JP4478670B2 - １次元照明装置及び画像生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、１次元状の光を出射するアレイレーザを光源として用いる１次元照明装置に関する。

レーザを光源とし、波面の分割及び重ね合わせを行い、均一な強度分布とされた１次元状すなわち線状の光束を得る方法としては、ロッドレンズを用いる方法、ファセット加工したミラーによる方法、レンズアレイによる方法などが挙げられる。しかしながら、これらのいずれの方法においても、レーザのもつ空間コヒーレンスのために集光部分で細かい干渉縞が観測される。これは、波面を分割する際にレーザの空間コヒーレンス距離よりも短い距離で波面を分割してしまうことによるもので、分割後の波面同士が干渉性を有するため、それを重ね合わせることで干渉縞が発生してしまう。
ところが、実際のレーザでその空間コヒーレンス距離よりも長い距離で波面を分割しようとすると、コヒーレンス距離がレーザ直径に対してあまり小さくないため、波面の分割数が十分にとれず、重ね合わせたときに十分な強度の均一性が確保されない。また、空間コヒーレンス距離よりも長い距離で波面を分割した場合でも空間コヒーレンスがゼロになっているわけではないので干渉性が残っている。

このような干渉縞の発生を低減させるために、分割した波面（又は分割する波面）を時間コヒーレンス距離よりも長い光路差をつけて合成することで干渉縞を低減する方法が提案されている（例えば特許文献１及び２参照。）。
図２４及び２５にこの方法による光学系の概略構成図を示す。図２４に示すように、光源から出射されたレーザ光Ｌｏは、光路差を生じさせる光路差生成部材５９を通過した後、波面を分割し、重ね合わせる機能を有する一対のシリンドリカルレンズアレイ５２ａ及び５２ｂ、更に集光レンズ５３を介して被照射体５４に照射される。図２５に示すように、光路差生成部材５９はシリンドリカルレンズアレイ５２ａ及び５２ｂの間に配置することもできる。
特開２００６−４９６５６号公報 特開２００４−１２７５７号公報

しかしながら実際のレーザでは時間コヒーレンス距離が数ｃｍ以上ある場合が多く、図２４及び２５に示す光路差生成部材５９の光路に沿う方向の長さｄｐを確保するためにその部分の空間を必要とし、装置の小型化に不利となる。また、レーザが完全にコリメートされていない場合、光路差生成部材の側面で反射した光Ｌｓが迷光の原因になってしまう。更に、図２５において破線Ｅで示す光路差生成部材５９が存在する光路と、光路差生成部材が存在しない光路とでは、光学距離が異なることから、光束を重ね合わせたときの効率が悪く、光の利用効率の低下を招くという問題もある。
特に、光源としてレーザ素子を１次元状に配列して１次元照明装置を構成し、これを利用して１次元状の光変調装置に所望の強度分布をもって照明して１次元状の画像光を生成し、スクリーン等への走査投影を行う画像生成装置に利用する場合に、上述した迷光や光の利用効率の低下により、画像を良好に表示できない恐れがある。

以上の問題に鑑みて、本発明は、光の利用効率の低下を招くことなく、波面の分割及び重ね合わせを行って干渉縞を低減する１次元照明装置を提供する。更に、この１次元照明装置を用いることによって、干渉縞を抑制した照明光を用いて画像を生成する画像生成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による１次元証明装置は、複数のレーザ素子が１次元状に配列された光源と、光源から出射される光の波面を分割し、重ね合わせる１以上の複数のレンズセルを直線的に配置したシリンドリカルレンズアレイを含む波面分割部と、この波面分割部からの光を被照射体に導くと共に波面を重ね合わせる波面合成部と、波面分割部により分割された隣接する一対の光束のうち、一方の光束の偏光面を回転させる、角部を有する平板からなる偏光変換部とを備える。そして、この偏光変換部を、波面分割部のうち、光源からのレーザ光が最後に通過する光学素子の直後に、例えば、一対のシリンドリカルレンズアレイのうち２枚目のシリンドリカルレンズアレイの直後であって、レンズセルに対向し、かつ、前記複数のレンズセルに対し１つ置きに、偏光変換部の角部に光束が当たらない範囲の距離内で配置する構成とする。

上述の本発明によれば、分割した波面に対して隣り合う２つの光路を一組と考え、一方の光路の光束の偏光面を偏光変換部により例えば９０度回転させることによって、他方の光路の光束との干渉を低減させることができる。
そして本発明においては、偏光変換部の配置位置として、波面分割部のうち光源からの光が最後に通過する光学素子、例えばシリンドリカルレンズ２枚を用いる場合は２枚目のシリンドリカルレンズアレイの直前又は直後に、前記偏光変換部の角部に光束が当たらない範囲の距離内で前記偏光変換部が配置する構成とすることにより、分割された光が偏光変換部の角部等に当たる恐れが少なく、迷光の発生を抑制し、光の利用効率の低下を回避することができる。偏光変換部とシリンドリカルレンズアレイ等の光学素子との間の間隔としては、分割された光が偏光変換部の角部等に当たらない範囲であればよい。
特に、この光学素子の直後に偏光変換部を配置する場合は、偏光変換部により偏光が回転する光と回転しない光との光路長の変化を少なくすることができて、被照射体上における倍率のずれや位置ずれを抑制することができる。これにより、光の利用効率を損なうことなく確実に干渉縞を低減できる。

