JP2018120672A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】被照明領域での照度分布の均一化が図れる照明装置を提供する。
【解決手段】本発明の照明装置は、光源と、光源から射出された光線束が入射するコリメート光学系と、複数のレンズを含むレンズアレイを備えた光成形光学系と、を備える。複数のレンズの各々は、回転非対称な自由曲面を有するレンズ面を有する。光成形光学系は、コリメート光学系を通過した光線束を複数のレンズによって複数のサブ光線束に分割し、複数のサブ光線束を被照明領域に入射させるように構成されている。
【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。

プロジェクター等に用いられる照明装置として、半導体レーザー等の励起光源から射出された励起光を蛍光体に照射し、蛍光体から得られる蛍光光を利用する照明装置が提案されている。

下記の特許文献１に、励起光源と、蛍光体と、励起光源と蛍光体との間に配置された拡散板と、蛍光体の近傍に配置された集光レンズと、を備えた光源ユニットが開示されている。この光源ユニットにおいて、励起光源からの励起光は、拡散板により拡散されて蛍光体に照射される。励起光を拡散板で拡散させることによって、蛍光体に照射される励起光のパワー密度を下げることができる。蛍光体上での励起光のパワー密度を低くすることで、励起光を高い効率で蛍光光に変換することができる。

下記の特許文献２に、青色半導体レーザーアレイ（Ｂ−ＬＤアレイ）と、２枚のマルチレンズアレイと、レンズと、蛍光体ホイールと、を備えた光源装置が開示されている。この光源装置は、２枚のマルチレンズアレイおよびレンズを備えているため、蛍光体に照射される励起光のパワー密度が低く、かつ励起光の照度分布の均一性が高められている。

特開２０１３−１２０２５０号公報 特開２０１４−１３８１４８号公報

特許文献１の光源ユニットにおいて、パワー密度を下げて、照度分布の均一性を高めるために拡散角度を大きくすると、蛍光体上での励起光のスポットが大きくなるため、蛍光の利用効率が低下する。蛍光の利用効率の低下を低減するためには集光レンズを大きくしなければならない。

特許文献２の光源装置においては、青色光の照度分布を蛍光体ホイール上で均一にするためには２枚のマルチレンズアレイが必要となるため、光源装置の部品点数が増大する、光源装置が大型化する等の問題がある。

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、部品点数の増大や装置全体の大型化を抑えつつ、被照明領域での照度分布の均一性の向上を図ることができる照明装置を提供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たプロジェクターを提供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、光源と、前記光源から射出された光線束が入射するコリメート光学系と、複数のレンズを含むレンズアレイを備えた光成形光学系と、を備える。前記複数のレンズの各々は、回転非対称な自由曲面を有するレンズ面を有する。前記光成形光学系は、前記コリメート光学系を通過した前記光線束を前記複数のレンズによって複数のサブ光線束に分割し、前記複数のサブ光線束を被照明領域に入射させるように構成されている。

本明細書において、「被照明領域」は、被照明物のうち照明装置によって照明されるべき領域である。また、「光照射領域」は、被照明物のうち複数のサブ光線束が実際に照射された領域である。また、自由曲面からなるレンズ面を有するレンズを「自由曲面レンズ」と称することもある。

本発明の一つの態様の照明装置によれば、光照射領域の形状調整、および被照明領域上での照度分布均一化を複数のレンズで分担するため、部品点数の増大や装置全体の大型化を抑えつつ、被照明領域での照度分布の均一性の向上を図ることができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記レンズアレイ上での前記光線束のスポットは長手方向を有し、前記複数のレンズは、前記長手方向と交差する方向に配列されていてもよい。

この構成によれば、被照明領域の照度分布の均一性を高め、パワー密度を下げることができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記複数のレンズのうち１つのレンズの光軸に垂直な平面において互いに直交する２つの方向をｘ方向、ｙ方向としたとき、前記レンズ面の形状はｘとｙとを変数とする（１）式で表されるものであってもよい。

この構成によれば、ｘ方向の曲率及びｙ方向の曲率をそれぞれ独立して設計できるため、レンズの設計が容易になる。

本発明の一つの態様の照明装置において、ｐを正の整数としたとき、ｘ^２ｐ×ｙ^２ｐで表される項を少なくとも一つ含んでもよい。

この構成によれば、ｘｙ平面内においてｘ方向およびｙ方向の双方と交差する方向の光照射領域の大きさを容易に調整できる。つまり、光照射領域の角部の形状を容易に調整することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、ｈを正の整数としたとき、ｘ^ｈの項の係数Ｃｊはｙ^ｈの項の係数Ｃｊと異なっていてもよい。

この構成によれば、光照射領域の大きさをｘ方向、ｙ方向においてそれぞれ独立に調整することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、ｘ^２・ｙ^４の項の係数Ｃｊはｘ^４・ｙ^２の項の係数Ｃｊと異なっていてもよい。

この構成によれば、光照射領域の大きさを対角方向、ｘ方向、ｙ方向において精度良く調整することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記複数のサブ光線束は、第１のサブ光線束と第２のサブ光線束とを含み、前記レンズアレイは、前記第１のサブ光線束と前記第２のサブ光線束とを互いに異なる方向に進行させるように構成されていてもよい。

