JP2008262029A - 照明装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルノイズを抑えるとともに、光の利用効率が高く、低コスト化を図ることが可能な照明装置及びプロジェクタを提供すること。
【解決手段】所定の被照射面における対象照明領域を照明するための照明光を生成する照明装置１であって、光を射出する光源２と、該光源２から射出された光が入射され焦点位置を変化可能な可変焦点レンズ３と、該可変焦点レンズ３から射出された光を重畳させ、対象照明領域Ｓを照明する重畳照明素子４と、可変焦点レンズ３の焦点位置が時間的に変化するように制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置及びプロジェクタに関する。

近年の投射型画像表示装置では、光源として超高圧水銀ランプなどの放電ランプが用いられるのが一般的である。しかし、このような放電ランプは、寿命が比較的短い、瞬時点灯が難しい、色再現範囲が狭い、ランプから放射された紫外線が液晶ライトバルブを劣化させてしまうことがある等の課題がある。そこで、この問題を解決するために、放電ランプの代わりに、単色光を照射するレーザ光源を用いた投射型画像表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１に記載のレーザディスプレイ装置は、赤色，緑色，青色の半導体レーザと、各半導体レーザから射出されたレーザ光を平行光にする複数のコリメータレンズと、コリメータレンズにより平行化された光の強度分布を均一化する複数のマイクロレンズと、各マイクロレンズから射出された光を変調する空間光変調器とを備えている。そして、各空間光変調器を通過した光は、ダイクロイックミラーにより合成され、プロジェクタレンズによりスクリーンに表示されるようになっている。このレーザディスプレイ装置は、マイクロレンズが光軸を回転軸として回転可能となっており、このマイクロレンズを回転させることによって空間光変調器を照射するレーザ光のスペックルノイズを低減もしくは消滅するようになっている。

また、スペックルノイズを低減する方法として、拡散板を用いた方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特許文献２に記載の露光照明装置は、照明光源と被照明面との間に擦りガラスのようなランダムな凹凸面を有する拡散板を挿入する。そして、この拡散板を回転させることにより、像面に生じるスペックルパターンを時間的に変動させ、受光系の応答速度内での積分効果によりスペックルパターンを平均化する方法である。
特開平１１−６４７８９号公報 特開平７−２９７１１１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のレーザディスプレイ装置では、スペックルを低減させるために、マイクロレンズを回転させているため、回転駆動系等の機構部品が必要になり、コストが高くなってしまう。
また、特許文献２に記載の技術では、拡散板を回転させて、入射した光を拡散させているため、拡散板の後段に配置された光学系に入射する光に損失が生じることになる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、スペックルノイズを抑えるとともに、光の利用効率が高く、低コスト化を図ることが可能な照明装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の照明装置は、所定の被照射面における対象照明領域を照明するための照明光を生成する照明装置であって、光を射出する光源と、該光源から射出された光が入射され焦点位置を変化可能な可変焦点レンズと、該可変焦点レンズから射出された光を重畳させ、前記対象照明領域を照明する重畳照明素子と、前記可変焦点レンズの焦点位置が時間的に変化するように制御する制御部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る照明装置では、光源から射出された光は、可変焦点レンズに入射する。そして、可変焦点レンズに入射した光は、重畳照明素子を照明する照明光として射出され、被照射面の対象照明領域を照明する。
このとき、制御部により、可変焦点レンズの焦点位置が時間的に変化されるため、可変焦点レンズから射出される光のビーム径が変化する。すなわち、可変焦点レンズから射出され重畳照明素子を照明する光の照射領域が変わる。これにより、重畳照明素子から射出された光は、スペックルパターンが時間的に変化するため、人間の眼の残像効果により時間積分され、スペックルノイズが抑えられた光となる。すなわち、本発明の照明装置は、従来のように拡散板を備えるのではなく、可変焦点レンズの焦点位置を時間的に変化させることにより、重畳照明素子から射出される光のスペックルのパターンを時間的に変化させている。これにより、光利用効率を低下させることなく、対象照明領域に照明される光にスペックルノイズが発生するのを低減することが可能となる。
さらには、従来のように拡散板を回転させる光学系に比べて、光源から射出された光を重畳照明素子に射出させる既存の光学素子を可変焦点レンズにしているため、部品点数を増やさないので、低コスト化を図ることが可能となる。
また、重畳照明素子によって重畳された光により被照射面を照明するため、可変焦点レンズの焦点位置が変化し、重畳照明素子に入射する光の照明領域が変わっても、対象照明領域を均一に照明することが可能となる。
なお、焦点位置の変化とは、可変焦点レンズの光軸に沿った焦点距離の変化や、光軸からずれた焦点距離の変化を含む。

また、本発明の照明装置は、前記光源が移動可能に配置され、前記可変焦点レンズの焦点位置の変化に応じて前記光源を移動させる光源移動手段を備えることが好ましい。

本発明に係る照明装置では、光源移動手段により、可変焦点レンズの焦点位置の変化に応じて光源を移動させる。このように、可変焦点レンズの焦点位置の変化に加え、光源を移動させることにより、可変焦点レンズから射出される光の重畳照明素子上の照射領域がより多く変化する。したがって、対象照明領域に照明される光にスペックルノイズが発生するのをより効果的に低減することが可能となる。

また、本発明の照明装置は、前記光源移動手段は、前記可変焦点レンズの焦点位置に前記光源が位置するように移動させることが好ましい。

本発明に係る照明装置では、光源移動手段が、可変焦点レンズの焦点位置に光源を配置するように移動させるため、重畳照明素子には平行光が入射される。これにより、重畳照明素子から射出される光の変換効率を向上させることができる。

