JP2019028392A - 光源装置、照明装置及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】射出光の進行方向のずれの影響を低減できる光源装置を提供する。また、上記の光源装置を備えた照明装置を提供する。また、上記の照明装置を備えたプロジェクターを提供する。【解決手段】被照明領域に照明光を照射する光源装置であって、光を射出する少なくとも一つの光源と、第１の光学素子と第２の光学素子とを含み、光の断面形状を整形して照明光を生成するビーム整形作用を有する少なくとも一つのビーム整形素子とを備える。第１の光学素子は、光の主光線がビーム整形素子に入射する方向に見た平面視において、ビーム整形素子の中心を含む領域に設けられ、かつビーム整形作用を有している。第２の光学素子は、ビーム整形素子の端部に設けられ、光の一部が第２の光学素子に入射した場合、該光の一部を第２の光学素子に入射する直前の進行方向と同じ方向に射出する機能と、光の一部を被照明領域側に偏向させて射出する機能と、のうち一方を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、光源装置、照明装置及びプロジェクターに関するものである。

プロジェクター用の光源としてレーザー光源が注目されている。例えば、下記特許文献１には、レーザー光からなる励起光を蛍光体層に入射させることで蛍光を生成する光源装置が開示されている。この光源装置では、蛍光体層上における励起光の断面形状を拡散板で整形することで、蛍光を効率良く生成している。

特開２０１３−１２０２５０号公報

しかしながら、上記光源装置においては、レーザー光源の実装精度が低い場合、拡散板で拡散された励起光の進行方向が蛍光体から外れ、励起光が蛍光体層の所定の領域に入射しない、という課題があった。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光源から射出された光の進行方向が所定の方向からずれている場合に起こりうる影響が低減された光源装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の光源装置を備えた照明装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の照明装置を備えたプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

本発明の第１態様に従えば、被照明領域に照明光を照射する光源装置であって、光を射出する少なくとも一つの光源と、第１の光学素子と第２の光学素子と、を含み、前記光の断面形状を整形して前記照明光を生成するビーム整形作用を有する少なくとも一つのビーム整形素子と、を備え、前記第１の光学素子は、前記光の主光線が前記ビーム整形素子に入射する方向に見た平面視において、前記ビーム整形素子の中心を含む領域に設けられており、かつ前記ビーム整形作用を有しており、前記第２の光学素子は、前記ビーム整形素子の端部に設けられており、前記光の一部が前記第２の光学素子に入射した場合、該光の一部を前記第２の光学素子に入射する直前の進行方向と同じ方向に射出する機能と、前記光の一部を前記被照明領域側に偏向させて射出する機能と、のうち一方を備えている光源装置が提供される。

第１態様に係る光源装置では、被照明領域からの照明光のはみ出しが低減されているので、光源から射出された光の進行方向が所定の方向からずれている場合に起こりうる影響を低減することができる。

上記第１態様において、前記第２の光学素子は、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とが並んでいる第１の方向と平行な母線を有するシリンドリカル面を含むのが好ましい。

この構成によれば、第２の光学素子は該光の一部を母線と直交する方向に屈折させる機能をさらに備えているので、被照明領域における光のパワー密度を低減できる。

上記第１態様において、前記第２の光学素子は、前記光の一部を前記被照明領域側に偏向させる屈折力を有する偏向面を含むのが好ましい。

この構成によれば、光の進行方向のずれの影響を低減することができる。

上記第１態様において、前記第２の光学素子は平板からなる平板部を含むのが好ましい。

この構成によれば、第２の光学素子は該光の一部を第２の光学素子に入射する直前の進行方向と同じ方向に射出できるので、光の進行方向のずれの影響を低減することができる。

上記第１態様において、前記第２の光学素子は、異方性拡散素子を含むのが好ましい。

この構成によれば、第２の光学素子は光の進行方向のずれが生じていない方向において光を拡散させることができるので、被照明領域における光のパワー密度を低減できる。

上記第１態様において、前記第１の光学素子は、拡散素子からなるのが好ましい。

この構成によれば、拡散素子によって所望のビーム整形作用を得ることができる。

上記第１態様において、前記第１の光学素子は、自由曲面を有するレンズからなるのが好ましい。

この構成によれば、自由曲面によって任意のビーム整形作用を得ることができる。

上記第１態様において、前記レンズの光軸に垂直な平面において互いに直交する２つの軸をｘ軸、ｙ軸としたとき、前記自由曲面の形状は、ｘとｙとを変数とする（１）式で表されるのが好ましい。

この構成によれば、所望のビーム整形作用を得る自由曲面を設計することができる。

上記第１態様において、前記少なくとも一つのビーム整形素子の後段に設けられた集光光学系をさらに備え、前記少なくとも一つの光源は複数の光源を備え、前記少なくとも一つのビーム整形素子は、各々が前記複数の光源に対応して設けられた複数のビーム整形素子を備え、前記集光光学系は、前記複数の光源から射出されて前記複数のビーム整形素子のうち対応するビーム整形素子を透過した複数の光を前記被照明領域に向けて集光する機能を有しているのが好ましい。

この構成によれば、複数のビーム整形素子を透過した複数の光を被照明領域上で互いに重畳させることができる。

上記第１態様において、前記複数のビーム整形素子はビーム整形素子アレイを構成しており、前記複数のビーム整形素子のうち前記ビーム整形素子アレイの輪郭を構成している第１のビーム整形素子の前記第２の光学素子は、前記輪郭に沿って設けられており、前記複数の光源は、前記第１のビーム整形素子に対応した第１の光源を備え、前記第１のビーム整形素子の前記第２の光学素子は、前記第１の光源から射出され前記第１のビーム整形素子の前記第２の光学素子に入射した成分を前記被照明領域側に偏向させる屈折力を有しているのが好ましい。

この構成によれば、第１のビーム整形素子へ入射する光の進行方向が輪郭からはみ出す方向にずれていて、光の一部が第２の光学素子に入射した場合、該光の一部を被照明領域側に偏向させることができる。よって、光の進行方向のずれの影響を低減することができる。

本発明の第２態様に従えば、上記第１態様に係る光源装置と、前記光源装置から射出された前記照明光を受けて拡散光を生成する拡散光生成素子と、を備える照明装置が提供される。

第２態様に係る照明装置では、照明光が被照明領域である拡散光生成素子に効率良く入射することができる。よって、明るい拡散光を得ることができる。

本発明の第３態様に従えば、上記第２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３態様に係るプロジェクターでは、明るい画像を表示できる。

第一実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図。 照明装置の概略構成を示す図。 光整形素子アレイを光軸方向に平面視した平面図。 光整形素子アレイの要部拡大図。 光整形素子による作用を説明する図。 比較例に係る光整形素子による作用を説明するための図。 比較例に係る被照明領域の光線分布を示したシミュレーション結果。 実施形態に係る被照明領域の光線分布を示したシミュレーション結果。 光整形素子アレイの要部拡大図。 第二実施形態の光整形素子アレイの要部拡大図。 図９のＡ−Ａ線における光整形素子の断面図。 図９のＢ−Ｂ線における光整形素子の断面図。 光整形素子の作用を説明する図。 光整形素子の作用を説明する図。 第三施形態の光整形素子アレイを光軸方向に平面視した平面図。 光整形素子アレイの部分拡大図。 第１の光整形素子による作用を説明するための図。 蛍光体層と光整形素子アレイの輪郭との位置関係を示す図。 第二変形例に係る光整形素子アレイの部分拡大図。 光整形素子による作用を説明するための図。 光整形素子による作用を説明するための図。

