JP2012008193A - 集光光学ユニット、光走査装置、投影型画像表示装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで機械的な駆動部を使用せずにスペックルパターンを除去できる集光光学ユニットを実現する。
【解決手段】複数の異なる波長の光を出射する光源１、２、３と、光源から出射される光束を変調駆動制御する光源制御部１００と、光束をカップリングするカップリングレンズ４、５、６と、光束の光路を１つに合成する光路合成手段７と、合成された光束を収束光とする集光レンズ１８と、光源と集光レンズの間の光路上に配置され複数の光源から射出された光束の光軸方向に垂直な光学有効範囲に少なくとも２以上の分割領域を有する位相差付与構造素子１２とを有する集光光学ユニット２００において、位相差付与構造素子は、分割領域の光軸方向の厚さが夫々異なるランダム段差構造であり、光源制御部は、光源から出射された光束の中心波長が時間的に変動するように入力電流信号波形を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光源から変調されて射出された光を合成して同一方向へ集光する集光光学ユニットと、その集光光学ユニットを備えた光走査装置、及び、その光走査装置を備えたレーザー走査型プロジェクタ等の投影型画像表示装置、及び、その投影型画像表示装置を備えた電子機器に関するものである。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などを用いた投影型画像表示装置（例えば、「プロジェクタ」）の開発が盛んであり、小型で携帯可能なプロジェクタとして期待されている。特に、３原色（ＲＧＢ）のレーザーとＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ：微小電気機械システム）ミラーを組み合わせた走査型の小型プロジェクタは構成部品が少なく、超小型化が可能な点から多くの開発が進められている（例えば、特許文献１（特許第４０３１４８１号公報）参照）。

このような３原色のレーザーとＭＥＭＳミラーとから成る走査型プロジェクタの従来例を図１０に示す。以下、この従来の走査型プロジェクタについて簡単に説明する。
光源５０５−Ｒ、５０５−Ｇ、５０５−Ｂは、それぞれＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のレーザー光Ａ_Ｒ、Ａ_Ｇ、Ａ_Ｂを放射する。レンズ５０６−Ｒ、５０６−Ｇ、５０６−Ｂは、レーザー光Ａ_Ｒ、Ａ_Ｇ、Ａ_Ｂを集光する。ダイクロイックミラー５０７−Ｒ、５０７−Ｇ、５０７−Ｂは、それぞれ赤色光、緑色光、青色光のみを反射し、その他の光を透過させる。ＭＥＭＳミラー５０１は、水平方向及び垂直方向に回動されることで、傾斜角が可変である。そして、ＭＥＭＳミラー５０１は、ダイクロイックミラー５０７−Ｒ、５０７−Ｇ、５０７−Ｂからの赤色光、緑色光、青色光を反射させることで、投影面５０３に画像を投影させる。制御回路５０２は、ＭＥＭＳミラー５０１を水平方向及び垂直方向に回動させると共に、入力ビデオ信号ＶＩＮに応じて光源５０５−Ｒ、５０５−Ｇ、５０５−Ｂから光強度変調されたレーザー光を放射させる。

レーザー光源は、従来のランプ光源と比較して、色再現性が高く、長寿命であることが利点である。また、プロジェクタの光学系を簡易化しやすいため小型化を図りやすいといった特徴を有する。しかしながら、レーザー光は、単一波長で位相がそろったコヒーレント光であり照明領域上に明暗点がランダムに分布するいわゆるスペックルパターンが生じる。
これは、微細凹凸を有する拡散表面を照射したレーザー光が散乱し、不規則な位相関係で干渉し合うことによって生じる。

そこで、レーザー光源を用いたプロジェクタの分野では、上述のスペックルノイズを低減するために様々な方法が提案されている。
スペックルの除去は、コヒーレンスを低下させること、あるいはスペックルを平均化することで成し遂げられる。
コヒーレンスの低下は、レーザー光の高周波重畳による波長幅の拡大化や、コヒーレンス長よりも大きな位相差を与えたレーザー光の多重化、などの手法であり、レーザー光のコヒーレント性（可干渉性）自体を解消する（例えば、特許文献２（特許第３５９４３８４号公報）参照）。

