WO2015022917A1 - 照明装置、投射装置、レンズアレイおよび光学モジュール - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an illumination device, a projection device, a lens array, and an optical module that use a plurality of element lenses.
  • a technique for uniformly illuminating a predetermined area using a lens array and a field lens is known.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining an optical system of this type of illumination device.
  • the field lens 42 is disposed at the focal position of the lens array 41 including the plurality of element lenses 43, and the illuminated region LZ is disposed at the focal position of the field lens 42.
  • Parallel light is incident on the plurality of element lenses 43 from a light source (not shown).
  • each element lens 43 is entirely collected by the field lens 42 and illuminates the entire illuminated area LZ.
  • the light that has passed through any of the element lenses 43 illuminates the same illuminated area LZ. Therefore, the illuminated region LZ is obtained by superimposing the light intensity distributions from the element lenses 43, and uniform illumination is realized.
  • the lens diameters of the element lenses 43 constituting the lens array 41 are the same, and the pitch between the adjacent element lenses 43 is the same, the regular incident angle in the illuminated region LZ Are regularly superimposed, and a regular interference pattern is formed in the illuminated region LZ. Therefore, when a laser light source with high coherency is used as the light source, regular bright spots 44 as shown in FIG. 10 appear in the illuminated area LZ, which hinders uniform illumination.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is an illumination device, a projection device, a lens array, and an optical module that can realize uniform illumination without complicating the configuration of the optical system. Is to provide.
  • a plurality of first element lenses for condensing incident coherent light A field lens that guides each of the coherent lights that have passed through the plurality of first element lenses to a whole area within a predetermined area,
  • the lens diameters of the plurality of first element lenses are different at least in part, Of the two first element lenses having different lens diameters, when the lens diameter of one first element lens is d and the focal length is f, the lens diameter of the other first element lens is k ⁇ d (
  • An illumination device is provided in which k is greater than 0 and a value other than 1 and the focal length is k ⁇ f.
  • the plurality of first element lenses include two or more first element lenses arranged in a first direction and two or more first element lenses arranged in a second direction intersecting the first direction. You may, The lens diameters of the two or more first element lenses arranged in the first direction may be different at least in part. The lens diameters of the two or more first element lenses arranged in the second direction may be different at least in part.
  • the plurality of first element lenses may be a lens array in which two or more first element lenses are arranged in each of the first direction and the second direction.
  • the planar shape of the plurality of first element lenses may be circular or rectangular.
  • Each of the plurality of first element lenses may have a semi-cylindrical shape
  • the plurality of first element lenses include a first cylindrical lens unit that arranges two or more first element lenses in the first direction, and a second cylindrical lens that arranges two or more first element lenses in the second direction.
  • the cylindrical lens which has a part may be sufficient.
  • the plurality of first element lenses is a toroidal lens array in which a plurality of toroidal lenses are arranged in a direction in which the plurality of first element lenses are arranged, and a pitch of the plurality of toroidal lenses in the direction is different at least partially. May be.
  • the plurality of toroidal lenses are arranged in each of a first direction and a second direction intersecting each other, and a pitch of the plurality of toroidal lenses arranged along the first direction is different at least in part.
  • the pitch of the plurality of toroidal lenses arranged along the second direction may be constant.
  • the plurality of toroidal lenses may be arranged in each of the first direction and the second direction intersecting each other, and the pitch of the plurality of toroidal lenses in each direction may be different at least in part.
  • the plurality of toroidal lenses having a smaller number are arranged. It may be used as the plurality of first element lenses.
  • the predetermined area may be provided in the vicinity of the focal plane of the field lens.
  • a light source that emits coherent light
  • a scanning device that changes a traveling direction of the coherent light emitted from the light source and scans the coherent light on the plurality of first element lenses.
  • a plurality of second element lenses provided in correspondence with the plurality of first element lenses in an optical path between the plurality of first element lenses and the field lens;
  • Each of the plurality of second element lenses may have the same lens diameter as the corresponding first element lens, and the plurality of second element lenses may have a common focal length,
  • the optical path length between the corresponding first element lens and second element lens may be equal to the common focal length.
  • An optical modulator disposed in the predetermined region and illuminated by coherent light passing through the predetermined region to generate a modulated image
  • a projection apparatus comprising: a projection optical system that projects the modulated image onto a diffusing surface.
  • the present invention comprises a plurality of element lenses that collect incident coherent light
  • the lens diameters of the plurality of element lenses are different at least in part, Of the two element lenses having different lens diameters, when the lens diameter of one element lens is d and the focal length is f, the lens diameter of the other element lens is k ⁇ d (k is greater than 0, A lens array with a value other than 1) and a focal length of k ⁇ f is provided.
  • Another aspect of the present invention includes a plurality of element lenses that collect coherent light emitted from a light source; A field lens that guides each of the coherent light beams that have passed through the plurality of element lenses to a whole area within a predetermined area; A scanning device that changes the traveling direction of the coherent light emitted from the light source and scans the coherent light on the plurality of element lenses,
  • the lens diameters of the plurality of element lenses are different at least in part, Of the two element lenses having different lens diameters, when the lens diameter of one element lens is d and the focal length is f, the lens diameter of the other element lens is k ⁇ d (k is greater than 0, (A value other than 1) and the focal length may be k ⁇ f.
  • uniform illumination can be realized without complicating the configuration of the optical system.
  • FIG. The figure which shows an example of schematic structure of the projection apparatus incorporating the illuminating device 40 which made the speckle not conspicuous. The figure explaining the optical system of an illuminating device.
  • FIG. 1 The figure explaining the structure of the principal part of the illuminating device 40 which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 The figure explaining the structure of the principal part of the illuminating device 40 which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.
  • the figure which shows an example of a toroidal lens array The figure which shows another example of a toroidal lens array.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a main part of a lighting device 40 according to the first embodiment of the present invention.
  • the illumination device 40 in FIG. 1 includes a lens array 41 and a field lens 42.
  • the lens array (first lens array) 41 is formed by arranging a plurality of element lenses (first element lenses) 43 vertically and horizontally, that is, in a first direction and in a second direction intersecting the first direction. is there.
  • the first direction and the second direction are typically two-dimensional directions orthogonal to each other.
  • Each element lens 43 collects coherent light incident from a laser light source (not shown) and guides it to the field lens 42.
  • the field lens 42 guides each of the coherent lights that have passed through the plurality of element lenses 43 to a predetermined area, that is, the entire area within the illuminated area LZ.
  • the predetermined region that is, the illuminated region LZ is provided in the vicinity of the focal plane of the field lens 42.
  • the plurality of element lenses 43 in the lens array 41 be arranged as closely as possible. If there is a step due to a gap between the adjacent element lenses 43, coherent light may be scattered and the use efficiency of the light may be reduced. desirable. As an example of such processing, it is conceivable to process the vicinity of the gap portion into a cylindrical lens shape.
  • the planar shape of the element lens 43 may be circular or rectangular. Hereinafter, an example in which the planar shape of the element lens 43 is circular will be described.
  • the pitch of each element lens 43 constituting the lens array 41 is irregular.
  • the pitch is a distance between the centers of the adjacent element lenses 43.
  • the pitch is substantially equal to the lens length of the element lenses 43, that is, the lens diameter.
  • making the pitch of each element lens 43 irregular is to randomize the lens diameter of all the element lenses 43 irradiated with light from the laser light source in the lens array 41.
  • the pitch of all the element lenses 43 irradiated with light from the laser light source does not necessarily have to be completely random.
  • the minimum condition is that the element lens 43 irradiated with light from the laser light source includes two or more element lenses 43 having different pitches.
  • at least a part of the plurality of element lenses 43 constituting the lens array 41 includes two or more element lenses 43 having different lens diameters.
  • the lens diameter of one of the element lenses 43 is d and the focal length is f
  • the lens diameter of the other element lens 43 is k ⁇ d (k Is larger than 0 and a value other than 1)
  • the focal length is k ⁇ f.
  • the lens diameter is k ⁇ d
  • the focal length The element lens 43 of k ⁇ f 1 can illuminate the entire illuminated area LZ regardless of how k changes.
  • the reason will be described.
  • FIG. 2 is a diagram showing an optical system of the illumination device 40 including an element lens 43 having a radius d and a focal length f1, and a field lens 42 having a focal length f2.
  • the illuminated region LZ is disposed at the focal length f2 of the field lens 42.
  • the ray tracing determinant of the optical system in FIG. 2 is expressed by the following equation (1).
  • (X, ⁇ ) in the fifth term on the right side of the equation (1) indicates a light beam position and a light beam angle on the element lens 43, and (x ′, ⁇ ) on the left side indicates a light beam position on the illuminated region LZ. And the ray angle.
