JP2011128634A - Lighting optical system and image display apparatus - Google Patents

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令奈 村瀬
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a lighting optical system that is easily manufactured; and to emit illuminating light suitable for image display by improving speckle noise or spatial light intensity distribution; and also to provide an image display apparatus. <P>SOLUTION: The lighting optical system has: a collimating lens 4 (array direction collimating optical element) which is disposed with a predetermined space Lx from a laser array light source 2 so that diffusive light emitted from a plurality of light emitting points is incident in an overlapped manner, and emits incident light as parallel beams in an array surface; and an array vertical direction collimating optical element 5 which has an array vertical direction collimating lens 5b changing the incident light into parallel beams in an array vertical surface and emits the parallel beams, and has a one-dimensional multistage lens 5a (one-dimensional array vertical direction beam shaping optical element) which divides the incident light from the laser array light source 2 in an array vertical direction, and radiates each of the divided luminous fluxes so as to be superposed on the array vertical direction collimating lens 5b. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、レーザアレイ光源を用いた照明光学系および画像表示装置に関するものである。   The present invention relates to an illumination optical system and an image display apparatus using a laser array light source.

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。   In recent years, many examples using lasers as light sources of optical image display devices have been reported. In general, light emitted from a laser has high directivity, so that the light use efficiency is expected to be improved. Further, the monochromaticity can realize a wide color reproduction region required in an image display device. Therefore, it is considered useful as a light source for illumination.

しかしながら、レーザ光は高いコヒーレンスをもつため、被照射面においてスペックルノイズと呼ばれる光の干渉に起因する斑点模様が生じることが問題となる。これは、照明光学系内の素子、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量に応じてずれ、互いに可干渉であるそれらの光束が被照射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。   However, since laser light has high coherence, a problem arises in that a spotted pattern caused by light interference called speckle noise occurs on the irradiated surface. This is because the phase of each light beam that passes through different points in the element plane is shifted according to the amount of unevenness due to the minute unevenness present on the element in the illumination optical system, light valve, projection optical system, or screen. The light beams that are coherent with each other form interference fringes on the irradiated surface. Since the surface accuracy of these elements is finite, the influence of speckle noise is always a problem when a light source with high coherence is used.

このようなスペックルノイズに関しては、レーザエミッタからなる複数の発光点をアレイ状に配列し、各発光点からの光束を異なる光学距離を経由して重ねることで、スペックルノイズを低減する照明装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。   With regard to such speckle noise, an illumination device that reduces speckle noise by arranging a plurality of light emitting points made of laser emitters in an array and superimposing light beams from the respective light emitting points via different optical distances. Has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

一方で、レーザから射出される光の空間光強度分布はガウシアン形状、あるいは略ガウシアン形状を有するため光束中心の光強度が最も高く、中心から離れるにつれ光強度は指数関数的に低下する。各発光点から出射される光は、同様の空間強度分布を有するので、位相のずれた光束を重ねるだけでは改善しない。そのため、上述したような照明装置からの光を照明光に用いると、画像表示面中心位置における光強度に対して画像表示面端位置における光強度が非常に低くなり、画像表示面上の照度分布が均一であることを求められる画像表示装置においては好ましくない。   On the other hand, since the spatial light intensity distribution of the light emitted from the laser has a Gaussian shape or a substantially Gaussian shape, the light intensity at the center of the light beam is the highest, and the light intensity decreases exponentially as the distance from the center increases. Since the light emitted from each light emitting point has the same spatial intensity distribution, it is not improved only by superimposing the light fluxes out of phase. Therefore, when the light from the illumination device as described above is used as illumination light, the light intensity at the image display surface edge position is very low with respect to the light intensity at the image display surface center position, and the illuminance distribution on the image display surface Is not preferable in an image display device that is required to be uniform.

そこで、レーザアレイ光源の各発光点にそれぞれ対応するマイクロレンズを有するフライアイレンズをレーザアレイ光源に近接配置し、フライアイレンズの各マイクロレンズから出射され、各発光点からの平行な光束を分割・重ね合わせることにより、空間光強度分布を矩形状に変換するフライアイインレグレータ光学系を有する照明装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。   Therefore, a fly-eye lens having a microlens corresponding to each light emitting point of the laser array light source is disposed close to the laser array light source, and the parallel light beams emitted from each light emitting point are split from the light emitting points. An illuminating device having a fly-eye inclinator optical system that converts a spatial light intensity distribution into a rectangular shape by superimposing them has been proposed (for example, see Patent Document 2).

特開２００４−２０６００４号公報（段落００１４〜００１６、図２）JP 2004-206004 A (paragraphs 0014 to 0016, FIG. 2) 特開２００３−１３１１６５号公報（段落００３６、００４１、図４）Japanese Patent Laying-Open No. 2003-131165 (paragraphs 0036 and 0041, FIG. 4)

しかしながら、一般的にアレイ状の半導体レーザ光源では、各発光点の間隔は数百μｍ程度と非常に小さく、各発光点に対応するマイクロレンズを有する微細なフライアイレンズを低コストかつ精度良く作製することは困難である。また、特許文献１の照明装置においても、各発光点からの光束をそれぞれ光学距離の異なる透明板を通すため、レーザアレイ光源の出射端に各発光点に対応するコリメートレンズセルを設ける必要があり、低コストかつ精度良く作製することは困難であった。   However, in general, in an arrayed semiconductor laser light source, the interval between the light emitting points is very small, about several hundred μm, and a fine fly-eye lens having a microlens corresponding to each light emitting point is manufactured at low cost and with high accuracy. It is difficult to do. Also in the illumination device of Patent Document 1, it is necessary to provide a collimating lens cell corresponding to each light emitting point at the emission end of the laser array light source in order to allow the light beams from each light emitting point to pass through transparent plates having different optical distances. Therefore, it has been difficult to manufacture at low cost and with high accuracy.

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡易に製作でき、スペックルノイズや空間光強度分布を改善して画像表示に適した照明光を出射できる照明光学系、および投写型映像表示装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be easily manufactured, and illumination optics that can emit illumination light suitable for image display by improving speckle noise and spatial light intensity distribution. It is an object to obtain a system and a projection display apparatus.

本発明にかかる照明光学系は、複数の発光点がアレイ状に配列されるレーザアレイ光源と、前記レーザアレイ光源の光軸とアレイ方向とで定義される面をアレイ面とすると、前記レーザアレイ光源から入射した光を前記アレイ面内において平行光として出射するアレイ方向コリメート光学素子と、前記アレイ面に垂直な方向をアレイ垂直方向とし、前記アレイ垂直方向とで定義される面をアレイ垂直面とすると、前記レーザアレイ光源から入射した光を前記アレイ垂直面内において平行光として出射するアレイ垂直方向コリメート光学素子と、前記アレイ方向コリメート光学素子および前記アレイ垂直方向コリメート光学素子を経て入射した光を前記光軸に垂直な平面内においてマトリクス状に複数の光束に分割し、該分割した複数の光束を被照射面上で重なり合うよう照射するインテグレータ光学素子と、を備え、前記アレイ方向コリメート光学素子は、前記複数の発光点から出射される発散性の光が重なりあって入射するように前記レーザアレイ光源から所定の間隔をあけて配置され、前記アレイ垂直方向コリメート光学素子は、入射光を前記アレイ垂直面内において平行光に変換して出射するアレイ垂直方向コリメートレンズと、前記レーザアレイ光源から入射した光を前記アレイ垂直方向で分割し、該分割した各光束を前記アレイ垂直方向コリメートレンズに重畳するように照射する１次元アレイ垂直方向ビーム整形光学素子と、を有することを特徴とするものである。   The illumination optical system according to the present invention includes a laser array light source in which a plurality of light emitting points are arranged in an array, and a surface defined by an optical axis and an array direction of the laser array light source as an array surface. An array direction collimating optical element that emits light incident from a light source as parallel light within the array plane, and a direction defined by the array vertical direction is defined as a direction perpendicular to the array plane, and a plane defined by the array vertical direction Then, an array vertical collimating optical element that emits light incident from the laser array light source as parallel light within the array vertical plane, and light incident through the array direction collimating optical element and the array vertical collimating optical element Is divided into a plurality of light beams in a matrix in a plane perpendicular to the optical axis, and the divided plurality of light beams An integrator optical element that irradiates to overlap on the irradiation surface, the array direction collimating optical element from the laser array light source so that the divergent light emitted from the plurality of light emitting points is overlapped and incident The array vertical collimating optical element is disposed at a predetermined interval, and the array vertical collimating optical element converts the incident light into parallel light in the array vertical plane and emits the light, and light incident from the laser array light source And a one-dimensional array vertical direction beam shaping optical element that irradiates each of the divided light beams so as to be superimposed on the array vertical direction collimating lens.

また、本発明にかかる画像表示装置は、上述した照明光学系と、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画像光を拡大投写する投写光学系と、前記拡大投写された画像光を表示する画像表示部と、を備えたものである。   An image display apparatus according to the present invention includes the above-described illumination optical system, a light modulation element that forms an image by controlling illumination light incident from the illumination optical system, and enlarges image light from the light modulation element. A projection optical system for projecting; and an image display unit for displaying the enlarged and projected image light.

