(57)【要約】【課題】スペックルを効果的に低減できる照明装置を提供する。【解決手段】照明装置（２ｂ）は、光源装置（７）と、光源装置からの光の照度分布を被照明領域上で均一化する均一化光学系（１０）と、光源装置と均一化光学系との間の光路に設けられ、所定の回転軸（８１ａ）の周りで回転する回折光学素子（８１）と、を備える。回折光学素子は、第１の照度分布を形成する第１の領域と、回転軸の周りで第１の領域と異なる位置に設けられ、第１の照度分布と異なる第２の照度分布を形成する第２の領域とを含む。【選択図】図２
2014163973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源装置と、
前記光源装置からの光の照度分布を被照明領域上で均一化する均一化光学系と、
前記光源装置と前記均一化光学系との間の光路に設けられ、所定の回転軸の周りで回転する回折光学素子と、を備え、
前記回折光学素子は、
第１の照度分布を形成する第１の領域と、
前記回転軸の周りで前記第１の領域と異なる位置に設けられ、前記第１の照度分布と異なる第２の照度分布を形成する第２の領域とを含む
照明装置。
【請求項２】
前記光源装置と前記回折光学素子との間の光路に設けられ、前記光源装置からの光束を縮小する光束縮小光学系を備える
請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記回折光学素子と前記均一化光学系との間の光路に設けられ、前記均一化光学系に入射する光を平行化するコリメート光学系を備える
請求項１又は２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記回折光学素子から射出される光は、前記回折光学素子の回転角によらずに前記均一化光学系によってのみこまれる
請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項５】
請求項１〜４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により画像を形成する画像形成系と、
前記画像形成系が形成した画像を投写する投写系と、を備えるプロジェクター。
【請求項６】
前記画像形成系は、
前記被照明領域に配列される複数の画素のそれぞれに設けられた第１のマイクロレンズと、
前記第１のマイクロレンズとともにアフォーカル光学系を構成する第２のマイクロレンズとを含む
請求項５に記載のプロジェクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置、及びプロジェクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、表示装置の一つとしてプロジェクターが知られている（例えば、特許文献１参照）。プロジェクターは、例えば、照明装置からの光を光変調装置で変調することで画像を形成し、この画像を投写レンズなどでスクリーンに投写する。
【０００３】
照明装置の光源には、各種光源が用いられ、可干渉性を有する光（コヒーレント光）を発するコヒーレント光源が用いられることもある。コヒーレント光源は、レーザダイオード（ＬＤ）、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）などを用いた固体光源、短アークのランプ光源などである。例えば、レーザー光源を用いたプロジェクターは、レーザー光源の波長域が狭いために色再現範囲を十分に広くすることができ、小型化や構成部品の削減も可能である。
【０００４】
ところで、コヒーレント光源を用いたプロジェクターにより表示を行うと、画像を観察する観察者に、いわゆるスペックルが認識されることがある。スペックルは、光の干渉により明点と暗点が縞模様あるいは斑模様に分布するパターンであり、観察者に対してぎらつき感を与え、画像鑑賞時に不快感を与えることがある。そのため、スペックルを認識されにくくする（以下、スペックルを「低減する」という）技術の案出が期待される。
【０００５】
スペックルを低減する技術の一つとして、特許文献１には、投写レンズの瞳面上に形成されるスポットを、この瞳面上で光軸周りに回転させる技術が提案されている。特許文献１の技術によれば、スクリーン上の各点に入射する光線の角度分布が時間的に変化し、スペックのパターンが時間的に変化することになる。結果として、観察者にはスペックルが時間的に重畳（積分）されて観察され、スペックルが低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２１６８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の技術には、スペックルを効果的に低減する上で、改善の余地がある。例えば、瞳面上で瞳像を移動させる手法では、瞳像自体のパターンは変化しないのでスペックルを十分に低減できない。また、投写レンズの有効瞳（有効径）を大きくしなければならないため、投写レンズの大型化、高コスト化を招く。本発明は、スペックルを効果的に低減できる照明装置、及びプロジェクターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様の照明装置は、光源装置と、前記光源装置からの光の照度分布を被照明領域上で均一化する均一化光学系と、前記光源装置と前記均一化光学系との間の光路に設けられ、所定の回転軸の周りで回転する回折光学素子と、を備え、前記回折光学素子は、第１の照度分布を形成する第１の領域と、前記回転軸の周りで前記第１の領域と異なる位置に設けられ、前記第１の照度分布と異なる第２の照度分布を形成する第２の領域とを含む。
