JP2015049461A - 照明装置及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図りつつ、複数の光線束を圧縮することが可能な照明装置及びプロジェクターを提供する。【解決手段】二次元的に配列された複数の固体光源と、複数のコリメータレンズからなり、複数の固体光源からの光線束が入射するコリメート光学系と、コリメート光学系からの光線束を第１の方向に圧縮する第１の光線束圧縮手段と、第１の光線束圧縮手段からの光線束を第２の方向に圧縮する第２の光線束圧縮手段と、を備え、第１の光線束圧縮手段と第２の光線束圧縮手段のうち、一方は複数の反射面が階段状に配列された反射素子であり、他方は反射素子と偏光分離素子とを備えた光学素子である照明装置に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置及びプロジェクターに関するものである。

プロジェクターは、光源部から射出される光を、光変調装置で画像情報に応じて変調し、得られた画像を投写レンズによって拡大投写するものである。近年、このようなプロジェクターに用いられる照明装置の光源として、高輝度且つ高出力な光が得られる半導体レーザー（ＬＤ）などのレーザー光源が注目されている。

このようなレーザー光源から構成された照明装置を備えたプロジェクターとして、複数のミラーが段差状に配置された段差ミラーユニットを２つ用いることでレーザー光の光線束を２方向に圧縮する技術が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１１−１３３１７号公報

しかしながら、上記照明装置においては、上述のように段差ミラーユニットを２つ用いるため、スペース効率が悪く、大型化してしまうといった問題があった。その結果、上記照明装置を備えるプロジェクター自体も十分な小型化が図ることができないといった問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、小型化を図りつつ、複数の光線束を圧縮することが可能な照明装置及びプロジェクターを提供することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、二次元的に配列された複数の固体光源と、複数のコリメータレンズからなり、前記複数の固体光源からの光線束が入射するコリメート光学系と、前記コリメート光学系からの光線束を第１の方向に圧縮する第１の光線束圧縮手段と、前記第１の光線束圧縮手段からの光線束を第２の方向に圧縮する第２の光線束圧縮手段と、を備え、前記第１の光線束圧縮手段と前記第２の光線束圧縮手段のうち、一方は複数の反射面が階段状に配列された反射素子であり、他方は反射素子と偏光分離素子とを備えた光学素子である照明装置が提供される。

第１態様に係る照明装置の構成によれば、反射素子及び光学素子によって光線束を２段階で圧縮することが可能である。光学素子は反射素子よりもスペース効率が高い。よって、２組の反射素子を用いて光線束を２段階で圧縮する場合に比べて、装置構成を小型化できる。

上記第１態様において、前記第２の光線束圧縮手段が前記光学素子である構成としてもよい。
第２の光線束圧縮手段は、第１の光線束圧縮手段により圧縮した後の光線束を圧縮する。すなわち、第２の光線束圧縮手段に入射する光線束の方が第１の光線束圧縮手段に入射する光線束よりもよりも細い。よって、この構成によれば、照明装置の製造コストに大きく影響する光学素子が小型化されることとなり、結果的に低コスト化を実現できる。

上記第１態様において、前記光学素子から射出された光の光路中に設けられ、前記光の偏光方向を所定方向に変換する偏光方向変換素子をさらに備える構成としてもよい。
この構成によれば、照明装置から射出される光の偏光方向を所定方向に揃えることができる。よって、例えばプロジェクターの液晶ライトバルブを構成する液晶装置等のように入射光の偏光方向が限られるものに対しても、光を良好に入射させることができる。

上記第１態様において、前記光学素子は、前記偏光分離素子に光を導く第１の光入射領域と、前記反射素子に光を導く第２の光入射領域と、を備え、前記第１の光入射領域へ入射する光の偏光方向は、前記第２の光入射領域へ入射する光の偏光方向と交差している構成としてもよい。
この構成によれば、各光入射領域に入射した光を偏光方向の違いを利用して光学素子内で透過或いは反射させることで光線束を良好に圧縮できる。

上記第１態様において、前記複数の固体光源の各々から射出される光の偏光方向は互いに同じであり、前記第１の光入射領域及び前記第２の光入射領域のうちの一方に位相差板が設けられている構成としてもよい。
この構成によれば、各固体光源から射出される光の偏光方向が同じであった場合でも、各光入射領域を通過する光の偏光方向を交差させることができる。

上記第１態様において、前記複数の固体光源は、前記第１の光入射領域へ入射する光を射出する第１の固体光源と、前記第２の光入射領域へ入射する光を射出する第２の固体光源と、を含み、前記第１の固体光源から射出される光の偏光方向は、前記第２の固体光源から射出される光の偏光方向と交差している構成としてもよい。
この構成によれば、簡便且つ確実に各光入射領域に入射した光の偏光方向を交差させることができる。

本発明の第２態様に従えば、照明光を照射する照明装置と、前記照明光を画像情報に応じて変調した画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備え、前記照明装置として、上記第１態様に係る照明装置を用いるプロジェクターが提供される。

第２態様に係るプロジェクターの構成によれば、上述の照明装置を備えるので、本プロジェクター自体も更なる小型化が可能である。

本実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す平面図である。 本実施形態に係る照明装置の概略構成を示す平面図である。 本実施形態に係る照明装置の要部構成を示す上面から視た図である。 図３の詳細構成を示す図である。 本実施形態に係る照明装置の要部構成を示す側面から視た図である。 本実施形態に係る光線束圧縮手段の作用を説明するための図である。 変形例に係る照明装置の要部構成を示す図である。 変形例に係る照明装置の要部構成を示す図である。 変形例に係る照明装置の要部構成を示す図である。

