WO2009081913A1 - 光源装置 - Google Patents

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WO2009081913A1
WO2009081913A1 PCT/JP2008/073351 JP2008073351W WO2009081913A1 WO 2009081913 A1 WO2009081913 A1 WO 2009081913A1 JP 2008073351 W JP2008073351 W JP 2008073351W WO 2009081913 A1 WO2009081913 A1 WO 2009081913A1
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WO
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light source
source device
plano
green
convex lens
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Application number
PCT/JP2008/073351
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hiroshi Imai
Original Assignee
Nec Corporation
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0905—Dividing and/or superposing multiple light beams
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3129—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] scanning a light beam on the display screen

Definitions

  • the present invention relates to a light source device that combines a plurality of beams and projects the beams as parallel beams.
  • U.S. Pat. No. 6,921,170 (hereinafter referred to as "patent document 1") includes a laser as a light source for emitting coherent light, and discloses an image display apparatus which scans a straight laser beam and projects it as an image. ing.
  • FIG. 1A is a side view of the projection type image display device described in Patent Document 1
  • FIG. 1B is a top view of the projection type image display device.
  • This projection type image display apparatus comprises a light source 101, an optical scanning element 103 for scanning the laser beam 102 emitted from the light source 101 in the horizontal direction, and an optical scanning element 104 for scanning the laser beam 102 emitted from the light source 101 in the vertical direction. And.
  • the laser beam 102 is two-dimensionally scanned by these light scanning elements 103 and 104. By doing so, the projection type image display apparatus displays an image on the projection surface 105.
  • Patent Document 2 describes a light source device for projecting a parallel beam in which beams of respective colors are combined.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the light source device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-13127 (hereinafter referred to as “patent document 2”).
  • This light source device has three light emitting elements 111, three ball lenses 112, and three dichroic mirrors 113.
  • the three light emitting elements 111 respectively emit a red beam, a blue beam and a green beam.
  • the ball lens 112 is a collimating unit that collimates the beams emitted from the respective light emitting elements 111.
  • the three dichroic mirrors 113 selectively reflect the red beam, the blue beam, and the green beam, respectively. As shown in FIG. 2, by combining the traveling direction of the beam selectively reflected by the dichroic mirror with the traveling direction of another beam transmitted through the dichroic mirror 113, a combined beam is obtained.
  • Patent document 3 discloses an apparatus having one lens for converting three color laser beams into parallel beams.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 9-96720 (hereinafter referred to as “patent document 4”) is an optical device for synthesizing light of a plurality of wavelengths, and the optical device reduced in size and cost. Is described. This optical device converts the combined beam into a collimated beam using one lens.
  • optical path control points there are many points (hereinafter referred to as "optical path control points") for controlling the optical path of the beam emitted from each light source in an appropriate direction, the production process of the device is increased and the production cost is increased.
  • the beam diameter of each collimated beam will be different. That is, the devices described in Patent Document 3 and Patent Document 4 can not make the beam diameter of the parallel beam of each color the same.
  • practical application of a semiconductor laser that directly emits a green beam is very difficult. Therefore, generally, to emit a green beam, the second harmonic of a solid-state laser (for example, an Nd: YAG laser or a laser beam with a wavelength of 532 nm, which is a second harmonic of an oscillation wavelength of 1064 nm). Used.
  • the divergence angle of the beam emitted from the solid state laser is smaller than the divergence angle of the beam emitted from the semiconductor laser. Therefore, in the apparatuses described in Patent Document 3 and Patent Document 4, the beam diameter of the parallel beam of each color is different. When an image is displayed using such a beam, the sharpness of the image is reduced.
  • An object of the present invention is to provide a light source device that solves any of the problems described above.
  • a light source device is a light source device that combines beams emitted from a plurality of light sources and projects the beams as parallel beams. And optical means.
  • the collimating means turns the beam emitted from the first light source into a first parallel beam.
  • the optical means makes a second parallel beam a second beam having a divergence angle different from that of the beam emitted from the second light source and the first parallel. Combine the beam and the second collimated beam.
  • FIG. 10 is a side view of the projection type image display device described in Patent Document 1.
  • FIG. 1B is a top view of the projection type image display device shown in FIG. 1A.
  • FIG. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The schematic block diagram of the light source device which concerns on the 1st Embodiment of this invention.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a green laser used in the light source device shown in FIG.
  • FIG. 2 is a schematic view illustrating sizes and installation angles of components in the light source device shown in FIG. 1.
  • the schematic block diagram of the light source device provided with the scanning means which scans a beam.
  • the schematic block diagram of the light source device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.
  • the schematic block diagram of the light source device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention The schematic block diagram of the light source device which concerns on the 4th Embodiment of this invention.
  • the light source device of the present invention is suitably used as a light source device provided in an image display device such as a laser projector, for example.
  • FIG. 3 is a schematic block diagram of a light source device according to the first embodiment of the present invention.
  • the light source device has three light sources 1, 2, and 6, a ball lens 3 as a collimating means, a dichroic mirror 4 as a combining optical means, and a plano-convex lens 5 as an optical means.
  • the three light sources emit a red semiconductor laser 1 emitting a beam of a wavelength corresponding to red (hereinafter referred to as red beam) and a blue light emitting a beam of a wavelength corresponding to blue (hereinafter referred to as blue beam).
  • a semiconductor laser 2 and a green laser 6 that emits a beam of a wavelength corresponding to green hereinafter referred to as a green beam).
  • the red semiconductor laser 1 and the blue semiconductor laser 2 are disposed close to each other.
  • the ball lens 3, the dichroic mirror 4, and the plano-convex lens 5 are arranged in order from the side closer to each of the semiconductor lasers 1 and 2.
  • the red semiconductor laser 1 and the blue semiconductor laser 2 are disposed at the focal point of the ball lens 3. Further, the center of the ball lens 3 coincides with the point at which the optical axis of the red semiconductor laser 1 and the optical axis of the blue semiconductor laser 2 intersect. Thereby, the red beam and the blue beam which have passed through the ball lens 3 become parallel beams.
  • the dichroic mirror 4 is coated with a reflective film that selectively reflects light in a wavelength band corresponding to red.
  • the flat portion of the plano-convex lens 5 is directed to the blue semiconductor laser 2 side.
  • the flat portion of the plano-convex lens 5 is coated with a wavelength selective reflection film 7 that selectively reflects light in a wavelength band corresponding to blue.
  • the green laser 6 is disposed at the focal point of the plano-convex lens 5 on the convex side of the plano-convex lens 5. Therefore, the plano-convex lens 5 converts the green beam emitted from the green laser 6 into a parallel beam.
  • the blue beam emitted from the blue semiconductor laser 2 passes through the ball lens 3 and becomes a parallel beam. Thereafter, the blue beam passes through the dichroic mirror 4 and is incident on the plane portion of the plano-convex lens 5 at an incident angle ⁇ 1.
  • the red beam emitted from the red semiconductor laser 1 passes through the ball lens 3 and becomes a parallel beam. Thereafter, the red beam is reflected by the dichroic mirror 4.
  • the green beam emitted from the green laser 6 is incident on the convex surface of the plano-convex lens 5, passes through the inside of the plano-convex lens 5, and is incident on the flat portion of the plano-convex lens 5 at an incident angle ⁇ 1.
  • the respective incident angles ⁇ 1 and ⁇ 1 are set so as to satisfy the following equation (1).
  • the angle of refraction of the green beam refracted at the point 9 on the flat surface of the plano-convex lens 5 is the angle ⁇ 1. Therefore, if the optical axis of the green laser 6 and the optical axis of the blue semiconductor laser 2 intersect at the point 9 on the plano-convex lens 5, the green beam and the blue beam are combined.
