JP7098937B2 - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関する。

近年、プロジェクターの高性能化を目的として、広色域かつ高効率な光源であるレーザー光源を用いたプロジェクターが注目されている。
例えば下記の特許文献１に、赤色光用レーザー光源を含む赤色光用光源装置と、緑色光用レーザー光源を含む緑色光用光源装置と、青色光用レーザー光源を含む青色光用光源装置と、各色光の光路に設けられた光拡散装置および光変調装置と、投射光学系と、を備えたプロジェクターが開示されている。

また、下記の特許文献２には、レーザー光源から射出される赤色光、緑色光および青色光を混合するとともに、混合された光の強度を均一化するためのロッドインテグレーターを備えたプロジェクターが開示されている。

特開２０１５－６４４４４号公報 特表２００９－５２０２３３号公報

レーザー光源を用いた特許文献１のプロジェクターにおいては、発光色が互いに異なる複数の半導体レーザーを離れた位置に配置し、各半導体レーザーからの射出光を光合成素子により合成する構成が採用されている。ところが、この構成では、光源装置が大型になるという問題があった。

上記の問題を解決するには、発光色が互いに異なる複数の半導体レーザーを同じ位置にまとめて配置し、特許文献２に記載のロッドインテグレーターを用いて、複数の半導体レーザーから射出される異なる色の色光を合成する構成を採用することが考えられる。ところが、この構成を採用したとしても、色ムラを小さくするためには全長が長いロッドインテグレーターを用いる必要があるため、照明装置が大型になるという問題があった。

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、小型の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、小型のプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の照明装置は、偏光方向が互いに異なる第１の偏光と第２の偏光とを含む光を第１の方向に射出する光源装置と、前記光源装置から射出された前記第１の偏光と前記第２の偏光とを合成し、合成光を前記第１の方向に射出する偏光合成素子と、前記偏光合成素子から射出された前記合成光が入射されるロッドインテグレーターと、を備え、前記光源装置は、前記第１の偏光を射出する第１の半導体レーザーを含む複数の半導体レーザーが前記第１の方向と交差する第２の方向に配列された構成を有する第１の発光素子群と、前記第２の偏光を射出する第２の半導体レーザーを含む複数の半導体レーザーが前記第２の方向に配列された構成を有する第２の発光素子群と、を備え、前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群とは、前記第１の方向および前記第２の方向と交差する第３の方向に配列されている。

本発明の一つの態様の照明装置において、第１の発光素子群から第１の方向に射出された第１の偏光と、第１の発光素子群に対して第３の方向に配列された第２の発光素子群から第１の方向に射出された第２の偏光と、は、偏光合成素子によって合成され、合成光としてロッドインテグレーターに入射する。したがって、第１の偏光と第２の偏光とが個別にロッドインテグレーターに入射する場合と比べて、ロッドインテグレーターの光入射端面の面積を小さくできることにより、ロッドインテグレーターの全長を短くすることができる。これにより、小型の照明装置を実現することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記合成光の前記第３の方向の幅は、前記光源装置から射出された光の前記第３の方向の幅よりも小さくてもよい。

この構成によれば、ロッドインテグレーターの光入射端面の第３の方向（第１の発光素子群と第２の発光素子群とが配列された方向）の寸法を小さくできるため、ロッドインテグレーターの全長を短くすることができる。

本発明の一つの態様の照明装置は、前記光源装置と前記偏光合成素子との間に設けられ、前記光源装置から射出された前記光を前記第３の方向において平行化するコリメーターレンズをさらに備えていてもよい。

この構成によれば、コリメーターレンズによって平行化された光が偏光合成素子に入射するため、偏光合成素子における光合成の効率を高められ、合成光の光量を確保することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記コリメーターレンズは、前記第２の方向に延在する母線を有するシリンドリカルコリメーターレンズであり、前記ロッドインテグレーターは、前記第２の方向にテーパーを有するテーパーロッドインテグレーターであってもよい。

本発明の一つの態様の照明装置において、光源装置から射出された光を第３の方向において平行化するために、第２の方向に延在する母線を有するシリンドリカルコリメーターレンズを用いることができる。ただし、シリンドリカルコリメーターレンズは第２の方向にパワーを持たないため、ロッドインテグレーターの光入射端面に対する光の入射角を第２の方向に大きくすることができない。この場合、第２の方向にテーパーを有するテーパーロッドインテグレーターを用いることにより、テーパーロッドインテグレーターの内部での反射回数を増やすことができる。これにより、ロッドインテグレーターの全長を長くすることなく、光強度の均一性を高めることができる。

