JP2017116674A - 照明装置及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】照明光の色分離を簡便に行うことができる、照明装置及びプロジェクターを提供する。【解決手段】第１の色の第１の光を射出する第１の発光部と、該第１の色とは異なる第２の色の第２の光を射出する第２の発光部と、を備えた第１の発光ユニットを有する光源装置と、第１の光と第２の光とが入射する第１のコリメーターレンズを有するコリメート光学系と、を備え、第１の光と第２の光とは、第１のコリメーターレンズから互いに異なる方向に射出される照明装置に関する。【選択図】図２

Description

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。

光源装置から射出した白色光を赤色光、緑色光及び青色光に分離する色分離光学系として２枚のダイクロイックミラーを用いたプロジェクターが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

また、白色光を射出する発光装置として、赤色半導体レーザー素子、緑色半導体レーザー素子及び青色半導体レーザー素子を用いたものが知られている（例えば、下記特許文献２参照）。

特開２００３−１４９７３４号公報 特開２０１０−２７８０９８号公報

ところで、上記発光装置をプロジェクター用の光源装置として用いた場合も、色分離光学系として２枚のダイクロイックミラーが必要となるので、構成が複雑化するといった問題が生じる。

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、照明光の色分離を簡便に行うことができる、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。

本発明の第１態様に従えば、第１の色の第１の光を射出する第１の発光部と、該第１の色とは異なる第２の色の第２の光を射出する第２の発光部と、を備えた第１の発光ユニットを有する光源装置と、前記第１の光と前記第２の光とが入射する第１のコリメーターレンズを有するコリメート光学系と、を備え、前記第１の光と前記第２の光とは、前記第１のコリメーターレンズから互いに異なる方向に射出される照明装置が提供される。

第１態様に係る照明装置によれば、コリメーターレンズを色分離光学系として利用するので、ダイクロイックミラーを用いた色分離光学系が不要となる。よって、照明光の色分離を簡便な構成で行うことができる。

上記第１態様において、前記光源装置は、前記第１の色の第３の光を射出する第３の発光部と、前記第２の色の第４の光を射出する第４の発光部と、を備えた第２の発光ユニットを更に備え、前記コリメート光学系は、前記第３の光と前記第４の光とが入射する第２のコリメーターレンズを更に備え、前記第１の光と前記第３の光とは、前記コリメート光学系から第１の方向に射出され、前記第２の光と前記第４の光とは、前記コリメート光学系から第２の方向に射出されるように、前記第１の発光ユニットと前記第２の発光ユニットと前記第１のコリメーターレンズと前記第２のコリメーターレンズとが構成されているのが好ましい。
この構成によれば、第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットから射出した光それぞれの色分離をすることができる。

上記第１態様において、前記第１の発光ユニットにおける前記第１の発光部と前記第２の発光部との位置関係は、前記第２の発光ユニットにおける前記第３の発光部と前記第４の発光部との位置関係と同じであるのが好ましい。
この構成によれば、第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットから射出した光それぞれの色分離をすることができる。

上記第１態様において、前記第１の発光ユニットと前記第１のコリメーターレンズとの相対関係は、前記第２の発光ユニットと前記第２のコリメーターレンズとの相対関係と同じであるのが好ましい。
この構成によれば、互いに同じ色の第１の光と第３の光とを互いに同じ方向に進行させ、互いに同じ色の第２の光と第４の光とを互いに同じ方向に進行させることができる。

上記第１態様において、前記コリメート光学系から射出された前記第１の色の光が入射する第１の光均一化素子と、前記コリメート光学系から射出された前記第２の色の光が入射する第２の光均一化素子と、をさらに備えるのが好ましい。
この構成によれば、各色の光の照度分布を均一化することができる。

上記第１態様において、前記第１の光均一化素子及び前記第２の光均一化素子各々は、回折素子で構成されているのが好ましい。
この構成によれば、回折素子を用いることで各色の光の照度分布を簡便に均一化することができる。

本発明の第２態様に従えば、上記第１態様に係る照明装置と、前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形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。

第２態様に係るプロジェクターは上記第１態様に係る照明装置を備えるので、装置構成を小型化することができる。

本実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図。 照明装置の要部構成を示した図。 コリメーターレンズによる光の射出方向を示した図。

