(57)【要約】  発散角の異なる複数のビームを平行ビームにし、合成する光源装置において、小型化を図りつつ、画像の鮮明度を向上させる。  光源装置は、複数の光源と、コリメート手段であるボールレンズ（３）と、光学手段である平凸レンズ（５）と、を有する。第１の光源として、青色ビームを出射する青色半導体レーザ（２）がある。第１の光源として、緑色ビームを出射する緑色レーザ（６）がある。ボールレンズ（３）は、青色ビームを平行ビームにする。平凸レンズ（５）の平面部には、青色ビームを選択的に反射させる波長選択反射膜（７）がコーティングされている。平凸レンズ（５）は、緑色ビームを平行ビームにするとともに、緑色ビームと青色ビームとを合成する。
2009081913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光源から出射されたビームを合成し、平行ビームとして投射する光源装置であって、
第１の光源と、
第２の光源と、
前記第１の光源から出射されたビームを第１の平行ビームにするコリメート手段と、
前記第２の光源から出射され、前記第１の光源から出射されたビームの発散角とは異なる発散角を有する第２のビームを、第２の平行ビームにするとともに、前記第１の平行ビームと前記第２の平行ビームとを合成する光学手段と、
を備えた光源装置。
【請求項２】
前記光学手段で得られた前記第２の平行ビームのビーム径が、前記コリメート手段で得られた前記第１の平行ビームのビーム径とほぼ同一である、請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記光学手段は特定の波長帯の光を選択的に反射させる波長選択反射膜を備えたレンズである、請求項１または２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記レンズは平凸レンズであり、
前記波長選択反射膜は、前記平凸レンズの平面部に配されている、
請求項３に記載の光源装置。
【請求項５】
第１の光源から出射された前記ビームとほぼ同じ発散角を有するビームを出射する第３の光源をさらに有し、
前記コリメート手段は、ほぼ同じ発散角を有する複数のビームを、同一のビーム径を有する平行ビームにする、請求項１から４のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記コリメート手段で得られた複数の平行ビームを合成する合成光学手段をさらに有する、請求項５に記載の光源装置。
【請求項７】
前記合成光学手段が、前記コリメート手段と前記光学手段との間に配置されたダイクロイックミラーである、請求項６に記載の光源装置。
【請求項８】
前記光学手段は、特定の波長帯の光を選択的に反射させる波長選択反射膜が平面部に配された平凸レンズであり、
前記ダイクロイックミラーの反射面と前記平凸レンズの前記平面部との成す角度が、前記コリメート手段で平行ビームにされるビームを出射する前記第１の光源および前記第３の光源の光軸の成す角度の１／２である、請求項７に記載の光源装置。
【請求項９】
前記合成光学手段は、前記コリメート手段と前記光学手段との間に配置され、特定の波長帯の光を選択的に反射させる波長選択反射膜が施されたプリズムである、請求項６に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記プリズムの頂角が、前記コリメート手段で平行ビームにされるビームを出射する前記第１の光源および前記第３の光源の光軸の成す角度の１／２である、請求項９に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記プリズムは特定の波長帯の光を選択的に反射させる波長選択反射膜が施された曲面を有し、
前記曲面は前記コリメート手段における色収差を補正する手段である、請求項９または１０に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記複数の光源はレーザである、請求項１から１１のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１３】
前記レーザの温度を一定に調節する温度調節機構をさらに有し、
複数の前記レーザが前記温度調節機構を共有する、請求項１２に記載の光源装置。
【請求項１４】
前記光学手段は凹形状の反射面を有する、請求項１から１３のいずれか１項に記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のビームを合成し、平行ビームとして投射する光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、可搬性および携帯性を備えた小型の投射型画像表示装置が研究開発されている。米国特許６９２１１７０号（以下、「特許文献１」と呼ぶ。）には、コヒーレント光を出射する光源としてレーザを備えており、直進するレーザビームを走査して画像として投射する画像表示装置が開示されている。図１Ａは、特許文献１に記載の投射型画像表示装置の側面図であり、図１Ｂは投射型画像表示装置の上面図である。この投射型画像表示装置は、光源１０１と、光源１０１から出射したレーザビーム１０２を水平方向に走査する光走査素子１０３と、光源１０１から出射したレーザビーム１０２を垂直方向に走査する光走査素子１０４と、を有する。レーザビーム１０２は、これらの光走査素子１０３、１０４によって２次元に走査される。そうすることで、投射型画像表示装置は、被投射面１０５に画像を表示する。【０００３】