本発明の一つの態様の照明装置は、前記偏光合成素子と前記ロッドインテグレーターとの間に設けられ、前記偏光合成素子から射出された前記合成光を前記第３の方向において非平行化する角度変換レンズをさらに備えていてもよい。

上述したように、第３の方向において平行化された光が偏光合成素子に入射する構成は、光合成効率の観点から好ましい。その反面、偏光合成素子から射出された光が平行化された状態のままでロッドインテグレーターに入射すると、ロッドインテグレーターの内部反射が起こらず、第３の方向において光強度を均一化することができない。この場合、照明装置は、偏光合成素子から射出された合成光を第３の方向において非平行化する角度変換レンズを備えていれば、ロッドインテグレーターの内部反射が起こり、第３の方向においても光強度を均一化することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記角度変換レンズは、シリンドリカル凹レンズで構成されていてもよい。

この構成によれば、角度変換レンズとしてシリンドリカル凸レンズを用いた場合と異なり、角度変換レンズから射出された光は集光しない。これにより、集光位置で熱が発生する、偏光状態が乱れる、等の不具合が発生しにくい。その結果、照明装置の信頼性が向上するとともに、光変調装置として液晶ライトバルブを用いたプロジェクターに好適な照明装置となる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記複数の半導体レーザーは、複数の赤色半導体レーザー、複数の緑色半導体レーザーおよび少なくとも一つの青色半導体レーザーを含み、前記複数の赤色半導体レーザーは、前記第１の発光素子群を構成し、前記複数の緑色半導体レーザーおよび前記少なくとも一つの青色半導体レーザーは、前記第２の発光素子群を構成してもよい。

この構成によれば、白色光を得ることができる。また、青色半導体レーザーおよび緑色半導体レーザーと赤色半導体レーザーとでは、互いに異なる方向の直線偏光を射出する。そのため、複数の赤色半導体レーザーが第１の発光素子群を構成し、複数の緑色半導体レーザーおよび複数の青色半導体レーザーが第２の発光素子群を構成すれば、効率の良い照明装置とすることができる。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置と、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生成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学装置と、を備える。

この構成によれば、小型のプロジェクターを実現することができる。

本発明の一つの態様のプロジェクターにおいて、前記第３の方向は前記光変調装置の光変調領域の短手方向に一致し、前記第２の方向は前記光変調領域の長手方向に一致していてもよい。

この構成によれば、光源装置を構成する半導体レーザーの配列と光変調装置の光変調領域の形状とを合わせやすく、効率の良いプロジェクターが得られる。

本発明の一つの態様のプロジェクターにおいて、前記ロッドインテグレーターの光射出端面の形状は、前記光変調領域の形状と略相似であってもよい。

この構成によれば、ロッドインテグレーターと光変調装置との間に整形光学系等を用いることなく、プロジェクターを構成することができる。

本発明の一実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 照明装置の要部の斜視図である。 光源装置の正面図である。 半導体レーザーの斜視図である。 Ｚ軸方向から見た照明装置の作用を説明するための図である。 Ｙ軸方向から見た照明装置の作用を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１～図６を用いて説明する。
図１は、本実施形態のプロジェクターの概略構成図である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
図１において、照明装置から光が射出される方向をＸ軸方向とし、投射光学装置から光が射出される方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向とする。他の図面の座標軸は図１に対応させて示す。

図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１２は、照明装置６０と、色分離導光光学系２００と、赤色光用光変調装置４００Ｒと、緑色光用光変調装置４００Ｇと、青色光用光変調装置４００Ｂと、合成光学系５００と、投射光学装置６００と、を備えている。

本実施形態の照明装置６０は、青色半導体レーザー、緑色半導体レーザーおよび赤色半導体レーザーを有する光源装置２０を備えている。照明装置６０は、各発光色の半導体レーザーからそれぞれ射出された青色光、緑色光および赤色光が合成された白色の合成光ＬＷを射出する。
照明装置６０の詳細な構成については後述する。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２４０と、ダイクロイックミラー２２０と、反射ミラー２１０と、反射ミラー２３０と、反射ミラー２５０と、リレーレンズ２６０と、リレーレンズ２７０と、を備えている。色分離導光光学系２００は、照明装置６０から射出された白色の合成光ＬＷを赤色光ＬＲ２、緑色光ＬＧ２、および青色光ＬＢ２に分離し、赤色光ＬＲ２、緑色光ＬＧ２、および青色光ＬＢ２をそれぞれ対応する赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂに導く。