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。

まず、本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーンＳＣＲ上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター１は、照明装置２と、光均一化光学系３Ｒ，光均一化光学系３Ｇ，光均一化光学系３Ｂと、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６と、を備えている。

図２は、照明装置２の要部構成を示した図である。
図２に示すように、照明装置２は、光源装置２Ａと、コリメーターレンズアレイ２２と、を含む。
光源装置２Ａは、複数の発光ユニット２０を有する。コリメーターレンズアレイ２２は、複数の発光ユニット２０の配列に対応してアレイ状に配列された複数のコリメーターレンズ２２ａで構成されている。

各発光ユニット２０は、半導体レーザー２０Ｒ、半導体レーザー２０Ｇ及び半導体レーザー２０Ｂを有する。本実施形態において、半導体レーザー２０Ｒ、半導体レーザー２０Ｇ及び半導体レーザー２０Ｂはパッケージ化されている。

半導体レーザー２０Ｒは、例えば６００〜６５０ｎｍの波長域にピーク波長を有する赤色の赤色光ＬＲを射出する。

半導体レーザー２０Ｇは、例えば５００〜５６０ｎｍの波長域にピーク波長を有する緑色の緑色光ＬＧを射出する。

半導体レーザー２０Ｂは、例えば４４０〜４８０ｎｍの波長域にピーク波長を有する青色の青色光ＬＢを射出する。

本実施形態において、一つの発光ユニット２０は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢを含む白色の光を対応するコリメーターレンズ２２ａに向けて射出する。

以下、図１、２における複数の発光ユニット２０のいずれか１つを発光ユニット１２０と称し、別の発光ユニット２０を発光ユニット２２０と称す。また、発光ユニット１２０に対応するコリメーターレンズ２２ａをコリメーターレンズ１２２ａと称し、発光ユニット２２０に対応するコリメーターレンズ２２ａをコリメーターレンズ２２２ａと称す。

発光ユニット１２０は特許請求の範囲の「第１の発光ユニット」に相当し、発光ユニット２２０は特許請求の範囲の「第２の発光ユニット」に相当し、コリメーターレンズ１２２ａは特許請求の範囲の「第１のコリメーターレンズ」に相当し、コリメーターレンズ２２２ａは特許請求の範囲の「第２のコリメーターレンズ」に相当する。

本実施形態において、発光ユニット１２０における各半導体レーザー２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂの位置関係は、発光ユニット２２０における各半導体レーザー２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂの位置関係と同じである。

つまり、発光ユニット１２０と発光ユニット２２０の各々において、半導体レーザー２０Ｒ、半導体レーザー２０Ｇ及び半導体レーザー２０Ｂは規則的に並んで配置されている。本実施形態において、コリメーターレンズ２２ａの光軸方向から平面視した場合において、半導体レーザー２０Ｒ、半導体レーザー２０Ｇ及び半導体レーザー２０Ｂは図２の左側から右側に向かって順に配列されている。

また、本実施形態において、発光ユニット１２０とコリメーターレンズ１２２ａとの相対関係は、発光ユニット２２０とコリメーターレンズ２２２ａとの相対関係と同じである。

つまり、発光ユニット１２０において、半導体レーザー２０Ｇの光射出口はコリメーターレンズ１２２ａの焦点位置に配置されている。発光ユニット２２０において、半導体レーザー２０Ｇの光射出口はコリメーターレンズ２２２ａの焦点位置に配置されている。また、発光ユニット１２０において、半導体レーザー２０Ｒの光射出口及び半導体レーザー２０Ｂの光射出口はコリメーターレンズ１２２ａの焦点面上に配置されている。発光ユニット２２０において、半導体レーザー２０Ｒの光射出口及び半導体レーザー２０Ｂの光射出口はコリメーターレンズ２２２ａの焦点面上に配置されている。ここで、コリメーターレンズ１２２ａの焦点面とは、コリメーターレンズ１２２ａの光軸に直交する面であり、且つ、レンズの焦点を含む面である。コリメーターレンズ２２２ａの焦点面とは、コリメーターレンズ２２２ａの光軸に直交する面であり、且つ、レンズの焦点を含む面である。

