JP3973356B2 - 照明光学装置及び照明光学装置を用いたプロジェクタ - Google Patents
照明光学装置及び照明光学装置を用いたプロジェクタ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光学装置及び該照明光学装置を用いたプロジェクタ、より詳細には、レーザアレイ光源からのアレイ光を被照射部に均一照明する光学系、および該照明光学系を用いたプロジェクタに関し、例えば、レーザ加工器や、ステッパ等に応用可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ビーム変換装置は、領域分割されたホログラムで構成されている。入射される不均一強度のビームは、各領域からの光が被照射部全面を照らすため、一度、ビームを領域分割した後、各々を足し合わせる。したがって、ビームの光強度が均一化されるフライアイレンズやホモジナイザをホログラムに置き換えている。
ところが、レーザアレイ光のように複数の光源があって、それぞれの出射光が広がって放射されるビームの場合、隣接するレーザ光とビームが重なると複数の波面が存在することになる。各領域のホログラム内の微小な領域を考えると、特定の入射角の光が、あらかじめ設計された方向に回折される。それが、微小な領域に複数の入射角の光が入射されると、回折されない光が存在したり、回折角の異なる回折光が発生したりする。このために、レーザアレイ光の場合、この装置を使うだけでは均一照明できない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
請求項１の発明は、レーザアレイ光源からの光を均一照明する照明系で、ホモジナイザの分割数が比較的少なくても均一化可能であること、更には、２つ以上のレーザアレイ光源からの光を被照射部に均一照明させること、及び、光学系を作りやすいにもかかわらず性能を損なわないことを目的とする。
請求項２の発明は、２つ以上のレーザアレイ光源からの光を被照射部に均一照明させる光学系で、光学部材の設置が容易であって色合成素子の効果を低減させないことを目的とする。
【０００４】
請求項３の発明は、２つ以上のレーザアレイ光源からの光を被照射部に均一照明させる光学系で、ホモジナイザの設計を容易にすることを目的とする。
請求項４の発明は、２つ以上のレーザアレイ光源からの光を被照射部に均一照明させる光学系で、アレイ光を合成する光学系の配置自由度を増すことを目的とする。
【０００５】
請求項５の発明は、２つ以上のレーザアレイ光源からの光を被照射部に均一照明させる光学系で、色合成素子での光利用効率を高めることを目的とする。
請求項６の発明は、２つ以上のレーザアレイ光源からの光を被照射部に均一に照明させ、かつ、光学系をコンパクトにすることを目的とする。
【０００６】
請求項７の発明は、前述の照明系を用いて、コンパクト、高性能なプロジェクタを提供することを目的とする。
請求項８の発明は、フィールドシーケンシャルに適したプロジェクタを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、前記ホモジナイザは、レンズアレイ又はレンチキュラーレンズのいずれかを含んで構成され、各レーザアレイ光源と前記光合成素子との間にレーザアレイ光源のアレイ方向成分の光束のみを平行光にする第１光学部材を有し、前記レンズアレイ又はレンチキュラーレンズの前記レーザアレイ光源のアレイ方向の分割数が前記レーザアレイ光源のアレイ数の約数ではないことを特徴としたものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１光学部材と光合成素子との間に、レーザアレイ光源のアレイ厚さ方向成分の光束のみを平行光にする第２光学部材を設けたことを特徴としたものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記光合成素子と前記ホモジナイザの間に、レーザアレイ光源のアレイ厚さ方向成分の光束のみを平行光にする第２光学部材を設けたことを特徴としたものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記光合成素子は、波長選択性のあるホログラム素子であることを特徴としたものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記光合成素子は、クロスダイクロイックミラーまたはクロスプリズムのいずれかであることを特徴としたものである。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記光合成素子はクロスダイクロイックミラーであり、前記レーザアレイ光源は前記クロスダイクロイックミラーの交線と当該レーザアレイ光源のアレイ方向とが直交されて配置されていることを特徴としたものである。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学装置と、空間光変調器と、画像を投射する投影手段とを備えたプロジェクタである。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、レーザアレイ光源に対し点灯と消灯とを繰り返す光強度変調手段と、前記光強度変調手段に同期して前記空間光変調器の画像をレーザアレイ光源毎に切り替える切替手段とを備えたことを特徴としたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施例１
図１は、本発明による照明光学装置の一実施例を説明するための要部構成図で、この実施例は、図１に示すように、レーザアレイ光源１ａ，１ｂと、各レーザアレイ光源のそれぞれのアレイ光をすべて平行光束化させる光学部材２ａ，２ｂと、光学部材２ａ，２ｂからの平行光束を合成する光合成素子３とホモジナイザ４とで構成される。
【００２０】
レーザアレイ光源１ａ，１ｂは、レーザ発光部がライン状に配置されている。光学部材２ａ，２ｂは、例えば、コリメートレンズアレイを用いることができ、対応するレーザアレイ光源のすべてのアレイ光をそれぞれコリメートさせる。光合成素子３は、例えば、ダイクロイックミラーで構成しても良い。また、偏光ビームスプリッタを使用しても良い。ただし、この場合、光源１ａ，１ｂの偏光方向は直交していることが望ましい。合光された光はホモジナイザ４で被照射部５に均一照明される。
【００２１】
ホモジナイザ４は、例えば、レンズアレイやプリズムアレイを使用することができる。レンズアレイとしては、フライアイレンズとコンデンサレンズの組み合わせや、直交したシリンドリカルレンズアレイ２枚を用いることができる。また、図１では、ホモジナイザ４をひとつの光学素子で示しているが、紙面に平行な成分と垂直な成分を個別のホモジナイザで照度均一化させても良い。
【００２２】
実施例２
図２は、本発明の他の実施例を説明するための要部構成図で、この実施例は、図２に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ（赤），１１ｇ（緑），１１ｂ（青）と、各光源の多数のビームの各々を平行光束化（コリメート）させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、色合成素子（クロスダイクロイックミラー１３）と、ホモジナイザ１４で構成される。１５は被照射部である。レーザアレイ光源はレーザ発振部がライン状に配列された光源である。
【００２３】
図３は、図２に示した照明光学装置の側面図で、光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、例えば、マイクロレンズアレイを用いて実現できる。光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、レーザアレイ光源のアレイピッチと同程度のピッチであって、各マイクロレンズの焦点位置にレーザ発光部がくるように配置される。