  • the plano-convex lens 5 is an optical unit that converts the green beam into a parallel beam and combines the green beam and the blue beam. Since the plano-convex lens 5 has the function of converting the green beam into a parallel beam and the function as the above optical means, the number of components of the light source device is reduced. Thus, the light source device is miniaturized.
  • the angle between the optical axis of the red semiconductor laser 1 and the optical axis of the blue semiconductor laser 2 is ⁇
  • the angle between the reflection surface of the dichroic mirror 4 and the flat portion of the plano-convex lens 5 is ⁇ / 2.
  • the reflection angle of the red beam reflected by the dichroic mirror 4 becomes equal to the incident angle when the blue beam reflected by the plano-convex lens 5 enters the dichroic mirror 4. Therefore, the light source device is configured such that the center of the red beam and the center of the blue beam pass through the same point 8 on the dichroic mirror 4. This combines the red and blue beams. That is, the beams of the respective colors after passing through the point 8 are combined and become parallel beams.
  • the ball lens 3, the dichroic mirror 4, and the plano-convex lens 5 are optical components required to obtain a parallel beam in which beams of respective colors are combined. Therefore, there are few light path control points, and the production process of the device is reduced. Therefore, the production cost of the light source device is reduced.
  • the red semiconductor laser 1 is a semiconductor laser that emits a red beam with a wavelength of 650 nm
  • the blue semiconductor laser 2 is a semiconductor laser that emits a blue beam with a wavelength of 470 nm.
  • the divergence angles of the red and blue beams are 53 °.
  • FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of the green laser 6 used in the present embodiment.
  • the green laser 6 has an infrared laser 12 for emitting a beam of 1064 nm wavelength, a second harmonic crystal 14 for generating a second harmonic, and a focusing lens 13.
  • the beam emitted from the infrared laser 12 is focused on the second harmonic crystal 14 by the focusing lens 13.
  • a second harmonic that is, a green beam having a wavelength of 532 nm is generated from the second harmonic crystal 14.
  • the divergence angle of the green beam generated from the second harmonic crystal 14 is 8.6 °.
  • a waveguide type polarization inversion crystal having a waveguide with a width of 5 ⁇ m is used as the second harmonic crystal 14.
  • a bulk type polarization inversion crystal can also be used.
  • FIG. 5 is a diagram showing a detailed configuration of a light source device according to an example of the first embodiment.
  • the diameter of the ball lens 3 is 0.8 mm
  • the refractive index of the ball lens 3 is 1.5
  • the size of the dichroic mirror 4 is 1.5
  • the aperture of the plano-convex lens 5 is 1.0 mm.
  • the focal length fb of the ball lens 3 is expressed by the following equation 2.
  • the focal length fb of the ball lens 3 in the present embodiment is 0.6 mm.
  • the beam diameter of the collimated beam is 0.6 mm.
  • the beam diameter is defined by the width (diameter) of a region in which the beam intensity is 1 / e 2 of the maximum beam intensity in a plane perpendicular to the direction in which the beam travels straight.
  • e is the number of Napiers.
  • the beam diameter may be defined by the half width of the beam maximum intensity.
  • the angle between the optical axis of the red semiconductor laser 1 and the optical axis of the blue semiconductor laser 2 is 30 °, and the angle between the reflection surface of the dichroic mirror 4 and the flat portion of the plano-convex lens 5 is 15 °. It is. Furthermore, when the optical axis of the red semiconductor laser 1 and the optical axis of the blue semiconductor laser 2 are intersected at point 8, a collimated beam having a beam diameter of 0.6 mm in which the red beam and the blue beam are combined is obtained. .
  • the focal length fp of the plano-convex lens 5 is expressed.
  • the focal length of the plano-convex lens is It is 4 mm. Since the divergence angle of the green beam emitted from the green laser 6 is 8.6 °, the green beam passing through the plano-convex lens 5 having a focal length of 4 mm becomes a parallel beam having a beam diameter of 0.6 mm. Thus, by using lenses with different focal lengths, green beams having divergent angles different from red and green beams become parallel beams having the same beam diameter as red and green beams.
  • the incident angle ⁇ 1 of the green beam incident on the flat portion of the plano-convex lens 5 is 9.94 °.
  • optical system area 11 the area where the collimating means and the combining means for combining beams of each color are installed (hereinafter referred to as optical system area 11) can be a cube area of 2 mm on one side. .
  • the scanning unit 15 When scanning the direction in which the combined beam is projected, the scanning unit 15 may be installed in the light source device. As shown in FIG. 6, by providing the scanning means 15 adjacent to the optical system area 11, a compact light source device can be realized.
  • the scanning means 15 may perform only horizontal scanning or may perform horizontal scanning and vertical scanning.
  • horizontal scanning is performed by reciprocally scanning the resonant micro mechanical scanning element.
  • the swing angle of the horizontal scan is ⁇ 20 degrees, and the frequency is 31 KHz.
  • vertical scanning is performed by a galvano mirror.
  • the swing angle of the vertical scan was ⁇ 15 degrees, and the galvano mirror was driven by a 60 Hz sawtooth wave.
  • the resonant micromechanical scanning element was a circular mirror with a diameter of 1000 ⁇ m to withstand 31 kHz driving.
  • a circular mirror with a diameter of 1200 ⁇ m was used as the galvano mirror.
  • Horizontal scanning and vertical scanning may be performed with an acousto-optic element, an electro-optic crystal, or the like.
  • an optical system having a prism having a photonic crystal and capable of increasing the touch angle may be provided.
  • the scanning element may be, for example, a mirror, as long as the size of the beam deflector is larger than the beam diameter of the parallel beam.
  • the scanning element may have any shape.
  • the beams of each color may be projected onto the projection surface as a convergent beam instead of a parallel beam. By doing so, it becomes possible to use a scanning element with a small beam deflection unit.
  • the beam diameter of the parallel beam is 0.6 mm, but the beam diameter can be changed variously depending on the application of the light source device.
  • the beam diameter of the parallel beam of each color does not have to be completely the same, and may have an error of about 5%. Even in this case, when a parallel beam having a beam diameter of 0.6 mm or more is projected onto a projection surface disposed at a distance of 2.5 m or less, the projected image is sufficiently sharp.
  • the red semiconductor laser 1 and the blue semiconductor laser 2 can modulate their intensity by controlling the current value of the laser.
  • the green laser 6 can modulate its intensity by passing the green beam through the acousto-optic element.
  • the green laser 6 may modulate its intensity by converting the modulated infrared laser 12 with the second harmonic.
  • a fiber laser can be used as the green laser 6, as the green laser 6, a fiber laser can be used.
  • the intensity modulation of the green laser 6 may use various modulators such as a grating type MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) optical modulator, a waveguide type optical modulator, and an electro-optical crystal.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the image definition of the projection surface of the image display device is 1280 pixels in the horizontal direction and 1024 pixels in the vertical direction.
  • the distance from the light source to the projection surface is 100 cm
  • the width in the horizontal direction of the screen is 160 cm
  • the width in the vertical direction is 120 cm.
  • the image definition is not limited to these values, and the distance from the light source to the projection surface, the size of the screen, and the like can be variously changed.
  • the focal length of the plano-convex lens 5 can be changed according to the divergence angle of the green beam.
  • the sizes of the ball lens 3, the dichroic mirror 4 and the plano-convex lens 5 can be changed as much as possible.
  • the convex surface of the plano-convex lens 5 may have a non-reflective coating. Furthermore, the plano-convex lens 5 can be replaced by a diffractive element such as a Fresnel zone plate or a holographic optical element having the same optical action.
  • a diffractive element such as a Fresnel zone plate or a holographic optical element having the same optical action.
  • FIG. 7 is a schematic block diagram of a light source device according to a second embodiment of the present invention.
  • the light source device of this embodiment has a configuration in which the dichroic mirror is replaced with a prism 21 having a wavelength selective reflection film in the light source device according to the first embodiment.
