特開 2023-95271 投射型表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023095271

(43)【公開日】2023-07-06

(54)【発明の名称】投射型表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/10 20060101AFI20230629BHJP

   H01S 5/022 20210101ALI20230629BHJP

【ＦＩ】

G02B26/10 104Z

H01S5/022

【審査請求】有

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021211061

(22)【出願日】2021-12-24

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-04-14

(71)【出願人】

【識別番号】516257981

【氏名又は名称】株式会社ライトショー・テクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】110003133

【氏名又は名称】弁理士法人近島国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山影 明広

(72)【発明者】

【氏名】加藤 厚志

(72)【発明者】

【氏名】梅 雨非

【テーマコード（参考）】

2H045

5F173

【Ｆターム（参考）】

2H045AA75

2H045BA02

2H045BA24

5F173MC30

5F173MD64

5F173MF18

5F173MF27

5F173MF28

5F173MF39

(57)【要約】

【課題】画像信号に応じてレーザ光を変調して投射する投射型画像表示装置の分野において、小型で、駆動制御が容易で、光利用効率が高い装置の実現が期待されていた。
【解決手段】半導体レーザと、半導体レーザが出力するレーザビームをコリメートする第１コリメートレンズとを備えたレーザ光源と第１コリメートレンズが出力するレーザビームを、偏向素子の光学面に集光する集光レンズと、偏向素子が出力するレーザビームをコリメートする第２コリメートレンズと、を備えた走査型光源において、偏向素子は、回転軸を中心とする円周に沿って形成され、回転軸を中心に回転可能な光学面を備え、光学面は、円周に沿って回転軸に対する傾斜角が変化するように構成されており、傾斜角は、光学面を一定速度で連続的に回転させると、レーザビームを一定方向に一定の偏向速度で再帰的に偏向するように構成されている、ことを特徴とする走査型光源である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体レーザと、前記半導体レーザが出力するレーザビームをコリメートする第１コリメートレンズとを備えたレーザ光源と、
偏向素子と、
前記第１コリメートレンズが出力するレーザビームを、前記偏向素子の光学面に集光する集光レンズと、
前記偏向素子が出力するレーザビームをコリメートする第２コリメートレンズと、
を備えた走査型光源において、
前記偏向素子は、回転軸を中心に回転可能で、前記回転軸を中心とする円周に沿って形成された光学面を備え、
前記光学面は、前記円周に沿って前記回転軸に対する傾斜角が変化するように構成されており、
前記傾斜角は、前記光学面を一定速度で連続的に回転させると、前記レーザビームを一定方向に一定の偏向速度で再帰的に偏向するように構成されている、
ことを特徴とする走査型光源。

【請求項2】

前記光学面は、前記集光レンズにより集光された前記レーザビームを反射させる反射面である、
ことを特徴とする請求項１に記載の走査型光源。

【請求項3】

前記光学面は、前記集光レンズにより集光された前記レーザビームを、透光性の基部に入射させる入射面である、
ことを特徴とする請求項１に記載の走査型光源。

【請求項4】

前記レーザ光源が出力するレーザビームの断面は、前記半導体レーザのＳｌｏｗ軸を長手方向とし、Ｆａｓｔ軸を短手方向とする略矩形形状であり、
前記偏向素子は、前記短手方向に沿って前記レーザビームを偏向する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の走査型光源。

【請求項5】

前記レーザ光源は、単素子の半導体レーザと、前記第１コリメートレンズの出力光を前記Ｓｌｏｗ軸の方向に拡大するビームコンバイナを備えている、
ことを特徴とする請求項４に記載の走査型光源。

【請求項6】

前記レーザ光源は、Ｆａｓｔ軸方向が直線に並ぶように配置された複数の半導体レーザを備えている、
ことを特徴とする請求項４に記載の走査型光源。

【請求項7】

前記レーザ光源は、前記複数の半導体レーザの各々の出力ビームを分割するビーム分割手段を備えている、
ことを特徴とする請求項６に記載の走査型光源。

【請求項8】

異なる色光毎に設けられた、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の走査型光源と、
前記走査型光源の各々が出力するビームを、互いに重ならないように合成する光合成部と、
前記光合成部が出力する光を、反射型光変調素子に導く光路変換ミラーと、
前記反射型光変調素子が出力する映像光を投射する投射レンズと、を備える、
ことを特徴とする投射型表示装置。

【請求項9】

前記走査型光源が出力するビームのＦａｓｔ軸方向の強度分布には影響を与えないが、Ｓｌｏｗ軸方向の強度分布を均一化させる光学的インテグレータを、前記走査型光源の前記第２コリメートレンズと前記反射型光変調素子の間に備える、
ことを特徴とする請求項８に記載の投射型表示装置。

【請求項10】

前記光学的インテグレータは、前記Ｓｌｏｗ軸方向にビームを拡散させるストライプ状の拡散素子と、前記拡散素子で拡散されたビームを前記反射型光変調素子の画面に集光するシリンドリカルレンズと、を備える、
ことを特徴とする請求項９に記載の投射型表示装置。

【請求項11】

前記光学的インテグレータの出力光を拡散させる固定式または移動式の拡散手段と、前記拡散手段から出力される拡散光を前記反射型光変調素子の画面に転写して結像する転写照明系と、を更に備える、
ことを特徴とする請求項９または１０に記載の投射型表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光源装置、および光源装置を備えた投射型表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、レーザ光を用いた投射型表示装置が知られている。

【0003】

特許文献１には、レーザ光源と、レーザ光を映像信号に応じて光変調する光音響変調器と、変調されたレーザ光を水平走査する多角形ミラーと、垂直走査するガルバノミラーと、を備えた投射型表示装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００－１８０７５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載された投射型表示装置では、水平走査する多角形ミラーと、垂直走査するガルバノミラーとを併用した光学的な走査手段を備えているが、水平と垂直の両方向を光学的に走査するため、大きな光路空間が必要となり、装置が大型化する問題があった。

【0006】

また、垂直走査に用いているガルバノミラーは、反射面を機械的に往復運動させるデバイスであり、１走査毎に走査開始位置まで反射面を戻すのに大きな時間を要し、しかも位置制御が複雑であるという問題があった。

【0007】

ガルバノミラーに代えて、比較的制御が簡単な共振型ミラースキャナーを垂直走査に用いることも考えられるが、共振型ミラースキャナーは正弦波駆動であるため走査が非等速になってしまううえ、走査開始位置までミラーを戻すのに要する時間も大きくなる。このため、投射型表示装置の垂直走査に用いるのは不適当であった。

【0008】

そこで、画像信号に応じてレーザ光を変調して投射する投射型画像表示装置の分野において、小型で、駆動制御が容易で、光利用効率が高い装置の実現が期待されていた。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の第一の態様は、半導体レーザと、前記半導体レーザが出力するレーザビームをコリメートする第１コリメートレンズとを備えたレーザ光源と、偏向素子と、前記第１コリメートレンズが出力するレーザビームを、前記偏向素子の光学面に集光する集光レンズと、前記偏向素子が出力するレーザビームをコリメートする第２コリメートレンズと、
を備えた走査型光源において、前記偏向素子は、回転軸を中心に回転可能で、前記回転軸を中心とする円周に沿って形成された光学面を備え、前記光学面は、前記円周に沿って前記回転軸に対する傾斜角が変化するように構成されており、前記傾斜角は、前記光学面を一定速度で連続的に回転させると、前記レーザビームを一定方向に一定の偏向速度で再帰的に偏向するように構成されている、ことを特徴とする走査型光源である。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、画像信号に応じてレーザ光を変調して投射する投射型画像表示装置の分野において、小型で、駆動制御が容易で、光利用効率が高い装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態１に係る投射型表示装置１０００の光学系の概略構成を示す図。

【図2】実施形態に係るシングルＬＤタイプの光源１００の基本構成を示すための模式図。

【図3】（ａ）半導体レーザの出力光のＮｅａｒ－Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎを示す図。（ｂ）半導体レーザの出力光のＦａｒ－Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎを示す図。

【図4】（ａ）コリメートレンズ１０２を通過した後の平行方向についてのビームの広がりを示す図。（ｂ）コリメートレンズ１０２を通過した後の直交方向についてのビームの広がりを示す図。

