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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-09
(45)【発行日】2022-11-17
(54)【発明の名称】光源装置および光学エンジン
(51)【国際特許分類】
G03B 21/14 20060101AFI20221110BHJP
G03B 21/00 20060101ALI20221110BHJP
H01S 5/40 20060101ALI20221110BHJP
H01S 5/022 20210101ALI20221110BHJP
F21S 2/00 20160101ALI20221110BHJP
F21V 7/28 20180101ALI20221110BHJP
F21V 31/00 20060101ALI20221110BHJP
【ＦＩ】
G03B21/14 A
G03B21/00 D
H01S5/40
H01S5/022
F21S2/00 340
F21S2/00 310
F21V7/28 240
F21V31/00 300
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2019054511
(22)【出願日】2019-03-22
(65)【公開番号】P2020154209
(43)【公開日】2020-09-24
【審査請求日】2022-02-22
(73)【特許権者】
【識別番号】000226057
【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100101683
【弁理士】
【氏名又は名称】奥田 誠司
(74)【代理人】
【識別番号】100155000
【弁理士】
【氏名又は名称】喜多 修市
(74)【代理人】
【識別番号】100180529
【弁理士】
【氏名又は名称】梶谷 美道
(74)【代理人】
【識別番号】100125922
【弁理士】
【氏名又は名称】三宅 章子
(74)【代理人】
【識別番号】100184985
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 悠
(72)【発明者】
【氏名】永原 靖治
【審査官】中村 直行
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－１４７４２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０６０１５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／０７２０３９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１３／１０５５４６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０００－０５６４１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２５１５５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１１１６２０（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０３Ｂ ２１／００ － ２１／６４
Ｈ０１Ｓ ５／４０
Ｈ０１Ｓ ５／０２２
Ｆ２１Ｓ ２／００
Ｆ２１Ｖ ７／２８
Ｆ２１Ｖ ３１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１のレーザモジュールおよび第２のレーザモジュールを含む複数のレーザモジュールであって、それぞれが、第１のレーザビームを出射する少なくとも１個の第１のレーザダイオード、および、第２のレーザビームを出射する少なくとも１個の第２のレーザダイオードを有している、複数のレーザモジュールと、第１のダイクロイックミラー領域および第２のダイクロイックミラー領域を有するビームコンバイナと、
を備え、
前記第１のレーザビームの波長は、前記第２のレーザビームの波長よりも短く、
前記第１のレーザモジュールは、前記第１および第２のレーザビームで前記ビームコンバイナの背面側を斜めから照射する位置に配置され、かつ、前記第２のレーザモジュールは、前記第１および第２のレーザビームで前記ビームコンバイナの正面側を斜めから照射する位置に配置されており、
前記第１のダイクロイックミラー領域は、前記第１のレーザモジュールから出射された前記第１のレーザビームを透過し、かつ、前記第２のレーザモジュールから出射された前記第２のレーザビームを反射し、
前記第２のダイクロイックミラー領域は、前記第１のレーザモジュールから出射され前記第２のレーザビームを透過し、かつ、前記第２のレーザモジュールから出射された前記第１のレーザビームを反射する、光源装置。
【請求項2】
前記複数のレーザモジュールのそれぞれは、前記第１のレーザダイオードおよび前記第２のレーザダイオードを収容する気密封止パッケージと、
前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームがそれぞれ通過する複数のコリメートレンズと、
を有している、請求項１に記載の光源装置。
【請求項3】
前記複数のレーザモジュールのそれぞれは、前記第１のレーザダイオードおよび前記第２のレーザダイオードをそれぞれ電気的に独立した複数の端子に接続する配線を有している、請求項１または２に記載の光源装置。
【請求項4】
前記複数のレーザモジュールのそれぞれは、少なくとも一列に配置された複数の前記第１のレーザダイオードと、
少なくとも一列に配置された複数の前記第２のレーザダイオードと、
を有している、請求項１から３のいずれかに記載の光源装置。
【請求項5】
前記第１のレーザモジュールおよび前記第２のレーザモジュールは直交する配置関係にある、請求項１から４のいずれかに記載の光源装置。
【請求項6】
前記複数のレーザモジュールのそれぞれは、第３のレーザビームを出射する少なくとも１個の第３のレーザダイオードを更に含み、前記第３のレーザビームの波長は、前記第１のレーザビームの波長と前記第２のレーザビームの波長との間にあり、
前記第１のダイクロイックミラー領域は、前記第３のレーザビームを透過し、
前記第２のダイクロイックミラー領域は、前記第３のレーザビームを反射する、請求項１から５のいずれかに記載の光源装置。
【請求項7】
前記第１のレーザダイオードは、青色レーザダイオードであり、前記第２のレーザダイオードは、赤色レーザダイオードであり、
前記第３のレーザダイオードは、緑色レーザダイオードである、請求項６に記載の光源装置。
【請求項8】
それぞれが、第１のレーザビームを出射する少なくとも１個の第１のレーザダイオード、および、第２のレーザビームを出射する少なくとも１個の第２のレーザダイオードを有している、第１、第２、および第３のレーザモジュールと、第１の面と第２の面が交差する交差線を挟んで前記第１の面に沿って並ぶ第１および第２の光学膜と、前記交差線を挟んで前記第２の面に沿って並ぶ第３および第４の光学膜とを含む、ビームコンバイナと、
を備え、
前記第１のレーザモジュールは、前記第１および第２のレーザビームで前記第１、第２、第３、および第４の光学膜の背面側を斜めから照射する位置に配置され、かつ、前記第２のレーザモジュールは、前記第１および第２のレーザビームで前記第２および第１の光学膜の正面側を斜めから照射する位置に配置され、かつ、前記第３のレーザモジュールは、前記ビームコンバイナを挟んで前記第２のレーザモジュールと向かい合い、前記第１および第２のレーザビームで前記第３および第４の光学膜の正面側を斜めから照射する位置に配置されており、
