JP5581700B2 - カップリングレンズおよび該カップリングレンズを有する投影型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、カップリングレンズおよび該カップリングレンズを有する投影型画像表示装置に関する。さらに詳述すると、複数の光源から変調されて射出された光を合成して同一方向へ照射する照明装置（照明光学系）に用いられるカップリングレンズ、該カップリングレンズを有するレーザー走査型プロジェクタ等の投影型画像表示装置に関する。

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。

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）。

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１５に示す。図１５に示すプロジェクタ１００において、各レーザー光源１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂは、それぞれＲ、Ｇ、Ｂのレーザー光を放射する。また、レンズ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂは、それぞれＲ、Ｇ、Ｂのレーザー光を集光する。また、ダイクロイックミラー１０３（１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂ）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。また、ＭＥＭＳミラー１０４は、水平方向及び垂直方向に回動されることで、傾斜角を可変できる。さらに、ＭＥＭＳミラー１０４は、ダイクロイックミラー１０３からの赤色光、緑色光、青色光を反射し、投影レンズ１０７を介して、投影面（スクリーン）１０６に画像を形成する。

制御装置１０５は、ＭＥＭＳミラー１０４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ＶＩＮ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。

また、レーザーとＭＥＭＳミラーを用いた投影型画像表示装置の技術は、他に特許文献２および特許文献３に開示されている。

この特許文献１〜３に開示されている投影型画像表示装置を用いて、スクリーン上に、にじみの無いカラー画像を得るためには、スクリーン上での３色のビーム径が同等の大きさである必要がある。また、スクリーン上の画像の解像度を維持するためには、温度変化、経時変化などにともなうビーム径の変化を抑える必要がある。

投影型画像表示装置などの光学装置の照明光学系に用いられるカップリングレンズは、レーザー光源から出射する発散光束を平行光に変換することを主要な機能とするが、さらに、照明光学系により照射された光束を集光するための結像光学系において、像面スポットの増大を防ぐためには、出射光の平行度合いを維持することが必要となる。また、レーザー光源からの光の利用効率の低下を抑えるため、または、像面のスポットをばらつきなく小さく絞るためには、レンズ縁への入射光の強度分布をピーク強度に対し、ある程度確保する必要がある。

また、一般的に、レーザー光源に用いられる半導体レーザー等の光強度分布は、ガウシアンビーム、すなわち、断面の放射強度分布がガウス分布を示し、周辺部ほど強度が弱くなる。したがって、レンズにより理論的限界（回折限界）まで集光できるという特長がある一方で、レーザー用途の多様化により、均一な強度分布や任意の強度分布が必要となっている。

ここで、リム強度を大きくし、強度分布を均一化するためには、光源から出射される光の中央部のみを使用すれば良いが、レーザー光源から出射される光の利用効率（取り込み効率）が下がるという問題がある。よって、リム強度が大きくなり、かつ取り込み効率が高くなるようなレンズが求められる。

また、均一な強度分布を得る手段としては、レンズアレイなどによるインテグレータを用いる方法がある。インテグレータを用いることにより、光束を分割し、同一領域に重ね合わることで、強度を均一化することが可能となるが、レーザー光源を用いた場合は、強度分布が乱れ、波面収差が発生するという問題がある。

このような問題に対して、特許文献４には、複数のレンズ群を用いて、各レンズ群の球面収差により入射光の強度分布を平坦にして出射する技術が開示されている。しかしながら、特許文献４に記載の技術では、部品点数が増えるためコストの増加が生じ、また、光路長が大きくなるため、小型化を要する投影型画像表示装置などの光学装置への適用には向かない。

また、特に、複数波長に対応して強度分布を均一とし、かつ波長変動による位相分布変化（波面収差）を抑えることはできないという問題があった。

また、上記の従来技術は、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る。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レンズ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。

