JP2009025470A - 光源装置及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の利用効率が高く、安定したレーザ光を射出可能な光源装置及び画像表示装置を提供すること。
【解決手段】光を射出する光源１０と、少なくとも一部の光を所定の波長の光に変換する波長変換素子３０と、該波長変換素子３０において所定の波長に変換された光を透過させ、所定の波長に変換されなかった光を反射させる波長選択部３１と、波長変換素子３０を通過することによって所定の波長に変換された光を反射させて光源１０とは異なる位置へ導き、所定の波長に変換されなかった光を光源１０の方へ透過させる分離部２３を有する光路変換素子２０とを備え、光路変換素子２０の射出端面２０ｂに、所定の波長以外の光と光源１０から射出された光の波長以外の光とを反射させる波長選択膜２４が形成され、光路変換素子２０の射出端面２０ｂが当該射出端面２０ｂに向かう光の中心軸Ｏに垂直な面に対して傾斜していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置及び画像表示装置に関する。

近年、コヒーレント光源は、画像表示装置、光通信分野、医療分野や顕微鏡などの計測分野においても欠かせないものとなっている。そして、コヒーレント光の波長もその目的によって様々な波長が使用される。
そこで、非線形光学効果を利用した波長変換素子は、波長変換により光の波長を変換することでレーザ光源の使用波長の拡大が図れるため多くの分野で利用されている。このような非線形光学効果を利用した光の波長変換では、変換前の基本波と変換後の高調波との間で位相整合条件が成立する必要があり、周期的に分極方向を反転させた擬似位相整合法が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

一般に、ＳＨＧの変換効率は４０〜５０％程度であるため、ＳＨＧ素子によって変換された光のパワーは、基本波レーザ光源の出力光のパワーに比べてかなり小さくなってしまう。そこで、出力光のパワー低下を抑える構成として、特許文献１のようなレーザ光源装置が提案されている。このレーザ光源装置では、内部共振タイプのレーザ光源から射出され、ＳＨＧ素子を通過した光を、波長が変換された第一のＳＨＧ光と、残余基本波光とに分離する。そして、残余基本波光を再度ＳＨＧ素子に通すことによって、波長が変換された第二のＳＨＧ光を取り出す。第二のＳＨＧ光は、第一のＳＨＧ光と偏光方向が９０°異なる偏光に変換された状態で、第一のＳＨＧ光と合成される。特許文献１のレーザ光源装置では、このようにして、第一のＳＨＧ光と第二のＳＨＧ光との合成光を出力光として利用することにより、出力光のパワー低下を抑えている。

また、光源及び非線形光学結晶の射出端面にそれぞれミラーを設けて共振器を形成した第２次高調波光発生装置が提案されている。このように、光源側のミラーと非線形光学結晶側のミラーとの間で、光源から射出された光を共振させることにより、基本波光を発振させる（例えば、特許文献２参照。）。
特開昭５９−１２８５２５号公報 特許第３３００４２９号公報

上記特許文献１に記載のレーザ光源装置では、残余基本波光を再度ＳＨＧ素子に通過させることによって波長が変換された第二のＳＨＧ光を利用することはできるものの、再度ＳＨＧ素子を通過しても波長が変換されなかった残余基本波光を利用することができない。よって、光の利用効率が劇的に向上することは無い。
また、特許文献２では、光源側のミラーと非線形光学結晶側のミラーとの間で、光源から射出された光を共振させる構造では、共振器に不要な光が入射した場合、この不要な光も共振してしまい、不要なレーザ発振の原因となり、安定した良好なレーザ発振が得られないという問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光の利用効率が高く、安定したレーザ光を射出可能な光源装置及び画像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の光源装置は、基本波長の光を射出する光源と、該光源から射出された光のうち少なくとも一部の光を所定の変換波長の光に変換する波長変換素子と、前記光源から射出され、前記波長変換素子を通過した光のうち、前記所定の変換波長の光を透過させ、前記基本波長の光を反射させる波長選択部と、前記光源と前記波長変換素子との間に配置されるとともに、入射した光を前記波長変換素子に向けて射出する射出端面を有し、前記波長選択部において反射され、前記波長変換素子を通過した光のうち、前記所定の変換波長の光を反射させて前記光源とは異なる位置へ導き、前記基本波長の光を前記光源の方へ透過させる分離部を有する光路変換素子を備え、前記光路変換素子の射出端面に、前記所定の波長以外の光と前記光源から射出された光の波長以外の光とを反射させる波長選択膜が形成され、前記光路変換素子の射出端面が当該射出端面に向かう光の中心軸に垂直な面に対して傾斜していることを特徴とする。

