JP2017058602A - 光学装置および投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を光源として用いた場合の射出光の照度均一性をより向上させる。
【解決手段】実施形態に係る光学装置は、コヒーレントな入射光が入射される第１の複屈折素子と、第１の複屈折素子から射出された光が入射される透過型の拡散素子と、透過型の拡散素子から射出された光が入射される第２の複屈折素子とを含む。レーザ光源により射出された光が第１の複屈折素子に入射され、入射光を複屈折により２の光に分離して拡散板に入射させる。拡散板は、入射された２の光を拡散して射出する。第２の複屈折素子は、拡散板から射出された２の光を１の光に合成して射出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学装置および投射装置に関する。

近年、投射装置の光変調素子に光を照射させる光源として、レーザ光源を利用する例が増加している。レーザ光源は、従来のランプによる光源に対して、長寿命、色域が広い、光の利用効率が高いなど、様々な利点がある。一方で、光変調素子に照射させる光は、光変調素子上で均一な光強度分布となることが好ましい。ところが、例えばレーザダイオードアレイなどを用いて複数のレーザ光の光束を生成し、この光束を光変調素子に照射する場合、レーザ光の干渉性が高いことに起因して、投射画像にスペックルパターンと呼ばれる斑模様が発生することがある。

そのため、従来では、レーザ光源と光変調素子との間に、拡散板などを挿入し、レーザ光を拡散させることでレーザ光の可干渉性を緩和することが行われていた。また、特許文献１（特開２０１１−１５８５４３号公報）では、複屈折板により光を２つの光に分離することでローパスフィルタの効果を得てレーザ光の空間周波数を引き下げ、さらに拡散板を用いることでスペックルパターンを抑制する技術が開示されている。

特開２０１１−１５８５４３号公報

しかしながら、従来の技術では、光変調素子上での十分な照度均一性が実現できていなかったという問題があった。例えば、拡散板を用いた方法では、拡散板自身の構造に起因した回折や干渉により新たなノイズが発生してしまう場合があった。

一方、特許文献１の複屈折板と拡散板とを用いた方法では、複屈折板により光源像を分離して、拡散板での拡散により生じる不要なパターンを分離された光源像の数だけ重畳することで、当該パターンを抑制できる。しかしながら、この方法では、複屈折板により光源の光が複数に分離するため、後段の光学系から見た光源像も複数見えることになり、光源光が当該光学系を通過する効率が低下してしまうという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ光を光源として用いた場合の射出光の照度均一性をより向上させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、コヒーレントな入射光が入射される第１の複屈折素子と、第１の複屈折素子から射出された光が入射される透過型の拡散素子と、透過型の拡散素子から射出された光が入射される第２の複屈折素子とを備えることを特徴とする光学装置である。

本発明によれば、レーザ光を光源として用いた場合の射出光の照度均一性をより向上させることができる効果を奏する。

図１は、複屈折性を有する結晶を光が通過する様子を模式的に示す図である。 図２は、第１の実施形態に適用可能な投射装置の一例の構成を示す図である。 図３は、第１の実施形態に係る光学装置を通過する光を概略的に示す図である。 図４は、第１の実施形態に係る第１の複屈折素子および第２の複屈折素子の配置の例を示す斜視図である。 図５は、第１の実施形態に係る第１の複屈折素子および第２の複屈折素子の一例の上面図および正面図である。 図６は、照明系を単純化して示す図である。 図７は、第２の実施形態に適用可能な投射装置の一例の構成を示す図である。 図８は、第２の実施形態に適用可能な蛍光体ホイールの一例の構成を示す図である。 図９は、第２の実施形態に係る光学装置について説明するための図である。

以下に添付図面を参照して、光学装置および投射装置の好適な実施形態を詳細に説明する。係る実施形態に示す具体的な数値および外観構成などは、本発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本発明に直接関係のない要素は詳細な説明および図示を省略している。

本発明の各実施形態に係る光学装置では、光源から射出されたレーザ光を、光を複屈折させる複屈折素子により常光線と異常光線とに分離し、分離した常光線と異常光線とを拡散部により拡散させる。そして、拡散された常光線と異常光線とを再び複屈折素子に入射させて、１の光線に合成する。この合成された光を、投射光学系に入射させて光変調素子に照射する。

各実施形態に係る光学装置は、上述したような構成を有するため、レーザ光が複数の光に分離、拡散されて射出光の照度均一性が向上され、これによりスペックルパターンの発生が緩和される。さらに、分離された複数の光を１の光に合成するため、効率の低下が抑制される。

ここで、複屈折について概略的に説明する。複屈折性を有する結晶は、特定の方向を進む光線に対しては複屈折性を有せず、それ以外の方向に対して複屈折性を有するような特性を持っており、この特定の方向を光学軸と呼ぶ。

図１は、複屈折性を有する結晶６を光７が通過する様子を模式的に示す。結晶６は、光学軸７と平行ではない方向の光線８に対しては、当該光線８を、異なる光路を通る常光線および異常光線に分離する性質を有する。常光線は、光学軸７に対して垂直な偏光光であり（図１（ａ）参照）、異常光線は、常光線に対して垂直な偏光光である（図１（ｂ）参照）。常光線と異常光線は、屈折率および光線速度が異なる。なお、図１において、「●（黒丸）」および光路対して直角に交差する左右矢印は、互いに向きが異なる偏光の直線偏光を示している。

