JP2014178693A - 照明装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化および光の利用効率向上を図りつつ、照明光の輝度むらを効果的に低減することが可能な照明装置および表示装置を提供する。
【解決手段】照明装置１は、異なる波長の光を発する複数種類の光源（赤色レーザ１１Ｒ，緑色レーザ１１Ｇ，青色レーザ１１Ｂ）を有する光源部と、複数種類の光源からの各入射光を個別に平行光として出射する平行化光学系（コリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ）と、平行化光学系から出射された各平行光に対して光路合成を行う光路合成光学系（ダイクロイックプリズム１３１，１３２）と、光路合成後の各平行光をそれらのビーム径を拡大させて出射する拡大光学系（エキスパンダーレンズ１６）と、拡大光学系から出射された各平行光の面内強度分布を均一化する均一化光学系（フライアイレンズ１７）とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、異なる波長の光を発する複数種類の光源を有する照明装置、およびそのような照明装置を用いて映像表示を行う表示装置に関する。

プロジェクタ（投射型表示装置）の主要部品の１つである光学モジュールは、一般に、光源を含む照明光学系（照明装置）と、光変調素子を含む投射光学系（投影光学系）とから構成されている。このようなプロジェクタの分野では、近年、マイクロプロジェクタと呼ばれる小型（手のひらサイズ）かつ軽量な携帯型プロジェクタが普及し始めている。このマイクロプロジェクタでは、従来、照明装置の光源として主にＬＥＤ（Light Emitting Diode）が使用されている。

一方で、最近では照明装置の新たな光源として、レーザが注目されている。例えば、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３原色のレーザ光を用いたプロジェクタとして、従来から気体レーザを用いたものが知られている。このように、レーザを光源として用いたプロジェクタは、例えば特許文献１〜３において提案されている。光源としてレーザを用いることにより、色再現範囲が広く、かつ消費電力も小さいプロジェクタを得ることができる。

ＷＯ２００７／１１６９３５号公報 特開２００９−２８８５２０号公報 特開２０１０−３２７９７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のプロジェクタにおける照明装置では、３原色の各単色レーザから発せられた光を光路合成（色合成）して映像表示に用いるには、大規模（大型）な光学系（光路合成光学系）を構築する必要があった。具体的には、光源の数に応じた大きさ（数）の光路合成光学系（例えば、ダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーなど）を用いる必要があった。これは、光路合成の際の光利用効率の低下（光損失）を防ぐには、光路合成光学系において、ＮＡ（開口率）が高い光を取り込む（入射させる）だけの大きさが必要となるためである。このような理由から、この特許文献１の照明装置では、光の利用効率向上を図りつつ小型化（軽量化）を図るのは困難であった。

一方、上記特許文献２，３に記載のプロジェクタにおける照明装置では、３原色の各単色レーザと光路合成光学系（ダイクロイックプリズム）との間にそれぞれ、コリメータレンズが配置されている。このような構成により、各単色レーザからの入射光はそれぞれコリメータレンズにおいて平行光とされた後、光路合成光学系において各平行光に対する光路合成がなされる。したがって、これら特許文献２，３の照明装置では、光路合成の際のビーム径が小さくなることから、光の利用率向上を図りつつ（高い光利用効率を保持しつつ）、光路合成光学系の小型化を実現することが可能になると考えられる。

ところが、近年のプロジェクタ業界では、そのような装置の小型化（軽量化）に加えて高性能化（高画質化）の要望も高いことから、更に照射むら（照明光の輝度むら，照度むら）を効果的に低減することも重要である。すなわち、小型化および光の利用効率向上を図りつつ、照明光の輝度むら（照度むら）を効果的に低減することを可能とする照明装置およびそれを用いた表示装置の提案が望まれる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、小型化および光の利用効率向上を図りつつ、照明光の輝度むらを効果的に低減することが可能な照明装置および表示装置を提供することにある。

参考例の照明装置は、異なる波長の光を発する複数種類の光源を有する光源部と、複数種類の光源からの各入射光を個別に平行光として出射する平行化光学系と、この平行化光学系から出射された各平行光に対して光路合成を行う光路合成光学系と、光路合成後の各平行光を、それらのビーム径を拡大させて出射する拡大光学系と、この拡大光学系から出射された各平行光の面内強度分布を均一化する均一化光学系とを備えたものである。

参考例の表示装置は、上記参考例の照明装置と、この参考例の照明装置からの照明光を映像信号に基づいて変調する光変調素子とを備えたものである。

参考例の照明装置および参考例の表示装置では、光源部における複数種類の光源からの各入射光が、平行化光学系において個別に平行光とされた後、光路合成光学系において、これらの各平行光に対して光路合成がなされる。これにより、光路合成の際のビーム径が小さくなるため、各光源からの出射光が拡散光のまま光路合成される場合と比べ、高い光利用効率を保持しつつ、光路合成光学系のサイズが小さくて済むようになる。また、光路合成後の各平行光は、拡大光学系においてそれらのビーム径が拡大された後、均一化光学系へ入射して面内強度分布の均一化がなされる。これにより、面内強度分布の均一化の際にはビーム径が拡大されているため、ビーム径が小さいまま（拡大されずに）均一化がなされる場合と比べ、面内強度分布がより効果的に均一化される。

本発明の照明装置は、異なる波長の光を発する複数種類の光源を有する光源部と、複数種類の光源からの各入射光を、それらのビーム径を縮小させつつ個別に拡散光として出射する結合光学系と、この結合光学系から出射された各拡散光に対して光路合成を行う光路合成光学系と、光路合成後の各拡散光を平行光として出射する平行化光学系と、この平行化光学系から出射された各平行光の面内強度分布を均一化する均一化光学系とを備えたものである。