【図5】（ａ）マルチＬＤタイプの光源１００の基本構成を示す模式図。（ｂ）ビーム分割手段１０８を設けたマルチＬＤタイプの光源１００の基本構成を示す模式図。

【図6】（ａ）ビーム分割手段１０８の具体的な構成を示す図。（ｂ）ビーム分割手段１０８の出力を示す図。

【図7】（ａ）複数列の半導体レーザを備えた光源を例示する図。（ｂ）複数列の半導体レーザとビーム分割手段１０８を備えた光源を例示する図。

【図8】（ａ）実施形態に係る偏向器１の外観を示す斜視図。（ｂ）偏向器１の側面図。

【図9】（ａ）偏向器１における入射ビームと反射ビームの方向を説明するための図。（ｂ）偏向器１における反射面の位置と傾斜角を説明するための図。

【図10】（ａ）実施形態に係る偏向器２の外観を示す斜視図。（ｂ）偏向器２の側面図。

【図11】（ａ）偏向器２における入射ビームと反射ビームの方向を説明するための図。（ｂ）偏向器２における反射面の位置と傾斜角を説明するための図。

【図12】（ａ）実施形態に係る偏向器３の外観を示す斜視図。（ｂ）偏向器３における反射面の位置と傾斜角を説明するための図。

【図13】（ａ）光源１００の後方から偏向器２１０を見た図。（ｂ）偏向器２１０がレーザビームを垂直走査の開始位置に向けて反射させている状態を示す側面図。（ｃ）光合成部２２０側からコリメートレンズ２０２側を見た図。（ｄ）偏向器２１０がレーザビームを垂直走査の終了位置に向けて反射させている状態を示す側面図。（ｅ）光合成部２２０側からコリメートレンズ２０２側を見た図。

【図14】（ａ）反射型光変調素子３４０の画面と、矩形のレーザビームの走査範囲ＳＡの関係を示す図。（ｂ）反射型光変調素子３４０の画面を矩形のビームが走査する様子を示すタイムチャート。

【図15】光源１００の点灯（消灯）タイミングを示す図。

【図16】実施形態２に係る投射型表示装置１０００の光学系の概略構成を示す図。

【図17】（ａ）光源のタイプ別に矩形内のビーム強度分布を示す図。（ｂ）光学的インテグレータ２３０の構成を例示する模式的な斜視図。（ｃ）光学的インテグレータ２３０の光学的作用を説明するための模式図。

【図18】実施形態３に係る投射型表示装置１０００の光学系の概略構成を示す図。

【図19】実施形態４に係る投射型表示装置１０００の光学系の概略構成を示す図。

【図20】実施形態５に係る投射型表示装置１０００の光学系の概略構成を示す図。

【図21】（ａ）実施形態に係る偏向器４の外観を示す斜視図。（ｂ）偏向器４の側面図。

【図22】（ａ）偏向器４における入射ビームと透過ビームの方向を説明するための図。（ｂ）基体２１１ｂの材料がガラスである場合のβ（偏向角）の値を示す表。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図面を参照して、本発明の実施形態にかかる投射型表示装置および光源装置について説明してゆく。尚、以下に示す実施形態は例示であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更して実施をすることができる。
尚、以下の説明において参照する図面では、特に但し書きがない限り、同一の参照番号を付して示す要素は、同様の機能を有するものとする。

【0013】

また、以下の説明において、例えばＸプラス方向と記す場合には、図示の座標系におけるＸ軸矢印が指すのと同じ方向を指し、Ｘマイナス方向と記す場合には、図示の座標系におけるＸ軸矢印が指すのと１８０度反対の方向を指すものとする。また、単にＸ方向と記す場合には、図示のＸ軸矢印が指す向きとの異同は関係なく、Ｘ軸と平行な方向であることを指すものとする。Ｘ以外の方向についても、同様とする。

【0014】

また、以下の説明では、赤色のことを「Ｒ」、緑色のことを「Ｇ」、青色のことを「Ｂ」と記載する場合がある。したがって、例えば、Ｒ光は赤色光と、Ｇ光源は緑色光源と、Ｂレーザは青色レーザと、それぞれ同義である。

【0015】

［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る投射型表示装置の光学系の概略構成を示す図である。説明の便宜のため、同図では、光学要素を設置するための機械的機構や、筐体、電気的配線などは省略されている。

【0016】

［全体構成］
投射型表示装置１０００は、Ｂ光源１００Ｂ、Ｇ光源１００Ｇ、Ｒ光源１００Ｒ、Ｂ用偏向器２１０Ｂ、Ｇ用偏向器２１０Ｇ、Ｒ用偏向器２１０Ｒ、光合成部２２０、光路変換ミラー３３０、ＴＩＲプリズム３５０、反射型光変調素子３４０、投射レンズ３６０を備える。また、各色の光源と各色の偏向器の間には集光レンズ２０１が配置され、各色の偏向器と光合成部２２０の間にはコリメートレンズ２０２（第２コリメートレンズ）が配置されている。また、投射型表示装置１０００は、任意的に投映スクリーン１９０を備えることができる。

【0017】

Ｂ光源１００ＢはＢ光を発する半導体レーザを、Ｇ光源１００ＧはＧ光を発する半導体レーザを、Ｒ光源１００ＲはＲ光を発する半導体レーザを、それぞれ備えている。光源については、後に詳述する。

【0018】

Ｂ用偏向器２１０Ｂは、Ｂ光源１００Ｂが発するＢ光をＤＢ方向に偏向する偏向器である。同様に、Ｇ用偏向器２１０Ｇは、Ｇ光源１００Ｇが発するＧ光をＤＧ方向に偏向する偏向器であり、Ｒ用偏向器２１０Ｒは、Ｒ光源１００Ｒが発するＲ光をＤＲ方向に偏向する偏向器である。偏向器については、後に詳述する。

【0019】

Ｂ用偏向器２１０Ｂと光合成部２２０の間には、コリメートレンズ２０２が設けられている。Ｂ光（点線）がＢ用偏向器２１０ＢによりＤＢ方向に偏向されても、コリメートレンズ２０２の作用により、Ｂ光はＸ方向と平行な光線として光合成部２２０に入射する。

【0020】

Ｇ用偏向器２１０Ｇと光合成部２２０の間には、コリメートレンズ２０２が設けられている。Ｇ光（実線）がＧ用偏向器２１０ＧによりＤＧ方向に偏向されても、コリメートレンズ２０２の作用により、Ｇ光はＺ方向と平行な光線として光合成部２２０に入射する。

【0021】

Ｒ用偏向器２１０Ｒと光合成部２２０の間には、コリメートレンズ２０２が設けられている。Ｒ光（一点鎖線）がＲ用偏向器２１０ＲによりＤＲ方向に偏向されても、コリメートレンズ２０２の作用により、Ｒ光はＸ方向と平行な光線として光合成部２２０に入射する。

【0022】

光合成部２２０は、ダイクロイックミラー２２１とダイクロイックミラー２２２を備える。ダイクロイックミラー２２１は、Ｇ光を透過させ、Ｂ光を反射する光学特性を備えている。ダイクロイックミラー２２２は、Ｇ光及びＢ光を透過させ、Ｒ光を反射する光学特性を備えている。ダイクロイックミラー２２１上において、Ｂ光用のコリメートレンズ２０２の光軸中心と、Ｇ光用のコリメートレンズ２０２の光軸中心とが重なるように、各素子は配置されている。また、ダイクロイックミラー２２２上において、Ｂ光用のコリメートレンズ２０２の光軸中心と、Ｇ光用のコリメートレンズ２０２の光軸中心と、Ｒ光用のコリメートレンズ２０２の光軸中心とが重なるように、各素子は配置されている。

【0023】

光合成部２２０により、Ｂ光（点線）、Ｇ光（実線）、Ｒ光（一点鎖線）の進行方法は全てＺプラス方向に揃えられるが、これらの光は、どのタイミングにおいても互いに重なり合わないように合成されている。Ｂ光、Ｇ光、Ｒ光の各々が、互いに反射型光変調素子３４０の画面上で重ならないように、Ｂ用偏向器２１０Ｂ、Ｇ用偏向器２１０Ｇ、Ｒ用偏向器２１０Ｒによる偏向走査のタイミング（偏向の位相）を制御しているからである。走査方法については後に詳述する。
光合成部２２０から出射したＢ光、Ｇ光、Ｒ光は、光路変換ミラー３３０によりＸプラス方向に進路を変更され、ＴＩＲプリズム３５０に入射する。

【0024】

ＴＩＲプリズム３５０は、例えば２つのプリズムを組み合わせて構成された内部全反射プリズムであり、照明光（Ｂ光、Ｇ光、Ｒ光）をエアギャップ面で全反射させて、反射型光変調素子３４０に所定の角度で入射させる。前述したように、Ｂ光、Ｇ光、Ｒ光は、互いに重ならないように、それぞれが反射型光変調素子３４０の画面の一部を照明する。

【0025】

反射型光変調素子３４０には、例えばマイクロミラーデバイスをアレイ状に設けたＤＭＤが用いられる。各表示画素に対応するマイクロミラーは、映像信号の輝度レベルに応じて、パルス幅変調により反射方向が変更されるように駆動される。ただし、反射型液晶デバイスのような、別種の反射型光変調デバイスを用いることも可能である。

【0026】

Ｂ光で照明されている画面領域の画素は、映像信号のＢ成分の輝度レベルに応じて駆動され、Ｂ映像光をＴＩＲプリズム３５０に向けて所定角度で反射する。同様に、Ｇ光で照明されている画面領域の画素は、映像信号のＧ成分の輝度レベルに応じて駆動され、Ｇ映像光をＴＩＲプリズム３５０に向けて所定角度で反射する。また、Ｒ光で照明されている画面領域の画素は、映像信号のＲ成分の輝度レベルに応じて駆動され、Ｒ映像光をＴＩＲプリズム３５０に向けて所定角度で反射する。このように、反射型光変調デバイスは、Ｂ用偏向器２１０Ｂ、Ｇ用偏向器２１０Ｇ、Ｒ用偏向器２１０Ｒによる偏向走査のタイミングと同期して駆動される。

