JP5672254B2 - コヒーレント光源装置およびプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、プロジェクタなどの光学装置において使用可能な、レーザなどのコヒーレント光源を用いたコヒーレント光源装置に関する。

例えば、ＤＬＰ（ＴＭ）プロジェクタや液晶プロジェクタのような画像表示用のプロジェクタや、フォトマスク露光装置においては、これまで、キセノンランプや超高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ）が使用されてきた。 一例として、図１５にプロジェクタの原理図を示す（参考：特開２００４−２５２１１２号など）。

前記したように、高輝度放電ランプ等からなる光源（ＳｊＡ）からの光は、凹面反射鏡やレンズ等からなる集光手段（図示を省略）の助けを借りるなどして、光均一化手段（ＦｍＡ）の入射端（ＰｍｉＡ）に入力され、射出端（ＰｍｏＡ）から出力される。 ここで、前記光均一化手段（ＦｍＡ）として、例えば、光ガイドを使うことができ、これは、ロッドインテグレータ、ライトトンネルなどの名称でも呼ばれており、ガラスや樹脂などの光透過性の材料からなる角柱によって構成され、前記入射端（ＰｍｉＡ）に入力された光は、光ファイバと同じ原理に従って、前記光均一化手段（ＦｍＡ）の側面で全反射を繰り返しながら、前記光均一化手段（ＦｍＡ）の中を伝播することにより、仮に前記入射端（ＰｍｉＡ）に入力された光の分布にムラがあったとしても、前記射出端（ＰｍｏＡ）上の照度が十分に均一化されるように機能する。

なお、いま述べた光ガイドに関しては、前記した、ガラスや樹脂などの光透過性の材料からなる角柱によって構成されるものの他に、中空の角筒で、その内面が反射鏡になっており、同様に内面で反射を繰り返しながら光を伝播させ、同様の機能を果たすものもある。

前記射出端（ＰｍｏＡ）の四角形の像が、２次元光振幅変調素子（ＤｍｊＡ）上に結像されるよう、照明レンズ（Ｅｊ１Ａ）を配置することにより、前記射出端（ＰｍｏＡ）から出力された光によって前記２次元光振幅変調素子（ＤｍｊＡ）が照明される。 ただし、図１５においては、前記照明レンズ（Ｅｊ１Ａ）と前記２次元光振幅変調素子（ＤｍｊＡ）との間にミラー（ＭｊＡ）を配置してある。
そして前記２次元光振幅変調素子（ＤｍｊＡ）は、映像信号に従って、画素毎に光を投影レンズ（Ｅｊ２Ａ）に入射される方向に向かわせる、あるいは入射されない方向に向かわせるように変調することにより、スクリーン（Ｔｊ）上に画像を表示する。

なお、前記したような２次元光振幅変調素子は、ライトバルブと呼ばれることもあり、図１５の光学系の場合は、前記２次元光振幅変調素子（ＤｍｊＡ）として、一般にＤＭＤ（ＴＭ）（ディジタル・マイクロミラー・デバイス）が使われることが多い。

光均一化手段に関しては、前記した光ガイドの他に、フライアイインテグレータという名称で呼ばれるものもあり、この光均一化手段を使ったプロジェクタについて、一例として、図１６に原理図を示す（参考：特開２００１−１４２１４１号など）。

高輝度放電ランプ等からなる光源（ＳｊＢ）からの光は、凹面反射鏡やレンズ等からなるコリメータ手段（図示を省略）の助けを借りるなどして、略平行光束として、フライアイインテグレータによる光均一化手段（ＦｍＢ）の入射端（ＰｍｉＢ）に入力され、射出端（ＰｍｏＢ）から出力される。 ここで、前記光均一化手段（ＦｍＢ）は、入射側の前段フライアイレンズ（Ｆ１Ｂ）と射出側の後段フライアイレンズ（Ｆ２Ｂ）と照明レンズ（Ｅｊ１Ｂ）の組合せで構成される。 前記前段フライアイレンズ（Ｆ１Ｂ）、前記後段フライアイレンズ（Ｆ２Ｂ）ともに、同一焦点距離、同一形状の四角形のレンズを、縦横それぞれに多数並べたものとして形成されている。

前記前段フライアイレンズ（Ｆ１Ｂ）の各レンズと、それぞれの後段にある、前記後段フライアイレンズ（Ｆ２Ｂ）の対応するレンズとは、ケーラー照明と呼ばれる光学系を構成しており、したがって、ケーラー照明光学系が縦横に多数並んでいることになる。 一般にケーラー照明光学系とは、２枚のレンズから構成され、前段レンズが光を集めて対象面を照明するに際し、前段レンズは、対象面に光源像を結像するのではなく、後段レンズ中央の面上に光源像を結像し、後段レンズが前段レンズの外形の四角形を対象面（照明したい面）に結像するよう配置することにより、対象面を均一に照明するものである。 後段レンズの働きは、もしこれが無い場合は、光源が完全な点光源でなく有限の大きさを持つとき、その大きさに依存して対象面の四角形の周囲部の照度が落ちる現象を防ぐためで、後段レンズによって、光源の大きさに依存せずに、対象面の四角形の周囲部まで均一な照度にすることができる。

ここで、図１６の光学系の場合、前記光均一化手段（ＦｍＢ）には略平行光束が入力されることを基本としているため、前記前段フライアイレンズ（Ｆ１Ｂ）と前記後段フライアイレンズ（Ｆ２Ｂ）との間隔は、それらの焦点距離に等しくなるように配置され、よってケーラー照明光学系としての均一照明の対象面の像は無限遠に生成される。 ただし、前記後段フライアイレンズ（Ｆ２Ｂ）の後段には、前記照明レンズ（Ｅｊ１Ｂ）を配置してあるため、対象面は、無限遠から前記照明レンズ（Ｅｊ１Ｂ）の焦点面上に引き寄せられる。 縦横に多数並んでいるケーラー照明光学系は、入射光軸（ＺｉＢ）に平行であり、それぞれの中心軸に対して略軸対称に光束が入力されるため、出力光束も略軸対称であるから、レンズ面に同じ角度で入射した光線は、レンズ面上の入射位置によらず、焦点面上の同じ点に向かうよう屈折される、というレンズの性質、即ちレンズのフーリエ変換作用により、全てのケーラー照明光学系の出力は、前記照明レンズ（Ｅｊ１Ｂ）の焦点面上の同じ対象面に結像される。

その結果、前記前段フライアイレンズ（Ｆ１Ｂ）の各レンズ面での照度分布が全て重ね合わされ、よって、ケーラー照明光学系が１個の場合よりも照度分布がより均一となった、１個の合成四角形の像が、前記入射光軸（ＺｉＢ）上に形成されることになる。
前記合成四角形の像の位置に２次元光振幅変調素子（ＤｍｊＢ）を配置することにより、前記射出端（ＰｍｏＢ）から出力された光によって、照明対象である前記２次元光振幅変調素子（ＤｍｊＢ）が照明される。 ただし、照明に際しては、前記照明レンズ（Ｅｊ１Ｂ）と前記２次元光振幅変調素子（ＤｍｊＢ）との間に偏光ビームスプリッタ（ＭｊＢ）を配置して、これにより光が前記２次元光振幅変調素子（ＤｍｊＢ）に向けて反射されるようにしてある。
そして前記２次元光振幅変調素子（ＤｍｊＢ）は、映像信号に従って、画素毎に光の偏光方向を９０度回転させる、あるいは回転させないように変調して反射することにより、回転させられた光のみが、前記偏光ビームスプリッタ（ＭｊＢ）を透過して投影レンズ（Ｅｊ３Ｂ）に入射され、スクリーン（Ｔｊ）上に画像を表示する。

なお、図１６の光学系の場合、前記２次元光振幅変調素子（ＤｍｊＡ）として、一般にＬＣＯＳ(TM)（シリコン液晶デバイス）が使われることが多い。 このような液晶デバイスの場合、規定の偏光方向の光の成分しか有効に変調できないため、普通は、規定の偏光方向に平行な成分はそのまま透過させるが、規定の偏光方向に垂直な成分のみ偏光方向を９０度回転させ、結果として全ての光を有効利用できるようにするための偏光整列機能素子（ＰｃＢ）が、例えば前記後段フライアイレンズ（Ｆ２Ｂ）の後段に挿入される。
また、前記２次元光振幅変調素子（ＤｍｊＢ）には略平行光が入射されるよう、例えばその直前に、フィールドレンズ（Ｅｊ２Ｂ）が挿入される。

なお、２次元光振幅変調素子に関しては、図１６に記載したような反射型のものの他に、透過型の液晶デバイス（ＬＣＤ）も、それに適合する光学配置にして使用される（参考：特開平１０−１３３３０３号など）。

ところで、通常のプロジェクタでは、画像をカラー表示するために、例えば、前記光均一化手段の後段にカラーホイールなどの動的色フィルタを配置して、Ｒ・Ｇ・Ｂ（赤および緑、青）の色順次光束として前記２次元光振幅変調素子を照明し、時分割によってカラー表示を実現したり、あるいは、前記光均一化手段の後段にダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムを配置してＲ・Ｇ・Ｂの３原色に色分解した光で各色独立に設けた２次元光振幅変調素子を照明し、Ｒ・Ｇ・Ｂの３原色の変調光束の色合成を行うためのダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムを配置したりするが、複雑になることを避けるため、図１５、図１６においては省略してある。

