JP2012525681A - 拡散補正機能付ビーム整列室 - Google Patents

Abstract

ベース、それに連なる第１及び第２側壁、並びにベースの前縁にあり出射孔を有する前壁を備えるビーム整列室を提案する。本ビーム整列室は、更に、第１又は第２側壁を貫き光ビームを送り込む複数個の光源、対応する光源に発した光ビームが本ビーム整列室の長手方向に沿うよう転向し他の光ビームと共に平行光ビーム整列アレイとなり出射孔から出射していくようベースに複数個実装されており且つ独立したヨー調整部材及びピッチ調整部材を有するベース側反射器、並びにそれら互いに平行な光ビーム複数本からなる光ビーム整列アレイの光路上にありビーム拡散を少なくとも一軸に関し補正する１個又は複数個の光学素子を備える。

Description

本発明はディジタル式画像投射システム、特に照明光源たる固体レーザ光源に発した光を整列させる装置及び方法の改良に関する。

ディジタル（カラー）式画像投射システムが従来からあるフィルム式画像投射システムの後継と認められるには、画質や性能に関する最低の条件を満たすことが必要である。なかでも重要なのは、高解像度、広色域且つ高輝度でフレーム間コントラスト比が１０００：１超という条件を満足させることである。

カラー映画のディジタル投射に関しては、空間光変調器（ＳＬＭ）を成像デバイスとして使用する策が最有力の解決策である。二種類に大別されるＳＬＭのうち一種類目は、米国テキサス州ダラス所在のＴｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， Ｉｎｃ．によりディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）の一種として開発されたディジタル光プロセッサ（ＤＬＰ；登録商標；以下注記省略）である。ＤＬＰについては、特許文献１、４、５（発明者：いずれもHornbeck）、７（発明者：Heimbush）等を含め数多くの特許文献に記載がある。ＤＬＰを用いた投射システムの光学的構成についても、特許文献１２（Tejada et al.）、１４（発明者：Dewald）、１６（発明者：Anderson）、１７（発明者：Iwai）等に記載がある。このように、ＤＬＰはディジタル式画像投射システムで既に活用されている。

図１に、ＳＬＭとしてＤＬＰを使用する投射システム１０の概略ブロック構成を示す。この構成では、光源１２に発する照明光がＰｈｉｌｌｉｐｓ（登録商標；以下注記省略）プリズム等のプリズムアセンブリ１４に入射する。その光はプリズムアセンブリ１４にてレッド（Ｒ），グリーン（Ｇ），ブルー（Ｂ）の各帯域に分割された後、ＳＬＭ（ＤＬＰ）２０ｒ，２０ｇ，２０ｂのうち対応するもので変調される。変調された光は、プリズムアセンブリ１４で再結合された後、投射レンズ３０から表示面その他の面上に投射される。

こうしたＤＬＰ式画像投射システムは、デスクトップ型のものからより大きな映画用のものに至る様々な用途に見合う最低限の光スループット、コントラスト比及び色域を実現可能な反面、原理的に解像度を高めるのが難しく現状では解像度が２１４８画素×１０８０画素程度のシステムしか実現されていない。また、部品コスト及びシステムコストが嵩むため、ＤＬＰ式システムの用途は映画の高画質ディジタル投射に限られている。更に、コスト、サイズ、重量及び簡略さの面で難のあるＰｈｉｌｌｉｐｓプリズム等のプリズムしか使用できないことや、その作動距離が長く高速な投射レンズを使用しないと必要な輝度を実現できないことが、ＤＬＰ式システムの普及及び利用を妨げる本質的な制約となっている。

ディジタル式画像投射システムで使用可能なＳＬＭの二種類目は液晶デバイス（ＬＣＤ）ある。対応する画素に係る照明光の偏向状態をＬＣＤで選択的に変調し、画素アレイたる画像を発現させることが可能であるので、ＬＣＤは映画用の高画質ディジタル式システムに適する長所を備えたＳＬＭと目されている。例えば、ある程度大型化することができる、高歩留まりで製造することができる、ソニー株式会社や日本ビクター株式会社で開発された４０９６画素×２１６０画素のデバイスのように高解像度のデバイスを製造することができる、等といった長所である。ＳＬＭとしてＬＣＤを使用する電子的な画像投射システムについては、特許文献８（発明者：Hattori et al.）、９（発明者：Shimomura et al.）、１３（発明者：Ueda）、１７（発明者：Maki et al.）、１８（発明者：Oikawa et al.）等に記載がある。ＬＣＤのなかにはとりわけ大規模画像投射向けと見られる液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）タイプのものもある。しかしながら、ＬＣＤでは、高輝度投射を行うと熱負荷の高まりで液晶素材の偏向品質が劣化するため、高画質でディジタル映画を投射し続けること、特に色やコントラスト比を維持し続けることが難しい。

また、いずれのＳＬＭでも、エタンデュ即ちラグランジュ不変量に関わる照明効率上の問題が生じる。光学分野で周知の如く、エタンデュは光学系で扱える光量に関わる量であり、その値が大きいほど画像が明るくなる傾向がある。数値的には、エタンデュは二種類の特性量、即ち像面積と数値開口の積に比例する。図２に示す如く光源１２、光学系１８及びＳＬＭ２０からなる簡略なシステムの場合、エタンデュは、光源１２側ではその面積Ａ１と出射角範囲θ１の積、ＳＬＭ２０側ではその面積Ａ２と入射角範囲θ２で与えられる。明るい画像を得るため光源１２からＳＬＭ２０に届く光量を増やすことが望まれるので、光源側エタンデュとＳＬＭ側エタンデュをできるだけ近接させることが、光学系設計上の大原則となる。