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、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（プロジェクター）
先ず、図１に示すプロジェクター１００の一例について説明する。
なお、図１は、このプロジェクター１００の概略構成を示す平面図である。

本実施形態に係るプロジェクターは、スクリーン（被投射面）上にカラー映像（画像）を表示する投射型画像表示装置である。また、このプロジェクター１００が備える照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザー（ＬＤ）などのレーザー光源を用いている。

具体的に、プロジェクター１００は、照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂと、光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂと、合成光学系１０３と、投射光学系１０４と、を備える。

照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂは、それぞれが赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色に対応したレーザー光（照明光）を射出する。

照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂは、後述のように光源として赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色に対応した半導体レーザーを用いる以外は、基本的に同じ構成を有している。そして、各照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂは、照明光を各光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂに向かって照射する。

光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂは、各照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂからのレーザー光を画像信号に応じてそれぞれ変調し、各色に対応した画像光を形成する。
光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂは、液晶ライトバルブ（液晶パネル）からなり、各々は、各色に対応した照明光を画像情報に応じて変調した画像光を形成する。なお、各光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂの入射側及び射出側には、偏光板（不図示）が配置されており、特定の方向の直線偏光（例えば、Ｓ偏光）の光のみを通過させるようになっている。

合成光学系１０３は、各光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂからの画像光を合成する。
合成光学系１０３は、クロスダイクロイックプリズムからなり、各光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂからの画像光が入射する。合成光学系１０３は、各色に対応した画像光を合成し、この合成された画像光を投射光学系１０４に向かって射出する。

投射光学系１０４は、投射レンズ群からなり、合成光学系１０３により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向かって拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像（画像）が表示される。

（照明装置）
続いて、照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂの具体的な構成について説明する。
なお、照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂは、上述したように、光源として赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色に対応した半導体レーザーを用いる以外は、基本的に同じ構成である。したがって、以下の説明では、照明装置１０１Ｒを例に挙げて、その構成について説明し、照明装置１０１Ｇ，１０Ｂの詳細な説明については省略するものとする。

図２は、照明装置１０１Ｒの概略構成を示す平面図であり、図３は、照明装置の要部構成を示す上面から視た図であり、図４は図３の詳細構成を示す図であり、図５は、照明装置の要部構成を示す側面から視た図である。また、図６は、光線束圧縮手段の作用を説明するための図である。

照明装置１０１Ｒは、図２に示すように、アレイ光源２と、コリメータ光学系３と、光線束圧縮手段４と、偏光方向変換素子５と、回折光学素子６と、重畳光学系７と、を備えている。

アレイ光源２は、複数の半導体レーザー（固体光源）２ａが二次元的に配列されたものである。アレイ光源２は、光軸と直交する面内に複数の半導体レーザー２ａがアレイ状に並ぶことによって構成されている。また、各半導体レーザー２ａから射出される光は、コヒーレントな直線偏光の光であり、互いに平行に射出される。

各半導体レーザー２ａは、所定の偏光方向を有する赤色のレーザー光Ｌ１を射出する。各レーザー光Ｌ１は、後述する反射素子６１，６２に対するＳ偏光（第１の直線偏光）である。本明細書では、Ｓ偏光であるレーザー光Ｌ１をＬＳと称することがある。レーザー光Ｌ１（以下、光Ｌ１と称す場合もある）は、その光軸と直交する平面内で見た断面形状が楕円（図５、６参照）である。

各半導体レーザー２ａは、コリメータ光学系３の光入射面に対してＳ偏光ＬＳの赤色光を射出させる。なお、照明装置１０１Ｇにおいて各半導体レーザー２ａは、コリメータ光学系３の光入射面に対してＳ偏光の緑色光を射出させ、照明装置１０１Ｂにおいて各半導体レーザー２ａは、コリメータ光学系３の光入射面に対してＳ偏光の青色光を射出させる。このように本実施形態は、複数の半導体レーザー２ａの各々から射出される光の偏光方向が互いに同じとされている。

本説明では、アレイ光源２が上下左右方向に３行３列、すなわち、９個の半導体レーザー２ａが配置された場合を例に挙げて説明するが、半導体レーザー２ａの数はこれに限定されない。アレイ光源２から射出された複数のレーザー光Ｌ１の束を光線束ＬＬと呼ぶ。

コリメータ光学系３は、各半導体レーザー２ａに対応してアレイ状に並んで配置された複数のコリメータレンズ３ａからなる。各半導体レーザー２ａから射出されたレーザー光Ｌ１の光線束は、各コリメータレンズ３ａに入射することにより平行光に変換された後、光線束圧縮手段４に入射される。

本実施形態において、光線束圧縮手段４は、図２に示したように、反射素子（第１の光線束圧縮手段）４ａと、光学素子（第２の光線束圧縮手段）４ｂと、を含む。

反射素子４ａは、複数のミラー（反射素子）４０から構成される。各ミラー４０は、少なくとも一方面側がレーザー光Ｌ１を反射する反射面４０ａを構成する。各ミラー４０は、互いの反射面４０ａが平行であり、且つ、階段状に配置されている。各ミラー４０は、各半導体レーザー２ａから射出されたレーザー光Ｌ１を反射することで、光の進行方向を例えば９０度だけ変化させる。

各ミラー４０は、反射後の複数のレーザー光Ｌ１同士の第１の方向の間隔が狭まるように各半導体レーザー２ａに対する光学的な距離が設定される。本実施形態において、各ミラー４０は、不図示の筐体により階段状に配置されるように保持される。

