JP2008256822A - 回折光学素子、照明装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】回折光学素子が所定の位置からずれた場合でも、光の利用効率を低下させることのない回折光学素子、照明装置及びプロジェクタを提供すること。
【解決手段】入射した光を回折させ、第１領域Ａを照明する照明光を生成する第１回折パターン１１と、該第１回折パターン１１に隣接して形成されるとともに、入射した光を回折させ少なくとも回折された光のうち一部が第１領域Ａ以外の第２領域Ｂ１（Ｂ）を照明する照明光を生成する第２回折パターン１２とを備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、回折光学素子、照明装置及びプロジェクタに関する。

従来、プロジェクタの照明装置として、メタルハロゲンランプやハロゲンランプ等が利用されていたが、近年では照明装置及びプロジェクタの小型化を図るために、半導体レーザ（ＬＤ）の利用が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１にレーザディスプレイ装置は、赤色，緑色，青色の半導体レーザと、各半導体レーザから射出されたレーザ光を平行光にする複数のコリメータレンズと、コリメータレンズにより平行化された光の強度分布を均一化する複数のマイクロレンズと、各マイクロレンズから射出された光を変調する空間光変調器とを備えている。
このようなレーザディスプレイ装置に、レーザ光源を用いる利点としては、小型化以外にも、色再現性が良いことや輝度及びコンラストが高い映像表示が可能であること、瞬時点灯が可能であることが挙げられる。
また、ホログラム（回折光学素子）を用いて、入射した光を液晶セルに集光させる技術も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１１−６４７８９号公報 特開平９−６８７０５号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載の技術では、ホログラムを用いた装置を組み立てたときや、経年的な変化により、ホログラムが入射する光の中心軸に交差する方向にずれてしまう場合が生じる。すなわち、図１３（ａ）に示すように、ホログラム２００は、有効照明領域２０１に光が入射するように組み立てられるが、図１３（ｂ），（ｃ）に示すように、ホログラム２００の有効照明領域２０１が所定の照明領域Ｓに対して、徐々に位置ずれを起こしてしまう。
これにより、図１３（ａ）では、ホログラム２００の有効照明領域２０１に光が入射するため、射出された光は照明領域Ｓを全体的に照明する。しかしながら、図１３（ｂ）では、ホログラム２００の有効照明領域２０１に光が入射しているものの、ホログラム２００の有効照明領域２０１と、所定の照明領域Ｓとが位置ずれを起こしているため所定の照明領域Ｓから外れた領域を照明する。さらに、図１３（ｃ）に示すように、ホログラム２００の有効照明領域２０１と、所定の照明領域Ｓとの位置ずれが進むと、入射した光は有効照明領域２０１外を通過し、所定の照明領域Ｓには光スポットしか照射されない。このように、ホログラム２００の有効照明領域２０１と、所定の照明領域Ｓとが位置ずれを起こすと、光利用効率が低下し、その結果、例えば、明るさにムラが生じ、画質の低下に繋がる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、回折光学素子が所定の位置からずれた場合でも、光の利用効率を低下させることのない回折光学素子、照明装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の回折光学素子は、入射した光を回折させ、第１領域を照明する照明光を生成する第１回折パターンと、該第１回折パターンに隣接して形成されるとともに、入射した光を回折させ少なくとも回折された光のうち一部が前記第１領域以外の第２領域を照明する照明光を生成する第２回折パターンとを備えることを特徴とする。

本発明に係る回折光学素子では、例えば、第１回折パターンに光が入射するように、回折光学素子の位置を入射光に対して設定する。しかしながら、この回折光学素子を用いた装置を組み立てたときや、経年的な変化等により、回折光学素子が入射した光の中心軸に垂直な方向にずれてしまい、第１回折パターンに入射光が入射しない場合がある。このとき、本発明の回折光学素子は、第１回折パターンに隣接して第２回折パターンが形成されているため、第１回折パターンからずれた光は、第２回折パターンに入射する。そして、第２回折パターンにより生成された第２領域を照明する照明光は、第１領域に照射されることになる。
したがって、回折光学素子が所定の位置からずれた場合でも、射出される照明光は第１領域から外れることなく、第２回折パターンにより照射することができるため、光の利用効率を向上させることが可能となる。

また、本発明の回折光学素子は、前記第２回折パターンは、前記第１領域に対する前記第２領域の照射位置が前記第１回折パターンに対する前記第２回折パターンの形成領域と同じ側になるように、位置していることが好ましい。

例えば、従来の回折光学素子では、入射する光に対して上方にずれてしまった場合、回折光学素子から射出された光は第１領域の上方に照射されてしまう。しかしながら、この場合、本発明の回折光学素子は、第１回折パターンの下方に配置された第２回折パターンに光が入射する。
このとき、第２回折パターンは、第１領域に対する第２領域の照射方向が、第１回折パターンに対する当該第２回折パターンが設けられた方向と同じ方向になるように形成されている。これにより、第２回折パターンにより生成された第１領域の下方を照射する照明光が、回折光学素子が上方にずれることにより第１領域を照明することになる。したがって、第１回折パターン及び第２回折パターンにより回折された光の回折角が小さくて済むため、より効率良く第１領域を照明することが可能となる。

