JP4260851B2 - 照明用光源装置および画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、コヒーレント光源を用いた照明用光源装置に関し、特に光源が有するコヒーレンスにより生じるスペックルノイズを低減した照明用光源装置およびこの照明用光源装置を用いた画像表示装置に関するものである。

近年、光学式画像表示装置の光源として、レーザを利用した例が多数報告されている。一般に、レーザから射出された光は、高い指向性を有するため光利用効率の向上が見込まれ、また、その単色性は画像表示装置において必要とされる広い色再現領域を実現することが可能なため、照明用光源として有用であると考えられている。一方で、レーザ光は高いコヒーレンスをもつため、レーザを画像表示装置の光源に用いた場合、その像面においてスペックルノイズと呼ばれる光の干渉による斑点模様が生じることが問題となっている。これは、照明光学系の素子、ライトバルブ、投写光学系の素子、あるいはスクリーン上に存在する微小な凹凸により、素子面内の異なる点を経由した各光束の位相が凹凸に応じた量だけずれ、互いに可干渉であるそれらの光束が像面上に干渉縞を形成することに起因する。これらの素子の面精度は有限であるので、コヒーレンスの高い光源を用いた場合には必ずスペックルノイズの影響が問題となる。近年のレーザ技術の進歩に伴い、小型で高出力、かつビーム品質の良い半導体レーザ等の開発が盛んに行われており、今後レーザが画像表示装置の光源として用いられる機会は増加すると期待されるため、スペックルノイズ抑制法の確立が必要とされる。

レーザを光源に用いた画像表示装置におけるスペックルの問題は、レーザ光が有する特性を保持しながらもそのコヒーレンスのみを低下させることにより解決することができる。レーザ光のコヒーレンスを低下させるための方法として、従来では、互いにインコヒーレントな関係にある複数のレーザ光を合成することにより光全体のコヒーレンスを低下させる手法が広く用いられている。この手法は、例えば１つのレーザ（共振器）から生成されるコヒーレント光を互いにインコヒーレントな複数の光に分割しそれらを合成する方法や、あるいは異なるレーザ（共振器）から生成される互いにインコヒーレントな複数のコヒーレント光を合成する方法により実現される。

前者の方法に基づいたものとして、並置された複数個の要素レンズ（マイクロレンズアレイ）を利用する手法（特許文献１）、異なる長さをもつ複数の光ファイバー束からなるファイバーバンドルを利用する手法（特許文献２）が提案されている。これらの手法によれば、レーザから射出された光をそれらの素子を用いて複数の光束に分割し、各光束間の光学距離の差をその光の可干渉距離に対して大きくとることによりそれらの光束は互いにインコヒーレントな関係となるため、光源全体のコヒーレンスを低下させることができる。

この方法によると、１つのコヒーレント光源から互いにインコヒーレントな複数の光を生成することができ、またこの数は素子の構成を変更することにより増やすことができるため、光源のコヒーレンスを十分に低下させることができる。しかし、マイクロレンズアレイやファイバーバンドルを用いた光分割においては光の損失が大きいため高い光利用効率が得られず、また、よりコヒーレンスを低下させるためには多数のファイバーや光分割素子が必要となる。これらの問題は、色や輝度等の画像品質を高くすることと同時に、照明装置の小型化、低コスト化が求められる画像表示装置においては好適ではない。

また、前者、後者の方法においてはともに、よりコヒーレンスの低い光を得るために、分割された、あるいは異なるレーザから射出された複数の光の光軸が一致するように合成される必要がある。これまでに実施されている光源装置においては、複数のコヒーレント光の光軸を完全に一致させることなく後続の光学系に入射するため、各コヒーレント光が光学素子の異なる位置を透過することによる伝播角の違いにより空間的な重なりが小さいという問題がある。これらの複数のコヒーレント光は光合成素子を用いることにより完全に光路を一致させることが可能となるが、同じ波長と偏光をもつ光を光損失なしに合成する素子はなく、例えばビームスプリッターにより光を合成すると１つの光につき５０％の光利用効率しか望めない。光の偏光と偏光ビームスプリッターを利用することにより光損失なしに光合成することも可能であるが、複数の偏光ビームスプリッターと偏光回転素子を用いることは現実的ではない。

