レーザー光学素子とそれを用いた画像投影装置
【課題】波長の異なる複数のレーザー光を色合成して射出する小型のレーザー光学素子と、それを備えたレーザー走査方式の画像投影装置を提供する。
【解決手段】レーザー光学素子Ｐ１は、互いに異なる波長のレーザー光を射出する第１，第２レーザー光源１１，１２と、レーザー光源１１，１２から射出したレーザー光Ｌ１，Ｌ２をいずれも平行光又は略平行光とするコリメートレンズ２と、レーザー光源１１，１２から射出したレーザー光Ｌ１，Ｌ２のうち、第１波長のレーザー光Ｌ１に作用し、第２波長のレーザー光Ｌ２に作用しないことにより、第１波長のレーザー光Ｌ１と第２波長のレーザー光Ｌ２とを同一方向に射出する回折格子ＤＧと、を有する。回折格子ＤＧはコリメートレンズ２の射出面に設けられている。
【解決手段】レーザー光学素子Ｐ１は、互いに異なる波長のレーザー光を射出する第１，第２レーザー光源１１，１２と、レーザー光源１１，１２から射出したレーザー光Ｌ１，Ｌ２をいずれも平行光又は略平行光とするコリメートレンズ２と、レーザー光源１１，１２から射出したレーザー光Ｌ１，Ｌ２のうち、第１波長のレーザー光Ｌ１に作用し、第２波長のレーザー光Ｌ２に作用しないことにより、第１波長のレーザー光Ｌ１と第２波長のレーザー光Ｌ２とを同一方向に射出する回折格子ＤＧと、を有する。回折格子ＤＧはコリメートレンズ２の射出面に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザー光学素子とそれを用いた画像投影装置に関するものであり、例えば、複数波長のレーザー光を光路合成して射出する超小型のレーザー光学素子と、それを用いて得られるレーザー光をミラーで２次元的に偏向走査してスクリーン面に画像を投影するレーザー走査方式の画像投影装置（例えば、レーザープロジェクタ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型の画像投影装置として、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)，液晶素子等の光変調素子を用いたプロジェクタが従来より知られている。しかし、光変調素子で表示される画像を拡大投影する方式(いわゆるマイクロディスプレイ方式)では、装置の小型化に限界がある。２次元の画像を投影しようとすれば、照明光学系や投影光学系の大型化を避けることが難しいからである。
【０００３】
また、レーザープロジェクタ等のレーザー走査型画像投影装置も、小型の画像投影装置として従来より知られている。例えば、レーザープロジェクタに採用されているレーザー走査方式の場合、レーザー光を互いに直交する第１，第２走査方向に偏向させ、スクリーン面上をビームスポットで２次元的に走査することにより、２次元の画像形成が行われる。レーザー光の偏向にはＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラー等の小さな偏向反射ミラーが用いられ、また、偏向走査に追随してレーザー光の輝度変調が行われる。
【０００４】
上記レーザー走査型画像投影装置には様々な特長がある。例えば、偏向用の反射ミラーがデジタル・マイクロミラー・デバイス等の光変調素子と比較して小さいこと、光源がレーザー光源であり、レーザー光を偏向反射ミラーに照射するだけなので、そのための入射光学系を小さくできること、スクリーン面上をビームスポットで走査するだけなので、光変調素子の２次元画像を投影する投影光学系と比較すると走査レンズ系を小さくできたり、あるいは走査レンズ系を不要にできたりすること等である。したがって、このレーザー走査方式を採用すると装置の小型化が可能である。
【０００５】
上記レーザー走査方式を採用した画像投影装置において、複数波長のレーザー光を１つの偏向反射ミラーに入射させるには、複数波長のレーザー光を光路合成すること（つまり色合成）が必要となる。色合成用の光学素子としては、回折格子，ダイクロイックプリズム，ダイクロイックミラー等が従来より知られている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２９４２７９号公報
【特許文献２】特開２００２−１５４４８号公報
【特許文献３】特表２００９−５３３７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１記載の色合成では回折作用を利用しており、特許文献２記載の色合成では偏光による回折作用の切り替えを利用しており、特許文献３記載の色合成ではダイクロイックミラーの波長選択性を利用している。しかし、いずれの構成も色合成に大きなスペースが必要であり、画像投影装置の小型化には不利な構成となっている。
【０００８】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、波長の異なる複数のレーザー光を色合成して射出する小型のレーザー光学素子と、それを備えたレーザー走査方式の画像投影装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、第１の発明のレーザー光学素子は、互いに異なる波長のレーザー光を射出する複数のレーザー光源と、前記複数のレーザー光源から射出したレーザー光をいずれも平行光又は略平行光とするコリメートレンズと、前記複数のレーザー光源から射出したレーザー光のうち、第１波長のレーザー光に作用し、第２波長のレーザー光に作用しないことにより、第１波長のレーザー光と第２波長のレーザー光とを同一方向に射出する回折格子と、を有し、前記回折格子が前記コリメートレンズの射出面に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
第２の発明のレーザー光学素子は、上記第１の発明において、第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
０．８＜（ｄ・ΔＴ）／（Ｍ・λ・ｆ）＜１．２ …（１）
ただし、
ｄ：コリメートレンズの光軸上での格子ピッチ、
ΔＴ：第２レーザー光源から第１レーザー光源までのシフト量、
Ｍ：回折次数、
λ：第１波長、
ｆ：コリメートレンズの焦点距離、
である。
【００１１】
第３の発明のレーザー光学素子は、上記第１又は第２の発明において、前記複数のレーザー光源が同一基板に形成された半導体レーザーチップであることを特徴とする。
【００１２】
第４の発明のレーザー光学素子は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、第１レーザー光源と第２レーザー光源の並び方向について、前記回折格子が周辺ほど細かい格子ピッチを有することを特徴とする。
【００１３】
第５の発明のレーザー光学素子は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、第１レーザー光源が青色発光のレーザー光源であり、第２レーザー光源が緑色発光のレーザー光源であることを特徴とする。
【００１４】
第６の発明のレーザー走査方式の画像投影装置は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明に係るレーザー光学素子と、前記レーザー光を互いに直交する２方向に偏向させる偏向装置と、を備え、前記レーザー光学素子から射出して前記偏向装置で２次元的に偏向走査されたレーザー光でスクリーン面への画像投影を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、回折格子がコリメートレンズの射出面に設けられた構成になっているため、レーザー光学素子の小型化を達成しながら、波長の異なる複数のレーザー光の色合成が可能である。そして、本発明に係るレーザー光学素子を用いることにより、高品質の画像が得られる小型の画像投影装置を実現することができる。
【００１６】
条件式（１）を満たすことにより、色合成を良好に行って、色ズレのない高品質の画像を投影することが可能となる。レーザー光源として、同一基板に形成された複数の半導体レーザーチップを用いることにより、レーザー光学素子の小型化を効果的に達成することが可能となり、また、青色発光と緑色発光のレーザー光源であれば、同一材料の基板での作製が可能となる。第１レーザー光源と第２レーザー光源の並び方向について、回折格子の格子ピッチを周辺ほど細かくすると、コマ収差補正を効果的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】画像投影装置の実施の形態を示す模式図。