【００２４】
クロスダイクロイックミラー１３は、図２の配置の場合では、光源１１ｂの光がクロスダイクロイックミラー１３のダイクロイック膜１３ｂで反射し、光源１１ｒからの光はダイクロイック膜１３ｒで反射される。一方、光源１１ｇからの光はダイクロイック膜１３ｂ，１３ｒを透過する。この様にして３色のレーザ光はクロスダイクロイックミラー１３で合光されホモジナイザ１４に向かう。この段階では３種類のレーザアレイ光はそれらの進行方向が一致しているだけで、各々のレーザアレイ光の光強度分布は不均一である。
【００２５】
ホモジナイザ１４は、例えば、レンズアレイとコンデンサレンズの組合せで実現できる。それ以外にも２枚のレンチキュラーレンズを直交させて配置しても良い。ホモジナイザ１４は入射される光を分割して、各々の分割光を被照射部１５で重ね合わせるはたらきをする。このため、ビームの強度均一化が図れる。
以上の構成によって、レーザアレイ光源を合光して、かつ、被照射部を均一照明することができる。
【００２６】
実施例３
図４，図５に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、各光源の多数のビームの各々を平行光束化（コリメート）させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、色合成素子（クロスダイクロイックミラー２３）と、ホモジナイザ１４（１４ｒ，１４ｇ，１４ｂ）で構成される。１５は被照射部である。クロスダイクロイックミラー２３の交線がレーザアレイのアレイ方向に平行となるように配置させる。光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂには実施例２と同様にマイクロレンズアレイを用いることができる。図５から分かるように、本実施例３の配置によれば、３つのレーザアレイ光源を接近させることができるため、光学系をさらにコンパクトにまとめることができる。
【００２７】
本実施例３も、前記実施例２と同様に、クロスダイクロイックミラーとホモジナイザの間にレーザアレイ厚さ方向のビームを平行光束化させる光学部材（図示せず）を用いても良い。この場合には、ホモジナイザへの入射光はコリメート光である。光学部材を用いずに、レーザアレイ厚さ方向のビームをそのまま発散させる場合には、入射光が発散光であるホモジナイザの設計をする必要がある。レーザアレイ厚さ方向の平行光束化の光学部材の有無は本発明の効果に影響を与えないため、どちらの構成を選択しても構わない。
【００２８】
実施例４
図６に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、レーザアレイのアレイ方向のビームを平行光束化させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、クロスダイクロイックミラー１３と、ホモジナイザ１４（１４ｒ，１４ｇ，１４ｂ）で構成される。光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、例えば、レンチキュラーレンズを用いることができる。レーザアレイ光源のアレイピッチと同程度のレンズピッチを持っていれば良い。マイクロレンズアレイと異なり、レンチキュラーレンズであれば、図６で、紙面内、すなわち、レーザアレイのアレイ厚さ方向の設置の自由度は高い。アレイ方向との精密な位置調整と、フォーカス方向の位置合わせだけで良い。
【００２９】
本実施例の構成によれば、レーザアレイ光のビームはアレイ方向のみを平行光束化させるだけで所望の特性が得られる。レーザ厚み方向に発散されるビーム成分が仮に発散角がα（図７参照）とすると、ダイクロイック膜への入射角θは４５°−α＜θ＜４５°＋αとなる。すなわち、クロスダイクロイックミラーにおいて、アレイ厚さ方向のビームの広がりによる分光特性変化量はアレイ方向に対する変化量より小さくなる。従って、厚さ方向のビームはコリメートする必要がない。
【００３０】
実施例５
図８，図９に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、アレイ方向の拡散ビームをそれぞれ平行光束化させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、レーザアレイ厚み方向を平行光束化させる光学部材５０ｒ，５０ｇ，５０ｂと、クロスダイクロイックミラー１３と、ホモジナイザ１４で構成される。
【００３１】
レーザアレイ光源はライン状にレーザ発振部が配列している。光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、例えば、レンチキュラーレンズを用いることができる。レーザアレイのアレイピッチとレンチキュラレンズのアレイピッチを同程度とし、レンチキュラーレンズの各レンズの焦点位置にレーザ発振部を合わせる。これらの位置関係によって、レーザアレイ光源のアレイ方向の拡散ビームを平行光束化できる。レンチキュラーを通過した光はレーザアレイ厚さ方向は拡散していくが、光学部材５０ｒ，５０ｇ，５０ｂで平行光束化される。光学部材５０ｒ，５０ｇ，５０ｂとしてはシリンドリカルレンズを用いることができる。クロスダイクロイックミラー１３で３つのレーザアレイ光をホモジナイザ側に合光する。ホモジナイザ１４（１４ｒ，１４ｇ，１４ｂ）によって各レーザアレイ光は被照射部１５に均一照明される。
【００３２】
レンチキュラーレンズとシリンドリカルレンズを併用することによって、クロスダイクロイックミラーへの入射角はほぼ一定になる。図８では、入射角はほぼ４５°となる。このため、本実施例の構成によると、入射角が異なることでダイクロイック膜の分光特性が変化してしまう影響は無くなる。また、レーザアレイ光をレンズアレイで平行光束化する光学系よりも、アレイ方向とアレイ厚さ方向を個別の光学素子で平行光束化させるので、光学素子が設置しやすい。
また、ホモジナイザには３つのレーザアレイ光がほぼ垂直入射となるため、ホモジナイザの設計が容易になる。
【００３３】
実施例６
図１０，図１１に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、アレイ方向の拡散ビームをそれぞれ平行光束化させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、クロスダイクロイックミラー１３と、レーザアレイ厚み方向を平行光束化させる光学素子５１と、ホモジナイザ１４で構成される。
【００３４】
レーザアレイ光源はライン状にレーザ発振部が配列している。光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、例えば、レンチキュラーレンズを用いることができる。レーザアレイのアレイピッチとレンチキュラレンズのアレイピッチを同程度とし、レンチキュラーレンズの各レンズの焦点位置にレーザ発振部を合わせる。これらの位置関係によって、レーザアレイ光源のアレイ方向の拡散ビームを平行光束化できる。レンチキュラーを通過した光はクロスダイクロイックミラー１３でホモジナイザ側に合光する。レーザアレイ厚さ方向は拡散していくが、光学素子５１で平行光束化される。光学素子５１にはシリンドリカルレンズを用いることができる。ホモジナイザ１４によって各レーザアレイ光は被照射部１５に均一照明される。
【００３５】
クロスダイクロイックミラー１３は、図１１において、上下方向に広がるビームを合光する。このため入射角は４５°とは異なるが、入射角依存性の少ない干渉膜に設計することによって合光するはたらきを保つことができる。