本実施形態において、アレイ光源２は、図６（ａ）に示すように９個の光Ｌ１を射出する。反射素子４ａは、コリメータ光学系から射出された光線束ＬＬを、図６（ｂ）に示すように上下方向に交差する左右方向（第１の方向）に圧縮する。つまり反射素子４ａは、照明装置１０１Ｂの各半導体レーザー２ａから射出されたＳ偏光の赤色光の偏光方向を変化させることなく、複数のレーザー光Ｌ１同士の第１の方向の間隔を圧縮する。

光学素子４ｂは、反射素子４ａから入射する光線束ＬＬを上下方向（第２の方向）に圧縮して偏光方向変換素子５に射出する。言い換えれば、光学素子４ｂは、反射素子４ａから入射する複数のレーザー光Ｌ１同士の第２の方向の間隔を狭める。
光学素子４ｂは、図５に示すように、第１光入射面（第１の光入射領域）ＳＡ１と、第２光入射面（第２の光入射領域）ＳＡ２と、第３光入射面（第１の光入射領域）ＳＡ３と、光射出面ＳＢと、第１反射膜（反射素子）６１と、第２反射膜（反射素子）６２と、第１偏光分離膜（偏光分離素子）６３と、第２偏光分離膜（偏光分離素子）６４と、位相差板６５と、備えている。

ここで、図５において、反射素子４ａから射出された複数（下段、中段、及び上段の３段からなる）の光Ｌ１のうち第１光入射面ＳＡ１に入射する下段の光Ｌ１を下段入射光Ｌ１ａとする。また、反射素子４ａから射出された複数の光Ｌ１（３段）のうち第２光入射面ＳＡ２に入射する中段の光Ｌ１を中段入射光Ｌ１ｂとする。また、反射素子４ａから射出された複数の光線束（３段）のうち第３光入射面ＳＡ３に入射する上段の光Ｌ１を上段入射光Ｌ１ｃとする。

第１光入射面ＳＡ１、第２光入射面ＳＡ２、及び第３光入射面ＳＡ３は、各光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃの光軸方向から視た場合に上下方向における下方から上方に向かって順に配置されている。

また、第１反射膜６１及び第２反射膜６２は、光学素子４ｂの中心を基準として上下方向に対称に配置されている。また、第１偏光分離膜６３及び第２偏光分離膜６４は、光学素子４ｂの中心を基準として上下方向に対称に配置されている。

光射出面ＳＢは、中段入射光Ｌ１ｂの光軸と平行な方向から視て第２光入射面ＳＡ２と重なる位置に配置されている。

第１反射膜６１は、その表面が、第１光入射面ＳＡ１に対して約４５°の角度をなすように、第１光入射面ＳＡ１と対峙して配置されている。第１反射膜６１は、第１光入射面ＳＡ１を透過した下段入射光Ｌ１ａを第１偏光分離膜６３に向けて反射する。

第２反射膜６２は、その表面が、第３光入射面ＳＡ３に対して約４５°の角度をなすように、第３光入射面ＳＡ３と対峙して配置されている。第２反射膜６２は、第３光入射面ＳＡ３を透過した上段入射光Ｌ１ｃを第２偏光分離膜６４に向けて反射する。

位相差板６５はλ／２板から構成され、且つ、第２光入射面ＳＡ２に配置される。位相差板６５は、反射素子４ａから射出されたＳ偏光ＬＳ（図３乃至５中に示す実線の矢印）を反射素子６１，６２に対するＰ偏光ＬＰ（図３乃至５中に示す破線の矢印）に変換して第２光入射面ＳＡ２に入射させる。
位相差板６５が配置されない第１光入射面ＳＡ１及び第３光入射面ＳＡ３においては、反射素子４ａから射出された光は偏光方向が変換されず、Ｓ偏光ＬＳのままとなる。

なお、位相差板６５の配置位置は第２光入射面ＳＡ２に限らない。例えば、位相差板６５は、中段入射光Ｌ１ｂにおける、反射素子４ａと第１偏光分離膜６３及び第２偏光分離膜６４との間の光路上に配置されていればよい。

第１偏光分離膜６３は、その表面が、第２光入射面ＳＡ２に対して約４５°の角度をなすように、第２光入射面ＳＡ２と対峙して配置されている。また、第１偏光分離膜６３は、その表面が、第１反射膜６１と平行になるように配置されている。第１偏光分離膜６３は、Ｓ偏光ＬＳを反射させるとともにＰ偏光ＬＰを透過させることが可能であり、偏光状態に基づいて光を分離する機能を有する。

第２偏光分離膜６４は、その表面が、第３光入射面ＳＡ３に対して約４５°の角度をなすように、第３光入射面ＳＡ３と対峙して配置されている。また、第２偏光分離膜６４は、その表面が、第２反射膜６２と平行になるように配置されている。第２偏光分離膜６４は、第１偏光分離膜６３と同様、Ｓ偏光ＬＳを反射させるとともにＰ偏光ＬＰを透過させることが可能であり、偏光状態に基づいて光を分離する機能を有する。

第１偏光分離膜６３及び第２偏光分離膜６４は、位相差板６５から射出された中段入射光Ｌ１ｂ（Ｐ偏光ＬＰ）を透過させて光射出面ＳＢに向かわせる。また、第１偏光分離膜６３は、第１反射膜６１により反射された下段入射光Ｌ１ａ（Ｓ偏光ＬＳ）を光射出面ＳＢに向けて反射させ、第２偏光分離膜６４は、第２反射膜６２により反射された上段入射光Ｌ１ｃ（Ｓ偏光ＬＳ）を光射出面ＳＢに向けて反射させる。