また、本発明による１次元照明装置は、光源の各レーザ素子から出射される各レーザ光の集光又は発散の角度をθ、光源の全てのレーザ素子から出射されるレーザ光束の集光又は発散角度をψとし、波面分割部に設ける入射側のシリンドリカルレンズアレイの開口数をＮＡとすると、ｓｉｎ｛（ψ＋θ）／２｝≦ＮＡ
として構成することが望ましい。
このような構成とすることによって、複数のレーザ素子から出射される全てのレーザ光を効率よく波面分割部のシリンドリカルレンズアレイに入射する構成とすることができる。

更に、本発明による１次元照明装置は、光源のうち１つのレーザ素子から出射されるレーザ光が、シリンドリカルレンズアレイの２以上４未満のレンズセルに跨って入射される構成とすることが望ましい。
このような構成とする場合、１つのレーザ素子から出射される光のうち隣り合うレンズセルに入射する光は、分割後に重ね合わせても、上述の偏光変換部の作用によって干渉することがなく、確実に干渉縞を低減することができる。１つのレーザ素子から出射される光が３つのレンズセルに跨って入射される場合、中央のレンズセルに入射する光に比べて両側のレンズセルに入射する光は強度が小さいので、干渉縞による影響は少ない。
一方、４以上のレンズセルに跨って入射されると、１つおきのレンズセルに入射する光の強度が十分小さくない場合があるので、干渉縞を十分低減できない恐れがある。１つのレーザ素子から出射される光が２未満のレンズセルに入射される場合は、分割及び重ね合わせによる強度均一化が十分でなく、干渉縞の低減効果も十分得られない。
したがって、上述したように１つのレーザ素子から出射される光が２以上４未満のレンズセルに入射される構成とすることによって、最も効率よく干渉縞を抑えることができる。

また、本発明は、光源と、１次元照明装置と、１次元光変調装置と、投射光学部と、走査光学部とを備える画像生成装置であって、本発明構成の１次元照明装置を用いることを特徴とする。
上述の本発明の画像生成装置によれば、１次元照明装置において光の利用効率を損なうことなく干渉を低減した照明光を用いて画像を生成することができる。

本発明の１次元照明装置によれば、光の利用効率を損なうことなく波面の分割及び重ね合わせによって干渉縞を低減することができる。
本発明の画像生成装置によれば、干渉縞を低減した照明光を用いて画像を生成することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
まず、本発明の１次元照明装置の説明に先立って、波面を分割して合成する基本的な構成の１次元照明装置について図１〜図３の概略構成図を参照して説明する。

この例においては、光源から出射される光Ｌｏは、図中矢印ｘで示す（ｘ軸）方向を長手方向とし、これとは直交する矢印ｙで示す（ｙ軸）方向には単一横モードで出射され、矢印ｚで示す（ｚ軸）方向を進行方向とする１次元状（線状）の光束とされる。この光Ｌｏを、ｘ軸方向すなわち１次元方向に波面を分割し、被照射体、例えば１次元光変調装置上でそれぞれの分割された波面が重なって照明する構成となる。図１及び図２においては、波面を分割する方向と波面の進行方向（光軸）とに沿う断面を示す。
図１及び図２に示す例においては、波面を分割する波面分割部５７は１対のシリンドリカルレンズアレイ５２ａ及び５２ｂで構成され、これらシリンドリカルレンズアレイ５２ａ及び５２ｂは互いの焦点の位置に配置されている。また波面を合成する波面合成部５８は、図１に示すように凸レンズ等の１つの集光レンズ５３や、図２に示すように、平凸レンズなどの２つの光学レンズ５５及び５６の組み合わせを基本構成とし、その他種々の構成の光学系を用いることができる。波面合成部５８は、被照射体５４上の所望の場所に分割された波面を重ね合わせて照明する機能があればよい。
図３に示すように、単に波面を分割した後重ね合わせるだけでは、隣り合う２つの光束は、干渉性をもっているため重ね合わせたときに干渉縞を発生してしまう。図３において、図１及び図２と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

図４に、本発明の実施形態例による１次元照明装置の一例の概略構成図を示す。この場合においても、光源１から出射される光Ｌｏは、矢印ｘで示すｘ軸方向が長手方向とされ、これとは直交する矢印ｙで示す（ｙ軸）方向には単一横モードとされ、矢印ｚで示す（ｚ軸）方向を進行方向とする１次元状（線状）の光束とされる。そしてこの１次元照明装置１０においては、波面分割部２１として一対のシリンドリカルレンズ４ａ及び４ｂ、波面合成部２２として凸レンズ等よりなる集光レンズ６が配置される。シリンドリカルレンズアレイ４ａ及び４ｂのうち、光が通過する最後の光学素子であるシリンドリカルレンズアレイ４ｂの直前又は直後、この場合直後に、隣り合う光束に対して偏光面をおよそ９０度回転する偏光変換部５を挿入する。偏光変換部５としては、例えば波長フィルム、薄膜波長板、水晶波長板、フレネルロムなどを用いることができる。偏光変換機能を有さない光透過性基板上に部分的に波長フィルムなどの偏光変換素子を設ける構成としてもよい。このような構成の偏光変換部５を挿入することで、被照射体１１上において隣り合う光束ＬＡ及びＬＢの波面を重ね合わせても、干渉を低減することができる。なお偏光変換部５としては、偏光面をおよそ９０度回転させる機能を有するものであればよく、上述の例に限定されるものではない。また、偏光面を９０度回転することが最も望ましいが、９０度から多少ずれても、干渉の低減を図る効果は得られる。

