(57)【要約】【課題】スペックルを目立たなくさせながら十分に均一な照度で照明することができる照明装置を提供する。【解決手段】照明装置４０は、第１拡散素子５０と、第１拡散素子上を走査するようにして第１拡散素子にコヒーレント光を照射する照射装置７０と、第１拡散素子で拡散されたコヒーレント光の光路を変更する偏向素子５５と、入射光が全反射しながら通過する均一化素子６０と、偏向素子から均一化光学素子までの光路に配置された第２拡散素子６０と、を含む。第１拡散素子上の或る領域に入射して拡散されたコヒーレント光、並びに、第１拡散素子上の或る領域とは異なる別の領域に入射して拡散されたコヒーレント光が、それぞれ、偏向素子によって第２拡散素子に集められ、当該第２拡散素子によって拡散された後に均一化光学素子を通過して照明に用いられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１拡散素子と、
前記第１拡散素子上を走査するようにして前記第１拡散素子にコヒーレント光を照射する照射装置と、
前記第１拡散素子で拡散されたコヒーレント光の光路を変更する偏向素子と、
前記偏向素子で光路を変更されたコヒーレント光が反射しながら通過する均一化光学素子と、
前記偏向素子から前記均一化光学素子までの光路に配置される第２拡散素子と、を備え、
前記第１拡散素子上の或る領域に入射して拡散されたコヒーレント光、並びに、前記第１拡散素子上の前記或る領域とは異なる別の領域に入射して拡散されたコヒーレント光が、それぞれ、前記偏向素子によって前記第２拡散素子に集められ、当該第２拡散素子によって拡散された後に均一化光学素子を通過して照明に用いられる、照明装置。
【請求項２】
前記第２拡散素子は、凹レンズを含む、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記第２拡散素子は、凸レンズを含む、請求項１に記載の照明装置。
【請求項４】
前記第２拡散素子は、前記均一化光学素子の入射面上に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記第２拡散素子の主点は、前記偏向素子の後側焦点上に位置している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記第２拡散素子から前記均一化光学素子の入射面までの距離は、前記偏向素子から前記第２拡散素子までの距離よりも短い、請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記第１拡散素子は、複数の凹レンズを含むレンズアレイを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載された照明装置と、
前記照明装置からの光によって照明される空間光変調器と、を備える、投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置および照明装置を有する投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１に開示されているように、レンズアレイやホログラムからなる光学素子を用いた照明装置が知られている。とりわけ特許文献１に開示された照明装置では、コヒーレント光を射出する光源と、光源からの光の光路を周期的に変化させる走査装置と、を有した照射装置が設けられている。この照明装置では、光学素子上の各領域に入射した光の光路が、光学素子によって調整されて一定の被照明領域に向けられる。この結果、被照明領域は、光学素子上の各領域に対応した種々の方向から照明されることになる。
【０００３】
レーザー光などのコヒーレント光を射出する照明装置では、スペックルの発生という問題が生じる。スペックル（speckle）は、レーザー光などのコヒーレント光を散乱面に照射したときに現れる斑点状の模様である。スペックルは、例えばスクリーン上に発生すると斑点状の輝度ムラ（明るさのムラ）として観察され、観察者に対して生理的な悪影響を及ぼす要因になる。特許文献１に開示された照明装置によれば、照明光の散乱面への入射角度が経時的に変化するため、コヒーレント光の拡散で生じる散乱面上でのスペックルが重畳されて時間的に平均化されて目立たなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２０１２／０３３１７９Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、本件発明者らは、被照明領域での照度分布を均一化する観点から、図７に示すように、照明装置１４０に均一化光学素子１６５を追加することを検討している。図７に示された照明装置１４０では、拡散素子１５０とコンデンサレンズ１５５とを有した光学素子１４５が用いられている。コンデンサレンズは、拡散素子からの発散光束の光路を均一化光学素子の入射面に向ける。この照明装置におけるスペックルの不可視化は、コンデンサレンズから均一化光学素子に入射する入射光束の光軸の角度変動の大きさθｘａを大きくすることによって、達成され得る。