例えば、図１の例では、複屈折性を有する結晶６が、光学軸７と結晶への入射光の入射方向とのなす角度が０度ではない角度をなすように構成されている。ここでは、入射光は結晶６の入射面に対して垂直に入射する例について説明する。この結晶６の入射面に対して光８が垂直に入射する場合、常光線は、図１（ａ）に示されるように入射光と同じ方向、つまり、結晶６の入射面に対して垂直な方向に進行する。また、一方、異常光線は、図１（ｂ）に示されるように、光学軸７と平行な平面内を斜めに曲がって進み、射出面では、常光線の射出位置とは異なる位置に射出される。

（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態に適用可能な投射装置の一例の構成を示す。図２において、投射装置１ａは、第１の実施形態に係る光学装置２と、光源１００と、照明光学系５と、投射レンズ１２９とを含む。さらに、投射装置１ａは、画像処理回路２００と、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）各色の光変調素子１１９、１２５および１２８と、光合成プリズム１２０と、画像処理回路２００の出力に応じて各光変調素子１１９、１２５および１２８をそれぞれ駆動する駆動回路２０１、２０２および２０３とを含む。

図２において、光源１００は、例えばＲ色のレーザ光を射出するＲ色光源と、Ｇ色のレーザ光を射出するＧ色光源と、Ｂ色のレーザ光を射出するＢ色光源とをそれぞれ複数含む。例えば、Ｒ色光源は、複数のレーザ素子を集合させたものであり、例えばレーザダイオードアレイである。この場合、Ｒ色光源は、点光源と見做すことができる。これは、Ｇ色光源およびＢ色光源も同様である。

光源１００から射出されたＲ、Ｇ、Ｂ各色のレーザ光は、第１の実施形態に係る光学装置２に入射されて後述するようにして照度均一性が向上し射出される。光学装置２から射出されたＲ、Ｇ、Ｂ各色のレーザ光は、ミラー１１１に照射され、方向を変更される。なお、投射装置１ａのレイアウトによっては、このミラー１１１は省略することができる。以下、適宜、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のレーザ光をそれぞれＲ光、Ｇ光、Ｂ光と記述する。

ミラー１１１から射出されたＲ光、Ｇ光およびＢ光は、フライアイレンズ１１２および１１３を介してレンズ１１４に入射される。フライアイレンズ１１２および１１３は、Ｒ光、Ｇ光およびＢ光を後述する各光変調素子１１９、１２５および１２８に照射する際に、各光が各光変調素子１１９、１２５および１２８に均一に照射されるように分散させる均一照明光学系を構成する。

Ｒ光、Ｇ光およびＢ光は、レンズ１１４から射出され、Ｒ光およびＧ光とＢ光とを分離する光分離器１１５に入射される。光分離器１１５は、例えばＢ光の波長帯域の光を反射しＲ光およびＧ光の波長帯域の光を透過させる第１のダイクロイックミラーと、Ｒ光およびＧ光の波長帯域の光を反射しＢ光の波長帯域の光を透過させる第２のダイクロイックミラーとを含む。光分離器１１５で分離されたＢ光は、光分離器１１５から射出されてミラー１１６に入射される。また、光分離器１１５で分離されたＲ光およびＧ光は、光分離器１１５から射出されてミラー１２１に入射される。

ミラー１１６に入射されたＢ光は、レンズ１１７を介して反射型偏光板１１８に入射される。反射型偏光板１１８は、Ｓ偏光およびＰ偏光のうち一方の偏光を透過し、他方の偏光を反射する。ここでは、レンズ１１７から射出されたＢ光がＰ偏光であり、後述する光変調素子１１９で反射された光がＳ偏光であって、反射型偏光板１１８がＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する特性を有するものとする。

反射型偏光板１１８を透過したＢ光は、光変調素子１１９に入射される。光変調素子１１９は、後述する駆動回路２０１により、Ｂ色の画像信号に従い駆動され、入射された光を画素毎に変調および反射して射出する。光変調素子１１９としては、例えば反射型液晶素子を適用することができる。光変調素子１１９に適用可能な素子は、反射型液晶素子に限られない。例えば、ＤＭＤ(Digital Mirror Device)を光変調素子１１９に適用することもできる。なお、光変調素子１１９にＤＭＤを適用する場合、照明光学系５の構成は、適宜、変更される。

光変調素子１１９でＢ色の画像信号に応じて画素毎に変調されたＢ光は、反射型偏光板１１８で反射されて方向を変更されて射出され、光合成プリズム１２０に第１の面から入射される。

光分離器１１５で分離されミラー１２１に入射されたＲ光およびＧ光は、ミラー１２１で反射され方向を変更されて色成分分離器１２２に入射され、Ｒ光とＧ光とに分離される。例えば、色成分分離器１２２は、Ｇ光の波長帯域の光を反射し、Ｒ光の波長帯域の光を透過させるダイクロイックミラーを用いて構成される。

色成分分離器１２２で分離されたＧ光は、レンズ１２３を介して反射型偏光板１２４に入射される。上述のＢ光と同様に、Ｇ光がＰ偏光であるものとし、Ｇ光は、反射型偏光板１２４を透過して光変調素子１２５に入射される。光変調素子１２５は、後述する駆動回路２０２により、Ｇ光の画像信号に従い駆動され、入射されたＧ光をＧ色の画像信号に応じて画素毎に変調および反射して射出する。光変調素子１２５から射出されたＧ光は、反射型偏光板１２４で反射されて光合成プリズム１２０に第２の面から入射される。

色成分分離器１２２で分離されたＲ光は、レンズ１２６を介して反射型偏光板１２７に入射される。上述のＢ光と同様に、Ｒ光がＰ偏光であるものとし、Ｒ光は、反射型偏光板１２７を透過して光変調素子１２８に入射される。光変調素子１２８は、後述する駆動回路２０３により、Ｒ色の画像信号に従い駆動され、入射されたＲ光をＲ色の画像信号に応じて画素毎に変調および反射して射出する。光変調素子１２８から射出されたＲ光は、反射型偏光板１２７で反射されて光合成プリズム１２０に第３の面から入射される。