しかしながら、前記した高輝度放電ランプは、投入電力から光パワーへの変換効率が低い、すなわち発熱損が大きい、あるいは寿命が短い、などの欠点を有していた。 これらの欠点を克服した代替光源として、近年、ＬＥＤや半導体レーザ等の固体光源が注目されている。 このうち、ＬＥＤについては、放電ランプと比較して発熱損が小さく、また長寿命であるが、放射される光に関しては、放電ランプと同様に指向性が無いため、前記したプロジェクタや露光装置等の、特定の方向の光のみが利用可能な用途においては、光の利用効率が低いという問題があった。

一方、半導体レーザについては、ＬＥＤと同様に、発熱損が小さく、長寿命である上に、指向性が高いため、前記したプロジェクタや露光装置等の、特定の方向の光のみが利用可能な用途においても、光の利用効率が高いという利点がある反面、スペックルが発生するという問題があった。
ここでスペックルとは、半導体レーザやその他のレーザの光、あるいは（高調波発生・光パラメトリック効果などのような非線形光学現象を利用して）レーザ光を波長変換するなどして生成した、コヒーレント光を投射した場合に不可避的に現れる、粒状・斑点状の模様であって、前記したプロジェクタのような鑑賞用の映像を生成する用途や、感光性材料からなる被膜にフォトマスクのパターンを精密に露光する用途においては、画質を著しく劣化させる、非常に厄介な現象であるため、改善のための工夫が、古くから多く提案されて来た。

例えば、特許‐３９７５５１４公報にはフライアイインテグレータを回転させ、２次元光振幅変調素子を照射する光の角度を光軸を回転軸として回転させるレーザディスプレイ装置が記載されている。
フライアイインテグレータは、前述の通り、前段フライアイレンズの各レンズの外形を後段フライアイレンズによって対象面上に結像させ重ね合わされることで、均一な照度分布を得ることを特徴としているが、該公報に挙げられるように、フライアイインテグレータを回転させると、対象面上に結像される像も同時に回転してしまうことになる。
前記２次元光振幅変調素子は投影するスクリーンの大きさに合わせて、矩形形状であることが多い。フライアイインテグレータ回転した場合に、２次元光振幅変調素子の全面が均一に照射されるよう、フライアイレンズの外形の像の倍率を調整すると、２次元光振幅変調素子の領域外を照射する光線が増加してしまうため、光利用効率が低下してしまうという問題を抱えていた。

特許３９７５５１４号公報

本発明が解決しようとする課題は、半導体レーザやその他のレーザの光、あるいはレーザ光を波長変換するなどして生成した、コヒーレント光を投射した場合に不可避的に現れる、スペックルによって投射される光の均一性が劣化する問題の回避を達成したコヒーレント光源装置およびプロジェクタを提供することにある。

本発明における第１の発明のコヒーレント光源装置は、コヒーレント光源（Ｓｃ）によって形成される第１光放射領域（Ｇｓ）を有し、前記第１光放射領域（Ｇｓ）からの光を投影して第２光放射領域（Ｇｕ）を形成する第１光学系（Ｅｕ）と、前記第２光放射領域（Ｇｕ）の近傍において前記第２光放射領域（Ｇｕ）の形成にかかわる光束（Ｂｕ）を偏向する光偏向手段（Ｍｄ）と、前記光偏向手段（Ｍｄ）の後段に設置される第２光学系（Ｅｆ）と、前記第２光学系（Ｅｆ）の後段に設置され、その入射端（Ｐｍｉ）へ入射される光線の角度と位置の成分の混合を行うための光混合手段（Ｆｍ）とを具備し、前記第２光学系（Ｅｆ）は、前記第１光放射領域（Ｇｓ）に共役な像を遠方に形成し、かつ前記第１光学系（Ｅｕ）の射出瞳（Ｑｕｏ）に略共役な第３光放射領域（Ｇｆ）を前記入射端（Ｐｍｉ）に形成し、前記光偏向手段（Ｍｄ）は、前記光束（Ｂｕ）を偏向する方向を連続的に変化させる動作を継続することによって、前記第３光放射領域（Ｇｆ）が前記入射端（Ｐｍｉ）において連続的に移動せしめられることを特徴とするものである。

本発明における第２の発明のコヒーレント光源装置は、前記第２光放射領域（Ｇｕ）が前記第１光放射領域（Ｇｓ）に共役であることを特徴とするものである。

本発明における第３の発明のコヒーレント光源装置は、前記光混合手段（Ｆｍ）は、フライアイインテグレータであることを特徴とするものである。

本発明における第４の発明のコヒーレント光源装置は、前記第１光放射領域（Ｇｓ）を、コヒーレント光源（Ｓｃ）の光が入射端から入力される光ファイバ（Ｆｂ）の射出端（Ｐｔｏ）によって形成することを特徴とするものである。

本発明における第５の発明のプロジェクタは、前記第１から４の発明のコヒーレント光源装置を利用して画像を投影表示するプロジェクタであって、光均一化手段が前記光混合手段（Ｆｍ）を兼ねることを特徴とするものである。

半導体レーザやその他のレーザの光、あるいはレーザ光を波長変換するなどして生成した、コヒーレント光を投射した場合に不可避的に現れる、スペックルによって投射される光の均一性が劣化する問題の回避を達成したコヒーレント光源装置およびプロジェクタを提供することができる。

本発明のコヒーレント光源装置を簡略化して示すブロック図を表す。 本発明のコヒーレント光源装置の一部を簡略化して示す模式図を表す。 本発明のコヒーレント光源装置の一部を簡略化して示す概念図を表す。 本発明のコヒーレント光源装置の一部を簡略化して示す概念図を表す。 本発明のコヒーレント光源装置の一部を簡略化して示す概念図を表す。 本発明のコヒーレント光源装置の一部を簡略化して示す概念図を表す。 本発明のコヒーレント光源装置の実施例の一形態を簡略化して示す図を表す。 本発明のコヒーレント光源装置の実施例の一部の一形態を簡略化して示す概念図を表す。 本発明のコヒーレント光源装置の実施例の一部の一形態を簡略化して示す概念図を表す。 本発明のコヒーレント光源装置に関連する部材の一形態を簡略化して示す模式図を表す。 本発明のコヒーレント光源装置の実施例の一部の一形態を簡略化して示す概念図を表す。 本発明のコヒーレント光源装置の実施例の一部の一形態を簡略化して示す概念図を表す。 本発明のコヒーレント光源装置の実施例の一形態を簡略化して示す図を表す。 本発明のコヒーレント光源装置の実施例の一部の一形態を簡略化して示す概念図を表す。 本発明のプロジェクタに係わる従来のプロジェクタの一種の一部の一形態を説明する原理図を表す。 本発明のプロジェクタに係わる従来のプロジェクタの一種の一部の一形態を説明する原理図を表す。

本発明に関する説明において、共役という用語に関しては、幾何光学分野における一般用語として、例えば、ＡとＢとは共役である、と言うとき、少なくとも近軸理論に基づき、レンズ等の結像機能を有する光学素子の作用によってＡがＢに、またはＢがＡに結像されることを意味する。 このとき、Ａ，Ｂは像であって、孤立した点像が対象として含まれることは当然として、複数の点像からなる集合や、点像が連続的に分布した拡がりのある像も対象として含める。

ここで、点像あるいは像点（すなわち像）とは、幾何光学分野における一般用語として、実際に光がその点から放射されているもの、光がその点に向かって収束して行ってスクリーンを置くと明るい点が映るもの、光がその点に向かって収束して行くように見える（が、その点は光学系の内部にあってスクリーンを置けない）もの、光がその点から放射されているように見える（が、その点は光学系の内部にあってスクリーンを置けない）もの、の何れをも含み、区別しないし、このとき、結像における収差やピント外れ等によってボケが生じ、理想的な点や回折限界像でなくなる現象は無視する。

また、光放射領域とは、光を発している、または光が照射されている空間や面で、前記した像を含む場合もあり、同様に、実際に光がその領域から放射されているもの、光がその領域に向かって収束して行ってスクリーンを置くと明るい領域が映るもの、光がその領域に向かって収束して行くように見える（が、その領域は光学系の内部にあってスクリーンを置けない）もの、光がその領域から放射されているように見える（が、その領域は光学系の内部にあってスクリーンを置けない）もの、の何れをも含み、区別しない。
さらに、放射点とは、光放射領域を構成する像点、もしくは実質的に回折限界近くまで収束可能な小さい光放射領域を指す。

コヒーレント光源（Ｓｃ）が、半導体レーザである場合において、もし半導体レーザが１個ならば、第１光放射領域（Ｇｓ）は、単に１個の点光源と考えればよく、通常は、それを光学系の光軸上に置き、また、半導体レーザからの発散光の発散方向分布の中心光線が光軸に一致する方向に向けて配置すればよい。 しかし、半導体レーザが複数個あったり、有限の面積内に放射点が連続的に分布する光源の場合は、光学系の入射瞳や射出瞳、主光線について配慮した設計が必要になり、以下においては、このような状況について述べる。