本発明に係る光源装置では、光源から射出された基本波長の光は、光路変換素子、波長変換素子を順に通過する。そして、波長変換素子を通過した光のうち、所定の変換波長の光に変換された光は、波長選択部を透過し、例えば、後段に配置された光学素子に入射する。一方、波長変換素子を透過した光のうち、所定の変換波長に変換されなかった光は、波長選択部において反射され、光源の方へ戻され、再度、波長変換素子を通過する。そして、その一部は、所定の変換波長に変換される。このように、波長選択部において反射された光のうち、波長変換素子を通過することによって、所定の変換波長に変換された光を光路変換素子の分離部において反射させる。そして、分離部は反射した光を光源とは異なる位置へ導き、例えば後段側に配置された光学素子へ入射させる。したがって、光源から射出され選択反射部において反射され光源に戻る光路において波長変換素子で所定の変換波長に変換された光を取り出すため、光利用効率を向上させることが可能となる。
さらに、光路変換素子の射出端面に、所定の変換波長以外の光及び光源から射出された基本波長の光の波長以外の光を反射させる波長選択膜が形成されている。すなわち、光源から射出された光の波長に合わせて波長選択膜を形成することにより、波長変換素子における光の変換効率を向上させることが可能となる。

また、光路変換素子の射出端面が当該射出端面に向かう光の中心軸に垂直な面に対して傾斜しているため、波長選択膜において反射した光は光源から外れた位置に反射される。したがって、光源と光路変換素子との間で光の共振を抑えることができるため、不要なレーザ発振を抑えることが可能となる。その結果、安定したレーザ光を射出する光源装置を提供することが可能となる。このように、光源に不要な戻り光が発生するのを防止するために、他に光学部材を設けるのではなく、波長選択膜を形成するだけで良いので、小型化及び低コスト化を図ることが可能となる。

また、本発明の光源装置は、前記波長変換素子は、前記光路変換素子の射出端面から射出された光が入射する入射端面を有し、前記入射端面が前記光路変換素子の射出端面から射出された光の中心軸に対して垂直になるように配置されていることが好ましい。

ここで、光路変換素子から射出された光が波長変換素子の入射端面に対して斜めに入射すると、波長変換素子における光の変換効率が落ちるだけでなく、波長変換素子の入射する光の進行方向に対して垂直な方向の厚みを厚くする必要が生じるため、コストが高くなる。しかしながら、本発明に係る光源装置では、波長変換素子は、入射端面が光路変換素子の射出端面から射出された光の中心軸に対して垂直になるように配置されているため、波長変換素子における光の変換効率が向上する。また、波長変換素子に入射した光は厚み方向に対して垂直な方向に直進するため、波長変換素子の厚みを厚くする必要がない。これにより、波長変換素子の小型化が可能であるとともに、低コスト化を図ることが可能となる。

また、本発明の光源装置は、前記波長選択膜が誘電体多層膜であり、前記光路変換素子は、前記光源から射出された光が入射する入射端面及び前記誘電体多層膜が形成された射出端面を有するプリズムであることが好ましい。
本発明に係る光源装置では、光路変換素子がプリズムであるため、プリズムの所定の面に誘電体多層膜を形成すれば良いので、光路変換素子の構成が容易となる。

また、本発明の光源装置は、前記プリズムが直角プリズムであり、前記入射端面と前記射出端面とは垂直をなし、前記光源の射出端面と前記直角プリズムの入射端面とのなす角をθとすると、前記波長変換素子は、前記光源の射出端面に対する当該波長変換素子の光軸の傾斜角が２θとなるように配置されていることが好ましい。

本発明に係る光源装置では、プリズムが直角プリズムであるため、光源の射出端面に対するプリズムの入射端面の角度により、光路変換素子の射出端面から射出される光の射出方向が決定される。これにより、光源から射出された光の中心軸に波長変換素子の光軸を容易に一致させて配置することができる。また、波長変換素子が、光源の射出端面に対する当該波長変換素子の光軸の傾斜角が２θとなるように配置されているため、波長変換素子の入射端面に垂直に光を入射させることができる。これにより、波長変換素子の変換効率を向上させることが可能となる。

また、本発明の光源装置は、前記光源の射出端面と前記直角プリズムの入射端面とのなす角θが１°〜５°であることが好ましい。

本発明に係る光源装置では、光源の射出端面と直角プリズムの入射端面とのなす角θの範囲の下限側が１°であれば、光路変換素子の射出端面に設けられた誘電体多層膜において反射した光が光源から外れる。また、光源の射出端面と直角プリズムの入射端面とのなす角θを大きくするほど、誘電体多層膜で反射した光は光源から外れた位置に反射されるが、装置全体の厚みが厚くなるため、大型化してしまう。そこで、光源の射出端面と直角プリズムの入射端面とのなす角θの範囲の上限側を５°とすることにより、小型化を図りつつ誘電体多層膜で反射した光が光源に戻らなくすることが可能となる。

また、本発明の光源装置は、前記波長選択部が、前記波長変換素子の射出端面に設けられた誘電体多層膜からなることが好ましい。

本発明に係る光源装置では、波長選択部が波長変換素子の射出端面に設けられた誘電体多層膜からなるため、共振器ミラーとして別に光学部材を設ける場合に比べて、光源から射出された光が通過する光学素子の数が少なくなる。これにより、光学素子と空気との界面が少なくなるため、この界面における光量の損失を抑えることが可能となる。したがって、光の利用効率を向上させることが可能となる。また、波長変換素子の射出端面に誘電体多層膜を形成することにより、波長変換光の散乱を抑えることができるため、波長変換光の取り出し効率が向上することになる。
さらに、共振器ミラーとして他の光学部材を設ける必要がないため、部品点数を削減することができる。このような構成により、光源から射出された光の中心軸との位置合わせが必要な部材は波長変換素子だけで良い。すなわち、従来必要であった波長変換素子と共振器ミラーとの位置合わせが必要でないため、位置調整を１工程に集約することが可能となり、製造が容易になる。