さらに、装置内部の温度変化やモードホップなどに起因する波長変動により、レンズ材料の屈折率変化が生じるという問題がある。そのためカップリングレンズ透過光の位相分布が変化し、平行光からのズレが生じることにより、スポット径が増加することで画質が低下し、小型の投影型画像表示装置においては画質の劣化が発生するという問題があった。

例えば、特許文献５には、取り込み効率が高く、リム強度の高い光学素子が提案されている。特許文献５に記載の光学素子によれば、入射光は、第１の曲面表面における屈折により光学素子内の一部の領域においては発散し、光学素子内の他の領域においては収束する。よって、入射光の光強度分布とは異なった光強度分布によって、出射光は第２の曲面表面を通って出射する。しかしながら、特許文献５には、波長変動に関する記載は、何らされておらず、また、複数の波長にも対応していない。

そこで本発明は、以上の波長λ_ｉ（ｉ＝１，２，３，…）の異なるレーザー光源を備える照射光学系における、該レーザー光源から出射する光束をカップリングするカップリングレンズであって、各波長に対し、それぞれ異なるバックフォーカスで発散光束を略平行光に変換し、少なくとも一方の面に回折構造を有し、レーザー光源側の第１面および出射側の第２面の曲面は凸形状であって、各レーザー光源から出射された各光束の光強度分布を、光束の有効範囲において略均一な強度分布に補正し、かつ、回折構造は、各光束の波長変動に伴う、焦点位置の変化をそれぞれ補正する、すなわち、光源の強度分布が均一な光束に変換し、かつ波長変動に対する平行光のズレを補償することで、波面品質の向上に寄与することができるカップリングレンズおよび該カップリングレンズを有する投影型画像表示装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、請求項１に記載のカップリングレンズは、３種類の異なる波長λ _１ ，λ _２ ，λ _３ （但し、λ _１ ＞λ _２ ＞λ _３ ）の光を出射する第１、第２、第３のレーザー光源を備える照射光学系における、該レーザー光源から出射する光束をカップリングするカップリングレンズであって、各波長に対し、それぞれ異なるバックフォーカスで発散光束を略平行光に変換し、少なくとも一方の面に回折構造を有し、レーザー光源側の第１面および出射側の第２面の曲面は凸形状であって、各レーザー光源から出射された各光束の光強度分布を、光束の有効範囲において略均一な強度分布に補正し、かつ、回折構造は、各光束の波長変動に伴う、焦点位置の変化をそれぞれ補正するものであって、光線の入射半径位置に対し、第１面は、光軸近傍ほど屈折パワーが弱く、周辺部ほど屈折パワーを強くなるよう、第２面は、光軸近傍およびレンズ周辺部では屈折パワーが弱く、レンズ半径の中間位置において屈折パワーを最大とするように略平行光を出射し、第１面を入射する光束の最外周光線の半径位置Ｒ _１ と、第２面を出射する光束の最外周光線の半径位置Ｒ _２ とを略同等としたものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のカップリングレンズにおいて、第１面を入射する光束の最外周光線の半径位置Ｒ_１と第２面を出射する光束の最外周光線の半径位置Ｒ_２は、次式（１）、
０．９≦Ｒ_２／Ｒ_１≦１．１ …（１）
を満たすものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のカップリングレンズにおいて、回折構造は、レーザー光源からの各光束のそれぞれに対し、回折効率が最大となる回折溝の高さを有するものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３までのいずれかに記載のカップリングレンズにおいて、第１のレーザー光源から出射する第１の波長は６００〜７００ｎｍ、第２のレーザー光源から出射する第２の波長は５００〜５５０ｎｍ、第３のレーザー光源から出射する第３の波長は４００〜４８０ｎｍであるものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４までのいずれかに記載のカップリングレンズにおいて、樹脂材料を用いて製造されたものである。