本発明の表示装置は、上記本発明の照明装置と、この本発明の照明装置からの照明光を映像信号に基づいて変調する光変調素子とを備えたものである。

本発明の照明装置および本発明の表示装置では、光源部における複数種類の光源からの各入射光が、結合光学系においてそれらのビーム径が縮小されつつ個別に拡散光とされた後、光路合成光学系において、これらの各拡散光に対して光路合成がなされる。これにより、光路合成の際のビーム径が小さくなるため、各光源からの出射光が結合光学系を介さずに光路合成される場合と比べ、高い光利用効率を保持しつつ、光路合成光学系のサイズが小さくて済むようになる。また、光路合成後の各拡散光は、平行化光学系において平行光とされた後、均一化光学系へ入射して面内強度分布の均一化がなされる。これにより、面内強度分布の均一化の際には、ビーム径が更に大きくなった後に平行光となっているため、拡散光として進行せずに均一化がなされる場合と比べ、面内強度分布がより効果的に均一化される。

参考例の照明装置および参考例の表示装置によれば、光源部における複数種類の光源からの各入射光を個別に平行光とした後に、各平行光に対して光路合成を行うようにしたので、高い光利用効率を保持しつつ、光路合成光学系のサイズを小さくすることができる。また、光路合成後の各平行光のビーム径を拡大した後に、面内強度分布の均一化を行うようにしたので、面内強度分布をより効果的に均一化することができる。よって、小型化および光の利用効率向上を図りつつ、照明光の輝度むらを効果的に低減する（表示画質を向上させる）ことが可能となる。

本発明の照明装置および本発明の表示装置によれば、光源部における複数種類の光源からの各入射光をそれらのビーム径を縮小させつつ個別に拡散光とした後に、各拡散光に対して光路合成を行うようにしたので、高い光利用効率を保持しつつ、光路合成光学系のサイズを小さくすることができる。また、光路合成後の各拡散光を平行光とした後に、面内強度分布の均一化を行うようにしたので、面内強度分布をより効果的に均一化することができる。よって、小型化および光の利用効率向上を図りつつ、照明光の輝度むらを効果的に低減する（表示画質を向上させる）ことが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る表示装置の全体構成を表す図である。 比較例に係る表示装置の全体構成を表す図である。 変形例１に係る表示装置の全体構成を表す図である。 図３に示した位相差板の作用について説明するための模式斜視図である。 変形例２に係る表示装置の全体構成を表す図である。 第２の実施の形態に係る表示装置の全体構成を表す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。

１．第１の実施の形態（コリメータレンズとエキスパンダーレンズとを組み合わせた例）
２．変形例
変形例１（照明装置内に位相差板を設けた例）
変形例２（フロントモニタおよび制御部を設けた例）
３．第２の実施の形態（結合レンズとコリメータレンズとを組み合わせた例）

＜第１の実施の形態＞
［表示装置３の全体構成］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る表示装置（表示装置３）の全体構成を表すものである。この表示装置３は、スクリーン３０（被投射面）に対して映像（映像光）を投射する投射型の表示装置であり、照明装置１と、この照明装置１からの照明光を用いて映像表示を行うための光学系（表示光学系）とを備えている。

（照明装置１）
照明装置１は、赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇ、青色レーザ１１Ｂ、コリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ、ダイクロイックプリズム１３１，１３２、光学素子１４、駆動部１５、エキスパンダーレンズ１６およびフライアイレンズ１７を備えている。なお、図中において、Ｚ０は光軸を表し、矢印を含む破線は光路（光束におけるビーム径の端部での光路）を表しており、以下同様である。

赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂはそれぞれ、赤色レーザ光、緑色レーザ光または青色レーザ光を発する３種類の光源である。これらのレーザ光源により光源部が構成されており、ここでは、これら３種類の光源がいずれもレーザ光源を含んで構成されている。具体的には、赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂはそれぞれ、例えば半導体レーザや固体レーザ等のレーザ光源を含んでいる。ここで、例えばこれらのレーザ光源がそれぞれ半導体レーザである場合、一例として、赤色レーザ光の波長λｒ＝６００〜７００ｎｍ程度、緑色レーザ光の波長λｇ＝５００〜６００ｎｍ程度、青色レーザ光の波長λｂ＝４００〜５００ｎｍ程度である。なお、このようなレーザ光源と、非線形光学結晶等を用いて第二高調波を発生させる（ＳＨＧ；Second harmonic generation）波長変換デバイス等とを組み合わせることにより、赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂを構成するようにしてもよい。

コリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇは、赤色レーザ１１Ｒから出射された赤色レーザ光および緑色レーザ１１Ｇから出射された緑色レーザ光をそれぞれコリメートして（平行光として）、ダイクロイックプリズム１３１と結合するためのレンズである。同様に、コリメータレンズ１２Ｂは、青色レーザ１１Ｂから出射されたレーザ光をコリメートして（平行光として）、ダイクロイックプリズム１３２と結合するためのレンズである。すなわち、コリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｇは、３種類の光源（赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂ）からの各入射光（赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光）を、個別に平行光として出射するようになっている。このため、照明装置１では、光源の数（ここでは３つ）と同数のコリメータレンズ（ここでは、３つのコリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ）が設けられている。なお、これらのコリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂが、本発明の「第１の照明装置」および「第１の表示装置」における「平行化光学系」の一具体例に対応している。

