(57)【要約】【課題】光源素子の光量変動を光検出素子で精度よく検出することが可能な光源装置を提供すること。【解決手段】本光源装置は、光源素子と、前記光源素子からの光束を複数の光束に分岐する光分岐素子と、分岐された前記光束の光量を検出する光検出素子と、を有し、前記光分岐素子は入射面と出射面とが非平行であり、前記光源素子からの光束は前記入射面で分岐される。【選択図】図１
2018044970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源素子と、
前記光源素子からの光束を複数の光束に分岐する光分岐素子と、
分岐された前記光束の光量を検出する光検出素子と、を有し、
前記光分岐素子は入射面と出射面とが非平行であり、前記光源素子からの光束は前記入射面で分岐される光源装置。
【請求項２】
分岐された前記光束は、前記入射面及び前記出射面を透過した光束である請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記入射面と前記出射面とがなす角θ０が前記入射面で反射する光束側に狭い場合、前記光源素子からの光束の前記入射面への入射角をθ、前記光分岐素子の屈折率をｎとしたときに、角θ０が、以下の式（１）を満足する請求項１又は２に記載の光源装置。
【数１】
2018044970.tif 000005
【請求項４】
前記入射面と前記出射面とがなす角θ０が前記入射面に入射する光束側に狭い場合、前記光源素子からの光束の前記入射面への入射角をθ、前記光分岐素子の屈折率をｎとしたときに、角θ０が、以下の式（２）を満足する請求項１又は２に記載の光源装置。
【数２】
2018044970.tif 000006
【請求項５】
前記光源素子とは波長の異なる光束を出射する他の光源素子と、複数の前記光源素子の各々が出射する波長の異なる光束を同一光路に合成する光路合成素子と、を有し、
前記光分岐素子は、前記同一光路に合成された前記波長の異なる光束の各々を複数の光束に分岐し、
前記光検出素子は、分岐された前記波長の異なる光束の各々の光量を検出する請求項１乃至４の何れか一項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記入射面は、前記波長の異なる光束の全てについて、前記入射面に入射する光束の５％以上を前記光検出素子へ分岐する請求項５に記載の光源装置。
【請求項７】
分岐された前記波長の異なる光束の各々を集光して前記光検出素子へ入射させる集光素子を有する請求項５又は６に記載の光源装置。
【請求項８】
分岐された前記波長の異なる光束のうち、最も波長が離れている２つの光束の主光線の集光点に前記光検出素子の中心を配置する請求項７に記載の光源装置。
【請求項９】
前記集光素子と前記光検出素子との間に、前記光検出素子へ入射する光束の光量を減光する減光素子を有する請求項７又は８に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記減光素子の減光率は、前記波長の異なる光束の最大光量の差が小さくなるように設定されている請求項９に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記減光素子は、前記集光素子の光軸に対して傾斜して配置されている請求項９又は１０に記載の光源装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光源装置を有する画像表示装置。
【請求項１３】
前記光源装置からの出射光を偏向走査して透過反射部材に照射し、前記透過反射部材を介して虚像を視認可能とする請求項１２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、光源装置及び画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタやヘッドアップディスプレイ等の画像表示装置に用いられる光源装置において、光源素子の光量変動が問題となる場合がある。そこで、光源素子の出射する光量を検出し、光源素子の出射する光量が一定になるように制御することが行われている。
【０００３】
例えば、発光ダイオードからなる３つの光源素子（赤色用の光源素子、緑色用の光源素子、青色用の光源素子）を有する光源装置において、各光源素子が出射する光を合成した照明光の一部を光分岐素子で分岐させて光検出素子で受光する。そして、光検出素子で受光した光量が一定となるように各光源素子にフィードバック制御を行うことで、各光源素子を所望の光量に制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の光源装置では、光検出素子への検出光の生成に、入射面と出射面とが平行な平板型の光分岐素子を用いている。平板型の光分岐素子では、光分岐素子の内部で多重干渉が起こるため、光検出素子で受光する光量が、光源素子に注入する電流に対して非線形となる。そのため、光源素子の光量変動を、光検出素子で精度よく検出することが困難であり、光源素子の光量制御の安定性が低下する。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、光源素子の光量変動を光検出素子で精度よく検出することが可能な光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本光源装置は、光源素子と、前記光源素子からの光束を複数の光束に分岐する光分岐素子と、分岐された前記光束の光量を検出する光検出素子と、を有し、前記光分岐素子は入射面と出射面とが非平行であり、前記光源素子からの光束は前記入射面で分岐されることを要件とする。
【発明の効果】
【０００７】