図３はコリメーターレンズ１２２ａ，２２２ａによる光の射出方向を示した図である。
図３に示すように、発光ユニット１２０の半導体レーザー２０Ｇはコリメーターレンズ１２２ａの焦点位置Ｍ１に配置されているため、該半導体レーザー２０Ｇから射出された緑色光ＬＧはコリメーターレンズ１２２ａにより平行化されて光軸ａｘ１と平行な方向に射出される。
本実施形態において、発光ユニット１２０の半導体レーザー２０Ｇは特許請求の範囲の「第１の発光部」に相当し、緑色光ＬＧは特許請求の範囲の「第１の色の第１の光」に相当し、光軸ａｘ１と平行な方向は「第１の方向」に相当する。

また、発光ユニット１２０の半導体レーザー２０Ｒはコリメーターレンズ１２２ａの焦点面Ｍに配置されているため、該半導体レーザー２０Ｒから射出された赤色光ＬＲは、コリメーターレンズ１２２ａにより平行光に変換され、光軸ａｘ１から徐々に離間する方向Ｄ１に射出される。

また、発光ユニット１２０の半導体レーザー２０Ｂは、コリメーターレンズ１２２ａの焦点面Ｍのうち焦点位置Ｍ１を挟んで上記半導体レーザー２０Ｒと反対側に配置されている。そのため、半導体レーザー２０Ｂから射出された青色光ＬＢは、コリメーターレンズ１２２ａにより平行光に変換され、上記方向Ｄ１とは異なる方向であって、且つ光軸ａｘ１から徐々に離間する方向Ｄ２に射出される。

本実施形態において、発光ユニット１２０の半導体レーザー２０Ｒは特許請求の範囲の「第２の発光部」に相当し、赤色光ＬＲは特許請求の範囲の「第２の色の第２の光」に相当し、上記方向Ｄ１は特許請求の範囲の「第１の方向とは異なる第２の方向」に相当する。

また、図３に示すように、発光ユニット２２０の半導体レーザー２０Ｇはコリメーターレンズ２２２ａの焦点位置Ｍ１に配置されているため、該半導体レーザー２０Ｇから射出された緑色光ＬＧはコリメーターレンズ２２２ａにより平行化されて光軸ａｘ１と平行な方向に射出される。
本実施形態において、発光ユニット２２０の半導体レーザー２０Ｇは特許請求の範囲の「第３の発光部」に相当し、緑色光ＬＧは特許請求の範囲の「第１の色の第３の光」に相当する。

また、発光ユニット２２０の半導体レーザー２０Ｒはコリメーターレンズ２２２ａの焦点面Ｍに配置されているため、該半導体レーザー２０Ｒから射出された赤色光ＬＲは、コリメーターレンズ２２２ａにより平行光に変換され、光軸ａｘ１から徐々に離間する上記方向Ｄ１に射出される。

また、発光ユニット２２０の半導体レーザー２０Ｂは、コリメーターレンズ２２２ａの焦点面Ｍのうち焦点位置Ｍ１を挟んで上記半導体レーザー２０Ｒと反対側に配置されている。そのため、半導体レーザー２０Ｂから射出された青色光ＬＢは、コリメーターレンズ２２２ａにより平行光に変換され、上記方向Ｄ２に射出される。

本実施形態において、発光ユニット２２０の半導体レーザー２０Ｒは特許請求の範囲の「第４の発光部」に相当し、赤色光ＬＲは特許請求の範囲の「第２の色の第４の光」に相当する。

本実施形態によれば、発光ユニット１２０，２２０からの緑色光ＬＧがコリメーターレンズアレイ２２から光軸ａｘ１と平行な方向に射出され、発光ユニット１２０，２２０からの２本の赤色光ＬＲがコリメーターレンズアレイ２２から方向Ｄ１に射出され、発光ユニット１２０，２２０からの２本の青色光ＬＢがコリメーターレンズアレイ２２から方向Ｄ２に射出される。

本実施形態によれば、各発光ユニット２０において、対応するコリメーターレンズに対する半導体レーザー２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂ各々の位置関係を調整することで、複数のコリメーターレンズから射出された複数の色光の進行方向を色毎に異ならせることができる。本実施形態においては、いずれの発光ユニット２０においても、コリメーターレンズに対する半導体レーザー２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂ各々の位置関係が同じである。そのため、コリメーターレンズアレイ２２は色分離光学系として機能する。