前記第１のレーザダイオードから出射された前記第１のレーザビームは波長λ１を有する第１方向に直線偏光した光であり、
前記第２のレーザダイオードから出射された前記第２のレーザビームは、波長λ１よりも長い波長λ２を有する前記第１方向に直線偏光した光または前記第１方向と直交する第２方向に直線偏光した光であり、
前記第１の光学膜は、波長λ１の光を透過し、かつ波長λ２の光を反射する第１のダイクロイック膜を有し、
前記第２の光学膜は、波長λ２の光の偏光方向を９０度回転させる波長λ２用λ／２位相差板と、波長λ２の光を透過し、前記第１方向に偏光した波長λ１の光を透過し、かつ、前記第２方向に偏光した波長λ１の光を反射する第２のダイクロイック膜とを有し、
前記第３の光学膜は、波長λ２の光を透過し、かつ波長λ１の光を反射する第３のダイクロイック膜を有し、
前記第４の光学膜は、波長λ１の光の偏光方向を９０度回転させる波長λ１用λ／２位相差板と、波長λ１の光を透過し、前記波長λ２用λ／２位相差板を通過しない波長λ２の光を透過し、かつ、前記波長λ２用λ／２位相差板を通過した波長λ２の光を反射する第４のダイクロイック膜とを有し、
前記ビームコンバイナは、前記第１、第２および第３のレーザモジュールのそれぞれから出射された前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームを結合する、光源装置。
【請求項9】
前記第２のレーザダイオードから出射された前記第２のレーザビームは、前記第２方向に直線偏光した光であり、前記第４のダイクロイック膜は、波長λ１の光を透過し、前記第２方向に偏光した波長λ２の光を透過し、かつ、前記第１方向に偏光した波長λ２の光を反射する、請求項８に記載の光源装置。
【請求項10】
請求項１から９のいずれかに記載の少なくとも１個の光源装置と、前記少なくとも１個の光源装置から出射されたレーザビームが入射する光学系と、
前記光学系を通過した前記レーザビームで照射される空間光変調器と、
前記空間光変調器によって変調された前記レーザビームを投射する投射光学系と、
を備える光学エンジン。
【請求項11】
前記光学系は、前記少なくとも１個の光源装置から出射された前記レーザビームを集光するレンズと、
前記レンズによって集光された前記レーザビームを通過させるインテグレータと、
を有する、請求項１０に記載の光学エンジン。
【請求項12】
前記インテグレータは、ロッドインテグレータおよび／またはライトトンネルを含む、請求項１１に記載の光学エンジン。
【請求項13】
前記光学系は、前記レンズと前記インテグレータとの間に配置されたアレイトロイダルレンズを有し、前記アレイトロイダルレンズに入射する前記レーザビームは、短軸および長軸を有する楕円形状のビーム形状を有し、
前記アレイトロイダルレンズは、前記レーザビームの伝搬方向および前記短軸を含む平面内における曲率が、前記伝搬方向および前記長軸を含む平面内における曲率よりも大きな複数のトロイダルレンズ領域を有している、請求項１１または１２に記載の光学エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、複数の半導体レーザ素子を備える光源装置、および当該光源装置を備える光学エンジンに関する。
【背景技術】
【0002】
従来のプロジェクタでは、光源として、超高圧水銀ランプ、キセノンランプなどの放電ランプが使用されてきた。近年、放電ランプに比べて消費電力および環境負荷に優位性を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源とするプロジェクタが実用化された。
【0003】
半導体レーザ素子（以下、「レーザダイオード」または単に「ＬＤ」と称する）は、ＬＥＤよりも輝度が高く、様々な分野への応用が進められている。ＬＤから出射されたレーザビームで蛍光体を励起し、必要な波長域の光を得るハイブリッド型光源を備えるプロジェクタが実用化されている。
【0004】
蛍光体を用いず、赤色、緑色、および青色ＬＤから出射されたレーザビームを合成する高輝度光源の開発が進められている。特許文献１は、赤色レーザ、緑色レーザ、および青色レーザから出射されたレーザビームをダイクロイックプリズムで合成する光源装置を開示している。特許文献２は、偏光方向が異なるレーザビームを偏光ビームコンバイナで合成する光源装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１２－８８４５１号公報
【文献】特開２００８－３１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
より高い輝度で発光する小型化に適した光源装置および面内均一性の高い照明光を生成する光学エンジンが求められている。
【0007】
本開示の実施形態は、波長帯が異なる複数のレーザビームを結合して輝度を高めることができる、新しい構成を有する光源装置、および当該光源装置を備える光学エンジンを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の光源装置は、一実施形態において、第１のレーザモジュールおよび第２のレーザモジュールを含む複数のレーザモジュールであって、それぞれが、第１のレーザビームを出射する少なくとも１個の第１のレーザダイオード、および、第２のレーザビームを出射する少なくとも１個の第２のレーザダイオードを有している複数のレーザモジュールと、第１のダイクロイックミラー領域および第２のダイクロイックミラー領域を有するビームコンバイナとを備える。前記第１のレーザビームの波長は、前記第２のレーザビームの波長よりも短い。前記第１のレーザモジュールは、前記第１および第２のレーザビームで前記ビームコンバイナの背面側を斜めから照射する位置に配置され、かつ、前記第２のレーザモジュールは、前記第１および第２のレーザビームで前記ビームコンバイナの正面側を斜めから照射する位置に配置されている。前記第１のダイクロイックミラー領域は、前記第１のレーザモジュールから出射された前記第１のレーザビームを透過し、かつ、前記第２のレーザモジュールから出射された前記第２のレーザビームを反射する。前記第２のダイクロイックミラー領域は、前記第１のレーザモジュールから出射された前記第２のレーザビームを透過し、かつ、前記第２のレーザモジュールから出射された前記第１のレーザビームを反射する。
【0009】
