JP5488803B2 - OPTICAL DEVICE, PROJECTION IMAGE DISPLAY DEVICE HAVING THE OPTICAL DEVICE, AND OPTICAL DEVICE MANUFACTURING METHOD - Google Patents

OPTICAL DEVICE, PROJECTION IMAGE DISPLAY DEVICE HAVING THE OPTICAL DEVICE, AND OPTICAL DEVICE MANUFACTURING METHOD Download PDF

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本発明は、コリメートレンズを備える光学装置、該光学装置を有する投影型画像表示装置および光学装置の製造方法に関する。さらに詳述すると、複数のレーザー光源に対しコリメートを行う回折構造を持つコリメートレンズおよび該コリメートレンズを有するレーザー走査型の投影型画像表示装置に関する。
The present invention relates to an optical device comprising a collimating lens, a manufacturing method of projection type image display device and an optical device having the optical device. More specifically, the present invention relates to a collimating lens having a diffractive structure that collimates a plurality of laser light sources, and a laser scanning projection image display apparatus having the collimating lens.

近年、小型軽量化を目的として、LEDやレーザーなどを用いた投影型画像表示装置(プロジェクタなど)の開発が盛んになされている。投影型画像表示装置は、小型軽量化を図ることにより、持ち運びを容易として携帯性の向上を図ることができる。また、重量を減らすことにより、従来、取り付けが困難であった壁などへ直接取り付けることが可能となる。   2. Description of the Related Art In recent years, for the purpose of reducing the size and weight, a projection type image display device (projector or the like) using an LED or a laser has been actively developed. The projection-type image display device can be easily carried and improved in portability by reducing the size and weight. Further, by reducing the weight, it is possible to directly attach to a wall or the like that has been difficult to attach.

レーザーを用いた投影型画像表示装置のうち、特に、3原色(R(赤)、G(緑)、B(青))のレーザーとMEMS(Micro Electro Mechanical Systems: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、その構成部品を少なくすることができ、超小型化を図ることができるため研究開発が進められている(例えば、特許文献1参照)。   Among projection-type image display devices using lasers, the combination of lasers of three primary colors (R (red), G (green), and B (blue)) and MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirrors In addition, since the scanning type small projector can reduce the number of components and can be miniaturized, research and development have been advanced (see, for example, Patent Document 1).

この3原色のレーザーとMEMSミラーを組み合わせた走査型の小型プロジェクタの概略構成図を図7に示す。図7に示すプロジェクタ100は、それぞれR、G、Bのレーザー光を放射するレーザー光源101R,101G,101Bと、各レーザー光源101R,101G,101Bからのレーザー光をコリメートするレンズ102R,102G,102B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103R,103G,103Bと、傾斜角が可変なミラーを備えたMEMSミラー装置104と、MEMSミラー装置104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レーザー光源101R,101G,101Bから光強度変調されたレーザー光を放射させる制御回路105とから構成される。また、制御回路105は、ミラー制御手段と変調手段を有しており、これに同期してレーザー光強度を変調させることによりスクリーン106上に画像を形成する。   FIG. 7 shows a schematic configuration diagram of a scanning type small projector in which these three primary color lasers and MEMS mirrors are combined. A projector 100 shown in FIG. 7 includes laser light sources 101R, 101G, and 101B that respectively emit R, G, and B laser light, and lenses 102R, 102G, and 102B that collimate the laser light from the laser light sources 101R, 101G, and 101B. And dichroic mirrors 103R, 103G, and 103B that reflect only red light, green light, and blue light respectively, and transmit other light, a MEMS mirror device 104 that includes a mirror having a variable tilt angle, and a MEMS mirror device 104. The control circuit 105 is configured to rotate the mirror in the horizontal direction and the vertical direction and emit laser light whose light intensity is modulated from the laser light sources 101R, 101G, and 101B in accordance with the input video signal. The control circuit 105 includes a mirror control unit and a modulation unit, and forms an image on the screen 106 by modulating the laser light intensity in synchronization with the mirror control unit and the modulation unit.

このようなプロジェクタに搭載されるコリメートレンズ等の光学素子は、光学曲面を多様な形状に形成する必要があり、また、低コストで大量生産できることが望ましいため、光学曲面を多様に形成することができ、かつコスト的に優れた樹脂材料を用いた射出成形法により製造されることが多い。   An optical element such as a collimating lens mounted on such a projector needs to form an optical curved surface in various shapes, and since it is desirable that it can be mass-produced at low cost, it can form various optical curved surfaces. In many cases, it is manufactured by an injection molding method using a resin material that is excellent in cost.

しかしながら、樹脂材料により製造された光学素子は、光源などが発する熱による温度上昇により樹脂材料の屈折率や熱膨張により焦点距離といった光学特性が大きく変化してしまうという問題がある。   However, an optical element manufactured using a resin material has a problem that optical characteristics such as a refractive index of the resin material and a focal length greatly change due to a temperature rise due to heat generated by a light source or the like.

このような問題に対し、電子写真方式の画像形成装置等における書込み装置に用いるコリメートレンズ、シリンドリカルレンズ、光ディスクの対物レンズ等の光学素子に、回折構造を付与させることにより光学特性の劣化を防ごうとする試みがなされてきた。   To prevent such problems, optical characteristics are prevented from deteriorating by providing a diffractive structure to an optical element such as a collimating lens, a cylindrical lens, or an optical disk objective lens used in a writing device in an electrophotographic image forming apparatus or the like. Attempts have been made.

しかしながら、従来より提案されてきた技術は、単一の波長に対し最適化された回折構造にて補正を行うものであった。よって、最適化された波長以外の波長に対しては、補正ができない、または補正をしても回折効率が大きく落ちるために使用に向かない場合が多いという問題があった。このため、各波長に対して個別に回折コリメートレンズ等を設計および製造しなければならず、コストの増大を招いていた。   However, the conventionally proposed technique corrects with a diffraction structure optimized for a single wavelength. Therefore, there is a problem that correction is not possible with respect to wavelengths other than the optimized wavelength, or even if correction is performed, the diffraction efficiency is greatly lowered, so that it is not suitable for use in many cases. For this reason, a diffraction collimating lens or the like has to be designed and manufactured individually for each wavelength, resulting in an increase in cost.

