JP6911391B2 - 照明装置及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、照明装置及びプロジェクターに関するものである。

近年、プロジェクターに用いられる照明装置の光源として、高輝度且つ高出力な光が得られる半導体レーザーが注目されている。例えば、下記特許文献１には、レーザー光を射出する複数の半導体レーザーと、各半導体レーザーに対応して設けられる複数のコリメーターレンズとを備えた半導体レーザーパッケージが開示されている。このようなコリメーターレンズとしては、一般的にコストダウンの目的から焦点距離の短いものが用いられる。焦点距離が短いほど半導体レーザーとコリメーターレンズとの間隔が短く、コリメーターレンズにより平行化されたレーザー光の光束径が小さい。

特開２０１４−１３８１４８号公報

ところで、照明光としてレーザー光を用いる場合、被照明領域の照度分布の均一性を高めるためにマルチレンズアレイが用いられることがある。光束径の小さいレーザー光にマルチレンズアレイを組み合わせた場合、照度分布の均一性を高めるためにはマルチレンズアレイのピッチを小さくする必要がある。しかし、マルチレンズアレイのピッチを小さくすることは容易ではない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、マルチレンズアレイを用いて照度分布の均一性を高め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、前記照明装置を備えるプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

本発明の第１態様に従えば、第１方向に第１の光ビームを射出する第１の発光素子を有し、前記第１の光ビームを含む第１光線束を射出する第１の光源ユニットと、前記第１方向に第２の光ビームを射出する第２の発光素子を有し、前記第２の光ビームを含む第２光線束を射出する第２の光源ユニットと、前記第１の光源ユニットに対向して設けられ、前記第１光線束が入射する第１のレンズアレイと、前記第２の光源ユニットに対向して設けられ、前記第２光線束が入射する第２のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイを透過した前記第１光線束と前記第２レンズアレイを透過した前記第２光線束の少なくとも一部とを合成して合成光線束を生成する第１の偏光分離素子と、前記第２のレンズアレイを透過した前記第２光線束の少なくとも一部を前記第１の偏光分離素子に向けて反射する第２の偏光分離素子と、前記合成光線束が入射する集光レンズと、前記集光レンズを透過した前記合成光線束が入射する拡散光生成素子と、を備え、前記第１光線束の主光線と垂直な面による前記第１の光ビームの断面は長軸を有する楕円状であり、前記第２光線束の主光線と垂直な面による前記第２の光ビームの断面は長軸を有する楕円状であり、前記第１の光源ユニットおよび前記第２の光源ユニットは、前記第１のレンズアレイの前段における前記第１の光ビームの前記長軸と前記第１の光ビームの光軸とを含む面が、前記第２のレンズアレイの前段における前記第２の光ビームの前記長軸と前記第２の光ビームの光軸とを含む面と交差しているように設けられており、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとが配列されている方向と前記合成光線束の主光線の方向とを含む面を基準面としたとき、前記第１の光ビームの前記断面の前記長軸と前記基準面とがなす角は、前記第２の光ビームの前記断面の前記長軸と前記基準面とがなす角よりも大きい照明装置が提供される。

第１態様に係る照明装置によれば、第１の光ビームによって第１のレンズアレイに形成される照度分布が第２の光ビームによって第２のレンズアレイに形成される照度分布とは異なっている。２種類の照度分布を合成することで被照明領域である拡散光生成素子上に均一性の高い照度分布を形成できる。

上記第１態様において、前記第１の発光素子の光軸と平行な方向から見たときの前記第１の発光素子の回転角は、前記第２の発光素子の光軸と平行な方向から見たときの前記第２の発光素子の回転角と異なっているのが好ましい。

この構成によれば、第１のレンズアレイに形成される照度分布を第２のレンズアレイに形成される照度分布と異ならせることが容易である。

上記第１態様において、前記第１の発光素子を含む複数の発光素子を備えた第１の光源ユニットと、前記第２の発光素子を含む複数の発光素子を備えた第２の光源ユニットと、をさらに備え、前記第１の発光素子の前記光軸と平行な方向から見たときの前記第１の光源ユニットの回転角は、前記第２の発光素子の前記光軸と平行な方向から見たときの前記第２の光源ユニットの回転角と異なっているのが好ましい。

この構成によれば、第１のレンズアレイに形成される照度分布を第２のレンズアレイに形成される照度分布と異ならせることが容易である。

上記第１態様において、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとが配列されている方向と前記合成光線束の主光線の方向とを含む面を基準面としたとき、前記第１の光ビームの前記断面の前記長軸と前記基準面とがなす角は、前記第２の光ビームの前記断面の前記長軸と前記基準面とがなす角よりも大きく、前記第１の光ビームの前記第１の発光素子と前記拡散光生成素子との間の光路長は、前記第２の光ビームの前記第２の発光素子と前記拡散光生成素子との間の光路長よりも短いのが好ましい。

第２のレンズアレイから射出されて集光光学系に入射するまでの第２の光ビームの光路長は、第１のレンズアレイから射出されて集光光学系に入射するまでの第１の光ビームの光路長よりも長い。そのため、集光光学系に入射する際の第２の光ビームの光束幅は、集光光学系に入射する際の第１の光ビームの光束幅よりも拡がってしまう。

第２の光ビームの断面の長軸と基準面とがなす角が大きいほど、集光光学系に入射する際の第２の光ビームの光束幅が大きいため、拡散光生成素子に入射する際に損失を生じるおそれがある。
本構成を採用することで、光路長の長い第２の光ビームの光束幅の拡がりを抑えることができるので、光損失を低減できる。