図６（ｃ）に示すように、Ｓ偏光ＬＳである下段入射光Ｌ１ａ及び上段入射光Ｌ１ｃは、上記光学素子４ｂを透過することで、上下方向にシフトされ、上下方向中段に位置するＰ偏光ＬＰである中段入射光Ｌ１ｂに一部が重なり合った状態となる。

このように、本実施形態において、反射素子４ａによって反射された下段入射光Ｌ１ａ、中段入射光Ｌ１ｂ、及び上段入射光Ｌ１ｃからなる光線束ＬＬは、光学素子４ｂにより入射前（図６（ｂ）参照）よりも上下方向に圧縮される。これにより、上下方向に並んだ上段入射光Ｌ１ｃ、中段入射光Ｌ１ｂおよび下段入射光Ｌ１ａは一体化し、上下方向に細い長い光線束ＬＡに変換されて（図６（ｃ）参照）偏光方向変換素子５に射出される。

このように本実施形態においては、複数の半導体レーザー２ａの各々から射出される光Ｌ１の偏光方向は互いに同じであるものの、第２光入射面ＳＡ２に位相差板６５を設けることによって、第１光入射面ＳＡ１及び第３光入射面ＳＡ３に入射する光の偏光方向（Ｓ偏光ＬＳ）と、第２光入射面ＳＡ２に入射する光の偏光方向（Ｐ偏光ＬＰ）とを交差（直交）した状態としている。これにより、上述のように偏光方向の違いを利用して光学素子４ｂ内で透過或いは反射させることで光線束を所定方向に良好に圧縮することができる。

本実施形態において、光線束圧縮手段４は、上述のようにコリメータ光学系３からの光を反射素子４ａに最初に入射させる。すなわち、反射素子４ａを光線束ＬＬの１段目の圧縮に使用し、光学素子４ｂを光線束ＬＬの２段目の圧縮に使用している。
このような構成に基づき、本実施形態では、反射素子４ａによる圧縮後の光線束ＬＬを光学素子４ｂに入射させることができるので、光学素子４ｂを小型化することでコスト低減を図っている。

光学素子４ｂから射出された光線束ＬＡは、図６（ｃ）に示すようにＳ偏光ＬＳとＰ偏光ＬＰとが混在したものとなる。本実施形態において、照明装置１０１Ｒは、光を光変調装置１０２Ｒに入射させる必要がある。
そのため、光の偏光方向を、例えばＳ偏光ＬＳに変換して揃えるべく、光学素子４ｂから射出された光の光路中に偏光方向変換素子５を配置している。

偏光方向変換素子５は、図４に示すように、第１光入射面ＳＣ１と、第２光入射面ＳＣ２と、第３光入射面ＳＣ３と、第１光射出面ＳＤ１と、第２光射出面ＳＤ２と、第１反射膜７１と、第２反射膜７２と、第３反射膜７３と、第１偏光分離膜７４と、第２偏光分離膜７５と、第３偏光分離膜７６と、位相差板７７と、備えている。

ここで、図４において、光学素子４ｂから射出された複数（第１列、第２列、及び第３列からなる）の光線束ＬＡのうち第１光入射面ＳＣ１に入射する光線束ＬＡを第１列光線束ＬＡ１とする。

また、光学素子４ｂから射出された複数の光線束ＬＡのうち第２光入射面ＳＣ２に入射する光線束ＬＡを第２列光線束ＬＡ２とする。また、光学素子４ｂから射出された複数の光線束ＬＡのうち第３光入射面ＳＣ３に入射する光線束ＬＡを第３列光線束ＬＡ３とする。

第１光入射面ＳＣ１、第２光入射面ＳＣ２、及び第３光入射面ＳＣ３は、左右方向においてアレイ光源２側から順に配置されている。第１光射出面ＳＤ１は、第１光入射面ＳＣ１、第２光入射面ＳＣ２、及び第３光入射面ＳＣ３に入射する各光線束ＬＡ１、ＬＡ２、ＬＡ３の光軸と平行な方向から視て第１光入射面ＳＣ１、第２光入射面ＳＣ２、及び第３光入射面ＳＣ３と重なる位置に配置されている。

第１光射出面ＳＤ１は矩形状を呈しており、偏光方向変換素子５の光出射面側にストライプ状に位置する。第２光射出面ＳＤ２は、偏光方向変換素子５の光出射面側における上記第１光射出面ＳＤ１と異なる位置に設定されている。すなわち、第１光射出面ＳＤ１及び第２光射出面ＳＤ２は、偏光方向変換素子５の光出射面側に交互に配置されている。

第１偏光分離膜７４は、その表面が、第１光入射面ＳＣ１に対して約４５°の角度をなすように、第１光入射面ＳＣ１と対峙して配置されている。第１偏光分離膜７４は、第１光入射面ＳＣ１を透過した第１列光線束ＬＡ１のうちＰ偏光ＬＰの成分のみを透過させて第１光射出面ＳＤ１に向かわせるとともに、Ｓ偏光ＬＳの成分を第１反射膜７１に向けて反射する。

