JP6802990B2 - 光源装置及び投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及び投影装置に関する。

今日、パーソナルコンピュータの画面やビデオ画像、更にメモリカード等に記憶されている画像データによる画像等をスクリーンに投影する画像投影装置としてのデータプロジェクタが多用されている。このプロジェクタは、光源から出射された光をＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）や液晶板などの表示素子に集光させ、スクリーン上にカラー画像を表示する。

特許文献１には、赤色、緑色、青色の各色の光を出射する光源としてのレーザダイオードを備える投影装置が開示されている。各色光源からの出射光は、各色光源に対応して配置されるダイクロイックミラーにより反射又は透過されて円錐プリズムに集光される。円錐プリズムから出射した光はライトトンネルを介することで矩形かつ均一な（強度分布が平坦化された）光とされて、光変調素子に照射される。

特開２００８−２１６９２３号公報

周知のように、レーザダイオードから出射するレーザビームは、半導体レーザのｐｎ接合面（活性層）に平行な方向（θ//）と直角な方向（θ⊥）とでそれぞれ拡がり角が異なり、その断面形状は楕円状となっている（例えば、特開昭６１−１５６２１９号公報参照）。

θ⊥方向は、非常に薄い（〜１μm程度）活性層の範囲内で発光するので回折効果が働き、光が広く拡散し、楕円の長軸方向となる。θ//方向は、θ⊥よりも広い範囲での発光であり、あまり光が広がらないので、楕円の短軸方向となる。

そして、その強度分布はガウス分布とされている。一方、光変調素子に照射する光線束は、矩形かつ均一な（強度分布が平坦化された）光が求められる。そこで、特許文献１の投影装置では、ライトトンネルを用いてレーザダイオードからの光を調整しているが、所定長さを有するライトトンネルを備える投影装置は小型化が困難な場合があった。

本発明は、小型とすることができる光源装置と、この光源装置を備える投影装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光源装置は、発光光が、出射光軸に対する強度分布の一様性が高い所定の方向と、当該所定の方向より出射光軸に対する強度分布の一様性が低い前記所定の方向に直交する不安定方向と、なる特性を有する発光装置と、前記所定の方向の強度分布を調整可能に形成され、前記発光光が入射される強度変換レンズと、前記不安定方向の強度分布を複数方向に分割し重畳することにより調整可能に形成される重畳変換光学部と、を備え、前記重畳変換光学部は、前記不安定方向に曲率を有するシリンドリカルレンズを前記不安定方向に複数組み合わせたシリンドリカルレンズアレイと、前記シリンドリカルレンズアレイからの光を重畳して照明対象面に照射する重畳レンズと、を含み、前記強度変換レンズは、前記所定の方向の周辺部の曲率が中心部の曲率より小さいことを特徴とする。

本発明に係る投影装置は、上述の光源装置と、前記光源装置からの光源光が照射され、画像光を形成する表示素子と、前記表示素子から出射された前記画像光をスクリーンに投影する投影側光学系と、前記表示素子と、前記光源装置を制御する投影装置制御部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、装置を小型化することができる光源装置及び投影装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る投影装置の機能ブロックを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る投影装置の内部構造を示す平面模式図である。 本発明の第１実施形態に係る各色光源装置のレイアウトを拡大して示す模式図であり、（ａ）は平面模式図を示し、（ｂ）は側面模式図を示す。 本発明の第１実施形態に係る各色光源装置における出射光の様子を示す平面模式図であり、（ａ）は各色光源装置から照明対象面までを示す図であり、（ｂ）は各色光源装置を拡大して示す図である。 本発明の第１実施形態に係る各色光源から出射された光の強度分布を示す図であり、（ａ）は図４（ａ）の位置Ｑにおける強度分布を示し、（ｂ）は図４（ａ）の位置Ｓにおける強度分布を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る強度変換レンズの曲率分布を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る各色光源装置のレイアウトを拡大して光が出射されている様子を示す模式図であり、（ａ）は平面模式図を示し、（ｂ）は側面模式図を示す。 本発明の第２実施形態に係る各色光源装置における強度変換レンズを拡大して示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る強度変換レンズの曲率分布を示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る実施形態を図に基づいて説明する。図１は投影装置１０の投影装置制御部の機能回路ブロックを示す図である。投影装置制御部は、制御部３８、入出力インターフェース２２、画像変換部２３、表示エンコーダ２４、表示駆動部２６等から構成される。

この制御部３８は、投影装置１０内の各回路の動作制御を司るものであって、ＣＰＵ、各種セッティング等の動作プログラムを固定的に記憶したＲＯＭ及びワークメモリとして使用されるＲＡＭ等により構成されている。

そして、この制御手段により、入出力コネクタ部２１から入力された各種規格の画像信号は、入出力インターフェース２２、システムバス（ＳＢ）を介して画像変換部２３で表示に適した所定のフォーマットの画像信号に統一するように変換された後、表示エンコーダ２４に出力される。

また、表示エンコーダ２４は、入力された画像信号をビデオＲＡＭ２５に展開記憶させた上でこのビデオＲＡＭ２５の記憶内容からビデオ信号を生成して表示駆動部２６に出力する。

表示駆動部２６は、表示素子制御手段として機能するものであり、表示エンコーダ２４から出力された画像信号に対応して適宜フレームレートで空間的光変調素子（ＳＯＭ）である表示素子５１を駆動するものである。