この構成によれば、第１のサブ光線束、第２のサブ光線束の各々の被照明領域への入射位置を調整することができる。これにより、被照明領域上の照度分布を均一化しやすくなる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記複数のサブ光線束は、第１のサブ光線束と第２のサブ光線束とを含み、前記光成形光学系は、集光光学系をさらに備え、前記集光光学系は、前記第１のサブ光線束と前記第２のサブ光線束とを互いに異なる方向に進行させるように構成されていてもよい。

この構成によれば、第１のサブ光線束、第２のサブ光線束の各々の被照明領域への入射位置を調整することができる。これにより、被照明領域上の照度分布を均一化しやすくなる。また、光成形光学系が集光光学系を備えていない場合と異なり、レンズ面である自由曲面にサブ光線束を偏向させる機能を持たせる必要がなく、レンズ設計の自由度を高めることができる。

本発明の一つの態様の照明装置は、前記レンズアレイと前記集光光学系との間の光路中に設けられた光分離素子と、前記集光光学系を介して前記複数のサブ光線束が入射する拡散反射素子と、をさらに備えてもよい。

この構成によれば、拡散反射素子によって拡散された複数のサブ光線束を、光分離素子を介して照明光として取り出すことができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記光成形光学系は、前記第１のサブ光線束の主光線と前記第２のサブ光線束の主光線とが前記被照明領域の互いに異なる位置に入射するように構成されていてもよい。

この構成によれば、被照明領域上の照度分布を均一化しやすくなる。また、光照射領域の形状を調整しやすくなる。

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、前記照明装置からの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生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ているため、明るい画像を得ることができる。

本発明の一つの態様のプロジェクターにおいて、前記照明装置は、前記複数のサブ光線束を蛍光に変換する波長変換素子をさらに備え、前記蛍光を前記照明光として射出してもよい。

この構成によれば、蛍光を照明光として利用したプロジェクターを提供することができる。

本発明の一つの態様のプロジェクターにおいて、前記照明装置は、前記複数のサブ光線束を前記照明光として射出してもよい。

この構成によれば、複数のサブ光線束を照明光として利用したプロジェクターを提供することができる。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 レンズアレイの平面図である。 ｙ方向に垂直な平面で切断したレンズアレイの断面図である。 ｘ方向に垂直な平面で切断したレンズアレイの断面図である。 実施例のレンズアレイのうち、中央の２個のレンズの位置を示す平面図である。 図５Ａのレンズによる被照明領域上での照度分布を示す図である。 図５Ａのレンズによる被照明領域上での照度分布のイメージを示す図である。 実施例のレンズアレイのうち、左端から２個目および右端から２個目のレンズの位置を示す平面図である。 図６Ａのレンズによる被照明領域上での照度分布を示す図である。 図６Ａのレンズによる被照明領域上での照度分布のイメージを示す図である。図である。 実施例のレンズアレイのうち、左端および右端のレンズの位置を示す平面図である。 図７Ａのレンズによる被照明領域上での照度分布を示す図である。 図７Ａのレンズによる被照明領域上での照度分布のイメージを示す図である。 実施例のレンズアレイのうち、全てのレンズの位置を示す平面図である。 図８Ａのレンズによる被照明領域上での照度分布を示す図である。 図８Ａのレンズによる被照明領域上での照度分布のイメージを示す図である。 半導体レーザーからの光線束の被照明領域上での照度分布を示す図である。 比較例の光源装置による被照明領域上での照度分布を示す図である。 比較例の光源装置において、光照射領域をｘ方向に拡大した場合の被照明領域上での照度分布を示す図である。 第２実施形態のプロジェクター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１１を用いて説明する。
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は、本実施形態のプロジェクター１０００の光学系を示す図である。
図１に示すように、プロジェクター１０００は、照明装置１００と、色分離導光光学系２００と、光変調装置４００Ｒと、光変調装置４００Ｇと、光変調装置４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投射光学系６００と、を備えている。

照明装置１００は、光源装置８０と、ピックアップ光学系６０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０と、を備える。光源装置８０は、光源１０と、コリメート光学系２０と、光成形光学系７０と、波長変換素子３０と、を備える。

光源１０は青色光Ｂを射出する。蛍光体層４２は光源１０から射出された青色光Ｂの一部を緑色光Ｇおよび赤色光Ｒを含む蛍光光ＹＬに変換して、青色光Ｂの他の一部とともに射出する。このようにして、光源装置８０は白色光を射出する。

光源１０は、複数の半導体レーザー１５を備えている。半導体レーザー１５は、例えばピーク波長が４４５ｎｍの青色光Ｂを射出する。ただし、半導体レーザー１５は、ピーク波長が４４５ｎｍ以外の青色光Ｂ、例えばピーク波長が４６０ｎｍの青色光Ｂを射出してもよい。以下の説明では、青色光Ｂの主光線の方向をｚ方向とする直交座標系を用いる。複数の半導体レーザーは、ｘ軸方向およびｙ軸方向に所定の間隔をおいて２次元アレイ状に配列されている。

本実施形態において、複数の半導体レーザー１５は、ｘｙ平面において４行４列に配列されている。すなわち、複数の半導体レーザー１５は、ｘ方向に配列された４列の半導体レーザー列１５Ｒを有する。また、１列の半導体レーザー列１５Ｒは、ｙ方向に配列された４個の半導体レーザー１５を有する。