また、本発明の回折光学素子は、面内の前記第１回折パターンの短手方向の幅が、入射する光のスポット径と略同一であることが好ましい。

本発明に係る回折光学素子では、入射する光の中心軸に交差する方向の第１回折パターンの幅と、入射する光のスポット径とを略同一にすることにより、第１回折パターンの中心軸から外れた光は、少しでもずれると、すぐに第２回折パターンに入射することになる。これにより、入射した光から光損失が少ない状態で、第１領域を照明する照明光を生成することが可能となる。
すなわち、本発明は、第１領域に対して、入射する光の位置が一定である場合、すなわち、入射する光に対して回折光学素子のみが動く場合に効果的である。

また、本発明の回折光学素子は、前記第２回折パターンが複数のサブ回折パターンを有し、前記サブ回折パターンのそれぞれが、異なる領域に照明される照明光を生成することが好ましい。

本発明に係る回折光学素子では、位置ずれにより第２回折パターンに入射した光は、第２回折パターンが複数のパターンを有しているため、少しのずれに対しても、異なるサブ回折パターンを通過する。これにより、第１回折パターンから外れた光を細かく所定の照明領域を照明する照明光に生成することができる。したがって、回折光学素子の第２回折パターンに入射したより多く光を第１領域に照明させることができるため、光の利用効率をより向上させることが可能となる。

また、本発明の回折光学素子は、入射する光の中心軸に交差する方向の前記サブ回折パターンのそれぞれの幅が、入射する光のスポット径より小さいことが好ましい。

本発明に係る回折光学素子では、入射する光の中心軸に交差する方向のサブ回折パターンのそれぞれの幅が、入射する光のスポット径より小さくすることで、サブ回折パターンから外れた光は、他のサブ回折パターンに入射することになる。これにより、入射した光から光損失が少ない状態で、第１領域を照明する照明光を生成することが可能となる。

また、本発明の回折光学素子は、前記第１回折パターンが矩形であり、前記第２回折パターンが、前記第１回折パターンの外周辺のうち対向する辺の少なくとも一方に形成されていることが好ましい。

本発明に係る回折光学素子では、第２回折パターンが、第１回折パターンの外周辺のうち対向する辺の少なくとも一方に形成されているため、回折光学素子が入射する光の中心軸に交差する方向の平面内において、左右、上下（２次元）にズレた場合に対応することができる。これにより、回折光学素子の位置がずれて、入射した光が第１回折パターンから外れても、第２回折パターンにより第１領域を照射し易くなるため、光の利用効率を向上させることが可能となる。

本発明の照明装置は、光を射出する光源装置と、該光源装置から射出された光を回折させる上記の回折光学素子とを備え、該回折光学素子が所定の照明領域を照射する照明光を生成することを特徴とする。

本発明に係る照明装置では、光源装置から射出された光は回折光学素子に入射する。そして、回折光学素子により回折された照明光は第１領域を照明する。このとき、上述したように、回折光学素子は所定の位置からずれても、光の利用効率が高いため、明るい光を所定の照明領域に照射することができる。

また、本発明の照明装置は、前記回折光学素子を入射する光の中心軸に垂直な面内で移動させる移動手段を備え、該移動手段は、前記光源装置から射出された光が前記第１回折パターンと前記第２回折パターンとに入射するように、前記回折光学素子を移動させることが好ましい。

本発明に係る照明装置では、移動手段を備え、回折光学素子を移動させることにより、回折光学素子から射出されるレーザ光のスペックルパターンは、時間的に変化しているため、回折光学素子から射出される光のスペックルパターンは残像効果により積分されることでシンチレーションが抑えられた光となる。すなわち、照明装置から照射されるレーザ光のスペックルコントラストを低減することが可能となる。
さらに、本発明では、移動手段により、光源装置から射出された光が第１回折パターンと第２回折パターンとに入射するように、回折光学素子を移動させることにより、所定の照明領域外を照射する光を少なくすることができる。これにより、シンチレーションを抑えつつ、光利用効率を低下させることが少ない照明光を得ることが可能となる。

また、本発明の照明装置は、前記回折光学素子がホログラム素子であることが好ましい。

本発明に係る照明装置では、ホログラム素子としては、例えば、ホログラム原板に計算機で計算して人工的に作成した干渉縞が形成された計算機ホログラム（ＣＧＨ ：Computer Generated Hologram、以下ＣＧＨと称す。）を用いることができる。このＣＧＨは回折現象を利用して入射光の波面を変換する波面変換素子である。特に位相型のＣＧＨは入射光波のエネルギをほとんど失うことなく波面変換が可能である。このように、ＣＧＨは均一な強度分布や単純な形状の強度分布を発生させることができるので、照明装置に好適に用いることができる。さらに、ＣＧＨは、回折格子の分割領域の自由な設定が可能であり、収差の問題が生じないので好適である。

