(57)【要約】本発明の光学素子（１０）は、複数の導波管（１１）〜（１３）と、該複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部（２１），（２２）とを備え、前記複数の導波管内を伝搬するレーザ光の経路が、前記光路結合部で折れ曲がっているものである。これにより、入射光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換する光学素子をよりコンパクトにすることができ、さらに該光学素子を用いたレーザ光源、あるいは該レーザ光源を用いた２次元画像形成装置もコンパクトすることが可能となる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を伝搬する複数の導波管と、
前記複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、
前記複数の導波管内を伝搬する光の経路は、前記光路結合部の少なくとも一つにおいて折れ曲がっている、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子において、
前記複数の導波管として奇数個の導波管を用い、
前記奇数個の導波管は、各導波管の光の伝搬方向に対して平行に重ねて配置されている、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項１に記載の光学素子において、
前記導波管及び光路結合部からなる導波路の、光入射面及び光出射面以外の外表面が、伝搬する光を反射する反射膜によりコートされている、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１に記載の光学素子において、
前記光路結合部は、前記隣接する導波管の一方あるいは双方の端面に、光伝搬方向と垂直な平面に対して傾斜した傾斜面を、前記導波管と一体に形成してなるものである、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項１に記載の光学素子において、
前記導波管は、中空構造を有し、該導波管の中空部分に、気体または液体のいずれかとブラウン粒子とを封入したものである、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項５に記載の光学素子において、
前記ブラウン粒子がコロイド粒子である、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項７】
請求項１に記載の光学素子において、
前記導波管の光入射端面から光出射端面までの、光伝搬経路に沿った距離Ｌは、以下の関係式（１）を満たす、
ことを特徴とする光学素子。
Ｌ≧Ｗ／ｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｓｉｎ（θ／２）／ｎ））  ・・・（１）
Ｗ：前記導波管の幅
ｎ：前記導波管内部の屈折率
θ：前記半導体レーザの有する最小のビーム広がり角
【請求項８】
半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を伝搬して出射する光学素子とを具備するレーザ光源において、
前記光学素子は、
光を伝搬する複数の導波管と、
前記複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、
前記複数の導波管内を伝搬する光の経路は、前記光路結合部において折れ曲がっている、
ことを特徴とするレーザ光源。
【請求項９】
請求項８に記載のレーザ光源において、
前記半導体レーザと前記光学素子との間の光路上に配置され、前記光学素子に入射するレーザ光の広がり角を、前記半導体レーザから出射されるレーザ光の広がり角より小さくする凸レンズ、もしくは平凸レンズを具備する、
ことを特徴とするレーザ光源。
【請求項１０】
請求項８に記載のレーザ光源において、
前記半導体レーザと前記光学素子との間の光路上にシリンドリカルレンズを配置する、
ことを特徴とするレーザ光源。
【請求項１１】
請求項１０に記載のレーザ光源において、
前記シリンドリカルレンズが、平凹レンズである、
ことを特徴とするレーザ光源。
【請求項１２】
請求項８に記載のレーザ光源において、
前記光学素子の光入射端面は、曲率を有する湾曲した形状となっている、
ことを特徴とするレーザ光源。
【請求項１３】
レーザ光を出射するレーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザ光を変調する空間光変調部と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記空間光変調部に照明する照明光学系とを有する２次元画像形成装置において、
前記レーザ光源は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を伝搬して出射する光学素子とを有し、
前記光学素子は、
光を伝搬する複数の導波管と、
前記複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、
前記複数の導波管内を伝搬する光の経路は、前記光路結合部において折れ曲がっている、
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の２次元画像形成装置において、
前記空間光変調部から出射されるレーザ光を投射する投射光学系を具備した、
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、光学素子、レーザ光源、及び２次元画像形成装置に関し、特に、入射光を均一な出射光強度分布を有する出射光に変換する光学素子、該光学素子を用いたレーザ光源、及び該レーザ光源を用いた２次元画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  これまで、レーザ光源の用途は計測、光通信、光ディスク等、レーザ光の集光特性やコヒーレンスの高さを利用したものが主流であった。しかし、レーザ光源の研究・開発は目覚ましく、半導体レーザに代表される小型高出力レーザも実用化が進んでおり、出力波長は限定されるものの、半導体レーザでは例えばマルチモード半導体レーザで数Ｗクラスの出力を達成しているものもある。【０００３】  このようなレーザ光源の小型化・高出力化に伴って、小型で、且つ高出力のレーザ光源を用いたアプリケーションの開拓や装置の開発が活発化してきている。【０００４】  高出力光源は、画像表示装置、照明装置、半導体露光装置など、幅広い用途への応用が期待されており、特に高出力レーザ光源は、その単色性を生かして、例えばＲＧＢ三原色の高出力レーザを用いたレーザディスプレイによる高色純度鮮明画像の実現が模索されている。また、小型で、且つ高出力のレーザ光源を、低消費電力且つ長寿命な照明用光源に応用することも期待されている。さらに、前記高出力レーザ光源は、レーザ加工にも応用されており、該高出力のレーザによる微細形状加工が実用化されつつある。【０００５】  このような高出力レーザ光源を用いたアプリケーションは、レーザ光の単色特性と高出力特性を利用するのに加えて、均一な断面強度分布に対する要求が大きく、従来から、この要求を満たす手法があった。【０００６】  例えば、特許文献１及び特許文献２には、ホモジナイザと呼ばれる光量均一化デバイスや光学系を用いて、ガウシアン光強度分布を有するレーザ光源からの出力光を、その光強度分布が均一になるよう成形するものが開示されている。また、特許文献３及び特許文献４には、インテグレータと呼ばれる光学デバイスを用いて、上記と同様にレーザ光源からの出力光を成形するものが開示されている。
【特許文献１】特開平０７−３０６３０４号公報
【特許文献２】特許第３４１０８１３号公報
【特許文献３】特開２００２−４０３２７号公報
【特許文献４】特開２００３−５７５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  しかしながら、従来の特許文献１〜３に示す方法では、レーザ光源からの出力光を光学デバイスや光学系に入射する前にその断面積を適当に拡げておく必要があるため、レーザ光源を含む光学系が複雑化し、装置面積が大規模になるという課題があった。さらに、レーザ光源からの出力光の断面積を広げてから光学デバイスに入射する場合、該出力光のビームの外周部を切り取ることになるため、光量の損失が生じるという課題もあった。【０００８】  さらに、特許文献４に示す方法では、前記出力光の断面積を広げる必要はないが、該レーザ光源からの出力光の光強度を均一化して出力するためには、ロッドインテグレータの光伝搬方向の長さを長くする必要があり、このような光の伝搬方向に長いロッドインテグレータを用いると、装置面積が大きくなるという課題があった。【０００９】  また、光源として干渉性の高いレーザ光源を用いた場合、前述したような光量を均一化する光学デバイスから出射される光は、スペックルノイズと呼ばれるレーザ光特有の微細な干渉パターンによる微細なムラ状のノイズを発生する。このスペックルノイズを除去する方法として、これまでにスクリーンを振動させる方法や、拡散板を透過させてレーザ光に時空間的にランダムな位相を与える方法が採られてきた。しかしながら、スクリーンを振動させる方法ではスクリーンが固定できないという課題があり、また拡散板等を用いる方法では画像投影に用いられる光量が低下すると同時に、装置面積が大きくなってしまうという課題があった。【００１０】  本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、入射光を均一な出射光強度分布を有する出射光に変換するコンパクトな光学素子、該光学素子を用いたレーザ光源、及び該レーザ光源を用いた２次元画像形成装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光学素子は、光を伝搬する複数の導波管と、前記複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、前記複数の導波管内を伝搬する光の経路は、前記光路結合部の少なくとも一つにおいて折れ曲がっているものである。【００１２】  これにより、非常にコンパクトな光学素子により、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換できる。【００１３】  また、本発明の請求項２に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記複数の導波管として奇数個の導波管を用い、前記奇数個の導波管は、各導波管の光の伝搬方向に対して平行に重ねて配置されているものである。【００１４】  これにより、光学素子への入射光進行方向と光学素子からの出射光進行方向とを同一方向にすることができ、当該光学素子を搭載する装置構造を単純にできる。【００１５】  また、本発明の請求項３に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記導波管及び光路結合部からなる導波路の、光入射面及び光出射面以外の外表面が、伝搬する光を反射する反射膜によりコートされている。【００１６】  これにより、導波管内に入射された光を効率よく反射させて、伝搬することが可能となる。【００１７】  また、本発明の請求項４に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記光路結合部は、前記隣接する導波管の一方あるいは双方の端面に、光伝搬方向と垂直な平面に対して傾斜した傾斜面を、前記導波管と一体に形成してなるものである。
これにより、光路結合部としての部品を削減できる。【００１８】  また、本発明の請求項５に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記導波管は、中空構造を有し、該導波管の中空部分に、気体または液体のいずれかとブラウン粒子とを封入したものである。
これにより、干渉性の高いレーザ光源において発生するスペックルノイズを低減できる。【００１９】  また、本発明の請求項６に記載の光学素子は、請求項５に記載の光学素子において、前記ブラウン粒子がコロイド粒子であるものである。
これにより、導波管に入射された光の位相を適切に錯乱させることが可能となる。【００２０】  また、本発明の請求項７に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記導波管の光入射面から光出射面までの、光伝搬経路に沿った距離Ｌは、以下の関係式（１）を満たすものである。【００２１】    Ｌ≧Ｗ／ｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｓｉｎ（θ／２）／ｎ））  ・・・（１）
Ｗ：前記導波管の幅
ｎ：前記導波管内部の屈折率
θ：前記半導体レーザの有する最小のビーム広がり角【００２２】  これにより、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換できる光学素子を必要最小限の大きさにすることが可能となる。【００２３】  また、本発明の請求項８に記載のレーザ光源は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を伝搬して出射する光学素子とを具備するレーザ光源において、前記光学素子は、光を伝搬する複数の導波管と、前記複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、前記複数の導波管内を伝搬する光の経路は、前記光路結合部において折れ曲がっているものである。【００２４】  これにより、均一な断面光強度分布を有する出射光を出力する、非常にコンパクトなレーザ光源を提供できる。【００２５】  また、本発明の請求項９に記載のレーザ光源は、請求項８に記載のレーザ光源において、前記半導体レーザと前記光学素子との間の光路上に配置され、前記光学素子に入射するレーザ光の広がり角を、前記半導体レーザから出射されるレーザ光の広がり角より小さくする凸レンズ、もしくは平凸レンズを具備するものである。【００２６】  これにより、光学素子からの出射光広がり角を任意の角度に変換可能な断面光強度均一化光源が実現できる。この結果、光学素子からの出射光広がり角を小さくすることが可能となるため、当該レーザ光源から出射される出射光を扱いやすいものにすることができる。【００２７】  また、本発明の請求項１０に記載のレーザ光源は、請求項８に記載のレーザ光源において、前記半導体レーザと前記光学素子との間の光路上にシリンドリカルレンズを配置するものである。【００２８】  これにより、半導体レーザから出射される楕円形状を有するビーム光を円形状のビーム光に変え、扱いやすいビーム形状に変形することができる。また、例えば各導波管の断面形状を任意のアスペクト比を有する矩形に設計した場合にも、前記シリンドリカルレンズの曲率を選択して、効率よく短い光路長で出射光断面強度分布を均一化できる、任意の出射光アスペクト比を有するレーザ光源が達成できるため、前記光学素子の形状設計が自由になるという効果もある。【００２９】  また、本発明の請求項１１に記載のレーザ光源は、請求項１０に記載のレーザ光源において、前記シリンドリカルレンズが、平凹レンズであるものである。【００３０】  これにより、光学素子への入射光の一軸方向のみの広がり角度を拡大することが可能となり、この結果、出射光断面強度分布の均一化に必要な光学素子の全体光路長を短くすることができる。【００３１】  また、本発明の請求項１２に記載のレーザ光源は、請求項８に記載のレーザ光源において、前記光学素子の光入射端面は、曲率を有する湾曲した形状となっているものである。【００３２】  これにより、半導体レーザと光学素子との間の光路上にレンズを配置する必要がなくなり、コンパクトなレーザ光源が得られる。【００３３】  また、本発明の請求項１３に記載の２次元画像形成装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザ光を変調する空間光変調部と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記空間光変���部に照明する照明光学系とを有する２次元画像形成装置において、前記レーザ光源は、光を伝搬する複数の導波管と、前記複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、前記複数の導波管内を伝搬する光の経路は、前記光路結合部において折れ曲がっているものである。【００３４】  これにより、２次元画像形成装置を構成するレーザ光源を、均一な断面光強度分布を有する出射光を出力する、非常にコンパクトなものとできる。【００３５】  また、本発明の請求項１４に記載の２次元画像形成装置は、請求項１３に記載の２次元画像形成装置において、前記空間光変調部から出射されるレーザ光を投射する投射光学系を具備したものである。【００３６】  これにより、簡単な部品構成で非常にコンパクトな２次元画像形成装置が実現できるという効果がある。
【発明の効果】
