JP2003131165A - レーザー光源を備えた照明装置及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 並列化光源を用いた照明装置において強度分
布を均一化する。 【解決手段】 並列化光源１に対してコリメートレンズ
２を配置し、当該レンズによりコリメートされた光線
を、第一のレンズＬ１により合成する。さらにレンズア
レイ群ＭＬ１、ＭＬ２を配置して光線を空間的に分割し
てから、第二のレンズ群Ｌ２を用いて重ね合わせ、第三
のレンズ（又はレンズ群）を介して照明面に投影するこ
とで、均一化された光強度分布が得られるように構成し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、並列化レーザー光
源を用いた照明装置において強度分布の均一化を実現す
るための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】プロジェクションディスプレイと称する
画像表示装置では、空間変調器として液晶パネルや、Ｄ
ＭＤ（Digital Micromirror Device）等が用いられてき
たが、近時、マイクロマシン技術によるアクティブ駆動
式のグレーティング（回折格子）を用いたディスプレイ
が開発されて注目を集めている。使用する回折格子型素
子は、「グレーティングライトバルブ（Grating Light
Valve）」（以下、「ＧＬＶ」と略記する。）と呼ば
れ、従来の空間変調器を使った場合に比べて、継ぎ目の
ない（シームレス）、鮮明で明るい画像を表示できるこ
と及びマイクロマシン技術を用いて安価なコストで作成
できること、そして、高速動作が可能であること等の特
長を有しているため、注目されている。

【０００３】このＧＬＶを用いて画像を形成するには、
回折光のうち、０次光を遮光して、±１次光だけを透過
させるシュリーレンフィルタリングが必要である。

【０００４】図２３はシュリーレンフィルター光学系ａ
の要部について示したものである。図示しない光源から
の光が、シリンドリカルレンズＬ０により集光されてＧ
ＬＶに照射され、その回折光がレンズＬ１、シュリーレ
ンフィルターＦ、レンズＬ２をこの順で透過して出射さ
れる。

【０００５】尚、図中に示す光線「ｌｔ（＋１）、ｌｔ
（０）、ｌｔ（−１）」はＧＬＶによる回折光を表して
おり、「ｌｔ（＋１）」が＋１次回折光、「ｌｔ
（０）」が０次（回折）光、ｌｔ（−１）が−１次回折
光をそれぞれ示しており、シュリーレンフィルタリング
により０次光だけが遮光される。

【０００６】ＧＬＶとしては反射型の素子が用いられて
おり、メンブレンと呼ばれる多数の微小リボンがエアギ
ャップをもって基板上に並列配置された構成を有してい
る。そして、ＧＬＶの状態のうち、第一の状態（ピクセ
ル消灯時）では全てのリボンの位相が揃えられる結果、
±１次回折光は発生しない（反射光のみ）が、第二の状
態（ピクセル点灯時）では、リボンが１つおきに静電気
力により基板側に引き付けられて反射型回折格子が形成
される結果、±１次回折光が発生する。そして、この±
１次回折光のみを選択するために、ＧＬＶのフーリエ面
で空間的フィルタリング（シュリーレンフィルタリン
グ）を行うことが必要とされる。

【０００７】尚、ここで、フィルタリングのコントラス
トを上げるためには、入射光線の回折方向の角度範囲を
充分に狭くしておくことが必要である。これは、入射光
線が広がりをもっていると、フィルタリング面上での光
線入射値について広がりができるため、消光時に漏れ光
が生じてしまうためである。

【０００８】このような光学系に用いる光源としては、
半導体レーザーが挙げられる。近年、半導体レーザーの
短波長化、高出力化が進んでいるため、レーザーディス
プレイやレーザープリンタ等における照明光学系の光源
としての利用可能性が高まっている。

【０００９】例えば、ＧＬＶ照明用に、半導体レーザー
アレイバーを用いた光学系が提案されており、その構成
例を図２４に示す。

【００１０】光軸を含む第一の面（これを「ｘ面」とい
う。）内における照明光学系ｂの構成と、光軸を含み、
かつｘ面に直交する第二の面（これを「ｙ面」とい
う。）内における照明光学系ｂの構成をそれぞれ示して
いる。

【００１１】半導体レーザーアレイバーｃは、図示しな
い複数のエミッター（出射源あるいは放射源）が並列配
置された並列化光源として構成されており、それらのエ
ミッターから出射した光は、コリメートレンズｄ、ｅを
透過した後、レンズｆ乃至ｉを経て、集光用シリンドリ
カルレンズｊを透過し、カバーガラスｋを介してＧＬＶ
に照射される。

【００１２】尚、コリメートレンズｅは、多数のレンズ
エレメントを配置したマイクレンズアレイである。ま
た、半導体レーザーアレイバーｃの出射端面、レンズｆ
の像側焦点面、ＧＬＶの（線状領域への）照射面につい
ては光学的に共役関係とされる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、レーザーを
光源とする照明装置に要求される事項として、照明の均
一性が高いこと、平行光が得られること、スペックルノ
イズがないこと（又は目立たないこと）が挙げられる
が、従来の照明装置にあってはこれらの事項の中でも、
特に均一性について充分に満足のいく特性が得られない
か又は所望の特性を得るまでに費やす労力の負担が大き
いことが問題となっている。

【００１４】例えば、半導体レーザーアレイバーを構成
する各エミッターの強度分布が不均一であったり、光利
用効率が低いといったこと等が挙げられる。

【００１５】尚、均一性が悪いと効率の低下に繋がり、
高輝度化等への支障を来す原因となり、また、ディスプ
レイ装置等ではダイナミックレンジを充分にとれなくな
る等の弊害をもたらす虞がある。