一般のカメラレンズを例にとると、通常は開口絞りがレンズの内部に存在するが、光が入る側からレンズを見たときに、レンズを通して見える開口絞りの像を入射瞳、光が出る側からレンズを見たときに、レンズを通して見える開口絞りの像を射出瞳、入射瞳の中心に向かう、または射出瞳の中心から出て来る子午光線を主光線と呼ぶ。 また広義には、主光線以外の光線は周辺光線と呼ばれる。
ただし、レーザのような指向性を有する光を扱う光学系では、開口絞りによって光束を切り出す必要が無いために開口絞りが存在しない場合が多く、その場合は、光学系における光の存在形態によって、それらが定義される。

通常は、放射点からの放射光束における、光の方向分布の中心光線を主光線とし、光学系に入射する主光線またはその延長線が光軸と交わる位置に入射瞳があり、光学系から射出する主光線またはその延長線が光軸と交わる位置に射出瞳があると考える。 ただし、厳密な話をすると、このように定義した主光線と光軸とが、例えば調整誤差のために交わらず、ねじれの位置にあるに過ぎない場合も考えられる。 しかし、このような現象は本質とは無関係であり、また議論しても不毛であるため、以下においては、このような現象は生じないと見なす、あるいは、主光線と光軸とが最接近する位置において交わっていると見なすことにする。
また、光学系のなかの隣接する２個の部分光学系ＡとＢに注目し、Ａの直後にＢが隣接しているとしたとき、（Ａの出力像がＢの入力像となるのと同様に）Ａの射出瞳はＢの入射瞳となるし、そもそも光学系のなかに任意に定義した部分光学系の入射瞳・射出瞳は、（開口絞りが存在すれば全てそれの像であるし、存在しなくても）全て共役のはずであるから、特に区別が必要無ければ、入射瞳・射出瞳を単に瞳と呼ぶ。

本発明の説明および図面においては、光学系の光軸をｚ軸と呼んでいるが、もし反射鏡によって光軸が折り曲げられた場合は、元のｚ軸に沿う光線が反射されて進む方向もｚ軸と呼び、新たな座標軸を取ることはしない。 なお、図２などの図面において、ｚ軸に垂直な軸として、便宜上ｘ軸およびｙ軸と表記している。

先ず、本発明のコヒーレント光源装置を簡略化して示すブロック図である図１および本発明のコヒーレント光源装置の一部を簡略化して示す概念図である図２、図３を用いて、本発明を実施するための形態について説明する。 図１において、例えばコヒーレント光源（Ｓｃ）が、半導体レーザである場合、その半導体レーザパッケージの内部に収納された、半導体チップの表面に存在する発散光の放射部は、実質的に点光源として扱うことができ、これを第１光放射領域（Ｇｓ）とすることができる。

図２は、前記第１光放射領域（Ｇｓ）が、複数の、または分布する放射点（Ｋｓ，Ｋｓ’，…）から構成されている場合の様子を示している。
前記放射点（Ｋｓ）に注目すると、最外周の周辺光線（Ｌｍｓ１，Ｌｍｓ２）により示されているように、底面（Ｃｉ）により規定される円錐形角度領域内に前記放射点（Ｋｓ）を形成する光束が分布していることを示しており、この放射点からの光束に対する主光線（Ｌｐｓ）は、この光束分布の中心光線として定義している。 一般論としては、前記主光線（Ｌｐｓ，Ｌｐｓ’，…）は光学系の光軸であるｚ軸に対して角度を有し、したがって、光軸と交わる点（Ｑｓ）に瞳が存在すると考える。 なお、図３に示したような、前記主光線（Ｌｐｓ，Ｌｐｓ’，…）が光学系の光軸に平行である場合は、瞳は無限遠にあると考える。

レンズ等からなる第１光学系（Ｅｕ）は、前記第１光放射領域（Ｇｓ）からの光束（Ｂｓ）の入力を受けて、前記第１光放射領域（Ｇｓ）に対する投影領域として、後段の光偏向手段（Ｍｄ）の偏向点近傍に、第２光放射領域（Ｇｕ）を形成するように配置される。
すなわち前記光偏向手段（Ｍｄ）は、前記第２光放射領域（Ｇｕ）の近傍にある偏向点において前記第２光放射領域（Ｇｕ）の形成にかかわる光束（Ｂｕ）を偏向する。

レンズ等からなる第２光学系（Ｅｆ）は、前記光偏向手段（Ｍｄ）によって偏向された光束（Ｂｄ）の入力を受けて、前記第１光放射領域（Ｇｓ）に共役な像を遠方に形成し、かつ、後段の光混合手段（Ｆｍ）の入射端（Ｐｍｉ）の近傍に、前記第１光学系（Ｅｕ）の射出瞳（Ｑｕｏ）に共役な第３光放射領域（Ｇｆ）を形成するよう設置される。
ただし、前記したように、前記第１光学系（Ｅｕ）の前記射出瞳（Ｑｕｏ）と前記第３光放射領域（Ｇｆ）とが共役であるとは、前記光偏向手段（Ｍｄ）を介して入力される前記射出瞳（Ｑｕｏ）の像を入力像とする、前記第２光学系（Ｅｆ）の結像機能による出力像として、前記第３光放射領域（Ｇｆ）が形成されることを意味する。

そして、前記光混合手段（Ｆｍ）は、前記入射端（Ｐｍｉ）より、前記第２光学系（Ｅｆ）からの光束（Ｂｆ）を入力され、前記光混合手段（Ｆｍ）の内部で入射光線の角度と位置の成分の混合が行われ、その射出端（Ｐｍｏ）より光束（Ｂｍｏ）が出力される。
出力された前記光束（Ｂｍｏ）には、入射光線の角度と位置の成分の混合によって多重の干渉が生じせしめられる結果、それが投射された被照明面のスペックルの粒状・斑点状の模様が細かくなり、視認し難くなるという性質が付与される。

前記光偏向手段（Ｍｄ）は、前記光束（Ｂｕ）を偏向する方向を連続的に変化させる動作を継続することにより、前記入射端（Ｐｍｉ）における前記第３光放射領域（Ｇｆ）の位置、すなわち前記入射端（Ｐｍｉ）への入射光線の位置が連続的に変化することになるため、前記光混合手段（Ｆｍ）の前記射出端（Ｐｍｏ）から射出される前記光束（Ｂｍｏ）においては、スペックルは常に移動するため、その移動速度に見合う適当な期間内で平均すると、前記したスペックルの粒状・斑点状の模様が細かくなり、視認し難くなる効果と相乗して、スペックルは消滅して見えることになる。

前記入射端（Ｐｍｉ）に形成する前記第３光放射領域（Ｇｆ）として、前記第１光学系（Ｅｕ）の前記射出瞳（Ｑｕｏ）に共役な領域とする理由は、前記射出瞳（Ｑｕｏ）においては、主光線が領域の中心に集まっているため、前記第１光学系（Ｅｕ）から出力される全ての光が通過する領域として、前記射出瞳（Ｑｕｏ）はコンパクトな領域となり、よって前記第３光放射領域（Ｇｆ）もまた、前記射出瞳（Ｑｕｏ）に共役な領域とすることでコンパクトになるからである。 いま、前記光混合手段（Ｆｍ）の前記入射端（Ｐｍｉ）が所与の大きさである場合を考えると、前記第３光放射領域（Ｇｆ）がコンパクトになれば、前記入射端（Ｐｍｉ）における前記第３光放射領域（Ｇｆ）の位置の相対的変化量を大きくすることができ、よって前記光混合手段（Ｆｍ）の前記射出端（Ｐｍｏ）から射出される前記光束（Ｂｍｏ）における、光の角度と位置の成分の混合を強めることができ、スペックルをより視認し難くすることができるようになることが判る。 あるいは逆に言えば、必要とする光の角度と位置の成分の混合の強さを決めれば、前記第３光放射領域（Ｇｆ）がコンパクトなほど、前記入射端（Ｐｍｉ）の大きさを小さくすることができ、よって前記光混合手段（Ｆｍ）を小型化することが可能となる。

なお、前記第３光放射領域（Ｇｆ）が前記射出瞳（Ｑｕｏ）に共役であることの正確性について補足すると、前記光混合手段（Ｆｍ）の前記入射端（Ｐｍｉ）を基準として、前記射出瞳（Ｑｕｏ）に共役な領域が形成される位置が、それより前方または後方に多少ずれても、そのことによる前記第３光放射領域（Ｇｆ）の拡大に起因する、前記入射端（Ｐｍｉ）のはみ出しが生じなければ、あるいは、はみ出しが生じても、そのことによる光の利用効率の低下が許容限度内であれば問題は無い。