光合成プリズム１２０は、それぞれ第１の面、第２の面および第３の面から入射されたＢ光、Ｇ光およびＲ光を合成して、ひとまとまりの光束として第４の面から射出する。光合成プリズム１２０から射出されたＲ光、Ｇ光およびＢ光を含む光束は、複数のレンズを含む投射レンズ１２９を介して外部に射出される。

画像処理回路２００は、例えばこの投射装置１ａにて投射したい画像の画像データが入力される。画像処理回路２００は、入力された画像データに対して所定の画像処理を施し、光変調素子１１９、１２５および１２８を駆動するための、Ｒ色、Ｇ色およびＢ色それぞれの駆動信号を生成する。これらＲ色、Ｇ色およびＢ色の各駆動信号は、駆動回路２０１、２０２および２０３にそれぞれ供給される。駆動回路２０１、２０２および２０３は、供給されたＲ色、Ｇ色およびＢ色の駆動信号に従い光変調素子１１９、１２５および１２８を駆動する。これにより、画像データに従った投射画像が投射される。

（第１の実施形態に係る光学装置の詳細）
次に、第１の実施形態に係る光学装置２について、図２を参照してより詳細に説明する。光学装置２は、複数のレンズ２０、２１、２５および２６と、２つの複屈折素子２２および２４（それぞれ第１の複屈折素子２２、第２の複屈折素子２４と呼ぶ）と、透過する光を拡散する透過型の拡散板２３とを含む。なお、以下では、複屈折素子２２および２４を、それぞれ第１の複屈折素子２２、第２の複屈折素子２４と呼ぶ。

複数のレンズ２０、２１、２５および２６のうち、レンズ２０は、光源１００からの各色のレーザ光を集光する集光レンズである。第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４は、入射した光を、複屈折により互いに偏光の向きが異なる常光線と異常光線とに分離させて射出させる。後述するように、第１の複屈折素子２２、拡散板２３および第２の複屈折素子２４は、レーザ光によるスペックルの発生を緩和するためのデスペックラを構成する。

光学装置２に入射されたコヒーレントな光であるレーザ光は、レンズ２０および２１を介して第１の複屈折素子２２に入射され、第１の複屈折素子２２において複屈折により常光線および異常光線に分離されて射出される。これら常光線および異常光線による各光線は、拡散板２３を介して第２の複屈折素子２４に入射される。第２の複屈折素子２４は、結晶軸の方向が第１の複屈折素子２２と所定の関係になるように配置され、第１の複屈折素子２２から射出された常光線および異常光線による光線を１本の光線に合成して射出させる。

第２の複屈折素子２４でそれぞれ１本の光線に合成された各色のレーザ光は、第２の複屈折素子２４から射出され、レンズ２５および２６を介して光学装置２から射出される。

図３は、第１の実施形態に係る光学装置を通過する光を概略的に示す。なお、図３中、「●（黒丸）」および光路に対して直角に交差する左右矢印は、互いに向きが異なる変更の直線偏光を示し、光路に対して斜めに交差する両矢印は、任意の向きの偏光を示す。

図３において、第１の実施形態に係る光学装置を構成する第１の複屈折素子２２と、第２の複屈折素子２４とが配置され、これら第１の複屈折素子２２と第２の複屈折素子２４との間に拡散板２３が配置される。

第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４は、入射された光線を、入射側の界面において、互いに偏光の向きが異なる常光線および異常光線の２本の光線に分離する。異常光線は、例えば複屈折素子の所定の結晶軸の方向に従い進行する。以下では、特に記載の無い限り、複屈折素子の所定の結晶軸の方向を、光学軸として説明する。

第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４としては、例えば方解石や水晶を用いることができる。これに限らず、第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４は、複屈折が発生する特性を有する材料であれば、他の材料で構成してもよい。また、第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４は、常光線および異常光線の屈折率、素子の厚みなどの特性が等しいものを用いる。

より具体的に説明する。第１の複屈折素子２２は、偏光の向きが任意で入射された入射光２７を、偏光の向きが互いに異なる常光線２７ａおよび異常光線２７ｂに分離する。以下では、第１の複屈折素子２２は、常光線２７ａが、第１の複屈折素子２２内を、入射光２７の進行方向と一致する方向に進行するように構成および配置されているものとする。一方、異常光線２７ｂは、第１の複屈折素子２２の光学軸２２０に従い、第１の複屈折素子２２内を進行する。

第１の複屈折素子２２から射出された常光線２７ａおよび異常光線２７ｂによる各光線は、拡散板２３を介して第２の複屈折素子２４に入射される。

第２の複屈折素子２４は、第１の複屈折素子２２と同様に、入射された各光を複屈折により常光線と異常光線とに分離する。このとき、第２の複屈折素子２４と第１の複屈折素子２２とを、互いの光学軸２２０および２４０が所定の関係となるように配置することで、第１の複屈折素子２２で常光線２７ａおよび異常光線２７ｂに分離され第２の複屈折素子２４に入射された各光線を、第１の複屈折素子２２内で１本の光線に合成することができる。

第１の実施形態では、第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４を、次の条件を満たすように配置する。すなわち、第１の実施形態では、第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４を、第１の複屈折素子２２光学軸２２０と、第２の複屈折素子２４の光学軸２４０とが鏡像対象になるように配置する。この場合、光学軸２２０と光学軸２４０とは、第１の複屈折素子２２の、入射光２７が射出される射出面と、第２の複屈折素子２４の、拡散板２３から射出された光線が入射される入射面とを接したと仮定した場合に、第１の複屈折素子２２の当該射出面、または、第２の複屈折素子２４の当該入射面を鏡像面とする鏡像対称となる。第１の実施形態では、図３に例示されるように、第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４が、光学軸２２０と光学軸２４０とが光学的に鏡像対称となるように配置されている。

