JP5816844B2 - レーザプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、レーザを光源に用いたレーザプロジェクタに関する。

近年、スクリーンといった様々な投影面上に画像を映し出すプロジェクタが普及している。プロジェクタには、一般的に、ランプ光源が用いられている。しかしながら、ランプ光源の寿命は短い。また、ランプ光源の色再現領域は、制限されている。加えて、ランプ光源は、大きな光源面積や低い光利用効率といった欠点を有する。

これらの問題を解決するために、プロジェクタの光源としてレーザ光源を用いることが試みられている。レーザ光源は、ランプ光源に比べて寿命が長く、強い指向性を有する。したがって、レーザ光源は、高い光利用効率を達成しやすい。加えて、レーザ光源は、単色性を有するので、大きな色再現領域が達成される。したがって、レーザ光源を利用するプロジェクタは、鮮やかな画像を表示することができる。

プロジェクタの光源として、従来のランプ光源に比べて小型のレーザ光源が利用されるならば、レーザ光源は、点光源であるので、プロジェクタに組み込まれる様々な光学部品も小型化される。したがって、プロジェクタの光源としてのレーザ光源の応用は、従来にない携帯型のプロジェクタの開発に貢献すると期待されている。以下の説明において、レーザ光源を利用するプロジェクタは、「レーザプロジェクタ」と称される。

レーザプロジェクタは、スペックルノイズの課題を有する。スペックルノイズは、レーザ光の高い干渉性に起因する。スペックルノイズとして、光学系で生じたパターンが表示面に映る回折界のスペックルノイズ並びにレーザ光が表示面で散乱された散乱光同士が視聴者の眼で微細な粒状のノイズとなる像界のスペックルノイズが知られている。露光機及び照明光学系では前者の回折界のスペックルノイズが問題となり、レーザプロジェクタでは回折界と像界との両方のスペックルノイズが問題となる。

プロジェクタの小型化には、従来のランプ又はＬＥＤを光源とした光学系とは異なる点光源としての性質を利用することに加えて、レーザ光を変調し、映像光を作り出す空間光変調素子に必要な均一な照明を行う光学系が必要とされる。プロジェクタの小型化は、発熱の問題を克服するために、高い光利用効率を達成することも要求する。

プロジェクタの光源として、レーザ光源が用いられるならば、安全の観点から、視聴者の網膜上での光強度は、十分に低減される必要がある。したがって、投射レンズから出射されるレーザ光の光強度の低減、或いは、視聴者の網膜上での集光の防止が必要とされる。

レーザプロジェクタに対して、スペックルノイズの低減や安全性の向上のための種々の提案がなされている（例えば、特許文献１及び２を参照）。

特許文献１に開示されるレーザプロジェクタは、レーザ光源、ビーム拡大器、２組のフライアイレンズと集光レンズと視野レンズとからなるビーム成形オプティクス並びに移動拡散器を備える。ビーム成形オプティクスと移動拡散器との組み合わせの結果、空間光変調素子に対する照明の均一化並びにスペックルノイズの低減が達成される。

特許文献１に開示されるレーザプロジェクタは、しかしながら、比較的大きな光学系（ランプ光源とともに用いられる光学系を同様の大きさ）を必要とする。したがって、当該レーザプロジェクタは、光学系の小型化に不向きである。加えて、当該レーザプロジェクタのスペックルノイズの低減並びに安全性の向上も十分な水準に達していない。

特許文献２は、レーザ光が投射される投射領域に隣接する領域への人の侵入が検知されたとき、光パワーを所定レベルまで下げることを提案する。特許文献２は、人の網膜上への高いパワーの光の集光を防止するための技術を開示する。

特許文献２のプロジェクタは、しかしながら、複雑な構造を有するとともに、大型化しやすい。したがって、基本的な安全対策として、光パワーを下げる処理などを行うことなく、人の網膜上への高い光の集光を、常時、防止することができる光学設計が求められる。

レーザ光源のビーム整形要素として、回折素子又はＨＯＥ素子といった波長オーダでの加工が施される素子を利用することが提案されている。しかしながら、これらの素子がビーム整形要素として用いられるならば、使用される波長や入射角度が制限される。したがって、これらの素子のビーム整形要素としての利用は、多数の波長や複数の光源に対する光強度の均一化や正確なビーム整形に不向きである。加えて、これらの素子のビーム整形要素としての利用の結果、０次光に起因して、パワーが集中する箇所が生じやすくなる。

上述の従来の提案は、レーザプロジェクタの小型化を維持しつつ、スペックルノイズの低減、高輝度並びに高い安全性を達成するための光学設計を十分に検討していない。

特開２００３−９８４７６号公報 特開２００６−２２７０８３号公報

本発明は、小型化及び高輝度を達成すること並びにスペックルノイズを低減させるための光学系を有する安全なレーザプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明の一の局面に係るレーザプロジェクタは、レーザ光を出射するレーザ光源部と、前記レーザ光を変調し、映像光を生成する空間光変調素子と、前記映像光を出射するための投射レンズと、前記レーザ光のビーム形状を前記空間光変調素子の形状に整形するビーム整形素子と、該投射レンズの出射瞳における光強度分布を均一化する瞳均一化素子と、を備え、該瞳均一化素子は、前記レーザ光源部と前記ビーム整形素子との間に配設されることを特徴とする。

上述のレーザプロジェクタは、投射される像の光強度分布及び投射レンズの出射瞳における光強度分布を好適に均一化する。過度に高い強度の光は出射されないので、高い安全性を有するレーザプロジェクタが提供される。加えて、投射される像の光強度分布及び投射レンズの出射瞳における光強度分布に対する均一化の結果、局所的に増加された光強度に起因するスペックルノイズは生じにくくなる。したがって、小型のレーザプロジェクタであっても、高い安全性及びスペックルノイズの低減を達成することができる。

本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

第１実施形態に係るレーザプロジェクタの概略図である。 瞳均一化素子の入射端面に形成されたレンズパターンの概略図である。 ビーム整形素子の概略的な斜視図である。 レーザプロジェクタと視聴者の眼との間の位置関係を表す概略図である。 ビーム整形素子と出射瞳との位置関係を示す概略図である。 ビーム整形素子と出射瞳との位置関係を示す概略図である。 球面及び放物面の角度の配向特性を概略的に示すグラフである。 第２実施形態のレーザプロジェクタの概略図である。 第３実施形態のレーザプロジェクタの概略図である。 第４実施形態のレーザプロジェクタの概略図である。 赤色レーザ光源と合波プリズムとの間に配設された瞳均一化素子の概略図である。 緑色レーザ光源と合波プリズムとの間に配設された瞳均一化素子の概略図である。 青色レーザ光源と合波プリズムとの間に配設された瞳均一化素子の概略図である。 第５実施形態のレーザプロジェクタの概略図である。 ビーム整形素子の概略的な斜視図である。 アクリル樹脂を用いて形成された第２要素レンズの入射端面のレンズ径と屈折角（ｓｉｎθ）との間の関係を表すグラフである。 瞳均一化素子の概略的な平面図である。 瞳均一化素子の概略的な側面図である。

以下、一実施形態に係るレーザプロジェクタが図面を参照して説明される。尚、以下に説明される実施形態において、同様の構成要素に対して同様の符号が付されている。また、説明の明瞭化のため、必要に応じて、重複する説明は省略される。図面に示される構成、配置或いは形状並びに図面に関連する記載は、単に、レーザプロジェクタの原理を容易に理解させることを目的とするものであり、レーザプロジェクタの原理は、これらに何ら限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
（レーザプロジェクタ）
図１は、第１実施形態に係るレーザプロジェクタ１００の概略図である。図１を用いて、レーザプロジェクタ１００が説明される。

レーザプロジェクタ１００は、レーザ光を出射するレーザ光源１１０と、レーザ光を変調し、映像光を生成する空間光変調素子１２０と、映像光を出射するための投射レンズ１３０と、を備える。本実施形態において、レーザ光源１１０は、レーザ光源部として例示される。

図１には、投射レンズ１３０の出射瞳１３１が太い鎖線で示されている。レーザプロジェクタ１００は、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における光強度分布を均一化する瞳均一化素子１４０を更に備える。瞳均一化素子１４０は、レーザ光源１１０からのレーザ光が入射する入射端面１４１を含む。

図２は、瞳均一化素子１４０の入射端面１４１に形成されたレンズパターンの概略図である。図１及び図２を用いて、瞳均一化素子１４０及びレーザプロジェクタ１００が説明される。

瞳均一化素子１４０は、入射端面１４１に形成された複数の第１要素レンズ１４２を含む。略正六角形の第１要素レンズ１４２は、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における光強度分布を均一化するように、入射端面１４１に敷き詰められる。したがって、入射端面１４１には、第１要素レンズ１４２からなるハニカム構造が形成される。

第１要素レンズ１４２は、凹面レンズである。好ましくは、第１要素レンズ１４２は、放物面レンズである。例えば、第１要素レンズ１４２のレンズピッチは、「約０．２ｍｍ」であり、曲率半径は、「約−０．１ｍｍ」であり、円錐定数は、「約−１」である。レーザ光源１１０からのレーザ光は、これらの寸法値を用いて形成された凹面に入射する。

入射端面１４１に入射するレーザ光のビーム径は、少なくとも、レンズピッチの倍の値より大きい。したがって、レーザ光は、複数の第１要素レンズ１４２を通過する。上述の如く形成された第１要素レンズ１４２の凹面（曲面）は、レーザ光を拡げる作用をなす。

瞳均一化素子１４０は、入射端面１４１と反対側の出射端面１４３を含む。第１要素レンズ１４２の凹面によるレーザ光の拡張作用の結果、出射端面１４３から出射されるレーザ光は、重畳しながら拡がっていく。この結果、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における光強度分布は、適切に均一化される。

瞳均一化素子１４０によって、出射端面１４３から出射されるレーザ光の出射角度分布が均一化される。レーザ光が入射する入射端面１４１の領域は、以下の説明において、有効面と称される。本実施形態において、有効面全体に正六角形の第１要素レンズ１４２が敷き詰められるので、有効面は、光束が通過する平坦な面を含まない。

レーザプロジェクタ１００は、出射端面１４３から出射されたレーザ光をコリメートするコリメータ１５０と、レーザ光のビーム形状を空間光変調素子１２０の形状に整形するビーム整形素子１６０と、を更に備える。レーザ光源１１０とビーム整形素子１６０との間に配設された瞳均一化素子１４０から出射されたレーザ光は、コリメータ１５０に入射する。コリメータ１５０から、その後、出射される正六角形のレーザ光は、光強度が均一化されたビームとなる。コリメータ１５０から出射されたレーザ光は、その後、ビーム整形素子１６０に入射する。

図３は、ビーム整形素子１６０の概略的な斜視図である。図１及び図３を用いて、ビーム整形素子１６０及びレーザプロジェクタ１００が説明される。

ビーム整形素子１６０は、コリメータ１５０からのレーザ光が入射される入射端面１６１と、入射端面１６１と反対側の出射端面１６３と、を含む。

図３の左図は、ビーム整形素子１６０を全体的に表す。図３の左図に示される如く、ビーム整形素子１６０の入射端面１６１には、水平方向の曲率半径に従って湾曲するシリンドリカルレンズアレイが形成される。また、ビーム整形素子１６０の出射端面１６３には、垂直方向の曲率半径に従って湾曲するシリンドリカルレンズアレイが形成される。入射端面１６１に形成されたシリンドリカルレンズアレイは、出射端面１６３に形成されたシリンドリカルレンズアレイに対して直角に延びる。