上記のような画像表示装置において、カラー画像を表示させるためには、赤色のビームと緑色のビームと青色のビームとが合成された平行ビームを用いる必要がある。特許文献２には、各色のビームが合成された平行ビームを投射するための光源装置が記載されている。図２は、日本国特開２００６−１３１２７号公報（以下、「特許文献２」と呼ぶ。）に記載された光源装置の断面図である。この光源装置は、３つの発光素子１１１と、３つのボールレンズ１１２と、３つのダイクロイックミラー１１３と、を有する。３つの発光素子１１１は、それぞれ、赤色のビーム、青色のビーム、緑色のビームを出射する。ボールレンズ１１２は、それぞれの発光素子１１１から出射したビームを平行ビームにするコリメート手段である。３つのダイクロイックミラー１１３は、それぞれ、赤色のビーム、青色のビーム、緑色のビームを選択的に反射する。図２に示すように、ダイクロイックミラーで選択的に反射したビームの進行方向を、ダイクロイックミラー１１３を透過する別のビームの進行方向に揃えることで、合成されたビームが得られる。【０００４】
日本国特開昭５８−１９２０１５号公報（以下、「特許文献３」と呼ぶ。）では、３色のレーザビームを平行ビームにする１つのレンズを有する装置が開示されている。また、日本国特開平９−９６７２０号公報（以下、「特許文献４」と呼ぶ。）には、複数の波長の光を合成する光学装置であって、小型化および低コスト化された光学装置が記載されている。この光学装置は、合成後されたビームを、１つのレンズを用いて平行ビームにする。【０００５】
しかし、特許文献２に記載の光源装置では、ボールレンズとダイクロイックミラーとが、光源の数と同じ数必要である。そのため、光源装置の小型化は困難である。また、それぞれの光源から出射されるビームの光路を適切な方向に制御する箇所（以下、「光路制御箇所」と呼ぶ。）が多いため、装置の生産工程が増し、生産コストも大きくなる。【０００６】
一般的に、１つのレンズのみを用いて、発散角が異なる複数のビームを平行ビームにした場合、それぞれの平行ビームのビーム径は異なったものになる。すなわち、特許文献３および特許文献４に記載の装置は、各色の平行ビームのビーム径を同一にすることができない。現在では、緑色のビームを直接発振する半導体レーザの実用化は非常に困難である。そのため、一般的には、緑色のビームを出射するために、固体レーザの第２高調波（例えばＮｄ：ＹＡＧレーザや、発振波長１０６４ｎｍの第２高調波である波長５３２ｎｍのレーザビームなど。）が用いられる。通常、固体レーザから出射されたビームの発散角は、半導体レーザから出射されたビームの発散角より小さい。したがって、特許文献３および特許文献４に記載の装置では、各色の平行ビームのビーム径は異なったものとなる。このようなビームを用いて画像を表示した場合、画像の鮮明度が低下する。【０００７】
さらに特許文献３に記載の装置では、レンズの光軸と各レーザの光軸とが、ずれているため、色収差などに違いが生じ、一定距離伝播した後の各色のビーム形状は大きく異なる。そのため、レーザディスプレイとしての画像の鮮明度は低下する。
【特許文献１】米国特許６９２１１７０号明細書
【特許文献２】日本国特開２００６−１３１２７号公報
【特許文献３】日本国特開昭５８−１９２０１５号公報
【特許文献４】日本国特開平９−９６７２０号公報
【発明の開示】
【０００８】
本発明の目的は、上述した課題のいずれかを解決する、光源装置を提供することにある。
【０００９】
上記課題の少なくとも１つを解決するために、本発明の一形態に係る光源装置は、複数の光源から出射されたビームを合成し、平行ビームとして投射する光源装置であって、コリメート手段と、光学手段と、を有している。コリメート手段は、第１の光源から出射されたビームを第１の平行ビームにする。光学手段は、第２の光源から出射され、第１の光源から出射されたビームの発散角とは異なる発散角を有する第２のビームを、第２の平行ビームにするとともに、第１の平行ビームと第２の平行ビームとを合成する。
【００１０】
本発明の上記及び他の目的、特徴、利点は、本発明を例示した添付の図面を参照する以下の説明から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】特許文献１に記載の投射型画像表示装置の側面図。
【図１Ｂ】図１Ａに示す投射型画像表示装置の上面図。
【図２】特許文献２に記載の光源装置の断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光源装置の概略構成図。
【図４】図１に示す光源装置で用いられる緑色レーザの概略構成図。
【図５】図１に示す光源装置における各構成部品の大きさや設置角度を説明する概略図。
【図６】ビームを走査する走査手段を備えた光源装置の概略構成図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る光源装置の概略構成図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る光源装置の概略構成図。
【図９Ａ】本発明の第４の実施形態に係る光源装置の概略構成図。
【図９Ｂ】第４の実施形態の変形例に係る光源装置を示す概略構成図。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る光源装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００１２】
１    赤色半導体レーザ
２    青色半導体レーザ
３，１１２    ボールレンズ
４，１１３    ダイクロイックミラー
５    平凸レンズ
６    緑色レーザ
７，２２，２３    波長選択反射膜
８，９，３３    点
