JP4880746B2 - レーザ照明装置及び画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザを光源として用いたレーザ照明装置、及びレーザ照明装置を用いたプロジェクションディスプレイなどの画像表示装置に関するものである。

近年、スクリーン上に画像を映し出すプロジェクションディスプレイなどの画像表示装置が普及している。このようなプロジェクションディスプレイには一般にランプ光源が用いられている。しかしながら、ランプ光源は、寿命が短く、色再現領域が制限されるとともに、光源面積が大きく、光利用効率が低いという問題がある。

これらの問題を解決するため、画像表示装置の光源としてレーザ光源を用いることが試みられている。レーザ光源は、ランプ光源に比べて寿命が長く、指向性が強いため光利用効率を高めやすい。また、レーザ光源は単色性を示すため、色再現領域が大きく、鮮やかな画像の表示が可能である。さらに、レーザ光源は従来のランプ光源に比べて小型化が可能な上、点光源であるため光学部品の小型化も可能になる。レーザ光源は、従来にない携帯型のプロジェクタへの応用ができると考えられている。

しかしながら、レーザ光源を用いたプロジェクションディスプレイでは、レーザ光の干渉性の高さから生じるスペックルノイズが問題となる。スペックルノイズには、光学系で生じたパターンが表示面に映る回折界のスペックルノイズと、レーザ光が表示面で散乱され散乱光同士が視聴者の眼で微細な粒状のノイズとなる像界のスペックルノイズとがある。露光機及び照明光学系では前者の回折界のスペックルノイズが問題となり、レーザ光源を用いたプロジェクションディスプレイでは回折界と像界との両方のスペックルノイズが問題となる。

また、プロジェクションディスプレイの小型化には、従来のランプ又はＬＥＤを光源とした光学系とは異なる点光源としての性質を生かしながら、表示装置に必要な均一な照明を行う光学系が必要となる。また、表示装置を小型化するには、発熱の問題から光利用効率を高める必要がある。

これまでも、レーザ光源を用いた表示装置において、スペックルノイズを低減したり、均一に照明を行うための種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１では、レーザ光源、ビーム拡大器、２組のフライアイレンズと集光レンズと視野レンズとからなるビーム成形オプティクス、及び移動拡散器を組み合わせることで、空間変調素子の均一照明とスペックルノイズの低減を行っている。しかしながら、特許文献１において提案される光学系はランプ光源で用いられている光学系と同様の大きさが必要となり、光学系の小型化は困難である。

また、特許文献２では、露光機のフライアイレンズ間の距離を縮めるため、光路短縮型レンズアレイの組み合わせと集光レンズとからなる構成を提案している。しかしながら、特許文献２では十分な光学系の小型化が達成されているとはいえず、部品数も増加することとなる。

また、レーザ光源のビーム整形手段として、回折素子又はＨＯＥ素子などの波長オーダでの加工が施される素子を利用することが提案されている。しかしながら、これらの素子は、使用する波長や入射角度が限定され、多波長や複数光源に対して、光強度の均一化や正確なビーム整形を行うことが困難である。

特開２００３−９８４７６号公報 特開２００６−３０９２０７号公報

レーザ光源を用いたレーザ照明装置及びレーザ照明装置を用いた画像表示装置において、従来の提案はスペックルノイズの除去及び均一照明を行いながら装置を小型化することができず、レーザ光源の特性を生かした携帯型プロジェクタを作製するにあたり大きな課題がある。また、カラー画像を表示する上では、３色以上のレーザ光源を用いながら、スペックルノイズの除去、均一照明、及び装置の小型化を達成しなければならない。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、回折界及び像界のスペックルノイズを除去することができ、照明面を均一に照明することができ、小型化を実現することができるレーザ照明装置及び画像表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明の一局面に係るレーザ照明装置は、レーザ光源と、面内方向に定められた開口数を有する複数の微小要素レンズが並べて配置され、前記レーザ光源から出射したレーザ光を前記複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げることで、それぞれの微小要素レンズを通過するレーザ光を重畳する第１のレンズと、前記第１のレンズよりも大きな有効径を有し、前記複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げられたレーザ光の拡がり角を補償する第２のレンズとを備え、前記レーザ光源は、それぞれ波長の異なる複数のレーザ光を出射し、前記レーザ光源に用いられる最長波長λｌと、前記レーザ光源に用いられる最短波長λｓと、前記第１のレンズの有効径Ｒ１と、前記微小要素レンズの最小ピッチｄとは、下記の式の関係を満たし、
ｄ＞１０×（λｌ−λｓ）
ｄ＜Ｒ１／３
前記複数の微小要素レンズは、凸レンズと、前記凸レンズと同じ開口数を有する凹レンズとを含み、前記凸レンズと前記凹レンズとは、面内方向に交互に連なって配置されている。

本発明の他の局面に係る画像表示装置は、上記のレーザ照明装置と、前記第２のレンズのレーザ光出射側に設けられ、前記第２のレンズを出射したレーザ光を変調する光変調素子とを備える。

本発明によれば、レーザ光源から出射したレーザ光が複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げることで重畳されるので、回折界及び像界のスペックルノイズを除去することができる。また、面内方向に定められた開口数を有する複数の微小要素レンズのそれぞれによって照明面を均一に照明することができる。さらに、第１のレンズの複数の微小要素レンズによって、レーザ光源から出射したレーザ光が拡げられるととともに重畳されるので、レーザ光を拡げるための光学系及びレーザ光を重畳させるためのリレー光学系など複数の光学系が不要となり、小型化を実現することができる。

本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

本発明の実施の形態１におけるレーザ照明装置の構成を示す概略図である。 図１の照明面におけるレーザ光の光強度分布を示す図である。 本発明の実施の形態１における画像表示装置の構成を示す概略図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態１における第１のレンズを示す拡大図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の微小要素レンズを示す拡大図である。 本発明の実施の形態１の変形例におけるレーザ照明装置の構成を示す概略図である。 第１のレンズ及び第２のレンズの配置位置について説明するための図である。 本発明の実施の形態２におけるカラー画像表示装置の構成を示す概略図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態３における第１のレンズを示す拡大図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の微小要素レンズを示す拡大図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態４における第１のレンズを示す拡大図であり、（Ｂ）は、凸面シリンドリカルレンズと凸面シリンドリカルレンズとを組み合わせた微小要素レンズを示す拡大図であり、（Ｃ）は、凹面シリンドリカルレンズと凹面シリンドリカルレンズとを組み合わせた微小要素レンズを示す拡大図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態５におけるレーザ照明装置の構成を示す概略図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す第１のレンズを光軸回りに９０度回転させた概略断面図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態５の変形例における第１のレンズを示す概略図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す第１のレンズを光軸回りに９０度回転させた概略断面図である。 本発明の実施の形態６における画像表示装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態６の変形例における画像表示装置の構成を示す概略図である。

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ照明装置１００の構成を示す概略図である。図１に示すレーザ照明装置１００は、レーザ光源を用いた照明装置である。

レーザ照明装置１００は、第１のレンズ１、第２のレンズ２、レーザ光源３、コリメータレンズ４及び光拡散素子６を備える。

レーザ光源３は、レーザ光を出射する。第１のレンズ１は、面内方向に定められた開口数（ＮＡ）を有する複数の微小要素レンズ１０が並べて配置され、レーザ光源３から出射したレーザ光を複数の微小要素レンズ１０のそれぞれによって拡げることで、それぞれの微小要素レンズ１０を通過するレーザ光を重畳する。

レーザ光源３を出射したレーザ光は、コリメータレンズ４によりコリメートされた後、微小要素レンズ１０が複数並んだレンズアレイからなる第１のレンズ１に入射する。第１のレンズ１に入射したレーザ光は、微小要素レンズ１０の定められたＮＡによって重畳しながら拡がっていき、光拡散素子６で拡散された後、第１のレンズ１よりも大きな有効径を有する第２のレンズ２に入射する。

第２のレンズ２は、第１のレンズ１で拡げられた光線が光軸に略平行もしくは外縁部の光線が内側に向くようなレンズパワーを有しており、照明面５に対して第１のレンズ１の拡がり角を補償して照明する。すなわち、第２のレンズ２は、第１のレンズ１よりも大きな有効径を有し、複数の微小要素レンズ１０のそれぞれによって拡げられたレーザ光の拡がり角を補償する。

図２は、図１の照明面５におけるレーザ光の光強度分布を示す図である。図２に示すように、照明面５を照明するレーザ光は、微小要素レンズ１０のＮＡによって定められた形状に整形されながら、外縁部の光強度のムラが第２のレンズ２によって補償される。したがって、照明面５は、均一な光強度分布を有する。また、照明面５を照明するレーザ光は、第２のレンズ２が第１のレンズ１の発散角を補償することで、第２のレンズ２から出射側に長い区間において均一な光強度分布が得られる。また、スペックルノイズは、微小要素レンズ１０によって拡がったレーザ光が重畳することによって低減される。

画像表示装置にレーザ照明装置１００を用いる場合は、照明面５の位置に２次元光変調素子が配置される。図３は、本発明の実施の形態１における画像表示装置１１０の構成を示す概略図である。実施の形態１における画像表示装置１１０は、レーザ照明装置１００、２次元光変調素子５ａ、投射レンズ７及びスクリーン８を備える。

レーザ照明装置１００は、スペックルノイズが低減されるとともに整形された均一なレーザ光を２次元光変調素子５ａに照明する。２次元光変調素子５ａは、第２のレンズ２を透過したレーザ光を変調する。また、２次元光変調素子５ａで変調されたレーザ光は、第２のレンズ２により発散角が補償されているため、投射レンズ７に効率よく導かれ、２次元光変調素子５ａで変調された画像がスクリーン（表示面）８に投射される。

微小要素レンズ１０は、面内方向に定められたＮＡを有し、各々の微小要素レンズ１０は同じ定められたＮＡを有する。図４（Ａ）は、本発明の実施の形態１における第１のレンズを示す拡大図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の微小要素レンズを示す拡大図である。

