(57)【要約】【課題】光損失を低減できる照明装置を提供する。また、前記照明装置を備えるプロジェクターを提供する。  【解決手段】光源装置と、光成形光学系と、拡散素子と、を備える照明装置である。光源装置は、第１の光束を射出する第１の発光素子を含み、第１の光束を含む光を射出する。前記光は光成形光学系に入射する。光成形光学系は第１の光束が入射する第１のレンズを含む。光成形光学系を透過した前記光は拡散素子に入射する。前記光が拡散素子上に形成する照明領域は、照明領域の内側に向かってくぼんだ第１の縁部を有している。第１のレンズは第１の回転非対称自由曲面を有する。【選択図】図４
2018120025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光束を射出する第１の発光素子を含むとともに、該第１の光束を含む光を射出する光源装置と、
前記第１の光束が入射する第１のレンズを含むとともに、前記光が入射する光成形光学系と、
前記光成形光学系を透過した前記光が入射する拡散素子と、を備え、
前記光が前記拡散素子上に形成する照明領域は、該照明領域の内側に向かってくぼんだ第１の縁部を有し、
前記第１のレンズは、第１の回転非対称自由曲面を有する
照明装置。
【請求項２】
前記照明領域の外形は、前記照明領域の内側に向かってくぼんだ、前記第１の縁部を含む複数の縁部を有する
請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記第１の回転非対称自由曲面は、ｘとｙとを変数とする式（１）で表される
請求項１または２に記載の照明装置。
【数１】
2018120025.tif 000005
【請求項４】
前記式（１）において、ｐを正の整数としたとき、ｘ２ｐｙ２ｐで表される項を少なくとも一つ含む
請求項３に記載の照明装置。
【請求項５】
前記式（１）において、ｈを正の整数としたとき、ｘｈの項の係数Ｃｊはｙｈの項の係数Ｃｊと異なっている
請求項３又は４に記載の照明装置。
【請求項６】
前記式（１）において、ｘ２ｙ４の項の係数Ｃｊはｘ４ｙ２の項の係数Ｃｊと異なっている
請求項３又は４に記載の照明装置。
【請求項７】
前記光源装置は第２の光束を射出する第２の発光素子をさらに備え、
前記光成形光学系は、前記第２の光束が入射する第２のレンズと、前記第１の光束と前記第２の光束とを前記拡散素子に入射させるレンズ面とをさらに備え、
前記第２のレンズは、第２の回転非対称自由曲面を有する
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記レンズ面は、前記第１の光束の主光線と前記第２の光束の主光線とが前記拡散素子上の互いに異なる位置に入射するように構成されている
請求項７に記載の照明装置。
【請求項９】
前記拡散素子は波長変換素子を含む
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の照明装置と、
前記照明装置から射出された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。
【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ものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザーアレイから射出した励起光を蛍光体層に集光させた状態で入射させることで蛍光を生成する光源装置が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。この光源装置を用いたプロジェクターでは、第１、第２のインテグレータレンズアレイを用いて、被照明領域である光変調装置に蛍光を照射する。
【０００３】
また、プロジェクターにおいて、レーザーアレイから射出した励起光を、二枚のマルチレンズアレイと集光レンズとを用いて蛍光体層上に入射させて蛍光を生成する技術が知られている（例えば、下記特許文献２参照）。二枚のマルチレンズアレイと集光レンズとの作用によって、蛍光体層上での励起光のスポットは矩形状となる。
【０００４】
ところで、光変調装置の画像形成領域は矩形状であるため、光変調装置を照明する光の断面形状を矩形状とするのが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１０８４８６号公報
【特許文献２】特開２０１４−１３８１４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、上記特許文献１に開示される光源装置に、上記特許文献２に開示される二枚のマルチレンズアレイを組み合わせることで、蛍光体層上での励起光のスポットを矩形状とすることが考えられる。
【０００７】
蛍光体層上での励起光のスポットを矩形状とした場合であっても、蛍光体層の内部における励起光と蛍光の拡散によって、蛍光体層における発光領域は矩形ではなく円形に近い形状となる。
このような円形状の発光領域から射出された光線束によって矩形状の被照明領域を照明する場合、第２のインテグレータレンズアレイの各レンズ上には円形状の光源の像が形成される。第２のインテグレータレンズアレイの各レンズは矩形状であるため、円形の像がレンズの外形よりも大きい場合は、その一部が隣接するレンズに入射するため、被照明領域の外側に逸れてしまい光損失が生じてしまう。これを避けるために円形の像を小さくすると、光線の角度が大きくなり後段の光学系で損失が生じてしまう。
【０００８】
