JP2016151655A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】光利用効率の低下を抑えつつ、拡散光の配光分布を広げることができる照明装置を提供する。【解決手段】照明装置３は、拡散素子１２と、拡散素子１２に対して第１の方向に沿って入射する第１の単位光線束と、拡散素子に対して第２の方向に沿って入射する第２の単位光線束と、を含む光線束を射出する光源装置９と、を備える。第１の単位光線束が光線束の光軸となす角は、第２の単位光線束が光軸となす角よりも大きく、第１の単位光線束の光束をＩ１とし、第２の単位光線束の光束をＩ２としたとき、Ｉ２＜Ｉ１を満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関する。

プロジェクターに用いられる光源装置の一つとして、レーザー光を励起光として蛍光体層に照射し、励起光とは異なる波長の蛍光を発生させる光源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の光源装置は、円形の透明基材上に３つの扇状のセグメント領域を有している。第１のセグメント領域に赤色蛍光体層が設けられ、第１のセグメント領域から赤色光が射出される。第２のセグメント領域に緑色蛍光体層が設けられ、第２のセグメント領域から緑色光が射出される。第３のセグメント領域には拡散層が設けられ、第３のセグメント領域からは蛍光体層の励起光である青色光が射出される。

特開２００９−２７７５１６号公報

特許文献１に記載の光源装置においては、３つのセグメント領域から赤色光、緑色光および青色光の各々が時分割で射出される。ところが、蛍光体層から射出される蛍光と拡散層から射出される拡散光とでは配光分布が異なる。すなわち、赤色光（蛍光）と青色光（拡散光）とでは配光分布が異なり、緑色光（蛍光）と青色光（拡散光）とでは配光分布が異なる。具体的には、拡散光の配光分布は蛍光の配光分布よりも狭い。その結果、配光分布の違いに起因した色ムラが生じることがある。

この問題を解消するためには、拡散パワーが大きい拡散層を用いて拡散光の配光分布を広げ、拡散光の配光分布を蛍光の配光分布に揃える方法が考えられる。しかしながら、拡散パワーが大きい拡散層は、後方散乱が多い、特性に優れた拡散層が形成しにくい、等の欠点を有している。そのため、拡散パワーが大きい拡散層を用いると、上記の欠点に起因して光の利用効率が低下する、という問題が生じる。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光利用効率の低下を抑えつつ、拡散光の配光分布を広げることができる照明装置を実現することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の照明装置を備えることで、色ムラ等の不具合が生じにくく、表示品位に優れたプロジェクターを実現することを目的の一つとする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の照明装置は、拡散素子と、前記拡散素子に対して第１の方向に沿って入射する第１の単位光線束と、前記拡散素子に対して第２の方向に沿って入射する第２の単位光線束と、を含む光線束を射出する光源装置と、を備え、前記第１の単位光線束が前記光線束の光軸となす角は、前記第２の単位光線束が前記光軸となす角よりも大きく、前記第１の単位光線束の光束をＩ１とし、前記第２の単位光線束の光束をＩ２としたとき、Ｉ２＜Ｉ１を満たすことを特徴とする。

本発明の一つの態様の照明装置においては、拡散素子に入射する光線束の強度の角度分布は、中心で低く、周辺で高い。その結果、強度の角度分布が中心に高いピークを持つ光線束を入射させた場合と比べて、拡散素子から射出される光線束の強度の角度分布を広げることができる。拡散素子の拡散特性を高めることなく角度分布を広げられるため、後方散乱が抑えられ、光利用効率の低下を抑えることができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記拡散素子を透過した前記光線束は、前記第１の方向に沿って進む第３の単位光線束と、前記第２の方向に沿って進む第４の単位光線束と、を含み、前記第３の単位光線束の光束をＩ３とし、前記第４の単位光線束の光束をＩ４としたとき、Ｉ１／Ｉ２＞Ｉ３／Ｉ４を満たしてもよい。
この構成によれば、透過型の拡散素子において上記の条件を満たす場合には、拡散素子から射出される光線束の強度の角度分布は、拡散素子に入射する光線束の強度の角度分布よりもなだらかになる。

前記拡散素子を透過した光線束の強度の角度分布において、前記第２の方向に進む光の強度が最大であってもよい。
この構成によれば、ランバート拡散に近い拡散が得られる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記拡散素子で反射した前記光線束は、前記第１の単位光線束の正反射方向に進む第３の単位光線束と、前記第２の単位光線束の正反射方向に進む第４の単位光線束と、を含み、前記第３の単位光線束の光束をＩ３とし、前記第４の単位光線束の光束をＩ４としたとき、Ｉ１／Ｉ２＞Ｉ３／Ｉ４を満たしてもよい。
この構成によれば、反射型の拡散素子において上記の条件を満たす場合には、拡散素子から射出される光線束の強度の角度分布は、拡散素子に入射する光線束の強度の角度分布よりもなだらかになる。

前記拡散素子で反射した光線束の強度の角度分布において、前記第２の単位光線束の正反射方向に進む光の強度が最大であってもよい。
この構成によれば、ランバート拡散に近い拡散が得られる。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置と、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、を備えたことを特徴とする。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置を備えたことにより、他の照明装置と組み合わせた場合に、本発明の一つの態様の照明装置の配光分布と他の照明装置の配光分布との差異が小さくなり、色ムラを抑えることができる。これにより、表示品位に優れたプロジェクターを実現することができる。