特開２０００−２６８６０３号公報 特開平１１−３２６６５３号公報

上記のように、従来のスペックル低減法においては、素子における光利用効率、コスト面、装置の小型化といった点において、解決されるべき幾らかの問題を残している。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コヒーレント光源を用いた照明装置において、簡易な構成によりスペックルノイズを低減可能な照明用光源装置およびこの照明用光源装置を用いた画像表示装置を得ることを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、コヒーレント光を射出する複数の発光点が１次元アレイ状に配列されたコヒーレント光源と、該コヒーレント光源から射出される光の発光点配列方向に垂直な方向の径が、発光点配列方向の前記径よりも大きくなるように、前記複数の発光点から射出されるコヒーレント光を拡大する光拡大手段と、光ファイバーと、前記光拡大手段から射出される光の最大径に基づいて前記光拡大手段から射出される光が前記光ファイバーに結合するように倍率が設定される集光光学系とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複数の発光点が１次元アレイ状に配列されるコヒーレント光源から射出される複数のコヒーレント光は前記拡大光学系と集光光学系の作用により発光点配列方向に垂直な方向については各々最大入射角で光ファイバーへ入射されるため、光ファイバー内で多くの回数多重反射を行わせることができ、これにより各コヒーレント光それぞれの波面が乱されて各コヒーレント光それぞれのコヒーレンス性を低下させることが可能となる。また、各コヒーレント光は等しい最大入射角で光ファイバーに結合されるため各々の発散角は等しくなり、さらに光全体の最大径に対してその発光点配列方向における径が十分小さくなるため各コヒーレント光の伝播角は等しくなる。また、光ファイバーへ入射される各コヒーレント光は、光ファイバー内を伝播することによって光ファイバーの中心軸に対して回転対称な空間強度分布をもつように広がり、光ファイバー射出端において他のコヒーレント光との重なりを大きくすることができる。これにより、光ファイバーの射出端では、複数のコヒーレント光は、空間的に重なり、さらに何れの方向についても等しい発散角と伝播角をもつことが可能となるため、光ファイバーの射出端で複数のコヒーレント光の各光軸を一致させることが可能となる。したがって、コヒーレント光源から射出される光のコヒーレンスは低減され、この効果は後続の光学系においても維持される。本発明をコヒーレント光源としてレーザが用いられる照明用光源装置に適用した場合、簡易な構成により光源のコヒーレンスを低減することができ、例えば画像表示装置に本照明用光源装置を組み込むことにより、スペックルノイズが低減され高品質な画像が得られるといった効果を奏するものである。

以下に、本発明にかかる照明用光源装置および画像表示装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１に実施の形態１における照明用光源装置を用いた照明装置の構成図を示す。本実施の形態１の照明装置１は、照明用光源装置１ａと照明光学系１ｂとから構成されている。以後、図１内に示したｘ軸方向を発光点配列方向とし、ｚ方向を光軸方向とし、ｘｙｚ軸に基づき、発光点配列方向の軸と光軸からなる面をｘｚ平面、発光点配列方向に垂直な軸と光軸からなる面をｙｚ平面と呼ぶ。

照明用光源装置１ａは、コヒーレント光源として複数の発光点を有する面発光レーザ２と、面発光レーザ２から射出した複数のコヒーレント光３を所望の形に整形する拡大レンズ光学系４と、拡大レンズ光学系４を透過したコヒーレント光３を集光するための集光光学系５と、光ファイバー６とを備えている。

照明光学系１ｂは、光ファイバー６から射出される光の空間的強度分布を均一にするインテグレーターロッド７と、レンズやミラーで構成される照明光学系８と、照明された光を空間的に変調し画像信号を与える変調素子としての液晶パネルやＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）等のライトバルブ９とを備えている。このライトバルブ９から射出された光を拡大投射するためのスクリーンに拡大投影する投写光学系（図示せず）と、投写光学系からの光が投写されるスクリーンなどの表示部（図示せず）とを更に備えることで画像投写装置などの画像表示装置を構成することができる。

図２に光源内に複数の発光点が１次元アレイ状に配列されるレーザの概念図を示す。この面発光レーザ２は、複数の発光点１０がｘ方向に等間隔に配列され、各発光点１０からはｙｚ面における発散角α、ｘｚ面における発散角βが共に極めて0度に近い略平行なコヒーレント光が射出される。本実施の形態１で用いた面発光レーザ２は、１０個の発光点１０をもち、１５０μｍの間隔で一直線上に配置され、各発光点１０から射出されるレーザ光のｙｚ面、ｘｚ面における発散角の半値半角は共に約０．２度のものである。また、本実施の形態１においては、拡大レンズ光学系４としてロッドレンズ４ａとシリンドリカルレンズ４ｂを組み合わせ、レーザ光のｙｚ平面のみに拡大作用がなされるように配置した。拡大レンズ光学系４としては、同様の作用を達成できるものであれば、他の構成を採用してもよい。

面発光レーザ２内の複数の発光点１０から射出される各コヒーレント光は発振波長が等しいため面発光レーザ光全体としての単色性に優れ、また各コヒーレント光は指向性を有するため光全体の指向性も高い。一方で、各発光点から射出されるコヒーレント光は異なる共振器から生成されるため位相は揃っておらず互いにインコヒーレントな関係にあり、面発光レーザ光全体としてのコヒーレンスは低い。しかし、各発光点１０から射出されるコヒーレント光３のみのコヒーレンスは非常に高いので、スペックルノイズの影響を小さくするためには、各発光点１０から生成した複数のコヒーレント光３の各々のコヒーレンスを低下させる必要があり、さらにこれらの複数のコヒーレント光が照明用光源装置１ａの射出端である光ファイバー６の射出端において空間的に重なり、この空間的重なりをもったまま伝播するためには、照明用光源装置１ａの射出端である光ファイバー６の射出端において複数のコヒーレント光３の伝播角が互いに等しく、また照明用光源装置１ａの射出端である光ファイバー６の射出端において複数のコヒーレント光３の発散角が互いに等しい必要がある。各発光点の伝播角（δ１、δ２、…δｎ）とは、光全体の光軸１１と各発光点から射出される光３の伝播方向の軸とがなす角であり、照明用光源装置１ａの射出端である光ファイバー６の射出端以降において空間的に重なりを保ったまま伝播するためには、照明用光源装置１ａの射出端である光ファイバー６の射出端において、δ１＝δ２＝δ３＝…＝δｎであることが必要である。また、各発光点の発散角（θ１、θ２、…θｎ）とは、各コヒーレント光３の自らの光軸１２に対する各コヒーレント光の広がり角のことをいい、照明用光源装置１ａの射出端である光ファイバー６の射出端以降において空間的に重なりを保ったまま伝播するためには、照明用光源装置１ａの射出端である光ファイバー６の射出端においてθ１＝θ1＝θ３＝…＝θｎであることが必要である。