本発明によればアレイ方向コリメート光学素子を、レーザアレイ光源から所定の間隔をあけて配置するよう構成したので、発光点から出射される光の発散性を利用し、アレイ方向コリメート光学素子に各発光点からの光が重なりあって入射するとともにレーザアレイ光源全体のビーム径よりも広いビーム径の光束として出射できるので、インテグレータ光学系を簡易に製作でき、スペックルノイズや空間光強度分布を改善して画像表示に適した照明光を出射できる照明光学系、および投写型映像表示装置を得ることができる。   According to the present invention, the array direction collimating optical element is configured to be arranged at a predetermined interval from the laser array light source. Therefore, each of the array direction collimating optical elements is applied to the array direction collimating optical element using the divergence of the light emitted from the light emitting point. Light from the light emitting point is overlapped and incident, and can be emitted as a beam with a beam diameter wider than the beam diameter of the entire laser array light source, making it easy to manufacture integrator optical systems and improving speckle noise and spatial light intensity distribution Thus, an illumination optical system that can emit illumination light suitable for image display and a projection display apparatus can be obtained.

実施の形態．１
図１に本実施の形態１における照明光学系１の全体構成を、図２に照明光学系１のうちレーザアレイ光源である１次元アレイ半導体レーザ２部分の構成を概念的に示す。以後、図１内に示したｘ軸方向をアレイ方向とし、ｚ方向を光軸Ｃ方向とし、ｘｙｚ軸に基づき、アレイ方向の軸と光軸Ｃからなる面をｘｚ平面（アレイ面）、アレイ面に垂直な軸（ｙ軸）と光軸Ｃからなる面をｙｚ平面（アレイ垂直面）と呼ぶ。 Embodiment. 1
FIG. 1 conceptually shows the overall configuration of the illumination optical system 1 according to the first embodiment, and FIG. 2 conceptually shows the configuration of a one-dimensional array semiconductor laser 2 portion that is a laser array light source in the illumination optical system 1. Hereinafter, the x-axis direction shown in FIG. 1 is the array direction, the z-direction is the optical axis C direction, and based on the xyz-axis, the surface composed of the axis in the array direction and the optical axis C is the xz plane (array surface). A plane composed of an axis perpendicular to the plane (y axis) and the optical axis C is called a yz plane (array vertical plane).

図において、照明光学系１は、発散性を有する光を射出するレーザエミッタである複数の発光点３がアレイ状に配列されたレーザアレイ光源である１次元アレイ半導体レーザ２と、１次元アレイ半導体レーザ２の光軸Ｃとアレイ方向とで定義される面をアレイ面（図中ｘｚ平面）とすると、１次元アレイ半導体レーザ２から入射した光をアレイ面内において平行光として出射するアレイ方向コリメート光学素子であるコリメートレンズ４と、アレイ面に垂直な方向（ｙ方向）をアレイ垂直方向とし、アレイ垂直方向と光軸Ｃとで定義される面をアレイ垂直面とすると、１次元アレイ半導体レーザ２から入射した光をアレイ垂直面内において平行光として出射するアレイ垂直方向コリメート光学素子５と、コリメートレンズ４およびアレイ垂直方向コリメート光学素子５を経て入射した光を光軸Ｃに垂直な平面内（ｘｙ平面）において縦横（ｘｙ平面内におけるアレイ方向に垂直な方向（以下アレイ垂直方向と称する。）とアレイ方向）のマトリクス状に複数光束に分割し、該分割した複数の光束をライトバルブ７の被照射面上で重なり合うよう照射するインテグレータ光学素子６と、を備えており、コリメートレンズ４は、複数の発光点３から出射される発散性の光が重なりあって入射するとともにアレイ方向において１次元アレイ半導体レーザ２の光源全体として、つまり出射端２ａにおける各発光点３からのビームを合わせたビーム径Ｂよりも広いビーム径の光束として出射するよう１次元アレイ半導体レーザ２から所定の間隔Ｌｘをあけて配置されている。   In the figure, an illumination optical system 1 includes a one-dimensional array semiconductor laser 2 and a one-dimensional array semiconductor which are laser array light sources in which a plurality of light emitting points 3 that are laser emitters that emit light having a divergence are arranged in an array. If the plane defined by the optical axis C of the laser 2 and the array direction is the array plane (xz plane in the figure), the collimator in the array direction emits the light incident from the one-dimensional array semiconductor laser 2 as parallel light in the array plane. Assuming that the collimating lens 4 as an optical element and the direction perpendicular to the array surface (y direction) are the array vertical direction and the surface defined by the array vertical direction and the optical axis C is the array vertical surface, a one-dimensional array semiconductor laser Array collimating optical element 5 that emits light incident from 2 as parallel light in the array vertical plane, collimating lens 4 and array vertical The light incident through the directional collimating optical element 5 is longitudinally and laterally (in a direction perpendicular to the array direction in the xy plane (hereinafter referred to as array vertical direction) and array direction) in a plane perpendicular to the optical axis C (xy plane). And an integrator optical element 6 for irradiating the divided plurality of light beams so as to overlap each other on the irradiated surface of the light valve 7, and the collimating lens 4 includes a plurality of light emitting points 3. The divergent lights emitted from the laser beams are overlapped and incident, and are wider than the beam diameter B of the whole light source of the one-dimensional array semiconductor laser 2 in the array direction, that is, the combined beam from each light emitting point 3 at the emission end 2a. A one-dimensional array semiconductor laser 2 is arranged at a predetermined interval Lx so as to be emitted as a beam having a beam diameter.

さらに、アレイ垂直方向コリメート光学素子５は、アレイ垂直面内において発散方向の光束を平行光に変換するアレイ垂直方向コリメートレンズ５ｂと、１次元アレイ半導体レーザ２から入射した光をアレイ垂直方向で分割し、該分割した各光束をアレイ垂直方向コリメートレンズ５ｂに重畳するように照射するアレイ垂直方向ビーム整形光学素子５ａと、を備えている。   Further, the array vertical collimating optical element 5 divides the light incident from the one-dimensional array semiconductor laser 2 in the array vertical direction and the array vertical collimating lens 5b for converting the light beam in the divergence direction into parallel light in the array vertical plane. And an array vertical direction beam shaping optical element 5a for irradiating the divided light beams so as to be superimposed on the array vertical direction collimating lens 5b.

上記照明光学系１から射出された光は、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ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）等のライトバルブ７を照明する。このライトバルブ７から射出された光を画像表示部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画像表示部（図示せず）とを更に備えることで画像投写装置などの画像表示装置（図示せず）を構成する。以下に、詳細を示す。   The light emitted from the illumination optical system 1 illuminates a light valve 7 such as a liquid crystal panel or DMD (digital micromirror device) as a modulation element that spatially modulates the illuminated light and gives an image signal. . A projection optical system (not shown) for enlarging and projecting the light emitted from the light valve 7 on the image display unit, and an image display unit (not shown) such as a screen on which the light from the projection optical system is projected Further, an image display device (not shown) such as an image projection device is configured. Details are shown below.

レーザアレイ光源である１次元アレイ半導体レーザ２は、複数（２０個（図２では簡略化して１０個のみ表示））の発光点３が２００μｍの間隔ｄで一直線上に配置され、各発光点３から射出されるコヒーレント光は発散性を有し、ｙｚ面における発散角の半値半角αは３０度、ｘｚ面における発散角の半値半角βは１０度である。各発光点３のビーム径はアレイ垂直方向で０．０１ｍｍ（図２におけるａ）、アレイ方向で０．０４ｍｍ（同ｂ）であり、レーザアレイ光源２全体としての出射端２ａでのビーム径Ｂは３．８４ｍｍ（約４ｍｍ）となる。また、１次元アレイ半導体レーザ２内の各発光点３から射出されるレーザ光は個別に見れば非常にコヒーレンスが高い光であるが、１次元アレイ半導体レーザ２内の複数の発光点３は各々独立しており、各発光点３から射出されるレーザ光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。   A one-dimensional array semiconductor laser 2 which is a laser array light source has a plurality of (20 (only 10 are simply shown in FIG. 2)) light emitting points 3 arranged in a straight line at an interval d of 200 μm. The coherent light emitted from the divergence has a divergence, and the half-value half angle α of the divergence angle on the yz plane is 30 degrees, and the half-value half angle β of the divergence angle on the xz plane is 10 degrees. The beam diameter of each light emitting point 3 is 0.01 mm (a in FIG. 2) in the array vertical direction and 0.04 mm (b in FIG. 2) in the array direction, and the beam diameter B at the emission end 2a of the laser array light source 2 as a whole. Is 3.84 mm (about 4 mm). In addition, laser light emitted from each light emitting point 3 in the one-dimensional array semiconductor laser 2 is light having very high coherence when viewed individually, but a plurality of light emitting points 3 in the one-dimensional array semiconductor laser 2 are respectively Since the laser beams emitted from the respective light emitting points 3 are generated from different resonators, the phases are not aligned and are incoherent with each other.