ダイクロイックプリズム１３１は、コリメータレンズ１２Ｒにより平行光とされて入射した赤色レーザ光を選択的に透過させる一方、コリメータレンズ１２Ｇにより平行光とされて入射した緑色レーザ光を選択的に反射させるプリズムである。ダイクロイックプリズム１３２は、ダイクロイックプリズム１３１から出射した赤色レーザ光および緑色レーザ光を選択的に透過させる一方、コリメータレンズ１２Ｂにより平行光とされて入射した青色レーザ光を選択的に反射させるプリズムである。これにより、赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光に対する色合成（光路合成）がなされる。すなわち、ダイクロイックプリズム１３１，１３２全体として、コリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂから出射された各平行光に対して光路合成を行うようになっている。なお、これらのダイクロイックプリズム１３１，１３２が、本発明における「光路合成光学系」の一具体例に対応している。

光学素子１４は、後述するスペックルノイズ（干渉パターン）を低減するための素子であり、図中に示した光軸Ｚ０上を進行するレーザ光がこの光学素子１４を通過するようになっている。この光学素子１４は、ダイクロイックプリズム１３１，１３２（具体的には、ダイクロイックプリズム１３２）の出射側の光路上、すなわち、ここではダイクロイックプリズム１３２とエキスパンダーレンズ１６との間の光路上に配置されている。このような光学素子１４は、例えば、プリズムアレイ、回折素子またはレンズ等からなる。

駆動部１５は、光学素子１４を、例えば光軸Ｚ０と直交する面内の所定方向（１方向，２方向，回転方向など）、または光軸Ｚ０に沿って振動（微小振動）させるものである。この駆動部１５は、例えば、コイルおよび永久磁石（例えばネオジム（Ｎｄ）や鉄（Ｆｅ）、ホウ素（ボロン；Ｂ）等の材料からなる永久磁石）等を含んで構成されている。

エキスパンダーレンズ１６は、光学素子１４とフライアイレンズ１７との間の光路上に配置されている。このエキスパンダーレンズ１６は、ダイクロイックプリズム１３１，１３２によって光路合成がなされて光学素子１４から出射した各平行光を、それらのビーム径を拡大させて出射するレンズである。これにより、ビーム径が拡大された各平行光がフライアイレンズ１７へ入射するようになっている。なお、このエキスパンダーレンズ１６が、本発明における「拡大光学系」の一具体例に対応している。

フライアイレンズ１７は、基板上に複数のレンズが２次元配置された光学部材（インテグレータ）であり、これらのレンズの配列に応じて入射光束を空間的に分割して出射させるものである。これにより、このフライアイレンズ１７からの出射光が均一化され（面内の強度分布が均一化され）、照明光として出射される。すなわち、フライアイレンズ１７は、エキスパンダーレンズ１６から出射された各平行光（ビーム径が拡大された各平行光）の面内強度分布を均一化するようになっている。なお、このフライアイレンズ１７が、本発明における「均一化光学系」の一具体例に対応している。

（表示光学系）
前述した表示光学系は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ；Polarization Beam Splitter）２２、反射型液晶素子２１および投射レンズ２３（投射光学系）を用いて構成されている。

偏光ビームスプリッタ２２は、特定の偏光（例えばｐ偏光）を選択的に透過させると共に、他方の偏光（例えばｓ偏光）を選択的に反射させる光学部材である。これにより、照明装置１からの照明光（例えばｓ偏光）が選択的に反射されて反射型液晶素子２１へ入射すると共に、この反射型液晶変調素子２１から出射した映像光（例えばｐ偏光）が選択的に透過し、投射レンズ２３へ入射するようになっている。

反射型液晶素子２１は、照明装置１からの照明光を、図示しない表示制御部から供給される映像信号に基づいて変調しつつ反射させることにより、映像光を出射する光変調素子である。このとき、反射型液晶素子２１では、入射時と出射時とにおける各偏光（例えば、ｓ偏光またはｐ偏光）が異なるものとなるように、反射がなされる。このような反射型液晶素子２１は、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の液晶素子からなる。

投射レンズ２３は、反射型液晶素子２１により変調された照明光（映像光）をスクリーン３０に対して投射（拡大投射）するためのレンズである。

［表示装置３の作用・効果］
（１．表示動作）
この表示装置３では、まず照明装置１において、赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂからそれぞれ出射された光（レーザ光）が、コリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂによってそれぞれコリメートされ、平行光となる。次いで、このようにして平行光とされた各レーザ光（赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光）は、ダイクロイックプリズム１３１，１３２によって色合成（光路合成）がなされる。光路合成がなされた各平行光は、光学素子１４を通過したのち、エキスパンダーレンズ１６によってビーム径が拡大された平行光となり、フライアイレンズ１７へ入射する。この入射光は、フライアイレンズ１７によって均一化（面内の強度分布の均一化）がなされ、照明光として出射される。

次いで、この照明光は、偏光ビームスプリッタ２２によって選択的に反射され、反射型液晶素子２１へ入射する。反射型液晶素子２１では、この入射光が映像信号に基づいて変調されつつ反射されることにより、映像光として出射する。ここで、この反射型液晶素子２１では、入射時と出射時とにおける各偏光が異なるものとなるため、反射型液晶素子２１から出射した映像光は選択的に偏光ビームスプリッタ２２を透過し、投射レンズ２３へと入射する。そして、この入射光（映像光）は、投射レンズ２３によって、スクリーン３０に対して投射（拡大投射）される。

この際、赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂはそれぞれ、時分割的に順次発光（パルス発光）し、各レーザ光（赤色レーザ光，緑色レーザ光，青色レーザ光）を出射する。そして、反射型液晶素子２１では、各色成分（赤色成分、緑色成分、青色成分）の映像信号に基づいて、対応する色のレーザ光が時分割的に順次変調される。これにより、映像信号に基づくカラー映像表示が表示装置３においてなされる。