本開示の他の光源装置は、一実施形態において、それぞれが、第１のレーザビームを出射する少なくとも１個の第１のレーザダイオード、および、第２のレーザビームを出射する少なくとも１個の第２のレーザダイオードを有している第１、第２、および第３のレーザモジュールと、第１の面と第２の面が交差する交差線を挟んで前記第１の面に沿って並ぶ第１および第２の光学膜と前記交差線を挟んで前記第２の面に沿って並ぶ第３および第４の光学膜とを含むビームコンバイナと、を備える。前記第１のレーザモジュールは、前記第１および第２のレーザビームで前記第１、第２、第３、および第４の光学膜の背面側を斜めから照射する位置に配置されている。前記第２のレーザモジュールは、前記第１および第２のレーザビームで前記第２および第１の光学膜の正面側を斜めから照射する位置に配置されている。前記第３のレーザモジュールは、前記ビームコンバイナを挟んで前記第２のレーザモジュールと向かい合い、前記第１および第２のレーザビームで前記第３および第４の光学膜の正面側を斜めから照射する位置に配置されている。前記第１のレーザダイオードから出射された前記第１のレーザビームは波長λ１を有する第１方向に直線偏光した光である。前記第２のレーザダイオードから出射された前記第２のレーザビームは、波長λ１よりも長い波長λ２を有する前記第１方向に直線偏光した光または前記第１方向と直交する第２方向に直線偏光した光である。前記第１の光学膜は、波長λ１の光を透過し、かつ波長λ２の光を反射する第１のダイクロイック膜を有する。前記第２の光学膜は、波長λ２の光の偏光方向を９０度回転させる波長λ２用λ／２位相差板と、波長λ２の光を透過し、前記第１方向に偏光した波長λ１の光を透過し、かつ、前記第２方向に偏光した波長λ１の光を反射する第２のダイクロイック膜とを有する。前記第３の光学膜は、波長λ２の光を透過し、かつ波長λ１の光を反射する第３のダイクロイック膜を有する。前記第４の光学膜は、波長λ１の光の偏光方向を９０度回転させる波長λ１用λ／２位相差板と、波長λ１の光を透過し、前記波長λ２用λ／２位相差板を通過しない波長λ２の光を透過し、かつ、前記波長λ２用λ／２位相差板を通過した波長λ２の光を反射する第４のダイクロイック膜とを有する。前記ビームコンバイナは、前記第１、第２および第３のレーザモジュールのそれぞれから出射された前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームを結合する。
【0010】
本開示の光学エンジンは、一実施形態において、上記のいずれかの少なくとも１個の光源装置と、前記少なくとも１個の光源装置から出射されたレーザビームが入射する光学系と、前記光学系を通過した前記レーザビームで照射される空間光変調器と、前記空間光変調器によって変調された前記レーザビームを投射する投射光学系とを備えている。
【発明の効果】
【0011】
本開示のこれらの実施形態によれば、波長帯が異なる複数のレーザビームを結合して輝度を高めることができる光源装置、および当該光源装置を備える光学エンジンが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。以下の実施形態は、いずれも包括的または具体的な例である。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。
【0014】
＜実施形態１＞
図１は、本開示の第１の実施形態における光源装置１０００の構成例を模式的に示す断面図である。図１を含む添付図面には、参考のため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が模式的に示されている。図１では、Ｘ軸が紙面に垂直であり、奥行き方向を向いている。使用時における光源装置１０００の向きは任意であり、図示されている光源装置１０００の向きによって制限されない。
図１は、本開示の第１の実施形態における光源装置１０００の構成例を模式的に示す断面図である。図１を含む添付図面には、参考のため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が模式的に示されている。図１では、Ｘ軸が紙面に垂直であり、奥行き方向を向いている。使用時における光源装置１０００の向きは任意であり、図示されている光源装置１０００の向きによって制限されない。
【0015】
本実施形態の光源装置１０００は、複数のレーザモジュール１００と、ビームコンバイナ２００とを備える。複数のレーザモジュール１００から発せられたレーザビームがビームコンバイナ２００によって合成または結合（ｃｏｍｂｉｎｅ）される。ビームコンバイナ２００は、合波器として機能する。なお、実際のレーザビームは、伝搬方向に垂直な方向にサイズ（ビーム径）を有しているが、添付図面では、簡単のため、レーザビームのビーム径を無視し、中心軸のみを直線によって記載している。結合されたレーザビームは、Ｙ軸正方向に出射されるため、Ｙ軸正方向の側を「正面」、Ｙ軸負方向の側を「背面」と称することにする。
【0016】
図示される例において、複数のレーザモジュール１００は、直交するように配置された第１のレーザモジュール１００１および第２のレーザモジュール１００２を含む。第１のレーザモジュール１００１および第２のレーザモジュール１００２は、いずれも、第１のレーザダイオード１０、第２のレーザダイオード１２、および、第３のレーザダイオード１４を有している。以下、レーザダイオードを単に「ＬＤ」と表記する。
【0017】
第１のＬＤ１０は波長λ１の第１のレーザビームを出射し、第２のＬＤ１２は波長λ２の第２のレーザビームを出射する。波長λ１は波長λ２よりも短い。第３のＬＤ１４は波長λ３の第３のレーザビームを出射し、波長λ３は波長λ１と波長λ２との間にある。ここで、「レーザビームの波長」は、ＬＤの発振波長と同意義であり、ピーク波長を意味する。一般に、同一条件で製造された同一構造のＬＤであっても発振波長には個体差があり、また同一のＬＤであっても動作環境によって変動することもある。λ１、λ２、λ３の値は、異なる色の波長帯に属しており、それぞれの色の波長帯のなかで幅、または、ばらつきを有し得る。「レーザビームの波長」の用語については、より詳しい説明を後に行う。
【0018】
次に、図２Ａおよび図２Ｂを参照して、第１のレーザモジュール１００１の構成例を説明する。第２のレーザモジュール１００２は、第１のレーザモジュール１００１と同様の構造、形状およびサイズを有しており、異なる点は配置の向きである。このため、第２のレーザモジュール１００２の構成については、重複した説明は繰り返さない。図２Ａは、第１のレーザモジュール１００１の模式的な平面図であり、図２Ｂは、図２Ａにおける第１のレーザモジュール１００１のＩＩＢ－ＩＩＢ線断面図である。
【0019】
図２Ａの例において、合計で８個のＬＤ１０、１２、１４が、パッケージを構成する基体１００Ｃの主面に行および列状に配列されている（２行４列配置）。具体的には、Ｚ軸方向に平行な方向（行方向）に延びる各行において、１個の第３のＬＤ１４、１個の第１のＬＤ１０、２個の第２のＬＤ１２が、この順序で並んでいる。Ｘ軸方向に平行な方向に延びる第１の列では、２個の第３のＬＤ１４がＸ軸方向に一列に配置されている。第２の列では、２個の第１のＬＤ１０がＸ軸方向に一列に配置されている。第３および第４の列では、それぞれ、２個の第２のＬＤ１２がＸ軸方向に一列に配置されている。本実施形態において、１個のレーザモジュール１００１に搭載される第２のＬＤ１２の個数は、第１のＬＤ１０の個数または第３のＬＤ１４の個数の２倍である。この理由は、後述する。
【0020】
図２Ａには、８個のＬＤ１０、１２、１４を２つのＬＤ群に分ける境界線Ｃ１が参考のために示されている。図２Ａにおいて境界線Ｃ１の右側には、基準波長Λよりも長い波長で発振するＬＤ１２が実装されており、境界線Ｃ１の左側には、基準波長Λよりも短い波長で発振するＬＤ１０、１４が実装されている。このように二次元的に配列された複数のＬＤ１０、１２、１４が、基準波長Λに対する発振波長の高低に応じて、異なる２つの領域に分けて実装されることの技術的意義も後述する。
【0021】
一般に、ＬＤは、発振波長の帯域に応じて、例えば、紫外ＬＤ、青色ＬＤ、緑色ＬＤ、赤色ＬＤ、および赤外ＬＤに分類され得る。光源装置１０００が可視光の光源に用いられる場合、各ＬＤ１０、１２、１４は、可視光を発するＬＤから選択される。本実施形態において、第１のＬＤ１０は青色ＬＤ、第２のＬＤ１２は赤色ＬＤ、第３のＬＤ１４は緑色ＬＤである。青色ＬＤの発振波長は４３０ｎｍから４８０ｎｍであり、例えば４５０ｎｍから４７０ｎｍである。緑色ＬＤの発振波長は５００ｎｍから５４０ｎｍであり、例えば５２０ｎｍから５４０ｎｍである。赤色ＬＤの発振波長は６２０ｎｍから６６０ｎｍであり、例えば６３０ｎｍから６５０ｎｍである。したがって、前述した基準波長Λは、例えば、緑色ＬＤの発振波長の上限値と赤色ＬＤの発振波長の下限値の間である５４０ｎｍから６２０ｎｍの範囲内から選択され得る。
