JP2016051013A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】均一性が高い強度分布を有した蛍光を得ることができる照明装置およびプロジェクターを提供する。
【解決手段】本発明の照明装置は、第１、第２、第３の光ビームとを射出する光源装置と、第１、第２、第３の光ビームとが入射するアフォーカル光学系と、アフォーカル光学系の後段に設けられた第１のフライアイレンズと、第１のフライアイレンズの後段に設けられた第２のフライアイレンズと、第２のフライアイレンズの後段に設けられた集光光学系と、集光光学系の後段に設けられ、第１の光ビームと第２の光ビームと第３の光ビームとが集光光学系を介して入射する蛍光体層と、を備え、アフォーカル光学系は、第１の光ビームと第２の光ビームとの間隔と、第１の光ビームと第３の光ビームとの間隔と、の比をＲとしたとき、アフォーカル光学系の光射出側における比Ｒは、アフォーカル光学系の光入射側における比Ｒとは異なる値を持つ。
【選択図】図５

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関するものである。

近年、プロジェクターにおいて、蛍光体を利用した光源装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。この光源装置では、ホモジナイザーを用いることで蛍光体層に対して励起光を均一に照射している。

特開２０１２−１１８３０２号公報

しかしながら、上記従来技術においても励起光の均一化が不十分であることから、均一性が高い強度分布を有した蛍光を得ることが難しく、新たな技術の提供が望まれていた。

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、均一性が高い強度分布を有した蛍光を得ることができる照明装置およ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、第１の光ビームと第２の光ビームと第３の光ビームとを射出する光源装置と、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームと前記第３の光ビームとが入射するアフォーカル光学系と、前記アフォーカル光学系の後段に設けられた第１のフライアイレンズと、前記第１のフライアイレンズの後段に設けられた第２のフライアイレンズと、前記第２のフライアイレンズの後段に設けられた集光光学系と、前記集光光学系の後段に設けられ、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームと前記第３の光ビームとが前記前記集光光学系を介して入射する蛍光体層と、を備え、前記アフォーカル光学系は、第１の光ビームと第２の光ビームとの間隔と、第１の光ビームと第３の光ビームとの間隔と、の比をＲとしたとき、前記アフォーカル光学系の光射出側における該比Ｒは、前記アフォーカル光学系の光入射側における該比Ｒとは異なる値を持つように構成されていることを特徴とする照明装置が提供される。

第１態様に係る照明装置によれば、第１の光ビームと第２の光ビームと第３の光ビームの各々によって蛍光体層上に形成されるスポットは、適度に分散配置されるため、蛍光体層上における照度分布の均一性が高くなる。これにより、均一性が高い強度分布の蛍光を得ることができる。

上記第１態様において、前記アフォーカル光学系は、非球面を有する凸レンズを含むのが好ましい。
この構成によれば、非球面による収差により、第１の光ビームおよび第２の光ビームの光路を適切に変更することができる。

本発明の第２態様に従えば、照明光を射出する照明装置と、前記照明光を画像情報に応じて変調することにより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、前記照明装置が、上記第１態様に係る照明装置であ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によれば、上記第１態様に係る照明装置を備えるので、本プロジェクター自体も蛍光の強度分布の均一性が高くなることで画像品質に優れた表示を行うことができる。

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。 本実施形態の照明装置の概略構成を示す平面図である。 比較例として、アフォーカル光学系に均一化のための収差を与えない場合の、仮想面ＩＰ２での光ビームの配置を示す図である。 仮想面ＩＰ１を光軸ａｘ１の方向から見た図である。 仮想面ＩＰ２での複数の光ビームの配置を示す図である。 光ビームＢＭによるスポットＢＭＳを光軸ａｘ２と平行な方向から見た図である。

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。

まず、本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。本実施形態のプロジェクターは、スクリーン（被投射面）ＳＣＲ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。プロジェクター１は、赤色光、緑色光、青色光の各色光に対応した３つの光変調装置を用いている。プロジェクターは、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（レーザー光源）を用いている。