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。

（第一実施形態）
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、色分離光学系３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。

色分離光学系３は、白色光ＷＬを赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧと、青色光ＬＢとに分離する。色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａ及び第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の全反射ミラー８ａ、第２の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂとを備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２からの白色光ＷＬを赤色光ＬＲと、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）とに分離する。第１のダイクロイックミラー７ａは、分離された赤色光ＬＲを透過すると共に、その他の光を反射する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射すると共に青色光ＬＢを透過させる。

第１の全反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。第２の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂによって光変調装置４Ｇに向けて反射される。

第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中における第２のダイクロイックミラー７ｂの後段に配置されている。

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

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。

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からの各画像光が入射する。合成光学系５は、各画像光を合成し、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。

（照明装置）
続いて、本発明の一実施形態に係る照明装置２について説明する。図２は照明装置２の概略構成を示す図である。図２に示すように、照明装置２は、光源装置２Ａと、蛍光発光素子２７と、拡散反射素子３０と、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３ａとを備えている。本実施形態において、インテグレーター光学系３１と重畳レンズ３３ａとは重畳光学系３３を構成している。

光源装置２Ａは、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、光整形素子アレイ２４と、第１の位相差板２８ａと、偏光分離素子２５と、第１の集光光学系２６と、第２の位相差板２８ｂと、第２の集光光学系２９とを備える。

照明装置２において、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、光整形素子アレイ２４と、第１の位相差板２８ａと、偏光分離素子２５と、第２の位相差板２８ｂと、第２の集光光学系２９と、拡散反射素子３０とは、アレイ光源２１の光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。一方、蛍光発光素子２７と、第１の集光光学系２６と、偏光分離素子２５と、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３ａとは、照明光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。光軸ａｘ１と照明光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交する。

以下、図面を用いた説明において、ＸＹＺ座標系を用いて説明する。Ｘ方向は、照明光軸ａｘ２に平行な方向である。Ｙ方向は、アレイ光源２１の光軸ａｘ１に平行な方向である。Ｚ方向は、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ直交する方向である。

アレイ光源２１は、固体光源としての複数の半導体レーザー２１ａを備える。複数の半導体レーザー２１ａは光軸ａｘ１と直交する面内（ＸＺ平面内）において、アレイ状に並んで配置されている。半導体レーザー２１ａは、例えば青色の光線ＢＬ（例えばピーク波長が４６０ｎｍのレーザー光）を射出する。アレイ光源２１は、複数の光線ＢＬからなる光線束を射出する。本実施形態において、半導体レーザー２１ａは特許請求の範囲の「光源」に相当する。

アレイ光源２１から射出された光線ＢＬは、コリメーター光学系２２に入射する。コリメーター光学系２２は、アレイ光源２１から射出された光線ＢＬを平行光に変換する。コリメーター光学系２２は、例えばアレイ状に並んで配置された複数のコリメーターレンズ２２ａから構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａは、複数の半導体レーザー２１ａに対応して配置されている。

コリメーター光学系２２を通過した複数の光線ＢＬは、アフォーカル光学系２３に入射する。アフォーカル光学系２３は、例えば凸レンズ２３ａ，凹レンズ２３ｂから構成されている。アフォーカル光学系２３は、複数の光線ＢＬの間隔を狭めるように調整する。アフォーカル光学系２３を通過した光線ＢＬは光整形素子アレイ２４に入射する。
なお、アフォーカル光学系２３は必ずしも必要ではなく、複数の光線ＢＬの間隔を調整する必要が無い場合は省略しても良い。

図３は光整形素子アレイ２４を光軸ａｘ１の方向に平面視した平面図である。
光整形素子アレイ２４は、図３に示すように、光軸ａｘ１と垂直な面内においてアレイ状に配列された複数の光整形素子６０を備えている。複数の光整形素子６０は複数の半導体レーザー２１ａと１対１で対応している。つまり、ひとつの光整形素子６０はひとつの半導体レーザー２１ａから射出された光を受光する。複数の光整形素子６０の各々は、回転非対称な自由曲面からなるレンズ面６０ａを有する。レンズ面６０ａについては後述する。
本実施形態において、光整形素子アレイ２４は、特許請求の範囲に記載の「ビーム整形素子アレイ」に相当し、光整形素子６０は、特許請求の範囲に記載の「ビーム整形素子」に相当する。

複数の半導体レーザー２１ａから射出されて光整形素子アレイ２４（複数の光整形素子６０）を透過した複数の光線ＢＬは、後述する第１の集光光学系２６或いは第２の集光光学系２９により被照明領域（蛍光体層３４或いは拡散反射素子３０）上にそれぞれ重畳される。
なお、光整形素子アレイ２４の詳細な構成については後述する。

光整形素子アレイ２４を通過した光線ＢＬは第１の位相差板２８ａに入射する。第１の位相差板２８ａは、例えば回転可能とされた１／２波長板である。半導体レーザー２１ａから射出された光線ＢＬは直線偏光である。第１の位相差板２８ａの回転角度を適切に設定することにより、第１の位相差板２８ａを透過する光線ＢＬを、偏光分離素子２５に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とを所定の比率で含む光線とすることができる。第１の位相差板２８ａを回転させることにより、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との比率を変化させることができる。

Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを含む光線ＢＬは偏光分離素子２５に入射する。偏光分離素子２５は、光軸ａｘ１及び照明光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなしている。

偏光分離素子２５は、波長選択特性を有する。偏光分離素子２５は、光線ＢＬを、偏光分離素子２５に対するＳ偏光成分の光線ＢＬ_ｓとＰ偏光成分の光線ＢＬ_ｐとに分離する偏光分離機能を有している。

また、偏光分離素子２５は光線ＢＬとは波長帯が異なる蛍光ＹＬを、その偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。

偏光分離素子２５で反射されたＳ偏光の光線ＢＬ_ｓは、第１の集光光学系２６に入射する。第１の集光光学系２６は、光線ＢＬ_ｓを蛍光体層３４に向けて集光させる。

本実施形態において、第１の集光光学系２６は、例えば第１レンズ２６ａ及び第２レンズ２６ｂから構成されている。第１の集光光学系２６から射出された光線ＢＬ_ｓは、蛍光発光素子２７に集光した状態で入射する。蛍光発光素子２７は、蛍光体層３４と、この蛍光体層３４を支持する基板３５と、蛍光体層３４を基板３５に固定する固定部材３６とを有している。

本実施形態において、蛍光体層３４は、蛍光体層３４の側面と基板３５との間に設けられた固定部材３６により、基板３５に固定されている。蛍光体層３４の光線ＢＬ_ｓが入射する側とは反対側の面は基板３５に接触している。

蛍光体層３４は、光線ＢＬ_ｓを吸収して励起される蛍光体を含む。この光線ＢＬ_ｓにより励起された蛍光体は、例えば５００〜７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する蛍光（黄色光）ＹＬを射出する。本実施形態において、蛍光体層３４は特許請求の範囲に記載の「拡散光生成素子」に相当し、蛍光ＹＬは特許請求の範囲の「拡散光」に相当する。

蛍光体層３４には、耐熱性及び表面加工性に優れたものを用いることが好ましい。このような蛍光体層３４としては、例えば、アルミナ等の無機バインダー中に蛍光体粒子を分散させた蛍光体層や、バインダーを用いずに蛍光体粒子を焼結した蛍光体層などを好適に用いることができる。