【0022】
青色ＬＤおよび緑色ＬＤは、主として窒化物半導体材料から形成され得る。窒化物半導体材料としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮが挙げられる。赤色ＬＤは例えば主としてガリウムヒ素系半導体材料から形成され得る。発振波長が近赤外域よりも短いＬＤを採用し、その光出力を高めていくと、光集塵効果によって動作中のＬＤの端面（エミッタ）に雰囲気中の塵埃などが付着して光出力が低下し得る。ＬＤに付着する物質は、塵埃に限られず、揮発した有機物がレーザビームと化学的に反応して生成される堆積物の可能性もある。レーザビームの波長が短くなり、光出力が高くなるほど、付着物に起因する劣化が顕著になる。このような問題を回避するため、複数のレーザモジュール１００のそれぞれは、各ＬＤ１０、１２、１４を収容する気密封止パッケージであることが望ましい。
【0023】
本実施形態では、図２Ｂに示されるように、各ＬＤ１０、１２、１４の端面（エミッタ）からＺ軸方向に出射されたレーザビームが、それぞれ、対応するミラー１５によって反射されてＹ軸方向に向きを変える。各レーザビームは、基体１００Ｃに取りつけられた透光性部材１６およびコリメートレンズ１８を透過してＹ軸方向に伝搬する。コリメートレンズ１８は、各ＬＤ１０、１２、１４から出射されて発散するレーザビームの発散角を小さくし、コリメートする。各ＬＤ１０、１２、１４の向きは、この例に限定されない。図２Ｂにおいて、各ＬＤ１０、１２、１４の端面が例えばＹ軸方向を向いていれば、各ＬＤ１０、１２、１４から出射されたレーザビームは、ミラーで反射されることなく、コリメートレンズ１８に入射することができる。この場合はミラーが不要である。各ＬＤ１０、１２、１４は、熱伝導性の高い金属製マウント（不図示）に搭載された状態で実装され得る。
【0024】
第１のレーザモジュール１００１および第２のレーザモジュール１００２は、例えば、同一構成を有する複数のレーザモジュール１００から選択され、図１に示されるように直交配置される。本実施形態における光源装置１０００が備える各レーザモジュール１００は、赤色と緑色と青色の３原色のレーザビームを放射する複数のＬＤ１０、１２、１４を備えている。複数のレーザモジュール１００から得られるレーザビームをビームコンバイナ２００によって結合（合波）することにより、輝度を約２倍に高めることが可能になる。
【0025】
本実施形態において、赤色ＬＤの光束は青色ＬＤおよび緑色ＬＤの光束に比べて小さいため、各レーザモジュール１００に搭載される第２のＬＤ１２の個数が、第１のＬＤ１０の個数または第３のＬＤ１４の個数の２倍である。これにより、各色のＬＤを時分割駆動する際に白色光を再現することができる。各色のＬＤの個数は、これに限らず、目的とする光が得られるように調整することができる。
【0026】
第１のＬＤ１０、第２のＬＤ１２、および第３のＬＤ１４の個数は、上記の例に限定されず、それぞれ、１個であってもよいし、２個または３個以上であってもよい。また、典型例において、第１のレーザモジュール１００１は、第２のレーザモジュール１００２と同様の構造、形状およびサイズを有しているが、本開示の実施形態は、この例に必ずしも限定されない。
【0027】
赤色ＬＤは青色ＬＤおよび緑色ＬＤよりも特性が温度によって変動しやすい場合がある。また、青色ＬＤは緑色ＬＤよりも電力変換効率が良いことから、発熱量は青色ＬＤの方が緑色ＬＤよりも小さい。このため、緑色ＬＤは赤色ＬＤから離して配置することが望ましい。本実施形態では、赤色ＬＤ（第２のＬＤ１２）の列と緑色ＬＤ（第３のＬＤ１４）の列との間に青色ＬＤ（第１のＬＤ１０）の列を並べている。このため、赤色ＬＤ（第２のＬＤ１２）の発光特性が安定する。
【0028】
なお、本開示の実施形態において、あるレーザモジュール１００に搭載された第１のＬＤ１０の発振波長は、他のレーザモジュール１００に搭載された第１のＬＤ１０の発振波長とは、厳密に一致している必要はない。第２のＬＤ１２でも同様である。例えば、第１のＬＤ１０が青色ＬＤである場合、各レーザモジュール１００に搭載される第１のＬＤ１０の発振波長は、４３０～４８０ｎｍの範囲に含まれていればよい。したがって、本開示において、「第１のレーザビームの波長は、第２のレーザビームの波長よりも短い」の意味は、各レーザモジュールに搭載された第１のＬＤの発振波長が第１の波長域（例えば青色の波長域）に含まれ、各レーザモジュールに搭載された第２のＬＤの発振波長が、第１の波長域よりも長波長側に位置する第２の波長域（例えば赤色の波長域）に含まれることを意味する。また、同様に、１つのレーザモジュール１００に複数の第１のＬＤ１０が搭載されている場合に、それらの発振波長が厳密に一致している必要はない。第２のＬＤ１２、第３のＬＤ１４についても同様である。
【0029】
フルカラー画像表示のための光学エンジンでは、色域を拡大するため、表示に必要な赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色光が、それぞれ、色ごとにスペクトル幅の狭い単色光であることが望ましい。このため、そのような光学エンジンに本開示の光源装置を用いる場合、各ＬＤから出射されるレーザビームのピーク波長は、色ごとに狭い波長範囲（例えば１２ｎｍ幅の範囲）に含まれていることが好ましい。例えば複数の青色ＬＤである複数の第１のＬＤ１０において、各第１のＬＤ１０から出射される第１のレーザビームのピーク波長である波長λ１はすべて、例えば４５９～４７１ｎｍの範囲に含まれていることが望ましい。設計値として中心波長が４６５ｎｍとなるように製造した青色ＬＤを用いる場合、同一の光源装置１０００において、個々の第１のＬＤ１０から出射される第１のレーザビームのピーク波長は、例えば４５９～４７１ｎｍの範囲内で異なる値を示すことがあり得る。この程度の波長のばらつきであれば、画質が劣化しにくいと考えられる。緑色ＬＤおよび赤色ＬＤでも同様の波長ばらつきが許容できる。
【0030】
以下、簡単のため、青色ＬＤからレーザビームをＢビーム、緑色ＬＤから出射されたレーザビームをＧビーム、赤色ＬＤから出射されたレーザビームをＲビームと表記することがある。図１における「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の符号は、Ｒビーム、Ｇビーム、Ｂビームを表している。
【0031】
次に、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、ビームコンバイナ２００の構成例を説明する。図３Ａは、ビームコンバイナ２００の平面図であり、図３Ｂは、図３Ａにおけるビームコンバイナ２００のＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線断面図である。
【0032】