初めに、互いにインコヒーレントな関係にある複数のレーザ光を重ね合わせて照射した場合の被照射面におけるスペックルノイズの影響について述べる。光が照射される被照射面の空間位置ｒにおいて、式（１）、（２）で示すように位置ｒの関数で表される位相差Δφa(ｒ)の関係をもつ２つの光、
Ａ（ｒ，ｔ）＝ｕ・exp（ｉφａ（ｒ，ｔ）） …（１）
Ａ´（ｒ，ｔ）＝ｕ・exp［ｉ（φａ（ｒ，ｔ）＋Δφａ（ｒ））］
…（２）
がコヒーレントな関係にあるとき、被照射面におけるそれら２つの光が合成された光の強度Ｉco(r)は、被照射面の空間座標に関する式として式（３）のように表される。
Ｉco（ｒ）∝｜Ａ＋Ａ´｜²＝２ｕ²＋２ｕ²ｃｏｓΔφａ（ｒ） …（３）
一方、この２つの光がインコヒーレントな関係にあるとしたとき、合成された光の被照射面における光の強度Ｉincoは以下の式（４）で表される。
Ｉinco（ｒ）∝｜Ａ｜²＋｜Ａ´｜²＝２ｕ² …（４）

これらの式をグラフにしたものを図３に示す。図３より明らかなように、インコヒーレントな関係にある２つの光が重ね合わされた場合の光の強度Ｉincoは空間位置によらず、すなわち素子の凹凸により生じる位相ずれの量によらず一定であるのに対し、コヒーレントな関係にある２つの光が重畳された場合の光の強度Ｉcoは異なる空間位置においては位相ずれ量の違いにより明暗が現れる。

これらのことをふまえて、ｎ（ｎ≧２）個の発光点から射出されたレーザ光を、重畳しないで用いた場合と、十分に重畳させて用いた場合とを比較する。このとき、両者において被照射面に到達する全パワーＩtotalは等しいとする。

各発光点のレーザ光を重畳しないで用いた場合、各発光点から射出されたレーザ光は被照射面上において空間的に点在し、被照射面上の任意の領域は１発光点のレーザ光のみにより照明されていることになる。この領域内において、１発光点から射出され素子の異なる空間位置を経由した各光束は、各々互いにコヒーレントな関係であるから、複雑なスペックルパターンを形成する。したがって、図４に示す空間強度分布Ｉspreadのように、被照射面には各発光点から射出された光のコヒーレンスに起因するスペックルパターンが複数点在することになる。

一方、ｎ個の発光点から射出されるレーザ光を互いに重ね合わせて合成された光を光源とする場合、各発光点から射出されたレーザ光は何れも被照射面を均一に照明する。すなわち、図５の空間強度分布に示すように、任意の１発光点に関するコヒーレンスのため生じるスペックルパターンの強度振幅Ｉ１は全体の強度に対して小さく、また、他の発光点から射出される光とは互いにインコヒーレントな関係にあることから、各々の光の強度分布Ｉ１，Ｉ２，・・・，Ｉｎは単純に積算され、全体の強度分布Ｉoverlapは一定に近づく。

これは、統計学において明らかなように、ランダムな分布の平均値の標準偏差はサンプル数の平方根に反比例し、サンプル数が大きくなるほどその標準偏差は小さくなることからも説明でき、したがって、インコヒーレントな関係にあるｎ個の発光点から射出されるコヒーレント光を重ね合わせた場合のスペックルコントラストは、１個の発光点から射出されるコヒーレント光により生じるスペックルコントラストの１/（ｎ）^1/2と表され、図６に示すように、重ね合わされるコヒーレント光の数が多くなるほどスペックルコントラストは指数関数的に小さくなる。

また、各コヒーレント光のコヒーレンスは、その位相面を乱すことにより低下させることが可能である。光ファイバーに結合する際、コヒーレント光は集光レンズによってその等位相面がゆがみ、そのゆがみは伝播距離が長くなるにつれ大きくなる。この等位相面のゆがみは光ファイバー内における多重反射により折り畳まれ、光の等位相面はランダムな分布となり、光のコヒーレンスは低下する。光の多重反射回数を大きくするにつれこの効果は高まるため、コヒーレント光の光ファイバーへの集光角を大きくすることにより、よりコヒーレンスを低下させることが可能となる。

このようにして、各発光点から射出されるレーザ光がコヒーレンスの高い光であっても、各レーザ光の光ファイバーへの集光角を大きくし、さらに互いにインコヒーレントな関係にある複数の発光点から射出されるレーザ光を重ね合わせることにより、その合成されたレーザ光のコヒーレンスは低減される。さらに、重ね合わされる複数のコヒーレント光の伝播角を等しくし、かつ重ね合わされる複数のコヒーレント光の発散角を等しくすることにより後続の光学系内の任意のｘｙ平面において光は重なり合った状態を保つため、該合成光を画像表示装置の光源として用いた場合に画像表示部におけるスペックルをさらに低減がすることが可能となる。

