JP3888121B2 - Illumination device and image display device using a plurality of beams - Google Patents

Description

【００２２】
尚、上式中で用いた各記号の意味は下記の通りである。
【００２３】
ｔ；結晶の厚み
φ；直交する２偏光についての結晶中の分離角
ｎ_o；１軸性結晶の常光線屈折率
ｎ_e；１軸性結晶の異常光線屈折率
θ ;サバール板の入射面法線と光学軸との間になす角度。
【００２４】
例えば、分離角を最大にするために、θ＝４５゜とし、１軸性結晶として方解石を用いる場合に、ｎ_o＝１．６５８、ｎ_e＝１．４８６の各数値を上式に代入することで、タンジェント項としてｔａｎφ＝０．１０９を得る。よって、ｔ＝１０ｍｍ（ミリメートル）とすると、ｄ＝１．０９ｍｍのシフト量をもって分離された出射光線を得ることができる。
【００２５】
複屈折を用いた偏光分離のための素子には、ウォラストンプリズム等の様々なタイプの素子が知られているが、入射光と出射光（常光線及び異常光線）の各方向を全て一致させることが必要な場合には、サバール板又はその改良品を用いるのが好ましい。尚、サバール板についてはこれを単体で使用する例と、その変形例として、サバール板を何枚も重ね合わせたもの等が良く用いられるが、その機能としては同じである（よって、以下の説明では、「サバール板」の概念には、複数枚の構成をも含めることにする。）。また、上記の数値例では方解石を挙げたが、これは天然の複屈折材料であって大型で良質のものを採掘するのが困難であるために高価である。そこで、低コスト化のためには、人工水晶等の安価な結晶を用いる必要がある。
【００２６】
次に、上記（２）の多重反射を用いた分割方法について説明する。
【００２７】
図１７は、多重反射板ｃの構成例について示したものである。
【００２８】
平行平板の片面（図の左面）には、光線入射用の窓部Ｗを除いて、全反射コート（強度反射率を「Ｒ」とする。）が施されている。これに対して、反対側の面（図の右面）には、多重反射の回数と位置に応じて、分割された複数の領域が設けられている。本例では、６つに分割された領域についてそれぞれに異なる強度反射率（これらをそれぞれ「Ｒ₁、Ｒ₂、…、Ｒ₆」とする。）のコーティングが施されている（尚、後述するように、「Ｒ₆＝０」としているので図に示す分割数は５である。）。
【００２９】
図中に示す６本の光線「ｌｔ＿ｎ」（ｎ＝０、１〜５）は出射光線をそれぞれ示しており、添え字の「ｎ」は出射面側での反射回数に相当する。
【００３０】
説明を簡単化するために、窓部Ｗについては強度損失がないものと仮定する（反射率０）と、各ビームの出射強度（入射強度を「１」とする。）は下記のようになる。
【００３１】
・「ｌｔ＿０」に示すビーム（出射面側での反射なしに出射するビーム）の強度＝「１−Ｒ₁」
・「ｌｔ＿１」に示すビーム（出射面側で１回反射した後に出射するビーム）の強度＝「Ｒ・Ｒ₁・（１−Ｒ₂）」
・「ｌｔ＿２」に示すビーム（出射面側で２回反射した後に出射するビーム）の強度＝「Ｒ²・Ｒ₁・Ｒ₂・（１−Ｒ₃）」
・「ｌｔ＿３」に示すビーム（出射面側で３回反射した後に出射するビーム）の強度＝「Ｒ³・Ｒ₁・Ｒ₂・Ｒ₃・（１−Ｒ₄）」
・「ｌｔ＿４」に示すビーム（出射面側で４回反射した後に出射するビーム）の強度＝「Ｒ⁴・Ｒ₁・Ｒ₂・Ｒ₃・Ｒ₄・（１−Ｒ₅）」
・「ｌｔ＿５」に示すビーム（出射面側で５回反射した後に出射するビーム）の強度＝「Ｒ⁵・Ｒ₁・Ｒ₂・Ｒ₃・Ｒ₄・Ｒ₅・（１−Ｒ₆）」。
【００３２】
つまり、Ｎ回の反射後に出射するビームの強度は、ＲのＮ乗と、それまでに反射が行われた領域に亘る反射率の積、そして、出射領域の透過率を掛け合わせたものに等しい。
【００３３】
今、６本のビームを生成するものとして、損失が最低であるためには６番目の領域についてＡＲコートをすることが好ましいが、以下に示す計算上、「Ｒ₆＝０」とし、「Ｒ＝１」と仮定する。また、平行平板内部での吸収や散乱を無視できるとすれば、全ビームの強度和が１に等しいという等値関係から下式が得られる。
【００３４】
【数２】

【００３５】
また、全てのビームについて、それらの強度を等しくすることが目的であるので、下式とおく（つまり、［数２］式における左辺の各項の値が全て等しいものとする。）。
【００３６】
【数３】

【００３７】
つまり、［数２］式において各ビームが等しい強度（１／６）をもつことから、［数３］式を用いて各反射率を順次に求めていくことにより、最終的に下式を得る。
【００３８】
【数４】

