JP2009054325A - 照明用光源装置および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成によりスペックルの影響を抑制することが可能な、コヒーレント光源を用いた照明用光源装置を得ること。
【解決手段】コヒーレント光を射出する複数の発光点が１次元アレイ状に配列された面発光レーザ２と、面発光レーザ２から射出される光の発光点配列方向に垂直な方向の径が発光点配列方向の径よりも大きく、また各発光点から射出される光の強度分布がそのビーム内で均一になるようにビームを整形するビーム整形光学系４と、光ファイバ６と、ビーム整形光学系４から射出される光の最大径に基づいてビーム整形光学系４から射出される光が光ファイバ６に結合するように倍率が設定される集光光学系５とを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、コヒーレント光源を用いた照明用光源装置およびこの照明用光源装置を用いた画像表示装置に関するものである。

近年、光学式画像表示装置の光源として、レーザを利用した例が多数報告されている。一般に、レーザから射出された光は、高い指向性を有するため光利用効率の向上が見込まれ、また、その単色性は画像表示装置において必要とされる広い色再現領域を実現することが可能なため、照明用光源として有用であると考えられている。一方で、レーザ光は高いコヒーレンスをもつため、レーザを画像表示装置の光源に用いた場合、その像面においてスペックルノイズと呼ばれる光の干渉による斑点模様が生じることが問題となっている。これは、照明光学系の素子、ライトバルブ、投写光学系の素子、あるいはスクリーン上に存在する微小な凹凸により、素子面内の異なる点を経由した各光束の位相が凹凸に応じた量だけずれ、互いに可干渉であるそれらの光束が像面上に干渉縞を形成することに起因する。これらの素子の面精度は有限であるので、コヒーレンスの高い光源を用いた場合には必ずスペックルノイズの影響が問題となる。近年のレーザ技術の進歩に伴い、小型で高出力、かつビーム品質の良い半導体レーザなどの開発が盛んに行われており、今後レーザが画像表示装置の光源として用いられる機会は増加すると期待されるため、スペックルノイズ抑制法の確立が必要とされる。

レーザを光源に用いた画像表示装置におけるスペックルの問題は、レーザ光が有する単色性、高指向性などの特性を保持しながらもそのコヒーレンスのみを低下させることにより解決することができる。レーザ光のコヒーレンスはその等位相面を大きく乱すことにより低減され、それを実現する手法として従来では、たとえば１つのレーザ（共振器）から生成されるコヒーレント光を互いにインコヒーレントな複数の光に分割しそれらを合成する、あるいは異なるレーザ（共振器）から生成される互いにインコヒーレントな複数のコヒーレント光を合成する方法が用いられている。

前者の方法に基づいたものとして、並置された複数個の要素レンズ（マイクロレンズアレイ）を利用する手法（たとえば、特許文献１参照）、異なる長さをもつ複数の光ファイバ束からなるファイババンドルを利用する手法（たとえば、特許文献２参照）が提案されている。これらの手法によれば、レーザから射出された光をそれらの素子を用いて複数の光束に分割し、各光束間の光学距離の差をその光の可干渉距離に対して大きくとることによりそれらの光束は互いにインコヒーレントな関係となるため、光源全体のコヒーレンスを低下させることができる。

また、後者の方法に基づいたものとして、互いに異なる波長を有する複数の半導体レーザと、各半導体レーザに対して１本の光ファイバとを備え、それらの光ファイバ束から低コヒーレンス光を射出する露光用半導体レーザ光源装置が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。この手法によれば、互いに異なる波長を有する複数の半導体レーザから射出される光は可干渉性が低いため、これらの光を合成させて得られる光全体のコヒーレンスは低いものとなる。

