JP2014191206A - Light source device and projector - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light source that has speckle sufficiently reduced in a light source device provided with a light source element radiating coherent light.SOLUTION: A light source device has: a plurality of light source elements that radiates coherent light; an optical fiber; and a coupling optical system that allows radiation light from the plurality of light source elements to be guided to an incident edge face of the optical fiber. The coupling optical system has a condensing optical system receiving the radiation light from the plurality of light source elements, respectively and allowing the radiation light to be collectively condensed onto the incident edge surface of the optical fiber. Let a ray corresponding to a center of an angle distribution of a flux of light when the radiation light from the plurality of light source elements, respectively is incident to the condensing optical system be a principal ray, the principal ray passing through the condensing optical system and right after incident to the incident edge face of the optical fiber is almost parallel with a central axis of the optical fiber.

Description

本発明は光源装置に関し、特に光ファイバを導光手段として用いる光源装置に関する。また、本発明はこのような光源装置からの射出光を利用して画像を投影表示するプロジェクタに関する。   The present invention relates to a light source device, and more particularly to a light source device using an optical fiber as a light guide. The present invention also relates to a projector that projects and displays an image using light emitted from such a light source device.

近年、レーザを光源として利用した光照射装置が開発されており、その光照射装置を使用した画像表示装置なども開発が進んでいる。
レーザを光源として用いる利点として、非常に指向性が高い光源であるため、光源から発した光を小さいエテンデュー内に注入できることが挙げられる。従って、画像表示装置の光源としてレーザを用いることで、高効率な光源を提供できるという利点がある。
In recent years, a light irradiation device using a laser as a light source has been developed, and an image display device using the light irradiation device has also been developed.
An advantage of using a laser as a light source is that the light emitted from the light source can be injected into a small etendue because the light source has a very high directivity. Therefore, there is an advantage that a highly efficient light source can be provided by using a laser as the light source of the image display device.

しかしながら、レーザは非常に可干渉性が高いコヒーレント光源であるため、特に光ファイバを通過した射出光を投射した場合に、粒状又は斑点状の模様が不可避的に現れる、いわゆるスペックルと呼ばれる干渉現象が発生するという問題がある。つまり、画像表示装置の光源としてレーザ及び光ファイバを用いた場合、投影画像の画質に著しい劣化が生じる。   However, since a laser is a coherent light source with very high coherence, an interference phenomenon called so-called speckle, in which a granular or speckled pattern inevitably appears especially when projected light passing through an optical fiber is projected. There is a problem that occurs. That is, when a laser and an optical fiber are used as the light source of the image display apparatus, the image quality of the projected image is significantly deteriorated.

このようなスペックルを低減させる方法が、例えば下記特許文献1及び2などに開示されている。
特許文献1には、各光源から放射されるコヒーレント光を、拡大光学系、集光光学系を介して、光ファイバの最大入射角度で光ファイバに入射する構成が開示されている。
この構成とすることで、光ファイバ内を伝搬される間に、当該光ファイバに入射された光の反射回数が増える。これにより、各コヒーレント光の等位相面が乱され、更に光ファイバ内部で光が混ざり合うことで、各光源からの光の空間強度分布、伝播角、発散角を一致させ光源全体のコヒーレンスを低減することができるとされている。
A method for reducing such speckle is disclosed in, for example, Patent Documents 1 and 2 below.
Patent Document 1 discloses a configuration in which coherent light emitted from each light source is incident on an optical fiber through a magnifying optical system and a condensing optical system at the maximum incident angle of the optical fiber.
With this configuration, the number of reflections of light incident on the optical fiber increases while propagating through the optical fiber. This disturbs the equiphase surface of each coherent light and further mixes the light inside the optical fiber, thereby matching the spatial intensity distribution, propagation angle, and divergence angle of the light from each light source, thereby reducing the coherence of the entire light source. It is supposed to be possible.

特許文献2には、一次元的に配列された各光源から放射されるコヒーレント光を、光のコヒーレント度合いを低減させる目的で、ビーム整形手段及び集光光学系を介して光ファイバに入射する構成が開示されている。   Patent Document 2 discloses a configuration in which coherent light emitted from each light source arranged one-dimensionally is incident on an optical fiber via a beam shaping unit and a condensing optical system for the purpose of reducing the degree of coherence of the light. Is disclosed.

特開2008−242371号公報JP 2008-242371 A 特開2009−54325号公報JP 2009-54325 A

しかし、これら従来技術では、互いにインコヒーレントな複数の光源からの光の混合によるスペックル低減作用を十分に活用できていなかった。   However, in these conventional techniques, the speckle reduction effect by mixing light from a plurality of light sources that are incoherent to each other cannot be fully utilized.

特許文献1及び2の方法では、いずれも、光ファイバの光入射端面に各光源から放射された光が入射される時点において、その光の主光線の傾きが放射元の光源毎に異なっている(図15参照)。なお、ここで「主光線」とは、一つの点状光源から発せられた光束の角度分布の中心に対応する光線を指す。つまり、主光線を中心としてある角度で拡がりを有した光線群が光束に対応する。   In both methods of Patent Documents 1 and 2, when light emitted from each light source is incident on the light incident end face of the optical fiber, the inclination of the principal ray of the light is different for each light source. (See FIG. 15). Here, the “principal ray” refers to a ray corresponding to the center of the angular distribution of the luminous flux emitted from one point light source. That is, a group of light beams having a spread at an angle with the principal light beam as the center corresponds to the light flux.

図15は、異なる光源素子200,210,220からの放射光が光ファイバ10に入射された後、光ファイバ10から射出される状態を模式的に示す図である。なお図15では、光ファイバ10はコアのみを図示し、クラッドは省略してある。
図15では、図面の煩雑化を避けるべく、各光源素子(200,210,220)からの放射光を、主光線(201,211,221)のみで表現している。更に、各光源素子(200,210,220)からの放射光を光ファイバ10に注入するための結合光学系の記載を省略してある。実際には、光源素子200からは、主光線201を中心としたある角度の拡がりを有した光束が光ファイバ10の光入射端面10aに入射される。同様に、光源素子210からは、主光線211を中心としたある角度の拡がりを有した光束が、光源素子220からは、主光線221を中心としたある角度の拡がりを有した光束が、光ファイバ10の光入射端面10aに入射される。
FIG. 15 is a diagram schematically illustrating a state in which radiated light from different light source elements 200, 210, and 220 is emitted from the optical fiber 10 after being incident on the optical fiber 10. In FIG. 15, the optical fiber 10 shows only the core, and the cladding is omitted.
In FIG. 15, in order to avoid complication of the drawing, the radiated light from each light source element (200, 210, 220) is expressed only by the principal ray (201, 211, 221). Furthermore, description of the coupling optical system for injecting the radiated light from each light source element (200, 210, 220) into the optical fiber 10 is omitted. Actually, from the light source element 200, a light beam having a certain angle spread around the principal ray 201 is incident on the light incident end face 10 a of the optical fiber 10. Similarly, from the light source element 210, a light beam having a certain angle spread centered on the principal ray 211, and from the light source element 220, a light flux having a certain angle spread centered on the principal ray 221 is emitted. The light is incident on the light incident end face 10 a of the fiber 10.

ここで、主光線201は、光ファイバ10の光入射端面10aに対して垂直に、すなわちファイバ軸10cに対して平行に入射されるものとする。一方、主光線211及び主光線221は、いずれも光ファイバ10のファイバ軸10cに対して、角度θ1で入射されるものとする。ここでは、光入射端面10aの法線に対する主光線(211,221)の角度をθ1としている。   Here, it is assumed that the principal ray 201 is incident perpendicular to the light incident end face 10a of the optical fiber 10, that is, parallel to the fiber axis 10c. On the other hand, both the principal ray 211 and the principal ray 221 are incident on the fiber axis 10c of the optical fiber 10 at an angle θ1. Here, the angle of the principal ray (211, 221) with respect to the normal line of the light incident end face 10a is θ1.

光ファイバ10内では、光束は、コア−クラッド境界での反射の度毎に、ファイバ軸10c周りに引き伸ばされて混合されるが、光ファイバ10の長さがあまり長くない場合(例えば直径1mmのコア径を有するファイバでは10m程度以下の長さの場合)は、光ファイバ10に入射された光の角度は、光ファイバ10内で保存される。つまり、光ファイバ10の光入射端面10aにおいて、ファイバ軸10cに対して平行に入射された主光線201は、光ファイバ10の光射出端面10bにおいても、ファイバ軸10cに対して略平行な光線群として射出される(光線群202)。同様に、光ファイバ10の光入射端面10aにおいてファイバ軸10cに対して角度θ1で入射された主光線211,221は、光射出端面10bにおいて、ファイバ軸10cに対して角度θ1を有する光線群として射出される(光線群212,222)。   In the optical fiber 10, the light flux is stretched and mixed around the fiber axis 10 c for each reflection at the core-cladding boundary, but the length of the optical fiber 10 is not so long (for example, a diameter of 1 mm). In the case of a fiber having a core diameter of about 10 m or less), the angle of light incident on the optical fiber 10 is preserved in the optical fiber 10. In other words, the principal ray 201 incident in parallel to the fiber axis 10c on the light incident end face 10a of the optical fiber 10 is a group of rays substantially parallel to the fiber axis 10c also on the light exit end face 10b of the optical fiber 10. Is emitted (ray group 202). Similarly, the principal rays 211 and 221 incident at the angle θ1 with respect to the fiber axis 10c at the light incident end face 10a of the optical fiber 10 are light rays having an angle θ1 with respect to the fiber axis 10c at the light exit end face 10b. It is emitted (ray groups 212 and 222).

ここで、光線群212と光線群222は、ファイバ軸10cに対して同一の射出角θ1で射出されるため、これらの光は混ざり合う。一方、光線群202は、光線群212及び222とは射出角が異なるため、これらと混ざり合うことはない。
例えば特許文献1や特許文献2の技術では、それぞれの発光点から発した主光線は、集光光学系を通過後においては、互いに角度を有して光ファイバの入射端面に向かわせられるため、ファイバ軸を挟んで反対側に位置する主光線どうしは混ざり合うが、そうでない主光線どうしは混ざり合わない。
Here, since the light beam group 212 and the light beam group 222 are emitted at the same emission angle θ1 with respect to the fiber axis 10c, these lights are mixed. On the other hand, the light beam group 202 does not mix with the light beam groups 212 and 222 because they have different exit angles.
For example, in the techniques of Patent Document 1 and Patent Document 2, chief rays emitted from the respective light emitting points are directed to the incident end face of the optical fiber with an angle after passing through the condensing optical system. The chief rays located on the opposite sides of the fiber axis are mixed, but the chief rays that are not are not mixed.

例として、光源素子200と光源素子210で比較すると、光源素子200から放射された光は、光ファイバ10の光射出端面10bから射出される際に、光線群202を中心としてある角度で拡がりを有する光束202sを形成する。同様に、光源素子210から放射された光は、光射出端面10bから射出される際には、光線群212を中心としてある角度で拡がりを有する光束212sを形成する。   As an example, when the light source element 200 and the light source element 210 are compared, the light emitted from the light source element 200 spreads at a certain angle around the light beam group 202 when emitted from the light emitting end face 10b of the optical fiber 10. The luminous flux 202s is formed. Similarly, when the light emitted from the light source element 210 is emitted from the light emitting end face 10b, a light beam 212s having a spread at a certain angle with respect to the light ray group 212 is formed.

しかし、ファイバ軸10cに対する射出角度が主光線202と主光線212では異なっているため、図15に示すように、光束202sと光束212sは混ざり合わない。つまり、この構成では、各光源素子からの放射光の主光線が、光ファイバ10のファイバ軸10cに対して相互に軸対称となる位置関係に配置された光源素子(例えば光源素子210と光源素子220)からの光しか混ざり合わない(光束212sと光束222s)。   However, since the emission angle with respect to the fiber axis 10c differs between the principal ray 202 and the principal ray 212, the light flux 202s and the light flux 212s are not mixed as shown in FIG. That is, in this configuration, the light source elements (for example, the light source element 210 and the light source element) are arranged so that the principal rays of the emitted light from each light source element are axially symmetrical with respect to the fiber axis 10c of the optical fiber 10. 220) is mixed only (light flux 212s and light flux 222s).

