(57)【要約】【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。【選択図】図１
2015057765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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乃至９のいずれかに記載の照明装置。
【請求項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乃至１０のいずれかに記載の照明装置。
【請求項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乃至１１のいずれかに記載の照明装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２１２０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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】
【００２５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】シリンドリカルレンズ４５の一例を示す図。
【図５】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。
【図６】照明装置の光学系を説明する図。
【図７】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。
【図８】トロイダルレンズアレイの一例を示す図。
【図９】トロイダルレンズアレイの他の一例を示す図。
【図１０】輝点４４の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２８】
（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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【数１】
2015057765.tif 000003
【００３７】
（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。
【００３８】
（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。
【００３９】
（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。
【数２】
2015057765.tif 000004
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【数３】
2015057765.tif 000005
【００４２】
（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。
【数４】
2015057765.tif 000006
【００４３】
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。
【数５】
2015057765.tif 000007
【００４４】
この（５）式を変形すると、（６）式が得られる。
【００４５】
ｆ'1＝ｋｆ1    …（６）
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
（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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
（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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【符号の説明】
【００９９】
１５  拡散スクリーン、３０  光変調器、４０  照明装置、４１  レンズアレイ（第１レンズアレイ）、４２  フィールドレンズ、４３  要素レンズ（第１要素レンズ）、４５  シリンドリカルレンズ、４６  第１シリンドリカルレンズ部、４７  第２シリンドリカルレンズ部、４８  第２レンズアレイ、４９  第２要素レンズ、５０  光学素子、５１、５２  トロイダルレンズアレイ、５３  トロイダルレンズ、６０  照射装置、６１  レーザ光源、８０  投射光学系、８１  プロジェクションレンズ
【図１】
2015057765.tif 000008
【図２】
2015057765.tif 000009
【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】
2015057765.tif 000014
【図８】
2015057765.tif 000015
【図９】
2015057765.tif 000016
【図１０】
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