また、本発明の照明装置は、前記可変焦点レンズの焦点位置の変化しない時間に、前記光源移動手段が前記光源を移動させることが好ましい。

本発明に係る照明装置では、可変焦点レンズの焦点位置の変化しない時間に、光源移動手段が光源を移動させる。これにより、重畳照明素子を照明する光のビーム径が変化しない時間がないため、対象照明領域を照明する照明領域が常に変化する。したがって、重畳照明素子から射出される光にスペックルノイズを低減することができる。これにより、光利用効率を低下させることなく、より確実にスペックルノイズの発生を抑えた均一な照明光を対象照明領域に照射することが可能となる。

また、本発明の照明装置は、前記光源及び前記可変焦点レンズが複数設けられ、前記複数の光源のそれぞれに対応して前記可変焦点レンズが設けられ、前記制御部により、前記複数の可変焦点レンズのうち、少なくとも１つの前記可変焦点レンズの焦点位置が常時変化するように制御することが好ましい。

本発明に係る照明装置では、制御部により、複数の可変焦点レンズのうち、少なくとも１つの可変焦点レンズの焦点位置が常時変化するように制御する。すなわち、複数の光源のそれぞれに対応して可変焦点レンズが設けられているため、光源を移動させずに複数の可変焦点レンズの焦点位置を変化させるだけで、重畳照明素子から射出される光にスペックルノイズが発生するのを低減することができる。これにより、光利用効率を低下させることなく、より確実にスペックルノイズの発生を抑えた均一な照明光を対象照明領域に照射することが可能となる。
さらに、可変焦点レンズの焦点位置の変化に加え、光源を移動させることにより、さらに多くのスペックルパターンが重畳照明素子から射出される。したがって、より効果的にスペックルノイズを抑えることが可能となる。

また、本発明の照明装置は、前記可変焦点レンズが、容器に充填された油滴と、該油滴を覆うとともに前記油滴と屈折率の異なる電解液と、該電解液に電圧を印加する電極とを備え、前記制御部が、前記電極に印加される電圧を制御することにより、前記油滴の曲率を変化させることが好ましい。

本発明に係る照明装置では、制御部により電解液と油滴との界面形状を変化させる。これにより、油滴の曲率が時間とともに変化するため、この変化に伴い焦点位置も変化する。したがって、油滴及び電解液の応答速度が速いため、複数の可変焦点レンズの焦点位置を高速で調節することが可能となる。

また、本発明の照明装置は、前記可変焦点レンズが、円形状の中心電極及び半径の異なる複数の同心円状の輪帯電極が形成された第１基板と、一面に共通電極が形成された第２基板と、前記第１基板及び前記第２基板との間に設けられた液晶とを備え、
前記制御部が、前記中心電極，前記輪帯電極及び前記共通電極に印加される電圧を制御することにより、前記液晶の配向状態を制御することが好ましい。

本発明に係る照明装置では、制御部が中心電極，輪帯電極と共通電極との間の液晶の配向状態を制御することにより、中心電極，輪帯電極と共通電極との間の光学的距離が変化する。これにより、時間とともに焦点位置が変化する。したがって、通常の液晶パネルの製造方法と同様の工程で作製することができるため、照明装置の製造コストを抑えることが可能となる。

また、本発明の照明装置は、前記可変焦点レンズが、複数のレンズを有し、前記制御部が、前記複数のレンズのうち少なくともいずれか１つのレンズを移動させることにより、前記可変焦点レンズの焦点位置を変化させることが好ましい。

本発明に係る照明装置では、制御部が、複数のレンズのうち少なくともいずれか１つのレンズを移動させることにより、可変焦点レンズの焦点位置を変化させる。すなわち、通常用いられるレンズを複数組み合わせることにより、焦点位置を変化させることができる。したがって、複数のレンズの物理的な位置を変化させれば良いため、複数のレンズの設計がし易くなる。

本発明のプロジェクタは、上記の照明装置と、該照明装置から射出された光を画像信号に応じて変調する光変調装置と、該光変調装置により形成された画像を投射する投射装置とを備えることを特徴とする。

本発明に係るプロジェクタでは、照明装置より射出された光は光変調装置に入射される。そして、光変調装置により形成された画像が、投射装置によって投射される。このとき、照明装置より射出される光は、上述したように、光の利用効率を低下させることなくスペックルノイズが抑えられた光となっているため、ぎらつき（シンチレーション）を抑えた画像を被投射面に照射することが可能となる。

また、本発明のプロジェクタは、前記制御部により、前記変調装置の帰線期間が前記可変焦点レンズの焦点位置の変化しない時間となるように、前記可変焦点レンズの焦点位置を変化させることが好ましい。

本発明に係るプロジェクタでは、帰線期間（１フレームの書き込みが終了した後、次のフレームの書き込みが開始されるまでの時間（垂直帰線期間）、あるいは、左から右へ表示した走査線が、再び左へ戻る時間（水平帰線期間））は、光変調装置に光が入射されていないときであるため、この期間が可変焦点レンズの焦点位置の変化しない時間となるように、可変焦点レンズの焦点位置の変化のタイミングを制御する。したがって、画像が形成されている間は常に焦点位置が変化しているため、重畳照明素子から射出される光にスペックルノイズを提言することができるので、シンチレーションの発生を抑えた画像を投射することが可能となる。

また、本発明のプロジェクタは、前記照明装置は、異なる波長の光を射出する複数の前記光源と、前記複数の光源のそれぞれに対応して設けられた前記可変焦点レンズとを備え、前記光変調装置に前記複数の異なる波長の光を逐次入射させ、前記制御部は、前記光変調装置に光が入射されない時間が、入射されない光を射出する前記光源に対応した前記可変焦点レンズの焦点位置の変化しない時間となるように、前記可変焦点レンズの焦点位置を変化させることが好ましい。

本発明に係るプロジェクタでは、制御部は、光変調装置に光が入射されない時間が入射されない光を射出する光源に対応した可変焦点レンズの焦点位置の変化しない時間となるように、可変焦点レンズの焦点位置を変化するように制御する。これにより、例えばスクリーンに投射されている光を射出している光源に対応した可変焦点レンズの焦点位置は変化し、スクリーンに投射されていない光を射出する光源に対応した可変焦点レンズの焦点位置は変化しない。したがって、効率良く重畳照明素子から射出される光にスペックルノイズが発生するのを抑えることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る照明装置及びプロジェクタの実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