またこの場合、図５にその要部を拡大した概略構成図を示すように、挿入した偏光変換部５の破線Ａ及びＢで示す角部（エッジ）に隣り合う光束ＬＡ及びＬＢが当たりにくくなるので、ここにおける散乱の発生を抑え、迷光の発生を抑えることができる。偏光変換部５とシリンドリカルレンズアレイ４ｂとの間の間隔は、このように、偏光変換部５の角部に、光束ＬＡ及びＬＢが当たらない範囲であればよい。特に、この例のようにシリンドリカルレンズアレイ４ｂの直前ではなく直後に配置する場合は、波面分割部２１内における光路長の変化がないので、集光位置での倍率のずれや位置ずれは殆ど発生せず、最も好ましい配置といえる。図５において、図４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

更に、本実施形態例に係る１次元照明装置においては、図６にその一例の要部の概略構成図を示すように、使用するレーザの空間コヒーレンス距離をｄ_ｓｃとすると、シリンドリカルレンズアレイ４ａ及び４ｂのレンズセルのピッチＰ_Ｌを空間コヒーレンス距離ｄ_ｓｃのおよそ１／２になるように構成することが望ましい。このような構成とすると、隣り合う光束の一方の偏光面を約９０度回転することによって、最も効果的に干渉縞の発生を抑えることができる。実際には空間コヒーレンス距離以上でレーザ光の干渉性がゼロとはならないので、レンズセルのピッチが空間コヒーレンス距離の１／２を下回ってもある程度の干渉を抑える効果は得られるが、確実に干渉を抑制するためには、Ｐ_Ｌ≒ｄ_ｓｃ／２であることが望ましい。

また、本実施形態例に係る１次元照明装置は、図７にその一例の要部の概略構成図を示すように、光源１を構成する１次元状に配列された各レーザ素子の発散角度θを、波面分割の方向に関して平行ではなく、波面分割部を構成するシリンドリカルレンズアレイ４ａのカップリングの角度φ以下程度に広げてシリンドリカルレンズアレイ４ａに入射する構成としてもよい。この場合、レーザ素子の発散角度をθとすると、θ≦φとする。図７において、図４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。レーザの広がり角θはシリンドリカルレンズアレイ４ａ及び４ｂのカップリング角度φに近いほど、干渉縞を低減する効果が得られる。シリンドリカルレンズアレイ４ａのカップリングの角度φより広げ、θ＞φとする場合は、一部の光が迷光となってしまい、光学系の効率の損失になってしまう。なお、確実に迷光の発生を抑制するためには、レーザ素子の発散角度θをθ＜φとすることがより望ましい。

光源から平行光線でシリンドリカルレンズアレイ４ａに入射させた場合、上述の構成により干渉縞を低減させても、僅かに残る干渉性によって干渉縞が発生してしまう。
これに対し、光源から出射される光に集光又は発散角θを与えることによって、残った干渉縞の干渉の強度を低減することが可能である。また、その副次効果として、シリンドリカルレンズアレイの面粗度の影響を受けにくいという効果もある。これについて図８及び図９を参照して説明する。
図８Ａにおいては、平行光Ｌ_ｄ１を入射する場合を示す。シリンドリカルレンズアレイ４ａの１つのレンズセル４ａ_１で分割された光束はもう一方のシリンドリカルレンズ４ｂの１つのレンズセル４ｂ_１の表面で比較的狭い面積に集光されるため、表面の面粗度や塵埃などの影響を受けやすい。したがって、図８Ａ中の破線Ｃで示す領域の光強度分布は、図８Ｂに示すようにピーク強度が高い鋭い分布となるので、干渉強度が高くなってしまう。
これに対し、図９Ａに示すように、集光又は発散、図示の例では発散した光Ｌ_ｄ２を入射する場合は、シリンドリカルレンズアレイ４ｂの１つのレンズセル４ｂ_１の表面で比較的広い面積に集光されるので、表面の面粗度や塵埃による影響を受けにくく、また、図９Ａ中の破線Ｄで囲む領域の光強度分布は、図９Ｂに示すようにピーク強度が比較的低いブロードな分布となるので、干渉強度を抑える効果がある。