すなわち、第１の複屈折素子２２の光学軸２２０と第２の複屈折素子２４の光学軸２４０は、第１の複屈折素子２２から射出して第２の複屈折素子２４に入射した２の光が、第２の複屈折素子２４内部を通過する際に同一光路に合成されて射出されるような関係になっていればよい。

これにより、第１の複屈折素子２２の異常光線２７ｂによる光線が、第２の複屈折素子２４における複屈折による異常光線２７ｂ’として、第１の複屈折素子２２における異常光線２７ｂの進行方向と鏡面対称の方向に進行する。この光線は、第１の複屈折素子２２の常光線２７ａよる光線が第２の複屈折素子２４に入射され、第２の複屈折素子２４における複屈折による常光線２７ａ’と、第２の複屈折素子２４の射出側の界面で１本の光線に合成されて、射出光２８として第２の複屈折素子２４から射出される。

なお、ここでは、第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４が、それぞれ、常光線２７ａおよび２７ｂの屈折角が０°になるように配置されているものとしている。また、第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４は、例えば第１の複屈折素子２２の射出面と、第２の複屈折素子２４の入射面とが平行になるように配置されているものとしている（図３参照）。

ここで、第１の実施形態の構成によれば、第１の複屈折素子２２から射出された常光線２７ａおよび異常光線２７ｂによる各光線は、拡散板２３でそれぞれ拡散され、第２の複屈折素子２４に入射される。図３において、第２の複屈折素子２４内における常光線２７ａ’は、常光線２７ａによる光線が拡散板２３で拡散された拡散光の成分のうち、拡散板２３に入射された当該光線と進行方向が略一致する成分によって構成される。同様に、第２の複屈折素子２４内における異常光線２７ｂ’は、異常光線２７ｂによる光線が拡散板２３で拡散された拡散光の成分のうち、拡散板２３に入射された当該光線と進行方向が略一致する成分によって構成される。

また、図３では簡略化のため、拡散板２３から射出される光線として、拡散板２３に入射された光線と進行方向が略一致する成分のみ記載したが、拡散板２３で拡散して進行方向が変わった光線においても、その偏光方向に応じて常光線２７ａ’、異常光線２７ｂ’と同様に進行する。これにより、拡散板２３の射出側から見て１つの点光源と見做せる。

第１の実施形態に係る光学装置の構成によれば、射出光２８の角度分布は、入射光２７であるレーザ光の角度分布と、拡散板２３における常光線２７ａおよび異常光線２７ｂに基づく各光線による２箇所の拡散面における拡散光の角度分布とが重畳されたものとなる。そのため、光学装置２は、入射光２７に対して射出光２８のスペックルを軽減させるデスペックラの機能を果たし、照度均一性を向上させる。また、射出光２８は、１本の光線として射出されるため、照明効率の低下が抑えられる。

図４および図５を用いて、第１の実施形態に係る第１の複屈折素子２２と第２の複屈折素子２４との配置について、より詳細に説明する。図４は、第１の実施形態に係る第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４の配置の例を示す斜視図である。また、図５（ａ）は、図４に示す第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４の上面図、図５（ｂ）は、正面図の例を示す。なお、図４および図５において、拡散板２３は省略されている。また、図４および図５において、上述の図３と共通する部分には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

図４において、左（幅）方向をｘ軸、右斜め上（奥行き）方向をｙ軸、上（高さ）方向をｚ軸とし、第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４それぞれについて、図中の右下の頂点を原点、単位長さを１とする。この場合において、第１の複屈折素子２２の光学軸２２０が座標（１，０，０）と座標（０，１，１）とを結ぶ方向であるとする。第２の複屈折素子２４は、光学軸２４０が光学軸２２０に対して鏡面対称となるように配置される。この場合、光学軸２４０は、光学軸２２０に対してｚ軸方向を反転させた座標（１，０，１）と座標（０，１，０）とを結ぶ方向となる。

図４を参照し、第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４がそれぞれ厚みｔであり、第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４における常光線および異常光線に対応する屈折率がそれぞれ屈折率ｎ₀、屈折率ｎ_eであるものとする。この場合、素子の射出側での常光線の射出位置と異常光線の射出位置との差分である分離幅ｄは、次式（１）で表される。
ｄ＝ｔ×(ｎ_o ²−ｎ_e ²)／(ｎ_o ²＋ｎ_e ²) …（１）

入射光２７が第１の複屈折素子２２で複屈折により分離された常光線２７ａおよび異常光線２７ｂは、それぞれ、第１の複屈折素子２２の射出面から垂直方向に、分離幅ｄで以って射出される（図中の位置ＡおよびＢ）。つまり、光学軸２２０は、異常光線２７ｂが厚みｔだけ進んだときに常光線２７ａから分離幅ｄだけ離れるような向きになっている。第１の複屈折素子２２から射出された常光線２７ａおよび異常光線２７ｂによる光線は、それぞれ、第２の複屈折素子２４に対して分離幅ｄを保って入射される（図中の位置Ａ’およびＢ’）。