図３の右図は、上述のシリンドリカルレンズアレイの一部として用いられる略直方体状の第２要素レンズ１６２の概略的な斜視図である。第２要素レンズ１６２の入射端面１６１として形成されるシリンドリカルレンズのレンズ幅は、「約０．３１２ｍｍ」であり、曲率半径は、「約−０．２ｍｍ」であり、円錐定数は、「約−１」である。入射端面１６１のシリンドリカルレンズは、放物面をなす。第２要素レンズ１６２の出射端面１６３として形成されるシリンドリカルレンズのレンズ幅は、「約０．２ｍｍ」であり、曲率半径は、「約−０．２ｍｍ」であり、円錐定数は、「約−１」である。出射端面１６３のシリンドリカルレンズは、放物面をなす。

入射端面１６１及び出射端面１６３それぞれに凹面レンズが形成された第２要素レンズ１６２は、図３の左図に示される如く、水平方向及び垂直方向に敷き詰められる。この結果、出射端面１６３から出射されるレーザ光のビーム形状は、空間光変調素子１２０の形状に整形される。レーザ光が入射する入射端面１６１の領域は、以下の説明において、有効面と称される。本実施形態において、有効面全体に第２要素レンズ１６２が敷き詰められるので、有効面は、光束が通過する平坦な面を含まない。

レーザプロジェクタ１００は、コンデンサーレンズ１７０、光拡散素子１８０、ＰＢＳ１９０（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）及びフィールドレンズ２１０を更に備える。ビーム整形素子１６０から出射されたレーザ光は、コンデンサーレンズ１７０によって集光され、その後、光拡散素子１８０を通過する。光拡散素子１８０は、レーザ光を拡散させるので、スペックルノイズは低減される。その後、レーザ光は、ＰＢＳ１９０によって、空間光変調素子１２０に向けて反射され、フィールドレンズ２１０を介して、空間光変調素子１２０を照明する。

ビーム整形素子１６０は、レーザ光を、「４：３（縦横比）」の矩形断面のビームに整形する。尚、整形されたビームの光強度分布は、均一化された状態を維持する。空間光変調素子１２０は、このように整形されたビーム光を変調し、映像光を生成する。本実施形態において、空間光変調素子１２０として、反射型の空間変調素子が用いられる。より具体的には、レーザプロジェクタ１００に組み込まれる空間光変調素子１２０として、対角０．３７ｉｎのＬＣＯＳが使用される。空間光変調素子によって生成された映像光は、フィールドレンズ２１０及びＰＢＳ１９０を通過し、最終的に、投射レンズ１３０から出射される。

（光強度分布の均一化）
図４は、レーザプロジェクタ１００と視聴者の眼Ｅとの間の位置関係を表す概略図である。図１乃至図４を用いて、光強度分布の均一化が説明される。

投射レンズ１３０から出射された映像光は、スクリーンといった表示面２２０へ向けて投影される。図４には、レーザプロジェクタ１００の投影方向にいる視聴者の眼Ｅが示されている。当該視聴者は、レーザプロジェクタ１００の投射レンズ１３０を覗き込んでいる。したがって、映像光は、視聴者の瞳孔Ｐを介して、網膜Ｒに到達する。図４に示される如く、視聴者が投射レンズ１３０を覗き込むならば、出射瞳１３１の像が網膜Ｒ上に映るとき光が最も強くなる。

このとき、出射瞳１３１における光強度分布が過度に強い部分を有するならば、網膜Ｒ上にも光強度が強い部分が発生する。網膜Ｒ上において、光強度が過度に高い部分が発生することは、安全性の観点から好ましくない。

図５Ａ及び図５Ｂは、ビーム整形素子１６０と出射瞳１３１との位置関係を示す概略図である。図２乃至図５Ｂを用いて、光強度分布の均一化が更に説明される。

ビーム整形素子１６０は、出射瞳１３１と共役関係にある。共役関係とは、２つの点のうち一方から発生した光が、他方の点で結像する位置関係を意味する。

図５Ａには、ビーム整形素子１６０の略中央の仮想点Ｐ１及び出射瞳１３１の略中央の仮想点Ｐ２が示されている。仮想点Ｐ１において発生された光は、コンデンサーレンズ１７０、光拡散素子１８０、ＰＢＳ１９０及びフィールドレンズ２１０を通過し、空間光変調素子１２０に至る。空間光変調素子１２０は、仮想点Ｐ１からの光を反射する。空間光変調素子１２０によって反射された光は、その後、フィールドレンズ２１０及びＰＢＳ１９０を通過し、最終的に、投射レンズ１３０の出射瞳１３１の略中央の仮想点Ｐ２において結像する。

図５Ｂには、ビーム整形素子１６０の端の仮想点Ｑ１及び出射瞳１３１の端の仮想点Ｑ２が示されている。仮想点Ｑ１において発生された光は、コンデンサーレンズ１７０、光拡散素子１８０、ＰＢＳ１９０及びフィールドレンズ２１０を通過し、空間光変調素子１２０に至る。空間光変調素子１２０は、仮想点Ｑ１からの光を反射する。空間光変調素子１２０によって反射された光は、その後、フィールドレンズ２１０及びＰＢＳ１９０を通過し、最終的に、投射レンズ１３０の出射瞳１３１の端の仮想点Ｑ２において結像する。

図５Ａ及び図５Ｂに示される如く、投射レンズ１３０の出射瞳１３１は、ビーム整形素子１６０と共役関係にあるので、ビーム整形素子１６０に入射する光の強度分布は、投射レンズ１３０の出射瞳１３１に反映される。上述の如く、瞳均一化素子１４０は、ビーム整形素子１６０に入射するレーザ光の光強度分布を均一化する。このことは、瞳均一化素子１４０が、出射瞳１３１におけるレーザ光の強度分布を均一化していることを意味する。

上述の如く、瞳均一化素子１４０が、投射レンズ１３０の出射瞳における映像光の光強度分布を均一化するので、網膜Ｒ上において、光強度が過度に高くなる部分は生じない。したがって、視聴者が偶発的にレーザプロジェクタ１００の投射レンズ１３０を覗き込んだとしても、レーザプロジェクタ１００は、安全に映像光を投射することができる。

眼Ｅの網膜Ｒに映る出射瞳１３１の像の光強度は、眼Ｅの瞳孔Ｐに入射する光量に依存する。眼の瞳孔Ｐに入射する光量が多いほど、網膜Ｒ上の光強度は高くなる。例えば、表示面２２０の中央部が最も明るく照明され、且つ、投射レンズ１３０と表示面２２０の中央部との間の領域で視聴者が投射レンズ１３０を覗き込むならば、瞳孔Ｐに入射する光量は大きくなる。一方、例えば、表示面２２０の端部領域において、輝度の低い映像が表示され、且つ、投射レンズ１３０と表示面２２０の端部領域との間の空間で視聴者が投射レンズ１３０を覗き込むならば、瞳孔Ｐに入射する光量は小さくなる。瞳孔Ｐへ入射する光量が過度に多くなる部分が存在しないならば、レーザプロジェクタ１００の高い安全性が確保される。

本実施形態のビーム整形素子１６０は、表示面２２０に過度に明るい部分が生じないように、空間光変調素子１２０へ入射する光量を均一化する。したがって、投射レンズ１３０と表示面２２０との間の空間の任意の位置で視聴者が投射レンズ１３０を覗き込んでも、瞳孔Ｐに入射する光量は過度に高くならない。したがって、レーザプロジェクタ１００は、映像光を安全に投射することができる。

図２に関連して説明された如く、瞳均一化素子１４０は、第１要素レンズ１４２が敷き詰められた有効面を含む。瞳均一化素子１４０は、平面部を含まない有効面における屈折効果を用いて、出射瞳１３１における光強度を均一化する。

ビーム整形素子１６０は、第２要素レンズ１６２が敷き詰められた有効面を含む。ビーム整形素子１６０は、平面部を含まない有効面における屈折効果を用いて、ビームを空間光変調素子１２０の形状に整形する。

したがって、瞳均一化素子１４０及びビーム整形素子１６０は、０次光成分を生じさせることなく、光強度の均一化及びビーム整形を行うことができる。尚、光学系にホログラフィック素子や回折素子が用いられるならば、０次光成分が発生する。

もし、第１要素レンズ及び第２要素レンズが敷き詰められていないならば、有効面は、平面部を有することとなる。有効面が平面部を含むならば、微小の要素レンズが配列されたレンズアレイであっても、０次光成分が発生する。０次光成分は、著しく高いピーク強度を引き起こす。したがって、０次光成分の発生は、投射レンズを覗き込む視聴者の眼の網膜上に光強度が非常に高い部分を生じさせる。このことは、安全性の観点から好ましくない。

本実施形態において、瞳均一化素子１４０及びビーム整形素子１６０の有効面には、第１要素レンズ１４２及び第２要素レンズ１６２がそれぞれ敷き詰められているので、０次光成分に起因する過度に高い光強度の部分は発生しない。尚、「平面部」との用語は、レーザ光が入射する面及び出射する面がともに平坦である部位を意味する。また、「有効面」との用語は、上述の如く、レーザ光が透過する領域を意味する。

瞳均一化素子１４０は、第１要素レンズ１４２の屈折力を用いて、複数の第１要素レンズ１４２それぞれから拡がるレーザ光を、互いに重畳させる。したがって、瞳均一化素子１４０は、単体で、光強度を均一化することができる。

ビーム整形素子１６０は、第２要素レンズ１６２の屈折力を用いて、複数の第２要素レンズ１６２それぞれから拡がるレーザ光を、互いに重畳させる。したがって、ビーム整形素子１６０は、単体で、ビームを整形することができる。

瞳均一化素子１４０は、光強度の均一化と同時に、スペックルノイズを除去する。スペックルノイズは、視聴者が表示面２２０を見ているときに生ずる。スペックルノイズの大きさは、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における光強度分布に依存する。本実施形態において、瞳均一化素子１４０は、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における光強度分布を均一化するので、スペックルノイズも適切に低減される。瞳均一化素子１４０は、第１要素レンズ１４２の凹面の曲率に応じて、出射瞳１３１の外周部まで、光強度を均一化することができる。したがって、瞳均一化素子１４０は、例えば、ガウス分布に従う光量分布を有する光の強度を適切に均一化することができる。

上述の如く、ビーム整形素子１６０は、表示面２２０における光量の分布を均一化する。光量の多い表示領域において、スペックルノイズは目立ちやすい（即ち、視聴者に知覚されやすい）。本実施形態において、ビーム整形素子１６０は、表示面２２０における光量の分布を均一化するので、スペックルノイズが目立つ表示領域は生じにくくなる。

レーザプロジェクタ１００は、レーザ光源１１０と、空間光変調素子１２０と、投射レンズ１３０と、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における光強度分布を均一化する瞳均一化素子１４０と、レーザ光のビーム形状を整形するビーム整形素子１６０と、を備える。瞳均一化素子１４０は、第１要素レンズ１４２が敷き詰められた有効面を有する。また、ビーム整形素子１６０は、第２要素レンズ１６２が敷き詰められた有効面を有する。したがって、レーザプロジェクタ１００は、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における光強度分布を適切に均一化するだけでなく、表示面２２０における光量分布も均一化することができる。尚、レーザプロジェクタ１００は、０次光成分を発生させることなく、光強度分布及び光量分布の均一化を達成することができる。したがって、投射レンズ１３０を覗き込む視聴者の眼Ｅの網膜Ｒ上において、光強度が過度に高くなる部分は生じない。加えて、出射瞳１３１における光強度分布及び表示面２２０における光量分布の均一化の結果、スペックルノイズは適切に低減される。かくして、表示面２２０に映し出される映像は、スペックルノイズが目立つ領域をほとんど含まない。