上記の問題に対して、特許文献2に記載の発明は、2つ以上の波長に対し最適化された回折光学素子の設計方法について開示している。特許文献2には、λ,λを光源の波長、λ,λにおける回折レンズを構成する材料の屈折率をn(λ),n(λ)とする場合に、回折溝の高さdを、λ/{n(λ)−1}及びλ/{n(λ)−1}の最小公倍数と略同等の値に設定することにより、2波長の光に対して同一の光学機能を果たすことができる発明が開示されている。 With respect to the above problem, the invention described in Patent Document 2 discloses a method for designing a diffractive optical element optimized for two or more wavelengths. In Patent Document 2, λ 1 and λ 2 are the wavelengths of the light source, and the refractive index of the material constituting the diffraction lens at λ 1 and λ 2 is n (λ 1 ) and n (λ 2 ). Is set to a value approximately equal to the least common multiple of λ 1 / {n (λ 1 ) -1} and λ 2 / {n (λ 2 ) -1}, so that two wavelengths of light can be obtained. In contrast, an invention that can perform the same optical function is disclosed.

しかしながら、回折光学素子により補正する対象となるのは、特許文献2に記載のように、光学素子を構成する材料の屈折率や熱膨張に限られず、当該光学素子を固定する筐体の熱膨張、熱によるレーザー光源の波長変動も補正の対象とすることが望まれる。   However, the object to be corrected by the diffractive optical element is not limited to the refractive index and thermal expansion of the material constituting the optical element, as described in Patent Document 2, but the thermal expansion of the casing that fixes the optical element. Further, it is desired that the wavelength variation of the laser light source due to heat is also corrected.

特に、熱によるレーザー光源の波長変動の影響は、小型のプロジェクタに用いられる半導体レーザーにおいては、回折レンズの設計の大きな影響を与える。また、レーザー光源の発光波長により波長変動の大きさには差が生じる。例えば、445nm付近で発振するInGaN半導体レーザーは、10℃あたり0.6nm程度の変動量なのに対し、640nm付近で発振するAlGaInP半導体レーザーの場合は、10℃あたり2.0nm程度の変動量となる。   In particular, the influence of fluctuations in the wavelength of the laser light source due to heat has a great influence on the design of the diffractive lens in a semiconductor laser used in a small projector. Further, the magnitude of the wavelength variation varies depending on the emission wavelength of the laser light source. For example, an InGaN semiconductor laser that oscillates near 445 nm has a fluctuation amount of about 0.6 nm per 10 ° C., whereas an AlGaInP semiconductor laser that oscillates near 640 nm has a fluctuation amount of about 2.0 nm per 10 ° C.

図8に、従来のコリメートレンズにおける焦点距離変動量を表したグラフを示す。この例では、445nmの波長に対して回折面を最適化した温度補正回折コリメートレンズの焦点距離の変化量を示している。なお、図8に示す例では、光学素子を固定する筐体の熱膨張を考慮に入れていない。   FIG. 8 is a graph showing the focal length variation in the conventional collimating lens. In this example, the amount of change in the focal length of the temperature-corrected diffraction collimating lens with the diffraction surface optimized for a wavelength of 445 nm is shown. Note that the example shown in FIG. 8 does not take into account the thermal expansion of the housing that fixes the optical element.

図8(A)は、波長445nmの光源の温度に対する波長変動量を0.06nm/℃、波長640nmの光源の温度に対する波長変動量を0.2nm/℃としている。また、比較のため、同じ焦点距離、有効直径、レンズ厚、同じ樹脂材料にて設計された、回折構造を持たないコリメートレンズの焦点距離変動量も示している。   In FIG. 8A, the wavelength variation with respect to the temperature of the light source with a wavelength of 445 nm is 0.06 nm / ° C., and the wavelength variation with respect to the temperature of the light source with a wavelength of 640 nm is 0.2 nm / ° C. For comparison, the focal length fluctuation amount of a collimating lens having the same focal length, effective diameter, lens thickness, and the same resin material and having no diffraction structure is also shown.

図8(A)から明らかなように、波長445nmの光源、波長640nmの光源いずれに対しても、焦点距離変動量が回折構造を持たないコリメートレンズに比べ抑えられている。しかしながら、その効果には差があり、波長445nmの光源に対しては95%以上の補正効果があるのに対し、波長640nmの光源に対しては、30%程度の補正効果しか有しない。   As is clear from FIG. 8A, the focal length variation is suppressed for both the light source having a wavelength of 445 nm and the light source having a wavelength of 640 nm as compared with a collimating lens having no diffraction structure. However, there is a difference in the effect, and there is a correction effect of 95% or more for a light source with a wavelength of 445 nm, whereas there is only a correction effect of about 30% for a light source with a wavelength of 640 nm.

また、図8(B)は、仮に、波長640nmの光源の波長変動量を0.06nm/℃として、波長445nmの光源と同じ波長変動量とした場合の焦点距離変動量を示している。図8(B)に示す例では、最適化されている波長445nmとほぼ同等の補正効果が得られている。   FIG. 8B shows the focal length fluctuation amount when the wavelength fluctuation amount of the light source having a wavelength of 640 nm is set to 0.06 nm / ° C. and the same wavelength fluctuation amount as that of the light source having a wavelength of 445 nm is set. In the example shown in FIG. 8B, a correction effect substantially equivalent to the optimized wavelength of 445 nm is obtained.