また、レーザアレイ厚さ方向を平行光束化させる光学素子５１は、１個で構成できるので、光学系の部品点数を減らすことができ、さらに、コンパクトにできる。光学素子５１を通過したビームはホモジナイザ１４に垂直入射する。ホモジナイザ１４によって３つのレーザアレイ光が被照射部１５に均一照明される。
【００３６】
実施例７
図１２に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、アレイ方向の拡散ビームをそれぞれ平行光束化させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、クロスダイクロイックプリズム４３と、レーザアレイ厚み方向を平行光束化させる光学素子５１と、ホモジナイザ１４で構成される。
【００３７】
各レーザアレイ光源はレーザ発振部がライン状に配置されている。光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、例えば、レンチキュラーレンズを用いることができる。レーザアレイのアレイピッチとレンチキュラレンズのアレイピッチを同程度とし、レンチキュラーレンズの各レンズの焦点位置にレーザ発振部を合わせる。これらの位置関係によって、レーザアレイ光源のアレイ方向の拡散ビームを平行光束化できる。レンチキュラーを通過した光はクロスダイクロイックプリズム４３で合成される。合成された光は被照射部１５側に向かうが、各ビームのレーザアレイのアレイ厚さ方向の光束は発散しつづけている。
【００３８】
クロスダイクロイックプリズム４３は４つの３角プリズムで構成され、直角のでている稜線が合わさるように接着される。向かい合う面の少なくともどちらか一方の面にダイクロイックコーティングが施されている。
【００３９】
レーザアレイ厚み方向を平行光束化させる光学素子５１としてはシリンドリカルレンズを用いることができる。シリンドリカルレンズの焦点位置（ライン）が各レーザアレイの発光部となるように位置調整する。発散していたレーザアレイのアレイ厚さ方向の光束も平行光束化され、ホモジナイザ１４に入射される。ホモジナイザ１４へ入射されるビームはレーザアレイ光源のアレイ厚さ方向の強度分布も、アレイ方向の強度分布も均一ではない。ホモジナイザ１４としては、例えば、シリンドリカルレンズアレイを２枚直交した光学素子を用いたり、フライアイレンズ機能を有する光学素子を用いても良い。ホモジナイザによって、一度空間的に分割された光束が被照射部１５にそれぞれ重ね合わされるため均一照明される。
【００４０】
色合成素子にクロスダイクロイックプリズムを用いれば、クロスダイクロイックミラーの交線部分での光の損失をより一層小さくすることができる。クロスダイクロイックプリズムでは稜線部分の隙間が小さく、ダイクロイック膜の無い領域が少ないため被価値の損失が小さい。したがって、クロスダイクロイックプリズムを用いることによって光利用効率はより一層高くなる。
【００４１】
実施例８−１
図１３に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、アレイ方向の拡散ビームをそれぞれ平行光束化させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、色合成素子５３と、シリンドリカルレンズ５１と、ホモジナイザ１４で構成される。本実施例は、実施例７に適応させた例であり、レーザアレイ光を平行光束化させる手段としては、請求項２から請求項７までに記載されるどの方式を採用しても良い。
【００４２】
色合成素子５３は波長選択性のあるホログラム５３ｒ、５３ｂで構成される。ホログラム５３ｒはレーザアレイ光源１１ｒの光のみ回折させ、レーザアレイ光源１１ｇ、１１ｂの光は回折されない。同様に、ホログラム５３ｂはレーザアレイ光源１１ｂの光のみを回折させ、その他の光源１１ｇ，１１ｒの光は回折させない。図１３の場合、レーザアレイ光源１１ｒはレーザアレイ方向（紙面に平行な方向）のビーム成分が光学部材１２ｒ（たとえば、レンチキュラーレンズ）で平行光束化されている。レーザアレイ厚さ方向のビーム成分は発散光である。この放射特性に合わせてホログラムを設計する必要がある。
【００４３】
図示しないが、光学素子５１（たとえば、シリンドリカルレンズ）がレンチキュラーとホログラム素子の間に配置される場合、および、コリメートレンズアレイで各アレイ光がコリメートされる場合には、ホログラムへの入射光は平行光束であるため、それに合わせてホログラムを設計する必要がある。
【００４４】
色合成素子がホログラムで構成されているので、ホログラムの設計次第でレーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの位置関係は自由度が増す。具体的には、例えば、図１４に示すように、光学系を設計することができる。
【００４５】
実施例８−２
図１４に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、レンチキュラーレンズ１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、ホログラム素子６３ｒ，６３ｇ，６３ｂと、ホモジナイザ１４で構成される。図１４では、レーザアレイの発光部は紙面厚み方向に配列されている。
【００４６】
レーザアレイの各アレイ光はレンチキュラーレンズで、アレイ方向成分のみ平行光束化される。アレイ厚さ方向のビームはレンチキュラーレンズを透過しても発散しつづける。３つのレーザアレイ光はホログラム素子に入射する。ホログラム素子は波長選択性を持たせる。すなわち、レーザアレイ光源１１ｒからの光はホログラム素子６３ｒでのみ回折される。回折光はホモジナイザに向かい進行方向を変え、かつ、紙面内におけるビームを平行光束化させる。光源１１ｂからの光も、同様にして、ホログラム素子６３ｂでのみ回折され、ホモジナイザに向かって平行光束化される。さらに、レーザアレイ光源１１ｇからの光はホログラム素子６３ｇによって回折され、平行光束化される。
【００４７】
このように、色合成素子に波長選択性の有するホログラムを用いることによって、ホログラムにシリンドリカルレンズ機能を付加させることもでき、光学系の設計の自由度が増す。
【００４８】
実施例９
図１５に示すように、ホモジナイザ１４（１４ｒ，１４ｇ，１４ｂ）はそれぞれ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ用のビーム変換素子として機能する。図１５では、クロスダイクロイックミラー１３の交線がレーザアレイ方向に直交しているが、実施例３のように平行の配置でも良い。
【００４９】
例えば、波長選択性のあるホモジナイザとしては、ホログラムを用いることができる。とくに体積ホログラムであれば波長選択性を持たせることができる。光源１１ｇからの光はホモジナイザ１４ｒ，１４ｂでは回折されずに透過され、ホモジナイザ１４ｇでのみ回折される。領域分割されたホログラムのために、各領域からの光が被照射部全面１５を照らす。これが全領域のホモジナイザ１４ｇからの光が重なり合い、光源１１ｇの光は均一照明される。同じようにして、他のレーザ光も各々被照射部に均一照明される。
【００５０】
ホモジナイザにホログラム素子を用いれば、例えば、フライアイレンズとコンデンサレンズの機能をホログラム素子に置きかえることができる。波長選択性を持たせるホモジナイザであるため、３枚ホログラムが必要になるが、各レーザアレイ光源の発振波長に合わせてホログラム設計ができる。
【００５１】
実施例１０