【００３７】  本発明に係る光学素子によれば、光を伝搬する複数の導波管と、該複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、前記複数の導波管内を伝搬する光の経路を、前記光路結合部において折れ曲げたので、当該光学素子の装置規模を非常に小さくできると共に、該光学素子において、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換できるという効果が得られる。【００３８】  また、前記複数の導波管が中空構造を有するようにし、該中空内部に、気体または液体のいずれかと、ブラウン粒子とを封入することにより、半導体レーザから出射される干渉性の高いレーザ光において発生するスペックルノイズを低減できる。【００３９】  また、本発明に係るレーザ光源によれば、前記光学素子と半導体レーザとを一体化し、該半導体レーザと光学素子との間の光路上に、レーザ光を集光あるいは拡散するレンズを設けるようにしたので、光学素子からの出射光広がり角を変えたり、あるいは一軸方向のみ広がり角を変えることが可能となり、その出射光の断面光強度分布が均一化され、そのビーム形状が扱いやすいレーザ光源を得ることができる。【００４０】  さらに、前記レーザ光源において、光学素子の前段に前記レーザ光を集光あるいは拡散するレンズを設け、該レンズの曲率を選択することにより、短い光路長で効率よく出射光断面強度分布を均一化されることに加え、出射光アスペクト比を任意の比率に設定できるレーザ光源を実現でき、この結果、光学素子の形状の自由度が大きくなる。【００４１】  また、本発明に係る２次元画像形成装置によれば、前記レーザ光源を用いるので、簡単な部品構成でコンパクトな２次元画像形成装置が実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１による光学素子を説明する斜視図（図（ａ））、及び断面図（図（ｂ））である。
【図２】図２は、単純なロッド状の導波管を伝搬する半導体レーザ光の伝搬光路を幾何学的に示す図である。
【図３】図３は、前記実施の形態１の光学素子の機能を説明する図であり、レーザ光の自由空間での光強度分布の変化（図（ａ））と対比させて、導波管内でのレーザ光の光強度分布の均一化（図（ｂ），図（ｃ））を示す図である。
【図４】図４は、前記実施の形態１による光学素子の、導波管の他の組み合わせ例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２の光学素子の光路結合部を導波管で構成した場合の断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態３による光学素子を説明する斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態４によるレーザ光源を説明する斜視図（図（ａ））及び断面図（図（ｂ））である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態５によるレーザ光源を説明する側面図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態６によるレーザ光源を説明する斜視図（図（ａ））及び断面図（図（ｂ））である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態７による照明装置を説明する図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態８による２次元画像形成装置を説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】  ３  反射膜
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，２０，３０，４０，５０，６０  光学素子
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，２１，２２，２３，３１，３２，３３，Ｗｇ  導波管
２１，２２  光路結合部
２１ａ，２２ａ，２２ｂ，２３ｂ  傾斜面
２４ａ，２４ｂ  光通過領域
４１，５１，６１，Ｌｄ  半導体レーザ
５２  平凸レンズ
６２  シリンドリカルレンズ
７０  レンズ
７２  液晶パネル
８１  投影レンズ
８２  スクリーン
１４０，１５０，１６０，１７０  レーザ光源
２００，２７０  照明装置
３００  ２次元画像形成装置
Ｌ１，Ｌ１ａ，Ｌ２，Ｌ２ａ，Ｌ３  レーザ光
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】  以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。【００４５】  （実施の形態１）
本実施の形態１では、複数の導波管と、該導波管を光学的に直列に結合する光路結合部とを用いて、装置規模を非常に小さくした光学素子について説明する。【００４６】  図１は、本実施の形態１にかかる光学素子１０を説明する図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は断面図である。【００４７】  図１に示す光学素子１０は、入射された光を伝搬するガラス材料からなる直方体形状の第１〜第３の導波管１１〜１３と、該各導波管１１〜１３を光学的に直列に結合する光路結合部２１，２２とを有している。【００４８】  この光学素子１０では、前記第１の導波管１１の上に第２及び第３の導波管１２及び１３が、これらの導波管での光伝搬方向が平行となるよう順次積み重ねられ、第１の導波管１１とその上の第２の導波管１２、及び第２の導波管１２とその上の第３の導波管１３は、対向する面で接着剤などによって接着されている。【００４９】  ここで、第２の導波管１２の光伝搬方向と垂直な一方の端面、及び第３の導波管１３の光伝搬方向と垂直な一方の端面は、前記第１の導波管１１の光出射端面と同一面内に位置している。また、第２の導波管１２の光伝搬方向と垂直な他方の端面、及び第３の導波管１３の光伝搬方向と垂直な他方の端面は、前記第１の導波管１１の光入射端面と同一面内に位置している。【００５０】  そして、第１の導波管１１の光出射端面側には、第１の導波管と第２の導波管とを光学的に結合する光路結合部である直角プリズム２１が設けられており、該直角プリズム２１は、第１の導波管１１の光出射端面から出射された光が反射されて第２の導波管１２の一方の端面に入射するよう、これらの導波管の端面に跨って配置されている。また、第１の導波管１１の光入射端面側には、第２の導波管と第３の導波管とを光学的に結合する光路結合部である直角プリズム２２が設けられており、該直角プリズム２２は、第２の導波管１２の他方の面側から出射された光が反射されて第３の導波管１３の他方の端面に入射するよう、これらの導波管の端面に跨って配置されている。【００５１】  また、前記各導波管１１〜１３の側面及び上下面、並びに直角プリズムの外表面には、該導波管内での光閉じこめが効率よく行われるよう、反射膜３が形成されている。この反射膜３は、例えばアルミニウム材料等からなる金属膜などである。【００５２】  次に作用効果について説明する。
まず、本実施の形態１の光学素子１０の動作について簡単に説明する。【００５３】  第１の導波管１１の光入射端面に光が入射されると、該入射光は第１の導波管１１及び直角プリズム２ａを伝搬して第２の導波管１２に入射される。該第２の導波管１２に入射された光は、導波管１２ｂ及び直角プリズム２ｂを伝搬して第３の導波管１３に入射される。そして、第３の導波管１３に入射された光は、第３の導波管１３の一方の端面から出射される。【００５４】  以下、本実施の形態の光学素子１０において、入射光を断面強度分布が均一化な出射光に変換することが可能である点について説明する。【００５５】  例えば、入射光にレーザ光を用いた場合を考える。一般にレーザ光はガウシアン分布の断面光強度分布を持つが、上記レーザ光が導波管内を多重反射しながら伝搬していくとき、反射されたレーザ光が混合される。これにより導波管１１、１２、１３の光伝搬方向と垂直な任意の面内での光強度分布は、光入射端面から遠ざかるに従い徐々に面内で均一化される。従って、導波管１１、１２、１３の光伝搬方向長さを適当な値に設定することにより、導波管１１に入射したレーザ光の断面光強度を、導波管１３の光出射端面にて均一なものとできる。【００５６】  ごく一般的な半導体レーザ（ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＮ系など）では、出射光のアスペクト比及び広がり角が異なる。従って、例えば断面アスペクト比がほぼ１となる導波管を用いた場合、半導体レーザから出射される広がり角の大きい方向に対しては断面強度分布を均一化するために必要な導波距離が短くてよいが、広がり角の小さい方向に対してはその距離を長くとる必要がある。【００５７】  従来は、出力光の断面強度分布均一化の方法として、例えば特許文献４に示されるようなロッド状インテグレータ導波管を用いたデバイスが提案されているが、完全な均一化を行うために光の伝搬方向に対してロッド長を数１０ｍｍ以上にする必要があった。【００５８】  これに対し、本実施の形態１では、第１〜第３の導波管１１〜１３を重ねて配置し、これらの導波管１１〜１３を、第１の導波管の出射光が第２の導波管に入射し、第２の導波管からの出射光が第３の導波管に入射するよう、反射プリズム２１及び２２を用いて光学的に結合したので、これら３つの導波管１１〜１３の長さの合計が、断面強度分布を均一化するのに必要な光の導波距離となる。このため、各導波管の光伝搬方向の長さを短くし、素子全体の長さを大幅に短くすることが可能である。【００５９】  次に、導波管の長さを具体的に決定する方法について説明する。
この実施の形態１の光学素子１０では、導波管の光伝搬方向長さがデバイスの大きさを決定する主要因となるため、できるだけコンパクトな光学素子を実現する設計が必要となる。【００６０】  図２は、単純なロッド状の導波管を伝搬する半導体レーザ光の伝搬光路を幾何光学的に示す図である。【００６１】  図２では、光学素子の光伝搬方向の寸法が、出射光の光強度分布の均一化のために最も長くなる場合として、単一の半導体レーザをその出射光が１つの導波管内に入射するよう導波管の光入射端面に隣接させて配置した場合を示している。【００６２】  なお、図中、Ｌｄは半導体レーザ、Ｗｇは屈折率がｎの透明材料からなる導波管である。また、θ１は導波管Ｗｇ内でのレーザ光Ｌ１の広がり角であり、光強度分布の半値全角で表されている。またレーザ光広がり方向の導波管Ｗｇの幅をＷ、レーザ光入射端面から導波管Ｗｇの光出射端面までの長さ（つまり、導波管の長さ）をＬとしている。【００６３】  図２に示す半導体レーザと導波管の配置では、導波管Ｗｇに入射されたレーザ光Ｌ１は導波管Ｗｇの側面で反射される。従って、導波管Ｗｇの内部では、自由空間での光強度分布を導波管Ｗｇの側壁部分で折り返して重ね合わされた光強度分布が観測される。【００６４】  図３は、このような導波管側面でのレーザ光の反射により光強度分布が均一化される様子を説明する図である。【００６５】  図３（ａ）は、レーザ光が導波管が存在しない自由空間中を伝搬する場合の強度分布を、図３（ｂ）は、レーザ光が導波管内を伝搬する場合の、導波管側面での光強度分布の重なり状態を、図３（ｃ）は、前記光強度分布の重ね合わせにより得られる光強度分布を示す。なお、図３中において、Ｌｄは半導体レーザ、Ｗｇは屈折率がｎの透明材料からなる導波管である。また、θ２は自由空間中の半導体レーザ光の広がり角を示し、θ３は屈折率ｎの導波管Ｗｇ内でのレーザ光の広がり角を示す。【００６６】  図３（ａ）に示すように、自由空間中を伝搬する半導体レーザＬｄからの出射光は、伝搬とともに広がり角θ２で広がっていく。このように自由空間では、半導体レーザＬｄからの出射光の空間的な広がりは増大するがその強度分布は変化せず、その断面強度分布はガウンシアン分布型の強度分布を維持し続ける。【００６７】  つまり、半導体レーザＬｄ近傍の光伝搬方向に垂直な面内Ｄ、半導体レーザＬｄから離れた光伝搬方向に垂直な面内Ｆ、及びこれらの間に位置する光伝搬方向に垂直な面内Ｅで、いずれも光強度分布はガウシアン分布となっている。【００６８】  一方、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、導波管Ｗｇ内を伝搬する半導体レーザＬｄからの出射光は、該導波管Ｗｇの側壁で全反射される。【００６９】  つまり、導波管Ｗｇに入射されたレーザ光の光強度分布は、半導体レーザＬｄ近傍の光伝搬方向に垂直な面内Ｄ’においてガウシアン分布を有しているが、導波管内でレーザ光同士が多重反射しながら、光の入射面から光の伝搬方向にすすむにしたがって徐々に導波管の断面（光伝搬方向と垂直な面Ｅ’）内で均一化され、半導体レーザＬｄから離れた光伝搬方向に垂直な面内Ｆ’においてその光強度分布は均一化されている。【００７０】  この場合は、屈折率ｎの導波管Ｗｇ内に入射されたレーザ光の広がり角度θ３は、【００７１】      θ３＝２×ｓｉｎ−１（（ｓｉｎ（θ２／２））／ｎ）【００７２】となる。ここで導波管Ｗｇの幅をＷとすると、該導波管Ｗｇに入射した光ビームが、入射面からの距離がＷ／（２×ｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｓｉｎ（θ２／２）／ｎ）））となる位置に達したときに、その光強度分布の一部が導波管Ｗｇの側面で反射され始める。そして、入射した光ビームがこの位置を越えると、反射される光の強度分布は徐々に増大し、導波管Ｗｇの出射面に達するまでは、図３（ａ）に示すように光が自由空間を伝搬する場合の光強度分布を、導波管の側壁に相当する部分で折り返して重ね合わせた光強度分布が観測される（図３（ｂ））。【００７３】  このとき、実質的な断面光強度分布（図３（ｃ））が、十分均一になるには、例えば導波管Ｗｇの長さを十分長く取り、全反射回数を多くする程良い。しかしながら、デバイス作製および使用の観点からすると、できるだけコンパクトなレーザ光源であることが望ましい。【００７４】  そこで、導波管Ｗｇ内のレーザ光の光強度分布を均一化させるために必要な導波管の長さＬについて検討したところ、少なくとも以下に示す（式１）の条件を満たしていれば、光強度分布が均一化されるということが判った。【００７５】      Ｌ≧Ｗ／ｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｓｉｎ（θ１／２）／ｎ））  ・・（式１）
θ１：レーザ出射光の広がり角
ｎ：導波管内部の屈折率
Ｗ：導波管幅【００７６】  従って、複数の導波管１１〜１３を立体的に重ねて配置し、これらの導波管を光路結合部２１，２２により直列に接続することにより、光学素子の光伝搬方向の寸法を、光強度分布の均一化に必要な長さ、即ち光伝搬経路長Ｌの、およそ３分の１にすることが可能である。【００７７】  このように本実施の形態１の光学素子１０では、立体的に重ねて配置した複数の導波管と、これらの導波管を直列に光学的に接続する光路結合部２１，２２とを有するので、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換でき、しかも光伝搬方向の寸法が小さい光学素子を得ることができる。【００７８】  なお、前記実施の形態１では、積層する導波管の個数を３個としているが、これは３個に限るものではなく、また、前記第１〜第３の導波管１１〜１３それぞれの光伝搬方向長さはどのようなものであってよい。言い換えると、実施の形態１の光学素子のように導波管を複数積層したものは、導波管積層数と各導波管長さを任意に決定することが容易であり、素子サイズを任意に変化させることができるという利点を有している。【００７９】  また、積層する導波管の個数を偶数個とすることにより、光学素子からの出射光の進行方向を光学素子への入射光の進行方向と逆向きにすることができ、積層する導波管個数を奇数個とすることにより、光学素子からの出射光の進行方向を光学素子への入射光の進行方向と同じ向きにすることができる。このため、出射光の強度分布を均一化した光学素子を用いた装置設計の自由度が広がるという利点もあった。【００８０】  さらに、本実施の形態１では、複数の導波管を、各導波管での光伝搬方向が一定方向となるようその高さ方向に積み重ねた光学素子を示したが、光学素子は、複数の導波管をその幅方向に重ね合わせたものでも、あるいは、導波管の幅方向の重ね合わせと高さ方向の重ね合わせを組み合わせたものでもよく、また、１つの導波管での光伝搬方向が他の導波管での光伝搬方向と異なっていてもよい。この場合、前記光学素子における導波管の配置を、該光学素子を装備する装置におけるレイアウト上の制限に応じたものとできる。【００８１】  図４は、このような複数の導波管の立体的な配置の例を示している。
