JP2019078947A - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】小型の光源装置を提供する。【解決手段】本発明の光源装置は、基板上に第１方向に沿って配列された複数の半導体レーザーと、複数の半導体レーザーからの複数の光が入射されるロッドインテグレーターと、複数の半導体レーザーとロッドインテグレーターの光入射端面との間において複数の光の光路上に位置するように設けられたシリンドリカルレンズと、を備える。複数の半導体レーザーは、第１の半導体レーザーと、第２の半導体レーザーと、第３の半導体レーザーと、を含む。複数の光の各々の中心軸の向きは、第１方向に交差する方向と等しく、各半導体レーザーの発光領域は長手方向を有し、シリンドリカルレンズの母線方向と長手方向とは平行である。第１〜第３の色光はロッドインテグレーターにより合成され、当該合成された光が射出される。【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置およびプロジェクターに関する。

プロジェクターに用いられる光源として、高輝度かつ高出力の光が得られる半導体レーザー等のレーザー光源が注目されている。
例えば下記の特許文献１に、赤色光用レーザー光源を含む赤色光用光源装置と、緑色光用レーザー光源を含む緑色光用光源装置と、青色光用レーザー光源を含む青色光用光源装置と、各色光の光路に設けられた光拡散装置および光変調装置と、投射光学系と、を備えたプロジェクターが開示されている。

下記の特許文献２には、青色半導体レーザーと、赤色半導体レーザーと、青色半導体レーザーからの青色光を励起光として緑色の蛍光を射出する蛍光体板と、ダイクロミラーユニットと、マイクロミラー素子と、投影レンズ部と、を備えたプロジェクターが開示されている。

特開２０１５−６４４４４号公報 特開２０１４−５９５１３号公報

レーザー光源を用いた特許文献１，２のプロジェクターにおいて、発光色が互いに異なる複数の半導体レーザーを離れた位置に配置し、各半導体レーザーからの射出光を光合成素子によって合成する構成が採用されている。ところが、この構成では、光源装置が大型になり、プロジェクターが大型になる、という問題があった。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、小型の光源装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の他の一つの態様は、小型のプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の光源装置は、基板と、前記基板上に第１方向に沿って配列された複数の半導体レーザーと、前記複数の半導体レーザーから射出された複数の光が入射される光入射端面と、前記光入射端面と対向する光射出端面と、を備えたロッドインテグレーターと、前記複数の半導体レーザーと前記ロッドインテグレーターの前記光入射端面との間において前記複数の光の光路上に位置するように設けられたシリンドリカルレンズと、を備える。前記複数の半導体レーザーは、第１の色光を射出する第１の半導体レーザーと、前記第１の色光の色と異なる色の第２の色光を射出する第２の半導体レーザーと、前記第１の色光の色および前記第２の色光の色と異なる色の第３の色光を射出する第３の半導体レーザーと、を含む。前記複数の光の各々の中心軸の向きは、前記第１方向に交差する方向と等しく、前記複数の半導体レーザーの各々の発光領域は長手方向を有し、前記シリンドリカルレンズの母線の方向と前記長手方向とは平行である。前記第１の色光、前記第２の色光および前記第３の色光は前記ロッドインテグレーターにより合成され、当該合成された光が前記光射出端面から射出される。

本発明の一つの態様の光源装置においては、発光色が互いに異なる第１の半導体レーザー、第２の半導体レーザーおよび第３の半導体レーザーを含む複数の半導体レーザーが基板上に配列されている。第１〜第３の半導体レーザーから射出された複数の光は、シリンドリカルレンズを通過してロッドインテグレーターに入射し、ロッドインテグレーターによって合成されるとともに、照度分布が均一化される。このように、発光色が互いに異なる複数の半導体レーザーを離れた位置に配置する必要がないため、光源装置を小型化することができる。

半導体レーザーは、発光領域の長手方向が短軸となり、発光領域の短手方向が長軸となる楕円形状の断面を有する光を射出する。すなわち、半導体レーザーから射出される光は、発光領域の長手方向に垂直な面内での発散角が、発光領域の短手方向に垂直な面内での発散角よりも大きい。そのため、半導体レーザーから射出された光がロッドインテグレーターを通過した後、ロッドインテグレーターの後段に設けられた光学系に入射されない光が生じ、光利用効率が低下するおそれがある。また、光が光学系に入射されないことがないように光学系の口径を大きくすると、光源装置が大型になる。

