WO2019230008A1 - 光源装置、プロジェクタ - Google Patents

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WO2019230008A1
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WO
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light
optical system
refractive optical
semiconductor laser
emitted
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PCT/JP2018/031684
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Inventor
和彦 信田
裕貴 山田
三浦　雄一
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ウシオ電機株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S2/00—Systems of lighting devices, not provided for in main groups F21S4/00 - F21S10/00 or F21S19/00, e.g. of modular construction
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
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    • G03B21/20—Lamp housings

Definitions

  • the present invention relates to a light source device, and more particularly to a light source device that uses light emitted from a semiconductor laser chip.
  • the present invention also relates to a projector provided with such a light source device.
  • the semiconductor laser chip has a certain width, and there is a limit to arranging these closely. That is, simply arranging a plurality of semiconductor laser chips increases the size of the light source device.
  • a semiconductor laser chip group is arranged in the first region, and another semiconductor laser chip group is arranged in a second region different from the first region.
  • a method for increasing the light intensity on the light source side a method using a semiconductor laser chip provided with a plurality of regions for emitting laser light (light emitting regions: hereinafter sometimes referred to as “emitters”) is conceivable.
  • Such a semiconductor laser chip is sometimes referred to as a “multi-emitter type”.
  • the present inventors have studied to increase the light intensity by using a multi-emitter semiconductor laser chip as a light source, and have found that the following problems exist.
  • FIG. 1A is a perspective view schematically showing the structure of a semiconductor laser chip provided with one emitter. Such a semiconductor laser chip is sometimes referred to as a “single emitter type”. Note that FIG. 1A also schematically shows a light bundle of light (laser light) emitted from the emitter. In the present specification, a light beam group formed in a bundle shape emitted from a single emitter is referred to as a “light beam bundle”.
  • the light bundle 101L emitted from the emitter 101 has an elliptical cone shape.
  • a direction (Y direction shown in FIG. 1A) in which the divergence angle of the light beam 101L is large is selected from two directions (X direction and Y direction) orthogonal to the optical axis (Z direction shown in FIG. 1A).
  • the direction in which the light beam 101L has a small divergence angle is referred to as the “slow axis direction”.
  • FIG. 1B schematically shows the light beam 101L separately for the case viewed from the X direction and the case viewed from the Y direction.
  • the divergence angle ⁇ y of the light beam 101L is large in the fast axis direction
  • the divergence angle ⁇ x of the light beam 101L is small in the slow axis direction.
  • each light beam 101L is converted into parallel light from the viewpoint of suppressing the size of the optical member.
  • the light is condensed by a lens.
  • a collimating lens also referred to as a “collimation lens” is disposed downstream of the semiconductor laser chip 100 to reduce the divergence angle of each light beam 101L.
  • FIG. 2A is a drawing schematically showing a light flux traveling in the YZ plane direction when the collimating lens 102 is arranged at the rear stage of the semiconductor laser chip 100.
  • FIG. 2A only the upper and lower light rays are drawn on the geometrical optics.
  • the “upper light beam” refers to a light beam that passes through the upper edge of the stop (incidence pupil) of the optical member (for example, lens) in the light beam bundle
  • the “lower light beam” refers to the light beam bundle.
  • the light beam passes through the lower edge of the stop (incidence pupil).
  • light rays passing through the center of the stop (incidence pupil) in the light bundle are referred to as “principal rays”. That is, the principal ray is a ray that passes through the center between the upper ray and the lower ray of the ray bundle.
  • substantially parallel light beam As referred to as “substantially parallel light beam”) with respect to the fast axis direction (Y direction).
  • substantially parallel light beam or “substantially parallel light beam” refers to a light beam whose angle formed by the upper light beam and the lower light beam is less than 2 °.
  • FIG. 2B is a diagram schematically showing a light beam traveling in the XZ plane direction when the collimating lens 102 is arranged at the rear stage of the semiconductor laser chip 100. According to FIG. 2B, after passing through the collimating lens 102, the light beam 101L becomes a substantially parallel light beam in the slow axis direction (X direction).
  • FIG. 3A is a perspective view schematically showing the structure of a semiconductor laser chip having a plurality of emitters, unlike FIG. 1A.
  • FIG. 3A shows a case where the semiconductor laser chip 110 includes two emitters (111, 112).
  • FIG. 3B is a schematic diagram of the light bundles (111L, 112L) emitted from the respective emitters (111, 112) divided into a case of viewing from the X direction and a case of viewing from the Y direction, in accordance with FIG. 1B.
  • each emitter (111, 112) is formed at the same coordinate position in the Y direction, the beam bundles (111L, 112L) are completely overlapped when viewed from the X direction.
  • the emitters (111, 112) are formed at different coordinate positions in the X direction, the beam bundles (111L, 112L) are displayed with their positions shifted when viewed from the Y direction.
  • each light bundle (111L, 112L) becomes a substantially parallel light bundle after passing through the collimating lens 102, as in FIG. 2A.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a light beam traveling in the XZ plane direction when the collimating lens 102 is arranged at the subsequent stage of the semiconductor laser chip 110. Since the semiconductor laser chip 110 includes a plurality of emitters (111, 112) separated in the X direction, the X coordinate at the center position of the collimator lens 102 and the X coordinate at the center position of each emitter (111, 112). Inevitably shifts.
  • each of the light beam 111L emitted from the emitter 111 and the light beam 112L emitted from the emitter 112 becomes a substantially parallel light beam after passing through the collimating lens 102, but the principal ray 111Lm of the light beam 111L, The principal ray 112Lm of the ray bundle 112L is not parallel. That is, the light flux 111L and the light flux 112L have different traveling directions in the X direction.
  • the angle of the traveling direction in the X direction of the light bundle 111L and the light bundle 112L is determined by the relative value of the distance between the emitters (111, 112) with respect to the focal length of the collimating lens 102.
  • FIG. 5 uses the same collimating lens 102 and proceeds in the XZ plane direction according to FIG. 4 when the distance between the emitters (111, 112) (distance in the X direction) is larger than the configuration of FIG. It is drawing which showed the beam bundle to do typically.
  • FIG. 5 corresponds to the case where the relative value of the distance between the emitters (111, 112) with respect to the focal length of the collimating lens 102 is made larger than in the configuration of FIG.
  • the angle ⁇ xm formed by the principal ray 111Lm and the principal ray 112Lm (this angle corresponds to twice the angle between the optical axis of the collimating lens 102 and each principal ray) is shown in FIG. It turns out that it is larger than the case.
  • the light bundle 111L and the light bundle 112L are completely separated at a position closer to the collimating lens 102 in the Z direction than in the embodiment of FIG.
  • the light beam 111L and the light beam 112L are completely separated at the position z1 with respect to the optical axis direction (Z direction).
  • the light beam 111L and the light beam 112L are completely separated at the position z2 before z1 in the optical axis direction (Z direction).
  • the collimating lens 102 needs to be a lens having a sufficiently long focal length, which increases the size of the optical system.
  • the collimating lens 102 needs to be arranged corresponding to each semiconductor laser chip 110, so that the apparatus scale becomes extremely large.
  • the above problem can occur even in the single-emitter semiconductor laser chip 100. That is, the above-described problem is caused when the width of the emitter 101 is increased in order to increase the output of the semiconductor laser chip 100, or a plurality of single-emitter semiconductor laser chips 100 are arranged and emitted from the plurality of semiconductor laser chips 100. This can occur in the same way when the light beam thus made incident on one collimator lens 102.
  • an object of the present invention is to provide a light source device that uses a plurality of semiconductor laser chips and increases the light output while suppressing the expansion of the device scale. Moreover, this invention makes it a subject to provide the projector provided with this light source device.
  • the light source device includes: A plurality of light exit areas provided on the same or different semiconductor laser chips and a plurality of first light bundles emitted from a plurality of adjacent light exit areas are incident to each of the plurality of first light bundles.
  • a plurality of semiconductor laser units including a first refractive optical system that converts and emits a plurality of second light beams that are substantially parallel light beams, and A plurality of flat surfaces having different inclination angles, or a plurality of convex curved surfaces protruding on the basis of each of the plurality of flat surfaces, and at least each of the plurality of second light beams emitted from the same semiconductor laser unit
  • the direction of travel of the plurality of second light bundles is changed such that a part of the light is incident on the different flat surfaces or different convex curved surfaces, and the distance between the principal rays of the plurality of second light bundles is reduced.
  • a second refractive optical system that emits The second refractive optical system is arranged corresponding to the number of the semiconductor laser units.
  • the collimator lens 102 when the collimator lens 102 is arranged at the rear stage of the multi-emitter type semiconductor laser chip 110, the respective light bundles (111L, 112L) in the fast axis direction (Y direction). ) Is a substantially parallel light beam, but the traveling direction of each light beam (111L, 112L) is different in the slow axis direction (X direction). Under such circumstances, as shown in FIG. 6, a plurality of semiconductor laser chips 110 and collimating lenses 102 are arranged to increase the brightness, and the light bundle emitted from each collimating lens 102 is condensed by the condensing lens 120.
  • the light source device of the present invention it becomes possible to collect chief rays emitted from the same semiconductor laser unit at substantially the same location, and improve the light use efficiency and / or the luminance. Is planned. More details are as follows.
  • each is converted into a plurality of second light beams that are substantially parallel light beams.
  • the second light bundles more specifically, the chief rays of the second light bundles, travel at an angle corresponding to the interval between the chief rays of the first light bundle.
  • the interval between the principal rays of the first ray bundle depends on the interval between the center positions of the light emission regions that emit the first ray bundles.
  • the light source device includes a second refractive optical system including a plurality of flat surfaces having different inclination angles, or a plurality of convex curved surfaces protruding on the basis of each of the plurality of flat surfaces, following the first refractive optical system.
  • the “tilt angle” may be an angle with respect to the optical axis. More specifically, the “inclination angle” refers to the second refractive optical system in the optical axis direction (for example, the Z direction in FIG. 7 described later) and the direction in which a plurality of light emission regions are adjacent (for example, a diagram described later). 7, the angle with respect to the optical axis of each flat surface when viewed from a predetermined first direction (for example, a Y direction in FIG. 7 described later) orthogonal to both of them. That is, referring to the coordinate system in FIG. 7, the angle may be an angle with respect to the Z axis on the XZ plane.
  • the second refractive optical system includes the “plural flat surfaces having different inclination angles”
  • the second refractive optical system is viewed from the first direction (for example, the Y direction in FIG. 7 described later).
  • a broken line or a plurality of line segments having different inclination angles are confirmed. More specifically, when the second refractive optical system has a plurality of flat surfaces in a single member, the above-mentioned broken line is confirmed.
  • the second refractive optical system is divided into a plurality of members and each member has a flat surface having different inclination angles, the plurality of line segments are confirmed.
  • the second refractive optical system includes the above-mentioned “plurality of convex curved surfaces projecting on the basis of a plurality of flat surfaces having different inclination angles”
  • the second refractive optical system includes the second refractive optical system,
  • the above-described broken line and a plurality of line segments are not visually recognized, but based on a virtual broken line or a plurality of line segments having different inclination angles, A curve (for example, an arc or an elliptical arc) connecting the two end points of each line segment is confirmed.