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、光損失を低減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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１態様に従えば、第１の光束を射出する第１の発光素子を含む光源装置と、前記第１の光束が入射する第１のレンズを含む光成形光学系と、前記光成形光学系を透過した前記第１の光束を含む光源光が入射する拡散素子と、を備え、前記光源光が前記拡散素子上に形成する照明領域は、該照明領域の内側に向かってくぼんだ第１の縁部を有し、前記第１のレンズは、第１の回転非対称自由曲面を有する照明装置が提供される。
【００１０】
第１態様に係る照明装置では、照明領域において光が拡散素子で拡散されるため、第１の縁部においては発光領域が照明領域の外側に拡がる。これにより、発光領域は、照明領域の形状よりも、少なくとも第１の縁部に対応する部分が矩形に近づいた形状となる。よって、発光領域の光を効率良く利用可能となるので、光損失を低減できる。また、第１のレンズは第１の回転非対称自由曲面を有するので、照明領域の形状の制御が容易である。
【００１１】
上記第１態様において、前記照明領域の外形は、前記照明領域の内側に向かってくぼんだ、前記第１の縁部を含む複数の縁部を有するのが好ましい。
この構成によれば、拡散素子における発光領域をより矩形に近づけることができる。
【００１２】
上記第１態様において、前記第１の回転非対称自由曲面は、ｘとｙとを変数とする式（１）で表されるのが好ましい。
【００１３】
【数１】
2018120025.tif 000003
【００１４】
この構成によれば、ｘ方向の曲率及びｙ方向の曲率をそれぞれ独立して設計できるので、レンズ設計が容易となる。
【００１５】
上記第１態様において、前記式（１）において、ｐを正の整数としたとき、ｘ２ｐｙ２ｐで表される項を少なくとも一つ含むことが好ましい。
この構成によれば、第１の光束が拡散素子上に形成するスポットの対角線方向（ｘ方向及びｙ方向と交差する方向）の大きさを容易に調整できる。
【００１６】
上記第１態様において、前記式（１）において、ｈを正の整数としたとき、ｘｈの項の係数Ｃｊはｙｈの項の係数Ｃｊと異なっているのが好ましい。
この構成によれば、スポットの大きさをｘ方向及びｙ方向においてそれぞれ独立に調整できる。
【００１７】
上記第１態様において、前記式（１）において、ｘ２ｙ４の項の係数Ｃｊはｘ４ｙ２の項の係数Ｃｊと異なっているのが好ましい。
この構成によれば、スポットの対角線方向の大きさをｘ方向及びｙ方向において精度良く調整できる。
【００１８】
上記第１態様において、前記光源装置は第２の光を射出する第２の発光素子をさらに備え、前記光成形光学系は、前記第２の光が入射する第２のレンズと、前記第１の光と前記第２の光とを前記拡散素子に入射させるレンズ面とをさらに備え、前記第２のレンズは、第２の回転非対称自由曲面を有するのが好ましい。
この構成によれば、第１の光及び第２の光を用いた場合において、拡散素子における発光領域を矩形に近づけることができる。
【００１９】
上記第１態様において、前記レンズ面は、前記第１の光の主光線と前記第２の光の主光線とが前記拡散素子上の互いに異なる位置に入射するように構成されているのが好ましい。
この構成によれば、第１の光及び第２の光を合成することで所望の形状の照明領域を形成できる。
【００２０】
上記第１態様において、前記拡散素子は波長変換素子を含むのが好ましい。
この構成によれば、波長変換素子から射出される蛍光の発光領域を矩形に近づけることができる。よって、蛍光光の損失を低減できる。
【００２１】
本発明の第２態様に従えば、上記第１態様の照明装置と、前記照明装置から射出された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。
【００２２】
第２態様に係るプロジェクターにおいては、照明装置における光損失が低減されている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】プロジェクターの光学系を示す概略図。
【図２】照明装置の概略構成を示す図。
【図３】矩形状の照明領域により生成される発光領域の形状を示す図。
【図４】光成形光学系およびその周辺の構成を示す図。
【図５】糸巻き状の照明領域により生成される発光領域の形状を示す図。
【図６】青色レーザー光のスポット形状を示した図。
【図７】青色レーザー光のスポット形状の別の形態を示した図。
【図８】第三変形例における照明領域を形成する各スポットの形状を示した図。
【図９】第四変形例における照明領域を形成する各スポットの形状を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの光学系を示す概略図である。
図１に示すように、プロジェクター１は、照明装置１００と、色分離導光光学系２００と、液晶光変調装置４００Ｒと、液晶光変調装置４００Ｇと、液晶光変調装置４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投射光学系６００と、を備える。
【００２６】
照明装置１００は、第１照明装置１０１と、第２照明装置１０２とを含む。第１照明装置１０１は、赤色光及び緑色光を含む蛍光光ＹＬを色分離導光光学系２００に向けて射出する。第２照明装置１０２は、青色光Ｂを色分離導光光学系２００に向けて射出する。
【００２７】
