JP2019211530A - 光源装置、プロジェクタ - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の半導体レーザチップを用いて、装置規模の拡大を抑制しながら光出力を高めた光源装置を提供する。【解決手段】光源装置1は、同一の又は異なる半導体レーザチップ5上に設けられた複数の光射出領域と、隣接する複数の光射出領域から射出された複数の第一光線束が入射され、略平行光線束である複数の第二光線束に変換して射出する第一屈折光学系6とを含む複数の半導体レーザユニッ2トと、異なる傾斜角を有する複数の平坦面、又は複数の平坦面のそれぞれを基礎として突出する複数の凸曲面を含み、同一の半導体レーザユニットから射出された複数の第二光線束それぞれの少なくとも一部が異なる平坦面又は異なる凸曲面に入射されて、それぞれの主光線同士の離間距離を縮小するように複数の第二光線束の進行方向を変換して射出する第二屈折光学系3とを備える。第二屈折光学系は、半導体レーザユニットの数に対応して配置されている。【選択図】図7
Description
本発明は、光源装置に関し、特に半導体レーザチップから射出された光を利用する光源装置に関する。また、本発明は、このような光源装置を備えたプロジェクタに関する。
プロジェクタ用の光源として、半導体レーザチップを利用することが進められている。近年、このように半導体レーザチップを光源として用いながらも、更に光出力を高めた光源装置が市場から期待されている。
光源側の光出力を高めるためには、複数の半導体レーザチップから射出された光を集光する方法が考えられる。しかし、半導体レーザチップには一定の幅が存在し、これらを密接して配置することには限界がある。つまり、単に複数の半導体レーザチップを配置するだけでは、光源装置が大型化してしまう。
かかる観点から、例えば下記特許文献1のように、第一の領域に半導体レーザチップ群を配置し、第一の領域とは別の第二の領域に別の半導体レーザチップ群を配置し、両半導体レーザチップ群から射出される光を、スリットミラーからなる光合成手段を用いて合成する技術が存在する。かかる方法により、単に同一箇所に複数の半導体レーザチップを並べた場合と比較して、配置面積を縮小しながらも光強度を高めることが可能となる。
ところで、光源側の光強度を高める方法として、レーザ光を射出する領域(光射出領域:以下では「エミッタ」と称することがある。)を複数設けた半導体レーザチップを用いる方法が考えられる。このような半導体レーザチップは、「マルチエミッタ型」と称されることがある。本発明者らは、マルチエミッタ型の半導体レーザチップを光源に利用することで、光強度を高めることを検討したところ、以下のような課題が存在することを突き止めた。
図1Aは、一つのエミッタを備えた半導体レーザチップの構造を模式的に示す斜視図である。このような半導体レーザチップは、「シングルエミッタ型」と称されることがある。なお、図1Aには、エミッタから射出される光(レーザ光)の光線束についても、模式的に図示している。なお、本明細書では、単一のエミッタから射出される束状に形成された光線群を「光線束」と称する。
図1Aに示されるような、いわゆる「端面発光型」の半導体レーザチップ100の場合、エミッタ101から射出される光線束101Lは、楕円錐型を示すことが知られている。本明細書では、光軸(図1Aに示すZ方向)に直交する2方向(X方向及びY方向)のうち、光線束101Lの発散角が大きい方向(図1Aに示すY方向)を、「ファースト軸方向」と呼び、光線束101Lの発散角が小さい方向(図1Aに示すX方向)を、「スロー軸方向」と呼ぶ。
図1Bは、光線束101Lを、X方向から見た場合と、Y方向から見た場合とに分けて模式的に図示したものである。図1Bに示すように、ファースト軸方向については光線束101Lの発散角θyが大きく、スロー軸方向については光線束101Lの発散角θxが小さい。
なお、以下の各図では、説明の都合上、光線束の発散角が実際よりも誇張して図示されている場合がある。
半導体レーザチップ100を複数配置し、各半導体レーザチップ100から射出される光(光線束101L)を集光して利用する場合、光学部材のサイズを抑制する観点から、各光線束101Lを平行光化した後、レンズによって集光するのが一般的である。具体的には、半導体レーザチップ100の後段にコリメートレンズ(「コリメーションレンズ」とも称される。)を配置して、各光線束101Lの発散角を縮小することが行われる。
図2Aは、半導体レーザチップ100の後段にコリメートレンズ102を配置した場合において、YZ平面方向に進行する光線束を、模式的に示した図面である。なお、図2Aでは、幾何光学上における上光線及び下光線のみを描画している。
なお、本明細書において、「上光線」とは、光線束のうち、光学部材(例えばレンズ)の絞り(入射瞳)の上縁を通過する光線を指し、「下光線」とは、光線束のうち、前記絞り(入射瞳)の下縁を通過する光線を指す。また、以下では、光線束のうち、前記絞り(入射瞳)の中心を通る光線を「主光線」と称する。すなわち、主光線は、光線束の上光線と下光線との間の中心を通過する光線である。
図2Aによれば、光線束101Lは、コリメートレンズ102を通過した後、ファースト軸方向(Y方向)に関して実質的な平行光線束(以下、「略平行光線束」と称する。)となる。なお、本明細書において、「実質的な平行光線束」又は「略平行光線束」とは、上光線と下光線のなす角度が2°未満である光線束を指す。
図2Bは、半導体レーザチップ100の後段にコリメートレンズ102を配置した場合において、XZ平面方向に進行する光線束を、模式的に示した図面である。図2Bによれば、光線束101Lは、コリメートレンズ102を通過した後、スロー軸方向(X方向)に関しても略平行光線束となる。
図3Aは、図1Aとは異なり、複数のエミッタを備えた半導体レーザチップの構造を模式的に示す斜視図である。図3Aでは、半導体レーザチップ110が2つのエミッタ(111,112)を備えている場合が示されている。
図3Bは、図1Bにならって、各エミッタ(111,112)から射出される光線束(111L,112L)を、X方向から見た場合と、Y方向から見た場合とに分けて模式的に図示したものである。各エミッタ(111,112)は、Y方向については同一の座標位置に形成されるため、X方向から見たときに光線束(111L,112L)は完全に重なっている。一方、各エミッタ(111,112)は、X方向については異なる座標位置に形成されるため、Y方向から見たときに光線束(111L,112L)はそれぞれの位置がずれて表示される。