第１のレンズ１は、複数の微小要素レンズ１０を備える。実施の形態１の微小要素レンズ１０は、第１のＮＡを有する、レーザ光の入射側に形成された横方向の第１のシリンドリカルレンズ１１ａと、第１のＮＡとは異なる第２のＮＡを有する、レーザ光の出射側に形成された縦方向の第２のシリンドリカルレンズ１１ｂとを含む。第１のレンズ１に入射したレーザ光は、微小要素レンズ１０によって、縦（垂直）方向に第１のＮＡの角度で拡がり、横（水平）方向に第２のＮＡの角度で拡がる。すなわち、第１のシリンドリカルレンズ１１ａと第２のシリンドリカルレンズ１１ｂとは、互いの拡散方向が直交するように形成される。また、微小要素レンズ１０を通過したレーザ光は、拡がりながら隣接する微小要素レンズ１０のレーザ光と重なる。

第１のレンズ１は、レーザ光源３から出射したレーザ光を複数の微小要素レンズ１０のそれぞれによって拡げるとともに、それぞれの微小要素レンズ１０から拡がったレーザ光が照明面５では、光が拡がることで重畳する。一般的に、フライアイレンズを用いた光学系では、１組目のフライアイレンズの要素レンズの像が、２組目のフライアイレンズと集光レンズとにより、照明面で重なるように結像されている。これに対し、本実施の形態における第１のレンズ１では、複数の微小要素レンズの拡がり角によりそれぞれの微小要素レンズ１０を通過した各レーザ光が重畳される。このとき、微小要素レンズ１０の大きさだけ光がずれながら重畳されることとなる。

第１のレンズ１を通過したレーザ光は、縦：横の比が第１のＮＡ：第２のＮＡの矩形のビームに整形されるとともに、微小要素レンズ１０によって重畳されることによって、光強度分布が平均化される。微小要素レンズ１０の面内方向のＮＡ分布を変えることにより、ビーム形状は、矩形、三角形、六角形、円形、扇形、ドーナツ形又は星型などに整形することができる。例えば、ビーム形状をドーナツ型に整形するときは微小要素レンズ１０に円錐レンズを用いればよい。

第１のレンズ１によってレーザ光の光強度分布は平均化されるが、レーザ光が微小要素レンズ１０の大きさだけずれて重畳されるため、レーザ光の重なる密度の違いによる光強度のムラが生じる。例えば、一般的なガウス分布の光が第１のレンズ１に入射すると、中心位置から外縁部へ徐々に光強度が落ちていく山なりの光強度分布となる。これは、外縁部に向けて、重なるレーザ光の数が少なくなるためである。第２のレンズ２は、微小要素レンズ１０で拡がったレーザ光の角度を補償し、拡がったレーザ光を光軸に略平行にする、もしくは拡がったレーザ光の外縁部の光線を内側に曲げるレンズパワーを有する。第１のレンズ１を通過したレーザ光の外縁部の光線は、微小要素レンズ１０によるビームの重なりが少ないため光強度が低下する。しかしながら、第２のレンズ２により照明面５で外縁部のビームを重ねることで、光強度分布を均一化することができる。

また、第１のレンズ１を通過したレーザ光の外縁部の光線は、微小要素レンズ１０によるビームの重なりが少ないため、スペックルノイズを十分に低減することが困難である。しかしながら、第２のレンズ２により照明面５で外縁部のビームを重ねることで、照明面５に照明されるレーザ光の外縁部におけるスペックルノイズを十分に低減することができる。また、第２のレンズ２は、微小要素レンズ１０で生じた球面収差も補償し、外縁部の光強度の低下を軽減する。第２のレンズ２には、球面の平凸レンズや両凸レンズを用いることができる。

本実施の形態のレーザ照明装置１００は、レーザ光源３と、面内方向に定められたＮＡを有する複数の微小要素レンズ１０が並べて配置され、レーザ光源３から出射したレーザ光を複数の微小要素レンズ１０のそれぞれによって拡げることで、それぞれの微小要素レンズ１０を通過するレーザ光を重畳する第１のレンズ１と、第１のレンズ１よりも大きな有効径を有し、複数の微小要素レンズ１０のそれぞれによって拡げられたレーザ光の拡がり角を補償する第２のレンズ２とを備える。

この構成によって、レーザ光のビーム整形と、中心部から外縁部までの光強度分布の均一化とを達成することができるとともに、中心部から外縁部までのスペックルノイズの低減を達成することができる。また、第１のレンズ１の有効径は、レーザ光源３からの出射ビーム径と同程度でよく、数ｍｍ以下の大きさとなり、ビーム径をエキスパンダーなどで拡大する必要はない。このため、レーザ光源３の周辺の光学系を非常にコンパクトにすることができ、レーザ光源３の光源面積の小ささを有効に利用することができる。

また、必要とする光軸方向の第１のレンズ１から照明面５までの長さも、微小要素レンズのＮＡを大きくすることにより短くすることができる。例えば、ＮＡが０．４であれば１０ｍｍ×１０ｍｍの照明面５を照明する場合、第１のレンズ１から照明面５までの長さは１５ｍｍ程度でよい。本実施の形態１のレーザ照明装置１００は、これまでにない小型化を可能とする。また、本実施の形態１のレーザ照明装置１００は、従来のフライアイレンズのような光の回折作用を用いてビーム整形を行うのではなく、光の屈折を用いてビーム整形を行う。そのため、波長の変化によるビーム整形や光強度の均一化の乱れをなくすことができ、多波長のレーザ光源を有する場合にも好適に用いることができる。

微小要素レンズ１０の面内方向のＮＡは、上記したように整形したいビーム形状に合わせて定めることができる。面内方向のＮＡの設定は、微小要素レンズ１０内で曲率に方向分布をもたせることや、同じ曲率で微小要素レンズ１０のピッチを方向によって変化させることで行われる。図４（Ｂ）に示す互いに直交する第１のシリンドリカルレンズ１１ａと第２のシリンドリカルレンズ１１ｂとは、横方向のピッチｄ１と縦方向のピッチｄ２とが同じ長さであるが、曲率を変えることで、縦方向の第１のＮＡと横方向の第２のＮＡとを設定している。

微小要素レンズ１０のピッチｄ１，ｄ２は、入射ビーム径よりも小さく、複数の微小要素レンズ１０にレーザ光が入射する。微小要素レンズ１０のピッチｄ１，ｄ２は、装置の小型化のため最大でも１ｍｍ未満となることが好ましい。ピッチｄ１，ｄ２が１ｍｍ以上となる場合、第１のレンズ１及び入射ビーム径を大きくする必要があり、小型化が困難となる。実施の形態１の微小要素レンズ１０のピッチｄ１，ｄ２は、例えば２００μｍである。なお、微小要素レンズ１０は球面形状だけに限らず、ＮＡの分布によって非球面形状としてもよい。特に、外縁部の輝度を明るくしたい場合は、非球面形状を用いて微小要素レンズ１０を作製することが好ましい。

本実施の形態のレーザ照明装置は、スペックルノイズをより低減するために、第１のレンズ１が光軸と垂直な面方向に移動させるレンズ移動機構を有することが好ましい。図５は、本発明の実施の形態１の変形例におけるレーザ照明装置の構成を示す概略図である。

図５に示すレーザ照明装置１０１は、第１のレンズ１、第２のレンズ２、レーザ光源３、コリメータレンズ４、光拡散素子６及びレンズ移動機構９を備える。なお、図１に示すレーザ照明装置１００と同じ構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

実施の形態１の変形例において、レンズ移動機構９は、光軸に垂直な面方向に第１のレンズ１を２次元的に移動させる。すなわち、図４（Ａ）に示すように、第１のレンズ１は、光軸と垂直な面方向の２軸に対して２次元的に移動する。レンズ移動機構９は、２軸アクチュエータと２軸アクチュエータを駆動する駆動部とで構成される。２軸アクチュエータは、図４（Ａ）の矢印Ｙ１に示すように、第１のレンズ１を横方向（水平方向）に振動させるとともに、図４（Ａ）の矢印Ｙ２に示すように、第１のレンズ１を縦方向（垂直方向）に振動させる。

第１のレンズ１は、２軸アクチュエータで保持され、面内方向に２次元的に振動する。第１のレンズ１が面内方向に２次元的に振動することにより、各微小要素レンズ１０の焦点位置が変化し、移動させる時間を積分すると焦点が面内方向に拡がることとなる。これは、時間積分を行ったときに光源面積が擬似的に拡大したことを意味し、光源面積の拡大によってレーザ光の干渉性が低下し、干渉性ノイズであるスペックルノイズをさらに低減することができる。

また、第１のレンズ１に入射するビーム強度のムラが非常に大きい場合や、微小要素レンズ１０の数が入射ビーム径に対して数個しかない場合に、照明面５で光強度が不均一となる。しかしながら、第１のレンズ１を面内方向に振動させることにより、光強度を均一にすることができる。本実施の形態１の第１のレンズ１は、有効径を数ｍｍ以下とすることが可能である。このように、第１のレンズ１を非常に小さく形成することができるので、レンズ移動機構９の小型化及び軽量化も可能となる。

レンズ移動機構９は、ビームのパワー密度が高い場合の損傷対策も担う。レーザ光を照射すると、パワー密度が非常に大きな集光点ができ、埃などが焼けることにより光学部品が損傷する場合がある。本実施の形態１の変形例のレーザ照明装置１０１は小型化を可能とし、特に第１のレンズ１は小径となりパワー密度が増大する可能性がある。しかしながら、レンズ移動機構９によって第１のレンズ１が振動されるので、１点にパワーが集中し続けることを緩和し光学部品の損傷を防ぐことができる。また、仮に、光学部品が損傷し、ある点で光利用効率が低下した場合でも、パワー密度が高い光線がレンズ移動機構９によって損傷した箇所とは異なる箇所を通過するため、利用効率の低下を抑えることができる。

レンズ移動機構９は、第１のレンズ１を２次元的に動かす。そのため、実施の形態１の変形例では、移動させる２軸の周波数をそれぞれ異ならせ、例えば１００Ｈｚと１１１Ｈｚとの正弦波でそれぞれ移動させ、１ｓｅｃ内で２次元的に移動させている。１次元的に移動させた場合や、停止している時間が長い場合、時間積分したときの光源面積の拡大が十分にできない。このため、２次元的なレンズ移動機構９において、移動させる２軸の周波数は約数にならない関係で異ならせる、もしくは振動周波数の変調を行うことが好ましい。