アレイ方向コリメート光学素子であるコリメートレンズ４は、１次元アレイ半導体レーザ２からの光束をアレイ方向でコリメートするコリメートレンズである。サイズはアレイ方向５０ｍｍ×アレイ垂直方向４０ｍｍで、１次元アレイ半導体レーザ２の出射端２ａから光軸Ｃ方向に１００ｍｍの光学距離Ｌｘの間隔をあけて配置されている。これにより、アレイ方向でのコリメートレンズ４に入射する各発光点３からの半値半角βで定義したビーム径は、レーザビームの発散性により、１次元アレイ半導体レーザ２の出射端２ａでのビーム径ｂ（０．０４ｍｍ）の約９００倍である３６ｍｍとなる。このビーム径は、発光点３の一端から他端までの距離よりも大きく、各発光点３からは同じ方向で光が出射されるので、コリメートレンズ４の入射面内において、ほぼ全ての発光点３からのビームが重なることになる。また、１次元アレイ半導体レーザ２の出射端２ａ全体、つまりレーザアレイ光源全体としてのビーム径Ｂ（約４ｍｍ）に対し、コリメートレンズ４に入射する光の径は１０倍の４０ｍｍ（３６ｍｍ＋４ｍｍ）となる。なお、コリメートレンズ４のアレイ方向の幅は５０ｍｍあり、実際には、各発光点３から半値半角βよりも外側の光線（光軸から約１３度までの範囲）も利用している。そして、コリメートレンズ４からは各発光点３からの光が重畳され、アレイ方向において幅５０ｍｍの平行光が出射される。   The collimating lens 4 that is an array direction collimating optical element is a collimating lens that collimates the light beam from the one-dimensional array semiconductor laser 2 in the array direction. The size is 50 mm in the array direction × 40 mm in the vertical direction of the array, and the optical distance Lx is arranged at an interval of 100 mm in the optical axis C direction from the emission end 2 a of the one-dimensional array semiconductor laser 2. As a result, the beam diameter defined by the half-value half angle β from each light emitting point 3 incident on the collimating lens 4 in the array direction is the beam diameter at the emission end 2a of the one-dimensional array semiconductor laser 2 due to the divergence of the laser beam. 36 mm, which is approximately 900 times b (0.04 mm). This beam diameter is larger than the distance from one end of the light emitting point 3 to the other end, and light is emitted in the same direction from each light emitting point 3, so that almost all light emitting points are formed in the incident surface of the collimating lens 4. The beams from 3 will overlap. Further, the diameter of light incident on the collimating lens 4 is 40 mm (36 mm + 4 mm), which is 10 times the beam diameter B (about 4 mm) of the entire emission end 2a of the one-dimensional array semiconductor laser 2, that is, the entire laser array light source. . Note that the width of the collimating lens 4 in the array direction is 50 mm, and actually, light rays outside the half-value half angle β from each light emitting point 3 (range from the optical axis to about 13 degrees) are also used. The collimating lens 4 superimposes light from each light emitting point 3 and emits parallel light having a width of 50 mm in the array direction.

アレイ垂直方向コリメート光学素子５は、各発光点３から射出されるレーザ光をアレイ垂直方向において光軸Ｃに対して平行光とするとともに、アレイ垂直方向における光強度分布を均一化するものである。図３に示すようにアレイ垂直方向ビーム整形光学素子である３個の平凹シリンドリカルレンズ５ａａ、５ａｂ、５ａｃが並列される１次元多段レンズ５ａと、アレイ垂直方向コリメートレンズである平凸シリンドリカルレンズ５ｂからなる。図において、１次元多段レンズ５ａは、出射端２ａから２０ｍｍの光学距離Ｌｙの間隔をおいた位置に３個の平凹シリンドリカルレンズ５ａａ、５ａｂ、５ａｃがアレイ垂直面内においてアレイ垂直方向に曲率をもつように、具体的には発光点３を中心とする円弧を描くように並列配置されている。アレイ垂直方向におけるビーム（アレイ垂直方向の説明においては、各発光点３からの光束は重なって一つのものとみなせるので、説明を容易にするため、１個の発光点３からのビームとして説明する。）の幅は、ビームの拡散性により、半値半角αの範囲において２３ｍｍまで拡大された状態で入射する。本実施の形態１では、平凹シリンドリカルレンズ５ａａ、５ａｂ、５ａｃの入射面の開口高さ（アレイ垂直方向）は９ｍｍあり、拡大されたビームは半値半角αよりも外側の領域を含めてアレイ垂直方向で３分割される。そして、３分割された各光束は、アレイ方向５０ｍｍ×アレイ垂直方向４０ｍｍの平凸シリンドリカルレンズ５ｂの入射面で重畳するよう、それぞれさらに拡大され、平凸シリンドリカルレンズ５ｂによって光軸Ｃに平行で幅（アレイ垂直方向）が約４０ｍｍの光束となってフライアイインテグレータ６に向けて出射される。   The array vertical direction collimating optical element 5 makes the laser light emitted from each light emitting point 3 parallel to the optical axis C in the array vertical direction and makes the light intensity distribution in the array vertical direction uniform. . As shown in FIG. 3, a one-dimensional multistage lens 5a in which three plano-concave cylindrical lenses 5aa, 5ab, and 5ac that are array vertical direction beam shaping optical elements are arranged in parallel, and a plano-convex cylindrical lens 5b that is an array vertical direction collimating lens. Consists of. In the figure, the one-dimensional multi-stage lens 5a has three plano-concave cylindrical lenses 5aa, 5ab, 5ac having a curvature in the array vertical direction in the array vertical plane at a position spaced by an optical distance Ly of 20 mm from the emission end 2a. Specifically, they are arranged in parallel so as to draw an arc centered on the light emitting point 3. Beam in the vertical direction of the array (In the description of the vertical direction of the array, the light beams from the light emitting points 3 overlap each other and can be regarded as one beam. )) Is incident in a state where it is expanded to 23 mm in the range of half-value half-angle α due to the diffusibility of the beam. In the first embodiment, the opening height (array vertical direction) of the incident surfaces of the plano-concave cylindrical lenses 5aa, 5ab, and 5ac is 9 mm, and the expanded beam is perpendicular to the array including the region outside the half-value half angle α. Divided into three in the direction. Each of the three divided light beams is further enlarged so as to be superimposed on the incident surface of the plano-convex cylindrical lens 5b having an array direction of 50 mm and an array vertical direction of 40 mm, and the width is parallel to the optical axis C by the plano-convex cylindrical lens 5b. A light beam of about 40 mm is emitted toward the fly-eye integrator 6 (in the vertical direction of the array).

インテグレータ光学系６は、５０ｍｍ（アレイ方向）×４０ｍｍ（アレイ垂直方向）の基板上に１．０ｍｍの配列周期でレンズセルをマトリクス状（アレイ方向５０個、アレイ垂直方向４０個）に並べたフライアイレンズ対（６ａ、６ｂ）と光軸Ｃに対して回転対称な球面レンズ６ｃとからなるフライアイインテグレータ６で構成した。   The integrator optical system 6 is a fly in which lens cells are arranged in a matrix (50 array directions, 40 array vertical directions) on a 50 mm (array direction) × 40 mm (array vertical direction) substrate with an arrangement period of 1.0 mm. The fly eye integrator 6 includes a pair of eye lenses (6a, 6b) and a spherical lens 6c that is rotationally symmetric with respect to the optical axis C.

つぎに、動作について説明する。
アレイ方向において、１次元アレイ半導体レーザ２の２０個の発光点３から出射された光は、それぞれ光軸Ｃに平行な方向に直進する。そして、光学距離Ｌｘ（１００ｍｍ）を進む間にその発散性によってビーム径が広がり、コリメートレンズ４の入射面の全面において、光軸Ｃを中心とする有効角１３度の範囲の光が重なった状態で入射する。この段階において、２０個の発光点３からのビームが重畳されることになり、スペックルノイズは１／４以下（詳細は後述する）に低下する。また、発光点３から出射されるビームは、中心部での光の強度が強く、周縁部にいくほど光の強度は弱くなる。しかし、本実施の形態では、各発光点３からのビームがそれぞれの配置位置にしたがって、少しずつ（配置間隔ｄに従って０．２ｍｍずつ）ビームの中心位置をずらしながら重なることになり、空間光強度分布も改善される。つまり、アレイ状に配列された各発光点３からの光を出射端２ａから光学距離Ｌｘをあけた位置でコリメートすることにより、インコヒーレントな光の重畳によるスペックルノイズ低減効果に加え、光強度の強いビームの中心位置をずらして重畳することによりアレイ方向での空間光強度分布の改善効果も得ることができる。 Next, the operation will be described.
In the array direction, the light emitted from the 20 light emitting points 3 of the one-dimensional array semiconductor laser 2 travels straight in the direction parallel to the optical axis C. Then, while traveling through the optical distance Lx (100 mm), the beam diameter widens due to the divergence, and light in the range of an effective angle of 13 degrees centering on the optical axis C is overlapped on the entire incident surface of the collimating lens 4. Incident at. At this stage, the beams from the 20 light emitting points 3 are superimposed, and the speckle noise is reduced to ¼ or less (details will be described later). Further, the light emitted from the light emitting point 3 has a high intensity of light at the center, and the intensity of the light decreases toward the periphery. However, in the present embodiment, the beams from the light emitting points 3 are overlapped while shifting the center position of the beam little by little (by 0.2 mm according to the arrangement interval d) according to the arrangement position, and the spatial light intensity Distribution is also improved. That is, by collimating the light from each light emitting point 3 arranged in an array at a position at an optical distance Lx from the emission end 2a, in addition to the effect of reducing speckle noise by superimposing incoherent light, the light intensity The effect of improving the spatial light intensity distribution in the array direction can also be obtained by shifting and superimposing the center position of the strong beam.

また、レーザ光が発散する性質を利用することにより、レンズ等の光学部材を用いることなく各発光点３からのビームを拡大させ、重畳させるようにしているので、各発光点３からのビームは等しい拡がり方をする。したがって、発光点３ごとにビームの傾きや広がり方が変化することがないので、容易にコリメートが可能となる。さらに、レンズ等の光学部材を用いることなく各発光点３からのビームを拡大させているので、出力の高いレーザを用いても発熱によるダメージを抑制することができる。   Further, since the beam from each light emitting point 3 is expanded and superposed without using an optical member such as a lens by utilizing the property that laser light diverges, the beam from each light emitting point 3 is Make equal spreads. Accordingly, the beam tilt and spread do not change for each light emitting point 3, so that collimation can be easily performed. Furthermore, since the beam from each light emitting point 3 is expanded without using an optical member such as a lens, damage due to heat generation can be suppressed even when a high-power laser is used.

