(57)【要約】  高輝度光源を用いた安定かつ均一な線状光走査が可能な光走査装置を提供する。レーザ光を出射する少なくとも１つのレーザ光源（１１）と、少なくとも１つのレーザ光源（１１）から出射されたレーザ光を偏向走査する偏向部（１５）と、偏向部（１５）によって偏向走査されたレーザ光が側面に照射される導光板（１７）とを備える。少なくとも１つのレーザ光源（１１）は、マルチモードファイバ光源、又はストライプ構造の垂直方向が走査方向と平行に配置されたブロードストライプ型半導体レーザ光源を含み、導光板（１７）の側面上の少なくとも１箇所に、走査方向と垂直な厚み方向の射出瞳が形成される。
2008108068.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する少なくとも１つのレーザ光源と、
前記少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光を偏向走査する偏向部と、
前記偏向部によって偏向走査された前記レーザ光が側面に照射される導光板とを備え、
前記少なくとも１つのレーザ光源は、マルチモードファイバ光源、又はストライプ構造の垂直方向が走査方向と平行に配置されたブロードストライプ型半導体レーザ光源を含み、
前記導光板の側面上の少なくとも１箇所に、走査方向と垂直な厚み方向の射出瞳が形成される、光走査装置。
【請求項２】
前記偏向部は、回転多面鏡であり、
前記レーザ光源の厚み方向端部から出射されたレーザ光の主光線が、前記回転多面鏡の各鏡面上の少なくとも１点において、レンズ軸と交差している、請求項１に記載の走査装置。
【請求項３】
前記偏向部と前記導光板との間に配置されたパワーを持つミラーをさらに備える、請求項１に記載の走査装置。
【請求項４】
前記導光板の側面上の少なくとも１箇所に前記射出瞳を形成するための、前記偏向部によって偏向走査された前記レーザ光を厚み方向に集光する厚み方向集光部をさらに備え、
前記厚み方向集光部は、少なくとも厚み方向に異なるパワーを持つ複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーが走査方向に配列されて構成される、請求項１に記載の走査装置。
【請求項５】
前記複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーは、走査中央部から走査端部に向かって厚み方向の焦点距離が長くなるように設定される、請求項４に記載の光走査装置。
【請求項６】
前記複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーは、同一のフレネルレンズ又は同一のフレネルミラーが走査中央部から左右対称に配列されて構成される、請求項４に記載の光走査装置。
【請求項７】
前記複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーの厚みは同じである、請求項４に記載の光走査装置。
【請求項８】
前記複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーの材質は同じである、請求項４に記載の光走査装置。
【請求項９】
前記複数のフレネルレンズはリニアフレネルレンズであり、ニアフレネルレンズの厚み方向のピッチは同じである、請求項４に記載の光走査装置。
【請求項１０】
前記複数のフレネルミラーはリニアフレネルミラーであり、ニアフレネルミラーの厚み方向のピッチは同じである、請求項４に記載の光走査装置。
【請求項１１】
レーザ光を出射する少なくとも１つのレーザ光源と、
前記少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光を偏向走査する偏向部と、
前記偏向部によって偏向走査された前記レーザ光が側面に照射される導光板とを備え、
前記少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光は、前記偏向部上で走査方向に集光される、光走査装置。
【請求項１２】
光強度を二次元的に変調する空間変調素子と、
前記空間変調素子を照明する請求項１に記載の光走査装置とを備える、二次元画像表示装置。
【請求項１３】
光強度を二次元的に変調する空間変調素子と、
前記空間変調素子を照明する請求項１１に記載の光走査装置とを備える、二次元画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示装置等の二次元画像表示装置に用いられる、主に三色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のレーザ光源を使用した光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表示装置には、有機発光表示装置やプラズマ表示装置等の自ら発光する発光型表示装置と、液晶表示装置等の自ら発光できないため別の光源を必要とする受光型表示装置とがある。一般的な液晶表示装置は、電界生成電極が具備された２個の表示板と、その間にある誘電率異方性を有する液晶層とを含む。電界生成電極に電圧を印加して液晶層に電場を生成し、電圧を変化させてこの電場の強度を調節することでライトバルブを形成し、液晶層を通過する光の透過率を調節して所望する画像を得る。【０００３】
この液晶層を通過する光には、別途備えられた人工光源が使われることが一般的である。液晶表示装置用の光源としては、液晶パネルの後面で液晶パネル全体に均一に光を照射する光源、例えば冷陰極管蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）等の蛍光ランプを使用するケースが多い。通常、導光板側面から入射された蛍光ランプの光は、導光板前面より略均一な光として液晶パネルを後面から照射する。【０００４】
ところで近年、環境問題や省電力の観点から、水銀を使用しない、より消費電力の少ない光源として、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザを光源に用いた画像表示装置の開発が進められている。特にレーザは、消費電力の低さのみならず、画像表示装置用光源として用いた場合、色再現範囲の広さ等の画質上の観点からも、画像表示装置に最適な光源と言える。【０００５】
一方で、レーザ光源を用いて液晶パネルの後面で液晶パネル全体に均一に光を照射しようとした場合、レーザ光源は上述した蛍光ランプのような発光領域長を確保することは難しい。このため、光走査装置を用いて、液晶パネル後面の導光板の側面にレーザビームを線状に照射するエッジライト方式を用いることが考えられる。【０００６】
この線状に照射する光学系としては、一般的にはレーザプリンタ（ＬＢＰ）等に用いられる光走査装置や、コピー機の画像読み取り等に用いられる照明光学系等が代表的である（特許文献１を参照）。
【特許文献１】特許第２６４９７４４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来技術は、通常輝度の光源を用いて焦点面に像を形成することを目的としている。このため、上述した従来技術を、高輝度光源から出射されるレーザ光を導光板側面に線状に照射する走査機構として、単純に用いることは難しい。【０００８】
それ故に、本発明の目的は、高輝度光源を用いた、安定かつ均一な線状光走査が可能な光走査装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、光走査装置、及びこの光走査装置を光強度を二次元的に変調する空間変調素子の照明に用いた二次元画像表示装置、に向けられている。そして、本発明の光走査装置は、上記目的を達成するために、レーザ光を出射する少なくとも１つのレーザ光源と、少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光を偏向走査する偏向部と、偏向部によって偏向走査されたレーザ光が側面に照射される導光板とを備える。少なくとも１つのレーザ光源は、マルチモードファイバ光源、又はストライプ構造の垂直方向が走査方向と平行に配置されたブロードストライプ型半導体レーザ光源を含み、導光板の側面上の少なくとも１箇所に、走査方向と垂直な厚み方向の射出瞳が形成される。【００１０】
偏向部が回転多面鏡であれば、レーザ光源の厚み方向端部から出射されたレーザ光の主光線が、回転多面鏡の各鏡面上の少なくとも１点において、レンズ軸と交差していることが好ましい。また、偏向部と導光板との間に配置されたパワーを持つミラーをさらに備えてもよい。【００１１】
また、導光板の側面上の少なくとも１箇所に射出瞳を形成するための、偏向部によって偏向走査されたレーザ光を厚み方向に集光する厚み方向集光部をさらに備えてもよい。この厚み方向集光部は、少なくとも厚み方向に異なるパワーを持つ複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーが走査方向に配列されて構成される。【００１２】
ここで、複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーは、走査中央部から走査端部に向かって厚み方向の焦点距離が長くなるように設定されることが好ましく、また同一のフレネルレンズ又は同一のフレネルミラーが走査中央部から左右対称に配列されて構成されることが好ましい。また、複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーの厚み又は材質は、同じであることが好ましい。さらには、複数のフレネルレンズ（ミラー）はリニアフレネルレンズ（ミラー）であり、ニアフレネルレンズ（ミラー）の厚み方向のピッチは同じであることが好ましい。【００１３】
また、本発明の他の光走査装置としては、レーザ光を出射する少なくとも１つのレーザ光源と、少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光を偏向走査する偏向部と、偏向部によって偏向走査されたレーザ光が側面に照射される導光板とを備え、少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光は、偏向部上で走査方向に集光される、光走査装置も考えられる。【００１４】
さらに、他の解決手段としては、ブロードストライプ型半導体レーザで構成されたレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を偏向走査する偏向部と、偏向部によって偏向走査されたレーザ光が側面に照射される導光板とを備え、レーザ光源は、ストライプ構造の垂直方向が走査方向と直交して配置される、光走査装置が考えられる。【００１５】
さらには、少なくとも１つのレーザ光を出射するファイバ光源と、ファイバ光源から出射された少なくとも１つのレーザ光をＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する偏光分離部と、偏光分離部で分離された一方の偏光成分を有するレーザ光を９０度回転させる偏光回転部と、偏光回転部で９０度回転させられたレーザ光と、偏光分離部で分離された他方の偏向成分を有するレーザ光とを偏向走査する偏向部と、偏向部によって偏向走査されたレーザ光が側面に照射される導光板とを備え、偏光回転部で９０度回転させられたレーザ光と、偏光分離部で分離された他方の偏向成分を有するレーザ光とが、レーザ光入射角度及びレーザ光入射位置の少なくとも一方を異ならせて偏向部へ入射される、光走査装置が考えられる。【００１６】
この場合、レーザ光入射角度及びレーザ光入射位置は、偏光回転部で９０度回転させられたレーザ光と、偏光分離部で分離された他方の偏向成分を有するレーザ光とが、導光板の走査面上で同一の走査範囲を走査するように設定されることが好ましい。
