成プリズムで空間的に合成してから強度平滑化素子であるロッドインテグレータに入射している。
【００６１】
赤色レーザ光源モジュール１００は、少なくとも１個以上の赤色レーザ光源により構成されている。同様に、緑色レーザ光源モジュール１０１は、少なくとも１個以上の緑色レーザ光源により構成され、青色レーザ光源モジュール１０２は、少なくとも１個以上の青色レーザ光源により構成されている。
【００６２】
各レーザ光源モジュールから出射されたレーザ光１３、１４、１５は、色合成プリズム４０３によって空間的に合成された後、位相変調素子５０を通過してから、ロッドインテグレータ３０に入射される。位相変調素子５０からスクリーン７１までの光学系は実施の形態１と同じである。
【００６３】
本実施の形態では、色合成プリズム４０３を使用することにより、レーザ光源の配置に対する自由度が高くなり、色毎に仕様の異なるレーザ光源の駆動、冷却が実施しやすくなる。
【００６４】
図４は、本実施の形態に係る照明装置において、光源モジュールが複数のレーザ光源により構成される場合について、緑色光のレーザ光源モジュールを例に挙げ、レーザ光源モジュール１０１からロッドインテグレータ３０までを詳細に説明する構成図である。
【００６５】
本実施の形態では、緑色レーザ光源モジュール１０１として、９個のレーザ光源１１０〜１１８を同時に使用しており、平面上に縦３個×横３個が等間隔に配置されている。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ平面図、側面図、入射側端面図である。
【００６６】
各光源要素となるレーザ光源１１０〜１１８は、出射光をコリメートレンズ１２０〜１２８でコリメートされた後、集光レンズ４０１を用いてロッドインテグレータ３０に集光されている。
【００６７】
なお、本実施の形態では、コリメートレンズ１２０〜１２８は軸対称の非球面レンズであるが、前述のように、レーザ光源１１０〜１１８からの出射光の縦方向と横方向のビーム発散角が大きく異なる場合は、シリンドリカルレンズ等を使用してもよい。また、レーザ光源１１０〜１１８からの出射光のビーム発散角が小さいときは、コリメートレンズ１２０〜１２８を使用しなくてもよい。
【００６８】
ロッドインテグレータ３０は、集光レンズ４０１の略後側焦点位置に入射端面３０ａがあるように配置されている。集光レンズ４０１とロッドインテグレータ３０の間には、ロッド入射端面３０ａの直前に、位相変調素子である回転マイクロレンズアレイ５０が挿入されている。ロッドインテグレータ３０の形状は図２で示したものと同様であり、入射端面３０ａより出射端面３０ｂが小さく、両者の形状が略相似であるようなテーパ状の角柱ロッドである。
【００６９】
各色について複数のレーザ光源を使用する場合、各々のレーザ光をロッド入射端面３０ａで一箇所に集光する必要があるが、レーザ光源の数が増えるほど、各レーザ光のアライメントが煩雑になり、素子間の光軸バラツキも大きくなる。ロッドインテグレータ３０の入射端面３０ａを大きくすることにより、ロッドへのレーザ光のカップリングを容易にすることができ、高効率の照明装置を提供することができる。
【００７０】
ここで、ロッドインテグレータ３０の入射端面３０ａと出射端面３０ｂの好ましい口径について説明する。ロッドインテグレータ３０から投射光学系７０までの光学系を損失なく効率的に伝播させることができる、ロッドインテグレータ３０における出射光の発散半角の上限をθ２（すなわち、光学系ＮＡ＝ｓｉｎ（θ２））とする。
【００７１】
また、ロッドインテグレータ３０の光軸から最も離れた位置にあるレーザ光源（図４においてはレーザ光源１１０、１１６、１１２、１１８）が集光レンズ４０１によってロッドインテグレータ３０に集光されるときのレーザ光の入射角をθ１とする。
【００７２】
このとき、図２に示したように、ロッドインテグレータ３０の入射端面口径をＬ１、出射端面口径をＬ２とすると、
Ｌ１／Ｌ２≦θ２／θ１・・・式（１）
の関係を満たすことが好ましい。式（１）の関係が満たされるように、ロッドのＬ１とＬ２を選ぶことにより、ロッド以降の光学系で顕著な損失を発生させることなく、効率的に光を伝播させることができる。
【００７３】
さらに、位相変調素子５０によって光が拡散される、あるいは集光・発散される場合は、その影響を考慮してＬ１とＬ２の関係を選ぶことが好ましい。位相変調素子５０の発散角度をθ３とすると、