１１    光学系領域
１２    赤外レーザ
１３    焦光レンズ
１４    第２高調波結晶
１５    走査手段
２１    プリズム
２４    両凸レンズ
２５    ミラー
２６    温度調節機構
３２    反射面
１０１    光源
１０２    ビーム
１０３，１０４    光走査素子
１０５  被投射面
１１１  発光素子
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本発明の光源装置は、例えばレーザプロジェクタのような画像表示装置に備えられる光源装置として好適に用いられる。【００１４】
［第１の実施形態］
図３は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。光源装置は、３つの光源１，２，６と、コリメート手段であるボールレンズ３と、合成光学手段であるダイクロイックミラー４と、光学手段である平凸レンズ５と、を有する。３つの光源は、赤色に対応する波長のビーム（以下、赤色ビームと呼ぶ。）を出射する赤色半導体レーザ１と、青色に対応する波長のビーム（以下、青色ビームと呼ぶ。）を出射する青色半導体レーザ２と、緑色に対応する波長のビーム（以下、緑色ビームと呼ぶ。）を出射する緑色レーザ６である。【００１５】
赤色半導体レーザ１と青色半導体レーザ２とは、互いに近接して配置されている。ボールレンズ３、ダイクロイックミラー４、平凸レンズ５が、各々の半導体レーザ１、２に近い方から順に配置されている。赤色半導体レーザ１と青色半導体レーザ２とは、ボールレンズ３の焦点に配置されている。また、ボールレンズ３の中心は、赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とが交差する点に一致している。これにより、ボールレンズ３を通過した赤色ビームおよび青色ビームは、平行ビームになる。【００１６】
ダイクロイックミラー４には、赤色に対応する波長帯の光を選択的に反射する反射膜がコーティングされている。平凸レンズ５の平面部は、青色半導体レーザ２側に向けられている。平凸レンズ５の平面部には、青色に対応する波長帯の光を選択的に反射する波長選択反射膜７がコーティングされている。【００１７】
緑色レーザ６は、平凸レンズ５の凸面側にある平凸レンズ５の焦点に配置されている。したがって、平凸レンズ５は、緑色レーザ６から出射した緑色ビームを平行ビームにする。【００１８】
青色半導体レーザ２から出射した青色ビームは、ボールレンズ３を通過して平行ビームとなる。その後、青色ビームはダイクロイックミラー４を透過し、平凸レンズ５の平面部に、入射角β１で入射する。赤色半導体レーザ１から出射した赤色ビームは、ボールレンズ３を通過して平行ビームとなる。その後、赤色ビームはダイクロイックミラー４で反射する。緑色レーザ６から出射した緑色ビームは、平凸レンズ５の凸面に入射し、平凸レンズ５の内部を通って、平凸レンズ５の平面部に入射角γ１で入射する。【００１９】
ここで、平凸レンズ５の屈折率がｎｐであるとき、次の数式１を満たすように、各入射角β１，γ１が設定される。【００２０】
【数１】
2009081913.tif 000003
これにより、平凸レンズ５の平面部上の点９で屈折する緑色ビームの屈折角は、角度β１となる。したがって、緑色レーザ６の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とが、平凸レンズ５上の点９で交差していれば、緑色ビームと青色ビームとが合成される。このように、平凸レンズ５は、緑色ビームを平行ビームにするとともに、緑色ビームと青色ビームとを合成する光学手段である。平凸レンズ５が、緑色ビームを平行ビームにする機能と、上記の光学手段としての機能と、を兼ね備えているため、光源装置の構成部品は少なくなる。このようにして、光源装置は小型化される。【００２１】
赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とのなす角度をαとしたとき、ダイクロイックミラー４の反射面と平凸レンズ５の平面部とのなす角度はα／２である。これにより、ダイクロイックミラー４で反射した赤色ビームの反射角と、平凸レンズ５で反射した青色ビームがダイクロイックミラー４へ入射する際の入射角と、が等しくなる。したがって、赤色ビームの中心と青色ビームの中心とが、ダイクロイックミラー４上の同一の点８を通過するように、光源装置が構成されている。これにより、赤色ビームと青色ビームとが合成される。すなわち、点８を通過した後の各色のビームは、合成されて、かつ平行ビームとなっている。【００２２】
また、本実施形態では、各色のビームが合成された平行ビームを得るために必要な光学部品が、ボールレンズ３、ダイクロイックミラー４、平凸レンズ５のみである。そのため、光路制御箇所が少なく、装置の生産工程は低減される。したがって、光源装置の生産コストが低減される。【００２３】
以下、第１の実施形態における光源装置の一実施例について詳細に説明する。本実施例において、赤色半導体レーザ１は、６５０ｎｍの波長の赤色ビームを出射する半導体レーザであり、青色半導体レーザ２は、４７０ｎｍの波長の青色ビームを出射する半導体レーザである。赤色ビームおよび青色ビームの発散角は５３°である。【００２４】
図４は、本実施例で用いられた緑色レーザ６の構成を示す概略図である。緑色レーザ６は、１０６４ｎｍの波長のビームを出射する赤外レーザ１２と、第２高調波を発生する第２高調波結晶１４と、焦光レンズ１３と、を有する。赤外レーザ１２から出射されたビームは、焦光レンズ１３によって、第２高調波結晶１４に集光する。これにより、第２高調波結晶１４から、第２高調波、すなわち５３２ｎｍの波長の緑色ビームが発生する。第２高調波結晶１４から発生した緑色ビームの発散角は８．６°である。本実施例では第２高調波結晶１４として、幅が５μmの導波路を有する導波路型の分極反転結晶を用いた。第２高調波結晶１４としては、バルク型の分極反転結晶を用いることもできる。【００２５】