また、本発明の光源装置は、前記光路変換素子の分離部が、前記所定の変換波長に変換された光を反射させ、前記所定の変換波長に変換されなかった光を透過させる誘電体多層膜からなることが好ましい。
本発明に係る光源装置では、光路変換素子の分離部が誘電体多層膜であるため、装置全体の小型化を図ることが可能となる。

また、本発明の光源装置は、前記波長変換素子が、当該波長変換素子の射出端面に設けられた前記波長選択膜に対して垂直に光が入射するように配置されていることが好ましい。

本発明に係る光源装置では、波長変換素子が、当該波長変換素子の射出端面に設けられた波長選択膜に対して垂直に光が入射するように配置されているため、波長選択膜において反射された光は必ず光源に戻ることになる。これにより、光源と波長選択膜との間で確実に光が共振するため、強度の大きい光を波長変換素子に設けられた波長選択膜から射出させることが可能となる。

本発明の画像表示装置は、上記の光源装置と、該光源装置から射出された光を画像信号に応じて変調する光変調装置と、該光変調装置により形成された画像を投射する投射装置とを備えることを特徴とする。

本発明に係る画像表示装置では、光源装置から射出された光は光変調装置に入射される。そして、光変調装置により形成された画像が、投射装置によって投射される。このとき、光源装置から射出される光は、上述したように、安定したレーザ光を射出するので、投射装置によって良好な画像を表示することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る光源装置及び画像表示装置の実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
また、図１は、本実施形態の光源装置の全体構成を示す平面図であり、図２は、光源の構造を模式的に示す断面図であり、図３〜図５は、波長選択膜の特性を示す図である。

次に、本発明の第１実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
本実施形態に係る光源装置１は、図１に示すように、光源１０と、プリズム２０と、波長変換素子３０とを備えている。
光源１０は、面発光半導体レーザであり、例えば、図２に示すように、半導体ウエハからなる基板１１と、基板１１上に形成され、反射ミラーとして機能するミラー層１２と、ミラー層１２の表面に積層されたレーザ媒体１３とを有する。

ミラー層１２は、基板１１上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成された高屈折率の誘電体と低屈折率の誘電体との積層体によって構成されている。ミラー層１２を構成する各層の厚さ、各層の材料、層の数は、光源１０から射出される光の波長に対して最適化され、反射光が干渉し強め合う条件に設定されている。

レーザ媒体１３は、ミラー層１２の面上に形成されている。このレーザ媒体１３は、図示しない配線等の電流供給手段が接続されており、電流供給手段から所定量の電流が流されると、所定波長の光を射出する。

波長変換素子３０は、図１に示すように、光源１０から射出された光の光路上に配置され、入射端面３０ａがプリズム２０に対向して配置されている。波長変換素子（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）３０は、入射光（基本波長の光）を所定の波長の光（変換波長の光）に変換する光学素子である。波長変換素子３０は、例えばニオブ酸リチウム（ＬＮ：ＬｉＮｂＯ₃）あるいはタンタル酸リチウム（ＬＴ：ＬｉＴａＯ₃）などの無機非線形光学材料の結晶基板内部に、光源１０から射出された光の中心軸Ｏ方向に、相互に分極方向が反転した２つの領域を、所定間隔おきに交互に多数形成することによって、分極反転構造が形成されている。この交互に形成される２つの領域の所定間隔は、光源１０にて発振されるレーザ光の発振波長と波長変換素子３０を構成する結晶の屈折率分散とにより適宜決定される。

本実施形態では、光源１０から射出された光は、波長変換素子３０を通過することによって、ほぼ半分の波長の光に変換される。つまり、青色レーザ光源装置の場合は、光源１０から射出された光（９２０ｎｍ）は、波長変換素子３０によって４６０ｎｍの青色光に変換される。同様に、緑色レーザ光源装置の場合は、光源１０から射出された光（１０６０ｎｍ）が５３０ｎｍの緑色光に、赤色レーザ光源装置の場合は、光源１０から射出された光（１２４０ｎｍ）が６２０ｎｍの赤色光に変換される。ただし、波長変換素子３０の変換効率は４０〜５０％程度である。つまり、光源１０から射出された光のすべてが、約半分の波長のレーザ光に変換されるわけではない。よって、波長変換素子３０から射出されるレーザ光は、所定の波長に変換されたレーザ光と、変換されなかったレーザ光とが混ざったものとなる。波長変換素子３０による波長変換効率は、非線形の特性を有しており、例えば、波長変換素子３０に入射するレーザ光の強度が強いほど、変換効率は向上する。なお、波長変換素子３０の内部を進行し第１波長選択膜３１に向かう光路を往路ＯＷとする。
ここでは、波長変換素子３０として、板形状の導波路型のものを用いている。このような導波路型の波長変換素子３０を採用した場合、その波長変換素子３０の厚みが薄いので、周期分極反転構造が作成し易く、波長変換効率を高め易く、製造コストを低減することができる。