開示の技術によれば、光源素子の光量変動を光検出素子で精度よく検出することが可能な光源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施の形態に係る光源装置を例示する図である。
【図２】比較例に係る光源装置を例示する図である。
【図３】光源装置のＩＰ特性について説明する図（その１）である。
【図４】平板型の光分岐素子における多重干渉について説明する図である。
【図５】ウェッジ型の光分岐素子における多重干渉について説明する図である。
【図６】光源装置のＩＰ特性について説明する図（その２）である。
【図７】ウェッジ型の光分岐素子における入射面と出射面とのなす角について説明する図である。
【図８】ウェッジ型の光分岐素子における色収差について説明する図である。
【図９】ウェッジ型の光分岐素子の分岐面における分光感度特性について説明する図である。
【図１０】光源装置における光量と波長との関係について説明する図である。
【図１１】光源装置における集光素子について説明する図である。
【図１２】光検出素子に入射する光束の大きさについて説明する図である。
【図１３】光検出素子の分光感度特性について説明する図である。
【図１４】光検出素子が受光する光量の波長変化について説明する図である。
【図１５】第２の実施の形態に係る画像表示装置を例示する模式図（その１）である。
【図１６】第２の実施の形態に係る画像表示装置を例示する模式図（その２）である。
【図１７】第２の実施の形態に係る画像表示装置の電気系のハードウェアブロックを例示する図である。
【図１８】第２の実施の形態に係る画像表示装置の制御部の機能ブロックを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１０】
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る光源装置を例示する図である。図１を参照するに、光源装置１０は、大略すると、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂと、カップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂと、アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂと、ミラー１４と、光路合成素子１５及び１６と、光分岐素子１７と、集光素子１８と、減光素子１９と、光検出素子２０とを有している。なお、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂを特に区別する必要がない場合には、各光源素子１１と記載する場合がある。
【００１１】
光源装置１０において、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂは、それぞれ、互いに異なる波長λＲ、λＧ、及びλＢの光束を出射することができる。波長λＲ、λＧ、及びλＢは、例えば、６５０ｎｍ、５１５ｎｍ、及び４５０ｎｍとすることができる。
【００１２】
光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂとしては、例えば、レーザ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子等を用いることができる。明るさや高画質を確保しながら小型化を実現する観点からすると、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂとして、それぞれ半導体レーザを用いると好適である。
【００１３】
光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂから出射された各光束（発散光）は、それぞれカップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂで略平行光に変換されてアパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂに入射する。カップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂとしては、例えば、凸状のガラスレンズやプラスティックレンズ等を用いることができる。
【００１４】
アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂは、それぞれに入射される光束を整形する機能を有する。アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂは、それぞれに入射される光束の発散角等に応じて円形、楕円形、長方形、正方形等の様々な形状とすることができる。
【００１５】
なお、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂに対して、共通の１つのカップリングレンズ、及び共通の１つのアパーチャを設ける構成としてもよい。但し、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂに対して、それぞれカップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂ、並びに、アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂを設けることにより、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂのそれぞれの発散角の差異に関わらず、光利用効率を確保しながら、ビームスポット径を所望の値に調整できるメリットがある。