これらの方法を用いれば、互いにインコヒーレントな複数の光から成る低コヒーレンス光を生成することができ、さらにこの合成光は素子の数を増やすことによりそのコヒーレンスを十分に低下させることができる。しかし、前者のようにマイクロレンズアレイやファイババンドルを用いた光分割においては光の損失が大きいため高い光利用効率が得られず、また後者のように異なる波長を有する複数の半導体レーザを光源として用いる場合には、十分にコヒーレンスを低下させるためには互いの波長差を大きくとる必要があり、したがって光源が有する波長幅が広くなり単色性の劣化を招く。また、前者後者共に、よりコヒーレンスを低下させるためには多数のファイバや光分割素子、半導体レーザなどが必要となるが、これらの素子の増加は、色や輝度などの画像品質を高くすることができる一方で、照明装置の小型化、低コスト化が求められる画像表示装置においては好適ではない。

特開２０００−２６８６０３号公報 特開平１１−３２６６５３号公報 特開２００４−１４６７９３号公報

上記のように、従来のスペックル低減法においては、素子における光利用効率、コスト面、装置の小型化といった点において、解決されるべき幾らかの問題を残している。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、コヒーレント光源を用いた照明装置において、簡易な構成によりスペックルノイズを低減可能な照明用光源装置およびこの照明用光源装置を用いた画像表示装置を得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる照明用光源装置は、コヒーレント光を射出する複数の発光点が１次元アレイ状に配列されたコヒーレント光源と、前記コヒーレント光源から射出される光の発光点配列方向に垂直な方向の径が発光点配列方向の径よりも大きく、また前記各発光点から射出される光の強度分布がそのビーム内で均一になるようにビームを整形するビーム整形手段と、光ファイバと、前記ビーム整形手段から射出される光の最大径に基づいて前記ビーム整形手段から射出される光が前記光ファイバに結合するように倍率が設定される集光光学系とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、コヒーレント光内の多くの光束間に可干渉性を失わせる位相差を与えることができ、また、コヒーレント光の等位相面を大きく乱し、高いコヒーレンス低減効果が得られる。さらに、複数の独立な発光点から射出される互いにインコヒーレントな光を重ね合わせることができるため、スペックルコントラストは抑制され、光ファイバに後続する光学系においてもコヒーレンスが低減した合成光の状態が維持されるという効果を有する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる照明用光源装置および画像表示装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、この発明の実施の形態にかかる照明用光源装置を用いた照明装置の構成を示す図である。この実施の形態の照明装置１は、照明用光源装置１ａと、照明光学系１ｂと、から構成されている。以後、図１内に示した発光点配列方向をｘ軸方向とし、光軸方向をｚ軸方向とし、これらのｘ軸方向とｚ軸方向に垂直な方向をｙ軸方向とする。また、ｘｙｚ軸に基づいて、発光点配列方向の軸と光軸からなる面をｘｚ平面と呼び、発光点配列方向に垂直な軸と光軸からなる面をｙｚ平面と呼ぶ。

照明用光源装置１ａは、コヒーレント光源として複数の発光点を有する面発光レーザ２と、面発光レーザ２から射出した複数のコヒーレント光３を所望のビーム形状に整形するビーム整形光学系４と、ビーム整形光学系４を透過したコヒーレント光３を集光するための集光光学系５と、光ファイバ６と、を備えている。

照明光学系１ｂは、光ファイバ６から射出される光の空間的強度分布を均一にするインテグレータロッド７と、レンズやミラーで構成される照明光学系８と、照明された光を空間的に変調し画像信号を与える変調素子としての液晶パネルやデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）などのライトバルブ９とを備えている。このライトバルブ９から射出された光を拡大投射するためのスクリーンに拡大投影する投写光学系（図示せず）と、投写光学系からの光が投写されるスクリーンなどの表示部（図示せず）と、をさらに備えることで画像投写装置などの画像表示装置を構成することができる。