スペックルの平均化は、スクリーンや光学部品を振動させる手法などがあり、スペックルの干渉パターンを複数回重畳して強度分布を平均化（積分化）することによって、見かけ上のスペックルを低減する手法である（例えば、特許文献３（特許第４１８２０３２号公報）参照）。

前記特許文献２では、シングルモードで発振する半導体レーザーの駆動電流を高周波で変調することによって多重縦モード発振を実現する方法を開示している。この方法では、出力信号周波数が変化する信号発生回路の出力信号に、高周波信号が重畳されて半導体レーザーが駆動される。すると、その半導体レーザーの発振スペクトルは多数本化し、可干渉性を低下させる効果がある。
しかしながら、上記の方法では、時間コヒーレンスを十分に低減させることができず、レーザーとしての干渉特性は残るため十分な効果は得られない。

前記特許文献３では、照明光学系の光路中に拡散素子を配置し、この拡散素子を振動、回転させることにより、短時間でスペックルパターンを変化させ、積分効果による平均化によって観察者の目がスペックルを感じないようにしている。
しかしながら、拡散素子を振動・回転させるためにモータ等の駆動部があるため、プロジェクタ装置のサイズが大きくなるといった問題がある。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、低コストで機械的な駆動部を使用せずに、スペックルパターンを除去できる、スペックル除去機能を有する集光光学ユニットと、その集光光学ユニットを備えた光走査装置、及びその光走査装置を備えたプロジェクタ等の投影型画像表示装置を提供することを目的とし、さらには、その投影型画像表示装置を備えた電子機器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明では以下の［１］〜［８］に示す解決手段を採っている。
［１］：複数の異なる波長のレーザー光を出射する光源（例えば中心波長がλ１、λ２、λ３で、λ１＞λ２＞λ３の関係を有する３種類のレーザー光源）と、前記光源から出射されるレーザー光を変調駆動制御する光源制御部と、前記レーザー光をカップリングするカップリングレンズと、前記レーザー光の光路を１つに合成する光路合成手段と、前記１つの光路に合成されたレーザー光を収束光とする集光レンズと、前記レーザー光源と前記集光レンズとの間の光路上に配置され、前記複数の光源から射出された光束の光軸方向に垂直な光学有効範囲に少なくとも２以上の分割領域を有する位相差付与構造素子と、を有する集光光学ユニットにおいて、前記位相差付与構造素子は、分割領域の光軸方向の厚さがそれぞれ異なるランダム段差構造であって、前記光源制御部は、前記光源から出射されたレーザー光の中心波長が時間的に変動するように入力電流信号波形を制御することを特徴とする（請求項１）。

［２］：［１］に記載の集光光学ユニットにおいて、前記位相差付与構造素子は、それぞれ光軸方向の厚さが異なるランダム段差を有し、該ランダム段差に入射する光束の波長をλ１、前記位相差付与構造素子の分割領域ピッチをＰとしたとき、次の式（１）：
sin^-1（λ１／Ｐ）＜１．０ （１）
を満たすことを特徴とする（請求項２）。

［３］：［１］または［２］に記載の集光光学ユニットにおいて、前記集光レンズに入射する光束のうち、ビーム径が最大となる光束の有効径をφｍとしたとき、前記位相差付与構造素子は、前記ビーム径が最大径φｍとなる光学位置に配置され、前記位相差付与構造素子の有効範囲φｐは、次の式（２）：
φｐ＞φｍ （２）
を満たすことを特徴とする（請求項３）。

［４］：光走査装置であって、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の集光光学ユニットと、前記集光光学ユニットにより収束光とされたレーザー光を２次元的に走査する走査手段と、を備えることを特徴とする（請求項４）。
［５］：［４］に記載の光走査装置において、前記走査手段として、前記集光光学ユニットにより収束光とされたレーザー光を反射させる、互いに直交する２軸方向に回動するＭＥＭＳミラーを用いたことを特徴とする（請求項５）。
［６］：［４］または［５］に記載の光走査装置において、前記走査手段からのレーザー光を投影面上に拡大投影する投影レンズを備えたことを特徴とする（請求項６）。