半導体レーザー１５は、光を射出する光射出面１５ａを有している。光射出面１５ａは、ｚ方向から見て、長手方向と短手方向とを有する略長方形状の平面形状を有している。本実施形態においては、光射出面の長手方向はｘ方向と平行であり、短手方向はｙ方向と平行である。

半導体レーザー１５から射出された青色光Ｂは、例えば光射出面の長手方向と平行な偏光方向を有する直線偏光からなる。青色光Ｂの光射出面の短手方向での発散角は、青色光Ｂの光射出面の長手方向での発散角よりも大きい。そのため、ｘｙ平面における青色光Ｂの断面形状は、ｙ方向を長手方向とし、ｘ方向を短手方向とした楕円形状となる。

図１では図示を省略するが、半導体レーザー１５は、ベース基板上に実装されている。ベース基板は、半導体レーザー１５の熱を効果的に放出するために、銅等の熱伝導性が高い金属が用いられることが望ましい。また、半導体レーザー１５は、サブマウントを介してベース基板に実装されていてもよい。さらに、ベース基板の半導体レーザーの実装面と反対側の面に、ヒートシンク等の冷却器が設けられていてもよい。

コリメート光学系２０は、複数の半導体レーザー１５の配列に対応して２次元アレイ状に配列された複数のコリメーターレンズ２１を含んでいる。コリメーターレンズ２１は、凸レンズで構成されている。複数の半導体レーザー１５の各々から射出された光線束は、コリメート光学系２０を構成する複数のコリメーターレンズ２１の各々を透過することによって平行化される。

光成形光学系７０は、集光レンズ７２と、複数のレンズ７５を含むレンズアレイ７４と、を備えている。複数のレンズ７５の各々は、回転非対称な自由曲面からなるレンズ面７５ａを有している。光成形光学系７０は、コリメート光学系２０を通過した光線束を複数のレンズ７５によって複数のサブ光線束に分割し、複数のサブ光線束を被照明領域（蛍光体層４２）に入射させるように構成されている。本実施形態において、集光レンズ７２とレンズアレイ７４とは一体化しているが、集光レンズ７２とレンズアレイ７４とは分離されていてもよい。

図２は、レンズアレイ７４の側から見た光成形光学系７０の平面図である。
図２に示すように、複数のレンズ７５は、ｘｙ面内において２次元アレイ状に配列されている。本実施形態において、複数のレンズ７５は、ｘｙ平面においてｘ方向に１６個ずつ、ｙ方向に４個ずつ配列されている。

上記構成のレンズアレイ７４において、一つの半導体レーザー１５から射出された一つの光線束は、ｘ軸方向に並べられた４個のレンズ７５に跨がって入射する。これにより、４個のレンズ７５に入射した一つの光線束は、４つのサブ光線束に分割される。レンズアレイ７４上での一つの光線束のスポットＳＰは、前述したようにｙ方向に長手方向を有する。一つの光線束が入射する４個のレンズ７５は、スポットＳＰの長手方向と交差する短手方向に配列されている。なお、一つの光線束が入射するレンズ７５の数は、４個に限らず、適宜変更が可能である。

図３は、ｙ方向に垂直な平面で切断したレンズアレイ７４の断面図である。図４は、ｘ方向に垂直な平面で切断したレンズアレイ７４の断面図である。図３および図４においては、一つの光線束が入射する４個のレンズ７５のみについて図示している。
図３および図４に示すように、レンズ７５は、集光レンズ７２から射出された光線束が入射する入射面７５ｂと、レンズ７５を透過した光線束が射出する射出面７５ｃと、を有する。入射面７５ｂは平面であり、射出面７５ｃは凸面である。また、射出面７５ｃは、回転非対称な自由曲面からなるレンズ面７５ａである。
なお、集光レンズ７２とレンズアレイ７４とが一体成形されている場合、入射面７５ｂは、射出面７５ｃと集光レンズ７２の光入射面との間に設定され、ｘｙ面と平行な仮想面である。

図１に示すように、集光レンズ７２は、複数のレンズ７５の光入射側に、複数のレンズ７５の入射面７５ｂの全体にわたって設けられている。集光レンズ７２は、複数の半導体レーザー１５から射出された複数の光線束を偏向させ、被照明領域である蛍光体層４２に導く。

波長変換素子３０は、蛍光発光素子４５と、蛍光発光素子４５を回転させるモーター５０と、を備えている。蛍光発光素子４５は、基板３８と、蛍光体層４２と、ダイクロイック層４４と、を備えている。

基板３８は、モーター５０の駆動によって回転軸５１を中心として回転する。回転軸５１の延在方向（ｚ方向）から見たとき、基板３８の形状は円形である。基板３８は、青色光Ｂを透過させる材料から構成されている。基板３８の材料として、石英ガラス、水晶、サファイア、光学ガラス、透明樹脂等を用いることができる。

蛍光体層４２は、基板３８の第１面３８ａに、基板３８の周方向に沿って円環状に設けられている。蛍光体層４２は、波長が４４５ｎｍの青色光Ｂによって励起され、緑色光Ｇと赤色光Ｒとを含む蛍光光ＹＬを射出する。蛍光体層４２は、例えばＹＡＧ系蛍光体の一つである（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅを含有する層から構成されている。蛍光体層４２には、励起光である青色光Ｂが均一な照度分布で照射されることが望ましい。