図3Aに図示された半導体レーザチップ110の後段に、図2A及び図2Bと同様にコリメートレンズ102を配置した場合における光線束の態様について検討する。図3Bを参照して上述したように、X方向から見たときに光線束(111L,112L)は完全に重なっている。このため、ファースト軸方向(Y方向)に関しては、各光線束(111L,112L)は、コリメートレンズ102を通過した後、図2Aと同様に略平行光線束となる。
図4は、半導体レーザチップ110の後段にコリメートレンズ102を配置した場合において、XZ平面方向に進行する光線束を、模式的に示した図面である。半導体レーザチップ110は、X方向に離間して複数のエミッタ(111,112)を備えているため、コリメートレンズ102の中心位置におけるX座標と、各エミッタ(111,112)の中心位置におけるX座標には不可避的にずれが生じる。
この結果、エミッタ111から射出された光線束111L、及びエミッタ112から射出された光線束112Lのそれぞれは、コリメートレンズ102を通過後に略平行光線束となるものの、光線束111Lの主光線111Lmと、光線束112Lの主光線112Lmとは、非平行となる。つまり、光線束111Lと光線束112Lとは、それぞれX方向に係る進行方向を異ならせてしまう。
かかる構成の場合、後に集光光学系を用いて各光線束(111L,112L)を集光したとしても、集光後の光線束群に拡がりが生じ、目的とする方向に導くことのできない光線が生じてしまう。この結果、光の利用効率が低下する。特に、マルチエミッタ型の半導体レーザチップ110を複数配置して、各半導体レーザチップ110から射出される光を利用するような場合には、利用できない光の量が無視できない程度となる。
コリメートレンズ102を通過した後において、光線束111Lと光線束112LのX方向に係る進行方向の角度は、コリメートレンズ102の焦点距離に対する、エミッタ(111,112)間の距離の相対値によって決定される。より詳細には、コリメートレンズ102の光軸から、前記光軸に対して最も遠い各エミッタ(111,112)の位置までの距離をd、コリメートレンズ102の焦点距離fとしたときに、光線束(111L,112L)の発散角θは、θ= tan-1(d/f)で規定される。
図5は、同一のコリメートレンズ102を用い、図4の構成よりも、エミッタ(111,112)間の距離(X方向の距離)を拡げた場合において、図4にならってXZ平面方向に進行する光線束を模式的に示した図面である。言い換えれば、図5は、図4の構成よりも、コリメートレンズ102の焦点距離に対する、エミッタ(111,112)間の距離の相対値を大きくした場合に対応する。
図5によれば、主光線111Lmと主光線112Lmとのなす角度θxm(この角度は、コリメートレンズ102の光軸と各主光線のなす角度の2倍に対応する。)は、図4の場合よりも大きくなっていることが分かる。この場合、光線束111Lと光線束112Lとが、図4の態様よりも、Z方向に関してコリメートレンズ102に対して近い位置で完全に分離してしまう。図4の態様では、光軸方向(Z方向)に関して、z1の位置で光線束111Lと光線束112Lとが完全に分離する。これに対し、図5の態様では、光軸方向(Z方向)に関して、z1よりも前段のz2の位置で光線束111Lと光線束112Lとが完全に分離する。
逆にいえば、コリメートレンズ102の焦点距離に対して、エミッタ(111,112)間の距離が十分無視できる程度の大きさである場合には、X方向に関しても、光線束111Lの主光線111Lmと、光線束112Lの主光線112Lmとのなす角度は実質的に0°に近づき、各光線束(111L,112L)が分離するようなことは生じない。しかし、このためには、コリメートレンズ102を、十分長い焦点距離を有するレンズとする必要があり、光学系のサイズが拡大してしまう。
特に、マルチエミッタ型の半導体レーザチップ110を複数配置する場合、各半導体レーザチップ110に対応してコリメートレンズ102を配置する必要があるため、装置規模が極めて大きくなってしまう。
上記の課題は、シングルエミッタ型の半導体レーザチップ100でも起こり得る。すなわち、上記の課題は、半導体レーザチップ100の出力を上昇させるべく、エミッタ101の幅を広くした場合や、シングルエミッタ型の半導体レーザチップ100を複数配置して、複数の半導体レーザチップ100から射出された光線束を一つのコリメートレンズ102に対して入射させる場合においても同様に起こり得る。
本発明は、上記の課題に鑑み、複数の半導体レーザチップを用いて、装置規模の拡大を抑制しながら光出力を高めた光源装置を提供することを課題とする。また、本発明は、かかる光源装置を備えたプロジェクタを提供することを課題とする。
本発明に係る光源装置は、
同一の又は異なる半導体レーザチップ上に設けられた複数の光射出領域と、隣接する複数の前記光射出領域から射出された複数の第一光線束が入射されて、前記複数の第一光線束それぞれを、略平行光線束である複数の第二光線束に変換して射出する第一屈折光学系とを含む、複数の半導体レーザユニットと、
異なる傾斜角を有する複数の平坦面、又は前記複数の平坦面のそれぞれを基礎として突出する複数の凸曲面を含み、同一の前記半導体レーザユニットから射出された複数の前記第二光線束それぞれの少なくとも一部が異なる前記平坦面又は異なる前記凸曲面に入射されて、複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線同士の離間距離を縮小するように複数の前記第二光線束の進行方向を変換して射出する第二屈折光学系と、を備え、
前記第二屈折光学系は、前記半導体レーザユニットの数に対応して配置されていることを特徴とする。
同一の又は異なる半導体レーザチップ上に設けられた複数の光射出領域と、隣接する複数の前記光射出領域から射出された複数の第一光線束が入射されて、前記複数の第一光線束それぞれを、略平行光線束である複数の第二光線束に変換して射出する第一屈折光学系とを含む、複数の半導体レーザユニットと、