コヒーレント光を放射する光源素子を複数配列して光源が構成されている場合、スペックルを効果的に低減させるためには、なるべく多くの異なる光源から放射された光を同一の場所に照射して相互に光を混ぜ合うことで、干渉縞を流すことが効果的である。しかし、上記の方法では、相互に光を混ぜ合うことのできる放射元の光源の数が極めて少ないため、スペックルの低減効果はあまり期待できない。   When a light source is configured by arranging a plurality of light source elements that emit coherent light, in order to effectively reduce speckle, the light emitted from as many different light sources as possible is irradiated to the same place. It is effective to flow interference fringes by mixing light with each other. However, in the above method, since the number of radiation sources capable of mixing light with each other is extremely small, the speckle reduction effect cannot be expected so much.

ちなみに、光ファイバ10の光射出端面10b上においては、面内のどの点でも各光源素子からのコヒーレント光が通過するため、この箇所においては各光源素子からの光が混ざり合っているといえる。従って、この面を像として投影して利用することができれば、スペックルが低減された照明が可能となる。しかし、この面には、光ファイバ10の明瞭なコア−クラッド境界で囲まれており、この境界はインテグレータ(後述)を用いても消去できない。したがって、コア像の内側から必要な(四角形)領域のみを切り出して使うようにしない限り、均一な照明を得ることができず、そうすると光の利用効率が著しく低下するため、実用的でない。   Incidentally, on the light emitting end face 10b of the optical fiber 10, since the coherent light from each light source element passes through any point in the plane, it can be said that the light from each light source element is mixed at this point. Therefore, if this surface can be projected and used as an image, illumination with reduced speckles becomes possible. However, this surface is surrounded by a clear core-cladding boundary of the optical fiber 10, and this boundary cannot be erased using an integrator (described later). Therefore, uniform illumination cannot be obtained unless only a necessary (rectangular) region is cut out from the inside of the core image and used, and the use efficiency of light is significantly reduced, which is not practical.

一方、光射出端面10bから十分な距離dだけ離れた遠方の投射面250上においては、コア−クラッド境界はぼやけて消失するため、この面の像を投影するならば、インテグレータを用いて均一な照明を得ることができる。しかしながら、前記したように、各光源素子(200,210,220)からの光は、光ファイバ10の光入射端面10aに対する入射角に依存した射出角で光射出端面10bから射出されるため、結果として光源素子毎に異なる輪帯の光に分かれてしまうため、スペックル低減効果が低下してしまう。   On the other hand, since the core-cladding boundary disappears blurryly on the distant projection surface 250 that is a sufficient distance d from the light emitting end surface 10b, if an image of this surface is projected, it is uniform using an integrator. Lighting can be obtained. However, as described above, the light from each light source element (200, 210, 220) is emitted from the light emitting end face 10b at an emission angle depending on the incident angle with respect to the light incident end face 10a of the optical fiber 10, resulting in a result. As a result, the speckle reduction effect is reduced.

本発明は、上記の課題に鑑み、コヒーレント光を放射する複数の光源素子を備えた光源装置において、スペックルが十分に低減されている光源装置を提供することを目的とする。また、本発明は、このような光源装置からの射出光を利用して画像を投影表示するプロジェクタを提供することを別の目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a light source device in which speckles are sufficiently reduced in a light source device including a plurality of light source elements that emit coherent light. Another object of the present invention is to provide a projector that projects and displays an image using light emitted from such a light source device.

本発明の光源装置は、
コヒーレント光を放射する複数の光源素子と、
光ファイバと、
前記複数の光源素子からの放射光を前記光ファイバの光入射端面に導く結合光学系を有し、
前記結合光学系は、前記複数の光源素子それぞれからの放射光を受け、一括して前記光ファイバの光入射端面に集光する集光光学系を有し、
前記複数の光源素子それぞれからの放射光が前記集光光学系への入力されるときの光束の角度分布の中心に対応する光線を主光線として、前記集光光学系を経て前記光ファイバに入射した直後の前記主光線は、前記光ファイバの中心軸に略平行であることを特徴とする。
The light source device of the present invention comprises:
A plurality of light source elements that emit coherent light;
Optical fiber,
A coupling optical system for guiding emitted light from the plurality of light source elements to the light incident end face of the optical fiber;
The coupling optical system has a condensing optical system that receives radiated light from each of the plurality of light source elements and collects light collectively on a light incident end face of the optical fiber,
Light emitted from each of the plurality of light source elements is incident on the optical fiber through the condensing optical system as a chief ray corresponding to the center of the angular distribution of the light flux when the light is input to the condensing optical system. The chief ray just after is substantially parallel to the central axis of the optical fiber.

本発明の光源装置によれば、複数の光源素子から放射される各コヒーレント光は、光ファイバの光入射端面に入射した直後には、光ファイバの中心軸に略平行な主光線周りの光束として伝播している。
光ファイバに入射された光の角度は、当該光ファイバ内で保存される。このため、上記構成の場合、複数の光源素子からの放射光の主光線は、光ファイバの光射出端面においても、光ファイバの中心軸に略平行な状態が維持される。この結果、複数の光源素子からの放射光は、全て、光ファイバの中心軸に略平行な主光線と、この主光線を中心としてある角度で拡がりを有する光束を形成する。すなわち、光ファイバの中心軸に対してある角度で拡がりを有する当該光束内には、複数の光源素子からの放射光が混ざり合う。
According to the light source device of the present invention, each coherent light emitted from a plurality of light source elements is a light beam around a principal ray substantially parallel to the central axis of the optical fiber immediately after entering the light incident end face of the optical fiber. Propagating.
The angle of light incident on the optical fiber is stored in the optical fiber. For this reason, in the case of the above configuration, the principal rays of the radiated light from the plurality of light source elements are maintained substantially parallel to the central axis of the optical fiber even at the light exit end face of the optical fiber. As a result, the radiated light from the plurality of light source elements all forms a principal ray substantially parallel to the central axis of the optical fiber and a light beam having a spread at an angle with the principal ray as a center. That is, radiated light from a plurality of light source elements is mixed in the light flux having a spread at a certain angle with respect to the central axis of the optical fiber.

従って、光ファイバの光射出端面から離れた位置に投射面を設置した場合、当該投射面上のどの位置においても、従来構成より多くの光源素子からの放射光が混ざり合った状態の光が照射される。よって、従来構成よりも極めて高いスペックル低減効果が得られる。
特に、上記構成としたことで、端面の面積が比較的大きく、且つ長さが比較的短いような、従来構成ではスペックル低減効果がほとんど期待できないような光ファイバの構成であっても、スペックルを低減する効果が得られる。
Therefore, when the projection surface is installed at a position away from the light emission end face of the optical fiber, light in a state in which radiated light from more light source elements than in the conventional configuration is mixed is irradiated at any position on the projection surface. Is done. Therefore, an extremely high speckle reduction effect can be obtained compared to the conventional configuration.
In particular, with the above configuration, even if the configuration of the optical fiber has a relatively large end face area and a relatively short length, the speckle reduction effect can hardly be expected with the conventional configuration. The effect of reducing the level can be obtained.

なお、ここで、主光線が光ファイバの光入射端面に入射した直後に光ファイバの中心軸に「略平行」であるとは、光ファイバの中心軸に完全に平行な状態の他、高々数度程度の角度しか有しない状態を含む概念である。   Here, the phrase “substantially parallel” to the central axis of the optical fiber immediately after the principal ray is incident on the light incident end face of the optical fiber means that the principal ray is completely parallel to the central axis of the optical fiber, and at most It is a concept including a state having only an angle of about degrees.

上記構成を実現する具体的な一方法としては、前記光ファイバの光入射端面を前記光ファイバの中心軸に垂直な平面で構成し、前記集光光学系を出力側にテレセントリックとする方法が利用できる。   As a specific method for realizing the above configuration, a method in which the light incident end face of the optical fiber is configured by a plane perpendicular to the central axis of the optical fiber and the condensing optical system is telecentric on the output side is used. it can.

ここで、前記集光光学系が複数のレンズを有して構成される場合に、前記複数のレンズのうちの最も出力側に近い位置に配置されたレンズを前記光ファイバの光入射端面に実質的に密着させるのが好ましい。   Here, when the condensing optical system includes a plurality of lenses, a lens arranged at a position closest to the output side among the plurality of lenses is substantially disposed on a light incident end surface of the optical fiber. It is preferable to adhere closely.

前記複数の光源素子からの放射光は、集光光学系に入射され、当該集光光学系が有する最も出力側に近い位置に配置されたレンズ(以下、「最終レンズ」と呼ぶ。)から射出され、光ファイバの光入射端面にある拡がり角度を有した光束として入射される。
ここで、最終レンズと光ファイバの光入射端面に大きな離間が存在していると、光束が有する拡がり角度に起因して、当該光束に含まれる光線のうちの一部が光ファイバの光入射端面に取り込めず、複数光源素子からの放射光の利用効率が低下することが考えられる。
よって、上記のように最終レンズを前記光ファイバの光入射端面に実質的に密着させることで、光の利用効率を低下させることなく、スペックルの低減効果を著しく高められる。
Radiated light from the plurality of light source elements is incident on a condensing optical system and is emitted from a lens (hereinafter referred to as “final lens”) disposed at a position closest to the output side of the condensing optical system. Then, it is incident as a light beam having a spread angle on the light incident end face of the optical fiber.
Here, if there is a large separation between the final lens and the light incident end face of the optical fiber, a part of the light beam included in the light flux is caused by the spread angle of the light flux. It is conceivable that the utilization efficiency of the radiated light from the plurality of light source elements decreases.
Therefore, the speckle reduction effect can be remarkably enhanced without lowering the light utilization efficiency by substantially bringing the final lens into close contact with the light incident end face of the optical fiber as described above.

なお、ここで、最終レンズが光ファイバの光入射端面に「実質的に密着する」とは、最終レンズが光ファイバの光入射端面に完全に密着している状態の他、光ファイバコア径の数分の一程度しか離間していない状態を含む概念である。   Here, the final lens is “substantially in close contact with” the light incident end face of the optical fiber, in addition to the state in which the final lens is completely in close contact with the light incident end face of the optical fiber. It is a concept that includes a state that is only a fraction of a few.

本発明の光源装置は、上記構成に加えて、前記集光光学系の光入射端面に入射される光が、略軸対称な角度分布を示すことを別の特徴とする。
これにより、光ファイバの光入射端面に入射される光が略軸対称となる。この結果、複数の光源素子からの放射光は、光ファイバの光射出端面から射出される時点において、主光線は全て略平行であると共に、発散角度も全て等しくなる。これにより、スペックルの低減効果を更に高めることができる。
In addition to the above-described configuration, the light source device of the present invention is characterized in that light incident on the light incident end face of the condensing optical system exhibits a substantially axially symmetric angular distribution.
Thereby, the light incident on the light incident end face of the optical fiber becomes substantially axially symmetric. As a result, when the emitted light from the plurality of light source elements is emitted from the light exit end face of the optical fiber, all of the principal rays are substantially parallel and the divergence angles are all equal. Thereby, the speckle reduction effect can be further enhanced.

なお、ここで、光が「略軸対称な角度分布」を示すとは、完全に軸対称な角度分布を示す状態の他、分布の半値半幅角(中心の半分になる角度までの中心軸からの角度)の最大と最小の比が十パーセント程度以下の状態を含む概念である。   Here, light indicates “substantially axisymmetric angular distribution” as well as a state showing a completely axisymmetric angular distribution, as well as a half-width half-width angle of the distribution (from the central axis up to an angle that is half the center) This is a concept including a state in which the ratio between the maximum and the minimum of the angle is about 10 percent or less.