ダイクロイック層４４は、基板３８と蛍光体層４２との間に設けられている。ダイクロイック層４４は、半導体レーザー１５から射出された青色光Ｂを透過させ、蛍光体層４２で生成された蛍光光ＹＬを反射する。

光成形光学系７０から射出された青色光Ｂは、基板３８とダイクロイック層４４とを順次透過して蛍光体層４２に入射する。蛍光体層４２は、前述したように白色光を射出するため、波長変換素子３０は、白色光を、光源１０から射出された青色光Ｂが入射する側とは反対側に向けて射出する。すなわち、本実施形態の波長変換素子３０は、透過型の波長変換素子である。

ピックアップ光学系６０は、第１ピックアップレンズ６２と、第２ピックアップレンズ６４と、を備えている。ピックアップ光学系６０は、波長変換素子３０から射出された光を略平行化して後段の光学系に射出する。第１ピックアップレンズ６２および第２ピックアップレンズ６４は、それぞれ凸レンズから構成されている。

第１レンズアレイ１２０は、複数の第１マイクロレンズ１２２を備えている。第１レンズアレイ１２０は、ピックアップ光学系６０から射出された光を複数の部分光束に分割する。複数の第１マイクロレンズ１２２は、照明光軸１００ａｘと直交する面内にマトリクス状に配列されている。

第２レンズアレイ１３０は、第１レンズアレイ１２０の複数の第１マイクロレンズ１２２に対応する複数の第２マイクロレンズ１３２を備えている。第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第１マイクロレンズ１２２の像を光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂの画像形成領域の近傍に結像させる。複数の第２マイクロレンズ１３２は、照明光軸１００ａｘに直交する面内にマトリクス状に配列されている。

偏光変換素子１４０は、第１レンズアレイ１２０により分割された複数の部分光束の各々を直線偏光に変換する。偏光変換素子１４０は、波長変換素子３０から射出された光に含まれる偏光成分のうち、一方の直線偏光成分をそのまま透過させるとともに、他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに垂直な方向に反射する偏光分離層と、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに平行な方向に反射する反射層と、反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する位相差板と、を備えている。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された複数の部分光束を、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂの画像形成領域の近傍に重畳させる。第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０および重畳レンズ１５０は、画像形成領域において、波長変換素子３０からの光の強度分布を均一化するインテグレーター光学系を構成する。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０と、ダイクロイックミラー２２０と、反射ミラー２３０と、反射ミラー２４０と、反射ミラー２５０と、リレーレンズ２６０と、リレーレンズ２７０と、を備えている。色分離導光光学系２００は、照明装置１００から射出された光を赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂに分離し、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂの各々を、これら各色光に対応した光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂに導光する。

色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｒとの間には、集光レンズ３００Ｒが配置されている。色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｇとの間には、集光レンズ３００Ｇが配置されている。色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｂとの間には、集光レンズ３００Ｂが配置されている。

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を透過させ、緑色光成分および青色光成分を反射する。ダイクロイックミラー２２０は、緑色光成分を反射して、青色光成分を透過させる。

ダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光Ｒは、反射ミラー２３０で反射され、集光レンズ３００Ｒを透過して赤色光用の光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２１０で反射した緑色光Ｇは、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射し、集光レンズ３００Ｇを透過して緑色光用の光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２２０を透過した青色光Ｂは、リレーレンズ２６０、反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、反射ミラー２５０、集光レンズ３００Ｂを経て青色光用の光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。

光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂは、入射した色光を画像情報に応じて変調して画像光を形成する。光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂは、透過型の液晶パネルから構成されている。図示を省略したが、集光レンズ３００Ｒと光変調装置４００Ｒとの間、集光レンズ３００Ｇと光変調装置４００Ｇとの間、集光レンズ３００Ｂと光変調装置４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が配置されている。光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ，光変調装置４００Ｂの各々とクロスダイクロイックプリズム５００との間には、射出側偏光板が配置されている。

クロスダイクロイックプリズム５００は、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂの各々から射出された画像光を合成する。クロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた構成を有する。直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面に、誘電体多層膜が形成されている。

クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投射光学系６００によって拡大投射され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。

本実施形態の照明装置１００によれば、光照射領域の形状調整、および被照明領域（蛍光体層４２）上での照度分布の均一化を複数のレンズで分担するため、部品点数の増大や装置全体の大型化を抑えつつ、被照明領域の全体を均一に照明することができる。よって、蛍光体層４２は青色光Ｂを高い効率で蛍光光ＹＬに変換する。

本発明者は、本実施形態の照明装置１００の効果を実証するためのシミュレーションを行った。なお、以下のシミュレーションにおいて、被照明領域の形状は正方形とする。
図９は、半導体レーザーからの光線束の被照明領域上での照度分布を示す図である。

図９に示すように、半導体レーザーから射出された光線束は、ｘｙ平面において中心部の照度が高く、周辺部の照度が低い楕円形状の照度分布を示す。したがって、半導体レーザーからの光線束がレンズを透過する際に、レンズの入射面における照度分布は、図９に示すような楕円形状となる。