光源側エタンデュの値は、光を広角に亘り出射できるよう数値開口を大きくとることや、発光元面積が拡がるよう光源側の像面積を拡げることで、大きくすることができる。大きくした光源側エタンデュを活かすには、ＳＬＭ側エタンデュを光源側エタンデュ以上の大きさにする必要がある。しかしながら、像面積を大きくすると普通は光学系やその周辺部品が高コスト化・大型化する。ＤＬＰ型ＳＬＭやＬＣＯＳ−ＬＣＤ型ＳＬＭでは、その大型化につれシリコン基板が大型化し欠陥が発生しやすくなるためことにそうである。しかも、エタンデュを大きくすると、通常、光学系が複雑化・高コスト化する。例えば、特許文献１１（発明者：Sprotbery et al.）記載の手法に従いシステムを構成する場合、その光学部品例えばレンズとして大エタンデュ設計の部品を使用する必要がある。光路やＳＬＭがＲ，Ｇ，Ｂの各色別に分かれているため、系内光学部品で収束させるべき光の光源側像面積が、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色光路内ＳＬＭの合計面積になるからである。この面積は、最終的に形成されるカラー画像の面積の３倍にも上るため、かなりの像面積ひいてはエタンデュを扱える光学部品が必要となる。更に、特許文献１１記載のシステムでは、各色光路を通る光の量が全光量の１／３に過ぎないため、最終的に形成されるカラー画像の３倍に上る面積の光を扱っているのに、輝度向上の利益に何ら与ることができない。

かといって、光源側エタンデュをＳＬＭ側エタンデュを好適に整合させないと効率が低下する。エタンデュの整合度が低いと、光学系が光枯渇しＳＬＭ側に十分な光が届かなくなるか、変調用に生成された光のうち無視し得ない部分が不効率にも捨てられてしまうからである。

そのため、映画のディジタル投射に適した輝度を無難なシステムコストで実現するという目標が、ＬＣＤ式画像投射システム及びＤＬＰ式画像投射システムの設計者にとり鬼門とされてきた。ＬＣＤ式システムの問題は、偏向光が必要であるため低効率且つ大エタンデュになり、偏向回復技術を駆使しても使用してもそれを解消できないことにある。ＤＬＰ式システムの問題は、偏向光が不要で幾分高効率であるとはいえ、高価で短命なランプや高価な光学系を使用する必要があるらめ、高価になりすぎて既存の映画用画像投射システムと競うことができないことにある。

ハイエンドなフィルム式画像投射システムに代わりディジタル式画像投射システムが用いられ、いわゆる電子映写乃至ディジタル映写が行われるようにするには、そのディジタル式システムで上映時に実現される輝度が、既存のフィルム式システムのそれに比肩する水準でなければならない。大まかには、通常の映画館で使用されるスクリーンの対角寸法が４０フィート程度（１フィート＝約０．３ｍ）であるので、１００００ルーメン程度の光束で画像を投射できる必要がある。スクリーンのサイズによっては、５０００ルーメン程度の光束で足りることもあれば、４００００ルーメン超の光束が求められることもある。しかも、この最低限の輝度条件に加え、２０４８画素×１０８０画素といった高解像度、２０００：１程度のコントラスト比、広い色域等も実現可能な投射システムでなければならない。

映画用のディジタル画像投射システムのなかには、この水準の性能に達しているものもあるが、なおその設備コストや稼働コストの高さが問題となっている。即ち、上掲の性能条件を満たすようにディジタル式システムを構築すると、一般に、大電力のキセノンアークランプを使用する５００００米ドル超の高価なシステムになる。そのキセノンアークランプも、５００〜２０００時間毎に１０００米ドル超の費用をかけて交換する必要がある。キセノンアークランプのエタンデュが大きいため、そのランプからの集光及び投射に適するかなり高速な光学系が必要になることも、大きなコスト増や複雑化に一役買っている。

更に、ＤＬＰ型ＳＬＭやＬＣＯＳ−ＬＣＤ型ＳＬＭには、固体光源、特に固体レーザ光源との併用が難しい、という共通の問題がある。固体光源はスペクトル純度や潜在的な輝度の高さで他種光源に優っているが、その長所をうまく活かすには、これまでにない手法を採る必要がある。調光、転向及び結合手法及びデバイスとして旧来のものを使用するのでは、固体レーザ光源のアレイ等を用いディジタル画像投射システムを構成したとしても、その光源の長所をうまく活かす途が限られる。

固体レーザ光源はエタンデュ、寿命、スペクトル・輝度の全般的安定性等に秀でた光源である。近年に至り、十分な強度の可視光を発生させることができ映画用のディジタル画像投射システムに適する安価な固体レーザ光源も現れ始めている。例えば、既に商品化もされている垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）光源アレイは、ディジタル式システムの照明光源として有望である。とはいえ、各色成分当たり９個以上の光源アレイから光を集めて結合させないと所要の輝度が得られない、という難点もある。

そのレーザ光源アレイを使用した画像投射システムとしては、例えば次のようなものが提案されている。

まず、特許文献６（発明者：Kappel et al.，名称：レーザ照明型画像投射システム及びその使用方法(Laser Illuminated Image Projection System and Method of Using Same)）では、微小レーザ光源アレイを照明光源とする画像投射システムが提案されている。

特許文献２４（発明者：Krushwitz et al.，譲受人：本願出願人，名称：有機レーザアレイを用いエリアライトバルブを照明する電子イメージングシステム(Electronic Imaging System Using Organic Laser Array Illuminating an Area Light Valve)）では、有機レーザ光源に発する照明用レーザ光でＳＬＭを照明するシステムが提案されている。

特許文献３１（発明者：Mooradian et al.，名称：投射型表示装置、システム及び方法(Projection Display Apparatus, System, and Method)）では、拡張共振器面発光半導体レーザ光源アレイを照明光源とするシステムが提案されている。特許文献２５（発明者：Glenn，名称：固体光源を使用したディスプレイ(Displays Using Solid-State Light Sources)）では、微小レーザ光源アレイを照明光源とする画像投射型ディスプレイが提案されている。