より具体的には、前記複数の光源素子からの放射光が、光放射の角度分布が非軸対象であり、かつ光放射の中心軸を含む平面に対して略対称な角度分布を示す場合において、
前記結合光学系が、前記複数の光源素子のそれぞれに対応した複数の角度分布変換素子を有し、
前記複数の角度分布変換素子が、前記複数の光源素子からの放射光を、略軸対称な角度分布を示す光に変換して前記集光光学系の光入射端面に射出する構成とすることで、前記集光光学系の光入射端面に入射される光が略軸対称な角度分布を示す状態を実現することができる。
More specifically, in the case where the emitted light from the plurality of light source elements has an angular distribution of light emission that is a non-axis target and exhibits a substantially symmetrical angular distribution with respect to a plane including the central axis of the light emission. ,
The coupling optical system has a plurality of angle distribution conversion elements corresponding to the plurality of light source elements,
The plurality of angle distribution conversion elements are configured to convert the emitted light from the plurality of light source elements into light having a substantially axially symmetric angle distribution and to emit the light to the light incident end face of the condensing optical system. Thus, it is possible to realize a state in which light incident on the light incident end face of the condensing optical system exhibits a substantially axially symmetric angular distribution.

このとき、前記複数の角度分布変換素子からの射出光の前記主光線が相互に略平行になるようにすることで、光学系の設計が容易になる利点がある。   At this time, there is an advantage that the optical system can be easily designed by making the principal rays of the light emitted from the plurality of angle distribution conversion elements substantially parallel to each other.

なお、ここで、前記複数の角度分布変換素子からの射出光の前記の主光線が「相互に略平行」とは、相互に完全に平行な関係にある場合の他、高々数度程度の角度しか有しない状態を含む概念である。   Here, the principal rays of the light emitted from the plurality of angle distribution conversion elements are “substantially parallel to each other”, in addition to the case where they are in a completely parallel relationship with each other, in addition to an angle of about several degrees at most. It is a concept including a state that only has.

なお、前記複数の角度分布変換素子としては、種々の形態が想定され得る。
一手法としては、前記複数の角度分布変換素子を、非軸対象屈折面を有した光学素子を含む構成とすることで実現できる。より具体的には、シリンドリカルレンズ、トーリックレンズ、又は回転楕円体面レンズにて実現できる。
Various forms can be assumed as the plurality of angle distribution conversion elements.
As one method, the plurality of angle distribution conversion elements can be realized by including an optical element having a non-axis target refracting surface. More specifically, it can be realized by a cylindrical lens, a toric lens, or a spheroid lens.

また、別の一手法としては、前記複数の角度分布変換素子を、平行光を発散光に変換する光発散性素子を含む構成とすることで実現できる。より具体的には、拡散板、2次元レンズアレイ、又はシリンドリカルレンズアレイにて実現できる。   Further, as another method, the plurality of angle distribution conversion elements can be realized by including a light diverging element that converts parallel light into divergent light. More specifically, it can be realized by a diffuser plate, a two-dimensional lens array, or a cylindrical lens array.

更に別の一手法としては、前記複数の角度分布変換素子を、導光棒を含む構成とすることで実現できる。   As another method, the plurality of angle distribution conversion elements can be realized by including a light guide bar.

また、本発明のプロジェクタは、上述した特徴を有する光源装置からの射出光を利用して画像を投影することを特徴とする。これにより、コヒーレント光を放射する複数の光源素子を備えた光源装置を用いた場合においても、投影画像にスペックルノイズが視認されないプロジェクタを実現できる。   In addition, a projector according to the present invention is characterized in that an image is projected using light emitted from a light source device having the above-described characteristics. Thereby, even when a light source device including a plurality of light source elements that emit coherent light is used, a projector in which speckle noise is not visually recognized in a projected image can be realized.

本発明の光源装置によれば、コヒーレント光を放射する複数の光源素子を備えた場合であっても、スペックルを十分に低減させることができる。   According to the light source device of the present invention, speckle can be sufficiently reduced even when a plurality of light source elements that emit coherent light are provided.

光源装置の第1実施形態の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of 1st Embodiment of a light source device. 光源装置の第2実施形態の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of 2nd Embodiment of a light source device. 光源装置の第2実施形態の他の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the other structure of 2nd Embodiment of a light source device. 光源装置の第2実施形態の詳細な構成の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the detailed structure of 2nd Embodiment of a light source device. 光源装置の第3実施形態の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of 3rd Embodiment of a light source device. 光源素子からの放射光を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the radiated light from a light source element. 光源素子からの放射光が非軸対象である場合の角度分布を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically angle distribution in case the emitted light from a light source element is a non-axis object. 角度分布変換素子として導光棒を用いた場合の模式図である。It is a schematic diagram at the time of using a light guide rod as an angle distribution conversion element. 角度分布変換素子として非軸対象屈折面を有する光学素子を用いた場合の模式図である。It is a schematic diagram at the time of using the optical element which has a non-axis object refractive surface as an angle distribution conversion element. 非軸対象屈折面を有する光学素子としてシリンドリカルレンズを用いた場合の模式図及びそのときの射出光の角度分布の模式図である。It is the schematic diagram at the time of using a cylindrical lens as an optical element which has a non-axis object refracting surface, and the schematic diagram of the angle distribution of the emitted light at that time. 角度分布変換素子として光発散性素子を用いた場合の模式図である。It is a schematic diagram at the time of using a light divergent element as an angle distribution conversion element. 光発散性素子として拡散板を用いた場合の模式図及びそのときの射出光の角度分布の模式図である。It is a schematic diagram at the time of using a diffusing plate as a light divergent element, and a schematic diagram of the angle distribution of the emitted light at that time. 光源装置の第3実施形態の詳細な構成の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the detailed structure of 3rd Embodiment of a light source device. 光源装置の第3実施形態の詳細な構成の別の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically another example of the detailed structure of 3rd Embodiment of a light source device. 本発明の光源装置を用いたプロジェクタの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the projector using the light source device of this invention. 本発明の光源装置を用いたプロジェクタの別の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically another structure of the projector using the light source device of this invention. 本発明の光源装置を用いたプロジェクタの別の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically another structure of the projector using the light source device of this invention. 従来の光源装置において、異なる光源素子からの放射光が光ファイバに入射された後、光ファイバから射出される状態を模式的に示す図である。In the conventional light source device, it is a figure which shows typically the state in which the emitted light from a different light source element injects into an optical fiber, and is inject | emitted from an optical fiber.

本発明の光源装置及びプロジェクタにつき、図面を参照して説明する。各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。なお、図15と同一の構成要素については同一の符号を付している。   The light source device and projector of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the dimensional ratio of the drawings does not necessarily match the actual dimensional ratio. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the component same as FIG.

[第1実施形態]
図1は、光源装置の第1実施形態の構成を模式的に示す図である。光源装置1は、光源部20、結合光学系30、及び光ファイバ10を備える。
光源部20は、複数の光源素子(100,110,120,…)を備える。各光源素子(100,110,120,…)は、コヒーレント光を放射する構成であり、一例として、半導体レーザの各エミッタ(発光部)に対応する。
結合光学系30は、複数の光源素子(100,110,120,…)からの放射光を光ファイバ10の光入射端面10aに導く光学系であり、集光光学系31を有する構成である。この集光光学系31は、複数の光源素子(100,110,120,…)からの放射光を光ファイバ10の光入射端面10aに集光する。なお、図1上において、光ファイバ10はコアのみを図示しており、クラッドは省略してある。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating the configuration of the first embodiment of the light source device. The light source device 1 includes a light source unit 20, a coupling optical system 30, and an optical fiber 10.
The light source unit 20 includes a plurality of light source elements (100, 110, 120,...). Each light source element (100, 110, 120,...) Is configured to emit coherent light, and corresponds to each emitter (light emitting unit) of the semiconductor laser as an example.
The coupling optical system 30 is an optical system that guides radiated light from a plurality of light source elements (100, 110, 120,...) To the light incident end face 10a of the optical fiber 10, and has a condensing optical system 31. The condensing optical system 31 condenses the emitted light from the plurality of light source elements (100, 110, 120,...) On the light incident end face 10a of the optical fiber 10. In FIG. 1, only the core of the optical fiber 10 is shown, and the cladding is omitted.

以下では、光源部20が備える光源素子として、光源素子100、光源素子110、及び光源素子120を代表的に採り上げて議論する。
図1には、光源素子100からの放射光の主光線101、光源素子110からの放射光の主光線111、及び光源素子120からの放射光の主光線121が、集光光学系31の光入射端面に入射されている状態を模式的に示している。ここで、主光線とは、図15を参照して上述したのと同様、各光源素子からの放射光のうち、角度分布の中心に位置する光線を指す。つまり、実際には、光源素子100からは、主光線101を中心としたある角度の拡がりを有した光束が集光光学系31の光入射端面に入射されている。光源素子110及び光源素子120からの放射光についても同様である。
なお、集光光学系31は、複数のレンズ(41,42,…)を含んで構成することができる。
Hereinafter, the light source element 100, the light source element 110, and the light source element 120 will be representatively discussed as the light source elements included in the light source unit 20.
In FIG. 1, the principal ray 101 of the emitted light from the light source element 100, the principal ray 111 of the emitted light from the light source element 110, and the principal ray 121 of the emitted light from the light source element 120 are the light of the condensing optical system 31. The state in which it injects into the incident end surface is shown typically. Here, as described above with reference to FIG. 15, the principal ray refers to a ray located at the center of the angular distribution among the emitted light from each light source element. In other words, actually, a light beam having a certain angle spread around the principal ray 101 is incident on the light incident end face of the condensing optical system 31 from the light source element 100. The same applies to the light emitted from the light source element 110 and the light source element 120.
In addition, the condensing optical system 31 can be comprised including a some lens (41, 42, ...).

本実施形態の構成では、各光源素子(100,110,120)からの放射光の主光線は、光ファイバ10の光入射端面10aに入射された直後において、光ファイバ10のファイバ軸10c(「光ファイバの中心軸」に対応)と略平行になっている(主光線102,112,122)。なお、このように、光ファイバ10への入射後において主光線がファイバ軸に略平行となるための、集光光学系31の設計指針については後述される。   In the configuration of the present embodiment, the principal ray of the radiated light from each light source element (100, 110, 120) is incident on the light incident end face 10a of the optical fiber 10 and immediately after entering the fiber axis 10c ("" (Corresponding to “the central axis of the optical fiber”) and substantially parallel (chief rays 102, 112, 122). In addition, the design guideline of the condensing optical system 31 for the principal ray to be substantially parallel to the fiber axis after being incident on the optical fiber 10 will be described later.

光ファイバ10の光入射端面10aに入射された各光線の角度は、光ファイバ10内で保存されたまま当該光ファイバ10内を伝搬し、光射出端面10bから射出される。つまり、光源装置1の構成によれば、複数の光源素子(100,110,120)からの放射光の主光線(102,112,122)は、光ファイバ10の光射出端面10bにおいても、ファイバ軸10cに略平行な状態が維持される。   The angle of each light beam incident on the light incident end surface 10a of the optical fiber 10 propagates through the optical fiber 10 while being stored in the optical fiber 10, and is emitted from the light emitting end surface 10b. That is, according to the configuration of the light source device 1, the chief rays (102, 112, 122) of the radiated light from the plurality of light source elements (100, 110, 120) are also reflected on the light exit end face 10 b of the optical fiber 10. A state substantially parallel to the shaft 10c is maintained.

よって、複数の光源素子(100,110,120)からの放射光は、光射出端面10bから射出された後においても、全て、ファイバ軸10cに略平行な主光線(103,113,123)を中心としてある角度で拡がりを有する光束を形成し、これらは遠方において同じ位置に到達する(103s,113s,123s)。従って、ファイバ軸10cに対してある角度で拡がりを有する当該光束内には、複数の光源素子(100,110,120)からの放射光が混ざり合う。   Therefore, even after the emitted light from the plurality of light source elements (100, 110, 120) is emitted from the light emitting end face 10b, all the principal rays (103, 113, 123) substantially parallel to the fiber axis 10c are emitted. A light beam having a spread at a certain angle as a center is formed, and these reach the same position at a distance (103s, 113s, 123s). Therefore, the radiated light from the plurality of light source elements (100, 110, 120) is mixed in the light flux having a spread at a certain angle with respect to the fiber axis 10c.