上記第１態様において、拡散光生成素子は蛍光体を含んでもよい。
この構成によれば、蛍光体は蛍光光を効率的に生成できる。

本発明の第２態様に従えば、上記第１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して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が提供される。

第一実施形態のプロジェクターの概略構成を示す図。 照明装置の概略構成を示す図。 発光素子の要部構成を示す図。 ホモジナイザー光学系と光源ユニットとの位置関係を示す斜視図。 ホモジナイザー光学系と光源ユニットとの位置関係を示す平面図。 ホモジナイザー光学系に対する光線の入射位置を示す図。 第二実施形態の照明装置の概略構成を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第一実施形態）
まず、本実施形態に係るプロジェクターについて説明する。図１は本実施形態のプロジェクター１の概略構成を示す図である。
図１に示すように、プロジェクター１は、照明装置１００、色分離導光光学系２００、光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ、クロスダイクロイックプリズム５００及び投射光学系６００を備える。

本実施形態において、照明装置１００は、白色の照明光ＷＬを色分離導光光学系２００に向けて射出する。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０，２２０、反射ミラー２３０，２４０，２５０及びリレーレンズ２６０，２７０を備える。色分離導光光学系２００は、照明装置１００からの光を赤色光、緑色光及び青色光に分離し、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれが対応する光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂに導光する。
色分離導光光学系２００と、光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂが配置されている。

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を通過させ、緑色光成分及び青色光成分を反射するダイクロイックミラーである。
ダイクロイックミラー２２０は、緑色光成分を反射して、青色光成分を通過させるダイクロイックミラーである。

光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ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ものである。なお、図示を省略したが、各集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと各光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が配置され、各光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとクロスダイクロイックプリズム５００との間には、それぞれ射出側偏光板が配置される。

クロスダイクロイックプリズム５００は、各光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，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。

この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字状の界面には、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によってスクリーンＳＣＲ上に拡大投写される。

（照明装置）
図２は照明装置１００の概略構成を示す図である。
図２に示すように照明装置１００は、均一化照明光学系４と、光源ユニット１０と、ホモジナイザー光学系１１と、第１の位相差板１２と、第２の位相差板１３と、第１の偏光分離素子１４と、第２の偏光分離素子１５と、第１の集光光学系１６と、第２の集光光学系１７と、回転ホイール１８と、を備えている。ホモジナイザー光学系１１は、第１のレンズアレイ１１Ａと第２のレンズアレイ１１Ｂとを含む。

均一化照明光学系４は、マルチレンズアレイ５、マルチレンズアレイ６、偏光変換素子７及び重畳レンズ８を含む。マルチレンズアレイ５は複数のレンズ５ａを含み、マルチレンズアレイ６は複数のレンズ６ａを含む。

偏光変換素子７は、照明光ＷＬの偏光方向を揃える。偏光変換素子７は、例えば、偏光分離膜と位相差板とミラーとから構成されている。

本実施形態において、重畳レンズ８は、偏光変換素子７からの各部分光束を集光して光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍で互いに重畳させる。マルチレンズアレイ５、マルチレンズアレイ６及び重畳レンズ８は、照明光ＷＬの面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。

本実施形態において、光源ユニット１０は、第１光線束Ｋ１を射出する第１の光源ユニット１０Ａと、第２光線束Ｋ２を射出する第２の光源ユニット１０Ｂとを含む。
また、回転ホイール１８は、蛍光体素子１９と、拡散反射素子２０とを含む。

第１の光源ユニット１０Ａの光軸を符号ａｘ１で示し、第２の光源ユニット１０Ｂの光軸を符号ａｘ２で示す。光軸ａｘ１は第１光線束Ｋ１の主光線と一致し、光軸ａｘ２は第２光線束Ｋ２の主光線と一致している。

以下、ＸＹＺ座標系を用いて説明することがある。図２において、照明装置１００の照明光軸１００ａｘと平行な方向がＸ方向であり、光軸ａｘ１，ａｘ２と平行な方向がＹ方向であり、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ直交する方向がＺ方向である。

本実施形態において、第１の光源ユニット１０Ａと、第１のレンズアレイ１１Ａと、第１の偏光分離素子１４と、第１の集光光学系１６と、蛍光体素子１９とは、光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。

また、第２の光源ユニット１０Ｂと、第２のレンズアレイ１１Ｂと、第２の位相差板１３と、第２の偏光分離素子１５と、第１の位相差板１２と、第２の集光光学系１７と、拡散反射素子２０とは、光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。また、第１の偏光分離素子１４と第２の偏光分離素子１５と均一化照明光学系４とは、照明光軸１００ａｘ上に順次並んで配置されている。なお、光軸ａｘ１，ａｘ２と照明光軸１００ａｘとは、同一面内にあり、光軸ａｘ１，ａｘ２は照明光軸１００ａｘと直交している。

第１の光源ユニット１０Ａは、複数の光源２を備える。光源２は、発光素子２ａと、コリメーターレンズ２ｂとを含む。すなわち、第１の光源ユニット１０Ａは、複数の発光素子２ａと複数のコリメーターレンズ２ｂとを有する。複数の発光素子２ａは、第１の発光素子２ａ１を含む。複数のコリメーターレンズ２ｂは、第１の発光素子２ａ１から射出された光線Ｂ１ａを平行化する第１のコリメーターレンズ２ｂ１を含む。

発光素子２ａは、半導体レーザーが例えば金属パッケージ内に収容された半導体レーザー素子から構成され、青色（発光強度のピーク：約４４５ｎｍ）の光ビームからなる光線Ｂ１を射出する。

