JP6701681B2 - 照明装置及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、照明装置及びプロジェクターに関する。

従来、光源装置から出射された照明光を変調して画像情報に応じた画像を形成し、当該画像をスクリーン等の被投射面に拡大投射するプロジェクターが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載のプロジェクターは、照明装置、色分離装置、光変調装置、光合成装置及び投射光学装置を備える。これらのうち、照明装置は、固体光源装置、集光光学系、回転蛍光板、モーター、コリメート光学系、第１レンズアレイ、第２レンズアレイ、偏光変換素子及び重畳レンズを備える。この照明装置においては、固体光源装置から出射された光は、集光光学系により集光され、モーターにより回転する回転蛍光板に入射される。そして、回転蛍光板に入射された光は、蛍光として当該回転蛍光板から出射され、コリメート光学系により平行化された光となり、当該光が第１レンズアレイ、第２レンズアレイを介して偏光変換素子に入射される。この偏光変換素子は、偏光分離層と反射層と光軸直交面内の一方向に沿って交互に複数配列された構成を有し、当該偏光変換素子により偏光方向が揃えられた光は、重畳レンズにより重畳され、当該照明装置から照明光として出射される。

特開２０１１−１９７２１２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のプロジェクターの照明装置では、第１レンズアレイ及び第２レンズアレイを介した光が偏光変換素子に入射されるため、第２レンズアレイの大きさと偏光変換素子の大きさとが略同一に設定される。このため、偏光変換素子が大型化し、照明装置を小型化し難いという課題がある。また、上記特許文献１に記載のプロジェクターの偏光変換素子では、上記のように偏光分離層と反射層とが光軸直交面内の一方向に沿って交互に配列される構成が採用されているので、構成が複雑化するという課題がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決することを目的としたものであり、構成を簡略化でき、かつ、小型化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の１つとする。

本発明の第１態様に係る照明装置は、光を出射する光源装置と、前記光源装置から出射された光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、前記偏光変換素子から入射される光の中心軸に直交する面内の照度を均一化する均一化装置と、を備え、前記偏光変換素子は、前記光源装置から出射された光のうち、一方の偏光光を透過させ、他方の偏光光を反射させる偏光分離層と、前記偏光分離層にて反射された前記他方の偏光光を、前記偏光分離層を透過した前記一方の偏光光の進行方向と同方向に反射させる反射層と、前記偏光分離層を透過した前記一方の偏光光、及び、前記反射層にて反射された前記他方の偏光光のいずれかの偏光光の光路上に配置され、前記偏光光の偏光方向を変換する位相差層と、を有し、前記偏光変換素子は、前記偏光分離層、前記反射層及び前記位相差層を１組有することを特徴とする。

上記光源装置としては、レーザー光源やＬＥＤ（Light Emitting Diode）の他に、青色光又は紫外光等の励起光を出射するレーザー光源や、ＬＥＤと、励起光を受けて波長変換する蛍光体と、により黄色光を出射する光源を例示できる。また、上記蛍光体としては、ＹＡＧ蛍光体を例示できる。
上記第１態様によれば、一組の偏光変換素子が光源装置と均一化装置との間に配置されているので、偏光変換素子が均一化装置の後段に配置される場合に比べて小型化できる。
また、偏光変換素子が偏光分離層、反射層及び位相差層を一組有するのみで、入射された光の偏光方向を揃えることができるので、複数の偏光分離層及び位相差層を光軸直交面内の一方向に複数有する構成に比べて、偏光変換素子の構成を簡略化できる。

上記第１態様では、前記均一化装置は、入射される光束の中心軸に対する直交面内に複数の第１レンズが配列され、前記複数の第１レンズにより入射される光束を複数の部分光束に分割する第１レンズアレイと、前記複数の第１レンズに応じた複数の第２レンズが前記直交面内に配列される第２レンズアレイと、前記第２レンズアレイの光出射側に配置され、前記第１レンズアレイにより分割されて前記複数の第２レンズを介して入射される前記複数の部分光束を被照明領域に重畳させる重畳レンズと、を有することが好ましい。
上記第１態様によれば、均一化装置が、第１レンズアレイにより光源装置、偏光変換素子を介して入射された入射光束を複数の部分光束に分割し、第２レンズアレイを介して出射された当該複数の部分光束を重畳レンズにより被照明領域に重畳させるので、部分光束のそれぞれが被照明領域の全体を照明するように調整できる。従って、照明装置から出射される光を均一化し、かつ有効に利用できる。
ここで、上記特許文献１に記載のプロジェクターにおける照明装置のように、第１レンズアレイ及び第２レンズアレイを透過した後に、偏光分離層と反射層と光軸直交面内の一方向に沿って交互に複数配列された偏光変換素子により光の偏光方向を揃える場合、第１レンズアレイの複数の第１レンズを第２レンズアレイに対して偏心させる必要がある。これに対し、上記第１態様によれば、偏光変換素子が光源装置と均一化装置との間に配置されているので、第１レンズアレイの複数の第１レンズを第２レンズアレイに対して偏心させる必要がないので、例えば、第１レンズアレイ及び第２レンズアレイを同部材により構成できる。従って、照明装置の部品点数及び製造コストを低減できる。

上記第１態様では、前記第１レンズアレイの光入射側に配置され、入射された光のビーム径を拡大して出射させるアフォーカルレンズを有することが好ましい。
ここで、小型化を図るために光源装置が集光レンズを備え、当該集光レンズとして、小型で、かつ、焦点距離が短いレンズが採用されている場合、当該集光レンズを用いて集光された光が直接、均一化装置に入射されると、光源像が大きくなりすぎるため、光を有効に利用できていない。
これに対し、上記第１態様によれば、アフォーカルレンズにより焦点距離を長くして光源像の大きさを調整できるので、第２レンズアレイの複数の第２レンズのそれぞれに結像する光源像を小さくできる。これにより、照明装置における光の利用効率を向上できる。