  • the second refractive optical system tilts each flat surface (or each flat surface based on a convex curved surface) so as to reduce the distance between the principal rays of each of the plurality of incident second light bundles.
  • a corner is set.
  • the inclination angle of each flat surface is set so that the respective principal rays of the plurality of second light bundles are condensed at approximately one point.
  • the light source device may include a plurality of multi-emitter semiconductor laser chips each having a plurality of light emission regions (so-called “emitters”) on the same semiconductor laser chip.
  • a plurality of single-emitter semiconductor laser chips each having a single light emission region (emitter) may be provided.
  • the second refractive optical system is configured to include a plurality of convex curved surfaces that protrude on the opposite side to the first refractive optical system on the basis of the plurality of flat surfaces having different inclination angles,
  • the focal lengths of the plurality of convex curved surfaces are the intersections of the principal rays of the plurality of second light bundles emitted from the second refractive optical system from the position on the light exit surface side of the second refractive optical system.
  • the distance may be equal to or more than the distance to the intersection of the virtual extension lines of the principal rays of each of the plurality of second light bundles.
  • the focal lengths d1 of the plurality of convex curved surfaces are the positions of the principal rays of the plurality of second light bundles emitted from the second refractive optical system from the position on the light exit surface side of the second refractive optical system.
  • Light rays passing through a position away from the principal ray in the bundle can be made to travel substantially parallel to the principal rays.
  • the same semiconductor is also used for light rays passing through a position away from the principal ray. It can be led to the substantially same spot as the spot where the chief rays emitted from the laser unit are focused.
  • all the light beams included in the plurality of second light bundles are collected at substantially the same location, by arranging the incident surface of the subsequent optical system at the corresponding location, light with extremely high luminance can be To the optical system.
  • the focal length of the plurality of convex curved surfaces (or the average value of the focal lengths when the focal lengths of the convex curved surfaces are different) is d1
  • D1 and d2 are substantially equal to each other as
  • the first refractive optical system has a curved surface protruding toward the light exit surface side
  • the second refractive optical system may be arranged at a position away from the first refractive optical system with respect to the focal length of the first refractive optical system.
  • the principal rays intersect at the focal point of the first refractive optical system. Since the widths of the upper ray and the lower ray of each second light bundle are substantially the same, the second light bundles completely overlap each other at the focal point of the first refractive optical system. If the second refracting optical system is not disposed, the second light bundles progress with mutual expansion as they move away from the focal point of the first refracting optical system.
  • the second light bundle emitted from the first refractive optical system has a light distribution such as a Gaussian distribution in which the light intensity is highest at the position of the principal ray, and the light intensity sharply decreases as the distance from the principal ray increases.
  • the distribution is as follows.
  • At least the principal rays of the plurality of second light bundles emitted from the first refractive optical system are respectively incident on different flat surfaces (or convex curved surfaces) of the second refractive optical system. That is, for each of the second light bundles, a light beam with extremely high irradiance is incident on a different flat surface (or a convex curved surface) and then converted into substantially the same direction as the principal light beam. Proceed toward. As a result, the light with high irradiance included in the plurality of second light bundles is collected at substantially the same location. Therefore, by arranging the incident surface of the subsequent optical system at the location, light with high luminance can be obtained. Can be guided to the subsequent optical system.
  • the second refracting optical system has a specific position where the upper light beam of one of the second light beam beams and the lower light beam of the other second light beam beam intersect with each other, or the specific light beam It may be arranged at a position away from the first refractive optical system than the position.
  • the pair of adjacent second light beams are completely separated from each other.
  • the second refractive optical system is not disposed, the second light bundles progress while being dispersed while increasing the separation distance as they move away from the specific position.
  • each of the plurality of second light bundles emitted from the first refractive optical system is completely the second refractive optical system.
  • the light is incident on flat surfaces (or convex curved surfaces) having different inclination angles. As a result, light with high irradiance included in each second light bundle can be condensed at substantially the same location.
  • the second refractive optical system may be disposed at a position where the second light flux emitted from the adjacent semiconductor laser unit is not incident. This corresponds to defining a preferable upper limit value of the separation position of the second refractive optical system from the first refractive optical system.
  • the second refractive optical system is arranged at a position extremely far from the first refractive optical system, the second light beam emitted from the adjacent semiconductor laser unit is incident on the second refractive optical system. At this time, the following problems may occur.
  • the second refractive optical system Since the second refractive optical system is disposed at a position extremely far from the first refractive optical system, the plurality of second light bundles emitted from the same first refractive optical system are completely separated from each other, and the separation distance is further separated. Is incident on each flat surface (or each convex curved surface) of the second refractive optical system. As a result, the second refractive optical system needs to increase each flat surface (or each convex curved surface) or increase the interval between each flat surface (or between each convex curved surface). The scale of the system will increase.
  • the second refractive optical system for a flat surface (or a convex curved surface) located at an end portion in a direction in which a plurality of light emission regions are adjacent (for example, an X direction in FIG. 7 described later), The second light beam emitted from the corresponding first refractive optical system is incident.
  • the flat surface (or convex curved surface) located outside the end portion of the second refractive optical system is adjacent. A second light beam from the first refractive optical system is incident. In this case, since many light rays contained in the second light bundle travel in a direction that is significantly different from the principal ray, the light utilization efficiency may be reduced.
  • the projector according to the present invention is characterized in that an image is projected using the light emitted from the light source device.
  • the present invention it is possible to realize a light source device that uses a plurality of semiconductor laser chips to increase the light output while suppressing the expansion of the device scale.
  • FIG. 1A schematically illustrates a light bundle emitted from the semiconductor laser chip of FIG. 1A divided into a case of viewing from the X direction and a case of viewing from the Y direction. It is drawing which showed typically the light beam which advances to a YZ plane direction, when a collimating lens is arrange
  • 1 is a perspective view schematically showing the structure of a multi-emitter semiconductor laser chip.
  • 3A schematically shows a light beam emitted from the semiconductor laser chip of FIG. 3A divided into a case of viewing from the X direction and a case of viewing from the Y direction.
  • 3B is a drawing schematically showing a light beam traveling in the XZ plane direction when a collimating lens is arranged at the rear stage of the semiconductor laser chip of FIG. 3A.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a light flux traveling in the XZ plane direction when the distance between the emitters is increased compared to the configuration of FIG. 4.
  • FIG. 3A schematically shows a light bundle traveling in the XZ plane direction when a plurality of pairs of the semiconductor laser chip and the collimator lens in FIG.
  • FIG. 9 is an enlarged view of a portion from a light emitting region provided in one semiconductor laser chip to a first refractive optical system.
  • FIG. 9 is an enlarged view of a portion near the second refractive optical system in FIG. 8.
  • FIG. 9 is a schematic drawing in which the display of rays other than the principal ray is omitted.
  • FIG. 11 is a schematic drawing when the structure of the second refractive optical system is changed to another embodiment.
  • FIG. 7 it is typical drawing when the structure of a 2nd refractive optical system is made into another aspect.
  • FIG. 11 is a schematic drawing when the structure of the second refractive optical system is changed to another embodiment.
  • FIG. 7 it is typical drawing when the structure of a 2nd refractive optical system is made into another aspect. It is drawing which shows typically the structural example of the projector containing a light source device. It is drawing which shows typically the structure of another embodiment of a light source device. It is drawing which shows typically the structure of another embodiment of a light source device.
  • FIG. 7 is a drawing schematically showing a configuration of an embodiment of a light source device.
  • the light source device 1 includes a plurality of semiconductor laser units (2, 2,...) And second refractive optical systems 3 arranged according to the number of the respective semiconductor laser units (2, 2,).
  • a post-stage optical system 40 to which the light emitted from the second refractive optical system 3 is guided is illustrated.
  • the point that the second refractive optical system 3 is arranged according to the number of the respective semiconductor laser units (2, 2,...) Will be described later with reference to FIG.
  • the semiconductor laser unit 2 includes a semiconductor laser chip 5 and a first refractive optical system 6.
  • FIG. 8 is a drawing showing two extracted semiconductor laser units 2 and the second refractive optical system 3 arranged corresponding to the semiconductor laser units 2 in an extracted manner.
  • the semiconductor laser chip 5 has a multi-emitter structure having a plurality of light emission regions (10, 20), and has the same shape as the semiconductor laser chip 110 described above with reference to FIG. 3A. Show.
  • the direction in which the light emission regions (10, 20) are adjacent to each other will be described as the X direction, the optical axis direction as the Z direction, and the direction orthogonal to the X and Z directions as the Y direction.
  • FIG. 9 is an enlarged view of a portion from the light emission region (10, 20) provided in one semiconductor laser chip 5 to the first refractive optical system 6 in FIG.
  • the width in the first axis direction (Y direction) of each light emission region (10, 20) provided in the semiconductor laser chip 5 is 2 ⁇ m or less, and is 1 ⁇ m as an example.
  • region (10, 20) is 5 micrometers or more and 500 micrometers or less, and is 80 micrometers as an example.
  • region (10,20) is 50 micrometers or more and 1000 micrometers or less, and is 150 micrometers as an example.
  • the semiconductor laser chip 5 emits a first light bundle (11, 21) having a substantially conical shape from each light emission region (10, 20).
  • each light emission region (10, 20) is formed at the same coordinate position in the Y direction.
  • One beam bundle (11, 21) is completely overlapped.
  • each position of the first light bundle (11, 21) is shifted when viewed from the Y direction. Is displayed. 8 and 9 schematically show light rays when the first light bundles (11, 21) are viewed from the Y direction.
  • the first light bundle 11 is defined by a group of light beams sandwiched between an upper light beam 11a and a lower light beam 11b.
  • a light ray traveling in the middle between the upper light ray 11a and the lower light ray 11b is defined as a principal ray 11m.
  • the first light beam 21 is defined by a light beam group sandwiched between the upper light beam 21a and the lower light beam 21b, and the main light beam 21m exists at an intermediate position.
  • the principal ray (11m, 21m) is indicated by a one-dot chain line for convenience. 8 and 9, the optical axis of the first refractive optical system 6 is shown as the optical axis 61.
  • the semiconductor laser chip 5 is arranged such that its center position 5a is located on the optical axis 61 of the corresponding first refractive optical system 6.
  • each light emission area (10, 20) is arranged at a position away from the optical axis 61 in the X direction.
  • each of the light emission regions (10, 20) has a size in the X direction, and therefore, between the end near the optical axis 61 and the end far from the optical axis 61. Then, a difference arises in the distance from the optical axis 61, respectively.
  • the semiconductor laser chip 5 and the first refractive optical system 6 are arranged apart from each other by the focal length f6 of the first refractive optical system 6 in the Z direction.
  • the first light bundles (11, 21) emitted from the light emission regions (10, 20) of the semiconductor laser chip 5 are refracted by the first refractive optical system 6, and each is a substantially parallel light bundle. It is converted into a certain second light flux (12, 22).
  • the first refractive optical system 6 may be any optical member as long as it is an optical system that converts the first light bundles (11, 21) into the second light bundles (12, 22) that are substantially parallel light bundles. It may be configured.
  • each light emission region (10, 20) is disposed at a position away from the optical axis 61 in the X direction.