（プロジェクター）
図１は、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。プロジェクター１は、図１に示すように、照明装置２と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６とを備えている。

色分離光学系３は、照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧと、青色光ＬＢとに分離するためのものである。色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａ及び第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の全反射ミラー８ａ、第２の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂとを概略備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）とに分離する機能を有する。第１のダイクロイックミラー７ａは、分離された赤色光ＬＲを透過すると共に、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）を反射する。一方、第２のダイクロイックミラー７ｂは、その他の光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する機能を有する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、分離された緑色光ＬＧを反射すると共に、青色光ＬＢを透過する。

第１の全反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置されて、第１のダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。一方、第２の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置されて、第２のダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂから光変調装置４Ｇに向けて反射される。

第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中における第２の全反射ミラー８ｂの光射出側に配置されている。第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路長が赤色光ＬＲや緑色光ＬＧの光路長よりも長くなることに起因した青色光ＬＢの光損失を補償する機能を有している。

光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調し、赤色光ＬＲに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを画像情報に応じて変調し、緑色光ＬＧに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、青色光ＬＢに対応した画像光を形成する。

光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂには、例えば透過型の液晶パネルが用いられている。また、液晶パネルの入射側及び射出側には、一対の偏光板（図示せず。）が配置されており、特定の方向の直線偏光光のみを通過させる構成となっている。

また、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂの入射側には、それぞれフィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，フィールドレンズ１０Ｂが配置されている。フィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，フィールドレンズ１０Ｂは、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂそれぞれに入射する赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢそれぞれを平行化するためのものである。

合成光学系５は、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂからの画像光が入射する。合成光学系５は、赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢ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６に向けて射出する。合成光学系５には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられている。

投射光学系６は、投射レンズ群からなり、合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像が表示される。

（照明装置）
続いて、本発明の一実施形態に係る照明装置２について説明する。図２は照明装置２の概略構成を示す図である。図２に示すように、照明装置２は、アレイ光源２１Ａと、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、ホモジナイザー光学系２４と、偏光分離素子５０Ａを含む光学素子２５Ａと、第１のピックアップ光学系２６と、蛍光発光素子２７と、位相差板２８と、第２のピックアップ光学系２９と、拡散反射素子３０と、インテグレータ光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３とを備えている。

アレイ光源２１Ａと、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、ホモジナイザー光学系２４と、光学素子２５Ａと、位相差板２８と、第２のピックアップ光学系２９と、拡散反射素子３０とは、それぞれの光学中心を図２中に示す光軸ａｘ１に一致させた状態で、この光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。一方、蛍光発光素子２７と、第１のピックアップ光学系２６と、光学素子２５Ａと、インテグレータ光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３とは、光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。光軸ａｘ１と光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交する。

アレイ光源２１Ａは、本発明における光源装置に相当する。アレイ光源２１Ａは、複数の半導体レーザー２１１を備えている。複数の半導体レーザー２１１は、光軸ａｘ１と直交する平面内において、アレイ状に配置されている。

半導体レーザー２１１は、青色光からなる光ビームＢＭを射出する。半導体レーザー２１１は、青色光として、例えばピーク波長が４６０ｎｍのレーザー光を射出する。光ビームＢＭは直線偏光である。

光ビームＢＭは、アレイ光源２１Ａから偏光分離素子５０Ａに向けて射出される。後述するように、光ビームＢＭの一部は偏光分離素子５０Ａによって分離されて励起光となり、他の一部は画像表示用の青色光となる。

アレイ光源２１Ａから射出された光ビームＢＭは、コリメーター光学系２２に入射する。コリメーター光学系２２は、光ビームＢＭを平行光束に変換するものである。コリメーター光学系２２は、アレイ状に配置された複数のコリメーターレンズ２２ａから構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａは、複数の半導体レーザー２１１に対応して配置されている。

コリメーター光学系２２を通過することにより平行光束に変換された光ビームＢＭは、アフォーカル光学系２３に入射する。アフォーカル光学系２３は、例えば凸レンズ２３ａ，凹レンズ２３ｂから構成されている。凸レンズ２３ａは光入射面２３ａ１および光射出面２３ａ２を備える。凹レンズは、光入射面２３ｂ１および光射出面２３ｂ２を備える。