また、請求項６に記載の投影型画像表示装置は、少なくとも、請求項１から５までのいずれかに記載のカップリングレンズと、カップリングレンズから出射するレーザー光の光路を１つに合成する光路合成手段と、光路合成手段により合成されたレーザー光を反射させる、互いに直交する２軸方向に回動するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーと、ＭＥＭＳミラーの動きに同期して、レーザー光源の出力を制御する制御手段とを備えるものである。

本発明によれば、光源の強度分布が均一な光束に変換し、かつ波長変動に対する平行光のズレを補償することで、波面品質の向上に寄与することができる。また、複数波長に対応して、強度分布を均一とし、かつ波長変動による位相分布変化（波面収差）を抑えることができる。さらに、各波長のレーザーに対しカップリングレンズの共用が可能となり、個別に回折カップリングレンズを設計、製造することが不要となるため、コストの増大を抑えることができる。

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。 カップリングレンズおよびレーザー光源を示す模式図である。 カップリングレンズの断面における放射強度分布を示す。 カップリングレンズを透過する光束の相対半径位置における光線の屈折角を示すグラフの例である。 波長変化と焦点距離変化との関係を示すグラフの例である。 本発明に係るカップリングレンズの一実施形態を示す模式図である。 波長変動により生じる焦点距離変化の補正効果を示すグラフの一例である。 波長変動により生じる焦点距離変化の補正効果を示すグラフの他の例である。 （ａ）はリム強度５０％の入射光の強度分布、（ｂ）は入射光強度が均一分布の場合のカップリングレンズ透過光強度分布、（ｃ）はリム強度５０％の入射光がカップリングレンズを透過した場合の強度分布を示す。 （ａ）はリム強度５０％の入射光の強度分布、（ｂ）は入射光強度が均一分布の場合のカップリングレンズ透過光強度分布、（ｃ）はリム強度５０％の入射光がカップリングレンズを透過した場合の強度分布を示す。 本発明に係るカップリングレンズの他の実施形態を示す模式図である。 本発明に係るカップリングレンズの他の実施形態を示す模式図である。 カップリングレンズの回折面の断面構造の一例である。 ＭＥＭＳミラーの一例を示す模式図である。 従来の投影型画像表示装置の一例を示す概略構成図である。

以下、本発明に係る構成を図１から図１４に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。

（照射光学系）
図１に本発明に係る投影型画像表示装置の一実施形態（走査型プロジェクタ）を示す。本実施形態に係る投影型画像表示装置（走査型プロジェクタ）１０における照明装置（照明光学系）２０は、第１の波長λ_１の光を発する第１のレーザー光源（第１の光源）と、第２の波長λ_２の光を発する第２のレーザー光源（第２の光源）と、第３の波長λ_３の光を発する第３のレーザー光源（第３の光源）とを有しており、第１の光源としては赤色波長領域の光を発する半導体レーザー（以下、赤色ＬＤともいう）１Ｒを、第２の光源としては緑色波長領域の光を発する半導体レーザー（以下、緑色ＬＤともいう）１Ｇを、第３の光源としては青色波長領域の光を発する半導体レーザー（以下、青色ＬＤともいう）１Ｂを用いている。なお、レーザー光源数、レーザー構成等は、以下に述べる例に限られるものではない。

青色波長領域、赤色波長領域は、それぞれ約４００ｎｍ〜４８０ｎｍ、６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲を指しており、赤色ＬＤ１Ｒとしては、例えば、波長λ_１が６４０ｎｍの光を発するレーザーダイオード（以下、ＬＤ）を、青色ＬＤ１Ｂとしては、例えば、波長λ_３が４４５ｎｍの光を発するＬＤを用いることができる。なお、青色ＬＤおよび赤色ＬＤは、別のチップで同一のマウント上に実装したものであっても、青色ＬＤおよび赤色ＬＤ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。