【０００９】
この照明装置は、均一化光学系に入射する際の光の照度分布が回折光学素子の回転に伴って変化するので、被照明領域上の各点に入射する光の角度分布が時間的に変化する。また、均一化光学系は、回折光学素子から入射する際の光の照度分布によらずに、被照明領域における照度分布を均一化する。その結果、この照明装置は、被照明領域を均一な明るさで照明できるとともに、被照明領域上の各点に入射する光の角度分布が時間的に変化することによりスペックルを効果的に低減できる。
【００１０】
第１の態様の照明装置は、前記光源装置と前記回折光学素子との間の光路に設けられ、前記光源装置からの光束を縮小する光束縮小光学系を備えていてもよい。
【００１１】
この照明装置は、光束縮小光学系を通った光が回折光学素子によってのみこまれやすくなるので、例えば回折光学素子を小型にできる。
【００１２】
第１の態様の照明装置は、前記回折光学素子と前記均一化光学系との間の光路に設けられ、前記均一化光学系に入射する光を平行化するコリメート光学系を備えていてもよい。
。
【００１３】
この照明装置は、均一化光学系に入射する光が平行化されるので、均一化光学系に対する光の入射角の増加を抑制できる。そのため、この照明装置は、均一化光学系でのみこめない光を減らすことができ、光のロスを抑制することができる。
【００１４】
第１の態様の照明装置において、前記回折光学素子から射出される光は、前記回折光学素子の回転角によらずに前記均一化光学系によってのみこまれてもよい。
【００１５】
この照明装置は、回折光学素子から射出された光を均一化光学系でのみこむことができるので、光のロスが抑制される。
【００１６】
第２の態様のプロジェクターは、第１の態様の照明装置と、前記照明装置からの光により画像を形成する画像形成系と、前記画像形成系が形成した画像を投写する投写系と、を備える。
【００１７】
このプロジェクターは、画像の観察者にスペックルが視認されにくいので、画像を高品位で表現できる。
【００１８】
第２の態様のプロジェクターにおいて、前記画像形成系は、前記被照明領域に配列される複数の画素のそれぞれに設けられた第１のマイクロレンズと、前記第１のマイクロレンズとともにアフォーカル光学系を構成する第２のマイクロレンズとを含んでいてもよい。
【００１９】
このプロジェクターは、画像を示す光の角度分布が画像形成系で変化することが抑制されるので、画像が投写される投写面上の各点に入射する光の角度分布を高精度に制御でき、スペックルを効果的に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態のプロジェクター１を示す図である。
【図２】照明装置、画像形成装置、色合成系、及び投写系を示す図である。
【図３】回折光学素子の構成例を示す図である。
【図４】回折光学素子が形成する照度分布（パターン光）の例を示す図である。
【図５】フレネル回折式中のパラメータの定義を説明するための図である。
【図６】開口関数を時間的に変化させる原理を説明するための図である。
【図７】第２実施形態による照明装置を示す図である。
【図８】第３実施形態による照明装置を示す図である。
【図９】光学ロッドを示す図である。
【図１０】光学ロッドおよびリレー光学系を示す図である。
【図１１】回折光学素子により形成されるパターン光の一例を示す図である。
【図１２】パターン光に対応して第３共役面に形成される瞳像を示す図である。
【図１３】画像形成装置の一例を示す図である。
【図１４】画像形成装置の他の例を示す図である。
【図１５】画像形成装置の他の例を示す図である。
【図１６】画像形成装置の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［第１実施形態］
第１実施形態について説明する。ここでは、まず、本実施形態のプロジェクターの概略を説明し、次いで照明装置などのプロジェクターの各部の詳細について説明する。
【００２２】
図１は、第１実施形態のプロジェクター１を示す図である。プロジェクター１は、ＤＶＤプレイヤー、ＰＣなどの信号源から供給される画像データに従って画像を形成し、形成した画像をスクリーンや壁などの投写面ＳＣ（表示画面）に投写する。
【００２３】
プロジェクター１は、照明系２と、照明系２からの照明光により画像を形成する画像形成系３と、画像形成系３が形成した画像を投写する投写系４と、プロジェクター１の各部を制御する制御系５とを備える。本実施形態のプロジェクター１は、いわゆる３板式のプロジェクターであり、赤緑青の各色の画像を個別に形成し、形成した３色の画像を色合成系６によって合成することで、フルカラーの画像を表現可能である。
【００２４】
照明系２は、赤色の照明光を射出する照明装置２ａと、緑色の照明光を射出する照明装置２ｂと、青色の照明光を射出する照明装置２ｃとを含む。これら照明装置は、いずれも同様の構成であり、それぞれ光源装置７及び照明光学系８を含む。