これに対して、本発明の一つの態様の光源装置において、シリンドリカルレンズは、シリンドリカルレンズの母線の方向と発光領域の長手方向とが平行になるように、複数の半導体レーザーとロッドインテグレーターの光入射端面との間において複数の光の光路上に位置するように設けられている。この構成によれば、シリンドリカルレンズから射出された光は、シリンドリカルレンズの入射前の光に比べて、発光領域の長手方向に垂直な面内での発散角が小さくなる。これにより、ロッドインテグレーターの後段の光学系に入射されない光が生じにくくなるため、光利用効率の低下を抑えつつ、小型の光源装置を実現することができる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記基板は、第１基板と第２基板とを含む複数の基板からなり、前記シリンドリカルレンズは、第１シリンドリカルレンズと第２シリンドリカルレンズとを含む複数のシリンドリカルレンズからなり、前記第１基板と前記第２基板とは、前記第１方向および前記中心軸と交差する第２方向に沿って配列され、前記第１基板および前記第２基板の各々に、複数の前記半導体レーザーが設けられ、前記第１シリンドリカルレンズは、前記第１基板上の前記複数の半導体レーザーの各々の発光領域に対向して配置され、前記第２シリンドリカルレンズは、前記第２基板上の前記複数の半導体レーザーの各々の発光領域に対向して配置され、前記第１シリンドリカルレンズから射出された光と前記第２シリンドリカルレンズから射出された光とは、前記ロッドインテグレーターに入射する構成であってもよい。

この構成によれば、複数の半導体レーザーが第１方向に配列された複数の基板が第２方向に配列されているため、中心軸に垂直な面内において複数の半導体レーザーを２次元に配置することができる。そのため、より多くの半導体レーザーを限られたスペース内に配置することができる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記複数の半導体レーザーの各々は、前記長手方向が前記第１方向を向くように配置されていてもよい。

この構成によれば、シリンドリカルレンズの母線の方向と第１方向（複数の半導体レーザーの配列方向）とが一致するため、基板の数と同じ数のシリンドリカルレンズを用いれば済む。これにより、用いるシリンドリカルレンズの数を最小限にでき、光源装置の構成を簡単にすることができる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記第１方向に垂直な平面内において、前記半導体レーザーから射出された光の射出角をα１（度）とし、前記シリンドリカルレンズから射出された光の射出角をα２（度）としたとき、α１＞α２であり、かつ、α２は０度でないことが望ましい。

この構成によれば、シリンドリカルレンズから射出された光は、発光領域の長手方向に垂直な面内の発散角が小さくなるとともに、ロッドインテグレーターの光入射端面に対して光が斜めに入射するため、照度分布が均一になる。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の光源装置と、前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学装置と、を備える。

この構成によれば、小型のプロジェクターを提供することができる。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 第１実施形態の光源装置の斜視図である。 半導体レーザーの斜視図である。 ＋Ｚ方向から見た光源装置の平面図である。 ＋Ｙ方向から見た光源装置の側面図である。 第２実施形態の光源装置の斜視図である。 ＋Ｘ方向から見た複数の半導体レーザーの正面図である。 ＋Ｚ方向から見た光源装置の平面図である。 ＋Ｙ方向から見た光源装置の側面図である。 従来の光源装置において、ロッドインテグレーターの光射出端面における光の強度分布を示す図である。 本実施形態の光源装置において、ロッドインテグレーターの光射出端面における光の強度分布を示す図である。 第３実施形態のプロジェクターの概略構成図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図７を用いて説明する。
図１は、第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。また、以下の各図面は、ＸＹＺ直交座標系を用い、半導体レーザーからの光の射出方向をＸ方向とし、投射光学装置からの光の射出方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに直交する方向をＺ方向とする。

図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１０は、光源装置２０と、導光光学系９８と、マイクロミラー型の光変調装置４５０と、投射光学装置６００と、を備えている。光源装置２０は、赤色光Ｒ０、緑色光Ｇ０、および青色光Ｂ０の各色光を時分割で射出し、光変調装置４５０に順次入射させる。光源装置２０の詳細な構成については、後で説明する。

導光光学系９８は、反射ミラーから構成されている。導光光学系９８は、光源装置２０から射出された赤色光Ｒ０、緑色光Ｇ０、および青色光Ｂ０を反射させ、光変調装置４５０に時分割で入射させる。

マイクロミラー型の光変調装置４５０としては、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）が用いられる。ＤＭＤは、複数のマイクロミラーがマトリクス状に配列された構成を有する。ＤＭＤは、複数のマイクロミラーの傾斜方向を切換えることにより、入射光の反射方向を、投射光学装置６００に入射する方向と投射光学装置６００に入射しない方向との間で高速に切り替える。このように、光変調装置４５０は、光源装置２０から射出された赤色光Ｒ０、緑色光Ｇ０、および青色光Ｂ０を順次変調し、緑色画像、赤色画像、および青色画像を生成する。

投射光学装置６００は、緑色画像、赤色画像、および青色画像をスクリーンＳＣＲに投射する。投射光学装置６００は、例えば複数の投射レンズにより構成されている。

図１および図２に示すように、光源装置２０は、基板２１と、複数の半導体レーザー２２と、シリンドリカルレンズ２３と、ロッドインテグレーター２４と、ピックアップ光学系２５と、集光光学系２６と、を備えている。

基板２１は、例えば、アルミニウム、銅などの放熱性に優れた金属材料から構成されている。基板２１は、複数の半導体レーザー２２が実装される実装面２１ａを有している。実装面２１ａは、長手方向Ｌ１と短手方向Ｌ２とを有する長方形状の形状を有している。