色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０と、反射ミラー２２０と、反射ミラー２３０と、反射ミラー２５０と、を備える。色分離導光光学系２００は、第１照明装置１０１から射出される黄色の蛍光光ＹＬを赤色光Ｒと緑色光Ｇとに分離し、対応する液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇに導光する。また、色分離導光光学系２００は、第２照明装置１０２から射出される青色光Ｂを液晶光変調装置４００Ｂに導光する。フィールドレンズ３００Ｒ、フィールドレンズ３００Ｇ、およびフィールドレンズ３００Ｂは、色分離導光光学系２００と液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂとの間に配置されている。
【００２８】
ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を通過させ、緑色光成分を反射するダイクロイックミラーである。反射ミラー２２０は、緑色光成分を反射するミラーである。反射ミラー２３０は、赤色光成分を反射するミラーである。反射ミラー２５０は、青色光成分を反射する反射ミラーである。
【００２９】
ダイクロイックミラー２１０を通過した赤色光Ｒは、反射ミラー２３０で反射され、フィールドレンズ３００Ｒを通過して赤色光用の液晶光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２１０で反射された緑色光Ｇは、反射ミラー２２０でさらに反射され、フィールドレンズ３００Ｇを通過して緑色光用の液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。反射ミラー２５０で反射された青色光Ｂは、フィールドレンズ３００Ｂを経て青色光用の液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。
【００３０】
液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、各色光に対応するカラー画像を形成する。
図示を省略したが、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂの光入射側に、入射側偏光板がそれぞれ配置されている。液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂの光射出側に、射出側偏光板がそれぞれ配置されている。
【００３１】
クロスダイクロイックプリズム５００は、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂから射出された各画像光を合成してカラー画像を形成する。クロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。
【００３２】
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によって拡大投射され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。投射光学系６００は、複数の投射レンズで構成されている。
【００３３】
続いて、照明装置１００の構成について説明する。
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、第１照明装置１０１は、第１光源装置１０と、光成形光学系２０と、回転蛍光板３０と、ピックアップ光学系６０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０とを備える。
【００３４】
第１光源装置１０は、光源部１４と、コリメート光学系１５と、を含む。
光源部１４は、励起光として青色レーザー光（例えば、発光強度のピークが約４４５ｎｍの光）ＬＢを射出する複数の半導体レーザー１１を有している。なお、半導体レーザー１１としては、４４５ｎｍ以外の波長、例えば４６０ｎｍの青色レーザー光を射出するものを用いてもよい。
【００３５】
本実施形態において、複数の半導体レーザー１１は二次元的に配列されている。複数の半導体レーザー１１は照明光軸１００ａｘに垂直な面内において、マトリクス状（例えば５行５列）に配列されている。第１光源装置１０は、複数の青色レーザー光ＬＢからなる励起光ＫＳを射出する。本実施形態において、第１光源装置１０は特許請求の範囲の「光源装置」に対応し、励起光ＫＳは特許請求の範囲の「光源光」に対応する。
【００３６】
コリメート光学系１５は、複数のコリメートレンズ１５ａを有する。複数のコリメートレンズ１５ａは二次元的に配列されている。複数のコリメートレンズ１５ａの各々は、複数の半導体レーザー１１の各々に対応して配置されている。すなわち、複数のコリメートレンズ１５ａは、マトリクス状（例えば５行５列）に配列されている。
【００３７】
複数のコリメートレンズ１５ａの各々は対応する青色レーザー光ＬＢを平行化する。本実施形態において、第１光源装置１０から射出された励起光ＫＳは平行光として光成形光学系２０に入射し、光成形光学系２０を介して回転蛍光板３０に入射する。光成形光学系２０の構成については後述する。
【００３８】
回転蛍光板３０は、モーター５０と、基材４０と、ダイクロイック層４１と、蛍光体層４２と、を備える。回転蛍光板３０は、青色光からなる励起光ＫＳが入射する側と反対側に向けて蛍光光ＹＬを射出する。すなわち、回転蛍光板３０は、透過型の回転蛍光板である。