実施の形態１における照明用光源装置の概念図を図７に示す。本照明用光源装置は、光源２内の１次元アレイ状に配列される各発光点から射出される複数のコヒーレント光のコヒーレンス性を低下させるとともに空間強度分布を等しくし、またこれら複数のコヒーレント光の伝播角を等しくし、さらにこれら複数のコヒーレント光の発散角を等しくするために、拡大光学系４と、集光光学系５と、さらには光ファイバー６を備えている。図８は、集光光学系５の入射面上の光の空間強度分布を示すものである。図８から判るように、光源２から射出される光は、拡大光学系４によって、光全体のｙｚ面における径１４がｘｚ面における径１５に対して大きくなるように整形され、このｙｚ方向の光の最大径に基づいて集光作用が設計される集光光学系５によって光ファイバー６に結合される。このとき、複数のコヒーレント光は、夫々最大入射角で光ファイバーへ入射されるため、光ファイバー６内での多くの回数、多重反射を行わせることができ、これにより各コヒーレント光それぞれの波面が乱されて各コヒーレント光それぞれのコヒーレンス性を低下させることが可能となる。また、複数の発光点から射出される各コヒーレント光の光ファイバー６への最大入射角は何れもｙｚ面における光の径１４に依存した角度となり各コヒーレント光は等しい入射角で光ファイバー６に結合されるため光ファイバー射出後の各コヒーレント光はｙｚ面については何れもほぼ等しい発散角をもち、さらにｘｚ面における径が光の最大径１６に対し小さいため何れもほぼ等しい伝播角をもつ。

一方、光源内の複数の発光点１０はｘ軸上に一定の間隔をおいて配列され、ｘｚ平面における光の径１５は発光点１０の数、その配列間隔、各発光点１０から射出されるコヒーレント光の径により決まる大きさを有するため、ｘｚ平面においても光の径１５に依存した最大入射角でファイバー６に結合される。しかし、ｘｚ面における光の径１５は一列に並んだ複数のコヒーレント光からなる径であり、各コヒーレント光の集光角は極めて小さく、また集光光学系５の入射面１３の異なる空間位置を透過するので、各々異なる伝播角と発散角をもって光ファイバー６に入射される。このため、集光光学系５の入射面１３において、各コヒーレント光の径に対して光の最大径１６が大きくなると光ファイバー内での多重反射回数は少なくなり、また光のｘｚ平面における径１５が大きくなると、各コヒーレント光の伝播角や発散角の違いが顕著に現れるため、各コヒーレント光のコヒーレンスは低減されず、また伝播するにつれ各コヒーレント光の重なりが小さくなってしまう。

しかしながら、本装置においてはコヒーレント光源から射出される光のｙｚ平面における径１４はｘｚ平面における径１５に対して大きくなるように整形され、また光の最大径１６に対して設計される集光光学系の集光作用はレーザ光のｘｚ平面よりｙｚ平面に対して強く作用するため、前記のような集光角の縮小や発光点の位置の違いによるｘｚ平面における各コヒーレント光の伝播角と発散角のばらつきの問題は矮小化される。

また、光ファイバー６へ入射される各コヒーレント光は、光ファイバー６内を伝播することによって光ファイバーの中心軸に対して回転対称な空間強度分布をもつように広がり、光ファイバー射出端において他のコヒーレント光との重なりを大きくすることができる。

以下に、本発明に必要とされる条件を具体的に記す。ただし、図２、図７に示すように、コヒーレント光を射出する複数の発光点１０が１次元アレイ状に配列されたコヒーレント光源内の発光点１０の数をｎ個（ｎは２以上の任意の数）、各発光点間の距離をｄ、各発光点１０から射出されるコヒーレント光のｙｚ平面、ｘｚ平面における径を各々ａ、ｂ、発散角の半値半角を各々α、β、光源の発光面から拡大レンズ光学系までの光の空間伝播距離をls、拡大レンズ光学系に要する距離をlr、光のｙｚ平面に対してのみ作用する拡大レンズ光学系の倍率をＬ、ファイバー径をｃとしている。

（ａ）ｙｚ平面における拡大光学系の倍率Ｒは少なくとも下記条件式を満たす。

ただし、Ｂはレーザ光全体のｘｚ平面における径であり、Ｂ＝ｄ・（ｎ−１）＋ｂで表される。
（ｂ）集光光学系における倍率Ｔは下記条件式を満たす。

（ｃ）光ファイバーは、各コヒーレント光が少なくともその内部で１回以上反射する
長さを有する。

上記条件（ａ）において示した条件は、各コヒーレント光の集光角が大きくなり、また光源内の両端に位置する発光点から射出するコヒーレント光が少なくとも重なるための条件であり、このとき複数の発光点から射出されるコヒーレント光は全て互いに重なる領域をもつ。ただし、該条件（ａ）は光源内の発光点の数がｎ個であるときの最低条件を示しており、発光点の数ｎが多いほど重なり合うコヒーレント光の数が増えるためスペックル低減の効果は高くなる。また、発光点の数がｎ個であるとき拡大光学系における倍率Ｒが式（５）の右辺に対して大きくなるほど重なり合うコヒーレント光の数が増え、また重なり合う領域も大きくなるため、十分にスペックルを低減するためにはできる限り不等式（５）の右辺の値を大きくする、すなわち光のｘｚ平面における径１５に対してｙｚ平面における径１４が十分に大きくなるように拡大光学系を設計すると良い。具体的には、重ね合わせるコヒーレント光の数に対するスペックルコントラストの低下の関係を表す図６からわかるように、ｎ＝４のときのスペックルコントラストはｎ＝１のときに比べ半分に減少するため、４個以上の発光点から射出されるコヒーレント光を重ね合わせることが望ましい。