レーザアレイの分割数が比較的大きい場合、例えば、アレイ数１０以上では、従来と同じ設計をすると分割数が極端に大きくなってしまう。従来のランプ（メタルハライドランプや超高圧水銀灯）用のフライアイレンズでは、ひとつの光源をアレイ数が１００個未満、水平方向でせいぜい１０個の分割数であった。この考え方をレーザアレイに適応させ、各レーザ光を分割しようとすると、
光源数×分割数
となり、水平方向（レーザアレイ方向）で１０００個を超えてしまう。このため、ホモジナイザの分割数を少なくして被照射部で均一化が図れるほうが良い。
【００５２】
レーザ光の光強度分布はガウシアン分布である。これがライン状にアレイ化されている。例えば、レーザアレイのアレイ数が１０５個であるとすると、ホモジナイザの分割数と、被照射部の光強度の均一性は、図１６に示すようになる。すなわち、ホモジナイザの分割数をレーザアレイのアレイ数より小さい数にする場合、分割数がアレイ数の約数でなければ良い。約数でなければ、被照射部において、ホモジナイザの各分割領域からの光は被照射部で光強度分布の位相をずらして重ね合わされる。このため、照度均一化が図れる。
【００５３】
実施例１１
プロジェクタの光源に可視光レーザを用いれば、ランプに比べてスペクトル線幅が極端に狭いため、ダイクロイック膜での光の合成時などで光のロスが小さくなる。しかし、可視光レーザの出力が大きいものはレーザ装置が大きいため、コンパクトなプロジェクタの光源には不向きになる。ところが、レーザアレイ光源を用いれば比較的コンパクトで高出力な光源となる。
【００５４】
図１７は、以上に説明した照明光学装置のいずれかを用いたプロジェクタの実施例を説明するための図で、該プロジェクタは、本発明による照明光学装置１０１と、画像を出すための空間変調器（ライトバルブ）１０２と、投射レンズ１０３で構成される。また、ライトバルブ１０２からの光を投射レンズの瞳に効果的に入れるために、ライトバルブの直前もしくは直後にフィールドレンズ１０４を用いても良い。小型の照明光学系で、かつ、単板のライトバルブを用いることによって、コンパクトなプロジェクタを提供することができる。
【００５５】
実施例１２
実施例１１の構成において、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを順次点灯、消灯を繰り返す光強度変調させる駆動をして、この変調に同期してライトバルブ１０２の画像を光源ごとに順次切り替えることによってフィールドシーケンシャル駆動をすることができる。光源はレーザであるため、フィールドシーケンシャル駆動に必要な変調周波数は容易に得られる。コンパクトな照明光学系で均一照度が得られるため、プロジェクタ装置としてもコンパクトであり、フィールドシーケンシャル駆動ができる。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１の発明によると、レーザアレイ光を均一照明させるホモジナイザの分割数が少なくても被照射部で均一化できる。また、レーザアレイ光源のアレイ方向成分の光束を光学部材で平行光束化させるため、この光学部材の設置が比較的容易になる。
【００５８】
請求項２の発明によると、ダイクロイック膜への入射角がほぼ一定となるため、膜設計が容易になる。また、ホモジナイザへの入射角もほぼ一定であるため、ホモジナイザ作製が容易になる。
【００５９】
請求項３の発明によると、シリンドリカルレンズをひとつにすることができ、さらにコンパクトになる。ホモジナイザへの入射角がほぼ一定であるため、ホモジナイザ作製が容易になる。
【００６２】
請求項４の発明によると、色合成をホログラム素子で行うため、光学系の設計にレイアウトの自由度が増し、さらにコンパクトな照明光学系を実現できる。
【００６３】
請求項５の発明によると、クロスダイクロイックプリズムであるため、クロスダイクロイックミラーに比べて交線（稜線）付近による影が無くなるため、光利用効率が高くなる。
【００６４】
請求項６の発明によると、アレイ厚さ方向の光束成分をコリメートしなくてもクロスダイクロイックミラーの交線をレーザアレイ光源のアレイ方向に直交する配置であるため、ダイクロイック膜の影響を小さくすることができる。
【００６６】
請求項７の発明によると、コンパクトなプロジェクタが実現できる。
【００６７】
請求項８の発明によると、コンパクトなプロジェクタで、フィールドシーケンシャル駆動ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による照明光学装置の一実施例（２つ以上のレーザアレイ光源を用いる例）を説明するための要部平面構成図である。
【図２】 本発明の他の実施例（３つのレーザアレイ光源を用いた例）を説明するための要部構成図である。
【図３】 図２に示した照明光学装置の側面図である。
【図４】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図５】 図４に示した実施例の平面構成図である。
【図６】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図７】 図６に示した実施例における発散角αを示す図である。
【図８】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図９】 図８に示した実施例の側面構成図である。
【図１０】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図１１】 図１０に示した実施例の側面構成図である。
【図１２】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図１３】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図１４】 図１３に示した実施例の変形例を示す図である。
【図１５】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図１６】 ホモジナイザの分割数と、被照射部の光強度の均一性を示す図である。
【図１７】 照明光学装置を用いたプロジェクタの実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…レーザアレイ光源、２ａ，２ｂ…光学部材、３…光合成素子、４…ホモジナイザ、５…被照射部、１１ｂ，１１ｇ，１１ｒ…レーザアレイ光学、１２ｂ，１２ｇ，１２ｒ…光学部材、１３，２３，４３，５３…色合成素子、１４…ホモジナイザ、１５…被照射部、５０ｂ，５０ｇ，５０ｒ…光学部材、５１…光学素子、６３ｒ，６３ｂ…ホログラム素子、１０１…照射光学装置、１０２…ライトバルブ、１０３…投射レンズ、１０４…フィールドレンズ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光学装置及び該照明光学装置を用いたプロジェクタ、より詳細には、レーザアレイ光源からのアレイ光を被照射部に均一照明する光学系、および該照明光学系を用いたプロジェクタに関し、例えば、レーザ加工器や、ステッパ等に応用可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ビーム変換装置は、領域分割されたホログラムで構成されている。入射される不均一強度のビームは、各領域からの光が被照射部全面を照らすため、一度、ビームを領域分割した後、各々を足し合わせる。したがって、ビームの光強度が均一化されるフライアイレンズやホモジナイザをホログラムに置き換えている。