【００２５】
画像形成系３は、赤色の画像を形成する画像形成装置３ａと、緑色の画像を形成する画像形成装置３ｂと、青色の画像を形成する画像形成装置３ｃとを含む。照明系２の各色用の照明装置と画像形成装置とは、１対１で対応している。
【００２６】
各色用の画像形成装置は、対応する各色用の照明装置からの照明光により各色の画像を形成し、各色の画像に応じた画像光を射出する。例えば、赤色用の画像形成装置３ａは、赤色用の照明装置２ａからの照明光（赤色光）により、赤色の画像を形成する。画像形成装置３ａは、画像に応じた光（画像光）を射出する。赤以外の色用の画像形成装置についても、赤色用の画像形成装置３ａと同様に、形成した各色の画像に応じた各色の画像光を射出する。
【００２７】
画像形成系３から射出された各色の画像光は、色合成系６に入射する。色合成系６は、例えばダイクロイックプリズムであり、入射光の波長に応じて入射光を反射又は透過させる２つの波長分離膜を含む。１つの波長分離膜は、赤色光と緑色光とを透過させるとともに青色光を反射させる特性を有する。もう一つの波長分離膜は、緑色光と青色光とを透過させるとともに赤色光を反射させる特性を有する。
【００２８】
画像形成系３から色合成系６に入射した各色光は、波長分離膜での反射または透過により、進行方向が揃って色合成系６から出射する。色合成系６から出射した画像光は、投写系４に入射する。投写系４は、いわゆる投写レンズであり、画像形成系３が形成した画像を投写面ＳＣに拡大投写する。
【００２９】
次に、プロジェクター１の各部について、より詳しく説明する。本実施形態において、各色用の照明装置はいずれも同様の構成であり、各色用の画像形成装置はいずれも同様の構成である。そのため、緑色の画像に対応するシステムの構成を代表的に説明し、他色の画像に対応するシステムの説明を簡略化あるいは省略することがある。
【００３０】
図２は、照明装置２ｂ、画像形成装置３ｂ、色合成系６、及び投写系４を示す図である。照明装置２ｂは、画像形成装置３ｂにおける複数の画素が配列された領域を、ケーラー照明法などによりほぼ均一な明るさで照明する。照明装置２ｂは、被照明領域ＩＲの各点に入射する光の角度分布を時間的に変化させることで、スペックルが視認されることを抑制できる。
【００３１】
照明装置２ｂは、光源装置７、及び照明光学系８を備える。照明光学系８は、光源装置７からの光の照度分布を被照明領域ＩＲ（画像形成装置３ｂ）において均一化しつつ、被照明領域ＩＲ上の各点に入射する光の角度分布を時間的に変化させる。
【００３２】
光源装置７は、例えば、レーザー光源を含み、可干渉性を有する光として緑色のレーザー光を発する。
【００３３】
照明光学系８は、光束縮小光学系８０、回折光学素子８１、均一化光学系１０、及びフィールドレンズ１９を含む。本実施形態において、均一化光学系１０は、フライアイレンズ１３、フライアイレンズ１４、及び重畳レンズ１５を含む。光源装置７から射出された光は、光束縮小光学系８０を介して回折光学素子８１に入射し、回折光学素子８１を介して均一化光学系１０に入射した後、均一化光学系１０を介して被照明領域ＩＲに入射する。
【００３４】
光束縮小光学系８０は、光源装置７と回折光学素子８１との間の光路に設けられている。光束縮小光学系８０は、アフォーカル光学系（両側テレセントリックな光学系）であり、光源装置７からの光のビーム径を縮小する。
【００３５】
回折光学素子８１は、光源装置７と均一化光学系１０との間の光路に設けられている。回折光学素子８１は、例えばＣＧＨ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  Ｈｏｌｏｇｒａｍ）などであり、光源装置７からの光を回折させる特性を有する。図２の回折光学素子８１は、透過型であるが、反射型であってもよい。
【００３６】
回折光学素子８１は、所定の回転軸８１ａの周りに回転可能なように設けられており、図示略の電動モーターなどの駆動部から供給されるトルクにより回転軸８１ａの周りに回転する。回転軸８１ａは、例えば、光束縮小光学系８０の光軸とほぼ平行に設定される。
【００３７】
図３は回折光学素子８１の構成例を示す図、図４は回折光学素子８１が形成する光のパターン（照度分布）の例を示す図である。
【００３８】
図３の回折光学素子８１は、複数の領域を備える。具体的には、回折光学素子８１は第１の領域８２ａ、第２の領域８２ｂ、第３の領域８２ｃ、及び第４の領域８２ｄを備える。以下、第１の領域８２ａ、第２の領域８２ｂ、第３の領域８２ｃ、及び第４の領域８２ｄをまとめて、複数の領域８２と呼ぶ。光束縮小光学系８０からの光は、回折光学素子８１上の入射領域８３に入射する。複数の領域８２は、回折光学素子８１において、回転軸８１ａの周りの周方向に配列されており、回転軸８１ａの周りの周方向の位置が互いに異なっている。そのため、複数の領域８２のうち入射領域８３と重なる領域は、回折光学素子８１の回転軸８１ａの周りの回転に伴って時間的に変化する。回折光学素子８１は、光束縮小光学系８０からの光が複数の領域８２のうち一の領域に入射している間、他の領域に光が入射しないようにすることが可能なように構成されている。例えば入射領域８３は、その中心が回転軸８１ａからずれた位置に設定され、周方向の入射領域８３の大きさは、周方向の各領域８２の大きさよりも小さい。