上記第１態様によれば、前記アフォーカルレンズに集光性を持たせることが好ましい。
上記第１態様によれば、アフォーカルレンズに入射された光を集光できることから、当該アフォーカルレンズから出射された光の広がりを小さくできるので、第１レンズアレイ及び第２レンズアレイのサイズを小さくすることができるとともに、アフォーカルレンズから所定の照射対象物（例えば、当該照明装置がプロジェクターに用いられる場合であれば、光変調装置）までの光路を短くできる。これにより、上記所定の照射対象物への光の到達効率を高めることができ、光源装置から出射された光の利用効率を高めることができる。従って、照明装置を小型化できる。

上記第１態様では、前記アフォーカルレンズは、アナモフィックレンズ面を有することが好ましい。
上記第１態様によれば、アフォーカルレンズから出射された光の光線の広がりを、光軸直交面における２方向において独立に最適化できる。従って、上記光路を短くできるので、照明装置を小型化できる。

上記第１態様では、前記第１レンズアレイの光入射側に、アナモフィックレンズ面を有する光学素子を備えることが好ましい。
上記第１態様によれば、アフォーカルレンズがアナモフィックレンズ面を有する場合と同様に、アフォーカルレンズから出射された光の光線の広がりを２方向において独立に最適化できる。従って、上記光路を短くできるので、照明装置を小型化できる。

上記第１態様では、前記第１レンズアレイの光入射側に、シリンドリカルレンズ面を有するプリズムを備えることが好ましい。
上記第１態様によれば、アフォーカルレンズから出射された光の光線の広がりを２方向において独立に最適化できる。従って、上記光路を短くできるので、照明装置を小型化できる。

上記第１態様では、前記光源装置は、光源部と、前記光源部から入射する光を集光する集光レンズと、前記集光レンズからの光の一部を波長変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の発光領域からの光を平行化するコリメーターレンズと、を有し、前記波長変換素子の発光領域のアスペクト比は、前記第２レンズアレイの前記複数の第２レンズのそれぞれを前記偏光分離層及び前記反射層が並ぶ方向に２分割した形状のアスペクト比と略一致することが好ましい。
上記第１態様によれば、光源装置における波長変換素子から出射された光束は、偏光変換素子を通過する際に、偏光分離層と反射層とが並ぶ方向に２倍に拡大され、２倍に拡大された光束が第１レンズアレイを介して第２レンズアレイに入射される。このため、偏光変換素子を透過することにより、第２レンズアレイの第２レンズにおける、光源装置からの光束は波長変換素子の発光領域のアスペクト比の２倍になり、第２レンズアレイの第２レンズの形状のアスペクト比と略一致する。従って、光源装置から出射された光の利用効率を更に高めることができる。

上記第１態様では、前記偏光変換素子は、前記偏光分離層を両面側から固定するプリズムを有し、前記反射層側に配置される前記プリズムと前記反射層との間に空気層を有することが好ましい。
上記第１態様によれば、反射層側に配置されるプリズムを透過する光は、当該プリズムと空気層との界面にて臨界角を超えていれば全反射されるので、当該反射を利用して空気層に向けて出射された光を偏光分離層に入射させることができる。従って、偏光分離層に入射される光の利用効率を高めることができ、偏光変換素子の偏光分離機能を向上できる。

本発明の第２態様に係るプロジェクターは、上記照明装置と、前記照明装置から出射された光を変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備えることが好ましい。
上記第２態様によれば、上記第１態様に係る照明装置と同様の効果を奏することができる。また、照明装置を小型化できるので、プロジェクターも小型化できる。

本発明の第１実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す概略図。 上記第１実施形態に係るプロジェクターの照明装置の概略構成を示す概略図。 上記第１実施形態に係るプロジェクターにおける照明装置から光変調装置間のレンズ構成を示す模式図。 本発明の第２実施形態に係るプロジェクターにおける照明装置から光変調装置間のレンズ構成を示す模式図。 本発明の第３実施形態に係るプロジェクターにおける照明装置から光変調装置間のレンズ構成を示す模式図。 本発明の第４実施形態に係るプロジェクターにおける照明装置から光変調装置間のレンズ構成を示す模式図。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について図面を用いて説明する。
［プロジェクターの概略構成］
図１は、第１実施形態に係るプロジェクター１の概略構成を示す概略図である。
プロジェクター１は、内部に設けられた光源から出射された光束を変調して画像情報に応じた画像を形成し、当該画像をスクリーンＳＣ１等の被投射面上に拡大投射する表示装置である。
このプロジェクター１は、図１に示すように、外装筐体２と、当該外装筐体２内に収納される光学ユニット３の他、図示を省略するが、当該プロジェクター１を制御する制御装置、冷却対象を冷却する冷却装置、及び当該プロジェクター１を構成する電子部品に電力を供給する電源装置を備える。

［光学ユニットの構成］
光学ユニット３は、照明装置３１、色分離装置３２、平行化レンズ３３、複数の光変調装置３４、色合成装置３５及び投射光学装置３６を備える。
照明装置３１は、照明光ＷＬを出射する。なお、照明装置３１の構成については、後述する。
色分離装置３２は、照明装置３１から入射された照明光ＷＬを赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢの３つの色光に分離する。この色分離装置３２は、ダイクロイックミラー３２１，３２２、全反射ミラー３２３，３２４，３２５及びリレーレンズ３２６，３２７を備える。