アフォーカル光学系２３を通過した光ビームＢＭは、さらに１／４波長板２８ａを透過して円偏光に変換される。

１／４波長板２８ａを透過した光ビームＢＭは、ホモジナイザー光学系２４に入射する。

本実施形態において、ホモジナイザー光学系２４は、例えば、第１のフライアイレンズ２４ａと、第２のフライアイレンズ２４ｂとを含む。第２のフライアイレンズ２４ｂは、第１のフライアイレンズ２４ａの光射出側に設けられる。第１のフライアイレンズ２４ａは、例えば、マトリクス状に配置された複数の小レンズ６０を含む。また、第２のフライアイレンズ２４ｂは、第１のフライアイレンズ２４ａと同一構成を有し、マトリクス状に配置された複数の小レンズ６１を含む。

ホモジナイザー光学系２４は、複数の小レンズ６１各々から射出された複数の小光束を、後述の第１のピックアップ光学系２６と協同して、蛍光体層３４上で互いに重畳させる。これにより、蛍光体層３４上に照射される励起光の光強度分布が均一な状態（いわゆるトップハット分布）になる。

ホモジナイザー光学系２４を透過した光ビームＢＭは、光学素子２５Ａに入射する。光学素子２５Ａは、例えば波長選択性を有するダイクロイックプリズムから構成されている。ダイクロイックプリズムは、光軸ａｘ１に対して４５°の角度をなす傾斜面Ｋを有している。傾斜面Ｋは、光軸ａｘ２に対しても４５°の角度をなしている。

傾斜面Ｋには、偏光分離素子５０Ａが設けられている。偏光分離素子５０Ａは、円偏光の光ビームＢＭを、この偏光分離素子５０Ａに対するＳ偏光成分の光ビームＢＭ_ＳｅとＰ偏光成分の光ビームＢＭｐとに分離する。光ビームＢＭ_Ｓｅは、励起光として蛍光発光素子２７に向けて偏光分離素子５０Ａによって反射される。光ビームＢＭｐは、拡散反射素子３０に向けて偏光分離素子５０Ａを透過する。

また、偏光分離素子５０Ａは、青色光とは波長帯が異なる蛍光光ＹＬを、その偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。

偏光分離素子５０Ａで反射された光ビームＢＭ_Ｓｅは、第１のピックアップ光学系２６に入射する。

第１のピックアップ光学系２６は、例えばピックアップレンズ２６ａ，ピックアップレンズ２６ｂから構成されている。第１のピックアップ光学系２６は、複数の小レンズ６１各々から射出された小光束を、蛍光体層３４に向けて集光させるとともに、蛍光体層３４の上で互いに重畳させる。第１のピックアップ光学系２６は、特許請求の範囲の「集光光学系」に相当する。

蛍光発光素子２７は、蛍光体層３４と、この蛍光体層３４を支持する基板３５と、蛍光体層３４を基板３５に固定する固定部材３６とを有している。蛍光体層３４は、固定部材３６により基板３５に固定されている。

蛍光体層３４は、波長４６０ｎｍの励起光（光ビームＢＭ_Ｓｅ）によって励起される蛍光体を含み、蛍光体は、例えば５００〜７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する蛍光光（黄色光）ＹＬを生成する。

蛍光体層３４には、耐熱性及び表面加工性に優れたものを用いることが好ましい。このような蛍光体層３４としては、例えば、アルミナ等の無機バインダ中に蛍光体粒子を分散させた蛍光体層や、バインダを用いずに蛍光体粒子を焼結した蛍光体層などを好適に用いることができる。

蛍光体層３４の励起光が入射する側とは反対側には、反射部３７が設けられている。反射部３７は、蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬを反射する機能を有している。