【０００６】
その一方で、拡散素子での拡散能の強さθｙａは、スペックル低減に直接的に寄与しない。均一化光学素子まで光源光をより確実に誘導してより高い利用効率で利用する観点からは、拡散素子での拡散角θｙａを広げ過ぎないことが有効である。また、光源光の利用効率以外の観点からも、図８及び図９に示すように、拡散素子での拡散角θｙａを広げることには制約が生じる。図８に示すように、拡散素子１５０での拡散角θｙｂを大きく設定すると、大型のコンデンサレンズ１５６を用いる必要が生じ照明装置も大型化してしまう。また、図９に示すように、コンデンサレンズ１５５を大型化させずに拡散素子１５０での拡散角θｙｂを大きくするには、拡散素子１５１を小型化する必要が生じる。拡散素子１５１を小型すると、光軸の角度変動の大きさθｘｂが小さくなり、スペックルを十分に目立たなくすることができなくなる。
【０００７】
しかしながら、拡散素子での拡散角θｙａが小さいと、図７に示すように、均一化光学素子１６５の長さにも依存するが、均一化光学素子１６５内で十分に全反射が繰り返されなくなる。結果として、各瞬間において、均一化光学素子１６５の出射面のうちの一部分のみからしか光が出射しなくなる。すなわち、各瞬間に照明可能となる領域ＬＺａは、均一化光学素子１６５の出射面に対面する被照明領域ＬＺの一部分となってしまい、被照明領域ＬＺを均一な照度にて照明することができない。
【０００８】
本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、スペックルを目立たなくさせながら十分に均一な照度で照明することができる照明装置、並びに、この照明装置を用いた投射装置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】
【０００９】
本発明による照明装置は、
第１拡散素子と、
前記第１拡散素子上を走査するようにして前記第１拡散素子にコヒーレント光を照射する照射装置と、
前記第１拡散素子で拡散されたコヒーレント光の光路を変更する偏向素子と、
前記偏向素子で光路を変更されたコヒーレント光が反射しながら通過する均一化光学素子と、
前記偏向素子から前記均一化光学素子までの光路に配置される第２拡散素子と、を備え、
前記第１拡散素子上の或る領域に入射して拡散されたコヒーレント光、並びに、前記第１拡散素子上の前記或る領域とは異なる別の領域に入射して拡散されたコヒーレント光が、それぞれ、前記偏向素子によって前記第２拡散素子に集められ、当該第２拡散素子によって拡散された後に均一化光学素子を通過して照明に用いられる。
【００１０】
本発明による照明装置において、前記第２拡散素子は、凹レンズを含むようにしてもよい。
【００１１】
本発明による照明装置において、前記第２拡散素子は、凸レンズを含むようにしてもよい。
【００１２】
本発明による照明装置において、前記第２拡散素子は、前記均一化光学素子の入射面上に配置されていてもよい。
【００１３】
本発明による照明装置において、前記第２拡散素子の主点は、前記偏向素子の後側焦点上に位置していてもよい。
【００１４】
本発明による照明装置において、前記偏向素子から前記第２拡散素子までの距離は、前記偏向素子の焦点距離以上であるようにしてもよい。
【００１５】
本発明による照明装置において、前記第２拡散素子から前記均一化光学素子の入射面までの距離は、前記偏向素子から前記第２拡散素子までの距離よりも短くなっていてもよい。
【００１６】
本発明による照明装置において、前記第１拡散素子の入射面から前記偏向素子までの距離は、前記第２拡散素子から前記均一化光学素子の入射面までの距離よりも長く、前記偏向素子から前記第２拡散素子までの距離よりも短くなっていてもよい。
【００１７】
本発明による照明装置において、前記第１拡散素子は、複数の凹レンズを含むレンズアレイを有するようにしてもよい。
【００１８】
本発明による照明装置において、前記第１拡散素子は、複数の凸レンズを含むレンズアレイを有するようにしてもよい。
【００１９】
本発明による照明装置において、前記第１拡散素子は、ホログラム記録媒体を含むようにしてもよい。
【００２０】
本発明による投射装置は、
上述した本発明による照明装置のいずれかと、
前記照明装置からの光によって照明される空間光変調器と、を備える。
【００２１】
本発明による投射装置が、前記空間光変調器からの光を被投射体上に向ける投射光学系を、さらに備えるようにしてもよい。
【００２２】
本発明による投射型表示装置は、
上述した本発明による投射装置のいずれかと、
前記投射装置から光を投射される被投射体と、を備える。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、スペックルを目立たなくさせることができるとともに、十分に均一な照度で照明することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明による一実施の形態を説明するための図であって、投射装置および投射型表示装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、図１の投射装置に含まれた照明装置を示す図である。