  • the fourth term on the right side of equation (1) is the determinant of the element lens 43
  • the third term on the right side is the determinant of the optical path between the element lens 43 and the field lens 42
  • the second term on the right side is the determinant of the field lens 42
  • the right side The first term is a determinant of the optical path between the field lens 42 and the illuminated area LZ.
  • FIG. 3 shows the optical of the illumination device 40 having an element lens 43 with a radius k ⁇ d (k is larger than 0 and a value other than 1) and a focal length f1 ′ and a field lens 42 with a focal length f2. It is a figure which shows a system
  • the positional relationship between the element lens 43, the field lens 42, and the illuminated region LZ is the same as that in FIG.
  • the ray tracing determinant of the optical system in FIG. 3 is expressed by the following equation (3).
  • Equation (3) differs from equation (1) only in the fourth term.
  • the fourth term is a determinant of the focal length f1 ′ element lens 43.
  • equation (6) is obtained.
  • the expression (6) is obtained by the expression that the coherent light that has passed through the element lens 43 that is the reference of the focal length f 1 with the lens diameter d among the element lenses 43 that constitute the lens array 41 passes through the field lens 42 and is covered.
  • the lens diameter d of the element lens 43 is increased k times (k is a value other than 1 greater than 0)
  • the focal length f1 is also increased k times, the illumination target is illuminated. It shows that the entire region LZ can be illuminated.
  • the coherent light that has passed through the field lens 42 from each element lens 43 depends on the lens diameter of the element lens 43. Since only a part of the illuminated area LZ is illuminated or a wider area than the illuminated area LZ is illuminated, unevenness occurs in the brightness of the illuminated area LZ.
  • the illumination area LZ is changed by the coherent light that has passed through the element lens 43 by changing the focal length accordingly. Can be illuminated without fail, and the brightness of the illuminated area LZ can be made uniform.
  • the brightness of the entire illuminated area LZ is made uniform, and the pitch, that is, the lens diameter, of at least a part of the plurality of element lenses 43 in the lens array 41 is irregular, that is, randomly. To do. Thereby, the interference pattern by coherent light does not stand out in the illuminated area LZ.
  • the lens diameter of at least a part of the element lenses 43 constituting the lens array 41 is irregular, that is, random, has been described.
  • an optical element other than the lens array 41 for example, a cylindrical lens is used. It is also applicable to.
  • FIG. 4 is a view showing an example of the cylindrical lens 45.
  • the cylindrical lens 45 in FIG. 4 includes a first cylindrical lens portion 46 in which a plurality of semi-cylindrical element lenses are arranged in the first direction at irregular pitches, and a second cylindrical lens 45 at irregular pitches.
  • a plurality of second cylindrical lens portions 47 arranged in the direction are arranged side by side on the optical axis.
  • first cylindrical lens unit 46 nor the second cylindrical lens unit 47 needs to have an irregular lens pitch over the entire lens unit, and at least a part of the pitch, that is, at least a part of the lens diameter is irregular. If it is.
  • the lens diameter and the focal length are set so that the lens having an irregular lens diameter satisfies the relationship of the above-described expression (6). Accordingly, the interference pattern due to coherent light in the illuminated area LZ becomes inconspicuous while the brightness in the entire area in the illuminated area LZ is made uniform.
  • FIG. 4 shows an example in which the first cylindrical lens unit 46 and the second cylindrical lens unit 47 are sequentially arranged on the optical axis, but the first cylindrical lens unit 46 and the second cylindrical lens unit 47 are integrated.
  • a lattice-shaped cylindrical lens may be manufactured.
  • the grating pitch may be set non-uniformly in each of the first direction and the second direction, and the focal length of each grating line lens portion may be adjusted according to the pitch.
  • the illuminating device 40 described above uses a laser light source that emits coherent light as a light source.
  • the reason for using a laser light source is that it has a longer life than other light sources, does not require maintenance costs, and can reduce the size of the light source itself. This is because it can.
  • speckle is a speckled pattern that is observed due to the coherence of coherent light such as laser light.
  • the interference fringes generated by the crossing of rays in the projection device are on the screen. Projected on the screen, or scattered light on the screen surface interferes with each other and is recognized as spot-like luminance unevenness (brightness unevenness) that is recognized for the first time on the observation surface. May cause adverse effects.
  • speckles caused by scattering on the screen surface have different causes of occurrence from the interference pattern of the illuminated area LZ described above, and therefore, even if the pitch of the element lenses 43, that is, the lens diameter is irregular, the speckles are visually recognized. Therefore, another measure is necessary.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a schematic configuration of the projection device 20 incorporating the illumination device 40 in which speckle is not conspicuous.
  • the projection apparatus 20 in FIG. 5 includes an optical element 50, an irradiation apparatus 60, an optical modulator 30, and a projection optical system 80.
  • the illumination device 40 is configured by the optical element 50 and the irradiation device 60.
  • the optical module 10 is configured by a scanning device 65 and an optical element 50 described later in the irradiation device 60.
  • the optical element 50 includes a lens array 41 including a plurality of element lenses 43 and a field lens 42. As in FIG. 1, in the lens array 41, the pitch of at least some of the element lenses 43, that is, the lens diameter is irregular, and any of the element lenses 43 satisfies the relationship of the above-described expression (6). .
  • the irradiation device 60 irradiates the lens array 41 with coherent light so that the coherent light scans the surfaces of the plurality of element lenses 43 in the lens array 41.
  • the irradiation device 60 includes a laser light source 61 that emits coherent light, and a scanning device 65 that scans the surface of the plurality of element lenses 43 in the lens array 41 with the coherent light emitted from the laser light source 61.
  • the scanning device 65 varies the reflection angle of the incident coherent light at a constant period so that the reflected coherent light scans the lens array 41.
  • a transmissive liquid crystal micro display such as LCOS (Liquid Crystal on Silicon) can be used.
  • the liquid crystal micro display illuminated in a planar shape by the illumination device 40 selects and transmits coherent light for each pixel, thereby forming a modulated image on the liquid crystal micro display.
  • the modulated image (video light) obtained in this way is scaled as necessary by the projection optical system 80 and projected onto the diffusion screen 15. Since the speckle pattern of the modulated image projected on the diffusing screen 15 changes with time, the speckle is invisible.
  • a reflective micro display can be used as the light modulator 30.
  • a modulated image is formed by the reflected light from the light modulator 30, the surface on which the coherent light is irradiated from the illumination device 40 to the light modulator 30, and the image light (the modulated image generated by the light modulator 30 ( The exit surface of the (reflected light) is the same surface.
  • a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) element such as DMD (Digital Micromirror Device) as the optical modulator 30.
  • DMD Digital Micromirror Device
  • a DMD is used as the optical modulator 30.
  • a transmissive liquid crystal panel can be used as the optical modulator 30.
  • the incident surface of the light modulator 30 has the same shape and size as the illuminated region LZ where the illumination device 40 emits coherent light. In this case, it is because the coherent light from the illuminating device 40 can be utilized with high utilization efficiency for displaying the image on the diffusion screen 15.
  • the projection optical system 80 that projects the modulated image generated by the light modulator 30 onto the diffusing screen 15 includes, for example, a double-sided projection lens 81, and the modulated image generated by the light modulator 30 is the projection lens 81. And the modulated image 71 is projected onto the diffusion screen 15. The size of the modulated image 71 projected on the diffusion screen 15 can be adjusted by the diameter of the projection lens 81, the distance between the projection lens 81 and the light modulator 30, and the distance between the projection lens 81 and the diffusion screen 15. .
  • the diffusing screen 15 in FIG. 1 is a transmission type, and diffuses the projected modulated image light.
  • the diffusing screen 15 may be a reflective type.
  • the light modulator 30 can generate various modulated images.
  • the light modulator 30 generates a modulated image and illuminates it in the illuminated area LZ, thereby projecting the various modulated images on the diffusion screen. can do.
  • the laser light source 61 may use, for example, a plurality of laser light sources 61 that emit laser beams having different wavelength bands.
  • a plurality of laser light sources 61 are used, the laser light from each laser light source 61 irradiates the same point on the scanning device 65. Thereby, the lens array 41 is illuminated with the reproduction illumination light in which the illumination colors of the laser light sources 61 are mixed.
  • the laser light source 61 may be a monochromatic laser light source 61 or a plurality of laser light sources 61 having different emission colors.
  • a plurality of laser light sources 61 of red, green, and blue may be used.
  • incidence of coherent light from each laser light source 61 is performed.
  • the light is reflected at a reflection angle corresponding to the angle, is incident on the lens array 41, is separately condensed and diverged from the lens array 41, and is superimposed on the illuminated area LZ to be a composite color.