また、偏光回転部で９０度回転させられたレーザ光と、偏光分離部で分離された他方の偏向成分を有するレーザ光とが、導光板の走査面上でのレーザ光強度が同一になるように、光走査装置内部の光ファイバを固定する固定具をさらに備えてもよい。特に、ファイバ光源が光走査装置の外部から光ファイバで導光されている場合、光走査装置外部の光ファイバが所定以上の曲率で湾曲しないように、光ファイバを補強する補強具をさらに備えてもよい。【００１７】
さらには、レーザ光を出射する少なくとも１つのレーザ光源と、少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光を入射する単一レンズを有し、当該単一レンズを振動させて入射するレーザ光を偏向走査する偏向部と、偏向部によって偏向走査されたレーザ光が側面に照射される導光板とを備える、光走査装置も考えられる。
【発明の効果】
【００１８】
上記本発明によれば、数ミリオーダの精度でよい射出瞳を導光板の側面に形成する構成であるため、サイズの大きい高輝度光源を用いて安価な方法で安定に均一な線状光走査を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る光走査装置の構成図である。
【図２】図２は、図１に示す光走査装置における光伝搬経路の厚み方向の断面図である。
【図３】図３は、ブロードストライプ型半導体レーザの構造例を示す側面図である。
【図４】図４は、ブロードストライプ型半導体レーザを用いた図１に示す光走査装置における光伝搬経路の厚み方向の断面図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態に係る光走査装置の構成図である。
【図６】図６は、図５に示す光走査装置における光伝搬経路の厚み方向の断面図である。
【図７】図７は、本発明の第３の実施形態に係る光走査装置の構成図である。
【図８】図８は、図７に示す光走査装置における光伝搬経路の走査方向の断面図である。
【図９】図９は、本発明の第４の実施形態に係る光走査装置の構成図である。
【図１０】図１０は、従来の光走査装置の構成図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１０の光走査装置におけるビーム径の分布を説明する図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図９の光走査装置におけるビーム径の分布を説明する図である。
【図１２】図１２は、図９に示す光走査装置を液晶パネルのバックライトとして用いる場合の構成例を示す図である。
【図１３】図１３は、図９のリニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇの成形例の断面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、図１０のリニアフレネルレンズ１０９を伝搬するビームを説明する図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図９のリニアフレネルレンズ４６を伝搬するビームを説明する図である。
【図１５】図１５は、従来の光走査装置の構成図である。
【図１６】図１６は、本発明の第５の実施形態に係る光走査装置の構成図である。
【図１７】図１７は、本発明の第５の実施形態に係る光走査装置の他の構成図である。
【図１８】図１８は、本発明の第６の実施形態に係る光走査装置の構成図である。
【図１９】図１９は、本発明の第６の実施形態に係る光走査装置の他の構成図である。
【図２０】図２０は、本発明のその他の実施形態に係る光走査装置の構成図である。
【符号の説明】
【００２０】
１１  レーザ光源（マルチモードファイバ光源）
１２  コリメータレンズ
１３、１３ａ〜１３ｇ、１１１、１１３、１１４、１１６  レーザ光
１４、７５  シリンドリカルレンズ
１５、１１８、１１８ａ、１１８ｂ  回転多面鏡
１６、１６ａ、１６ｂ、７６  走査レンズ
１７、１１９  導光板
１８、１９  主光線
２０  活性層
２１  クラッド層
２２  光ガイド層
２６、２６ａ、２６ｂ  走査ミラー
４６  リニアフレネルレンズアレイ
４６ａ〜４６ｇ、１０９  リニアフレネルレンズ
１０７、１１７、１１７ａ、１１７ｂ、１２３  折り返しミラー
１０８  液晶パネル
１１０  ファイバ光源
１１２  偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１１５  波長板
１２０  固定具
１２１  光源ユニット
１２２  光ファイバケーブル
１２４  補強具付き光ファイバケーブル
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光走査装置の構成図である。第１の実施形態に係る本光走査装置は、レーザ光源１１と、コリメータレンズ１２と、シリンドリカルレンズ１４と、回転多面鏡１５と、走査レンズ１６と、導光板１７とで構成される。走査レンズ１６は、前側シリンドリカルレンズ１６ａ及び後側シリンドリカルレンズ１６ｂを有する。【００２２】
レーザ光源１１は、マルチモードファイバ光源であり、図示しない光ファイバを介してレーザ光１３が導光されている。マルチモードファイバ光源１１から出射されたレーザ光１３は、コリメータレンズ１２で厚み方向（走査方向に対して垂直方向、以下同じ）に略平行に変換される。厚み方向に略平行に変換されたレーザ光１３は、光源サイズに応じた拡がり角で拡がりながらシリンドリカルレンズ１４によって厚み方向に集光される。集光されたレーザ光１３は、偏向部である回転多面鏡１５で反射されて、厚み方向に拡がりながら走査レンズ１６に到達する。走査レンズ１６に到達したレーザ光１３は、前側シリンドリカルレンズ１６ａ及び後側シリンドリカルレンズ１６ｂによって厚み方向に再度絞られながら、導光板１７に側面から入射される。【００２３】
導光板１７は、例えば、液晶パネル等の二次元空間変調素子を均一に照明するバックライトの一部として用いられる。この導光板１７は、図示しない拡散ビーズが内部に均一に散りばめられている。入射されたレーザ光１３は、拡散ビーズによって導光板１７内を拡散されながら伝播し、導光板１７の表面（液晶パネルがある側の平面）から出射することになる。なお、導光板１７の裏面側に反射材を配置すれば、導光板１７の裏面から出射されるレーザ光を有効利用することができる。【００２４】
上記構成において、回転多面鏡１５が高速回転して、レーザ光１３は、導光板１７の側面上を図１中の矢印向きに高速走査する。従って、導光板１７から出射されるレーザ光１３は、導光板１７中の拡散ビーズにより拡散され、回転多面鏡１５の高速回転による高速走査により、略均一に導光板１７の表面から出射することになる。この構成では、回転多面鏡１５によるレーザ光１３の高速走査によって、導光板１７からのレーザ光出射パターンが時間軸上で変動する。このため、回転多面鏡１５の停止時にみられるようなスペックルパターンは、回転多面鏡１５が回転時には視認上問題無いレベルまで低減されるという効果がある。【００２５】
図２を用いて、第１の実施形態に係る光走査装置による効果を説明する。図２は、図１に示す光走査装置における光伝搬経路の厚み方向の断面図である。
マルチモードファイバ光源１１の光出射部は、図２に示す通りコア径に相当する所定の大きさを有しており、光出射部内のいたる所から所定のＮＡでレーザ光が出射される。通常、マルチモードファイバは、コア径が１０ミクロン程度から１ｍｍまでのものが入手可能である。マルチモードファイバ光源１１は、点光源とはみなせないため、焦点位置に配置されたコリメータレンズ１２を透過したレーザ光は、平行には伝播しない。【００２６】
図２において、光出射部中央から出射したレーザ光の伝搬経路を考える。光出射部中央から出射されたレーザ光は、主光線１８に沿って水平に伝播する。コリメータレンズ１２に到達したレーザ光は、平行ビームに変換され、シリンドリカルレンズ１４によって集光され、回転多面鏡１５の近傍に集光する。回転多面鏡１５によって反射されたレーザ光は、厚み方向に拡がりながら走査レンズ１６に到達し、走査レンズ１６により厚み方向に集光され、導光板１７の側面近傍に入射される。図２に示す回転多面鏡１５から導光板１７までの断面は、回転多面鏡１５が所定の角度でレーザ光１３を偏向反射した時に主光線１８に沿って切断した厚み方向断面である。【００２７】
光出射部下部端から出射したレーザ光の伝搬経路を考える。光出射部下部端から出射されたレーザ光は、主光線１９に沿って伝播する。コリメータレンズ１２に到達したレーザ光は、平行ビームに変換され、シリンドリカルレンズ１４によって集光され、同じく回転多面鏡１５の近傍に集光する。このとき、主光線１８と主光線１９とは、コリメータレンズ１２の近傍にある入射瞳上で交差する。この交差する角度θは、コリメータレンズ１２の焦点距離を「Ｌ１２」と、マルチモードファイバ光源１１のコア直径を「Φ１１」とすると、θ＝ａｒｃｔａｎ（Φ１１／（２×Ｌ１２））で与えられる。回転多面鏡１５によって反射されたレーザ光は、厚み方向に拡がりながら走査レンズ１６に到達し、走査レンズ１６により厚み方向に集光され、主光線１８に対して所定の角度を持って導光板１７の側面近傍に入射される。なお、光出射部上部端から出射したレーザ光の伝搬経路も、同様である。【００２８】
このように、本発明の第１の実施形態に係る光走査装置は、回転多面鏡１５で偏向反射されたレーザ光が、導光板１７の側面上の少なくとも１箇所に厚み方向の「射出瞳」が形成される位置に各構成が配置されることを特徴とする。この配置により、少なくともこの偏向角度においては、部品レベルでマルチモードファイバ光源１１のコア径がばらついたとしても、ＮＡが同じであれば導光板１７上でのビーム径は原理的にばらつかない、という効果を得られる。同様に、コア径の違う複数のマルチモードファイバ光源１１を用いた場合でも、ＮＡが同じであれば同様のビーム径で導光板１７上に収斂させることが可能になり、ファイバコア径の選択の幅が拡がる。【００２９】
例えばＲ、Ｇ、Ｂでコア径の違う複数のマルチモードファイバ光源１１を用いたとしても、ファイバのＮＡが同じで各マルチモードファイバ光源から導光板１７までの光路長を同じにしておけば、導光板１７の側面上でのビーム径は、厚み方向の射出瞳を導光板１７の側面上に配置した断面では同じになる。よって、設計が極めて簡便になる。一般に、光ファイバのＮＡは、ファイバのコア及びクラッドに用いられている素材の屈折率に依存しており、例えば低損失の可視域ファイバであれば、コアに石英かつクラッドにフッ素ドープ石英が用いられたものが多く、その場合のＮＡは０．２２程度になることが一般的である。よって、コア径には依存しないため、本実施形態が有効である。なお、従来の導光板１７の側面上に像面を形成する構成では、コア径がばらついたり異なる場合には像面を形成することが難しくなり、本発明と比べて設計負荷、コスト、及びスペースが増大する。【００３０】
さらに、Ｒ、Ｇ、Ｂの複数のマルチモードファイバ光源１１を液晶ディスプレイのバックライトとして用いる場合、白色を生成するためのＲ、Ｇ、Ｂの光量比は一般に１：１：１にはならない。また、画面サイズによってはＷクラスのハイパワーが必要になる。従って、本発明の光走査装置は、複数のマルチモードファイバ光源１１使用する液晶ディスプレイの液晶バックライトに欠かすことのできない技術と言える。【００３１】
なお、光出射部下部端から出射したレーザ光の主光線が、回転多面鏡１５の各面の反射面上の少なくとも一点において光軸と交差していると、回転多面鏡１５の反射面が面倒れ誤差により面毎に傾いていた場合であっても、少なくともこの偏向断面においては、導光板１７の側面近傍にある同一箇所を射出瞳として通過する。よって、回転多面鏡１５の面倒れ誤差に依存しないことになり、安価な回転多面鏡１５でさらに高精度な走査をすることができる。また、この状態では、回転多面鏡１５の近傍にビームウエスト位置が来るため、同時に薄型の回転多面鏡を用いることができるため、さらに低コストとなる。【００３２】