【図３】図３は、図１の部分拡大図である。
【図４】図４は、図２に対応する図であって、照明装置の一変形例を示す図である。
【図５】図５は、図２に対応する図であって、照明装置の他の変形例を示す図である。
【図６】図６は、図１に対応する図であって、照明装置のさらに他の変形例を示す図である。
【図７】図７は、照明装置の一参考例を示す図である。
【図８】図８は、照明装置の他の参考例を示す図である。
【図９】図９は、照明装置のさらに他の参考例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
【００２６】
また、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。
【００２７】
図１に示す投射型映像表示装置１０は、スクリーン１５と、映像光を投射する投射装置２０と、を有している。投射装置２０は、仮想面上に位置する被照明領域ＬＺをコヒーレント光で照明する照明装置４０と、被照明領域ＬＺと重なる位置に配置され照明装置４０によって照明される空間光変調器３０と、空間光変調器３０からのコヒーレント光をスクリーン１５に投射する投射光学系２５と、を有している。すなわち、ここで説明する一実施の形態において、照明装置４０は、空間光変調器３０を照明するための照明装置として、投射装置２０に組み込まれている。そして、照明装置４０は、コヒーレント光によって被照明領域ＬＺを照明するが、この照明装置４０には、スペックルを目立たなくさせる工夫がなされている。
【００２８】
まず、照明装置４０について説明する。図１に示されているように、照明装置４０は、コヒーレント光を照射する照射装置７０と、照射装置からの光を所定の領域に向ける光学素子４５と、光学素子４５から照射されるコヒーレント光を拡散させる第２拡散素子６０と、第２拡散素子６０で拡散されたコヒーレント光を誘導する均一化光学素子６５と、を有している。
【００２９】
この照明装置４０において、照射装置７０は、光学素子４５上を走査するようにして当該光学素子４５にコヒーレント光を照射する。したがって、ある瞬間に、照射装置７０によってコヒーレント光を照射されている光学素子４５上の領域は、光学素子４５の表面の一部分となる。光学素子４５は、走査経路上の或る一つの領域に入射したコヒーレント光、並びに、走査経路上の前記或る一つの領域からずれた位置にある別の一つの領域に入射したコヒーレント光が、それぞれ第２拡散素子６０に入射するように、光路を調整する。とりわけ、以下に説明する実施の形態では、光学素子４５の入射面をなす第１拡散素子５０を平面分割してなる複数の領域にそれぞれに入射した光が、第２拡散素子６０に入射するよう、照射装置７０から光学素子４５に照射されたコヒーレント光の光路が調整される。第２拡散素子６０に入射した光は、当該第２拡散素子６０で拡散された後に、均一化光学素子６５を通過して被照明領域ＬＺの照明に用いられる。
【００３０】
照射装置７０は、特定波長帯域のコヒーレント光を射出する光源装置７１と、光源装置７１からの光の進行方向を光学素子４５に向ける走査装置７５と、を有している。光源装置７１は、コヒーレント光を生成する光源７２、例えばレーザー光源７２を有している。
【００３１】
一方、走査装置７５は、光源７２からのコヒーレント光の光路を経時的に変化させるデバイスである。図示された具体例において、走査装置７５は、一つの回動軸Ｒａを中心として回動可能な光路変更部材を有している。光路変更部材は、それ自体、入射光の光路を変更する機能を有している。この光路変更部材が、一つの軸Ｒａを中心として回動する。すなわち、図示された照射装置７０は、一次元走査デバイスとして構成されている。光路変更部材としては、プリズム等を例示することもできるが、図示された例では、反射面７６ａを有した反射部材７６として構成されている。この反射部材７６は、反射面７６ａと平行な回動軸Ｒａを中心として回動可能に保持されている。このような走査装置７５は、一例として、共振ミラーデバイスから構成され得る。
【００３２】
次に、光学素子４５について説明する。光学素子４５は、上述したように、各領域への入射光を当該領域の位置に応じた特定の方向に向ける光路制御機能を有している。ここで説明する光学素子４５は、各領域への入射光の進行方向を変更して、第２拡散素子６０に集める。すなわち、光学素子４５の入射面を平面分割してなる各領域に照射された照射装置７０からのコヒーレント光は、光学素子４５を経由した後に、第２拡散素子６０に向かうようになる。
【００３３】
図１及び図２に示すように、光学素子４５は、光学素子４５の入射面をなす第１拡散素子５０と、第１拡散素子５０で拡散されたコヒーレント光の光路を調整する偏向素子５５と、を有している。図２に示すように、光学素子４５は、入射光を拡散して、当該光の光路幅を広げる。偏向素子５５は、光路幅を広げられた光学素子４５からの光束の光路を補正して第２拡散素子６０に集める。