異なる傾斜角を有する複数の平坦面、又は前記複数の平坦面のそれぞれを基礎として突出する複数の凸曲面を含み、同一の前記半導体レーザユニットから射出された複数の前記第二光線束それぞれの少なくとも一部が異なる前記平坦面又は異なる前記凸曲面に入射されて、複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線同士の離間距離を縮小するように複数の前記第二光線束の進行方向を変換して射出する第二屈折光学系と、を備え、
前記第二屈折光学系は、前記半導体レーザユニットの数に対応して配置されていることを特徴とする。
図3A〜図5を参照して上述したように、マルチエミッタ型の半導体レーザチップ110の後段にコリメートレンズ102を配置した場合、ファースト軸方向(Y方向)に関しては、各光線束(111L,112L)は略平行光線束になるものの、スロー軸方向(X方向)に関しては、各光線束(111L,112L)の進行方向が異なる。かかる状況下で、図6に示すように、輝度を高めるべく半導体レーザチップ110とコリメートレンズ102を複数配置して、各コリメートレンズ102から射出された光線束を集光レンズ120で集光すると、エミッタ111から射出された光線束111Lの主光線111Lmと、エミッタ112から射出された光線束112Lの主光線112Lmの進行方向とが異なる結果、複数の箇所(131,132)で結像してしまう。
図6に示す態様において、集光レンズ120で集光された光を後段の光学系で利用することを鑑みた場合には、離間した各結像位置(131,132)を含む広い入射面を有する光学系を配置する必要があり、入射面上における輝度の低下や装置規模の拡大を招く。
これに対し、本発明に係る光源装置によれば、同一の半導体レーザユニットから射出された主光線同士をほぼ同一の箇所に集光させることが可能となり、光の利用効率及び/又は輝度の向上が図られる。より詳細には、以下の通りである。
第一屈折光学系に対して複数の第一光線束が入射されると、それぞれは略平行光線束である複数の第二光線束に変換される。しかし、各第二光線束同士、より詳細には各第二光線束の主光線同士は、第一光線束の主光線同士の間隔に応じた角度を有して進行する。第一光線束の主光線同士の間隔は、各第一光線束を射出する光射出領域の中心位置同士の間隔に依存する。
上記光源装置は、第一屈折光学系の後段に、異なる傾斜角を有する複数の平坦面、又は前記複数の平坦面のそれぞれを基礎として突出する複数の凸曲面を含む第二屈折光学系を備える。ここで、「傾斜角」とは、光軸に対する角度であるものとして構わない。より詳細には、「傾斜角」とは、第二屈折光学系を、光軸方向(例えば後述される図7内のZ方向)及び複数の光射出領域が隣接する方向(例えば後述される図7内のX方向)の双方に直交する、所定の第一方向(例えば後述される図7内のY方向)から見たときの、各平坦面の光軸に対する角度であるものとして構わない。すなわち、図7内の座標系を参照すれば、XZ平面上におけるZ軸に対する角度であるものとして構わない。
第二屈折光学系が、前記「異なる傾斜角を有する複数の平坦面」を備える場合、第二屈折光学系を、前記第一方向(例えば後述される図7内のY方向)から見たときに、異なる傾斜角を有する折れ線又は複数の線分が確認される。より詳細には、第二屈折光学系が単一部材内に複数の平坦面を備える場合には上記折れ線が確認される。また、第二屈折光学系が複数の部材に分割されており、それぞれの部材が異なる傾斜角を有する平坦面を備える場合には、上記複数の線分が確認される。
また、別の態様として、第二屈折光学系が、前記「異なる傾斜角を有する複数の平坦面のそれぞれを基礎として突出する複数の凸曲面」を備える場合、第二屈折光学系を、前記第一方向(例えば後述される図7内のY方向)から見たときには、上述の折れ線や複数の線分は視認されないが、異なる傾斜角を有する仮想的な折れ線又は複数の線分を基準とし、各線分のそれぞれの2つの端点を結ぶ曲線(例えば円弧又は楕円弧)が確認される。
同一の半導体レーザユニットから射出された、より詳細には同一の第一屈折光学系から射出された、複数の第二光線束は、それぞれの少なくとも一部が、第二屈折光学系の異なる平坦面又は異なる凸曲面に入射される。そして、平坦面(又は凸曲面が基礎とする平坦面)に形成された傾斜角に応じて、複数の第二光線束は屈折し、その進行方向が変化する。
ここで、第二屈折光学系は、入射された複数の第二光線束のそれぞれの主光線同士の離間距離を縮小するよう、各平坦面(又は凸曲面が基礎とする各平坦面)の傾斜角が設定されている。好ましくは、複数の第二光線束のそれぞれの主光線が、ほぼ一点に集光されるように各平坦面の傾斜角が設定されている。この結果、同一の前記半導体レーザユニットから射出された主光線同士をほぼ同一の箇所に集光させることが可能となり、光の利用効率及び/又は輝度の向上が図られる。
上記光源装置は、同一の半導体レーザチップ上に複数の光射出領域(いわゆる「エミッタ」)を有してなるマルチエミッタ型の半導体レーザチップを複数備えるものとしても構わないし、同一の半導体レーザチップ上に単一の光射出領域(エミッタ)を有してなるシングルエミッタ型の半導体レーザチップを複数備えるものとしても構わない。
前記光源装置において、
前記第二屈折光学系は、異なる傾斜角を有する複数の前記平坦面のそれぞれを基礎として前記第一屈折光学系とは反対側に突出する複数の凸曲面を含む構成であり、
複数の前記凸曲面の焦点距離は、前記第二屈折光学系の光射出面側の位置から、前記第二屈折光学系から射出された複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線同士の交差箇所、又は複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線の仮想延長線同士の交差箇所までの距離以上であるものとしても構わない。
前記第二屈折光学系は、異なる傾斜角を有する複数の前記平坦面のそれぞれを基礎として前記第一屈折光学系とは反対側に突出する複数の凸曲面を含む構成であり、
複数の前記凸曲面の焦点距離は、前記第二屈折光学系の光射出面側の位置から、前記第二屈折光学系から射出された複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線同士の交差箇所、又は複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線の仮想延長線同士の交差箇所までの距離以上であるものとしても構わない。