つまり、光射出端面10bから、ファイバ軸10cに平行に射出する光線も、ファイバ軸10cに対してある角度で射出する光線も、光束の最外周を構成するように射出する光線も、全て複数の光源素子(100,110,120)からの放射光が混ざり合っている。すなわち、光射出端面10bから、どの角度で射出される光線についても、全て複数の光源素子(100,110,120)からの放射光が混ざり合っている。   That is, a light beam exiting from the light exit end face 10b in parallel to the fiber axis 10c, a light beam exiting at a certain angle with respect to the fiber axis 10c, and a light beam exiting so as to form the outermost periphery of the light beam are all a plurality of Radiant light from the light source elements (100, 110, 120) is mixed. That is, the light emitted from the light emitting end face 10b at any angle is mixed with the emitted light from the plurality of light source elements (100, 110, 120).

この結果、光射出端面10bから十分な距離dだけ離れた遠方の位置に投射面250を設置した場合、当該投射面250上のどの位置においても、光源部20を構成する複数の光源素子(100,110,120,…)からの放射光が混ざり合った状態の光が照射されるため、極めて高いスペックル低減効果が得られる。   As a result, when the projection surface 250 is installed at a distant position away from the light emitting end surface 10b by a sufficient distance d, a plurality of light source elements (100 that constitute the light source unit 20 at any position on the projection surface 250). , 110, 120,...) Is irradiated with light in a mixed state, so that a very high speckle reduction effect can be obtained.

なお、図1においては、各光源素子(100,110,120)からの放射光の集光光学系31の光入射端面に入射される際の主光線(101,111,121)が、相互に平行な場合に限定されず、また光ファイバ10の光入射端面10aが平面に限定されない一般的な条件においても、集光光学系31は、その前段から入射される主光線(101,111,121)を、光ファイバ10の光入射端面10aの後段において、ファイバ軸10cと略平行な主光線(102,112,122)へと変換する機能を有している状態を描いており、集光光学系31がこの機能を有する限り、前記した極めて高いスペックル低減効果が発揮される。   In FIG. 1, chief rays (101, 111, 121) at the time of incidence of light emitted from the light source elements (100, 110, 120) on the light incident end face of the condensing optical system 31 are mutually connected. The condensing optical system 31 is not limited to the parallel case, and even under general conditions where the light incident end face 10a of the optical fiber 10 is not limited to a flat surface, the condensing optical system 31 has principal rays (101, 111, 121) incident from the preceding stage. ) Is converted to a principal ray (102, 112, 122) substantially parallel to the fiber axis 10c at the subsequent stage of the light incident end face 10a of the optical fiber 10, and the condensing optics As long as the system 31 has this function, the extremely high speckle reduction effect described above is exhibited.

また、図1の構成においても、前記したように、光ファイバ10の光射出端面10bの面上では各光源素子からの光が混ざり合っているため、スペックルが低減されている。従って本発明の光源装置1においては、光ファイバ10の光出射端面10bの面上から十分な遠方の投射面250まで、連続的な至る所の投射面を使ってスペックルが低減された照明を実現することができる。   Also in the configuration of FIG. 1, as described above, the speckle is reduced because the light from the light source elements is mixed on the light emitting end face 10b of the optical fiber 10. Accordingly, in the light source device 1 of the present invention, illumination with reduced speckles is performed using projection surfaces that are continuous from the surface of the light emitting end surface 10b of the optical fiber 10 to the projection surface 250 that is sufficiently far away. Can be realized.

なお、図1に示す光源部20が、角度分布が軸対称な光を放射する構成であればより好ましいが、本実施形態においては、必ずしもこのような光が放射されなくても構わない。なお、「角度分布が軸対称である」という内容については、第3実施形態で後述される。   The light source unit 20 shown in FIG. 1 is more preferable as long as it has a configuration that emits light whose angle distribution is axisymmetric, but in the present embodiment, such light may not necessarily be emitted. The content that “the angular distribution is axially symmetric” will be described later in the third embodiment.

[第2実施形態]
図2は、光源装置の第2実施形態の構成を模式的に示す図である。
図2に示す光源装置1では、光ファイバ10の光入射端面10aがファイバ軸10cに垂直な平面で構成されている。そして、集光光学系31は、出力側にテレセントリックである。
図2に示す構成とすることで、各光源素子(100,110,120)からの放射光の、集光光学系31の光射出端面から射出された光の主光線(104,114,124)は全て光軸、すなわち光ファイバ10のファイバ軸10cと略平行となる。
なお、図2では、集光光学系31の光射出端面がレンズ42の光射出端面に対応するものとして図示しているが、この図示態様は一例である。また、集光光学系31は、レンズ41,42以外の光学部材(レンズなど)を含む構成であっても構わない。
[Second Embodiment]
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the configuration of the second embodiment of the light source device.
In the light source device 1 shown in FIG. 2, the light incident end face 10a of the optical fiber 10 is constituted by a plane perpendicular to the fiber axis 10c. The condensing optical system 31 is telecentric on the output side.
With the configuration shown in FIG. 2, the principal rays (104, 114, 124) of the light emitted from the light exit end face of the condensing optical system 31 of the radiated light from each light source element (100, 110, 120). Are substantially parallel to the optical axis, that is, the fiber axis 10 c of the optical fiber 10.
In FIG. 2, the light exit end face of the condensing optical system 31 is illustrated as corresponding to the light exit end face of the lens 42, but this illustrated mode is an example. The condensing optical system 31 may include an optical member (such as a lens) other than the lenses 41 and 42.

また、図3に示すように、本実施形態において、集光光学系31の最も出力側に近い位置に配置されたレンズ42を、光ファイバ10の光入射端面10aに実質的に密着させる構成としても構わない。   In addition, as shown in FIG. 3, in the present embodiment, the lens 42 disposed at the position closest to the output side of the condensing optical system 31 is substantially in close contact with the light incident end face 10 a of the optical fiber 10. It doesn't matter.

各光源素子(100,110,120)からの放射光は、集光光学系31が有する最も出力側に近い位置に配置されたレンズ(最終レンズ)42を射出した後、光ファイバ10の光入射端面10aに、ある拡がり角度を有した光束として入射される。
ここで、レンズ42と光ファイバ10の光入射端面10aに大きな離間が存在していると、光束が有する拡がり角度に起因して、当該光束に含まれる光線のうちの一部が光ファイバ10の光入射端面10aに取り込めない場合が想定される。このような事態が招来すると、光源部20が備える複数の光源素子(100,110,120,…)のうち、放射光を有効に利用できない光源素子が存在することになり、光の利用効率が低下する。
よって、図3のようにレンズ42を光ファイバ10の光入射端面10aに実質的に密着させることで、光の利用効率を低下させることなく、スペックルの低減効果を著しく高められる。
The radiated light from each light source element (100, 110, 120) exits the lens (final lens) 42 disposed at the position closest to the output side of the condensing optical system 31, and then enters the optical fiber 10. The light is incident on the end surface 10a as a light beam having a certain spread angle.
Here, if there is a large separation between the lens 42 and the light incident end face 10 a of the optical fiber 10, a part of the light beam contained in the light beam is caused by the spread angle of the light beam. The case where it cannot take in into the light-incidence end surface 10a is assumed. When such a situation occurs, among the plurality of light source elements (100, 110, 120,...) Provided in the light source unit 20, there are light source elements that cannot effectively use the emitted light, and the light use efficiency is increased. descend.
Therefore, as shown in FIG. 3, the speckle reduction effect can be remarkably enhanced without substantially reducing the light utilization efficiency by closely contacting the lens 42 to the light incident end face 10a of the optical fiber 10.

なお、本実施形態の光源装置1は、出力側にテレセントリックであるため、集光光学系31の最終レンズの入射瞳は、その入力側焦点と一致する。図4は、集光光学系31の最終レンズ42を、正の焦点距離を有するレンズ(凸レンズ)とする場合の一実施例を描いてあり、光源部20の各光源素子(100,…)からの主光線が、最終レンズ42より入力側(図面上左側)に存在する入力側焦点で交わるように配置すればよいことが判る。
なお、最終レンズ42は、負の焦点距離を有するレンズ(凹レンズ)とすることも可能で、その場合は、最終レンズ42の入力側焦点は、最終レンズ42より出力側(図面上右側)に位置する。従って、光源部20の各光源素子(100,…)からの主光線が、最終レンズ42より出力側(図面上右側)に存在する入力側焦点に向かうように配置すればよい。
In addition, since the light source device 1 of the present embodiment is telecentric on the output side, the entrance pupil of the final lens of the condensing optical system 31 coincides with the input-side focal point. FIG. 4 depicts an embodiment in which the final lens 42 of the condensing optical system 31 is a lens (convex lens) having a positive focal length. From the light source elements (100,...) Of the light source unit 20, FIG. It can be seen that the principal rays of the light beam may be arranged so as to intersect at the input side focal point existing on the input side (left side in the drawing) from the final lens 42.
The final lens 42 may be a lens (concave lens) having a negative focal length. In this case, the input-side focal point of the final lens 42 is positioned on the output side (right side in the drawing) from the final lens 42. To do. Accordingly, the principal ray from each light source element (100,...) Of the light source unit 20 may be arranged so as to be directed to the input side focal point existing on the output side (right side in the drawing) from the final lens 42.

言い換えれば、集光光学系31を出力側にテレセントリックとなるようにするためには、最終レンズ42の焦点距離の正負によらず、集光光学系31のうちの、最終レンズ42より入力側(図面上左側)に存在する部分光学系の射出瞳が、最終レンズ42の入力側焦点と一致するように設計すればよいことが判る。   In other words, in order to make the condensing optical system 31 telecentric on the output side, regardless of whether the focal length of the final lens 42 is positive or negative, the final lens 42 of the condensing optical system 31 is input to the input side ( It can be seen that the exit pupil of the partial optical system existing on the left side in the drawing may be designed so as to coincide with the input side focal point of the final lens 42.

ここで、前記した図1の構成を振り返ると、例えば、光ファイバ10の光入射端面10aが凸面又は凹面であった場合、光ファイバ10の光入射端面10a部を、仮想的な平凸又は平凹レンズと見なすことができるから、この仮想的なレンズの入力側焦点と、集光光学系31の射出瞳とが一致するよう、図1の集光光学系31を設計すればよいことが判る。   Here, looking back on the configuration of FIG. 1 described above, for example, when the light incident end surface 10a of the optical fiber 10 is a convex surface or a concave surface, the light incident end surface 10a portion of the optical fiber 10 is assumed to be a virtual plano-convex or flat surface. Since it can be regarded as a concave lens, it is understood that the condensing optical system 31 of FIG. 1 may be designed so that the input side focal point of this virtual lens and the exit pupil of the condensing optical system 31 coincide.

ちなみに、図4では、光源部20の各光源素子(100,…)からの主光線が全て平行である状態を描いてあり、このような場合は、集光光学系31は入力側にもテレセントリックとなるように設計すればよい。
なお、図4はあくまで一例であり、本実施形態の光源装置1において、光源部20の各光源素子(100,…)からの主光線を全て平行にしなければならないものではない。また、図4では、光線方向を変更する目的でミラー81を図示しているが、このミラー81は光源装置1に必須の要素ではない。
Incidentally, FIG. 4 depicts a state in which the chief rays from the light source elements (100,...) Of the light source unit 20 are all parallel. In such a case, the condensing optical system 31 is also telecentric on the input side. The design should be such that
4 is merely an example, and in the light source device 1 of the present embodiment, it is not necessary to make all the principal rays from the light source elements (100,...) Of the light source unit 20 parallel. In FIG. 4, the mirror 81 is illustrated for the purpose of changing the light beam direction, but the mirror 81 is not an essential element for the light source device 1.