【００３９】
このような反射率をもつ各反射膜を、所望の波長及び入射角に対して設計し、平行平板に対する成膜工程を経て形成すれば良く、そのためにはマスキングと反射コーティングの作業を繰り返すだけで済むので比較的コストのかからない方法で実現できる。尚、平行平板の厚みについては、入射ビーム径に対して多重反射光の間隔を十分に取れるようにする。
【００４０】
上記のようなビームの等強度分割によらずに、複数のレーザーを用いる場合（例えば、高輝度化の要請を受けてレーザーディスプレイ等でレーザーの高出力化を実現させたい場合等）には、各レーザーによるビームを要領よくコンパクトに合波することが必要である。また、複数のレーザーの使用は、各レーザー光がインコヒーレントな関係にあるため、上記したスペックルノイズについてのコントラスト低減にもつながるので有効である。
【００４１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レーザーを光源とする照明装置に要求される事項として、照明の均一性が高いこと、平行光が得られること、スペックルノイズがないこと（又は目立たないこと）が挙げられるが、従来の照明装置にあってはこれらの事項の中でも、特に均一性について充分に満足のいく特性が得られないか又は所望の特性を得るまでに費やす労力の負担が大きいことが問題となっている。
【００４２】
例えば、前記した方法（Ａ）について、レーザービームを空間的に合波しようとすれば、必然的にビーム間にギャップ（強度分布において低い部分）が生じるので、このままではＧＬＶのような線状領域を、隈無く多数の平行光で分割して同時に照明することは困難である。また、方法（Ｂ）において、非球面レンズ等を用いる場合には、一般に非球面シリンドリカルレンズについての設計、製造、評価が技術的に難しいことが問題とされていることからも分かるように、その代替技術が求められている。
【００４３】
尚、均一性が悪いと効率の低下に繋がり、高輝度化等への支障を来す原因となり、また、ディスプレイ装置等ではダイナミックレンジを充分にとれなくなる等の弊害をもたらす虞がある。
【００４４】
そこで、本発明は、複数のレーザーからの光線を用いた照明装置において、強度分布の均一化を実現することを課題とする。
【００４５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した課題を解決するために、複数のレーザーからの光線を、強度の等しい複数のビームに分割してから、複屈折を用いてビームを空間的にずらした上で重ね合わせるようにして均一化された強度分布が得られるようにし、そして、複屈折後に得られる複数のビーム配置が空間的に周期性をもっており、コヒーレントな関係にある２つのビームの間に、インコヒーレントな関係をもつ複数のビームが配列されるとともに、あるビームを中心としてこれに隣接する１周期内のビームが当該中心のビームと干渉しない配置にしたものである。
【００４６】
従って、本発明によれば、分割された強度の等しい複数のビームに対して、複屈折を用いてビームを空間的にずらして、可干渉性をもたないビーム同士を重ね合わせることによって、均一な強度分布をもった照明光を得ることができ、更に、ビーム群について空間的に規則的な配置をとることができ、また、中心位置のビームが、それと隣接関係にある別のビームと干渉しないように配列させることで、均一化及びスペックルコントラストの低減に有効である。
【００４７】
【発明の実施の形態】
本発明は、複数のレーザーからの光線を用いるとともに、均一化された光強度分布の照明光を得るための光学的構成に関するものである。例えば、画像表示装置への適用においては、フロントプロジェクション（前面投射）型、リアプロジェクション（背面投射）型のレーザーディスプレイ等が挙げられるが、その他、レーザープリンタ、あるいはディジタル画像データから映画フィルムへの記録装置等、印刷や記録を含む画像装置に広く用いることができる。勿論、レーザー核融合、レーザーアニーリング等の加工や計測等の用途において均一照明光を必要とする場合に適用することで精度等の向上に寄与することが可能である。
【００４８】
本発明に係る照明装置の具体的な構成について説明する前に、本発明の基本原理について説明する。
【００４９】
先ず、複数のレーザーからの光線を用いることが前提とされる。これは、高輝度化の他、スペックルノイズの低減にも有効である。また、レーザー光の強度がほぼ等しくなるように合わせておくことが好ましい。
【００５０】
そして、強度の等しい複数のビームに分割する手段をもつこと及び分割後には１回又は複数回の複屈折を用いてビームを空間的にずらした上で重ね合わせることが基本的事項である。即ち、並列化された複数のビームに対して、複屈折を利用してビームを空間的にシフトさせながら強度分割し、隣接した可干渉性をもたないビーム同士が空間的に重なり合うようにすることで、均一な強度分布を生成することができる。このような照明光を、例えば、ＧＬＶ等の線状領域に対して照射することにより均一な照明を行えるが、１次元照明（線状照明）に限らず２次元の均一照明への適用が可能である。
【００５１】
ビームの重ね合わせによる均一化方法については、重ね合わせに求められる条件についての考察を要する。尚、以下の説明では主にガウシアンビームを想定して説明するが、より一般的な強度分布をもつレーザー光についても、以下に示す考え方を適用できることは勿論である。
【００５２】
複数のインコヒーレントかつ等強度のガウシアンビームを空間的に併置したときの強度分布例について示したものが図１及び図２である。
【００５３】
これらの図においては、ガウシアンビームのビーム半径（強度がピーク値のｅ^-2になるときの値。）を「１」とした場合における、各ビームの中心間隔（これを「Ｓ」と記す。）を変化させたときの様子を示しており、横軸にビームの配置方向における相対座標（ビーム半径を「１」とする。）をとり、縦軸に相対強度をとっている。
【００５４】
図１では、ビームの中心間隔がＳ＝２の状態から、Ｓ＝１．５、Ｓ＝１．４、Ｓ＝１．３、Ｓ＝１へと次第に狭まっていく場合の重なり具合をそれぞれ示している。尚、本図では９本のビームの強度和について実線で示し、個々のビームの強度については破線で示すことで両者の分布を区別している。
【００５５】
また、図２では、ビームの中心間隔をＳ＝２の状態から０．２刻みでＳ＝１の状態まで順次に狭くしていったときの様子を示しており、各状態のグラフ曲線（強度分布曲線）を１つにまとめて示したものである。
【００５６】
図から分かるように、ビームの重ね合わせによって総強度分布が均一化されることが分かるが、Ｓ値が１．５以上ではビーム間に強度の不均一性が次第に目立つようになる。つまり、Ｓ値の増加につれて強度分布における山谷の差が大きくなる傾向が認められる。
【００５７】
また、Ｓ値が小さくなると、中心部での均一性が向上する。しかし、Ｓ値が小さくなっていくと、均一な部分の幅（図１や図２に示すグラフ図の横軸方向の幅）が相対的に狭くなる傾向が認められ、従って、強度和を示す分布曲線において裾部分の強度が相対的に増加していくことが分かる（これは、均一部分の幅が狭くなると、裾部分の占める割合が相対的に大きくなるためである。）。実際に利用するのは強度分布において主に均一な部分であるため、Ｓ値が小さすぎると光利用効率の低下を招く原因となる虞がある。
【００５８】
以上の考察からビーム半径に対するＳ値としては、１乃至１．５程度の範囲が実用上望ましいことが分かる。尚、Ｓ＝１やＳ＝１．５についてはビームの重ね合わせにおいて一応の目安となる値であり、従って、実際上はそれらの近傍値であっても構わない。
【００５９】
また、例えば、レーザーディスプレイ等の照明用途としては、干渉による強度分布の不均一性は望ましくないので、Ｓ値として約１乃至１．５程度の範囲において、隣接する左右それぞれ３本程度のビームについて干渉が生じないようにすることが望ましい。例えば、複数のビームのうちコヒーレントな関係にあるビームの中心間隔が全てガウシアンビーム半径の５倍（ピーク４個分のビーム幅に相当する。）以上となるように設定して離隔させる。
【００６０】
ＧＬＶに係る照明光学系では、照明領域がＧＬＶ上の線上域に限られるので、前記方法（Ａ）のように空間的にビームをずらしてスキャニングで重ね合わせることができない。従って、例えば、あるビームを中心として、当該ビームに隣接する左右３本（自分自身を含めて計７本）のビームについては、下記の事項が必要とされる。
【００６１】
（Ｉ）直交関係にある偏光状態（直線偏光）あるいは右回り、左回りの円偏光のビームを用いること
（ＩＩ）異なるレーザーからのビーム（起源をそれぞれ異にするビーム）を用いること
（ＩＩＩ）（Ｉ）及び（ＩＩ）の併用。
【００６２】
これにより、ビーム間で干渉が起こらないようにすることができる。
【００６３】
また、レーザーディスプレイ等への適用においてはスペックルの問題があり、スペックルのコントラストを低減させる上でも、上記（Ｉ）乃至（ＩＩＩ）が有効である。即ち、異なるレーザーのビームや、直交する偏光のビームを重ね合わせることで、異なるスペックルパターンを平均化してスペックルコントラストを低減させることができる。その際には可干渉性がないビーム同士ができるだけ重なり合うようにしなければならないので、例えば、上記のように、隣接する７本のビームの非可干渉性（インコヒーレント）は均一性のみならず、スペックルコントラストの低減にも必要である。
【００６４】
尚、高輝度化にとっては、できるだけ複数のビームを用いることが好ましいが、スペックルのコントラストを極力低減させるには、それらのビームを強度分布変換系（本発明では強度分布を均一化させるための光学系）に入射する以前に合波することが望ましい。即ち、合波されたビームを１本のビームとみなせば、強度分布の均一化に関しては上記の説明と同様に考えることができるからであり、例えば、レーザーディスプレイ等への適用においては、照明領域内の全ての点にできるだけ多くのインコヒーレントなビームが重ね合わされるようにすることが望ましい。
【００６５】
以上の事項を踏まえた上で、ビーム構成の具体例を示すと次のようになる。
【００６６】
例えば、異なる２つのレーザー（第一レーザー、第二レーザー）からのビームについてｐ偏光、ｓ偏光を想定した形態（異なるレーザーからの光及び異なる偏光を利用した、上記（ＩＩＩ）の場合）において、Ｎ番目に位置するビームが第一レーザーによるｐ偏光であるとした場合には、下記のようになる。
【００６７】
・Ｎ＋４番目のビーム＝第一レーザーからのｐ偏光
・Ｎ＋３番目のビーム＝第二レーザーからのｓ偏光
・Ｎ＋２番目のビーム＝第一レーザーからのｓ偏光
・Ｎ＋１番目のビーム＝第二レーザーからのｐ偏光
・Ｎ−１番目のビーム＝第二レーザーからのｐ偏光
・Ｎ−２番目のビーム＝第一レーザーからのｓ偏光
・Ｎ−３番目のビーム＝第二レーザーからのｓ偏光
・Ｎ−４番目のビーム＝第一レーザーからのｐ偏光。
【００６８】
この配置では、Ｎ番目のビームである第一レーザーによるｐ偏光を中心として、一方の傍らに「Ｎ＋１」番目のビームが隣接され、さらにＮ＋２乃至Ｎ＋４番目の各ビームが位置されており、これらとは反対側には、Ｎ番目のビームの傍らに「Ｎ−１」番目のビームが隣接され、さらにＮ−２乃至Ｎ−４番目の各ビームが位置されている。従って、Ｎ番目のビームに関して隣接する３本のビーム（Ｎ＋１乃至Ｎ＋３番目、Ｎ−１乃至Ｎ−３番目の各ビーム）と、中心のビーム（Ｎ番目のビーム）とは干渉しないことが分かる。また、Ｎ−４番目と、Ｎ＋４番目の各ビームについては、中心のビームと干渉し得るが、ビーム間隔が空間的に充分な距離をもっていて各ビームがほぼ分離されている場合には、干渉の影響は軽微である。
【００６９】
以上のようなビーム群の配置、即ち、複屈折後に得られる複数のビーム配置が空間的に周期性を有すること、そして、コヒーレントな関係にある２つのビームの間にインコヒーレントな関係をもつ複数のビームが配列されるとともに、中心ビームに関して、これに隣接する１周期内のビームが当該中心ビームと干渉しない配置を採ることにより、均一かつ高効率であって、しかもスペックルコントラストを充分に抑えた照明光学系を構成することができる。
【００７０】
尚、上記したビーム構成は、ほんの一例を示すものであり、隣接するビーム同士の関係は、入射ビームの間隔や結晶のもつ複屈折量によって配置が変ることがあるので、各種の実施形態が可能である。つまり、基本的には、同じレーザーからの直交関係にある偏光及び異なるレーザーからの１組の偏光（直交関係にある偏光等）を用いて、隣接する左右３本ずつのビームを並列配置した構成を採れば良い。上記の例では、Ｎ番目のビーム（中心ビーム）からＮ＋４番目又はＮ−４番目のビームの間隔を一周期として繰り返す周期的配置がとられており、中心ビームとその直ぐ脇に隣接する別のレーザーからのｐ偏光、さらに、中心ビームと同じレーザーからのｓ偏光、別のレーザーからのｓ偏光によって構成されるビーム群を１単位する。ビーム配置の１周期については、勿論、これに限らず各種配置のビーム群を用いることができる（例えば、左側又は右側に隣接する３本のビーム配置あるいは、あるビーム自身とその左側又は右側に隣接する３本のビームを含む、合計４本のビーム配置についてビームを適宜に入れ替える等。）。要は、あるビームを中心とした所定本数のビームについて当該中心のビームとの間に干渉が極力生じないようにし、スペックルコントラストを低減させつつ、均一な照明を行えるように配置することが重要である。
【００７１】
また、さらに多数のレーザーを用いることにより、例えば、平行平板等による強度分割の１単位となるビーム数を増やすようにしても良いが、スペックルコントラストを考慮した場合には、各ビームをできるだけ重ね合わせることが好ましい。
【００７２】
次に、ＧＬＶに係る照明光学系において、シュリーレンフィルタリングに関する注意点について説明する。この光学系（図１３参照）では、シュリーレンフィルタリングを行うために、強度分布変換後の光線の角度について十分な注意が必要であり、シュリーレンフィルタリング後のコントラストを十分に高くとるためには、ＧＬＶへの入射角度を±０．３度以下程度にすることが実用上望ましい。
【００７３】
例えば、図３に示す構成を考えると、半導体レーザーアレイとしてのＬＤ（レーザーダイオード）アレイ（あるいはＬＤアレイバー）１から発せられた光線が、マイクロレンズアレイ２を用いてコリメートされ、その後に複屈折性結晶３、さらにはシリンドリカルレンズ４を経てＧＬＶ５に照射される。尚、ＬＤアレイ１は多数のエミッター（出射源あるいは放射源）を同一基板において一列に配列させたものである。尚、図の下方には、各エミッターから出射されてマイクロレンズアレイ２を透過した後（図の破線位置を参照）の各ビームの強度分布（ガウシアンビームを仮定している。）と、複屈折性結晶３を透過した直後の分布（図の破線位置での分布であり、実線で示す分布曲線がｐ偏光に係る強度分布を示し、一点鎖線で示す分布曲線がｓ偏光に係る強度分布を示している。）、そして、ＧＬＶ５の照射面（線状領域）における強度分布をそれぞれ概念的に示している。