図２−１〜図２−２は、光源内に複数の発光点が１次元アレイ状に配列されるレーザの概念図であり、図２−１は、ｙ軸方向から見た光源の様子を示す図であり、図２−２は、ｘ軸方向から見た光源の様子を示す図である。この面発光レーザ２は、複数の発光点１０がｘ方向に等間隔に配列され、各発光点１０からはｙｚ面における発散角αと、ｘｚ面における発散角βとが共に極めて０度に近い略平行なコヒーレント光が射出される。この実施の形態で用いる面発光レーザ２は、１０個の発光点１０を持ち、１５０μｍの間隔で一直線上に配置され、各発光点１０から射出されるレーザ光のｙｚ面、ｘｚ面における発散角α、βの半値半角は共に約０．２度のものである。

図３は、ビーム整形光学系内に設置されるマルチレンズの構成の一例を示す図である。この図に示されるように、この実施の形態においては、ビーム整形光学系４として３個の平凹シリンドリカルレンズがｙ軸方向に曲率をもつように並列されるマルチレンズ４ａと、平凸シリンドリカルレンズ４ｂを組み合わせ、レーザ光のｙｚ平面のみに拡大作用がなされるように配置した。なお、ビーム整形光学系４としては、同様の作用を達成できるものであれば、他の構成を採用してもよい。

面発光レーザ２内の複数の発光点１０から射出される各光は発振波長が等しいため面発光レーザ光全体としての単色性に優れ、また各コヒーレント光は指向性を有するため光全体の指向性も高い。しかし一方で、各発光点１０から射出される光は非常にコヒーレンスが高く、画像表示装置への利用においてはスペックルの問題が懸念される。この実施の形態による照明用光源装置１ａにおいては、１次元アレイ光源である面発光レーザ２と、ビーム整形光学系４と、集光光学系５と、光ファイバ６と、を備えることによって、各発光点１０から射出される各々の光のコヒーレンスを低減し、さらに１次元アレイ光源内の複数の発光点１０から射出される互いにインコヒーレントな複数の光を空間的に重ね合わせてスペックルパターンを平均化することによって、簡易かつ効率的にスペックルノイズを抑制することができる。

以下に、複数の発光点１０から射出されたインコヒーレントな複数の光を空間的に重ね合わせることによるスペックルノイズ低減の原理について述べる。光が照射される被照射面の空間位置ｒにおいて、次式（１）、（２）で示すように位置ｒの関数で表される位相差Δφａ（ｒ）の関係をもつ２つの光束、
Ａ（ｒ，ｔ）＝ｕ・exp｛ｉφａ（ｒ，ｔ）｝ …（１）
Ａ´（ｒ，ｔ）＝ｕ・exp［ｉ｛φａ（ｒ，ｔ）＋Δφａ（ｒ）｝］ …（２）
がコヒーレントな関係にあるとき、被照射面におけるそれら２つの光束が合成された光の強度Ｉco（ｒ）は、被照射面の空間座標に関する式として次式（３）のように表される。
Ｉco（ｒ）∝｜Ａ＋Ａ´｜^２＝２ｕ^２＋２ｕ^２ｃｏｓΔφａ（ｒ） …（３）

一方、この２つの光束がインコヒーレントな関係にあるとしたとき、合成された光の被照射面における光の強度Ｉincoは以下の式（４）で表される。
Ｉinco（ｒ）∝｜Ａ｜^２＋｜Ａ´｜^２＝２ｕ^２ …（４）

図４は、２光束が重畳された場合の空間位置に対する光強度分布を示す図である。図４より明らかなように、インコヒーレントな関係にある２つの光束が重ね合わされた場合の光の強度Ｉincoは空間位置によらず、すなわち素子の凹凸により生じる位相ずれの量によらず一定であるのに対し、コヒーレントな関係にある２つの光束が重畳された場合の光の強度Ｉcoは異なる空間位置においては位相ずれ量の違いにより明暗が現れる。後者のように、光源のコヒーレンスに起因して生じる明暗の縞をスペックルという。