[第3実施形態]
図5は、光源装置の第3実施形態の構成を模式的に示す図である。
図5に示す光源装置1は、結合光学系30が、複数の光源素子(100,110,120,…)のそれぞれに対応した複数の角度分布変換素子60を備える構成である。この角度分布変換素子60は、複数の光源素子(100,110,120,…)からの放射光を、略軸対称な角度分布を示す光に変換して、集光光学系31の光入射端面に射出する。なお、図5では、一例として、光源素子100に対応した角度分布変換素子61を示している。
[Third Embodiment]
FIG. 5 is a diagram schematically showing the configuration of the third embodiment of the light source device.
In the light source device 1 illustrated in FIG. 5, the coupling optical system 30 includes a plurality of angle distribution conversion elements 60 corresponding to the plurality of light source elements (100, 110, 120,...). The angle distribution conversion element 60 converts the emitted light from the plurality of light source elements (100, 110, 120,...) Into light having a substantially axially symmetric angle distribution, and the light incident end face of the condensing optical system 31. To ejaculate. In FIG. 5, an angle distribution conversion element 61 corresponding to the light source element 100 is shown as an example.

図6A及び図6Bを参照して、軸対称な角度分布を示す光についての説明を行う。
図6Aは、光源部20を構成する一つの光源素子100からの放射光を模式的に示す図である。ここでは、光軸方向、すなわち光ファイバ10のファイバ軸10cの軸方向をz軸とし、これに直交する2軸をそれぞれx軸、y軸と規定する。
図6Aには、光源素子100からの放射光として、xz平面に平行な平面αに沿って角度θxで進行する光線106x、及びyz平面に平行な平面βに沿って角度θyで進行する光線106yを図示している。
また、図6Bには、光線106x及び光線106yに関し、θx及びθyを変化させたときの、角度と光強度の関係(「角度分布」に対応)を模式的に示している。
With reference to FIG. 6A and FIG. 6B, the light which shows an axially symmetrical angle distribution is demonstrated.
FIG. 6A is a diagram schematically showing emitted light from one light source element 100 constituting the light source unit 20. Here, the optical axis direction, that is, the axial direction of the fiber axis 10c of the optical fiber 10 is defined as a z-axis, and two axes perpendicular to the z-axis are defined as an x-axis and a y-axis, respectively.
In FIG. 6A, as the emitted light from the light source element 100, a light ray 106x traveling at an angle θx along a plane α parallel to the xz plane and a light ray 106y traveling at an angle θy along a plane β parallel to the yz plane. Is illustrated.
FIG. 6B schematically shows the relationship between the angle and the light intensity (corresponding to “angle distribution”) when θx and θy are changed for the light ray 106x and the light ray 106y.

光源部20を構成する各光源素子(100,110,120,…)からの放射光は、ある角度で発散する。ここで、ある平面上に沿って発散する光線については、角度分布に対称性が存在する。すなわち、ある平面上に沿って発散する光線は、ある特定の角度(以下、ここでは「最大強度角度」と呼ぶ。)で発散する光の強度が最も高く、最大強度角度から離れる角度で発散する光線は、角度が離れるほどその強度は低下する。図6Bによれば、光源素子100からの射出光に関し、xz平面(平面α)に沿って進行する光線106x、及びyz平面(平面β)に沿って進行する光線106yの双方に上記の性質が現れている。
一方、図6Bによれば、xz平面(平面α)に沿って進行する光線106xとyz平面(平面β)に沿って進行する光線106yでは、z軸と同一角度を成して進行する光線の強度が異なっている。このような光を、角度分布が非軸対象な光と呼ぶ。
The emitted light from each light source element (100, 110, 120,...) Constituting the light source unit 20 diverges at a certain angle. Here, there is symmetry in the angular distribution for light rays that diverge along a certain plane. That is, light rays that diverge along a certain plane have the highest intensity of light that diverges at a specific angle (hereinafter referred to as “maximum intensity angle”), and diverge at an angle away from the maximum intensity angle. The intensity of the light beam decreases with increasing angle. According to FIG. 6B, regarding the light emitted from the light source element 100, both the light ray 106x traveling along the xz plane (plane α) and the light beam 106y traveling along the yz plane (plane β) have the above-described properties. Appears.
On the other hand, according to FIG. 6B, the light beam 106x traveling along the xz plane (plane α) and the light beam 106y traveling along the yz plane (plane β) are the same as the light beam traveling at the same angle as the z axis. The strength is different. Such light is called light whose angular distribution is non-axial.

つまり、光源素子100からの放射光が図6Bに示すような角度分布を示す場合、光源素子100から放射された光線については、z軸と成す角度が同じであっても、xz平面(平面α)に沿って進行する光線の強度とyz平面(平面β)に沿って進行する光線の強度とでは、強度が異なる、又はx方向とy方向とでは、分布の幅が異なることになる。
ただし、このような角度分布を有する光であっても、xz平面(平面α)又はyz平面(平面β)に関して対称である。何故なら、図6Bに記載の分布は、角度θx,θyに関して対称だからである。
That is, when the emitted light from the light source element 100 shows an angle distribution as shown in FIG. 6B, the light emitted from the light source element 100 has an xz plane (plane α) even if the angle formed with the z axis is the same. ) And the intensity of the light beam traveling along the yz plane (plane β) are different in intensity, or the distribution width is different in the x direction and the y direction.
However, even light having such an angular distribution is symmetric with respect to the xz plane (plane α) or the yz plane (plane β). This is because the distribution described in FIG. 6B is symmetric with respect to the angles θx and θy.

角度分布変換素子60は、このように角度分布が非軸対象な性質を有する光が入射されると、これを角度分布が軸対称な光に変換して集光光学系31の光入射端面に射出する機能を有する。
本実施形態の構成によれば、集光光学系31から射出され、光ファイバ10の光入射端面10aに集光された光は、全て角度分布が軸対称な光となる。これにより、光入射端面10aのどの位置に光が入射されても、同じ伝搬角度を有して光ファイバ10内を伝搬するため、光ファイバ10の光射出端面10bでは、全ての光の光軸及び発散角度が等しくなる。
この結果、光ファイバ10の光射出端面10bから距離dだけ離れた位置においても、あらゆる場所において各光源素子(100,110,120,…)からの射出光が混ざり合うため、スペックルを低減する効果が最大限発揮される。
なお、角度分布変換素子60からの射出光の主光線が、相互に略平行となるように構成することで、光学系の設計が容易になる利点がある。
The angle distribution conversion element 60, when light having such a property that the angle distribution is non-axial is incident, converts the light into light having an axial distribution that is axisymmetric, and is applied to the light incident end face of the condensing optical system 31. Has the function to inject.
According to the configuration of the present embodiment, all of the light emitted from the condensing optical system 31 and condensed on the light incident end face 10a of the optical fiber 10 is light having an angular distribution of axial symmetry. As a result, no matter where the light is incident on the light incident end face 10a, the light propagates through the optical fiber 10 with the same propagation angle. Therefore, the light exit end face 10b of the optical fiber 10 has an optical axis of all the light. And the divergence angle becomes equal.
As a result, since the emitted light from the light source elements (100, 110, 120,...) Is mixed in every place even at a position away from the light emitting end face 10b of the optical fiber 10 by a distance d, speckle is reduced. The effect is maximized.
In addition, there is an advantage that the optical system can be easily designed by configuring the principal rays of the light emitted from the angle distribution conversion element 60 to be substantially parallel to each other.

以下、本実施形態の角度分布変換素子60の具体例につき、説明する。なお、以下では、光源素子100に対応した角度分布変換素子61を例に採り上げて説明する。   Hereinafter, a specific example of the angle distribution conversion element 60 of the present embodiment will be described. Hereinafter, the angle distribution conversion element 61 corresponding to the light source element 100 will be described as an example.

(具体例1)
図7に示すように、角度分布変換素子61として導光棒71を採用することができる。この導光棒71は、種々の入射角で入射された光を内部で複数回反射を起こさせながら伝搬することで、角度分布を均一化する機能を有する。一例としては、光ファイバ10と同等の構成でその長さが光ファイバ10より短いもの、ガラスや樹脂などの光透過性の材料からなる柱状のもの、内面に反射鏡が形成された筒状のものなどが利用され得る。
なお、光源素子100からの放射光の発散角度を抑制する目的で、導光棒71の光入射端面及び/又は光射出端面を曲面で構成しても構わない。一例として、導光棒71の光入射端面をシリンドリカル形状とし、光射出端面を球面状とすることができる。
(Specific example 1)
As shown in FIG. 7, a light guide rod 71 can be employed as the angle distribution conversion element 61. The light guide rod 71 has a function of making the angle distribution uniform by propagating light incident at various incident angles while causing the light to be reflected a plurality of times inside. For example, the optical fiber 10 has the same configuration and the length is shorter than that of the optical fiber 10, the columnar one made of a light-transmitting material such as glass or resin, or the cylindrical shape in which the reflecting mirror is formed on the inner surface. Things can be used.
For the purpose of suppressing the divergence angle of the radiated light from the light source element 100, the light incident end surface and / or the light exit end surface of the light guide rod 71 may be configured with a curved surface. As an example, the light incident end face of the light guide rod 71 can be a cylindrical shape, and the light exit end face can be a spherical shape.

(具体例2)
別の具体例として、図8Aに示すように、角度分布変換素子61として非軸対象屈折面を有した光学素子72を採用することができる。図8A(a)は、角度分布変換素子61として非軸対象屈折面を有した光学素子72を採用した場合の模式図、図8A(b)はこの光学素子72のy方向及びx方向から見たときの平面図である。
光学素子72は、非軸対象屈折面を有することで、x方向及びy方向で焦点距離が異なる特性を有する。よって、光学素子100からの放射光が、図6Bに示したように、xz平面(平面α)に沿って発散する光線の角度分布と、yz平面(平面β)に沿って発散する光線の角度分布が異なる場合に、一方の角度分布を他方の角度分布に合わせるように各方向の焦点距離を設定した非軸対象屈折面を有する光学素子72を角度分布変換素子61として用いることができる。
(Specific example 2)
As another specific example, as shown in FIG. 8A, an optical element 72 having a non-axis target refracting surface can be employed as the angle distribution conversion element 61. FIG. 8A (a) is a schematic diagram when an optical element 72 having a non-axis target refracting surface is adopted as the angle distribution conversion element 61, and FIG. 8A (b) is a view of the optical element 72 viewed from the y direction and the x direction. FIG.
Since the optical element 72 has a non-axis target refracting surface, the optical element 72 has a characteristic that the focal length is different in the x direction and the y direction. Therefore, as shown in FIG. 6B, the angular distribution of light rays that diverge along the xz plane (plane α) and the angle of light rays that diverge along the yz plane (plane β), as shown in FIG. 6B. When the distribution is different, an optical element 72 having a non-axis target refracting surface in which the focal length in each direction is set so that one angular distribution matches the other angular distribution can be used as the angular distribution conversion element 61.

角度分布変換素子61として用いる非軸対象屈折面を有する光学素子72の一具体例として、図8Bに示すように、xz平面とyz平面で曲率の異なるシリンドリカルレンズ73を用いることができる。図8Bは、曲率の異なる2組のシリンドリカルレンズ73を角度分布変換素子61として用いる場合を例示している。   As a specific example of the optical element 72 having the non-axis target refracting surface used as the angle distribution conversion element 61, as shown in FIG. 8B, a cylindrical lens 73 having different curvatures in the xz plane and the yz plane can be used. FIG. 8B illustrates a case where two sets of cylindrical lenses 73 having different curvatures are used as the angle distribution conversion element 61.

図8B(a)に示すように、シリンドリカルレンズ73は、xy平面とyz平面で曲率が異なるため、図6Bに示すような両平面で異なる角度分布(106x,106y)を有する光束が、当該シリンドリカルレンズ73を通過することで、図8B(b)に示すように両平面共に同一の角度分布(107x,107y)を有するものに変換される。   As shown in FIG. 8B (a), since the cylindrical lens 73 has different curvatures in the xy plane and the yz plane, the light beams having different angular distributions (106x, 106y) in both planes as shown in FIG. By passing through the lens 73, both planes are converted to those having the same angular distribution (107x, 107y) as shown in FIG. 8B (b).

角度分布変換素子61として非軸対象屈折面を有した光学素子72を用いる場合には、この光学素子72として、シリンドリカルレンズの他、トーリックレンズや回転楕円体面レンズも同様に利用可能である。   When an optical element 72 having a non-axis target refracting surface is used as the angle distribution conversion element 61, a toric lens or a spheroid surface lens can be similarly used as the optical element 72 in addition to a cylindrical lens.