【図２】レーザー光学素子の実施の形態における色合成を説明するための模式図。
【図３】回折格子を持たないレーザー光学素子の光路図。
【図４】レーザー光学素子の実施の形態における回折格子の配置の影響を説明するための模式図。
【図５】レーザー光学素子の実施の形態におけるコマ収差補正を説明するための模式図。
【図６】コマ収差補正機能を持たせる前後の回折格子を示す模式図。
【図７】レーザー光学素子の実施例の光路図。
【図８】レーザー光学素子の実施例及び比較例に用いられている回折格子の位相分布図。
【図９】実施例及び比較例のレンズ上下方向のピッチを示すグラフ。
【図１０】レーザー光学素子の実施例及び比較例のスポットダイアグラム。
【図１１】一般的なレーザープロジェクタの概略構成例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係るレーザー光学素子及び画像投影装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【００１９】
本発明に係る画像投影装置は、レーザー光の２次元的な偏向走査によりスクリーン面に画像を投影するレーザー走査方式の画像投影装置である。その概略構成を図１に示す。レーザープロジェクタ（画像投影装置）ＰＪは、レーザー光学素子Ｐ１と、そのレーザー光学素子Ｐ１から射出したレーザー光Ｌ１，Ｌ２を互いに直交する第１走査方向と第２走査方向とに偏向させるＭＥＭＳスキャナ（偏向装置）Ｐ２と、で構成されており、ＭＥＭＳスキャナＰ２によるレーザー光の２次元的な偏向走査により、スクリーン面（被走査面）ＳＣに２次元画像を形成する。
【００２０】
レーザー光学素子Ｐ１は、光源装置１，コリメートレンズ２及び回折格子ＤＧを有している。光源装置１は、互いに異なる波長のレーザー光Ｌ１，Ｌ２を射出する第１レーザー光源１１及び第２レーザー光源１２を有しており、コリメートレンズ２は、第１，第２レーザー光源１１，１２から射出したレーザー光Ｌ１，Ｌ２をいずれも平行光又は略平行光とする。回折格子ＤＧは、コリメートレンズ２の射出面に設けられており、第１，第２レーザー光源１１，１２から射出したレーザー光Ｌ１，Ｌ２のうち、第１波長のレーザー光Ｌ１に作用し、第２波長のレーザー光Ｌ２に作用しないことにより、第１波長のレーザー光Ｌ１と第２波長のレーザー光Ｌ２とを同一方向に射出する。その結果、第１，第２波長のレーザー光Ｌ１，Ｌ２が同一方向に光路合成（つまり色合成）される。色合成されたレーザー光Ｌ１，Ｌ２は、ＭＥＭＳスキャナＰ２に内蔵されているＭＥＭＳミラー（偏向反射ミラー）ＭＲでの反射により偏向される。
【００２１】
したがって、色合成用のダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーを用いなくても、コリメートレンズ２の射出面に設けられている回折格子ＤＧによって、波長の異なる２本のレーザー光Ｌ１，Ｌ２の色合成を小型のレーザー光学素子Ｐ１で行うことができる。そして、上記レーザー光学素子Ｐ１を用いることにより、高品質の画像が得られる画像投影装置ＰＪの小型化を達成することができる。
【００２２】
第１波長及び第２波長とは異なる第３波長のレーザー光を射出する第３レーザー光源を、光源装置１に更に設けてもよい。その場合、第２波長のレーザー光Ｌ２（例えば、緑色レーザー光）には作用せず、第１波長のレーザー光Ｌ１（例えば、赤色レーザー光）には例えば２次の回折で作用し、第３波長のレーザー光（例えば、青色レーザー光）には例えば３次の回折で作用するように、格子構造を重畳させた回折格子ＤＧをコリメートレンズ２の射出面に設ければよい。このように、異なる次数Ｍの回折と波長λとを組み合わせた設計にすることにより、コリメートレンズ２から３本以上のレーザー光を同一方向に射出させる、３波長以上の色合成が可能となる。また、回折格子ＤＧが作用しない高さは、後述するレベル数ｐでも変化するため、最適なレベル数ｐと回折次数Ｍと波長λとの組み合わせを考えた設計にすることが好ましい。
【００２３】
上述したレーザー光学素子Ｐ１の色合成機能，コンパクト性，収差性能等を更に詳しく説明する。図１１に、従来より知られている一般的なレーザー走査型画像投影装置ＰＪの概略構成例を示す。図１１（Ａ）に示す画像投影装置ＰＪは、レーザー光源５Ｒ，５Ｇ，５Ｂから射出したＲＧＢのレーザー光をコリメートレンズ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂでそれぞれコリメートし、さらにダイクロイックプリズム７Ｒ，７Ｇ，７Ｂで色合成を行う構成になっている。このような構成を採用すると、少なくとも２回の色合成（つまり、少なくともダイクロイックプリズム７Ｇ，７Ｂでの色合成）が必要となる。図１１（Ｂ）に示すように、クロスダイクロイックプリズム７を用いれば、２回の色合成を１回にすることができる。しかし、その場合においても、全体を小型に保ったまま行うことは難しく、却って大きくなってしまう。例えば、レーザー光源５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ間に生じる不要なスペースが全体の大型化を招くことになる。したがって、図１１に示すような構成では、仮に非常に小さなレーザー光源が入手できたとしても、色合成部分に占める体積を大きく減らすことはできないので、究極の小型化を行うことは難しい。
【００２４】
前述した画像投影装置ＰＪ（図１）のように、複数のレーザー光Ｌ１，Ｌ２に対して１つのコリメートレンズ２を共用する構成にすれば、究極の小型化を行うことが可能である。つまり、複数のレーザー光源が同一基板に形成された半導体レーザーチップであれば、パッケージ型のレーザー光源５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ（図１１）よりも遙かに小型化が可能である。しかし、図２（Ａ）に示すように、２つのレーザー光源（つまり、赤色レーザー光源１Ｒと緑色レーザー光源１Ｇ）の前に１つのコリメートレンズ２（ここでは屈折作用のみでコリメートするレンズ）を配置すると、光軸ＡＸ上にある緑色レーザー光源１Ｇからのレーザー光ＬＧは光軸ＡＸに対し平行にコリメートされるが、光軸ＡＸ外にある赤色レーザー光源１Ｒからのレーザー光ＬＲは光軸ＡＸに対し斜めにコリメートされてしまう。したがって、色ズレのない光を得るには、射出方向を同一方向に揃える色合成が必要となる。
【００２５】
図１に示す画像投影装置ＰＪのように、色合成機能を有するコリメートレンズ２を用いれば、レーザー光ＬＲ，ＬＧの射出方向を揃えることが可能である。例えば、図２（Ｂ）に示すように、赤色レーザー光ＬＲのみに作用し緑色レーザー光ＬＧには作用しない回折格子ＤＧを、コリメートレンズ２の射出面に配置すれば、赤色レーザー光ＬＲと緑色レーザー光ＬＧを同一方向に射出させることができる。
【００２６】
回折格子ＤＧは、赤色レーザー光ＬＲ（射出角度θ）が光軸ＡＸに対して平行になるように作用するものであり、Ｍ次回折光の場合は、式：ｄ・ｓｉｎθ＝Ｍ・λで計算されるピッチｄの１次元回折格子である（λ：波長）。図２（Ｃ）に、ピッチｄの１次元回折格子ＤＧを模式的に示す。高い回折効率を得るためには、回折格子ＤＧは位相型の回折格子であることが好ましく、ブレーズ型や複数レベル（４レベル以上）のバイナリ型の回折格子が更に好ましい。
【００２７】
回折格子ＤＧで色合成を行うには、緑色レーザー光ＬＧには作用せずに赤色レーザー光ＬＲに作用する回折格子ＤＧが必要となる。そのためには、回折格子ＤＧの高さ（言い換えれば、溝深さ）の選択が必要である。バイナリ構造のレベル数をｐとすると、１次回折効率が最大となる回折格子ＤＧの高さＬｔは、式：Ｌｔ＝（（ｐ−１）／ｐ）・（λ／（ｎ−１））で表される（ｎ：屈折率）。例えば、レベル数ｐ＝２の場合、Ｌｔ／λ＝１／２（ｎ−１）で１次回折効率が最大となり、Ｌｔ／λ＝１／（ｎ−１）で１次回折効率が最小（ゼロ）となる。したがって、屈折率を１．５としたとき、赤色の波長を６４０ｎｍ、緑色の波長を５３０ｎｍで、赤色に作用させて緑色に作用させないためには、緑色の２波長に相当する位相段差を与える必要がある。