自由曲面からなるレンズ面の形状は、以下の（１）式で示すｘ座標とｙ座標とを変数とする多項式で表すことができる。

（１）式において、ｍ，ｎは０以上の整数であり、ｋはコーニック定数である。ｃは曲率である。ｃ_ｊはｘ^ｍｙ^ｎの係数（ｊ＝［（ｍ＋ｎ）^２＋ｍ＋３ｎ］／２＋１）である。Ｓ＝［（ｍ_１＋ｎ_１）^２＋ｍ_１＋３ｎ_１］／２＋１、ｒ＝√（ｘ^２＋ｙ^２）である。なお、ｍ_１，ｎ_１はそれぞれｍ，ｎの上限である。

自由曲面レンズにおいて、（１）式の係数ｃ_ｊを適宜調整することにより、レンズ面の形状を設計することができる。自由曲面の表現方法は（１）式以外にもあるが、（１）式を用いることにより、レンズ面のｘ方向の曲率およびｙ方向の曲率をそれぞれ独立して設計できるため、レンズの設計が容易になる。これにより、自由曲面レンズを透過した光線束の被照明領域上における照度分布、および光照射領域の形状の双方を調整することができる。

より具体的には、例えばｐを正の整数としたとき、ｘ^２ｐ×ｙ^２ｐで表される項を少なくとも一つ含むように係数Ｃｊを設定してもよい。この設定によれば、ｘｙ平面内においてｘ軸およびｙ軸の双方と交差する方向の光照射領域の大きさを容易に調整することができる。つまり、光照射領域の角部の形状を容易に調整することができる。

また、ｈを正の整数としたとき、ｘ^ｈの項の係数Ｃｊは、ｙ^ｈの項の係数Ｃｊと異なる設定としてもよい。この設定によれば、光照射領域の大きさをｘ方向、ｙ方向においてそれぞれ独立に調整できる。

また、ｘ^２・ｙ^４の項の係数Ｃｊは、ｘ^４・ｙ^２の項の係数Ｃｊと異なる設定としてもよい。この設定によれば、光照射領域の大きさを対角方向、ｘ方向、ｙ方向においてそれぞれ独立に精度良く調整できる。

ここで、比較例として、半導体レーザーからの光線束を、単一の自由曲面レンズを介して被照明領域に照射させる照明装置を考える。
図１０は、比較例の照明装置による被照明領域上での照度分布を示す図である。
自由曲面レンズを用いることによって、図９に示すような照度分布を図１０に示すような照度分布に変換することができる。図１０に示すように、ｙ方向の照度分布については、（１）式の係数ｃ_ｊの調整により、被照明領域の略全体にわたって照度を略均一にすることができた。

一方、ｘ方向の照度分布については、半導体レーザーの光射出面と被照明領域とが共役関係に近づけるように自由曲面のｘ方向の曲率を調整することにより、光照射領域内での照度分布の均一化は略実現することができた。しかしながら、半導体レーザーの光射出面の形状が楕円状であるため、光照射領域の形状はｘ方向を短辺方向とし、ｙ方向を長辺方向とする長方形となった。すなわち、比較例の構成では、光照射領域の形状が被照明領域の形状に一致しておらず、被照明領域の全体を照明することができない。

そこで、光照射領域の形状を正方形に近い形状とするため、（１）式においてｘを含む項の係数ｃ_ｊを種々調整し、被照明領域の形状に一致させることを試みた。その結果を図１１に示す。
図１１は、比較例の照明装置において、光照射領域をｘ方向に拡大した場合の被照明領域上での照度分布を示す図である。

（１）式におけるｘを含む項の係数ｃ_ｊを調整した結果、図１１に示すように、光照射領域をｘ方向に拡大して、光照射領域の形状を略正方形に近い形状にすることができた。ところが、被照明領域におけるｘ方向の照度の均一化が低下した。

次に、実施例として、一つの光線束が入射する自由曲面レンズの数が６個の場合についてシミュレーションを行った。

図５Ａは、本実施例のレンズアレイ７７のうち、中央のレンズ７７Ｃ，７７Ｄの位置を示す平面図である。図５Ｂは、レンズ７７Ｃ，７７Ｄによる被照明領域上での照度分布を示す図である。図５Ｃは、レンズ７７Ｃ，７７Ｄによる被照明領域上での照度分布のイメージを示す図である。

左側のレンズ７７Ｃを透過したサブ光線束を第１のサブ光線束とし、右側のレンズ７７Ｄを透過したサブ光線束を第２のサブ光線束としたとき、レンズアレイ７７は、第１のサブ光線束と第２のサブ光線束とを互いに異なる方向に進行させるように構成されている。また、光成形光学系は、第１のサブ光線束の主光線と第２のサブ光線束の主光線とが被照明領域の互いに異なる位置に入射するように構成されている。

この構成により、図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、中央の２個のレンズ７７Ｃ，７７Ｄによって、ｘ方向においては、被照明領域のｘ方向の中心線の左側、右側のそれぞれにピークを有する照度分布が形成されている。

図６Ａは、本実施例のレンズアレイ７７のうち、左端から２個目のレンズ７７Ｂおよび右端から２個目のレンズ７７Ｅの位置を示す平面図である。図６Ｂは、レンズ７７Ｂ，７７Ｅによる被照明領域上での照度分布を示す図である。図６Ｃは、レンズ７７Ｂ，７７Ｅによる被照明領域上での照度分布のイメージを示す図である。