（２．特徴的部分の作用）
次に、本発明の特徴的部分の作用（照明装置１の作用）について、比較例と比較しつつ詳細に説明する。

（２−１．比較例）
図２は、比較例に係る表示装置（表示装置１００）の全体構成を表したものである。この比較例の表示装置１００は、本実施の形態の表示装置３と同様に、スクリーン３０に対して映像光を投射する投射型の表示装置である。表示装置１００は、照明装置１０１と、表示光学系としての光変調素子１０５、偏光ビームスプリッタ１０６および投射レンズ１０７とを備えている。また、照明装置１０１は、赤色レーザ１０１Ｒ、緑色レーザ１０１Ｇ、青色レーザ１０１Ｂ、ダイクロイックミラー１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂ、コリメータレンズ１０３およびフライアイレンズ１０４を有している。

この表示装置１００では、照明装置１０１において、赤色レーザ１０１Ｒ、緑色レーザ１０１Ｇおよび青色レーザ１０１Ｂから出射された各色のレーザ光は、ダイクロイックミラー１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂにおいて色合成（光路合成）がなされ、コリメータレンズ１０３へ入射する。この入射光は、コリメータレンズ１０３によって平行光とされたのち、フライアイレンズ１０４によって均一化（面内の強度分布の均一化）がなされ、照明光として出射される。この照明光は、偏光ビームスプリッタ１０６を介して光変調素子１０５へ入射し、映像信号に基づいて変調されつつ反射されることにより、映像光として出射する。そして、この映像光は、投射レンズ１０７によってスクリーン３０に対して投射（拡大投射）され、これにより映像信号に基づくカラー映像表示が表示装置１００においてなされる。

ここで、この照明装置１０１内には、赤色レーザ１０１Ｒ、緑色レーザ１０１Ｇおよび青色レーザ１０１Ｂから発せられた光を光路合成（色合成）して映像表示に用いるには、大規模（大型）な光学系（光路合成光学系）を構築する必要がある。具体的には、光源の数に応じた大きさ（数）の光路合成光学系（ここでは、ダイクロイックミラー１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂ）を用いる必要がある。これは、光路合成の際の光利用効率の低下（光損失）を防ぐには、光路合成光学系において、ＮＡ（開口率）が高い光を取り込む（入射させる）だけの大きさが必要となるためである。このような理由から、この比較例の照明装置１００では、光の利用効率向上を図りつつ、照明装置および表示装置の小型化（軽量化）を図るのが困難である。なお、ここでは光路合成光学系としてダイクロイックミラーを用いているが、代わりにダイクロイックプリズムを用いた場合でも同様のことが言える。

また、一般にレーザ光のようなコヒーレント光を拡散面に照射すると、通常の光では見られない斑点上の模様が観察される。このような模様は、スペックル模様と呼ばれている。このスペックル模様は、拡散面の各点で散乱された光が、面上の微視的な凹凸に応じたランダムな位相関係で干渉し合うために生じるものである。

ここで、この比較例の表示装置１００のようにレーザ光源を用いたプロジェクタでは、スクリーン上において、このようなスペックル模様（干渉パターン）が表示画像に重畳される。したがって、そのままでは人間の眼には強度のランダムノイズとして認識され、表示画質が低下してしまうことになる。

（２−２．本実施の形態）
これに対して、本実施の形態の照明装置１では、以下のようにして上記の各問題を解決している。

（コリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂおよびエキスパンダーレンズ１６の作用）
まず、この照明装置１では、光源部における３種類の光源（赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂ）からの各入射光が、コリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂによって個別に平行光とされる。そしてその後、ダイクロイックプリズム１３１，１３２において、これらの各平行光に対して光路合成がなされる。これにより、照明装置１では、光路合成の際のビーム径が小さくなる。したがって、３種類の各光源からの出射光が拡散光のまま光路合成される場合（上記比較例に対応）と比べ、高い光利用効率を保持しつつ、光路合成光学系（ここではダイクロイックプリズム１３１，１３２）のサイズが小さくて済むようになる（図１参照）。特に、後述する第２の実施の形態と比べても、拡散光ではなくて平行光であることから、ダイクロイックプリズム１３１，１３２の更なる小型化が図られる。

また、この照明装置１では、光路合成後の各平行光は、エキスパンダーレンズ１６においてそれらのビーム径が拡大された後、フライアイレンズ１７へ入射して面内強度分布の均一化がなされる。これにより、面内強度分布の均一化の際には、ビーム径が拡大されていることになる。したがって、フライアイレンズ１７内の多数のセル（レンズ）を光が通過することになり、ビーム径が小さいまま（拡大されずに）均一化がなされる場合と比べ、面内強度分布がより効果的に均一化される（均一化の度合いが向上する）。

（干渉パターンの低減作用）
更に、照明装置１では、駆動部１５が、レーザ光が通過する光学素子１４を微小振動させる。具体的には、例えば光軸Ｚ０と直交する面内の所定方向または光軸Ｚ０に沿って、光学素子１４を振動（微小振動）させる。これにより、フライアイレンズ１７の入射面上でのスペックルパターンの多重化（時間平均）によって、レーザ光に起因したスペックルノイズ（干渉パターン）の発生が低減する。これは、以下の原理に基づくものである。すなわち、一般に、人間の眼および脳は、約２０〜５０ｍｓ内の画像のちらつきは判別できない。つまり、その時間内の画像は眼の中で積分され、平均化されている。したがって、この時間内に独立のスペックルパターンを多数重量させることにより、スペックルノイズを人間の眼の中で気にならない程度に平均化させているのである。