また、第２の光源としては、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。なお、緑色光源としては、半導体レーザーを使用することが最も好ましいが、これに限られるものではなく、安定的に使用可能な緑色半導体レーザーである固体レーザーや、赤外半導体レーザーの倍波等を用いてもよい。本実施形態では、波長λ_２が５１０ｎｍの光源を用いている。

各光源からの光束は、カップリング光学系（本発明に係るカップリングレンズ２）によってカップリングされ、光路合成手段（ダイクロイックミラー３）に導かれる。光路合成手段に入射した赤色光、青色光、緑色光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る。なお、投影型画像表示装置１０のその他の構成については、後述する。

（カップリングレンズ）
＜カップリングレンズの構成＞
本発明に係るカップリングレンズは、２以上の波長λ_ｉ（ｉ＝１，２，３，…）の異なるレーザー光源１を備える照射光学系２０における、該レーザー光源１から出射する光束をカップリングするカップリングレンズ２であって、各波長に対し、それぞれ異なるバックフォーカスで発散光束を略平行光に変換し、少なくとも一方の面（例えば、出射面２ｂ）に回折構造２ｃを有し、レーザー光源側の第１面２ａおよび出射側の第２面２ｂの曲面は凸形状であって、各レーザー光源１から出射された各光束の光強度分布を、光束の有効範囲において略均一な強度分布に補正し、かつ、回折構造２ｃは、各光束の波長変動に伴う、焦点位置の変化をそれぞれ補正するものである。

図２に照明装置、すなわち、本発明に係るカップリングレンズの一実施形態である回折カップリングレンズ２およびレーザー光源１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１ａを透過し、回折カップリングレンズ２の入射面（第１面ともいう）２ａから入射し、出射面（第２面ともいう）２ｂから出射する。回折カップリングレンズ２の入射面２ａ、出射面２ｂはそれぞれ凸形状の光学曲面であって、出射面２ｂには回折構造２ｃが付与されている。また、回折面には、波長λ_１、λ_２、λ_３、のそれぞれに回折作用を有する回折構造が形成される。

なお、本実施形態の回折カップリングレンズ２は、出射面２ｂに回折構造２ｃ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、両面に付与するようにしても良い。また、回折構造２ｃは、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、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く、特に限られるものではない。

＜強度分布を均一にする補正＞
次に、図３を用いて、回折カップリングレンズ２の均一強度分布を得る手段について説明する。一般的に、プロジェクタのような投影型画像表示装置で用いられるビーム（光）は、ガウシアンビーム、すなわち、断面の放射強度分布がガウス分布をしており、ビームウエストでは、完全な平行平面波になり、ビーム径が最小になる（図３（ａ））。

典型的なＨｅＮｅ（ヘリウムネオン）レーザーのガウシアン強度分布は、次式（２）で表され、光軸付近の強度が最も強く、周辺部ほど強度が弱くなる。
Ｉ（ｒ）＝Ｉ_０exp〔−（２ｒ^２／ω_０ ^２）〕
ただし、
Ｉ（ｒ）：半径ｒにおける強度
Ｉ_０：中心軸上の強度
ω_０：ガウスビーム半径である。 …（２）

ここで、本実施形態に係る回折カップリングレンズ２は、入射光の強度を変換することが可能である。具体的には、カップリングレンズ２の光源側の入射面２ａと出射面２ｂの曲面は、光源から出射された光束の光強度分布を、出射面２ｂを出射する光束の有効範囲において、略均一な強度分布に補正されるよう適性化される（図３（ｂ））。以下に、具体的な補正手段を説明する。

図４に、回折カップリングレンズ２を透過する光束の相対半径位置における光線の屈折角を示す。回折カップリングレンズ２は、入射面２ａを光源側に凸形状とすることで、発散光を屈折する。このとき、相対半径位置（レンズの光軸からの距離）に対して、入射光の屈折パワーを一定とせず変化させる。すなわち、ガウス分布となる入射光の強度が強い光軸近傍ほど、屈折パワーを弱くし、レンズの光軸から離れる方向へ発散させる。また、強度が弱い周辺部ほど、屈折パワーを強くして、平行光に近づける。