ダイクロイックミラー３２１は、照明装置３１からの照明光ＷＬを青色光ＬＢとその他の色光（緑色光ＬＧ及び赤色光ＬＲ）を含む黄色光ＬＹとに分離する。ダイクロイックミラー３２１は、青色光ＬＢを反射させるとともに、緑色光ＬＧ及び赤色光ＬＲを含む黄色光ＬＹを透過させる。
ダイクロイックミラー３２２は、ダイクロイックミラー３２１により分離された光の一方である黄色光ＬＹを緑色光ＬＧと赤色光ＬＲとに分離する。具体的に、ダイクロイックミラー３２２は、緑色光ＬＧを反射するとともに、赤色光ＬＲを透過させる。

全反射ミラー３２３は、青色光ＬＢの光路中に配置され、ダイクロイックミラー３２１にて反射された青色光ＬＢを光変調装置３４（３４Ｂ）に向けて反射させる。一方、全反射ミラー３２４，３２５は、赤色光ＬＲの光路中に配置され、ダイクロイックミラー３２２を透過した赤色光ＬＲを光変調装置３４（３４Ｒ）に向けて反射させる。また、緑色光ＬＧは、ダイクロイックミラー３２２にて、光変調装置３４（３４Ｇ）に向けて反射される。
リレーレンズ３２６，３２７は、赤色光ＬＲの光路の、ダイクロイックミラー３２２の下流に配置されている。これらリレーレンズ３２６，３２７は、赤色光ＬＲの光路長が青色光ＬＢや緑色光ＬＧの光路長よりも長くなることによる赤色光ＬＲの光損失を補償する機能を有する。

平行化レンズ３３は、後述する光変調装置３４に入射する光を平行化する。なお、赤、緑及び青の各色光用の平行化レンズを、それぞれ３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂとする。また、赤、緑及び青の各色光用の光変調装置を、それぞれ３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂとする。

複数の光変調装置３４（３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂ）は、ダイクロイックミラー３２１及びダイクロイックミラー３２２により分離され、それぞれ入射される各色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢを変調して、画像情報に応じた色画像を形成する。これら光変調装置３４は、入射される光を変調する液晶パネルにより構成される。
また、光変調装置３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂの入射側及び出射側にはそれぞれ、入射側偏光板３４１及び出射側偏光板３４２が配置されている。なお、赤、緑及び青の各色光用の入射側偏光板を、それぞれ３４１Ｒ，３４１Ｇ，３４１Ｂとし、赤、緑及び青の各色光用の出射側偏光板を、それぞれ３４２Ｒ，３４２Ｇ，３４２Ｂとする。

色合成装置３５には、各光変調装置３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂからの画像光が入射される。この色合成装置３５は、各色光ＬＲ，ＬＧ，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装置３６に向けて出射させる。本実施形態では、色合成装置３５は、クロスダイクロイックプリズムにより構成される。
投射光学装置３６は、色合成装置３５にて合成された画像光をスクリーンＳＣ１等の被投射面に投射する。このような構成により、スクリーンＳＣ１に拡大された画像が投射される。

［照明装置の構成］
図２は、本実施形態のプロジェクター１における照明装置３１の構成を示す概略図である。
照明装置３１は、前述したように照明光ＷＬを色分離装置３２に向けて出射する。この照明装置３１は、図２に示すように、光源装置３１Ａ、偏光変換素子４、アフォーカル装置３１Ｂ及び均一化装置３１Ｃを備える。

［光源装置の構成］
光源装置３１Ａは、偏光変換素子４に光を出射する。この光源装置３１Ａは、光源部３１１、集光レンズ３１２、波長変換素子３１３及びコリメーター光学系３１４を備える。
光源部３１１は、アレイ光源３１１Ａ及びコリメーターレンズ群３１１Ｂを備える。このアレイ光源３１１Ａは、複数の半導体レーザー３１１１により構成される。具体的に、アレイ光源３１１Ａは、当該アレイ光源３１１Ａから出射される光束と直交する一平面内に複数の半導体レーザー３１１１がアレイ状に配列されることにより形成される。

アレイ光源３１１Ａを構成する半導体レーザー３１１１は、例えば、４４０〜４８０ｎｍの波長領域にピーク波長を有する励起光（青色光ＢＬ）を出射する。また、半導体レーザー３１１１から出射される青色光ＢＬは、ｓ偏光及びｐ偏光の混在したコヒーレントな直線偏光であり、集光レンズ３１２に向けて出射される。そして、このアレイ光源３１１Ａから出射された青色光ＢＬは、コリメーターレンズ群３１１Ｂに入射される。

コリメーターレンズ群３１１Ｂは、アレイ光源３１１Ａから出射された青色光ＢＬを平行光に変換する。このコリメーターレンズ群３１１Ｂは、例えば各半導体レーザー３１１１に対応してアレイ状に配置された複数のコリメーターレンズ３１１２により構成される。このコリメーターレンズ群３１１Ｂを通過することにより平行光に変換された青色光ＢＬは、集光レンズ３１２に入射される。
集光レンズ３１２は、入射された青色光ＢＬを集光する。この集光レンズ３１２により集光された青色光ＢＬは、波長変換素子３１３の基材３１３１を介して蛍光体層３１３２に入射される。

