照明装置及び投影型画像表示装置
【課題】３つの光源からの光を効率よく合成して出射できるとともに、小型化と光利用効率の向上に寄与できる照明装置を提供する。
【解決手段】照明装置は、青色の光を発する第一の光源１と、赤色の光を発する第二の光源２は同一のマウント３上に実装され、一つのパッケージ１１として構成されている。緑色の光を発する第三の光源８第一の光源１および第二の光源２とは略直交する方向に光を出射するように配置されている。青色ＬＤ１からの青色光４および、赤色ＬＤ２からの赤色光５は第一のカップリング光学系６によってカップリングされ、光路合成素子７の第一の面に導かれる。緑色光源８からの緑色光９は第二のカップリング光学系１０によってカップリングされ、光路合成素子７の第二の面に導かれる。
【解決手段】照明装置は、青色の光を発する第一の光源１と、赤色の光を発する第二の光源２は同一のマウント３上に実装され、一つのパッケージ１１として構成されている。緑色の光を発する第三の光源８第一の光源１および第二の光源２とは略直交する方向に光を出射するように配置されている。青色ＬＤ１からの青色光４および、赤色ＬＤ２からの赤色光５は第一のカップリング光学系６によってカップリングされ、光路合成素子７の第一の面に導かれる。緑色光源８からの緑色光９は第二のカップリング光学系１０によってカップリングされ、光路合成素子７の第二の面に導かれる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光源からの光を合成して同一方向へ照射する照明装置、該照明装置を備えたレーザ走査型プロジェクタ等の投影型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤやレーザなどの固体光源を用いた投影型画像表示装置（以下「プロジェクタ」と呼ぶ）の開発が盛んであり、小型で携帯可能なプロジェクタとして期待されている。
特に、３原色のレーザとＭＥＭＳ（微小電気機械システム）ミラーを組み合わせた走査型の小型プロジェクタは構成部品が少なく、超小型化が可能な点から多くの開発が進められている（例えば特許文献１、２参照）。
このような３原色のレーザとＭＥＭＳミラーとから成る走査型プロジェクタの従来例を図２６に示す。図２６に示したプロジェクタでは、それぞれＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のレーザ光を放射する半導体レーザ１−Ｒ、１−Ｇ、１−Ｂと、半導体レーザ１−Ｒ、１−Ｇ、１−Ｂからのレーザ光を集光するレンズ２−Ｒ、２−Ｇ、２−Ｂと、それぞれ赤色光、緑色光、青色光のみを反射し、その他の光を透過させるダイクロイックミラー３−Ｒ、３−Ｇ、３−Ｂと、傾斜角が可変なミラーを備えたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー装置５０１と、ＭＥＭＳミラー装置５０１のミラーを水平方向及び垂直方向に回動させると共に、入力ビデオ信号に応じて半導体レーザ１−Ｒ、１−Ｇ、１−Ｂから光強度変調されたレーザ光を放射させる制御回路５０２とから構成される。
【０００３】
制御回路５０２は、ミラー制御手段と変調手段を有しており、これに同期してレーザ光強度を変調せしめることによって、スクリーン５０３上で画像を形成する。
このような色合成の手法においては、各レーザに対して集光レンズが必要であり、かつそれぞれのレーザ光の光路を合成するため複数のダイクロイックミラーが必要となる。このため、部品点数が増え、また小型・軽量化を阻害する要因となっている。
複数のダイクロイックミラーを、１枚の回折素子に置き換え、これによって３つの光源からの光の光路合成を行う方法が特許文献３、４に提案されている。
これらの手法では、図２６において複数枚のダイクロイックミラーを用いて光路を合成しているところを１枚の回折素子によって達成しており、これによって部品点数の削減、小型化を達成している。
特許文献５には、さらにこれに、複数のレーザ光源を１つのマウント上に配置し同一パッケージとすることで、部品点数削減、小型・軽量化が可能な構成が提案されている。
特許文献５では、同一マウント上に配置された赤色、青色、緑色の光を出射する３つのコヒーレント光源と、光源から出射される光を１枚の回折素子で同軸ビームになるよう回折して、該各光を合波する照明装置が示されている。
また、別の例として特許文献６には、同一マウント上に配置された２つの光源からの光の光路を合成する、楔形プリズムおよび、それを用いた光ピックアップ装置が示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１８９５７３号公報
【特許文献２】特開２００１−１５４６０７号公報
【特許文献３】特開２００７−１２１８９９号公報
【特許文献４】特開２００７−３３３９５７号公報
【特許文献５】ＷＯ２００５／０７３７９８ Ａ１
【特許文献６】特開２００２−２０７１１０号公報
【非特許文献１】日経マイクロデバイス １１月号 ｐ．８５−８９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように回折素子を用いることによって、少ない部品点数で複数の光源からの光の光路を合成することが可能である。しかしながら、回折素子を用いることには下記のような問題点が存在する。
一般的に回折効率ηは波長によって変動するため、複数の波長に対して効率良く機能する回折素子を作製することは容易では無い。例えば、表面レリーフ型の回折光学素子は単一波長で設計されるものであり、図２７に示すように、設計波長と異なる波長の光に対して用いると回折効率ηが低下し光の利用効率が下がる、あるいは結像光学系ではフレアとなり画像品質を劣化させる、といった問題があった。
プロジェクタに使用する照明装置としては、青、緑、赤の３色を合成して出射可能なものが必要であり、このとき各色の波長はそれぞれおよそ０．４〜０．４８ｕｍ、０．５〜０．５５ｕｍ、０．６〜０．７ｕｍの範囲に含まれる波長である。
波長差が大きいため、青、緑、赤の各波長において、ηとして１００％に近い値を得る、青、緑、赤で異なる次数の回折光のみを生じさせる、などの構成をとることは困難である。
このため、このような回折素子を照明装置に用いた際には、光利用効率の低下とともに、光路が合成されていない不要な光が生じフレアとなる問題がある。
【０００６】
あるいは、特許文献５において述べられているように、体積ホログラムを用いることによって所望の波長のみを回折させることが考えられる。しかしながら、体積ホログラムは回折効率の高い許容波長範囲が非常に狭いため、光源に波長誤差が生じたときに回折効率が低下し、光利用効率の低下、不要なフレア光の発生の原因となる。
特に半導体レーザ光源は固体によって波長にばらつきが大きく、さらに温度変化など使用時の環境変化によっても波長変動が生じるため大きな問題となる。
このように、回折素子を光路合成に用いることは、光利用効率の低下やフレアの原因となるため実際の使用には困難を伴っていた。
【０００７】
特許文献６に記載の構成においては、同一マウント上に配置された２つの光源からの光を効率良く光路合成することが可能であるが、レーザ走査型プロジェクタに対して用いることが可能な照明装置では、ピックアップ装置に対して光源の有する波長が異なり、３つの光源（赤、緑、青の３原色）からの光を効率よく合成して出射する必要がある。
赤色および青色に関しては半導体レーザ光源が存在するが、緑色光源には半導体レーザのようなチップ型の小型光源が存在しない。このため、緑色光源を他の光源と近接して配置することが困難であり、照明装置としてピックアップ装置に使用されるものとは別の構成を取る必要がある。
【０００８】
本発明は、３つの光源からの光を効率よく合成して出射できるとともに、小型化と光利用効率の向上に寄与できる照明装置、該照明装置を備えた投影型画像表示装置の提供を、その目的とする。
【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、請求項１記載の発明では、第一の波長の光を出射する第一の光源と、前記第一の光源の近傍に配置され、第二の波長の光を前記第一の光源と略同一方向に出射する第二の光源と、第三の波長の光を前記第一の光源および前記第二の光源とは異なる方向に出射するように配置された第三の光源と、前記第一の光源および前記第二の光源からの光をカップリングする第一のカップリング光学系と、前記第三の光源からの光をカップリングする第二のカップリング光学系と、前記第一の光源からの光および前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光の光路を一致させるための光路合成素子と、を備え、前記光路合成素子は第一の面と、該第一の面に非平行な第二の面とを有し、前記第一の面は前記第一の光源からの光を反射し且つ前記第二の光源および前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、前記第二の面は前記第二の光源からの光を反射し且つ前記第三の光源からの光を透過する特性を有していることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の照明装置において、前記第三の光源の出射方向は、前記第一の光源および前記第二の光源の出射方向に対して略直交する方向であることを特徴とする。
請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の照明装置において、前記第三の光源が緑色の色光を発する光源であり、前記第一の光源が赤色かつ前記第二の光源が青色、もしくは前記第一の光源が青色かつ前記第二の光源が赤色の色光を発する光源であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の照明装置において、前記第一の光源と前記第二の光源は同一マウント上に配置されていることを特徴とする。
請求項５記載の発明では、請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置において、前記光路合成素子は、楔形平板によって構成されており、前記楔形平板の片面が前記第一の面、もう一方の面が前記第二の面となっていることを特徴とする。
請求項６記載の発明では、請求項５記載の照明装置において、前記光路合成素子は、その楔形の頂点側が前記光源側を向くように配置されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項７記載の発明では、請求項５又は６記載の照明装置において、前記第二の光源は、前記楔形平板を透過することに起因する非点収差を低減せしめる方向に第一のカップリング光学系の中心光軸から距離ｄ１離れた位置に発光点がくるように配置されていることを特徴とする。
請求項８記載の発明では、請求項５〜７のいずれかに記載の照明装置において、前記第三の光源は、前記楔型平板を透過することに起因する非点収差を低減せしめる方向に前記第二のカップリング光学系の中心光軸から距離ｄ２離れた位置に発光点がくるように配置されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項９記載の発明では、請求項５〜８のいずれかに記載の照明装置において、前記第二の光源は、楕円状強度分布の光を出射する光源であり、前記楔形平板は前記楕円状強度分布の光の強度分布を円状強度分布に近づけるように配置されていることを特徴とする。
請求項１０記載の発明では、請求項１〜９のいずれかに記載の照明装置において、前記光路合成素子は、複数の光学部品を貼り合わせて構成されていることを特徴とする。
請求項１１記載の発明では、請求項１０記載の照明装置において、前記第三の光源からの光が前記光路合成素子へ入射する面と、前記第三の光源からの光が前記光路合成素子から出射する面とが平行に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
請求項１２記載の発明では、請求項１０又は１１記載の照明装置において、前記光路合成素子は、前記第一の面を含む第一の光学素子と、前記第二の面を含む第二の光学素子とから成り、前記第一の面と前記第二の面の相対的な角度を調整する角度調整機構が設けられていることを特徴とする。
請求項１３記載の発明では、請求項１０〜１２のいずれかに記載の照明装置において、前記光路合成素子が屈折率分散の異なる複数の材料から成っていることを特徴とする。
【００１５】
請求項１４記載の発明では、第一の波長の光を出射する第一の光源と、前記第一の光源と同一マウント上に配置された第二の波長の光を出射する第二の光源と、前記第一の光源および前記第二の光源と同一のマウント上に配置された第三の波長の光を出射する第三の光源と、前記第一の光源および前記第二の光源および前記第三の光源からの光をカップリングするカップリング光学系と、前記第一の光源からの光および前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光の光路を一致させるための光路合成素子と、を備え、前記光路合成素子は角度の異なる３つの面を有しており、第一の面は前記第一の光源からの光を反射し且つ前記第二および前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、第二の面は前記第二の光源からの光を反射し且つ前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、第三の面は前記第三の光源からの光を反射する特性を有していることを特徴とする。
【００１６】
請求項１５記載の発明では、第一の波長の光を出射する第一の光源と、前記第一の光源と同一マウント上に配置された第二の波長の光を出射する第二の光源と、前記第一の光源および前記第二の光源と同一のマウント上に配置された第三の波長の光を出射する第三の光源と、前記第一の光源および前記第二の光源および前記第三の光源からの光をカップリングするカップリング光学系と、前記第一の光源からの光および前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光の光路を一致させるための光路合成素子と、を備え、前記第二の光源と前記第三の光源は異なる偏光方向の光を発し、前記光路合成素子は互いに角度の異なる第一の面および第二の面を有し、前記第一の面は前記第一の光源からの光を反射し且つ前記第二の光源および前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、前記第二の面は前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光を反射する特性を有し、前記光路合成素子の少なくとも一部が複屈折性材料によって構成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項１６記載の発明では、請求項１〜１５のうちのいずれかに記載の照明装置と、該照明装置から出射される光を２次元に走査可能な走査手段と、前記第一の光源、前記第二の光源、前記第三の光源の出力を前記走査手段の動きに同期して制御する制御手段を有していることを特徴とする。