一方、アレイ垂直方向においても、１次元アレイ半導体レーザ２の各発光点３から出射されたそれぞれの光は、それぞれ光軸Ｃに平行な方向に直進する。そして、光学距離Ｌｙ（２０ｍｍ）を進む間にその発散性によってビーム径が広がり、１次元多段レンズ５ａの平凹シリンドリカルレンズ５ａａ、５ａｂ、５ａｃによって、アレイ垂直方向で幅９ｍｍ毎に３つの光束に分割され、後段の平凸シリンドリカルレンズ５ｂの入射面（５０ｍｍ×４０ｍｍ）内で重畳され、光軸Ｃに平行で幅（アレイ垂直方向）が約４０ｍｍの光束となってフライアイインテグレータ６に向けて出射される。   On the other hand, also in the vertical direction of the array, each light emitted from each light emitting point 3 of the one-dimensional array semiconductor laser 2 goes straight in a direction parallel to the optical axis C. The beam diameter is widened by the divergence while traveling the optical distance Ly (20 mm), and three luminous fluxes are obtained every 9 mm in the vertical direction of the array by the plano-concave cylindrical lenses 5aa, 5ab, and 5ac of the one-dimensional multistage lens 5a. Divided and superimposed on the incident surface (50 mm × 40 mm) of the plano-convex cylindrical lens 5b in the subsequent stage, becomes a light beam parallel to the optical axis C and having a width (in the vertical direction of the array) of about 40 mm toward the fly eye integrator 6. Emitted.

このとき、発光点３から出射されるビームはアレイ垂直方向の場合でも、中心部での光の強度が強く、周縁部にいくほど光の強度は弱くなる。しかし、本実施の形態では、ひとつの発光点（とみなして説明）から広がった光束をアレイ垂直方向で複数の光束に分割し、分割した光束を重畳させることで空間光強度分布が均一化される。つまり、アレイ垂直方向コリメート光学素子５は、単にレーザアレイ光源から入射した光をアレイ垂直面内において平行光として出射するアレイ垂直方向でのコリメート機能だけではなく、アレイ垂直方向での空間光強度分布の均一化、つまり、ビーム整形機能をも有する。とくに、各平凹シリンドリカルレンズ５ａａ、５ａｂ、５ａｃの開口がそれぞれ発光点３の中心を向くように、発光点３を中心とする円弧を描くように並列配置したので、発散性のあるビームの方向、発散角度を正確に変換でき、平凸シリンドリカルレンズ５ｂにて容易にコリメートできる。   At this time, even when the beam emitted from the light emitting point 3 is in the vertical direction of the array, the intensity of light at the center is strong, and the intensity of light becomes weaker toward the periphery. However, in the present embodiment, the spatial light intensity distribution is made uniform by dividing the light beam spreading from one light emitting point (described as being considered) into a plurality of light beams in the array vertical direction and superimposing the divided light beams. The In other words, the array vertical direction collimating optical element 5 not only has a collimating function in the array vertical direction for emitting light incident from the laser array light source as parallel light in the array vertical plane, but also the spatial light intensity distribution in the array vertical direction. It also has a beam shaping function. In particular, since the plano-concave cylindrical lenses 5aa, 5ab, and 5ac are arranged in parallel so as to draw an arc centered on the light emitting point 3 so that the apertures thereof face the center of the light emitting point 3, the direction of the divergent beam The divergence angle can be accurately converted and can be easily collimated by the plano-convex cylindrical lens 5b.

さらに、本実施の形態１では、アレイ垂直方向の半値半角αがアレイ方向の半値半角βよりも大きいことを利用し、コリメートレンズ４と出射端２ａ間の光学距離Ｌｘの１／５の光学距離Ｌｙに１次元多段レンズ５ａを配置しても、アレイ垂直面内でのビーム径を十分に広げることができる。そのため、各平凹シリンドリカルレンズ５ａａ、５ａｂ、５ａｃを１０ｍｍピッチと容易に製作できる大きさに設定することができる。そして、コリメートレンズ４とアレイ垂直方向コリメート光学素子５とを空間的に尤度を持って設置することができ、しかも、アレイ垂直方向でビームを適切な配分で分割するための位置決めも容易に行うことができる。   Further, in the first embodiment, by utilizing the fact that the half-value half angle α in the array vertical direction is larger than the half-value half angle β in the array direction, an optical distance that is 1/5 of the optical distance Lx between the collimating lens 4 and the emission end 2a. Even if the one-dimensional multistage lens 5a is arranged in Ly, the beam diameter in the array vertical plane can be sufficiently expanded. Therefore, each of the plano-concave cylindrical lenses 5aa, 5ab, and 5ac can be set to a size that can be easily manufactured with a pitch of 10 mm. Then, the collimating lens 4 and the array vertical direction collimating optical element 5 can be installed with a spatial likelihood, and positioning for dividing the beam in an appropriate direction in the array vertical direction is also easily performed. be able to.

このようにして、１次元アレイ半導体レーザ２の各発光点３から出射された光はアレイ垂直方向コリメート光学素子５により、アレイ垂直方向において幅４０ｍｍに拡大され、光軸Ｃに平行で空間光強度分布がほぼ均一化された、つまり整形されたビームとしてインテグレータ光学系であるフライアイインテグレータ６に入射する。   In this manner, the light emitted from each light emitting point 3 of the one-dimensional array semiconductor laser 2 is expanded to a width of 40 mm in the array vertical direction by the array vertical direction collimating optical element 5, and is parallel to the optical axis C and spatial light intensity. The light is incident on the fly-eye integrator 6 which is an integrator optical system as a beam having a substantially uniform distribution, that is, a shaped beam.

なお、上述したコリメートレンズ４から出射されるｘ方向でのビーム径は、半値半角βと光学距離Ｌｘから式１に従って計算した値であり、この式で定義したビームの場合、ビーム径の縁部分でも中心部の光強度の１／２の光強度があり、ビーム径よりも外側の部分であっても照明光として利用可能である。
ビーム径＝２×Ｌｘ×Ｔａｎ（β）＋ｂ・・・（１） Note that the beam diameter in the x direction emitted from the collimating lens 4 described above is a value calculated according to Equation 1 from the half value half angle β and the optical distance Lx. In the case of the beam defined by this equation, the edge portion of the beam diameter However, it has a light intensity that is ½ of the light intensity at the center, and can be used as illumination light even at a portion outside the beam diameter.
Beam diameter = 2 × Lx × Tan (β) + b (1)

そこで、本実施の形態においては、発光点３からアレイ方向で光軸Ｃを中心とする１３度、アレイ垂直方向で光軸Ｃを中心とする３４度の範囲の光束を照明光として利用し、アレイ方向５０ｍｍ、アレイ垂直方向４０ｍｍの平行光とした。   Therefore, in the present embodiment, a light flux in the range of 13 degrees centering on the optical axis C in the array direction from the light emitting point 3 and 34 degrees centering on the optical axis C in the array vertical direction is used as illumination light. The parallel light was 50 mm in the array direction and 40 mm in the array vertical direction.

なお、アレイ垂直方向の半値半角αが小さく、アレイ垂直方向においてほぼ平行光でビームが出射される場合でも、１次元多段レンズ５ａの前段にビームを広げるための光学レンズ系を設置することで上述したようにアレイ垂直方向コリメート光学素子５を配置することが可能となる。また、ビームを広げるための光学レンズ系を設置しない場合でも、図４に示すように微細な平凹シリンドリカルレンズを有する１次元多段レンズ１５ａをアレイ垂直方向でビームを適切な配分で分割するために精密に位置決めできれば、平凸シリンドリカルレンズ１５ｂと組み合わせることによって、アレイ垂直方向コリメート光学素子１５を形成することができる。   Even when the half-value half-angle α in the vertical direction of the array is small and the beam is emitted as substantially parallel light in the vertical direction of the array, an optical lens system for expanding the beam is provided in front of the one-dimensional multi-stage lens 5a. As described above, the array vertical collimating optical element 5 can be arranged. Even when an optical lens system for expanding the beam is not installed, the one-dimensional multistage lens 15a having a fine plano-concave cylindrical lens as shown in FIG. 4 is used to divide the beam in an appropriate direction in the array vertical direction. If it can be accurately positioned, the array vertical collimating optical element 15 can be formed by combining with the plano-convex cylindrical lens 15b.

アレイ方向コリメート光学素子４およびアレイ垂直方向コリメート光学素子５を経た光は、図１に示すようにアレイ方向５０ｍｍ、アレイ垂直方向４０ｍｍの平行な光束となって、インテグレータ光学系であるフライアイインテグレータ６に入射する。入射した光は、アレイ方向５０×アレイ垂直方向４０個とｘｙ平面内にマトリクス状に配置されたフライアイレンズ６ａの各マイクロレンズによって２次元方向に計２０００の光束に分割される。分割された各光束は、それぞれ対応するフライアイレンズ６ｂのレンズセルに入射し、フライアイレンズ６ｂの各レンズセルに入射した光束は球面レンズ６ｃを経由することで、ライトバルブ７の被照射面の全面で重畳される。つまり、フライアイインテグレータ６は、入射した平行光を空間的に分割し、分割した光束を重ね合わせることにより、空間光強度分布を矩形状になるまで均一に変換してライトバルブ７に照射する。   The light that has passed through the array direction collimating optical element 4 and the array vertical direction collimating optical element 5 becomes a parallel light beam of 50 mm in the array direction and 40 mm in the array vertical direction as shown in FIG. Is incident on. The incident light is divided into a total of 2000 light beams in a two-dimensional direction by the microlenses of the fly-eye lens 6a arranged in a matrix form in the array direction 50 × 40 array vertical directions and in the xy plane. Each of the divided light beams enters the lens cell of the corresponding fly-eye lens 6b, and the light beam that has entered each lens cell of the fly-eye lens 6b passes through the spherical lens 6c, so that the irradiated surface of the light valve 7 is irradiated. Is superimposed on the entire surface. That is, the fly eye integrator 6 spatially divides the incident parallel light and superimposes the divided light beams, thereby uniformly converting the spatial light intensity distribution until it becomes a rectangular shape and irradiating the light valve 7.