さらに、回折カップリングレンズ２の出射面２ｂを出射方向に凸形状とすることで、発散光を屈折する。このとき、相対半径位置に対して、入射光の屈折パワーを一定とせず変化させる。光軸近傍、レンズ周辺部では屈折パワーを弱くして、出射光を平行光に近づけるレンズ半径の中間位置で、屈折パワーを強くして、出射光を平行光に近づける。

カップリングレンズ２に以上のような補正機能を持たせることにより、出射光の光束の密度を変換することができ、強度分布を均一化することが可能となる。

＜波長変化に対する収差補正＞
次に、波長変化に対する収差補正手段について説明する。半導体レーザーの波長は、出力レベルおよび温度の影響により変化する。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、焦点距離に変化（Δｆ_１、Δｆ_２、Δｆ_３）が生じることとなる。

図５および表１に、焦点距離１０ｍｍのプラスチックレンズについて、出射面２ｂから光を入射させた場合の集光位置の変化を計算したものを示す。

表１によれば、波長が１０ｎｍ変化した場合、プラスチックレンズの集光位置は、赤色光で7ｕｍ、緑色光で１４ｕｍ、青色光で２０ｕｍ変化することが分かる。

この影響を照明装置として考えると、波長変化により収束度合いが変化するため、想定のビーム径では、照明できなくなり、解像度の低下等を招くこととなる。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。

この波長変動による焦点距離の変化（集光位置の変化ΔＷＤ）を低減するために、図２に示したように、カップリングレンズの少なくとも１つの面に回折構造２ｃを構成するようにしている。すなわち、屈折面とは逆極性の集光位置変化をもたらす回折構造を構成することにより、集光位置の変化を小さく抑えることを可能としている。

また、波長変化のない設計中心波長において、波長λ_１、λ_２、λ_３に対して、それぞれ異なるバックフォーカス（ＷＤ_１、ＷＤ_２、ＷＤ_３）として光源を配置し、波長変化による焦点位置変動を回折面で補正する。回折カップリングレンズ２を３波長共有で使用できるよう最適化しておくことにより、強度分布、波長補償に関しても、３波長それぞれに対して機能する。

したがって、３波長の光源に対して、カップリング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カップリングレンズレンズを設計、製造することが不要となる。よって、低コスト化を図ることができる。

＜カップリングレンズ設計例＞
以下、本発明に係るカップリングレンズの具体的な設計例について説明する。本実施形態に係るカップリングレンズ２を図６に示す。また、表２に、図６に示すカップリングレンズの設計結果として、波長λ_１、λ_２、λ_３における光学特性を示す。

また、表３に、カップリングレンズ２の入射面２ａ、出射面２ｂの面形状係数を示す。なお、数値の符号は、図６において左側に凸の場合を正（＋）としている。また、表４に、出射面２ｂを形成する回折面の光路差関数の係数を示す。

表２における軸上波面収差の値は、出射面２ｂ側から、無収差の光を入射させ、光源側に集光させた時の値である。なお、実使用時は光源側から光線が出射するが、光学系の持つトータルの収差の評価は上記方法により可能である。また、表２の波面収差の値が示すように、回折カップリングレンズ２は、波長λ_１、λ_２、λ_３の光に対して、ほぼ無収差である。また、各波長につき、波面収差０．００２λｒｍｓ以下となっており、実用レベルの波面収差（概ね０．０１λｒｍｓ以下）を実現している。

次に、波長変動により生じる焦点距離変化の補正効果について、図７及び図８に示す。図７及び図８に示すように、波長が±１０ｎｍ変化した場合であっても、集光位置のずれは１０μｍ以下に抑えることができる。なお、本実施形態では、緑波長λ_２を基準として回折面を適正化している。