そして、特許文献２１（発明者：Lang et al.，名称：輝度保存最適化レーザダイオードアレイアセンブリ(Laser Diode Array Assemblies With Optimized Brightness Conservation)）では、高効率で除熱できるよう従来型のバー発光及び端発光レーザダイオードが実装された二次元光源アレイを照明光源としつつも、互いに平行な光ビーム同士の間隔を反射器付のレンズで縮小乃至解消することで、その光源アレイのエタンデュ（拡散角と面積の積）を抑制するシステムが提案されている。

これらのシステムにはそれぞれに難点がある。まず、特許文献６に記載の画像投射システムでは、モノリシックなコヒーレントレーザ光源アレイを照明光源として使用すると共に、実装乃至使用するレーザ光源の個数を自システムの出射光束に課されるパワー条件に応じ定めている。しかしながら、この手法に従いハイパワーな画像投射システムを構成すると種々の問題が発生する。レーザ光源の個数を増やすと製造歩留まりが低下する、アレイ規模を大きくすると熱問題が顕著になる、といった問題である。モノリシックなコヒーレントレーザ光源アレイを使用する点も問題である。アレイを構成するレーザ光源間のコヒーレンスが高いと、干渉縞、干渉斑（スペックル）等の偽像が生じやすいからである。従って、レーザ光源間の空間的コヒーレンスや時間的コヒーレンスが強い光源アレイを使用するのは望ましくない。スペクトル的コヒーレンスも、強ければ色域が拡張されるとはいえ、弱い方がよい。スペクトルに多少であれ拡がりがないと、干渉縞や干渉斑に対する感受性が高まるのに加え、個々のレーザ光源で生じる色シフトの影響も受けやすくなるからである。例えば、カラー画像投射システムに備わるＲ，Ｇ，Ｂ各色のレーザ光源アレイが、互いに密に配置された複数個の狭帯域レーザ光源で構成されている場合、そのアレイの作動波長で色シフトが発生すると、画像投射システム全体の発色及びホワイトポイントが仕様外になる可能性がある。その逆に、スペクトルが多少拡がっていれば、各色光源アレイ内で波長ばらつきが均されるため、個々のレーザ光源での色シフトに対するシステム出射光の感受性が大きく低まる。特許文献６では、このコヒーレンスを弱める部材をシステムに付加することが提案されているが、そのようにすると、別々のロットで製造されたため僅かに差異があるレーザ光源を使用しインコヒーレントレーザ光源アレイとした場合に比べ、高コストで複雑な構成になってしまう。そして、光源間の空間的コヒーレンスや時間的コヒーレンスを弱めるため散光器等の部材で光源を覆うようにすることも可能だが、そうすると光源の出射角範囲ひいてはエタンデュが増し、光損失やシステムコストが増加する。レーザ光源のエタンデュを小さく保ち光学系の簡略化を図ることが切に望まれている。

また、レーザ光源アレイの一種であるＶＣＳＥＬアレイを従来型の画像投射システムに組み込む案、例えば垂直拡張共振器面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）を使用する案や、米国カリフォルニア州サニービル所在のＮｏｖａｌｕｘ社が開発したノバラックス拡張共振器面発光レーザ（ＮＥＣＳＥＬ；商品名）を使用する案でも様々な問題が生じる。その一つはデバイス歩留まりの低さである。市販のＶＥＣＳＥＬアレイが長尺且つ小幅な形状になっているのは、まさに、熱に弱い繊細な部品を高密度で実装するのが難しいからである。３行以上にすると歩留まりが劇的に低下するため、ＶＥＣＳＥＬアレイにおける発光部行数は２行になっていることが多い。こうした現実的制約があるため、特許文献２５等に記載の画像投射システム用ＶＥＣＳＥＬ式照明光源は実現が難しいし、特許文献３１に記載医の画像投射システムでは実現できる輝度が制約される。有機レーザの商品化がうまく進んでいないので、特許文献２４等の記載に従い有機ＶＣＳＥＬでレーザ光源アレイを構成することもできない。加えて、既存のＶＥＣＳＥＬには、電源との接続や放熱が難しい、という問題もある。この種のレーザ光源はハイパワーであり、しばしば二行に並べて使用される一行型のＮｏｖａｌｕｘ社製レーザ光源アレイだと出射光のパワーが３Ｗにもなる。従って、発光につながらない電流による熱を厳しく制限しないと、温度が一定に保たれず寿命や光ビーム品質が顕著に損なわれる。

そして、画像投射システムにレーザ光源を組み込む際にも、従来のやり方では適切に対処できない諸問題が発生する。例えば、一般的な映画館で必要とされる１００００ルーメン程度の光束を得るには、ＮＥＣＳＥＬ光源が各行２４個×２行配置されたＮｏｖａｌｕｘ社製レーザ光源アレイを、色成分毎に９個ずつ使用する必要がある。その実装の際、光源アレイ同士の間隔を十分にとらないと、放熱効率が下がり、電力及び制御信号の供給が難しくなり、また保守・交換が容易なモジュール構造にすることができない。しかも、別々の光源から出射された光ビーム同士を結合させて単一の平行光ビームにする手段、例えばビーム同士を結合させるビーム結合被覆が必要になる。その種の被覆は効率が低いので、入射光のうちかなりの部分が損失となってしまう。結合される光に角度を付けることも、エタンデュ増大につながるので一般に望ましくない。従って、ビーム同士の間隔が狭まるよう諸光ビームを転向させる構成とするのが望ましいが、これは既存のビーム結合技術で容易に実現できるものではない。

