(57)【要約】【課題】光学系全体の小型化を図りながら、レーザ光のビーム形状を整形することができる光学素子を提供する。【解決手段】第１の光学素子２６は、第１のレーザダイオード２０からのレーザ光が入射する入射面４８と、入射面４８に入射したレーザ光が出射する出射面５０とを備える。入射面４８には、第１のレーザダイオード２０からのレーザ光に非点収差を発生させることにより、第１のレーザダイオード２０からのレーザ光のビーム形状を楕円形状から円形状に整形するための第１のレンズ面５２が形成されている。出射面５０には、第１のレーザダイオード２０からのレーザ光を発散光から平行光に変換するための第２のレンズ面５４が形成されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からのレーザ光が透過する光学素子であって、
前記光源からのレーザ光が入射する入射面と、
前記入射面に入射したレーザ光が出射する出射面と、を備え、
前記入射面及び前記出射面の一方には、前記光源からのレーザ光に非点収差を発生させることにより、前記光源からのレーザ光のビーム形状を楕円形状から円形状に整形するための第１のレンズ面が形成され、
前記入射面及び前記出射面の他方には、前記光源からのレーザ光を発散光から平行光に変換するための第２のレンズ面が形成されている
光学素子。
【請求項２】
前記第１のレンズ面は、前記光源からのレーザ光のビーム形状を短軸方向に拡大することにより、前記光源からのレーザ光のビーム形状を楕円形状から円形状に整形する
請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１のレンズ面は前記入射面に形成され、
前記第２のレンズ面は前記出射面に形成されている
請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１のレンズ面の形状はシリンドリカル面形状であり、前記第２のレンズ面の形状は球面形状又は非球面形状である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１のレンズ面の形状はバイコーニック面形状であり、前記第２のレンズ面の形状は球面形状又は非球面形状である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記光学素子の開口数は、０．４７以上である
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記光学素子のレンズ有効径は、３．５ｍｍ以下である
請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記光学素子の前記入射面から前記出射面までのレンズ厚みは、１．７５ｍｍ以下である
請求項６に記載の光学素子。
【請求項９】
レーザ光を発する光源と、
前記光源からのレーザ光が透過する請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記光学素子から出射したレーザ光を走査しながら投影面に照射することにより、前記投影面に画像を投影する投影部と、を備える
プロジェクタ。
【請求項１０】
前記光源及び前記光学素子はそれぞれ複数設けられ、
前記複数の光源の各々は、互いに異なる色の波長のレーザ光を発し、
前記複数の光学素子はそれぞれ、前記複数の光源の各々に対応して配置されている
請求項９に記載のプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及びこれを備えたプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤色成分（Ｒ）のレーザ光と緑色成分（Ｇ）のレーザ光と青色成分（Ｂ）のレーザ光とを合成し、合成したレーザ光を投影面に走査しながら照射することにより、投影面にカラーの画像を投影するプロジェクタが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来のプロジェクタは、赤色成分のレーザ光を発する第１のレーザダイオードと、緑色成分のレーザ光を発する第２のレーザダイオードと、青色成分のレーザ光を発する第３のレーザダイオードと、第１〜第３のレーザダイオードからのレーザ光がそれぞれ入射する第１〜第３のコリメートレンズと、第１〜第３のコリメートレンズの各々から出射したレーザ光を合成するダイクロイックミラーとを備えている。第１〜第３のコリメートレンズはそれぞれ、第１〜第３のレーザダイオードの各々からのレーザ光を発散光から平行光に変換するためのものである。