そして、この投影装置１０では、光源装置６０から出射された光線束について光学系を介して表示素子５１に照射することにより、表示素子５１の反射光で光像を形成し、投影側光学系を介して図示しないスクリーンに画像を投影表示する。なお、この投影側光学系の可動レンズ群２３５は、レンズモータ４５によりズーム調整やフォーカス調整のための駆動が行われる。

また、画像圧縮／伸長部３１は、画像信号の輝度信号及び色差信号をＡＤＣＴ及びハフマン符号化等の処理によりデータ圧縮して着脱自在な記録媒体とされるメモリカード３２に順次書き込む記録処理を行う。

さらに、画像圧縮／伸長部３１は、再生モード時にメモリカード３２に記録された画像データを読み出し、一連の動画を構成する個々の画像データを１フレーム単位で伸長し、この画像データを、画像変換部２３を介して表示エンコーダ２４に出力し、メモリカード３２に記憶された画像データに基づいて動画等の表示を可能とする処理を行う。

そして、投影装置１０の筐体に設けられるメインキー及びインジケータ等により構成されるキー／インジケータ部３７の操作信号は、直接に制御部３８に送出され、リモートコントローラからのキー操作信号は、Ｉｒ受信部３５で受信され、Ｉｒ処理部３６で復調されたコード信号が制御部３８に出力される。

なお、制御部３８にはシステムバス（ＳＢ）を介して音声処理部４７が接続されている。この音声処理部４７は、ＰＣＭ音源等の音源回路を備えており、投影モード及び再生モード時には音声データをアナログ化し、スピーカ４８を駆動して拡声放音させる。

また、制御部３８は、光源制御手段としての光源制御回路４１を制御しており、この光源制御回路４１は、画像生成時に要求される所定波長帯域の光が光源装置６０から出射されるように、光源装置６０の赤色光源装置、緑色光源装置及び青色光源装置の発光を個別に制御する。

さらに、制御部３８は、冷却ファン駆動制御回路４３に光源装置６０等に設けた複数の温度センサによる温度検出を行わせ、この温度検出の結果から冷却ファンの回転速度を制御させている。また、制御部３８は、冷却ファン駆動制御回路４３にタイマー等により投影装置１０本体の電源オフ後も冷却ファンの回転を持続させる、あるいは、温度センサによる温度検出の結果によっては投影装置１０本体の電源をオフにする等の制御も行う。

次に、この投影装置１０の内部構造について述べる。図２は、投影装置１０の内部構造を示す平面模式図である。ここで、投影装置１０の筐体は、略箱状に形成されて、上面及び下面と、正面パネル１２、背面パネル１３、左側パネル１４及び右側パネル１５を備える。なお、以下の説明においては、投影装置１０における左右とは投影方向に対しての左右方向を示し、前後とは投影装置１０のスクリーン側方向及び光線束の進行方向に対しての前後方向を示す。

投影装置１０は、中央部分に光源装置６０を備える。投影装置１０は、光源装置６０の左側方に投影光学系が内装された投影側光学系２２０とされるレンズ鏡筒２２５を備えている。また、投影装置１０は、レンズ鏡筒２２５と背面パネル１３との間に、左側パネル１４と平行に配置されたＤＭＤ等の表示素子５１を備えている。さらに、投影装置１０は、光源装置６０と正面パネル１２との間に主制御回路基板２４１を備え、レンズ鏡筒２２５と左側パネル１４との間に電源制御回路基板２４２を備えている。

また、光源装置６０からの出射光は、ＲＴＩＲプリズム１７５を介して表示素子５１に照射される。そして、表示素子５１で反射されたオン光の光軸は、ＲＴＩＲプリズム１７５により投影光学系の光軸に一致させてレンズ鏡筒２２５に向かって出射する。

また、光源装置６０と右側パネル１５との間には、電源コネクタ５７、後述する緑色光源１０１及び青色光源１４１を冷却するヒートシンク１９０、後述する赤色光源１２１で発生する熱をヒートシンク１９０へ導くヒートパイプ１３０、ヒートシンク１９０に冷却風をあてる冷却ファン２６１を備えている。

光源装置６０は、電源コネクタ５７の近傍であって背面パネル１３の近傍に配置される青色光源装置１４０と、青色光源装置１４０の正面パネル１２側に配置される緑色光源装置１００と、正面パネル１２側略中央に配置される赤色光源装置１２０と、を備える。

青色波長帯域光を出射する青色光源装置１４０は、青色光源１４１と、シリンドリカルレンズアレイ１４２と、光の強度分布を分布調整可能に形成される強度変換レンズ１４３と、重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４と、を備える。青色光源装置１４０は、青色波長帯域光の出射方向が左側パネル１４方向であって、背面パネル１３と平行な方向よりも正面パネル１２側に向けて傾斜して出射するよう配置される。青色光源１４１は、青色波長帯域光を出射する半導体発光素子であるレーザダイオードとされる。

緑色波長帯域光を出射する緑色光源装置１００は、緑色光源１０１と、シリンドリカルレンズアレイ１０２と、強度変換レンズ１０３と、重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１０４と、を備える。緑色光源装置１００は、緑色波長帯域光を左側パネル１４に向けて背面パネル１３と平行に出射する。緑色光源１０１は、緑色波長帯域光を出射する半導体発光素子であるレーザダイオードとされる。