したがって、スペックルは光のコヒーレンスを低下させることにより抑制することができる。また、この光のコヒーレンスは、その等位相面を乱すことにより低下させることが可能である。そこで、本照明用光源装置１ａでは、集光光学系５と光ファイバ６とを備えることによって、光の等位相面を乱す作用を有するように構成している。図５は、コヒーレント光の光ファイバ内伝播による等位相面の乱れの様子を模式的に示す図である。この図５に示されるように、コヒーレント光を光ファイバ６に結合する際、集光レンズ（集光光学系５）によってコヒーレント光内の複数の光束間において光学伝播距離に差が生じるため等位相面がゆがみ、そのゆがみは伝播距離が長くなるにつれ大きくなる。この等位相面のゆがみは光ファイバ６内における多重反射により折り畳まれ、光の等位相面はランダムな分布となり、光のコヒーレンスは低下する。光ファイバ６は数百μｍ〜数ｍｍと大変小さいコア径内に全反射による光の閉じ込め作用を持つため、光ファイバ６の利用は内部多重反射によるコヒーレンス低減に大変効果的である。

また、本照明用光源装置１ａは、光源（面発光レーザ２）と集光光学系５の間にビーム整形光学系４を設けることによって、集光光学系５と光ファイバ６とを用いたコヒーレンス低減効果を最も効率よく得るようにしている。図６は、集光光学系の入射面上における光の空間強度分布を示す図である。この図６に示されるように、集光光学系５の入射面１３上において、１次元アレイ光源である面発光レーザ２から射出される各発光点の光のｙｚ平面における径１４が、ビーム整形光学系４によって、全光のｘｚ平面における径１５より大きくなるように全光のｙｚ方向のみに作用すると共に、そのビーム内における光の強度分布を均一化している。そして、該光学系と該光学系を透過した全光の最大径１６に基づいて最適に設計された集光光学系５によって、コヒーレント光内のより多数の光束間に可干渉性を失わせる位相差が与えられる。また、複数のコヒーレント光は、それぞれ最大入射角で光ファイバへと入射されるため、光ファイバ６内における反射回数をより多くすることができ、等位相面が大きく乱れた高いコヒーレンス低減効果が得られる。

このような構成を持つ本照明用光源装置１ａ内の光学系においては、さらなるスペックル低減が可能となる。１次元アレイ光源である面発光レーザ２内の複数の発光点１０から射出される各々のコヒーレント光３は、異なる共振器から生成されるため位相が揃っておらず、互いにインコヒーレントな関係にある。このような互いにインコヒーレントな関係にある光を空間的に重ね合わせるとき、それらの光強度は式（４）に示した通り単純に積算され、空間光強度分布は平均化される。これは、統計学において明らかなように、ランダムな分布の平均値の標準偏差はサンプル数の平方根に反比例するので、インコヒーレントな関係にあるｎ個の発光点から射出されるコヒーレント光を重ね合わせた場合のスペックルコントラストは、１個の発光点から射出されるコヒーレント光により生じるスペックルコントラストの１／（ｎ）^1/2となり、重ね合わされるコヒーレント光の数が多くなるほどスペックルコントラストは指数関数的に小さくなる。

また、本照明用光源装置１ａにおいては、１次元アレイ光源である面発光レーザ２から射出される互いにインコヒーレントな関係にある複数の光を集光光学系５で１本の光ファイバ６に結合し伝播させることによって、複数の光は各々光ファイバ６の中心軸に対して回転対称な空間強度分布をもつようにコア径と同じ大きさまで広がる。その結果、光ファイバ６の射出端においては、インコヒーレントな関係にある複数の光が空間的に完全に重なった合成光を得ることができる。

さらに、本照明用光源装置１ａにおいては、コヒーレンスが低減した合成光の状態が、後続の照明光学系１ｂの任意のｘｙ平面においても維持される。光ファイバ６の射出端において空間的に重なり合った複数の光が、後続の照明光学系１ｂにおいてもそれを維持するためには、各発光点から射出される光の自らの光軸１２に対する各光の広がり角度である発散角（θ１、θ２、…θｎ）と、光全体の光軸１１と各発光点から射出される各コヒーレント光３の伝播方向の軸とがなす角度である伝播角（δ１、δ２、…δｎ）とが、照明用光源装置１ａの射出端である光ファイバ６の射出端においてそれぞれ、θ１＝θ１＝θ３＝…＝θｎ、δ１＝δ２＝δ３＝…＝δｎであることが必要である。

