(57)【要約】【課題】回転する波長変換素子と絞りを有する場合にフリッカの発生を抑制する。【解決手段】照明装置は、光源１からの光を波長変換するとともに回転する波長変換素子５と、波長変換素子からの光を含む照明光を集光する集光レンズ４と、照明光を複数の光束に分割する第１のレンズアレイ６と、第２のレンズアレイ７と、第２のレンズアレイからの複数の光束を被照明面において重ね合わせるコンデンサレンズ９と、遮光絞り８とを有する。集光レンズは、照明光を第１のレンズアレイよりも光源側の位置に集光する球面収差を有する。第１のレンズアレイにおいて光軸側に配置された第１のレンズセルの面頂点が、該第１のレンズセルよりも周辺側に配置された第２のレンズセルに比べて、対応レンズセルにおけるより光軸側の位置に向けて光束を集光させるように第１のレンズセルの外形中心に対して偏心している。【選択図】図２
2019139114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を波長変換するとともに回転する波長変換素子と、
前記波長変換素子からの光を含む照明光を集光する集光レンズと、
複数のレンズセルを有し、前記集光レンズからの前記照明光を複数の光束に分割する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの前記複数のレンズセルのそれぞれからの前記光束が入射する複数の対応レンズセルを有する第２のレンズアレイと、
前記第２のレンズアレイからの前記複数の光束を被照明面において重ね合わせるコンデンサレンズと、
前記第１のレンズアレイよりも被照明面側に配置された遮光絞りとを有し、
前記集光レンズが前記照明光を前記第１のレンズアレイよりも前記光源側の位置に集光する球面収差を有すること、および、前記第１のレンズアレイにおいて光軸側に配置された第１のレンズセルの面頂点が、該第１のレンズセルよりも周辺側に配置された第２のレンズセルに比べて、前記対応レンズセルにおけるより前記光軸側の位置に向けて前記光束を集光させるように前記第１のレンズセルの外形中心に対して偏心していることのうち少なくとも一方を満たすことを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記第１のレンズセルが前記光束を集光することにより形成される光源像の外縁のうち前記光源側の部分が、前記対応レンズセルの外形縁のうち前記光源側の部分に対して重なることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記第２のレンズセルの面頂点は、該第２のレンズセルの外形中心に対して偏心していないことを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記第１のレンズアレイのうち複数の前記第１のレンズセルにおいて、より前記光軸側に配置された前記第１のレンズセルほど前記面頂点の前記外形中心に対する偏心が大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記遮光絞りを最も絞り込んだ状態において、前記第２のレンズセルからの前記光束は前記遮光絞りにより遮断され、前記第１のレンズセルからの前記光束は前記被照明面に到達することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか一項に記載の照明装置と、前記被照明面に配置された光変調素子とを有し、前記光変調素子により変調された光を被投射面に投射することを特徴とする画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像投射装置（プロジェクタ）等に好適な照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明光を光変調素子により変調することで画像を投射するプロジェクタには、光源からの励起光を蛍光体に照射して励起光を波長変換することにより蛍光光としての照明光を生成するものがある。蛍光体はモータにより回転され、これにより蛍光体のうち励起光が照射された領域の局所的な発熱が抑えられる。
【０００３】
ただし、モータのアンバランス（例えば取付誤差）や蛍光体の反り等によって回転する蛍光体における励起光の照射位置が光照射方向（以下、光軸方向という）において時間的に変化する。この励起光の照射位置の光軸方向での変化は、後段の光学系での光利用効率を変化させ、スクリーン上に投射される画像の明るさ（以下、スクリーン上の明るさという）を変化させる。蛍光体が回転することで、その回転周期に応じてスクリーン上の明るさが変動する、いわゆるフリッカ（ちらつき）が生ずる。特許文献１には、蛍光体の回転周波数と光変調素子の駆動周波数とを適切に設定することによって、フリッカの発生を抑えるプロジェクタが開示されている。