  • a wavelength selective reflection film 23 for selectively reflecting light in a wavelength band corresponding to red is provided on one surface of the prism 21. Further, another surface of the prism 21 is provided with a wavelength selective reflection film 22 for selectively reflecting light in a wavelength band corresponding to blue.
  • the surface on which the wavelength selective reflection film 22 is applied is in close contact with the flat portion of the plano-convex lens 5.
  • the refractive index of the prism 21 is preferably the same as the refractive index of the plano-convex lens 5.
  • the angle formed by the two wavelength selective reflection films 22 and 23 of the prism 21 (the apex of the prism The angle is ⁇ / 2.
  • the wavelength selective reflection film 22 is applied to the surface of the prism, but the wavelength selective reflection film 22 may be applied to the flat portion of the plano-convex lens 5.
  • the blue beam emitted from the blue semiconductor laser 2 passes through the ball lens 3 and becomes a parallel beam.
  • the blue beam passes through the prism 21 and reaches the flat portion of the plano-convex lens 5.
  • the blue beam is then reflected by the wavelength selective reflection film 22.
  • the green beam emitted from the green laser 6 enters the plano-convex lens 5 and becomes a parallel beam. Since the refractive index of the prism 21 and the refractive index of the plano-convex lens 5 are the same, the green beam travels straight without being refracted at the interface between the prism 21 and the plano-convex lens 5. Therefore, the blue beam and the green beam are combined by making the reflection angle of the blue beam at the wavelength selective reflection film 22 equal to the incident angle of the green beam.
  • the beam synthesized in this manner is incident on the wavelength selective reflection film 23 applied to the prism 21 at an incident angle ⁇ 2.
  • the plano-convex lens 5 is an optical unit that collimates the green beam and combines the green beam and the blue beam. As described above, when the plano-convex lens 5 combines the function of converting the green beam into parallel light and the function of combining means, the number of components of the light source device is reduced. Therefore, the light source device is miniaturized.
  • the red beam emitted from the red semiconductor laser 1 passes through the ball lens 3 and becomes a parallel beam.
  • the red beam is reflected by the wavelength selective reflection film 23 applied to the prism 21.
  • the reflection angle of the red beam at this time is ⁇ 2 and the refractive index of the prism 21 is n, the respective angles ⁇ 2 and ⁇ 2 are set so as to satisfy the following formula 4.
  • the refraction angle ⁇ 2 of the blue beam and the green beam refracting at the point 8 on the wavelength selective reflection film 23 applied to the prism 21 is the same as the reflection angle ⁇ 2 of the red beam. Become. In this way, the green, blue and red beams are combined.
  • the prism 21 and the plano-convex lens 5 are provided in contact with each other, the number of light path control points is reduced as compared with the first embodiment. This reduces the production process of the light source device and reduces the production cost of the light source device.
  • the diameter of the ball lens 3 is 0.8 mm, and the refractive index of the ball lens 3 is 1.5.
  • the focal length of the ball lens 3 is 0.6 mm according to Equation 2 above.
  • the red semiconductor laser 1 and the blue semiconductor laser 2 can be the same as those in the first embodiment.
  • the angle between the optical axis of the red semiconductor laser 1 and the optical axis of the blue semiconductor laser 2 is 30 °, and the apex angle of the prism 21 is 15 °.
  • the optical axis of the red semiconductor laser 1 and the optical axis of the blue semiconductor laser 2 are crossed at a point 8, the red beam and the blue beam are combined.
  • the same one as that of the first embodiment can be used.
  • the divergent light of the beam emitted from the green laser 6 is 8.6 °.
  • the focal length of the plano-convex lens 5 is 4 mm, a parallel beam having a beam diameter of 0.6 mm can be obtained.
  • the refractive index of the plano-convex lens 5 is 1.5.
  • the green laser 6 is disposed so that the green beam is incident on the surface of the prism 21 to which the wavelength selective reflection film 23 is applied at an incident angle of 9.94 °. Furthermore, the incident angle of the red beam on the wavelength selective reflection film 23 is 15 °. As a result, in order to satisfy the equation 4, it is possible to combine the red beam, the blue beam and the green beam.
  • the size of the reflection surface of the prism 21 is 1.5 mm, and the aperture diameter of the plano-convex lens 5 is 1.0 mm.
  • the optical system area 11 is a cubic area of 2 mm on a side. Therefore, a compact light source device can be provided.
  • the scanning means 15 for scanning the combined beam the same one as that of the first embodiment can be used.
  • the control of the degree of image detail of the projection surface and the intensity of the laser are the same as in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a light source device according to a third embodiment of the present invention.
  • the light source device of this embodiment has a configuration in which the plano-convex lens is replaced with a biconvex lens 24 and the shape of the prism 21 is changed as compared with the configuration of the image display device of the second embodiment.
  • the surface of the prism 21 in contact with the biconvex lens 24 is a curved surface having the same curvature as that of the biconvex lens 24. Therefore, the wavelength selective reflection film 22 is a curved surface.
  • the angle between the tangent at one point 9 on one surface of the prism 21 provided with the wavelength selective reflection film 22 and the surface of the prism 21 provided with the wavelength selective reflection film 23 is ⁇ / 2. It is.
  • Each color beam travels the same light path as in the second embodiment. Since the wavelength selective reflection film 22 that reflects the blue beam is concave, the diameter of the blue beam is increased. Therefore, when the blue beam that has passed through the ball lens 3 is a convergent beam, the wavelength selective reflection film 22 can be used to make the blue beam a parallel beam.
  • Lens materials such as glass usually have a higher refractive index as the wavelength is shorter. Therefore, in the case of using the ball lens 3 that satisfies the condition for converting the red beam into a parallel beam, the blue beam that has passed through the ball lens 3 may be a beam that converges slightly. When the dispersion of refractive index of the ball lens 3 is large, this tendency appears notably. In the present embodiment, even when the blue beam that has passed through the ball lens 3 becomes a convergent beam, the blue beam can be made into a parallel beam. That is, even when the refractive index dispersion of the ball lens 3 is large, the chromatic aberration can be corrected.
  • the light source device in this embodiment can be effectively used even when the divergence angle of the red beam and the divergence angle of the blue beam are different.
  • a ball lens for converting a red beam into a parallel beam is used. Blue beams with different divergence angles do not become parallel beams with this ball lens 3 with the same beam diameter as red beams.
  • the beam diameter of the red beam and the beam diameter of the blue beam can be made the same. This can be implemented by adjusting the curvature of the concave surface of the wavelength selective reflection film 22.
  • the wavelength selective reflection film 22 is applied to the concave surface of the prism, but the wavelength selective reflection film 22 may be applied to the convex surface of the plano-convex lens 5.
  • FIG. 9A is a schematic configuration diagram of a light source device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the light source device is a configuration in which the configuration of the light source device of the first embodiment is changed as follows.
  • the change points are that the green laser 6 is disposed on the flat surface side of the plano-convex lens 5 and that the mirror 25 is disposed on the convex surface side of the plano-convex lens 5.
  • the green laser 6 is installed at a position where the green beam does not enter the ball lens 3.
  • the blue and red beams travel along the same optical path as in the first embodiment.
  • the green beam emitted from the green laser passes through the dichroic mirror 4 and the plano-convex lens 5, and is reflected by the mirror 25.
  • the green beam reflected by the mirror 25 passes through the plano-convex lens 5 again. Due to this double transmission, the green beam becomes a parallel beam.
  • the green beam reflected by the mirror 25 is incident on the flat portion of the plano-convex lens 5 at an incident angle ⁇ 1.
  • the angle of the mirror is configured such that the incident angle ⁇ 1 satisfies Expression 1. Thereby, it is possible to combine the green beam and the blue beam.
  • the beam synthesized in this way is synthesized with the red beam at point 8 on dichroic mirror 4.
  • the plano-convex lens 5 having a focal length of 8 mm is used.
