(57)【要約】  フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタである。像を規定する二次元パターンを形成する透過型の空間光変調器（２０）と、空間光変調器（２０）をレーザ光（３０）で照射するレーザ光源（１０）とを備える。空間光変調器（２０）は、二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビーム（３００）の束をレーザ光（３０）から生成する。
2017145400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する透過型空間光変調器と、
前記空間光変調器をレーザ光で照射するレーザ光源と、
を備え、
前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成する、プロジェクタ。
【請求項２】
前記空間光変調器によって生成された前記複数の光ビームを前記物体に入射させ、前記物体上における個々の光ビームの照射点を画素とする像を前記物体上に形成する、請求項１に記載のプロジェクタ。
【請求項３】
前記空間光変調器は、前記複数の光ビームをそれぞれ通過させる複数の開口を有しており、開口ごとに１本の光ビームを出射する、請求項１または２に記載のプロジェクタ。
【請求項４】
前記空間光変調器は、駆動信号に応答して各開口の光透過率を変化させる、請求項３に記載のプロジェクタ。
【請求項５】
前記レーザ光源から出た前記レーザ光は、光軸に垂直な断面を拡大しながら前記空間光変調器に入射し、
前記空間光変調器の各開口から出射される光ビームの出射角度は、前記二次元パターンによらず開口ごとに一定である、請求項３または４に記載のプロジェクタ。
【請求項６】
前記空間光変調器は、前記複数の光ビームを出射する側のみに偏光フィルムを備えており、
前記偏光フィルムの偏光透過軸は、前記空間光変調素子に入射するときの前記レーザ光の偏光方向に対して直交している、請求項１から５のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項７】
前記レーザ光源は、第１の波長域で発振する第１のレーザ素子および第２の波長域で発振する第２のレーザ素子を含む複数のレーザ素子を有しており、前記レーザ光の波長域は、前記第１の波長域および前記第２の波長域を含み、
前記空間光変調器は、位置に応じて異なる波長域の光を選択的に透過するカラーフィルタアレイを有している、請求項１から６のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項８】
前記レーザ光源は、第１の波長域で発振する第１のレーザ素子および第２の波長域で発振する第２のレーザ素子を含む複数のレーザ素子を有しており、
前記レーザ光源は、前記空間光変調器を異なる波長域のレーザ光で、順次、照射する、請求項１から６のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項９】
前記複数のレーザ素子は、第３の波長域で発振する第３のレーザ素子を含む、請求項７または８に記載のプロジェクタ。
【請求項１０】
前記物体と前記空間光変調器との間に配置された投影倍率調整レンズを備える、請求項１から９のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項１１】
前記物体と前記空間光変調器との間に配置されたマイクロレンズアレイを備える、請求項１から１０のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項１２】
前記空間光変調器と前記レーザ光源の間に配置されたビーム成形レンズを備える、請求項１から１１のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項１３】
前記レーザ光源は、前記レーザ光を放射する半導体レーザ素子を有し、前記半導体レーザ素子は、前記レーザ光を出射する発光領域を含む端面を持つ半導体積層構造を有し、前記発光領域は、前記半導体積層構造の積層方向に平行な速軸方向のサイズおよび前記積層方向に垂直な遅軸方向のサイズを有しており、
前記半導体レーザ素子から出た前記レーザ光は、光軸に垂直な断面において、前記速軸方向におけるサイズが前記遅軸方向におけるサイズよりも大きな形状を有しており、前記形状を有する前記レーザ光で前記空間光変調器を照射する、請求項１から１２のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項１４】
前記空間光変調器上における前記レーザ光の照射領域は、第１の方向における第１のサイズと、前記第１の方向に垂直な第２の方向における第２のサイズを有し、前記第１のサイズは前記第２のサイズよりも大きく、
前記半導体レーザ素子の前記速軸方向は、前記照射領域の前記第１の方向に一致している、請求項１３に記載のプロジェクタ。
【請求項１５】
フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する複数の透過型空間光変調器と、
前記複数の空間光変調器をそれぞれ異なる波長域のレーザ光で照射する複数のレーザ光源と、
を備え、
前記複数の空間光変調器のそれぞれは、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成する、プロジェクタ。
【請求項１６】
フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを光変調領域に形成する空間光変調器と、
前記空間光変調器の前記光変調領域をレーザ光で照射する１個または複数個の半導体レーザ素子と、
を備え、
前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成し、
前記１個または複数個の半導体レーザ素子の全ては、半導体積層方向が前記空間光変調器の前記光変調領域の最小寸法方向に直交するように配置されている、プロジェクタ。
【請求項１７】
前記半導体レーザ素子から放射された前記レーザ光は、光軸に垂直な断面を拡大しながら前記空間光変調器の前記光変調領域に入射する、請求項１６に記載のプロジェクタ。
【請求項１８】
前記空間光変調器は、前記複数の光ビームを出射する側に偏光フィルムを備えており、
前記偏光フィルムの偏光透過軸は、前記光変調領域の最小寸法方向に対して直交している、請求項１６または１７に記載のプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、物体に像を投影するプロジェクタに関する。特に、像が投影される物体までの距離に応じてフォーカス調整を行う必要がないフォーカスフリーのプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のプロジェクタは、静止画像または動画像をスクリーンなどの平坦な表示面上に投影して表示する装置である。投影される画像（一次画像）は、例えば、スライド（ポジ型フィルム）上の静止画像または液晶パネル上の静止画像もしくは動画像である。スライドまたは液晶パネルは、画像を規定する二次元的パターンを形成する表示媒体であり、例えば高輝度放電ランプまたはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）光源によって照らされて二次元パターン(輝度分布)を形成する。一次画像は、投射レンズ光学系により、表示面であるスクリーン上に拡大して投影されて結像する。このようなプロジェクタの典型例は、データプロジェクタ、ビデオプロジェクタ、ゲームプロジェクタ、フロントプロジェクションＴＶセット、リアプロジェクションＴＶセットなどを含む。【０００３】
従来のプロジェクタでは、スクリーンまでの距離（投射距離）を変えたり、表示の倍率を変えたりするたびに、投射レンズ光学系の焦点距離を調整しなければ、スクリーン上にフォーカスのあった像を形成することができなかった。この点については、後に図７を参照しながら説明する。【０００４】
これに対して、細くコリメートされたレーザビームでスクリーン上を高速に走査するフォーカスフリーのプロジェクタが提案されている（例えば特許文献１）。このようなプロジェクタでは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーを用いてレーザビームのラスタスキャンを行いながら、輝度信号に応じてレーザビームの強度を変調して像が形成される。スクリーン上におけるレーザビームの照射スポットのサイズは投射距離にほとんど依存しないため、焦点合わせを行うことなく鮮明な画像が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２２１０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のプロジェクタでは、細くコリメートされた光強度（パワー密度）の高い１本または数本のレーザビームをレーザ光源から出射するため、レーザビームが誤って観視者の目に入った場合には、網膜損傷などの問題が生じる畏れがある。このため、プロジェクタとスクリーンとの間の空間に人間が入れないように規制するか、万一レーザ光が目に入った場合でも悪影響が出ない程度にまでレーザビームの強度を低下させる必要がある。このことは、プロジェクタシステムの設計自由度を低下させ、明るい表示画像の実現を妨げる。【０００７】
本開示の実施形態は、フォーカスフリーで動作する全く新しい構成のプロジェクタを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のプロジェクタは、例示的な一態様において、フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、前記像を規定する二次元パターンを形成する透過型空間光変調器と、前記空間光変調器をレーザ光で照射するレーザ光源とを備え、前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成する。【０００９】
本発明のプロジェクタは、他の態様において、フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、前記像を規定する二次元パターンを形成する複数の透過型空間光変調器と、前記複数の空間光変調器をそれぞれ異なる波長域のレーザ光で照射する複数のレーザ光源とを備え、前記複数の空間光変調器のそれぞれは、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成する。【００１０】
本発明のプロジェクタは、更に他の態様において、フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、前記像を規定する二次元パターンを光変調領域に形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の前記光変調領域をレーザ光で照射する１個または複数個の半導体レーザ素子とを備え、前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成し、前記１個または複数個の半導体レーザ素子の全ては、半導体積層方向が前記空間光変調器の前記光変調領域の最小寸法方向に直交するように配置されている。
【発明の効果】
【００１１】