【００１６】そこで、本発明は、並列化レーザー光源を
用いた照明装置において、強度分布の均一化を実現する
ことを課題とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記した課題
を解決するために、並列化光源に対してコリメートを行
うための第一のレンズアレイ又はレンズアレイ群を配置
し、これによってコリメートされた光線を、第一のレン
ズ又はレンズ群により合成するとともに、さらに第二の
レンズアレイ又はレンズアレイ群を配置して光線を空間
的に分割してから、第二のレンズ又はレンズ群を用いて
重ね合わせて、第三のレンズ又はレンズ群を介して照明
面に投影することで、均一化された光強度分布が得られ
るように構成したものである。

【００１８】従って、本発明によれば、並列化光源から
のレーザー光を第一のレンズアレイ（又はレンズアレイ
群）でコリメートして、その合波像を第二のレンズアレ
イ（又はレンズアレイ群）で空間的に分割した後、再び
重ね合わせることによって、均一な強度分布をもった照
明光を得ることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明は、並列化光源（半導体レ
ーザーアレイ等）からのレーザー光を用いるとともに、
均一化された光強度分布の照明光を得るための光学的構
成に関するものである。例えば、画像表示装置への適用
においては、フロントプロジェクション（前面投射）
型、リアプロジェクション（背面投射）型のレーザーデ
ィスプレイ等が挙げられるが、その他、レーザープリン
タ、あるいはディジタル画像データから映画フィルムへ
の記録装置等、印刷や記録を含む画像装置に幅広く用い
ることができる。勿論、本発明に係る照明装置のレーザ
ー核融合への適用や、レーザー加工あるいは計測等の用
途において均一化された照明光を必要とする場合に本発
明を適用することで精度等の向上に寄与することが可能
である。

【００２０】本発明に係る照明装置の具体的な構成につ
いて説明する前に、本発明の原理的な説明を行う。

【００２１】先ず、本発明では並列化光源からのレーザ
ー光線を用いることが前提とされる。尚、各光線につい
ては異なるレーザー光又は異なる偏光状態の光であって
も良い。以下では、説明の便宜上、複数の光源が並列に
配置された構成を有する並列化光源として半導体レーザ
ーアレイを用いるものとする。

【００２２】並列化光源に対してコリメートを行うため
に第一のレンズアレイ（又はレンズアレイ群）を配置す
る。当該レンズアレイには、例えば、複数のレンズエレ
メントを一体として形成したものが使用され、並列化光
源からの各光線に対するコリメートレンズとして機能す
る。

【００２３】第一のレンズアレイ（又はレンズアレイ
群）によりコリメートされた光線は、第一のレンズ（又
はレンズ群）により合成される。

【００２４】そして、さらに第二のレンズアレイ（又は
レンズアレイ群）を配置することにより光線を空間的に
分割する。第二のレンズアレイについては、複数のレン
ズエレメントが一体として形成された単一のものを使用
する形態と、複数のレンズアレイを組み合わせてレンズ
アレイ群とした形態が挙げられる。また、レンズアレイ
として、球面レンズアレイやシリンドリカルレンズアレ
イ、屈折率分布型レンズアレイを用いる形態、あるい
は、これらと同等又は等価な光学的作用を有する回折型
光学素子を用いる形態が挙げられる（この事について
は、上記第一のレンズアレイについても同様であ
る。）。

【００２５】それから、第二のレンズ（又はレンズ群）
により光を重ね合わせ、第三のレンズ（又はレンズ群）
を介して照明面に投影することで、均一な強度分布をも
った照明光を得る。このような照明光を、例えば、ＧＬ
Ｖ等の線状領域に対して照射することにより均一な照明
を行えるが、一次元照明（線状照明）に限らず２次元の
均一照明への応用も可能である。

【００２６】先ず、ビームの重ね合わせによる均一化方
法について、図１、図２を用いて説明する。

【００２７】図１は、ガウシアンビーム（強度分布がガ
ウス分布をもつ）について、分割と合波による強度分布
の均一化について概念的に示している。即ち、左側に示
すガウシアンビームの分布曲線Ｇに対して、中央の図に
示すように、破線の縦線で３つの部分（ビームの中央部
Ｇ１と、２つの裾部分Ｇ２、Ｇ３）に分割する。そし
て、矢印で示すように、裾部分Ｇ２、Ｇ３をそれぞれビ
ームの中央部Ｇ１に移動させて重ね合わせることによ
り、ほぼ均一化された強度分布が得られる。

【００２８】このことは重ね合わせの条件にも依るが、
ガウシアンビームに限らず、一般的な強度分布をもつレ
ーザー光についても適用することができ、例えば、図２
に示すように、強度分布ｇがやや不均一なビームについ
て、横軸方向に沿って複数の部分ｇ１、ｇ２、ｇ３に分
割するとともに、それらをビームの中央部ｇ１に寄せ集
めて重ね合わせることで（図の周縁部分については無視
する。）、強度分布の均一化が可能となる。

【００２９】このようにガウシアン分布あるいは不規則
な強度分布であっても、分布に関する分割と重ね合わせ
によって、強度分布が平均化されて均一性が高まること
が分かる。そして、そのためには、レンズアレイ（マイ
クロレンズアレイ）を用いれば良い。

【００３０】図３は、レンズアレイｃを用いた場合のＮ
（＝３）：１の結像関係について示している。レンズア
レイｃを構成するレンズエレメントｅについては便宜上
３個とし、その物体側にそれぞれ配置された、３つの上
向き矢印から発した光が、各エレメントｅをそれぞれ透
過した後で、合成用の結像レンズｄ（図には１枚のレン
ズで代表して示すが、レンズ群の場合も含む。）を透過
して結像される（下向きのやや長い矢印により倒立像を
示す。）。

【００３１】各レンズエレメントｅの中心軸に対して等
しい物体高から出た光線は、レンズｄの像側焦点面にお
いて全て重ね合わされる。従って、レンズアレイの入射
側焦点面を分割してレンズの焦点面に重ね合わせること
ができる。