図示される例において、ビームコンバイナ２００は、第１のダイクロイックミラー領域２１および第２のダイクロイックミラー領域２２を有している。第１のダイクロイックミラー領域２１は、波長λ１の第１のレーザビームおよび波長λ３の第１のレーザビームを透過し、かつ、波長λ２の第２のレーザビームを反射する領域である。一方、第２のダイクロイックミラー領域２２は、波長λ１の第１のレーザビームおよび波長λ３の第１のレーザビームを反射し、かつ、波長λ２の第２のレーザビームを透過する領域である。このような波長選択性を示す領域２１、２２は、図３Ｂに示されるように、ビームコンバイナ２００の正面２００Ｆに異なる波長選択性を有する誘電体多層膜２１Ｌ、２２Ｌを透明基板２０上に設けることによって作製され得る。誘電体多層膜２１Ｌ、２２Ｌを構成する誘電体は、例えば、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＯＮなどである。波長選択性は、誘電体の屈折率および層厚によって調整され得る。ビームコンバイナ２００の背面２００Ｂには、反射防止膜が形成されていることが望ましい。
【0033】
透明基板２０は、単結晶、多結晶、またはガラス材料から形成され得る。波長λ１、λ３の光を選択的に透過し、波長λ２の光を選択的に反射する誘電体多層膜２１Ｌを設けた領域を第１のダイクロイックミラー領域２１とすることができる。波長λ１、λ３の光を選択的に反射し、波長λ２の光を選択的に透過する誘電体多層膜２２Ｌを設けた領域を第２のダイクロイックミラー領域２２とすることができる。誘電体多層膜２１Ｌおよび誘電体多層膜２２Ｌは、例えば、各誘電体膜を透明基板２０上にスパッタ法等により堆積し、リソグラフィ法等によりパターニングすることにより形成することができる。
【0034】
ビームコンバイナ２００は、種々の方法によって製造され、また、種々の構成を備え得る。例えば、図４Ａに示すように、第１のダイクロイックミラー領域２１として機能する部品２６Ａと、第２のダイクロイックミラー領域２２として機能する部品２６Ｂとが互いに接合されている構成を有していてもよい。また、図４Ｂに示すように、第１のダイクロイックミラー領域２１として機能する部分を有する透明基板２０と、透明基板２０上に固定されて第２のダイクロイックミラー領域２２として機能する部品２８とを備えていてもよい。
【0035】
再度、図１を参照する。図１の例において、第１のレーザモジュール１００１は、レーザビームでビームコンバイナ２００の背面２００Ｂの側を斜めから照射する位置に配置されている。これに対して、第２のレーザモジュール１００２は、レーザビームでビームコンバイナ２００の正面２００Ｆの側を斜めから照射する位置に配置されている。
【0036】
より詳細には、第１のレーザモジュール１００１から出たＢビーム（波長λ１）およびＧビーム（波長λ３）は、ビームコンバイナ２００における第１のダイクロイックミラー領域２１の背面２００Ｂに入射し、第１のダイクロイックミラー領域２１を透過する。これに対して、第２のレーザモジュール１００２から出たＢビーム（波長λ１）およびＧビーム（波長λ３）は、ビームコンバイナ２００における第２のダイクロイックミラー領域２２の正面２００Ｆに入射し、第２のダイクロイックミラー領域２２で反射される。
【0037】
また、第１のレーザモジュール１００１から出たＲビーム（波長λ２）は、ビームコンバイナ２００における第２のダイクロイックミラー領域２２の背面２００Ｂに入射し、第２のダイクロイックミラー領域２２を透過する。これに対して、第２のレーザモジュール１００２から出たＲビームは、ビームコンバイナ２００における第１のダイクロイックミラー領域２１の正面２００Ｆに入射し、第１のダイクロイックミラー領域２１で反射される。
【0038】
図１では、ビームコンバイナ２００を透過したレーザビームとビームコンバイナ２００で反射されたレーザビームが、異なる光軸上に位置しているように図示されている。しかし、図５に示されるように、透過したレーザビームと反射されたレーザビームとが同軸に位置していてもよい。
【0039】
本開示の実施形態では、図２Ａを参照しながら説明したように、基準波長Λよりも短い波長で発振するＬＤと基準波長Λよりも長い波長で発振するＬＤとを、境界線Ｃ１によって区分される異なる領域に分配している。図６は、境界線Ｃ１によって区分される２つの領域と、それぞれの領域に配置されるＬＤの発振波長が属する色（ＲＧＢ）との関係を模式的に示す平面図である。上記の実施形態では、境界線Ｃ１の片側に、緑色ＬＤ（Ｇ）と青色ＬＤ（Ｂ）が配列されているが、本開示の実施形態は、この例に限定されない。例えば図７に示されるように、境界線Ｃ１の右側に赤色ＬＤ（Ｒ）が配置され、左側には青色ＬＤ（Ｂ）のみが配置されてもよい。この場合、第１のレーザモジュール１００１だけでは、ＲＧＢの３色を備えた光源装置を構成することはできないが、例えば第２のレーザモジュール１００２が緑色ＬＤ（Ｇ）を境界線Ｃ１の左側に備えていれば、ＲＧＢの３色を揃えることができる。また、光源装置１０００の用途は、表示装置の光源に限定されず、表示装置以外の光源として用いることも可能であり、また、非白色光源として用いることも可能である。なお、図６の例では緑色ＬＤ（Ｇ）と青色ＬＤ（Ｂ）を同じ側に配置しているが、緑色ＬＤ（Ｇ）を境界線Ｃ１の右側に移動し、赤色ＬＤ（Ｒ）と同じ側に配置してもよい。その場合、ダイクロイックミラー領域２１、２２が示す反射および透過の特性は、波長λ１と波長λ３との間で急峻に変化する必要がある。ＲＧＢの３色であれば、一般に、波長λ１と波長λ３の間隔よりも、波長λ１と波長λ２の間隔が広いため、図６に示す例を採用することが容易である。
【0040】
図８は、第１のレーザモジュール１００１の変形例を示す平面図である。この例では、第１のレーザモジュール１００１におけるＬＤの配置が、境界線Ｃ１と、境界線Ｃ１に直交する境界線Ｃ３とによって区分された４つの領域に分配されている。第１のレーザモジュール１００１および第２のレーザモジュール１００２が図８の構成を有している場合、ビームコンバイナ２００は、例えば図９に示される構成を有し得る。図９のビームコンバイナ２００では、境界線Ｃ２と、境界線Ｃ２に直交する境界線Ｃ４とによって区分された４つの領域に、第１のダイクロイックミラー領域２１および第２のダイクロイックミラー領域２２が対角状に配置されている。
【0041】
このように、第１のレーザモジュール１００１および第２のレーザモジュール１００２におけるＬＤの配置には大きな自由度がある。しかし、第１のＬＤ１０、第２のＬＤ１２、第３のＬＤ１４を、例えば色ごとに独立して発光させるためには、好ましい配置がある。以下、この点を説明する。
【0042】
図１０Ａは、図２Ａに示された第１のレーザモジュール１００１における配線接続の例を示す図である。図１０Ａの例において、第１のレーザモジュール１００１は、基体１００Ｃの主面に設けられたＬＤ１０、１２、１４と、同一の色に属するＬＤを電気的に接続する複数のワイヤ１００Ｌと、ワイヤ１００Ｌを外部の駆動回路（不図示）に電気的に接続するための複数のリード端子１００Ｔとを有している。Ｘ軸方向に１列に並んだ２個の第１のＬＤ１０は、「Ｂ＋」と付されたリード端子１００Ｔと「Ｂ－」と付されたリード端子１００Ｔとの間で、ワイヤ１００Ｌを介して直列に接続されている。同様に、Ｘ軸方向に１列に並んだ２個の第３のＬＤ１４は、「Ｇ＋」と付されたリード端子１００Ｔと「Ｇ－」と付されたリード端子１００Ｔとの間で、ワイヤ１００Ｌを介して直列に接続されている。第２のＬＤ１２の場合、Ｘ軸方向に並んだそれぞれの列において、２個の第２のＬＤ１２が、「Ｒ＋」と付されたリード端子１００Ｔと「Ｒ－」と付されたリード端子１００Ｔとの間で、ワイヤ１００Ｌを介して直列に接続されている。各ＬＤ１０、１２、１４のｐ側電極およびｎ側電極は、近接するワイヤ１００Ｌと電気的に接続されている。
【0043】