【０００４】
一般に、レーザダイオードからのレーザ光のビーム形状（すなわち、光軸に対して垂直な断面形状）は、楕円形状である。このような楕円形状のビーム形状を有するレーザ光をそのまま投影面に照射した場合には、画像の表示精度が低下するおそれがある。そのため、上述した従来のプロジェクタには、ダイクロイックミラーから出射したレーザ光のビーム形状を楕円形状から円形状に整形するための整形プリズムが配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１９７２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来のプロジェクタでは、整形プリズムのサイズが比較的大きいため、整形プリズムを含む光学系全体が大型化し、その分プロジェクタ全体が大型化してしまうという課題が生じる。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決しようとするものであり、その目的は、光学系全体の小型化を図りながら、レーザ光のビーム形状を整形することができる光学素子及びこれを備えたプロジェクタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る光学素子は、光源からのレーザ光が透過する光学素子であって、前記光源からのレーザ光が入射する入射面と、前記入射面に入射したレーザ光が出射する出射面と、を備え、前記入射面及び前記出射面の一方には、前記光源からのレーザ光に非点収差を発生させることにより、前記光源からのレーザ光のビーム形状を楕円形状から円形状に整形するための第１のレンズ面が形成され、前記入射面及び前記出射面の他方には、前記光源からのレーザ光を発散光から平行光に変換するための第２のレンズ面が形成されている。
【０００９】
本態様によれば、入射面及び出射面の一方には、光源からのレーザ光のビーム形状を楕円形状から円形状に整形する（ビーム整形機能）ための第１のレンズ面が形成され、入射面及び出射面の他方には、光源からのレーザ光を発散光から平行光に変換する（コリメート機能）ための第２のレンズ面が形成されている。このように一つの光学素子がビーム整形機能及びコリメート機能の双方を有しているので、従来のように整形プリズムをコリメートレンズとは別に配置した場合と比べて、光学素子を含む光学系全体の部品点数を低減することができる。その結果、上記光学系全体の小型化を図りながら、レーザ光のビーム形状を整形することができる。
【００１０】
例えば、本発明の一態様に係る光学素子において、前記第１のレンズ面は、前記光源からのレーザ光のビーム形状を短軸方向に拡大することにより、前記光源からのレーザ光のビーム形状を楕円形状から円形状に整形するように構成してもよい。
【００１１】
本態様によれば、第１のレンズ面は、光源からのレーザ光のビーム形状を楕円形状から円形状に整形する際に、レーザ光のビーム形状を短軸方向に拡大するので、ビーム径全体の大きさを確保しながらレーザ光のビーム形状を整形することができる。
【００１２】
例えば、本発明の一態様に係る光学素子において、前記第１のレンズ面は前記入射面に形成され、前記第２のレンズ面は前記出射面に形成されているように構成してもよい。
【００１３】
本態様によれば、第２のレンズ面は出射面に形成されているので、第２のレンズ面によるレーザ光の集光性を高めることができる。
【００１４】
例えば、本発明の一態様に係る光学素子において、前記第１のレンズ面の形状はシリンドリカル面形状であり、前記第２のレンズ面の形状は球面形状又は非球面形状であるように構成してもよい。
【００１５】
本態様によれば、第１のレンズ面はシリンドリカル面形状を有しているので、第１のレンズ面にビーム整形機能を持たせることができる。また、第２のレンズ面は球面形状又は非球面形状を有しているので、第２のレンズ面にコリメート機能を持たせることができる。