【００３２】図４は、光源共役な光学系（分割合成光学
系）についての原理的な説明図であり、図の上側には、
光軸を含むｘ面内における構成を示し、下側には、光軸
を含み、かつｘ面に直交するｙ面内における構成を示し
ている。

【００３３】使用する並列化光源１としては半導体レー
ザーアレイを想定し、各エミッターからの光線が、マイ
クロレンズを使ったコリメートレンズ２（２ｆ、２ｓ）
によってコリメートされるものとする（「２ｓ」が前記
した第一のレンズアレイに相当する。）。つまり、ＧＬ
Ｖの回折光をシュリーレンフィルターで高いコントラス
トをもって分離するためには、ｙ面内でコリメートされ
た平行光でなければならない。ここでは、一例として、
独国ＬＩＭＯ社製のレンズユニットを用いる。尚、この
レンズユニットは、半導体レーザーの「Fast Axis」 、
「Slow Axis」の各軸方向の発散をコリメートするシリ
ンドリカルレンズを組み合わせた構成を有し、その一方
「Fast Axis Collimator」(FAC)が非球面シリンドリカ
ルレンズとされ（図の「２ｆ」参照）、他方「Slow Ax
is Collimator」(SAC)が、ＬＤ（レーザーダイオード）
アレイバーのエミッターの配列ピッチ及び発散角に合わ
せた球面シリンドリカルレンズアレイである（図の「２
ｓ」参照）。そして、ＬＤアレイバーのエミッターにつ
いては、高出力化のために、発光領域幅が数十乃至数百
μｍのブロードエリアのものを用いる。

【００３４】ＬＤアレイバーの発散角が大きな、活性層
に垂直な面内（ｙ面内）では、全てのエミッターからの
光線は、非球面シリンドリカルレンズとされる２ｆによ
ってコリメートされる。ＬＤの活性層については、通常
その厚みが１μｍ程度であるため、ほぼ点光源とみなす
ことができるから、コリメートによりｙ面内ではほぼ完
全な平行光を得ることができる。

【００３５】他方、活性層と平行な面内（ｘ面内）で
は、エミッターの発光領域が広がりをもつために、完全
な平行光とはならずに、出射光線の発散角に関して広が
りをもつことになる。

【００３６】ＬＤアレイバーはｘ面内で多数のエミッタ
ーを並列配置させたものであるから、各エミッターに対
してマイクロレンズを１個ずつ対応させ、それぞれに対
してコリメーションを行う必要があり、そのために、上
記２ｓではｘ面内においてシリンドリカルレンズアレイ
を複数配置させて、各エミッターに対して当該面内で最
適なコリメーションが行われる構成になっている。

【００３７】通常、ＬＤの発散角に関して、ｙ面内では
ｘ面内に較べて遥かに大きな発散角をもつが、ＬＩＭＯ
社製のレンズユニットでは、ｘ面内とｙ面内とで別個の
シリンドリカルレンズを用いるので、出射ビーム径をそ
れぞれ独立に制御して所望のビーム径にすることができ
る。尚、シリンドリカルレンズではなく、通常の回転対
称性を有する球面レンズアレイ等を用いた場合であって
も、ＬＤの出射端面に対して、それ以降に配置される光
学素子を含む光学系における共役関係と原理的に全く同
様にすることが可能であるが、ｘ面内及びｙ面内のコリ
メーションについて焦点距離を独立に設定できれば、最
終的な照明領域のサイズに対して自由度が上げられるの
で、設計が容易になる。また、ＬＤの発光領域が大きく
なれば、光源の非点収差が大きくなるので、これを補正
するためにも、シリンドリカルレンズにより構成された
コリメートモジュールが最適である。

【００３８】図４のｘ面内での光学的作用について説明
すると、ＬＤのエミッター像は、初段のレンズＬ１（前
記第一のレンズに相当する。）の出射側焦点面にできる
（図の矢印Ａ参照）。この像は、全てのエミッターに係
る像が同じ場所において重ね合わされたものであるた
め、たとえ一つのエミッターが劣化した場合であって
も、照明光の一部について欠落を招くものではない。ま
た、重ね合わせにより、エミッター間でのばらつきも平
均化される。

【００３９】このエミッターの像面に対して、第一のマ
イクロレンズアレイＭＬ１（焦点距離を「ｆ」とす
る。）を配置するとともに、その後方（出射側）におい
て、距離ｆだけ離れた場所に第二のマイクロレンズアレ
イＭＬ２（焦点距離を「ｆ」とする。）を配置する。マ
イクロレンズアレイＭＬ１はフィールドレンズであり、
ＭＬ１を構成する、あるレンズエレメントに入射した光
をＭＬ２において対応するレンズエレメントに導くもの
である。尚、これらＭＬ１、ＭＬ２が前記した第二のレ
ンズアレイ群に相当する。

【００４０】マイクロレンズアレイＭＬ２の後方に結像
用のレンズＬ２（レンズ群であり、前記第二のレンズ群
に相当する。）を置くと、ＭＬ２及びＬ２により、ＭＬ
２の入射側焦点面（つまり、ＭＬ１の出射面）からの光
が、Ｌ２の出射側焦点面上で重ね合わされた形になる。
図には、その一部を図示するために、矢印Ｂ、Ｂの光が
Ｌ２を経て反転されて一つの像（矢印Ｃで示す。）に重
なり合う様子を概略的に示している。

【００４１】ＭＬ１は、ＬＤのエミッターの像面に位置
しているため、全てのエミッターからの光については、
ＭＬ１の位置で一度全て重ね合わされ、さらにＭＬ１に
よって分割された後、ＭＬ２及びＬ２によって再度重ね
合わされることになる。従って、Ｌ２の出射側焦点面に
は、全てのエミッターに関して分割後に重ね合わされた
像が最終的に得られる。