また、移動させる２軸は、図４（Ａ）に示すような直交する２軸に限らず、光軸に平行な回転軸と光軸に垂直な直線軸との２軸であってもよく、又は偏芯した２個の光軸に平行な回転軸の組み合わせであってもよい。

レンズ移動機構９は、本実施の形態１の変形例のように光拡散素子６が設けられている場合、光軸に垂直な面方向に第１のレンズ１を１次元的に移動させてもよい。この場合、光拡散素子６によって、微小要素レンズ１０の焦点位置変化に多様性を与え、焦点位置を２次元的に変化させることができる。このように、１次元的に第１のレンズ１を移動させても、２次元的に第１のレンズ１を移動させた場合と同様の効果を得ることができる。さらに、レンズ移動機構９の振動周波数は、レーザ光出射の繰り返し周波数に対し、１倍以上であることが好ましい。振動周波数が低い場合、レンズ移動による輝度のムラが視認される虞がある。また、レーザ光出射の繰り返し周波数に近い場合、輝度変化が周波数のうなりとなって視認され、画質を劣化させる虞がある。

レンズ移動機構９における最大振幅は、微小要素レンズ１０の移動方向の最大ピッチよりも大きいことが好ましい。面内方向に移動することによる光源面積の疑似的な拡大は移動振幅に比例し、スペックルノイズも低減される。また、この場合、光源面積を微小要素レンズ１０の大きさまで拡大させることができ、レンズ移動機構９の振幅が微小要素レンズ１０の移動方向のピッチよりも大きいとき、光源面積の大きさが最大となる。このように、レンズ移動機構９の最大振幅が、微小要素レンズ１０の移動方向の最大ピッチよりも大きい場合、光源面積の大きさが最大となる。また、このとき同時に、ビームの光強度が均一化される。

レンズ移動機構９は、面内方向に微小要素レンズ１０のピッチよりも大きく振動させることで、照明面５の回折界のスペックルノイズを除去するだけでなく、画像表示装置に適用した場合に表示面（スクリーン８）で発生する像界のスペックルノイズも低減することができる。レンズ移動機構９によって光源面積が拡大されることにより、表示面に到達するビーム角度が多様化し、時間毎に異なるスペックルパターンが作成される。時間毎に異なるスペックルパターンは、観察者の網膜で時間積分され、ノイズが平均化され、像界のスペックルノイズが低下する。

本実施の形態１のレーザ照明装置１００，１０１は、第２のレンズ２のレーザ光入射側に光拡散素子６を備える。実施の形態１では、第２のレンズ２の直前に光拡散素子６が挿入されている。光拡散素子６は、第１のレンズ１と第２のレンズ２との間に設ければよい。光拡散素子６で拡散された光の取り込み効率を高めるためには、光拡散素子６は、第２のレンズ２の直前に配置することが好ましく、第１のレンズ１と第２のレンズ２との間の距離をＬとしたとき、第２のレンズ２から、Ｌ／４以下の距離に配置することが好ましい。第２のレンズ２から光拡散素子６までの距離がＬ／４よりも大きくなる場合、レーザ光を第２のレンズ２から照明面５に導くことができず、光量損失が大きくなる。

なお、光拡散素子６は、第２のレンズ２のレーザ光入射面に設けてもよく、これは光量損失がない好ましい形態である。例えば、第２のレンズ２を平凸レンズで構成し、平面側をレーザ光入射側とし、平凸レンズの平面側に拡散面を設ける構成としてもよい。第２のレンズ２のレーザ光入射側にある光拡散素子６によって、スペックルノイズが低減されるとともに、ビームの光強度が均一化される。第２のレンズ２の直前にある光拡散素子６は、照明面５と同程度の有効径を有し、照明面５に対して十分に大きな拡散光源となることで、スペックルノイズを微細化し、スペックルノイズを低減する。また、光拡散素子６は、拡散光源となることで、入射したレーザ光の光強度のムラを低減するとともに、入射したレーザ光を均一な光強度分布とする。

第２レンズ２の直前に設けられた光拡散素子６は、照明面５で生じる回折界のスペックルノイズだけでなく、表示面で生じる像界のスペックルノイズを微細化するとともに像界のスペックルノイズのノイズ強度を低減させ、像界のスペックルノイズも低減させることができる。

光拡散素子６は、第１のレンズ１のレンズ移動機構９と同時に用いることにより、固定したままで大きなスペックルノイズ除去効果を示す。そのため、光拡散素子６の動作は不要である。光拡散素子６は、照明面５と同程度の大きさとなり大きな部品となるが、レンズ移動機構９は第１のレンズ１と同程度の小さな部品で構成することができ、装置の小型化及び軽量化が可能となる。光拡散素子６には、μｍオーダの非周期な凹凸パターン面を有する、ホログラフィックディフューザ面、擦り面又はエンボス面などの拡散面を有する光学素子や、母体と屈折率の異なる粒子が混入された拡散板などを用いることができる。また、上記したように第２のレンズ２のレーザ光入射面を拡散面としてもよい。

光拡散素子６の拡散角度は、外縁部になるに従い小さくなることが好ましい。レーザ照明装置１００を画像表示装置１１０に用いる場合、照明面５の外縁部の取り込み効率は、投射レンズ７のケラレにより劣化する。しかしながら、光拡散素子６の拡散角度を中心部から外縁部になるに従い小さくすることで、投射レンズ７によるケラレを補償することができる。実施の形態１では、光拡散素子６としては、入射角度が大きくなるにつれて、拡散角度が小さくなるホログラフィックディフューザを用いている。また、光拡散素子６の表面加工を一定とせずに、中心部から外縁部になるに従い拡散角度が小さくなるように、中心部から外縁部になるに従い変化させてもよい。例えば、表面加工の加工周期を中心部から外縁部に向かって変化させ、同心円状にピッチを大きくすることで実現することができる。

図３の画像表示装置１１０では、ＣＡＮパッケージの直径が５．６ｍｍであるレーザ光源３、直径が４ｍｍであるコリメータレンズ４、直径が４ｍｍである第１のレンズ１、直径が１５ｍｍである光拡散素子６、直径が１５ｍｍである第２のレンズ２、対角の長さが０．５インチである透過型の２次元光変調素子５ａ、直径が１８ｍｍである投射レンズ７を用いる。これにより、外形が２０ｍｍ×６０ｍｍの親指大の画像表示装置１１０が実現でき、レーザ照明装置１００及び画像表示装置１１０を小型化することができる。

画像表示装置１１０では、レーザ光源３からのレーザ光をコリメートするのにコリメータレンズ４を用いているが、コリメータレンズ４に代わり、レーザ光源３の光源像を２次元光変調素子５ａの中心部に形成する結像レンズをレーザ光源３と第１のレンズ１との間に設けてもよい。コリメート時のビーム径が大きい場合、第１のレンズ１の有効径が大きくなり、照明領域の広がりによる光量損失が生じるという課題がある。この課題に対し、２次元光変調素子５ａの中心部にレーザ光源３の光源像を形成する結像レンズを用いることで、レーザ光を２次元光変調素子５ａの中心部へ集光させることができ、第１のレンズ１の有効径が大きくとも、照明領域の広がりを抑えることができ、光量損失及びビーム形状の乱れをなくすことができる。

本実施の形態１のレーザ照明装置１００の微小要素レンズ１０は、図４（Ｂ）で示した表裏面で互いに直交するシリンドリカルレンズで構成する他、矩形レンズ、円形レンズ、円錐レンズ及び三角形レンズなど、照明面５の形状に合わせてＮＡを面内方向に定めやすいような形状で構成することができる。好ましくは、微小要素レンズ１０の形状は、矩形とする。矩形とすることで、第１のレンズ１内に微小要素レンズ１０を連続的に作製することができ、第１のレンズ１内の不要な領域をなくし、光量損失をなくすことができる。２次元光変調素子５ａは、一般的に縦横比が３：４もしくは９：１６の矩形形状であるため、微小要素レンズ１０も２次元光変調素子５ａに合わせた矩形形状とすることが好ましい。矩形の２次元光変調素子５ａを照明するとき、微小要素レンズ１０の面内方向の縦横のＮＡ比は、２次元光変調素子５ａの形状の縦横比と同じであることが好ましい。２次元光変調素子５ａの縦横比と微小要素レンズ１０の縦横のＮＡ比とを合わせることで、光量損失のないビーム整形が可能となる。

微小要素レンズ１０はμｍオーダのレンズとなるため、成型や表裏面の位置あわせが困難という問題がある。２次元光変調素子５ａを照明する場合、成型などの問題を解決するため、図４（Ｂ）のようにＮＡの異なる第１のシリンドリカルレンズ１１ａ及び第２のシリンドリカルレンズ１１ｂを表裏面に直交させて微小要素レンズ１０を作製することが好ましい。微小要素レンズ１０をシリンドリカルレンズ形状とすることで、球面レンズに対し金型作製がμｍオーダでも容易に行え、レンズ形状（ＮＡ）を精確に設計することができる。また、この場合、表裏面の位置あわせを行わずとも、微小要素レンズ１０のＮＡは一定になるため、成型も容易に行え、生産性を高めることができる。なお、複数の第１のシリンドリカルレンズ１１ａと複数の第２のシリンドリカルレンズ１１ｂとは一体に形成することが好ましい。

さらに、ＮＡが表裏面で異なる微小要素レンズ１０では、ＮＡが大きな面をレーザ光の入射側にすることが好ましい。すなわち、レーザ光の入射面側に設けられた第１のシリンドリカルレンズ１１ａのＮＡは、レーザ光の出射面側に設けられた第２のシリンドリカルレンズ１１ｂのＮＡよりも大きいことが好ましい。一般的に、照明面（２次元光変調素子）は、縦方向の長さよりも横方向の長さの方が長い。そのため、光入射側の第１のシリンドリカルレンズ１１ａのＮＡをレーザ光が横方向に拡がるように設定し、光出射側の第２の第２のシリンドリカルレンズ１１ｂのＮＡをレーザ光が縦方向に拡がるように設定してもよい。入射面側の第１のシリンドリカルレンズ１１ａのＮＡを出射面側の第２のシリンドリカルレンズ１１ｂのＮＡよりも大きくすることで球面収差を小さくし、精確にビームを整形することができる。