請求項１７記載の発明では、請求項１６記載の投影型画像表示装置において、前記走査手段の光進行方向下流に投射光学系を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第一の光源と第二の光源を同一マウントに配置し、さらにカップリング光学系を共通化することで、小型・軽量化を達成できる。また、第一、第二、第三の光源からの光を単一の光路合成素子によって光路合成を行うため、さらに小型・軽量化が可能となる。また、光路合成素子は角度の異なる２つのダイクロイック面を利用しており、回折素子を利用した方式に対して、光利用効率に優れる。
緑色光源を別位置に配置したレイアウトにより照明装置のコンパクト化、ひいては投影型画像表示装置の小型化を実現できる。
光路合成素子として楔形平板を用いることにより、部品点数が少なく、小型・軽量な照明装置を実現できる。
また、出射光の非点収差がより少ない照明装置とすることができる。
出射光の断面形状がより円形に近い照明装置とすることが可能となる。
出射光の光路の一致精度を高めることができる。
出射光の収差が少ない照明装置とすることが出来る。
第二の光源が出射する光の波長に変動が生じたときであっても光路の変化が少ない照明装置とすることができる。
光路合成素子を複屈折材料から成る光学素子とすることで、部品点数が少なく軽量な照明装置とすることができる。
投影光学系を備えることにより、例えばスクリーン上の画像歪みを軽減した走査型プロジェクタを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。
まず、図１乃至図１１に基づいて本発明の照明装置についての第１の実施形態を説明する。
本実施形態に係る照明装置は、第一の波長λ１の光を発する第一の光源１と、第二の波長λ２の光を発する第二の光源２とを有し、これらの光源は同一のマウント３上に近傍配置状態で実装され、一つのパッケージ１１として構成されている。第一の光源１と第二の光源２の光出射方向は略同一である。
第一の光源１としては青色波長領域の光を発する半導体レーザ（以下「青色ＬＤ」と呼ぶ）を、第二の光源２としては赤色波長領域の光を発する半導体レーザ（以下「赤色ＬＤ」と呼ぶ）を用いることができる。
青色波長領域、赤色波長領域はそれぞれおよそ、４００ｎｍ〜４８０ｎｍ、６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲を指しており、青色ＬＤとしては例えば波長λ１が４４５ｎｍの光を発するＬＤを、赤色ＬＤとしては例えば波長λ２が６３０ｎｍの光を発するＬＤを用いることができる。以下の説明ではこの波長を用いる。ここでは、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２が別のチップで同一のマウント３上に実装したものを示しているが、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２が一つのチップ上に形成されているものであっても良い。
【００２０】
青色ＬＤ１からの青色光４および、赤色ＬＤ２からの赤色光５は同一のカップリング光学系である第一のカップリング光学系（以下「第一ＣＬ」と呼ぶ）６によってカップリングされ、光路合成素子７に導かれる。
図１中には各色光の光路が模式的に示されている。また、本発明の照明装置においては、第三の波長λ３の光を発する第三の光源８が、パッケージ１１とは別の位置に配置されている。
具体的に説明すると、第三の光源８は、第一の光源１および第二の光源２とは異なる方向（ここでは略直交する方向）に光を出射するように配置されている。
第三の光源８としては緑色波長領域５００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長範囲にある光を発する緑色光源を用いることができる。緑色光源として半導体レーザを使用することが最も良いが、現状では安定的に使用可能な緑色半導体レーザは存在しないため、固体レーザや、赤外半導体レーザの倍波を用いることが良い。緑色光源の具体的な構成に関しては後述するが、ここでは例として波長λ３が５３２ｎｍの光源を用いることとする。
【００２１】
特許文献６に示すような光ピックアップ装置では、光源は波長順（ここでは青＜緑＜赤）に配置するのが一般的であるが、本実施形態では、緑色波長領域の光を発する第三の光源８を、第一の光源１および第二の光源２と同一のパッケージとして光路合成素子７の同一面に入射させず、異なる位置に配置して光路合成素子７の別な面（後述する第二の面）から入射させるようにしている。
すなわち、半導体レーザのようなチップ型の小型光源が存在しない緑色光源を第一の光源１および第二の光源２と同一のパッケージに組み込むと第一の光源１および第二の光源２のパッケージのコンパクト化が却って阻害される。
本実施形態では、３つの光源からの光を効率よく合成する必要があるこの種の照明装置において、第一の光源１および第二の光源２のパッケージのコンパクト化を維持しつつ、図２６で示した従来方式に対して全体構成のコンパクト化を実現できる配置形態としたのである。この種の照明装置におけるコンパクト化（容積縮小化）は、レーザ走査型プロジェクタの小型化に及ぼす影響が極めて大きい。上記従来方式に対するコンパクト化の実際的な優位度については後述する。
【００２２】
緑色光源８からの緑色光９は第二のカップリング光学系（以下「第二ＣＬ」と呼ぶ）１０によってカップリングされ、光路合成素子７に導かれる。光路合成素子７に入射した赤色光４、青色光５、緑色光９は同一光路に合成され出射される。
このようにして、赤、青、緑３つの波長領域の光を同一光路で出射する照明装置が達成される。
以上の説明では、第一の光源として青色波長領域、第二の光源として赤色波長領域、第三の光源として緑色波長領域のものを用いたが、異なる波長領域のものであっても良いし、異なる組み合わせとなっていても良い。赤、青、緑の３色を合成して出射する光源は走査型プロジェクタの光源として用いることができるため、もっとも有用である。
また、前述したように緑色光源としては半導体レーザを用いることが困難であるため、他の光源と同一マウント上に配置することが容易ではない。このため、第一の光源が赤または青、第二の光源が青または赤、第三の光源が緑となっている構成がより製造が容易である。
また、第一のカップリング光学系および第二のカップリング光学系として、図１中では平凸レンズを示しているが、他の形状でも良くまた複数の光学素子から成るものであっても良い。特に、第一のカップリング光学系としては赤色光と青色光に対する色収差を低減させるために複数枚のレンズによって構成されていることが好ましい。もしくは、一般的な屈折レンズに加え回折構造を備えたものを用いても良い。
【００２３】
光路合成素子の機能に関して図２を用いて詳細に説明する。光路合成素子７は、青色領域の光を反射し、赤色および緑色領域の光を透過する第一の面２１と、赤色領域の光を反射し、緑色領域の光を透過する第二の面２２から成る平板であり、第一の面と第二の面は相対的に角度α傾いた楔形平板となっている。
光路合成素子７は、その楔形の頂点側が光源側を向くように配置されている。ここで、「光源側を向く」とは、光源に対向するという意味ではなく、光源に近づく方向に向いているという意味である。
青色光４および赤色光５は第一の面より入射し、それぞれ第一の面および第二の面によって反射され、出射される。また、緑色光９は第二の面より入射し、第二の面および第一の面を透過して出射される。第一の面および第二の面は波長によって選択的に反射または透過する面となっており、このような面は光学多層膜によって達成することが可能でありダイクロイックミラーと呼ばれる。
【００２４】
図３に第一の面および第二の面の入射角４５度ｓ偏光成分に対する分光反射率を示した。図中では第一の面は実線で、第二の面は点線で示されている。第一の面は青色光の波長λ１（４４５ｎｍ）に対して反射率が高く、赤色光の波長λ２（６３０ｎｍ）および緑色光の波長λ３（５３２ｎｍ）では反射率の低いダイクロイックミラーとなっており、第二の面は赤色光の波長λ２（６３０ｎｍ）の光に対して反射率が高く緑色光の波長λ３（５３２ｎｍ）で反射率の低いダイクロイックミラーとなっている。
第一の面の具体的な膜構成を図４（ａ）に、第二の面の具体的な膜構成を図４（ｂ）に示した。ここでは多層膜を構成する材料として低屈折材料である二酸化珪素（ＳｉＯ２）と高屈折材料である五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）を示したが他にも、フッ化マグネシウムや酸化チタンなど一般的に光学多層膜に用いられる材料が使用できる。図４において、「基板」は楔形平板を意味する。
このように、ダイクロイックミラーでは所望の波長範囲において反射率を１００％近くに、異なる波長範囲で透過率を１００％に近い値とすることが可能であり、光路合成素子として回折素子を用いる方法に対して光利用効率の点で優れている。
【００２５】
青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の発光点の違いによって、第一ＣＬ６によってカップリングされた青色光４および赤色光５は光路が一致していない。例えば、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の発光点が１１０ｕｍずれており、第一ＣＬ６の焦点距離ｆが２．１ｍｍのとき、第一ＣＬ６から出射される、青色光および赤色光は約３度光軸がずれる。
光路合成素子７では、第二の面が第一の面に対して角度αだけ傾いていることによりこの光軸の角度ずれを補正することが可能となっている。これに関して数式を用いて説明する。
【００２６】
［１．青色光に関して］
光路合成素子７への青色光入射角度をθＢ１とすると、青色光の出射角は光路合成素子７の第一の面２１の法線に対して、θＢ１となる。
［２．赤色光に関して］
光路合成素子７を構成する材料の赤色光に対する屈折率をｎＲとすると、図２中に表示されるθＲ１、θＲ２、θＲ３、θＲ４、θＲ５には下記の関係式が成り立つ。
ｓｉｎθＲ２＝１／ｎＲ・ｓｉｎθＲ１ （式1）
θＲ３＝θＲ２＋α （式2）
θＲ４＝θＲ３＋α （式3）
ｓｉｎθＲ５＝ｎＲ・ｓｉｎθＲ４ （式4）
赤色光の出射角は光路合成素子の第一の面２１の法線に対してθＲ５であるので、θＲ５がθＢ１と一致するとき赤色光と青色光の光軸が平行に出射され好ましい。よって、本発明の最も良い実施例としては、光路合成素子に、θＲ５がθＢ１と等しくなるよう第一の面と第二の面のなす角αが設けられている。
たとえば、光路合成素子７の屈折率が１．５であり、θＢ１が４５度のとき、αは約０．８２度となる。
［３．緑色光に関して］
光路合成素子７を構成する材料の緑色光に対する屈折率をｎＧとすると、図２中に表示されるθＧ１、θＧ２、θＧ３、θＧ４には下記の関係式が成り立つ。
ｓｉｎθＧ２＝１／ｎＧ・ｓｉｎθＧ１ （式5）
θＧ３＝θＧ２＋α （式6）
ｓｉｎθＧ４＝ｎＧ・ｓｉｎθＧ３ （式7）
【００２７】
緑色光の出射角は光路合成素子７の第一の面２１の法線に対してθＧ４であるので、θＧ４がθＢ１およびθＲ５と一致するとき緑色光が青色光および赤色光の光軸が平行に出射され、良い照明装置とすることができる。よって、本発明の実施例としては、θＧ４＝θＢ１＝θＲ５を満たすような入射角θＧ１で緑色光が光路合成素子の第二の面に入射するように、緑色光源が配置されている。
たとえば、光路合成素子７の屈折率が１．５であり、θＢ１が４５度、αが０．８２度のとき、入射角θＧ１が約４３．５度になるように緑色光源を配置すれば良い。
さらに、赤色光、青色光、緑色光の光路が一致して出射される照明装置とするためには、光路合成素子の第一の面から出射される各色光の中心光軸が一致するように、第一ＣＬと光路合成素子の位置および、緑色レーザと光路合成素子の位置が配置されていることが最も好ましい。
【００２８】
以下に、青色光４と赤色光５の出射光の中心光軸が略一致する構成の実施例を示す。
図５中に記載されるように、出射時に中心光軸が一致するための入射光軸の位置ずれ量をｘ、赤色光が入射する位置での光路合成素子７の厚みをｄとする。光路合成素子の第一の面と第二の面のなす角αが小さく、赤色光５と青色光４の光路合成素子７への入射角度がほぼ等しいとき、赤色光５が光路合成素子７へ入射する位置での位置ずれ量ｘは下式のように近似できる。
ｘ＝２ｄｔａｎθＲ３・ｃｏｓθＢ （式8）
【００２９】
たとえば、光路合成素子７の屈折率が１．５、αは０．８２度、厚みｄが０．５ｍｍで、θＢ１が４５度のとき、位置ずれ量ｘは約０．３６５ｍｍとなる。
図６を用いて、青色ＬＤ１、赤色ＬＤ２、第一ＣＬ６、光路合成素子７の配置例を説明する。青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の配置間隔をａとし、第一ＣＬ６の焦点距離をｆとしたとき、前述した光路合成素子７へ入射するときの入射光軸位置ずれ量ｘを満たすような、第一ＣＬ６と光路合成素子７の間隔Ｌは下式で表される。
Ｌ＝ｆ＋ｆ・ｘ／ａ (式9)
青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の配置間隔ａに関しては、近すぎると放熱の効率が低下し、離しすぎると第一ＣＬのカップリング効率が低下する、カップリング時に収差が発生するなどの不具合があるため、全体設計から適度な配置間隔を考慮する必要がある。
例として、配置間隔ａを０．１ｍｍ、第一ＣＬの焦点距離ｆを２ｍｍとしたとき、第一ＣＬ６と光路合成素子７の間隔Ｌは９．３ｍｍとなる。
以上のようにして、青色光４と赤色光５の出射光の中心光軸が略一致するような構成を達成することができる。
【００３０】
以上のようにして、光路合成素子によって青色光、赤色光、緑色光の光路が合成される。
前述の光路合成素子では、第一の面および第二の面として光学多層膜によるダイクロイックミラーとしたが、どちらか一方は偏光分離面とすることも可能である。偏光分離面は入射面に対してｓ偏光成分とｐ偏光成分を反射と透過で分けるものなどがあり、光学多層膜や金属の微細格子構造であるワイヤーグリッド素子などで達成することができる。例えば、図２の実施例において、赤色光と緑色光の偏光が異なっており、第二の面が偏光分離面となっていても、図２中に示した光路を取るような構成とすることが可能である。
【００３１】
また、図７に示すように、光路合成素子７として図１で示したものとは逆の傾きを有する楔形平板を用いることも考えられる。これは、すなわち式１〜式７において、αが負の値となることに相当する。このときにおいても、図２の説明において述べたときと同様に光路合成を行うことが可能である。
たとえば、光路合成素子７の屈折率が１．５であり、θＢ１が４５度、αが−０．７９度のとき、入射角θＧ１が約４６．５度になるように緑色光源を配置すれば良い。