なお、図４中、Ｌ１は導波管に入射する入射光、Ｌ２は、導波管から出射する出射光である。【００８２】  図４（ａ）に示す光学素子１０ａは、図１に示す光学素子１０と同様、３つの導波管１１ａ，１２ａ，１３ａと、これらの導波管を光学的に直列に結合する光路結合部２１ａ及び２２ａとを有している。【００８３】  この光学素子１０ａでは、３つの導波管１１ａ，１２ａ，１３ａがコ字形の各辺に対応するよう同一平面上に配置されている。そして、導波管１１ａの光出射端面と導波管１２ａの光入射端面との間には、光路を９０度折り曲げるプリズム２１ａが、これらの導波管が光学的に結合されるよう配置されている。また、導波管１２ａの光出射端面と導波管１３ａの光入射端面との間には、光路を９０度折り曲げるプリズム２２ａが、これらの導波管が光学的に結合されるよう配置されている。【００８４】  図４（ｂ）に示す光学素子１０ｂは、前記光学素子１０あるいは１０ａと同様、３つの導波管１１ｂ，１２ｂ，１３ｂと、これらの導波管を光学的に直列に結合する光路結合部２１ｂ及び２２ｂとを有している。【００８５】  ここで、前記３つの導波管１１ｂ，１２ｂ，１３ｂはその幅方向に配列されており、導波管１１ｂの光出射端面と導波管１２ｂの光入射端面とが同一面内に位置し、また、導波管１２ｂの光出射端面と導波管１３ｂの光入射端面とが同一面内に位置している。そして、導波管１１ｂと導波管１２ｂとを光学的に結合する直角プリズム２１ｂが、該導波管１１ｂの光出射側端面及び該導波管１２ｂの光入射側端面に跨るよう配置されている。また、導波管１１ｂと導波管１３ｂとを光学的に結合する直角プリズム２２ｂが、該導波管１２ｂの光出射側端面及び該導波管１３ｂの光入射側端面に跨るよう配置されている。【００８６】  図４（ｃ）に示す光学素子１０ｃは、前記光学素子と同様、３つの導波管１１ｃ，１２ｃ，１３ｃと、これらの導波管を光学的に直列に結合する光路結合部２１ｃ及び２２ｃとを有している。【００８７】  ここで、導波管１１ｃと導波管１２ｃとはその幅方向に隣接させて配置され、導波管１２ｃ上には導波管１３ｃが配置されている。また、導波管１１ｃの光出射端面と導波管１２ｃの光入射端面とが同一面内に位置し、また、導波管１２ｃの光出射端面と導波管１３ｃの光入射端面とが同一面内に位置している。そして、導波管１１ｃと導波管１２ｃとを光学的に結合する直角プリズム２１ｃが、該導波管１１ｃの光出射側端面及び該導波管１２ｃの光入射側端面に跨るよう配置されている。また、導波管１２ｃと導波管１３ｃとを光学的に結合する直角プリズム２２ｃが、該導波管１２ｃの光出射側端面及び該導波管１３ｃの光入射側端面に跨るよう配置されている。【００８８】  図４（ｄ）に示す光学素子１０ｄは、前記光学素子と同様、３つの導波管１１ｄ，１２ｄ，１３ｄと、これらの導波管を光学的に直列に結合する光路結合部２１ｄ及び２２ｄとを有している。【００８９】  ここで、導波管１１ｄと導波管１２ｄとはその幅方向に隣接させて配置され、導波管１１ｄと導波管１２ｄとを光学的に結合する直角プリズム２１ｄが、該導波管１１ｄの光出射側端面及び該導波管１２ｄの光入射側端面に跨るよう配置されている。ま��、導波管１３ｄは、導波管１２ｄの光出射端面側に、その光伝搬方向が導波管１２ｄの高さ方向となるよう配置されており、導波管１２ｄの光出射端面と導波管１３ｄの光入射端面との間には、光路を９０度折り曲げるプリズム２２ｄが、これらの導波管が光学的に結合されるよう配置されている。【００９０】  なお、本実施の形態１では、図１、あるいは図４に示すように、複数の導波管を伝搬する光の経路が、光路結合部のすべてにおいて折れ曲がっている光学素子を例に挙げたが、前記光の経路が、すべての光路結合部において折れ曲がっている必要は無く、該光路結合部が導波管同士を直列に接続するものであってもよい。【００９１】  また、前記実施の形態１では、前記光学素子は、導波管同士を、プリズムを用いて光学的に結合したものを示したが、前記光学素子は、導波管同士の光学的な結合にプリズムを用いるものに限らない。【００９２】  （実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２による光学素子を説明する図である。
この実施の形態２の光学素子２０は、実施の形態１の光学素子１０の各導波管を、プリズムを用いないで直列に光学的に結合したものである。【００９３】  すなわち、図５に示す光学素子２０は、一端側端面を導波管内での光伝搬方向に対して４５度傾斜させた第１の導波管２１と、両端面を導波管内での光伝搬方向に対して４５度傾斜させた第２の導波管２２と、一端側端面を導波管内での光伝搬方向に対して４５度傾斜させた第３の導波管２３とを有している。【００９４】  ここで、第１の導波管２１の一端側の傾斜面２１ａは、導波管内を伝搬する光を、導波管高さ方向に沿って出射するよう反射する上向きの反射面である。第２の導波管２２の一端側の傾斜面２２ｂは、導波管高さ方向に沿って入射する光を、その進行方向が導波管長さ方向となるよう反射する下向きの反射面であり、第２の導波管２２の他端側の傾斜面２２ａは、導波管内を伝搬する光を、導波管高さ方向に沿って出射するよう反射する上向きの反射面である。第３の導波管２３の一端側の傾斜面２３ｂは、該導波管高さ方向に沿って入射する光を、その進行方向が導波管長さ方向となるよう反射する下向きの反射面である。【００９５】  そして、この光学素子２０では、前記第１の導波管２１の上に第２の導波管２２が、これらの導波管の光伝搬方向が平行となり、かつ第１の導波管２１の一端側上向き反射面２１ａと第２の導波管２２の一端側下向き反射面２２ｂとが対向するよう積み重ねられている。また、第２の導波管２２の上には、第３の導波管２３が、これらの導波管の光伝搬方向が平行となり、かつ第２の導波管２２の他端側上向き反射面２２ａと第３の導波管２３の一端側下向き反射面２３ｂとが対向するよう積み重ねられている。第１の導波管２１とその上の第２の導波管２２、及び第２の導波管２２とその上の第３の導波管２３は、対向する面で接着剤などによって接着されている。【００９６】  ここでは、第１の導波管２１の上向き反射面２１ａと第２の導波管２２の下向き反射面２２ｂとにより、第１の導波管２１と第２の導波管２２とを結合する光路結合部が形成されており、第２の導波管２２の上向き反射面２２ａと第３の導波管２３の下向き反射面２３ｂとにより、第２の導波管２２と第３の導波管２３とを結合する光路結合部が形成されている。【００９７】  なお、各導波管２１、２２、２３の上下両側面、さらに光路結合部の外表面には、導波管内での光閉じこめが効率よく行われるよう、例えばアルミニウム材料からなる金属膜などの高反射膜が形成されている。また、前記上下の導波管を結合する光路結合部では、２つの導波管を構成するガラス材料が密着しており、該密着面は、高反射膜は形成されていない光通過領域２４ａ及び２４ｂとなっている。【００９８】  次に作用効果について説明する。
第１の導波管２１の光入射側端面から入射された光は、該第１の導波管２１および光路結合部を伝搬して第２の導波管２２に入射される。第２の導波管２２に入射した光は、該第２の導波管２２及び光路結合部を伝搬して第３の導波管２３に入射される。そして、第３の導波管２３に入射された光は、その光出射側端面から出射される。【００９９】  このように本実施の形態２では、第１〜第３の導波管２１〜２３を重ねて配置し、これらの導波管２１〜２３を、第１の導波管２１の出射光が第２の導波管２２に入射し、該第２の導波管２２からの出射光が第３の導波管２３に入射するよう、各導波管の端部を加工して形成した傾斜面を利用して光学的に結合したので、これら３つの導波管２１〜２３の長さの合計が、断面強度分布を均一化するのに必要な光の導波距離となる。このため、各導波管の光伝搬方向の長さを短くし、素子全体の長さを大幅に短くすることが可能である。【０１００】  また、この実施の形態２では、各導波管を、導波管端部に形成した傾斜面を利用して光学的に結合しているので、プリズムを用いる必要がなく、部品点数を削減できるという効果もある。【０１０１】  （実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３による光学素子を説明する斜視図である。
本実施の形態３の光学素子３０は、入射された光を伝搬するガラス材料からなる直方体形状の第１〜第３の導波管３１〜３３と、該各導波管３１〜３３を直列に光学的に結合する光路結合部２１，２２とを有している。【０１０２】  この光学素子３０では、実施の形態１と同様、前記第１の導波管３１の上に第２及び第３の導波管３２，３３が、これらの導波管の光伝搬方向が平行となるよう順次積み重ねられ、第１の導波管３１と第２の導波管３２とが光路結合部である直角プリズム２１により、第２の導波管３２と第３の導波管３３とが光路結合部である直角プリズム２２により、光学的に結合されている。【０１０３】  そして、本実施の形態３では、前記各導波管３１〜３３は、例えば可視光領域で透明な材質からなる中空構造のセルにより形成されており、前記各導波管の内部には、気体または液体のいずれかと、ブラウン粒子とが封入されている。【０１０４】  次に作用効果について説明する。
このような構成の光学素子は、コンパクトな構造で、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換でき、さらに、レーザ光源特有のスペックルノイズを除去できるものである。【０１０５】  以下、詳しく説明する。
前述したように、スペックルノイズは干渉性の高いレーザ光を用いたときに生じるものであり、スクリーン表面の凹凸各部において反射された散乱光同士の干渉がその要因である。一般的に知られている従来のスペックルノイズの低減方法には、スクリーンを振動させる方法や、拡散板を透過させる方法があり、このようにすることでレーザ光に時空間的にランダムな位相を与えて、空間的かつ時間的なスペックルパターンの変化を生じさせることによって、観察されるスペックルパターンを低減することができる。【０１０６】  そこで、光学素子を構成する導波管を中空のセル構造として、上記導波管内部でレーザ光の位相を乱すことは有効であると考えられる。そして、本件発明者等は、気体あるいは液体中にあるブラウン粒子に注目し、ブラウン粒子に同様の位相攪乱作用があることを見いだした。【０１０７】  ブラウン粒子は、ブラウン運動、つまり溶媒となる気体または液体の粒子が様々な方向から様々な速度で衝突することによる規則性のない乱雑な動きをするような粒子を指し、運動の活発さはブラウン粒子の大きさ、温度および溶媒の粘度に依存する。【０１０８】  例えば、温度が高くなれば、溶媒をなす分子の熱運動は活発になる。従って、温度の上昇により溶媒分子は激しく移動し、それに伴いブラウン粒子も動きが活発になる。つまり、溶媒分子が勢いよくブラウン粒子に衝突すると、ブラウン粒子が突き動かされる量も大きくなる。このことから、ブラウン運動は温度が高いほど活発になるということがわかる。【０１０９】  また、ブラウン粒子の大きさが大きくなると、質量も大きくなる。これにより溶媒分子がブラウン粒子を突き動かす量は小さくなる。また、ブラウン粒子の表面積が広くなったことにより、一度に多くの粒溶媒分子が様々な方向から衝突し、それらの力が打ち消しあうため、ブラウン粒子が受ける力は小さくなる。この２つの理由によりブラウン粒子が大きいとブラウン運動が起きにくくなる。【０１１０】  本実施の形態３においては、ブラウン粒子として、コロイド粒子であるラテックス粒子（ポリスチレン標準粒子、粒径１μｍ程度）を用いた。【０１１１】  コロイドとは一般には１０−９ｍ〜１０−６ｍ程度の大きさの粒子が示す性質を指し、コロイド粒子の分散媒質が固体であるゲル、分散媒質が液体であるゾル、分散媒質が気体であるエアロゾルに分けられる。いずれのコロイドもブラウン運動を示すが、扱い易さのため分散媒質が液体からなるゾルを用いるのが好ましい。スペックルノイズ低減のためには、透過させる光を散乱させることのできる大きさを有するコロイド粒子が必要である。そこで、本実施の形態３では、上述した１μｍ程度の粒径のものを用いた。【０１１２】  また特に、可視光領域において本発明の光学素子を用いるには上記コロイド粒子は使用波長域で透明であることが好ましい。コロイド粒子の多くは可視光に対して不透明であるが、コロイド濃度を制御して希薄なコロイド溶液等を用いることにより光透過率とスペックルノイズ低減効果とを調整することが可能である。【０１１３】  上記ラテックス粒子を充填剤（溶媒）である水に分散させたラテックス溶液をセル構造の導波管内に密封し、沈降平衡に達した状態でレーザ光を照���し、導波管からの出射光をスクリーンに投影したときに観察されるスペックルノイズを、ガラス材料により形成した中空でない導波管を用いた場合に観測されるスペックルノイズと比較した。【０１１４】  中空構造の導波管にラテックス溶液を封入した光学素子では、上述した出射光強度分布均一化作用に加えて、ブラウン運動を行うラテックス粒子により導波管内を伝搬するレーザ光の位相が時間的かつ空間的に乱されて平均化され、例えばガラス材料により形成した中空でない導波管を用いた場合に比べてスペックルノイズが大幅に低減された。【０１１５】  なお、粒子径０．８μｍ程度のラテックス粒子を用いると、粒子が軽くなるため粒子分布および粒子のブラウン運動は激しくなり、より効果的なスペックルノイズ低減が実現された。また逆に、粒径の大きなラテックス粒子（粒径３μｍ程度）を用いた場合には光の散乱が大きくなるが、ブラウン運動が緩やかになるためトータルとしてスペックルノイズ低減効果が弱い。しかしながら、ラテックス溶液の温度を６０℃以上の高温にするとブラウン運動が激しくなり、スペックルノイズ低減を効果的に行うことができることがわかっている。【０１１６】  以上のように、本実施の形態３の光学素子３０では、中空構造を有する複数本の導波管３１〜３３と、該導波管を直列に光学的に結合する光路結合部２１，２２とを備え、該各導波管の中空部分に、気体または液体のいずれかとブラウン粒子とを封入したので、コンパクトな構造で、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換でき、しかも、レーザ光源特有のスペックルノイズを大幅に低減することができる。【０１１７】  なお、前記実施の形態３では、３つの導波管３１〜３３を各導波管内での光伝搬方向が平行になるよう導波管高さ方向に重ねて配置し、これらの導波管を光路結合部２１，２２により直列に光学的に結合した光学素子を示したが、光学素子を構成する導波管の数や光路結合部の数、あるいは導波管の長さやその配置は、前記実施の形態３のものに限らない。【０１１８】  また、本実施の形態３では、導波管を結合する光路結合部には直角プリズム２１，２２を用いているが、導波管の結合は、前記実施の形態２に示すように、各導波管の端面を光伝搬方向に対して傾斜させて実現してもよく、この場合も実施の形態３と同様の効果が得られる。【０１１９】  （実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４によるレーザ光源を説明する図であり、図７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）は側面図である。【０１２０】  この実施の形態４のレーザ光源１４０は、半導体レーザ４１を、該半導体レーザ４１から出射されたレーザ光を均一化した光強度分布を有する出射光に変換する光学素子４０と一体化したものである。ここで、光学素子４０は、実施の形態１の光学素子１０と同一のものであり、導波管高さ方向に重ねて配置した第１〜第３の導波管１１〜１３と、これらの導波管を直列に光学的に結合する第１，第２の光路結合部２１，２２とを有している。【０１２１】  次に作用効果について説明する。
現在、広く市販されているレーザ光源の中で、最も小型の汎用レーザ光源は半導体レーザであり、様々な装置や民生用製品に用いられている。上述したように、半導体レーザの小型高出力化が進んでおり、出力波長は限定されるものの、例えばマルチモード半導体レーザで数Ｗクラスの出力を達成しているものもある。こうした小型高出力レーザを用いて出力光強度分布を均一化した光源を達成するためには、実施の形態１で示した光学素子と、半導体レーザとを一体化した光源モジュールが有効である。【０１２２】  つまり、本実施の形態の光学素子では、半導体レーザ４１から出射したレーザ光Ｌ１が、第１の導波管１１の光入射端面から入射されると、入射レーザ光は、第１の導波管１１、直角プリズム２１、第２の導波管１２、直角プリズム２２、及び第３の導波管１３内を伝搬し、該第３の導波管１３の光出射端面から出射する。このようにレーザ光が導波管内を多重反射しながら伝搬していくとき、反射されたレーザ光が混合される。これにより導波管１１、１２、１３の光伝搬方向と垂直な任意の面内での光強度分布は、光入射端面から伝搬方向に遠ざかるに従い徐々に面内で均一化される。【０１２３】  従って、実施の形態１の光学素子と半導体レーザとを一体化することにより、出射光の断面光強度が均一化されたレーザ光源を得ることができる。【０１２４】  以上のように、本実施の形態４では、半導体レーザ４１と、実施の形態１の光学素子と同一構成の光学素子４０を一体化して、該半導体レーザ４１から出射されたレーザ光を、均一化した光強度分布を有する出射光に変換して出射するレーザ光源１４０を構成したので、均一な出射光断面強度分布を有する小型のレーザ光源を得ることができる。【０１２５】  なお、本実施の形態４では、レーザ光源を構成する光学素子は前記実施の形態１のものと同一のものであるが、レーザ光源を構成する光学素子は、図４（ａ）〜図４（ｄ）、図５、あるいは図６に示すものと同一のものでもよい。例えば、前記光学素子を、図６に示す前記実施の形態３の光学素子と同一のものとすることにより、均一な断面光強度を確保しつつ、レーザ光源特有のスペックルノイズを除去できる小型のレーザ光源を得ることができる。【０１２６】  （実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５によるレーザ光源を示す側面図である。