また、本発明の本発明の照明装置は、前記光源装置が複数の光を射出し、前記回折光学素子の前記第１回折パターンが、前記複数の光が入射可能な大きさであることが好ましい。

本発明に係る照明装置では、回折光学素子が入射した光の中心軸に垂直な方向にずれた場合、複数の光のうち端部側の光が第２回折パターンに入射し、一部の光は第１領域を照明する。すなわち、第１回折パターンの大きさを複数の光の配置により設定すれば良いため、光源装置が複数の光を射出する場合でも、効率良く第１領域を照明することが可能となる。

また、本発明の本発明の照明装置は、前記光源装置が複数の光を射出し、前記回折光学素子の前記第１回折パターン及び前記第２回折パターンが、前記複数の光ごとに設けられていることが好ましい。

本発明に係る照明装置では、回折光学素子の第１回折パターン及び第２回折パターンが、複数の光ごとに設けられているため、回折光学素子が入射した光の中心軸に垂直な方向にずれた場合、各光はそれぞれ第２回折パターンに入射する。したがって、各光から射出された光の少なくとも一部は第１領域に入射するため、より効率良く第１領域を照明することが可能となる。

本発明のプロジェクタは、上記の照明装置と、該照明装置から射出された光を画像信号に応じて変調する光変調装置と、該光変調装置により形成された画像を投射する投射装置とを備えることを特徴とする。

本発明に係るプロジェクタでは、照明装置より射出された光は光変調装置に入射される。そして、光変調装置により形成された画像が、投射装置によって投射される。このとき、照明装置より射出される光は、上述したように、回折光学素子の位置ずれによる光損失を低減することができるため、明るい光を被投射面に照射することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る回折光学素子、照明装置及びプロジェクタの実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

［第１実施形態］
次に、本発明の回折光学素子及びこの回折光学素子を備えた照明装置の第１実施形態について、図１から図７を参照して説明する。
本実施形態に係る照明装置１は、図１に示すように、１つの発光部からレーザ光が射出される光源装置２と、この光源装置２から射出されたレーザ光を回折させる回折光学素子１０とを備えている。また、回折光学素子１０は、所定部材３の所定面３ａを照射する照明光を生成するものである。
回折光学素子１０は、例えば石英（ガラス）、透明な合成樹脂等、レーザ光を透過可能な材料で形成されている。本実施形態の回折光学素子１０は、計算機合成ホログラム（Computer Generated Hologram；ＣＧＨ）である。

回折光学素子（ホログラム素子）１０は、照明領域設定機能、照度均一化機能、及び拡大照明機能を有する。照明領域設定機能を有する回折光学素子１０は、入射した光を回折させ、所定面３ａの照明領域Ｓを照明する照明光を生成する。また、照度均一化機能を有する回折光学素子１０は、所定の領域の少なくとも一部の照度を均一化する。また、拡大照明機能を有する回折光学素子１０は、回折光学素子１０の射出面１０ａから光が射出される射出領域よりも大きい照明領域で所定面３ａの照明領域Ｓを照明する。

この回折光学素子１０は、図１に示すように、略中央部に形成された矩形状の第１回折パターン１１と、第１回折パターン１１に隣接して形成された第２回折パターン１２とを備えている。
回折光学素子１０は、第１回折パターン１１の中心軸（第１回折パターン１１の中心で、面に対して垂直な軸）Ｏ１に、入射した光の中心軸Ｏ２が一致するように所定の位置に設けられている。そして、第１回折パターン１１に入射した光は、第１領域Ａを照明する照明光を生成する。すなわち、第１回折パターン１１の中心軸Ｏ１から入射した光は、所定面３ａの照明領域Ｓを照明する。

第２回折パターン１２は、図１に示すように、第１回折パターン１１の周縁部に設けられ、額縁形状になっており、第２回折パターン１２の短手方向の幅Ｑは入射するレーザ光のスポット径の約３倍程度の大きさとなっている。なお、第２回折パターン１２の幅Ｑは一例に過ぎず、入射するレーザ光のスポット径と同程度以上、または、同程度以下でも良い。

なお、図２及び図３において、第２回折パターン１２に入射したレーザ光の照明光を分かり易く説明するために、回折光学素子１０に入射する光の中心軸Ｏ２の位置を変化させて説明するが、実際は光源装置２と所定面３ａの照明領域Ｓとの位置関係は固定である。
また、第２回折パターン１２に入射した光は、図２に示すように、第２領域Ｂを照明する照明光を生成する。具体的には、第２回折パターン１２は、図１に示すように、第１回折パターン１１に対して上下、左右の４つの領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ごとに回折パターンが異なっている。これにより、図２（ａ）に示すように、光源装置２から射出され、第２回折パターン１２の上部の領域Ｐ１に入射したレーザ光は、第１領域Ａの上方に、第1領域Ａと一部に重なるように第２領域Ｂ１を照射する。同様に、図２（ｂ）に示すように、光源装置２から射出され、第２回折パターン１２の下部の領域Ｐ２に入射したレーザ光は、第１領域Ａの下方に、第１領域Ａと一部に重なるように第２領域Ｂ２を照射する。

さらに、図３（ａ）に示すように、光源装置２から射出され、第２回折パターン１２の左部の領域Ｐ３に入射したレーザ光は、第１領域Ａの左方に、第1領域Ａと一部に重なるように第２領域Ｂ３を照射する。同様に、図３（ｂ）に示すように、光源装置２から射出され、第２回折パターン１２の右部の領域Ｐ４に入射したレーザ光は、第１領域Ａの右方に、第１領域Ａの一部に重なるように第２領域Ｂ４を照射する。