本発明の第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。 拡散素子に入射する複数のサブ光線束と、拡散素子から射出される複数のサブ光線束と、を示す図である。 従来の拡散角度分布を示すグラフである。 本実施形態の拡散角度分布を示すグラフである。 本発明の原理を説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｃ）拡散素子に入射する光線束の入射角度分布のイメージを示す図である。 入射角度分布を変化させたときの拡散角度分布を示すグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）拡散素子に入射する光線束の他の入射角度分布のイメージを示す図である。 本発明の第２実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。 第２実施形態のプロジェクターに用いる照明装置の概略構成図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図８を用いて説明する。
本実施形態では、赤色光用照明装置、緑色光用照明装置および青色光用照明装置の全てに、固体光源であるレーザー光源を用いたプロジェクターの例を挙げて説明する。

複数の照明装置が全て固体光源を備えている場合であっても、異なる色光間で配光分布が異なり、配光分布の差異に起因して色ムラが生じる場合がある。このような場合に本発明の照明装置が好適である。
図１は、第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

図１に示すように、プロジェクター１は、スクリーン２（被投射面）上にカラー映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、光変調装置として、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢの各色光に対応した３つの液晶ライトバルブを備えている。さらに、プロジェクター１は、照明装置が有する光源装置として、高輝度、高出力の光を射出する半導体レーザーを備えている。

具体的に、プロジェクター１は、赤色光用照明装置３Ｒと、緑色光用照明装置３Ｇと、青色光用照明装置３Ｂと、赤色光用光変調装置４Ｒと、緑色光用光変調装置４Ｇと、青色光用光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６と、を概略備えている。

赤色光用照明装置３Ｒは、赤色光ＬＲを射出する。緑色光用照明装置３Ｇは、緑色光ＬＧを射出する。青色光用照明装置３Ｂは、青色光ＬＢを射出する。赤色光用光変調装置４Ｒは、赤色光用照明装置３Ｒから射出された赤色光ＬＲを変調する。緑色光用光変調装置４Ｇは、緑色光用照明装置３Ｇから射出された緑色光ＬＧを変調する。青色光用光変調装置４Ｂは、青色光用照明装置３Ｂから射出された青色光ＬＢを変調する。合成光学系５は、赤色光用光変調装置４Ｒ、緑色光用光変調装置４Ｇ、青色光用光変調装置４Ｂにより変調された赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢを合成する。投射光学系６は、合成光学系５により合成された光（画像光）ＬＷをスクリーン２上に投射する。

赤色光用照明装置３Ｒ、緑色光用照明装置３Ｇおよび青色光用照明装置３Ｂは、光源装置として、それぞれ赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢに対応したレーザー光を射出する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。赤色光用照明装置３Ｒは、赤色光ＬＲを赤色光用光変調装置４Ｒに向けて照射する。同様に、緑色光用照明装置３Ｇは、緑色光ＬＧを緑色光用光変調装置４Ｇに向けて照射する。青色光用照明装置３Ｂは、青色光ＬＢを青色光用光変調装置４Ｂに向けて照射する。

赤色光用照明装置３Ｒと赤色光用光変調装置４Ｒとの間には、フィールドレンズ７が設けられている。フィールドレンズ７は、赤色光用照明装置３Ｒから射出された光を平行化して赤色光用光変調装置４Ｒに入射させる。同様に、緑色光用照明装置３Ｇと緑色光用光変調装置４Ｇとの間には、フィールドレンズ７が設けられている。青色光用照明装置３Ｂと青色光用光変調装置４Ｂとの間には、フィールドレンズ７が設けられている。

赤色光用光変調装置４Ｒ、緑色光用光変調装置４Ｇおよび青色光用光変調装置４Ｂのそれぞれは、光変調素子として例えば透過型の液晶パネルを備えている。赤色光用光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲに対応した画像情報に応じて赤色光ＬＲを変調し、赤色の画像光を形成する。同様に、緑色光用光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧに対応した画像情報に応じて緑色光ＬＧを変調し、緑色の画像光を形成する。青色光用光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢに対応した画像情報に応じて青色光ＬＢを変調し、青色の画像光を形成する。なお、液晶パネルの入射側および射出側にはそれぞれ、偏光板（図示略）が設けられている。

合成光学系５は、クロスダイクロイックプリズムから構成されている。合成光学系５は、入射した赤色の画像光と緑色の画像光と青色の画像光とを合成し、合成された画像光ＬＷを投射光学系６に向かって射出する。

投射光学系６は、複数のレンズを含む投射レンズ群から構成されている。投射光学系６は、合成光学系５によって合成された画像光ＬＷをスクリーン２に向けて拡大投射する。これにより、スクリーン２上には、拡大されたカラー映像が表示される。

［照明装置］
以下、赤色光用照明装置３Ｒ、緑色光用照明装置３Ｇおよび青色光用照明装置３Ｂの具体的な構成について説明する。
上述したように、赤色光用照明装置３Ｒ、緑色光用照明装置３Ｇおよび青色光用照明装置３Ｂは、各色光に対応した半導体レーザーを備える以外は、基本的に同じ構成を有している。したがって、以下では、赤色光用照明装置３Ｒを単に照明装置３と称して説明する。

図１に示すように、照明装置３は、光源装置９と、コリメーター光学系１０と、集光光学系１１と、拡散素子１２と、を備えている。光源装置９は、複数の半導体レーザー１３が照明光軸ａｘ１と直交する面内にアレイ状に配列された構成を有する。半導体レーザー１３は、コヒーレントな直線偏光を射出する。照明光軸ａｘ１は、照明装置３から射出される光の中心軸と定義する。