【００３４】
一例として、図１及び図２に示された例において、第１拡散素子５０は、照射装置７０からの光の入射方向に対応して形成されたレンズアレイ５１を含んで構成され得る。ここで「レンズアレイ」とは、単位レンズとも呼ばれる小さなレンズの集合体であり、屈折または反射によって光の進行方向を偏向させる素子として機能する。図示された例において、レンズアレイ５１は、凹レンズからなる単位凹レンズ５２を敷き詰めて形成されている。レンズアレイ５１をなす複数の単位凹レンズ５２は、各凹レンズの光軸と直交する仮想面上に並べられている。そして、レンズアレイ５１は、各単位凹レンズ５２に対応する各領域に入射する光を拡散させる。一方、図２に示された一具体例において、偏向素子５５は、レンズアレイ５１に対向して配置されたコンデンサレンズまたはフィールドレンズとして機能するレンズ５６から構成されている。
【００３５】
第２拡散素子６０は、第１拡散素子５０の単位レンズと同様に、入射光を拡散して、光路幅を広げることができる。図示された例において、第２拡散素子６０は、凹レンズ６１として形成されている。
【００３６】
均一化光学素子６５は、被照明領域ＬＺにおける照度の均一化を確保するために設けられた素子である。均一化光学素子６５の入射面６５ａへ入射したコヒーレント光は、均一化光学素子６５内で反射、例えば全反射を繰り返し、出射面６５ｂから出射する。この結果、均一化光学素子６５の出射面６５ｂでの照度分布は均一化する。図示された例では、均一化光学素子６５の出射面６５ｂに対面する領域を被照明領域ＬＺとしている。すなわち、均一化光学素子６５を設けることで、被照明領域ＬＺ内の全域が均一な光量で照明されることになる。
【００３７】
均一化光学素子６５は、例えばインテグレータロッド６６を用いて構成可能である。インテグレータロッド６６は、筒状になっており、その入射面に入射したコヒーレント光を内壁で全反射させながら出射面方向に伝搬させる。これにより、インテグレータロッド６６の出射面からは、出射面内の全域で光量が均一なコヒーレント光が出射される。ここで、均一化の程度は、個々の使用形態によって異なるが、概略的な目安としては、出射面での照度分布のばらつきが１０％以内である。なお、均一化光学素子６５としては、インテグレータロッドに限られることなく、例えばカライドスコープやライトパイプを用いることができる。
【００３８】
次に、空間光変調器３０について説明する。空間光変調器３０は、被照明領域ＬＺに重ねて配置される。そして、空間光変調器３０は、照明装置４０によって照明され、変調画像を形成する。照明装置４０からの光は、被照明領域ＬＺの全域のみを照明する。したがって、空間光変調器３０の入射面は、照明装置４０によって光を照射される被照明領域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からの光を、変調画像の形成に高い利用効率で利用することができるからである。
【００３９】
空間光変調器３０は、特に制限されることなく、種々の公知の空間光変調器を利用することができる。例えば、偏光を利用することなく変調画像を形成する空間光変調器、例えばデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）や、偏光を利用して変調画像を形成する透過型の液晶マイクロディスプレイや反射型のＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ（登録商標））を、空間光変調器３０として用いることができる。
【００４０】
図１に示された例のように、空間光変調器３０が、透過型の液晶マイクロディスプレイである場合、照明装置４０によって面状に照明される空間光変調器３０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、空間光変調器３０をなすディスプレイの画面上に変調画像が形成されるようになる。こうして得られた変調画像は、最終的には、投射光学系２５によって、等倍で或いは変倍されてスクリーン１５へ投射される。これにより、観察者は、スクリーン１５上に投射された当該画像を観察することができる。スクリーン１５は、透過型スクリーンとして構成されていてもよいし、反射型スクリーンとして構成されていてもよい。
【００４１】
次に、以上の構成からなる照明装置４０、投射装置２０および投射型映像表示装置１０の作用について説明する。
【００４２】
まず、照射装置７０は、光学素子４５の第１拡散素子５０上を走査するようにして、第１拡散素子５０へコヒーレント光を照射する。具体的には、光源装置７１の光源７２で一定方向に沿って進む特定波長帯域のコヒーレント光が生成され、このコヒーレント光が走査装置７５で進行方向を変えられる。走査装置７５は、周期的な動作を行っており、この結果、第１拡散素子５０上でのコヒーレント光の入射位置も、周期的に変化するようになる。
【００４３】