【００４２】次に、ｙ面内においては、ＬＤのエミッタ
ー像は、Ｌ１を介してその像面であるＭＬ１上にできる
が、ＬＤアレイバーにおいて全てのＬＤがｘ方向に延び
る一直線上に並んでいるので、各ＬＤの像についてはＭ
Ｌ１上の一点に集光される。そして、当該一点は、ＭＬ
２とＬ２とにより、最終像面（Ｌ２の出射側焦点面）上
の一点に集光されることになる。

【００４３】しかして、図４の構成では、ＬＤアレイバ
ーの各エミッターからに光に関して、分割後に重ね合わ
されてできる線状の像が最終像面にできるが、この像は
全てのエミッターからの光線を重ね合わせるとともに、
一つのエミッターからの光についてみた場合に、複数に
分割された各部からの光線を重ね合わせた結果となって
いる（図１、図２での説明を参照。）。従って、従来の
構成に比較して均一性が向上している。つまり、図２４
に示す構成では、異なるエミッターの像について単に重
ね合わせるだけであるため、全てのエミッターに関する
平均化された強度分布が得られることになる。しかしな
がら、各エミッター当たりの強度分布については、一般
にその中央部で強度が高く、裾部（周辺部）で強度が低
い場合が多いので、全エミッター像を単純に重ね合わせ
るだけでは、中央部から周辺にかけての裾部分で強度不
足をもたらすことが多い。

【００４４】これに対して、上記のように、各エミッタ
ーについて分割及び重ね合わせによる合成を行うことに
より、仮にエミッターが１個であっても、その強度分布
について平均化の効果が得られる。よって、エミッター
数が増えれば、その効果がさらに発揮される結果、最終
的な照明光（線状照明光）として、均一な光を得ること
ができる。そして、最終像面上にＧＬＶを置けば、半導
体レーザーアレイによりＧＬＶ（の線状領域）に対して
均一な照明を行うことができる。勿論、ＧＬＶの照明領
域（線状領域）の大きさと、エミッター合波像の大きさ
を合わせるためには、コリメートレンズの焦点距離や、
マイクロレンズアレイＭＬ１、ＭＬ２の構造（エレメン
トの形状や配列周期等）を含めた光学設計上、各種パラ
メータの設定等を適切に行う必要がある。

【００４５】さらに、ｘ面内とｙ面内の倍率を照明領域
に対して合わせ込むためには、ｙ面内に曲率をもつシリ
ンドリカルレンズを用いて、当該面内で所望の照明領域
幅が得られるように集光すれば良い。この場合、ｘ面内
の焦点位置と、ｙ面内の焦点位置とがずれることになる
が、ｘ面内では像が極めて大きな倍率をもって拡大され
るので、ほぼ平行光に近い光となっている。従って、Ｇ
ＬＶ用の照明光学系として支障を来たすことはない。

【００４６】上記の説明では、各エミッターについてＬ
Ｄの出射端面の近視野像を、レンズアレイにより空間的
に分割して、それらを重ね合わせた出射端の共役像を照
明面（最終像面）に投影させた構成を例示したが（図４
において、ＬＤの出射端面と、Ｌ１の出射側焦点面、最
終像面が共役関係にある。）、これに限らず、各エミッ
ターの出射端面の遠視野像について同様の構成を実現す
ることもできる。

【００４７】図５は、光源と瞳共役な分割合成光学系の
構成例３を示しており、ｘ面内における配置構成を上側
に図示し、ｙ面内における配置構成を下側に図示したも
のである。

【００４８】先ず、ｘ面内について説明すると、ＬＤア
レイバー（簡単化のためにＬＤの数を３つとする。）に
対して、図４と同様のコリメートレンズ２（２ｆ、２
ｓ）が設けられており、当該レンズと第１レンズ群Ｇ１
（レンズＬ１、Ｌ２）により、Ｌ２の出射側焦点面上に
エミッターの像が生じる。第１レンズ群Ｇ１の出射側焦
点面は、第２レンズ群Ｇ２（マイクロレンズアレイＭＬ
１、ＭＬ２）によってリレーされる。第１レンズ群Ｇ１
の出射側焦点面は、同時に第２レンズ群Ｇ２の入射側焦
点面でもある。

【００４９】そして、第２レンズ群Ｇ２の出射側焦点面
は、第３レンズ群（Ｌ３、Ｌ４）の入射側焦点面に一致
している。

【００５０】ＬＤアレイバーからの光は、２ｆ、２ｓに
よりコリメートされるが、コリメートレンズ２の出射側
焦点面がリレーされて、当該焦点面に対して、第２レン
ズ群Ｇ２の中間面（図に一点鎖線の縦線で示す。）、第
３レンズ群Ｇ３の出射側焦点面が互いに共役関係とな
る。従って、第３レンズ群Ｇ３の出射側焦点面には、Ｌ
Ｄアレイバーの各エミッターについての遠視野像を、分
割して重ね合わせた像が得られることになる。

【００５１】また、ｙ面内において本例では、第１レン
ズ群Ｇ１を構成するレンズＬ１、Ｌ２が球面レンズであ
り、上記と同様の共役関係が生じるので、第３レンズ群
Ｇ３の出射側焦点面には、ＬＤアレイバーの各エミッタ
ーについての遠視野像を分割して重ね合わせた像が得ら
れる。

【００５２】第１レンズ群Ｇ１を構成するレンズＬ１、
Ｌ２に関して球面レンズに代わって、ｘ面内でのみパワ
ーを持つシリンドリカルレンズを用いる場合には、上記
とは共役関係が反転した構成にすることができ、その場
合には図６に示す例４のようになる。尚、ｘ面内での配
置構成については図５の場合と同じである。