［第１実施形態］
本発明の照明装置の第１実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
図１は第１実施形態に係る照明装置を示す概略構成図である。図１において、照明装置１は、照明対象物１０の照射面１１を照明するものであって、レーザ光源（光源）２と、可変焦点レンズ３と、ホログラム素子（重畳照明素子）４とを備えている。また、照明対象物１０の照射面（被照射面）１１の全面を対象照明領域Ｓとする。

レーザ光源２は、レーザ光Ｌを射出するものである。また、レーザ光源２には、移動部（光源移動手段）１５が設けられており、この移動部１５により、レーザ光源２は、ホログラム素子４の光軸Ｏ方向に移動可能となっている。また、移動部１５としては、例えば、圧電素子が用いられる。また、ホログラム素子４の光軸Ｏとは、後述する図２に示す複数の凹部４Ｍが形成されている有効領域の中心を通り、複数の凹部４Ｍが形成された平面に対して垂直な軸である。

ホログラム素子４は、照明対象物１０の照射面１１を照射する照明光を生成するものである。
ホログラム素子４は、例えば石英（ガラス）、透明な合成樹脂等、レーザ光を透過可能な材料で形成されている。本実施形態のホログラム素子４は、計算機合成ホログラム（Computer Generated Hologram；ＣＧＨ）である。

回折光学素子（ホログラム素子）４は、照明領域設定機能、照度均一化機能、及び拡大照明機能を有する。照明領域設定機能を有するホログラム素子４は、入射した光を回折させ、照射面１１の対象照明領域Ｓを照明する照明光を生成する。また、照度均一化機能を有するホログラム素子４は、所定の領域の少なくとも一部の照度を均一化する。また、拡大照明機能を有するホログラム素子４は、図１に示すように、ホログラム素子４の射出端面４ｂから光が射出される射出領域よりも大きい照明領域で照明対象物１０の対象照明領域Ｓを照明する。

図２は、回折光学素子の一例を示す模式図であって、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図である。図２において、ホログラム素子４は、その表面に複数の矩形状の凹部（凹凸構造）４Ｍと、複数の凹部４Ｍを保持し光透過性を有する額縁状の保持部４Ｈとを備えている。この凹部４Ｍは、互いに異なる深さを有している。また、凹部４Ｍに光を入射させることによって、ホログラム素子４から射出されたレーザ光は、照明対象物１０の対象照明領域Ｓを照明する。ここで、この複数の凹部４Ｍが形成された領域を有効領域Ｐとする。
そして、凹部４Ｍどうしのピッチｄ及び凹部４Ｍの深さ（凸部の高さ）ｔを含むホログラム素子４の表面条件を適宜調整することにより、ホログラム素子４に所定の機能（照明領域設定機能、拡散光生成機能、及び拡大照明機能）を持たせることができる。その表面条件を最適化する設計手法としては、例えば反復フーリエ法など、所定の演算手法（シミュレーション手法）が挙げられる。

なお、ホログラム素子４としては、矩形の凹部４Ｍを有するものに限られず、互いに異なる方向を向く平面を組み合わせた表面を有するものであってもよい。例えば、ホログラム素子４としては、斜面を有する三角形状の凹部を有する、いわゆる、ブレーズ型のものであってもよい。またホログラム素子４としては、図２に示したような矩形状の凹部４Ｍを有する領域と、三角形状の凹部を有する領域とのそれぞれを有するものであってもよい。そして、その表面条件を最適化することにより、所望の機能を有するホログラム素子４を形成することができる。

可変焦点レンズ３は、レーザ光源２から射出されたレーザ光Ｌの焦点距離（焦点位置）を変化させる液体レンズである。すなわち、液体レンズ３は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、時間とともに曲率が変化可能な構成となっている。
まず、液体レンズ３の具体的な構成について説明する。
液体レンズ３は、凹部２１ａが形成された封止部材（容器）２１と、凹部２１ａの内側面２１ｂ，２１ｃに形成された第１電極２２及び第２電極２３と、第１電極２２及び第２電極２３に接触して設けられた油滴２４と、第１電極２２及び第２電極２３に接触し油滴２４を覆う水性の電解液２５とを備えている。
この封止部材２１の凹部２１ａの底面２１ｄに対向する面２１ｅには透明電極２６が設けられている。また、第１電極２２，第２電極２３及び透明電極２６は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウムスズ酸化物）膜により形成されている。
また、第１電極２２，第２電極２３及び透明電極２６には電源Ｅが接続されており、第１電極２２及び第２電極２３と透明電極２６との間に電圧が印加されるようになっている。また、電源Ｅには、第１電極２２，第２電極２３及び透明電極２６に印加する電圧を時間的に変化させる制御部２０ａが設けられている。なお、電源Ｅにより印加される電圧の波形は、正弦波の波形となっている。

次に、液体レンズ３の焦点距離を可変する方法について説明する。
図３（ａ）に示すように、時刻ｔａにおいて、電源Ｅにより、第１電極２２及び第２電極２３と透明電極２６との間に電圧値Ｖａの電圧が印加されると、電解液２５は第１，第２電極２２，２３に引き込まれ、油滴２４の曲率はＲａとなる。
また、図３（ｂ）に示すように、時刻ｔｂにおいて、電源Ｅにより、第１電極２２及び第２電極２３と透明電極２６との間に電圧値Ｖａより大きいＶｂの電圧が印加されると、油滴２４の曲率はＲａより大きいＲｂとなる。このように、第１電極２２及び第２電極２３と透明電極２６との間に印加する電圧を上げて行くと、油滴２４の曲率が大きくなる。
また、本実施形態では、電源Ｅにより印加される電圧の波形は、正弦波の波形としているため、時刻ｔａから時刻ｔｂの間の油滴２４の曲率は滑らかに（連続的に）変化している。
また、液体レンズ３の応答速度は約１ｋＨｚである。すなわち、人間が感知可能なフリッカの周波数よりも高い周波数、例えば、３０Ｈｚ以上、好ましくは６０Ｈｚ以上で切り替えることが可能である。