図５は、第１の実施形態の一実施例に係る光源装置の詳細な構成を示す図である。本実施例では、ボールレンズ３の直径は０．８ｍｍ、ボールレンズ３の屈折率は１．５、ダイクロイックミラー４の大きさは１．５ｍｍ、平凸レンズ５の口径は１．０ｍｍである。ここで、ボールレンズ３の直径がｄ、屈折率がｎｂであるとき、ボールレンズ３の焦点距離ｆｂは次の数式２で表される。【００２６】
【数２】
2009081913.tif 000004
したがって、本実施例におけるボールレンズ３の焦点距離ｆｂは０．６ｍｍとなる。このボールレンズ３を利用して、発散角が５３°の赤色ビームおよび青色ビームを平行ビームにすると、当該平行ビームのビーム径は０．６ｍｍとなる。本明細書では、ビーム径は、ビームが直進する方向に垂直な面内において、ビーム強度がビームの最大強度の１／ｅ２となる領域の幅（直径）で定義される。ここで、「ｅ」はネイピア数である。ビーム径は、ビーム最大強度の半値幅によって定義されても良い。【００２７】
本実施例では、赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とのなす角度が３０°であり、ダイクロイックミラー４の反射面と平凸レンズ５の平面部とのなす角度が１５°である。さらに、赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とを点８で交差させると、赤色ビームと青色ビームとが合成された、０．６ｍｍのビーム径を有する平行ビームが得られる。【００２８】
平凸レンズ５の中心の厚み（中心厚）がｔ、平凸レンズ５の凸面の曲率半径がｒ、平凸レンズ５の屈折率がｎｐであるとき、平凸レンズ５の焦点距離ｆｐは次の数式３で表される。【００２９】
【数３】
2009081913.tif 000005
したがって、平凸レンズ５の屈折率が１．５であり、平凸レンズ５の中心厚が０．６ｍｍであり、平凸レンズ５の凸面の曲率半径が１．９ｍｍである場合、平凸レンズの焦点距離は４ｍｍである。緑色レーザ６から出射される緑色ビームの発散角は８．６°であるため、焦点距離が４ｍｍである平凸レンズ５を通過した緑色ビームは、ビーム径が０．６ｍｍの平行ビームになる。このように、焦点距離の異なるレンズを利用することで、赤色及び緑色ビームとは異なる発散角を有する緑色ビームが、赤色及び緑色ビームと同じビーム径を持った平行ビームになる。【００３０】
さらに、本実施例では、平凸レンズ５の平面部に入射する緑色ビームの入射角γ１は９．９４°である。これにより数式１が満たされるため、赤色ビームと青色ビームと緑色ビームとがすべて合成された、平行ビームが得られる。【００３１】
以上の条件を満たす光源装置では、コリメート手段及び各色のビームを合成する合成手段が設置される領域（以下、光学系領域１１と呼ぶ。）は、一辺が２ｍｍの立方体の領域とすることができる。【００３２】
合成されたビームが投射される方向を走査する場合、光源装置に走査手段１５を設置すれば良い。図６に示すように、この走査手段１５を光学系領域１１に隣接して設置することで、小型な光源装置を実現することができる。走査手段１５は、水平走査のみを行うものであっても良いし、水平走査と垂直走査とを行うものであっても良い。【００３３】
本実施例では、共振型マイクロメカニカル走査素子を往復走査することで、水平走査が行われる。水平走査の振れ角は±２０度であり、周波数は３１ＫＨｚである。さらに、ガルバノミラーによって垂直走査を行う。垂直走査の振れ角は±１５度とし、６０Ｈｚのノコギリ波によってガルバノミラーを駆動した。共振型マイクロメカニカル走査素子は、３１ｋＨｚの駆動に耐えられるように、直径１０００μｍの円形ミラーとした。また、ガルバノミラーとしては、直径１２００μｍの円形ミラーを用いた。【００３４】
水平走査および垂直走査は、音響光学素子や電気光学結晶等で行われても良い。また、フォトニック結晶を有するプリズムを有し、触れ角を増大させることができる光学系が備えられていても良い。走査素子は、例えばミラーのように、ビーム偏向部の大きさが平行ビームのビーム径より大きければどのようなものであっても良い。走査素子はどのような形状であっても良い。【００３５】
被投射面に投射された画像が十分な解像度を有していれば、各色のビームは平行ビームではなく、収束ビームとして被投射面に投射しても良い。そうすることで、ビーム偏向部が小さい走査素子を用いることが可能になる。【００３６】
本実施例では、平行ビームのビーム径は０．６ｍｍであったが、ビーム径は光源装置の用途によって、種々変更可能である。各色の平行ビームのビーム径は、完全に同一である必要はなく、５%程度の誤差を有していても良い。この場合であっても、０．６ｍｍ以上のビーム径を有する平行ビームを、２．５ｍ以下の距離に配置された被投射面に投射する場合、投射された画像は十分に鮮明である。【００３７】