複数の前記凸曲面の焦点距離d1が、前記第二屈折光学系の光射出面側の位置から、前記第二屈折光学系から射出された複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線同士の交差箇所、又は複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線の仮想延長線同士の交差箇所までの距離d2よりも実質的に極めて長いものとした場合、各凸曲面から射出された第二光線束のうち、主光線から離れた位置を通過する光線を、前記各主光線とほぼ平行に進行させることができる。
一方、前記距離d1と前記距離d2とを実質的に等しくした場合、複数の凸曲面から射出された第二光線束のうち、主光線から離れた位置を通過する光線についても、同一の前記半導体レーザユニットから射出された主光線同士の集光箇所と実質的に同一の箇所に導くことができる。つまり、複数の第二光線束に含まれる全ての光線が、ほぼ同一の箇所に集光されるため、後段の光学系の入射面を当該箇所に配置することで、極めて高い輝度の光を後段の光学系に導くことができる。
なお、複数の凸曲面の焦点距離(各凸曲面の焦点距離が異なる場合には、焦点距離の平均値)をd1とし、第二屈折光学系の光射出面側の位置から、第二屈折光学系から射出された複数の第二光線束のそれぞれの主光線同士の交差箇所、又は複数の第二光線束のそれぞれの主光線の仮想延長線同士の交差箇所までの距離をd2としたときに、d1とd2の値が実質的に同一であるとは、|d1−d2|/d1≦0.1であるものとして構わない。
前記光源装置において、
前記第一屈折光学系は、光射出面側に突出する曲面を有し、
前記第二屈折光学系は、前記第一屈折光学系に対して、前記第一屈折光学系の焦点距離よりも離れた位置に配置されているものとしても構わない。
前記第一屈折光学系は、光射出面側に突出する曲面を有し、
前記第二屈折光学系は、前記第一屈折光学系に対して、前記第一屈折光学系の焦点距離よりも離れた位置に配置されているものとしても構わない。
第一屈折光学系から射出された複数の第二光線束は、その主光線同士が、第一屈折光学系の焦点の位置で交差する。各第二光線束の上光線と下光線の幅は、実質的に共通であるため、第一屈折光学系の焦点の位置において、各第二光線束同士が完全に重なり合う。仮に、第二屈折光学系が配置されていないとすれば、各第二光線束同士は、第一屈折光学系の焦点の位置から離れるに連れて相互に拡がりを有して進行していく。
ところで、第一屈折光学系から射出された第二光線束は、主光線の位置において最も光強度が高く、主光線から離れるほど光強度が急激に低下するような配光分布、例えば、ガウス分布のような分布を示す。
上記構成によれば、少なくとも第一屈折光学系から射出された複数の第二光線束の主光線は、それぞれ第二屈折光学系の異なる平坦面(又は凸曲面)に入射される。つまり、各第二光線束のうち、放射照度が極めて高い光線については、異なる平坦面(又は凸曲面)に入射された後、主光線と実質的に同方向に変換され、ほぼ同一の箇所に向かって進行する。この結果、複数の第二光線束に含まれる放射照度の高い光線は、ほぼ同一の箇所に集光されるため、後段の光学系の入射面を当該箇所に配置することで、高い輝度の光を後段の光学系に導くことができる。
前記光源装置において、
前記第二屈折光学系は、隣接する一対の前記第二光線束に関して、一方の前記第二光線束の上光線と他方の前記第二光線束の下光線とが交差する特定位置、又は前記特定位置よりも前記第一屈折光学系に対して離れた位置に配置されているものとしても構わない。
前記第二屈折光学系は、隣接する一対の前記第二光線束に関して、一方の前記第二光線束の上光線と他方の前記第二光線束の下光線とが交差する特定位置、又は前記特定位置よりも前記第一屈折光学系に対して離れた位置に配置されているものとしても構わない。
前記特定位置において、隣接する一対の前記第二光線束同士は完全に分離される。仮に、第二屈折光学系が配置されていないとすれば、各第二光線束同士は、前記特定位置から離れるに連れて、離間距離を拡げながら分散進行する。
つまり、上記特定位置、又はその特定位置よりも後段に第二屈折光学系が配置されることで、第一屈折光学系から射出された複数の第二光線束は、それぞれ完全に第二屈折光学系が備える傾斜角の異なる平坦面(又は凸曲面)に入射される。この結果、各第二光線束に含まれる放射照度の高い光線を、ほぼ同一の箇所に集光させることができる。
前記第二屈折光学系は、隣接する前記半導体レーザユニットから射出された前記第二光線束が入射されない位置に配置されているものとすることができる。このことは、第二屈折光学系の、第一屈折光学系からの離間位置の好ましい上限値を規定することに対応する。
仮に、第二屈折光学系を第一屈折光学系から極めて遠い位置に配置すると、この第二屈折光学系に対して、隣接する半導体レーザユニットから射出された第二光線束が入射される。このとき、以下の問題が生じる可能性がある。
第二屈折光学系が第一屈折光学系から極めて遠い位置に配置されるため、同一の第一屈折光学系から射出された複数の第二光線束同士は、完全に分離し、更にその離間距離が大きい状態で、第二屈折光学系の各平坦面(又は各凸曲面)に入射されることになる。この結果、第二屈折光学系は、各平坦面(若しくは各凸曲面)を大きくするか、又は、各平坦面間(若しくは各凸曲面間)の間隔を大きくする必要が生じ、第二屈折光学系の規模が大きくなってしまう。
更に、第二屈折光学系のうち、複数の光射出領域が隣接する方向(例えば後述される図7内のX方向)に係る端部に位置する平坦面(又は凸曲面)に対しては、対応する第一屈折光学系から射出された第二光線束が入射される。これに対し、第二屈折光学系のうち、前記端部以外に位置する平坦面(又は凸曲面)に対しては、対応する第一屈折光学系からの第二光線束に加えて、隣接する第一屈折光学系からの第二光線束が入射される。この場合、第二光線束に含まれる多くの光線が、主光線とは大きく異なる方向に向かって進行するため、光の利用効率が低下する可能性がある。
これに対し、上記の構成とすることで、第二屈折光学系の大きさを必要以上に拡大化することなく、光の利用効率を向上させることができる。
本発明に係るプロジェクタは、上記光源装置から射出された光を利用して画像を投影することを特徴とする。
本発明によれば、複数の半導体レーザチップを用いて、装置規模の拡大を抑制しながらも、光出力を高めた光源装置が実現される。