なお、上記第１の実施形態では、偏向部として回転多面鏡１５を用いた場合を説明したが、それ以外のガルバノミラーやＭＥＭＳミラー等を用いても構わない。また、走査レンズ１６も、レンズ２枚で構成で構成されるものに限らない。また、マルチモードファイバ光源１１に代えて、ロッドインテグレータやブロードストライプ型半導体レーザを用いてもよい。【００３３】
ブロードストライプ型半導体レーザに関して、図３を用いて簡単に説明する。図３は、ブロードストライプ型半導体レーザの構造例を示す側面図である。
半導体レーザを高出力化する場合、単一モードの半導体レーザへの注入電流を増やす単純な方法では、注入キャリア密度及び光子密度の増大に伴う半導体レーザの出射端面の温度上昇等によって、光学損傷（ＣＯＤ:catastrophic optical damage）や熱的飽和が生じて、所定以上（通常０．３Ｗ程度以上）の光量の増加は難しい。そのため、一般には、電流注入領域を数十ミクロンからサブミリメートル程度にまで広げたストライプ構造を設けることにより、内部の光パワー密度を下げると共に内部損失を減らして高出力を得ている。このような構造をブロードストライプ構造と呼び、この構造を持つ半導体レーザをブロードストライプ型半導体レーザと呼ぶ。【００３４】
図３のように、ブロードストライプ型半導体レーザは、レーザ光が出力される活性層２０の両側に、クラッド層２１よりも屈折率の大きい光ガイド層２２が設けてあり、水平方向に電流注入領域が拡げてある。これにより、半導体レーザの高出力化を実現している。しかし、水平方向のストライプ幅がサブミリメートル程度の広さがあると、水平方向についてはもはや点光源とはみなせなくなっている。よって、ブロードストライプ型半導体レーザを第１の実施形態の光源に用いる場合には、ブロードストライプ型半導体レーザの垂直方向を、走査方向と平行に（すなわち、厚み方向に点光源ではない方向に）配置すれば、図２に示した光伝搬経路と同じ構成が得られる。【００３５】
なお、ブロードストライプ型半導体レーザを用いる場合、ブロードストライプ型半導体レーザの垂直方向を、走査方向と垂直に（すなわち、厚み方向に点光源となる方向に）配置してもよい。図４は、この配置の場合における、ある偏向角における光学系厚み方向の断面図である。ブロードストライプ型半導体レーザの厚み方向は、ストライプ幅数ミクロン程度であるため、点光源とみなせる。よって、コリメータレンズ１２で変換されたレーザ光は、ほぼ平行のまま伝播する。そして、回転多面鏡１５から導光板１７までのビームの拡がりを小さくすることができるため、図２と同様に、導光板１７の側面上で良好なビーム径を確保することができる。【００３６】
図４では、回転多面鏡１５上にビームを集光している図を示しているが、集光する必要はない。液晶バックライトに用いる導光板を側面照射する用途である場合には、導光板側面にビームが入れば良いため、回転多面鏡１５上にビームを集光しなくても問題がない。また、導光板１７の厚みや回転多面鏡１５の厚みによっては、シリンドリカルレンズ１４は無くても構わない。走査方向に関しても、ビーム径は導光板１７内に入っていれば問題ないため、シリンドリカルレンズ１４は走査方向に曲率を持たせても（球面レンズとしても）構わないし、持たせなくても構わない。【００３７】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る光走査装置の構成図である。第２の実施形態に係る本光走査装置は、レーザ光源１１と、コリメータレンズ１２と、シリンドリカルレンズ１４と、回転多面鏡１５と、走査ミラー２６と、導光板１７とで構成される。走査ミラー２６は、前側走査ミラー２６ａ及び後側走査ミラー２６ｂを有する。
図６は、図５に示す光走査装置における光伝搬経路の厚み方向の断面図である。【００３８】
第２の実施形態に係る光走査装置は、上述した第１の実施形態に係る光走査装置と、走査ミラー２６の構成が異なる。また、第２の実施形態で用いられるレーザ光源１１は、マルチモードファイバ光源に限られない。【００３９】
上述したように、本発明では、導光板１７の側面に射出瞳を形成する程度の精度で良いため、走査レンズ１６は、ガラスレンズではなく安価なフレネルレンズを用いても構わない。通常、フレネルレンズの材質は、樹脂である。しかし、樹脂レンズは、安価である反面、特に青色可視領域（４５０ｎｍ以下）で光吸収が生じ易いことや、線膨張係数が光学ガラスと比較して一桁大きい。線膨張係数は、ＢＫ７が７．１×１０−６（／℃）程度であるのに対し、ＰＭＭＡは７×１０−５（／℃）程度である。すなわち、ガラスレンズと比較して、フレネルレンズの様な樹脂レンズを用いると、レーザ光の光量が大きければ大きいほど、レーザ光の吸収による発熱が大きくなり、それに伴う熱膨張による集光特性の変動は顕著になる。ところが、特に走査レンズ１６は、走査領域を全てカバーする幅が必要になるため、特に大画面サイズ用の光学系ではレンズ幅が広くなる。従って、加工適正やコストの面から、ガラスレンズの使用は避けたい。【００４０】
そこで、第２の実施形態に係る光走査装置では、走査レンズ１６ではなく、走査ミラー２６を用いて構成することで、レーザ光の吸収による発熱の影響を緩和している。この本走査ミラー２６は、樹脂基材にアルミや誘電体をコートできるため、安価に製造することが可能である。【００４１】
勿論、レーザ光を反射する角度は１８０度以外であってもよい。また、コリメータレンズ１２及びシリンドリカルレンズ１４に関しても、同様に曲面ミラーで反射させる構成を用いても構わない。【００４２】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る光走査装置の構成図である。第２の実施形態に係る本光走査装置は、レーザ光源１１と、コリメータレンズ１２と、シリンドリカルレンズ１４と、回転多面鏡１５と、導光板１７とで構成される。
図８は、図７に示す光走査装置における光伝搬経路の走査方向の断面図である。【００４３】
第３の実施形態に係る光走査装置は、上述した第１及び第２の実施形態に係る光走査装置の走査レンズ１６又は走査ミラー２６がない構成である。また、コリメータレンズ１２と、シリンドリカルレンズ１４は、走査方向に曲率を持つように配置される。また、第３の実施形態で用いられるレーザ光源１１は、マルチモードファイバ光源に限られない。【００４４】
レーザ光源１１から出射されたレーザ光１３は、コリメータレンズ１２で走査方向に略平行に変換される。走査方向に略平行に変換されたレーザ光１３は、シリンドリカルレンズ１４によって走査方向に集光される。集光されたレーザ光１３は、回転多面鏡１５で反射されて、走査方向に拡がりながら導光板１７に側面から入射される。上述の通り、レーザ光が導光板側面に入っていれば、そのビーム径は問題にならない。そのため、図８のように、回転多面鏡１５で反射した後は、走査方向には全く集光していない。こうすることで、以下のような効果がある。【００４５】
すなわち、回転多面鏡１５から反射したレーザ光の画角が広く（ビーム径が太く）なっているため、走査方向にビームを絞らずに導光板１７へ出射すれば、レーザ光の画角が広くなっている分だけ短い走査距離で導光板１７の一方端から他方端までレーザ光を入力できる。よって、装置の小型化に繋がる。また、レーザ光の画角が広くなることで、輝度の均一化に繋がる。こうすることで、画像上のスペックルの低減にも効果的である。これは、例えば導光板１７上のある一点を考えたときに、導光板１７の側面を照射する走査方向のビーム径が大きい方が、その一点の照明に寄与する走査画角の範囲が広くなるからである。このように、回転多面鏡１５上でレーザ光を集光することにより、小型化及び高画質化を同時に簡便に達成することが可能になる。【００４６】
なお、コリメータレンズ１２及びシリンドリカルレンズ１４は、走査方向に曲率をもつように配置すればよいが、球面レンズを用いて厚み方向にも曲率を持たせて、第１及び第２の実施形態と同様に構成しても構わない。勿論、走査ミラー２６を設けてレーザ光を折り返すこともできる。【００４７】
（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る光走査装置の構成図である。第４の実施形態に係る本光走査装置は、レーザ光源１１と、コリメータレンズ１２と、シリンドリカルレンズ１４と、回転多面鏡１５と、リニアフレネルレンズアレイ４６と、導光板１７とで構成される。シリンドリカルレンズ１４及びリニアフレネルレンズアレイ４６は、厚み方向にパワーを持つ。【００４８】
第４の実施形態に係る光走査装置は、上述した第１の実施形態において２つのレンズで構成されていた走査レンズ１６を、１つのリニアフレネルレンズアレイ４６に代えたことが異なる。【００４９】
回転多面鏡１５で反射されたレーザ光１３は、リニアフレネルレンズアレイ４６に向けて偏向走査される。偏向走査されたレーザ光１３は、リニアフレネルレンズアレイ４６を透過した後、導光板１７の側面に到達する。ここで、図９に示すように、リニアフレネルレンズアレイ４６上でのビーム１３ａ〜１３ｇは、走査中心から走査端に向かうに従って偏向方向に光が拡がっていく。これは、レーザ光１３が回転多面鏡１５上で厚み方向に線状に集光されたことにより、回転多面鏡１５で反射したビームは所定の発散角度にて発散するようになっており、さらに回転多面鏡１５からリニアフレネルレンズアレイ４６までの距離が、走査中央から走査端に向かうに従って長くなるためである。【００５０】
通常、この状態で、走査方向に同一のパワーを持つ単一のリニアフレネルレンズを用いた場合、レンズ上でのビーム径が小さいほど感じるレンズのパワーは小さくなるため、走査中央のビーム１３ｄが感じるリニアフレネルレンズ４６のパワーは相対的に小さく、走査端のビーム１３ａ及び１３ｇが感じるリニアフレネルレンズ４６のパワーは大きくなる。そのため、図１０のように走査中間部のビーム１３ｃ及び１３ｅが導光板１７上でピントが合うようにリニアフレネルレンズ１０９の位置又は曲率を設定した場合、走査中央のビーム１３ｄは導光板１７上で集光が不十分になるため、ビーム径が太くなってしまう。一方で走査中間部のビーム１３ｂ及び１３ｆや走査端のビーム１３ａ及び１３ｇは導光板１７より手前側でピントがあってしまうため、やはり導光板１７上でのビーム径が太くなってしまう（図１４Ａを参照）。【００５１】
例えば、回転多面鏡１５からリニアフレネルレンズ１０９までの距離を１００ｍｍ、リニアフレネルレンズ１０９から導光板１７端面までの距離を１０２ｍｍ、リニアフレネルレンズ１０９の焦点距離を７０ｍｍ、導光板１７の端面長さ（走査長）を７００ｍｍとした場合、厚み方向の半値半角５．７度で回転多面鏡１５に入射したビームは、導光板１７端面の走査面上で、図１１に示すようなビーム径になる。すなわち、走査中央から１８０ｍｍ周辺のビームだけが、ビーム径（半値全幅）が３ｍｍ程度と良好に絞られていることが分かる。【００５２】
一般に、導光板１７は数ミリ程度であり、図１０の光走査装置では、走査端部でビームが導光板１７に蹴られてしまうことになり、問題になる。さらに、第２の実施形態で述べたとおり、リニアフレネルレンズ１０９としては一般に線膨張係数の大きな樹脂が用いられるため、特にＷクラスのハイパワーレーザを用いる場合、レーザ光の吸収や周囲温度の変動による発熱で膨張、収縮が顕著に見られるようになる。そのため、リニアフレネルレンズのパワーが変わってしまい、導光板の側面でのビーム径がさらにずれてしまうことになる。【００５３】
そこで、第４の実施形態では、図９に示す通り、リニアフレネルレンズアレイ４６を、パワーの違う複数のリニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇで分割する。リニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇのパワーは、各リニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇの中央を透過するビームが、各リニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇを透過する中で最も小さいビーム径になるように選択する（図１４Ｂを参照）。そうすることで、図１２に示す通り、走査全域においてビーム径は５ｍｍ以下に集光され、走査領域の全域で良好なビーム径に絞られる。また、リニアフレネルレンズの熱膨脹及び収縮の影響による厚み方向のビーム太さが変動することにおいても、その変動分をマージンとして見積もり、リニアフレネルレンズの分割数をふやすことで、導光板１７の厚み内に収めることができる。図１２の例では、リニアフレネルレンズアレイ４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ、４６ｆ、及び４６ｇの焦点距離は、それぞれ１００、８４、７０、５４、７０、８４、及び１００ｍｍである。【００５４】