上記条件（ｂ）は光源から射出される光に対して高い光利用効率を得るために設定されるものであるが、集光光学系における倍率が式（６）を満たすように設計することにより、各コヒーレント光の集光角を大きくすることが可能となり、またファイバーから射出される各コヒーレント光の伝播角と発散角をレーザ光のｘｚ平面またはｙｚ平面のうちより大きい径をもつ面に依存させることができるため、条件（ａ）を満たす拡大光学系と組み合わせることにより各コヒーレント光の伝播角や発散角を夫々一致させることが可能となる。尚、集光光学系は上記条件（ｂ）に加えて後続の光学系のＦ値との適合性も考慮し設計される必要がある。

上記条件（ｃ）は光ファイバー内を伝播する各コヒーレント光の等位相面を乱すことにより、そのコヒーレンスを低下させるためのものである。また、本条件は集光光学系の入射面１３においては散在する複数のコヒーレント光をファイバー射出端において空間的に重ね合わせるためにも有効である。より高いスペックル低減効果を得るため、光ファイバーの長さを数１０センチから数メートルにすることが望まれるが、この程度の長さの光ファイバーを使用することによって、光学系設計における自由度の増加に伴う装置の小型化といった効果を得ることも可能となる。

本実施の形態１の照明用光源装置１ａにおいては、各発光点１０から射出されるコヒーレント光３の発散角α、βが０度に極めて等しい面発光レーザ２を光源に採用しているため、条件（ａ）内の式（５）、条件（ｂ）内の式（６）は各々特に以下のように表される。
Ｌ≧Ｂ／ａ …（７）

すなわち、面発光レーザ２から射出される複数のコヒーレント光３は、ｙｚ平面において式（７）を満たす倍率Ｌを有する拡大レンズ光学系４によりｙｚ面における径１４がｘｚ面における径１５に対して大きくなるように整形され、式（８）を満たす倍率を有する集光光学系５により条件（ｃ）を満たす光ファイバー６に結合される。このようにして、面発光レーザ２から射出される複数のコヒーレント光の集光角が大きくなり、また空間強度分布、伝播角、発散角は夫々ほぼ一致するため、照明用光源装置１ａから低コヒーレンス光を得ることが可能となる。

上記のように、前記条件（ａ）（ｂ）（ｃ）あるいは式（７）（８）を満たす拡大レンズ光学系４、集光光学系５、光ファイバー６から構成される本実施の形態１の照明用光源装置１ａは、レーザの単色性、高い指向性を生かしながらも、コヒーレンスの低い光を射出することができる光源装置であり、これを簡易な構成により実現している。例えば本照明用光源装置が画像表示装置の照明装置に組み込まれることにより、コンパクトでかつスペックルノイズが抑制され高い画質を有する画像表示装置を提供することが可能となる。

本実施の形態１においては、１次元アレイ状に配列された複数の発光点を有するコヒーレント光源の例として面発光レーザを挙げたが、本発明はこれに限るものではなく、例えばビームがアレイ状に射出される固体レーザや複数の発光点を有する半導体レーザ等を用いてもよい。

このように実施の形態１においては、複数の発光点１０が１次元アレイ状に配列されるコヒーレント光源２から射出される複数のコヒーレント光は、拡大光学系４と集光光学系５の作用により、複数のコヒーレント光は、各々大きい入射角で光ファイバー６に入射されるため、光ファイバー６内での多くの回数、多重反射を行わせることができ、これにより各コヒーレント光それぞれの波面が乱されて各コヒーレント光それぞれのコヒーレンス性を低下させることが可能となる。また、各コヒーレント光は等しい最大入射角で光ファイバーに結合されるため各々の発散角は等しくなり、さらに光全体の最大径に対してその発光点配列方向における径が十分小さくなるため各コヒーレント光の伝播角は等しくなる。また、光ファイバーへ入射される各コヒーレント光は、光ファイバー内を伝播することによって光ファイバーの中心軸に対して回転対称な空間強度分布をもつように広がり、光ファイバー射出端において他のコヒーレント光との重なりを大きくすることができる。これにより、光ファイバーの射出端では、複数のコヒーレント光は、空間的に重なり、さらに何れの方向についても等しい発散角と伝播角をもつことが可能となるため、光ファイバーの射出端で複数のコヒーレント光の各光軸を一致させることが可能となる。したがって、コヒーレント光源から射出される光のコヒーレンスは低減され、この効果は後続の光学系においても維持される。本実施の形態１をコヒーレント光源としてレーザが用いられる照明用光源装置に適用した場合、簡易な構成により光源のコヒーレンスを低減することができ、例えば画像表示装置に本照明用光源装置を組み込むことにより、スペックルノイズが低減され高品質な画像が得られるといった効果を奏するものである。