図１に示すように、各発光ユニット２０から射出された緑色光ＬＧは、対応するコリメーターレンズ２２ａの光軸ａｘ１と平行な方向に進行し、光均一化光学系３Ｇに入射する。一方、各発光ユニット２０から射出された赤色光ＬＲは、対応するコリメーターレンズ２２ａから上記方向Ｄ１に進み、光均一化光学系３Ｒに入射する。各発光ユニット２０から射出された青色光ＬＢは、対応するコリメーターレンズ２２ａから上記方向Ｄ２に進み、光均一化光学系３Ｂに入射する。

光均一化光学系３Ｇは、照明装置２から射出された緑色光ＬＧを光変調装置４Ｇへと導くものである。光均一化光学系３Ｇは光均一化素子１３Ｇを含む。

本実施形態において、光均一化素子１３Ｇは、例えば、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）等の回折素子から構成される。

緑色光ＬＧのうち１次回折光を光変調装置４Ｇに入射させるように、光均一化素子１３Ｇ及び光変調装置４Ｇの位置が決定されている。
光均一化素子１３Ｇは、配光分布が全体として矩形状を為すと共に、この配光分布のアスペクト比（縦横比）が被照明領域（光変調装置４Ｇの画像形成領域）のアスペクト比（縦横比）と一致するような回折光分布を生成する。
これにより、光均一化素子１３Ｇは、被照明領域である矩形状をなす光変調装置４Ｇの画像形成領域における輝度分布（照度分布）を均一化することが可能となっている。

光均一化光学系３Ｒは、照明装置２から射出された赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒへと導くものである。光均一化光学系３Ｒは、光均一化素子１３Ｒと、第１の全反射ミラー１４Ｒとを含む。

光均一化素子１３Ｒは、上記ＣＧＨから構成される。第１の全反射ミラー１４Ｒは、赤色光ＬＲの光路中に配置されて、光均一化素子１３Ｒを透過した赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。

赤色光ＬＲのうち１次回折光を光変調装置４Ｒに入射させるように、光均一化素子１３Ｒ及び第１の全反射ミラー１４Ｒと光変調装置４Ｒとの位置が決定されている。
光均一化素子１３Ｒは、配光分布が全体として矩形状を為すと共に、この配光分布のアスペクト比（縦横比）が被照明領域（光変調装置４Ｒの画像形成領域）のアスペクト比（縦横比）と一致するような回折光分布を生成する。
これにより、光均一化素子１３Ｒは、被照明領域である矩形状をなす光変調装置４Ｒの画像形成領域における輝度分布（照度分布）を均一化することが可能となっている。

光均一化光学系３Ｂは、照明装置２から射出された青色光ＬＢを光変調装置４Ｂへと導くものである。光均一化光学系３Ｂは、光均一化素子１３Ｂと、第２の全反射ミラー１４Ｂとを含む。

光均一化素子１３Ｂは、上記ＣＧＨから構成される。第２の全反射ミラー１４Ｂは、青色光ＬＢの光路中に配置されて、光均一化素子１３Ｂを透過した青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに向けて反射する。

青色光ＬＢのうち１次回折光を光変調装置４Ｂに入射させるように、光均一化素子１３Ｂ及び第２の全反射ミラー１４Ｂと光変調装置４Ｂとの位置が決定されている。
光均一化素子１３Ｂは、配光分布が全体として矩形状を為すと共に、この配光分布のアスペクト比（縦横比）が被照明領域（光変調装置４Ｂの画像形成領域）のアスペクト比（縦横比）と一致するような回折光分布を生成する。
これにより、光均一化素子１３Ｂは、被照明領域である矩形状をなす光変調装置４Ｂの画像形成領域における輝度分布（照度分布）を均一化することが可能となっている。

光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調し、赤色光ＬＲに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを画像情報に応じて変調し、緑色光ＬＧに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、青色光ＬＢに対応した画像光を形成する。

光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂには、例えば透過型の液晶パネルが用いられている。また、液晶パネルの入射側及び射出側各々には、偏光板（図示せず。）が配置されている。

また、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂの入射側には、それぞれフィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，フィールドレンズ１０Ｂが配置されている。フィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，フィールドレンズ１０Ｂは、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂそれぞれに入射する赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢそれぞれを平行化する。

合成光学系５には、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂからの画像光が入射する。合成光学系５は、各々が赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢに対応した画像光を合成し、この合成された画像光を投射光学系６に向けて射出する。合成光学系５には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられている。

投射光学系６は、投射レンズ群からなり、合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像が表示される。