レーザプロジェクタ１００の瞳均一化素子１４０は、レーザ光源１１０とビーム整形素子１６０との間に配設される。瞳均一化素子１４０に入射したレーザ光は、第１要素レンズ１４２の拡がり角に応じて拡がる。この結果、第１要素レンズ１４２から出射されるレーザ光は重畳され、ビーム整形素子１６０に入射する。かくして、光強度分布は、均一化される。瞳均一化素子１４０の第１要素レンズ１４２に入射するレーザ光の光量が異なっていても、レーザ光は、第１要素レンズ１４２のレンズパワーによって重畳される。したがって、瞳均一化素子１４０単独で、光強度の均一化が達成される。光強度が均一化されたレーザ光は、投射レンズ１３０の出射瞳１３１と共役関係にあるビーム整形素子１６０に入射する。したがって、レーザプロジェクタ１００が小型化されても、出射瞳１３１における光強度の均一化が達成される。

瞳均一化素子１４０の第１要素レンズ１４２及びビーム整形素子１６０の第２要素レンズ１６２はともに凹面レンズである。瞳均一化素子１４０及びビーム整形素子１６０は、これらの凹面レンズから形成されたレンズアレイを含む。第１要素レンズ１４２及び第２要素レンズ１６２は、レーザ光を、僅かな光路長で重畳し、光強度及び／又は光量の均一化を達成することができる。したがって、これらの凹面レンズから形成されたレンズアレイを含む瞳均一化素子１４０及びビーム整形素子１６０は、コンパクトな光学系の設計に貢献する。

レンズアレイに用いられる複数の第１要素レンズ１４２の形状は、好ましくは、同一又は相似形状である。同一又は相似形状の第１要素レンズ１４２がレンズアレイに用いられるならば、径方向の曲率分布が揃う。この結果、レンズアレイから出射されるレーザ光の出射角度分布及び光強度分布が均一化される。

レンズアレイに用いられる複数の第２要素レンズ１６２の形状は、好ましくは、同一又は相似形状である。同一又は相似形状の第２要素レンズ１６２がレンズアレイに用いられるならば、径方向の曲率分布が揃う。この結果、レンズアレイから出射されるレーザ光の出射角度分布及び光強度分布が均一化される。

瞳均一化素子１４０の第１要素レンズ１４２の凹曲面（レンズ面）は、好ましくは、中心から離れるにつれて低減する曲率分布を有する。また、ビーム整形素子１６０の第２要素レンズ１６２の凹曲面（レンズ面）は、好ましくは、中心から離れるにつれて低減する曲率分布を有する。より好ましくは、第１要素レンズ１４２及び第２要素レンズ１６２は、円錐定数若しくは２次の非球面係数を用いて、球面収差が補正された曲面を有する。

第１要素レンズ１４２は、凹型の放物面レンズである。第１要素レンズ１４２の外縁に近づくにつれて、曲率は小さくなる。第２要素レンズ１６２は、入射端面１６１及び出射端面１６３それぞれにシリンドリカルレンズを備える。入射端面１６１に形成されたシリンドリカルレンズの軸は、出射端面１６３に形成されたシリンドリカルレンズの軸に対して直交する。両シリンドリカルレンズの曲率は、当該レンズの外縁に近づくにつれて小さくなる。本実施形態において、円錐定数「−１」の放物面を用いて、球面収差が補正される。

図６は、球面及び放物面の角度の配向特性を概略的に示すグラフである。図１、図３、図４及び図６を用いて、球面と放物面との間での配向特性の相違が説明される。

図６において、曲率半径が「１」の球面の形状（ｙ）及び径方向の面の傾き（ｄｙ／ｄｘ）は、点線で表されている。また、頂点における曲率半径が「１」の放物面の形状（ｙ）及び径方向の面の傾き（ｄｙ／ｄｘ）は、点線で表されている。尚、図６のグラフの横軸は、径方向を表す。

球面に関して、径方向の値が大きくなるならば、面の傾きも大きくなり、最終的に、発散する。一方、レンズの中心から離れるにつれて曲率が小さくなる曲面（即ち、放物面）に関しては、径方向の値が大きくなっても、面の傾きは、球面と比べて、大きくならない。

本実施形態の瞳均一化素子１４０及びビーム整形素子１６０の出射角度分布は、第１要素レンズ１４２及び第２要素レンズ１６２の曲率分布にそれぞれ依存する。レーザプロジェクタ１００の瞳均一化素子１４０の出射角度分布が均一化されるので、投射レンズ１３０の出射瞳１３１の光強度も均一化される。また、ビーム整形素子１６０の出射角度分布が均一化されるので、空間光変調素子１２０を照明する光量分布も均一化される。出射角度分布の均一化のために、第１要素レンズ１４２及び第２要素レンズ１６２の径方向の面の傾きが制御される。レーザプロジェクタ１００が小型に形成されるならば、レーザプロジェクタ１００は、小型の光学系を必要とする。したがって、第１要素レンズ１４２及び第２要素レンズ１６２の拡がり角は、好ましくは、大きく設定される。拡がり角が大きく設定されるならば、光軸方向の長さは、好適に短縮される。

例えば、球面の場合、径方向の値が小さい範囲（即ち、拡がり角が小さい範囲）において、径方向の面の傾きは、略線形であり、略均一な出射角度分布が得られる。しかしながら、径方向の値が大きくなると（即ち、拡がり角が大きくなると）、図６に示される如く、径方向の面の傾きは発散する。この結果、出射角度が大きい光の強度は小さくなる。

一方、図５に示される放物面のように、レンズの中心から離れるにつれて、曲率が小さくなるならば、径方向の値が大きくなっても（即ち、拡がり角が大きくなっても）、径方向の面の傾きは、線形関係を維持する。したがって、均一な出射角度分布が得られる。

第１要素レンズ１４２及び第２要素レンズ１６２の形状は、円錐定数を用いて球面収差が補正された放物面であるので、第１要素レンズ１４２及び第２要素レンズ１６２の拡がり角が大きく設定されても、均一な出射角度分布が得られる。したがって、レーザプロジェクタ１００に用いられる光学系は小型化される。

本実施形態において、第１要素レンズ１４２及び第２要素レンズ１６２は、放物面を含む。代替的に、レンズの中心から離れるにつれて曲率が小さくなる他の面形状が採用されてもよい。このような面形状の下においても、同様に、径方向の面の傾きの発散（図６の球面のグラフを参照）は、抑制され、出射角度分布の均一化が達成される。円錐定数又は２次の非球面係数を用いて、球面収差が補正された曲面を有するレンズは、変曲点を含まない。したがって、このようなレンズは、変曲点における光量の集中を引き起こさない。４次といった高次の非球面係数によるレンズ曲面に対する補正は、レンズに変曲点を生じさせる。変曲点は、本実施形態に関連して説明された好ましくない光量の集中を引き起こすことに加えて、第１要素レンズ及び第２要素レンズの作成を困難にする。この結果、第１要素レンズ及び第２要素レンズの作成コストが増大する。

レーザプロジェクタ１００のビーム整形素子１６０から出射されたレーザ光は、第２要素レンズ１６２の曲率分布（拡がり角）に従って、拡がりながら重畳する。この結果、レーザ光は、空間光変調素子１２０の形状に整形される。重畳したレーザ光は、光拡散素子１８０に入射する。その後、レーザ光は、空間光変調素子１２０に入射する。

上述の如く、レーザプロジェクタ１００のビーム整形素子１６０の位置は、投射レンズ１３０の出射瞳１３１と共役関係にある。ビーム整形素子１６０は、複数の第２要素レンズ１６２を用いて形成される。第２要素レンズ１６２の焦点での集光は、光拡散素子１８０の不存在下において、投射レンズ１３０の出射瞳１３１内で観察されることもある。第２要素レンズ１６２の焦点での集光は、光拡散素子１８０の不存在下において、投射レンズ１３０の出射瞳１３１内で、光強度が高い点を生じさせることもある。本実施形態において、光拡散素子１８０は、ビーム整形素子１６０と空間光変調素子１２０との間に配設される。この結果、第２要素レンズ１６２の焦点での集光は、投射レンズ１３０の出射瞳１３１で観察されにくくなる。光拡散素子１８０は、好ましくは、複数の第２要素レンズ１６２からの光が重畳する位置に配設される。このような光拡散素子１８０の配置は、第２要素レンズ１６２それぞれの焦点の集光の観察を好適に防止する。したがって、本実施形態の原理に従い、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における光強度の均一化が達成される。この結果、レーザプロジェクタ１００は、スペックルノイズを低減し、高品位の映像を安全に表示することができる。

本実施形態において、レーザプロジェクタ１００の空間光変調素子１２０は、反射型の空間光変調素子である。反射型の空間光変調素子として、ＬＣＯＳが例示される。ビーム整形素子１６０から出射されたレーザ光は、コンデンサーレンズ１７０及びフィールドレンズ２１０を通過し、空間光変調素子１２０に入射する。その後、空間光変調素子１２０は、レーザ光を反射する。反射されたレーザ光は、再度、フィールドレンズ２１０を通過し、最終的に、投射レンズ１３０から表示面２２０に投射される。

コンデンサーレンズ１７０は、空間光変調素子１２０の近くに焦点を作る。コンデンサーレンズ１７０は、ビーム整形素子１６０が整形したレーザ光を、空間光変調素子１２０全体に亘って（空間光変調素子１２０の端部まで）、均一な光強度分布で照射する。

空間光変調素子１２０の直前に配置されたフィールドレンズ２１０は、空間光変調素子１２０の端部から反射された光を投射レンズまで導くために用いられる。反射型の空間光変調素子（空間光変調素子１２０）と投射レンズ１３０との間の光学的経路は、照明光学系と重複する。したがって、投射レンズ１３０は、空間光変調素子１２０の近くに配置することはできない。フィールドレンズ２１０の不存在下において、投射レンズ１３０が、反射型の空間光変調素子１２０の端部から反射された映像光を取り込むことは困難である。投射レンズ１３０が反射型の空間光変調素子１２０の端部から反射された映像光を取り込まないならば、表示面２２０の端部における映像は暗く表示されやすい。

本実施形態において、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における光強度は均一化される。したがって、フィールドレンズ２１０の不存在下において、空間光変調素子１２０の端部からの反射光に対する投射レンズ１３０の取込量は低下しやすい。フィールドレンズ２１０は、このような取込量の低下を好適に抑制する。

上述の如く、本実施形態において、コンデンサーレンズ１７０は、空間光変調素子１２０全体に亘って（空間光変調素子１２０の端部まで）、均一な光強度分布で照明する。フィールドレンズ２１０は、空間光変調素子１２０の端部からの反射光の取込量を向上させる。したがって、本実施形態の原理にしたがって、表示面２２０の端部近くの映像も明るく表示され、表示面２２０の中央部の映像が、表示面２２０の端部の映像と比べて、著しく明るくなることはほとんど生じない。表示面２２０の中央部が過度に明るく表示されることは、画質の劣化を意味するだけでなく、安全性の低下をも意味する。本実施形態のレーザプロジェクタ１００は、表示面２２０の端部近くの映像も明るく、且つ、安全に表示することができる。

