JP2019035922A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】光の太さや断面の形状を調整することができる小型の照明装置を提供する。【解決手段】本発明の照明装置は、平行化された第１の色光を射出する少なくとも一つの第１の発光素子を含み、第１の色光を含む第１の光を射出する第１の光源部と、第１の光を拡大する光線束拡大光学系と、を備える。光線束拡大光学系は、第１の光の入射側から順に配置された第１〜第４のレンズ面を含み、第１のレンズ面は、パワーを有する球面からなり、第２のレンズ面は、第１のレンズ面のパワーの符号と同じ符号のパワーを有する第１のアナモフィック面からなり、第３のレンズ面は、正のパワーを有する第２のアナモフィック面からなり、第４のレンズ面は、正のパワーを有する球面からなる。【選択図】図２

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関する。

例えばプロジェクターに用いる照明装置として、レーザー素子と蛍光体とを利用した照明装置が提案されている。下記の特許文献１に、青色レーザー光源と赤色レーザー光源と緑色蛍光体とを有する照明光学系と、照明光学系からの青色光、赤色光および緑色光の各々を変調する液晶パネルと、投射光学系と、を備えた投射装置が開示されている。

この投射装置において、青色レーザー光源からの青色光は、ハーフミラーで分岐され、分岐された青色光の一方が青色光用液晶パネルに入射し、他方が励起光として緑色蛍光体に入射する。緑色蛍光体で発生した緑色の蛍光光は、緑色光用液晶パネルに入射する。赤色レーザー光源からの赤色光は、赤色光用液晶パネルに入射する。

特開２０１３−６５４１４号公報

特許文献１の投射装置において、蛍光光からなる緑色光は、ランバートな配光分布を有しており、レーザー光からなる赤色光や青色光よりも太い。また一般的に、青色レーザー素子と赤色レーザー素子とでは出力パワーが異なるため、光量バランスを取るためには、用いるレーザー素子の個数を互いに異ならせる必要がある。そのため、赤色光と青色光の太さが互いに異なる。このように、互いに太さが異なる色光を集光して表示パネルに照射し、画像を投射すると、色ムラが生じるという問題点がある。

色ムラを解消するためには、各色光の太さを揃える必要がある。例えば細い色光を他の色光に合わせて太くすればよい。また、照明装置を用いて液晶パネルを照明する場合、各色光の太さや断面形状を、液晶パネルの形状や大きさに合わせて調整する必要がある。ところが、光の太さを調整するための光学系と光の断面形状を調整するための光学系とを直列に配置すると、照明装置が大型化するという問題点がある。

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り、光の太さや断面の形状を調整することができる小型の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、前記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、平行化された第１の色光を射出する少なくとも一つの第１の発光素子を含み、前記第１の色光を含む第１の光を射出する第１の光源部と、前記第１の光を拡大する光線束拡大光学系と、を備えている。前記光線束拡大光学系は、前記第１の光の入射側から順に配置された第１のレンズ面、第２のレンズ面、第３のレンズ面、および第４のレンズ面を含み、前記第１のレンズ面は、パワーを有する球面からなり、前記第２のレンズ面は、前記第１のレンズ面の前記パワーの符号と同じ符号のパワーを有する第１のアナモフィック面からなり、前記第３のレンズ面は、正のパワーを有する第２のアナモフィック面からなり、前記第４のレンズ面は、正のパワーを有する球面からなる。

本発明の一つの態様の光線束拡大光学系において、ともに球面からなる第１のレンズ面と第４のレンズ面とは、光の太さを調整する機能、すなわち、アフォーカル光学系としての機能を有する。また、ともにアナモフィック面からなる第２のレンズ面と第３のレンズ面とは、光の断面の形状を調整する機能、すなわち、形状変換光学系としての機能を有する。なお、本明細書において、「光の断面」は、「光の主光線に垂直な断面」を意味する。

すなわち、光線束拡大光学系においては、アフォーカル光学系を構成する第１のレンズ面と第４のレンズ面との間に、形状変換光学系を構成する第２のレンズ面と第４のレンズ面とが配置されている。そのため、アフォーカル光学系と断面の形状を調整するための光学系とが直列に配置された場合と比べて、照明装置を小型化することができる。これにより、光の太さや断面の形状を調整できる小型の照明装置を提供することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１のアナモフィック面は、第１のシリンドリカル面から構成され、前記第２のアナモフィック面は、第２のシリンドリカル面から構成されていてもよい。

この構成によれば、照明装置のコストを低減することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１の発光素子は、半導体レーザー素子からなり、前記第１のシリンドリカル面の母線および前記第２のシリンドリカル面の母線は、前記半導体レーザー素子の光射出領域の短手方向と平行であってもよい。

一般に半導体レーザー素子から射出される光の断面形状は楕円であるが、この構成によれば、半導体レーザー素子の光射出領域の短手方向が第１のシリンドリカルレンズの母線および第２のシリンドリカルレンズの母線と垂直である場合と比べて、第１の光の断面形状を円に近付けることができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記光線束拡大光学系は、前記第１のレンズ面と前記第２のレンズ面とを有する第１のレンズと、前記第３のレンズ面と前記第４のレンズ面とを有する第２のレンズと、を備えていてもよい。

この構成によれば、第１〜第４のレンズ面のそれぞれが別のレンズに設けられた場合に比べて、照明装置を小型化することができる。

本発明の一つの態様の照明装置は、前記第１の色光とは異なる色の第２の色光を射出する複数の第２の発光素子を有し、前記第２の色光を含む平行化された第２の光を射出する第２の光源部をさらに備えていてもよい。この場合、前記複数の第２の発光素子の個数は、前記第１の発光素子の個数よりも多く、前記第２の光は前記第１の光よりも太く、前記光線束拡大光学系は、前記第２の光と前記光線束拡大光学系の後段での前記第１の光との太さの差が、前記第２の光と前記光線束拡大光学系の前段での前記第１の光との太さの差よりも小さいように、前記第１の光を太くする機能を有していてもよい。