また、波長変換素子３０の射出端面３０ｂには、共振器ミラーとして機能する第１波長選択膜（波長選択部）３１が形成されている。第１波長選択膜３１は、波長変換素子３０において半分の波長に変換された光を選択的に透過するとともに、それ以外の光を反射する機能を有する。すなわち、第１波長選択膜３１により、波長変換素子３０において半分の波長に変換されなかった光は光源１０の方へ戻される。本実施形態において、第１波長選択膜３１は、図３に示すように、波長変換素子３０から射出された光のうち、波長変換素子３０によって所定の波長に変換されなかった光（赤外光：基本波長の光）のみを約９９％の高効率で反射する特性を有している。すなわち、光源１０のミラー層１２と、第１波長選択膜３１との間で、所定の波長の光が共振することにより、所定の波長の光を増幅させる。
そして、具体的には、波長変換素子３０によって所定の波長（青色レーザ光源の場合は４６０ｎｍ、緑色レーザ光源の場合は５３０ｎｍ、赤色レーザ光源の場合は６２０ｎｍ）に変換された光は、第１波長選択膜３１を透過する。
第１波長選択膜３１を透過したレーザ光は、そのまま波長変換素子３０の後段に配置された光学素子、例えば、ロッドインテグレータ（図示略）に入射する。

一方、波長変換素子３０によって所定の波長に変換されなかった光（青色レーザ光源の場合は９２０ｎｍ、緑色レーザ光源の場合は１０６０ｎｍ、赤色レーザ光源の場合は１２４０ｎｍの波長の光）は、第１波長選択膜３１で反射される。そして、第１波長選択膜３１で反射された光は、再び波長変換素子３０を通過し、後述するようにプリズム２０において光路が選択され、一部が光源１０の方へ戻る。このように、光源１０のミラー層１２と、第１波長選択膜３１との間で光源１０から射出された光が共振することにより増幅される。また、第１波長選択膜３１から光源１０の方へ向かう光路を復路ＨＷとする。

プリズム（光路変換素子）２０は、入射した光の波長に応じて、入射した光の光路を所望の方向に変換する光路変換素子である。
プリズム２０は、具体的には、図１に示すように、光透過性を有する三角柱状のプリズムである。
プリズム２０は、断面視三角柱状の第１プリズム２１と、断面視三角柱状の第２プリズム２２とを有している。また、第１プリズム２１及び第２プリズム２２は直角プリズムである。また、第１プリズム２１と第２プリズム２２との間には第２波長選択膜（分離部：誘電体多層膜）２３が形成されている。また、第１プリズム２１と第２プリズム２２とは、例えば、紫外光で硬化する光学用接着剤により貼り合わされている。この第２波長選択膜２３は、例えば、誘電体多層膜によって構成される。このような誘電体多層膜は、例えば、ＣＶＤによって形成することが可能であり、多層膜を構成する各層の厚さ、各層の材料、層の数は、求められる特性に応じて最適化される。第２波長選択膜２３は、光源１０と波長変換素子３０との間の光路上に設けられている。そして、第２波長選択膜２３の特性は、図４に示すように、第１波長選択膜３１において反射され、光源１０の方へ戻る過程で、波長変換素子３０によって所定の波長に変換された光を反射し、所定の波長に変換されなかった波長の光を透過させる特性を有する。第２波長選択膜２３の所定の波長の光に対する反射率及び所定の波長以外の光に対する透過率は、高ければ高いほど良いが、８０％以上あれば十分である。

また、プリズム２０は、光源１０から射出された光が入射する入射端面２０ａ、光が射出する射出端面２０ｂ及び反射面２０ｃを有している。
プリズム２０の入射端面２０ａは、光源１０から射出された光の中心軸Ｏに対して略直交するように配置されている。
また、プリズム２０の反射面２０ｃは、入射端面２０ａから入射した光を略垂直な方向に反射させる面である。さらに、反射面２０ｃは、第２波長選択膜２３において反射された光を略垂直な方向に反射させる面である。また、プリズム２０から波長変換素子３０に向かう往路ＯＷを進行する光と、復路ＨＷを進行しプリズム２０の反射面２０ｃにおいて反射してプリズム２０から射出される光の進行方向は略平行である。また、波長変換素子３０は、光軸Ｏ１がプリズム２０の射出端面２０ｂから射出された光の中心軸Ｏと一致するように配置されている。なお、光源１０から射出された光の往路ＯＷ，復路ＨＷ及び光軸Ｏ１は、図面を見易くするために別々に図示しているが、実際は重なっている。
さらに、波長変換素子３０は、入射端面３０ａがプリズム２０の射出端面２０ｂから射出された光の中心軸Ｏに対して略垂直になるように配置され、また、当該波長変換素子３０の射出端面３０ｂに設けられた第１波長選択膜３１に対して略垂直に光が入射するように配置されている
また、第２波長選択膜２３において反射し反射面２０ｃにおいて反射した光も、ロッドインテグレータ（図示略）に入射するようになっている。

