(57)【要約】  レーザ光源装置は、レーザ光（Ｌ）を出射するレーザ光源（２１）と、レーザ光源を駆動させるレーザ駆動部（３１）と、レーザ光を集光すると共にレーザ光の一部を反射する集光レンズ（２４）と、集光レンズで反射した反射レーザ光（ＬＳ）を受光し、該反射レーザ光の強度に応じた検出信号を出力する光センサ（２９）と、この検出信号に基づいて、レーザ駆動部（３１）によるレーザ光源の駆動を制御する制御部（３０）とを有し、集光レンズ（２４）を、該集光レンズの光軸（Ａ２４）が集光レンズに入射するレーザ光（Ｌ）の中心光線（Ｌ０）に対して傾斜（角度α）するように、回転偏芯させて配置した。
2010100898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源を駆動させるレーザ駆動手段と、
前記レーザ光を集光すると共に前記レーザ光の一部を反射する光学素子を含む集光手段と、
前記光学素子で反射した反射レーザ光を受光し、該反射レーザ光の強度に応じた検出信号を出力する光センサと、
前記検出信号に基づいて、前記レーザ駆動手段による前記レーザ光源の駆動を制御する制御手段とを有し、
前記光学素子を、該光学素子の光軸が前記光学素子に入射するレーザ光の中心光線に対して傾斜するように、回転偏芯させて配置した
ことを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項２】
前記レーザ光の一部を反射する前記光学素子は、集光レンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記集光手段は、前記光学素子に入射するレーザ光の中心光線に平行な光軸を有する他の集光レンズを有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
前記光学素子の前記レーザ光の一部を反射する面は、前記レーザ光が入射する側の面又は出射する側の面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項５】
前記光学素子の前記レーザ光の一部を反射する面は、非コーティング面であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項６】
前記レーザ光の偏光方向が、前記光学素子の反射面に平行であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項７】
前記反射レーザ光の光路の途中に配置された拡散板をさらに有し、
前記光センサが受光する前記反射レーザ光は、前記拡散板を通過した反射レーザ光である
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項８】
前記反射レーザ光の光路の途中に配置された波長フィルタをさらに有し、
前記光センサが受光する前記反射レーザ光は、前記波長フィルタを通過した反射レーザ光である
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のレーザ光源装置と、
前記レーザ光源装置から出射されたレーザ光を空間変調してスクリーンに投写する手段と
を有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
前記レーザ光源装置が複数備えられ、該複数のレーザ光源装置のそれぞれは、各原色のレーザ光を出射し、
前記複数のレーザ光源装置からの複数のレーザ光を合成する合成手段をさらに有し、
前記空間変調されるレーザ光は、前記合成手段によって合成されたレーザ光である
ことを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を出射するレーザ光源装置及びこのレーザ光源装置を用いる画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空間変調されたレーザ光によってスクリーンに画像を表示する画像表示装置（レーザディスプレイ）が、近年多く提案されている。このような装置の利点は、指向性及び単色性が高く、高輝度で広色再現性を有した高画質な画像を表示できることである。一方、各原色のレーザ光を混色して色再現を行う場合には、各原色のレーザ光のビームパワー及び発振波長の変化は表示画像の色調の変化となって顕著に現れる。人間の目は、色調の変化に対して特に敏感であるので、画像表示装置用のレーザ光源装置においては、レーザ光のビームパワーの変化を厳密に制御し、色調を一定に保持する必要がある。【０００３】
通常、レーザ光のビームパワーを制御する場合には、光路内にビームスプリッタを配置し、分岐されたレーザ光を光センサで受光することによって、レーザ光のビームパワーの相対的な変化を測定する。また、レーザ光源装置の出射ヘッドの光学部品、特に、出射対物レンズからの反射光を光センサで受光する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、中間ミラーの反射面を一部透過としてレーザービームの一部を取り出す方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１３３７９８号公報
【特許文献２】特開２００３−２７０５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ビームスプリッタを配置する場合には、レーザ光源装置の構成部品が増加するので、レーザ光源装置のサイズが大きくなる及び製品コストが上昇するという問題がある。【０００６】
また、特許文献１の場合には、出射ヘッドの光学部品からの反射光であるサンプルビーム（主ビームと光軸を一致させて戻る）の受光感度を上げるために、光センサを光軸に近づけて配置することが必要であるが、主ビームとの干渉が生じるので、十分に近づけることができない。このため、光センサには、光学部品からの反射光の内の周辺光の一部分しか入射せず、受光強度が不安定になる、及び、検出信号と主レーザ光のビームパワーとの間の比例関係が得られないという問題がある。【０００７】
また、上記従来のレーザ光源装置を投写型の画像表示装置の光源として用いた場合には、表示画像の輝度及び色調が安定しないという問題が生じる。【０００８】