この構成によれば、太さの差が小さい第１の光と第２の光とが照明装置から射出される。

本発明の一つの態様の照明装置は、前記光線束拡大光学系を通過した前記第１の光と前記第２の光とを合成する機能を有する第１の光線合成光学系と、前記第１の光線合成光学系から射出された光が入射する拡散素子と、をさらに備えていてもよい。

この構成によれば、第１の光と第２の光との各々に対応させて別の拡散素子を設ける必要がない。また、第１の光と第２の光とに起因する色ムラが少ない照明光が得られる。

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、前記照明装置からの前記第１の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部と、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、小型の照明装置を備えているため、小型化が容易である。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 第１実施形態の照明装置の概略構成図である。 第１の光源部および光線束拡大光学系の斜視図である。 第２の光源部の斜視図である。 第２の光源部を−Ｘ方向から見た側面図である。 照明装置をＺ方向から見た場合の青色光の光路を説明するための図である。 照明装置をＹＺ平面と垂直な方向から見た場合の青色光の光路を説明するための図である。 半導体レーザー素子の斜視図である。 照明装置をＺ方向と垂直な方向から見た場合の赤色光の光路を説明するための図である。 照明装置をＺ方向と垂直な方向から見た場合の緑色光の光路を説明するための図である。 比較例の照明装置をＺ方向から見た場合の青色光の光路を説明するための図である。 比較例の照明装置をＺ方向と垂直な方向から見た場合の青色光の光路を説明するための図である。 第２実施形態の光線束拡大光学系をＺ方向から見た図である。 第２実施形態の光線束拡大光学系をＺ方向と垂直な方向から見た図である。 第３実施形態の光線束拡大光学系をＺ方向から見た図である。 第３実施形態の光線束拡大光学系をＺ方向と垂直な方向から見た図である。

［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１２を用いて説明する。
本実施形態のプロジェクターは、半導体レーザーを用いた光源装置を備えた液晶プロジェクターの一例である。
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、構成要素により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１の概略構成図である。
図１に示すように、プロジェクター１は、照明装置１００と、色分離導光光学系２００と、赤色光用光変調装置４００Ｒと、緑色光用光変調装置４００Ｇと、青色光用光変調装置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。本実施形態の赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂは、特許請求の範囲の光変調部に対応する。

本実施形態において、照明装置１００は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢを含む白色の照明光ＷＬを射出する。

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からの照明光ＷＬを、赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離し、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢをそれぞれ対応する赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂに導く。

色分離導光光学系２００と赤色光用光変調装置４００Ｒとの間には、フィールドレンズ３００Ｒが配置されている。色分離導光光学系２００と緑色光用光変調装置４００Ｇとの間には、フィールドレンズ３００Ｇが配置されている。色分離導光光学系２００と青色光用光変調装置４００Ｂとの間には、フィールドレンズ３００Ｂが配置されている。

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光ＬＲを透過させ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを反射する。ダイクロイックミラー２２０は、緑色光ＬＧを反射して、青色光ＬＢを透過させる。反射ミラー２３０は、赤色光ＬＲを反射する。反射ミラー２４０および反射ミラー２５０は、青色光ＬＢを反射する。

赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂのそれぞれは、入射された色光を画像情報に応じて変調して画像を形成する液晶パネルから構成されている。

なお、図示を省略したが、フィールドレンズ３００Ｒと赤色光用光変調装置４００Ｒとの間には、入射側偏光板が配置されている。フィールドレンズ３００Ｇと緑色光用光変調装置４００Ｇとの間には、入射側偏光板が配置されている。フィールドレンズ３００Ｂと青色光用光変調装置４００Ｂとの間には、入射側偏光板が配置されている。赤色光用光変調装置４００Ｒ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。緑色光用光変調装置４００Ｇ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。青色光用光変調装置４００Ｂ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、赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、青色光用光変調装置４００Ｂから射出された各画像光を合成してカラー画像を形成する。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平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面に、誘電体多層膜が設けられている。

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によってスクリーンＳＣＲ上に拡大投射される。

図２は、照明装置１００の概略構成図である。図３は、第１の光源部１０および光線束拡大光学系１５の斜視図である。
以下の説明では、照明装置１００から照明光ＷＬが射出される方向をＹ方向とし、第２の光源部２０から赤色光ＬＲが射出される方向をＸ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向と垂直で、紙面の手前から奥へ向かう方向をＺ方向とする直交座標系を用いる。
図２に示すように、照明装置１００は、第１の光源部１０と、光線束拡大光学系１５と、第２の光源部２０と、第１の光線合成光学系２５と、第３の光源部３０と、光線合成素子３５と、集光光学系４０と、拡散素子５０と、ピックアップ光学系６０と、インテグレーター光学系７０と、重畳レンズ８０と、を備えている。

第１の光源部１０、光線束拡大光学系１５、および第１の光線合成光学系２５は、光軸ＡＸ１上に設けられている。第２の光源部２０、第１の光線合成光学系２５、および光線合成素子３５は、光軸ＡＸ１と直交する光軸ＡＸ２上に設けられている。第３の光源部３０、光線合成素子３５、集光光学系４０、拡散素子５０、ピックアップ光学系６０、インテグレーター光学系７０、および重畳レンズ８０は、光軸ＡＸ１と平行な光軸ＡＸ３上に設けられている。