赤色波長帯域光を出射する赤色光源装置１２０は、赤色光源１２１と、シリンドリカルレンズアレイ１２２と、強度変換レンズ１２３と、重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１２４と、を備える。赤色光源装置１２０は、赤色波長帯域光を背面パネル１３に向けて左側パネル１４と平行に出射する。赤色光源１２１は、赤色波長帯域光を出射する半導体発光素子であるレーザダイオードとされる。

なお、青色光源装置１４０、緑色光源装置１００、赤色光源装置１２０が備えるシリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３、重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４の詳細については後述する。

緑色光源装置１００からの緑色波長帯域光と、赤色光源装置１２０からの赤色波長帯域光が交差する位置には、第１ダイクロイックミラー１７１が配置される。第１ダイクロイックミラー１７１は、緑色波長帯域光を反射して、赤色波長帯域光を透過する。従って、緑色光源装置１００からの緑色波長帯域光と、赤色光源装置１２０からの赤色波長帯域光は光軸を一致されて背面パネル１３方向に導光される。

第１ダイクロイックミラー１７１を透過する赤色波長帯域光（換言すれば、第１ダイクロイックミラー１７１を反射する緑色波長帯域光）と、青色光源装置１４０からの青色波長帯域光が交差する位置には、第２ダイクロイックミラー１７２が配置される。第２ダイクロイックミラー１７２は、緑色波長帯域光及び赤色波長帯域光を反射して、青色波長帯域光を透過する。従って、第１ダイクロイックミラー１７１からの赤色波長帯域光及び緑色波長帯域光と、青色光源装置１４０からの青色波長帯域光とは、第２ダイクロイックミラー１７２により光軸を一致されて、左側パネル１４側のＲＴＩＲプリズム１７５に向けて導光される。ＲＴＩＲプリズム１７５に入射する光源装置６０からの光束は、前述の通り、表示素子５１に照射される。

このように投影装置１０を構成することで、各色光源装置１００，１２０，１４０から異なるタイミングで光を出射すると、赤色、緑色及び青色の各波長帯域光がＲＴＩＲプリズム１７５に順次入射され、表示素子５１の画像形成面に照射されるため、投影装置１０の表示素子５１であるＤＭＤがデータに応じて各色の光を時分割表示することにより、スクリーンにカラー画像を投影することができる。

ここで、青色光源装置１４０、緑色光源装置１００、赤色光源装置１２０が備えるシリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３、重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４について、詳細に説明する。図３（ａ）は図２と同様に平面視した模式図であり、図３（ｂ）は図２の正面パネル１２側から見た側面模式図である。各色光源１４１，１０１，１２１は、断面楕円形状の光を発する半導体発光素子であるレーザダイオードであり、各色光源１４１，１０１，１２１から出射した直後の位置Ｑにおける光の断面形状は、図３（ａ）では短軸が紙面に垂直な方向とされ（光軸方向から見た出射光の断面形状Ｑ１参照）、図３（ｂ）では長軸が紙面に垂直な方向とされる（光軸方向から見た出射光の断面形状Ｑ２参照）。

なお、図２、図３、図４（後述）では、シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２と、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３とが、接している場合の図を示しているが、シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２と、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３とが離間していてもよい。

シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２は、各色光源１４１，１０１，１２１からの出射光の短軸方向に曲率を有するシリンドリカルレンズＣＬ（図３（ｂ）参照）を短軸方向（図３（ｂ）においては図の上下方向）に複数組み合わせて形成される。シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２は、曲率面を各色光源１４１，１０１，１２１に向けて配置される。

光の長軸方向の強度分布を調整可能に形成される強度変換レンズ１４３，１０３，１２３は、ガウス分布をトップハット分布（平坦化された分布）に変換するレンズである。本設計例では、レンズの中心付近の光はそのまま直進して広がり、レンズの周辺付近の光は少し曲がって光軸と概略平行になるように光学設計されたものである。

ここで、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３の設計例を図４に基づいて説明する。図４において、位置Ｓは出射光が矩形の均一な（強度分布が平坦化された）光と設定される位置（照明対象面）、主点Ｐは強度変換レンズ１４３，１０３，１２３の主点、発光点Ｔはレーザダイオードの発光点、焦点Ｆは強度変換レンズ１４３，１０３，１２３の焦点である。また、第１屈折面をＲ１、第２屈折面をＲ２として示す。

ここでは、まず、代表例として青色の光路の強度変換レンズ１４３の設計例を説明する。強度変換レンズ１４３の光学設計（レンズデータ）の例を以下に示す。ガラス材質：Ｌ−ＬＡＨ８４（屈折率ｎｄ 1.80835 アッベ数νｄ 40.55）
レンズ厚：2.5mm
有効径：φ5.4mm
Ｒ１面：平面
Ｒ２面：数式（１）及び以下の値を用いて算出される偶数次非球面
曲率半径（Ｒ）：-4.125mm
コーニック定数（ｋ）：-7.328
α１：0.00E+00
α２：-2.06E-02
α３：2.59E-03
α４：-2.77E-04
α５：1.49E-05