複数の半導体レーザー２２は、基板２１の実装面２１ａ上に長手方向Ｌ（第１方向）に沿って間隔をおいて配列されている。複数の半導体レーザーの各々は、発光領域を短手方向Ｗに向けて配置されている。したがって、各半導体レーザーから射出される光の中心軸の向きは、長手方向Ｌに交差する短手方向Ｗと等しい。以下の説明において、複数の半導体レーザーから射出される複数の光をまとめて光線束と称する。

複数の半導体レーザー２２は、青色光Ｂ０（第１の色光）を射出する青色半導体レーザー２２Ｂ（第１の半導体レーザー）と、緑色光Ｇ０（第２の色光）を射出する緑色半導体レーザー２２Ｇ（第２の半導体レーザー）と、赤色光Ｒ０（第３の色光）を射出する赤色半導体レーザー２２Ｒ（第３の半導体レーザー）と、を含んでいる。本実施形態においては、１個の青色半導体レーザー２２Ｂと、２個の緑色半導体レーザー２２Ｇと、４個の赤色半導体レーザー２２Ｒと、を含む７個の半導体レーザー２２が基板２１上に設けられている。なお、各半導体レーザー２２の個数は、上記の例に限定されず、適宜変更が可能である。

一般に、半導体レーザーの発光効率は発光色毎に異なるため、半導体レーザーの光出力も発光色毎に異なる。さらに、所望の輝度の白色光を生成するためには、発光色によって要求される出力の大きさが異なる。したがって、所定の明るさの白色光を得るのに必要な各発光色の半導体レーザー２２の数は、上記のように異なる。

１個の青色半導体レーザー２２Ｂは、７個の半導体レーザー２２のうちの中央に配置されている。２個の緑色半導体レーザー２２Ｇは、青色半導体レーザー２２Ｂの両側に１個ずつ配置されている。４個の赤色半導体レーザー２２Ｒは、緑色半導体レーザー２２Ｇの両側に２個ずつ配置されている。一例として、青色半導体レーザー２２Ｂは、概ね３８０ｎｍ〜４９５ｎｍの波長域にピーク波長を有する光を射出する。緑色半導体レーザー２２Ｇは、概ね４９５ｎｍ〜５８５ｎｍの波長域にピーク波長を有する光を射出する。赤色半導体レーザー２２Ｒは、概ね５８５ｎｍ〜７２０ｎｍの波長域にピーク波長を有する光を射出する。

図３は、半導体レーザー２２の斜視図である。なお、青色半導体レーザー２２Ｂ、緑色半導体レーザー２２Ｇおよび赤色半導体レーザー２２Ｒは同様の構成であるため、ここでは青色半導体レーザー２２Ｂ、緑色半導体レーザー２２Ｇおよび赤色半導体レーザー２２Ｒを一括して半導体レーザー２２と称して説明する。

図３に示すように、半導体レーザー２２は、光を射出する発光領域２２ｃを有している。発光領域２２ｃは、射出される光ＬＢの主光線Ｌ０の方向から見て、長手方向Ｗ１と短手方向Ｗ２とを有する長方形状の平面形状を有している。発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１の寸法と短手方向Ｗ２の寸法との比（Ｗ１／Ｗ２）は、３０／１以上であることが好ましい。本実施形態において、発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１の寸法は例えば４０μｍであり、発光領域２２ｃの短手方向Ｗ２の寸法は例えば１μｍである。なお、発光領域２２ｃの形状および寸法はこれに限定されない。

半導体レーザー２２は、発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１が短軸となり、発光領域２２ｃの短手方向Ｗ２が長軸となる楕円形状の断面ＬＳを有する光ＬＢを射出する。すなわち、半導体レーザー２２から射出される光ＬＢは、発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１に垂直な面内での発散角γ１が、発光領域２２ｃの短手方向Ｗ２に垂直な面内での発散角γ２よりも大きい。光ＬＢの発散角γ１の最大値（最大放射角度）は例えば７０°であり、光ＬＢの発散角γ２の最大値（最大放射角度）は例えば２０°である。複数の半導体レーザー２２の各々は、発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１が基板２１の長手方向Ｌ１を向くように配置されている。

図１および図２に示すように、シリンドリカルレンズ２３は、複数の半導体レーザー２２とロッドインテグレーター２４の光入射端面２４ｉとの間において複数の光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０の光路上に位置するように設けられている。したがって、複数の半導体レーザー２２から射出された複数の光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０は、シリンドリカルレンズ２３を通過してロッドインテグレーター２４に入射する。シリンドリカルレンズ２３は、凸状のレンズ面と平面とを有する平凸レンズで構成されている。シリンドリカルレンズ２３は、シリンドリカルレンズ２３の母線Ｖの方向と半導体レーザー２２の発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１とが平行になるように配置されている。

ロッドインテグレーター２４は、シリンドリカルレンズ２３とピックアップ光学系２５との間の複数の光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０の光路上に備えられている。ロッドインテグレーター２４は、四角柱状の光透過性部材で構成されている。ロッドインテグレーター２４は、複数の半導体レーザー２２からの複数の光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０が入射される光入射端面２４ｉと、光入射端面２４ｉと対向する光射出端面２４ｅと、４つの反射面２４ｆと、を備えている。光入射端面２４ｉの面積と光射出端面２４ｅの面積とは等しく、４つの反射面２４ｆは互いに平行である。すなわち、本実施形態のロッドインテグレーター２４は、テーパを持たないロッドインテグレーターで構成されている。