一方で、図９の様に複数のリニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇを接合する場合、その繋ぎ目をビームが横切る際に、接合部でビームが散乱することが考えられる。本発明の様に、導光板１７に入射して散乱した後、導光板１７の表面から出射したビームが液晶パネル等の二次元空間変調素子を照射する場合、リニアフレネルレンズアレイ４６の繋ぎ目はほとんど目視されなくなる。しかしながら、接合枚数が多くなった場合等では、光利用効率の低下が起こることが考えられる。よって、光利用効率の低下を極力防ぐため、接合する複数のリニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇの形状はほぼ同形状であることが望ましい。すなわち、図１３に示す通り、厚み及び材質が同じリニアフレネルレンズを用いることにより、リニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇの接合部での散乱による光利用効率の低下を最小限に抑えることが可能になる。【００５５】
なお、リニアフレネルレンズアレイ４６は、厚み方向に加えて走査方向にも曲率を持たせてもよい。また、リニアフレネルレンズアレイ４６は、厚み及び材質だけではなく、図１３に示す通り、各フレネルレンズ４６ａ〜４６ｇそれぞれのピッチも同じにすると、リニアフレネルレンズの接合部での散乱による光利用効率の低下を最小限に抑えることが可能になる
さらに、リニアフレネルレンズアレイ４６を配置する代わりに、走査ミラー２６に集光機能を持たせても構わない。すなわち、走査ミラー２６を走査方向に分割し、それぞれの厚み方向のパワーを異ならせてリニアフレネルミラーアレイとして用いても構わない。これにより、さらに温度変動による膨張及び収縮に対して強い光学走査系を達成することもできる。【００５６】
以上のように、本発明の第１〜第４の実施形態に係る光走査装置によれば、数十ミクロンオーダの精度が要求される像面ではなく、数ミリオーダの精度でよい射出瞳を導光板の側面に形成する構成であるため、サイズの大きい高輝度光源を用いて光走査装置を容易に実現できる。【００５７】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る光走査装置を液晶パネルのバックライトとして用いる場合の構成例を示す図である。リニアフレネルレンズアレイ４６を透過したレーザ光は、折り返しミラー１０７で折り返された後、導光板１７に入射される。導光板１７に到達したレーザ光は、導光板１７内で伝搬しながら散乱し、導光板１７の表面から出射されて液晶パネル１０８を背面から照射する。【００５８】
（第５の実施形態）
一般に、液晶パネルは、所定の偏光方向のビームを変調及び透過するため、液晶パネルに導光されるビームが単一偏光であると、効率の向上が望める。一方でハイパワーの光源を光走査する場合は、光ファイバで多数の半導体レーザをバンドルして単一の光源として持ち込むことが簡便である。しかしながら、単一偏光の半導体レーザからの出力であっても、光ファイバを通すとその偏光方向は混合されてランダム偏光になる。【００５９】
ランダム偏光の偏光方向を揃わせるためには、ランダム偏光のレーザ光をＳ偏光とＰ偏光とに分離し、導光板を左右に分割して、Ｓ偏光用の光学系とＰ偏光用の光学系とで個別に左右の導光板を走査させる構成が考えられる（図１５）。【００６０】
しかし、この構成の場合、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１２におけるＳ偏光１１３の透過率とＰ偏光１１４の透過率との差や、波長板１１５の透過ロスや、折り返しミラー１１７の反射ロスや、回転多面鏡１１８ａと１１８ｂとの反射率の異なり等により、導光板１１９に到達するレーザ光の光量に左右で差が生じてしまう。これは、画像上で輝度ムラとして視認されることになり問題である。【００６１】
そこで、第５の実施形態では、１つの光学系だけで上記問題を解決することができる光走査装置について説明する。
図１６は、本発明の第５の実施形態に係る光走査装置の構成図である。第５の実施形態に係る本光走査装置は、ファイバ光源１１０と、ＰＢＳ１１２と、波長板１１５と、折り返しミラー１１７と、回転多面鏡１１８と、導光板１１９とで構成される。【００６２】
ファイバ光源１１０は、偏光方向が揃っていないランダム偏光のレーザ光１１１を出力する。レーザ光１１１は、ＰＢＳ１１２を通してＳ偏光１１３とＰ偏光１１４とに分離される。Ｓ偏光１１３は、回転多面鏡１１８に出射され、回転多面鏡１１８で反射されて導光板１１９に入力される。Ｐ偏光１１４は、波長板１１５を通して偏光方向が９０°回転されてＳ偏光になった後、折り返しミラー１１７で反射されて回転多面鏡１１８に到達する。このＳ偏光は、回転多面鏡１１８で反射されて導光板１１９に入力される。勿論、Ｓ偏光１１３とＰ偏光１１４との経路を逆にしてもよい。【００６３】
以上のように、本発明の第５の実施形態に係る光走査装置によれば、ランダム偏光のレーザ光１１１の偏向方向を揃えることで、導光板１１９で同一の偏光方向のビームを得ることが可能になる。特に、分離したＳ偏光１１３とＰ偏光１１４を単一の回転多面鏡１１８の同一面に入射して走査させることにより、左右の輝度ムラをなくせる。【００６４】
なお、図１７に示すように、２つの折り返しミラー１１７ａ及び１１７ｂを用いて、回転多面鏡１１８上でＳ偏光が到達する面と、Ｐ偏光１１４が到達する面とを異ならせてもよい。【００６５】
また、回転多面鏡１１８への入射位置、入射角度、又はその両方をずらすことにより、各ビームの導光板１１９上での同一箇所の走査タイミングをずらすことが可能になる。よって、画像上のスペックルノイズも視認されにくくなるというメリットも出てくる。さらにこの時、入射角及び入射位置を適宜選ぶと、導光板上での走査範囲を同一範囲とすることも可能であり、光量ロスを最小限に抑えることが可能になる。【００６６】
さらに、上記第５の実施形態では、偏向部として回転多面鏡１１８を用いた場合を説明したが、それ以外のガルバノミラーやＭＥＭＳミラー等を用いても構わない。その場合、図１７に示した同時に複数面での偏向はできないため、同一偏向面に対して、入射する２つのレーザ光の入射角度、入射位置、又はその両方を異ならせばよい。【００６７】
（第６の実施形態）
図１８は、本発明の第６の実施形態に係る光走査装置の構成図である。第６の実施形態に係る本光走査装置は、光源ユニット１２１と、固定具１２０と、ファイバ光源１１０と、ＰＢＳ１１２と、波長板１１５と、折り返しミラー１１７及び１２３と、回転多面鏡１１８ａ及び１１８ｂと、導光板１１９とで構成される。【００６８】
光源ユニット１２１から出射されたレーザ光は、固定具１２０で固定された光ファイバケーブル１２２を経由してファイバ光源１１０に入力される。ファイバ光源１１０は、偏光方向が揃っていないランダム偏光のレーザ光１１１を出力する。レーザ光１１１は、ＰＢＳ１１２を通してＳ偏光１１３とＰ偏光１１４とに分離される。Ｓ偏光１１３は、回転多面鏡１１８ａに出射され、回転多面鏡１１８ａで反射されて折り返しミラー１２３を介して導光板１１９に入力される。Ｐ偏光１１４は、波長板１１５を通して偏光方向が９０°回転されてＳ偏光になった後、折り返しミラー１１７で反射されて回転多面鏡１１８ｂに到達する。このＳ偏光は、回転多面鏡１１８ｂで反射されて折り返しミラー１２３を介して導光板１１９に入力される。勿論、Ｓ偏光１１３とＰ偏光１１４との経路を逆にしてもよい。【００６９】
導光板１１９に入射されたレーザ光は、散乱して液晶パネルを背面から照明する。この構成において、回転多面鏡１１８ａにて偏向されたレーザ光と、回転多面鏡１１８ｂで偏向されたレーザ光は、導光板１１９の上側下側をそれぞれ別々に走査する。ただし、それぞれの露光領域はオーバラップしていても構わない。上記第５の実施形態で述べたように、第６の実施形態の構成では、ＰＢＳ１１２におけるＳ偏光１１３の透過率とＰ偏光１１４の透過率との差や、波長板１１５の透過ロスや、折り返しミラー１１７の反射ロスや、回転多面鏡１１８ａと１１８ｂとの反射率の異なり等により、導光板１１９に到達するレーザ光の光量に左右で差が生じてしまう。【００７０】
ところが、第６の実施形態の構成では、光ファイバケーブル１２２を固定具１２０で固定する、すなわち圧力を掛けてある方向に湾曲させることで、ファイバ光源１１０に入力されるレーザ光の偏光をアンバランスに変えることができる。シングルモードファイバの偏波保持は、この原理を用いたものである。すなわち、図１８において導光板１１９に到達する光量が左右でばらついている時、光ファイバケーブル１２２を所定の方向に湾曲させて固定することで、光量が不足していた方向の偏光成分の割合を増大させることができる。この結果、導光板１１９に到達するレーザ光の光量を左右で一致するように調整することが可能になる。【００７１】
以上のように、本発明の第６の実施形態に係る光走査装置によれば、光ファイバケーブル１２２を固定具１２０で固定することで、光板１１９に到達するレーザ光の光量を左右で一致するように調整することができる。【００７２】
なお、光ファイバケーブルが光走査装置の装置外にある場合、ファイバを固定することはできない。その場合、図１９に示す様に、光ファイバケーブルを補強具付き光ファイバケーブル１２４にすることで、動きにくくしておけばよい。【００７３】
また、上記第６の実施形態では、偏向部として回転多面鏡１１８ａ及び１１８ｂを用いた場合を説明したが、それ以外のガルバノミラーやＭＥＭＳミラー等を用いても構わない。さらに、折り返しミラー１１７にパワーを持たせて導光板１１９の側面を集光走査させても構わない。【００７４】
なお、上記第１〜第６の実施形態に係る光走査装置に用いる偏向部として、レンズを用いることも可能である。図２０は、偏向部にレンズを用いた光走査装置の構成例を示す図である。図２０において、レーザ光源１１から出射されたレーザ光は、正又は負のパワーを持ったレンズ７５に入射される。レンズ７５は、汎用の球面レンズや走査方向にパワーを持つシリンドリカルレンズ等である。このレンズ７５を走査方向に振動させると、レンズ曲面にてレーザ光が屈折しレーザ光の進行方向が変わる。これにより、レーザ光を走査することが可能になる。レンズ７５を透過したレーザ光は、走査レンズ７６を介して導光板１７の厚み方向に集光される。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の光走査装置は、液晶表示装置等の二次元画像表示装置に用いることが可能であり、特に高輝度光源を用いて安定かつ均一な線状光走査を実現したい場合等に有用である。
【図１】
2008108068.tif 000003
【図２】
2008108068.tif 000004
【図３】
2008108068.tif 000005
【図４】
2008108068.tif 000006
【図５】
2008108068.tif 000007
【図６】
2008108068.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
2008108068.tif 000011
【図１０】
2008108068.tif 000012
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