図9に、当該コリメートレンズ(以下、温度補正回折コリメートレンズとも呼ぶ)の面形状係数((a)は出射面、(b)は入射面を示す)、図10に、このコリメートレンズの温度補正回折面に付与されている回折構造を示す。ここで、面形状式は次式(1)で表わされる。
Z={R×C}/〔1+√{1−(1+K)(R×C)}〕+A4×R+A6×R+A8×R+・・・
ただし、
Z:光軸方向のレンズ高さ
R:光軸からの距離
K:コーニック係数
C:曲率
Ai:非球面係数(i=4,6,8・・・)である。 …(1)
なお、この温度補正回折コリメートレンズは、焦点距離は約3mm、有効直径1.4mm、レンズ厚2mmとして設計されている。
FIG. 9 shows the surface shape factor ((a) shows the exit surface and (b) shows the entrance surface) of the collimating lens (hereinafter also referred to as temperature correction diffraction collimating lens), and FIG. 10 shows the temperature correction of this collimating lens. The diffraction structure provided to the diffraction surface is shown. Here, the surface shape formula is expressed by the following formula (1).
Z = {R 2 × C} / [1 + √ {1- (1 + K) (R × C) 2 }] + A4 × R 4 + A6 × R 6 + A8 × R 8 +.
However,
Z: lens height in the optical axis direction R: distance from the optical axis K: conic coefficient C: curvature Ai: aspherical coefficient (i = 4, 6, 8,...). ... (1)
This temperature-corrected diffraction collimating lens is designed with a focal length of about 3 mm, an effective diameter of 1.4 mm, and a lens thickness of 2 mm.

以上のように、焦点距離補正量が適正でない波長帯域が発生してしまうため、コリメートレンズとして必要なコリメート性能が得られず、これを小型の投影型画像表示装置等に用いた場合、ある特定の波長のみ画質の劣化が発生してしまうおそれがあるとういう問題が残されていた。   As described above, since a wavelength band in which the focal length correction amount is not appropriate is generated, a collimating performance necessary as a collimating lens cannot be obtained, and when this is used for a small projection type image display device or the like, there is a certain specification. There remains a problem that image quality may be deteriorated only at the wavelength of.

そこで本発明は、レーザー光源を構成する半導体材料が異なり、温度に対する波長変動量が異なる場合であっても、同じ回折構造及び球面あるいは非球面を持つ回折コリメートレンズにより、温度に対し変化するコリメートレンズの焦点距離変動を行うことを、波長の異なる複数のレーザー光源に対して可能にすることにより、波長の異なる複数のレーザー光源に対して共用することができる光学装置および該光学装置を有する投影型画像表示装置および光学装置の製造方法を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention provides a collimating lens that changes with temperature by means of a diffractive collimating lens having the same diffractive structure and a spherical surface or an aspherical surface even when the semiconductor material constituting the laser light source is different and the wavelength variation with respect to temperature is different. to make a focal length variation of, by allowing for different plurality of laser light sources wavelengths, projection having an optical device and the optical device can be shared by different laser light sources wavelengths An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an image display device and an optical device .

かかる目的を達成するため、請求項1に記載の光学装置は、2以上の波長λ(i=1,2,3,…)の異なる複数のレーザー光源と、複数のレーザー光源から発せられた複数のレーザー光のコリメートを行う複数のコリメートレンズと、を備える光学装置であって、前記コリメートレンズの少なくとも一方の面に回折構造を有し、該回折構造は、各波長λに対し回折効率が最大となり、温度変化により生じる焦点距離の補正量を、複数のレーザー光源のうち温度変化に対する波長変化量が最小となるレーザー光源Aに対する焦点距離の変化(変化量をΔfAとする)に対して補正不足、複数のレーザー光源のうち温度変化に対する波長変化量が最大となるレーザー光源Bに対する焦点距離の変化(変化量をΔfBとする)に対して補正過剰となり、かつ、変化量ΔfAと変化量ΔfBとの絶対値が同等となるものである。
To achieve the above object, an optical device according to claim 1, 2 or more wavelengths λ i (i = 1,2,3, ... ) and a plurality of laser light sources of different, emitted from the plurality of laser light sources a plurality of collimator lenses to perform collimation of the plurality of laser light is, an optical device comprising a has a diffractive structure on at least one surface of the collimating lens, the diffractive structure is diffracted to each wavelength lambda i The correction amount of the focal length caused by the temperature change with the maximum efficiency is set to the focal length change (change amount is assumed to be ΔfA) with respect to the laser light source A having the minimum wavelength change amount with respect to the temperature change among the plurality of laser light sources. undercorrection Te, corrected for the change in focal length relative to a laser light source B to wavelength variation is maximized with respect to the temperature variation among the plurality of laser light sources (the variation to .DELTA.FB) Next over - and one in which the absolute value of the change amount ΔfA and the change amount ΔfB is the same or the like.

したがって、レーザー光源を構成する半導体材料が異なり、温度に対する波長変動量が異なる場合であっても、同じ回折構造及び球面あるいは非球面を持つ回折コリメートレンズにより、温度に対し変化するコリメートレンズの焦点距離変動を行うことが、波長の異なる複数のレーザー光源に対して可能となる。   Therefore, even if the semiconductor materials that make up the laser light source are different, and the amount of wavelength variation with respect to temperature is different, the collimating lens focal length varies with temperature due to the diffraction structure with the same diffraction structure and spherical or aspherical surface. The variation can be performed for a plurality of laser light sources having different wavelengths.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光学装置において、コリメートレンズは、樹脂材料を用いた射出成形法により製造されたものである。
According to a second aspect of the present invention, in the optical device according to the first aspect , the collimating lens is manufactured by an injection molding method using a resin material.

また、請求項3に記載の投影型画像表示装置は、請求項1または2に記載の光学装置と、複数のレーザー光源から出射した光を、複数のコリメートレンズによりコリメートし、該コリメートされた複数の波長の光束を同一光路上へと合成する光学系と、同一光路上へと合成された光束を2次元的に走査可能な走査手段と、走査手段の動きに同期して、レーザー光源の出力を制御する制御手段とを有するものである。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a projection type image display apparatus, wherein the light emitted from the plurality of laser light sources and the optical apparatus according to the first or second aspect are collimated by a plurality of collimating lenses. An optical system for synthesizing a light beam having a wavelength of 1 to the same optical path, a scanning unit capable of two-dimensionally scanning the synthesized light beam on the same optical path, and an output of the laser light source in synchronization with the movement of the scanning unit and control means for controlling, and has a.

また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の投影型画像表示装置において、レーザー光源AはGaN(窒化ガリウム)系半導体レーザーであり、レーザー光源BはGaInP(リン化インジウムガリウム)系半導体レーザーまたはGaAs(砒化ガリウム)系半導体レーザーであるものである。   According to a fourth aspect of the present invention, in the projection type image display apparatus according to the third aspect, the laser light source A is a GaN (gallium nitride) semiconductor laser, and the laser light source B is GaInP (indium gallium phosphide). A semiconductor laser or a GaAs (gallium arsenide) semiconductor laser.