本実施形態の照明装置２によれば、発光ユニット２０に対応して設けられたコリメーターレンズ２２ａを色分離光学系として利用するため、ダイクロイックミラーを用いた色分離光学系が不要となる。ダイクロイックミラーを用いた色分離光学系において、白色光を赤色光、青色光及び緑色光に分離するには、ダイクロイックミラーが２枚必要となる。本実施形態によれば、ダイクロイックミラーが不要となるので、コストを抑えつつ、照明光の色分離を簡便な構成で行うことができる。

また、回折素子からなる光均一化素子１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂを備えるため、被照明領域である光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂにおける輝度分布（照度分布）を簡便に均一化することができる。
また、本実施形態のプロジェクター１によれば、ダイクロイックミラーを用いた色分離光学系を不要とする上記照明装置２を備えるため、小型化することができる。

なお、本発明は上記実施形態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、上記実施形態において、半導体レーザー２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂをパッケージ化する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、例えば、各コリメーターレンズに対して複数の半導体レーザーを規則的に配置した構成を採用しても良い。

また、上記実施形態では、光源装置２Ａにおける発光部として半導体レーザーを用いる場合を例に挙げたが、ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いてもよい。なお、発光部としてＬＥＤを用いる場合、光均一化光学系としては上述のように回折素子の代わりに、レンズインテグレータ及び重畳レンズ、或いはロッドインテグレータを用いればよい。

また、上記実施形態では、光源装置２Ａが発光ユニット２０を複数有する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、１個の発光ユニット２０のみから構成されていても良い。この場合、コリメーターレンズ２２ａも１個でよい。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを備えるプロジェクター１を例示したが、１つの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。さらに、光変調装置としては、上述した液晶パネルに限らず、例えばデジタルミラーデバイスなどを用いることもできる。

また、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。

１…プロジェクター、２…照明装置、２Ａ…光源装置、３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ…光均一化光学系、４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…光変調装置、６…投射光学系、１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ…光均一化素子、２０…発光ユニット、２２…コリメーターレンズアレイ、２２ａ…コリメーターレンズ、２２ａ１…コリメーターレンズ（第１のコリメーターレンズ）、２２ａ２…コリメーターレンズ（第２のコリメーターレンズ）、１２０…発光ユニット（第１の発光ユニット）、２２０…発光ユニット（第２の発光ユニット）。

Claims (7)

1. 第１の色の第１の光を射出する第１の発光部と、該第１の色とは異なる第２の色の第２の光を射出する第２の発光部と、を備えた第１の発光ユニットを有する光源装置と、
   前記第１の光と前記第２の光とが入射する第１のコリメーターレンズを有するコリメート光学系と、を備え、
   前記第１の光と前記第２の光とは、前記第１のコリメーターレンズから互いに異なる方向に射出される
   照明装置。
2. 前記光源装置は、前記第１の色の第３の光を射出する第３の発光部と、前記第２の色の第４の光を射出する第４の発光部と、を備えた第２の発光ユニットを更に備え、
   前記コリメート光学系は、前記第３の光と前記第４の光とが入射する第２のコリメーターレンズを更に備え、
   前記第１の光と前記第３の光とは、前記コリメート光学系から第１の方向に射出され、前記第２の光と前記第４の光とは、前記コリメート光学系から第２の方向に射出されるように、前記第１の発光ユニットと前記第２の発光ユニットと前記第１のコリメーターレンズと前記第２のコリメーターレンズとが構成されている
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第１の発光ユニットにおける前記第１の発光部と前記第２の発光部との位置関係は、前記第２の発光ユニットにおける前記第３の発光部と前記第４の発光部との位置関係と同じである
   請求項２に記載の照明装置。
4. 前記第１の発光ユニットと前記第１のコリメーターレンズとの相対関係は、前記第２の発光ユニットと前記第２のコリメーターレンズとの相対関係と同じである
   請求項２又は３に記載の照明装置。
5. 前記コリメート光学系から射出された前記第１の色の光が入射する第１の光均一化素子と、
   前記コリメート光学系から射出された前記第２の色の光が入射する第２の光均一化素子と、
   をさらに備える
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 前記第１の光均一化素子及び前記第２の光均一化素子各々は、回折素子で構成されている
   請求項５に記載の照明装置。
7. 請求項１乃至６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を画像情報に応じて変調することにより画像光を形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。

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