青色光Ｂ０と緑色光Ｇ０と赤色光Ｒ０とは、ロッドインテグレーター２４により合成され、当該合成された光が光射出端面２４ｅから射出される。また、青色光Ｂ０と緑色光Ｇ０と赤色光Ｒ０とを含む複数の光は、ロッドインテグレーター２４を透過することにより強度分布が均一化される。本実施形態のロッドインテグレーター２４は、中実の光透過性部材で構成されているが、内面が反射面となった中空の管状部材で構成されていてもよい。

なお、本実施形態において、複数の半導体レーザー２２は青色光Ｂ０、緑色光Ｇ０および赤色光Ｒ０を時分割で射出しているため、各半導体レーザー２２の発光時間よりも短い期間内では青色光Ｂ０、緑色光Ｇ０および赤色光Ｒ０のうち、いずれか一つの色光のみが射出されている。ただし、各半導体レーザー２２の発光時間よりも長い期間内で見れば、青色光Ｂ０、緑色光Ｇ０および赤色光Ｒ０はロッドインテグレーター２４により合成されている。以降、合成された複数の光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０を光ＬＷと称する。

ピックアップ光学系２５は、第１凸レンズ２５Ａと第２凸レンズ２５Ｂとから構成されている。ピックアップ光学系２５は、ロッドインテグレーター２４から射出された光ＬＷを略平行化する。

集光光学系２６は、凸レンズから構成されている。集光光学系２６は、ピックアップ光学系２５から射出された光線束を光変調装置４５０に向けて集光する。

図４、図５を用いて、シリンドリカルレンズ２３の作用について説明する。
図４は、＋Ｚ方向から見た光源装置２０の平面図である。図５は、＋Ｙ方向から見た光源装置２０の側面図である。図４および図５においては、図１に示した導光光学系９８の図示を省略し、半導体レーザー２２から射出される光の光路を直線的に描いた。

図４に示すように、シリンドリカルレンズ２３は、母線Ｖと直交するＸＹ平面と平行な平面内においてのみパワーを持っている。シリンドリカルレンズ２３のパワーは、ＸＹ平面と平行な平面内において各光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０を完全に平行化する場合のパワーよりも小さく設定されている。

これにより、シリンドリカルレンズ２３は、複数の半導体レーザー２２から射出された光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０をＸＹ面内において屈折させる。具体的には、ＸＹ平面と平行な平面（半導体レーザー２２の長手方向Ｗ１に垂直な平面）内において、半導体レーザー２２から射出された各光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０の射出角をα１（度）とし、シリンドリカルレンズ２３から射出された各光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０の射出角をα２（度）としたとき、シリンドリカルレンズ２３は、α１＞α２であり、かつ、α２は０度でないように、各光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０を屈折させる。ＸＹ平面と平行な平面内における光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０の射出角α１は、上述の発散角γ１の１／２であるため、例えば３５°である。

なお、仮に射出角α２が０度であったとすると、ＸＹ平面と平行な平面内において完全に平行化された光がロッドインテグレーター２４に入射する。この場合、ロッドインテグレーター２４の反射面２４ｆで光が反射しないため、ロッドインテグレーター２４は強度分布の均一化の機能を果たせない。したがって、シリンドリカルレンズ２３のパワーは、α２が０度にならないように設定される必要がある。

一方、図５に示すように、シリンドリカルレンズ２３は、母線Ｖと平行なＸＺ面内においてパワーを持たない。そのため、図５に示すように、半導体レーザー２２から射出された光は、ＸＺ面内における進行方向を変えずに、シリンドリカルレンズ２３を透過する。そのため、ＸＺ面内において、半導体レーザー２２から射出された光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０の射出角をβ（度）とすると、シリンドリカルレンズ２３から射出された光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０の射出角もβ（度）のままである。ＸＺ平面と平行な平面内における光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０の射出角βは、上述の発散角γ２の１／２であるため、例えば１０°である。

本実施形態において、ＸＹ平面と平行な平面内におけるシリンドリカルレンズ２３のパワーは、シリンドリカルレンズ２３を透過した光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０の断面形状が略円形となるように設定されていることが望ましい。すなわち、シリンドリカルレンズ２３のパワーは、α２≒βとなるように設定されていることが望ましい。この場合、シリンドリカルレンズ２３は、図３に示した楕円形の断面形状を有する光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０を略円形の断面形状を有する光に変換する。

本実施形態の光源装置２０においては、発光色が互いに異なる青色半導体レーザー２２Ｂ、緑色半導体レーザー２２Ｇおよび赤色半導体レーザー２２Ｒを含む複数の半導体レーザー２２が一つの基板２１上に配列されている。複数の半導体レーザー２２から射出された複数の光Ｂ０，Ｇ０，Ｒ０は、シリンドリカルレンズ２３を通過してロッドインテグレーター２４に入射し、ロッドインテグレーター２４によって合成されるとともに、照度分布が均一化される。このように、発光色が互いに異なる複数の半導体レーザー２２を離れた位置に配置する必要がないため、光源装置２０の小型化を図ることができる。

