JP5228878B2 - カップリングレンズ、照明装置、及び電子機器 - Google Patents
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Description
特に、3原色のレーザとMEMS(微小電気機械システム)ミラーを組み合わせた走査型の小型プロジェクタは構成部品が少なく、超小型化が可能な点から多くの開発が進められている(例えば、特許文献1)。
このような3原色のレーザとMEMSミラーとから成る走査型プロジェクタの従来例を図22に示す。図22に示したプロジェクタは、それぞれR(赤)、G(緑)、B(青)のレーザ光を放射する半導体レーザ1−R、1−G、1−Bと、半導体レーザ1−R、1−G、1−Bからのレーザ光を集光するレンズ2−R、2−G、2−Bと、それぞれ赤色光、緑色光、青色光のみを反射し、その他の光を透過させるダイクロイックミラー3−R、3−G、3−Bと、傾斜角が可変なミラーを備えたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラー装置501と、MEMSミラー装置501のミラーを水平方向及び垂直方向に回動させると共に、入力ビデオ信号に応じて半導体レーザ1−R、1−G、1−Bから光強度変調されたレーザ光を放射させる制御回路502とから構成される。
このような色合成の手法においては、各レーザに対して集光レンズが必要であり、部品点数が増え、また小型・軽量化を阻害する要因となっている。
図23に3色の光源、それぞれ赤、緑、青、601R、601G、601Bの光をダイクロイックプリズム602で合成し、集光レンズ603で集光する例を示す(例えば、特許文献2)。
本例のような構成においては、集光レンズは1枚であるが、光源を全て出射方向が異なるように配置しているために、小型・軽量化の点で不利である。
図24に、2つの光源の光を略同一方向に出射させ、同一のレンズでカップリングし、2ビーム合成プリズムを介して、複数の光源からの光を同一光路に合成する例を示す。
光ディスクの光ピックアップに使用されるコリメートレンズは、光ディスク(1061,1062)の記録面スポットをばらつきなく小さく絞るために、対物レンズ1050の縁への入射光の強度分布をレーザ光源のピーク強度に対してある程度確保する必要があり、コリメートレンズの焦点距離を短くできない。コリメートレンズの焦点距離が長くなると(焦点距離10mm前後以上)、光源からの光をカップリングする効率が低下し、光の利用効率が低下する。
また、焦点距離が長いため装置の大型化を避けられない。仮に、コリメートレンズの焦点距離を短くした場合は、2ビーム合成プリズムの裏面で反射する光に発生する非点収差を除去することが、現実的な、2光源の間隔、2ビーム合成プリズムの厚みにおいて、非常に困難となり、短焦点コリメートレンズ1つで、2つの光源からの光を合成することは難しい。
請求項3記載の発明では、請求項1記載のカップリングレンズにおいて、第1の領域のレンズ厚と、第2の領域のレンズ厚とが異なることを特徴とする。
請求項4記載の発明では、請求項1記載のカップリングレンズにおいて、屈折率の異なる複数の材料から形成されていることを特徴とする。
請求項5記載の発明では、請求項1記載のカップリングレンズにおいて、第1の領域と第2の領域とが屈折率の異なる材料で形成されていることを特徴とする。
請求項6記載の発明では、請求項1記載のカップリングレンズにおいて、第1の領域と第2の領域の有効焦点距離はそれぞれ5mm以下であることを特徴とする。
請求項9記載の発明では、請求項8記載の照明装置において、前記カップリングレンズの第1面の第1の領域の曲率中心位置と第2面の曲率中心位置とを通る光源の光を前記楔形プリズムの表面で反射させ、他方の光源の光は第1面の第2の領域を透過し、前記楔形プリズムの裏面で反射することを特徴とする。
請求項10記載の発明では、請求項9記載の照明装置において、第3の波長の光を第1の光源および第2の光源とは異なる方向に出射するように配置された第3の光源と、第3の光源からの光をカップリングする第2のカップリングレンズと、を備え、第2のカップリングレンズを透過した第3の波長の光は、前記楔形プリズムを透過し、第1、第2の波長の光と光路が一致するように構成したことを特徴とする。
請求項12記載の発明では、請求項9記載の照明装置において、前記カップリングレンズの第1の領域のレンズ厚と、第2の領域のレンズ厚とが異なることを特徴とする。
請求項13記載の発明では、請求項9記載の照明装置において、前記楔型プリズムの表面で反射する光源の光の波長は、600〜700nmであり、前記楔形プリズムの裏面で反射する光源の光の波長は、400〜480nmであることを特徴とする。
請求項15記載の発明では、請求項9記載の照明装置において、前記カップリングレンズの第2の領域は、シリンドリカル面により形成されていることを特徴とする。