光源装置を動作させる場合の一例を以下に説明する。走査素子の走査と同期して、２ｎｓ（１２．７ｎｓの画素クロックの１／６以下。）毎に、各色のレーザの発光や強度制御を行う。強度制御は、１画素を走査する時間内に、パルス幅の変調によって行ってもよい。赤色半導体レーザ１および青色半導体レーザ２は、レーザの電流値を制御することで、それらの強度を変調することができる。緑色レーザ６は、緑色ビームを音響光学素子に通過させることで、その強度を変調することができる。緑色レーザ６は、変調させた赤外レーザ１２を第２高調波で変換することで、その強度を変調しても良い。また緑色レーザ６としては、ファイバレーザを用いることができる。緑色レーザ６の強度変調は、グレーティング型のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）光変調器、導波路型の光変調器、電気光学結晶等の各種変調器を用いてもよい。【００３８】
上記のようにして、本実施形態の光源装置を有する小型の画像表示装置を提供することが出来る。本実施例において、画像表示装置の被投射面の画像精細度は、水平方向を１２８０画素、垂直方向を１０２４画素とした。また光源から被投射面の距離は１００ｃｍとし、画面の水平方向の幅を１６０ｃｍ、垂直方向の幅を１２０ｃｍとした。勿論、画像精細度はこれらの値に限られず、光源から被投射面までの距離や画面の大きさ等も種々変更可能である。【００３９】
本実施例では、光源装置の構成部品の大きさや設置角度などの具体的な数値を例示して詳細に説明したが、各数値は上述の値に限定されない。例えば、平凸レンズ５の焦点距離は、緑色ビームの発散角に応じて変更することができる。また、ボールレンズ３、ダイクロイックミラー４、平凸レンズ５の大きさは、可能な限り変更可能である。【００４０】
平凸レンズ５の凸面は、無反射コーティングがされていても良い。さらに平凸レンズ５を、同様な光学作用を持つフレネルゾーンプレートやホログラフィック光学素子等の回折素子で置き換えることが出来る。【００４１】
［第２の実施形態］
図７は本発明の第２の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。本実施形態の光源装置は、第１の実施形態に係る光源装置に対して、ダイクロイックミラーを、波長選択反射膜を有するプリズム２１に置き換えた構成である。【００４２】
プリズム２１の一面には、赤色に対応する波長帯の光を選択的に反射する波長選択反射膜２３が施されている。またプリズム２１の別の面は、青色に対応する波長帯の光を選択的に反射する波長選択反射膜２２が施されている。波長選択反射膜２２が施されている面は、平凸レンズ５の平面部に密着している。プリズム２１の屈折率は、平凸レンズ５の屈折率と同じであることが好ましい。赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とのなす角度をαとしたとき、プリズム２１の２つの波長選択反射膜２２、２３が施された面同士の成す角度（プリズムの頂角）はα／２である。本実施形態では、波長選択反射膜２２はプリズムの表面に施されているが、波長選択反射膜２２は平凸レンズ５の平面部に施されても良い。【００４３】
青色半導体レーザ２から出射された青色ビームは、ボールレンズ３を通過して平行ビームとなる。青色ビームはプリズム２１を透過し、平凸レンズ５の平面部まで到達する。そして青色ビームは波長選択反射膜２２によって反射する。緑色レーザ６から出射された緑色ビームは、平凸レンズ５に入射して、平行ビームとなる。プリズム２１の屈折率と平凸レンズ５の屈折率が同一であるため、緑色ビームは、プリズム２１と平凸レンズ５との界面で屈折することなく直進する。そのため、波長選択反射膜２２における青色ビームの反射角と緑色ビームの入射角とを同一にすることで、青色ビームと緑色ビームとが合成される。このように合成されたビームは、プリズム２１に施された波長選択反射膜２３に、入射角γ２で入射する。【００４４】
上述のように、平凸レンズ５は、緑色ビームを平行ビームにするとともに、緑色ビームと青色ビームとを合成する光学手段である。このように、平凸レンズ５が、緑色ビームを平行光にする機能と合成手段としての機能とを兼ね備えることで、光源装置の構成部品が少なくなる。したがって光源装置が小型化される。【００４５】
また赤色半導体レーザ１から出射された赤色ビームは、ボールレンズ３を通過して平行ビームとなる。この赤色ビームはプリズム２１に施された波長選択反射膜２３によって反射する。このときの赤色ビームの反射角がβ２であり、プリズム２１の屈折率がｎであるとき、次の数式４を満たすように、各角度β２、γ２が設定されている。【００４６】
【数４】
2009081913.tif 000006
このように各角度が設定されているため、プリズム２１に施された波長選択反射膜２３上の点８で屈折する青色ビーム及び緑色ビームの屈折角γ２は、赤色ビームの反射角β２と同じになる。このようにして、緑色ビームと青色ビームと赤色ビームとが合成される。【００４７】
また、プリズム２１と平凸レンズ５が接して設けられるため、第１の実施形態と比較して、光路制御箇所は少なくなる。これにより、光源装置の生産工程が減り、光源装置の生産コストが低減する。【００４８】
以下、第２の実施形態の一実施例における光源装置を詳細に説明する。本実施例では、ボールレンズ３の直径は０．８ｍｍであり、ボールレンズ３の屈折率は１．５である。この場合、上記の数式２より、ボールレンズ３の焦点距離は０．６ｍｍとなる。このボールレンズ３に、赤色ビームおよび青色ビームを通過させることで、０．６ｍｍのビーム径を有する平行ビームが得られる。【００４９】
赤色半導体レーザ１及び青色半導体レーザ２は、第１の実施形態と同様のものを用いることができる。本実施例では、赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とのなす角度は３０°であり、プリズム２１の頂角は１５°である。さらに、赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とを点８で交差させると、赤色ビームと青色ビームとが合成される。【００５０】