また、図２に示すように、第１回折パターン１１の中央部から第２回折パターン１２の領域Ｐ１までの距離Ｌ１と、第１領域Ａと第２領域Ｂ１との照明領域の上辺の間の距離Ｌ２とが略同じになるように、領域Ｐ１の第２回折パターン１２を設計する。これにより、第２回折パターン１２によって、回折光学素子１０のずれた量に応じた照明光が生成されるため、第２回折パターン１２に入射したレーザ光は、ほぼ所定面３ａの照明領域Ｓを照明することが可能である。なお、第２回折パターン１２の領域Ｐ２〜Ｐ４も同様に設計されている。
このようにして、第２回折パターン１２は、第１領域Ａに対する第２領域Ｂの照射方向が、第１回折パターン１１に対する当該第２回折パターン１２が設けられた方向と同じ方向になるように形成されている。

図４は、回折光学素子の一例を示す模式図であって、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図である。図４において、回折光学素子１０は、その表面に複数の矩形状の凹部（凹凸構造）１０Ｍを有している。凹部１０Ｍは、互いに異なる深さを有している。
そして、凹部１０Ｍどうしのピッチｄ及び凹部１０Ｍの深さ（凸部の高さ）ｔを含む回折光学素子１０の表面条件を適宜調整することにより、回折光学素子１０に所定の機能（照明領域設定機能、拡散光生成機能、及び拡大照明機能）を持たせることができる。その表面条件を最適化する設計手法としては、例えば反復フーリエ法など、所定の演算手法（シミュレーション手法）が挙げられる。

なお、回折光学素子１０としては、矩形の凹部１０Ｍを有するものに限られず、互いに異なる方向を向く平面を組み合わせた表面を有するものであってもよい。例えば、回折光学素子１０としては、斜面を有する三角形状の凹部を有する、いわゆる、ブレーズ型のものであってもよい。また回折光学素子１０としては、図４に示したような矩形状の凹部１０Ｍを有する領域と、三角形状の凹部を有する領域とのそれぞれを有するものであってもよい。そして、その表面条件を最適化することにより、所望の機能を有する回折光学素子１０を形成することができる。

次に、このように構成された本実施形態に係る照明装置１の作用について、以下に説明する。
光源装置２から射出したレーザ光は、回折光学素子１０の第１回折パターン１１に入射する。そして、第１回折パターン１１において回折された照明光は所定面３ａの照明領域Ｓを照射する。その後、経年変化等により、回折光学素子１０の中心軸Ｏ１が、例えば、図５に示すように、回折光学素子１０の下方向（矢印Ｋ方向）に入射したレーザ光の中心軸Ｏ２からずれたと仮定する。そして、第１回折パターン１１から外れたレーザ光は、回折光学素子１０の第2回折パターンの領域Ｐ１に入射する。
このとき、第２回折パターン１２の領域Ｐ１に入射したレーザ光は、図２（ａ）に示すように、第１回折パターン１１による照明光の第１領域Ａよりも上方向の第２領域Ｂ１を照射している。これにより、図５に示すように、回折光学素子１０の位置がずれることにより、第１回折パターン１１の中央部から第２回折パターン１２の領域Ｐ１までの距離Ｌ１と、第１領域Ａと第２領域Ｂ１との照明領域の上辺の間の距離Ｌ２とが略同じであるため、回折光学素子１０において回折した照明光は、所定面３ａの照明領域Ｓを照射する。

本実施形態に係る回折光学素子１０では、第１回折パターン１１及び第２回折パターン１２を備えているため、回折光学素子１０の中心軸Ｏ１が、レーザ光の中心軸Ｏ２からずれた場合でも、第２回折パターン１２により、所定面３ａの照明領域Ｓを照明することができる。したがって、回折光学素子１０がずれた場合でも、光の利用効率を低下させることなく、所定面３ａの照明領域Ｓを照射させることが可能となる。
また、各領域Ｐ１〜Ｐ４の第２回折パターン１２は、第１領域Ａに対する第２領域Ｂの照射方向が、第１回折パターン１１に対する当該第２回折パターン１２が設けられた方向と同じ方向になるように形成されている。これにより、効率良く所定面３ａの照明領域Ｓを照明することが可能となる。

また、第２回折パターン１２が第１回折パターン１１の周縁部に形成されているため、回折光学素子１０が中心軸Ｏ１に垂直な平面内において、どの方向にずれても、入射したレーザ光は第２回折パターン１２の領域Ｐ１〜Ｐ４に入射し易くなる。これにより、入射したレーザ光が第１回折パターン１１から外れても、所定面３ａの照明領域Ｓを照射することができるため、光の利用効率を向上させることが可能となる。
また、回折光学素子１０としてＣＧＨを用いているため、入射光波のエネルギをほとんど失うことなく波面変換が可能である。このように、ＣＧＨは均一な強度分布や単純な形状の強度分布を発生させることができるので、照明装置に好適に用いることができる。さらに、ＣＧＨは、回折格子の分割領域の自由な設定が可能であり、収差の問題が生じないので好適である。
さらに、この回折光学素子１０を備えた照明装置１では、上述したように、回折光学素子１０が所定の位置からずれても、光の利用効率が高いため、明るい光を所定面３ａの照明領域Ｓに照射することができる。