【００３９】
基材４０は、例えばガラス、石英、サファイア等の透光性を有する材料から構成される。基材４０は、モーター５０により回転軸の周りに回転可能とされている。基材４０は、平面形状が円形の板体である。
【００４０】
蛍光体層４２は、平面形状が円環状の無機蛍光体材料を含んで構成されている。蛍光体層４２として、例えば、アルミナ等の無機バインダー中に黄色の蛍光光を発する蛍光体粒子を分散させた蛍光体層、或いは、バインダーを用いずに蛍光体粒子を焼結した蛍光体層等が用いられる。蛍光体層４２は、基材４０の一面４０ａ側において、回転軸の周りに設けられている。本実施形態において、蛍光体層４２は特許請求の範囲の「波長変換素子」及び「拡散素子」に対応する。
【００４１】
回転蛍光板３０にはレーザー光からなる励起光ＫＳが入射するため、回転蛍光板３０において熱が発生する。本実施形態では、基材４０を回転させることで、回転蛍光板３０における励起光ＫＳの入射位置を時間的に変化させている。これにより、回転蛍光板３０の同じ部分に励起光ＫＳが常時照射され、回転蛍光板３０が局所的に加熱されて劣化することを低減している。
【００４２】
以下、蛍光体層４２の表面のうち励起光ＫＳが入射している領域を照明領域と称し、照明領域に入射した励起光ＫＳによって生成された蛍光光ＹＬが射出されている領域を発光領域と称す。
【００４３】
蛍光体層４２に入射した励起光ＫＳは蛍光体層４２の内部を屈折や反射をしながら進行するため、平面視において照明領域の外側に配置されている蛍光体粒子にも励起光ＫＳが照射される。さらに、蛍光体粒子から射出された蛍光光ＹＬも蛍光体層４２の内部を屈折や反射をしながら進行する。このように、蛍光体層４２の発光領域は励起光ＫＳによる照明領域の外側に拡がるため、発光領域は照明領域よりも大きくなる。
【００４４】
発光領域から射出された蛍光光ＹＬはピックアップ光学系６０に入射する。ピックアップ光学系６０は、例えば２つのピックアップレンズ６０ａ，６０ｂから構成されている。ピックアップ光学系６０は、蛍光光ＹＬを平行化し、第１レンズアレイ１２０へと導く。
【００４５】
第１レンズアレイ１２０は蛍光光ＹＬを複数の部分光束に分割するための複数の第１小レンズ１２２を有する。複数の第１小レンズ１２２は、照明光軸１００ａｘと直交する面内にマトリクス状に配列されている。本実施形態において、第１小レンズ１２２各々の形状は、液晶光変調装置４００Ｒ及び液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域の形状と略相似形（矩形状）となっている。そのため、第１レンズアレイ１２０の全体形状も矩形となる。このような構成に基づき、第１レンズアレイ１２０から射出された部分光束各々が液晶光変調装置４００Ｒ及び液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域にそれぞれ効率良く入射するようになっている。
【００４６】
第２レンズアレイ１３０は複数の第２小レンズ１３２を有する。複数の第２小レンズ１３２各々の形状は、複数の第１小レンズ１２２各々の形状と同じ矩形状である。第１小レンズ１２２及び第２小レンズ１３２は互いに１対１で対応しており、複数の第２小レンズ１３２は照明光軸１００ａｘと直交する面内にマトリクス状に配列されている。そのため、第２レンズアレイ１３０の全体形状も矩形となる。
【００４７】
第２レンズアレイ１３０は、後段の重畳レンズ１５０と、フィールドレンズ３００Ｒ又はフィールドレンズ３００Ｇと協働して、第１レンズアレイ１２０の第１小レンズ１２２の像を液晶光変調装置４００Ｒ又は液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域近傍に結像させる機能を有する。
【００４８】
ここで、比較例として、励起光ＫＳによる照明領域ＳＡを矩形状とした場合について説明する。図３は照明領域ＳＡの形状が矩形の場合における発光領域ＨＡの形状を示すシミュレーション結果である。なお、図３中には照明領域ＳＡを破線で示している。
図３に示すように、矩形状の照明領域ＳＡにより生成される発光領域ＨＡは、矩形の角が無くなるとともに、各辺の中央部が外側に向かって膨らんだ形状となる。以下、各辺の中央部が外側に膨らむ形状を樽型形状と称す。
【００４９】
このような樽型形状の発光領域ＨＡから射出される蛍光光ＹＬの光束形状は略円形となる。一般的に、第１レンズアレイ１２０の光入射面は矩形状となっている。光束形状が円形の蛍光光ＹＬが矩形状の光入射面を持つ第１レンズアレイ１２０に入射する際、円形状の蛍光光ＹＬが矩形状に切り出され、光損失が発生する。
【００５０】
一方、第１レンズアレイ１２０及び第２レンズアレイ１３０のサイズ（矩形の長辺のサイズ）を蛍光光ＹＬの光束径よりも大きくすることで、上記光損失を低減することも考えられる。しかしながら、この場合、第１レンズアレイ１２０及び第２レンズアレイ１３０の大型化に伴って、照明装置自体も大型化してしまうといった新たな問題が生じてしまう。
【００５１】
また、本実施形態において、第２レンズアレイ１３０のレンズ面には、回転蛍光板３０の発光領域ＨＡの像が複数形成される。なお、当該像は二次光源として働く。
【００５２】
本実施形態において、第２レンズアレイ１３０のレンズ面（第２小レンズ１３２の表面）と回転蛍光板３０の発光領域ＨＡとは互いに略共役となっている。そのため、第２レンズアレイ１３０のレンズ面（第２小レンズ１３２の表面）には回転蛍光板３０の発光領域ＨＡの像(二次光源像)が形成される。
【００５３】