プリズム２０の射出端面２０ｂには、誘電体多層膜からなる第３波長選択膜（多層膜）２４が形成されている。この第３波長選択膜２４も、第２波長選択膜２３と同様にＣＶＤによって形成され、多層膜を構成する各層の厚さ、各層の材料、層の数は、求められる特性に応じて最適化される。この第３波長選択膜２４の特性は、図５に示すように、光源１０から射出された光（基本波長の光：赤外光）及び復路ＨＷにより波長変換素子３０で所定の波長に変換された光（可視光）を透過させる。第３波長選択膜２４は、特に赤外光に関しては半値幅が数ｎｍ以下の狭帯域のフィルタであり、また、透過させる光の波長に合わせて、多層膜を構成する各層の厚さ、各層の材料、層の数は決められる。すなわち、プリズム２０の射出端面２０ｂに狭帯域の多層膜を形成することにより、波長変換素子３０における変換効率を向上させている。
また、この第３波長選択膜２４の特定の波長における透過率及び反射率は、高ければ高いほど良いが、８０％以上あれば十分である。

また、プリズム２０の射出端面２０ｂは、図１に示すように、入射端面２０ａに対して垂直な面と角度θをなして傾斜している。すなわち、プリズム２０の反射面２０ｃにおいて反射し、プリズム２０の射出端面２０ｂに向かう光の中心軸Ｏに垂直な面に対して傾斜している。また、図５に示す第３波長選択膜２４の特性により、光源１０から射出された光のうち基本波長の帯域から外れた光は第３波長選択膜２４において反射される。これにより、プリズム２０の射出端面２０ｂで反射した光は、光源１０から射出されて反射面２０ｃにおいて反射し射出端面２０ｂに向かう光路Ｐ１とは異なる光路Ｐ２（図１に示す二点鎖線）を進行する光となる。具体的には、光路Ｐ２を進行する光は、プリズム２０の反射面２０ｃに、光路Ｐ１と異なる角度で入射するため、プリズム２０の入射端面２０ａから光源１０とは異なる方向に射出される。これにより、プリズム２０の射出端面２０ｂに設けられた第３波長選択膜２４において反射した不要な光（基本波長の帯域から外れた光）が光源１０のレーザ媒体１３に入射されない構造となっている。
また、光源１０のレーザ媒体１３の直径が１００μｍ、光源１０から第３波長選択膜２４までの光学的距離が２〜３ｍｍである場合、θを３°とすることにより、光源１０から射出され第３波長選択膜２４において反射された光は光源１０には戻らない光学系となる。ただし、この寸法は一例に過ぎない。
また、光源１０から射出されプリズム２０の射出端面２０ｂにおいて反射した光は完全に光源１０から外れる必要はなく、例えば、光源１０のレーザ媒体１３の面積の５０％程度外れることにより、レーザ発振を抑えることが可能となる。

本実施形態に係る光源装置１では、光源１０から射出され往路ＯＷにおいて波長変換素子３０で変換されず、復路ＨＷにおいて波長変換素子３０で変換された光をプリズム２０により取り出して利用する。これにより、光源１０から射出された光を効率良く利用することができる。
また、プリズム２０の射出端面２０ｂが光の中心軸Ｏに垂直な面に対して傾斜しているため、光源１０から射出された基本波長の帯域から外れた光は第３波長選択膜２４において光源１０のレーザ媒体１３とは異なる位置に反射される。したがって、光源１０とプリズム２０の射出端面２０ｂとの間で不要なレーザ発振を抑えることが可能となる。

さらに、波長変換素子３０の射出端面３０ｂには、共振器ミラーとして機能する第１波長選択膜３１が形成されているため、共振器ミラーとして別に光学部材を設ける場合に比べて、光源１０から射出された光が通過する光学素子の数が少なくなる。これにより、光学素子と空気との界面が少なくなるため、この界面における光量の損失を抑えることが可能となる。したがって、装置全体の光の利用効率を向上させることが可能となる。また、波長変換素子３０の射出端面３０ｂに第１波長選択膜３１を形成することにより、別に光学部材を設ける場合に比べて、波長変換光の散乱を抑えられるため、波長変換光の取り出し効率が向上することになる。
また、共振器ミラーとして他の光学部材を設ける必要がないため、部品点数を削減することができる。このような構成により、プリズム２０から射出された光の中心軸Ｏとの位置合わせが波長変換素子３０だけで良い。すなわち、従来必要であった波長変換素子３０と共振器ミラーとの位置合わせが必要でないため、位置調整の工程を１工程に集約することが可能となる。
また、波長変換素子３０は、光軸Ｏ１が光の中心軸Ｏと一致するように配置され、さらに、入射端面３０ａが光の中心軸Ｏに対して垂直になるように配置されているため、波長変換素子３０における光の変換効率が向上する。
つまり、本実施形態の光源装置１は、光の利用効率が高く、安定したレーザ光を射出可能となる。