ところが、レーザアレイ光のように複数の光源があって、それぞれの出射光が広がって放射されるビームの場合、隣接するレーザ光とビームが重なると複数の波面が存在することになる。各領域のホログラム内の微小な領域を考えると、特定の入射角の光が、あらかじめ設計された方向に回折される。それが、微小な領域に複数の入射角の光が入射されると、回折されない光が存在したり、回折角の異なる回折光が発生したりする。このために、レーザアレイ光の場合、この装置を使うだけでは均一照明できない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
請求項１の発明は、レーザアレイ光源からの光を均一照明する照明系で、ホモジナイザの分割数が比較的少なくても均一化可能であること、更には、２つ以上のレーザアレイ光源からの光を被照射部に均一照明させること、及び、光学系を作りやすいにもかかわらず性能を損なわないことを目的とする。
請求項２の発明は、２つ以上のレーザアレイ光源からの光を被照射部に均一照明させる光学系で、光学部材の設置が容易であって色合成素子の効果を低減させないことを目的とする。
【０００４】
請求項３の発明は、２つ以上のレーザアレイ光源からの光を被照射部に均一照明させる光学系で、ホモジナイザの設計を容易にすることを目的とする。
請求項４の発明は、２つ以上のレーザアレイ光源からの光を被照射部に均一照明させる光学系で、アレイ光を合成する光学系の配置自由度を増すことを目的とする。
【０００５】
請求項５の発明は、２つ以上のレーザアレイ光源からの光を被照射部に均一照明させる光学系で、色合成素子での光利用効率を高めることを目的とする。
請求項６の発明は、２つ以上のレーザアレイ光源からの光を被照射部に均一に照明させ、かつ、光学系をコンパクトにすることを目的とする。
【０００６】
請求項７の発明は、前述の照明系を用いて、コンパクト、高性能なプロジェクタを提供することを目的とする。
請求項８の発明は、フィールドシーケンシャルに適したプロジェクタを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、前記ホモジナイザは、レンズアレイ又はレンチキュラーレンズのいずれかを含んで構成され、各レーザアレイ光源と前記光合成素子との間にレーザアレイ光源のアレイ方向成分の光束のみを平行光にする第１光学部材を有し、前記レンズアレイ又はレンチキュラーレンズの前記レーザアレイ光源のアレイ方向の分割数が前記レーザアレイ光源のアレイ数の約数ではないことを特徴としたものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１光学部材と光合成素子との間に、レーザアレイ光源のアレイ厚さ方向成分の光束のみを平行光にする第２光学部材を設けたことを特徴としたものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記光合成素子と前記ホモジナイザの間に、レーザアレイ光源のアレイ厚さ方向成分の光束のみを平行光にする第２光学部材を設けたことを特徴としたものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記光合成素子は、波長選択性のあるホログラム素子であることを特徴としたものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記光合成素子は、クロスダイクロイックミラーまたはクロスプリズムのいずれかであることを特徴としたものである。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記光合成素子はクロスダイクロイックミラーであり、前記レーザアレイ光源は前記クロスダイクロイックミラーの交線と当該レーザアレイ光源のアレイ方向とが直交されて配置されていることを特徴としたものである。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学装置と、空間光変調器と、画像を投射する投影手段とを備えたプロジェクタである。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、レーザアレイ光源に対し点灯と消灯とを繰り返す光強度変調手段と、前記光強度変調手段に同期して前記空間光変調器の画像をレーザアレイ光源毎に切り替える切替手段とを備えたことを特徴としたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施例１
図１は、本発明による照明光学装置の一実施例を説明するための要部構成図で、この実施例は、図１に示すように、レーザアレイ光源１ａ，１ｂと、各レーザアレイ光源のそれぞれのアレイ光をすべて平行光束化させる光学部材２ａ，２ｂと、光学部材２ａ，２ｂからの平行光束を合成する光合成素子３とホモジナイザ４とで構成される。
【００２０】
レーザアレイ光源１ａ，１ｂは、レーザ発光部がライン状に配置されている。光学部材２ａ，２ｂは、例えば、コリメートレンズアレイを用いることができ、対応するレーザアレイ光源のすべてのアレイ光をそれぞれコリメートさせる。光合成素子３は、例えば、ダイクロイックミラーで構成しても良い。また、偏光ビームスプリッタを使用しても良い。ただし、この場合、光源１ａ，１ｂの偏光方向は直交していることが望ましい。合光された光はホモジナイザ４で被照射部５に均一照明される。
【００２１】
ホモジナイザ４は、例えば、レンズアレイやプリズムアレイを使用することができる。レンズアレイとしては、フライアイレンズとコンデンサレンズの組み合わせや、直交したシリンドリカルレンズアレイ２枚を用いることができる。また、図１では、ホモジナイザ４をひとつの光学素子で示しているが、紙面に平行な成分と垂直な成分を個別のホモジナイザで照度均一化させても良い。
【００２２】
実施例２
図２は、本発明の他の実施例を説明するための要部構成図で、この実施例は、図２に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ（赤），１１ｇ（緑），１１ｂ（青）と、各光源の多数のビームの各々を平行光束化（コリメート）させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、色合成素子（クロスダイクロイックミラー１３）と、ホモジナイザ１４で構成される。１５は被照射部である。レーザアレイ光源はレーザ発振部がライン状に配列された光源である。
【００２３】
図３は、図２に示した照明光学装置の側面図で、光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、例えば、マイクロレンズアレイを用いて実現できる。光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、レーザアレイ光源のアレイピッチと同程度のピッチであって、各マイクロレンズの焦点位置にレーザ発光部がくるように配置される。
【００２４】
クロスダイクロイックミラー１３は、図２の配置の場合では、光源１１ｂの光がクロスダイクロイックミラー１３のダイクロイック膜１３ｂで反射し、光源１１ｒからの光はダイクロイック膜１３ｒで反射される。一方、光源１１ｇからの光はダイクロイック膜１３ｂ，１３ｒを透過する。この様にして３色のレーザ光はクロスダイクロイックミラー１３で合光されホモジナイザ１４に向かう。この段階では３種類のレーザアレイ光はそれらの進行方向が一致しているだけで、各々のレーザアレイ光の光強度分布は不均一である。
【００２５】
ホモジナイザ１４は、例えば、レンズアレイとコンデンサレンズの組合せで実現できる。それ以外にも２枚のレンチキュラーレンズを直交させて配置しても良い。ホモジナイザ１４は入射される光を分割して、各々の分割光を被照射部１５で重ね合わせるはたらきをする。このため、ビームの強度均一化が図れる。
以上の構成によって、レーザアレイ光源を合光して、かつ、被照射部を均一照明することができる。
【００２６】
実施例３