図７に示した構成において、図５および図６で説明したよう構成と同様に、青色光４と赤色光５の出射光の中心光軸が略一致する構成とすることが可能である。これに関して図８を用いて説明する。図６と同様に、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の配置間隔をａとし、第一ＣＬ６の焦点距離をｆ、第一ＣＬ６と光路合成素子７の間隔Ｌとする。
図５で示したものと同様に光路合成素子の第一の面と第二の面のなす角αが小さく、赤色光５と青色光４の光路合成素子７への入射角度がほぼ等しいとき、赤色光５が光路合成素子７へ入射する位置での位置ずれ量ｘは式８で示される。
たとえば、光路合成素子７の屈折率が１．５、αは−０．７９度、厚みｄが０．５ｍｍで、θＢ１が４５度のとき、位置ずれ量ｘは約０．３９ｍｍとなる。
式８で示した入射光軸位置ずれ量ｘを満たすような、第一ＣＬ６と光路合成素子７の間隔Ｌは下式で表される。
Ｌ＝ｆ−ｆ・ｘ／ａ (式10)
例として、配置間隔ａを０．５ｍｍ、第一ＣＬ６の焦点距離ｆを１０ｍｍとしたとき、第一ＣＬ６と光路合成素子７の間隔Ｌは２．２ｍｍとなる。
以上のようにして、青色光４と赤色光５の出射光の中心光軸が略一致するような構成を達成することができる。
【００３２】
図８で示した構成では、式１０から明らかなように、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の配置間隔ａを小さくとることができない。また、焦点距離ｆが小さいときＬが非常に小さい値をなり、光路合成素子７と第一ＣＬ６を配置することが困難になる。
光源装置の小型化および高光利用効率化のためには焦点距離ｆが小さい第一ＣＬでカップリングすることが望ましく、この点から図８で示した構成よりも、図６で示した構成の方が焦点距離ｆの短い第一ＣＬを用いたとしても配置が容易であり、より望ましい構成である。
【００３３】
［非点収差に関して］
図１において、光路合成素子７に入射する赤色光５が収束光または発散光であるときには楔形平板を透過することによる非点収差が発生する。また、第一ＣＬの光軸に対して、赤色ＬＤが光軸外に配置されているときにも非点収差が発生する。
よって、本発明の照明装置の構成としては、第二の光源が、楔形平板を透過することに起因する非点収差を低減せしめる方向に第一のコリメート光学系（第一ＣＬ）の中心光軸から距離ｄ１離れた位置に発光点が来るように配置されていることがより好ましい。その実施例を図９に示す。第一ＣＬ６は１枚の平凸レンズであり、光路合成素子７は図２で示した楔形平板であり、光路合成素子７に入射する赤色光５が発散光であるとき、第一ＣＬ６の光軸２３に対して図面中上方に発光点がくるよう赤色ＬＤが配置されていれば良い。
また、図１において光路合成素子７に入射する緑色光９が収束光または発散光であるときも、赤色光のときと同様に楔形平板を透過することによって非点収差が発生する。よって、前述した赤色光のときと同様に、楔形平板を透過することに起因する非点収差を低減せしめる方向に前記第二のコリメート光学系（第二ＣＬ）の中心光軸から距離ｄ２離れた位置に発光点がくるように配置されていることがより好ましい。
その実施例を図１０に示す。第二ＣＬ１０は１枚の平凸レンズであり、光路合成素子７は図２で示した楔形平板であり、光路合成素子７に入射する緑色光９が発散光であるとき、第二ＣＬ１０の光軸２４に対して図面中左方に発光点がくるよう緑色光源が配置されていれば良い。
【００３４】
半導体レーザは一般的に楕円型のビームを出力し、構成・用途によっては楕円形状であることが照明装置の性能を劣化させる可能性がある。このため、通常は楕円形のビームを円形に整形するためのビーム整形光学系を加える必要がある。
本発明の照明装置では、第二の光源として楕円形のビームを出射する半導体レーザを用いたときに、ビーム整形光学系を加えること無くビームの形状を改善することが可能である。これに関して図１１を用いて説明する。
図１１では赤色光５が紙面に平行な方向にビーム径ｗ１を有して、光路合成素子７に入射する。光路合成素子７から出射されるとき、紙面に平行な方向のビーム径はｗ２に変化する。このときの、ビーム径比ｗ２／ｗ１は下式で表されることとなる。
ｗ２／ｗ１＝ｃｏｓ（θＲ２）／ｃｏｓ（θＲ１）×ｃｏｓ（θＲ５）／ｃｏｓ（θＲ４） （式11）
θＲ１、θＲ２、θＲ４、θＲ５は、図２中で示したものであり、式１、式２、式３、式４を満たしている。一方、紙面に垂直な方向のビーム径は光路合成素子７を通過することによる変化は無い。よって、楔形平板から成る光路合成素子７によってビーム整形することが可能であり、ｗ２／ｗ１＞１となるような光路合成素子では、楕円状赤色光４の短軸方向が紙面に平行になるように赤色光源が配置されているようにすれば良い。
また、ｗ２／ｗ１＜１となるような光路合成素子では、楕円状赤色光４の長軸方向が紙面に平行になるように赤色光源が配置されているようにすれば良い。例えば、θＲ５が４５度、αが０．８２度、ｎが１．５のときｗ２／ｗ１は約０．９７となるため、赤色光源は楕円状出射光の長軸方向が紙面に平行となるように配置すれば良い。
【００３５】
図１２乃至図１４に基づいて第２の実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上および機能上の説明は省略して要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
光路合成素子は２つ以上の光学素子から形成されていてもよい。光路合成素子４０として、２枚のプリズムから構成される実施例を図１２に示す。図１２では第一のプリズム４１と第二のプリズム４２が接着層４３を介して接着されている。このとき、第一のプリズムの接着面が第一の面４４に、第二のプリズムの接着面が第二の面４５になっており、第一の面４４と第二の面４５とは所定の角度αだけ傾けて接着されている。
図１で示した構成を持つ照明装置において、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の間隔を精密に調整することは困難であり、位置調整誤差が生じる可能性がある。図１で示した実施例のように光路合成素子７として楔形平板を用いたとき、第一の面と第二の面は固定されているため、前述の位置調整誤差がそのまま合成後の光路誤差となってしまう。
これに対して、図１２で示したような２枚のプリズムを用いたとき、第一の面と第二の面が別の光学素子となっているため組み付け時に調整すること可能である。よって、赤色ＬＤと青色ＬＤの配置に位置誤差があっても、光路合成素子組み付け時の調整によって光路の誤差を低減することが可能となる。
【００３６】
このためには、図１３に示すように、２枚のプリズム間に第一の面と第二の面の相対的な角度を調整するために角度調整機構が存在していることがより望ましい。図１３では第一のプリズム４１と第二のプリズム４２との間にスペーサ４８が設けられており、スペーサ４８の位置を図中矢印方向に動かすことによって、第一の面４４と第二の面４５の相対的な角度差を調整することができる。
また、第一の光源と第二の光源と第一のＣＬとの相対的な位置関係に応じて、スペーサ５０の位置を調整した後に接着などの方法で固定し、第一の面と第二の面の相対的な角度を固定して使用する方法を取ることも可能である。
また、図１２で示した光路合成素子においては、第三の光源からの光が入射する第一の入射面４６と第三の光源からの緑色光９が出射する出射面４７とが平行に設けられていることがより好ましい。
第一の入射面４６と出射面４７とが平行に設けられていることによって、緑色光９が光路合成素子４０を透過する際に発生する非点収差の量を最小に抑えることが可能となる。
図１２において、赤色光または青色光のどちらかに対して、光路合成素子４０を透過するときに発生する収差の量が最小となるように、第二の入射面（第二の面４５）が設けられていることがより好ましい。
【００３７】
さらに、２つ以上の光学素子から形成されている光路合成素子の実施例を図１４に示す。光路合成素子５０は第一の楔形平板５１と第二の楔形平板５２とを貼り合わせて構成されている。
また、第一の楔形平板５１と第二の楔形平板５２は、屈折率および屈折率波長分散が異なる材料によって形成されている。
一般的に半導体レーザは温度などの使用環境に対して波長が変動する現象を有しており、図１に示した照明装置では、赤色ＬＤの発振波長に変動があった際に光路合成素子を構成する材料の屈折率波長分散の影響を受け光路がずれる可能性がある。これに対して、光路合成素子として図１４で示すような屈折率波長分散の異なる複数の材料から形成されているものを用いることによって、赤色ＬＤの発振波長に変動があった際に光路のずれを低減せしめることが可能となる。
【００３８】
図１５乃至図１７に基づいて第３の実施形態を説明する。
第一の波長λ１の光を発する第一の光源１と、第二の波長λ２の光を発する第二の光源２と第三の波長λ３の光を発する第三の光源６０は同一のマウント６１上に形成され、一つのパッケージ６２として構成されている。
第一、第二、第三の光源としては、図１における説明で述べたように、青色ＬＤ（波長４４５ｎｍ）、赤色ＬＤ（波長６３０ｎｍ）、緑色光源（波長５３２ｎｍ）を用いることができる。このとき、緑色光源（第三の光源６０）としては緑色ＬＤを用いることが最も好ましいが、現状では安定的に使用可能な緑色ＬＤは存在しないため図１６に示すように、緑色光源８と立ち上げミラー６３とから構成されていて、青色ＬＤ１および赤色ＬＤ２と同一のマウント６４上に形成されているものであっても良い。
青色ＬＤ１からの青色光４および、赤色ＬＤ２からの赤色光５および、緑色光源６０からの緑色光６５（図１における緑色光９に相当）は同一のカップリングレンズ（以下ＣＬ）６６によってカップリングされ、光路合成素子６７に導かれる。
【００３９】
ＣＬ６６によってカップリングされた青色光４、赤色光５、緑色光６５は、それぞれの光源の位置ずれによって光軸がずれる。例えば、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の発光点が１１０ｕｍずれており、赤色ＬＤ２と緑色光源６０の発光点がさらに１１０ｕｍずれており、ＣＬの焦点距離ｆが２．１ｍｍのとき、ＣＬ６６から出射される青色光４と赤色光５は約３度光軸がずれ、赤色光５と緑色光６５はさらに約３度光軸がずれる。
光軸のずれた各色光は光路合成素子６７によって光路合成される。これに関して図１７を用いて説明する。
光路合成素子６７は、第一の楔形平板６８と第二の楔形平板６９とから成る。光路合成素子は青色領域の光を反射し、赤色および緑色領域の光を透過する第一の面７１と、赤色領域の光を反射し、緑色領域の光を透過する第二の面７２と、緑色領域の光を反射する第三の面７３を有している。第一の面７１と第二の面７２は相対的に角度α傾いた第一の楔形平板６８を形成しており、第二の面７２と第三の面７３は相対的に角度β傾いた第二の楔形平板６９を形成している。
第一の面、第二の面は図２における説明と同様にダイクロイックミラーを用いることができる。第三の面はより単純に金属などによって構成される反射面を用いれば良い。
【００４０】
各色光の光路に関して述べる。
［１．青色光に関して］
光路合成素子６７への青色光入射角度をθＢ１とすると、青色光の出射角は光路合成素子の第一の面７１の法線に対して、θＢ１となる。
［２．赤色光に関して］
第一の楔形プリズム６８の屈折率をｎとすると、赤色光の光路は式１、式２、式３、式４を用いて示すことができる。赤色光の出射角は光路合成素子の第一の面７１の法線に対して、θＲ４となる。
［３．緑色光に関して］
第二の楔形プリズム６９の緑色光に対する屈折率をｎ’Ｇとすると、図１７中のθＧ１、θＧ２、θＧ３、θＧ４、θＧ５、θＧ６、θＧ７、θＧ８、θＧ９の関係は下のように表される。
ｓｉｎθＧ２＝１／ｎＧ・ｓｉｎθＧ１ （式12）
θＧ３＝θＧ２＋α （式13）
ｓｉｎθＧ４＝ｎＧ／ｎ’Ｇ・ｓｉｎθＧ３ （式14）
θＧ５＝θＧ４＋β （式15）
θＧ６＝θＧ５＋β （式16）
ｓｉｎθＧ７＝ｎ’Ｇ／ｎＧ・ｓｉｎθＧ６ （式17）
θＧ８＝θＧ７＋α （式18）
ｓｉｎθＧ９＝ｎＧ・ｓｉｎθＧ８ （式19）
【００４１】
緑色光の出射角は光路合成素子の第一の面７１の法線に対して、θＧ９となる。
θＢ１とθＲ４とθＧ９が略同一となるように、第一の楔形プリズム６８の角度αと、第二の楔形プリズム６９の角度βとが設定されているとき、光路合成素子から出射される光の出射角が等しくなるため最も良い構成となる。たとえば、第一の楔形プリズム６８および第二の楔形プリズム６９の屈折率が１．５であり、θＢ１が４５度のとき、αは約０．８２度、βは約０．８４度となる。
図１５〜図１７で示した実施例では、第一の光源、第二の光源、第三の光源からの光の光軸が同一平面内になっているが、本発明の照明装置では同一平面内に限られるわけではない。光軸が同一平面内ではなく、第一の面および第二の面および第三の面の法線が同一平面内となっていない構成を取ることも可能である。
【００４２】
図１８に第４の実施形態を示す。構成としては図１５に示したものとほぼ等しく、光路合成素子６７の代わりに、複屈折光路合成素子８０が配置されている。複屈折光路合成素子８０は入射光の偏光方向によって屈折率が異なる複屈折素子によって構成されている。また、赤色ＬＤ２と緑色光源６０とは出射光の偏光方向が直交するように形成されている。複屈折素子は入射光の偏光方向によって屈折角が異なるため、赤色光５と緑色光９の偏光方向が異なっているとき、お互いの光軸角度誤差を低減せしめることが可能である。
【００４３】
図１９及び図２０に第５の実施形態（投影型画像表示装置）を示す。
図１、図７、図１５、図１８に示した照明装置を用いて走査型プロジェクタを構成することが可能である。例として図１で示した照明装置を用いた走査型プロジェクタの実施例を示す。図１９に示した走査型プロジェクタでは、図１で示した照明装置に加え、照明装置から出射される光を２次元的に走査する走査手段８５、および走査手段８５と照明装置の光源を制御する制御装置８６が備わっている。
制御装置８６は、走査手段８５の動きと同期して所望の画像が加えられるように光源に変調を加える。走査手段８５は図中矢印方向に反射面を振ることができるようになっており、さらに紙面奥行き方向にも反射面を振ることができる。
これによって、スクリーン８７上には２次元的な投影像が形成されることとなる。
走査手段としては、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、半導体プロセス技術を用いて製造されるＭＥＭＳミラーなどを用いることができる。特にＭＥＭＳミラーは非常に小型で低消費電力であるため、小型プロジェクタに用いるには最も適している。
また、図中では１枚で２軸可動なものを示したが、１軸に可動なミラーを２つ用いても良い。
【００４４】
図２０に走査手段として用いることが可能なＭＥＭＳミラーの構成を示す。ＭＥＭＳミラー９０は、反射面を持つ微小ミラー９１がトーションバー９２、９３で支持された構造を有する。微小ミラー９１は、トーションバー９２が捻れることで軸９４を略中心とした共振往復運動を行う。また、トーションバー９３が捻れることで軸９５を略中心とした共振往復運動を行う。この両軸９４、９５を略中心とする往復運動によって、微小ミラー９１の偏向面の法線方向が２次元的に変化する。