二次光源像の形状は発光領域ＨＡの形状と同じである。ため、発光領域ＨＡが樽型形状の場合、二次光源像も樽型である。本実施形態において、第２小レンズ１３２の平面形状は矩形となっている。そのため、樽型の二次光源像は、矩形状の２次光現像と比較して、矩形状の第２小レンズ１３２からはみ出す可能性が高く、蛍光光ＹＬの利用効率の低下を招くおそれがあった。
【００５４】
これらの問題を解決すべく、本実施形態の第１照明装置１０１では、光成形光学系２０を用いて励起光ＫＳの照明領域ＳＡの形状を調整し、発光領域ＨＡの形状が略矩形状となるようにした。
【００５５】
以下、光成形光学系２０の具体的な構成について説明する。
図４は光成形光学系２０およびその周辺の構成を示す図である。図４では、説明の都合上、回転蛍光板３０のうち励起光ＫＳの被照明対象である蛍光体層４２のみを図示した。
図４に示すように、光成形光学系２０は第１光源装置１０の光射出側に設けられており、第１光源装置１０から射出された励起光ＫＳが入射する。
【００５６】
本実施形態において、第１光源装置１０を構成する複数の半導体レーザー１１は、第１の半導体レーザー１１ａと第２の半導体レーザー１１ｂとを含む。以下、第１の半導体レーザー１１ａから射出される青色レーザー光ＬＢを青色レーザー光ＬＢ１、第２の半導体レーザー１１ｂから射出される青色レーザー光ＬＢを青色レーザー光ＬＢ２と称す。
【００５７】
第１光源装置１０は特許請求の範囲の「光源装置」に対応し、第１の半導体レーザー１１ａは特許請求の範囲の「第１の発光素子」に対応し、第２の半導体レーザー１１ｂは特許請求の範囲の「第２の発光素子」に対応する。
【００５８】
また、青色レーザー光ＬＢ１は特許請求の範囲の「第１の光束」に対応し、青色レーザー光ＬＢ２は特許請求の範囲の「第２の光束」に対応する。
【００５９】
光成形光学系２０は、平凸レンズの形状を有するレンズ部材２０ａと、該レンズ部材２０ａの平坦面側にアレイ状に配列された複数のレンズ２１とを有している。レンズ部材２０ａは、光入射面側にレンズ面２０ａ１を有している。レンズ面２０ａ１は各青色レーザー光ＬＢを蛍光体層４２に入射させる（集光する）機能を有する。複数のレンズ２１の各々はレンズ部材２０ａと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。
複数のレンズ２１の各々は、複数の半導体レーザー１１の各々に対応して設けられている。すなわち、複数のレンズ２１は、マトリクス状（例えば図４では５行５列）に配列されている。
【００６０】
本実施形態において、光成形光学系２０は、複数の半導体レーザー１１の各々から射出される青色レーザー光ＬＢが蛍光体層４２の所定の領域を重畳した状態で照明するように構成されている。青色レーザー光ＬＢが重畳しているとは、各青色レーザー光ＬＢのスポットＳＰが概ね重なっている状態をいう。
【００６１】
各青色レーザー光ＬＢのスポットＳＰが重畳することによって蛍光体層４２上に照明領域ＳＡが形成される。そのため、本実施形態において、照明領域ＳＡの形状は、各青色レーザー光ＬＢのスポットＳＰの形状と略一致している。
【００６２】
複数のレンズ２１は、第１のレンズ２１ａと第２のレンズ２１ｂとを含む。第１のレンズ２１ａは第１の半導体レーザー１１ａに対応して設けられ、第２のレンズ２１ｂは第２の半導体レーザー１１ｂに対応して設けられている。
【００６３】
そのため、第１の半導体レーザー１１ａから射出された青色レーザー光ＬＢ１が第１のレンズ２１ａに入射し、第２の半導体レーザー１１ｂから射出された青色レーザー光ＬＢ２が第２のレンズ２１ｂに入射する。
【００６４】
本実施形態において、複数のレンズ２１の各々は自由曲面を有する自由曲面レンズから構成されている。複数のレンズ２１の各々は、対応する青色レーザー光ＬＢが蛍光体層４２上に形成するスポットＳＰの成形を行う。このように自由曲面レンズを用いることで、スポットＳＰの形状の制御が容易となる。
【００６５】
以下、複数のレンズ２１のうち、第１のレンズ２１ａを例に挙げて、その構造について説明する。第１のレンズ２１ａは、ｘとｙとを変数とする多項式で規定される第１の自由曲面２２ａを有している。第１の自由曲面２２ａは回転非対称自由曲面からなる。すなわち、本実施形態において、第１の自由曲面２２ａは特許請求の範囲の「第１の回転非対称自由曲面」に相当する。
具体的に、第１の自由曲面２２ａは下式（１）で表される。式（１）では、第１のレンズ２１ａの光軸と平行な方向をｚ軸とする直交座標系を用いている。
【００６６】
【数２】
2018120025.tif 000004
【００６７】
上記式（１）において、ｍ，ｎは０以上の整数であり、ｋはコーニック定数であり、ｃは曲率であり、ｃｊはｘｍｙｎの係数であり、ｊ＝[（ｍ＋ｎ）２＋ｍ＋３ｎ]／２＋１、Ｓ＝[（ｍ１＋ｎ１）２＋ｍ１＋３ｎ１]／２＋１、ｒ＝（ｘ２＋ｙ２）１／２である。なお、ｍ１，ｎ１はそれぞれｍ，ｎの上限である。
【００６８】
第１のレンズ２１ａの第１の自由曲面２２ａにおいては、ｐを正の整数としたとき、ｘ２ｐｙ２ｐで表される項を少なくとも一つ含む。以下、「ｘ２ｐｙ２ｐで表される項を少なくとも一つ含む」ことを第１条件と称すこともある。
【００６９】
第１条件を満たす場合、多項式は、ｘ２ｙ２、ｘ４ｙ４、ｘ６ｙ６…のうち少なくともいずれかの項を含んでいる。
【００７０】
このような第１条件を満たす第１の自由曲面２２ａによれば、青色レーザー光ＬＢ１が蛍光体層４２上に形成するスポットＳＰの対角線方向（ｘ方向及びｙ方向と交差する方向）の大きさを容易に調整できる。これにより、スポットＳＰの形状を、四つの縁部が内側にくぼんだ形状に整形することができる。以下、四つの縁部が内側にくぼんだ形状を糸巻き形状と称す。