請求項16記載の発明では、請求項9記載の照明装置において、前記カップリングレンズの第2の領域は、トロイダル面により形成されていることを特徴とする。
請求項17記載の発明では、請求項9記載の照明装置において、前記カップリングレンズの第2の領域は、アナモルフィック非球面により形成されていることを特徴とする。
請求項19記載の発明では、請求項9記載の照明装置において、前記カップリングレンズの第1の領域と第2の領域とが屈折率の異なる材料で形成されていることを特徴とする。
請求項20記載の発明では、請求項9記載の照明装置において、前記カップリングレンズの第1の領域と第2の領域の有効焦点距離はそれぞれ5mm以下であることを特徴とする。
請求項22記載の発明では、電子機器において、請求項21記載の投影型画像表示装置を内蔵したことを特徴とする。
同時に、2つの領域の一方は、レンズの第1面、第2面で偏芯の無い構成とできるので、レンズ性能を上げる設計が容易に行える。
本発明によれば、非点収差発生要因のない光路を構成できる。レンズの偏芯により発生する非点収差と、光路合成素子(楔型プリズム)裏面で反射することにより発生する非点収差が相殺するような設計が可能となり、第1の領域、第2の領域両方の透過光の波面収差を小さく抑えることが可能となる。
本発明によれば、2つの領域で任意に焦点距離を変えることができ、2光源の発散度合いが異なっても、カップリング効率を同等とすることが可能である。
本発明によれば、それぞれの領域の焦点距離が異なっていても、光源から光放射方向の光源位置を同一にすることが可能となる。
本発明によれば、波長変動の大きな600〜700nmの光に対して、屈折により角度変動が起こらない構成とできる。
本発明によれば、カップリングレンズの偏芯による収差、楔形プリズム裏面反射により発生する収差を低減することが可能である。
本発明によれば、光源の出力、温度変動により生ずる波長変動による焦点距離の変化を抑えることが可能となり、照明光のビーム径を安定させることができ、像の解像度低下、ぼけの発生を抑えることができる。
本発明によれば、カップリング効率を30%以上とでき、光源の発光パワーを抑えることができ、発熱を抑えることができる。
本発明によれば、小型の投影型画像表示装置を実現できる。
本発明によれば、電子機器の画像、映像データをその場で、スクリーンに投影でき、複数人の間で、情報の共有が容易に行える。また、小型の車載用ヘッドアップディスプレイの実現が可能であり、あるいは高速の書き込みユニットの実現も可能である。
図1に基づいて第1の実施形態を説明する。本実施形態に係る照明装置は、第1の波長λ1の光を発する第1の光源1と、第2の波長λ2の光を発する第2の光源2とを有し、これらの光源は同一のマウント3上に近傍配置状態で実装され、1つのパッケージ4として構成されている。第1の光源1と第2の光源2の光出射方向は略同一である。
第1の光源1としては赤色波長領域の光を発する半導体レーザ(以下「赤色LD」と呼ぶ)を、第2の光源2としては青色波長領域の光を発する半導体レーザ(以下「青色LD」と呼ぶ)を用いることができる。
青色波長領域、赤色波長領域はそれぞれおよそ、400nm〜480nm、600nm〜700nmの波長範囲を指しており、赤色LDとしては例えば波長λ1が640nmの光を発するLDを、青色LDとしては例えば波長λ2が445nmの光を発するLDを用いることができる。以下の説明ではこの波長を用いる。ここでは、赤色LD1と青色LD2が別のチップで同一のマウント3上に実装したものを示しているが、青色LD1と赤色LD2が一つのチップ上に形成されているものであっても良い。
楔形プリズム13に入射した赤色光11、青色光12は、同一光路に合成され出射される。このようにして、青、赤2つの波長領域の光を同一光路で出射する照明装置が構成されている。
以上の説明では、第1の光源として赤色波長領域、第2の光源として青色波長領域のものを用いたが、異なる波長領域のものであっても良い。
楔形プリズム13は、赤色領域の光を反射し、青色領域の光を透過する第1の面20と、青色領域の光を反射する第2の面21から成る平板であり、第1の面と第2の面は相対的に角度α傾いた楔形平板となっている。
CL5についてさらに具体的に説明する。CL5の光源側の面である第1面5Aは、第1の波長の赤色光11のみが透過する第1の領域6と、第2の波長の青色光12のみが透過する第2の領域7とから構成されている。
第1の領域6のレンズ面の曲率中心は、図1の符号8で示す位置であり、第2の領域7のレンズ面の曲率中心は、図1の符号9で示す位置であり、2つの領域のレンズ面の曲率中心は異なる位置にある。
第1の領域6、第2の領域7に対向する面(CL第2面)である第2面5Bは、単一の面で構成されている。
図2(a)において、CL5の第2面5Bの曲率中心は符号32で示す位置、第1面の第1の領域の曲率中心は上記のように符号8で示す位置である。