蛍光体層３４の光線ＢＬ_ｓが入射する側とは反対側には反射部３７が設けられている。反射部３７は、蛍光体層３４で生成された蛍光ＹＬのうち、基板３５に向かって進む成分を反射する。

基板３５の蛍光体層３４を支持する面とは反対側の面には、ヒートシンク３８が配置されている。

蛍光体層３４で生成された蛍光ＹＬのうち、一部の蛍光ＹＬは、反射部３７によって反射され、蛍光体層３４の外部へと射出される。また、蛍光体層３４で生成された蛍光ＹＬのうち、他の一部の蛍光ＹＬは、反射部３７を介さずに蛍光体層３４の外部へと射出される。このようにして、蛍光ＹＬが蛍光体層３４から第１の集光光学系２６に向かって射出される。

蛍光体層３４から射出された蛍光ＹＬは、第１の集光光学系２６および偏光分離素子２５をこの順に通過して、インテグレーター光学系３１に入射する。

偏光分離素子２５を透過したＰ偏光の光線ＢＬ_ｐは、第２の位相差板２８ｂに入射する。第２の位相差板２８ｂは、偏光分離素子２５と拡散反射素子３０との間の光路中に配置された１／４波長板から構成されている。したがって、偏光分離素子２５から第２の位相差板２８ｂに入射した光線ＢＬｐは、第２の位相差板２８ｂによって、例えば、右回り円偏光の青色光ＢＬ_ｃ１に変換された後、第２の集光光学系２９に入射する。

第２の集光光学系２９は、例えばレンズ２９ａから構成され、青色光ＢＬ_ｃ１を集光させた状態で拡散反射素子３０に入射させる。

拡散反射素子３０は、第２の集光光学系２９から射出された青色光ＢＬ_ｃ１を偏光分離素子２５に向けて拡散反射させる。拡散反射素子３０としては、青色光ＢＬ_ｃ１をランバート反射させつつ、且つ、円偏光の向きを反転させるものを用いることが好ましい。

以下、拡散反射素子３０によって拡散反射された光を青色光ＢＬ_ｃ２と称する。本実施形態によれば、青色光ＢＬ_ｃ１を拡散反射させることで略均一な照度分布の青色光ＢＬ_ｃ２が得られる。右回り円偏光の青色光ＢＬ_ｃ１は左回り円偏光の青色光ＢＬ_ｃ２として反射される。本実施形態において、拡散反射素子３０は特許請求の範囲に記載の「拡散光生成素子」に相当し、青色光ＢＬ_ｃ２は特許請求の範囲の「拡散光」に相当する。

青色光ＢＬ_ｃ２は第２の集光光学系２９によって平行光に変換された後に再び第２の位相差板２８ｂに入射する。

左回り円偏光の青色光ＢＬ_ｃ２は、第２の位相差板２８ｂによってＳ偏光の青色光ＢＬ_ｓ１に変換される。Ｓ偏光の青色光ＢＬ_ｓ１は、偏光分離素子２５によってインテグレーター光学系３１に向けて反射される。

これにより、青色光ＢＬ_ｓ１は、偏光分離素子２５を透過した蛍光ＹＬと合成される。すなわち、青色光ＢＬ_ｓ１及び蛍光ＹＬは、偏光分離素子２５から互いに同一方向に向けて射出され、青色光ＢＬ_ｓ１と蛍光（黄色光）ＹＬとが混ざった白色光ＷＬが生成される。

白色光ＷＬは、インテグレーター光学系３１に入射する。インテグレーター光学系３１は、例えば、レンズアレイ３１ａ，レンズアレイ３１ｂから構成されている。レンズアレイ３１ａ，３１ｂは、複数の小レンズがアレイ状に配列されたものからなる。

インテグレーター光学系３１を透過した白色光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、偏光分離膜と位相差板とから構成されている。偏光変換素子３２は、非偏光の蛍光ＹＬを含む白色光ＷＬを直線偏光に変換する。

偏光変換素子３２を透過した白色光ＷＬは、重畳レンズ３３ａに入射する。重畳レンズ３３ａはインテグレーター光学系３１と協同して、白色光ＷＬの被照明領域における照度分布を均一化する。このようにして、照明装置２は白色光ＷＬを生成する。

光整形素子は、所定の方向から入射する光に対して所望のビーム整形作用を奏するように設計されている。そのため、光の進行方向が所定の方向からずれていると、所望のビーム整形作用が得られない。上記説明では、光線ＢＬが所定の方向、例えば光軸ａｘ１方向に沿って光整形素子６０に入射するという理想的な場合を述べた。しかしながら、実際には、アレイ光源２１やコリメーター光学系２２の製造ばらつき、あるいは組立のばらつきなどによって光線ＢＬの進行方向が所定の方向からずれる場合がある。光線ＢＬの進行方向が所定の方向からずれると、光線ＢＬに対して所望のビーム整形作用が得られなくなる。

本実施形態の光源装置２Ａは光整形素子アレイ２４を備えているので、光線ＢＬの進行方向が所定の方向からずれている場合に起こりうる光線ＢＬの損失が低減されている。

本実施形態の光整形素子アレイ２４の構成について説明する。図４はひとつの光整形素子６０を光軸ａｘ１方向に平面視した図である。
図４に示すように、光整形素子６０は、第１の光学素子６０Ａと第２の光学素子６０Ｂとを含む。第１の光学素子６０Ａは、光整形素子６０の中心を含む領域に設けられており、かつビーム整形作用を有している。光源装置２Ａは、光線ＢＬによるスポットＢＬＳ１が第１の光学素子６０Ａ内に形成されるように設計されている。

第１の光学素子６０Ａは、自由曲面からなるレンズ面６０ａを有している。自由曲面からなるレンズ面６０ａの形状は、以下の（１）式で示すｘとｙとを変数とする多項式で表される。

上記の（１）式において、ｍ，ｎは０以上の整数であり、ｋはコーニック定数である。ｃは曲率である。ｃｊはｘ^ｍｙ^ｎの係数（ｊ＝［（ｍ＋ｎ）^２＋ｍ＋３ｎ］／２＋１）である。Ｓ＝［（ｍ１＋ｎ１）^２＋ｍ_１＋３ｎ_１］／２＋１、ｒ＝√（ｘ^２＋ｙ^２）である。なお、ｍ_１，ｎ_１はそれぞれｍ，ｎの上限である。

自由曲面からなるレンズ面６０ａの形状は、（１）式の係数ｃ_ｊを適宜調整することにより設計することができる。自由曲面の表現方法は（１）式以外にもあり、それらを使用することも可能であるが、（１）式によればレンズ面６０ａのｘ方向の曲率およびｙ方向の曲率をそれぞれ独立して設計できるため、レンズの設計が容易である。

以下、被照明領域上の光が照射される領域を照明スポットと称し、照明スポットの形状を照明スポット形状と称する。後述するように、角度ずれを有する光線ＢＬは、成分ＢＬ１と成分ＢＬ２とから構成されている。光線ＢＬに起因する照明スポットのことを、光線ＢＬの照明スポットと称し、成分ＢＬ１に起因する照明スポットのことを、成分ＢＬ１の照明スポットと称し、成分ＢＬ２に起因する照明スポットのことを、成分ＢＬ２の照明スポットと称する。光線ＢＬの照明スポットは、成分ＢＬ１の照明スポットと成分ＢＬ２の照明スポットとを含む。また、照明スポットの形状を照明スポット形状と称する。