図３に示すように、第１の光源部１０は、一つの第１の発光素子１０１を備えている。第１の発光素子１０１は、ＣＡＮパッケージタイプの半導体レーザーから構成されている。第１の発光素子１０１は、台座１０２と缶体１０３とからなるパッケージ１０４と、パッケージ１０４に収容された第１の半導体レーザー素子１０５と、コリメートレンズ１０６と、を備えている。第１の半導体レーザー素子１０５は、例えばピーク波長が４６０〜４８０ｎｍの青色光線ＬＢ０を射出する。パッケージ１０４の光射出口には、コリメートレンズ１０６が設けられている。コリメートレンズ１０６は、第１の半導体レーザー素子１０５から射出された青色光線ＬＢ０を略平行化する。なお、平行化された青色光線ＬＢ０を青色光線ＬＢ１と称する。このように、第１の発光素子１０１は、平行化された青色光線ＬＢ１を射出する。青色光線ＬＢ１は請求項に記載の第１の色光および第１の光に相当する。

なお、第１の光源部１０は、複数の第１の発光素子１０１を備えていてもよい。第１の光源部１０が複数の第１の発光素子１０１を備えている場合、第１の光源部１０からは複数の青色光線ＬＢ１が射出される。複数の青色光線ＬＢ１各々の主光線は互いに平行である。この場合、青色光線ＬＢ１が請求項に記載の第１の色光に相当し、複数の青色光線ＬＢ１の束が請求項に記載の第１の光に相当する。

図２および図３に示すように、光線束拡大光学系１５は、青色光線ＬＢ１の入射側から順に配置された第１のレンズ面１５１ａ、第２のレンズ面１５２ａ、第３のレンズ面１５３ａ、および第４のレンズ面１５４ａを含んでいる。また、光線束拡大光学系１５は、青色光線ＬＢ１の入射側から順に配置された第１のレンズ１５１、第２のレンズ１５２、第３のレンズ１５３、および第４のレンズ１５４を備えている。第１のレンズ面１５１ａは、第１のレンズ１５１に設けられている。第２のレンズ面１５２ａは、第２のレンズ１５２に設けられている。第３のレンズ面１５３ａは、第３のレンズ１５３に設けられている。第４のレンズ面１５４ａは、第４のレンズ１５４に設けられている。光線束拡大光学系１５を通過した青色光線ＬＢ１は青色光ＬＢに対応する。

第１のレンズ１５１は、凹面からなる第１のレンズ面１５１ａと平面１５１ｂとを有する平凹レンズから構成されている。また、第１のレンズ面１５１ａは、負のパワーを有する球面から構成されている。

第２のレンズ１５２は、凹面からなる第２のレンズ面１５２ａと平面１５２ｂとを有する平凹レンズから構成されている。また、第２のレンズ面１５２ａは、負のパワーを有する第１のアナモフィック面から構成されている。すなわち、第２のレンズ面１５２ａのパワーの符号は、第１のレンズ面１５１ａのパワーの符号と同じである。さらに、第１のアナモフィック面は、第１のシリンドリカル面から構成されている。

第３のレンズ１５３は、凸面からなる第３のレンズ面１５３ａと平面１５３ｂとを有する平凸レンズから構成されている。また、第３のレンズ面１５３ａは、正のパワーを有する第２のアナモフィック面から構成されている。さらに、第２のアナモフィック面は、第２のシリンドリカル面から構成されている。

第１のシリンドリカル面の母線の方向と第２のシリンドリカル面の母線の方向とは、Ｘ軸方向と平行である。

第４のレンズ１５４は、凸面からなる第４のレンズ面１５４ａと平面１５４ｂとを有する平凸レンズから構成されている。また、第４のレンズ面１５４ａは、正のパワーを有する球面から構成されている。

この構成において、第１のレンズ１５１と第４のレンズ１５４とは、アフォーカル光学系１５５を構成している。アフォーカル光学系１５５は、青色光線ＬＢ１が太くなるように青色光線ＬＢ１の太さを調整する。つまり、光線束拡大光学系１５の後段における青色光ＬＢは、光線束拡大光学系１５の前段における青色光線ＬＢ１よりも太い。

第２のレンズ１５２と第３のレンズ１５３とは、形状変換光学系１５６を構成している。形状変換光学系１５６については後で詳述するが、形状変換光学系１５６は、青色光線ＬＢ１の断面形状を調整する。光線束拡大光学系１５においては、アフォーカル光学系１５５を構成する第１のレンズ１５１と第４のレンズ１５４との間に、形状変換光学系１５６が配置されている。このように、照明装置１００は、アフォーカル光学系と断面の形状を調整するための光学系とが直列に配置されている照明装置よりも小型である。

なお、本明細書において、光が複数の光ビームで構成されている場合には、光の太さは、各光ビームの断面を全て包含する最小の円の直径と定義される。光が一つの光ビームで構成されている場合には、光の太さは、光の断面を包含する最小の円の直径と定義される。

図４は、第２の光源部２０の斜視図である。図５は、第２の光源部２０を−Ｘ方向から見た側面図である。なお、後述する第３の光源部３０の構成は、第２の光源部２０の構成と略同様である。そのため、第２の光源部２０と第３の光源部３０については、第２の光源部２０で代表して詳細な構成を説明し、第３の光源部３０の説明を省略する。

図４および図５に示すように、第２の光源部２０は、複数の第２の発光素子２０１を備えている。本実施形態では、第２の光源部２０は、７個の第２の発光素子２０１を備えている。７個の第２の発光素子２０１は、中央に位置する１個の第２の発光素子２０１と、この第２の発光素子２０１の周辺を取り囲むように設けられた６個の第２の発光素子２０１と、を含んでいる。このように、周辺の６個の第２の発光素子２０１は、赤色光ＬＲの中心軸ＣＲの周りに実質的に回転対称に設けられている。７個の第２の発光素子２０１は、支持部材２０７によって支持されている。