これらの曲率中心8、32が共に第1の光源1の光軸上にあり、CL5の第1面の第1領域のレンズ面と第2面は相対的な面のシフトが無い状態となっている。このため、面のシフトによる性能劣化を考慮することなく、容易にレンズ設計が可能となる。
図2(b)は、第2の光源2の光軸上に曲率中心9、32がある場合を示している。ここでは、符号7で示す領域が第1の領域、符号6で示す領域が第2の領域となる。
比較のため光源側が単一の面で構成されたレンズ設計例とともに表1に設計結果を示す。
光源1、2からの光は、CL5でカップリングされた後、640nmの光は、楔形プリズム13の表面で反射し、445nmの光は、楔形プリズム子13の裏面で反射する。楔形プリズム13の頂角はαである。符号19は、楔形プリズム13で2波長の光が合成された後の光束を示している。
図4に示した構成は、CL5の光源側が、第1の領域6と第2の領域7に分割された、本発明の技術的思想に基づく設計方式の光学系である。第1の領域6に波長640nmの光を透過させ、第2の領域に波長445nmの光を透過させる。その他の構成は図1と同じである。
表1の設計結果の波面収差の項目を見ると、CL5の光源側の面が単一の面で構成されたものは、640nmの光に対してほぼ無収差となっているが、445nmの光に対しては、波面収差0.17λとなっており、実用レベルには無い。
一方、本発明のCL5の光源側の面が第1の領域6と第2の領域7で構成されたものは、640nmの光に対して、ほぼ無収差となっており、445nmの光に対しても、波面収差0.0352λとなっており、実用レベルに波面収差を低減できている。
実用レベルの波面収差とは、概ね0.07λ(R.M.S.)以下である。
光源の光軸がCL5の第1面に対向する面(第2面)5Bの曲率中心位置32とCL5の第1面の第1の領域6の曲率中心位置8を通る光源の光を楔形プリズム13の表面20で反射させる。
楔型プリズム13の裏面で反射する光束には、非点収差が発生するが、表面で反射させれば、反射面20が理想的な平面であれば収差は発生しない。CL5の対向する面の相対的シフトの無い面を楔形プリズム13の表面20で反射させる構成となるため、良好な光学性能を出すことが可能である。
一方、CL5の第1面に対向する面(第2面)5BとCL5の第1面の第2の領域7のレンズ面は、相対的にシフトしており、非点収差が発生する。CL5で発生する非点収差と楔形プリズム13の裏面21で反射することにより発生する非点収差は、レンズ構成(厚み、曲率、非球面化、屈折率など)と、楔形プリズム構成(厚み、頂角α、屈折率など)と発光点位置を最適化することにより相殺することが可能となる。
本構成とすることで、2つの光源1、2からの光を収差の小さい光束として光路合成することができる。
本実施形態に係る照明装置は、第1の実施形態で説明した第1の光源と第2の光源を備えた照明装置(図1)に、第3の光源が加えられた構成となっている。
具体的に説明すると、第3の光源14は、第1の光源1および第2の光源2とは異なる方向(ここでは略直交する方向)に光を出射するように配置されている。
第3の光源14としては緑色波長領域500nm〜550nmの波長範囲にある光を発する緑色光源を用いることができる。緑色光源として半導体レーザを使用することが最も良いが、現状では安定的に使用可能な緑色半導体レーザは存在しないため、固体レーザや、赤外半導体レーザの倍波を用いる。
緑色光源の具体的な構成に関しては後述するが、ここでは例として波長λ3が530nmの光源を用いることとする。緑色光源14からの緑色光15は第2のカップリング光学系(以下「第2CL」と呼ぶ)15によってカップリングされ、楔形プリズム13に導かれる。楔形プリズム13に入射した赤色光11、青色光12、緑色光16は同一光路に合成され出射される。
このようにして、青、赤、緑3つの波長領域の光を同一光路で出射する照明装置が構成されている。
また、前述したように緑色光源としては半導体レーザを用いることが困難であるため、他の光源と同一マウント上に配置することが容易ではない。このため、第1の光源が赤または青、第2の光源が青または赤、第3の光源が緑となっている構成がより製造が容易である。
楔形プリズム13は、赤色領域の光を反射し、青色および緑色領域の光を透過する第1の面20と、青色領域の光を反射し、緑色領域の光を透過する第2の面21から成る平板であり、第1の面と第2の面は相対的に角度α傾いた楔形平板となっている。
赤色光11および青色光12は第1の面より入射し、それぞれ第1の面および第2の面によって反射され、出射される。また、緑色光16は第2の面より入射し、第2の面および第1の面を透過して出射される。第1の面および第2の面は波長によって選択的に反射または透過する面となっており、このような面は光学多層膜によって達成することが可能であり、ダイクロイックミラーと呼ばれる。
光源からの光をカップリングできる光量は、レンズは開口数による。図7で、開口数NAは、