なお、第１波長選択膜３１に対して略垂直に光が入射するように波長変換素子３０を配置したが、図６に示すように、波長変換素子３０が直方体ではなく射出端面３０ｂが傾斜している場合も、第１波長選択膜３１に対して略垂直に光が入射するように波長変換素子３０を配置する。なお、図６は、分かり易く説明するためにプリズム２０を省略し、光源１０と波長変換素子３０とを直線的に配置した図である。
これにより、第１波長選択膜３１において反射された光は必ず光源１０のミラー層１２に戻ることになる。したがって、光源１０のミラー層１２と第１波長選択膜３１との間で確実に光が共振するため、強度の大きい光を第１波長選択膜３１から射出させることが可能となる。
また、波長変換素子３０から射出された光を反射させる第１波長選択膜（波長選択部）３１を波長変換素子３０の射出端面３０ｂに設けたがこれに限らない。すなわち、例えば、波長変換素子３０の射出端面３０ｂ側に波長変換素子３０から射出された光を反射させる光学素子を設けても良い。
また、光路変換素子として三角柱状のプリズム２０を挙げて説明したが、形状はこれに限るものではない。
また、分離部として第２波長選択膜２３を用いたが、光学素子により入射した光を分離しても良い。

［第２実施形態］
次に、本発明に係る第２実施形態について、図７を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態の図面において、上述した第１実施形態に係る光源装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係る光源装置４０では、プリズム（光路変換素子）５０は断面視が直角プリズムである点において、第１実施形態と異なる。その他の構成においては第１実施形態と同様である。

プリズム５０は、図７に示すように、断面視三角柱状の第１プリズム５１と、断面視三角柱状の第２プリズム５２とを有している。また、第１プリズム５１と第２プリズム５２との間には、第１実施形態と同様に第２波長選択膜２３が形成されている。さらに、第１プリズム５１と第２プリズム５２とは、例えば、紫外光で硬化する光学用接着剤により貼り合わされている。
さらに、プリズム５０は、光源１０から射出された光が入射する入射端面５０ａ、光が射出する射出端面５０ｂ及び反射面５０ｃを有している。また、入射端面５０ａと射出端面５０ｂとは垂直をなしている。
また、このプリズム５０は、紙面に対して垂直なＸ軸を中心に３°左回りに回転させて配置されている。すなわち、光源１０の射出端面１０ａとプリズム５０の入射端面５０ａとのなす角θ１が３°となる。

また、プリズム５０の射出端面５０ｂは、光源１０の射出端面１０ａに対して垂直な面と角度θ１をなして傾斜する。すなわち、射出端面５０ｂは、プリズム５０の反射面５０ｃにおいて反射し、プリズム５０の射出端面５０ｂに向かう光の中心軸Ｏに垂直な面に対して傾斜している。また、第１実施形態と同様にプリズム５０の射出端面５０ｂには、第３波長選択膜２４が形成されているため、第３波長選択膜２４において反射した不要な光（基本波長の帯域から外れた光）が光源１０のレーザ媒体１３に入射されない構造となっている。すなわち、プリズム５０の射出端面５０ｂにおいて反射した光は、光源１０から射出されて反射面５０ｃにおいて反射し射出端面５０ｂに向かう光路Ｐ１とは異なる光路Ｐ２（図７に示す二点鎖線）を進行する光となる。
また、プリズム５０の射出端面５０ｂから射出された光の中心軸Ｏは、光源１０の射出端面１０ａと角度θ２をなしている。ここで、プリズム５０は直角プリズムであるため、角度θ１が３°であるとき、光源１０から射出された光の入射端面５０ａへの入射角も３°となる。よって、角度θ２はθの２倍の６°となる。
また、波長変換素子３０は、光軸Ｏ１がプリズム５０の射出端面５０ｂから射出された光の中心軸Ｏと一致するように配置されている。すなわち、光源１０の射出端面１０ａに対する波長変換素子３０の光軸Ｏ１の傾斜角が２θとなるように配置されている。

本実施形態に係る光源装置４０では、プリズム５０が直角プリズムであるため、光源１０に対するプリズム５０の配置により、プリズム５０の射出端面５０ｂから射出される光の射出方向が決定される。これにより、光源１０から射出された光の中心軸Ｏ上に波長変換素子３０を配置することが容易となる。また、波長変換素子３０は、光源１０の射出端面１０ａに対する波長変換素子３０の光軸Ｏ１の傾斜角が２θとなるように配置されているため、波長変換素子３０の入射端面３０ａに垂直に光を入射させることができる。これにより、波長変換素子３０の変換効率を向上させることが可能となる。
また、本実施形態のプリズム５０は直角プリズムであるため、第１実施形態のプリズム２０に比べて製造が簡単である。

なお、光源１０の射出端面１０ａに対して垂直な面とプリズム５０の射出端面５０ｂとのなす角度θ１は１°〜５°であることが好ましい。つまり、角θ１が１°以上である場合、プリズム５０の射出端面５０ｂに設けられた第３波長選択膜２４において反射した光は光源１０のレーザ媒体１３から外れる。また、角度θ１が５°以上である場合、波長変換素子３０の厚みが厚くなってしまうため、角度θ１を５°以下にすることにより、波長変換素子３０の厚みを厚くすることなく、第３波長選択膜２４において反射した光を光源１０のレーザ媒体１３から外すことが可能となる。
また、プリズム５０をＸ軸を中心に左回りに回転させたが、右回りであっても良い。
さらに、プリズム５０の射出端面５０ｂから光が射出される方向（Ｚ方向）を軸としてプリズム５０を回転させても良い。