図３は発光素子２ａの要部構成を示す図である。
図３に示すように、発光素子２ａは、光線Ｂ１を射出する光射出面２２を有している。光射出面２２は、光線Ｂ１の主光線Ｏの方向から視て長手方向Ｗ１と短手方向Ｗ２とを有した、略矩形状の平面形状を有している。

光線Ｂ１の短手方向Ｗ２への拡がりは、光線Ｂ１の長手方向Ｗ１への拡がりよりも大きい。そのため、光線Ｂ１の断面形状ＢＳは、長手方向Ｗ１を短軸方向、短手方向Ｗ２を長軸とした楕円形状となる。

図２に戻って、コリメーターレンズ２ｂは発光素子２ａに対応して設けられ、発光素子２ａから射出された光線Ｂ１を平行光に変換する。本実施形態においては、光源２のコストを抑えるべく、コリメーターレンズ２ｂとして焦点距離の短いものを採用している。

このような構成に基づき、第１の光源ユニット１０Ａは平行化された複数の光線Ｂ１からなる第１光線束Ｋ１を射出するようになっている。本実施形態において、第１の発光素子２ａ１から射出される光線Ｂ１ａは特許請求の範囲の「第１の光ビーム」に相当する。

第１の光源ユニット１０Ａにおいて、複数の光源２は、光軸ａｘ１と平行な方向から見たとき、マトリクス状に配置されている。具体的には、複数の光源２はＸ方向に並んだ複数の光源列２Ｌをなし、各光源列２ＬはＺ方向に並んだ複数の光源２からなる。本実施形態においては、光源列２Ｌの列数は２であり、各光源列２Ｌは２個の光源２を含んでいる（図４参照）。

第２の光源ユニット１０Ｂは複数の光源３を備える。各光源３は発光素子３ａと、コリメーターレンズ３ｂとを含む。すなわち、第２の光源ユニット１０Ｂは、複数の発光素子３ａと複数のコリメーターレンズ３ｂとを有する。複数の発光素子３ａは、第２の発光素子３ａ１を含む。複数のコリメーターレンズ３ｂは、第２の発光素子３ａ１から射出される光線Ｂ２ａを平行化する第２のコリメーターレンズ３ｂ１を含む。

発光素子３ａは、発光素子２ａと同様に、金属パッケージ内に収容された半導体レーザー素子から構成され、青色（発光強度のピーク：約４４５ｎｍ）の光ビームからなる光線Ｂ２を射出する。

発光素子３ａは、発光素子２ａと同様、光線Ｂ２を射出する光射出面２２の平面形状が略矩形となっている（図３参照）。

コリメーターレンズ３ｂは発光素子３ａに対応して設けられ、発光素子３ａから射出された光線Ｂ２を平行光に変換する。本実施形態においては、光源３のコストを抑えるべく、コリメーターレンズ３ｂとして焦点距離の短いものを採用している。

このような構成に基づき、第２の光源ユニット１０Ｂは平行化された複数の光線Ｂ２を含む第２光線束Ｋ２を射出するようになっている。本実施形態において、第２の発光素子３ａ１から射出される光線Ｂ２ａは特許請求の範囲の「第２の光ビーム」に相当する。

第２の光源ユニット１０Ｂにおいて、複数の光源３は、光軸ａｘ２と平行な方向から見たとき、マトリクス状に配置されている。具体的には、複数の光源３はＸ方向に並んだ複数の光源列３Ｌをなし、各光源列３ＬはＺ方向に並んだ複数の光源３からなる。本実施形態においては、光源列３Ｌの列数は２であり、各光源列３Ｌは２個の光源３を含んでいる（図４参照）。

なお、光源ユニット１０とホモジナイザー光学系１１との配置関係については後述する。

本実施形態において、第１光線束Ｋ１及び第２光線束Ｋ２は、互いに同じ波長帯の光である。第１光線束Ｋ１の光量と第２光線束Ｋ２の光量とは互いに等しい。

第１光線束Ｋ１はホモジナイザー光学系１１の第１のレンズアレイ１１Ａに入射し、第２光線束Ｋ２はホモジナイザー光学系１１の第２のレンズアレイ１１Ｂに入射する。第１のレンズアレイ１１Ａ及び第２のレンズアレイ１１Ｂは、同一の構成（形状、大きさ、レンズピッチ）からなる。

第１のレンズアレイ１１Ａは、前段レンズアレイ１１Ａ１と後段レンズアレイ１１Ａ２とを含む。前段レンズアレイ１１Ａ１は複数のレンズ１１ａｍ１を有し、後段レンズアレイ１１Ａ２はレンズ１１ａｍ１に対応する複数のレンズ１１ａｍ２を有する。

第２のレンズアレイ１１Ｂは、前段レンズアレイ１１Ｂ１と後段レンズアレイ１１Ｂ２とを含む。前段レンズアレイ１１Ｂ１は複数のレンズ１１ｂｍ１を有し、後段レンズアレイ１１Ｂ２はレンズ１１ｂｍ１に対応する複数のレンズ１１ｂｍ２を有する。

なお、第１のレンズアレイ１１Ａと第２のレンズアレイ１１Ｂとは互いに一体に形成されていても良いし、別体から構成されていても良い。すなわち、前段レンズアレイ１１Ａ１，１１Ｂ１は互いに一体に形成されていても良いし、別体から構成されていても良い。また、後段レンズアレイ１１Ａ２，１１Ｂ２は互いに一体に形成されていても良いし、別体から構成されていても良い。