なお、図１においては、前記第１光学系（Ｅｕ）の前記射出瞳（Ｑｕｏ）が、便宜上、前記第１光学系（Ｅｕ）よりも後方にあるように描いてあるが、例えば、これが虚像であって、幾何光学的な位置が、前記第１光学系（Ｅｕ）の内部、もしくは前記第１光学系（Ｅｕ）よりも前方に形成されるものであっても構わない。
また、図１においては、前記射出瞳（Ｑｕｏ）が、前記第２光放射領域（Ｇｕ）よりも前方にあるように描いてあるが、後方に形成されるものであっても構わない。

また、前記第１光学系（Ｅｕ）は、前記光偏向手段（Ｍｄ）の偏向点近傍に形成される前記第２光放射領域（Ｇｕ）が、前記第１光放射領域（Ｇｓ）に共役となるように構成することが好適である。
その理由の第１は、前記第１光学系（Ｅｕ）に入力される全ての光が通過する領域として、前記第１光放射領域（Ｇｓ）はコンパクトな領域であり、よって前記第２光放射領域（Ｇｕ）もまた、前記第１光放射領域（Ｇｓ）に共役な領域とすることでコンパクトになるからである。 このようにすることにより、前記光束（Ｂｕ）を偏向するために必要な前記光偏向手段（Ｍｄ）の大きさもコンパクトにすることが可能になる。

なお、先に前記射出瞳（Ｑｕｏ）がコンパクトな領域であることを述べたが、該射出瞳（Ｑｕｏ）を前記第２光放射領域（Ｇｕ）として利用することはできない。
その理由は、前記したように、前記第２光学系（Ｅｆ）は、前記光混合手段（Ｆｍ）の前記入射端（Ｐｍｉ）の近傍に、前記第１光学系（Ｅｕ）の前記射出瞳（Ｑｕｏ）に共役な前記第３光放射領域（Ｇｆ）を形成するよう設置するため、もし、前記射出瞳（Ｑｕｏ）が前記第２光放射領域（Ｇｕ）として前記光偏向手段（Ｍｄ）の偏向点近傍に配置されたならば、前記光偏向手段（Ｍｄ）が、前記光束（Ｂｕ）を偏向する方向を変化させたとしても、前記入射端（Ｐｍｉ）における前記第３光放射領域（Ｇｆ）の位置が変化できなくなってしまうからである。

理由の第２は、前記第２光放射領域（Ｇｕ）が、前記第１光放射領域（Ｇｓ）に共役であるため、前記第２光学系（Ｅｆ）が形成する遠方の像は、前記第２光放射領域（Ｇｕ）にも共役となるが、該第２光放射領域（Ｇｕ）は前記光偏向手段（Ｍｄ）の近傍に配置されるため、前記光偏向手段（Ｍｄ）の偏向動作によっても、該第２光放射領域（Ｇｕ）は概ね不動状態を保たれ、よって前記第２光学系（Ｅｆ）が形成する遠方の像も概ね不動状態を保たれるからである。
この性質は、後述するように、前記光混合手段（Ｆｍ）の光利用効率が高い状態を維持しながらコヒーレント光源装置を動作させることに利用することができる。

ところで、前記光混合手段（Ｆｍ）としては、それに光を入射したとき、入射光線の角度と位置の成分の混合が行われて射出されるものであれば、様々なものを使うことが可能である。 特に簡単なものとして、所定空間に光を閉じ込めて光を多重反射させながら導波する光ガイドを使うことができる。

これは、先に図１５に関して述べたように、ロッドインテグレータ、ライトトンネルなどの名称でも呼ばれており、ガラスや樹脂などの光透過性の材料からなる角柱によって構成され、前記入射端（Ｐｍｉ）に入力された光は、光ファイバと同じ原理に従って、前記光混合手段（Ｆｍ）の側面で全反射を繰り返しながら、前記光混合手段（Ｆｍ）の中を伝播することにより、入射光線の角度と位置の成分の混合が行われる。
また、前記したように、いま述べた光ガイドに関しては、前記した、ガラスや樹脂などの光透過性の材料からなる角柱によって構成されるものの他に、中空の角筒で、その内面が反射鏡になっており、同様に内面で反射を繰り返しながら光を伝播させ、同様の機能を果たすものも使うことができる。

なお、このように所定空間に光を閉じ込めて光を多重反射させながら導波することにより、入射光線の角度と位置の成分の混合が行われる理由は、前記光混合手段（Ｆｍ）の全長に亘って多重反射を繰り返して光が伝播すると、もし前記射出端（Ｐｍｏ）から覗いて見るならば、万華鏡の原理に従って、非常に多数の波源が見えるはずで、したがって、前記射出端（Ｐｍｏ）には、非常に多数の波源からの光が到達し、射出して来る状態と等価となるからである。

また、さらに前記光混合手段（Ｆｍ）として、先に図１６に関して述べたものと同様の、フライアイインテグレータを使うことができる。 フライアイインテグレータを使うことによって入射光線の角度と位置の成分の混合が行われる理由は、前記したように、フライアイインテグレータにおいては、入射側のフライアイレンズ上に縦横に並んだ、それぞれのレンズ外形の四角形の像が、全て１個に重ね合わせられるため、万華鏡のような状態が現出され、照明対象には、非常に多数の波源からの光が同時に到達することになるからである。

図４は、本発明のコヒーレント光源装置の光混合手段（Ｆｍ）として、フライアイインテグレータを使用したときの様子を描いたものである。
先に図１６について説明したものと同様に、フライアイインテグレータにおいては、入射側の前段フライアイレンズ（Ｆｍ１）上に縦横に並んだ、それぞれのレンズ外形の矩形の像が、射出側の後段フライアイレンズ（Ｆｍ２）、および、照明レンズ（Ｆｍｃ）によって、１個の合成四角形の像としての照明領域（Ｇｋ）を形成する。

前記第３光放射領域（Ｇｆ）が、図４において、領域（Ｇｆ’）の位置にあるとき、これを形成する光束（Ｂｆ’）は、前記前段フライアイレンズ（Ｆｍ１）の一部を照射して、部分的光束群（Ｂｇ’）を生成し、照明領域（Ｇｋ）を形成する。
また、前記光偏向手段（Ｍｄ）が前記光束（Ｂｕ）を偏向する方向を連続的に変化させることにより、破線で示すように、前記第３光放射領域（Ｇｆ）が、領域（Ｇｆ”）の位置に来ると、これを形成する光束（Ｂｆ”）は、前記前段フライアイレンズ（Ｆｍ１）の他の一部を照射して、前記部分的光束群（Ｂｇ’）とは異なる部分的光束群（Ｂｇ”）を生成し、同じく前記照明領域（Ｇｋ）を形成する。
このように、前記照明領域（Ｇｋ）の形成にあたっては、前記光偏向手段（Ｍｄ）の動作によって前記前段フライアイレンズ（Ｆｍ１）の使用する部分を連続的に変化させることにより、前記照明領域（Ｇｋ）を形成する際の光線の角度を連続的に変化するため、スペックルは常に移動することになり、その移動速度に見合う適当な期間内で平均すると、前記したスペックルの粒状・斑点状の模様が細かくなり、視認し難くなる。

なお、先に図１６について説明したフライアイインテグレータの作動原理より容易に理解できるように、第２光学系（Ｅｆ）が形成する、前記第２光放射領域（Ｇｕ）に共役な遠方像は、理想的には無限遠の像であることが望ましい。
また、同様にフライアイインテグレータの作動原理より容易に理解できるように、前記光偏向手段（Ｍｄ）の動作により連続的に変化する前記第３光放射領域（Ｇｆ）の全ての位置において、前記光束（Ｂｆ’）に含まれる前記第１光放射領域（Ｇｓ）の中心像点からの主光線（Ｌｐｆ’）や、前記光束（Ｂｆ”）に含まれる前記第１光放射領域（Ｇｓ）の中心像点からの主光線（Ｌｐｆ”）など、前記第３光放射領域（Ｇｆ）を形成する前記光束（Ｂｆ）に含まれる前記第１光放射領域（Ｇｓ）の中心像点からの主光線は、フライアイインテグレータ、すなわち前記光混合手段（Ｆｍ）について、その軸、すなわちｚ軸に対し、できる限り平行を維持することが望ましい。

前記した第２光学系（Ｅｆ）が形成する、前記第２光放射領域（Ｇｕ）に共役な像の、無限遠からの乖離、または前記光束（Ｂｆ）に含まれる前記第１光放射領域（Ｇｓ）の中心像点からの主光線の、前記光混合手段（Ｆｍ）の軸に対する平行からの乖離が大きくなると、前記照明領域（Ｇｋ）の形成に寄与できない光線が増加、すなわち光の利用効率が低下するため、これら乖離の程度は、許容できる光の利用効率の低下の限度内に抑えればよい。

なお、ここで前記第１光放射領域（Ｇｓ）の中心像点に着目する理由は、前記第１光学系（Ｅｕ）の前記射出瞳（Ｑｕｏ）に共役な前記第３光放射領域（Ｇｆ）を、有限距離にある（無限遠ではない）前記光混合手段（Ｆｍ）の前記入射端（Ｐｍｉ）の近傍に形成しており、これが前記第２光学系（Ｅｆ）の射出瞳に相当し、よって全ての主光線を平行にすることは不可能であるため、どれか代表的な像点を決め、これをｚ軸に平行にすることにより、理想的な平行からの不満足を、全体として小さいものに抑えたいからであり、そのための代表的な像点として、前記した前記第１光放射領域（Ｇｓ）の中心像点に着目したものであって、厳密な意味での中心である必要は無い。
後述する図１１の（ｂ）に記載の第１光放射領域（Ｇｓ）のように、中心に放射点が存在しない場合は、仮想の像点によって代表させてもよく、あるいは中心近くに実在する放射点（Ｋｓ，Ｋｓ’，…）の一つに着目してもよい。