また、このとき照明装置１では、コリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂによってビーム径が絞られてエキスパンダーレンズ１６によってビーム径が拡大される前に、光学素子１４によってスペックルパターンの多重化がなされている。換言すると、光学素子１４が、ダイクロイックプリズム１３１，１３２の出射側の光路上、具体的にはダイクロイックプリズム１３２とエキスパンダーレンズ１６との間の光路上に配置されている。これにより、光学素子１４へ入射するレーザ光のビーム径（有効径）も小さくなるため、光学素子１４として小型なものを用いることができるようになる。したがって、この点からも、照明装置１および表示装置３の小型化が図られることになる。

以上のように本実施の形態では、光源部における複数種類の光源（赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂ）からの各入射光を個別に平行光とした後に、各平行光に対して光路合成を行うようにしたので、高い光利用効率を保持しつつ、光路合成光学系（ダイクロイックプリズム１３１，１３２）のサイズを小さくすることができる。また、光路合成後の各平行光のビーム径を拡大した後に面内強度分布の均一化を行うようにしたので、面内強度分布をより効果的に均一化することができる。よって、小型化および光の利用効率向上を図りつつ、照明光の輝度むらを効果的に低減する（表示画質を向上させる）ことが可能となる。

＜変形例＞
続いて、上記第１の実施の形態の変形例（変形例１，２）について説明する。なお、第１の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

［変形例１］
図３は、変形例１に係る表示装置（表示装置３Ａ）の全体構成を表したものである。本変形例の表示装置３Ａも、上記第１の実施の形態の表示装置３と同様に、スクリーン３０に対して映像光を投射する投射型の表示装置である。この表示装置３Ａは、照明装置１Ａと、表示装置３と同様の表示光学系（偏光ビームスプリッタ２２、反射型液晶素子２１および投射レンズ２３）とを備えている。

（照明装置１Ａの構成）
照明装置１Ａは、第１の実施の形態の照明装置１において、ダイクロイックプリズム１３２と光学素子１４との間の光路上に位相差板１８を更に備えたものであり、他の構成は同様となっている。

位相差板１８は、赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂからの各出射光の偏光方向が２種類存在する場合に、これら２種類の偏光方向を変化させてそれらの偏光方向を近づけるためのものである。具体的には、ここでは特に、これら２種類の偏光方向を選択的に変化させることにより、位相差板１８の透過後にそれらの偏光方向が互いに一致するようにしている。

（照明装置１Ａの作用・効果）
この照明装置１Ａでは、例えば図４（Ａ），（Ｂ）に示したように、赤色レーザ１１Ｒ，緑色レーザ１１Ｇ，青色レーザ１１Ｂからそれぞれ出射されるレーザ光におけるファーフィールドパターン（ＦＦＰ；Far Field Pattern）の形状が、面内異方性を有する形状（ここでは楕円形）となっている。すなわち、各レーザから出射されたレーザ光は、干渉性（コヒーレンス性）において面内異方性を有している。具体的には、赤色レーザ光Ｌｒ，緑色レーザ光Ｌｇ，青色レーザ光ＬｂにおけるＦＦＰの形状が、ＸＹ平面内においてＸ方向に短軸、Ｙ方向に長軸をそれぞれ有する楕円形となっている。換言すると、これらのレーザ光において、高干渉性を示す軸方向がＸ方向、低干渉性を示す軸方向がＹ方向にそれぞれ重なるように、赤色レーザ１１Ｒ，緑色レーザ１１Ｇ，青色レーザ１１Ｂがそれぞれ配置されている。

このように、各レーザからの出射光におけるＦＦＰの長軸方向が互いに一致することとなるように、赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂがそれぞれ配置されていることにより、照明装置１Ａでは以下の利点が生ずる。すなわち、例えばＩカット形状のレンズを用いた場合などにおいて、光損失が低減される。具体的には、Ｉカット形状のレンズを用いた場合、Ｉカットされる部分では光学的有効範囲が犠牲になるものの、レーザの放射角度の長軸方向をＩカットする方向（有効径が広い方向）に合わせることにより、光損失を低減することができる。

更に、本変形例では、照明装置１Ａ内に以下詳述する位相差板１８が設けられていることにより、各レーザからの出射光の偏光方向が２種類存在する場合であっても、それらの偏光方向が互いに近づく（ここでは一致する）ようになされる。

具体的には、まず例えば図４（Ａ），（Ｂ）に示したように、赤色レーザ１１Ｒから出射される赤色レーザ光Ｌｒと、緑色レーザ１１Ｇ，青色レーザ１１Ｂからそれぞれ出射される緑色レーザ光Ｌｇ，青色レーザ光Ｌｂとでは、出射直後の偏光方向Ｐ１ｒ，Ｐ１ｇｂが互いに異なる。すなわち、ここでは図４（Ａ）に示したように、赤色レーザ光Ｌｒの偏光方向Ｐ１ｒは、ＦＦＰ形状の長軸方向（Ｙ軸方向）である。一方、図４（Ｂ）に示したように、緑色レーザ光Ｌｇおよび青色レーザ光Ｌｂの偏光方向Ｐ１ｇｂは、ＦＦＰ形状の短軸方向（Ｘ軸方向）となる。このように、Ｒ，Ｇ，Ｂ間で、レーザ光のＦＦＰ形状が一致しているのにも関わらず、それらの偏光方向が異なっている（ここでは２種類の偏光方向が存在している）場合、そのままでは以下の問題が生ずる。すなわち、例えば本変形例の表示装置３Ａのように、反射型液晶素子２１と偏光ビームスプリッタ２２との組み合わせを用いて光変調動作を行う場合、各色のレーザ光同士で偏光方向を一致させる必要があることから、そのような光変調動作に対応できなくなる。