NA=sinθ (式1)
である。符号101は光源、102はカップリングレンズ、103は前側主点位置、θは光源からの光をカップリングレンズで取り込む角度の半分、fはカップリングレンズの焦点距離、Dはカップリングレンズの有効径を示している。
カップリングレンズから出射する光は平行光としてある。単一のレンズで複数の光をカップリングし、照明光とする場合、そのカップリングレンズから出射する光束の径は略等しくする必要がある。カップリングレンズの出射光の径Φは、
Φ=2×f×NA (式2)
であるので、複数の光に対して、取り込み角度を略同じ(NAが略等しい)にした場合は、それぞれの光に対して、カップリングレンズの焦点距離を等しくする必要がある。波長が異なれば、カップリングレンズ材料の屈折率が異なるため、図1で示した、第1の実施形態のCL5の光源側の面の、第1の波長の光のみが透過する第1の領域6と第2の波長の光のみが透過する第2の領域7の曲率半径を変えることにより、単一のカップリングレンズで、2つの波長の異なる光に対して、略同一の焦点距離とすることができる。
表2にレンズ設計結果の一例を示す。第1の領域と第2の領域の曲率半径を異ならせることで、異なる波長の光に対して、同一焦点距離、同一開口数となっている。
図8の符号は、図4と同一機能の部品、部位に関しては、同一符号としてある。第4の実施形態で、CL5の第1の領域と第2の領域の曲率半径を異ならせることで、異なる波長の光に対して、同一焦点距離、同一開口数とすることができ、CL5出射光のビーム径を同一にできることを説明した。
ここで、ビーム径が実質的に同一とみなせるのは、2つの光源1、2の出射光の強度分布パタン(ファーフィールドパタン:FFP)が略同一の場合である。一般に光源となる半導体レーザのFFPは、その種類によって異なる。このFFPの違いも考慮して、ビーム径を揃えられることが理想的である。
FFPが異なる光源に対し、カップリングレンズ透過後のビーム径を揃えるためには、カップリングレンズに取り込まれる光の最大角度の強度が等しくなるように、レンズの開口数を決めれば良い。
図4において、光源1のFFPをA(deg)(半値全幅)、光源2のFFPをB(deg)とし、A<Bとすれば、CL5の第1の領域(図4の6を通る光に対して)の焦点距離をf1、第2の領域(図4の7を通る光に対して)の焦点距離をf2とすれば、f1>f2とすることにより、楔形プリズム13で合成された2光束19の2つの光束の強度分布を略同じとすることが可能である。
図8にf1>f2となるように設計したCL5の形状および光路図を、表3に設計結果を示す。この結果を見ると、第1、第2の領域の焦点距離を変えてしまうと、光源1と光源2の図8z方向の位置がずれてしまう(図8のΔd)。
よって、2つの光源が図9z方向にずれた場合、一方をマウント3から、前方(発光方向)へずらすことはできず、後方へずらすことになる。
図9(a)は、光源1をマウント3上で後方にずらした図である。この状態であれば、放熱に関しては問題ない。但し、図9(a)をy方向から見た図9(b)に示したように、あまり後方へ下げすぎると、光源1から発光した光の、マウント3側(図9(b)−x方向)に出射した光がマウント3に当たり、出射光分布が乱れる可能性がある。
よって、2つの光源の発光点は、図9z方向に対して、略同一位置にあることが望ましい。
そこで、CL5の第1の領域と第2の領域の焦点距離f1、f2が異なった場合でも、CL5の第1の領域の厚みと第2の領域の厚みとを異ならせることで2つの発光位置のずれを抑えた設計が可能になる。
図10に設計したCL5の形状および光路図を、表4に設計結果を示す。図8、表3で示したカップリングレンズと同じ焦点距離、開口数、波面収差で、2つの発光点のz方向のずれを十分小さくできている。
波長が変動すると、楔形プリズムの裏面で反射する光線は、屈折する角度が変化し、反射光の角度が変動することになる。一方、楔形プリズムの表面で反射する光は、屈折を伴わないので反射光の角度変動は生じない。
半導体レーザの波長は、発光出力、温度変化により変動する。一般的には、赤色半導体レーザの波長変動は、青色半導体レーザの波長変動より1桁大きい。
そこで、波長変動の大きい赤色半導体レーザの光を楔型プリズムの表面で反射させ、波長変動の小さい青色半導体レーザの光を楔型プリズムの裏面で反射させることにより、温度変動等により波長が変化しても、楔形プリズム反射光の角度変動を小さく抑えることが可能である。
光源からの光のカップリング効率(光の利用効率)を上げるためには、カップリングレンズの開口数を大きくする(式2でNAを大きくする)必要がある。
第4の実施形態でも述べたが、カップリングレンズで取り込まれる光束の径(図7のD)が一定である場合には、NAを変えることは、カップリングレンズの焦点距離を変えることであり、この場合、NAを大きくするということは、焦点距離を短くすることである。