このように第１偏光分離膜７４は、Ｓ偏光ＬＳを反射させるとともにＰ偏光ＬＰを透過させるといったように、光を偏光状態に応じて分離可能な機能を有する。

第２偏光分離膜７５は、その表面が、第２光入射面ＳＣ２に対して約４５°の角度をなすように、第２光入射面ＳＣ２と対峙して配置されている。第２偏光分離膜７５は、第２光入射面ＳＣ２を透過した第２列光線束ＬＡ２のうちＰ偏光ＬＰの成分のみを透過させて第１光射出面ＳＤ１に向かわせるとともに、Ｓ偏光ＬＳの成分を第２反射膜７２に向けて反射する。

このように第２偏光分離膜７５は、Ｓ偏光ＬＳを反射させるとともにＰ偏光ＬＰを透過させるといったように、光を偏光状態に応じて分離可能な機能を有する。

第３偏光分離膜７６は、その表面が、第３光入射面ＳＣ３に対して約４５°の角度をなすように、第３光入射面ＳＣ３と対峙して配置されている。第３偏光分離膜７６は、第３光入射面ＳＣ３を透過した第３列光線束ＬＡ３のうちＰ偏光ＬＰの成分のみを透過させて第１光射出面ＳＤ１に向かわせるとともに、Ｓ偏光ＬＳの成分を第３反射膜７３に向けて反射する。

このように第３偏光分離膜７６は、Ｓ偏光ＬＳを反射させるとともにＰ偏光ＬＰを透過させるといったように、光を偏光状態に応じて分離可能な機能を有する。

第１反射膜７１は、その表面が、第１光入射面ＳＣ１に対して約１３５°の角度をなすように、第１光入射面ＳＣ１と対峙して配置されている。また、第１反射膜７１は、その表面が、第１偏光分離膜７４と平行になるように配置されている。第１反射膜７１は、第１偏光分離膜７４で反射された第１列光線束ＬＡ１のＳ偏光ＬＳの成分を第２光射出面ＳＤ２に向けて反射させる。

第２反射膜７２は、その表面が、第２光入射面ＳＣ２に対して約１３５°の角度をなすように、第２光入射面ＳＣ２と対峙して配置されている。また、第２反射膜７２は、その表面が、第２偏光分離膜７５と平行になるように配置されている。第２反射膜７２は、第２偏光分離膜７５で反射された第２列光線束ＬＡ２のＳ偏光ＬＳの成分を第２光射出面ＳＤ２に向けて反射させる。

第３反射膜７３は、その表面が、第３光入射面ＳＣ３に対して約１３５°の角度をなすように、第３光入射面ＳＣ３と対峙して配置されている。また、第３反射膜７３は、その表面が、第３偏光分離膜７６と平行になるように配置されている。第３反射膜７３は、第３偏光分離膜７６で反射された第３列光線束ＬＡ３のＳ偏光ＬＳの成分を第２光射出面ＳＤ２に向けて反射させる。

位相差板７７は、λ／２板から構成され、且つ、第１光射出面ＳＤ１に配置される。位相差板７７は、第１偏光分離膜７４、第２偏光分離膜７５、及び第３偏光分離膜７６を透過した成分（Ｐ偏光ＬＰ）のみをＳ偏光ＬＳに変換して射出する。

本実施形態において、偏光方向変換素子５に入射する各光線束ＬＡ１、ＬＡ２、ＬＡ３は、Ｓ偏光ＬＳ及びＰ偏光ＬＰが混在した光により構成されるので、第１偏光分離膜７４、第２偏光分離膜７５、及び第３偏光分離膜７６で分離されたＳ偏光ＬＳの成分のみが第２光射出面ＳＤ２から射出される。

一方、第１偏光分離膜７４、第２偏光分離膜７５、及び第３偏光分離膜７６を透過したＰ偏光ＬＰの成分が第１光射出面ＳＤ１に入射し、上述のように該第１光射出面ＳＤ１に設けられた位相差板７７によってＳ偏光ＬＳに変換された状態で射出される。すなわち、図６（ｄ）に示したように、各光線束ＬＡ１、ＬＡ２、ＬＡ３に属する複数の光Ｌ１は、偏光成分に基づいて第１の方向に分離された後、全体がＳ偏光ＬＳに揃った状態で偏光方向変換素子５から射出される。

このように本実施形態によれば、照明装置１０１Ｒのアレイ光源２から射出された光線束ＬＬは、光線束圧縮手段４及び偏光方向変換素子５を経由することで、光線束ＬＬが圧縮されるとともに、偏光方向がＳ偏光に揃っており、且つ光線が高密度で配置されたものとなる。

光線束圧縮手段４及び偏光方向変換素子５を経由することで圧縮された光線束ＬＬは、回折光学素子６に入射する。回折光学素子６は、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）から構成される。この回折光学素子６は、入射した光Ｌ１を回折することによって、後述する光変調装置１０２Ｒに入射する赤色の光（回折光）Ｌ１の強度分布を均一化し、且つ、光変調装置１０２Ｒに入射する光Ｌ１の利用効率を高める機能を有する。

回折光学素子６は、例えば石英（ガラス）や合成樹脂などの光透過性材料からなる基材の表面に、計算機によって設計された微細な凹凸構造を有する表面レリーフ型のホログラム素子からなる。また、回折光学素子６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、位相変調型のＣＧＨでは、入射光波のエネルギーをほとんど失うことなく波面変換が可能である。したがって、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。