Ｌ１／Ｌ２≦θ２／（θ１＾２＋θ３＾２）＾０．５・・・式（２）
の関係を満たすことが好ましい。
【００７４】
一般的に、直方体の形状を有する色合成プリズム４０３はＰ偏光を高効率で透過させるため、レーザ光源１１０〜１１８は、いずれもＰ偏光で出射されるように配置することが好ましい。
【００７５】
図４においては、緑色レーザ光源モジュール１０１についてのみ、各光源素子の配置を述べたが、赤色レーザ光源モジュール１００および青色レーザ光源モジュール１０２についても、同様に、複数の光源素子より構成することができる。それぞれの色において、レーザ光源の数は同一である必要はない。
【００７６】
ただし、色合成プリズム４０３は、Ｓ偏光を高効率で反射させるため、図３に示したように、赤色、および、青色レーザ光源モジュールからのレーザ光が色合成プリズムによって反射される場合は、構成する赤色レーザ光源モジュール１００、および、青色レーザ光源モジュール１０２を構成する青色レーザ光源は、Ｓ偏光で出射されるように配置することが好ましい。
【００７７】
また、色合成プリズム４０３は、直方体の形状を有する、いわゆるクロスプリズムに限定されるものではなく、フィリップスタイプのプリズム、ケスタータイプのプリズム等も好適である。
【００７８】
１つの光源モジュールにおいて複数のレーザ光源を配置する場合の好ましい形態について追加説明する。ロッドインテグレータ３０出射光の照明のムラを最小限に抑制するために、光源要素の出力がほぼ等しい場合は、テーパロッドのＸＹ断面中心で表わされるＺ軸に平行な直線２００に対して回転対称性を有していることが望ましい。すなわち、直線２００に対して、ｎ回対称（ｎ≧２）、あるいはそれに近い幾何学的位置関係で配置することが好ましく、ｎは大きい数であることが、より好ましい。
【００７９】
図４においては、直線２００上にレーザ光源１１４が配置されており、残り８個のレーザ光源の配置は、直線２００に対して４回対称（９０度回転対称）となっている。
【００８０】
このように、直線２００すなわちロッドインテグレータ３０の光軸に対して偏りなくレーザ光源を配置することで、ムラの少ない照明装置を構築することが可能となる。
【００８１】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る照明装置およびそれを用いた画像表示装置を説明する構成図である。
【００８２】
本実施の形態では、赤色、緑色、青色のうち少なくとも一色について、複数のレーザ光源を使用している。本実施の形態に係る照明装置およびそれを用いた画像表示装置を説明する概略構成は、実施の形態２の図３と同様である。
【００８３】
本実施の形態に係る照明装置において、実施の形態２の図４と同様に、緑色光レーザ光源モジュールが複数のレーザ光源により構成される場合について、レーザ光源モジュール１０１からロッドインテグレータ３０までを詳細に説明する構成図が図５である。
【００８４】
本実施の形態では、緑色レーザ光源モジュール１０１として、５個のレーザ光源１３０〜１３４を同時に使用しており、光軸をＺ軸方向とし、Ｘ軸に平行にレーザ光源が直線状かつ等間隔に配置されている。図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ平面図、側面図である。
【００８５】
各光源要素について、出射光をコリメートレンズ１４０〜１４４でコリメートした後、集光レンズ４０１を用いてロッドインテグレータ３０に集光している。集光レンズ４０１、位相変調素子５０、ロッドインテグレータ３０の配置は実施の形態２と同様である。
【００８６】
本実施の形態で使用したロッドインテグレータ３０は、入射端面３０ａの面積よりも出射端面３０ｂの面積の方が小さい角柱テーパロッドであるが、Ｘ軸方向とＹ軸方向でテーパ角度が異なっており、入射端面３０ａと出射端面３０ｂは相似形ではない。
【００８７】
Ｘ軸方向にレーザ光源が配置されているとき、複数のレーザ光の光束をまとめて考えた場合、ロッドインテグレータ３０への入射光のＸ軸方向のＮＡの方が、Ｙ軸方向のＮＡよりも大きい。そこで、ロッドインテグレータ３０のテーパ角度について、Ｙ軸方向のテーパ角度をＸ軸方向のテーパ角度よりも大きくすることにより、ロッドインテグレータ３０からの出射光では、Ｘ軸方向とＹ軸方向のＮＡの差を小さくしている。あるいは、Ｙ軸方向のみテーパ形状としてもよい。
【００８８】