本発明においては、光源として1次元状に配列された複数のレーザ素子より構成する。全てのレーザ素子から出射されるレーザ光束がそれぞれ平行ではなく、光束全体が集光又は発散角ψをもつ構成であってもよい。この実施形態例に係る１次元照明装置の一例の要部の概略構成図を図１０に示す。この場合、複数のレーザ素子から出射される各レーザ光Ｌｂ１、Ｌｂ２、Ｌｂ３の成す集光又は発散角度をψ、各レーザ素子のレーザ光の集光又は発散角度をθ、波面分割部に設ける入射側のシリンドリカルレンズアレイ４ａの開口数をＮＡとすると、ｓｉｎ｛（ψ＋θ）／２｝≦ＮＡ
として構成することが望ましい。
このような構成とすることによって、複数のレーザ素子から出射される全てのレーザ光を効率よく波面分割部のシリンドリカルレンズアレイに入射する構成とすることができる。

また、この発散角度ψと各レーザ素子のレーザ光の集光又は発散角度θとの和が、波面分割部に設けるシリンドリカルレンズアレイ４ａのカップリング角度φ以内の角度で入射することが望ましい。すなわち、ψ＋θ≦φ
の関係を満たすように角度ψをつける構成とする。なお、これらψ、θ及びφはいずれもシリンドリカルレンズの光軸方向と平行な方向と成す角度である。光源からのレーザ光に集光又は発散角度ψをもたせる方法としては、プリズム、ミラー、などの光学素子を介するか、又は、一つ一つのレーザ素子間に角度をつけて配置する構成としてもよい。このような配置構成とすることで、上記と同じ効果（すなわち複数のレーザ素子から出射される全てのレーザ光を効率よく波面分割部のシリンドリカルレンズアレイに入射する構成とすることができる）を生むことが可能となる。

なお、本実施形態例の1次元照明装置の光源として、例えば半導体バーレーザのようなレーザ素子が一体化されたレーザ光源を用いる場合、図１１にその一例の要部の概略構成図を示すように、各レーザ素子１２の出射端前方にコリメータレンズ１３が配置される。そして各レーザ素子１２から出射されるレーザ光は、これら各レーザ素子１２のサイズとコリメータレンズ１３の焦点距離とによって決まる発散角度θ_Ｅをもつ構成となる。特に高出力のレーザはレーザ素子１２のサイズが比較的大きいので発散角度θ_Ｅも比較的大きくなる。
この場合は、本実施形態例に係る1次元照明装置の一例の概略構成図を図１２に示すように、レーザ素子１２のサイズ及びコリメータレンズ１３の焦点距離により決まる発散角度θ_Ｅに対して、θ_Ｅ≦φ、より望ましくはθ_Ｅ＜φとなるカップリング角度φをもつシリンドリカルレンズアレイ４ａを用いて波面分割部を構成することによって、迷光を抑制することができる。

またこのとき、１つのレーザ素子１２から出射されるレーザ光束Ｌ_Ｅがシリンドリカルレンズ４ａの２以上４未満のレンズセル、すなわちレンズセル４ａ_１及び４ａ_２、またはレンズセル４ａ_１、４ａ_２及び４ａ_３に入射するように、レーザ素子１２の発散角θ_Ｅ及びレーザ素子１２とシリンドリカルレンズアレイ４ａの距離ｄ_ＬＳを設定することが望ましい。
このように、２以上のレンズセルに入射する構成とすることによって、上述したように、分割及び重ね合わせの効果によって、より均一な光強度分布の１次元照明光を得ることができる。また、干渉縞低減の効果を十分に得ることができる。

すなわち、１つのレーザ素子から出射される光が隣り合う２つのレンズセル４ａ_１及び４ａ_２に入射する光は、偏光変換部５の作用によって干渉することがなく、確実に干渉縞を低減することができる。１つのレーザ素子から出射される光が３つのレンズセルに４ａ_１〜４ａ_３に跨って入射される場合、中央のレンズセル４ａ_２に入射する光に比べて両側のレンズセル４ａ_１、４ａ_３に入射する光は強度が比較的小さいので、干渉縞による影響は少ない。
これに対し、４以上のレンズセルに跨って入射すると、１つおきのレンズセルに入射する光の強度が十分小さくない場合があるので、干渉縞を十分低減できない恐れがある。また１つのレーザ素子から出射される光が２未満のレンズセルに入射される場合は、分割及び重ね合わせによる強度均一化が十分でなく、干渉縞の低減効果も十分得られない。
したがって、上述したように１つのレーザ素子から出射される光を２以上４未満のレンズセルに入射させる構成とすることによって、最も効率よく干渉縞を抑えることができる。

つまり、レーザ素子１２とシリンドリカルレンズアレイ４ａとの距離をｄ_ＬＳ、シリンドリカルレンズアレイ４ａのレンズセルのピッチをＰＬ、レーザ素子１２の発散角度をθ_Ｅとすると、
２×Ｐ_Ｌ≦ｄ_ＬＳ×ｔａｎθ_Ｅ＜４×Ｐ_Ｌ
かつ
θ_Ｅ≦φ
より望ましくは
θ_Ｅ＜φ
を満たすように配置する。
このような配置構成とすることによって、確実に干渉縞の発生を抑制することができ、また迷光の発生を抑制し、光の利用効率の低下を回避ないし抑制することができる。