各第２の発光素子２０１は、ＣＡＮパッケージタイプの半導体レーザーから構成されている。第２の発光素子２０１は、台座２０２と缶体２０３とからなるパッケージ２０４と、パッケージ２０４に収容された第２の半導体レーザー素子２０５と、コリメートレンズ２０６と、を備えている。第２の半導体レーザー素子２０５は、例えばピーク波長が６１０〜６８０ｎｍの赤色光線ＬＲ０を射出する（図９参照）。パッケージ２０４の光射出口には、コリメートレンズ２０６が設けられている。コリメートレンズ２０６は、第２の半導体レーザー素子２０５から射出された赤色光線ＬＲ０を略平行化する。なお、平行化された赤色光線ＬＲ０を赤色光線ＬＲ１と称する。

このように、第２の発光素子２０１は、平行化された赤色光線ＬＲ１を射出する。第２の光源部２０は、青色光線ＬＢ１（第１の色光）とは異なる色の７本の赤色光線ＬＲ１からなる赤色光ＬＲを射出する。複数の赤色光線ＬＲ１各々の主光線は互いに平行である。本実施形態の赤色光線ＬＲ１は、特許請求の範囲の第２の色光に対応する。本実施形態の赤色光ＬＲは、特許請求の範囲の第２の光に対応する。

図２に示すように、第１の光線合成光学系２５は、赤色光ＬＲと光線束拡大光学系１５からの青色光ＬＢとを合成して光ＢＲを生成する。第１の光線合成光学系２５は、赤色光ＬＲを透過し、青色光ＬＢを反射するダイクロイックミラーで構成されている。ダイクロイックミラーは、光軸ＡＸ１および光軸ＡＸ２のそれぞれに対して４５°の角度をなすように配置されている。

第３の光源部３０は、７個の第３の発光素子３０１を備えている。第３の光源部３０の構成は、図４および図５に示した第２の光源部２０の構成と同様、６個の第３の発光素子３０１が１個の第３の発光素子３０１の周辺を取り囲むように、実質的に回転対称に設けられている。

各第３の発光素子３０１は、ＣＡＮパッケージタイプの半導体レーザーから構成されている。第３の発光素子３０１は、第２の発光素子２０１と同様、パッケージと、パッケージに収容された第３の半導体レーザー素子３０５と、コリメートレンズ３０６と、を備えている（図１０参照）。第３の半導体レーザー素子３０５は、例えばピーク波長が５００〜５９０ｎｍの緑色光線ＬＧ０を射出する。パッケージの光射出口には、コリメートレンズ３０６が設けられている。コリメートレンズ３０６は、第３の半導体レーザー素子３０５から射出された緑色光線ＬＧ０を略平行化する。なお、平行化された緑色光線ＬＧ０を緑色光線ＬＧ１と称する。

このように、第３の発光素子３０１は、平行化された緑色光線ＬＧ１を射出する。複数の緑色光線ＬＧ１各々の主光線は互いに平行である。第３の光源部３０は、青色光線ＬＢ１とは異なる色の７本の緑色光線ＬＧ１からなる緑色光ＬＧを射出する。

光線合成素子３５は、緑色光ＬＧを光ＢＲと合成する。光線合成素子３５は、緑色光ＬＧを透過し、光ＢＲを反射するダイクロイックミラーで構成されている。ダイクロイックミラーは、光軸ＡＸ２および光軸ＡＸ３のそれぞれに対して４５°の角度をなすように配置されている。これにより、光線合成素子３５から、青色光ＬＢと赤色光ＬＲと緑色光ＬＧとが合成された白色光Ｗが射出される。

半導体レーザー素子の発光効率は発光色毎に異なるため、半導体レーザー素子の光出力も発光色毎に異なる。青色半導体レーザー素子の発光効率は、緑色半導体レーザー素子の発光効率および赤色半導体レーザー素子の発光効率よりも高い。そのため、青色半導体レーザー素子の光出力は、緑色半導体レーザー素子の光出力および赤色半導体レーザー素子の光出力よりも高い。

なお、一つの半導体レーザーが複数の半導体レーザー素子を備えている場合、半導体レーザーの光出力は、複数の半導体レーザー素子の光出力の合計と等しい。

一例を示すと、日亜化学工業株式会社、ホームページ、製品情報、「レーザーダイオード（ＬＤ）」［online］、［平成２９年０６月１４日検索］、インターネット〈URL:http://www.nichia.co.jp/jp/product/laser.html〉によれば、青色半導体レーザー（型番：NDB7K75）の光出力は例えば３．５Ｗ（２５℃）であり、緑色半導体レーザー（型番：NDG7K75T）の光出力は例えば１Ｗ（２５℃）である。上記のホームページには記載されていないが、型番：NUBM08-02の青色半導体レーザーアレイは、光出力が４．５Ｗ（２５℃）の青色半導体レーザーを複数備えている。
三菱電機株式会社、ホームページ、ニュースリリース、「プロジェクター用６３９ｎｍ赤色高出力半導体レーザー発売のお知らせ」［online］、［平成２９年０６月１４日検索］、インターネット〈URL:http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2016/1214.html〉によれば、赤色半導体レーザー（型番：ML562G85）の光出力は例えば２．１Ｗ（２５℃）である。