第１拡散素子５０の各単位凹レンズ５２に入射したコヒーレント光は、それぞれ、第１拡散素子５０での拡散機能により拡散され、光路幅を広げて偏向素子５５に入射する。偏向素子５５へ入射したコヒーレント光は、偏向素子５５での光路調整機能により、第２拡散素子６０向けられる。すなわち、第１拡散素子５０の各領域に入射したコヒーレント光は、それぞれ、第２拡散素子６０に集められるようになる。なお、図示された例において、第１拡散素子５０上の各領域に入射したコヒーレント光は、それぞれ、図１に一点鎖線で示された光軸が互いに平行となるように、光路を変更される。そして、偏向素子５５での光路変更機能により、第１拡散素子５０上の各領域に入射したコヒーレント光の光軸は、偏向素子５５をなすレンズ５６の後側焦点Ｐｆにて交わるようになる。
【００４４】
第２拡散素子６０は、均一化光学素子６５の入射面６５ａに対面する位置に配置されている。したがって、第２拡散素子６０に入射したコヒーレント光は、発散角を広げて、均一化光学素子６５に入射する。均一化光学素子６５は、入射光の全反射を繰り返し引き起こすことにより、光量の面内分布を均一化させる機能を有している。そして、第２拡散素子６０で拡散された発散光は、この均一化光学素子６５の均一化作用を効果的に及ぼされやすくなる。すなわち、第１拡散素子５０上へのコヒーレント光の入射領域に依存することなく、常に、均一化光学素子６５の出射面６５ｂ内の各位置から均一な光量にてコヒーレント光が出射することができるようになる。以上のようにして、照射装置７０は、均一化光学素子６５の出射面６５ｂに対面する被照明領域ＬＺをコヒーレント光で均一に照明することができる。
【００４５】
図１に示すように、投射装置２０においては、照明装置４０の被照明領域ＬＺと重なる位置に空間光変調器３０が配置されている。このため、空間光変調器３０は、照明装置４０によって面状に照明され、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、映像を形成するようになる。この映像は、投射光学系２５によってスクリーン１５に投射される。スクリーン１５に投射されたコヒーレント光は、拡散され、観察者に映像として認識されるようになる。
【００４６】
ところで、スクリーン上に投射されたコヒーレント光は拡散によって干渉し、スペックルを生じさせることになる。一方、ここで説明する照明装置４０によれば、次に説明するように、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。
【００４７】
スペックルを目立たなくさせるには、偏光・位相・角度・時間といったパラメータを多重化し、モードを増やすことが有効であるとされている。ここでいうモードとは、互いに無相関なスペックルパターンのことである。例えば、複数のレーザー光源から同一のスクリーンに異なる方向からコヒーレント光を投射した場合、レーザー光源の数だけ、モードが存在することになる。また、同一のレーザー光源からのコヒーレント光を、時間を区切って異なる方向から、スクリーンに投射した場合、人間の目で分解不可能な時間の間にコヒーレント光の入射方向が変化した回数だけ、モードが存在することになる。そして、このモードが多数存在する場合には、光の干渉パターンが無相関に重ねられ平均化され、結果として、観察者の目によって観察されるスペックルが目立たなくなるものと考えられている。
【００４８】
上述した照明装置４０では、コヒーレント光が、第１拡散素子５０上を走査するようにして、第１拡散素子５０に照射される。第１拡散素子５０へ入射したコヒーレント光は、偏向素子５５にて光路を調整された後に、第２拡散素子６０を経て均一化光学素子６５に入射する。したがって、均一化光学素子６５に入射するコヒーレント光の入射方向は、変化し続ける。そして、均一化光学素子６５による均一化機能は、当該均一化光学素子６５の内部での全反射に起因している。したがって、ある瞬間に均一化光学素子６５から出射する光束の進行方向は、当該光束が均一化光学素子６５に入射した際の進行方向に依存して決定される。均一化光学素子６５による均一化機能が十分に発揮されていると仮定すれば、当該光束の均一化光学素子６５の入射面６５ａへの入射時における最大入射角度の大きさは、当該光束の均一化光学素子６５の出射面６５ｂからの出射時における最大出射角度の大きさとなり、同様に、当該光束の均一化光学素子６５の入射面６５ａへの入射時における最小入射角度の大きさが、当該光束の均一化光学素子６５の出射面６５ｂからの出射時における最小出射角度の大きさとなる。
【００４９】
すなわち、均一化光学素子６５の出射面６５ｂから出射するコヒーレント光の出射方向の角度域は、当該光が均一化光学素子６５の入射面６５ａへ入射する際の入射角度の角度域に依存する。そして、均一化光学素子６５へのコヒーレント光の入射角度が経時的に変化することから、均一化光学素子６５の出射面６５ｂから出射するコヒーレント光の出射方向の角度域も変化することになる。その一方で、任意の瞬間に均一化光学素子６５の出射面６５ｂから出射するコヒーレント光の出射方向の角度域は、出射面６５ｂ内の各位置において或る程度均一化する。
【００５０】