また、特許文献２の場合には、取り出したレーザービームをセンサで受光するために中間ミラーの透過面にレンズ形状を形成しなくてはならないという問題がある。さらに、センサで受光するレーザービームのパワーは中間ミラーのコーティング特性の影響を受けるため、環境変化や経時変化の影響を受けやすいという問題がある。【０００９】
そこで、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、構成部品を増やしたり、構成部品の形状や構造を付加したりしなくても、レーザ光のビームパワーを安定に維持できるレーザ光源装置、及び、このレーザ光源装置を用いた、輝度及び色調が安定な画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るレーザ光源装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源を駆動させるレーザ駆動手段と、前記レーザ光を集光すると共に前記レーザ光の一部を反射する光学素子を含む集光手段と、前記光学素子で反射した反射レーザ光を受光し、該反射レーザ光の強度に応じた検出信号を出力する光センサと、前記検出信号に基づいて、前記レーザ駆動手段による前記レーザ光源の駆動を制御する制御手段とを有し、前記光学素子を、該光学素子の光軸が前記光学素子に入射するレーザ光の中心光線に対して傾斜するように、回転偏芯させて配置したことを特徴としている。【００１１】
また、本発明に係るレーザ光源装置は、前記レーザ光源装置と、前記レーザ光源装置から出射されたレーザ光を空間変調してスクリーンに投写する手段とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のレーザ光源装置によれば、構成部品を増やさずにレーザ光のビームパワーを安定に維持できるという効果がある。【００１３】
また、本発明の画像表示装置によれば、構成部品を増やさずにレーザ光のビームパワーを安定に維持できるので、表示画像の輝度及び色調が安定に維持できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置の構成の一例を概略的に示す図である。
【図２】入射角度とフレネル反射率の関係を表すグラフである。
【図３】光軸ずれを説明するための図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、非点収差の有無によるスポットの相違を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るレーザ光源装置の構成の一例を概略的に示す図である。
【図６】実施の形態２に係るレーザ光源装置において拡散板を備える場合の構成例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係るレーザ光源装置の構成の一例を概略的に示す図である。
【図８】（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態１に係るレーザ光源装置を画像表示装置に適用する場合におけるフィールドシーケンシャル方式の空間変調素子とレーザの駆動タイミングを説明する図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、集光レンズの回転偏芯の様子を示す図である。
【図１０】視感度曲線を表すグラフである。
【図１１】光センサの波長感度の一例を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置の構成の一例を概略的に示す図である。図１に示されるように、実施の形態１に係るレーザ光源装置は、レーザ光源２１と、レーザ光源２１を駆動するレーザ駆動部（レーザ駆動手段）３１と、レーザ光源２１から出力した各色のレーザ光Ｌの各々を略平行光束化するレンズなどからなる整形光学素子２２と、レーザ光Ｌを集光する光学素子である球面状の面を持つ集光レンズ２４とを備えている。また、実施の形態１に係るレーザ光源装置は、集光レンズ２４からの反射レーザ光（サンプルビーム）が集光する位置に、反射レーザ光のビームパワーに応じた検出信号を出力する光センサ２９と、この光センサ２９からの検出信号に基づいて、レーザ駆動部３１によるレーザ光源２１の駆動を制御する制御部３０とを備えている。また、レーザ光源装置は、集光レンズ２４の透過光が集光する位置に、レーザ光を結合し伝送する光ファイバ１４０を備えている。
【００１６】
実施の形態１においては、レーザ光源２１から出射したレーザ光は整形光学素子２２によって略平行光化され集光レンズ２４に入射する。レーザ光Ｌが入射する集光レンズ２４は、集光レンズ２４の光軸Ａ２４が集光レンズ２４に入射するレーザ光Ｌの中心光線（「光軸」とも言う。）Ｌ０に対して傾斜（角度α）するように、回転偏芯させて配置されている。この回転偏芯の回転軸は、集光レンズ２４に入射するレーザ光Ｌの中心光線Ｌ０に対して垂直な面内に回転軸（図１が描かれている紙面に垂直な方向に延びる回転軸）を持つ。集光レンズ２４のレンズ面は、集光レンズ２４の出射面２４ｂを除き、低反射コーティングが施され、フレネル反射による損失を低減している。一方、集光レンズ２４の出射面２４ｂではレンズ材料と空気との屈折率で反射率が定まるフレネル反射が生じる。実施の形態１においては、集光レンズ２４の材料は、屈折率１．５程度であり、図２に示すように、概ね可視の波長帯域のレーザ光に対しては、入射角度１０度で約４％の反射光が生じる。集光レンズ４の出射面２４ｂでの反射光は、集光レンズ２４が角度αだけ回転偏芯しているため、集光レンズ２４内を戻った後入射面２４ａから空気中へ出射する光路は、主レーザ光ＬＭから逸れ、光センサ２９で検知する反射レーザ光（サンプルビーム）ＬＳとなる。反射レーザ光ＬＳは、集光レンズ２４の入射面２４ａを２回通過することによってレンズ作用を受けて集光しながら進み、集光位置に配設された光センサ２９にほぼすべての光量が入射する。光センサ２９で検出された反射レーザ光ＬＳのビームパワーは、主レーザ光ＬＭのビームパワーと一定の関係（例えば、略比例する関係）があるので、光センサ２９は、レーザ光源装置から出射する主レーザ光ＬＭのビームパワーを検出していることになる。