次に、レーザ光源２の光軸Ｏ方向の移動について説明する。
図４（ａ）に示すように、時刻ｔａにおいて、油滴２４の曲率はＲａであるため、液体レンズ３の焦点距離はｆａとなる。このとき、移動部１５は、レーザ光源２を液体レンズ３からの光軸Ｏ上の距離がｆａとなる位置に移動させる。そして、レーザ光源２から射出されたレーザ光Ｌは、液体レンズ３において平行光となり、ホログラム素子４の入射端面４ａに向かって射出される。そして、ホログラム素子４の有効領域Ｐをビーム径がＳａの平行光で照明する。

また、図４（ｂ）に示すように、時刻ｔｂにおいて、油滴２４の曲率はＲａより大きいＲｂであるため、液体レンズ３の焦点距離はｆａより小さいｆｂとなる。このとき、移動部１５は、レーザ光源２を液体レンズ３からの光軸Ｏ上の距離がｆｂとなる位置に移動させる。そして、レーザ光源２から射出されたレーザ光Ｌは、液体レンズ３において平行光となり、ホログラム素子４の入射端面４ａに向かって射出される。そして、ホログラム素子４の有効領域Ｐをビーム径がＳａより小さいＳｂの平行光で照明する。

次に、以上の構成からなる本実施形態の照明装置１を用いて、照明対象物１０の照射面１１の対象照明領域Ｓを照射する方法について説明する。
レーザ光源２から射出されたレーザ光Ｌは、図４（ａ），（ｂ）に示すように、液体レンズ３に入射し平行光に変換される。平行光に変換されたレーザ光Ｌは、ホログラム素子４に入射する。そして、ホログラム素子４において回折したレーザ光Ｌは、照明対象物１０の照射面１１の対象照明領域Ｓを重畳的に照明する。
このとき、制御部２０ａにより液体レンズ３に印加する電圧を時間的に変化させるため、油滴２４の曲率が時間とともに変わる。そして、移動部１５により、この液体レンズ３の油滴２４の曲率に応じてレーザ光源２を光軸Ｏに沿って焦点位置に移動させる。
これにより、液体レンズ３から射出されたレーザ光によるビーム径の大きさが変わるため、有効領域Ｐの照明領域が変わる。すなわち、ホログラム素子４の有効領域Ｐに入射するレーザ光Ｌの照明領域が刻々と変化するため、この変化に伴い、ホログラム素子４から射出されるレーザ光は異なる再生パターンとなる。したがって、これらの複数の再生パターンを重ね合わせることにより、ホログラム素子４から射出されるレーザ光のスペックルノイズを除去することが可能となる。

本実施形態に係る照明装置１では、従来のように、光利用効率の低下の要因となり得る拡散板を用いるのではなく、液体レンズ３の焦点位置を変化させることにより、ホログラム素子４から射出される光のスペックルを低減することが可能となる。したがって、光の利用効率を低下させることなく、照射面１１の対象照明領域Ｓをスペックルが除去されたレーザ光で照明することが可能となる。
また、ホログラム素子４によって重畳された光により対象照明領域Ｓを照明するため、液体レンズ３の焦点距離が変化し、ホログラム素子４に入射する光の照明領域が変わっても、対象照明領域Ｓを均一に照明することが可能となる。
つまり、本実施形態の照明装置１は、スペックルノイズを抑えるとともに、光の利用効率が高く、低コスト化を図ることが可能である。

また、移動部１５は、液体レンズ３の焦点位置にレーザ光源２を配置するように移動させるため、ホログラム素子４には平行光が入射する。これにより、ホログラム素子４から射出されたレーザ光は、平行光により対象照明領域Ｓを照明することができるため、光の利用効率を向上させることが可能となる。
また、可変焦点レンズとして液体レンズ３を用いているため、油滴２４及び電解液２５の応答速度が速いので、焦点距離を高速で調整することが可能となる。
また、従来のように回転駆動系を用いた場合に比べ、耐久性が高く、かつ低コストで製造することが可能となる。

なお、液体レンズ３の焦点位置にレーザ光源２が配置されるように、移動部１５によりレーザ光源２を移動させたが、レーザ光源２を動かさずに、液体レンズ３の焦点距離のみ変化させても良い。この構成では、従来のように拡散板を回転させる光学系に比べて、レーザ光源２から射出されたレーザ光Ｌをホログラム素子４に射出させる既存の光学素子を液体レンズ３にしているため、部品点数を増やさないので、低コスト化を図ることが可能となる。
この構成は、ホログラム素子に平行光が入射されないため、ホログラム素子４における光の変換効率が若干落ちるが、液体レンズ３の制御だけで対象照明領域Ｓを照明する照明光のスペックルノイズを抑えることが可能となる。
また、液体レンズ３の焦点位置の変化しない時間（油滴の曲率が最も大きい状態から小さくなり始めるとき、あるいは、油滴の曲率が最も小さい状態から大きくなり始めるときの折り返し時間）に、移動部１５がレーザ光源２を移動させても良い。この構成の場合、ホログラム素子４を照明するレーザ光の照明領域が変化しない時間がないため、対象照明領域Ｓを照明する光のビーム径Ｓａ，Ｓｂが常に変化する。したがって、ホログラム素子４から射出される光にスペックルノイズが発生するのを低減することができる。これにより、光利用効率を低下させることなく、より確実にスペックルノイズの発生を抑えた均一な照明光を対象照明領域Ｓに照射することが可能となる。