すなわち、照射装置７０から第１拡散素子５０の各領域に入射したコヒーレント光は、それぞれ、同一の被照明領域ＬＺの全域をコヒーレント光で照明することになるが、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第１拡散素子５０上の領域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。
【００５１】
被照明領域ＬＺを基準にして考えると、被照明領域ＬＺ内の各領域には絶えずコヒーレント光が入射してくるが、その入射方向は、図３に矢印Ａ１で示すように、常に変化し続けることになる。結果として、空間光変調器３０の透過光によって形成された映像の各画素をなす光が、図３に矢印Ａ２で示すように経時的に光路を変化させながら、スクリーン１５の特定の位置に投射されるようになる。
【００５２】
以上のことから、上述してきた照明装置４０を用いることによれば、映像を表示しているスクリーン１５上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り、結果として、人間の目には、相関の無いコヒーレント光の散乱パターンが多重化されて観察されることになる。したがって、各散乱パターン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になる。これにより、スクリーン１５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。
【００５３】
なお、人間によって観察される従来のスペックルには、スクリーン１５上でのコヒーレント光の散乱を原因とするスクリーン側でのスペックルだけでなく、スクリーンに投射される前におけるコヒーレント光の散乱を原因とする投射装置側でのスペックルも発生し得る。この投射装置側で発生したスペックルパターンは、空間光変調器３０を介してスクリーン１５上に投射されることによって、観察者に認識され得るようにもなる。しかしながら、本実施の形態によれば、コヒーレント光が光学素子４５の第１拡散素子５０上を連続的に走査し、そして光学素子４５の各領域に入射したコヒーレント光が、それぞれ、空間光変調器３０が重ねられた被照明領域ＬＺの全域を照明するようになる。すなわち、光学素子４５が、スペックルパターンを形成していたそれまでの波面とは別途の新たな波面を形成し、複雑且つ均一に、被照明領域ＬＺ、さらには、空間光変調器３０を介してスクリーン１５を照明するようになる。このような光学素子４５での新たな波面の形成により、投射装置側で発生するスペックルパターンは不可視化されることになる。
【００５４】
ところで、以上に説明したように、照明装置４０及び投射装置２０におけるスペックルの不可視化は、偏向素子５５から均一化光学素子に入射する入射光束の光軸の角度変動の大きさθｘ（図２参照）を大きくすることによって、達成され得る。その一方で、第１拡散素子５０での拡散能の強さは、すなわち発散角の大きさθｙ（図２参照）は、光軸の経時的な角度変動の大きさθｘと比較して、スペックル低減に大きな影響を及ぼすものではない。このため、均一化光学素子６５の入射面６５ａに光源光をより確実に入射させてより高い利用効率で光源光を利用する観点からは、拡散素子での拡散角を広げ過ぎないことが有効である。むしろ、図１、図２及び図７の例と比較して、図８に示すように拡散素子１５０での拡散角θｙｂを大きく設定すると、大型のコンデンサレンズ１５６を用いる必要が生じ照明装置１４０も大型化してしまう。或いは、コンデンサレンズ１５５を大型化させずに拡散素子での拡散角θｙｂを大きくするには、図９に示すように、拡散素子１５１を小型化する必要が生じる。拡散素子１５１を小型すると、光軸の角度変動の大きさθｘｂが小さくなり、スペックル低減の点において不利である。
【００５５】
以上のように、照射装置７０から照射されるコヒーレント光の利用効率の観点から、第１拡散素子５０での拡散角θｙａは、大きくなり過ぎない方が好ましい、また、第１拡散素子５０での拡散角θｙａを大きくすることには、その他の弊害をともなう。
【００５６】
しかしながら、第１拡散素子５０での拡散角θｙａが十分な大きさまで大きくなっていないと、図７に示すように、各瞬間に均一化光学素子１６５に入射する光の入射方向が狭い角度範囲内に揃ってしまう。この場合、均一化光学素子１６５を十分に長くしない限り、均一化光学素子１６５内で十分に全反射が繰り返されなくなる。均一化光学素子１６５を長くすると、当然、照明装置４０が大型化するといった不都合が生じる。均一化光学素子１６５内での全反射が十分に生じていないと、各瞬間において、均一化光学素子１６５の出射面のうちの一部の領域ＬＺａのみからしか光が出射しなくなる。すなわち、各瞬間に照明可能となる領域ＬＺａは、均一化光学素子１６５の出射面に対面する被照明領域ＬＺの一部分となってしまい、被照明領域ＬＺを均一な照度にて照明することができない。
【００５７】