  • the principal rays (12m, 22m) of the second light bundles (12, 22) which are substantially parallel light bundles, are directed toward the focal position (on the light exit surface side) at the rear stage of the first refractive optical system 6. proceed.
  • the second light fluxes (12, 22) travel as substantially parallel light fluxes, but their traveling directions are different.
  • FIG. 8 shows a case where the second light fluxes (12, 22) intersect.
  • FIG. 10 is an enlarged view of the vicinity of the second refractive optical system 3 in FIG.
  • FIG. 11 is a drawing in which the display of light rays other than the principal light rays (12 m, 22 m) is omitted from FIG. 8 for convenience of explanation.
  • the second refractive optical system 3 includes a flat surface 31 provided on the light incident surface side and a plurality of different inclination angles ( ⁇ a , ⁇ b , and a plurality of flat surfaces (32a, 32b, 32c, 32d,...) indicating ⁇ c , ⁇ d ,.
  • a plurality of flat surfaces having different inclination angles may be collectively referred to as “flat surfaces 32”.
  • the flat surface 31 is configured by a surface orthogonal to the optical axis 63 of the second refractive optical system 3.
  • the optical axis 63 of the second refractive optical system 3 refers to an optical axis that passes through the center position of the entire second refractive optical system 3.
  • FIG. 11 only a part of the second refractive optical system 3 is shown, and therefore the second refractive optical system 3 is a flat surface other than the flat surfaces (32a, 32b, 32c, 32d) in the X direction. 32 may be included.
  • the inclination angles ( ⁇ a , ⁇ b , ⁇ c , ⁇ d ,%) Of each flat surface (32a, 32b, 32c, 32d,...) are on the XZ plane, that is, a plurality of light emission.
  • This angle is distinguished by attaching positive and negative values according to the rotation direction.
  • the case where the rotational direction is counterclockwise is positive, and the case where it is clockwise is negative.
  • the inclination angles ( ⁇ a , ⁇ b , ⁇ c , ⁇ d ,%) Shown in FIG. 11 are all positive values. Further, the inclination angle ⁇ of the flat surface 32 in the lower half of the second refractive optical system 3, which is not shown in FIG. 11, is a negative value.
  • the second refractive optical system 3 separates the second light bundle (12, 22) incident on each flat surface (32a, 32b, 32c, 32d,...) Between the respective principal rays (12m, 22m).
  • Each inclination angle ( ⁇ a , ⁇ b , ⁇ c , ⁇ d ,...) Is set so that the distance dm (see FIG. 10) is reduced. More preferably, the inclination angles ( ⁇ a , ⁇ b , ⁇ c , ⁇ d ,...) are set so that the principal rays (12 m, 22 m) are directed to substantially the same location. .
  • the second refractive optical system 3 The absolute value of the tilt angle is set to be smaller as the distance from the optical axis 63 is longer. That is, in the example of FIG. 11, the inclination angles of the flat surfaces (32a, 32b, 32c, 32d) are set so that ⁇ a ⁇ b and ⁇ c ⁇ d are satisfied. The same applies to the flat surface 32 not shown in FIG.
  • the traveling direction is changed. Since the second light beam 22 is converted into a substantially parallel light beam by the first refractive optical system 6, the light beams other than the main light beam 22m included in the second light beam 22 are substantially the same as the main light beam 22m. The traveling direction is changed toward the direction. As a result, an image is formed in the condensing region 70.
  • the condensing area 70 Focusing on another flat surface 32b, the second light flux 12 incident on the flat surface 32b, the main ray of 12m, refracted according to the inclination angle theta b of the flat surface 32b, the condensing area 70 ( The direction of travel is changed toward (see FIG. 7). At this time, the traveling direction of the light beams other than the main light beam 12m included in the second light beam 12 is converted in the substantially same direction as the main light beam 12m. As a result, an image is formed in the condensing region 70.
  • the second refractive optical system 3 includes a portion 3 a having a flat surface 32 a showing a predetermined inclination angle ⁇ a and a predetermined inclination angle ⁇ corresponding to a certain semiconductor laser unit 2. and a portion 3b having a flat surface 32b indicating b .
  • the second refractive optical system 3 in response to another semiconductor laser unit 2, the flat surface 32d showing a portion 3c, a predetermined inclination angle theta d having a flat surface 32c indicating a predetermined tilt angle theta c
  • a portion 3d having
  • the second refractive optical system 3 included in the light source device 1 has different inclination angles depending on the number of semiconductor laser units 2 and the number of light emission regions (10, 20) included in each semiconductor laser unit 2.
  • the flat surface 32 shown is included.
  • the plurality of second light bundles (12, 22) incident on each flat surface 32 are more so that the principal rays (12m, 22m) reduce the distance between the principal rays.
  • the traveling direction is preferably changed so as to go to the light collection region 70. Further, the traveling directions of the light rays other than the principal rays (12m, 22m) included in the second light bundle (12, 22) are converted substantially in the same direction as the principal rays (12m, 22m). .
  • each of the second light bundles (12, 22) emitted from each second refractive optical system 3 travel toward the same light collection region 70.
  • each of the second light bundles (12, 22) is guided into the condensing region 70 showing a small area. Therefore, by arranging the incident surface of the rear optical system 40 in the region including the condensing region 70, Light with high brightness can be guided to the rear optical system 40.
  • the second refractive optical system 3 is configured so that the upper light beam 22a of one second light beam 22 and the other light beam 22 are related to the pair of adjacent second light beams (12, 22). It is preferable that the second light bundle 12 is disposed at a later stage than the position (specific position) where the lower light beam 12b intersects. At this time, the adjacent second light bundles (12, 22) are completely connected to each other before entering the flat surfaces (32a, 32b, 32c, 32d,...) Of the second refractive optical system 3. Since they are separated, almost all of the light rays contained in each second light bundle (12, 22) can travel in the same direction as each principal ray (12m, 22m).
  • the second refractive optical system 3 has a function of changing the traveling direction of the principal rays (12m, 22m) of the incident second light bundles (12, 22) toward substantially the same position. Any optical member may be used.
  • the second refractive optical system 3 is configured by a prism having a plurality of flat surfaces 32.
  • the second refractive optical system 3 includes a plurality of optical elements (divided into flat surfaces 32 (32a, 32b, 32c, 32d,...)) Having different inclination angles. 3a, 3b, 3c, 3d,).
  • the second refractive optical system 3 includes a number of optical elements (3a, 3b, 3c, 3d,%) Corresponding to the number of semiconductor laser units 2.
  • the second refractive optical system 3 may be configured to include a convex curved surface 33 based on the flat surface 32 instead of the flat surface 32 having different inclination angles.
  • FIG. 14 schematically shows a part of the second refractive optical system 3 including the convex curved surface 33, following FIG.
  • the convex curved surface 33 based on the flat surface 32 is a curved surface showing an arcuate or elliptical arc-shaped curve connecting the start point and the end point of the line segment constituted by the flat surface 32 on the XZ plane. More preferably, when the chief rays (12m, 22m) are incident on the convex curved surface 33, the chief rays (12m, 22m) are directed so that the chief rays (12m, 22m) are directed to substantially the same location. ) Is set to the inclination angle of the tangent plane of the convex curved surface 33 at the location where the light is incident.
  • each focal length of the convex curved surface 33 is preferably not less than the distance between the second refractive optical system 3 and the condensing region 70, and more preferably both are substantially the same.
  • light other than the principal ray (12 m, 22 m) included in each second ray bundle (12, 22) can be condensed at substantially the same location as the principal ray (12 m, 22 m).
  • light with extremely high luminance is realized (see FIG. 15).
  • each second light beam (12, 22) is located at a position before the principal ray (12m, 22m) intersects. ) Is incident on the rear optical system 40.
  • the focal length of each convex curved surface 33 is such that when the principal ray (12 m, 22 m) is virtually extended on the assumption that the post-stage optical system 40 does not exist, the second refractive optical system It is preferable that the distance between the two is substantially the same.
  • the optical components other than the chief rays (12m, 22m) included in the respective second beam bundles (12, 22) are condensed in the vicinity of the chief rays (12m, 22m), and the rear stage optical It is incident on the system 40.
  • various optical systems such as a rod integrator and a lens can be employed depending on the purpose of use of light emitted from the light source device 1.
  • FIG. 16 is a drawing schematically showing a configuration example of a projector including the light source device 1 described above.
  • the projector 9 includes an illumination optical system 80 including the light source device 1 and an image optical system 90 that generates image light from the light guided from the illumination optical system 80 and projects the image light on a screen.
  • the post-stage optical system 40 illustrated in FIG. 7 corresponds to an element of the illumination optical system 80 arranged at the post-stage of the light source device 1.
  • the light source device 1 is assumed to be a blue light source.
  • the high-luminance blue light emitted from the light source device 1 is reduced in coherence by the diffusing plate 81 as necessary, converted into parallel light having a narrow beam width by the lens 82, and then applied to the dichroic mirror 83. Led.
  • the blue light is reflected by the dichroic mirror 83 and then guided to the phosphor wheel 84. At this time, the light can be condensed by a lens as necessary.
  • the phosphor wheel 84 is provided with a yellow phosphor coating region, a green phosphor coating region, and a notch region that transmits blue light at predetermined angles, and in accordance with the rotation of the phosphor wheel 84.
  • the wavelength of the light reflected by the phosphor wheel 84 and / or the light passing therethrough changes.
  • Blue light that has passed through the phosphor wheel 84 is converted into parallel light through a lens as necessary, and then returned to the dichroic mirror 83 again through mirrors (85, 85, 85).
  • a lens is provided between the mirrors as necessary.
  • Yellow light or green light reflected by the phosphor wheel 84 passes through the dichroic mirror 83.
  • the light of each color is synthesized in the dichroic mirror 83, collected by the lens as necessary, and then incident on the rod integrator 87 via the filter wheel 86.
  • the filter wheel 86 is provided with a region where a filter for cutting a short wavelength component is applied and a region where light is transmitted as it is at predetermined angles. When light passes through the filter region, the short wavelength component is cut and red light is generated.
  • the combined light that has passed through the rod integrator 87 is incident on the image optical system 90 after the beam width is adjusted through a lens as necessary.
  • the image optical system 90 is an apparatus that generates an image by receiving light emitted from the illumination optical system 80.
  • the image optical system 90 includes a lens 91, a total reflection prism 92, and a DMD (digital micromirror device, registered trademark). 93.
  • DMD digital micromirror device, registered trademark
  • the DMD 93 has a plurality of movable micromirrors, and is controlled by a control unit (not shown) in accordance with the timing of each color light incident thereon and according to an input video signal.
  • the light modulated by the DMD 93 is transmitted through the total reflection prism 92, guided to the projection lens 94, and projected onto a screen (not shown) via the projection lens 94.
  • the projector 9 uses the light generated by the light source device 1 as a light source, light with extremely high brightness can be used, so that the output of the projector 9 can be greatly improved.
  • the projector 9 shown in FIG. 16 has been described with respect to the case where the modulation device is configured by a reflective element (DMD). However, the projector 9 may be configured by a transmissive liquid crystal element.
  • the illumination optical system 80 and the image optical system 90 are appropriately changed according to the configuration of the modulation device.