本実施の形態では一直線上にレーザ光源を配置した場合、ロッド入射光のＸ軸方向とＹ軸方向のＮＡの違いに基づいて、入射光ＮＡの小さい軸方向のテーパ角度を大きくすることにより、効果的な照明装置を提供することができる。
【００８９】
（実施の形態４）
図６は本発明の実施の形態４に係る照明装置およびそれを用いた画像表示装置を説明する概略構成図である。
【００９０】
本実施の形態では、赤色、緑色、青色のレーザ光に対して、それぞれ２次元空間光変調素子、および、ロッドインテグレータを使用している。
【００９１】
レーザ光源モジュール１００〜１０２のうち、少なくとも１つは、実施の形態２の図４あるいは実施の形態３の図５で説明されるような複数のレーザ光源より構成されている。
【００９２】
赤色レーザ光源モジュール１００より出射された赤色レーザ光は、集光レンズ４００により集光され、位相変調素子５１を通過した後で強度平滑化素子であるロッドインテグレータ３１に入射される。ロッドインテグレータ３１から出射された赤色レーザ光は、リレー光学系８０を介して、２次元空間光変調素子８３を照明する。緑色レーザ光、および、青色レーザ光についても、同様の構成により、それぞれ２次元空間光変調素子８４、８５を照明する。
【００９３】
２次元空間光変調素子８３〜８５によって変調された各レーザ光は、色合成プリズム８６により空間的に合波され、投射光学系７０によってスクリーン７１へと投射される。
【００９４】
本実施の形態では、２次元空間光変調素子として、色毎に透過型の液晶表示デバイスを使用しており、強度平滑化素子も色毎に別々のロッドインテグレータを使用している。そのため、各色のレーザ光源モジュールの特性に応じて、各色の強度平滑化素子の適切な入射端面口径と出射端面口径を選ぶことができる。
【００９５】
図６に示した構成では、全ての強度平滑化素子がテーパロッドとなっているが、必要に応じて、一部のロッドをストレートロッドに変更してもよい。
【００９６】
（実施の形態５）
図７は本発明の実施の形態５に係る照明装置およびそれを用いた画像表示装置を説明する概略構成図である。
【００９７】
本実施の形態では、赤色、緑色、青色のうち少なくとも一色について、複数のレーザ光源を使用している。本発明の実施の形態３に係る照明装置およびそれを用いた画像表示装置を説明する構成図は、集光レンズ４００〜４０２を使用していない点を除き、実施の形態２の図３と同様である。
【００９８】
本実施の形態に係る照明装置において、図３と同様に、緑色光レーザ光源モジュールが複数のレーザ光源により構成される場合について、レーザ光源モジュール１０１からロッドインテグレータ３０までを詳細に説明する構成図が図７である。
【００９９】
本実施の形態では、緑色レーザ光源モジュール１０１として、５個のレーザ光源１３０〜１３４を同時に使用している。各レーザ光源は等間隔に配置されているが、ロッドインテグレータ３０の光軸をＺ軸方向としたとき、レーザ光源１３２を除き、各レーザ光源からの出射光は、Ｚ軸に平行ではない。
【０１００】
各レーザ光源の出力が大きい場合は、集光レンズによりレーザ光を集光して、その焦点付近にロッドインテグレータ３０の入射端面３０ａ、あるいは位相変調素子５０を配置すると、高密度のレーザ光のために、素子端面の損傷を発生する恐れがある。そこで、本実施の形態では、集光レンズを使用せずに、略コリメート光のまま位相変調素子５０にレーザ光を入射している。これにより、ロッド入射端面３０ａにおける光密度を低く抑えることができる。
【０１０１】
図７においては、各レーザ光源の発光点とコリメートレンズ１４０〜１４４の光軸を結ぶ延長線上に強度平滑化素子の入射端面が存在しているが、コリメートレンズと強度平滑化素子の間にミラーやプリズムを配置して光路を折り曲げてもよい。また、レーザ光源からのビーム発散角度が小さいときは、コリメートレンズを使用しなくてもよい。
【０１０２】
（実施の形態６）
図８は本発明の実施の形態６に係る照明装置およびそれを用いた画像表示装置を説明する概略構成図である。
【０１０３】
本実施の形態では、赤色のレーザ光源１０、緑色のレーザ光源１１、青色のレーザ光源１２が、それぞれ光ファイバ１５０〜１５２に接続されており、光ファイバ１５０〜１５２の出射端面から、各色のレーザ光が出力される。光ファイバ１５０〜１５２の出射端面に近接してロッドインテグレータ３０の入射端面３０ａが配置されている。
【０１０４】