図３に関連して説明されたビーム整形素子１６０の第２要素レンズ１６２の開口数が説明される。入射端面１６１に形成されたシリンドリカルレンズの開口数は、水平方向において、ＮＡ０．３５である。出射端面１６３に形成されたシリンドリカルレンズの開口数は、垂直方向において、ＮＡ０．２６である。矩形の第２要素レンズ１６２の対角方向における開口数は、ＮＡ０．４４である。本実施形態において、ビーム整形素子１６０の第２要素レンズ１６２の最大開口数は、好ましくは、０．３以上に設定される。

本実施形態において、ビーム整形は、第２要素レンズ１６２の開口数に基づき定められる拡がり角に依存する。第２要素レンズ１６２の開口数が大きく設定されるならば、ビーム整形に必要とされる光学距離は短縮される。したがって、第２要素レンズ１６２の最大開口数が、０．３以上に設定されるならば、レーザプロジェクタ１００は、適切に小型化される。上述の如く、第２要素レンズ１６２の中心から離れるにつれて、曲面の曲率が小さくなることが好ましい。第２要素レンズ１６２の曲面は、放物面であることが特に好ましい。

図６のグラフ（ｄｙ／ｄｘ）に示される如く、第２要素レンズ１６２の屈折率が１．５であるならば、「０．３」の開口数は、球面に対して、図５の横軸の半径において、「０．５４」の値に相当し、放物面に対して、「０．６４」の値に相当する。開口数が「０．３」を超えると、球面の場合、半径に対する傾き（ｄｙ／ｄｘ）は、発散する。このことは、整形されるビームの発散並びに整形されたビームの強度の低下を意味する。一方、放物面の場合、開口数が「０．３」を超えても、半径に対する傾きは線形的に変化するので、均一なビーム強度が維持される。第２要素レンズ１６２が、０．３以上の最大開口数並びにレンズの中心から離れるにつれて曲率が小さくなる曲面を有するならば、レーザプロジェクタ１００の小型化及び均一なビーム整形が両立される。

図１に示される如く、レーザプロジェクタ１００は、ビーム整形素子１６０を保持するアクチュエータ２５０を更に備える。アクチュエータ２５０は、レーザ光源１１０と空間光変調素子１２０との間で規定される光軸に対して垂直な面に沿って（図１の矢印方向）、ビーム整形素子１６０を往復移動（周波数：１２０Ｈｚ 最大振幅：１００μｍ）させる。ビーム整形素子１６０を通過したレーザ光は、光拡散素子１８０を経て、空間光変調素子１２０に入射する。本実施形態において、アクチュエータ２５０は、移動機構として例示される。アクチュエータ２５０として、電磁コイル式のアクチュエータ、モータ式のアクチュエータや上述のビーム整形素子１６０の往復移動を達成させることができる他のアクチュエータが例示される。

アクチュエータ２５０は、好ましくは、第２要素レンズ１６２の最小断面寸法「２００μｍ」よりも小さく設定された最大振幅でビーム整形素子１６０を往復移動させる。尚、「最小断面寸法」との用語は、第２要素レンズ１６２の矩形断面の対向する縁部を接続する線分のうち短い方の長さ寸法を意味する。

スペックルノイズを低減させるために光学素子を移動させる様々な移動機構が提案されている。本実施形態のレーザプロジェクタ１００は、スペックルノイズの低減に好適な構造を有するので、アクチュエータ２５０によるビーム整形素子１６０の移動の振幅は小さく設定されてもよい。したがって、レーザプロジェクタ１００は、小型のアクチュエータ２５０を用いて、少ない電力消費で、スペックルノイズを低減することができる。

本実施形態において、複数の第２要素レンズ１６２から拡がったレーザ光は重畳しながら、空間光変調素子１２０の形状に整形される。その後、重畳したレーザ光は、光拡散素子１８０を通過し、空間光変調素子１２０を照明する。複数の第２要素レンズ１６２からのレーザ光が重畳した後、光拡散素子１８０を通過する結果、第２要素レンズ１６２それぞれに対応する光源像が拡がり、第２要素レンズ１６２の大きさよりも大きくなる。アクチュエータ２５０によるスペックルノイズの除去は、第２要素レンズ１６２の光源像を移動させ、隣接する光源像との時間積分の結果、光源像間の重なりを生じさせることを意味する。上述の如く、光拡散素子１８０は、第２要素レンズ１６２の光源像を拡げ、第２要素レンズ１６２の大きさよりも大きくするので、アクチュエータ２５０による往復移動の振幅は、第２要素レンズ１６２の最小断面寸法よりも小さく設定されても、スペックルノイズは十分に除去される。かくして、レーザプロジェクタ１００は、小型のアクチュエータ２５０を用いて、少ない電力消費で、スペックルノイズを低減することができる。

以下の説明において、投射レンズ１３０のエフナンバーは、記号「Ｆ＃」で表される。ビーム整形素子１６０に入射するレーザ光の長手方向のビーム径は、記号「Ｄ」で表される。コンデンサーレンズ１７０及びフィールドレンズ２１０の合成焦点距離は、記号「ｆ」で表される。本実施形態において、コンデンサーレンズ１７０及びフィールドレンズ２１０は、レンズ群として例示される。

本実施形態のレーザプロジェクタ１００の光学的設計は、好ましくは、以下の数式で示される関係を満たす。

（数１）
Ｆ＃＜ｆ／Ｄ＜２×Ｆ＃

本実施形態において、レーザプロジェクタ１００の投射レンズ１３０のＦ＃は、「１．４」である。ビーム整形素子１６０に入射するレーザ光の長手方向のビーム径Ｄは、「６ｍｍ」である。コンデンサーレンズ１７０及びフィールドレンズ２１０の合成焦点距離ｆは、１０ｍｍである。

「Ｆ＃」よりも「ｆ／Ｄ」の値が小さいならば、投射レンズ１３０は、空間光変調素子１２０からの反射光を十分に取り込むことができないので、大きな光量損失が発生する。この結果、光利用効率は低くなる。「２×Ｆ＃」より大きい「ｆ／Ｄ」の値は、投射レンズ１３０の出射瞳１３１の中央領域のみが映像光の出射に用いられることを意味する。本実施形態のレーザプロジェクタ１００は、上述の数式で表される関係が充足されるように、光学的に設計されるので、高効率で光を利用し、映像光を安全に投射することができる。

＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態のレーザプロジェクタ１００Ａの概略図である。図７を用いて、レーザプロジェクタ１００Ａが説明される。尚、第１実施形態に関連して説明された要素と同様の要素に対しては、同様の符号が割り当てられている。これらの同様の要素に対する説明は、省略される。

レーザプロジェクタ１００Ａは、第１実施形態のレーザプロジェクタ１００と同様に、瞳均一化素子１４０、コリメータ１５０、コンデンサーレンズ１７０、光拡散素子１８０、ＰＢＳ１９０、フィールドレンズ２１０、投射レンズ１３０及びアクチュエータ２５０を備える。レーザプロジェクタ１００Ａは、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光を出射する青色レーザ光源１１０ｂを更に備える。本実施形態において、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂは、レーザ光源部として例示される。

レーザプロジェクタ１００Ａは、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂそれぞれに対応して設けられたコリメータ１１１と、これらのコリメータ１１１の間に配設された合波プリズム１１２と、を更に備える。赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂから出射されたレーザ光は、コリメータ１１１によって、それぞれコリメートされる。その後、レーザ光は、合波プリズム１１２によって同軸化される。

レーザプロジェクタ１００Ａは、レーザ光を変調し、映像光を生成する空間光変調素子１２０Ａを更に備える。本実施形態において、空間光変調素子１２０Ａとして、ＬＣＯＳ（縦横比 １６：９）が好適に用いられる。空間光変調素子１２０Ａは、時分割方式で、赤色、緑色及び青色のレーザ光を変調する。したがって、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂからのレーザ光の出射のタイミングは、空間光変調素子１２０Ａの変調動作に同期する。即ち、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂのレーザ光の出射動作は、順次、切り替えられる。

レーザプロジェクタ１００Ａは、レーザ光のビーム形状を空間光変調素子１２０Ａの形状に整形するビーム整形素子１６０Ａを更に備える。合波プリズム１１２が同軸化したレーザ光は、瞳均一化素子１４０、コリメータ１５０、ビーム整形素子１６０Ａ、コンデンサーレンズ１７０、光拡散素子１８０、ＰＢＳ１９０及びフィールドレンズ２１０を順次通過し、空間光変調素子１２０Ａを照明する。

ビーム整形素子１６０Ａは、コリメータ１５０からのレーザ光が入射される入射端面１６１と、入射端面１６１と反対側の出射端面１６３と、を含む。ビーム整形素子１６０Ａは、水平方向及び垂直方向に敷き詰められた矩形の第２要素レンズ１６２Ａを用いて形成される。尚、第２要素レンズ１６２Ａは、空間光変調素子１２０Ａと同様に、「１６：９」の縦横比を有する。

第２要素レンズ１６２Ａの入射端面１６１には、凹型の放物面（レンズ面）が形成される。略直方体形状の第２要素レンズ１６２Ａの水平方向の幅は、「約０．３２ｍｍ」であり、縦方向の幅は、「約０．１８ｍｍ」である。第２要素レンズ１６２Ａのレンズ面の曲率半径は、「約−０．２ｍｍ」であり、円錐定数は、「約−１」である。第２要素レンズ１６２Ａの拡がり角に応じて、複数の第２要素レンズ１６２Ａから出射されるレーザ光は拡がりながら重畳される。この結果、「１６：９」の縦横比の矩形状のビームが整形される。

アクチュエータ２５０は、光軸に対して垂直な面に沿って（図７の矢印方向）、ビーム整形素子１６０Ａを往復移動（周波数：１００Ｈｚ 振幅：２００μｍ）させる。第１実施形態に関連して説明された如く、アクチュエータ２５０は、第２要素レンズ１６２Ａよりも小さな振幅で、ビーム整形素子１６０Ａを往復移動させ、スペックルノイズを低減する。

瞳均一化素子１４０は、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光の出射角度分布をそれぞれ均一化する。この結果、ビーム整形素子１６０Ａへ入射するレーザ光の強度分布は均一化される。

瞳均一化素子１４０の硝材の色分散は、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光との間で、ビーム断面積に差異を作り出す。本実施形態において、ビーム整形素子１６０Ａに入射する青色レーザ光のビーム断面積は、これらのレーザ光の中で最も大きくなる。また、ビーム整形素子１６０Ａに入射する赤色レーザ光のビーム断面積は、これらのレーザ光の中で最も小さくなる。ビーム整形素子１６０Ａに入射する緑色レーザ光のビーム断面積は、赤色レーザ光のビーム断面積よりも大きく、且つ、青色レーザ光のビーム断面積よりも小さい。

本実施形態のレーザプロジェクタ１００Ａは、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂを備える。ビーム整形素子１６０Ａに入射する赤色レーザ光の断面積は、青色レーザ光及び緑色レーザ光の断面積よりも小さい。投射レンズ１３０の出射瞳１３１における光強度分布は、ビーム整形素子１６０Ａに入射するレーザ光の断面積に影響される。本実施形態において、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における光強度分布の均一化の観点から、青色レーザ光、緑色レーザ光及び赤色レーザ光の断面積の大小関係（青＞緑＞赤）が定められている。