【００３９】
複数の領域８２は、図４（ａ）〜図４（ｄ）に例示されるように、互いに異なるパターン（照度分布）の光を形成する。例えば、第１の領域８２ａは図４（ａ）のような台形状の暗部を形成し、第２の領域８２ｂは図４（ｂ）のような２重の矩形状の明部を形成する。また、第３の領域８２ｃは図４（ｃ）のような矩形状の明部および暗部を形成し、第４の領域８２ｄは図４（ｄ）のような矩形枠状の明部と台形状の明部とを形成する。本実施形態において、例えば、第１の領域８２ａが形成するパターンは第１の照度分布であり、第２の領域８２ｂが形成するパターンは第１の照度分布と異なる第２の照度分布である。
【００４０】
以上のような回折光学素子８１は、例えば、図３の状態では、第１の領域８２ａが入射領域８３と重なっているが、この状態から回折光学素子８１が時計回りに回転すると、第２の領域８２ｂが入射領域８３と重なり、次いで第３の領域８２ｃが入射領域８３と重なり、次いで第４の領域８２ｄが入射領域８３と重なる。結果として、回折光学素子８１から射出される光のパターンは、回折光学素子８１の回転に伴って、時間的に変化する。
【００４１】
回折光学素子８１に入射した光は、入射領域８３と重なっている領域に応じた照度分布の光（以下、パターン光という）に変換され、均一化光学系１０に入射する。すなわち、均一化光学系１０に入射する光の照度分布は、回折光学素子８１の回転に伴って、時間的に変化する。
【００４２】
図２に示す均一化光学系１０は、フライアイレンズ１３、フライアイレンズ１４、及び重畳レンズ１５を含む。
【００４３】
フライアイレンズ１３は、所定面に二次元的に配列された複数のレンズ要素１３ａを含む。レンズ要素１３ａが配列される所定面は、光源装置７において光が射出される複数の光射出領域７ａを含む面とほぼ平行である。複数のレンズ要素１３ａのそれぞれは、例えば、回折光学素子８１の入射領域８３（図３参照）と光学的に共役な面（以下、第１共役面１６という）を形成する。レンズ要素１３ａのそれぞれは、第１共役面１６上に光源像（二次光源）を形成する。
【００４４】
フライアイレンズ１４は、二次元的に配列された複数のレンズ要素１４ａを含む。レンズ要素１４ａが配列される面は、フライアイレンズ１３が形成する第１共役面１６の位置またはその近傍に配置される。フライアイレンズ１４のレンズ要素１４ａのそれぞれには光源像が形成され、フライアイレンズ１４（第１共役面１６）には複数の光源像を含む発光パターンが形成される。
【００４５】
重畳レンズ１５は、フライアイレンズ１４のレンズ要素１４ａのそれぞれから射出された光を、ほぼ同一の領域（被照明領域ＩＲ）に重畳する。重畳レンズ１５は、例えば、球面レンズや非球面レンズのような所定軸周りで回転対称な１または２以上のレンズを含む。この所定軸は、重畳レンズ１５の光軸１５ａ（照明光学系８の光軸）に相当し、光源装置７の光射出領域７ａ、フライアイレンズ１３が形成する第１共役面１６に対してほぼ垂直である。
【００４６】
なお、照明光学系８には、被照明領域ＩＲに入射する光の偏光状態を揃えるための偏光変換素子８５が設けられることがある。偏光変換素子８５は、例えばフライアイレンズ１４と重畳レンズ１５との間の光路に設けられる。
【００４７】
以上のような構成の照明光学系８は、光源装置７から射出されて回折光学素子８１を経由した光を、フライアイレンズ１３のレンズ要素１３ａごとに複数の部分光束に分割する。照明光学系８は、フライアイレンズ１３によって分割された複数の部分光束を、重畳レンズ１５によって被照明領域ＩＲ上にて重畳する。そのため、被照明領域ＩＲ上での照度分布が均一化される。
【００４８】
図２の画像形成装置３ｂは、例えば透過型の液晶ライトバルブであり、複数の画素を有する液晶パネル１７と、液晶パネル１７の入射側（光源装置７側）に配置された偏光板１８ａと、液晶パネル１７の射出側（投写系４側）に配置された偏光板１８ｂとを含む。偏光板１８ａの入射側における被照明領域ＩＲの近傍には、フィールドレンズ１９が配置されている。
【００４９】
射出側の偏光板１８ｂは、例えば、その透過軸が入射側の偏光板１８ａの透過軸と直交するように配置される。制御系５は、画像データに基づいて液晶パネル１７を制御して、各画素を通った光の偏光状態を制御することにより、偏光板１８ａと液晶パネル１７と偏光板１８ｂの透過率を画素ごとに制御する。このようにして、画像形成装置３ｂは、画像データに規定された画像を形成する。
【００５０】
図１を参照して説明したように、画像形成装置３ｂから出射した画像光は、色合成系６を介して投写系４に入射する。投写系４は、画像形成装置３ｂ（物体面）と光学的に共役な像面を形成し、この像面に配置される投写面ＳＣ上には、画像形成装置３ｂが形成した画像が投写される。
【００５１】
投写系４には、照明光の源になる光源像（フライアイレンズ１４）と光学的に共役な第２共役面２１が形成される。第２共役面２１は、いわゆる瞳面であり、第２共役面２１には、画像形成装置３ｂから射出された光の角度分布に応じたパターンのスポット（瞳像、角度像などとも呼ばれる）が形成される。
【００５２】