［第３実施形態］
次に、本発明に係る第３実施形態について、図８を参照して説明する。
本実施形態では、上記第２実施形態の光源装置４０を備える画像表示装置１００について説明する。なお、図８中においては、簡略化のため画像表示装置１００を構成する筐体は省略している。

画像表示装置１００は、光源装置４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂと、液晶ライトバルブ１０５Ｒ，１０５Ｇ，１０５Ｂと、クロスダイクロイックプリズム１１０と、投射レンズ（投射装置）１１５とを備えている。

図７の画像表示装置１００は、緑色の光源装置４０Ｇ及び青色の光源装置４０Ｂとしては、第２実施形態の光源装置４０を用いている。赤色の光源装置４０Ｒはレーザ光源のみで構成されており、レーザ光源から射出される波長６２０ｎｍのレーザ光を波長変換を行わずにそのまま射出する。なお、緑色の光源装置４０Ｇおよび青色の光源装置４０Ｂの構成等については、第１実施形態で説明したため、詳細な説明を省略する。
また、それぞれの光源装置４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂの後段（光路下流側）には、ロッドインテグレータ（光学素子：均一化手段）１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂが設けられている。ロッドインテグレータ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂは、その射出端面におけるレーザ光の面内照度分布をほぼ均一にするものである。

赤色の光源装置４０Ｒからの光束は、ロッドインテグレータ１０１Ｒにおいて均一化された後、伝達レンズ１０２Ｒを透過して反射ミラー１０３で反射され、赤色光用液晶ライトバルブ１０５Ｒに入射する。また、緑色の光源装置４０Ｇからの光束は、ロッドインテグレータ１０１Ｇにおいて均一化された後、伝達レンズ１０２Ｇを透過して緑色光用液晶ライトバルブ１０５Ｇに入射する。また、青色の光源装置４０Ｂからの光束は、ロッドインテグレータ１０１Ｂにおいて均一化された後、伝達レンズ１０２Ｂを透過して反射ミラー１０４で反射され、青色の光用液晶ライトバルブ１０５Ｂに入射する。伝達レンズ１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂは、いずれも、ロッドインテグレータ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂの射出端面の像を液晶ライトバルブの画像形成領域に伝達するためのものである。本実施形態では、ロッドインテグレータ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂと伝達レンズ１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂの作用により、液晶ライトバルブが均一に照明されるようになっている。なお、ロッドインテグレータ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂの射出端面の形状が液晶ライトバルブ１０５Ｒ，１０５Ｇ、１０５Ｂの画像形成領域と同一であり、かつ、ロッドインテグレータ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂが液晶ライトバルブ１０５Ｒ，１０５Ｇ，１０５Ｂに近接して配置される場合は、レンズ１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂを省略することも可能である。また、図８では、伝達レンズ１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂがほぼ同一形状のレンズとして図示されているが、伝達レンズ１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂの作用は、光源装置４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂと液晶ライトバルブ１０５Ｒ，１０５Ｇ，１０５Ｂの距離等に応じて最適化されるため、必ずしも同一形状になるとは限らない。

各液晶ライトバルブ１０５Ｒ，１０５Ｇ，１０５Ｂの入射側および出射側には、偏光板（図示せず）が配置されている。そして、各光源装置４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂからの光束のうち所定方向の直線偏光のみが入射側偏光板を透過して、各液晶ライトバルブに入射する。レーザ光は、基本的には偏光状態が揃った光（直線偏光）であるため、入射側偏光板を省略することも可能である。しかし、光源から液晶ライトバルブ１０５Ｒ，１０５Ｇ，１０５Ｂに到達するまでに、ロッドインテグレータ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂや反射ミラー１０３，１０４等の光学要素を通過する際に、偏光状態が多少乱れてしまう可能性がある。よって、入射側偏光板を設けて偏光状態を揃えることにより、画像のコントラストを向上させることが可能となる。
また、入射側偏光板の前方に、または入射側偏光板の代わりに偏光変換手段（図示せず）を設けて、液晶ライトバルブ１０５Ｒ，１０５Ｇ，１０５Ｂに入射する光を直線偏光に揃えるようにしてもよい。この場合、入射側偏光板の前方に偏光変換手段を設けた場合は、入射側偏光板で光が吸収または反射されることによる光の損失を低減することが可能となる。よって、光の利用効率を向上させることができる。入射側偏光板の代わりに偏光変換手段を設けた場合は、入射側偏光板の場合と同様、画像のコントラストを向上させることが可能となる。

各液晶ライトバルブ１０５Ｒ，１０５Ｇ，１０５Ｂによって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム１１０に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は投射光学系である投射レンズ１１５により投射スクリーン１２０上に投射され、拡大された画像が表示される。