また緑色レーザ６としては、第１の実施形態と同様のものを用いることができる。緑色レーザ６から出射されるビームの発散光は８．６°である。第１の実施形態と同様に、平凸レンズ５の焦点距離が４ｍｍであれば、０．６ｍｍのビーム径を有する平行ビームが得られる。【００５１】
また、本実施例では、平凸レンズ５の屈折率が１．５である。緑色レーザ６は、緑色ビームがプリズム２１の波長選択反射膜２３を施した面に９．９４°の入射角で入射するように配置されている。さらに、波長選択反射膜２３に対する赤色ビームの入射角は１５°である。これにより、上記の数式４を満たすため、赤色ビームと青色ビームと緑色ビームとを合成することが出来る。【００５２】
さらに本実施例では、プリズム２１の反射面の大きさが１．５ｍｍであり、平凸レンズ５の口径が１．０ｍｍである。このように、光学系領域１１は一辺が２ｍｍの立方体の領域となる。したがって、小型の光源装置を提供することが出来る。【００５３】
また、合成されたビームを走査する走査手段１５は、第１の実施形態と同様のものを用いることが出来る。被投射面の画像詳細度やレーザの強度の制御などについて、第１の実施形態と同様である。【００５４】
［第３の実施形態］
図８は、本発明の第３の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。本実施形態の光源装置は、第２の実施形態の画像表示装置の構成に対して、平凸レンズを両凸レンズ２４に置き換え、さらにプリズム２１の形状を変えた構成である。本実施形態では、両凸レンズ２４と接するプリズム２１の面を、両凸レンズ２４と同一の曲率持つ曲面とする。したがって波長選択反射膜２２は曲面となる。図８に示すように、波長選択反射膜２２が施されたプリズム２１の一面上の点９における接線と、波長選択反射膜２３が施されたプリズム２１の面と、のなす角度はα／２である。【００５５】
各色のビームは、第２の実施形態と同様の光路を進行する。青色ビームが反射する波長選択反射膜２２は凹面であるため、青色ビームのビーム径を大きくする。したがって、ボールレンズ３を通過した青色ビームが収束ビームである場合、波長選択反射膜２２用いて、青色ビームを平行ビームにすることができる。【００５６】
ガラスのようなレンズ材は、通常、波長が短いほど屈折率が高い。そのため、赤色ビームを平行ビームにする条件を満たすボールレンズ３を用いた場合、ボールレンズ３を通過した青色ビームは、若干収束するビームになることがある。ボールレンズ３の屈折率分散が大きい場合に、この傾向が顕著に現れる。本実施形態では、ボールレンズ３を通過した青色ビームが収束ビームになった場合でも、青色ビームを平行ビームにすることができる。すなわち、ボールレンズ３の屈折率分散が大きい場合であっても、色収差を補正することができる。【００５７】
本実施形態における光源装置は、赤色ビームの発散角と青色ビームの発散角とが異なる場合にも、有効に用いることができる。例えば、赤色ビームを平行ビームにするボールレンズを用いたとする。異なる発散角を有する青色ビームは、このボールレンズ３で、赤色ビームと同じビーム径を有する平行ビームにはならない。この場合に、ボールレンズ３と波長選択反射膜２２とを併用することで、赤色ビームのビーム径と青色ビームのビーム径とを同一にすることができる。これは、波長選択反射膜２２の凹面の曲率を調整することで実施可能である。【００５８】
本実施形態では、波長選択反射膜２２はプリズムの凹面に施されているが、波長選択反射膜２２は平凸レンズ５の凸面に施されてもよい。【００５９】
［第４の実施形態］
図９Ａは、本発明の第４の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。光源装置は、第１の実施形態の光源装置の構成を、以下のように変更した構成である。変更点は、緑色レーザ６を平凸レンズ５の平面部側に配置した点、平凸レンズ５の凸面側にミラー２５を設置した点である。緑色レーザ６は、緑色ビームがボールレンズ３に入射しない位置に設置されている。【００６０】
青色ビームと赤色ビームは、実施形態１と同様な光路を進行する。緑色レーザから出射された緑色ビームは、ダイクロイックミラー４と平凸レンズ５とを透過し、ミラー２５によって反射される。ミラー２５によって反射された緑色ビームは再び平凸レンズ５を透過する。この２度の透過によって、緑色ビームは平行ビームとなる。ミラー２５によって反射された緑色ビームは、平凸レンズ５の平面部に入射角γ１で入射する。この入射角γ１が数式１を満たすようにミラーの角度を構成する。これにより、緑色ビームと青色ビームとを合成することができる。このように合成されたビームは、ダイクロイックミラー４上の点８において赤色ビームと合成される。【００６１】
本実施形態において、焦点距離が８ｍｍの平凸レンズ５を用いた。緑色レーザから出射された緑色ビームは、ミラー２５で反射することで、平凸レンズを２度透過する。これにより平凸レンズ５は、有効的に焦点距離が４ｍｍの光学系として機能する。したがって、８．６°の発散角を有する緑色ビームは、０．６ｍｍのビーム径を有する平行ビームとなる。このようにして、各色のビーム径を同一にすることができる。【００６２】
本実施形態における光源装置では、赤色半導体レーザ１、青色半導体レーザ２、及び緑色レーザ６を近接して配置することができる。そのため、図９Ｂに示すように、それぞれのレーザの温度を調節するための温度調節機構２６を共有することができる。これにより光源装置は小型化および簡略化され、光源装置の低コスト化が図られる。温度調節機構２６は、光源であるレーザの温度を一定に調節するために用いられる。これにより、出射されるビームの波長が安定になり、光源の寿命の低下が抑制される。【００６３】