本開示の実施形態によると、透過型の空間光変調器から出射された複数の光ビームの束を物体に入射させ、物体上における個々の光ビームの照射点を画素とする像を物体に形成する。レーザ光から形成された個々の光ビームは高い指向性を持つため、物体までの距離に依存せず、物体に鮮明な像を投影することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本開示のプロジェクタの限定的ではない例示的な構成例を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本開示のプロジェクタに使用され得る空間光変調器２０の構成例を模式的に示す正面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、ある二次元パターンを形成している空間光変調器２０の２個の開口（画素領域）２２から出射された光ビーム３００ａ、３００ｂを模式的に示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、他の二次元パターンを形成している空間光変調器２０の４個の開口（画素領域）２２から出射された光ビーム３００ａ、３００ｂ、３００ｃ、３００ｄを模式的に示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、空間光変調器２０に対して斜めにレーザ光３０が入射する例を示す断面図である。
【図４】図４は、空間光変調器２０の開口（画素領域）２２から出射される光ビーム３００ａ、３００ｂが、回折によって拡がる例を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、各開口（画素領域）２２の出射側にマイクロレンズを配置したマイクロレンズアレイ付き空間光変調器２０を示す断面図である。
【図６】図６は、レーザ光源１０から出たレーザ光３０を平行光にコリメートすることなく、空間光変調器２０に入射する構成の例を示す図である。
【図７】図７は、投射レンズ光学系を用いる従来のプロジェクタの構成例を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本開示によるプロジェクタ１００を用いてスクリーン２００にテキストデータを投影して表示している例を模式的に示す斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、プロジェクタ１００から出た光ビームの一部を他のスクリーン２００ａで遮断した状態を示す斜視図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、スクリーン２００が傾斜している状態を模式的に示す斜視図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、平坦ではなく、途中で折れているスクリーン２００上に像を表示する例を示す斜視図である。
【図９】図９は、本開示の実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を模式的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、本開示の実施形態における空間光変調器２０の構成例を模式的に示す断面図である。
【図１１】図１１は、本開示の他の実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を示す断面図である。
【図１２】図１２は、本開示の更に他の実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を示す断面図である。
【図１３】図１３は、本開示の更に他の実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を示す断面図である。
【図１４】図１４は、本開示の更に他の実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を示す断面図である。
【図１５】図１５は、本開示の更に他の実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を示す断面図である。
【図１６】図１６は、本開示の更に他の実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を示す断面図である。
【図１７】図１７は、本開示の更に他の実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を示す断面図である。
【図１８Ａ】図１８Ａはフィールドシーケンシャル方式でカラー画像を投影するプロジェクタ１００の動作を示す図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂはフィールドシーケンシャル方式でカラー画像を投影するプロジェクタ１００の動作を示す他の図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃはフィールドシーケンシャル方式でカラー画像を投影するプロジェクタ１００の動作を示す更に他の図である。
【図１９】図１９は、フィールドシーケンシャル方式で動作するプロジェクタ１００におけるレーザ光源１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの点灯状態の時間変化を示す図である。
【図２０】図２０は、本開示による３板式のプロジェクタ１００の構成例を示す図である。
【図２１】図２１は、ある典型的な半導体レーザ素子の基本構成を模式的に示す斜視図である。
【図２２Ａ】図２２Ａは、半導体レーザ素子１０Ｄの発光領域１２４から出たレーザ光３０の拡がり方（ダイバージェンス）を模式的に示す斜視図である。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、レーザ光３０の拡がり方を模式的に示す側面図である。図の右側には、参考のため、半導体レーザ素子１０Ｄをｚ軸の正方向から視た正面図も記載されている。
【図２２Ｃ】図２２Ｃは、レーザ光３０の拡がり方を模式的に示す上面図である。
【図２２Ｄ】図２２Ｄは、レーザ光３０のｙ軸（速軸）方向における拡がりを示すグラフである。
【図２２Ｅ】図２２Ｅは、レーザ光３０のｘ軸（遅軸）方向における拡がりを示すグラフである。
【図２３】図２３は、レーザ光３０の断面のｙ軸方向サイズＦｙおよびｘ軸方向サイズＦｘと、発光領域１２４からの距離（ｚ軸方向の位置）との関係の例を示すグラフである。
【図２４】図２４は、半導体レーザ素子１０Ｄを用いて、図１５のプロジェクタ１００を実現するための構成例を示す斜視図である。
【図２５】図２５は、図１５のプロジェクタ１００を実現するための他の構成例を示す斜視図である。
【図２６】図２６は、表面に段差を有するワーク２００ｂに像を投影する露光装置の構成の例を示す図である。
【図２７】図２７は、イメージセンサなどの受光素子２００ｃの受光面に光ビーム３００の束を入射する構成の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜用語＞
「物体」とは、スクリーン、壁、ガラス、デスクトップ、建物、道路、車両、身体の一部（例えば腕、手のひら、背中など）または全身、水滴または粉末粒子の集まり、流動体、半透明体、感光性樹脂、イメージセンサ（受光素子）などを広く含む。
【００１４】
「像」とは、文字、記号、画像に限定されず、意味を持たないランダムなパターン、二次元バーコードのように符号化されたパターン、回路配線のパターンなどを含む。
【００１５】
「投影」は拡大のみならず、縮小も含む。
【００１６】
「レーザ光」は、シングルモード発振によって生じたレーザ光に限定されず、マルチモード発振で生じたレーザ光、波長の異なるレーザ光を多重化した光を含む。レーザ光は、可視光に限定されず、赤外、紫外の光波（電磁波）であってもよい。
【００１７】
「空間光変調器」は、光の強度（電磁波の振幅）を空間的に変調するデバイスであり、位相のみを空間的に変調するデバイスを含まない。空間光変調器の典型例は、画素単位で光透過率を変化させることのできる液晶パネル（透過型液晶表示装置）である。空間光変調器は、形成する二次元パターンが時間的に変化しないスライド（ポジ型フィルムまたは反転フィルム）、プレパラート上の試料、ＯＨＰシート、影絵用の切り絵であってもよい。このような表示媒体は、適宜、他の表示媒体と交換することにより、二次元パターンを変更することができる。空間光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）は、単に「ＳＬＭ」と表記される場合がある。
【００１８】
＜原理＞
本開示のプロジェクタの実施形態を具体的に説明する前に、このプロジェクタの基本構成例と動作の原理を説明する。
【００１９】
図１は、本開示におけるプロジェクタ１００の例示的な基本構成の例を示す断面図である。図には、プロジェクタ１００の向きに関連付けられた座標軸（Ｙ軸およびＺ軸）が示されている。図１には示されていないが、Ｙ軸およびＺ軸の両方に直交する方向にＸ軸が存在し、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸からＸＹＺ座標が形成されている。他の図面にも、必要に応じて座標軸が記載される。
【００２０】
このプロジェクタ１００は、スクリーン２００などの物体に像を投影するプロジェクタであって、像を規定する二次元パターンを形成する透過型の空間光変調器２０と、空間光変調器２０をレーザ光３０で照射するレーザ光源１０とを備えている。図１では、簡単のため、レーザ光３０の光軸がＺ軸に平行な構成が記載されている。レーザ光３０の光軸の向きは、光路に置かれた不図示のミラーによって途中で変化していてもよい。
【００２１】
この例において、レーザ光源１０から放射されたレーザ光３０は、ビーム成形レンズ４０によって成形される。この例におけるビーム成形レンズ４０は、凹レンズ４０ａおよび凸レンズ４０ｂを含んでいる。レーザ光３０の光軸に垂直な断面のサイズ（直径）は、凹レンズ４０ａによって拡大され、凸レンズ４０ｂによって平行光にコリメートされている。ビーム成形レンズ４０を透過したレーザ光３０は、空間光変調器２０の背面側を照射する。レーザ光３０は、空間光変調器２０が有する複数の開口２２を透過して光ビーム３００の束（ｂｕｎｄｌｅ）として出射される。複数の光ビーム３００の強度は、それぞれ、空間光変調器２０の開口２２を透過するときに変調される。
【００２２】
図２は、本開示のプロジェクタ１００に使用され得る空間光変調器２０における開口２２の配置例を模式的に示す正面図である。空間光変調器２０は、ＸＹ面に沿った二次元空間強度分布を持つ複数の光ビーム３００の束をレーザ光３０から生成する（図１参照）。具体的には、複数の光ビーム３００をそれぞれ通過させる開口２２のアレイが形成されており、開口２２ごとに１本の光ビーム３００を出射する。なお、開口２２以外の領域は、必ずしも１層の連続した遮光層で覆われている必要はない。例えばＸ軸方向に延びる複数の配線と、Ｙ軸方向に延びる複数の配線とが交差し、Ｚ軸方向から視たとき、光を透過させる領域が複数の部分に区画されていれば、各部分が「開口」として機能する。
【００２３】
図２に記載されている開口２２の配列は、一例にすぎず、配列のパターンは図２の例に限定されない。各開口２２が三角形の頂点に配置されるデルタ配列を採用してもよい。個々の開口２２の形状は長方形に限定されず、正方形、六角形、その他の多角形、もしくは、円形、楕円形、または、他の複雑な形状であってもよい。開口２２の配列は、周期的である必要はなく、不規則であってもよい。
【００２４】
図２の配置例において、１個の開口２２のＸ軸方向におけるサイズをｄｘ、Ｙ軸方向におけるサイズをｄｙとするとき、ｄｘおよびｄｙは、それぞれ、例えば１μｍから１００μｍ程度の範囲に設定され得る。また、開口２２の配列のＸ軸方向における中心間距離をＰｘ、Ｙ軸方向における中心間距離をＰｙとするとき、ＰｘおよびＰｙは、それぞれ、ｄｘおよびｄｙの例えば１．１倍から２倍程度の大きさに設定され得る。
【００２５】