この影響を照明装置として考えると、波長変化により図１に示す合成光の発散、収束度合いがほぼ変化せず、想定のビーム径で照明することが可能となり、色ぼけ、解像度の低下を抑えることができる。

次に、入射光、出射光の強度分布の計算結果を図９及び図１０に示す。本実施形態では、カップリングレンズ２に取り込まれる入射光の最大角度の強度（リム強度）を５０％としたときの計算結果を示す。ここで、図９（ａ）はリム強度５０％の入射光の強度分布を示し、図９（ｂ）は入射光強度が均一分布の場合のカップリングレンズ透過光強度分布を示し、図９（ｃ）はリム強度５０％の入射光がカップリングレンズを透過した場合の強度分布を示している。なお、出射光の強度分布は変換されており、出射面でほぼ均一の強度分布となる。このとき、波面収差は０．０１λｒｍｓ以下であり、良好なコリメート光が出射できることをあらわしている。

一般に光源となる半導体レーザーのリム強度は、レーザーのＦＦＰ（Far Field
Pattern:遠視野像）によって異なる。そこで、本実施形態のカップリングレンズは、このＦＦＰの違いを考慮して、レンズの開口数ＮＡを決め、カップリングレンズに取り込まれる入射光の最大角度の強度（リム強度）に対して、カプリングレンズの曲面を適正化すればよい。

＜入射および出射する光束の最外周光線の半径位置について＞
本発明に係るカップリングレンズの他の実施形態について図１１及び図１２を参照しつつ説明する。

レーザー光源１からの光をカップリングできる光量は、カップリングレンズの開口数による。図１１において、開口数ＮＡは次式（３）で表わされる。なお、図１１において符号８は前側主点位置、θは光源１からの光をカップリングレンズ２で取り込む角度の半分、ｆはカップリングレンズ２の焦点距離である。
ＮＡ＝ｓｉｎθ …（３）

カップリングレンズから出射する光は平行光としている。ここで、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、略同等とする必要がある。したがって、カップリングレンズの出射光の径Φは、次式（４）で表わされる。
Φ＝２×ｆ×ＮＡ …（４）

上述のように、光源１より出射される光束の強度分布は、ガウシアン分布となるため、光軸付近の強度が最も強く、周辺部ほど強度が弱くなる。よって、より均一な強度分布を有する入射光が必要な場合、強度分布の低下が小さく、およそ均一とみなせる光軸近傍の光を入射光として用いられる。したがって、光源より出射される光束の利用効率（カップリング効率）を低くすることが必要になる。

一方で、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２の開口数（上記式（３）におけるＮＡ）を大きくする必要がある。カップリングレンズ２で取り込まれる光束の径が一定である場合に開口数ＮＡを変えることは、カップリングレンズ２の焦点距離を変えることとなる。この場合、開口数ＮＡを大きくするので、焦点距離を短くすることとなる。しかしながら、焦点距離が短くなると、レンズ面を透過した光の波面収差の劣化が大きくなるという問題がある。

この問題に対して、本発明に係るカップリングレンズは、入射および出射する光束の最外周光線の半径位置を以下のような関係とすることで解決するものである。本実施形態に係るカップリングレンズ２を図１２（ｂ）、その光学特性を表５（ｂ）に示す。また、比較のため回折構造のない面で構成されたレンズ設計例を図１２（ａ）、その光学特性を表５（ａ）に示す。

ここで、入射面２ａを入射する光束の最外周光線の半径位置をＲ_１、出射面２ｂを出射する光束の最外周光線の半径位置をＲ_２としたとき、Ｒ_１とＲ_２とを略同等、例えば、次式（５）を満たすようなＲ_１，Ｒ_２とすることにより、図１２（ａ）に示すようなＲ_２＞Ｒ_１の場合に比して、表５に示すように同一の焦点距離、バックフォーカス、ビーム径としても、カップリングレンズ光源側の面で取り込まれる光束の径を大きくできる。さらに、ガウス分布周辺部の光束も利用できるため、光利用効率のロスを抑えることができる。
０．９≦Ｒ_２／Ｒ_１≦１．１ …（５）