【００５３】ｙ面内では、第１レンズ群Ｇ１を構成する
レンズＬ１ｃｙ、Ｌ２ｃｙに関して縦長の長方形で図示
しており、当該面内ではパワーをもたない。

【００５４】共役関係が反転した構成により、第３レン
ズ群Ｇ３の出射側焦点面には、ＬＤアレイバーの各エミ
ッターの近視野像を分割して重ね合わせた像が生じる。

【００５５】図５、図６のいずれの構成であっても、第
３レンズ群Ｇ３の後方に、ビームエキスパンダーやシリ
ンドリカルレンズを適宜に用いて、エミッター合成像を
照明領域の形状及び大きさに合わせながら、焦点面を照
明面にもってきて一致させることができる。

【００５６】図７（Ａ）は、ビームエキスパンダーの構
成例（ｘ面内）を示したものである。本図において、ビ
ームエキスパンダー５は２つのレンズ６、７により構成
され、その入射側焦点面Ｓｉを第３レンズ群Ｇ３の出射
側焦点面に一致するように設定するとともに、ビームエ
キスパンダー５の出射側焦点面Ｓｏ上に照明物体（照明
対象物）を置くものとする。もし、ビームエキスパンダ
ーの入射側焦点面についてＬＤのエミッターの近視野像
と共役であれば、ビームエキスパンダーの出射側焦点面
には当該近視野像のリレー像が生じる。また、ビームエ
キスパンダーの入射側焦点面についてＬＤのエミッター
の遠視野像と共役であれば、ビームエキスパンダーの出
射側焦点面には当該遠視野像のリレー像が生じることに
なる。

【００５７】さらに、第３レンズ群において出射側にシ
リンドリカルレンズを加えれば、ビームエキスパンダー
の入射側焦点面がＬＤのエミッターの遠視野像と共役で
ある場合でも、ビームエキスパンダーの出射側焦点面に
は当該遠視野像のリレー像が生じる。

【００５８】以上に説明した構成では、第１レンズ群か
ら第２レンズ群までの分割合波系と、第３レンズ群（さ
らにはシリンドリカルレンズを含む。）とを組み合わせ
ることで、ＬＤエミッターに対して様々な共役関係をも
って一次元照明系（つまり、線状の領域を照明する光学
系）を構成することができる。

【００５９】ｘ面内については、大別して、以下に示す
２つのリレー方法及び形態がある。

【００６０】１．各エミッターの近視野像を分割合成し
て、第２レンズ（又はレンズ群）の出射側焦点面にリレ
ーする形態２．各エミッターの遠視野像を分割合成し
て、第２レンズ（又はレンズ群）の出射側焦点面にリレ
ーする形態。

【００６１】ｙ面内についても、同様に２つのリレー方
法及び形態がある。

【００６２】Ａ．各エミッターの近視野像を、第２レン
ズ（又はレンズ群）の出射側焦点面にリレーする形態 Ｂ．各エミッターの遠視野像を、第２レンズ（又はレン
ズ群）の出射側焦点面にリレーする形態。

【００６３】いずれの形態を組み合わせても良いが、複
数のシリンドリカルレンズを用いることで線状の均一な
照明光を実現することができる。

【００６４】尚、ＧＬＶ用の照明光学系への適用におい
ては、シュリーレンフィルタリングを行うに当たり、ｘ
面内では出射側テレセントリックになっていることが望
ましい。つまり、シュリーレンフィルタリングを行う上
で問題になるのは、ＧＬＶへの光線の入射角度である。
シュリーレンフィルター上での光線の位置はＧＬＶへの
光線入射角度に依存するため、ｘ面内での角度を制限で
きれば、表示画像のコントラストを高めることができ
る。そして、角度制限を行うには、ＧＬＶ（の照明領
域）を像面としたときに、その瞳面となる面上に絞りを
置けば良い。これは、上記したいずれの場合でも、第３
レンズ群の瞳面、又は第２レンズ群の出射側焦点面とな
る。よって、この位置にｘ面内での光束を制限する絞り
を配置すれば光線入射角度を制限することができる。
尚、この絞りについては固定された形態であっても良い
し、また、可変絞り、あるいは交換可能な絞りであって
も良い。

【００６５】また、第２レンズ群についての視野角度を
考えた場合に、マイクロレンズへの入射光ができる限り
垂直であることが望ましい。即ち、マイクロレンズアレ
イにおいて隣接するレンズエレメントへの入射光線は迷
光となる上に、光利用効率の低下をもたらす原因となる
からである。また、最終的にＧＬＶに到達する光線につ
いても、シュリーレンフィルタリングのためには、垂直
入射又はこれにできるだけ近い入射状態が望ましい。そ
のためには、第１レンズ群及び第２レンズ群の出射光が
テレセントリックであれば良い。

【００６６】尚、図５や図６に示した構成では、複数枚
のレンズによるレンズ群Ｇ１乃至Ｇ３からなる例を示し
たが、あくまで例示であって、例えば、後述するよう
に、マイクロレンズアレイを一つの部材で構成して、そ
の入射面側と出射面側にそれぞれレンズエレメントを形
成する等、各種の実施形態が可能である。

【００６７】

【実施例】図８乃至図１４は、照明装置に係る第一の設
計例８についてレンズ配置を示したものであり、本例で
は、図８に示すｘ面内においてＬＤの近視野像を分割合
成しており、第二群の出射側焦点面がＬＤの近視野像と
共役である。

【００６８】尚、図９がｙ面内での配置を示し、図１０
が第一群９（Ｌ１、Ｌ２）、図１１がマイクロレンズア
レイＭＬ、図１２が第二群１０（Ｌ３、Ｌ４）、図１３
が第三群１１（Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７）についての拡大図を
それぞれ示している。

【００６９】具体的な数値（単位：ｍｍ）や材質等につ
いては、下表に示す通りである。

【００７０】

【表１】

【００７１】尚、上表中に、付与した(x)、(ｙ)につい
ては、シリンドリカルレンズのｘ面内、ｙ面内での曲率
をもつことを示す。

【００７２】また、面番号についてはＬＤアレイバー側
から離れるに従って数字が増大するように定義してい
る。

【００７３】上表中に「（＊）」を付した第３面（面番
号３）は、非球面シリンドリカルレンズ面であり、ｘ
軸、ｙ軸、ｚ軸からなる３次元直交座標系（上記ｘ面、
ｙ面の定義とは異なる。）において、「ｒ²＝ｘ²＋
ｙ²」とするとき、下式で表される。