図２の例では、横×縦＝１５×５個の開口２２が図示されているが、これは例示にすぎず、１つの空間光変調器２０が有する開口２２の個数は、例えば横１０２４×縦７６８個であり得る。開口２２の個数は、この例よりも多くてもよいし、少なくてもよく、投影画像に求められる画素数に合わせて任意の値に設定される。
【００２６】
この例における空間光変調器２０では、各開口２２の光透過率が駆動信号（映像信号）に応答してアナログ的に変化することができ、それによって個々の光ビーム３００の強度が調整される。例えば開口２２ａ、２２ｂ、２２ｃの透過率が、それぞれ、１００％、６０％、０％に設定されているとする。このとき、開口２２ａから出た光ビーム３００の強度（電界振幅の二乗）を１００（任意単位）とすると、開口２２ｂから出た光ビーム３００の強度（電界振幅の二乗）は６０である。また、開口２２ｃからは光ビーム３００は出射されない。このようにして、空間光変調器２０の空間透過率分布を調整することにより、多数の開口２２からそれぞれ出射される光ビーム３００が作る束の空間強度分布を制御することができる。このような機能を有する空間光変調器２０の典型例は、透過型の液晶パネルである。透過型の液晶パネルによって空間光変調器２０を実現する場合、液晶パネルが有する複数の画素領域がそれぞれ複数の開口２２として機能し得る。液晶パネルの構成例および動作は後述する。
【００２７】
本開示における空間光変調器２０は、入射したレーザ光３０の「位相」ではなく「振幅（強度）」を画素単位で変調する空間光振幅変調器である。空間光変調器２０の各開口２２から出射される光ビーム３００の出射角度は、形成する二次元パターン（透過率の面内分布）によらず、開口２２ごとに一定である。
【００２８】
図１に示すように、空間光変調器２０から出た多数の光ビーム３００の束は、スクリーン２００に入射し、スクリーン２００上に照射点（光ビームスポット）の配列を形成する。その結果、スクリーン２００上における個々の光ビーム３００の照射点を画素とする像がスクリーン２００上に形成される。このような光ビーム３００の照射点の配列は、空間光変調器２０上の二次元パターンに応じた投影画像を構成する。空間光変調器２０から出射される複数の光ビーム３００は、空間コヒーレンスの高いレーザ光３０から形成されているため、個々の光ビーム３００は高い指向性を持つ。このため、空間光変調器２０からスクリーン２００までの距離が変化し、例えば破線で示される位置にスクリーン２００が移動しても、投影画像に「デフォーカスによるぼやけ（ｂｌｕｒ）」は生じず、鮮明さは変化しない。
【００２９】
このように本開示のプロジェクタは、フォーカスフリーで動作し、任意の投射距離で「デフォーカスによるぼやけ」のない鮮明な画像を形成することができる。
【００３０】
図３Ａは、ある二次元パターンを形成している空間光変調器２０に入射するレーザ光３０と、空間光変調器２０の２個の開口２２から出射された光ビーム３００ａ、３００ｂを模式的に示す断面図である。光ビーム３００を出射していない開口２２は、透過率が０％に設定されている。レーザ光３０は、コヒーレンスの高い光波であり、図示されている例では、単色（単一波長）の平面波である。
【００３１】
図３Ｂは、他の二次元パターンを形成している空間光変調器２０に入射するレーザ光３０と、空間光変調器２０の４個の開口２２から出射された光ビーム３００ａ、３００ｂ、３００ｃ、３００ｄを模式的に示す断面図である。光ビーム３００を出射していない開口２２は、透過率が０％に設定されている。
【００３２】
図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、空間光変調器２０から出た光ビーム３００の束は、空間光変調器２０が形成する二次元パターンに応じた空間強度分布を持つ。光ビーム３００の束の一部または全部を遮るように物体を配置すると、その物体に入射した光ビーム３００が物体表面に明るい光ビームスポットを形成する。これらの光ビームスポット（輝点）の配列が画素の配列として投影画像を形成するため、結像のための投射レンズ光学系は必要ない。空間光変調器２０から出た光ビーム３００の束は、ニードルビームのアレイと呼んでも良い。
【００３３】
図３Ｃは、空間光変調器２０に対して斜めにレーザ光３０が入射する例を示す断面図である。図示されている例では、光ビーム３００ａ、３００ｂが斜めに出射されている。このように、レーザ光３０は空間光変調器２０に対して垂直ではなく斜めに入射されてもよい。また、レーザ光３０は平面波である必要はなく、波面の曲率半径が開口２２のサイズに比べて十分に大きければ、球面波であってもよい。また、レーザ光３０の波長は１つに限定されず、異なる波長のレーザ光３０が同一の空間光変調器２０に同時または順次に入射するように構成されていてもよい。像の投影が、人間による観察を目的としない場合は、レーザ光３０の波長は可視光域から外れていてもよい。
【００３４】
図４は、空間光変調器２０の開口２２から出射された光ビーム３００ａ、３００ｂが、開口２２の回折効果によって拡がる例を示している。光ビーム３００の回折は、原則として、個々の開口２２の形状およびサイズ、ならびにレーザ光３０の波長λによって規定される。一般には、開口２２のサイズが小さくなるほど、回折は強くなり、光ビーム３００は広がりやすくなる。光ビーム３００の拡がりは、光ビーム３００の光軸（Ｚ軸）に直交する断面サイズがＺ座標の増加に応じてどの程度で増加するかによって定義され得る。空間光変調器２０の光出射側面からの距離をＲｚ、距離Ｒｚにおける光ビーム３００の断面の直径をＤ（Ｒｚ）とするとき、近似的に、Ｄ（Ｒｚ）＝２θ×Ｒｚの関係が成立する。距離Ｒｚの位置にスクリーンがあるとき、スクリーン上における光ビームスポット（画素）のサイズは、Ｄ（Ｒｚ）に等しい。
【００３５】
このような回折による光ビーム３００の拡大は、開口２２のサイズがレーザ光３０の波長λに比べて十分に大きく、投射距離が短い場合は、無視できる。しかし、開口２２のサイズが小さく、投射距離が長い場合には、個々の光ビーム３００の拡がりを抑制するため、例えば図５に示すように、開口２２の出射側にマイクロレンズアレイ２９を配置することが好ましい。マイクロレンズアレイ２９を構成するマイクロレンズは、それぞれ、開口２２から出射させる光ビーム３００の回折による拡がりを相殺するように光ビーム３００の波面を調整し、コリメートすることができる。マイクロレンズアレイ２９による光ビーム３００の拡がり制御は、透過型の空間光変調器２０を採用したことにより初めて実現可能になる。
【００３６】
開口２２による回折を原因とする光ビーム３００の拡がりを抑制する構成は、マイクロレンズアレイ２９に限定されない。液晶パネルを空間光変調器２０として用いる場合、各画素電極の周辺に形成される電界分布を調整して液晶層の屈折率分布を適切に制御すれば、レンズの効果を付与して回折の効果を相殺することも可能である。
【００３７】
回折は、多数の開口２２が周期的に配列されることによっても生じ得る。このような「マルチスリット」による回折は、個々の開口２２の「単スリット」による回折に畳み込まれる結果、各開口２２の中央に細く絞られた光ビームを生じさせ得る。その場合、マイクロレンズアレイ２９を省略しても充分に細い光ビーム３００を長距離にわたって実現できる。
【００３８】
図６は、レーザ光源１０から出たレーザ光３０を平行光にコリメートすることなく、空間光変調器２０に入射する構成例を示している。この例では、レーザ光源１０から出たレーザ光３０は、光軸に垂直な断面を拡大しながら空間光変調器２０に入射する。言い換えると、球面波のように波面が曲面形状を持つレーザ光３０が空間光変調器２０に入射する。しかし、波面の曲率半径に比べて開口２２のサイズが十分に小さいため、個々の開口２２には、近似的には平面波が所定の角度で入射したとして取り扱うことができる。このようなレーザ光３０から形成される複数の光ビーム３００は、平行ではなく、開口２２の位置に応じた出射角度を示す。このため、空間光変調器２０とスクリーン２００との間にレンズなどの光学素子を介在させない場合は、空間光変調器２０からスクリーン２００までの距離が変わると、スクリーン２００上に形成される像の大きさも変化する。図６の例では、空間光変調器２０からスクリーン２００までの距離が長くなるほど、スクリーン２００上に形成される像が大きくなる。「像の大きさ」は、スクリーン２００上における光ビームスポットの間隔（中心間距離）に比例する。像が大きくなっても、像を構成する光ビームスポット（画素）の個数は変化しない。この場合においても、焦点合わせは不要であり、任意の位置に置かれたスクリーン２００上に「デフォーカスによるぼやけ」のない像が形成される。
【００３９】
ここで、図７を参照して、投射レンズ光学系を用いる従来のプロジェクタによる結像の例を説明する。図７のプロジェクタは、白色光を発するキセノンランプなどのインコヒーレント光源１８と、液晶パネル２５０と、投射レンズ光学系５５０とを備えている。一次画像を表示する液晶パネル２５０の表面（物面）から投射レンズ光学系５５０までの距離をａ、投射レンズ光学系５５０からスクリーン２００までの距離（投射距離）をｂ、投射レンズ光学系５５０の焦点距離をｆとするとき、１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆの関係が成立する必要がある。投影倍率Ｍは、Ｍ＝ｂ／ａの式で決まる。このようなプロジェクタでは、投射距離ｂが変わったり、投影倍率Ｍを変えたりするたびに、投射レンズ光学系５５０の焦点距離ｆを調整しなければ、スクリーン２００上にフォーカスのあった像を形成することができない。実線で示される位置にあるスクリーン２００上でフォーカスがあっている場合において、スクリーン２００を破線の位置に移動させると、その位置でのスクリーン２００上では「デフォーカスによるぼやけ」が生じることになる。
【００４０】
これに対して、本開示によるプロジェクタ１００では、一次画像（物面）の各点からさまざまな角度で放射された光線をスクリーン２００上の対応点に集束させることなく像を形成するため、「デフォーカスによるぼやけ」が生じない。
【００４１】
図８Ａは、本開示によるプロジェクタ１００を用いてスクリーン２００にテキストデータを投影して表示している例を模式的に示す斜視図である。図８Ｂは、プロジェクタ１００から出た光ビーム束の一部を他のスクリーン２００ａで遮断した状態を示す斜視図である。図８Ｂからわかるように、プロジェクタ１００からの距離が異なる位置に置かれた２つのスクリーン２００、２００ａの両方で焦点外れのない像が形成される。
【００４２】
図８Ｃは、スクリーン２００が傾斜している状態を模式的に示す。この状態では、プロジェクタ１００からスクリーン２００までの距離がスクリーン２００の位置に応じて大きく異なる。このような場合でも、スクリーン２００のどの位置においても、焦点外れのない像が形成される。
【００４３】
図８Ｄは、平坦ではなく、途中で折れているスクリーン２００上に像を表示する例を示す斜視図である。このようなスクリーン２００の典型例は、部屋の隅で直交する壁面部分である。一般に、壁面は必ずしも平坦ではないが、凹凸、段差、または曲面が存在する物体表面をスクリーン２００として用いても、そのような物体表面のどの位置においても焦点外れのない像が形成される。
【００４４】
なお、現実には、スクリーン２００に表示される文字は、プロジェクタ１００からの距離が長くなるほど、大きくなるが、これらの図では、簡単のため、距離に応じて文字の大きさを変えて図示することは行っていない。
【００４５】
このように、本開示のプロジェクタによれば、図７に示すような従来のプロジェクタでは投影できない形状を持つ物体にも明瞭な像を形成することができ、プロジェクションマッピングも実現できる。また、本開示のプロジェクタは、１本または数本のレーザビームでスクリーン上を高速に走査する方式ではなく、多数の光ビームで同時にスクリーンなどの物体を照射する方式である。このため、個々の光ビームの強度が人の目にとっても安全なレベルに低く抑えられていてもスクリーンなどの物体に表示される像の明るさを十分に高めることができる。光ビームのパワーが分散されていることにより、例えば、投影画像が表示されているスクリーンの手前にいる人間が、プロジェクタの方向を向いてしまって何本かの光ビームが顔に当たった場合でも、瞳から入るレーザ光による悪影響を心配する必要はほとんどない。