【００２８】
仮にコリメートレンズ２の屈折率ｎを１．５とした場合、１次回折で緑色レーザー光ＬＧに作用しない回折格子ＤＧの高さは、０．５３／（１．５−１）＝１．０６μｍとなる。したがって、回折格子ＤＧは緑色レーザー光ＬＧには作用しないが、赤色レーザー光ＬＲには作用する。つまり、１．０６μｍの段差が１．６６波長となるので、赤色レーザー光ＬＲは回折される。レーザー光の色を変えて青色と緑色にした場合、緑色レーザー光ＬＧは上記と同じなので回折されないが、青色（波長４４５ｎｍ）のレーザー光は１．０６μｍの段差が２．３８波長となるので回折される。上記の設定ではレベル数ｐ＝２の場合であるが、他のレベル数ｐでも同様にして設定することができる。つまり、緑色レーザー光ＬＧには作用せずに赤色レーザー光ＬＲ又は青色レーザー光に作用するように、回折格子ＤＧを設定することが可能である。また、上記は１次回折の場合の例であるが、回折格子ＤＧの高さを２倍の２．１２μｍにした場合には、２次回折光が緑色レーザー光ＬＧに作用しない場合をつくることができる。その場合は、青色レーザー光は３次の回折光の影響が強く、赤色レーザー光は２次の回折光が多く出ることになる。
【００２９】
上記のように回折格子ＤＧを設定することによって、波長選択的なレーザー光の回折が可能となる。その回折作用により、緑色レーザー光ＬＧと赤色レーザー光ＬＲ（又は青色レーザー光）とを同一方向に射出するには、所定の条件を満たした回折格子ＤＧを用いることが望ましい。回折格子ＤＧが作用するレーザー光（例えば、赤色レーザー光ＬＲ又は青色レーザー光）を第１波長のレーザー光とし、回折格子ＤＧが作用しないレーザー光（例えば、緑色レーザー光ＬＧ）を第２波長のレーザー光とし、第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
０．８＜（ｄ・ΔＴ）／（Ｍ・λ・ｆ）＜１．２ …（１）
ただし、
ｄ：コリメートレンズの光軸上での格子ピッチ、
ΔＴ：第２レーザー光源から第１レーザー光源までのシフト量、
Ｍ：回折次数、
λ：第１波長、
ｆ：コリメートレンズの焦点距離、
である。
【００３０】
回折の条件式：ｄ・ｓｉｎθ＝Ｍ・λを考えると、回折角度θは式：ｓｉｎθ≒ｔａｎθ＝ΔＴ／ｆで表される。したがって、回折格子ＤＧの格子ピッチｄは、式：ｄ≒（Ｍ・λ・ｆ）／ΔＴ近辺であることが好ましい。具体的には、（０．８Ｍ・λ・ｆ）／ΔＴ＜ｄ＜（１．２・Ｍ・λ・ｆ）／ΔＴを満足すること、つまり条件式（１）を満足することが、第１波長のレーザー光と第２波長のレーザー光を同一方向に射出する上で好ましい。条件式（１）の上限又は下限を越えると、それぞれ回折格子による同一方向への射出度合いが崩れてしまう。例えば、条件式（１）の上限を越えると回折の影響が小さくなりすぎてしまい、条件式（１）の下限を越えると回折の影響が大きくなりすぎてしまう。結果として、スクリーン上での色合成がうまくいかず、色ズレの発生となり、良好な映像を得ることが困難になる。色ズレが無いようにするには、少なくとも１ドットのズレが生じないようにするのが好ましい。
【００３１】
回折格子ＤＧが作用するレーザー光を第１波長のレーザー光とし、回折格子ＤＧが作用しないレーザー光を第２波長のレーザー光とし、第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、第１レーザー光源が青色発光のレーザー光源であり、第２レーザー光源が緑色発光のレーザー光源であることが望ましい。青色レーザー光源と緑色レーザー光源は、同一材料（例えば、ガリウムナイトライド）の基板からの作製が可能であるため、青色レーザー光源と緑色レーザー光源を同一チップで同時に作製できるというメリットがある。
【００３２】
図３は、回折格子ＤＧが設けられていないコリメートレンズ２の光路図である（Ｚ方向：光軸ＡＸに対して平行方向、Ｙ方向：光軸ＡＸに対して垂直方向）。緑色レーザー光源１Ｇは光軸ＡＸ上にあり、青色レーザー光源１Ｂは光軸ＡＸからＹ方向に外れた位置にある。回折格子ＤＧが無いので、青色レーザー光ＬＢは下側（Ｙ方向に沿って緑色レーザー光源１Ｇ側）の斜め方向に射出される。青色レーザー光源１Ｂの光軸ＡＸからのズレ量をΔＴをすると、青色レーザー光ＬＢのうちコリメートレンズ２の中心の光（主光線に相当する。）の射出角度θは、ΔＴ＝ｆ・ｔａｎθで表される。例えば、ｆ＝１ｍｍ、ΔＴ＝０．１ｍｍのときの射出角度θは５．７度となる。したがって、回折次数Ｍ＝１次を用いる場合は、ｄ・ｓｉｎθ＝Ｍ・λであり、Ｍ＝１なので、０．４４５μｍの波長だとｄ＝４．４７μｍのピッチの回折格子ＤＧが必要となる。
【００３３】
コリメートレンズ２と回折格子ＤＧとを一体化することは、レーザー光学素子Ｐ１を小型化する上で好ましいが、回折格子ＤＧが配置されるレンズ面の選択も重要である。コリメートレンズ２の入射面と射出面のいずれに回折格子ＤＧを配置するかによって、回折格子ＤＧに対するレーザー光の入射角度が異なってくるからである。図４（Ａ）はコリメートレンズ２の入射面に回折格子ＤＧを設けたときの光路を示しており、図４（Ｂ）はコリメートレンズ２の射出面に回折格子ＤＧを設けたときの光路を示している。図４の（Ａ）と（Ｂ）を比較すると分かるように、コリメートレンズ２の射出面に回折格子ＤＧを設けると、コリメートレンズ２の入射面に回折格子ＤＧを設けた場合よりも回折角度θを小さくすることができるため、波長変動等に有利になる。
【００３４】
コリメートレンズ２の光軸ＡＸ外にレーザー光源が位置すると、軸外収差が発生する。つまり、図５（Ａ）に示すように、２つのレーザー光源（青色レーザー光源１Ｂと緑色レーザー光源１Ｇ）の前に１つのコリメートレンズ２を配置すると、コリメートレンズ２の軸外を用いることになるので、軸外収差が発生する。なかでもコマ収差の影響が大きいので、コマ収差を低減することが好ましい。緑色レーザー光ＬＧは軸上光であるため、光軸ＡＸに対して平行な平行光束として射出するが、軸外にシフトしている青色レーザー光源１Ｂからの青色レーザー光ＬＢに関してはコマ収差が発生してしまう。したがって、図５（Ｂ）に示すように、回折格子ＤＧで主光線が光軸ＡＸに対して平行になるようにしても、周辺光線はシフト方向（図５中の上方向：緑色レーザー光源１Ｇを基準として青色レーザー光源１Ｂが位置する方向）とは逆方向（図５中の下方向）に射出するため、シフト方向とは逆方向に尾を引くコマ収差が発生してしまう。
【００３５】
コマ収差を補正するには、図５（Ｂ）中の白抜き矢印で示すように、青色レーザー光源１Ｂの周辺光線をシフト方向（図５中の上方向）に偏向させればよい。例えば、回折格子ＤＧの格子ピッチｄを上側と下側の周辺光線に対して少しだけ変化させればよい。そうすると、図５（Ｃ）に示すように、青色レーザー光ＬＢがコマ収差無く光軸ＡＸに対して平行な平行光束として射出するように、青色レーザー光源１Ｂの周辺光線を偏向させることが可能である。
【００３６】
図６（Ａ）に等間隔のピッチを有する回折格子ＤＧを示し、図６（Ｂ）にコマ収差補正に対応するように間隔が変化したピッチを有する回折格子ＤＧを示す。レンズ上下方向（緑色レーザー光源１Ｇと青色レーザー光源１Ｂの配列方向）に関し、青色レーザー光源１Ｂ側でピッチが最大となる位置ｄｍａｘがあり、その位置ｄｍａｘからレンズ上下方向に離れるほどピッチが細かくなっている。上側のピッチ間隔と下側のピッチ間隔とでは異なっており、最上端でのピッチｄ’よりも最下端でのピッチｄ”の方が細かくなっている。
【００３７】
上記のように、コリメートレンズ２の光軸ＡＸに関して非対称にピッチが変化する回折格子ＤＧを用いることにより、青色レーザー光ＬＢのコマ収差を補正することができる。したがって、回折格子ＤＧが作用するレーザー光（例えば、青色レーザー光ＬＢ又は赤色レーザー光）を第１波長のレーザー光とし、回折格子ＤＧが作用しないレーザー光（例えば、緑色レーザー光ＬＧ）を第２波長のレーザー光とし、第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、第１レーザー光源と第２レーザー光源の並び方向について、回折格子ＤＧが周辺ほど細かい格子ピッチを有することが好ましく、その構成を採用することによってコマ収差を容易に補正することが可能となる。また、コマ収差の尾を引く方向（シフト方向とは逆方向）のピッチが細かくなるように、光軸ＡＸに関して非対称にピッチが変化する回折格子ＤＧを用いることが好ましい。