以下、本発明に係る光源装置、及びプロジェクタの各実施形態について、適宜図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、実際の寸法比と図面上の寸法比とは必ずしも一致していない。
図7は、光源装置の一実施形態の構成を模式的に示す図面である。光源装置1は、複数の半導体レーザユニット(2,2,‥‥)と、各半導体レーザユニット(2,2,‥‥)の数に応じて配置された第二屈折光学系3とを備える。なお、図7では、第二屈折光学系3から射出された光が導かれる後段光学系40が図示されている。第二屈折光学系3が、各半導体レーザユニット(2,2,‥‥)の数に応じて配置されているという点については、図10を参照して後述される。
半導体レーザユニット2は、半導体レーザチップ5と、第一屈折光学系6とを備える。図8は、隣接する2つの半導体レーザユニット2と、この半導体レーザユニット2に対応して配置された第二屈折光学系3とを抽出して図示した図面である。本実施形態において、半導体レーザチップ5は、複数の光射出領域(10,20)を備えた、マルチエミッタ型の構造であり、図3Aを参照して上述した半導体レーザチップ110と同様の形状を示す。以下では、図3Aと同様に、光射出領域(10,20)が隣接する方向をX方向、光軸方向をZ方向、X及びZ方向に直交する方向をY方向として説明する。
図9は、図8において、1つの半導体レーザチップ5に備えられた光射出領域(10,20)から第一屈折光学系6までの部分を拡大した図面である。
半導体レーザチップ5が備える各光射出領域(10,20)の、ファースト軸方向(Y方向)に係る幅は、2μm以下であり、一例として1μmである。各光射出領域(10,20)の、スロー軸方向(X方向)に係る幅は5μm以上500μm以下であり、一例として80μmである。各光射出領域(10,20)の間隔(X方向)は、50μm以上、1000μm以下であり、一例として、150μmである。
半導体レーザチップ5は、各光射出領域(10,20)から、ほぼ円錐形状の第一光線束(11,21)を射出する。このとき、図3Bを参照して上述したのと同様に、各光射出領域(10,20)は、Y方向については同一の座標位置に形成されるため、X方向から見たときに各第一光線束(11,21)は完全に重なっている。一方、各光射出領域(10,20)は、X方向については異なる座標位置に形成されるため、Y方向から見たときに各第一光線束(11,21)はそれぞれの位置がずれて表示される。図8及び図9は、各第一光線束(11,21)を、Y方向から見たときの光線図を模式的に示したものである。
より詳細には、図9に図示されるように、第一光線束11は、上光線11aと、下光線11bとに挟まれた光線群で規定される。上光線11aと下光線11bとの中間を進行する光線を、主光線11mと定義する。同様に、第一光線束21は、上光線21aと、下光線21bとに挟まれた光線群で規定され、その中間の位置に主光線21mが存在する。主光線(11m,21m)は、便宜上一点鎖線で示されている。なお、図8及び図9では、第一屈折光学系6の光軸が光軸61として図示されている。
半導体レーザチップ5は、その中心位置5aが、対応する第一屈折光学系6の光軸61上に位置するように配置される。この結果、各光射出領域(10,20)は、それぞれX方向に関して光軸61から離れた位置に配置される。更に、個々の光射出領域(10,20)においても、X方向に大きさを有しているため、光軸61に近い側の端部と、光軸61から遠い側の端部との間では、それぞれ光軸61からの距離に差が生じる。
半導体レーザチップ5と第一屈折光学系6とは、Z方向に関して、第一屈折光学系6の焦点距離f6だけ離れて配置される。これにより、半導体レーザチップ5の各光射出領域(10,20)から射出された各第一光線束(11,21)は、第一屈折光学系6によって屈折され、それぞれが略平行光線束である第二光線束(12,22)に変換される。第一屈折光学系6は、各第一光線束(11,21)を、略平行光線束である第二光線束(12,22)に変換する光学系であれば、どのような光学部材で構成されていても構わない。
上述したように、各光射出領域(10,20)は、それぞれX方向に関して光軸61から離れた位置に配置されている。このため、略平行光線束である第二光線束(12,22)それぞれの主光線(12m,22m)は、第一屈折光学系6の後段の(光射出面側の)焦点位置に向かって進行する。この結果、第二光線束(12,22)は、それぞれ略平行光線束として進行しながらも、それぞれの進行方向は異なる。図8には、各第二光線束(12,22)が交差する場合が図示されている。
第二光線束(12,22)は、第一屈折光学系6の後段に配置された第二屈折光学系3に導かれる。図10は、図8において、第二屈折光学系3の近傍の部分を拡大した図面である。また、図11は、説明の都合上、図8から、主光線(12m,22m)以外の光線の表示を省略して図示した図面である。
図11に示されるように、第二屈折光学系3は、光入射面側に設けられた平坦面31と、光射出面側に設けられた、複数の異なる傾斜角(θa,θb,θc,θd,‥‥)を示す、複数の平坦面(32a,32b,32c,32d,‥‥)とを有する。なお、第二屈折光学系3において、傾斜角の異なる複数の平坦面につき、「平坦面32」と総称することがある。
本実施形態においては、平坦面31は、第二屈折光学系3の光軸63に対して直交する面で構成されている。第二屈折光学系3の光軸63とは、第二屈折光学系3全体の中央位置を通る光軸を指す。なお、図11では、第二屈折光学系3の一部のみが図示されているため、第二屈折光学系3は、X方向に関して、平坦面(32a,32b,32c,32d)以外の平坦面32を含むものとして構わない。
ここで、各平坦面(32a,32b,32c,32d,‥‥)の傾斜角(θa,θb,θc,θd,‥‥)とは、XZ平面上、すなわち、複数の光射出領域(10,20)が隣接する方向(X方向)と、第二屈折光学系3の光軸63の方向(Z方向)とがなす平面上において、前記光軸63の方向を基準としたときの角度を指し、この角度は回転方向に応じて正負の値を付して区別される。ここでは、回転方向が反時計方向である場合を正とし、時計方向である場合を負とする。このとき、図11内に図示されている傾斜角(θa,θb,θc,θd,‥‥)はいずれも正の値である。また、図11において図示が省略されている、第二屈折光学系3の下半分における平坦面32の傾斜角θは、いずれも負の値となる。