  • the semiconductor laser chip 5 described above with reference to FIG. 7 and the like has a multi-emitter type configuration having two light emission regions (10, 20).
  • the number of light emission regions provided in the semiconductor laser chip 5 is not limited to two, and may be three or more.
  • the number of flat surfaces (3a, 3b,...) With different inclination angles provided in the second refractive optical system 3 is set according to the number of light emission regions included in the same semiconductor laser unit 2.
  • each semiconductor laser chip 5 has a single emitter type configuration having a single light emission region, as described above with reference to FIG. 1A, for example. It may be configured to be incident on the monorefringent optical system 6 (see FIG. 17). Further, as shown in FIG. 17, in a mode in which light emitted from a plurality of semiconductor laser chips 5 is incident on the first refractive optical system 6, each semiconductor laser chip 5 may have a multi-emitter type structure. .
  • the first refractive optical system 6 may be provided corresponding to each semiconductor laser chip 5, and even if the first refractive optical system 6 itself is provided individually, it is integrally formed in an array. It doesn't matter.
  • the second refractive optical system 3 has a plurality of flat surfaces 32 having different inclination angles on the surface opposite to the first refractive optical system 6, that is, on the light exit surface side.
  • a plurality of flat surfaces 32 having different inclination angles may be provided on the surface on the first refractive optical system 6 side, that is, on the light incident surface side.
  • the “convex curved surface 33” may be used instead of the “flat surface 32”.
  • the optical system 3 is preferably provided with a flat surface 32 on the light exit surface side.
  • each semiconductor laser chip 5 is assumed to have a so-called “end-emitting type” structure in which the light emission region (10, 20) is formed on the end face of the semiconductor laser chip 5. explained. However, the present invention is similarly applicable even if each semiconductor laser chip 5 has a so-called “surface emitting type” structure in which light is extracted in the stacking direction of the semiconductor layers.
  • the light source device 1 is applicable to applications other than a projector as long as it is an application that collects a plurality of light bundles and irradiates a predetermined irradiation object.
  • the light source device 1 can be used as a light source for an exposure apparatus.
  • the second refractive optical system 3 may include a refractive optical system 51 and a condenser lens 52.
  • the refractive optical system 51 includes flat surfaces (51a, 51b) having different inclination angles on the light incident surface side.
  • the refractive optical system 51 includes a flat surface 51c orthogonal to the optical axis 63 on the light exit surface side, and a condensing lens 52 is arranged so as to be connected to the flat surface 51c.
  • the flat surfaces (51a, 51b) are set so that the chief rays emitted from the different light emission regions (10, 20) are incident on each of the flat surfaces (51a, 51b) and the both are made substantially parallel.
  • the second light beam (12, 22) incident on the refractive optical system 51 travels in the refractive optical system 51 as a substantially parallel light beam.
  • the second light bundle (12, 22) causes the principal ray (12 m, 22 m) and the light traveling therearound to gather at the focal point of the condensing lens 52.
  • light other than the principal ray (12 m, 22 m) can be condensed at almost the same location as the principal ray (12 m, 22 m), and thus light with extremely high luminance can be obtained. Realized.
  • optical arrangement mode included in the light source device 1 described above is merely an example, and the present invention is not limited to each illustrated configuration.
  • a reflection optical system for changing the traveling direction of light may be appropriately interposed between a certain optical system and another optical system.
  • Light source device 2 Semiconductor laser unit 3: Second refractive optical system 5: Semiconductor laser chip 6: First refractive optical system 10, 20: Light emission region (emitter) 11, 21: First light flux 31, 32: Flat surface of the second refractive optical system 33: Convex curved surface of the second refractive optical system 40: Subsequent optical system 51: Refractive optical system forming a part of the second refractive optical system 52: Condensing lens that forms part of the second refractive optical system 61: Optical axis of the first refractive optical system 63: Optical axis of the second refractive optical system 70: Condensing region 80: Illumination optical system 81: Diffuser 82 : Lens 83: Dichroic mirror 84: Phosphor wheel 85: Mirror 86: Filter wheel 87: Rod integrator 90: Imaging optical system 91: Lens 92: Total reflection prism 93: DMD 94: Projection lens 100, 110: Semiconductor laser chip 101

Abstract

複数の半導体レーザチップを用いて、装置規模の拡大を抑制しながら光出力を高めた光源装置を提供する。　光源装置は、同一の又は異なる半導体レーザチップ上に設けられた複数の光射出領域と、隣接する複数の光射出領域から射出された複数の第一光線束が入射され、略平行光線束である複数の第二光線束に変換して射出する第一屈折光学系とを含む複数の半導体レーザユニットと、異なる傾斜角を有する複数の平坦面、又は複数の平坦面のそれぞれを基礎として突出する複数の凸曲面を含み、同一の半導体レーザユニットから射出された複数の第二光線束それぞれの少なくとも一部が異なる平坦面又は異なる凸曲面に入射されて、それぞれの主光線同士の離間距離を縮小するように複数の第二光線束の進行方向を変換して射出する第二屈折光学系とを備える。第二屈折光学系は、半導体レーザユニットの数に対応して配置されている。

Description

光源装置、プロジェクタ