また、レーザ光源２は、ホログラム素子４の光軸Ｏ方向に移動可能としたが、これに限るものではない。すなわち、液体レンズ３は、電源Ｅにより、図５（ａ）に示すように、第１電極２２と透明電極２６との間のみに電圧を印加したり、図５（ｂ）に示すように、第２電極２３と透明電極２６との間のみに電圧を印加することにより、光軸Ｏを中心に偏心するため、液体レンズ３の焦点位置は光軸Ｏ上以外で集光する。このように、液体レンズ３に印加する電圧を制御した場合、光軸Ｏ上以外が焦点位置となるため、この焦点位置にレーザ光源２が配置されるように、移動部１５によりレーザ光源２を移動させれば良い。
また、可変焦点レンズとして液体レンズ３を用いたが、電圧が印加されることにより気化可能な液体を備えたバブルレンズであっても良い。このバルブレンズは、液体レンズ３と同様に電圧が印加されることにより、液体の曲率が変化し焦点距離が変わる。さらに、可変焦点レンズとして、複数のレンズを組み合わせたものであっても良い。この場合、複数のレンズのうち少なくとも１つのレンズを移動させるピエゾアクチュエータを備える。このピエゾアクチュエータにより、複数のレンズのうち少なくとも１つのレンズを移動させることによって、焦点位置を変えることができる。したがって、複数のレンズの物理的な位置を変化させれば良いため、複数のレンズの設計がし易くなる。

［第２実施形態］
次に、本発明に係る第２実施形態について、図６及び図７を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第１実施形態に係る照明装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係る照明装置３０では、可変焦点レンズとして液晶レンズ３１を用いる点において第１実施形態と異なる。その他の構成においては第１実施形態と同様である。

液晶レンズ３１は、図６に示すように、一対の光透過性を有する第１基板３２及び第２基板３３を備え、この第１基板３２及び第２基板３３の間に設けられた封止材３４により液晶３５が充填された構成になっている。
第１基板３２の液晶３５が設けられた側には、フレネル形状のレンズパターン領域Ｑが複数形成されている。この領域Ｑには、図７に示すように、円形状の中心電極３６ａと、この中心電極３６ａの回りに、半径の異なる複数の同心円の輪帯電極３６ｂとが形成されている。一方、図６に示すように、第２基板３３の液晶３５が設けられた側には、一面に共通電極３７が形成されている。また、これら電極３６ａ，３６ｂ，３７は、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウムスズ酸化物）で形成されている。形成方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法で基板３２，３３の全面にＩＴＯ膜を形成した後、フォトリソグラフィ法によって所望の形状に形成する。また、中心電極３６ａと輪帯電極３６ｂとは引き出し電極（図示略）により電気的に接続されている。
また、図６に示すように、中心電極３６ａと共通電極３７とには電源Ｅが接続されており、中心電極３６ａと共通電極３７との間に電圧が印加されるようになっている。なお、電源Ｅにより印加される電圧の波形は、正弦波の波形となっている。

そして、電源Ｅにより、中心電極３６ａ及び輪帯電極３６ｂと共通電極３７との間に印加する電圧が上がると、液晶３５の配向が変わるため、液晶レンズ３１から射出される光の焦点距離は時間とともに変化する。
この焦点距離の変化に伴い、第１実施形態と同様に、移動部１５によりレーザ光源２が焦点位置に配置されるように、光軸Ｏに沿って移動させる。これにより、第１実施形態と同様に、ホログラム素子４の有効領域Ｐを照明するビーム径がＳａからＳｂと変化する。

本実施形態に係る照明装置３０では、第１実施形態の照明装置１と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態の照明装置３０では、可変焦点レンズとして液晶レンズ３１を用いているため、通常の液晶パネルの製造方法と同様の工程で作製することができるため、製造コストを抑えることが可能となる。

［第３実施形態］
次に、本発明に係る第３実施形態について、図８を参照して説明する。
本実施形態に係る照明装置４０では、複数の光源４１ａ，４２ａ，４３ａ及びこの光源４１ａ，４２ａ，４３ａのそれぞれに対応して設けられた可変焦点レンズ４１ｂ，４２ｂ，４３ｂを備える点において第１実施形態と異なる。その他の構成においては第１実施形態と同様である。

照明装置４０は、図８に示すように、レーザ光源（光源）４１ａと液体レンズ（可変焦点レンズ）４１ｂとを有する第１光源４１と、レーザ光源（光源）４２ａと液体レンズ（可変焦点レンズ）４２ｂとを有する第２光源４２と、レーザ光源（光源）４３ａと液体レンズ（可変焦点レンズ）４３ｂとを有する第３光源４３とを備えている。この３つの光源４１，４２，４３が、ホログラム素子４の入射端面４ａに対向して並べて配置されている。
各レーザ光源４１ａ，４２ａ，４３ａから射出されたレーザ光Ｌは、それぞれ液体レンズ４１ｂ，４２ｂ，４３ｂにより平行光に変換され、ホログラム素子４の有効領域Ｐを照明する。また、液体レンズ４１ｂ，４２ｂ，４３ｂの制御方法は第１実施形態と同様である。さらに、液体レンズ４１ｂ，４２ｂ，４３ｂの油滴２４の曲率に応じて移動部１５によりレーザ光源４１ａ，４２ａ，４３ａを焦点位置に配置されるように、光軸Ｏに沿って移動させる。これにより、液体レンズ４１ｂ，４２ｂ，４３ｂから射出されるビーム径Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、液体レンズ４１ｂ，４２ｂ，４３ｂの曲率とともに変化する。