【００１６】
アパーチャ１３Ｂで整形された光束は、ミラー１４で偏向され、光路合成素子１５によりアパーチャ１３Ｇで整形された光束と同一光路となる。アパーチャ１３Ｒで整形された光束は、光路合成素子１６によりアパーチャ１３Ｂで整形された光束及びアパーチャ１３Ｇで整形された光束と同一光路となる。光路合成素子１５及び１６は、例えば、プレート状或いはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じて各光束を反射又は透過し、１つの光路に合成する機能を有する。
【００１７】
光路合成素子１５及び１６で光路合成された波長の異なる光束の各々は、光分岐素子１７に入射する。光分岐素子１７は、入射面と出射面とが非平行なウェッジ型の光分岐素子である。各光源素子１１から出射され、光路合成素子１５及び１６で光路合成された波長の異なる光束の各々は、光分岐素子１７の入射面で複数の光束に分岐される。つまり、光分岐素子１７は、入射面が分岐面に設定されている。
【００１８】
光分岐素子１７に入射した波長の異なる光束の各々の大部分（例えば、９５％程度）は、光分岐素子１７の入射面（分岐面）で反射し、反射光は光源装置１０からの出射光Ｌｏとなる。光分岐素子１７に入射した波長の異なる光束の各々の一部分（例えば、５％程度）は、光分岐素子１７を透過し、集光素子１８及び減光素子１９を経由して光検出素子２０に入射する。
【００１９】
集光素子１８は、分岐された波長の異なる光束の各々を集光して光検出素子２０へ入射させる。光分岐素子１７を透過した波長の異なる光束の各々は、波長の違いにより異なる出射角をもって透過するため光路がずれるが、光路がずれた波長の異なる光束の各々は、集光素子１８により光検出素子２０の略同一位置に集光される。
【００２０】
光検出素子２０は、例えば、フォトダイオードであり、光分岐素子１７で分岐された波長の異なる光束の各々の光量（光分岐素子１７の入射面及び出射面を透過した波長の異なる光束の各々の光量）を検出する。光検出素子２０は、小型化のために波長の異なる光束の各々を１つの素子で検出することが好ましい。このとき、波長の異なる光束の各々の強度が同程度であると処理精度が増すため、減光素子１９で波長の異なる光束の各々の光量が略同一となるように減光する。減光素子１９は、例えば、赤の波長の光を低減するレッドカットフィルタである。
【００２１】
光源装置１０は、例えば、光源装置１０の外部に設けられた制御部３０及び駆動部４０と接続されることで、動作することができる。制御部３０は、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂの出射光量や出射タイミング等を制御することができる。
【００２２】
特に、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂが半導体レーザである場合、温度により各光源素子１１の出射光量が変動する。そこで、制御部３０は、光検出素子２０の出力に基づいて、各光源素子１１の出射光量を一定に制御する（APC：Automatic Power Control）。
【００２３】
より詳しくは、制御部３０は、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂの出射光量を光検出素子２０の出力によりモニタし、駆動部４０に光量制御信号を供給する。駆動部４０は、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂを独立に電流駆動可能に構成されている。光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂは、制御部３０からの光量制御信号に基づいて、所定の出射光量になるように駆動部４０により独立に電流制御される。
【００２４】
なお、光検出素子２０が１つの素子で構成されている場合は、制御部３０が光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂを順次発光させることで、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂの出射光量の制御が可能となる。
【００２５】
制御部３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、メインメモリ等を含む構成とすることができる。この場合、制御部３０の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現できる。但し、制御部３０の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。又、制御部３０は、物理的に複数の装置等により構成されてもよい。又、制御部３０及び駆動部４０は、光源装置１０の内部に設けてもよい。
【００２６】
ここで、比較例を交えながら、入射面と出射面とが非平行なウェッジ型の光分岐素子１７を用いる効果について説明する。
【００２７】
図２は、比較例に係る光源装置を例示する図である。図２を参照するに、光源装置１０Ｘは、光分岐素子１７が光分岐素子２７に置換された点が、光源装置１０（図１参照）と相違する。
【００２８】
光分岐素子２７は、入射面と出射面とが平行な平板型の光分岐素子である。光分岐素子２７は、光分岐素子１７と同様に入射面が分岐面であり、入射面に入射した各光束の大部分（例えば、９５％程度）が反射され、反射光は光源装置１０Ｘからの出射光Ｌｏとなる。
【００２９】
例えば、光分岐素子２７の厚さを０．５ｍｍとし、光路合成素子１５及び１６で光路合成された光束の入射角が４５度となるように設置する場合を考える。この場合、光源素子１１Ｒに注入した電流Ｉに対する、光検出素子２０で受光した光量Ｐのグラフ（ＩＰ特性）は、例えば、図３に示すようになる。