【００１６】
例えば、本発明の一態様に係る光学素子において、前記第１のレンズ面の形状はバイコーニック面形状であり、前記第２のレンズ面の形状は球面形状又は非球面形状であるように構成してもよい。
【００１７】
本態様によれば、第１のレンズ面はバイコーニック面形状を有しているので、第１のレンズ面にビーム整形機能を持たせることができる。また、第２のレンズ面は球面形状又は非球面形状を有しているので、第２のレンズ面にコリメート機能を持たせることができる。
【００１８】
例えば、本発明の一態様に係る光学素子において、前記光学素子の開口数は、０．４７以上であるように構成してもよい。
【００１９】
本態様によれば、光学素子の開口数は０．４７以上であるので、例えば約５０°の放射角でレーザ光を発する一般的なレーザダイオードを光源として用いた場合に、レーザダイオードからのレーザ光を入射面に効率良く入射させることができる。その結果、レーザ光の利用効率を高めることができる。
【００２０】
例えば、本発明の一態様に係る光学素子において、前記光学素子のレンズ有効径は、３．５ｍｍ以下であるように構成してもよい。
【００２１】
本態様によれば、光学素子のレンズ有効径は３．５ｍｍ以下であるので、光学素子と光源との間の距離を確保しながら、光学系全体を小型化することができる。
【００２２】
例えば、本発明の一態様に係る光学素子において、前記光学素子の前記入射面から前記出射面までのレンズ厚みは、１．７５ｍｍ以下であるように構成してもよい。
【００２３】
本態様によれば、光学素子のレンズ厚みは１．７５ｍｍ以下であるので、光学素子と光源との間の距離を確保しながら、光学系全体を小型化することができる。
【００２４】
また、本発明の一態様に係るプロジェクタは、レーザ光を発する光源と、前記光源からのレーザ光が透過する請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学素子と、前記光学素子から出射したレーザ光を走査しながら投影面に照射することにより、前記投影面に画像を投影する投影部と、を備える。
【００２５】
本態様によれば、上述したように一つの光学素子がビーム整形機能及びコリメート機能の双方を有しているので、従来のように整形プリズムを別途配置した場合と比べて、光学素子を含む光学系全体の部品点数を低減することができる。その結果、光学系全体の小型化を図りながら、レーザ光のビーム形状を整形することができる。
【００２６】
例えば、本発明の一態様に係るプロジェクタにおいて、前記光源及び前記光学素子はそれぞれ複数設けられ、前記複数の光源の各々は、互いに異なる色の波長のレーザ光を発し、前記複数の光学素子はそれぞれ、前記複数の光源の各々に対応して配置されているように構成してもよい。
【００２７】
本態様によれば、複数の光学素子はそれぞれ複数の光源の各々に対応して配置されているので、複数の光源の各々からのレーザ光のビーム形状を整形し且つレーザ光を発散光から平行光に変換した後に、各レーザ光を合成することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の一態様に係る光学素子によれば、光学系全体の小型化を図りながら、レーザ光のビーム形状を整形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施の形態１に係るプロジェクタを搭載したヘッドアップディスプレイ装置の構成を説明するための図である。
【図２】図１のヘッドアップディスプレイ装置による画像の表示例を示す図である。
【図３】実施の形態１に係るプロジェクタの構成を簡略的に示すブロック図である。
【図４】実施の形態１に係る第１の光学素子を示す斜視図である。
【図５】実施の形態１に係る第１の光学素子を示す側面図である。
【図６】出射面に第２のレンズ面を形成した場合の集光性と、入射面に第２のレンズ面を形成した場合の集光性との比較結果を示すグラフである。
【図７】第１の光学素子のレンズ厚みとレンズ有効径と第２のレンズ面の曲率半径との関係を示すグラフである。
【図８】実施の形態２に係る第１の光学素子を示す側面図である。
【図９】実施の形態３に係る第１の光学素子を示す斜視図である。