【０００４】
フリッカによる明るさの変動量は、蛍光体の光軸方向での位置に対する後段の光学系の明るさ敏感度に依存する。図７は蛍光体の光軸方向での位置とスクリーン上の明るさとの関係（明るさ敏感度曲線）を示している。横軸は蛍光体の光軸方向の位置を示し、縦軸はスクリーン上の明るさを示す。蛍光体が光軸方向において＋方向および−方向に変位すると、その変位幅が大きいほどスクリーン上の明るさが減少する。プロジェクタの組立て時には、蛍光体はスクリーン上の明るさが最大となる０位置に固定される。蛍光体が回転すると、蛍光体の光軸方向での０位置を基準とした変位に応じてスクリーン上の明るさが変動する。回転する蛍光体の反りの増加等によって光軸方向での変位幅が大きくなることに応じてスクリーン上の明るさの変動量も大きくなる。このように、蛍光体の変位に対する明るさ敏感度曲線を用いると、フリッカの発生度合いを予測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１７９２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
プロジェクタの光学系においては、投射画像のコントラストを向上させる又は輝度を調整する目的で遮光絞りが絞り込まれる（以下、「絞りが挿入される」という）ことがある。図７に示すように、一般に、光学系に絞りが挿入された場合の明るさ敏感度曲線（ｂ）は、絞りが挿入されない場合の明るさ敏感度曲線（ａ）に対して、ピーク位置が大きく異なる。
【０００７】
絞りが挿入されない場合は、明るさ敏感度曲線（ａ）のピーク位置である０位置付近で蛍光体の光軸方向での変位を考えればよく、フリッカが発生しても明るさ変動量Ｆａは小さく抑えられる。一方、絞りが挿入された場合は、明るさ敏感度曲線（ｂ）のピーク位置が０位置付近からシフトするので、０位置付近での明るさ変動量Ｆｂが大きくなる。つまり、蛍光体を回転させながら励起光を照射して蛍光光を発生させるプロジェクタにおいて光学系に絞りが挿入された場合は、絞りが挿入されない場合に比べてスクリーン上で発生するフリッカの明るさ変動量が増大する。
【０００８】
本発明は、蛍光体等の波長変換素子が回転するとともに絞りが挿入された場合にフリッカの発生を抑制することができるようにした照明装置およびこれを用いた画像投射装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての照明装置は、光源と、該光源からの光を波長変換するとともに回転する波長変換素子と、該波長変換素子からの光を含む照明光を集光する集光レンズと、複数のレンズセルを有し、集光レンズからの照明光を複数の光束に分割する第１のレンズアレイと、第１のレンズアレイの複数のレンズセルのそれぞれからの光束が入射する複数の対応レンズセルを有する第２のレンズアレイと、第２のレンズアレイからの複数の光束を被照明面において重ね合わせるコンデンサレンズと、第１のレンズアレイよりも被照明面側に配置された遮光絞りとを有する。そして、集光レンズが照明光を第１のレンズアレイよりも光源側の位置に集光する球面収差を有すること、および、第１のレンズアレイにおいて光軸側に配置された第１のレンズセルの面頂点が、該第１のレンズセルよりも周辺側に配置された第２のレンズセルに比べて、対応レンズセルにおけるより光軸側の位置に向けて光束を集光させるように第１のレンズセルの外形中心に対して偏心していることのうち少なくとも一方を満たすことを特徴とする。
【００１０】
なお、上記照明装置を含む画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、波長変換素子が回転するとともに絞りが挿入された場合にフリッカの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例であるプロジェクタの構成を示す断面図。
【図２】実施例のプロジェクタに用いられている照明装置の構成を示す断面図。
【図３】実施例における蛍光光スポットの位置と第２のレンズアレイ近傍の光源像との関係を示す図。
【図４】実施例における集光レンズの縦収差図および該集光レンズを通る光線を示す図。
【図５】実施例における蛍光光スポット像の第２のレンズアレイ（レンズセル）に対する位置を示す図。
【図６】実施例において絞りが挿入されていない場合と挿入された場合のスクリーン上の明るさ敏感度を示す図。