また、制御部（図示略）は、液体レンズ４１ｂ，４２ｂ，４３ｂのうち、少なくとも１つの液体レンズの焦点位置が常時変化するように、各液体レンズ４１ｂ，４２ｂ，４３ｂに印加する電圧を制御している。すなわち、制御部は、液体レンズ４１ｂ，４２ｂ，４３ｂの焦点位置が変化しない時間（油滴の曲率が最も大きい状態から小さくなり始めるとき、あるいは、油滴の曲率が最も小さい状態から大きくなり始めるときの折り返し時間）では、第２光源４２の液体レンズ４２ｂ及び第３光源４３の液体レンズ４３ｂのうち少なくとも一方の液体レンズの曲率が変化するように制御する。これにより、必ず、液体レンズ４１ｂ，４２ｂ，４３ｂのうち少なくとも１つの液体レンズの曲率が変化していることになる。すなわち、ホログラム素子４の有効領域Ｐに入射するレーザ光Ｌのビーム径Ｓ１〜Ｓ３のうち少なくとも１つのビーム径が常に変化する。

本実施形態に係る照明装置４０では、ホログラム素子４を照明するレーザ光のビーム径Ｓ１〜Ｓ３のうち少なくとも１つのビーム径が変化しているため、ホログラム素子４から射出される光にスペックルノイズが発生するのを低減することができる。これにより、光利用効率を低下させることなく、より確実にスペックルノイズの発生を抑えた均一な照明光を対象照明領域Ｓに照射することが可能となる。

［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明する。本実施形態では、上述の各実施形態で説明した照明装置１を応用したプロジェクタの一例について説明する。

図９は、上述の第１実施形態で説明した照明装置１（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）を備えたプロジェクタを示す概略構成図である。本実施形態においては、プロジェクタとして、空間光変調装置で生成された画像情報を含む色光を投射系を介してスクリーン上に投射する投射型のプロジェクタＰＪ１を例にして説明する。

図９において、投射型のプロジェクタＰＪ１は、スクリーン１００（表示面）上に画像情報を含む光を投射する投射ユニットＵを備えている。投射ユニットＵからスクリーン１００に対して光が投射されることにより、スクリーン１００上に画像が形成される。本実施形態の投射型のプロジェクタＰＪ１は、スクリーン１００を反射型のスクリーンとし、スクリーン１００の正面側からスクリーン１００上に画像情報を含む光を投射する。

投射ユニットＵは、第１の基本色光（赤色光）で照射面１１を照明可能な第１照明装置１Ｒと、第２の基本色光（緑色光）で照射面１１を照明可能な第２照明装置１Ｇと、第３の基本色光（青色光）で照射面１１を照明可能な第３照明装置１Ｂと、第１照明装置１Ｒで照明される入射面（被照射面）１１を有し、照明された光を画像情報に応じて光変調する第１空間光変調装置（光変調装置）５０Ｒと、第２照明装置１Ｇで照明される入射面（被照射面）１１を有し、照明された光を画像情報に応じて光変調する第２空間光変調装置（光変調装置）５０Ｇと、第３照明装置１Ｂで照明される入射面（被照射面）１１を有し、照明された光を画像情報に応じて光変調する第３空間光変調装置（光変調装置）５０Ｂと、空間光変調装置５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂにより変調された各基本色光を合成するダイクロイックプリズム（色合成手段）５１と、ダイクロイックプリズム５１で生成された光をスクリーン１００上に投射する投射系（投射装置）５２とを備えている。空間光変調装置５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂのそれぞれは液晶装置を含んで構成されている。以下の説明においては、空間光変調装置を適宜、ライトバルブ、と称する。

ライトバルブは、入射側偏光板と、一対のガラス基板どうしの間に封入された液晶を有するパネルと、射出側偏光板とを備えている。ガラス基板には画素電極や配向膜が設けられている。空間光変調装置を構成するライトバルブは、定められた振動方向の光のみを透過させるようになっており、ライトバルブに入射した基本色光は、ライトバルブを通過することによって光変調される。

第１照明装置１Ｒのレーザ光源（光源）２は、赤色（Ｒ）のレーザ光をそれぞれ射出する。第１照明装置１Ｒは、赤色のレーザ光に基づいて、第１ライトバルブ５０Ｒの入射面１１を照明する。

第２照明装置１Ｇのレーザ光源（光源）２は、緑色（Ｇ）のレーザ光をそれぞれ射出する。第２照明装置１Ｇは、緑色のレーザ光に基づいて、第２ライトバルブ５０Ｇの入射面１１を照明する。

第３照明装置１Ｂのレーザ光源（光源）２は、青色（Ｂ）のレーザ光をそれぞれ射出する。第３照明装置１Ｇは、青色のレーザ光に基づいて、第３ライトバルブ５０Ｂの入射面１１を照明する。

各ライトバルブ５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂを通過することで変調された各基本色光（変調光）は、ダイクロイックプリズム５１で合成される。ダイクロイックプリズム５１はダイクロイックプリズムによって構成されており、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、及び青色光（Ｂ）はダイクロイックプリズム５１で合成されてフルカラー合成光となる。ダイクロイックプリズム５１から射出されたフルカラー合成光は投射系５２に供給される。投射系５２はフルカラー合成光をスクリーン１００上に投射する。投射系５２は、入射側の画像を拡大してスクリーン１００上に投射する所謂拡大系である。

投射ユニットＵは、各照明装置１Ｒ、１Ｇ、１Ｂのそれぞれで照明された各ライトバルブ５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂを介した画像情報を含むフルカラー合成光を投射系５２を用いてスクリーン１００上に投射することによって、スクリーン１００上にフルカラーの画像を形成する。鑑賞者は、投射ユニットＵによりスクリーン１００に対して投射された画像を鑑賞する。

本実施形態のプロジェクタＰＪ１の各ライトバルブ５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂは、スペックルノイズが抑えられた各照明装置１Ｒ、１Ｇ、１Ｂにより、均一な照度分布を有する照射光で照明される。したがって、プロジェクタＰＪ１は、ぎらつき（シンチレーション）が抑えられた画像を表示できる。
さらに、従来のように拡散板を回転させる構成に比べ、音や振動の発生が少ないため、快適な鑑賞が可能となる。