ダイクロイックミラー２４０は、青色光ＬＢ２を反射させ、赤色光ＬＲ２および緑色光ＬＧ２を透過させる。ダイクロイックミラー２２０は、緑色光ＬＧ２を反射させ、赤色光ＬＲ２を透過させる。反射ミラー２１０および反射ミラー２３０は、赤色光ＬＲ２を反射させる。反射ミラー２５０は、青色光ＬＢ２を反射させる。赤色光ＬＲ２の光路上には、リレーレンズ２６０とリレーレンズ２７０とが設けられている。

色分離導光光学系２００と赤色光用光変調装置４００Ｒとの間には、フィールドレンズ３００Ｒが配置されている。色分離導光光学系２００と緑色光用光変調装置４００Ｇとの間には、フィールドレンズ３００Ｇが配置されている。色分離導光光学系２００と青色光用光変調装置４００Ｂとの間には、フィールドレンズ３００Ｂが配置されている。

赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂのそれぞれは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、画像光を生成する液晶パネルから構成されている。

図示を省略したが、赤色光用光変調装置４００Ｒとフィールドレンズ３００Ｒとの間に、入射側偏光板が設けられている。緑色光用光変調装置４００Ｇおよび青色光用光変調装置４００Ｂについても同様である。また、赤色光用光変調装置４００Ｒと合成光学系５００との間に、射出側偏光板が配置されている。緑色光用光変調装置４００Ｇおよび青色光用光変調装置４００Ｂについても同様である。

合成光学系５００は、赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、青色光用光変調装置４００Ｂから射出された各色の画像光を合成する。合成光学系５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた、平面視が略正方形状のクロスダイクロイックプリズムから構成されている。直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面に誘電体多層膜が設けられている。

合成光学系５００から射出された画像光は、投射光学装置６００によってスクリーンＳＣＲ上に拡大投射される。投射光学装置６００は、複数の投射レンズから構成されている。

以下、照明装置６０の構成について説明する。
図２は、照明装置６０の要部の斜視図である。図３は、照明装置６０が備える光源装置２０の正面図である。

図１に示すように、照明装置６０は、光源装置２０と、複数のコリメーターレンズ２３と、偏光合成素子３０と、角度変換レンズ３２と、ロッドインテグレーター２４と、ピックアップ光学系２５と、集光光学系２６と、を備えている。

図２および図３に示すように、光源装置２０は、複数の基板２１と、複数の半導体レーザー２２と、を備えている。

複数の基板２１は、第１基板２１１と、第２基板２１２と、から構成されている。第１基板２１１および第２基板２１２の各々には、複数の半導体レーザー２２が設けられている。複数の半導体レーザー２２は、第１基板２１１の実装面２１１ａおよび第２基板２１２の実装面２１２ａの各々に、長手方向Ｃ１（第２の方向）に沿って間隔をおいて配列されている。第１基板２１１と第２基板２１２とは、長手方向Ｃ１および短手方向Ｃ２と直交する方向Ｃ３（第３の方向）に配列されている。長手方向Ｃ１は、第１基板２１１の実装面２１１ａもしくは第２基板２１２の実装面２１２ａの長手方向である。短手方向Ｃ２は、第１基板２１１の実装面２１１ａもしくは第２基板２１２の実装面２１２ａの短手方向である。

図３に示すように、第１基板２１１および第２基板２１２の各々に、５個の半導体レーザー２２が設けられている。第１基板２１１上の５個の半導体レーザー２２は、全て赤色半導体レーザー２２Ｒで構成されている。第２基板２１２上の５個の半導体レーザー２２は、１個の青色半導体レーザー２２Ｂと４個の緑色半導体レーザー２２Ｇとを含んでいる。１個の青色半導体レーザー２２Ｂは、５個の半導体レーザー２２のうちの中央に配置されている。４個の緑色半導体レーザー２２Ｇは、青色半導体レーザー２２Ｂの両側に２個ずつ配置されている。ただし、各半導体レーザー２２の個数は、上記の例に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、第１基板２１１に設けられた半導体レーザー２２の個数と第２基板２１２に設けられた半導体レーザー２２の個数とは異なっていてもよい。

図４は、半導体レーザー２２の斜視図である。
青色半導体レーザー２２Ｂ、緑色半導体レーザー２２Ｇおよび赤色半導体レーザー２２Ｒは同様の構成であるため、ここでは青色半導体レーザー２２Ｂ、緑色半導体レーザー２２Ｇおよび赤色半導体レーザー２２Ｒを一括して半導体レーザー２２と称して説明する。