第二屈折光学系3は、各平坦面(32a,32b,32c,32d,‥‥)に入射された第二光線束(12,22)を、それぞれの主光線(12m,22m)同士の離間距離dm(図10参照)が縮小されるように、各傾斜角(θa,θb,θc,θd,‥‥)が設定されている。より好ましくは、それぞれの主光線(12m,22m)同士が実質的に同一の箇所に向かうように、各傾斜角(θa,θb,θc,θd,‥‥)が設定されている。
より具体的には、同一の第一屈折光学系6から射出された複数の第二光線束(12,22)が入射される平坦面群(例えば32aと32b)に関し、第二屈折光学系3の光軸63からの距離が遠いほど、傾斜角の絶対値が小さくなるように設定されている。すなわち、図11の例では、θa<θb、θc<θdが成立するように、各平坦面(32a,32b,32c,32d)の傾斜角が設定されている。図11において図示が省略されている平坦面32においても同様である。
1つの平坦面32aに着目すると、この平坦面32aに入射された第二光線束22は、その主光線22mが、平坦面32aの傾斜角θaに応じて屈折し、集光領域70(図7参照)に向かって進行方向が変換される。第二光線束22は、第一屈折光学系6によって略平行光線束に変換されているため、第二光線束22に含まれる主光線22m以外の光線についても、主光線22mと実質的に同方向に向かって進行方向が変換される。この結果、集光領域70内において、結像される。
別の平坦面32bに着目すると、この平坦面32bに入射された第二光線束12は、その主光線12mが、平坦面32bの傾斜角θbに応じて屈折し、前記集光領域70(図7参照)に向かって進行方向が変換される。このとき、第二光線束12に含まれる主光線12m以外の光線についても、主光線12mと実質的に同方向に向かって進行方向が変換される。この結果、集光領域70内において、結像される。
図11に示される例では、第二屈折光学系3は、ある1つの半導体レーザユニット2に対応して、所定の傾斜角θaを示す平坦面32aを有する一部分3aと、所定の傾斜角θbを示す平坦面32bを有する一部分3bとを有している。同様に、第二屈折光学系3は、別の半導体レーザユニット2に対応して、所定の傾斜角θcを示す平坦面32cを有する一部分3cと、所定の傾斜角θdを示す平坦面32dを有する一部分3dとを有している。
つまり、光源装置1が備える第二屈折光学系3は、半導体レーザユニット2の数、及び、各半導体レーザユニット2に備えられる光射出領域(10,20)の数に応じて、異なる傾斜角を示す平坦面32を含む。かかる構成により、各平坦面32に入射された複数の第二光線束(12,22)は、いずれも、主光線(12m,22m)が、主光線同士の離間距離を縮小させるように、より好ましくは集光領域70に向かうように、進行方向が変換される。また、第二光線束(12,22)に含まれる主光線(12m,22m)以外の光線についても、各主光線(12m,22m)と実質的に同方向に向かって進行方向が変換される。この結果、各第二屈折光学系3から射出された第二光線束(12,22)は、いずれもが、同一の集光領域70に向かって進行する。この結果、狭い面積を示す集光領域70内に、各第二光線束(12,22)が導かれるため、集光領域70を含む領域に後段光学系40の入射面を配置することで、輝度の高い光を後段光学系40に導くことができる。
なお、図8に図示されているように、第二屈折光学系3は、隣接する一対の第二光線束(12,22)に関して、一方の第二光線束22の上光線22aと、他方の第二光線束12の下光線12bとが交差する位置(特定位置)よりも後段に配置されるのが好ましい。このとき、第二屈折光学系3の各平坦面(32a,32b,32c,32d,‥‥)に入射されるより前の段階において、隣接する第二光線束(12,22)同士が完全に分離されるため、各第二光線束(12,22)に含まれるほぼ全ての光線を、各主光線(12m,22m)と同じ方向に進行させることができる。
第二屈折光学系3は、入射された各第二光線束(12,22)の各主光線(12m,22m)を、ほぼ同一の位置に向かって進行方向を変換させる機能を有していれば、どのような光学部材で構成しても構わない。一例として、第二屈折光学系3は、複数の平坦面32を有してなるプリズムで構成される。
なお、図12及び図13に示されるように、第二屈折光学系3は、傾斜角の異なる平坦面32(32a,32b,32c,32d,‥‥)毎に分割された複数の光学素子(3a,3b,3c,3d,‥‥)を含む構成としても構わない。この場合、第二屈折光学系3は、半導体レーザユニット2の数に対応した数の光学素子(3a,3b,3c,3d,‥‥)を備える。
また、第二屈折光学系3は、傾斜角の異なる平坦面32に代えて、この平坦面32を基礎とする凸曲面33を備える構成としても構わない。図14は、図11にならって、凸曲面33を備える第二屈折光学系3の一部を模式的に図示したものである。
ここで、平坦面32を基礎とする凸曲面33とは、XZ平面上において、平坦面32によって構成される線分の始点と終点を結ぶ円弧状又は楕円弧状の曲線を示す曲面である。より好ましくは、各主光線(12m,22m)が凸曲面33に入射されると、それぞれの主光線(12m,22m)同士が実質的に同一の箇所に向かうように、主光線(12m,22m)が入射される箇所における凸曲面33の接平面の傾斜角が設定されている。
このとき、凸曲面33の各焦点距離は、第二屈折光学系3と集光領域70との間の距離以上であるのが好ましく、両者が実質的に同一であるのがより好ましい。この場合、各第二光線束(12,22)に含まれる、主光線(12m,22m)以外の光線についても、主光線(12m,22m)とほぼ同一の箇所に集光させることができるため、極めて輝度の高い光が実現される(図15参照)。
なお、後段光学系40の入射面が、集光領域70よりも前段に配置される場合には、主光線(12m,22m)が交差する手前の位置で、各第二光線束(12,22)が後段光学系40に入射されることになる。この場合、各凸曲面33の焦点距離が、後段光学系40が存在しないと仮定して主光線(12m,22m)を仮想的に延長させたときに両者が交差する箇所と第二屈折光学系3との間の距離に実質的に同一であるものとするのが好ましい。この場合も、各第二光線束(12,22)に含まれる、主光線(12m,22m)以外の光線についても、主光線(12m,22m)の近傍に集光された状態で、後段光学系40に入射される。
