JP6239157B2 - レーザ光源装置および映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のレーザ光源から出射されたレーザ光を空間合成する小型で安価な高出力のレーザ光源装置、およびレーザ光源装置を備える映像表示装置に関するものである。

近年、デジタルシネマ用または大会議室用、さらには屋外でのプロジェクションマッピングといった映像を大画面に表示する用途から、プロジェクタ装置のさらなる高輝度化が求められている。既にデジタルシネマではレーザ光源装置を備えたレーザプロジェクタの導入が始まろうとしており、高輝度レーザ光源への期待が高い。一般に単一のレーザモジュールの高出力化には限界があるため、このような高輝度のレーザプロジェクタにおいては、複数のレーザモジュールからのレーザビーム（レーザ光）を効率よく合成して、レーザ光源装置の光出力を大きくしている。

複数のレーザモジュールからのレーザビームを合成して空間的な光束密度を高め、光学系のエタンデューを抑制して光源装置の高輝度化を図るための具体的な例として、階段状のミラー手段を用いて、複数のレーザモジュールのビーム射出軸間隔よりも小さなビーム間隔に変換する方法が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

しかし、階段状に配置されたミラー手段を用いると、レーザモジュールからの距離が遠いミラー手段ほど部品の形状とその配置の精度に起因する性能ばらつき感度が高くなるため、レーザモジュールとミラー手段の相対位置を決める保持構造体に高い精度が要求される。さらには、ミラー手段に寸法精度の高いプリズムミラーが必要となったり、個々のミラー手段の位置を調整する工程または高精度のミラー手段調整機能が必要となったり、安価なレーザ光源装置を構成することが困難になる。このような傾向は、レーザモジュールの個数が増えるほど顕著になるため、レーザ光源装置のさらなる高出力化を図る場合には階段状のミラー手段は適当ではないという問題があった。そこで、階段状のミラー手段を使わずに光束密度を高める手法として、透明材料の平行平板をコリメート光束に対して斜めに配置する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開昭６１−２０８０２３号公報 特開平２−６０１７９号公報 特許第４７３９８１９号公報

特許文献３に記載の方法では、平行平板の厚みとその配置角度、さらには透明材料の屈折率によって平行平板を透過した後の光束密度を高めることができる。しかし、個々のレーザモジュール寸法が大きく、例えば合成前のレーザ光射出軸間隔が５０ｍｍ程度必要であるとした場合、高屈折率の平行平板であってもその厚みは数１０ｍｍ以上必要となる。このため、平行平板、およびこれを保持する構造体の重量および体積が増すため、安価で小型の光源装置を構成することが困難であった。

そこで、本発明は、複数のレーザ光源からのレーザ光を効率よく集光して高出力化を図ることができる、小型で安価なレーザ光源装置および映像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ光源装置は、断面が楕円形のレーザ光を第１の方向に出射するレーザ光源と、前記レーザ光の光軸上に配置されかつ前記レーザ光を第２の方向に反射する第１反射ミラーと、前記第１反射ミラーを保持するミラーホルダとを有するレーザ光源ユニットを複数備え、前記複数のレーザ光源ユニットは、隣り合うレーザ光源ユニットが直列的に隣接した状態で配置され、前記第２の方向に反射されたレーザ光を第３の方向に反射する第２反射ミラーをさらに備え、前記第２反射ミラーは、前記複数のレーザ光源ユニットのうち一部のレーザ光源ユニットが有する前記ミラーホルダに保持されるものである。

本発明に係る映像表示装置は、レーザ光源装置と、前記レーザ光源装置から出射されたレーザ光の強度分布を均一化する均一化部と、前記均一化部によって均一化された前記レーザ光を照明光として照射する照明光学系と、前記照明光を、外部から入力される映像信号に応じて空間変調する映像表示素子と、前記映像表示素子によって空間変調された前記照明光をスクリーンに投射する投射光学系とを備えるものである。

本発明に係るレーザ光源装置によれば、複数のレーザ光源ユニットが直列的に配置され、それぞれのレーザ光の光軸上に配置された第１反射ミラーと第２反射ミラーによって各レーザ光を同一方向に反射するため、互いの光軸を平行に保ってエタンデューの増大を抑えたレーザ光の空間合成を行うことができる。

また、第２反射ミラーが使用されることにより、レーザ光源ユニットが配置される方向に第１反射ミラーだけでレーザ光を投射する場合と比較して全体の光路長が短くなる。これにより、発散角によるレーザ光の断面の拡大を抑えることができ、結果としてさらに小型のレーザ光源装置を実現することが可能となる。

また、各レーザ光源ユニットには同じ種類のミラーホルダによって同じ種類の第１反射ミラーがそれぞれ保持されるため、部品の種類を抑え、組立性に優れる、安価で小型のレーザ光源装置、さらにはこれを搭載した安価で小型の映像表示装置を提供することが可能である。

この発明の目的、特徴、局面、および利点は、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。

実施の形態１に係るレーザ光源装置の構成を示す概略図である。 レーザ光源の構成を示す概略図である。 第１反射ミラーの配置とレーザ光出射方向との関係を示す概略図である。 第２の方向のレーザアレイ光束の位置と回転具合を模式的に示す概略図である。 レーザ光源を光軸Ｘｓに沿って２つ並列配置した例を示す概略図である。 第１反射ミラーと第２反射ミラーの配置とレーザ光出射方向との関係を示す概略図である。 第２の方向に再配列された２つのレーザアレイ光束による合成光束を、光軸に垂直な平面で断面観察した像を示す概略図である。 第３の方向に再配列された複数のレーザアレイ光束を、光軸に垂直な平面で断面観察した像を示す概略図である。 平行な一組の反射ミラーに対する光線の挙動を示す概略図である。 第１反射ミラーのミラーホルダを示す概略図である。 第１反射ミラーと第２反射ミラーのミラーホルダを示す概略図である。 ４個のレーザ光源を同じ向きに配置した場合にレーザ光の出射側の反対側から見た概略図である。 ４個のレーザ光源のうち２個ずつを一対として対向させて配置した場合にレーザ光の出射側の反対側から見た概略図である。 実施の形態２に係る映像光源装置の構成を示す概略図である。 レーザ光源装置のレーザアレイ光束の分布を示す概略図である。

＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係るレーザ光源装置１の構成を示す概略図であり、図１（ａ）はレーザ光源装置１の斜視図であり、図１（ｂ）はレーザ光源装置１の平面図であり、図１（ｃ）はレーザ光源装置１の側面図である。なお、図１（ｂ），（ｃ）においてベースプレート３は省略されている。

図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、レーザ光源装置１は、レーザ光源ユニット６１，６２，６３，６４と、ベースプレート３とを備えている。レーザ光源ユニット６１，６２，６３，６４は、レーザ光源１１，１２，１３，１４と、レーザ光源１１，１２，１３，１４に１対１に対応する第１反射ミラー２１，２２，２３，２４と、第２反射ミラー８１，８２と、図１（ａ），（ｂ），（ｃ）では図示しない後述するミラーホルダとをそれぞれ備えている。ベースプレート３は、レーザ光源１１，１２，１３，１４を直列的にかつ同一平面上に配置するための部材である。また、第１反射ミラー２１，２２，２３，２４は、ミラーホルダでそれぞれ保持されている。また、第２反射ミラー８１、８２は、レーザ光源ユニット６１，６２，６３，６４のうち一部のレーザ光源ユニット６３，６２が有するミラーホルダにそれぞれ保持されている。

レーザ光源１１，１２，１３，１４は、例えば半導体レーザであり、レーザ光を第１の方向に出射する。出射されるレーザ光は直交する二方向で異なる発散特性を有するため、レーザ光の断面は楕円形となる。ここで、レーザ光の断面は、図１（ａ）中、レーザ光源の出射窓に模式的に楕円形で示されている。レーザ光源１１，１２は、この楕円形の長軸が基準線Ｌに沿って一直線上に並ぶようにベースプレート３上に配置されている。レーザ光源１３，１４も、レーザ光源１１，１２と同様に基準線Ｌに沿って一直線ではあるが、レーザ光源１１，１２と対向した状態（すなわち、１８０度反転させた状態）でベースプレート３上に配置されている。

第１反射ミラー２１，２２，２３，２４は、レーザ光源１１，１２，１３，１４の光軸上に配置され、さらに第１反射ミラー２１，２２，２３，２４の反射面がベースプレート３に対して傾角４５度の斜面となるように設定され、ベースプレート３に垂直に出射されたレーザ光をベースプレート３に対して平行となるように第２の方向に折り曲げる（反射する）。ここで、レーザ光源１１，１２とレーザ光源１３，１４は対向した状態で配置されているため、それぞれの第２の方向はベースプレート３の長手方向の中心部に向かっており平行である。また、各第１反射ミラー２１，２２，２３，２４はレーザ光源１１，１２，１３，１４の光軸に対する回転角度が設定可能に構成されるため、レーザ光の進行方向を任意に設定することができる。以下、レーザ光源ユニット６３，６４におけるレーザ光源１３，１４と第１反射ミラー２３，２４の位置関係は、レーザ光源ユニット６１，６２の場合と同様であるので説明を省略する。

次に、第２反射ミラー８１，８２について説明する。第２反射ミラー８１は、第１反射ミラー２１，２２によって折り曲げられたレーザ光の第２の方向の光軸上に配置されている。また、第２反射ミラー８１は、第１反射ミラー２１，２２の反射面と平行、かつ、第２反射ミラー８１と第１反射ミラー２１，２２の反射面が対向した状態で配置されている。すなわち、第２反射ミラー８１の反射面は、ベースプレート３に対して傾角４５度の斜面となっており、レーザ光源１１，１２からベースプレート３に垂直に出射されたレーザ光と平行となるようにレーザ光を第３の方向に折り曲げる（反射する）。

第２反射ミラー８２は、第１反射ミラー２３，２４によって折り曲げられたレーザ光の第２の方向の光軸上に配置されている。また、第２反射ミラー８２は、第１反射ミラー２３，２４の反射面と平行、かつ、第２反射ミラー８２と第１反射ミラー２３，２４の反射面が対向した状態で配置されている。すなわち、第２反射ミラー８２の反射面は、ベースプレート３に対して傾角４５度の斜面となっており、レーザ光源１３，１４からベースプレート３に垂直に出射されたレーザ光と平行となるようにレーザ光を第３の方向に折り曲げる（反射する）。

第１反射ミラー２１，２２の反射面におけるレーザ光の像は楕円形になるが、この楕円形の像の長軸の方向と斜面（第１反射ミラー２１，２２の反射面）の最大傾斜線の方向（第２の方向）とのなす角度が所定の角度となるように、第１反射ミラー２１，２２のレーザ光源１１，１２の光軸に対する回転角度が設定される。さらに、図１（ａ）に示すように、レーザ光源１１，１２の光軸と第１反射ミラー２１，２２との交点が第１反射ミラー２１，２２の端部近くとなるように第１反射ミラー２１，２２全体が偏って配置されている。なお、第１反射ミラー２３，２４についても第１反射ミラー２１，２２の場合と同様であるため説明を省略する。

このような第１反射ミラー２１，２２の回転角度と第１反射ミラー位置の設定によれば、例えば第１反射ミラー２１で折り曲げられたレーザ光源１１のレーザ光を、レーザ光の進行方向側に隣接するレーザ光源ユニット６２の第１反射ミラー２２の近傍（側方）を通り過ぎるように進行させることができる。同様にして、レーザ光源ユニット６４のレーザ光源１４からのレーザ光も、対応する第１反射ミラー２４の設定によって隣接するレーザ光源ユニット６３の第１反射ミラー２３の近傍（側方）を通り過ぎるように進行させることができる。第１反射ミラー２３の設定と、第１反射ミラー２２の設定も同様にすれば、各第１反射ミラーによって折り曲げられたレーザ光が互いにほぼ平行となるように設定することが可能である。このため、図１（ｂ）に示すように、隣接した状態で配置された複数のレーザ光源ユニット６１，６２，６３，６４のレーザ光源１１，１２，１３，１４からの断面が楕円形のレーザ光を、楕円形の短軸の方向に近接させて再配列させることができる。