また、ロッドインテグレーター２４がテーパを持たない通常のロッドインテグレーターで構成されている場合、光の角度分布は、ロッドインテグレーター２４内で保存される。すなわち、光は、光入射端面２４ｉに対する入射角と等しい射出角で光射出端面２４ｅから射出される。そのため、シリンドリカルレンズを持たない従来の光源装置の場合、半導体レーザーの発光領域の長手方向に垂直な平面内において、ロッドインテグレーターから大きな射出角で光が射出される。その結果、ロッドインテグレーターの後段のピックアップ光学系に入射されない光が生じ、光利用効率が低下するおそれがあった。また、ピックアップ光学系に入射されない光が生じないようにピックアップ光学系の口径を大きくすると、光源装置が大型化する、という問題があった。

これに対して、本実施形態の光源装置２０においては、シリンドリカルレンズ２３が複数の半導体レーザー２２とロッドインテグレーター２４との間に設けられており、ＸＹ平面と平行な平面内において、シリンドリカルレンズ２３から射出された光の射出角α２が半導体レーザー２２から射出された後の光の射出角α１よりも小さくなる。これにより、シリンドリカルレンズ２３を透過した光の断面形状を楕円形から円形に近付けることができる。これにより、楕円形の断面形状を有する光を入射可能とする大型のピックアップ光学系を用いる必要がなくなる。その結果、従来に比べて、ピックアップ光学系に入射されない光が生じにくくなり、光利用効率の低下を抑えつつ、小型の光源装置２０を実現することができる。

また、本実施形態のプロジェクター１０は、上記の光源装置２０を備えているため、小型化が図れる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図６〜図１１を用いて説明する。
第２実施形態のプロジェクターおよび光源装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、複数の半導体レーザーの配置が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターおよび光源装置の全体の説明は省略する。
図６は、第２実施形態の光源装置の斜視図である。図７は、＋Ｘ方向から見た複数の半導体レーザーの正面図である。
図６〜図９において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図６および図７に示すように、本実施形態の光源装置４０は、複数の基板２１と、複数の半導体レーザー２２と、複数のシリンドリカルレンズ２３と、ロッドインテグレーター２４と、ピックアップ光学系２５（図１参照）と、集光光学系２６（図１参照）と、を備えている。

複数の基板２１は、第１基板２１１と第２基板２１２とから構成されている。第１基板２１１および第２基板２１２の各々には、複数の半導体レーザー２２が設けられている。複数の半導体レーザー２２は、第１基板２１１の実装面２１１ａおよび第２基板２１２の実装面２１２ａの各々に、長手方向Ｌ１（第１方向）に沿って間隔をおいて配列されている。第１基板２１１と第２基板２１２とは、長手方向Ｌ１および短手方向Ｌ２と直交する方向（第１方向および中心軸と交差する第２方向）に沿って配列されている。ただし、基板２１の枚数は、上記の２枚に限らず、適宜変更が可能である。

図７に示すように、第１基板２１１および第２基板２１２の各々に、５個の半導体レーザー２２が設けられている。第１基板２１１上の５個の半導体レーザー２２は、１個の青色半導体レーザー２２Ｂと４個の緑色半導体レーザー２２Ｇとを含んでいる。１個の青色半導体レーザー２２Ｂは、５個の半導体レーザー２２のうちの中央に配置されている。４個の緑色半導体レーザー２２Ｇは、青色半導体レーザー２２Ｂの両側に２個ずつ配置されている。第２基板２１２上の５個の半導体レーザー２２は、全て赤色半導体レーザー２２Ｒで構成されている。ただし、各半導体レーザー２２の個数は、上記の例に限定されず、適宜変更が可能である。

図６に示すように、複数のシリンドリカルレンズ２３は、第１シリンドリカルレンズ２３１と、第２シリンドリカルレンズ２３２と、から構成されている。第１シリンドリカルレンズ２３１は、第１基板２１１上の複数の半導体レーザー２２の各々の発光領域２２ｃに対向して配置されている。第２シリンドリカルレンズ２３２は、第２基板２１２上の複数の半導体レーザー２２の各々の発光領域２２ｃに対向して配置されている。

したがって、第１基板２１１上の複数の半導体レーザー２２から射出された複数の光Ｂ０，Ｇ０は、第１シリンドリカルレンズ２３１を経てロッドインテグレーター２４に入射する。第２基板２１２上の複数の半導体レーザー２２から射出された複数の光Ｒ０は、第２シリンドリカルレンズ２３２を経てロッドインテグレーター２４に入射する。このように、第１シリンドリカルレンズ２３１から射出された光Ｂ０，Ｇ０と第２シリンドリカルレンズ２３２から射出された光Ｒ０とは、ロッドインテグレーター２４に入射する。