【0027】

映像光（Ｂ映像光、Ｇ映像光、Ｒ映像光）は、ＴＩＲプリズム３５０を透過して、投射レンズ３６０に導かれ、カラー映像として投射される。投射レンズ３６０は、単数もしくは複数のレンズで構成され、自動焦点調節機能やズーム機能を備えることもできる。

【0028】

投映スクリーン１９０は、リヤプロジェクション型の表示装置を構成する場合に用いられる。また、フロントプロジェクション型の場合にも設置されることが多いが、ユーザが任意の壁面などに投射する場合には、必ずしも設置する必要はない。

【0029】

［光源］
Ｂ光源１００Ｂ、Ｇ光源１００Ｇ、Ｒ光源１００Ｒについて説明する。Ｂ光源１００ＢはＢ光を発する半導体レーザとコリメートレンズを、Ｇ光源１００ＧはＧ光を発する半導体とレーザコリメートレンズを、Ｒ光源１００ＲはＲ光を発する半導体レーザとコリメートレンズを、それぞれ備えている。半導体レーザの発光波長を別にすれば、各色の光源の基本的な構成は同一であるので、以下では色光毎に区別せずに単に光源１００として説明する場合がある。
本実施形態で用いられ得る各色の光源には、単素子の半導体レーザを備えるタイプ（シングルＬＤタイプ）と、複数の半導体レーザを備えるタイプ（マルチＬＤタイプ）がある。以下、順に説明する。

【0030】

（シングルＬＤタイプ）
図２は、シングルＬＤタイプの光源１００の基本構成を示すための模式図である。１１は半導体レーザ、１３は給電端子、１２は半導体レーザ１１に形成された発光部であり、これらは発光素子１０１としてパッケージされている。尚、図２では、図１のＢ光源１００Ｂに合わせてＸＹＺ座標系の向きを表示している。図２においては、発光部１２の長手方向ＨをＹ方向と平行にし、発光部１２から出射した光の進行方向をＺ方向と平行に図示している。

【0031】

発光部１２の長手方向Ｈとは、典型的には、半導体レーザ１１を構成する半導体チップの側面において、Ｐ型クラッド層とＮ型クラッド層に挟まれた活性層が延在している方向である。図２に示すように、以後の説明では、半導体レーザ１１の発光部１２の長手方向と平行な方向を「平行方向」と記し、発光部１２の長手方向と直交する方向を「直交方向」と記す場合がある。発光素子１０１からは、直線偏光の光が出射し、その電界の振動方向は平行方向（Ｙ方向）である。

【0032】

半導体レーザ１１の出力光は、出射方向によって角度特性が異なることが知られているが、図３（ａ）に出力光のＮｅａｒ－Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎを、図３（ｂ）に出力光のＦａｒ－Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎを例示する。

【0033】

図３（ａ）に示すように、Ｎｅａｒ－Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎでは、発光部の形状（長手、短手）を反映したビームプロファイルであることが判る。一方、ビームが進行するにつれて、図３（ｂ）のＦａｒ－Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎに例示するように、ビームは広がってゆく。すなわち、平行方向についてみれば、半導体レーザ１１から出射したビームは、広がりが小さく、狭い角度範囲内に強度分布が均一なパターンで進行してゆくことがわかる。一方、直交方向についてみれば、半導体レーザ１１から出射したビームは、強度分布が山形になるパターン（ガウシアン）になり、進行するにつれて平行方向よりも広い角度範囲に広がってゆくことがわかる。半導体レーザの活性層は、直交方向の厚さが小さいため、出射する際に回折の影響を大きく受けるためである。Ｆａｒ－Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎで見て広がりが小さな平行方向をＳｌｏｗ軸、広がりが大きな直交方向をＦａｓｔ軸と呼ぶこともできる。

【0034】

本実施形態では、図２に示すようにコリメートレンズ１０２（第１コリメートレンズ）を用いて半導体レーザ１１から出射したレーザビームを成形する。すなわち、長手方向の長さがＨｙ１である発光部１２から出射した光は、コリメートレンズ１０２によりコリメートされ、断面が楕円形状のビームとなってＺ方向に進行する。尚、楕円形状の長径はＸ方向と平行で、短径はＹ方向と平行である。

【0035】

コリメートレンズ１０２を通過しても、ビームが光軸（Ｚ方向）と完全に平行になるわけではなく、平行方向（発光部の長手方向）と直交方向（発光部の短手方向）ではビームの広がり方が異なったものとなる。図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して、コリメートレンズ１０２を通過した後のビームの広がり方の違いについて説明する。図４（ａ）は平行方向についての広がりを示し、図４（ｂ）は直交方向についての広がりを示している。

【0036】

図４（ａ）に示すように、平行方向についてみれば、ビーム強度のトップはフラットではあるものの、Ｚ方向に進むにつれてビーム径が広がってしまうので、ダイバージェンスが良好であるとは言えない。これに対して、図４（ｂ）に示すように、直交方向についてみれば、コリメートレンズ１０２からの距離が変化してもビーム強度分布とビーム径の変化が小さいのが判る。すなわち、コリメートレンズ１０２を透過した後のレーザビームは、直交方向（半導体レーザのＦａｓｔ軸）の方が平行方向（半導体レーザのＳｌｏｗ軸）よりも平行性が高く、ダイバージェンスが良好である。

【0037】

図２に戻り、シングルＬＤタイプの光源１００は、例えばシリンドリカルレンズで構成されたビームコンバイナ１０７を備えている。ビームコンバイナ１０７は、ビームを平行方向（Ｙ方向）に拡大する。ビームコンバイナ１０７を経て、光源１００から出力光として出射されるビームは、断面形状が略矩形になるよう整形された矩形光線となる。矩形の長手方向が平行方向（半導体レーザのＳｌｏｗ軸）、矩形の短手方向が直交方向（半導体レーザのＦａｓｔ軸）に対応する。光源１００から出力されるビームは、矩形の短手方向の方が長手方向よりもダイバージェンスが良好である。尚、以下の説明で矩形という際には、必ずしも幾何学的に厳密な矩形を意味するものではなく、例えば角の部分が変形した略矩形形状でもよい。

【0038】

後述するように、本発明では、光源１００から出力されるビームのダイバージェンスが直交方向（矩形の短手方向）において優れる（ビームの平行度が高い）という性質を利用して、直交方向に沿ってビームを偏向走査させて光変調素子を照明する。ダイバージェンスが優れる方向に沿ってビームを偏向走査する方が、光変調素子の画面上でＲ、Ｇ、Ｂの各色照明領域の重なりを防止するのに有利だからである。

【0039】

（マルチＬＤタイプ）
図５（ａ）は、マルチＬＤタイプの光源１００の基本構成を示すための模式図である。光源１００は、複数の半導体レーザおよびコリメートレンズ１０２（第１コリメートレンズ）を含んだレーザモジュールＬＭ１を備えている。個々の半導体レーザについての説明は、シングルＬＤタイプと内容が重複するので省略する。尚、図５（ａ）では、図１のＢ光源１００Ｂに合わせてＸＹＺ座標系の向きを表示している。

【0040】

レーザモジュールＬＭ１においては、複数の半導体レーザがＹ方向に沿って等間隔に並ぶように配置されている。また、どの半導体レーザも、発光部１２の長手方向がＹ方向に沿う向きになるように配置されている。４素子の半導体レーザを用いる例を示すが、素子の数はこの例に限られるわけではない。

【0041】

半導体レーザのＹ方向の間隔を適宜に設定することにより、光源１００から出射されるビームは、断面形状が略矩形な矩形光線となる。矩形の長手方向が平行方向（半導体レーザのＳｌｏｗ軸方向）、矩形の短手方向が直交方向（半導体レーザのＦａｓｔ軸方向）に対応する。光源１００から出力されるビームは、矩形の短手方向の方が長手方向よりもダイバージェンスが良好である。

【0042】

また、図５（ｂ）に示すように、平行なビームを分割するビーム分割手段１０８を設けることにより、断面形状が略矩形な矩形光線におけるビーム強度の均一性を向上させることができる。図６（ａ）に、ビーム分割手段１０８の具体的な構成を例示するが、各々のコリメートレンズ１０２の光軸上にはハーフミラーが配置されている。レーザビームのうち半分の光量はそのままハーフミラーを透過してＺ方向に進むが、残り半分の光量はハーフミラーによりＹ方向に反射される。反射光の光路上には、全反射ミラーが配置されており、ハーフミラーでＹ方向に反射された光は、全反射ミラーに反射されてＺ方向に進む。その結果、４個の半導体レーザから出力された４本の出力ビームは、ビーム分割手段１０８により分割されて、Ｚ方向に進む平行な８本のビームとなり、図６（ｂ）に示すように、断面形状が略矩形な矩形光線におけるビーム強度の均一性が向上する。ここでも、矩形の長手方向が平行方向（半導体レーザのＳｌｏｗ軸）、矩形の短手方向が直交方向（半導体レーザのＦａｓｔ軸）に対応する。ビーム分割手段１０８を備える光源１００であっても、出力されるビームは、矩形の短手方向の方が長手方向よりもダイバージェンスが良好である。