なお、各照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂにおいて、ホログラム素子４を照明するレーザ光の照明領域が変化しない時間（油滴の曲率が最も大きい状態から小さくなり始めるとき、あるいは、油滴の曲率が最も小さい状態から大きくなり始めるときの折り返し時間）が、各ライトバルブ５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂの帰線期間（画面上を走査した走査線が、元へ戻るための時間。例えば、１フレームの書き込みが終了した後、次のフレームの書き込みが開始されるまでの時間（垂直帰線期間）、あるいは、左から右へ表示した走査線が、再び左へ戻る時間（水平帰線期間））になるように、液体レンズ３の曲率の変化のタイミングを制御しても良い。これにより、画像が形成されている間は焦点位置が変化しているため、重畳照明素子から射出される光にスペックルノイズが発生するのを抑えることができるので、シンチレーションの発生を抑えた画像を投射することが可能となる。
また、制御部は、照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂに用いられる液体レンズ３のうち、少なくとも１つの液体レンズの焦点位置が常時変化するように、各液体レンズ３に印加する電圧を制御しても良い。

［第５実施形態］
次に、第５実施形態について説明する。本実施形態では、上述の各実施形態で説明した照明装置１を応用したプロジェクタの一例について説明する。
第４実施形態では、液晶ライトバルブを３枚用いた３板式のプロジェクタを例に挙げて説明したが、本実施形態では、液晶ライトバルブを１枚用いた単板式のプロジェクタＰＪ２を例に挙げて説明する。

第４実施形態のプロジェクタＰＪ１では、各照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂのホログラム素子４とダイクロイックプリズム５１との光路の間に液晶ライトバルブ５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂがそれぞれ配置されていたが、これに代えて、プロジェクタＰＪ２では、図１０に示すように、ダイクロイックプリズム５１と投射系５２との光路の間に１つの液晶ライトバルブ５５が配置されている。液晶ライトバルブ５５の構成は第４実施形態の液晶ライトバルブ５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂと同様である。

本実施形態のプロジェクタＰＪ２は、赤色照明装置１Ｒ，緑色照明装置１Ｇ，青色照明装置１Ｂの順に色順次駆動され、赤色光，緑色光，青色光が逐次液晶ライトバルブ５５に入射される。
液晶ライトバルブ５５は、ダイクロイックプリズム５１から射出されたレーザ光の色に対応した色画像を生成する透過型の液晶ライトバルブである。そして、液晶ライトバルブ５５は、各照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの光源２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの駆動と同期して駆動タイミングが制御されている。
これにより、赤色光、緑色光、青色光が液晶ライトバルブ５５を順次照射し、このように照射されたそれぞれの色光は、液晶ライトバルブ５５を透過することにより変調され、投射系５２により拡大投射されて、スクリーン１００上にフルカラーの画像を形成する。

また、プロジェクタＰＪ２は色順次駆動であるため、照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂのうち、２つの照明装置はレーザ光が射出されない時間を有する。そこで、レーザ光を射出していないときに、この照明装置の液体レンズの曲率が変化しない時間（油滴の曲率が最も大きい状態から小さくなり始めるとき、あるいは、油滴の曲率が最も小さい状態から大きくなり始めるときの折り返し時間）が対応するように、液体レンズ３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに印加する電圧を制御する。
これにより、液晶ライトバルブ５５にレーザ光が照射されている間は、そのレーザ光を射出している照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの液体レンズ３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの曲率は必ず変化する。

本実施形態のプロジェクタＰＪ２は、第４実施形態のプロジェクタＰＪ１と同様に、ぎらつき（シンチレーション）が抑えられた画像を表示できる。さらに、プロジェクタＰＪ２は色順次駆動であるため、必ず、画像の表示に寄与しない時間があるため、その時間に照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの液体レンズ３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの曲率が変化しない時間が対応するように制御することができる。したがって、スクリーン１００に投射されるどの色光も確実にスペックルノイズが抑えられているため、シンチレーションが低減された画像を表示することが可能となる。

なお、ダイクロイックプリズム５１を用いて、各色光が液晶ライトバルブ５５を照射する構成にしたがこれに限るものではない。すなわち、図１１に示すように、各光源２Ｒ，２Ｇ，２Ｂから射出されたレーザ光を１つのホログラム素子６１により重畳するプロジェクタＰＪ３であっても良い。プロジェクタＰＪ３の各光源２Ｒ，２Ｇ，２Ｂはホログラム素子６１の入射端面６１ａに対向して配置されている。また、ホログラム素子６１には、各光源２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに対応した位置に、入射するレーザ光の波長に応じて設計された複数の凹部４Ｍが形成されている。そして、ホログラム素子６１は、それぞれの凹部４Ｍに入射した各レーザ光を液晶ライトバルブ５５に重畳照明させる。
この構成では、ホログラム素子６１が１つで済むため、装置全体のコンパクト化を図ることが可能となる。

なお、図９〜図１１を用いた説明では、スクリーン１００の正面側からスクリーン１００上に画像情報を含む光を投射するフロント投射型のプロジェクタを例にして説明したが、投射ユニットＵと、スクリーン１００と、筐体とを有し、投射ユニットＵがスクリーン１００の背面側に配置され、スクリーン１００の背面側から透過型のスクリーン１００上に画像情報を含む光を投射する所謂リアプロジェクタに、上述の各実施形態の照明装置を適用することもできる。

なお、上述の各実施形態においては、空間光変調装置として透過型の液晶装置（ライトバルブ）を用いているが、反射型の液晶装置を用いることもできるし、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等の反射型光変調装置（ミラー変調器）を用いてもよい。

なお、上述の実施形態のプロジェクタＰＪ１，ＰＪ２は、各基本色光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を射出可能なレーザ光源２をそれぞれ有する第１、第２、第３照明装置１Ｒ、１Ｇ、１Ｂを有しているが、赤色光（Ｒ）を射出する赤色レーザ光源、緑色光（Ｇ）を射出する緑色レーザ光源、及び青色光（Ｂ）を射出する青色レーザ光源をアレイ状に配置した構成を有する照明装置を１つ有する構成であってもよい。この場合、各基本色光を射出可能なレーザ光源のレーザ光射出動作を時分割で行い、その各レーザ光源のレーザ光射出動作に同期して、ライトバルブの動作を制御することにより、１つの照明装置及び１つのライトバルブでスクリーン１００上にフルカラー画像を表示することができる。