【図７】従来において絞りが挿入されていない場合と挿入された場合のスクリーン上の明るさ敏感度を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の実施例であるプロジェクタ（画像投射装置）の構成を示す。光源ユニット１０１は照明光を発する。照明光学系１０２は照明光を複数の光束に分割して、これら複数の光束を被照明面に配置された光変調素子１０上にて重ね合わせる。
【００１５】
色分離合成光学系１０４は、ダイクロイック膜や偏光分離膜等を利用して、照明光学系１０２からの照明光としての白色光を赤色光、緑色光および青色光に分離し、これら３つの色光をそれぞれに対して設けられた光変調素子１０に導く。光変調素子１０は、液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス等により構成され、プロジェクタに入力された映像信号に基づいて駆動され、入射した光を変調する。色分離合成光学系１０４は、３つの光変調素子１０により変調された画像光としての赤色光、緑色光および青色光を合成して投射光学系（投射レンズ）１０５に導く。投射光学系１０５は、合成された画像光をスクリーン（被投射面）１０６に拡大投射する。これにより、スクリーン１０６上にフルカラー投射画像が表示される。
【００１６】
図２は、光源ユニット１０１および照明光学系１０２により構成される照明装置の構成を示している。光源ユニット１０１は、励起光源１、コリメータレンズ２、ダイクロイックミラー３、集光レンズ４、蛍光体ホイール５および集光レンズ４を含む。照明光学系１０２は、第１のレンズアレイ６、第２のレンズアレイ７、遮光絞り（以下、単に絞りという）８およびコンデンサレンズ９を含む。ＡＸは照明光学系１０２の光軸を示し、該光軸ОＡが延びる方向を光軸方向という。
【００１７】
励起光源１は、波長４５５ｎｍの青光を発するレーザダイオード（ＬＤ）である。励起光源１から発せられた励起光は発散光であり、コリメータレンズ２によって平行光に変換されてダイクロイックミラー３に向かう。ダイクロイックミラーは、４８０ｎｍ以下の波長帯域の光を反射し、４８０ｎｍを超える波長帯域の光を透過する特性を有する。このため、励起光はダイクロイックミラー３により反射されて集光レンズ４に入射し、該集光レンズ４により集光されて蛍光体ホイール５に照射される。
【００１８】
蛍光体ホイール５は、高反射アルミ等の熱伝導性が高い金属製ホイール（基板）と、該ホイール上にシリコン系のバインダによって固定されたリング状の蛍光体（波長変換素子）５ａとにより構成されている。蛍光体５ａに励起光が照射されると、該励起光は４８０〜７００ｎｍの波長帯域の蛍光光（黄色光）に波長変換される。この蛍光光と、蛍光体で変換されなかった励起光の一部である青色光とが合わさって白色光が形成される。蛍光光は、直接またはホイールにより反射されて照明光として集光レンズ４に向う。照明光は、集光レンズ４によって集光されて平行光に変換され、ダイクロイックミラー３を透過して照明光学系１０２に入射する。
【００１９】
第１のレンズアレイ６および第２のレンズアレイ７はそれぞれ、格子状に並んだ複数の矩形レンズセル６ａ，７ａを有する。第１のレンズアレイ６に入射した照明光は、該第１のレンズアレイ６の複数のレンズセル６ａによって複数の光束に分割される。これら複数の光束は、第２のレンズアレイ７における第１のレンズアレイ６の複数のレンズセル６ａのそれぞれに対応して設けられた複数の対応レンズセル７ａに入射する。そして、各光束は、第２のレンズアレイ７の近傍に集光され、ここに蛍光体５ａ上の蛍光光の発光スポット（以下、蛍光光スポットという）の光学像である光源像（以下、蛍光光スポット像という）を形成する。すなわち、第２のレンズアレイ７の近傍に複数の蛍光光スポット像が形成される。
【００２０】
第２のレンズアレイ７を出射した複数の光束は、絞り８の開口を通過してコンデンサレンズ９により集光され、光変調素子１０上で重ね合わされる。これにより、光変調素子１０の変調面は均一な照度分布で照明される。
【００２１】
ここで、仮に絞り８が最も絞り込まれた（以下、「絞り８が挿入された」という）場合に図７に示した明るさ敏感度曲線（ａ）のピーク位置が０位置付近となるのは、図３（ａ）に示すように蛍光体５ａが集光レンズ４の焦点位置に位置する状態である。この状態において、蛍光体５ａで発生した蛍光光は集光レンズ４で平行光に変換（コリメート）される。この平行光は第１のレンズアレイ６の複数のレンズセル６ａにより複数の光束に分割され、第２のレンズアレイ７の複数の対応レンズセル７ａの近傍に複数の蛍光光スポット像ＦＩを形成する。
【００２２】