ここで、第１の複屈折素子２２と第２の複屈折素子２４とが、互いの結晶軸方向が所定の関係になるように配置されている場合、第２の複屈折素子２４の位置Ｂ’から入射された光線から分離された異常光線２７ｂ’は、光学軸２４０に従い、第１の複屈折素子２２内における異常光線２７ｂとは逆の経路で進行する。つまり、光学軸２４０は、異常光線２７ｂ’が厚みｔだけ進んだときに常光線２７ａ’に分離幅ｄと同じ距離だけ近づくような向きになっている。そして、この異常光線２７ｂ’は、第２の複屈折素子２４の射出側の界面において、第１の複屈折素子２２から射出された常光線２７ａに基づく常光線２７ａ’と合成されて、射出光２８として射出される。

また、拡散板２３が無いと仮定した場合に、第１の複屈折素子２２の中を進む常光線２７ａ及び異常光線２７ｂから作られる平面と、第２の複屈折素子２４の中を進む常光線２７ａ’及び異常光線２７ｂ’から作られる平面とは、平行である。また、第１の複屈折素子２２と第２の複屈折素子２４間を進む常光線２７ａ及び異常光線２７ｂと、入射光２７は、それぞれ入射光２７と平行である。

次に、図４および図５を用いて、各光線の偏光について考える。以下では、座標（ｘ₁，ｙ₁）と座標（ｘ₂，ｙ₂）とを結ぶ偏光の向きを、（ｘ₁，ｙ₁）−（ｘ₂，ｙ₂）として表す。図４を参照し、入射光２７は、偏光の向きが任意の直線偏光であるとする。この場合、第１の複屈折素子２２内での常光線２７ａは、光学軸２２０に従い、偏光の向きが（１，１）−（０，０）の直線偏光となり、異常光線２７ｂは、偏光の向きが（１，０）−（０，１）の直線偏光となる。

上述したように、第１の複屈折素子２２の光学軸２２０と第２の複屈折素子２４の光学軸２４０とは、鏡面対称すなわち互いにｚ軸方向を反転させた関係にあり、ｘｙ平面上での方向は同一である。そのため、第２の複屈折素子２４内では、常光線２７ａ’の偏光の向きは、第１の複屈折素子２２内の常光線２７ａの偏光の向きと同一である。同様に、異常光線２７ｂ’の偏光の向きは、第１の複屈折素子２２内の異常光線２７ｂの偏光の向きと同一である。したがって、第２の複屈折素子２４から射出される、常光線２７ａ’と異常光線２７ｂ’とが合成された射出光２８は、偏光の向きが互いに異なる２つの直線偏光を含む光線となる。これにより、例えば図２における反射型偏光板１１８、１２４および１２７を用いた光線の分別が可能となる。

なお、レーザ光のようなコヒーレントな光線の照射による被照射位置に起因するスペックルパターンは、被照射位置によって異なる。そのため、第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４の分離幅ｄは、スペックルパターンの周期からずれていればよい。例えば、分離幅ｄは、スペックルパターンの１周期の長さよりも大きくする。また、上述した式（１）から分かるように、分離幅ｄが決まれば第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４の厚みｔも決まる。スペックルパターンの１周期の長さを数μｍ乃至数１００μｍとした場合、厚みｔは、例えば１ｍｍ以上あればよい。

ここで、第１の実施形態の効果について説明する。図６は、照明系を単純化して示す。光源３００から射出された光は、レンズ３０１で集光され、被照射面３０２に光源像を結ぶ。ここで、光源３００から射出される光の射出角を角度θ、光源３００の面積を面積Ｓとし、光源３００から射出角θで射出された光が、面積Ｓ’の被照射面３０２に、照射角θ’で照射される場合について考える。照明系において、光束の断面積と、光が定める立体角との積による物理量であるエタンデュ(Etendue)が定義される。例えば、射出側すなわち光源３００側のエタンデュと、被照射側すなわち被照射面３０２側のエタンデュは、それぞれ次式（２）および（３）で表される。
射出側Etendue＝π×Ｓ×sin²θ …（２）
被照射側Etendue＝π×Ｓ’×sin²θ’ …（３）

照明系では、このエタンデュが射出側と被照射側とで保存される場合に、最も照明効率が高くなる。上述の式（２）および式（３）を例に取ると、次式（４）の関係が成り立つ場合に、最も照明効率が高くなる。
π×Ｓ×sin²θ＝π×Ｓ’×sin²θ’ …（４）

一方、例えば射出側Etendueが被照射側Etendueよりも大きい場合、射出側から射出された光の一部が被照射側に照射されないことになり、照明効率が低下する。

図２の投射装置１ａの場合、被照射面３０２は、Ｒ光を例に取ると、光変調素子１１９であり、光源３００は、光源１００に含まれるＲ色光源である。Ｒ色光源は、点光源または点光源に極めて近い光源であると見做され、面積Ｓおよび射出角θは、それぞれ小さな値となる。

ここで、第１の実施形態に係る第２の複屈折素子２４を用いない場合について考える。この場合、第１の複屈折素子２２の位置ＡおよびＢから射出された各光線が拡散板２３で拡散されて光学装置２から射出されることになる。すなわち、第１の複屈折装置２２に入射された入射光２７は、互いに偏光の向きが異なる２本の光線として射出される。これは、光源３００が２点となり、光源３００の面積が２倍に増大することを意味する。

これを、上述の式（４）に当て嵌めると、式の左辺において、面積Ｓが２倍になることになる。この場合において、上述の式（４）を成立させるためには、面積Ｓ’または照射角θ’を大きくする必要がある。式（４）が成立しない、すなわち式（４）の左辺が右辺よりも大きい場合、光源３００から射出された光の一部が被照射面３０２に照射されず、照明効率が低下する。また、光源３００から射出される偏光の向きが互いに異なる２本の光線のうち一方の光線が被照射面３０２に照射されない場合、例えば図２のＲ色光源の場合には、反射型偏光板１１８における偏光の透過および反射の際に問題が生じることも考えられる。