この実施の形態５のレーザ光源１５０は、実施の形態４のレーザ光源を構成する半導体レーザと光学素子との間の光路上に平凸レンズを配置したものである。【０１２７】  つまり、レーザ光源１５０は、半導体レーザ５１と、該半導体レーザ５１から出射されたレーザ光を集光する平凸レンズ５２と、該平凸レンズで集光されたレーザ光を、均一化した光強度分布を有する出射光に変換する光学素子５０とを有している。ここで、半導体レーザ５１は実施の形態４の半導体レーザ４１と同一のものである。また、光学素子５０は、実施の形態１の光学素子１０と同一のものであり、導波管高さ方向に重ねて配置した第１〜第３の導波管１１〜１３と、これらの導波管を直列に光学的に結合する第１，第２の光路結合部２１，２２とを有している。【０１２８】  次に作用効果について説明する。
本実施の形態５のレーザ光源は、実施の形態４のレーザ光源１４０を構成する半導体レーザと光学素子との間に平凸レンズ５２を配置しており、これにより、光学素子からの出射光のビーム広がり角を小さくすることができるものであり、以下この点について説明する。【０１２９】  例えば、ごく一般的な半導体レーザ、例えばＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系、さらにはＧａＮ系などの半導体材料からなる半導体レーザでは、その構造上、楕円状のビームが出射され、出射光の広がり角がビームの垂直方向と水平方向とで異なる。【０１３０】  代表的な半導体レーザの広がり角は狭い方（半導体レーザ出射端でのビーム形状の短軸方向）で８°〜１５°、広い方（半導体レーザ出射端でのビーム形状の長軸方向）では２０°〜３０°になる。【０１３１】  従って、例えば、本実施の形態５で示す導波管と光路結合部とを用いた光学素子の出射光広がり角も同様の大きさを持ち、出射光を利用することを考えると非常に扱いにくい光ビームであると言える。【０１３２】  このような課題を解決するため、本件発明者等は、実施の形態４のレーザ光源における半導体レーザと光学素子との間の光路上に集光レンズを配置し、光学素子への入射光角度が半導体レーザの広がり角よりも小さくなるようにすることで、光学素子から出射される光の広がり角を抑えることを検討した。【０１３３】  なお、図８中のＸ、ＹおよびＺは便宜上の方向を表すものであり、ここでは、Ｘ方向は導波管幅方向、Ｙ方向は導波管高さ方向、Ｚ方向は導波管内での光伝搬方向である。また、θ４は、半導体レーザ出射光の、Ｙ方向と垂直な面内での広がり角（以下、Ｘ方向広がり角ともいう）、θ５は平凸レンズを透過した後のレーザ光の、Ｙ方向と垂直な面内での広がり角（以下、Ｘ方向広がり角ともいう。）である。【０１３４】  本実施の形態５のレーザ光源の動作について簡単に説明する。
このレーザ光源１５０では、半導体レーザ５１からの出射光は平凸レンズ５２を透過することにより、ＸおよびＹ方向に縮小され、広がり角が縮小されたレーザ光Ｌ１ａが光学素子５０に入射する。光学素子５０に入射したレーザ光Ｌ１ａは、導波管及び光路結合部内を伝搬して最終段の導波管の出射端面から出射光Ｌ２ａとして出力される。【０１３５】  ここで、平凸レンズ５２の屈折率および曲率を選択することにより任意のビーム広がり角に変換することが可能である。【０１３６】  従って、例えば、半導体レーザ５１から出射されるレーザ光のＸ方向広がり角θ４がθ４＝３０°であった場合に、光学素子５０に入射するレーザ光Ｌ１ａのＸ方向広がり角θ５を１０°以下にすることも可能である。【０１３７】  これにより、光学素子５０内部で多重全反射を繰り返して伝搬して出射されるレーザ光Ｌ２ａのＸ方向広がり角を、光学素子５０に入射するレーザ光Ｌ１ａのＸ方向広がり角θ５と同程度に縮小することができる。【０１３８】  なお、平凸レンズ５２は、Ｘ方向に垂直な面内、及びＹ方向に垂直な面内でともに同じ曲率であるため、光学素子５０に入射されるレーザ光広がり角は、Ｘ方向に垂直な面内、及びＹ方向に垂直な面内のそれぞれに対して同じ比率で縮小される。また、光学素子５０に対するレーザ光の入射広がり角の大きさと、光学素子５０の内部光路長とは、実施の形態１で挙げた（式１）に示されるように、トレードオフの関係にあり、前記光学素子５０に入射するレーザ光Ｌ１ａのＸ方向広がり角θ５が小さくなるほど、光学素子５０の出射端面光強度分布を均一化するのに必要な導波管長さが大きくなる。従って、本実施の形態５のレーザ光源では、その用途に応じて、光学素子５０に入射するレーザ光Ｌ１ａのＸ方向広がり角θ５を選択する必要がある。【０１３９】  以上のように、本実施の形態５によるレーザ光源１５０では、半導体レーザ５１と、該半導体レーザ５１から出射されたレーザ光を集光する平凸レンズ５２と、該平凸レンズで集光されたレーザ光を、均一化した光強度分布を有する出射光に変換する、実施の形態１の光学素子と同一構成の光学素子５０とを備えたので、入射レーザ光を、均一な出射光断面強度分布を有する出射光に変換することができ、しかも出射光の広がり角を任意の角度に調整可能なコンパクトなレーザ光源を実現できる。【０１４０】  なお、本実施の形態５では、前記半導体レーザ５１の出射光を集光して光学素子５０に出射する集光レンズを平凸レンズとしているが、前記集光レンズは、該平凸レンズの代わりに、両凸レンズを用いてもよく、この場合も前記実施の形態５と同様の効果が得られる。【０１４１】  また、本実施の形態５では、半導体レーザ５１と光学素子５０との間の光路上にレンズを配置して、出射光の広がり角を調整するものを示したが、該レンズを配置する代わりに、光学素子５０の光入射端面が凸面、凹面、あるいは該入射端面の垂直方向と水平方向とで異なる曲率を有する形状に加工してもよく、この場合も、前記実施の形態５と同様の効果が得られる。【０１４２】  さらに、本実施の形態５では、入射レーザ光を、均一な断面強度分布を有する出射光に変換する光学素子が前記実施の形態１のものと同一構成であ���場合を示したが、前記光学素子は、前記実施の形態２と同一構成であってもよい。さらに前記光学素子は、前記実施の形態３のものと同一構成であってもよく、この場合、レーザ光源特有のスペックルノイズを除去できる効果も得られる。【０１４３】  （実施の形態６）
図９は、本発明の実施の形態６によるレーザ光源を説明する図であり、図９（ａ）は斜視図であり、図９（ｂ）は側面図である。【０１４４】  この実施の形態６のレーザ光源１６０は、半導体レーザ６１と、該半導体レーザ６１から出射されたレーザ光の広がり角度を変化させる平凹レンズのシリンドリカルレンズ６２と、該レンズ６２を透過したレーザ光を、均一化した光強度分布を有する出射光に変換する光学素子６０とを有している。ここで、半導体レーザ６１は前記実施の形態４の半導体レーザ４１と同一のものである。また、光学素子６０は、前記実施の形態１の光学素子１０と同一のものであり、導波管高さ方向に重ねて配置した第１〜第３の導波管１１〜１３と、これらの導波管を直列に光学的に結合する第１，第２の光路結合部２１，２２とを有している。また、シリンドリカルレンズ６２は、その光出射端面が第１の導波管１１の光入射端面に密着するよう配置されており、その光入射端面が、導波管の幅方向（図中のＹ方向）に垂直な面内で凹状に湾曲した凹面形状となっている。従って、このシリンドリカルレンズ６２では、半導体レーザ６１からのレーザ光は、導波管の幅方向（図中のＹ方向）に垂直な面内における広がり角（以下、Ｘ方向広がり角ともいう。）が拡大されて出力される。【０１４５】  次に作用効果について説明する。
本実施の形態６のレーザ光源１６０は、半導体レーザ６１と光学素子６０との間の光路上にシリンドリカルレンズ６２を配置しており、これにより、入射光の断面光強度分布を均一化する光学素子における光路長を短くすることができ、また光学素子６０からの出射光のアスペクト比を任意に選択できるものである。以下、これら点について説明する。【０１４６】  前述したように、一般的な半導体レーザでは、出射光のアスペクト比および広がり角が異なる。従って、広がり角の大きい方向に対して断面強度分布を均一化するために必要な導波距離が短く、広がり角の小さい方向に対してはその距離を長くとる必要がある。ここで例えば、凹面を有するシリンドリカルレンズを半導体レーザと光学素子との間の光路上に配置することにより、光学素子におけるトータル光路長を非常に短くして出射光の断面光強度分布を均一化することができる。【０１４７】  つまり、半導体レーザ６１から出射されたレーザ光Ｌ１はシリンドリカルレンズ６２により、Ｙ方向に垂直な面内での広がり角のみが拡大される。従って、半導体レーザ６１からの出射光が本来有している楕円形状の短軸側の広がり角のみを拡大して、任意のビームアスペクト比（Ｘ方向ビーム広がり角とＹ方向ビーム広がり角の比）を実現することができる。【０１４８】  また、凹面を有するシリンドリカルレンズ６２によってビーム拡大をするため、光学素子６０への入射光の広がり角が大きくなり、このため、出射光の断面光強度分布の均一化に必要な光学素子６０のトータルの光路長を短くすることができる。【０１４９】  従って、例えば、導波管断面形状を任意のアスペクト比を有する矩形に設計した場合にも、該導波管断面形状のアスペクト比に応じてシリンドリカルレンズ６２の曲率を選択するようにすれば、効率よく短い光路長で出射光断面強度分布を均一化できる、任意のビームアスペクト比を有するレーザ光源を達成できる。【０１５０】  以上のように、本実施の形態６のレーザ光源１６０では、半導体レーザ６１と光学素子６０との間の光路上に、シリンドリカルレンズ６２を配置したので、該シリンドリカルレンズ６２により、光学素子に入射するレーザ光のビームアスペクト比を任意の比にすることが可能となる。例えば、半導体レーザから出射された楕円形状のビーム光を円形に整形して、扱いやすいビームを出射するレーザ光源１６０を得ることができる。【０１５１】  また、各導波管の断面形状を任意のアスペクト比を有する矩形に設計した場合にも、前記シリンドリカルレンズの曲率を選択して、効率よく短い光路長で出射光断面強度分布を均一化できるため、前記光学素子の形状設計が自由になるという効果もある。【０１５２】  なお、本実施の形態６では、レーザ光源は、半導体レーザ６１と光学素子６０との間の光路上に、シリンドリカルレンズ６２を配置したものであるが、該シリンドリカルレンズを配置する代わりに、光学素子６０の光入射端面が曲率を持つよう、導波管の端面を加工してもよく、この場合も同様の効果が得られる。【０１５３】  さらに、本実施の形態６では、入射レーザ光の断面光強度分布を均一化する光学素子は前記実施の形態１と同一のものとしているが、前記光学素子は前記実施の形態��と同一ものでもよい。さらに前記光学素子は前記実施の形態３のものと同一のものであってもよく、この場合、該レーザ光源から出射される光から、レーザ光源特有のスペックルノイズを除去できる効果も得られる。【０１５４】  また、本実施の形態６では、シリンドリカルレンズが平凹面形状を有する場合を例に挙げて説明したが、シリンドリカルレンズが平凸面形状を有するものであってもよい。この場合、そのシリンドリカルレンズに入射される光は、楕円形状の一方軸の広がり角を縮小して、任意の出射光アスペクト比を有するレーザ光源が達成できるため、前記光学素子の形状設計が自由になるという効果が得られる。【０１５５】  （実施の形態７）
図１０は、本発明の実施の形態７による照明装置２００を説明する図である。
この実施の形態７の照明装置２００は、レーザ光Ｌ２を出射するレーザ光源１７０と、空間光変調デバイスである液晶パネル７２と、前記レーザ光源からの出射光Ｌ２を前記液晶パネル７２に照射する集光レンズ７１とを備えている。なお、Ｌ３は液晶パネル７１を透過した後のレーザ光である。ここで、前記レーザ光源１７０は、図７に示す前記実施の形態４のレーザ光源１４０と同一のものである。【０１５６】  この実施の形態７のレーザ光源１７０では、前記実施の形態４で述べたように、半導体レーザ４１から光学素子４０に入射されたレーザ光Ｌ１が、光学素子４０を伝搬する間に断面光強度分布が均一化され、レーザ光源１７０からは、断面光強度分布が均一化された出射光Ｌ２が出力される。さらに、レーザ光源１７０から出射されたレーザ光Ｌ２は、レンズ７１により液晶パネル７２に拡大投影される。このとき、例えば、光学素子４０の出射端面の形状を液晶パネル７２の形状と相似形にすることにより、出射光Ｌ２の光量をほとんど損失することなく有効に液晶パネル７２に照射することが可能となる。液晶パネル７２に照射された出射光Ｌ２は、例えば液晶パネル７２に２次元画像信号を与えることにより、任意の強度分布を有する、すなわち２次元画像として表示されるレーザ光Ｌ３に変調される。【０１５７】  このような実施の形態７の照明装置２００を用いることにより、例えば、背面投射型ディスプレイや、ヘッドマウントディスプレイのように、大小各種ディスプレイを実現することができる。また、空間光変調デバイス７２を透過したレーザ光Ｌ３を、適当な投影光学系を用いて例えばスクリーンに拡大投影することも可能である。【０１５８】  （実施の形態８）
図１１は、本発明の実施の形態８による２次元画像形成装置を説明する図である。
この実施の形態８の２次元画像形成装置３００は、照明光学系を構成する照明装置２７０と、該照明装置２７０から出力された、変調されたレーザ光を拡大投影する投影レンズ８１と、該投影レンズ８１からの投影光を受けて２次元画像を表示するスクリーン８２とを備えている。ここで、前記照明装置２７０は、前記実施の形態７の照明装置２００の構成を有している。【０１５９】  このような２次元画像形成装置３００では、前述したように、レーザ光源１７０からの出射光Ｌ２がレンズ７１にて集光され、空間光変調デバイスである液晶パネル７２に均一光強度分布で照明される。液晶パネル７２に照射されたレーザ光は、前記液晶パネル７２で任意の強度分布を持つレーザ光Ｌ３に変調され、投影レンズ８１によりスクリーン８２上に拡大投影される。【０１６０】  このように本実施の形態８の２次元画像形成装置３００では、レーザ光源１７０を構成する光学素子４０を、立体的に重ねて配置した複数の導波管と、これらの導波管を直列に光学的に接続する光路結合部とを有するものとしたので、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換でき、且つ光伝搬方向の寸法が小さい光学素子を得ることができ、これにより、小型で１００インチサイズクラスの投影が可能な、例えばレーザプロジェクタのような拡大投影２次元画像形成装置を実現できる。【０１６１】  なお、前記実施の形態７及び８では、前記レーザ光源は、図７に示す前記実施の形態４のレーザ光源１４０と同一のものであるが、このレーザ光源は、図８に示す前記実施の形態５のレーザ光源１５０、あるいは図９に示す前記実施の形態６のレーザ光源１６０と同一のものでもよい。【０１６２】  また、前記実施の形態７及び８では、前記レーザ光源を構成する光学素子は、前記実施の形態１のものと同一であるが、このレーザ光源を構成する光学素子は、図４（ａ），図４（ｂ），図４（ｃ），図４（ｄ），図５，あるいは図６のいずれかに示すものと同一のものであってもよい。【０１６３】  また、前記実施の形態８では、２次元画像形成装置３００は単一のレーザ光源を有するものであるが、２次元画像形成装置は、赤、青、緑の各色に対応するレーザ光源を有するものであってもよい。この場合、例えば、各色に対応するレーザ光源は、これを構成する半導体レーザの波長を、赤、青、緑の各色に対応する波長に選び、それぞれのレーザ光源を構成する光学素子を、前記実施の形態１ないし３で示した光学素子と同様、立体的に重ねて配置した複数の導波管と、これらの導波管を直列に光学的に接続する光路結合部とを有する構成とすることにより、小型で、且つ出射光の断面光強度分布が均一化されたレーザ光源を有するフルカラーの２次元画像形成装置を実現することができる。【０１６４】  また、前記実施の形態７あるいは８で説明した照明装置は、レーザ光源を構成する半導体レーザとして、紫外光波長域の半導体レーザを用いることにより、高出力かつ均一照明が必要な半導体露光装置等への応用も可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１６５】  本発明は、均一な光強度分布を有するレーザ光を得るコンパクトな光学素子、または半導体レーザと前記光学素子を一体化した、出射光の断面光強度分布を均一化したレーザ光源を実現したものであり、高出力照明やレーザアシスト加工などに適用可能であり、また、テレビ受像機、映像プロジェクタなどの画像表示装置や、半導体露光装置などの画像形成装置にも適用可能である。