人の網膜は、青色レーザ光、緑色レーザ光及び赤色レーザ光の中で、最も波長の短い青色レーザ光に最も影響を受けやすい。したがって、安全性の観点から、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における青色レーザ光の強度が低く設定されることが好ましい。本実施形態において、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における青色レーザ光の強度の低減のため、ビーム整形素子１６０Ａに入射する青色レーザ光の断面積は、他のレーザ光と比べて拡げられる。

緑色レーザ光は、最も高い視感度を有する。したがって、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における緑色レーザ光の断面積が拡げられるならば、人が明るいと感じる輝点として知覚されるスペックルノイズが低減される。しかしながら、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における緑色レーザ光の断面積の過度の拡大は、光量の損失に帰結する。したがって、本実施形態において、ビーム整形素子１６０Ａに入射する緑色レーザ光のビーム断面積は、赤色レーザ光のビーム断面積よりも大きく、且つ、青色レーザ光のビーム断面積よりも小さくなるように設定される。

赤色レーザ光は、他のレーザ光と比べて、安全性及びスペックルノイズに寄与しない。投射レンズ１３０の出射瞳１３１における赤色レーザ光の断面積が低減されるならば、光量の損失は少なくなる。したがって、本実施形態のレーザプロジェクタ１００Ａの赤色レーザ光源１１０ｒから出射される赤色レーザ光の断面積は、青色レーザ光及び緑色レーザ光の断面積よりも小さく設定される。かくして、レーザプロジェクタ１００Ａは、高い光利用効率で、スペックルノイズの少ない映像を安全に投射することができる。

本実施形態のレーザプロジェクタ１００Ａは、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂを備える。赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂそれぞれから出射された赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光は、合波プリズム１１２によって同軸化される。その後、瞳均一化素子１４０は、単独で、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光それぞれの光強度を均一化する。

赤色レーザ光源、緑色レーザ光源及び青色レーザ光源それぞれから出射された赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光との間で、投射レンズの出射瞳における光強度分布が著しく異なるならば、投射レンズの周辺光量比に起因して、映像が表示される表示面に色斑が生ずる。

本実施形態において、瞳均一化素子１４０は、単独で、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光それぞれの光強度を均一化するので、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における光強度分布は、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光の間で、同様又は相似の形状となる。したがって、レーザプロジェクタ１００Ａが表示する映像の表示面上での色斑は小さくなる。

本実施形態において、レーザプロジェクタ１００Ａは、直方体形状のＰＢＳ１９０を備える。代替的に、レーザプロジェクタは、ワイヤグリッドといった薄板状のビームスプリッタを備えてもよい。本実施形態の原理は、透過型の液晶素子を用いて映像光を生成するレーザプロジェクタにも適用される。

＜第３実施形態＞
図８は、第３実施形態のレーザプロジェクタ１００Ｂの概略図である。図２及び図８を用いて、レーザプロジェクタ１００Ｂが説明される。尚、第１実施形態及び第２実施形態に関連して説明された要素と同様の要素に対しては、同様の符号が割り当てられている。これらの同様の要素に対する説明は、省略される。

レーザプロジェクタ１００Ｂは、第１実施形態のレーザプロジェクタ１００と同様に、瞳均一化素子１４０、コリメータ１５０及びアクチュエータ２５０を備える。また、レーザプロジェクタ１００Ｂは、第２実施形態のレーザプロジェクタ１００Ａと同様に、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ、青色レーザ光源１１０ｂ、コリメータ１１１及び合波プリズム１１２を更に備える。

レーザプロジェクタ１００Ｂは、レーザ光を変調し、映像光を生成する空間光変調素子１２０Ｂを更に備える。本実施形態において、空間光変調素子１２０Ｂとして、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）が用いられる。レーザプロジェクタ１００Ｂは、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光を用いて、カラーの映像を表示する。

赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂからそれぞれ出射されたレーザ光は、コリメータ１１１によってコリメートされ、その後、合波プリズム１１２によって、同軸化される。

本実施形態において、空間光変調素子１２０Ｂとして用いられるＤＭＤの縦横比は、「４：３」である。空間光変調素子１２０Ｂは、時分割方式で、赤色、緑色及び青色のレーザ光を変調する。したがって、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂからのレーザ光の出射のタイミングは、空間光変調素子１２０Ｂの変調動作に同期する。即ち、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂのレーザ光の出射動作は、順次、切り替えられる。

レーザプロジェクタ１００Ｂは、レーザ光のビーム形状を空間光変調素子１２０Ｂの形状に整形するビーム整形素子１６０Ｂと、整形されたレーザ光を集光するコンデンサーレンズ１７０Ｂと、コンデンサーレンズ１７０Ｂを透過したレーザ光を空間光変調素子１２０Ｂに向けて反射する凹面ミラー２６０と、を更に備える。合波プリズム１１２が同軸化したレーザ光は、瞳均一化素子１４０、コリメータ１５０、ビーム整形素子１６０Ｂ及びコンデンサーレンズ１７０Ｂを、順次、通過し、凹面ミラー２６０に到達する。凹面ミラー２６０は、その後、空間光変調素子１２０Ｂに向けて、レーザ光を反射し、空間光変調素子１２０Ｂを照明する。

ビーム整形素子１６０Ｂは、コリメータ１５０からのレーザ光が入射される入射端面１６１と、入射端面１６１と反対側の出射端面１６３と、を含む。ビーム整形素子１６０Ｂは、水平方向及び垂直方向に敷き詰められた矩形の第２要素レンズ１６２Ｂを用いて形成される。尚、第２要素レンズ１６２Ｂは、空間光変調素子１２０Ｂと同様に、「４：３」の縦横比を有する。

第２要素レンズ１６２Ｂの入射端面１６１には、凸型の放物面（レンズ面）が形成される。略直方体形状の第２要素レンズ１６２Ｂの水平方向の幅は、「約０．１６ｍｍ」であり、縦方向の幅は、「約０．１２ｍｍ」である。第２要素レンズ１６２Ｂのレンズ面の曲率半径は、「約０．１ｍｍ」であり、円錐定数は、「約−１」である。第２要素レンズ１６２Ｂの拡がり角に応じて、複数の第２要素レンズ１６２Ｂから出射されるレーザ光は拡がりながら重畳される。この結果、「４：３」の縦横比の矩形状のビームが整形される。

アクチュエータ２５０は、光軸に対して垂直な面に沿って（図８の矢印方向）、ビーム整形素子１６０Ｂを往復移動（周波数：２００Ｈｚ 振幅：１００μｍ）させる。第１実施形態に関連して説明された如く、アクチュエータ２５０は、第２要素レンズ１６２Ｂよりも小さな振幅で、ビーム整形素子１６０Ｂを往復移動させ、スペックルノイズを低減する。

レーザプロジェクタ１００Ｂは、投射レンズ１３０Ｂを更に備える。空間光変調素子１２０Ｂは、微小ミラー（図示せず）を動作させ、表示面に表示される映像光のみを投射レンズ１３０Ｂに導く。

ビーム整形素子１６０Ｂの位置は、投射レンズ１３０Ｂの出射瞳１３１と共役関係にある。したがって、ビーム整形素子１６０Ｂへ入射するレーザ光の光強度分布は、投射レンズ１３０Ｂの出射瞳１３１における光強度分布に反映される。

図２に関連して説明された如く、レーザプロジェクタ１００Ｂの瞳均一化素子１４０は、縦横に敷き詰められた第１要素レンズ１４２を備える。したがって、瞳均一化素子１４０は、ビーム整形素子１６０Ｂへ入射するレーザ光の光強度分布を適切に均一化することができる。この結果、投射レンズ１３０Ｂの出射瞳１３１における光強度分布も均一化される。かくして、レーザプロジェクタ１００Ｂは、スペックルノイズが低減された映像を安全に投射することができる。

本実施形態において、投射レンズ１３０ＢのＦ＃は、２．４である。ビーム整形素子１６０Ｂに入射するレーザ光の長手方向のビーム径Ｄは、６ｍｍである。コンデンサーレンズ１７０Ｂ及び凹面ミラー２６０の合成焦点距離ｆは、１４．５ｍｍである。本実施形態において、コンデンサーレンズ１７０Ｂ及び凹面ミラー２６０は、レンズ群として例示される。

上述の光学的パラメータの設定値を有するレーザプロジェクタ１００Ｂは、上述の「Ｆ＃＜ｆ／Ｄ＜２×Ｆ＃」の関係を充足する。したがって、レーザプロジェクタ１００Ｂは、高い光利用効率で、映像を安全に投射することができる。

＜第４実施形態＞
図９は、第４実施形態のレーザプロジェクタ１００Ｃの概略図である。図９を用いて、レーザプロジェクタ１００Ｃが説明される。尚、第１実施形態乃至第３実施形態に関連して説明された要素と同様の要素に対しては、同様の符号が割り当てられている。これらの同様の要素に対する説明は、省略される。

レーザプロジェクタ１００Ｃは、第１実施形態のレーザプロジェクタ１００と同様に、空間光変調素子１２０及び投射レンズ１３０を備える。また、レーザプロジェクタ１００Ｃは、第２実施形態のレーザプロジェクタ１００Ａと同様に、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂを更に備える。

レーザプロジェクタ１００Ｃは、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂの間に配設されたレンズ付きの合波プリズム１１２Ｃを更に備える。複合光学部品として機能する合波プリズム１１２Ｃは、レンズ面を含む。

レーザプロジェクタ１００Ｃは、合波プリズム１１２Ｃに隣接して配設された複合レンズ２７０と、複合レンズ２７０、空間光変調素子１２０及び投射レンズ１３０の間に配設されたレンズ付きのＰＢＳ１９０Ｃを更に備える。本実施形態において、レーザプロジェクタ１００Ｃは、カラーレーザプロジェクタとして機能する。

レーザプロジェクタ１００Ｃは、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂから合波プリズム１１２Ｃに向かう光路に対応して、それぞれ配設された瞳均一化素子１４０ｒ、１４０ｇ、１４０ｂを更に備える。赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂから出射された赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光は、瞳均一化素子１４０ｒ、１４０ｇ、１４０ｂにそれぞれ入射する。

瞳均一化素子１４０ｒ、１４０ｇ、１４０ｂは、第１実施形態乃至第３実施形態に関連して説明された瞳均一化素子１４０と同様に、複数の第１要素レンズ（後述される）を含む。敷き詰められた第１要素レンズによって、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光の出射角度は、適切に均一化される。

レンズ付きの合波プリズム１１２Ｃは、レーザ光に対するコリメート及び合波を行い、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光を複合レンズ２７０へ導く。

複合レンズ２７０は、合波プリズム１１２Ｃを通過したレーザ光が入射する入射端面２７１と、入射端面２７１と反対側の出射端面２７３と、を含む。入射端面２７１には、第２要素レンズ２７２が水平方向及び垂直方向に敷き詰められる。また、出射端面２７３には、凸レンズが形成される。かくして、出射端面２７３は、コンデンサーレンズとして機能する。

複合レンズ２７０から出射したレーザ光は、レンズ付きのＰＢＳ１９０Ｃを通過し、空間光変調素子１２０を照明する。空間光変調素子１２０によって変調されたレーザ光は、再度、レンズ付きのＰＢＳ１９０Ｃを通過し、投射レンズ１３０に到達する。レーザ光は、最終的に、投射レンズ１３０から表示面へ投射される。

瞳均一化素子１４０ｒ、１４０ｇ、１４０ｂは、投射レンズ１３０の出射瞳１３１における光強度分布を均一化する。したがって、レーザプロジェクタ１００Ｃは、スペックルノイズが低減された映像を安全に投射することができる。