図４に示すように、半導体レーザー２２は、光を射出する発光領域２２ｃを有している。発光領域２２ｃは、射出される光ＬＢの主光線Ｌ０の方向から見て、長手方向Ｗ１と短手方向Ｗ２とを有する長方形状の平面形状を有している。発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１の寸法と短手方向Ｗ２の寸法との比（Ｗ１／Ｗ２）は、３０／１以上であることが好ましい。本実施形態において、発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１の寸法は例えば４０μｍであり、発光領域２２ｃの短手方向Ｗ２の寸法は例えば１μｍである。なお、発光領域２２ｃの形状および寸法はこれに限定されない。

半導体レーザー２２は、発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１が短軸となり、発光領域２２ｃの短手方向Ｗ２が長軸となる楕円形状の断面ＬＳを有する光ＬＢをＸ軸方向（第１の方向）に射出する。すなわち、半導体レーザー２２から射出される光ＬＢは、発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１に垂直な面内（ＸＹ平面内）での発散角γ１が、発光領域２２ｃの短手方向Ｗ２に垂直な面（ＸＺ平面内）内での発散角γ２よりも大きい。光ＬＢの発散角γ１の最大値（最大放射角度）は例えば７０°であり、光ＬＢの発散角γ２の最大値（最大放射角度）は例えば２０°である。複数の半導体レーザー２２の各々は、発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１が基板２１の長手方向Ｃ１を向くように配置されている。

このように、各発光色の半導体レーザー２２は同様の構成を有しているが、現在市販されている半導体レーザーにおいて、赤色半導体レーザーと青色半導体レーザーおよび緑色半導体レーザーとでは、発振モードの違いによって互いに異なる方向の直線偏光を射出する。赤色半導体レーザー２２Ｒは、発光領域２２ｃの短手方向Ｗ２が偏光方向Ｐ１となる直線偏光を射出する。偏光方向Ｐ１の直線偏光は、後述する偏光合成素子３０の偏光分離膜３０１に対するＰ偏光である。一方、青色半導体レーザー２２Ｂおよび緑色半導体レーザー２２Ｇは、発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１が偏光方向Ｐ２となる直線偏光を射出する。偏光方向Ｐ２の直線偏光は、後述する偏光合成素子３０の偏光分離膜３０１に対するＳ偏光である。

本実施形態では、第１基板２１１上の複数の赤色半導体レーザー２２Ｒを第１の発光素子群２２１と称し、複数の赤色半導体レーザー２２Ｒのうち、任意の一つの赤色半導体レーザー２２Ｒ、例えば図３の左端の赤色半導体レーザー２２Ｒを第１の半導体レーザー２２Ｒ１と称する。また、第２基板２１２上の複数の緑色半導体レーザー２２Ｇおよび一つの青色半導体レーザー２２Ｂを第２の発光素子群２２２と称し、複数の緑色半導体レーザー２２Ｇおよび青色半導体レーザー２２Ｂのうち、任意の一つの半導体レーザー２２、例えば図３の左端の緑色半導体レーザー２２Ｇを第２の半導体レーザー２２Ｇ２と称する。

このとき、第１の発光素子群２２１は、偏光分離膜３０１に対するＰ偏光（第１の偏光）を射出する第１の半導体レーザー２２Ｒ１を含む複数の半導体レーザー２２がＺ方向（第２の方向）に配列された構成を有する。第２の発光素子群２２２は、偏光分離膜３０１に対するＳ偏光（第２の偏光）を射出する第２の半導体レーザー２２Ｇ２を含む複数の半導体レーザー２２がＺ方向（第２の方向）に配列された構成を有する。また、第１の発光素子群２２１と第２の発光素子群２２２とは、Ｙ軸方向（第３の方向）に配列されている。全体として、光源装置２０は、偏光方向が互いに異なるＰ偏光とＳ偏光とを含む光をＸ軸方向に射出する。

図１および図２に示すように、複数のコリメーターレンズ２３は、光源装置２０と偏光合成素子３０との間に設けられている。複数のコリメーターレンズ２３は、光源装置２０から射出された光をＹ軸方向（第３の方向）において平行化する。

複数のコリメーターレンズ２３は、第１コリメーターレンズ２３１と、第２コリメーターレンズ２３２と、から構成されている。第１コリメーターレンズ２３１および第２コリメーターレンズ２３２の各々は、Ｚ軸方向（第２の方向）に延在する母線Ｖを有するシリンドリカルコリメーターレンズで構成されている。第１コリメーターレンズ２３１および第２コリメーターレンズ２３２の各々は、各コリメーターレンズ２３の母線Ｖの方向と半導体レーザー２２の発光領域２２ｃの長手方向Ｃ１とが平行になるように配置されている。第１コリメーターレンズ２３１は、第１基板２１１上の複数の半導体レーザー２２の各々の発光領域２２ｃに対向して配置されている。第２コリメーターレンズ２３２は、第２基板２１２上の複数の半導体レーザー２２の各々の発光領域２２ｃに対向して配置されている。