なお、第２回折パターン１２により照射される第２領域Ｂは、第１回折パターン１１により照射される第１領域Ａと一部が重なるようにしたが、これに限るものではない。すなわち、第１回折パターン１１により照射される第１領域Ａと、第２回折パターン１２により照射される第２領域Ｂとは異なる領域を照射するものであっても良い。
また、第２回折パターン１２は第１回折パターン１１に隣接して配置されていれば良いため、必ずしも、第1回折パターンの全周に設けられていなくても良い。すなわち、例えば、位置ずれが起こり易い方向にのみ第２回折パターン１２を設けることにより、設計が簡易になるため、回折光学素子１０の製造コストを低減することが可能となる。また、第２回折パターン１２は、第１回折パターン１１の外周辺のうち対向する辺の少なくとも一方に形成されていれば良い。この構成では、回折光学素子１０が、左右、上下（２次元）のズレた場合に対応することができる。
また、各領域Ｐ１〜Ｐ４の第２回折パターン１２は、第１領域Ａに対する第２領域Ｂの照射方向が、第１回折パターン１１に対する当該第２回折パターン１２が設けられた方向と同じ方向になるように形成されているとしたが、これに限るものではない。すなわち、回折光学素子１０が下方にずれたときに、照明領域Ｓの上方を照明する場合、このずれに応じた照明位置を有する第２回折パターンが形成された回折光学素子であっても良い。
また、距離Ｌ１と照明領域の差の距離Ｌ２とが同じになるように、回折光学素子１０の第２回折パターン１２を設計したが、これに限定されるものではない。すなわち、距離Ｌ１と距離Ｌ２とが異なっていても、光利用効率を向上させることはできるが、距離Ｌ１と距離Ｌ２とを同じにすることにより、最も光利用効率を向上させることが可能となる。

［第１実施形態の変形例］
図１に示す第１実施形態では、光源装置２は１つの発光部を備えた構成であったが、図６に示すように、光源装置２が複数の発光部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ（図示例では３個）を備えた照明装置１５であっても良い。
この照明装置１５に用いられる回折光学素子１０は、複数の発光部１６ａ，１６ｂ，１６ｃから発光されたレーザ光が入射可能な大きさの第１回折パターン１１を有している。これにより、回折光学素子１０がずれた場合、第１回折パターン１１から外れたレーザ光が第２回折パターン１２に入射し、所定面３ａの照明領域Ｓを照射する。この構成では、第１回折パターン１１の大きさを複数の発光部１６ａ〜１６ｃの配置により設定すれば良いため、設計が簡易であるため、製造コストを抑えることが可能となる。

なお、光源装置２が複数の発光部１６ａ，１６ｂ，１６ｃを備える場合は、照明装置１５に限らず、図７に示すように、各発光部１６ａ，１６ｂ，１６ｃごとに第１回折パターン１７ａが３つ設けられた回折光学素子１７を有する照明装置１８であっても良い。この回折光学素子１７は、第１回折パターン１７ａの周縁部に第２回折パターン１７ｂが設けられている。この構成では、すべての発光部に対して、第１、第２回折パターン１７ａ，１７ｂが設けられているため、回折光学素子１７がずれた場合、各発光部１６ａ〜１６ｃが第２回折パターン１７ｂに入射することになる。したがって、図６に示す照明装置１５に比べて、光の利用効率をより向上させることが可能となる。
また、照明装置１５及び照明装置１８において、１つの基板に複数の発光部１６ａ，１６ｂ，１６ｃを有する光源装置２を例に挙げて説明したが、発光部１６ａ，１６ｂ，１６ｃを個々に有する光源装置２であっても良い。

［第２実施形態］
次に、本発明に係る第２実施形態について、図８から図１０を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第１実施形態に係る照明装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係る照明装置２０では、第２回折パターン２７において第１実施形態の回折光学素子１０と異なる。

第２回折パターン２７には、図８に示すように、細分化されており、第１回折パターン１１側から３つのサブ回折パターン２７ａ，２７ｂ，２７ｃが形成されている。すなわち、第１実施形態の回折光学素子１０の第２回折パターン１２の幅Ｑは、入射するレーザ光の約３倍程度の大きさとなっていたが、第２実施形態の回折光学素子２５の第２回折パターン２７のサブ回折パターン２７ａ〜２７ｃの幅Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は、幅Ｑを約３等分した長さとなっている。具体的には、サブ回折パターン２７ａ〜２７ｃの幅Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は、入射するレーザ光のビーム径とほぼ同じ長さとなっている。