【００３８】
コリメートレンズ２は両凸形状を有することが好ましい。回折格子ＤＧが作用しないレーザー光に関してはコリメートのための収差補正が必要なので、平凸形状に比べて収差補正の自由度が高い両凸形状が好ましい。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明を実施したレーザー光学素子Ｐ１及び画像投影装置ＰＪの光学構成等を、実施例のコンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例は、前述した実施の形態（図５（Ｃ）等）に対応する数値実施例である。図７（Ａ）に実施例の光路図を示し、図７（Ｂ）にその要部を拡大して示す。実施例のコンストラクションデータでは、面データとして、左側の欄から順に、面番号ｉ，曲率半径ｒ（ｍｍ），軸上での面間隔ｄ（ｍｍ），ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に関する屈折率ｎｄを示す。
【００４０】
コリメートレンズ２の射出面（ｉ＝３）は非球面であり、その面形状は面頂点を原点とする直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いた以下の式（ＡＳ）で定義される。非球面データとして円錐定数を示す（表記の無い項の係数は０である。）。
Ｚ＝（ｃ・ｈ2）／［１＋√{１−（１＋Ｋ）・ｃ2・ｈ2}］＋Σ（Ａｊ・ｈj） …（ＡＳ）
ただし、
ｈ：Ｚ軸（光軸ＡＸ）に対して垂直な方向の高さ（ｈ2＝Ｘ2＋Ｙ2）、
ｚ：高さｈの位置での光軸ＡＸ方向のサグ量（面頂点基準）、
ｃ：面頂点での曲率（曲率半径ｒの逆数）、
Ｋ：円錐定数、
Ａｊ：ｊ次の非球面係数、
である。
【００４１】
また、コリメートレンズ２の射出面（ｉ＝３）には回折格子ＤＧが設けられており、その回折格子構造は直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いた以下の式（ＤＳ）で定義される。回折面データとして回折次数及び位相係数を示す。
Φ＝Ｍ・ΣΣＡｍｎ・Ｘm・Ｙn …（ＤＳ）
ただし、
Φ：位相差（Ｚ軸方向）、
Ｍ：回折次数、
Ａｍｎ：位相係数（ラジアン）、
である。
【００４２】
各種データとして、全系の焦点距離ｆ（ｍｍ）、物体側の開口数（ＮＡ）、青色レーザー光ＬＢの波長（ｎｍ）、緑色レーザー光ＬＧの波長（ｎｍ）、青色レーザー光源１Ｂの位置（ｍｍ；Ｙ方向），緑色レーザー光源１Ｇの位置（ｍｍ；Ｙ方向）、条件式（１）の対応値及びその関連データを示す。
【００４３】
図８（Ａ）に実施例の回折格子ＤＧ（ｉ＝３）の位相分布を示し、図８（Ｂ）に回折格子ＤＧを等間隔ピッチとした場合の位相分布を示す。線の間隔は１位相（２π）であり、図８（Ａ）に示すように、実施例の回折格子ＤＧの位相分布では上側の間隔と下側の間隔とが異なっている。実施例の回折格子ＤＧを、図８（Ｂ）の位相分布に示す等間隔ピッチとした場合（実施例のＹの１乗以外の係数をゼロにして、均等な格子とした場合）を比較例とすると、実施例及び比較例の回折格子ＤＧのピッチは、図９のグラフに示すようになる。図９のグラフは、図８（Ａ），（Ｂ）の位相分布の中央断面の微分値をプロットしたものであり、位相分布の中心での微分値で正規化したものである（Ｅ−ｎ＝×１０-n）。図９のグラフから分かるように、レンズ上下方向（Ｙ方向）に関し、青色レーザー光源１Ｂ側でピッチが最大となる位置があり、緑色レーザー光源１Ｇ側の最下端でピッチが最も細かくなる。
【００４４】
図１０（Ａ）に実施例の光学性能をスポットダイアグラムで示し、図１０（Ｂ）に比較例の光学性能をスポットダイアグラムで示す。図１０（Ａ），（Ｂ）に示すスポットダイアグラムは、青色レーザー光ＬＢと緑色レーザー光ＬＧ（光軸ＡＸ中心の場合）のスクリーン面（焦点面）ＳＣでの結像特性（スケール：１０ｍｍ）をそれぞれ示している。図１０（Ａ）に示す実施例の場合、レーザー光ＬＢ，ＬＧのどちらも同様に小さくなっているのが分かる。それに対して、図１０（Ｂ）に示す比較例の場合、５００ｍｍ先（スクリーン面ＳＣの位置）では非常に大きな点になり映像品質が悪化してしまうのが分かる。また、青色レーザー光源１Ｂが上方向（Ｙ＋方向）にシフトしているため、コマが下方向（Ｙ−方向）に尾を引く形となっている。
【００４５】
実施例
単位：mm
面データ
i r d nd
1（レーザー面） ∞ 0.5
2（レンズ入射面） 13.48709 3.963726 1.618728
3（レンズ射出面） -1.79587 500
4（焦点面） ∞
【００４６】
第３面の非球面データ
K= -0.46487
【００４７】
第３面の回折面データ
M=2
A01=244.00213
A20=14.959611
A02=15.970044
A21=8.9849254
A03=7.7153871
A05=0.50185094
【００４８】
各種データ
青色レーザー光ＬＢの波長：４４５（ｎｍ）
緑色レーザー光ＬＧの波長：５３２（ｎｍ）
青色レーザー光源１Ｂの位置：０．１（ｍｍ）
緑色レーザー光源１Ｇの位置：０．０（ｍｍ）
ｆ＝２．８７（ｍｍ）
ＮＡ（物体側）＝０．５
条件式（１）の対応値：（ｄ・ΔＴ）／（Ｍ・λ・ｆ）＝１．００８４７
ｄ＝０．０２５７６（ｍｍ）
ΔＴ＝０．１（ｍｍ）
Ｍ＝２
λ＝０．０００４５（ｍｍ）
θ＝１．９８
ｓｉｎθ＝０．０３４５５
ｔａｎθ＝０．０３４８４
【符号の説明】
【００４９】
ＰＪ レーザープロジェクタ（画像投影装置）
Ｐ１ レーザー光学素子
１ 光源装置
１１ 第１レーザー光源
１２ 第２レーザー光源
Ｌ１ 第１波長のレーザー光
Ｌ２ 第２波長のレーザー光
１Ｒ 赤色レーザー光源
１Ｇ 緑色レーザー光源
１Ｂ 青色レーザー光源
ＬＲ 赤色レーザー光
ＬＧ 緑色レーザー光
ＬＢ 青色レーザー光
２ コリメートレンズ
Ｐ２ ＭＥＭＳスキャナ（偏向装置）
ＭＲ ＭＥＭＳミラー（偏向反射ミラー）
ＤＧ 回折格子
ＳＣ スクリーン面
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザー光学素子とそれを用いた画像投影装置に関するものであり、例えば、複数波長のレーザー光を光路合成して射出する超小型のレーザー光学素子と、それを用いて得られるレーザー光をミラーで２次元的に偏向走査してスクリーン面に画像を投影するレーザー走査方式の画像投影装置（例えば、レーザープロジェクタ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型の画像投影装置として、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)，液晶素子等の光変調素子を用いたプロジェクタが従来より知られている。しかし、光変調素子で表示される画像を拡大投影する方式(いわゆるマイクロディスプレイ方式)では、装置の小型化に限界がある。２次元の画像を投影しようとすれば、照明光学系や投影光学系の大型化を避けることが難しいからである。
【０００３】
また、レーザープロジェクタ等のレーザー走査型画像投影装置も、小型の画像投影装置として従来より知られている。例えば、レーザープロジェクタに採用されているレーザー走査方式の場合、レーザー光を互いに直交する第１，第２走査方向に偏向させ、スクリーン面上をビームスポットで２次元的に走査することにより、２次元の画像形成が行われる。レーザー光の偏向にはＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラー等の小さな偏向反射ミラーが用いられ、また、偏向走査に追随してレーザー光の輝度変調が行われる。
【０００４】
上記レーザー走査型画像投影装置には様々な特長がある。例えば、偏向用の反射ミラーがデジタル・マイクロミラー・デバイス等の光変調素子と比較して小さいこと、光源がレーザー光源であり、レーザー光を偏向反射ミラーに照射するだけなので、そのための入射光学系を小さくできること、スクリーン面上をビームスポットで走査するだけなので、光変調素子の２次元画像を投影する投影光学系と比較すると走査レンズ系を小さくできたり、あるいは走査レンズ系を不要にできたりすること等である。したがって、このレーザー走査方式を採用すると装置の小型化が可能である。
【０００５】