図１０Ａは、赤色レーザ光源１１０ｒと合波プリズム１１２Ｃとの間に配設された瞳均一化素子１４０ｒの概略図である。図１０Ｂは、緑色レーザ光源１１０ｇと合波プリズム１１２Ｃとの間に配設された瞳均一化素子１４０ｇの概略図である。図１０Ｃは、青色レーザ光源１１０ｂと合波プリズム１１２Ｃとの間に配設された瞳均一化素子１４０ｂの概略図である。

瞳均一化素子１４０ｒは、複数の第１要素レンズ１４２ｒを備える。第１要素レンズ１４２ｒは、矩形の凸型のレンズである。第１要素レンズ１４２ｒが敷き詰められ、瞳均一化素子１４０ｒが形成される。

第１要素レンズ１４２ｒの幅は、「約０．０８ｍｍ」であり、高さは、「約０．０６ｍｍ」である。第１要素レンズ１４２ｒの曲面の曲率中心は、矩形面の中心に設定される。第１要素レンズ１４２ｒの曲率半径は、「約０．０４ｍｍ」であり、円錐定数は、「約−１」である。第１要素レンズ１４２ｒは、凸型の放物面レンズである。

瞳均一化素子１４０ｇ、１４０ｂも、瞳均一化素子１４０ｒと同様に、第１要素レンズ１４２ｇ、１４２ｂがそれぞれ敷き詰められて形成される。第１要素レンズ１４２ｇ、１４２ｂは、第１要素レンズ１４２ｒと同様の曲率半径及び円錐定数をそれぞれ有する。しかしながら、第１要素レンズ１４２ｇ、１４２ｂの幅寸法及び高さ寸法は、第１要素レンズ１４２ｒと相違する。

第１要素レンズ１４２ｇは、矩形レンズであり、第１要素レンズ１４２ｇの幅寸法及び高さ寸法はともに、「約０．０９ｍｍ」である。第１要素レンズ１４２ｂは、矩形レンズであり、第１要素レンズ１４２ｇの幅寸法は、「約０．０８ｍｍ」であり、高さ寸法は、「約０．０９ｍｍ」である。

レーザプロジェクタ１００Ｃは、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂの出射角度に合わせて相違する拡がり角を有する瞳均一化素子１４０ｒ、１４０ｇ、１４０ｂを備える。本実施形態において、赤色レーザ光源１１０ｒ及び青色レーザ光源１１０ｂとして、半導体レーザが使用される。また、緑色レーザ光源１１０ｇとして、波長変換レーザが用いられる。緑色レーザ光源１１０ｇの出射角度分布は、偏光方向に応じて、半導体レーザが用いられる赤色レーザ光源１１０ｒ及び青色レーザ光源１１０ｂと大きく相違する。

第１要素レンズ１４２ｒの幅寸法及び高さ寸法は、異なる値である。また、第１要素レンズ１４２ｂの幅寸法及び高さ寸法も、異なる値である。これらの幅寸法及び高さ寸法との間の相違は、赤色レーザ光源１１０ｒ及び青色レーザ光源１１０ｂから出射された直後のレーザ光の出射角度分布が円形の分布に近づけるための設計により生ずる。赤色レーザ光源１１０ｒ及び青色レーザ光源１１０ｂそれぞれの偏光方向に併せて、第１要素レンズ１４２ｒ、１４２ｂの幅寸法及び高さ寸法は設定される。

波長変換レーザが用いられる緑色レーザ光源１１０ｇは、平行光に近い光を出射する。したがって、第１要素レンズ１４２ｇは、幅方向及び高さ方向への拡がり角が大きくなるように設計される。

本実施形態において、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂに対して、異なる拡がり角を有する瞳均一化素子１４０ｒ、１４０ｇ、１４０ｂが用いられる。したがって、出射瞳１３１における光強度分布の異方性が低減される。尚、出射瞳１３１における光強度分布が異方性を有するならば、表示面において、色斑といった映像の劣化が生ずる。本実施形態のレーザプロジェクタ１００Ｃは、出射瞳１３１における光強度分布の異方性を低減するので、高い品位の映像を投射することができる。

赤色レーザ光に対応する瞳均一化素子１４０ｒの拡がり角は、好ましくは、緑色レーザ光及び青色レーザ光にそれぞれ対応する瞳均一化素子１４０ｇ、１４０ｂの拡がり角よりも小さく設定される。第１要素レンズ１４２ｒの最大傾斜角度は、第１要素レンズ１４２ｇ、１４２ｂの最大傾斜角度と比べて、小さく設定される。この結果、レーザプロジェクタ１００Ｃの瞳均一化素子１４０ｒの拡がり角は小さくなる。

安全性及びスペックルノイズに対する赤色レーザ光の影響は小さい。したがって、瞳均一化素子１４０ｒは、好ましくは、光利用効率ができるだけ高められるように、赤色レーザ光の強度分布を均一化する。本実施形態において、瞳均一化素子１４０ｒの拡がり角は、緑色レーザ光及び青色レーザ光に対応する瞳均一化素子１４０ｇ、１４０ｂの拡がり角よりも小さく設定される。したがって、赤色レーザ光が通過する光学部品での損失はほとんど生じないので、高い光利用効率が達成される。

レンズ付きの合波プリズム１１２Ｃは、クロスプリズムであり、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光がそれぞれ入射するレンズ面１１５ｒ、１１５ｇ、１１５ｂを含む。合波プリズム１１２Ｃの表面に形成されたレンズ面１１５ｒ、１１５ｇ、１１５ｂは、フレネルレンズとして機能する。

レーザプロジェクタ１００Ｃの瞳均一化素子１４０ｒ、１４０ｇ、１４０ｂは、上述の如く、レーザ光の出射角度分布に対応する光強度分布を均一化する。レンズ面１１５ｒ、１１５ｇ、１１５ｂは、その後、レーザ光を略平行光化する。本実施形態において、レンズ面１１５ｒ、１１５ｇ、１１５ｂが、合波機能を有する合波プリズム１１２Ｃに一体的に形成される。

瞳均一化素子１４０ｒ、１４０ｇ、１４０ｂによって出射角度分布に対応する光強度分布の均一化がなされたレーザ光は、レンズ面１１５ｒ、１１５ｇ、１１５ｂといったレンズ部分によって、平行光化される必要がある。レンズ部分が、レーザ光に対して他の処理（例えば、同軸化や合波）を行う光学素子と一体的に形成されるならば、部品数や調整軸が低減する。この結果、レーザプロジェクタ１００Ｃは、小型化及び低コスト化される。

レーザ光を平行光化するレンズ部分が一体的に組み込まれる光学素子として、上述の合波プリズム１１２Ｃの他に、ダイクロイックミラーやビーム整形素子が例示される。

本実施形態において、瞳均一化素子１４０ｒ、１４０ｇ、１４０ｂは、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂの直後にそれぞれ配設される。本実施形態において、レンズ面１１５ｒ、１１５ｂは、半導体レーザ（赤色レーザ光源１１０ｒ及び青色レーザ光源１１０ｂ）からの光を適切に取り込むとともに瞳均一化素子１４０ｒ、１４０ｂからの光を略平行光にするために用いられる。このように、レンズ面１１５ｒ、１１５ｂは、２つの機能を発揮するので、レーザプロジェクタ１００Ｃの部品数が少なくなる。かくして、レーザプロジェクタ１００Ｃは、小型化及び低コスト化される。

本実施形態において、瞳均一化素子１４０ｒ、１４０ｇ、１４０ｂは、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂの直後にそれぞれ配設される。この結果、レーザ光のパワー密度が高くなる部分が少なくなる。レーザプロジェクタ１００Ｃ中において、レーザ光のパワー密度が高くなる部分が少なくなるので、レーザプロジェクタ１００Ｃが製造されている間に、意図せず、レーザプロジェクタ１００Ｃ内のレーザ光の漏出を防ぐためのカバーが外れても、高いパワー密度のレーザ光の漏出は生じにくくなる。かくして、レーザプロジェクタ１００Ｃの安全性が向上する。

複合レンズ２７０の第２要素レンズ２７２は、凹型の放物面を有するレンズである。第２要素レンズ２７２の幅は、「約０．３２ｍｍ」であり、縦方向の幅は、「約０．２４ｍｍ」である。略矩形の第２要素レンズ２７２の曲率半径は、「約０．２ｍｍ」であり、円錐定数は、「約−１」である。第２要素レンズ２７２を通過したレーザ光は、重畳され、矩形のビーム断面に整形される。

レーザプロジェクタ１００Ｃは、アクチュエータ２５０Ｃを更に備える。アクチュエータ２５０Ｃは、光軸に対して垂直な面に沿って、複合レンズ２７０を円運動させる。本実施形態において、アクチュエータ２５０Ｃは、移動機構として例示される。

レーザプロジェクタ１００Ｃの複合レンズ２７０は、第１実施形態乃至第３実施形態に関連して説明されたビーム整形素子及びコンデンサーレンズが一体化された光学部品である。複合レンズ２７０は、光軸に対して垂直な面に沿って移動する。

複数の第２要素レンズを用いて形成されたビーム整形素子は、第２要素レンズの配置における繰り返しパターンに応じた回折パターンを空間光変調素子上に生じさせることがある。このような回折パターンは、空間光変調素子における照明斑を引き起こす。

本実施形態のレーザプロジェクタ１００Ｃは、ビーム整形素子及びコンデンサーレンズが一体化された複合レンズ２７０を備える。複合レンズ２７０は、アクチュエータ２５０Ｃによって移動されるので、回折パターンは空間光変調素子１２０上で移動する。この結果、上述の照明斑が低減される。複合レンズ２７０の移動は、第２要素レンズ２７２の集光点の移動を意味する。したがって、投射レンズ１３０の出射瞳１３１において、光強度が強い第２要素レンズ２７２の集光点の像が生じにくくなる。かくして、レーザプロジェクタ１００Ｃは、スペックルノイズが低減された映像を安全に投射することができる。

レンズ付きのＰＢＳ１９０Ｃは、第１実施形態乃至第３実施形態に関連して説明されたフィールドレンズ及びＰＢＳが一体化された光学部品である。したがって、レーザプロジェクタ１００Ｃの部品数は低減される。かくして、レーザプロジェクタ１００Ｃの低コスト化及び小型化が達成される。

本実施形態において、複合レンズ２７０に用いられる複数の第２要素レンズ２７２は、同形同大である。代替的に、複合レンズに用いられる複数の第２要素レンズは、同一形状を有する一方で、大きさは相違してもよい。更に代替的に、複合レンズに用いられる複数の第２要素レンズは、略同一の拡がり角を有する一方で、異なる形状を有してもよい。このような第２要素レンズが敷き詰められ、複合レンズが形成されてもよい。

大きさが異なる一方で相似形状の複数の第２要素レンズが敷き詰められ、複合レンズが形成されることは好ましい。大きさが異なる第２要素レンズが敷き詰められるならば、第２要素レンズの配列中の繰り返しのパターンに起因する回折パターンは発生しにくくなる。この結果、空間変調素子上の照明斑は生じにくくなる。

＜第５実施形態＞
図１１は、第５実施形態のレーザプロジェクタ１００Ｄの概略図である。図１１を用いて、レーザプロジェクタ１００Ｄが説明される。尚、第１実施形態乃至第４実施形態に関連して説明された要素と同様の要素に対しては、同様の符号が割り当てられている。これらの同様の要素に対する説明は、省略される。