レーザ光源１１，１２，１３，１４は、シングルエミッタタイプの半導体レーザを想定してもよいし、複数のエミッタを備えたマルチエミッタタイプの半導体レーザアレイを想定することもできる。例えば、エミッタのサイズが１２０μｍ、エミッタ間隔が７００μｍ、エミッタの数が６個であり、エミッタが３．５ｍｍのアレイ幅方向に略等間隔に配列された光源である。半導体レーザアレイから出射されるレーザアレイ光束の発散角は、アレイ幅方向（Ｓｌｏｗ軸、Ｘｓとする）とこれに垂直な方向（Ｆａｓｔ軸、Ｘｆとする）で大きく異なり、後者が前者よりも大きな発散角を有する。Ｆａｓｔ軸方向に関しては、例えば、エミッタの直後にシリンドリカルレンズを配置することで半導体レーザアレイから広がる光をコリメートし、発散角を抑えることで光を効率よく利用することができる。シリンドリカルレンズの焦点距離は約１．２ｍｍである。レーザアレイ光束の発散角は、光強度が最高になる方向に対する、光強度が１／ｅ2になる方向の角度（全角）で定義される。

シリンドリカルレンズの作用により、レーザ光源１１，１２，１３，１４から出射されるレーザアレイ光束の発散角はＦａｓｔ軸方向で約１度、Ｓｌｏｗ軸方向で約５度と、互いに直交する二方向で大きく異なる発散特性を有している。このように、レーザ光源がシングルエミッタであれ、シリンドリカルレンズと組み合わせたマルチエミッタタイプであれ、レーザ光の断面が楕円形を示すようなレーザ光源である限り、レーザ光源装置１として有効に作用し、所望の効果を得ることができる。なお、レーザ光源の個数、エミッタのサイズ、エミッタ間隔、エミッタの数、またはシリンドリカルレンズの焦点距離は、上記の値に限定されない。

次に、半導体レーザアレイからなるレーザ光源１１の構成について説明する。図２は、レーザ光源１１の構成を示す概略図である。半導体レーザアレイおよびシリンドリカルレンズは、ステム１１０上に取り付けられたキャップ１１１内に収められている。コリメートされたレーザアレイ光束は、窓ガラス１１２を通じてステム１１０の平面（上面）の略法線方向に出射される。この光軸をＸａとする。ステム１１０は略長方形の板状部品であり、半導体レーザアレイは、Ｆａｓｔ軸ＸｆとＳｌｏｗ軸Ｘｓがステム１１０の縦横の稜線と略平行となるように配置されている。図２においても、図１（ａ）の場合と同様に、レーザアレイ光束の細長い断面を模式的に楕円形で示している。

ステム１１０は、所定の平行度と平面度が規定された板状部品であり、レーザ光源１１から出射されるレーザアレイ光束の方向と位置を定める基準となっている。よって、ステムを介して、複数のレーザ光源をベースプレート３上に精度よく並べることができる。キャップ１１１は、その天面にレーザアレイ光束が出射する窓ガラス１１２を備えた金属部品であり、例えば半田またはろう付け等でステム１１０に接合されて封止構造をなす。このように、封止された内部空間に半導体レーザアレイ等の主要部品が設けられるため、レーザ光源１１としてハンドリングが容易で、非常に高い耐環境性を保つことができる。

次に、図３を用いて、第１反射ミラー２１の配置と第２の方向を含むレーザ光出射方向との関係について説明する。図３は、第１反射ミラー２１の配置とレーザ光出射方向との関係を示す概略図である。なお、第１反射ミラー２２，２３，２４の構成は、第１反射ミラー２１の構成と同様であるため説明を省略する。第１反射ミラー２１は、レーザ光源１１から出射されるレーザアレイ光束を９０度折り曲げるため、図２の光軸Ｘａに対して４５度傾いた状態で配置され、第１反射ミラー２１によって反射された後のレーザアレイ光束はステム１１０の上面と略平行となるように第２の方向に折り曲げられる。第１反射ミラー２１は、光軸Ｘａを中心に角度θだけ回転しており、第１反射ミラー２１によって反射された後のレーザアレイ光束の光軸Ｘｌ１も、光軸Ｘｓに対して角度θだけ傾いている。つまり、光軸Ｘｌ１と光軸Ｘｓのなす角度θは第１反射ミラー２１の光軸Ｘａを中心とした回転角度で調整することができる。

図４は、レーザアレイ光束の位置と回転具合を模式的に示す概略図であり、第１反射ミラー２１が光軸Ｘａを中心に回転した場合と、これとは別の回転軸で回転させた場合のレーザアレイ光束の軌跡の違いを説明するための図である。レーザ光源１１から出射されるレーザアレイ光束は、上記の通り細長い楕円形の断面で概略的に表現できるが、４５度傾いた状態で配置された第１反射ミラー２１上ではさらに細長い像となり、これをカバーする第１反射ミラー２１の有効エリア２５は斜線部で示すように細長い長方形となる。

光軸Ｘａを中心に有効エリア２５を回転させると、レーザ光源１１から所定の距離だけ離れた位置に設けた光軸Ｘａと平行な観察面において、レーザアレイ光束の像は軌跡Ｔａを描くことになる。すなわち、光軸Ｘａを中心とした回転角度が大きくなると、レーザアレイ光束の像はその光軸Ｘａ方向の高さを変えることなく、自身を回転させながら位置を変化させる。この場合、観察面をレーザ光源１１からさらに遠ざけてもこの軌跡Ｔａの高さは変わらないことは明らかである。

一方、有効エリア２５の長辺方向の軸Ｘｍを中心に有効エリア２５を回転させると、レーザアレイ光束の像は放物線のような軌跡Ｔｍを描いて急激にその高さを変化させる。第１反射ミラー２１の回転軸が十分小さければ両者の差異は無視できるが、レーザ光源１１と観察面との距離が大きくなると、像の位置が顕著に変化することの影響は無視できなくなる。すなわち、図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したようなレーザ光源１１，１２，１３，１４の連続配置を想定すると、複数のレーザアレイ光束の空間合成をまとまりよく、レーザ光源装置１の高さ方向への影響を少なくするには、光軸Ｘａを中心に第１反射ミラー２１を回転させることが有効である。