上記レーザー走査方式を採用した画像投影装置において、複数波長のレーザー光を１つの偏向反射ミラーに入射させるには、複数波長のレーザー光を光路合成すること（つまり色合成）が必要となる。色合成用の光学素子としては、回折格子，ダイクロイックプリズム，ダイクロイックミラー等が従来より知られている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２９４２７９号公報
【特許文献２】特開２００２−１５４４８号公報
【特許文献３】特表２００９−５３３７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１記載の色合成では回折作用を利用しており、特許文献２記載の色合成では偏光による回折作用の切り替えを利用しており、特許文献３記載の色合成ではダイクロイックミラーの波長選択性を利用している。しかし、いずれの構成も色合成に大きなスペースが必要であり、画像投影装置の小型化には不利な構成となっている。
【０００８】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、波長の異なる複数のレーザー光を色合成して射出する小型のレーザー光学素子と、それを備えたレーザー走査方式の画像投影装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、第１の発明のレーザー光学素子は、互いに異なる波長のレーザー光を射出する複数のレーザー光源と、前記複数のレーザー光源から射出したレーザー光をいずれも平行光又は略平行光とするコリメートレンズと、前記複数のレーザー光源から射出したレーザー光のうち、第１波長のレーザー光に作用し、第２波長のレーザー光に作用しないことにより、第１波長のレーザー光と第２波長のレーザー光とを同一方向に射出する回折格子と、を有し、前記回折格子が前記コリメートレンズの射出面に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
第２の発明のレーザー光学素子は、上記第１の発明において、第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
０．８＜（ｄ・ΔＴ）／（Ｍ・λ・ｆ）＜１．２ …（１）
ただし、
ｄ：コリメートレンズの光軸上での格子ピッチ、
ΔＴ：第２レーザー光源から第１レーザー光源までのシフト量、
Ｍ：回折次数、
λ：第１波長、
ｆ：コリメートレンズの焦点距離、
である。
【００１１】
第３の発明のレーザー光学素子は、上記第１又は第２の発明において、前記複数のレーザー光源が同一基板に形成された半導体レーザーチップであることを特徴とする。
【００１２】
第４の発明のレーザー光学素子は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、第１レーザー光源と第２レーザー光源の並び方向について、前記回折格子が周辺ほど細かい格子ピッチを有することを特徴とする。
【００１３】
第５の発明のレーザー光学素子は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、第１レーザー光源が青色発光のレーザー光源であり、第２レーザー光源が緑色発光のレーザー光源であることを特徴とする。
【００１４】
第６の発明のレーザー走査方式の画像投影装置は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明に係るレーザー光学素子と、前記レーザー光を互いに直交する２方向に偏向させる偏向装置と、を備え、前記レーザー光学素子から射出して前記偏向装置で２次元的に偏向走査されたレーザー光でスクリーン面への画像投影を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、回折格子がコリメートレンズの射出面に設けられた構成になっているため、レーザー光学素子の小型化を達成しながら、波長の異なる複数のレーザー光の色合成が可能である。そして、本発明に係るレーザー光学素子を用いることにより、高品質の画像が得られる小型の画像投影装置を実現することができる。
【００１６】
条件式（１）を満たすことにより、色合成を良好に行って、色ズレのない高品質の画像を投影することが可能となる。レーザー光源として、同一基板に形成された複数の半導体レーザーチップを用いることにより、レーザー光学素子の小型化を効果的に達成することが可能となり、また、青色発光と緑色発光のレーザー光源であれば、同一材料の基板での作製が可能となる。第１レーザー光源と第２レーザー光源の並び方向について、回折格子の格子ピッチを周辺ほど細かくすると、コマ収差補正を効果的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】画像投影装置の実施の形態を示す模式図。
【図２】レーザー光学素子の実施の形態における色合成を説明するための模式図。
【図３】回折格子を持たないレーザー光学素子の光路図。
【図４】レーザー光学素子の実施の形態における回折格子の配置の影響を説明するための模式図。
【図５】レーザー光学素子の実施の形態におけるコマ収差補正を説明するための模式図。
【図６】コマ収差補正機能を持たせる前後の回折格子を示す模式図。
【図７】レーザー光学素子の実施例の光路図。
【図８】レーザー光学素子の実施例及び比較例に用いられている回折格子の位相分布図。
【図９】実施例及び比較例のレンズ上下方向のピッチを示すグラフ。
【図１０】レーザー光学素子の実施例及び比較例のスポットダイアグラム。
【図１１】一般的なレーザープロジェクタの概略構成例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係るレーザー光学素子及び画像投影装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【００１９】
本発明に係る画像投影装置は、レーザー光の２次元的な偏向走査によりスクリーン面に画像を投影するレーザー走査方式の画像投影装置である。その概略構成を図１に示す。レーザープロジェクタ（画像投影装置）ＰＪは、レーザー光学素子Ｐ１と、そのレーザー光学素子Ｐ１から射出したレーザー光Ｌ１，Ｌ２を互いに直交する第１走査方向と第２走査方向とに偏向させるＭＥＭＳスキャナ（偏向装置）Ｐ２と、で構成されており、ＭＥＭＳスキャナＰ２によるレーザー光の２次元的な偏向走査により、スクリーン面（被走査面）ＳＣに２次元画像を形成する。
【００２０】
レーザー光学素子Ｐ１は、光源装置１，コリメートレンズ２及び回折格子ＤＧを有している。光源装置１は、互いに異なる波長のレーザー光Ｌ１，Ｌ２を射出する第１レーザー光源１１及び第２レーザー光源１２を有しており、コリメートレンズ２は、第１，第２レーザー光源１１，１２から射出したレーザー光Ｌ１，Ｌ２をいずれも平行光又は略平行光とする。回折格子ＤＧは、コリメートレンズ２の射出面に設けられており、第１，第２レーザー光源１１，１２から射出したレーザー光Ｌ１，Ｌ２のうち、第１波長のレーザー光Ｌ１に作用し、第２波長のレーザー光Ｌ２に作用しないことにより、第１波長のレーザー光Ｌ１と第２波長のレーザー光Ｌ２とを同一方向に射出する。その結果、第１，第２波長のレーザー光Ｌ１，Ｌ２が同一方向に光路合成（つまり色合成）される。色合成されたレーザー光Ｌ１，Ｌ２は、ＭＥＭＳスキャナＰ２に内蔵されているＭＥＭＳミラー（偏向反射ミラー）ＭＲでの反射により偏向される。
【００２１】
したがって、色合成用のダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーを用いなくても、コリメートレンズ２の射出面に設けられている回折格子ＤＧによって、波長の異なる２本のレーザー光Ｌ１，Ｌ２の色合成を小型のレーザー光学素子Ｐ１で行うことができる。そして、上記レーザー光学素子Ｐ１を用いることにより、高品質の画像が得られる画像投影装置ＰＪの小型化を達成することができる。
【００２２】