基板３５の蛍光体層３４を支持する面とは反対側の面には、ヒートシンク３８が配置されている。

蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬのうち、一部の蛍光光ＹＬは、反射部３７によって反射され、蛍光体層３４の外部へと射出される。また、蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬのうち、他の一部の蛍光光ＹＬは、反射部３７を介さずに蛍光体層３４の外部へと射出される。このようにして、蛍光光ＹＬが蛍光体層３４から射出される。本実施形態では、後述のように蛍光発光素子２７に対して均一な強度分布の励起光が照射されるので、蛍光光ＹＬを効率良く生成することができる。

蛍光体層３４から射出された蛍光光ＹＬは、偏光方向が揃っていない非偏光光である。蛍光光ＹＬは、第１のピックアップ光学系２６を通過した後、偏光分離素子５０Ａに入射する。そして、この蛍光光ＹＬは、偏光分離素子５０Ａからインテグレータ光学系３１に向けて透過される。

一方、偏光分離素子５０Ａから射出されたＰ偏光の光ビームＢＭ_Ｐは、位相差板２８に入射する。位相差板２８は、偏光分離素子５０Ａと拡散反射素子３０との間の光路中に配置された１／４波長板（λ／４板）である。したがって、偏光分離素子５０Ａから射出された光ビームＢＭ_Ｐは、この位相差板２８によって、円偏光の光ビームＢＭ_Ｃに変換された後、第２のピックアップ光学系２９に入射する。

第２のピックアップ光学系２９は、光ビームＢＭ_Ｃを拡散反射素子３０に向けて集光させるものであり、例えばピックアップレンズ２９ａから構成されている。

拡散反射素子３０は、第２のピックアップ光学系２９から射出された光ビームＢＭ_Ｃを偏光分離素子５０Ａに向けて拡散反射させるものである。その中でも、拡散反射素子３０としては、この拡散反射素子３０に入射した光ビームＢＭ_Ｃをランバート反射させるものを用いることが好ましい。

拡散反射素子３０で拡散反射された光ビームＢＭ_Ｃは、再び位相差板２８に入射することによって、Ｓ偏光の光ビームＢＭ_Ｓｄに変換された後、偏光分離素子５０Ａに入射する。そして、光ビームＢＭ_Ｓｄは、偏光分離素子５０Ａによってインテグレータ光学系３１に向けて反射される。

これにより、青色光である光ビームＢＭ_Ｓｄは、偏光分離素子５０Ａを透過した蛍光光ＹＬと共に、照明光ＷＬとして利用されることになる。すなわち、光ビームＢＭ_Ｓｄ及び蛍光光ＹＬは、偏光分離素子５０Ａから互いに同一方向に向けて射出される。これにより、青色光である光ビームＢＭ_Ｓｄと黄色光である蛍光光ＹＬとが混ざった白色の照明光ＷＬが得られる。

偏光分離素子５０Ａから射出された照明光ＷＬは、インテグレータ光学系３１に入射する。インテグレータ光学系３１は、例えば、レンズアレイ３１ａ，レンズアレイ３１ｂから構成されている。レンズアレイ３１ａ，３１ｂは、複数のレンズがアレイ状に配列されたものからなる。

インテグレータ光学系３１を透過した照明光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、偏光分離膜と位相差板とから構成されている。偏光変換素子３２は、非偏光の蛍光光ＹＬをＳ偏光に変換する。

偏光変換素子３２によってＳ偏光となった照明光ＷＬは、重畳光学系３３に入射する。重畳光学系３３は、偏光変換素子３２から射出された照明光ＷＬを被照明領域において重畳させるものである。重畳光学系３３は、例えば、重畳レンズ３３ａから構成されている。これにより、被照明領域の照度分布が均一化される。

本実施形態においては、アフォーカル光学系２３は、第１の光ビームと第２の光ビームとの間隔と、第１の光ビームと第３の光ビームとの間隔と、の比をＲとしたとき、アフォーカル光学系２３の光射出側における該比Ｒは、アフォーカル光学系２３の光入射側における該比Ｒとは異なる値を持つように構成されている。例えば、アフォーカル光学系２３に均一化のための収差を与えることで、上記の構成が実現される。具体的には、光入射面２３ａ１および光射出面２３ａ２の少なくとも一方を非球面とすることで、均一化のための収差をアフォーカル光学系２３に与えている。光入射面２３ｂ１および光射出面２３ｂ２の少なくとも一方を非球面とすることで、均一化のための収差をアフォーカル光学系２３に与えてもよい。