焦点距離を5(mm)とした場合の設計結果を図11、表5に示す。焦点距離が短くなってくると、CL5の第2の領域7のレンズ面を透過した光の波面収差の劣化が大きくなる。この劣化を抑えるために、CL5の第2の領域7のレンズ面を非球面とする。
r:近軸曲率半径
κ:コーニック定数
A、B、C、D、E、F、G、H、J、・・・:非球面係数
CL5の第2の領域7のレンズ面を非球面として設計した結果を表6に示す。CL5の第2の領域7のレンズ面を透過した光の波面収差が改善している。さらなる性能向上やカップリング効率を上げるために、焦点距離を短くする必要が生じた場合などは、CL5の第2の領域7だけでなく、第1の領域6、第2面5Bを非球面化することにより、良好な波面とすることが可能である。
第2の実施形態で、CL5の第1面に対向する面(第2面)5BとCL5の第1面の第2の領域7のレンズ面は、相対的にシフトしており、非点収差が発生すること、また、楔形プリズム13の裏面21で反射することによっても非点収差が発生することを説明した。
非点収差を補正するレンズ形状としては、直交する2面の曲率が異なるシリンドリカルレンズがある。シリンドリカルレンズの設計例を表7に示す。表1に比較して、第2の領域を通過した光の波面収差が改善している。
トロイダル面は以下に定義される。xyzは図1に示した方向とする。
yz平面の輪郭を式4の非球面で定義し、
c:面頂点での曲率
k:コーニック定数
A、B、C、D・・・:非球面係数
次に、x方向の曲率の中心を通るy軸に対して回転する。従って、その面は、yz平面で非球面になり、xz平面で円になる。yトロイダル面と定義される。
CUX:xの曲率
CUY:yの曲率
KX:xコーニック定数
KY:yコーニック定数
AR:4次の回転対象の係数
BR:6次の回転対象の係数
CR:8次の回転対象の係数
DR:10次の回転対象の係数
AP:4次の非回転対象の係数
BP:6次の非回転対象の係数
CP:8次の非回転対象の係数
DP:10次の非回転対象の係数
これは、xとy共に両側対象の非球面である。
半導体レーザの波長は、その出力レベル、温度により変化する。波長が変化すると、レンズを構成する材料の屈折率が変化するために、その焦点距離が変化する。
また、同一波長の半導体レーザであっても、波長には、ばらつきがある。表2で示した焦点距離7mmのレンズについて、光を、図3の楔型プリズム13の面20から入射させた場合の集光位置の変化を計算したものを表10に示す。
また、波長によってその度合いが異なることにより、色ぼけ等が発生する。この波長変動、波長ばらつきによる焦点距離の変化(集光位置の変化)を低減するために、図12に示したように、異なるレンズ材料でカップリングレンズを構成する。図4と同機能の部品、部位には同一符号を付してある。CL5の第1面側(第1の領域6、第2の領域7)5Aはレンズ硝材51、第2面側5Bはレンズ硝材52から構成されている。本例では、硝材51はF2、硝材52は、BK7である。
波長変動、ばらつきによる集光位置のずれ量は、波長変動する量が同一でも色によって異なる。(実施例9の内容参照)。また、実際の出力レベル、温度変化による波長変動の量、波長ばらつきは、色によっても異なる。そこで、図13に示したように、CL5の第1領域6と第2領域を異なる硝材53、54としたり、第14図で示したように、CL5の第1領域6と第2領域を異なる硝材56、57とすることで、2つの波長の半導体レーザの波長変動に基づく、集光位置のずれを低減させると共に、そのずれ量をほぼ一致させることが可能となる。
カップリングする光のビーム径が同じである場合、カップリングレンズの焦点距離は、短い方が光源からの光が取り込まれる光量(カップリング)を多くできる。つまりカップリング効率を上げることができる。
カップリング効率が上がると、発光する光量を下げることが可能になり、光源の発熱を抑えることができる。
図15に光源の発散角が、θ//=12(deg)、θ⊥=18(deg)における、カップリングレンズのNAとカップリング効率の関係を示す。NAが0.1以上でカップリング効率は30(%)以上を確保できる。
カップリングする光のビーム径をΦ1mmとすると、NA0.1以上を確保できる焦点距離は5mm以下となる。NA0.1、焦点距離4.75mm、ビーム径0.96mmで設計した例を表13に示す。第1、第2の領域透過光の波面収差がともに小さく押さえられており、2つの発光点の図11z方向の位置が同じである。
図16に投影型画像表示装置の構成の概要を示す。上記した第1〜11に係る照明装置を用いて、走査型プロジェクタを構成することが可能である。
例として図6で示した3つの光源を有する照明装置を用いた走査型プロジェクタの実施例を示す。図6と同機能の部品、部位には同一符号が付してある。図16に示した走査型プロジェクタでは、図6で示した照明装置に加え、照明装置から出射される光を2次元的に走査する走査手段60、および走査手段60と照明装置の光源を制御する制御装置61が備わっている。