一方、本実施の形態においては、偏向素子５５から均一化光学素子６５までの光路に、第２拡散素子６０が配置されている。第２拡散素子６０は、均一化光学素子６５の入射面６５ａに対面して配置されている。このため、第２拡散素子６０は、各瞬間に均一化光学素子６５内に入射するコヒーレント光の発散角θｚ（図２参照）を、均一化光学素子６５への入射直前に広げることができる。すなわち、スペックルの低減に直接的な影響を及ぼす光軸の経時的な角度変動の大きさθｘを小さくしてしまうことなく、任意の瞬間に均一化光学素子６５へ入射するコヒーレント光の入射角度範囲の大きさを広げることができる。これにより、均一化光学素子６５の長さを長くしなくとも均一化光学素子６５での全反射が促進され、均一化光学素子６５の出射面６５ｂの各位置から出射するコヒーレント光の光量を、効果的に均一化することができ、これにより、スペックルの目立たせることなく、被照明領域ＬＺを均一な照度にて照明することができる。
【００５８】
とりわけ、本実施の形態では、第２拡散素子６０が凹レンズ６１として構成されている。凹レンズ６１によれば、凸レンズのように一度焦点を結んだ後に拡散現象が生じるのではなく、入射光を入射直後に拡散させて光路幅を広げることができる。すなわち、導光方向の長さが短い均一化光学素子６５を用いながら、均一化光学素子６５の出射面６５ｂの各位置からの出射光量を均一化することができる。同様に、本実施の形態では、第１拡散素子５０をなすレンズアレイ５１が、単位レンズとして、凹レンズからなる単位凹レンズ５２を含んでいる。したがって、第１拡散素子５０と偏向素子５５との距離を短くして、照明装置４０及び投射装置２０の小型化を図ることができる。
【００５９】
なお、第２拡散素子６０の主点Ｐｍｃから均一化光学素子６５の入射面６５ａまでの距離Ｌｃは、偏向素子５５の主点Ｐｍｂから第２拡散素子６０の主点Ｐｍｃまでの距離Ｌｂよりも短くなっている。すなわち、第２拡散素子６０は、偏向素子５５から離間して、均一化光学素子６５の直前に配置され得る。このような配置は、照射装置７０から射出された光の利用効率を向上させる観点並びに装置の小型化の観点から、好ましい。なお、「主点」とは、レンズの光学的な中心であり、焦点距離を定める中心点である。
【００６０】
また、図１及び図２において、第２拡散素子６０は、均一化光学素子６５の入射面６５ａから離間して配置されている。しかしながら、照射装置７０から射出された光の利用効率を向上させる観点並びに装置の小型化の観点から、第２拡散素子６０は、均一化光学素子６５の入射面６５ａに接触して、当該入射面６５ａ上に配置されていることが好ましい。
【００６１】
さらに、第２拡散素子６０が凹レンズ６１からなる場合、偏向素子５５の主点Ｐｍｂから第２拡散素子６０の主点Ｐｍｃまでの距離Ｌｂは、偏向素子５５の焦点距離ｆｂ以上であることが好ましい。このような例によれば、スペックルの低減に直接的な影響を及ぼす光軸の経時的な角度変動の大きさθｘが、第２拡散素子６０によって、小さくなってしまうことを防止することができる。すなわち、第２拡散素子６０からの出射後における光軸の経時的な角度変動の大きさθＺが、第２拡散素子６０への入射前における光軸の経時的な角度変動の大きさθｘ以上となり、スペックル低減に有利である。
【００６２】
なお、偏向素子５５の主点Ｐｍｂから第２拡散素子６０の主点Ｐｍｃまでの距離Ｌｂが、偏向素子５５の焦点距離ｆｂより大きくなると、照明装置４０が大型化してしまう。この点を考慮して、図１及び図２に示すように、第２拡散素子６０の主点Ｐｍｃが、偏向素子５５の後側焦点Ｐｆ上に位置していることが、スペックルの低減及び装置の大型化回避の両立において好ましい。第２拡散素子６０の主点Ｐｍｃが、偏向素子５５の後側焦点Ｐｆ上に位置している場合、第２拡散素子６０に各瞬間に入射する光の光軸は、第２拡散素子６０で曲がらない。したがって、期待したスペックル低減機能を安定して確保することが可能となる。なお、後側焦点Ｐｆとは、偏向素子５５の入射側及び出射側の両側に位置することになる一対の焦点のうち、出射側に位置する焦点、本実施の形態では、第２拡散素子６０の側に位置する焦点のことを意味している。
【００６３】
さらに、上述した実施の形態では、第１拡散素子５０の入射面から偏向素子５５の主点Ｐｍｂまでの距離Ｌａが、第２拡散素子６０の主点Ｐｍｃから均一化光学素子６５の入射面６５ａまでの距離Ｌｃよりも長く、偏向素子５５の主点Ｐｍｂから第２拡散素子６０の主点Ｐｍｃまでの距離Ｌｂよりも短くなっている。この結果、スペックルを目立たなくさせることができるとともに十分に均一な照度で被照明領域ＬＺを照明することを可能にした有用な照明装置４０において、装置の十分な小型化を実現することができる。
【００６４】
上述した実施の形態に対して様々な変更を加えることが可能である。以下、図面を参照しながら、変形の一例について説明する。以下の説明および以下の説明で用いる図面では、上述した実施の形態と同様に構成され得る部分について、上述の実施の形態における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いることとし、重複する説明を省略する。
【００６５】