第１のレンズアレイ１１Ａは第１の集光光学系１６と協働して、蛍光体素子１９上での第１光線束Ｋ１による照度分布を均一化する。第２のレンズアレイ１１Ｂは第１の集光光学系１６と協働して、蛍光体素子１９上での第２光線束Ｋ２の一部による照度分布を均一化する。また、第２のレンズアレイ１１Ｂは第２の集光光学系１７と協働して、拡散反射素子２０上での第２光線束Ｋ２の残りによる照度分布を均一化するものである。

ホモジナイザー光学系１１を透過した第１光線束Ｋ１は、第１の偏光分離素子１４に入射する。第１の偏光分離素子１４は、青色光に対する偏光分離機能を有するとともに、蛍光光ＹＬを偏光状態にかかわらず反射させる色分離機能を有する。

本実施形態において、第１光線束Ｋ１を構成する各光線Ｂ１は、第１の偏光分離素子１４に対してＰ偏光として入射する。そのため、第１光線束Ｋ１は第１の偏光分離素子１４を透過して蛍光体素子１９へと向かう。

第１の偏光分離素子１４は、第２の偏光分離素子１５で反射された光線ＢＬｓを第１光線束Ｋ１と合成することで合成光（励起光Ｅ）を生成する。このように、第１の偏光分離素子１４は光線合成素子として機能する。本実施形態において、励起光Ｅは特許請求の範囲の「合成光線束」に相当する。

第１の集光光学系１６は、励起光Ｅを回転ホイール１８の蛍光体素子１９に向けて集光させる。本実施形態では、第１の集光光学系１６の焦点位置に蛍光体素子１９が配置されている。第１の集光光学系１６は、例えばピックアップレンズ１６ａ、１６ｂから構成される。本実施形態において、第１の集光光学系１６は特許請求の範囲の「集光レンズ」に相当し、蛍光体素子１９は特許請求の範囲の「拡散光生成素子」に相当する。

本実施形態において、回転ホイール１８は、円板５０と、円板５０を回転駆動させるモーター５１と、円板５０上に同心円状に設けられたリング状の蛍光体素子１９とリング状の拡散反射素子２０と、を備えている。蛍光体素子１９は、拡散反射素子２０の外側に配置されている。

円板５０は、例えば、放熱性に優れた金属部材からなる。蛍光体素子１９は、蛍光体層１９ａと、円板５０と蛍光体層１９ａとの間に設けられた反射部１９ｂとを備える。
このような構成に基づき、蛍光体素子１９は、蛍光体層１９ａで生成された蛍光光ＹＬを第１の集光光学系１６に向けて射出する。

蛍光体層１９ａは、励起光Ｅを吸収して黄色の蛍光光ＹＬに変換して射出する蛍光体粒子を含む。蛍光体粒子としては、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体を用いることができる。

本実施形態では、モーター５１により円板５０を回転させることで蛍光体層１９ａに対する励起光Ｅの入射位置が変化する。

蛍光体層１９ａから射出された蛍光光ＹＬは、第１の集光光学系１６及び第１の偏光分離素子１４を経由して、第２の偏光分離素子１５に入射する。

一方、ホモジナイザー光学系１１を透過した第２光線束Ｋ２は、第２の位相差板１３に入射する。

第２の位相差板１３は、例えば、Ｙ軸の周りに回転可能とされた１／２波長板である。第２の位相差板１３の回転角度を変化させることで該第２の位相差板１３の光学軸の方向が変化する。

本実施形態において、第２光線束Ｋ２を構成する各光線Ｂ２は直線偏光である。そのため、第２の位相差板１３を透過した第２光線束Ｋ２は、第２の偏光分離素子１５に対するＳ偏光成分（以下、光線ＢＬｓと称す）とＰ偏光成分（以下、光線ＢＬｐと称す）とを所定の比率で含む光となる。したがって、第２の位相差板１３の回転角度を適切に設定することにより、第２光線束Ｋ２における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２の偏光分離素子１５は波長選択性を有する偏光分離素子から構成される。具体的に、第２の偏光分離素子１５は、第２光線束Ｋ２の波長帯の光（青色光）に対する偏光分離機能を有するとともに、第２光線束Ｋ２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色分離機能を有する。

光線ＢＬｓは、第２の偏光分離素子１５で反射して蛍光体素子１９に向かう。つまり、光線ＢＬｓは、蛍光体層１９ａの励起に用いられる。本実施形態において、光線ＢＬｓは特許請求の範囲に記載の「第２の光ビームの少なくとも一部」に相当する。

光線ＢＬｓは、第２の偏光分離素子１５及び第１の偏光分離素子１４で順に反射され、第１の偏光分離素子１４を透過した第１光線束Ｋ１とともに励起光Ｅを生成する。励起光Ｅは上述のように第１の集光光学系１６を介して蛍光体素子１９に入射する。

光線ＢＬｐは、第２の偏光分離素子１５及び第１の位相差板１２を透過することで、光線ＢＬｃとして第２の集光光学系１７に入射する。

第１の位相差板１２は、第２の偏光分離素子１５と拡散反射素子２０との間の光路中に配置された１／４波長板から構成される。光線ＢＬｐは、第１の位相差板１２を透過することによって円偏光の光線ＢＬｃに変換される。第１の位相差板１２を透過した光線ＢＬｃは、第２の集光光学系１７に入射する。

第２の集光光学系１７は、光線ＢＬｃを拡散反射素子２０に向けて集光させる。第２の集光光学系１７は、例えばピックアップレンズ１７ａ，１７ｂから構成されている。本実施形態では、第２の集光光学系１７の焦点位置に拡散反射素子２０が配置されている。