後段光学系40としては、光源装置1から射出される光の利用目的に応じて、ロッドインテグレータ、レンズなどの種々の光学系を採用することができる。
図16は、上述した光源装置1を含むプロジェクタの構成例を模式的に示す図面である。プロジェクタ9は、光源装置1を含む照明光学系80と、照明光学系80から導かれた光から映像光を生成し、スクリーンに投影する映像光学系90とを備える。なお、この例では、図7に図示された後段光学系40が、光源装置1の後段に配置されている照明光学系80の要素に対応する。
図16に示す例では、光源装置1を青色用光源とした場合が想定されている。光源装置1から射出された、輝度の高い青色光は、必要に応じて拡散板81で干渉性が低減された後、レンズ82によってビーム幅の狭い平行光に変換された後、ダイクロイックミラー83に導かれる。青色光は、ダイクロイックミラー83で反射された後、蛍光体ホイール84に導かれる。この際、必要に応じてレンズによって集光されるものとすることができる。蛍光体ホイール84には、黄色蛍光体の塗布領域、緑色蛍光体の塗布領域、青色光を透過させる切欠き領域が、所定の角度毎に設けられており、蛍光体ホイール84の回転に応じて、蛍光体ホイール84で反射される光/又は通過する光の波長が変化する。
蛍光体ホイール84を通過した青色光は、必要に応じてレンズを介して平行光化された後、ミラー(85,85,85)を介して再びダイクロイックミラー83に戻される。なお、必要に応じてミラー間にレンズが設けられる。
蛍光体ホイール84によって反射された黄色光又は緑色光は、ダイクロイックミラー83を透過する。すなわち、ダイクロイックミラー83において、各色の光が合成され、必要に応じてレンズで集光された後、フィルタホイール86を介してロッドインテグレータ87に入射される。フィルタホイール86は、短波長成分をカットするフィルタが塗布された領域と、光をそのまま透過させる領域とが所定の角度毎に設けられている。フィルタ領域を光が透過すると、短波長成分がカットされ、赤色光が生成される。
ロッドインテグレータ87を通過した合成光は、必要に応じてレンズを介してビーム幅が調整された後、映像光学系90に入射される。映像光学系90は、照明光学系80から照射される光を受けて映像を生成する装置であって、例えばレンズ91と、全反射プリズム92と、DMD(デジタル・マイクロミラー・デバイス、登録商標)93を有している。ロッドインテグレータ87を通過した合成光は、レンズ91を介して全反射プリズム92に入射されると、プリズム面で反射された後、DMD93へ導かれる。DMD93は、可動式のマイクロミラーを複数有しており、図示しない制御部によって、それぞれに入射する各色光のタイミングに合わせ、かつ入力される映像信号に応じて制御される。DMD93によって変調された光は、全反射プリズム92を透過して投写レンズ94へ導かれ、投射レンズ94を介して図示しないスクリーン上に投射される。
図16に示すように、プロジェクタ9が光源装置1で生成された光を光源として利用することで、極めて輝度の高い光が利用できるため、プロジェクタ9の出力を大幅に向上させることができる。
なお、図16に示すプロジェクタ9は、変調装置が、反射型の素子(DMD)で構成される場合について説明したが、透過型の液晶素子で構成されていても構わない。照明光学系80や映像光学系90は、変調装置の構成に応じて適宜変更される。
[別実施形態]
以下、別実施形態につき説明する。
以下、別実施形態につき説明する。
〈1〉図7等を参照して上述した半導体レーザチップ5は、2つの光射出領域(10,20)を有するマルチエミッタ型の構成であった。この半導体レーザチップ5が備える光射出領域の数は、2個に限定されず、3個以上であっても構わない。第二屈折光学系3が備える、傾斜角の異なる平坦面(3a,3b,‥‥)の数は、同一の半導体レーザユニット2に含まれる光射出領域の数に応じて設定される。
逆に、各半導体レーザチップ5は、例えば図1Aを参照して上述したように、単独の光射出領域を有するシングルエミッタ型の構成であり、複数の半導体レーザチップ5からの射出光が、第一屈折光学系6に入射される構成であっても構わない(図17参照)。更に、図17のように、複数の半導体レーザチップ5からの射出光が、第一屈折光学系6に入射される態様において、各半導体レーザチップ5がマルチエミッタ型の構造であっても構わない。また、第一屈折光学系6は各半導体レーザチップ5に対応して設けられていれば良く、該第一屈折光学系6自身が個別に設けられていても、アレー状に一体形成されていても構わない。
〈2〉上記実施形態では、第二屈折光学系3は、第一屈折光学系6とは反対側の面、すなわち、光射出面側に、傾斜角の異なる複数の平坦面32を有するものとしたが、第一屈折光学系6側の面、すなわち、光入射面側に傾斜角の異なる複数の平坦面32を有するものとしても構わない。この場合においても、「平坦面32」に代えて「凸曲面33」としても構わない。
ただし、角度によっては、平坦面32に入射された第二光線束(12,22)の一部の光線が全反射する可能性があるため、光の利用効率を更に高める観点では、第二屈折光学系3は光射出面側に平坦面32を設けるのが好ましい。
〈3〉上記実施形態では、各半導体レーザチップ5は、光射出領域(10,20)が半導体レーザチップ5の端面に形成された、いわゆる「端面発光型」の構造である場合を想定して説明した。しかし、本発明は、各半導体レーザチップ5が、半導体層の積層方向に光が取り出される、いわゆる「面発光型」の構造であっても、同様に適用可能である。
〈4〉本発明に係る光源装置1は、複数の光線束を集光して、所定の照射対象物に照射するアプリケーションであれば、プロジェクタ以外にも適用可能である。一例として、光源装置1を露光装置用の光源として利用することが可能である。
〈5〉図18に示すように、第二屈折光学系3が、屈折光学系51と集光レンズ52とを含む構成としても構わない。屈折光学系51は、光入射面側に相互に傾斜角の異なる平坦面(51a,51b)を備える。また、屈折光学系51は、光射出面側に、光軸63に対して直交する平坦面51cを備え、この平坦面51cに連結するように集光レンズ52が配されている。