このため、微小ミラー９１に入射するビームの反射方向が変化し、これにより、ビームを２次元方向に走査することができる。
このような、プロジェクタでは走査手段の動きに同期して光源の強度を変調するため、人間の目に自然な画像を表示するには高速変調に耐えうる光源を用いる必要がある。
【００４５】
高速変調可能な緑色光源の構成例を図２１に示す。緑色の光源として、半導体レーザ励起の固体レーザを用いる。波長８０８ｎｍの励起用の半導体レーザ１０１からの光は集光レンズ１０２によってＮｄ：ＹＡＧ結晶１０３に集光され、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１０３を励起する。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１０３は波長１０６４ｎｍの光を発し、この光は非線形光学結晶１０４によって緑色波長領域にある５３２ｎｍの倍波に変換される。
また、光出射部には倍波に変換されなかった光や、励起用半導体レーザの光を遮断するフィルター１０５が設けられている。以上の光学素子は、安定性を上げるためひとつのパッケージ１０６に収められており、ひとつの半導体レーザ励起の固体レーザ１０７を構成している。
さらに、固体レーザからの出力はレンズ１０８によって音響光学素子１０９に導かれる。音響光学素子１０９は入力信号に応じて、入射レーザ光を高速に変調することが可能である。半導体レーザ励起の固体レーザは通常高速変調することができないが、このように音響光学素子などの変調素子を別にもうけることによって本発明のプロジェクタ用光源として用いることが可能となる。
変調素子としては、他に電気光学素子を用いることもできる。
【００４６】
別の緑色光源構成例を図２２に示す。図２２に示される緑色光源は、波長１０６０ｎｍの光を発する半導体レーザ２０１と、半導体レーザの出力波長を安定させるための波長安定化素子２０２と、集光レンズ２０３と、波長１０６０ｎｍの光を倍波に変換する非線形光学結晶２０４から構成されている。
波長安定化素子２０２としては体積ホログラムを用いることができる。また、非線形光学結晶２０４としては、より倍波への変換効率を高めるため周期分極反転したニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）を用いることが望ましい。また、出射光には波長１０６０ｎｍの光を遮断するフィルター２０５が設けられており、全ての素子はひとつのパッケージ２０６に収められている。
このような構成では、半導体レーザ１０１を直接高速に変調することで、緑色波長の出力を変調することも可能であるため、部品点数が少なくて済みより好ましい。このようなレーザの構成に関しては既に非特許文献１に詳しく述べられている。
【００４７】
本発明のプロジェクタと、図２６で示した一般的なレーザ走査型プロジェクタとの大きさを比較したものを図２３および図２４に示す。図２３は図１９で示したプロジェクタのレイアウトを示しており、図２４は図２６で示したプロジェクタのレイアウトを示している。
図２３において、図２２で説明した非線形光学結晶２０４は、導波路を有している。
本発明のプロジェクタは、青色光と赤色光の光源を同一マウント上に実装し、且つ、緑色光の光源をその出射方向が青色光と赤色光の光源の出射方向と略直交するように配置して１つの光路合成素子７の２面を用いて光路を合成するレイアウトとしたので、色毎に光源とダイクロイックミラーを一対一で対応させて並設する従来方式に比べ、その小型化（容積縮小化）は一目瞭然である。
図２３の構成では光学系の容量がおよそ５ｃｃであり、図２４の構成はおよそ７ｃｃである。これらより明らかなように、本発明のプロジェクタでは従来のものより小型化および部品点数削減が達成されており、約３０％小型なものとなっている。
【００４８】
図１９では、走査手段とスクリーンの間に光学系が存在しないが、投影光学系を有するプロジェクタとなっていても良い（第６の実施形態）。投影光学系を用いることによって、スクリーン上の画像歪みを軽減することが可能となる。
図２５に実施例を示す。図１９で示したプロジェクタに加え、画像歪みを軽減する投影光学系３００を備えている。
画像歪みはレーザの発光タイミングを工夫することにより改善できるが、画像範囲が小さくなったり、画像が暗くなったりする不具合があるが、光学的に補正することによりそのうような不具合が発生しない。
ＭＥＭＳミラーなどの走査手段は振れ角を大きくとることが難しいため走査角度が限られるが、図２５で示すように、投影光学系によって走査角度を拡大することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態における照明装置の概要平面図である。
【図２】光路合成素子の機能を説明するための図である。
【図３】色別の分光反射率を示すグラフである。
【図４】光路合成素子の面の膜構成を示すデータ図である。
【図５】光路合成素子において、青色光と赤色光の出射光中心光軸が略一致する構成を説明するための図である。
【図６】光路合成素子がその頂点側が光源側を向くように配置された構成における青色光と赤色光の出射光中心光軸が略一致する条件を説明するための図である。
【図７】光路合成素子がその頂点側が光源から離れる方向を向くように配置された照明装置の概要平面図である。
【図８】光路合成素子がその頂点側が光源から離れる方向を向くように配置された構成における青色光と赤色光の出射光中心光軸が略一致する条件を説明するための図である。
【図９】非点収差を低減するための第二の光源と第一のカップリングレンズとの位置関係を示す図である。
【図１０】非点収差を低減するための第三の光源の光源と第二のカップリングレンズとの位置関係を示す図である。
【図１１】光路合成素子において、ビームの形状を改善するための条件を説明するための図である。
【図１２】第２の実施形態における光路合成素子の概要構成図である。
【図１３】角度調整機構を有する光路合成素子の概要構成図である。
【図１４】第２の実施形態における光路合成素子の別例を示す図である。
【図１５】第３の実施形態における照明装置の概要平面図である。
【図１６】光源の実装構成を示す図である。
【図１７】光路合成素子による光路合成機能を示す図である。
【図１８】第４の実施形態における照明装置の概要平面図である。
【図１９】第５の実施形態における投影型画像表示装置の概要構成図である。
【図２０】走査手段としてのＭＥＭＳミラーの構成を示す斜視図である。
【図２１】高速変調可能な緑色光源の構成例を示す図である。
【図２２】高速変調可能な緑色光源の別の構成例を示す図である。
【図２３】本発明の照明装置を備えたプロジェクタの斜視図である。
【図２４】従来の照明装置を備えたプロジェクタの斜視図である。
【図２５】第６の実施形態における投影型画像表示装置の概要構成図である。
【図２６】従来の走査型プロジェクタの概要構成図である。
【図２７】波長と回折効率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５０】
１ 第一の光源
２ 第二の光源
４ 第一の波長の光
５ 第二の波長の光
６ 第一のカップリング光学系
７ 光路合成素子
８ 第三の光源
９ 第三の波長の光
１０ 第二のカップリング光学系
２１ 第一の面
２２ 第二の面
８５ 走査手段
８６ 制御手段
９０ 走査手段としてのＭＥＭＳミラー
３００ 投射光学系
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光源からの光を合成して同一方向へ照射する照明装置、該照明装置を備えたレーザ走査型プロジェクタ等の投影型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤやレーザなどの固体光源を用いた投影型画像表示装置（以下「プロジェクタ」と呼ぶ）の開発が盛んであり、小型で携帯可能なプロジェクタとして期待されている。
特に、３原色のレーザとＭＥＭＳ（微小電気機械システム）ミラーを組み合わせた走査型の小型プロジェクタは構成部品が少なく、超小型化が可能な点から多くの開発が進められている（例えば特許文献１、２参照）。
このような３原色のレーザとＭＥＭＳミラーとから成る走査型プロジェクタの従来例を図２６に示す。図２６に示したプロジェクタでは、それぞれＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のレーザ光を放射する半導体レーザ１−Ｒ、１−Ｇ、１−Ｂと、半導体レーザ１−Ｒ、１−Ｇ、１−Ｂからのレーザ光を集光するレンズ２−Ｒ、２−Ｇ、２−Ｂと、それぞれ赤色光、緑色光、青色光のみを反射し、その他の光を透過させるダイクロイックミラー３−Ｒ、３−Ｇ、３−Ｂと、傾斜角が可変なミラーを備えたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー装置５０１と、ＭＥＭＳミラー装置５０１のミラーを水平方向及び垂直方向に回動させると共に、入力ビデオ信号に応じて半導体レーザ１−Ｒ、１−Ｇ、１−Ｂから光強度変調されたレーザ光を放射させる制御回路５０２とから構成される。
【０００３】
制御回路５０２は、ミラー制御手段と変調手段を有しており、これに同期してレーザ光強度を変調せしめることによって、スクリーン５０３上で画像を形成する。
このような色合成の手法においては、各レーザに対して集光レンズが必要であり、かつそれぞれのレーザ光の光路を合成するため複数のダイクロイックミラーが必要となる。このため、部品点数が増え、また小型・軽量化を阻害する要因となっている。
複数のダイクロイックミラーを、１枚の回折素子に置き換え、これによって３つの光源からの光の光路合成を行う方法が特許文献３、４に提案されている。
これらの手法では、図２６において複数枚のダイクロイックミラーを用いて光路を合成しているところを１枚の回折素子によって達成しており、これによって部品点数の削減、小型化を達成している。
特許文献５には、さらにこれに、複数のレーザ光源を１つのマウント上に配置し同一パッケージとすることで、部品点数削減、小型・軽量化が可能な構成が提案されている。
特許文献５では、同一マウント上に配置された赤色、青色、緑色の光を出射する３つのコヒーレント光源と、光源から出射される光を１枚の回折素子で同軸ビームになるよう回折して、該各光を合波する照明装置が示されている。
また、別の例として特許文献６には、同一マウント上に配置された２つの光源からの光の光路を合成する、楔形プリズムおよび、それを用いた光ピックアップ装置が示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１８９５７３号公報
【特許文献２】特開２００１−１５４６０７号公報
【特許文献３】特開２００７−１２１８９９号公報
【特許文献４】特開２００７−３３３９５７号公報
【特許文献５】ＷＯ２００５／０７３７９８ Ａ１
【特許文献６】特開２００２−２０７１１０号公報
【非特許文献１】日経マイクロデバイス １１月号 ｐ．８５−８９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように回折素子を用いることによって、少ない部品点数で複数の光源からの光の光路を合成することが可能である。しかしながら、回折素子を用いることには下記のような問題点が存在する。
一般的に回折効率ηは波長によって変動するため、複数の波長に対して効率良く機能する回折素子を作製することは容易では無い。例えば、表面レリーフ型の回折光学素子は単一波長で設計されるものであり、図２７に示すように、設計波長と異なる波長の光に対して用いると回折効率ηが低下し光の利用効率が下がる、あるいは結像光学系ではフレアとなり画像品質を劣化させる、といった問題があった。
プロジェクタに使用する照明装置としては、青、緑、赤の３色を合成して出射可能なものが必要であり、このとき各色の波長はそれぞれおよそ０．４〜０．４８ｕｍ、０．５〜０．５５ｕｍ、０．６〜０．７ｕｍの範囲に含まれる波長である。
波長差が大きいため、青、緑、赤の各波長において、ηとして１００％に近い値を得る、青、緑、赤で異なる次数の回折光のみを生じさせる、などの構成をとることは困難である。
このため、このような回折素子を照明装置に用いた際には、光利用効率の低下とともに、光路が合成されていない不要な光が生じフレアとなる問題がある。
【０００６】
あるいは、特許文献５において述べられているように、体積ホログラムを用いることによって所望の波長のみを回折させることが考えられる。しかしながら、体積ホログラムは回折効率の高い許容波長範囲が非常に狭いため、光源に波長誤差が生じたときに回折効率が低下し、光利用効率の低下、不要なフレア光の発生の原因となる。
特に半導体レーザ光源は固体によって波長にばらつきが大きく、さらに温度変化など使用時の環境変化によっても波長変動が生じるため大きな問題となる。
このように、回折素子を光路合成に用いることは、光利用効率の低下やフレアの原因となるため実際の使用には困難を伴っていた。
【０００７】
特許文献６に記載の構成においては、同一マウント上に配置された２つの光源からの光を効率良く光路合成することが可能であるが、レーザ走査型プロジェクタに対して用いることが可能な照明装置では、ピックアップ装置に対して光源の有する波長が異なり、３つの光源（赤、緑、青の３原色）からの光を効率よく合成して出射する必要がある。
赤色および青色に関しては半導体レーザ光源が存在するが、緑色光源には半導体レーザのようなチップ型の小型光源が存在しない。このため、緑色光源を他の光源と近接して配置することが困難であり、照明装置としてピックアップ装置に使用されるものとは別の構成を取る必要がある。
【０００８】
本発明は、３つの光源からの光を効率よく合成して出射できるとともに、小型化と光利用効率の向上に寄与できる照明装置、該照明装置を備えた投影型画像表示装置の提供を、その目的とする。
【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、請求項１記載の発明では、第一の波長の光を出射する第一の光源と、前記第一の光源の近傍に配置され、第二の波長の光を前記第一の光源と略同一方向に出射する第二の光源と、第三の波長の光を前記第一の光源および前記第二の光源とは異なる方向に出射するように配置された第三の光源と、前記第一の光源および前記第二の光源からの光をカップリングする第一のカップリング光学系と、前記第三の光源からの光をカップリングする第二のカップリング光学系と、前記第一の光源からの光および前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光の光路を一致させるための光路合成素子と、を備え、前記光路合成素子は第一の面と、該第一の面に非平行な第二の面とを有し、前記第一の面は前記第一の光源からの光を反射し且つ前記第二の光源および前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、前記第二の面は前記第二の光源からの光を反射し且つ前記第三の光源からの光を透過する特性を有していることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の照明装置において、前記第三の光源の出射方向は、前記第一の光源および前記第二の光源の出射方向に対して略直交する方向であることを特徴とする。