面積Ｓ’を大きくすることは、光変調素子を大きくすることであり、コストが嵩み、また、装置の大型化に繋がる。また、照射角θ’を大きくすることは、Ｆナンバの小さなレンズ３０１を用いる必要があり、この場合においてもコストが嵩み、また、装置の大型化に繋がる。

次に、第１の実施形態に係る第２の複屈折素子２４を用いる場合について考える。この場合、第２の複屈折素子２４において、位置Ａ’および位置Ｂ’から入射した各光線に基づく常光線２７ａ’および異常光線２７ｂ’が合成されて、１本の光線として射出される。そのため、面積Ｓの増大を抑制することができる。また、射出される１本の光線は、偏光の向きが互いに異なる２本の光線を含んでいるため、反射型偏光板１１８における偏光の透過および反射の際の問題も生じない。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。上述の第１の実施形態では、第１の複屈折素子２２と第２の複屈折素子２４との間に透過型拡散板を配置してデスペックラを構成していた。これに対して、第２の実施形態では、１つの複屈折素子を用い、拡散板として反射型拡散板を用いてデスペックラを構成する。

図７は、第２の実施形態に適用可能な投射装置の一例の構成を示す。なお、図７において、上述した第１の実施形態と共通する部分には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

図７において、投射装置１ｂは、光源としてＢ光のレーザ光を射出する光源１００’と、Ｂ光の照射により黄色の光（適宜、Ｙ光と呼ぶ）を発生する蛍光体面１５１が形成された、回転する蛍光体ホイール１５０とを含む。投射装置１ｂは、蛍光体ホイール１５０上の蛍光体面１５１にＢ光を照射させてＹ光を発光させ、このＹ光をＲ光およびＧ光に分離する。これにより、Ｂ光のレーザ光を用いてＲ、Ｇ、Ｂ各色の光線を生成し、生成したＲ、Ｇ、Ｂ各色の光線を、各色に対応する光変調素子１１９、１２５および１２８に照射させる。

図７において、光源１００’から射出されたＢ光は、集光レンズ１０１を介してダイクロイックミラー１０２の第１面に入射される。このダイクロイックミラー１０２は、Ｂ光の波長帯域の光を反射し、Ｂ光の波長帯域よりも長波長の帯域の光（例えば赤色光や緑色光）を透過させる特性を備える。ダイクロイックミラー１０２に入射されたＢ光は、ダイクロイックミラー１０２の第１面で反射され、集光レンズ１０３および１０４を介して、モータ１５２により回転駆動される蛍光体ホイール１５０に入射される。

図８は、第２の実施形態に適用可能な蛍光体ホイール１５０の一例の構成を示す。蛍光体ホイール１５０は、ミラー状の表面に、回転軸１５３に対して同心円状に蛍光体面１５１が形成され、回転軸１５３を中心として回転される。蛍光体面１５１は、Ｂ光の波長帯域の光により励起されて、黄色光（Ｙ光）を発光する蛍光体が塗布されてなる。なお、加色法において黄色は緑色と赤色とを混合して得られるので、蛍光体面１５１で発光される黄色光は、赤色成分と緑色成分とを含む。

ここで、蛍光体ホイール１５１の直前に、拡散板を配置してもよい。これにより、蛍光体面１５１においてＢ光が分散されて照射され、蛍光体面１５１における蛍光体のＢ光によるダメージが抑制され、蛍光体の信頼性が向上される。また、蛍光体は、照射される光の光密度が一定値を超えると、発熱などにより励起効率が低下する特性がある。拡散板によりＢ光を拡散させることで、蛍光体に照射されるＢ光の光密度が下がり、蛍光体の励起効率を高めることができる。

蛍光体面１５１で発光されたＹ光は、ダイクロイックミラー１０２を透過してレンズ１０５に入射される。

一方、ダイクロイックミラー１０２を透過したＢ光は、第２の実施形態に係る光学装置３に入射される。光学装置３に設けられるレンズ３０および３１と、複屈折素子３２とを介して反射型の拡散板３３に照射され、拡散板３３で反射されて、入射時と逆の光路により複屈折素子３２と、レンズ３１と、レンズ３０とを介して光学装置３から射出される。光学装置３から射出されたＢ光は、ダイクロイックミラー１０２の第２の面に反射され、進行方向をダイクロイックミラー１０２を透過したＹ光と同じ方向に変更されてレンズ１０５に入射される。

レンズ１０５から射出されたＹ光およびＢ光は、ミラー１１１で反射され方向を変更される。ミラー１１１から射出されたＹ光およびＢ光は、フライアイレンズ１１２および１１３と、レンズ１１４とを介して、Ｂ光とＹ光とを分離する光分離器１１５に入射される。光分離器１１５で分離されたＢ光は、光分離器１１５から射出されてミラー１１６に入射される。また、光分離器１１５で分離されたＹ光は、光分離器１１５から射出されてミラー１２１に入射される。

ミラー１１６に入射されたＢ光は、レンズ１１７を介して反射型偏光板１１８に入射される。反射型偏光板１１８を透過したＢ光は、光変調素子１１９に入射される。光変調素子１１９は、駆動回路２０１により、画像処理回路２００から出力されたＢ色の画像信号に従い駆動され、入射された光を画素毎に変調および反射して射出する。光変調素子１１９でＢ色の画像信号に応じて画素毎に変調されたＢ光は、反射型偏光板１１８で反射されて方向を変更されて射出され、光合成プリズム１２０に第１の面から入射される。