本実施形態において、レンズ面６０ａは、光線ＢＬの照明スポット形状および光線ＢＬの照明スポットにおける照度分布を最適化する。具体的に、レンズ面６０ａは、照明スポット形状を矩形状とし、且つ照度分布が均一となるように光線ＢＬを整形するビーム整形作用を有する。

また、第２の光学素子６０Ｂは、第１の光学素子６０Ａの周囲を囲むように設けられている。すなわち、第２の光学素子６０Ｂは、矩形状の光整形素子６０の４つの端辺（端部）に沿うように設けられている。

光線ＢＬの進行方向が所定の方向からずれている場合、光線ＢＬによるスポットＢＬＳ２は、図４に示したように例えばスポットＢＬＳ１よりも＋Ｚ方向にずれた位置に形成される。光線ＢＬの進行方向がいずれの方向にずれている場合でも、光線ＢＬのうち第１の光学素子６０Ａに入射できなかった成分は第２の光学素子６０Ｂに入射する。

本実施形態において、第２の光学素子６０Ｂは平板からなる。よって、第２の光学素子６０Ｂはビーム整形作用を持たず、さらに、入射した光を、第２の光学素子６０Ｂに入射する直前の進行方向と同じ方向に射出する。ただし、第２の光学素子６０Ｂを透過した光の光軸は、第２の光学素子６０Ｂによって平行移動されている。

図５は光整形素子６０の作用を説明する図であり、光整形素子６０におけるＸ方向に直交し、且つ光整形素子６０の中心を通る断面図に相当する。また、図５では、光整形素子６０を透過した光線ＢＬが蛍光体層３４（被照明領域）に入射するまでの光路を示す。

なお、図５では、説明を単純にするため、光整形素子６０と蛍光体層３４との間に位置する第１の位相差板２８ａ、偏光分離素子２５および第１の集光光学系２６の図示を省略し、光整形素子６０から蛍光体層３４までの光線ＢＬの光路を仮想的に直線で示している。光線ＢＬは第１の集光光学系２６によって集光されるが、光整形素子６０の作用には影響しない。

また、以下の説明では、光線ＢＬの進行方向が所定の方向から＋Ｚ方向にずれており、Ｘ方向にはずれていないものとする。以降、光線ＢＬの進行方向が所定の方向からずれていることを、角度ずれが有る、と表現することがある。

図５に破線で示したように、入射する光線ＢＬに角度ずれが無い場合、光整形素子６０のビーム整形作用によって光線ＢＬは整形され、蛍光体層３４に効率よく入射する。光線ＢＬの照明スポット形状および照度分布は最適化されているので、蛍光体層３４の高い変換効率が得られる。

図５に実線で示したように、光線ＢＬの進行方向が所定の方向から例えば＋Ｚ方向にずれている場合、光線ＢＬのうち＋Ｚ側の一部は第２の光学素子６０Ｂを透過し、残りは第１の光学素子６０Ａを透過する。以下、第１の光学素子６０Ａを透過する成分を成分ＢＬ１と称し、第２の光学素子６０Ｂを透過する成分を成分ＢＬ２と称す。

第２の光学素子６０Ｂは平板からなるので、成分ＢＬ２は第２の光学素子６０Ｂに入射する直前の進行方向と同じ方向に、第２の光学素子６０Ｂから拡がることなく射出し、成分ＢＬ２の少なくとも一部は蛍光体層３４に入射する。ただし、成分ＢＬ２の照明スポット形状および照度分布は調整されない。

成分ＢＬ１は所定の方向からずれた方向から第１の光学素子６０Ａに入射するため、成分ＢＬ１の照明スポット形状および照度分布はそれぞれ最適状態からいくらかずれている。しかし、成分ＢＬ１は蛍光体層３４に効率よく入射する。

成分ＢＬ１のうち第１の光学素子６０Ａと成分ＢＬ２が透過する第２の光学素子６０Ｂとの境界近傍を透過する成分は、たとえば成分ＢＬ１の入射角度によっては蛍光体層３４に入射できない場合がある。その場合であっても、成分ＢＬ２の少なくとも一部は蛍光体層３４に入射するので、光線ＢＬを従来よりも高い効率で利用できる。

ここで、比較例として、本実施形態の光整形素子６０に代えて、第１の光学素子のみで構成された光整形素子６０’について説明する。図６は比較例に係る光整形素子６０’の作用を説明する図である。図６は、光整形素子６０’のＸ方向に直交し、且つ光整形素子６０’の中心を通る断面図に相当する。

図６に破線で示したように、入射する光線ＢＬ’に角度ずれが無い場合、光整形素子６０’のビーム整形作用によって光線ＢＬ’は整形され、蛍光体層３４に効率よく入射する。
一方、図６に実線で示したように、入射する光線ＢＬ’に角度ずれが生じている場合、光整形素子６０’のビーム整形作用によって光線ＢＬ’の総ての成分（−Ｚ側の成分ＢＬ‘１および＋Ｚ側の成分ＢＬ’２）が拡張される。つまり、光線ＢＬ’のうち＋Ｚ側の成分ＢＬ’２は拡張されることで蛍光体層３４に入射することができない。そのため、光線ＢＬ’の利用効率が低い。

図７Ａは比較例に係る光整形素子６０’による被照明領域の光線分布を示したシミュレーション結果である。図７Ｂは本実施形態の光整形素子６０による被照明領域の光線分布を示したシミュレーション結果である。なお、図７Ａ及び図７Ｂにおいて、符号ＳＡは被照明領域を示す。また、本シミュレーションは、コリメータレンズの焦点距離は３ｍｍであり、光線の射出位置がＸ方向に３０μｍずれている、という条件で行った。

図７Ａに示されるように、比較例の光整形素子６０’によれば、被照明領域ＳＡに光線を効率良く入射できないことが分かった。具体的に、光線ＢＬ’のうちの１３．６％しか被照明領域ＳＡに光線が入射しないことが分かった。

一方、図７Ｂに示されるように、本実施形態の光整形素子６０によれば、比較例の光整形素子６０’に比べて被照明領域ＳＡに光線を効率良く入射できることが分かった。具体的に、光線ＢＬのうちの５３％が被照明領域ＳＡに入射することが分かった。

以上のように、本実施形態の光源装置２Ａによれば、アレイ光源２１から射出された光線ＢＬの進行方向が所定の方向からずれている場合、光の進行方向のずれの影響を低減することができるので、光線ＢＬの損失を低減することができる。

なお、図５，６の説明では、被照明領域の外形が蛍光体層３４の外形と一致しているとした。しかし、蛍光体層３４の外形が所定の被照明領域の外形よりも大きい場合、光線ＢＬのうち所定の被照明領域からはみ出した成分も蛍光体層３４に入射する。これにより蛍光が射出される領域が大きくなる。つまりエテンデューが大きくなり、蛍光の利用効率が低下する。しかし、本実施形態の光整形素子６０によれば、所定の被照明領域からはみ出す成分が低減されるので、蛍光の利用効率の低下が低減される。このように、アレイ光源２１から射出される光線ＢＬの進行方向が所定の方向からずれていることによる影響を低減することができる。