［７］：［４］〜［６］のいずれか一つに記載の光走査装置と、前記光走査装置を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記光走査装置の光源の発光を制御する光源制御回路と、前記走査手段の偏向角度を制御する偏向角制御回路と、取得した画像データを適宜補正して前記偏向角制御回路及び前記光源制御回路に送信する画像処理回路と、を有することを特徴とする（請求項７）。

［８］：電子機器であって、［７］に記載の投影型画像表示装置を内蔵したことを特徴とする。

解決手段の［１］に記載の集光光学ユニットは、複数の異なる波長のレーザー光を出射する光源（例えば中心波長がλ１、λ２、λ３で、λ１＞λ２＞λ３の関係を有する３種類のレーザー光源）と、前記光源から出射されるレーザー光を変調駆動制御する光源制御部と、前記レーザー光をカップリングするカップリングレンズと、前記レーザー光の光路を１つに合成する光路合成手段と、前記１つの光路に合成されたレーザー光を収束光とする集光レンズと、前記レーザー光源と前記集光レンズとの間の光路上に配置され、前記複数の光源から射出された光束の光軸方向に垂直な光学有効範囲に少なくとも２以上の分割領域を有する位相差付与構造素子と、を有する集光光学ユニットにおいて、前記位相差付与構造素子は、分割領域の光軸方向の厚さがそれぞれ異なるランダム段差構造であって、前記光源制御部は、前記光源から出射されたレーザー光の中心波長が時間的に変動するように入力電流信号波形を制御することを特徴とするので、安価で、機械的な駆動部を使用せずに、スペックルノイズを除去できる小型な集光光学ユニットを実現することができる。

解決手段の［２］に記載の集光光学ユニットは、［１］の構成及び効果に加え、前記位相差付与構造素子は、それぞれ光軸方向の厚さが異なるランダム段差を有し、該ランダム段差に入射する光束の波長をλ１、前記位相差付与構造素子の分割領域ピッチをＰとしたとき、次の式（１）：
sin^-1（λ１／Ｐ）＜１．０ （１）
を満たすことを特徴とするので、回折効果の影響を抑制し、集光特性を劣化させにくい構成を実現することができる。

解決手段の［３］に記載の集光光学ユニットは、［１］または［２］の構成及び効果に加え、前記集光レンズに入射する光束のうち、ビーム径が最大となる光束の有効径をφｍとしたとき、前記位相差付与構造素子は、前記ビーム径が最大径φｍとなる光学位置に配置され、前記位相差付与構造素子の有効範囲φｐは、次の式（２）：
φｐ＞φｍ （２）
を満たすことを特徴とするので、集光スポット特性の劣化が小さく、レーザービームの有効範囲に対して分割領域の数を増やすことができるため、波長変動にともなう位相分布変化を大きくすることができる。

解決手段の［４］に記載の光走査装置は、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の集光光学ユニットと、前記集光光学ユニットにより収束光とされたレーザー光を２次元的に走査する走査手段と、を備えることを特徴としており、スペックルノイズを除去できる小型な集光光学ユニットと、該集光光学ユニットから出射される光を２次元に走査可能な走査手段とを有しているので、スペックルノイズの影響が小さい光走査装置を実現することができる。
また、解決手段の［５］に記載の光走査装置は、［４］の構成に加え、前記走査手段として、集光光学ユニットにより収束光とされたレーザー光を反射させる、互いに直交する２軸方向に回動するＭＥＭＳミラーを用いたことにより、小型な光走査装置を実現することができる。
さらに解決手段の［６］に記載の光走査装置は、［４］または［５］の構成に加え、前記走査手段からのレーザー光を投影面上に拡大投影する投影レンズを備えたことにより、波長の異なる３つのレーザー光のスポットを投影面に拡大投影することができるスペックルノイズの影響が小さい光走査装置を実現することができる。

解決手段の［７］に記載の投影型画像表示装置は、［４］〜［６］のいずれか一つに記載の光走査装置と、前記光走査装置を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記光走査装置の光源の発光を制御する光源制御回路と、前記走査手段の偏向角度を制御する偏向角制御回路と、取得した画像データを適宜補正して前記偏向角制御回路及び前記光源制御回路に送信する画像処理回路と、を有することを特徴としており、スペックルノイズを除去できる小型な集光光学ユニットと該集光光学ユニットから出射される光を２次元的に走査可能な走査手段（ＭＥＭＳミラー等）とを備えた光走査装置と、波長の異なる３つの光源の出力を前記走査手段の動きに同期して制御する制御手段を有しているので、小型で、投影面上のスポットの収差の小さい投影型画像表示装置を実現することができる。

