JP2011123405A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、安価な小型の照明装置を実現する。
【解決手段】コヒーレント光を射出する光源装置と、前記コヒーレント光を所定の輝度分布を有する光束に整形する回折光学素子と、回折光学素子から出射した光束を平行光束とするための平行化レンズと、回折光学素子と平行化レンズの間に配置された、回折光学素子から出射した光束の発散角度を大きくする光学素子とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザーを光源とした照明装置及びプロジェクターに関するものである。

プロジェクターの小型化、低消費電力化、高色域化、長寿命化のために、光源にレーザーを用いることが考えられている。レーザーの高い可干渉性や単色性は、従来のランプ光源では用いることが難しかった、回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ：ＤＯＥ）を適用でき、従来の屈折光学系では考えられなかった、１枚の素子で複数の機能を持った素子も実現できる。ＤＯＥを使用する事によって、光学系の簡素化、小型化が可能となる。

特開２００７−３３５７６号公報

上記の特許文献１には、上記のＤＯＥを適用した照明装置の構成が示されている。特許文献１によれば、光源としてレーザー光を発振させるレーザー光源を用い、矩形照明へと変換するためのＤＯＥを備えた構成とすることによって、装置の大型化や複雑化、あるいは装置コストの上昇を抑え、所定面を効率良く照明することが可能となる事が示されている。

しかしながら、特許文献１には、ＤＯＥの回折角度に関する考慮がなされてはいない。ＤＯＥの回折角度に関する制限について述べると、ＤＯＥの位相振幅変調の空間周波数ｆと、ＤＯＥを出射した光束の最大広がり角度（回折角度）θには以下のような関係がある。
ｔａｎθ∝ｆ
特許文献１の構成よりも照明装置をさらに小型化するためには、ＤＯＥを出射する光束の最大広がり角度θを大きくすればよい。しかしながら、角度θを大きくするためには、ＤＯＥの空間周波数ｆを小さくする必要があるが、より高度な微細加工技術が必要となり、コストアップの要因となる。本発明は、角度θを大きくすることなく、小型の照明装置の実現を目的とするものである。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、
本適用例の照明装置は、コヒーレント光を射出する光源装置と、前記コヒーレント光を所定の輝度分布を有する光束に整形する回折光学素子と、回折光学素子から出射した光束を平行光束とするための平行化レンズと、回折光学素子と平行化レンズの間に配置された、回折光学素子から出射した光束の発散角度を大きくする光学素子とを備えたことを特徴とする。

回折光学素子からの出射光束の発散角度が小さいと、所望の大きさの照明光を得るためには、被照明面と回折光学素子の距離を大きくしなければならない。回折光学素子からの出射光束の発散角度を大きくするためには、より高度な微細加工技術が必要となり、コストアップの要因となる。回折光学素子と平行化レンズの間に、回折光学素子から出射した光束の発散角度を大きくする光学素子を配置することによって、回折光学素子と被照明面との距離を小さくすることができ、安価に照明装置の小型化が実現できる。

また、本適用例の好ましい態様としては、上記光学素子は凸レンズであることが望ましい。これにより、所望の照明エリアに照明させることができ、照明装置の小型化が実現できる。

また、本適用例の好ましい態様としては、上記光学素子は凹レンズであることが望ましい。これにより、所望の照明エリアに照明させることができ、照明装置の小型化が実現できる。

また、本適用例の好ましい様態としては、上記光学素子は凸面鏡であることが望ましい。これにより、折り返し光学系とすることができ、所望の照明エリアに照明させることができ、照明装置の小型化が実現できる。

また、本適用例の好ましい様態としては、上記光学素子は凹面鏡であることが望ましい。これにより、折り返し光学系とすることができ、所望の照明エリアに照明させることができ、照明装置の小型化が実現できる。

また、本適用例の好ましい態様としては、上記光学素子である凸レンズ、凹レンズ、凸面鏡または凹面鏡は面形状が非球面であることが望ましい。これにより、レンズまたはミラーの歪曲収差を抑制することができ、照明装置の高照明効率化が実現できる。

また、本適用例の好ましい態様としては、上記光学素子は上記回折光学素子と同一の基板上に形成されていることが望ましい。これにより、照明装置の部品点数を削減でき、照明装置の簡素化が実現できる。

また、本適用例の好ましい態様としては、上記凹レンズは上記回折光学素子と上記平行化レンズの略中間の位置に配置されていることが望ましい。これにより、照明装置のさらなる小型化が実現できる。

本適用例の好ましい態様としては、上記適用例に記載の照明装置を備えたプロジェクターであることが望ましい。これにより、プロジェクターの小型化、簡素化、低コスト化が実現できる。