【００４６】
（実施形態）
以下、本開示のプロジェクタの実施形態を説明する。必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。本発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供する。これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００４７】
図９は、本開示の限定的ではない例示的な実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を模式的に示す断面図である。このプロジェクタ１００は、スクリーン２００などの物体に像を投影するプロジェクタであって、像を規定する二次元パターンを形成する透過型の空間光変調器２０と、空間光変調器２０をレーザ光で照射するレーザ光源１０とを備えている。レーザ光源１０にはレーザドライバ６０から駆動電流が流れ、レーザ光源１０のレーザ発振状態が制御される。空間光変調器２０はＳＬＭドライバ７０によって駆動される。レーザドライバ６０およびＳＬＭドライバ７０は、マイクロコントローラなどのコンピュータ（不図示）によって制御される。ＳＬＭドライバ７０の一部または全部は、空間光変調器２０に搭載された駆動ＩＣによって実現されていてもよい。
【００４８】
本実施形態におけるプロジェクタ１００は、ビーム成形レンズ４０と、投影倍率調整レンズ５０とを備えている。この例におけるビーム成形レンズ４０は、凹レンズ４０ａおよび凸レンズ４０ｂを有している。図示されているレンズは、分かり易さのため、例示的な形状を持つ要素として記載されており、現実のレンズの形状および大きさを表していない。投影倍率調整レンズ５０は、図では１枚の単レンズであるが、現実には、１枚または一群の各種レンズを含む「組み合わせレンズ」であり得る。ビーム成形レンズ４０も、同様に、他の形態の「組み合わせレンズ」であってもよいし、単レンズであってもよい。
【００４９】
投影倍率調整レンズ５０は、各光ビーム３００の進行方向を調整することにより、スクリーン２００上の照射点（光ビームスポット）の配列間隔を拡大したり、縮小したりする。この動作は、図７の投射レンズ光学系５５０による結像とは異なり、スクリーン２００上にフォーカスを合わせる作業を必要としない。
【００５０】
スクリーン２００には、投影画像の輝度を高くするために、微細なフレネルレンズまたはレンチキュラーレンズとして機能する凹凸が形成されていても良い。スクリーン２００は、反射率の高い生地（シルクスクリーンなど）から形成されていてもよいし、拡散反射性の高い生地（マットスクリーンなど）から形成されていてもよい。前者の場合、投影画像の輝度を高くすることができ、後者の場合、広い視野角を実現することができる。
【００５１】
図１を参照しながら説明したように、本実施形態でも、レーザ光源１０から放射されたレーザ光３０は、凹レンズ４０ａおよび凸レンズ４０ｂを構成要素として含むビーム成形レンズ４０によって成形され、空間光変調器２０の背面側に入射する。なお、本願における「ビーム成形」の用語は、レーザ光３０の光軸方向に直交する断面の形状および大きさの少なくとも一方を変化させることを意味するものとする。断面の形状は、光ビーム３００の上記断面における強度分布によって規定される。例えば、断面中心における最高強度値を基準値として、その基準値の半分の強度を持つ部分よって断面の境界を規定しても良い。
【００５２】
図１０は、本実施形態における空間光変調器２０の概略構成の例を模式的に示す断面図である。この空間光変調器２０は、液晶層２１を封止した一対の透明基板２３ａ、２３ｂと、透明基板２３ａ上にマトリクス状に配列された複数の画素電極２４と、透明基板２３ｂ上の対向電極２５とを備える液晶パネルである。透明基板２３ａ、２３ｂは、ガラスまたは合成樹脂から形成され得る。画素電極２４および対向電極２５は、いずれも、レーザ光３０を透過する透明導電材料から形成されている。これらの電極２４、２５の表面は不図示の配向膜で覆われており、液晶層２１における液晶分子の配向を所望の方向に規制している。液晶層２１は、例えば、ねじれ配向が生じるように配向が規制されたネマティック液晶（ＴＮ液晶）から形成されている。また、必要に応じて、空間光変調器２０はカラーフィルタアレイ２６を備えていてもよい。赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三原色に相当する各波長域のレーザ光を多重化した「白色」のレーザ光３０で空間光変調器２０を照射する場合、カラーフィルタアレイ２６によって画素ごとに異なる波長の光ビーム３００を出射することができる。例えば、図２において隣接する３個の開口、例えば開口２２ａ、２２ｂ、２２ｃが、それぞれ、赤色、緑色、青色のカラーフィルタでカバーされ得る。なお、開口２２以外の領域には、遮光性を有するブラックマトリクスが形成されていても良い。カラー画像の表示の詳細については、後述する。まずは、簡単のため、単色光の画像表示の例を説明する。
【００５３】
図１０に示される空間光変調器２０は、透明基板２３ａの光入射側に設けられた第１の偏光フィルム２８ａと透明基板２３ｂの光出射側に設けられた第２の偏光フィルム２８ｂとを備える。ある態様において、第１の偏光フィルム２８ａの偏光透過軸と第２の偏光フィルム２８ｂの偏光透過軸とが直交し、クロスニコル配置を構成している。不図示のトランジスタおよび配線が透明基板２３ａに形成されている。ＳＬＭドライバ７０により、トランジスタがスイッチングされ、液晶層２１に印加される電圧が画素領域単位で制御される。この例によると、画素電極２４と対向電極２５との間に電圧が印加されていない画素では、レーザ光３０が液晶層２１を通過する過程で偏光方向が回転し（偏光状態が変化し）、第２の偏光フィルム２８ｂを透過することができる（ノーマリオン動作）。一方、画素電極２４と対向電極２５との間に電圧が印加されている画素では、レーザ光３０が液晶層２１を通過する過程で偏光方向が維持されるため、第２の偏光フィルム２８ｂでカットされることになる。なお、第１の偏光フィルム２８ａの偏光透過軸と第２の偏光フィルム２８ｂの偏光透過軸とが平行であれば、上記と反対の動作が行われる（ノーマリオフ動作）。こうして、個々の画素領域が空間光変調器２０の個々の開口２２として機能する。そして、各開口２２の光透過率は、個々の画素電極２４と対向電極２５との間に印加される電圧によってアナログ的に調整され得る。
【００５４】
なお、レーザ光源１０から放射されるレーザ光３０は、通常、所定の方向に直線的に偏光している。例えば、端面発光型の半導体レーザ素子をレーザ光源１０として用いる場合、一般的に、半導体レーザ素子の活性層に平行な方向に偏光している。そのため、第１の偏光フィルム２８ａによる不要な減光を避けるため、レーザ光３０の直線偏光方向と、第１の偏光フィルム２８ａの偏光透過軸とを一致させることが好ましい。
【００５５】
さらに、レーザ光３０が直線偏光であることを積極的に利用して、第１の偏光フィルム２８ａを省略しても良い。第１の偏光フィルム２８ａがなくても、直線偏光したレーザ光３０を空間光変調器２０に入射することができる。第１の偏光フィルム２８ａを省略することによって、光入射側の偏光フィルム２８ａによるレーザ光３０の吸収を排除することができる。レーザ光の偏光方向と偏光フィルムの偏光透過軸とを一致させた場合でも、レーザ光の１〜５％程度は偏光フィルムによって吸収されるため、減光が生じてしまうが、第１の偏光フィルム２８ａを省略することにより、より効率的にレーザ光３０を利用することができるようになる。また、第１の偏光フィルム２８ａを省略することにより、部品および製造のコストを低減できるとともに、空間光変調素子２０の薄型化に寄与することもできる。特に超小型化された空間光変調器２０を用いて携帯型のプロジェクタを製造する場合、例えば０．２ｍｍ程度の厚さを有する偏光フィルムであっても不要になることは重要な利点である。
【００５６】
上記のＴＮ液晶を用いる液晶パネルで実現した空間光変調器２０では、空間光変調器２０に入射するレーザ光３０の偏光方向と、光出射側における第２の偏光フィルム２８ｂの偏光透過軸とが互いに直交または平行になるように調整される。ただし、表示画像のコントラストの観点からすると、レーザ光３０の偏光方向に対して、第２の偏光フィルム２８ｂの偏光透過軸が直交するように配置することが好ましい。このような構成とすることによって、いわゆる黒浮きのない高コントラストな画像表示が実現できる。
【００５７】
空間光変調器２０の構造は、上記の例に限定されない。液晶パネルには、他にインプレイン・スイッチング型、垂直配向型などの多様な種類があり、任意の種類の液晶パネルを採用することができる。また、液晶パネルの代わりに、画像が描かれたスライドや、試料を固定したプレパラートを空間光変調器２０として用いることも可能である。このような空間光変調器２０は静止画を表示するときに使用され得る。空間光変調器２０を交換可能に保持する機構を採用することにより、多数の空間光変調器２０の中から必要に応じた空間光変調器２０を選択して光路に配置することも可能である。
【００５８】
図１１は、白い矢印の方向から観察者がスクリーン２００を見る形態、例えばリアプロジェクションタイプのＴＶセットの構成例を示す図である。基本的な構成は、図９に示すプロジェクタ１００と同一である。図１１の例では、スクリーン２００に投影された像を、スクリーン２００に関してプロジェクタ１００とは反対側に位置する観察者が見る。プロジェクタ１００の光軸（Ｚ軸）に対してスクリーン２００は、直交せず、大きく傾斜しているが、デフォーカスによるぼやけは生じない。ただし、投射距離に応じてスクリーン２００の光ビームスポット（画素）の間隔が変化しないように投影倍率調整レンズ５０に光ビーム３００の光軸の向きをそれぞれ調整する機能を付与すればよい。あるいは、スクリーン２００の光ビームスポット（画素）の間隔が変化しても表示画像が歪まないように、空間光変調器２０に形成する二次元パターンを前もって変形しておいてもよい。そのような変形は、ＳＬＭドライバ７０に与える画像信号を不図示のコンピュータによって補正することによって行うことができる。
【００５９】
なお、プロジェクタ１００とスクリーン２００との間にミラーが配置されていてもよい。そのようなミラーにより、プロジェクタ１００の向きの自由度が高められ、よりコンパクトな筐体を持つＴＶセットを実現できる。
【００６０】
図１２は、更に他の実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を示す断面図である。この実施形態におけるプロジェクタ１００は、空間光変調器２０とスクリーン２００との間に配置された凸レンズ５０ｂを投影倍率調整レンズとして備えており、この凸レンズ５０ｂにより、像を拡大する。
【００６１】
図１３は、更に他の実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を示す断面図である。この実施形態におけるプロジェクタ１００は、空間光変調器２０とスクリーン２００との間に倍率拡大レンズを備えていない。その代り、レーザ光源１０と空間光変調器２０との間に配置された凹レンズ４０ａを用いて像を拡大することができる。この実施形態では、凹レンズ４０ａを透過したレーザ光３０が平面波ではなく球面波の状態で空間光変調器２０に入射し、空間的に強度が変調される。空間光変調器２０から出たレーザビーム３００の束は、拡がりながら空間を伝搬し、スクリーン２００に入射する。
【００６２】