蛍光光スポット像ＦＩの全体が第２のレンズアレイ７のレンズセル７ａの外形縁より内側に形成されると、該蛍光光スポット像ＦＩを形成した光束は光変調素子１０の変調面に到達する。しかし、蛍光光スポット像ＦＩがレンズセル７ａの外形縁からはみ出すと、そのはみ出した部分の光束は光変調素子１０の変調面の外側に到達する。この結果、照明効率が低下し、スクリーン上の投射画像の明るさ（以下、単にスクリーン上の明るさという）も低下する。
【００２３】
前述したように蛍光体５ａの光軸方向での位置が変化すると、蛍光体５ａ上での励起光の照射位置が光軸方向で変化するので、蛍光体５ａ上での蛍光光スポットＦＳの位置も光軸方向で変化する。図３（ａ）に示すように集光レンズ４の焦点位置（０位置）に蛍光光スポットＦＳが位置する場合には、該蛍光光スポットＦＳからの照明光は集光レンズ４によってコリメートされる。
【００２４】
しかし、図３（ｂ）に示すように蛍光光スポットＦＳの位置が集光レンズ４の焦点位置よりも集光レンズ４に近い側にずれた場合は、集光レンズ４で集光された照明光は平行光にならずに発散光となる。図３（ａ）に示したように、第１のレンズアレイ６のレンズセル６ａに平行光が入射すると、蛍光光スポット像ＦＩが第２のレンズアレイ７の対応レンズセル７ａの外形中心回りに形成される。これに対して、発散光が第１のレンズアレイ６のレンズセル６ａに入射すると、図３（ｂ）に示すように、蛍光光スポット像ＦＩの位置が第２のレンズアレイ７の対応レンズセル７ａの外形中心より光軸ＡＸから離れる方向にずれる。これにより、蛍光光スポット像ＦＩのうち一部が対応レンズセル７ａの外形枠外にはみ出すため、照明効率が低下し、スクリーン上の明るさが低下する。
【００２５】
一方、図３（ｃ）に示すように、蛍光光スポットＦＳの位置が集光レンズ４の焦点位置よりも集光レンズ４から遠い側にずれた場合は、集光レンズ４で集光された照明光は収束光となる。この収束光が第１のレンズアレイ６のレンズセル６ａに入射すると、蛍光光スポット像ＦＩの位置が第２のレンズアレイ７の対応レンズセル７ａの外形中心より光軸ＡＸに近づく方向にずれる。これにより、蛍光光スポット像ＦＩの一部がレンズセル７ａの外形縁外にはみ出し、照明効率が低下してスクリーン上の明るさが低下する。
【００２６】
この結果、図７に明るさ敏感度曲線（ａ）で示したように、蛍光光スポットＦＳが集光レンズ４の焦点位置に位置する状態でスクリーン上の明るさが最も明るく、蛍光光スポットＦＳが焦点位置から＋および−方向にずれるほどスクリーン上の明るさが低下する。
【００２７】
一方、本実施例のように照明光学系１０２にて絞り８が挿入された場合には、光軸方向における蛍光光スポットＦＳの位置の変化に応じて明るさ敏感度曲線は以下のように変化する。絞り８は金属板により作成され、光変調素子１０を照明する照明光線の角度を制限する。これは、光変調素子１０の視野角特性および色分離合成光学系１０４のダイクロイック膜や偏光分離膜等の角度特性に対して、これらに対する照明光線の入射角度を限定することで、投射画像のコントラストを向上させる効果がある。
【００２８】
照明光学系１０２における第２のレンズアレイ７の近傍での光分布は光変調素子１０に入射する照明光線の角度分布に対応しているため、絞り８は第２のレンズアレイ７の近傍（第１のレンズアレイ６よりも被照明面側）に配置される。この結果、挿入された絞り８は、第２のレンズアレイ７の近傍にて光軸ＡＸから離れた光線を遮断する。このとき、集光レンズ４の焦点位置に対する蛍光光スポットＦＳの位置とスクリーン上の明るさとは以下のような関係を有する。
【００２９】
絞り８が挿入されていない場合と同様に、蛍光光スポットＦＳが集光レンズ４の焦点位置よりも集光レンズ４から遠い側にずれた場合は、集光レンズ４で集光された照明光は収束光となる（図３（ｃ）参照）。この場合、前述したように、第２のレンズアレイ７における対応レンズセル７ａの外形中心より光軸ＡＸに近づく方向にずれた蛍光光スポット像ＦＩの一部が対応レンズセル７ａの外形縁からはみ出して照明効率が低下する。
【００３０】
ただし、第１のレンズアレイ６に入射する照明光が収束光になると、これに対応して第２のレンズアレイ７の近傍での光分布範囲が狭まるので、絞り８により遮断される光線が少なくなる。このため、蛍光光スポット像ＦＩのはみ出しによる照明効率の低下とは反対に照明効率が向上する。したがって、蛍光光スポットＦＳの位置の集光レンズ４から遠い側へのずれ量が増加しても、特定位置に達するまではスクリーン上の明るさが向上する。特定位置とは、蛍光光スポット像ＦＩが第２のレンズアレイ７のレンズセル７ａの外形縁からはみ出す量が多くなることによる照明効率の低下と、絞り８で遮断される光線が少なくなることによる照明効率の向上とが釣り合う位置である。
【００３１】