　本発明は、光源装置に関し、特に半導体レーザチップから射出された光を利用する光源装置に関する。また、本発明は、このような光源装置を備えたプロジェクタに関する。
　プロジェクタ用の光源として、半導体レーザチップを利用することが進められている。近年、このように半導体レーザチップを光源として用いながらも、更に光出力を高めた光源装置が市場から期待されている。
　光源側の光出力を高めるためには、複数の半導体レーザチップから射出された光を集光する方法が考えられる。しかし、半導体レーザチップには一定の幅が存在し、これらを密接して配置することには限界がある。つまり、単に複数の半導体レーザチップを配置するだけでは、光源装置が大型化してしまう。
　かかる観点から、例えば下記特許文献１のように、第一の領域に半導体レーザチップ群を配置し、第一の領域とは別の第二の領域に別の半導体レーザチップ群を配置し、両半導体レーザチップ群から射出される光を、スリットミラーからなる光合成手段を用いて合成する技術が存在する。かかる方法により、単に同一箇所に複数の半導体レーザチップを並べた場合と比較して、配置面積を縮小しながらも光強度を高めることが可能となる。
特開２０１７－２１５５７０号公報
　ところで、光源側の光強度を高める方法として、レーザ光を射出する領域（光射出領域：以下では「エミッタ」と称することがある。）を複数設けた半導体レーザチップを用いる方法が考えられる。このような半導体レーザチップは、「マルチエミッタ型」と称されることがある。本発明者らは、マルチエミッタ型の半導体レーザチップを光源に利用することで、光強度を高めることを検討したところ、以下のような課題が存在することを突き止めた。
　図１Ａは、一つのエミッタを備えた半導体レーザチップの構造を模式的に示す斜視図である。このような半導体レーザチップは、「シングルエミッタ型」と称されることがある。なお、図１Ａには、エミッタから射出される光（レーザ光）の光線束についても、模式的に図示している。なお、本明細書では、単一のエミッタから射出される束状に形成された光線群を「光線束」と称する。
　図１Ａに示されるような、いわゆる「端面発光型」の半導体レーザチップ１００の場合、エミッタ１０１から射出される光線束１０１Ｌは、楕円錐型を示すことが知られている。本明細書では、光軸（図１Ａに示すＺ方向）に直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）のうち、光線束１０１Ｌの発散角が大きい方向（図１Ａに示すＹ方向）を、「ファースト軸方向」と呼び、光線束１０１Ｌの発散角が小さい方向（図１Ａに示すＸ方向）を、「スロー軸方向」と呼ぶ。
　図１Ｂは、光線束１０１Ｌを、Ｘ方向から見た場合と、Ｙ方向から見た場合とに分けて模式的に図示したものである。図１Ｂに示すように、ファースト軸方向については光線束１０１Ｌの発散角θyが大きく、スロー軸方向については光線束１０１Ｌの発散角θxが小さい。
　なお、以下の各図では、説明の都合上、光線束の発散角が実際よりも誇張して図示されている場合がある。
　半導体レーザチップ１００を複数配置し、各半導体レーザチップ１００から射出される光（光線束１０１Ｌ）を集光して利用する場合、光学部材のサイズを抑制する観点から、各光線束１０１Ｌを平行光化した後、レンズによって集光するのが一般的である。具体的には、半導体レーザチップ１００の後段にコリメートレンズ（「コリメーションレンズ」とも称される。）を配置して、各光線束１０１Ｌの発散角を縮小することが行われる。
　図２Ａは、半導体レーザチップ１００の後段にコリメートレンズ１０２を配置した場合において、ＹＺ平面方向に進行する光線束を、模式的に示した図面である。なお、図２Ａでは、幾何光学上における上光線及び下光線のみを描画している。
　なお、本明細書において、「上光線」とは、光線束のうち、光学部材（例えばレンズ）の絞り（入射瞳）の上縁を通過する光線を指し、「下光線」とは、光線束のうち、前記絞り（入射瞳）の下縁を通過する光線を指す。また、以下では、光線束のうち、前記絞り（入射瞳）の中心を通る光線を「主光線」と称する。すなわち、主光線は、光線束の上光線と下光線との間の中心を通過する光線である。
　図２Ａによれば、光線束１０１Ｌは、コリメートレンズ１０２を通過した後、ファースト軸方向（Ｙ方向）に関して実質的な平行光線束（以下、「略平行光線束」と称する。）となる。なお、本明細書において、「実質的な平行光線束」又は「略平行光線束」とは、上光線と下光線のなす角度が２°未満である光線束を指す。
　図２Ｂは、半導体レーザチップ１００の後段にコリメートレンズ１０２を配置した場合において、ＸＺ平面方向に進行する光線束を、模式的に示した図面である。図２Ｂによれば、光線束１０１Ｌは、コリメートレンズ１０２を通過した後、スロー軸方向（Ｘ方向）に関しても略平行光線束となる。
　図３Ａは、図１Ａとは異なり、複数のエミッタを備えた半導体レーザチップの構造を模式的に示す斜視図である。図３Ａでは、半導体レーザチップ１１０が２つのエミッタ（１１１，１１２）を備えている場合が示されている。
　図３Ｂは、図１Ｂにならって、各エミッタ（１１１，１１２）から射出される光線束（１１１Ｌ，１１２Ｌ）を、Ｘ方向から見た場合と、Ｙ方向から見た場合とに分けて模式的に図示したものである。各エミッタ（１１１，１１２）は、Ｙ方向については同一の座標位置に形成されるため、Ｘ方向から見たときに光線束（１１１Ｌ，１１２Ｌ）は完全に重なっている。一方、各エミッタ（１１１，１１２）は、Ｘ方向については異なる座標位置に形成されるため、Ｙ方向から見たときに光線束（１１１Ｌ，１１２Ｌ）はそれぞれの位置がずれて表示される。
　図３Ａに図示された半導体レーザチップ１１０の後段に、図２Ａ及び図２Ｂと同様にコリメートレンズ１０２を配置した場合における光線束の態様について検討する。図３Ｂを参照して上述したように、Ｘ方向から見たときに光線束（１１１Ｌ，１１２Ｌ）は完全に重なっている。このため、ファースト軸方向（Ｙ方向）に関しては、各光線束（１１１Ｌ，１１２Ｌ）は、コリメートレンズ１０２を通過した後、図２Ａと同様に略平行光線束となる。
　図４は、半導体レーザチップ１１０の後段にコリメートレンズ１０２を配置した場合において、ＸＺ平面方向に進行する光線束を、模式的に示した図面である。半導体レーザチップ１１０は、Ｘ方向に離間して複数のエミッタ（１１１，１１２）を備えているため、コリメートレンズ１０２の中心位置におけるＸ座標と、各エミッタ（１１１，１１２）の中心位置におけるＸ座標には不可避的にずれが生じる。
　この結果、エミッタ１１１から射出された光線束１１１Ｌ、及びエミッタ１１２から射出された光線束１１２Ｌのそれぞれは、コリメートレンズ１０２を通過後に略平行光線束となるものの、光線束１１１Ｌの主光線１１１Ｌｍと、光線束１１２Ｌの主光線１１２Ｌｍとは、非平行となる。つまり、光線束１１１Ｌと光線束１１２Ｌとは、それぞれＸ方向に係る進行方向を異ならせてしまう。
　かかる構成の場合、後に集光光学系を用いて各光線束（１１１Ｌ，１１２Ｌ）を集光したとしても、集光後の光線束群に拡がりが生じ、目的とする方向に導くことのできない光線が生じてしまう。この結果、光の利用効率が低下する。特に、マルチエミッタ型の半導体レーザチップ１１０を複数配置して、各半導体レーザチップ１１０から射出される光を利用するような場合には、利用できない光の量が無視できない程度となる。
　コリメートレンズ１０２を通過した後において、光線束１１１Ｌと光線束１１２ＬのＸ方向に係る進行方向の角度は、コリメートレンズ１０２の焦点距離に対する、エミッタ（１１１，１１２）間の距離の相対値によって決定される。より詳細には、コリメートレンズ１０２の光軸から、前記光軸に対して最も遠い各エミッタ（１１１，１１２）の位置までの距離をｄ、コリメートレンズ１０２の焦点距離ｆとしたときに、光線束（１１１Ｌ，１１２Ｌ）の発散角θは、θ= tan-1（ｄ／ｆ）で規定される。
　図５は、同一のコリメートレンズ１０２を用い、図４の構成よりも、エミッタ（１１１，１１２）間の距離（Ｘ方向の距離）を拡げた場合において、図４にならってＸＺ平面方向に進行する光線束を模式的に示した図面である。言い換えれば、図５は、図４の構成よりも、コリメートレンズ１０２の焦点距離に対する、エミッタ（１１１，１１２）間の距離の相対値を大きくした場合に対応する。
　図５によれば、主光線１１１Ｌｍと主光線１１２Ｌｍとのなす角度θxm（この角度は、コリメートレンズ１０２の光軸と各主光線のなす角度の２倍に対応する。）は、図４の場合よりも大きくなっていることが分かる。この場合、光線束１１１Ｌと光線束１１２Ｌとが、図４の態様よりも、Ｚ方向に関してコリメートレンズ１０２に対して近い位置で完全に分離してしまう。図４の態様では、光軸方向（Ｚ方向）に関して、ｚ１の位置で光線束１１１Ｌと光線束１１２Ｌとが完全に分離する。これに対し、図５の態様では、光軸方向（Ｚ方向）に関して、ｚ１よりも前段のｚ２の位置で光線束１１１Ｌと光線束１１２Ｌとが完全に分離する。
　逆にいえば、コリメートレンズ１０２の焦点距離に対して、エミッタ（１１１，１１２）間の距離が十分無視できる程度の大きさである場合には、Ｘ方向に関しても、光線束１１１Ｌの主光線１１１Ｌｍと、光線束１１２Ｌの主光線１１２Ｌｍとのなす角度は実質的に０°に近づき、各光線束（１１１Ｌ，１１２Ｌ）が分離するようなことは生じない。しかし、このためには、コリメートレンズ１０２を、十分長い焦点距離を有するレンズとする必要があり、光学系のサイズが拡大してしまう。
　特に、マルチエミッタ型の半導体レーザチップ１１０を複数配置する場合、各半導体レーザチップ１１０に対応してコリメートレンズ１０２を配置する必要があるため、装置規模が極めて大きくなってしまう。
　上記の課題は、シングルエミッタ型の半導体レーザチップ１００でも起こり得る。すなわち、上記の課題は、半導体レーザチップ１００の出力を上昇させるべく、エミッタ１０１の幅を広くした場合や、シングルエミッタ型の半導体レーザチップ１００を複数配置して、複数の半導体レーザチップ１００から射出された光線束を一つのコリメートレンズ１０２に対して入射させる場合においても同様に起こり得る。
　本発明は、上記の課題に鑑み、複数の半導体レーザチップを用いて、装置規模の拡大を抑制しながら光出力を高めた光源装置を提供することを課題とする。また、本発明は、かかる光源装置を備えたプロジェクタを提供することを課題とする。
　本発明に係る光源装置は、
　同一の又は異なる半導体レーザチップ上に設けられた複数の光射出領域と、隣接する複数の前記光射出領域から射出された複数の第一光線束が入射されて、前記複数の第一光線束それぞれを、略平行光線束である複数の第二光線束に変換して射出する第一屈折光学系とを含む、複数の半導体レーザユニットと、
　異なる傾斜角を有する複数の平坦面、又は前記複数の平坦面のそれぞれを基礎として突出する複数の凸曲面を含み、同一の前記半導体レーザユニットから射出された複数の前記第二光線束それぞれの少なくとも一部が異なる前記平坦面又は異なる前記凸曲面に入射されて、複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線同士の離間距離を縮小するように複数の前記第二光線束の進行方向を変換して射出する第二屈折光学系と、を備え、
　前記第二屈折光学系は、前記半導体レーザユニットの数に対応して配置されていることを特徴とする。
　図３Ａ～図５を参照して上述したように、マルチエミッタ型の半導体レーザチップ１１０の後段にコリメートレンズ１０２を配置した場合、ファースト軸方向（Ｙ方向）に関しては、各光線束（１１１Ｌ，１１２Ｌ）は略平行光線束になるものの、スロー軸方向（Ｘ方向）に関しては、各光線束（１１１Ｌ，１１２Ｌ）の進行方向が異なる。かかる状況下で、図６に示すように、輝度を高めるべく半導体レーザチップ１１０とコリメートレンズ１０２を複数配置して、各コリメートレンズ１０２から射出された光線束を集光レンズ１２０で集光すると、エミッタ１１１から射出された光線束１１１Ｌの主光線１１１Ｌｍと、エミッタ１１２から射出された光線束１１２Ｌの主光線１１２Ｌｍの進行方向とが異なる結果、複数の箇所（１３１，１３２）で結像してしまう。
　図６に示す態様において、集光レンズ１２０で集光された光を後段の光学系で利用することを鑑みた場合には、離間した各結像位置（１３１，１３２）を含む広い入射面を有する光学系を配置する必要があり、入射面上における輝度の低下や装置規模の拡大を招く。
　これに対し、本発明に係る光源装置によれば、同一の半導体レーザユニットから射出された主光線同士をほぼ同一の箇所に集光させることが可能となり、光の利用効率及び／又は輝度の向上が図られる。より詳細には、以下の通りである。