偏光合成素子３０は、第１コリメーターレンズ２３１の光射出側と第２コリメーターレンズ２３２の光射出側とにわたって設けられている。偏光合成素子３０は、偏光分離膜３０１と、反射膜３０２と、複数の透明部材３０３と、から構成されている。

図１に示すように、偏光分離膜３０１は、第１の発光素子群２２１に属する複数の半導体レーザー２２から射出される光の光路上に、当該光路に対して４５°の角度をなすように設けられている。反射膜３０２は、第２の発光素子群２２２に属する複数の半導体レーザー２２から射出される光の光路上に、当該光路に対して４５°の角度をなすように設けられている。以下、第１の発光素子群２２１に属する複数の半導体レーザー２２から射出される光を第１の光Ｌ１と称し、第２の発光素子群２２２に属する複数の半導体レーザー２２から射出される光を第２の光Ｌ２と称する。

偏光合成素子３０は、偏光分離膜３０１と反射膜３０２とが複数の透明部材３０３の間に挟持された形態で一体の光学素子として構成されている。ただし、偏光分離膜３０１と反射膜３０２とは、各々が個別に透明板に支持された構成であってもよい。偏光合成素子３０の詳細な作用は後述するが、偏光合成素子３０は、光源装置２０から射出された偏光方向が互いに異なる偏光を合成し、白色の合成光ＬＷをＸ軸方向に射出する。

角度変換レンズ３２は、偏光合成素子３０とロッドインテグレーター２４との間において、第１の光Ｌ１の光路上に設けられている。角度変換レンズ３２は、偏光合成素子３０から射出された合成光ＬＷをＹ軸方向（ＸＹ平面内）において非平行化する。角度変換レンズ３２は、Ｚ軸方向（第２の方向）に延在する母線Ｕを有するシリンドリカル凹レンズで構成されている。

ロッドインテグレーター２４は、角度変換レンズ３２とピックアップ光学系２５との間の合成光ＬＷの光路上に備えられている。ロッドインテグレーター２４は、四角柱状の光透過性部材で構成されている。ロッドインテグレーター２４は、合成光ＬＷが入射される光入射端面２４ｉと、光入射端面２４ｉと対向する光射出端面２４ｅと、４つの反射面２４ｆと、を備えている。ロッドインテグレーター２４は、Ｚ軸方向（ＸＺ平面内）にテーパーを有するテーパーロッドインテグレーターで構成されている（図６参照）。

合成光ＬＷは、ロッドインテグレーター２４の内部を透過する間に反射面２４ｆで複数回反射することによって強度分布が均一化される。ロッドインテグレーター２４は、中実の光透過性部材で構成されているが、内面が反射面となった中空の管状部材で構成されていてもよい。

ピックアップ光学系２５は、第１凸レンズ２５Ａと第２凸レンズ２５Ｂとから構成されている。ピックアップ光学系２５は、ロッドインテグレーター２４から射出された合成光ＬＷを略平行化する。

集光光学系２６は、凸レンズから構成されている。集光光学系２６は、ピックアップ光学系２５から射出された合成光ＬＷを各光変調装置４００Ｂ，４００Ｇ，４００Ｒに向けて集光する。

以下、照明装置６０の作用について説明する。
図５は、Ｚ軸方向から見た照明装置６０における光の振る舞いを示す図である。図６は、Ｙ軸方向から見た照明装置６０における光の振る舞いを示す図である。

照明装置６０をＺ軸方向から見た場合、図５に示すように、第１の発光素子群２２１に属する複数の半導体レーザー２２は、発散角γ１の光を射出する。発散角γ１で射出された光線と半導体レーザー２２の光軸とのなす角度をα１とすると、α１＝γ１／２である。半導体レーザー２２から射出された第１の光Ｌ１は、第１コリメーターレンズ２３１によって平行化された後、偏光合成素子３０に入射する。上述したように、第１の光Ｌ１は、偏光分離膜３０１に対するＰ偏光であるから、偏光分離膜３０１を透過し、偏光合成素子３０から射出される。

一方、第２の発光素子群２２２に属する複数の半導体レーザー２２から射出された第２の光Ｌ２は、第２コリメーターレンズ２３２によって平行化された後、偏光合成素子３０に入射する。第２の光Ｌ２は、反射膜３０２で反射し、光路を９０°曲げて偏光分離膜３０１に入射する。上述したように、第２の光Ｌ２は、偏光分離膜３０１に対するＳ偏光であるから、偏光分離膜３０１で反射し、光路を９０°曲げて第１の光Ｌ１とともに偏光合成素子３０から射出される。