図４，図５に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、各光源の多数のビームの各々を平行光束化（コリメート）させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、色合成素子（クロスダイクロイックミラー２３）と、ホモジナイザ１４（１４ｒ，１４ｇ，１４ｂ）で構成される。１５は被照射部である。クロスダイクロイックミラー２３の交線がレーザアレイのアレイ方向に平行となるように配置させる。光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂには実施例２と同様にマイクロレンズアレイを用いることができる。図５から分かるように、本実施例３の配置によれば、３つのレーザアレイ光源を接近させることができるため、光学系をさらにコンパクトにまとめることができる。
【００２７】
本実施例３も、前記実施例２と同様に、クロスダイクロイックミラーとホモジナイザの間にレーザアレイ厚さ方向のビームを平行光束化させる光学部材（図示せず）を用いても良い。この場合には、ホモジナイザへの入射光はコリメート光である。光学部材を用いずに、レーザアレイ厚さ方向のビームをそのまま発散させる場合には、入射光が発散光であるホモジナイザの設計をする必要がある。レーザアレイ厚さ方向の平行光束化の光学部材の有無は本発明の効果に影響を与えないため、どちらの構成を選択しても構わない。
【００２８】
実施例４
図６に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、レーザアレイのアレイ方向のビームを平行光束化させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、クロスダイクロイックミラー１３と、ホモジナイザ１４（１４ｒ，１４ｇ，１４ｂ）で構成される。光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、例えば、レンチキュラーレンズを用いることができる。レーザアレイ光源のアレイピッチと同程度のレンズピッチを持っていれば良い。マイクロレンズアレイと異なり、レンチキュラーレンズであれば、図６で、紙面内、すなわち、レーザアレイのアレイ厚さ方向の設置の自由度は高い。アレイ方向との精密な位置調整と、フォーカス方向の位置合わせだけで良い。
【００２９】
本実施例の構成によれば、レーザアレイ光のビームはアレイ方向のみを平行光束化させるだけで所望の特性が得られる。レーザ厚み方向に発散されるビーム成分が仮に発散角がα（図７参照）とすると、ダイクロイック膜への入射角θは４５°−α＜θ＜４５°＋αとなる。すなわち、クロスダイクロイックミラーにおいて、アレイ厚さ方向のビームの広がりによる分光特性変化量はアレイ方向に対する変化量より小さくなる。従って、厚さ方向のビームはコリメートする必要がない。
【００３０】
実施例５
図８，図９に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、アレイ方向の拡散ビームをそれぞれ平行光束化させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、レーザアレイ厚み方向を平行光束化させる光学部材５０ｒ，５０ｇ，５０ｂと、クロスダイクロイックミラー１３と、ホモジナイザ１４で構成される。
【００３１】
レーザアレイ光源はライン状にレーザ発振部が配列している。光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、例えば、レンチキュラーレンズを用いることができる。レーザアレイのアレイピッチとレンチキュラレンズのアレイピッチを同程度とし、レンチキュラーレンズの各レンズの焦点位置にレーザ発振部を合わせる。これらの位置関係によって、レーザアレイ光源のアレイ方向の拡散ビームを平行光束化できる。レンチキュラーを通過した光はレーザアレイ厚さ方向は拡散していくが、光学部材５０ｒ，５０ｇ，５０ｂで平行光束化される。光学部材５０ｒ，５０ｇ，５０ｂとしてはシリンドリカルレンズを用いることができる。クロスダイクロイックミラー１３で３つのレーザアレイ光をホモジナイザ側に合光する。ホモジナイザ１４（１４ｒ，１４ｇ，１４ｂ）によって各レーザアレイ光は被照射部１５に均一照明される。
【００３２】
レンチキュラーレンズとシリンドリカルレンズを併用することによって、クロスダイクロイックミラーへの入射角はほぼ一定になる。図８では、入射角はほぼ４５°となる。このため、本実施例の構成によると、入射角が異なることでダイクロイック膜の分光特性が変化してしまう影響は無くなる。また、レーザアレイ光をレンズアレイで平行光束化する光学系よりも、アレイ方向とアレイ厚さ方向を個別の光学素子で平行光束化させるので、光学素子が設置しやすい。
また、ホモジナイザには３つのレーザアレイ光がほぼ垂直入射となるため、ホモジナイザの設計が容易になる。
【００３３】
実施例６
図１０，図１１に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、アレイ方向の拡散ビームをそれぞれ平行光束化させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、クロスダイクロイックミラー１３と、レーザアレイ厚み方向を平行光束化させる光学素子５１と、ホモジナイザ１４で構成される。
【００３４】
レーザアレイ光源はライン状にレーザ発振部が配列している。光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、例えば、レンチキュラーレンズを用いることができる。レーザアレイのアレイピッチとレンチキュラレンズのアレイピッチを同程度とし、レンチキュラーレンズの各レンズの焦点位置にレーザ発振部を合わせる。これらの位置関係によって、レーザアレイ光源のアレイ方向の拡散ビームを平行光束化できる。レンチキュラーを通過した光はクロスダイクロイックミラー１３でホモジナイザ側に合光する。レーザアレイ厚さ方向は拡散していくが、光学素子５１で平行光束化される。光学素子５１にはシリンドリカルレンズを用いることができる。ホモジナイザ１４によって各レーザアレイ光は被照射部１５に均一照明される。
【００３５】
クロスダイクロイックミラー１３は、図１１において、上下方向に広がるビームを合光する。このため入射角は４５°とは異なるが、入射角依存性の少ない干渉膜に設計することによって合光するはたらきを保つことができる。
また、レーザアレイ厚さ方向を平行光束化させる光学素子５１は、１個で構成できるので、光学系の部品点数を減らすことができ、さらに、コンパクトにできる。光学素子５１を通過したビームはホモジナイザ１４に垂直入射する。ホモジナイザ１４によって３つのレーザアレイ光が被照射部１５に均一照明される。
【００３６】
実施例７
図１２に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、アレイ方向の拡散ビームをそれぞれ平行光束化させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、クロスダイクロイックプリズム４３と、レーザアレイ厚み方向を平行光束化させる光学素子５１と、ホモジナイザ１４で構成される。
【００３７】
各レーザアレイ光源はレーザ発振部がライン状に配置されている。光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、例えば、レンチキュラーレンズを用いることができる。レーザアレイのアレイピッチとレンチキュラレンズのアレイピッチを同程度とし、レンチキュラーレンズの各レンズの焦点位置にレーザ発振部を合わせる。これらの位置関係によって、レーザアレイ光源のアレイ方向の拡散ビームを平行光束化できる。レンチキュラーを通過した光はクロスダイクロイックプリズム４３で合成される。合成された光は被照射部１５側に向かうが、各ビームのレーザアレイのアレイ厚さ方向の光束は発散しつづけている。