拡散反射素子２０は、第２の集光光学系１７から射出された光線ＢＬｃを第２の偏光分離素子１５に向けて拡散反射させる。拡散反射素子２０で反射した光を光線ＢＬｃ´と称する。拡散反射素子２０としては、拡散反射素子２０に入射した光線ＢＬｃをランバート反射させるものを用いることが好ましい。

拡散反射素子２０は、例えば光反射性を持つ部材の表面に凹凸を形成した拡散反射板からなる。拡散反射素子２０によって反射され、第２の集光光学系１７を再び透過した円偏光の光線ＢＬｃ´は、再び第１の位相差板１２を透過して、Ｓ偏光の光線ＢＬｓ´となる。Ｓ偏光の光線ＢＬｓ´（青色光）は、第２の偏光分離素子１５で反射される。第２の偏光分離素子１５は、第２の偏光分離素子１５を透過した蛍光光ＹＬと光線ＢＬｓ´とを合成することで、白色の照明光ＷＬを生成する。照明光ＷＬは均一化照明光学系４に入射する。

本実施形態では、例えば光源ユニット１０から射出される全光量のうちの２０％を拡散反射素子２０に入射させるとともに８０％を蛍光体素子１９に入射させることで、白色の照明光ＷＬを生成している。第２光線束Ｋ２は光源ユニット１０から射出される全光量のうちの５０％に相当する。そのため、第２の位相差板１３を通過した第２光線束Ｋ２における光線ＢＬｓと光線ＢＬｐとの割合が６：４となるように、第２の位相差板１３の回転角度を設定している。

光線ＢＬｓ´と蛍光光ＹＬとの比率は、光線ＢＬｓと光線ＢＬｐとの比率に依存するため、第２の位相差板１３の回転角度を調整することにより、照明光ＷＬの色温度を調整することができる。

ところで、明るい蛍光光ＹＬを得るには、蛍光体層１９ａにおける励起光の照度分布の均一性を高める必要がある。

本実施形態の光源２，３それぞれは、コスト低減を図るべく、上述のように焦点距離の短いコリメーターレンズ２ｂ，３ｂを採用している。焦点距離が短いほど、平行化された光線Ｂ１，Ｂ２の各光束径は小さい。よって、焦点距離が短いほど、光線Ｂ１，Ｂ２各々がホモジナイザー光学系１１上に形成するスポット径が小さい。

これに対し、例えば、ホモジナイザー光学系１１としてレンズピッチの小さいマルチレンズアレイを採用して、小さいスポットを細かく分割することも考えられる。

しかしながら、レンズピッチの小さいマルチレンズアレイを採用すると、コストが大幅に上昇してしまうといった問題が生じる。これに対し、本実施形態のホモジナイザー光学系１１では、ピッチの比較的大きいマルチレンズアレイを採用することができるので、コストが大幅に上昇することがない。

図４は本実施形態のホモジナイザー光学系１１と光源ユニット１０との位置関係を示す斜視図である。なお、図４では、ホモジナイザー光学系１１として光入射側に位置する前段レンズアレイ１１Ａ１，１１Ｂ１のみを図示した。また、図４では、光源ユニット１０のうち発光素子２ａ，３ａのみを図示した。

図４に示すように、光源ユニット１０の発光素子から射出される光線Ｂ１，Ｂ２は、その光軸方向（Ｙ方向）に垂直なＸＺ平面による断面形状においてそれぞれ長軸Ｂ１Ｌ，長軸Ｂ２Ｌを有している。すなわち、光線Ｂ１，Ｂ２の断面は図３に示したように略楕円状からなる。

第１のレンズアレイ１１Ａの前段における光線Ｂ１ａの長軸Ｂ１Ｌと光線Ｂ１ａの光軸とを含む面を面Ｍ１とし、第２のレンズアレイ１１Ｂの前段における光線Ｂ２ａの長軸Ｂ２Ｌと光線Ｂ２ａの光軸とを含む面を面Ｍ２とする。本実施形態において、第１の発光素子２ａ１と第２の発光素子３ａ１とは、面Ｍ１が面Ｍ２と交差しているように設けられている。図４において、符号ＭＣは、面Ｍ１と面Ｍ２の交線を示すものである。

図５は本実施形態のホモジナイザー光学系１１と光源ユニット１０との位置関係を示す平面図である。第１のレンズアレイ１１Ａと第２のレンズアレイ１１Ｂとが並んでいる方向（Ｘ方向）と励起光Ｅの主光線の方向（Ｙ方向）とを含む面を基準面ＭＭとする。面Ｍ１と基準面ＭＭとがなす角を、光軸ａｘ１と平行な方向から見たときの第１の発光素子２ａ１の回転角θ_１と定義する。面Ｍ２と基準面ＭＭとがなす角を、光軸ａｘ２と平行な方向から見たときの第２の発光素子３ａ１の回転角θ_２と定義する。図５に示すように、回転角θ_１は回転角θ_２と異なっている。本実施形態においては、回転角θ_１を回転角θ_２よりも大きく設定した。たとえば、回転角θ_１を５度、回転角θ_２を０度とした。

また、光線Ｂ１ａの第１の発光素子２ａ１と蛍光体素子１９との間の光路長Ｌ１は、光線Ｂ２ａの第２の発光素子３ａ１と蛍光体素子１９との間の光路長Ｌ２よりも短くなっている（図２参照）。

なお、上述した回転角θ_１、θ_２及び光路長Ｌ１，Ｌ２の関係は、第１の光源ユニット１０Ａに含まれている他の発光素子２ａと第２の光源ユニット１０Ｂに含まれている他の発光素子３ａとの間においても同様に成立する。