請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の照明装置において、前記第三の光源が緑色の色光を発する光源であり、前記第一の光源が赤色かつ前記第二の光源が青色、もしくは前記第一の光源が青色かつ前記第二の光源が赤色の色光を発する光源であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の照明装置において、前記第一の光源と前記第二の光源は同一マウント上に配置されていることを特徴とする。
請求項５記載の発明では、請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置において、前記光路合成素子は、楔形平板によって構成されており、前記楔形平板の片面が前記第一の面、もう一方の面が前記第二の面となっていることを特徴とする。
請求項６記載の発明では、請求項５記載の照明装置において、前記光路合成素子は、その楔形の頂点側が前記光源側を向くように配置されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項７記載の発明では、請求項５又は６記載の照明装置において、前記第二の光源は、前記楔形平板を透過することに起因する非点収差を低減せしめる方向に第一のカップリング光学系の中心光軸から距離ｄ１離れた位置に発光点がくるように配置されていることを特徴とする。
請求項８記載の発明では、請求項５〜７のいずれかに記載の照明装置において、前記第三の光源は、前記楔型平板を透過することに起因する非点収差を低減せしめる方向に前記第二のカップリング光学系の中心光軸から距離ｄ２離れた位置に発光点がくるように配置されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項９記載の発明では、請求項５〜８のいずれかに記載の照明装置において、前記第二の光源は、楕円状強度分布の光を出射する光源であり、前記楔形平板は前記楕円状強度分布の光の強度分布を円状強度分布に近づけるように配置されていることを特徴とする。
請求項１０記載の発明では、請求項１〜９のいずれかに記載の照明装置において、前記光路合成素子は、複数の光学部品を貼り合わせて構成されていることを特徴とする。
請求項１１記載の発明では、請求項１０記載の照明装置において、前記第三の光源からの光が前記光路合成素子へ入射する面と、前記第三の光源からの光が前記光路合成素子から出射する面とが平行に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
請求項１２記載の発明では、請求項１０又は１１記載の照明装置において、前記光路合成素子は、前記第一の面を含む第一の光学素子と、前記第二の面を含む第二の光学素子とから成り、前記第一の面と前記第二の面の相対的な角度を調整する角度調整機構が設けられていることを特徴とする。
請求項１３記載の発明では、請求項１０〜１２のいずれかに記載の照明装置において、前記光路合成素子が屈折率分散の異なる複数の材料から成っていることを特徴とする。
【００１５】
請求項１４記載の発明では、第一の波長の光を出射する第一の光源と、前記第一の光源と同一マウント上に配置された第二の波長の光を出射する第二の光源と、前記第一の光源および前記第二の光源と同一のマウント上に配置された第三の波長の光を出射する第三の光源と、前記第一の光源および前記第二の光源および前記第三の光源からの光をカップリングするカップリング光学系と、前記第一の光源からの光および前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光の光路を一致させるための光路合成素子と、を備え、前記光路合成素子は角度の異なる３つの面を有しており、第一の面は前記第一の光源からの光を反射し且つ前記第二および前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、第二の面は前記第二の光源からの光を反射し且つ前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、第三の面は前記第三の光源からの光を反射する特性を有していることを特徴とする。
【００１６】
請求項１５記載の発明では、第一の波長の光を出射する第一の光源と、前記第一の光源と同一マウント上に配置された第二の波長の光を出射する第二の光源と、前記第一の光源および前記第二の光源と同一のマウント上に配置された第三の波長の光を出射する第三の光源と、前記第一の光源および前記第二の光源および前記第三の光源からの光をカップリングするカップリング光学系と、前記第一の光源からの光および前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光の光路を一致させるための光路合成素子と、を備え、前記第二の光源と前記第三の光源は異なる偏光方向の光を発し、前記光路合成素子は互いに角度の異なる第一の面および第二の面を有し、前記第一の面は前記第一の光源からの光を反射し且つ前記第二の光源および前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、前記第二の面は前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光を反射する特性を有し、前記光路合成素子の少なくとも一部が複屈折性材料によって構成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項１６記載の発明では、請求項１〜１５のうちのいずれかに記載の照明装置と、該照明装置から出射される光を２次元に走査可能な走査手段と、前記第一の光源、前記第二の光源、前記第三の光源の出力を前記走査手段の動きに同期して制御する制御手段を有していることを特徴とする。
請求項１７記載の発明では、請求項１６記載の投影型画像表示装置において、前記走査手段の光進行方向下流に投射光学系を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第一の光源と第二の光源を同一マウントに配置し、さらにカップリング光学系を共通化することで、小型・軽量化を達成できる。また、第一、第二、第三の光源からの光を単一の光路合成素子によって光路合成を行うため、さらに小型・軽量化が可能となる。また、光路合成素子は角度の異なる２つのダイクロイック面を利用しており、回折素子を利用した方式に対して、光利用効率に優れる。
緑色光源を別位置に配置したレイアウトにより照明装置のコンパクト化、ひいては投影型画像表示装置の小型化を実現できる。
光路合成素子として楔形平板を用いることにより、部品点数が少なく、小型・軽量な照明装置を実現できる。
また、出射光の非点収差がより少ない照明装置とすることができる。
出射光の断面形状がより円形に近い照明装置とすることが可能となる。
出射光の光路の一致精度を高めることができる。
出射光の収差が少ない照明装置とすることが出来る。
第二の光源が出射する光の波長に変動が生じたときであっても光路の変化が少ない照明装置とすることができる。
光路合成素子を複屈折材料から成る光学素子とすることで、部品点数が少なく軽量な照明装置とすることができる。
投影光学系を備えることにより、例えばスクリーン上の画像歪みを軽減した走査型プロジェクタを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。
まず、図１乃至図１１に基づいて本発明の照明装置についての第１の実施形態を説明する。
本実施形態に係る照明装置は、第一の波長λ１の光を発する第一の光源１と、第二の波長λ２の光を発する第二の光源２とを有し、これらの光源は同一のマウント３上に近傍配置状態で実装され、一つのパッケージ１１として構成されている。第一の光源１と第二の光源２の光出射方向は略同一である。
第一の光源１としては青色波長領域の光を発する半導体レーザ（以下「青色ＬＤ」と呼ぶ）を、第二の光源２としては赤色波長領域の光を発する半導体レーザ（以下「赤色ＬＤ」と呼ぶ）を用いることができる。
青色波長領域、赤色波長領域はそれぞれおよそ、４００ｎｍ〜４８０ｎｍ、６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲を指しており、青色ＬＤとしては例えば波長λ１が４４５ｎｍの光を発するＬＤを、赤色ＬＤとしては例えば波長λ２が６３０ｎｍの光を発するＬＤを用いることができる。以下の説明ではこの波長を用いる。ここでは、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２が別のチップで同一のマウント３上に実装したものを示しているが、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２が一つのチップ上に形成されているものであっても良い。
【００２０】
青色ＬＤ１からの青色光４および、赤色ＬＤ２からの赤色光５は同一のカップリング光学系である第一のカップリング光学系（以下「第一ＣＬ」と呼ぶ）６によってカップリングされ、光路合成素子７に導かれる。
図１中には各色光の光路が模式的に示されている。また、本発明の照明装置においては、第三の波長λ３の光を発する第三の光源８が、パッケージ１１とは別の位置に配置されている。
具体的に説明すると、第三の光源８は、第一の光源１および第二の光源２とは異なる方向（ここでは略直交する方向）に光を出射するように配置されている。
第三の光源８としては緑色波長領域５００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長範囲にある光を発する緑色光源を用いることができる。緑色光源として半導体レーザを使用することが最も良いが、現状では安定的に使用可能な緑色半導体レーザは存在しないため、固体レーザや、赤外半導体レーザの倍波を用いることが良い。緑色光源の具体的な構成に関しては後述するが、ここでは例として波長λ３が５３２ｎｍの光源を用いることとする。
【００２１】
特許文献６に示すような光ピックアップ装置では、光源は波長順（ここでは青＜緑＜赤）に配置するのが一般的であるが、本実施形態では、緑色波長領域の光を発する第三の光源８を、第一の光源１および第二の光源２と同一のパッケージとして光路合成素子７の同一面に入射させず、異なる位置に配置して光路合成素子７の別な面（後述する第二の面）から入射させるようにしている。
すなわち、半導体レーザのようなチップ型の小型光源が存在しない緑色光源を第一の光源１および第二の光源２と同一のパッケージに組み込むと第一の光源１および第二の光源２のパッケージのコンパクト化が却って阻害される。
本実施形態では、３つの光源からの光を効率よく合成する必要があるこの種の照明装置において、第一の光源１および第二の光源２のパッケージのコンパクト化を維持しつつ、図２６で示した従来方式に対して全体構成のコンパクト化を実現できる配置形態としたのである。この種の照明装置におけるコンパクト化（容積縮小化）は、レーザ走査型プロジェクタの小型化に及ぼす影響が極めて大きい。上記従来方式に対するコンパクト化の実際的な優位度については後述する。
【００２２】
緑色光源８からの緑色光９は第二のカップリング光学系（以下「第二ＣＬ」と呼ぶ）１０によってカップリングされ、光路合成素子７に導かれる。光路合成素子７に入射した赤色光４、青色光５、緑色光９は同一光路に合成され出射される。
このようにして、赤、青、緑３つの波長領域の光を同一光路で出射する照明装置が達成される。
以上の説明では、第一の光源として青色波長領域、第二の光源として赤色波長領域、第三の光源として緑色波長領域のものを用いたが、異なる波長領域のものであっても良いし、異なる組み合わせとなっていても良い。赤、青、緑の３色を合成して出射する光源は走査型プロジェクタの光源として用いることができるため、もっとも有用である。
また、前述したように緑色光源としては半導体レーザを用いることが困難であるため、他の光源と同一マウント上に配置することが容易ではない。このため、第一の光源が赤または青、第二の光源が青または赤、第三の光源が緑となっている構成がより製造が容易である。
また、第一のカップリング光学系および第二のカップリング光学系として、図１中では平凸レンズを示しているが、他の形状でも良くまた複数の光学素子から成るものであっても良い。特に、第一のカップリング光学系としては赤色光と青色光に対する色収差を低減させるために複数枚のレンズによって構成されていることが好ましい。もしくは、一般的な屈折レンズに加え回折構造を備えたものを用いても良い。
【００２３】
光路合成素子の機能に関して図２を用いて詳細に説明する。光路合成素子７は、青色領域の光を反射し、赤色および緑色領域の光を透過する第一の面２１と、赤色領域の光を反射し、緑色領域の光を透過する第二の面２２から成る平板であり、第一の面と第二の面は相対的に角度α傾いた楔形平板となっている。
光路合成素子７は、その楔形の頂点側が光源側を向くように配置されている。ここで、「光源側を向く」とは、光源に対向するという意味ではなく、光源に近づく方向に向いているという意味である。
青色光４および赤色光５は第一の面より入射し、それぞれ第一の面および第二の面によって反射され、出射される。また、緑色光９は第二の面より入射し、第二の面および第一の面を透過して出射される。第一の面および第二の面は波長によって選択的に反射または透過する面となっており、このような面は光学多層膜によって達成することが可能でありダイクロイックミラーと呼ばれる。
【００２４】
図３に第一の面および第二の面の入射角４５度ｓ偏光成分に対する分光反射率を示した。図中では第一の面は実線で、第二の面は点線で示されている。第一の面は青色光の波長λ１（４４５ｎｍ）に対して反射率が高く、赤色光の波長λ２（６３０ｎｍ）および緑色光の波長λ３（５３２ｎｍ）では反射率の低いダイクロイックミラーとなっており、第二の面は赤色光の波長λ２（６３０ｎｍ）の光に対して反射率が高く緑色光の波長λ３（５３２ｎｍ）で反射率の低いダイクロイックミラーとなっている。
第一の面の具体的な膜構成を図４（ａ）に、第二の面の具体的な膜構成を図４（ｂ）に示した。ここでは多層膜を構成する材料として低屈折材料である二酸化珪素（ＳｉＯ２）と高屈折材料である五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）を示したが他にも、フッ化マグネシウムや酸化チタンなど一般的に光学多層膜に用いられる材料が使用できる。図４において、「基板」は楔形平板を意味する。