すなわち、赤色半導体レーザー２２Ｒから射出された第１の光Ｌ１と緑色半導体レーザー２２Ｇおよび青色半導体レーザー２２Ｂから射出された第２の光Ｌ２とは、偏光合成素子３０によって合成され、合成光ＬＷとなって角度変換レンズ３２に向けて射出される。

第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２が偏光合成素子３０を透過している間、光の角度変換は生じないため、偏光合成素子３０から射出される合成光ＬＷは平行光である。合成光ＬＷは、角度変換レンズ３２によって非平行化され、所定の発散角を有する光となってロッドインテグレーター２４に入射する。ここで、最大の発散角で射出された光線と合成光ＬＷの中心軸とのなす角度をα２としたとき、角度α２は角度α１よりも小さくてもよい。すなわち、α２≠０であり、α２＜α１であってもよい。

このように、偏光合成素子３０から射出された合成光ＬＷは、角度変換レンズ３２によって非平行化されたことによりロッドインテグレーター２４の反射面２４ｆで反射し、強度分布が均一化されてロッドインテグレーター２４の光射出端面２４ｅから射出される。

これに対して、照明装置６０をＹ軸方向から見た場合、図６に示すように、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２とは、同じ振る舞いを示す。したがって、以下、照明装置６０の作用を第１の光Ｌ１で代表して説明する。

第１コリメーターレンズ２３１は、母線ＶがＺ軸方向と平行な方向を向くように配置されているため、ＸＺ平面内においてはパワーを持たない。また、偏光合成素子３０は、光の集束もしくは発散等の作用を持たない。また、角度変換レンズ３２は、第１コリメーターレンズ２３１と同様、母線ＵがＺ軸方向と平行な方向を向くように配置されているため、ＸＺ平面内においてはパワーを持たない。

したがって、Ｙ軸方向から見ると、第１の光Ｌ１は、半導体レーザー２２から射出されたときの発散角γ２のままでロッドインテグレーター２４に入射する。発散角γ２で射出された光線と半導体レーザー２２の光軸とのなす角度をβとすると、β＝γ２／２である。

上述したように、発散角γ２は例えば２０°程度であるから、角度βは１０°程度であり、ＸＹ平面内と比べて、第１の光Ｌ１は小さな入射角でロッドインテグレーター２４に入射する。そのため、テーパーを持たないロッドインテグレーターを用いたとすると、ロッドインテグレーター内での光の反射回数が少なく、光強度が十分に均一化できない恐れがある。

これに対し、本実施形態では、ロッドインテグレーター２４としてＺ軸方向（ＸＺ平面内）にテーパーを有するテーパーロッドインテグレーターが用いられているため、テーパーを持たないロッドインテグレーターを用いた場合に比べて、ロッドインテグレーター２４の内部での光の反射回数を増やすことができ、光強度を十分に均一化することができる。

ここで、偏光合成素子を備えていない比較例の照明装置を想定する。
比較例の照明装置においては、第１の発光素子群から射出された光と第２の発光素子群から射出された光とが合成されることなく、個別にロッドインテグレーターに入射する。この場合、ロッドインテグレーターの光入射端面は、第１の光と第２の光の双方が入射できるだけの寸法を有することが必要である。そのため、ロッドインテグレーター内での光の反射回数を確保するために、ロッドインテグレーターの全長を長くしなければならない。

さらに、比較例の照明装置においては、第１の光と第２の光のそれぞれがロッドインテグレーターの光軸からＹ軸方向にずれた位置に入射するため、場合によっては第１の光と第２の光とがＹ軸方向に分離した状態で射出される恐れがある。そこで、これらの光を十分に混合させる意味でも、ロッドインテグレーターの全長を長くする必要がある。その結果、照明装置が大型化するという問題が生じる。

この問題に対して、本実施形態においては、照明装置６０が偏光合成素子３０を備えているため、図５に示すように、偏光合成素子３０から射出された合成光ＬＷのＹ軸方向の幅Ｂ１は、光源装置２０から射出された光（第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２とを合わせた光）のＹ軸方向の幅Ｂ２よりも小さくなる。これにより、本実施形態では、ロッドインテグレーター２４の光入射端面２４ｉのＹ軸方向の幅を、比較例のロッドインテグレーターに比べて、例えば１／２程度に小さくすることができる。