制御装置61は、走査手段60の動きと同期して所望の画像が加えられるように光源に変調を加える。走査手段60は図中62方向に反射面を振ることができるようになっており、さらに軸63の回りに64方向にも反射面を振ることができる。
これによって、スクリーン65上には2次元的な投影像が形成されることとなる。
図16では1枚で2軸可動なものを示したが、1軸に可動なミラーを2つ用いても良い。
このため、微小ミラー91に入射するビームの反射方向が変化し、これにより、ビームを2次元方向に走査することができる。
光源部の小型化、微小ミラーによって、本構成で実現される投影型画像表示装置は超小型化が可能である。
第12の実施形態で示した超小型投影型画像表示装置を、電子機器に内蔵した例を図18に示す。図18は携帯電話機70に内蔵した例である。携帯電話機70に本発明の投影型画像表示装置71を内蔵し、スクリーン73上に照明光72を2次元的に走査し画像を形成する。スクリーン73は特別なものでなく机や壁で良い。
次に、投影型画像表示装置を車両用ヘッドアップディスプレイに用いた例を示す。図19は、車両用ヘッドアップディスプレイ装置300の一例を説明するために構成を模式的に示す説明図である。
車両用ヘッドアップディスプレイ装置300は、車両の内部に設けられ、プロジェクタ301と、このプロジェクタ301から射出された投影光を反射するフロントウインドウガラス302とから大略構成されている。
プロジェクタ301は、本発明に係る投影型画像表示装置から構成されており、投影画像を光軸方向所定箇所の位置に形成する。
フロントウインドウガラス302には、プロジェクタ301から出射された光源からの光束を反射する部分反射面302aが形成されている。部分反射面302aの内面には、光源からの各光束の反射率を向上させるために、金属薄膜、誘電体多層膜等が形成されていても良い。この部分反射面302aは、外来光を透過可能であると共に、部分反射面302aにより反射された光源からの光束を運転席のドライバー303の目の高さ位置に向けて反射する。
車両用ヘッドアップディスプレイ装置300では、プロジェクタ301を駆動すると、光源から出射された各光束が部分反射面302aに導かれ、この部分反射面302aにより反射された各光束が、運転席のドライバー303の目の方向に導かれる。このとき、この各光束に基づく投影画像の虚像Viが、部分反射面302aによりフロントウインドウガラス302の前方に形成される。このため、ドライバー303には、部分反射面302aにより反射された各光束による投影画像が虚像Viとして提示されることになる。
例えば、インストルメントパネル(ダッシュボード)の上部にスクリーンを配設し、このスクリーンにプロジェクタ301で投影画像を投影し、このスクリーンに投影された投影画像を、部分反射面302aを介してドライバー303に提示する構成とすることもできる。
この場合、スクリーンに投影された投影画像がフロントウインドウガラス302の前方に虚像として提示されることとなる。
また、本発明の投影型画像表示装置は、図20に示すように、書き込み光学系に用いることも可能である。本発明の投影型画像表示装置701で走査される光線が、折り返しミラー702を反射し、被走査面(感光体)703上を走査し、感光体703上に画像を形成する。
符号704は走査線を示している。感光体703は、矢印705方向に回転し、感光体703上に2次元画像を形成し、その画像を紙等に転写する。書き込み光学系に本投影型画像表示装置を使用する時は、2つあるいは3つの光源の光の波長を同一とし、2つあるいは3つの光源の光の感光体703上を照射する位置を感光体回転方向にずらしておくことにより、同時に2本あるいは3本の走査線を得ることができ、高速の書き込み光学系を実現できる。
図6で説明した光源14が将来的に半導体レーザとして開発され光源1、2、14が同一のパッケージに収められた場合の構成例を図21に示す。
本実施形態に係る照明装置は、第1の波長λ1の光を発する第1の光源101と、第2の波長λ2の光を発する第2の光源102と、第3の波長λ3の光を発する第3の光源101とを有し、これらの光源は同一のマウント104上に近傍配置状態で実装され、1つのパッケージ105として構成されている。
第1の光源101と第2の光源102と第3の光源103の光出射方向は略同一である。
第1の光源101としては青色波長領域の光を発する半導体レーザ(以下「青色LD」と呼ぶ)を、第2の光源102としては緑色波長領域の光を発する半導体レーザ(以下「緑色LD」と呼ぶ)を、第3の光源103としては赤色波長領域の光を発する半導体レーザ(以下「赤色LD」と呼ぶ)を用いることができる。
青色波長領域、緑色波長領域、赤色波長領域はそれぞれおよそ、400nm〜480nm、500nm〜550nm、600nm〜700nmの波長範囲を指しており、青色LDとしては例えば波長λ1が445nmの光を発するLDを、緑色LDとしては例えば波長λ1が530nmの光を発するLD、赤色LDとしては例えば波長λ2が640nmの光を発するLDを用いることができる。