上記の温度２５℃での光出力を実使用温度４５℃での光出力に換算すると、各色の半導体レーザーの光出力は、下記の表１の通りである。

すなわち、１個の青色半導体レーザー（型番：NDB7K75）の光出力は２．８Ｗとなり、青色半導体レーザーアレイ（型番：NUBM08-02）が備えている青色半導体レーザー１個の光出力は４．１Ｗとなり、１個の緑色半導体レーザー（型番：NDG7K75T）の光出力は０．８Ｗとなり、１個の赤色半導体レーザー（型番：ML562G85）の光出力は１．２６Ｗとなる。

一方、明るさが１０００ｌｍ、２０００ｌｍ、３０００ｌｍのそれぞれの白色光を得るのに必要な各半導体レーザーの光出力、およびこの白色光を得るのに必要な各半導体レーザーの個数は、下記の表２の通りである。

表２に示すように、例えば明るさが２０００ｌｍの白色光を得るのに必要な各半導体レーザーの光出力は、青色半導体レーザーが２．４６Ｗであり、緑色半導体レーザーが４．０６Ｗであり、赤色半導体レーザーが５．８３Ｗである。これらの光出力値と上記の１個あたりの半導体レーザーの光出力とから算出すると、明るさが２０００ｌｍの白色光を得るのに必要最小限の半導体レーザーの個数は、青色光用半導体レーザー（型番：NDB7K75）が１個、緑色光用半導体レーザーが６個、赤色光用半導体レーザーが６個となる。したがって、本実施形態の照明装置１００は少なくとも２０００ｌｍまでの白色光を射出することができる。ただし、表２において、明るさ３０００ｌｍに対しては、青色半導体レーザーアレイ（型番：NUBM08-02）が備えている青色半導体レーザー１個を用いている。

本発明者の推察によれば、今後、半導体レーザー技術の進歩により各半導体レーザーの光出力が上記の数値よりも増加する可能性はあるが、白色光を得るのに必要な各半導体レーザーの個数の比率は変わらない。したがって、本実施形態の照明装置１００は、１個の青色半導体レーザーからなる第１の発光素子１０１、７個の赤色半導体レーザーからなる第２の発光素子２０１、および７個の緑色半導体レーザーからなる第３の発光素子３０１を備えているが、各発光素子１０１，２０１，３０１の個数はこの例に限定されない。

集光光学系４０は、光線合成素子３５から射出された白色光Ｗを集光して拡散素子５０に入射させる。集光光学系４０は、凸レンズ４０１で構成されている。

拡散素子５０は、拡散板５０１と、回転軸５０２を中心として拡散板５０１を回転させるためのモーター５０３と、を備えている。拡散素子５０は、拡散板５０１に入射した白色光Ｗを拡散させる。

ピックアップ光学系６０は、拡散素子５０から射出された白色光Ｗを略平行化する。ピックアップ光学系６０は、凸レンズ６０１から構成されている。

インテグレーター光学系７０は、第１のレンズアレイ７１と、第２のレンズアレイ７２と、を備えている。第１のレンズアレイ７１は、ピックアップ光学系６０から射出された白色光Ｗを複数の部分光線束に分割するための複数のレンズ７１１を有する。複数のレンズ７１１は、光軸ＡＸ３と直交する面内にマトリクス状に配列されている。

第２のレンズアレイ７２は、第１のレンズアレイ７１の複数のレンズ７１１に対応する複数のレンズ７２１を備えている。第２のレンズアレイ７２は、重畳レンズ８０とともに、第１のレンズアレイ７１の各レンズ７１１の像を赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂの各々の画像形成領域の近傍に重畳させる。複数のレンズ７２１は、光軸ＡＸ３に直交する面内にマトリクス状に配列されている。

図８は、第１の半導体レーザー素子１０５の斜視図である。
図８に示すように、第１の半導体レーザー素子１０５は、青色光線ＬＢ０を射出する光射出領域１０５ａを有する。光射出領域１０５ａの平面形状は、光の主光線Ｂｃの方向から見て、長手方向Ｗ１と短手方向Ｗ２とを有する略矩形状である。第２の半導体レーザー素子２０５および第３の半導体レーザー素子の形状も、第１の半導体レーザー素子１０５と同様である。

第１の半導体レーザー素子１０５において、光射出領域１０５ａの長手方向Ｗ１はＺ方向と一致し、光射出領域１１１ａの短手方向Ｗ２はＸ方向と一致する。

第１の半導体レーザー素子１０５から射出された青色光線ＬＢ０は、長手方向Ｗ１と平行な偏光方向を有する直線偏光である。短手方向Ｗ２における青色光線ＬＢ０の発散角θ１は、長手方向Ｗ１における青色光線ＬＢ０の発散角θ２よりも大きい。これにより、青色光線ＬＢ０の断面の形状ＢＳは、Ｘ方向を長軸方向とし、Ｚ方向を短軸方向とした楕円形状となる。

図６，７を用いて形状変換光学系１５６について説明する。
図６は、照明装置１００をＺ方向から見た場合の青色光線ＬＢ０の光路を説明するための図である。図７は、照明装置１００をＸ方向から見た場合の青色光線ＬＢ０の光路を説明するための図である。図６および図７では、説明を理解しやすくするため、青色光線ＬＢ０の光路上にある第１の光線合成光学系２５および光線合成素子３５の図示を省略し、図２に示すように折れ曲がった青色光ＬＢの光路を直線状に描いている。

図６および図７に示すように、第１の半導体レーザー素子１０５から射出された青色光線ＬＢ０は、コリメートレンズ１０６によって平行化される。平行化された青色光線ＬＢ１は、主にアフォーカル光学系１５５の作用によって太くなる。