図８は、Ｚ方向において並んで配置されている２つの光整形素子６０を示した図である。−Ｚ側の光整形素子６０を下段光整形素子６１、＋Ｚ側の光整形素子６０を上段光整形素子６２と称すことにする。また、下段光整形素子６１に入射すべき光線ＢＬを光線ＢＬａと称し、上段光整形素子６２に入射すべき光線ＢＬを光線ＢＬｂと称すことにする。

ところで、アレイ光源２１から射出される複数の光線ＢＬに生じるばらつきが最も大きくなる状況として、例えば、図８に示すように、光線ＢＬａの進行方向が上方（＋Ｚ方向）にずれることで光線ＢＬａの一部が上段光整形素子６２に入射するとともに、光線ＢＬｂの進行方向が下方（−Ｚ方向）にずれることで光線ＢＬｂの一部が下段光整形素子６１に入射する場合がある。

本実施形態の光整形素子アレイ２４では、下段光整形素子６１および上段光整形素子６２それぞれにおいて、第１の光学素子６０Ａの周囲を囲むように第２の光学素子６０Ｂが配置されている。

そのため、光線ＢＬａの一部は上段光整形素子６２の第２の光学素子６０Ｂを透過して、蛍光体層３４に効率よく入射する。よって、角度ずれがある光線ＢＬａを効率良く利用できる。

同様に、光線ＢＬｂの一部は下段光整形素子６１の第２の光学素子６０Ｂを透過して、蛍光体層３４に効率よく入射する。よって、角度ずれがある光線ＢＬｂを効率良く利用できる。

本実施形態の光整形素子アレイ２４によれば、第１の光学素子６０Ａの周囲を囲むように第２の光学素子６０Ｂを配置した複数の光整形素子６０を備えるため、隣り合う２つの光整形素子６０に対応する光線ＢＬ同士が互いに近づくような大きな角度ずれが生じた場合でも、光線ＢＬは被照明領域である蛍光体層３４に効率よく入射する。よって、本実施形態の照明装置２によれば、明るい蛍光ＹＬを得ることができる。

なお、上記説明では、光整形素子アレイ２４を経由した光線ＢＬが蛍光体層３４に入射する場合を例に挙げたが、光整形素子アレイ２４を経由した光線ＢＬは拡散反射素子３０にも効率良く入射する。

すなわち、アレイ光源２１から射出される光線ＢＬの進行方向が所定の方向からずれた場合、光線ＢＬの成分ＢＬ２を効率よく拡散反射素子３０に入射させることができる。
以上述べたように、本実施形態の光整形素子アレイ２４によれば、アレイ光源２１から射出される光線ＢＬの進行方向が所定の方向からずれている場合に起こりうる光線ＢＬの損失を低減することができる。本実施形態のプロジェクター１は照明装置２を備えるので、明るい画像を表示することができる。

（第二実施形態）
続いて、第二実施形態に係る光整形素子アレイについて説明する。
図９は、本実施形態の光整形素子アレイ１２４が備える複数の光整形素子１６０の１つを光軸ａｘ１方向に平面視した図である。図１０Ａは図９のＡ−Ａ線における光整形素子１６０の断面図であり、図１０Ｂは図９のＢ−Ｂ線における光整形素子１６０の断面図である。

図９に示すように、光整形素子１６０は、第１の光学素子１６０Ａと第２の光学素子１６０Ｂとを含む。
第１の光学素子１６０Ａは、光整形素子１６０の中心を含む領域に設けられており、かつビーム整形作用を有している。光源装置２Ａは、光線ＢＬによるスポットＢＬＳ１が第１の光学素子１６０Ａ内に形成されるように設計されている。第１の光学素子１６０Ａは、第一実施形態の第１の光学素子６０Ａと同様の構成を有し、自由曲面からなるレンズ面を有している。

第２の光学素子１６０Ｂは、第１の光学素子１６０Ａの周囲を囲むように設けられている。すなわち、第２の光学素子１６０Ｂは、矩形状の光整形素子１６０の４つの端辺（端部）に沿うように設けられている。

本実施形態において、第２の光学素子１６０Ｂは、２つの第１領域１６１と、２つの第２領域１６２と、４つの第３領域１６３とを含む。

第１領域１６１は、矩形状の光整形素子１６０の４つの端辺のうちＸ方向に平行な２つの端辺に沿ってそれぞれ設けられている。光整形素子１６０内において、第１領域１６１はそれぞれ第１の光学素子１６０Ａの＋Ｚ側と−Ｚ側とに配置されている。

図１０Ａに示すように、第１領域１６１は、シリンドリカル凹面１６１ａを有する。このシリンドリカル凹面１６１ａは、第１の光学素子１６０Ａと第２の光学素子１６０Ｂとが並んでいるＺ方向（第１の方向）と平行な母線を有する。そのため、第１領域１６１は、母線と直交するＸ方向には屈折力を持っているが、母線に平行なＺ方向には屈折力を持っていない。したがって、第１領域１６１は、母線方向に角度ずれを持っている入射光を第１領域１６１に入射する直前の進行方向と同じ方向に射出する機能を有している。

第２領域１６２は、矩形状の光整形素子１６０の４つの端辺のうちＺ方向に平行な２つの端辺に沿ってそれぞれ設けられている。光整形素子１６０内において、第２領域１６２はそれぞれ第１の光学素子１６０Ａの＋Ｘ側と−Ｘ側に配置されている。

図１０Ｂに示すように、第２領域１６２は、シリンドリカル凹面１６２ａを有する。このシリンドリカル凹面１６２ａは、第１の光学素子１６０Ａと第２の光学素子１６０Ｂとが並んでいるＸ方向（第２の方向）と平行な母線を有する。そのため、第２領域１６２は、母線と直交するＺ方向には屈折力を持っているが、母線に平行なＸ方向には屈折力を持っていない。したがって、第２領域１６２は、母線方向に角度ずれを持っている入射光を第２領域１６２に入射する直前の進行方向と同じ方向に射出する機能を有している。

第３領域１６３は、矩形状の光整形素子１６０内における４つの角部にそれぞれ設けられている。
第３領域１６３は平板からなる。よって、第３領域１６３はビーム整形作用を持たず、さらに、入射した光を、第３領域１６３に入射する直前の進行方向と同じ方向に射出する。ただし、第３領域１６３を透過する光の光軸は、第３領域１６３によって平行移動される。

図１１及び図１２は光整形素子１６０の作用を説明する図である。図１１は光整形素子１６０の、Ｘ方向に直交し、且つ光整形素子１６０の中心を通る断面に相当し、第一実施形態の図５に対応する図である。また、図１２は光整形素子１６０の、Ｚ方向に直交し、且つ第１の光学素子１６０Ａの＋Ｚ側に配置された第１領域１６１の中心を通る断面図である。
以下では、説明を分かり易くするため、光線ＢＬの進行方向が所定の方向から＋Ｚ方向にずれており、Ｘ方向にはずれていないものとする。

図１１に破線で示したように、入射する光線ＢＬに角度ずれが無い場合、光整形素子１６０のビーム整形作用によって光線ＢＬは整形され、蛍光体層３４に効率よく入射する。

図１１に実線で示したように、光線ＢＬの進行方向が所定の方向から例えば＋Ｚ方向にずれている場合、光線ＢＬのうち＋Ｚ側の一部は第１領域１６１を透過し、残りは第１の光学素子１６０Ａを透過する。以下、第１の光学素子１６０Ａを透過する成分を成分ＢＬ１と称し、第１の光学素子１６０Ａの＋Ｚ側に配置された第１領域１６１を透過する成分を成分ＢＬ２と称す。成分ＢＬ１は蛍光体層３４に効率よく入射する。