  • a separate scanning device 65 may be provided for each laser light source 61.
  • the type of the laser light source 61 provided in the irradiation device 60 is not particularly limited.
  • the light modulator 30 is composed of LCOS or the like and has a color filter for each pixel, the modulated image generated by the light modulator 30 is colored by making the illuminated area LZ white light. can do.
  • an optical modulator 30 that generates a red modulated image, an optical modulator 30 that generates a green modulated image, and an optical modulator 30 that generates a blue modulated image are arranged close to each other.
  • the three illuminated areas LZ that illuminate each of the light modulators 30 may be sequentially illuminated with diffused light from the lens array 41.
  • the three color modulation images generated by the three light modulators 30 are combined to generate a color modulation image.
  • three color modulation images generated simultaneously by the three optical modulators 30 may be combined using a prism or the like to generate a color modulation image.
  • the above-described projection optical system 80 is mainly provided for projecting the modulated image of the light modulator 30 onto the diffusion screen 15.
  • speckles are overlapped and averaged, and as a result, speckles are not noticeable.
  • the scanning device 65 changes the traveling direction of the coherent light with time, and directs it in various directions so that the traveling direction of the coherent light is not constant. As a result, the coherent light whose traveling direction is changed by the scanning device 65 scans on the incident surface of the lens array 41 of the optical element 50.
  • the coherent light emitted from the scanning device 65 is preferably parallel light. This is because, in the case of parallel light, the element lens 43 in the lens array 41 can collect coherent light in the direction of the field lens 42 as shown in FIG. If the coherent light emitted from the scanning device 65 is diffused light, the coherent light traveling from one element lens 43 toward the field lens 42 is dispersed in various directions, and the field lens 42 is illuminated. The entire area LZ cannot be illuminated. Therefore, it is desirable to provide the scanning device 65 with a collimator optical system (not shown) for making the emitted light parallel. Alternatively, another lens array may be provided between the lens array 41 and the field lens 42.
  • the irradiation device 60 illuminates the illuminated area LZ with coherent light.
  • the laser light source 61 has a plurality of laser light sources 61 that emit light of different colors
  • the illuminated region LZ is illuminated with each color. Therefore, when these laser light sources 61 emit light at the same time, the illuminated area LZ is illuminated with white in which three colors are mixed.
  • the irradiation device 60 described above irradiates the optical element 50 with coherent light so that the coherent light scans the surfaces of the plurality of element lenses 43 in the lens array 41.
  • coherent light incident on an arbitrary position in the lens array 41 from the irradiation device 60 illuminates the entire illuminated area LZ, but the illumination directions of the coherent light that illuminate the illuminated area LZ are different from each other. Since the position on the lens array 41 where the coherent light enters changes with time, the incident direction of the coherent light to the illuminated region LZ also changes with time.
  • the coherent light continuously scans on the lens array 41.
  • the incident direction of coherent light incident on the illuminated area LZ from the irradiation device 60 via the optical element 50 also changes continuously.
  • the pattern of speckles generated on the illuminated area LZ also changes greatly, and is uncorrelated. A speckle pattern is superimposed.
  • the incident direction of coherent light changes with time at each position of the illuminated region LZ, and this change is at a speed that cannot be resolved by human eyes. Accordingly, if a screen is arranged in the illuminated area LZ, speckles generated corresponding to each incident angle are overlapped and averaged and observed by the observer, so that the image displayed on the screen Speckle can be made very inconspicuous for an observer who observes the above.
  • the light modulator 30 is arranged so as to overlap the position of the illuminated region LZ, and the light modulator 30 projects onto the diffusion screen 15 via the projection optical system 80. Similarly, since speckles generated on the diffusion screen 15 are overlapped and averaged, the speckles generated on the diffusion screen 15 become inconspicuous.
  • the pitch of the plurality of element lenses 43 in the lens array 41 that is, the lens diameter is made irregular, and the focal length of each element lens 43 is changed according to the pitch.
  • the interference pattern due to coherent light becomes inconspicuous in the LZ.
  • the scanning device 65 is provided in the irradiation device 60, and the speckles in the illuminated region LZ and the speckles on the screen are conspicuous by scanning the coherent light on the surfaces of the plurality of element lenses 43. Can be eliminated.
  • the illumination intensity of the illuminated region LZ tends to be uneven. Therefore, in such a case, it is important to make the pitch of the plurality of element lenses 43 in the lens array 41, that is, the lens diameter irregular.
  • the illumination device 41 according to the second embodiment includes a first lens array 41 having the same shape and optical characteristics as the lens array 41 of the first embodiment, and the first element lens 43 in the first lens array 41. Also, it has the same shape and optical characteristics as the element lens 43 in the lens array 41 of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of the main part of the illumination device 40 according to the second embodiment of the present invention.
  • a second lens array 48 is arranged in the optical path between the first lens array 41 and the field lens 42.
  • the second lens array 48 includes a plurality of second element lens arrays 49, and the plurality of first element lenses 43 and the plurality of second element lenses 49 are associated with each other.
  • Each of the plurality of second element lenses 49 has the same lens diameter as the corresponding first element lens 43 and a common focal length f3. That is, the second element lens 43 has the same lens diameter as the corresponding first element lens 43, but the focal lengths f3 of the plurality of second element lenses 43 are all the same.
  • the optical path length between the corresponding first element lens 43 and the second element lens 49 is matched with the focal length f3 of the second element lens 49. That is, the individual second element lenses 49 are arranged at positions away from the first element lens 43 by the focal length f3 of the second element lens 49 itself.
  • the lens diameters of the plurality of first element lenses 43 in the first lens array 41 are irregular, and the focal lengths of the first element lenses 43 are not uniform.
  • the interference pattern of coherent light in the illuminated area LZ becomes inconspicuous.
  • each of the plurality of second element lenses 49 in the second lens array 48 has the same lens diameter as the corresponding first element lens 43, most of the light passing through the first element lens 43 is compatible. It passes through the second element lens 49.
  • the focal lengths f3 of the plurality of second element lenses 49 are all the same, the light incident obliquely on the first element lens 43 can be collimated by the second element lens 49. Thereby, even if the light source 61 is not an ideal point light source, light can be efficiently condensed in the illuminated area LZ, and blurring of illumination light in the illuminated area LZ can be suppressed.
  • the plurality of first element lenses 43 in the first lens array 41 serve to make the speckles in the illuminated region LZ inconspicuous, whereas the plurality of first lens elements 43 in the second lens array 48
  • the two-element lens 49 functions to suppress blurring of illumination light in the illuminated area LZ.
  • the coherent light from the light source 61 is blurred, more coherent light is incident on the first element lens 43 obliquely.
  • the coherent light incident on the first element lens 43 obliquely does not pass through the field lens 42, or even if it passes through the field lens 42, there is a high possibility of illuminating the outside of the illuminated region LZ. As a result, the light intensity in the illuminated area LZ becomes weak and non-uniform.
  • the second element lens 49 having the same lens diameter and the same focal length f3 as the corresponding first element lens 43 is replaced with the first element by the focal length f3 of the second element lens 49. If it is arranged away from the lens 43, most of the light incident obliquely on the first element lens 43 can be made parallel through the corresponding second element lens 49. Thereby, the light that has passed through the second element lens 49 passes through the field lens to illuminate the illuminated area LZ, and the intensity of the illumination light in the illuminated area LZ can be made uniform.
  • the illuminated region LZ is uniform even if the coherent light from the light source 61 is blurred. Can be illuminated.
  • the lens array (first lens array) 41 in the first and second embodiments described above the light incident on the joint of each element lens (first element lens) 43 is not effectively used and is lost. Therefore, it is desirable that there is no joint between the element lenses 43. Therefore, for example, it is effective to form the cylindrical lens 45 shown in FIG. 4, but as another realization means, a lens array (first lens array) 41 using a toroidal lens array as shown in FIGS. May be configured.
  • the toroidal lens means a lens in which at least one surface of the lens is constituted by a toroidal surface.
  • the toroidal surface is a surface having different curvatures in the x and y directions, such as the surface of a barrel or the surface of a donut.
  • Each toroidal lens 53 has a curved surface whose curvature continuously changes in each of the first direction X and the second direction Y.
  • a lens array (first lens array) 41 having a plurality of such toroidal lenses arranged in the first direction X and the second direction Y can be used.
  • the toroidal lens can reduce the deviation between the lenses even when the pitch of the curved surface is changed. For this reason, when the lens diameter of a part of the element lenses (first element lenses) 43 is changed as in the lens array (first lens array) 41, the loss of light at the joints of the lenses can be reduced. it can.
  • the pitch of the plurality of toroidal lenses 53 in the first direction X is different at least in part, while the pitch of the plurality of toroidal lenses 53 in the second direction Y is made common.