回折素子パターンは、このような微細な凹凸構造からなり、互いに異なる深さで断面視矩形状に形成された複数の凹部と、これら凹部の間に互いに異なる高さで断面視矩形状に形成された凸部とを有する。回折光学素子６では、回折素子パターンにおいて、凹部の幅及び凹部の深さ（凸部の高さ）を含む設計条件を適宜調整することによって、回折素子パターンに所望の拡散機能を持たせることができる。また、回折素子パターンの設定条件を最適化する手法としては、例えば反復フーリエ法などの演算手法を挙げることができる。

ここで、回折光学素子６には、偏光方向変換素子５から射出された複数の光が入射する。このため、回折光学素子６からは、複数の１次回折光が射出される。また、各１次回折光の主光線は互いに平行である。したがって、本発明では、特に断りがない場合はこれら複数の１次回折光の束を１つの回折光Ｌ２として扱うものとする。また、この回折光Ｌ２の中心部での主光線の方向は、複数の１次回折光の束の中心を通り、且つ、各１次回折光の主光線と平行な方向とする。

また、回折光学素子６は、配光分布が全体として矩形状を為すと共に、この配光分布のアスペクト比（縦横比）が照明対象（光変調装置の画像形成領域）のアスペクト比（縦横比）と一致するような回折光分布を生成する。これにより、矩形状を為す光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂの画像形成領域に対して全体として矩形状を為す照明光を効率的に入射させることができる。

また、回折光学素子６では、回折光学素子６の入射面６ａに対して光Ｌ１を垂直に入射させることが好ましい。光Ｌ１の光軸方向は、入射面６ａと直交している。これにより、上述した回折光Ｌ２を得るためのＣＧＨの回折光学設計が容易となる。

以上のような構成を有する照明装置１０１Ｒによれば、光線束圧縮手段４において反射素子４ａ及び光学素子４ｂによって光線束ＬＬを２段階で圧縮することができる。よって、反射素子４ａのみを用いて光線束ＬＬを２段階で圧縮する構成に比べ、装置構成を小型化できる。

また、光線束圧縮手段４は、光学系に代えて平面による反射面のみを用いて光線束を圧縮する構成を採用するため、光学系の倍率によってアレイ光源２の実装時の誤差が拡大されてしまい、回折光学素子６への光入射位置のズレが拡大するといった不具合の発生が抑制される。

また、光線束圧縮手段４は、光学素子４ｂを光線束の２段目の圧縮に使用することで、該光学素子４ｂを小型化して低コスト化を実現している。

また、回折光学素子６としてＣＧＨを用いることによって、重畳光学系７による収差を小さくしながら、より均一な照度分布（明るさ）を有する照明光を生成することができる。そして、このような照明光を照明対象となる上記光変調装置１０２Ｒの画像形成領域に対して効率的に照射することができる。

したがって、この照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂをプロジェクター１００に適用することによって、プロジェクター１００自体も更なる小型化を図りつつ、画像品質に優れた表示を行うことが可能となる。

プロジェクター１００では、照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂの各々から偏光方向変換素子５を介して所定の直線偏光（Ｓ偏光ＬＳ）の照明光を射出させるため、照明光を光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂに確実に入射させることができる。

なお、本発明の一実施形態を例示して説明したが、本発明は上記実施形態のものに必ずしも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、上記実施形態では、各半導体レーザー２ａからＳ偏光ＬＳの光Ｌ１を射出する場合を例に挙げたが、これに限定されない。すなわち、各半導体レーザー２ａからＰ偏光ＬＰの光Ｌ１を射出するようにしてもよい。この場合、光学素子４ｂは、位相差板６５により一部の光Ｌ１をＳ偏光ＬＳに変換し、偏光方向変換素子５は、全ての光Ｌ１をＰ偏光ＬＰに揃えた状態で射出するようになる。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂを備えるプロジェクター１００を例示したが、１つの光変調装置でカラー映像（画像）を表示するプロジェクターに適用することも可能である。さらに、光変調装置としては、上述した液晶パネルに限らず、例えばデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ：米国テキサスインツルメンツ社の登録商標）などを用いることもできる。

このデジタルミラーデバイスを用いる場合において、照明装置１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂは、Ｓ偏光ＬＳ又はＰ偏光ＬＰのいずれか一方に偏光方向を揃える必要が無いため、偏光方向変換素子５を省くことができ、部品点数を削減することができる。

また、上記実施形態では、回折光学素子６として、表面レリーフ型ホログラム素子を用いたが、体積ホログラム型素子を用いてもよい。また、表面レリーフ型ホログラムと体積ホログラムとの複合型ホログラム素子を用いてもよい。

（第一変形例）
続いて、第一変形例に係る照明装置について説明する。
本変形例と上記実施形態との違いは、光学素子４ｂの光射出面側に位相差板としてλ／４板を配置した点であり、それ以外の構成は共通である。以下の説明では、上記実施形態と同一の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細な説明については省略若しくは簡略化する。

図７は、本変形例に係る照明装置の要部構成を示す図であり、図７（ａ）は上面から視た図であり、図７（ｂ）は側面から視た図である。
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、光学素子４ｂの光射出面ＳＢに位相差板８０が配置されている。位相差板８０は、λ／４板から構成される。

光学素子４ｂ内を透過して光射出面ＳＢから射出された光線束ＬＡは、Ｓ偏光ＬＳとＰ偏光ＬＰとが混在したものとなる（図６（ｃ）参照）。
本実施形態においては、光線束ＬＡは、位相差板８０を透過することで、Ｓ偏光ＬＳとＰ偏光ＬＰとが混在した光から円偏光（図７に示す２点鎖線）ＬＲの光に変換される。位相差板８０から射出された光線束ＬＡ１は、全体が均一に円偏光に変換されることとなる。