【0043】

以上の例では、複数の半導体レーザを１列だけＹ方向に沿って並べたが、Ｙ方向に沿った列を複数設けて矩形光線を出力するように構成してもよい。図７（ａ）に示すのは、図５（ａ）では１列であった素子列を２列にしたレーザモジュールＬＭ２である。また、図７（ｂ）に示すのは、図５（ｂ）では１列であった素子列を２列にしたレーザモジュールＬＭ２である。このように、Ｙ方向に沿った半導体レーザの素子列を複数列備える光源１００であっても、出力されるビームは、矩形の短手方向の方が長手方向よりもダイバージェンスが良好である。

【0044】

［偏向器］
Ｂ用偏向器２１０Ｂ、Ｇ用偏向器２１０Ｇ、Ｒ用偏向器２１０Ｒについて説明する。これらは、異なる色のレーザビームを偏向走査するのに用いられる偏向素子であるが、基本的な構成は同一であるので、以下では特に色を特定せずに偏向器２１０として説明する場合がある。偏向器２１０について、複数のバリエーションを説明する。
（偏向器１）
偏向器２１０の１つの形態である偏向器１について説明する。図８（ａ）は、偏向器１の外観を示す斜視図であり、図８（ｂ）は、偏向器１の側面図である。

【0045】

偏向器１は、回転可能な円板状の基体２１１と、回転軸ＡＸを中心に基体２１１を回転させるモータ２１２を備えている。円板状の基体２１１の主面には、円周に沿って帯状の光学面である反射面２１３が設けられている。ここで、反射面の位置を特定するため、図８（ａ）に示すように、回転軸ＡＸを中心として反時計回りに角度座標を設定する。（図では、０°、９０°、１８０°、２７０°が示されている）。また、図に示す軸ＢＸは、回転軸ＡＸと平行で反射面２１３を通る軸である。ビーム照射位置２１４として示すのは、光源１００から出力された矩形のビームが集光レンズ２０１（図１）により集光されるビームスポット位置である。

【0046】

帯状の反射面２１３は、軸ＢＸ（すなわち回転軸ＡＸ）に対する角度が位置によって変化するようにねじれている。図９（ａ）と図９（ｂ）を参照して、反射面の角度について説明する。図９（ａ）と図９（ｂ）において、反射面の位置として示されているのは、図８（ａ）で説明した角度座標により規定される位置である。また、反射面の傾斜角として示されるのは、円板状の基体２１１の主面（すなわち軸ＢＸと直交する面）を基準とした時の、反射面の傾斜角である。

【0047】

図９（ｂ）に示すように、反射面の位置に対して反射面の傾斜角がリニアに変化するように、反射面２１３は構成されている。図８（ａ）、図９（ｂ）に示すように、反射面の位置が０°（３６０°）において反射面の傾斜角が不連続になるため、説明の便宜上、図９（ａ）では反射面の位置が１°と３５９°の場合の傾斜角を示している。

【0048】

モータにより基体２１１がＲ方向に回転されると、反射面２１３も回転軸ＡＸの回りを回転するため、図８（ａ）に示したビーム照射位置２１４にてレーザビームが照射される部位の角度座標は、０°→９０°→１８０°→３６０°（＝０°）→９０°・・・のように連続的に変化してゆく。

【0049】

反射面が回転してレーザビームに照射される反射面の部位が変化したとしても、図９（ａ）に示すように、入射ビームは常に軸ＢＸに対してαの角度で反射面２１３に入射する。一方、反射面の位置に応じて反射面の傾斜角は、－θから＋θの範囲で変化する。このため、図９（ａ）に示すように、反射面２１３で反射されたレーザビームの方向は、軸ＢＸを基準にすると、（α－２×θ）から（α＋２×θ）までの４θの角度範囲内で変化する。つまり、傾斜角は、光学面（反射面）を一定速度で連続的に回転させると、レーザビームを一定方向に一定の偏向速度で再帰的に偏向するように構成されている、

【0050】

言い換えれば、図８（ｂ）に示すように、偏向器２１０は、出射ビームをＲＤ１（軸ＢＸに対して（α－２×θ））からＲＤ２（軸ＢＸに対して（α＋２×θ））までの角度範囲内で偏向走査することができる。図８（ａ）のＲ方向に反射面２１３を連続回転させると、出射ビームは、図８（ｂ）のＲＤ１からＲＤ２に向けて連続的に偏向（走査）されてゆき、ＲＤ２に達すると瞬時にＲＤ１に回帰し、再びＲＤ２に向けて偏向（走査）されてゆく。また、もし反射面２１３をＲ方向とは逆に回転させるのであれば、出射ビームは、図８（ｂ）のＲＤ２からＲＤ１に向けて連続的に偏向（走査）されてゆき、ＲＤ１に達すると瞬時にＲＤ２に回帰し、再びＲＤ１に向けて偏向（走査）されてゆくことになる。

【0051】

このように、偏向器１によれば、ガルバノミラーなどとは異なり、回転体を一定速度で連続的に回転させるという簡単な駆動方法で、レーザビームを所定方向に等速度で再帰的に偏向走査することができる。後述するように、反射型光変調素子３４０の駆動タイミング（あるいは、反射型光変調素子３４０に入力する画像信号）と同期して回転するようにモータ２１２を制御することにより、照明光を反射型光変調素子３４０の画面においてＶ方向に走査することができる。

【0052】

偏向器１の製造方法について付言すると、円周に沿って帯状の反射面２１３が設けられた円板状の基体２１１は、例えばプレス押出工法で金属母材を加工することにより低コストで製造することが可能である。図９（ａ）に例示したように、反射面２１３の近傍には基体２１１の主面から突出した部分や凹んだ部分が存在するが、回転バランスを良好にするため、回転軸ＡＸを通る断面で見た時、どの位置の断面であっても断面積が等しい形状にするのが望ましい。また、基体２１１の主面から突出する最大高さや、主面から凹む最大深さは、風切り音を低減するため、平均板厚の３／４以下にするのが望ましい。具体的には、基体２１１の平均板厚は、０．７ｍｍ以上で２ｍｍ以下とするのが望ましく、θは３°以上で６°以下とするのが望ましい。

【0053】

（偏向器２）
偏向器２１０の１つの形態である偏向器２について説明する。図１０（ａ）は、偏向器２の外観を示す斜視図であり、図１０（ｂ）は、偏向器２の側面図である。

【0054】

偏向器２は、円板状の基体２１１と、回転軸ＡＸを中心に基体２１１を回転させるモータ２１２を備えている。円板状の基体２１１の主面には、円周に沿って帯状の反射面２１３が設けられている。ここで、反射面の位置を特定するため、図１０（ａ）に示すように、回転軸ＡＸを中心として反時計回りに角度座標を設定する。（図では、０°、９０°、１８０°、２７０°が示されている）。また、図に示す軸ＢＸは、回転軸ＡＸと平行で反射面２１３を通る軸である。ビーム照射位置２１４として示すのは、光源１００から出力された矩形のビームが集光レンズ２０１（図１）により集光されるビームスポット位置である。

【0055】

帯状の反射面２１３は、軸ＢＸ（すなわち回転軸ＡＸ）に対する角度が位置によって変化するようにねじれている。図１１（ａ）と図１１（ｂ）を参照して、反射面の角度について説明する。図１１（ａ）と図１１（ｂ）において、反射面の位置として示されているのは、図１０（ａ）で説明した角度座標により規定される位置である。また、反射面の傾斜角として示されるのは、円板状の基体２１１の主面（すなわち軸ＢＸと直交する面）を基準とした時の、反射面の傾斜角である。

【0056】

図１１（ｂ）に示すように、反射面の位置に対して反射面の傾斜角がリニアに変化するように、反射面２１３は構成されている。図１０（ａ）、図１１（ｂ）に示すように、反射面の位置が０°（３６０°）において反射面の傾斜角が不連続になるため、説明の便宜上、図１１（ａ）では反射面の位置が１°と３５９°の場合の傾斜角を示している。

【0057】

モータにより基体２１１がＲ方向に回転されると、反射面２１３も回転軸ＡＸの回りを回転するため、図１０（ａ）に示したビーム照射位置２１４にてレーザビームが照射される部位の角度座標は、０°→９０°→１８０°→３６０°（＝０°）→９０°・・・のように連続的に変化してゆく。

【0058】

反射面が回転してレーザビームに照射される反射面の部位が変化したとしても、図１１（ａ）に示すように、入射ビームは常に軸ＢＸに対してαの角度で反射面２１３に入射する。一方、反射面の位置に応じて反射面の傾斜角は、－θから０の範囲で変化する。このため、図１１（ａ）に示すように、反射面２１３で反射されたレーザビームの方向は、軸ＢＸを基準にすると、（α－２×θ）からαまでの２θの角度範囲内で変化する。