米国特許第４４７１７９１号明細書 米国特許第４９８６６３４号明細書 米国特許第５０８３０２３号明細書 米国特許第５５３５０４７号明細書 米国特許第５６００３８３号明細書 米国特許第５７０４７００号明細書 米国特許第５７１９６９５号明細書 米国特許第５７９８８１９号明細書 米国特許第５８０８７９５号明細書 米国特許第５８８７０９６号明細書 米国特許第５９０７４３７号明細書 米国特許第５９１４８１８号明細書 米国特許第５９１８９６１号明細書 米国特許第５９３００５０号明細書 米国特許第５９３３２７８号明細書 米国特許第６００８９５１号明細書 米国特許第６０１０１２１号明細書 米国特許第６０６２６９４号明細書 米国特許第６０７５９１２号明細書 米国特許第６０８９７１７号明細書 米国特許第６２４０１１６号明細書 米国特許第６３２４３２０号明細書 米国特許第６５５２８５３号明細書 米国特許第６９５０４５４号明細書 米国特許第７０５２１４５号明細書 米国特許第７４２０９９６号明細書 米国特許第７４３７０３４号明細書 米国特許出願公開第２００５／００５７７３１号明細書 米国特許出願公開第２００５／００９９６９８号明細書 米国特許出願公開第２００６／０００１９７３号明細書 米国特許出願公開第２００６／００２３１７３号明細書 米国特許出願公開第２００９／００４０４７７号明細書 米国特許出願公開第２００９／０１２２２７２号明細書 米国特許第４９７８１９７号明細書 米国特許第６１２４９７３号明細書 米国特許第６５９４０９０号明細書 米国特許第６１８６６２９号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２１９４６９号明細書 米国特許第７３２５９５９号明細書 米国特許第７３６０８９９号明細書 米国特許第７４２２３２９号明細書 米国特許出願公開第２００９／０２８４７１３号明細書 欧州特許出願公開第２００３４８４号明細書 欧州特許出願公開第２０４３２１１号明細書 国際公開第ＷＯ２００５／０６３４３３号パンフレット

以上の説明からわかるように、固体光源アレイの長所が活きる照明光源であって、ＤＬＰ式ＳＬＭやＬＣＯＳーＬＣＤ式ＳＬＭと効率的に併用可能なものを、実現することが求められている。

画像投射システムにおける輝度向上のため、本願では、
前縁及び２個の側縁を有するベースと、
そのベースに連ね本ビーム整列室の長手方向沿いに設けられた第１及び第２側壁と、
ベースの前縁にあり出射孔を有する前壁と、
少なくとも一軸に関しビーム拡散が補正されていない光ビームを第１又は第２側壁越しに送り込む複数個の光源と、
それぞれ光源のうち少なくとも１個と対をなしており、対応する光源に発した光ビームが本ビーム整列室の長手方向に沿うよう転向し他の光ビームと共に平行光ビーム整列アレイとなり出射孔から出射されるよう、また光源から出射孔に至る光路がどの光ビームでもほぼ等しい長さになるようベースに複数個実装されており、且つ独立したヨー調整部材及びピッチ調整部材を有するベース側反射器と、
ビーム拡散を少なくとも一軸に関し補正すべく平行光ビーム整列アレイの光路上に配された１個又は複数個の光学素子と、
を備える細長いビーム整列室を設けることを提案する。

本発明に係るビーム整列室及び方法は、複数個のレーザ光源アレイから入射してくるレーザ光ビームを整列させ、二次元的な平行レーザ光ビーム整列アレイとして出射する構成にすることができる。

本発明に係るビーム整列室は、光ビーム配置が密な平行レーザ光ビーム整列アレイを出射光路に沿い出射させる構成にすることができる。

別々の光路を辿った光同士をプリズムで結合させる従来型画像投射システムを示す模式的ブロック図である。 光学系におけるエタンデュの概念を示す図である。 光変調チャネルを複数個、画像投射用の投射光学系を複数個有する投射システムの全体構成を示す模式的ブロック図である。 光変調チャネルを複数個、画像投射用の投射光学系を１個有する投射システムの全体構成を示す模式的ブロック図である。 別々の固体レーザ光源アレイに発する光ビーム同士をミラーで整列させる構成を示す模式図である。 別々の固体レーザ光源アレイに発する光ビーム同士を結合させる転向プリズムを示す模式的側面図である。 図５Ａに示した転向プリズムの斜視図である。 その両側から光ビームを入射可能な転向プリズムを示す模式的側面図である。 別々の固体レーザ光源アレイに発する光ビーム整列アレイ同士を結合させるビーム整列室の一例構成を示す斜視図である。 ビーム整列室の両側における固体レーザ光源アレイの配置を、上側にあるカバーを省略して描いた斜視図である。 ビーム整列室におけるカバー側反射器とベース側反射器の位置関係を示す斜視図である。 ビーム整列室で使用される個別に可調なミラーマウントの一例構成を、側壁のうち一方及び上にあるカバーを省略して描いた斜視図である。 ビーム整列室の側壁を示す平面図である。 出射光ビームアレイにおける光ビーム整列アレイの配置を示す平面図である。 カバー側反射器に係る光路及びベース側反射器に係る光路を１本ずつ例示する頂面図である。 ビーム整列室における光路長等化の仕組みを示す部分的頂面図である。 出射光ビームを調光する光学系が光路長等化で簡素化される仕組みを示す斜視図である。 キネマティックマウントに備わる独立したピッチ調整部材及びヨー調整部材の一例構成を示す斜視図である。

以下、本件技術分野で習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）が上述のものを含め本発明の構成及び効果を一読で理解することができるよう、別紙図面を参照しつつ本発明の実施形態に関し詳細に説明する。その説明の対象は、本発明に係るビーム整列室の構成要素やそれと密接に連携する要素に絞ることとする。具体的な説明乃至明示を欠く要素については、いわゆる当業者にとり周知の諸形態を採りうるものと解されたい。

また、本願における図示及び説明は、本発明の作用・原理を説明するためのものであり、実物の寸法やその比率を示すためのものではない。本発明の実施形態で使用可能なレーザ光源アレイは小さな要素で構成されているので、基本構造、形状及び作動原理を強調すべく若干大きめに描いてある。

これから説明する実施形態は、各色成分の光強度が高い電子式の画像投射システムを実現するのに役立つものである。この点について深くご理解頂くため、まず、本発明に係るビーム整列室及び方法を使用可能な画像投射システムの全体構成について説明することにする。図３Ａ及び図３Ｂに、図１に示した投射システム１０に代わる二種類の基本構造を模式的に示す。本発明は、どちらの基本構造下でも照明システム構成要素として好適に実施することができる。