ところで、上述したように、波面分割部のシリンドリカルレンズアレイに入射させるレーザ光が集光又は発散角度θを有すると、光源とシリンドリカルレンズアレイとの距離が比較的長い場合は次のような問題が生じる。例えば、図１３に示すように、光源とシリンドリカルレンズアレイ４ａとの間の距離をｄ_１４とすると、シリンドリカルレンズアレイ４ａに入射する光束Ｌｄの幅はおよそｄ_１４×ｔａｎθ（θは発散角）となる。このとき、実際の装置内の設計制限などから、レーザ光束の幅とシリンドリカルレンズアレイのレンズセルのピッチとを設計値に合わせられない場合がある。図１３において、図４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
また、光源からシリンドリカルレンズアレイまでの間に例えば装置の小型化を目的として折り返しミラーを設ける場合においては、レーザ光に上述したような発散角をもたせると、この折り返しミラーのサイズが大きくなるという不都合も生じる。

図１４に示すように、スペックル低減を図ることを目的として光学遅延ループを挿入する場合も同様である。図１４においては、光源１から出射された光Ｌが、波長板２３を介して偏光ビームスプリッタ２４で分離され、ミラー２５〜２８により矢印Ｌ_２４〜Ｌ_２８で示すように遅延ループを通って再び偏光ビームスプリッタ２４により反射され、スペックルを抑えた光Ｌ_２９として出射される。このような光学遅延ループを設ける場合において、上述したように光源からの光に発散角を与えると、各光学素子のサイズを大きくする必要があり、また遅延ループの分だけ一部の光束は前述の距離ｄ_１４が異なることとなるので、シリンドリカルレンズアレイ上でのビーム幅が異なってしまうという問題も生じる。

このような問題を回避するために、光源から出射される光束は平行もしくは平行に近い状態とし、波面分割部のシリンドリカルレンズアレイの近傍で所定の発散角度をもつように、凸又は凹レンズやプリズム等のレーザ光の発散角度θを広げる機能を有する光学素子を配置することが望ましい。図１５及び図１６にこのような光学素子として、それぞれ凹レンズ２、凸レンズ３を設ける場合の各例の概略構成図を示す。図１５及び図１６において、図４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
光源１から平行光を出射し、このような光学素子を配置することで、光源１とこれらの光学素子（凹レンズ２、凸レンズ３）との間の距離ｄ１２、ｄ１３を十分確保でき、また波面分割部との間にミラー等を挿入する場合においても、ミラー等を必要以上に大きくする必要がない。また、光学遅延ループなどを挿入する場合のように、光路長が異なる光束を波面分割部のシリンドリカルレンズアレイに入射する場合においても、ビーム径をほぼ同じにすることができ、干渉縞の低減を効率良く行うことが可能となる。

また、図１７に概略構成図を示すように、波面分割部としてシリンドリカルレンズアレイを用いる場合に、１枚目のシリンドリカルレンズアレイ４ａの入射面に光学素子１４を一体化させ、光束を所定の発散角度まで広げる機能をもたせてもよい。この光学素子１４は凸又は凹のレンズ形状とすることができる。このように、光を集光又は発散させる機能を一体化した部品を用いることにより、光学素子の面数削減による調整効率の向上を図ることができ、また各光学素子の設計自由度を上げることが可能である。
このような構成とすることによって、波面合成部において光束を重ね合わせたときに、最も干渉縞が少なく、効率も良く、均一な１次元照明を行うことができる。

このような光源１及び波面分割部４ａ及び４ｂの配置構成とし、更に図４に示す偏光変換部５として、偏光面をおよそ９０度回転する偏光変換素子を用いてシリンドリカルレンズアレイ４ｂの直後に配置した構成とすることによって、大幅に干渉縞の発生を抑制することができた。この様子を図１８及び図１９に示す。図１８においては、偏光変換部を設けない従来の１次元照明装置、図１９においては本発明による実施形態例の１次元照明装置におけるそれぞれ光強度分布を示す。図１８の比較例に対して、図１９に示す本発明の実施形態例においては、干渉縞を大幅に低減することが可能となることがわかる。

以上説明したように、本発明の１次元照明装置によれば、次の効果を得ることができる。
（１）偏光面を略９０度回転させる偏光変換部を用い、特にこの偏光変換部を波面分割部の光が通過する最後の光学素子の直前又は直後に、前記偏光変換部の角部に光束が当たらない範囲の距離内で前記偏光変換部が配置することによって、干渉縞の発生を確実に抑制するとともに、迷光の発生を抑えることができる。特に、最後の光学素子の直後に偏光変換部を配置することによって、波面分割部内における光路長の変化がないので、集光位置での倍率のずれや位置ずれは殆ど発生せず、光の利用効率を損なうことなく干渉縞を低減することができる。

（２）光源の各レーザ素子から出射される各レーザ光の集光又は発散の角度をθ、光源の全てのレーザ素子から出射されるレーザ光束の集光又は発散角度をψとし、波面分割部に設ける入射側のシリンドリカルレンズアレイの開口数をＮＡとすると、ｓｉｎ｛（ψ＋θ）／２｝≦ＮＡ
として構成する。このような構成とすることによって、複数のレーザ素子から出射される全てのレーザ光を効率よく波面分割部のシリンドリカルレンズアレイに入射する構成とすることができる。