  • the green beam emitted from the green laser is reflected by the mirror 25 and transmitted twice through the plano-convex lens.
  • the plano-convex lens 5 effectively functions as an optical system having a focal length of 4 mm.
  • a green beam with a divergence of 8.6 ° is a parallel beam with a beam diameter of 0.6 mm.
  • the beam diameter of each color can be made the same.
  • the red semiconductor laser 1, the blue semiconductor laser 2, and the green laser 6 can be disposed close to each other. Therefore, as shown in FIG. 9B, the temperature control mechanism 26 for adjusting the temperature of each laser can be shared.
  • the light source device can be miniaturized and simplified, and the cost of the light source device can be reduced.
  • the temperature control mechanism 26 is used to adjust the temperature of the laser as the light source constant. As a result, the wavelength of the emitted beam becomes stable, and the decrease in the life of the light source is suppressed.
  • the dichroic mirror 4 may be replaced with the prism used in the second embodiment.
  • the dichroic mirror 4 and the plano-convex lens 5 may be replaced with the biconvex lens used in the third embodiment and the prism having the wavelength selective reflection film.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a light source device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the light source device has a configuration in which the surface on one side of the biconvex lens 24 (the surface on the side not in contact with the prism) is the reflective surface 32 and the installation position of the green laser 6 is different from the configuration of the light source device of the third embodiment. It has become.
  • the green laser 6 is disposed close to the blue semiconductor laser 2.
  • the green laser 6 is disposed at a position closer to the ball lens 3 than the focal point of the ball lens 3. Further, the optical axis of the red semiconductor laser 1, the optical axis of the blue semiconductor laser 2, and the optical axis of the green laser 6 intersect at the center of the ball lens 3.
  • the angle (angle ⁇ in the drawing) between the optical axis of the red semiconductor laser 1 and the optical axis of the blue semiconductor laser 2 is the same as the angle between the optical axis of the blue semiconductor laser 2 and the optical axis of the green laser 6. .
  • the reflective surface 32 of the biconvex lens 24 can be formed by aluminum vapor deposition.
  • the reflecting surface 32 may be anything as long as it can reflect a green beam.
  • the angle between the tangent at point 9 on the surface of the prism 21 on which the wavelength selective reflection film 22 is applied and the surface of the prism 21 on which the wavelength selective reflection film 23 is applied is ⁇ / 2. Further, an angle between a tangent at a point 9 on the surface on which the wavelength selective reflection film 22 of the biconvex lens 24 is provided and a tangent at a point 33 on the reflection surface 32 is also ⁇ / 2.
  • the red beam path and the blue beam travel the same path as in the third embodiment. Since the green laser 6 is disposed closer to the ball lens 3 than the focal position, the green beam passing through the ball lens 3 becomes a diverging beam. Thereafter, the green beam passes through the ball lens 3 and the prism 21 and enters the biconvex lens 24. The green beam incident on the biconvex lens 24 is reflected by the reflecting surface 32. Because the reflecting surface 32 is concave, the divergence angle of the reflected green beam is reduced. Therefore, by adjusting the curvature of the reflecting surface 32, the green beam can be made into a parallel beam. In addition, by adjusting the distance from the installation position of the green laser 6 to the reflecting surface 32, it is possible to adjust the diameter of the green beam to be a parallel beam. In this way, the beam diameters of the red and green beams can be made to substantially coincide.
  • the green beam reflected by the reflection surface 32 travels in the same manner as in the third embodiment.
  • the light source device in the present embodiment can combine beams of respective colors and project the beams as parallel beams.