また、請求項5に記載の投影型画像表示装置は、請求項1または2に記載の光学装置を有するものである。また、請求項6に記載の光学装置の製造方法は、2以上の波長λ (i=1,2,3,…)の異なる複数のレーザー光源と、該複数のレーザー光源から発せられた複数のレーザー光のコリメートを行う複数のコリメートレンズと、を備える光学装置の製造方法であって、コリメートレンズの少なくとも一方の面に回折構造を有し、該回折構造が、各波長λ に対し回折効率が最大となり、温度変化により生じる焦点距離の補正量を、複数のレーザー光源のうち温度変化に対する波長変化量が最小となるレーザー光源Aに対する焦点距離の変化(変化量をΔfAとする)に対して補正不足、複数のレーザー光源のうち温度変化に対する波長変化量が最大となるレーザー光源Bに対する焦点距離の変化(変化量をΔfBとする)に対して補正過剰となり、かつ、変化量ΔfAと変化量ΔfBとの絶対値が同等となるように該回折構造を設計する工程を含むようにしたものである。
A projection type image display device according to a fifth aspect includes the optical device according to the first or second aspect. According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing an optical device , comprising: a plurality of laser light sources having different wavelengths λ i (i = 1, 2, 3,...); And a plurality of laser light sources emitted from the plurality of laser light sources. a method of manufacturing an optical device comprising a plurality of collimating lenses, a performing collimated laser beam, having a diffractive structure on at least one surface of the collimator lens, the diffraction structure is a diffraction for each wavelength lambda i The correction amount of the focal length caused by the temperature change with the maximum efficiency is set to the focal length change (change amount is assumed to be ΔfA) with respect to the laser light source A having the minimum wavelength change amount with respect to the temperature change among the plurality of laser light sources. Undercorrection, overcorrection for focal length change (change amount is assumed to be ΔfB) with respect to laser light source B that has the largest wavelength change amount with respect to temperature change among a plurality of laser light sources It becomes, and the absolute value of the change amount ΔfA and the change amount ΔfB is that to include a step of designing a diffractive structure such that the equivalent.

本発明によれば、回折コリメートレンズの共用が可能となり、各波長のレーザーに対し個別に回折コリメートレンズを設計、製造することが不要となる。また、温度補正機能を保持したまま、金型の作成数の低下や開発期間の短縮等に繋がり、コリメートレンズおよびこれを用いた投影型画像表示装置の製造コストを下げることができる。   According to the present invention, it is possible to share a diffractive collimating lens, and it becomes unnecessary to design and manufacture a diffractive collimating lens individually for each wavelength laser. In addition, while maintaining the temperature correction function, it is possible to reduce the number of molds produced and shorten the development period, thereby reducing the manufacturing cost of the collimating lens and the projection type image display apparatus using the collimating lens.

本発明に係る投影型画像表示装置の一実施形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one Embodiment of the projection type image display apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るコリメートレンズの一実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one Embodiment of the collimating lens which concerns on this invention. 回折コリメートレンズの回折面の断面構造の一例である。It is an example of the cross-sectional structure of the diffraction surface of a diffraction collimating lens. 回折コリメートレンズの各波長における焦点距離変動量を表したグラフの例である。It is an example of the graph showing the focal distance variation | change_quantity in each wavelength of a diffraction collimating lens. 回折構造の位相関数の2次係数C2と回折コリメートレンズの各波長における25℃から80℃へ温度上昇した場合の焦点距離変動量の変化を示すグラフの例である。It is an example of the graph which shows the change of the focal distance variation | change_quantity when the temperature rises from 25 degreeC to 80 degreeC in each wavelength of the diffraction coefficient phase function and diffraction collimating lens. 回折コリメートレンズの面形状係数である。It is a surface shape factor of a diffraction collimating lens. 従来の投影型画像表示装置の概略構成図の一例である。It is an example of the schematic block diagram of the conventional projection type image display apparatus. 従来のコリメートレンズにおける焦点距離変動量を表したグラフの例である。It is an example of the graph showing the focal distance variation | change_quantity in the conventional collimating lens. 従来の回折コリメートレンズの面形状係数である。It is a surface shape factor of the conventional diffraction collimating lens. 回折コリメートレンズの回折面の断面図である。It is sectional drawing of the diffraction surface of a diffraction collimating lens.

以下、本発明に係る構成を図1から図6に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, a configuration according to the present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS.

(投影型画像表示装置)
本発明に係る投影型画像表示装置は、以下に説明する本発明に係るコリメートレンズ(以下、回折コリメートレンズともいう)を有し、レーザー光源から出射した光を、コリメートレンズによりコリメートし、該コリメートされた複数の波長の光束を同一光路上へと合成する光学系と、同一光路上へと合成された光束を2次元的に走査可能な走査手段と、走査手段の動きに同期して、レーザー光源の出力を制御する制御手段とを有するものである。なお、本発明に係るコリメートレンズは、図1に示す構成の投影型画像表示装置に限られず、他の様々な構成の投影型画像表示装置に適用することも好適である。
(Projection type image display device)
A projection type image display apparatus according to the present invention has a collimating lens according to the present invention (hereinafter also referred to as a diffraction collimating lens) described below, collimates light emitted from a laser light source with a collimating lens, and the collimating An optical system for synthesizing a plurality of light beams having a plurality of wavelengths on the same optical path, a scanning unit capable of two-dimensionally scanning the light beam synthesized on the same optical path, and a laser in synchronization with the movement of the scanning unit. Control means for controlling the output of the light source. Note that the collimating lens according to the present invention is not limited to the projection type image display apparatus having the configuration shown in FIG. 1, and is preferably applied to projection type image display apparatuses having various other configurations.