光分離器１１５で分離されミラー１２１に入射されたＹ光は、ミラー１２１で反射され方向を変更されてミラー１２１から射出される。ミラー１２１から射出されたＹ光は、色成分分離器１２２に入射され、Ｙ光から緑色光成分と赤色光成分とが分離される。例えば、色成分分離器１２２は、緑色光の波長帯域の光を反射し、赤色光の波長帯域の光を透過させるダイクロイックミラーを用いて構成される。

色成分分離器１２２でＹ光から分離されたＧ光は、レンズ１２３を介して反射型偏光板１２４に入射される。Ｇ光は、反射型偏光板１２４を透過して光変調素子１２５に入射される。光変調素子１２５は、駆動回路２０２により、画像処理回路２００から出力されたＧ色の画像信号に従い駆動され、入射されたＧ光を画素毎に変調および反射して射出する。光変調素子１２５から射出されたＧ光は、反射型偏光板１２４で反射されて光合成プリズム１２０に第２の面から入射される。

色成分分離器１２２でＹ光から分離されたＲ光は、レンズ１２６を介して反射型偏光板１２７に入射される。Ｒ光は、反射型偏光板１２７を透過して光変調素子１２８に入射される。光変調素子１２８は、駆動回路２０３により、画像処理回路２００から出力されたＲ色の画像信号に従い駆動され、入射されたＲ光を画素毎に変調および反射して射出する。光変調素子１２８から射出されたＲ光は、反射型偏光板１２７で反射されて光合成プリズム１２０に第３の面から入射される。

光合成プリズム１２０は、それぞれ第１の面、第２の面および第３の面から入射されたＢ光、Ｇ光およびＲ光を合成して、ひとまとまりの光束として第４の面から射出する。光合成プリズム１２０から射出されたＲ光、Ｇ光およびＢ光を含む光束は、投射レンズ１２９を介して外部に射出される。

図９を用いて、第２の実施形態に係る光学装置３について説明する。図９（ａ）および図９（ｂ）は、第２の実施形態に係る光学装置を通過する光を、複屈折素子３２の入射光３４と平行な面による断面図を用いて概略的に示す。また、図９（ｃ）は、複屈折素子３２を入射光３４の方向から見た上面図を概略的に示す。

図９において、第２の実施形態に係る光学装置は、複屈折素子３２が配置され、複屈折素子３２の入射光３４に対する射出側に、入射された光線を拡散して反射する反射型拡散板３３が配置されて構成される。複屈折素子３２は、光学軸３２０が、ｘ軸およびｚ軸による座標（ｘ，ｚ）で表す場合、図中で座標（１，０）と座標（０，１）とを結ぶ方向であるものとする。

図９（ａ）は、複屈折素子３２を通過する入射光３４を概略的に示す。レーザ光（Ｂ光）による入射光３４が複屈折素子３２に入射される。入射光３４は、複屈折素子３２の入射面に対して略垂直に入射されると好ましい。入射光３４は、複屈折素子３２の入射側の界面において複屈折され、常光線３５ａと、光学軸３２０に従って進行する異常光線３５ｂとに分離される。つまり、光学軸３２０は、異常光線３５ｂが厚みｔだけ進んだときに常光線３５ａから分離幅ｄだけ離れるような向きになっている。射出側の界面において、常光線３５ａおよび異常光線３５ｂによる各光線が、入射光３４と同じ進行方向で射出され、拡散板３３に照射される。

図９（ｂ）は、拡散板３３に照射された各光線が、拡散板３３で反射されて複屈折素子３２を入射時とは逆の方向で通過する様子を示す。図９（ｂ）において、複屈折素子３２内における常光線３５ａ’は、常光線３５ａによる光線が拡散板３３で拡散された拡散光の成分のうち、入射光３４と進行方向が逆方向に略一致する成分に基づく。同様に、複屈折素子３２内における異常光線３５ｂ’は、異常光線３５ｂによる光線が拡散板３３で拡散された拡散光の成分のうち、入射光３４と進行方向が逆方向に略一致する成分に基づく。つまり、光学軸３２０は、異常光線３５ｂ’が厚みｔだけ進んだときに常光線３５ａ’に分離幅ｄと同じだけ近づくような向きになっているとも説明できる。これら常光線３５ａ’と異常光線３５ｂ’とが、複屈折素子３２の射出側の界面で合成されて、１本の射出光３４’として射出される。

ここで、例えば複屈折素子３２に入射光３４が入射される面を入射面、入射光３４に基づく常光線３５ａおよび異常光線３５ｂによる各光線が射出される面を射出面と考える。複屈折素子３２の射出面から射出された各光線は、反射型の拡散板３３で拡散反射され、複屈折素子３２の射出面に入射される。入射面側から見た複屈折素子３２を第１の複屈折素子、射出面側から見た複屈折素子３２を第２の複屈折素子と見做すと、上述した第１の実施形態に係る、第１の複屈折素子２２および第２の複屈折素子２４の配置の条件は、第２の実施形態にも適用できる。

次に、各光線の偏光について考える。なお、図９中、「●（黒丸）」および光路に対して直角に交差する左右矢印は、例えば互いに向きが異なる変更の直線偏光を示し、光路に対して斜めに交差する両矢印は、任意の向きの偏光を示す。入射光３４は、図９（ｃ）に斜めの両矢印で示されるように、偏光の向き３２１が任意の直線偏光であるとする。この場合、複屈折素子３２内での常光線３５ａは、光学軸３２０に従い、第１の偏光の向きの直線偏光となり、異常光線３５ｂは、第１の偏光の向きと異なる第２の偏光の向きの直線偏光となる。