ｚ：サグ量
ｙ：光軸からの距離
ｃ：曲率（１／Ｒ）

上記のレンズデータにより設計された強度変換レンズ１４３は、入射面が平らで出射面が凸の平凸形状で回転対称の非球面レンズとされて、出射面は、中心部が略球面で、周辺部が中心部の曲率より小さい曲率変化面となっている。そして、光の長軸方向の光は、レンズの中心部の略球面部分及び周辺部の曲率変化面部分に入射され、光の短軸方向の光は、レンズの中心部の略球面部分に入射される。具体的には、このように設計された強度変換レンズ１４３は、以下の条件１〜３に基づいて、青色光源１４１からの光がシリンドリカルレンズアレイ１４２、強度変換レンズ１４３、重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４を順に介して出射する青色光源装置１４０のレイアウト設計がされる。まず、青色光源１４１のレーザダイオードの出射光における広がり角度は、強度分布のピーク値に対し１／ｅ２（ｅ：自然対数の底）の強度となる角度の半角として、
Θ／／：５度
Θ⊥：２０度
を仮定する。強度変換レンズ１４３は、レーザダイオードにおける断面楕円形の出射光の長軸方向（垂直方向）について主に作用させるため、垂直方向の角度２０度（条件１）を用いる。

そして、強度変換レンズ１４３から位置Ｓまでの距離Ｓ１を２５ｍｍ（条件２）、位置Ｓにおける出射光の長軸方向の長さＳ２を４ｍｍ（条件３）とする。ここで、出射光の長軸方向については平行平板として作用するシリンドリカルレンズアレイ１４２及び重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４の厚みＬ３，Ｌ６は、共に１ｍｍに設定される。また、強度変換レンズ１４３のＲ１面から主点Ｐまでの距離Ｌ４は１．３ｍｍであり、強度変換レンズ１４３の厚みＬ５は２．５ｍｍである。すると、強度変換レンズ１４３を備える青色光源装置１４０のレイアウトは、主点Ｐと焦点Ｆの距離Ｌ１が５ｍｍ、発光点Ｔとシリンドリカルレンズアレイ１４２の距離Ｌ２が１．８ｍｍとなる。このようにして、青色光源１４１の発光点Ｔは、強度変換レンズ１４３の中心部に対応する焦点Ｆの位置よりも強度変換レンズ１４３側に位置している。

そして、緑色及び赤色の光路の強度変換レンズ１０３，１２３についても、青色の光路の強度変換レンズ１４３の設計と同様に、色の波長、広がり角度（条件１）、ＤＭＤまでの距離（図２のように、ＤＭＤまでの距離は、青色の光路より緑色及び赤色の光路の方が長い）（条件２）に合わせて、最適になるように設計を行う。

レーザダイオードとされる各色光源１４１，１０１，１２１からの出射光は、図４（ａ）の位置Ｑにおける光強度分布である図５（ａ）で示すように、中心付近の光強度が高いガウス分布を示している。このような各色光源１４１，１０１，１２１からの出射光は、シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２に入射すると、短軸方向に光束が複数分割される。シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２により複数分割された光束は、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３により長軸方向がトップハット化される。そして、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３を出射した複数分割された光束は、重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４により重畳され、短軸方向もトップハット化される。すると、図４（ａ）の位置Ｓにおける光強度分布である図５（ｂ）で示すように、各色光源１４１，１０１，１２１からの出射光は、位置Ｓでは矩形の均一な（強度分布が平坦化された）光として照射される。

このようにして、シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２と重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４とにより、光を複数方向に分割し重畳することにより、光の長軸方向と直交する短軸方向の強度分布を調整可能に形成される重畳変換光学部３００が構成される。

また、各色光源１４１，１０１，１２１の発光点Ｔの位置は、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３の焦点Ｆの位置よりも強度変換レンズ１４３，１０３，１２３に近い。そして強度変換レンズ１４３，１０３，１２３は、図６のような曲率分布を有する。図６の曲率分布は、横軸に中心からの位置、縦軸にその位置でのレンズの曲率を示しており、その絶対値が０に近いほど平面に近似することを表す。この図から、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３は、周辺にいくほど曲率が０に近づくような設計になっていることが分かる。従って、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３は、中心部が略球面で、周辺部が当該中心部の曲率より小さい曲率変化面となっている。このように設計された強度変換レンズ１４３，１０３，１２３の中心付近の光線は広がる一方、周辺付近の光線は非球面部に入射するため強く曲がり、平行に近い光線になる。

レーザダイオードからの出射光は、断面楕円形の短軸方向は長軸方向に比べて強度分布のバラツキが大きく、変動し易い特性を有する。そのため、本実施形態のように、シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２により短軸方向で光束を分割し、重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４により重畳することにより、出射光の短軸方向の変動を補償することができる。

ここで、レーザダイオードからの出射光をマイクロレンズアレイで重畳する場合と比較すると、マイクロレンズアレイでは、マイクロレンズ間の稜線が縦横に存在する。従って、長軸方向のみに稜線が存在するシリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２を用いる本実施形態の方が、光の損失量が半減する。

また、本実施形態で示すレイアウト（各色光源１４１，１０１，１２１からの光の出射方向から順に、シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３、重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４の順）では、レイアウト上ある程度の距離を必要とするシリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２と重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４の間に強度変換レンズ１４３，１０３，１２３を配置するため、省スペース化が実現できる。本実施形態の他、例えば、出射方向から順に、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３、シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２、重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４の順とすることもできる。この場合には、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３を出射する光が短軸方向について平行化されてシリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２に入射されるので、光学効率が向上する。