蛍光光スポット像ＦＩの位置が上記特定位置を過ぎてさらに集光レンズ４から遠い側にずれると、蛍光光スポット像ＦＩのはみ出しによる照明効率の低下が顕著となり、スクリーン上の明るさが低下する。
【００３２】
一方、蛍光光スポットＦＳの位置が集光レンズ４の焦点位置よりも集光レンズ４に近い側にずれた場合は、集光レンズ４で集光された照明光は発散光となる（図３（ｂ）参照）。この場合、前述したように、第２のレンズアレイ７における対応レンズセル７ａの外形中心回りから光軸ＡＸから離れる方向にずれた蛍光光スポット像ＦＩの一部が第２のレンズアレイ７の対応レンズセル７ａの外形縁外にはみ出し、照明効率が低下する。しかも、第２のレンズアレイ７を通過した後、絞り８で遮断される光線の量も増加する。したがって、絞り８が挿入された場合は、絞り８が挿入されていない場合に比べて、蛍光光スポットＦＳの位置の変化量に対するスクリーン上での明るさの変化量が増加する。
【００３３】
これにより、図７に示したように、絞り８が挿入された場合の明るさ敏感度曲線（ｂ）のピーク位置が絞り８が挿入されていない場合の明るさ敏感度曲線（ａ）のピーク位置に対してずれる。また、ピーク位置がずれる方向は、蛍光光スポットＦＳが集光レンズ４の焦点位置に対して集光レンズ４から遠い側にずれる方向に対応しており、図７では０位置から−方向である。
【００３４】
前述したように蛍光体５ａの位置は絞り８が挿入されていない場合のスクリーン上の明るさが最大となる位置である図７中の０位置に決められる。蛍光体ホイール５が回転した際の蛍光体５ａの光軸方向での変位量が同じであっても、絞り８が挿入されていない場合はスクリーン上の明るさ変動を小さく抑えられるが、絞り８が挿入された場合はスクリーン上の明るさ変動が大きくなる。これにより、スクリーン上でのフリッカがユーザに視認され易くなる。
【００３５】
本実施例では、絞り８が挿入された場合のスクリーン上の明るさ変動、つまりはフリッカを抑制するために、第１に、集光レンズ４にオーバー方向の球面収差を与えている。言い換えれば、集光レンズ４に、照明光を第１のレンズアレイ６よりも光源側の位置に集光する球面収差を与えている。
【００３６】
また第２に、第１のレンズアレイ６の複数のレンズセル６ａのうち光軸側、つまりは光軸ＡＸ近傍のレンズセル（以下、第１のレンズセルという）に、その面頂点がその外形中心に対して偏心した形状を与えている。図２に示すように、第１のレンズアレイ６の複数のレンズセル６ａは、上述したように偏心した光軸側（内側）の第１のレンズセル６ａ１と、該第１のレンズセル６ａ１よりも周辺側（外側）のレンズセルを第２のレンズセル６ａ２とを有する。第１のレンズセル６ａ１の偏心は、該第１のレンズセル６ａ１を通過した光束が、第２のレンズセル６ａ２を通過した光束に比べて、第２のレンズアレイ７の光軸側の対応レンズセル７ａにおけるより光軸側の位置に向かって集光されるように設定されている。すなわち、対応レンズセル７ａの近傍におけるより光軸側の位置に蛍光光スポット像を形成するように偏心が設定されている。
【００３７】
これら２つの特徴的構成により、絞り８を挿入した場合のスクリーン上の明るさ変動を低減することができる。以下、その理由について説明する。図４（ａ）は、オーバー方向の球面収差が与えられた集光レンズ４の縦収差図を示す。このようなオーバー方向の球面収差が与えられた集光レンズ４に対して光源側から平行光が入射すると、光軸ＡＸ近傍の光線と光軸ＡＸから離れた光線とで集光位置が互いに異なる。具体的には、図４（ｂ）に示すように、光軸ＡＸ近傍の光線は集光レンズ４に近い位置に集光し、光軸ＡＸから離れた光線は集光レンズ４から遠い位置に集光する。そして、蛍光光スポットＦＳから出射した光線は、図４（ｃ）に示すように、光軸ＡＸ近傍の光線は収束光となり、光軸ＡＸから離れた光線はほぼ平行光となる。
【００３８】
図５（ａ）は、このようなオーバー方向の球面収差を有する集光レンズ４を用いたときに第１のレンズアレイ６により第２のレンズアレイ７の近傍に形成される複数の蛍光光スポット像ＦＩ（ＦＩ１，ＦＩ２）を示す。第２のレンズセル６ａ２には、第１のレンズセル６ａ１のような偏心は与えられていない。このとき、第２のレンズセル６ａ２により形成される蛍光光スポット像ＦＩ２に比べて、第１のレンズセル６ａ１により形成される蛍光光スポット像ＦＩ１は、第２のレンズアレイ７の対応レンズセル７ａの外形中心から光軸側（内側）に寄った位置に形成される。
【００３９】
しかも、第１のレンズセル６ａ１自体が前述したように偏心を有する。図５（ｂ）は、第１のレンズアレイ６の第１のレンズセル６ａ１と第２のレンズセル６ａ２により第２のレンズアレイ７の近傍に形成される複数の蛍光光スポット像ＦＩ１，ＦＩ２を示す。図に示すように、第２のレンズセル６ａ２により対応レンズセル７ａ２近傍に形成される蛍光光スポット像ＦＩ２に比べて、第１のレンズセル６ａ１により形成される蛍光光スポット像ＦＩ１は対応レンズセル７ａ１の外形中心から光軸側に寄った位置に形成される。これは、集光レンズ４にオーバー方向の球面収差を与えたことと同様の効果である。