本適用例の好ましい態様としては、プロジェクターであって、それぞれが所定の色のコヒーレント光を射出する複数の光源装置と、コヒーレント光を所定の輝度分布を有する光束に整形する回折光学素子と、回折光学素子から出射した光束を平行光束とするための平行化レンズと、画素を有し、平行化レンズから出射した光束を画像情報に応じて変調する空間光変調素子と、空間光変調素子から出射した光束を被照射面に投影する投射レンズと、平行化レンズと空間光変調素子との間に設けられ、空間光変調素子へ入射する所定の色の光束を各色ごとに異なる入射角度とし、所定の色の光束を各色ごとに異なる画素へと集光入射させる画素振分け手段と、回折光学素子と平行化レンズの間に設けられ、所定の色の光束の光線角度を制御するための光学素子とを備えたことを特徴とすることが望ましい。
これにより、１枚の空間光変調素子でカラーの映像が投影でき、また回折光学素子と被照明面の距離を小さくすることができ、プロジェクターの小型化、簡素化、低コスト化が実現できる。

実施例１に係る照明装置の概略構成を示す模式図である。 計算機ホログラムの概略形状を示した図である。 計算機ホログラムの表面形状を模式的に示した図である。 ＤＯＥの１次回折領域について模式的に示した図である。 ＤＯＥから凸レンズまでの距離とＤＯＥから平行化レンズまでの距離を示した線グラフである。 実施例１の変形例の様態を模式的に示した図である。 実施例２に係る照明装置の概略構成を示す模式図である。 実施例２の変形例の様態を模式的に示した図である。 実施例３に係る照明装置の概略構成を示す模式図である。 実施例４に係るプロジェクターの概略構成を示す模式図である。 実施例５に係る空間色分離方式のプロジェクターの概略構成を示す模式図である。 空間色分離方式に関する空間光変調素子の概略構成を示す模式図である。 空間色分離方式に関する照明装置の概略構成を示す模式図である。

（実施例１）
本発明の照明装置に関する実施例１の様態について、図１〜５を用いて説明する。
図１は実施例１に係る照明装置の概略構成を示した模式図である。図１において、照明装置１は光源装置２と回折光学素子（ＤＯＥ）３と光学素子としての凸レンズ４と平行化レンズ５とから構成され、被照明面６を照明するものである。以下図１に記載の照明装置１の概略を説明する。
光源装置２からは、コヒーレント光Ｌ１が射出され、コヒーレント光Ｌ１はＤＯＥ３へと入射する。ＤＯＥ３からは所定の輝度分布へと整形された光束Ｌ２が出射し、凸レンズ４へと入射する。ただし、ここで使用する凸レンズ４の焦点距離ｆ４（不図示）はＤＯＥ３と凸レンズ４の距離Ｄ₂を用いて、
ｆ４ ＜ Ｄ₂／２
なる関係を満たしている。これにより、凸レンズ４から出射した光束Ｌ３の集光角θ_L3は、光束Ｌ２の集光角θ_L2よりも大きな集光角となる。そして、光束Ｌ３は集光点Ｐ_f4で集光した後に、再び拡散し平行化レンズ５へと入射する。平行化レンズ５の焦点距離ｆ５は集光点Ｐ_f4と平行化レンズ５の距離と略等しくなるように配置されている。平行化レンズ５によって平行光束Ｌ４が出射し、被照明面６へと到達する。

ここで、光源装置２はコヒーレント光を出射する光源装置であり、本実施例においては半導体レーザーを用いることとする。なお、コヒーレント光を出射する光源であれば適用可能であり、例えばＬＤ励起固体（ＤＰＳＳ：Ｄｉｏｄｅ−Ｐｕｍｐｅｄ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ）レーザーや、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）などである。また、上記のような光源装置を１次元または２次元方向にアレイ状に配置し、複数光束を出射するような光源についても適用可能である。

また、本実施例１におけるＤＯＥ３は計算機ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）である。以下、計算機ホログラムについて説明する。
計算機ホログラムは、入射するコヒーレント光に位相および振幅変調を与えることによって、出射光束の輝度（または位相）を制御することが可能な素子である。本実施例においては、入射するビームの輝度分布を、矩形形状で均一な輝度分布に変換し、長方形の形をした被照明面６を均一に効率よく照明することを可能にする。
計算機ホログラムの概略形状を示した模式図を図２（平面図）、および図３（図２のＡ視断面図）に示す。計算機ホログラムの表面は、ピクセル長さｐの正方領域が、図３に示すように深さの異なる凹凸形状をしており、図２に示すようにハッチング毎に深さの異なる正方領域が２次元アレイ状に並んでいる。上記凹凸形状は石英ガラスや樹脂などの材料でできており、入射光に対して各領域で異なる位相差を与えることで、出射光の輝度分布を制御することができる。