(具体例3)
更に別の具体例として、図9Aに示すように、角度分布変換素子61として平行光を発散光に変換する光発散性素子74を採用することができる。
この光発散性素子74は、xz平面に沿って進行する光線の発散角度θx’と、yz平面に沿って進行する光線の発散角度θy’を異なる角度に設定することのできる素子である。従って、光学素子100からの放射光が、図6Bに示したように、xz平面(平面α)に沿って発散する光線の角度分布と、yz平面(平面β)に沿って発散する光線の角度分布が異なる場合に、一方の角度分布を他方の角度分布に合わせるように各平面に沿って進行する光線の発散角度を設定した光発散性素子74を角度分布変換素子61として用いることができる。
(Specific example 3)
As another specific example, as shown in FIG. 9A, a light divergent element 74 that converts parallel light into divergent light can be employed as the angle distribution conversion element 61.
The light divergence element 74 is an element capable of setting the divergence angle θx ′ of the light beam traveling along the xz plane and the divergence angle θy ′ of the light beam traveling along the yz plane to different angles. Therefore, as shown in FIG. 6B, the angle distribution of light rays that diverge along the xz plane (plane α) and the angle of light rays that diverge along the yz plane (plane β), as shown in FIG. When the distribution is different, the light divergence element 74 in which the divergence angle of the light beam traveling along each plane is set so as to match one angle distribution with the other angle distribution can be used as the angle distribution conversion element 61.

角度分布変換素子61として用いる光発散性素子74の一具体例として、図9Bに示すように、xz平面とyz平面で光線の拡散角度の異なる拡散板75を用いることができる。図9B(a)に示すように、拡散板75は、xy平面とyz平面で拡散角度が異なるため、図6Bに示すような両平面で異なる角度分布(106x,106y)を示す光線が、当該拡散板75を通過することで、図9B(b)に示すように両平面共に同一の角度分布(107x,107y)を有するものに変換される。
角度分布変換素子61として光発散性素子74を用いる場合には、この光発散性素子74として、拡散板の他、ホログラム、2次元レンズアレイやシリンドリカルレンズアレイも同様に利用可能である。
As a specific example of the light diffusing element 74 used as the angle distribution conversion element 61, as shown in FIG. 9B, a diffusing plate 75 having different light diffusion angles in the xz plane and the yz plane can be used. As shown in FIG. 9B (a), since the diffusion plate 75 has different diffusion angles between the xy plane and the yz plane, the light rays having different angular distributions (106x, 106y) in both planes as shown in FIG. By passing through the diffuser plate 75, both planes are converted to those having the same angular distribution (107x, 107y) as shown in FIG. 9B (b).
When the light divergence element 74 is used as the angle distribution conversion element 61, a hologram, a two-dimensional lens array, or a cylindrical lens array can be similarly used as the light divergence element 74 in addition to the diffusion plate.

図10は、本実施形態の詳細な構成の一例を模式的に示す図である。光源部20は、複数の光源素子としての、複数のシングルエミッターレーザー素子を想定している。これらの光源素子は、角度分布が非軸対象なコヒーレント光を放射する。
各光源素子からの放射光は、シリンドリカルレンズによって構成された角度分布変換素子60を介して、角度分布が軸対称な光に変換された後、各ミラー82を介して光線の進行方向が変えられ、集光光学系31で集光されて光ファイバ10の光入射端面10aに導かれる。光入射端面10aに入射された光の主光線は、ファイバ軸10cと略平行になっている。
FIG. 10 is a diagram schematically illustrating an example of a detailed configuration of the present embodiment. The light source unit 20 assumes a plurality of single emitter laser elements as a plurality of light source elements. These light source elements emit coherent light whose angular distribution is non-axial.
The radiated light from each light source element is converted into light whose axis distribution is axisymmetric via an angle distribution conversion element 60 formed by a cylindrical lens, and then the traveling direction of the light is changed via each mirror 82. The light is condensed by the condensing optical system 31 and guided to the light incident end face 10 a of the optical fiber 10. The principal ray of light incident on the light incident end face 10a is substantially parallel to the fiber axis 10c.

図11は、本実施形態の詳細な構成の別の一例を模式的に示す図である。光源部20は、複数の光源素子としての、マルチエミッターレーザーを備えている。これらの光源素子は、角度分布が非軸対象なコヒーレント光を放射する。
各光源素子からの放射光は、導光棒によって構成された角度分布変換素子60を介して、角度分布が軸対称な光に変換された後、ミラー81を介して光線の進行方向が変えられ、集光光学系31で集光されて光ファイバ10の光入射端面10aに導かれる。光入射端面10aに入射された光の主光線は、ファイバ軸10cと略平行になっている。
なお、図4と同様、図10及び図11の構成においても、ミラー81、ミラー82はあくまで光線方向を変更する目的で設置されているものであり、光源装置1に必須の要素ではない。
FIG. 11 is a diagram schematically illustrating another example of the detailed configuration of the present embodiment. The light source unit 20 includes a multi-emitter laser as a plurality of light source elements. These light source elements emit coherent light whose angular distribution is non-axial.
The radiated light from each light source element is converted into light whose axis distribution is axisymmetric via an angle distribution conversion element 60 constituted by a light guide rod, and then the traveling direction of the light is changed via a mirror 81. The light is condensed by the condensing optical system 31 and guided to the light incident end face 10 a of the optical fiber 10. The principal ray of light incident on the light incident end face 10a is substantially parallel to the fiber axis 10c.
Similar to FIG. 4, in the configurations of FIGS. 10 and 11, the mirror 81 and the mirror 82 are installed only for the purpose of changing the light beam direction, and are not essential elements of the light source device 1.

[第4実施形態]
次に、図12〜図14を参照して、第1〜第3実施形態で上述した光源装置1を利用して導かれた光を、プロジェクタに利用する場合の一例につき、特に、光ファイバ10の射出端以後について説明する。
図12に示すように、光源装置1の光ファイバ10によって伝搬された光は、凹面反射鏡やレンズなどからなる集光手段(図示を省略)の助けを借りるなどして、光均一化手段(FmA)の入射端(PmiA)に入力され、射出端(PmoA)から出力される。
[Fourth Embodiment]
Next, with reference to FIGS. 12 to 14, an example of the case where the light guided using the light source device 1 described in the first to third embodiments is used for a projector, in particular, the optical fiber 10. The portion after the injection end will be described.
As shown in FIG. 12, the light propagated by the optical fiber 10 of the light source device 1 is obtained with the help of a light collecting means (not shown) such as a concave reflecting mirror or a lens. FmA) is input to the incident end (PmiA) and output from the exit end (PmoA).

ここで、光均一化手段(FmA)としては、例えば光ガイドを使うことができる。これは、ロッドインテグレータ、ライトトンネルなどの名称でも呼ばれており、ガラスや樹脂などの光透過性の材料からなる角柱によって構成される。入射端(PmiA)に入力された光は、光ファイバと同じ原理に従って、光均一化手段(FmA)の側面で全反射を繰り返しながら、光均一化手段(FmA)の中を伝播することにより、仮に入射端(PmiA)に入力された光の分布にムラがあったとしても、射出端(PmoA)上の照度が十分に均一化されるように機能する。
この光ガイドとしては、ガラスや樹脂などの光透過性の材料からなる角柱によって構成されるものの他に、中空の角筒で、その内面が反射鏡になっており、同様に内面で反射を繰り返しながら光を伝播させることで、同様の機能を果たすものを利用することも可能である。
Here, as the light uniformizing means (FmA), for example, a light guide can be used. This is also called a name such as a rod integrator or a light tunnel, and is constituted by a prism made of a light-transmitting material such as glass or resin. The light input to the incident end (PmiA) propagates through the light uniformizing means (FmA) while repeating total reflection on the side surface of the light uniformizing means (FmA) according to the same principle as the optical fiber. Even if the distribution of light input to the incident end (PmiA) is uneven, it functions so that the illuminance on the exit end (PmoA) is sufficiently uniform.
In addition to the light guide made of a light-transmitting material such as glass or resin, this light guide is a hollow square tube whose inner surface is a reflecting mirror, and similarly, it repeatedly reflects on the inner surface. However, it is also possible to use a device that performs the same function by propagating light.

射出端(PmoA)の四角形の像が、2次元光振幅変調素子(DmjA)上に結像されるように、照明レンズ(Ej1A)を配置することにより、射出端(PmoA)から出力された光によって2次元光振幅変調素子(DmjA)が照明される。
なお、図12においては、照明レンズ(Ej1A)と2次元光振幅変調素子(DmjA)との間にミラー(MjA)が配置された構成を示している。
2次元光振幅変調素子(DmjA)は、映像信号に従って、画素毎に光を投影レンズ(Ej2A)に入射される方向、又は入射されない方向に向かわせるように変調することにより、スクリーン(Tj)上に画像を表示する。
The light output from the emission end (PmoA) is arranged by arranging the illumination lens (Ej1A) so that a square image of the emission end (PmoA) is formed on the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjA). Illuminates the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjA).
FIG. 12 shows a configuration in which a mirror (MjA) is disposed between the illumination lens (Ej1A) and the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjA).
The two-dimensional light amplitude modulation element (DmjA) modulates light on a screen (Tj) by modulating light so that light is incident on the projection lens (Ej2A) or not on the screen according to the video signal. Display an image.

この2次元光振幅変調素子は、ライトバルブと呼ばれることもある。図12に示す光学系においては、2次元光振幅変調素子(DmjA)として、例えばDMD(登録商標)(ディジタル・マイクロミラー・デバイス)を利用することができる。   This two-dimensional light amplitude modulation element is sometimes called a light valve. In the optical system shown in FIG. 12, for example, DMD (registered trademark) (digital micromirror device) can be used as the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjA).

光均一化手段に関しては、光ガイドの他に、フライアイインテグレータという名称で呼ばれるものを利用することもできる。この光均一化手段を使ったプロジェクタについて、一例として、図13を参照して説明する。   Regarding the light uniformizing means, in addition to the light guide, a so-called fly eye integrator can be used. As an example, a projector using this light uniformizing means will be described with reference to FIG.

図12の構成と同様、光源装置1の光ファイバ10によって伝搬された光は、凹面反射鏡やレンズなどからなるコリメータ手段(図示を省略)の助けを借りるなどして、略平行光束として、フライアイインテグレータによる光均一化手段(FmB)の入射端(PmiB)に入力され、射出端(PmoB)から出力される。
ここで、光均一化手段(FmB)は、入射側の前段フライアイレンズ(F1B)と射出側の後段フライアイレンズ(F2B)と照明レンズ(Ej1B)の組み合わせで構成される。
前段フライアイレンズ(F1B)及び後段フライアイレンズ(F2B)は、共に、同一焦点距離、同一形状の四角形のレンズを、縦横それぞれに多数並べたものとして形成されている。
Similar to the configuration of FIG. 12, the light propagated by the optical fiber 10 of the light source device 1 is converted into a substantially parallel light beam with the help of collimator means (not shown) such as a concave reflecting mirror or lens. The light is input to the incident end (PmiB) of the light uniformizing means (FmB) by the eye integrator and output from the exit end (PmoB).
Here, the light uniformizing means (FmB) is composed of a combination of an incident side front stage fly-eye lens (F1B), an exit side rear stage fly-eye lens (F2B), and an illumination lens (Ej1B).
Both the front fly-eye lens (F1B) and the rear fly-eye lens (F2B) are formed by arranging a large number of rectangular lenses having the same focal length and the same shape in the vertical and horizontal directions.