実施の形態２．
図９に実施の形態２における照明用光源装置を用いた照明装置の構成図を示す。本実施形態２の照明装置１７は、照明用光源装置１７ａと照明光学系１７ｂとから構成されている。

照明用光源装置１７ａは、コヒーレント光源として複数の発光点をもち各発光点から発散角を有するコヒーレント光を射出する半導体レーザ１８と、半導体レーザ１８から射出される複数のコヒーレント光１９を先の条件（ａ）を満たすように拡大するために設けられた自由伝播空間２０と、コリメートレンズ２１と、所望の形に拡大整形された半導体レーザ光を集光するための集光光学系２２と、光ファイバー２３とを備えている。

照明光学系１７ｂは、先の実施の形態１と同様、光ファイバー２３から射出される光の空間的強度分布を均一にするインテグレーターロッド７と、レンズやミラーで構成される照明光学系８と、照明された光を空間的に変調し画像信号を与える変調素子としての液晶パネルやＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）等のライトバルブ９とを備えている。このライトバルブ９から射出された光を拡大投射するスクリーンに拡大投影する投写光学系（図示せず）と、投写光学系からの光が投写されるスクリーンなどの表示部（図示せず）とを更に備えることで画像投写装置などの画像表示装置を構成することができる。

実施の形態２の半導体レーザ１８においても、先の図２に示したように、複数の発光点１０がｘ方向に等間隔に配列され、各発光点１０からは発光点の大きさに対して十分大きいｙｚ面における発散角α、発光点の大きさに対して十分大きいｘｚ面における発散角βをもつコヒーレント光を射出する。本実施の形態２で用いた半導体レーザは、１０個の発光点１０が３００μｍの間隔で一直線上に配置され、各発光点１０から射出されるコヒーレント光のｙｚ平面における発散角の半値半角αは約１５度、ｘｚ平面における発散角の半値半角βは約５度のものである。すなわち、この場合、α＞βである。

半導体レーザ１８内の複数の発光点１０から射出される各コヒーレント光１９は発振波長が等しいためレーザ光全体としての単色性に優れ、また各コヒーレント光は指向性を有するため光全体の指向性も高い。一方で、各発光点から射出されるコヒーレント光は異なる共振器から生成されるため位相は揃っておらず互いにインコヒーレントな関係にあり、半導体レーザ光全体のとしてのコヒーレンスは低い。しかし、各発光点１０から射出されるレーザ光１９のみのコヒーレンスは非常に高いので、スペックルノイズの影響を小さくするためには、実施の形態１と同様に、各発光点１０から生成した複数のコヒーレント光１９の各々のコヒーレンスを低下させる必要があり、さらにこれらの複数のコヒーレント光が照明用光源装置１７ａの射出端において空間的に重なり、この空間的重なりをもったまま伝播するために、照明用光源装置１ａの射出端である光ファイバー６の射出端において複数のコヒーレント光１９の伝播角が互いに等しく、また照明用光源装置１ａの射出端である光ファイバー６の射出端において複数のコヒーレント光１９の発散角が互いに等しい必要がある。尚、複数のコヒーレント光１９が重ね合わされることによるコヒーレンス低減の原理は実施の形態１において述べた通りである。

本実施の形態２は、実施の形態１と同様に、各コヒーレント光の光ファイバーへの集光角を大きくとり、また複数のレーザ光を空間的に重ね合わせることによりコヒーレンスを低減し、さらに後続の光学系においてもこれが維持されるために各コヒーレント光の伝播角を等しくするとともに各コヒーレント光の発散角を等しくするために前述の条件（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を全て満たすような構成をとる。実施の形態１においては、条件（ａ）を満たすための拡大光学系として拡大レンズ光学系４により面発光レーザ２から射出される光を所望の形に拡大整形したが、本実施の形態２においては、発散角をもつ複数のコヒーレント光を射出する半導体レーザ１８を利用して自由伝播空間２０を確保することにより条件（ａ）を満たす拡大光学系を設け、実施の形態１と同様の効果を得るようにしている。

本実施の形態２の照明用光源装置１７ａにおいては、光源として各発光点１０から射出されるコヒーレント光が発散角α、βを有する半導体レーザ１８を用い、拡大光学系として自由伝播空間２０を備えているため、条件（ａ）内の式（５）、条件（ｂ）内の式（６）は各々特に以下のように表される。

すなわち、半導体レーザ１８から射出される複数のコヒーレント光１９は、式（９）を満たす距離lsを有する自由伝播空間２０を備えることによりｙｚ面における径１４がｘｚ面における径１５に対して大きくなるように整形され、式（１０）を満たす倍率Ｔを有する集光光学系２２により条件（ｃ）を満たす光ファイバー２３に結合される。このようにして、半導体レーザ１８から射出される複数のコヒーレント光１９の集光角は大きくなり、また空間強度分布、伝播角、発散角は夫々ほぼ一致するため、照明用光源装置１７ａから低コヒーレンス光を得ることが可能となる。