よって、カップリングレンズの焦点距離を伸ばす、また、開口を広げる必要はなく、均一な光強度分布をもつ出射光が得られるため、レンズ面を透過した光の波面収差の劣化が小さくなる。したがて、色むらやにじみの少ない画像を投影面に投影することが可能となる。

＜カップリングレンズの回折構造＞
図１３は、図２に示した回折カップリングレンズ２の出射面２ｂの曲面上に付与された回折構造の断面図を示している。

ここで、回折構造を形成する材料の屈折率を波長λ_１、λ_２、λ_３に対し、それぞれｎ_１、ｎ_２、ｎ_３とした場合、回折構造の回折溝の高さ（深さ）ｄは、以下のように定めることができる。具体的には、高さｄを、次式（６）〜（８）を満たし、Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３の最小公倍数に設定すればよい。これにより、波長λ_１、λ_２、λ_３の光束の回折効率が高くなるように、深さｄを設定することができる。
（ｎ_１−１）ｄ／λ_１＝Ｐ_１ …（６）
（ｎ_２−１）ｄ／λ_２＝Ｐ_２ …（７）
（ｎ_３−１）ｄ／λ_３＝Ｐ_３ …（８）
ただし、
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は自然数とする。

また、赤色の光源としての第１の波長は６００〜７００ｎｍであり、緑色の光源としての第２の波長は５００〜５５０ｎｍであり、青色の光源としての第３の波長は４００〜４８０ｎｍであることが好ましい。このような各光源の構成により、光利用効率の低下を抑え、画像の適切な色再現性を確保することができる。

本実施形態では、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、図１３に示す回折構造を設計している。

また、回折カップリングレンズ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、回折カップリングレンズ２を樹脂材料を用いて、例えば、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、かつ低コストでの大量生産が可能となる。

上述のように、各波長λ_ｉ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_ｉ／｛ｎ（λ_ｉ）−１｝（λ_ｉ＝６４０ｎｍ、５３０ｎｍ、４４５ｎｍのいずれか）の最小公倍数に設定すればよく（材料の屈折率をｎ（λ_ｉ）とする）、本実施形態では、ｄ＝５．１２μｍとなる。これにより、光利用効率の低下を抑えることができる。

なお、図１３に示した回折構造は、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（９）で表わされる。
ｈ＝（ｍ−１）ｄ／ｍ …（９）

（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、少なくとも、上述の本発明に係るカップリングレンズ２と、カップリングレンズ２から出射するレーザー光の光路を１つに合成する光路合成手段（ダイクロイックミラー３）と、光路合成手段により合成されたレーザー光を反射させる、互いに直交する２軸方向に回動するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー（走査手段４）と、ミラーの動きに同期して、レーザー光源１の出力を制御する制御手段（制御装置５）とを備えるものである。なお、本発明に係るカップリングレンズ２は、図１に示す構成の投影型画像表示装置（走査型プロジェクタ）１０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。

この走査型プロジェクタ１０は、図２に示した照明装置２０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４および走査手段４と照明装置２０の光源を制御する制御装置５を有している。

制御装置５は、走査手段４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４は矢印４０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４１の回りに矢印４２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６上には２次元的な投影像が形成されることとなる。走査手段４としては、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、半導体プロセス技術を用いて製造されるＭＥＭＳミラーなどを用いることができる。特に、ＭＥＭＳミラーは非常に小型で低消費電力であるため、小型プロジェクタに用いるには最も適している。なお、図１に示す例では、１枚のＭＥＭＳミラーで２軸可動なものを示したが、１軸に可動なミラーを２つ用いるようにしても良い。