そのうち一種類目の基本構造は、図３Ａに示す通り、３個の光変調チャネル４０ｒ，４０ｇ，４０ｂを用いる投射システム１０である。チャネル４０ｒ，４０ｇ，４０ｂは、順に、対応する照明システム４２から来るＲ，Ｇ，Ｂ色基本色光を変調する。その基本色光は、レンズ５０越しに自チャネル内の偏向保持性の光導波路５２に入射し、その光導波路５２の出射端等にあるレンズ５４越しにインテグレータ５１に入射し、システム１０内成像システムの一部たるＳＬＭ６０に入射する。レンズ５０や光導波路５２は省略してもよい。インテグレータ５１としては、フライアイインテグレータ、インテグレーティングバー等を使用することができる。ＳＬＭ６０としては、反射又は回折を通じ光を変調する微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）式ＳＬＭ、例えばＤＬＰに代表される反射型ＭＥＭＳーＳＬＭを使用することができる。これらのデバイスは偏向状態に関し中立であり、その偏向状態を概ね変化させることなく個々の画素に係る光を変調することができる。ＭＥＭＳ反射面への入射角の違いで偏向状態がずれることもあるが、そうした偏向状態変化はＭＥＭＳ反射面への入射角を画素毎に調整することで抑圧することができる。そして、投射光学系７０は、変調された光を表示面８０上に投射する。光学系７０の輪郭が破線で図示されているのは、様々な形態を採りうるからである。

二種類目の基本構造は、図３Ｂに示す通り、色別の光変調チャネル４０ｒ，４０ｇ，４０ｂで変調された光同士を色結合器７６で結合させ、共通の出射軸Ａに沿い投射するものである。色結合器７６としては、電子成像の分野でいわゆる当業者にとり周知な種々の結合器、例えばプリズムやダイクロイック面からなるＸキューブ等のアセンブリを使用することができる。

これらの基本構造における照明システム４２の役目は、別々のレーザ光源アレイから来る光ビーム同士を結合すること及び共通の照明光路沿いに整列させることである。図４に、光ビーム同士を結合する手法の一例として、別々の固体光源アレイ４４，４４’から来る輻射光同士を結合して平行レーザ光ビーム整列アレイを発生させるものを示す。この構成では、分散配置されている幾枚かのミラー４６でアレイ４４’の光軸を屈曲させ、アレイ４４の光軸に対し平行に揃えることができるが、熱や間隔に関する制約があるため集積しうる光源アレイの個数が制約され、またレーザ光源同士の間隔で解像度が制約される、という難点がある。

図５Ａ及び図５Ｂに、別例として、光転向プリズム４８を用いる改良型ビーム結合器の側面及び斜視外観を示す。この例では、４個の固体光源アレイ４４に発するレーザ光同士を照明システム４２内で結合させ、図４に示したアレイ配置に比し狭い面積内に束ねることができるよう、光転向プリズム４８を使用している。このプリズム４８は、アレイ４４を構成する複数個のレーザ光源２６から方向Ｄ１沿いに輻射された光が入射してくる入射面３２、輻射方向Ｄ１に対しある傾斜角をなしていて光源２６からの輻射光を内部全反射させる転向ファセット３８を複数個有する転向面３６、並びに転向された光が輻射方向Ｄ１に対し略直交する方向Ｄ２に沿い出射していく出射面３４を備えている。図示の如く転向面３６が段差状になっているので、光路同士の間隔が狭まり光ビームが狭い面積内に束ねられることになる。なお、個々のアレイ４４における光源２６の配列方向は図５Ｂに示す長手方向Ｌであり、転向面３６上のファセット例えば３８の延長方向も同じ方向Ｌである。

図６に、照明システム４２内光転向プリズム４８の別例として、図５Ａ及び図５Ｂに示した構成に比しコンパクトな形態で光源アレイを使用できる照明装置の縦断面を示す。この例では、プリズム４８に転向面３６が２個設けられており、互いに逆の方向Ｄ１，Ｄ１’に沿い輻射光が入射するよう各面３６の向かいに光源アレイ４４が配置されている。どちらの転向面３６にも、転向ファセット３８に加え、対応するアレイ４４からの入射方向に対し直交する入射ファセット２８を含めた二種類のファセットが形成されている。

光転向プリズム４８を用いる手法は、従来の平行光ビーム形成方法に比べ全体的に優れているが、残念なことに幾つかの問題を抱えている。その一つは整列に関する問題である。即ち、この光結合手法では、光ビームが適切な方向を向くよう個々の光源アレイ４４を十分精密に配置する必要がある。その精度が不十分だとプリズム４８に対する個々のレーザ光源の位置関係がずれるので、アレイ実装機構に厳しい条件が課される。ハイパワーなレーザ光源では大量の熱が生じるので、実装や整列に当たりその熱を逃がせるように工夫する必要もある。アレイ４４の実装密度次第では、この構成の特徴である拡張性が損なわれることとなる。そして、プリズム４８の実装は難しく、作動時にプリズム形成素材の温度が変化すると不要な複屈折を初めとする問題が生じる。レーザ光を十分に遮蔽したいという要請に応えるのも厄介である。

その点、本発明に係るビーム整列室を色成分毎に設ければ、別々のレーザ光源から来る平行光ビーム同士を色成分毎に結合させ、秀逸な照明光を得ることができる。本発明に係るビーム整列室は、光変調チャネル４０ｒ，４０ｇ，４０ｂそれぞれの照明システム４２を構成する要素として、図３Ａに示す構成や図３Ｂに示す構成に組み込まれる。

図７に、本発明の一実施形態に係るビーム整列室１００の斜視外観を示す。この室１００では、別々の固体光源アレイ例えばレーザ光源アレイから出射された光ビーム整列アレイ同士を結合、補間することで、自室１００の長手方向に延びる照明軸Ａ１に沿い平行光化（コリメート）された複数本の光ビームからなる平行光ビーム整列アレイを生成する。図８〜図１１にその室１００の詳細を示す。