レーザプロジェクタ１００Ｄは、第１実施形態のレーザプロジェクタ１００と同様に、瞳均一化素子１４０、光拡散素子１８０、ＰＢＳ１９０及びアクチュエータ２５０を備える。また、レーザプロジェクタ１００Ｄは、第２実施形態のレーザプロジェクタ１００Ａと同様に、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ、青色レーザ光源１１０ｂ、コリメータ１１１及び合波プリズム１１２を更に備える。

レーザプロジェクタ１００Ｄは、円錐定数を用いて球面収差が補正されたビーム整形素子１６０Ｄと、フィールドレンズとしても機能するコンデンサーレンズ１７０Ｄと、を更に備える。

赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂから出射された赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光は、対応するコリメータ１１１によって、それぞれ平行光化される。その後、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光は、合波プリズム１１２によって、同軸化される。

レーザプロジェクタ１００Ｄは、レーザ光を変調し、映像光を生成する空間光変調素子１２０Ｄを更に備える。本実施形態において、空間光変調素子１２０Ｄとして、ＬＣＯＳ（縦横比 １６：９）が好適に用いられる。空間光変調素子１２０Ｄは、時分割方式で、赤色、緑色及び青色のレーザ光を変調する。したがって、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂからのレーザ光の出射のタイミングは、空間光変調素子１２０Ｄの変調動作に同期する。即ち、赤色レーザ光源１１０ｒ、緑色レーザ光源１１０ｇ及び青色レーザ光源１１０ｂのレーザ光の出射動作は、順次、切り替えられる。

レーザプロジェクタ１００Ｄは、合波プリズム１１２によって同軸化されたレーザ光を、平行光化するコリメータ１５０Ｄを更に備える。合波プリズム１１２によって同軸化されたレーザ光は、瞳均一化素子１４０、コリメータ１５０Ｄ、ビーム整形素子１６０Ｄ、光拡散素子１８０、コンデンサーレンズ１７０Ｄ及びＰＢＳ１９０を通過し、空間光変調素子１２０Ｄを照明する。

図１２は、ビーム整形素子１６０Ｄの概略的な斜視図である。図１１及び図１２を用いて、ビーム整形素子１６０Ｄ及びレーザプロジェクタ１００Ｄが説明される。

ビーム整形素子１６０Ｄは、コリメータ１５０Ｄからのレーザ光が入射される入射端面１６１と、入射端面１６１と反対側の出射端面１６３と、を含む。

図１２の左図は、ビーム整形素子１６０Ｄを全体的に表す。図１２の左図に示される如く、ビーム整形素子１６０Ｄの入射端面１６１には、水平方向の曲率半径に従って湾曲するシリンドリカルレンズアレイが形成される。また、ビーム整形素子１６０Ｄの出射端面１６３には、垂直方向の曲率半径に従って湾曲するシリンドリカルレンズアレイが形成される。入射端面１６１に形成されたシリンドリカルレンズアレイは、出射端面１６３に形成されたシリンドリカルレンズアレイに対して直角に延びる。

図１２の右図は、上述のシリンドリカルレンズアレイの一部として用いられる略直方体状の第２要素レンズ１６２Ｄの概略的な斜視図である。第２要素レンズ１６２Ｄの入射端面１６１として形成されるシリンドリカルレンズのレンズ幅は、「約０．１８３ｍｍ」であり、曲率半径は、「約−０．１ｍｍ」であり、円錐定数は、「約−０．７」である。入射端面１６１に形成されたレンズ面は、上述の円錐定数を用いて球面収差が補正され、非球面凹型のシリンドリカルレンズとして機能する。

第２要素レンズ１６２Ｄの出射端面１６３として形成されるシリンドリカルレンズのレンズ幅は、「約０．２１ｍｍ」であり、曲率半径は、「約−０．２ｍｍ」であり、円錐定数は、「約−１．８」である。出射端面１６３に形成されたレンズ面は、上述の円錐定数を用いて球面収差が補正され、非球面凹型のシリンドリカルレンズとして機能する。

入射端面１６１及び出射端面１６３それぞれに凹面レンズが形成された第２要素レンズ１６２Ｄは、図１２の左図に示される如く、水平方向及び垂直方向に敷き詰められる。ビーム整形素子１６０Ｄは、アクリル樹脂（屈折率ｎ：１．４９）を用いて形成される。第２要素レンズ１６２の円錐定数は、アクリル樹脂の屈折率を考慮に入れて、レンズの径方向に対する屈折率（ｓｉｎθ）が線形に近くなるように設定される。

図１３は、アクリル樹脂を用いて形成された第２要素レンズ１６２Ｄの入射端面１６１のレンズ径と、屈折角（ｓｉｎθ）との間の関係を表すグラフである。図１３には、球面状に形成されたレンズ（円錐定数：０）、放物面状に形成されたレンズ（円錐定数：−１）及び本実施形態のレンズ（円錐定数：−０．７）に対する屈折角のデータが表されている。図１１乃至図１３を用いて、これらの間の屈折角の変化が比較される。

球面の場合、レンズ径が大きくなるにつれて、ｓｉｎθとレンズ径との間の関係は、正の方向に発散する。このことは、空間光変調素子の周縁部が暗くなることを意味する。一方、放物面の場合及び円錐定数が「−０．７」である場合、ｓｉｎθとレンズ径との間の関係は、略線形となる。このことは、空間光変調素子の全体（空間光変調素子の周縁部まで）が、均一な光量で照明されることを意味する。

上述の如く、第２要素レンズ１６２Ｄの入射端面１６１及び出射端面１６３には、湾曲したレンズ面が形成される。出射端面１６３は入射端面１６１と球面収差が異なる。したがって、出射端面１６３に形成されるレンズの円錐定数は、入射端面１６１のレンズの入射端面とは相違している。

上述された原理は、瞳均一化素子１４０の設計に対しても同様に適用されてもよい。即ち、瞳均一化素子１４０に用いられる第１要素レンズ１４２は、円錐定数又は２次の非球面係数を用いて、球面収差が補正されてもよい。

レーザプロジェクタ１００Ｄは、投射レンズ１３０Ｄを更に備える。空間光変調素子１２０Ｄによって変調された光は、ＰＢＳ１９０及び投射レンズ１３０Ｄを通過し、表示面に投影される。投射レンズ１３０Ｄの出射瞳１３１は、ビーム整形素子１６０Ｄの位置と共益関係にある。したがって、ビーム整形素子１６０Ｄへ入射するレーザ光の強度分布は、投射レンズ１３０Ｄの出射瞳１３１における光強度分布に反映される。本実施形態において、瞳均一化素子１４０は、ビーム整形素子１６０Ｄへ入射する光の強度分布を適切に均一化する。したがって、投射レンズ１３０Ｄの出射瞳１３１における光強度分布は好適に均一化される。

コンデンサーレンズ１７０Ｄは、ビーム整形素子１６０Ｄから拡がるビームの集光及びテレセントリック化を行い、フィールドレンズとしても機能する。コンデンサーレンズ１７０Ｄが、フィールドレンズとしても機能するので、レーザプロジェクタ１００Ｄの部品数は低減される。かくして、安価なレーザプロジェクタ１００Ｄが提供される。

＜第６実施形態＞
第６実施形態に関連して、図１４Ａ及び図１４Ｂに示される略円板状の瞳均一化素子１４０Ｅが説明される。瞳均一化素子１４０Ｅは、上述の一連の実施形態のレーザプロジェクタの瞳均一化素子として用いられてもよい。

図１４Ａは、瞳均一化素子１４０Ｅの概略的な平面図である。図１４Ｂは、瞳均一化素子１４０Ｅの概略的な側面図である。図１４Ａ及び図１４Ｂを用いて、瞳均一化素子１４０Ｅが説明される。

略円板状の瞳均一化素子１４０Ｅは、略平坦な第１端面１４５と、第１端面１４５とは反対側の第２端面１４６と、第１端面１４５と第２端面１４６との間の周面１４７と、を含む。第１端面１４５及び第２端面１４６のうち一方は、レーザ光が入射する入射端面として用いられ、他方はレーザ光が出射する出射端面として用いられる。

瞳均一化素子１４０Ｅは、第１端面１４５に形成された複数の第１要素レンズ１４２Ｅを含む。略正六角形の第１要素レンズ１４２Ｅは、第１実施形態乃至第５実施形態に関連して説明されたように、投射レンズの出射瞳における光強度分布を均一化するように、第１端面１４５に敷き詰められる。したがって、第１端面１４５には、第１要素レンズ１４２Ｅからなるハニカム構造が形成される。

第１要素レンズ１４２Ｅは、凹面の非球面レンズである。第１要素レンズ１４２Ｅのレンズピッチは、「約０．７５ｍｍ」であり、曲率半径は、「約−０．０５ｍｍ」であり、円錐定数は、「約−０．７」である。

瞳均一化素子１４０Ｅは、第２端面１４６に形成された球面形状の突部１４８と、平坦面１４９と、を含む。突部１４８の曲率半径は、例えば、約７ｍｍである。レーザ光が第１端面１４５（第１要素レンズ１４２Ｅからなるハニカム構造）に入射するならば、レーザ光は突部１４８から出射される。レーザ光が突部１４８に入射するならば、レーザ光は、第１要素レンズ１４２Ｅからなるハニカム構造から出射される。

第１要素レンズ１４２Ｅが敷き詰められた瞳均一化素子１４０Ｅの第２端面１４６には、突部１４８が形成される。第２端面１４６の中心に形成された突部１４８は、瞳均一化素子１４０Ｅを通過する光を、瞳均一化素子１４０Ｅの中心を通過する軸に向けて集光することができる。したがって、第１要素レンズ１４２Ｅが敷き詰められた第１端面１４５では、瞳均一化素子１４０Ｅの中心から周縁に亘って、レーザ光は均一に拡げられ、第２端面１４６の突部１４８によって、瞳均一化素子１４０Ｅの中心部分を通過する光は、周囲の光とは異なる屈折率で屈折される。この結果、投射レンズの出射瞳における光強度分布は均一化される。

本実施形態の瞳均一化素子１４０Ｅは、硝子材料に対する加圧成型技術によって、適切に成型される。第２端面１４６に形成された突部１４８は、加圧成型時におけるレンズの芯出しのために好適に利用される。したがって、瞳均一化素子１４０Ｅは、高い成型性を有する。

突部が存在しないならば（即ち、第２端面全体が平坦な面であるならば）、成型金型の角隅部にレンズ材料が偏ることとなる。この結果、例えば、第１端面／第２端面と周面との間にバリが発生しやすくなる。本実施形態の瞳均一化素子１４０Ｅの突部１４８は、成型時のレンズ材料の偏りを抑制するので、バリといった成型不良が生じにくくなる。

上述された実施形態は、以下の構成を主に備える。以下の構成を備えるレーザプロジェクタは、投射される像の光強度分布及び投射レンズの出射瞳における光強度分布を好適に均一化する。過度に高い強度の光は出射されないので、高い安全性を有するレーザプロジェクタが提供される。加えて、投射される像の光強度分布及び投射レンズの出射瞳における光強度分布に対する均一化の結果、局所的に増加された光強度に起因するスペックルノイズは生じにくくなる。したがって、上述された実施形態の原理に従う小型のレーザプロジェクタは、高い安全性及びスペックルノイズの低減を達成することができる。

上述の実施形態の一の局面に係るレーザプロジェクタは、レーザ光を出射するレーザ光源部と、前記レーザ光を変調し、映像光を生成する空間光変調素子と、前記映像光を出射するための投射レンズと、前記レーザ光のビーム形状を前記空間光変調素子の形状に整形するビーム整形素子と、該投射レンズの出射瞳における光強度分布を均一化する瞳均一化素子と、を備え、該瞳均一化素子は、前記レーザ光源部と前記ビーム整形素子との間に配設されることを特徴とする。