すなわち、複数の発光素子２ａをそれぞれ光軸ａｘ１と平行から見たときの各発光素子２ａの回転角はいずれもθ_１であり、各発光素子３ａをそれぞれ光軸ａｘ２と平行から見たときの発光素子３ａの回転角はいずれもθ_２となる。

ここで、第１の光源ユニット１０Ａにおける光源列２Ｌの配列方向と上記基準面ＭＭとがなす角度を第１の光源ユニット１０Ａの回転角とし、第２の光源ユニット１０Ｂにおける光源列３Ｌの配列方向と上記基準面ＭＭとがなす角度を第２の光源ユニット１０Ｂの回転角とする。

第１の光源ユニット１０Ａの回転角はθ_１であり、第２の光源ユニット１０Ｂの回転角はθ_２である。よって、第１の光源ユニット１０Ａの回転角θ_１（５度）は、第２の光源ユニット１０Ｂの回転角θ_２（０度）よりも大きくなっている。

以上のように本実施形態では、図５に示したように、第１の光源ユニット１０Ａを第１のレンズアレイ１１Ａに対して回転させた状態に配置し、第２の光源ユニット１０Ｂを第２のレンズアレイ１１Ｂに対して回転させない状態に配置した。

本実施形態の照明装置１００は、上述のように第１の光源ユニット１０Ａの回転角θ_１と第２の光源ユニット１０Ｂの回転角θ_２とを異ならせることで、ホモジナイザー光学系１１としてピッチの小さいものを採用することなく、蛍光体層１９ａにおける励起光Ｅの照度分布の均一性を向上させることを可能としている。以下、本実施形態の構成による効果について説明する。

図６はホモジナイザー光学系１１に形成される光線Ｂ１，Ｂ２のスポットを示す図である。図６では、ホモジナイザー光学系１１として前段レンズアレイ１１Ａ１，１１Ｂ１（複数のレンズ１１ａｍ１、１１ｂｍ１）のみを図示した。

図６に示すように、第１の光源ユニット１０Ａから射出された複数の光線Ｂ１は、前段レンズアレイ１１Ａ１に複数のスポットＳＰ１を形成する。このスポットＳＰ１の回転角はθ_１である。第２の光源ユニット１０Ｂから射出された複数の光線Ｂ２は、前段レンズアレイ１１Ｂ１に複数のスポットＳＰ２を形成する。このスポットＳＰ２は回転しない状態で形成されている。

本実施形態において、前段レンズアレイ１１Ａ１における光線Ｂ１の入射位置とレンズ１１ａｍ１との位置関係は、前段レンズアレイ１１Ｂ１における光線Ｂ２の入射位置とレンズ１１ｂｍ１との位置関係と異なっている。つまり、第１光線束Ｋ１によって前段レンズアレイ１１Ａ１に形成される照度分布が第２光線束Ｋ２によって前段レンズアレイ１１Ｂ１に形成される照度分布とは異なっている。被照明領域である蛍光体素子１９上においては、各レンズ１１ａｍ１上の照度分布と各レンズ１１ｂｍ１上の照度分布とが重畳される。

ここで、比較例として、第１の光源ユニット１０Ａの回転角θ_１と第２の光源ユニット１０Ｂの回転角θ_２とを同じにした場合又はいずれのユニットも回転させない場合（回転角θ_１、θ_２が０度の場合）について説明する。

回転角θ_１、θ_２が同じ場合又は回転角θ_１、θ_２が０度の場合、第１光線束Ｋ１によって前段レンズアレイ１１Ａ１に形成される照度分布は第２光線束Ｋ２によって前段レンズアレイ１１Ｂ１に形成される照度分布と同じである。本実施形態と比較すると、蛍光体素子１９上に重畳される照度分布の種類が略半分である。

本実施形態によれば、蛍光体素子１９上に重畳される照度分布の種類が多いため、蛍光体素子１９上における励起光Ｅによる照度分布の均一性が比較例よりも高い。

ところで、第２のレンズアレイ１１Ｂから射出されて第１の集光光学系１６に入射するまでの光線Ｂ２の光路長Ｌ２は、第１のレンズアレイ１１Ａから射出されて第１の集光光学系１６に入射するまでの光線Ｂ１の光路長Ｌ１よりも長い。そのため、第１の集光光学系１６に入射する際の光線Ｂ２の光束幅は、第１の集光光学系１６に入射する際の光線Ｂ１の光束幅よりも拡がっている。

例えば、第１の光源ユニット１０Ａの代わりに第２の光源ユニット１０Ｂを回転させた場合、第１の集光光学系１６に入射する際の光線Ｂ２の光束幅が拡がりすぎてしまい、蛍光体層１９ａに入射する光に損失が発生し、蛍光光ＹＬを効率良く発生させることができなくなるおそれがある。

これに対し、本実施形態では、短い光路長Ｌ１の光線Ｂ１を射出する第１の光源ユニット１０Ａを回転させ、長い光路長Ｌ２の光線Ｂ２を射出する第２の光源ユニット１０Ｂを回転させない構成を採用している。これにより、光路長の長い光線Ｂ２の光束幅の拡がりを抑えることで光損失を低減できる。

本実施形態の照明装置１００によれば蛍光体素子１９の蛍光体層１９ａを照度分布の均一性の高い励起光Ｅで照明することができるので、照明光ＷＬとして明るい蛍光光ＹＬを得ることができる。
また、前段レンズアレイ１１Ａ１，１１Ｂ１としてレンズピッチの細かいものを用いる必要がない。よって、照明装置１００のコストの上昇を抑えることができる。