図７〜図１１に示す通り、このビーム整列室１００は、前縁１１２、後縁１１４、第１側縁１１６及び第２側縁１１８を有するベース１１０のほか、第１側壁１２０及び第２側壁１２２や前壁１３２も備えている。側壁１２０，１２２は、相対向し室１００の長手方向沿いに延びるようベース１１０の対応する側縁１１６，１１８に連なっており、対応する光源アレイ１４０から室１００内に光ビームを導入するための側孔１２４を複数個有している。前壁１３２は、その光ビームを室１００外に出射させるための出射孔１２８を有している。更に、出射孔１２８を介し室１００から出射されることとなるよう対応するアレイ１４０からの光ビームを転向させる反射器１３０が複数個、側壁１２０，１２２に対しある傾斜角を呈するよう配置されている。出射孔１２８を介し出射される都合複数本の光ビームは互いに平行であり、二次元的な平行光ビーム整列アレイを形成している。反射器１３０はいずれもベース１１０（及びカバー１２６）上に実装されており、どの反射器１３０にも独立したピッチ調整部材及びヨー調整部材が備わっているので、別々のアレイ１４０から来た光ビーム整列アレイ同士を精密に整列させることができる。それらピッチ，ヨー調整部材に対応し、カバー１２６には図７に示す如く調整用アクセス孔１５４が複数個設けられている。これに代え、ベース１１０側に１個又は複数個の調整用アクセス孔を設けるようにしてもよい。ただ、図７に示した構成なら、実装先がベース１００かカバー１２６かを問わず、各反射器１３０のピッチ，ヨー調整部材にカバー１２６側からアクセスことができる。

このように、ベース１１０の側縁１１６，１１８に側壁１２０，１２２を接いだ角筒状のモジュールとしてビーム整列室１００を構成することで、ビーム間隔が狭く実装が容易な室１００にすることができる。図７〜図１１に示した例と異なる構成を採ることもできる。例えば、側壁１２０，１２２を別の構成にすること、ベース１１０を別の形状、例えば前縁、第１側縁及び第２側縁の三辺しかない三角形にすること、ベース１１０が側壁１２０，１２２と一体になり大きなシャーシ構造を形成する構成にすること、シャーシその他の構造を形成する他部材をカバー１２６として機能させる構成にすること等が可能である。

このビーム整列室１００には、図８にその斜視外観を示す如く、側壁１２０，１２２沿いに６個ずつ都合１２個の光源アレイ１４０が実装されている。ベース１１０やカバー１２６の上には、その光源アレイ１４０と対をなすよう都合１２個の反射器１３０が実装されている。個々の光源アレイ１４０からの光ビーム整列アレイはその作用で互いに整列し、二次元的な平行光ビーム整列アレイたる出射光ビームアレイ１５０を形成する。その出射光ビームアレイ１５０の断面上では、個々の光源アレイ１４０の寄与分がめいめいにその一郭を占める。本実施形態では、こうして出射光ビームアレイ１５０となり出射孔１２８を介し出射される光が、照明ビームに適するパターンを有し且つ使用するＳＬＭ（図３Ａ及び図３Ｂに示す例ではＳＬＭ６０）のアスペクト比に応じた寸法を有するものになるようにしている。

なお、図８に示したビーム整列室１００におけるベース側，カバー側反射器１３０の配置については図９に示す斜視外観を参照されたい。それに付随するミラーマウント２００に関しては、図１０に示す斜視外観を参照して後に説明する。

図１２に、その出射光ビームアレイ１５０における光ビーム整列アレイの平面配列を示す。まず、図８に示した固体光源アレイ１４０は、それぞれ、複数本の光ビーム１４８がアレイ状に並ぶ光ビーム整列アレイをビーム整列室１００に送り込む。すると、それらの光ビーム整列アレイによって、あるアスペクト比を有する方形で二次元的な平行光ビーム整列アレイ、即ち出射光ビームアレイ１５０が形成される。その出射光ビームアレイ１５０は、この位置関係を保ちつつ、図７及び図８に示す如く照明用の出射光として出射される。図７〜図１１に例示した構成の場合、光源１４０のうち６個がベース側反射器１３０、他の６個がカバー側反射器１３０と対をなしているので、出射光ビームアレイ１５０のうち下部にはベース側反射器１３０経由の光ビーム整列アレイ１４２ａ〜１４２ｆ、上部にはカバー側反射器１３０経由の光ビーム整列アレイ１４４ａ〜１４４ｆが並ぶこととなる。なお、図７では、出射光ビームアレイ１５０のうちベース側反射器１３０経由部分のみ、片側６個ある光源アレイ１４０のうち３個のみに図示を留めたので、その点に留意されたい。

図１３に、ビーム整列室１００における光源アレイ１４０と反射器１３０の組合せ方の一例を示す。この頂面図に示すように、本実施形態では、ビーム整列室１００のカバー１２６に光源アレイ１４１ａ〜１４１ｆ、ベース１１０に光源アレイ１４０ａ〜１４０ｆを実装し、図１２に示した光ビーム整列アレイのうち１４４ａ〜１４４ｆを前者、１４２ａ〜１４２ｆを後者から送り込むと出射光ビームアレイ１５０が発生するようにしている。光路については、カバー１２５寄りにある光源アレイ１４１ｃから発しカバー側反射器１３１ｃを経由するものと、ベース１１０寄りにある光源アレイ１４０ｄから発しベース側反射器１３０ｄを経由するものとを示してある。