光線束拡大光学系１５は、形状変換光学系１５６をさらに備えている。第２のレンズ１５２および第３のレンズ１５３は、第１のシリンドリカル面の母線１５２ｃおよび第２のシリンドリカル面の母線１５３ｃが第１の半導体レーザー素子１０５の光射出領域１０５ａの短手方向Ｗ２と平行になるように設けられている。この構成が好ましい理由について、以下説明する。

上述したように、第１の半導体レーザー素子１０５の光射出領域１０５ａの短手方向Ｗ２における青色光線ＬＢ０の発散角θ１は、長手方向Ｗ１における青色光線ＬＢ０の発散角θ２よりも大きい。

図６に示すように、ＸＹ平面内において、第２のレンズ面１５２ａおよび第３のレンズ面１５３ａはパワーを持っていないため、形状変換光学系１５６は青色光線ＬＢ１を屈折させない。一方、図７に示すように、ＹＺ平面内においては、第２のレンズ面１５２ａおよび第３のレンズ面１５３ａはパワーを持っているため、形状変換光学系１５６は青色光線ＬＢ１を屈折させる。よって、形状変換光学系１５６は、青色光線ＬＢ１の断面の形状を第１のシリンドリカル面の母線１５２ｃと平行な方向に拡張（調整）する。

このように、青色光線ＬＢ１は、ＸＹ平面内においてはアフォーカル光学系１５５によって拡大され、ＹＺ平面内においてはアフォーカル光学系１５５と形状変換光学系１５６とによって拡大される。

そのため、光線束拡大光学系１５においては、発散角が小さいＹＺ面内における拡大倍率が、発散角が大きいＸＹ面内における拡大倍率よりも大きい。これにより、青色光ＬＢの断面形状を楕円形から円に近付けることができるため、後述する色ムラを低減しやすくなる。

図９は、照明装置１００をＺ方向と垂直な方向から見た場合の赤色光ＬＲの光路を説明するための図である。図９では、説明を理解しやすくするため、赤色光ＬＲの光路上にある第１の光線合成光学系２５および光線合成素子３５の図示を省略し、図２に示すように折れ曲がった赤色光ＬＲの光路を直線状に描いている。
図１０は、照明装置１００をＸ方向から見た場合の緑色光ＬＧの光路を説明するための図である。図１０では、説明を理解しやすくするため、緑色光ＬＧの光路上にある光線合成素子３５の図示を省略している。

図９に示すように、第２の半導体レーザー素子２０５の各々から射出された赤色光線ＬＲ０のＸＺ面内における発散角θ３は青色光線ＬＢ０の発散角θ１と同レベルである。赤色光線ＬＲ１の断面の形状は、Ｚ方向を長軸方向とした楕円形状である。図９には３本の赤色光線ＬＲ０が図示されているが、実際には７本の赤色光線ＬＲ０が集光光学系４０に入射する。図１０に示すように、緑色光線ＬＧ０についても赤色光線ＬＲ０と同様である。

本実施形態では、前述したように、赤色光ＬＲは７本の赤色光線ＬＲ１からなり、緑色光ＬＧは７本の緑色光線ＬＧ１からなる。よって、集光光学系４０に入射するときの赤色光ＬＲは、光線束拡大光学系１５に入射するときの青色光線ＬＢ１よりも太い。また、集光光学系４０に入射するときの緑色光ＬＧは、光線束拡大光学系１５に入射するときの青色光線ＬＢ１よりも太い。

ここで、本実施形態の照明装置１００から光線束拡大光学系１５を取り除いた比較例の照明装置９００について説明する。
図１１は、比較例の照明装置９００をＺ方向から見た場合の青色光線ＬＢ１の光路を説明するための図である。図１２は、比較例の照明装置９００をＹＺ平面と垂直な方向から見た場合の青色光線ＬＢ１の光路を説明するための図である。

図１１および図１２に示すように、比較例の照明装置９００の場合、青色光線ＬＢ１は、光線束拡大光学系１５によって太くされることなく、集光光学系４０に入射する。青色光線ＬＢ１が拡散素子５０に入射する際の入射角の分布範囲は、集光光学系４０に入射する前の青色光線ＬＢ１が太いほど広い。

赤色光ＬＲおよび緑色光ＬＧについては、比較例の照明装置９００は、本実施形態の照明装置１００と同一の構成を有している。したがって、図９および図１０に示すように、赤色光ＬＲおよび緑色光ＬＧは、青色光線ＬＢ１よりも太い状態で集光光学系４０に入射し、集光されて拡散素子５０に入射する。よって、赤色光ＬＲが拡散素子５０に入射する際の入射角の分布範囲α５と緑色光ＬＧが拡散素子５０に入射する際の入射角の分布範囲α６とは、青色光線ＬＢ１が拡散素子５０に入射する際の入射角の分布範囲α３，α４のいずれよりも大きい。本実施形態の構成では、全ての色光が共通の集光光学系４０に入射するため、入射角の分布範囲を反映して、赤色光ＬＲが拡散素子５０から射出される際の拡散角β５と緑色光ＬＧが拡散素子５０から射出される際の拡散角β６とは、青色光ＬＢが拡散素子５０から射出される際の拡散角β３，β４のいずれよりも大きい。

このように、比較例の照明装置９００においては、拡散角が互いに異なる複数の色光がインテグレーター光学系等の後段の光学系に入射することによって、色ムラが生じる。

これに対し、図６および図７に示すように、本実施形態の照明装置１００は光線束拡大光学系１５を備えているため、青色光ＬＢは青色光線ＬＢ１よりも太い。つまり、光線束拡大光学系１５は、集光光学系４０に入射するときの赤色光ＬＲと集光光学系４０に入射するときの青色光ＬＢとの太さの差が、集光光学系４０に入射するときの赤色光ＬＲと光線束拡大光学系１５に入射するときの青色光線ＬＢ１との太さの差よりも小さいように青色光線ＬＢ１を太くする。