【００７４】
ＬＤアレイ１の各エミッターからの光線は互いにインコヒーレントであるため、マイクロレンズアレイ２を用いてコリメートした各光線について、複屈折性結晶３を用いて図の縦方向（光軸に直交する方向）にずらして重ね合わせるだけでも、強度分布をある程度は均一化することが可能である。
【００７５】
しかしながら、ＧＬＶを使ったレーザーディスプレイ等の用途において、このような構成ではシュリーレンフィルタリングを考えた場合に充分でないという事情がある。
【００７６】
ＬＤアレイについて高出力化するためには、ＬＤアレイにおける発光領域を活性層方向について数十μｍ（ミクロン）乃至数百μｍにすることが求められる。ここでは仮にエミッターの発光領域幅を５０μｍとする。マイクロレンズアレイの焦点距離を１．５ｍｍ（ミリメートル）とすると、光源が理想的な点光源でなく大きさをもつことから、コリメート後の光線は±０．９５゜程度の分布幅をもつことになる。従って、図３に示すような構成例のままでは、ＧＬＶレーザーディスプレイ用光学系としては、コントラストの観点から不適切である（光線角度を小さくするために、ビーム全体を拡大して、発散角を抑えなければならない。）。
【００７７】
また、図３の構成では照明領域の各点が少数のエミッターからの光線によってのみ照明される（つまり、照射の対象点を特定した場合に当該点での明るさに寄与するエミッター数が少ない。）ので、スペックルコントラストの低減という観点からも問題が残る。
【００７８】
従って、ＬＤアレイを用いる場合には、さらに工夫を必要とする。例えば、ＧＬＶへの入射角度を抑えるには、複屈折性結晶３及びシリンドリカルレンズ４による集光以前に全体のビームを充分に拡大して発散角を小さくする。上記した数値例の場合では、角度倍率を１／４程度にするためにビームを４倍に拡大すれば良い。また、スペックルコントラストを低減させるには、後述するように、図３の紙面に垂直な方向に複数のＬＤアレイを並べて配置するか、あるいは複数のＬＤアレイを使って偏光結合により１つのビームが得られるように構成する必要がある。
【００７９】
次に、上記したようなビーム群の構成を得るための具体的手段（光学的手段）について説明する。
【００８０】
前述したように、光強度についての分割方法には、（１）偏光を利用した方法と、（２）多重反射による方法とが挙げられるので、両者を組み合わせた方法を以下に示す。
【００８１】
図４に示す構成例６では、図示しないレーザー光源から一本の入射ビーム「ｌｂ」が多重反射板７（その構成については図１７で説明した通りである。）によって等強度とされる６本のビームに分割された後に、λ／２波長板８を経てさらに複屈折性結晶９を透過して出力される。
【００８２】
つまり、本光学系への入射ビームについては、上記したシュリーレンフィルタリングに関する事情を考慮して充分にコリメートされた平行光であるとしており、この平行光（レーザー光）は、多重反射板７によって複数の平行なビームに分割される（図では６本からなるビーム群の例を示す。）。そして、さらにビーム群はλ／２波長板８により適当な方位をもつ直線偏光として複屈折性結晶９に入射され、ここで直交する２偏光にそれぞれ分割された上で出射する。従って、図示のように隣接するビーム同士（例えば、図に示す光線「ｌｔ＿ｐ」と「ｌｔ＿ｓ」）については互いに直交関係をもって偏光しているので干渉はしない。しかし、１つおきに位置するビーム同士（例えば、図に示す光線「ｌｔ＿ｐ１」と「ｌｔ＿ｐ２」）については同じ偏光状態であり、従って、ビーム間に干渉が生じる結果、強度分布が不均一になる。
【００８３】
上述したように、ガウシアンビームを仮定した場合に強度分布を均一化するためには、少なくとも隣接する３本ずつのビームが干渉なしに重なり合うようためのシフト量（図１や図２の横軸方向におけるずれ量であり、Ｓ値に対応する。）を適度に与える必要がある。
【００８４】
そこで、図５に示すように、複数のレーザーからの光線を、多重反射板に入射させることで複数のビームに等強度分割し、さらに、それらのビームを、複屈折性結晶を含む光学系に通してずらした上で重ね合わせる構成を採用する。
【００８５】
即ち、この例では、異なるレーザーからの２本の光線（図５には、「▲１▼」、「▲２▼」を付して区別している。）を用いており、各光線が多重反射板７によってそれぞれ分割されてから、λ／２波長板８を透過した後に、複屈折性結晶９を経た光がｐ偏光又はｓ偏光となる（２本の各ビームが多重反射板７により等強度の６本に分割され、さらに複屈折性結晶９によりｐ偏光、ｓ偏光にシフトして分かれるので、２×６×２＝２４本のビームが得られる。）。そして、出射光を図６の上から順番に並べると、例えば、「▲１▼ｐ、▲２▼ｐ、▲１▼ｓ、▲２▼ｓ」（「▲１▼、▲２▼」は由来するそれぞれのレーザー光を示し、「ｐ」はｐ偏光、「ｓ」はｓ偏光をそれぞれ示す。）を１周期としたビーム配置が繰り返されることが分かる。従って、例えば、「▲１▼ｐ」のビームを中心位置に設定すると、その直ぐ脇（第一隣接域）には「▲２▼ｓ」又は「▲２▼ｐ」のビームがきて、その両脇（第二隣接域）には「▲１▼ｓ」のビームが位置する。そして、さらにその両脇（第三隣接域）には「▲２▼ｐ」又は「▲２▼ｓ」のビームが位置するので、中心のビーム（▲１▼ｐ）に関して当該ビームとその両側に隣接するそれぞれ３本のビームとが干渉しないことは明らかである。
【００８６】
このように、図５には、隣接する左右３本のビームが、異なるレーザーからの光線及び直交する２偏光の組み合わせによって実現される場合の構成について一例を示しており（前記のＮ乃至Ｎ−４の範囲に示したビーム配置を周期的に繰り返したのと同じ配列になる。）、あるビームを関して所定のビーム本数以内の範囲ではビーム同士が干渉することがなく、当該範囲において各ビームを重ね合わせることができる。
【００８７】
以上のように、偏光による強度分割、多重反射による強度分割、そして複数のレーザーからの光を用いることについて、それらの組み合わせにおいて注意しなければならないのは、ビーム間にギャップが生じるか否かということである。即ち、多重反射板だけを用いても、これにより生成される複数のビーム間には、ギャップが不可避的に生じるため、空間的にビームを密に配置するためには複屈折を用いることが必要である。また、複数のレーザーからのビームを用いる場合には、ギャップを埋めるためにそれぞれのレーザー光を偏光合波する必要がある。
【００８８】
また、強度分布について効率良く均一化するためには、前述したように多数のビームが必要となるが、ビーム本数を増やすことが目的ならば多重反射を用いた方がコスト的に有利であり、設計の自由度も高い。つまり、複屈折による分離は、直交する２偏光への分離に限られることが問題となるが、勿論、複数のサバール板を用いてこれを多段に重ねた配置を採ることも可能である。
【００８９】
図６は、サバール板を多段（本例では２段）に配置した構成例１０を示したものであり、２本のレーザー光は、λ／２波長板１１、サバール板１２を透過した後、さらにλ／２波長板１３、サバール板１４を透過してから重ね合わされる。尚、図の下方には、破線で示す位置での偏光状態（偏光方向）について両矢印で示しており（レーザー光の一方だけについて示す。）、λ／２波長板１１を通って偏った光がサバール板１２により直交関係の２偏光にシフト分離され、さらに、これらがλ／２波長板１３を通ることで偏ってからサバール板１４により直交関係の２偏光にシフト分離されるので、ビーム１本当たり４本のビームが得られることになる。
【００９０】
本例では、サバール板１４から出射される各ビームについて、第一のレーザー光に由来するものを「▲１▼」、第二のレーザー光に由来するものを「▲２▼」で区別し、ｐ偏光、ｓ偏光をそれぞれ「ｐ」、「ｓ」で区別することにすると、例えば、上から順に「▲１▼ｐ、▲１▼ｓ、▲２▼ｐ、▲２▼ｓ」をビーム配置が繰り返されることが分かる（従って、あるビームを中心としてこれに隣接する３本のビームと、中心のビームとが干渉しない関係にある。）。
【００９１】
但し、サバール板の厚みや枚数の増加は、実用的見地からはあまり魅力的でないため、図５に示す構成のように、多重反射と複屈折とを組み合わせた構成が、実用上最も有効な手段と考えられる。勿論、さらに高出力化を必要とする場合等においては、これに加えて、偏光合波を含めた複数のレーザー光の使用が有効であることに変わりはない。
【００９２】
例えば、高輝度化のために、２台以上のレーザーを用いる場合の照明装置の構成例１５について図７に示す（尚、多重反射板７及びそれ以降の構成については、複屈折性結晶９の後段にシリンドリカルレンズ１９、さらにはＧＬＶ２０が配置されている点を除いて、図５の構成と同じである。）。
【００９３】
本例では、第一のレーザーからの光ｌｂ１及び第二のレーザーからの光ｌｂ２が偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１６を介してプリズムミラー１８の頂角部に照射され、当該ミラーでの反射により光路変更を受けた光が多重反射板７に入射される。また、第三のレーザーからの光ｌｂ３及び第四のレーザーからの光ｌｂ４が偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１７を介してプリズムミラー１８に照射され、当該ミラーで光路変更を受けた光が多重反射板７に入射される。従って、図５との関係においてはプリズムミラー１８からの一方が▲１▼のビームに相当し、他方が▲２▼のビームに相当する。
【００９４】
このような偏光ビームスプリッターによる偏光合波や、ミラーによる合波等を用いて、（強度分布変換系への入射以前に）ビームの合波を行えば良い。勿論、３本以上の異なるレーザーからの光線について合波の後に、上記の場合と同様に多重反射板にビームを入射させても良いが、その際にはできるだけインコヒーレントな光線同士を重ね合わせることでスペックルコントラストを低減するために、図７の構成と同様なビームの合波を経た後で多重反射、さらには複屈折による分割を行うことが望ましい。
【００９５】
尚、図７では説明の便宜上、２台以上のレーザーについて同じ平面上に配置されるものとしたが、図の紙面に対して垂直な方向に複数のレーザーを並設するといった各種の形態が可能である。また、図７では、ＧＬＶ２０（の線状領域）への照明を行うために、その前段のシリンドリカルレンズ１９を用いて複屈折性結晶の透過後の光を集光している。そして、ビームスプリッター等の合波手段については適宜組み合わせて用いることができる。
【００９６】
本発明に使用するレーザー光源については、特定のものに限定されないので、様々なレーザーを想定することができるが、ガウシアン分布のレーザー光を念頭においた場合には、例えば、固体レーザー、ファイバーレーザーあるいはその波長変換を利用したものが挙げられる。特に、ファイバーレーザーを使う場合には、高出力でコンパクトであること、そして、基盤（シリコン基板等）上に作成されたＶ溝アレイを用いて、出射端について受動的にアライメントができる（つまり、各ビームの相対的位置関係を設定できる）ので、本発明のレーザー光源として適している。
【００９７】
また、複数のレーザーを個別に並列配置させる形態と、半導体レーザーアレイのように複数のレーザービームを得る形態が挙げられる。後者の場合には、例えば、マイクロレンズアレイによりコリメートされるＬＤアレイの使用が挙げられるが、この場合、半導体レーザーの各エミッターの強度がガウシアン分布をもつことが望ましい。ブロードエリア（発光領域幅が数十乃至数百μｍとされる。）のエミッターの場合には、強度分布が多モードであることや、多重反射時における光線の広がりによる、不均一性が問題となるので、それに対する補正（例えば、多重反射板における各コーティング領域の反射率等を適正に設定して補正する等。）が必要となる。よって、その分、設計や製造が複雑になるが、上記したビームの重ね合わせによる平均化自体は一般に通用する原理であるため、ガウシアン分布から外れた分布（例えば、分布関数が「ｅｘｐ（−ｘ^k）」（ｋ≠２）の場合）、あるいは不規則な強度分布をもつ光源の使用に対しても、ある程度有効に働くことが期待できる。また、多数のレーザーを並列化した配置で用いる場合には、個体間の平均化の効果も得られるため、全レーザーについての強度和として応用上あるいは実用上許容し得る範囲内であれば、特にガウシアン分布にこだわる必要はない。
【００９８】
【実施例】
次に、具体的な実施例について説明する。
【００９９】
先ず、ＹＡＧレーザーの第二高調波（波長５３２ｎｍ）のレーザーを８台使用し、各レーザーの出力はいずれも等しくて、そのビーム径（直径）を１ｍｍとする。８台のレーザーからの光については偏光合波により、２台ずつのレーザー光を１つに合波すると、４本のビームを得ることができる。従って、図７の構成に示すように第一乃至第四のビームｌｂ１〜４を同一平面内で配置しても良いが、ここでは、４つのビームのうち、２つ（以下、これらを「ビーム３」、「ビーム４」と記す。）については図７の紙面に垂直な方向から照射されるように配置する。残る２つのビーム（以下、これらを「ビーム１」、「ビーム２」と記す。）については図７と同様に紙面内の配置とする。
【０１００】
以下では、説明の簡単化のためにビーム１、２についてのみ説明する（∵下記の説明においてビーム３、４の場合に適宜に置換しても基本的な内容は同じことであるから。）。
【０１０１】
複屈折の利用においてはサバール板を用いることにして、当該サバール板を出射した後のビームの中心間隔が１．３ｍｍとなるように（前記したＳ＝１．３の場合に相当する。）、多重反射板とサバール板の組み合わせについて設計する。
【０１０２】
サバール板を出射した後のビーム群については、サバール板の厚みを薄くして低コスト化できるように、ビーム配置に関して、ビーム１の常光線、ビーム１の異常光線、ビーム２の常光線、ビーム２の異常光線の順に並べることにする。
【０１０３】
先ず、ビーム１とビーム２は、前記プリズムミラー１８での反射後に、ビーム間隔２．６ｍｍをもって平行な関係になるように調整する。それぞれのビーム径が１ｍｍであるから、プリズムミラーの頂角側での損失については当該頂角近傍での面取りを含めても充分に小さく抑えることができる。
【０１０４】
サバール板として方解石を用いるとすると、前記［数１］式から、１．３ｍｍの偏光分離量を得るための厚みを計算することができ、約１１．３ｍｍを得る。尚、ここで、サバール板の光学軸は、入射面法線に対して４５゜傾いているとしている。
【０１０５】
次に、多重反射板の設計に移るが、当該反射板内部での反射後に出射される各ビームは、ビーム間隔ｄ＝５．２ｍｍ（＝１．３ｍｍ×４）をもってシフトしている必要がある。平行平板を構成する基盤の厚みを「ｔ」とし、屈折率を「ｎ」とするとき、スネルの法則と簡単な幾何学的関係の考察から下式が得られる。
【０１０６】
【数５】