上記で説明したミラー配置を有するレーザ光源１１，１２を、光軸Ｘｓに沿って２つ並列配置した例を示す概略図を図５に示す。レーザ光源１１から出射されたレーザアレイ光束は、第１反射ミラー２１で折り曲げられて光軸Ｘｌ１となり、隣接するレーザ光源１２に設けられた第１反射ミラー２２の近傍（側方）を通過する。レーザ光源１２から出射されたレーザアレイ光束は、第１反射ミラー２２で折り曲げられて光軸Ｘｌ２となる。光軸Ｘｌ１と光軸Ｘｌ２は略平行であり、光軸Ｘｌ１と光軸Ｘｌ２がなす角度は１度以下とすることが望ましい。また、光軸Ｘｌ１に沿って進むレーザアレイ光束が第１反射ミラー２２に干渉しないぎりぎりを狙って第１反射ミラー２１を回転させる角度θを選定することが望ましい。また、第１反射ミラー２１，２２の回転角度θは同一である。

次に、図６を用いて、第２反射ミラー８１について説明する。図６は、第２反射ミラー８１の配置とレーザ光出射方向との関係を示す概略図であり、図６（ａ）は、レーザ光源１１，１２の平面図であり、図６（ｂ）は、レーザ光源１１，１２の側面図である。なお、第２反射ミラー８２の構成は、第２反射ミラー８１の構成と同様であるため説明を省略する。第２反射ミラー８１は、光軸Ｘｌ１とＸｌ２に交叉するように配置されるとともに、第１反射ミラー２１，２２と平行、かつ、第２反射ミラー８１の反射面と第１反射ミラー２１，２２の反射面が対向するように配置されている。

第１反射ミラー２１，２２により光軸Ｘｌ１，Ｘｌ２に沿って進行した２本のレーザアレイ光束は、第２反射ミラー８１で反射され、ステム１１０，１２０の平面（上面）の法線方向と略平行となるように折り曲げられる。このとき、レーザアレイ光束の光軸Ｘｌ１，Ｘｌ２は、第２反射ミラー８１での反射前は光軸Ｘｓに対して角度θだけ傾いていたが、反射後のレーザアレイ光束は、レーザ光源１１，１２の光軸Ｘａと略平行になる。

以上の構成により、ステム１１０の辺長さだけ離れた位置に配置せざるを得ない複数のレーザ光源１１，１２のレーザアレイ光束を空間的に密度高く再配列することが可能である。これにより、エタンデューが小さく、集光性に優れた合成光束を作ることができる。

例えば、第１反射ミラー２１は複数のエミッタから２０ｍｍの高さに配置され、Ｆａｓｔ軸に沿った発散角が全角で約１度、ステム１１０の光軸Ｘｓに沿った辺の長さが４０ｍｍ、エミッタのアレイ幅と垂直な方向の幅が１ｍｍとすると、第１反射ミラー２１におけるレーザアレイ光束の光軸Ｘｆ方向の幅は約１．７ｍｍとなる。第１反射ミラー２１の光軸Ｘａに関する回転角度θは、所定のマージンを取って有効寸法が定められた第１反射ミラー２１の近傍を、４０ｍｍ離れた隣のレーザ光源１２からのレーザアレイ光束が所定の間隔を保って通過する条件から求めることができる。上記パラメータの場合は、第１反射ミラー２１の光軸Ｘａを中心とした回転角度θを約３．５度とすることで、第１反射ミラー２１の寸法マージンを約０．５ｍｍ、第１反射ミラー２１とレーザアレイ光束との間隔を約１ｍｍに設定することができる。ただし、第１反射ミラー２１の配置高さ、Ｆａｓｔ軸に沿った発散角、ステム１１０の光軸Ｘｓに沿った辺の長さ、エミッタのアレイ幅と垂直な方向の幅、第１反射ミラー２１の寸法マージンおよび第１反射ミラー２１とレーザアレイ光束との間隔は、上記値に限定されない。

第２の方向に再配列された２つのレーザアレイ光束による合成光束を、光軸Ｘｓに垂直な平面で断面観察した像を示す概略図を図７に示す。なお、図７は、図６に示したように、光軸Ｘｓに沿ってレーザ光源１１，１２を２個並列配置し、レーザアレイ光束を第１反射ミラー２１，２２で折り曲げて第２の方向に再配列した状態の像を示す。ここでは２個のレーザ光源１１，１２に対応する第１反射ミラー２１，２２によってレーザアレイ光束を略等間隔に再配列させた。このとき、第１反射ミラー２１，２２の回転角度θが同一であるので、各第１反射ミラー２１，２２によって反射されたレーザアレイ光束の像の長軸の方向は同一方向に揃っている。レーザアレイ光束の像は細長い楕円形で模式的に表されるが、レーザアレイ光束の像の長軸をＸｓ’、短軸をＸｆ’とする。また、第１反射ミラー２１，２２と対向した状態で配置されている第１反射ミラー２３，２４によるレーザアレイ光束も上記Ｘｓ’に垂直な平面の裏面から同じ像を観察することができる。

ここで、第３の方向に再配列された複数のレーザアレイ光束を、光軸に垂直な平面で断面観察した像を示す概略図を図８に示す。なお、図８は、第１反射ミラー２１，２２と平行に配置された第２反射ミラー８１と、第１反射ミラー２３，２４と平行に配置された第２反射ミラー８２により第３の方向に再配列した状態の像を示す。反射後のレーザアレイ光束の細長い楕円形の長軸Ｘｓ’は、元のレーザ光源１１，１２の長軸Ｘｓと略平行になっている。すなわち、レーザアレイ光束の傾き角度θがほぼ０となっている。

レーザアレイ光束の傾き角度θが０となる理由は、以下のように説明すると理解が容易である。反射面が向かい合った一組の平行なミラー２枚で反射される光を想定する。これを図９のように模式的に表す。図９は、平行な一組の反射ミラーに対する光線の挙動を示す概略図である。図９に示すように、入射光線Ｘｒ１はミラー２０１で反射されて反射光線Ｘｒ２となり、さらに反射光線Ｘｒ２はミラー８０１で反射されて出射光線Ｘｒ３となる。すなわち、ミラー２０１は第１反射ミラー２１に、ミラー８０１は第２反射ミラー８１に相当し、入射光線Ｘｒ１の入射方向は第１の方向、反射光線Ｘｒ２の反射方向は第２の方向、出射光線Ｘｒ３の出射方向は第３の方向に相当する。また、図９において一点鎖線で囲まれていない領域は二次元的に図示しているが、一点鎖線で囲まれた領域はレーザアレイ光束の向きをわかりやすくするため、部分的に斜視図的に図示している。