それら光源アレイ１４０を構成するレーザ光源としては、輻射光の平行度が高いものに限らず、顕著なビーム拡散を呈しつつ光ビームを輻射するタイプも使用することができる。レーザ光源で生じるそのビーム拡散は、輻射方向に直交する軸に沿った成分同士の組合せで表すことができる。そのうちある一軸に関し補正すればよいのなら、円柱レンズ等の光学部品や、レンズレットアレイ等の光学素子アレイを、そのレーザ光源自体の輻射部又はその近傍に実装すればよい。しかし、二軸を同時に補正するとなると、互いに異なる軸周りで湾曲している２個のレンズ要素で構成された双円柱レンズが必要になる。この種のレンズは高価でうまく整列させることも難しい。そのため、本実施形態では、レーザ光源アレイで生じるビーム拡散を（二軸双方についてではなく）一軸のみ、例えば図１２中のＸ軸のみについて補正したものを、光ビーム１４８として導入するようにしている。残ったＹ軸については別途ビーム拡散を補正する必要がある。

ビーム拡散のＹ軸成分を補正するため、従来のやり方に倣い、平行光化用円柱レンズを各光源アレイの出射側に設けることも可能である。しかしながら、図７〜図１１に示したビーム整列室１００でそのようにすると、レンズの個数が１２個増えてコスト高になってしまう。また、ビーム拡散が補正されるよう反射器１３０を平板状ではなく円筒状にすることも可能である。しかしながら、そうした円筒ミラーは、図８〜図１１に示した平凡な平板ミラーに比べかなり高価であるし、ミラー表面に湾曲があるのでピッチやヨーの調整手法が複雑になる。

そうしたコスト関連及び複雑さ関連の問題を避けるには、光路長がレーザ光源間で等しくなるようにすればよい。拡散特性は光ビーム間で大差がないので、出射光ビームアレイを単一の円柱レンズに通すだけで、それら光ビームの拡散を補正することができる。図１４及び図１５に、本発明の他の実施形態に係るビーム整列室１００の頂面及び斜視外観、特に光路長等化の仕組みや単一の円柱レンズ１５２による補正の仕組みを示す。本実施形態では、図１３に示した実施形態と異なり、光路と光路の隙間が他の光ビームの光路で補間されるよう一群の反射器が互い違いに配されている。更に、光源アレイ間の光路長差がなくなるよう、幾つかの光源アレイが図１４に示す如く配されている。個々の光源アレイ１４１ａ〜１４１ｆにおけるビーム拡散の方向はそのアレイ１４１ａ〜１４１ｆの延長方向である。光源アレイ間で光路長が等化されているので、図１５に示す円柱レンズ１５２への入射角は、どのレーザ光源についてもほぼ同じ角度になる。円柱レンズ１５２は、そのレンズ１５２への入射光をビーム拡散軸に沿いコリメートする。円柱レンズ１５２でまとめてコリメートするので、そのビーム拡散軸に係るコリメート用光学部品を光源アレイ毎に設ける必要はない。円柱レンズ１５２に代え、相応の湾曲を有する反射器等の光学素子を使用することもできる。

なお、円柱レンズ１５２は代表例に過ぎない。光ビーム整列アレイの光路上に配置すること及びそれをコリメートすることが可能な光学素子はほかにも数多くある。例えば、交差配置型円柱レンズ対を用い直交二軸それぞれに沿いビーム拡散を補正することも可能である。図示しないが、光源アレイ１４０に発する光路毎にコリメート用のレンズを設ければ、図１５に示した形態のコリメート用光学部品（円柱レンズ１５２等）抜きでも、平行度が高い光を出射孔１２８から出射させることができる。

また、ビーム整列室１００に備わる複数個の反射器１３０は、いずれも、独立したピッチ調整部材及びヨー調整部材を備えている。図１６に、そうした調整部材を有しベース側に実装されているミラーマウント２００を示す。このマウント２００では、ベース部材２１０に連結された支持フレーム２０４によって反射素子２０２が支持されている。ベース部材２１０に対する支持フレーム２０４の連結は可調であり、図中のＸ軸周りで調整することでピッチ、Ｙ軸周りで調整することでヨーに対処することができる。このほかにも、様々な形態のミラーマウントを室１００内で使用することができる。

更に、本発明の諸実施形態に係るビーム整列室１００は、例えば図３Ａ及び図３Ｂを参照して前述した投射システム１０と同じ基本構造を有する画像投射システム内で、照明システム構成要素として使用することができる。ビーム整列室１００からの出射光を更に調光すること、例えばインテグレータバー等のデバイスでユニフォマイズしより均質な変調用照明光ビームを生成することも可能である。反射器１３０の実装先を単一面（例えばベース側のみ；図７参照）にすることも複数面（例えばベース側，カバー側双方；図８参照）にすることも可能である。反射器１３０をダイクロイック面にして効率向上を図ることもできる。

本発明に係るビーム整列室によれば、複数個あるレーザ光源アレイから輻射された光ビームを密に束ねることができる。角度の付いた光ビームを結合させる必要がないので、画像投射システムに備わる照明システムのエタンデュが大きく増すこともない。高度にモジュール化されたビーム整列室になるため、光路上に位置する様々な部材を最初から整列させ直すことなく、個々のレーザ光源アレイを交換することができる。光ビームの整列状態を、レーザ光源自体の調整例えば再位置決めではなく、反射器の調整で調整することができる。

光源アレイ１４０をモジュール状にすれば、図７等に示すように、側壁１２０，１２２に設けた側孔１２４に直にはめ込むことができる。この構成は漏洩光の低減に役立つので、照明システムの設計に当たりレーザ光の遮蔽が重視される場合に特に有益である。

そして、特定の実施形態を参照しつつ本発明に関し説明してきたが、それを変形乃至改良した構成も本発明の技術的範囲に含まれうるので、その点を了解されたい。例えば、上掲の諸実施形態ではレーザ光源アレイを使用しているが、その代わりに他種固体発光部品を用いることも可能である。補助的なレンズその他の光学部品を個別の光路に付加することも可能である。画像投射システム内の一個所又は複数個所にセンサを設け色成分毎に光強度を検知することも可能である。それには様々な種類のセンサを使用することができる。このように、本発明によれば、照明光源たる固体光源に発した光を整列させる装置及び方法が得られる。