コリメーター光学系１０は、半導体レーザー１３の個数と同数のコリメーターレンズ１４を備えている。複数のコリメーターレンズ１４の各々は、複数の半導体レーザー１３の各々に対応して設けられている。半導体レーザー１３から射出された光は、コリメーターレンズ１４により平行化され、光源装置９から射出される。したがって、光源装置９から射出される光は、複数の半導体レーザー１３から射出された複数の光を含む。以下の説明では、光源装置９から射出された光、すなわち複数の半導体レーザー１３から射出された複数の光線の束を、光源装置９から射出された光線束と称する。

集光光学系１１は、光源装置９と拡散素子１２との間の光路中に設けられている。集光光学系１１は、光源装置９から射出された光線束を集光し、拡散素子１２に入射させる。本実施形態では、集光光学系１１が１個の凸レンズにより構成されているが、集光光学系１１の具体的な構成や個数は適宜変更してもよい。

拡散素子１２は、光源装置９から集光光学系１１を経て入射した光線束を、拡散させつつ透過させる。すなわち、本実施形態の拡散素子１２は、透過型の拡散素子である。拡散素子１２に入射する光線束の強度の角度分布は、拡散素子１２を透過することによって広がる。拡散素子１２としては、例えば光透過性を有する板の表面に微細な凹凸を形成した拡散素子、光透過性を有する板の内部に板の屈折率と異なる屈折率を有する微粒子を分散させた拡散素子等、一般的な拡散素子を用いることができる。

図２は、拡散素子１２に入射するサブ光線束と、拡散素子１２から射出されるサブ光線束と、を示す図である。

本実施形態においては、光線束は複数の半導体レーザー１３から射出された複数の光線からなるが、一つの半導体レーザーから射出された１本の光線からなる場合もある。いずれの場合も、光線束は複数のサブ光線束からなっている、とみなすことができる。光線束は拡散素子１２に垂直に入射する。

複数のサブ光線束は、第１のサブ光線束ＬＡと、第２のサブ光線束ＬＢと、第３のサブ光線束ＬＣと、を含んでいる。ここで、第１のサブ光線束ＬＡの拡散素子１２への入射位置をＰＡとし、入射位置ＰＡを中心とする単位長さの半径を持つ単位球面を考える。第１のサブ光線束ＬＡは、単位球面による断面が単位面積を持つような光線束である。同様に、第２のサブ光線束ＬＢの拡散素子１２への入射位置をＰＢとし、入射位置ＰＢを中心とする単位長さの半径を持つ単位球面を考える。第２のサブ光線束ＬＢは、単位球面による断面が単位面積を持つような光線束である。そこで、本明細書では、第１のサブ光線束ＬＡおよび第２のサブ光線束ＬＢのことをそれぞれ、第１の単位光線束および第２の単位光線束と称することがある。同様に、第３のサブ光線束ＬＣを第３の単位光線束と称することがある。

第１のサブ光線束ＬＡが拡散素子１２に入射するときの方向を第１の方向とし、第２のサブ光線束ＬＢが拡散素子１２に入射するときの方向を第２の方向とする。

光源装置９は３個の半導体レーザー１３を備えている。第１のサブ光線束ＬＡと第３のサブ光線束ＬＣのそれぞれは、両端の半導体レーザー１３Ａ、１３Ｃから射出された光に由来している。また、第２のサブ光線束ＬＢは、中央の半導体レーザー１３Ｂから射出された光に由来している。第１のサブ光線束ＬＡと第３のサブ光線束ＬＣは光線束の周辺部を構成し、第２のサブ光線束ＬＢは光線束の中心部を構成する。

図２に示すように、第１のサブ光線束ＬＡと第３のサブ光線束ＬＣは、集光光学系１１の作用により、拡散素子１２の光入射側の面１２ａに対して斜めに入射する。第２のサブ光線束ＬＢは、面１２ａに垂直に入射する。つまり、第１のサブ光線束ＬＡが光線束の光軸ａｘ１となす角および第３のサブ光線束ＬＣが光軸ａｘ１となす角は、第２のサブ光線束ＬＢが光軸ａｘ１となす角よりも大きい。第１のサブ光線束ＬＡの入射角と第３のサブ光線束ＬＣの入射角は、第２のサブ光線束ＬＢの入射角よりも大きい。

光源装置９が複数の半導体レーザー１３からなる場合、複数の半導体レーザー１３から射出された複数の光線が拡散素子１２に入射する。光線束が拡散素子に入射するときの各光線の断面積が互いに同じであれば、複数の光線のうち、光線束の光軸となす角が比較的大きい光線を第１の単位光線束とみなし、光線束の光軸となす角が比較的小さい光線を第２の単位光線束とみなせばよい。本実施形態のように３個の半導体レーザー１３が用いられている場合、半導体レーザー１３Ａから射出された光線を第１の単位光線束とみなし、半導体レーザー１３Ｂから射出された光線を第２の単位光線束とみなせばよい。

説明を簡単にするため、第１のサブ光線束ＬＡの入射角は第３のサブ光線束ＬＣの入射角と等しいとする。この場合、第１のサブ光線束ＬＡと第３のサブ光線束ＬＣとを互いに区別する必要がないため、以下の説明では、第１のサブ光線束ＬＡと第２のサブ光線束ＬＢとを用いて説明を行なう。