図９における４ヶ所の角度αは、ミラーで反射する光線の入射角度と出射角度が等しいことと、平行線に交わる直線の錯角は等しいことからすべて等しい。その結果、２ヶ所の角度βも等しく、反射光線Ｘｒ２による錯角が等しいので、結局、入射光線Ｘｒ１と出射光線Ｘｒ３は平行である。光の集合体としての光束をミラー２０１に入射しても、光束の一本一本は入射光線Ｘｒ１と出射光線Ｘｒ３が平行となる関係は同様であり、さらにミラー２０１に対して光束がどの角度で入射しても、同様である。換言すると、楕円光束の長軸Ｘｓ’と短軸Ｘｆ’がミラーに対して相対的にどの角度にあっても、長軸Ｘｓ’も短軸Ｘｆ’もねじれることはない。ここで、各レーザ光源１１，１２，１３，１４からの出射光と、第３の方向に折り曲げられたレーザアレイ光束を、図９の入射光線Ｘｒ１と出射光線Ｘｒ３に置き換えて考えると、第３の方向に折り曲げられたレーザアレイ光束は、レーザ光源の出射光と平行で傾き角度が０になることがわかる。

図６（ａ），（ｂ）に示すように、発光点から２０ｍｍの高さに配置した第１反射ミラーの回転角度を３．５度、隣接するレーザ光源の間隔を４０ｍｍとすると、隣接するレーザアレイ光束の間隔は約２．４ｍｍになる。光路長の長いレーザ光源１１とレーザ光源１４からのレーザアレイ光束の像の長径（長軸）は約１９ｍｍ、レーザ光源装置１の中央部側のレーザ光源１２，１３からのレーザアレイ光束は光路長が短く、レーザアレイ光束の像の長径（長軸）は約１６ｍｍとなり、４つの光束の像を囲む矩形を想定するとその寸法は約１０ｍｍ×約１９ｍｍとなる。したがって、４０ｍｍピッチで４つのレーザ光源１１，１２，１３，１４を連続的に並べたレーザ光源装置１の基本構成そのままの状態と比べ、はるかに大きな光束密度が得られ、エタンデューの増大を抑制することができる。

次に、図１０を用いてミラーホルダ３１について説明する。図１０は、第１反射ミラー２１のミラーホルダ３１を示す概略図である。ミラーホルダ３１は、第１反射ミラー２１を保持するために、ステム１１０上に配置されている。レーザ光源装置１は、第１反射ミラー２１を保持するミラーホルダ３１の他に、図１に示す第１反射ミラー２２，２３，２４をそれぞれ保持するミラーホルダを備えているが、ミラーホルダ３１は、第１反射ミラー２４用のミラーホルダと位置決め構造以外は同じ構成であり、また、第１反射ミラー２２，２３用のミラーホルダについては後述するため、ここではミラーホルダ３１について説明する。

ミラーホルダ３１は、一対の足部３１ａと、胴体部３１ｂとを備えている。ミラーホルダ３１は、足部３１ａによってステム１１０の上面に固定されている。胴体部３１ｂは、キャップ１１１の上側に配置され、一対の足部３１ａは、胴体部３１ｂの下端部からステム１１０と平行方向に延びるように設けられている。また、一対の足部３１ａは、ステム１１０に対する位置決め構造を備えている。

胴体部３１ｂは、第１反射ミラー２１の光学面（反射面）を４５度の傾きに設定する第１傾斜面３１ｃを有し、図示しない押さえ手段で第１反射ミラー２１の一部を背面から支持してこれを固定することができる。第１反射ミラー２１は表面鏡であることが望ましく、表面鏡である場合、基材の厚みばらつきおよび歪みをほぼ無視することができ、安定した反射面を配置することで光を折り曲げる精度を高めることができる。

第１反射ミラー２１の光学面（反射面）は、第１傾斜面３１ｃと対向して面接触しているため、第１傾斜面３１ｃと同一面と見なされ、基材の透過率等を気にする必要がなく、大量に流通しているミラー部品を流用して安価に構成することが容易である。また、図１０の斜線部で示す第１反射ミラー２１の有効エリア２５が、ミラーホルダ３１の第１傾斜面３１ｃからはみ出して窓ガラス１１２の上方に位置するように第１反射ミラー２１が配置されている。寸法マージンを考慮した第１反射ミラー２１の有効エリア２５は約９ｍｍ×３ｍｍの長方形となる。レーザアレイ光束が近傍を通過する側の第１反射ミラー２１の辺は、最外縁まで有効エリアとなるように第１反射ミラー２１をカットして辺を作ることが望ましい。なお、有効エリアをミラーホルダの第１傾斜面からはみ出させる量は、ミラーホルダ毎に厳密に調整することができ、個々のレーザ光源のばらつきにも柔軟に対応することができる。

また、胴体部３１ｂは、窓ガラス１１２から出射されるレーザ光に干渉しない形状となっているが、足部３１ａは設置面積を確保するためにキャップ１１１を挟むことが可能な位置まで足部３１ａの先端が伸びている。ステム１１０に対するミラーホルダ３１の十分な接地面積を確保することができるため、ステム１１０に対するミラーホルダ３１の組立安定性を高めることができる。第１反射ミラー２１の押さえ手段としては、金属の薄板によるバネ手段を用いて第１反射ミラー２１の背面からバネ圧で押す方法が一般的であるが、補助的に接着剤を使う場合でも、レーザ光源１１はキャップ１１１で封止されており、キャップ１１１の内部に接着剤から発生するガスが侵入してキャップ１１１内に配置された部品を汚染することを抑制できる。