よって、円偏光ＬＲからなる光線束が、偏光方向変換素子５に入射する。偏光方向変換素子５は、円偏光ＬＲをＰ偏光ＬＰ及びＳ偏光ＬＳに均等に分離する。従って、偏光方向変換素子５は、図６（ｅ）に示したように、６つの光線束ＬＡ１乃至ＬＡ６からなる光線束を射出する。これにより、偏光方向変換素子５は、上記実施形態に比べて、より均一な光線束を射出することができる。

本変形例においても、照明装置１０１Ｒのアレイ光源２から射出された光線束ＬＬは、光線束圧縮手段４及び偏光方向変換素子５を経由することで偏光方向がＳ偏光に揃った光線が高密度で配置されたものとなる。

（第二変形例）
続いて、第二変形例に係る照明装置について説明する。
本変形例と上記実施形態との違いは、光学素子の構成であり、それ以外の構成は共通である。以下の説明では、上記実施形態と同一の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細な説明については省略若しくは簡略化する。

図８は、本変形例に係る照明装置の要部構成を示す図である。
図８に示すように、光学素子１０４ｂは、第１光入射面ＳＡ１と、第２光入射面ＳＡ２と、光射出面ＳＢと、反射膜１６１と、偏光分離膜１６２と、位相差板６５と、備えている。

ここで、図８において、反射素子４ａから射出された複数（下段、中段、及び上段の３段からなる）の光線束のうち第２光入射面ＳＡ２に入射する光を下段入射光Ｌ１１ａとする。また、反射素子４ａから射出された複数の光線束のうち第１光入射面ＳＡ１に入射する光を中段入射光Ｌ１１ｂとする。また、反射素子４ａから射出された複数の光線束のうち第１光入射面ＳＡ１に入射する光を上段入射光Ｌ１１ｃとする。
なお、図８では、図を見易くするため、下段入射光Ｌ１１ａ、中段入射光Ｌ１１ｂ、及び上段入射光Ｌ１１ｃについて、光の中心線のみを図示している。

第１光入射面ＳＡ１、及び第２光入射面ＳＡ２は、各光Ｌ１１ａ、Ｌ１１ｂ、Ｌ１１ｃの光軸方向から視た場合に上下方向における下方から上方に向かって順に配置されている。

反射膜１６１は、その表面が、第２光入射面ＳＡ２に対して約４５°の角度をなすように、第２光入射面ＳＡ２と対峙して配置されている。反射膜１６１は、第２光入射面ＳＡ２を透過した中段入射光Ｌ１１ｂ及び上段入射光Ｌ１１ｃを偏光分離膜１６２に向けて反射する。

偏光分離膜１６２は、その表面が、第１光入射面ＳＡ１に対して約４５°の角度をなすように、第１光入射面ＳＡ１と対峙して配置されている。また、偏光分離膜１６２は、その表面が、反射膜１６１と平行になるように配置されている。偏光分離膜１６２は、Ｓ偏光ＬＳを反射させるとともにＰ偏光ＬＰを透過させることが可能であり、光を偏光状態によって分離する機能を有する。

本実施形態において、位相差板６５は第２光入射面ＳＡ２に配置されている。位相差板６５は、反射素子４ａから射出されたＳ偏光ＬＳ（図８中に示す実線の矢印）をＰ偏光ＬＰ（図８中に示す破線の矢印）に変換して第２光入射面ＳＡ２に入射させる。位相差板６５が配置されない第１光入射面ＳＡ１においては、反射素子４ａから射出された光は偏光方向が変換されず、Ｓ偏光ＬＳのままとなる。

なお、位相差板６５の配置位置は第２光入射面ＳＡ２に限らない。例えば、位相差板６５は、下段入射光Ｌ１１ａにおける反射素子４ａ及び偏光分離膜１６２間の光路上に配置されていればよい。

上記実施形態に係る光学素子４ｂでは、反射素子４ａからの複数の光を中段に向けてシフトしたが、本変形例に係る光学素子１０４ｂによれば、反射素子４ａからの複数の光を下段に向けてシフトすることができる。
なお、反射素子４ａからの複数の光をシフトする位置は下段及び中段に限定されず、上段に向けてシフトするようにしても良い。すなわち、上段入射光Ｌ１１ｃに向けて、中段入射光Ｌ１１ｂ及び下段入射光Ｌ１１ａをシフトすることで光学素子１０４ｂの光射出面ＳＢの上方から光線束ＬＬを射出させるようにしても良い。

本変形例においても、照明装置１０１Ｒのアレイ光源２から射出された光線束ＬＬは、光線束圧縮手段４及び偏光方向変換素子５を経由することで偏光方向がＳ偏光ＬＳに揃った光線が高密度で配置されたものとなる。

（第三変形例）
続いて、第三変形例に係る照明装置について説明する。
本変形例と上記実施形態との違いは、アレイ光源の構成であり、それ以外の構成は共通である。すなわち、上記実施形態においては、各半導体レーザー２ａから射出される赤色光の偏光方向が互いに同じ（Ｓ偏光）場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、複数の半導体レーザー２ａの一部から射出される赤色光の偏光方向がＳ偏光であり、半導体レーザー２ａにおける残りの一部から射出される赤色の偏光方向がＰ偏光であってもよい。以下の説明では、第一実施形態と同一の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細な説明については省略若しくは簡略化する。