前段フライアイレンズ(F1B)の各レンズと、それぞれの後段にある、後段フライアイレンズ(F2B)の対応するレンズとは、ケーラー照明と呼ばれる光学系を構成している。つまり、フライアイインテグレータによる光均一化手段(FmB)においては、ケーラー照明光学系が縦横に多数並んでいることになる。
一般にケーラー照明光学系とは、2枚のレンズから構成され、前段レンズが光を集めて対象面を照明するに際し、前段レンズは、対象面に光源像を結像するのではなく、後段レンズ中央の面上に光源像を結像し、後段レンズが前段レンズの外形の四角形を対象面(照明したい面)に結像するよう配置することにより、対象面を均一に照明するものである。
仮に後段レンズがない場合、光源が完全な点光源でなく有限の大きさを持つとき、その大きさに依存して対象面の四角形の周囲部の照度が落ちる現象が生じる可能性がある。後段レンズは、このような現象を防ぐために設けられており、後段レンズによって、光源の大きさに依存せずに、対象面の四角形の周囲部まで均一な照度にすることができる。
Each lens of the front-stage fly-eye lens (F1B) and the corresponding lens of the rear-stage fly-eye lens (F2B) in each subsequent stage constitute an optical system called Koehler illumination. That is, in the light uniformizing means (FmB) using the fly eye integrator, a number of Koehler illumination optical systems are arranged vertically and horizontally.
In general, the Kohler illumination optical system is composed of two lenses. When the front lens collects light and illuminates the target surface, the front lens does not form a light source image on the target surface, but the center of the rear lens. A light source image is formed on this surface, and the rear lens is arranged so as to form an image of the quadrangle of the outer shape of the front lens on the target surface (surface to be illuminated), thereby uniformly illuminating the target surface.
If there is no rear stage lens, when the light source is not a perfect point light source but has a finite size, a phenomenon may occur in which the illuminance at the periphery of the square of the target surface is lowered depending on the size. The rear lens is provided in order to prevent such a phenomenon, and the rear lens can make the illuminance uniform to the periphery of the square of the target surface without depending on the size of the light source.

図13に示す光学系の場合、光均一化手段(FmB)には略平行光束が入力されることを基本としているため、前段フライアイレンズ(F1B)と後段フライアイレンズ(F2B)との間隔は、それらの焦点距離に等しくなるように配置される。よって、ケーラー照明光学系としての均一照明の対象面の像は無限遠に生成される。
ただし、後段フライアイレンズ(F2B)の後段には、照明レンズ(Ej1B)を配置してあるため、対象面は、無限遠から照明レンズ(Ej1B)の焦点面上に引き寄せられる。
縦横に多数並んでいるケーラー照明光学系は、入射光軸(ZiB)に平行であり、それぞれの中心軸に対して略軸対称に光束が入力されため、出力光束も略軸対称である。このため、レンズ面に同じ角度で入射した光線は、レンズ面上の入射位置によらず、焦点面上の同じ点に向かうよう屈折される、というレンズの性質、即ちレンズのフーリエ変換作用により、全てのケーラー照明光学系の出力は、照明レンズ(Ej1B)の焦点面上の同じ対象面に結像される。
In the case of the optical system shown in FIG. 13, it is basically based on the input of a substantially parallel light beam to the light uniformizing means (FmB), so the distance between the front fly-eye lens (F1B) and the rear fly-eye lens (F2B). Are arranged to be equal to their focal lengths. Therefore, the image of the target surface of uniform illumination as the Kohler illumination optical system is generated at infinity.
However, since the illumination lens (Ej1B) is disposed at the subsequent stage of the rear stage fly-eye lens (F2B), the target surface is attracted from the infinity to the focal plane of the illumination lens (Ej1B).
A number of Kohler illumination optical systems arranged in the vertical and horizontal directions are parallel to the incident optical axis (ZiB), and light beams are input substantially axially symmetrically with respect to the respective central axes, so that the output light beams are also substantially axially symmetric. For this reason, due to the nature of the lens, that is, the Fourier transform action of the lens, light rays that are incident on the lens surface at the same angle are refracted toward the same point on the focal plane, regardless of the incident position on the lens surface. The outputs of all the Koehler illumination optical systems are imaged on the same object plane on the focal plane of the illumination lens (Ej1B).

その結果、前段フライアイレンズ(F1B)の各レンズ面での照度分布が全て重ね合わされるので、ケーラー照明光学系が1個の場合よりも照度分布がより均一となった、1個の合成四角形の像が、入射光軸(ZiB)上に形成されることになる。
そして、合成四角形の像の位置に2次元光振幅変調素子(DmjB)を配置することにより、射出端(PmoB)から出力された光によって、照明対象である2次元光振幅変調素子(DmjB)が照明される。
なお、図13に示す光学系においては、照明レンズ(Ej1B)と2次元光振幅変調素子(DmjB)との間に偏光ビームスプリッタ(MjB)を配置して、これにより光が2次元光振幅変調素子(DmjB)に向けて反射されるように構成されている。
2次元光振幅変調素子(DmjB)は、映像信号に従って、画素毎に光の偏光方向を90度回転させ、又は回転させないように変調して反射することにより、回転させられた光のみが、偏光ビームスプリッタ(MjB)を透過して投影レンズ(Ej3B)に入射され、スクリーン(Tj)上に画像を表示する。
As a result, since the illuminance distributions on the respective lens surfaces of the front fly-eye lens (F1B) are all overlapped, one synthetic quadrangle in which the illuminance distribution is more uniform than in the case of one Koehler illumination optical system. Are formed on the incident optical axis (ZiB).
Then, by arranging the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjB) at the position of the composite square image, the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjB) to be illuminated is illuminated by the light output from the emission end (PmoB). Illuminated.
In the optical system shown in FIG. 13, a polarization beam splitter (MjB) is arranged between the illumination lens (Ej1B) and the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjB), and thereby the light is two-dimensional light amplitude modulated. It is configured to be reflected toward the element (DmjB).
The two-dimensional light amplitude modulation element (DmjB) modulates the polarization direction of light by 90 degrees for each pixel according to the video signal, or modulates and reflects the light so that only the rotated light is polarized. The light passes through the beam splitter (MjB) and is incident on the projection lens (Ej3B), and an image is displayed on the screen (Tj).

なお、図13に示す光学系においては、2次元光振幅変調素子(DmjB)として、例えばLCOS(登録商標)(シリコン液晶デバイス)を利用することができる。
このような液晶デバイスの場合、規定の偏光方向の光の成分しか有効に変調できないため、一般的には、規定の偏光方向に平行な成分はそのまま透過させ、規定の偏光方向に垂直な成分のみ偏光方向を90度回転させる構成とする。そこで、全ての光を有効利用できるようにするための偏光整列機能素子(PcB)が、例えば前記後段フライアイレンズ(F2B)の後段に挿入される。
また、2次元光振幅変調素子(DmjB)には略平行光が入射されるよう、例えばその直前に、フィールドレンズ(Ej2B)が挿入される。
In the optical system shown in FIG. 13, for example, LCOS (registered trademark) (silicon liquid crystal device) can be used as the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjB).
In the case of such a liquid crystal device, since only the light component in the specified polarization direction can be effectively modulated, in general, the component parallel to the specified polarization direction is transmitted as it is, and only the component perpendicular to the specified polarization direction is transmitted. The polarization direction is rotated by 90 degrees. Therefore, a polarization alignment functional element (PcB) for enabling effective use of all the light is inserted, for example, in the rear stage of the rear fly-eye lens (F2B).
For example, a field lens (Ej2B) is inserted immediately before the two-dimensional light amplitude modulation element (DmjB) so that substantially parallel light is incident thereon.

なお、2次元光振幅変調素子に関しては、図13に示したような反射型のものの他に、透過型の液晶デバイス(LCD)もそれに適合する光学配置にして使用することが可能である。   As for the two-dimensional light amplitude modulation element, in addition to the reflective type as shown in FIG. 13, a transmissive liquid crystal device (LCD) can be used with an optical arrangement adapted thereto.

なお、図12及び図13では図示を省略しているが、画像をカラー表示するために、例えば、光均一化手段(FmA,FmB)の後段にカラーホイールなどの動的色フィルタを配置して、R(赤)、G(緑)、及びB(青)の色順次光束として2次元光振幅変調素子を照明し、時分割によってカラー表示を実現する構成とすることができる。
同様に、カラー表示を実現する別の方法として、光均一化手段(FmA,FmB)の後段にダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムを配置して、R(赤)、G(緑)、及びB(青)の3原色に色分解した光で各色独立に設けた2次元光振幅変調素子を照明し、この3原色の変調光束の色合成を行うためのダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムを配置する構成とすることができる。
Although not shown in FIGS. 12 and 13, in order to display an image in color, for example, a dynamic color filter such as a color wheel is disposed after the light uniformizing means (FmA, FmB). , R (red), G (green), and B (blue) can be configured to illuminate the two-dimensional light amplitude modulation element as a color sequential light beam and realize color display by time division.
Similarly, as another method for realizing color display, a dichroic mirror or a dichroic prism is arranged after the light uniformizing means (FmA, FmB), and R (red), G (green), and B (blue). A two-dimensional light amplitude modulation element provided independently for each color is illuminated with light separated into the three primary colors, and a dichroic mirror or dichroic prism is provided for color synthesis of the modulated light beams of the three primary colors. it can.

図14は、光源装置1を用いたプロジェクタの別の構成を模式的に示す図である。なお、図14では、光源装置1からR(赤)、G(緑)、及びB(青)の光がそれぞれ放射され、それぞれの色に対応した光ファイバ10によって、各色の光が伝搬される場合を想定している。   FIG. 14 is a diagram schematically illustrating another configuration of a projector using the light source device 1. In FIG. 14, R (red), G (green), and B (blue) light is emitted from the light source device 1, and light of each color is propagated by the optical fiber 10 corresponding to each color. Assume the case.

より詳細には、光ファイバ10として、R・G・B3原色に対応した各色複数本の光ファイバ、すなわちR色光源用光ファイバ(EfR1,EfR2,…)、G色光源用光ファイバ(EfG1,EfG2,…)、B色光源用光ファイバ(EfB1,EfB2,…)を備えており、これらはそれぞれが射出端を揃えて束ねられたファイババンドルとして構成されている。   More specifically, as the optical fiber 10, a plurality of optical fibers corresponding to R, G, and B3 primary colors, that is, optical fibers for R color light sources (EfR1, EfR2,...), Optical fibers for G color light sources (EfG1,. EfG2,...) And B-color light source optical fibers (EfB1, EfB2,...), Each of which is configured as a fiber bundle in which the exit ends are aligned.

そして、これら3組のファイババンドルの射出端からの射出光束は、それぞれコリメータレンズ(EsR,EsG,EsB)で無限遠の像に変換された後、ミラー(HuR)及びダイクロイックミラー(HuG,HuB)を用いて色合成されることで、出力光束(Fo)が生成される。
そして、出力光束(Fo)は集光レンズ(Eu)に入力され、必要に応じてスペックルを更に除去するための拡散素子(Edm)を介して、光均一化手段(Fm)の入射端(Pmi)に入射される。
光均一化手段(Fm)及び、その射出端(Pmo)以後の光学系については、図12及び図13と同様である。
The light beams emitted from the exit ends of these three fiber bundles are converted into infinite images by collimator lenses (EsR, EsG, EsB), respectively, and then mirror (HuR) and dichroic mirror (HuG, HuB). Is used to generate an output light beam (Fo).
The output light beam (Fo) is input to the condensing lens (Eu), and the incident end (Fm) of the light uniformizing means (Fm) is passed through a diffusion element (Edm) for further removing speckles as necessary. Pmi).
The light uniformizing means (Fm) and the optical system after the exit end (Pmo) are the same as those shown in FIGS.

第1〜第3実施形態で上述したように、光ファイバ10の光射出端面から射出された光は、複数の光源素子からの放射光が混ざり合った光となる。よって、この光を用いて投射面(Tj)に映像を投射する本実施形態のプロジェクタによれば、スペックルノイズが重畳した映像が視認されるようなことがなく、鮮明な映像が実現できる。   As described above in the first to third embodiments, the light emitted from the light emitting end face of the optical fiber 10 is light in which radiated light from a plurality of light source elements is mixed. Therefore, according to the projector of the present embodiment that projects an image on the projection surface (Tj) using this light, an image on which speckle noise is superimposed is not visually recognized, and a clear image can be realized.