ところで、可干渉性を有する光を照明に用いて画像を形成する場合には、例えば投写面ＳＣを経由した画像光の干渉により、明点と暗点が縞模様あるいは斑模様に分布するパターン（スペックル）が視認されることがある。スペックルが画像の観察者に視認されると、観察者にぎらつき感を与えることがあり、画像表示の品位が低下することがある。
【００５３】
スペックルを視認されにくくする方式の一つに、スクリーン上のスペックルのパターンを時間的に変化させる時間多重方式が挙げられる。この方式では、観察者が視認できないほどの周波数（例えば、２４Ｈｚ以上）でスペックルのパターンを変化させることで、時間積分されたスペックルのコントラストが低下し、観察者には特定の明暗のパターンが視認されにくい。例えば、無相関のスペックルパターンが１／２４秒以下の間にＮ回切り替わる場合、スペックルのコントラストは、１／√Ｎに低下する。
【００５４】
ここで、図５および下記の式（１）を参照しつつ、スペックルのパターンについて説明する。図５は、フレネル回折式（下記の式（１））中のパラメータの定義を説明するための図である。
【００５５】
【数１】
2014163973.tif 000003
【００５６】
図５において、符号ｘ、ｙは第２共役面２１（投写系４の瞳面）上の座標を示し、符号ｘ’、ｙ’は投写面ＳＣ（スクリーン）上の座標を示す。ここでは、説明の便宜上、第２共役面２１および投写面ＳＣがＸＹ平面（図２参照）と平行であるものとする。ＸＹ平面は光軸１５ａと直交する平面である。図５中の符号Ｒは、第２共役面２１から投写面ＳＣまでの距離を示す。
【００５７】
下記の式（１）は、いわゆるフレネル回折式であり、左辺のｕ（ｘ’，ｙ’）は投写面ＳＣ上の振幅分布、右辺のＡは振幅、ｉは虚数単位、ｋは波数（伝播定数）、λは画像光の波長、ｆ（ｘ，ｙ）は開口関数である。スペックルのパターンは、投写面ＳＣ上の振幅分布ｕ（ｘ’，ｙ’）と対応関係があることから、開口関数ｆ（ｘ，ｙ）に応じて変化すると類推される。本実施形態の照明装置は、第２共役面２１上での明暗のパターンを示す開口関数ｆ（ｘ，ｙ）を時間的に変化させることにより、スペックルのパターンを変化させ、スペックルを低減できる。
【００５８】
図６は、開口関数ｆ（ｘ，ｙ）を時間的に変化させる原理を説明するための図である。図６において、符号１３ａ１および符号１３ａ２は、それぞれ、フライアイレンズ１３の複数のレンズ要素１３ａから任意に選択される１つのレンズ要素を示す。同様に、符号１４ａ１および符号１４ａ２は、それぞれ、フライアイレンズ１４の複数のレンズ要素１４ａから任意に選択される１つのレンズ要素を示す。
【００５９】
レンズ要素１３ａ１から射出された光（以下、部分光束Ｌａという）は、レンズ要素１４ａ１を通って、被照明領域ＩＲの全体に照射される。レンズ要素１３ａ２から射出された光（以下、部分光束Ｌｂという）は、レンズ要素１４ａ２を通って、被照明領域ＩＲの全体に照射される。
【００６０】
ここで、部分光束Ｌａの光量と部分光束Ｌｂの光量の和が一定である状態においては、部分光束Ｌａの光量と部分光束Ｌｂの光量が変化した場合であっても、被照明領域ＩＲでの明るさが変化しない。一方で、被照明領域ＩＲ上の各点に入射する光の角度分布は、被照明領域ＩＲに対するレンズ要素１４ａ１の相対位置と、被照明領域ＩＲに対するレンズ要素１４ａ２の相対位置とが異なるので、部分光束Ｌａと部分光束Ｌｂの光量の変化に応じて変化する。
【００６１】
すなわち、フライアイレンズ１３に入射する際の光のパターン（照度分布、光強度の空間分布）が時間的に変化することで、フライアイレンズ１４に形成される光源像のパターンが時間的に変化し、この光源像と光学的に共役な第２共役面２１（投写系４の瞳面）上での瞳像のパターンすなわち開口関数ｆ（ｘ，ｙ）が時間的に変化する。
【００６２】
照明系２（照明装置２ｂ）は、回折光学素子８１を回転させることにより、入射領域８３と重なる領域を時間的に変化させる。そのため、均一化光学系１０に入射する光の照度分布（パターン）が時間的に変化する。そして、第１共役面１６に形成される光源像のパターンが時間的に変化し、第１共役面１６と光学的に共役な第２共役面２１上の瞳像のパターン（開口関数ｆ（ｘ，ｙ））が時間的に変化する。これにより、照明装置２ｂは、スペックルを効果的に低減できる。
【００６３】
回折光学素子８１が回転することによって、入射領域８３は回折光学素子８１の上で周方向に見かけ上移動する。ここで、入射領域８３が例えば第３の領域８２ｃの内側に留まっている場合、図４（ｃ）に示したパターン（照度分布）の光が形成されるが、回折光学素子８１が回転に伴って、形成されるパターンも光軸１５ａ（光源装置７から射出される光の光軸）の周りを回転する。また、図４（ｃ）に示したパターンのように、明部が光軸１５ａから偏った位置に形成される場合、明部は光軸１５ａの周りを移動する。従って、入射領域８３と重なっている領域が変化していない間でも、回折光学素子８１の回転に伴って、フライアイレンズ１３上での照度分布（パターン）は時間的に変化する。さらに、例えば図４（ｃ）に示したように、明部が光軸１５ａから偏った位置に形成されるように回折光学素子８１を設計すれば、入射領域８３と重なっている領域が変化していない間でも、回折光学素子８１の回転に伴って、フライアイレンズ１３上でのパターンはフライアイレンズ１３上で回転するだけでなく移動する。そのため、フライアイレンズ１４に形成される光源像のパターンの変化が大きくなり、スペックルを効果的に低減できる。