図1に、投影型画像表示装置の一実施形態を示す。本実施形態に係る投影型画像表示装置10は、それぞれR(赤)、G(緑)、B(青)のレーザー光を放射するレーザー光源1R、1G、1Bと、各レーザー光源1R、1G、1Bからのレーザー光をコリメートする回折コリメートレンズレンズ2R、2G、2Bを備えている。   FIG. 1 shows an embodiment of a projection type image display apparatus. The projection-type image display apparatus 10 according to the present embodiment includes laser light sources 1R, 1G, and 1B that emit laser beams of R (red), G (green), and B (blue), and laser light sources 1R, 1G, A diffractive collimating lens lens 2R, 2G, 2B for collimating the laser beam from 1B is provided.

本実施形態では、赤のレーザー光源1Rとして、主にGaInP系の半導体で構成された、波長640nm付近で発光する半導体レーザーを用いている。また、青のレーザー光源1Bとして、主にInGaN系の半導体で構成された、波長445nm付近で発光する半導体レーザーを用いている。さらに、緑のレーザー光源1Gとして、近年開発された主にInGaN系の半導体で構成された、波長500〜545nm付近で発光する半導体レーザーを用いている。なお、緑のレーザー光源1Gとしては、第2次高調波発生(SHG)を用いて構成され、532nmの波長で発信するYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)レーザーを使用することも好ましい。   In this embodiment, as the red laser light source 1R, a semiconductor laser that is mainly composed of a GaInP-based semiconductor and emits light in the vicinity of a wavelength of 640 nm is used. Further, as the blue laser light source 1B, a semiconductor laser that is mainly composed of an InGaN-based semiconductor and emits light in the vicinity of a wavelength of 445 nm is used. Further, as the green laser light source 1G, a semiconductor laser that has been developed in recent years and is mainly composed of an InGaN-based semiconductor and emits light in the vicinity of a wavelength of 500 to 545 nm is used. As the green laser light source 1G, it is also preferable to use a YAG (yttrium, aluminum, garnet) laser that is configured using second harmonic generation (SHG) and transmits at a wavelength of 532 nm.

本実施形態に係る回折コリメートレンズ2R、2G、2Bは、以下に詳細を説明するように、同一回折構造、同一球面もしくは非球面で構成されており、各波長で個別設計されているわけではないため共用することが可能である。   The diffractive collimating lenses 2R, 2G, and 2B according to the present embodiment are configured with the same diffractive structure, the same spherical surface, or the aspherical surface, as will be described in detail below, and are not individually designed for each wavelength. Therefore, it can be shared.

また、投影型画像表示装置10は、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(光学系)3R、3G、3Bと、傾斜角が可変なミラーを備えたMEMSミラー装置(走査手段)4と、当該MEMSミラー装置4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レーザー光源1R、1G、1Bから光強度変調されたレーザー光を放射させる制御回路(制御手段)5とから構成される。また、制御回路5は、ミラー制御手段と変調手段を有しており、これに同期してレーザー光強度を変調させることによりスクリーン6上に画像を形成する。   The projection-type image display device 10 includes dichroic mirrors (optical systems) 3R, 3G, and 3B that reflect only red light, green light, and blue light, and transmit other light, and mirrors with variable tilt angles. The MEMS mirror device (scanning means) 4 provided and the mirror of the MEMS mirror device 4 are rotated in the horizontal direction and the vertical direction, and the light intensity is modulated from the laser light sources 1R, 1G, 1B according to the input video signal. It comprises a control circuit (control means) 5 that emits laser light. Further, the control circuit 5 has mirror control means and modulation means, and forms an image on the screen 6 by modulating the laser light intensity in synchronization therewith.

(回折コリメートレンズ)
本発明に係る光学装置は、2以上の波長λ(i=1,2,3,…)の異なる複数のレーザー光源1と、複数のレーザー光源1から発せられたレーザー光のコリメートを行う複数のコリメートレンズ(回折コリメートレンズ2)と、を備える光学装置であって、コリメートレンズの少なくとも一方の面に回折構造を有し、該回折構造は、各波長λに対し回折効率が最大となり、温度変化により生じる焦点距離の補正量を、複数のレーザー光源1のうち温度変化に対する波長変化量が最小となるレーザー光源Aに対する焦点距離の変化(変化量をΔfAとする)に対して補正不足、複数のレーザー光源のうち温度変化に対する波長変化量が最大となるレーザー光源Bに対する焦点距離の変化(変化量をΔfBとする)に対して補正過剰となり、かつ、変化量ΔfAと変化量ΔfBとの絶対値が同等となるものである。
(Diffraction collimating lens)
Optical device according to the present invention is carried out two or more wavelengths λ i (i = 1,2,3, ... ) different from the plurality of laser light sources 1 of the collimation of the plurality of laser beams emitted from the laser light source 1 An optical device including a plurality of collimating lenses (diffraction collimating lens 2), and having a diffractive structure on at least one surface of the collimating lens, and the diffractive structure has a maximum diffraction efficiency for each wavelength λ i. The correction amount of the focal length caused by the temperature change is insufficiently corrected with respect to the change of the focal length with respect to the laser light source A in which the wavelength change amount with respect to the temperature change is minimum among the plurality of laser light sources 1 (the change amount is ΔfA). , it overcorrected with respect to the focal length change of the relative laser light source B to wavelength variation is maximized with respect to the temperature variation among the plurality of laser source (the variation to .DELTA.FB) And one in which the absolute value of the change amount ΔfA variation ΔfB is the same or the like.

先ず、「補正不足」および「補正過剰」について説明する。ここで、本発明に係るコリメートレンズを構成する樹脂材料と同一の樹脂材料にて成形され、同一の有効径及び同一の焦点距離を有するが、回折構造は持たず球面あるいは非球面のみで構成されたコリメートレンズの温度変化に対する焦点距離変化量をΔfOとする。   First, “undercorrection” and “overcorrection” will be described. Here, it is molded from the same resin material as that constituting the collimating lens according to the present invention, has the same effective diameter and the same focal length, but does not have a diffractive structure, and is composed only of a spherical surface or an aspherical surface. Let ΔfO be the focal length change amount with respect to the temperature change of the collimating lens.