第１シリンドリカルレンズ２３１および第２シリンドリカルレンズ２３２の各々は、第１実施形態と同様、凸状のレンズ面と平面とを有する平凸レンズで構成されている。第１シリンドリカルレンズ２３１および第２シリンドリカルレンズ２３２の各々は、各シリンドリカルレンズ２３の母線Ｖの方向と半導体レーザー２２の発光領域２２ｃの長手方向Ｌ１とが平行になるように配置されている。

図８および図９を用いて、シリンドリカルレンズ２３の作用について説明する。
図８は、＋Ｚ方向から見た光源装置４０の平面図である。図９は、＋Ｙ方向から見た光源装置４０の側面図である。図８および図９においては、図１に示した導光光学系９８の図示を省略し、半導体レーザー２２から射出される光の光路を直線的に描いた。

図８および図９に示すように、シリンドリカルレンズ２３は、母線Ｖと直交するＸＹ平面と平行な平面内においてのみパワーを持っている。シリンドリカルレンズ２３のパワーは、ＸＹ平面と平行な平面内において光を完全に平行化する場合のパワーよりも小さく設定されている。

第１実施形態と同様に、シリンドリカルレンズ２３は、複数の半導体レーザー２２から射出された光を、ＸＹ平面と平行な平面内において、α１＞α２であり、かつ、α２が０度でないように、屈折させる。また、シリンドリカルレンズ２３は、母線Ｖと平行なＸＺ平面と平行な平面内において、光を屈折させることなく透過させる。

本実施形態の場合、図８に示すように、第１基板２１１上の複数の半導体レーザー２２からの光は、ロッドインテグレーター２４の光入射端面２４ｉの一方側（図８の上側）の領域に入射し、第２基板２１２上の複数の半導体レーザー２２からの光は、ロッドインテグレーター２４の光入射端面２４ｉの他方側（図８の下側）の領域に入射する。ところが、このような場合でも、それぞれの光はロッドインテグレーター２４の内部で反射を繰り返し、照度が均一化された光が光射出端面２４ｅから射出される。

本実施形態においても、光利用効率の低下を抑えつつ、小型の光源装置４０を実現でき、小型のプロジェクターを実現できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

本実施形態の場合、複数の半導体レーザー２２がそれぞれ配列された第１基板２１１と第２基板２１２とが半導体レーザー２２の配列方向と直交する方向に配列されているため、射出光の中心軸に垂直な面内において複数の半導体レーザー２２を２次元に配置することができる。そのため、より多くの半導体レーザー２２を限られたスペース内に配置することができる。

本実施形態の場合、複数の半導体レーザー２２の各々は、発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１が基板２１の長手方向Ｌ１（複数の半導体レーザー２２の配列方向）を向くように配置されている。そのため、第１基板２１１および第２基板２１２のそれぞれに５個の半導体レーザー２２が設けられていても、基板２１の数と同じ数のシリンドリカルレンズ２３、すなわち、２個のシリンドリカルレンズ２３を用いれば済む。これにより、用いるシリンドリカルレンズ２３の数を最小限にでき、光源装置４０の構成を簡単にすることができる。

一般の半導体レーザーは、必要とする冷却量が発光色によって異なる。したがって、仮に第１基板２１１と第２基板２１２とのそれぞれに３種類の発光色の半導体レーザー２２が混在していると、各基板を適切に冷却することが難しい。これに対し、本実施形態の光源装置４０においては、第１基板２１１が青色半導体レーザー２２Ｂと緑色半導体レーザー２２Ｇとを備え、第２基板２１２が赤色半導体レーザー２２Ｒのみを備えているため、各基板を適切に冷却することが容易になる。

本発明者は、本実施形態の光源装置４０のシリンドリカルレンズ２３の効果を実証する目的で、以下のシミュレーションを行った。
シリンドリカルレンズ２３を備えた本実施形態の光源装置４０と、シリンドリカルレンズを備えていない従来の光源装置とで、ロッドインテグレーターの光射出端面における光の角度分布を比較した。

図１０は、従来の光源装置において、ロッドインテグレーターの光射出端面における光の強度分布を示す図である。図１１は、本実施形態の光源装置において、ロッドインテグレーターの光射出端面における光の強度分布を示す図である。
図１０および図１１において、横軸は射出角［度］を示し、縦軸は強度［a.u.］を示す。符号αのグラフ（実線）は、ＸＹ平面と平行な平面内における射出角と強度との関係を示し、符号βのグラフ（破線）は、ＸＺ平面と平行な平面内における射出角と強度との関係を示す。

図１０に示すように、シリンドリカルレンズを持たない従来の光源装置においては、ＸＹ平面と平行な平面内における射出角αは−４０度〜＋４０度の範囲に分布し、ＸＺ平面と平行な平面内における射出角βは−１５度〜＋１５度の範囲に分布している。この場合、ＸＹ平面と平行な平面内において、例えばＸＹ平面と平行な平面内において−４０度の射出角で射出された光成分は、ロッドインテグレーターの後段のピックアップ光学系に入射することが難しい。