解決手段の［８］に記載の電子機器は、［７］に記載の投影型画像表示装置を内蔵したことを特徴としており、投影型画像表示装置を電子機器に内蔵したので、電子機器の画像や映像データを、その場でスクリーン等の投影面に投影でき、複数の人が同時に見ることができるので、複数の人の間で情報の共有を容易に行うことができる。

本発明の第１の実施例の集光光学ユニットの機能構成例を示す概略構成図である。 矩形状の信号波形を高周波変調した信号波形の一例を示す図である。 波長幅をブロード化Δλｗした例と、モードホップにより波長をΔλｓ変化した例を示す図である。 位相差付与構造素子の構成説明図である。 本発明に係る集光光学ユニットにより集光される集光スポットのスペックルノイズの概念図であり、（ａ）は通常の集光スポットのスペックルノイズ、（ｂ）は信号波形に高周波を重畳させることで波長幅をブロード化Δλｗした場合の集光スポットのスペックルノイズ、（ｃ）は信号波形に高周波を重畳させることで波長幅をブロード化Δλｗし、さらに位相差付与構造素子１２により分割領域に位相差を持たせた場合の集光スポットのスペックルノイズを示す図である。 本発明の第２の実施例の集光光学ユニットの機能構成例を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施例の投影型画像表示装置の機能構成例を示す概略構成図である。 走査手段として用いることが可能なＭＥＭＳミラーの構成例を示す概略斜視図である。 電子機器の一例である携帯電話に本発明の投影型画像表示装置を内蔵した例を示す図である。 走査型プロジェクタの従来例を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

［実施例１］
本発明の第１の実施例として図１に集光光学ユニットの機能構成例を示す。この集光光学ユニット２００は、制御回路１００と、赤色の光（波長λ_１）を出射する光源１と、緑色の光（波長λ_２）を出射する光源２と、青色の光（波長λ_３）を出射する光源３と、カップリングレンズ４、５、６と、光路合成手段７と、集光レンズ１８とで構成されている。そして、集光光学ユニット２００は３個の光源１、２、３から出射された光を投影面１３上に集光する。
なお、以下の実施例では、光源が３つ（ＲＧＢ）の場合を説明するが、光源が２つ以上の場合、同様に実施することができる。また、光源としては、各波長のレーザー光を出射する半導体レーザー（ＬＤ）が用いられる。

カップリングレンズ４、５、６は光源１、２、３に対応するように配置されている。光源１、２、３から出射された光は発散光であり、それぞれ対応するカップリングレンズ４、５、６に入射される。カップリングレンズ４、５、６は、入射された発散光を平行光に変換して出射する。収束光に変換された光束は、光路合成手段７に入射される。光路合成手段７は、複数の光路を１つの光路にするものであり、例えば、光路合成プリズムである。光路合成手段７は、３個の反射面８、９、１０を有する。

接合部（反射面）８は赤色光束を反射し、緑色光束、青色光束を透過するダイクロイック膜が形成されている。また、接合部（反射面）９は緑色光束を反射し、青色光束を透過するダイクロイック膜が形成されている。反射面１０は、青色光束を反射する。このようにして、光路合成手段７は３個の光路を１つの光路に合成する。光路合成手段７により１つの光路に合成された平行光束は集光レンズ１８により収束光とされ、投影面１３上に集光させる。

光源１、２、３から出射されるレーザー光を変調駆動制御する光源制御部である制御回路１００は、投影面１３上に集光するレーザー光の強度変調を行う。例えば、制御回路１００がビデオ信号ＶＩＮを受信すると、ビデオ信号ＶＩＮの各色のビデオ信号（例えば、赤色ビデオ信号、青色ビデオ信号、緑色ビデオ信号）に応じて光強度変調されたレーザー光を光源１、２、３から出射させる。
制御回路１００は、ＬＤ駆動電流の制御として、正弦波もしくは矩形波等の時間的に変化する信号波形が入力される。図２に示すように、この信号波形に高周波を重畳させることで、波長幅をブロード化Δλｗすることが可能であり、コヒーレンス（可干渉性）を低下させることができる（図３（ｂ））。