なお、以上においては、コヒーレント光源の例として半導体レーザを挙げたが、それ以外にも、他のレーザ光源や、例えば半導体レーザ等の放射光を、高調波発生や光パラメトリック効果などのような非線形光学現象を利用して波長変換する光源などを用いる場合でも、本発明は良好に効果を発揮する。   In the above, a semiconductor laser is used as an example of a coherent light source. However, in addition to this, other laser light sources, for example, a radiated light from a semiconductor laser or the like, is used for nonlinear generation such as harmonic generation or optical parametric effect. Even in the case of using a light source for wavelength conversion utilizing an optical phenomenon, the present invention exhibits a good effect.

1 : 光源装置
10 : 光ファイバ
10a : 光ファイバ10の光入射端面
10b : 光ファイバ10の光射出端面
10c : 光ファイバ10のファイバ軸
20 : 光源部
30 : 結合光学系
31 : 集光光学系
41 : レンズ
42 : レンズ
60 : 波長分布変換素子
61 : 光源素子100に対応した波長分布変換素子
71 : 導光棒
72 : 非軸対象屈折面を有した光学素子
73 : シリンドリカルレンズ
74 : 光発散性素子
75 : 拡散板
81 : ミラー
82 : ミラー
100 : 光源素子
101 : 光源素子100からの放射光の主光線
102 : 光源素子100からの放射光の主光線
103 : 光源素子100からの放射光の主光線
104 : 光源素子100からの放射光の主光線
103s : 光源素子100からの放射光の光束
106x : 光源素子100からxz平面に沿って進行する光線
106y : 光源素子100からyz平面に沿って進行する光線
110 : 光源素子
111 : 光源素子110からの放射光の主光線
112 : 光源素子110からの放射光の主光線
113 : 光源素子110からの放射光の主光線
113s : 光源素子110からの放射光の光束
114 : 光源素子110からの放射光の主光線
120 : 光源素子
121 : 光源素子120からの放射光の主光線
122 : 光源素子120からの放射光の主光線
123 : 光源素子120からの放射光の主光線
123s : 光源素子120からの放射光の光束
124 : 光源素子120からの放射光の主光線
200 : 光源素子
201 : 光源素子200からの放射光の主光線
202 : 光源素子200からの放射光の光線群
202s : 光源素子200からの放射光の光束
210 : 光源素子
211 : 光源素子210からの放射光の主光線
212 : 光源素子210からの放射光の光線群
212s : 光源素子210からの放射光の光束
220 : 光源素子
221 : 光源素子220からの放射光の主光線
222 : 光源素子220からの放射光の光線群
222s : 光源素子220からの放射光の光束
250 : 投射面
DmjA : 2次元光振幅変調素子
DmjB : 2次元光振幅変調素子
Edm : 拡散素子
EfB1 : B色光源用光ファイバ
EfB2 : B色光源用光ファイバ
EfG1 : G色光源用光ファイバ
EfG2 : G色光源用光ファイバ
EfR1 : R色光源用光ファイバ
EfR2 : R色光源用光ファイバ
Ej1A : 照明レンズ
Ej1B : 照明レンズ
Ej2A : 投影レンズ
Ej2B : フィールドレンズ
Ej3B : 投影レンズ
EsB : コリメータレンズ
EsG : コリメータレンズ
EsR : コリメータレンズ
Eu : 集光レンズ
F1B : 前段フライアイレンズ
F2B : 後段フライアイレンズ
Fm : 光均一化手段
FmA : 光均一化手段
FmB : 光均一化手段
Fo : 出力光束
HuB : ダイクロイックミラー
HuG : ダイクロイックミラー
HuR : ミラー
LCD : 液晶デバイス
MjA : ミラー
MjB : 偏光ビームスプリッタ
PcB : 偏光整列機能素子
Pmi : 入射端
PmiA : 入射端
PmiB : 入射端
Pmo : 射出端
PmoA : 射出端
PmoB : 射出端
SjA : 光源
SjB : 光源
Tj : スクリーン
ZiB : 入射光軸
α : xz平面に平行な平面
β : yz平面に平行な平面
θx : 平面αに沿って拡散する光束の拡散角
θy : 平面βに沿って拡散する光束の拡散角
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Light source device 10: Optical fiber 10a: Light incident end surface 10b of optical fiber 10: Light emission end surface 10c of optical fiber 10: Fiber axis of optical fiber 10 20: Light source part 30: Coupling optical system 31: Condensing optical system 41 : Lens 42: Lens 60: Wavelength distribution conversion element 61: Wavelength distribution conversion element corresponding to the light source element 100 71: Light guide rod 72: Optical element having a non-axis target refractive surface 73: Cylindrical lens 74: Light diverging element 75: Diffuser plate 81: Mirror 82: Mirror 100: Light source element 101: Principal ray of emitted light from the light source element 100 102: Principal ray of emitted light from the light source element 100 103: Principal ray of emitted light from the light source element 100 104: chief ray of emitted light from the light source element 100 103s: emission of light emitted from the light source element 100 Bundle 106x: Light ray traveling from the light source element 100 along the xz plane 106y: Light ray traveling from the light source element 100 along the yz plane 110: Light source element 111: Main light beam emitted from the light source element 110 112: Light source element 110 113: principal ray of emitted light from the light source element 110 113: luminous flux of emitted light from the light source element 110 114: principal ray of emitted light from the light source element 120: light source element 121: light source element The principal ray of the emitted light from 120: The principal ray of the emitted light from the light source element 123: The principal ray of the emitted light from the light source element 120 123s: The luminous flux of the emitted light from the light source element 124 The 124: From the light source element 120 Principal ray of emitted light 200: Light source element 201: Principal ray of emitted light from light source element 200 202: Light beam group of radiated light from light source element 200 202s: Light beam of radiated light from light source element 200 210: Light source element 211: Main light beam of radiated light from light source element 210 212: Light beam group of radiated light from light source element 210 : Light beam emitted from the light source element 210 220: Light source element 221: Main light beam emitted from the light source element 220 222: Light beam group emitted from the light source element 220 222s: Light beam emitted from the light source element 220 250 : Projection surface DmjA: Two-dimensional light amplitude modulation element DmjB: Two-dimensional light amplitude modulation element Edm: Diffusing element EfB1: Optical fiber for B color light source EfB2: Optical fiber for B color light source EfG1: Optical fiber for G color light source EfG2: G Optical fiber for color light source EfR1: Optical fiber for R color light source EfR2: Optical fiber for R color light source Ej1A: Illumination lens Ej1B: Illumination lens Ej2A: Projection lens Ej2B: Field lens Ej3B: Projection lens EsB: Collimator lens EsG: Collimator lens EsR: Collimator lens Eu: Condenser lens F1B: Fly-eye lens F1B : Light uniformizing means FmA: Light uniformizing means FmB: Light uniformizing means Fo: Output light flux HuB: Dichroic mirror HuG: Dichroic mirror HuR: Mirror LCD: Liquid crystal device MjA: Mirror MjB: Polarizing beam splitter PcB: Polarizing alignment element Pmi: incident end PmiA: incident end PmiB: incident end Pmo: exit end PmoA: exit end PmoB: exit end SjA: light source SjB: light source Tj: scan Lean ZIB: incident optical axis alpha: a plane parallel to the xz plane beta: yz plane plane parallel to the [theta] x: diffusion angle of the light beam diffused along the plane alpha [theta] y: diffusion angle of the light beam diffused along the plane beta

Claims (12)

コヒーレント光を放射する複数の光源素子と、
光ファイバと、
前記複数の光源素子からの放射光を前記光ファイバの光入射端面に導く結合光学系を有し、
前記結合光学系は、前記複数の光源素子それぞれからの放射光を受け、一括して前記光ファイバの光入射端面に集光する集光光学系を有し、
前記複数の光源素子それぞれからの放射光が前記集光光学系への入力されるときの光束の角度分布の中心に対応する光線を主光線として、前記集光光学系を経て前記光ファイバに入射した直後の前記主光線は、前記光ファイバの中心軸に略平行であることを特徴とする光源装置。
A plurality of light source elements that emit coherent light;
Optical fiber,
A coupling optical system for guiding emitted light from the plurality of light source elements to the light incident end face of the optical fiber;
The coupling optical system has a condensing optical system that receives radiated light from each of the plurality of light source elements and collects light collectively on a light incident end face of the optical fiber,
Light emitted from each of the plurality of light source elements is incident on the optical fiber through the condensing optical system as a chief ray corresponding to the center of the angular distribution of the light flux when the light is input to the condensing optical system. The light source device according to claim 1, wherein the chief ray immediately after is substantially parallel to a central axis of the optical fiber.
前記光ファイバの光入射端面は、前記光ファイバの中心軸に垂直な平面で構成され、
前記集光光学系は、出力側にテレセントリックであることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
The light incident end face of the optical fiber is constituted by a plane perpendicular to the central axis of the optical fiber,
The light source device according to claim 1, wherein the condensing optical system is telecentric on an output side.
前記集光光学系は複数のレンズを有し、
前記複数のレンズのうちの最も出力側に近い位置に配置されたレンズは、前記光ファイバの光入射端面に実質的に密着していることを特徴とする請求項2に記載の光源装置。
The condensing optical system has a plurality of lenses,
The light source device according to claim 2, wherein a lens disposed at a position closest to the output side among the plurality of lenses is substantially in close contact with a light incident end face of the optical fiber.
前記集光光学系の光入射端面に入射される光が、略軸対称な角度分布を示すことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光源装置。   The light source device according to claim 1, wherein the light incident on the light incident end face of the condensing optical system exhibits a substantially axially symmetric angular distribution. 前記複数の光源素子からの放射光は、光放射の角度分布が非軸対象であり、かつ光放射の中心軸を含む平面に対して略対称な角度分布を示し、
前記結合光学系は、前記複数の光源素子のそれぞれに対応した複数の角度分布変換素子を有し、
前記複数の角度分布変換素子は、前記複数の光源素子からの放射光を、略軸対称な角度分布を示す光に変換して前記集光光学系の光入射端面に射出することを特徴とする請求項4に記載の光源装置。
The emitted light from the plurality of light source elements has an angular distribution of light emission that is non-axial and has a substantially symmetrical angular distribution with respect to a plane including the central axis of the light emission,
The coupling optical system has a plurality of angle distribution conversion elements corresponding to the plurality of light source elements,
The plurality of angle distribution conversion elements convert radiated light from the plurality of light source elements into light having a substantially axially symmetric angle distribution and emit the light to a light incident end face of the condensing optical system. The light source device according to claim 4.
前記複数の角度分布変換素子からの射出光の前記主光線が相互に略平行であることを特徴とする請求項5に記載の光源装置。   6. The light source device according to claim 5, wherein the chief rays of light emitted from the plurality of angle distribution conversion elements are substantially parallel to each other. 前記複数の角度分布変換素子は、非軸対象屈折面を有した光学素子を含む構成であることを特徴とする請求項5又は6に記載の光源装置。   The light source device according to claim 5, wherein the plurality of angle distribution conversion elements include an optical element having a non-axis target refracting surface. 前記非軸対象屈折面を含む光学素子が、シリンドリカルレンズ、トーリックレンズ、又は回転楕円体面レンズで構成されていることを特徴とする請求項7に記載の光源装置。   The light source device according to claim 7, wherein the optical element including the non-axis target refracting surface is configured by a cylindrical lens, a toric lens, or a spheroid surface lens. 前記複数の角度分布変換素子は、平行光を発散光に変換する光発散性素子を含む構成であることを特徴とする請求項5又は6に記載の光源装置。   The light source device according to claim 5, wherein the plurality of angle distribution conversion elements include a light diverging element that converts parallel light into divergent light. 前記光発散性素子が、拡散板、2次元レンズアレイ、又はシリンドリカルレンズアレイで構成されていることを特徴とする請求項9に記載の光源装置。   The light source device according to claim 9, wherein the light diverging element includes a diffusing plate, a two-dimensional lens array, or a cylindrical lens array. 前記複数の角度分布変換素子は、導光棒を含む構成であることを特徴とする請求項5又は6に記載の光源装置。   The light source device according to claim 5, wherein the plurality of angle distribution conversion elements include a light guide bar. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の光源装置からの射出光を利用して画像を投影表示することを特徴とするプロジェクタ。


The projector which projects and displays an image using the emitted light from the light source device of any one of Claims 1-11.


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