  • the first direction X of the toroidal lens array 51 of FIG. 8 is set in a direction orthogonal to the optical axis of the lens array 41 of FIG. What is necessary is just to arrange.
  • the pitch of the plurality of toroidal lenses 53 is at least partially different in each of the first direction X and the second direction Y.
  • the smaller number of the toroidal lens array 52 in FIG. (1 lens array) 41 is preferably arranged in a direction perpendicular to the optical axis. The reason is that the shift amount between lenses due to the difference in pitch can be suppressed as much as possible.
  • the toroidal lens arrays 51 and 52 of FIGS. 8 and 9 can be formed by a shaping process in which a mold corresponding to the outer shape of the toroidal lens arrays 51 and 52 is prepared in advance, and a resin material is poured into the mold and cured. .
  • the toroidal lens array 51 or 52 is used as the lens array (first lens array) 41, the displacement between the lenses due to the difference in pitch is reduced, and the illuminated area is more uniform and Can illuminate brightly.

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Abstract

［課題］光学系の構成を複雑化することなく、均一化照明を実現可能な照明装置を提供する。［解決手段］照明装置（４０）は、入射されたコヒーレント光を集光する複数の第１要素レンズ（４３）と、複数の第１要素レンズ（４３）を通過したコヒーレント光のそれぞれを、所定の領域内の全域に導光するフィールドレンズ（４２）と、を備える。複数の第１要素レンズ（４３）のレンズ径は、少なくとも一部において異なっている。互いにレンズ径の異なる２つの第１要素レンズ（４３）のうち、一方の第１要素レンズ（４３）のレンズ径をｄ、焦点距離をｆとしたときに、他方の第１要素レンズ（４３）のレンズ径は、ｋ×ｄ（ｋは０より大きく、１以外の値）で、かつ焦点距離はｋ×ｆである。

Description

照明装置、投射装置、レンズアレイおよび光学モジュール
　本発明は、複数の要素レンズを利用する照明装置、投射装置、レンズアレイおよび光学モジュールに関する。
　レンズアレイとフィールドレンズを用いて、所定の領域内を均一に照明する技術が知られている。
　図６はこの種の照明装置の光学系を説明する図である。複数の要素レンズ４３からなるレンズアレイ４１の焦点位置にフィールドレンズ４２が配置され、フィールドレンズ４２の焦点位置に被照明領域ＬＺが配置されている。複数の要素レンズ４３には、不図示の光源から平行光が入射される。
　図６において、各要素レンズ４３を通過した光は、フィールドレンズ４２にて全体的に集光され、被照明領域ＬＺの全域を照明する。
　このように、どの要素レンズ４３を通過した光も、同じ被照明領域ＬＺを照明する。よって、被照明領域ＬＺは、各要素レンズ４３からの光の強度分布を重ね合わせたものになり、均一化照明が実現される。
　しかしながら、光源としてコヒーレント光源を用い、レンズアレイ４１を構成する各要素レンズ４３のレンズ径が同じで、隣接する要素レンズ４３間のピッチが共通の場合、被照明領域ＬＺでは、規則的な入射角度の分布が規則的に重ね合わされて、規則的な干渉パターンが被照明領域ＬＺに形成されてしまう。よって、光源として、コヒーレンシーの高いレーザ光源を用いると、被照明領域ＬＺ内に、図１０に示すような規則的な輝点４４が現れてしまい、均一化照明の妨げになる。
　このような輝点４４の発生を防止するには、レンズアレイ４１よりも光源側に回転拡散板を配置したり、レンズアレイ４１を振動することなどが考えられるが、光学系の構成が複雑化してしまう。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学系の構成を複雑化することなく、均一化照明を実現可能な照明装置、投射装置、レンズアレイおよび光学モジュールを提供することにある。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、
　入射されたコヒーレント光を集光する複数の第１要素レンズと、
　前記複数の第１要素レンズを通過したコヒーレント光のそれぞれを、所定の領域内の全域に導光するフィールドレンズと、を備え、
　前記複数の第１要素レンズのレンズ径は、少なくとも一部において異なっており、
　互いにレンズ径の異なる２つの第１要素レンズのうち、一方の第１要素レンズのレンズ径をｄ、焦点距離をｆとしたときに、他方の第１要素レンズのレンズ径は、ｋ×ｄ（ｋは０より大きく、１以外の値）で、かつ焦点距離はｋ×ｆである照明装置が提供される。
　前記複数の第１要素レンズは、第１方向に配列される２以上の第１要素レンズと、前記第１方向に交差する第２方向に配列される２以上の第１要素レンズとを有していてもよく、
　前記第１方向に配列される２以上の第１要素レンズのレンズ径は、少なくとも一部において異なっていてもよく、
　前記第２方向に配列される２以上の第１要素レンズのレンズ径は、少なくとも一部において異なっていてもよい。
　前記複数の第１要素レンズは、前記第１方向および前記第２方向のそれぞれに２以上の第１要素レンズを配列したレンズアレイであってもよい。
　前記複数の第１要素レンズの平面形状は、円形または矩形であってもよい。
　前記複数の第１要素レンズのそれぞれは、半円柱形状であってもよく、
　前記複数の第１要素レンズは、前記第１方向に２以上の第１要素レンズを配列する第１シリンドリカルレンズ部と、前記第２方向に２以上の第１要素レンズを配列する第２シリンドリカルレンズ部とを有するシリンドリカルレンズであってもよい。
　前記複数の第１要素レンズは、前記複数の第１要素レンズが並ぶ方向に複数のトロイダルレンズが並んだトロイダルレンズアレイであり、前記方向における前記複数のトロイダルレンズのピッチは少なくとも一部において異なっていてもよい。
　前記トロイダルレンズアレイは、互いに交差する第１方向および第２方向のそれぞれにおいて前記複数のトロイダルレンズが並んでおり、前記第１方向に沿って並ぶ前記複数のトロイダルレンズのピッチは少なくとも一部において異なっており、前記第２方向に沿って並ぶ前記複数のトロイダルレンズのピッチは一定でもよい。
　前記トロイダルレンズアレイは、互いに交差する第１方向および第２方向のそれぞれにおいて前記複数のトロイダルレンズが並んでおり、各方向における前記複数のトロイダルレンズのピッチは少なくとも一部において異なっていてもよい。
　前記第１方向に沿って並ぶ前記複数のトロイダルレンズの数と、前記第２方向に沿って並ぶ前記複数のトロイダルレンズの数とが異なる場合は、数の少ない方の前記複数のトロイダルレンズを、前記複数の第１要素レンズとして利用してもよい。
　前記所定の領域は、前記フィールドレンズの焦点面の近傍に設けられてもよい。
　コヒーレント光を放射する光源と、
　前記光源から放射された前記コヒーレント光の進行方向を変化させて、該コヒーレント光を前記複数の第１要素レンズ上で走査させる走査デバイスと、を有していてもよい。
　前記複数の第１要素レンズと前記フィールドレンズとの間の光路中に、前記複数の第１要素レンズに対応づけて設けられる複数の第２要素レンズを備えてもよく、
　前記複数の第２要素レンズのそれぞれは、対応する第１要素レンズと同じレンズ径を有するとともに、前記複数の第２要素レンズが共通の焦点距離を有していてもよく、