＜第１拡散素子＞
上述した実施の形態において、光学素子４５の第１拡散素子５０のレンズアレイ５１が、単位レンズとして、凹レンズからなる単位凹レンズ５２を有する例を示したが、これに限られない。図４に示すように、光学素子４５の第１拡散素子５０のレンズアレイ５１が、単位レンズとして、凸レンズからなる単位凸レンズ５３を有するようにしてもよい。なお、図４中に点線で示したレンズアレイは、凹レンズからなる単位レンズを含んだ図２のレンズアレイの配置を示している。また、図５に示すように、光学素子４５の第１拡散素子５０が、ホログラム記録媒体５４を含むようにしてもよい。
【００６６】
＜第２拡散素子＞
また上述した実施の形態において、第２拡散素子６０が、凹レンズ６１として構成されている例を示したが、これに限られない。一例として、図４に示すように、第２拡散素子６０が、凸レンズ６２として構成されていてもよい。
【００６７】
＜光源装置＞
さらに上述した実施の形態において、光源装置７１は、単一の光源７２を有していた。しかしながら、この例に限られず、光源装置７１が、複数の光源を含むようにしてもよい。一例として、光源装置７１が、複数のレーザー光源を含むレーザーアレイとして構成されていてもよい。光源装置７１に含まれる複数の光源は、互いに異なる波長帯域の光を生成するようにしてもよいし、同一波長帯域の光を生成するようにしてもよい。異なる波長帯域の光を生成する複数の光源を用いた場合、加法混色により、単一の光源では生成することができない色の光によって、被照明領域ＬＺを照明することができる。また、複数の光源が、赤色波長帯域の光、緑色波長帯域の光、青色波長帯域の光をそれぞれ生成する場合には、白色光にて被照明領域ＬＺを照明することができる。一方、同一の波長帯域の光を生成する複数の光源を用いた場合、高出力で被照明領域ＬＺを照明することが可能となる。
【００６８】
＜走査装置＞
また、走査装置７５が、コヒーレント光の進行方向を反射によって変化させる一軸回動型のデバイスとして形成されている例を示したが、この例に限られない。走査装置７５は、反射部材７６の反射面７６ａが、第１の回動軸線Ｒａだけでなく、第１の回動軸線Ｒａと交差する第２の回動軸線を中心としても回動可能となっていてもよい。また、走査装置７５が、二以上の反射デバイスを含んでいてもよい。この場合、各反射デバイスの反射面が、単一の軸線を中心としてのみ回動可能であっても、走査装置７５は、第１拡散素子５０上での走査経路を二次元的な経路とすることができる。なお、走査装置７５に含まれる反射デバイスの具体例としては、ＭＥＭＳミラー等を挙げることができる。また、走査装置７５は、反射によってコヒーレント光の進行方向を変化させる反射デバイス以外のデバイスを含んで構成されていてもよい。例えば、走査装置７５が、屈折プリズムやレンズ等を含んでいていてもよい。
【００６９】
＜投射装置＞
さらに上述した実施の形態では、空間光変調器３０が、均一化光学素子６５の出射面６５ｂに直面するようにして配置され、空間光変調器３０が均一な光量にて照明されるようになっている例を示したが、この例に限られない。例えば、図６に示すように、均一化光学素子６５と空間光変調器３０との間にリレー光学系３５が配置されていてもよい。リレー光学系３５によって、空間光変調器３０が配置されている位置は、均一化光学素子６５の出射面６５ｂと共役な面となっている。このため、図６に示された例においても、空間光変調器３０は、均一な光量にて照明される。
【００７０】
＜他の用途＞
さらに、上述した実施の形態において、照明装置４０が、投射装置２０及び投射型映像表示装置１０に組み込まれた例を示したが、これに限られず、種々の用途に照明装置４０を用いることができる。一例として、上述した照明装置４０を、スキャナ用の照明装置等に用いることができる。
【００７１】
＜変形例の組み合わせ＞
なお、以上において上述した実施の形態に対するいくつかの変形例を説明してきたが、当然に、複数の変形例を適宜組み合わせて適用することも可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０   投射型映像表示装置
１５   スクリーン
２０   投射装置
２５   投射光学系
３０   空間光変調器
３５   リレー光学系
４０   照明装置
４５   光学素子
５０   第１拡散素子
５１   レンズアレイ
５２   単位凹レンズ
５３   単位凸レンズ
５４   ホログラム記録媒体
５５   偏向素子
５６   レンズ
５７   主点
６０   第２拡散素子
６１   凹レンズ
６２   主点
６２   凸レンズ
６５   均一化光学素子
６５ａ 入射面
６５ｂ 出射面
６６   インテグレータロッド
７０   照射装置
７１   光源装置
７２   光源
７５   走査装置
７６   反射部材
７６ａ 反射面
【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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