既に述べたように第１領域１６１はＺ方向には屈折力を持っていない。そのため、図１１に示した断面視において、成分ＢＬ２は第１領域１６１に入射する直前の進行方向と同じ方向に第１領域１６１から射出し、成分ＢＬ２の少なくとも一部は蛍光体層３４に入射する。

しかし、図１２に示すように、第１領域１６１を透過した成分ＢＬ２は、第１領域１６１のシリンドリカル凹面１６１ａの母線と直交するＸ方向に拡がった状態で被照明領域である蛍光体層３４に入射する。これにより、蛍光体層３４上における光のパワー密度が低減される。

また、上記説明では、Ｚ方向に角度ずれを持っている光線ＢＬが第１領域１６１に入射する場合を例に挙げたが、Ｘ方向に角度ずれを持っている光線ＢＬが第２領域１６２に入射した場合でも同様の効果を得ることができる。

本実施形態の光整形素子アレイ１２４によれば、第１領域１６１及び第２領域１６２にシリンドリカル凹面１６１ａ，１６２ａをそれぞれ設けたので、照明スポット形状および照度分布が調整されていない成分の蛍光体層３４上における光のパワー密度を低減することができる。よって、蛍光体層３４の発光効率の低下を低減できる。

光線ＢＬのうち第３領域１６３に入射した成分は、第３領域１６３に入射する直前の進行方向と同じ方向に第３領域１６３から射出されて、蛍光体層３４上に入射する。

以上述べたように、本実施形態の光整形素子アレイ１２４によれば、アレイ光源２１から射出される光線ＢＬの進行方向が所定の方向からずれた場合に起こりうる光線ＢＬの損失を低減することができる。また、被照明領域（蛍光体層３４）上における光のパワー密度を低減することができる。

上記説明では、光整形素子アレイ１２４を経由した光線ＢＬが蛍光体層３４に入射する場合を例に挙げたが、光整形素子アレイ１２４を経由した光線ＢＬは拡散反射素子３０にも効率良く入射する。

（第三実施形態）
続いて、第三実施形態に係る光整形素子アレイについて説明する。
図１３は本実施形態の、複数の光整形素子２６０を備えた光整形素子アレイ２２４を光軸ａｘ１の方向に平面視した平面図である。
図１３に示すように、複数の光整形素子２６０は、光軸ａｘ１に垂直な面内（ＸＺ平面と平行な面内）において、２次元アレイ状に配列されている。第１実施形態と同様、複数の光整形素子２６０は複数の半導体レーザー２１ａと１対１で対応するように設けられている。

複数の光整形素子２６０は、複数の第１の光整形素子２６１と、複数の第２の光整形素子２６２とを含む。

本実施形態において、第２の光整形素子２６２は、例えば、第一実施形態の光整形素子６０又は第二実施形態の光整形素子１６０と同様の構成からなる。そのため、第２の光整形素子２６２の構成及び作用については説明を省略する。

本実施形態において、光整形素子アレイ２２４の輪郭Ｒは、複数の第１の光整形素子２６１を配列した領域の外形に相当する。本実施形態において、複数の光整形素子２６０は、１６個の第１の光整形素子２６１と、９個の第２の光整形素子２６２とを含む。本実施形態において、第１の光整形素子２６１は特許請求の範囲に記載の「第１のビーム整形素子」に相当する。

図１４は光整形素子アレイ２２４の部分拡大図である。図１４においては、光整形素子アレイ２２４の輪郭Ｒを構成する３個の第１の光整形素子２６１と、該３個の光整形素子２６１のうちの２個に隣接する１個の第２の光整形素子２６２とを図示している。図１４において、光整形素子アレイ２２４の角部に位置する第１の光整形素子２６１を角部光整形素子２６１Ａと称し、角部光整形素子２６１Ａの左側（−Ｘ側）に位置する第１の光整形素子２６１を角部左側光整形素子２６１Ｂと称し、角部光整形素子２６１Ａの下側（−Ｚ側）に位置する第１の光整形素子２６１を角部下側光整形素子２６１Ｃと称する。

図１４に示すように、第１の光整形素子２６１は、第１の光学素子２６３と第２の光学素子２６４とを含む。第１の光学素子２６３は、第１の光整形素子２６１の中心を含む領域に設けられており、かつビーム整形作用を有している。第１の光学素子２６３は、自由曲面からなるレンズ面２６３ａを有している。

第２の光学素子２６４は、光整形素子アレイ２２４の輪郭Ｒに沿って設けられている。すなわち、第２の光学素子２６４は、矩形状の第１の光整形素子２６１が有する４つの端辺（端部）のうち輪郭Ｒを構成している端辺に設けられている。第２の光学素子２６４は、被照明領域の外側から該被照明領域の内側に向けて光を偏向させる屈折力を有する偏向面を含む。

具体的に、角部光整形素子２６１Ａにおいて、第２の光学素子２６４は角部光整形素子２６１Ａの＋Ｚ側の端辺と＋Ｘ側の端辺とにそれぞれ設けられている。角部左側光整形素子２６１Ｂにおいて、第２の光学素子２６４は角部左側光整形素子２６１Ｂの＋Ｚ側の端辺に設けられている。角部下側光整形素子２６１Ｃにおいて、第２の光学素子２６４は角部下側光整形素子２６１Ｃの＋Ｘ側の端辺に設けられている。

後述するように、第２の光学素子２６４は、該第１の光整形素子２６１に対応する半導体レーザー２１ａ（第１の光源）から射出されて第２の光学素子２６４に入射した成分を被照明領域側に偏向させて射出する機能を有している。

図１５は第１の光整形素子２６１の作用を説明する図である。図１５では、角部光整形素子２６１ＡのＸ方向に直交し、且つ角部光整形素子２６１Ａの中心を通る断面図に相当する。また、図１５では、角部光整形素子２６１Ａを透過した光線ＢＬが蛍光体層３４（被照明領域）に入射するまでの光路を示す。なお、図１５では、説明を単純にするため、光整形素子２６０と蛍光体層３４との間に位置する、第１の位相差板２８ａ、偏光分離素子２５および第１の集光光学系２６の図示を省略し、角部光整形素子２６１Ａから蛍光体層３４までの光線ＢＬの光路を仮想的に直線で示している。

図１６は蛍光体層３４と光整形素子アレイ２２４の輪郭Ｒとの位置関係を示す図である。なお、図１６は、蛍光体層３４と光整形素子アレイ２２４との間の光線ＢＬの光路と光線ＢＬｓの光路とを仮想的に一直線上に配置して、蛍光体層３４を光線ＢＬｓの主光線の方向から見た図である。図１６に示した座標系は、光整形素子アレイ２２４に対応している。
図１６に示したように、蛍光体層３４は光整形素子アレイ２２４の輪郭Ｒの内側に位置するように配置されている。

以下では、説明を分かり易くするため、光線ＢＬの進行方向が所定の方向から＋Ｚ方向にずれており、Ｘ方向にはずれていないものとする。

図１５に示すように、光線ＢＬのうち＋Ｚ側の一部は第２の光学素子２６４を透過し、残りは第１の光学素子２６３を透過する。以下、第１の光学素子２６３を透過する成分を成分ＢＬ１と称し、第２の光学素子２６４を透過する成分を成分ＢＬ２と称す。成分ＢＬ１は蛍光体層３４に効率よく入射する。