  • the red semiconductor laser 1, the blue semiconductor laser 2, and the green laser 6 can be disposed close to each other. Therefore, as in the fourth embodiment, the temperature control mechanism 26 that controls the temperature of the lasers 1, 2 and 6 of each color can be shared. As a result, the light source device is miniaturized and simplified, and the manufacturing cost of the light source device is reduced.
  • the biconvex lens 24 may be replaced with a plano-convex lens, and a reflecting surface having a curvature may be installed on the flat surface side of the plano-convex lens.
  • each component can be arbitrarily changed.
  • the installation location of each component can be changed as much as possible.
  • the number of light sources and the wavelength of the beam emitted from the light sources can be varied according to the application.

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Abstract

　発散角の異なる複数のビームを平行ビームにし、合成する光源装置において、小型化を図りつつ、画像の鮮明度を向上させる。 　光源装置は、複数の光源と、コリメート手段であるボールレンズ（３）と、光学手段である平凸レンズ（５）と、を有する。第１の光源として、青色ビームを出射する青色半導体レーザ（２）がある。第１の光源として、緑色ビームを出射する緑色レーザ（６）がある。ボールレンズ（３）は、青色ビームを平行ビームにする。平凸レンズ（５）の平面部には、青色ビームを選択的に反射させる波長選択反射膜（７）がコーティングされている。平凸レンズ（５）は、緑色ビームを平行ビームにするとともに、緑色ビームと青色ビームとを合成する。

Description

光源装置
　本発明は、複数のビームを合成し、平行ビームとして投射する光源装置に関する。
　近年、可搬性および携帯性を備えた小型の投射型画像表示装置が研究開発されている。米国特許６９２１１７０号（以下、「特許文献１」と呼ぶ。）には、コヒーレント光を出射する光源としてレーザを備えており、直進するレーザビームを走査して画像として投射する画像表示装置が開示されている。図１Ａは、特許文献１に記載の投射型画像表示装置の側面図であり、図１Ｂは投射型画像表示装置の上面図である。この投射型画像表示装置は、光源１０１と、光源１０１から出射したレーザビーム１０２を水平方向に走査する光走査素子１０３と、光源１０１から出射したレーザビーム１０２を垂直方向に走査する光走査素子１０４と、を有する。レーザビーム１０２は、これらの光走査素子１０３、１０４によって２次元に走査される。そうすることで、投射型画像表示装置は、被投射面１０５に画像を表示する。
　上記のような画像表示装置において、カラー画像を表示させるためには、赤色のビームと緑色のビームと青色のビームとが合成された平行ビームを用いる必要がある。特許文献２には、各色のビームが合成された平行ビームを投射するための光源装置が記載されている。図２は、日本国特開２００６－１３１２７号公報（以下、「特許文献２」と呼ぶ。）に記載された光源装置の断面図である。この光源装置は、３つの発光素子１１１と、３つのボールレンズ１１２と、３つのダイクロイックミラー１１３と、を有する。３つの発光素子１１１は、それぞれ、赤色のビーム、青色のビーム、緑色のビームを出射する。ボールレンズ１１２は、それぞれの発光素子１１１から出射したビームを平行ビームにするコリメート手段である。３つのダイクロイックミラー１１３は、それぞれ、赤色のビーム、青色のビーム、緑色のビームを選択的に反射する。図２に示すように、ダイクロイックミラーで選択的に反射したビームの進行方向を、ダイクロイックミラー１１３を透過する別のビームの進行方向に揃えることで、合成されたビームが得られる。
　日本国特開昭５８－１９２０１５号公報（以下、「特許文献３」と呼ぶ。）では、３色のレーザビームを平行ビームにする１つのレンズを有する装置が開示されている。また、日本国特開平９－９６７２０号公報（以下、「特許文献４」と呼ぶ。）には、複数の波長の光を合成する光学装置であって、小型化および低コスト化された光学装置が記載されている。この光学装置は、合成後されたビームを、１つのレンズを用いて平行ビームにする。
　しかし、特許文献２に記載の光源装置では、ボールレンズとダイクロイックミラーとが、光源の数と同じ数必要である。そのため、光源装置の小型化は困難である。また、それぞれの光源から出射されるビームの光路を適切な方向に制御する箇所（以下、「光路制御箇所」と呼ぶ。）が多いため、装置の生産工程が増し、生産コストも大きくなる。
　一般的に、１つのレンズのみを用いて、発散角が異なる複数のビームを平行ビームにした場合、それぞれの平行ビームのビーム径は異なったものになる。すなわち、特許文献３および特許文献４に記載の装置は、各色の平行ビームのビーム径を同一にすることができない。現在では、緑色のビームを直接発振する半導体レーザの実用化は非常に困難である。そのため、一般的には、緑色のビームを出射するために、固体レーザの第２高調波（例えばＮｄ：ＹＡＧレーザや、発振波長１０６４ｎｍの第２高調波である波長５３２ｎｍのレーザビームなど。）が用いられる。通常、固体レーザから出射されたビームの発散角は、半導体レーザから出射されたビームの発散角より小さい。したがって、特許文献３および特許文献４に記載の装置では、各色の平行ビームのビーム径は異なったものとなる。このようなビームを用いて画像を表示した場合、画像の鮮明度が低下する。
　さらに特許文献３に記載の装置では、レンズの光軸と各レーザの光軸とが、ずれているため、色収差などに違いが生じ、一定距離伝播した後の各色のビーム形状は大きく異なる。そのため、レーザディスプレイとしての画像の鮮明度は低下する。
米国特許６９２１１７０号明細書 日本国特開２００６－１３１２７号公報 日本国特開昭５８－１９２０１５号公報 日本国特開平９－９６７２０号公報
　本発明の目的は、上述した課題のいずれかを解決する、光源装置を提供することにある。
　上記課題の少なくとも１つを解決するために、本発明の一形態に係る光源装置は、複数の光源から出射されたビームを合成し、平行ビームとして投射する光源装置であって、コリメート手段と、光学手段と、を有している。コリメート手段は、第１の光源から出射されたビームを第１の平行ビームにする。光学手段は、第２の光源から出射され、第１の光源から出射されたビームの発散角とは異なる発散角を有する第２のビームを、第２の平行ビームにするとともに、第１の平行ビームと第２の平行ビームとを合成する。
　本発明の上記及び他の目的、特徴、利点は、本発明を例示した添付の図面を参照する以下の説明から明らかとなろう。
特許文献１に記載の投射型画像表示装置の側面図。 図１Ａに示す投射型画像表示装置の上面図。 特許文献２に記載の光源装置の断面図。 本発明の第１の実施形態に係る光源装置の概略構成図。 図１に示す光源装置で用いられる緑色レーザの概略構成図。 図１に示す光源装置における各構成部品の大きさや設置角度を説明する概略図。 ビームを走査する走査手段を備えた光源装置の概略構成図。 本発明の第２の実施形態に係る光源装置の概略構成図。 本発明の第３の実施形態に係る光源装置の概略構成図。 本発明の第４の実施形態に係る光源装置の概略構成図。 第４の実施形態の変形例に係る光源装置を示す概略構成図。 本発明の第５の実施形態に係る光源装置の概略構成図。
符号の説明
　１　　赤色半導体レーザ
　２　　青色半導体レーザ
　３，１１２　　ボールレンズ
　４，１１３　　ダイクロイックミラー
　５　　平凸レンズ
　６　　緑色レーザ
　７，２２，２３　　波長選択反射膜
　８，９，３３　　点
　１１　　光学系領域
　１２　　赤外レーザ
　１３　　焦光レンズ
　１４　　第２高調波結晶
　１５　　走査手段
　２１　　プリズム
　２４　　両凸レンズ
　２５　　ミラー
　２６　　温度調節機構
　３２　　反射面
　１０１　　光源
　１０２　　ビーム
　１０３，１０４　　光走査素子
　１０５　被投射面
　１１１　発光素子
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本発明の光源装置は、例えばレーザプロジェクタのような画像表示装置に備えられる光源装置として好適に用いられる。
　［第１の実施形態］