【００７４】

【数１】

【００７５】ここで、「ｋ」が曲率を示し、「ｃｃ＋
１」が円錐係数を示しており、「ａ_i」（i=4,6,8,10,1
2）が非球面係数である。各係数値は以下の通りであ
る。

【００７６】ｋ＝−１．３３７３ ｃｃ＝−０．８４５９６３ ａ₄＝−０．１３０３５５ ａ₆＝−０．２４２３８３ ａ₈＝０．５２７８９６ ａ₁₀＝−１．１９１０４３ ａ₁₂＝−０．９５２９４８

【００７７】また、マイクロレンズアレイ（面番号１
０、１１）の各エレメントについては、光軸方向からみ
て０．１ｍｍ×０．１ｍｍのサイズであり、ｘ面内にお
いて３０個以上、ｙ面内において１個以上並べたもので
ある。また、硝子基材の両面にそれぞれレンズを形成し
た一体型の構成とされている。

【００７８】本設計例は、ｘ面内において図６と同様の
構成を有している。

【００７９】光源としては、４００μｍのピッチをも
つ、幅６０μｍのブロードエリアのＬＤをｘ方向に並列
配置したＬＤアレイバーを用いている。

【００８０】面番号２乃至５のコリメートレンズは、ｙ
方向のシリンドリカルレンズと、ｘ方向のシリンドリカ
ルレンズアレイ（エレメントの配列周期が上記ＬＤと同
じ４００μｍとされている。）とを組み合わせたもので
ある。ｘ方向、ｙ方向にそれぞれ独立にコリメートする
ことで、ブロードエリアのＬＤの非点収差を抑えること
ができる。

【００８１】ＬＤアレイバーのエミッター像が、像側テ
レセントリックなシリンドリカルレンズ（Ｌ１、Ｌ２で
あり、これらは、ｘ面内でのみ曲率をもつ。）を経て、
マイクロレンズアレイ（面番号１０、１１）の像側焦点
面に形成される。尚、マイクロレンズの形成ピッチを１
００μｍとしている。また、マイクロレンズでのケラレ
を抑え、その後における光線の伝播方向を制御するため
には、第一群についてテレセントリックであることが理
想的である。本例では、ｘ面内に曲率をもつシリンドリ
カルレンズを用いているので、ｙ面内については、マイ
クロレンズアレイの像側焦点面にエミッター像が生じ
る。このようにすることで、レンズ中に集光部が生じな
いので、高出力のレーザー光によるガラス（硝材）への
ダメージを回避することができる。

【００８２】第二群（Ｌ３、Ｌ４）についても、基本的
にはテレセントリックであり、出射光束の各入射角に対
する主光線は、光軸に対してほぼ平行に出射する。前記
したようにＧＬＶに係る照明光学系では、ＧＬＶで生じ
た回折光をシュリーレンフィルタリングで分離する必要
があることから、入射光線角度について充分に制御して
おかないと、コントラストの低下が生じ得る。よって、
第二群でも、光線角度についてテレセントリック系で制
御しておくことが有効である。

【００８３】第三群（Ｌ５乃至Ｌ７）はビームエキスパ
ンダーであり、両側テレセントリックであるため、ビー
ムが拡大される。これを集光用のシリンドリカルレンズ
Ｌ８でＧＬＶ上（の線状領域）に照射する。

【００８４】図１４は、上記の構成とほぼ同様の構成例
１２について、理解し易いように概略的に示したもので
あり、上側にｙ面内での配置を示し、下側にｘ面内での
配置を示している。尚、マイクロレンズアレイにおける
エレメント数については任意に設計できるので、図には
概念的に示す。また、全長は３９０乃至４００ｍｍ程度
である。

【００８５】図１５乃至図１９は、照明装置に係る第二
の設計例１３についてレンズ配置を示したものであり、
本例では、図１５に示すｘ面内においてＬＤの近視野像
を分割合成しており、ｘ面及びｙ面内において第２レン
ズ群の出射側焦点面がＬＤの近視野像と共役である。

【００８６】尚、図１６がｙ面内での配置を示し、図１
７が第一群１４（Ｉ−Ｌ１乃至Ｌ４）、図１８がマイク
ロレンズアレイＭＬ１、ＭＬ２（見易さを考慮してマイ
クロレンズアレイの曲率を誇張して示す。）及び第二群
１５（ＩＩ−Ｌ１乃至Ｌ４）、図１９が第三群１６（Ｉ
ＩＩ−Ｌ１乃至Ｌ４）及びＧＬＶについての拡大図をそ
れぞれ示している。

【００８７】具体的な数値（単位：ｍｍ）や材質等につ
いては、下表に示す通りである。

【００８８】

【表２】

【００８９】尚、上表中の(x)、(ｙ)の意味や、面番号
等については、既述した通りである。

【００９０】また、第３面（面番号３）については、非
球面シリンドリカルレンズ面であって、上記第一の設計
例と同じコリメートレンズを用いている。

【００９１】本例では、マイクロレンズアレイ１（面番
号１４、１５）、マイクロレンズアレイ２（面番号１
６、１７）の２枚を使用している。それらの各レンズエ
レメントについては、光軸方向からみて０．２５ｍｍ×
０．２５ｍｍのサイズであり、ｘ面内において８個以
上、ｙ面内で１個以上並べたものである。つまり、レン
ズアレイの基材の片面に０．２５ｍｍの配列周期でマイ
クロレンズを形成したものを使用している。