通常、レーザー光源から発する光は発散光であるため、コリメートレンズは凸レンズとして設計され、この場合、温度上昇に対して焦点距離は伸びる方向へ変化するものであるので、焦点距離変化量は、ΔfO>0で表わされる。   Usually, since the light emitted from the laser light source is divergent light, the collimating lens is designed as a convex lens. In this case, the focal length changes in the direction in which the focal length increases as the temperature rises. > 0.

したがって、「レーザー光源のうち温度変化に対する波長変化量が最小となるレーザー光源Aに対する焦点距離の変化(変化量をΔfAとする)に対して補正不足」、「レーザー光源のうち温度変化に対する波長変化量が最大となるレーザー光源Bに対する焦点距離の変化(変化量をΔfBとする)に対して補正過剰」となるとは、次式(2)が成り立つことを意味している。
ΔfB<0<ΔfA<ΔfO …(2)
Therefore, “Uncorrected for focal length change (change amount is assumed to be ΔfA) with respect to laser light source A in which the wavelength change amount with respect to temperature change is minimum among laser light sources”, “wavelength change with temperature change among laser light sources “To be overcorrected with respect to the change in focal length with respect to the laser light source B having the maximum amount (change amount is assumed to be ΔfB)” means that the following equation (2) is satisfied.
ΔfB <0 <ΔfA <ΔfO (2)

図2に本発明に係るコリメートレンズの一実施形態である回折コリメートレンズ2を示す。レーザー光源1から発せられた光束は、光源のカバーガラスを透過し、回折コリメートレンズ2の入射面2aから入射し、出射面2bから出射する。なお、本実施形態の回折コリメートレンズ2は、出射面2bに回折構造が付与されているが、入射面2a側に付与するようにしても良く、特に限られるものではない。   FIG. 2 shows a diffractive collimating lens 2 that is an embodiment of the collimating lens according to the present invention. The light beam emitted from the laser light source 1 passes through the cover glass of the light source, enters from the incident surface 2a of the diffractive collimating lens 2, and exits from the output surface 2b. In addition, although the diffraction collimating lens 2 of this embodiment is provided with the diffractive structure on the output surface 2b, it may be provided on the incident surface 2a side, and is not particularly limited.

図3は、図2に示す回折コリメートレンズ2の出射面2bに付与された回折構造の断面図を示している。なお、図3に示す回折構造は、上述のように、赤色の光源として波長640nmの半導体レーザー、緑色の光源として波長530nmの半導体レーザー、青色の光源として波長445nmの半導体レーザーを使用することを想定し設計されている。また、回折コリメートレンズ2はシクロオレフィン系樹脂材料にて射出成形されており、その屈折率は25℃下、波長530nmの光に対して1.512であるものとする。このように、回折コリメートレンズ2を樹脂材料を用いた射出成形法により製造することにより、製造コストを抑えて、量産することが可能となる。   FIG. 3 shows a cross-sectional view of the diffractive structure provided on the exit surface 2b of the diffractive collimating lens 2 shown in FIG. 3 assumes that a semiconductor laser with a wavelength of 640 nm is used as a red light source, a semiconductor laser with a wavelength of 530 nm is used as a green light source, and a semiconductor laser with a wavelength of 445 nm is used as a blue light source, as described above. Designed. The diffraction collimating lens 2 is injection-molded with a cycloolefin resin material, and its refractive index is 1.512 with respect to light having a wavelength of 530 nm at 25 ° C. Thus, by manufacturing the diffractive collimating lens 2 by an injection molding method using a resin material, it is possible to reduce the manufacturing cost and to mass-produce.

ここで、各波長λに対し回折効率が最大となるようにするには、段差により形成される回折構造の回折溝の深さdを、λ/{n(λ)−1}(λ=640nm、530nm、445nmのいずれか)の最小公倍数に設定すればよく、本実施形態では、d=5.12μmとなる(この点につき、特許文献2参照)。 Here, in order to maximize the diffraction efficiency for each wavelength λ i, the depth d of the diffraction groove of the diffractive structure formed by the step is set to λ i / {n (λ i ) −1} ( The least common multiple of λ i = 640 nm, 530 nm, or 445 nm may be set. In this embodiment, d = 5.12 μm (refer to Patent Document 2 for this point).

また、図3に示す回折構造は、その断面形状が鋸歯状のブレーズド回折格子となっているが、これに限られるものではなく、例えば、断面形状が一部曲面になるフレネルステップ型回折格子や、ブレーズド回折格子を近似した形状である階段形状のマルチステップ型の回折格子等であっても良い。なお、マルチステップ型の回折格子の場合において、そのステップ数をmとすると、1段目からm段目までの段差の高さhは、次式(3)で表わされる。
h=(m−1)d/m …(3)
In addition, the diffraction structure shown in FIG. 3 is a blazed diffraction grating having a sawtooth cross section, but is not limited to this, for example, a Fresnel step type diffraction grating having a partially curved cross section, Alternatively, a multi-step diffraction grating having a stepped shape, which is a shape approximating a blazed diffraction grating, may be used. In the case of a multi-step type diffraction grating, if the number of steps is m, the step height h from the first step to the m-th step is expressed by the following equation (3).
h = (m−1) d / m (3)

次に、図4に回折レンズおよびレーザー光源が、25℃から80℃まで加熱された場合の回折コリメートレンズ2の各波長における焦点距離変動量を表したグラフを示す。また、比較のため、同じ焦点距離、有効直径、レンズ厚、同じ樹脂材料にて設計された、回折構造を持たないコリメートレンズの焦点距離変動量も示している。   Next, FIG. 4 shows a graph showing the focal length fluctuation amount at each wavelength of the diffractive collimator lens 2 when the diffractive lens and the laser light source are heated from 25 ° C. to 80 ° C. FIG. For comparison, the focal length fluctuation amount of a collimating lens having the same focal length, effective diameter, lens thickness, and the same resin material and having no diffraction structure is also shown.

図4に示す例では、波長445nm及び波長530nmの光源の温度に対する波長変動量を0.06nm/℃、波長640nmの光源の温度に対する波長変動量は0.2nm/℃となっている。   In the example shown in FIG. 4, the wavelength variation with respect to the temperature of the light source having the wavelength of 445 nm and the wavelength of 530 nm is 0.06 nm / ° C., and the wavelength variation with respect to the temperature of the light source with the wavelength of 640 nm is 0.2 nm / ° C.