【００６４】
なお、照明装置２ｂは、回折光学素子８１から射出された光が、回折光学素子８１の回転角によらずに、均一化光学系１０にのみ込まれるように構成されている。好ましくは、回折光学素子８１から射出された光の全てが、回折光学素子８１の回転角によらずに、均一化光学系１０にのみ込まれるように構成するとよい。すなわち、照明装置２ｂは、回折光学素子８１の回転に伴ってフライアイレンズ１３を含む面内で移動する光のパターンの移動範囲が、フライアイレンズ１３の内部に収まるように構成されている。このような構成にするには、例えば、フライアイレンズ１３上での光のパターンの移動範囲に対して、フライアイレンズ１３のサイズにマージンを持たせるようにしてもよい。また、フライアイレンズ１３を含む面内での光のパターンがフライアイレンズ１３からはみださないように、回折光学素子８１の回折角を調整しておいてもよい。
【００６５】
また、光束縮小光学系８０は、光源装置７からの光のビーム径を縮小するので、光束縮小光学系８０を通った光が回折光学素子８１からはみだしにくくなり、例えば回折光学素子８１を小型にできる。また、回折光学素子８１の入射領域８３が小さくなるので、回折光学素子８１を経由したパターン光がフライアイレンズ１３にのみ込まれやすくなる。
【００６６】
以上のような照明装置２ｂを備えるプロジェクター１は、画像の観察者にスペックルが視認されにくいので、画像の表示品質の低下を抑制できる。また、プロジェクター１は、投写系４の外部の装置（照明装置２ｂ）により瞳像のパターンを時間的に変化させるので、投写される光の角度分布を調整する装置を投写系４に設ける場合と比較して、投写系４の大型化、高コスト化などを避けることができる。また、プロジェクター１は、投写面ＳＣの瞳面上で固定のパターンの瞳像を移動させる方式と比較して、投写系４の瞳面の有効径を広げる必要性が低いので、投写系４の大型化、高コスト化などを避けることができる。
【００６７】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図７は、第２実施形態による照明装置２ｂ（照明系２）、画像形成装置３ｂ（画像形成系３）、色合成系６、および投写系４を示す図である。本実施形態の照明装置２ｂが第１実施形態と異なる点は、回折光学素子８１と均一化光学系１０との間の光路にコリメート光学系８６を備える点である。コリメート光学系８６は、均一化光学系１０に入射する光を平行化する。そのため、均一化光学系１０（フライアイレンズ１３）に対する光の入射角を抑えることができ、均一化光学系１０でのみこめない光を減らすことができるので、光のロスを減らすことができる。
【００６８】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。図８は、第３実施形態による照明装置２ｂおよび画像形成系３（画像形成装置３ｂ）を示す図である。この照明装置２ｂは、均一化光学系１０の構成が第１実施形態と異なっている。本実施形態において、均一化光学系１０は、光学ロッド３６、及びリレー光学系３７を含む。
【００６９】
図９は、光学ロッド３６を示す図である。光学ロッド３６は、いわゆるロッドインテグレータ（ロッドレンズ）などである。光学ロッド３６の中心軸を均一化光学系１０の光軸８ａとする。光学ロッド３６は光軸８ａに平行な方向に延びる四角柱状の光学部材である。光学ロッド３６は、入射端面３６ａ、内面３６ｂ、及び射出端面３６ｃを有する。入射端面３６ａと射出端面３６ｃは、互いにほぼ平行であり、それぞれ光軸８ａとほぼ直交する。内面３６ｂは、入射端面３６ａと射出端面３６ｃとを結ぶ４つの側面の内面であり、光軸８ａとほぼ平行である。
【００７０】
入射端面３６ａは、例えば、回折光学素子８１から射出された光が入射端面３６ａに入射するように、図３に示した回折光学素子８１の入射領域８３の近傍に配置される。回折光学素子８１と入射端面３６ａとの間の光路には、回折光学素子８１から射出された光を、入射端面３６ａに入射させるように集光するレンズが設けられていてもよい。入射端面３６ａに入射する光の角度分布は、回折光学素子８１の入射領域８３と重なっている領域に応じた分布になる。
【００７１】
光学ロッド３６の入射端面３６ａに入射した光は、内面３６ｂでの多重反射により射出端面３６ｃに導かれる。内面３６ｂでの光の反射回数は、角度成分ごとに異なっており、広角成分の反射回数は望遠成分の反射回数よりも多い。光学ロッド３６の射出端面３６ｃには、内面３６ｂでの反射回数が０回の光束と、図９に示すような反射回数が１回の光束Ｌｂ、反射回数が２回の光束Ｌｃなどの反射回数が互いに異なる複数の光束が重畳され、これにより射出端面３６ｃでの照度分布が均一化される。
【００７２】
図１０は、光学ロッド３６およびリレー光学系３７を示す図である。リレー光学系３７は、光学ロッド３６の射出端面３６ｃと光学的に共役な面（被照明領域ＩＲ）を形成する。光源装置７からの光の照度分布は、光学ロッド３６の射出端面３６ｃにおいて均一化されるので、射出端面３６ｃと共役な被照明領域ＩＲにおいても均一化される。このように、均一化光学系１０は、光源装置７からの複数の光束を被照明領域ＩＲで互いに重畳することで、被照明領域ＩＲにおける照度分布を均一にする。