【００７１】
また、第１のレンズ２１ａ（第１の自由曲面２２ａ）においては、ｈを正の整数としたとき、ｘｈの項の係数Ｃｊはｙｈの項の係数Ｃｊと異なっている。以下、「ｘｈの項の係数Ｃｊはｙｈの項の係数Ｃｊと異なっている」ことを第２条件と称すこともある。
【００７２】
このような第２条件を満たす第１の自由曲面２２ａによれば、青色レーザー光ＬＢ１が蛍光体層４２上に形成するスポットＳＰの大きさをｘ方向及びｙ方向においてそれぞれ独立に調整できる。
【００７３】
また、第１のレンズ２１ａ（第１の自由曲面２２ａ）においては、ｘ２ｙ４の項の係数Ｃｊはｘ４ｙ２の項の係数Ｃｊと異なっている。以下、「ｘ２ｙ４の項の係数Ｃｊはｘ４ｙ２の項の係数Ｃｊと異なる」ことを第３条件と称すこともある。
【００７４】
このような第３条件を満たす第１の自由曲面２２ａによれば、スポットＳＰの対角線方向の大きさをｘ方向及びｙ方向において精度良く調整できる。
【００７５】
以上述べたように第１のレンズ２１ａは、上記第１条件〜第３条件を満たす第１の自由曲面２２ａを有するため、蛍光体層４２上に糸巻き形状のスポットＳＰを形成する。
【００７６】
同様に、第２のレンズ２１ｂは回転非対称自由曲面からなる第２の自由曲面２２ｂを有している。第２の自由曲面２２ｂは上記式（１）の多項式で規定され、この多項式は上述した第１条件〜第３条件を満たしている。このような第２の自由曲面２２ｂを有する第２のレンズ２１ｂから射出された青色レーザー光ＬＢ２は、青色レーザー光ＬＢ１と同様、蛍光体層４２上に糸巻き形状のスポットＳＰを形成する。本実施形態において、第２の自由曲面２２ｂは特許請求の範囲の「第２の回転非対称自由曲面」に相当する。
【００７７】
複数のレンズ２１の残りは、上述した第１のレンズ２１ａ及び第２のレンズ２１ｂと同様、第１条件〜第３条件を満たす多項式で規定される自由曲面を有している。各レンズ２１から射出された青色レーザー光ＬＢは、糸巻き形状のスポットＳＰを蛍光体層４２上に形成する。
【００７８】
さらに、蛍光体層４２上に形成された各スポットＳＰは、レンズ面２０ａ１によって互いに重畳されている。
【００７９】
このように、本実施形態の光成形光学系２０は、各青色レーザー光ＬＢのスポットＳＰを蛍光体層４２上で互いに重畳させることで蛍光体層４２上に糸巻き状の照明領域ＳＡを形成する。
【００８０】
図５は糸巻き状の照明領域ＳＡにより生成される発光領域ＨＡの形状に関するシミュレーション結果を示す図である。なお、図５中には照明領域ＳＡを破線で示している。
図５に示すように、照明領域ＳＡは、該照明領域ＳＡの内側に向かってくぼんだ複数の縁部ＳＡ１〜ＳＡ４を有した形状、所謂、糸巻き形状を有している。なお、本実施形態において、縁部ＳＡ１は特許請求の範囲の「第１の縁部」に相当する。
【００８１】
図５に示すように、糸巻状の照明領域ＳＡによって形成される発光領域ＨＡは略矩形状となる。
具体的に、照明領域ＳＡのうち内側にくぼんだ複数の縁部ＳＡ１〜ＳＡ４に対応する部分は外側に膨らむため、発光領域ＨＡの形状は全体として略矩形状になる。矩形状の発光領域ＨＡから射出される蛍光光ＹＬの光束形状は矩形である。第１レンズアレイ１２０の光入射面の平面形状は矩形のため、蛍光光ＹＬの光束形状が円形となる場合に比べて、蛍光を効率良く取り込むことができる。
【００８２】
蛍光光ＹＬの光束形状は、第１レンズアレイ１２０の光入射面の平面形状と略相似関係となるように設定されていても良い。そのためには、例えば、ピックアップ光学系６０の倍率を適切に調整することで、蛍光光ＹＬを第１レンズアレイ１２０に効率良く取り込んで光利用効率をより向上させることができる。
【００８３】
また、第２レンズアレイ１３０のレンズ面（第２小レンズ１３２の表面）には発光領域ＨＡの像、すなわち、略矩形状の二次光源像が形成される。二次光源像の形状が矩形の場合、二次光源像は第２小レンズ１３２からはみ出し難い。よって、蛍光光ＹＬを効率良く利用することができる。
【００８４】
また、本実施形態において、照明領域ＳＡは複数のスポットＳＰが重畳されることで構成されるため、均一性の高い照度分布を有したものとなる。そのため、仮に、複数の半導体レーザー１１の出力（青色レーザー光ＬＢの光量）にバラツキがある場合でも、蛍光体層４２を均一に照明することができる。
【００８５】
したがって、本実施形態の第１照明装置１０１によれば、蛍光光ＹＬの損失を低減することができる。
【００８６】
図２に戻って、偏光変換素子１４０は、第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光束（蛍光光ＹＬ）を、偏光方向が揃った直線偏光光に変換する。
【００８７】
重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された各部分光束を集光し、液晶光変調装置４００Ｒ及び液晶光変調装置４００Ｇのそれぞれの画像形成領域もしくはその近傍で互いに重畳させる。第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０、および重畳レンズ１５０は、回転蛍光板３０から射出された蛍光光ＹＬ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。
【００８８】
一方、第２照明装置１０２は、第２光源装置７１０、集光光学系７２０、散乱板７３０、ピックアップ光学系７３１、レンズインテグレーター光学系７４０及び重畳レンズ７６０を備える。