なお、第１反射ミラー２１の取り扱いと組立を容易にし、第１反射ミラー２１の光学面の位置精度と保持の安定性を高めるために、ミラーホルダ３１の第１傾斜面３１ｃに接触させる第１反射ミラー２１の取り付け面は、斜線で示す有効エリア２５の２倍から３倍程度以上の面積を確保することが望ましい。このようなミラー形状によれば、第１反射ミラー２１そのもののハンドリングが容易になって組立の作業性が高まるだけでなく、例えば有効エリア２５から離れた位置に接着剤等を塗布してミラー固定を強化する際も、作業中に第１反射ミラー２１を汚したりする可能性を低くすることができ、ミラーホルダ３１の組立工程の歩留りを高めることができるといった利点がある。ミラーホルダ３１は加工性に富み、変形に強い金属材料で作成することが望ましいが、耐クリープ性および耐熱性が高い樹脂材料を用いてもよい。金属材料の場合はダイカスト等で同じ形状のものを安価に作成し、形状精度の必要な部位にはさらに２次加工を施して平面度または平行度を高めたり、位置決め基準穴または基準ピンを設けたりしてもよい。

次に、第２反射ミラー８１，８２を保持するホルダ構造について、ミラーホルダ３１に隣接して配置されたミラーホルダ３２、さらにミラーホルダ３２に隣接して配置されたミラーホルダ３３を用いて説明する。図１１は、第１反射ミラー２２，２３と第２反射ミラー８１，８２のミラーホルダ３２，３３を示す概略図である。図１１に示すように、ミラーホルダ３２は、第２反射ミラー８２の光学面（反射面）の裏側を水平面に対し４５度の傾きに設定する第２傾斜面３２ｄを有し、図示しない押さえ手段で第２反射ミラー８２の一部を表面から支持してこれを固定することができる。第２傾斜面３２ｄは、ミラーホルダ３２の胴体部３２ｂに設けられ、第１反射ミラー２２に対して９０度となる傾きに設定されている。

また、ミラーホルダ３３も、第２反射ミラー８１の光学面（反射面）の裏側を水平面に対し４５度の傾きに設定する第２傾斜面３３ｄを有し、図示しない押さえ手段で第２反射ミラー８１の一部を表面から支持してこれを固定することができる。第２傾斜面３３ｄは、ミラーホルダ３３の胴体部３３ｂに設けられ、第１反射ミラー２３に対して９０度となる傾きに設定されている。なお、第２反射ミラー８１，８２も第１反射ミラー２１，２２，２３，２４と同様に、表面鏡であることが望ましい。

次に、ミラーホルダ、第１反射ミラー、第２反射ミラー、およびレーザアレイ光束の関係について説明する。ミラーホルダ３１，３２上の第１反射ミラー２１，２２により反射されたレーザアレイ光束は、ミラーホルダ３３上の第２反射ミラー８１に照射され、第２反射ミラー８１で反射される。ミラーホルダ３３および第１反射ミラー２４用のミラーホルダ上の第１反射ミラー２３，２４により反射されたレーザアレイ光束は、ミラーホルダ３２上の第２反射ミラー８２に照射され、第２反射ミラー８２で反射される。また、ミラーホルダ３１と第１反射ミラー２４用のミラーホルダは、それぞれ第１反射ミラー２１と第１反射ミラー２４を支持しているが、第２反射ミラーを支持する必要はない。

図１２は、４個のレーザ光源１１，１２，１３，１４を同じ向きに配置した場合にレーザ光の出射側の反対側から見た概略図である。図１２に示すように、レーザ光源１１，１２とレーザ光源１３，１４は、後述する被冷却面５１，５２，５３，５４を直線上に並べることを優先するとすべて同じ向きに配置されることになる。そのため、ミラーホルダ３１，３２と、ミラーホルダ３３および第１反射ミラー２４用のミラーホルダは水平方向に１８０度反転して配置されることになる。したがって、ミラーホルダ３１，３２と、ミラーホルダ３３および第１反射ミラー２４用のミラーホルダの位置決め構造は対称の位置関係にあり、別部品とする必要がある。また、ミラーホルダ３１，３２と、ミラーホルダ３３および第１反射ミラー２４用のミラーホルダの位置決め構造を１８０度反転しても同一となる点対称の位置関係にすれば、ミラーホルダ３１と第１反射ミラー２４用のミラーホルダを同一形状とするとともに、ミラーホルダ３２，３３を同一形状とすることも可能である。

このように、ミラーホルダ方式によれば、ミラーホルダ単体の精度を高めることが容易であるだけでなく、ベースプレート３を基準にして組み立てることによって隣接するミラーホルダの相対的な位置精度を高めることも容易になる。また、製造中の不具合または使用中の故障等があってもミラーホルダ単位で交換修理が可能であり、組立工程での不具合に柔軟に対応し、さらに製品としてのサービス性を向上させることにも貢献する。

なお、図８に示すように、各レーザ光源１１，１２，１３，１４からのレーザアレイ光束は互いに平行に並んでいることから、偏光を利用した液晶表示装置との親和性が高い。ミラーホルダは、足部に位置決め構造を備えることでステムに対して相対的に回転調整して第１反射ミラーと第２反射ミラーの回転角度を微調整することができるため、偏光度の向上を図って液晶表示装置のコントラスト性能を向上させることが可能である。

さらに、図１１に示すように、ミラーホルダ３２の胴体部３２ｂには第１反射ミラー２２と第２反射ミラー８２が支持され、ミラーホルダ３３の胴体部３３ｂには第１反射ミラー２３と第２反射ミラー８１が支持されている。したがって、第１反射ミラー２２と第２反射ミラー８２を一体で、または第１反射ミラー２３と第２反射ミラー８１を一体で角度θだけ回転させることができ、複数のミラーの角度設定が容易である。

なお、第１反射ミラー２２と第２反射ミラー８２、第１反射ミラー２３と第２反射ミラー８１は、ミラーホルダ３２，３３にそれぞれ支持されていると説明したが、別のミラーホルダに支持されていてもよい。

以上の説明においては、隣り合うレーザ光源を一直線に並べる構成を説明したが、これはレーザ光源装置１のスペースファクターの点で有利というだけでなく、レーザ光源の冷却の観点からも好ましい。以下、図１２を用いて説明する。図１２において、Ｘｓ軸の右側に並ぶそれぞれ４つの小さな円形は２組のアノードピンとカソードピンを示している。レーザ光源１１，１２，１３，１４は光軸Ｘｓと光軸Ｘｆ１、光軸Ｘｆ２、光軸Ｘｆ３、光軸Ｘｆ４の交点をそれぞれ原点として、ここにレーザチップを配置するように構成されている。具体的には、ステム１１０，１２０，１３０，１４０上に取り付けられたブロック（図示省略）の側面に薄い板状のレーザチップをマウントするので、ブロックの底面は図１２の斜線部で示すように光軸Ｘｓから偏った位置になる。