【００１７】
一方、集光レンズ２４を透過するレーザ光Ｌは、集光レンズ２４のレンズ作用で集光されるとともに、集光レンズ２４は、レーザ光Ｌの中心光線Ｌ０に対して傾斜（角度α）するように配置（このことを「回転偏芯」とも言う。）されている。このため、光軸のずれと非点収差が生じる。光軸のずれに関する説明図を、図３に示す。光軸と角度を持つ傾斜面に光が入射する場合には、光は、スネルの法則により屈折するため、光軸ずれが発生する。集光レンズ２４を透過する主レーザ光ＬＭの中心光線ＬＭ０は、集光レンズ２４に入射する前の中心光線Ｌ０に対して、集光レンズ２４の回転面（図３が描かれている紙面に平行な面）内において、移動量Ｄだけ平行移動する。この中心光線Ｌ０の移動量、すなわち、ずれ量Ｄは、集光レンズ２４のレンズ中心厚をＴとし、集光レンズ２４の屈折率をＮ２４とし、集光レンズ２４の外側の領域の屈折率をＮ０とし、屈折角をρとすると、下記の式１及び式２から、求めることができる。
【数１】
2010100898.tif 000003
【数２】
2010100898.tif 000004
【００１８】
したがって、集光レンズ２４に後続する（すなわち、集光レンズ２４より光の進行方向下流側に配置された）光学系は、その光軸を、中心光線Ｌ０に対し、ずれ量Ｄだけ平行移動させることによって、集光レンズ２４を回転偏芯することによる光軸のずれを解消することができる。なお、光軸のずれ量Ｄが、図３に示される光学系からの光が入射される（すなわち、結合される）光ファイバのコア径に対して十分に小さく、補正を行わなくても所望の特性が得られる場合には、集光レンズ２４に後続する光学系の光軸のずれを補正しなくてもよい。
【００１９】
また、非点収差によって集光スポットが変化する。図４（ａ）に、集光レンズ２４を回転偏芯させず、集光レンズ２４に理想的な平行光線を入射させた場合に形成されるスポットダイヤグラムを示し、図４（ｂ）に、集光レンズ２４を図３のように回転偏芯させ、集光レンズ２４に理想的な平行光線を入射させた場合に形成されるスポットダイヤグラムを示す。図４（ａ）に示されるように、集光レンズ２４を回転偏芯させない場合には、スポットは小さく、図４（ｂ）に示されるように、集光レンズ２４を回転偏芯させた場合には、スポットは大きくなる。
【００２０】
一方、光ファイバ１４０は、コア径数百μｍ〜数ｍｍの大口径のマルチモードファイバである。ここで、光ファイバ１４０に大口径のマルチモードファイバが使用できる背景について簡単に説明する。光ファイバ１４０によって光伝送された後、光ファイバ出射面から出力されるレーザ光を映像表示装置の光源として使用する場合、光ファイバ１４０から出射するレーザ光を損失少なく映像表示装置のエンジン開口に結合する必要がある。結合する方法には、光ファイバの出射レーザ光を直接エンジン開口に結合する方法や、リレー光学系を用いて結合する方法などがある。いずれの場合においても、大口径マルチモードファイバのコア径の制限は、エンジン開口のエタンデュ、すなわち、空間変調素子のエタンデュに依って発生する。２次元（２Ｄ）の空間変調素子のエタンデュを例として上げると、５〜１０ｍｍ２・ｓｒである。大口径マルチモードファイバのエタンデシュは、コア径φが１．０ｍｍ、開口数ＮＡが０．２の場合、０．１ｍｍ２・ｓｒである。この値は、エンジン開口に対して数〜数十分の１と小さく、大口径マルチモードファイバで伝送されたレーザ光を光損失することなく、映像表示装置に結合することができることがわかる。
【００２１】
また、レーザ光源のエタンデュは、理想的なレーザ光線であれば１０−６〜１０−７ｍｍ２・ｓｒである。また、現状では低価格かつ高出力なブロードエリアタイプのマルチエミッタＬＤ（レーザーダイオード）やＳＳＬ（固体レーザ）などを用いる場合のもあり、このような光源のエタンデュは、１０−４〜１０−２ｍｍ２・ｓｒ程度である。このように、レーザ光源のエタンデュは、マルチモードファイバのエタンデシュに対しても小さく、集光レンズ２４を回転偏芯させて非点収差が生じている場合であっても光損失なく結合することができる、又は、損失なく結合することができるマルチモードファイバ径を選択することができる。
【００２２】
レーザ光源２１の偏光状態が直線偏光の場合には、図２の入射角度とフレネル反射率の関係を表すグラフからわかるように、レーザ光源２１からのレーザー光Ｌの偏光方向が集光レンズ２４の反射面２４ｂに平行になるようにすることによって、フレネル反射による主レーザ光ＬＭの損失が少なくすることができる。なお、図２において、Ｓは、Ｓ偏光、Ｐは、Ｐ偏光を示す。
【００２３】
なお、集光レンズ２４の出射面２４ｂは、コーティングを施さずフレネル反射を利用して反射レーザ光ＬＳを取り出す場合には、コーティングの反射率の経時変化や環境変化による温度・湿度特性の影響を受けずに安定した光出力のセンシング（光センサ２９による反射レーザ光の検出）ができる。ただし、高精度のセンシングが不用であり、主レーザ光ＬＭのビームパワーの損失を抑制したい場合には、集光レンズ２４の出射面２４ｂに低反射コーティングを施してもよい。
【００２４】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置の構成の一例を概略的に示す図である。図５に示されるように、実施の形態２に係るレーザ光源装置は、レーザ光源２０１は複数のレーザ光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃと、レーザ光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃを駆動するレーザ駆動部（レーザ駆動手段）２１１と、レーザ光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃから出力した各レーザ光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの各々を略平行光束化するレンズなどからなる整形光学素子２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃと、レーザ光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを集光する光学素子である球面状の面を持つ集光レンズ２０４とを備えている。