ここで、本実施形態のように波長変動量が等しい波長が複数波長ある場合は、レーザー光源Aの候補としては、波長が最も長いものを選択すればよく、レーザー光源Bの候補としては、波長が最も短いものを選択すればよい。よって、レーザー光源Aとして波長530nmの光源が該当し、レーザー光源Bとして波長640nmの光源が該当する。   Here, when there are a plurality of wavelengths having the same wavelength variation amount as in the present embodiment, the laser light source A may be selected with the longest wavelength, and the laser light source B candidate may be a wavelength. The one with the shortest may be selected. Therefore, a light source with a wavelength of 530 nm corresponds to the laser light source A, and a light source with a wavelength of 640 nm corresponds to the laser light source B.

図4に示すように、波長530nmの光源における25℃から80℃へ温度上昇した場合の焦点距離変動量は、0.012mmであり、波長640nmの光源における25℃から80℃へ温度上昇した場合の焦点距離変動量は、-0.012mmと、符号が異なる(変動方向が異なる)が、その大きさはほぼ一致している。   As shown in FIG. 4, when the temperature rises from 25 ° C. to 80 ° C. in a light source with a wavelength of 530 nm, the focal length variation is 0.012 mm, and when the temperature rises from 25 ° C. to 80 ° C. in a light source with a wavelength of 640 nm The focal length variation amount of -0.012 mm is different in sign (variation direction is different), but the magnitudes are almost the same.

また、比較対象となる回折構造を持たないコリメートレンズの焦点距離変動量と比較すると、いずれの波長でも70%以上の補正効果が現れていることがわかる。   Further, it can be seen that a correction effect of 70% or more appears at any wavelength when compared with the focal length fluctuation amount of the collimating lens having no diffractive structure to be compared.

次に、図5に、回折構造の位相関数の2次係数C2と、回折コリメートレンズ2の各波長における25℃から80℃へ温度上昇した場合の焦点距離変動量の変化を示すグラフを示す。   Next, FIG. 5 shows a graph showing the change in the focal length variation when the temperature rises from 25 ° C. to 80 ° C. at each wavelength of the diffraction collimator lens 2 and the second order coefficient C2 of the phase function of the diffraction structure.

ここで、回折構造の位相関数φ(R)は、次式(4)で表わされる。但し、C2は回折構造のパワーの大きさである。
φ(R)=C2×R …(4)
Here, the phase function φ (R) of the diffractive structure is expressed by the following equation (4). Where C2 is the power of the diffractive structure.
φ (R) = C2 × R 2 (4)

図5に示すように、光源の温度に対する波長変動量が等しい波長445nmの光源と、波長530nmの光源に対しては、位相関数の2次係数C2に対して、緩やかに焦点距離変動量が変化していくのに対し、波長640nmの光源の場合は、急激に焦点距離変動量が変化してしまっている。   As shown in FIG. 5, for the light source having a wavelength of 445 nm and the light source having a wavelength of 530 nm having the same wavelength variation with respect to the temperature of the light source, the focal length variation gradually changes with respect to the quadratic coefficient C2 of the phase function. On the other hand, in the case of a light source with a wavelength of 640 nm, the focal length fluctuation amount changes abruptly.

そこで、この場合、波長530nmの焦点距離変動量ΔfAと波長640nmの焦点距離変動量ΔfBが、次式(5)を満たす、換言すれば、ΔfAとΔfBとの絶対値を同等となるように、C=−0.137程度にする(式(5)は同等を含む)ことで、波長445nmの光源、波長530nmの光源、波長640nmの光源のいずれに対しても、焦点距離変動量に対し補正効果のある回折構造を作成することが可能となる。
ΔfA=−ΔfB …(5)
Therefore, in this case, the focal length variation amount ΔfB of the focal length variation ΔfA and wavelength 640nm wavelength 530nm satisfies the following equation (5), in other words, the absolute value of the ΔfA and ΔfB so that the like , C = -0.137 about to (equation (5) comprises the, etc.) that is, the light source of wavelength 445 nm, light of wavelength 530 nm, for any light source of wavelength 640 nm, the focal length variation It is possible to create a diffractive structure having a correction effect.
ΔfA = −ΔfB (5)

図6に回折コリメートレンズ2の面形状係数を示す((a)は出射面、(b)は入射面を示す)。なお、回折コリメートレンズ2の回折面の断面図は、図10に示すものと同様である。また、面形状式は、次式(6)(上記式(1)と同式)であらわすことができる。
Z={R×C}/〔1+√{1−(1+K)(R×C)}〕+A4×R+A6×R+A8×R+・・・
ただし、
Z:光軸方向のレンズ高さ
R:光軸からの距離
K:コーニック係数
C:曲率
Ai:非球面係数(i=4,6,8・・・)である。 …(6)
FIG. 6 shows the surface shape factor of the diffractive collimating lens 2 ((a) shows the exit surface and (b) shows the entrance surface). The sectional view of the diffractive surface of the diffractive collimating lens 2 is the same as that shown in FIG. Further, the surface shape formula can be expressed by the following formula (6) (the same formula as the formula (1)).
Z = {R 2 × C} / [1 + √ {1- (1 + K) (R × C) 2 }] + A4 × R 4 + A6 × R 6 + A8 × R 8 +.
However,
Z: lens height in the optical axis direction R: distance from the optical axis K: conic coefficient C: curvature Ai: aspherical coefficient (i = 4, 6, 8,...). (6)

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。   The above-described embodiment is a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

例えば、上記実施形態では、レーザー光源1から発せられる発散光束を平行光として出射させる機能を持つコリメートレンズを例に説明したが、出射する光束は平行光束に限らず、発散光束や収束光束を出射させる機能を持つコリメートレンズへも適用することも好ましい。   For example, in the above embodiment, a collimator lens having a function of emitting a divergent light beam emitted from the laser light source 1 as parallel light has been described as an example. However, the emitted light beam is not limited to a parallel light beam and emits a divergent light beam or a convergent light beam. It is also preferable to apply it to a collimating lens having a function of

また、上記実施形態では、コリメートレンズ面上に回折構造を付与したが、これに限らず、回折面をコリメートレンズから分離し、回折光学面を持たないコリメートレンズと組み合わせて搭載する回折光学素子としても利用することも好ましい。   In the above embodiment, the diffractive structure is provided on the collimating lens surface. However, the diffractive optical element is not limited to this, and is separated from the collimating lens and mounted in combination with the collimating lens having no diffractive optical surface. Is also preferably used.