レンズ７７Ｂを透過したサブ光線束を第３のサブ光線束とし、レンズ７７Ｅを透過したサブ光線束を第４のサブ光線束としたとき、レンズアレイ７７は、第３のサブ光線束と第４のサブ光線束とを互いに異なる方向に進行させるように構成されている。また、光成形光学系は、第３のサブ光線束の主光線と第４のサブ光線束の主光線とが被照明領域の互いに異なる位置に入射するように構成されている。

この構成により、図６Ｂおよび図６Ｃに示すように、レンズ７７Ｂ，７７Ｅによって、ｘ方向においては、被照明領域のｘ方向の中心線上に一つのピークを有する照度分布が形成されている。

図７Ａは、本実施例のレンズアレイ７７のうち、左端のレンズ７７Ａおよび右端のレンズ７７Ｆの位置を示す平面図である。図７Ｂは、レンズ７７Ａ，７７Ｆによる被照明領域上での照度分布を示す図である。図７Ｃは、レンズ７７Ａ，７７Ｆによる被照明領域上での照度分布のイメージを示す図である。

レンズ７７Ａを透過したサブ光線束を第５のサブ光線束とし、レンズ７７Ｆを透過したサブ光線束を第６のサブ光線束としたとき、レンズアレイ７７は、第５のサブ光線束と第６のサブ光線束とを互いに異なる方向に進行させるように構成されている。また、光成形光学系は、第５のサブ光線束の主光線と第６のサブ光線束の主光線とが被照明領域の互いに異なる位置に入射するように構成されている。

この構成により、図７Ｂおよび図７Ｃに示すように、レンズ７７Ａ，７７Ｆによって、ｘ方向においては、被照明領域のｘ方向の中心線の左側、右側のそれぞれにピークを有する照度分布が形成されている。

以上、６個のサブ光線束各々の照度分布と照射位置とを判りやすく示すために、６個のレンズを２個ずつに分けて説明した。ところが、実際には、６個のレンズから射出された６本のサブ光線束の全ては、一つの被照明領域を同時に照射する。したがって、全体としては、以下に示すようになる。

図８Ａは、全てのレンズ７７Ａ〜７７Ｆの位置を示す平面図である。図８Ｂは、全てのレンズ７７Ａ〜７７Ｆによる被照明領域上での照度分布を示す図である。図８Ｃは、全てのレンズ７７Ａ〜７７Ｆによる被照明領域上での照度分布のイメージを示す図である。

図８Ｂおよび図８Ｃに示すように、本実施例のレンズアレイ７７によって、被照明領域におけるｘ方向の照度分布の均一性を、図１１に示した比較例の照明装置に比べて大きく改善できた。また、照度分布の均一性を維持しつつ、光照射領域の形状を正方形に近い形状に調整できた。したがって、本実施例の照明装置を用いて蛍光体層を照明すれば、蛍光体層の変換効率を高めることができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図１２を用いて説明する。
第２実施形態のプロジェクターの基本構成は第１実施形態と同様であり、照明装置の構成が第１実施形態と異なる。
図１２は、第２実施形態のプロジェクター２０００の概略構成図である。
図１２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。

照明装置７００は、光源１０と、コリメート光学系２０と、光成形光学系８５と、第１の位相差板９１と、光分離素子９２と、第２の位相差板９３と、波長変換素子９４と、拡散反射素子９５と、を備えている。光成形光学系８５は、レンズアレイ７８と、第１集光光学系１１１と、第２集光光学系１１２と、を備えている。第１集光光学系１１１は、光分離素子９２と波長変換素子９４との間の光路上に設けられている。第２集光光学系１１２は、光分離素子９２と拡散反射素子９５との間の光路上に設けられている。第１集光光学系１１１と第２集光光学系１１２とは、特許請求の範囲の集光光学系に対応する。

上記の構成要件のうち、光源１０と、コリメート光学系２０と、レンズアレイ７８と、第１の位相差板９１と、光分離素子９２と、第２の位相差板９３と、第２集光光学系１１２と、拡散反射素子９５とは、図１２中に示す光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。また、光分離素子９２と、第１集光光学系１１１と、波長変換素子９４とは、図１２中に示す光軸１００ａｘ上に順次並んで配置されている。光軸ａｘ１と光軸１００ａｘとは、同一面内にあり、互いに直交する位置関係にある。

本実施形態の照明装置７００において、光成形光学系８５は、複数のレンズ７９を有するレンズアレイ７８を備えている。第１集光光学系１１１および第２集光光学系１１２はいずれも、レンズアレイ７８とは別体である。複数のレンズ７９の各々は、回転非対称な自由曲面からなるレンズ面７９ａを有する。レンズアレイ７８は、コリメート光学系２０を通過した光線束を複数のレンズ７９によって複数のサブ光線束に分割し、複数のサブ光線束を被照明領域に入射させるように構成されている。光源１０およびコリメート光学系２０の構成は、第１実施形態と同様である。