【図１０】実施の形態３に係る第１の光学素子を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。各図は、必ずしも各寸法または各寸法比等を厳密に図示したものではない。
【００３１】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１に係る光学素子及びこれを備えたプロジェクタについて説明する。
【００３２】
［１−１．ヘッドアップディスプレイ装置の構成］
実施の形態１に係るプロジェクタ２は、例えばヘッドアップディスプレイ装置４に搭載される。まず、図１及び図２を参照しながら、ヘッドアップディスプレイ装置４の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係るプロジェクタ２を搭載したヘッドアップディスプレイ装置４の構成を説明するための図である。図２は、図１のヘッドアップディスプレイ装置４による画像１０の表示例を示す図である。
【００３３】
図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置４は、例えば自動車６に搭載され、プロジェクタ２及びコンバイナ８（以下、「投影面８」ともいう）を備えている。プロジェクタ２は、コンバイナ８に画像１０を投影するためのものであり、自動車６のダッシュボード１２の内部に設置されている。コンバイナ８は、例えばハーフミラー等で構成され、自動車６のフロントガラス１４上に設置されている。
【００３４】
プロジェクタ２により投影された画像１０は、コンバイナ８で運転者１６に向けて反射される。これにより、図２に示すように、運転者１６は、フロントガラス１４の前方の景色１８上に、虚像である画像１０を重ね合わせて視認することができる。その結果、運転者１６は、自動車６の運転中に視線を前方からそらすことなく、所定の情報を視認することができる。
【００３５】
なお、図２に示す例では、コンバイナ８には、カーナビゲーションに関する情報（例えば、現在地から１．０ｋｍ先の地点で、道路が大阪方面の経路と神戸方面の経路とに分岐することを示す情報）が画像１０として表示される。
【００３６】
［１−２．プロジェクタの全体構成］
次に、図３を参照しながら、実施の形態１に係るプロジェクタ２の全体構成について説明する。図３は、実施の形態１に係るプロジェクタ２の構成を簡略的に示すブロック図である。
【００３７】
実施の形態１に係るプロジェクタ２は、赤色成分（Ｒ）のレーザ光と緑色成分（Ｇ）のレーザ光と青色成分（Ｂ）のレーザ光とを合成し、合成したレーザ光を走査しながら投影面８に照射することにより、投影面８にカラーの画像１０（図２参照）を投影するレーザプロジェクタである。
【００３８】
図３に示すように、プロジェクタ２は、第１のレーザダイオード２０、第２のレーザダイオード２２、第３のレーザダイオード２４、第１の光学素子２６、第２の光学素子２８、第３の光学素子３０、第１のダイクロイックミラー３２、第２のダイクロイックミラー３４、レンズ３６、ミラー３８及び投影部４０を備えている。
【００３９】
第１のレーザダイオード２０、第２のレーザダイオード２２及び第３のレーザダイオード２４の各々は、特定の波長の単色色成分のレーザ光を発する光源の一例である。具体的には、第１のレーザダイオード２０は赤色成分のレーザ光を発し、第２のレーザダイオード２２は緑色成分のレーザ光を発し、第３のレーザダイオード２４は青色成分のレーザ光を発する。なお、後述する図５に示すように、第１のレーザダイオード２０、第２のレーザダイオード２２及び第３のレーザダイオード２４の各々から発せられるレーザ光は発散光であり、そのビーム形状は楕円形状である。なお、本明細書において、「楕円形状」とは、厳密な楕円形状だけでなく、楕円形状に近い形状も含むものである。
【００４０】
第１の光学素子２６、第２の光学素子２８及び第３の光学素子３０の各々は、ビーム整形機能及びコリメート機能を有する光学素子（レンズ）の一例である。ビーム整形機能とは、レーザ光のビーム形状を楕円形状から円形状に整形する機能である。コリメート機能とは、レーザ光を発散光から平行光に変換する機能である。なお、本明細書において、「円形状」とは、厳密な円形状だけでなく、円形状に近い形状も含むものである。