これに対し、図１１に示すように、本実施形態の光源装置４０においては、ＸＹ平面と平行な平面内における射出角αは−８度〜＋８度の範囲に分布し、ＸＺ平面と平行な平面内における射出角βは−１２度〜＋１２度の範囲に分布している。このように、本実施形態の光源装置４０は、シリンドリカルレンズ２３を備えたことにより、ＸＹ平面と平行な平面内における射出角を、ＸＺ平面と平行な平面内における射出角と同程度まで小さくすることができた。このシミュレーションによれば、上記のいずれの射出角α、βの絶対値も１２度以下となり、ロッドインテグレーター２４の光射出端面２４ｅにおける光のＦ値が２．４以上となる。これにより、ロッドインテグレーター２４の後段の光学系の大型化を抑えることができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図１２を用いて説明する。
第３実施形態のプロジェクターは、光変調装置として液晶パネルを用いた点が第１実施形態と異なる。
図１２は、第３実施形態のプロジェクターの概略構成図である。
図１２において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図１２に示すように、本実施形態のプロジェクター１２は、光源装置６０と、色分離導光光学系２００と、赤色光用光変調装置４００Ｒと、緑色光用光変調装置４００Ｇと、青色光用光変調装置４００Ｂと、合成光学系５００と、投射光学装置６００と、を備えている。

本実施形態の光源装置６０の構成は、第１実施形態の光源装置２０の構成と同一である。ただし、第１実施形態の光源装置２０では、青色半導体レーザー２２Ｂ、緑色半導体レーザー２２Ｇおよび赤色半導体レーザー２２Ｒが時分割で順次発光する構成であった。これに対して、本実施形態の光源装置６０では、青色半導体レーザー２２Ｂ、緑色半導体レーザー２２Ｇおよび赤色半導体レーザー２２Ｒが同時に発光する。

また、各半導体レーザー２２とロッドインテグレーター２４との位置関係は、各半導体レーザー２２から射出される光の偏光方向がロッドインテグレーター２４の光入射端面２４ｉの任意の一辺と平行もしくは垂直になるように、設定されている。この構成によれば、ロッドインテグレーター２４に入射する際の光の偏光方向は、ロッドインテグレーター２４から射出された後まで保存される。この場合、後述する入射側偏光板を省略することができ、光変調装置として液晶パネルが用いられた本実施形態に好適である。第１実施形態の場合、光変調装置としてＤＭＤが用いられており、直線偏光が表示に用いられない。そのため、光の偏光方向がロッドインテグレーター２４の光入射端面２４ｉの任意の一辺と平行もしくは垂直でなくてもよい。

赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂのそれぞれは、光源装置６０からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する。投射光学装置６００は、画像光を投射する。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２４０と、ダイクロイックミラー２２０と、反射ミラー２１０と、反射ミラー２３０と、反射ミラー２５０と、リレーレンズ２６０と、リレーレンズ２７０と、を備えている。色分離導光光学系２００は、光源装置６０から射出された白色の光を赤色光ＬＲ２、緑色光ＬＧ２、および青色光ＬＢ２に分離し、赤色光ＬＲ２、緑色光ＬＧ２、および青色光ＬＢ２をそれぞれ対応する赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂに導く。

色分離導光光学系２００と赤色光用光変調装置４００Ｒとの間には、フィールドレンズ３００Ｒが配置されている。色分離導光光学系２００と緑色光用光変調装置４００Ｇとの間には、フィールドレンズ３００Ｇが配置されている。色分離導光光学系２００と青色光用光変調装置４００Ｂとの間には、フィールドレンズ３００Ｂが配置されている。

ダイクロイックミラー２４０は、青色光ＬＢ２を反射させ、赤色光ＬＲ２および緑色光ＬＧ２を透過させる。ダイクロイックミラー２２０は、緑色光ＬＧ２を反射させ、青色光ＬＢ２を透過させる。反射ミラー２１０および反射ミラー２３０は、赤色光ＬＲ２を反射させる。反射ミラー２５０は、青色光ＬＢ２を反射させる。赤色光ＬＲ２の光路上には、リレーレンズ２６０とリレーレンズ２７０とが設けられている。

赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂのそれぞれは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、画像光を生成する液晶パネルから構成されている。

図示を省略したが、赤色光用光変調装置４００Ｒとフィールドレンズ３００Ｒとの間に、入射側偏光板が設けられている。緑色光用光変調装置４００Ｇおよび青色光用光変調装置４００Ｂについても同様である。また、赤色光用光変調装置４００Ｒと合成光学系５００との間に、射出側偏光板が配置されている。緑色光用光変調装置４００Ｇおよび青色光用光変調装置４００Ｂについても同様である。

合成光学系５００は、赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、青色光用光変調装置４００Ｂから射出された画像光を合成する。合成光学系５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視が略正方形状のクロスダイクロイックプリズムから構成されている。直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面に誘電体多層膜が設けられている。