上述した本実施形態の画像表示装置１００は、赤色光源装置４０Ｒ，緑色光源装置４０Ｇ，青色光源装置４０Ｂより射出される光は、不要なレーザ光の発振を抑えた安定したレーザ光であるので、投射レンズ１１５によってスクリーン１２０に良好な画像を表示することができる。

なお、本実施形態の画像表示装置において、緑色及び青色の光源装置４０Ｇ、４０Ｂについては、第２実施形態の光源装置４０を用いたものを説明したが、第１実施形態の光源装置１を用いることも可能である。このとき、光源装置４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂのそれぞれに異なる実施形態の光源装置を採用することも可能であるし、同じ実施形態の光学装置を採用することも可能である。

また、光変調装置として透過型の液晶ライトバルブを用いたが、液晶以外のライトバルブを用いても良いし、反射型のライトバルブを用いても良い。このようなライトバルブとしては、例えば、反射型の液晶ライトバルブや、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device）が挙げられる。投射光学系の構成は、使用されるライトバルブの種類によって適宜変更される。
また、第１，第２実施形態の光源装置１，４０は、走査型の画像表示装置にも適用される。
さらには、第１，第２実施形態の光源装置１，４０を直視型のバックライトに使用することも可能である。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、色光合成手段として、クロスダイクロイックプリズムを用いたが、これに限るものではない。色光合成手段としては、例えば、ダイクロイックミラーをクロス配置とし色光を合成するもの、ダイクロイックミラーを平行に配置し色光を合成するものを用いることができる。
また、光源としては、端面発光レーザであっても良い。

本発明の第１実施形態に係る光源装置を示す平面図である。 図１の光源装置の光源を示す断面図である。 図１の波長変換素子の射出端面に設けられた波長選択膜の特性を示す図である。 図１の光路変換素子に分離部の特性を示す図である。 図１の光路変換素子の射出端面に設けられた波長選択膜の特性を示す図である。 図１の波長変換素子の変形例を示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係る光源装置を示す平面図である。 本発明の第３実施形態に係る画像表示装置を示す平面図である。

符号の説明

Ｏ…光の中心軸、１，４０…光源装置、４０Ｒ…赤色光源装置、４０Ｇ…緑色光源装置、４０Ｂ…青色光源装置、１０…光源、２０，５０…プリズム（光路変換素子）、２０ａ，５０ａ…入射端面、２０ｂ，５０ｂ…射出端面、２３…第２波長選択膜（多層膜）、２４…第３波長選択膜（多層膜）、３０…波長変換素子、３０ａ…入射端面、３０ｂ…射出端面、３１…第１波長選択膜（多層膜）、１００…画像表示装置

Claims (9)

1. 基本波長の光を射出する光源と、
   該光源から射出された光のうち少なくとも一部の光を所定の変換波長の光に変換する波長変換素子と、
   前記光源から射出され、前記波長変換素子を通過した光のうち、前記所定の変換波長の光を透過させ、前記基本波長の光を反射させる波長選択部と、
   前記光源と前記波長変換素子との間に配置されるとともに、入射した光を前記波長変換素子に向けて射出する射出端面を有し、前記波長選択部において反射され、前記波長変換素子を通過した光のうち、前記所定の変換波長の光を反射させて前記光源とは異なる位置へ導き、前記基本波長の光を前記光源の方へ透過させる分離部を有する光路変換素子を備え、
   前記光路変換素子の射出端面に、前記所定の波長以外の光と前記光源から射出された光の波長以外の光とを反射させる波長選択膜が形成され、前記光路変換素子の射出端面が当該射出端面に向かう光の中心軸に垂直な面に対して傾斜していることを特徴とする光源装置。
2. 前記波長変換素子は、前記光路変換素子の射出端面から射出された光が入射する入射端面を有し、前記入射端面が前記光路変換素子の射出端面から射出された光の中心軸に対して垂直になるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記波長選択膜が誘電体多層膜であり、
   前記光路変換素子は、前記光源から射出された光が入射する入射端面及び前記誘電体多層膜が形成された射出端面を有するプリズムであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光源装置。
4. 前記プリズムが直角プリズムであり、前記入射端面と前記射出端面とは垂直をなし、
   前記光源の射出端面と前記直角プリズムの入射端面とのなす角をθとすると、
   前記波長変換素子は、前記光源の射出端面に対する当該波長変換素子の光軸の傾斜角が２θとなるように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記光源の射出端面と前記直角プリズムの入射端面とのなす角θが１°〜５°であることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. 前記波長選択部が、前記波長変換素子の射出端面に設けられた誘電体多層膜からなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光源装置。
7. 前記光路変換素子の分離部が、前記所定の変換波長に変換された光を反射させ、前記所定の変換波長に変換されなかった光を透過させる誘電体多層膜からなることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光源装置。
8. 前記波長変換素子が、当該波長変換素子の射出端面に設けられた前記波長選択膜に対して垂直に光が入射するように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光源装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光源装置と、
   該光源装置から射出された光を画像信号に応じて変調する光変調装置と、
   該光変調装置により形成された画像を投射する投射装置とを備えることを特徴とする画像表示装置。

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