これら常光線３５ａおよび異常光線３５ｂによる各光線が拡散板３３で反射され、反射光がそれぞれ偏光の向きを保ったまま複屈折素子３２の射出面側に入射される。すなわち、各反射光は、入射光３４に対して逆方向で、複屈折素子３２に入射される。そのため、常光線３５ａによる反射光から分離された常光線３５ａ’の偏光の向きは、常光線３５ａによる偏光の向きと同一である。同様にして、異常光線３５ｂによる反射光から分離された異常光線３５ｂ’の偏光の向きは、異常光線３５ｂによる偏光の向きと同一である。したがって、複屈折素子３２の入射面側から射出される、常光線３５ａ’と異常光線３５ｂ’とが合成された射出光３４’は、偏光の向きが互いに異なる２つの直線偏光を含む光線となる。これにより、図７における反射型偏光板１１８、１２４および１２７を用いた光線の分別が可能となる。

このように、第２の実施形態によっても、複屈折素子３２から射出された、常光線３５ａと異常光線３５ｂとによる各光線が拡散板３３で反射されて複屈折素子３２に、当該各光線が射出された位置と同じ位置から入射され、入射した各光線の常光線３５ａ’と異常光線３５ｂ’とが合成されて、１本の光線として射出される。そのため、図６を用いて説明した、光源の面積Ｓの増大を抑制することができる。

また、第２の実施形態に係る光学装置の構成によれば、第１の実施形態と同様に、射出光３４’の角度分布は、入射光３４であるレーザ光の角度分布と、拡散板３３における常光線３５ａおよび異常光線３５ｂに基づく各光線による２箇所の拡散面における角度分布とが重畳されたものとなる。そのため、射出光３４’は、入射光３４に対してスペックルが軽減され、照度均一性が向上される。また、射出光３４は、１本の光線として射出されるため、照明効率の低下が抑えられる。

さらに、第２の実施形態に係る光学装置の構成によれば、１本の光線として射出される射出光３４’は、偏光の向きが互いに異なる２本の光線を含んでいるため、反射型偏光板１１８における偏光の透過および反射の際の問題も生じない。さらに、第２の実施形態に係る光学装置の構成によれば、第１の実施形態の光学装置と同等の効果を、１個の複屈折素子３２により構成したデスペックラにより実現しているため、第１の実施形態に対してコストを低減できる。

なお、第１の実施形態、及び、第２の実施形態では、入射光が複屈折素子の入射面に対して垂直に入射する場合について説明したが、入射光が入射面に対して垂直以外の角度で入射する場合についても、デスペックラへの入射光の入射方向と光の入射側の複屈折素子と、デスペックラからの射出光の射出方向と光の射出側の複屈折素子とで、それぞれの光学軸が上述した条件を満たしていれば、本発明の効果を発揮することができる。

上述の条件を満たす構成には、第１の実施形態の変形として、第１の複屈折素子２２と第２の複屈折素子２４との間の光路を折り曲げるために、第１の複屈折素子２２と第２の複屈折素子２４との間に光路折り曲げミラーが配置された場合が含まれる。

この場合には、第１の複屈折素子２２と第２の複屈折素子２４とが、図３に示したような、平行な位置関係ではなくなるが、光学軸２２０および光学軸２４０は、第１の複屈折素子２２の入射光２７が射出される射出面と、第２の複屈折素子２４の拡散板２３から射出された光線（折り曲げミラーから射出された光線）が入射される入射面とを接したと仮定した場合に、第１の複屈折素子２２の当該射出面、または、第２の複屈折素子２４の当該入射面を鏡像面とする鏡像対称となる。

１ａ，１ｂ 投射装置
２，３ 光学装置
５ 照明光学系
７，２２０，２４０，３２０ 光学軸
２２ 第１の複屈折素子
２３，３３ 拡散板
２４ 第２の複屈折素子
２７，３４ 入射光
２７ａ，２７ａ’，３５ａ，３５ａ’ 常光線
２７ｂ，２７ｂ’，３５ｂ，３５ｂ’ 異常光線
２８，３４’ 射出光
２００ 画像処理回路
２０１，２０２，２０３ 駆動回路

Claims (7)

1. コヒーレントな入射光が入射される第１の複屈折素子と、
   前記第１の複屈折素子から射出された光が入射される透過型の拡散素子と、
   前記透過型の拡散素子から射出された光が入射される第２の複屈折素子と
   を備える
   ことを特徴とする光学装置。
2. 前記第１の複屈折素子は、
   前記入射光を複数の光に分離して前記拡散板に入射させ、
   前記第２の複屈折素子は、
   前記拡散板から射出された前記複数の光を１の光に合成して射出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記第１の複屈折素子および前記第２の複屈折素子を、
   前記第１の複屈折素子の光学軸と、前記第２の複屈折素子の光学軸とが鏡像対称となるように配置する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学装置。
4. 前記鏡像対称は、
   前記第１の複屈折素子の前記入射光が射出される射出面と、前記第２の複屈折素子の前記拡散素子から射出された光が入射される入射面と、を接したと仮定した場合に、該射出面または該入射面を鏡像面とする
   ことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
5. コヒーレントな入射光が入射される複屈折素子と、
   前記複屈折素子から射出された光を拡散反射して射出し、前記拡散反射された光が前記複屈折素子に入射される反射型の拡散素子と、
   を備える
   ことを特徴とする光学装置。
6. 前記複屈折素子は、
   前記入射光を複数の光に分離して前記拡散板に入射させ、前記拡散板から射出された前記複数の光の反射光を１の光に合成して射出する
   ことを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の光学装置と、
   前記光学装置から射出された光を画像信号に従い変調する光変調素子と、
   前記光変調素子で変調された光を射出する投射光学部と
   を有する
   ことを特徴とする投射装置。

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