出射光に所定の輝度分布を与える場合、凹凸形状は計算機を用いて最適化される。主に用いられる最適化手法として、反復フーリエ変換法や、シミュレーテッドアニーリング法（ＳＡ法）などの方法が例として挙げられる。
表面の凹凸形状の作成には、半導体プロセスなどの高精度の微細加工技術によって作成されたモールド（型）から、熱転写によって基板等に転写するいわゆるナノインプリントの手法によって製造される。現状では図３のピクセル長さｐはサブμｍ程度が限界である。
なお、本発明に使用するＤＯＥ３は、所望の形状を形成可能であれば、従来用いられる他の手法により製造することとしても良い。なお、ＤＯＥ３は、計算機ホログラムに限られず、他の表面レリーフ型回折光学素子や、二光束干渉法等によって作製される体積型回折光学素子等を用いても良い。

図４は、計算機ホログラム（ＤＯＥ３）から出射する高次回折光について示している。ＤＯＥ３からは、所定の輝度分布を与える１次回折光のほかに２次、３次、…、ｍ次の回折光も出射される。また、入射光のうち、回折せずにそのまま出射する０次光も存在する。１次回折光が出射する領域を１次回折領域と呼ぶことにすると、ＤＯＥ３からｍ次回折領域へ出射する光束の最大出射角θ_mとピクセル長さｐと入射光の波長λを用いて、グレーティング方程式より下記式で表すことができる。
２ｐｓｉｎθ_m＝ｍλ（ｍ＝±１、±２・・・）
ｍは、整数である。
この関係式より、１次回折領域へと出射する光束の最大出射角θ₁は、下記式で表すことができる。
ｓｉｎθ₁＝λ／２ｐ
本実施例に用いる光源装置２から射出されるコヒーレント光Ｌ１の波長λが５３２ｎｍ、ＤＯＥ（計算機ホログラム）３のピクセル長さｐが１μｍとすると、θ₁は１５．４°となる。

図１において、被照明面６のｘ軸方向の大きさＳを１６ｍｍとした場合、ＤＯＥ３からの出射角θ_L2は１５．４°であるから、ＤＯＥ３の１次回折領域が大きさＳと等しくなる距離Ｄ´、言い換えると、凸レンズ４を備えない場合のＤＯＥ３から平行化レンズ５までの距離Ｄ´は、下記式で表され、Ｄ´は２９ｍｍと導出できる。
Ｄ´＝（Ｓ／２）／Ｔａｎθ_L2

一方、凸レンズ４をＤＯＥ３と平行化レンズ５の間に配した本実施例によると、Ｄ₂＝１０ｍｍとし、凸レンズ４の焦点距離ｆ４を３ｍｍとすると、凸レンズ４から光束Ｌ３の集光点Ｐ_f4の距離Ｄ₃は４．２９ｍｍと求められる。これより、光束Ｌ３の集光点Ｐ_f4における集光角θ_L3は、３２．７°となり、集光点Ｐ_f4と平行化レンズ５の距離（焦点距離ｆ５）は１２．４ｍｍと導出される。結果、ＤＯＥ３から平行化レンズ５の距離Ｄは２６．７ｍｍとなり、凸レンズ４を配置する構成とすることによって、照明装置１を約２ｍｍ小さくすることが可能となる。

ここで、凸レンズ４について述べれば、正の焦点距離を有しており、入射光束の入射角θ_L2よりも出射光束の出射角θ_L3を大きくする機能を持つ素子であればよいものとする。例えば、非球面凸レンズを使用すれば、球面レンズを使用したときと比較して歪曲収差を低減し、被照明面６を効率よく照明することが可能となる。また、例えば、より焦点距離の短いボールレンズなどを使用すれば、照明装置１をより小型化することが可能となる。また、例えば、フレネルレンズに代表される回折型レンズを用いれば、薄型の素子を用いることが出来る。回折型レンズには、前述のフレネルレンズの他、バイナリ素子やホログラム素子なども含まれる。回折型レンズを使用することによって、照明装置１の軽量化が可能となる。

また、凸レンズ４の配置について述べれば、凸レンズ４の位置はＤＯＥ３と平行化レンズ５の位置の略中間とすることが望ましい。図５には、上記の条件における、ＤＯＥ３から凸レンズ４までの距離Ｄ₂と、ＤＯＥ３から平行化レンズ５までの距離Ｄの関係を示したものである。なお、図５に示すグラフは近軸理論を用いて導出しており、レンズの収差等は一切考慮しないものとする。図５のグラフにおいて、ＤＯＥ３から平行化レンズ５の距離が小さくなる点、すなわち、照明装置１が最も小さくなる点における、ＤＯＥ３から凸レンズ４までの距離Ｄ₂は１２．８ｍｍ、ＤＯＥ３から平行化レンズ５までの距離Ｄは２５．６ｍｍと導出される。この結果から、凸レンズ４を、ＤＯＥ３と平行化レンズ５の略中間の位置に配置することによって、照明装置１のサイズを最も効果的に小さくできることが示される。