【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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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年6月12日(2006.6.12)
【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】
光を伝搬する複数の導波管と、
前記複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、
前記複数の導波管内を伝搬する光の経路は、前記光路結合部の少なくとも一つにおいて折れ曲がっている、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子において、
前記複数の導波管として奇数個の導波管を用い、
前記奇数個の導波管は、各導波管の光の伝搬方向に対して平行に重ねて配置されている、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項１に記載の光学素子において、
前記導波管及び光路結合部からなる導波路の、光入射面及び光出射面以外の外表面が、伝搬する光を反射する反射膜によりコートされている、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１に記載の光学素子において、
前記光路結合部は、前記隣接する導波管の一方あるいは双方の端面に、光伝搬方向と垂直な平面に対して傾斜した傾斜面を、前記導波管と一体に形成してなるものである、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項１に記載の光学素子において、
前記導波管は、中空構造を有し、該導波管の中空部分に、気体または液体のいずれかとブラウン粒子とを封入したものである、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項５に記載の光学素子において、
前記ブラウン粒子がコロイド粒子である、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項７】
請求項１に記載の光学素子において、
前記導波管の光入射端面から光出射端面までの、光伝搬経路に沿った距離Ｌは、以下の関係式（１）を満たす、
ことを特徴とする光学素子。
Ｌ≧Ｗ／ｔａｎ（ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（θ／２）／ｎ））  ・・・（１）
Ｗ：前記導波管の幅
ｎ：前記導波管内部の屈折率
θ：前記半導体レーザの有する最小のビーム広がり角
【請求項８】
半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を伝搬して出射する光学素子とを具備するレーザ光源において、
前記光学素子は、
光を伝搬する複数の導波管と、
前記複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、
前記複数の導波管内を伝搬する光の経路は、前記光路結合部において折れ曲がっている、
ことを特徴とするレーザ光源。
【請求項９】
請求項８に記載のレーザ光源において、
前記半導体レーザと前記光学素子との間の光路上に配置され、前記光学素子に入射するレーザ光の広がり角を、前記半導体レーザから出射されるレーザ光の広がり角より小さくする凸レンズ、もしくは平凸レンズを具備する、
ことを特徴とするレーザ光源。
【請求項１０】
請求項８に記載のレーザ光源において、
前記半導体レーザと前記光学素子との間の光路上にシリンドリカルレンズを配置する、
ことを特徴とするレーザ光源。
【請求項１１】
請求項１０に記載のレーザ光源において、
前記シリンドリカルレンズが、平凹レンズである、
ことを特徴とするレーザ光源。
【請求項１２】
請求項８に記載のレーザ光源において、
前記光学素子の光入射端面は、曲率を有する湾曲した形状となっている、
ことを特徴とするレーザ光源。
【請求項１３】
レーザ光を出射するレーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザ光を変調する空間光変調部と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記空間光変調部に照明する照明光学系とを有する２次元画像形成装置において、
前記レーザ光源は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を伝搬して出射する光学素子とを有し、
前記光学素子は、
光を伝搬する複数の導波管と、
前記複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、
前記複数の導波管内を伝搬する光の経路は、前記光路結合部において折れ曲がっている、
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の２次元画像形成装置において、
前記空間光変調部から出射されるレーザ光を投射する投射光学系を具備した、
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、レーザ光源、及び２次元画像形成装置に関し、特に、入射光を均一な出射光強度分布を有する出射光に変換する光学素子、該光学素子を用いたレーザ光源、及び該レーザ光源を用いた２次元画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまで、レーザ光源の用途は計測、光通信、光ディスク等、レーザ光の集光特性やコヒーレンスの高さを利用したものが主流であった。しかし、レーザ光源の研究・開発は目覚ましく、半導体レーザに代表される小型高出力レーザも実用化が進んでおり、出力波長は限定されるものの、半導体レーザでは例えばマルチモード半導体レーザで数Ｗクラスの出力を達成しているものもある。
【０００３】
このようなレーザ光源の小型化・高出力化に伴って、小型で、且つ高出力のレーザ光源を用いたアプリケーションの開拓や装置の開発が活発化してきている。
【０００４】
高出力光源は、画像表示装置、照明装置、半導体露光装置など、幅広い用途への応用が期待されており、特に高出力レーザ光源は、その単色性を生かして、例えばＲＧＢ三原色の高出力レーザを用いたレーザディスプレイによる高色純度鮮明画像の実現が模索されている。また、小型で、且つ高出力のレーザ光源を、低消費電力且つ長寿命な照明用光源に応用することも期待されている。さらに、前記高出力レーザ光源は、レーザ加工にも応用されており、該高出力のレーザによる微細形状加工が実用化されつつある。
【０００５】
このような高出力レーザ光源を用いたアプリケーションは、レーザ光の単色特性と高出力特性を利用するのに加えて、均一な断面強度分布に対する要求が大きく、従来から、この要求を満たす手法があった。
【０００６】
例えば、特許文献１及び特許文献２には、ホモジナイザと呼ばれる光量均一化デバイスや光学系を用いて、ガウシアン光強度分布を有するレーザ光源からの出力光を、その光強度分布が均一になるよう成形するものが開示されている。また、特許文献３及び特許文献４には、インテグレータと呼ばれる光学デバイスを用いて、上記と同様にレーザ光源からの出力光を成形するものが開示されている。
【特許文献１】特開平０７−３０６３０４号公報
【特許文献２】特許第３４１０８１３号公報
【特許文献３】特開２００２−４０３２７号公報
【特許文献４】特開２００３−５７５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の特許文献１〜３に示す方法では、レーザ光源からの出力光を光学デバイスや光学系に入射する前にその断面積を適当に拡げておく必要があるため、レーザ光源を含む光学系が複雑化し、装置面積が大規模になるという課題があった。さらに、レーザ光源からの出力光の断面積を広げてから光学デバイスに入射する場合、該出力光のビームの外周部を切り取ることになるため、光量の損失が生じるという課題もあった。
【０００８】
さらに、特許文献４に示す方法では、前記出力光の断面積を広げる必要はないが、該レーザ光源からの出力光の光強度を均一化して出力するためには、ロッドインテグレータの光伝搬方向の長さを長くする必要があり、このような光の伝搬方向に長いロッドインテグレータを用いると、装置面積が大きくなるという課題があった。
【０００９】
また、光源として干渉性の高いレーザ光源を用いた場合、前述したような光量を均一化する光学デバイスから出射される光は、スペックルノイズと呼ばれるレーザ光特有の微細な干渉パターンによる微細なムラ状のノイズを発生する。このスペックルノイズを除去する方法として、これまでにスクリーンを振動させる方法や、拡散板を透過させてレーザ光に時空間的にランダムな位相を与える方法が採られてきた。しかしながら、スクリーンを振動させる方法ではスクリーンが固定できないという課題があり、また拡散板等を用いる方法では画像投影に用いられる光量が低下すると同時に、装置面積が大きくなってしまうという課題があった。
【００１０】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、入射光を均一な出射光強度分布を有する出射光に変換するコンパクトな光学素子、該光学素子を用いたレーザ光源、及び該レーザ光源を用いた２次元画像形成装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光学素子は、光を伝搬する複数の導波管と、前記複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、前記複数の導波管内を伝搬する光の経路は、前記光路結合部の少なくとも一つにおいて折れ曲がっているものである。
【００１２】
これにより、非常にコンパクトな光学素子により、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換できる。
【００１３】
また、本発明の請求項２に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記複数の導波管として奇数個の導波管を用い、前記奇数個の導波管は、各導波管の光の伝搬方向に対して平行に重ねて配置されているものである。
【００１４】
これにより、光学素子への入射光進行方向と光学素子からの出射光進行方向とを同一方向にすることができ、当該光学素子を搭載する装置構造を単純にできる。
【００１５】
また、本発明の請求項３に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記導波管及び光路結合部からなる導波路の、光入射面及び光出射面以外の外表面が、伝搬する光を反射する反射膜によりコートされている。
【００１６】
これにより、導波管内に入射された光を効率よく反射させて、伝搬することが可能となる。
【００１７】
また、本発明の請求項４に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記光路結合部は、前記隣接する導波管の一方あるいは双方の端面に、光伝搬方向と垂直な平面に対して傾斜した傾斜面を、前記導波管と一体に形成してなるものである。
これにより、光路結合部としての部品を削減できる。
【００１８】
また、本発明の請求項５に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記導波管は、中空構造を有し、該導波管の中空部分に、気体または液体のいずれかとブラウン粒子とを封入したものである。
これにより、干渉性の高いレーザ光源において発生するスペックルノイズを低減できる。
【００１９】
また、本発明の請求項６に記載の光学素子は、請求項５に記載の光学素子において、前記ブラウン粒子がコロイド粒子であるものである。
これにより、導波管に入射された光の位相を適切に錯乱させることが可能となる。
【００２０】
また、本発明の請求項７に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記導波管の光入射面から光出射面までの、光伝搬経路に沿った距離Ｌは、以下の関係式（１）を満たすものである。
【００２１】
Ｌ≧Ｗ／ｔａｎ（ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（θ／２）／ｎ））  ・・・（１）
Ｗ：前記導波管の幅
ｎ：前記導波管内部の屈折率
θ：前記半導体レーザの有する最小のビーム広がり角
【００２２】
これにより、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換できる光学素子を必要最小限の大きさにすることが可能となる。
【００２３】
また、本発明の請求項８に記載のレーザ光源は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を伝搬して出射する光学素子とを具備するレーザ光源において、前記光学素子は、光を伝搬する複数の導波管と、前記複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、前記複数の導波管内を伝搬する光の経路は、前記光路結合部において折れ曲がっているものである。
【００２４】
これにより、均一な断面光強度分布を有する出射光を出力する、非常にコンパクトなレーザ光源を提供できる。
【００２５】
また、本発明の請求項９に記載のレーザ光源は、請求項８に記載のレーザ光源において、前記半導体レーザと前記光学素子との間の光路上に配置され、前記光学素子に入射するレーザ光の広がり角を、前記半導体レーザから出射されるレーザ光の広がり角より小さくする凸レンズ、もしくは平凸レンズを具備するものである。
【００２６】
これにより、光学素子からの出射光広がり角を任意の角度に変換可能な断面光強度均一化光源が実現できる。この結果、光学素子からの出射光広がり角を小さくすることが可能となるため、当該レーザ光源から出射される出射光を扱いやすいものにすることができる。
【００２７】
また、本発明の請求項１０に記載のレーザ光源は、請求項８に記載のレーザ光源において、前記半導体レーザと前記光学素子との間の光路上にシリンドリカルレンズを配置するものである。
【００２８】
これにより、半導体レーザから出射される楕円形状を有するビーム光を円形状のビーム光に変え、扱いやすいビーム形状に変形することができる。また、例えば各導波管の断面形状を任意のアスペクト比を有する矩形に設計した場合にも、前記シリンドリカルレンズの曲率を選択して、効率よく短い光路長で出射光断面強度分布を均一化できる、任意の出射光アスペクト比を有するレーザ光源が達成できるため、前記光学素子の形状設計が自由になるという効果もある。
【００２９】
また、本発明の請求項１１に記載のレーザ光源は、請求項１０に記載のレーザ光源において、前記シリンドリカルレンズが、平凹レンズであるものである。
【００３０】
これにより、光学素子への入射光の一軸方向のみの広がり角度を拡大することが可能となり、この結果、出射光断面強度分布の均一化に必要な光学素子の全体光路長を短くすることができる。
【００３１】
また、本発明の請求項１２に記載のレーザ光源は、請求項８に記載のレーザ光源において、前記光学素子の光入射端面は、曲率を有する湾曲した形状となっているものである。
【００３２】
これにより、半導体レーザと光学素子との間の光路上にレンズを配置する必要がなくなり、コンパクトなレーザ光源が得られる。
【００３３】
また、本発明の請求項１３に記載の２次元画像形成装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザ光を変調する空間光変調部と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記空間光変調部に照明する照明光学系とを有する２次元画像形成装置において、前記レーザ光源は、光を伝搬する複数の導波管と、前記複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、前記複数の導波管内を伝搬する光の経路は、前記光路結合部において折れ曲がっているものである。
【００３４】
これにより、２次元画像形成装置を構成するレーザ光源を、均一な断面光強度分布を有する出射光を出力する、非常にコンパクトなものとできる。
【００３５】
また、本発明の請求項１４に記載の２次元画像形成装置は、請求項１３に記載の２次元画像形成装置において、前記空間光変調部から出射されるレーザ光を投射する投射光学系を具備したものである。
【００３６】
これにより、簡単な部品構成で非常にコンパクトな２次元画像形成装置が実現できるという効果がある。
【発明の効果】
【００３７】
本発明に係る光学素子によれば、光を伝搬する複数の導波管と、該複数の導波管を直列に光学的に結合するよう、隣接する導波管を結合する複数の光路結合部とを具備し、前記複数の導波管内を伝搬する光の経路を、前記光路結合部において折れ曲げたので、当該光学素子の装置規模を非常に小さくできると共に、該光学素子において、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換できるという効果が得られる。