仮想面ＩＰ１、ＩＰ２を設定して、図３，４，５を用いて、本実施形態について詳しく説明する。仮想面ＩＰ１はアフォーカル光学系２３の光入射側に設定した光軸ａｘ１と垂直な仮想面であり、仮想面ＩＰ２はアフォーカル光学系２３の光射出側に設定した光軸ａｘ１と垂直な仮想面である。
図３は、比較例として、アフォーカル光学系２３に均一化のための収差を与えない場合の、仮想面ＩＰ２での光ビームＢＭの配置を示す図であり、仮想面ＩＰ２を光軸ａｘ１の方向から見た図である。本比較例が本実施形態と異なる点は、アフォーカル光学系２３に均一化のための収差を与えていない、という点だけであり、その他の構成は同一である。光ビームＢＭの仮想面ＩＰ２上でのスポットおよび入射位置（ビーム中心）をそれぞれ、ＢＭＳとＣで示す。図３には、第１のフライアイレンズ２４ａを重ねて描いてある。小レンズ６０の輪郭は、実際は矩形であるが、図を見やすくするために円で示してある。また、小レンズ６０のレンズ光軸を６０Ｃで示す。
図３に示すように、比較例においては、いずれの光ビームＢＭに関しても、光ビームＢＭの入射位置Ｃはレンズ光軸６０Ｃと一致している。
図４は、仮想面ＩＰ１を光軸ａｘ１の方向から見た図である。
便宜上、９個の半導体レーザー２１１は３行３列の規則的なマトリクス状に配置されており、中央の半導体レーザー２１１から射出された光ビームＢＭの主光線は、光軸ａｘ１と一致しているものとする。そのため、図４に示されるように、９個の光ビームＢＭ（ＢＭ１〜ＢＭ９）の仮想面ＩＰ１上でのスポットＢＭＳおよび入射位置（ビーム中心）Ｃａはそれぞれ、３行３列の規則的なマトリクス状に並んでいる。
図３，４，５では、光ビームＢＭが正方形状の格子を形成するように配置された例を示しているが、正方形状に限られない。

ホモジナイザー光学系２４を構成する、第１のフライアイレンズ２４ａの各小レンズ６０と、第２のフライアイレンズ２４ｂの各小レンズ６１とは、それらのレンズ光軸が互いに一致するように配置されている。そのため、小レンズ６０から射出された光ビームＢＭが対応する小レンズ６１へ入射するとき、その入射位置は、該小レンズ６１のレンズ光軸（不図示）と一致している。したがって、各小レンズ６１から射出された光ビームＢＭは、第１のピックアップ光学系２６の作用により、蛍光体層３４上において互いに重畳される。これにより、蛍光体層３４上の照度分布はある程度均一化される。しかし、照度分布の均一化は十分ではない。

ここで、図４に示した光ビームＢＭ１と光ビームＢＭ２と光ビームＢＭ３の位置関係に着目する。光ビームＢＭ１と光ビームＢＭ２と光ビームＢＭ３はそれぞれ、特許請求の範囲に記載の第１の光ビームと第２の光ビームと第３の光ビームとに相当する。
光ビームＢＭ１と光ビームＢＭ２と光ビームＢＭ３それぞれの仮想面ＩＰ１への入射位置をＣａ１、Ｃａ２、Ｃａ３で示す。アフォーカル光学系２３の光入射側における、光ビームＢＭ１と光ビームＢＭ２との間隔は、仮想面ＩＰ１上での入射位置Ｃａ１と入射位置Ｃａ２との間隔Ｌａ１２で与えられ、光ビームＢＭ１と光ビームＢＭ３との間隔は、仮想面ＩＰ１上での入射位置Ｃａ１と入射位置Ｃａ３との間隔Ｌａ１３で与えられる。Ｌａ１２とＬａ１３との比をＲａ（＝Ｌａ１２／Ｌａ１３）とする。複数の光ビームＢＭが正方形状の格子を形成しているため、Ｒａは１／√２である。