また、凸レンズ４を入れることによる別の効果として、ＤＯＥ３の微細形状を緩和することができ、製造難易度や製造誤差を低減することが可能となる。前述のように、図１におけるＤＯＥ３のピクセル長さｐが１．０μｍのとき、凸レンズ４を備えない場合のＤＯＥ３から平行化レンズ５の距離Ｄ´が２８．９ｍｍとなる。一方、ＤＯＥ３と平行化レンズ５の距離Ｄを２８．９ｍｍに固定し、焦点距離ｆ４＝３ｍｍの凸レンズ４を配置した場合、ＤＯＥ３の１次回折領域へと出射する最大の出射角θ１は１１．１度となる。これより、ＤＯＥ３のピクセル長さｐは１．３８μｍと導出できる。同じ手法や加工機械を用いてＤＯＥ３を製造した場合、ピクセル長さｐが長い方が、製造誤差の影響が小さくなり、高い形状精度で、１次回折効率の高いＤＯＥ３が作製でき、照明装置１の光利用効率を向上することができる。また、ピクセル長さｐを長くできる事によって、製造工程における要求加工精度を低くすることができ、ＤＯＥ３の製造コストを低減することができる。

本実施例における別の形態について、図６を用いて説明する。図６は図１の凸レンズ（光学素子）４の位置に凹面鏡（光学素子）８を配した構成を模式的に示したものである。ＤＯＥ３までの構成は図１の構成と変わらないが、集光手段として、凹面鏡８を配置している。凹面鏡８は軸外し楕円ミラーを使用しており、第１焦点距離であるＦａ₈よりも第２焦点距離Ｆｂ₈の方が小さくなるように配置されている。ＤＯＥ３から出射した光束Ｌ２は、凹面鏡８によってその光軸が９０°回転した方向に光束Ｌ５が出射する。出射した光束Ｌ５は一旦凹面鏡８の第２焦点で集光した後、再び拡散角（半角）θ_L5で拡散する。前述のように、凹面鏡８の第１焦点距離Ｆａ₈よりも第２焦点距離Ｆｂ₈の方が小さいため、凹面鏡８への入射角θ_L2と比較して、凹面鏡からの出射角θ_L5の方が大きくなる。光束Ｌ５は平行化レンズ５で平行光束Ｌ６となった後、被照明面６に到達する。

装置の形状に関する制約によって、照明装置の光学系を折り返し光学系とする必要が生じることが考えられる。図１の集光点Ｐｆ₄に反射平板を挿入することで小型な折り返し光学系を実現することが可能である。一方図６のような凹面鏡８を用いた構成とすれば、上述のレンズによる集光効果と光軸の回転効果を１つの素子で実現することが可能となるため、装置の簡素化や軽量化が実現できる。

図６の構成で使用する凹面鏡については、９０°光軸を回転させる軸はずし楕円ミラーとしているが、光軸の回転角度についてはこれに限定されるものではない。また、凹面鏡については、通常用いられるアルミ蒸着ミラーなどのほかに、ミラー表面形状を時間的に高速で変調可能な、いわゆるデフォーマブルミラーを使用しても良い。デフォーマブルミラーを使用することによって、コヒーレント光を照明光に使用する際に問題となる、スペックルノイズを低減することが可能となる。スペックルノイズは光の干渉性が高い場合に、光束の中の光路の異なる部分（部分光束）同士が干渉しあう事によって、照明光に輝度斑が生じる現象である。例えばプロジェクターの照明光としてコヒーレント光源を用いた場合、投射画像にスペックルノイズが生じる事で表示品質を大きく損なうことが問題となっている。上述のデフォーマブルミラーを凹面鏡に適用することにより、各部分光束の波面を時間変化させることによって時間的に異なる輝度斑を発生させる。それを時間重畳させることによってスペックルノイズを低減し、照明光を均一化させることが可能となる。

（実施例２）
本発明の照明装置に関する実施例２の様態について、図７を用いて説明する。なお、実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する内容については適宜説明を省略する。
図７は実施例２に係る照明装置の概略構成を示した模式図である。図７において、照明装置１１は光源装置２とＤＯＥ３と凹レンズ（光学素子）１２と平行化レンズ１３とから構成され、被照明面６を照明するものである。以下図７に記載の照明装置１１の概略を説明する。