本実施形態において、ダイクロイックミラー４を第２の実施形態で用いられたプリズムで置き換えてもよい。また、ダイクロイックミラー４と平凸レンズ５とを、第３の実施形態で用いられた両凸レンズと波長選択反射膜を有するプリズムとに置き換えてもよい。【００６４】
［第５の実施形態］
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。光源装置は、第３の実施形態の光源装置の構成に対して、両凸レンズ２４の片側の面（プリズムと接しない側の面）を反射面３２とし、緑色レーザ６の設置位置を変えた構成となっている。緑色レーザ６は、青色半導体レーザ２と近接して配置されている。なお、緑色レーザ６は、ボールレンズ３の焦点よりも、ボールレンズ３に近い位置に配置されている。また、赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸と緑色レーザ６の光軸とは、ボールレンズ３の中心で交差する。赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸との成す角度（図中の角度α）は、青色半導体レーザ２の光軸と緑色レーザ６の光軸との成す角度と同一とした。【００６５】
両凸レンズ２４の反射面３２は、アルミ蒸着によって形成することができる。反射面３２は、緑色ビームを反射することができれば、どのようなものでも良い。また、波長選択反射膜２２が施されたプリズム２１の面上の点９における接線と、波長選択反射膜２３が施されたプリズム２１の面と、のなす角度はα／２である。また、両凸レンズ２４の波長選択反射膜２２を施した面上の点９における接線と、反射面３２上の点３３における接線と、のなす角度もα／２とする。【００６６】
赤色ビームの光路および青色ビームは、第３の実施形態と同様の光路を進行する。緑色レーザ６は、焦点位置よりも、ボールレンズ３に近い位置に配置されているため、ボールレンズ３を通過した緑色ビームは発散ビームになる。その後、緑色ビームは、ボールレンズ３とプリズム２１とを透過し、両凸レンズ２４に入射する。両凸レンズ２４に入射した緑色ビームは、反射面３２で反射される。反射面３２は凹形状であるため、反射された緑色ビームの発散角は小さくなる。したがって、反射面３２の曲率を調整することにより、緑色ビームを平行ビームとすることができる。また、緑色レーザ６の設置位置から反射面３２までの距離を調整することで、平行ビームになる緑色ビームのビーム径を調整することが出来る。このようにして、赤色ビームと緑色ビームとのビーム径をほぼ一致させることが出来る。【００６７】
反射面３２で反射した後の緑色ビームは、第３の実施形態と同様に進行する。このようにして、本実施形態における光源装置は、各色のビームを合成し、平行ビームとして投射することが出来る。【００６８】
本実施形態では、赤色半導体レーザ１、青色半導体レーザ２、緑色レーザ６を近接して配置することができる。そのため、第４の実施形態と同様に、各色のレーザ１，２，６の温度を調節する温度調節機構２６を共有することができる。これにより光源装置は小型化および簡略化され、光源装置の製造コストが低下する。【００６９】
また、両凸レンズ２４を平凸レンズに置き換えて、当該平凸レンズの平面部側に曲率を有する反射面を設置しても良い。そうすることで、本実施形態と同様の効果を持つ光源装置を提供することができる。【００７０】
以上、上記の実施形態については、さまざまな変更及び修正が可能である。例えば、各構成部品の大きさは任意に変更可能である。また各構成部品の設置箇所は、可能な限り変更することができる。光源の数および光源から出射されるビームの波長は、用途に応じて種々変更可能である。【００７１】
この出願は、２００７年１２月２６日に出願された日本国特許出願番号第２００７−３３４５８１号を基礎とする優先権を主張し、参照によりその開示の全てをここに取り込む。【００７２】
本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲の趣旨または範囲から逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。
【図１Ａ】
2009081913.tif 000007
【図１Ｂ】
2009081913.tif 000008
【図２】
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【図３】
2009081913.tif 000010
【図４】
2009081913.tif 000011
【図５】
2009081913.tif 000012
【図６】
2009081913.tif 000013
【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
2009081913.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月17日(2009.4.17)
【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】
複数の光源から出射されたビームを合成し、平行ビームとして投射する光源装置であって、
第１の光源と、
第２の光源と、
前記第１の光源から出射された第１のビームを第１の平行ビームにするコリメート手段と、
前記第２の光源から出射され、前記第１の光源から出射された前記第１のビームの発散角とは異なる発散角を有する第２のビームを、第２の平行ビームにするとともに、前記第１の平行ビームと前記第２の平行ビームとを合成する光学手段と、