波長変換素子３１３は、基材３１３１、蛍光体層３１３２及びモーター３１３３を備える。基材３１３１は、入射された光を透過させる透光部材により構成され、略円板状に形成されている。この円板状の基材３１３１には、蛍光体層３１３２がドーナツ状に形成されている。
この蛍光体層３１３２は、例えば、ＹＡＧ蛍光体を含む波長変換素子であり、当該蛍光体層３１３２に入射された青色光ＢＬの一部が赤色光ＬＲ及び緑色光ＬＧを含む蛍光ＹＬとして出射される。また、一部の青色光ＢＬは、蛍光ＹＬに変換されることなく青色光ＢＬとして、当該蛍光体層３１３２を通過する。
モーター３１３３は、基材３１３１に取り付けられ、当該モーター３１３３の駆動により基材３１３１が回転する。これにより、蛍光体層３１３２の温度上昇が緩和される。

コリメーター光学系３１４は、トーリックレンズ３１４１及びコリメーターレンズ３１４２を備える。これらのうち、トーリックレンズ３１４１は、入射された光の形状を光変調装置３４の光入射面と略同形状に調整する。また、コリメーターレンズ３１４２は、入射された光を平行化する。上記蛍光体層３１３２を介した蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬは、トーリックレンズ３１４１及びコリメーターレンズ３１４２を介して、偏光変換素子４に入射される。

［偏光変換素子の構成］
偏光変換素子４は、入射された光の偏光方向を揃える機能を有する。この偏光変換素子４は、図２に示すように、偏光ビームスプリッター４１、位相差板４２及び反射部材４３を備える。これら偏光ビームスプリッター４１、位相差板４２及び反射部材４３は、固定部材等（図示省略）により一体化されている。すなわち、偏光変換素子４は、偏光ビームスプリッター４１、位相差板４２及び反射部材４３が一体化された一組の装置である。
これらのうち、偏光ビームスプリッター４１は、いわゆるプリズム型の偏光ビームスプリッターであり、ｐ偏光及びｓ偏光のうち、一方の偏光光を通過させ、他方の偏光光を反射させる。この偏光ビームスプリッター４１は、プリズム４１１，４１２及び偏光分離層４１３を備える。これらプリズム４１１，４１２は、略三角柱形状に形成され、それぞれ照明光軸Ａｘに対して４５°の角度をなす傾斜面を有し、かつ、照明光軸Ａｘに対して４５°の角度をなしている。

偏光分離層４１３は、上記プリズム４１１，４１２の傾斜面に設けられている。換言すると、偏光分離層４１３は、両面をプリズム４１１，４１２により固定されている。この偏光分離層４１３は、当該偏光分離層４１３に入射した蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬを、ｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分離する偏光分離機能を有する。この偏光分離層４１３は、蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬのｓ偏光成分を反射部材４３に向けて反射させ、当該蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬのｐ偏光成分を透過させる。

位相差板４２は、本発明の位相差層に相当し、上記偏光分離層４１３を透過されたｐ偏光成分の蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬをｓ偏光成分の光に変換する機能を有する。この位相差板４２は、偏光ビームスプリッター４１のプリズム４１２の照明光軸Ａｘに沿う方向の面（光出射面）に固定されている。これにより、偏光ビームスプリッター４１のプリズム４１１を介して位相差板４２に入射されたｐ偏光成分の蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬは、ｓ偏光成分の光として反射部材４３に向けて出射される。

反射部材４３は、本発明の反射層に相当し、入射された光を反射させる機能を有し、本実施形態では、矩形板状の全反射ミラーにより構成される。この反射部材４３は、上記偏光ビームスプリッター４１と当該反射部材４３との間に空気層を有した状態で配置される。これにより、ｓ偏光成分の蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬは、反射部材４３に入射され、当該反射部材４３により反射されてアフォーカル装置３１Ｂに向けて出射される。
すなわち、偏光変換素子４のアフォーカル装置３１Ｂに対向する略全面からｓ偏光成分の蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬが当該アフォーカル装置３１Ｂに向けて出射される。

［アフォーカル装置の構成］
アフォーカル装置３１Ｂは、偏光変換素子４から入射された蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬのビーム系を拡大する機能を有する。具体的に、このアフォーカル装置３１Ｂは、光源装置３１Ａ及び偏光変換素子４を介して入射された蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬに基づいて、第２レンズアレイ３１７の第２レンズ３１７１上に表示される光源像の大きさを調整する。
このアフォーカル装置３１Ｂは、凹レンズ３１５１及び凸レンズ３１５２からなるアフォーカルレンズ３１５により構成される。凹レンズ３１５１は、入射された蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬを拡散させ、凸レンズ３１５２に向けて出射させる。凸レンズ３１５２は、凹レンズ３１５１から拡散されて入射された蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬを平行化して均一化装置３１Ｃに向けて出射させる。

［均一化装置の構成］
均一化装置３１Ｃは、アフォーカル装置３１Ｂから入射された光を均一化させる機能を有する。この均一化装置３１Ｃは、第１レンズアレイ３１６、第２レンズアレイ３１７及び重畳レンズ３１８を備える。
第１レンズアレイ３１６は、アフォーカル装置３１Ｂから出射された光（光束）の中心軸（上記照明光軸Ａｘ）に対する直交面内にアレイ状に配列された複数の第１レンズ３１６１を有する。この第１レンズアレイ３１６は、第１レンズアレイ３１６の複数の第１レンズ３１６１により、当該第１レンズアレイ３１６に入射された光束を複数の部分光束に分割する。
第２レンズアレイ３１７は、上記照明光軸Ａｘに対する直交面内にアレイ状に配列された第１レンズアレイ３１６の複数の第１レンズ３１６１に応じた複数の第２レンズ３１７１を有する。この第２レンズアレイ３１７は、複数の第２レンズ３１７１により、第１レンズ３１６１により分割された部分光束を透過させる。