また、ＬＤ駆動電流が変調されると、電流値の関数で表されるレーザー発光材料の屈折率が若干変動し、波長が変化する。定常状態で駆動電流や温度の変化があると発振波長が変化する、いわゆるモードホップという現象を起こす。半導体レーザーが温度変化や駆動電流変化を受けてモードホップを生じ、半導体レーザーへの印加電流を変化させることでレーザーの波長をΔλｓ＝１〜２ｎｍ変化させることができる（図３（ｃ））。

本発明では、レーザー光源の高周波駆動による波長幅のブロード化に加えて、この波長変動を利用することで、スペックルを解消する。波長変動は、画像形成における信号制御にあわせて変調周波数を切り替えることで実現できる。また、波長変動を起こすための方法は、印加電流の変調周波数によるものに限らず、動作温度変化を利用してもよい。
これらの高周波変調は、図２に示すような矩形波形のボトムがゼロとなるＲＺ変調であることが好ましい。

レーザー光源１、２、３と、前記集光レンズ１８との間の光路上には、位相差付与構造素子（位相シフタ）１２が設けられている。この位相差付与構造素子（位相シフタ）１２は、図４に示すように、平板上に形成された互いに厚みが異なる複数の分割領域から成る。各分割領域の光学面は、レーザー光の光軸に対して垂直であるため、各分割領域を光が透過するとき、その厚さに比例して光路長が異なる。そのため、透過するレーザー光の位相が異なる。これにより、レーザー光は有効系内で不均一な位相分布をもつ波面となり、集光レンズ１８により像面に集光される。

さらに、上述の波長変動Δλｓに応じて、図４に示すように、位相差付与構造素子（位相シフタ）１２の分割領域の光軸方向の厚さがそれぞれ異なるため、それぞれの領域により異なる位相差を生じさせる。分割位相領域で発生する位相差は、波長変動に伴い領域毎にその位相変化量が異なるため、位相分布が時間的に変化する。すなわち構成する凹部のそれぞれの深さに対して、ランダムな変化量を重畳することによって、不規則な位相変化をもった波面が形成される。

異なる分割領域において発生する位相の差をΔφとすると、位相差付与構造素子１２を形成する材料の屈折率をｎ、厚さの差をｄ、波長変化をΔλとすると、
位相差Δφ＝（ｎ−１）ｄ／Δλ
で表される。
したがって、位相差Δφは、厚さに比例して変化する。ランダムに構成される厚さが、２倍の領域があれば、損領域で発生する位相差の変化は２倍になる。
本実施例において、位相差付与構造素子１２は、格子状に分割される構成としたが、同心円状でもよく、また領域の大きさはランダムであっても良い。

本発明に係る集光光学ユニットにより集光される集光スポットのスペックルノイズの概念図を図５に示す。図５の（ａ）は通常の集光スポットのスペックルノイズ、（ｂ）は信号波形に高周波を重畳させることで波長幅をブロード化Δλｗした場合の集光スポットのスペックルノイズ、（ｃ）は信号波形に高周波を重畳させることで波長幅をブロード化Δλｗし、さらに位相差付与構造素子１２により分割領域に位相差を持たせた場合の集光スポットのスペックルノイズを示している。

図５（ｃ）に示すように、位相差付与構造素子１２により、異なる位置の分割位相領域で時間的に異なる位相変調が行われることにより、像面に集光されるレーザー光はそれぞれが異なる位相分布となり、これにより、レーザーの干渉性が低くなるため、コヒーレントなレーザー光に特有のスペックルを除去することができる。
また、時間的な位相分布変化が生じる事により、集光スポットの強度分布、集光位置に時間的変化を生じさせることも可能である。像面となる表面の凹凸構造に対して、スポットの強度分布、集光位置を変えることで、表面の凹凸構造での散乱度合いが変化するため、スペックルを発生させるビームの干渉パターンが変化する。