（３）光源のうち１つのレーザ素子から出射されるレーザ光が、シリンドリカルレンズアレイの２以上４未満のレンズセルに跨って入射される構成とすることにより、最も効率よく干渉縞を抑えることができる。

（４）光源の各レーザ素子から出射される各レーザ光の集光又は発散の角度をθ、光源の全てのレーザ素子から出射されるレーザ光束の集光又は発散角度をψとし、シリンドリカルレンズアレイのカップリング角度をφとすると、
ψ＋θ≦φ
とすることによって、迷光の発生を抑え、効率よく干渉縞を低減することができる。
（５）波面分割部に入射する光束を発散又は集光させることによって、干渉縞の干渉強度を下げることができる。またシリンドリカルレンズアレイを通過する光束の領域が広がるため、シリンドリカルレンズアレイの面粗度や面精度、塵埃の影響を緩和することできる。

（６）レーザ光の発散角度を所望の角度にする光学素子をシリンドリカルレンズアレイ近傍に配置することで、レイアウトの制限を受けることなく効率よく干渉縞を低減することができる。
（７）上記（６）を実現するために、レーザ光を集光又は発散する機能を有する光学素子を、シリンドリカルレンズアレイに一体化する構成とすることによって、光が通過する面数を削減することができ、これにより調整工程の削減による組み立て作業効率の向上を図ることが可能であり、更に各光学部品の配置スペースも削減されるので、軽量化、小型化に貢献できる。

次に、このような画像信号の構成方法を利用した本発明の画像生成装置の一実施形態例について図２０〜図２３を参照して説明する。
図２０に示すように、この画像生成装置は光源１と、上述した波面分割部及び波面合成部を含む照明光学系２０とより構成される１次元照明装置１０、例えば回折格子型の１次元光変調装置５１、光選択部５２を含む光変調部５５、投射光学部５３、走査素子５４を有する走査光学部５６から構成される。光源１には、例えば複数の半導体レーザ素子が１次元状に配列されたアレイレーザや、各レーザ素子が一体型に形成されたバーレーザ等が用いられる。なお、この１次元状に配列されたレーザ光が本発明構成の１次元照明装置１０の照明光学系２０を介して、非線形光学素子等の波長変換素子及びレーザ媒質を有する共振器内部に入射され、高調波を出射する波長変換構成としてもよい。
光源１から射出された光Ｌｏは、１次元照明装置１０を経て例えば回折格子型構成の１次元型光変調装置５１に１次元状（線状）の光ビームとして照射される。
回折格子型の光変調装置５１は外部演算部１５０において生成された画像信号をもとに、図示しない駆動回路からの信号Ｓｐを受けて動作する。光変調装置５１を回折格子型構成とする場合、その回折光が光選択部５３に入射される。なお、例えば三原色の光を用いる場合は、各色の光源からそれぞれ１次元照明装置、各色用光変調装置を経てＬ字型プリズム等の色合成部により光束を重ね合わせて光選択部に出射される構成とすることができる。
光選択部５２はオフナーリレー光学系等より成り、シュリーレンフィルター等の空間フィルター（図示せず）を有し、ここにおいて例えば＋１次光が選択されて１次元画像光Ｌｍとして出射される。更に投射光学部５３によって拡大等を行い、走査光学部５６における走査素子５４の矢印ｒで示す回転によりＬ１、Ｌ２、・・・Ｌｎ−１、Ｌｎで示すように走査され、スクリーン等の画像生成面１００上に２次元像５７が生成される。画像生成面１００上において走査位置は矢印ｓで示すように走査される。走査素子５４としては、例えばガルバノミラー、ポリゴンミラーの他、例えば電磁石等によって共振して走査を行ういわゆるレゾナントスキャナを用いることも可能である。

このような画像生成装置において利用可能な１次元光変調装置の一例を図２１〜図２３を参照して説明する。図２１は、この実施形態例に係る光変調装置を構成する光変調素子の概略斜視構成図である。図２１に示すように、この光変調素子６０は、シリコン等より成る基板上に、ポリシリコン薄膜などから成る共通電極６３が形成され、この共通電極６３と所定の間隔を保って、表面に反射膜が形成された条帯（ストリップ）状の第１の電極６１ａ〜６１ｃと、第２の電極６２ａ〜６２ｃとが交互に形成されている。第１の電極６１ａ〜６１ｃは、固定電位とされて例えば接地され、第２の電極６２ａ〜６２ｃは可動電極すなわち可動部とされ、駆動電圧電源６５に接続される。

このような構成とする場合、第１の電極６１ａ〜６１ｃは例えば固定されており、反射面の高さは不変である。そして第２の電極６２ａ〜６２ｃが駆動電圧に応じた静電力に起因する吸引力又は反発力によって、共通電極６３に向かって移動又は屈曲可能であり、第２の電極６２ａ〜６２ｃの反射面の高さ（例えば基板との間隔）を変えることができる。第２の電極６２ａ〜６２ｃの移動又は屈曲によってピッチは一定で深さが変調可能な回折格子として機能させることができる。
なお、この光変調素子６０は、光変調装置内の１つの画素（ピクセル）に対応して第２の電極６２ａ〜６２ｃを１画素分の画素信号に対応して変調させるものであるが、この光変調素子に設ける第１の電極及び第２の電極の数は図２１に示す例のように６本とする以外に、２本、４本等とすることができ、適宜変更可能である。また、この光変調素子６０を各電極の長手方向と直交する方向に画素数分並置配列して、所望の画素数に対応する光変調装置が構成される。すなわち光変調装置内に設ける電極の総数は、１画素あたりの電極の本数及び目的とする表示画像の画素数に対応して適宜選定される。