また、図４（Ｂ）では、凸面のシリンドリカルレンズを２つ組み合わせているが、本発明は特にこれに限定されず、凹面のシリンドリカルレンズを２つ組み合わせてもよく、凸面のシリンドリカルレンズと凹面のシリンドリカルレンズとを組み合わせてもよい。

図６は、第１のレンズ及び第２のレンズの配置位置について説明するための図である。第１のレンズ１と第２のレンズ２との間隔をＬ、第１のレンズ１の有効径をＲ１、第２のレンズ２の有効径をＲ２とする。有効径に関しては、最大有効径（ビーム径）である。第２のレンズ２のバックフォーカスをＢＦ２、微小要素レンズ１０の最大開口数をＮＡｍとする。このとき、本実施の形態１の第１のレンズ１と第２のレンズ２とは、下記の（１）式、（２）式及び（３）式の関係を有することが好ましい。

Ｌ−Ｒ１／ＮＡｍ＜ＢＦ２＜Ｌ＋Ｒ１／ＮＡｍ・・・（１）
Ｒ２＞２×Ｒ１・・・（２）
Ｒ２＜４×Ｌ×ＮＡｍ・・・（３）

第２のレンズ２のバックフォーカスＢＦ２が上記の（１）式の範囲内であるとき、第２のレンズ２は、微小要素レンズ１０から拡がったレーザ光の拡がり角を補償し、中心部の光線を略平行化するとともに、外縁部の光線を内側に曲げることができる。第２のレンズ２のバックフォーカスＢＦ２が上記の（１）式の範囲内であることで、均一な照明と光量損失がない光量伝達が可能となる。第２のレンズ２のバックフォーカスＢＦ２が上記の（１）式の範囲より長い場合は、微小要素レンズ１０からの拡がり角を補償できず、ビームは発散し光量損失が大きくなる。一方、第２のレンズ２のバックフォーカスＢＦ２が上記の（１）式の範囲よりも短い場合は、外縁部の光線が大きく内側に曲げられることで、照明面５では外縁部の輝度が中央部よりも高くなって不均一になるとともに、微小要素レンズ１０によって整形されるビーム形状が円形に崩れることとなる。

本実施の形態１のレーザ照明装置１００の第２のレンズ２の有効径Ｒ２は、照明面５と同程度の大きさとなるが、第１のレンズ１の有効径Ｒ１が上記の（２）式の範囲内であり、第２のレンズ２の有効径Ｒ２の半分以下であれば装置の小型化が十分可能となる。また、第２のレンズ２の有効径Ｒ２と微小要素レンズ１０の最大開口数ＮＡｍとが上記の（３）式の範囲を満たすことにより、複数の微小要素レンズ１０によって拡げられたレーザ光が第２のレンズ２上で重畳し、ビームの光強度の均一化を達成することができる。

このように、上記の（１）式、（２）式及び（３）式の関係を満たすように第１のレンズ１及び第２のレンズ２を配置することで、ビームの光強度を均一にすることができ、装置を小型化することができ、効率の良い照明性能を得ることができる。

なお、実施の形態１では、第１のレンズ１と第２のレンズ２との間隔Ｌは１５ｍｍであり、第１のレンズ１の有効径Ｒ１は２ｍｍであり、第２のレンズ２の有効径Ｒ２は１４ｍｍであり、第２のレンズ２のバックフォーカスＢＦ２は１６．６ｍｍであり、微小要素レンズ１０の最大開口数ＮＡｍは０．３３であり、上記の（１）式、（２）式及び（３）式の関係を満たすように第１のレンズ１と第２のレンズ２とが配置され、縦横比が３：４の長方形状となるように照明面５が均一に照明される。

光学系の小型化を可能とするためには、微小要素レンズ１０の最大開口数ＮＡｍが０．２よりも大きいことが好ましい。微小要素レンズ１０の最大開口数ＮＡｍを０．２よりも大きくすることで、第１のレンズ１と第２のレンズ２との間の距離を短くしながら、均一に照明することができる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２におけるカラー画像表示装置２１０の構成を示す概略図である。実施の形態２におけるカラー画像表示装置２１０は、３波長のレーザ光源を用いたカラーレーザ照明装置２００を含む。なお、実施の形態１と同じ構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

カラー画像表示装置２１０は、カラーレーザ照明装置２００、２次元光変調素子５ａ、投射レンズ７及びスクリーン８を備える。カラーレーザ照明装置２００は、第１のレンズ１、第２のレンズ２、レーザ光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ、コリメータレンズ４、光拡散素子６、クロスプリズム１２及びダイクロイックミラー１３を備える。

レーザ光源３Ｒは、赤色のレーザ光を出射する赤色半導体レーザである。レーザ光源３Ｇは、緑色のレーザ光を出射する緑色ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）レーザである。レーザ光源３Ｂは、青色のレーザ光を出射する青色半導体レーザである。レーザ光源３Ｒを出射したレーザ光とレーザ光源３Ｂを出射したレーザ光とは、実施の形態１と同様にコリメータレンズ４によってコリメートされる。緑色ＳＨＧレーザは、非線形結晶による波長変換レーザを用いており、拡がり角が小さいレーザ光が出力される。

レーザ光源３Ｇを出射した緑色レーザ光は、クロスプリズム１２に入射する。クロスプリズム１２は、レーザ光源３Ｇを出射した緑色レーザ光をダイクロイックミラー１３に向けて反射させる。また、レーザ光源３Ｂを出射した後、コリメータレンズ４によって平行光に変換された青色レーザ光は、クロスプリズム１２に入射する。クロスプリズム１２は、レーザ光源３Ｂを出射した青色レーザ光をダイクロイックミラー１３に向けて反射させる。このとき、クロスプリズム１２は、青色レーザ光と緑色レーザ光とを合波する。

レーザ光源３Ｇを出射した緑色レーザ光とレーザ光源３Ｂを出射した青色レーザ光とは、クロスプリズム１２で合波された後、ダイクロイックミラー１３に入射する。レーザ光源３Ｒを出射した後、コリメータレンズ４によって平行光に変換された赤色レーザ光は、ダイクロイックミラー１３に入射する。ダイクロイックミラー１３は、赤色レーザ光を第１のレンズ１に向けて透過させるとともに、青色レーザ光及び緑色レーザ光を第１のレンズ１に向けて反射させる。このとき、ダイクロイックミラー１３は、赤色レーザ光と青色レーザ光と緑色レーザ光とを合波する。このように、３波長のレーザ光は同軸化され、第１のレンズ１に入射される。第１のレンズ１以降の構成は、図３と同様の構成となっているので、説明は省略する。

実施の形態２におけるカラーレーザ照明装置２００は、赤色、緑色及び青色の３つの波長のレーザ光を出射するレーザ光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを備えている。各レーザ光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを出射したレーザ光が同軸化されることで、１組の第１のレンズ１と第２のレンズ２とを用いて、ビーム整形、均一照明、スペックルノイズの除去、装置の小型化及び画像のカラー化を実現することができる。本実施の形態２の第１のレンズ１と第２のレンズ２とは、入射するレーザ光のビーム径や波長によらず、ビーム整形、均一照明及びスペックルノイズの除去を可能とするため、複数のレーザ光源を用いた画像のカラー化をコンパクトなカラーレーザ照明装置２００を用いて行うことができる。また、複数のレーザ光源を出射したレーザ光を同軸化することで、どのような波長のレーザ光源であっても、照明面５（２次元光変調素子５ａ）に対して偏りがない角度での照明が可能となる。

本実施の形態２のカラーレーザ照明装置２００及びカラー画像表示装置２１０では、複数のレーザ光源に用いられる最長波長λｌと、複数のレーザ光源に用いられる最短波長λｓと、第１のレンズ１の最大有効径Ｒ１と、微小要素レンズ１０の最小ピッチｄとが、下記の（４）式及び（５）式の関係を有することが好ましい。

ｄ＞１０×（λｌ−λｓ）・・・（４）
ｄ＜Ｒ１／３・・・（５）

本実施の形態２では、μｍオーダの微小要素レンズ１０を用いることによって回折色収差が発生し、照明面５の外縁部の色のばらつきや光量損失を引き起こす。これが、小型化したカラーレーザ照明装置２００及びカラー画像表示装置２１０の課題となる。しかしながら、最長波長λｌと最短波長λｓと微小要素レンズ１０の最小ピッチｄとが上記の（４）式の関係を満たすことで、多色のレーザ光源を用いた場合でも、回折色収差が抑えられ、照明面５（２次元光変調素子５ａ）における各色のビーム整形のばらつきを抑えることができる。特に、色収差が大きくなる最長波長λｌ及び最短波長λｓと微小要素レンズ１０の最小ピッチｄとが上記の（４）式の関係を満たすことで、波長数を増やした場合にも対応することができる。

また、微小要素レンズ１０の最小ピッチｄは、上記の（５）式の関係を満たし、第１のレンズ１の有効径Ｒ１に対し、微小要素レンズ数を少なくとも３よりも多くする。微小要素レンズ数が３以下の場合、入射ビームに対する微小要素レンズ１０の偏芯による影響がみられ、ビームの均一化を阻害する。特に、複数（多波長）のレーザ光源を用いた場合、微小要素レンズ１０の最小ピッチｄと第１のレンズ１の最大有効径Ｒ１とが上記の（５）式の関係を満たさなければ、レーザ光源毎のばらつきや調整精度の影響を受けることとなり、入射するレーザ光のビーム径や波長によらず、ビーム整形、均一照明及びスペックルノイズの除去を可能とする第１のレンズ１と第２のレンズ２との特徴を劣化させることとなる。このため、上記の（５）式の関係を微小要素レンズ１０の最小ピッチｄが満たすことで、本発明の機能を十分に発揮することができる。

また、本実施の形態２のカラーレーザ照明装置２００では、複数のレーザ光源に用いられる最長波長λｌと、複数のレーザ光源に用いられる最短波長λｓと、微小要素レンズ１０の最小ピッチｄとが、下記の（６）式の関係を有することが好ましい。