本発明のコヒーレント光源装置の一部を簡略化して示す概念図である図５、図６用いて、本発明を実施するための形態について説明する。 前記したように、コヒーレント光源（Ｓｃ）が例えば半導体レーザである場合、半導体チップの表面に存在する発散光の放射部を第１光放射領域（Ｇｓ）とすることについて述べ、さらに、複数個の半導体レーザを使う場合に好適な本発明の形態について述べた。
このような、実際に光を発生させている１次光源だけでなく、１次光源からの光が伝送され、あるいは投影されるなどして光を放射する、２次光源を前記第１光放射領域（Ｇｓ）としてもよい。

その一例として、前記第１光放射領域（Ｇｓ）を、コヒーレント光源（Ｓｃ）の光が入射端から入力される光ファイバ（Ｆｂ）の射出端（Ｐｔｏ）によって形成することができ、図５に示すように、光ファイバの射出端側のコア全体が前記第１光放射領域（Ｇｓ）となる。
このとき、光ファイバが１本であっても、通常はそれを点光源として扱うことはできず、前記第１光放射領域（Ｇｓ）は、有限の面積内に放射点が連続的に分布する光放射領域と考えなければならない。 すなわち、光ファイバのコアである射出端（Ｐｔｏ）には、概ね均一に放射点（Ｋｓ，Ｋｓ’，…）が連続的に分布しており、前記放射点（Ｋｓ，Ｋｓ’，…）のそれぞれからは、光ファイバの構造によって既定される、周辺光線が分布して存在する円錐形角度領域の頂角をもって光が放射される。
その際、主光線（Ｌｐｓ，Ｌｐｓ’，…）は、光ファイバの軸に平行になるため、この軸を光学系の光軸であるｚ軸と一致させればよく、先に図３を用いて説明したものと同じ状況となる。

図６に示すように、複数本の光ファイバ（Ｆｂ，Ｆｂ’，…）を使う場合は、全ての光ファイバの軸が光学系の光軸であるｚ軸と平行になるように、また全ての前記光ファイバ（Ｆｂ，Ｆｂ’，…）の射出端（Ｐｔｏ，Ｐｔｏ’，…）が一つの平面上に位置するように配置すればよい。 この場合は、前記射出端（Ｐｔｏ，Ｐｔｏ’，…）の全体が形成する領域が、第１光放射領域（Ｇｓ）として機能することになる。

なお、図５、図６は、光ファイバのコアのみを描いたものであり、クラッドや、（特に複数本の光ファイバの場合）射出端（Ｐｔｏ，Ｐｔｏ’，…）を所定の位置に保持するための構造物、およびケーブル被覆などは省略してある。

本発明のコヒーレント光源装置に光ファイバを用いる利点として、光の発生箇所と利用箇所を分離してフレキシブルなケーブルで結ぶことにより、応用装置の配置において自由度が増したり、故障時の修理や部品交換が容易になるなどの点の他に、光ファイバ自体が、光混合手段としての機能を有している点を挙げることができる。 すなわち、半導体レーザなどの、元々スペックルを含まない１次光源の光を、光ファイバを通すことで、細かいスペックルを有する２次光源に変換した上で、さらに前記光混合手段（Ｆｍ）を通す構造とすることにより、スペックルの粒状・斑点状の模様が細かくなり、視認し難くなる効果を高めることができる。

前記したように、従来の高輝度放電ランプなど、何らかの光源を利用して画像を投影表示するプロジェクタにおいては、光ガイドやフライアイインテグレータなどの光均一化手段が必要不可欠の構成要素であるが、この光均一化手段は、前記したように、スペックルによって投射される光の均一性が劣化する問題の回避のために、本発明の構成要素である前記光混合手段（Ｆｍ）としても機能させることができる。 したがって、本発明のコヒーレント光源装置を光源として利用して画像を投影表示するプロジェクタを実現する際は、光均一化手段が前記光混合手段（Ｆｍ）を兼ねるように構成することで、コストダウンが可能となる。

前記したように、従来のプロジェクタでは、画像をカラー表示するために、例えば、前記光均一化手段の前段にカラーホイールなどの動的色フィルタを配置して、Ｒ・Ｇ・Ｂ（赤および緑、青）の色順次光束として前記２次元光振幅変調素子を照明し、時分割によってカラー表示を実現したり、あるいは、前記光均一化手段の後段にダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムを配置してＲ・Ｇ・Ｂの３原色に色分解した光で各色独立に設けた２次元光振幅変調素子を照明し、Ｒ・Ｇ・Ｂの３原色の変調光束の色合成を行うためのダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムを配置したりする。

本発明のプロジェクタにおいても、必要な種類の色相の光源を必要とするが、例えばＲ・Ｇ・Ｂの３原色のコヒーレント光源を用いて、それらを色合成した白色の第１光放射領域（Ｇｓ）を形成し、前記したように第１光学系（Ｅｕ）、光偏向手段（Ｍｄ）、第２光学系（Ｅｆ）を経て、光均一化手段たる光混合手段（Ｆｍ）に白色光を入射して、従来のプロジェクタと同様に、前記光混合手段（Ｆｍ）よりも後段において、動的色フィルタによる時分割処理、または色分解と色合成を行うようにすることができる。

なお、図６に記載したような、前記した光ファイバを用いるものの場合、色合成した第１光放射領域（Ｇｓ）の形成に際して、入射端において異なる色の光が入射された光ファイバの射出端（Ｐｔｏ，Ｐｔｏ’，…）を束ねることにより、前記第１光放射領域（Ｇｓ）が複数色の部分からなるものとすることができるし、あるいは、色毎に単色の第１光放射領域（Ｇｓ）を形成しておき、それらをダイクロイックミラー等の色合成手段を用いて重ね合わせて第１光学系（Ｅｕ）に光を送ることにより、結果的に色合成した前記第１光放射領域（Ｇｓ）を形成することもできる。 なお、前記第１光学系（Ｅｕ）側から前記色合成手段側を見れば、複数色を有する１個の第１光放射領域（Ｇｓ）が見え、光学分野では、この状態を指して、色合成した第１光放射領域（Ｇｓ）が形成されていると見なす。

あるいは、色毎に独立に第１光放射領域（Ｇｓ）の形成、第１光学系（Ｅｕ）、光偏向手段（Ｍｄ）、第２光学系（Ｅｆ）、光均一化手段たる光混合手段（Ｆｍ）を経て、２次元光振幅変調素子を照明して単色画像を生成し、これを色合成するようにしてもよい。

あるいは、例えばＲ・Ｇ・Ｂの順に、時分割でコヒーレント光源を駆動することにより、色順次の第１光放射領域（Ｇｓ）を形成し、第１光学系（Ｅｕ）、光偏向手段（Ｍｄ）、第２光学系（Ｅｆ）、光均一化手段たる光混合手段（Ｆｍ）を経て、２次元光振幅変調素子を照明することにより、色順次カラー画像を生成するようにしてもよい。

以下において、本発明を実施するための形態について、より具体的な構成を示した図面を用いて説明する。
先ず、図７に記載のコヒーレント光源装置について説明する。 １個または複数個の半導体レーザを光源とする半導体レーザ光源ユニット（Ｌｓ）における半導体チップの表面に存在する発散光の放射部を第１光放射領域（Ｇｓ）とする。
それを無限遠の像に変換するコリメータレンズ（Ｅｓ）、および結像レンズ（Ｅｕ１）からなる第１光学系（Ｅｕ）は、前記第１光放射領域（Ｇｓ）に対する共役な像として、偏向用ミラー（Ｍｄｍ）の上に第２光放射領域（Ｇｕ）を結像させる。

なお、前記半導体レーザ光源ユニット（Ｌｓ）が複数個の半導体レーザを光源とするものの場合、ここでは、前記第１光放射領域（Ｇｓ）からの全主光線が光軸に平行である場合を基本とするが、平行でない場合であっても、光軸上での像平面の位置、瞳位置を制御して設計することにより、同様の機能の光学系を実現することができる。
いま述べた、前記第１光放射領域（Ｇｓ）からの全主光線が光軸に平行である場合には、前記コリメータレンズ（Ｅｓ）の出力側焦点に前記コリメータレンズ（Ｅｓ）の射出瞳（Ｑｕ）が形成されるため、前記第１光学系（Ｅｕ）の射出瞳（Ｑｕｏ）は、前記コリメータレンズ（Ｅｓ）の前記射出瞳（Ｑｕ）に対する前記結像レンズ（Ｅｕ１）による像として形成される。