また、これら第１レンズアレイ３１６及び第２レンズアレイ３１７は、同形状、すなわち、同部材により構成される。このような第１レンズアレイ３１６及び第２レンズアレイ３１７を介した光は、重畳レンズ３１８に向けて出射される。
重畳レンズ３１８は、照明光ＷＬを被照明領域において重畳させることにより、被照明領域の照度分布を均一化する。このようにして、蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬは、重畳レンズ３１８により合成され、照度分布が均一化された照明光ＷＬとして、照明装置３１からダイクロイックミラー３２１に向けて出射される。

［照明装置から光変調装置までのレンズ構成及び光路］
図３は、照明装置３１から光変調装置３４までのレンズ構成及び光線を示す模式図である。なお、図３では、光変調装置３４に入射される光線（光路）の説明が容易になるように、光変調装置３４Ｇを示した他、照明光軸Ａｘに沿う直線上に各構成が位置するものとして記載している。
上述したように、アレイ光源３１１Ａから出射された光（青色光ＢＬ）は、図３に示すように、集光レンズ３１２により集光され、波長変換素子３１３に入射される。この波長変換素子３１３に入射され、当該波長変換素子３１３から出射された光（青色光ＢＬ及び蛍光ＹＬ）は、コリメーター光学系３１４を介して平行化され、偏光変換素子４に入射される。

ここで、特許文献１に記載のプロジェクターにおいて、偏光変換素子を当該偏光変換素子４と同様の位置に配置したとしても、コリメーター光学系３１４から出射された光の照射領域が小さいので、アフォーカルレンズ３１５に入射される光量が低下する。
これに対し、本実施形態では、偏光変換素子４が上記偏光ビームスプリッター４１、位相差板４２及び反射部材４３を備えるので、当該偏光変換素子４に入射された光のうち、偏光ビームスプリッター４１の偏光分離層４１３により反射されたｓ偏光の光が反射部材４３により反射され、偏光分離層４１３を透過したｐ偏光の光も位相差板４２によりｓ偏光に変換される。これにより、偏光変換素子４に入射された光の照射領域の略２倍の照射領域のｓ偏光の光をアフォーカルレンズ３１５に向けて出射できる。
なお、光源装置３１Ａにおける波長変換素子３１３から出射される青色光ＢＬの波長変換素子３１３におけるアスペクト比は、第２レンズアレイ３１７の第２レンズ３１７１のそれぞれを偏光分離層４１３及び反射部材４３が並ぶ方向に２分割した形状のアスペクト比と略一致している。

このようにして、アフォーカルレンズ３１５（アフォーカル装置３１Ｂ）に入射された光は、入射された光のビーム系を拡大され、焦点距離が調整された後、均一化装置３１Ｃを構成する第１レンズアレイ３１６に入射される。そして、第１レンズアレイ３１６、第２レンズアレイ３１７を介して重畳レンズ３１８に入射された光は、均一化された照明光ＷＬとしてダイクロイックミラー３２１を介して、ダイクロイックミラー３２２により反射され、平行化レンズ３３及び入射側偏光板３４１を介して光変調装置３４（３４Ｇ）に入射される。

［第１実施形態の効果］
以上、説明した本実施形態に係るプロジェクター１には、以下の効果がある。
一組の偏光変換素子４が光源装置３１Ａと均一化装置３１Ｃとの間に配置されているので、偏光変換素子４が均一化装置３１Ｃの後段に配置される場合に比べて小型化できる。
また、偏光変換素子４が偏光分離層４１３、反射部材４３及び位相差板４２を一組有するのみで、入射された光の偏光方向を揃えることができるので、複数の偏光分離層及び位相差層を照明光軸Ａｘの直交面内の一方向に複数有する構成に比べて、偏光変換素子４の構成を簡略化できる。

均一化装置３１Ｃが、第１レンズアレイ３１６により光源装置３１Ａ、偏光変換素子４を介して入射された入射光束を複数の部分光束に分割し、第２レンズアレイ３１７を介して出射された当該複数の部分光束を重畳レンズ３１８により被照明領域に重畳させるので、部分光束のそれぞれが被照明領域の全体を照明するように調整できる。従って、光源装置３１Ａから出射される光の照度を均一化し、かつ有効に利用できる。
ここで、上記特許文献１に記載のプロジェクターにおける照明装置のように、第１レンズアレイ及び第２レンズアレイを透過した後に、偏光分離層と反射層と光軸直交面内の一方向に沿って交互に複数配列された偏光変換素子により光の偏光方向を揃える場合、第１レンズアレイの複数の第１レンズを第２レンズアレイに対して偏心させる必要がある。
これに対し、本実施形態によれば、偏光変換素子４が光源装置３１Ａと均一化装置３１Ｃ（アフォーカル装置３１Ｂ）との間に配置されているので、第１レンズアレイ３１６の複数の第１レンズ３１６１を第２レンズアレイ３１７に対して偏心させる必要がないので、第１レンズアレイ３１６及び第２レンズアレイ３１７を同部材により構成できる。従って、照明装置３１の部品点数及び製造コストを低減できる。

ここで、本実施形態では、小型化を図るために光源装置３１Ａの集光レンズとして、小型で、かつ、焦点距離が短い集光レンズ３１２が採用されている。このため、当該集光レンズ３１２を用いて集光された光が直接、均一化装置３１Ｃに入射されると、光源像が大きくなりすぎるため、光を有効に利用できていない。
これに対し、本実施形態によれば、アフォーカルレンズ３１５により焦点距離を長くして光源像の大きさを調整できるので、第２レンズアレイ３１７の複数の第２レンズ３１７１のそれぞれに結像する光源像を小さくできる。これにより、照明装置３１における光の利用効率を向上できる。