第２回折パターン２７のサブ回折パターン２７ａは、図８に示すように、第１回折パターン１１の周縁部に隣接して設けられ、額縁形状になっている。そして、サブ回折パターン２７ｂは、サブ回折パターン２７ａの周縁部に隣接して設けられ、額縁形状になっている。同様に、サブ回折パターン２７ｃは、サブ回折パターン２７ｂの周縁部に隣接して設けられ、額縁形状になっている。
また、サブ回折パターン２７ａ〜２７ｃも、第１実施形態の第２回折パターン１２と同様に第１回折パターン１に対して上下、左右の４つの領域Ｐ１〜Ｐ４に分けられている。
なお、各サブ回折パターン２７ａ〜２７ｃの各領域Ｐ１〜Ｐ４において生成される照明光について、領域Ｐ１を例に挙げて図９を参照して説明する。

なお、第２回折パターン２７に入射したレーザ光の照明光を分かり易く説明するために、回折光学素子２５に入射するレーザ光の中心軸Ｏ２の位置を変化させて説明するが、実際は光源装置２と所定面３ａの照明領域Ｓとの位置関係は固定である。
図９に示すように、光源装置２から射出され、サブ回折パターン２７ａの上部の領域Ｐ１に入射したレーザ光（鎖線）は、第１領域Ａの上方に、第1領域Ａと一部に重なるように第２領域Ｃ１を照射する。同様に、光源装置２から射出され、サブ回折パターン２７ｂの上部の領域Ｐ１に入射したレーザ光（一点鎖線）は、第１領域Ａの上方に、第１領域Ａと一部に重なるように第２領域Ｃ２を照射する。さらに、同様に、光源装置２から射出され、サブ回折パターン２７ｃの上部の領域Ｐ１に入射したレーザ光（二点鎖線）は、第１領域Ａの上方に、第１領域Ａと一部に重なるように第２領域Ｃ３を照射する。

また、第１実施形態と同様に、第１回折パターン１１の中央部からサブ回折パターン２７ａの領域Ｐ１までの距離Ｌ１と、第１領域Ａと第２領域Ｃ１との照明領域の上端の差Ｌ２とが略同じになるように、領域Ｐ１のサブ回折パターン２７ａを設計する。
さらに、サブ回折パターン２７ａの中心軸Ｏａからサブ回折パターン２７ｂの中心軸Ｏｂまでの距離Ｍ１は、第２領域Ｃ１と第２領域Ｃ２との照明領域の上端の差Ｍ２とが略同じになるように、領域Ｐ１のサブ回折パターン２７ｂを設計する。同様にして、サブ回折パターン２７ｂの中心軸Ｏｂからサブ回折パターン２７ｃの中心軸Ｏｃまでの距離Ｎ１は、第２領域Ｃ２と第２領域Ｃ３との照明領域の上端の差Ｎ２とが略同じになるように、領域Ｐ１のサブ回折パターン２７ｃを設計する。
なお、第２回折パターン２７のサブ回折パターン２７ａ〜２７ｃ領域Ｐ２〜Ｐ４も同様に設計されている。

次に、このように構成された本実施形態に係る照明装置２０の作用について、以下に説明する。
光源装置２から射出したレーザ光は、回折光学素子２５の第１回折パターン１１に入射する。そして、第１回折パターン１１において回折された照明光は所定面３ａの照明領域Ｓを照射する。その後、経年変化等により、回折光学素子２５の中心軸Ｏ１が、例えば、図１０に示すように、回折光学素子２５の下方向（矢印Ｋ方向）に入射したレーザ光の中心軸Ｏ２からずれる。そして、第１回折パターン１１から外れたレーザ光は、第２回折パターン２７のサブ回折パターン２７ａに入射する。
このとき、第２回折パターン２７のサブ回折パターン２７ａに入射したレーザ光は、第１回折パターン１１による照明光の第１領域Ａよりも上方向の第２領域Ｃ１を照射しているため、回折光学素子２５の位置がずれることにより、所定面３ａの照明領域Ｓを照射する。さらに、回折光学素子２５の位置がずれて行くと、サブ回折パターン２７ｂ、サブ回折パターン２７ｃの順にレーザ光は入射する。このように、回折光学素子２５の位置がずれても、サブ回折パターン２７ｂ，２７ｃに入射したレーザ光は照明領域Ｓを照射する。

ここで、第１実施形態では、例えば、第２回折パターン１２にレーザ光が入射した場合は、中心軸Ｏ１からの距離に関わらず、どの部分にレーザ光が入射しても第２照明領域Ｂを照明することになる。そのため、第２回折パターン２７の入射するレーザ光の位置によっては、照明領域Ｓから少し外れ、若干の光量のロスが生じることがある。しかしながら、本実施形態に係る回折光学素子２５では、第２回折パターン２７が３つのサブ回折パターン２７ａ〜２７ｃに分割されているため、第２回折パターン２７の中でも入射したレーザ光の位置に応じて、所定面３ａの照明領域Ｓを照明することが可能である。したがって、光源装置２から射出されたレーザ光の利用効率を大幅に向上させることが可能となる。