また、出射方向から順に、シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２、重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３の順としてもよい。

また、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３は、断面楕円形の長軸方向の光について主に作用する回転対称なレンズとしたが、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３については、光の長軸方向の強度分布を調整可能に形成されていればよく、例えば、長軸方向に曲率を有するシリンドリカル形状のレンズに換えることもできる。

また、重畳レンズ１４４，１０４，１２４は、光の短軸方向に曲率を有するシリンドリカル形状のもので説明したが、それに限らず、光の長軸方向に曲率を持つレンズであってもよい。例えば、光の短軸方向と長軸方向に同じ曲率を持つ回転対称なレンズであってもよいし、光の短軸方向と長軸方向に異なる曲率を持つレンズであってもよい。

（第２実施形態）
次に、光路を細線で示す図７及び図８に基づいて、本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態は、第１実施形態における青色光源装置１４０、緑色光源装置１００、赤色光源装置１２０において、重畳変換光学部３００（シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２、重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４）を重畳変換光学部３００Ａとしてのパウエルレンズ１４５，１０５，１２５に換えて、第１実施形態における回転対称に形成される強度変換レンズ１４３，１０３，１２３を略長尺状（シリンドリカル形状）の強度変換レンズ１４３Ａ，１０３Ａ，１２３Ａに換えたものである。なお、第１実施形態の説明と同様に、各色光源１４１，１０１，１２１から断面楕円形の光を出射した直後の位置を位置Ｑとし、図７（ａ）では短軸が紙面に垂直な方向（光軸方向から見た出射光の断面形状Ｑ１参照）を示し、図７（ｂ）では長軸が紙面に垂直な方向（光軸方向から見た出射光の断面形状Ｑ２参照）で示している。

パウエルレンズ１４５，１０５，１２５は、長軸方向に略長尺状に形成される。パウエルレンズ１４５，１０５，１２５の入射面は、凹面に形成される。パウエルレンズ１４５，１０５，１２５の出射面は、非球面である。また、パウエルレンズ１４５，１０５，１２５の出射面は、短軸方向に曲率を有する。具体的には、長軸方向（図７（ｂ）参照）から見て、頂点を出射方向に向けた略三角形状であり、当該略三角形状の辺部分が外方向に凸湾曲状とされている。

光の長軸方向の強度分布を調整可能に形成される強度変換レンズ１４３Ａ，１０３Ａ，１２３Ａは、長軸方向に略長尺状に形成される。強度変換レンズ１４３Ａ，１０３Ａ，１２３Ａは、入射面側が平坦に形成され、出射面が長軸方向に曲率を有するように形成される。本実施形態における強度変換レンズ１４３Ａ，１０３Ａ，１２３Ａは、光の長軸方向については、第１実施形態における強度変換レンズ１４３，１０３，１２３と同様に、レンズの中心付近の光はそのまま直進して広がり、レンズの周辺付近の光は少し曲がって光軸と概略平行になるように光学設計されたものである。

本実施形態における代表例として、前述の数式（１）を用いて、青色の光路の強度変換レンズ１４３Ａの設計例を図８と共に説明する。強度変換レンズ１４３Ａの光学設計（レンズデータ）の例を以下に示す。
ガラス材質：Ｌ−ＬＡＭ６０（屈折率ｎｄ 1.7432 アッベ数νｄ 49.29）
レンズ厚：2.0mm
有効径：φ3.6mm
Ｒ１面：平面
Ｒ２面：数式（１）及び以下の値を用いて算出される偶数次非球面
曲率半径（Ｒ）：-2.808mm
コーニック定数（ｋ）：-1.05E+00
α１：0.00E+00
α２：-1.40E-02
α３：2.29E-03
α４：-2.79E-04
α５：8.70E-06

上記のレンズデータにより設計された強度変換レンズ１４３Ａは、入射面が平らで、出射面は凸となるような形状である。そして図９は、凸面の曲率の変化を示している。図９のように、強度変換レンズ１４３Ａは、周辺にいくほど曲率が０に近づくような設計になっているため、中心付近の光線は広がる一方、周辺付近の光線は非球面部に入射して強く曲がり、平行に近い光線になる。このように、強度変換レンズ１４３Ａは、中心部が略球面で、周辺部が当該中心部の曲率より小さい曲率変化面となっている。また、光の長軸方向の光は、図７（ａ）において光路を細線で示すが、レンズの中心部及び周辺部の曲率変化面部分に入射され、光の短軸方向の光は、レンズにそのまま入射される。

具体的には、レーザダイオードの長軸方向（垂直方向）の広がり角度２０度（条件１）を用いて、第１実施形態（図４（ａ）参照）と同様に、強度変換レンズ１４３Ａから位置Ｓまでの距離Ｓ１を２５ｍｍ（条件２）、位置Ｓにおける出射光の長軸方向の長さＳ２を４ｍｍ（条件３）とする。ここで、図８に示すように、強度変換レンズ１４３ＡのＲ１面から主点Ｐまでの距離Ｌ１２は１．１ｍｍ、主点Ｐと焦点Ｆの距離Ｌ１０が３．８ｍｍである。すると、強度変換レンズ１４３Ａを備える青色光源装置１４０のレイアウトは、発光点ＴとＲ１面までの距離Ｌ１１が２．２ｍｍとなる。このようにして、青色光源１４１の発光点Ｔは、強度変換レンズ１４３Ａの焦点Ｆの位置よりも強度変換レンズ１４３Ａ側に位置している。強度変換レンズ１０３Ａ，１２３Ａについても、同様に設計を行う。