【００３０】
図３からわかるように、ＩＰ特性は線形性がなく、周期的な揺らぎを生じている。これは光分岐素子２７内で生じた多重干渉の影響である。なお、光源素子１１Ｇ及び１１Ｂの何れに電流Ｉが注入された場合も、ＩＰ特性は図３と同様の周期的な揺らぎを生じる。
【００３１】
図４は、平板型の光分岐素子における多重干渉について説明する図である。図４において、光束Ｂ０を光分岐素子２７の入射面２７１に入射させると、まず入射面２７１を透過する光束Ｂ１と入射面２７１で反射する光束Ｂ２とに分岐する。光束Ｂ１は更に出射面２７２を透過する光束Ｂ３と出射面２７２で反射する光束Ｂ４とに分岐する。
【００３２】
その後、光束Ｂ４は、入射面２７１を透過する光束Ｂ５と入射面２７１で反射する光束Ｂ６とに分岐する。光束Ｂ６は更に出射面２７２を透過する光束Ｂ７と出射面２７２で反射する光束とに分岐する。出射面２７２で反射した光束は、以降も光分岐素子２７内で反射し続けるが、反射を繰り返すたびに光が減衰し、干渉が小さくなってゆくので説明は省略する。
【００３３】
同じ方向に進む光束Ｂ２と光束Ｂ５は、互いに干渉し合う。同様に、同じ方向に進む光束Ｂ３と光束Ｂ７は、互いに干渉し合う。レーザのようにコヒーレンス性が高い光源からの光束であるほど、干渉の影響は大きくなる。
【００３４】
例えば、光束Ｂ２を画像表示装置の画像光として用い、光束Ｂ３をＡＰＣ用の光検出素子２０への検出光として用いる場合、例えば入射面２７１に多層膜を成膜し、光束Ｂ２を９５％、光束Ｂ１を５％とする。このとき、光束Ｂ２の光量に比べ光束Ｂ５の光量はかなり小さく、多重干渉を無視できる比率となる。これに対して、光束Ｂ３の光量と光束Ｂ７の光量は、多重干渉を無視できない比率となる。そのため、多重干渉によるＩＰ特性の非線形化は、光分岐素子２７を透過して光検出素子２０の検出光となる光束Ｂ３と光束Ｂ７で観測される。
【００３５】
光検出素子２０は、光量変動を補正するように各光源素子１１の光量を制御するが、検出光は多重干渉を生じて図３のＩＰ特性となっている。そのため、光が強めあう点では各光源素子１１の光量が増加し、光が弱めあう点では各光源素子１１の光量が減少したと判断される。
【００３６】
この場合、多重干渉を生じている検出光の光量変動に応じて各光源素子１１の光量をＡＰＣ制御すると、もともと線形性のあった各光源素子１１からの光は非線形となり、結果として画像光も非線形となって、画像表示装置において所望の画像を表示できなくなる。
【００３７】
比較例に係る平板型の光分岐素子２７では、入射面２７１と出射面２７２が平行であるため、図４に示すように光束Ｂ３及び光束Ｂ７は、出射面２７２における光束Ｂ３−光束Ｂ７間の距離を維持したまま光検出素子２０に入射する。このとき、光束Ｂ３−光束Ｂ７間の距離が近いので干渉の影響が大きい。そのため、ＩＰ特性は、例えば、図３に示すように非線形となる。
【００３８】
一方、本実施の形態に係る光源装置１０では、ウェッジ型の光分岐素子１７を用いている。ウェッジ型の光分岐素子１７では、入射面１７１と出射面１７２が非平行であるため、図５に示すように光束Ｂ３及び光束Ｂ７は、光束Ｂ３−光束Ｂ７間の距離が出射面１７２からの距離によって変化しながら光検出素子２０に入射する。光束Ｂ３−光束Ｂ７間の距離が離れた位置に光検出素子２０を配置することで、干渉の影響が小さくなる。
【００３９】
各光束間の干渉の影響が小さくなった結果、ウェッジ型の光分岐素子１７では、図６のＩＰ特性に示すように、各光源素子１１に注入される電流Ｉに対して、光検出素子２０で受光した光量Ｐは線形性が保たれる。
【００４０】
このように、ウェッジ型の光分岐素子１７を用いることにより、光分岐素子１７を透過した複数の光束は光束間の距離が変化しながら光検出素子２０に入射するため、光束間の距離が離れた位置に光検出素子２０を配置することで多重干渉の影響を低減できる。その結果、線形性の高いＩＰ特性が得られ、ＡＰＣ制御の精度を向上できる。言い換えれば、各光源素子１１の光量変動を光検出素子２０で精度よく検出することが可能となり、各光源素子１１の光量変動を低減できる。
【００４１】
ここで、ウェッジ型の光分岐素子１７において、入射面１７１と出射面１７２とのなす角θ０について考える。光源装置１０における光分岐素子１７の配置としては、図７（ａ）に示すように、入射面１７１と出射面１７２とがなす角θ０が入射面１７１で反射する光束側（光束Ｂ２側）に狭い場合と、図７（ｂ）に示すように、入射面１７１と出射面１７２とがなす角θ０が入射面１７１に入射する光束側（光束Ｂ０側）に狭い場合とが考えられる。
【００４２】
図７（ａ）及び図７（ｂ）の何れの場合においても、角θ０は、次の２つの理由から小さい方が良いと言える。１つ目の理由は、角θ０が小さい方が、光分岐素子１７を小型化できるからである。２つ目の理由は、角θ０が小さい方が、光分岐素子１７を容易に固定できるからである。
【００４３】
しかし、角θ０＝０の時は平板を意味するので、図３に示すようにＩＰ特性が多重干渉の影響により揺らいでしまう。この点から、下限は０＜角θ０と決定される。
【００４４】
次に角θ０の上限は２つの配置それぞれにおいて定義できる。まず、図７（ａ）の場合、角θ０によっては光分岐素子１７内への透過光が出射面１７２に対し垂直に入射する状況が起こり得る。この場合、透過光の一部が出射面１７２で反射し、入射光と同じ光路をさかのぼって各光源素子１１への戻り光となり、各光源素子１１の光出力が不安定となるおそれがある。
【００４５】
出射面１７２での反射光が戻り光となることを回避するためには、透過光と出射面１７２とのなす角度が垂直でなければよい。具体的には、出射面１７２での反射光が戻り光とならない条件としては、角θ０が以下の式（１）を満たせばよい。