平坦面(51a,51b)は、それぞれに異なる光射出領域(10,20)から射出された主光線が入射され、両者を略平行にするように傾斜角が設定されている。この結果、屈折光学系51に入射された第二光線束(12,22)は、略平行光線束として屈折光学系51内を進行する。その後、連結された集光レンズ52に入射されると、第二光線束(12,22)は、主光線(12m,22m)及びその周囲を進行する光線が、集光レンズ52の焦点に集光される。これにより、図15の構成と同様、主光線(12m,22m)以外の光線についても、主光線(12m,22m)とほぼ同一の箇所に集光させることができるため、極めて輝度の高い光が実現される。
〈6〉 上述した光源装置1が備える光学配置態様は、あくまで一例であり、本発明は、図示された各構成に限定されない。例えば、ある光学系と別の光学系との間において、光の進行方向を変化させるための反射光学系が適宜介在されていても構わない。
1 : 光源装置
2 : 半導体レーザユニット
3 : 第二屈折光学系
5 : 半導体レーザチップ
6 : 第一屈折光学系
10,20 : 光射出領域(エミッタ)
11,21 : 第一光線束
31,32 : 第二屈折光学系の平坦面
33 : 第二屈折光学系の凸曲面
40 : 後段光学系
51 : 第二屈折光学系の一部をなす屈折光学系
52 : 第二屈折光学系の一部をなす集光レンズ
61 : 第一屈折光学系の光軸
63 : 第二屈折光学系の光軸
70 : 集光領域
80 : 照明光学系
81 : 拡散板
82 : レンズ
83 : ダイクロイックミラー
84 : 蛍光体ホイール
85 : ミラー
86 : フィルタホイール
87 : ロッドインテグレータ
90 : 映像光学系
91 : レンズ
92 : 全反射プリズム
93 : DMD
94 : 投射レンズ
100,110 : 半導体レーザチップ
101,111,112 : エミッタ
101L,111L,112L : エミッタから射出される光線束
102 : コリメートレンズ
120 : 集光レンズ
131,132 : 結像位置
f6 : 第一屈折光学系の焦点距離
2 : 半導体レーザユニット
3 : 第二屈折光学系
5 : 半導体レーザチップ
6 : 第一屈折光学系
10,20 : 光射出領域(エミッタ)
11,21 : 第一光線束
31,32 : 第二屈折光学系の平坦面
33 : 第二屈折光学系の凸曲面
40 : 後段光学系
51 : 第二屈折光学系の一部をなす屈折光学系
52 : 第二屈折光学系の一部をなす集光レンズ
61 : 第一屈折光学系の光軸
63 : 第二屈折光学系の光軸
70 : 集光領域
80 : 照明光学系
81 : 拡散板
82 : レンズ
83 : ダイクロイックミラー
84 : 蛍光体ホイール
85 : ミラー
86 : フィルタホイール
87 : ロッドインテグレータ
90 : 映像光学系
91 : レンズ
92 : 全反射プリズム
93 : DMD
94 : 投射レンズ
100,110 : 半導体レーザチップ
101,111,112 : エミッタ
101L,111L,112L : エミッタから射出される光線束
102 : コリメートレンズ
120 : 集光レンズ
131,132 : 結像位置
f6 : 第一屈折光学系の焦点距離
Claims (7)
- 同一の又は異なる半導体レーザチップ上に設けられた複数の光射出領域と、隣接する複数の前記光射出領域から射出された複数の第一光線束が入射されて、前記複数の第一光線束それぞれを、略平行光線束である複数の第二光線束に変換して射出する第一屈折光学系とを含む、複数の半導体レーザユニットと、
異なる傾斜角を有する複数の平坦面、又は前記複数の平坦面のそれぞれを基礎として突出する複数の凸曲面を含み、同一の前記半導体レーザユニットから射出された複数の前記第二光線束それぞれの少なくとも一部が異なる前記平坦面又は異なる前記凸曲面に入射されて、同一の前記半導体レーザユニットから射出された複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線同士の離間距離を縮小するように複数の前記第二光線束の進行方向を変換して射出する第二屈折光学系と、を備え、
前記第二屈折光学系は、前記半導体レーザユニットの数に対応して配置されていることを特徴とする、光源装置。 - 前記第二屈折光学系は、異なる傾斜角を有する複数の前記平坦面のそれぞれを基礎として前記第一屈折光学系とは反対側に突出する複数の凸曲面を含む構成であり、
複数の前記凸曲面の焦点距離は、前記第二屈折光学系の光射出面側の位置から、前記第二屈折光学系から射出された複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線同士の交差箇所、又は複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線の仮想延長線同士の交差箇所までの距離以上であることを特徴とする、請求項1に記載の光源装置。 - 同一の前記第一屈折光学系から射出された複数の前記第二光線束が入射される前記複数の平坦面、又は同一の前記第一屈折光学系から射出された複数の前記第二光線束が入射される前記複数の凸曲面が基礎とされる前記複数の平坦面は、前記第二屈折光学系の光軸からの距離が遠いほど、傾斜角の絶対値が小さいことを特徴とする、請求項1又は2に記載の光源装置。
- 前記第一屈折光学系は、光射出面側に突出する曲面を有し、
前記第二屈折光学系は、前記第一屈折光学系に対して、前記第一屈折光学系の焦点距離よりも離れた位置に配置されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の光源装置。 - 前記第二屈折光学系は、隣接する一対の前記第二光線束に関して、一方の前記第二光線束の上光線と他方の前記第二光線束の下光線とが交差する特定位置、又は前記特定位置よりも前記第一屈折光学系に対して離れた位置に配置されていることを特徴とする、請求項4に記載の光源装置。
- 前記第二屈折光学系は、隣接する前記半導体レーザユニットから射出された前記第二光線束が入射されない位置に配置されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の光源装置。
- 請求項1〜6のいずれか1項の光源装置から射出された光を利用して画像を投影することを特徴とするプロジェクタ。
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