このブロックを通じてレーザチップの排熱が行われるため、斜線部がすなわちそれぞれのレーザ光源１１，１２，１３，１４の被冷却面５１，５２，５３，５４になる。図１２に示すように、レーザ光源１１，１２，１３，１４を同じ向きに一直線に並べると、レーザ光源１１の被冷却面５１、レーザ光源１２の被冷却面５２、レーザ光源１３の被冷却面５３およびレーザ光源１４の被冷却面５４は、直線上に並ぶことになり、アノードピンおよびカソードピンを回避しながら冷却のための構造体を設計する上で有利である。

ただし、すべてのレーザ光源１１，１２，１３，１４の被冷却面５１，５２，５３，５４を直線上に並べることは必須ではなく、冷却のための構造体を二つに分ける等の対応が可能であれば、例えばレーザ光源１１，１２とレーザ光源１３，１４をそれぞれ一対として対向した位置に配置することも可能である。この状態を図１３に示す。図１３は、４個のレーザ光源のうち２個ずつを一対として対向させて配置した場合にレーザ光の出射側の反対側から見た概略図である。この場合、上記のように、ミラーホルダ３１と第１反射ミラー２４用のミラーホルダは全く同一形状のものが使用できるとともに、ミラーホルダ３２，３３は全く同一形状のものが使用できるようになり、ミラーホルダの設計自由度が上がる。

上記の説明においては、第１反射ミラーと第２反射ミラーの回転角度をすべて同一とし、複数のレーザアレイ光束が互いに平行を保ったまま空間的に合成される場合を説明したが、例えば第１反射ミラーの回転角度を少しずつ調整して互いに同一とはせず、レーザアレイ光束が全体として集光気味となるように合成することもできる。このように、合成光束のエタンデューの許容値を超えない範囲であれば、第１反射ミラーの回転角度の調整のみで光束密度の細かな調節に対応することが可能である。

また、上記の説明においては、レーザアレイ光束が一方向に大きく拡がるような発散角の異方性を有する場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、シリンドリカルレンズの異なる設計、または光学素子の追加によってこの異方性を小さくできる場合でも同様の光束密度向上の効果が得られる。

以上のように、実施の形態１に係るレーザ光源装置１では、レーザ光源ユニット６１，６２と、レーザ光源ユニット６３，６４が直列的かつ対向的に配置され、それぞれのレーザ光の光軸上に配置された第１反射ミラー２１，２２，２３，２４と第２反射ミラー８１，８２によって各レーザ光を同一方向に反射するため、互いの光軸を平行に保ってエタンデューの増大を抑えたレーザ光の空間合成を行うことができる。

また、第２反射ミラー８１，８２が使用されることにより、レーザ光源ユニット６１，６２，６３，６４が配置される方向（基準線Ｌの方向）に第１反射ミラー２１，２２，２３，２４だけでレーザ光を投射する場合と比較して全体の光路長が短くなる。これにより、発散角によるレーザ光の断面の拡大を抑えることができ、結果としてさらに小型のレーザ光源装置を実現することが可能となる。

また、レーザアレイ光束の光軸はレーザ光源装置１に対して傾きがないので、レーザ光源装置１の実装上、光軸Ｘｌが傾いていることに起因する様々な不都合を解消することができる。

また、各レーザ光源ユニット６１，６２，６３，６４には同じ種類のミラーホルダによって同じ種類の第１反射ミラーがそれぞれ保持されるため、部品の種類を抑え、組立性に優れる、安価で小型のレーザ光源装置、さらにはこれを搭載した安価で小型の映像表示装置を提供することが可能である。

また、第１反射ミラー２１，２２，２３，２４と第２反射ミラー８１，８２は、レーザ光源から出射されるレーザ光の光軸に対する回転角度が設定可能であるため、第２の方向から第３の方向に反射されたレーザ光が、その進行方向側に隣接するレーザ光源ユニットの第１反射ミラーと第２反射ミラーに干渉しないように回転角度を決めることができ、光損失の少ないレーザ光源装置１を構成することができる。

また、直列的にかつ対向的に配置される複数のレーザ光源ユニット６１，６２とレーザ光源ユニット６３，６４は、レーザ光の断面が呈する楕円形の長軸の方向が一致するように配置される。このため、上記第１反射ミラー２１，２２，２３，２４と第２反射ミラー８１，８２の作用によれば、数度以下の小さな回転角の設定によって複数のレーザ光源からのレーザ光を楕円形の短軸の方向に近接させて並べたように再配列させることができ、密度の高い空間合成を実現することができる。

また、第２反射ミラー８１は、第１反射ミラー２１，２２と平行、かつ、互いの反射面が対向した状態で配置され、第２反射ミラー８２は、第１反射ミラー２３，２４と平行、かつ、互いの反射面が対向した状態で配置されるため、レーザ光を第３の方向に効率よく反射することができるとともに全体の光路長を一層短くすることができる。

また、ベースプレート３における同一平面上に複数のレーザ光源１１，１２，１３，１４を連続的に配置するため、これらの被冷却面も同一平面上に揃えることが容易であり、冷却性能を高めて高出力化を図ることができる。さらに、この場合にレーザアレイ光束の出射軸方向に垂直に細長いレーザ光源装置１を構成できるため、複数のレーザ光源装置１をスタックした場合でも小型化することができる。

また、レーザ光源装置１を小型化できることから、包装の小型化を図ることができるとともに、運搬の容易性が向上する。また、空間密度の高いレーザアレイ光束に合成して効率よく集光することができるため、エネルギー消費量の削減を図ることが可能となる。

また、ステム１１０の辺長さだけ離れた位置に配置せざるを得ない複数のレーザ光源１１，１２，１３，１４のレーザアレイ光束を空間的に密度高く再配列することが可能であるので、エタンデューが小さく、集光性に優れた合成光束を作ることができる。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係るレーザ光源装置１５０および映像表示装置について説明する。図１４は、実施の形態２に係る映像光源装置の構成を示す概略図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図１４に示すように、実施の形態２に係る映像表示装置は、レーザ光源装置１５０と、均一化部であるインテグレータロッド４２と、照明光学系であるリレーレンズ４３と、映像表示素子であるライトバルブ５と、投射光学系である投射レンズ４４とを備えている。