青色LD101からの青色光114、緑色LD102からの緑色光115および、赤色LD103からの赤色光116は同一のカップリング光学系であるカップリング光学系(以下「CL」と呼ぶ)106によってカップリングされ、光路合成素子117に導かれる。図21中には各色の光の光路が模式的に示されている。
このようにして、青、赤、緑3つの波長領域の光を同一光路で出射する照明装置が構成されている。
光路合成素子117は、赤色領域の光を反射し、青色および緑色領域の光を透過する第1の面118と、青色領域の光を透過し、緑色領域の光を反射する第2の面120と、青色領域の光を反射する第3の面119から成る平板であり、第1の面と第2の面は相対的に角度β傾いた楔形平板となっており、第2の面と第3の面は相対的に角度γ傾いた楔形平板となって。
赤色光116および緑色光115は第1の面より入射し、それぞれ第1の面および第2の面によって反射され、出射される。また、青色光114は第1及び第2の面より入射し、第3の面によって反射され、出射される。第1の面および第2の面は波長によって選択的に反射または透過する面となっており、このような面は光学多層膜によって達成することが可能であり、ダイクロイックミラーと呼ばれる。
第1の領域107のレンズ面の曲率中心は、符号110で示す位置であり、第2の領域108のレンズ面の曲率中心は、符号111で示す位置であり、第3の領域109のレンズ面の曲率中心は、符号112で示す位置であり、3つの領域のレンズ面の曲率中心はそれぞれ異なる位置にある。
第1の領域107、第2の領域108、第3の領域109に対向する面(CL第2面)106Bは、単一の面で構成されている。機能、効果は上記と同じである。
前記カップリングレンズの前記第1の領域のレンズ厚と前記第2の領域のレンズ厚と前記第3の領域のレンズ厚が異なる構成としてもよい。
前記カップリングレンズの前記第1面に対向する面(第2面)の曲率中心位置と前記第1面の第1の領域の曲率中心位置が前記第1あるいは第2あるいは第3の光源のいずれか一つの光軸上にある構成としてもよい。
光路合成素子117は2つの楔型プリズムを重ねた表面、中間面、裏面の3つの反射面を持つ複合楔型プリズムであり、光軸が前記第1面に対向する面(第2面)の曲率中心位置と前記第1面の第1の領域の曲率中心位置を通る光源の光を前記楔形プリズムの中間面で反射させ、前記第1面の第2の領域光源の光を前記複合楔形プリズムの表面で反射させ、前記第1面の第2の領域光源の光を前記複合楔形プリズムの裏面でそれぞれ反射させる構成としてもよい。
波長変動が、比較的大きい赤色を屈折を伴わない表面反射の構成とする。
前記カップリングレンズの前記第1、第2、第3の領域は、非球面、シリンドリカル面、トロイダル面、アナモルフィック非球面のいずれかにより形成されている。
3つの光源が1つのパッケージに入れられると、2つの光源は、カップリングレンズの第2面の光軸上に配置できないため、カップリングレンズを透過することにより、非点収差が発生する。また、2つの光は、楔形プリズムの内部で反射することになるため、ここで非点収差が発生する。つまり、3つの光すべてに非点収差発生要因があり、のそ非点収差を低減するために、前記カップリングレンズの前記第1,第2、第3の領域は、非球面、シリンドリカル面、トロイダル面、アナモルフィック非球面のいずれかにより形成される。
前記カップリングレンズの前記第1領域と前記第2領域と前記第3領域は屈折率の異なる材料で形成されている。
前記カップリングレンズの分割された3領域の有効焦点距離は、5mm以下とされる。
2 第2の光源としての青色LD
5 カップリングレンズ
5A 第1面
5B 第2面
6 第1の領域
7 第2の領域
8 第1の領域の曲率中心位置
9 第2の領域の曲率中心位置
13 光路合成素子としての楔形プリズム
14 第3の光源(緑色)
15 第2のカップリングレンズ
32 第2面の曲率中心位置
70 電子機器としての携帯電話機
Claims (22)
- 第1の波長の光を出射する第1の光源と、第1の光源の近傍に配置され、第2の波長の光を第1の光源と同一方向に出射する第2の光源とからの光をカップリングするカップリングレンズにおいて、
光源側の面である第1面は、第1の波長の光が通過する第1の領域と、第2の波長の光が通過する第2の領域とからなり、
第1の領域の曲率中心位置と、第2の領域の曲率中心位置とが異なるとともに、第1面に対向する面である第2面の曲率中心位置と、第1面の第1の領域の曲率中心位置とが第1あるいは第2の光源のいずれか一方の光軸上にあることを特徴とするカップリングレンズ。 - 請求項1記載のカップリングレンズにおいて、
第1の領域の曲率半径と、第2の領域の曲率半径とが異なることを特徴とするカップリングレンズ。 - 請求項1記載のカップリングレンズにおいて、