さらに、光線束拡大光学系１５による青色光線ＬＢ１の拡大倍率を適宜調整することにより、集光光学系４０に入射するときの青色光ＬＢと赤色光ＬＲとの太さを略同じにすることができる。なお、上では青色光ＬＢと赤色光ＬＲとの関係について説明したが、青色光ＬＢと緑色光ＬＧとの関係も同様である。

この場合、各色光が拡散素子５０に入射する際の入射角の分布範囲が互いに略等しくなるため、各色光が拡散素子５０から射出される際の拡散角も互いに略等しくなる。そのため、第１のレンズアレイ７１上に形成される赤色光ＬＲのスポットと緑色光ＬＧのスポットと青色光ＬＢのスポットとは、互いに大きさが略同じである。よって、本実施形態の照明装置１００を備えたプロジェクター１によれば、色ムラが低減された画像を表示することができる。

また、光線束拡大光学系１５においては、アフォーカル光学系１５５を構成する第１のレンズ面１５１ａと第４のレンズ面１５４ａとの間に、形状変換光学系１５６が配置されているため、アフォーカル光学系と形状を調整するための光学系とが直列に配置されている場合と比べて、照明装置１００を小型化することができる。これにより、光の断面の形状を調整しつつ、かつ、光の平行度を低下させずに光を太くすることができる小型の照明装置１００を提供することができる。

また、本実施形態の光線束拡大光学系１５においては、第１のレンズ面１５１ａと第２のレンズ面１５２ａとが負のパワーを有し、第３のレンズ面１５３ａと第４のレンズ面１５４ａとが正のパワーを有しているため、これらのレンズ面の全てが正のパワーを有している場合に比べて、光線束拡大光学系１５内の光路長を短くすることができる。

また、光線束拡大光学系１５を備えていない比較例の照明装置９００において、複数の色光の拡散角の違いを小さくするためには、赤色光用もしくは緑色光用の拡散素子よりも拡散力が大きい青色光用の拡散素子を別途備える必要がある。その場合、青色光の損失増大、部品点数の増大、照明装置の大型化等の不具合が生じる。これに対して、本実施形態の照明装置１００においては、全ての色光で１つの拡散素子５０を共用することができるため、上記の不具合が生じることがない。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図１３および図１４を用いて説明する。
第２実施形態のプロジェクターおよび照明装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、光線束拡大光学系の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターおよび照明装置の全体の説明は省略し、光線束拡大光学系についてのみ説明する。
図１３は、第２実施形態の光線束拡大光学系をＺ方向から見た図である。図１４は、第２実施形態の光線束拡大光学系をＸ方向から見た図である。
図１３および図１４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１３および図１４に示すように、本実施形態の光線束拡大光学系１６は、青色光線ＬＢ１の入射側から順に配置された第１のレンズ面１６１ａ、第２のレンズ面１６２ａ、第３のレンズ面１５３ａ、および第４のレンズ面１５４ａを含んでいる。また、光線束拡大光学系１６は、青色光線ＬＢ１の入射側から順に配置された第１のレンズ１６１、第２のレンズ１６２、第３のレンズ１５３、および第４のレンズ１５４を備えている。第１のレンズ面１６１ａは第１のレンズ１６１に設けられ、第２のレンズ面１６２ａは第２のレンズ１６２に設けられ、第３のレンズ面１５３ａは第３のレンズ１５３に設けられ、第４のレンズ面１５４ａは第４のレンズ１５４に設けられている。

第１のレンズ１６１は、凸面からなる第１のレンズ面１６１ａと平面１６１ｂとを有する平凸レンズから構成されている。また、第１のレンズ面１６１ａは、正のパワーを有する球面から構成されている。

第２のレンズ１６２は、凸面からなる第２のレンズ面１６２ａと平面１６２ｂとを有する平凸レンズから構成されている。また、第２のレンズ面１６２ａは、正のパワーを有する第１のアナモフィック面から構成されている。すなわち、第２のレンズ面１６２ａのパワーの符号は、第１のレンズ面１６１ａのパワーの符号と同じである。さらに、第１のアナモフィック面は、第１のシリンドリカル面から構成されている。

第３のレンズ１５３および第４のレンズ１５４は、第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、光の断面の形状を調整しつつ、かつ、光の平行度を低下させずに光を太くすることができる小型の照明装置を提供できる、画像の色ムラが少ないプロジェクターを提供できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図１５および図１６を用いて説明する。
第３実施形態のプロジェクターおよび照明装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、光線束拡大光学系の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターおよび照明装置の全体の説明は省略し、光線束拡大光学系についてのみ説明する。
図１５は、第３実施形態の光線束拡大光学系をＺ方向から見た図である。図１６は、第３実施形態の光線束拡大光学系をＸ方向から見た図である。
図１５および図１６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１５および図１６に示すように、本実施形態の光線束拡大光学系１７は、青色光線ＬＢ１の入射側から順に配置された第１のレンズ面１７１ａ、第２のレンズ面１７１ｂ、第３のレンズ面１７２ｃ、および第４のレンズ面１７２ｄを含んでいる。光線束拡大光学系１７は、青色光線ＬＢ１の入射側から順に配置された第１のレンズ１７１と、第２のレンズ１７２と、を備えている。第１のレンズ面１７１ａと第２のレンズ面１７１ｂとは、第１のレンズ１７１に設けられている。第３のレンズ面１７２ｃと第４のレンズ面１７２ｄとは、第２のレンズ１７２に設けられている。