【００９２】上記した第一の設計例では、第一群にシリ
ンドリカルレンズを用いて構成したが、シリンドリカル
レンズの場合には、光軸回りの回転対称性をもたないの
で、光軸を中心とする回転について調整作業を余儀なく
される。そこで、第二の設計例では、光軸回りに回転対
称性をもつレンズ（回転レンズ）を用いている。これ
は、図５と同様の構成である。

【００９３】第一群、第二群については、上記第一の設
計例と同様に（出射側）テレセントリックレンズ系であ
る。尚、本例ではテレセントリック性を上げるために、
各レンズ群について構成枚数を増やしている。

【００９４】尚、光源やコリメートレンズについては、
第一の設計例の場合と同じである。

【００９５】図２０及び図２１は、照明装置に係る第三
の設計例１７についてレンズ配置を示したものであり、
本例では、図２０に示すｘ面内においてＬＤの遠視野像
を分割合成しており、ｘ面内において第２レンズ群の出
射側焦点面がＬＤの遠視野像と共役である。尚、図２１
がｙ面内の配置を示している。

【００９６】具体的な数値（単位：ｍｍ）や材質等につ
いては、下表に示す通りである。

【００９７】

【表３】

【００９８】尚、上表中の(x)、(ｙ)の意味や、面番号
等については、既述した通りである。

【００９９】また、第３面（面番号３）については、非
球面シリンドリカルレンズ面であって、上記第一の設計
例と同じコリメートレンズを用いている。

【０１００】マイクロレンズアレイとしては、マイクロ
レンズアレイ１（面番号１０、１１）、マイクロレンズ
アレイ２（面番号１２、１３）を２枚使用している。そ
れらの各エレメントについては、光軸方向からみて０．
１ｍｍ×０．１ｍｍのサイズであり、ｘ面内において３
０個以上、ｙ面内において１個以上並べたものである。

【０１０１】面番号１４乃至２１の第二群がリレー系を
構成し、面番号２２乃至２７の第三群が拡大系を構成し
ている。

【０１０２】本例において、ｘ面内においてはテレセン
トリックなケーラー照明であり、照射面がＬＤの遠視野
像と共役になっている。図７（Ｂ）にケーラー照明系の
構成例１８として、レンズ１９、２０を用いた例を示
す。

【０１０３】図２２はＧＬＶを使った画像表示装置への
適用例２１について構成の概略を示したものである。

【０１０４】レーザー光源２２（ＬＤアレイバー）から
の光は、上記に説明した強度分布変換系２３（図には単
レンズで代表的に示してはいるが、上記設計例で説明し
た光学系である。）を介して均一化された上で空間変調
器２４（例えば、ＧＬＶ）に照射される。当該空間変調
器による回折光は、レンズ２５、シュリーレンフィルタ
ー２６、レンズ２７を経た後、投影レンズ系２８を透過
してガルバノミラー２９に達し、さらにはスクリーン３
０へと到達する。尚、ＧＬＶやガルバノミラー等の駆動
制御手段については図示及び説明を省略する。

【０１０５】しかして、上記した構成によれば、安価な
半導体レーザーアレイを用いて、均一照明を得ることが
できるとともに、それを高い効率をもって実現すること
ができる。例えば、上記した照明装置を、ＧＬＶ等の一
次元空間変調器を使った画像表示装置に適用すること
で、色再現性に優れた高品位画像の表示が可能なレーザ
ーディスプレイ等を実現できる。

【０１０６】

【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、請求項１に係る発明によれば、並列化光源からのレ
ーザー光を第一のレンズアレイ（又はレンズアレイ群）
でコリメートして、その合波像を第二のレンズアレイ
（又はレンズアレイ群）で空間的に分割した後、再び重
ね合わせることによって、均一な強度分布をもった照明
光を得ることができ、高効率化が可能になる。

【０１０７】請求項２に係る発明によれば、シリンドリ
カルレンズ１つで線状領域への光線の絞り込みが可能と
なり、低コスト化の面でも有利である。

【０１０８】請求項３に係る発明によれば、第二のレン
ズアレイ（又はレンズアレイ群）への入射光に関して垂
直入射とし、レンズエレメントでの迷光及び光利用効率
の低下を防止することができる。

【０１０９】請求項４や請求項５に係る発明によれば、
並列化レーザ光源の設計に応じて構成の選択が可能にな
るので、設計上の自由度が向上する。

【０１１０】請求項６に係る発明によれば、各種形態の
レンズアレイを用いることができるので、設計や作法上
の自由度を高めることが可能になる。

【０１１１】請求項７に係る発明によれば、照明面への
光線入射角度を一定の範囲内に限定することが可能とな
るので、例えば、ＧＬＶのように入射光線の回折方向の
角度範囲を充分に狭くしておく必要がある空間変調器を
用いる場合に好適である。

【０１１２】請求項８に係る発明において、第一のレン
ズ（又はレンズ群）の出射側テレセントリック性は、第
二のレンズアレイ（又はレンズアレイ群）でのケラレを
抑えること及び光線の制御性にとって有効である。ま
た、第二のレンズ（又はレンズ群）の出射側テレセント
リック性は、照明面への光線入射角度を制御（あるいは
制限）するのに有効である。

【０１１３】請求項９、請求項１０、請求項１１に係る
発明によれば、ＧＬＶ等の空間変調器を用いた画像表示
装置への適用において、高輝度化やコントラスト及び画
質の向上を実現することができるので、高品位化に適し
ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガウシアンビームに関する分割及び重ね合わせ
についての説明図である。