強度変換レンズ１４３Ａ，１０３Ａ，１２３Ａから出射された光の短軸方向は、図７（ｂ）に示すように、パウエルレンズ１４５，１０５，１２５の凹面とされる入射面で短軸方向に広げられる。パウエルレンズ１４５，１０５，１２５に入射して広げられた光は、略三角状の頂点を境に上側と下側の２つに分割され、照明対象面にて重畳される。

従って、第１実施形態と同様の図５に示すように、位置Ｑにおいてガウス分布の光強度分布の光（図５（ａ）参照）である、レーザダイオードとされる各色光源１４１，１０１，１２１からの出射光は、強度変換レンズ１４３Ａ，１０３Ａ，１２３Ａ及びパウエルレンズ１４５，１０５，１２５を介して、トップハット化され照明対象面（位置Ｓ、図４（ａ）参照）に照射される。

なお、本実施形態においては、強度変換レンズ１４３Ａ，１０３Ａ，１２３Ａとパウエルレンズ１４５，１０５，１２５は別体としたが、一体的に形成することもできる。また、パウエルレンズ１４５，１０５，１２５の出射側を略三角形状としたが、本実施形態と逆に、入射側の面を略三角形状として、出射側の面を凹面としてもよい。また、重畳する光によっては、本実施形態におけるパウエルレンズ１４５，１０５，１２５の凹面の入射面を平坦とすることもできる。

上記実施形態では、発光装置として、レーザダイオードを例に挙げた。
レーザダイオードのθ⊥（長軸）方向は、シングルピークだが、θ//（短軸）方向はマルチモードということで複数のピークがある。この一つ一つがレーザダイオードの発振モードとなっており、駆動条件や劣化具合により各ピークの比率が変動し、不安定の原因となる。

θ⊥（長軸）方向については、活性層の厚みが１μm程度と薄く複数のモードが存在できない状態の為、分布の一様性が安定している（一様性が高い）。
θ//（短軸）方向は、発光部分の幅が数十μm〜数百μm程度とθ⊥（長軸）方向に比べて桁違いに幅広い。そのため、局所的に、電流値もしくは温度が異なる。すると、発光の位置／半導体の屈折率／結晶内の欠陥などが局所的に変化し、その結果各ピークの比率も変化し、分布の一様性が不安定となる（一様性が低い）。

したがって、上記実施形態では、θ//（長軸）方向の光を安定方向（所定の方向）として、強度変換レンズによってトップハット化し、θ⊥（短軸）方向の光を不安定方向として、重畳変換光学部によってトップハット化する構成をとった。
逆に、短軸方向が安定で、長軸方向が不安定な場合の発光装置の場合には、短軸方向を強度変換レンズでトップハット化し、長軸方向を重畳変換光学部でトップハット化すればよい。

また、光の分布は楕円状に限らず、円状のものやその他分布の光であってもよい。
なお、ここで、一様性が不安定（一様性が低い）とは、強度分布が対称、非対称にかかわらず、ガウス分布がくずれたものや、ピークの数が変化したものや多様な分布をとることを意味する。

いずれにしても、出射光軸に対して発光強度分布が所定の方向と当該所定の方向と直交する方向とで一様性が異なる特性を有する光を発する発光装置において、一様性の安定な（高い）方向は、強度変換レンズによってトップハット化し、一様性の不安定な（低い）方向は、重畳変換光学部によってトップハット化する構成とすれば、効率よく、トップハット化された矩形の照明光を実現することができる。

以上、光源装置６０は、発光光が、出射光軸に対する強度分布の一様性が高い所定の方向と、当該所定の方向より出射光軸に対する一様性が低い所定の方向に直交する方向と、なる特性を有する発光装置である各色光源１４１，１０１，１２１と、所定の方向の強度分布を調整可能に形成され、発光光が入射される強度変換レンズ１４３，１０３，１２３，１４３Ａ，１０３Ａ，１２３Ａと、不安定方向の強度分布を複数方向に分割し重畳することにより調整可能に形成される重畳変換光学部３００，３００Ａ（シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２と重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４の組合せ、又は、パウエルレンズ１４５，１０５，１２５）と、を有する。

これにより、レーザダイオードを発光装置としても、ガウス分布をトップハット化した矩形の照明光とすることができる。従って、ライトトンネルやマイクロレンズアレイ等の比較的大きい光学部材を用いることなく、小型化した光源装置を提供することができる。

また、重畳変換光学部３００は、不安定方向に曲率を有するシリンドリカルレンズを不安定方向に複数組み合わせたシリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２と、シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２からの光を重畳して照射対象面に照射する重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４を含む。これにより、不安定方向の分割数を多くすることができるので、光強度分布の変動に強い光学系とすることができる。

また、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３は、光の安定方向の周辺部の曲率が中心部の曲率より小さい。これにより、中心を通る光よりも周辺部を通る光を大きく屈折させて、調整することができる。