図９は、本変形例に係る照明装置の要部構成を示す図である。
図９に示すように、アレイ光源１０２は、複数の第１半導体レーザー（第１の固体光源）１０２ａ及び第２半導体レーザー（第２の固体光源）１０２ｂが二次元的に配列されたものである。各半導体レーザー１０２ａから射出される光は、コヒーレントな直線偏光（Ｓ偏光ＬＳ）の光であり、互いに平行に射出される。
一方、各半導体レーザー１０２ｂから射出される光は、コヒーレントな直線偏光（Ｐ偏光ＬＰ）の光であり、互いに平行に射出される。

第１半導体レーザー１０２ａから射出された光Ｌ１（Ｓ偏光ＬＳ）は、第１光入射面（第１の光入射領域）ＳＡ１及び第３光入射面（第１の光入射領域）ＳＡ３に入射する。第２半導体レーザー１０２ｂから射出された光Ｌ１（Ｐ偏光ＬＰ）は、第２光入射面（第２の光入射領域）ＳＡ２に入射する。

本変形例において、第１光入射面ＳＡ１及び第３光入射面ＳＡ３に入射する光Ｌ１の偏光方向（Ｓ偏光ＬＳ）は、第２光入射面ＳＡ２に入射する光Ｌ１の偏光方向（Ｐ偏光ＬＰ）と交差している。そのため、本変形例において、光学素子４ｂは、位相差板６５が不要となる。

本変形例において、第２光入射面ＳＡ２に入射する中段入射光Ｌ１ｂはＰ偏光ＬＰとなっている。そのため、中段入射光Ｌ１ｂは、上記実施形態と同様、第１偏光分離膜６３及び第２偏光分離膜６４を透過して光射出面ＳＢから射出される。

一方、第１光入射面ＳＡ１に入射する下段入射光Ｌ１ａはＳ偏光ＬＳとなっている。そのため、下段入射光Ｌ１ａは、上記実施形態と同様、第１反射膜６１および第１偏光分離膜６３により反射されて光射出面ＳＢから射出される。同様に、第３光入射面ＳＡ３に入射する上段入射光Ｌ１ｃはＳ偏光ＬＳとなっている。そのため、上段入射光Ｌ１ｃは、上記実施形態と同様、第２反射膜６２および第２偏光分離膜６４により反射されて光射出面ＳＢから射出される。

本変形例においても、照明装置１０１Ｒのアレイ光源２から射出された光線束ＬＬは、光線束圧縮手段４および偏光方向変換素子５を経由することで、偏光方向がＳ偏光ＬＳに揃った光線が高密度に配置されたものとなる

本変形例に係る構成によれば、光学素子４ｂにおける位相差板６５が不要となるので、部品点数を削減することができ、低コスト化を実現できる。

２ａ…半導体レーザー（固体光源）、３…コリメータ光学系、３ａ…コリメータレンズ、４ａ…反射素子（第１の光線束圧縮手段）、４ｂ…光学素子（第２の光線束圧縮手段）、５…偏光方向変換素子、４０ａ…反射面、４０…ミラー（反射素子）、６１…第１反射膜（反射素子）、６２…第２反射膜（反射素子）、６３…第１偏光分離膜（偏光分離素子）、６４…第２偏光分離膜（偏光分離素子）、６５…位相差板、１００…プロジェクター、１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂ…照明装置、１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂ…光変調装置、１０２ａ…第１半導体レーザー（第１の固体光源）、１０２ｂ…第２半導体レーザー（第２の固体光源）、１０３…合成光学系、１０４…投射光学系、ＳＣＲ…スクリーン、ＳＡ１…第１光入射面（第１の光入射領域）、ＳＡ２…第２光入射面（第２の光入射領域）、ＬＬ…光線束

Claims (7)

1. 二次元的に配列された複数の固体光源と、
   複数のコリメータレンズからなり、前記複数の固体光源からの光線束が入射するコリメート光学系と、
   前記コリメート光学系からの光線束を第１の方向に圧縮する第１の光線束圧縮手段と、
   前記第１の光線束圧縮手段からの光線束を第２の方向に圧縮する第２の光線束圧縮手段と、を備え、
   前記第１の光線束圧縮手段と前記第２の光線束圧縮手段のうち、一方は複数の反射面が階段状に配列された反射素子であり、他方は反射素子と偏光分離素子とを備えた光学素子である照明装置。
2. 前記第２の光線束圧縮手段が前記光学素子である
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光学素子から射出された光の光路中に設けられ、前記光の偏光方向を所定方向に変換する偏光方向変換素子をさらに備える
   請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記光学素子は、前記偏光分離素子に光を導く第１の光入射領域と、前記反射素子に光を導く第２の光入射領域と、を備え、
   前記第１の光入射領域へ入射する光の偏光方向は、前記第２の光入射領域へ入射する光の偏光方向と交差している
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記複数の固体光源の各々から射出される光の偏光方向は互いに同じであり、
   前記第１の光入射領域及び前記第２の光入射領域のうちの一方に位相差板が設けられている
   請求項４に記載の照明装置。
6. 前記複数の固体光源は、前記第１の光入射領域へ入射する光を射出する第１の固体光源と、前記第２の光入射領域へ入射する光を射出する第２の固体光源と、を含み、
   前記第１の固体光源から射出される光の偏光方向は、前記第２の固体光源から射出される光の偏光方向と交差している
   請求項４又は５に記載の照明装置。
7. 照明光を照射する照明装置と、
   前記照明光を画像情報に応じて変調した画像光を形成する光変調装置と、
   前記画像光を投射する投射光学系と、を備え、
   前記照明装置として、請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明装置を用いるプロジェクター。

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