このように、ダイクロイックミラーでは所望の波長範囲において反射率を１００％近くに、異なる波長範囲で透過率を１００％に近い値とすることが可能であり、光路合成素子として回折素子を用いる方法に対して光利用効率の点で優れている。
【００２５】
青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の発光点の違いによって、第一ＣＬ６によってカップリングされた青色光４および赤色光５は光路が一致していない。例えば、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の発光点が１１０ｕｍずれており、第一ＣＬ６の焦点距離ｆが２．１ｍｍのとき、第一ＣＬ６から出射される、青色光および赤色光は約３度光軸がずれる。
光路合成素子７では、第二の面が第一の面に対して角度αだけ傾いていることによりこの光軸の角度ずれを補正することが可能となっている。これに関して数式を用いて説明する。
【００２６】
［１．青色光に関して］
光路合成素子７への青色光入射角度をθＢ１とすると、青色光の出射角は光路合成素子７の第一の面２１の法線に対して、θＢ１となる。
［２．赤色光に関して］
光路合成素子７を構成する材料の赤色光に対する屈折率をｎＲとすると、図２中に表示されるθＲ１、θＲ２、θＲ３、θＲ４、θＲ５には下記の関係式が成り立つ。
ｓｉｎθＲ２＝１／ｎＲ・ｓｉｎθＲ１ （式1）
θＲ３＝θＲ２＋α （式2）
θＲ４＝θＲ３＋α （式3）
ｓｉｎθＲ５＝ｎＲ・ｓｉｎθＲ４ （式4）
赤色光の出射角は光路合成素子の第一の面２１の法線に対してθＲ５であるので、θＲ５がθＢ１と一致するとき赤色光と青色光の光軸が平行に出射され好ましい。よって、本発明の最も良い実施例としては、光路合成素子に、θＲ５がθＢ１と等しくなるよう第一の面と第二の面のなす角αが設けられている。
たとえば、光路合成素子７の屈折率が１．５であり、θＢ１が４５度のとき、αは約０．８２度となる。
［３．緑色光に関して］
光路合成素子７を構成する材料の緑色光に対する屈折率をｎＧとすると、図２中に表示されるθＧ１、θＧ２、θＧ３、θＧ４には下記の関係式が成り立つ。
ｓｉｎθＧ２＝１／ｎＧ・ｓｉｎθＧ１ （式5）
θＧ３＝θＧ２＋α （式6）
ｓｉｎθＧ４＝ｎＧ・ｓｉｎθＧ３ （式7）
【００２７】
緑色光の出射角は光路合成素子７の第一の面２１の法線に対してθＧ４であるので、θＧ４がθＢ１およびθＲ５と一致するとき緑色光が青色光および赤色光の光軸が平行に出射され、良い照明装置とすることができる。よって、本発明の実施例としては、θＧ４＝θＢ１＝θＲ５を満たすような入射角θＧ１で緑色光が光路合成素子の第二の面に入射するように、緑色光源が配置されている。
たとえば、光路合成素子７の屈折率が１．５であり、θＢ１が４５度、αが０．８２度のとき、入射角θＧ１が約４３．５度になるように緑色光源を配置すれば良い。
さらに、赤色光、青色光、緑色光の光路が一致して出射される照明装置とするためには、光路合成素子の第一の面から出射される各色光の中心光軸が一致するように、第一ＣＬと光路合成素子の位置および、緑色レーザと光路合成素子の位置が配置されていることが最も好ましい。
【００２８】
以下に、青色光４と赤色光５の出射光の中心光軸が略一致する構成の実施例を示す。
図５中に記載されるように、出射時に中心光軸が一致するための入射光軸の位置ずれ量をｘ、赤色光が入射する位置での光路合成素子７の厚みをｄとする。光路合成素子の第一の面と第二の面のなす角αが小さく、赤色光５と青色光４の光路合成素子７への入射角度がほぼ等しいとき、赤色光５が光路合成素子７へ入射する位置での位置ずれ量ｘは下式のように近似できる。
ｘ＝２ｄｔａｎθＲ３・ｃｏｓθＢ （式8）
【００２９】
たとえば、光路合成素子７の屈折率が１．５、αは０．８２度、厚みｄが０．５ｍｍで、θＢ１が４５度のとき、位置ずれ量ｘは約０．３６５ｍｍとなる。
図６を用いて、青色ＬＤ１、赤色ＬＤ２、第一ＣＬ６、光路合成素子７の配置例を説明する。青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の配置間隔をａとし、第一ＣＬ６の焦点距離をｆとしたとき、前述した光路合成素子７へ入射するときの入射光軸位置ずれ量ｘを満たすような、第一ＣＬ６と光路合成素子７の間隔Ｌは下式で表される。
Ｌ＝ｆ＋ｆ・ｘ／ａ (式9)
青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の配置間隔ａに関しては、近すぎると放熱の効率が低下し、離しすぎると第一ＣＬのカップリング効率が低下する、カップリング時に収差が発生するなどの不具合があるため、全体設計から適度な配置間隔を考慮する必要がある。
例として、配置間隔ａを０．１ｍｍ、第一ＣＬの焦点距離ｆを２ｍｍとしたとき、第一ＣＬ６と光路合成素子７の間隔Ｌは９．３ｍｍとなる。
以上のようにして、青色光４と赤色光５の出射光の中心光軸が略一致するような構成を達成することができる。
【００３０】
以上のようにして、光路合成素子によって青色光、赤色光、緑色光の光路が合成される。
前述の光路合成素子では、第一の面および第二の面として光学多層膜によるダイクロイックミラーとしたが、どちらか一方は偏光分離面とすることも可能である。偏光分離面は入射面に対してｓ偏光成分とｐ偏光成分を反射と透過で分けるものなどがあり、光学多層膜や金属の微細格子構造であるワイヤーグリッド素子などで達成することができる。例えば、図２の実施例において、赤色光と緑色光の偏光が異なっており、第二の面が偏光分離面となっていても、図２中に示した光路を取るような構成とすることが可能である。
【００３１】
また、図７に示すように、光路合成素子７として図１で示したものとは逆の傾きを有する楔形平板を用いることも考えられる。これは、すなわち式１〜式７において、αが負の値となることに相当する。このときにおいても、図２の説明において述べたときと同様に光路合成を行うことが可能である。
たとえば、光路合成素子７の屈折率が１．５であり、θＢ１が４５度、αが−０．７９度のとき、入射角θＧ１が約４６．５度になるように緑色光源を配置すれば良い。
図７に示した構成において、図５および図６で説明したよう構成と同様に、青色光４と赤色光５の出射光の中心光軸が略一致する構成とすることが可能である。これに関して図８を用いて説明する。図６と同様に、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の配置間隔をａとし、第一ＣＬ６の焦点距離をｆ、第一ＣＬ６と光路合成素子７の間隔Ｌとする。
図５で示したものと同様に光路合成素子の第一の面と第二の面のなす角αが小さく、赤色光５と青色光４の光路合成素子７への入射角度がほぼ等しいとき、赤色光５が光路合成素子７へ入射する位置での位置ずれ量ｘは式８で示される。
たとえば、光路合成素子７の屈折率が１．５、αは−０．７９度、厚みｄが０．５ｍｍで、θＢ１が４５度のとき、位置ずれ量ｘは約０．３９ｍｍとなる。
式８で示した入射光軸位置ずれ量ｘを満たすような、第一ＣＬ６と光路合成素子７の間隔Ｌは下式で表される。
Ｌ＝ｆ−ｆ・ｘ／ａ (式10)
例として、配置間隔ａを０．５ｍｍ、第一ＣＬ６の焦点距離ｆを１０ｍｍとしたとき、第一ＣＬ６と光路合成素子７の間隔Ｌは２．２ｍｍとなる。
以上のようにして、青色光４と赤色光５の出射光の中心光軸が略一致するような構成を達成することができる。
【００３２】
図８で示した構成では、式１０から明らかなように、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の配置間隔ａを小さくとることができない。また、焦点距離ｆが小さいときＬが非常に小さい値をなり、光路合成素子７と第一ＣＬ６を配置することが困難になる。
光源装置の小型化および高光利用効率化のためには焦点距離ｆが小さい第一ＣＬでカップリングすることが望ましく、この点から図８で示した構成よりも、図６で示した構成の方が焦点距離ｆの短い第一ＣＬを用いたとしても配置が容易であり、より望ましい構成である。
【００３３】
［非点収差に関して］
図１において、光路合成素子７に入射する赤色光５が収束光または発散光であるときには楔形平板を透過することによる非点収差が発生する。また、第一ＣＬの光軸に対して、赤色ＬＤが光軸外に配置されているときにも非点収差が発生する。
よって、本発明の照明装置の構成としては、第二の光源が、楔形平板を透過することに起因する非点収差を低減せしめる方向に第一のコリメート光学系（第一ＣＬ）の中心光軸から距離ｄ１離れた位置に発光点が来るように配置されていることがより好ましい。その実施例を図９に示す。第一ＣＬ６は１枚の平凸レンズであり、光路合成素子７は図２で示した楔形平板であり、光路合成素子７に入射する赤色光５が発散光であるとき、第一ＣＬ６の光軸２３に対して図面中上方に発光点がくるよう赤色ＬＤが配置されていれば良い。
また、図１において光路合成素子７に入射する緑色光９が収束光または発散光であるときも、赤色光のときと同様に楔形平板を透過することによって非点収差が発生する。よって、前述した赤色光のときと同様に、楔形平板を透過することに起因する非点収差を低減せしめる方向に前記第二のコリメート光学系（第二ＣＬ）の中心光軸から距離ｄ２離れた位置に発光点がくるように配置されていることがより好ましい。
その実施例を図１０に示す。第二ＣＬ１０は１枚の平凸レンズであり、光路合成素子７は図２で示した楔形平板であり、光路合成素子７に入射する緑色光９が発散光であるとき、第二ＣＬ１０の光軸２４に対して図面中左方に発光点がくるよう緑色光源が配置されていれば良い。
【００３４】
半導体レーザは一般的に楕円型のビームを出力し、構成・用途によっては楕円形状であることが照明装置の性能を劣化させる可能性がある。このため、通常は楕円形のビームを円形に整形するためのビーム整形光学系を加える必要がある。
本発明の照明装置では、第二の光源として楕円形のビームを出射する半導体レーザを用いたときに、ビーム整形光学系を加えること無くビームの形状を改善することが可能である。これに関して図１１を用いて説明する。
図１１では赤色光５が紙面に平行な方向にビーム径ｗ１を有して、光路合成素子７に入射する。光路合成素子７から出射されるとき、紙面に平行な方向のビーム径はｗ２に変化する。このときの、ビーム径比ｗ２／ｗ１は下式で表されることとなる。
ｗ２／ｗ１＝ｃｏｓ（θＲ２）／ｃｏｓ（θＲ１）×ｃｏｓ（θＲ５）／ｃｏｓ（θＲ４） （式11）
θＲ１、θＲ２、θＲ４、θＲ５は、図２中で示したものであり、式１、式２、式３、式４を満たしている。一方、紙面に垂直な方向のビーム径は光路合成素子７を通過することによる変化は無い。よって、楔形平板から成る光路合成素子７によってビーム整形することが可能であり、ｗ２／ｗ１＞１となるような光路合成素子では、楕円状赤色光４の短軸方向が紙面に平行になるように赤色光源が配置されているようにすれば良い。
また、ｗ２／ｗ１＜１となるような光路合成素子では、楕円状赤色光４の長軸方向が紙面に平行になるように赤色光源が配置されているようにすれば良い。例えば、θＲ５が４５度、αが０．８２度、ｎが１．５のときｗ２／ｗ１は約０．９７となるため、赤色光源は楕円状出射光の長軸方向が紙面に平行となるように配置すれば良い。
【００３５】
図１２乃至図１４に基づいて第２の実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上および機能上の説明は省略して要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
光路合成素子は２つ以上の光学素子から形成されていてもよい。光路合成素子４０として、２枚のプリズムから構成される実施例を図１２に示す。図１２では第一のプリズム４１と第二のプリズム４２が接着層４３を介して接着されている。このとき、第一のプリズムの接着面が第一の面４４に、第二のプリズムの接着面が第二の面４５になっており、第一の面４４と第二の面４５とは所定の角度αだけ傾けて接着されている。
図１で示した構成を持つ照明装置において、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の間隔を精密に調整することは困難であり、位置調整誤差が生じる可能性がある。図１で示した実施例のように光路合成素子７として楔形平板を用いたとき、第一の面と第二の面は固定されているため、前述の位置調整誤差がそのまま合成後の光路誤差となってしまう。
これに対して、図１２で示したような２枚のプリズムを用いたとき、第一の面と第二の面が別の光学素子となっているため組み付け時に調整すること可能である。よって、赤色ＬＤと青色ＬＤの配置に位置誤差があっても、光路合成素子組み付け時の調整によって光路の誤差を低減することが可能となる。
【００３６】
このためには、図１３に示すように、２枚のプリズム間に第一の面と第二の面の相対的な角度を調整するために角度調整機構が存在していることがより望ましい。図１３では第一のプリズム４１と第二のプリズム４２との間にスペーサ４８が設けられており、スペーサ４８の位置を図中矢印方向に動かすことによって、第一の面４４と第二の面４５の相対的な角度差を調整することができる。
また、第一の光源と第二の光源と第一のＣＬとの相対的な位置関係に応じて、スペーサ５０の位置を調整した後に接着などの方法で固定し、第一の面と第二の面の相対的な角度を固定して使用する方法を取ることも可能である。
また、図１２で示した光路合成素子においては、第三の光源からの光が入射する第一の入射面４６と第三の光源からの緑色光９が出射する出射面４７とが平行に設けられていることがより好ましい。
第一の入射面４６と出射面４７とが平行に設けられていることによって、緑色光９が光路合成素子４０を透過する際に発生する非点収差の量を最小に抑えることが可能となる。
図１２において、赤色光または青色光のどちらかに対して、光路合成素子４０を透過するときに発生する収差の量が最小となるように、第二の入射面（第二の面４５）が設けられていることがより好ましい。
【００３７】
さらに、２つ以上の光学素子から形成されている光路合成素子の実施例を図１４に示す。光路合成素子５０は第一の楔形平板５１と第二の楔形平板５２とを貼り合わせて構成されている。
また、第一の楔形平板５１と第二の楔形平板５２は、屈折率および屈折率波長分散が異なる材料によって形成されている。
一般的に半導体レーザは温度などの使用環境に対して波長が変動する現象を有しており、図１に示した照明装置では、赤色ＬＤの発振波長に変動があった際に光路合成素子を構成する材料の屈折率波長分散の影響を受け光路がずれる可能性がある。これに対して、光路合成素子として図１４で示すような屈折率波長分散の異なる複数の材料から形成されているものを用いることによって、赤色ＬＤの発振波長に変動があった際に光路のずれを低減せしめることが可能となる。
【００３８】
図１５乃至図１７に基づいて第３の実施形態を説明する。
第一の波長λ１の光を発する第一の光源１と、第二の波長λ２の光を発する第二の光源２と第三の波長λ３の光を発する第三の光源６０は同一のマウント６１上に形成され、一つのパッケージ６２として構成されている。