第１波長及び第２波長とは異なる第３波長のレーザー光を射出する第３レーザー光源を、光源装置１に更に設けてもよい。その場合、第２波長のレーザー光Ｌ２（例えば、緑色レーザー光）には作用せず、第１波長のレーザー光Ｌ１（例えば、赤色レーザー光）には例えば２次の回折で作用し、第３波長のレーザー光（例えば、青色レーザー光）には例えば３次の回折で作用するように、格子構造を重畳させた回折格子ＤＧをコリメートレンズ２の射出面に設ければよい。このように、異なる次数Ｍの回折と波長λとを組み合わせた設計にすることにより、コリメートレンズ２から３本以上のレーザー光を同一方向に射出させる、３波長以上の色合成が可能となる。また、回折格子ＤＧが作用しない高さは、後述するレベル数ｐでも変化するため、最適なレベル数ｐと回折次数Ｍと波長λとの組み合わせを考えた設計にすることが好ましい。
【００２３】
上述したレーザー光学素子Ｐ１の色合成機能，コンパクト性，収差性能等を更に詳しく説明する。図１１に、従来より知られている一般的なレーザー走査型画像投影装置ＰＪの概略構成例を示す。図１１（Ａ）に示す画像投影装置ＰＪは、レーザー光源５Ｒ，５Ｇ，５Ｂから射出したＲＧＢのレーザー光をコリメートレンズ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂでそれぞれコリメートし、さらにダイクロイックプリズム７Ｒ，７Ｇ，７Ｂで色合成を行う構成になっている。このような構成を採用すると、少なくとも２回の色合成（つまり、少なくともダイクロイックプリズム７Ｇ，７Ｂでの色合成）が必要となる。図１１（Ｂ）に示すように、クロスダイクロイックプリズム７を用いれば、２回の色合成を１回にすることができる。しかし、その場合においても、全体を小型に保ったまま行うことは難しく、却って大きくなってしまう。例えば、レーザー光源５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ間に生じる不要なスペースが全体の大型化を招くことになる。したがって、図１１に示すような構成では、仮に非常に小さなレーザー光源が入手できたとしても、色合成部分に占める体積を大きく減らすことはできないので、究極の小型化を行うことは難しい。
【００２４】
前述した画像投影装置ＰＪ（図１）のように、複数のレーザー光Ｌ１，Ｌ２に対して１つのコリメートレンズ２を共用する構成にすれば、究極の小型化を行うことが可能である。つまり、複数のレーザー光源が同一基板に形成された半導体レーザーチップであれば、パッケージ型のレーザー光源５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ（図１１）よりも遙かに小型化が可能である。しかし、図２（Ａ）に示すように、２つのレーザー光源（つまり、赤色レーザー光源１Ｒと緑色レーザー光源１Ｇ）の前に１つのコリメートレンズ２（ここでは屈折作用のみでコリメートするレンズ）を配置すると、光軸ＡＸ上にある緑色レーザー光源１Ｇからのレーザー光ＬＧは光軸ＡＸに対し平行にコリメートされるが、光軸ＡＸ外にある赤色レーザー光源１Ｒからのレーザー光ＬＲは光軸ＡＸに対し斜めにコリメートされてしまう。したがって、色ズレのない光を得るには、射出方向を同一方向に揃える色合成が必要となる。
【００２５】
図１に示す画像投影装置ＰＪのように、色合成機能を有するコリメートレンズ２を用いれば、レーザー光ＬＲ，ＬＧの射出方向を揃えることが可能である。例えば、図２（Ｂ）に示すように、赤色レーザー光ＬＲのみに作用し緑色レーザー光ＬＧには作用しない回折格子ＤＧを、コリメートレンズ２の射出面に配置すれば、赤色レーザー光ＬＲと緑色レーザー光ＬＧを同一方向に射出させることができる。
【００２６】
回折格子ＤＧは、赤色レーザー光ＬＲ（射出角度θ）が光軸ＡＸに対して平行になるように作用するものであり、Ｍ次回折光の場合は、式：ｄ・ｓｉｎθ＝Ｍ・λで計算されるピッチｄの１次元回折格子である（λ：波長）。図２（Ｃ）に、ピッチｄの１次元回折格子ＤＧを模式的に示す。高い回折効率を得るためには、回折格子ＤＧは位相型の回折格子であることが好ましく、ブレーズ型や複数レベル（４レベル以上）のバイナリ型の回折格子が更に好ましい。
【００２７】
回折格子ＤＧで色合成を行うには、緑色レーザー光ＬＧには作用せずに赤色レーザー光ＬＲに作用する回折格子ＤＧが必要となる。そのためには、回折格子ＤＧの高さ（言い換えれば、溝深さ）の選択が必要である。バイナリ構造のレベル数をｐとすると、１次回折効率が最大となる回折格子ＤＧの高さＬｔは、式：Ｌｔ＝（（ｐ−１）／ｐ）・（λ／（ｎ−１））で表される（ｎ：屈折率）。例えば、レベル数ｐ＝２の場合、Ｌｔ／λ＝１／２（ｎ−１）で１次回折効率が最大となり、Ｌｔ／λ＝１／（ｎ−１）で１次回折効率が最小（ゼロ）となる。したがって、屈折率を１．５としたとき、赤色の波長を６４０ｎｍ、緑色の波長を５３０ｎｍで、赤色に作用させて緑色に作用させないためには、緑色の２波長に相当する位相段差を与える必要がある。
【００２８】
仮にコリメートレンズ２の屈折率ｎを１．５とした場合、１次回折で緑色レーザー光ＬＧに作用しない回折格子ＤＧの高さは、０．５３／（１．５−１）＝１．０６μｍとなる。したがって、回折格子ＤＧは緑色レーザー光ＬＧには作用しないが、赤色レーザー光ＬＲには作用する。つまり、１．０６μｍの段差が１．６６波長となるので、赤色レーザー光ＬＲは回折される。レーザー光の色を変えて青色と緑色にした場合、緑色レーザー光ＬＧは上記と同じなので回折されないが、青色（波長４４５ｎｍ）のレーザー光は１．０６μｍの段差が２．３８波長となるので回折される。上記の設定ではレベル数ｐ＝２の場合であるが、他のレベル数ｐでも同様にして設定することができる。つまり、緑色レーザー光ＬＧには作用せずに赤色レーザー光ＬＲ又は青色レーザー光に作用するように、回折格子ＤＧを設定することが可能である。また、上記は１次回折の場合の例であるが、回折格子ＤＧの高さを２倍の２．１２μｍにした場合には、２次回折光が緑色レーザー光ＬＧに作用しない場合をつくることができる。その場合は、青色レーザー光は３次の回折光の影響が強く、赤色レーザー光は２次の回折光が多く出ることになる。
【００２９】
上記のように回折格子ＤＧを設定することによって、波長選択的なレーザー光の回折が可能となる。その回折作用により、緑色レーザー光ＬＧと赤色レーザー光ＬＲ（又は青色レーザー光）とを同一方向に射出するには、所定の条件を満たした回折格子ＤＧを用いることが望ましい。回折格子ＤＧが作用するレーザー光（例えば、赤色レーザー光ＬＲ又は青色レーザー光）を第１波長のレーザー光とし、回折格子ＤＧが作用しないレーザー光（例えば、緑色レーザー光ＬＧ）を第２波長のレーザー光とし、第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
０．８＜（ｄ・ΔＴ）／（Ｍ・λ・ｆ）＜１．２ …（１）
ただし、
ｄ：コリメートレンズの光軸上での格子ピッチ、
ΔＴ：第２レーザー光源から第１レーザー光源までのシフト量、
Ｍ：回折次数、
λ：第１波長、
ｆ：コリメートレンズの焦点距離、
である。
【００３０】
回折の条件式：ｄ・ｓｉｎθ＝Ｍ・λを考えると、回折角度θは式：ｓｉｎθ≒ｔａｎθ＝ΔＴ／ｆで表される。したがって、回折格子ＤＧの格子ピッチｄは、式：ｄ≒（Ｍ・λ・ｆ）／ΔＴ近辺であることが好ましい。具体的には、（０．８Ｍ・λ・ｆ）／ΔＴ＜ｄ＜（１．２・Ｍ・λ・ｆ）／ΔＴを満足すること、つまり条件式（１）を満足することが、第１波長のレーザー光と第２波長のレーザー光を同一方向に射出する上で好ましい。条件式（１）の上限又は下限を越えると、それぞれ回折格子による同一方向への射出度合いが崩れてしまう。例えば、条件式（１）の上限を越えると回折の影響が小さくなりすぎてしまい、条件式（１）の下限を越えると回折の影響が大きくなりすぎてしまう。結果として、スクリーン上での色合成がうまくいかず、色ズレの発生となり、良好な映像を得ることが困難になる。色ズレが無いようにするには、少なくとも１ドットのズレが生じないようにするのが好ましい。
【００３１】
回折格子ＤＧが作用するレーザー光を第１波長のレーザー光とし、回折格子ＤＧが作用しないレーザー光を第２波長のレーザー光とし、第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、第１レーザー光源が青色発光のレーザー光源であり、第２レーザー光源が緑色発光のレーザー光源であることが望ましい。青色レーザー光源と緑色レーザー光源は、同一材料（例えば、ガリウムナイトライド）の基板からの作製が可能であるため、青色レーザー光源と緑色レーザー光源を同一チップで同時に作製できるというメリットがある。