2008108068.tif 000016
【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
2008108068.tif 000019
【図１６】
2008108068.tif 000020
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年9月1日(2009.9.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示装置等の二次元画像表示装置に用いられる、主に三色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のレーザ光源を使用した光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表示装置には、有機発光表示装置やプラズマ表示装置等の自ら発光する発光型表示装置と、液晶表示装置等の自ら発光できないため別の光源を必要とする受光型表示装置とがある。一般的な液晶表示装置は、電界生成電極が具備された２個の表示板と、その間にある誘電率異方性を有する液晶層とを含む。電界生成電極に電圧を印加して液晶層に電場を生成し、電圧を変化させてこの電場の強度を調節することでライトバルブを形成し、液晶層を通過する光の透過率を調節して所望する画像を得る。
【０００３】
この液晶層を通過する光には、別途備えられた人工光源が使われることが一般的である。液晶表示装置用の光源としては、液晶パネルの後面で液晶パネル全体に均一に光を照射する光源、例えば冷陰極管蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）等の蛍光ランプを使用するケースが多い。通常、導光板側面から入射された蛍光ランプの光は、導光板前面より略均一な光として液晶パネルを後面から照射する。
【０００４】
ところで近年、環境問題や省電力の観点から、水銀を使用しない、より消費電力の少ない光源として、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザを光源に用いた画像表示装置の開発が進められている。特にレーザは、消費電力の低さのみならず、画像表示装置用光源として用いた場合、色再現範囲の広さ等の画質上の観点からも、画像表示装置に最適な光源と言える。
【０００５】
一方で、レーザ光源を用いて液晶パネルの後面で液晶パネル全体に均一に光を照射しようとした場合、レーザ光源は上述した蛍光ランプのような発光領域長を確保することは難しい。このため、光走査装置を用いて、液晶パネル後面の導光板の側面にレーザビームを線状に照射するエッジライト方式を用いることが考えられる。
【０００６】
この線状に照射する光学系としては、一般的にはレーザプリンタ（ＬＢＰ）等に用いられる光走査装置や、コピー機の画像読み取り等に用いられる照明光学系等が代表的である（特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２６４９７４４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した従来技術は、通常輝度の光源を用いて焦点面に像を形成することを目的としている。このため、上述した従来技術を、高輝度光源から出射されるレーザ光を導光板側面に線状に照射する走査機構として、単純に用いることは難しい。
【０００９】
それ故に、本発明の目的は、高輝度光源を用いた、安定かつ均一な線状光走査が可能な光走査装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、光走査装置、及びこの光走査装置を光強度を二次元的に変調する空間変調素子の照明に用いた二次元画像表示装置、に向けられている。そして、本発明の光走査装置は、上記目的を達成するために、レーザ光を出射する少なくとも１つのレーザ光源と、少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光を偏向走査する偏向部と、偏向部によって偏向走査されたレーザ光が側面に照射される導光板とを備える。少なくとも１つのレーザ光源は、マルチモードファイバ光源、又はストライプ構造の垂直方向が走査方向と平行に配置されたブロードストライプ型半導体レーザ光源を含み、導光板の側面上の少なくとも１箇所に、走査方向と垂直な厚み方向の射出瞳が形成される。
【００１１】
偏向部が回転多面鏡であれば、レーザ光源の厚み方向端部から出射されたレーザ光の主光線が、回転多面鏡の各鏡面上の少なくとも１点において、レンズ軸と交差していることが好ましい。また、偏向部と導光板との間に配置されたパワーを持つミラーをさらに備えてもよい。
【００１２】
また、導光板の側面上の少なくとも１箇所に射出瞳を形成するための、偏向部によって偏向走査されたレーザ光を厚み方向に集光する厚み方向集光部をさらに備えてもよい。この厚み方向集光部は、少なくとも厚み方向に異なるパワーを持つ複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーが走査方向に配列されて構成される。
【００１３】
ここで、複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーは、走査中央部から走査端部に向かって厚み方向の焦点距離が長くなるように設定されることが好ましく、また同一のフレネルレンズ又は同一のフレネルミラーが走査中央部から左右対称に配列されて構成されることが好ましい。また、複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーの厚み又は材質は、同じであることが好ましい。さらには、複数のフレネルレンズ（ミラー）はリニアフレネルレンズ（ミラー）であり、リニアフレネルレンズ（ミラー）の厚み方向のピッチは同じであることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の他の光走査装置としては、レーザ光を出射する少なくとも１つのレーザ光源と、少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光を偏向走査する偏向部と、偏向部によって偏向走査されたレーザ光が側面に照射される導光板とを備え、少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光は、偏向部上で走査方向に集光される、光走査装置も考えられる。
【００１５】
さらに、他の解決手段としては、ブロードストライプ型半導体レーザで構成されたレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を偏向走査する偏向部と、偏向部によって偏向走査されたレーザ光が側面に照射される導光板とを備え、レーザ光源は、ストライプ構造の垂直方向が走査方向と直交して配置される、光走査装置が考えられる。
【００１６】
さらには、少なくとも１つのレーザ光を出射するファイバ光源と、ファイバ光源から出射された少なくとも１つのレーザ光をＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する偏光分離部と、偏光分離部で分離された一方の偏光成分を有するレーザ光を９０度回転させる偏光回転部と、偏光回転部で９０度回転させられたレーザ光と、偏光分離部で分離された他方の偏光成分を有するレーザ光とを偏向走査する偏向部と、偏向部によって偏向走査されたレーザ光が側面に照射される導光板とを備え、偏光回転部で９０度回転させられたレーザ光と、偏光分離部で分離された他方の偏光成分を有するレーザ光とが、レーザ光入射角度及びレーザ光入射位置の少なくとも一方を異ならせて偏向部へ入射される、光走査装置が考えられる。
【００１７】
この場合、レーザ光入射角度及びレーザ光入射位置は、偏光回転部で９０度回転させられたレーザ光と、偏光分離部で分離された他方の偏光成分を有するレーザ光とが、導光板の走査面上で同一の走査範囲を走査するように設定されることが好ましい。
また、偏光回転部で９０度回転させられたレーザ光と、偏光分離部で分離された他方の偏光成分を有するレーザ光とが、導光板の走査面上でのレーザ光強度が同一になるように、光走査装置内部の光ファイバを固定する固定具をさらに備えてもよい。特に、ファイバ光源が光走査装置の外部から光ファイバで導光されている場合、光走査装置外部の光ファイバが所定以上の曲率で湾曲しないように、光ファイバを補強する補強具をさらに備えてもよい。
【００１８】
さらには、レーザ光を出射する少なくとも１つのレーザ光源と、少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光を入射する単一レンズを有し、当該単一レンズを振動させて入射するレーザ光を偏向走査する偏向部と、偏向部によって偏向走査されたレーザ光が側面に照射される導光板とを備える、光走査装置も考えられる。
【発明の効果】
【００１９】
上記本発明によれば、数ミリオーダの精度でよい射出瞳を導光板の側面に形成する構成であるため、サイズの大きい高輝度光源を用いて安価な方法で安定に均一な線状光走査を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光走査装置の構成図
【図２】図１に示す光走査装置における光伝搬経路の厚み方向の断面図
【図３】ブロードストライプ型半導体レーザの構造例を示す側面図
【図４】ブロードストライプ型半導体レーザを用いた図１に示す光走査装置における光伝搬経路の厚み方向の断面図
【図５】本発明の第２の実施形態に係る光走査装置の構成図
【図６】図５に示す光走査装置における光伝搬経路の厚み方向の断面図
【図７】本発明の第３の実施形態に係る光走査装置の構成図
【図８】図７に示す光走査装置における光伝搬経路の走査方向の断面図
【図９】本発明の第４の実施形態に係る光走査装置の構成図
【図１０】従来の光走査装置の構成図
【図１１Ａ】図１０の光走査装置におけるビーム径の分布を説明する図
【図１１Ｂ】図９の光走査装置におけるビーム径の分布を説明する図
【図１２】図９に示す光走査装置を液晶パネルのバックライトとして用いる場合の構成例を示す図
【図１３】図９のリニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇの成形例の断面図
【図１４Ａ】図１０のリニアフレネルレンズ１０９を伝搬するビームを説明する図
【図１４Ｂ】図９のリニアフレネルレンズ４６を伝搬するビームを説明する図
【図１５】従来の光走査装置の構成図
【図１６】本発明の第５の実施形態に係る光走査装置の構成図
【図１７】本発明の第５の実施形態に係る光走査装置の他の構成図
【図１８】本発明の第６の実施形態に係る光走査装置の構成図
【図１９】本発明の第６の実施形態に係る光走査装置の他の構成図
【図２０】本発明のその他の実施形態に係る光走査装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光走査装置の構成図である。第１の実施形態に係る本光走査装置は、レーザ光源１１と、コリメータレンズ１２と、シリンドリカルレンズ１４と、回転多面鏡１５と、走査レンズ１６と、導光板１７とで構成される。走査レンズ１６は、前側シリンドリカルレンズ１６ａ及び後側シリンドリカルレンズ１６ｂを有する。
【００２２】
レーザ光源１１は、マルチモードファイバ光源であり、図示しない光ファイバを介してレーザ光１３が導光されている。マルチモードファイバ光源１１から出射されたレーザ光１３は、コリメータレンズ１２で厚み方向（走査方向に対して垂直方向、以下同じ）に略平行に変換される。厚み方向に略平行に変換されたレーザ光１３は、光源サイズに応じた拡がり角で拡がりながらシリンドリカルレンズ１４によって厚み方向に集光される。集光されたレーザ光１３は、偏向部である回転多面鏡１５で反射されて、厚み方向に拡がりながら走査レンズ１６に到達する。走査レンズ１６に到達したレーザ光１３は、前側シリンドリカルレンズ１６ａ及び後側シリンドリカルレンズ１６ｂによって厚み方向に再度絞られながら、導光板１７に側面から入射される。