つまり、インテグレータ光学系は、光軸Ｃに対して平行となった光束を、光軸Ｃに垂直な平面内において２次元的に（空間的に）分割し、分割した光束を重ね合わせることにより、アレイ方向およびアレイ垂直方向、つまり光軸Ｃに垂直な断面内における空間光強度分布を矩形状に変換してライトバルブ７に照射する。   That is, the integrator optical system divides the light beam parallel to the optical axis C two-dimensionally (spatially) in a plane perpendicular to the optical axis C, and superimposes the divided light beams. The spatial light intensity distribution in the array direction and the array vertical direction, that is, in the cross section perpendicular to the optical axis C, is converted into a rectangular shape and irradiated to the light valve 7.

ここで、レーザ光とスペックルノイズについて説明する。１次元アレイ半導体レーザ２から射出されるレーザ光は、波長幅が狭帯域であるため単色性に優れ、また高い指向性を有するため、画像表示装置への適用は大変好ましい。しかし一方で、単一の発光点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。   Here, laser light and speckle noise will be described. Since the laser light emitted from the one-dimensional array semiconductor laser 2 has a narrow wavelength band and is excellent in monochromaticity and has high directivity, application to an image display device is very preferable. However, on the other hand, light emitted from a single light emitting point has very high coherence, and there is a concern about speckle problems when used in an image display device.

光が照射される被照射面の空間位置ｒにおいて、式（２）、（３）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、Ａ１、Ａ２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式（４）のように表される。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（５）で表される。
Ａ１（ｒ，ｔ）＝ｕ・exp（ｉφａ（ｒ，ｔ）） ・・・（２） Ａ２（ｒ，ｔ）＝ｕ・exp［ｉ（φａ（ｒ，ｔ）＋Δφａ（ｒ））］ ・・・（３） Ｉco（ｒ）∝｜Ａ１＋Ａ２｜２＝２ｕ２＋２ｕ２ｃｏｓΔφａ（ｒ） ・・・（４）
Ｉinco（ｒ）∝｜Ａ１｜２＋｜Ａ２｜２＝２ｕ２ ・・・（５） Two light fluxes having a relationship of phase difference Δφa (r) expressed by a function of the position r as shown by the equations (2) and (3) at the spatial position r of the irradiated surface, which is irradiated with light, A 1 , A 2 has a coherent relationship, the intensity I co (r) of the combined light of the two light beams on the irradiated surface can be expressed as an equation related to the spatial coordinates of the irradiated surface as shown in Equation (4). Is done. On the other hand, assuming that the two light beams have an incoherent relationship, the light intensity I inco on the irradiated surface of the combined light is expressed by the following equation (5).
A 1 (r, t) = u · exp (iφa (r, t)) (2) A 2 (r, t) = u · exp [i (φa (r, t) + Δφa (r)) ] (3) I co (r) ∝ | A 1 + A 2 | 2 = 2u 2 + 2u 2 cos Δφa (r) (4)
I inco (r) ∝ | A 1 | 2 + | A 2 | 2 = 2u 2 (5)

これらの式（４）、（５）をグラフで示したものを図５に示す。図５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。この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。 FIG. 5 shows a graph of these equations (4) and (5). As is clear from FIG. 5, the light intensity I inco when two light beams having an incoherent relationship are superimposed is constant regardless of the spatial position, that is, regardless of the amount of phase shift caused by the unevenness of the element. On the other hand, the light intensity I co in the case where two light beams having a coherent relationship are superimposed shows light and dark due to the difference in phase shift amount at different spatial positions. The bright and dark stripes resulting from the coherence of the light source are called speckles.

本発明においては、アレイレーザ光源である１次元アレイ半導体レーザ２内の各発光点３から射出されるレーザ光が、独立した共振器から生成されるため、互いにインコヒーレントな関係にあることを利用し、これら複数のレーザ光を空間的に重ね合わせることによりスペックルコントラストを下げ、スペックルノイズの影響を抑制している。これは、互いにインコヒーレントな複数の光を重ね合わせた場合、その全体の光強度は各光の光強度の単純な積算となるため、単一の光においてはそのコヒーレンスのためにスペックルに起因する不均一な空間光強度分布を有していても、互いにインコヒーレントでランダムな空間光強度分布を有する複数の光を空間的重ね合わせると全体の空間光強度分布は平均化され均一な分布となることによる。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から、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、式（６）に示すように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に対し、重ね合わせる光源数の平方根の逆数に比例し、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小さくなる。
スペックルコントラスト＝１/（ｎ）１／２ ・・・（６） In the present invention, since the laser light emitted from each light emitting point 3 in the one-dimensional array semiconductor laser 2 which is an array laser light source is generated from an independent resonator, it is utilized that they are incoherent with each other. In addition, the speckle contrast is lowered by spatially superposing these laser beams and the influence of speckle noise is suppressed. This is because when a plurality of incoherent lights are superimposed on each other, the total light intensity is simply the sum of the light intensities of each light. Even if there is a non-uniform spatial light intensity distribution, the entire spatial light intensity distribution is averaged and uniformed when a plurality of lights having incoherent and random spatial light intensity distributions are spatially superimposed on each other. By becoming. As is clear from statistics, the standard deviation of the mean value of the random distribution is inversely proportional to the square root of the number of samples, so that when coherent light emitted from n light emitting points in an incoherent relationship is superimposed, The speckle contrast is proportional to the reciprocal of the square root of the number of light sources to be superimposed on the speckle contrast generated by the coherent light emitted from one light emitting point as shown in Equation (6). As the number increases, the speckle contrast decreases.
Speckle contrast = 1 / (n) 1/2 ... (6)

本発明においては上記のようなランダム分布の重ね合わせによる空間光強度分布均一化の効果を得るため、アレイ面内において発散角を有する１次元アレイ半導体レーザ２に対し、所定の光学距離Ｌｘをあけて設置したコリメートレンズ４を設けることにより、各発光点３からのビームが自然に拡大し、互いにインコヒーレントな関係にある複数の光が重ね合わせられるようにした。本実施の形態１では、１次元アレイ半導体レーザ２の２０個の発光点３からのビームが重なることによって、スペックルコントラストは式（６）によれば、１／４以下に低減する。   In the present invention, in order to obtain the effect of uniforming the spatial light intensity distribution by superimposing the random distribution as described above, a predetermined optical distance Lx is opened with respect to the one-dimensional array semiconductor laser 2 having a divergence angle in the array plane. By providing the collimating lens 4 installed in this manner, the beam from each light emitting point 3 is naturally expanded so that a plurality of lights having an incoherent relationship with each other can be superimposed. In the first embodiment, the beams from the 20 light emitting points 3 of the one-dimensional array semiconductor laser 2 are overlapped, so that the speckle contrast is reduced to ¼ or less according to the equation (6).

さらに、このようにして重畳された光が、フライアイインテグレータ６により複数の光束に分割された後、光束ごとにライトバルブ７の被照射面を照明することになる。図１に示すようにフライアイレンズ６ａによって分割された各光束は、それぞれ異なる光学距離を経由してライトバルブ７上に照射されることになる。つまり、出射端２ａを単一の発光点とみなした場合でも、発光点から射出されるレーザ光のビーム径が拡大されることによって、フライアイインテグレータ６内のレンズセルを最大限利用できるようになる。異なるレンズセルを透過した光束はライトバルブ７の被照射部まで各々異なる光学距離を伝播し可干渉距離以上の光路差がつくことになるので、該光はコヒーレンスの低い光となる。とくに、所定の光学距離Ｌｘをあけて設置したコリメートレンズ４を設けることにより、フライアイインテグレータ６の光軸Ｃに垂直な面の大きさが、１次元アレイ半導体レーザ２の出射端２ａ全体のサイズと比べて１０倍まで拡大されており、レンズセルごとの光路差はより大きくなる。   Furthermore, after the light superimposed in this way is divided into a plurality of light beams by the fly eye integrator 6, the irradiated surface of the light valve 7 is illuminated for each light beam. As shown in FIG. 1, each light beam divided by the fly-eye lens 6a is irradiated onto the light valve 7 via different optical distances. That is, even when the emission end 2a is regarded as a single light emitting point, the beam diameter of the laser light emitted from the light emitting point is enlarged so that the lens cell in the fly eye integrator 6 can be used to the maximum extent. Become. The light beams that have passed through different lens cells propagate through different optical distances to the irradiated portion of the light valve 7 and have an optical path difference that is greater than or equal to the coherence distance, so that the light becomes light with low coherence. In particular, by providing the collimating lens 4 installed with a predetermined optical distance Lx, the size of the plane perpendicular to the optical axis C of the fly-eye integrator 6 is the size of the entire emission end 2 a of the one-dimensional array semiconductor laser 2. The optical path difference for each lens cell becomes larger.