【００４１】
第１の光学素子２６、第２の光学素子２８及び第３の光学素子３０はそれぞれ、第１のレーザダイオード２０、第２のレーザダイオード２２及び第３のレーザダイオード２４に対応して配置されている。すなわち、第１の光学素子２６は、第１のレーザダイオード２０からのレーザ光を発散光から平行光に変換し、且つ、第１のレーザダイオード２０からのレーザ光のビーム形状を楕円形状から円形状に整形する。同様に、第２の光学素子２８は、第２のレーザダイオード２２からのレーザ光を発散光から平行光に変換し、且つ、第２のレーザダイオード２２からのレーザ光のビーム形状を楕円形状から円形状に整形する。また、第３の光学素子３０は、第３のレーザダイオード２４からのレーザ光を発散光から平行光に変換し、且つ、第３のレーザダイオード２４からのレーザ光のビーム形状を楕円形状から円形状に整形する。なお、実施の形態１に係るプロジェクタ２では、第１の光学素子２６、第２の光学素子２８及び第３の光学素子３０の各構成に特徴がある。それらの構成については後で詳述する。
【００４２】
第１のダイクロイックミラー３２及び第２のダイクロイックミラー３４の各々は、特定の波長のレーザ光のみを反射し、その他の波長のレーザ光を透過する光学的性質を有している。具体的には、第１のダイクロイックミラー３２は、緑色成分のレーザ光のみを反射し、その他の色成分のレーザ光を透過する。第２のダイクロイックミラー３４は、赤色成分のレーザ光のみを反射し、その他の色成分のレーザ光を透過する。
【００４３】
第１のダイクロイックミラー３２は、レーザ光の光路の上流側に配置され、第２のダイクロイックミラー３４は、レーザ光の光路の下流側に配置されている。第２のレーザダイオード２２からの緑色成分のレーザ光は、第２の光学素子２８を透過した後に第１のダイクロイックミラー３２で反射される。一方、第３のレーザダイオード２４からの青色成分のレーザ光は、第３の光学素子３０を透過した後に第１のダイクロイックミラー３２を透過する。これにより、緑色成分のレーザ光と青色成分のレーザ光とが第１のダイクロイックミラー３２において合成される。
【００４４】
さらに、第１のレーザダイオード２０からの赤色成分のレーザ光は、第１の光学素子２６を透過した後に第２のダイクロイックミラー３４で反射される。一方、上述のように合成された緑色成分のレーザ光及び青色成分のレーザ光は、第２のダイクロイックミラー３４を透過する。これにより、赤色成分のレーザ光と緑色成分のレーザ光と青色成分のレーザ光とが第２のダイクロイックミラー３４において合成される。
【００４５】
レンズ３６は、第２のダイクロイックミラー３４から出射したレーザ光を集光するための集光レンズである。ミラー３８は、レンズ３６により集光されたレーザ光を投影部４０に向けて反射するための反射板である。
【００４６】
投影部４０は、ミラー３８で反射したレーザ光を走査しながら投影面８に照射することにより、投影面８に画像１０を投影するためのものである。投影部４０は、第１のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー４２及び第２のＭＥＭＳミラー４４を有している。
【００４７】
第１のＭＥＭＳミラー４２は、水平方向に比較的高速で揺動する。第２のＭＥＭＳミラー４４は、垂直方向に比較的低速で揺動する。第１のＭＥＭＳミラー４２及び第２のＭＥＭＳミラー４４の各々は、入射したレーザ光を自己の振れ角に応じた方向に反射する。上述したミラー３８で反射したレーザ光は、第１のＭＥＭＳミラー４２で反射した後に、第２のＭＥＭＳミラー４４で反射する。第１のＭＥＭＳミラー４２及び第２のＭＥＭＳミラー４４がそれぞれ水平方向及び垂直方向に揺動することにより、レーザ光が水平方向及び垂直方向に（すなわち、二次元的に）走査されながら投影面８に照射され、投影面８に画像１０が投影される。
【００４８】
図３に示すように、プロジェクタ２は、さらに、制御部４６を備えている。制御部４６は、外部から送信されてきた画像データに基づいて、第１のレーザダイオード２０、第２のレーザダイオード２２及び第３のレーザダイオード２４の各々に供給される駆動電流を制御するとともに、第１のＭＥＭＳミラー４２及び第２のＭＥＭＳミラー４４の各々の振れ角を制御する。
【００４９】