【００３８】
また、前記複数の導波管が中空構造を有するようにし、該中空内部に、気体または液体のいずれかと、ブラウン粒子とを封入することにより、半導体レーザから出射される干渉性の高いレーザ光において発生するスペックルノイズを低減できる。
【００３９】
また、本発明に係るレーザ光源によれば、前記光学素子と半導体レーザとを一体化し、該半導体レーザと光学素子との間の光路上に、レーザ光を集光あるいは拡散するレンズを設けるようにしたので、光学素子からの出射光広がり角を変えたり、あるいは一軸方向のみ広がり角を変えることが可能となり、その出射光の断面光強度分布が均一化され、そのビーム形状が扱いやすいレーザ光源を得ることができる。
【００４０】
さらに、前記レーザ光源において、光学素子の前段に前記レーザ光を集光あるいは拡散するレンズを設け、該レンズの曲率を選択することにより、短い光路長で効率よく出射光断面強度分布を均一化されることに加え、出射光アスペクト比を任意の比率に設定できるレーザ光源を実現でき、この結果、光学素子の形状の自由度が大きくなる。
【００４１】
また、本発明に係る２次元画像形成装置によれば、前記レーザ光源を用いるので、簡単な部品構成でコンパクトな２次元画像形成装置が実現できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
【００４３】
（実施の形態１）
本実施の形態１では、複数の導波管と、該導波管を光学的に直列に結合する光路結合部とを用いて、装置規模を非常に小さくした光学素子について説明する。
【００４４】
図１は、本実施の形態１にかかる光学素子１０を説明する図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は断面図である。
【００４５】
図１に示す光学素子１０は、入射された光を伝搬するガラス材料からなる直方体形状の第１〜第３の導波管１１〜１３と、該各導波管１１〜１３を光学的に直列に結合する光路結合部２１，２２とを有している。
【００４６】
この光学素子１０では、前記第１の導波管１１の上に第２及び第３の導波管１２及び１３が、これらの導波管での光伝搬方向が平行となるよう順次積み重ねられ、第１の導波管１１とその上の第２の導波管１２、及び第２の導波管１２とその上の第３の導波管１３は、対向する面で接着剤などによって接着されている。
【００４７】
ここで、第２の導波管１２の光伝搬方向と垂直な一方の端面、及び第３の導波管１３の光伝搬方向と垂直な一方の端面は、前記第１の導波管１１の光出射端面と同一面内に位置している。また、第２の導波管１２の光伝搬方向と垂直な他方の端面、及び第３の導波管１３の光伝搬方向と垂直な他方の端面は、前記第１の導波管１１の光入射端面と同一面内に位置している。
【００４８】
そして、第１の導波管１１の光出射端面側には、第１の導波管と第２の導波管とを光学的に結合する光路結合部である直角プリズム２１が設けられており、該直角プリズム２１は、第１の導波管１１の光出射端面から出射された光が反射されて第２の導波管１２の一方の端面に入射するよう、これらの導波管の端面に跨って配置されている。また、第１の導波管１１の光入射端面側には、第２の導波管と第３の導波管とを光学的に結合する光路結合部である直角プリズム２２が設けられており、該直角プリズム２２は、第２の導波管１２の他方の面側から出射された光が反射されて第３の導波管１３の他方の端面に入射するよう、これらの導波管の端面に跨って配置されている。
【００４９】
また、前記各導波管１１〜１３の側面及び上下面、並びに直角プリズムの外表面には、該導波管内での光閉じこめが効率よく行われるよう、反射膜３が形成されている。この反射膜３は、例えばアルミニウム材料等からなる金属膜などである。
【００５０】
次に作用効果について説明する。
まず、本実施の形態１の光学素子１０の動作について簡単に説明する。
【００５１】
第１の導波管１１の光入射端面に光が入射されると、該入射光は第１の導波管１１及び直角プリズム２１を伝搬して第２の導波管１２に入射される。該第２の導波管１２に入射された光は、導波管１２及び直角プリズム２２を伝搬して第３の導波管１３に入射される。そして、第３の導波管１３に入射された光は、第３の導波管１３の一方の端面から出射される。
【００５２】
以下、本実施の形態の光学素子１０において、入射光を断面強度分布が均一化な出射光に変換することが可能である点について説明する。
【００５３】
例えば、入射光にレーザ光を用いた場合を考える。一般にレーザ光はガウシアン分布の断面光強度分布を持つが、上記レーザ光が導波管内を多重反射しながら伝搬していくとき、反射されたレーザ光が混合される。これにより導波管１１、１２、１３の光伝搬方向と垂直な任意の面内での光強度分布は、光入射端面から遠ざかるに従い徐々に面内で均一化される。従って、導波管１１、１２、１３の光伝搬方向長さを適当な値に設定することにより、導波管１１に入射したレーザ光の断面光強度を、導波管１３の光出射端面にて均一なものとできる。
【００５４】
ごく一般的な半導体レーザ（ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＮ系など）では、出射光のアスペクト比及び広がり角が異なる。従って、例えば断面アスペクト比がほぼ１となる導波管を用いた場合、半導体レーザから出射される広がり角の大きい方向に対しては断面強度分布を均一化するために必要な導波距離が短くてよいが、広がり角の小さい方向に対してはその距離を長くとる必要がある。
【００５５】
従来は、出力光の断面強度分布均一化の方法として、例えば特許文献４に示されるようなロッド状インテグレータ導波管を用いたデバイスが提案されているが、完全な均一化を行うために光の伝搬方向に対してロッド長を数１０ｍｍ以上にする必要があった。
【００５６】
これに対し、本実施の形態１では、第１〜第３の導波管１１〜１３を重ねて配置し、これらの導波管１１〜１３を、第１の導波管の出射光が第２の導波管に入射し、第２の導波管からの出射光が第３の導波管に入射するよう、プリズム２１及び２２を用いて光学的に結合したので、これら３つの導波管１１〜１３の長さの合計が、断面強度分布を均一化するのに必要な光の導波距離となる。このため、各導波管の光伝搬方向の長さを短くし、素子全体の長さを大幅に短くすることが可能である。
【００５７】
次に、導波管の長さを具体的に決定する方法について説明する。
この実施の形態１の光学素子１０では、導波管の光伝搬方向長さがデバイスの大きさを決定する主要因となるため、できるだけコンパクトな光学素子を実現する設計が必要となる。
【００５８】
図２は、単純なロッド状の導波管を伝搬する半導体レーザ光の伝搬光路を幾何光学的に示す図である。
【００５９】
図２では、光学素子の光伝搬方向の寸法が、出射光の光強度分布の均一化のために最も長くなる場合として、単一の半導体レーザをその出射光が１つの導波管内に入射するよう導波管の光入射端面に隣接させて配置した場合を示している。
【００６０】
なお、図中、Ｌｄは半導体レーザ、Ｗｇは屈折率がｎの透明材料からなる導波管である。また、θ１は導波管Ｗｇ内でのレーザ光Ｌ１の広がり角であり、光強度分布の半値全角で表されている。またレーザ光広がり方向の導波管Ｗｇの幅をＷ、レーザ光入射端面から導波管Ｗｇの光出射端面までの長さ（つまり、導波管の長さ）をＬとしている。
【００６１】
図２に示す半導体レーザと導波管の配置では、導波管Ｗｇに入射されたレーザ光Ｌ１は導波管Ｗｇの側面で反射される。従って、導波管Ｗｇの内部では、自由空間での光強度分布を導波管Ｗｇの側壁部分で折り返して重ね合わされた光強度分布が観測される。
【００６２】
図３は、このような導波管側面でのレーザ光の反射により光強度分布が均一化される様子を説明する図である。
【００６３】
図３（ａ）は、レーザ光が導波管が存在しない自由空間中を伝搬する場合の強度分布を、図３（ｂ）は、レーザ光が導波管内を伝搬する場合の、導波管側面での光強度分布の重なり状態を、図３（ｃ）は、前記光強度分布の重ね合わせにより得られる光強度分布を示す。なお、図３中において、Ｌｄは半導体レーザ、Ｗｇは屈折率がｎの透明材料からなる導波管である。また、θ２は自由空間中の半導体レーザ光の広がり角を示し、θ３は屈折率ｎの導波管Ｗｇ内でのレーザ光の広がり角を示す。
【００６４】
図３（ａ）に示すように、自由空間中を伝搬する半導体レーザＬｄからの出射光は、伝搬とともに広がり角θ２で広がっていく。このように自由空間では、半導体レーザＬｄからの出射光の空間的な広がりは増大するがその強度分布は変化せず、その断面強度分布はガウンシアン分布型の強度分布を維持し続ける。
【００６５】
つまり、半導体レーザＬｄ近傍の光伝搬方向に垂直な面内Ｄ、半導体レーザＬｄから離れた光伝搬方向に垂直な面内Ｆ、及びこれらの間に位置する光伝搬方向に垂直な面内Ｅで、いずれも光強度分布はガウシアン分布となっている。
【００６６】
一方、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、導波管Ｗｇ内を伝搬する半導体レーザＬｄからの出射光は、該導波管Ｗｇの側壁で全反射される。
【００６７】
つまり、導波管Ｗｇに入射されたレーザ光の光強度分布は、半導体レーザＬｄ近傍の光伝搬方向に垂直な面内Ｄ’においてガウシアン分布を有しているが、導波管内でレーザ光同士が多重反射しながら、光の入射面から光の伝搬方向にすすむにしたがって徐々に導波管の断面（光伝搬方向と垂直な面Ｅ’）内で均一化され、半導体レーザＬｄから離れた光伝搬方向に垂直な面内Ｆ’においてその光強度分布は均一化されている。
【００６８】
この場合は、屈折率ｎの導波管Ｗｇ内に入射されたレーザ光の広がり角度θ３は、
【００６９】
θ３＝２×ｓｉｎ-1（（ｓｉｎ（θ２／２））／ｎ）
【００７０】
となる。ここで導波管Ｗｇの幅をＷとすると、該導波管Ｗｇに入射した光ビームが、入射面からの距離がＷ／（２×ｔａｎ（ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（θ２／２）／ｎ）））となる位置に達したときに、その光強度分布の一部が導波管Ｗｇの側面で反射され始める。そして、入射した光ビームがこの位置を越えると、反射される光の強度分布は徐々に増大し、導波管Ｗｇの出射面に達するまでは、図３（ａ）に示すように光が自由空間を伝搬する場合の光強度分布を、導波管の側壁に相当する部分で折り返して重ね合わせた光強度分布が観測される（図３（ｂ））。
【００７１】
このとき、実質的な断面光強度分布（図３（ｃ））が、十分均一になるには、例えば導波管Ｗｇの長さを十分長く取り、全反射回数を多くする程良い。しかしながら、デバイス作製および使用の観点からすると、できるだけコンパクトなレーザ光源であることが望ましい。
【００７２】
そこで、導波管Ｗｇ内のレーザ光の光強度分布を均一化させるために必要な導波管の長さＬについて検討したところ、少なくとも以下に示す（式１）の条件を満たしていれば、光強度分布が均一化されるということが判った。
【００７３】
Ｌ≧Ｗ／ｔａｎ（ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（θ１／２）／ｎ））    ・・（式１）
θ１：レーザ出射光の広がり角
ｎ：導波管内部の屈折率
Ｗ：導波管幅
【００７４】
従って、複数の導波管１１〜１３を立体的に重ねて配置し、これらの導波管を光路結合部２１，２２により直列に接続することにより、光学素子の光伝搬方向の寸法を、光強度分布の均一化に必要な長さ、即ち光伝搬経路長Ｌの、およそ３分の１にすることが可能である。
【００７５】
このように本実施の形態１の光学素子１０では、立体的に重ねて配置した複数の導波管と、これらの導波管を直列に光学的に接続する光路結合部２１，２２とを有するので、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換でき、しかも光伝搬方向の寸法が小さい光学素子を得ることができる。
【００７６】
なお、前記実施の形態１では、積層する導波管の個数を３個としているが、これは３個に限るものではなく、また、前記第１〜第３の導波管１１〜１３それぞれの光伝搬方向長さはどのようなものであってよい。言い換えると、実施の形態１の光学素子のように導波管を複数積層したものは、導波管積層数と各導波管長さを任意に決定することが容易であり、素子サイズを任意に変化させることができるという利点を有している。
【００７７】
また、積層する導波管の個数を偶数個とすることにより、光学素子からの出射光の進行方向を光学素子への入射光の進行方向と逆向きにすることができ、積層する導波管個数を奇数個とすることにより、光学素子からの出射光の進行方向を光学素子への入射光の進行方向と同じ向きにすることができる。このため、出射光の強度分布を均一化した光学素子を用いた装置設計の自由度が広がるという利点もあった。
【００７８】
さらに、本実施の形態１では、複数の導波管を、各導波管での光伝搬方向が一定方向となるようその高さ方向に積み重ねた光学素子を示したが、光学素子は、複数の導波管をその幅方向に重ね合わせたものでも、あるいは、導波管の幅方向の重ね合わせと高さ方向の重ね合わせを組み合わせたものでもよく、また、１つの導波管での光伝搬方向が他の導波管での光伝搬方向と異なっていてもよい。この場合、前記光学素子における導波管の配置を、該光学素子を装備する装置におけるレイアウト上の制限に応じたものとできる。
【００７９】
図４は、このような複数の導波管の立体的な配置の例を示している。
なお、図４中、Ｌ１は導波管に入射する入射光、Ｌ２は、導波管から出射する出射光である。
【００８０】
図４（ａ）に示す光学素子１０ａは、図１に示す光学素子１０と同様、３つの導波管１１ａ，１２ａ，１３ａと、これらの導波管を光学的に直列に結合する光路結合部２１ａ及び２２ａとを有している。
【００８１】
この光学素子１０ａでは、３つの導波管１１ａ，１２ａ，１３ａがコ字形の各辺に対応するよう同一平面上に配置されている。そして、導波管１１ａの光出射端面と導波管１２ａの光入射端面との間には、光路を９０度折り曲げるプリズム２１ａが、これらの導波管が光学的に結合されるよう配置されている。また、導波管１２ａの光出射端面と導波管１３ａの光入射端面との間には、光路を９０度折り曲げるプリズム２２ａが、これらの導波管が光学的に結合されるよう配置されている。
【００８２】
図４（ｂ）に示す光学素子１０ｂは、前記光学素子１０あるいは１０ａと同様、３つの導波管１１ｂ，１２ｂ，１３ｂと、これらの導波管を光学的に直列に結合する光路結合部２１ｂ及び２２ｂとを有している。
【００８３】
ここで、前記３つの導波管１１ｂ，１２ｂ，１３ｂはその幅方向に配列されており、導波管１１ｂの光出射端面と導波管１２ｂの光入射端面とが同一面内に位置し、また、導波管１２ｂの光出射端面と導波管１３ｂの光入射端面とが同一面内に位置している。そして、導波管１１ｂと導波管１２ｂとを光学的に結合する直角プリズム２１ｂが、該導波管１１ｂの光出射側端面及び該導波管１２ｂの光入射側端面に跨るよう配置されている。また、導波管１２ｂと導波管１３ｂとを光学的に結合する直角プリズム２２ｂが、該導波管１２ｂの光出射側端面及び該導波管１３ｂの光入射側端面に跨るよう配置されている。
【００８４】
図４（ｃ）に示す光学素子１０ｃは、前記光学素子と同様、３つの導波管１１ｃ，１２ｃ，１３ｃと、これらの導波管を光学的に直列に結合する光路結合部２１ｃ及び２２ｃとを有している。
【００８５】
ここで、導波管１１ｃと導波管１２ｃとはその幅方向に隣接させて配置され、導波管１２ｃ上には導波管１３ｃが配置されている。また、導波管１１ｃの光出射端面と導波管１２ｃの光入射端面とが同一面内に位置し、また、導波管１２ｃの光出射端面と導波管１３ｃの光入射端面とが同一面内に位置している。そして、導波管１１ｃと導波管１２ｃとを光学的に結合する直角プリズム２１ｃが、該導波管１１ｃの光出射側端面及び該導波管１２ｃの光入射側端面に跨るよう配置されている。また、導波管１２ｃと導波管１３ｃとを光学的に結合する直角プリズム２２ｃが、該導波管１２ｃの光出射側端面及び該導波管１３ｃの光入射側端面に跨るよう配置されている。
【００８６】
図４（ｄ）に示す光学素子１０ｄは、前記光学素子と同様、３つの導波管１１ｄ，１２ｄ，１３ｄと、これらの導波管を光学的に直列に結合する光路結合部２１ｄ及び２２ｄとを有している。
【００８７】
ここで、導波管１１ｄと導波管１２ｄとはその幅方向に隣接させて配置され、導波管１１ｄと導波管１２ｄとを光学的に結合する直角プリズム２１ｄが、該導波管１１ｄの光出射側端面及び該導波管１２ｄの光入射側端面に跨るよう配置されている。また、導波管１３ｄは、導波管１２ｄの光出射端面側に、その光伝搬方向が導波管１２ｄの高さ方向となるよう配置されており、導波管１２ｄの光出射端面と導波管１３ｄの光入射端面との間には、光路を９０度折り曲げるプリズム２２ｄが、これらの導波管が光学的に結合されるよう配置されている。
【００８８】
なお、本実施の形態１では、図１、あるいは図４に示すように、複数の導波管を伝搬する光の経路が、光路結合部のすべてにおいて折れ曲がっている光学素子を例に挙げたが、前記光の経路が、すべての光路結合部において折れ曲がっている必要は無く、該光路結合部が導波管同士を直列に接続するものであってもよい。
【００８９】