そこで本変形例では、位相差板１８は、上記のように赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂからの各出射光の偏光方向が２種類存在する場合に、これら２種類の偏光方向を変化させ、それらの偏光方向を近づけるようにする。具体的には、ここでは特に、これら２種類の偏光方向を選択的に変化させることにより、位相差板１８の透過後にそれらの偏光方向が互いに一致するようする。すなわち、ここでは例えば図４（Ａ）に示したように、偏光方向Ｐ１ｒがＦＦＰ形状の長軸方向（Ｙ軸方向）を示す赤色レーザ光Ｌｒに対しては、位相差板１８はその偏光方向を９０°回転させる１／２波長板として作用する。これにより、この位相差板１８を通過した後の赤色レーザ光Ｌｒは、偏光方向Ｐ２ｒがＦＦＰ形状の短軸方向（Ｘ軸方向）を示すようになる。一方、例えば図４（Ｂ）に示したように、偏光方向Ｐ２ｒが元々ＦＦＰ形状の短軸方向（Ｘ軸方向）を示している緑色レーザ光Ｌｇおよび青色レーザ光Ｌｂに対しては、位相差板１８は何も作用しない（その偏光方向を変化させない）。これにより、この位相差板１８を通過した後の緑色レーザ光Ｌｇおよび青色レーザ光Ｌｂは、そのまま、偏光方向Ｐ２ｇｂがＦＦＰ形状の短軸方向（Ｘ軸方向）を示す。

このようにして、位相差板１８を通過した後の赤色レーザ光Ｌｒ、緑色レーザ光Ｌｇおよび青色レーザ光Ｌｂはそれぞれ、それらの偏光方向Ｐ２ｒ，Ｐ２ｇｂが互いに一致（Ｘ軸方向）するようになる。したがって、本変形例では、上記したように反射型液晶素子２１と偏光ビームスプリッタ２２との組み合わせを用いて光変調動作を行う場合にも対応できるようになる。

［変形例２］
図５は、変形例２に係る表示装置（表示装置３Ｂ）の全体構成を表したものである。本変形例の表示装置３Ｂもまた、上記第１の実施の形態の表示装置３と同様に、スクリーン３０に対して映像光を投射する投射型の表示装置である。この表示装置３Ｂは、照明装置１Ｂと、表示装置３と同様の表示光学系（偏光ビームスプリッタ２２、反射型液晶素子２１および投射レンズ２３）と、以下説明するフロントモニタ２４（光検出部）とを備えている。

フロントモニタ２４は、偏光ビームスプリッタ２２の後方（光軸Ｚ０上における照明装置１Ｂとは反対側）に配置されている。このフロントモニタ２４は、照明装置１Ｂからの照明光（フライアイレンズ１７からの出射光）を検出する光検出部であり、照明光における各色光（赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光）の光量比をモニタするようになっている。また、特に本変形例では、フロントモニタ２４は、この照明装置１Ｂからの照明光のうちの一部である不要光を検出している。具体的には、偏光ビームスプリッタ２２へ入射する照明光のうち、反射型液晶素子２１側へ反射しないほうの偏光（偏光ビームスプリッタ２２を透過するほうの偏光）を、表示には用いられない不要光として光検出を行うようになっている。これにより、照射光（映像光）における不必要な輝度低下を回避しつつ、以下説明する光量比制御のための光検出を行うことが可能となる。

照明装置１Ｂは、第１の実施の形態の照明装置１において、制御部１９を更に備えたものであり、他の構成は同様となっている。この制御部１９は、フロントモニタ２４による検出結果（照明光における各色光の光量比の検出結果）に基づいて、複数種類の光源（赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂ）間における出射光の光量比を制御するものである。具体的には、各光源から出射される赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光の光量比が所望の値（一定値）となるように制御するようになっている。なお、このような制御部１９は、例えばマイクロコンピュータなどからなる。

このようにして本変形例の表示装置１Ｂでは、フロントモニタ２４において、照明装置１Ｂからの照明光を検出すると共に、制御部１９において、このフロントモニタ２４による検出結果に基づいて複数種類の光源間における出射光の光量比を制御するようにしたので、照明光の色度点を一定に保つことができ、表示画質をより向上させることが可能となる。

なお、本変形例では、制御部１９を照明装置１Ｂの内部に設けているが、この制御部１９を照明装置１Ｂの外部に設けるようにしてもよい。また、同様に本変形例では、フロントモニタ２４を照明装置１Ｂの外部に設けているが、このフロントモニタ２４を照明装置１Ｂの内部に設けるようにしてもよい。

＜第２の実施の形態＞
続いて、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、上記第１の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

［表示装置３Ｃの全体構成］
図６は、本実施の形態に係る表示装置（表示装置３Ｃ）の全体構成を表したものである。この表示装置３Ｃもまた、上記第１の実施の形態の表示装置３と同様に、スクリーン３０に対して映像光を投射する投射型の表示装置である。表示装置３Ｃは、照明装置１Ｃと、表示装置３と同様の表示光学系（偏光ビームスプリッタ２２、反射型液晶素子２１および投射レンズ２３）とを備えている。