レーザ光の伝播においては、取り扱いの容易性などの面から、しばしば光ファイバを使用することがある。光ファイバ中を伝播させることにより、レーザ光源１０〜１２の配置の自由度が極めて高くなる。図８では一直線上にレーザ光源を配置しているが、この配置方法は特に限定されるものではない。また、光ファイバを使用することにより、レンズ等を使用することなく、レーザ光をロッドインテグレータに直接カップリングすることも容易となる。
【０１０５】
光ファイバの直径は、ファイバの種類によって様々である。マルチモードファイバでは、例えば、一般的に使用されている直径０．９ｍｍのコア径のファイバを適用することができる。
【０１０６】
光ファイバケーブルの直径は原理的にはファイバクラッド径程度まで小さくすることができるが、多数の光ファイバをバンドルするほど、そのバンドル径が大きくなるため、ロッドインテグレータの入射端面口径が大きいと、効率的なカップリングを行うことができる。
【０１０７】
図８においては、赤色、緑色、青色について、それぞれ１つの光ファイバを使用したが、各色について複数の光ファイバに拡張することができる。その場合、照明のムラを最小限に抑制するために、光ファイバ出射端面の配置は、色毎に、テーパロッドの光軸に対して、ｎ回対称（ｎ≧２）、あるいはそれに近い幾何学的位置関係の対称性を有して配置することが好ましい。
【０１０８】
ここで、ｎは大きい数であることが、より好ましい。例えば、図９に示した例では、合計９本のファイバ出力光を１つのテーパロッドに入力している。図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、平面図、入射側端面図を示す。ロッドインテグレータ３０のＸＹ断面中心で表わされる直線２００上に緑色レーザのファイバ出力端面１５４が配置されている。
【０１０９】
直線２００を回転中心にして、赤色レーザのファイバ出力端面４つ（ファイバ出力端面１５０、１５２、１５６、１５８）が４回回転対称の位置関係で配置されている。同様に、青色レーザのファイバ出力端面４つ（ファイバ出力端面１５１、１５３、１５５、１５７）も４回回転対称の位置関係で配置されている。
【０１１０】
このように、偏りなくファイバ出力端面を配置することで、ムラの少ない照明装置を構築することが可能となる。
【０１１１】
本実施の形態では、１つのテーパロッドに、赤色、緑色、青色の全てのファイバ出力光をカップリングしたが、図６に示すように色毎にロッドインテグレータを使用し、それぞれのロッドインテグレータに対してファイバ出力光をカップリングする構成としてもよい。
【０１１２】
また、ファイバ出力端面とロッドインテグレータの間に、位相変調手段を挿入することも可能である。
【０１１３】
（実施の形態７）
図１０は本発明の実施の形態７に係る照明装置の一部を説明する構成図である。本実施の形態では、二つのロッドを直列に配置して使用している。
【０１１４】
前述の実施の形態１から実施の形態６のいずれかに使用しているロッドを、本実施の形態７における直列のロッド群に置き換えて適用することができる。
【０１１５】
図１０（ａ）は、ロッドインテグレータ３００として１本のテーパロッドを使用したもので、前述の各実施の形態におけるロッドインテグレータ３０と同様の装置構成であるが、これに対して、図１０（ｂ）では、テーパロッドとストレートロッドを１本ずつ使用しており、入射側の第１ロッドインテグレータ３０１としてテーパロッドを配置し、出端側の第２ロッドインテグレータ３０２として、ストレートロッドを配置している。
【０１１６】
第１ロッドインテグレータ３０１の形状は実施の形態１の図２で示したものと同様であり、入射端面３０１ａより出射端面３０１ｂが小さく、両者の形状は略相似であるようなテーパ状の角柱ロッドである。
【０１１７】
第１ロッドインテグレータ３０１からの出射光は、引き続き、第２ロッドインテグレータ３０２に入射される。第２ロッドインテグレータ３０２の入射端面３０２ａは、第１ロッドインテグレータ３０１の出射端面３０１ｂと、形状、大きさともに略同一となっており、二つのロッドを近接して配置することで、光の伝播損失が発生しないようになっている。
【０１１８】
このように、ロッドインテグレータを二つに分割することで、図１０（ａ）に示す同一の入出射端面口径・ロッド長を有する単一のロッドインテグレータ３００に比べて、ロッドにおける反射回数を多くして効果的な照明均一化を達成することが可能である。
【０１１９】