図５は、仮想面ＩＰ２での複数の光ビームＢＭの配置を示す図である。仮想面ＩＰ２での光ビームＢＭ１〜ＢＭ６それぞれのスポットと入射位置（ビーム中心）をそれぞれ、ＢＭＳ１〜ＢＭＳ６とＣｂ１〜Ｃｂ６で示す。

アフォーカル光学系２３の光射出側における、光ビームＢＭ１と光ビームＢＭ２との間隔は、仮想面ＩＰ２上での入射位置Ｃｂ１と入射位置Ｃｂ２との間隔Ｌｂ１２で与えられ、光ビームＢＭ１と光ビームＢＭ３との間隔は、仮想面ＩＰ２上での入射位置Ｃｂ１と入射位置Ｃｂ３との間隔Ｌｂ１３で与えられる。Ｌｂ１２とＬｂ１３との比をＲｂ（＝Ｌｂ１２／Ｌｂ１３）とする。

アフォーカル光学系２３が均一化のための収差を持たない場合、図３に示したように、仮想面ＩＰ２においても、各光ビームＢＭの入射位置Ｃは正方形状の格子を形成する。しかし、本実施形態では、アフォーカル光学系２３が均一化のための収差を与えられているため、仮想面ＩＰ２では図５に示すように、複数の入射位置Ｃｂは正方形状の格子を形成できない。例えば、入射位置Ｃｂ２は正方形状の格子点から図の左上方向にずれている。入射位置Ｃｂ４は正方形状の格子点から図の右上方向にずれている。入射位置Ｃｂ５は正方形状の格子点から図の右下方向にずれている。入射位置Ｃｂ６は正方形状の格子点から図の左下方向にずれている。そのため、比Ｒｂは比Ｒａよりも大きくなる。

アフォーカル光学系２３は、互いに平行な状態で入射した複数の光ビームＢＭを、互いに平行な状態で射出する。そのため、複数の光ビームＢＭは、仮想面ＩＰ２における互いの位置関係を保ったまま第１のフライアイレンズ２４ａに入射する。

図５には、第１のフライアイレンズ２４ａを重ねて描いてある。小レンズ６０の輪郭は、実際は矩形であるが、図を見やすくするために円で示してある。光ビームＢＭ１と光ビームＢＭ２と光ビームＢＭ３はそれぞれ、小レンズ６０１、小レンズ６０２、小レンズ６０３に入射する。小レンズ６０１、小レンズ６０２、小レンズ６０３はそれぞれ、レンズ光軸６０Ｃ１、レンズ光軸６０Ｃ２、レンズ光軸６０Ｃ３を有している。複数の小レンズ６０もまた、半導体レーザー２１１の配置に対応して３行３列のマトリクス状に配置され、正方形状の格子を形成している。図示しないが、第２のフライアイレンズ２４ｂの小レンズ６１もまた、複数の小レンズ６０に対応して３行３列のマトリクス状に配置され、正方形状の格子を形成している。

小レンズ６０３においては、ビーム中心（入射位置）Ｃｂ３はレンズ光軸６０Ｃ３と一致している。しかし、小レンズ６０２においては、ビーム中心Ｃｂ２は正方形状の格子点、すなわちレンズ光軸６０Ｃ２から図の左上方向にずれている。

アフォーカル光学系２３が均一化のための収差を持たない場合、光ビームＢＭ２のビーム中心Ｃｂ２はレンズ光軸６０Ｃ２と一致する。ここで、複数の小レンズ６０が配列されている第１の方向（図においては横方向）をＸ軸方向とし、第２の方向（図においては縦方向）をＹ軸方向とする。ビーム中心Ｃｂ２のレンズ光軸６０Ｃ２からのＹ軸方向へのズレ幅ｄは、光ビームＢＭ２のＹ軸方向の光束幅の１／４以上に設定されるのが好ましい。