第２の光学素子２６４は、成分ＢＬ２を被照明領域の外側から該被照明領域の内側（−Ｚ方向）に向けて偏向させる屈折力を有する。言い換えれば、第２の光学素子２６４は、該第２の光学素子２６４に入射した成分ＢＬ２を被照明領域側に偏向させて射出する機能を有している。よって、成分ＢＬ２の少なくとも一部は第２の光学素子２６４の作用により蛍光体層３４に入射する。第２の光学素子２６４が上記偏向作用を持っているため、上記偏向作用を持っていない第１実施形態に比べて大きな角度ずれに対しても効果を発揮する。

角部光整形素子２６１Ａの＋Ｘ側の端辺に設けられた第２の光学素子２６４は、被照明領域の外側から該被照明領域の内側（−Ｘ方向）に向けて光を偏向させる屈折力を有する。したがって、光線ＢＬの進行方向が所定の方向から＋Ｘ方向にずれて第１の光学素子２６３に入射できなかった成分は、第２の光学素子２６４によって被照明領域側に偏向されるので、蛍光体層３４に入射できる。

同様に、角部左側光整形素子２６１Ｂの＋Ｚ側の端辺に設けられた第２の光学素子２６４は、被照明領域の外側から該被照明領域の内側（−Ｚ方向）に向けて光を偏向させる屈折力を有する。したがって、光線ＢＬの進行方向が所定の方向から＋Ｚ方向にずれて第１の光学素子２６３に入射できなかった成分は、第２の光学素子２６４によって被照明領域側に偏向されるので、蛍光体層３４に入射できる。

同様に、角部下側光整形素子２６１Ｃの＋Ｘ側の端辺に設けられた第２の光学素子２６４は、被照明領域の外側から該被照明領域の内側（−Ｘ方向）に向けて光を偏向させる屈折力を有する。したがって、光線ＢＬの進行方向が所定の方向から＋Ｘ方向にずれているために第１の光学素子２６３に入射できなかった成分は、第２の光学素子２６４によって被照明領域側に偏向されるので、蛍光体層３４に入射できる。

本実施形態の光整形素子アレイ２２４では、図１３に示した輪郭Ｒを構成する他の第１の光整形素子２６１についてもその位置に応じて、上述した角部光整形素子２６１Ａ，角部左側光整形素子２６１Ｂ，角部下側光整形素子２６１Ｃと同様、輪郭Ｒに沿った端辺に第２の光学素子２６４が設けられている。そのため、アレイ光源２１から射出される光線ＢＬの進行方向が所定の方向から輪郭Ｒの外側に向かってずれた状態で第１の光整形素子２６１に入射する場合に起こりうる光線ＢＬの損失を低減することができる。

上記説明では、光整形素子アレイ２２４を経由した光線ＢＬが蛍光体層３４に入射する場合を例に挙げたが、光整形素子アレイ２２４を経由した光線ＢＬは拡散反射素子３０にも効率良く入射する。

また、本実施形態では、光整形素子アレイ２２４の輪郭Ｒが矩形となる場合を例に挙げたが、光整形素子アレイ２２４の輪郭Ｒは矩形に限定されない。

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。

（第一変形例）
第一実施形態では、光整形素子６０の第１の光学素子６０Ａとして自由曲面からなるレンズ面６０ａを用いる場合を例に挙げたが、光整形素子６０の構成はこれに限定されない。第１の光学素子６０Ａとしては、被照明領域に照射する照明光の断面形状を整形するビーム整形作用を有する構成であれば適宜採用可能である。例えば、ビーム整形作用を有する第１の光学素子６０Ａとして拡散素子を用いても良い。第１の光学素子６０Ａとして拡散素子を用いる場合、拡散素子の周辺部に設けた平坦面によって第２の光学素子６０Ｂを構成することができる。

（第二変形例）
また、第二実施形態では、第２の光学素子１６０Ｂを構成する第１領域１６１及び第２領域１６２としてシリンドリカル凹面１６１ａ，１６２ａを用いる場合を例に挙げたが、第２の光学素子１６０Ｂの構成はこれに限定されない。

図１７は第二実施形態の変形例に係る光整形素子アレイ３２４が備える複数の光整形素子３６０の１つを光軸ａｘ１方向に平面視した図である。図１７に示すように、光整形素子３６０は、第１の光学素子１６０Ａと第２の光学素子３６０Ｂとを含む。なお、本変形例において、第二実施形態の光整形素子アレイ１２４と共通の構成については同じ符号を付し、その詳細については説明を省略する。

本実施形態において、第２の光学素子３６０Ｂは、２つの第１領域３６１と、２つの第２領域３６２と、４つの第３領域１６３とを含む。第１の光学素子１６０Ａと第１領域３６１とが並んでいる方向をＺ方向とし、第１の光学素子１６０Ａと第２領域３６２とが並んでいる方向をＸ方向とする。

第１領域３６１は、矩形状の光整形素子３６０の４つの端辺のうちＸ方向に平行な２つの端辺に沿ってそれぞれ設けられている。光整形素子３６０内において、第１領域３６１はそれぞれ第１の光学素子１６０Ａの＋Ｚ側と−Ｚ側とに配置される。

第１領域３６１は、異方性拡散素子３６１ａを含む。この異方性拡散素子３６１ａは、入射光をＸ方向に拡散させるがＺ方向にはほとんど拡散させない。したがって、第１領域３６１は、Ｚ方向に角度ずれを持っている入射光を散乱させるものの、入射光が第１領域３６１に入射する直前の進行方向と同じ方向に主光線を持つ散乱光を射出する機能を有している。

第２領域３６２は、矩形状の光整形素子３６０の４つの端辺のうちＺ方向に平行な２つの端辺に沿ってそれぞれ設けられている。光整形素子３６０内において、第２領域３６２それぞれは第１の光学素子１６０Ａの＋Ｘ側と−Ｘ側とに配置される。

第２領域３６２は、異方性拡散素子３６２ａを含む。この異方性拡散素子３６２ａは、入射光をＺ方向に拡散させるがＸ方向には拡散させない。したがって、第２領域３６２は、Ｘ方向に角度ずれを持っている入射光を散乱させるものの、入射光が第２領域３６２に入射する直前の進行方向と同じ方向に主光線を持つ散乱光を射出する機能を有している。

第３領域１６３は第二実施形態における第３領域と同じ構成を有しているので、説明を省略する。

図１８及び図１９は光整形素子３６０の作用を説明する図である。図１８は光整形素子３６０の、Ｘ方向に直交し、且つ光整形素子３６０の中心を通る断面に相当し、第二実施形態の図１１に対応する図である。また、図１９は光整形素子３６０の、Ｚ方向に直交し、且つ第１領域３６１の中心を通る断面図であり、第二実施形態の図１２に対応する。
以下では、説明を分かり易くするため、光線ＢＬの進行方向が所定の方向から＋Ｚ方向にずれており、Ｘ方向にはずれていないものとする。

図１８に破線で示したように、入射する光線ＢＬに角度ずれが無い場合、光整形素子３６０のビーム整形作用によって光線ＢＬは整形され、蛍光体層３４に効率よく入射する。

図１８に実線で示したように、光線ＢＬの進行方向が所定の方向から例えば＋Ｚ方向にずれている場合、光線ＢＬのうち＋Ｚ側の一部は第１領域３６１を透過し、残りは第１の光学素子１６０Ａを透過する。以下、第１の光学素子１６０Ａを透過する成分を成分ＢＬ１と称し、第１の光学素子１６０Ａの＋Ｚ側に配置された第１領域３６１を透過する成分を成分ＢＬ２と称す。成分ＢＬ１は蛍光体層３４に効率よく入射する。