図１４に走査手段４として用いるＭＥＭＳミラーの構成例を示す。ＭＥＭＳミラー９０は、反射面を持つ微小ミラー９１がトーションバー９２、９３で支持された構造を有する。微小ミラー９１は、トーションバー９２が捻れることで軸９４を略中心とした共振往復運動を行う。また、トーションバー９３が捻れることで軸９５を略中心とした共振往復運動を行う。この両軸９４、９５を略中心とする往復運動によって、微小ミラー９１の偏向面の法線方向が２次元的に変化する。

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。

以上説明した投影型画像表示装置によれば、光源からの光の利用効率の低下が小さく、また像面のスポットの増大による画質低下の小さい画像を提供する投影型画像表示装置を実現することができる。

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。

１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ レーザー光源
２ カップリングレンズ（回折カップリングレンズ）
３，３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ ダイクロイックミラー
４ 走査手段
５ 制御装置（制御手段）
６ 投影面（スクリーン）
１０ 投影型画像表示装置（プロジェクタ）
２０ 照明装置（照射光学系）
９０ ＭＥＭＳミラー

特開２００６−１８９５７３号公報 特開２００８−３０４７２６号公報 特開２００８−１６４９５５号公報 特開２００６−３１７５０８号公報 特開２００４− ８７０９８号公報

Claims (6)

1. ３種類の異なる波長λ _１ ，λ _２ ，λ _３ （但し、λ _１ ＞λ _２ ＞λ _３ ）の光を出射する第１、第２、第３のレーザー光源を備える照射光学系における、該レーザー光源から出射する光束をカップリングするカップリングレンズであって、
   前記各波長に対し、それぞれ異なるバックフォーカスで発散光束を略平行光に変換し、
   少なくとも一方の面に回折構造を有し、
   前記レーザー光源側の第１面および出射側の第２面の曲面は凸形状であって、
   前記各レーザー光源から出射された各光束の光強度分布を、光束の有効範囲において略均一な強度分布に補正し、
   かつ、前記回折構造は、前記各光束の波長変動に伴う、焦点位置の変化をそれぞれ補正するものであって、
   光線の入射半径位置に対し、
   前記第１面は、光軸近傍ほど屈折パワーが弱く、周辺部ほど屈折パワーを強くなるよう、
   前記第２面は、光軸近傍およびレンズ周辺部では屈折パワーが弱く、レンズ半径の中間位置において屈折パワーを最大とするように略平行光を出射し、
   前記第１面を入射する光束の最外周光線の半径位置Ｒ _１ と、前記第２面を出射する光束の最外周光線の半径位置Ｒ _２ とを略同等としたことを特徴とするカップリングレンズ。
2. 前記第１面を入射する光束の最外周光線の半径位置Ｒ_１と前記第２面を出射する光束の最外周光線の半径位置Ｒ_２は、次式（１）、
   ０．９≦Ｒ_２／Ｒ_１≦１．１ …（１）
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載のカップリングレンズ。
3. 前記回折構造は、前記レーザー光源からの各光束のそれぞれに対し、回折効率が最大となる回折溝の高さを有することを特徴とする請求項１または２に記載のカップリングレンズ。
4. 前記第１のレーザー光源から出射する第１の波長は６００〜７００ｎｍ、前記第２のレーザー光源から出射する第２の波長は５００〜５５０ｎｍ、前記第３のレーザー光源から出射する第３の波長は４００〜４８０ｎｍであることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載のカップリングレンズ。
5. 樹脂材料を用いて製造されたことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載のカップリングレンズ。
6. 少なくとも、
   請求項１から５までのいずれかに記載のカップリングレンズと、
   前記カップリングレンズから出射するレーザー光の光路を１つに合成する光路合成手段と、
   前記光路合成手段により合成されたレーザー光を反射させる、互いに直交する２軸方向に回動するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーと、
   前記ＭＥＭＳミラーの動きに同期して、前記レーザー光源の出力を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする投影型画像表示装置。