式（９）を満たす空間伝播距離２０を確保することにより得られるレーザ光は、実施の形態１と同様に、前記条件（ｂ）に従う集光光学系２２に入射され、さらに前記条件（ｃ）を満たす光ファイバー２３を伝播することにより、コヒーレンスが低く、さらに後続光学系の任意のｘｙ平面においてもこれを維持する光となる。

上記のように、前記条件（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、ならびに式（９）、（１０）を満たす自由伝播空間２０とコリメートレンズ２１、集光光学系２２、光ファイバー２３から構成される本実施の形態２の照明用光源装置は、レーザの単色性、高い指向性を生かしながらも、コヒーレンスの低い光を射出することができる光源装置であり、これを簡易な構成により実現している。特に、実施の形態２では、発散角を有するというレーザ光の特性、自由伝播空間２０とコリメートレンズ２１を使用することのみにより、コヒーレンスを低下させる効果を得ることができるため、光学素子の削減に伴う光学系のさらなる簡素化を可能にする。例えば本照明用光源装置が画像表示装置の照明装置に組み込まれることにより、コンパクトでかつスペックルノイズが抑制され高い画質を有する画像表示装置を提供することが可能となる。

本実施の形態２においては、ｘｚ平面よりｙｚ平面における発散角が大きい半導体レーザについて述べたが、本発明はこれに限るものではなく、例えばｙｚ平面よりｘｚ平面における発散角が大きい半導体レーザを用いる場合には、自由伝播空間に加えて拡大レンズ光学系を付加することやレーザ光のｘｚ平面の広がり角に作用するレンズを付加することにより、同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態２のようにｘｚ平面よりｙｚ平面における発散角が大きい半導体レーザを用いる場合であっても、空間伝播距離と拡大レンズ光学系を組み合わることにより、レーザ発光面から集光光学系までの距離を縮小することができるため、より装置を小型化することが可能となる。

本実施の形態２においては、複数の発光点からなる半導体レーザをコヒーレント光源の例として挙げたが、本発明はこれに限るものではなく、例えば発散角を有するコヒーレント光を射出するレーザが１次元アレイ状に配列される構成をとる光源などを用いてもよい。

このように実施の形態２によれば、コヒーレント光源が発散角を有するコヒーレント光を射出する場合において、式（９）を満たす距離lsを有する自由伝播空間２０によりコヒーレント光のｙｚ面における径１４がｘｚ面における径１５に対して大きくなるように整形し、この整形した光を式（１０）を満たす倍率Ｔを有する集光光学系２２により条件（ｃ）を満たす光ファイバー２３に結合するようにしたので、各コヒーレント光の集光角は大きくすることが可能となり、また光ファイバー２３の射出端では、複数のコヒーレント光は、空間的に重なり、さらに何れの方向についても等しい発散角と伝播角をもつため、光ファイバー２３の射出端で複数のコヒーレント光の各光軸を一致させることが可能となる。したがって、コヒーレント光源から射出される光のコヒーレンスは低減され、この効果は後続の光学系においても維持される。本実施の形態２をコヒーレント光源としてレーザが用いられる照明用光源装置に適用した場合、簡易な構成により光源のコヒーレンスを低減することができ、例えば画像表示装置に本照明用光源装置を組み込むことにより、スペックルノイズが低減され高品質な画像が得られるといった効果を奏するものである。

本実施の形態１及び実施の形態２においては、照明光学系の空間光強度分布を均一化する素子としてインテグレーターロッドを用いたが、本発明はこれに限るものではなく、例えばマイクロレンズ等、空間光強度分布を均一化するための他の素子を用いてもよい。インテグレーターロッド７のような光の空間強度分布を均一にする作用がある素子を用いることによりコヒーレンスの若干の低下も望めるため本発明の照明用光源装置と組み合わせて用いることが望ましい。

以上のように、本発明にかかる照明用光源装置は、コヒーレント光源としてレーザが用いられる照明用光源装置および該照明用光源装置が用いられる画像表示装置に有用である。

実施の形態１による照明装置を示す構成図である。 １次元アレイ状に複数の発光点が配列される構成をとるレーザの概念図である。 ２光束が重畳された場合の空間位置に対する光強度分布を示す図である。 複数の発光点から射出された光を重畳していない場合の被照射面における空間位置に対する光強度分布を示す図である。 複数の発光点から射出された光を重畳した場合の被照射面における空間位置に対する光強度分布を示す図である。 重ね合わせるコヒーレント光の数に対するスペックルコントラストの関係を示す図である。 本発明の照明用光源装置の概念図である。 本発明に必要とされる集光光学系入射面上におけるレーザ光の空間強度分布を示す図である。 実施の形態２による照明装置を示す構成図である。

符号の説明

１、１７ 照明装置
１ａ、１７ａ 照明用光源装置
１ｂ、１７ｂ 照明光学系
２ コヒーレント光源（面発光レーザ）
３、１９ コヒーレント光（レーザ光）
４ 拡大レンズ光学系
５、２２ 集光光学系
６ 光ファイバー
７ インテグレーターロッド
８ 照明光学系
９ ライトバルブ
１０ 発光点
１１ レーザ光軸
１２ 発光点光軸
１３ 集光光学系入射面
１４ レーザ光ｙｚ平面径
１５ レーザ光ｘｚ平面径
１６ レーザ光最大径
１８ コヒーレント光源（半導体レーザ）
２０ 自由伝播空間
２１ コリメートレンズ
２３ 光ファイバー