一般的に、１次元アレイ光源から射出される１次元方向に並列する複数の光を光ファイバに結合するための最も簡易な光学系は、光源から射出される複数の光を１つのビームとして扱い、このビーム径に対して最適な集光光学系によって光ファイバへ結合する系である。この構成を用いると、集光光学系は全光の発光点配列方向のビーム径に対し最適化されるため、各発光点から射出される光の集光角は極めて小さく、また集光光学系の入射面の異なる空間位置を透過するので、各々異なる伝播角と発散角をもって光ファイバに入射する。各光の集光角が小さい場合には、等位相面の歪み、光ファイバ内の多重反射による等位相面の乱れによる光のコヒーレンス低減効果は小さい。また、各光間の伝播角や発散角の差により光学伝播距離が長くなるにつれ各光の重なりが小さくなり、スペックルノイズの抑制効果が低下してしまう。

しかしながら、本照明用光源装置１ａでは、ビーム整形光学系４によってｙｚ平面における径がｘｚ平面よりも大きくなるよう拡大され、ビーム整形光学系４を透過後の全光の最大径１６に基づいて設計される集光光学系５によって光ファイバ６に結合される。このような構造によって、光ファイバ６への各光の自らの光軸１２に対する最大入射角は何れもｙｚ面における光の径１４に依存した角度となり、光の径１４が互いに等しい各光は等しい最大入射角で光ファイバ６に結合されるため、光ファイバ射出後の各コヒーレント光は何れもほぼ等しい発散角を持つ。また、全光のｘｚ面における径１５が全光の最大径１６に対し小さいため、各光間の光ファイバ６の中心軸に対する入射角度の差は小さく、光ファイバ６から射出される光は何れもほぼ等しい伝播角を持つ。したがって、本照明用光源装置１ａの射出端である光ファイバ６から射出される光は空間的に重なっており、後続の照明光学系１ｂの任意のｘｙ平面においてもこの重なりは維持されることになる。

以上のようにして、各発光点１０から射出される光がコヒーレンスの高い光であっても、ビーム整形光学系４により各光のｙｚ平面方向のビーム径を拡大し、かつ各ビーム内における光強度分布を均一にし、光源全体の光の径に対して最適に設計される集光光学系５により各光を光ファイバ６に結合する光学系を採用することで、各光の等位相面が乱され光のコヒーレンスを低減させている。さらに加えて、照明用光源装置１ａの射出端から射出される光は、複数の互いにインコヒーレントな光の空間強度分布、発散角および伝播角が一致しているので、照明用光源装置１ａの射出端、または後続の任意のｘｙ平面におけるスペックルパターンは平均化される。そのため、この照明用光源装置１ａを用いた画像表示装置において、照明用光源装置１ａの射出端、または後続の任意のｘｙ平面の像を画像表示部に転写する構成とすることにより、画像表示部におけるスペックルノイズは抑制される。つまり、本照明用光源装置１ａを利用した画像表示装置においては高いスペックル低減効果を得ることが可能となる。