［１−３．光学素子の構成］
次に、図４及び図５を参照しながら、実施の形態１に係る第１の光学素子２６の構成について説明する。図４は、実施の形態１に係る第１の光学素子２６を示す斜視図である。図５は、実施の形態１に係る第１の光学素子２６を示す側面図である。なお、第１の光学素子２６、第２の光学素子２８及び第３の光学素子３０の各構成は同一であるので、以下では、第１の光学素子２６の構成についてのみ説明する。
【００５０】
図４及び図５に示すように、第１の光学素子２６は、第１のレーザダイオード２０からのレーザ光が入射する入射面４８と、入射面４８に入射した光が出射する出射面５０とを有しており、例えば透明樹脂等で形成されている。入射面４８及び出射面５０は、光軸方向（Ｚ軸方向）において互いに反対側を向くように配置されている。なお、第１の光学素子２６の光軸方向におけるレンズ厚みＴ（すなわち、入射面４８から出射面５０までの厚み）は、例えば１．４８ｍｍである。また、第１の光学素子２６のレンズ有効径Ｄは例えば３．５ｍｍであり、第１の光学素子２６の開口数（ＮＡ）は例えば０．４７である。
【００５１】
図４及び図５に示すように、入射面４８には、凸面状の第１のレンズ面５２が形成されている。第１のレンズ面５２の形状は、第１の方向（Ｙ軸方向）に曲率を有し、且つ、第１の方向と直交する第２の方向（Ｘ軸方向）には曲率を有しない、いわゆるシリンドリカル面形状である。第１のレンズ面５２の第１の方向における曲率半径は、＋１００ｍｍ以上であるのが好ましく、例えば＋１３０ｍｍである。なお、図４において、第１のレンズ面５２に付した十字の実線は、シリンドリカル面形状を分かりやすく表現するための仮想的な線である。
【００５２】
図５に示すように、出射面５０には、凸面状の第２のレンズ面５４が形成されている。第２のレンズ面５４の形状は、非球面形状である。第２のレンズ面５４の曲率半径は例えば−１．３３ｍｍであり、円錐定数は例えば−０．９３であり、４次非球面係数は例えば−０．０２６であり、６次非球面係数は例えば２．８２５×１０−３であり、８次非球面係数は例えば−２．４９４×１０−３であり、１０次非球面係数は例えば９．９２２×１０−５である。なお、第２のレンズ面５４の形状を非球面形状とすることにより、第１のレンズ面５２の形状がシリンドリカル面形状であることに起因して発生する余計な収差を低減することができる。
【００５３】
第１の光学素子２６は、第１のレンズ面５２の第１の方向がレーザ光のビーム形状の長軸方向に一致し、且つ、第１のレンズ面５２の第２の方向がレーザ光のビーム形状の短軸方向にほぼ一致するように、第１のレーザダイオード２０に対する向きが固定されている。なお、第１の光学素子２６と第１のレーザダイオード２０との間の距離ＷＤは、例えば１．４６５ｍｍである。
【００５４】
図５に示すように、第１のレーザダイオード２０からのレーザ光は、例えば放射角θ＝約５０°で発散しながら第１の光学素子２６の第１のレンズ面５２に入射する。このとき、第１の光学素子２６の開口数を０．４７とすることにより、第１のレーザダイオード２０から放射角θ＝約５０°で発散するレーザ光を第１のレンズ面５２に効率良く入射させることができ、レーザ光の利用効率を高めることができる。
【００５５】
図５に示すように、第１のレンズ面５２に入射したレーザ光のビーム形状は、第１のレンズ面５２によりレーザ光に非点収差が発生することによって短軸方向に拡大される。これは、第１のレンズ面５２の形状がシリンドリカル面形状であることに起因して、第１のレンズ面５２の第２の方向における集光性が第１の方向における集光性よりも低いためである。これにより、第１のレンズ面５２に入射したレーザ光のビーム形状は、楕円形状から円形状に整形されるようになる。
【００５６】
その後、第１のレンズ面５２によって整形されたレーザ光は、第２のレンズ面５４に入射することにより、発散光から平行光に変換される。このようにして、第２のレンズ面５４から出射するレーザ光は、円形状のビーム形状を有する平行光となる。
【００５７】
［１−４．効果］