１００×（λｌ−λｓ）＜ｄ＜２０００×（λｌ−λｓ）・・・（６）

微小要素レンズ１０は、非常に小さいため、ダブレット化などの色分散による色収差の補償が困難である。本実施の形態２のカラーレーザ照明装置２００では、この色分散色収差を回折色収差で補償することが好ましい。微小要素レンズ１０の最小ピッチｄが上記の（６）式の関係を満たす場合、回折色収差によって色分散色収差が補償される。上記の（６）式に示すように、微小要素レンズ１０の最小ピッチｄが１００×（λｌ−λｓ）の値以下である場合、回折による色収差が大きくなり、微小要素レンズ１０の最小ピッチｄが２０００×（λｌ−λｓ）の値以上である場合、色分散による色収差が大きくなる。微小要素レンズ１０の最小ピッチｄが上記の（６）式の関係を満たすことで、多波長のレーザ光源を用いても、１組の第１のレンズ１と第２のレンズ２とを用いたコンパクトな構成で、本発明の機能を達成することができる。

なお、実施の形態２では、最長波長λｌにはレーザ光源３Ｒが出射する赤色レーザ光の波長６４０ｎｍが用いられ、最短波長λｓにはレーザ光源３Ｂが出射する青色レーザ光の波長４４５ｎｍが用いられ、微小要素レンズ１０の最小ピッチｄは１２０μｍであり、第１のレンズ１の有効径Ｒ１は２ｍｍであり、上記の（４）式、（５）式及び（６）式の関係を満たすように第１のレンズ１と第２のレンズ２とが配置され、画像をカラー化する場合でも、ビーム整形、均一照明、スペックルノイズの除去及びカラーレーザ照明装置２００とカラー画像表示装置２１０の小型化を実現することができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３におけるレーザ照明装置について説明する。なお、実施の形態３におけるレーザ照明装置は、実施の形態１におけるレーザ照明装置と第１のレンズの構成のみが異なる。そこで、以下の説明では、第１のレンズのみについて説明する。図８（Ａ）は、本発明の実施の形態３における第１のレンズを示す拡大図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の微小要素レンズを示す拡大図である。

実施の形態３における第１のレンズ１ａは、ピッチの異なる微小要素レンズ１０ａからなる。各々の微小要素レンズ１０ａは、面内方向に定められた同じＮＡを有する。実施の形態３の微小要素レンズ１０ａは、第１のＮＡを有する、レーザ光の入射側に形成された横方向の第１のシリンドリカルレンズ１２ａと、第１のＮＡとは異なる第２のＮＡを有する、レーザ光の出射側に形成された縦方向の第２のシリンドリカルレンズ１２ｂとを有する。全ての微小要素レンズ１０ａは、縦方向に第１のＮＡを有し、横方向に第２のＮＡを有し、第１のシリンドリカルレンズ１２ａ及び第２のシリンドリカルレンズ１２ｂのピッチに対応して曲率半径が異なり、全ての微小要素レンズ１０ａが同じＮＡとなるようにしている。

横方向に隣接する微小要素レンズ１０ａは、横方向のピッチｄ１が異なり、縦方向のピッチｄ２が同じである。また、縦方向に隣接する微小要素レンズ１０ａは、横方向のピッチｄ１が同じであり、縦方向のピッチｄ２が異なる。すなわち、複数の微小要素レンズのうちの１の微小要素レンズは、１の微小要素レンズの周囲に隣接する他の微小要素レンズと異なるレンズ径を有している。

実施の形態３の第１のレンズ１ａは、複数の微小要素レンズ１０ａを備える。複数の微小要素レンズ１０ａは、面内方向に各々定められたＮＡを有するとともに、少なくとも１つが異なるレンズ径を有する。複数の微小要素レンズ１０ａのうちの少なくとも１つのレンズ径を異ならせることで、レンズ径を一定としたときに生じるレーザ光の回折パターンをなくすことができる。複数の微小要素レンズ１０ａのレンズ径を一定とした場合、微小要素レンズ１０ａがμｍオーダで作製されるとともに光源にレーザ光が用いられるため、回折作用によって、照明面５で波長による光強度分布や意図しない光強度パターンが発生する虞がある。本実施の形態３では、レーザ光と微小要素レンズ１０とによる回折作用が照明面５に与える悪影響をなくすことができる。

また、図８のよう微小要素レンズ１０ａを直交させる第１のシリンドリカルレンズ１２ａ及び第２のシリンドリカルレンズ１２ｂで構成することにより、ピッチを異ならせて面内方向の２次元のＮＡを一定とさせる本実施の形態３の微小要素レンズ１０ａの金型作製及び成形を効率よく行うことができる。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４におけるレーザ照明装置について説明する。なお、実施の形態４におけるレーザ照明装置は、実施の形態１におけるレーザ照明装置と第１のレンズの構成のみが異なる。そこで、以下の説明では、第１のレンズのみについて説明する。図９（Ａ）は、本発明の実施の形態４における第１のレンズを示す拡大図であり、図９（Ｂ）は、凸面シリンドリカルレンズと凸面シリンドリカルレンズとを組み合わせた微小要素レンズを示す拡大図であり、図９（Ｃ）は、凹面シリンドリカルレンズと凹面シリンドリカルレンズとを組み合わせた微小要素レンズを示す拡大図である。

実施の形態４における第１のレンズ１ｂは、複数の微小要素レンズ１０ｂを備える。微小要素レンズ１０ｂは、第１のＮＡを有する、レーザ光の入射側に形成された横方向の第１のシリンドリカルレンズ１３ａと、第１のＮＡとは異なる第２のＮＡを有する、レーザ光の出射側に形成された縦方向の第２のシリンドリカルレンズ１３ｂとを有する。

第１のシリンドリカルレンズ１３ａは、曲面がレーザ光の入射側に突出している凸面シリンドリカルレンズ１４ａと、曲面がレーザ光の出射側に突出している凹面シリンドリカルレンズ１４ｂとを含む。第２のシリンドリカルレンズ１３ｂは、曲面がレーザ光の出射側に突出している凸面シリンドリカルレンズ１５ａと、曲面がレーザ光の入射側に突出している凹面シリンドリカルレンズ１５ｂとを含む。

第１のレンズ１ｂは、凸面と凹面とが縦方向に交互に並んだ複数の第１のシリンドリカルレンズ１３ａと、凸面と凹面とが横方向に交互に並んだ複数の第２のシリンドリカルレンズ１３ｂとから構成される。

微小要素レンズ１０ｂは、凹凸の組み合わせで４パターンの微小要素レンズ１０１，１０２，１０３，１０４を含む。微小要素レンズ１０１は、凸面シリンドリカルレンズ１４ａと凸面シリンドリカルレンズ１５ａとを組み合わせて構成される。微小要素レンズ１０２は、凸面シリンドリカルレンズ１４ａと凹面シリンドリカルレンズ１５ｂとを組み合わせて構成される。微小要素レンズ１０３は、凹面シリンドリカルレンズ１４ｂと凸面シリンドリカルレンズ１５ａとを組み合わせて構成される。微小要素レンズ１０４は、凹面シリンドリカルレンズ１４ｂと凹面シリンドリカルレンズ１５ｂとを組み合わせて構成される。

また、入射面側の凸面シリンドリカルレンズ１４ａ及び凹面シリンドリカルレンズ１４ｂの拡散方向と、出射面側の凸面シリンドリカルレンズ１５ａ及び凹面シリンドリカルレンズ１５ｂの拡散方向とは互いに直交する。

図９（Ｂ）では、凸面シリンドリカルレンズと凸面シリンドリカルレンズとで構成される微小要素レンズ１０１を示し、図９（Ｃ）では、凹面シリンドリカルレンズと凹面シリンドリカルレンズとで構成される微小要素レンズ１０４を示している。凸面シリンドリカルレンズ１４ａと凹面シリンドリカルレンズ１４ｂとは、面内方向に定められた同じＮＡを有している。また、凸面シリンドリカルレンズ１５ａと凹面シリンドリカルレンズ１５ｂとは、面内方向に定められた同じＮＡを有している。微小要素レンズ１３ｂは、縦方向に第１のＮＡを有し、横方向に第２のＮＡを有しており、ビーム整形、光強度の均一化及びスペックルノイズの低減の機能を発揮する。

なお、複数の微小要素レンズ１３ｂは、凸レンズと、凸レンズと同じ開口数を有する凹レンズとを含み、凸レンズと凹レンズとは、面内方向に交互に連なって配置させてもよい。

第１のレンズ１ｂは、光入射面側又は光出射面側において、同じＮＡを有する凸レンズと凹レンズとが第１の方向に向かって交互に連なっているとともに、同じＮＡを有する凸レンズ又は凹レンズが第１の方向に垂直に交わる第２の方向に向かって連なっている。微小要素レンズ１０ｂのＮＡが大きくなるほど、装置の小型化が可能となる。しかしながら、ＮＡを大きくするとき、微小要素レンズ１０ｂが全て凸面シリンドリカルレンズで構成される場合、隣接する微小要素レンズ１０ｂの接続部が谷形状となるため、成形が困難になるという課題がある。

本実施の形態４は、凹面シリンドリカルレンズと凸面シリンドリカルレンズとが交互に配置されることで、隣接する微小要素レンズ１０ｂの接続部がなだらかな面となり、成形が容易となる。したがって、ＮＡを大きくしながら、精確な形状の成形を実現することができるとともに、生産性を向上させることができる。

また、本実施の形態４は、同じＮＡでも凸面シリンドリカルレンズと凹面シリンドリカルレンズとを用いることで、微小要素レンズ１０ｂの焦点面が光軸方向にずれ、微小要素レンズ１０ｂのビームが重畳するパターンが光軸方向に多様化することでスペックルノイズをより低減させることができる。

また、第１のレンズ１ｂのように、レーザ光の入射側のシリンドリカルレンズとレーザ光の出射側のシリンドリカルレンズとを直交させることにより、２次元方向のＮＡの定まった凹面と凸面とが交互に連なる微小要素レンズ１０ｂの金型作製及び成形を効率よく行うことができる。

（実施の形態５）
図１０（Ａ）は、本発明の実施の形態５におけるレーザ照明装置３００の構成を示す概略図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示す第１のレンズを光軸回りに９０度回転させた概略断面図である。なお、実施の形態１と同じ構成については、同じ符号を付し、説明を省略する。図１０（Ａ）に示すレーザ照明装置３００は、第１のレンズ１ｄ、第２のレンズ２、レーザ光源３、コリメータレンズ４及び光拡散素子６を備える。なお、図１０（Ａ）では、レーザ光源３、コリメータレンズ４及び光拡散素子６を省略している。