【0059】

言い換えれば、図１０（ｂ）に示すように、偏向器２１０は、出射ビームをＲＤ１（軸ＢＸに対して（α－２×θ））からＲＤ２（軸ＢＸに対してα）までの角度範囲内で偏向走査することができる。図１０（ａ）のＲ方向に反射面２１３を連続回転させると、出射ビームは、図１０（ｂ）のＲＤ１からＲＤ２に向けて連続的に偏向（走査）されてゆき、ＲＤ２に達すると瞬時にＲＤ１に回帰し、再びＲＤ２に向けて偏向（走査）されてゆく。また、もし反射面２１３をＲ方向とは逆に回転させるのであれば、出射ビームは、図１０（ｂ）のＲＤ２からＲＤ１に向けて連続的に偏向（走査）されてゆき、ＲＤ１に達すると瞬時にＲＤ２に回帰し、再びＲＤ１に向けて偏向（走査）されてゆくことになる。

【0060】

このように、偏向器２によれば、ガルバノミラーなどとは異なり、回転体を一定速度で連続的に回転させるという簡単な駆動方法で、レーザビームを所定方向に等速度で再帰的に偏向走査することができる。後述するように、反射型光変調素子３４０の駆動タイミング（あるいは、反射型光変調素子３４０に入力する画像信号）と同期して回転するようにモータ２１２を制御することにより、照明光を反射型光変調素子３４０の画面においてＶ方向に走査することができる。
偏向器２の製造方法や具体的なサイズについては、偏向器１の説明と同様である。

【0061】

（偏向器３）
偏向器２１０の１つの形態である偏向器３について説明する。図１２（ａ）は、偏向器３の外観を示す斜視図であり、図１２（ｂ）は、偏向器３の反射面の位置と傾斜角の関係を示す図である。

【0062】

偏向器３は、円板状の基体２１１と、回転軸ＡＸを中心に基体２１１を回転させるモータを備えている。円板状の基体２１１の主面には、円周に沿って帯状の反射面２１３が設けられている。ここで、反射面の位置を特定するため、図１２（ａ）に示すように、回転軸ＡＸを中心として反時計回りに角度座標を設定する。（図では、０°、９０°、１８０°、２７０°が示されている）。また、図に示す軸ＢＸは、回転軸ＡＸと平行で反射面２１３を通る軸である。ビーム照射位置２１４として示すのは、光源１００から出力された矩形のビームが集光レンズ２０１（図１）により集光されるビームスポット位置である。

【0063】

帯状の反射面２１３は、軸ＢＸ（すなわち回転軸ＡＸ）に対する角度が位置によって変化するようにねじれている。反射面の傾斜角が－θから＋θまでリニアに変化いて、反射面の位置として示されているのは、図１２（ａ）で説明した角度座標により規定される位置である。また、反射面の傾斜角として示されるのは、円板状の基体２１１の主面（すなわち軸ＢＸと直交する面）を基準とした時の、反射面の傾斜角である。

【0064】

図１２（ｂ）に示すように、反射面の位置が０°～１８０°の区間と、１８０°～３６０°の区間において、反射面の傾斜角がリニアに変化するように、反射面２１３は構成されている。前出の偏向器１では、０°から３６０°にかけて反射面の傾斜角が－θから＋θまでリニアに変化したが、偏向器３では、０°～１８０°の区間と１８０°～３６０°のそれぞれの区間において、反射面の傾斜角が－θから＋θまでリニアに変化する。尚、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、偏向器３では、反射面の位置が０°（３６０°）および１８０°においては反射面の傾斜角は不連続になっている。

【0065】

モータにより基体２１１がＲ方向に回転されると、反射面２１３も回転軸ＡＸの回りを回転するため、図１２（ａ）に示したビーム照射位置２１４にてレーザビームが照射される部位の角度座標は、０°→９０°→１８０°→３６０°（＝０°）→９０°・・・のように連続的に変化してゆく。

【0066】

反射面の傾斜角と出射ビームの方向との関係は、偏向器１についての説明と同様であるが、偏向器３の場合は図１２（ｂ）の下段に示したように、基体２１１を１回転させることにより２回の偏向走査が可能である。このため、画像表示の１フレームに対して基体２１１を１／２回転させればよく、回転速度を低減できるため、静音化の点で有利である。

【0067】

このように、偏向器３によれば、ガルバノミラーなどとは異なり、回転体を一定速度で連続的に回転させるという簡単な駆動方法で、レーザビームを所定方向に等速度で再帰的に偏向走査することができる。後述するように、反射型光変調素子３４０の駆動タイミング（あるいは、反射型光変調素子３４０に入力する画像信号）と同期して回転するようにモータ２１２を制御することにより、照明光を反射型光変調素子３４０の画面においてＶ方向に走査することができる。

【0068】

尚、１周を０°～１８０°と１８０°～３６０°の２つの区間に分割して、それぞれの区間で反射面の傾斜角を－θから＋θまで変化させる例を示したが、３つ以上の区間に分割してそれぞれの区間で傾斜角を変化させてもよい。また、傾斜角は、－θから＋θまで変化させる例に限られるわけではなく、偏向器２のように－θから０の範囲で変化させてもよいし、それ以外でもよい。
偏向器３の製造方法や具体的なサイズについては、偏向器１の説明と同様である。

【0069】

［走査方法］
投射型表示装置１０００（図１）は、Ｂ、Ｇ、Ｒの各色について、上述した光源１００と偏向器２１０を備えている。光源１００Ｂ、光源１００Ｇ、光源１００Ｒから出力された矩形のＢビーム、Ｇビーム、Ｒビームは、反射型光変調素子３４０の画面を照明しながら、垂直方向（Ｖ方向）に沿って画面を走査する。光源１００、偏向器２１０、集光レンズ２０１、第２コリメートレンズ２０２により構成される部分を、走査型光源と呼ぶことができる。

【0070】

図１３（ａ）は、光源１００の後方から偏向器２１０を見た図であり、偏向器の反射面で反射されたレーザビームが、コリメートレンズ２０２で平行化される様子を示している。

【0071】

図１３（ｂ）は、偏向器２１０がレーザビームを垂直走査の開始位置に向けて反射させている状態を示している。図１３（ｃ）は、その際に光合成部２２０側からコリメートレンズ２０２側を見た図であり、矩形のビームを模式的に斜線領域で示している。また、図１３（ｄ）は、偏向器２１０がレーザビームを垂直走査の終了位置に向けて反射させている状態を示している。図１３（ｅ）は、その際に光合成部２２０側からコリメートレンズ２０２側を見た図であり、矩形のビームを模式的に斜線領域で示している。尚、図１３（ｂ）～図１３（e）に記載した座標軸は、図１のＧ用偏向器２１０Ｇに対応させて示したもので、Ｂ用偏向器２１０Ｂ、Ｒ用偏向器２１０Ｒの場合は、座標軸は異なった向きになる。

【0072】

これらの図に例示されるように、光源１００から出力された矩形のビームは、集光レンズ２０１により偏向器２１０の反射面２１３のビームスポット位置に集光されている。ビームスポット位置にて反射されたビームは広がり角を有しているが、コリメートレンズ２０２により平行化されている。
本実施形態では、偏向器の反射面を回転させることにより、矩形のレーザビームを走査方向ＳＤに沿って偏向走査することができる。

【0073】

図１４（ａ）に、反射型光変調素子３４０の画面と、矩形のレーザビームの走査範囲ＳＡの関係を示す。反射型光変調素子３４０の画面サイズをＨ（水平方向）×Ｖ（垂直方向）とすると、矩形のレーザビームの走査範囲ＳＡは、画面サイズよりも大きなＨ’×Ｖ’の領域をカバーする。

【0074】

図１４（ｂ）は、反射型光変調素子３４０の画面を矩形のＢビーム、Ｇビーム、Ｒビームのそれぞれが照射する様子を、横軸を時間軸として示した図である。Ｂビーム、Ｇビーム、Ｒビームは、走査方向ＳＤに沿って反射型光変調素子３４０の画面を垂直走査し、１フレーム時間で１画面の走査を完了する。各色領域の境界部分で混色が生じないように、Ｂビーム、Ｇビーム、Ｒビームは、互いに重複しないように構成されており、必然的に各ビームの垂直方向の幅は、Ｖ’の１／３以下に構成されている。各ビームの垂直方向の幅は、反射型光変調素子３４０の画面の垂直方向の幅の１／４以上かつ１／３以下に設定され得る。

【0075】

ところで、偏向器１～偏向器３で例示したように、偏向器の反射面には、傾斜角が不連続になる位置があるが、この部分では意図しない方向に反射して迷光し、表示画質が低下する懸念がある。そこで、本実施形態では、例えば図８（ａ）、図１０（ａ）、図１２（ａ）に示すビーム照射位置２１４が、反射面の傾斜角が不連続になる位置の近傍にあるタイミングでは、光源１００を消灯させる、あるいは輝度を大幅に低下させるように光源１００の駆動を制御する。