レーザ光源２０１は複数のレーザ光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃの全体を、レーザ光源２０１とも言う。また、実施の形態１に係るレーザ光源装置は、集光レンズ２０４からの反射レーザ光（サンプルビーム）が集光する位置に、反射レーザ光のビームパワーに応じた検出信号を出力する光センサ２０９と、光センサ２０９からの検出信号に基づいて、レーザ駆動部２１１によるレーザ光源２０１の駆動を制御する制御部２１０とを備えている。また、集光レンズ２０４の透過光が集光する位置に、レーザ光を結合し伝送する光ファイバ２４０を備えている。なお、光ファイバ２４０の入射端面は、式１及び式２から算出される光軸のずれ量を考慮した位置に配置されている。
【００２５】
実施の形態２に係るレーザ光源装置では、複数のレーザ光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃから出射される略平行光束を用いているため、主レーザ光ＬＭのビームパワーを正確に検出するためには、Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃのすべてのレーザ光束の反射光ＬＳａ，ＬＳｂ，ＬＳｃを光センサ２０９で受光しなければならない。
【００２６】
実施の形態２の構成によれば、集光レンズ２０４の出射面２４ｂで反射したレーザ光ＬＳａ，ＬＳｂ，ＬＳｃは、集光レンズ２０４のレンズパワーにより集光されて、その集光位置に配設された光センサ２０９に各レーザ光源から出射した光束が重ねあわされるようにスポットを形成する。したがって、反射光ＬＳａ，ＬＳｂ，ＬＳｃのほぼすべての光束を光センサ２０９で受光することができ、主レーザ光ＬＭのビームパワーを正確にセンシングすることができる。
【００２７】
また、図６に示すように、反射光ＬＳａ，ＬＳｂ，ＬＳｃが集光する位置、すなわち、図５において光センサ２０９が配設されていた場所に拡散板２０７を備え、光センサ２０９は反射光の進行方向に沿って拡散板２０７の前方（反射光の進行方向下流側）に備える構成としてもよい。通常、レーザ光は、その光軸に垂直な断面内において強度分布を持ち、集光スポットもそれを反映した強度分布を持つ。また、複数のレーザ光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃから出射したレーザ光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの集光スポットは、ビーム特性、設置精度等の相違により、位置及び大きさは必ずしも一致しない。ばらつきを持つ複数の反射レーザ光ＬＳａ，ＬＳｂ，ＬＳｃは、拡散板２０７を透過中に散乱されることによって強度分布が均一化されて、光センサ２０９に安定な反射レーザ光が入射し、主レーザ光ＬＭのビームパワーの正確な予測が可能となる。すなわち、光センサ２０９の受光面前方には拡散板２０７を備えたので、光センサ２０９に入射する反射レーザ光ＬＳの強度分布やばらつきが均一化され、光センサ２０９で受光する反射レーザ光ＬＳと主レーザ光ＬＭの強度を略比例とし、主レーザ光ＬＭのビームパワーを正確に予測し、制御することができる。また、均一な強度分布の領域が広くなり、光センサ２０９の設置自由度があがり、その結果、集光スポットにおけるビームの強度分布を均一化し、光センサ２０９の受光部に入射する光強度を安定化させることができる。
【００２８】
なお、本実施の形態２においては、複数のレーザ光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃは同色の光源であってもよいし、互いに異なる色（波長）のレーザ光源であってもよい。
【００２９】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係るレーザ光源装置の構成の一例を概略的に示す図である。図７に示されるように、実施の形態３に係るレーザ光源装置は、例えば、赤、青、緑の３原色のレーザ光源（レーザモジュール）１ａ，１ｂ，１ｃと、レーザ光源１ａ，１ｂ，１ｃを駆動するレーザ駆動部（レーザ駆動手段）１１と、レーザ光源１ａ，１ｂ，１ｃから出力した各色のレーザ光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの各々を略平行光束化するレンズなどからなる整形光学素子２ａ，２ｂ，２ｃと、レーザ光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの各々の中心光線（「光軸」とも言う。）を略一致させて合成し、レーザ光Ｌを生成するダイクロイックフィルタ３ａ，３ｂ及び折り曲げミラー３ｃと、レーザ光Ｌを集光する光学素子である球面状の面を持つ集光レンズ４及び５を有する集光レンズ系６とを備えている。ここで、ダイクロイックフィルタ３ｂは、レーザ光Ｌｂを反射させ、レーザ光Ｌｃを透過させるフィルタである。また、ダイクロイックフィルタ３ａは、レーザ光Ｌａを透過させ、レーザ光Ｌｂ，Ｌｃを反射させるフィルタである。また、実施の形態３に係るレーザ光源装置は、集光レンズ４からの反射レーザ光（サンプルビーム）の光路上に、拡散板７と、波長フィルタ８と、反射レーザ光のビームパワーに応じた検出信号を出力する光センサ９とを備え、さらに、光センサ９からの検出信号に基づいて、レーザ駆動部９によるレーザ光源１ａ，１ｂ，１ｃの駆動を制御する制御部１０とを備えている。また、集光レンズ４の透過光が集光する位置に、映像表示装置の開口（エンジン開口とも言い、ここではインテグレータロッドである。）４１が配置されている。
【００３０】