（照明装置１Ｃ）
照明装置１Ｃは、赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇ、青色レーザ１１Ｂ、結合レンズ１２ＣＲ，１２ＣＧ，１２ＣＢ、ダイクロイックプリズム１３１，１３２、光学素子１４、駆動部１５、コリメータレンズ１６Ｃおよびフライアイレンズ１７を備えている。すなわち、この照明装置１Ｃは、第１の実施の形態の照明装置１において、コリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂの代わりに結合レンズ１２ＣＲ，１２ＣＧ，１２ＣＢをそれぞれ設けると共に、エキスパンダーレンズ１６の代わりにコリメータレンズ１６Ｃを設けるようにしたものである。

結合レンズ１２ＣＲ，１２ＣＧは、赤色レーザ１１Ｒから出射された赤色レーザ光および緑色レーザ１１Ｇから出射された緑色レーザ光をそれぞれ、それらのビーム径を縮小させつつ個別に拡散光として出射させ、ダイクロイックプリズム１３１と結合するためのレンズである。同様に、結合レンズ１２ＣＢは、青色レーザ１１Ｂから出射されたレーザ光をそのビーム径を縮小させつつ拡散光として出射させ、ダイクロイックプリズム１３２と結合するためのレンズである。すなわち、結合レンズ１２ＣＲ，１２ＣＧ，１２ＣＢは、３種類の光源（赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂ）からの各入射光（赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光）を、それらのビーム径を縮小させつつ個別に拡散光として出射するようになっている。このため、照明装置１Ｃでは、光源の数（ここでは３つ）と同数の結合レンズ（ここでは、３つの結合レンズ１２ＣＲ，１２ＣＧ，１２ＣＢ）が設けられている。なお、これらの結合レンズ１２ＣＲ，１２ＣＧ，１２ＣＢが、本発明における「結合光学系」の一具体例に対応している。

ダイクロイックプリズム１３１，１３２は、基本的には第１の実施の形態で説明したものと同様であるが、本実施の形態では、図６中に示したように、結合レンズ１２ＣＲ，１２ＣＧ，１２ＣＢから出射された各拡散光に対して光路合成を行うようになっている。

コリメータレンズ１６Ｃは、光学素子１４とフライアイレンズ１７との間の光路上に配置されており、光学素子１４から出射した光をコリメートして平行光とするためのレンズである。すなわち、このコリメータレンズ１６Ｃは、ダイクロイックプリズム１３１，１３２において光路合成後の各拡散光を平行光として出射するものである。これにより、拡散光であったことに起因してビーム径が大きくなった各平行光が、フライアイレンズ１７へ入射するようになっている。なお、このコリメータレンズ１６Ｃが、本発明の「第２の照明装置」および「第２の表示装置」における「平行化光学系」の一具体例に対応している。

フライアイレンズ１７は、基本的には第１の実施の形態で説明したものと同様であるが、本実施の形態では、コリメータレンズ１６Ｃから出射された各平行光の面内強度分布を均一化するようになっている。

［表示装置３Ｃの作用・効果］
本実施の形態の表示装置３Ｃでは、照明装置１Ｃにおいて、光源部における３種類の光源（赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂ）からの各入射光が、結合レンズ１２ＣＲ，１２ＣＧ，１２ＣＢによって、それらのビーム径が縮小されつつ個別に拡散光とされる。そしてその後、ダイクロイックプリズム１３１，１３２において、これらの各拡散光に対して光路合成がなされる。これにより、照明装置１Ｃでは、第１の実施の形態の照明装置１と同様に、上記比較例と比べて光路合成の際のビーム径が小さくなる。したがって、３種類の各光源からの出射光が上記のような結合レンズ１２ＣＲ，１２ＣＧ，１２ＣＢを介さずに光路合成される場合（上記比較例に対応）と比べ、高い光利用効率を保持しつつ、光路合成光学系（ダイクロイックプリズム１３１，１３２）のサイズが小さくて済むようになる（図６参照）。

また、この照明装置１Ｃでは、光路合成後の各拡散光は、コリメータレンズ１６Ｃにおいて平行光とされた後、フライアイレンズ１７へ入射して面内強度分布の均一化がなされる。これにより、面内強度分布の均一化の際には、ビーム径が更に大きくなった後に平行光となっていることになる。したがって、フライアイレンズ１７内の多数のセル（レンズ）を光が通過することになり、ビーム径が小さいまま（拡散光として進行せずに）均一化がなされる場合と比べ、面内強度分布がより効果的に均一化される（均一化の度合いが向上する）。

更に、この照明装置１Ｃにおいても照明装置１と同様に、駆動部１５は、レーザ光が通過する光学素子１４を微小振動させる。これにより、第１の実施の形態と同様の原理により、レーザ光に起因したスペックルノイズ（干渉パターン）の発生が低減する。また、特に本実施の形態では、図６中に示したように、光学素子１４を通過する各レーザ光は拡散光であることから、この光学素子１４が振動した際に、レーザ光の入射位置だけでなく、入射角度も変動することになる。すなわち、光学素子１４の振動時に発生するビームシフトにおいて、位置成分だけでなく角度成分も加わる。したがって、本実施の形態では、第１の実施の形態と比べて、この入射角度の変動（ビームシフトにおける角度成分）の分だけ、スペックルノイズ（干渉パターン）の発生をより低減することが可能となる。

以上のように本実施の形態では、光源部における複数種類の光源（赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂ）からの各入射光を、それらのビーム径を縮小させつつ個別に拡散光とした後に、各拡散光に対して光路合成を行うようにしたので、高い光利用効率を保持しつつ、光路合成光学系（ダイクロイックプリズム１３１，１３２）のサイズを小さくすることができる。また、光路合成後の各拡散光を平行光とした後に面内強度分布の均一化を行うようにしたので、面内強度分布をより効果的に均一化することができる。よって、小型化および光の利用効率向上を図りつつ、照明光の輝度むらを効果的に低減する（表示画質を向上させる）ことが可能となる。