前記したように前記結像レンズ（Ｅｕ１）への前記第１光放射領域（Ｇｓ）入力像は無限遠であるから、その出力像、すなわち前記第２光放射領域（Ｇｕ）は、前記結像レンズ（Ｅｕ１）の出力側焦点面に形成される。
ここでは、前記コリメータレンズ（Ｅｓ）の射出瞳（Ｑｕ）は、前記結像レンズ（Ｅｕ１）の出力側焦点面よりも前記結像レンズ（Ｅｕ１）に近い位置に配置するものとして、したがって、前記第１光学系（Ｅｕ）の前記射出瞳（Ｑｕｏ）は、前記結像レンズ（Ｅｕ１）の虚像として、前記結像レンズ（Ｅｕ１）の後方に形成される場合を想定する。

前記偏向用ミラー（Ｍｄｍ）は、例えば円形で、ミラー回転モータ（Ｍｄｄ）の回転軸に取り付けられて回転させられるが、前記偏向用ミラー（Ｍｄｍ）の反射面の法線ベクトルが、回転軸に対して所定角度だけ傾くように取り付ける。
このような構造とすることにより、前記ミラー回転モータ（Ｍｄｄ）の回転に伴い、前記法線ベクトルの軌跡は円錐面を描くように揺動するため、前記偏向用ミラー（Ｍｄｍ）は回転揺動ミラーとなり、光偏向手段（Ｍｄ）として機能する。

前記光偏向手段（Ｍｄ）によって偏向された光束（Ｂｄ）は、コリメータレンズ（Ｅf１）からなる第２光学系（Ｅｆ）に入射され、該第２光学系（Ｅｆ）は、前記偏向用ミラー（Ｍｄｍ）上の前記第２光放射領域（Ｇｕ）に対する共役な像として、無限遠の出力像を形成するとともに、前記第１光学系（Ｅｕ）の前記射出瞳（Ｑｕｏ）に共役な像として、前記第２光学系（Ｅｆ）の後段に設けたフライアイインテグレータよりなる光混合手段（Ｆｍ）の入射端（Ｐｍｉ）に、第３光放射領域（Ｇｆ）を結像させる。

なお、いまの場合、前記第２光放射領域（Ｇｕ）が前記第１光放射領域（Ｇｓ）に共役であるように構成してあるから、前記第２光学系（Ｅｆ）が無限遠の出力像を形成するようにするためには、前記第２光学系（Ｅｆ）の入力側焦点が前記第２光放射領域（Ｇｕ）と一致するように配置すればよい。
このとき、該第２光放射領域（Ｇｕ）は前記偏向用ミラー（Ｍｄｍ）上にあるから、前記光偏向手段（Ｍｄ）の偏向動作によっても、概ね不動状態を保たれるため、前記第２光学系（Ｅｆ）が形成する無限遠の出力像の位置、すなわちｚ軸に対する角度も概ね一定に保たれる。

したがって、光学系を最初に適切に調整しておけば、先に図４に関連して述べたところの、前記光偏向手段（Ｍｄ）の動作により連続的に変化する前記第３光放射領域（Ｇｆ）の全ての位置において、前記第３光放射領域（Ｇｆ）を形成する前記光束（Ｂｆ）に含まれる前記第１光放射領域（Ｇｓ）の中心像点からの主光線が、ｚ軸に対して平行を維持することが可能な光学系が実現できていることが理解できる。

図８は、フライアイインテグレータよりなる前記光混合手段（Ｆｍ）を正面から見た概念図で、先に図１６について説明したケーラー照明前段レンズ（Ｌｋ１，Ｌｋ２，…）が縦横に多数並んでいる。
前記光偏向手段（Ｍｄ）に、前記回転揺動ミラーを使用した場合に、前記光混合手段（Ｆｍ）の前記入射端（Ｐｍｉ）に形成される前記第３光放射領域（Ｇｆ）が、前記光偏向手段（Ｍｄ）による偏向方向の変化に伴って、変位する様子を描いたものであり、前記第３光放射領域（Ｇｆ）の中心は、円形の軌跡（Ｃｇ）を描くように移動する。
また領域（Ｇｆ’）と領域（Ｇｆ”）は、先に図４について説明した、同じ記号を付した領域に対応させて描いてある。

先に前記半導体レーザ光源ユニット（Ｌｓ）に関し、複数の半導体レーザを含むものに言及したが、これの実現について簡単に述べる。

サファイア等の窓を有する金属ケースに、１個の放射点を有する半導体レーザが収納された、ディスクリート型の半導体レーザ光源（Ｄｓ，Ｄｓ’，…）を、図９に示すように必要個数並べ、それぞれにコリメータレンズ（Ｅｃ，Ｅｃ’，…）を付属させて配置することにより、各半導体レーザからの発散光を平行ビーム、すなわち無限遠像点に変換し、ビーム合成ミラー（ＭＤ，ＭＤ’，…）を用いて所望のビーム並び間隔を有するビーム列（Ｂａ）を形成した後、ビーム本数に対応して並べて配置した発散レンズ（Ｅｘ，Ｅｘ’，…）によって、有限距離の放射点（Ｋｓ，Ｋｓ’，…）に変換すると、該放射点（Ｋｓ，Ｋｓ’，…）からの主光線（Ｌｐｓ，Ｌｐｓ’，…）は、互いに概ね平行になるから、先に図３に示し説明した状況を実現することができる。
よって図９の放射点（Ｋｓ，Ｋｓ’，…）は、図７に記載の前記半導体レーザ光源ユニット（Ｌｓ）として使用することが好適である。

本発明のコヒーレント光源装置には、前記したディスクリート型の半導体レーザ光源の他に、図１０の（ａ）に概念図を示すような半導体レーザアレイデバイス（ＬＤＡ）も適用可能である。 該半導体レーザアレイデバイス（ＬＤＡ）の端面には半導体レーザ活性領域（Ａｓ，Ａｓ’，…）が一列に並んでおり、それぞれの前記半導体レーザ活性領域（Ａｓ，Ａｓ’，…）から発散光が放射される。 ディスクリート型であれ、アレイ型であれ、端面発光型の半導体レーザの放射光束の発散角は、回折現象の影響で大きくなり、また（半導体レーザの半導体チップの）基板面に垂直な方向の発散角は、周辺光線（Ｌｍｓ１Ａ，Ｌｍｓ２Ａ）に表されるように、特に大きい、すなわち、放射角度域を表す錐体の底面（ＣｉＡ）が、円ではなく著しい楕円になるという特徴がある。

この放射光束を平行ビームに変換するために、コリメータレンズが使われるが、発散角の大きい基板面に垂直な方向の成分に合わせて、焦点距離の短いものを使う必要がある。 そのようなコリメータレンズを使っても、ディスクリート型の半導体レーザの場合は、ビームが扁平になることを厭わなければ、大きな問題は無いが、アレイ型の半導体レーザの場合、前記半導体レーザ活性領域（Ａｓ，Ａｓ’，…）の全ての放射光束を１個のコリメータレンズで平行ビームに変換しようとすると、焦点距離が短いが故に、前記半導体レーザ活性領域（Ａｓ，Ａｓ’，…）それぞれの主光線が、相互に大きな角度を持ってしまう問題が生じる。

そのため、図１０の（ｂ）に概念図を示すような放射角度補正レンズアレイ（Ｅｙ）を使うことができる。 該放射角度補正レンズアレイ（Ｅｙ）は、前記半導体レーザ活性領域（Ａｓ，Ａｓ’，…）からの放射光束それぞれに対して、個別にコリメーションを行うもので、前記した基板面に垂直な方向の発散角が大きい問題を解決するため、前記放射角度補正レンズアレイ（Ｅｙ）の各屈折面は、球面ではなく、基板面に垂直な方向と平行な方向で曲率半径が異なる、例えばトーリック面に成型する。 これにより周辺光線（Ｌｍｓ１，Ｌｍｓ２）のように、基板面に並行な方向の発散角が減じられると共に、それ以上に基板面に垂直な方向の発散角が減じれられ、理想的には、基板面に並行・垂直な方向の発散角を同程度にされる。

それぞれの半導体レーザ活性領域（Ａｓ，Ａｓ’，…）からの主光線（Ｌｐｓ）は互いに平行であるから、ビーム列はコンパクトであり、図１０に記載の前記放射角度補正レンズアレイ（Ｅｙ）付きの前記半導体レーザアレイデバイス（ＬＤＡ）は、図７や前記半導体レーザ光源ユニット（Ｌｓ）として使用することが好適である。

なお、トーリック面を実現する代わりに、基板面に垂直な方向に曲率を有し、前記半導体レーザ活性領域（Ａｓ，Ａｓ’，…）に共通なシリンドリカルレンズと、基板面に並行な方向に曲率を有し、前記半導体レーザ活性領域（Ａｓ，Ａｓ’，…）のそれぞれに個別なシリンドリカルレンズの並びとを用意し、その組み合わせによっても、前記放射角度補正レンズアレイ（Ｅｙ）と同様の機能を実現することができる。