本実施形態のプロジェクター１は上記照明装置１００を備えるので、該プロジェクター１もコストの上昇を抑えつつ、明るい画像を表示することができる。

（第二実施形態）
続いて、第二実施形態に係る照明装置について説明する。以下、第一実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細の説明については省略若しくは簡略化する。

図７は本実施形態の照明装置１１０の概略構成を示す図である。
図７に示すように、照明装置１１０は、均一化照明光学系４と、光源ユニット１０と、ホモジナイザー光学系１１と、第１の位相差板１２と、第２の位相差板１３と、第３の位相差板２４と、第１の偏光分離素子１１４と、第２の偏光分離素子１５と、第１の集光光学系１６と、第２の集光光学系１７と、蛍光体ホイール１１７と、拡散反射素子１２０とを備えている。

本実施形態において、第１の光源ユニット１０Ａと、ホモジナイザー光学系１１と、第１の偏光分離素子１１４とは、光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。
また、第２の光源ユニット１０Ｂと、ホモジナイザー光学系１１と、第２の位相差板１３と、第２の偏光分離素子１５と、第１の位相差板１２と、第２の集光光学系１７と、拡散反射素子１２０とは、光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。また、蛍光体ホイール１１７と、第１の集光光学系１６と、第１の偏光分離素子１１４と、第３の位相差板２４と、第２の偏光分離素子１５とは、照明光軸１００ａｘ上に順次並んで配置されている。

本実施形態においても、光線Ｂ１ａのホモジナイザー光学系１１と第１の集光光学系１６との間の光路長Ｌ１は、光線Ｂ２ａのホモジナイザー光学系１１と第１の集光光学系１６との間の光路長Ｌ２よりも短くなっている。

ホモジナイザー光学系１１を透過した第１光線束Ｋ１は、第１の偏光分離素子１１４に入射する。第１の偏光分離素子１１４は波長選択性を有する偏光分離素子から構成される。具体的に、第１の偏光分離素子１１４は、第１光線束Ｋ１の波長帯の光（青色光）に対する偏光分離機能を有するとともに、第１光線束Ｋ１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色分離機能を有している。

本実施形態において、第１光線束Ｋ１を構成する各光線ＢＬ、第１の偏光分離素子１１４に対してＳ偏光として入射する。そのため、第１光線束Ｋ１は第１の偏光分離素子１１４で反射して蛍光体素子１１９へと向かう。第１の偏光分離素子１１４は、後述するように第２の偏光分離素子１５で反射された後に第３の位相差板２４を透過したＰ偏光成分の光線ＢＬｐ´を透過させる。第１の偏光分離素子１１４を透過した光線ＢＬｐ´は、第１の偏光分離素子１１４で反射された第１光線束Ｋ１と合成されて励起光Ｅ´となる。

第１の集光光学系１６は、励起光Ｅ´を蛍光体ホイール１１７の蛍光体素子１１９に向けて集光させる。本実施形態では、第１の集光光学系１６の焦点位置に蛍光体ホイール１１７の蛍光体素子１１９が配置されている。

本実施形態において、蛍光体ホイール１１７は、円板１２１と、円板１２１を回転駆動させるモーター１２２と、円板１２１上にリング状に設けられた蛍光体素子１１９と、を備える。蛍光体素子１１９は、蛍光体層１１９ａと反射部１１９ｂとを含む。円板１２１は、例えば、放熱性に優れた金属部材からなる。

このような構成に基づき、蛍光体素子１１９は、蛍光体層１１９ａで生成された蛍光光ＹＬを第１の集光光学系１６に向けて射出する。

蛍光体層１１９ａから射出された蛍光光ＹＬは、第１の集光光学系１６、第１の偏光分離素子１１４、第３の位相差板２４及び第２の偏光分離素子１５をこの順に透過する。

第２光線束Ｋ２のうち第２の偏光分離素子１５に対するＳ偏光成分である光線ＢＬｓは、第一実施形態と同様、第２の偏光分離素子１５により反射され、第１の偏光分離素子１１４を透過して第１光線束Ｋ１とともに励起光Ｅ´を生成する。第２光線束Ｋ２のうちＰ偏光成分である光線ＢＬｐは、第一実施形態と同様、第２の偏光分離素子１５及び第１の位相差板１２を透過することで、光線ＢＬｃとして第２の集光光学系１７に入射する。

光線ＢＬｃは、第２の集光光学系１７により拡散ホイール１１８に集光される。拡散ホイール１１８は、円板１２３と、円板１２３を回転駆動させるモーター１２４と、円板１２３上にリング状に設けられた拡散反射素子１２０とを備える。

拡散反射素子１２０によって反射され、第２の集光光学系１７を再び透過した円偏光の光線ＢＬｃ´は、再び第１の位相差板１２を透過して、Ｓ偏光の光線ＢＬｓ´となる。Ｓ偏光の光線ＢＬｓ´（青色光）は、第２の偏光分離素子１５で反射され、該第２の偏光分離素子１５を透過した蛍光光ＹＬと合成されることで、白色の照明光ＷＬを生成する。

本実施形態においても、第１の光源ユニット１０Ａの回転角θ_１を５度、第２の光源ユニット１０Ｂの回転角θ_２を０度とすることで、第１光線束Ｋ１によって前段レンズアレイ１１Ａ１に形成される照度分布が第２光線束Ｋ２によって前段レンズアレイ１１Ｂ１に形成される照度分布とは異なるようにした。これにより、蛍光体層１１９ａの照度分布の均一性を高めることができる。よって、照明光ＷＬとして明るい蛍光光ＹＬを得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態の内容に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、蛍光体素子１９，１１９として蛍光体層１９ａ，１１９ａを支持する円板を回転させる方式のものを例に挙げたが、蛍光体素子１９，１１９は円板を回転させない固定方式のものを採用しても良い。