図１４は、更に他の実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を示す断面図である。この実施形態におけるプロジェクタ１００と図１３のプロジェクタ１００との相違点は、本実施形態において、レーザ光源１０と空間光変調器２０との間に配置されたレンズが凸レンズ４０ｂである点にある。凸レンズ４０ｂを用いても像を拡大することができる。
【００６３】
図１５は、更に他の実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を示す断面図である。この実施形態におけるプロジェクタ１００は、空間光変調器２０とスクリーン２００との間に倍率拡大レンズを備えていないし、レーザ光源１０と空間光変調器２０との間に配置されたレンズも備えていない。この実施形態では、レーザ光源１０から出たレーザ光３０がレンズを介することなく拡大し、空間光変調器２０に入射する。空間光変調器２０から出たレーザビーム３００の束も、そのまま拡がってスクリーン２００に達する。
【００６４】
レーザ光源１０から出たレーザ光３０がレンズを介することなく拡大する原理については後述する。なお、図１５の構成を採用する場合においても、光路上にビーム成形または光強度分布の調整を目的として、レンズ、ミラー、絞りなどの光学素子を適宜配置してもよい。また、レーザ光のスペックルを低減する機構を適宜設けても良い。これらの改変は、他の実施形態でも同様に行ってよい。
【００６５】
図１６は、更に他の実施形態におけるプロジェクタ１００の構成例を示す断面図である。この実施形態では、ミラー８０を光路上に配置することにより、プロジェクタ１００のＺ軸方向を短縮することが可能になる。
【００６６】
上記の各実施形態では、プロジェクタ１００が単一のレーザ光源１０を備えているが、プロジェクタ１００は、レーザ光源１０として、複数のレーザ素子を備えていてもよい。複数のレーザ素子が異なる波長で発振して異なる色のレーザ光を発すれば、カラーの静止画または動画を表示することが可能になる。
【００６７】
フルカラー画像を表示するには、以下の構成を採用すればよい。
【００６８】
構成（１）  カラーフィルタアレイを備える液晶パネルを空間光変調器として採用し、赤色、緑色、および青色のレーザ光で空間光変調器を照射する。
構成（２）  カラーフィルタアレイを備えていない液晶パネルを空間光変調器として採用し、赤色、緑色、および青色のレーザ光で空間光変調器を順次照射する（フィールドシーケンシャル方式）。
構成（３）  カラーフィルタアレイを備えていない３枚の液晶パネルを空間光変調器として採用し、それぞれの空間光変調器を赤色、緑色、および青色のレーザ光で照射する（３板式）。
【００６９】
まず、図１７を参照しながら、構成（１）の例を説明する。
【００７０】
構成（１）のプロジェクタ１００は、レーザ光源として、第１の波長域で発振する第１のレーザ素子１０Ｒと、第２の波長域で発振する第２のレーザ素子１０Ｇと、第３の波長域で発振する第３のレーザ素子１０Ｂとを含む。ここでは、第１の波長域、第２の波長域、および第３の波長域は、それぞれ、Ｒ（レッド）、Ｇ（グリーン）、およびＢ（ブルー）である。第１のレーザ素子１０Ｒ、第２のレーザ素子１０Ｇ、および第３のレーザ素子１０Ｂは、それぞれ、例えば波長６５０ｎｍの赤色半導体レーザ素子、波長５１５〜５３０ｎｍの緑色半導体レーザ素子、および波長４５０ｎｍの青色半導体レーザ素子であり得る。赤色半導体レーザ素子としては、例えばＡｌＧａＩｎＰ系レーザダイオードが好適に用いられる。緑色および青色半導体レーザ素子としては、それぞれ、組成が異なるＧａＮ系レーザダイオードを用いることができる。第２のレーザ素子１０Ｇとしては、赤外光を放射する半導体レーザ素子と波長変換素子とを備えるＤＰＳＳ（Ｄｉｏｄｅ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ）レーザ装置を用いてもよい。赤外光半導体レーザ素子で発生させた波長８０８ｎｍの赤外光で例えばＮｄ：ＹＶＯ4結晶、またはＹｂ：ＹＡＧ結晶などのレーザ結晶を励起し、例えば波長１０６４ｎｍの赤外レーザ光を生成する。この赤外レーザ光をＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶などの非線形光学結晶に入射させると、第２高調波である波長５３２ｎｍの緑色レーザ光を発生させることができる。
【００７１】
図１７のプロジェクタ１００は、ダイクロイックプリズム８２を備えている。ダイクロイックプリズム８２は、赤色の光を選択的に反射する赤色反射面８２Ｒと、青色の光を選択的に反射する青色反射面８２Ｂとを有する。ダイクロイックプリズム８２を用いることにより、赤色レーザ光３０Ｒと青色レーザ光３０Ｂは赤色反射面８２Ｒと青色反射面８２Ｂで反射され、また、緑色レーザ光３０Ｇはそのまま透過して、３色のレーザ光が合成されて白色のレーザ光３０が得られる。なお、ダイクロイックプリズム８２を用いる代わりに、赤色反射ダイクロイックミラーと青色反射ダイクロイックミラーとを用いて、赤、青、緑色のレーザ光３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂを合成してもよい。
【００７２】
合成された白色のレーザ光３０が、空間光変調器２０のカラーフィルタアレイにおける赤色フィルタに入射すると、赤色のレーザ光のみが赤色フィルタを選択的に透過することができる。同様に、緑色フィルタに入射すると、緑色のレーザ光のみが緑色フィルタを選択的に透過することができ、青色フィルタに入射すると、青色のレーザ光のみが青色フィルタを選択的に透過することができる。
【００７３】
なお、ダイクロイックプリズム８２で合成された白色のレーザ光が所定の色温度を示すようにカラーバランスを行う。カラーバランスは、レーザドライバ６０によって各レーザ光源１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの光出力パワーを調整して実現することができる。あるいは、レーザ光３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂを減光するためのＮＤ（ニュートラル・デンシティ）フィルタを必要に応じて光路上に配置してもよい。また、各レーザ光源１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの光出力パワーを調整する方法として、レーザ発振のパルス幅変調を行い、色ごとにデューティ比を調整してもよい。この方法を採用する場合、空間光変調器２０を照射するレーザ光３０は、厳密には、常に白色であるとはいえず、赤、緑、青色のレーザ光３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂのいずれか１つまたは２つだけが空間光変調器２０に入射している期間が存在してもよい。重要な点は、人間の目にとって自然なフルカラー画像が観察されることである。
【００７４】
なお、レーザ光は、ＬＥＤや蛍光体から放射された光とは異なり、単色性に極めて優れている。このため、赤、青、緑色のレーザ光３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂを合成して形成される「白色」のレーザ光３０は、白色ＬＥＤから放射された光のようにブロードなスペクトルを持たず、３つの波長で鋭いピークを示す。「白色」のレーザ光３０が入射した各色のカラーフィルタは、３つの波長のうちの１つの波長のレーザ光を選択的に透過するため、空間光変調素子２０から出射された光ビーム３００もそれぞれ鋭いピークを持つ。従って、本開示のプロジェクタでは、カラーフィルタアレイを持つ液晶パネルを採用しても、高輝度放電ランプやＬＥＤを用いた従来のプロジェクタに比べて、色域が拡大する。
【００７５】
次に、図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃ、および図１９を参照しながら、構成（２）の例を説明する。構成（２）はフィールドシーケンシャル方式を実現する。
【００７６】
基本的な構成は、図１７のプロジェクタ１００の構成と同様である。異なる点の１つは、本構成における空間光変調器２０がカラーフィルタアレイを備えていない点にある。
【００７７】
まず、図１８Ａを参照する。図示されている状態において、第１のレーザ素子１０Ｒから赤色のレーザ光３０Ｒが放射されているが、第２および第３のレーザ素子１０Ｇ、１０Ｂからレーザ光は放射されていない。第１のレーザ素子１０Ｒから放射された赤色のレーザ光３０Ｒは、ダイクロイックプリズム８２の赤色反射面８２Ｒで反射されて空間光変調器２０を照射する。赤色のレーザ光３０Ｒは空間的に変調され、赤色の光ビーム３００Ｒの束が形成される。この赤色の光ビーム３００Ｒの束によってサブフレーム画像が形成される。
【００７８】
次に、図１８Ｂを参照する。図示されている状態において、第２のレーザ素子１０Ｇから緑色のレーザ光３０Ｇが放射されているが、第１および第３のレーザ素子１０Ｒ、１０Ｂからレーザ光は放射されていない。第２のレーザ素子１０Ｇから放射された緑色のレーザ光３０Ｇは、ダイクロイックプリズム８２の赤色反射面８２Ｒおよび青色反射面８２Ｂを透過して空間光変調器２０を照射する。緑色のレーザ光３０Ｇは空間的に変調され、緑色の光ビーム３００Ｇの束が形成される。この緑色の光ビーム３００Ｇの束によって他のサブフレーム画像が形成される。
【００７９】
次に、図１８Ｃを参照する。図示されている状態において、第３のレーザ素子１０Ｂから青色のレーザ光３０Ｂが放射されているが、第１および第２のレーザ素子１０Ｒ、１０Ｇからレーザ光は放射されていない。第３のレーザ素子１０Ｂから放射された青色のレーザ光３０Ｂは、ダイクロイックプリズム８２の青色反射面８２Ｂで反射されて空間光変調器２０を照射する。青色のレーザ光３０Ｂは空間的に変調され、青色の光ビーム３００Ｂの束が形成される。この青色の光ビーム３００Ｂの束によって更に他のサブフレーム画像が形成される。
【００８０】
上記の動作が順次繰り返して行われる。図１９は、レーザ光源１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの点灯状態を模式的に示す図である。図１９における「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の文字をそれぞれ囲む矩形は、レーザ光源１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂがレーザ発振をしてレーザ光を放射している期間を示している。図１９に示されるように、レーザ光源１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは、それぞれ、周期的に点灯状態と非点灯状態とを繰り返す。赤色、緑色、青色の３枚のサブフレームから１フレームのフルカラー画像が構成される。レーザ光源１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの点灯時間は、それぞれ、異なっていてもよい。
【００８１】
フィールドシーケンシャル方式を採用する場合、液晶パネルの各画素領域を、順次、異なる色のレーザ光が透過するため、色ごとに画素を分ける必要がない。このため、フィールドシーケンシャル方式の液晶パネルでは、画素数(開口の個数)をカラーフィルタアレイの方式に比べて１／３に低減することができる。このことは、個々の画素サイズを拡大して回折効果を低減したり、液晶パネルの面積を縮小することに大きく寄与する。また、液晶パネルにカラーフィルタアレイを形成する工程が不要になるため、製造コストが低減され、安価で光透過率の高い液晶パネルを採用することができる。
【００８２】