第一、第二、第三の光源としては、図１における説明で述べたように、青色ＬＤ（波長４４５ｎｍ）、赤色ＬＤ（波長６３０ｎｍ）、緑色光源（波長５３２ｎｍ）を用いることができる。このとき、緑色光源（第三の光源６０）としては緑色ＬＤを用いることが最も好ましいが、現状では安定的に使用可能な緑色ＬＤは存在しないため図１６に示すように、緑色光源８と立ち上げミラー６３とから構成されていて、青色ＬＤ１および赤色ＬＤ２と同一のマウント６４上に形成されているものであっても良い。
青色ＬＤ１からの青色光４および、赤色ＬＤ２からの赤色光５および、緑色光源６０からの緑色光６５（図１における緑色光９に相当）は同一のカップリングレンズ（以下ＣＬ）６６によってカップリングされ、光路合成素子６７に導かれる。
【００３９】
ＣＬ６６によってカップリングされた青色光４、赤色光５、緑色光６５は、それぞれの光源の位置ずれによって光軸がずれる。例えば、青色ＬＤ１と赤色ＬＤ２の発光点が１１０ｕｍずれており、赤色ＬＤ２と緑色光源６０の発光点がさらに１１０ｕｍずれており、ＣＬの焦点距離ｆが２．１ｍｍのとき、ＣＬ６６から出射される青色光４と赤色光５は約３度光軸がずれ、赤色光５と緑色光６５はさらに約３度光軸がずれる。
光軸のずれた各色光は光路合成素子６７によって光路合成される。これに関して図１７を用いて説明する。
光路合成素子６７は、第一の楔形平板６８と第二の楔形平板６９とから成る。光路合成素子は青色領域の光を反射し、赤色および緑色領域の光を透過する第一の面７１と、赤色領域の光を反射し、緑色領域の光を透過する第二の面７２と、緑色領域の光を反射する第三の面７３を有している。第一の面７１と第二の面７２は相対的に角度α傾いた第一の楔形平板６８を形成しており、第二の面７２と第三の面７３は相対的に角度β傾いた第二の楔形平板６９を形成している。
第一の面、第二の面は図２における説明と同様にダイクロイックミラーを用いることができる。第三の面はより単純に金属などによって構成される反射面を用いれば良い。
【００４０】
各色光の光路に関して述べる。
［１．青色光に関して］
光路合成素子６７への青色光入射角度をθＢ１とすると、青色光の出射角は光路合成素子の第一の面７１の法線に対して、θＢ１となる。
［２．赤色光に関して］
第一の楔形プリズム６８の屈折率をｎとすると、赤色光の光路は式１、式２、式３、式４を用いて示すことができる。赤色光の出射角は光路合成素子の第一の面７１の法線に対して、θＲ４となる。
［３．緑色光に関して］
第二の楔形プリズム６９の緑色光に対する屈折率をｎ’Ｇとすると、図１７中のθＧ１、θＧ２、θＧ３、θＧ４、θＧ５、θＧ６、θＧ７、θＧ８、θＧ９の関係は下のように表される。
ｓｉｎθＧ２＝１／ｎＧ・ｓｉｎθＧ１ （式12）
θＧ３＝θＧ２＋α （式13）
ｓｉｎθＧ４＝ｎＧ／ｎ’Ｇ・ｓｉｎθＧ３ （式14）
θＧ５＝θＧ４＋β （式15）
θＧ６＝θＧ５＋β （式16）
ｓｉｎθＧ７＝ｎ’Ｇ／ｎＧ・ｓｉｎθＧ６ （式17）
θＧ８＝θＧ７＋α （式18）
ｓｉｎθＧ９＝ｎＧ・ｓｉｎθＧ８ （式19）
【００４１】
緑色光の出射角は光路合成素子の第一の面７１の法線に対して、θＧ９となる。
θＢ１とθＲ４とθＧ９が略同一となるように、第一の楔形プリズム６８の角度αと、第二の楔形プリズム６９の角度βとが設定されているとき、光路合成素子から出射される光の出射角が等しくなるため最も良い構成となる。たとえば、第一の楔形プリズム６８および第二の楔形プリズム６９の屈折率が１．５であり、θＢ１が４５度のとき、αは約０．８２度、βは約０．８４度となる。
図１５〜図１７で示した実施例では、第一の光源、第二の光源、第三の光源からの光の光軸が同一平面内になっているが、本発明の照明装置では同一平面内に限られるわけではない。光軸が同一平面内ではなく、第一の面および第二の面および第三の面の法線が同一平面内となっていない構成を取ることも可能である。
【００４２】
図１８に第４の実施形態を示す。構成としては図１５に示したものとほぼ等しく、光路合成素子６７の代わりに、複屈折光路合成素子８０が配置されている。複屈折光路合成素子８０は入射光の偏光方向によって屈折率が異なる複屈折素子によって構成されている。また、赤色ＬＤ２と緑色光源６０とは出射光の偏光方向が直交するように形成されている。複屈折素子は入射光の偏光方向によって屈折角が異なるため、赤色光５と緑色光９の偏光方向が異なっているとき、お互いの光軸角度誤差を低減せしめることが可能である。
【００４３】
図１９及び図２０に第５の実施形態（投影型画像表示装置）を示す。
図１、図７、図１５、図１８に示した照明装置を用いて走査型プロジェクタを構成することが可能である。例として図１で示した照明装置を用いた走査型プロジェクタの実施例を示す。図１９に示した走査型プロジェクタでは、図１で示した照明装置に加え、照明装置から出射される光を２次元的に走査する走査手段８５、および走査手段８５と照明装置の光源を制御する制御装置８６が備わっている。
制御装置８６は、走査手段８５の動きと同期して所望の画像が加えられるように光源に変調を加える。走査手段８５は図中矢印方向に反射面を振ることができるようになっており、さらに紙面奥行き方向にも反射面を振ることができる。
これによって、スクリーン８７上には２次元的な投影像が形成されることとなる。
走査手段としては、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、半導体プロセス技術を用いて製造されるＭＥＭＳミラーなどを用いることができる。特にＭＥＭＳミラーは非常に小型で低消費電力であるため、小型プロジェクタに用いるには最も適している。
また、図中では１枚で２軸可動なものを示したが、１軸に可動なミラーを２つ用いても良い。
【００４４】
図２０に走査手段として用いることが可能なＭＥＭＳミラーの構成を示す。ＭＥＭＳミラー９０は、反射面を持つ微小ミラー９１がトーションバー９２、９３で支持された構造を有する。微小ミラー９１は、トーションバー９２が捻れることで軸９４を略中心とした共振往復運動を行う。また、トーションバー９３が捻れることで軸９５を略中心とした共振往復運動を行う。この両軸９４、９５を略中心とする往復運動によって、微小ミラー９１の偏向面の法線方向が２次元的に変化する。
このため、微小ミラー９１に入射するビームの反射方向が変化し、これにより、ビームを２次元方向に走査することができる。
このような、プロジェクタでは走査手段の動きに同期して光源の強度を変調するため、人間の目に自然な画像を表示するには高速変調に耐えうる光源を用いる必要がある。
【００４５】
高速変調可能な緑色光源の構成例を図２１に示す。緑色の光源として、半導体レーザ励起の固体レーザを用いる。波長８０８ｎｍの励起用の半導体レーザ１０１からの光は集光レンズ１０２によってＮｄ：ＹＡＧ結晶１０３に集光され、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１０３を励起する。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１０３は波長１０６４ｎｍの光を発し、この光は非線形光学結晶１０４によって緑色波長領域にある５３２ｎｍの倍波に変換される。
また、光出射部には倍波に変換されなかった光や、励起用半導体レーザの光を遮断するフィルター１０５が設けられている。以上の光学素子は、安定性を上げるためひとつのパッケージ１０６に収められており、ひとつの半導体レーザ励起の固体レーザ１０７を構成している。
さらに、固体レーザからの出力はレンズ１０８によって音響光学素子１０９に導かれる。音響光学素子１０９は入力信号に応じて、入射レーザ光を高速に変調することが可能である。半導体レーザ励起の固体レーザは通常高速変調することができないが、このように音響光学素子などの変調素子を別にもうけることによって本発明のプロジェクタ用光源として用いることが可能となる。
変調素子としては、他に電気光学素子を用いることもできる。
【００４６】
別の緑色光源構成例を図２２に示す。図２２に示される緑色光源は、波長１０６０ｎｍの光を発する半導体レーザ２０１と、半導体レーザの出力波長を安定させるための波長安定化素子２０２と、集光レンズ２０３と、波長１０６０ｎｍの光を倍波に変換する非線形光学結晶２０４から構成されている。
波長安定化素子２０２としては体積ホログラムを用いることができる。また、非線形光学結晶２０４としては、より倍波への変換効率を高めるため周期分極反転したニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）を用いることが望ましい。また、出射光には波長１０６０ｎｍの光を遮断するフィルター２０５が設けられており、全ての素子はひとつのパッケージ２０６に収められている。
このような構成では、半導体レーザ１０１を直接高速に変調することで、緑色波長の出力を変調することも可能であるため、部品点数が少なくて済みより好ましい。このようなレーザの構成に関しては既に非特許文献１に詳しく述べられている。
【００４７】
本発明のプロジェクタと、図２６で示した一般的なレーザ走査型プロジェクタとの大きさを比較したものを図２３および図２４に示す。図２３は図１９で示したプロジェクタのレイアウトを示しており、図２４は図２６で示したプロジェクタのレイアウトを示している。
図２３において、図２２で説明した非線形光学結晶２０４は、導波路を有している。
本発明のプロジェクタは、青色光と赤色光の光源を同一マウント上に実装し、且つ、緑色光の光源をその出射方向が青色光と赤色光の光源の出射方向と略直交するように配置して１つの光路合成素子７の２面を用いて光路を合成するレイアウトとしたので、色毎に光源とダイクロイックミラーを一対一で対応させて並設する従来方式に比べ、その小型化（容積縮小化）は一目瞭然である。
図２３の構成では光学系の容量がおよそ５ｃｃであり、図２４の構成はおよそ７ｃｃである。これらより明らかなように、本発明のプロジェクタでは従来のものより小型化および部品点数削減が達成されており、約３０％小型なものとなっている。
【００４８】
図１９では、走査手段とスクリーンの間に光学系が存在しないが、投影光学系を有するプロジェクタとなっていても良い（第６の実施形態）。投影光学系を用いることによって、スクリーン上の画像歪みを軽減することが可能となる。
図２５に実施例を示す。図１９で示したプロジェクタに加え、画像歪みを軽減する投影光学系３００を備えている。
画像歪みはレーザの発光タイミングを工夫することにより改善できるが、画像範囲が小さくなったり、画像が暗くなったりする不具合があるが、光学的に補正することによりそのうような不具合が発生しない。
ＭＥＭＳミラーなどの走査手段は振れ角を大きくとることが難しいため走査角度が限られるが、図２５で示すように、投影光学系によって走査角度を拡大することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態における照明装置の概要平面図である。
【図２】光路合成素子の機能を説明するための図である。
【図３】色別の分光反射率を示すグラフである。
【図４】光路合成素子の面の膜構成を示すデータ図である。
【図５】光路合成素子において、青色光と赤色光の出射光中心光軸が略一致する構成を説明するための図である。
【図６】光路合成素子がその頂点側が光源側を向くように配置された構成における青色光と赤色光の出射光中心光軸が略一致する条件を説明するための図である。
【図７】光路合成素子がその頂点側が光源から離れる方向を向くように配置された照明装置の概要平面図である。
【図８】光路合成素子がその頂点側が光源から離れる方向を向くように配置された構成における青色光と赤色光の出射光中心光軸が略一致する条件を説明するための図である。
【図９】非点収差を低減するための第二の光源と第一のカップリングレンズとの位置関係を示す図である。
【図１０】非点収差を低減するための第三の光源の光源と第二のカップリングレンズとの位置関係を示す図である。
【図１１】光路合成素子において、ビームの形状を改善するための条件を説明するための図である。
【図１２】第２の実施形態における光路合成素子の概要構成図である。
【図１３】角度調整機構を有する光路合成素子の概要構成図である。
【図１４】第２の実施形態における光路合成素子の別例を示す図である。
【図１５】第３の実施形態における照明装置の概要平面図である。
【図１６】光源の実装構成を示す図である。
【図１７】光路合成素子による光路合成機能を示す図である。
【図１８】第４の実施形態における照明装置の概要平面図である。
【図１９】第５の実施形態における投影型画像表示装置の概要構成図である。
【図２０】走査手段としてのＭＥＭＳミラーの構成を示す斜視図である。
【図２１】高速変調可能な緑色光源の構成例を示す図である。
【図２２】高速変調可能な緑色光源の別の構成例を示す図である。
【図２３】本発明の照明装置を備えたプロジェクタの斜視図である。
【図２４】従来の照明装置を備えたプロジェクタの斜視図である。
【図２５】第６の実施形態における投影型画像表示装置の概要構成図である。
【図２６】従来の走査型プロジェクタの概要構成図である。
【図２７】波長と回折効率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５０】
１ 第一の光源
２ 第二の光源
４ 第一の波長の光
５ 第二の波長の光
６ 第一のカップリング光学系
７ 光路合成素子
８ 第三の光源
９ 第三の波長の光
１０ 第二のカップリング光学系
２１ 第一の面
２２ 第二の面
８５ 走査手段
８６ 制御手段
９０ 走査手段としてのＭＥＭＳミラー
３００ 投射光学系
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の波長の光を出射する第一の光源と、
前記第一の光源の近傍に配置され、第二の波長の光を前記第一の光源と略同一方向に出射する第二の光源と、
第三の波長の光を前記第一の光源および前記第二の光源とは異なる方向に出射するように配置された第三の光源と、
前記第一の光源および前記第二の光源からの光をカップリングする第一のカップリング光学系と、
前記第三の光源からの光をカップリングする第二のカップリング光学系と、
前記第一の光源からの光および前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光の光路を一致させるための光路合成素子と、
を備え、
前記光路合成素子は第一の面と、該第一の面に非平行な第二の面とを有し、前記第一の面は前記第一の光源からの光を反射し且つ前記第二の光源および前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、前記第二の面は前記第二の光源からの光を反射し且つ前記第三の光源からの光を透過する特性を有していることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１記載の照明装置において、