【００８９】
第２光源装置７１０は、第１光源装置１０と同様、光源部１４と、コリメート光学系１５とを含む。光源部１４は、青色レーザー光ＬＢを射出する半導体レーザー１１を有する。なお、光源部１４を構成する半導体レーザー１１は１つでも複数でもよい。このような構成に基づき、第２光源装置７１０は、レーザー光からなる青色光Ｂを射出するようになっている。
【００９０】
集光光学系７２０は、第１レンズ７２２及び第２レンズ７２４を備える。集光光学系７２０は、全体として、青色光Ｂを略集光した状態で散乱板７３０に入射させる。第１レンズ７２２及び第２レンズ７２４は、凸レンズからなる。
【００９１】
散乱板７３０は、第２光源装置７１０からの青色光Ｂを所定の散乱度で散乱し、蛍光（回転蛍光板３０から射出される赤色光及び緑色光）に似た配光分布を有する青色光Ｂとする。散乱板７３０としては、例えば、光学ガラスからなる磨りガラスを用いることができる。
【００９２】
ピックアップ光学系７３１は、レンズ７３２、７３３を備える。レンズ７３２、７３３はそれぞれ凸レンズからなる。ピックアップ光学系７３１は散乱板７３０で散乱された青色光Ｂを平行化してレンズインテグレーター光学系７４０に入射させる。
【００９３】
レンズインテグレーター光学系７４０は、レンズアレイ７５０，７５１を有する。レンズアレイ７５０は青色光Ｂを複数の部分光束に分割するための複数の小レンズ７５０ａを有する。レンズアレイ７５１は、レンズアレイ７５０の複数の小レンズ７５０ａに対応する複数の小レンズ７５１ａを有する。レンズアレイ７５１は、後段の重畳レンズ７６０とともに、レンズアレイ７５０の小レンズ７５０ａの像を液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域もしくはその近傍に結像させる。
【００９４】
本実施形態において、第２照明装置１０２から射出された青色光Ｂは、反射ミラー２５０で反射され、フィールドレンズ３００Ｂを通過して青色光用の液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。
【００９５】
以上述べたように、本実施形態の第１照明装置１０１によれば、照明領域ＳＡを糸巻状とすることで、蛍光光ＹＬの発光領域ＨＡを矩形に近づけることができる。これにより、第１レンズアレイ１２０が蛍光光ＹＬを効率良く取り込むことで高い光利用効率を実現できる。
【００９６】
本実施形態のプロジェクター１によれば、上記第１照明装置１０１を含む照明装置１００を備えるため、明るいカラー画像をスクリーンＳＣＲ上に表示することができる。
【００９７】
なお、上記実施形態においては、糸巻状の照明領域ＳＡが蛍光体層４２上に形成される例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、例えば、糸巻状の照明領域ＳＡを拡散板上に形成しても良い。この場合、断面が略矩形の拡散光が得られる。
【００９８】
また、上記実施形態では、光成形光学系２０のレンズ部材２０ａ（レンズ面２０ａ１）によって青色レーザー光ＬＢを蛍光体層４２に集光させる構成を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、レンズ部材２０ａの代わりに、各レンズ２１の光入射面側に集光機能を持つレンズ面をそれぞれ設けるようにしても良い。
【００９９】
あるいは、各レンズ２１の自由曲面に光の進行方向を偏向させる偏向機能を持たせるようにしても良い。このようにすれば、各レンズ２１により青色レーザー光ＬＢの進行方向を変えて蛍光体層４２上に集光させることができるので、レンズ部材２０ａが不要となる。
【０１００】
なお、本発明は上記実施形態及び変形例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、複数の青色レーザー光ＬＢの各々を蛍光体層４２上で重畳させることで照明領域ＳＡを形成する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。以下、照明領域ＳＡを形成する場合の変形例について説明する。
【０１０１】
（第一変形例）
上記実施形態では、糸巻き状の複数のスポットＳＰを互いに重畳させて照明領域ＳＡを形成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光源装置１０が一つの半導体レーザー１１（例えば、第１の半導体レーザー１１ａ）から構成されており、第１の半導体レーザー１１ａから射出する青色レーザー光ＬＢ１のひとつのスポットのみを用いて糸巻き状の照明領域ＳＡを形成しても良い。この場合、光成形光学系２０は第１のレンズ２１ａのみから構成される。
【０１０２】
（第二変形例）
第１光源装置１０が二つの半導体レーザー１１（例えば、第１の半導体レーザー１１ａ及び第２の半導体レーザー１１ｂ）から構成されていてもよい。この場合、光成形光学系２０は第１のレンズ２１ａ及び第２のレンズ２１ｂのみから構成される。
【０１０３】
本変形例において、光成形光学系２０（レンズ面２０ａ１）は、青色レーザー光ＬＢ１のスポットＳＰ１，青色レーザー光ＬＢ２のスポットＳＰ２を蛍光体層４２上の互いに異なる位置に入射させるように構成される。すなわち、スポットＳＰ１，ＳＰ２は蛍光体層４２上で互いに重畳していない。
【０１０４】
図６は第二変形例に係る青色レーザー光ＬＢ１，ＬＢ２のスポット形状を示した図である。