また、前記した放射角度補正レンズアレイ（Ｅｙ）付きの半導体レーザアレイデバイス（ＬＤＡ）を２個併用する場合の構成例を図１１の（ａ）に示す。
半導体レーザアレイデバイス（ＬＤＡ，ＬＤＡ’）からのビーム列は、ビーム合成ミラー（ＭＡ，ＭＡ’）を用いて一束のビームに合成される。 その際、前記半導体レーザアレイデバイス（ＬＤＡ）それぞれからの主光線（Ｌｐｓ，Ｌｐｓ’，…）は全て平行になるように配置することが好適である。

前記半導体レーザアレイデバイス（ＬＤＡ，ＬＤＡ’）は図７に記載の前記半導体レーザ光源ユニット（Ｌｓ）として使用することが好適であるが、これが形成する第１光放射領域（Ｇｓ）の様子は図１１の（ｂ）に示すようになる。 前記半導体レーザアレイデバイス（ＬＤＡ，ＬＤＡ’）のそれぞれの半導体レーザ活性領域は、放射点（Ｋｓ，Ｋｓ’，…）を形成するが、これら放射点（Ｋｓ，Ｋｓ’，…）が形成する第１光放射領域（Ｇｓ）の形状に対して相似な形状の共役像が、前記第２光学系（Ｅｆ）によって遠方または無限遠に形成される。
ここで、前記光束（Ｂｆ）が遠方または無限遠に形成する像とは、要するに前記光束（Ｂｆ）に含まれる光線の方向角度分布に対応する。

前記光混合手段（Ｆｍ）の前記入射端（Ｐｍｉ）に入力される光線のうち、有効に内部を伝播して前記照明領域（Ｇｋ）の形成に寄与できる許容角度の範囲は均等ではなく、図８に記載したｘ軸方向とｙ軸方向とで異なっており、具体的な各方向での許容角度の範囲、すなわち立体的な許容角度の範囲は、光混合手段（Ｆｍ）の個々の設計に依存する。
したがって、使用する光混合手段（Ｆｍ）の立体的な許容角度の範囲に適合するよう、前記第１光放射領域（Ｇｓ）における放射点（Ｋｓ，Ｋｓ’，…）を配置または分布させることが有利である。

なお、補足すると、図８に記載したフライアイインテグレータによる前記光混合手段（Ｆｍ）の場合、前記した立体的な許容角度の範囲は、概ね前記ケーラー照明前段レンズ（Ｌｋ１，Ｌｋ２，…）の１個の形状に相似になる。
ただし、図１６について説明した偏光整列機能素子（ＰｃＢ）が含まれている場合は、前記した立体的な許容角度の範囲はさらに限定されたものになる場合がある。

図１１の（ａ）および（ｂ）に対応して、図１２の（ａ）および（ｂ）に、さらに３個の半導体レーザアレイデバイス（ＬＤＡ，ＬＤＡ’，ＬＤＡ”）によって前記半導体レーザ光源ユニット（Ｌｓ）を構成する例を示す。 前記半導体レーザアレイデバイス（ＬＤＡ，ＬＤＡ’，ＬＤＡ”）からのビームの太さや拡がり角に配慮して、ビーム合成ミラー（ＭＡ，ＭＡ’）がビームを部分的にも遮蔽しないように配置すれば、図１２や先の図９に示した構成方法に従って、より多数個の半導体レーザアレイデバイス（ＬＤＡ，ＬＤＡ’，ＬＤＡ”）を使用することが可能である。

なお、図１２の構成は、前記したＲ・Ｇ・Ｂの３原色のコヒーレント光源を用いて、それらを色合成した白色の第１光放射領域（Ｇｓ）を形成する場合や、その構成に基づいてＲ・Ｇ・Ｂの順に、時分割でコヒーレント光源を駆動することにより、色順次の第１光放射領域（Ｇｓ）を形成する場合に好適であり、前記半導体レーザアレイデバイス（ＬＤＡ，ＬＤＡ’，ＬＤＡ”）のそれぞれをＲ・Ｇ・Ｂ各色に対応させて配置すればよい。

前記した色毎に単色の第１光放射領域（Ｇｓ）を形成しておき、それらをダイクロイックミラー等の色合成手段を用いて重ね合わせて第１光学系（Ｅｕ）に光を送ることにより、結果的に色合成した前記第１光放射領域（Ｇｓ）を形成する場合の構成について、図１３を用いて説明する。 この図の光学系は、先に図７に関して説明したものに対し、第１光学系（Ｅｕ）の結像レンズ（Ｅｕ１）より前の部分を変更してある。

Ｒ・Ｇ・Ｂ各色の半導体レーザ光源ユニット（ＬｓＲ，ＬｓＧ，ＬｓＢ）における半導体チップの表面に存在する発散光の放射部を第１光放射領域（ＧｓＲ，ＧｓＧ，ＧｓＢ）とし、それらをコリメータレンズ（ＥｓＲ，ＥｓＧ，ＥｓＢ）で無限遠の像に変換した光束を、ミラー（ＨｕＲ）およびダイクロイックミラー（ＨｕＧ，ＨｕＢ）を用いて色合成し、結像レンズ（Ｅｕ１）に入力するように構成してある。
前記結像レンズ（Ｅｕ１）およびそれより後段の光学系の働きは、図７に記載のものと同様である。 ただし、第１光学系（Ｅｕ）の射出瞳である、Ｒ・Ｇ・Ｂの各色毎に形成される前記結像レンズ（Ｅｕ１）の射出瞳（ＱｕＲ，ＱｕＧ，ＱｕＢ）に対し、これらに共役な像として、フライアイインテグレータよりなる光混合手段（Ｆｍ）の入射端（Ｐｍｉ）に、第３光放射領域（Ｇｆ）を結像させている。

これまでの説明においては、図７および図１３に記載のコヒーレント光源装置における第１光放射領域（Ｇｓ）および第１光放射領域（ＧｓＲ，ＧｓＧ，ＧｓＢ）については、半導体レーザ光源ユニットによって形成されるものとしてきたが、これらを、図５または図６に記載した、コヒーレント光源（Ｓｃ）の光が入射端から入力される光ファイバ（Ｆｂ）の射出端（Ｐｔｏ）によって形成される第１光放射領域（Ｇｓ）に置き換えることが可能である。

本明細書においては、前記光混合手段（Ｆｍ）として、光ガイドとフライアイインテグレータを挙げたが、前記したように、入射光線の角度と位置の成分の混合を行える素子であれば、他のものでも適用できる。 その際、光利用効率を低下させないために、光軸に対する光線の角度が増加しない素子を選択することが有利である。 例えば、拡散を利用するものは、スペックルの粒状・斑点状の模様が細かくなり、視認し難くなる働きは強いが、光線の角度分布を、角度の大きい側へシフトさせる性質も強いため、使用にあたっては注意を要する。

また、光ガイドについては、前記したような、単純な四角柱形状のものだけでなく、例えば、ｚ軸すなわち光軸に垂直な断面の四角形が、軸上を前方に移動するに従い回転するような、四角柱を軸回りにねじった形状のものとしたり、あるいは、射出端（Ｐｍｏ）は四角形であるが、入射端（Ｐｍｉ）は他の形状（例えば円形）であり、光軸に垂直な断面の四角形が、軸上を前方に移動するに従い、例えば円形から角数の大きい多角形を経て最終的に四角形なるなど、連続的に形を変化させる形状のものとしたりして、混合を強くして干渉性を高め、スペックルの粒状・斑点状の模様が細かくなり、視認し難くなる働きを高めることができる。 ただし、軸上を前方に移動するに従い、光軸に垂直な断面の断面積が減少する形状のものは、光が前方に伝播するに従って、側面での反射の度毎に、軸との角度が増加し、光線の角度分布を、角度の大きい側へシフトさせるため、注意を要する。

前記した実施例においては、前記光偏向手段（Ｍｄ）として、前記偏向用ミラー（Ｍｄｍ）と前記ミラー回転モータ（Ｍｄｄ）からなる回転揺動ミラーを用いる例を挙げたが、光束の角度を偏向できるものであれば、どのようなものでも適用可能である。
例えば、断面が楔型になっているガラス板を回転させる回転非平行ガラス板、像回転プリズム（ドーブプリズムや台形プリズムなどと呼ばれるものや、その屈折面を反射面に代えたプリズムなど）を軸回りに回転させる回転像回転プリズム、往復的に角度を偏向させる振動ミラー、ガルバノメーター、ポリゴンなどを使用することが可能である。 これらのうち回転揺動ミラー、回転非平行ガラス板、回転像回転プリズムなどのような、光学素子を回転させるものは、往復的に角度を偏向させる構造のものに比べ、機械的な振動を小さくすることができるため、本発明の光偏向手段として好適である。

また、これらは、光学素子の回転に伴い、偏向方向の軌跡は円錐面を描くように揺動するため、仮に、偏向によって、例えば光混合手段（Ｆｍ）またはその後段において光利用効率が低下する場合でも、偏向が無い場合の中心軸に対する偏向角度が一定であるため、偏向角度に依存して光利用効率が変動する現象が生じ難いという利点がある。 これに比し、往復的に角度を偏向させるものの場合は、機械的な振動が大きくなり易い上に、偏向中心では光利用効率が高く、偏向中心から外側に偏向角を増すに従い光利用効率が低下する、すなわち光利用効率が変動する現象が生じるという欠点が現れ易いため、注意を要する。