次に、実施の形態１に係る第１の光学素子２６、第２の光学素子２８及び第３の光学素子３０により得られる効果について説明する。上述したように、第１の光学素子２６、第２の光学素子２８及び第３の光学素子３０の各々は、ビーム整形機能及びコリメート機能の双方を有している。これにより、従来のように整形プリズムをコリメートレンズとは別に配置した場合と比べて、第１の光学素子２６、第２の光学素子２８及び第３の光学素子３０を含む光学系全体の部品点数を低減することができる。その結果、上記光学系全体の小型化を図りながら、レーザ光のビーム形状を整形することができる。
【００５８】
［１−５．第２のレンズ面の配置についての検討］
実施の形態１では、入射面４８に第１のレンズ面５２を形成し、且つ、出射面５０に第２のレンズ面５４を形成したが、これとは反対に、入射面４８に第２のレンズ面５４を形成し、且つ、出射面５０に第１のレンズ面５２を形成してもよい。
【００５９】
ここで、図６を参照しながら、出射面５０に第２のレンズ面５４を形成した場合の集光性と、入射面４８に第２のレンズ面５４を形成した場合の集光性との比較について検討する。図６は、出射面５０に第２のレンズ面５４を形成した場合の集光性と、入射面４８に第２のレンズ面５４を形成した場合の集光性との比較結果を示すグラフである。
【００６０】
図６に示す比較結果では、縦軸の位相ずれ量を、集光性を表す指標として用いている。すなわち、スクリーン位置０ｍｍにおける位相ずれ量が０に近いほど、集光性が高いと言える。したがって、図６から明らかなように、出射面５０に第２のレンズ面５４を形成した場合の集光性は、入射面４８に第２のレンズ面５４を形成した場合の集光性よりも高いことが理解できる。
【００６１】
［１−６．光学素子のパラメータについての検討］
次に、図７を参照しながら、第１の光学素子２６のパラメータについて検討する。図７は、第１の光学素子２６のレンズ厚みＴとレンズ有効径Ｄと第２のレンズ面５４の曲率半径との関係を示すグラフである。但し、図７に示すグラフでは、第１の光学素子２６と第１のレーザダイオード２０との間の距離ＷＤを固定値（３．７ｍｍ）としている。
【００６２】
例えば第１の光学素子２６の開口数が０．４７であり、且つ、第１の光学素子２６と第１のレーザダイオード２０との間の距離ＷＤが３．７ｍｍである場合において、図７のグラフの関係を満たすためには、第１の光学素子２６のレンズ厚みＴを１．７５ｍｍ以下、又は、第１の光学素子２６のレンズ有効径Ｄを３．５ｍｍ以下にするのが好ましい。第１の光学素子２６のパラメータを上記のように設定することにより、距離ＷＤを確保しながら光学系全体の小型化を図ることができる。
【００６３】
（実施の形態２）
次に、図８を参照しながら、実施の形態２に係る第１の光学素子２６Ａの構成について説明する。図８は、実施の形態２に係る第１の光学素子２６Ａを示す側面図である。なお、以下に示す各実施の形態において、上記実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６４】
実施の形態２に係る第１の光学素子２６Ａでは、出射面５０に形成された第２のレンズ面５４Ａの形状が上記実施の形態１と異なっている。すなわち、図７に示すように、第２のレンズ面５４Ａの形状は、球面形状である。第２のレンズ面５４Ａの曲率半径は、例えば−１．４８ｍｍである。
【００６５】
このような構成であっても、上記実施の形態１と同様に、第１のレンズ面５２によって整形されたレーザ光は、第２のレンズ面５４Ａに入射することにより、発散光から平行光に変換される。したがって、実施の形態２に係る第１の光学素子２６Ａにおいても、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００６６】
（実施の形態３）
次に、図９及び図１０を参照しながら、実施の形態３に係る第１の光学素子２６Ｂの構成について説明する。図９は、実施の形態３に係る第１の光学素子２６Ｂを示す斜視図である。図１０は、実施の形態３に係る第１の光学素子２６Ｂを示す側面図である。
【００６７】