本実施形態では、拡散素子１２に入射する光線束の強度の角度分布を制御することにより、拡散素子１２を透過した後の光線束の強度の角度分布を広げることができる。具体的には、光線束が拡散素子１２に入射するときの第１のサブ光線束Ｌ_Ａの強度をＩ１とし、光線束が拡散素子１２に入射するときの第２のサブ光線束Ｌ_Ｂの強度をＩ２としたとき、（１）式を満たすようにする。
Ｉ２＜Ｉ１ …（１）

このような強度の大小関係を実現するためには、半導体レーザー１３Ａ，１３Ｃの出力を半導体レーザー１３Ｂの出力よりも大きくすればよい。もしくは、半導体レーザー１３の個数をさらに増やして、周辺部における半導体レーザー１３の配置密度を中央部における半導体レーザー１３の配置密度よりも高くしてもよい。この方法を採る場合には、全ての半導体レーザー１３の出力光の強度は等しくてもよい。

上記の条件を言い換えると、第１の単位光線束と光軸ａｘ１とのなす角をθ１とし、第２の単位光線束と光軸ａｘ１とのなす角をθ２としたとき、第２の単位光線束よりも強度が強く、かつθ１がθ２よりも大きい第１の単位光線束が、光線束に含まれている。

図３は、従来の拡散角度分布を示すグラフである。図３の横軸は拡散角度（°）であり、図３の縦軸は強度（相対値）である。
図３において、２点鎖線のグラフＡで示すように、例えば角度幅が±５°以内の狭い角度分布を有する入射光が拡散素子に入射するものと仮定する。仮に拡散素子が理想的なランバート拡散を生じるとすると、実線のグラフＢで示すように、拡散素子から射出される光は、広い角度分布を有する拡散光に変換される。

ところが、実際の拡散素子は、理想的なランバート拡散を生じることはなく、所定のガウス分布に従った拡散を生じる。拡散素子の拡散特性が小さい場合、破線のグラフＣで示すように、ランバート拡散とは大きくかけ離れた角度分布を示す。１点鎖線のグラフＤで示すように、ランバート拡散に略一致した角度分布を得るためには、拡散素子の拡散特性を充分に大きくする必要がある。しかしながら、拡散特性が大きい拡散素子は、後方散乱が多いなどの欠点を有しており、広い角度分布を有する拡散光を得ることが困難であった。
なお、図３中の「Gauss20」、「Gauss60」等の「GaussＸ」の数値Ｘは、本発明者が行った角度分布のシミュレーション上のパラメーターである。この数値が大きい程、拡散素子の拡散特性が高いことを示している。

これに対し、本実施形態の照明装置３においては、光線束が拡散素子１２に入射するときの第２のサブ光線束Ｌ_Ｂの強度を第１のサブ光線束Ｌ_Ｂの強度よりも小さくしている。
図４は、本実施形態における角度分布のシミュレーションの結果を示すグラフである。図４の横軸は拡散角度（°）であり、図４の縦軸は強度（相対値）である。

ここでは、第１のサブ光線束の強度が１であり、第２のサブ光線束の強度が０である。なお、第１のサブ光線束は、角度幅が±５°程度の角度分布を有する２つのサブ光線束が約＋５０°および約−５０°の入射角度で入射するものとする。

図３の従来例では、拡散素子が「Gauss60」程度の大きな拡散特性を有する場合に、ランバート拡散に略一致した角度分布が得られた。これに対し、図４の本実施形態では、破線のグラフＣ’，グラフＥ’で示すように、「Gauss20」、「Gauss25」程度の小さい拡散特性を有する拡散素子を用いて、実線のグラフＢ’で示すランバート拡散に近い角度分布が得られることがわかった。拡散素子の拡散特性が小さいと後方散乱も小さくなるため、光利用効率を高めることができる。このシミュレーションでは、１点鎖線のグラフＤ’で示すように、拡散特性を「Gauss60」程度まで大きくすると、むしろランバート拡散から離れた特性を示す。この観点からも、拡散性を大きくすべきではないことがわかる。

光線束が拡散素子に入射するときの第２のサブ光線束Ｌ_Ｂの強度を第１のサブ光線束Ｌ_Ｂの強度よりも小さくすることで拡散角度分布を広げることができる理由を、図５および図６を用いて説明する。
上記のシミュレーションのように、第１のサブ光線束の強度が１であり、第２のサブ光線束の強度が０である場合、光線束の光軸ａｘ１に垂直な断面で見た光線束の強度分布は、図６（Ｃ）に示すような円環状の強度分布Ｌ３である。この強度分布Ｌ３を、図６（Ａ）に示す円環の左半分の強度分布Ｌ１と、図６（Ｂ）に示す円環の右半分の強度分布Ｌ２と、に分解して考える。

図６（Ａ）の強度分布Ｌ１を有する光線束が拡散素子に入射した場合、図５の破線のグラフＬ１で示すように、−３０°程度の拡散角度にピークを有する角度分布が得られる。同様に、図６（Ｂ）の強度分布Ｌ２を有する光線束が拡散素子に入射した場合、図５の１点鎖線のグラフＬ２で示すように、＋３０°程度の拡散角度にピークを有する角度分布が得られる。拡散素子からある角度で射出される光の光量は、様々な角度で入射したサブ光線束に由来する拡散光の光量の和である。したがって、図６（Ｃ）に示すような円環状の強度分布Ｌ３を有する光線束が拡散素子に入射した場合、図５の実線のグラフＬ３で示すように、強度分布Ｌ１と強度分布Ｌ２とが合成された強度分布が得られることになる。このように、互いに異なる方向から入射する複数のサブ光線束に由来する拡散光を合成することにより、従来例のような単なる円形の強度分布を有する光線束を用いた場合と比べて、拡散角度分布を広げることができる。