なお、また、サブ回折パターン２７ａ〜２７ｃの幅は、第１実施形態の回折光学素子１０の第２回折パターン１２の幅Ｑを３等分した長さに限らない。すなわち、サブ回折パターン２７ａ〜２７ｃの幅Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は、入射するレーザ光のビーム径とほぼ同じ長さとしたが、入射するレーザ光のスポット径より小さい方が好ましい。これにより、サブ回折パターンから外れた光は、他のサブ回折パターンに入射することになる。したがって、入射した光から光損失が少ない状態で、第１領域Ａを照明する照明光を生成することが可能となる。
また、サブ回折パターン２７ａ〜２７ｃは、３つに限らず、回折光学素子２５のずれの度合いやビーム径等によって、２つ形成したり、４つ以上形成しても良い。
また、距離Ｌ１と照明領域の差Ｌ２、距離Ｍ１と照明領域の差Ｍ２、距離Ｎ１と照明領域の差Ｎ２とが同じになるように、回折光学素子２５の第２回折パターン２７を設計したが、これに限定されるものではない。

［第３実施形態］
次に、本発明に係る第３実施形態について、図１１を参照して説明する。
本実施形態に係る照明装置３０では、回折光学素子１０を動かす可動部３１が設けられている点において第１実施形態と異なる。

可動部（移動手段）３１は、図１１に示すように、回折光学素子１０を光源装置２から射出されたレーザ光の中心軸Ｏ２に対して垂直な方向の面内で移動（振動）させるものである。可動部３１は、具体的には、回折光学素子１０の上端面１０ｂに対して４５度斜め方向（矢印Ｗ方向）に往復運動させるものである。
また、可動部３１は、光源装置２から射出されたレーザ光が、回折光学素子１０の第１回折パターン１１から第２回折パターン１２まで入射するように移動させる。つまり、可動部３１は、回折光学素子１０を第２回折パターン１２内に入射するように（第２回折パターン１２の外側にならないように）移動させる。

本実施形態に係る照明装置３０では、可動部３１を備え、回折光学素子１０を移動させることにより、回折光学素子１０からから射出されるレーザ光のスペックルパターンは、時間的に変化しているため、回折光学素子１０から射出される光のスペックルパターンは残像効果により積分されることでシンチレーションが抑えられた光となる。すなわち、照明装置３０から照射されるレーザ光のスペックルコントラストを低減することが可能となる。
特に、可動部３１により、回折光学素子１０を第２回折パターン１２に入射するまで移動させることにより、所定面３ａの照明領域Ｓの照射されない領域を低減させることができる。したがって、所定面３ａの照明領域Ｓを全体的に照明することが可能となる。

なお、可動部３１による回折光学素子１０の移動方向は上述した往復運動に限らず、円運動、楕円軌道、ランダム軌道に沿って移動させれば良い。特に、回折光学素子１０を連続的に移動させることにより、回折光学素子１０は死点（動きが一瞬止まる点）を持たないので、一瞬たりとも干渉が生じる瞬間がない。したがって、フリッカ（スクリーンにおける画像のちらつき）的なスペックルの抑制の効果を連続的に持続することが可能となる。
また、可動部３１により、第２回折パターン１２にレーザ光が入射するように回折光学素子１０を振動させたが、第１回折パターン１１にのみレーザ光が入射するように回折光学素子１０を振動させても良い。

［第４実施形態］
次に、本発明に係る第４実施形態について、図１２を参照して説明する。
なお、図１２中においては、簡略化のためプロジェクタ１００を構成する筐体は省略している。

プロジェクタ１００において、赤色光、緑色光、青色光を射出する赤色照明装置１０１Ｒ，緑色照明装置１０１Ｇ，青色照明装置１０１Ｂは、上記第１実施形態の照明装置１を有する照明装置１０１である。
また、プロジェクタ１００は、照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂから射出されたレーザ光をそれぞれ変調する液晶ライトバルブ（光変調装置）１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂと、液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂから射出された光を合成して投写レンズ１０７に導くクロスダイクロイックプリズム（色光合成手段）１０６と、液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂによって形成された像を拡大してスクリーン１１０に投射する投射レンズ（投射装置）１０７とを備えている。
なお、第１実施形態の照明装置１の所定面３ａは、液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂの入射端面となる。

さらに、プロジェクタ１００は、照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂから射出されたレーザ光の照度分布を均一化させるため、各照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂよりも光路下流側に、均一化光学系１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂを設けており、これらによって照度分布が均一化された光によって、液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂを照明している。例えば、均一化光学系１０２Ｒ，１０２Ｇ、１０２Ｂは、回折光学素子１０及びフィールドレンズ１０２ｂによって構成される。

各液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂによって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム１０６に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は投写光学系である投射レンズ１０７によりスクリーン１１０上に投射され、拡大された画像が表示される。

上述した本実施形態のプロジェクタ１００は、赤色照明装置１０１Ｒ，緑色照明装置１０１Ｇ，青色照明装置１０１Ｂは、回折光学素子１０が中心軸Ｏ１からずれた場合でも、光の利用効率が高いため、明るい画像をスクリーン１１０に投射することができる。したがって、信頼性の高いプロジェクタ１００を提供することが可能となる。
また、第３実施形態の照明装置３０を用いることにより、スクリーン１１０から射出される光はシンチレーションが抑えられた光となっているので、良質な画像を表示するプロジェクタ１００を提供することが可能となる。