図７において、光源装置２から光束が進む方向を＋ｚと規定し、図面上方向を＋ｘ、図面より手前方向を＋ｙと規定する。光源装置２からは、コヒーレント光Ｌ１１が射出され、コヒーレント光Ｌ１１はＤＯＥ３へと入射する。ＤＯＥ３からは所定の輝度分布へと整形された光束Ｌ１２が出射し、凹レンズ１２へと入射角θ_L12で入射する。凹レンズ１２によってθ_L12よりも大きな出射角θ_L13で出射したＬ１３は、平行化レンズ１３を通過後、略平行となった光束Ｌ１４となって所定の大きさＳの被照明面６へと照明される。平行化レンズ１３の焦点距離ｆ１３は、光束Ｌ１３を−ｚ方向に延長した仮想光束Ｌ１３´が集束する集束点Ｐ_L13´から平行化レンズ１３の主点位置までの距離で表すことができる。

凹レンズ１２を具備しない従来の構成においては、ＤＯＥ３より出射した光束Ｌ１２は図７において破線で示す光束Ｌ１２´のように広がり、被照明面６´に照明されることになる。ＤＯＥ３と被照明面６´の距離Ｄｂ´に対して、凹レンズ１２を備えることによって、ＤＯＥ３と被照明面６の距離Ｄｂが小さくなることが示される。このことから、凹レンズ１２を備えることによって、照明装置１１の小型化が実現できる。

本実施例において、凹レンズ１２は、より焦点距離ｆ１２（不図示）の小さいものを用いることが望ましい。図７のＤＯＥ３からの出射角θ_L12と凹レンズ１２からの出射角θ_L13は、ＤＯＥ３から凹レンズ１２までの距離Ｄ₁₂と凹レンズ１２の焦点距離ｆ１２を用いて以下のように表される。
Ｔａｎθ_L12／Ｔａｎθ_L13＝ｆ₁₂／（Ｄ₁₂＋ｆ₁₂）
上記の関係式から、凹レンズ１２の焦点距離ｆ₁₂を小さくするとθ_L13が大きくなることがわかる。凹レンズ１２からの出射角θ_L13が大きければ大きいほど、より凹レンズ１２から平行化レンズ１３までの距離を小さくすることができ、照明装置１１をより小さくすることが可能となる。これらのことから、凹レンズ１２の焦点距離ｆ₁₂をより小さくすることによって、照明装置１１を効率よく小型化することが可能となる。

また、本実施例において、凹レンズ１２の配置については、凹レンズ１２はＤＯＥ３と平行化レンズ１３の略中間の位置に配置されることが望ましい。凹レンズ１２をＤＯＥ３と平行化レンズ１３の略中間の位置に配置することによって、照明装置１１をより効率よく小型化することが可能となる。

本実施例で使用する凹レンズ１２は、一般的に用いられている球面平凹レンズである。球面平凹レンズは、加工が容易であり、本実施例に示すような構成を安価で実現できる。凹レンズ１２については、負の焦点距離を有し、入射角θ_L12に対して、出射角θ_L13が大きくなるような素子であればよいものとする。例えば凹レンズ１２の凹面形状は非球面のものを適用しても良い。凹レンズの表面形状を非球面とすることによって、レンズの歪曲収差を低減することができ、所定の形状の被照明面に対して効率よく照明することが可能となる。また、例えば、凹レンズ１２はフレネルレンズに代表される回折型レンズを適用しても良い。回折型レンズは素子を薄くできることが特徴であり、照明装置１１をより軽量化することが可能となる。

本実施例における別の形態について、図８を用いて説明する。図８は図７の凹レンズ１２の位置に凸面鏡（光学素子）１５を配した構成を模式的に示したものである。ＤＯＥ３までの構成は図７の構成と変わらない。ＤＯＥ３から出射角θ_L2で出射した光束Ｌ２を、軸はずし自由曲面ミラーである凸面鏡１５を配置して、凸面鏡１５から出射する光束Ｌ１５の出射角θ_L15を、出射角θ_L2よりも大きくする。その後光束Ｌ１５は平行化レンズ１６に入射し、平行化レンズ１６より出射した平行光束Ｌ１６が被照明面６へと達する。

装置のサイズの制約等から、図８に示すような折り返し光学系とする必要が生じた場合、例えば、図７の凹レンズ１２と平行化レンズ１３の間に反射平板を配置することによって成す事が可能である。しかしながら、図８で示すような凸面鏡を使用した構成にすることによって、凹レンズと反射平板の効果を一つの素子で実現できるため、装置の小型化と簡素化を実現できる。