【００３２】
図３は、回折格子ＤＧが設けられていないコリメートレンズ２の光路図である（Ｚ方向：光軸ＡＸに対して平行方向、Ｙ方向：光軸ＡＸに対して垂直方向）。緑色レーザー光源１Ｇは光軸ＡＸ上にあり、青色レーザー光源１Ｂは光軸ＡＸからＹ方向に外れた位置にある。回折格子ＤＧが無いので、青色レーザー光ＬＢは下側（Ｙ方向に沿って緑色レーザー光源１Ｇ側）の斜め方向に射出される。青色レーザー光源１Ｂの光軸ＡＸからのズレ量をΔＴをすると、青色レーザー光ＬＢのうちコリメートレンズ２の中心の光（主光線に相当する。）の射出角度θは、ΔＴ＝ｆ・ｔａｎθで表される。例えば、ｆ＝１ｍｍ、ΔＴ＝０．１ｍｍのときの射出角度θは５．７度となる。したがって、回折次数Ｍ＝１次を用いる場合は、ｄ・ｓｉｎθ＝Ｍ・λであり、Ｍ＝１なので、０．４４５μｍの波長だとｄ＝４．４７μｍのピッチの回折格子ＤＧが必要となる。
【００３３】
コリメートレンズ２と回折格子ＤＧとを一体化することは、レーザー光学素子Ｐ１を小型化する上で好ましいが、回折格子ＤＧが配置されるレンズ面の選択も重要である。コリメートレンズ２の入射面と射出面のいずれに回折格子ＤＧを配置するかによって、回折格子ＤＧに対するレーザー光の入射角度が異なってくるからである。図４（Ａ）はコリメートレンズ２の入射面に回折格子ＤＧを設けたときの光路を示しており、図４（Ｂ）はコリメートレンズ２の射出面に回折格子ＤＧを設けたときの光路を示している。図４の（Ａ）と（Ｂ）を比較すると分かるように、コリメートレンズ２の射出面に回折格子ＤＧを設けると、コリメートレンズ２の入射面に回折格子ＤＧを設けた場合よりも回折角度θを小さくすることができるため、波長変動等に有利になる。
【００３４】
コリメートレンズ２の光軸ＡＸ外にレーザー光源が位置すると、軸外収差が発生する。つまり、図５（Ａ）に示すように、２つのレーザー光源（青色レーザー光源１Ｂと緑色レーザー光源１Ｇ）の前に１つのコリメートレンズ２を配置すると、コリメートレンズ２の軸外を用いることになるので、軸外収差が発生する。なかでもコマ収差の影響が大きいので、コマ収差を低減することが好ましい。緑色レーザー光ＬＧは軸上光であるため、光軸ＡＸに対して平行な平行光束として射出するが、軸外にシフトしている青色レーザー光源１Ｂからの青色レーザー光ＬＢに関してはコマ収差が発生してしまう。したがって、図５（Ｂ）に示すように、回折格子ＤＧで主光線が光軸ＡＸに対して平行になるようにしても、周辺光線はシフト方向（図５中の上方向：緑色レーザー光源１Ｇを基準として青色レーザー光源１Ｂが位置する方向）とは逆方向（図５中の下方向）に射出するため、シフト方向とは逆方向に尾を引くコマ収差が発生してしまう。
【００３５】
コマ収差を補正するには、図５（Ｂ）中の白抜き矢印で示すように、青色レーザー光源１Ｂの周辺光線をシフト方向（図５中の上方向）に偏向させればよい。例えば、回折格子ＤＧの格子ピッチｄを上側と下側の周辺光線に対して少しだけ変化させればよい。そうすると、図５（Ｃ）に示すように、青色レーザー光ＬＢがコマ収差無く光軸ＡＸに対して平行な平行光束として射出するように、青色レーザー光源１Ｂの周辺光線を偏向させることが可能である。
【００３６】
図６（Ａ）に等間隔のピッチを有する回折格子ＤＧを示し、図６（Ｂ）にコマ収差補正に対応するように間隔が変化したピッチを有する回折格子ＤＧを示す。レンズ上下方向（緑色レーザー光源１Ｇと青色レーザー光源１Ｂの配列方向）に関し、青色レーザー光源１Ｂ側でピッチが最大となる位置ｄｍａｘがあり、その位置ｄｍａｘからレンズ上下方向に離れるほどピッチが細かくなっている。上側のピッチ間隔と下側のピッチ間隔とでは異なっており、最上端でのピッチｄ’よりも最下端でのピッチｄ”の方が細かくなっている。
【００３７】
上記のように、コリメートレンズ２の光軸ＡＸに関して非対称にピッチが変化する回折格子ＤＧを用いることにより、青色レーザー光ＬＢのコマ収差を補正することができる。したがって、回折格子ＤＧが作用するレーザー光（例えば、青色レーザー光ＬＢ又は赤色レーザー光）を第１波長のレーザー光とし、回折格子ＤＧが作用しないレーザー光（例えば、緑色レーザー光ＬＧ）を第２波長のレーザー光とし、第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、第１レーザー光源と第２レーザー光源の並び方向について、回折格子ＤＧが周辺ほど細かい格子ピッチを有することが好ましく、その構成を採用することによってコマ収差を容易に補正することが可能となる。また、コマ収差の尾を引く方向（シフト方向とは逆方向）のピッチが細かくなるように、光軸ＡＸに関して非対称にピッチが変化する回折格子ＤＧを用いることが好ましい。
【００３８】
コリメートレンズ２は両凸形状を有することが好ましい。回折格子ＤＧが作用しないレーザー光に関してはコリメートのための収差補正が必要なので、平凸形状に比べて収差補正の自由度が高い両凸形状が好ましい。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明を実施したレーザー光学素子Ｐ１及び画像投影装置ＰＪの光学構成等を、実施例のコンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例は、前述した実施の形態（図５（Ｃ）等）に対応する数値実施例である。図７（Ａ）に実施例の光路図を示し、図７（Ｂ）にその要部を拡大して示す。実施例のコンストラクションデータでは、面データとして、左側の欄から順に、面番号ｉ，曲率半径ｒ（ｍｍ），軸上での面間隔ｄ（ｍｍ），ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に関する屈折率ｎｄを示す。
【００４０】
コリメートレンズ２の射出面（ｉ＝３）は非球面であり、その面形状は面頂点を原点とする直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いた以下の式（ＡＳ）で定義される。非球面データとして円錐定数を示す（表記の無い項の係数は０である。）。
Ｚ＝（ｃ・ｈ2）／［１＋√{１−（１＋Ｋ）・ｃ2・ｈ2}］＋Σ（Ａｊ・ｈj） …（ＡＳ）
ただし、
ｈ：Ｚ軸（光軸ＡＸ）に対して垂直な方向の高さ（ｈ2＝Ｘ2＋Ｙ2）、
ｚ：高さｈの位置での光軸ＡＸ方向のサグ量（面頂点基準）、
ｃ：面頂点での曲率（曲率半径ｒの逆数）、
Ｋ：円錐定数、
Ａｊ：ｊ次の非球面係数、
である。
【００４１】
また、コリメートレンズ２の射出面（ｉ＝３）には回折格子ＤＧが設けられており、その回折格子構造は直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いた以下の式（ＤＳ）で定義される。回折面データとして回折次数及び位相係数を示す。
Φ＝Ｍ・ΣΣＡｍｎ・Ｘm・Ｙn …（ＤＳ）
ただし、
Φ：位相差（Ｚ軸方向）、
Ｍ：回折次数、
Ａｍｎ：位相係数（ラジアン）、
である。
【００４２】
各種データとして、全系の焦点距離ｆ（ｍｍ）、物体側の開口数（ＮＡ）、青色レーザー光ＬＢの波長（ｎｍ）、緑色レーザー光ＬＧの波長（ｎｍ）、青色レーザー光源１Ｂの位置（ｍｍ；Ｙ方向），緑色レーザー光源１Ｇの位置（ｍｍ；Ｙ方向）、条件式（１）の対応値及びその関連データを示す。
【００４３】
図８（Ａ）に実施例の回折格子ＤＧ（ｉ＝３）の位相分布を示し、図８（Ｂ）に回折格子ＤＧを等間隔ピッチとした場合の位相分布を示す。線の間隔は１位相（２π）であり、図８（Ａ）に示すように、実施例の回折格子ＤＧの位相分布では上側の間隔と下側の間隔とが異なっている。実施例の回折格子ＤＧを、図８（Ｂ）の位相分布に示す等間隔ピッチとした場合（実施例のＹの１乗以外の係数をゼロにして、均等な格子とした場合）を比較例とすると、実施例及び比較例の回折格子ＤＧのピッチは、図９のグラフに示すようになる。図９のグラフは、図８（Ａ），（Ｂ）の位相分布の中央断面の微分値をプロットしたものであり、位相分布の中心での微分値で正規化したものである（Ｅ−ｎ＝×１０-n）。図９のグラフから分かるように、レンズ上下方向（Ｙ方向）に関し、青色レーザー光源１Ｂ側でピッチが最大となる位置があり、緑色レーザー光源１Ｇ側の最下端でピッチが最も細かくなる。
【００４４】