【0076】

図１５は、偏向器２１０として偏向器１を用いた場合を例にして、横軸を時間として光源１００の点灯（消灯）タイミングを示した図である。表示画像のフレームを切り替えるタイミングにおいては、ビーム照射位置は反射面の傾斜角が不連続になる位置（偏向器１の場合は、０°＝３６０°）となるので、図１５下段のグラフに示すように、このタイミングに合わせて光源１００を消灯させる、あるいは輝度を大幅に低下させるように光源１００の駆動を制御する。

【0077】

本実施形態では、図１３（ｂ）、図１３（ｄ）を参照して説明したように、光源１００から出力された矩形のビームは、集光レンズ２０１により偏向器２１０の反射面２１３（ビーム照射位置２１４）に集光されているので、傾斜角が不連続になる位置にビームスポットが滞在する時間は短い。したがって、光源１００を消灯させる、あるいは輝度を大幅に低下させる時間は、短時間で済み、表示輝度を低下させることは殆ど無い。例えば、反射面２１３の環の直径を３０ｍｍだとすると、反射面２１３の周方向の長さは９４．２ｍｍとなる。集光レンズ２０１で集光されたビームスポットの直径が例えば１ｍｍだとすれば、消灯時間の割合は、１／９４．２＝０．０１０６で済むことになり、表示輝度が低下することは殆ど無い。

【0078】

以上説明したように、本実施形態では、ガルバノミラーや共振型ミラースキャナーのように往復動作が必要で、１走査毎に走査開始位置に戻るのに要する時間が大きな光学走査手段を用いることなく、定速回転によりリニアに偏向走査することが可能な垂直偏向器を用いてＢ、Ｇ、Ｒのレーザビームを走査する。Ｂ、Ｇ、Ｒのレーザビームは、ビーム断面が矩形であり、矩形の短手方向の方が長手方向よりもダイバージェンスが良好に構成され、偏向器はダイバージェンスが良好な方向に沿って垂直偏向走査する。Ｂ、Ｇ、Ｒのレーザビームは、集光レンズ２０１により偏向器２１０の反射面２１３に集光され、反射面２１３で反射される。反射されたＢ、Ｇ、Ｒのレーザビームは、コリメートレンズ２０２により平行化され、光合成部２２０にて合成され、反射型光変調素子３４０の画面を照明するために導かれる。本実施形態は、水平方向には光学的な偏向走査を行わないため、装置が小型である。また、垂直走査には、往復動作が不必要で、走査戻りに要する時間が実質的には無い偏向器を用いるため、駆動制御が容易で、しかも光利用率が高く、画像品位が高い投射型表示装置を提供することが可能である。

【0079】

［実施形態２］
実施形態２について説明するが、実施形態１と共通する事項については、説明を簡略化または省略するものとする。図１６は、実施形態２に係る投射型表示装置の光学系の概略構成を示す図である。説明の便宜のため、同図では、光学要素を設置するための機械的機構や、筐体、電気的配線などは省略されている。

【0080】

［全体構成］
実施形態１と同様に、本実施形態の投射型表示装置１０００は、Ｂ光源１００Ｂ、Ｇ光源１００Ｇ、Ｒ光源１００Ｒ、Ｂ用偏向器２１０Ｂ、Ｇ用偏向器２１０Ｇ、Ｒ用偏向器２１０Ｒ、光合成部２２０、光路変換ミラー３３０、ＴＩＲプリズム３５０、反射型光変調素子３４０、投射レンズ３６０を備える。また、各色の光源と各色の偏向器の間には集光レンズ２０１が配置され、各色の偏向器と光合成部２２０の間にはコリメートレンズ２０２が配置されている。また、投射型表示装置１０００は、任意的に投映スクリーン１９０を備えることができる。

【0081】

実施形態２が実施形態１と異なるのは、光学的インテグレータ２３０を備える点である。光学的インテグレータ２３０は、レーザビームが偏向走査される方向と直交する方向、すなわち反射型光変調素子３４０の画面の水平方向における照明輝度の均一性を向上するために設けられている。

【0082】

実施形態１において光源１００のバリエーションについて説明したが、図１７（ａ）に、矩形光線を例示する。左側に示すのは、図２を参照して説明したシングルＬＤタイプの光源１００から出力された矩形光線である。ビームコンバイナ１０７を用いることにより、矩形内でのビーム強度の均一性が高いのがわかる。図１７（ａ）の中央に示すのは、図５（ａ）あるいは図５（ｂ）を参照して説明したマルチＬＤタイプの光源１００から出力された矩形光線である。図１７（ａ）の右側に示すのは、図７（ａ）あるいは図７（ｂ）を参照して説明した複数列の半導体レーザを備えたマルチＬＤタイプの光源１００から出力された矩形光線である。矩形の長手方向が平行方向（半導体レーザのＳｌｏｗ軸）、矩形の短手方向が直交方向（半導体レーザのＦａｓｔ軸）に対応する。光源１００から出力されるビームは、矩形の短手方向の方が長手方向よりもダイバージェンスが良好であり、偏向器による走査方向ＳＤは、矩形の短手方向と一致している。

【0083】

図１７（ａ）の中央や右側の例を見れば判るように、マルチＬＤタイプの光源の場合には、矩形の長手方向において半導体レーザの配置を反映してビーム強度に分布が発生しがちである。

【0084】

そこで、本実施形態では、矩形ビームの短手方向（偏向走査方向）には影響を与えないが、長手方向（偏向走査方向と直交する方向）に対しては強度分布を均一化させるような光学的インテグレータ２３０を用いる。図１７（ｂ）は、光学的インテグレータ２３０の構成を例示するための模式的な斜視図であり、図１７（ｃ）は、光学的インテグレータ２３０の光学的作用を説明するための模式図である。光学的インテグレータ２３０は、矩形の長手方向（偏向走査方向と直交する方向）にビームを拡散させるストライプ状の拡散素子２３１と、拡散素子２３１で拡散されたビームをターゲット面（反射型光変調素子の画面）に集光するシリンドリカルレンズ２３２で構成される。

【0085】

光学的インテグレータ２３０を備えることにより、マルチＬＤタイプの光源を用いる場合であっても、シングルＬＤタイプの光源と同様に、矩形の長手方向のビーム強度を均一なものとすることができる。

【0086】

尚、図１６では、光学的インテグレータ２３０は、光合成部２２０と光路変換ミラー３３０の間に配置されているが、ビームをターゲット面（反射型光変調素子の画面）に集光するようにできれば、コリメートレンズ２０２と反射型光変調素子３４０の間の任意の位置に配置することが可能である。

【0087】

以上説明したように、本実施形態では、ガルバノミラーや共振型ミラースキャナーのように往復動作が必要で、１走査毎に走査開始位置に戻るのに要する時間が大きな光学走査手段を用いることなく、定速回転によりリニアに偏向走査することが可能な垂直偏向器を用いてＢ、Ｇ、Ｒのレーザビームを走査する。Ｂ、Ｇ、Ｒのレーザビームは、ビーム断面が矩形であり、矩形の短手方向の方が長手方向よりもダイバージェンスが良好に構成され、偏向器はダイバージェンスが良好な方向に沿って垂直偏向走査する。Ｂ、Ｇ、Ｒのレーザビームは、集光レンズ２０１により偏向器２１０の反射面２１３に集光され、反射面２１３で反射される。反射されたＢ、Ｇ、Ｒのレーザビームは、コリメートレンズ２０２により平行化され、光合成部２２０にて合成され、反射型光変調素子３４０の画面を照明するために導かれる。その光路上に、本実施形態では光学的インテグレータ２３０を備えるため、画面の水平方向の照射ビーム強度の均一性を高めることができる。本実施形態は、水平方向には光学的な偏向走査を行わないため、装置が小型である。また、垂直走査には、往復動作が不必要で、走査戻りに要する時間が実質的には無い偏向器を用いるため、駆動制御が容易で、しかも光利用率が高く、画像品位が高い投射型表示装置を提供することが可能である。

【0088】

［実施形態３］
実施形態３について説明するが、実施形態１あるいは実施形態２と共通する事項については、説明を簡略化または省略するものとする。図１８は、実施形態３に係る投射型表示装置の光学系の概略構成を示す図である。説明の便宜のため、同図では、光学要素を設置するための機械的機構や、筐体、電気的配線などは省略されている。

【0089】

実施形態３は、実施形態２と同様に光学的インテグレータ２３０を備えているが、さらに拡散板３１０ａと転写照明系３２０を備えている。本実施形態では、光学的インテグレータ２３０のターゲット面（図１７（ｃ）参照）を、反射型光変調素子の画面ではなく拡散板３１０ａの位置に設定する。そして、第１照明レンズ３２１と第２照明レンズ３２２から構成される転写照明系３２０を用いて、拡散板３１０ａから拡散光として射出する照明光を、反射型光変調素子３４０の画面に転写して結像させて照明する。