合成光学系５００から射出された画像光は、投射光学装置６００によってスクリーンＳＣＲ上に拡大投射される。

本実施形態においても、光利用効率の低下を抑えつつ、小型の光源装置６０を実現でき、小型のプロジェクター１２を実現できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態の光源装置では、母線と直交するＸＹ平面と平行な平面内においてパワーを持ち、母線を含むＸＺ平面と平行な平面内においてはパワーを持たないシリンドリカルレンズが用いられている。この構成に代えて、ＸＹ平面と平行な平面内においてパワーを持ち、ＸＺ平面と平行な平面内においてもパワーを持つトーリックレンズ等のアナモフィックレンズが用いられてもよい。ＸＺ平面と平行な平面内におけるパワーは、ＸＹ平面と平行な平面内におけるパワーに比べて十分に小さいことが望ましい。

図４および図５と対比して上記の構成を説明すると、例えばトーリックレンズが用いられる場合、トーリックレンズを透過した光は、ＸＹ平面と平行な平面内（図４参照）に加えて、ＸＺ平面と平行な平面内（図５参照）においても屈折する。ＸＺ平面と平行な平面内において、半導体レーザーから射出された光の射出角をβ１（度）とし、トーリックレンズから射出された光の射出角をβ２（度）とすると、トーリックレンズは、β１＞β２であり、かつ、β２は０度でないように、光を屈折させる。このとき、トーリックレンズの上記の平面内のパワーがα２≒β２となるように設定されていれば、トーリックレンズから射出される光の断面形状が略円形となる。

また、上記実施形態では、複数の半導体レーザーの各々は、発光領域の長手方向が複数の半導体レーザーの配列方向を向くように配置されていたが、発光領域の短手方向が複数の半導体レーザーの配列方向を向くように配置されていてもよい。その場合、基板上に設けられた半導体レーザーの数と同じ数のシリンドリカルレンズが設けられていればよい。

また、上記実施形態で例示した光源装置、およびプロジェクターの各構成要素の数、配置、形状、材料、寸法等については、適宜変更が可能である。

また、上記実施形態では、本発明による光源装置をプロジェクターに応用する例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置を自動車用ヘッドライト等の照明器具にも適用することができる。

１０，１２…プロジェクター、２０，４０，６０…光源装置、２１…基板、２２…半導体レーザー、２２Ｂ…青色半導体レーザー（第１の半導体レーザー）、２２Ｇ…緑色半導体レーザー（第２の半導体レーザー）、２２Ｒ…赤色半導体レーザー（第３の半導体レーザー）、２２ｃ…発光領域、２３…シリンドリカルレンズ、２４…ロッドインテグレーター、２４ｉ…光入射端面、２４ｅ…光射出端面、２１１…第１基板、２１２…第２基板、２３１…第１シリンドリカルレンズ、２３２…第２シリンドリカルレンズ、４００Ｂ…青色光用光変調装置、４００Ｇ…緑色光用光変調装置、４００Ｒ…赤色光用光変調装置、６００…投射光学装置。

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上に第１方向に沿って配列された複数の半導体レーザーと、
   前記複数の半導体レーザーから射出された複数の光が入射される光入射端面と、前記光入射端面と対向する光射出端面と、を備えたロッドインテグレーターと、
   前記複数の半導体レーザーと前記ロッドインテグレーターの前記光入射端面との間において前記複数の光の光路上に位置するように設けられたシリンドリカルレンズと、を備え、
   前記複数の半導体レーザーは、第１の色光を射出する第１の半導体レーザーと、前記第１の色光の色と異なる色の第２の色光を射出する第２の半導体レーザーと、前記第１の色光の色および前記第２の色光の色と異なる色の第３の色光を射出する第３の半導体レーザーと、を含み、
   前記複数の光の各々の中心軸の向きは、前記第１方向に交差する方向と等しく、
   前記複数の半導体レーザーの各々の発光領域は長手方向を有し、
   前記シリンドリカルレンズの母線の方向と前記長手方向とは平行であり、
   前記第１の色光、前記第２の色光および前記第３の色光は前記ロッドインテグレーターにより合成され、当該合成された光が前記光射出端面から射出される、光源装置。
2. 前記基板は、第１基板と第２基板とを含む複数の基板からなり、
   前記シリンドリカルレンズは、第１シリンドリカルレンズと第２シリンドリカルレンズとを含む複数のシリンドリカルレンズからなり、
   前記第１基板と前記第２基板とは、前記第１方向および前記中心軸と交差する第２方向に沿って配列され、
   前記第１基板および前記第２基板の各々に、複数の前記半導体レーザーが設けられ、
   前記第１シリンドリカルレンズは、前記第１基板上の前記複数の半導体レーザーの各々の発光領域に対向して配置され、
   前記第２シリンドリカルレンズは、前記第２基板上の前記複数の半導体レーザーの各々の発光領域に対向して配置され、
   前記第１シリンドリカルレンズから射出された光と前記第２シリンドリカルレンズから射出された光とは、前記ロッドインテグレーターに入射する、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記複数の半導体レーザーの各々は、前記長手方向が前記第１方向を向くように配置されている、請求項２に記載の光源装置。
4. 前記第１方向に垂直な平面内において、前記半導体レーザーから射出された光の射出角をα１（度）とし、前記シリンドリカルレンズから射出された光の射出角をα２（度）としたとき、α１＞α２であり、かつ、α２は０度でない、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の光源装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
   前記画像光を投射する投射光学装置と、を備えたプロジェクター。

Images