したがって、本発明では、従来技術のような光路中に拡散素子を配置し、その拡散素子を外力で振動、回転させる効果と同様に、人間の知覚できる時間よりも短い時間でスペックル干渉パターンを変化させることができる。また、強度分布の積分効果による平均化によって、観察者の目がスペックルを感じないようにすることができる
なお、上述の構成では、位相差付与構造素子１２を光路合成プリズム７と集光レンズ１８との間の光路上に設けたが、レーザー光源１、２、３と集光レンズ１８との間の光路のいずれかの箇所に配置すればよい。

本発明では、入射光の偏光状態を乱すことなく位相のみを変調して射出することができるため、入射するコヒーレント光の直線偏光性を損なうことなく、位相を変化させることができる。
また、本発明では、前記特許文献３のような機械的に駆動する部分もなく、照明領域に応じた大きさで作製すればよいので、レーザーを光源とするプロジェクタ等の光学機器に組み込んでも、機器の小型化を図ることが可能である。また、液晶などの位相変調デバイスと比べて、デバイスの電気的な制御が必要なく、安価な構成で実現できるスペックル解消手段として有効である。
従って、本発明によれば、安価で、機械的な駆動部を使用せずに、スペックルノイズを除去できる小型な集光光学ユニットを実現することができる。

［実施例２］
本発明の第２の実施例として図６に集光光学ユニットの別の機能構成例を示す。この集光光学ユニット３００の基本的な構成は図１と同様であり、制御回路１００と、赤色の光（波長λ_１）を出射する光源１と、緑色の光（波長λ_２）を出射する光源２と、青色の光（波長λ_３）を出射する光源３と、カップリングレンズ４、５、６と、光路合成手段７と、位相差付与構造素子１２と、集光レンズ１８とを備えているが、本実施例では、位相差付与構造素子１２は複数の分割領域に、ランダム段差を付加した素子である。
この場合、付加される位相が一定で且つ規則的に付いていると、位相格子になってしまうが、完全にランダムである場合には、マクロ的に見れば、入射したレーザーはランダムな位相分布を付加されて伝播すると考えてよい。

レーザービームの有効範囲に対して、位相差付与構造素子１２の分割領域の数が多いほど、波長変動にともなう位相分布変化を大きくすることができるが、分割される領域の幅ピッチが小さい場合、回折効果により、集光特性を劣化させる場合がある。そのため、集光スポットのボケや、フレア光の発生が懸念される。また、分割される領域の幅ピッチが小さい場合、加工の難易度が上がり、加工形状の劣化により、同様に集光特性の劣化が生じる可能性がある。

本実施例では、位相差付与構造素子１２のランダム段差の一部が回折格子を形成すると仮定し、一般的に、回折光の回折角θは、回折次数ｎ、入射光の波長λ、分割領域ピッチＰ、としたとき、次の式（１）を満たす範囲であることが望ましい。
θ＝sin^-1（ｎλ／Ｐ）＜１．０ （１）

図６に示す位相差付与構造素子１２の有効範囲を通るビーム径φｂ、格子状の分割数をｍとする場合、φｐ＝２．０ｍｍのビーム径を入射光とするとき、分割数ｍは６×６分割で許容される構成とすることで、回折効果の影響を抑制し、集光特性を劣化させにくい構成としている。

また、図６に示す集光光学ユニット３００では、レーザー光源１、２、３と、集光レンズ１８との間の光路上に、ビーム径を拡大するレンズ１９が設けられている。そして、ビーム径φｂを拡大して、格子状の分割数ｍを増やす構成としている。
前述の実施例では、位相差付与構造素子１２は、平行光路中に配置される構成としたが、ビーム径最大位置に配置されることが好ましい。これにより、上記の式（１）を満たし、かつレーザービームの有効範囲に対して、分割領域の数を増やすことができるため、波長変動にともなう位相分布変化を大きくすることができる。