【００３８】
クロスダイクロイックプリズム４３は４つの３角プリズムで構成され、直角のでている稜線が合わさるように接着される。向かい合う面の少なくともどちらか一方の面にダイクロイックコーティングが施されている。
【００３９】
レーザアレイ厚み方向を平行光束化させる光学素子５１としてはシリンドリカルレンズを用いることができる。シリンドリカルレンズの焦点位置（ライン）が各レーザアレイの発光部となるように位置調整する。発散していたレーザアレイのアレイ厚さ方向の光束も平行光束化され、ホモジナイザ１４に入射される。ホモジナイザ１４へ入射されるビームはレーザアレイ光源のアレイ厚さ方向の強度分布も、アレイ方向の強度分布も均一ではない。ホモジナイザ１４としては、例えば、シリンドリカルレンズアレイを２枚直交した光学素子を用いたり、フライアイレンズ機能を有する光学素子を用いても良い。ホモジナイザによって、一度空間的に分割された光束が被照射部１５にそれぞれ重ね合わされるため均一照明される。
【００４０】
色合成素子にクロスダイクロイックプリズムを用いれば、クロスダイクロイックミラーの交線部分での光の損失をより一層小さくすることができる。クロスダイクロイックプリズムでは稜線部分の隙間が小さく、ダイクロイック膜の無い領域が少ないため被価値の損失が小さい。したがって、クロスダイクロイックプリズムを用いることによって光利用効率はより一層高くなる。
【００４１】
実施例８−１
図１３に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、アレイ方向の拡散ビームをそれぞれ平行光束化させる光学部材１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、色合成素子５３と、シリンドリカルレンズ５１と、ホモジナイザ１４で構成される。本実施例は、実施例７に適応させた例であり、レーザアレイ光を平行光束化させる手段としては、請求項２から請求項７までに記載されるどの方式を採用しても良い。
【００４２】
色合成素子５３は波長選択性のあるホログラム５３ｒ、５３ｂで構成される。ホログラム５３ｒはレーザアレイ光源１１ｒの光のみ回折させ、レーザアレイ光源１１ｇ、１１ｂの光は回折されない。同様に、ホログラム５３ｂはレーザアレイ光源１１ｂの光のみを回折させ、その他の光源１１ｇ，１１ｒの光は回折させない。図１３の場合、レーザアレイ光源１１ｒはレーザアレイ方向（紙面に平行な方向）のビーム成分が光学部材１２ｒ（たとえば、レンチキュラーレンズ）で平行光束化されている。レーザアレイ厚さ方向のビーム成分は発散光である。この放射特性に合わせてホログラムを設計する必要がある。
【００４３】
図示しないが、光学素子５１（たとえば、シリンドリカルレンズ）がレンチキュラーとホログラム素子の間に配置される場合、および、コリメートレンズアレイで各アレイ光がコリメートされる場合には、ホログラムへの入射光は平行光束であるため、それに合わせてホログラムを設計する必要がある。
【００４４】
色合成素子がホログラムで構成されているので、ホログラムの設計次第でレーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの位置関係は自由度が増す。具体的には、例えば、図１４に示すように、光学系を設計することができる。
【００４５】
実施例８−２
図１４に示すように、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、レンチキュラーレンズ１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、ホログラム素子６３ｒ，６３ｇ，６３ｂと、ホモジナイザ１４で構成される。図１４では、レーザアレイの発光部は紙面厚み方向に配列されている。
【００４６】
レーザアレイの各アレイ光はレンチキュラーレンズで、アレイ方向成分のみ平行光束化される。アレイ厚さ方向のビームはレンチキュラーレンズを透過しても発散しつづける。３つのレーザアレイ光はホログラム素子に入射する。ホログラム素子は波長選択性を持たせる。すなわち、レーザアレイ光源１１ｒからの光はホログラム素子６３ｒでのみ回折される。回折光はホモジナイザに向かい進行方向を変え、かつ、紙面内におけるビームを平行光束化させる。光源１１ｂからの光も、同様にして、ホログラム素子６３ｂでのみ回折され、ホモジナイザに向かって平行光束化される。さらに、レーザアレイ光源１１ｇからの光はホログラム素子６３ｇによって回折され、平行光束化される。
【００４７】
このように、色合成素子に波長選択性の有するホログラムを用いることによって、ホログラムにシリンドリカルレンズ機能を付加させることもでき、光学系の設計の自由度が増す。
【００４８】
実施例９
図１５に示すように、ホモジナイザ１４（１４ｒ，１４ｇ，１４ｂ）はそれぞれ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ用のビーム変換素子として機能する。図１５では、クロスダイクロイックミラー１３の交線がレーザアレイ方向に直交しているが、実施例３のように平行の配置でも良い。
【００４９】
例えば、波長選択性のあるホモジナイザとしては、ホログラムを用いることができる。とくに体積ホログラムであれば波長選択性を持たせることができる。光源１１ｇからの光はホモジナイザ１４ｒ，１４ｂでは回折されずに透過され、ホモジナイザ１４ｇでのみ回折される。領域分割されたホログラムのために、各領域からの光が被照射部全面１５を照らす。これが全領域のホモジナイザ１４ｇからの光が重なり合い、光源１１ｇの光は均一照明される。同じようにして、他のレーザ光も各々被照射部に均一照明される。
【００５０】
ホモジナイザにホログラム素子を用いれば、例えば、フライアイレンズとコンデンサレンズの機能をホログラム素子に置きかえることができる。波長選択性を持たせるホモジナイザであるため、３枚ホログラムが必要になるが、各レーザアレイ光源の発振波長に合わせてホログラム設計ができる。
【００５１】
実施例１０
レーザアレイの分割数が比較的大きい場合、例えば、アレイ数１０以上では、従来と同じ設計をすると分割数が極端に大きくなってしまう。従来のランプ（メタルハライドランプや超高圧水銀灯）用のフライアイレンズでは、ひとつの光源をアレイ数が１００個未満、水平方向でせいぜい１０個の分割数であった。この考え方をレーザアレイに適応させ、各レーザ光を分割しようとすると、
光源数×分割数
となり、水平方向（レーザアレイ方向）で１０００個を超えてしまう。このため、ホモジナイザの分割数を少なくして被照射部で均一化が図れるほうが良い。
【００５２】
レーザ光の光強度分布はガウシアン分布である。これがライン状にアレイ化されている。例えば、レーザアレイのアレイ数が１０５個であるとすると、ホモジナイザの分割数と、被照射部の光強度の均一性は、図１６に示すようになる。すなわち、ホモジナイザの分割数をレーザアレイのアレイ数より小さい数にする場合、分割数がアレイ数の約数でなければ良い。約数でなければ、被照射部において、ホモジナイザの各分割領域からの光は被照射部で光強度分布の位相をずらして重ね合わされる。このため、照度均一化が図れる。
【００５３】
実施例１１
プロジェクタの光源に可視光レーザを用いれば、ランプに比べてスペクトル線幅が極端に狭いため、ダイクロイック膜での光の合成時などで光のロスが小さくなる。しかし、可視光レーザの出力が大きいものはレーザ装置が大きいため、コンパクトなプロジェクタの光源には不向きになる。ところが、レーザアレイ光源を用いれば比較的コンパクトで高出力な光源となる。