既に述べたように第１領域３６１は光をＺ方向には拡散させない。そのため、図１８に示した断面視において、成分ＢＬ２は第１領域３６１に入射する直前の進行方向と同じ方向に、第１領域３６１から拡がることなく射出し、成分ＢＬ２の少なくとも一部は蛍光体層３４に入射する。

しかし、第１領域３６１は光をＸ方向に拡散させるので、図１９に示すように、第１領域３６１を透過した成分ＢＬ２の少なくとも一部は、Ｘ方向に拡散された状態で蛍光体層３４に入射する。これにより、蛍光体層３４上における光のパワー密度が低減される。

また、上記説明では、Ｚ方向に角度ずれを持っている光線ＢＬが第１領域３６１に入射する場合を例に挙げたが、Ｘ方向に角度ずれを持っている光線ＢＬが第２領域３６２に入射した場合でも同様の効果を得ることができる。

本変形例の光整形素子アレイ３２４によれば、第１領域３６１及び第２領域３６２に異方性拡散素子３６１ａ，３６２ａをそれぞれ設けたので、照明スポット形状および照度分布が調整されていない成分の蛍光体層３４上における光のパワー密度を低減できる。よって、蛍光体層３４の発光効率の低下を低減できる。

以上述べたように、本変形例の光整形素子アレイ３２４によれば、アレイ光源２１から射出される光線ＢＬの進行方向が所定の方向からずれている場合に起こりうる光線ＢＬの損失を低減することができる。また、被照明領域（蛍光体層３４）上における光のパワー密度を低減することができる。

本説明では、光整形素子アレイ３２４を経由した光線ＢＬが蛍光体層３４に入射する場合を例に挙げたが、光整形素子アレイ３２４を経由した光線ＢＬは拡散反射素子３０にも効率良く入射する。

なお、本説明では、第１の光学素子１６０Ａが自由曲面からなるレンズ面を含む場合を例に挙げたが、第１の光学素子として拡散素子を用いても良い。

（第三変形例）
上記第一乃至第三実施形態では、アレイ光源２１として複数の半導体レーザー２１ａを有したものを用いたが、アレイ光源２１が一つの半導体レーザー２１ａのみから構成されていてもよい。この場合、上記光整形素子アレイ２４、光整形素子アレイ１２４或いは光整形素子アレイ２２４は、光整形素子６０、光整形素子１６０或いは光整形素子２６０を一つずつ有していれば良い。また、第１の集光光学系２６或いは第２の集光光学系２９は必須ではない。

（第四変形例）
第２実施形態では、シリンドリカル凹面を用いたが、シリンドリカル凸面を用いることも可能である。

また、上記実施形態では、蛍光発光素子２７は固定されていたが、蛍光体層上における光線ＢＬ_ｓの入射領域が時間とともに移動する構成を採用してもよい。この場合、各光線の照明スポットが所定の領域からはみ出していると、エテンデューが大きくなり、蛍光の利用効率が低下する。しかし、本発明の光整形素子によれば、各光線ＢＬの照明スポットが所定の領域からはみ出すことが低減されるので、蛍光ＹＬの利用効率の低下が低減される。拡散反射素子も同様に、拡散反射素子上における青色光ＢＬ_ｃ１の入射領域が時間とともに移動する構成を採用してもよい。

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。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。

上記実施形態では本発明による光源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。本発明による光源装置は、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、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投射光学系、２１ａ…半導体レーザー（光源）、２４，１２４，２２４…光整形素子アレイ（ビーム整形素子アレイ）、２６…第１の集光光学系、２７…蛍光発光素子（拡散光生成素子）、２９…第２の集光光学系、３０…拡散反射素子（拡散光生成素子）、３４…蛍光体層（拡散光生成素子）、６０，１６０，２６０，３６０…光整形素子（ビーム整形素子）、６０Ａ，１６０Ａ…第１の光学素子、６０Ｂ，１６０Ｂ…第２の光学素子、１６１ａ…シリンドリカル凹面、１６２ａ…シリンドリカル凹面、２６１…第１の光整形素子（第１のビーム整形素子）、２６３…第１の光学素子、２６４…第２の光学素子、３６０Ｂ…第２の光学素子、３６１ａ…異方性拡散素子、３６２ａ…異方性拡散素子、Ｒ…輪郭、ＳＡ…被照明領域、ｃｊ…係数。

Claims (12)

1. 被照明領域に照明光を照射する光源装置であって、
   光を射出する少なくとも一つの光源と、
   第１の光学素子と第２の光学素子と、を含み、前記光の断面形状を整形して前記照明光を生成するビーム整形作用を有する少なくとも一つのビーム整形素子と、を備え、
   前記第１の光学素子は、前記光の主光線が前記ビーム整形素子に入射する方向に見た平面視において、前記ビーム整形素子の中心を含む領域に設けられており、かつ前記ビーム整形作用を有しており、
   前記第２の光学素子は、前記ビーム整形素子の端部に設けられており、前記光の一部が前記第２の光学素子に入射した場合、該光の一部を前記第２の光学素子に入射する直前の進行方向と同じ方向に射出する機能と、前記光の一部を前記被照明領域側に偏向させて射出する機能と、のうち一方を備えている
   光源装置。
2. 前記第２の光学素子は、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とが並んでいる第１の方向と平行な母線を有するシリンドリカル面を含む
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第２の光学素子は、前記光の一部を前記被照明領域側に偏向させる屈折力を有する偏向面を含む
   請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記第２の光学素子は平板からなる平板部を含む
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記第２の光学素子は、異方性拡散素子を含む
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記第１の光学素子は、拡散素子からなる
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記第１の光学素子は、自由曲面を有するレンズからなる
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 前記レンズの光軸に垂直な平面において互いに直交する２つの軸をｘ軸、ｙ軸としたとき、
   前記自由曲面の形状は、ｘとｙとを変数とする（１）式で表される
   請求項７に記載の光源装置。
   
9. 前記少なくとも一つのビーム整形素子の後段に設けられた集光光学系をさらに備え、
   前記少なくとも一つの光源は複数の光源を備え、
   前記少なくとも一つのビーム整形素子は、各々が前記複数の光源に対応して設けられた複数のビーム整形素子を備え、
   前記集光光学系は、前記複数の光源から射出されて前記複数のビーム整形素子のうち対応するビーム整形素子を透過した複数の光を前記被照明領域に向けて集光する機能を有している
   請求項１に記載の光源装置。
10. 前記複数のビーム整形素子はビーム整形素子アレイを構成しており、
    前記複数のビーム整形素子のうち前記ビーム整形素子アレイの輪郭を構成している第１のビーム整形素子の前記第２の光学素子は、前記輪郭に沿って設けられており、
    前記複数の光源は、前記第１のビーム整形素子に対応した第１の光源を備え、
    前記第１のビーム整形素子の前記第２の光学素子は、前記第１の光源から射出され前記第１のビーム整形素子の前記第２の光学素子に入射した成分を前記被照明領域側に偏向させる屈折力を有している
    請求項９に記載の光源装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置から射出された前記照明光を受けて拡散光を生成する拡散光生成素子と、を備える
    照明装置。
12. 請求項１１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。