【００２３】
導光板１７は、例えば、液晶パネル等の二次元空間変調素子を均一に照明するバックライトの一部として用いられる。この導光板１７は、図示しない拡散ビーズが内部に均一に散りばめられている。入射されたレーザ光１３は、拡散ビーズによって導光板１７内を拡散されながら伝播し、導光板１７の表面（液晶パネルがある側の平面）から出射することになる。なお、導光板１７の裏面側に反射材を配置すれば、導光板１７の裏面から出射されるレーザ光を有効利用することができる。
【００２４】
上記構成において、回転多面鏡１５が高速回転して、レーザ光１３は、導光板１７の側面上を図１中の矢印向きに高速走査する。従って、導光板１７から出射されるレーザ光１３は、導光板１７中の拡散ビーズにより拡散され、回転多面鏡１５の高速回転による高速走査により、略均一に導光板１７の表面から出射することになる。この構成では、回転多面鏡１５によるレーザ光１３の高速走査によって、導光板１７からのレーザ光出射パターンが時間軸上で変動する。このため、回転多面鏡１５の停止時にみられるようなスペックルパターンは、回転多面鏡１５が回転時には視認上問題無いレベルまで低減されるという効果がある。
【００２５】
図２を用いて、第１の実施形態に係る光走査装置による効果を説明する。図２は、図１に示す光走査装置における光伝搬経路の厚み方向の断面図である。
マルチモードファイバ光源１１の光出射部は、図２に示す通りコア径に相当する所定の大きさを有しており、光出射部内のいたる所から所定のＮＡでレーザ光が出射される。通常、マルチモードファイバは、コア径が１０ミクロン程度から１ｍｍまでのものが入手可能である。マルチモードファイバ光源１１は、点光源とはみなせないため、焦点位置に配置されたコリメータレンズ１２を透過したレーザ光は、平行には伝播しない。
【００２６】
図２において、光出射部中央から出射したレーザ光の伝搬経路を考える。光出射部中央から出射されたレーザ光は、主光線１８に沿って水平に伝播する。コリメータレンズ１２に到達したレーザ光は、平行ビームに変換され、シリンドリカルレンズ１４によって集光され、回転多面鏡１５の近傍に集光する。回転多面鏡１５によって反射されたレーザ光は、厚み方向に拡がりながら走査レンズ１６に到達し、走査レンズ１６により厚み方向に集光され、導光板１７の側面近傍に入射される。図２に示す回転多面鏡１５から導光板１７までの断面は、回転多面鏡１５が所定の角度でレーザ光１３を偏向反射した時に主光線１８に沿って切断した厚み方向断面である。
【００２７】
光出射部下部端から出射したレーザ光の伝搬経路を考える。光出射部下部端から出射されたレーザ光は、主光線１９に沿って伝播する。コリメータレンズ１２に到達したレーザ光は、平行ビームに変換され、シリンドリカルレンズ１４によって集光され、同じく回転多面鏡１５の近傍に集光する。このとき、主光線１８と主光線１９とは、コリメータレンズ１２の近傍にある入射瞳上で交差する。この交差する角度θは、コリメータレンズ１２の焦点距離を「Ｌ１２」と、マルチモードファイバ光源１１のコア直径を「Φ１１」とすると、θ＝ａｒｃｔａｎ（Φ１１／（２×Ｌ１２））で与えられる。回転多面鏡１５によって反射されたレーザ光は、厚み方向に拡がりながら走査レンズ１６に到達し、走査レンズ１６により厚み方向に集光され、主光線１８に対して所定の角度を持って導光板１７の側面近傍に入射される。なお、光出射部上部端から出射したレーザ光の伝搬経路も、同様である。
【００２８】
このように、本発明の第１の実施形態に係る光走査装置は、回転多面鏡１５で偏向反射されたレーザ光が、導光板１７の側面上の少なくとも１箇所に厚み方向の「射出瞳」が形成される位置に各構成が配置されることを特徴とする。この配置により、少なくともこの偏向角度においては、部品レベルでマルチモードファイバ光源１１のコア径がばらついたとしても、ＮＡが同じであれば導光板１７上でのビーム径は原理的にばらつかない、という効果を得られる。同様に、コア径の違う複数のマルチモードファイバ光源１１を用いた場合でも、ＮＡが同じであれば同様のビーム径で導光板１７上に収斂させることが可能になり、ファイバコア径の選択の幅が拡がる。
【００２９】
例えばＲ、Ｇ、Ｂでコア径の違う複数のマルチモードファイバ光源１１を用いたとしても、ファイバのＮＡが同じで各マルチモードファイバ光源から導光板１７までの光路長を同じにしておけば、導光板１７の側面上でのビーム径は、厚み方向の射出瞳を導光板１７の側面上に配置した断面では同じになる。よって、設計が極めて簡便になる。一般に、光ファイバのＮＡは、ファイバのコア及びクラッドに用いられている素材の屈折率に依存しており、例えば低損失の可視域ファイバであれば、コアに石英かつクラッドにフッ素ドープ石英が用いられたものが多く、その場合のＮＡは０．２２程度になることが一般的である。よって、コア径には依存しないため、本実施形態が有効である。なお、従来の導光板１７の側面上に像面を形成する構成では、コア径がばらついたり異なる場合には像面を形成することが難しくなり、本発明と比べて設計負荷、コスト、及びスペースが増大する。
【００３０】
さらに、Ｒ、Ｇ、Ｂの複数のマルチモードファイバ光源１１を液晶ディスプレイのバックライトとして用いる場合、白色を生成するためのＲ、Ｇ、Ｂの光量比は一般に１：１：１にはならない。また、画面サイズによってはＷクラスのハイパワーが必要になる。従って、本発明の光走査装置は、複数のマルチモードファイバ光源１１使用する液晶ディスプレイの液晶バックライトに欠かすことのできない技術と言える。
【００３１】
なお、光出射部下部端から出射したレーザ光の主光線が、回転多面鏡１５の各面の反射面上の少なくとも一点において光軸と交差していると、回転多面鏡１５の反射面が面倒れ誤差により面毎に傾いていた場合であっても、少なくともこの偏向断面においては、導光板１７の側面近傍にある同一箇所を射出瞳として通過する。よって、回転多面鏡１５の面倒れ誤差に依存しないことになり、安価な回転多面鏡１５でさらに高精度な走査をすることができる。また、この状態では、回転多面鏡１５の近傍にビームウエスト位置が来るため、同時に薄型の回転多面鏡を用いることができるため、さらに低コストとなる。
【００３２】
なお、上記第１の実施形態では、偏向部として回転多面鏡１５を用いた場合を説明したが、それ以外のガルバノミラーやＭＥＭＳミラー等を用いても構わない。また、走査レンズ１６も、レンズ２枚で構成で構成されるものに限らない。また、マルチモードファイバ光源１１に代えて、ロッドインテグレータやブロードストライプ型半導体レーザを用いてもよい。
【００３３】
ブロードストライプ型半導体レーザに関して、図３を用いて簡単に説明する。図３は、ブロードストライプ型半導体レーザの構造例を示す側面図である。
半導体レーザを高出力化する場合、単一モードの半導体レーザへの注入電流を増やす単純な方法では、注入キャリア密度及び光子密度の増大に伴う半導体レーザの出射端面の温度上昇等によって、光学損傷（ＣＯＤ:catastrophic optical damage）や熱的飽和が生じて、所定以上（通常０．３Ｗ程度以上）の光量の増加は難しい。そのため、一般には、電流注入領域を数十ミクロンからサブミリメートル程度にまで広げたストライプ構造を設けることにより、内部の光パワー密度を下げると共に内部損失を減らして高出力を得ている。このような構造をブロードストライプ構造と呼び、この構造を持つ半導体レーザをブロードストライプ型半導体レーザと呼ぶ。
【００３４】
図３のように、ブロードストライプ型半導体レーザは、レーザ光が出力される活性層２０の両側に、クラッド層２１よりも屈折率の大きい光ガイド層２２が設けてあり、水平方向に電流注入領域が拡げてある。これにより、半導体レーザの高出力化を実現している。しかし、水平方向のストライプ幅がサブミリメートル程度の広さがあると、水平方向についてはもはや点光源とはみなせなくなっている。よって、ブロードストライプ型半導体レーザを第１の実施形態の光源に用いる場合には、ブロードストライプ型半導体レーザの垂直方向を、走査方向と平行に（すなわち、厚み方向に点光源ではない方向に）配置すれば、図２に示した光伝搬経路と同じ構成が得られる。
【００３５】
なお、ブロードストライプ型半導体レーザを用いる場合、ブロードストライプ型半導体レーザの垂直方向を、走査方向と垂直に（すなわち、厚み方向に点光源となる方向に）配置してもよい。図４は、この配置の場合における、ある偏向角における光学系厚み方向の断面図である。ブロードストライプ型半導体レーザの厚み方向は、ストライプ幅数ミクロン程度であるため、点光源とみなせる。よって、コリメータレンズ１２で変換されたレーザ光は、ほぼ平行のまま伝播する。そして、回転多面鏡１５から導光板１７までのビームの拡がりを小さくすることができるため、図２と同様に、導光板１７の側面上で良好なビーム径を確保することができる。
【００３６】
図４では、回転多面鏡１５上にビームを集光している図を示しているが、集光する必要はない。液晶バックライトに用いる導光板を側面照射する用途である場合には、導光板側面にビームが入れば良いため、回転多面鏡１５上にビームを集光しなくても問題がない。また、導光板１７の厚みや回転多面鏡１５の厚みによっては、シリンドリカルレンズ１４は無くても構わない。走査方向に関しても、ビーム径は導光板１７内に入っていれば問題ないため、シリンドリカルレンズ１４は走査方向に曲率を持たせても（球面レンズとしても）構わないし、持たせなくても構わない。
【００３７】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る光走査装置の構成図である。第２の実施形態に係る本光走査装置は、レーザ光源１１と、コリメータレンズ１２と、シリンドリカルレンズ１４と、回転多面鏡１５と、走査ミラー２６と、導光板１７とで構成される。走査ミラー２６は、前側走査ミラー２６ａ及び後側走査ミラー２６ｂを有する。
図６は、図５に示す光走査装置における光伝搬経路の厚み方向の断面図である。
【００３８】
第２の実施形態に係る光走査装置は、上述した第１の実施形態に係る光走査装置と、走査ミラー２６の構成が異なる。また、第２の実施形態で用いられるレーザ光源１１は、マルチモードファイバ光源に限られない。
【００３９】
上述したように、本発明では、導光板１７の側面に射出瞳を形成する程度の精度で良いため、走査レンズ１６は、ガラスレンズではなく安価なフレネルレンズを用いても構わない。通常、フレネルレンズの材質は、樹脂である。しかし、樹脂レンズは、安価である反面、特に青色可視領域（４５０ｎｍ以下）で光吸収が生じ易いことや、線膨張係数が光学ガラスと比較して一桁大きい。線膨張係数は、ＢＫ７が７．１×１０-6（／℃）程度であるのに対し、ＰＭＭＡは７×１０-5（／℃）程度である。すなわち、ガラスレンズと比較して、フレネルレンズの様な樹脂レンズを用いると、レーザ光の光量が大きければ大きいほど、レーザ光の吸収による発熱が大きくなり、それに伴う熱膨張による集光特性の変動は顕著になる。ところが、特に走査レンズ１６は、走査領域を全てカバーする幅が必要になるため、特に大画面サイズ用の光学系ではレンズ幅が広くなる。従って、加工適正やコストの面から、ガラスレンズの使用は避けたい。
【００４０】
そこで、第２の実施形態に係る光走査装置では、走査レンズ１６ではなく、走査ミラー２６を用いて構成することで、レーザ光の吸収による発熱の影響を緩和している。この本走査ミラー２６は、樹脂基材にアルミや誘電体をコートできるため、安価に製造することが可能である。
【００４１】
勿論、レーザ光を反射する角度は１８０度以外であってもよい。また、コリメータレンズ１２及びシリンドリカルレンズ１４に関しても、同様に曲面ミラーで反射させる構成を用いても構わない。
【００４２】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る光走査装置の構成図である。第２の実施形態に係る本光走査装置は、レーザ光源１１と、コリメータレンズ１２と、シリンドリカルレンズ１４と、回転多面鏡１５と、導光板１７とで構成される。