【0090】

本実施形態によれば、実施形態２と同様な効果に加えて、拡散板３１０ａにより、反射型光変調素子３４０から投射レンズ３６０に向かう映像光のＦナンバーを制御して与えられる利点がある。

【0091】

［実施形態４］
実施形態４について説明するが、実施形態１～実施形態３と共通する事項については、説明を簡略化または省略するものとする。図１９は、実施形態４に係る投射型表示装置の光学系の概略構成を示す図である。説明の便宜のため、同図では、光学要素を設置するための機械的機構や、筐体、電気的配線などは省略されている。

【0092】

実施形態４は、実施形態３と同じく、光学的インテグレータ２３０、拡散手段、転写照明系３２０を備えている。実施形態３では、拡散手段として固定式の拡散板３１０ａを用いたが、本実施形態では、回転型拡散板３１０ｂを用いる。回転型拡散板３１０ｂとは、モータにより回転される円板状の拡散板である。固定型の拡散板３１０ａの場合には、空間的な位置毎に拡散特性が決まってしまい、レーザ光によるシンチレーション（輝点の瞬き）の発生を抑制することが難しい。これに対して、回転型拡散板３１０ｂは、空間的な位置毎に拡散特性が固定することはなく、回転に応じて空間的な位置毎の拡散特性が時間的に変化するため、シンチレーションを抑制する効果をえることができる。尚、空間的な位置毎の拡散特性を時間的に変化させることができればよいので、拡散板は必ずしも回転で動かさなくてはならないわけではなく、例えば直線的な往復運動や揺動運動をするの移動式拡散板でもよい。

【0093】

尚、図１９の例では、光学的インテグレータ２３０はＢ光とＧ光の合成光に対して１台、Ｒに対して１台設けられており、各々の光学的インテグレータ２３０のターゲット面は回転型拡散板３１０ｂの拡散面と一致させている。
以上のように、本実施形態によれば、実施形態３と同様の効果に加えて、レーザ光によるシンチレーション（輝点の瞬き）の発生を抑制できる利点がある。

【0094】

［実施形態５］
実施形態５について説明するが、実施形態１～実施形態４と共通する事項については、説明を簡略化または省略するものとする。図２０は、実施形態５に係る投射型表示装置の光学系の概略構成を示す図である。説明の便宜のため、同図では、光学要素を設置するための機械的機構や、筐体、電気的配線などは省略されている。

【0095】

［全体構成］
実施形態１と同様に、本実施形態の投射型表示装置１０００は、Ｂ光源１００Ｂ、Ｇ光源１００Ｇ、Ｒ光源１００Ｒ、Ｂ用偏向器２１０Ｂ、Ｇ用偏向器２１０Ｇ、Ｒ用偏向器２１０Ｒ、光合成部２２０、光路変換ミラー３３０、ＴＩＲプリズム３５０、反射型光変調素子３４０、投射レンズ３６０を備える。また、各色の光源と各色の偏向器の間には集光レンズ２０１が配置され、各色の偏向器と光合成部２２０の間にはコリメートレンズ２０２が配置されている。また、投射型表示装置１０００は、任意的に投映スクリーン１９０を備えることができる。

【0096】

実施形態１～実施形態４では、Ｂ用偏向器２１０Ｂ、Ｇ用偏向器２１０Ｇ、Ｒ用偏向器２１０Ｒとして、円板状の基体２１１の主面に、円周に沿って帯状の反射面２１３が設けられた偏向器、すなわち反射型の偏向器を用いた。これに対して、実施形態５は、反射型ではなく、透過型の偏向器を備えている。

【0097】

（偏向器４）
透過型の偏向器２１０の１つの形態である偏向器４について説明する。図２１（ａ）は、偏向器４の外観を示す斜視図であり、図２１（ｂ）は、偏向器４の側面図である。

【0098】

偏向器４は、透光性材料から成る基部である円板状の基体２１１ｂと、回転軸ＡＸを中心に基体２１１ｂを回転させるモータ２１２を備えている。円板状の基体２１１ｂの主面には、円周に沿って帯状の光学面である入射面２１３ｂが設けられている。ここで、入射面の位置を特定するため、図２１（ａ）に示すように、回転軸ＡＸを中心として反時計回りに角度座標を設定する。（図では、０°、９０°、１８０°、２７０°が示されている）。また、図に示す軸ＢＸは、回転軸ＡＸと平行で入射面２１３ｂを通る軸である。ビーム照射位置２１４として示すのは、光源１００から出力された矩形のビームが集光レンズ２０１（図２０）により集光されるビームスポット位置である。

【0099】

帯状の入射面２１３ｂは、軸ＢＸ（すなわち回転軸ＡＸ）に対する角度が位置によって変化するようにねじれている。図２２（ａ）を参照して、入射面の角度について説明する。図２２（ａ）において、入射面の位置として示されているのは、図２１（ａ）で説明した角度座標により規定される位置である。また、入射面の傾斜角として示されるのは、円板状の基体２１１ｂの主面（すなわち軸ＢＸと直交する面）を基準とした時の、入射面の傾斜角である。

【0100】

図２２（ａ）に示すように、入射面の位置に対して入射面の傾斜角がリニアに変化するように、入射面２１３ｂは構成されている。図２１（ａ）に示すように、入射面の位置が０°（３６０°）において入射面の傾斜角が不連続になるため、説明の便宜上、図２２（ａ）では入射面の位置が１°と３５９°の場合の傾斜角を示している。

【0101】

モータにより基体２１１ｂがＲ方向に回転されると、入射面２１ｂ３も回転軸ＡＸの回りを回転するため、図２１（ａ）に示したビーム照射位置２１４にてレーザビームが照射される部位の角度座標は、０°→９０°→１８０°→３６０°（＝０°）→９０°・・・のように連続的に変化してゆく。

【0102】

入射面が回転してレーザビームに照射される入射面の部位が変化したとしても、図２２（ａ）に示すように、入射ビームは常に軸ＢＸに対してαの角度で入射面２１３ｂに入射する。一方、入射面の位置に応じて入射面の傾斜角は、－θから＋θの範囲で変化する。このため、図２２（ａ）に示すように、レーザビームの出射方向は、透光性材料から成る円板状の基体２１１ｂへの入射する際の屈折と、基体２１１ｂから出射する際の屈折により、軸ＢＸを基準にすると、（α＋β）から（α－β）までの２×βの角度範囲内で変化する。

【0103】

ここで、βは、入射面２１３ｂの傾斜角θ、透光性材料から成る基体２１１ｂの屈折率ｎ、入射角αに依存して決まる。図２２（ｂ）に、基体２１１ｂの材料がガラスである場合のβの値を表にして示す。

【0104】

本実施形態の偏向器２１０は、図２１（ｂ）に示すように、出射ビームをＤＦ１（軸ＢＸに対して（α－β））からＤＦ２（軸ＢＸに対して（α＋β））までの角度範囲内で偏向走査することができる。図２１（ａ）のＲ方向に入射面２１３ｂを連続回転させると、出射ビームは、図２１（ｂ）のＤＦ２からＤＦ１に向けて連続的に偏向（走査）されてゆき、ＤＦ１に達すると瞬時にＤＦ２に回帰し、再びＤＦ１に向けて偏向（走査）されてゆく。また、もし入射面２１３ｂをＲ方向とは逆に回転させるのであれば、出射ビームは、図２１（ｂ）のＤＦ１からＤＦ２に向けて連続的に偏向（走査）されてゆき、ＤＦ２に達すると瞬時にＤＦ１に回帰し、再びＤＦ２に向けて偏向（走査）されてゆくことになる。

【0105】

このように、偏向器４によれば、ガルバノミラーなどとは異なり、回転体を一定速度で連続的に回転させるという簡単な駆動方法で、レーザビームを所定方向に等速度で再帰的に偏向走査することができる。反射型光変調素子３４０の駆動タイミング（あるいは、反射型光変調素子３４０に入力する画像信号）と同期して回転するようにモータ２１２を制御することにより、照明光を反射型光変調素子３４０の画面においてＶ方向に走査することができる。

【0106】

偏向器４の製造方法について付言すると、円周に沿って帯状の入射面２１３ｂが設けられた円板状の基体２１１ｂは、例えばプレス押出工法でガラス母材を加工することにより低コストで製造することが可能である。図２２（ａ）に例示したように、入射面２１３ｂの近傍には基体２１１ｂの主面から突出した部分や凹んだ部分が存在するが、回転バランスを良好にするため、回転軸ＡＸを通る断面で見た時、どの位置の断面であっても断面積が等しい形状にするのが望ましい。