　図３は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。光源装置は、３つの光源１，２，６と、コリメート手段であるボールレンズ３と、合成光学手段であるダイクロイックミラー４と、光学手段である平凸レンズ５と、を有する。３つの光源は、赤色に対応する波長のビーム（以下、赤色ビームと呼ぶ。）を出射する赤色半導体レーザ１と、青色に対応する波長のビーム（以下、青色ビームと呼ぶ。）を出射する青色半導体レーザ２と、緑色に対応する波長のビーム（以下、緑色ビームと呼ぶ。）を出射する緑色レーザ６である。
　赤色半導体レーザ１と青色半導体レーザ２とは、互いに近接して配置されている。ボールレンズ３、ダイクロイックミラー４、平凸レンズ５が、各々の半導体レーザ１、２に近い方から順に配置されている。赤色半導体レーザ１と青色半導体レーザ２とは、ボールレンズ３の焦点に配置されている。また、ボールレンズ３の中心は、赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とが交差する点に一致している。これにより、ボールレンズ３を通過した赤色ビームおよび青色ビームは、平行ビームになる。
　ダイクロイックミラー４には、赤色に対応する波長帯の光を選択的に反射する反射膜がコーティングされている。平凸レンズ５の平面部は、青色半導体レーザ２側に向けられている。平凸レンズ５の平面部には、青色に対応する波長帯の光を選択的に反射する波長選択反射膜７がコーティングされている。
　緑色レーザ６は、平凸レンズ５の凸面側にある平凸レンズ５の焦点に配置されている。したがって、平凸レンズ５は、緑色レーザ６から出射した緑色ビームを平行ビームにする。
　青色半導体レーザ２から出射した青色ビームは、ボールレンズ３を通過して平行ビームとなる。その後、青色ビームはダイクロイックミラー４を透過し、平凸レンズ５の平面部に、入射角β１で入射する。赤色半導体レーザ１から出射した赤色ビームは、ボールレンズ３を通過して平行ビームとなる。その後、赤色ビームはダイクロイックミラー４で反射する。緑色レーザ６から出射した緑色ビームは、平凸レンズ５の凸面に入射し、平凸レンズ５の内部を通って、平凸レンズ５の平面部に入射角γ１で入射する。
　ここで、平凸レンズ５の屈折率がｎｐであるとき、次の数式１を満たすように、各入射角β１，γ１が設定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 これにより、平凸レンズ５の平面部上の点９で屈折する緑色ビームの屈折角は、角度β１となる。したがって、緑色レーザ６の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とが、平凸レンズ５上の点９で交差していれば、緑色ビームと青色ビームとが合成される。このように、平凸レンズ５は、緑色ビームを平行ビームにするとともに、緑色ビームと青色ビームとを合成する光学手段である。平凸レンズ５が、緑色ビームを平行ビームにする機能と、上記の光学手段としての機能と、を兼ね備えているため、光源装置の構成部品は少なくなる。このようにして、光源装置は小型化される。
　赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とのなす角度をαとしたとき、ダイクロイックミラー４の反射面と平凸レンズ５の平面部とのなす角度はα／２である。これにより、ダイクロイックミラー４で反射した赤色ビームの反射角と、平凸レンズ５で反射した青色ビームがダイクロイックミラー４へ入射する際の入射角と、が等しくなる。したがって、赤色ビームの中心と青色ビームの中心とが、ダイクロイックミラー４上の同一の点８を通過するように、光源装置が構成されている。これにより、赤色ビームと青色ビームとが合成される。すなわち、点８を通過した後の各色のビームは、合成されて、かつ平行ビームとなっている。
　また、本実施形態では、各色のビームが合成された平行ビームを得るために必要な光学部品が、ボールレンズ３、ダイクロイックミラー４、平凸レンズ５のみである。そのため、光路制御箇所が少なく、装置の生産工程は低減される。したがって、光源装置の生産コストが低減される。
　以下、第１の実施形態における光源装置の一実施例について詳細に説明する。本実施例において、赤色半導体レーザ１は、６５０ｎｍの波長の赤色ビームを出射する半導体レーザであり、青色半導体レーザ２は、４７０ｎｍの波長の青色ビームを出射する半導体レーザである。赤色ビームおよび青色ビームの発散角は５３°である。
　図４は、本実施例で用いられた緑色レーザ６の構成を示す概略図である。緑色レーザ６は、１０６４ｎｍの波長のビームを出射する赤外レーザ１２と、第２高調波を発生する第２高調波結晶１４と、焦光レンズ１３と、を有する。赤外レーザ１２から出射されたビームは、焦光レンズ１３によって、第２高調波結晶１４に集光する。これにより、第２高調波結晶１４から、第２高調波、すなわち５３２ｎｍの波長の緑色ビームが発生する。第２高調波結晶１４から発生した緑色ビームの発散角は８．６°である。本実施例では第２高調波結晶１４として、幅が５μmの導波路を有する導波路型の分極反転結晶を用いた。第２高調波結晶１４としては、バルク型の分極反転結晶を用いることもできる。
　図５は、第１の実施形態の一実施例に係る光源装置の詳細な構成を示す図である。本実施例では、ボールレンズ３の直径は０．８ｍｍ、ボールレンズ３の屈折率は１．５、ダイクロイックミラー４の大きさは１．５ｍｍ、平凸レンズ５の口径は１．０ｍｍである。ここで、ボールレンズ３の直径がｄ、屈折率がｎｂであるとき、ボールレンズ３の焦点距離ｆｂは次の数式２で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　したがって、本実施例におけるボールレンズ３の焦点距離ｆｂは０．６ｍｍとなる。このボールレンズ３を利用して、発散角が５３°の赤色ビームおよび青色ビームを平行ビームにすると、当該平行ビームのビーム径は０．６ｍｍとなる。本明細書では、ビーム径は、ビームが直進する方向に垂直な面内において、ビーム強度がビームの最大強度の１／ｅ２となる領域の幅（直径）で定義される。ここで、「ｅ」はネイピア数である。ビーム径は、ビーム最大強度の半値幅によって定義されても良い。
　本実施例では、赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とのなす角度が３０°であり、ダイクロイックミラー４の反射面と平凸レンズ５の平面部とのなす角度が１５°である。さらに、赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とを点８で交差させると、赤色ビームと青色ビームとが合成された、０．６ｍｍのビーム径を有する平行ビームが得られる。
　平凸レンズ５の中心の厚み（中心厚）がｔ、平凸レンズ５の凸面の曲率半径がｒ、平凸レンズ５の屈折率がｎｐであるとき、平凸レンズ５の焦点距離ｆｐは次の数式３で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 したがって、平凸レンズ５の屈折率が１．５であり、平凸レンズ５の中心厚が０．６ｍｍであり、平凸レンズ５の凸面の曲率半径が１．９ｍｍである場合、平凸レンズの焦点距離は４ｍｍである。緑色レーザ６から出射される緑色ビームの発散角は８．６°であるため、焦点距離が４ｍｍである平凸レンズ５を通過した緑色ビームは、ビーム径が０．６ｍｍの平行ビームになる。このように、焦点距離の異なるレンズを利用することで、赤色及び緑色ビームとは異なる発散角を有する緑色ビームが、赤色及び緑色ビームと同じビーム径を持った平行ビームになる。
　さらに、本実施例では、平凸レンズ５の平面部に入射する緑色ビームの入射角γ１は９．９４°である。これにより数式１が満たされるため、赤色ビームと青色ビームと緑色ビームとがすべて合成された、平行ビームが得られる。
　以上の条件を満たす光源装置では、コリメート手段及び各色のビームを合成する合成手段が設置される領域（以下、光学系領域１１と呼ぶ。）は、一辺が２ｍｍの立方体の領域とすることができる。
　合成されたビームが投射される方向を走査する場合、光源装置に走査手段１５を設置すれば良い。図６に示すように、この走査手段１５を光学系領域１１に隣接して設置することで、小型な光源装置を実現することができる。走査手段１５は、水平走査のみを行うものであっても良いし、水平走査と垂直走査とを行うものであっても良い。
　本実施例では、共振型マイクロメカニカル走査素子を往復走査することで、水平走査が行われる。水平走査の振れ角は±２０度であり、周波数は３１ＫＨｚである。さらに、ガルバノミラーによって垂直走査を行う。垂直走査の振れ角は±１５度とし、６０Ｈｚのノコギリ波によってガルバノミラーを駆動した。共振型マイクロメカニカル走査素子は、３１ｋＨｚの駆動に耐えられるように、直径１０００μｍの円形ミラーとした。また、ガルバノミラーとしては、直径１２００μｍの円形ミラーを用いた。
　水平走査および垂直走査は、音響光学素子や電気光学結晶等で行われても良い。また、フォトニック結晶を有するプリズムを有し、触れ角を増大させることができる光学系が備えられていても良い。走査素子は、例えばミラーのように、ビーム偏向部の大きさが平行ビームのビーム径より大きければどのようなものであっても良い。走査素子はどのような形状であっても良い。
　被投射面に投射された画像が十分な解像度を有していれば、各色のビームは平行ビームではなく、収束ビームとして被投射面に投射しても良い。そうすることで、ビーム偏向部が小さい走査素子を用いることが可能になる。