　対応する第１要素レンズおよび第２要素レンズ間の光路長は、前記共通の焦点距離に等しくてもよい。
　上述した照明装置と、
　前記所定の領域に配置され、前記所定の領域を通過するコヒーレント光によって照明されて、変調画像を生成する光変調器と、
　前記変調画像を拡散面に投射する投射光学系と、を備える投射装置が提供されてもよい。
　本発明の他の一態様では、入射されたコヒーレント光を集光する複数の要素レンズを備え、
　前記複数の要素レンズのレンズ径は、少なくとも一部において異なっており、
　互いにレンズ径の異なる２つの要素レンズのうち、一方の要素レンズのレンズ径をｄ、焦点距離をｆとしたときに、他方の要素レンズのレンズ径は、ｋ×ｄ（ｋは０より大きく、１以外の値）で、かつ焦点距離はｋ×ｆであるレンズアレイが提供される。
　本発明の他の一態様は、光源から放射されたコヒーレント光を集光する複数の要素レンズと、
　前記複数の要素レンズを通過したコヒーレント光のそれぞれを、所定の領域内の全域に導光するフィールドレンズと、
　前記光源から放射された前記コヒーレント光の進行方向を変化させて、該コヒーレント光を前記複数の要素レンズ上で走査させる走査デバイスと、を備え、
　前記複数の要素レンズのレンズ径は、少なくとも一部において異なっており、
　互いにレンズ径の異なる２つの要素レンズのうち、一方の要素レンズのレンズ径をｄ、焦点距離をｆとしたときに、他方の要素レンズのレンズ径は、ｋ×ｄ（ｋは０より大きく、１以外の値）で、かつ焦点距離はｋ×ｆであってもよい。
［発明の効果］
　本発明によれば、光学系の構成を複雑化することなく、均一化照明を実現できる。
本発明の一実施形態に係る照明装置４０の要部の構成を説明する図。 半径ｄで焦点距離ｆ１の要素レンズ４３と、焦点距離ｆ２のフィールドレンズ４２とを備えた照明装置４０の光学系を示す図。 半径ｋ×ｄで、焦点距離ｆ１’の要素レンズ４３と、焦点距離ｆ２のフィールドレンズ４２とを備えた照明装置４０の光学系を示す図。 シリンドリカルレンズ４５の一例を示す図。 スペックルを目立たせなくした照明装置４０を組み込んだ投射装置の概略構成の一例を示す図。 照明装置の光学系を説明する図。 本発明の第２の実施形態に係る照明装置４０の要部の構成を説明する図。 トロイダルレンズアレイの一例を示す図。 トロイダルレンズアレイの他の一例を示す図。 輝点４４の一例を示す図。
　以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
　（第１の実施形態）
　図１は本発明の第１の実施形態に係る照明装置４０の要部の構成を説明する図である。図１の照明装置４０は、レンズアレイ４１とフィールドレンズ４２とを備えている。レンズアレイ（第１レンズアレイ）４１は、複数の要素レンズ（第１要素レンズ）４３を縦横に、すなわち第１方向と第１方向に交差する第２方向とに、複数個ずつ配列したものである。第１方向および第２方向は、典型的には互いに直交する二次元方向である。各要素レンズ４３は、不図示のレーザ光源から入射されたコヒーレント光を集光して、フィールドレンズ４２に導く。フィールドレンズ４２は、複数の要素レンズ４３を通過したコヒーレント光のそれぞれを、所定の領域すなわち被照明領域ＬＺ内の全域に導光する。ここで、所定の領域すなわち被照明領域ＬＺは、フィールドレンズ４２の焦点面の近傍に設けられる。
　レンズアレイ４１内の複数の要素レンズ４３は、できるだけ密接に配置するのが望ましい。仮に、隣接する要素レンズ４３の間に隙間による段差がある場合は、コヒーレント光が散乱等して光の利用効率が低下するおそれがあるため、隙間による段差ができないような加工処理を行うのが望ましい。このような加工処理の一例としては、隙間部分付近をシリンドリカルレンズ形状に加工する等が考えられる。
　なお、要素レンズ４３の平面形状は、円形でもよいし、矩形でもよい。以下では、要素レンズ４３の平面形状が円形の例について説明する。
　本実施形態は、レンズアレイ４１を構成する各要素レンズ４３のピッチを不規則にしている。ここで、ピッチとは、隣接する要素レンズ４３の中心間の距離であり、要素レンズ４３同士が密着している場合は、要素レンズ４３のレンズ長すなわちレンズ径にほぼ等しい。
　各要素レンズ４３のピッチを不規則にするとは、理想的には、レンズアレイ４１のうち、レーザ光源からの光が照射されるすべての要素レンズ４３のレンズ径をランダムにすることであるが、必ずしも、レーザ光源からの光が照射されるすべての要素レンズ４３のピッチを完全なランダムにする必要はない。最低限の条件は、レーザ光源からの光が照射される要素レンズ４３の中に、ピッチがそれぞれ異なる２以上の要素レンズ４３が含まれていることである。以下では、レンズアレイ４１を構成する複数の要素レンズ４３の中の少なくとも一部に、レンズ径がそれぞれ異なる２以上の要素レンズ４３が含まれている場合について説明する。
　レンズ径がそれぞれ異なる２以上の要素レンズ４３は、そのうちの一つの要素レンズ４３のレンズ径をｄ、焦点距離をｆとしたときに、他の要素レンズ４３のレンズ径は、ｋ×ｄ（ｋは０より大きく、１以外の値）で、かつ焦点距離はｋ×ｆである。
　後述するように、レンズ径がｄで、焦点距離がｆ1の要素レンズ４３を通過したコヒーレント光が被照明領域ＬＺ内の全域を照明する場合には、レンズ径がｋ×ｄで、焦点距離がｋ×ｆ1の要素レンズ４３は、ｋがどのように変化しても、被照明領域ＬＺの全域を照明できるようになる。以下、この理由を説明する。
　図２は、半径ｄで焦点距離ｆ１の要素レンズ４３と、焦点距離ｆ２のフィールドレンズ４２とを備えた照明装置４０の光学系を示す図である。図２では、被照明領域ＬＺをフィールドレンズ４２の焦点距離ｆ２の位置に配置している。
　図２の光学系の光線追跡行列式は、以下の（１）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　（１）式の右辺第５項の（ｘ，θ）は、要素レンズ４３上での光線位置と光線角度を示し、左辺の（ｘ’，θ）は、被照明領域ＬＺ上での光線位置と光線角度を示している。
　（１）式の右辺第４項は、要素レンズ４３の行列式、右辺第３項は要素レンズ４３とフィールドレンズ４２間の光路の行列式、右辺第２項はフィールドレンズ４２の行列式、右辺第１項はフィールドレンズ４２と被照明領域ＬＺ間の光路の行列式である。これら４つの行列式を掛け合わせることで、被照明領域ＬＺ上での光線位置と光線角度が得られる。
　（１）式の右辺を計算すると、以下の（２）式が得られる。なお、（２）式では、ｘ＝ｄ、θ＝０としている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　一方、図３は、半径ｋ×ｄ（ｋは０より大きく、１以外の値）で、焦点距離ｆ１’の要素レンズ４３と、焦点距離ｆ２のフィールドレンズ４２とを備えた照明装置４０の光学系を示す図である。図３において、要素レンズ４３、フィールドレンズ４２および被照明領域ＬＺの各位置関係は、図２と同様である。
　図３の光学系の光線追跡行列式は、以下の（３）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　（３）式の右辺は、第４項のみが（１）式と異なっている。この第４項は、焦点距離ｆ１’要素レンズ４３の行列式である。（３）式の右辺を計算すると、以下の（４）式が得られる。なお、（４）式では、ｘ＝ｋ×ｄ、θ＝０としている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　上述した（２）式と（４）式より、被照明領域ＬＺでの光像の高さが同じになる条件は、以下の（５）式を満たす場合である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　この（５）式を変形すると、（６）式が得られる。
　ｆ'1＝ｋｆ1　　…（６）
　この（６）式は、レンズアレイ４１を構成する要素レンズ４３のうち、レンズ径ｄで焦点距離ｆ1の基準となる要素レンズ４３を通過したコヒーレント光が、フィールドレンズ４２を通過して、被照明領域ＬＺの全域を照明する場合に、要素レンズ４３のレンズ径ｄをｋ倍（ｋは０より大きい１以外の値）にした場合には、焦点距離ｆ1もｋ倍にすれば、被照明領域ＬＺの全域を照明できることを示している。
　すなわち、（６）式によれば、レンズアレイ４１内の要素レンズ４３のレンズ径を種々変更しても、それに合わせて要素レンズ４３の焦点距離を変更すれば、被照明領域ＬＺの全域を照明できることがわかる。