次に、図２０を参照しながら、構成（３）の例を説明する。構成（３）のプロジェクタ１００は、３つの空間光変調器２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂを備えている。空間光変調器２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂは、カラーフィルタアレイを備えていない。空間光変調器２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂは、それぞれ、異なる波長域のレーザ光で照射される。具体的には、空間光変調器２０Ｒは、レーザ光源１０Ｒから放射された赤色のレーザ光３０Ｒによって照射される。同様に、空間光変調器２０Ｇは、レーザ光源１０Ｇから放射された緑色のレーザ光３０Ｇによって照射され、空間光変調器２０Ｂは、レーザ光源１０Ｂから放射された青色のレーザ光３０Ｂによって照射される。
【００８３】
図２０のプロジェクタ１００では、空間光変調器２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂから出射されたレーザビームの束がダイクロイックプリズム８２によって合成される。
【００８４】
このように発振波長域が異なる複数のレーザ素子を用いることによってカラー画像を形成することができるが、合成に用いるレーザ光の色は光の三原色に限定されない。赤、緑、青以外の色とは別の色に相当する波長のレーザを加えても良い。いわゆる多原色化により、色域を更に拡大することができる。また、上述したように、レーザ光は極めて単色性が高いため、従来型の光源を利用したプロジェクタに比べて色域が拡大され、表示画像の色再現性を大幅に向上させることができる。
【００８５】
なお、図２０のプロジェクタ１００の基本構成は、図９のプロジェクタ１００の基本構成と同様であるが、図１２から図１５のプロジェクタ１００における基本構成を採用してもよい。特に図１５のプロジェクタ１００が備える基本構成は、複雑な光学レンズ系が不要であるため、プロジェクタの小型軽量化に適している。
【００８６】
以下、図１５のプロジェクタ１００を実現するためのレーザ光源１０の構成例と動作原理を説明する。このようなレーザ光源１０としては、半導体レーザ素子が好適に用いられる。半導体レーザ素子から放射されるレーザ光は、それ自体の回折効果によって拡大する性質を持っているからである。以下、半導体レーザ素子の回折効果を説明する。
【００８７】
＜半導体レーザ素子の回折効果＞
図２１は、ある典型的な半導体レーザ素子の基本構成を模式的に示す斜視図である。図には、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸から構成される座標軸が記載されている。この座標軸は、半導体レーザ素子に固有の座標軸であり、プロジェクタに固有の座標軸と異なる。区別のため、前者の座標軸を小文字のｘ、ｙ、ｚで表記し、後者の座標軸を大文字のＸ、Ｙ、Ｚで表記している。
【００８８】
図２１に示されている半導体レーザ素子１０Ｄは、レーザ光を出射する発光領域（エミッタ）１２４を含む端面（ファセット）１２６ａを持つ半導体積層構造１２２を有している。この例における半導体積層構造１２２は、半導体基板１２０上に支持されており、ｐ側クラッド層１２２ａ、活性層１２２ｂ、およびｎ側クラッド層１２２ｃを含んでいる。半導体積層構造１２２の上面１２６ｂには、ストライプ状のｐ側電極１２が設けられている。半導体基板１２０の裏面には、ｎ側電極１６が設けられている。ｐ側電極１２からｎ側電極１６に向かって、閾値を超える大きさの電流が活性層１２２ｂの所定領域を流れることにより、レーザ発振が生じる。半導体積層構造１２２の端面１２６ａは、不図示の反射膜によって覆われている。レーザ光は、発光領域１２４から反射膜を介して外部に出射される。
【００８９】
図２１に示される構成は、半導体レーザ素子１０Ｄの構成の典型的な一例にすぎず、説明を簡単にするため、単純化されている。この単純化された構成の例は、後に詳しく説明する本開示の実施形態をなんら限定するものではない。なお、他の図面では、簡単のため、ｎ側電極１６などの構成要素の記載を省略する場合がある。
【００９０】
図２１に示される半導体レーザ素子１０Ｄにおいて、半導体積層構造１２２の端面１２６ａがｘｙ面に平行であるので、レーザ光は発光領域１２４からｚ軸方向に出射する。レーザ光の光軸はｚ軸方向に平行である。発光領域１２４は、端面１２６ａにおいて、半導体積層構造１２２の積層方向（ｙ軸方向）に平行な方向のサイズＥｙと、積層方向に垂直な方向（ｘ軸方向）のサイズＥｘとを有している。一般にＥｙ＜Ｅｘの関係が成立する。
【００９１】
発光領域１２４のｙ軸方向サイズＥｙは、活性層１２２ｂの厚さによって規定される。活性層１２２ｂの厚さは、通常、レーザ発振波長の半分程度か、それ以下である。これに対して、発光領域１２４のｘ軸方向サイズＥｘは、レーザ発振に寄与する電流または光を水平横方向（ｘ軸方向）に閉じ込める構造、図２１の例ではストライプ状のｐ側電極１２の幅によって規定され得る。一般に、発光領域１２４のｙ軸方向サイズＥｙは０．１μｍ前後かそれ以下であり、ｘ軸方向サイズＥｘは１μｍよりも大きい。光出力を高めるには発光領域１２４のｘ軸方向サイズＥｘを拡大することが有効であり、ｘ軸方向サイズＥｘは例えば５０μｍ以上に設定され得る。
【００９２】
本明細書において、Ｅｘ／Ｅｙを発光領域の「アスペクト比」と称する。高出力半導体レーザ素子におけるアスペクト比（Ｅｘ／Ｅｙ）は、例えば５０以上に設定され得るし、１００以上に設定されても良い。本明細書においては、アスペクト比（Ｅｘ／Ｅｙ）が５０以上の半導体レーザ素子をブロードエリア型半導体レーザ素子と称する。ブロードエリア型半導体レーザ素子では、水平横モードがシングルモードではなく、マルチモードで発振することが多い。
【００９３】
図２２Ａは、半導体レーザ素子１０Ｄの発光領域１２４から出たレーザ光３０の拡がり方（ダイバージェンス）を模式的に示す斜視図である。図２２Ｂは、レーザ光３０の拡がり方を模式的に示す側面図であり、図２２Ｃは、レーザ光３０の拡がり方を模式的に示す上面図である。図２２Ｂの右側には、参考のため、半導体レーザ素子１０Ｄをｚ軸の正方向から視た正面図も記載されている。
【００９４】
レーザ光３０の断面におけるｙ軸方向のサイズは長さＦｙ、ｘ軸方向のサイズは長さＦｘによって規定される。Ｆｙは、レーザ光３０の光軸に交差する平面内において、光軸におけるレーザ光３０の光強度を基準とするときのｙ軸方向における半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  ａｔ  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｎ）である。同様に、Ｆｘは、上記の平面内において、光軸におけるレーザ光３０の光強度を基準とするときのｘ軸方向における半値全幅（ＦＷＨＭ）である。
【００９５】
レーザ光３０のｙ軸方向の拡がりは角度θｆ、ｘ軸方向の拡がりは角度θｓによって規定される。θｆは、発光領域１２４の中心から等距離の球面上において、その球面がレーザ光３０の光軸に交差する点におけるレーザ光３０の光強度を基準とするときのｙｚ平面内における半値全角である。同様に、θｓは、発光領域１２４の中心から等距離の球面上において、その球面がレーザ光３０の光軸に交差する点におけるレーザ光３０の光強度を基準とするときのｘｚ平面内における半値全角である。
【００９６】
図２２Ｄは、レーザ光３０のｙ軸方向における拡がりの例を示すグラフであり、図２２Ｅは、レーザ光３０のｘ軸方向における拡がりの例を示すグラフである。グラフの縦軸は規格化された光強度、横軸は角度である。ｚ軸に平行な光軸上でレーザ光３０の光強度はピーク値を示している。図２２Ｄからわかるように、レーザ光３０の光軸を含むｙｚ面に平行な面内における光強度は、概略的にガウス分布を示す。これに対し、レーザ光３０の光軸を含むｘｚ面に平行な面内における光強度は、図２２Ｅに示すように、比較的平坦なトップを持つ狭い分布を示す。この分布には、マルチモード発振に起因する複数のピークが生じることが多い。
【００９７】
レーザ光３０の断面サイズを規定する長さＦｙ、Ｆｘ、および、レーザ光３０の拡がりを規定する角度θｆ、θｓには、上記の定義以外の定義が与えられる場合もある。
【００９８】
図示されるように、発光領域１２４から出たレーザ光３０の拡がり方は異方性を持ち、一般に、θｆ＞θｓの関係が成立する。θｆが大きくなる理由は、発光領域１２４のｙ軸方向サイズＥｙがレーザ光３０の波長以下であるため、ｙ軸方向に強い回折が生じるからである。これに対して、発光領域１２４のｘ軸方向サイズＥｘはレーザ光３０の波長よりも十分に長く、ｘ軸方向には回折が生じにくい。
【００９９】
図２３は、レーザ光３０の断面のｙ軸方向サイズＦｙおよびｘ軸方向サイズＦｘと、発光領域１２４からの距離（ｚ軸方向の位置）との関係の例を示すグラフである。図２３からわかるように、レーザ光３０の断面は、発光領域１２４の近傍においては、相対的にｘ軸方向に長いニアフィールドパターン（ＮＦＰ）を示すが、発光領域１２４から充分に遠ざかると、ｙ軸方向に長く延びたファーフィールドパターン（ＦＦＰ）を示すようになる。
【０１００】
このように、レーザ光３０の断面の拡大は、発光領域１２４から離れるに従って、ｙ軸方向では「速（ｆａｓｔ）」く、ｘ軸方向では「遅（ｓｌｏｗ）」い。このため、半導体レーザ素子１０Ｄを座標の基準として、ｙ軸方向は速軸（ｆａｓｔ  ａｘｉｓ）方向、ｘ軸方向は遅軸（ｓｌｏｗ  ａｘｉｓ）方向と称されている。
【０１０１】
図２４は、半導体レーザ素子１０Ｄを用いて、図１５のプロジェクタ１００を実現するための構成例を示す斜視図である。この例において、半導体レーザ素子１０Ｄは、パッケージ４００に搭載されている。パッケージ４００は、半導体レーザ素子１０Ｄが固定される不図示のヒートシンク、半導体レーザ素子１０Ｄに駆動電流を供給する金属配線、これらを支持するステムなどを備えているが、周知であるため、図示は省略する。パッケージ４００の向きは、半導体レーザ素子１０Ｄの半導体積層方向（ｙ軸方向すなわち速軸方向）が図２４における縦方向（Ｙ軸方向）に直交するように決定されている。図２４では、単一の半導体レーザ素子１０Ｄのみが記載されているが、複数の半導体レーザ素子１０Ｄが使用される場合は、全ての半導体レーザ素子１０Ｄの半導体積層方向が縦方向（Ｙ軸方向）に一致する。
【０１０２】
図２４に示されるように、半導体レーザ素子１０Ｄから出たレーザ光３０は、光軸（ｚ軸）に垂直な断面において速軸（ｙ軸）方向におけるサイズＦｙが遅軸（ｘ軸）方向におけるサイズＦｘよりも大きな形状を有しており、このような非等方的な形状を有するレーザ光３０で空間光変調器２０を照射する。
【０１０３】
図２４に示される例において、空間光変調器２０上におけるレーザ光３０の光変調領域（光透過領域の全体）２０Ｔは、Ｘ軸方向（横方向）における第１のサイズＴＸと、Ｘ軸方向に垂直なＹ軸方向（垂直方向）における第２のサイズＴＹを有し、第１のサイズＴＸは第２のサイズＴＹよりも大きい。この例では、半導体レーザ素子１０Ｄの速軸（ｙ軸）方向が空間光変調器２０における光変調領域２０ＴのＸ軸方向に一致するように配置されている。言い換えると、半導体レーザ素子１０Ｄは、半導体積層方向（ｙ方向または速軸方向）が空間光変調器２０の光変調領域２０Ｔの最小寸法方向（Ｔｙ方向すなわちＹ軸方向）に対して直交するように配置されている。そして、半導体レーザ素子１０Ｄから放射されたレーザ光３０は、光軸（ｚ軸）に垂直な断面を拡大しながら空間光変調器２０の光変調領域２０Ｔに入射し、レーザ光３０の照射領域は光変調領域２０Ｔの全体を含む。このような構成を採用することにより、半導体レーザ素子１０Ｄから出たレーザ光３０の自然な拡がりを利用して、効果的に空間光変調器２０の光変調領域２０Ｔを照射することができる。このため、レンズまたはミラーによる光量の損失を低減しつつ、プロジェクタ１００の小型軽量化および製造コストを低下することができる。