【００４６】
【数１】
2018044970.tif 000003
例えば、θ＝４５°、ｎ＝１．５２の場合を考える。ここで、θは光束Ｂ０の入射面１７１への入射角であり、ｎは光分岐素子１７の屈折率である。この場合、式（１）より、０＜角θ０＜２７．７°となる。従って、角θ０の値をこの範囲内に設定することで、出射面１７２での反射光が戻り光となることを回避できる。例えば、角θ０＝１５°とすることができる。
【００４７】
次に、図７（ｂ）の場合、角θ０がある角度以上になると、光分岐素子１７内への透過光は出射面１７２で全反射する状況が起こり得る。この場合、光分岐素子１７を透過して光検出素子２０に到達する光がなくなるため、光検出素子２０で光量を検出することができない。
【００４８】
光検出素子２０で光量を検出できないことを回避するためには、透過光と出射面１７２とのなす角度が、光の全反射条件を満たさなければよい。具体的には、出射面１７２における反射が全反射とならない条件としては、角θ０が以下の式（２）を満たせばよい。
【００４９】
【数２】
2018044970.tif 000004
例えば、θ＝４５°、ｎ＝１．５２の場合を考える。この場合、式（２）より、０＜角θ０＜１３．４１°となる。従って、角θ０の値をこの範囲内に設定することで、出射面１７２における反射が全反射となることを回避できる。例えば、角θ０＝１０°とすることができる。
【００５０】
［光分岐素子１７の色収差］
一般に、長波長の光束の屈折率は小さく、短波長の光束の屈折率は大きい。そのため、互いに波長の異なる複数の光源素子を使用する場合、ウェッジ型の光分岐素子１７の透過光は、色収差の影響を受ける。
【００５１】
図８は、色収差について説明する図である。光分岐素子１７に異なる２つの波長の光を合成した光束Ｂ０を入射させる場合を考える。光束Ｂ０のうち入射面１７１で反射した光は、波長に関係なく反射の法則で同じ角度で反射されるので、入射面１７１で反射する光束Ｂ２は２つの波長が合成されたまま同じ光路を進む。そのため、色収差は生じない。
【００５２】
一方、光分岐素子１７を透過する光は屈折率の違いから異なる光路を進む。具体的には、短波長の光束Ｂ１は屈折率が大きく、長波長の光束Ｂ３は屈折率が小さいため、異なる光路を進む。光束Ｂ１と光束Ｂ３とは、出射面１７２から光分岐素子１７外に出射されたときには光路が大きくずれており、色収差が生じている。
【００５３】
このとき、色収差の影響を受けない入射面１７１での反射光（光束Ｂ２）を、画像表示装置の画像光として用いることが好ましい。ここでは、画像表示装置としてヘッドアップディスプレイ（以降、ＨＵＤ）を例にして理由を説明する。
【００５４】
ＨＵＤの場合、光分岐素子１７から画像形成位置であるウインドシールドまでの光路長が、光分岐素子１７から光検出素子２０までの光路長よりも長くなる。そして、後述のように、光分岐素子１７からウインドシールドまでの光路中に光偏向器が配置される。
【００５５】
光偏向器は例えば２軸のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーであり、偏向面が小さいほど面変形が起こりにくく、又、偏向面が小さいほどＨＵＤの画素密度を決める共振周波数が大きくなるので画質が向上する。そのため、光偏向器の偏向面は、できるだけ小さい方が望ましい。
【００５６】
偏向面の小さな光偏向器へ光束を入射させるためには、光束を入射させる精度が求められるため、できるだけ複数の光束は同一光路上にある方がよい。よって、色収差の影響を受けず、波長が異なっても同じ光路を進む入射面１７１での反射光を、画像表示装置の画像光として用いることが好ましい。
【００５７】
一方、色収差の影響を受ける光分岐素子１７の透過光は、終端までの光路長が短い光路に用いる方が好ましい。つまり、図１に示すように、光分岐素子１７の透過光を光検出素子２０に導光することが好ましい。
【００５８】
［光分岐素子１７の分岐比率］
光源装置１０を搭載する画像表示装置の画像光にとって、光検出素子２０への検出光は光量損失であるため、入射光に対する検出光の分岐比率はできるだけ小さい方が好ましい。しかし、分岐比率を小さくすると次のような問題が発生する。
【００５９】
光分岐素子１７の分岐面である入射面１７１は、通常、誘電体多層膜でコーティングされるが、図９に示すように分岐面における分光感度特性は波長に対して滑らかに変化しているわけではなく、僅かなリップルを有している。一方で、図１０に示すように、各光源素子１１の波長は、光量Ｐに応じて変化する。
【００６０】
従って、光量Ｐを変化させると、それに伴い波長も変化し、これが光分岐素子１７の分岐面における分光感度リップルの影響を受ける。特に、光検出素子２０への検出光は画像表示装置の画像光に対して光量が小さいため、分光感度リップルの影響が顕著に現れる。例えば、分岐面において検出光と画像光との分岐比率を１：９９とした場合、図３に示したＩＰ特性と同様に、ＩＰ特性が揺らいでしまう。つまり、検出光は注入電流Ｉに対して非線形になる。
【００６１】
分光感度リップルを抑えることが可能な分岐面のコーティングができれば、分光感度リップルの問題を考慮する必要はなくなるが、分光感度リップルをゼロにすることは困難であり、実際のリップル量は±１％程度を見ておく必要がある。
【００６２】
発明者らの検討によれば、光分岐素子１７の入射面１７１に入射する波長の異なる光束の全てについて、入射面１７１に入射する光束の５％以上を光検出素子２０へ分岐することで、リップル量が±１％程度あっても、安定にＡＰＣ制御を実行することができる。例えば、分岐面における検出光と画像光との分岐比率を５：９５とすることで、図６に示したＩＰ特性と同様に、線形なＩＰ特性を得ることができる。