Claims (7)

1. コヒーレント光を射出する複数の発光点が１次元アレイ状に配列されたコヒーレント光源と、
   該コヒーレント光源から射出される光の発光点配列方向に垂直な方向の径が、発光点配列方向の前記径よりも大きくなるように、前記複数の発光点から射出されるコヒーレント光を拡大する光拡大手段と、
   光ファイバーと、
   前記光拡大手段から射出される光の最大径に基づいて前記光拡大手段から射出される光が前記光ファイバーに結合するように倍率が設定される集光光学系と、
   を備えたことを特徴とする照明用光源装置。
2. 前記光拡大手段は、拡大レンズ光学系を有し、
   発光点配列方向をｘ、コヒーレント光の光軸方向をｚ、発光点配列方向に垂直な方向をｙとし、前記コヒーレント光源の発光点の数をｎ個（ｎは２以上の任意の数）、各発光点間の距離をｄ、ｙｚ平面における発光点から射出されるコヒーレント光の径をａ、ｘｚ平面における発光点から射出されるコヒーレント光の径をｂ、ｙｚ平面における発光点の発散角の半値半角をα、ｘｚ平面における発光点の発散角の半値半角をβ、光源の発光面から拡大レンズ光学系まで光の空間伝播距離をls、拡大レンズ光学系の所要距離をlr、光のｙｚ平面に対してのみ作用する拡大レンズ光学系の倍率をＬ、前記光ファイバーのファイバー径をｃとしたとき、下記条件（ａ）（ｂ）（ｃ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の照明用光源装置。
   （ａ）ｙｚ平面における光拡大手段の倍率Ｒは下記条件式を満たす。
   

   

   ただし、Ｂはレーザ光全体のｘｚ平面における径であり、Ｂ＝ｄ・（ｎ−１）＋ｂ
   （ｂ）集光光学系における倍率Ｔは下記条件式を満たす。
   

   

   （ｃ）光ファイバーは、各コヒーレント光が少なくともその内部で１回以上反射する長
   さを有する。
3. 前記光拡大手段は、拡大レンズ光学系を有し、
   前記コヒーレント光源は略平行なコヒーレント光を射出する複数の発光点を有し、
   発光点配列方向をｘ、コヒーレント光の光軸方向をｚ、発光点配列方向に垂直な方向をｙとし、前記コヒーレント光源の発光点の数をｎ個（ｎは２以上の任意の数）、各発光点間の距離をｄ、ｙｚ平面における発光点から射出されるコヒーレント光の径をａ、ｘｚ平面における発光点から射出されるコヒーレント光の径をｂ、光のｙｚ平面に対してのみ作用する拡大レンズ光学系の倍率をＬ、前記光ファイバーのファイバー径をｃとしたとき、下記条件（ａ）（ｂ）（ｃ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の照明用光源装置。
   （ａ）拡大レンズ光学系の倍率Ｌは、Ｌ≧Ｂ／ａ
   ただし、Ｂはレーザ光全体のｘｚ平面における径であり、Ｂ＝ｄ・（ｎ−１）＋ｂ
   （ｂ）集光光学系における倍率Ｔは下記条件式を満たす。
   

   

   （ｃ）光ファイバーは、各コヒーレント光が少なくともその内部で１回以上反射する長
   さを有する。
4. 前記コヒーレント光源は、コヒーレント光を射出する複数の発光点が１次元アレイ状に配列される構造をとる半導体レーザ、あるいは面発光レーザ、あるいはアレイ状に配列された固体レーザであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の照明用光源装置。
5. 前記光拡大手段は、自由伝播空間を有し、
   発光点配列方向をｘ、コヒーレント光の光軸方向をｚ、発光点配列方向に垂直な方向をｙとし、前記コヒーレント光源の発光点の数をｎ個（ｎは２以上の任意の数）、各発光点間の距離をｄ、ｙｚ平面における発光点から射出されるコヒーレント光の径をａ、ｘｚ平面における発光点から射出されるコヒーレント光の径をｂ、ｙｚ平面における発光点の発散角の半値半角をα、ｘｚ平面における発光点の発散角の半値半角をβ、前記自由伝播空間における光軸に沿った距離をls、前記光ファイバーのファイバー径をｃとしたとき、下記条件（ａ）（ｂ）（ｃ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の照明用光源装置。
   （ａ）前記距離lsが下記条件式を満たす。
   

   

   ただし、Ｂはレーザ光全体のｘｚ平面における径であり、Ｂ＝ｄ・（ｎ−１）＋ｂ
   （ｂ）集光光学系における倍率Ｔは下記条件式を満たす。
   

   

   （ｃ）光ファイバーは、各コヒーレント光が少なくともその内部で１回以上反射する長
   さを有する。
6. 前記コヒーレント光源は、コヒーレント光を射出する複数の発光点が１次元アレイ状に配列される構造をとる半導体レーザであることを特徴とする請求項５に記載の照明用光源装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の照明用光源装置を有し、照明光を出力する照明光学系と、
   該照明光学系から入射した照明光を制御して画像を形成する光変調素子と、
   前記光変調素子からの光を表示する表示部と、
   を備えたことを特徴とする画像表示装置。

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