（実施例３）
本発明の照明装置に関する実施例３の様態について、図９を用いて説明する。なお、実施例１および２と同一の部分には同一の符号を付し、重複する内容については適宜説明を省略する。
本実施例は、ＤＯＥと凸レンズを同一基板上に形成しているという点において実施例１（図１）と異なっており、その他の部位については同一の構成となっている。図９には、本実施例の構成を模式的に示している。光源装置２の＋ｚ側には、入射側にはコヒーレント光Ｌ２１を所望の照明形状へと整形するビーム整形機能を有したＤＯＥ２３を、また出射側には凸型の形状となっていて集光機能を備える凸レンズ（光学素子）２４を、それぞれ設けた単一の基板２２を備える。基板２２を出射した光束Ｌ２３は、一旦集光点Ｐ_f24で集光した後、再び拡散し平行化レンズ２５で平行光束Ｌ２４となって、被照明面６へと達する。

上記のような同一基板上にＤＯＥ機能と凸レンズ機能を有した素子を用いることによって、装置の部品点数の削減やアライメント調整を不要にするなどの利点が生じ、安価で小型の照明装置を実現することが可能となる。

基板の両面にＤＯＥ２３の凹凸形状と、凸レンズ２４の凸型形状をそれぞれ備えた基板２２を作製するためには、例えば射出成型による両面一体成型が手法として挙げられる。射出成型を用いることで、高いスループットで大量の複製品を製造することができるため、安価に素子を製造することが可能である。

本実施例において、基板２２の出射側に凹レンズを備えたものを使用してもよい。入射側にＤＯＥを備え、出射側に凹レンズを備えた素子を使用することによって、実施例２で示した理由と同様に、照明装置を小型化できる。

（実施例４）
本発明の照明装置に関する実施例４の様態について、図１０を用いて説明する。本実施例には、実施例１ないし３に記載の照明装置をプロジェクターに応用したときの様態を示す。なお、図１０には、本発明の実施例２による照明装置１１をプロジェクターに適用したときの概略図を示している。

図１０に示すプロジェクター３０は、赤色のコヒーレント光を出射して輝度整形後に所定の被照明面６Ｒを照明するための照明装置１１Ｒと、緑色のコヒーレント光を出射して輝度整形後に所定の被照明面６Ｇを照明するための照明装置１１Ｇと、青色のコヒーレント光を出射して輝度整形後に所定の被照明面６Ｂを照明するための照明装置１１Ｂと、各色照明装置で照明される被照明面６Ｒ、６Ｇ、６Ｂを有し、各色で照明された光を画像情報に応じて光変調し透過する空間光変調装置３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂと、空間光変調素子３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂにより光変調し透過された各色光束を合成するためのダイクロイックプリズム３２と、ダイクロイックプリズム３２で生成された光束をスクリーン３４上に投射するための投射光学系３３とを備えている。

前記の空間光変調素子３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂは、電界印加により配向方向を制御することによって偏光制御を行う液晶パネルに対して、入射側及び出射側を偏光板で挟んだ構成となっており、液晶パネルの各部位に配置されたＴＦＴアレイによって電界印加量を変化させることによって偏光を制御し、入射側及び出射側の偏光板によって偏光状態を変化させることによって、透過する各色光束の輝度変調を行う。なお、以下空間光変調素子についてライトバルブという表現も用いることとする。

また、ダイクロイックプリズム３２は多層膜を表面蒸着された４つの直角プリズムを接着することで構成され、透過率及び反射率を波長及び偏光に依存する特性を持たせる事によって、赤色光束と緑色光束と青色光束を合成することを可能にしている。赤色、緑色、青色の三色の光束を投射レンズで拡大してスクリーン３４に投影することによって、スクリーン３４上に巨大なフルカラーの画像を表示する。

照明装置１１Ｒ、１１Ｇ及び１１Ｂは実施例２で説明したように、凹レンズ１２を配置することによって小型化を実現しているものである。プロジェクター３０に本発明の照明装置１１Ｒ、１１Ｇ及び１１Ｂを使用することによって、プロジェクター３０を小型化することができる。なお、本実施例では実施例２で示した照明装置１１を照明装置１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂとして使用しているが、実施例１、２または３に記載の照明装置１、７、８，９についても適用することができる。

また、本実施例では赤色、緑色、青色の各色を発生し照明するための照明装置１１Ｒ、１１Ｇ及び１１Ｂを配置し、照明された各色それぞれの光束を変調するためにそれぞれの空間光変調装置３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂを配置したが、照明装置に使用する光源の波長（色）及び個数については、これに限ったものではない。
また、プロジェクターの構成に関していえば、複数の波長を発生する複数のコヒーレント光源をそれぞれアレイ状に配置し、単一基板のＤＯＥ、凹レンズ及び平行化レンズで構成された照明装置とし、波長の異なるレーザーをそれぞれ異なる時間に点灯させる、いわゆる時分割動作によって、単一の照明装置と単一の空間光変調装置と投射光学系で構成される、いわゆるライトバルブ単板方式ものであっても良い。