１０ 投射システム、１２ 光源、１４ プリズムアセンブリ、１８ 光学系、２０，２０ｒ，２０ｇ，２０ｂ，６０ 空間光変調器（ＳＬＭ）、２６ レーザ光源、２８ 入射ファセット、３０ 投射レンズ、３２ 入射面、３４ 出射面、３６ 転向面、３８ 転向ファセット、４０ｒ，４０ｇ，４０ｂ 光変調チャネル、４２ 照明システム、４４，４４’，４４ａ，４４ｂ，１４０，１４０ａ〜１４０ｆ，１４１ａ〜１４１ｆ 光源アレイ、４６ ミラー、４８ 光転向プリズム、５０，５４ レンズ、５１ インテグレータ、５２ 光導波路、７０ 投射光学系、７６ 色結合器、８０ 表示面、８４ ダイクロイック面、１００ ビーム整列室、１１０ ベース、１１２ 前縁、１１４ 後縁、１１６ 第１側縁、１１８ 第２側縁、１２０ 第１側壁、１２２ 第２側壁、１２４ 側孔、１２６ カバー、１２８ 出射孔、１３０ 反射器、１３０ｄ ベース側反射器、１３１ｃ カバー側反射器、１３２ 前壁、１４２ａ〜１４２ｆ，１４４ａ〜１４４ｆ 平行光ビーム整列アレイ、１４８ 光ビーム、１５０ 出射光ビームアレイ、１５２ 円柱レンズ、１５４ 調整用アクセス孔、２００ ミラーマウント、２０２ 反射素子、２０４ 支持フレーム、２１０ ベース部材、Ａ，Ａ１，Ｘ，Ｙ 軸、Ｄ１，Ｄ１’ 輻射方向、Ｄ２ 出射方向。

Claims (11)

1. 前縁及び２個の側縁を有するベースと、
   そのベースに連ね本ビーム整列室の長手方向沿いに設けられた第１及び第２側壁と、
   ベースの前縁にあり出射孔を有する前壁と、
   少なくとも一軸に関しビーム拡散が補正されていない光ビームを第１又は第２側壁越しに送り込む複数個の光源と、
   それぞれ光源のうち少なくとも１個と対をなしており、対応する光源に発した光ビームが本ビーム整列室の長手方向に沿うよう転向し他の光ビームと共に平行光ビーム整列アレイとなり出射孔から出射されるよう、また光源から出射孔に至る光路がどの光ビームでもほぼ等しい長さになるようベースに複数個実装されており、且つ独立したヨー調整部材及びピッチ調整部材を有するベース側反射器と、
   ビーム拡散を少なくとも一軸に関し補正すべく平行光ビーム整列アレイの光路上に配された１個又は複数個の光学素子と、
   を備える細長いビーム整列室。
2. 請求項１記載のビーム整列室であって、形成される平行光ビーム整列アレイが二次元的な光ビームアレイになるよう個々のベース側反射器が一次元光源アレイと対をなすビーム整列室。
3. 請求項１記載のビーム整列室であって、その光源として、第１側壁越しに光ビームを送り込むものと第２側壁越しに光ビームを送り込むものとを備えるビーム整列室。
4. 請求項１記載のビーム整列室であって、
   そのベースから空間的に隔たるよう第１及び第２側壁に連ね設けられたカバーと、
   それぞれ光源のうち少なくとも１個と対をなしており、対応する光源に発した光ビームが本ビーム整列室の長手方向に沿うよう転向しベース側反射器によるものと共に平行光ビーム整列アレイとなり出射孔から出射していくようカバーに複数個実装されており、且つ独立したヨー調整部材及びピッチ調整部材を有するカバー側反射器と、
   を備えるビーム整列室。
5. 請求項４記載のビーム整列室であって、カバー側反射器に備わるヨー調整部材及びピッチ調整部材並びにベース側反射器に備わるヨー調整部材及びピッチ調整部材にアクセスできるよう、そのカバーに調整用アクセス孔が設けられたビーム整列室。
6. 請求項１記載のビーム整列室であって、ビーム拡散を補正する光学素子として、そのビーム拡散を一軸に関し補正する円柱レンズを備えるビーム整列室。
7. 請求項１記載のビーム整列室であって、ビーム拡散を補正する光学素子として、そのビーム拡散を二軸に関し補正する交差配置型円柱レンズ対を備えるビーム整列室。
8. 請求項１記載のビーム整列室であって、ビーム拡散の補正で平行光ビーム整列アレイがコリメートされるビーム整列室。
9. 請求項１記載のビーム整列室であって、その光源としてレーザ光源を備えるビーム整列室。
10. 請求項１記載のビーム整列室であって、レーザ光投射システムにてレーザ光源システムの一構成要素として使用され、そのレーザ光投射システムが、
    平行レーザ光ビームアレイを出射するレーザ光源システムと、
    レーザ光を受け入れユニフォマイズする照明システムと、
    照明システムでユニフォマイズされたレーザ光に対する操作で像を発現させる成像システムと、
    その像を表示面上に投射する投射システムと、
    を有するビーム整列室。
11. 複数本の光ビームを整列させる方法であって、
    出射部を有する室又はその一部になるよう、ベースに連ね相対向する第１及び第２側壁を設けるステップと、
    独立したヨー調整部材及びピッチ調整部材を有する反射器を、第１及び第２側壁から空間的に隔たるよう且つそれら側壁に対しある傾斜角を呈するよう、ベース沿いに複数個実装するステップと、
    対をなす反射器によってその光ビームアレイが反射され他の光ビームアレイと共に光ビーム整列アレイとなって室の出射孔から出射されるよう、光ビームアレイ発生用の光源アレイを複数個準備するステップと、
    少なくとも一軸に関しそのビーム拡散を補正する補正用光学素子を、個々の光源アレイからの光路長が互いに等しくなるよう光ビーム整列アレイの光路上に配置するステップと、
    を有する方法。

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