このように、同一の色に属する複数のＬＤが、色ごとに異なる列に並んで実装されることにより、少ないリード端子１００Ｔで効率的な電気接続を実現することができる。異なる色に属するＬＤは、電気抵抗が異なるため、駆動回路も異ならせることが望ましい。そして、第１のＬＤ１０、第２のＬＤ１２、第３のＬＤ１４を、それぞれ、異なるリード端子に接続することにより、第１のＬＤ１０、第２のＬＤ１２、第３のＬＤ１４を独立して駆動することができる。その結果、ＲＧＢの色ごとに時分割で発光させることも可能になる。
【0044】
図１０Ｂは、各列に３個のＬＤが並んだ構成例を示す平面図である。このようにＬＤの個数が増加しても、リード端子１００Ｔの個数は増加させる必要がない。各列におけるＬＤの個数は、相互に異なっていてもよい。合成後に均一な白色光が得られるように、個々のＬＤの光出力に応じて、それらの種類と個数が決定される。
【0045】
列方向に隣接するＬＤは、ワイヤ１００Ｌによる直接的な接続に限らず、導体層などによって、または導体層などを介して電気的に接続されていてもよい。リード端子１００Ｔの位置および形状、ならびにワイヤ１００Ｌのパターンは任意であり、図示されている例に限定されない。
【0046】
図１１Ａは、本実施形態の改変例に係る光源装置１１００を示す図である。光源装置１１００は、それぞれが図１の光源装置１０００と同様の構成を有する複数の光源ユニット１０００Ａ、１０００Ｂを備えている。これらの光源ユニット１０００Ａ、１０００Ｂから出射されたレーザビームは、レンズ４００を含む光学系によってほぼ同一の方向に伝搬される。図１１Ａの例では、左側に位置する光源ユニット１０００Ａと右側に位置する光源ユニット１０００Ｂとが鏡面対象の配置関係を有しているが、本開示の実施形態は、この例に限定されない。図１１Ｂは、他の改変例に係る光源装置１２００を示す図である。光源装置１２００は、図１１Ａの光源ユニット１０００Ｂに代えて光源ユニット１０００Ｃを備えている。光源ユニット１０００Ｃは、左側に位置する光源ユニットＡと対比すると、第２のレーザモジュール１００２の向きが上下反転し、かつ、ビームコンバイナ２００がＸ軸に平行な軸に関して時計回りに９０度回転した関係にある。
【0047】
このように図１１Ａまたは図１１Ｂに示す構成によれば、４個のレーザモジュール１００から出射されたレーザビームが結合される。光源装置１１００、１２００が備える光源ユニットの個数は２個に限定されない。図１１Ａまたは図１１Ｂの構成が図の紙面に垂直な方向（Ｘ軸方向）に沿って並べられていてもよい。
【0048】
なお、前述したように、１個のレーザモジュール１００が第１のＬＤ１０、第２のＬＤ１２、第３のＬＤ１４のすべてを備えている必要はない。例えば、図１２に示される光源装置１３００では、第１のレーザモジュール１００１および第２のレーザモジュール１００２が、それぞれ、波長λ１の第１のレーザビーム（Ｂビーム）を出射する少なくとも１個の第１のＬＤ１０、および、波長λ２の第２のレーザビーム（Ｒビーム）を出射する少なくとも１個の第２のＬＤ１２を有している。第１のダイクロイックミラー領域２１は、第１のレーザモジュール１００１から出射された第１のレーザビーム（Ｂビーム）を透過し、かつ、第２のレーザモジュール１００２から出射された第２のレーザビーム（Ｒビーム）を反射する。第２のダイクロイックミラー領域２２は、第１のレーザモジュール１００１から出射された第２のレーザビーム（Ｒビーム）を透過し、かつ、第２のレーザモジュール１００２から出射された第１のレーザビーム（Ｂビーム）を反射する。
【0049】
図１２に示される光源装置１３００は、単独では、ＲＧＢの３色を出力しない。このため、光源装置１３００がプロジェクタなどの表示装置の光源として用いられる場合、不足する色（例えば緑色）のレーザ光が他の光源によって補われてもよい。例えば、図１１Ａの光源装置１１００において、光源ユニット１０００Ａ、１０００Ｂが図１２の光源装置１３００の構成を備えていてもよい。その場合、例えば、光源ユニット１０００ＡがＲビームおよびＢビームを出射し、光源ユニット１０００ＢがＲビームおよびＧビームを出射する構成を備えていてもよい。
【0050】
【0051】
まず、図１３を参照して、本実施形態における光源装置１４００の全体構成の例を説明する。光源装置１４００は、９０度ずつ異なる方向を向いた第１のレーザモジュール１００１、第２のレーザモジュール１００２、および第３のレーザモジュール１００３を備えている。本実施形態において、これらのレーザモジュール１００１、１００２、１００３は、いずれも同じ構成を有しているので、総称して「レーザモジュール１００」と称する場合がある。本実施形態でも、Ｙ軸正方向の側が「正面」、Ｙ軸負方向の側が「背面」である。
【0052】
複数のレーザモジュール１００のそれぞれは、第１のレーザビーム（波長λ１）を出射する少なくとも１個の第１のＬＤ１０、および、第２のレーザビーム（波長λ２）を出射する少なくとも１個の第２のＬＤ１２を有し、λ１＜λ２の関係が成立している。λ１は、例えば青色の波長域（４３０～４８０ｎｍ）に含まれ、λ２は、例えば赤色の波長域（６２０～６６０ｎｍ）に含まれる。以下、第１のレーザビーム（波長λ１）をＢビームと称し、第２のレーザビーム（波長λ２）をＲビームと称する。レーザモジュール１００のそれぞれは、図１に示すレーザモジュール１００と同一の構成を有していてもよい。ここでは、説明を簡単にするため、第３のレーザビーム（波長λ３）を出射する少なくとも１個の第３のＬＤには言及しない。第３のレーザビーム（波長λ３）は、第１のレーザビーム（波長λ１）と同様に処理される。
【0053】
光源装置１４００は、各レーザモジュール１００から出射された複数のレーザビームを結合するビームコンバイナ３００を備えている。以下、図１４Ａおよび図１４Ｂを参照して、本実施形態におけるビームコンバイナ３００を詳細に説明する。図１４Ａは、ビームコンバイナ３００の構成例を示す断面図であり、図１４Ｂは、その分解模式図である。
【0054】
本実施形態におけるビームコンバイナ３００は、可視光にとって透明な４個の三角プリズム３１、３２、３３、３４を組み合わせて作製されている。以下、「三角プリズム」を単に「プリズム」と表記する。これらのプリズム３１～３４は、いずれも、Ｘ軸方向に延びる三角柱の形状を有しており、単結晶、多結晶、またはガラス材料から形成され得る。図示されている例において、三角柱のＹＺ面に平行な断面は、頂角が９０度の二等辺三角形である。第１のプリズム３１と第２のプリズム３２は、仮想的な第１の面Ｊを挟んで隣接している。同様に、第３のプリズム３３と第４のプリズム３４は、第１の面Ｊを挟んで隣接している。また、第１のプリズム３１と第４のプリズム３４は、仮想的な第２の面Ｋを挟んで隣接し、第２のプリズム３２と第３のプリズム３３は、第２の面Ｋを挟んで隣接している。図１４Ｂに示すように、第１の面Ｊと第２の面Ｋとは、Ｘ軸方向に延びる交差線Ｏで交差している。
【0055】
このようなビームコンバイナ３００は、交差線Ｏを挟んで第１の面Ｊに沿って並ぶ第１の光学膜４１および第２の光学膜４２と、交差線Ｏを挟んで第２の面Ｋに沿って並ぶ第３の光学膜４３および第４の光学膜４４とを含む。これらの光学膜４１～４４は、後述するように、波長選択性および／または偏光選択性を有しており、入射光の波長および偏光に応じて異なる光学特性（反射率および透過率）を示す。また、第２の光学膜４２および第４の光学膜４４は、それぞれ、異なる波長の光に対する半波長板（λ／２位相差板）を含んでいる。
【0056】
図１４Ｂには、プリズム３１、３２、３３、３４が組み合わせられて１個のビームコンバイナ３００を構成する前の状態が模式的に示されている。第１のプリズム３１は、第１斜面３１ａと第２斜面３１ｂを有し、第２のプリズム３２は第１斜面３２ａと第２斜面３２ｂを有している。また、第３のプリズム３３は、第１斜面３３ａと第２斜面３３ｂを有し、第４のプリズム３４は第１斜面３４ａと第２斜面３４ｂを有している。