複数の光ビームＢＭはそれぞれ、第１のフライアイレンズ２４ａの各小レンズ６０を通過し、さらに、第２のフライアイレンズ２４ｂの各小レンズ６１を通過して、第１のピックアップ光学系２６（ピックアップレンズ２６ａ）に入射する（図２参照）。

ここで、光ビームＢＭ３は、ビーム中心Ｃｂ３とレンズ光軸６０Ｃ３とが一致しているため、第２のフライアイレンズ２４ｂの対応する小レンズ６１の中央（レンズ光軸の位置）から射出される。また、光ビームＢＭ２は、ビーム中心Ｃｂ２がレンズ光軸６０Ｃ２からずれているため、第２のフライアイレンズ２４ｂの対応する小レンズ６１の中央からずれた位置から射出される。

図６は、第１のピックアップ光学系２６の光入射面（ピックアップレンズ２６ａの光入射面）に形成される、光ビームＢＭによるスポットＢＭＳを光軸ａｘ２と平行な方向から見た図である。スポットＢＭＳ２、ＢＭＳ３、ＢＭＳ６はそれぞれ、光ビームＢＭ２、ＢＭ３、ＢＭ６による照明領域である。

図６には、一つの小レンズ６１の全域を通過した平行光が第１のピックアップ光学系２６の光入射面に形成するスポットＡも示してある。なお、図６においては、図５に示した小レンズ６０の形に対応させて、スポットＡを円形で図示している。スポットＡの形状は、実際は略矩形である。スポットＡ２は、光ビームＢＭ２が透過した小レンズ６１に対応する。スポットＡ３は、光ビームＢＭ３が透過した小レンズ６１に対応する。スポットＡ６は、光ビームＢＭ６が透過した小レンズ６１に対応する。

図６に示すように、小レンズ６１の中央部から射出された光ビームＢＭ３によるスポットＢＭＳ３は、スポットＡ３の中央部に位置する。一方、小レンズ６１の中央から外れた位置から射出された光ビームＢＭ２、ＢＭ４、ＢＭ５、ＢＭ６による各スポットＢＭＳ２、ＢＭＳ４、ＢＭＳ５、ＢＭＳ６は、それぞれに対応するスポットＡの中央部から互いに異なる方向にずれている。このように、ホモジナイザー光学系２４を経由した励起光ＢＬは、対応するスポットＡ内における入射位置が互いに異なる光ビームＢＭ２、ＢＭ３、ＢＭ４、ＢＭ５、ＢＭ６を含んでいる。

図６に示した各スポットＡは、蛍光体層３４上の略同じ位置で互いに重畳される。したがって、蛍光体層３４上における光ビームＢＭ２、ＢＭ３、ＢＭ４、ＢＭ５、ＢＭ６による各照射領域は、互いに完全には重ならない。光ビームＢＭ２、ＢＭ４、ＢＭ５、ＢＭ６による各照射領域は、光ビームＢＭ３による照射領域から互いに異なる方向にずれる。これにより、蛍光体層３４上での励起光ＢＬの光強度分布の均一性を高めることができる。

均一化のための収差を適切に設計することによって、仮想面ＩＰ２における、ビーム中心Ｃｂの、対応するレンズ光軸６０Ｃからのズレ幅を、光軸ａｘ１からの距離に応じて変化させることができる。したがって、半導体レーザー２１１の個数を増やせば、蛍光体層３４上での励起光ＢＬの光強度分布の均一性をさらに高めることができる。

たとえば、アフォーカル光学系２３が備える凸レンズ２３ａの光入射面２３ａ１を非球面で構成する場合、凸レンズ２３ａの周辺部でのパワーを凸レンズ２３ａの光軸近傍でのパワーよりも小さくすることにより、仮想面ＩＰ２でのズレ幅ｄを、光軸ａｘ１からの距離とともに大きくすることができる。また、凸レンズ２３ａの周辺部でのパワーを凸レンズ２３ａの光軸近傍でのパワーよりも大きくすることにより、仮想面ＩＰ２でのズレ幅ｄを、光軸ａｘ１からの距離とともに小さくすることができる。