また、上記実施形態では、第２の光源ユニット１０Ｂの回転角θ_２を０度としたが、回転角θ_２を０度以外としても良い。

回転角θ_１、θ_２は、例えば０度から９０度の範囲で適宜設定することが可能である。なお、第２の光源ユニット１０Ｂの回転角θ_２は、上述した光損失の関係上、第１の光源ユニット１０Ａの回転角θ_１よりも小さくするのが好ましい。

また、上記実施形態では、第１の光源ユニット１０Ａの全体を回転させる場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１の光源ユニット１０Ａを構成する複数の発光素子２ａの一部（例えば、第１の発光素子２ａ１）のみを回転角θ_１だけ回転させるようにしてもよい。また、第２の光源ユニット１０Ｂを上述のように回転させる場合において、ユニット全体を回転させず、例えば、第２の光源ユニット１０Ｂを構成する複数の発光素子３ａの一部（例えば、第２の発光素子３ａ１）のみを回転させてもよい。

また、光源ユニット１０が一つのユニットから構成されていても良い。この場合、複数の発光素子のうち、第１のレンズアレイ１１Ａに入射する光ビームを射出する発光素子を回転角θ_１だけ回転させ、第２のレンズアレイ１１Ｂに入射する光ビームを射出する発光素子を回転させない状態とすればよい。

また、上記実施形態では、合成光線束を入射させる拡散光生成素子として蛍光体素子を例に挙げたが、合成光線束を拡散反射素子に入射させるようにしても良い。

また、上記実施形態では、第２光線束Ｋ２のうちの一部（Ｓ偏光成分）を第１光線束Ｋ１と合成して合成光線束を生成する場合を例に挙げたが、第２光線束Ｋ２の全てを第１光線束Ｋ１と合成して合成光線束を生成するようにしても良い。

また、上記実施形態では、第１の光源ユニット１０Ａからの光射出方向と第２の光源ユニット１０Ｂからの光射出方向とを同一方向にする場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１の光源ユニット１０Ａが、第２の光源ユニット１０Ｂからの光射出方向に直交する方向に向かって光を射出する構成においても本発明は適用可能である。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂを備えるプロジェクター１を例示したが、１つの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…プロジェクター、１０Ａ…第１の光源ユニット、１０Ｂ…第２の光源ユニット、１１Ａ…第１のレンズアレイ、１１Ｂ…第２のレンズアレイ、１４，１１４…第１の偏光分離素子（光線合成素子）、１６…第１の集光光学系（集光光学系）、１９…蛍光体素子、２ａ１…第１の発光素子、３ａ１…第２の発光素子、１００，１１０…照明装置、１１９…蛍光体素子、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…光変調装置、６００…投射光学系、Ｂ１ａ…光線（第１の光ビーム）、Ｂ２ａ…光線（第２の光ビーム）、Ｌ１，Ｌ２…光路長、Ｍ１，Ｍ２…面、ＭＭ…基準面、ＷＬ…照明光、ＹＬ…蛍光光。

Claims (4)

1. 第１方向に第１の光ビームを射出する第１の発光素子を有し、前記第１の光ビームを含む第１光線束を射出する第１の光源ユニットと、
   前記第１方向に第２の光ビームを射出する第２の発光素子を有し、前記第２の光ビームを含む第２光線束を射出する第２の光源ユニットと、
   前記第１の光源ユニットに対向して設けられ、前記第１光線束が入射する第１のレンズアレイと、
   前記第２の光源ユニットに対向して設けられ、前記第２光線束が入射する第２のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイを透過した前記第１光線束と前記第２レンズアレイを透過した前記第２光線束の少なくとも一部とを合成して合成光線束を生成する第１の偏光分離素子と、
   前記第２のレンズアレイを透過した前記第２光線束の少なくとも一部を前記第１の偏光分離素子に向けて反射する第２の偏光分離素子と、
   前記合成光線束が入射する集光レンズと、
   前記集光レンズを透過した前記合成光線束が入射する拡散光生成素子と、を備え、
   前記第１光線束の主光線と垂直な面による前記第１の光ビームの断面は長軸を有する楕円状であり、
   前記第２光線束の主光線と垂直な面による前記第２の光ビームの断面は長軸を有する楕円状であり、
   前記第１の光源ユニットおよび前記第２の光源ユニットは、前記第１のレンズアレイの前段における前記第１の光ビームの前記長軸と前記第１の光ビームの光軸とを含む面が、前記第２のレンズアレイの前段における前記第２の光ビームの前記長軸と前記第２の光ビームの光軸とを含む面と交差しているように設けられており、
   前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとが配列されている方向と前記合成光線束の主光線の方向とを含む面を基準面としたとき、前記第１の光ビームの前記断面の前記長軸と前記基準面とがなす角は、前記第２の光ビームの前記断面の前記長軸と前記基準面とがなす角よりも大きい
   照明装置。
2. 前記第１光線束における前記第１のレンズアレイから前記集光レンズまでの光路長は、前記第２光線束における前記第２のレンズアレイから前記集光レンズまでの間の光路長よりも短い
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記拡散光生成素子は蛍光体を含む
   請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 請求項１乃至３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光を画像情報に応じて変調して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。

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