以下に、この実施の形態に必要とされる条件を図２と図７を参照しながら具体的に記す。図７は、この発明にかかる照明用光源装置の構成を模式的に示す図である。これらの図２の１次元アレイ光源の概念図内と図７の照明用光源装置の概念図内に記されるように、コヒーレント光を射出する複数の発光点１０が１次元アレイ状に配列されたコヒーレント光源内の発光点１０の数をｎ個（ｎは２以上の任意の自然数）とし、隣接する発光点１０間の距離をｄとし、各発光点１０から射出されるコヒーレント光のｙｚ平面、ｘｚ平面における径を各々ａ、ｂとし、発散角の半値半角を各々α、βとし、面発光レーザ２の発光面からビーム整形光学系４の入射端までの光の空間伝播距離をｌ_sとし、ビーム整形光学系４の入射端から集光光学系５までの距離をｌ_rとし、光のｙｚ平面に対してのみ作用するビーム整形光学系４の光拡大率をＬとし、集光光学系５の光縮小率をＴとし、光ファイバのファイバ径をｃとしている。

（ａ）ｙｚ平面におけるビーム整形光学系４の光拡大率Ｌは少なくとも下記条件式を満たす。

（ｂ）ビーム整形光学系４における光強度分布均一化作用は少なくとも、各発光点から射出される光のビーム整形光学系４透過後の強度分布の半値全幅が、発光点射出端における強度分布の半値全幅よりも大きくなる。
（ｃ）集光光学系５における光の縮小率Ｔは下記条件式を満たす。

（ｄ）光ファイバ６は、各コヒーレント光が少なくともその内部で１回以上反射する長さを有する。

この照明用光源装置１ａは条件（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を満たすとき、各発光点１０から射出されるコヒーレント光の等位相面を乱すことによってコヒーレンスを低減し、さらに複数の発光点１０から射出される互いにインコヒーレントな光を重ね合わせることによってスペックルノイズを平均化するため、スペックルノイズを抑制することが可能となる。

また、条件（ａ）、（ｂ）、（ｄ）は、この照明用光源装置１ａにおいてスペックルノイズ抑制効果を得るための最低条件を示しており、光拡大率Ｌを大きくするほど、各発光点１０から射出される光のビーム整形光学系４透過後の強度分布の半値全幅を発光点射出端における強度分布の半値全幅より大きくするほど、また光ファイバ６の長さが長くなるほど、得られるスペックル低減効果は大きくなる。

さらに、前に示したようにこの照明用光源装置１ａから射出された光の低コヒーレンス性が後続の光学系においても維持されるためには、上記条件（ａ）において光拡大率Ｌがきるだけ大きい方がよい。先に述べたように互いにインコヒーレントなｎ個の光を重ね合わせた場合のそのスペックルコントラストは１／（ｎ）^1/2に抑制される。たとえば、ｎ＝４とするとｎ＝１のときに比べスペックルコントラストを半減することができる。したがって、具体的には、画像表示部において４個以上の発光点から射出される光が重なり合うような光拡大率Ｌを有するビーム整形光学系４を設けることが望ましい。

また、条件（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を満たすビーム整形光学系４、集光光学系５、光ファイバ６を有して構成されるこの実施の形態の照明用光源装置１ａは、レーザの単色性、高い指向性を活かしながらも、コヒーレンスが低く、スペックル低減効果の高い光を射出することができる光源装置であり、これを簡易な構成により実現している。たとえば、本照明用光源装置１ａが画像表示装置の照明装置に組み込まれることにより、コンパクトでかつスペックルノイズが抑制され高い画質を有する画像表示装置を提供することが可能となる。

この実施の形態においては、１次元アレイ状に配列された複数の発光点を有するコヒーレント光源として面発光レーザ２を用いた場合を例に挙げたが、これに限られるものではなく、たとえばビームがアレイ状に射出される固体レーザや複数の発光点を有する半導体レーザなどを用いてもよい。