　仮に、焦点距離を変えずに、レンズアレイ４１内の要素レンズ４３のレンズ径だけを種々変更したとすると、各要素レンズ４３からフィールドレンズ４２を通過したコヒーレント光は、要素レンズ４３のレンズ径によって、被照明領域ＬＺの一部しか照明しなかったり、被照明領域ＬＺよりも広い範囲を照明したりするため、被照明領域ＬＺの明るさにムラが生じてしまう。これに対して、本実施形態のように、要素レンズ４３のレンズ径を変更する際には、それに合わせて焦点距離を変更することで、要素レンズ４３を通過したコヒーレント光にて被照明領域ＬＺの全域を必ず照明でき、被照明領域ＬＺの明るさを均一化できる。
　このように、本実施形態によれば、被照明領域ＬＺの全域の明るさを均一にしつつ、レンズアレイ４１内の複数の要素レンズ４３の少なくとも一部のピッチすなわちレンズ径を不規則すなわちランダムにする。これにより、被照明領域ＬＺ内にコヒーレント光による干渉パターンが目立たなくなる。
　上述した例では、レンズアレイ４１を構成する少なくとも一部の要素レンズ４３のレンズ径を不規則すなわちランダムにする例を説明したが、本実施形態は、レンズアレイ４１以外の光学素子、例えばシリンドリカルレンズにも適用可能である。
　図４はシリンドリカルレンズ４５の一例を示す図である。図４のシリンドリカルレンズ４５は、半円柱状の要素レンズを不規則なピッチで第１方向に複数個配置した第１シリンドリカルレンズ部４６と、半円柱状の要素レンズを不規則なピッチで第２方向に複数個配置した第２シリンドリカルレンズ部４７とを、光軸上に並べて配置したものである。
　第１シリンドリカルレンズ部４６と第２シリンドリカルレンズ部４７のいずれも、各レンズ部の全体にわたってレンズのピッチを不規則にする必要はなく、少なくとも一部のピッチすなわち少なくとも一部のレンズ径が不規則であればよい。各レンズ部とも、レンズ径が不規則なレンズは、上述した（６）式の関係を満たすようにレンズ径と焦点距離が設定される。これにより、被照明領域ＬＺ内の全域での明るさを均一化しつつ、被照明領域ＬＺ内でのコヒーレント光による干渉パターンが目立たなくなる。
　図４は、第１シリンドリカルレンズ部４６と第２シリンドリカルレンズ部４７を光軸上に順に配置する例を示しているが、第１シリンドリカルレンズ部４６と第２シリンドリカルレンズ部４７とを一体化した格子状のシリンドリカルレンズを作製してもよい。この場合、格子のピッチを第１方向と第２方向のそれぞれで不均一に設定し、かつピッチに合わせて各格子線レンズ部分の焦点距離を調整すればよい。
　上述した照明装置４０は、光源として、コヒーレント光を照射するレーザ光源を利用している。レーザ光源を利用する理由は、他の光源に比べて長寿命であり、メンテナンスコストがかからないためと、光源自体を小型化できるためと、コヒーレント光は直進性に優れることから光の利用効率を向上できるためである。
　ところが、レーザ光などのコヒーレント光は、スペックルの発生という問題を有する。スペックル（speckle）は、レーザ光などのコヒーレント光の干渉性に起因して観察される斑点状の模様であり、投射装置として用いると、投射装置内の光線交差により生成した干渉縞がスクリーン上に投射される、あるいはスクリーン表面の散乱光同士が干渉して観察面で初めて認識される斑点状の輝度ムラ（明るさのムラ）として視認され、投射画質の劣化や観察者に対して生理的な悪影響を及ぼすおそれがある。
　特にスクリーン表面の散乱に起因するスペックルは、上述した被照明領域ＬＺの干渉パターンとは発生原因が異なるため、要素レンズ４３のピッチすなわちレンズ径を不規則にしても、視認されてしまう。そこで、別の対策が必要となる。
　図５はスペックルを目立たせなくした照明装置４０を組み込んだ投射装置２０の概略構成の一例を示す図である。図５の投射装置２０は、光学素子５０と、照射装置６０と、光変調器３０と、投射光学系８０とを備えている。光学素子５０と照射装置６０にて照明装置４０が構成される。また、照射装置６０内の後述する走査デバイス６５と光学素子５０とで光学モジュール１０が構成されている。
　光学素子５０は、複数の要素レンズ４３からなるレンズアレイ４１と、フィールドレンズ４２と、を有する。レンズアレイ４１は、図１と同様に、少なくとも一部の要素レンズ４３のピッチすなわちレンズ径が不規則とされており、いずれの要素レンズ４３も、上述した（６）式の関係を満たしている。
　照射装置６０は、コヒーレント光がレンズアレイ４１内の複数の要素レンズ４３の表面を走査するように、レンズアレイ４１にコヒーレント光を照射する。照射装置６０は、コヒーレント光を放射するレーザ光源６１と、レーザ光源６１から放射されたコヒーレント光をレンズアレイ４１内の複数の要素レンズ４３の表面上で走査させる走査デバイス６５とを有する。
　走査デバイス６５は、入射されたコヒーレント光の反射角度を一定周期で可変させて、反射されたコヒーレント光がレンズアレイ４１上を走査するようにしている。
　光変調器３０としては、例えば、透過型の液晶マイクロディスプレイ例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）を用いることができる。この場合、照明装置４０によって面状に照明される液晶マイクロディスプレイが、画素毎にコヒーレント光を選択して透過させることにより、液晶マイクロディスプレイ上に変調画像が形成される。こうして得られた変調画像（映像光）は、投射光学系８０によって、必要に応じて変倍されて拡散スクリーン１５へ投射される。拡散スクリーン１５に投射される変調画像のスペックルパターンは時間的に変化するため、スペックルは不可視化される。
　あるいは、光変調器３０として、反射型のマイクロディスプレイを用いることも可能である。この場合、光変調器３０での反射光によって変調画像が形成され、光変調器３０へ照明装置４０からコヒーレント光が照射される面と、光変調器３０で生成された変調画像の映像光（反射光）の出射面が同一の面となる。このような反射光を利用する場合、光変調器３０としてＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子を用いることも可能である。上述した特開２００８－２２４７６０号公報に開示された装置では、ＤＭＤが光変調器３０として利用されている。この他、光変調器３０としては、透過型の液晶パネルを用いることも可能である。
　また、光変調器３０の入射面は、照明装置４０がコヒーレント光を照射する被照明領域ＬＺと同一の形状および大きさであることが好ましい。この場合、照明装置４０からのコヒーレント光を、拡散スクリーン１５への映像の表示に高い利用効率で利用することができるからである。
　光変調器３０で生成された変調画像を拡散スクリーン１５に投射する投射光学系８０は、例えば両面凸形状のプロジェクションレンズ８１を有し、光変調器３０で生成された変調画像は、プロジェクションレンズ８１で屈折されて拡散スクリーン１５上に変調画像７１を投射する。プロジェクションレンズ８１の径や、プロジェクションレンズ８１と光変調器３０との距離や、プロジェクションレンズ８１と拡散スクリーン１５との距離によって、拡散スクリーン１５に投影される変調画像７１のサイズを調整することができる。図１の拡散スクリーン１５は、透過型であり、投射された変調画像光を拡散する。なお、拡散スクリーン１５は、反射型でもよい。
　光変調器３０では、種々の変調画像を生成可能であり、光変調器３０で変調画像を生成して、それを被照明領域ＬＺで照明することで、種々の変調画像を拡散スクリーン上に投射することができる。
　レーザ光源６１は、例えばそれぞれ異なる波長帯域のレーザ光を放射する複数のレーザ光源６１を用いてもよい。複数のレーザ光源６１を用いる場合は、各レーザ光源６１からのレーザ光が走査デバイス６５上の同一点を照射するようにする。これにより、レンズアレイ４１は、各レーザ光源６１の照明色が混ざり合った再生照明光で照明されることになる。
　レーザ光源６１は、単色のレーザ光源６１でもよいし、発光色の異なる複数のレーザ光源６１でもよい。例えば、赤、緑、青の複数のレーザ光源６１を用いて構成してもよい。複数のレーザ光源６１を用いる場合は、各レーザ光源６１からのコヒーレント光が走査デバイス６５上の一点に照射されるように各レーザ光源６１を配置すれば、各レーザ光源６１からのコヒーレント光の入射角度に応じた反射角度で反射されて、レンズアレイ４１上に入射され、レンズアレイ４１から別個に集光・発散されて、被照明領域ＬＺ上で重ね合わされて合成色になる。例えば、赤、緑、青の複数のレーザ光源６１を用いて構成して場合には白色になる。あるいは、各レーザ光源６１ごとに、別個の走査デバイス６５を設けてもよい。
　なお、例えば白色で照明する場合は、赤緑青以外の色で発光するレーザ光源６１、例えば、黄色で発光するレーザ光源６１を別個に設けた方が、より白色に近い色を再現できる場合もある。したがって、照射装置６０内に設けるレーザ光源６１の種類は、特に限定されるものではない。