【０１０７】
図８は、上式の導出について要部を示すものであり、「ａ」が入射角を示し、「ｂ」が屈折角を示す。尚、上式の第二式は、図の点Ｐ１及びＰ２を結ぶ線分の長さにｃｏｓａを掛けたものがｄに等しいことから得られる。
【０１０８】
上式を連立させてｔについて解くと、下式のようになる。
【０１０９】
【数６】

【０１１０】
尚、［数６］式の関係について一例を示したものが図９であり、横軸に入射角「ａ」（単位：degree(゜)）をとり、縦軸に厚み「ｔ」（単位：ｍｍ）をとって両者の関係を示している。
【０１１１】
基盤材料として、ＢＫ７（ｎ＝１．５１９４７）を用いることにし、厚みｔ＝１０ｍｍとすると、入射角ａ≒２４．７゜とすればよいことが数値計算から分かる（図９参照）。また、このときの屈折角はｂ≒１５．９６゜である。尚、実際の基盤厚みについては誤差をもつが、これについては基盤への光の入射角度を調整することで補償が可能である。
【０１１２】
以上の幾何学的関係を考慮して、最終的に等強度の６本のビームを得るには、図１０に示すように多重反射板の各領域について反射コーティング処理を施せば良い。即ち、図の左方に示す入射面側については、２つの領域に区分けして、光線入射用窓部Ｗ（幅５．７２ｍｍ）についてはその反射率Ｒ₀＝０％とし、全反射面（幅２８．６ｍｍ）の反射率Ｒ＝１００％とする。そして、出射面側については、各領域の幅をそれぞれ５．７０ｍｍにするとともに、それぞれの反射率については前記［数４］式で求めたように、Ｒ₁≒８３．３％、Ｒ₂＝８０％、Ｒ₃＝７５％、Ｒ₄≒６６．７％、Ｒ₅＝５０％とし、またＲ₆については０％とする。
【０１１３】
尚、図１０において、各領域については０．０４ｍｍの間隙をもって形成されている（図には、すき間を誇張して示している。）。
【０１１４】
本例において、最終的に得られる照明領域の高さ（幅）は、ビーム間隔×ビーム本数＝５．２ｍｍ×６＝３１．２ｍｍとなり、これはＧＬＶを照明するのに充分な長さである。
【０１１５】
図１１は、出射光の強度分布例について概略的に示したものである。
【０１１６】
ビーム１、２のそれぞれの常光線、異常光線は空間的にシフトされた配置を採り、それぞれの強度分布を示す曲線（ガウシアン分布としている。）を図には４種類の線種の違いで区別している。
【０１１７】
隣接するビームについては、そのピーク同士の間隔が１．３ｍｍとされ、また、同種のビームについては、それぞれの間隔が５．２ｍｍ（＝１．３ｍｍ×４）とされている。
【０１１８】
図１２はＧＬＶを用いた画像表示装置への適用例２１について構成の概略を示したものである。
【０１１９】
レーザー光源２２からの光は、上記に説明した強度分布変換系２３（図には単レンズで代表的に示しているが、多重反射板や複屈折性結晶等を含む光学系である。）を介して均一化された上で空間変調器２４（例えば、ＧＬＶ）に照射される。当該空間変調器による回折光は、レンズ２５、シュリーレンフィルター２６、レンズ２７を経た後、投影レンズ系２８を透過してガルバノミラー２９に達し、さらにはスクリーン３０へと到達する。尚、ＧＬＶやガルバノミラー等の駆動制御手段については図示及び説明を省略する。
【０１２０】
以上の説明では、各ビームについては偏光合波によるビームと考えたが、偏光合波されたビームに対して、多重反射板の全領域の各反射率がｐ偏光とｓ偏光に対して等しくなければ、等強度のビームを出射することができない。一般に入射角度が大きくなるとコーティングに要求される精度に関して偏光依存性が大きくなるので、多重反射板への入射角度をできるだけ小さくすることが望ましい。しかし、図９に示したグラフ曲線からも分かるように、入射角度（ａ）を小さくすると基盤の板厚（ｔ）が厚くなる。従って、両者の妥協点を模索して、実用上支障を来さない範囲で、入射角度を設定する必要がある。他方、入射角度が小さくなれば、各領域（反射領域）の幅が狭くなることにも注意すべきである。現実的には、各領域の間には多少のマージンを見込む必要があるので入射角度をあまり小さくすることはできない。入射面と反射面との間隔を長くとるためには、平行平板の両面に反射コーティングを施す代わりに、各面について独立の基盤を用いることでそれぞれ別体の構成として作成するとともに、各部材の調整を行うという形態も考えられるが、精度出しのために調整を必要とすること及び部品点数が増えること等の事情を考慮すると、偏光合波はできる限り避けて、例えば、図７の紙面に垂直な方向に沿って同じ偏光状態のビームを多数並列に配置する方法が望ましい。
【０１２１】
また、小型化の観点からは、複屈折性結晶の両面にコーティングをそれぞれ施すような構成形態も挙げられるが、複屈折性結晶中の多重反射は複雑であって設計が困難であることや、結晶の耐湿性や耐温度特性等を考えた場合には、複数回のコーティングを行うことは困難であり、あまり実用的ではない。
【０１２２】
上記した実施例では、使用される全てのビームがほぼ点光源とみなせる固体レーザーの高調波（ＳＨＧによる第二高調波）であるため、充分なコリメーションが可能である。つまり、全てのビームを互いに平行な光とすることができる（平行度が高い）ので、ＧＬＶに係るシュリーレンフィルタリング後のコントラストにおいても良好な特性を得ることが可能になる。
【０１２３】
尚、複数のレーザーを用いる場合に、各レーザーの出力が大きく相違すると、全てのビームを合成した後で強度分布に不均一性が生じることになる。そこで、これに対する補正を行えるように、例えば、各レーザーについて出力の調整をそれ自身で電気的に行えるようにするか、あるいは各レーザーの外部に強度調整のための手段を設けること、例えば、外部にレーザーの透過光の強度を調整するための手段等を講じることが望ましい。このような外部に設けられる出力調整手段としては、例えば、レーザー光が直線偏光である場合に、２分の１波長板と偏光子とを組み合わせる形態等が挙げられる。
【０１２４】
以上の説明では、ＧＬＶのように１次元の空間変調器を想定して、線状領域に対して均一な照明を行う場合について述べてきたが、２次元の空間変調器等への照明を行う場合にも本発明を適用することができる。即ち、１次元照明用に設けられた多重反射板とは別に、もう一枚の多重反射板を使って、多重反射が図５や図７の紙面に垂直な方向においても行われるように構成すれば、２次元への拡張は容易である（面的な広がりをもってビームの重ね合わせを行える。）。勿論、このことは、方位を変えたサバール板をもう一枚用いて、２次元に拡張しても同じことである。
【０１２５】
しかして、上記した構成によれば、スペックルノイズや干渉ノイズが十分に抑圧された均一な照明を、２台以上のレーザーを用いて高い効率をもって実現することができる。しかも、構成が比較的簡単であるために、装置の小型化やコスト低減に好適である。例えば、上記した照明装置を画像表示装置に適用することで、色再現性に優れた高品位画像の表示が可能なレーザーディスプレイ等を実現できる。
【０１２６】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、請求項１〜４に係る発明によれば、分割された等強度のビームに対して、複屈折を用いて各ビームを空間的にずらして、可干渉性をもたないビーム同士を重ね合わせることによって、均一性に優れた照明光を得ることができるので、高効率化やスペックルの低減等が可能になる。そして、非球面シリンドリカルレンズ等を必要としない比較的簡易な構成で済むため、小型化及び低コスト化に適している。
そして、ビーム群について空間的に規則的な配置をとることができ、また、中心位置のビームが、それと隣接関係にある別のビームと干渉しないように配列させることで、均一化及びスペックルコントラストの低減に有効である。特に、異なるレーザーからの光及び異なる偏光状態の光を用いることにより、各種のビーム配置を採ることができるので、設計上の自由度が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図２とともに、ガウシアンビームを重ね合わせることで得られる強度分布についての説明図であり、本図は、ビーム半径に対して、２倍、１．５倍、１．４倍、１．３倍、１倍のビーム中心間隔をもつ場合について示す。
【図２】ビーム半径に対して、２倍から１倍まで０．２刻みでビーム中心間隔を変えていった場合について示す図である。
【図３】半導体レーザーアレイとマイクロレンズアレイを用いた構成についての説明図である。
【図４】図５とともに多重反射板と複屈折性結晶を用いた強度分布変換光学系の構成例を示すものであり、本図はビーム数が１つの場合を示す。
【図５】ビーム数が２つの場合について一例を示す図である。
【図６】サバール板を多段構成とした例を示す図である。
【図７】照明装置の構成例を示す図である。
【図８】図９、図１０とともに多重反射板の設計例について説明するための図であり、本図は諸元について幾何光学的な関係を示す説明図である。
【図９】入射角度と基盤厚との関係を例示したグラフ図である。
【図１０】多重反射板における各部の反射率について説明するための図である。
【図１１】出射光の強度分布について説明するための図である。
【図１２】画像表示装置の構成例を概略的に示す図である。
【図１３】図１４とともにシュリーレンフィルター光学系について説明するための図であり、本図は光学系を概略的に示す斜視図である。
【図１４】光学系の要部を示す説明図である。
【図１５】ビーム走査による均一化法について説明するための図である。
【図１６】偏光による強度分割法について説明するための図である。
【図１７】多重反射による強度分割法について説明するための図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザーアレイ、２…マイクロレンズアレイ、３、９、１２、１４…複屈折性結晶、５、２０…グレーティングライトバルブ、７…多重反射板、１５…照明装置、２１…画像表示装置、２４…空間変調器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for realizing uniform intensity distribution in an illumination apparatus using a plurality of laser beams.
[0002]
[Prior art]
In an image display device called a projection display, a liquid crystal panel, a DMD (Digital Micromirror Device), or the like has been used as a spatial modulator. Recently, a display using an active drive type grating (diffraction grating) based on micromachine technology. Has been attracting attention as it was developed. The name of the diffraction grating type element used is called “Grating Light Valve” (hereinafter abbreviated as “GLV”), and compared to the case of using a conventional spatial modulator, It has features such that it can display a clear (seamless) clear and bright image, can be produced at low cost using micromachine technology, and can operate at high speed.
[0003]
In order to form an image using this GLV, schlieren filtering that blocks 0th-order light of diffracted light and transmits only ± 1st-order light is required.
[0004]
FIG. 13 shows the main part of the schlieren filter optical system a. Light from a light source (not shown) is collected by the cylindrical lens L0 and applied to the GLV, and the diffracted light is transmitted through the lens L1, the schlieren filter F, and the lens L2 in this order and emitted.
[0005]
The light beams “lt (+1), lt (0), lt (−1)” shown in the figure represent GLV diffracted light, “lt (+1)” is + 1st order diffracted light, and “lt (0)”. "Represents 0th-order (diffracted) light and lt (-1) represents -1st-order diffracted light, and only 0th-order light is shielded by Schlieren filtering.
[0006]
A reflection type element is used as the GLV, and a large number of micro ribbons called membranes are arranged in parallel on the substrate with an air gap. Among the GLV states, in the first state (when the pixel is turned off), the phases of all ribbons are aligned. As a result, ± first-order diffracted light is not generated (only reflected light), but the second state (when the pixel is turned on) ), Every other ribbon is attracted to the substrate side by electrostatic force to form a reflective diffraction grating, and as a result, ± 1st order diffracted light is generated. In order to select only the ± first-order diffracted light, it is necessary to perform spatial filtering (Schlieren filtering) on the Fourier plane of the GLV.
[0007]
Here, in order to increase the filtering contrast, it is necessary to sufficiently narrow the angle range of the incident light in the diffraction direction. This is because if the incident light has a spread, the light incident value on the filtering surface can be widened, so that leakage light is generated during quenching.
[0008]
FIG. 14 shows only the GLV, the lens L1, and the schlieren filter surface F extracted from the optical system a, and conceptually shows how ± first-order diffracted light is selected by filtering (however, , GLV is shown as a transmissive element for convenience of illustration).
[0009]
As a light source for such an optical system, for example, when a laser is used like a laser display, speckle (or speckle noise) is regarded as a problem. In addition, speckle is a phenomenon caused by the fact that coherent light from lasers is scattered by a random phase plane and disturbed wavefronts from adjacent areas on the object interfere on the observation plane. It is. A technique for reducing speckle noise that appears in a granular light intensity distribution is indispensable. In particular, speckles occur between the screen and the eyes of the viewer, that is, the retina, which is a problem in laser displays.
[0010]
In addition, regarding the uniformity of illumination, various methods have been proposed because they are generally required for illumination optical systems. Examples thereof include the following methods.
[0011]
(A) Method by beam scanning (scanning)
(B) Method by intensity distribution conversion.
[0012]
First, for (A), for example, in order to obtain a uniform intensity distribution from a Gaussian beam (a beam whose light intensity distribution follows a Gaussian distribution), a plurality of beams are arranged in parallel as shown in FIG. In this case, there is a method in which beam scanning is not performed in the parallel direction, but in a direction inclined with respect to the direction. In the figure, beams indicated by five circles are arranged from the upper left to the lower right, and each beam has a Gaussian distribution as shown at the lower left. The beam scanning direction is defined to be the direction from the left to the right in the figure as indicated by the respective arrows. Therefore, as shown in the graph on the right side, the distribution curve of each beam ( An intensity distribution (shown by a solid line) obtained by synthesizing a broken line) can be obtained. In general, this method is often used in applications where uniformity is required for the integrated value of exposure, such as laser processing and exposure. If adjacent coherent beams overlap with each other, interference will occur and the intensity distribution will be non-uniform. However, if it is required to make the total exposure uniform, all beams must be spatially overlapped. There is no problem (as shown in the figure, since the beams can be arranged apart from each other).
[0013]
For (B) above, for example, a method of converting the intensity distribution using an aspheric cylindrical lens is conceivable. By using an optical design technique, profile conversion is performed on an input beam having a Gaussian distribution. A uniform intensity distribution is obtained.
[0014]
Incidentally, for such illumination or exposure, there are a form using a laser beam originating from a plurality of different light sources and a form generating a plurality of beams by dividing the intensity of the laser light. The following items known as elemental technologies for realizing the latter will be described.
[0015]
(1) Intensity splitting by polarized light
(2) Intensity division by multiple reflection.
[0016]
First, the case of using the polarized light (1) will be described. In this case, linearly polarized light is assumed for the incident laser light.
[0017]
Consider a case in which laser light from a light source (not shown) is incident on an optical system in which a λ / 2 wave plate (half wave plate) and a birefringent crystal are arranged as in the configuration example b shown in FIG. . In the figure, “lt1” indicates incident light, “lt2” indicates transmitted light through the wave plate, and “lt3” indicates transmitted light through the birefringent crystal, and these lights are shown at the bottom of the figure. In addition, the polarization state (polarization direction) is indicated by a double-headed arrow.
[0018]
If a laser beam ("lt2" in the figure) whose polarization direction is rotated by a λ / 2 wavelength plate is incident on a birefringent crystal cut in an appropriate orientation, orthogonally polarized light (ie, , Two polarizations in orthogonal relationship) are spatially separated. Therefore, if the polarization direction is appropriately adjusted, a beam having two polarized lights having the same intensity (see “lt3” in the figure) can be generated. Here, for the sake of convenience of explanation, the separation method into two orthogonally polarized beams orthogonal to each other has been described. However, the present invention is not limited to this, and clockwise and counterclockwise circularly polarized light may be used. In addition, dielectric crystals, liquid crystals, and the like are known as optical materials having birefringence, but those having high transmittance with respect to the wavelength to be used and a sufficient separation angle with a practical thickness can be obtained. It is preferable to select.
[0019]
As a polarizing optical element prepared for such a purpose, there is a Savar plate invented by Bio-Saval, which is a uniaxial crystal cut with an orientation of 45 ° with respect to the optical axis. Polished as a parallel plate. Light incident perpendicular to the Savart plate is separated into polarized light (ordinary ray and extraordinary ray) orthogonal to each other by birefringence, but for both rays, the propagation direction in the crystal (that is, the propagation direction of energy flow) Since the direction of the pointing vector indicating) is different, the rays are separated as they propagate through the crystal. However, when the incident light beam is vertically incident, the normal direction of the wave front is always perpendicular to the Savart plate, both in the crystal and after the emission, and therefore the vertically incident light beams are two polarized light beams that are orthogonal to each other. Are emitted in the same direction.
[0020]
At this time, the shift amount of the two polarized light (or the positional deviation amount, which is referred to as “d”) is given by the following equation.
[0021]
[Expression 1]