また、上述の実施形態のプロジェクタにおいては、照明装置１で空間光変調装置を照明し、その空間光変調装置を介した光によりスクリーン１００上に画像を表示しているが、プロジェクタとしては、空間光変調装置を有していなくても良い。例えば、画像情報を含むスライド（ポジフィルム）の面を照明装置１で照明し、スクリーン上に画像情報を含む光を投射する、所謂スライドプロジェクタに、上述の各実施形態の照明装置１を適用することも可能である。
また、上述の各実施形態で説明した照明装置を、レーザ加工機の光源として用いることもできる。
なお、第４，第５実施形態のプロジェクタは、第１実施形態の照明装置１を用いたが、第２，第３実施形態の照明装置３０，４０を用いても良い。

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、色光合成手段として、クロスダイクロイックプリズムを用いたが、これに限るものではない。色光合成手段としては、ダイクロイックミラーをクロス配置とし色光を合成するもの、ダイクロイックミラーを平行に配置し色光を合成するものを用いることができる。
また、重畳照明素子として、ホログラム素子を例に挙げて説明したが、フライアレイレンズや、ロッドインテグレータ等の入射した光を重畳する素子であれば良い。

本発明の第１実施形態に係る照明装置を示す要部断面図である。 図１の照明装置の重畳照明素子子の構造を示す図である。 図１の照明装置の可変焦点レンズの構造を示す要部断面図である。 本発明の第１実施形態に係る照明装置の可変焦点レンズの焦点位置の変化による光源の移動を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る照明装置に用いられる可変焦点レンズの変形例を示す要部断面図である。 本発明の第２実施形態に係る照明装置を示す要部断面図である。 図６の照明装置の可変焦点レンズに用いられるフレネルパターンを示す図である。 本発明の第３実施形態に係る照明装置を示す要部断面図である。 本発明の第４実施形態に係るプロジェクタを示す概略構成図である。 本発明の第５実施形態に係るプロジェクタを示す概略構成図である。 本発明の第５実施形態に係るプロジェクタの変形例を示す概略構成図である。

符号の説明

ＰＪ１，ＰＪ２，ＰＪ３…プロジェクタ、１，３０，４０…照明装置、２…光源、２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ…光源、３…液体レンズ（可変焦点レンズ）、４…ホログラム素子（重畳照明素子）、３１…液晶レンズ（可変焦点レンズ）、４１ａ，４２ａ，４３ａ…光源、５０Ｒ…第１空間光変調装置（光変調装置）、５０Ｇ…第２空間光変調装置（光変調装置）、５０Ｂ…第３空間光変調装置（光変調装置）、５２…投射系（投射装置）

Claims (11)

1. 所定の被照射面における対象照明領域を照明するための照明光を生成する照明装置であって、
   光を射出する光源と、
   該光源から射出された光が入射され焦点位置を変化可能な可変焦点レンズと、
   該可変焦点レンズから射出された光を重畳させ、前記対象照明領域を照明する重畳照明素子と、
   前記可変焦点レンズの焦点位置が時間的に変化するように制御する制御部とを備えることを特徴とする照明装置。
2. 前記光源が移動可能に配置され、
   前記可変焦点レンズの焦点位置の変化に応じて前記光源を移動させる光源移動手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光源移動手段は、前記可変焦点レンズの焦点位置に前記光源が位置するように移動させることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記可変焦点レンズの焦点位置の変化しない時間に、前記光源移動手段が前記光源を移動させることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の照明装置。
5. 前記光源及び前記可変焦点レンズが複数設けられ、
   前記複数の光源のそれぞれに対応して前記可変焦点レンズが設けられ、
   前記制御部により、前記複数の可変焦点レンズのうち、少なくとも１つの前記可変焦点レンズの焦点位置が常時変化するように制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記可変焦点レンズが、容器に充填された油滴と、該油滴を覆うとともに前記油滴と屈折率の異なる電解液と、該電解液に電圧を印加する電極とを備え、
   前記制御部が、前記電極に印加される電圧を制御することにより、前記油滴の曲率を変化させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記可変焦点レンズが、円形状の中心電極及び半径の異なる複数の同心円状の輪帯電極が形成された第１基板と、一面に共通電極が形成された第２基板と、前記第１基板及び前記第２基板との間に設けられた液晶とを備え、
   前記制御部が、前記中心電極，前記輪帯電極及び前記共通電極に印加される電圧を制御することにより、前記液晶の配向状態を制御することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の照明装置。
8. 前記可変焦点レンズが、複数のレンズを有し、
   前記制御部が、前記複数のレンズのうち少なくともいずれか１つのレンズを移動させることにより、前記可変焦点レンズの焦点位置を変化させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の照明装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の照明装置と、
   該照明装置から射出された光を画像信号に応じて変調する光変調装置と、
   該光変調装置により形成された画像を投射する投射装置とを備えることを特徴とするプロジェクタ。
10. 前記制御部により、前記光変調装置の帰線期間が前記可変焦点レンズの焦点位置の変化しない時間となるように、前記可変焦点レンズの焦点位置を変化させることを特徴とする請求項９に記載のプロジェクタ。
11. 前記照明装置は、異なる波長の光を射出する複数の前記光源と、前記複数の光源のそれぞれに対応して設けられた前記可変焦点レンズとを備え、
    前記光変調装置に前記複数の異なる波長の光を逐次入射させ、
    前記制御部は、前記光変調装置に光が入射されない時間が、入射されない光を射出する前記光源に対応した前記可変焦点レンズの焦点位置の変化しない時間となるように、前記可変焦点レンズの焦点位置を変化させることを特徴とする請求項９に記載のプロジェクタ。

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