なお、本実施形態のプロジェクタにおいて、赤色，緑色及び青色照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ、１０１Ｂについては、第１実施形態の照明装置１を用いたものを説明したが、第２実施形態、第３実施形態（変形例を含む）で挙げた照明装置２０，３０を用いることも可能である。このとき、各照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂのそれぞれに異なる照明装置を採用することも可能であるし、同じ照明装置を採用することも可能である。

また、光変調装置として透過型の液晶ライトバルブを用いたが、液晶以外のライトバルブを用いても良いし、反射型のライトバルブを用いても良い。このようなライトバルブとしては、例えば、反射型の液晶ライトバルブや、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device）が挙げられる。投射光学系の構成は、使用されるライトバルブの種類によって適宜変更される。
また、第１〜第３実施形態（変形例を含む）の照明装置を走査型の画像表示装置の光源装置にも適用するこが可能である。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態において、照明領域に対して、回折光学素子の位置ずれに比べて光源装置の位置ずれの方が大きい場合は、第１回折パターンの大きさをレーザ光のスポット径に比べて大きくすることにより、回折光学素子がずれても光の利用効率の低下を防止することができる。
一方、照明領域に対して、光源装置の位置ずれに比べて回折光学素子の位置ずれの方が大きい場合は、面内の第１回折パターンの短手方向の幅をレーザ光のスポット径と略同一にすることにより、光の利用効率の低下を防止することができる。

また、上記第４実施形態では、色光合成手段として、クロスダイクロイックプリズムを用いたが、これに限るものではない。色光合成手段としては、ダイクロイックミラーをクロス配置とし色光を合成するもの、ダイクロミラーを平行に配置し色光を合成するものを用いることができる。

本発明の第１実施形態に係る照明装置を示す斜視図である。 図１の回折光学素子の第２回折パターンに光が入射したときの照明領域を示す斜視図である。 図１の回折光学素子の第２回折パターンに光が入射したときの照明領域を示す斜視図である。 図１の回折光学素子の構造を示す模式図及び断面図である。 図１の回折光学素子の作用を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る照明装置の変形例を示す要部断面図である。 本発明の第１実施形態に係る照明装置の他の変形例を示す要部断面図である。 本発明の第２実施形態に係る回折光学素子を示す平面図である。 図８の回折光学素子の第２回折パターンに光が入射したときの照明領域を示す斜視図である。 図８の回折光学素子の作用を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る回折光学素子を示す平面図である。 本発明の第４実施形態に係るプロジェクタの概略構成を示す平面図である 従来の回折光学素子に光が入射したときの照明領域を示す斜視図である。

符号の説明

Ａ…第１領域、Ｂ…第２領域、１，１５，１８，２０，３０，１０１…照明装置、１０，１７，２５…回折光学素子、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ…サブ回折パターン、１００…プロジェクタ、１０７…投射レンズ（投射装置）

Claims (12)

1. 入射した光を回折させ、第１領域を照明する照明光を生成する第１回折パターンと、
   該第１回折パターンに隣接して形成されるとともに、入射した光を回折させ少なくとも回折された光のうち一部が前記第１領域以外の第２領域を照明する照明光を生成する第２回折パターンとを備えることを特徴とする回折光学素子。
2. 前記第２回折パターンは、前記第１領域に対する前記第２領域の照射位置が前記第１回折パターンに対する前記第２回折パターンの形成領域と同じ側になるように、位置していることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
3. 面内の前記第１回折パターンの短手方向の幅が、入射する光のスポット径と略同一であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回折光学素子。
4. 前記第２回折パターンが複数のサブ回折パターンを有し、
   前記サブ回折パターンのそれぞれが、異なる領域に照明される照明光を生成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回折光学素子。
5. 入射する光の中心軸に交差する方向の前記サブ回折パターンのそれぞれの幅が、入射する光のスポット径より小さいことを特徴とする請求項４に記載の回折光学素子。
6. 前記第１回折パターンが矩形であり、
   前記第２回折パターンが、前記第１回折パターンの外周辺のうち対向する辺の少なくとも一方に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回折光学素子。
7. 光を射出する光源装置と、
   該光源装置から射出された光を回折させる請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回折光学素子とを備え、
   該回折光学素子が所定の照明領域を照射する照明光を生成することを特徴とする照明装置。
8. 前記回折光学素子を入射する光の中心軸に垂直な面内で移動させる移動手段を備え、
   該移動手段は、前記光源装置から射出された光が前記第１回折パターンと前記第２回折パターンとに入射するように、前記回折光学素子を移動させることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
9. 前記回折光学素子がホログラム素子であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の照明装置。
10. 前記光源装置が複数の光を射出し、
    前記回折光学素子の前記第１回折パターンが、前記複数の光が入射可能な大きさであることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の照明装置。
11. 前記光源装置が複数の光を射出し、
    前記回折光学素子の前記第１回折パターン及び前記第２回折パターンが、前記複数の光ごとに設けられていることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の照明装置。
12. 請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の照明装置と、
    該照明装置から射出された光を画像信号に応じて変調する光変調装置と、
    該光変調装置により形成された画像を投射する投射装置とを備えることを特徴とするプロジェクタ。

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