　カラーの変調画像を形成する場合には、種々の実現手法が考えられる。光変調器３０がＬＣＯＳなどで構成されていて、各画素ごとにカラーフィルタを有する場合には、被照明領域ＬＺを白色光とすることで、光変調器３０で生成される変調画像をカラー化することができる。
　あるいは、例えば、赤色の変調画像を生成する光変調器３０と、緑色の変調画像を生成する光変調器３０と、青色の変調画像を生成する光変調器３０とを近接配置し、これら３つの光変調器３０のそれぞれを照明する３つの被照明領域ＬＺを、順次にレンズアレイ４１からの拡散光で照明するようにしてもよい。これにより、３つの光変調器３０で生成された３色の変調画像が合成されて、カラーの変調画像を生成可能となる。このような時分割駆動の代わりに、３つの光変調器３０で同時に生成した３色の変調画像をプリズム等を用いて合成して、カラーの変調画像を生成してもよい。
　上述した投射光学系８０は、主には、光変調器３０の変調画像を拡散スクリーン１５に投影するために設けられている。拡散スクリーン１５を設けることで、スペックルが重ねられて平均化される結果、スペックルが目立たなくなる。
　走査デバイス６５は、コヒーレント光の進行方向を経時的に変化させ、コヒーレント光の進行方向が一定とはならないよう種々の方向へ向ける。この結果、走査デバイス６５で進行方向を変化させられるコヒーレント光が、光学素子５０のレンズアレイ４１の入射面上を走査するようになる。
　なお、走査デバイス６５から出射されるコヒーレント光は、平行光であることが望ましい。平行光の場合は、図１に示すように、レンズアレイ４１内の要素レンズ４３がフィールドレンズ４２の方向にコヒーレント光を集光させることができるためである。仮に、走査デバイス６５から出射されるコヒーレント光が拡散光であったとすると、一つの要素レンズ４３からフィールドレンズ４２の方向に向かうコヒーレント光が種々の方向に分散してしまい、フィールドレンズ４２は被照明領域ＬＺの全域を照明できなくなる。そこで、走査デバイス６５には、出射光を平行光にするための不図示のコリメータ光学系を設けるのが望ましい。あるいは、レンズアレイ４１とフィールドレンズ４２の間に、別のレンズアレイを設けてもよい。
　以上のようにして、照射装置６０は、被照明領域ＬＺをコヒーレント光で照明する。例えば、レーザ光源６１がそれぞれ異なる色で発光する複数のレーザ光源６１を有する場合は、被照明領域ＬＺは、各色で照明される。したがって、これらレーザ光源６１が同時に発光する場合は、被照明領域ＬＺは３色が混ざり合った白色で照明されることになる。
　上述した照射装置６０は、コヒーレント光がレンズアレイ４１内の複数の要素レンズ４３の表面上を走査するように、光学素子５０にコヒーレント光を照射する。また、照射装置６０からレンズアレイ４１内の任意の位置に入射したコヒーレント光は、被照明領域ＬＺの全域を照明するが、当該被照明領域ＬＺを照明するコヒーレント光の照明方向は互いに異なる。そして、コヒーレント光が入射するレンズアレイ４１上の位置が経時的に変化するため、被照明領域ＬＺへのコヒーレント光の入射方向も経時的に変化する。
　上述したように、本実施形態では、コヒーレント光は、レンズアレイ４１上を連続的に走査する。これに伴って、照射装置６０から光学素子５０を介して被照明領域ＬＺに入射されるコヒーレント光の入射方向も連続的に変化する。ここで、光学素子５０から被照明領域ＬＺへのコヒーレント光の入射方向が僅か（例えば０．数°）だけ変化すれば、被照明領域ＬＺ上に生じるスペックルのパターンも大きく変化し、無相関なスペックルパターンが重畳されることになる。
　本実施形態では、被照明領域ＬＺの各位置において時間的にコヒーレント光の入射方向が変化していき、且つ、この変化は、人間の目で分解不可能な速さである。したがって、仮に被照明領域ＬＺにスクリーンを配置したとすると、各入射角度に対応して生成されたスペックルが重ねられ平均化されて観察者に観察されることから、スクリーンに表示されている映像を観察する観察者に対して、スペックルを極めて効果的に目立たなくさせることができる。本実施形態の場合は、被照明領域ＬＺの位置に重ねて光変調器３０を配置し、この光変調器３０から投射光学系８０を介して拡散スクリーン１５に投射しているが、この場合も同様であり、拡散スクリーン１５上で発生するスペックルが重ねられて平均化されるため、拡散スクリーン１５上で発生するスペックルは目立たなくなる。
　このように、本実施形態によれば、レンズアレイ４１内の複数の要素レンズ４３のピッチすなわちレンズ径を不規則にし、ピッチに合わせて各要素レンズ４３の焦点距離も変化させるため、被照明領域ＬＺ内にコヒーレント光による干渉パターンが目立たなくなる。また、照射装置６０内に走査デバイス６５を設けて、コヒーレント光を複数の要素レンズ４３の表面上で走査させることで、被照明領域ＬＺでのスペックルと、スクリーン上でのスペックルとを目立たなくさせることができる。
　特に、走査デバイス６５から複数の要素レンズ４３に入射されるコヒーレント光のビームスポットが２以上の要素レンズ４３にまたがる場合、被照明領域ＬＺの照明強度が不均一になりやすくなる。よって、このような場合には、レンズアレイ４１内の複数の要素レンズ４３のピッチすなわちレンズ径を不規則にすることが重要となる。
　（第２の実施形態）
　以下に説明する第２の実施形態では、レンズアレイ４１とは別個のレンズアレイを追加するものである。
　第２の実施形態による照明装置４１は、第１の実施形態のレンズアレイ４１と同様の形状および光学特性の第１レンズアレイ４１を備えており、第１レンズアレイ４１内の第１要素レンズ４３も、第１の実施形態のレンズアレイ４１内の要素レンズ４３と同様の形状および光学特性を有する。
　図７は本発明の第２の実施形態に係る照明装置４０の要部の構成を説明する図である。図７の照明装置４０は、第１レンズアレイ４１とフィールドレンズ４２との間の光路中に第２レンズアレイ４８を配置している。第２レンズアレイ４８は、複数の第２要素レンズアレイ４９を有し、複数の第１要素レンズ４３と複数の第２要素レンズ４９とは対応づけられている。
　複数の第２要素レンズ４９のそれぞれは、対応する第１要素レンズ４３と同じレンズ径を有するとともに、共通の焦点距離ｆ３を有する。すなわち、第２要素レンズ４３は、対応する第１要素レンズ４３とレンズ径は同じであるが、複数の第２要素レンズ４３の焦点距離ｆ３はすべて同じにしている。
　対応する第１要素レンズ４３と第２要素レンズ４９との間の光路長は、第２要素レンズ４９の焦点距離ｆ３に合わせている。すなわち、個々の第２要素レンズ４９は、第１要素レンズ４３から、第２要素レンズ４９自身の焦点距離ｆ３だけ離れた位置に配置されている。
　第１の実施形態で説明したように、第１レンズアレイ４１内の複数の第１要素レンズ４３のレンズ径は不規則であり、各第１要素レンズ４３の焦点距離も一様ではないため、被照明領域ＬＺ内でのコヒーレント光の干渉パターンが目立たなくなる。
　一方、第２レンズアレイ４８内の複数の第２要素レンズ４９のそれぞれは、対応する第１要素レンズ４３とレンズ径が同じであるため、第１要素レンズ４３を通過した光の多くが、対応する第２要素レンズ４９を通過する。
　また、複数の第２要素レンズ４９の焦点距離ｆ３はすべて共通にしてあるため、第１要素レンズ４３に斜めに入射された光を第２要素レンズ４９にて平行化することができる。これにより、光源６１が理想的な点光源でなくても、被照明領域ＬＺ内に効率よく光を集光させることができ、被照明領域ＬＺでの照明光のボケを抑制できる。
　このように、第１レンズアレイ４１内の複数の第１要素レンズ４３は被照明領域ＬＺでのスペックルを目立たせなくする機能を果たすのに対して、第２レンズアレイ４８内の複数の第２要素レンズ４９は被照明領域ＬＺ内の照明光のボケを抑制する機能を果たす。
　光源６１からのコヒーレント光がぼやけている場合には、第１要素レンズ４３に対して斜めに入射されるコヒーレント光が多くなる。第１要素レンズ４３に対して斜めに入射されたコヒーレント光は、フィールドレンズ４２を通過しなくなったり、あるいはフィールドレンズ４２を通過したとしても、被照明領域ＬＺ内の外側を照明する可能性が高くなり、結果として、被照明領域ＬＺ内の光強度が弱くなり、かつ不均一になる。
　ところが、本実施形態のように、対応する第１要素レンズ４３とレンズ径が同じで、かつ焦点距離ｆ３が同一の第２要素レンズ４９を、第２要素レンズ４９の焦点距離ｆ３だけ第１要素レンズ４３から離して配置すれば、第１要素レンズ４３に斜めに入射された光の大半を、対応する第２要素レンズ４９を通過させて平行化することができる。これにより、第２要素レンズ４９を通過した光は、フィールドレンズを通過して被照明領域ＬＺ内を照明することになり、被照明領域ＬＺ内の照明光の強度を均一化することができる。