なお、本実施形態では、第２のサブ光線束の強度が０であるとしたが、これに限らない。
第２のサブ光線束の強度を変化させたときの拡散角度分布を図７に示す。図７の横軸は拡散角度（°）であり、図７の縦軸は強度（相対値）である。図７において、「透過０％」の破線のグラフＦは、第２のサブ光線束の強度が０の場合を意味する。「透過１％」の破線のグラフＧは、第２のサブ光線束の強度が全体の光線束の強度の１％である場合を意味する。「透過５％」の１点鎖線のグラフＨは、第２のサブ光線束の強度が全体の光線束の強度の５％である場合を意味する。

図７に示すように、光線束全体の強度に占める第２のサブ光線束の強度の割合、言い換えると、第１のサブ光線束の強度と第２のサブ光線束の強度との比率を変化させることにより、拡散角度分布を適宜調整できる。

図２に示したように、拡散素子１２を透過した光線束は、第４のサブ光線束（第４の単位光線束）ＬＡ’と第５のサブ光線束（第５の単位光線束）ＬＢ’と第６のサブ光線束（第６の単位光線束）ＬＣ’とを含む。第４のサブ光線束ＬＡ’は第１の方向に沿って進み、第５のサブ光線束ＬＢ’は第２の方向に沿って進む。ここでも、第４のサブ光線束ＬＡ’と第６のサブ光線束ＬＣ’とを互いに区別する必要はないため、第４のサブ光線束ＬＡ’と第５のサブ光線束ＬＢ’とを用いて説明する。

第４のサブ光線束ＬＡ’の強度をＩ３とし、第５のサブ光線束ＬＢ’の強度をＩ４としたとき、（２）式を満たすことが好ましい。
Ｉ１／Ｉ２＞Ｉ３／Ｉ４ …（２）
これにより、拡散素子１２から射出される光線束の強度の角度分布を、拡散素子１２に入射する光線束の強度の角度分布よりもなだらかにすることができる。

また、拡散素子１２を透過した光線束の強度の角度分布において、第２の方向に進む光、すなわち拡散素子１２から垂直に射出される光の強度が最大になるようにしてもよい。この構成によれば、ランバート拡散に近い拡散が得られる。

本実施形態では、図６（Ｃ）に示すような円環状の強度分布Ｌ３を有する光線束を用いたが、強度分布の形状は必ずしも円環状でなくてもよい。例えば図８（Ａ）に示すように、光線束の中心軸に垂直な断面で見た光線束の強度分布は、矩形環状の強度分布Ｌ４であってもよい。もしくは、強度が有限の値を示す領域が強度０の領域の周囲を全て取り囲んでいなくてもよい。例えば図８（Ｂ）に示すように、強度が有限の値を示す領域が複数に分割された強度分布Ｌ５であってもよい。また上述したように、図８（Ａ）、（Ｂ）において、中央の矩形部分の強度は必ずしも０でなくてもよい。いずれにしても、第２の単位光線束よりも強度が強く、かつθ１がθ２よりも大きい第１の単位光線束が、光線束に含まれていればよい。

本実施形態のプロジェクター１は、拡散素子１２に入射する光線束の強度分布を変えることで配光分布が調整可能な照明装置３を備えている。例えば各種光学系の波長分散、異なる色の半導体レーザーの劣化程度の差異等に起因して、照明装置毎に配光分布が異なる場合がある。このような場合であっても、複数の照明装置から射出される光の配光分布を結果的に揃えることができる。これにより、色ムラが少なく、表示品位に優れたプロジェクターを実現できる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図９および図１０を用いて説明する。
本実施形態では、蛍光と拡散光とにより構成される照明光を射出する照明装置を備えたプロジェクターの例を挙げて説明する。
蛍光と拡散光とは基本的に配光分布が異なり、配光分布の差異に起因して色ムラが生じる場合がある。このような場合に本発明の照明装置が好適である。
図９は、第２実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。
図９および図１０において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図９に示すように、プロジェクター２１は、照明装置２２と、色分離光学系２３と、赤色光用光変調装置４Ｒ、緑色光用光変調装置４Ｇおよび青色光用光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６と、を備えている。赤色光用光変調装置４Ｒ、緑色光用光変調装置４Ｇおよび青色光用光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６の構成は、第１実施形態と同様であり、説明を省略する。

色分離光学系２３は、照明装置２２から射出される白色光ＬＷを、赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。色分離光学系２３は、第１のダイクロイックミラー２５と、第２のダイクロイックミラー２６と、第１の全反射ミラー２７と、第２の全反射ミラー２８と、第３の全反射ミラー２９と、第１のリレーレンズ３０と、第２のリレーレンズ３１と、を概略備えている。

第１のダイクロイックミラー２５は、照明装置２２から射出される照明光ＬＷを赤色光ＬＲと、その他の光（緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢ）とに分離する。第１のダイクロイックミラー２５は、分離された赤色光ＬＲを透過し、その他の光（緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢ）を反射する。一方、第２のダイクロイックミラー２６は、第１のダイクロイックミラー２５で反射した光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。第２のダイクロイックミラー２６は、分離された緑色光ＬＧを反射し、青色光ＬＢを透過する。