また、この実施の形態においては、ビーム整形光学系４内において３個の平凹シリンドリカルレンズがｙ軸方向に曲率をもつように並列されるマルチレンズ４ａと平凸シリンドリカルレンズ４ｂの組み合わせを用いたが、この発明はこれに限られるものではない。マルチレンズ４ａの代わりに、たとえば３個の平凸シリンドリカルレンズ、さらに多数の平凸シリンドリカルレンズがｙ軸方向に曲率をもつように並列されるマルチレンズや、多数の平凹シリンドリカルレンズがｙ軸方向に曲率をもつように並列されるマルチレンズ、またはグラディエントインデックスマイクロレンズもしくはホログラフィック素子などを用いてもよい。また、平凸シリンドリカルレンズ４ｂの代わりに、たとえば全光のｘｚ、ｙｚ両平面方向の広がり角に対して設計される球面レンズを用いる構成や、上記マルチレンズによる光の広がり角を吸収することが可能な集光光学系５を設けることにより素子を用いない構成を採用してもよい。

さらに、この実施の形態においては、照明光学系１ｂの空間光強度分布を均一化する素子としてインテグレータロッド７を用いたが、この発明はこれに限られるものではなく、たとえばマイクロレンズなど、空間光強度分布を均一化するための他の素子を用いてもよい。ただし、インテグレータロッド７のような光の空間強度分布を均一にする作用がある素子を用いることによってコヒーレンスの若干の低下も望めるため、この発明の照明用光源装置１ａと組み合わせて用いることが望ましい。

この実施の形態によれば、複数の発光点が１次元アレイ状に配列される複数の発光点から射出される各コヒーレント光は、ビーム整形光学系４の作用により発光点配列方向に垂直な方向に拡大され、同時にそのビーム内における強度分布が均一化される。また、集光光学系５と光ファイバ６とを組み合わせることによって、そのコヒーレント光内の多くの光束間に可干渉性を失わせる位相差を与えることができ、さらに光ファイバ６内における反射回数を多くすることができる。これらによって、コヒーレント光の等位相面を大きく乱し、高いコヒーレンス低減効果が得られる。

また、各発光点１０から射出された光ファイバ６へ入射する各々の光は、光ファイバ６内を伝播することによって光ファイバ６の中心軸に対して回転対称な空間強度分布を持つように広がり、光ファイバ６の射出端において他のコヒーレント光との重なりを大きくすることができる。さらに、各光は等しい最大入射角で光ファイバ６に結合されるため各々の発散角は等しくなり、加えて光全体の最大径１６に対してその発光点配列方向における径が十分小さくなるため各コヒーレント光の伝播角も等しくなる。これによって、光ファイバ６の射出端では、複数のコヒーレント光は、空間的に重なり、さらにいずれの方向についても等しい発散角と伝播角を持つことが可能となるため、光ファイバ６の射出端で複数のコヒーレント光の各光軸１２を一致させることができる。したがって、この照明用光源装置１ａから射出される光は複数の独立な発光点１０から射出される互いにインコヒーレントな光が重なり合うため、スペックルコントラストは抑制され、この効果は後続の光学系においても維持される。

そして、この発明をコヒーレント光源としてレーザが用いられる照明用光源装置１ａに適用した場合に、簡易な構成により光源のコヒーレンスを低減することができ、たとえば画像表示装置にこの照明用光源装置を組み込むことで、スペックルノイズが低減され高品質な画像が得られるといった効果を奏するものである。

以上のように、本発明にかかる照明用光源装置は、発光点が１次元方向に配列されるコヒーレント光源が用いられる照明用光源装置および該照明用光源装置が用いられる画像表示装置に有用である。

この発明の実施の形態にかかる照明用光源装置を用いた照明装置の構成を示す図である。 光源内に複数の発光点が１次元アレイ状に配列されるレーザの概念図である。 光源内に複数の発光点が１次元アレイ状に配列されるレーザの概念図である。 ビーム整形光学系内に設置されるマルチレンズの構成の一例を示す図である。 ２光束が重畳された場合の空間位置に対する光強度分布を示す図である。 コヒーレント光の光ファイバ内伝播による等位相面の乱れの様子を模式的に示す図である。 集光光学系の入射面上における光の空間強度分布を示す図である。 この発明にかかる照明用光源装置の構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 照明装置
１ａ 照明用光源装置
１ｂ 照明光学系
２ 面発光レーザ
３ コヒーレント光（レーザ光）
４ ビーム整形光学系
４ａ マルチレンズ
４ｂ 平凸シリンドリカルレンズ
５ 集光光学系
６ 光ファイバ
７ インテグレータロッド
８ 照明光学系
９ ライトバルブ
１０ 発光点
１１，１２ 光軸
１３ 入射面