【００４０】
このような特徴的構成が蛍光体５ａの光軸方向での位置変動に対するスクリーン上の明るさ敏感度曲線に与える変化について図６を用いて説明する。図６中の（ａ）は絞り８が挿入されていない場合の明るさ敏感度曲線を示し、（ｂ）は絞り８が挿入された場合の明るさ敏感度曲線を示す。明るさ敏感度曲線（ａ）では、蛍光光スポットの位置変化に対する明るさ変化の傾きは急峻である。これは前述した集光レンズ４の球面収差および第１のレンズセル６ａ１の偏心によるものである。つまり、第２のレンズアレイ７のレンズセル７ａ１近傍に形成される蛍光光スポット像が、該レンズセル７ａ１の外形中心によりもその外形縁に近づいた位置に形成されている。このため、蛍光体５ａの位置変化により蛍光光スポット像が敏感に移動し、その結果、照明効率が顕著に低下する。
【００４１】
一方、明るさ敏感度曲線（ｂ）のピーク位置は、絞り８が挿入されていない場合の明るさ敏感度曲線（ａ）のピーク位置に近い。これは以下の理由による。絞り８が挿入されると、第２のレンズアレイ７近傍に形成される複数の蛍光光スポット像のうち光軸ＡＸから離れた位置の蛍光光スポット像を形成した光束は絞り８によって遮断される。このため、スクリーン上の明るさにおいては、第２のレンズアレイ７における光軸側のレンズセル７ａ１の近傍に形成される蛍光光スポット像の影響が支配的になる。絞り８が挿入された状態で蛍光光スポットが集光レンズ４の焦点位置よりも集光レンズ４に近い側にずれると、集光レンズ４で集光された光は収束光になるため、絞り８で遮断される光量は少なくなる。このため、照明効率は向上する。
【００４２】
逆に、第２のレンズアレイ７における光軸側のレンズセル７ａ１の近傍に形成される蛍光光スポット像は、該レンズセル７ａ１の外形中心から光軸側に寄った位置に形成されるので、照明効率がより低下する。
【００４３】
これら照明効率の向上と低下とがバランスするところで明るさ敏感度曲線（ｂ）がピークとなる。集光レンズ４の球面収差と第１のレンズアレイ６ａ１の偏心とを組み合わせた場合、第１のレンズアレイ６ａ１の偏心による照明効率の低下がより顕著になるので、明るさ敏感度曲線（ｂ）のピーク位置が０位置に近づく。
【００４４】
逆に、蛍光光スポットが集光レンズ４の焦点位置よりも集光レンズ４から遠い側にずれると、集光レンズ４で集光された光は発散光になり、絞り８で遮断される光量が大きくなる。このため、照明効率は低下する。しかし、第２のレンズアレイ７における光軸側のレンズセル７ａ１近傍に形成される蛍光光スポット像は、該レンズセル７ａ１の外形中心から光軸側に寄った位置に形成されるので、照明効率の低下が抑制される。したがって、集光レンズ４に球面収差を与えず、かつ第１のレンズセル６ａに偏心を与えていない場合に比べて、明るさ敏感度曲線（ｂ）のピーク位置の０位置からのずれ量は低減される。
【００４５】
この結果、絞り８が挿入された状態で蛍光光スポットの位置が変動することでスクリーン上にて発生するフリッカの量は、集光レンズ４の球面収差と第１のレンズアレイ６の第１のレンズセル６ａ１の偏心を与えていない場合に比べて大幅に低減される。例えば、図７中の明るさ敏感度曲線（ｂ）によれば、蛍光光スポットの位置変動が±０．１ｍｍである場合の明るさ変動量Ｆｂは１７％程度である。これに対して、本実施例によれば、図６中の明るさ敏感度曲線（ｂ）から分かるように、明るさ変動量Ｆｂ′を６％程度まで低減できている。
【００４６】
また、絞り８を挿入していない場合の明るさ敏感度は、蛍光光スポットの位置変動に対して若干急峻に変化するものの、もともと０位置を基準としてピーク位置が設定されているので、蛍光光スポットの位置変動の影響は軽微である。
【００４７】
このように本実施例では、集光レンズ４に球面収差を与え、かつ第１のレンズアレイ６の第１のレンズセル６ａ１に偏心を与えて第２のレンズアレイ７近傍に形成される蛍光光スポット像の位置を制御し、絞り８を挿入した場合の照明効率の低下を抑えている。これにより、蛍光体ホイール５の回転による蛍光光スポットの位置変動に伴うスクリーン上の明るさ変動の大きさ、つまりはフリッカの発生量を低減することができる。
【００４８】
前述したように、集光レンズ４に球面収差を与えることと第１のレンズアレイ６に偏心を与えることは、いずれも蛍光光スポット像の位置を制御する効果がある。このため、これらのいずれか一方のみを採用してもよい。すなわち、集光レンズ４の球面収差をより大きくして第１のレンズアレイ６に偏心を与えない場合や、集光レンズ４に球面収差を与えずに第１のレンズアレイ６により大きな偏心を与える場合でも、絞り８を挿入した場合のフリッカの発生量を低減することができる。