実施の形態３に係る第１の光学素子２６Ｂでは、入射面４８Ｂに形成された凸面状の第１のレンズ面５２Ｂの形状が上記実施の形態１と異なっている。すなわち、図９及び図１０に示すように、第１のレンズ面５２Ｂの形状は、第１の方向（Ｙ軸方向）に第１の曲率半径を有し、且つ、第１の方向と直交する第２の方向（Ｘ軸方向）に第２の曲率半径Ｒ２を有する、いわゆるバイコーニック面形状である。第１の曲率半径及び第２の曲率半径は、互いに異なる大きさである。第１の曲率半径と第２の曲率半径との比は１：５以上であるのが好ましく、第１の曲率半径は例えば＋１３０ｍｍであり、第２の曲率半径は例えば＋１３８０ｍｍである。なお、図９において、第１のレンズ面５２Ｂに付した十字の実線は、バイコーニック面形状を分かりやすく表現するための仮想的な線である。
【００６８】
なお、出射面５０に形成された第２のレンズ面５４の形状は、上記実施の形態１と同様に非球面形状である。第２のレンズ面５４の曲率半径は例えば−１．３３１ｍｍであり、円錐定数は例えば−０．９３３であり、４次非球面係数は例えば−０．０２６であり、６次非球面係数は例えば２．９２１×１０−３であり、８次非球面係数は例えば−２．５１１×１０−３であり、１０次非球面係数は例えば４．１８８×１０−５である。
【００６９】
第１の光学素子２６Ｂは、第１のレンズ面５２Ｂの第１の方向がレーザ光の長軸方向に一致し、且つ、第２のレンズ面５２Ｂの第２の方向がレーザ光の短軸方向に一致するように、第１のレーザダイオード２０に対する向きが固定されている。
【００７０】
上記実施の形態１と同様に、第１のレンズ面５２Ｂに入射したレーザ光のビーム形状は、第１のレンズ面５２Ｂによりレーザ光に非点収差が発生することによって短軸方向に拡大される。これは、第１のレンズ面５２Ｂの形状がバイコーニック面形状であることに起因して、第１のレンズ面５２Ｂの第２の方向における集光性が第１の方向における集光性よりも低いためである。これにより、第１のレンズ面５２Ｂに入射したレーザ光のビーム形状は、楕円形状から円形状に整形されるようになる。さらに、第１のレンズ面５２Ｂの形状をバイコーニック面形状とすることにより、上記実施の形態１と比べて、第１のレンズ面５２Ｂの形状と第２のレンズ面５４の形状との差異に起因する余計な収差の発生をより一層低減することができる。
【００７１】
（他の変形例）
以上、本発明の実施の形態１〜３に係る光学素子及びプロジェクタについて説明したが、本発明は、これらの実施の形態１〜３に限定されるものではない。例えば、上記実施の形態１〜３を適宜組み合わせてもよい。
【００７２】
例えば、上記各実施の形態では、プロジェクタ２をヘッドアップディスプレイ装置４に搭載する例について説明したが、これに限定されず、例えばプロジェクタ２を、屋内の壁面等に設置されたスクリーン上に画像を投影するためのプロジェクタ等として用いてもよい。
【００７３】
例えば、上記各実施の形態では、ヘッドアップディスプレイ装置４を自動車６に搭載したが、これに限定されず、例えば航空機又は船舶等の各種輸送用機器に搭載することができる。
【００７４】
例えば、上記各実施の形態では、第１のレンズ面５２（５２Ｂ）及び第２のレンズ面５４（５４Ａ）をともに凸面状に形成したが、これに限定されず、第１のレンズ面５２（５２Ｂ）及び第２のレンズ面５４（５４Ａ）の少なくとも一方を凹面状に形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、例えばプロジェクタに搭載される光学素子として適用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
２  プロジェクタ
４  ヘッドアップディスプレイ装置
６  自動車
８  コンバイナ
１０  画像
１２  ダッシュボード
１４  フロントガラス
１６  運転者
１８  景色
２０  第１のレーザダイオード
２２  第２のレーザダイオード
２４  第３のレーザダイオード
２６，２６Ａ，２６Ｂ  第１の光学素子
２８  第２の光学素子
３０  第３の光学素子
３２  第１のダイクロイックミラー
３４  第２のダイクロイックミラー
３６  集光レンズ
３８  ミラー
４０  投影部
４２  第１のＭＥＭＳミラー
４４  第２のＭＥＭＳミラー
４６  制御部
４８，４８Ｂ  入射面
５０，５０Ａ  出射面
５２，５２Ｂ  第１のレンズ面
５４，５４Ａ  第２のレンズ面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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