そのため、フライアイインテグレータ６に入射する光が単一の位相であったとしても、フライアイインテグレータ６によってライトバルブ７に重畳される各レンズセルからの光束は、それぞれ異なる位相でライトバルブ７に照射されることになる。つまり、ライトバルブ７の被照射面上においては複数の互いにインコヒーレントな２０００の光が重なり合った状態となり、スペックルコントラストは式（６）によれば、さらに１／４０以下に低減される。したがって、本発明における実施の形態１のように、各発光点３から射出される光の径を拡大した後、フライアイインテグレータ６に入射する構成は、スペックル低減に有効である。   Therefore, even if the light incident on the fly eye integrator 6 has a single phase, the light beams from the lens cells superimposed on the light valve 7 by the fly eye integrator 6 irradiate the light valve 7 with different phases. Will be. That is, on the irradiated surface of the light valve 7, a plurality of incoherent 2000 lights overlap each other, and the speckle contrast is further reduced to 1/40 or less according to the equation (6). Therefore, as in the first embodiment of the present invention, the configuration in which the diameter of the light emitted from each light emitting point 3 is enlarged and then incident on the fly eye integrator 6 is effective for speckle reduction.

上記のように、スペックルの低減には光束を重畳することが有効であり、本実施の形態１では、コリメートレンズ４を１次元アレイ半導体レーザ２から離して設置することにより、インテグレータ光学素子に入射する前に全ての発光点３からの光が重畳するように構成している。ただし、インテグレータ光学素子でスペックル低減効果を発揮するためであれば、少なくとも隣接する発光点３の光が重なり合うようにコリメートレンズ４に入射するように間隔Ｌｘを設定すればよい。その場合、インテグレータ光学素子６の入射面において入射光がアレイ方向で途切れることがないので、連続した光を分割して重畳することにより、効率よくスペックルノイズを低減することができる。また、少なくとも式１で表されるビーム径が、アレイ光源としてのビーム径Ｂよりも大きくなるように間隔Ｌｘを設定すれば、全ての発光点３からの光を重畳でき、アレイ方向コリメート光学系でのスペックル低減効果を最大にできる。しかし、本実施の形態では、さらに間隔をあけることにより、光束の幅を大きくし、後段に設置するインテグレータ光学系のフライアイレンズ対６ａ、６ｂを容易に製作できるようにし、インテグレータ光学系において効果的に光束を分割・重畳できるようにした。   As described above, it is effective to superimpose the light flux to reduce speckles. In the first embodiment, the collimating lens 4 is disposed away from the one-dimensional array semiconductor laser 2 so that the integrator optical element is provided. The light from all the light emitting points 3 is superposed before entering. However, in order to exhibit the speckle reduction effect in the integrator optical element, the interval Lx may be set so that at least the light from the adjacent light emitting points 3 is incident on the collimating lens 4. In this case, since incident light does not break in the array direction on the incident surface of the integrator optical element 6, speckle noise can be efficiently reduced by dividing and superimposing continuous light. Further, if the distance Lx is set so that at least the beam diameter represented by Formula 1 is larger than the beam diameter B as the array light source, light from all the light emitting points 3 can be superimposed, and the array direction collimating optical system Speckle reduction effect can be maximized. However, in the present embodiment, by further increasing the distance, the width of the light flux is increased, and the fly-eye lens pair 6a, 6b of the integrator optical system to be installed in the subsequent stage can be easily manufactured, which is effective in the integrator optical system. The beam can be split and superimposed.

つぎに、空間光強度分布について説明する。
１次元アレイレーザ光源２の各発光点３から射出されるレーザ光はガウシアン形状の空間光強度分布を有しており、光束中心の光強度が最も高く、中心から離れるにつれ光強度は指数関数的に低下する。この様な分布をフライアイインテグレータ６により十分に均一化するためには、ガウシアン分布を有するレーザ光をフライアイレンズ６ａ、６ｂ内をできるだけ多数のレンズセルにより分割し、分割された光束ごとにライトバルブ７の被照射部に投射することによって空間光強度分布を均一化する必要がある。１次元アレイ半導体レーザ２のように発光点３が高密度で並んでいる場合、各発光点３から射出される光に対してそれぞれ対応するレンズセルを備えるためには微小なレンズセルを複数並列させる必要がある。例えば本実施の形態において用いた１次元アレイ半導体レーザ２は、ほぼ点光源とみなせる大きさ（ｂ＝０．０４ｍｍ）で、アレイ方向での広がり角として半値半角１０度の光を射出する発光点が２００μｍの間隔で配置されており、このような光源内の各発光点から射出される光に対して複数のレンズセルを配置できるフライアイレンズを作製することは技術的に容易ではない。 Next, the spatial light intensity distribution will be described.
The laser light emitted from each light emitting point 3 of the one-dimensional array laser light source 2 has a Gaussian-shaped spatial light intensity distribution, the light intensity at the center of the light beam is the highest, and the light intensity increases exponentially with distance from the center. To drop. In order to make such a distribution sufficiently uniform by the fly-eye integrator 6, the laser light having a Gaussian distribution is divided by as many lens cells as possible in the fly-eye lenses 6a and 6b, and the light beam is written for each divided light beam. It is necessary to make the spatial light intensity distribution uniform by projecting onto the irradiated portion of the bulb 7. When the light emitting points 3 are arranged at high density as in the one-dimensional array semiconductor laser 2, a plurality of minute lens cells are arranged in parallel in order to provide lens cells corresponding to the light emitted from each light emitting point 3. It is necessary to let For example, the one-dimensional array semiconductor laser 2 used in the present embodiment is a light emitting point that emits light having a half-width of 10 degrees as a divergence angle in the array direction with a size that can be regarded as a point light source (b = 0.04 mm). Are arranged at intervals of 200 μm, and it is not technically easy to manufacture a fly-eye lens in which a plurality of lens cells can be arranged for light emitted from each light emitting point in such a light source.

しかしながら本発明においては、各発光点３から射出されるレーザビームは光源自身の性質であるビームの拡散性を利用して、拡大された状態でフライアイレンズ６ａに入射する。そのため、本実施の形態１において用いているようなｍｍ単位の大きさのレンズセル径とレンズセル配置のピッチを有するフライアイレンズ対６ａ、６ｂを設けた場合においても各発光点３から射出されるレーザ光は、フライアイレンズ対６ａ、６ｂに設けられた各レンズセルを最大限に利用することで、多数の光束に分割され、重畳されるのでライトバルブ７の被照射面上における空間光強度分布は矩形とみなせるほど均一となる。さらに、レーザ光が拡大された状態でレンズ等の光学部材に入射されるので、入射光のエネルギー密度が低くなり、光学部材での発熱量が抑制され、レーザの大出力化が容易となる。   However, in the present invention, the laser beam emitted from each light emitting point 3 is incident on the fly-eye lens 6a in an enlarged state by utilizing the beam diffusibility which is a property of the light source itself. For this reason, even when fly eye lens pairs 6a and 6b having a lens cell diameter in the unit of mm and a pitch of the lens cell arrangement as used in the first embodiment are provided, light is emitted from each light emitting point 3. The laser beam is divided into a number of luminous fluxes by using each lens cell provided in the fly-eye lens pair 6a, 6b to the maximum, so that the spatial light on the irradiated surface of the light valve 7 is superimposed. The intensity distribution is uniform enough to be regarded as a rectangle. Furthermore, since the laser beam is incident on an optical member such as a lens in an enlarged state, the energy density of the incident light is reduced, the amount of heat generated by the optical member is suppressed, and the laser output can be easily increased.

一方で、アレイ垂直方向においても光強度分布はガウシアン形状の空間光強度分布を有しており、同様の空間光強度を有するアレイ方向の各発光点３の光を単に重畳しても空間光強度分布の改善は困難である。しかし、アレイ垂直方向コリメート光学素子５により、ビームをアレイ垂直方向に分割し、重畳することにより、光強度分布を矩形に近づけることができると同時に、ビーム径が拡大される。ビーム径が拡大されることにより、アレイ方向と同様にｍｍ単位の大きさのレンズセル径とレンズセル配置のピッチを有するフライアイレンズをもちいてもレンズセルを最大限に利用することで、多数の光束に分割し、重畳することで、ライトバルブ７の被照射面上における空間光強度分布を矩形とみなせるほど均一化できる。   On the other hand, the light intensity distribution in the vertical direction of the array also has a Gaussian-shaped spatial light intensity distribution, and even if the light of each light emitting point 3 having the same spatial light intensity is simply superimposed, the spatial light intensity Distribution improvement is difficult. However, by dividing and superimposing the beam in the array vertical direction by the array vertical direction collimating optical element 5, the light intensity distribution can be made close to a rectangle, and at the same time, the beam diameter is expanded. By expanding the beam diameter, the lens cell can be utilized to the maximum extent even if a fly-eye lens having a lens cell diameter in the unit of mm and the pitch of the lens cell arrangement is used as in the array direction. Can be made uniform so that the spatial light intensity distribution on the irradiated surface of the light valve 7 can be regarded as a rectangle.