【００４９】
ただし、集光レンズ４に大きすぎる球面収差を与えると、励起光が蛍光体５ａ上に集光される際に励起光スポットにぼけが生じ、この結果、蛍光光スポットも同様にぼけ、蛍光光スポット像が大きくなる。これにより、蛍光光スポット像の第２のレンズアレイ７のレンズセル７ａからのはみ出しが大きくなり、照明効率がさらに低下する。
【００５０】
逆に、集光レンズ４に球面収差を与えず、第１のレンズアレイ６により大きな偏心を与えると、照明効率は低下しないものの、偏心が大きすぎることで互いに隣接するレンズセル間の境界部に大きな厚み差が生じる。このような境界部の厚み差は、光変調素子１０に対する照明範囲の外縁付近に光量落ちを生じさせる。この光量落ちが光変調素子１０の有効変調面上にて生じると、スクリーン上の投射画像の周辺部が暗くなる。予め均一な照明分布の範囲を光変調素子１０の有効変調面よりも大きく設定することでこのような問題を回避することは可能であるが、より広い範囲を均一に照明することで照明効率が低下する。
【００５１】
このため、本実施例のように集光レンズ４に球面収差を与えるとともに第１のレンズアレイ６に偏心を与えることで、照明効率の低減を極力抑えることができる。
【００５２】
また、第１のレンズセル６ａ１の偏心を、蛍光光スポット像の外縁（例えば蛍光光スポット像の明るさが最大値の半値となる位置）のうち光軸側の部分が第２のレンズアレイ７の対応レンズセル７ａ１の外形縁のうち光軸側の部分に重なるように設定することが望ましい。これにより、蛍光光スポット像の対応レンズセル７ａ１の外形縁からのはみ出しによる照明効率の低下を最小限に抑えながらフリッカを低減させることができる。
【００５３】
また、第１のレンズアレイ６に設けられた複数の第１のレンズセル６ａ１については、光軸ＡＸに近い第１のレンズセル６ａ１ほど偏心量が大きくなるように設定されることが好ましい。絞り８が可動絞りである場合において、その絞り開度が小さくなるほど、蛍光光スポットの位置変動に伴う明るさ敏感度曲線のピーク位置のずれが大きくなる。このため、光軸ＡＸに近い第１のレンズセル６ａ１ほど偏心量を大きくすることで、絞り開度にかかわらず照明効率の低下とフリッカの発生を抑制することができる。
【００５４】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１  励起光源
４  集光レンズ
５  蛍光体ホイール
６  第１のレンズアレイ
７  第２のレンズアレイ
８  絞り
９  コンデンサレンズ
１０  光変調素子（被照明面）
【図１】
2019139114.tif 000003
【図２】
2019139114.tif 000004
【図３】
2019139114.tif 000005
【図４】
2019139114.tif 000006
【図５】
2019139114.tif 000007
【図６】
2019139114.tif 000008
【図７】
2019139114.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成31年4月11日(2019.4.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を波長変換するとともに回転する波長変換素子と、
前記波長変換素子からの光を含む照明光を集光する第１の集光レンズと、
複数のレンズセルを有し、前記第１の集光レンズからの前記照明光を複数の光束に分割する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの前記複数のレンズセルのそれぞれからの前記光束が入射する複数の対応レンズセルを有する第２のレンズアレイと、
前記第２のレンズアレイからの前記複数の光束を被照明面において重ね合わせる第２の集光レンズと、
前記第１のレンズアレイよりも被照明面側に配置された遮光絞りとを有し、