実施の形態５における第１のレンズ１ｄは、複数の微小要素レンズ１０ｄを備える。微小要素レンズ１０ｄは、光軸から離れるに従って光軸に対する傾きが大きくなる。すなわち、微小要素レンズ１０ｄが第１のレンズ１ｄの光軸から離れるに従って、微小要素レンズ１０ｄの中心軸と第１のレンズ１ｄの光軸との傾きは大きくなる。

レーザ光は、微小要素レンズ１０ｄが光軸から離れるに従い光軸に対して傾きを有する第１のレンズ１ｄに入射する。レーザ光は、第１のレンズ１ｄの微小要素レンズ１０ｄの定められたＮＡによって重畳しながら拡がり、第２のレンズ２によって微小要素レンズ１０ｄの拡がり角が補償され、照明面５を照明している。第１のレンズ１ｄは、微小要素レンズ１０ｄが光軸に対して傾きを有することで、照明面５の中央に全ての微小要素レンズ１０ｄの主光線が集まるようにしている。

すなわち、第１のレンズ１ｄは、複数の微小要素レンズ１０ｄを有し、複数の微小要素レンズ１０ｄは、レーザ光の光軸から離れるに従って形状が変化し、第１のレンズ１ｄは、全体で照明面５の中央にレーザ光を集光させるレンズ機能を有している。

各々の微小要素レンズ１０ｄは、面内方向に定められた同じＮＡを有する。実施の形態５の微小要素レンズ１０ｄは、第１のＮＡを有する、レーザ光の入射側に形成された横方向の第１のシリンドリカルレンズと、第１のＮＡとは異なる第２のＮＡを有する、レーザ光の出射側に形成された縦方向の第２のシリンドリカルレンズとを有する。そして、第１のシリンドリカルレンズは、レーザ光の光軸から離れるに従って光軸に対する角度が大きくなるように形成される。同様に、第２のシリンドリカルレンズは、レーザ光の光軸から離れるに従って光軸に対する角度が大きくなるように形成される。

例えば、実施の形態１では、複数のレーザ光源を用いた場合、それぞれのレーザ光源からのレーザ光の第１のレンズ１への入射位置のずれが照明面５における光強度のムラ及びビーム整形形状の乱れの要因となる虞がある。また、実施の形態１では、第１のレンズ１の有効径が大きくなった場合、照明面５内の外縁部での光強度が低下したり、照明領域が拡がってしまい光量損失が生じたりする虞がある。これに対し、本実施の形態５では、第１のレンズ１ｄが照明面５の中央部にレーザ光を集光させるので、複数のレーザ光源を使用した場合や第１のレンズ１ｄの有効径が大きい場合であっても上記の問題を解決することができる。特に、多波長（赤、緑及び青）の複数のレーザ光源を用いる場合に本実施の形態５は好適である。

また、第１のレンズ１ｄは、全体でレンズ機能を有することで、第１のレンズ１ｄへのレーザ光の入射位置や第１のレンズ１ｄの半径にかかわらず、照明面５の中央部に複数の微小要素レンズ１０ｄからのレーザ光を重畳させことができる。照明面５の中央部にレーザ光を重畳させ、ビーム整形をすることにより、照明面５付近への光量損失をなくし、照明面５における光強度のムラや照明面５の外縁部の光強度の低下をなくし、照明面５を均一に照明することができる。また、照明面５の外縁部でも微小要素レンズ１０ｄからのレーザ光を重畳させることで、スペックルノイズを低下させることができる。

次に、実施の形態５の変形例における第１のレンズについて説明する。図１１（Ａ）は、本発明の実施の形態５の変形例における第１のレンズを示す概略図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示す第１のレンズを光軸回りに９０度回転させた概略断面図である。

実施の形態５の変形例における第１のレンズ１ｅは、複数の微小要素レンズ１０ｅを備える。微小要素レンズ１０ｅは、レーザ光入射面側で矩形形状の球面レンズとなり、レーザ光出射面側はレンズ全体が凸レンズとなる凸面形状となっている。微小要素レンズ１０ｅのレーザ光入射面は光軸に対して離れても同じ形状となっているが、レーザ光出射面は光軸から離れるに従い形状が変化している。

各々の微小要素レンズ１０ｅは、面内方向に定められた同じＮＡを有する。実施の形態５の変形例の微小要素レンズ１０ｅは、レーザ光の入射面側に形成された凸レンズと、レーザ光の出射面側に形成された凸レンズの一部とを有する。

第１のレンズ１ｅは、レーザ光出射面側の凸レンズ形状により、レンズ全体でもレンズ機能を有し、照明面５の中央部に全ての微小要素レンズ１０ｅの主光線が集光される。実施の形態５の変形例の第１のレンズ１ｅは、実施の形態５の第１のレンズ１ｄと同様に、照明面５の中央部に微小要素レンズ１０ｅからのレーザ光を重畳させることで、実施の形態５の上記の問題を解決することができる。

（実施の形態６）
図１２は、本発明の実施の形態６における画像表示装置４１０の構成を示す概略図である。なお、実施の形態１と同じ構成については、同じ符号を付し、説明を省略する。実施の形態６における画像表示装置４１０は、レーザ照明装置４００、２次元光変調素子５ａ、投射レンズ７及びスクリーン８を備える。レーザ照明装置４００は、第１のレンズ１、第２のレンズ２、光拡散素子６及び複数のレーザ光源３１，３２，３３を備える。

レーザ光源３１は、赤色のレーザ光を出射する赤色半導体レーザである。レーザ光源３２は、緑色のレーザ光を出射する緑色ＳＨＧレーザである。レーザ光源３３は、青色のレーザ光を出射する青色半導体レーザである。緑色ＳＨＧレーザは、非線形結晶による波長変換レーザを用いており、拡がり角が小さいレーザ光が出力される。

レーザ光源３１，３２，３３は、出射したレーザ光の各主光線が、照明面である２次元光変調素子５ａの中央部を通過するように配置されている。ここでいう主光線とは、第１のレンズ１が含む複数の微小要素レンズ１０のＮＡは無視し、第１のレンズ１全体のレンズパワーのみ考慮している。特に、レーザ光源３１及びレーザ光源３３からのレーザ光は、第１のレンズ１の光入射面に対して主光線が傾いている。レーザ光源３２からのレーザ光は、実施の形態１と同じく、２次元光変調素子５ａを照明している。

レーザ光源３１及びレーザ光源３３からのレーザ光は、第１のレンズ１に傾いて入射しながら、微小要素レンズの定められたＮＡによりビーム整形される。第１のレンズ１の微小要素レンズ１０によって拡げられたレーザ光は、第２のレンズ２によって拡がり角が補償され、２次元光変調素子５ａを照明する。このとき、各レーザ光源３１，３２，３３の主光線が、２次元光変調素子５ａの中央部を通過することで、照明面である２次元光変調素子５ａの中央部に、適切なビーム整形が行われるとともに、光強度分布が均一化される。

複数のレーザ光源を用いた場合、それぞれのレーザ光源からのレーザ光の第１のレンズ１への入射位置のずれが照明面における光強度のムラ及びビーム整形形状の乱れの要因となる虞がある。また、複数のレーザ光源からのレーザ光を同軸化するには、ダイクロイックミラーなどの光学部品が必要となり、コスト削減や小型化を阻害する要因となる。

これに対し、本実施の形態６は、複数のレーザ光源を用いた場合に生じる上記の問題を解決する。全てのレーザ光の主光線が２次元光変調素子５ａの中央を通ることで、どのレーザ光源に対しても、２次元光変調素子５ａの中央部に、微小要素レンズ１０で定めたＮＡに応じたビーム整形が実現されるとともに、光強度分布が均一化され、ビーム形状の乱れによる光量損失をなくすことができる。

また、レーザ光の主光線が第１のレンズ１の光入射面に対して傾いて入射するので、微小要素レンズ１０の焦点位置が多様化し、スペックルノイズを低減させることができる。さらに、本実施の形態６は、複数のレーザ光源を用いたとしても、複数のレーザ光源の配置位置の自由度が高くなる。さらにまた、複数のレーザ光源を用いて、赤、緑及び青の３波長のレーザ光による画像表示装置のカラー化及び高輝度化を実現した場合でも装置の小型化を実現することができる。

画像表示装置４１０では、各レーザ光源３１，３２，３３の主光線が２次元光変調素子５ａの中央部を通過するように各レーザ光源３１，３２，３３の配置角度を調整しているが、本実施の形態６では各レーザ光源３１，３２，３３の主光線が２次元光変調素子５ａの中央部を通過するように各部品を設計すればよく、例えば、第１のレンズ１とレーザ光源３１，３２，３３との間にレンズ又はミラーを配置し、各レーザ光源３１，３２，３３の主光線が２次元光変調素子５ａの中央部を通過するような構成としてもよい。

図１３は、本発明の実施の形態６の変形例における画像表示装置の構成を示す概略図である。なお、実施の形態６と同じ構成については、同じ符号を付し、説明を省略する。実施の形態６の変形例における画像表示装置５１０は、レーザ照明装置５００、２次元光変調素子５ａ、投射レンズ７及びスクリーン８を備える。レーザ照明装置５００は、第１のレンズ１、第２のレンズ２、光拡散素子６、複数のレーザ光源３１，３２，３３及び結像レンズ４１を備える。

結像レンズ４１は、複数のレーザ光源３１，３２，３３と第１のレンズ１との間に配置されており、複数のレーザ光源３１，３２，３３の光源像を２次元光変調素子５ａの中心部に形成する。

複数のレーザ光源３１，３２，３３を出射したレーザ光は、それぞれ結像レンズ４１に入射する。結像レンズ４１を出射したレーザ光は、第１のレンズ１に入射する。このとき、複数のレーザ光源３１，３２，３３を出射したレーザ光は、照明面である２次元光変調素子５ａの中央部を通過するように結像される。第１のレンズ１以降の構成は、図１２と同様の構成となっている。