[0022]
The meaning of each symbol used in the above formula is as follows.
[0023]
t: crystal thickness
φ: Separation angle in crystal for two orthogonal polarizations
n_o; Ordinary light refractive index of uniaxial crystal
n_eThe extraordinary refractive index of uniaxial crystals
θ: An angle formed between the incident surface normal of the Savart plate and the optical axis.
[0024]
For example, in order to maximize the separation angle, when θ = 45 ° and calcite is used as a uniaxial crystal, n_o= 1.658, n_eBy substituting each numerical value of = 1.486 into the above equation, tan φ = 0.09 is obtained as a tangent term. Therefore, when t = 10 mm (millimeters), it is possible to obtain an outgoing light beam separated with a shift amount of d = 1.09 mm.
[0025]
Various types of elements such as Wollaston prism are known as elements for polarization separation using birefringence, but all directions of incident light and outgoing light (ordinary ray and extraordinary ray) are made to coincide with each other. When it is necessary, it is preferable to use a Savart plate or an improved product thereof. As for the Savart plate, an example in which it is used alone and a modified example in which a plurality of Savart plates are superposed are often used, but their functions are the same (therefore, the following explanation) Then, the concept of “Savart board” includes a plurality of configurations.) In the above numerical examples, calcite was mentioned, but this is a natural birefringent material, which is expensive because it is difficult to mine a large and high quality material. Thus, in order to reduce the cost, it is necessary to use an inexpensive crystal such as an artificial crystal.
[0026]
Next, the division method using multiple reflection (2) will be described.
[0027]
FIG. 17 shows a configuration example of the multiple reflection plate c.
[0028]
One side of the parallel plate (the left side in the figure) is provided with a total reflection coating (intensity reflectance is “R”) except for the window portion W for incident light. On the other hand, the opposite surface (the right surface in the figure) is provided with a plurality of regions divided according to the number and position of multiple reflections. In this example, different intensity reflectivities (each of which is “R”₁, R₂... R₆" ) Coating is applied (as will be described later, “R₆= 0 ”, the number of divisions shown in the figure is five. ).
[0029]
The six light rays “lt_n” (n = 0, 1 to 5) shown in the figure indicate outgoing light rays, and the subscript “n” corresponds to the number of reflections on the outgoing surface side.
[0030]
To simplify the explanation, assuming that there is no intensity loss for the window W (reflectance 0), the emission intensity of each beam (incident intensity is “1”) is as follows. .
[0031]
The intensity of the beam indicated by “lt_0” (the beam emitted without reflection on the emission surface side) = “1-R₁"
The intensity of the beam indicated by “lt_1” (the beam emitted after being reflected once on the emission surface side) = “R · R₁・ (1-R₂) "
The intensity of the beam indicated by “lt_2” (the beam emitted after being reflected twice on the emission surface side) = “R²・ R₁・ R₂・ (1-R_Three) "
The intensity of the beam indicated by “lt_3” (the beam emitted after being reflected three times on the emission surface side) = “R^Three・ R₁・ R₂・ R_Three・ (1-R_Four) "
The intensity of the beam indicated by “lt_4” (the beam emitted after being reflected four times on the emission surface side) = “R^Four・ R₁・ R₂・ R_Three・ R_Four・ (1-R_Five) "
The intensity of the beam indicated by “lt_5” (the beam emitted after being reflected five times on the emission surface side) = “R^Five・ R₁・ R₂・ R_Three・ R_Four・ R_Five・ (1-R₆) "
[0032]
That is, the intensity of the beam emitted after N times of reflection is equal to the product of R to the Nth power, the product of the reflectance over the area where reflection has been performed so far, and the transmittance of the emission area. .
[0033]
In order to generate six beams, it is preferable to AR coat the sixth region in order to minimize the loss. However, in the calculation shown below, “R₆= 0 ”and“ R = 1 ”. If absorption and scattering inside the parallel plate can be ignored, the following equation can be obtained from the equivalence relation that the sum of the intensities of all beams is equal to 1.
[0034]
[Expression 2]

[0035]
Further, since the purpose is to make all the beams have the same intensity, the following equation is used (that is, the values of the terms on the left side in the equation 2 are all equal).
[0036]
[Equation 3]

[0037]
That is, since each beam has the same intensity (1/6) in the [Equation 2], the following equation is finally obtained by sequentially obtaining each reflectance using the [Equation 3]. .
[0038]
[Expression 4]