実施の形態３においては、集光レンズ系６は、２枚の集光レンズ（球面レンズ）４及び５で構成されている。レーザ光Ｌが入射する集光レンズ４（レーザ光の進行方向において上流側に配置された集光レンズ）は、集光レンズ４の光軸Ａ４が集光レンズ４に入射するレーザ光Ｌの中心光線（「光軸」とも言う。）Ｌ０に対して傾斜（角度α）するように、回転偏芯させて配置されている。この回転偏芯の回転軸は、集光レンズ４に入射するレーザ光Ｌの中心光線Ｌ０に対して垂直な面内に回転軸（図７が描かれている紙面に垂直な方向に延びる回転軸）を持つ。集光レンズ４及び５のレンズ面は、集光レンズ４の出射面４ｂを除き、低反射コーティングが施され、フレネル反射による損失を低減している。集光レンズ４の出射面４ｂでの反射光は、集光レンズ４が角度αだけ回転偏芯しているため、集光レンズ４内を戻った後入射面４ａから空気中へ出射する光路は、主レーザ光ＬＭから逸れ、光センサ９で検知する反射レーザ光（サンプルビーム）ＬＳとなる。反射レーザ光ＬＳは、拡散板７、波長フィルタ８を通過して光センサ９に入射する。光センサ９で検出された反射レーザ光ＬＳのビームパワーは、主レーザ光ＬＭのビームパワーと一定の関係（例えば、略比例する関係）があるので、光センサ９は、レーザ光源装置から出射する主レーザ光ＬＭのビームパワーを検出していることになる。
【００３１】
一方、集光レンズ５を透過した主レーザ光ＬＭは、レーザ光源装置から出射されて、映像表示装置のエンジン開口（本実施の形態ではインテグレータロッド）に結合し、レーザ光を空間変調してスクリーンに投写する手段ＳＣ（図示していない構成であって、例えば、空間変調素子、この空間変調素子を主レーザ光ＬＭで照明する手段、及び空間変調された光をスクリーンに投写する光学系などから構成される。）を有している。
【００３２】
図８（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態３に係るレーザ光源装置を画像表示装置に適用する場合におけるフィールドシーケンシャル方式の空間変調素子とレーザの駆動タイミングを説明する図である。実施の形態３のように、３原色のレーザ光を色合成して用いるレーザ光源装置を用いる画像表示装置では、例えば、フィールドシーケンシャル方式で階調表示する空間変調素子を備えて構成される。フィールドシーケンシャル方式では、図８（ａ）に示されるように、１ＴＶフィールドの時間を光源の色数（ここでは、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色）に分割し、順次色を出力し、人間の目の積分作用によって目の中で混色し、フルカラー画像として認識される原理を利用している。また、階調表示についても同様の原理を利用して、各色に対応する時間を１０ビット、すなわち、１０２４分割し、各色の光強度に応じて光の利用頻度を変えることによって行う。図８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示されるように、レーザ光源１ａ，１ｂ，１ｃは、この空間変調素子ＳＣ１（図示せず）の動作に同期し、各光源の色に対応する空間変調素子の動作時間のみ発振するようにパルス駆動する。なお、空間変調素子としては、例えば、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）や液晶ライトバルブなどがある。
【００３３】
図８（ｅ）に示されるように、光センサ９は、各色のレーザ光源１ａ，１ｂ，１ｃのＯＮタイミングに同期して受光した光出力を検知し、それに応じた電気信号を制御部１０へ出力することによって、各色のレーザ光源を個別に制御することができる。制御部１０は、予め求められている光センサ９の出力と主レーザ光ＬＭのビームパワーの関係式から主レーザ光ＬＭのビームパワーを推測し、所定のビームパワーとなるように３原色のレーザへの入力信号を制御し、ビームパワーが安定したレーザ光を出力させる。なお、光センサ９は、各色のレーザ光源１ａ，１ｂ，１ｃのすべてのＯＮタイミングに同期するのではなく、１ＴＶフィールド内の１個以上のＯＮタイミングに同期し反射レーザ光ＬＳの光出力を検知するものであってもよい。
【００３４】
実施の形態３においては、出射ビームの集光角度は約２５度である。その場合、集光ビームに要求されるビームスポット径に応じて異なる構成となるが、一般には、集光レンズ系６は通常は球面レンズ１枚若しくは２枚、又は、非球面レンズ１枚などで構成される。集光レンズ系６は、図７に示すように、例えば、球面レンズ２枚組みの構成を採用している。２枚組みにすることによって、集光レンズ１枚あたりのレンズパワーは小さくなり、レンズ材料の屈折率を下げることができる。その結果、図２に示すようにフレネル反射率（縦軸）が低くなり、主レーザ光の光損失を抑制することができる。一方、集光レンズを球面レンズ１枚で構成して同等の性能を求める場合には、高い屈折率のレンズ材料を用いる必要があり、フレネル反射損失が大きくなる。通常、光センサ９による反射レーザ光ＬＳの検出に必要な光量は微量である（弱い光強度でよい）ので、フレネル反射率を高めて光センサ９に入射する光の強度を高める必要はない。
【００３５】
図９（ａ）は、集光レンズ系６の集光レンズ４の回転偏芯の様子を示す図であり、同図（ｂ）は、集光レンズ系６を１枚の集光レンズ４０で構成した場合の回転偏芯の様子を示す図である。図９（ｂ）に示されるように、集光レンズ系６を１枚の集光レンズ４０で構成すると、レンズパワーが大きいため反射レーザ光ＬＳの焦点距離も短くなる。そのため、反射レーザ光ＬＳと主レーザ光ＬＭの光路を分離するために必要な集光レンズ４０の角度βを、図９（ｂ）に示すように、図９（ａ）の場合（角度α）よりも、大きくする必要があり、フレネル反射率の増大や非点収差による集光スポットの劣化が発生する。このように、集光レンズ系６を１枚の集光レンズ４０で構成する場合よりも、２枚の集光レンズ４及び５で構成した場合の方が、光損失が少なく、高い性能を得やすい。一方、集光レンズ系６を構成するために、多数のレンズを使用すれば、コストの増大の問題、低反射コーティングを施している場合であっても生じる界面損失が増大する。したがって、集光レンズ系６を構成するレンズの構成枚数は、出射ビームの仕様などに応じて最適な枚数を選択することができ、図示した２枚以外の枚数であってもよい。
【００３６】