光源装置３１Ａにおける波長変換素子３１３の発光領域から出射された光束は、偏光変換素子４を通過する際に、偏光分離層４１３と反射部材４３とが並ぶ方向に２倍に拡大され、２倍に拡大された光束がアフォーカル装置３１Ｂ及び第１レンズアレイ３１６を介して第２レンズアレイ３１７に入射される。このため、偏光変換素子４を透過することにより、第２レンズアレイ３１７の第２レンズ３１７１における、光源装置３１Ａからの光束は波長変換素子３１３の発光領域のアスペクト比の２倍になり、第２レンズアレイ３１７の第２レンズ３１７１の形状のアスペクト比と略一致する。従って、光源装置３１Ａにおける波長変換素子３１３から出射された光の利用効率を更に高めることができる。

反射部材４３側に配置されるプリズム４１２を透過する光は、当該プリズム４１２と空気層との界面にて臨界角を超えていれば全反射されるので、当該反射を利用して空気層に向けて出射された光を偏光分離層４１３に入射させることができる。従って、偏光分離層４１３に入射される光の利用効率を高めることができ、偏光変換素子４の偏光分離機能を向上できる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態に係るプロジェクターは、上記プロジェクター１と同様の構成を備えるが、光学ユニットの構成、具体的には、アフォーカル装置を構成するアフォーカルレンズを構成するレンズの形状が異なる点において、上記プロジェクター１と相違する。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同一又は略同一である部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図４は、第２実施形態に係るプロジェクターにおける照明装置から光変調装置３４間のレンズ構成及び光線を示す模式図である。なお、図４においては、上記図３と同様に、光変調装置３４に入射される光線（光路）の説明が容易になるように、光変調装置３４Ｒを示した他、照明光軸Ａｘに沿う直線上に各構成が位置するものとして記載している。
本実施形態に係る光学ユニット３Ａにおけるアフォーカル装置を構成するアフォーカルレンズ３１５Ａは、上記凹レンズ３１５１及び凸レンズ５を備えている。この凸レンズ５は、図４に示すように、入射された光を若干集光する機能を有する。すなわち、本実施形態に係るアフォーカルレンズ３１５Ａは、集光性を有する。
これにより、偏光変換素子４から出射された蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬは、凹レンズ３１５１により拡散された状態で凸レンズ５に入射され、当該凸レンズ５により集光されて、均一化装置３１Ｃに向けて出射される。

［第２実施形態の効果］
上記第１態様によれば、アフォーカルレンズ３１５Ａに入射された光を凸レンズ５により集光できることから、当該アフォーカルレンズ３１５Ａから出射された光の広がりを小さくできるので、第１レンズアレイ３１６及び第２レンズアレイ３１７のサイズを小さくすることができるとともに、アフォーカルレンズ３１５Ａから光変調装置３４までの光路を短くできる。従って、光変調装置３４への光の到達効率を高めることができ、光源装置３１Ａから出射された光の利用効率を高めることができる。
従って、照明装置３１、ひいてはプロジェクター１を小型化できる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
本実施形態に係るプロジェクターは、上記プロジェクター１と同様の構成を備えるが、光学ユニットの構成、具体的には、アフォーカル装置を構成するアフォーカルレンズを構成するレンズの形状が異なる点において、上記プロジェクター１と相違する。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同一又は略同一である部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図５は、第３実施形態に係るプロジェクターにおける照明装置から光変調装置間のレンズ構成及び光線を示す模式図である。なお、図５においては、上記図３及び図４と同様に、光変調装置３４に入射される光線（光路）の説明が容易になるように、光変調装置３４Ｒを示した他、照明光軸Ａｘに沿う直線上に各構成が位置するものとして記載している。
本実施形態に係る光学ユニット３Ｂにおけるアフォーカル装置は、凹レンズ３１５１及び凸レンズ６からなるアフォーカルレンズ３１５Ｂにより構成される。凹レンズ３１５１は、入射された蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬを拡散させ、凸レンズ６に向けて出射させる。凸レンズ６は、アナモフィックレンズ面６１を有する。このアナモフィックレンズ面６１は、入射された光を照明光軸Ａｘに直交する方向に光源像を引き延ばす機能を有する。これにより、凹レンズ３１５１から拡散されて入射された蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬは、凸レンズ６により光源像が上記方向に引き延ばされた状態で、均一化装置３１Ｃに向けて出射される。
なお、上記アナモフィックレンズ面６１は、本実施形態では、例えばトーリックレンズ面により構成されるが、シリンドリカルレンズ面やプリズム面であってもよい。

［第３実施形態の効果］
本実施形態に係るプロジェクターでは、上記プロジェクター１と同様の効果を奏する他、以下の効果を奏する。
本実施形態では、凸レンズ６がアナモフィックレンズ面６１を備えるので、アフォーカルレンズ３１５Ｂから出射された光の光線の広がりを、照明光軸Ａｘの直交面における２方向において独立に最適化できる。従って、光変調装置３４までの光路を上記第１実施形態に比べて短くできるので、照明装置３１を小型化できる。
また、後述するアナモフィックレンズ面を有する光学素子を配置する場合に比べて、照明装置３１の光路長を短縮できるので、照明装置３１の小型化を促進できる。従って、プロジェクターを小型化できる。