また、前記実施の形態１では、前記光学素子は、導波管同士を、プリズムを用いて光学的に結合したものを示したが、前記光学素子は、導波管同士の光学的な結合にプリズムを用いるものに限らない。
【００９０】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２による光学素子を説明する図である。
この実施の形態２の光学素子１５は、実施の形態１の光学素子１０の各導波管を、プリズムを用いないで直列に光学的に結合したものである。
【００９１】
すなわち、図５に示す光学素子１５は、一端側端面を導波管内での光伝搬方向に対して４５度傾斜させた第１の導波管１６と、両端面を導波管内での光伝搬方向に対して４５度傾斜させた第２の導波管１７と、一端側端面を導波管内での光伝搬方向に対して４５度傾斜させた第３の導波管１８とを有している。
【００９２】
ここで、第１の導波管１６の一端側の傾斜面１６ａは、導波管内を伝搬する光を、導波管高さ方向に沿って出射するよう反射する上向きの反射面である。第２の導波管１７の一端側の傾斜面１７ｂは、導波管高さ方向に沿って入射する光を、その進行方向が導波管長さ方向となるよう反射する下向きの反射面であり、第２の導波管１７の他端側の傾斜面１７ａは、導波管内を伝搬する光を、導波管高さ方向に沿って出射するよう反射する上向きの反射面である。第３の導波管１８の一端側の傾斜面１８ｂは、該導波管高さ方向に沿って入射する光を、その進行方向が導波管長さ方向となるよう反射する下向きの反射面である。
【００９３】
そして、この光学素子１５では、前記第１の導波管１６の上に第２の導波管１７が、これらの導波管の光伝搬方向が平行となり、かつ第１の導波管１６の一端側上向き反射面１６ａと第２の導波管１７の一端側下向き反射面１７ｂとが対向するよう積み重ねられている。また、第２の導波管１７の上には、第３の導波管１８が、これらの導波管の光伝搬方向が平行となり、かつ第２の導波管１７の他端側上向き反射面１７ａと第３の導波管１８の一端側下向き反射面１８ｂとが対向するよう積み重ねられている。第１の導波管１６とその上の第２の導波管１７、及び第２の導波管１７とその上の第３の導波管１８は、対向する面で接着剤などによって接着されている。
【００９４】
ここでは、第１の導波管１６の上向き反射面１６ａと第２の導波管１７の下向き反射面１７ｂとにより、第１の導波管１６と第２の導波管１７とを結合する光路結合部が形成されており、第２の導波管１７の上向き反射面１７ａと第３の導波管１８の下向き反射面１８ｂとにより、第２の導波管１７と第３の導波管１８とを結合する光路結合部が形成されている。
【００９５】
なお、各導波管１６、１７、１８の上下両側面、さらに光路結合部の外表面には、導波管内での光閉じこめが効率よく行われるよう、例えばアルミニウム材料からなる金属膜などの高反射膜が形成されている。また、前記上下の導波管を結合する光路結合部では、２つの導波管を構成するガラス材料が密着しており、該密着面は、高反射膜は形成されていない光通過領域１９ａ及び１９ｂとなっている。
【００９６】
次に作用効果について説明する。
第１の導波管１６の光入射側端面から入射された光は、該第１の導波管１６および光路結合部を伝搬して第２の導波管１７に入射される。第２の導波管１７に入射した光は、該第２の導波管１７及び光路結合部を伝搬して第３の導波管１８に入射される。そして、第３の導波管１８に入射された光は、その光出射側端面から出射される。
【００９７】
このように本実施の形態２では、第１〜第３の導波管１６〜１８を重ねて配置し、これらの導波管１６〜１８を、第１の導波管１６の出射光が第２の導波管１７に入射し、該第２の導波管１７からの出射光が第３の導波管１８に入射するよう、各導波管の端部を加工して形成した傾斜面を利用して光学的に結合したので、これら３つの導波管１６〜１８の長さの合計が、断面強度分布を均一化するのに必要な光の導波距離となる。このため、各導波管の光伝搬方向の長さを短くし、素子全体の長さを大幅に短くすることが可能である。
【００９８】
また、この実施の形態２では、各導波管を、導波管端部に形成した傾斜面を利用して光学的に結合しているので、プリズムを用いる必要がなく、部品点数を削減できるという効果もある。
【００９９】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３による光学素子を説明する斜視図である。
本実施の形態３の光学素子３０は、入射された光を伝搬するガラス材料からなる直方体形状の第１〜第３の導波管３１〜３３と、該各導波管３１〜３３を直列に光学的に結合する光路結合部２１，２２とを有している。
【０１００】
この光学素子３０では、実施の形態１と同様、前記第１の導波管３１の上に第２及び第３の導波管３２，３３が、これらの導波管の光伝搬方向が平行となるよう順次積み重ねられ、第１の導波管３１と第２の導波管３２とが光路結合部である直角プリズム２１により、第２の導波管３２と第３の導波管３３とが光路結合部である直角プリズム２２により、光学的に結合されている。
【０１０１】
そして、本実施の形態３では、前記各導波管３１〜３３は、例えば可視光領域で透明な材質からなる中空構造のセルにより形成されており、前記各導波管の内部には、気体または液体のいずれかと、ブラウン粒子とが封入されている。
【０１０２】
次に作用効果について説明する。
このような構成の光学素子は、コンパクトな構造で、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換でき、さらに、レーザ光源特有のスペックルノイズを除去できるものである。
【０１０３】
以下、詳しく説明する。
前述したように、スペックルノイズは干渉性の高いレーザ光を用いたときに生じるものであり、スクリーン表面の凹凸各部において反射された散乱光同士の干渉がその要因である。一般的に知られている従来のスペックルノイズの低減方法には、スクリーンを振動させる方法や、拡散板を透過させる方法があり、このようにすることでレーザ光に時空間的にランダムな位相を与えて、空間的かつ時間的なスペックルパターンの変化を生じさせることによって、観察されるスペックルパターンを低減することができる。
【０１０４】
そこで、光学素子を構成する導波管を中空のセル構造として、上記導波管内部でレーザ光の位相を乱すことは有効であると考えられる。そして、本件発明者等は、気体あるいは液体中にあるブラウン粒子に注目し、ブラウン粒子に同様の位相攪乱作用があることを見いだした。
【０１０５】
ブラウン粒子は、ブラウン運動、つまり溶媒となる気体または液体の粒子が様々な方向から様々な速度で衝突することによる規則性のない乱雑な動きをするような粒子を指し、運動の活発さはブラウン粒子の大きさ、温度および溶媒の粘度に依存する。
【０１０６】
例えば、温度が高くなれば、溶媒をなす分子の熱運動は活発になる。従って、温度の上昇により溶媒分子は激しく移動し、それに伴いブラウン粒子も動きが活発になる。つまり、溶媒分子が勢いよくブラウン粒子に衝突すると、ブラウン粒子が突き動かされる量も大きくなる。このことから、ブラウン運動は温度が高いほど活発になるということがわかる。
【０１０７】
また、ブラウン粒子の大きさが大きくなると、質量も大きくなる。これにより溶媒分子がブラウン粒子を突き動かす量は小さくなる。また、ブラウン粒子の表面積が広くなったことにより、一度に多くの粒溶媒分子が様々な方向から衝突し、それらの力が打ち消しあうため、ブラウン粒子が受ける力は小さくなる。この２つの理由によりブラウン粒子が大きいとブラウン運動が起きにくくなる。
【０１０８】
本実施の形態３においては、ブラウン粒子として、コロイド粒子であるラテックス粒子（ポリスチレン標準粒子、粒径１μｍ程度）を用いた。
【０１０９】
コロイドとは一般には１０-9ｍ〜１０-6ｍ程度の大きさの粒子が示す性質を指し、コロイド粒子の分散媒質が固体であるゲル、分散媒質が液体であるゾル、分散媒質が気体であるエアロゾルに分けられる。いずれのコロイドもブラウン運動を示すが、扱い易さのため分散媒質が液体からなるゾルを用いるのが好ましい。スペックルノイズ低減のためには、透過させる光を散乱させることのできる大きさを有するコロイド粒子が必要である。そこで、本実施の形態３では、上述した１μｍ程度の粒径のものを用いた。
【０１１０】
また特に、可視光領域において本発明の光学素子を用いるには上記コロイド粒子は使用波長域で透明であることが好ましい。コロイド粒子の多くは可視光に対して不透明であるが、コロイド濃度を制御して希薄なコロイド溶液等を用いることにより光透過率とスペックルノイズ低減効果とを調整することが可能である。
【０１１１】
上記ラテックス粒子を充填剤（溶媒）である水に分散させたラテックス溶液をセル構造の導波管内に密封し、沈降平衡に達した状態でレーザ光を照射し、導波管からの出射光をスクリーンに投影したときに観察されるスペックルノイズを、ガラス材料により形成した中空でない導波管を用いた場合に観測されるスペックルノイズと比較した。
【０１１２】
中空構造の導波管にラテックス溶液を封入した光学素子では、上述した出射光強度分布均一化作用に加えて、ブラウン運動を行うラテックス粒子により導波管内を伝搬するレーザ光の位相が時間的かつ空間的に乱されて平均化され、例えばガラス材料により形成した中空でない導波管を用いた場合に比べてスペックルノイズが大幅に低減された。
【０１１３】
なお、粒子径０．８μｍ程度のラテックス粒子を用いると、粒子が軽くなるため粒子分布および粒子のブラウン運動は激しくなり、より効果的なスペックルノイズ低減が実現された。また逆に、粒径の大きなラテックス粒子（粒径３μｍ程度）を用いた場合には光の散乱が大きくなるが、ブラウン運動が緩やかになるためトータルとしてスペックルノイズ低減効果が弱い。しかしながら、ラテックス溶液の温度を６０℃以上の高温にするとブラウン運動が激しくなり、スペックルノイズ低減を効果的に行うことができることがわかっている。
【０１１４】
以上のように、本実施の形態３の光学素子３０では、中空構造を有する複数本の導波管３１〜３３と、該導波管を直列に光学的に結合する光路結合部２１，２２とを備え、該各導波管の中空部分に、気体または液体のいずれかとブラウン粒子とを封入したので、コンパクトな構造で、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換でき、しかも、レーザ光源特有のスペックルノイズを大幅に低減することができる。
【０１１５】
なお、前記実施の形態３では、３つの導波管３１〜３３を各導波管内での光伝搬方向が平行になるよう導波管高さ方向に重ねて配置し、これらの導波管を光路結合部２１，２２により直列に光学的に結合した光学素子を示したが、光学素子を構成する導波管の数や光路結合部の数、あるいは導波管の長さやその配置は、前記実施の形態３のものに限らない。
【０１１６】
また、本実施の形態３では、導波管を結合する光路結合部には直角プリズム２１，２２を用いているが、導波管の結合は、前記実施の形態２に示すように、各導波管の端面を光伝搬方向に対して傾斜させて実現してもよく、この場合も実施の形態３と同様の効果が得られる。
【０１１７】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４によるレーザ光源を説明する図であり、図７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）は側面図である。
【０１１８】
この実施の形態４のレーザ光源１４０は、半導体レーザ４１を、該半導体レーザ４１から出射されたレーザ光を均一化した光強度分布を有する出射光に変換する光学素子４０と一体化したものである。ここで、光学素子４０は、実施の形態１の光学素子１０と同一のものであり、導波管高さ方向に重ねて配置した第１〜第３の導波管１１〜１３と、これらの導波管を直列に光学的に結合する第１，第２の光路結合部２１，２２とを有している。
【０１１９】
次に作用効果について説明する。
現在、広く市販されているレーザ光源の中で、最も小型の汎用レーザ光源は半導体レーザであり、様々な装置や民生用製品に用いられている。上述したように、半導体レーザの小型高出力化が進んでおり、出力波長は限定されるものの、例えばマルチモード半導体レーザで数Ｗクラスの出力を達成しているものもある。こうした小型高出力レーザを用いて出力光強度分布を均一化した光源を達成するためには、実施の形態１で示した光学素子と、半導体レーザとを一体化した光源モジュールが有効である。
【０１２０】
つまり、本実施の形態の光学素子では、半導体レーザ４１から出射したレーザ光Ｌ１が、第１の導波管１１の光入射端面から入射されると、入射レーザ光は、第１の導波管１１、直角プリズム２１、第２の導波管１２、直角プリズム２２、及び第３の導波管１３内を伝搬し、該第３の導波管１３の光出射端面から出射する。このようにレーザ光が導波管内を多重反射しながら伝搬していくとき、反射されたレーザ光が混合される。これにより導波管１１、１２、１３の光伝搬方向と垂直な任意の面内での光強度分布は、光入射端面から伝搬方向に遠ざかるに従い徐々に面内で均一化される。
【０１２１】
従って、実施の形態１の光学素子と半導体レーザとを一体化することにより、出射光の断面光強度が均一化されたレーザ光源を得ることができる。
【０１２２】
以上のように、本実施の形態４では、半導体レーザ４１と、実施の形態１の光学素子と同一構成の光学素子４０を一体化して、該半導体レーザ４１から出射されたレーザ光を、均一化した光強度分布を有する出射光に変換して出射するレーザ光源１４０を構成したので、均一な出射光断面強度分布を有する小型のレーザ光源を得ることができる。
【０１２３】
なお、本実施の形態４では、レーザ光源を構成する光学素子は前記実施の形態１のものと同一のものであるが、レーザ光源を構成する光学素子は、図４（ａ）〜図４（ｄ）、図５、あるいは図６に示すものと同一のものでもよい。例えば、前記光学素子を、図６に示す前記実施の形態３の光学素子と同一のものとすることにより、均一な断面光強度を確保しつつ、レーザ光源特有のスペックルノイズを除去できる小型のレーザ光源を得ることができる。
【０１２４】
（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５によるレーザ光源を示す側面図である。
この実施の形態５のレーザ光源１５０は、実施の形態４のレーザ光源を構成する半導体レーザと光学素子との間の光路上に平凸レンズを配置したものである。
【０１２５】
つまり、レーザ光源１５０は、半導体レーザ５１と、該半導体レーザ５１から出射されたレーザ光を集光する平凸レンズ５２と、該平凸レンズで集光されたレーザ光を、均一化した光強度分布を有する出射光に変換する光学素子５０とを有している。ここで、半導体レーザ５１は実施の形態４の半導体レーザ４１と同一のものである。また、光学素子５０は、実施の形態１の光学素子１０と同一のものであり、導波管高さ方向に重ねて配置した第１〜第３の導波管１１〜１３と、これらの導波管を直列に光学的に結合する第１，第２の光路結合部２１，２２とを有している。
【０１２６】
次に作用効果について説明する。
本実施の形態５のレーザ光源は、実施の形態４のレーザ光源１４０を構成する半導体レーザと光学素子との間に平凸レンズ５２を配置しており、これにより、光学素子からの出射光のビーム広がり角を小さくすることができるものであり、以下この点について説明する。
【０１２７】
例えば、ごく一般的な半導体レーザ、例えばＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系、さらにはＧａＮ系などの半導体材料からなる半導体レーザでは、その構造上、楕円状のビームが出射され、出射光の広がり角がビームの垂直方向と水平方向とで異なる。
【０１２８】
代表的な半導体レーザの広がり角は狭い方（半導体レーザ出射端でのビーム形状の短軸方向）で８°〜１５°、広い方（半導体レーザ出射端でのビーム形状の長軸方向）では２０°〜３０°になる。
【０１２９】
従って、例えば、本実施の形態５で示す導波管と光路結合部とを用いた光学素子の出射光広がり角も同様の大きさを持ち、出射光を利用することを考えると非常に扱いにくい光ビームであると言える。
【０１３０】
このような課題を解決するため、本件発明者等は、実施の形態４のレーザ光源における半導体レーザと光学素子との間の光路上に集光レンズを配置し、光学素子への入射光角度が半導体レーザの広がり角よりも小さくなるようにすることで、光学素子から出射される光の広がり角を抑えることを検討した。
【０１３１】
なお、図８中のＸ、ＹおよびＺは便宜上の方向を表すものであり、ここでは、Ｘ方向は導波管幅方向、Ｙ方向は導波管高さ方向、Ｚ方向は導波管内での光伝搬方向である。また、θ４は、半導体レーザ出射光の、Ｙ方向と垂直な面内での広がり角（以下、Ｘ方向広がり角ともいう）、θ５は平凸レンズを透過した後のレーザ光の、Ｙ方向と垂直な面内での広がり角（以下、Ｘ方向広がり角ともいう。）である。
【０１３２】
本実施の形態５のレーザ光源の動作について簡単に説明する。
このレーザ光源１５０では、半導体レーザ５１からの出射光は平凸レンズ５２を透過することにより、ＸおよびＹ方向に縮小され、広がり角が縮小されたレーザ光Ｌ１ａが光学素子５０に入射する。光学素子５０に入射したレーザ光Ｌ１ａは、導波管及び光路結合部内を伝搬して最終段の導波管の出射端面から出射光Ｌ２ａとして出力される。