【0057】
図１４Ｂに示す例において、第１の光学膜４１は、第１のプリズム３１の第１斜面３１ａ上に設けられ、第２の光学膜４２は、第４のプリズム３４の第２斜面３４ｂ上に設けられている。第３の光学膜４３は、第１のプリズム３１の第２斜面３１ｂ上に設けられ、第４の光学膜４４は、第２のプリズム３２の第１斜面３２ａ上に設けられている。このような配置は、あくまでも一例にすぎない。例えば、第１の光学膜４１は、第２のプリズム３２の第２斜面３２ｂ上に設けられもよいし、第２の光学膜４２は、第３のプリズム３３の第１斜面３３ａ上に設けられてもよい。
【0058】
再度、図１３を参照する。
【0059】
第１のレーザモジュール１００１は、Ｂビーム（波長λ１）で第１および第４の光学膜４１、４４の背面側を斜めから照射し、Ｒビーム（波長λ２）で第２および第３の光学膜４２、４３の背面側を斜めから照射する位置に配置されている。
【0060】
第２のレーザモジュール１００２は、Ｂビーム（波長λ１）で第２の光学膜４２の正面側を斜めから照射し、Ｒビーム（波長λ２）で第１の光学膜４１の正面側を斜めから照射する位置に配置されている。
【0061】
第３のレーザモジュール１００３は、ビームコンバイナ３００を挟んで第２のレーザモジュール１００２と向かい合い、Ｂビーム（波長λ１）で第３の光学膜４３の正面側を斜めから照射し、Ｒビーム（波長λ２）で第４の光学膜４４の正面側を斜めから照射する位置に配置されている。
【0062】
本実施形態において、第１のＬＤ１０から出射されたＢビーム（波長λ１）は第１方向（Ｘ軸方向）に直線偏光した光（Ｓ偏光）である。ここで、Ｓ偏光は、偏光軸（電場ベクトルの向き）が入射面（ＹＺ面）に垂直である直線偏光を意味する。偏光軸が入射面（ＹＺ面）に平行な直線偏光はＰ偏光である。本実施形態において、第２のＬＤ１２から出射されたＲビーム（波長λ２）は、第１方向と直交する第２方向（Ｚ軸方向またはＹ軸方向）に直線偏光した光（Ｐ偏光）である。
【0063】
再び、図１４Ｂを参照する。第１の光学膜４１は、Ｂビームを透過し、Ｒビームを反射する第１のダイクロイック膜７１を有している。第２の光学膜４２は、Ｒビームの偏光方向を９０度回転させるＲビーム用λ／２位相差板５０と、第２のダイクロイック膜７２とを有している。この第２のダイクロイック膜７２は、ＲビームおよびＳ偏光のＢビームを透過し、Ｐ偏光のＢビームを反射する。第３の光学膜４３は、Ｒビームを透過し、Ｂビームを反射する第３のダイクロイック膜７３を有している。第４の光学膜４４は、Ｂビーム光の偏光方向を９０度回転させるＢビーム用λ／２位相差板６０と、第４のダイクロイック膜７４とを有している。第４のダイクロイック膜７４は、ＢビームおよびＰ偏光のＲビームを透過し、Ｓ偏光のＲビーム光を反射する。
【0064】
図１５は、第１～第４の光学膜４１～４４の機能を模式的に示す図である。図では、各構成要素の厚さを誇張して記載している。膜状の形状を有する構成要素の厚さは、例えば、２００ｎｍから数μｍ程度である。本実施形態では、４個のプリズムを用いて第１～第４の光学膜４１～４４を支持しているが、プリズム以外の透明部材、例えば、図１６に示すような交差する板状透明部材７０を用いてもよい。
【0065】
図１７Ａおよび図１７Ｂは、いずれも、光源装置１４００の動作を模式的に示す断面図である。図１７Ａでは、レーザモジュール１００１～１００３の第１のＬＤ１０から出射されたＢビーム（波長λ１）の透過および反射の様子が示されている。図１７Ｂでは、レーザモジュール１００１～１００３の第２のＬＤ１２から出射されたＲビーム（波長λ２）の透過および反射の様子が示されている。
【0066】
図１７Ａに示されるように、第１のレーザモジュール１００１の第１のＬＤ１０から出射されたＢビームは、第１の光学膜４１および第４の光学膜４４を透過してビームコンバイナ３００から出射される。第２のレーザモジュール１００２の第１のＬＤ１０から出射されたＢビームは、第４の光学膜４４を透過する。具体的には、図１５のＢビーム用λ／２位相差板６０の働きにより、Ｓ偏光からＰ偏光に変換された後、第４のダイクロイック膜７４を透過する。図１７Ａの第４の光学膜４４を透過した後、Ｐ偏光のＢビームは、第２の光学膜４２（第２のダイクロイック膜７２）で反射され、ビームコンバイナ３００から出射される。第３のレーザモジュール１００３の第１のＬＤ１０から出射されたＢビームは、第３の光学膜４３で反射された後、第２の光学膜４２を透過してビームコンバイナ３００から出射される。このＢビームは、第２の光学膜４２を透過するとき、図１５に示されるＲビーム用λ／２位相差板５０によってＰ偏光に変換されず、第２のダイクロイック膜７２を透過することができる。
【0067】
次に図１７Ｂおよび図１５を参照する。まず、図１７Ｂに示されるように、第１のレーザモジュール１００１の第２のＬＤ１２から出射されたＲビームは、第３の光学膜４３および第２の光学膜４２を透過してビームコンバイナ３００から出射される。第２の光学膜４２を透過するとき、図１５に示すＲビーム用λ／２位相差板５０によって、ＲビームはＰ偏光からＳ偏光に変換される。第２の光学膜４２が有する第２のダイクロイック膜７２は、偏光に依存することなくＲビームを透過する。第２のレーザモジュール１００２の第２のＬＤ１２から出射されたＲビームは、第１の光学膜で反射された後、第４の光学膜４４を透過する。具体的には、図１５のＢビーム用λ／２位相差板６０では、Ｐ偏光のＲビームの偏光変換が生じず、第４のダイクロイック膜７４を透過する。第３のレーザモジュール１００３の第２のＬＤ１２から出射されたＲビームは、第２の光学膜４２を透過した後、第４の光学膜４４で反射されてビームコンバイナ３００から出射される。このＲビームは、第２の光学膜４２を透過するとき、Ｒビーム用λ／２位相差板５０によってＰ偏光からＳ偏光に変換され、第４のダイクロイック膜７４で反射される。
【0068】
こうして、本実施形態の光源装置１４００によれば、３個のレーザモジュール１００１～１００３のそれぞれから出射されたおよびＢビームおよびＲビームを同時または時分割で結合（合波）することができる。各レーザモジュール１００１～１００３は、第１の実施形態について説明した第３のＬＤ１４を備えていてもよい。第１～第４の光学膜４１～４４は、第３のＬＤ１４から出射されたＳ偏光のＧビーム（波長λ３）についても、Ｂビームと同様に、透過、反射、偏光変換する。
【0069】
上記の実施形態では、第１のＬＤ１０からＳ偏光のＢビームが出射され、第２のＬＤ１２からはＰ偏光のＲビームが出射される。本開示の光源装置１４００は、このような例に限定されない。各ＬＤが出射されるレーザビームの偏光は、ＬＤの構造またはＬＤチップの配置の向きによって様々に変更し得る。例えば、図１７Ｃに示されるように、第１のＬＤ１０からＳ偏光のＢビームが出射され、第２のＬＤ１２からＳ偏光のＲビームが出射されてもよい。その場合、第４の光学膜４４における第４のダイクロイック膜７４について、Ｐ偏光のＲビームを反射し、Ｓ偏光のＲビームを透過する膜に変更すればよい。なお、Ｂビームについては、透過させる性能は変更する必要はない。
【0070】
以上のことから、第４のダイクロイック膜７４は、波長λ１の光（例えばＢビーム）を透過し、波長λ２用λ／２位相差板（Ｒビーム用λ／２位相差板）５０を通過しない波長λ２の光を透過し、かつ、波長λ２用λ／２位相差板を通過した波長λ２の光を反射すればよい。
【0071】
＜実施形態３＞