1R,1G,1B レーザー光源
2R,2G,2B 回折コリメートレンズ
3R,3G,3B ダイクロイックミラー
4 MEMSミラー装置
5 制御回路
6 スクリーン
10 投影型画像表示装置
1R, 1G, 1B Laser light sources 2R, 2G, 2B Diffraction collimating lenses 3R, 3G, 3B Dichroic mirror 4 MEMS mirror device 5 Control circuit 6 Screen 10 Projection type image display device

特開2006−189573号公報JP 2006-189573 A 特開2008− 70797号公報JP 2008-70797 A

Claims (6)

2以上の波長λ(i=1,2,3,…)の異なる複数のレーザー光源と、
複数のレーザー光源から発せられた複数のレーザー光のコリメートを行う複数のコリメートレンズと、を備える光学装置であって、
前記コリメートレンズの少なくとも一方の面に回折構造を有し、
該回折構造は、前記各波長λに対し回折効率が最大となり、温度変化により生じる焦点距離の補正量を、前記複数のレーザー光源のうち温度変化に対する波長変化量が最小となるレーザー光源Aに対する焦点距離の変化(変化量をΔfAとする)に対して補正不足、前記複数のレーザー光源のうち温度変化に対する波長変化量が最大となるレーザー光源Bに対する焦点距離の変化(変化量をΔfBとする)に対して補正過剰となり、かつ、変化量ΔfAと変化量ΔfBとの絶対値が同等となることを特徴とする光学装置
A plurality of laser light sources having different wavelengths λ i (i = 1, 2, 3,...) ,
An optical device comprising a plurality of collimating lenses, a performing collimation of a plurality of laser beams emitted from the plurality of laser light sources,
Having a diffractive structure on at least one surface of the collimating lens ;
The diffractive structure has the maximum diffraction efficiency for each wavelength λ i, and the correction amount of the focal length caused by the temperature change is the same as the laser light source A that has the smallest wavelength change amount with respect to the temperature change among the plurality of laser light sources. Insufficient correction for change in focal length (change amount is set to ΔfA), change in focal length with respect to laser light source B having the maximum wavelength change amount with respect to temperature change among the plurality of laser light sources (change amount is set to ΔfB) ) correction becomes excessive relative and the absolute value of the amount of change ΔfA variation ΔfB optical device characterized by comprising the same or the like.
前記コリメートレンズは、樹脂材料を用いた射出成形法により製造されたことを特徴とする請求項1に記載の光学装置The optical device according to claim 1, wherein the collimating lens is manufactured by an injection molding method using a resin material. 請求項1または2に記載の光学装置と、
前記複数のレーザー光源から出射した光を、前記複数のコリメートレンズによりコリメートし、該コリメートされた複数の波長の光束を同一光路上へと合成する光学系と、
同一光路上へと合成された光束を2次元的に走査可能な走査手段と、
前記走査手段の動きに同期して、前記レーザー光源の出力を制御する制御手段とを有することを特徴とする投影型画像表示装置。
An optical device according to claim 1 or 2 ,
An optical system that collimates the light emitted from the plurality of laser light sources by the plurality of collimating lenses and synthesizes the collimated light beams of the plurality of wavelengths onto the same optical path;
Scanning means capable of two-dimensionally scanning a light beam synthesized on the same optical path;
In synchronism with the movement of said scanning means, a projection type image display apparatus characterized by having a control means for controlling the output of the laser light source.
前記レーザー光源AはGaN系半導体レーザーであり、
前記レーザー光源BはGaInP系半導体レーザーまたはGaAs系半導体レーザーであることを特徴とする請求項3に記載の投影型画像表示装置。
The laser light source A is a GaN semiconductor laser,
4. The projection type image display device according to claim 3, wherein the laser light source B is a GaInP semiconductor laser or a GaAs semiconductor laser.
請求項1または2に記載の光学装置を有することを特徴とする投影型画像表示装置。 A projection-type image display device comprising the optical device according to claim 1. 2以上の波長λ2 or more wavelengths λ i (i=1,2,3,…)の異なる複数のレーザー光源と、A plurality of different laser light sources (i = 1, 2, 3,...);
該複数のレーザー光源から発せられた複数のレーザー光のコリメートを行う複数のコリメートレンズと、を備える光学装置の製造方法であって、A plurality of collimating lenses for collimating a plurality of laser beams emitted from the plurality of laser light sources, and a manufacturing method of an optical device comprising:
前記コリメートレンズの少なくとも一方の面に回折構造を有し、該回折構造が、前記各波長λThe collimating lens has a diffractive structure on at least one surface, and the diffractive structure has each wavelength λ i に対し回折効率が最大となり、温度変化により生じる焦点距離の補正量を、前記複数のレーザー光源のうち温度変化に対する波長変化量が最小となるレーザー光源Aに対する焦点距離の変化(変化量をΔfAとする)に対して補正不足、前記複数のレーザー光源のうち温度変化に対する波長変化量が最大となるレーザー光源Bに対する焦点距離の変化(変化量をΔfBとする)に対して補正過剰となり、かつ、変化量ΔfAと変化量ΔfBとの絶対値が同等となるように該回折構造を設計する工程を含むことを特徴とする光学装置の製造方法。In contrast, the correction amount of the focal length caused by the change in temperature with the maximum diffraction efficiency is the change in the focal length with respect to the laser light source A in which the wavelength change amount with respect to the temperature change is the minimum among the plurality of laser light sources. Correction is insufficient, correction is overcorrected with respect to a change in focal length with respect to the laser light source B having a maximum wavelength change amount with respect to temperature change among the plurality of laser light sources (a change amount is ΔfB), and A method for manufacturing an optical device, comprising a step of designing the diffractive structure so that the absolute values of the change amount ΔfA and the change amount ΔfB are equal.
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