【０１３３】
ここで、平凸レンズ５２の屈折率および曲率を選択することにより任意のビーム広がり角に変換することが可能である。
【０１３４】
従って、例えば、半導体レーザ５１から出射されるレーザ光のＸ方向広がり角θ４がθ４＝３０゜であった場合に、光学素子５０に入射するレーザ光Ｌ１ａのＸ方向広がり角θ５を１０゜以下にすることも可能である。
【０１３５】
これにより、光学素子５０内部で多重全反射を繰り返して伝搬して出射されるレーザ光Ｌ２ａのＸ方向広がり角を、光学素子５０に入射するレーザ光Ｌ１ａのＸ方向広がり角θ５と同程度に縮小することができる。
【０１３６】
なお、平凸レンズ５２は、Ｘ方向に垂直な面内、及びＹ方向に垂直な面内でともに同じ曲率であるため、光学素子５０に入射されるレーザ光広がり角は、Ｘ方向に垂直な面内、及びＹ方向に垂直な面内のそれぞれに対して同じ比率で縮小される。また、光学素子５０に対するレーザ光の入射広がり角の大きさと、光学素子５０の内部光路長とは、実施の形態１で挙げた（式１）に示されるように、トレードオフの関係にあり、前記光学素子５０に入射するレーザ光Ｌ１ａのＸ方向広がり角θ５が小さくなるほど、光学素子５０の出射端面光強度分布を均一化するのに必要な導波管長さが大きくなる。従って、本実施の形態５のレーザ光源では、その用途に応じて、光学素子５０に入射するレーザ光Ｌ１ａのＸ方向広がり角θ５を選択する必要がある。
【０１３７】
以上のように、本実施の形態５によるレーザ光源１５０では、半導体レーザ５１と、該半導体レーザ５１から出射されたレーザ光を集光する平凸レンズ５２と、該平凸レンズで集光されたレーザ光を、均一化した光強度分布を有する出射光に変換する、実施の形態１の光学素子と同一構成の光学素子５０とを備えたので、入射レーザ光を、均一な出射光断面強度分布を有する出射光に変換することができ、しかも出射光の広がり角を任意の角度に調整可能なコンパクトなレーザ光源を実現できる。
【０１３８】
なお、本実施の形態５では、前記半導体レーザ５１の出射光を集光して光学素子５０に出射する集光レンズを平凸レンズとしているが、前記集光レンズは、該平凸レンズの代わりに、両凸レンズを用いてもよく、この場合も前記実施の形態５と同様の効果が得られる。
【０１３９】
また、本実施の形態５では、半導体レーザ５１と光学素子５０との間の光路上にレンズを配置して、出射光の広がり角を調整するものを示したが、該レンズを配置する代わりに、光学素子５０の光入射端面が凸面、凹面、あるいは該入射端面の垂直方向と水平方向とで異なる曲率を有する形状に加工してもよく、この場合も、前記実施の形態５と同様の効果が得られる。
【０１４０】
さらに、本実施の形態５では、入射レーザ光を、均一な断面強度分布を有する出射光に変換する光学素子が前記実施の形態１のものと同一構成である場合を示したが、前記光学素子は、前記実施の形態２と同一構成であってもよい。さらに前記光学素子は、前記実施の形態３のものと同一構成であってもよく、この場合、レーザ光源特有のスペックルノイズを除去できる効果も得られる。
【０１４１】
（実施の形態６）
図９は、本発明の実施の形態６によるレーザ光源を説明する図であり、図９（ａ）は斜視図であり、図９（ｂ）は側面図である。
【０１４２】
この実施の形態６のレーザ光源１６０は、半導体レーザ６１と、該半導体レーザ６１から出射されたレーザ光の広がり角度を変化させる平凹レンズのシリンドリカルレンズ６２と、該レンズ６２を透過したレーザ光を、均一化した光強度分布を有する出射光に変換する光学素子６０とを有している。ここで、半導体レーザ６１は前記実施の形態４の半導体レーザ４１と同一のものである。また、光学素子６０は、前記実施の形態１の光学素子１０と同一のものであり、導波管高さ方向に重ねて配置した第１〜第３の導波管１１〜１３と、これらの導波管を直列に光学的に結合する第１，第２の光路結合部２１，２２とを有している。また、シリンドリカルレンズ６２は、その光出射端面が第１の導波管１１の光入射端面に密着するよう配置されており、その光入射端面が、導波管の幅方向（図中のＹ方向）に垂直な面内で凹状に湾曲した凹面形状となっている。従って、このシリンドリカルレンズ６２では、半導体レーザ６１からのレーザ光は、導波管の幅方向（図中のＹ方向）に垂直な面内における広がり角（以下、Ｘ方向広がり角ともいう。）が拡大されて出力される。
【０１４３】
次に作用効果について説明する。
本実施の形態６のレーザ光源１６０は、半導体レーザ６１と光学素子６０との間の光路上にシリンドリカルレンズ６２を配置しており、これにより、入射光の断面光強度分布を均一化する光学素子における光路長を短くすることができ、また光学素子６０からの出射光のアスペクト比を任意に選択できるものである。以下、これら点について説明する。
【０１４４】
前述したように、一般的な半導体レーザでは、出射光のアスペクト比および広がり角が異なる。従って、広がり角の大きい方向に対して断面強度分布を均一化するために必要な導波距離が短く、広がり角の小さい方向に対してはその距離を長くとる必要がある。ここで例えば、凹面を有するシリンドリカルレンズを半導体レーザと光学素子との間の光路上に配置することにより、光学素子におけるトータル光路長を非常に短くして出射光の断面光強度分布を均一化することができる。
【０１４５】
つまり、半導体レーザ６１から出射されたレーザ光Ｌ１はシリンドリカルレンズ６２により、Ｙ方向に垂直な面内での広がり角のみが拡大される。従って、半導体レーザ６１からの出射光が本来有している楕円形状の短軸側の広がり角のみを拡大して、任意のビームアスペクト比（Ｘ方向ビーム広がり角とＹ方向ビーム広がり角の比）を実現することができる。
【０１４６】
また、凹面を有するシリンドリカルレンズ６２によってビーム拡大をするため、光学素子６０への入射光の広がり角が大きくなり、このため、出射光の断面光強度分布の均一化に必要な光学素子６０のトータルの光路長を短くすることができる。
【０１４７】
従って、例えば、導波管断面形状を任意のアスペクト比を有する矩形に設計した場合にも、該導波管断面形状のアスペクト比に応じてシリンドリカルレンズ６２の曲率を選択するようにすれば、効率よく短い光路長で出射光断面強度分布を均一化できる、任意のビームアスペクト比を有するレーザ光源を達成できる。
【０１４８】
以上のように、本実施の形態６のレーザ光源１６０では、半導体レーザ６１と光学素子６０との間の光路上に、シリンドリカルレンズ６２を配置したので、該シリンドリカルレンズ６２により、光学素子に入射するレーザ光のビームアスペクト比を任意の比にすることが可能となる。例えば、半導体レーザから出射された楕円形状のビーム光を円形に整形して、扱いやすいビームを出射するレーザ光源１６０を得ることができる。
【０１４９】
また、各導波管の断面形状を任意のアスペクト比を有する矩形に設計した場合にも、前記シリンドリカルレンズの曲率を選択して、効率よく短い光路長で出射光断面強度分布を均一化できるため、前記光学素子の形状設計が自由になるという効果もある。
【０１５０】
なお、本実施の形態６では、レーザ光源は、半導体レーザ６１と光学素子６０との間の光路上に、シリンドリカルレンズ６２を配置したものであるが、該シリンドリカルレンズを配置する代わりに、光学素子６０の光入射端面が曲率を持つよう、導波管の端面を加工してもよく、この場合も同様の効果が得られる。
【０１５１】
さらに、本実施の形態６では、入射レーザ光の断面光強度分布を均一化する光学素子は前記実施の形態１と同一のものとしているが、前記光学素子は前記実施の形態２と同一ものでもよい。さらに前記光学素子は前記実施の形態３のものと同一のものであってもよく、この場合、該レーザ光源から出射される光から、レーザ光源特有のスペックルノイズを除去できる効果も得られる。
【０１５２】
また、本実施の形態６では、シリンドリカルレンズが平凹面形状を有する場合を例に挙げて説明したが、シリンドリカルレンズが平凸面形状を有するものであってもよい。この場合、そのシリンドリカルレンズに入射される光は、楕円形状の一方軸の広がり角を縮小して、任意の出射光アスペクト比を有するレーザ光源が達成できるため、前記光学素子の形状設計が自由になるという効果が得られる。
【０１５３】
（実施の形態７）
図１０は、本発明の実施の形態７による照明装置２００を説明する図である。
この実施の形態７の照明装置２００は、レーザ光Ｌ２を出射するレーザ光源１７０と、空間光変調デバイスである液晶パネル７２と、前記レーザ光源からの出射光Ｌ２を前記液晶パネル７２に照射する集光レンズ７１とを備えている。なお、Ｌ３は液晶パネル７１を透過した後のレーザ光である。ここで、前記レーザ光源１７０は、図７に示す前記実施の形態４のレーザ光源１４０と同一のものである。
【０１５４】
この実施の形態７のレーザ光源１７０では、前記実施の形態４で述べたように、半導体レーザ４１から光学素子４０に入射されたレーザ光Ｌ１が、光学素子４０を伝搬する間に断面光強度分布が均一化され、レーザ光源１７０からは、断面光強度分布が均一化された出射光Ｌ２が出力される。さらに、レーザ光源１７０から出射されたレーザ光Ｌ２は、レンズ７１により液晶パネル７２に拡大投影される。このとき、例えば、光学素子４０の出射端面の形状を液晶パネル７２の形状と相似形にすることにより、出射光Ｌ２の光量をほとんど損失することなく有効に液晶パネル７２に照射することが可能となる。液晶パネル７２に照射された出射光Ｌ２は、例えば液晶パネル７２に２次元画像信号を与えることにより、任意の強度分布を有する、すなわち２次元画像として表示されるレーザ光Ｌ３に変調される。
【０１５５】
このような実施の形態７の照明装置２００を用いることにより、例えば、背面投射型ディスプレイや、ヘッドマウントディスプレイのように、大小各種ディスプレイを実現することができる。また、空間光変調デバイス７２を透過したレーザ光Ｌ３を、適当な投影光学系を用いて例えばスクリーンに拡大投影することも可能である。
【０１５６】
（実施の形態８）
図１１は、本発明の実施の形態８による２次元画像形成装置を説明する図である。
この実施の形態８の２次元画像形成装置３００は、照明光学系を構成する照明装置２７０と、該照明装置２７０から出力された、変調されたレーザ光を拡大投影する投影レンズ８１と、該投影レンズ８１からの投影光を受けて２次元画像を表示するスクリーン８２とを備えている。ここで、前記照明装置２７０は、前記実施の形態７の照明装置２００の構成を有している。
【０１５７】
このような２次元画像形成装置３００では、前述したように、レーザ光源１７０からの出射光Ｌ２がレンズ７１にて集光され、空間光変調デバイスである液晶パネル７２に均一光強度分布で照明される。液晶パネル７２に照射されたレーザ光は、前記液晶パネル７２で任意の強度分布を持つレーザ光Ｌ３に変調され、投影レンズ８１によりスクリーン８２上に拡大投影される。
【０１５８】
このように本実施の形態８の２次元画像形成装置３００では、レーザ光源１７０を構成する光学素子４０を、立体的に重ねて配置した複数の導波管と、これらの導波管を直列に光学的に接続する光路結合部とを有するものとしたので、入射されたレーザ光を均一な断面光強度分布を有する出射光に変換でき、且つ光伝搬方向の寸法が小さい光学素子を得ることができ、これにより、小型で１００インチサイズクラスの投影が可能な、例えばレーザプロジェクタのような拡大投影２次元画像形成装置を実現できる。
【０１５９】
なお、前記実施の形態７及び８では、前記レーザ光源は、図７に示す前記実施の形態４のレーザ光源１４０と同一のものであるが、このレーザ光源は、図８に示す前記実施の形態５のレーザ光源１５０、あるいは図９に示す前記実施の形態６のレーザ光源１６０と同一のものでもよい。
【０１６０】
また、前記実施の形態７及び８では、前記レーザ光源を構成する光学素子は、前記実施の形態１のものと同一であるが、このレーザ光源を構成する光学素子は、図４（ａ），図４（ｂ），図４（ｃ），図４（ｄ），図５，あるいは図６のいずれかに示すものと同一のものであってもよい。
【０１６１】
また、前記実施の形態８では、２次元画像形成装置３００は単一のレーザ光源を有するものであるが、２次元画像形成装置は、赤、青、緑の各色に対応するレーザ光源を有するものであってもよい。この場合、例えば、各色に対応するレーザ光源は、これを構成する半導体レーザの波長を、赤、青、緑の各色に対応する波長に選び、それぞれのレーザ光源を構成する光学素子を、前記実施の形態１ないし３で示した光学素子と同様、立体的に重ねて配置した複数の導波管と、これらの導波管を直列に光学的に接続する光路結合部とを有する構成とすることにより、小型で、且つ出射光の断面光強度分布が均一化されたレーザ光源を有するフルカラーの２次元画像形成装置を実現することができる。
【０１６２】
また、前記実施の形態７あるいは８で説明した照明装置は、レーザ光源を構成する半導体レーザとして、紫外光波長域の半導体レーザを用いることにより、高出力かつ均一照明が必要な半導体露光装置等への応用も可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１６３】
本発明は、均一な光強度分布を有するレーザ光を得るコンパクトな光学素子、または半導体レーザと前記光学素子を一体化した、出射光の断面光強度分布を均一化したレーザ光源を実現したものであり、高出力照明やレーザアシスト加工などに適用可能であり、また、テレビ受像機、映像プロジェクタなどの画像表示装置や、半導体露光装置などの画像形成装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１による光学素子を説明する斜視図（図（ａ））、及び断面図（図（ｂ））である。
【図２】図２は、単純なロッド状の導波管を伝搬する半導体レーザ光の伝搬光路を幾何学的に示す図である。
【図３】図３は、前記実施の形態１の光学素子の機能を説明する図であり、レーザ光の自由空間での光強度分布の変化（図（ａ））と対比させて、導波管内でのレーザ光の光強度分布の均一化（図（ｂ），図（ｃ））を示す図である。
【図４】図４は、前記実施の形態１による光学素子の、導波管の他の組み合わせ例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２の光学素子の光路結合部を導波管で構成した場合の断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態３による光学素子を説明する斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態４によるレーザ光源を説明する斜視図（図（ａ））及び断面図（図（ｂ））である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態５によるレーザ光源を説明する側面図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態６によるレーザ光源を説明する斜視図（図（ａ））及び断面図（図（ｂ））である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態７による照明装置を説明する図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態８による２次元画像形成装置を説明する図である。
【符号の説明】
【０１６５】
３  反射膜
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１５，３０，４０，５０，６０  光学素子
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１６，１７，１８，３１，３２，３３，Ｗｇ  導波管
２１，２２  光路結合部
１６ａ，１７ａ，１７ｂ，１８ｂ  傾斜面
１９ａ，１９ｂ  光通過領域
４１，５１，６１，Ｌｄ  半導体レーザ
５２  平凸レンズ
６２  シリンドリカルレンズ
７０  レンズ
７２  液晶パネル
８１  投影レンズ
８２  スクリーン
１４０，１５０，１６０，１７０  レーザ光源
２００，２７０  照明装置
３００  ２次元画像形成装置
Ｌ１，Ｌ１ａ，Ｌ２，Ｌ２ａ，Ｌ３  レーザ光
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005057271.tif 000013
【図２】
2005057271.tif 000014
【図３】
2005057271.tif 000015
【図４】
2005057271.tif 000016
【図５】
2005057271.tif 000017
【図６】
2005057271.tif 000018
【図７】
2005057271.tif 000019
【図８】
2005057271.tif 000020
【図９】
2005057271.tif 000021
【図１０】
2005057271.tif 000022
【図１１】
2005057271.tif 000023
【国際調査報告】
2005057271.tif 000024
2005057271.tif 000025
2005057271.tif 000026
2005057271.tif 000027