レンズアレイ７８と光分離素子９２との間の光路上に、第１の位相差板９１が設けられている。第１の位相差板９１は、光軸ａｘ１を回転軸として回転可能に設けられている。第１の位相差板９１は、光源１０から射出された光の波長４４５ｎｍに対する１／２波長板で構成されている。第１の位相差板９１の光学軸は、第１の位相差板９１に入射するサブ光線束の偏光軸と交差する。なお、第１の位相差板９１の光学軸は、第１の位相差板９１の進相軸もしくは遅相軸のいずれであってもよい。

本実施形態においては、光源１０から射出された青色光ＢはＳ偏光であるが、第１の位相差板９１によって、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とが所定の割合で混在した青色光Ｂに変換される。第１の位相差板９１を回転させることにより、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との比率を変化させることができる。

第１の位相差板９１と第２の位相差板９３との間の光路上に、波長選択性を有する偏光分離素子からなる光分離素子９２が設けられている。光分離素子９２は、複数のサブ光線束を、光分離素子９２に対するＳ偏光成分ＢＬｓとＰ偏光成分ＢＬｐとに分離する偏光分離機能を有している。具体的に、光分離素子９２は、Ｓ偏光成分ＢＬｓを反射させ、Ｐ偏光成分ＢＬｐを透過させる。光分離素子９２で反射したＳ偏光成分ＢＬｓは、蛍光体層４２の励起に利用される。一方、光分離素子９２を透過したＰ偏光成分ＢＬｐは、拡散反射素子９５に照射される。

また、光分離素子９２は、青色光Ｂとは波長帯が異なる黄色の蛍光光ＹＬを、蛍光光ＹＬの偏光状態に依らずに透過させる色分離機能を有している。

光分離素子９２から射出されたＳ偏光成分ＢＬｓは、第１集光光学系１１１に入射する。第１集光光学系１１１は、Ｓ偏光成分ＢＬｓを波長変換素子９４の蛍光体層４２に向けて集光させる。すなわち、複数のサブ光線束のうち、一つのサブ光線束を第１のサブ光線束とし、他の一つのサブ光線束を第２のサブ光線束としたとき、第１集光光学系１１１は、第１のサブ光線束と第２のサブ光線束とを互いに異なる方向に進行させ、蛍光体層４２に導く。第１集光光学系１１１は、第１集光レンズ１１１Ａと、第２集光レンズ１１１Ｂと、から構成されている。

第１集光光学系１１１から射出された光線束は、励起光として波長変換素子９４の蛍光体層４２に入射する。波長変換素子は、基板３８と蛍光体層４２と反射層９８とを含む蛍光発光素子９９を備えている。基板３８の第１面３８ａ（光分離素子９２側の面）側に蛍光体層４２が設けられ、蛍光体層４２と基板３８との間に反射層９８が設けられている。蛍光体層４２で生成された蛍光光ＹＬは、反射層９８で反射し、基板３８の第１面３８ａ側に射出される。すなわち、第１実施形態の波長変換素子３０が透過型の波長変換素子であったのに対し、第２実施形態の波長変換素子９４は反射型の波長変換素子である。

波長変換素子９４から射出された蛍光光ＹＬは、第１集光光学系１１１を経て光分離素子９２に入射する。蛍光光ＹＬは、光分離素子９２を透過し、インテグレーター光学系を構成する第１レンズアレイ１２０に向けて進む。

一方、光分離素子９２から射出されたＰ偏光成分ＢＬｐは、第２の位相差板９３に入射する。第２の位相差板９３は、光分離素子９２と第２集光光学系１１２との間の光路中に配置された１／４波長板から構成されている。したがって、光分離素子９２から射出されたＰ偏光成分ＢＬｐは、第２の位相差板９３により円偏光からなる複数のサブ光線束に変換された後、第２集光光学系１１２に入射する。

第２集光光学系１１２は、第２の位相差板９３から射出された複数のサブ光線束を拡散反射素子９５に向けて集光させる。すなわち、複数のサブ光線束のうち、一つのサブ光線束を第１のサブ光線束とし、他の一つのサブ光線束を第２のサブ光線束としたとき、第２集光光学系１１２は、第１のサブ光線束と第２のサブ光線束とを互いに異なる方向に進行させる。第２集光光学系１１２は、第３集光レンズ１１２Ａと、第４集光レンズ１１２Ｂと、から構成されている。

拡散反射素子９５は、第２集光光学系１１２から射出されたサブ光線束を光分離素子９２に向けて拡散反射させる。特に拡散反射素子９５として、拡散反射素子９５に入射したサブ光線束をランバート反射させるものを用いることが好ましい。照明装置７００において、この種の拡散反射素子９５を用いることにより、複数のサブ光線束の照度分布を均一にすることができる。

拡散反射素子９５で拡散反射されたサブ光線束の偏光状態は、第２の位相差板９３によってＳ偏光に変換される。そのため、第２の位相差板９３からはＳ偏光のサブ光線束が射出される。Ｓ偏光のサブ光線束は、光分離素子９２で反射し、インテグレーター光学系を構成する第１レンズアレイ１２０に向けて進む。

このようにして、光分離素子９２で反射したＳ偏光のサブ光線束は、光分離素子９２を透過した蛍光光ＹＬとともに、照明光として利用される。このようにして、照明装置７００は白色の照明光を射出する。第１レンズアレイ１２０よりも後段の光学系は、第１実施形態と同様である。