第１の全反射ミラー２７は、赤色光ＬＲの光路中に配置され、第１のダイクロイックミラー２５を透過した赤色光ＬＲを赤色光用光変調装置４Ｒに向けて反射する。一方、第２の全反射ミラー２８および第３の全反射ミラー２９は、青色光ＬＢの光路中に配置され、第２のダイクロイックミラー２６を透過した青色光ＬＢを青色光用光変調装置４Ｂに導く。緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー２６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３０および第２のリレーレンズ３１は、青色光ＬＢの光路中における第２の全反射ミラー２８の光入射側および光射出側に配置されている。第１のリレーレンズ３０および第２のリレーレンズ３１は、青色光ＬＢの光路長が赤色光ＬＲや緑色光ＬＧの光路長よりも長いことに起因した青色光ＬＢの光損失を補償する機能を有する。

［照明装置］
図１０に示すように、照明装置２２は、光源装置３３と、コリメーター光学系１０と、第１の位相差板３４と、偏光分離素子３５と、第１のピックアップ光学系３６と、蛍光発光素子３７と、第２の位相差板３８と、第２のピックアップ光学系３９と、拡散素子４０と、インテグレーター光学系４１と、偏光変換素子４２と、重畳光学系４３と、を備えている。

光源装置３３と、コリメーター光学系１０と、第１の位相差板３４と、偏光分離素子３５と、第２の位相差板３８と、第２のピックアップ光学系３９と、拡散素子４０とは、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３７と、第１のピックアップ光学系３６と、偏光分離素子３５と、インテグレーター光学系４１と、偏光変換素子４２と、重畳光学系４３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。

光源装置３３は、複数の半導体レーザー４５を備えている。複数の半導体レーザー４５は、光軸ａｘ１と直交する平面Ｐ内においてアレイ状に配置されている。半導体レーザー４５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４５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、光源装置３３から偏光分離素子３５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３５により分離されて蛍光体の励起光となり、他の一部は、画像表示用の青色光となる。光源装置３３から射出された複数本の光ビームＢＭは、コリメーター光学系１０に入射する。コリメーター光学系１０は、光ビームＢＭを平行光に変換する。第１実施形態と同様、光源装置３３から射出された複数本の光ビームＢＭの全体は光線束に対応する。

コリメーター光学系１０から射出された光線束ＬＭのうち中心部の成分は、第１の位相差板３４に入射する。光線束ＬＭの周辺部の成分は第１の位相差板３４に入射しない。すなわち、光線束ＬＭのうち、第１のサブ光線束（第１の単位光線束）Ｌ_Ａは第１の位相差板３４に入射せず、第２のサブ光線束（第２の単位光線束）Ｌ_Ｂは第１の位相差板３４に入射する。これにより、第１のサブ光線束Ｌ_Ａの偏光状態と第２のサブ光線束Ｌ_Ｂの偏光状態とを異ならせることができる。

具体的には、半導体レーザー４５から射出される光ビームが偏光分離素子３５に対するＰ偏光であったとする。このとき、第１の位相差板３４の進相軸もしくは遅相軸をＰ偏光の偏光軸に対して４５°の角度をなすように配置しておけば、第１の位相差板３４を透過しない第１のサブ光線束Ｌ_ＡはＰ偏光のままであり、第１の位相差板３４を透過した第２のサブ光線束Ｌ_ＢはＳ偏光に変化する。第１の位相差板３４には、例えば１／２波長板を用いることができるが、必ずしも１／２波長板に限らず、他の波長板を用いてもよい。

第２のサブ光線束Ｌ_Ｂが第１の位相差板３４を透過した光線束ＬＭは、偏光分離素子３５に入射する。偏光分離素子３５は、波長依存性を有しており、青色波長域の光に対して偏光分離性能を示す。そのため、偏光分離素子３５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。偏光分離素子３５は、光軸ａｘ１および光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなすように設置されている。青色光の光線束ＬＭのうちのＳ偏光成分ＢＭ_Ｓｅは、偏光分離素子３５により反射されて蛍光発光素子３７に向かって進み、蛍光体の励起光となる。青色光の光線束ＬＭのうちのＰ偏光成分ＢＭｐは、偏光分離素子３５を透過し、拡散素子４０に向かって進む。

第１の位相差板３４の作用により、第２のサブ光線束Ｌ_Ｂに占めるＰ偏光成分の割合を第１のサブ光線束Ｌ_Ａに占めるＰ偏光成分の割合よりも小さくしておけば、偏光分離素子３５を透過した第２のサブ光線束Ｌ_Ｂの強度を、偏光分離素子３５を透過した第１のサブ光線束Ｌ_Ａの強度よりも小さくすることができる。このようにして、第１実施形態と同様、光線束が拡散素子４０に入射するときの第２のサブ光線束Ｌ_Ｂの強度を第１のサブ光線束Ｌ_Ａの強度よりも小さくすることができる。

偏光分離素子３５を透過したＰ偏光の光線束ＢＭ_Ｐは、第２の位相差板３８に入射する。第２の位相差板３８は、偏光分離素子３５と拡散素子４０との間の光路中に配置された１／４波長板で構成されている。したがって、偏光分離素子３５を透過した光線束ＢＭ_Ｐは、第２の位相差板３８により円偏光の光線束ＢＭ_Ｃに変換された後、第２のピックアップ光学系３９に入射する。第２のピックアップ光学系３９は、光線束ＢＭ_Ｃを拡散素子４０に向けて集光する。第２のピックアップ光学系３９は、例えばピックアップレンズ４６から構成されている。