　第一屈折光学系に対して複数の第一光線束が入射されると、それぞれは略平行光線束である複数の第二光線束に変換される。しかし、各第二光線束同士、より詳細には各第二光線束の主光線同士は、第一光線束の主光線同士の間隔に応じた角度を有して進行する。第一光線束の主光線同士の間隔は、各第一光線束を射出する光射出領域の中心位置同士の間隔に依存する。
　上記光源装置は、第一屈折光学系の後段に、異なる傾斜角を有する複数の平坦面、又は前記複数の平坦面のそれぞれを基礎として突出する複数の凸曲面を含む第二屈折光学系を備える。ここで、「傾斜角」とは、光軸に対する角度であるものとして構わない。より詳細には、「傾斜角」とは、第二屈折光学系を、光軸方向（例えば後述される図７内のＺ方向）及び複数の光射出領域が隣接する方向（例えば後述される図７内のＸ方向）の双方に直交する、所定の第一方向（例えば後述される図７内のＹ方向）から見たときの、各平坦面の光軸に対する角度であるものとして構わない。すなわち、図７内の座標系を参照すれば、ＸＺ平面上におけるＺ軸に対する角度であるものとして構わない。
　第二屈折光学系が、前記「異なる傾斜角を有する複数の平坦面」を備える場合、第二屈折光学系を、前記第一方向（例えば後述される図７内のＹ方向）から見たときに、異なる傾斜角を有する折れ線又は複数の線分が確認される。より詳細には、第二屈折光学系が単一部材内に複数の平坦面を備える場合には上記折れ線が確認される。また、第二屈折光学系が複数の部材に分割されており、それぞれの部材が異なる傾斜角を有する平坦面を備える場合には、上記複数の線分が確認される。
　また、別の態様として、第二屈折光学系が、前記「異なる傾斜角を有する複数の平坦面のそれぞれを基礎として突出する複数の凸曲面」を備える場合、第二屈折光学系を、前記第一方向（例えば後述される図７内のＹ方向）から見たときには、上述の折れ線や複数の線分は視認されないが、異なる傾斜角を有する仮想的な折れ線又は複数の線分を基準とし、各線分のそれぞれの２つの端点を結ぶ曲線（例えば円弧又は楕円弧）が確認される。
　同一の半導体レーザユニットから射出された、より詳細には同一の第一屈折光学系から射出された、複数の第二光線束は、それぞれの少なくとも一部が、第二屈折光学系の異なる平坦面又は異なる凸曲面に入射される。そして、平坦面（又は凸曲面が基礎とする平坦面）に形成された傾斜角に応じて、複数の第二光線束は屈折し、その進行方向が変化する。
　ここで、第二屈折光学系は、入射された複数の第二光線束のそれぞれの主光線同士の離間距離を縮小するよう、各平坦面（又は凸曲面が基礎とする各平坦面）の傾斜角が設定されている。好ましくは、複数の第二光線束のそれぞれの主光線が、ほぼ一点に集光されるように各平坦面の傾斜角が設定されている。この結果、同一の前記半導体レーザユニットから射出された主光線同士をほぼ同一の箇所に集光させることが可能となり、光の利用効率及び／又は輝度の向上が図られる。
　上記光源装置は、同一の半導体レーザチップ上に複数の光射出領域（いわゆる「エミッタ」）を有してなるマルチエミッタ型の半導体レーザチップを複数備えるものとしても構わないし、同一の半導体レーザチップ上に単一の光射出領域（エミッタ）を有してなるシングルエミッタ型の半導体レーザチップを複数備えるものとしても構わない。
　前記光源装置において、
　前記第二屈折光学系は、異なる傾斜角を有する複数の前記平坦面のそれぞれを基礎として前記第一屈折光学系とは反対側に突出する複数の凸曲面を含む構成であり、
　複数の前記凸曲面の焦点距離は、前記第二屈折光学系の光射出面側の位置から、前記第二屈折光学系から射出された複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線同士の交差箇所、又は複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線の仮想延長線同士の交差箇所までの距離以上であるものとしても構わない。
　複数の前記凸曲面の焦点距離ｄ１が、前記第二屈折光学系の光射出面側の位置から、前記第二屈折光学系から射出された複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線同士の交差箇所、又は複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線の仮想延長線同士の交差箇所までの距離ｄ２よりも実質的に極めて長いものとした場合、各凸曲面から射出された第二光線束のうち、主光線から離れた位置を通過する光線を、前記各主光線とほぼ平行に進行させることができる。
　一方、前記距離ｄ１と前記距離ｄ２とを実質的に等しくした場合、複数の凸曲面から射出された第二光線束のうち、主光線から離れた位置を通過する光線についても、同一の前記半導体レーザユニットから射出された主光線同士の集光箇所と実質的に同一の箇所に導くことができる。つまり、複数の第二光線束に含まれる全ての光線が、ほぼ同一の箇所に集光されるため、後段の光学系の入射面を当該箇所に配置することで、極めて高い輝度の光を後段の光学系に導くことができる。
　なお、複数の凸曲面の焦点距離（各凸曲面の焦点距離が異なる場合には、焦点距離の平均値）をｄ１とし、第二屈折光学系の光射出面側の位置から、第二屈折光学系から射出された複数の第二光線束のそれぞれの主光線同士の交差箇所、又は複数の第二光線束のそれぞれの主光線の仮想延長線同士の交差箇所までの距離をｄ２としたときに、ｄ１とｄ２の値が実質的に同一であるとは、｜ｄ１－ｄ２｜／ｄ１≦０．１であるものとして構わない。
　前記光源装置において、
　前記第一屈折光学系は、光射出面側に突出する曲面を有し、
　前記第二屈折光学系は、前記第一屈折光学系に対して、前記第一屈折光学系の焦点距離よりも離れた位置に配置されているものとしても構わない。
　第一屈折光学系から射出された複数の第二光線束は、その主光線同士が、第一屈折光学系の焦点の位置で交差する。各第二光線束の上光線と下光線の幅は、実質的に共通であるため、第一屈折光学系の焦点の位置において、各第二光線束同士が完全に重なり合う。仮に、第二屈折光学系が配置されていないとすれば、各第二光線束同士は、第一屈折光学系の焦点の位置から離れるに連れて相互に拡がりを有して進行していく。
　ところで、第一屈折光学系から射出された第二光線束は、主光線の位置において最も光強度が高く、主光線から離れるほど光強度が急激に低下するような配光分布、例えば、ガウス分布のような分布を示す。
　上記構成によれば、少なくとも第一屈折光学系から射出された複数の第二光線束の主光線は、それぞれ第二屈折光学系の異なる平坦面（又は凸曲面）に入射される。つまり、各第二光線束のうち、放射照度が極めて高い光線については、異なる平坦面（又は凸曲面）に入射された後、主光線と実質的に同方向に変換され、ほぼ同一の箇所に向かって進行する。この結果、複数の第二光線束に含まれる放射照度の高い光線は、ほぼ同一の箇所に集光されるため、後段の光学系の入射面を当該箇所に配置することで、高い輝度の光を後段の光学系に導くことができる。
　前記光源装置において、
　前記第二屈折光学系は、隣接する一対の前記第二光線束に関して、一方の前記第二光線束の上光線と他方の前記第二光線束の下光線とが交差する特定位置、又は前記特定位置よりも前記第一屈折光学系に対して離れた位置に配置されているものとしても構わない。
　前記特定位置において、隣接する一対の前記第二光線束同士は完全に分離される。仮に、第二屈折光学系が配置されていないとすれば、各第二光線束同士は、前記特定位置から離れるに連れて、離間距離を拡げながら分散進行する。
　つまり、上記特定位置、又はその特定位置よりも後段に第二屈折光学系が配置されることで、第一屈折光学系から射出された複数の第二光線束は、それぞれ完全に第二屈折光学系が備える傾斜角の異なる平坦面（又は凸曲面）に入射される。この結果、各第二光線束に含まれる放射照度の高い光線を、ほぼ同一の箇所に集光させることができる。
　前記第二屈折光学系は、隣接する前記半導体レーザユニットから射出された前記第二光線束が入射されない位置に配置されているものとすることができる。このことは、第二屈折光学系の、第一屈折光学系からの離間位置の好ましい上限値を規定することに対応する。
　仮に、第二屈折光学系を第一屈折光学系から極めて遠い位置に配置すると、この第二屈折光学系に対して、隣接する半導体レーザユニットから射出された第二光線束が入射される。このとき、以下の問題が生じる可能性がある。
　第二屈折光学系が第一屈折光学系から極めて遠い位置に配置されるため、同一の第一屈折光学系から射出された複数の第二光線束同士は、完全に分離し、更にその離間距離が大きい状態で、第二屈折光学系の各平坦面（又は各凸曲面）に入射されることになる。この結果、第二屈折光学系は、各平坦面（若しくは各凸曲面）を大きくするか、又は、各平坦面間（若しくは各凸曲面間）の間隔を大きくする必要が生じ、第二屈折光学系の規模が大きくなってしまう。
　更に、第二屈折光学系のうち、複数の光射出領域が隣接する方向（例えば後述される図７内のＸ方向）に係る端部に位置する平坦面（又は凸曲面）に対しては、対応する第一屈折光学系から射出された第二光線束が入射される。これに対し、第二屈折光学系のうち、前記端部以外に位置する平坦面（又は凸曲面）に対しては、対応する第一屈折光学系からの第二光線束に加えて、隣接する第一屈折光学系からの第二光線束が入射される。この場合、第二光線束に含まれる多くの光線が、主光線とは大きく異なる方向に向かって進行するため、光の利用効率が低下する可能性がある。
　これに対し、上記の構成とすることで、第二屈折光学系の大きさを必要以上に拡大化することなく、光の利用効率を向上させることができる。
　本発明に係るプロジェクタは、上記光源装置から射出された光を利用して画像を投影することを特徴とする。
　本発明によれば、複数の半導体レーザチップを用いて、装置規模の拡大を抑制しながらも、光出力を高めた光源装置が実現される。
シングルエミッタ型の半導体レーザチップの構造を模式的に示す斜視図である。 図１Ａの半導体レーザチップから射出される光線束を、Ｘ方向から見た場合と、Ｙ方向から見た場合とに分けて模式的に図示したものである。 半導体レーザチップの後段にコリメートレンズを配置した場合において、ＹＺ平面方向に進行する光線束を、模式的に示した図面である。 半導体レーザチップの後段にコリメートレンズを配置した場合において、ＸＺ平面方向に進行する光線束を、模式的に示した図面である。 マルチエミッタ型の半導体レーザチップの構造を模式的に示す斜視図である。 図３Ａの半導体レーザチップから射出される光線束を、Ｘ方向から見た場合と、Ｙ方向から見た場合とに分けて模式的に図示したものである。 図３Ａの半導体レーザチップの後段にコリメートレンズを配置した場合において、ＸＺ平面方向に進行する光線束を、模式的に示した図面である。 図４の構成よりも、エミッタ間の距離を拡げた場合において、ＸＺ平面方向に進行する光線束を模式的に示した図面である。 図３Ａの半導体レーザチップとコリメートレンズとを複数組配置し、各コリメートレンズから射出される光線束を集光レンズで集光した場合において、ＸＺ平面方向に進行する光線束を、模式的に示した図面である。 光源装置の一実施形態の構成を模式的に示す図面である。 図７から隣接する２つの半導体レーザユニットと、その後段に配置された第二屈折光学系とを抽出して図示した図面である。 図８において、１つの半導体レーザチップに備えられた光射出領域から第一屈折光学系までの部分を拡大した図面である。 図８において、第二屈折光学系の近傍の部分を拡大した図面である。 図８において、主光線以外の光線の表示を省略して図示した模式的な図面である。 図１１において、第二屈折光学系の構造を別態様にした場合の模式的な図面である。 図７において、第二屈折光学系の構造を別態様にした場合の模式的な図面である。 図１１において、第二屈折光学系の構造を別態様にした場合の模式的な図面である。 図７において、第二屈折光学系の構造を別態様にした場合の模式的な図面である。 光源装置を含むプロジェクタの構成例を模式的に示す図面である。 光源装置の別実施形態の構成を模式的に示す図面である。 光源装置の別実施形態の構成を模式的に示す図面である。
　以下、本発明に係る光源装置、及びプロジェクタの各実施形態について、適宜図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、実際の寸法比と図面上の寸法比とは必ずしも一致していない。
　図７は、光源装置の一実施形態の構成を模式的に示す図面である。光源装置１は、複数の半導体レーザユニット（２，２，‥‥）と、各半導体レーザユニット（２，２，‥‥）の数に応じて配置された第二屈折光学系３とを備える。なお、図７では、第二屈折光学系３から射出された光が導かれる後段光学系４０が図示されている。第二屈折光学系３が、各半導体レーザユニット（２，２，‥‥）の数に応じて配置されているという点については、図１０を参照して後述される。