本実施形態の照明装置７００において、蛍光体層４２は、レンズアレイ７８と第１集光光学系１１１による被照明領域に相当する。また、拡散反射素子９５は、レンズアレイ７８と第２集光光学系１１２による被照明領域に相当する。照明装置７００によれば、光照射領域の形状調整、および被照明領域上での照度分布の均一化をレンズアレイ７８の複数のレンズ７９で分担するため、部品点数の増大や装置全体の大型化を抑えつつ、被照明領域の全体を均一に照明することができる。

また、本実施形態の照明装置７００において、光成形光学系８５が第１集光光学系１１１と第２集光光学系１１２とを備え、第１集光光学系１１１と第２集光光学系１１２とのそれぞれは、異なるサブ光線束を互いに異なる方向に進行させるように構成されている。これにより、複数のサブ光線束の各々の被照明領域への入射位置を調整することができる。これにより、被照明領域上の照度分布を均一化しやすくなる。また、光成形光学系８５が集光光学系を備えていない場合と異なり、自由曲面にサブ光線束の偏向作用を持たせる必要がないため、自由曲面の設計の自由度を高めることができる。

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。
例えば上記実施形態では、波長変換素子もしくは拡散反射素子が被照明領域であったが、光変調素子を被照明領域としてもよい。すなわち、光成形光学系の複数のレンズによって分割された複数のサブ光線束を光変調素子に入射させるように構成されていてもよい。このばあい、照明装置は、複数のサブ光線束を照明光として射出し、光変調装置は、照明装置から射出された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生成する。

また、上記各実施形態では、光変調装置として３つの液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂを備えるプロジェクターを例示したが、１つの液晶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してもよい。また、光変調装置としてデジタルミラーデバイスを用いてもよい。

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。本発明による光源装置は、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。

１０…光源、２０…コリメート光学系、３０，９４…波長変換素子、７０，８５…光成形光学系、７４，７７，７８…レンズアレイ、７５，７７Ａ，７７Ｂ，７７Ｃ，７７Ｄ，７７Ｅ，７７Ｆ，７９…レンズ、７５ａ，７９ａ…レンズ面、９２…光分離素子、９５…拡散反射素子、１００，７００…照明装置、１１１…第１集光光学系（集光光学系）、１１２…第２集光光学系（集光光学系）、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…光変調装置、６００…投射光学系、１０００，２０００…プロジェクター。

Claims (13)

1. 光源と、
   前記光源から射出された光線束が入射するコリメート光学系と、
   複数のレンズを含むレンズアレイを備えた光成形光学系と、を備え、
   前記複数のレンズの各々は、回転非対称な自由曲面を有するレンズ面を有し、
   前記光成形光学系は、前記コリメート光学系を通過した前記光線束を前記複数のレンズによって複数のサブ光線束に分割し、前記複数のサブ光線束を被照明領域に入射させるように構成されている、照明装置。
2. 前記レンズアレイ上での前記光線束のスポットは長手方向を有し、
   前記複数のレンズは、前記長手方向と交差する方向に配列されている、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記複数のレンズのうち１つのレンズの光軸に垂直な平面において互いに直交する２つの軸をｘ軸、ｙ軸としたとき、
   前記レンズ面の形状は、ｘとｙとを変数とする（１）式で表される、請求項１または請求項２に記載の照明装置。
   
4. ｐを正の整数としたとき、ｘ^２ｐ×ｙ^２ｐで表される項を少なくとも一つ含む、請求項３に記載の照明装置。
5. ｈを正の整数としたとき、ｘ^ｈの項の係数Ｃｊは、ｙ^ｈの項の係数Ｃｊと異なっている、請求項３または請求項４に記載の照明装置。
6. ｘ^２・ｙ^４の項の係数Ｃｊは、ｘ^４・ｙ^２の項の係数Ｃｊと異なっている、請求項３または請求項４に記載の照明装置。
7. 前記複数のサブ光線束は、第１のサブ光線束と第２のサブ光線束とを含み、
   前記レンズアレイは、前記第１のサブ光線束と前記第２のサブ光線束とを互いに異なる方向に進行させるように構成されている、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の照明装置。
8. 前記複数のサブ光線束は、第１のサブ光線束と第２のサブ光線束とを含み、
   前記光成形光学系は、集光光学系をさらに備え、
   前記集光光学系は、前記第１のサブ光線束と前記第２のサブ光線束とを互いに異なる方向に進行させるように構成されている、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の照明装置。
9. 前記レンズアレイと前記集光光学系との間の光路中に設けられた光分離素子と、前記集光光学系を介して前記複数のサブ光線束が入射する拡散反射素子と、をさらに備える、請求項８に記載の照明装置。
10. 前記光成形光学系は、前記第１のサブ光線束の主光線と前記第２のサブ光線束の主光線とが前記被照明領域の互いに異なる位置に入射するように構成されている、請求項７から請求項９までのいずれか一項に記載の照明装置。
11. 請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の照明装置と、
    前記照明装置からの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生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、を備えるプロジェクター。
12. 前記照明装置は、前記複数のサブ光線束を蛍光に変換する波長変換素子をさらに備え、前記蛍光を前記照明光として射出する、請求項１１に記載のプロジェクター。
13. 前記照明装置は、前記複数のサブ光線束を前記照明光として射出する、請求項１１に記載のプロジェクター。