図１０（Ａ）に実施例の光学性能をスポットダイアグラムで示し、図１０（Ｂ）に比較例の光学性能をスポットダイアグラムで示す。図１０（Ａ），（Ｂ）に示すスポットダイアグラムは、青色レーザー光ＬＢと緑色レーザー光ＬＧ（光軸ＡＸ中心の場合）のスクリーン面（焦点面）ＳＣでの結像特性（スケール：１０ｍｍ）をそれぞれ示している。図１０（Ａ）に示す実施例の場合、レーザー光ＬＢ，ＬＧのどちらも同様に小さくなっているのが分かる。それに対して、図１０（Ｂ）に示す比較例の場合、５００ｍｍ先（スクリーン面ＳＣの位置）では非常に大きな点になり映像品質が悪化してしまうのが分かる。また、青色レーザー光源１Ｂが上方向（Ｙ＋方向）にシフトしているため、コマが下方向（Ｙ−方向）に尾を引く形となっている。
【００４５】
実施例
単位：mm
面データ
i r d nd
1（レーザー面） ∞ 0.5
2（レンズ入射面） 13.48709 3.963726 1.618728
3（レンズ射出面） -1.79587 500
4（焦点面） ∞
【００４６】
第３面の非球面データ
K= -0.46487
【００４７】
第３面の回折面データ
M=2
A01=244.00213
A20=14.959611
A02=15.970044
A21=8.9849254
A03=7.7153871
A05=0.50185094
【００４８】
各種データ
青色レーザー光ＬＢの波長：４４５（ｎｍ）
緑色レーザー光ＬＧの波長：５３２（ｎｍ）
青色レーザー光源１Ｂの位置：０．１（ｍｍ）
緑色レーザー光源１Ｇの位置：０．０（ｍｍ）
ｆ＝２．８７（ｍｍ）
ＮＡ（物体側）＝０．５
条件式（１）の対応値：（ｄ・ΔＴ）／（Ｍ・λ・ｆ）＝１．００８４７
ｄ＝０．０２５７６（ｍｍ）
ΔＴ＝０．１（ｍｍ）
Ｍ＝２
λ＝０．０００４５（ｍｍ）
θ＝１．９８
ｓｉｎθ＝０．０３４５５
ｔａｎθ＝０．０３４８４
【符号の説明】
【００４９】
ＰＪ レーザープロジェクタ（画像投影装置）
Ｐ１ レーザー光学素子
１ 光源装置
１１ 第１レーザー光源
１２ 第２レーザー光源
Ｌ１ 第１波長のレーザー光
Ｌ２ 第２波長のレーザー光
１Ｒ 赤色レーザー光源
１Ｇ 緑色レーザー光源
１Ｂ 青色レーザー光源
ＬＲ 赤色レーザー光
ＬＧ 緑色レーザー光
ＬＢ 青色レーザー光
２ コリメートレンズ
Ｐ２ ＭＥＭＳスキャナ（偏向装置）
ＭＲ ＭＥＭＳミラー（偏向反射ミラー）
ＤＧ 回折格子
ＳＣ スクリーン面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる波長のレーザー光を射出する複数のレーザー光源と、前記複数のレーザー光源から射出したレーザー光をいずれも平行光又は略平行光とするコリメートレンズと、前記複数のレーザー光源から射出したレーザー光のうち、第１波長のレーザー光に作用し、第２波長のレーザー光に作用しないことにより、第１波長のレーザー光と第２波長のレーザー光とを同一方向に射出する回折格子と、を有し、前記回折格子が前記コリメートレンズの射出面に設けられていることを特徴とするレーザー光学素子。
【請求項２】
第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項１記載のレーザー光学素子；
０．８＜（ｄ・ΔＴ）／（Ｍ・λ・ｆ）＜１．２ …（１）
ただし、
ｄ：コリメートレンズの光軸上での格子ピッチ、
ΔＴ：第２レーザー光源から第１レーザー光源までのシフト量、
Ｍ：回折次数、
λ：第１波長、
ｆ：コリメートレンズの焦点距離、
である。
【請求項３】
前記複数のレーザー光源が同一基板に形成された半導体レーザーチップであることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザー光学素子。
【請求項４】
第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、第１レーザー光源と第２レーザー光源の並び方向について、前記回折格子が周辺ほど細かい格子ピッチを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザー光学素子。
【請求項５】
第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、第１レーザー光源が青色発光のレーザー光源であり、第２レーザー光源が緑色発光のレーザー光源であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザー光学素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザー光学素子と、前記レーザー光を互いに直交する２方向に偏向させる偏向装置と、を備え、前記レーザー光学素子から射出して前記偏向装置で２次元的に偏向走査されたレーザー光でスクリーン面への画像投影を行うことを特徴とするレーザー走査方式の画像投影装置。
【請求項１】
互いに異なる波長のレーザー光を射出する複数のレーザー光源と、前記複数のレーザー光源から射出したレーザー光をいずれも平行光又は略平行光とするコリメートレンズと、前記複数のレーザー光源から射出したレーザー光のうち、第１波長のレーザー光に作用し、第２波長のレーザー光に作用しないことにより、第１波長のレーザー光と第２波長のレーザー光とを同一方向に射出する回折格子と、を有し、前記回折格子が前記コリメートレンズの射出面に設けられていることを特徴とするレーザー光学素子。
【請求項２】
第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項１記載のレーザー光学素子；
０．８＜（ｄ・ΔＴ）／（Ｍ・λ・ｆ）＜１．２ …（１）
ただし、
ｄ：コリメートレンズの光軸上での格子ピッチ、
ΔＴ：第２レーザー光源から第１レーザー光源までのシフト量、
Ｍ：回折次数、
λ：第１波長、
ｆ：コリメートレンズの焦点距離、
である。
【請求項３】
前記複数のレーザー光源が同一基板に形成された半導体レーザーチップであることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザー光学素子。
【請求項４】
第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、第１レーザー光源と第２レーザー光源の並び方向について、前記回折格子が周辺ほど細かい格子ピッチを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザー光学素子。
【請求項５】
第１波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第１レーザー光源とし、第２波長のレーザー光を射出するレーザー光源を第２レーザー光源とすると、第１レーザー光源が青色発光のレーザー光源であり、第２レーザー光源が緑色発光のレーザー光源であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザー光学素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザー光学素子と、前記レーザー光を互いに直交する２方向に偏向させる偏向装置と、を備え、前記レーザー光学素子から射出して前記偏向装置で２次元的に偏向走査されたレーザー光でスクリーン面への画像投影を行うことを特徴とするレーザー走査方式の画像投影装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１８６１７５（Ｐ２０１１−１８６１７５Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１２０７（Ｐ２０１０−５１２０７）
【出願日】平成２２年３月９日（２０１０．３．９）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタオプト株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月９日（２０１０．３．９）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタオプト株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
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