　本実施例では、平行ビームのビーム径は０．６ｍｍであったが、ビーム径は光源装置の用途によって、種々変更可能である。各色の平行ビームのビーム径は、完全に同一である必要はなく、５%程度の誤差を有していても良い。この場合であっても、０．６ｍｍ以上のビーム径を有する平行ビームを、２．５ｍ以下の距離に配置された被投射面に投射する場合、投射された画像は十分に鮮明である。
　光源装置を動作させる場合の一例を以下に説明する。走査素子の走査と同期して、２ｎｓ（１２．７ｎｓの画素クロックの１／６以下。）毎に、各色のレーザの発光や強度制御を行う。強度制御は、１画素を走査する時間内に、パルス幅の変調によって行ってもよい。赤色半導体レーザ１および青色半導体レーザ２は、レーザの電流値を制御することで、それらの強度を変調することができる。緑色レーザ６は、緑色ビームを音響光学素子に通過させることで、その強度を変調することができる。緑色レーザ６は、変調させた赤外レーザ１２を第２高調波で変換することで、その強度を変調しても良い。また緑色レーザ６としては、ファイバレーザを用いることができる。緑色レーザ６の強度変調は、グレーティング型のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）光変調器、導波路型の光変調器、電気光学結晶等の各種変調器を用いてもよい。
　上記のようにして、本実施形態の光源装置を有する小型の画像表示装置を提供することが出来る。本実施例において、画像表示装置の被投射面の画像精細度は、水平方向を１２８０画素、垂直方向を１０２４画素とした。また光源から被投射面の距離は１００ｃｍとし、画面の水平方向の幅を１６０ｃｍ、垂直方向の幅を１２０ｃｍとした。勿論、画像精細度はこれらの値に限られず、光源から被投射面までの距離や画面の大きさ等も種々変更可能である。
　本実施例では、光源装置の構成部品の大きさや設置角度などの具体的な数値を例示して詳細に説明したが、各数値は上述の値に限定されない。例えば、平凸レンズ５の焦点距離は、緑色ビームの発散角に応じて変更することができる。また、ボールレンズ３、ダイクロイックミラー４、平凸レンズ５の大きさは、可能な限り変更可能である。
　平凸レンズ５の凸面は、無反射コーティングがされていても良い。さらに平凸レンズ５を、同様な光学作用を持つフレネルゾーンプレートやホログラフィック光学素子等の回折素子で置き換えることが出来る。
　［第２の実施形態］
　図７は本発明の第２の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。本実施形態の光源装置は、第１の実施形態に係る光源装置に対して、ダイクロイックミラーを、波長選択反射膜を有するプリズム２１に置き換えた構成である。
　プリズム２１の一面には、赤色に対応する波長帯の光を選択的に反射する波長選択反射膜２３が施されている。またプリズム２１の別の面は、青色に対応する波長帯の光を選択的に反射する波長選択反射膜２２が施されている。波長選択反射膜２２が施されている面は、平凸レンズ５の平面部に密着している。プリズム２１の屈折率は、平凸レンズ５の屈折率と同じであることが好ましい。赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とのなす角度をαとしたとき、プリズム２１の２つの波長選択反射膜２２、２３が施された面同士の成す角度（プリズムの頂角）はα／２である。本実施形態では、波長選択反射膜２２はプリズムの表面に施されているが、波長選択反射膜２２は平凸レンズ５の平面部に施されても良い。
　青色半導体レーザ２から出射された青色ビームは、ボールレンズ３を通過して平行ビームとなる。青色ビームはプリズム２１を透過し、平凸レンズ５の平面部まで到達する。そして青色ビームは波長選択反射膜２２によって反射する。緑色レーザ６から出射された緑色ビームは、平凸レンズ５に入射して、平行ビームとなる。プリズム２１の屈折率と平凸レンズ５の屈折率が同一であるため、緑色ビームは、プリズム２１と平凸レンズ５との界面で屈折することなく直進する。そのため、波長選択反射膜２２における青色ビームの反射角と緑色ビームの入射角とを同一にすることで、青色ビームと緑色ビームとが合成される。このように合成されたビームは、プリズム２１に施された波長選択反射膜２３に、入射角γ２で入射する。
　上述のように、平凸レンズ５は、緑色ビームを平行ビームにするとともに、緑色ビームと青色ビームとを合成する光学手段である。このように、平凸レンズ５が、緑色ビームを平行光にする機能と合成手段としての機能とを兼ね備えることで、光源装置の構成部品が少なくなる。したがって光源装置が小型化される。
　また赤色半導体レーザ１から出射された赤色ビームは、ボールレンズ３を通過して平行ビームとなる。この赤色ビームはプリズム２１に施された波長選択反射膜２３によって反射する。このときの赤色ビームの反射角がβ２であり、プリズム２１の屈折率がｎであるとき、次の数式４を満たすように、各角度β２、γ２が設定されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　このように各角度が設定されているため、プリズム２１に施された波長選択反射膜２３上の点８で屈折する青色ビーム及び緑色ビームの屈折角γ２は、赤色ビームの反射角β２と同じになる。このようにして、緑色ビームと青色ビームと赤色ビームとが合成される。
　また、プリズム２１と平凸レンズ５が接して設けられるため、第１の実施形態と比較して、光路制御箇所は少なくなる。これにより、光源装置の生産工程が減り、光源装置の生産コストが低減する。
　以下、第２の実施形態の一実施例における光源装置を詳細に説明する。本実施例では、ボールレンズ３の直径は０．８ｍｍであり、ボールレンズ３の屈折率は１．５である。この場合、上記の数式２より、ボールレンズ３の焦点距離は０．６ｍｍとなる。このボールレンズ３に、赤色ビームおよび青色ビームを通過させることで、０．６ｍｍのビーム径を有する平行ビームが得られる。
　赤色半導体レーザ１及び青色半導体レーザ２は、第１の実施形態と同様のものを用いることができる。本実施例では、赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とのなす角度は３０°であり、プリズム２１の頂角は１５°である。さらに、赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸とを点８で交差させると、赤色ビームと青色ビームとが合成される。
　また緑色レーザ６としては、第１の実施形態と同様のものを用いることができる。緑色レーザ６から出射されるビームの発散光は８．６°である。第１の実施形態と同様に、平凸レンズ５の焦点距離が４ｍｍであれば、０．６ｍｍのビーム径を有する平行ビームが得られる。
　また、本実施例では、平凸レンズ５の屈折率が１．５である。緑色レーザ６は、緑色ビームがプリズム２１の波長選択反射膜２３を施した面に９．９４°の入射角で入射するように配置されている。さらに、波長選択反射膜２３に対する赤色ビームの入射角は１５°である。これにより、上記の数式４を満たすため、赤色ビームと青色ビームと緑色ビームとを合成することが出来る。
　さらに本実施例では、プリズム２１の反射面の大きさが１．５ｍｍであり、平凸レンズ５の口径が１．０ｍｍである。このように、光学系領域１１は一辺が２ｍｍの立方体の領域となる。したがって、小型の光源装置を提供することが出来る。
　また、合成されたビームを走査する走査手段１５は、第１の実施形態と同様のものを用いることが出来る。被投射面の画像詳細度やレーザの強度の制御などについて、第１の実施形態と同様である。
　［第３の実施形態］
　図８は、本発明の第３の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。本実施形態の光源装置は、第２の実施形態の画像表示装置の構成に対して、平凸レンズを両凸レンズ２４に置き換え、さらにプリズム２１の形状を変えた構成である。本実施形態では、両凸レンズ２４と接するプリズム２１の面を、両凸レンズ２４と同一の曲率持つ曲面とする。したがって波長選択反射膜２２は曲面となる。図８に示すように、波長選択反射膜２２が施されたプリズム２１の一面上の点９における接線と、波長選択反射膜２３が施されたプリズム２１の面と、のなす角度はα／２である。
　各色のビームは、第２の実施形態と同様の光路を進行する。青色ビームが反射する波長選択反射膜２２は凹面であるため、青色ビームのビーム径を大きくする。したがって、ボールレンズ３を通過した青色ビームが収束ビームである場合、波長選択反射膜２２用いて、青色ビームを平行ビームにすることができる。
　ガラスのようなレンズ材は、通常、波長が短いほど屈折率が高い。そのため、赤色ビームを平行ビームにする条件を満たすボールレンズ３を用いた場合、ボールレンズ３を通過した青色ビームは、若干収束するビームになることがある。ボールレンズ３の屈折率分散が大きい場合に、この傾向が顕著に現れる。本実施形態では、ボールレンズ３を通過した青色ビームが収束ビームになった場合でも、青色ビームを平行ビームにすることができる。すなわち、ボールレンズ３の屈折率分散が大きい場合であっても、色収差を補正することができる。
　本実施形態における光源装置は、赤色ビームの発散角と青色ビームの発散角とが異なる場合にも、有効に用いることができる。例えば、赤色ビームを平行ビームにするボールレンズを用いたとする。異なる発散角を有する青色ビームは、このボールレンズ３で、赤色ビームと同じビーム径を有する平行ビームにはならない。この場合に、ボールレンズ３と波長選択反射膜２２とを併用することで、赤色ビームのビーム径と青色ビームのビーム径とを同一にすることができる。これは、波長選択反射膜２２の凹面の曲率を調整することで実施可能である。