Claims (7)

1. コヒーレント光を射出する複数の発光点が１次元アレイ状に配列されたコヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源から射出される光の発光点配列方向に垂直な方向の径が発光点配列方向の径よりも大きく、また前記各発光点から射出される光の強度分布がそのビーム内で均一になるようにビームを整形するビーム整形手段と、
   光ファイバと、
   前記ビーム整形手段から射出される光の最大径に基づいて前記ビーム整形手段から射出される光が前記光ファイバに結合するように倍率が設定される集光光学系と
   を備えることを特徴とする照明用光源装置。
2. 前記照明用光源装置は、発光点配列方向をｘ、コヒーレント光の光軸方向をｚ、前記発光点配列方向と前記光軸方向とに垂直な方向をｙとし、前記コヒーレント光源の発光点の数をｎ個（ｎは２以上の任意の数）、前記各発光点間の距離をｄ、ｙｚ平面における前記発光点から射出されるコヒーレント光の径をａ、ｘｚ平面における前記発光点から射出されるコヒーレント光の径をｂ、ｙｚ平面における前記発光点の発散角の半値半角をα、ｘｚ平面における前記発光点の発散角の半値半角をβ、前記コヒーレント光源の発光面から前記ビーム整形手段の入射端までの光の空間伝播距離をｌ_s、前記ビーム整形手段の入射端から前記集光光学系までの距離をｌ_r、前記ビーム整形手段の拡大率をＬ、前記集光光学系の光縮小率をＴ、前記光ファイバのファイバ径をｃとしたとき、下記条件（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の照明用光源装置。
   （ａ）ｙｚ平面における前記ビーム整形手段の光拡大率Ｌは少なくとも下記条件式を満たす。
   

   

   （ｂ）前記ビーム整形手段における光強度分布均一化作用は少なくとも、前記各発光点から射出される光の前記ビーム整形手段透過後の強度分布の半値全幅が、前記発光点射出端における強度分布の半値全幅よりも大きくなる。
   （ｃ）前記集光光学系における光の縮小率Ｔは下記条件式を満たす。
   

   

   （ｄ）前記光ファイバは、各コヒーレント光が少なくともその内部で１回以上反射する長さを有する。
3. 前記ビーム整形手段は、ｙｚ方向に作用する多段レンズ、グラディエントインデックスマイクロレンズ、およびホログラフィック素子のうちいずれかを用いるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の照明用光源装置。
4. 前記ビーム整形手段は、複数個の平凸シリンドリカルレンズがｙ方向に曲率を持つように並列されるマルチレンズ、または複数個の平凹シリンドリカルレンズがｙ方向に曲率を持つように並列されるマルチレンズを用いるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の照明用光源装置。
5. 前記ビーム整形手段は、複数個の平凸シリンドリカルレンズがｙ方向に曲率を持つように並列されるマルチレンズと平凸シリンドリカルレンズの組み合わせ、または複数個の平凹シリンドリカルレンズがｙ方向に曲率を持つように並列されるマルチレンズと平凸シリンドリカルレンズの組み合わせからなることを特徴とする請求項１または２に記載の照明用光源装置。
6. 前記コヒーレント光源は、コヒーレント光を射出する複数の発光点が１次元アレイ状に配列される構造をとる半導体レーザ、面発光レーザ、およびアレイ状に配列された固体レーザのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の照明用光源装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の照明用光源装置を有し、照明光を出力する照明光学系と、
   前記照明光学系から入射した照明光を制御して画像を形成する光変調素子と、
   前記光変調素子からの光を表示する表示部と、
   を備えることを特徴とする画像表示装置。

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