また、本実施例では、集光レンズ１８に入射する光束のうち、ビーム径が最大となる光束の有効径をφｍとしたとき、位相差付与構造素子１２は、ビーム径が最大径φｍとなる光学位置に配置され、位相差付与構造素子１２の有効範囲φｐは、次の式（２）：
φｐ＞φｍ （２）
を満たす範囲となるようにしている。
このようにすることにより、集光スポット特性の劣化が小さく、レーザービームの有効範囲に対して分割領域の数を増やすことができるため、波長変動にともなう位相分布変化を大きくすることができる。

［実施例３］
本発明の第３の実施例として図７に投影型画像表示装置の構成例を示す。
ここでは、一例として図１に示した構成の集光光学ユニットを用いた投影型画像表示装置（走査型プロジェクタ）の実施例を示す。図１と同機能の部品、部位には同一番号が付してある。なお、ここでは図１に示した構成の集光光学ユニットを用いているが、図６にた示した構成の集光光学ユニットを用いても同様に構成することができる。

図７に示す走査型プロジェクタ４００では、図１に示した集光光学ユニットに加え、集光光学ユニットから出射される光を２次元的に走査する走査手段１１を用いて光走査装置を構成している。なお、図示を省略しているが、走査手段１１の後段には、走査手段１１により反射された波長の異なる３つのレーザー光のスポットを投影面１３上に拡大投影する投影レンズを設けてもよい。

さらに本実施例の投影型画像表示装置４００では、上記の光走査装置の構成に加え、走査手段１１と集光光学ユニットの光源を制御する制御手段（前述の制御回路１００に走査手段１１を制御する機能を加えた制御装置）が備わっている。すなわち本実施例では、制御装置（制御回路）１００は、光走査装置の集光光学ユニットの光源１、２、３の発光を制御する光源制御回路と、走査手段１１の偏向角度を制御する偏向角制御回路と、取得した画像データＶＩＮを適宜補正して偏向角制御回路及び光源制御回路に送信する画像処理回路と、を有しており、波長の異なる３つの光源１、２、３の出力を走査手段１１の動きに同期して制御することができる。

図７において、制御装置１００は、走査手段１１の動きと同期して所望の画像が加えられるように光源１、２、３に変調を加える。走査手段１１は図中の軸１０４の回りにα方向に反射面１４を振ることができるようになっており、さらに軸１０５の回りにβ方向にも反射面１４を振ることができる。
これによって、スクリーン等の投影面１３上には２次元的な投影像が形成されることとなる。

走査手段１１としては、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、半導体プロセス技術を用いて製造されるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ：微小電気機械システム）ミラーなどを用いることができる。
特にＭＥＭＳミラーは非常に小型で低消費電力であるため、小型プロジェクタに用いるには最も適している。
また、図７では１枚で２軸可動なものを示したが、１軸に可動なミラーを２つ用いても良い。

図８に走査手段１１として用いることが可能なＭＥＭＳミラーの構成例を示す。このＭＥＭＳミラー９０は、反射面を持つ微小ミラー９１がトーションバー９２、９３で支持された構造を有する。微小ミラー９１は、トーションバー９２が捻れることで軸９４を略中心とした共振往復運動を行う。また、トーションバー９３が捻れることで軸９５を略中心とした共振往復運動を行う。この両軸９４、９５を略中心とする往復運動によって、微小ミラー９１の偏向面の法線方向が２次元的に変化する。
このため、微小ミラー９１に入射するビームの反射方向が変化し、これにより、ビームを２次元方向に走査することができる。

以上のように、本実施例では、スペックルノイズを除去できる小型な集光光学ユニットと、該集光光学ユニットから出射される光を２次元に走査可能な走査手段１１とを有しているので、スペックルノイズの影響が小さ小型な光走査装置を用いた投影型画像表示装置を実現することができる。特に、走査手段１１としてＭＥＭＳミラー等の微小ミラーを用いることにより、本構成で実現される投影型画像表示装置は超小型化が可能となる。
また、本実施例では、波長の異なる３つの光源のレーザー光の出力を走査手段１１の動きに同期して制御する制御装置１００を有しているので、小型で、投影面上のスポットの収差の小さい投影型画像表示装置を実現することができる。