　このように、第２の実施形態では、第１レンズアレイ４１とフィールドレンズとの間に第２レンズアレイ４８を設けるため、光源６１からのコヒーレント光がぼやけていても、被照明領域ＬＺを均一に照明できる。
　（第３の実施形態）
　上述した第１および第２の実施形態におけるレンズアレイ（第１レンズアレイ）４１は、各要素レンズ（第１要素レンズ）４３のつなぎ目に入射された光は有効に利用されずロスとなる。よって、各要素レンズ４３間のつなぎ目はないのが望ましい。このため、例えば図４に示したシリンドリカルレンズ４５で構成するのは有効であるが、別の実現手段として、図８および図９に示すようなトロイダルレンズアレイでレンズアレイ（第１レンズアレイ）４１を構成してもよい。ここで、トロイダルレンズとは、レンズの少なくとも片面が、トロイダル面で構成されているレンズのことをいう。なお、トロイダル面とは、樽の表面やドーナツの表面のようにｘ方向とｙ方向の曲率が異なる面のことである。
　図８および図９のトロイダルレンズアレイ５１，５２は、互いに交差する第１方向Ｘおよび第２方向Ｙのそれぞれに複数のトロイダルレンズ５３を並べた構造になっている。各トロイダルレンズ５３は、第１方向Ｘおよび第２方向Ｙのそれぞれにおいて、曲率がそれぞれ連続的に変化する曲面を持っている。このようなトロイダルレンズを第１方向Ｘおよび第２方向Ｙに複数個ずつ配置したものをレンズアレイ（第１レンズアレイ）４１として利用することができる。
　トロイダルレンズは、曲面のピッチを変えた場合でも、レンズ間のずれが小さくすることができる。このため、レンズアレイ（第１レンズアレイ）４１のように、一部の要素レンズ（第１要素レンズ）４３のレンズ径を変えた場合に、レンズのつなぎ目での光のロスを少なくすることができる。
　図８のトロイダルレンズアレイ５１では、第１方向Ｘにおける複数のトロイダルレンズ５３のピッチは少なくとも一部において異なっているのに対し、第２方向Ｙにおける複数のトロイダルレンズ５３のピッチは共通にしている。図８のトロイダルレンズアレイ５１をレンズアレイ（第１レンズアレイ）４１として用いる場合、図８のトロイダルレンズアレイ５１の第１方向Ｘを、図１等のレンズアレイ４１の光軸に直交する方向に配置すればよい。
　一方、図９のトロイダルレンズアレイ５２では、第１方向Ｘと第２方向Ｙのそれぞれにおいて、複数のトロイダルレンズ５３のピッチを少なくとも一部で相違させている。図９のトロイダルレンズアレイ５２において、第１方向Ｘと第２方向Ｙで、連続的に並んだトロイダルレンズ５３の数が相違する場合には、数の少ない方を図１等のレンズアレイ（第１レンズアレイ）４１の光軸に直交する方向に配置するのが望ましい。その理由は、ピッチの違いによるレンズ間のずれ量をできるだけ抑制できるためである。
　図８および図９のトロイダルレンズアレイ５１，５２は、トロイダルレンズアレイ５１，５２の外形形状に応じた型を予め作製しておき、この型に樹脂材を流し込んで硬化させる賦形処理により形成できる。
　このように、第３の実施形態では、レンズアレイ（第１レンズアレイ）４１としてトロイダルレンズアレイ５１または５２を用いるため、ピッチの違いによるレンズ間のずれが軽減され、被照明領域をより均一かつ明るく照明できる。
　本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

Claims (15)

  1. 　入射されたコヒーレント光を集光する複数の第１要素レンズと、
    　前記複数の第１要素レンズを通過したコヒーレント光のそれぞれを、所定の領域内の全域に導光するフィールドレンズと、を備え、
    　前記複数の第１要素レンズのレンズ径は、少なくとも一部において異なっており、
    　互いにレンズ径の異なる２つの第１要素レンズのうち、一方の第１要素レンズのレンズ径をｄ、焦点距離をｆとしたときに、他方の第１要素レンズのレンズ径は、ｋ×ｄ（ｋは０より大きく、１以外の値）で、かつ焦点距離はｋ×ｆである照明装置。
  2. 　前記複数の第１要素レンズは、第１方向に配列される２以上の第１要素レンズと、前記第１方向に交差する第２方向に配列される２以上の第１要素レンズとを有し、
    　前記第１方向に配列される２以上の第１要素レンズのレンズ径は、少なくとも一部において異なっており、
    　前記第２方向に配列される２以上の第１要素レンズのレンズ径は、少なくとも一部において異なっている請求項１に記載の照明装置。
  3. 　前記複数の第１要素レンズは、前記第１方向および前記第２方向のそれぞれに２以上の第１要素レンズを配列したレンズアレイである請求項２に記載の照明装置。
  4. 　前記複数の第１要素レンズの平面形状は、円形または矩形である請求項３に記載の照明装置。
  5. 　前記複数の第１要素レンズのそれぞれは、半円柱形状であり、
    　前記複数の第１要素レンズは、前記第１方向に２以上の第１要素レンズを配列する第１シリンドリカルレンズ部と、前記第２方向に２以上の第１要素レンズを配列する第２シリンドリカルレンズ部とを有するシリンドリカルレンズである請求項２に記載の照明装置。
  6. 　前記複数の第１要素レンズは、前記複数の第１要素レンズが並ぶ方向に複数のトロイダルレンズが並んだトロイダルレンズアレイであり、前記方向における前記複数のトロイダルレンズのピッチは少なくとも一部において異なっている請求項２に記載の照明装置。
  7. 前記トロイダルレンズアレイは、互いに交差する第１方向および第２方向のそれぞれにおいて前記複数のトロイダルレンズが並んでおり、前記第１方向に沿って並ぶ前記複数のトロイダルレンズのピッチは少なくとも一部において異なっており、前記第２方向に沿って並ぶ前記複数のトロイダルレンズのピッチは一定である請求項６に記載の照明装置。
  8. 　前記トロイダルレンズアレイは、互いに交差する第１方向および第２方向のそれぞれにおいて前記複数のトロイダルレンズが並んでおり、各方向における前記複数のトロイダルレンズのピッチは少なくとも一部において異なっている請求項６に記載の照明装置。
  9. 　前記第１方向に沿って並ぶ前記複数のトロイダルレンズの数と、前記第２方向に沿って並ぶ前記複数のトロイダルレンズの数とが異なる場合は、数の少ない方の前記複数のトロイダルレンズを、前記複数の第１要素レンズとして利用する請求項８に記載の照明装置。
  10. 　前記所定の領域は、前記フィールドレンズの焦点面の近傍に設けられる請求項１に記載の照明装置。
  11. 　コヒーレント光を放射する光源と、
    　前記光源から放射された前記コヒーレント光の進行方向を変化させて、該コヒーレント光を前記複数の第１要素レンズ上で走査させる走査デバイスと、を有する請求項１に記載の照明装置。
  12. 　前記複数の第１要素レンズと前記フィールドレンズとの間の光路中に、前記複数の第１要素レンズに対応づけて設けられる複数の第２要素レンズを備え、
    　前記複数の第２要素レンズのそれぞれは、対応する第１要素レンズと同じレンズ径を有するとともに、前記複数の第２要素レンズが共通の焦点距離を有し、
    　対応する第１要素レンズおよび第２要素レンズ間の光路長は、前記共通の焦点距離に等しい請求項１に記載の照明装置。
  13. 　請求項１に記載の照明装置と、
    　前記所定の領域に配置され、前記所定の領域を通過するコヒーレント光によって照明されて、変調画像を生成する光変調器と、
    　前記変調画像を拡散面に投射する投射光学系と、を備える投射装置。
  14. 　入射されたコヒーレント光を集光する複数の要素レンズを備え、
    　前記複数の要素レンズのレンズ径は、少なくとも一部において異なっており、
    　互いにレンズ径の異なる２つの要素レンズのうち、一方の要素レンズのレンズ径をｄ、焦点距離をｆとしたときに、他方の要素レンズのレンズ径は、ｋ×ｄ（ｋは０より大きく、１以外の値）で、かつ焦点距離はｋ×ｆであるレンズアレイ。
  15. 　光源から放射されたコヒーレント光を集光する複数の要素レンズと、
    　前記複数の要素レンズを通過したコヒーレント光のそれぞれを、所定の領域内の全域に導光するフィールドレンズと、
    　前記光源から放射された前記コヒーレント光の進行方向を変化させて、該コヒーレント光を前記複数の要素レンズ上で走査させる走査デバイスと、を備え、
    　前記複数の要素レンズのレンズ径は、少なくとも一部において異なっており、
    　互いにレンズ径の異なる２つの要素レンズのうち、一方の要素レンズのレンズ径をｄ、焦点距離をｆとしたときに、他方の要素レンズのレンズ径は、ｋ×ｄ（ｋは０より大きく、１以外の値）で、かつ焦点距離はｋ×ｆである光学モジュール。
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