また、互いにコヒーレントな関係にある２光束により生じる光強度分布は式（４）に示した通りであるが、式（４）より明らかなように振動成分（式（４）内右辺第２項部）には光強度（光振幅の２乗）が掛かかるため、光強度が大きい光束内で生じるスペックルコントラストは大きく、逆に光強度が小さい光束内で生じるスペックルコントラストは小さくなる。フライアイインテグレータ６に入射される光は空間位置の違いにより異なるレンズセルを透過し可干渉距離以上の光路差がつき互いにインコヒーレントな複数の光束に分割された後、光束ごとに被照射部全面を重畳するように照明するため、スペックルコントラストを低下させることができる。しかし、フライアイインテグレータ６にガウシアン形状の空間光強度分布を有したまま光が入射した場合、光強度の大きい中心部レンズセルを透過した光と光強度の小さい周辺部のレンズセルを透過した光の足し合わせとなるため、光強度の大きい光により生じるコントラストの高いスペックルの影響が残ってしまう。   The light intensity distribution generated by the two light beams coherent with each other is as shown in Expression (4). As is clear from Expression (4), the vibration component (the second term part on the right side in Expression (4)). ) Is multiplied by the light intensity (the square of the light amplitude), the speckle contrast generated in the light beam with a high light intensity is large, and conversely the speckle contrast generated in the light beam with a low light intensity is small. The light incident on the fly-eye integrator 6 is transmitted through different lens cells depending on the spatial position, splits into a plurality of incoherent light beams with an optical path difference longer than the coherent distance, and then the entire irradiated portion for each light beam. Therefore, speckle contrast can be reduced. However, when light enters the fly-eye integrator 6 while having a Gaussian-shaped spatial light intensity distribution, the light transmitted through the central lens cell having a high light intensity and the light transmitted through the peripheral lens cell having a low light intensity. Therefore, the effect of speckle having a high contrast caused by light having a high light intensity remains.

そのため、１次元アレイ半導体レーザ２において、ガウシアン形状の空間光強度分布を有したままアレイ垂直方向に広がった光をフライアイインテグレータ６に投入した場合、アレイ垂直方向での分割・重畳によるスペックルノイズ低減効果は低下する。しかし、本実施の形態１においては、フライアイインテグレータ６に入射する光の空間光強度分布をアレイ垂直方向ビーム整形光学系５によって略均一化しているので、アレイ垂直方向での分割・重畳は重畳数に応じたスペックル低減効果が得られる。つまり、式（６）におけるセル数としてアレイ方向のレンズセル数（ｎ＝５０、スペックル低減１／７）だけでなく、アレイ垂直方向のレンズセル数（４０）も算入した総セル数（ｎ＝２０００、スペックル低減１／４０）によるスペックル低減効果が期待できる。   Therefore, in the one-dimensional array semiconductor laser 2, when light that spreads in the vertical direction of the array while having a Gaussian-shaped spatial light intensity distribution is input to the fly eye integrator 6, speckle noise due to division / superimposition in the vertical direction of the array The reduction effect is reduced. However, in the first embodiment, the spatial light intensity distribution of the light incident on the fly-eye integrator 6 is substantially uniformed by the array vertical direction beam shaping optical system 5, so that the division / superimposition in the array vertical direction is superimposed. The speckle reduction effect corresponding to the number can be obtained. That is, the total cell number (n) including not only the number of lens cells in the array direction (n = 50, speckle reduction 1/7) but also the number of lens cells (40) in the array vertical direction as the number of cells in Equation (6). = 2000, speckle reduction 1/40), the speckle reduction effect can be expected.

以上のように、本発明の実施の形態１にかかる照明光学系１によれば、複数の発光点３がアレイ状に配列されるレーザアレイ光源である１次元アレイ半導体レーザ２と、レーザアレイ光源２の光軸Ｃ（ｚ方向）とアレイ方向（ｘ方向）とで定義される面をアレイ面（ｘｚ面）とすると、レーザアレイ光源２から入射した光をアレイ面内において平行光として出射するアレイ方向コリメート光学素子であるコリメートレンズ４と、アレイ面に垂直な方向をアレイ垂直方向（ｙ方向）とし、アレイ垂直方向と光軸Ｃとで定義される面をアレイ垂直面とすると、レーザアレイ光源から入射した光をアレイ垂直面内において平行光として出射するアレイ垂直方向コリメート光学素子５と、アレイ方向コリメート光学素子４およびアレイ垂直方向コリメート光学素子５を経て入射した光を光軸Ｃに垂直な平面内においてマトリクス状に複数の光束に分割し、該分割した複数の光束をライトバルブ７の被照射面上で重なり合うよう照射するインテグレータ光学素子であるフライアイインテグレータ６と、を備え、アレイ方向コリメート光学素子４は、複数の発光点３から出射される発散性の光が重なりあって入射するようにレーザアレイ光源２から所定の間隔Ｌｘをあけて配置されるように構成したので、発光点３から出射される光の発散性を利用し、アレイ方向コリメート光学素子４に各発光点３からの光が重なりあって入射するとともにレーザアレイ光源２全体のビーム径Ｂよりも広いビーム径の光束として出射できるので、インテグレータ光学系を簡易に製作でき、スペックルノイズや空間光強度分布を改善して画像表示に適した照明光を出射することができる。   As described above, according to the illumination optical system 1 according to the first embodiment of the present invention, the one-dimensional array semiconductor laser 2 which is a laser array light source in which a plurality of light emitting points 3 are arranged in an array, and the laser array light source When the surface defined by the optical axis C (z direction) 2 and the array direction (x direction) is an array surface (xz surface), the light incident from the laser array light source 2 is emitted as parallel light within the array surface. When a collimating lens 4 that is an array direction collimating optical element, a direction perpendicular to the array surface is an array vertical direction (y direction), and a surface defined by the array vertical direction and the optical axis C is an array vertical surface, a laser array The array vertical collimating optical element 5 that emits the light incident from the light source as parallel light in the array vertical plane, the array direction collimating optical element 4 and the array vertical collimating An integrator that divides the light incident through the optical element 5 into a plurality of light beams in a matrix in a plane perpendicular to the optical axis C, and irradiates the divided light beams so as to overlap on the irradiated surface of the light valve 7. A fly-eye integrator 6 that is an optical element, and the array-direction collimating optical element 4 has a predetermined distance from the laser array light source 2 so that divergent light emitted from a plurality of light-emitting points 3 overlaps and enters. Since Lx is arranged so as to be arranged, the light from each light emitting point 3 is overlapped and incident on the array direction collimating optical element 4 by utilizing the divergence of the light emitted from the light emitting point 3 and the laser. Since the beam can be emitted as a beam having a beam diameter wider than the beam diameter B of the entire array light source 2, an integrator optical system can be easily manufactured, and speckle noise and sky It can be emitted to improve the light intensity distribution illumination light suitable for image display.

とくに、アレイ垂直方向コリメート光学素子５は、入射光をアレイ垂直面内において平行光に変換して出射するアレイ垂直方向コリメートレンズ５ｂと、レーザアレイ光源２から入射した光をアレイ垂直方向で分割し、該分割した各光束をアレイ垂直方向コリメートレンズ５ｂに重畳するように照射するアレイ垂直方向ビーム整形光学素子５ａと、を備えるように構成したので、レーザアレイ光源２から入射した光をアレイ垂直面内において平行光として出射するアレイ垂直方向でのコリメート作用に加え、アレイ垂直方向での空間光強度分布を均一化する作用も奏することができる。そのため、インテグレータ光学素子において、アレイ垂直方向でのレンズセルもスペックル低減に有効に活用することができる。   In particular, the array vertical collimating optical element 5 divides the light incident from the laser array light source 2 in the array vertical direction by converting the incident light into parallel light in the array vertical plane and emitting the parallel light. And the array vertical direction beam shaping optical element 5a for irradiating the divided light beams so as to be superimposed on the array vertical direction collimating lens 5b. In addition to the collimating effect in the vertical direction of the array, which is emitted as parallel light, the effect of making the spatial light intensity distribution in the vertical direction of the array uniform can be achieved. Therefore, in the integrator optical element, the lens cell in the array vertical direction can also be effectively used for speckle reduction.

さらに、アレイ垂直方向ビーム整形光学素子５ａは、複数のシリンドリカルレンズがアレイ垂直面内において発光点３を中心とする円弧上に並列される１次元多段レンズで構成したので、発散性のあるビームを効率的に分割・重畳し、アレイ垂直方向でのコリメートが容易にできる。   Further, the array vertical direction beam shaping optical element 5a is composed of a one-dimensional multi-stage lens in which a plurality of cylindrical lenses are arranged in parallel on an arc centering on the light emitting point 3 in the array vertical plane. Efficiently divides and superimposes to facilitate collimation in the vertical direction of the array.

また、インテグレータ光学素子６は、複数のレンズセルが光軸Ｃに垂直な平面内にマトリクス状に配列されるフライアイレンズ対６ａ、６ｂと光軸Ｃに対して回転対称なレンズ６ｂとからなるフライアイインテグレータ６で構成したので、容易にフライアイレンズ対が製作できるとともに、入射した光束を確実に分割・重畳し、効率的に空間光強度分布を均一化できるとともに、各分割光束に光路差ができて位相がずれ、効率的にスペックルノイズを低減することができる。   The integrator optical element 6 includes fly-eye lens pairs 6a and 6b in which a plurality of lens cells are arranged in a matrix in a plane perpendicular to the optical axis C, and a lens 6b that is rotationally symmetric with respect to the optical axis C. Since the fly-eye integrator 6 is used, a pair of fly-eye lenses can be easily manufactured, the incident light beam can be reliably divided and superimposed, the spatial light intensity distribution can be made uniform efficiently, and the optical path difference between each divided light beam The phase is shifted and speckle noise can be reduced efficiently.

また、本発明の実施の形態１にかかる画像表示装置は、上述した照明光学系１と、照明光学系１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であるライトバルブ７と、光変調素子７からの画像光を拡大投写する投写光学系と、拡大投写された画像光を表示する画像表示部と、を備えるように構成したので、空間光強度の偏りやコヒーレンス性を有するレーザ光源を用いても、簡易に製作できる照明光学系１により、スペックルノイズや空間光強度分布を改善した画像表示が可能となる。   The image display apparatus according to the first embodiment of the present invention includes the illumination optical system 1 described above, and a light valve 7 that is a light modulation element that controls the illumination light incident from the illumination optical system 1 to form an image. Since it is configured to include a projection optical system for enlarging and projecting image light from the light modulation element 7 and an image display unit for displaying the enlarged projected image light, it has a bias in spatial light intensity and coherence. Even if a laser light source is used, the illumination optical system 1 that can be easily manufactured enables image display with improved speckle noise and spatial light intensity distribution.