【００５４】
図１７は、以上に説明した照明光学装置のいずれかを用いたプロジェクタの実施例を説明するための図で、該プロジェクタは、本発明による照明光学装置１０１と、画像を出すための空間変調器（ライトバルブ）１０２と、投射レンズ１０３で構成される。また、ライトバルブ１０２からの光を投射レンズの瞳に効果的に入れるために、ライトバルブの直前もしくは直後にフィールドレンズ１０４を用いても良い。小型の照明光学系で、かつ、単板のライトバルブを用いることによって、コンパクトなプロジェクタを提供することができる。
【００５５】
実施例１２
実施例１１の構成において、レーザアレイ光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを順次点灯、消灯を繰り返す光強度変調させる駆動をして、この変調に同期してライトバルブ１０２の画像を光源ごとに順次切り替えることによってフィールドシーケンシャル駆動をすることができる。光源はレーザであるため、フィールドシーケンシャル駆動に必要な変調周波数は容易に得られる。コンパクトな照明光学系で均一照度が得られるため、プロジェクタ装置としてもコンパクトであり、フィールドシーケンシャル駆動ができる。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１の発明によると、レーザアレイ光を均一照明させるホモジナイザの分割数が少なくても被照射部で均一化できる。また、レーザアレイ光源のアレイ方向成分の光束を光学部材で平行光束化させるため、この光学部材の設置が比較的容易になる。
【００５８】
請求項２の発明によると、ダイクロイック膜への入射角がほぼ一定となるため、膜設計が容易になる。また、ホモジナイザへの入射角もほぼ一定であるため、ホモジナイザ作製が容易になる。
【００５９】
請求項３の発明によると、シリンドリカルレンズをひとつにすることができ、さらにコンパクトになる。ホモジナイザへの入射角がほぼ一定であるため、ホモジナイザ作製が容易になる。
【００６２】
請求項４の発明によると、色合成をホログラム素子で行うため、光学系の設計にレイアウトの自由度が増し、さらにコンパクトな照明光学系を実現できる。
【００６３】
請求項５の発明によると、クロスダイクロイックプリズムであるため、クロスダイクロイックミラーに比べて交線（稜線）付近による影が無くなるため、光利用効率が高くなる。
【００６４】
請求項６の発明によると、アレイ厚さ方向の光束成分をコリメートしなくてもクロスダイクロイックミラーの交線をレーザアレイ光源のアレイ方向に直交する配置であるため、ダイクロイック膜の影響を小さくすることができる。
【００６６】
請求項７の発明によると、コンパクトなプロジェクタが実現できる。
【００６７】
請求項８の発明によると、コンパクトなプロジェクタで、フィールドシーケンシャル駆動ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による照明光学装置の一実施例（２つ以上のレーザアレイ光源を用いる例）を説明するための要部平面構成図である。
【図２】 本発明の他の実施例（３つのレーザアレイ光源を用いた例）を説明するための要部構成図である。
【図３】 図２に示した照明光学装置の側面図である。
【図４】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図５】 図４に示した実施例の平面構成図である。
【図６】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図７】 図６に示した実施例における発散角αを示す図である。
【図８】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図９】 図８に示した実施例の側面構成図である。
【図１０】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図１１】 図１０に示した実施例の側面構成図である。
【図１２】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図１３】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図１４】 図１３に示した実施例の変形例を示す図である。
【図１５】 本発明の他の実施例を説明するための側面構成図である。
【図１６】 ホモジナイザの分割数と、被照射部の光強度の均一性を示す図である。
【図１７】 照明光学装置を用いたプロジェクタの実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…レーザアレイ光源、２ａ，２ｂ…光学部材、３…光合成素子、４…ホモジナイザ、５…被照射部、１１ｂ，１１ｇ，１１ｒ…レーザアレイ光学、１２ｂ，１２ｇ，１２ｒ…光学部材、１３，２３，４３，５３…色合成素子、１４…ホモジナイザ、１５…被照射部、５０ｂ，５０ｇ，５０ｒ…光学部材、５１…光学素子、６３ｒ，６３ｂ…ホログラム素子、１０１…照射光学装置、１０２…ライトバルブ、１０３…投射レンズ、１０４…フィールドレンズ。
Claims (8)
- ２つ以上のレーザアレイ光源と、各レーザアレイ光源からの光を合成する光合成素子と、合成された光を均一化するホモジナイザから構成される照明光学装置において、
前記ホモジナイザは、レンズアレイ又はレンチキュラーレンズのいずれかを含んで構成され、
各レーザアレイ光源と前記光合成素子との間にレーザアレイ光源のアレイ方向成分の光束のみを平行光にする第１光学部材を有し、
各レーザアレイ光源は所定のアレイ数を有し、
前記レンズアレイ又はレンチキュラーレンズの分割数は前記レーザアレイ光源のアレイ数より少なく、当該分割数はアレイ数の約数ではないことを特徴とする照明光学装置。 - 請求項１に記載の照明光学装置において、
前記第１光学部材と光合成素子との間に、レーザアレイ光源のアレイ厚さ方向成分の光束のみを平行光にする第２光学部材を設けたことを特徴とする照明光学装置。 - 請求項１に記載の照明光学装置において、
前記光合成素子と前記ホモジナイザの間に、レーザアレイ光源のアレイ厚さ方向成分の光束のみを平行光にする第２光学部材を設けたことを特徴とする照明光学装置。 - 前記光合成素子は、波長選択性のあるホログラム素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学装置。
- 前記光合成素子は、クロスダイクロイックミラーまたはクロスプリズムのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学装置。
- 前記光合成素子はクロスダイクロイックミラーであり、
前記レーザアレイ光源は前記クロスダイクロイックミラーの交線と当該レーザアレイ光源のアレイ方向とが直交されて配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学装置。 - 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学装置と、空間光変調器と、画像を投射する投影手段とを備えたプロジェクタ。
- レーザアレイ光源に対し点灯と消灯とを繰り返す光強度変調手段と、
前記光強度変調手段に同期して前記空間光変調器の画像をレーザアレイ光源毎に切り替える切替手段とを備えたことを特徴とする請求項７に記載のプロジェクタ。
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