この光変調素子６０の代表的な寸法の一例として、例えば、第１及び第２の電極の幅は３〜４μｍ、隣接する電極間ギャップは約０．６μｍ、電極の長さは２００〜４００μｍ程度である。この場合、６本の電極で１画素分とすると、１画素分の光変調素子の幅は約２５μｍである。
実用化されつつある１０８０画素を表示する１次元光変調装置においては、図２１の第１及び第２の電極の幅方向に沿って、１０８０画素分の電極が多数並置配列される。

なおこのような回折格子型の光変調装置としては、各電極が非動作時に表面がほぼ一平面上に配置される通常型構成と、各電極が基準面（例えば光変調装置の基板面）から所定の角度をもって傾斜されて配置されるいわゆるブレーズ型構成とが提案されている。これらの各タイプの光変調装置の一例の概略断面構成図を図２２及び図２３に模式的に示す。図２２及び図２３において、図２１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図２２及び図２３に示す例では、１画素に対応する第１及び第２の電極の数を３本ずつ、合計６本とした場合を示すが、これに限定されるものではない。

通常型構成の光変調装置は、図２２９に動作時の一例を示すように、第２の電極６２ａ〜６２ｃの移動量Ｚ１を例えば入射光の波長λに対しλ／４とするときに、入射方向と逆向きに反射される０次回折光（図示せず）と、±１次回折光Ｌｒ（＋１）及びＬｒ（−１）が回折光として反射される。一例として、λ＝５３２ｎｍの場合は、第２の電極の移動量は最大λ／４＝１３３ｎｍである。例えば＋１次回折光のみを利用する場合、１本の回折光だけを空間フィルタを通してスクリーン上に結像し、画像表示用に利用することができる。非動作時（駆動電圧をゼロとする場合）には＋１次回折光は生じないため、このオフ状態は画面の暗状態に対応し、表示画面が黒になる。すなわち、第２の電極６２ａ〜６２ｃへの駆動電圧を外部からの画像情報に対応して調整して、移動量Ｚ１を制御することによって、画素のオン／オフとこの間の階調表示が可能となる。

一方ブレーズ型構成の光変調装置は、図２３に示すように、基準面Ａ、すなわち光変調装置の基板（図示せず）の表面と平行な面から例えば角度θをもって各電極６１ａ〜６１ｃ、６２ａ〜６２ｃを傾斜して配置する。この時角度θは好適には電極１本分の周期に対して隣接する電極間の高さの差がλ／４（λは用いる光の波長）となる角度とする。そして動作時には、隣接する一対の第１及び第２の電極６１ａ及び６２ａ、６１ｂ及び６２ｂ、６１ｃ及び６２ｃの各表面が一平面を成すように、第２の電極６２ａ〜６２ｃを移動させる。このときその移動量Ｚ２は、入射光の波長λに対してλ／４（つまり２本の電極周期毎にλ／２の段差）となるように動作させると、＋１次回折光のみが出射される。従って、この＋１次回折光を用いて、１本の回折光だけを空間フィルタを通してスクリーン上に結像することができる。すなわちブレーズ型の光変調装置を用いる場合は、反射回折光のうち１本の回折光を利用する構成とすることにより、光利用効率を高めることができる。

以上説明した１次元光変調装置、本発明構成の１次元照明装置を用いて画像生成装置を構成することによって、１次元光変調装置に対して、光の分割及び重ね合わせにより均一な照明を行うとともに、干渉縞の発生を抑制することができるので、良好な光変調を行い、光の利用効率を損なうことなく、良好な画像の生成が可能となる。
なお、本発明の画像生成装置は上述の例に限定されるものではなく、１次元照明装置において本発明構成とする他は、光変調部、投射光学部、走査光学部とにおいて種々の変形、変更が可能である。また投射型表示に限定されることなく、描画により文字情報や画像などを生成するレーザプリンタ等にも適用可能である。

また、本発明は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、例えば１次元照明装置内の波面合成部等における光学素子の部品点数、材料構成等、本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能である。