また、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３は、平凸形状で回転対称の非球面レンズとして形成される。これにより、シリンドリカルレンズで形成するよりも製造に掛かるコストを低くすることができる。

また、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３は、中心部が略球面で、周辺部が当該中心部の曲率より小さい曲率変化面となっており、安定方向の光は中心部及び周辺部に入射し、不安定方向の光は中心部に入射する。これにより、長軸方向の強度分布を調整してトップハット化した光とすることができる。

また、各色光源１４１，１０１，１２１からの出射光は、シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２に入射し、シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２からの出射光は強度変換レンズ１４３，１０３，１２３に入射し、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３からの出射光は重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４に入射する。これにより、各色光源装置１４０，１００，１２０をコンパクトに形成することができる。

また、各色光源１４１，１０１，１２１からの出射光は、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３に入射し、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３からの出射光はシリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２に入射し、シリンドリカルレンズアレイ１４２，１０２，１２２からの出射光は重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４に入射するようにしてもよい。これにより、光の利用効率の良い各色光源装置１４０，１００，１２０を提供することができる。

また、重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）１４４，１０４，１２４は、不安定方向に曲率を有するシリンドリカル形状のレンズを用いるようにした。これにより、不安定方向のみに作用する設計とすることができるので、光学設計を容易化することができる。

また、重畳変換光学部３００Ａは、不安定方向に曲率を有するパウエルレンズ１４５，１０５，１２５を含む。これにより、強度変換レンズ１４３Ａ，１０３Ａ，１２３Ａとパウエルレンズ１４５，１０５，１２５によりガウス分布を矩形のトップハット化した照明光とすることができるので、装置を小型にすることができる。

また、パウエルレンズ１４５，１０５，１２５の出射面は、非球面とすることができる。これにより、よりトップハット形状に近い光強度分布とすることができる。

また、パウエルレンズ１４５，１０５，１２５の入射面は、凹面とすることができる。これにより、短軸方向の光を広げることができる。

また、各色光源１４１，１０１，１２１の発光点Ｔの位置は、強度変換レンズ１４３，１０３，１２３の焦点Ｆの位置よりも強度変換レンズ１４３，１０３，１２３に近い位置とされる。これにより、ガウス分布とされるレーザダイオードの出射光における光強度分布をトップハット化させることができる。

また、投影装置１０は、光源装置６０と、表示素子５１と、投影側光学系２２０と、投影制御部とを備える。これにより、光源として明るい発光装置であるレーザダイオードを用いつつ、トップハット化した照明光を用いることができて小型化された投影装置１０を提供することができる。

また、以上説明した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

以下に、本願出願の最初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］発光光が、出射光軸に対する強度分布の一様性が高い所定の方向と、当該所定の方向より出射光軸に対する強度分布の一様性が低い前記所定の方向に直交する不安定方向と、なる特性を有する発光装置と、
前記所定の方向の強度分布を調整可能に形成され、前記発光光が入射される強度変換レンズと、
前記不安定方向の強度分布を複数方向に分割し重畳することにより調整可能に形成される重畳変換光学部と、
を備えることを特徴とする光源装置。
［２］前記重畳変換光学部は、
前記不安定方向に曲率を有するシリンドリカルレンズを前記不安定方向に複数組み合わせたシリンドリカルレンズアレイと、
前記シリンドリカルレンズアレイからの光を重畳して照明対象面に照射する重畳レンズと、を含む、
ことを特徴とする前記［１］に記載の光源装置。
［３］前記強度変換レンズは、前記所定の方向の周辺部の曲率が中心部の曲率より小さいことを特徴とする前記［２］に記載の光源装置。
［４］前記強度変換レンズは、平凸形状で回転対称の非球面レンズであることを特徴とする前記［２］又は前記［３］に記載の光源装置。
［５］前記強度変換レンズは、中心部が略球面で、周辺部が当該中心部の曲率より小さい曲率変化面となっており、
前記所定の方向の光は、前記強度変換レンズの前記中心部及び前記周辺部に入射し、前記不安定方向の光は、前記強度変換レンズの前記中心部に入射することを特徴とする前記［３］又は前記［４］に記載の光源装置。
［６］前記発光装置からの出射光は前記シリンドリカルレンズアレイに入射し、
前記シリンドリカルレンズアレイからの出射光は前記強度変換レンズに入射し、
前記強度変換レンズからの出射光は前記重畳レンズに入射する、
ことを特徴とする前記［３］乃至前記［５］の何れかに記載の光源装置。
［７］前記発光装置からの出射光は前記強度変換レンズに入射し、
前記強度変換レンズからの出射光は前記シリンドリカルレンズアレイに入射し、
前記シリンドリカルレンズアレイからの出射光は前記重畳レンズに入射する、
ことを特徴とする前記［３］乃至前記［５］の何れかに記載の光源装置。
［８］前記重畳レンズは、前記不安定方向に曲率を有するシリンドリカル形状であることを特徴とする前記［２］乃至前記［７］の何れかに記載の光源装置。
［９］前記重畳変換光学部は、前記不安定方向に曲率を有するパウエルレンズを含む、
ことを特徴とする前記［１］に記載の光源装置。
［１０］前記パウエルレンズの出射面は、非球面であることを特徴とする前記［９］に記載の光源装置。
［１１］前記パウエルレンズの入射面は、凹面であることを特徴とする前記［９］又は前記［１０］に記載の光源装置。
［１２］前記発光装置の発光点は、前記強度変換レンズの焦点位置よりも前記強度変換レンズ側に位置していることを特徴とする前記［１］乃至前記［１１］の何れかに記載の光源装置。
［１３］前記［１］乃至前記［１２］の何れかに記載の光源装置と、
前記光源装置からの光源光が照射され、画像光を形成する表示素子と、
前記表示素子から出射された前記画像光をスクリーンに投影する投影側光学系と、
前記表示素子と、前記光源装置を制御する投影装置制御部と、
を有することを特徴とする投影装置。