なお、本実施の形態の照明装置１Ｃおよび表示装置３Ｃにおいても、上記変形例１，２において説明した構成を適用するようにしてもよい。

＜その他の変形例＞
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態等では、本発明における「均一化光学系」の一例としてフライアイレンズを挙げて説明したが、フライアイレンズ以外の他の光学部材（例えば、ロッドインテグレータなど）を用いてもよい。

また、上記実施の形態等では、複数種類（赤色用，緑色用，青色用）の光源がいずれもレーザ光源を含んで構成されている場合について説明したが、この場合には限られず、複数種類の光源のうちの少なくとも１つが、レーザ光源を含んで構成されていればよい。すなわち、光源部内に、レーザ光源と他の光源（例えばＬＥＤ等）とを組み合わせて設けるようにしてもよい。

更に、上記実施の形態等では、光変調素子が反射型の液晶素子である場合を例に挙げて説明したが、この場合には限られず、例えば透過型の液晶素子であってもよく、更には、液晶素子以外の光変調素子であってもよい。

加えて、上記実施の形態等では、異なる波長の光を発する３種類の光源を用いた場合について説明したが、例えば３種類の光源ではなく、例えば２種類や４種類以上の光源を用いるようにしてもよい。

また、上記実施の形態等では、照明装置および表示装置の各構成要素（光学系）を具体的に挙げて説明したが、全ての構成要素を備える必要はなく、また、他の構成要素を更に備えていてもよい。具体的には、例えば本発明における「光路合成光学系」として、上記実施の形態等で説明したダイクロイックプリズム１３１，１３２の代わりに、ダイクロイックミラーを設けるようにしてもよい。また、場合によっては、照明装置内に光学素子１４を設けないようにしてもよい。

更に、上記実施の形態等では、光変調素子により変調された光をスクリーンに投射する投射光学系（投影レンズ）を備え、投射型の表示装置として構成されている場合について説明したが、本発明は、直視型の表示装置などにも適用することが可能である。

加えて、上記実施の形態等では、本発明の照明装置の用途として、投射型等の表示装置を例に挙げて説明したが、これには限られず、例えばステッパ等の露光装置にも適用することが可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…照明装置、１１Ｒ…赤色レーザ、１１Ｇ…緑色レーザ、１１Ｂ…青色レーザ、１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ…コリメータレンズ、１２ＣＲ，１２ＣＧ，１２ＣＢ…結合レンズ、１３１，１３２…ダイクロイックプリズム、１４…光学素子、１５…駆動部、１６…エキスパンダーレンズ、１６Ｃ…コリメータレンズ、１７…フライアイレンズ、１８…位相差板、１９…制御部、２１…反射型液晶素子、２２…偏光ビームスプリッタ、２３…投射レンズ、２４…フロントモニタ、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…表示装置、３０…スクリーン、Ｚ０…光軸、Ｌｒ…赤色レーザ光、Ｌｇ…緑色レーザ光、Ｌｂ…青色レーザ光、Ｐ１ｒ，Ｐ２ｒ，Ｐ１ｇｂ，Ｐ２ｇｂ…偏光方向。

Claims (12)

1. 異なる波長の光を発する複数種類の光源を有する光源部と、
   前記複数種類の光源からの各入射光を、それらのビーム径を縮小させつつ個別に拡散光として出射する結合光学系と、
   前記結合光学系から出射された各拡散光に対して光路合成を行う光路合成光学系と、
   前記光路合成後の各拡散光を平行光として出射する平行化光学系と、
   前記平行化光学系から出射された各平行光の面内強度分布を均一化する均一化光学系と
   を備えた照明装置。
2. 前記複数種類の光源のうちの少なくとも１つが、レーザ光源を含んで構成されており、
   レーザ光が通過する光学素子と、
   前記光学素子を振動させる駆動部と
   を更に備えた
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光学素子が、前記光路合成光学系の出射側の光路上に配置されている
   請求項２に記載の照明装置。
4. 前記光学素子が、前記光路合成光学系と前記平行化光学系との間の光路上に配置されており、前記光学素子を通過するレーザ光が拡散光となっている
   請求項３に記載の照明装置。
5. 前記光学素子が振動することにより、前記均一化光学系に対するレーザ光の入射位置および入射角度の双方が変動する
   請求項４に記載の照明装置。
6. 前記光路合成光学系は、ダイクロイックプリズムまたはダイクロイックミラーを有する
   請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記均一化光学系は、フライアイレンズを有する
   請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の照明装置。
8. 前記光源部は、赤色光、緑色光または青色光を発する３種類の光源を有する
   請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の照明装置。
9. 前記３種類の光源のうちの少なくとも１つが、レーザ光源を含んで構成されている
   請求項８に記載の照明装置。
10. 照明装置と、
    前記照明装置からの照明光を映像信号に基づいて変調する光変調素子と
    を備え、
    前記照明装置は、
    異なる波長の光を発する複数種類の光源を有する光源部と、
    前記複数種類の光源からの各入射光を、それらのビーム径を縮小させつつ個別に拡散光として出射する結合光学系と、
    前記結合光学系から出射された各拡散光に対して光路合成を行う光路合成光学系と、
    前記光路合成後の各拡散光を平行光として出射する平行化光学系と、
    前記平行化光学系から出射された各平行光の面内強度分布を均一化する均一化光学系と
    を有する表示装置。
11. 前記光変調素子により変調された照明光を被投射面に対して投射する投射光学系を更に備えた
    請求項１０に記載の表示装置。
12. 前記光変調素子が液晶素子である
    請求項１０または請求項１１に記載の表示装置。

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