また、図１０（ｃ）に示すように、図１０（ｂ）の第１ロッドインテグレータ３０１と第２ロッドインテグレータ３０２の間に位相変調素子５１を挿入することもできる。ここで述べる位相変調素子としては、マイクロレンズアレイや拡散板、波長板などがあり、これらを回転あるいは振動させることで時間的に変調させてもよい。
【０１２０】
また、図１０（ｄ）に示すように、第２インテグレータ３０３を、その入射端面３０３ａが第１インテグレータの出射端面３０１ｂと略同一の口径、大きさを有するテーパロッドとし、二つのロッドインテグレータの間に、位相変調素子５１を挿入する構成も挙げられる。
【０１２１】
なお、図１０（ｂ）〜図１０（ｄ）のいずれの実施の形態においても、位相変調手段５０を用いずに直接レーザ光を第１ロッドインテグレータ３０１に入射することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明の照明装置は、レーザ光の強度分布を平滑化する強度平滑化素子として、入射端面口径が出射端面口径よりも大きいテーパロッドを使用することにより、レーザ光をロッドインテグレータにカップリングすることが容易になり、簡便な方法で、高輝度かつ高均一性を有し、スペックルノイズの少ない照明光が提供できるものであり、レーザ光源を用いたプロジェクターなどの画像表示装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る画像表示装置の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１に係るロッドインテグレータの模式図
【図３】本発明の実施の形態２に係る画像表示装置の概略構成図
【図４】本発明の実施の形態２におけるレーザ光源モジュールの概略構成図
【図５】本発明の実施の形態３におけるレーザ光源モジュールの概略構成図
【図６】本発明の実施の形態４に係る画像表示装置の概略構成図
【図７】本発明の実施の形態５に係る照明装置の一部の概略構成図
【図８】本発明の実施の形態６に係る画像表示装置の概略構成図
【図９】本発明の実施の形態６におけるファイバ出力部の概略構成図
【図１０】本発明の実施の形態７におけるロッドインテグレータの概略構成図
【図１１】コリメートレンズの位置変動によるロッドインテグレータ入射光の位置変動を表わす模式図
【符号の説明】
【０１２４】
１０  赤色レーザ光源
１１  緑色レーザ光源
１２  青色レーザ光源
１３  赤色レーザ光
１４  緑色レーザ光
１５  青色レーザ光
２０〜２２  コリメートレンズ
３０〜３２  ロッドインテグレータ
３０ａ、３１ａ、３２ａ  ロッドインテグレータ入射端面
３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ  ロッドインテグレータ出射端面
３０ｃ  ロッドインテグレータ側面
４０  集光レンズ
５０、５１  位相変調素子
６０  リレー光学系
６１  全反射ミラー
６２  デジタル・マイクロミラー・デバイス
７０  投射光学系
７１  スクリーン
８０〜８２  リレー光学系
８３〜８５  透過型液晶パネル
８６  色合成プリズム
１００  赤色レーザ光源モジュール
１０１  緑色レーザ光源モジュール
１０２  青色レーザ光源モジュール
１１０〜１１８  緑色レーザ光源
１２０〜１２８  コリメートレンズ
１３０〜１３４  緑色レーザ光源
１４０〜１４４  コリメートレンズ
１５０〜１５８  光ファイバ
２００  ロッドインテグレータ光軸
３００〜３０３  ロッドインテグレータ
３００ａ、３０１ａ、３０２ａ、３０３ａ  ロッドインテグレータ入射端面
３００ｂ、３０１ｂ、３０２ｂ、３０３ｂ  ロッドインテグレータ出射端面
４００〜４０２  集光レンズ
４０３  色合成プリズム
【図１】
2010078975.tif 000003
【図２】
2010078975.tif 000004
【図３】
2010078975.tif 000005
【図４】
2010078975.tif 000006
【図５】
2010078975.tif 000007
【図６】
2010078975.tif 000008
【図７】
2010078975.tif 000009
【図８】
2010078975.tif 000010
【図９】
2010078975.tif 000011
【図１０】
2010078975.tif 000012
【図１１】
2010078975.tif 000013