図６に示すように、青色レーザー光ＬＢ１，ＬＢ２の各スポットＳＰ１，ＳＰ２は、それぞれ糸巻き状の照明領域ＳＡを半分にした形状からなり、互いの形状は線対称の関係となっている。本変形例において、光成形光学系２０は、糸巻き形状を半分にした形状の上記スポットＳＰ１，ＳＰ２を形成するように第１のレンズ２１ａ及び第２のレンズ２１ｂの各自由曲面が設計されている。
【０１０５】
このような形状を有する各スポットＳＰ１，ＳＰ２を合成することで、蛍光体層４２上に糸巻き状の照明領域ＳＡを形成することができる。
【０１０６】
図７は青色レーザー光ＬＢ１，ＬＢ２のスポット形状の別の形態を示した図である。
図７に示すように、青色レーザー光ＬＢ１，ＬＢ２の各スポットＳＰ１，ＳＰ２は楕円状を有し、蛍光体層４２上において互いの長軸が交差するように配置される。各スポットＳＰ１，ＳＰ２を合成することによって蛍光体層４２上に照明領域ＳＢを形成する。照明領域ＳＢの形状は、内側にくぼんだ４つの縁部ＳＢ１〜ＳＢ４を有した略糸巻き状である。
【０１０７】
なお、本変形例において、光成形光学系２０は、楕円形状の上記スポットＳＰ１，ＳＰ２を形成するように第１のレンズ２１ａ及び第２のレンズ２１ｂの各自由曲面が設計されている。
【０１０８】
第二変形例では、糸巻き状ではない２つのスポットを合成することで糸巻き状の照明領域ＳＡ，ＳＢを形成する例について説明したが、互いに重畳しない３つ以上のスポットを用いて糸巻き状の照明領域を形成するようにしてもよい。
【０１０９】
（第三変形例）
図８は本変形例における照明領域ＳＡを形成する各スポットの形状を示した図である。本変形例では説明を簡単にするため、例えば、３つのスポットで照明領域ＳＡを形成する場合を例に挙げる。
【０１１０】
図８に示すように、本変形例の照明領域ＳＡは、３つのスポットＳＰ１〜ＳＰ３を合成することで糸巻き状に形成される。スポットＳＰ１，ＳＰ２は、それぞれ糸巻き形状を半分にした形からなる。また、スポットＳＰ３は照明領域ＳＡと同じ糸巻き形状を有する。
【０１１１】
このように本変形例では、照明領域ＳＡを形成するスポットＳＰ１〜ＳＰ３として種々の形状のものを用いている。
本変形例においても、スポットＳＰ１〜ＳＰ３を組み合わせることで糸巻き状の照明領域ＳＡを形成することができる。
【０１１２】
（第四変形例）
上記実施形態では糸巻き状の照明領域ＳＡとして、縁部ＳＡ１〜ＳＡ４が曲線状となっているものを例に挙げたが、照明領域の形状はこれに限定されない。
【０１１３】
図９は本変形例における照明領域ＳＣを形成する各スポットの形状を示した図である。
図９に示すように、本変形例の照明領域ＳＣは、第１照明領域Ｓ１と、第２照明領域Ｓ２と、第３照明領域Ｓ３と、第４照明領域Ｓ４と、第５照明領域Ｓ５とを有する。
【０１１４】
第１照明領域Ｓ１は、例えば、複数のスポットを合成することで形成され、全体の形状が略正方状となっている。第２照明領域Ｓ２、第３照明領域Ｓ３、第４照明領域Ｓ４及び第５照明領域Ｓ５は、それぞれ１つのスポットから構成され、各々の形状が略正方形となっている。
【０１１５】
第２照明領域Ｓ２、第３照明領域Ｓ３第４照明領域Ｓ４及び第５照明領域Ｓ５は、正方形状の第１照明領域Ｓ１の４隅（角部）に一部が重なるように配置されている。そのため、照明領域ＳＣは、第２照明領域Ｓ２、第３照明領域Ｓ３第４照明領域Ｓ４及び第５照明領域Ｓ５の外形に対して、第１照明領域Ｓ１の外形が内側にくぼんだ形状となっている。すなわち、図９に示す照明領域ＳＣは、四つの縁部ＳＣ１〜ＳＣ４が段差状に内側にくぼんだ形状を有している。
【０１１６】
このように縁部ＳＣ１〜ＳＣ４が段差状にくぼんだ照明領域ＳＣであっても、上記実施形態と同様、蛍光光ＹＬの発光領域ＨＡを矩形とすることができる。
【０１１７】
また、上記実施形態では、３つの液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂを備えるプロジェクター１を例示したが、１つの液晶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。
【０１１８】
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。
【符号の説明】
【０１１９】
１…プロジェクター、１０…第１光源装置、１１ａ…第１の半導体レーザー、１１ｂ…第２の半導体レーザー、２０…光成形光学系、２１ａ…第１のレンズ、２１ｂ…第２のレンズ、２２ａ…第１の自由曲面（第１の回転非対称自由曲面）、２２ｂ…第２の自由曲面（第２の回転非対称自由曲面）、４２…蛍光体層、１０１…第１照明装置、１０２…第２照明装置、４００Ｂ，４００Ｇ，４００Ｒ…液晶光変調装置、６００…投射光学系、７１０…第２光源装置、ＬＢ１…青色レーザー光（第１の光束）、ＬＢ２…青色レーザー光（第２の光束）、ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ…照明領域、ＳＡ１，ＳＡ２，ＳＡ３，ＳＡ４…縁部、ＳＢ１，ＳＢ２，ＳＢ３，ＳＢ４…縁部、ＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３，ＳＣ４…縁部，ＫＳ…励起光（光源光）。
【図１】
2018120025.tif 000006
【図２】
2018120025.tif 000007
【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】
2018120025.tif 000012
【図８】
2018120025.tif 000013
【図９】
2018120025.tif 000014