次に、反射レーザ光ＬＳの集光スポット付近に配置された拡散板７の作用は、実施の形態２において説明した作用と同じであり、異なる波長のレーザ光源を用いる場合には同色の複数のレーザ光源を用いる場合に比較し反射レーザ光の集光スポットのばらつきはさらに大きくなるため、拡散板を用いる効果は高まる。
【００３７】
図１０は、視感度曲線を表すグラフであり、図１１は、光センサの波長感度の一例を表すグラフである。実施の形態１においては、拡散板７と集光レンズ４の間には波長フィルタ８が配置されている。レーザ光の発振波長は温度や駆動電流により変化する場合がある。図１０に示されるように、発振波長が異なると、単色での色の差も認識されるが、同じビームパワーで混色された場合においても人間の目に感じる感度が異なり色調が異なって見える。そのため、光センサ９の波長に対する感度は、人間の視感度に近い特性を持つものが望ましい。一方、光センサ９の受光素子の材料（シリコンなど）も、図１１に一例を示すように波長によって光を吸収する割合が異なり、波長によって光センサ９の出力が異なる。そのため、光センサ９の感度と波長フィルタ８を合わせた波長感度特性が視感度と略一致するように波長フィルタ８の特性を定める。このように構成したレーザ光源装置を投写型の画像表示装置の空間変調素子にレーザ光を照明する光源として用いる場合には、画像表示に使用される各色のレーザ光の強度が適切に制御されるので、表示画像の輝度及び色調を安定させることができ、また、色再現性を向上させることができる。すなわち、光センサ９の受光面前方には波長フィルタ８を備えたので、温度や経年劣化によるレーザの発振波長の変化を補正するための、主レーザ光ＬＭのビームパワーの調整を行うことができる。
【００３８】
なお、波長フィルタ８と拡散板７の配置位置は逆になってもよい。また、波長フィルタ８の特性は、視感度と光センサの波長感度を補正するものでばかりではなく、装置に必要とされる光源の出力を、環境条件や経年変化などにより変化する特性を補償するものであればよい。
【００３９】
また、以上の説明においては、光センサ９が１台の場合を説明したが、実施の形態３に係るレーザ光源装置に用いるレーザ光源の各発振波長に対して受光感度の高い複数の受光素子を備えた光センサを採用してもよい。
【００４０】
以上に説明したように、実施の形態３に係るレーザ光源装置によれば、レーザ光の出射位置に近い位置に配置された集光レンズ４からの反射レーザ光ＬＳを検出しているので、実際にレーザ光源装置から出射されるレーザ光のビームパワーを正確に測定することができる。
【００４１】
また、レーザ光源装置内の集光レンズ４をその光軸に対して垂直な面内に回転軸を持つ方向に回転偏芯させたことによって光センサ９に進む反射レーザ光ＬＳを得る構成としたので、集光レンズ系６内に新たな素子を加えずにセンシング用の反射レーザ光ＬＳを分離することができ、低コストで光損失の少ないレーザ光源装置を得ることができる。
【００４２】
また、実施の形態３の構成によれば、構成部品を増やさずにレーザ光のビームパワーを安定に維持できるので、表示画像の輝度及び色調が安定に維持できる。
【符号の説明】
【００４３】
１ａ，１ｂ，１ｃ，２１  レーザ光源、  ２ａ，２ｂ，２ｃ，２２，２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ  整形光学素子、  ３ａ，３ｂ  ダイクロイックフィルタ、  ３ｃ  折り曲げミラー、  ４，５，２４，２０４  集光レンズ、  ４ａ  集光レンズ４の入射面、  ２０４ａ  集光レンズ２０４の入射面、  ４ｂ  集光レンズ４の出射面（フレネル反射面）、  ２０４ｂ  集光レンズ２０４の出射面（フレネル反射面）、  ６  集光レンズ系、  ７，２０７  拡散板、  ８  波長フィルタ、  ９，２９，２０９  光センサ、  １０，３０  制御部、  １１，３１  レーザ駆動部、  Ｌ，Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ  レーザ光、  ＬＭ  主レーザ光（主ビーム）、  ＬＳ  反射レーザ光（サンプルビーム）、  α，β  回転偏芯の角度、  ρ  屈折角、  Ａ４  集光レンズ４の光軸、  Ａ５  集光レンズ５の光軸、  Ａ２４  集光レンズ２４の光軸、  Ｌ０  レーザ光Ｌの中心光線、  １４０，２４０  光ファイバ、  ４１  エンジン開口。
【図１】
2010100898.tif 000005
【図２】
2010100898.tif 000006
【図３】
2010100898.tif 000007
【図４】
2010100898.tif 000008
【図５】
2010100898.tif 000009
【図６】
2010100898.tif 000010
【図７】
2010100898.tif 000011
【図８】
2010100898.tif 000012
【図９】
2010100898.tif 000013
【図１０】
2010100898.tif 000014
【図１１】
2010100898.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月1日(2011.8.1)
【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】
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源を駆動するレーザ駆動手段と、
前記レーザ光を集光すると共に前記レーザ光の一部を反射する光学素子を含む集光手段と、
前記光学素子で反射した反射レーザ光を受光し、該反射レーザ光の強度に応じた検出信号を出力する光センサと、
前記検出信号に基づいて、前記レーザ駆動手段による前記レーザ光源の駆動を制御する制御手段とを有し、
前記光学素子を、該光学素子の光軸が前記光学素子に入射するレーザ光の中心光線に対して傾斜するように、回転偏芯させて配置した
ことを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項２】