また、空間光変調装置に関していえば、本実施例では透過型液晶を用いた構成を例に挙げたが、本発明の適用はこれに限ったものではない。例えば、反射型液晶（ＬＣＯＳ）や、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を使用したプロジェクターについても適用可能である。

（実施例５）
本発明の照明装置に関する実施例５の様態について、図１１〜１３を用いて説明する。本実施例は、複数の色の照明光を空間光変調装置の異なる画素に振り分けることによって単一の空間光変調素子（液晶ライトバルブ）で複数色の光束を変調することができる、いわゆる空間色分離方式のプロジェクターに関する内容である。

図１１には、実施例５に示す、空間色分離方式によるライトバルブ単板フルカラープロジェクターの概略図を表す。本実施例のプロジェクター４０は、赤色光束、緑色光束及び青色光束を発生させて、所定の形状の被照明面４６に各色平行光束をそれぞれ異なる入射角で均一に照明するための照明装置４１と、被照明面４６に照明された各色平行光束に対して、映像信号に応じて輝度変調を行うための空間光変調装置４７と、空間光変調装置４７から出射した光束をスクリーン４９の被照射面に拡大投影するための投射光学系４８とを備えている。

空間光変調装置４７は（後述する）マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）５０を入射側に備えた液晶パネルと入射側偏光板と出射側偏光板から構成されている。以下に空間色分離方式について説明する。図１２には、ＭＬＡ５０を備えた液晶パネルを模式的に示している。
液晶パネルには赤色光束Ｌ５０Ｒ、緑色光束Ｌ５０Ｇ及び青色光束５０Ｂをそれぞれ角度差θ_L50で入射させている。赤色光束Ｌ５０Ｒは、ＭＬＡ５０によってＩＴＯ膜及び配向膜で形成された機能膜５３ａ及び５３ｂに挟まれた液晶層５２の画素５２Ｒに集光され（Ｌ５１Ｒ）、緑色光束Ｌ５０Ｇは、ＭＬＡ５０によって液晶層５２の画素５２Ｇに集光され（Ｌ５１Ｇ）、また青色光束Ｌ５０Ｂは、ＭＬＡ５０によって液晶層５２の画素５２Ｂに集光される（Ｌ５１Ｂ）。前記の各色光束の角度差θ_L50は、ＭＬＡ５０と液晶層５２の光学距離Ｄ₅₀と画素間距離ｐ₅₂を用いて次のように表すことができる。
θ_L50＝Ｔａｎ^-1（ｐ₅₂／Ｄ₅₀）
このような構成にすることによって、各色光束を異なる画素へと導くことができ、カラーフィルターを用いることなく、複数の色を制御することが可能となる。

照明装置４１について説明する。照明装置４１は、赤色のコヒーレント光を出射する赤色レーザー光源４２Ｒと緑色のコヒーレント光を出射する緑色レーザー光源４２Ｇと青色のコヒーレント光を出射する青色レーザー光源４２Ｂを備えた光源装置４２と、各色コヒーレント光束を矩形輝度分布に整形するように各色ごとに設計された赤色用ＤＯＥ４３Ｒと緑色用ＤＯＥ４３Ｇと青色用ＤＯＥ４３Ｂとを備えたＤＯＥ４３と、各色光束の広がり角をより大きくするための凹レンズ４４と、各色光束を略平行光束とするための平行化レンズ４５とを備える。

ここで、凹レンズ４４の機能について説明する。図１３には、照明装置４１の概略図を示している。実施例２で示したように、凹レンズ４４を配置することによってＤＯＥ４３Ｇからの拡散光束の出射角をより大きくすることができ、それによってＤＯＥ４３と平行化レンズ４５の距離を小さくする効果が得られ、照明装置４１を小型化することができる。他方、凹レンズ４４のもう一つの効果としては、光源装置４２のサイズによる制限を抑制できることが挙げられる。前述したように、被照明面４６に対して赤色光束の主光線Ｌｃ４４Ｒ、緑色光束の主光線Ｌｃ４４Ｇ及び青色光束の主光線Ｌｃ４４Ｂを角度差θ_L44の角度を成してそれぞれ照明する必要がある。角度差θ_L44は、図１２の角度差θ_L50と等しい。ここで、図１３で示しているように、緑色光束の主光線Ｌ４２Ｇと青色光束の主光線Ｌ４２Ｂのビーム間距離をビーム間隔Ｄ４２として定義する。さらに、凹レンズ４４を配置しない場合の青色光束の主光線Ｌ４３Ｂ’およびＬ４２Ｂ’を破線で示す。このとき、緑色光束の主光線Ｌ４３Ｇ、Ｌ４２Ｇと緑色用ＤＯＥ４３Ｇの位置は変化しない。凹レンズ４４を配置しない場合の緑色光束の主光線Ｌ４２Ｇ’と青色光束の主光線Ｌ４２Ｂ’のビーム間距離をビーム間隔Ｄ４２’として定義すると、凹レンズ４４を配置したときのビーム間隔Ｄ４２と凹レンズ４４を配置しないときのビーム間隔Ｄ４２’の関係式は、次のように表すことができる。
Ｄ４２＞Ｄ４２’
このことから、凹レンズ４４を配置することによって、光源間隔を広げることが可能となる。光源間隔が広くなることによって、使用する光源のサイズに関する制約を抑制することができ、光源開発の難易度を低下させることができ、コストも抑制することができる。また、光源間隔を広くとれることによって、光源から発生する熱を放熱することも容易となり、それに伴って光源の発振輝度を上げられるといった効果が得られる。これらの効果から、安価で高輝度なプロジェクターを実現できる。
また、光源サイズの制約により光源間隔Ｄ₄₂としなければならない場合において凹レンズ４４を配置しないとき、角度差θ_L44を保つためには、ＤＯＥ４３と平行化レンズ４５の距離を距離Ｄ₄₃だけ大きくしなければならなくなる。凹レンズ４４を配置することによって、光源サイズに起因する光学系の大きさの制約を抑制することができ、プロジェクターの小型化が可能となる。