[0039]
Each reflective film having such a reflectance may be designed for a desired wavelength and incident angle and formed through a film forming process on a parallel plate. To do so, only masking and reflective coating operations are repeated. This can be done in a relatively inexpensive way. As for the thickness of the parallel plate, the multiple reflected light is sufficiently spaced from the incident beam diameter.
[0040]
When using a plurality of lasers (for example, when it is desired to increase the output of a laser with a laser display etc. in response to a request for higher brightness) without using the above-described equal intensity splitting of the beam, It is necessary to combine the beams from each laser in a compact manner. Also, the use of a plurality of lasers is effective because each laser beam has an incoherent relationship, leading to a reduction in contrast for the speckle noise described above.
[0041]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, matters required for an illumination device using a laser as a light source include high uniformity of illumination, the ability to obtain parallel light, and the absence of speckle noise (or inconspicuousness). Among these matters, the lighting device has a problem that a sufficiently satisfactory characteristic cannot be obtained particularly with respect to uniformity, or the burden of labor required to obtain a desired characteristic is large.
[0042]
For example, in the method (A) described above, if a laser beam is spatially combined, a gap (a low portion in the intensity distribution) is inevitably generated between the beams. It is difficult to illuminate and illuminate simultaneously with a large number of parallel lights. Further, in the method (B), when an aspherical lens or the like is used, as is understood from the fact that it is generally difficult to design, manufacture, and evaluate an aspherical cylindrical lens, Alternative technologies are needed.
[0043]
In addition, if the uniformity is poor, it may lead to a decrease in efficiency, causing a problem in high brightness and the like, and a display device or the like may cause a bad effect such that a dynamic range cannot be sufficiently obtained.
[0044]
Therefore, an object of the present invention is to realize uniform intensity distribution in an illumination device using light beams from a plurality of lasers.
[0045]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the problems described above, the present inventionDivide light beams from multiple lasers into multiple beams of equal intensity, then use birefringence to spatially shift the beams and superimpose them to obtain a uniform intensity distribution. A plurality of beam arrangements obtained after birefringence are spatially periodic, and a plurality of beams having an incoherent relationship are arranged between two beams having a coherent relationship. The beam within one period adjacent to this is arranged so as not to interfere with the beam at the center.
[0046]
  Therefore, according to the present invention, for a plurality of divided beams having the same intensity, the beams are spatially shifted using birefringence, and the non-coherent beams are overlapped with each other. Illumination light with a strong intensity distributionFurthermore, the beam group can be arranged in a spatially regular manner, and the beam at the central position is arranged so as not to interfere with another beam adjacent to the beam group, thereby achieving uniformity and speckle. Effective for reducing contrast.
[0047]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical configuration for obtaining illumination light having a uniform light intensity distribution while using light beams from a plurality of lasers. For example, in application to an image display device, there are a front projection (front projection) type and a rear projection (rear projection) type laser display, etc. In addition, recording from a laser printer or digital image data to a movie film is possible. It can be widely used for image devices including printing and recording such as devices. Of course, it is possible to contribute to improvement in accuracy and the like by applying to a case where uniform illumination light is required in applications such as processing and measurement such as laser nuclear fusion and laser annealing.
[0048]
Before describing the specific configuration of the lighting device according to the present invention, the basic principle of the present invention will be described.
[0049]
First, it is assumed that light from a plurality of lasers is used. This is effective for reducing speckle noise as well as increasing brightness. Further, it is preferable to match the laser beams so that their intensities are almost equal.
[0050]
The basic matter is to have means for dividing the beams into a plurality of beams having the same intensity and to superimpose the beams after spatially shifting them using one or more birefringences. That is, for multiple parallel beams, intensity splitting is performed while spatially shifting the beams using birefringence so that adjacent non-coherent beams overlap spatially. Thus, a uniform intensity distribution can be generated. Uniform illumination can be performed by irradiating such illumination light to, for example, a linear region such as GLV. However, the illumination light can be applied not only to one-dimensional illumination (linear illumination) but also to two-dimensional uniform illumination. It is.
[0051]
As for the homogenization method by superimposing beams, it is necessary to consider the conditions required for superimposing. In the following description, a description will be given mainly assuming a Gaussian beam. Of course, the following concept can also be applied to laser light having a more general intensity distribution.
[0052]
FIGS. 1 and 2 show examples of intensity distributions when a plurality of incoherent and equal intensity Gaussian beams are spatially juxtaposed.
[0053]
In these figures, the beam radius of the Gaussian beam (e is the peak value of intensity e).^-2The value at which ) Is “1”, the state when the center interval of each beam (this is referred to as “S”) is changed, and the horizontal axis indicates relative coordinates (beam radius) in the beam arrangement direction. Is taken as “1”), and the vertical axis represents the relative intensity.
[0054]
FIG. 1 shows the overlapping state when the beam center interval gradually decreases from S = 2 to S = 1.5, S = 1.4, S = 1.3, and S = 1. ing. In this figure, the sum of the intensity of the nine beams is indicated by a solid line, and the intensity of each beam is indicated by a broken line to distinguish the distributions of the two.
[0055]
FIG. 2 shows a state in which the beam center interval is sequentially narrowed from the S = 2 state to the S = 1 state in increments of 0.2, and the graph curve (intensity) of each state is shown. (Distribution curve) are collectively shown.
[0056]
As can be seen from the figure, the total intensity distribution is made uniform by the superposition of the beams. However, when the S value is 1.5 or more, the intensity non-uniformity gradually becomes conspicuous between the beams. In other words, it is recognized that the difference between the peaks and valleys in the intensity distribution tends to increase as the S value increases.
[0057]
Further, when the S value is small, the uniformity at the center is improved. However, as the S value becomes smaller, the width of the uniform portion (the width in the horizontal axis direction of the graphs shown in FIGS. 1 and 2) tends to be relatively narrow, and thus shows the strength sum. It can be seen that the strength of the skirt portion relatively increases in the distribution curve (this is because the proportion of the skirt portion is relatively increased when the width of the uniform portion is narrowed). Since the actual use is mainly of a uniform portion in the intensity distribution, if the S value is too small, the light utilization efficiency may be reduced.
[0058]
From the above consideration, it can be seen that the S value with respect to the beam radius is preferably in the range of about 1 to 1.5. It should be noted that S = 1 and S = 1.5 are values that serve as a rough standard in the superposition of the beams, and thus may be values in the vicinity thereof in practice.
[0059]
Further, for example, for illumination applications such as laser displays, nonuniformity in intensity distribution due to interference is not desirable, so about three adjacent beams on the left and right sides in the range of about 1 to 1.5 as the S value. It is desirable to avoid interference. For example, the centers of the beams having a coherent relationship among the plurality of beams are all set to be separated from each other by 5 times the Gaussian beam radius (corresponding to a beam width corresponding to four peaks).
[0060]
In the illumination optical system according to GLV, since the illumination area is limited to the linear area on the GLV, the beams cannot be overlapped by scanning with spatially shifted beams as in the method (A). Therefore, for example, the following matters are required for three beams (a total of seven beams including itself) adjacent to the beam centering on a certain beam.
[0061]
(I) Use orthogonal polarization state (linearly polarized light) or clockwise and counterclockwise circularly polarized beams.
(II) Use beams from different lasers (beams with different origins)
(III) Combined use of (I) and (II).
[0062]
Thereby, it is possible to prevent interference between the beams.
[0063]
Further, there is a problem of speckle in application to a laser display or the like, and the above (I) to (III) are effective in reducing speckle contrast. That is, by superimposing different laser beams or orthogonally polarized beams, different speckle patterns can be averaged to reduce speckle contrast. In this case, since the non-coherent beams must be overlapped as much as possible, for example, as described above, the incoherence of the seven adjacent beams is not only uniform, It is also necessary to reduce speckle contrast.
[0064]
In order to increase the brightness, it is preferable to use a plurality of beams as much as possible. However, in order to reduce the speckle contrast as much as possible, these beams are converted into an intensity distribution conversion system (in the present invention, the intensity distribution is made uniform). It is desirable to combine before entering the optical system. That is, if the combined beam is regarded as one beam, it can be considered that the intensity distribution is uniform in the same manner as described above. For example, in application to a laser display or the like, an illumination region is used. It is desirable to have as many incoherent beams as possible superimposed on all of the points.
[0065]
Based on the above matters, a specific example of beam configuration is as follows.
[0066]
For example, in the form assuming p-polarized light and s-polarized light for beams from two different lasers (first laser and second laser) (in the case of the above (III) using light from different lasers and different polarized light), When the Nth beam is p-polarized light by the first laser, the following occurs.
[0067]
N + 4th beam = p-polarized light from the first laser
N + 3rd beam = s-polarized light from the second laser
N + 2nd beam = s-polarized light from the first laser
N + 1 beam = p-polarized light from the second laser
N-1st beam = p-polarized light from the second laser
N-2nd beam = s-polarized light from the first laser
N-3rd beam = s-polarized light from the second laser
N-4th beam = p-polarized light from the first laser.
[0068]
In this arrangement, the “N + 1” -th beam is adjacent to one side around the p-polarized light by the first laser, which is the N-th beam, and each of the N + 2 to N + 4th beams is located. On the opposite side, the “N−1” -th beam is adjacent to the N-th beam, and the N−2 to N−4th beams are positioned. Therefore, it can be seen that the three adjacent beams (N + 1 to N + 3th, N−1 to N−3th beams) with respect to the Nth beam do not interfere with the center beam (Nth beam). The N-4th beam and the N + 4th beam can interfere with the center beam. However, if the beams are sufficiently separated from each other and the beams are substantially separated, the interference is not caused. The impact is minor.
[0069]
The arrangement of the beam groups as described above, that is, a plurality of beam arrangements obtained after birefringence have spatial periodicity, and a plurality of incoherent relations between two beams having a coherent relation. The center beam is arranged in such a way that the beam within one period adjacent to the center beam does not interfere with the center beam, so that it is uniform and highly efficient and sufficiently suppresses speckle contrast. An illumination optical system can be configured.
[0070]
The beam configuration described above is only an example, and the relationship between adjacent beams may vary depending on the interval between incident beams and the amount of birefringence of the crystal, so various embodiments are possible. It is. That is, basically, a configuration in which three adjacent beams are arranged in parallel using polarized light in an orthogonal relationship from the same laser and a set of polarized light from different lasers (polarized light in an orthogonal relationship, etc.). Should be taken. In the above example, a periodic arrangement is adopted in which the interval from the Nth beam (center beam) to the N + 4th or N−4th beam is repeated as one cycle. One unit is a beam group composed of p-polarized light from the laser, s-polarized light from the same laser as the central beam, and s-polarized light from another laser. Of course, the beam arrangement of one beam arrangement is not limited to this, and various groups of beam arrangements can be used (for example, three beam arrangements adjacent to the left side or the right side, or adjacent to a certain beam itself and the left side or the right side thereof. The beam is appropriately replaced for a total of four beam arrangements including three beams to be performed). In short, it is important to arrange a certain number of beams centered on a certain beam so that interference is not generated as much as possible with the center beam, and uniform illumination can be achieved while reducing speckle contrast. It is.
[0071]
Further, by using a larger number of lasers, for example, the number of beams, which is one unit of intensity division by a parallel plate or the like, may be increased. However, in consideration of speckle contrast, the beams are overlapped as much as possible. It is preferable to match.
[0072]
Next, precautions regarding Schlieren filtering in the illumination optical system according to GLV will be described. In this optical system (see FIG. 13), in order to perform schlieren filtering, it is necessary to pay sufficient attention to the angle of the light beam after intensity distribution conversion, and in order to obtain sufficiently high contrast after schlieren filtering, to the GLV. It is practically desirable to make the incident angle of about ± 0.3 degrees or less.
[0073]
For example, considering the configuration shown in FIG. 3, a light beam emitted from an LD (laser diode) array (or LD array bar) 1 as a semiconductor laser array is collimated using a microlens array 2 and then birefringent. The GLV 5 is irradiated through the crystal 3 and further through the cylindrical lens 4. The LD array 1 has a large number of emitters (an emission source or a radiation source) arranged in a line on the same substrate. In the lower part of the figure, the intensity distribution of each beam (assuming a Gaussian beam is assumed) after being emitted from each emitter and transmitted through the microlens array 2 (see the broken line position in the figure), and birefringence. Distribution immediately after passing through the crystalline 3 (distribution at the position of the broken line in the figure, the distribution curve indicated by the solid line indicates the intensity distribution related to p-polarized light, and the distribution curve indicated by the one-dot chain line indicates the intensity distribution related to s-polarized light In addition, the intensity distribution on the irradiation surface (linear region) of GLV 5 is conceptually shown.
[0074]