前記第三の光源の出射方向は、前記第一の光源および前記第二の光源の出射方向に対して略直交する方向であることを特徴とする照明装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の照明装置において、
前記第三の光源が緑色の色光を発する光源であり、前記第一の光源が赤色かつ前記第二の光源が青色、もしくは前記第一の光源が青色かつ前記第二の光源が赤色の色光を発する光源であることを特徴とする照明装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の照明装置において、
前記第一の光源と前記第二の光源は同一マウント上に配置されていることを特徴とする照明装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置において、
前記光路合成素子は、楔形平板によって構成されており、前記楔形平板の片面が前記第一の面、もう一方の面が前記第二の面となっていることを特徴とする照明装置。
【請求項６】
請求項５記載の照明装置において、
前記光路合成素子は、その楔形の頂点側が前記光源側を向くように配置されていることを特徴とする照明装置。
【請求項７】
請求項５又は６記載の照明装置において、
前記第二の光源は、前記楔形平板を透過することに起因する非点収差を低減せしめる方向に第一のカップリング光学系の中心光軸から距離ｄ１離れた位置に発光点がくるように配置されていることを特徴とする照明装置。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかに記載の照明装置において、
前記第三の光源は、前記楔型平板を透過することに起因する非点収差を低減せしめる方向に前記第二のカップリング光学系の中心光軸から距離ｄ２離れた位置に発光点がくるように配置されていることを特徴とする照明装置。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれかに記載の照明装置において、
前記第二の光源は、楕円状強度分布の光を出射する光源であり、前記楔形平板は前記楕円状強度分布の光の強度分布を円状強度分布に近づけるように配置されていることを特徴とする照明装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の照明装置において、
前記光路合成素子は、複数の光学部品を貼り合わせて構成されていることを特徴とする照明装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の照明装置において、
前記第三の光源からの光が前記光路合成素子へ入射する面と、前記第三の光源からの光が前記光路合成素子から出射する面とが平行に設けられていることを特徴とする照明装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１記載の照明装置において、
前記光路合成素子は、前記第一の面を含む第一の光学素子と、前記第二の面を含む第二の光学素子とから成り、前記第一の面と前記第二の面の相対的な角度を調整する角度調整機構が設けられていることを特徴とする照明装置。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のいずれかに記載の照明装置において、
前記光路合成素子が屈折率分散の異なる複数の材料から成っていることを特徴とする照明装置。
【請求項１４】
第一の波長の光を出射する第一の光源と、
前記第一の光源と同一マウント上に配置された第二の波長の光を出射する第二の光源と、
前記第一の光源および前記第二の光源と同一のマウント上に配置された第三の波長の光を出射する第三の光源と、
前記第一の光源および前記第二の光源および前記第三の光源からの光をカップリングするカップリング光学系と、
前記第一の光源からの光および前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光の光路を一致させるための光路合成素子と、
を備え、
前記光路合成素子は角度の異なる３つの面を有しており、第一の面は前記第一の光源からの光を反射し且つ前記第二および前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、第二の面は前記第二の光源からの光を反射し且つ前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、第三の面は前記第三の光源からの光を反射する特性を有していることを特徴とする照明装置。
【請求項１５】
第一の波長の光を出射する第一の光源と、
前記第一の光源と同一マウント上に配置された第二の波長の光を出射する第二の光源と、
前記第一の光源および前記第二の光源と同一のマウント上に配置された第三の波長の光を出射する第三の光源と、
前記第一の光源および前記第二の光源および前記第三の光源からの光をカップリングするカップリング光学系と、
前記第一の光源からの光および前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光の光路を一致させるための光路合成素子と、
を備え、
前記第二の光源と前記第三の光源は異なる偏光方向の光を発し、前記光路合成素子は互いに角度の異なる第一の面および第二の面を有し、前記第一の面は前記第一の光源からの光を反射し且つ前記第二の光源および前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、前記第二の面は前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光を反射する特性を有し、前記光路合成素子の少なくとも一部が複屈折性材料によって構成されていることを特徴とする照明装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のうちのいずれかに記載の照明装置と、該照明装置から出射される光を２次元に走査可能な走査手段と、前記第一の光源、前記第二の光源、前記第三の光源の出力を前記走査手段の動きに同期して制御する制御手段を有していることを特徴とする投影型画像表示装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の投影型画像表示装置において、
前記走査手段の光進行方向下流に投射光学系を有していることを特徴とする投影型画像表示装置。
【請求項１】
第一の波長の光を出射する第一の光源と、
前記第一の光源の近傍に配置され、第二の波長の光を前記第一の光源と略同一方向に出射する第二の光源と、
第三の波長の光を前記第一の光源および前記第二の光源とは異なる方向に出射するように配置された第三の光源と、
前記第一の光源および前記第二の光源からの光をカップリングする第一のカップリング光学系と、
前記第三の光源からの光をカップリングする第二のカップリング光学系と、
前記第一の光源からの光および前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光の光路を一致させるための光路合成素子と、
を備え、
前記光路合成素子は第一の面と、該第一の面に非平行な第二の面とを有し、前記第一の面は前記第一の光源からの光を反射し且つ前記第二の光源および前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、前記第二の面は前記第二の光源からの光を反射し且つ前記第三の光源からの光を透過する特性を有していることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１記載の照明装置において、
前記第三の光源の出射方向は、前記第一の光源および前記第二の光源の出射方向に対して略直交する方向であることを特徴とする照明装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の照明装置において、
前記第三の光源が緑色の色光を発する光源であり、前記第一の光源が赤色かつ前記第二の光源が青色、もしくは前記第一の光源が青色かつ前記第二の光源が赤色の色光を発する光源であることを特徴とする照明装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の照明装置において、
前記第一の光源と前記第二の光源は同一マウント上に配置されていることを特徴とする照明装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置において、
前記光路合成素子は、楔形平板によって構成されており、前記楔形平板の片面が前記第一の面、もう一方の面が前記第二の面となっていることを特徴とする照明装置。
【請求項６】
請求項５記載の照明装置において、
前記光路合成素子は、その楔形の頂点側が前記光源側を向くように配置されていることを特徴とする照明装置。
【請求項７】
請求項５又は６記載の照明装置において、
前記第二の光源は、前記楔形平板を透過することに起因する非点収差を低減せしめる方向に第一のカップリング光学系の中心光軸から距離ｄ１離れた位置に発光点がくるように配置されていることを特徴とする照明装置。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかに記載の照明装置において、
前記第三の光源は、前記楔型平板を透過することに起因する非点収差を低減せしめる方向に前記第二のカップリング光学系の中心光軸から距離ｄ２離れた位置に発光点がくるように配置されていることを特徴とする照明装置。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれかに記載の照明装置において、
前記第二の光源は、楕円状強度分布の光を出射する光源であり、前記楔形平板は前記楕円状強度分布の光の強度分布を円状強度分布に近づけるように配置されていることを特徴とする照明装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の照明装置において、
前記光路合成素子は、複数の光学部品を貼り合わせて構成されていることを特徴とする照明装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の照明装置において、
前記第三の光源からの光が前記光路合成素子へ入射する面と、前記第三の光源からの光が前記光路合成素子から出射する面とが平行に設けられていることを特徴とする照明装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１記載の照明装置において、
前記光路合成素子は、前記第一の面を含む第一の光学素子と、前記第二の面を含む第二の光学素子とから成り、前記第一の面と前記第二の面の相対的な角度を調整する角度調整機構が設けられていることを特徴とする照明装置。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のいずれかに記載の照明装置において、
前記光路合成素子が屈折率分散の異なる複数の材料から成っていることを特徴とする照明装置。
【請求項１４】
第一の波長の光を出射する第一の光源と、
前記第一の光源と同一マウント上に配置された第二の波長の光を出射する第二の光源と、
前記第一の光源および前記第二の光源と同一のマウント上に配置された第三の波長の光を出射する第三の光源と、
前記第一の光源および前記第二の光源および前記第三の光源からの光をカップリングするカップリング光学系と、
前記第一の光源からの光および前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光の光路を一致させるための光路合成素子と、
を備え、
前記光路合成素子は角度の異なる３つの面を有しており、第一の面は前記第一の光源からの光を反射し且つ前記第二および前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、第二の面は前記第二の光源からの光を反射し且つ前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、第三の面は前記第三の光源からの光を反射する特性を有していることを特徴とする照明装置。
【請求項１５】
第一の波長の光を出射する第一の光源と、
前記第一の光源と同一マウント上に配置された第二の波長の光を出射する第二の光源と、
前記第一の光源および前記第二の光源と同一のマウント上に配置された第三の波長の光を出射する第三の光源と、
前記第一の光源および前記第二の光源および前記第三の光源からの光をカップリングするカップリング光学系と、
前記第一の光源からの光および前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光の光路を一致させるための光路合成素子と、
を備え、
前記第二の光源と前記第三の光源は異なる偏光方向の光を発し、前記光路合成素子は互いに角度の異なる第一の面および第二の面を有し、前記第一の面は前記第一の光源からの光を反射し且つ前記第二の光源および前記第三の光源からの光を透過する特性を有し、前記第二の面は前記第二の光源からの光および前記第三の光源からの光を反射する特性を有し、前記光路合成素子の少なくとも一部が複屈折性材料によって構成されていることを特徴とする照明装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のうちのいずれかに記載の照明装置と、該照明装置から出射される光を２次元に走査可能な走査手段と、前記第一の光源、前記第二の光源、前記第三の光源の出力を前記走査手段の動きに同期して制御する制御手段を有していることを特徴とする投影型画像表示装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の投影型画像表示装置において、
前記走査手段の光進行方向下流に投射光学系を有していることを特徴とする投影型画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２】
【図３】
【図４】
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【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
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【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２０１０−４０４４３（Ｐ２０１０−４０４４３Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０４６６１（Ｐ２００８−２０４６６１）
【出願日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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