第1の領域のレンズ厚と、第2の領域のレンズ厚とが異なることを特徴とするカップリングレンズ。 - 請求項1記載のカップリングレンズにおいて、
屈折率の異なる複数の材料から形成されていることを特徴とするカップリングレンズ。 - 請求項1記載のカップリングレンズにおいて、
第1の領域と第2の領域とが屈折率の異なる材料で形成されていることを特徴とするカップリングレンズ。 - 請求項1記載のカップリングレンズにおいて、
第1の領域と第2の領域の有効焦点距離はそれぞれ5mm以下であることを特徴とするカップリングレンズ。 - 第1の波長の光を出射する第1の光源と、第1の光源の近傍に配置され、第2の波長の光を第1の光源と同一方向に出射する第2の光源と、第1の光源および第2の光源からの光をカップリングするカップリングレンズと、第1の光源からの光および第2の光源からの光の光路を一致させるための光路合成素子とを備えた照明装置において、
前記カップリングレンズの光源側の面である第1面は、第1の波長の光が通過する第1の領域と、第2の波長の光が通過する第2の領域とからなり、
第1の領域の曲率中心位置と、第2の領域の曲率中心位置とが異なるとともに、前記カップリングレンズの第1面に対向する面である第2面の曲率中心位置と、第1面の第1の領域の曲率中心位置とが第1あるいは第2の光源のいずれか一方の光軸上にあることを特徴とする照明装置。 - 請求項7記載の照明装置において、
前記光路合成素子が楔形プリズムであることを特徴とする照明装置。 - 請求項8記載の照明装置において、
前記カップリングレンズの第1面の第1の領域の曲率中心位置と第2面の曲率中心位置とを通る光源の光を前記楔形プリズムの表面で反射させ、他方の光源の光は第1面の第2の領域を透過し、前記楔形プリズムの裏面で反射することを特徴とする照明装置。 - 請求項9記載の照明装置において、
第3の波長の光を第1の光源および第2の光源とは異なる方向に出射するように配置された第3の光源と、
第3の光源からの光をカップリングする第2のカップリングレンズと、
を備え、
第2のカップリングレンズを透過した第3の波長の光は、前記楔形プリズムを透過し、第1、第2の波長の光と光路が一致するように構成したことを特徴とする照明装置。 - 請求項9記載の照明装置において、
前記カップリングレンズの第1の領域の曲率半径と、第2の領域の曲率半径とが異なることを特徴とする照明装置。 - 請求項9記載の照明装置において、
前記カップリングレンズの第1の領域のレンズ厚と、第2の領域のレンズ厚とが異なることを特徴とする照明装置。 - 請求項9記載の照明装置において、
前記楔型プリズムの表面で反射する光源の光の波長は、600〜700nmであり、前記楔形プリズムの裏面で反射する光源の光の波長は、400〜480nmであることを特徴とする照明装置。 - 請求項9記載の照明装置において、
前記カップリングレンズの第2の領域は、非球面により形成されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項9記載の照明装置において、
前記カップリングレンズの第2の領域は、シリンドリカル面により形成されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項9記載の照明装置において、
前記カップリングレンズの第2の領域は、トロイダル面により形成されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項9記載の照明装置において、
前記カップリングレンズの第2の領域は、アナモルフィック非球面により形成されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項9記載の照明装置において、
前記カップリングレンズは屈折率の異なる複数の材料から形成されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項9記載の照明装置において、
前記カップリングレンズの第1の領域と第2の領域とが屈折率の異なる材料で形成されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項9記載の照明装置において、
前記カップリングレンズの第1の領域と第2の領域の有効焦点距離はそれぞれ5mm以下であることを特徴とする照明装置。 - 請求項7乃至20のいずれかに記載の照明装置と、前記照明装置から出射される光を2次元に走査可能な手段と、前記第1の光源および前記第2の光源、もしくは前記第1の光源乃至前記第3の光源の出力を前記走査手段の動きに同期して制御する制御手段とを有していることを特徴とする投影型画像表示装置。
- 請求項21記載の投影型画像表示装置を内蔵したことを特徴とする電子機器。
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