拡散素子４０は、第２のピックアップ光学系３９から射出された光線束ＢＭ_Ｃを偏光分離素子３５に向けて拡散反射させる。すなわち、本実施形態の拡散素子４０は、第１実施形態と異なり、反射型の拡散素子である。拡散素子４０の具体例としては、第１実施形態で例示した拡散素子の光が入射する面と反対側の面に反射層が設けられたものを用いることができる。

拡散素子４０で拡散反射された光線束ＢＭ_Ｃは、第２の位相差板３８に再度入射することによってＳ偏光の光線束ＢＭ_Ｓｄに変換された後、偏光分離素子３５に入射する。Ｓ偏光の光線束ＢＭ_Ｓｄは、偏光分離素子３５で反射し、インテグレーター光学系４１に向けて進む。

一方、偏光分離素子３５で反射されたＳ偏光の光線束ＢＭ_Ｓｅは、第１のピックアップ光学系３６に入射する。第１のピックアップ光学系３６は、例えばピックアップレンズ４７、ピックアップレンズ４８から構成されている。第１のピックアップ光学系３６は、入射した光線束を蛍光体層５０に向けて集光させる。

蛍光発光素子３７は、蛍光体層５０と、蛍光体層５０を支持する基板５１と、蛍光体層５０を基板５１に固定する固定部材５２とを有している。蛍光体層５０は、固定部材５２により基板５１に固定されている。蛍光体層５０は、波長４６０ｎｍの励起光（光線束ＢＭ_Ｓｅ）により励起される蛍光体を含んでいる。蛍光体は、励起光を受けて、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５０には、耐熱性および表面加工性に優れたものを用いることが好ましい。この種の蛍光体層５０としては、例えば、アルミナ等の無機バインダー中に蛍光体粒子を分散させた蛍光体層、バインダー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５０の励起光が入射する面と反対側の面には、反射層５３が設けられている。反射層５３は、蛍光体層５０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５１の蛍光体層５０を支持する面とは反対側の面には、ヒートシンク５４が配置されている。

蛍光体層５０で生成された蛍光光ＹＬのうち、一部の蛍光光ＹＬは、反射層５３で反射し、蛍光体層５０の外部に射出される。蛍光体層５０で生成された蛍光光ＹＬのうち、他の一部の蛍光光ＹＬは、反射層５３を介さずに蛍光体層５０の外部に直接射出される。このようにして、蛍光光ＹＬが蛍光体層５０から射出される。

蛍光体層５０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３６を通過した後、偏光分離素子３５に入射する。上述したように、偏光分離素子３５は、蛍光光ＹＬを偏光状態にかかわらず透過させる特性を有している。したがって、蛍光光ＹＬは、偏光分離素子３５を透過してインテグレーター光学系４１に向けて進む。

これにより、拡散素子４０から射出された青色の光線束ＢＭ_Ｓｄと蛍光発光素子３７から射出された黄色の蛍光光ＹＬとは、合成されて白色光となる。この白色光が照明装置２２から射出され、照明光ＷＬとして利用されることになる。すなわち、光線束ＢＭ_Ｓｄと蛍光光ＹＬとは、偏光分離素子３５から互いに同一方向に向けて射出される。これにより、青色光である光線束ＢＭ_Ｓｄと黄色光である蛍光光ＹＬとが合成された白色の照明光ＷＬが得られる。

偏光分離素子３５から射出された照明光ＷＬは、インテグレーター光学系４１に入射する。インテグレーター光学系４１は、レンズアレイ５６とレンズアレイ５７とから構成されている。レンズアレイ５６およびレンズアレイ５７の各々は、複数のレンズがアレイ状に配列された構成を有している。

インテグレーター光学系４１を透過した照明光ＷＬは、偏光変換素子４２に入射する。偏光変換素子４２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４２は、非偏光の蛍光光ＹＬを一方の直線偏光、例えばＳ偏光に変換する。

偏光変換素子４２によってＳ偏光となった照明光ＷＬは、重畳光学系４３に入射する。重畳光学系４３は、偏光変換素子４２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。重畳光学系４３は、例えば重畳レンズから構成されている。これにより、被照明領域である液晶パネル上での光の照度分布が均一化される。

本実施形態の照明装置２２においても、光線束ＬＭが拡散素子４０に入射するときの第２のサブ光線束Ｌ_Ｂの強度を第１のサブ光線束Ｌ_Ａの強度よりも小さくしているため、小さな拡散特性の拡散素子４０を用いて広い拡散角度分布を得ることができる。第１実施形態と同様、第２のサブ光線束の強度は０としてもよいし、有限の値としてもよい。第１の位相差板３４を回転可能に構成しておけば、第１の位相差板３４を回転させて第１の位相差板３４の進相軸もしくは遅相軸と偏光軸とのなす角度を調整することにより、第２のサブ光線束Ｌ_Ｂの強度を変化させることができる。

本実施形態のプロジェクター２１では、照明装置２２から白色光が射出されるが、白色光の内訳を見ると、青色光は拡散素子４０からの拡散光に由来し、赤色光および緑色光は蛍光発光素子３７からの蛍光光に由来する。ところが、一般的に、蛍光光と拡散光とでは配光分布が異なり、拡散光の配光分布は蛍光の配光分布よりも狭い。その結果、この種の照明装置を備えたプロジェクターでは、配光分布の違いに起因した色ムラが生じる場合がある。これに対して、本実施形態のプロジェクター２１では、拡散光の配光分布を広げて、蛍光の配光分布に近づけることができる。そのため、光利用効率の低下を抑えつつ、色ムラが生じにくく、表示品位に優れたプロジェクターを実現できる。