を備えた光源装置。
【請求項２】
前記光学手段で得られた前記第２の平行ビームのビーム径が、前記コリメート手段で得られた前記第１の平行ビームのビーム径とほぼ同一である、請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記第２の光源は、前記第２のビームを前記光学手段に向けて出射し、
前記光学手段は、前記第２のビームを前記第２の平行ビームにし、前記コリメート手段で前記第１の平行ビームにされた前記第１のビームを受け、前記第１の平行ビームと前記第２の平行ビームとを実質的に同じ方向に出射するように構成されている、請求項１または２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記光学手段は特定の波長帯の光を選択的に反射させる波長選択反射膜を備えたレンズである、請求項１から３のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項５】
前記第１の光源から出射される前記第１のビームの波長は、前記波長選択反射膜が反射する光の波長帯に含まれており、
前記第２の光源から出射される前記第２のビームの波長は、前記波長選択反射膜が反射する光の波長帯には含まれておらず、
前記光学手段は、前記波長選択反射膜を透過した前記第２のビームと、前記波長選択反射膜で反射した前記第１のビームとを、実質的に同一の方向に出射するように構成されている、請求項４に記載の光源装置。
【請求項６】
前記レンズは平凸レンズであり、
前記波長選択反射膜は、前記平凸レンズの平面部に配されている、
請求項４または５に記載の光源装置。
【請求項７】
第１の光源から出射された前記第１のビームとほぼ同じ発散角を有する第３のビームを出射する第３の光源をさらに有し、
前記コリメート手段は、ほぼ同じ発散角を有する複数のビームを、同一のビーム径を有する平行ビームにする、請求項１から６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記コリメート手段で得られた複数の平行ビームを合成する合成光学手段をさらに有する、請求項７に記載の光源装置。
【請求項９】
前記第２の光源は、前記第２のビームを前記光学手段に向けて出射し、
前記光学手段は、前記第２のビームを前記第２の平行ビームにし、前記コリメート手段によって前記第１の平行ビームにされた前記第１のビームを受け、前記第１の平行ビームと前記第２の平行ビームとを実質的に同じ方向に出射し、
前記合成光学手段は、前記光学手段から出射された前記第１の平行ビームおよび前記第２の平行ビームと、前記コリメート手段で第３の平行ビームにされた前記第３のビームと、を受け、前記第１の平行ビーム、前記第２の平行ビームおよび前記第３の平行ビームを実質的に同じ方向に出射するように構成されている、請求項８に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記合成光学手段が、前記コリメート手段と前記光学手段との間に配置されたダイクロイックミラーである、請求項８または９に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記光学手段は、特定の波長帯の光を選択的に反射させる波長選択反射膜が平面部に配された平凸レンズであり、
前記ダイクロイックミラーの反射面と前記平凸レンズの前記平面部との成す角度が、前記コリメート手段で平行ビームにされるビームを出射する前記第１の光源および前記第３の光源の光軸の成す角度の１／２である、請求項１０に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記合成光学手段は、前記コリメート手段と前記光学手段との間に配置され、特定の波長帯の光を選択的に反射させる波長選択反射膜が施されたプリズムである、請求項８または９に記載の光源装置。
【請求項１３】
前記プリズムの頂角が、前記コリメート手段で平行ビームにされるビームを出射する前記第１の光源および前記第３の光源の光軸の成す角度の１／２である、請求項１２に記載の光源装置。
【請求項１４】
前記プリズムは特定の波長帯の光を選択的に反射させる波長選択反射膜が施された曲面を有し、
前記曲面は前記コリメート手段における色収差を補正する手段である、請求項１２または１３に記載の光源装置。
【請求項１５】
前記複数の光源はレーザである、請求項１から１４のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１６】
前記レーザの温度を一定に調節する温度調節機構をさらに有し、
複数の前記レーザが前記温度調節機構を共有する、請求項１５に記載の光源装置。
【請求項１７】
前記光学手段は凹形状の反射面を有する、請求項１から１６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１８】
複数の光源から出射されたビームを合成し、平行ビームとして投射する光源装置であって、
第１の光源と、
第２の光源と、
前記第１の光源から出射された第１のビームを第１の平行ビームにするコリメート手段と、
前記第２の光源から出射され、前記第１の光源から出射された前記第１のビームの発散角とは異なる発散角を有する第２のビームを、第２の平行ビームにする部分と、前記第１の平行ビームを反射し、かつ前記第２の平行ビームを透過して前記第１の平行ビームと実質的に同じ方向に出射する膜と、からなる光学手段を有する、光源装置。
【国際調査報告】
2009081913.tif 000019
2009081913.tif 000020