前記第１の集光レンズが前記照明光を前記第１のレンズアレイよりも前記光源側の位置に集光する球面収差を有すること、および、前記第１のレンズアレイにおいて光軸側に配置された第１のレンズセルの面頂点が、該第１のレンズセルよりも周辺側に配置された第２のレンズセルに比べて、前記対応レンズセルにおけるより前記光軸側の位置に向けて前記光束を集光させるように前記第１のレンズセルの外形中心に対して偏心していることのうち少なくとも一方を満たすことを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記第１のレンズセルが前記光束を集光することにより形成される光源像の外縁のうち前記光軸側の部分が、前記第１のレンズセルの外形縁のうち前記光軸側の部分に対して重なることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記第２のレンズセルの面頂点は、該第２のレンズセルの外形中心に対して偏心していないことを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記第１のレンズアレイのうち複数の前記第１のレンズセルにおいて、より前記光軸側に配置された前記第１のレンズセルほど前記面頂点の前記外形中心に対する偏心が大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記遮光絞りを最も絞り込んだ状態において、前記第２のレンズセルからの前記光束は前記遮光絞りにより遮断され、前記第１のレンズセルからの前記光束は前記被照明面に到達することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか一項に記載の照明装置と、前記被照明面に配置された光変調素子とを有し、前記光変調素子により変調された光を被投射面に投射することを特徴とする画像投射装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の一側面としての照明装置は、光源と、該光源からの光を波長変換するとともに回転する波長変換素子と、該波長変換素子からの光を含む照明光を集光する第１の集光レンズと、複数のレンズセルを有し、第１の集光レンズからの照明光を複数の光束に分割する第１のレンズアレイと、第１のレンズアレイの複数のレンズセルのそれぞれからの光束が入射する複数の対応レンズセルを有する第２のレンズアレイと、第２のレンズアレイからの複数の光束を被照明面において重ね合わせる第２の集光レンズと、第１のレンズアレイよりも被照明面側に配置された遮光絞りとを有する。そして、第１の集光レンズが照明光を第１のレンズアレイよりも光源側の位置に集光する球面収差を有すること、および、第１のレンズアレイにおいて光軸側に配置された第１のレンズセルの面頂点が、該第１のレンズセルよりも周辺側に配置された第２のレンズセルに比べて、対応レンズセルにおけるより光軸側の位置に向けて光束を集光させるように第１のレンズセルの外形中心に対して偏心していることのうち少なくとも一方を満たすことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
しかし、図３（ｂ）に示すように蛍光光スポットＦＳの位置が集光レンズ４の焦点位置よりも集光レンズ４に近い側にずれた場合は、集光レンズ４で集光された照明光は平行光にならずに発散光となる。図３（ａ）に示したように、第１のレンズアレイ６のレンズセル６ａに平行光が入射すると、蛍光光スポット像ＦＩが第２のレンズアレイ７の対応レンズセル７ａの外形中心回りに形成される。レンズセル７ａの外形中心は、光軸ＡＸに平行な方向から見たレンズセル７ａの形状の中心又は重心である。これに対して、発散光が第１のレンズアレイ６のレンズセル６ａに入射すると、図３（ｂ）に示すように、蛍光光スポット像ＦＩの位置が第２のレンズアレイ７の対応レンズセル７ａの外形中心より光軸ＡＸから離れる方向にずれる。これにより、蛍光光スポット像ＦＩのうち一部が対応レンズセル７ａの外形枠外にはみ出すため、照明効率が低下し、スクリーン上の明るさが低下する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
本実施例では、絞り８が挿入された場合のスクリーン上の明るさ変動、つまりはフリッカを抑制するために、第１に、集光レンズ４にオーバー方向の球面収差を与えている。言い換えれば、集光レンズ４に、照明光を第１のレンズアレイ６よりも光源側（入射側）の位置に集光する球面収差を与えている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
また、第１のレンズセル６ａ１の偏心を、蛍光光スポット像の外縁（例えば蛍光光スポット像の明るさが最大値の半値となる位置）のうち光軸側の部分が第２のレンズアレイ７の対応レンズセル７ａ１の外形縁のうち光軸側の部分に重なるように設定することが望ましい。言い換えれば、第１レンズセル６ａ１の偏心は、蛍光光スポット像の位置が第２レンズアレイ７の中心に近づくように設定してもよい。これにより、蛍光光スポット像の対応レンズセル７ａ１の外形縁からのはみ出しによる照明効率の低下を最小限に抑えながらフリッカを低減させることができる。