なお、本実施の形態１においては、複数の発光点３がアレイ状に配列されるレーザアレイ光源の例として発光点が１次元に配列される１次元アレイ半導体レーザを挙げたが、本発明はこれに限るものではなく、例えばビームがアレイ状に射出される固体レーザや面発光レーザ等を用いてもよい。また、１次元レーザアレイをアレイ垂直方向に積層した２次元レーザアレイを用いてもよい。   In the first embodiment, a one-dimensional array semiconductor laser in which light emission points are arranged one-dimensionally is given as an example of a laser array light source in which a plurality of light emission points 3 are arranged in an array. However, the present invention is not limited to this. For example, a solid laser or a surface emitting laser that emits a beam in an array may be used. A two-dimensional laser array in which one-dimensional laser arrays are stacked in the array vertical direction may be used.

なお、本発明に必要な間隔Ｌｘは本実施の形態１に示したものに限られるものではなく、インテグレータ光学素子６を容易に形成できるよう、コリメートレンズ４に入射するビーム径がじゅうぶんに拡大されるための間隔（光学距離）であれば、他の光学距離を有すように間隔を設定してよい。また、インテグレータ光学素子６としては、光源の仕様、被照射面の大きさ、焦点距離等の条件により異なる構成のものを採用してもよい。   The distance Lx necessary for the present invention is not limited to that shown in the first embodiment, and the beam diameter incident on the collimating lens 4 is sufficiently enlarged so that the integrator optical element 6 can be easily formed. If the distance is an optical distance (optical distance), the distance may be set to have another optical distance. The integrator optical element 6 may have a different configuration depending on conditions such as the specifications of the light source, the size of the irradiated surface, and the focal length.

また、アレイ垂直方向コリメート光学素子５の構成としては、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。具体的には、３個の平凹シリンドリカルレンズが並列される１次元多段レンズ５ａの代わりに、例えば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並列されるマルチレンズ、あるいはグラディエントインデックスマイクロレンズ、あるいはホログラフィック素子等を採用してもよい。また、平凸シリンドリカルレンズ５ｂの代わりに、例えば全光の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、前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。   Further, as the configuration of the array vertical direction collimating optical element 5, other configurations may be adopted as long as the same action can be achieved. Specifically, instead of the one-dimensional multi-stage lens 5a in which three plano-concave cylindrical lenses are arranged in parallel, for example, three plano-convex cylindrical lenses, a multi-lens in which many plano-convex cylindrical lenses are arranged in parallel, and many A multilens, a gradient index microlens, a holographic element, or the like in which the plano-concave cylindrical lenses are arranged in parallel may be employed. Further, instead of the plano-convex cylindrical lens 5b, for example, a configuration using a spherical lens designed for the spread angles of the xz and yz planes of all light, or the light spread angle by the multi-lens can be absorbed. A configuration in which no element is used may be employed by providing a possible condensing optical system.

また、本発明においては照明光学系１を画像表示装置に適用する場合について説明したが、スペックルノイズ、空間光強度分布を改善した照明光を利用できる機器としては、露光装置やレーザ加工装置等への適用も可能である。とくに、レーザ光をレーザ光源の性質を利用して拡大させた状態で光学部材に入射するように構成したので、レーザ加工装置等に適用した場合、レーザ出力を大出力化することが容易となる。   Further, in the present invention, the case where the illumination optical system 1 is applied to an image display device has been described. However, examples of equipment that can use illumination light with improved speckle noise and spatial light intensity distribution include an exposure device and a laser processing device. Application to is also possible. In particular, since the laser beam is configured to be incident on the optical member in an enlarged state using the properties of the laser light source, it is easy to increase the laser output when applied to a laser processing apparatus or the like. .

本発明の実施の形態１にかかる照明光学系を示す構成図である。It is a block diagram which shows the illumination optical system concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１にかかる照明光学系の部分である１次元アレイ半導体レーザの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the one-dimensional array semiconductor laser which is a part of the illumination optical system concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１にかかる照明光学系の部分であるアレイ垂直方向ビーム整形光学素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the array vertical direction beam shaping optical element which is a part of the illumination optical system concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１の別形態にかかる照明光学系の部分であるアレイ垂直方向ビーム整形光学素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the array vertical direction beam shaping optical element which is a part of the illumination optical system concerning another form of Embodiment 1 of this invention. スペックルノイズを説明するため、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It is a figure which shows the light intensity distribution with respect to the spatial position when two light beams are superimposed in order to explain speckle noise.

１ 照明光学系、 ２ １次元アレイ半導体レーザ（レーザアレイ光源）、 ２ａ 出射端、 ３ 発光点、 ４ コリメートレンズ（アレイ方向コリメート光学素子）、
５，１５ アレイ垂直方向コリメート光学素子、 ５ａ，１５ａ １次元多段レンズ（（アレイ垂直方向ビーム整形光学素子）、 ５ｂ，１５ｂ 平凸シリンドリカルレンズ（アレイ垂直方向コリメートレンズ）、
６ フライアイインテグレータ（インテグレータ光学素子）、 ６ａ、６ｂ フライアイレンズ（対）、 ６ｃ 球面レンズ、
７ ライトバルブ、 Ｌｘ、Ｌｙ 間隔（光学距離） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Illumination optical system, 2 One-dimensional array semiconductor laser (laser array light source), 2a Emission end, 3 Light emission point, 4 Collimate lens (array direction collimating optical element),
5, 15 Array vertical direction collimating optical element, 5a, 15a One-dimensional multistage lens ((array vertical direction beam shaping optical element), 5b, 15b Plano-convex cylindrical lens (array vertical direction collimating lens),
6 fly eye integrator (integrator optical element), 6a, 6b fly eye lens (pair), 6c spherical lens,
7 Light valve, Lx, Ly interval (optical distance)

Claims (3)

複数の発光点がアレイ状に配列されるレーザアレイ光源と、
前記レーザアレイ光源の光軸とアレイ方向とで定義される面をアレイ面とすると、前記レーザアレイ光源から入射した光を前記アレイ面内において平行光として出射するアレイ方向コリメート光学素子と、
前記アレイ面に垂直な方向をアレイ垂直方向とし、前記アレイ垂直方向と前記光軸とで定義される面をアレイ垂直面とすると、前記レーザアレイ光源から入射した光を前記アレイ垂直面内において平行光として出射するアレイ垂直方向コリメート光学素子と、
前記アレイ方向コリメート光学素子および前記アレイ垂直方向コリメート光学素子を経て入射した光を前記光軸に垂直な平面内においてマトリクス状に複数の光束に分割し、該分割した複数の光束を被照射面上で重なり合うように照射するインテグレータ光学素子と、を備え、
前記アレイ方向コリメート光学素子は、前記複数の発光点から出射される発散性の光が重なりあって入射するように前記レーザアレイ光源から所定の間隔をあけて配置され、
前記アレイ垂直方向コリメート光学素子は、
入射光を前記アレイ垂直面内において平行光に変換して出射するアレイ垂直方向コリメートレンズと、
前記レーザアレイ光源から入射した光を前記アレイ垂直方向で分割し、該分割した各光束を前記アレイ垂直方向コリメートレンズに重畳するように照射する１次元アレイ垂直方向ビーム整形光学素子と、を有することを特徴とする照明光学系。 A laser array light source in which a plurality of light emitting points are arranged in an array; and
When the surface defined by the optical axis and the array direction of the laser array light source is an array surface, an array direction collimating optical element that emits light incident from the laser array light source as parallel light in the array surface;
When the direction perpendicular to the array plane is the array vertical direction and the plane defined by the array vertical direction and the optical axis is the array vertical plane, the light incident from the laser array light source is parallel in the array vertical plane. An array vertical collimating optical element that emits as light,
The light incident through the array direction collimating optical element and the array vertical direction collimating optical element is divided into a plurality of light beams in a matrix in a plane perpendicular to the optical axis, and the divided light beams are irradiated on the irradiated surface. And an integrator optical element that irradiates so as to overlap with each other,
The array direction collimating optical element is disposed at a predetermined interval from the laser array light source so that divergent light emitted from the plurality of light emitting points overlaps and enters.
The array vertical collimating optical element comprises:
An array vertical collimating lens that converts incident light into parallel light in the array vertical plane and emits the parallel light; and
A one-dimensional array vertical beam shaping optical element that divides light incident from the laser array light source in the array vertical direction and irradiates the divided light beams so as to be superimposed on the array vertical direction collimating lens. An illumination optical system. 前記インテグレータ光学素子は、複数のレンズセルが前記光軸に垂直な平面内にマトリクス状に配列されるフライアイレンズ対と前記光軸に対して回転対称なレンズとからなるフライアイインテグレータであることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。 The integrator optical element is a fly eye integrator comprising a pair of fly eye lenses in which a plurality of lens cells are arranged in a matrix in a plane perpendicular to the optical axis, and a lens rotationally symmetric with respect to the optical axis. The illumination optical system according to claim 1. 請求項１または２に記載の照明光学系と、
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画像光を拡大投写する投写光学系と、
前記拡大投写された画像光を表示する画像表示部と、
を備えたことを特徴とする画像表示装置。 The illumination optical system according to claim 1 or 2,
A light modulation element for controlling the illumination light incident from the illumination optical system to form an image;
A projection optical system for enlarging and projecting image light from the light modulation element;
An image display unit for displaying the enlarged projected image light;
An image display device comprising:
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