空間光変調素子として用いる素子としては、ＭＬＡが入射側に配置された透過型液晶パネルを使用したが、反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ）などの他の種類のライトバルブにおいても適用可能である。また、一般的に入射側及び出射側に偏光板を配置する構成とする場合が多いが、入射側偏光板の位置に関しては、これに限ったものではない。また、偏光性を有する光源を使用した場合には、入射側偏光板を使用しないことも可能である。また、液晶パネルの画素構造に関していえば、横方向に赤色・緑色・青色の画素を配置する構成を例に挙げているが、配置の方法についてはこれに限ったものではない。例えば、正方画素構造のパネルを使用して４画素に赤色・黄色・緑色・青色の光束を入射させてもよい。また、赤色・緑色・緑色・青色のように１色について２画素使用してもよい。

また、本実施例のプロジェクターに関していえば、単体で使用するプロジェクターに関して例をあげているが、他の機器内に組み込まれた、組み込み式プロジェクターに関しても適用可能である。例えば、携帯電話に本構成を組み込むことで、画面を投影方式によって表示させるような小型組み込み型プロジェクターなどが適用例として挙げられる。他方、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）などの用途にも使用可能である。

１ 照明装置、２ 光源装置、３ ＤＯＥ、４ 凸レンズ、５ 平行化レンズ、６ 被照明面、Ｌ１ コヒーレント光、Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ３´ 光束、Ｐ_f4 集光点、θ_L2，θ_L3 出射角、ｆ５ 焦点距離、Ｄ，Ｄ´，Ｄ₂，Ｄ₃ 距離、Ｓ 大きさ。

Claims (10)

1. コヒーレント光を射出する光源装置と、前記コヒーレント光を所定の輝度分布を有する光束に整形する回折光学素子と、前記回折光学素子から出射した光束を平行光束とするための平行化レンズとを備えた照明装置であって、前記回折光学素子と前記平行化レンズの間に、前記回折光学素子から出射した光束の発散角度を大きくするための光学素子を備えたことを特徴とする照明装置。
2. 前記光学素子は凸レンズであることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光学素子は凹レンズであることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
4. 前記光学素子は凹面鏡であることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
5. 前記光学素子は凸面鏡であることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
6. 前記光学素子の面形状が非球面であることを特徴とする、請求項２ないし５のいずれか一項に記載の照明装置。
7. 前記光学素子は前記回折光学素子と同一の基板上に形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の照明装置。
8. 前記光学素子は前記回折光学素子と前記平行化レンズの略中間の位置に配置されることを特徴とする、請求項２ないし６のいずれか一項に記載の照明装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載の照明装置を備えたプロジェクター。
10. プロジェクターであって、
    それぞれが所定の色のコヒーレント光を射出する複数の光源装置と、
    前記コヒーレント光を所定の輝度分布を有する光束に整形する回折光学素子と、
    前記回折光学素子から出射した光束を平行光束とするための平行化レンズと、
    画素を有し、前記平行化レンズから出射した光束を画像情報に応じて変調する空間光変調素子と、
    前記空間光変調素子から出射した光束を被照射面に投影する投射レンズと、
    前記平行化レンズと前記空間光変調素子との間に設けられ、前記空間光変調素子へ入射する前記所定の色の光束を各色ごとに異なる入射角度とし、前記所定の色の光束を各色ごとに異なる画素へと集光入射させる画素振分け手段と、
    前記回折光学素子と前記平行化レンズの間に設けられ、前記所定の色の光束の光線角度を制御するための光学素子と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。

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