【０１０４】
図２５は、プロジェクタ１００の筐体内に発振波長が異なる３個の半導体レーザ素子１０Ｄが配置されている構成例を模式的に示す斜視図である。異なる色のレーザ光３０はダイクロイックプリズム８２によって合成されて空間光変調器２０を照射する。全ての半導体レーザ素子１０Ｄについて、半導体積層方向（速軸方向）が空間光変調器２０の光変調領域２０Ｔの最小寸法方向（Ｔｙ方向すなわちＹ軸方向）に対して直交するように配置されている。このような構成によれば、各半導体レーザ素子１０Ｄから出たレーザ光３０の自然な拡がりを利用して、効果的に空間光変調器２０の光変調領域２０Ｔの全体を照射することができる。なお、図２５の構成において、不図示のミラーまたは絞りなどの光学素子がプロジェクタ１００内に配置されていても良い。
【０１０５】
高い光出力が求められる用途では、半導体レーザ素子１０Ｄのチップ面積がますます大きくなりつつある。図２５に示すように、全ての半導体レーザ素子１０Ｄの半導体積層方向が筐体のベース１００Ｃに対して平行になる配置を実現することにより、ベース１００Ｃ上における半導体レーザ素子１０Ｄの占有面積を縮小してプロジェクタ１００の小型化をはかることができる。
【０１０６】
図２５には、各半導体レーザ素子１０Ｄを収容するパッケージは図示されてない。各半導体レーザ素子１０Ｄのチップ面積が大きくなると、パッケージのサイズは半導体レーザ素子１０Ｄの半導体積層方向には相対的に短く、半導体積層方向に垂直な方向には相対的に長くなり得る。このため、半導体レーザ素子１０Ｄがパッケージに収納されている場合でも、図２５の配置は専有面積の縮小に寄与する。
【０１０７】
なお、通常の半導体レーザ素子１０Ｄから放射されるレーザ光３０は、遅軸（ｘ軸）方向に直線偏光している。このような半導体レーザ素子１０Ｄを用いる場合、空間光変調器２０の光変調領域２０Ｔは、Ｙ軸方向に直線偏光したレーザ光３０で照射されることになる。空間光変調器２０が前述したＴＮ液晶の液晶パネルによって実現されている場合は、光出射側の偏光フィルムの偏光透過軸は、ノーマリオンまたはノーマリオフの動作に応じて、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に一致するように設定される。前述したように、表示画像のコントラストの観点から、光出射側の偏光フィルムの偏光透過軸は、空間光変調素子２０に入射するときのレーザ光３０の偏光方向に対して直交していることが好ましい。言い換えると、光出射側の偏光フィルムの偏光透過軸は、光変調領域２０Ｔの最小寸法方向（Ｔｙ方向すなわちＹ軸方向）に対して直交していることが好ましい。いわゆる黒浮きのない高コントラストな画像表示が実現できるからである。
【０１０８】
上記のように配置された空間光変調器２０と半導体レーザ素子１０Ｄとの間には、レーザ光３０の断面形状または光強度分布を調整する目的で、コリメートレンズなどのビーム成形レンズや絞りが配置されても良い。また、図２４および図２５の構成を採用する場合であっても、空間光変調器２０の光出射側に投影倍率調整レンズを設けることを排除しない。
【０１０９】
半導体レーザ素子１０Ｄをレーザ光源１０として用いると、光源サイズが極めて小さく、また、半導体レーザ素子１０Ｄそのものが示す回折効果によってレーザ光を拡げることができるため、従来のプロジェクタに比べて顕著な小型化を達成することができる。半導体レーザ素子１０Ｄは、一般的に直径が５．６ｍｍ、または、３．０ｍｍなどのパッケージに装填されて製品化されているが、その中に実装される半導体レーザ素子１０Ｄのチップサイズは、例えば共振器長方向（ｚ軸方向）に１．０ｍｍ、端面の横方向（ｘ軸方向）に０．３ｍｍ、厚さ方向（ｙ軸方向）に０．０５ｍｍと大変小さい。このような小型のレーザ光源と小型の液晶パネルを用いると、携帯用の小型プロジェクタを実現することができる。カラー表示を行う場合、上述したカラーフィルタアレイを備える構成であれば、例えば横８ｍｍ×縦６ｍｍのサイズを有する液晶パネルを用いることができる。また、フィールドシーケンシャル方式であれば、表示に必要な画素数を１／３に減らすことができるため、例えば横４ｍｍ×縦３ｍｍのサイズ、またはそれ以下のサイズを有する超小型液晶パネルを採用し、プロジェクタを更に小さくすることが可能になる。このようなプロジェクタであれば、例えばノートパソコンのディスプレイ上部に取り付けることにより、デスクトップまたは部屋の壁面に対してフォーカスフリーで画像を投影して表示することが可能になる。このような構成例は、反射型ではなく透過型の空間光変調器を採用することによって簡便に実現できる。
【０１１０】
上記の例では、半導体レーザ素子１０Ｄとして、半導体積層構造の端面からレーザ光を放射する端面発光型の半導体レーザ素子を用いているが、本開示のプロジェクタに採用可能な半導体レーザ素子１０Ｄは、この例に限定されない。面発光型の半導体レーザ素子を用いても良い。
【０１１１】
本開示のプロジェクタは、人間の目に見える静止画または動画をスクリーン上に表示する用途以外の用途に用いることもできる。
【０１１２】
図２６は、表面に凹凸または曲面を有するワーク２００ｂに像を投影する露光装置の構成の例を示している。フォーカスフリーの特性を活かして、従来の露光装置では困難であった対象物の表面に設けた感光性樹脂をマスクレスで露光することが可能になる。
【０１１３】
図２７は、イメージセンサなどの受光素子２００ｃの受光面に光ビーム３００の束を入射する構成の例を示している。空間光変調器２０が形成する二次元パターンは、例えば、伝達すべき情報を示すように符号化されている。このように符号化された情報は、空間光変調器２０から出射された光ビーム３００の束が示す空間的な強度分布に反映される。受光素子２００ｃは、光ビーム３００の束が示す空間的な強度分布を検知する。受光素子２００ｃの出力に基づいて、不図示のコンピュータは上記の情報を復号化することができる。このように本開示のプロジェクタは情報の送信装置に適用することも可能である。
【０１１４】
図２６および図２７に示す例では、レーザ光の波長は可視光域から外れていてもよい。紫外線または赤外線の波長域のレーザ光であっても本開示のプロジェクタに用いることができる。本開示のプロジェクタにより、例えば感光性樹脂の所望の位置に適切な波長の光を照射して３Ｄプリンティングを実現することも可能である。光ビームの出力を高めることにより、物体上の照射点の温度を局所的に高め、物体の加工または表面処理を行っても良い。
【０１１５】
装置の小型軽量化という観点からは、レーザ光源１０として半導体レーザ素子を用いることが好ましいが、本発明はそのような例に限定されない。レーザ光源１０の一部または全部が、半導体レーザ素子以外のレーザ装置によって構成されていても良い。光出力が高い他の固体レーザ装置または気体レーザ装置などの高出力レーザ装置を用いてもよい。高出力レーザ装置を用いることにより、室外など投射距離が長い状況下でのプロジェクタの使用を行うことが可能になる。また、より大容量の情報通信を実現したり、物体のより広い領域に対する加工または表面処理を高速に行うことも可能になる。
【０１１６】
空間光変調器としてスライド(ポジ型フィルム)、プレパラート試料、切り絵などを用いる場合、「開口」の形状および大きさは、液晶パネルとは異なり、１つの空間光変調器内において多様であり得る。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本開示のプロジェクタは、フォーカスフリーである特長を活かして、傾斜したスクリーンや、表面に凹凸がある物体に像を投影する種々の用途に広く利用され得る。像が投影される対象は、スクリーンのみならず、壁、ガラス、デスクトップ、建物、道路、車両、身体の一部（例えば腕、手のひら、背中など）または全身、水滴または粉末粒子の集まり、流動体、半透明体、感光性樹脂、イメージセンサなどを広く含む。
【符号の説明】
【０１１８】
１０    レーザ光源
１０Ｒ    第１のレーザ素子
１０Ｇ    第２のレーザ素子
１０Ｂ    第３のレーザ素子
１０Ｄ    半導体レーザ素子
１２    半導体レーザ素子のｐ側電極
１６    半導体レーザ素子のｎ側電極
１８    インコヒーレント光源
２０、２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ    空間光変調器
２０Ｔ    空間光変調器の光変調領域
２１    液晶層
２２    開口（アパーチャ）
２３ａ、２３ｂ    透明基板
２４    画素電極
２５    対向電極
２６    カラーフィルタアレイ
２８ａ    第１の偏光フィルム
２８ｂ    第２の偏光フィルム
２９    マイクロレンズアレイ
３０、３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂ    レーザ光
４０    ビーム成形レンズ
４０ａ    凹レンズ
４０ｂ    凸レンズ
５０    投影倍率調整レンズ
５０ｂ    凸レンズ(投影倍率調整レンズ)
６０    レーザドライバ
７０    ＳＬＭドライバ
８０    ミラー
１００    プロジェクタ
１２０    半導体基板
１２２    半導体積層構造
１２２ａ    ｐ側クラッド層
１２２ｂ    活性層
１２２ｃ    ｎ側クラッド層
１２４    発光領域（エミッタ）
１２６ａ    端面（ファセット）
１２６ｂ    半導体積層構造の上面
２００    スクリーン
２００ｂ    ワーク
２００ｃ    受光素子
２５０    液晶パネル
３００、３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂ    光ビーム
４００    パッケージ
５５０    投射レンズ光学系
【図１】
2017145400.tif 000003
【図２】
2017145400.tif 000004
【図３Ａ】
2017145400.tif 000005
【図３Ｂ】
2017145400.tif 000006
【図３Ｃ】
2017145400.tif 000007
【図４】
2017145400.tif 000008
【図５】
2017145400.tif 000009
【図６】
2017145400.tif 000010
【図７】
2017145400.tif 000011
【図８Ａ】
2017145400.tif 000012
【図８Ｂ】
2017145400.tif 000013
【図８Ｃ】
2017145400.tif 000014
【図８Ｄ】
2017145400.tif 000015
【図９】
2017145400.tif 000016
【図１０】
2017145400.tif 000017
【図１１】
2017145400.tif 000018
【図１２】
2017145400.tif 000019
【図１３】
2017145400.tif 000020
【図１４】
2017145400.tif 000021
【図１５】
2017145400.tif 000022
【図１６】
2017145400.tif 000023
【図１７】
2017145400.tif 000024
【図１８Ａ】
2017145400.tif 000025
【図１８Ｂ】
2017145400.tif 000026
【図１８Ｃ】
2017145400.tif 000027
【図１９】
2017145400.tif 000028
【図２０】
2017145400.tif 000029
【図２１】
2017145400.tif 000030
【図２２Ａ】
2017145400.tif 000031
【図２２Ｂ】
2017145400.tif 000032
【図２２Ｃ】
2017145400.tif 000033
【図２２Ｄ】
2017145400.tif 000034