Since the light rays from the emitters of the LD array 1 are incoherent to each other, the light rays collimated using the microlens array 2 are used in the vertical direction of the figure (direction perpendicular to the optical axis) using the birefringent crystal 3. It is possible to make the intensity distribution uniform to some extent by simply shifting and superimposing.
[0075]
However, in applications such as a laser display using GLV, such a configuration is not sufficient when considering Schlieren filtering.
[0076]
In order to increase the output of the LD array, the light emitting region in the LD array is required to be several tens μm (microns) to several hundreds μm in the active layer direction. Here, it is assumed that the emission region width of the emitter is 50 μm. If the focal length of the microlens array is 1.5 mm (millimeters), the light source is not an ideal point light source but has a size, so that the light beam after collimation has a distribution width of about ± 0.95 °. Become. Accordingly, the configuration example as shown in FIG. 3 is not suitable as an optical system for GLV laser display from the viewpoint of contrast (in order to reduce the ray angle, the entire beam is enlarged and the divergence angle is increased. Must be suppressed.)
[0077]
Further, in the configuration of FIG. 3, each point in the illumination area is illuminated only by light rays from a small number of emitters (that is, when the target point of irradiation is specified, the number of emitters contributing to the brightness at that point is small. Therefore, a problem remains from the viewpoint of reducing speckle contrast.
[0078]
Therefore, when the LD array is used, further contrivance is required. For example, in order to suppress the incident angle to the GLV, the entire beam is sufficiently expanded before the condensing by the birefringent crystal 3 and the cylindrical lens 4 to reduce the divergence angle. In the case of the numerical example described above, the beam may be expanded four times in order to reduce the angular magnification to about 1/4. In order to reduce the speckle contrast, as described later, a plurality of LD arrays are arranged side by side in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 3, or a single beam is formed by polarization coupling using a plurality of LD arrays. It must be configured to be obtained.
[0079]
Next, specific means (optical means) for obtaining the configuration of the beam group as described above will be described.
[0080]
As described above, there are (1) a method using polarized light and (2) a method using multiple reflections as the splitting method for light intensity. A method combining both is shown below.
[0081]
In the configuration example 6 shown in FIG. 4, six incident beams “lb” from a laser light source (not shown) are made equal in intensity by the multiple reflection plate 7 (the configuration is as described in FIG. 17). Are then transmitted through the birefringent crystal 9 via the λ / 2 wave plate 8 and output.
[0082]
In other words, the incident beam to this optical system is a collimated light that is sufficiently collimated in consideration of the above-mentioned circumstances relating to schlieren filtering, and this parallel light (laser light) is reflected by a plurality of reflecting plates 7. The beam is divided into parallel beams (an example of a group of six beams is shown in the figure). Further, the beam group is incident on the birefringent crystal 9 as a linearly polarized light having an appropriate orientation by the λ / 2 wavelength plate 8, and is divided into two orthogonally polarized light beams and then emitted. Therefore, as shown in the drawing, adjacent beams (for example, the light beams “lt_p” and “lt_s” shown in the figure) are polarized with an orthogonal relationship with each other and thus do not interfere with each other. However, every other beam (for example, the light beams “lt_p1” and “lt_p2” shown in the figure) are in the same polarization state, so that interference occurs between the beams, resulting in nonuniform intensity distribution. .
[0083]
As described above, in order to make the intensity distribution uniform when a Gaussian beam is assumed, at least three adjacent beams are overlapped without interference (in the horizontal axis direction of FIGS. 1 and 2). (It corresponds to the S value).
[0084]
Therefore, as shown in FIG. 5, light beams from a plurality of lasers are split into a plurality of beams by making them enter a multi-reflecting plate, and these beams are further divided into an optical system including a birefringent crystal. Adopted a configuration that overlaps after shifting through.
[0085]
That is, in this example, two light beams from different lasers (in FIG. 5, “1” and “2” are distinguished) are used, and each light beam is subjected to multiple reflection. After being split by the plate 7 and transmitted through the λ / 2 wavelength plate 8, the light that has passed through the birefringent crystal 9 becomes p-polarized light or s-polarized light. Are further divided into p-polarized light and s-polarized light by the birefringent crystal 9, so that 2 × 6 × 2 = 24 beams are obtained. Then, when the emitted light is arranged in order from the top of FIG. 6, for example, “(1) p, (2) p, (1) s, (2) s” (“(1), (2)” is derived from It is understood that the beam arrangement is repeated with one period of “p” being p-polarized light and “s” being s-polarized light). Therefore, for example, when the beam of “▲ 1 ▼ p” is set at the center position, the beam of “▲ 2 ▼ s” or “▲ 2 ▼ p” comes immediately to the side (first adjacent area) and both of them. A beam (1) s is located on the side (second adjacent area). Further, on both sides (third adjoining area), the beam “(2) p” or “(2) s” is located, so that the center beam ((1) p) is on both sides of the beam. It is clear that the three adjacent beams do not interfere with each other.
[0086]
As described above, FIG. 5 shows an example of a configuration in which three adjacent left and right beams are realized by a combination of light beams from different lasers and two orthogonally polarized beams (N to N− described above). The arrangement is the same as the arrangement of the beams shown in the range of 4 is periodically repeated.) With respect to a certain beam, the beams do not interfere with each other within the predetermined number of beams, and each beam in the range is within the range. Can be superimposed.
[0087]
As described above, regarding the intensity division by polarization, the intensity division by multiple reflection, and the use of light from a plurality of lasers, it is necessary to pay attention to the combination of them whether or not a gap is generated between the beams. That is. In other words, even if only a multiple reflector is used, gaps are inevitably generated between a plurality of beams generated by this, so it is necessary to use birefringence in order to arrange the beams spatially densely. It is. In addition, when beams from a plurality of lasers are used, it is necessary to combine the respective laser beams in order to fill the gap.
[0088]
Further, in order to efficiently uniformize the intensity distribution, a large number of beams are required as described above. However, if the purpose is to increase the number of beams, it is more cost-effective to use multiple reflections. The degree of freedom in design is also high. That is, there is a problem that the separation due to birefringence is limited to the separation into two orthogonally polarized lights, but it is of course possible to use a plurality of savart plates stacked in multiple stages.
[0089]
FIG. 6 shows a configuration example 10 in which the Savart plates are arranged in multiple stages (in this example, two stages). After the two laser beams pass through the λ / 2 wavelength plate 11 and the Savart plate 12, Further, after passing through the λ / 2 wavelength plate 13 and the Savart plate 14, they are superimposed. In the lower part of the figure, the polarization state (polarization direction) at the position indicated by the broken line is indicated by a double-headed arrow (only one of the laser beams is shown), and light polarized through the λ / 2 wavelength plate 11 is shown. Are shifted and separated into two orthogonally polarized lights by the Savart plate 12, and further, they are shifted by passing through the λ / 2 wavelength plate 13, and then shifted and separated into two orthogonally polarized lights by the Savart plate 14. Four beams are obtained per book.
[0090]
In this example, for each beam emitted from the Savart plate 14, the beam derived from the first laser beam is distinguished by “1”, and the beam derived from the second laser beam is distinguished by “2”. When p-polarized light and s-polarized light are distinguished from each other by “p” and “s”, for example, “(1) p, (1) s, (2) p, (2) s” are arranged in order from the top. (Thus, three beams adjacent to a certain beam and the center beam do not interfere with each other).
[0091]
However, the increase in the thickness and number of the Savart plates is not very attractive from a practical point of view, and therefore, a configuration that combines multiple reflection and birefringence as shown in FIG. it is conceivable that. Of course, in the case where higher output is required, it is still effective to use a plurality of laser beams including polarization multiplexing in addition to this.
[0092]
For example, FIG. 7 shows a configuration example 15 of an illuminating device when two or more lasers are used in order to increase the brightness (note that the multiple reflector 7 and the configuration thereafter are the birefringent crystal 9). The configuration is the same as that shown in FIG. 5 except that the cylindrical lens 19 and further the GLV 20 are arranged in the subsequent stage.
[0093]
In this example, the light lb1 from the first laser and the light lb2 from the second laser are irradiated to the apex angle portion of the prism mirror 18 via the polarization beam splitter (PBS) 16, and the optical path is reflected by the mirror. The changed light enters the multiple reflector 7. Further, the light lb3 from the third laser and the light lb4 from the fourth laser are irradiated to the prism mirror 18 through the polarization beam splitter (PBS) 17, and the light subjected to the optical path change by the mirror is multiplexed reflector 7 is incident. Therefore, in the relationship with FIG. 5, one from the prism mirror 18 corresponds to the beam {circle around (1)}, and the other corresponds to the beam {circle around (2)}.
[0094]
The beam may be combined (before incident on the intensity distribution conversion system) using polarization multiplexing by such a polarization beam splitter, multiplexing by a mirror, or the like. Of course, after combining light beams from three or more different lasers, the beams may be incident on the multiple reflector as in the above case, but in that case, the incoherent light beams are superimposed as much as possible. In order to reduce speckle contrast, it is desirable to perform multiple reflection and further birefringence division after beam combining similar to the configuration of FIG.
[0095]
In FIG. 7, for convenience of explanation, two or more lasers are arranged on the same plane, but various forms such as arranging a plurality of lasers in a direction perpendicular to the paper surface of the figure are possible. It is. Further, in FIG. 7, in order to illuminate the GLV 20 (linear region thereof), the light after transmission through the birefringent crystal is condensed using the cylindrical lens 19 in the preceding stage. The combining means such as a beam splitter can be used in appropriate combination.
[0096]
The laser light source used in the present invention is not limited to a specific one, and various lasers can be assumed. However, when laser light having a Gaussian distribution is taken into consideration, for example, a solid laser, a fiber laser, The thing using the wavelength conversion is mentioned. In particular, when using a fiber laser, it is high-powered and compact, and can be passively aligned with respect to the output end using a V-groove array created on a substrate (such as a silicon substrate) (that is, Since the relative positional relationship of each beam can be set), it is suitable as the laser light source of the present invention.
[0097]
Further, there are a form in which a plurality of lasers are individually arranged in parallel and a form in which a plurality of laser beams are obtained like a semiconductor laser array. In the latter case, for example, the use of an LD array collimated by a microlens array can be used. In this case, it is desirable that the intensity of each emitter of the semiconductor laser has a Gaussian distribution. In the case of an emitter with a broad area (the emission region width is set to several tens to several hundreds of μm), the non-uniformity due to the multi-mode intensity distribution and the spread of light rays during multiple reflection is a problem. Therefore, it is necessary to correct it (for example, by appropriately setting and correcting the reflectance of each coating region in the multi-reflection plate). Therefore, although the design and manufacture become complicated accordingly, the above-described averaging by beam superposition is a generally accepted principle, and therefore a distribution deviating from the Gaussian distribution (for example, the distribution function is “exp (−x^k) "(When k ≠ 2)) or the use of a light source having an irregular intensity distribution can be expected to work to some extent. In addition, when using a large number of lasers in a parallel arrangement, an effect of averaging between individuals can be obtained, so that the intensity sum for all lasers is particularly within the allowable range for application or practical use. There is no need to stick to the Gaussian distribution.
[0098]
【Example】
Next, specific examples will be described.
[0099]
First, eight YAG laser second harmonic (wavelength 532 nm) lasers are used, the outputs of each laser are all equal, and the beam diameter (diameter) is 1 mm. With regard to light from eight lasers, four beams can be obtained by combining two laser lights into one by polarization multiplexing. Accordingly, as shown in the configuration of FIG. 7, the first to fourth beams lb1 to lb4 may be arranged in the same plane, but here, two of the four beams (hereinafter referred to as “beams”). 3 ”and“ beam 4 ”) are arranged so as to be irradiated from a direction perpendicular to the paper surface of FIG. The remaining two beams (hereinafter referred to as “beam 1” and “beam 2”) are arranged in the same plane as in FIG.
[0100]
In the following, only the beams 1 and 2 will be described for the sake of simplification (the basic contents are the same even if the beams 3 and 4 are appropriately replaced in the following description).
[0101]
In the use of birefringence, a Savart plate is used so that the center distance of the beam after exiting the Savart plate is 1.3 mm (corresponding to the case of S = 1.3 described above). Design a combination of multiple reflectors and Savart plates.
[0102]
As for the beam group after exiting the Savart plate, the beam arrangement is reduced so that the thickness of the Savart plate can be reduced and the cost can be reduced, so that the normal beam of beam 1, the extraordinary beam of beam 1, the normal beam of beam 2, The two extraordinary rays are arranged in this order.
[0103]
First, the beam 1 and the beam 2 are adjusted so as to have a parallel relationship with a beam interval of 2.6 mm after being reflected by the prism mirror 18. Since each beam diameter is 1 mm, the loss on the apex angle side of the prism mirror can be sufficiently reduced even if chamfering in the vicinity of the apex angle is included.
[0104]
When calcite is used as the Savart plate, the thickness for obtaining the polarization separation amount of 1.3 mm can be calculated from the above [Equation 1], and about 11.3 mm is obtained. Here, it is assumed that the optical axis of the Savart plate is inclined 45 ° with respect to the normal to the incident surface.
[0105]
Next, the design of the multi-reflection plate will be started. Each beam emitted after reflection inside the reflection plate needs to be shifted with a beam interval d = 5.2 mm (= 1.3 mm × 4). . When the thickness of the substrate constituting the parallel plate is “t” and the refractive index is “n”, the following equation is obtained from the consideration of Snell's law and simple geometric relationship.
[0106]
[Equation 5]