１０ 投影装置 １２ 正面パネル
１３ 背面パネル １４ 左側パネル
１５ 右側パネル ２１ 入出力コネクタ部
２２ 入出力インターフェース ２３ 画像変換部
２４ 表示エンコーダ ２５ ビデオＲＡＭ
２６ 表示駆動部 ３１ 画像圧縮／伸長部
３２ メモリカード ３５ Ｉｒ受信部
３６ Ｉｒ処理部 ３７ キー／インジケータ部
３８ 制御部 ４１ 光源制御回路
４３ 冷却ファン駆動制御回路 ４５ レンズモータ
４７ 音声処理部 ４８ スピーカ
５１ 表示素子 ５７ 電源コネクタ
６０ 光源装置 １００ 緑色光源装置
１０１ 緑色光源 １０２ シリンドリカルレンズアレイ
１０３，１０３Ａ 強度変換レンズ
１０４ 重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）
１２０ 赤色光源装置 １２１ 赤色光源
１２２ シリンドリカルレンズアレイ １２３，１２３Ａ 強度変換レンズ
１２４ 重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）
１３０ ヒートパイプ １４０ 青色光源装置
１４１，１４１Ａ 青色光源
１４２ シリンドリカルレンズアレイ １４３，１４３Ａ 強度変換レンズ
１４４ 重畳シリンドリカルレンズ（重畳レンズ）
１４５ パウエルレンズ
１７１ 第１ダイクロイックミラー １７２ 第２ダイクロイックミラー
１７５ ＲＴＩＲプリズム １９０ ヒートシンク
２２０ 投影側光学系 ２２５ レンズ鏡筒
２３５ 可動レンズ群 ２４１ 主制御回路基板
２４２ 電源制御回路基板 ２６１ 冷却ファン
３００，３００Ａ 重畳変換光学部
ＣＬ シリンドリカルレンズ Ｆ 焦点
Ｐ 主点 Ｔ 発光点

Claims (11)

1. 発光光が、出射光軸に対する強度分布の一様性が高い所定の方向と、当該所定の方向より出射光軸に対する強度分布の一様性が低い前記所定の方向に直交する不安定方向と、なる特性を有する発光装置と、
   前記所定の方向の強度分布を調整可能に形成され、前記発光光が入射される強度変換レンズと、
   前記不安定方向の強度分布を複数方向に分割し重畳することにより調整可能に形成される重畳変換光学部と、
   を備え、
   前記重畳変換光学部は、前記不安定方向に曲率を有するシリンドリカルレンズを前記不安定方向に複数組み合わせたシリンドリカルレンズアレイと、前記シリンドリカルレンズアレイからの光を重畳して照明対象面に照射する重畳レンズと、を含み、
   前記強度変換レンズは、前記所定の方向の周辺部の曲率が中心部の曲率より小さいことを特徴とする光源装置。
2. 前記強度変換レンズは、平凸形状で回転対称の非球面レンズであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記強度変換レンズは、中心部が略球面で、周辺部が当該中心部の曲率より小さい曲率変化面となっており、
   前記所定の方向の光は、前記強度変換レンズの前記中心部及び前記周辺部に入射し、前記不安定方向の光は、前記強度変換レンズの前記中心部に入射することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光源装置。
4. 前記発光装置からの出射光は前記シリンドリカルレンズアレイに入射し、
   前記シリンドリカルレンズアレイからの出射光は前記強度変換レンズに入射し、
   前記強度変換レンズからの出射光は前記重畳レンズに入射する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の光源装置。
5. 前記発光装置からの出射光は前記強度変換レンズに入射し、
   前記強度変換レンズからの出射光は前記シリンドリカルレンズアレイに入射し、
   前記シリンドリカルレンズアレイからの出射光は前記重畳レンズに入射する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の光源装置。
6. 前記重畳レンズは、前記不安定方向に曲率を有するシリンドリカル形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の光源装置。
7. 前記重畳変換光学部は、前記不安定方向に曲率を有するパウエルレンズを含む、 ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
8. 前記パウエルレンズの出射面は、非球面であることを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
9. 前記パウエルレンズの入射面は、凹面であることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の光源装置。
10. 前記発光装置の発光点は、前記強度変換レンズの焦点位置よりも前記強度変換レンズ側に位置していることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかに記載の光源装置。
11. 請求項１乃至請求項１０の何れかに記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光源光が照射され、画像光を形成する表示素子と、
    前記表示素子から出射された前記画像光をスクリーンに投影する投影側光学系と、
    前記表示素子と、前記光源装置を制御する投影装置制御部と、
    を有することを特徴とする投影装置。
    

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