さらに、ロッドインテグレーター２４に入射する合成光ＬＷの中心軸がロッドインテグレーター２４の光軸に一致するため、合成光ＬＷを構成する各色光はロッドインテグレーター２４の内部で十分に混合される。これらの作用により、本実施形態によれば、ロッドインテグレーター２４の全長を長くすることなく、光強度を均一化できる。これにより、小型の照明装置６０を実現することができる。

本実施形態のプロジェクター１２は、上記の照明装置６０を備えているため、小型化を図ることができる。

また、本実施形態の照明装置６０においては、光源装置２０から射出された光を平行化するコリメーターレンズ２３が備えられているため、コリメーターレンズ２３によって平行化された光が偏光合成素子３０に入射する。これにより、偏光合成素子３０における光合成の効率を高められ、合成光ＬＷの光量を確保することができる。

また、本実施形態の照明装置６０においては、偏光合成素子３０から射出された合成光ＬＷをＹ軸方向において非平行化する角度変換レンズ３２が備えられているため、Ｙ軸方向においてロッドインテグレーター２４の内部での反射が生じ、Ｙ軸方向においても光強度を均一化することができる。

さらに、角度変換レンズ３２がシリンドリカル凹レンズで構成されているため、角度変換レンズ３２から射出された光が集光することがない。これにより、集光位置で熱が発生する、偏光状態が乱れる、等の不具合が発生しにくい。その結果、照明装置６０の信頼性が向上するとともに、光変調装置として液晶ライトバルブを用いたプロジェクターに好適な照明装置となる。また、シリンドリカル凹レンズのパワーを調整することにより、ロッドインテグレーター２４への光の入射角を調整することができる。

また、本実施形態の照明装置６０において、光源装置２０は、複数の赤色半導体レーザー２２Ｒ、複数の緑色半導体レーザー２２Ｇおよび複数の青色半導体レーザー２２Ｂを含んでいるため、白色光を得ることができる。さらに、複数の赤色半導体レーザー２２Ｒが第１の発光素子群２２１を構成し、複数の緑色半導体レーザー２２Ｇおよび一つの青色半導体レーザー２２Ｂが第２の発光素子群２２２を構成しているため、効率の良い照明装置６０とすることができる。

例えば一般の半導体レーザーは、必要とする冷却量が発光色によって異なる。そのため、仮に第１基板２１１と第２基板２１２とのそれぞれに３種類の発光色の半導体レーザー２２が混在していると、各基板を適切に冷却することが難しい。これに対し、本実施形態の照明装置６０においては、各基板２１を適切に冷却しやすくなる。

本実施形態の場合、複数の半導体レーザー２２がそれぞれ配列された第１基板２１１と第２基板２１２とが半導体レーザー２２の配列方向と直交する方向に配列されているため、射出光の中心軸に垂直な面内において複数の半導体レーザー２２を２次元に配置することができる。そのため、より多くの半導体レーザー２２を限られたスペース内に配置することができる。

本実施形態の場合、複数の半導体レーザー２２の各々は、発光領域２２ｃの長手方向Ｗ１が基板２１の長手方向Ｃ１（複数の半導体レーザー２２の配列方向）を向くように配置されている。そのため、第１基板２１１および第２基板２１２のそれぞれに５個の半導体レーザー２２が設けられていても、基板２１の数と同じ数のコリメーターレンズ２３、すなわち、２個のコリメーターレンズ２３を用いれば済む。これにより、用いるコリメーターレンズ２３の数を最小限にでき、照明装置６０の構成を簡単にすることができる。

また、本実施形態のプロジェクター１２において、Ｙ軸方向は光変調装置４００Ｂ，４００Ｇ，４００Ｒの光変調領域の短手方向に一致し、Ｚ軸方向は光変調領域の長手方向に一致している。この構成によれば、光源装置２０を構成する半導体レーザー２２の配列と光変調装置４００Ｂ，４００Ｇ，４００Ｒの光変調領域の形状とを合わせやすく、効率の良いプロジェクターが得られる。

また、本実施形態のプロジェクター１２において、ロッドインテグレーター２４の光射出端面２４ｅの形状は、光変調領域の形状と略相似である。これにより、ロッドインテグレーター２４と光変調装置４００Ｂ，４００Ｇ，４００Ｒとの間に整形光学系等を用いることなく、プロジェクターを構成することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、複数の赤色半導体レーザーが第１の発光素子群を構成し、複数の緑色半導体レーザーおよび青色半導体レーザーが第２の発光素子群を構成していたが、これとは逆に、複数の緑色半導体レーザーおよび青色半導体レーザーが第１の発光素子群を構成し、複数の赤色半導体レーザーが第２の発光素子群を構成してもよい。