[0107]
FIG. 8 shows the main part of the derivation of the above equation, where “a” indicates the incident angle and “b” indicates the refraction angle. Note that the second equation of the above equation is obtained because the length of the line segment connecting the points P1 and P2 in the figure multiplied by cosa is equal to d.
[0108]
When the above equation is simultaneous and solved for t, the following equation is obtained.
[0109]
[Formula 6]

[0110]
FIG. 9 shows an example of the relationship of the formula [6]. The horizontal axis represents the incident angle “a” (unit: degree (°)), and the vertical axis represents the thickness “t” (unit: mm) to show the relationship between the two.
[0111]
Assuming that BK7 (n = 1.51947) is used as the base material and the thickness t = 10 mm, the incident angle a≈24.7 ° may be set (see FIG. 9). The refraction angle at this time is b≈15.96 °. Note that there is an error in the actual substrate thickness, but this can be compensated by adjusting the incident angle of light on the substrate.
[0112]
In view of the above geometrical relationship, in order to finally obtain six beams of equal intensity, it is sufficient to apply a reflective coating process to each region of the multiple reflector as shown in FIG. That is, the incident surface side shown on the left side of the figure is divided into two regions, and the reflectance R of the light incident window portion W (width: 5.72 mm).₀= 0%, and the reflectance R of the total reflection surface (width 28.6 mm) is 100%. And about the output surface side, while making each width | variety into 5.70 mm, as calculated | required by said [Formula 4] about each reflectance, R₁≒ 83.3%, R₂= 80%, R_Three= 75%, R_Four≒ 66.7%, R_Five= 50% and R₆Is set to 0%.
[0113]
In FIG. 10, each region is formed with a gap of 0.04 mm (the gap is exaggerated in the figure).
[0114]
In this example, the height (width) of the finally obtained illumination area is beam interval × number of beams = 5.2 mm × 6 = 31.2 mm, which is sufficient for illuminating the GLV. .
[0115]
FIG. 11 schematically shows an example of intensity distribution of emitted light.
[0116]
The ordinary rays and extraordinary rays of the beams 1 and 2 are arranged spatially shifted, and the curves showing the respective intensity distributions (Gaussian distribution) are shown in the figure by the difference of the four types of lines. Separated.
[0117]
For adjacent beams, the interval between the peaks is 1.3 mm, and for the same kind of beam, the interval is 5.2 mm (= 1.3 mm × 4).
[0118]
FIG. 12 shows a schematic configuration of an application example 21 to an image display device using GLV.
[0119]
The light from the laser light source 22 is the intensity distribution conversion system 23 described above (which is typically shown as a single lens in the figure, but is an optical system including a multiple reflector, a birefringent crystal, etc.). Then, the light is applied to the spatial modulator 24 (for example, GLV). The diffracted light by the spatial modulator passes through the lens 25, the schlieren filter 26, and the lens 27, passes through the projection lens system 28, reaches the galvanometer mirror 29, and further reaches the screen 30. Note that illustration and description of drive control means such as GLV and galvanometer mirror are omitted.
[0120]
In the above description, each beam is considered to be a beam by polarization multiplexing. However, the reflectivity of the entire region of the multiple reflector must be the same for p-polarized light and s-polarized light. Thus, it is not possible to emit a beam having an equal intensity. In general, as the incident angle increases, the polarization dependency increases with respect to the accuracy required for the coating. Therefore, it is desirable to reduce the incident angle to the multiple reflector as much as possible. However, as can be seen from the graph curve shown in FIG. 9, when the incident angle (a) is decreased, the thickness (t) of the substrate is increased. Therefore, it is necessary to search for a compromise between the two and set the incident angle within a range that does not cause a practical problem. On the other hand, it should be noted that the width of each region (reflection region) becomes narrower as the incident angle becomes smaller. Actually, since it is necessary to allow a slight margin between the regions, the incident angle cannot be made too small. In order to increase the distance between the incident surface and the reflecting surface, instead of applying a reflective coating on both sides of the parallel plate, each surface is created as a separate structure by using an independent base, and Although a form of adjustment is conceivable, in consideration of circumstances such as requiring adjustment for accuracy and increasing the number of parts, avoid polarization multiplexing as much as possible, for example, on the paper surface of FIG. A method in which a number of beams having the same polarization state are arranged in parallel along the vertical direction is desirable.
[0121]
In addition, from the viewpoint of miniaturization, there may be a configuration form in which coating is performed on both sides of the birefringent crystal, but the multiple reflection in the birefringent crystal is complicated and difficult to design, In consideration of the moisture resistance, temperature resistance characteristics, etc. of the crystal, it is difficult to perform multiple coatings, which is not practical.
[0122]
In the above-described embodiment, since all the beams used are the harmonics of a solid-state laser (second harmonic by SHG) that can be regarded as a point light source, sufficient collimation is possible. That is, since all the beams can be made parallel to each other (the degree of parallelism is high), it is possible to obtain good characteristics even in the contrast after Schlieren filtering according to the GLV.
[0123]
When a plurality of lasers are used, if the output of each laser is greatly different, the intensity distribution becomes non-uniform after all the beams are combined. Therefore, in order to be able to compensate for this, for example, the output of each laser can be adjusted electrically by itself, or a means for adjusting the intensity is provided outside each laser. In addition, it is desirable to take measures for adjusting the intensity of laser transmitted light. Examples of such output adjusting means provided outside include a combination of a half-wave plate and a polarizer when the laser light is linearly polarized light.
[0124]
In the above description, a case where uniform illumination is performed on a linear region assuming a one-dimensional spatial modulator such as GLV has been described. However, illumination on a two-dimensional spatial modulator or the like is performed. The present invention can also be applied to cases. That is, in addition to the multiple reflection plate provided for one-dimensional illumination, another multiple reflection plate is used so that multiple reflection can be performed in a direction perpendicular to the paper surface of FIGS. For example, the expansion to two dimensions is easy (the beam can be superposed with a wide area). Of course, this is the same even if it is extended to two dimensions by using another Savart plate whose orientation is changed.
[0125]
Thus, according to the configuration described above, uniform illumination in which speckle noise and interference noise are sufficiently suppressed can be realized with high efficiency using two or more lasers. Moreover, since the configuration is relatively simple, it is suitable for downsizing and cost reduction of the apparatus. For example, by applying the illumination device described above to an image display device, a laser display or the like capable of displaying a high-quality image with excellent color reproducibility can be realized.
[0126]
【The invention's effect】
  As is apparent from the foregoing, the claims1-4According to the invention according to the present invention, the split beams of equal intensity are spatially shifted using birefringence, and the non-coherent beams are overlapped to achieve uniformity. Since excellent illumination light can be obtained, high efficiency and speckle reduction can be achieved. Since a relatively simple configuration that does not require an aspheric cylindrical lens or the like is sufficient, it is suitable for downsizing and cost reduction.
  In addition, the beam group can be spatially regularly arranged, and the beam at the center position is arranged so as not to interfere with another beam adjacent to the beam group, thereby achieving uniformization and speckle contrast. It is effective in reducing In particular, by using light from different lasers and light of different polarization states, various beam arrangements can be adopted, and the degree of freedom in design is high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of an intensity distribution obtained by superimposing Gaussian beams together with FIG. 2, which is 2 times, 1.5 times, 1.4 times the beam radius, A case where the beam center interval is 3 times or 1 time is shown.
FIG. 2 is a diagram showing a case where the beam center interval is changed in increments of 0.2 from 2 times to 1 time with respect to the beam radius.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a configuration using a semiconductor laser array and a microlens array.
4 shows a configuration example of an intensity distribution conversion optical system using a multiple reflector and a birefringent crystal together with FIG. 5, and this figure shows a case where the number of beams is one. FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a case where the number of beams is two.
FIG. 6 is a diagram showing an example in which a Savart plate is configured in a multi-stage configuration.
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of a lighting device.
FIG. 8 is a diagram for explaining a design example of a multi-reflection plate together with FIGS. 9 and 10, and this diagram is an explanatory diagram showing a geometric optical relationship with respect to specifications.
FIG. 9 is a graph illustrating the relationship between the incident angle and the substrate thickness.
FIG. 10 is a diagram for explaining the reflectance of each part in the multiple reflector.
FIG. 11 is a diagram for explaining an intensity distribution of emitted light.
FIG. 12 is a diagram schematically illustrating a configuration example of an image display device.
13 is a diagram for explaining a schlieren filter optical system together with FIG. 14, and is a perspective view schematically showing the optical system. FIG.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing a main part of an optical system.
FIG. 15 is a diagram for explaining a homogenization method by beam scanning;
FIG. 16 is a diagram for explaining an intensity division method using polarized light;
FIG. 17 is a diagram for explaining an intensity division method using multiple reflections.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser array, 2 ... Micro lens array, 3, 9, 12, 14 ... Birefringent crystal, 5, 20 ... Grating light valve, 7 ... Multiple reflector, 15 ... Illuminating device, 21 ... Image display device, 24. Spatial modulator

Claims (4)

Splitting light beams from multiple lasers into multiple beams with equal intensities and then using birefringence to spatially shift the beams and superimpose them to obtain a uniform intensity distribution In the lighting device
Multiple beam arrangements obtained after birefringence are spatially periodic, and multiple beams with an incoherent relationship are arranged between two beams with a coherent relationship. An illumination device using a plurality of beams, wherein the beam within one period adjacent thereto is arranged so as not to interfere with the central beam. In the illuminating device using a plurality of beams according to claim 1 ,
An illumination device using a plurality of beams, wherein the plurality of beams constituting one period are light from different lasers and have different polarization states. Splitting light beams from multiple lasers into multiple beams with equal intensities and then using birefringence to spatially shift the beams and superimpose them to obtain a uniform intensity distribution In the image display device,
Multiple beam arrangements obtained after birefringence are spatially periodic, and multiple beams with an incoherent relationship are arranged between two beams with a coherent relationship. An image display apparatus using a plurality of beams, wherein the adjacent beams within one period are arranged so as not to interfere with the central beam . In the image display apparatus using a plurality of beams according to claim 3,
An image display device using a plurality of beams, wherein the plurality of beams constituting one period are light from different lasers and have different polarization states .

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