このように、２次元光変調素子５ａの中心部にレーザ光源３１，３２，３３の光源像を形成する結像レンズ４１がレーザ光源３１，３２，３３と第１のレンズ１との間に設けられるので、第１のレンズ１の有効径が大きくとも、照明領域の広がりを抑えることができ、光量損失及びビーム形状の乱れを抑えることができる。また、上記実施の形態６と同様の効果を奏することができる。

なお、本発明は上記実施の形態６の構成に限定されず、赤、緑及び青の３色以上のレーザ光源を用いたレーザ照明装置及び画像表示装置にも適用することができる。また、レーザ光源の波長やレーザ光の出射形状も特に限定されず、マルチストライプなどのアレイ構造や、外部共振器型のレーザ光源を用いてもよい。また、レーザ照明装置４００の照明面は２次元形状に限定されず、１次元形状であってもよい。

さらに、実施の形態６では、画像表示装置４１０の表示面をスクリーン８としているが、本発明は特にこれに限定されず、表示面には様々なスクリーンを用いることができる。また、スクリーンがなく、２次元光変調素子を視聴者が直接観察する画像表示装置とすることもできる。実施の形態６では、透過型の２次元光変調素子５ａを用いているが、反射型の２次元光変調素子を用いてもよい。本実施の形態６のレーザ照明装置４００は、第２のレンズ２により第１のレンズ１を出射したレーザ光の発散角を補償し、レーザ光の略平行化及び収束光化ができる。そのため、テレセントリック光線が必要な光変調素子や、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）などの光学部品が光変調素子の直前に必要な光変調素子に対しても効率よい照明ができ、投射レンズ７へ光量損失なく導くことができる。

なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。

本発明の一局面に係るレーザ照明装置は、レーザ光源と、面内方向に定められた開口数を有する複数の微小要素レンズが並べて配置され、前記レーザ光源から出射したレーザ光を前記複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げることで、それぞれの微小要素レンズを通過するレーザ光を重畳する第１のレンズと、前記第１のレンズよりも大きな有効径を有し、前記複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げられたレーザ光の拡がり角を補償する第２のレンズとを備える。

この構成によれば、レーザ光源によって出射されたレーザ光が入射する第１のレンズは、面内方向に定められた開口数を有する複数の微小要素レンズが並べて配置されている。そして、レーザ光源から出射したレーザ光が複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げられることで、それぞれの微小要素レンズを通過するレーザ光は重畳される。第１のレンズよりも大きな有効径を有する第２のレンズによって、複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げられたレーザ光の拡がり角が補償される。

したがって、レーザ光源から出射したレーザ光が複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げることで重畳されるので、回折界及び像界のスペックルノイズを除去することができる。また、面内方向に定められた開口数を有する複数の微小要素レンズのそれぞれによって照明面を均一に照明することができる。さらに、第１のレンズの複数の微小要素レンズによって、レーザ光源から出射したレーザ光が拡げられるととともに重畳されるので、レーザ光を拡げるための光学系及びレーザ光を重畳させるための光学系など複数の光学系が不要となり、小型化を実現することができる。また、第２のレンズにより、照射面の外縁部の均一性を確保し、照明する光線を収束光化することができる。

また、上記のレーザ照明装置において、光軸に垂直な面方向に前記第１のレンズを移動させる移動機構をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、光軸に垂直な面方向に第１のレンズが移動されるので、回折界及び像界のスペックルノイズをより確実に除去することができる。

また、上記のレーザ照明装置において、前記移動機構における最大振幅は、前記微小要素レンズの移動方向の最大ピッチよりも大きいことが好ましい。

この構成によれば、移動機構における最大振幅は、微小要素レンズの移動方向の最大ピッチよりも大きいので、光源面積の疑似的な拡大は移動振幅に比例し、スペックルノイズをより低減することができる。また、移動機構における最大振幅が微小要素レンズの移動方向の最大ピッチよりも大きいとき、擬似的に拡大される光源面積が最大となるので、光強度をより均一にすることができる。

また、上記のレーザ照明装置において、前記第２のレンズのレーザ光入射側に設けられ、前記複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げられたレーザ光を拡散させる光拡散素子をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、第２のレンズのレーザ光入射側に光拡散素子が設けられているので、スペックルノイズを低減することができるとともに、レーザ光の光強度のムラを低減し、照明面におけるレーザ光の光強度分布を均一にすることができる。

また、上記のレーザ照明装置において、前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間隔Ｌと、前記第１のレンズの有効径Ｒ１と、前記第２のレンズの有効径Ｒ２と、前記第２のレンズのバックフォーカスＢＦ２と、前記微小要素レンズの開口数ＮＡｍとは、下記の（１）式〜（３）式の関係を満たすことが好ましい。

Ｌ−Ｒ１／ＮＡｍ＜ＢＦ２＜Ｌ＋Ｒ１／ＮＡｍ・・・（１）
Ｒ２＞２×Ｒ１・・・（２）
Ｒ２＜４×Ｌ×ＮＡｍ・・・（３）

この構成によれば、第２のレンズのバックフォーカスＢＦ２が上記の（１）式を満たす場合、第２のレンズの中心部を通過するレーザ光を略平行にすることができるとともに、外縁部を通過するレーザ光を内側に曲げることができ、複数の微小要素レンズによって拡げられたレーザ光の拡がり角を補償することができる。また、バックフォーカスＢＦ２が上記の（１）式を満たす場合、均一な照明と損失がない光量伝達を実現することが可能となる。さらに、第２のレンズの有効径Ｒ２は、照明面と同程度の大きさとなるが、第１のレンズの有効径Ｒ１が上記の（２）式を満たす場合、第１のレンズの有効径Ｒ１は第２のレンズの有効径Ｒ２の半分以下となり、装置の小型化が十分可能となる。さらにまた、第２のレンズの有効径Ｒ２と微小要素レンズの開口数ＮＡｍとが上記の（３）式を満たす場合、複数の微小要素レンズからのレーザ光が第２のレンズ上で重畳し、レーザ光の光強度分布を均一にすることができる。

また、上記のレーザ照明装置において、前記レーザ光源は、それぞれ波長の異なる複数のレーザ光を出射し、前記レーザ光源に用いられる最長波長λｌと、前記レーザ光源に用いられる最短波長λｓと、前記第１のレンズの有効径Ｒ１と、前記微小要素レンズの最小ピッチｄとは、下記の（４）式及び（５）式の関係を満たすことが好ましい。

ｄ＞１０×（λｌ−λｓ）・・・（４）
ｄ＜Ｒ１／３・・・（５）

この構成によれば、微小要素レンズの最小ピッチｄが上記の（４）式の関係を満たすことで、それぞれ波長の異なる複数のレーザ光を用いた場合でも、回折による色収差が抑えられ、照明面における各レーザ光のビーム整形のばらつきを抑えることができる。また、微小要素レンズの数が３つ以下の場合、入射ビームに対する微小要素レンズの偏芯による影響がみられ、レーザ光の均一化を阻害する虞がある。しかしながら、微小要素レンズの最小ピッチｄが上記の（５）式の関係を満たす場合、微小要素レンズ数が少なくとも３つよりも多くなり、レーザ光源毎のばらつきや調整精度の影響を受けずに、レーザ光の光強度分布を均一にすることができる。

また、上記のレーザ照明装置において、前記レーザ光源は、それぞれ波長の異なる複数のレーザ光を出射し、前記複数のレーザ光は、同軸化された後、前記第１のレンズに入射することが好ましい。

この構成によれば、それぞれ波長の異なる複数のレーザ光は、同軸化された後、第１のレンズに入射するので、それぞれ波長の異なる複数のレーザ光を偏りがない角度で照明面に照明することができる。

また、上記のレーザ照明装置において、前記複数の微小要素レンズのそれぞれは、レーザ光の入射面側に形成された第１のシリンドリカルレンズと、前記第１のシリンドリカルレンズとは開口数が異なり、レーザ光の出射面側に前記第１のシリンドリカルレンズに直交するように形成された第２のシリンドリカルレンズとを含むことが好ましい。

この構成によれば、レーザ光源を出射したレーザ光は、第１のシリンドリカルレンズの開口数に対応する角度で所定の方向に拡げられ、第１のシリンドリカルレンズによって拡げられたレーザ光は、第２のシリンドリカルレンズの開口数に対応する角度で所定の方向に直交する方向に拡げられる。したがって、照明面におけるレーザ光の光強度分布を平均化することができる。また、微小要素レンズからなる第１のレンズの成型及び加工を容易にし、生産性を高めることができる。

また、上記のレーザ照明装置において、前記第１のシリンドリカルレンズの開口数は、前記第２のシリンドリカルレンズの開口数よりも大きいことが好ましい。

この構成によれば、第１のシリンドリカルレンズの開口数は、第２のシリンドリカルレンズの開口数よりも大きいので、球面収差を小さくすることができ、精確にビームを整形することができる。

また、上記のレーザ照明装置において、前記複数の微小要素レンズは、面内方向に各々定められた開口数を有するとともに、少なくとも１つが異なるレンズ径を有することが好ましい。

この構成によれば、複数の微小要素レンズは、面内方向に各々定められた開口数を有するとともに、少なくとも１つが異なるレンズ径を有するので、各微小要素レンズのレンズ径を一定としたときに生じるレーザ光の回折パターンをなくすことができる。

また、上記のレーザ照明装置において、前記複数の微小要素レンズは、前記第１のレンズ全体でレンズ機能を有するように、レーザ光の光軸から離れるに従って形状が変化していることが好ましい。

この構成によれば、第１のレンズ全体でレンズ機能を有するので、第１のレンズの入射位置及び有効径にかかわらず、照明面の中央部に微小要素レンズからのレーザ光を重畳させことができる。照明面の中央部にレーザ光を重畳させることにより、照明面付近の光量損失をなくし、光強度のムラや照明面外縁部の光強度の低下がない均一な照明を行うことができる。また、外縁部でも微小要素レンズからの光を重畳させることでスペックルノイズを低下させることができる。

また、上記のレーザ照明装置において、前記複数の微小要素レンズは、凸レンズと、前記凸レンズと同じ開口数を有する凹レンズとを含み、前記凸レンズと前記凹レンズとは、面内方向に交互に連なって配置されていることが好ましい。