上記構成によれば、ビーム整形素子は、レーザ光源部から出射されたレーザ光のビーム形状を空間光変調素子の形状に整形する。空間光変調素子は、整形されたレーザ光を変調し、映像光を生成する。映像光は、投射レンズを通じて、出射される。かくして、レーザプロジェクタは、視聴者に映像を提供することができる。

ビーム整形素子は、レーザ光のビーム形状を空間光変調素子の形状に整形する。レーザ光源部とビーム整形素子との間に配設された瞳均一化素子は、投射レンズの出射瞳における光強度分布を均一化するので、過度に高い強度の光は出射されない。したがって、レーザプロジェクタは、スペックルノイズの少ない映像を安全に表示することができる。

上記構成において、前記ビーム整形素子は、前記出射瞳と共役関係にあり、前記瞳均一化素子は、前記ビーム整形素子に入射する光強度分布を均一化することが好ましい。

上記構成によれば、瞳均一化素子は、投射レンズの出射瞳と共役関係あるビーム整形素子に入射する光強度分布を均一化するので、過度に高い強度の光は出射されない。したがって、レーザプロジェクタは、スペックルノイズの少ない映像を安全に表示することができる。

上記構成において、前記瞳均一化素子は、前記光強度分布を均一化するように敷き詰められた複数の第１要素レンズを含み、前記ビーム整形素子は、前記ビーム形状を前記空間光変調素子の形状に整形するように敷き詰められた複数の第２要素レンズを含み、前記第１要素レンズは、該第１要素レンズの拡がり角に応じて、前記レーザ光を拡げ、前記光強度分布を均一化し、前記第２要素レンズは、該第２要素レンズの拡がり角に応じて、前記レーザ光を拡げ、前記ビーム形状を整形することが好ましい。

上記構成によれば、光強度分布を均一化するように敷き詰められた複数の第１要素レンズは、第１要素レンズの拡がり角に応じて、レーザ光を拡げ、光強度分布を均一化する。ビーム形状を空間光変調素子の形状に整形するように敷き詰められた複数の第２要素レンズは、第２要素レンズの拡がり角に応じて、レーザ光を拡げ、ビーム形状を整形する。したがって、レーザプロジェクタは、スペックルノイズの少ない映像を安全に表示することができる。

上記構成において、前記第１要素レンズ及び前記第２要素レンズそれぞれは、凹面レンズを含むことが好ましい。

上記構成によれば、第１要素レンズ及び第２要素レンズそれぞれは、凹面レンズを含むので、レーザ光を適切に拡げることができる。したがって、レーザプロジェクタは、スペックルノイズの少ない映像を安全に表示することができる。

上記構成において、前記第１要素レンズ及び前記第２要素レンズそれぞれは、前記レーザ光を拡げるように形成された曲面を含み、該曲面は、該曲面の縁部に近づくにつれて低減する曲率分布を有することが好ましい。

上記構成によれば、第１要素レンズ及び第２要素レンズそれぞれは、レーザ光を拡げるように形成された曲面を含む。曲面の曲率分布は、曲面の縁部に近づくにつれて低減するので、均一化された光強度分布が得られやすくなる。

上記構成において、レーザプロジェクタは、前記レーザ光を拡散させ、前記空間光変調素子に入射させる光拡散素子を更に備え、前記ビーム整形素子から出射された前記レーザ光は、前記曲率分布に従って、拡がりながら重畳し、前記光拡散素子に入射することが好ましい。

上記構成によれば、ビーム整形素子から出射されたレーザ光は、曲率分布に従って、拡がりながら重畳し、光拡散素子に入射する。光拡散素子は、レーザ光を拡散させ、空間光変調素子に入射させる。したがって、レーザプロジェクタは、スペックルノイズの少ない映像を安全に表示することができる。

上記構成において、コンデンサーレンズと、フィールドレンズと、を更に備え、前記空間光変調素子は、反射型空間光変調素子であり、前記ビーム整形素子から出射された前記レーザ光は、前記コンデンサーレンズ及び前記フィールドレンズを通じて、前記反射型空間光変調素子を照明し、その後、該反射型空間光変調素子によって反射され、前記フィールドレンズを介して、前記投射レンズに到達することが好ましい。

上記構成によれば、ビーム整形素子から出射されたレーザ光は、コンデンサーレンズ及びフィールドレンズを通じて、反射型空間光変調素子を照明する。その後、反射型空間光変調素子によって反射されたレーザ光は、フィールドレンズを介して、投射レンズに到達する。したがって、レーザプロジェクタは、スペックルノイズの少ない映像を安全に表示することができる。

上記構成において、前記第２要素の最大開口数は、０．３以上であることが好ましい。

上記構成によれば、第２要素レンズの最大開口数は、０．３以上であるので、小型のレーザプロジェクタが提供される。

上記構成において、レーザプロジェクタは、前記レーザ光源部と前記空間光変調素子との間の光軸に対して垂直に前記ビーム整形素子を移動させる移動機構を更に備え、前記レーザ光が前記光拡散素子を経て前記空間光変調素子に入射するとき、前記移動機構は、前記第２要素レンズの最小断面寸法より小さな振幅で前記ビーム整形素子を移動させることが好ましい。

上記構成によれば、移動機構は、レーザ光源部と空間光変調素子との間の光軸に対して垂直にビーム整形素子を移動させる。レーザ光が光拡散素子を経て空間光変調素子に入射するとき、移動機構は、第２要素レンズの最小断面寸法より小さな振幅でビーム整形素子を移動させるので、レーザプロジェクタは、低い消費電力で、スペックルノイズの少ない映像を安全に表示することができる。

上記構成において、前記レーザ光源部は、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源と、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源と、青色レーザ光を出射する青色レーザ光源と、を含み、前記ビーム整形素子に入射する前記赤色レーザ光の断面積は、前記ビーム整形素子に入射する前記緑色レーザ光の断面積及び前記ビーム整形素子に入射する前記青色レーザ光の断面積よりも小さいことが好ましい。

上記構成によれば、レーザ光源は、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源と、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源と、青色レーザ光を出射する青色レーザ光源と、を含む。したがって、レーザプロジェクタは、様々な色相を用いて、映像を表示することができる。

ビーム整形素子に入射する赤色レーザ光の断面積は、ビーム整形素子に入射する緑色レーザ光の断面積及び前記ビーム整形素子に入射する青色レーザ光の断面積よりも小さい。したがって、レーザプロジェクタは、スペックルノイズの少ない映像を安全に表示するだけでなく、高い光利用効率を達成することができる。

上記構成において、前記投射レンズのエフナンバーがＦ＃で表され、前記ビーム整形素子に入射する前記レーザ光の長手方向のビーム径がＤで表され、前記ビーム整形素子に入射した前記レーザ光が前記空間光変調素子までに通過するレンズ群の焦点距離がｆで表されるならば、Ｆ＃＜ｆ／Ｄ＜２×Ｆ＃で表される関係が満たされることが好ましい。

上記構成によれば、Ｆ＃＜ｆ／Ｄ＜２×Ｆ＃で表される関係が満たされるので、レーザプロジェクタは、スペックルノイズの少ない映像を安全に表示するだけでなく、高い光利用効率を達成することができる。

上記構成において、前記瞳均一化素子は、凸部を有する面を含むことが好ましい。

上記構成によれば、瞳均一化素子は、凸部を有する面を含むので、瞳均一化素子の加圧成型が容易となる。

上述の実施形態の原理は、高輝度と小型化を両立するプロジェクタに好適に利用される。特に、上述の原理は、可搬性を有する機器を内蔵するモバイルプロジェクタに好適に利用される。

Claims (11)

1. レーザ光を出射するレーザ光源部と、
   前記レーザ光を変調し、映像光を生成する空間光変調素子と、
   前記映像光を出射するための投射レンズと、
   前記レーザ光のビーム形状を前記空間光変調素子の形状に整形するように敷き詰められた複数の第２要素レンズを含むビーム整形素子と、
   前記投射レンズの出射瞳における光強度分布を均一化するように敷き詰められた複数の第１要素レンズを含む瞳均一化素子と、を備え、
   前記瞳均一化素子は、前記レーザ光源部と前記ビーム整形素子との間に配設され、
   前記第１要素レンズは、前記第１要素レンズの拡がり角に応じて、前記レーザ光を拡げ、前記光強度分布を均一化し、
   前記第２要素レンズは、前記第２要素レンズの拡がり角に応じて、前記レーザ光を拡げ、前記ビーム形状を整形する
   レーザプロジェクタ。
2. 前記ビーム整形素子は、前記出射瞳と共役関係にあり、
   前記瞳均一化素子は、前記ビーム整形素子に入射する光強度分布を均一化することを特徴とする請求項１に記載のレーザプロジェクタ。
3. 前記瞳均一化素子は、凸部を有する面を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザプロジェクタ。
4. 前記第１要素レンズ及び前記第２要素レンズそれぞれは、凹面レンズを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザプロジェクタ。
5. 前記第１要素レンズ及び前記第２要素レンズそれぞれは、前記レーザ光を拡げるように形成された曲面を含み、
   前記曲面は、前記曲面の縁部に近づくにつれて低減する曲率分布を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザプロジェクタ。
6. 前記レーザ光を拡散させ、前記空間光変調素子に入射させる光拡散素子を更に備え、
   前記ビーム整形素子から出射された前記レーザ光は、前記曲率分布に従って、拡がりながら重畳し、前記光拡散素子に入射することを特徴とする請求項５に記載のレーザプロジェクタ。
7. コンデンサーレンズと、フィールドレンズと、を更に備え、
   前記空間光変調素子は、反射型空間光変調素子であり、
   前記ビーム整形素子から出射された前記レーザ光は、前記コンデンサーレンズ及び前記フィールドレンズを通じて、前記反射型空間光変調素子を照明し、その後、該反射型空間光変調素子によって反射され、前記フィールドレンズを介して、前記投射レンズに到達することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザプロジェクタ。
8. 前記第２要素レンズの最大開口数は、０．３以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザプロジェクタ。
9. 前記レーザ光源部と前記空間光変調素子との間の光軸に対して垂直に前記ビーム整形素子を移動させる移動機構を更に備え、
   前記レーザ光が前記光拡散素子を経て前記空間光変調素子に入射するとき、前記移動機構は、前記第２要素レンズの最小断面寸法より小さな振幅で前記ビーム整形素子を移動させることを特徴とする請求項６に記載のレーザプロジェクタ。
10. 前記レーザ光源部は、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源と、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源と、青色レーザ光を出射する青色レーザ光源と、を含み、
    前記ビーム整形素子に入射する前記赤色レーザ光の断面積は、前記ビーム整形素子に入射する前記緑色レーザ光の断面積及び前記ビーム整形素子に入射する前記青色レーザ光の断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のレーザプロジェクタ。
11. 前記投射レンズのエフナンバーがＦ＃で表され、前記ビーム整形素子に入射する前記レーザ光の長手方向のビーム径がＤで表され、前記ビーム整形素子に入射した前記レーザ光が前記空間光変調素子までに通過するレンズ群の焦点距離がｆで表されるならば、
    Ｆ＃＜ｆ／Ｄ＜２×Ｆ＃
    で表される関係が満たされることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のレーザプロジェクタ。

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