図８は、図７に示す光走査装置における光伝搬経路の走査方向の断面図である。
【００４３】
第３の実施形態に係る光走査装置は、上述した第１及び第２の実施形態に係る光走査装置の走査レンズ１６又は走査ミラー２６がない構成である。また、コリメータレンズ１２と、シリンドリカルレンズ１４は、走査方向に曲率を持つように配置される。また、第３の実施形態で用いられるレーザ光源１１は、マルチモードファイバ光源に限られない。
【００４４】
レーザ光源１１から出射されたレーザ光１３は、コリメータレンズ１２で走査方向に略平行に変換される。走査方向に略平行に変換されたレーザ光１３は、シリンドリカルレンズ１４によって走査方向に集光される。集光されたレーザ光１３は、回転多面鏡１５で反射されて、走査方向に拡がりながら導光板１７に側面から入射される。上述の通り、レーザ光が導光板側面に入っていれば、そのビーム径は問題にならない。そのため、図８のように、回転多面鏡１５で反射した後は、走査方向には全く集光していない。こうすることで、以下のような効果がある。
【００４５】
すなわち、回転多面鏡１５から反射したレーザ光の画角が広く（ビーム径が太く）なっているため、走査方向にビームを絞らずに導光板１７へ出射すれば、レーザ光の画角が広くなっている分だけ短い走査距離で導光板１７の一方端から他方端までレーザ光を入力できる。よって、装置の小型化に繋がる。また、レーザ光の画角が広くなることで、輝度の均一化に繋がる。こうすることで、画像上のスペックルの低減にも効果的である。これは、例えば導光板１７上のある一点を考えたときに、導光板１７の側面を照射する走査方向のビーム径が大きい方が、その一点の照明に寄与する走査画角の範囲が広くなるからである。このように、回転多面鏡１５上でレーザ光を集光することにより、小型化及び高画質化を同時に簡便に達成することが可能になる。
【００４６】
なお、コリメータレンズ１２及びシリンドリカルレンズ１４は、走査方向に曲率をもつように配置すればよいが、球面レンズを用いて厚み方向にも曲率を持たせて、第１及び第２の実施形態と同様に構成しても構わない。勿論、走査ミラー２６を設けてレーザ光を折り返すこともできる。
【００４７】
（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る光走査装置の構成図である。第４の実施形態に係る本光走査装置は、レーザ光源１１と、コリメータレンズ１２と、シリンドリカルレンズ１４と、回転多面鏡１５と、リニアフレネルレンズアレイ４６と、導光板１７とで構成される。シリンドリカルレンズ１４及びリニアフレネルレンズアレイ４６は、厚み方向にパワーを持つ。
【００４８】
第４の実施形態に係る光走査装置は、上述した第１の実施形態において２つのレンズで構成されていた走査レンズ１６を、１つのリニアフレネルレンズアレイ４６に代えたことが異なる。
【００４９】
回転多面鏡１５で反射されたレーザ光１３は、リニアフレネルレンズアレイ４６に向けて偏向走査される。偏向走査されたレーザ光１３は、リニアフレネルレンズアレイ４６を透過した後、導光板１７の側面に到達する。ここで、図９に示すように、リニアフレネルレンズアレイ４６上でのビーム１３ａ〜１３ｇは、走査中心から走査端に向かうに従って偏向方向に光が拡がっていく。これは、レーザ光１３が回転多面鏡１５上で厚み方向に線状に集光されたことにより、回転多面鏡１５で反射したビームは所定の発散角度にて発散するようになっており、さらに回転多面鏡１５からリニアフレネルレンズアレイ４６までの距離が、走査中央から走査端に向かうに従って長くなるためである。
【００５０】
通常、この状態で、走査方向に同一のパワーを持つ単一のリニアフレネルレンズを用いた場合、レンズ上でのビーム径が小さいほど感じるレンズのパワーは小さくなるため、走査中央のビーム１３ｄが感じるリニアフレネルレンズ４６ｄのパワーは相対的に小さく、走査端のビーム１３ａ及び１３ｇが感じるリニアフレネルレンズ４６ａ及び４６ｇのパワーは大きくなる。そのため、図１０のように走査中間部のビーム１３ｃ及び１３ｅが導光板１７上でピントが合うようにリニアフレネルレンズ１０９の位置又は曲率を設定した場合、走査中央のビーム１３ｄは導光板１７上で集光が不十分になるため、ビーム径が太くなってしまう。一方で走査中間部のビーム１３ｂ及び１３ｆや走査端のビーム１３ａ及び１３ｇは導光板１７より手前側でピントがあってしまうため、やはり導光板１７上でのビーム径が太くなってしまう（図１４Ａを参照）。
【００５１】
例えば、回転多面鏡１５からリニアフレネルレンズ１０９までの距離を１００ｍｍ、リニアフレネルレンズ１０９から導光板１７端面までの距離を１０２ｍｍ、リニアフレネルレンズ１０９の焦点距離を７０ｍｍ、導光板１７の端面長さ（走査長）を７００ｍｍとした場合、厚み方向の半値半角５．７度で回転多面鏡１５に入射したビームは、導光板１７端面の走査面上で、図１１に示すようなビーム径になる。すなわち、走査中央から１８０ｍｍ周辺のビームだけが、ビーム径（半値全幅）が３ｍｍ程度と良好に絞られていることが分かる。
【００５２】
一般に、導光板１７は数ミリ程度であり、図１０の光走査装置では、走査端部でビームが導光板１７に蹴られてしまうことになり、問題になる。さらに、第２の実施形態で述べたとおり、リニアフレネルレンズ１０９としては一般に線膨張係数の大きな樹脂が用いられるため、特にＷクラスのハイパワーレーザを用いる場合、レーザ光の吸収や周囲温度の変動による発熱で膨張、収縮が顕著に見られるようになる。そのため、リニアフレネルレンズのパワーが変わってしまい、導光板の側面でのビーム径がさらにずれてしまうことになる。
【００５３】
そこで、第４の実施形態では、図９に示す通り、リニアフレネルレンズアレイ４６を、パワーの違う複数のリニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇで分割する。リニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇのパワーは、各リニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇの中央を透過するビームが、各リニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇを透過する中で最も小さいビーム径になるように選択する（図１４Ｂを参照）。そうすることで、図１１Ｂに示す通り、走査全域においてビーム径は５ｍｍ以下に集光され、走査領域の全域で良好なビーム径に絞られる。また、リニアフレネルレンズの熱膨脹及び収縮の影響による厚み方向のビーム太さが変動することにおいても、その変動分をマージンとして見積もり、リニアフレネルレンズの分割数をふやすことで、導光板１７の厚み内に収めることができる。図１２の例では、リニアフレネルレンズ４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ、４６ｆ、及び４６ｇの焦点距離は、それぞれ１００、８４、７０、５４、７０、８４、及び１００ｍｍである。
【００５４】
一方で、図９の様に複数のリニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇを接合する場合、その繋ぎ目をビームが横切る際に、接合部でビームが散乱することが考えられる。本発明の様に、導光板１７に入射して散乱した後、導光板１７の表面から出射したビームが液晶パネル等の二次元空間変調素子を照射する場合、リニアフレネルレンズアレイ４６の繋ぎ目はほとんど目視されなくなる。しかしながら、接合枚数が多くなった場合等では、光利用効率の低下が起こることが考えられる。よって、光利用効率の低下を極力防ぐため、接合する複数のリニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇの形状はほぼ同形状であることが望ましい。すなわち、図１３に示す通り、厚み及び材質が同じリニアフレネルレンズを用いることにより、リニアフレネルレンズ４６ａ〜４６ｇの接合部での散乱による光利用効率の低下を最小限に抑えることが可能になる。
【００５５】
なお、リニアフレネルレンズアレイ４６は、厚み方向に加えて走査方向にも曲率を持たせてもよい。また、リニアフレネルレンズアレイ４６は、厚み及び材質だけではなく、図１３に示す通り、各フレネルレンズ４６ａ〜４６ｇそれぞれのピッチも同じにすると、リニアフレネルレンズの接合部での散乱による光利用効率の低下を最小限に抑えることが可能になる
さらに、リニアフレネルレンズアレイ４６を配置する代わりに、走査ミラー２６に集光機能を持たせても構わない。すなわち、走査ミラー２６を走査方向に分割し、それぞれの厚み方向のパワーを異ならせてリニアフレネルミラーアレイとして用いても構わない。これにより、さらに温度変動による膨張及び収縮に対して強い光学走査系を達成することもできる。
【００５６】
以上のように、本発明の第１〜第４の実施形態に係る光走査装置によれば、数十ミクロンオーダの精度が要求される像面ではなく、数ミリオーダの精度でよい射出瞳を導光板の側面に形成する構成であるため、サイズの大きい高輝度光源を用いて光走査装置を容易に実現できる。
【００５７】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る光走査装置を液晶パネルのバックライトとして用いる場合の構成例を示す図である。リニアフレネルレンズアレイ４６を透過したレーザ光は、折り返しミラー１０７で折り返された後、導光板１７に入射される。導光板１７に到達したレーザ光は、導光板１７内で伝搬しながら散乱し、導光板１７の表面から出射されて液晶パネル１０８を背面から照射する。
【００５８】
（第５の実施形態）
一般に、液晶パネルは、所定の偏光方向のビームを変調及び透過するため、液晶パネルに導光されるビームが単一偏光であると、効率の向上が望める。一方でハイパワーの光源を光走査する場合は、光ファイバで多数の半導体レーザをバンドルして単一の光源として持ち込むことが簡便である。しかしながら、単一偏光の半導体レーザからの出力であっても、光ファイバを通すとその偏光方向は混合されてランダム偏光になる。
【００５９】
ランダム偏光の偏光方向を揃わせるためには、ランダム偏光のレーザ光をＳ偏光とＰ偏光とに分離し、導光板を左右に分割して、Ｓ偏光用の光学系とＰ偏光用の光学系とで個別に左右の導光板を走査させる構成が考えられる（図１５）。
【００６０】
しかし、この構成の場合、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１２におけるＳ偏光１１３の透過率とＰ偏光１１４の透過率との差や、波長板１１５の透過ロスや、折り返しミラー１１７の反射ロスや、回転多面鏡１１８ａと１１８ｂとの反射率の異なり等により、導光板１１９に到達するレーザ光の光量に左右で差が生じてしまう。これは、画像上で輝度ムラとして視認されることになり問題である。
【００６１】
そこで、第５の実施形態では、１つの光学系だけで上記問題を解決することができる光走査装置について説明する。
図１６は、本発明の第５の実施形態に係る光走査装置の構成図である。第５の実施形態に係る本光走査装置は、ファイバ光源１１０と、ＰＢＳ１１２と、波長板１１５と、折り返しミラー１１７と、回転多面鏡１１８と、導光板１１９とで構成される。
【００６２】
ファイバ光源１１０は、偏光方向が揃っていないランダム偏光のレーザ光１１１を出力する。レーザ光１１１は、ＰＢＳ１１２を通してＳ偏光１１３とＰ偏光１１４とに分離される。Ｓ偏光１１３は、回転多面鏡１１８に出射され、回転多面鏡１１８で反射されて導光板１１９に入力される。Ｐ偏光１１４は、波長板１１５を通して偏光方向が９０°回転されてＳ偏光になった後、折り返しミラー１１７で反射されて回転多面鏡１１８に到達する。このＳ偏光は、回転多面鏡１１８で反射されて導光板１１９に入力される。勿論、Ｓ偏光１１３とＰ偏光１１４との経路を逆にしてもよい。