　半導体レーザユニット２は、半導体レーザチップ５と、第一屈折光学系６とを備える。図８は、隣接する２つの半導体レーザユニット２と、この半導体レーザユニット２に対応して配置された第二屈折光学系３とを抽出して図示した図面である。本実施形態において、半導体レーザチップ５は、複数の光射出領域（１０，２０）を備えた、マルチエミッタ型の構造であり、図３Ａを参照して上述した半導体レーザチップ１１０と同様の形状を示す。以下では、図３Ａと同様に、光射出領域（１０，２０）が隣接する方向をＸ方向、光軸方向をＺ方向、Ｘ及びＺ方向に直交する方向をＹ方向として説明する。
　図９は、図８において、１つの半導体レーザチップ５に備えられた光射出領域（１０，２０）から第一屈折光学系６までの部分を拡大した図面である。
　半導体レーザチップ５が備える各光射出領域（１０，２０）の、ファースト軸方向（Ｙ方向）に係る幅は、２μｍ以下であり、一例として１μｍである。各光射出領域（１０，２０）の、スロー軸方向（Ｘ方向）に係る幅は５μｍ以上５００μｍ以下であり、一例として８０μｍである。各光射出領域（１０，２０）の間隔（Ｘ方向）は、５０μｍ以上、１０００μｍ以下であり、一例として、１５０μｍである。
　半導体レーザチップ５は、各光射出領域（１０，２０）から、ほぼ円錐形状の第一光線束（１１，２１）を射出する。このとき、図３Ｂを参照して上述したのと同様に、各光射出領域（１０，２０）は、Ｙ方向については同一の座標位置に形成されるため、Ｘ方向から見たときに各第一光線束（１１，２１）は完全に重なっている。一方、各光射出領域（１０，２０）は、Ｘ方向については異なる座標位置に形成されるため、Ｙ方向から見たときに各第一光線束（１１，２１）はそれぞれの位置がずれて表示される。図８及び図９は、各第一光線束（１１，２１）を、Ｙ方向から見たときの光線図を模式的に示したものである。
　より詳細には、図９に図示されるように、第一光線束１１は、上光線１１ａと、下光線１１ｂとに挟まれた光線群で規定される。上光線１１ａと下光線１１ｂとの中間を進行する光線を、主光線１１ｍと定義する。同様に、第一光線束２１は、上光線２１ａと、下光線２１ｂとに挟まれた光線群で規定され、その中間の位置に主光線２１ｍが存在する。主光線（１１ｍ，２１ｍ）は、便宜上一点鎖線で示されている。なお、図８及び図９では、第一屈折光学系６の光軸が光軸６１として図示されている。
　半導体レーザチップ５は、その中心位置５ａが、対応する第一屈折光学系６の光軸６１上に位置するように配置される。この結果、各光射出領域（１０，２０）は、それぞれＸ方向に関して光軸６１から離れた位置に配置される。更に、個々の光射出領域（１０，２０）においても、Ｘ方向に大きさを有しているため、光軸６１に近い側の端部と、光軸６１から遠い側の端部との間では、それぞれ光軸６１からの距離に差が生じる。
　半導体レーザチップ５と第一屈折光学系６とは、Ｚ方向に関して、第一屈折光学系６の焦点距離ｆ６だけ離れて配置される。これにより、半導体レーザチップ５の各光射出領域（１０，２０）から射出された各第一光線束（１１，２１）は、第一屈折光学系６によって屈折され、それぞれが略平行光線束である第二光線束（１２，２２）に変換される。第一屈折光学系６は、各第一光線束（１１，２１）を、略平行光線束である第二光線束（１２，２２）に変換する光学系であれば、どのような光学部材で構成されていても構わない。
　上述したように、各光射出領域（１０，２０）は、それぞれＸ方向に関して光軸６１から離れた位置に配置されている。このため、略平行光線束である第二光線束（１２，２２）それぞれの主光線（１２ｍ，２２ｍ）は、第一屈折光学系６の後段の（光射出面側の）焦点位置に向かって進行する。この結果、第二光線束（１２，２２）は、それぞれ略平行光線束として進行しながらも、それぞれの進行方向は異なる。図８には、各第二光線束（１２，２２）が交差する場合が図示されている。
　第二光線束（１２，２２）は、第一屈折光学系６の後段に配置された第二屈折光学系３に導かれる。図１０は、図８において、第二屈折光学系３の近傍の部分を拡大した図面である。また、図１１は、説明の都合上、図８から、主光線（１２ｍ，２２ｍ）以外の光線の表示を省略して図示した図面である。
　図１１に示されるように、第二屈折光学系３は、光入射面側に設けられた平坦面３１と、光射出面側に設けられた、複数の異なる傾斜角（θa，θb，θc，θd，‥‥）を示す、複数の平坦面（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，‥‥）とを有する。なお、第二屈折光学系３において、傾斜角の異なる複数の平坦面につき、「平坦面３２」と総称することがある。
　本実施形態においては、平坦面３１は、第二屈折光学系３の光軸６３に対して直交する面で構成されている。第二屈折光学系３の光軸６３とは、第二屈折光学系３全体の中央位置を通る光軸を指す。なお、図１１では、第二屈折光学系３の一部のみが図示されているため、第二屈折光学系３は、Ｘ方向に関して、平坦面（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）以外の平坦面３２を含むものとして構わない。
　ここで、各平坦面（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，‥‥）の傾斜角（θa，θb，θc，θd，‥‥）とは、ＸＺ平面上、すなわち、複数の光射出領域（１０，２０）が隣接する方向（Ｘ方向）と、第二屈折光学系３の光軸６３の方向（Ｚ方向）とがなす平面上において、前記光軸６３の方向を基準としたときの角度を指し、この角度は回転方向に応じて正負の値を付して区別される。ここでは、回転方向が反時計方向である場合を正とし、時計方向である場合を負とする。このとき、図１１内に図示されている傾斜角（θa，θb，θc，θd，‥‥）はいずれも正の値である。また、図１１において図示が省略されている、第二屈折光学系３の下半分における平坦面３２の傾斜角θは、いずれも負の値となる。
　第二屈折光学系３は、各平坦面（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，‥‥）に入射された第二光線束（１２，２２）を、それぞれの主光線（１２ｍ，２２ｍ）同士の離間距離ｄｍ（図１０参照）が縮小されるように、各傾斜角（θa，θb，θc，θd，‥‥）が設定されている。より好ましくは、それぞれの主光線（１２ｍ，２２ｍ）同士が実質的に同一の箇所に向かうように、各傾斜角（θa，θb，θc，θd，‥‥）が設定されている。
　より具体的には、同一の第一屈折光学系６から射出された複数の第二光線束（１２，２２）が入射される平坦面群（例えば３２ａと３２ｂ）に関し、第二屈折光学系３の光軸６３からの距離が遠いほど、傾斜角の絶対値が小さくなるように設定されている。すなわち、図１１の例では、θa＜θb、θc＜θdが成立するように、各平坦面（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）の傾斜角が設定されている。図１１において図示が省略されている平坦面３２においても同様である。
　１つの平坦面３２ａに着目すると、この平坦面３２ａに入射された第二光線束２２は、その主光線２２ｍが、平坦面３２ａの傾斜角θaに応じて屈折し、集光領域７０（図７参照）に向かって進行方向が変換される。第二光線束２２は、第一屈折光学系６によって略平行光線束に変換されているため、第二光線束２２に含まれる主光線２２ｍ以外の光線についても、主光線２２ｍと実質的に同方向に向かって進行方向が変換される。この結果、集光領域７０内において、結像される。
　別の平坦面３２ｂに着目すると、この平坦面３２ｂに入射された第二光線束１２は、その主光線１２ｍが、平坦面３２ｂの傾斜角θbに応じて屈折し、前記集光領域７０（図７参照）に向かって進行方向が変換される。このとき、第二光線束１２に含まれる主光線１２ｍ以外の光線についても、主光線１２ｍと実質的に同方向に向かって進行方向が変換される。この結果、集光領域７０内において、結像される。
　図１１に示される例では、第二屈折光学系３は、ある１つの半導体レーザユニット２に対応して、所定の傾斜角θaを示す平坦面３２ａを有する一部分３ａと、所定の傾斜角θbを示す平坦面３２ｂを有する一部分３ｂとを有している。同様に、第二屈折光学系３は、別の半導体レーザユニット２に対応して、所定の傾斜角θcを示す平坦面３２ｃを有する一部分３ｃと、所定の傾斜角θdを示す平坦面３２ｄを有する一部分３ｄとを有している。
　つまり、光源装置１が備える第二屈折光学系３は、半導体レーザユニット２の数、及び、各半導体レーザユニット２に備えられる光射出領域（１０，２０）の数に応じて、異なる傾斜角を示す平坦面３２を含む。かかる構成により、各平坦面３２に入射された複数の第二光線束（１２，２２）は、いずれも、主光線（１２ｍ，２２ｍ）が、主光線同士の離間距離を縮小させるように、より好ましくは集光領域７０に向かうように、進行方向が変換される。また、第二光線束（１２，２２）に含まれる主光線（１２ｍ，２２ｍ）以外の光線についても、各主光線（１２ｍ，２２ｍ）と実質的に同方向に向かって進行方向が変換される。この結果、各第二屈折光学系３から射出された第二光線束（１２，２２）は、いずれもが、同一の集光領域７０に向かって進行する。この結果、狭い面積を示す集光領域７０内に、各第二光線束（１２，２２）が導かれるため、集光領域７０を含む領域に後段光学系４０の入射面を配置することで、輝度の高い光を後段光学系４０に導くことができる。
　なお、図８に図示されているように、第二屈折光学系３は、隣接する一対の第二光線束（１２，２２）に関して、一方の第二光線束２２の上光線２２ａと、他方の第二光線束１２の下光線１２ｂとが交差する位置（特定位置）よりも後段に配置されるのが好ましい。このとき、第二屈折光学系３の各平坦面（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，‥‥）に入射されるより前の段階において、隣接する第二光線束（１２，２２）同士が完全に分離されるため、各第二光線束（１２，２２）に含まれるほぼ全ての光線を、各主光線（１２ｍ，２２ｍ）と同じ方向に進行させることができる。
　第二屈折光学系３は、入射された各第二光線束（１２，２２）の各主光線（１２ｍ，２２ｍ）を、ほぼ同一の位置に向かって進行方向を変換させる機能を有していれば、どのような光学部材で構成しても構わない。一例として、第二屈折光学系３は、複数の平坦面３２を有してなるプリズムで構成される。
　なお、図１２及び図１３に示されるように、第二屈折光学系３は、傾斜角の異なる平坦面３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，‥‥）毎に分割された複数の光学素子（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，‥‥）を含む構成としても構わない。この場合、第二屈折光学系３は、半導体レーザユニット２の数に対応した数の光学素子（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，‥‥）を備える。
　また、第二屈折光学系３は、傾斜角の異なる平坦面３２に代えて、この平坦面３２を基礎とする凸曲面３３を備える構成としても構わない。図１４は、図１１にならって、凸曲面３３を備える第二屈折光学系３の一部を模式的に図示したものである。
　ここで、平坦面３２を基礎とする凸曲面３３とは、ＸＺ平面上において、平坦面３２によって構成される線分の始点と終点を結ぶ円弧状又は楕円弧状の曲線を示す曲面である。より好ましくは、各主光線（１２ｍ，２２ｍ）が凸曲面３３に入射されると、それぞれの主光線（１２ｍ，２２ｍ）同士が実質的に同一の箇所に向かうように、主光線（１２ｍ，２２ｍ）が入射される箇所における凸曲面３３の接平面の傾斜角が設定されている。
　このとき、凸曲面３３の各焦点距離は、第二屈折光学系３と集光領域７０との間の距離以上であるのが好ましく、両者が実質的に同一であるのがより好ましい。この場合、各第二光線束（１２，２２）に含まれる、主光線（１２ｍ，２２ｍ）以外の光線についても、主光線（１２ｍ，２２ｍ）とほぼ同一の箇所に集光させることができるため、極めて輝度の高い光が実現される（図１５参照）。
　なお、後段光学系４０の入射面が、集光領域７０よりも前段に配置される場合には、主光線（１２ｍ，２２ｍ）が交差する手前の位置で、各第二光線束（１２，２２）が後段光学系４０に入射されることになる。この場合、各凸曲面３３の焦点距離が、後段光学系４０が存在しないと仮定して主光線（１２ｍ，２２ｍ）を仮想的に延長させたときに両者が交差する箇所と第二屈折光学系３との間の距離に実質的に同一であるものとするのが好ましい。この場合も、各第二光線束（１２，２２）に含まれる、主光線（１２ｍ，２２ｍ）以外の光線についても、主光線（１２ｍ，２２ｍ）の近傍に集光された状態で、後段光学系４０に入射される。