すなわち、上記実施形態の第１基板と第２基板の上下の位置関係を入れ替えた光源装置が用いられてもよい。その場合、光源装置と同様、偏光合成素子等の他の光学部品の上下位置も入れ替える構成、もしくは、光源装置と偏光合成素子との間に１／２波長板を追加し、偏光合成素子等の他の光学部品の位置を上記実施形態と同一にする構成、のいずれかを採用すればよい。

また、上記実施形態で例示した光源装置、照明装置およびプロジェクターの各構成要素の数、配置、形状、材料、寸法等については、適宜変更が可能である。

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応用する例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置を自動車用ヘッドライト等の照明器具にも適用することができる。

１２…プロジェクター、２０…光源装置、２２…半導体レーザー、２２Ｂ…青色半導体レーザー、２２Ｇ…緑色半導体レーザー、２２Ｒ…赤色半導体レーザー、２３…コリメーターレンズ、２４…ロッドインテグレーター、３０…偏光合成素子、３２…角度変換レンズ、６０…照明装置、２２１…第１の発光素子群、２２２…第２の発光素子群、２２Ｒ１…第１の半導体レーザー、２２Ｇ２…第２の半導体レーザー、４００Ｂ…青色光用光変調装置、４００Ｇ…緑色光用光変調装置、４００Ｒ…赤色光用光変調装置。

Claims (8)

1. 偏光方向が互いに異なる第１の偏光と第２の偏光とを含む光を第１の方向に射出する光源装置と、
   前記光源装置から射出された前記光を平行化するコリメーターレンズと、
   前記コリメーターレンズから射出された前記第１の偏光と前記第２の偏光とを合成し、合成光を前記第１の方向に射出する偏光合成素子と、
   前記偏光合成素子から射出された前記合成光を、所定の発散角を有する光に変換する角度変換レンズと、
   前記角度変換レンズから射出された前記合成光が入射されるロッドインテグレーターと、
   を備え、
   前記光源装置は、前記第１の偏光を射出する第１の半導体レーザーを含む複数の半導体レーザーが前記第１の方向と交差する第２の方向に配列された構成を有する第１の発光素子群と、前記第２の偏光を射出する第２の半導体レーザーを含む複数の半導体レーザーが前記第２の方向に配列された構成を有する第２の発光素子群と、を備え、
   前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群とは、前記第１の方向および前記第２の方向と交差する第３の方向に配列され、
   前記コリメーターレンズは、前記光源装置から射出された前記光を前記第３の方向において平行化し、前記第２の方向に延在する母線を有するシリンドリカルコリメーターレンズであり、
   前記角度変換レンズは、前記コリメーターレンズにより前記第３の方向において平行化され前記偏光合成素子から射出された前記合成光を、前記第３の方向において前記所定の発散角を有する光に変換し、
   前記ロッドインテグレーターは、前記第２の方向にテーパーを有するテーパーロッドインテグレーターであり、
   前記第１の半導体レーザーおよび前記第２の半導体レーザーは、前記第２の方向に長手となり、前記第３の方向に短手となる発光領域をそれぞれ有し、
   前記発光領域の長手方向に垂直な面内での発散角は、前記発光領域の短手方向に垂直な面内での発散角よりも大きい、照明装置。
2. 前記合成光の前記第３の方向の幅は、前記光源装置から射出された光の前記第３の方向の幅よりも小さい、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記角度変換レンズは、シリンドリカル凹レンズで構成されている、請求項１または請求項２に記載の照明装置。
4. 前記複数の半導体レーザーは、複数の赤色半導体レーザー、複数の緑色半導体レーザーおよび少なくとも一つの青色半導体レーザーを含み、
   前記複数の赤色半導体レーザーは、前記第１の発光素子群を構成し、
   前記複数の緑色半導体レーザーおよび前記少なくとも一つの青色半導体レーザーは、前記第２の発光素子群を構成する、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記第１の発光素子群における複数の半導体レーザーは、全て第１の偏光を射出し、
   前記第２の発光素子群における複数の半導体レーザーは、全て第２の偏光を射出する、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の照明装置。
6. 請求項１から請求項５まで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生成する光変調装置と、
   前記画像光を投射する投射光学装置と、を備えたプロジェクター。
7. 前記第３の方向は前記光変調装置の光変調領域の短手方向に一致し、前記第２の方向は前記光変調領域の長手方向に一致している、請求項６に記載のプロジェクター。
8. 前記ロッドインテグレーターの光射出端面の形状は、前記光変調領域の形状と略相似である、請求項７に記載のプロジェクター。

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