【００６３】
以上のように、本発明の第５の実施形態に係る光走査装置によれば、ランダム偏光のレーザ光１１１の偏光方向を揃えることで、導光板１１９で同一の偏光方向のビームを得ることが可能になる。特に、分離したＳ偏光１１３とＰ偏光１１４を単一の回転多面鏡１１８の同一面に入射して走査させることにより、左右の輝度ムラをなくせる。
【００６４】
なお、図１７に示すように、２つの折り返しミラー１１７ａ及び１１７ｂを用いて、回転多面鏡１１８上でＳ偏光１１３が到達する面と、Ｐ偏光１１４が到達する面とを異ならせてもよい。
【００６５】
また、回転多面鏡１１８への入射位置、入射角度、又はその両方をずらすことにより、各ビームの導光板１１９上での同一箇所の走査タイミングをずらすことが可能になる。よって、画像上のスペックルノイズも視認されにくくなるというメリットも出てくる。さらにこの時、入射角及び入射位置を適宜選ぶと、導光板上での走査範囲を同一範囲とすることも可能であり、光量ロスを最小限に抑えることが可能になる。
【００６６】
さらに、上記第５の実施形態では、偏向部として回転多面鏡１１８を用いた場合を説明したが、それ以外のガルバノミラーやＭＥＭＳミラー等を用いても構わない。その場合、図１７に示した同時に複数面での偏向はできないため、同一偏向面に対して、入射する２つのレーザ光の入射角度、入射位置、又はその両方を異ならせばよい。
【００６７】
（第６の実施形態）
図１８は、本発明の第６の実施形態に係る光走査装置の構成図である。第６の実施形態に係る本光走査装置は、光源ユニット１２１と、固定具１２０と、ファイバ光源１１０と、ＰＢＳ１１２と、波長板１１５と、折り返しミラー１１７及び１２３と、回転多面鏡１１８ａ及び１１８ｂと、導光板１１９とで構成される。
【００６８】
光源ユニット１２１から出射されたレーザ光は、固定具１２０で固定された光ファイバケーブル１２２を経由してファイバ光源１１０に入力される。ファイバ光源１１０は、偏光方向が揃っていないランダム偏光のレーザ光１１１を出力する。レーザ光１１１は、ＰＢＳ１１２を通してＳ偏光１１３とＰ偏光１１４とに分離される。Ｓ偏光１１３は、回転多面鏡１１８ａに出射され、回転多面鏡１１８ａで反射されて折り返しミラー１２３を介して導光板１１９に入力される。Ｐ偏光１１４は、波長板１１５を通して偏光方向が９０°回転されてＳ偏光になった後、折り返しミラー１１７で反射されて回転多面鏡１１８ｂに到達する。このＳ偏光は、回転多面鏡１１８ｂで反射されて折り返しミラー１２３を介して導光板１１９に入力される。勿論、Ｓ偏光１１３とＰ偏光１１４との経路を逆にしてもよい。
【００６９】
導光板１１９に入射されたレーザ光は、散乱して液晶パネルを背面から照明する。この構成において、回転多面鏡１１８ａにて偏向されたレーザ光と、回転多面鏡１１８ｂで偏向されたレーザ光は、導光板１１９の上側下側をそれぞれ別々に走査する。ただし、それぞれの光領域はオーバラップしていても構わない。上記第５の実施形態で述べたように、第６の実施形態の構成では、ＰＢＳ１１２におけるＳ偏光１１３の透過率とＰ偏光１１４の透過率との差や、波長板１１５の透過ロスや、折り返しミラー１１７の反射ロスや、回転多面鏡１１８ａと１１８ｂとの反射率の異なり等により、導光板１１９に到達するレーザ光の光量に左右で差が生じてしまう。
【００７０】
ところが、第６の実施形態の構成では、光ファイバケーブル１２２を固定具１２０で固定する、すなわち圧力を掛けてある方向に湾曲させることで、ファイバ光源１１０に入力されるレーザ光の偏光をアンバランスに変えることができる。シングルモードファイバの偏波保持は、この原理を用いたものである。すなわち、図１８において導光板１１９に到達する光量が左右でばらついている時、光ファイバケーブル１２２を所定の方向に湾曲させて固定することで、光量が不足していた方向の偏光成分の割合を増大させることができる。この結果、導光板１１９に到達するレーザ光の光量を左右で一致するように調整することが可能になる。
【００７１】
以上のように、本発明の第６の実施形態に係る光走査装置によれば、光ファイバケーブル１２２を固定具１２０で固定することで、導光板１１９に到達するレーザ光の光量を左右で一致するように調整することができる。
【００７２】
なお、光ファイバケーブルが光走査装置の装置外にある場合、ファイバを固定することはできない。その場合、図１９に示す様に、光ファイバケーブルを補強具付き光ファイバケーブル１２４にすることで、動きにくくしておけばよい。
【００７３】
また、上記第６の実施形態では、偏向部として回転多面鏡１１８ａ及び１１８ｂを用いた場合を説明したが、それ以外のガルバノミラーやＭＥＭＳミラー等を用いても構わない。さらに、折り返しミラー１１７にパワーを持たせて導光板１１９の側面を集光走査させても構わない。
【００７４】
なお、上記第１〜第６の実施形態に係る光走査装置に用いる偏向部として、レンズを用いることも可能である。図２０は、偏向部にレンズを用いた光走査装置の構成例を示す図である。図２０において、レーザ光源１１から出射されたレーザ光は、正又は負のパワーを持ったレンズ７５に入射される。レンズ７５は、汎用の球面レンズや走査方向にパワーを持つシリンドリカルレンズ等である。このレンズ７５を走査方向に振動させると、レンズ曲面にてレーザ光が屈折しレーザ光の進行方向が変わる。これにより、レーザ光を走査することが可能になる。レンズ７５を透過したレーザ光は、走査レンズ７６を介して導光板１７の厚み方向に集光される。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の光走査装置は、液晶表示装置等の二次元画像表示装置に用いることが可能であり、特に高輝度光源を用いて安定かつ均一な線状光走査を実現したい場合等に有用である。
【符号の説明】
【００７６】
１１  レーザ光源（マルチモードファイバ光源）
１２  コリメータレンズ
１３、１３ａ〜１３ｇ、１１１、１１３、１１４、１１６  レーザ光
１４、７５  シリンドリカルレンズ
１５、１１８、１１８ａ、１１８ｂ  回転多面鏡
１６、１６ａ、１６ｂ、７６  走査レンズ
１７、１１９  導光板
１８、１９  主光線
２０  活性層
２１  クラッド層
２２  光ガイド層
２６、２６ａ、２６ｂ  走査ミラー
４６  リニアフレネルレンズアレイ
４６ａ〜４６ｇ、１０９  リニアフレネルレンズ
１０７、１１７、１１７ａ、１１７ｂ、１２３  折り返しミラー
１０８  液晶パネル
１１０  ファイバ光源
１１２  偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１１５  波長板
１２０  固定具
１２１  光源ユニット
１２２  光ファイバケーブル
１２４  補強具付き光ファイバケーブル
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する少なくとも１つのレーザ光源と、
前記少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光を偏向走査する偏向部と、
前記偏向部によって偏向走査された前記レーザ光が側面に照射される導光板とを備え、
前記少なくとも１つのレーザ光源は、マルチモードファイバ光源、又はストライプ構造の垂直方向が走査方向と平行に配置されたブロードストライプ型半導体レーザ光源を含み、
前記導光板の側面上の少なくとも１箇所に、走査方向と垂直な厚み方向の射出瞳が形成される、光走査装置。
【請求項２】
前記偏向部は、回転多面鏡であり、
前記レーザ光源の厚み方向端部から出射されたレーザ光の主光線が、前記回転多面鏡の各鏡面上の少なくとも１点において、レンズ軸と交差している、請求項１に記載の走査装置。
【請求項３】
前記偏向部と前記導光板との間に配置されたパワーを持つミラーをさらに備える、請求項１に記載の走査装置。
【請求項４】
前記導光板の側面上の少なくとも１箇所に前記射出瞳を形成するための、前記偏向部によって偏向走査された前記レーザ光を厚み方向に集光する厚み方向集光部をさらに備え、
前記厚み方向集光部は、少なくとも厚み方向に異なるパワーを持つ複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーが走査方向に配列されて構成される、請求項１に記載の走査装置。
【請求項５】
前記複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーは、走査中央部から走査端部に向かって厚み方向の焦点距離が長くなるように設定される、請求項４に記載の光走査装置。
【請求項６】
前記複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーは、同一のフレネルレンズ又は同一のフレネルミラーが走査中央部から左右対称に配列されて構成される、請求項４に記載の光走査装置。
【請求項７】
前記複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーの厚みは同じである、請求項４に記載の光走査装置。
【請求項８】
前記複数のフレネルレンズ又は複数のフレネルミラーの材質は同じである、請求項４に記載の光走査装置。
【請求項９】
前記複数のフレネルレンズはリニアフレネルレンズであり、リニアフレネルレンズの厚み方向のピッチは同じである、請求項４に記載の光走査装置。
【請求項１０】
前記複数のフレネルミラーはリニアフレネルミラーであり、リニアフレネルミラーの厚み方向のピッチは同じである、請求項４に記載の光走査装置。
【請求項１１】
レーザ光を出射する少なくとも１つのレーザ光源と、
前記少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光を偏向走査する偏向部と、
前記偏向部によって偏向走査された前記レーザ光が側面に照射される導光板とを備え、
前記少なくとも１つのレーザ光源から出射されたレーザ光は、前記偏向部上で走査方向に集光される、光走査装置。
【請求項１２】
光強度を二次元的に変調する空間変調素子と、
前記空間変調素子を照明する請求項１に記載の光走査装置とを備える、二次元画像表示装置。
【請求項１３】
光強度を二次元的に変調する空間変調素子と、
前記空間変調素子を照明する請求項１１に記載の光走査装置とを備える、二次元画像表示装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008108068.tif 000025
【図２】
2008108068.tif 000026
【図３】
2008108068.tif 000027
【図４】
2008108068.tif 000028
【図５】
2008108068.tif 000029
【図６】
2008108068.tif 000030
【図７】
2008108068.tif 000031
【図８】
2008108068.tif 000032
【図９】
2008108068.tif 000033
【図１０】
2008108068.tif 000034
【図１１Ａ】
2008108068.tif 000035
【図１１Ｂ】
2008108068.tif 000036
【図１２】
2008108068.tif 000037
【図１３】
2008108068.tif 000038
【図１４Ａ】
2008108068.tif 000039
【図１４Ｂ】
2008108068.tif 000040
【図１５】
2008108068.tif 000041
【図１６】
2008108068.tif 000042
【図１７】
2008108068.tif 000043
【図１８】
2008108068.tif 000044
【図１９】
2008108068.tif 000045
【図２０】
2008108068.tif 000046
【国際調査報告】
2008108068.tif 000047
2008108068.tif 000048
2008108068.tif 000049
2008108068.tif 000050