前記レーザ光源を複数有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記集光手段は、１つであることを特徴とする請求項２に記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
前記複数のレーザ光源から出射した複数のレーザ光を略平行光にして前記集光手段に入射させる平行光化手段をさらに有することを特徴とする請求項２又は３に記載のレーザ光源装置。
【請求項５】
前記複数のレーザ光源は各々異なる色のレーザ光を出射し、
前記複数のレーザ光源から出射された複数のレーザ光を合成して前記集光手段に入射させる合成手段をさらに有することを特徴とする請求項２又は４に記載のレーザ光源装置。
【請求項６】
前記レーザ光の一部を反射する前記光学素子は、集光レンズであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項７】
前記集光手段は、前記光学素子に入射するレーザ光の中心光線に平行な光軸を有する他の集光レンズを有することを特徴とする請求項６に記載のレーザ光源装置。
【請求項８】
前記光学素子の前記レーザ光の一部を反射する面は、前記レーザ光が入射する側の面又は出射する側の面であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項９】
前記光学素子の前記レーザ光の一部を反射する面は、非コーティング面であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項１０】
前記レーザ光の偏光方向が、前記光学素子の反射面に平行であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項１１】
前記反射レーザ光の光路の途中に配置された拡散板をさらに有し、
前記光センサが受光する前記反射レーザ光は、前記拡散板を通過した反射レーザ光である
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項１２】
前記反射レーザ光の光路の途中に配置された波長フィルタをさらに有し、
前記光センサが受光する前記反射レーザ光は、前記波長フィルタを通過した反射レーザ光である
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のレーザ光源装置と、
前記レーザ光源装置から出射されたレーザ光を空間変調してスクリーンに投写する手段と
を有することを特徴とする画像表示装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明に係るレーザ光源装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源を駆動するレーザ駆動手段と、前記レーザ光を集光すると共に前記レーザ光の一部を反射する光学素子を含む集光手段と、前記光学素子で反射した反射レーザ光を受光し、該反射レーザ光の強度に応じた検出信号を出力する光センサと、前記検出信号に基づいて、前記レーザ駆動手段による前記レーザ光源の駆動を制御する制御手段とを有し、前記光学素子を、該光学素子の光軸が前記光学素子に入射するレーザ光の中心光線に対して傾斜するように、回転偏芯させて配置したことを特徴としている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、本発明に係る画像表示装置は、前記レーザ光源装置と、前記レーザ光源装置から出射されたレーザ光を空間変調してスクリーンに投写する手段とを有することを特徴としている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
実施の形態１においては、レーザ光源２１から出射したレーザ光は整形光学素子２２によって略平行光化され集光レンズ２４に入射する。レーザ光Ｌが入射する集光レンズ２４は、集光レンズ２４の光軸Ａ２４が集光レンズ２４に入射するレーザ光Ｌの中心光線（「光軸」とも言う。）Ｌ０に対して傾斜（角度α）するように、回転偏芯させて配置されている。この回転偏芯の回転軸は、集光レンズ２４に入射するレーザ光Ｌの中心光線Ｌ０に対して垂直な面内に回転軸（図１が描かれている紙面に垂直な方向に延びる回転軸）を持つ。集光レンズ２４のレンズ面は、集光レンズ２４の出射面２４ｂを除き、低反射コーティングが施され、フレネル反射による損失を低減している。一方、集光レンズ２４の出射面２４ｂではレンズ材料と空気との屈折率で反射率が定まるフレネル反射が生じる。実施の形態１においては、集光レンズ２４の材料は、屈折率１．５程度であり、図２に示すように、概ね可視の波長帯域のレーザ光に対しては、入射角度１０度で約４％の反射光が生じる。集光レンズ２４の出射面２４ｂでの反射光は、集光レンズ２４が角度αだけ回転偏芯しているため、集光レンズ２４内を戻った後入射面２４ａから空気中へ出射する光路は、主レーザ光ＬＭから逸れ、光センサ２９で検知する反射レーザ光（サンプルビーム）ＬＳとなる。反射レーザ光ＬＳは、集光レンズ２４の入射面２４ａを２回通過することによってレンズ作用を受けて集光しながら進み、集光位置に配設された光センサ２９にほぼすべての光量が入射する。光センサ２９で検出された反射レーザ光ＬＳのビームパワーは、主レーザ光ＬＭのビームパワーと一定の関係（例えば、略比例する関係）があるので、光センサ２９は、レーザ光源装置から出射する主レーザ光ＬＭのビームパワーを検出していることになる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源装置の構成の一例を概略的に示す図である。図５に示されるように、実施の形態２に係るレーザ光源装置は、複数のレーザ光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃと、レーザ光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃを駆動するレーザ駆動部（レーザ駆動手段）２１１と、レーザ光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃから出力した各レーザ光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの各々を略平行光束化するレンズなどからなる整形光学素子２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃと、レーザ光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを集光する光学素子である球面状の面を持つ集光レンズ２０４とを備えている。