また、光線束ＬＭが拡散素子４０で反射したときの第１のサブ光線束の正反射方向に進む光の強度をＩ３とし、光線束ＬＭが拡散素子４０で反射したときの第２のサブ光線束の正反射方向に進む光の強度をＩ４としたとき、（３）式を満たすことが好ましい。
Ｉ１／Ｉ２＞Ｉ３／Ｉ４ …（３）
これにより、拡散素子４０から射出される光線束の強度の角度分布を、拡散素子４０に入射する光線束の強度の角度分布よりもなだらかにすることができる。

また、拡散素子４０で反射した光線束の強度の角度分布において、第２のサブ光線束の正反射方向に進む光、すなわち垂直に反射された単位光線束の強度が最大になるようにしてもよい。この構成によれば、ランバート拡散に近い拡散が得られる。

光源装置３３を構成する半導体レーザー４５は、経年劣化により出力が低下することがある。この場合、出力の低下の程度によっては、拡散角度分布が通常の使用状態からずれることがある。このような場合においても、第１の位相差板３４を回転可能に構成しておけば、拡散角度分布を調整することができ、色ムラを抑制することができる。

本実施形態においては、光線束の中心部分が入射するような、小さな第１の位相差板３４を用い、第２のサブ光線束のみが第１の位相差板３４に入射する構成とした。この構成に代えて、光線束の中心部分が透過する孔を空けた第１の位相差板を用いて、本実施形態とは逆に、第１のサブ光線束のみが第１の位相差板に入射する構成としてもよい。この場合、例えば半導体レーザーから射出される光ビームをＳ偏光とし、第１の位相差板を透過する周辺部の第１のサブ光線束をＰ偏光に変化させ、第１の位相差板を透過しない中心部の第２のサブ光線束をＳ偏光のままとすれば、その他の光学系は本実施形態のままで同様の効果を得ることができる。あるいは、中心部と周辺部とで位相差が異なる位相差板を用いてもよい。

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。
例えば第１実施形態では、全ての色に半導体レーザーを用いた照明装置に透過型の拡散素子を組み合わせた例を挙げたが、全ての色に半導体レーザーを用いた照明装置に反射型の拡散素子を組み合わせてもよい。また、第２実施形態では、偏光分離素子で反射した反射光の光路上に蛍光発光素子を配置し、蛍光光と拡散光とを偏光分離素子で合成することで小型化が図れる照明装置の例を挙げた。この構成に代えて、蛍光光と拡散光とを別の光路上に配置した照明装置に本発明を適用してもよい。

また、本発明の照明装置は、集光光学系を必ずしも備えていなくてもよい。例えば、第１のサブ光線束のみを屈折させて光路を曲げるような光路偏向素子を用いてもよい。あるいは、周辺に位置する半導体レーザーの射出方向を中心部に位置する半導体レーザーの射出方向と異ならせてもよい。これらの場合も、拡散素子に入射する第２のサブ光線束の強度を第１のサブ光線束の強度よりも小さくする手段として、上述したように、複数の半導体レーザーの出力を中心の半導体レーザーと周辺の半導体レーザーとで異ならせる、半導体レーザーの配置密度を中央と周辺とで異ならせる、等の方法を採ればよい。

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。

１，２１…プロジェクター、３，２２…照明装置、３Ｒ…赤色光用照明装置、３Ｇ…緑色光用照明装置、３Ｂ…青色光用照明装置、４Ｒ…赤色光用光変調装置、４Ｇ…緑色光用光変調装置、４Ｂ…青色光用光変調装置、６…投射光学系、９…光源装置、１１…集光光学系、１２，４０…拡散素子。

Claims (6)

1. 拡散素子と、
   前記拡散素子に対して第１の方向に沿って入射する第１の単位光線束と、前記拡散素子に対して第２の方向に沿って入射する第２の単位光線束と、を含む光線束を射出する光源装置と、を備え、
   前記第１の単位光線束が前記光線束の光軸となす角は、前記第２の単位光線束が前記光軸となす角よりも大きく、
   前記第１の単位光線束の光束をＩ１とし、前記第２の単位光線束の光束をＩ２としたとき、
   Ｉ２＜Ｉ１
   を満たすことを特徴とする照明装置。
2. 前記拡散素子を透過した前記光線束は、前記第１の方向に沿って進む第３の単位光線束と、前記第２の方向に沿って進む第４の単位光線束と、を含み、
   前記第３の単位光線束の光束をＩ３とし、前記第４の単位光線束の光束をＩ４としたとき、
   Ｉ１／Ｉ２＞Ｉ３／Ｉ４
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記拡散素子を透過した光線束の強度の角度分布において、前記第２の方向に進む光の強度が最大であることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記拡散素子で反射した前記光線束は、前記第１の単位光線束の正反射方向に進む第３の単位光線束と、前記第２の単位光線束の正反射方向に進む第４の単位光線束と、を含み、
   前記第３の単位光線束の光束をＩ３とし、前記第４の単位光線束の光束をＩ４としたとき、
   Ｉ１／Ｉ２＞Ｉ３／Ｉ４
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. 前記拡散素子で反射した光線束の強度の角度分布において、前記第２の単位光線束の正反射方向に進む光の強度が最大であることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の照明装置と、
   前記照明装置から射出された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、を備えたことを特徴とするプロジェクター。

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