この構成によれば、凸レンズと凹レンズとが面内方向に交互に連なって配置されるので、隣接する微小要素レンズの接続部分がなだらかな面となり、成形を容易にすることができる。また、同じ開口数を有する凸レンズと凹レンズとを用いることで、微小要素レンズの焦点面が光軸方向にずれ、微小要素レンズによって重畳されるレーザ光のパターンが光軸方向に多様化し、スペックルノイズをより低減させることができる。

また、上記のレーザ照明装置において、前記複数の微小要素レンズは、レーザ光の入射面側に凸面を有する凸面シリンドリカルレンズが形成され、レーザ光の出射面側に前記凸面シリンドリカルレンズが形成された第１の微小要素レンズと、レーザ光の入射面側に前記凸面シリンドリカルレンズが形成され、レーザ光の出射面側に凹面を有する凹面シリンドリカルレンズが形成された第２の微小要素レンズと、レーザ光の入射面側に前記凹面シリンドリカルレンズが形成され、レーザ光の出射面側に前記凸面シリンドリカルレンズが形成された第３の微小要素レンズと、レーザ光の入射面側に前記凹面シリンドリカルレンズが形成され、レーザ光の出射面側に前記凹面シリンドリカルレンズが形成された第４の微小要素レンズとを含み、前記入射面側の前記凸面シリンドリカルレンズ及び前記凹面シリンドリカルレンズの拡散方向と、前記出射面側の前記凸面シリンドリカルレンズ及び前記凹面シリンドリカルレンズの拡散方向とが直交することが好ましい。

この構成によれば、レーザ光の入射面側と出射面側とにそれぞれ凸面シリンドリカルレンズと凹面シリンドリカルレンズとが組み合わされて形成され、入射面側の凸面シリンドリカルレンズ及び凹面シリンドリカルレンズの拡散方向と、出射面側の凸面シリンドリカルレンズ及び凹面シリンドリカルレンズの拡散方向とが直交するので、レーザ光の入射面側と出射面側とで開口数を異ならせることによって、レーザ光を重畳して照射することができる。

本発明の他の局面に係る画像表示装置は、上記のレーザ照明装置と、前記第２のレンズのレーザ光出射側に設けられ、前記第２のレンズを出射したレーザ光を変調する光変調素子とを備える。

この構成によれば、レーザ光源によって出射されたレーザ光が入射する第１のレンズは、面内方向に定められた開口数を有する複数の微小要素レンズが並べて配置されている。そして、レーザ光源から出射したレーザ光が複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げられるとともに、レーザ光源から出射したレーザ光が複数の微小要素レンズのそれぞれによってずらして重畳される。第１のレンズよりも大きな有効径を有する第２のレンズによって、複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げられたレーザ光の拡がり角が補償される。その後、光変調素子によって、第２のレンズを出射したレーザ光が変調される。

したがって、レーザ光源から出射したレーザ光が複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げることで重畳されるので、回折界及び像界のスペックルノイズを除去することができる。また、面内方向に定められた開口数を有する複数の微小要素レンズのそれぞれによって光変調素子を均一に照明することができる。さらに、第１のレンズの複数の微小要素レンズによって、レーザ光源から出射したレーザ光が拡げられるととともに重畳されるので、レーザ光を拡げるための光学系及びレーザ光を重畳させるための光学系など複数の光学系が不要となり、小型化を実現することができる。

また、上記の画像表示装置において、前記レーザ光源と前記第１のレンズとの間に設けられ、前記レーザ光源の光源像を前記光変調素子の中心部に形成する結像レンズをさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、光変調素子の中心部にレーザ光源の光源像を形成する結像レンズがレーザ光源と第１のレンズとの間に設けられるので、第１のレンズの有効径が大きくとも、照明領域の広がりを抑えることができ、光量損失及びビーム形状の乱れを抑えることができる。

また、上記の画像表示装置において、前記複数の微小要素レンズの面内方向の開口数の比は、前記光変調素子の縦横比と同じであることが好ましい。

この構成によれば、複数の微小要素レンズの面内方向の開口数の比は、光変調素子の縦横比と同じであるので、微小要素レンズの開口数の比と光変調素子の縦横比とを同じにすることで、光量損失のないビーム整形を可能とする。

また、上記の画像表示装置において、前記レーザ光源は、それぞれ波長の異なるレーザ光を出射する複数のレーザ光源を含み、前記複数のレーザ光源から出射される全てのレーザ光の主光線が前記光変調素子の中央を通り、前記複数のレーザ光源のうちの少なくとも一つ以上の前記レーザ光源から出射されるレーザ光の主光線が前記第１のレンズに対して傾いて入射することが好ましい。

この構成によれば、全てのレーザ光の主光線が光変調素子の中央を通るので、どの波長のレーザ光に対しても、光変調素子の中央部に均一な光強度分布が得られ、ビーム形状の乱れによる光量損失をなくすことができる。

また、上記の画像表示装置において、前記レーザ光源は、赤色のレーザ光を出射する赤色レーザ光源、緑色のレーザ光を出射する緑色レーザ光源及び青色のレーザ光を出射する青色レーザ光源を少なくとも含むことが好ましい。

この構成によれば、赤色のレーザ光、緑色のレーザ光及び青色のレーザ光が光変調素子に入射することとなるので、カラー画像を表示することができる。

本発明のレーザ照明装置及び画像表示装置は、回折界及び像界のスペックルノイズを除去することができ、照明面を均一に照明することができ、小型化を実現することができ、レーザを光源として用いたレーザ照明装置及びレーザ照明装置を用いて画像を表示する画像表示装置などに有用である。

Claims (12)

1. レーザ光源と、
   面内方向に定められた開口数を有する複数の微小要素レンズが並べて配置され、前記レーザ光源から出射したレーザ光を前記複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げることで、それぞれの微小要素レンズを通過するレーザ光を重畳する第１のレンズと、
   前記第１のレンズよりも大きな有効径を有し、前記複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げられたレーザ光の拡がり角を補償する第２のレンズとを備え、
   前記レーザ光源は、それぞれ波長の異なる複数のレーザ光を出射し、
   前記レーザ光源に用いられる最長波長λｌと、前記レーザ光源に用いられる最短波長λｓと、前記第１のレンズの有効径Ｒ１と、前記微小要素レンズの最小ピッチｄとは、下記の（１）式及び（２）式の関係を満たし、
   ｄ＞１０×（λｌ−λｓ）・・・（１）
   ｄ＜Ｒ１／３・・・（２）
   前記複数の微小要素レンズは、凸レンズと、前記凸レンズと同じ開口数を有する凹レンズとを含み、
   前記凸レンズと前記凹レンズとは、面内方向に交互に連なって配置されていることを特徴とするレーザ照明装置。
2. 光軸に垂直な面方向に前記第１のレンズを移動させる移動機構をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のレーザ照明装置。
3. 前記移動機構における最大振幅は、前記微小要素レンズの移動方向の最大ピッチよりも大きいことを特徴とする請求項２記載のレーザ照明装置。
4. 前記第２のレンズのレーザ光入射側に設けられ、前記複数の微小要素レンズのそれぞれによって拡げられたレーザ光を拡散させる光拡散素子をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ照明装置。
5. 前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間隔Ｌと、前記第１のレンズの有効径Ｒ１と、前記第２のレンズの有効径Ｒ２と、前記第２のレンズのバックフォーカスＢＦ２と、前記微小要素レンズの開口数ＮＡｍとは、下記の（３）式〜（５）式の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ照明装置。
   Ｌ−Ｒ１／ＮＡｍ＜ＢＦ２＜Ｌ＋Ｒ１／ＮＡｍ・・・（３）
   Ｒ２＞２×Ｒ１・・・（４）
   Ｒ２＜４×Ｌ×ＮＡｍ・・・（５）
6. 前記レーザ光源は、それぞれ波長の異なる複数のレーザ光を出射し、
   前記複数のレーザ光は、同軸化された後、前記第１のレンズに入射することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ照明装置。
7. 前記複数の微小要素レンズは、
   レーザ光の入射面側に凸面を有する凸面シリンドリカルレンズが形成され、レーザ光の出射面側に前記凸面シリンドリカルレンズが形成された第１の微小要素レンズと、
   レーザ光の入射面側に前記凸面シリンドリカルレンズが形成され、レーザ光の出射面側に凹面を有する凹面シリンドリカルレンズが形成された第２の微小要素レンズと、
   レーザ光の入射面側に前記凹面シリンドリカルレンズが形成され、レーザ光の出射面側に前記凸面シリンドリカルレンズが形成された第３の微小要素レンズと、
   レーザ光の入射面側に前記凹面シリンドリカルレンズが形成され、レーザ光の出射面側に前記凹面シリンドリカルレンズが形成された第４の微小要素レンズとを含み、
   前記入射面側の前記凸面シリンドリカルレンズ及び前記凹面シリンドリカルレンズの拡散方向と、前記出射面側の前記凸面シリンドリカルレンズ及び前記凹面シリンドリカルレンズの拡散方向とが直交することを特徴とする請求項１記載のレーザ照明装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ照明装置と、
   前記第２のレンズのレーザ光出射側に設けられ、前記第２のレンズを出射したレーザ光を変調する光変調素子とを備えることを特徴とする画像表示装置。
9. 前記レーザ光源と前記第１のレンズとの間に設けられ、前記レーザ光源の光源像を前記光変調素子の中心部に形成する結像レンズをさらに備えることを特徴とする請求項８記載の画像表示装置。
10. 前記複数の微小要素レンズの面内方向の開口数の比は、前記光変調素子の縦横比と同じ
    であることを特徴とする請求項８又は９記載の画像表示装置。
11. 前記レーザ光源は、それぞれ波長の異なるレーザ光を出射する複数のレーザ光源を含み、
    前記複数のレーザ光源から出射される全てのレーザ光の主光線が前記光変調素子の中央を通り、
    前記複数のレーザ光源のうちの少なくとも一つ以上の前記レーザ光源から出射されるレーザ光の主光線が前記第１のレンズに対して傾いて入射することを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の画像表示装置。
12. 前記レーザ光源は、赤色のレーザ光を出射する赤色レーザ光源、緑色のレーザ光を出射する緑色レーザ光源及び青色のレーザ光を出射する青色レーザ光源を少なくとも含むことを特徴とする請求項１１記載の画像表示装置。

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