［第３実施形態の変形］
上記第３実施形態では、凸レンズ６がアナモフィックレンズ面６１を備えることとした。しかしながら、これに限らず、第１レンズアレイ３１６の光入射側に、すなわち、第１レンズアレイ３１６と上記凸レンズ３１５２との間に、アナモフィックレンズ面を有する光学素子を備えることとしてもよい。この場合であっても、上記第３実施形態と同様の効果を奏することができる。また、この場合には、上記アフォーカルレンズ３１５Ｂを構成する凸レンズのレンズ面を加工する必要がないので、通常のアフォーカルレンズ３１５を採用できる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
本実施形態に係るプロジェクターは、上記プロジェクター１と同様の構成を備えるが、光学ユニットの構成、具体的には、アフォーカル装置を構成するアフォーカルレンズに加えて、プリズムを有する点において、上記プロジェクター１と相違する。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同一又は略同一である部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図６は、第４実施形態に係るプロジェクターにおける照明装置から光変調装置３４間のレンズ構成及び光線を示す模式図である。なお、図６においては、上記図３〜図５と同様に、光変調装置３４に入射される光線（光路）の説明が容易になるように、光変調装置３４Ｒを示した他、照明光軸Ａｘに沿う直線上に各構成が位置するものとして記載している。
本実施形態に係る光学ユニット３Ｃにおけるアフォーカル装置は、上記アフォーカルレンズ３１５と、プリズム７を備える。プリズム７は、アフォーカルレンズ３１５を構成する凸レンズ３１５２の光出射側に配置されている。このプリズム７は、入射された光を２方向において最適化するシリンドリカルレンズ面７１を備える。これにより、偏光変換素子４から出射された蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬは、アフォーカルレンズ３１５を介してプリズム７に入射され、当該プリズム７のシリンドリカルレンズ面７１により最適化されて、均一化装置３１Ｃに向けて出射される。

［第４実施形態の効果］
以上説明した本実施形態に係るプロジェクターは、上記プロジェクター１と同様の効果を奏する他、以下の効果を有する。
本実施形態では、シリンドリカルレンズ面７１を有するプリズム７を備えるので、アフォーカルレンズ３１５から出射された光の光線の広がりを当該プリズム７により、２方向において独立に最適化できる。これにより、光変調装置３４への光の到達効率を高めることができ、光源装置３１Ａから出射された光の利用効率を高めることができる。従って、第１実施形態に比べて照明装置３１を小型化でき、ひいては、プロジェクターを小型化できる。

［第４実施形態の変形］
上記第４実施形態では、プリズム７は、シリンドリカルレンズ面７１を有することとした。しかしながら、これに限らず、シリンドリカルレンズ面７１を有していないプリズムを設けてもよい。この場合であっても、上記第４実施形態のプロジェクターと同様の効果を奏することができる。

［実施形態の変形］
本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
上記各実施形態では、光学ユニット３は、複数の光変調装置３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂを備えることとした。しかしながら、本発明は、これに限らない。例えば、１つの光変調装置を備えてもよい。この場合、アフォーカル装置３１Ｂを備えなくてもよいので、照明装置３１を小型化できる。

上記各実施形態では、均一化装置３１Ｃが第１レンズアレイ３１６及び第２レンズアレイ３１７を備えることとした。しかしながら、本発明は、これに限らない。例えば、第１レンズアレイ３１６及び第２レンズアレイ３１７に代えて、ロッドインテグレーターを採用してもよい。
上記各実施形態では、均一化装置３１Ｃは、重畳レンズ３１８を備えることとした。しかしながら、本発明は、これに限らない。例えば、重畳レンズ３１８を備えなくてもよい。この場合、重畳レンズ３１８を備えないので、均一化装置３１Ｃ、ひいては、照明装置３１を小型化できる。

上記各実施形態では、光源装置３１Ａにおける波長変換素子３１３の発光領域のアスペクト比は、第２レンズアレイ３１７の第２レンズ３１７１を偏光分離層４１３及び反射部材４３が並ぶ方向に２分割した形状のアスペクト比と略一致することとした。しかしながら、本発明は、これに限らない。例えば、光源装置３１Ａにおける波長変換素子３１３の発光領域から出射された光のアスペクト比と第１レンズアレイ３１６を上記方向に２分割した形状のアスペクト比とが略一致しなくてもよい。

上記各実施形態では、偏光変換素子４は、プリズム型の偏光ビームスプリッター４１を備えることとした。しかしながら、本発明は、これに限らない。例えば、偏光変換素子４は、プリズム型の偏光ビームスプリッター４１に代えて、プレート型の偏光ビームスプリッターを備えるようにしてもよい。この場合であっても、上記各実施形態と同様の効果を奏することができる。

上記各実施形態では、偏光変換素子４を構成する位相差板４２は、偏光分離層４１３を透過したｐ偏光成分の蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬの偏光成分を変換する位置、すなわち、プリズム４１１に取り付けられていることとした。しかしながら、本発明は、これに限らない。例えば、位相差板４２は、偏光分離層４１３により反射されたｓ偏光成分の蛍光ＹＬ及び青色光ＢＬの偏光成分を変換する位置、すなわち、プリズム４１２に取り付けられるようにしてもよい。この場合であっても、上記各実施形態と同様の効果を奏することができる。

上記各実施形態では、照明装置３１は、固体光源としてアレイ光源３１１Ａを備え、蛍光体層３１３２は、ＹＡＧ蛍光体を備えることとした。しかしながら、本発明は、これに限らない。例えば、蛍光体層３１３２は、ＹＡＧ蛍光体に代えてＲＧ蛍光体を備えてもよい。また、固体光源としてアレイ光源３１１Ａに代えてＵＶ光を照射するＵＶ光源を備えてもよい。この場合、蛍光体としてＲＧＢ蛍光体を備えるようにすればよい。また、例えば、アレイ光源３１１Ａに代えて、白色光を出射させるＬＥＤ（Light Emitting Diode）を設けることとしてもよい。この場合、波長変換素子３１３を設けなくてもよく、第２レンズアレイ３１７の第２レンズ３１７１を偏光分離層４１３及び反射部材４３が並ぶ方向に２分割した形状のアスペクト比とＬＥＤの発光領域のアスペクト比とが略一致する構成とすることができる。