さらに、前記光偏向手段（Ｍｄ）としては、以上述べたような単純な動作のものだけでなく、圧電駆動機構や電磁駆動機構などのミラー振動素子により前記偏向用ミラーを振動させることで、１次元、または２次元にレーザ光を走査する、所謂ＭＥＭＳ光スキャナなどを応用することができる。

図１４は、前記光偏向手段（Ｍｄ）に、２次元走査を行う、ＭＥＭＳ光スキャナを使用した場合に、前記フライアイインテグレータよりなる光混合手段（Ｆｍ）の入射端（Ｐｍｉ）に結像する第３光放射領域（Ｇｆ）が、前記光偏向手段（Ｍｄ）による偏向方向の変化に伴って、領域（Ｇｆ’）から、領域（Ｇｆ”）へと変位する様子を描いたものである。
前記第３光放射領域（Ｇｆ）の中心の軌跡（Ｃｇ’）は前記フライアイインテグレータ入射端（Ｐｍｉ）上を走査する軌道をとる。

レンズ設計分野において一般的に知られているように、１個のレンズからなる光学系を、それと同じ機能の、複数のレンズの組合せからなる光学系に構造変換したり、あるいは逆の構造変換をすることも可能であり、特に前者の構造変換は、対象光学系についての焦点距離は同じでも、入力側主点位置および出力側主点位置を好都合な位置に設定したり、アフォーカル系を導入したりすることにより、１個のレンズでは物理的に実現不可能な機能を実現させる、あるいは、レンズのパワーを複数のレンズに分散させることにより、収差を減少させる、などの目的で活用される。 前記した実施例においては、第１光学系（Ｅｕ）や第２光学系（Ｅｆ）を、複数枚の組合せレンズ系として構成するものを示したが、前記した構造変換を活用して、あるいは非球面レンズを使うなどしてレンズの枚数を増減し、性能あるいはコストを改善することができる。

また、前記した構造変換の結果、例えば先に図７に関して説明した前記射出瞳（Ｑｕｏ）などが、光学系の内部に存在するものとなって、スクリーンを置いて確認することが不可能なものとなる場合もあるが、それでも特段の不都合は無い。

本発明は、プロジェクタなどの光学装置において使用可能な、レーザなどのコヒーレント光源を用いたコヒーレント光源装置を設計・製造する産業において利用可能である。

Ａｓ 半導体レーザ活性領域
Ａｓ’ 半導体レーザ活性領域
Ｂａ ビーム列
Ｂｄ 光束
Ｂｆ 光束
Ｂｆ’ 光束
Ｂｆ” 光束
Ｂｇ’ 部分的光束群
Ｂｇ” 部分的光束群
Ｂｍｏ 光束
Ｂｓ 光束
Ｂｕ 光束
Ｃｇ 軌跡
Ｃｇ’ 軌跡
Ｃｉ 底面
ＣｉＡ 底面
ＤｍｊＡ ２次元光振幅変調素子
ＤｍｊＢ ２次元光振幅変調素子
Ｄｓ 半導体レーザ光源
Ｄｓ’ 半導体レーザ光源
Ｅf１ コリメータレンズ
Ｅｃ コリメータレンズ
Ｅｃ’ コリメータレンズ
Ｅｆ 第２光学系
Ｅｊ１Ａ 照明レンズ
Ｅｊ１Ｂ 照明レンズ
Ｅｊ２Ａ 投影レンズ
Ｅｊ２Ｂ フィールドレンズ
Ｅｊ３Ｂ 投影レンズ
Ｅｓ コリメータレンズ
ＥｓＢ コリメータレンズ
ＥｓＧ コリメータレンズ
ＥｓＲ コリメータレンズ
Ｅｕ 第１光学系
Ｅｕ１ 結像レンズ
Ｅｘ 発散レンズ
Ｅｘ’ 発散レンズ
Ｅｙ 放射角度補正レンズアレイ
Ｆ１Ｂ 前段フライアイレンズ
Ｆ２Ｂ 後段フライアイレンズ
Ｆｂ 光ファイバ
Ｆｂ’ 光ファイバ
Ｆｍ 光混合手段
Ｆｍ１ 前段フライアイレンズ
Ｆｍ２ 後段フライアイレンズ
ＦｍＡ 光均一化手段
ＦｍＢ 光均一化手段
Ｆｍｃ 照明レンズ
Ｇｆ 第３光放射領域
Ｇｆ’ 領域
Ｇｆ” 領域
Ｇｋ 照明領域
Ｇｓ 第１光放射領域
ＧｓＢ 第１光放射領域
ＧｓＧ 第１光放射領域
ＧｓＲ 第１光放射領域
Ｇｕ 第２光放射領域
ＨｕＢ ダイクロイックミラー
ＨｕＧ ダイクロイックミラー
ＨｕＲ ミラー
Ｋｓ 放射点
Ｋｓ’ 放射点
ＬＣＤ 液晶デバイス
ＬＤＡ 半導体レーザアレイデバイス
ＬＤＡ’ 半導体レーザアレイデバイス
ＬＤＡ” 半導体レーザアレイデバイス
Ｌｋ１ ケーラー照明前段レンズ
Ｌｋ２ ケーラー照明前段レンズ
Ｌｍｓ１ 周辺光線
Ｌｍｓ１Ａ 周辺光線
Ｌｍｓ２ 周辺光線
Ｌｍｓ２Ａ 周辺光線
Ｌｐｆ’ 主光線
Ｌｐｆ” 主光線
Ｌｐｓ 主光線
Ｌｐｓ’ 主光線
Ｌｓ 半導体レーザ光源ユニット
ＬｓＢ 半導体レーザ光源ユニット
ＬｓＧ 半導体レーザ光源ユニット
ＬｓＲ 半導体レーザ光源ユニット
ＭＡ ビーム合成ミラー
ＭＡ’ ビーム合成ミラー
ＭＤ ビーム合成ミラー
ＭＤ’ ビーム合成ミラー
Ｍｄ 光偏向手段
Ｍｄｄ ミラー回転モータ
Ｍｄｍ 偏向用ミラー
ＭｊＡ ミラー
ＭｊＢ 偏光ビームスプリッタ
ＰｃＢ 偏光整列機能素子
Ｐｍｉ 入射端
ＰｍｉＡ 入射端
ＰｍｉＢ 入射端
Ｐｍｏ 射出端
ＰｍｏＡ 射出端
ＰｍｏＢ 射出端
Ｐｔｏ 射出端
Ｐｔｏ’ 射出端
Ｑｓ 点
Ｑｕ 射出瞳
ＱｕＢ 射出瞳
ＱｕＧ 射出瞳
ＱｕＲ 射出瞳
Ｑｕｏ 射出瞳
Ｓｃ コヒーレント光源
ＳｊＡ 光源
ＳｊＢ 光源
Ｔｊ スクリーン
ＺｉＢ 入射光軸

Claims (5)

1. コヒーレント光源（Ｓｃ）によって形成される第１光放射領域（Ｇｓ）を有し、
   前記第１光放射領域（Ｇｓ）からの光を投影して第２光放射領域（Ｇｕ）を形成する第１光学系（Ｅｕ）と、
   前記第２光放射領域（Ｇｕ）の近傍において前記第２光放射領域（Ｇｕ）の形成にかかわる光束（Ｂｕ）を偏向する光偏向手段（Ｍｄ）と、
   前記光偏向手段（Ｍｄ）の後段に設置される第２光学系（Ｅｆ）と、
   前記第２光学系（Ｅｆ）の後段に設置され、その入射端（Ｐｍｉ）へ入射される光線の角度と位置の成分の混合を行うための光混合手段（Ｆｍ）とを具備し、
   前記第２光学系（Ｅｆ）は、前記第１光放射領域（Ｇｓ）に共役な像を遠方に形成し、かつ前記第１光学系（Ｅｕ）の射出瞳（Ｑｕｏ）に略共役な第３光放射領域（Ｇｆ）を前記入射端（Ｐｍｉ）に形成し、
   前記光偏向手段（Ｍｄ）は、前記光束（Ｂｕ）を偏向する方向を連続的に変化させる動作を継続することによって、前記第３光放射領域（Ｇｆ）が前記入射端（Ｐｍｉ）において連続的に移動せしめられることを特徴とするコヒーレント光源装置。
2. 前記第２光放射領域（Ｇｕ）が前記第１光放射領域（Ｇｓ）に共役であることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレント光源装置。
3. 前記光混合手段（Ｆｍ）は、フライアイインテグレータであることを特徴とする請求項１または２に記載のコヒーレント光源装置。
4. 前記第１光放射領域（Ｇｓ）を、コヒーレント光源（Ｓｃ）の光が入射端から入力される光ファイバ（Ｆｂ）の射出端（Ｐｔｏ）によって形成することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のコヒーレント光源装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のコヒーレント光源装置を利用して画像を投影表示するプロジェクタであって、光均一化手段が前記光混合手段（Ｆｍ）を兼ねることを特徴とするプロジェクタ。

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