このように本実施形態によれば、蛍光体層３４上における励起光ＢＬの光強度分布の均一性をより向上させることができる。

また、本実施形態のプロジェクター１によれば、上記照明装置２を備えるので、蛍光光ＹＬを効率良く得ることができ、画像品質に優れた表示を行うことができる。

なお、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、小レンズ６０における光ビームＢＭの入射位置を調整するとともに、該小レンズ６０に入射する光ビームＢＭの形状を歪ませてもよい。

例えば、スポットＢＭＳ２、ＢＭＳ３、ＢＭＳ４、ＢＭＳ５、ＢＭＳ６それぞれの形状が互いに異なるように収差を設計してもよい。これによれば、光ビームＢＭ２、ＢＭ３、ＢＭ４、ＢＭ５、ＢＭ６それぞれによって蛍光体層３４上に形成される照射領域は、スポットＡ内において位置および形状が大きく異なったものとなるので、励起光ＢＬの光強度分布をより均一なものとすることができる。

また、上記実施形態では、偏光分離素子５０Ａが光ビームＢＭ_Ｓｅを蛍光発光素子２７に向けて反射し、光ビームＢＭｐを拡散反射素子３０に向けて透過させるように偏光分離を行う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、蛍光発光素子２７と拡散反射素子３０の位置を入れ替えて、偏光分離素子５０Ａが光ビームＢＭｓｅを蛍光発光素子２７に向けて透過させ、光ビームＢＭｐを拡散反射素子３０に向けて反射するように偏光分離を行ってもよい。

また、レーザー光のピーク波長は、４６０ｎｍに限られない。アレイ光源２１Ａは、互いにピーク波長が異なるレーザー光源を備えてもよい。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを備えるプロジェクター１を例示したが、１つの光変調装置でカラー映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。また、光変調装置として、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いてもよい。

その他、照明装置およびプロジェクターの各種構成要素の形状、数、配置、材料等については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。
また、上記実施形態では本発明による照明装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。

ＢＭ１…第１の光ビーム、ＢＭ２…第２の光ビーム、ＢＭ３…第３の光ビーム、１…プロジェクター、２…照明装置、４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…光変調装置、６…投写光学系、２１Ａ…アレイ光源（光源装置）、２３…アフォーカル光学系、２３ａ…凸レンズ、２４ａ…第１のフライアイレンズ、２４ｂ…第２のフライアイレンズ、２６…第１のピックアップ光学系（集光光学系）、３４…蛍光体層、６０ａ…小レンズ（第１の小レンズ）、６０ｂ…小レンズ（第２の小レンズ）。

Claims (3)

1. 第１の光ビームと第２の光ビームと第３の光ビームとを射出する光源装置と、
   前記第１の光ビームと前記第２の光ビームと前記第３の光ビームとが入射するアフォーカル光学系と、
   前記アフォーカル光学系の後段に設けられた第１のフライアイレンズと、
   前記第１のフライアイレンズの後段に設けられた第２のフライアイレンズと、
   前記第２のフライアイレンズの後段に設けられた集光光学系と、
   前記集光光学系の後段に設けられ、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームと前記第３の光ビームとが前記前記集光光学系を介して入射する蛍光体層と、を備え、
   前記アフォーカル光学系は、第１の光ビームと第２の光ビームとの間隔と、第１の光ビームと第３の光ビームとの間隔と、の比をＲとしたとき、前記アフォーカル光学系の光射出側における該比Ｒは、前記アフォーカル光学系の光入射側における該比Ｒとは異なる値を持つように構成されていることを特徴とする照明装置。
2. 前記アフォーカル光学系は、非球面を有する凸レンズを含む
   請求項１に記載の照明装置。
3. 照明光を射出する照明装置と、
   前記照明光を画像情報に応じて変調することにより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、
   前記照明装置が、請求項１又は２に記載の照明装置である
   プロジェクター。

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