【００７３】
ところで、リレー光学系３７には、図２に示した投写系４の第２共役面２１と光学的に共役な第３共役面３８（いわゆる瞳面）が形成される。この第３共役面３８には、光学ロッド３６の射出端面３６ｃ上の各点から射出される光の角度分布に応じたパターンの瞳像が形成される。照明装置２ｂは、回折光学素子８１の回転によって、均一化光学系１０（光学ロッド３６）に入射する際の光の角度分布を時間的に変化させる。そのため、第３共役面３８に形成される瞳像のパターンが時間的に変化し、投写系４の第２共役面２１における瞳像のパターンが時間的に変化する。
【００７４】
図１１は、回折光学素子８１により形成されるパターン光ＰＬ５の一例を示す図である。図１２は、図１１のパターン光に対応して第３共役面３８に形成されるスポットのパターンＰＬ６（瞳像）を示す図である。図１１において、符号４０ａ〜４０ｄは、それぞれ、回折光学素子８１から射出された光のスポットを示す。
【００７５】
図９に示したように、光学ロッド３６の射出端面３６ｃの各点には、内面３６ｂでの反射回数が異なる複数の光束が入射する。そのため、光学ロッド３６の射出側から観察すると、光源像の実像Ｉｍ１と複数の虚像Ｉｍ２とが配列されているように見える。本例において、第３共役面３８上には、図１２に示すような実像Ｉｍ１に対応するパターン４１ａと虚像Ｉｍ２に対応する複数のパターン４１ｂとが配列される。パターン４１ａとパターン４１ｂは、光学ロッド３６の内面３６ｂに相当する境界線４２に関して線対称なパターン（鏡像、反転像）である。
【００７６】
ここで、第３共役面３８上でスポット４０ａと共役な領域４３ａは、互いに交差する境界線４２ａおよび境界線４２ｂの近傍に配置されるものとする。境界線４２ａに関して領域４３ａと対称な領域４３ｂ、境界線４２ｂに関して領域４３ｂと対称な領域４３ｃ、境界線４２ａに関して領域４３ｃと対称な領域４３ｄは、それぞれ、スポット４０ａと共役な領域である。また、境界線４２ｃに関して領域４３ａと対称な領域４３ｅ、境界線４２ｄに関して領域４３ｅと対称な領域４３ｆ、境界線４２ｃに関して領域４３ｆと対称な４３ｇも、それぞれ、光射出領域４０ａと共役な領域である。そのため、スポット４０ａの明るさが変化すると、多数の領域（図１２の例では９個の領域）の明るさが一括して変化することになる。従って、第３共役面３８上の光源像のパターンの変化が大きくなる。本実施形態の照明装置２ｂは、回折光学素子８１の回転によるパターン光の変化に比べて、第３共役面３８上の瞳像のパターンの変化を大きくすることができ、スペックルを効果的に低減できる。
【００７７】
上記の実施形態では、画像形成装置３ｂとして透過型の液晶ライトバルブを用いている。透過型の液晶ライトバルブには、一般的に、画素Ｐの周辺部を覆う遮光層（ブラックマトリクス）が設けられている。遮光層は照明光の一部を遮光するために、照明光の利用効率が低下する。そのため、透過型の液晶ライトバルブには、画素ごとにマイクロレンズが設けられる場合がある。しかしながら、マイクロレンズの屈折力が大きい場合、瞳像を時間的に変化させることによるスペックル低減効果が低減される場合がある。そのような場合には、画像形成装置３ｂがアフォーカル光学系を備えることで、スペックル低減効果の低減を抑えることができる。
【００７８】
画像形成装置３ｂの構成例について説明する。図１３は、画像形成装置３ｂの一例を示す図である。画像形成装置３ｂは、アフォーカル光学系３０を備え、このアフォーカル光学系３０は、第１のマイクロレンズ３１ａおよび第２のマイクロレンズ３１ｂを含む。本例において、第１のマイクロレンズ３１ａと第２のマイクロレンズ３１ｂは、同じ光学部材上に設けられたレンズアレイであり、この光学部材は、液晶層３２の入射側に配置されている。
【００７９】
本例のアフォーカル光学系３０は、いわゆるケプラー式であり、第１のマイクロレンズ３１ａおよび第２のマイクロレンズ３１ｂは、それぞれ正のパワー（屈折力）を有する凸レンズである。第１のマイクロレンズ３１ａは、画素Ｐごとに、液晶層３２に対する照明光の入射側に設けられている。第２のマイクロレンズ３１ｂは、第１のマイクロレンズ３１ａの焦点位置と液晶層３２との間に配置されている。
【００８０】
画像形成装置３ｂは、画素Ｐの周辺部を覆う遮光層３３（ブラックマトリクス）を備え、アフォーカル光学系３０は、画素Ｐに向かって進行する光束が画素Ｐの内部に入射するように、ビーム径を縮小する。そのため、画像形成装置３ｂでは、遮光層３３での光のロスが少なくなり、光の利用効率が高くなる。
【００８１】
また、アフォーカル光学系３０は、各画素Ｐへ入射する光束を平行光束にするので、画像形成装置３ｂを通る光の角度分布に及ぼす画像形成装置３ｂの影響を減らすことができる。そのため、照明装置２ｂが時間的に変化させる光の角度分布を、第２共役面２１上での瞳像に反映させやすくなり、スペックルを視認されにくくする効果を高めることができる。
【００８２】