【図２】不規則な分布に関する分割及び重ね合わせにつ
いての説明図である。

【図３】並列化光源とマイクロレンズアレイを用いた構
成についての説明図である。

【図４】光源共役な分割合成系の構成例を示す図であ
る。

【図５】光源と瞳共役な分割合成系の構成例を示す図で
ある。

【図６】光源と瞳共役な分割合成系の構成について別例
を示す図である。

【図７】（Ａ）図にビームエキスパンダー系を示し、
（Ｂ）図にケーラー照明系を示す。

【図８】図９乃至図１４とともに第一の設計例について
説明するための図であり、本図はｘ面内での配置を示す
図である。

【図９】ｙ面内での配置を示す図である。

【図１０】第一群の構成を示す拡大図である。

【図１１】マイクロレンズアレイを示す拡大図である。

【図１２】第二群の構成を示す拡大図である。

【図１３】第三群の構成を示す拡大図である。

【図１４】レンズ配置例について説明するための図であ
る。

【図１５】図１６乃至図１９とともに第二の設計例につ
いて説明するための図であり、本図はｘ面内での配置を
示す図である。

【図１６】ｙ面内での配置を示す図である。

【図１７】第一群の構成を示す拡大図である。

【図１８】マイクロレンズアレイ及び第二群の構成を示
す拡大図である。

【図１９】第三群の構成を示す拡大図である。

【図２０】図２１とともに第三の設計例について説明す
るための図であり、本図はｘ面内での配置を示す図であ
る。

【図２１】ｙ面内での配置を示す図である。

【図２２】画像表示装置の構成例を概略的に示す図であ
る。

【図２３】シュリーレンフィルター光学系について説明
するための図である。

【図２４】従来の構成例を示す説明図である。

【符号の説明】

１…並列化光源、２ｓ…第一のレンズアレイ、５…第三
のレンズ群、８、１２、１３、１７…照明装置、９、１
４…第一のレンズ群、１０、１５…第二のレンズ群、１
１、１６…第三のレンズ群、２１…画像表示装置、２４
…空間変調器、Ｌ１…第一のレンズ、Ｇ１…第一のレン
ズ群、ＭＬ…第二のレンズアレイ、ＭＬ１、ＭＬ２…第
二のレンズアレイ群、Ｇ２…第二のレンズアレイ群、Ｌ
２…第二のレンズ群、Ｌ８…シリンドリカルレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H052 BA02 BA07 BA09 BA11 2H091 FA07X FA07Z FA14Z FA26X FA26Z FA29X FA29Z FA41X FA41Z KA01 LA16 LA18 MA07

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 並列化光源からのレーザー光を用いて均
   一化された強度分布が得られるように構成された、レー
   ザー光源を備えた照明装置において、 上記並列化光源に対してコリメートを行うための第一の
   レンズアレイ又はレンズアレイ群を配置するとともに、
   コリメートされた光線を、第一のレンズ又はレンズ群に
   より合成すること、 そして、さらに第二のレンズアレイ又はレンズアレイ群
   を配置して光線を空間的に分割してから、第二のレンズ
   又はレンズ群により重ね合わせ、第三のレンズ又はレン
   ズ群を介して照明面に投影するようにしたことを特徴と
   するレーザー光源を備えた照明装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載したレーザー光源を備え
   た照明装置において、 第三のレンズ又はレンズ群の出射側にシリンドリカルレ
   ンズを配置して、線状領域への照明を行うように構成し
   たことを特徴とするレーザー光源を備えた照明装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載したレーザー光源を備え
   た照明装置において、 第三のレンズ又はレンズ群として、光軸を含む少なくと
   も一つの面内で出射側テレセントリックとされる光学系
   を用いたことを特徴とするレーザー光源を備えた照明装
   置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載したレーザー光源を備え
   た照明装置において、 照明面と光源面とが、光軸を含む少なくとも一つの面内
   で光学的に共役像の位置関係にあることを特徴とするレ
   ーザー光源を備えた照明装置。
5. 【請求項５】 請求項３に記載したレーザー光源を備え
   た照明装置において、照明面と光源の瞳面とが、光軸を
   含む少なくとも一つの面内で光学的に共役像の位置関係
   にあることを特徴とするレーザー光源を備えた照明装
   置。
6. 【請求項６】 請求項１に記載したレーザー光源を備え
   た照明装置において、 第一又は第二のレンズアレイとして、球面レンズアレイ
   又はシリンドリカルレンズアレイ又は屈折率分布型レン
   ズアレイ又はこれらと同等な光学的作用をもつ回折型光
   学素子を用いたことを特徴とするレーザー光源を備えた
   照明装置。
7. 【請求項７】 請求項１に記載したレーザー光源を備え
   た照明装置において、 第二のレンズアレイ又はレンズアレイ群の出射側焦点面
   又はこれと共役な第三のレンズ群中の面上に可変又は固
   定の絞りを配置して、照明面への光線入射角度を限定す
   ることを特徴とするレーザー光源を備えた照明装置。
8. 【請求項８】 請求項１に記載したレーザー光源を備え
   た照明装置において、 第一のレンズ又はレンズ群、あるいは第二のレンズ又は
   レンズ群として、光軸を含む少なくとも一つの面内で出
   射側テレセントリックとされる光学系を用いたことを特
   徴とするレーザー光源を備えた照明装置。
9. 【請求項９】 並列化光源からのレーザー光を用いて均
   一化された強度分布が得られるように構成された照明装
   置と、これによって照明される空間変調器を用いた画像
   表示装置において、 上記並列化光源に対してコリメートを行うための第一の
   レンズアレイ又はレンズアレイ群を配置するとともに、
   コリメートされた光線を第一のレンズ又はレンズ群によ
   り合成し、さらに第二のレンズアレイ又はレンズアレイ
   群を配置して光を空間的に分割してから、第二のレンズ
   又はレンズ群により重ね合わせ、第三のレンズ又はレン
   ズ群により上記空間変調器の照明面に投影するようにし
   たことを特徴とする画像表示装置。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の画像表示装置におい
    て、 空間変調器として一次元空間変調器を用いたことを特徴
    とする画像表示装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の画像表示装置にお
    いて、 一次元空間変調器としてグレーティングライトバルブを
    用いたことを特徴とする画像表示装置。