【００６３】
［集光素子１８］
光検出素子２０は、ほぼ全てのビーム径を受光できるよう受光面積の大きなものが望ましいが、一般的に光検出素子２０は、高周波の応答性が高くなるように受光面積が小さい。前述のように、光検出素子２０への検出光は、波長の違いにより光分岐素子１７で色収差の影響を受ける。
【００６４】
そのため、図１１に示すように、光分岐素子１７に異なる２つの波長の光を合成した光束Ｂ０を入射させると、互いに波長の異なる光束Ｂ１と光束Ｂ２とは異なる光路を進む。
ここで、何らの対策も講じないと、異なる光路を進む光束Ｂ１と光束Ｂ２とは、光検出素子２０の受光面から外れてしまう。
【００６５】
そこで、光源装置１０では、光分岐素子１７と光検出素子２０との間に、集光素子１８を配置している。集光素子１８を配置することで、波長の異なる光束Ｂ１及び光束Ｂ２を集光し、光検出素子２０に導光することが可能となり、光分岐素子１７で生じた色収差の影響を小さくできる。
【００６６】
このとき、光分岐素子１７の入射面１７１で分岐された波長の異なる光束のうち、集光素子１８を透過した最も波長が離れている２つの光束の主光線（図１１の光束Ｂ１及び光束Ｂ２を示す２つの実線）の集光点に、光検出素子２０の受光面の中心を配置することが好ましい。これにより、光検出素子２０の受光面の中心が光束の各々の中心と揃うので、最も波長が離れている２つの光束の光強度を効率よく測定できる。
【００６７】
なお、本実施の形態において、集光素子１８を１枚のレンズとしているが、これに限定されるものではなく、複数枚のレンズを組み合わせてもよいし、凹面レンズを用いてもよい。
【００６８】
図１２は、光検出素子２０の円形の光検出領域２０１中に、複数光が重なった光束Ｂ１１が入射する様子を示している。受光面の中心が主光線の集光点Ｏと一致するように配置された光検出素子２０では、光束Ｂ１１は完全に集光されていなく、広がりを持っている。
パワー密度の観点からすると、光検出素子２０に入射する光束Ｂ１１は、図１２のようにある程度の大きさを持っていることが好ましい。
【００６９】
光検出素子２０に入射する光束Ｂ１１の径が小さいほど、ほぼ全ての光を検出できるが、同じ光強度でも面積が小さくなるとパワー密度が高くなり、パワー密度が高いと光検出素子２０の応答性が悪くなるからである。光検出素子２０に入射する光束Ｂ１１が、ある程度の大きさを持っていることで、光検出素子２０の応答性の悪化を低減できる。
【００７０】
［減光素子１９］
図１において、集光素子１８と光検出素子２０との間には、減光素子１９が配置されている。減光素子１９は、例えば、レッドカットフィルタである。減光素子１９としてレッドカットフィルタを設けることで、光検出素子２０の分解能を向上できる。なお、減光素子１９は、各光源素子１１への戻り光を低減させるため、集光素子１８の光軸に対して傾斜して配置されている（入射面を入射光に対して傾けて配置されている）ことが好ましい。
【００７１】
光検出素子２０が入射光に対して電流や電圧を出力する場合、その出力をデジタル値に変換することで光量が演算できる。このデジタル値は１０ｂｉｔ（１０２４段階）等の固定値なので、受光ダイナミックレンジが小さいほど光量検出の分解能が高くなる。波長が互いに異なる複数の光を検出する場合、受光ダイナミックレンジを小さくするには、入射光の光強度を揃えればよい。
【００７２】
しかし、受光ダイナミックレンジは、以下の２つの理由により大きくなる。１つ目の理由は、一般的に光検出素子は図１３に示すような長波長側の感度が高い分光感度特性を持ち、同じ光強度が入射しても長波長側の出力が大きくなるので、検出結果としての受光ダイナミックレンジが大きくなるからである。
【００７３】
２つ目の理由は、各光源素子１１の光量に差があるからである。ＨＵＤ等の画像表示装置で表示する画像は、白を基準に他の色が生成されるので、受光ダイナミックレンジを決めるのは最も輝度の高い白を形成する光量である。例えば、波長が６５０ｎｍ、５１５ｎｍ、４５０ｎｍの３つの光源素子を使用するときの光量比はおよそ２．５：１：０．５である。
【００７４】
以上の２つの理由により、光検出素子２０が受光する光量には、例えば図１４（ａ）に示すような差が生じる。図１４（ａ）の場合、受光ダイナミックレンジは、おおよそ０μＷから６５００μＷとなり、１０ｂｉｔ＝１０２４段階に分割すると、１段階あたりの光量は約６．３５μＷとなる。
【００７５】
そこで、減光素子１９の減光率を、波長の異なる光束の最大光量の差が小さくなるように設定する。例えば、減光素子１９の減光率は、波長の異なる光束のうちの最大光量の光束が光検出素子２０に入射するとき、波長の異なる光束のうちの光量が２番目に大きい光束の光量と同一となるように設定することができる。
【００７６】
例えば、波長の異なる光束のうちの最大光量の光束である波長６５０ｎｍの光束の受光量を減光して、光量が２番目に大きい光束である波長５１５ｎｍの光束の受光量と等しくなるように、減光素子１９としてレッドカットフィルタを設ける。
【００７７】
これにより、図１４（ｂ）に示すように、各波長の光束の受光量がほぼ等しくなり、受光ダイナミックレンジは、おおよそ０μＷから２６００μＷとなり、１０ｂｉｔ＝１０２４段階に分割すると、１段階あたりの光量は約２．５４μＷとなる。
【００７８】
このように、減光素子１９としてレッドカットフィルタを設けることにより、光検出素子２０の分解能を向上できる。
【００７９】
なお、以上の説明では、減光素子１９の例として長波長の光強度を落とすレッドカットフィルタを例示したが、光検出素子２０の入射光量に応じて各波長で透過率の異なる減光素子を用いてもよい。
【００８０】