上記各実施形態では、光学ユニット３における各光学部品の配置は、図１に示す構成とした。しかしながら、本発明は、これに限らない。このような光学ユニット３の配置は、適宜変更可能であり、例えば、平面視略Ｌ字形状を有する構成や、平面視略Ｕ字形状を有する構成を採用してもよい。

上記各実施形態では、プロジェクター１は、３つの光変調装置３４（３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂ）を備えるとしたが、本発明はこれに限らない。すなわち、２つ以下、あるいは、４つ以上の光変調装置を用いたプロジェクターにも、本発明を適用可能である。
また、光変調装置として、デジタルマイクロミラーデバイス等、液晶以外の光変調装置を用いてもよい。

１…プロジェクター、３１…照明装置、３１Ａ…光源装置、３１１…光源部、３１１１…半導体レーザー、３１１２…コリメーターレンズ、３１１Ａ…アレイ光源、３１１Ｂ…コリメーターレンズ群、３１２…集光レンズ、３１３…波長変換素子、３１３１…基材、３１３２…蛍光体層、３１３３…モーター、３１４…コリメーター光学系、３１４２…コリメーターレンズ、３１５…アフォーカルレンズ、３１５１…凹レンズ、３１５２…凸レンズ、３１５Ａ…アフォーカルレンズ、３１５Ｂ…アフォーカルレンズ、３１６…第１レンズアレイ、３１６１…第１レンズ、３１７…第２レンズアレイ、３１７１…第２レンズ、３１８…重畳レンズ、３１Ａ…光源装置、３１Ｂ…アフォーカル装置、３１Ｃ…均一化装置、４…偏光変換素子、４１…偏光ビームスプリッター、４１１…プリズム、４１２…プリズム、４１３…偏光分離層、４２…位相差板（位相差層）、４３…反射部材（反射層）、６１…アナモフィックレンズ面、７…プリズム、７１…シリンドリカルレンズ面、Ａｘ…照明光軸、ＢＬ…青色光、ＷＬ…照明光、ＹＬ…蛍光。

Claims (4)

1. 光を出射する光源装置と、
   前記光源装置から出射された光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
   前記偏光変換素子から入射される光の中心軸に直交する面内の照度を均一化する均一化装置と、
   前記偏光変換素子と前記均一化装置との間に設けられ、シリンドリカルレンズ面を有するプリズムと、を備え、
   前記偏光変換素子は、
   前記光源装置から出射された光のうち、一方の偏光光を透過させ、他方の偏光光を反射させる偏光分離層と、
   前記偏光分離層にて反射された前記他方の偏光光を、前記偏光分離層を透過した前記一方の偏光光の進行方向と同方向に反射させる反射層と、
   前記偏光分離層を透過した前記一方の偏光光、及び、前記反射層にて反射された前記他方の偏光光のいずれかの偏光光の光路上に配置され、前記偏光光の偏光方向を変換する位相差層と、を有し、
   前記偏光変換素子は、前記偏光分離層、前記反射層及び前記位相差層を１組有し、
   前記均一化装置は、
   入射される光束の中心軸に対する直交面内に複数の第１レンズが配列され、前記複数の第１レンズにより入射される光束を複数の部分光束に分割する第１レンズアレイと、
   前記複数の第１レンズに応じた複数の第２レンズが前記直交面内に配列される第２レンズアレイと、
   前記第２レンズアレイの光出射側に配置され、前記第１レンズアレイにより分割されて前記複数の第２レンズを介して入射される前記複数の部分光束を被照明領域に重畳させる重畳レンズと、を有することを特徴とする照明装置。
2. 光を出射する光源装置と、
   前記光源装置から出射された光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
   前記偏光変換素子から入射される光の中心軸に直交する面内の照度を均一化する均一化装置と、を備え、
   前記偏光変換素子は、
   前記光源装置から出射された光のうち、一方の偏光光を透過させ、他方の偏光光を反射させる偏光分離層と、
   前記偏光分離層にて反射された前記他方の偏光光を、前記偏光分離層を透過した前記一方の偏光光の進行方向と同方向に反射させる反射層と、
   前記偏光分離層を透過した前記一方の偏光光、及び、前記反射層にて反射された前記他方の偏光光のいずれかの偏光光の光路上に配置され、前記偏光光の偏光方向を変換する位相差層と、
   前記偏光分離層を両面側から固定するプリズムと、を有し、
   前記偏光変換素子は、前記偏光分離層、前記反射層及び前記位相差層を１組有し、
   前記反射層側に配置される前記プリズムと前記反射層との間には、空気層が設けられていることを特徴とする照明装置。
3. 請求項１に記載の照明装置において、
   前記光源装置は、
   光源部と、
   前記光源部から入射する光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズからの光の一部を波長変換する波長変換素子と、
   前記波長変換素子の発光領域からの光を平行化するコリメーターレンズと、を有し、
   前記波長変換素子の発光領域のアスペクト比は、前記第２レンズアレイの前記複数の第２レンズのそれぞれを前記偏光分離層及び前記反射層が並ぶ方向に２分割した形状のアスペクト比と略一致することを特徴とする照明装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の照明装置と、
   前記照明装置から出射された光を変調する光変調装置と、
   前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備えることを特徴とするプロジェクター。

Images