以下、図１８を参照して、本開示の光学エンジンの実施形態を説明する。
以下、図１８を参照して、本開示の光学エンジンの実施形態を説明する。
【0072】
本実施形態における光学エンジン２０００は、光源装置１５００と、光学系６００と、空間光変調器７００と、投射光学系８００とを備える。光源装置１５００は、本開示による光源装置であればよく、例えば、図１に示す光源装置１０００と同様の構成を備えている。光学系６００には、光源装置１５００から出射されたレーザビームが入射する。図１８において、レーザビームが破線によって模式的に示されている。光源装置１５００から出射されたレーザビームは、前述したように、複数のＬＤ１０、１２、１４から出射されたレーザビームが結合（合波）したビームである。このため、光源装置１５００から出射されたレーザビームは、複数のレーザビーム（Ｒビーム、Ｇビーム、Ｂビーム）の束である。Ｒビーム、Ｇビーム、Ｂビームのそれぞれの直径（ビーム径）は、各ビーム中心の光強度に対して例えば１／ｅ２以上の光強度を持つ領域のサイズによって規定され得る。ここで、ｅはネイピア数（約２．７１）である。ビーム径は、他の基準によって定義されてもよい。レーザダイオードから出射されたＲビーム、Ｇビーム、Ｂビームの断面形状は、円ではなく、楕円である。光源装置１５００から出射された直後において、Ｒビーム、Ｇビーム、Ｂビームは、均一に混合しておらず、輝度分布は一様ではない。空間光変調器７００をレーザビームで照射する前に、Ｒビーム、Ｇビーム、Ｂビームの束は、これらのビームの輝度分布を空間的に均質に近付ける均質化（ホモジナイズ）が行われることが望ましい。
【0073】
空間光変調器７００は、光学系６００によって上記の均質化を実現する部分を通過したレーザビームで照射される。光学系６００は、コリメートレンズ６８０および反射ミラー６９０を含み、反射ミラー６９０がレーザビームを空間光変調器７００に向ける。空間光変調器７００は、例えばデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）または液晶表示パネル（ＬＣＤ）などの画像表示パネルから構成されており、動画または静止画を構成する画像のパターンを示すようにレーザビームの強度分布を変調する。空間光変調器７００は、不図示の画像プロセッサから画像データを受け取り、表示のための動作を実行する。投射光学系８００は、空間光変調器７００によって変調されたレーザビームを物体（例えば、スクリーン、建造物の壁面など）の表面に投射して画像を形成する。投射光学系８００は、表示の横倍率を変化させるための複数のレンズを含み得る。
【0074】
本実施形態における光学系６００は、光源装置１５００から出射されたレーザビーム（Ｒビーム、Ｇビーム、Ｂビームの束）を集光する収束レンズ６２０と、収束レンズ６２０によって集光されたレーザビームを通過させるインテグレータ（合波光学部品）６４０とを有する。光の均質化を高めるため、収束レンズ６２０は、大きな収差（球面収差など）を有していることが好ましい。インテグレータ６４０は、例えば、ロッドインテグレータおよび／またはライトトンネルを含む。インテグレータ６４０の内部をレーザビームが通過する過程でレーザビームは反射を繰り返して空間的な混合が進行する。このような多重反射の結果、伝搬方向に垂直な面内における強度分布が、インテグレータ６４０に入射する前よりも均一に近づく。Ｒビーム、Ｇビーム、Ｂビームのそれぞれについて、このような強度分布の均質化が進行すると、全体として均一化された白色光が形成される。なお、Ｒビーム、Ｇビーム、Ｂビームは、同時にインテグレータ６４０の内部を伝搬する必要はなく、本実施形態では、時分割で伝搬してもよい。その結果、１個の空間光変調器７００によってフルカラー画像を表示することができる（フィールドシーケンシャル方式）。本実施形態における光学エンジン２０００は、ＬＥＤに比べて単色性に優れるレーザ光でＲ画像、Ｇ画像、Ｂ画像を形成するため、表現可能な色域を拡大させることが可能である。
【0075】
本実施形態では、光学系６００が、更に、レンズ６２０とインテグレータ６４０との間に配置されたアレイトロイダルレンズ６６０を有している。Ｒビーム、Ｇビーム、Ｂビームのそれぞれは、ＬＤから出射された後、ファーフィールドパターン（遠視野像）で短軸および長軸を有する楕円形状のビーム形状を有している。ビーム発散角は、短軸の方向では相対的に小さく、長軸の方向では相対的に大きい。アレイトロイダルレンズ６６０は、発散角の小さな方向でビーム発散角を拡大する機能を発揮する。本実施形態におけるアレイトロイダルレンズ６６０は、４個の連続したトロイダルレンズ領域６６を有している。トロイダルレンズ領域６６の個数は３以上であることが望ましい。個々のトロイダルレンズ領域６６において、ビーム伝搬方向およびビーム径の短軸を含む平面（図１８のＹＸ面）内における曲率が、伝搬方向および長軸を含む平面（図１８のＹＺ面）内における曲率よりも大きい。このような構成により、発散角が相対的に小さな方向に選択的にビームを発散させることができる。
【0076】
このように、アレイトロイダルレンズ６６０は、発散角に異方性を有するレーザビームがインテグレータ６４０に入射するとき、ビーム発散角を拡大してインテグレータ６４０の内部で多重反射の回数を増加させることを可能にする。インテグレータ６４０としてライトトンネルを用いる場合、アレイトロイダルレンズ６６０を挿入することにより、ライトトンネルの長さを例えば１００ｍｍ程度から３０ｍｍ程度にまで短縮することが可能になる。本実施形態によれば、インテグレータ６４０の長さを短縮して光学系６００を小型化しつつ、輝度の面内一様性を高めた照明光を生成できる。その結果、従来のプロジェクタでは達成できなかったハイレベルの画像品質の実現が可能である。
【0077】
本開示の光学エンジンは、本実施形態における光学エンジン２０００に限定されず、多様な構成をとり得る。光源装置１５００からＲビーム、Ｇビーム、Ｂビームが同時に出射され、波長選択性を有するビームスプリッタでＲビーム、Ｇビーム、Ｂビームに分岐されてもよい。その場合、Ｒビーム、Ｇビーム、Ｂビームが、別々の空間光変調器によって変調される。
【0078】
以上説明した各実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための光源装置および光学エンジンを例示したものであって、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、各実施形態の部材に特定するものでは決してない。各実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【産業上の利用可能性】
【0079】
本開示の光源装置は、様々な技術分野に利用され得る。例えば、光学エンジン、照明装置、車載用ヘッドランプに利用され得る。本開示の光学エンジンは、プロジェクタまたは背面投射型テレビジョンなどの表示装置に利用され得る。
【符号の説明】
【0080】
１０・・・第１のレーザダイオード（ＬＤ）、１２・・・第２のＬＤ、１４・・・第３のＬＤ、１８・・・コリメートレンズ、２１・・・第１のダイクロイックミラー領域、２２・・・第２のダイクロイックミラー領域、１００・・・レーザモジュール、２００・・・ビームコンバイナ、３００・・・ビームコンバイナ、１０００・・・光源装置、１１００・・・光源装置、１２００・・・光源装置、１３００・・・光源装置、１４００・・・光源装置、１５００・・・光源装置、２０００・・・光学エンジン
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図18】