【図２２Ｅ】
2017145400.tif 000035
【図２３】
2017145400.tif 000036
【図２４】
2017145400.tif 000037
【図２５】
2017145400.tif 000038
【図２６】
2017145400.tif 000039
【図２７】
2017145400.tif 000040
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月1日(2018.8.1)
【手続補正１】
【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】
フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する透過型空間光変調器と、
前記空間光変調器をレーザ光で照射するレーザ光源と、
を備え、
前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成し、
前記レーザ光源は、第１の波長域で発振する第１のレーザ素子および第２の波長域で発振する第２のレーザ素子を含む複数のレーザ素子を有しており、前記レーザ光の波長域は、前記第１の波長域および前記第２の波長域を含み、
前記空間光変調器は、位置に応じて異なる波長域の光を選択的に透過するカラーフィルタアレイを有している、プロジェクタ。
【請求項２】
フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する透過型空間光変調器と、
前記空間光変調器をレーザ光で照射するレーザ光源と、
を備え、
前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成し、
前記レーザ光源は、第１の波長域で発振する第１のレーザ素子および第２の波長域で発振する第２のレーザ素子を含む複数のレーザ素子を有しており、
前記レーザ光源は、前記空間光変調器を異なる波長域のレーザ光で、順次、照射する、プロジェクタ。
【請求項３】
前記空間光変調器によって生成された前記複数の光ビームを前記物体に入射させ、前記物体上における個々の光ビームの照射点を画素とする像を前記物体上に形成する、請求項１または２に記載のプロジェクタ。
【請求項４】
前記空間光変調器は、前記複数の光ビームをそれぞれ通過させる複数の開口を有しており、開口ごとに１本の光ビームを出射する、請求項１から３のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項５】
前記空間光変調器は、駆動信号に応答して各開口の光透過率を変化させる、請求項４に記載のプロジェクタ。
【請求項６】
前記レーザ光源から出た前記レーザ光は、光軸に垂直な断面を拡大しながら前記空間光変調器に入射し、
前記空間光変調器の各開口から出射される光ビームの出射角度は、前記二次元パターンによらず開口ごとに一定である、請求項４または５に記載のプロジェクタ。
【請求項７】
前記空間光変調器は、前記複数の光ビームを出射する側のみに偏光フィルムを備えており、
前記偏光フィルムの偏光透過軸は、前記空間光変調素子に入射するときの前記レーザ光の偏光方向に対して直交している、請求項１から６のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項８】
前記複数のレーザ素子は、第３の波長域で発振する第３のレーザ素子を含む、請求項１から７のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項９】
前記物体と前記空間光変調器との間に配置された投影倍率調整レンズを備える、請求項１から８のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項１０】
前記物体と前記空間光変調器との間に配置されたマイクロレンズアレイを備える、請求項１から９のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項１１】
前記空間光変調器と前記レーザ光源の間に配置されたビーム成形レンズを備える、請求項１から１０のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項１２】
フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する透過型空間光変調器と、
前記空間光変調器をレーザ光で照射するレーザ光源と、
を備え、
前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成し、
前記レーザ光源は、前記レーザ光を放射する半導体レーザ素子を有し、前記半導体レーザ素子は、前記レーザ光を出射する発光領域を含む端面を持つ半導体積層構造を有し、前記発光領域は、前記半導体積層構造の積層方向に平行な速軸方向のサイズおよび前記積層方向に垂直な遅軸方向のサイズを有しており、
前記半導体レーザ素子から出た前記レーザ光は、光軸に垂直な断面において、前記速軸方向におけるサイズが前記遅軸方向におけるサイズよりも大きな形状を有しており、前記形状を有する前記レーザ光で前記空間光変調器を照射する、
前記空間光変調器上における前記レーザ光の照射領域は、第１の方向における第１のサイズと、前記第１の方向に垂直な第２の方向における第２のサイズを有し、前記第１のサイズは前記第２のサイズよりも大きく、
前記半導体レーザ素子の前記速軸方向は、前記照射領域の前記第１の方向に一致している、プロジェクタ。
【請求項１３】
フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する複数の透過型空間光変調器と、
前記複数の空間光変調器をそれぞれ異なる波長域のレーザ光で照射する複数のレーザ光源と、
を備え、
前記複数の空間光変調器のそれぞれは、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成する、プロジェクタ。
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月11日(2018.9.11)
【手続補正１】
【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】
フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する透過型空間光変調器と、
前記空間光変調器をレーザ光で照射するレーザ光源と、
を備え、
前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成し、
前記レーザ光源は、第１の波長域で発振する第１のレーザ素子および第２の波長域で発振する第２のレーザ素子を含む複数のレーザ素子を有しており、前記レーザ光の波長域は、前記第１の波長域および前記第２の波長域を含み、
前記空間光変調器は、位置に応じて異なる波長域の光を選択的に透過するカラーフィルタアレイを有している、プロジェクタ。
【請求項２】
フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する透過型空間光変調器と、
前記空間光変調器をレーザ光で照射するレーザ光源と、
を備え、
前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成し、
前記レーザ光源は、第１の波長域で発振する第１のレーザ素子および第２の波長域で発振する第２のレーザ素子を含む複数のレーザ素子を有しており、
前記レーザ光源は、前記空間光変調器を異なる波長域のレーザ光で、順次、照射する、プロジェクタ。
【請求項３】
前記空間光変調器によって生成された前記複数の光ビームを前記物体に入射させ、前記物体上における個々の光ビームの照射点を画素とする像を前記物体上に形成する、請求項１または２に記載のプロジェクタ。
【請求項４】
前記空間光変調器は、前記複数の光ビームをそれぞれ通過させる複数の開口を有しており、開口ごとに１本の光ビームを出射する、請求項１から３のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項５】
前記空間光変調器は、駆動信号に応答して各開口の光透過率を変化させる、請求項４に記載のプロジェクタ。
【請求項６】
前記レーザ光源から出た前記レーザ光は、光軸に垂直な断面を拡大しながら前記空間光変調器に入射し、
前記空間光変調器の各開口から出射される光ビームの出射角度は、前記二次元パターンによらず開口ごとに一定である、請求項４または５に記載のプロジェクタ。
【請求項７】
前記空間光変調器は、前記複数の光ビームを出射する側のみに偏光フィルムを備えており、
前記偏光フィルムの偏光透過軸は、前記空間光変調器に入射するときの前記レーザ光の偏光方向に対して直交している、請求項１から６のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項８】
前記複数のレーザ素子は、第３の波長域で発振する第３のレーザ素子を含む、請求項１から７のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項９】
前記物体と前記空間光変調器との間に配置された投影倍率調整レンズを備える、請求項１から８のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項１０】
前記物体と前記空間光変調器との間に配置されたマイクロレンズアレイを備える、請求項１から９のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項１１】
前記空間光変調器と前記レーザ光源の間に配置されたビーム成形レンズを備える、請求項１から１０のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項１２】
フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する透過型空間光変調器と、
前記空間光変調器をレーザ光で照射するレーザ光源と、
を備え、
前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成し、
前記レーザ光源は、前記レーザ光を放射する半導体レーザ素子を有し、前記半導体レーザ素子は、前記レーザ光を出射する発光領域を含む端面を持つ半導体積層構造を有し、前記発光領域は、前記半導体積層構造の積層方向に平行な速軸方向のサイズおよび前記積層方向に垂直な遅軸方向のサイズを有しており、
前記半導体レーザ素子から出た前記レーザ光は、光軸に垂直な断面において、前記速軸方向におけるサイズが前記遅軸方向におけるサイズよりも大きな形状を有しており、前記形状を有する前記レーザ光で前記空間光変調器を照射する、
前記空間光変調器上における前記レーザ光の照射領域は、第１の方向における第１のサイズと、前記第１の方向に垂直な第２の方向における第２のサイズを有し、前記第１のサイズは前記第２のサイズよりも大きく、
前記半導体レーザ素子の前記速軸方向は、前記照射領域の前記第１の方向に一致している、プロジェクタ。
【請求項１３】
フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する複数の透過型空間光変調器と、
前記複数の空間光変調器をそれぞれ異なる波長域のレーザ光で照射する複数のレーザ光源と、
を備え、
前記複数の空間光変調器のそれぞれは、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成する、プロジェクタ。
【国際調査報告】
2017145400.tif 000041
2017145400.tif 000042
2017145400.tif 000043
2017145400.tif 000044