　本実施形態では、波長選択反射膜２２はプリズムの凹面に施されているが、波長選択反射膜２２は平凸レンズ５の凸面に施されてもよい。
　［第４の実施形態］
　図９Ａは、本発明の第４の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。光源装置は、第１の実施形態の光源装置の構成を、以下のように変更した構成である。変更点は、緑色レーザ６を平凸レンズ５の平面部側に配置した点、平凸レンズ５の凸面側にミラー２５を設置した点である。緑色レーザ６は、緑色ビームがボールレンズ３に入射しない位置に設置されている。
　青色ビームと赤色ビームは、実施形態１と同様な光路を進行する。緑色レーザから出射された緑色ビームは、ダイクロイックミラー４と平凸レンズ５とを透過し、ミラー２５によって反射される。ミラー２５によって反射された緑色ビームは再び平凸レンズ５を透過する。この２度の透過によって、緑色ビームは平行ビームとなる。ミラー２５によって反射された緑色ビームは、平凸レンズ５の平面部に入射角γ１で入射する。この入射角γ１が数式１を満たすようにミラーの角度を構成する。これにより、緑色ビームと青色ビームとを合成することができる。このように合成されたビームは、ダイクロイックミラー４上の点８において赤色ビームと合成される。
　本実施形態において、焦点距離が８ｍｍの平凸レンズ５を用いた。緑色レーザから出射された緑色ビームは、ミラー２５で反射することで、平凸レンズを２度透過する。これにより平凸レンズ５は、有効的に焦点距離が４ｍｍの光学系として機能する。したがって、８．６°の発散角を有する緑色ビームは、０．６ｍｍのビーム径を有する平行ビームとなる。このようにして、各色のビーム径を同一にすることができる。
　本実施形態における光源装置では、赤色半導体レーザ１、青色半導体レーザ２、及び緑色レーザ６を近接して配置することができる。そのため、図９Ｂに示すように、それぞれのレーザの温度を調節するための温度調節機構２６を共有することができる。これにより光源装置は小型化および簡略化され、光源装置の低コスト化が図られる。温度調節機構２６は、光源であるレーザの温度を一定に調節するために用いられる。これにより、出射されるビームの波長が安定になり、光源の寿命の低下が抑制される。
　本実施形態において、ダイクロイックミラー４を第２の実施形態で用いられたプリズムで置き換えてもよい。また、ダイクロイックミラー４と平凸レンズ５とを、第３の実施形態で用いられた両凸レンズと波長選択反射膜を有するプリズムとに置き換えてもよい。
　［第５の実施形態］
　図１０は、本発明の第５の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。光源装置は、第３の実施形態の光源装置の構成に対して、両凸レンズ２４の片側の面（プリズムと接しない側の面）を反射面３２とし、緑色レーザ６の設置位置を変えた構成となっている。緑色レーザ６は、青色半導体レーザ２と近接して配置されている。なお、緑色レーザ６は、ボールレンズ３の焦点よりも、ボールレンズ３に近い位置に配置されている。また、赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸と緑色レーザ６の光軸とは、ボールレンズ３の中心で交差する。赤色半導体レーザ１の光軸と青色半導体レーザ２の光軸との成す角度（図中の角度α）は、青色半導体レーザ２の光軸と緑色レーザ６の光軸との成す角度と同一とした。
　両凸レンズ２４の反射面３２は、アルミ蒸着によって形成することができる。反射面３２は、緑色ビームを反射することができれば、どのようなものでも良い。また、波長選択反射膜２２が施されたプリズム２１の面上の点９における接線と、波長選択反射膜２３が施されたプリズム２１の面と、のなす角度はα／２である。また、両凸レンズ２４の波長選択反射膜２２を施した面上の点９における接線と、反射面３２上の点３３における接線と、のなす角度もα／２とする。
　赤色ビームの光路および青色ビームは、第３の実施形態と同様の光路を進行する。緑色レーザ６は、焦点位置よりも、ボールレンズ３に近い位置に配置されているため、ボールレンズ３を通過した緑色ビームは発散ビームになる。その後、緑色ビームは、ボールレンズ３とプリズム２１とを透過し、両凸レンズ２４に入射する。両凸レンズ２４に入射した緑色ビームは、反射面３２で反射される。反射面３２は凹形状であるため、反射された緑色ビームの発散角は小さくなる。したがって、反射面３２の曲率を調整することにより、緑色ビームを平行ビームとすることができる。また、緑色レーザ６の設置位置から反射面３２までの距離を調整することで、平行ビームになる緑色ビームのビーム径を調整することが出来る。このようにして、赤色ビームと緑色ビームとのビーム径をほぼ一致させることが出来る。
　反射面３２で反射した後の緑色ビームは、第３の実施形態と同様に進行する。このようにして、本実施形態における光源装置は、各色のビームを合成し、平行ビームとして投射することが出来る。
　本実施形態では、赤色半導体レーザ１、青色半導体レーザ２、緑色レーザ６を近接して配置することができる。そのため、第４の実施形態と同様に、各色のレーザ１，２，６の温度を調節する温度調節機構２６を共有することができる。これにより光源装置は小型化および簡略化され、光源装置の製造コストが低下する。
　また、両凸レンズ２４を平凸レンズに置き換えて、当該平凸レンズの平面部側に曲率を有する反射面を設置しても良い。そうすることで、本実施形態と同様の効果を持つ光源装置を提供することができる。
　以上、上記の実施形態については、さまざまな変更及び修正が可能である。例えば、各構成部品の大きさは任意に変更可能である。また各構成部品の設置箇所は、可能な限り変更することができる。光源の数および光源から出射されるビームの波長は、用途に応じて種々変更可能である。
　この出願は、２００７年１２月２６日に出願された日本国特許出願番号第２００７－３３４５８１号を基礎とする優先権を主張し、参照によりその開示の全てをここに取り込む。
　本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲の趣旨または範囲から逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。

Claims (14)

  1. 　複数の光源から出射されたビームを合成し、平行ビームとして投射する光源装置であって、
    　第１の光源と、
    　第２の光源と、
    　前記第１の光源から出射されたビームを第１の平行ビームにするコリメート手段と、
    　前記第２の光源から出射され、前記第１の光源から出射されたビームの発散角とは異なる発散角を有する第２のビームを、第２の平行ビームにするとともに、前記第１の平行ビームと前記第２の平行ビームとを合成する光学手段と、
    を備えた光源装置。
  2. 　前記光学手段で得られた前記第２の平行ビームのビーム径が、前記コリメート手段で得られた前記第１の平行ビームのビーム径とほぼ同一である、請求項１に記載の光源装置。
  3. 　前記光学手段は特定の波長帯の光を選択的に反射させる波長選択反射膜を備えたレンズである、請求項１または２に記載の光源装置。
  4. 　前記レンズは平凸レンズであり、
    　前記波長選択反射膜は、前記平凸レンズの平面部に配されている、
    請求項３に記載の光源装置。
  5. 　第１の光源から出射された前記ビームとほぼ同じ発散角を有するビームを出射する第３の光源をさらに有し、
    　前記コリメート手段は、ほぼ同じ発散角を有する複数のビームを、同一のビーム径を有する平行ビームにする、請求項１から４のいずれか１項に記載の光源装置。
  6. 　前記コリメート手段で得られた複数の平行ビームを合成する合成光学手段をさらに有する、請求項５に記載の光源装置。
  7. 　前記合成光学手段が、前記コリメート手段と前記光学手段との間に配置されたダイクロイックミラーである、請求項６に記載の光源装置。
  8. 　前記光学手段は、特定の波長帯の光を選択的に反射させる波長選択反射膜が平面部に配された平凸レンズであり、
    　前記ダイクロイックミラーの反射面と前記平凸レンズの前記平面部との成す角度が、前記コリメート手段で平行ビームにされるビームを出射する前記第１の光源および前記第３の光源の光軸の成す角度の１／２である、請求項７に記載の光源装置。
  9. 　前記合成光学手段は、前記コリメート手段と前記光学手段との間に配置され、特定の波長帯の光を選択的に反射させる波長選択反射膜が施されたプリズムである、請求項６に記載の光源装置。
  10. 　前記プリズムの頂角が、前記コリメート手段で平行ビームにされるビームを出射する前記第１の光源および前記第３の光源の光軸の成す角度の１／２である、請求項９に記載の光源装置。
  11. 　前記プリズムは特定の波長帯の光を選択的に反射させる波長選択反射膜が施された曲面を有し、
    　前記曲面は前記コリメート手段における色収差を補正する手段である、請求項９または１０に記載の光源装置。
  12. 　前記複数の光源はレーザである、請求項１から１１のいずれか１項に記載の光源装置。
  13. 　前記レーザの温度を一定に調節する温度調節機構をさらに有し、
    　複数の前記レーザが前記温度調節機構を共有する、請求項１２に記載の光源装置。
  14. 　前記光学手段は凹形状の反射面を有する、請求項１から１３のいずれか１項に記載の光源装置。
     
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