第１のレンズ１７１は、第１の発光素子１０１に対向する第１のレンズ面１７１ａ（凹面）と、第２のレンズ１７２に対向する第２のレンズ面１７１ｂ（凹面）と、を有する両凹レンズから構成されている。第１のレンズ面１７１ａは、負のパワーを有する球面から構成されている。第２のレンズ面１７１ｂは、負のパワーを有する第１のアナモフィック面から構成されている。さらに、第１のアナモフィック面は、第１のシリンドリカル面から構成されている。

第２のレンズ１７２は、第１のレンズ１７１に対向する第３のレンズ面１７２ｃ（凸面）と、第１の光線合成光学系２５（図２参照）に対向する第４のレンズ面１７２ｄ（凸面）と、を有する両凸レンズから構成されている。第３のレンズ面１７２ｃは、正のパワーを有する第２のアナモフィック面から構成されている。また、第２のアナモフィック面は、第２のシリンドリカル面から構成されている。第４のレンズ面１７２ｄは、正のパワーを有する球面から構成されている。

本実施形態においても、光の断面の形状を調整しつつ、かつ、光の平行度を低下させずに光を太くすることができる小型の照明装置を提供できる、画像の色ムラが少ないプロジェクターを提供できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

さらに本実施形態の場合、光線束拡大光学系１７が第１のレンズ１７１と第２のレンズ１７２とで構成されているため、部品点数を削減することができ、第１、第２実施形態に比べて、光線束拡大光学系１７内の光路長を短くすることができる。

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、光線束拡大光学系の第１のアナモフィック面および第２のアナモフィック面のそれぞれがシリンドリカル面で構成されていたが、この構成に代えて、第１のアナモフィック面と第２のアナモフィック面のうち少なくとも一方が、ＸＹ平面内、ＹＺ平面内の双方で屈折力を有していてもよい。この場合、ＹＺ平面内の屈折力は、ＸＹ平面内の屈折力よりも大きいことが望ましい。この構成によれば、アフォーカル光学系１５５のパワー不足を補うことができる。

また、上記実施形態で例示した光源部、照明装置、およびプロジェクターの各構成要素の数、配置、形状、材料、寸法等については、適宜変更が可能である。

上記実施形態では、３つの光変調装置を備えるプロジェクターを例示したが、一つの光変調装置でカラー画像を表示するプロジェクターに本発明を適用することも可能である。また、光変調装置として、デジタルミラーデバイスを用いてもよい。

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応用する例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置を自動車用ヘッドライト等の照明器具にも適用することができる。

１…プロジェクター、１０…第１の光源部、１５，１６，１７…光線束拡大光学系、２０…第２の光源部、２５…第１の光線合成光学系、５０…拡散素子、１００…照明装置、１０１…第１の発光素子、１０５…第１の半導体レーザー素子、１５１，１６１，１７１…第１のレンズ、１５１ａ，１６１ａ，１７１ａ…第１のレンズ面、１５２，１６２，１７２…第２のレンズ、１５２ａ，１６２ａ，１７１ｂ…第２のレンズ面、１５３…第３のレンズ、１５３ａ，１７２ｃ…第３のレンズ面、１５４…第４のレンズ、１５４ａ，１７２ｄ…第４のレンズ面、４００Ｂ…青色光用光変調装置（光変調部）、４００Ｇ…緑色光用光変調装置（光変調部）、４００Ｒ…赤色光用光変調装置（光変調部）、６００…投射光学系。

Claims (7)

1. 平行化された第１の色光を射出する少なくとも一つの第１の発光素子を有し、前記第１の色光を含む第１の光を射出する第１の光源部と、
   前記第１の光を拡大する光線束拡大光学系と、
   を備え、
   前記光線束拡大光学系は、前記第１の光の入射側から順に配置された第１のレンズ面、第２のレンズ面、第３のレンズ面、および第４のレンズ面を含み、
   前記第１のレンズ面は、パワーを有する球面からなり、
   前記第２のレンズ面は、前記第１のレンズ面の前記パワーの符号と同じ符号のパワーを有する第１のアナモフィック面からなり、
   前記第３のレンズ面は、正のパワーを有する第２のアナモフィック面からなり、
   前記第４のレンズ面は、正のパワーを有する球面からなる、照明装置。
2. 前記第１のアナモフィック面は、第１のシリンドリカル面からなり、
   前記第２のアナモフィック面は、第２のシリンドリカル面からなる、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第１の発光素子は、半導体レーザー素子を備え、
   前記第１のシリンドリカル面の母線および前記第２のシリンドリカル面の母線は、前記半導体レーザー素子の光射出領域の短手方向と平行である、請求項２に記載の照明装置。
4. 前記光線束拡大光学系は、前記第１のレンズ面と前記第２のレンズ面とを有する第１のレンズと、前記第３のレンズ面と前記第４のレンズ面とを有する第２のレンズと、を備える、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記第１の色光とは異なる色の平行化された第２の色光を射出する複数の第２の発光素子を有し、前記第２の色光を含む第２の光を射出する第２の光源部をさらに備え、
   前記複数の第２の発光素子の個数は、前記第１の発光素子の個数よりも多く、
   前記第２の光は前記第１の光よりも太く、
   前記光線束拡大光学系は、前記第２の光と前記光線束拡大光学系の後段での前記第１の光との太さの差が、前記第２の光と前記光線束拡大光学系の前段での前記第１の光との太さの差よりも小さいように、前記第１の光を太くする機能を有する、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の照明装置。
6. 前記光線束拡大光学系を通過した前記第１の光と前記第２の光とを合成する機能を有する第１の光線合成光学系と、
   前記第１の光線合成光学系から射出された光が入射する拡散素子と、をさらに備える、請求項５に記載の照明装置。
7. 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と、
   前記照明装置からの前記第１の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部と、
   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。

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