【0107】

以上説明したように、本実施形態では、ガルバノミラーや共振型ミラースキャナーのように往復動作が必要で、１走査毎に走査開始位置に戻るのに要する時間が大きな光学走査手段を用いることなく、定速回転によりリニアに偏向走査することが可能な垂直偏向器を用いてＢ、Ｇ、Ｒのレーザビームを走査する。Ｂ、Ｇ、Ｒのレーザビームは、ビーム断面が矩形であり、矩形の短手方向の方が長手方向よりもダイバージェンスが良好に構成され、偏向器はダイバージェンスが良好な方向に沿って垂直偏向走査する。Ｂ、Ｇ、Ｒのレーザビームは、集光レンズ２０１により偏向器２１０の入射面２１３ｂに集光されて基体２１１ｂに入射し、屈折により偏向して透過する。透過したＢ、Ｇ、Ｒのレーザビームは、コリメートレンズ２０２により平行化され、光合成部にて合成され、反射型光変調素子３４０の画面を照明するために導かれる。本実施形態は、水平方向には光学的な偏向走査を行わないため、装置が小型である。また、垂直走査には、往復動作が不必要で、走査戻りに要する時間が実質的には無い偏向器を用いるため、駆動制御が容易で、しかも光利用率が高く、画像品位が高い投射型表示装置を提供することが可能である。

【0108】

［その他の実施形態］
本発明の実施は、上述した実施形態や具体的な実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形や組み合わせの変更が可能である。
例えば、光源や偏向器についてバリエーションを例示したが、投射型表示装置の諸元に適合させるために、これらをもとに更なる変更を加えてもよい。一台の投射型表示装置に、異なる形態の光源や偏向器を組合わせて用いてもよい。

【符号の説明】

【0109】

１１・・・半導体レーザ／１２・・・発光部／１３・・・給電端子／１００・・・光源／１００Ｂ・・・Ｂ光源／１００Ｇ・・・Ｇ光源／１００Ｒ・・・Ｒ光源／１０１・・・発光素子／１０２・・・コリメートレンズ／１０７・・・ビームコンバイナ／１０８・・・ビーム分割手段／１９０・・・投映スクリーン／２０１・・・集光レンズ／２０２・・・コリメートレンズ／２１０・・・偏向器／２１０Ｂ・・・Ｂ用偏向器／２１０Ｇ・・・Ｇ用偏向器／２１０Ｒ・・・Ｒ用偏向器／２１１、２１１ｂ・・・基体／２１２・・・モータ／２１３・・・反射面／２１３ｂ・・・入射面／２１４・・・ビーム照射位置／２２０・・・光合成部／２２１、２２２・・・ダイクロイックミラー／２３０・・・光学的インテグレータ／２３１・・・拡散素子／２３２・・・シリンドリカルレンズ／３１０ａ・・・拡散板／３１０ｂ・・・回転型拡散板／３２０・・・転写照明系／３２１・・・第１照明レンズ／３２２・・・第２照明レンズ／３３０・・・光路変換ミラー／３４０・・・反射型光変調素子／３５０・・・ＴＩＲプリズム／３６０・・・投射レンズ／１０００・・・投射型表示装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【手続補正書】

【提出日】2023-01-24

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１波長のレーザビームを出力する第１半導体レーザと、
第２波長のレーザビームを出力する第２半導体レーザと、
第１偏向素子と、
第２偏向素子と、
前記第１半導体レーザが出力するレーザビームをコリメートする第１波長用第１コリメートレンズと、
前記第２半導体レーザが出力するレーザビームをコリメートする第２波長用第１コリメートレンズと、
前記第１波長用第１コリメートレンズが出力するレーザビームを、前記第１偏向素子の光学面に集光する第１集光レンズと、
前記第２波長用第１コリメートレンズが出力するレーザビームを、前記第２偏向素子の光学面に集光する第２集光レンズと、
前記第１偏向素子が出力するレーザビームをコリメートする第１波長用第２コリメートレンズと、
前記第２偏向素子が出力するレーザビームをコリメートする第２波長用第２コリメートレンズと、
前記第１波長用第２コリメートレンズが出力するレーザビームと前記第２波長用第２コリメートレンズが出力するレーザビームが、互いに重ならず偏向方向が同一になるように合成する光合成部と、
前記光合成部が出力する光を、反射型光変調素子に導く光路変換ミラーと、
前記反射型光変調素子が出力する映像光を投射する投射レンズと、を備え、
前記第１偏向素子と前記第２偏向素子の各々は、回転軸を中心に回転可能で、前記回転軸を中心とする円周に沿って形成された光学面を備え、前記光学面は、前記円周に沿って前記回転軸に対する傾斜角が変化するように構成されており、前記傾斜角は、前記光学面を一定速度で連続的に回転させると、前記レーザビームを一定方向に一定の偏向速度で再帰的に偏向するように構成されている、
ことを特徴とする投射型表示装置。

【請求項2】

前記第１偏向素子または前記第２偏向素子が備える前記光学面は、前記第１集光レンズまたは前記第２集光レンズにより集光された前記レーザビームを反射させる反射面である、
ことを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。

【請求項3】

前記第１偏向素子または前記第２偏向素子が備える前記光学面は、前記第１集光レンズまたは前記第２集光レンズにより集光された前記レーザビームを、透光性の基部に入射させる入射面である、
ことを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。

【請求項4】

前記第１波長用第１コリメートレンズが出力するレーザビームの断面は、前記第１半導体レーザのＳｌｏｗ軸を長手方向とし、Ｆａｓｔ軸を短手方向とする略矩形形状であり、前記第１偏向素子は、前記短手方向に沿って前記レーザビームを偏向し、
前記第２波長用第１コリメートレンズが出力するレーザビームの断面は、前記第２半導体レーザのＳｌｏｗ軸を長手方向とし、Ｆａｓｔ軸を短手方向とする略矩形形状であり、前記第２偏向素子は、前記短手方向に沿って前記レーザビームを偏向する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。

【請求項5】

前記第１波長用第１コリメートレンズと前記第１集光レンズの間に、前記第１波長用第１コリメートレンズの出力光を前記Ｓｌｏｗ軸の方向に拡大するビームコンバイナを備えている、
ことを特徴とする請求項４に記載の投射型表示装置。

【請求項6】

Ｆａｓｔ軸方向が直線に並ぶように配置された複数の前記第１半導体レーザを備えている、
ことを特徴とする請求項４に記載の投射型表示装置。

【請求項7】

前記複数の前記第１半導体レーザの各々の出力ビームを分割するビーム分割手段を備えている、
ことを特徴とする請求項６に記載の投射型表示装置。

【請求項8】

前記第１波長用第２コリメートレンズおよび前記第２波長用第２コリメートレンズが出力するビームのＦａｓｔ軸方向の強度分布には影響を与えないが、Ｓｌｏｗ軸方向の強度分布を均一化させる光学的インテグレータを備える、
ことを特徴とする請求項７に記載の投射型表示装置。

【請求項9】

前記光学的インテグレータは、前記Ｓｌｏｗ軸方向にビームを拡散させるストライプ状の拡散素子と、前記拡散素子で拡散されたビームを前記反射型光変調素子の画面に集光するシリンドリカルレンズと、を備える、
ことを特徴とする請求項８に記載の投射型表示装置。

【請求項10】

前記光学的インテグレータの出力光を拡散させる固定式または移動式の拡散手段と、前記拡散手段から出力される拡散光を前記反射型光変調素子の画面に転写して結像する転写照明系と、を更に備える、
ことを特徴とする請求項８または９に記載の投射型表示装置。

【請求項11】

前記第１偏向素子の回転軸の方向と、前記第２偏向素子の回転軸の方向は、互いに異なる、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の投射型表示装置。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0009】

本発明の第一の態様は、第１波長のレーザビームを出力する第１半導体レーザと、第２波長のレーザビームを出力する第２半導体レーザと、第１偏向素子と、第２偏向素子と、前記第１半導体レーザが出力するレーザビームをコリメートする第１波長用第１コリメートレンズと、前記第２半導体レーザが出力するレーザビームをコリメートする第２波長用第１コリメートレンズと、前記第１波長用第１コリメートレンズが出力するレーザビームを、前記第１偏向素子の光学面に集光する第１集光レンズと、前記第２波長用第１コリメートレンズが出力するレーザビームを、前記第２偏向素子の光学面に集光する第２集光レンズと、前記第１偏向素子が出力するレーザビームをコリメートする第１波長用第２コリメートレンズと、前記第２偏向素子が出力するレーザビームをコリメートする第２波長用第２コリメートレンズと、前記第１波長用第２コリメートレンズが出力するレーザビームと前記第２波長用第２コリメートレンズが出力するレーザビームが、互いに重ならず偏向方向が同一になるように合成する光合成部と、前記光合成部が出力する光を、反射型光変調素子に導く光路変換ミラーと、前記反射型光変調素子が出力する映像光を投射する投射レンズと、を備え、前記第１偏向素子と前記第２偏向素子の各々は、回転軸を中心に回転可能で、前記回転軸を中心とする円周に沿って形成された光学面を備え、前記光学面は、前記円周に沿って前記回転軸に対する傾斜角が変化するように構成されており、前記傾斜角は、前記光学面を一定速度で連続的に回転させると、前記レーザビームを一定方向に一定の偏向速度で再帰的に偏向するように構成されている、ことを特徴とする投射型表示装置である。