レーザ光源装置１５０は、複数台（例えば３台）のレーザ光源装置１と、各レーザ光源装置１からのレーザアレイ光束を折り曲げるミラー２２０，２３０，２４０と、各ミラー２２０，２３０，２４０からのレーザアレイ光束を集光する手段である集光レンズ４１とを備えている。レーザ光源装置１は光軸方向に細長い直方体形状を有しているため、レーザ光源装置１を同一平面上に敷き詰めることがスペースの点で好ましい。集光レンズ４１によって集光されたレーザアレイ光束は、インテグレータロッド４２に入射され、強度分布が均一化される。均一化されたレーザアレイ光束は、リレーレンズ４３によって照明光としてライトバルブ５に照射される。ライトバルブ５に照射された照明光は、外部から入力される映像信号に応じて空間変調され、空間変調された照明光は、投射レンズ４４によってスクリーン６に拡大投射される。

ミラー２２０，２３０，２４０は階段状に配置され、各レーザ光源装置１からのレーザアレイ光束を空間合成してその光束密度を高めるためのものである。レーザ光源装置１５０が備えるレーザ光源装置１の台数を増やす場合は、集光レンズ４１の仕様を変えることで、インテグレータロッド４２に効率よくレーザアレイ光束を伝達することができる。

例えば、図１５は、レーザ光源装置１５０のレーザアレイ光束の分布を示す概略図である。すなわち、レーザ光源装置１を３台並べて配置した場合に、集光レンズ４１の入射面上に並ぶ、各レーザ光源装置１からのレーザアレイ光束の像の分布を概略的に示した図である。階段状に配置されたミラー２２０，２３０，２４０の効果によって、レーザアレイ光束の像はｘ軸に沿って密に並んでいる。これは、図１４においてレーザ光源装置１を敷き詰めた方向と同じである。各レーザアレイ光束は細長い楕円形で概略的に示されるが、この短軸方向は光線の平行度が高いため、集光レンズ４１によって非常に高い密度で集光することができる。

一方、ｙ軸方向は光線の平行度が低いため、ｙ軸に沿った方向にはレーザアレイ光束を並べない方が都合がよい。また、各レーザアレイ光束は、並び方向がｘ軸と傾きなく揃っており、かつ楕円の長軸方向がｙ軸と傾きなく揃っているので、映像表示装置の設計が容易になるといった利点をもたらす。

以上のように、実施の形態２に係る映像表示装置は、レーザ光源装置１５０と、レーザ光源装置１５０から出射されたレーザ光の強度分布を均一化するインテグレータロッド４２と、インテグレータロッド４２によって均一化されたレーザ光を照明光として照射するリレーレンズ４３と、照明光を、外部から入力される映像信号に応じて空間変調するライトバルブ５と、ライトバルブ５によって空間変調された照明光をスクリーン６に投射する投射レンズ４４とを備える。したがって、空間密度の高いレーザアレイ光束に合成して効率よく集光することができるため、高出力化を図ることが可能となる。

また、実施の形態１で説明したように、安価で小型のレーザ光源装置１を実現できることから、安価で小型のレーザ光源装置１５０を実現でき、ひいては安価で小型の映像表示装置を実現できる。

この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ レーザ光源装置、５ ライトバルブ、１１，１２，１３，１４ レーザ光源、２１，２２，２３，２４ 第１反射ミラー、３１，３２，３３ ミラーホルダ、４２ インテグレータロッド、４３ リレーレンズ、４４ 投射レンズ、６１，６２，６３，６４ レーザ光源ユニット、８１，８２ 第２反射ミラー、１５０ レーザ光源装置。

Claims (4)

1. 断面が楕円形のレーザ光を第１の方向に出射するレーザ光源（１１，１２，１３，１４）と、前記レーザ光の光軸上に配置されかつ前記レーザ光を第２の方向に反射する第１反射ミラー（２１，２２，２３，２４）と、前記第１反射ミラー（２１，２２，２３，２４）を保持するミラーホルダ（３１，３２，３３）とを有するレーザ光源ユニット（６１，６２，６３，６４）を複数備え、
   前記複数のレーザ光源ユニット（６１，６２，６３，６４）は、隣り合うレーザ光源ユニット（６１，６２，６３，６４）が直列的に隣接した状態で配置され、
   前記第２の方向に反射されたレーザ光を第３の方向に反射する第２反射ミラー（８１，８２）をさらに備え、
   前記第２反射ミラー（８１，８２）は、前記複数のレーザ光源ユニット（６１，６２，６３，６４）のうち一部のレーザ光源ユニット（６２，６３）が有する前記ミラーホルダ（３２，３３）に保持される、レーザ光源装置。
2. 前記複数のレーザ光源ユニット（６１，６２，６３，６４）は、前記第２の方向に反射したレーザ光の断面が呈する楕円形の長軸の方向が一致するように配置され、
   各前記第１反射ミラー（２１，２２，２３，２４）は、前記第２の方向に反射されたレーザ光の断面が呈する前記楕円形の長軸の方向と前記第２の方向とが所定の角度をなすように、各前記レーザ光源（１１，１２，１３，１４）から出射される前記レーザ光の光軸に対する回転角度が設定可能である、請求項１記載のレーザ光源装置。
3. 前記第２反射ミラー（８１，８２）は、前記第１反射ミラー（２１，２２，２３，２４）と平行、かつ、互いの反射面が対向した状態で配置される、請求項１または請求項２記載のレーザ光源装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のレーザ光源装置（１５０）と、
   前記レーザ光源装置（１５０）から出射されたレーザ光の強度分布を均一化する均一化部（４２）と、
   前記均一化部（４２）によって均一化された前記レーザ光を照明光として照射する照明光学系（４３）と、
   前記照明光を、外部から入力される映像信号に応じて空間変調する映像表示素子（５）と、
   前記映像表示素子（５）によって空間変調された前記照明光をスクリーンに投射する投射光学系（４４）と、
   を備える、映像表示装置。

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