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１に実施の形態に係る光源装置を備えた画像表示装置の例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００８１】
図１５及び図１６は、第２の実施の形態に係る画像表示装置を例示する模式図であり、図１６では画像表示装置１００を中心に図示している。
【００８２】
図１５を参照するに、画像表示装置１００は、自車両９００に搭載されている。画像表示装置１００は、所定の画像を視認者Ｖの前方のフロントウィンドシールド９１０に投影し、視認者Ｖの視界に虚像Ｉとして重畳して表示する機能を有する、所謂ヘッドアップディスプレイである。
【００８３】
なお、視認者Ｖは、ここでは自車両９００の乗員である運転者である。フロントウィンドシールド９１０は、入射光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材としても機能する。
【００８４】
画像表示装置１００は、自車両９００のインテリアデザインに準拠して任意の位置に配置してよく、例えば、自車両９００内のダッシュボード上に配置することができる。画像表示装置１００を自車両９００のダッシュボード内に埋め込んでもよい。
【００８５】
但し、本実施の形態では、画像表示装置１００を自車両９００に搭載する例を示すが、これには限定されない。画像表示装置１００は、例えば、車両、航空機、船舶、産業用ロボット等の移動体に搭載され、移動体のフロントウィンドシールドを介して、移動体の操縦に必要なナビゲーション情報を視認可能にする。ここで、ナビゲーション情報とは、例えば、移動体の速度、進行方向、目的地までの距離、現在地名称、移動体前方における物体（現実物体）の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報等の情報である。
【００８６】
図１６を参照するに、画像表示装置１００は、主要な構成要素として、光源装置１０と、レンズ１０１と、光偏向器１０２と、ミラー１０３と、被走査面１０４と、凹面ミラー１０５とを有している。
【００８７】
画像表示装置１００において、光源装置１０からの出射光Ｌｏは、レンズ１０１により光偏向器１０２の反射面に向かって導かれる。レンズ１０１としては、例えば、凹面側を光偏向器１０２に向けて配置された単一のメニスカスレンズ等を用いることができる。光偏向器１０２の反射面に導かれた出射光Ｌｏは、光偏向器１０２により２次元的に偏向される。
【００８８】
光偏向器１０２としては、例えば、直交する２軸に対して揺動する１つの微小なミラーや、１軸に揺動又は回動する２つの微小なミラー等を用いることができる。光偏向器１０２は、例えば、半導体プロセス等で作製されたＭＥＭＳとすることができる。光偏向器１０２は、例えば、圧電素子の変形力を駆動力とするアクチュエータにより駆動することができる。
【００８９】
但し、光偏向器１０２として、２軸のＭＥＭＳミラーを用いる構成に代えて、ガルバノミラーを２つ組み合わせて用いる構成、回転多面鏡を用いる構成、音響光学素子を用いる構成等としてもよい。
【００９０】
光偏向器１０２により２次元的に偏向された光は、ミラー１０３に入射し、ミラー１０３により折り返され、被走査面１０４（スクリーン）に２次元の画像（中間像）を描画する。ミラー１０３としては、例えば凹面鏡を用いることができるが、凸面鏡や平面鏡を用いてもよい。被走査面１０４としては、入射光を所望の発散角で発散させる機能を有するマイクロレンズアレイやマイクロミラーアレイを用いると好適であるが、入射光を拡散させる拡散板、表面が平滑な透過板や反射板等を用いてもよい。
【００９１】
被走査面１０４から射出された光は、凹面ミラー１０５で反射され、フロントウィンドシールド９１０に入射する。フロントウィンドシールド９１０への入射光束の一部はフロントウィンドシールド９１０を透過し、残部の少なくとも一部は視点位置Ｅに向けて反射される。この結果、視認者Ｖはフロントウィンドシールド９１０を介して中間像の拡大された虚像Ｉを視認可能となる、すなわち、視認者Ｖから見て虚像Ｉがフロントウィンドシールド９１０越しに拡大表示される。
【００９２】
通常、フロントウィンドシールド９１０は、平面ではなく僅かに湾曲している。このため、凹面ミラー１０５とフロントウィンドシールド９１０の曲面とにより、虚像Ｉの結像位置が決定される。
【００９３】
又、ミラー１０３及び凹面ミラー１０５の少なくとも一方は、フロントウィンドシールド９１０の影響で中間像の水平線が上又は下に凸形状となる光学歪み要素を補正するように設計、配置されることが好ましい。
【００９４】
なお、フロントウィンドシールド９１０よりも視点位置Ｅ側に透過反射部材としてコンバイナを配置してもよい。コンバイナに凹面ミラー１０５からの光を照射するようにしても、フロントウィンドシールド９１０に凹面ミラー１０５からの光を照射した場合と同様に、虚像Ｉを表示することができる。
【００９５】
画像表示装置１００は、図１に示した制御部３０及び駆動部４０を含む電気系を備えている。図１７は、第２の実施の形態に係る画像表示装置の電気系のハードウェアブロックを例示する図である。図１８は、第２の実施の形態に係る画像表示装置の制御部の機能ブロックを例示する図である。
【００９６】
図１７に示すように、画像表示装置１００は、電気系として、制御部３０、駆動部４０、及びＭＥＭＳコントローラ５０を有している。ＭＥＭＳコントローラ５０は、光偏向器１０２の偏向走査を制御する機能を有している。
【００９７】
又、制御部３０は、ＣＰＵ３１と、ＲＯＭ３２と、ＲＡＭ３３と、Ｉ／Ｆ３４と、バスライン３５とを有している。ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、及びＩ／Ｆ３４は、バスライン３５を介して相互に接続されている。