レーザ光源２０１は複数のレーザ光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃの全体を、レーザ光源２０１とも言う。また、実施の形態２に係るレーザ光源装置は、集光レンズ２０４からの反射レーザ光（サンプルビーム）が集光する位置に、反射レーザ光のビームパワーに応じた検出信号を出力する光センサ２０９と、光センサ２０９からの検出信号に基づいて、レーザ駆動部２１１によるレーザ光源２０１の駆動を制御する制御部２１０とを備えている。また、集光レンズ２０４の透過光が集光する位置に、レーザ光を結合し伝送する光ファイバ２４０を備えている。なお、光ファイバ２４０の入射端面は、式１及び式２から算出される光軸のずれ量を考慮した位置に配置されている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
実施の形態２の構成によれば、集光レンズ２０４の出射面２０４ｂで反射したレーザ光ＬＳａ，ＬＳｂ，ＬＳｃは、集光レンズ２０４のレンズパワーにより集光されて、その集光位置に配設された光センサ２０９に各レーザ光源から出射した光束が重ねあわされるようにスポットを形成する。したがって、反射光ＬＳａ，ＬＳｂ，ＬＳｃのほぼすべての光束を光センサ２０９で受光することができ、主レーザ光ＬＭのビームパワーを正確にセンシングすることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係るレーザ光源装置の構成の一例を概略的に示す図である。図７に示されるように、実施の形態３に係るレーザ光源装置は、例えば、赤、青、緑の３原色のレーザ光源（レーザモジュール）１ａ，１ｂ，１ｃと、レーザ光源１ａ，１ｂ，１ｃを駆動するレーザ駆動部（レーザ駆動手段）１１と、レーザ光源１ａ，１ｂ，１ｃから出力した各色のレーザ光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの各々を略平行光束化するレンズなどからなる整形光学素子２ａ，２ｂ，２ｃと、レーザ光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの各々の中心光線（「光軸」とも言う。）を略一致させて合成し、レーザ光Ｌを生成するダイクロイックフィルタ３ａ，３ｂ及び折り曲げミラー３ｃと、レーザ光Ｌを集光する光学素子である球面状の面を持つ集光レンズ４及び５を有する集光レンズ系６とを備えている。ここで、ダイクロイックフィルタ３ｂは、レーザ光Ｌｂを反射させ、レーザ光Ｌｃを透過させるフィルタである。また、ダイクロイックフィルタ３ａは、レーザ光Ｌａを透過させ、レーザ光Ｌｂ，Ｌｃを反射させるフィルタである。また、実施の形態３に係るレーザ光源装置は、集光レンズ４からの反射レーザ光（サンプルビーム）の光路上に、拡散板７と、波長フィルタ８と、反射レーザ光のビームパワーに応じた検出信号を出力する光センサ９とを備え、さらに、光センサ９からの検出信号に基づいて、レーザ駆動部１１によるレーザ光源１ａ，１ｂ，１ｃの駆動を制御する制御部１０とを備えている。また、集光レンズ４の透過光が集光する位置に、映像表示装置の開口（エンジン開口とも言い、ここではインテグレータロッドである。）４１が配置されている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
一方、集光レンズ５を透過した主レーザ光ＬＭは、レーザ光源装置から出射されて、映像表示装置のエンジン開口（本実施の形態ではインテグレータロッド）に結合しており、画像表示装置は、レーザ光を空間変調してスクリーンに投写する手段ＳＣ（図示していない構成であって、例えば、空間変調素子、この空間変調素子を主レーザ光ＬＭで照明する手段、及び空間変調された光をスクリーンに投写する光学系などから構成される。）を有している。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
図１０は、視感度曲線を表すグラフであり、図１１は、光センサの波長感度の一例を表すグラフである。実施の形態３においては、拡散板７と光センサ９の間には波長フィルタ８が配置されている。レーザ光の発振波長は温度や駆動電流により変化する場合がある。図１０に示されるように、発振波長が異なると、単色での色の差も認識されるが、同じビームパワーで混色された場合においても人間の目に感じる感度が異なり色調が異なって見える。そのため、光センサ９の波長に対する感度は、人間の視感度に近い特性を持つものが望ましい。一方、光センサ９の受光素子の材料（シリコンなど）も、図１１に一例を示すように波長によって光を吸収する割合が異なり、波長によって光センサ９の出力が異なる。そのため、光センサ９の感度と波長フィルタ８を合わせた波長感度特性が視感度と略一致するように波長フィルタ８の特性を定める。このように構成したレーザ光源装置を投写型の画像表示装置の空間変調素子にレーザ光を照明する光源として用いる場合には、画像表示に使用される各色のレーザ光の強度が適切に制御されるので、表示画像の輝度及び色調を安定させることができ、また、色再現性を向上させることができる。すなわち、光センサ９の受光面前方には波長フィルタ８を備えたので、温度や経年劣化によるレーザの発振波長の変化を補正するための、主レーザ光ＬＭのビームパワーの調整を行うことができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2010100898.tif 000016
【国際調査報告】
2010100898.tif 000017
2010100898.tif 000018
2010100898.tif 000019
2010100898.tif 000020