　後段光学系４０としては、光源装置１から射出される光の利用目的に応じて、ロッドインテグレータ、レンズなどの種々の光学系を採用することができる。
　図１６は、上述した光源装置１を含むプロジェクタの構成例を模式的に示す図面である。プロジェクタ９は、光源装置１を含む照明光学系８０と、照明光学系８０から導かれた光から映像光を生成し、スクリーンに投影する映像光学系９０とを備える。なお、この例では、図７に図示された後段光学系４０が、光源装置１の後段に配置されている照明光学系８０の要素に対応する。
　図１６に示す例では、光源装置１を青色用光源とした場合が想定されている。光源装置１から射出された、輝度の高い青色光は、必要に応じて拡散板８１で干渉性が低減された後、レンズ８２によってビーム幅の狭い平行光に変換された後、ダイクロイックミラー８３に導かれる。青色光は、ダイクロイックミラー８３で反射された後、蛍光体ホイール８４に導かれる。この際、必要に応じてレンズによって集光されるものとすることができる。蛍光体ホイール８４には、黄色蛍光体の塗布領域、緑色蛍光体の塗布領域、青色光を透過させる切欠き領域が、所定の角度毎に設けられており、蛍光体ホイール８４の回転に応じて、蛍光体ホイール８４で反射される光／又は通過する光の波長が変化する。
　蛍光体ホイール８４を通過した青色光は、必要に応じてレンズを介して平行光化された後、ミラー（８５，８５，８５）を介して再びダイクロイックミラー８３に戻される。なお、必要に応じてミラー間にレンズが設けられる。
　蛍光体ホイール８４によって反射された黄色光又は緑色光は、ダイクロイックミラー８３を透過する。すなわち、ダイクロイックミラー８３において、各色の光が合成され、必要に応じてレンズで集光された後、フィルタホイール８６を介してロッドインテグレータ８７に入射される。フィルタホイール８６は、短波長成分をカットするフィルタが塗布された領域と、光をそのまま透過させる領域とが所定の角度毎に設けられている。フィルタ領域を光が透過すると、短波長成分がカットされ、赤色光が生成される。
　ロッドインテグレータ８７を通過した合成光は、必要に応じてレンズを介してビーム幅が調整された後、映像光学系９０に入射される。映像光学系９０は、照明光学系８０から照射される光を受けて映像を生成する装置であって、例えばレンズ９１と、全反射プリズム９２と、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス、登録商標）９３を有している。ロッドインテグレータ８７を通過した合成光は、レンズ９１を介して全反射プリズム９２に入射されると、プリズム面で反射された後、ＤＭＤ９３へ導かれる。ＤＭＤ９３は、可動式のマイクロミラーを複数有しており、図示しない制御部によって、それぞれに入射する各色光のタイミングに合わせ、かつ入力される映像信号に応じて制御される。ＤＭＤ９３によって変調された光は、全反射プリズム９２を透過して投写レンズ９４へ導かれ、投射レンズ９４を介して図示しないスクリーン上に投射される。
　図１６に示すように、プロジェクタ９が光源装置１で生成された光を光源として利用することで、極めて輝度の高い光が利用できるため、プロジェクタ９の出力を大幅に向上させることができる。
　なお、図１６に示すプロジェクタ９は、変調装置が、反射型の素子（ＤＭＤ）で構成される場合について説明したが、透過型の液晶素子で構成されていても構わない。照明光学系８０や映像光学系９０は、変調装置の構成に応じて適宜変更される。
　［別実施形態］
　以下、別実施形態につき説明する。
　〈１〉図７等を参照して上述した半導体レーザチップ５は、２つの光射出領域（１０，２０）を有するマルチエミッタ型の構成であった。この半導体レーザチップ５が備える光射出領域の数は、２個に限定されず、３個以上であっても構わない。第二屈折光学系３が備える、傾斜角の異なる平坦面（３ａ，３ｂ，‥‥）の数は、同一の半導体レーザユニット２に含まれる光射出領域の数に応じて設定される。
　逆に、各半導体レーザチップ５は、例えば図１Ａを参照して上述したように、単独の光射出領域を有するシングルエミッタ型の構成であり、複数の半導体レーザチップ５からの射出光が、第一屈折光学系６に入射される構成であっても構わない（図１７参照）。更に、図１７のように、複数の半導体レーザチップ５からの射出光が、第一屈折光学系６に入射される態様において、各半導体レーザチップ５がマルチエミッタ型の構造であっても構わない。また、第一屈折光学系６は各半導体レーザチップ５に対応して設けられていれば良く、該第一屈折光学系６自身が個別に設けられていても、アレー状に一体形成されていても構わない。
　〈２〉上記実施形態では、第二屈折光学系３は、第一屈折光学系６とは反対側の面、すなわち、光射出面側に、傾斜角の異なる複数の平坦面３２を有するものとしたが、第一屈折光学系６側の面、すなわち、光入射面側に傾斜角の異なる複数の平坦面３２を有するものとしても構わない。この場合においても、「平坦面３２」に代えて「凸曲面３３」としても構わない。
　ただし、角度によっては、平坦面３２に入射された第二光線束（１２，２２）の一部の光線が全反射する可能性があるため、光の利用効率を更に高める観点では、第二屈折光学系３は光射出面側に平坦面３２を設けるのが好ましい。
　〈３〉上記実施形態では、各半導体レーザチップ５は、光射出領域（１０，２０）が半導体レーザチップ５の端面に形成された、いわゆる「端面発光型」の構造である場合を想定して説明した。しかし、本発明は、各半導体レーザチップ５が、半導体層の積層方向に光が取り出される、いわゆる「面発光型」の構造であっても、同様に適用可能である。
　〈４〉本発明に係る光源装置１は、複数の光線束を集光して、所定の照射対象物に照射するアプリケーションであれば、プロジェクタ以外にも適用可能である。一例として、光源装置１を露光装置用の光源として利用することが可能である。
　〈５〉図１８に示すように、第二屈折光学系３が、屈折光学系５１と集光レンズ５２とを含む構成としても構わない。屈折光学系５１は、光入射面側に相互に傾斜角の異なる平坦面（５１ａ，５１ｂ）を備える。また、屈折光学系５１は、光射出面側に、光軸６３に対して直交する平坦面５１ｃを備え、この平坦面５１ｃに連結するように集光レンズ５２が配されている。
　平坦面（５１ａ，５１ｂ）は、それぞれに異なる光射出領域（１０，２０）から射出された主光線が入射され、両者を略平行にするように傾斜角が設定されている。この結果、屈折光学系５１に入射された第二光線束（１２，２２）は、略平行光線束として屈折光学系５１内を進行する。その後、連結された集光レンズ５２に入射されると、第二光線束（１２，２２）は、主光線（１２ｍ，２２ｍ）及びその周囲を進行する光線が、集光レンズ５２の焦点に集光される。これにより、図１５の構成と同様、主光線（１２ｍ，２２ｍ）以外の光線についても、主光線（１２ｍ，２２ｍ）とほぼ同一の箇所に集光させることができるため、極めて輝度の高い光が実現される。
　〈６〉　上述した光源装置１が備える光学配置態様は、あくまで一例であり、本発明は、図示された各構成に限定されない。例えば、ある光学系と別の光学系との間において、光の進行方向を変化させるための反射光学系が適宜介在されていても構わない。
　　　　１　　　：　　光源装置
　　　　２　　　：　　半導体レーザユニット
　　　　３　　　：　　第二屈折光学系
　　　　５　　　：　　半導体レーザチップ
　　　　６　　　：　　第一屈折光学系
　　　１０，２０　　：　　光射出領域（エミッタ）
　　　１１，２１　：　　第一光線束
　　　３１，３２　　　：　　第二屈折光学系の平坦面
　　　３３　　　　：　　第二屈折光学系の凸曲面
　　　４０　　　：　　後段光学系
　　　５１　　　：　　第二屈折光学系の一部をなす屈折光学系
　　　５２　　　：　　第二屈折光学系の一部をなす集光レンズ
　　　６１　　　：　　第一屈折光学系の光軸
　　　６３　　　：　　第二屈折光学系の光軸
　　　７０　　　：　　集光領域
　　　８０　　　：　　照明光学系
　　　８１　　　：　　拡散板
　　　８２　　　：　　レンズ
　　　８３　　　：　　ダイクロイックミラー
　　　８４　　　：　　蛍光体ホイール
　　　８５　　　：　　ミラー
　　　８６　　　：　　フィルタホイール
　　　８７　　　：　　ロッドインテグレータ
　　　９０　　　：　　映像光学系
　　　９１　　　：　　レンズ
　　　９２　　　：　　全反射プリズム
　　　９３　　　：　　ＤＭＤ
　　　９４　　　：　　投射レンズ
　　１００，１１０　　　：　　半導体レーザチップ
　　１０１，１１１，１１２　　　：　　エミッタ
　　１０１Ｌ，１１１Ｌ，１１２Ｌ　　：　　エミッタから射出される光線束
　　１０２　　　：　　　コリメートレンズ
　　１２０　　　：　　集光レンズ
　　１３１，１３２　　　：　　結像位置
　　ｆ６　　　：　　第一屈折光学系の焦点距離

Claims (7)

  1. 　同一の又は異なる半導体レーザチップ上に設けられた複数の光射出領域と、隣接する複数の前記光射出領域から射出された複数の第一光線束が入射されて、前記複数の第一光線束それぞれを、略平行光線束である複数の第二光線束に変換して射出する第一屈折光学系とを含む、複数の半導体レーザユニットと、
    　異なる傾斜角を有する複数の平坦面、又は前記複数の平坦面のそれぞれを基礎として突出する複数の凸曲面を含み、同一の前記半導体レーザユニットから射出された複数の前記第二光線束それぞれの少なくとも一部が異なる前記平坦面又は異なる前記凸曲面に入射されて、同一の前記半導体レーザユニットから射出された複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線同士の離間距離を縮小するように複数の前記第二光線束の進行方向を変換して射出する第二屈折光学系と、を備え、
    　前記第二屈折光学系は、前記半導体レーザユニットの数に対応して配置されていることを特徴とする、光源装置。
  2. 　前記第二屈折光学系は、異なる傾斜角を有する複数の前記平坦面のそれぞれを基礎として前記第一屈折光学系とは反対側に突出する複数の凸曲面を含む構成であり、
    　複数の前記凸曲面の焦点距離は、前記第二屈折光学系の光射出面側の位置から、前記第二屈折光学系から射出された複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線同士の交差箇所、又は複数の前記第二光線束のそれぞれの主光線の仮想延長線同士の交差箇所までの距離以上であることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
  3. 　同一の前記第一屈折光学系から射出された複数の前記第二光線束が入射される前記複数の平坦面、又は同一の前記第一屈折光学系から射出された複数の前記第二光線束が入射される前記複数の凸曲面が基礎とされる前記複数の平坦面は、前記第二屈折光学系の光軸からの距離が遠いほど、傾斜角の絶対値が小さいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の光源装置。
  4. 　前記第一屈折光学系は、光射出面側に突出する曲面を有し、
    　前記第二屈折光学系は、前記第一屈折光学系に対して、前記第一屈折光学系の焦点距離よりも離れた位置に配置されていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の光源装置。
  5. 　前記第二屈折光学系は、隣接する一対の前記第二光線束に関して、一方の前記第二光線束の上光線と他方の前記第二光線束の下光線とが交差する特定位置、又は前記特定位置よりも前記第一屈折光学系に対して離れた位置に配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の光源装置。
  6. 　前記第二屈折光学系は、隣接する前記半導体レーザユニットから射出された前記第二光線束が入射されない位置に配置されていることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の光源装置。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項の光源装置から射出された光を利用して画像を投影することを特徴とするプロジェクタ。
     
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