１次元照明装置の基本的な構成例を示す概略構成図である。 １次元照明装置の基本的な構成例を示す概略構成図である。 １次元照明装置の一例における干渉が発生する様子を示す概略構成図である。 本発明の実施形態例に係る１次元照明装置の一例の概略構成図である。 本発明の実施形態例に係る１次元照明装置の一例の要部の概略構成図である。 本発明の実施形態例に係る１次元照明装置の一例の要部の概略構成図である。 本発明の実施形態例に係る１次元照明装置の一例の要部の概略構成図である。 Ａは本発明の実施形態例に係る１次元照明装置の一例の要部の概略構成図である。Ｂは図８Ａ中破線Ｃで示す領域中の光強度分布を示す図である。 Ａは本発明の実施形態例に係る１次元照明装置の一例の要部の概略構成図である。Ｂは図９Ａ中破線Ｄで示す領域中の光強度分布を示す図である。 本発明の実施形態例に係る１次元照明装置の一例の要部の概略構成図である。 本発明の実施形態例に係る１次元照明装置の一例の要部の概略構成図である。 本発明の実施形態例に係る１次元照明装置の一例の要部の概略構成図である。 本発明の実施形態例に係る１次元照明装置の一例の要部の概略構成図である。 光学遅延ループの一例の概略構成図である。 本発明の実施形態例に係る１次元照明装置の一例の要部の概略構成図である。 本発明の実施形態例に係る１次元照明装置の一例の要部の概略構成図である。 本発明の実施形態例に係る１次元照明装置の一例の要部の概略構成図である。 従来の照明装置における光の相対強度の分布を示す図である。 本発明の実施形態例に係る１次元照明装置における光の相対強度の分布を示す図である。 本発明の実施形態例に係る画像生成装置の一例の概略斜視構成図である。 １次元型の光変調装置の一例の要部の概略斜視構成図である。 １次元型の光変調装置の一例の要部の概略断面構成図である。 １次元型の光変調装置の一例の要部の概略断面構成図である。 従来の分割重ね合わせを行う照明装置の一例の概略構成図である。 従来の分割重ね合わせを行う照明装置の一例の概略構成図である。

符号の説明

１．光源、２．凹レンズ、３．凸レンズ、４ａ．シリンドリカルレンズアレイ、４ｂ．シリンドリカルレンズアレイ、５．偏光変換部、６．集光レンズ、１０．１次元照明装置、１１．被照射体、１２．レーザ素子、１３．コリメータレンズ、１４．光学素子、２１．波面分割部、２２．波面合成部、５０．画像生成装置、５１．１次元光変調装置、５２．光選択部、５３．投射光学部、５４．走査素子、５５．光変調部、５６．走査光学部、５７．２次元像、１００．画像生成面

Claims (7)

1. 複数のレーザ素子が１次元状に配列された光源と、前記光源から出射される光の波面を分割し、２以上の複数のレンズセルを直線的に配置したシリンドリカルレンズアレイを２つ含む波面分割部と、前記波面分割部からの光を被照射体に導くと共に分割された波面を重ね合わせる波面合成部と、前記波面分割部において分割された隣接する一対の光束のうち、一方の光束の偏光面を回転させる平板からなる偏光変換部と、を備え、前記偏光変換部が、前記波面分割部のうち、前記光源からのレーザ光が最後に通過するシリンドリカルレンズアレイの直後であって、該シリンドリカルレンズアレイのレンズセルに対向し、かつ、前記複数のレンズセルに対し１つ置きに配置されていること
   を特徴とする１次元照明装置。
2. 前記光源のうち１つのレーザ素子から出射されるレーザ光が、前記シリンドリカルレンズアレイの２以上４未満のレンズセルに跨って入射されることを特徴とする請求項１記載の１次元照明装置。
3. 前記シリンドリカルレンズアレイのカップリング角度をφ、前記光源の各レーザ素子から出射される各レーザ光の集光又は発散の角度をθとし、前記光源の全てのレーザ素子から出射されるレーザ光束の集光又は発散角度をψとすると、ψ＋θ≦φとされることを特徴とする請求項１記載の１次元照明装置。
4. 前記光源のレーザ素子から出射されるレーザ光の空間コヒーレンス距離をｄｓｃとしたときに、前記シリンドリカルレンズのレンズセルのピッチＰＬが略ｄｓｃ／２とされることを特徴とする請求項１記載の１次元照明装置。
5. 前記波面分割部の近傍に、前記光源の各レーザ素子から出射されるレーザ光の発散角度θを広げる機能を有する光学素子が配置されることを特徴とする請求項１記載の１次元照明装置。
6. 前記光学素子の機能を前記１以上のシリンドリカルレンズアレイのうち前記光源からのレーザ光が最初に通過するシリンドリカルレンズアレイが備える構成としたことを特徴とする請求項５記載の１次元照明装置。
7. 光源と、１次元照明装置と、１次元光変調装置と、投射光学部と、走査光学部とを備える画像生成装置であって、前記１次元照明装置は、
   複数のレーザ素子が１次元状に配列された光源と、
   前記光源から出射される光の波面を分割し、２以上の複数のレンズセルを直線的に配置したシリンドリカルレンズアレイを２つ含む波面分割部と、前記波面分割部からの光を被照射体に導くと共に分割された波面を重ね合わせる波面合成部と、前記波面分割部において分割された隣接する一対の光束のうち、一方の光束の偏光面を回転させる平板からなる偏光変換部と、を備え、前記偏光変換部が、前記波面分割部のうち、前記光源からのレーザ光が最後に通過するシリンドリカルレンズアレイの直後であって、該シリンドリカルアレイのレンズセルに対向し、かつ、前記複数のレンズセルに対し１つ置きに配置されていることを特徴とする画像生成装置。

Images