図１４〜図１６は、それぞれ、画像形成装置３ｂの他の例を示す図である。図１４に示す画像形成装置３ｂにおいて、アフォーカル光学系３０は、いわゆるガリレオ式であり、第１のマイクロレンズ３１ａが正のパワーを有する凸レンズであり、第２のマイクロレンズ３１ｂが負のパワーを有する凹レンズである。ガリレオ式のアフォーカル光学系３０は、ケプラー式よりも光路長を短くできる。
【００８３】
図１５に示す画像形成装置３ｂにおいて、アフォーカル光学系３０は、ケプラー式であり、第１のマイクロレンズ３１ａと第２のマイクロレンズ３１ｂがいずれも正のパワーを有する凸レンズである。本例において、第１のマイクロレンズ３１ａと第２のマイクロレンズ３１ｂは、それぞれ、別の光学部材に設けられたレンズアレイである。第１のマイクロレンズ３１ａは、液晶層３２に対する入射側に配置されており、その焦点位置が例えば液晶層３２の内部に配置される。第２のマイクロレンズ３１ｂは、液晶層３２に対する光の射出側に配置されている。
【００８４】
ケプラー式のアフォーカル光学系３０を用いる場合に、本例のように、第１のマイクロレンズ３１ａと第２のマイクロレンズ３１ｂとの間の光路を液晶層３２の配置スペースに利用することで、例えば画像形成装置３ｂを薄型にできる。また、ケプラー式のアフォーカル光学系３０は、ガリレオ式と比較して、遮光層３３の開口を通る際の光のビーム径を絞りやすいので、遮光層３３での光のロスを減らしやすい。
【００８５】
図１６に示す画像形成装置３ｂにおいて、アフォーカル光学系３０は、ガリレオ式であり、第１のマイクロレンズ３１ａが正のパワーを有する凸レンズ、第２のマイクロレンズ３１ｂが負のパワーを有する凹レンズである。第１のマイクロレンズ３１ａは、液晶層３２の入射側に配置されており、第２のマイクロレンズ３１ｂは、液晶層３２の射出側に配置されている。このような画像形成装置３ｂは、例えばケプラー式と比較して、格段に薄型にできる。
【００８６】
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態で説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、上記の実施形態で説明した要件の少なくとも１つは、省略されることある。
【００８７】
なお、上述の実施形態においては、画像形成装置ごとに照明装置が設けられているが、複数の画像形成装置に対して１つの照明装置が設けられていてもよい。例えば、照明装置は、複数の色光を含む光（端的には白色光）から各色光を分離し、各色光を各色用の画像形成装置に導く構成でもよい。白色光を発生させる光源装置としては、例えば、赤色のレーザー光を発するレーザー光源と、緑色のレーザー光を発するレーザー光源と、青色のレーザー光を発するレーザー光源とを備え、各色のレーザー光をダイクロイックプリズムまたはダイクロイックミラーで合成する構成でよい。また、白色光を発生させる光源装置は、発光ダイオードなどの固体光源、メタルハライドランプなどの短アークのランプ光源などを含むものでものでもよい。
【００８８】
なお、均一化光学系１０の少なくとも一部は、光源装置７の一部として設けられていてもよい。例えば、図２に示した照明装置２ｂにおいて、光源装置７は、フライアイレンズ１３およびフライアイレンズ１４を含む光学ユニットであってもよい。
【００８９】
なお、上記の実施形態において、プロジェクター１は、三板式の透過型液晶を備えたプロジェクターであるが、各色の画像を時間順次で投写し、各色の画像が時間的に積分されて観察されることでフルカラーの画像が表現される形態でもよい。プロジェクター１が表示する画像の色数に限定はなく、単色の画像を表示するものでもよいし、３色（３チャンネル）の色光でフルカラー画像を表現する代わりに２または４以上の色光で画像を表示するものでもよい。
【００９０】
なお、画像形成装置に用いられる光変調器は、透過型の液晶装置の他に、反射型の液晶装置、デジタルミラーデバイス等であってもよい。光変調器は、ＨＴＰＳ（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）技術、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）技術などによるライトバルブでもよく、図１３〜図１６に示したような遮光膜３３（ブラックマトリックス）を備えていなくてもよい。光変調器として液晶装置以外の光変調器を使用する場合は、フィールドレンズ１９を省略してもよい。
【符号の説明】
【００９１】
１  プロジェクター、２  照明系、２ａ〜２ｃ  照明装置、３  画像形成系、３ａ〜３ｃ  画像形成装置、４  投写系、７  光源装置、８  照明光学系、１０  均一化光学系、１３  フライアイレンズ（レンズアレイ）、１４  フライアイレンズ（レンズアレイ）、１５  重畳レンズ、３０  アフォーカル光学系、３１ａ  第１のマイクロレンズ、３１ｂ  第２のマイクロレンズ、８０  光束縮小光学系、８１  回折光学素子、８１ａ  回転軸、８２ａ  第１の領域、８２ｂ  第２の領域、８６  コリメート光学系、ＩＲ  被照明領域、ＳＣ  投写面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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