［実施例４］
実施例３で示した超小型な投影型画像表示装置を、電子機器に内蔵した例を図９に示す。図９は電子機器の一例である携帯電話７０に本発明の投影型画像表示装置を内蔵した例である。
図９においては、携帯電話７０に本発明の投影型画像表示装置７１を内蔵し、スクリーン７３上に照明光７２を２次元的に走査し画像を形成する。スクリーン７３は特別なものでなく、机や壁等でも良い。
なお、本実施例では、携帯電話７０に投影型画像表示装置を内蔵した例を示したが、電子機器としては、デジタルカメラ、ノートパソコン、ＰＤＡ等の携帯端末などでもよい。

本実施例の電子機器（携帯電話等）７０は、実施例３で示した超小型な投影型画像表示装置を内蔵したことにより、電子機器の画像や映像データを、その場でスクリーン７３等の投影面に投影でき、複数の人が同時に見ることができるので、複数の人の間で情報の共有を容易に行うことができる。

１、２、３：光源
４、５、６：カップリングレンズ
７：光路合成手段
１１：走査手段
１２：位相差付与構造素子
１３：投影面
１８：集光レンズ
１９：ビーム径拡大レンズ
７０：携帯電話（電子機器）
９０：ＭＥＭＳミラー
１００：制御装置（制御回路）
２００、３００：集光光学ユニット
４００：投影型画像表示装置

特許第４０３１４８１号公報 特許第３５９４３８４号公報 特許第４１８２０３２号公報

Claims (8)

1. 複数の異なる波長のレーザー光を出射する光源と、
   前記光源から出射されるレーザー光を変調駆動制御する光源制御部と、
   前記レーザー光をカップリングするカップリングレンズと、
   前記レーザー光の光路を１つに合成する光路合成手段と、
   前記１つの光路に合成されたレーザー光を収束光とする集光レンズと、
   前記レーザー光源と前記集光レンズとの間の光路上に配置され、前記複数の光源から射出された光束の光軸方向に垂直な光学有効範囲に少なくとも２以上の分割領域を有する位相差付与構造素子と、
   を有する集光光学ユニットにおいて、
   前記位相差付与構造素子は、分割領域の光軸方向の厚さがそれぞれ異なるランダム段差構造であって、
   前記光源制御部は、前記光源から出射されたレーザー光の中心波長が時間的に変動するように入力電流信号波形を制御することを特徴とする集光光学ユニット。
2. 請求項１に記載の集光光学ユニットにおいて、
   前記位相差付与構造素子は、それぞれ光軸方向の厚さが異なるランダム段差を有し、該ランダム段差に入射する光束の波長をλ１、前記位相差付与構造素子の分割領域ピッチをＰとしたとき、次の式（１）：
   sin^-1（λ１／Ｐ）＜１．０ （１）
   を満たすことを特徴とする集光光学ユニット。
3. 請求項１または２に記載の集光光学ユニットにおいて、
   前記集光レンズに入射する光束のうち、ビーム径が最大となる光束の有効径をφｍとしたとき、前記位相差付与構造素子は、前記ビーム径が最大径φｍとなる光学位置に配置され、前記位相差付与構造素子の有効範囲φｐは、次の式（２）：
   φｐ＞φｍ （２）
   を満たすことを特徴とする集光光学ユニット。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の集光光学ユニットと、
   前記集光光学ユニットにより収束光とされたレーザー光を２次元的に走査する走査手段と、を備えることを特徴とする光走査装置。
5. 請求項４に記載の光走査装置において、
   前記走査手段として、前記集光光学ユニットにより収束光とされたレーザー光を反射させる、互いに直交する２軸方向に回動するＭＥＭＳミラーを用いたことを特徴とする光走査装置。
6. 請求項４または５に記載の光走査装置において、
   前記走査手段からのレーザー光を投影面上に拡大投影する投影レンズを備えたことを特徴とする光走査装置。
7. 請求項４〜６のいずれか一つに記載の光走査装置と、前記光走査装置を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記光走査装置の光源の発光を制御する光源制御回路と、
   前記走査手段の偏向角度を制御する偏向角制御回路と、
   取得した画像データを適宜補正して前記偏向角制御回路及び前記光源制御回路に送信する画像処理回路と、
   を有することを特徴とする投影型画像表示装置。
8. 請求項７に記載の投影型画像表示装置を内蔵したことを特徴とする電子機器。

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