【００９８】
ＣＰＵ３１は、制御部３０の各機能を制御する。記憶手段であるＲＯＭ３２は、ＣＰＵ３１が制御部３０の各機能を制御するために実行するプログラムや、各種情報を記憶している。記憶手段であるＲＡＭ３３は、ＣＰＵ３１のワークエリア等として使用される。又、ＲＡＭ３３は、所定の情報を一時的に記憶することができる。Ｉ／Ｆ３４は、画像表示装置１００を他の機器等と接続するためのインターフェイスである。画像表示装置１００は、Ｉ／Ｆ３４を介して、外部ネットワーク等と接続されてもよい。
【００９９】
図１８を参照するに、制御部３０は、機能ブロックとして、画像データ生成部３０１と、光源装置制御部３０２と、光偏向器制御部３０３とを有している。
【０１００】
画像データ生成部３０１は、描画すべき画像（速度、走行距離等の情報）の画像データを生成する。画像データ生成部３０１は、画像データを生成する際に、表示する虚像の位置、大きさ、形、色、明るさ（輝度）等を調整することができる。
【０１０１】
光源装置制御部３０２及び光偏向器制御部３０３は、画像データ生成部３０１が生成した画像データに応じて光源装置１０及び光偏向器１０２を制御する。具体的には、光源装置制御部３０２は、駆動部４０に駆動信号を供給し、各光源素子１１の出射タイミングを制御する。又、光源装置制御部３０２は、光検出素子２０の出力に基づいて、駆動部４０に光量制御信号を供給し、各光源素子１１の出射光量を一定に制御する。
【０１０２】
光偏向器制御部３０３は、画像データ生成部３０１が生成した画像データに応じて、ＭＥＭＳコントローラ５０に駆動信号を供給し、光偏向器１０２を２次元的に偏向走査する。これにより、フロントウィンドシールド９１０に光が照射され、視認者Ｖの視点位置Ｅから虚像Ｉが視認可能となる。
【０１０３】
このように、光源装置１０を備えた画像表示装置１００により、フロントウィンドシールド９１０に対して画像を形成する光（画像光）を照射することで、視認者Ｖの視点位置Ｅ（左右の目の中間点）から画像の虚像Ｉを視認可能にすることができる。つまり、視認者Ｖは、画像表示装置１００の被走査面１０４に形成（描画）される画像（中間像）を、フロントウィンドシールド９１０を介して虚像Ｉとして視認することができる。
【０１０４】
光源装置１０では、ウェッジ型の光分岐素子１７を用いることにより多重干渉の影響を低減し、ＡＰＣ制御の精度を向上しているため、光源装置１０を備えた画像表示装置１００では、光量変動の少ない画像光が得られ、所望の画像を良好に表示できる。
【０１０５】
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【０１０６】
例えば、上記の実施の形態では、光源装置１０を画像表示装置の一例であるＨＵＤに適用する例を示した。しかし、光源装置１０は、ＨＵＤ以外の画像表示装置に適用することができる。ＨＵＤ以外の画像表示装置としては、例えば、プロジェクタやヘッドマウントディスプレイ等が挙げられる。
【０１０７】
又、光源装置１０は複数の光源素子を有する構成には限定されず、単一の光源素子を有する構成としてもよい。この場合、光源装置１０は、単一色の画像を表示する画像表示装置等に搭載することができる。
【符号の説明】
【０１０８】
１０  光源装置
１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ  光源素子
１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ  カップリングレンズ
１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂ  アパーチャ
１４  ミラー
１５、１６  光路合成素子
１７  光分岐素子
１８  集光素子
１９  減光素子
２０  光検出素子
３０  制御部
３１  ＣＰＵ
３２  ＲＯＭ
３３  ＲＡＭ
３４  Ｉ／Ｆ
３５  バスライン
４０  駆動部
５０  ＭＥＭＳコントローラ
１００  画像表示装置
１０１  レンズ
１０２  光偏向器
１０３  ミラー
１０４  被走査面
１０５  凹面ミラー
１７１  入射面
１７２  出射面
２０１  光検出領域
３０１  画像データ生成部
３０２  光源装置制御部
３０３  光偏向器制御部
９００  自車両
９１０  フロントウィンドシールド
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１０９】
【特許文献１】特開２０１５−１３２６５８号公報
【図１】
2018044970.tif 000007
【図２】
2018044970.tif 000008
【図３】
2018044970.tif 000009
【図４】
2018044970.tif 000010
【図５】
2018044970.tif 000011
【図６】
2018044970.tif 000012
【図７】
2018044970.tif 000013
【図８】
2018044970.tif 000014
【図９】
2018044970.tif 000015
【図１０】
2018044970.tif 000016
【図１１】
2018044970.tif 000017
【図１２】
2018044970.tif 000018
【図１３】
2018044970.tif 000019
【図１４】
2018044970.tif 000020
【図１５】
2018044970.tif 000021
【図１６】
2018044970.tif 000022
【図１７】
2018044970.tif 000023
【図１８】
2018044970.tif 000024