JP2018120206A - 照明装置及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】少ない部品点数でありながら、被照明領域における照度分布を均一化できる照明装置を提供する。また、照明装置を備えるプロジェクターを提供する。【解決手段】第１の光線束を射出する第１の発光素子を備える光源装置と、第１の光線束が入射する第１のレンズ面を備える光成形光学系と、を備え、第１のレンズ面が、ｘとｙとを変数とする所定の式で表される第１の自由曲面を有する照明装置である。【選択図】図１

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。

近年、プロジェクター用の照明装置において、励起用光源と蛍光体との間に配置される集光光学系に拡散板を配置することで、励起光スポットの照度分布を均一化する技術がある（例えば、下記特許文献１参照）。
また、プロジェクターにおいて、マルチレンズを二枚使用することで、励起光スポットの照度分布を均一化する技術もある（例えば、下記特許文献２参照）。

特開２０１１−１９７５９７号公報 特開２０１４−１３８１４８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載される従来技術においては、励起光のスポットが大きいため、蛍光体で生成された蛍光が後段の光学系に効率良く取り込まれず、光利用効率が低下するという問題がある。また、上記特許文献２に記載される従来技術によれば、拡散板を用いる場合よりも照度分布の均一性を高くすることができるものの、マルチレンズを二枚使用するために部品点数が増加するといった問題がある。

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、少ない部品点数でありながら、被照明領域における照度分布を均一化できる照明装置を提供することを目的の一つとする。また、前記照明装置を備える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、第１の光線束を射出する第１の発光素子を備える光源装置と、前記第１の光線束が入射する第１のレンズ面を備える光成形光学系と、を備え、前記第１のレンズ面は、ｘとｙとを変数とする式（１）で表される第１の自由曲面を有し、前記式（１）において、ｈを正の整数としたとき、ｘ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊは、ｙ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊと異なっている照明装置が提供される。

第１態様に係る照明装置は、被照明領域上に形成される第１の光線束のスポットを矩形状にするとともに、該スポットの照度分布を均一化することができる。そのため、従来の二枚のマルチレンズアレイを用いる方式に比べて、部品点数を少なくすることができる。また、上記式（１）を使うことで、ｘ方向及びｙ方向の曲率をそれぞれ独立して設計できるので、レンズの設計が容易となる。

上記第１態様において、前記式（１）は、ｘの１次の項とｙの１次の項とのうち少なくとも一方を含み、ｐ、ｑを正の整数としたとき、ｘ^ｐｙ^ｑの項を少なくとも一つ含むのが好ましい。
この構成によれば、第１の光線束の進行方向を偏向させることができる。また、第１の光線束の進行方向を偏向させた際に生じる歪みを補正できる。

上記第１態様において、前記光成形光学系は、前記第１の光線束の進行方向を偏向する屈折面をさらに備え、前記式（１）は、ｐ、ｑを正の整数としたとき、ｘ^ｐｙ^ｑの項を少なくとも一つ含むのが好ましい。
この構成によれば、屈折面により第１の光線束の進行方向を偏向させた際に生じる歪みを補正することができる。

上記第１態様において、前記式（１）が有する多項式は、ｘの偶数次の項とｙの偶数次の項とからなるのが好ましい。
この構成によれば、第１のレンズの形状設計が容易となる。

上記第１態様において、前記屈折面は平面であるのが好ましい。
この構成によれば、簡便な構成で、第１の光線束の進行方向を偏向させることができる。

上記第１態様において、前記光成形光学系は、前記第１の光線束を反射して該第１の光線束の進行方向を偏向する反射面をさらに備え、前記式（１）は、ｐ、ｑを正の整数としたとき、ｘ^ｐｙ^ｑの項を少なくとも一つ含むのが好ましい。
この構成によれば、反射面により第１の光線束の進行方向を偏向させた際に生じる歪みを補正することができる。

上記第１態様において、前記式（１）が有する多項式は、ｘの偶数次の項とｙの偶数次の項とからなるのが好ましい。
この構成によれば、第１のレンズの形状設計が容易となる。

上記第１態様において、前記光成形光学系は、光入射面及び光射出面を有し、前記光入射面及び前記光射出面の一方は、前記第１のレンズ面から構成され、前記第１の光線束の主光線は、前記光入射面及び前記光射出面の他方における面法線方向に入射するのが好ましい。
この構成によれば、光入射面に入射する際、あるいは光射出面から射出される際、第１の光線束の主光線が屈折するのを防止できる。これにより、第１の光線束の主光線の屈折による進行方向のバラツキを低減できる。

上記第１態様において、前記第１の発光素子と前記第１のレンズとの間の前記第１の光線束の光路上に設けられた集光レンズをさらに備えるのが好ましい。
この構成によれば、第１の光線束の発散角を調整できるので、第１のレンズの設計条件が緩和される。

上記第１態様において、前記光成形光学系を透過した前記第１の光線束が入射する波長変換素子をさらに備えるのが好ましい。
この構成によれば、照度分布の均一性が高い第１の光線束によって高い効率で蛍光光を生成できる。

上記第１態様において、前記光源装置は、第２の光線束を射出する第２の発光素子をさらに備え、前記光成形光学系は、前記第２の光線束が入射する第２のレンズをさらに備え、前記第２のレンズは、上記式（１）で表される第２の自由曲面を有し、前記第２の自由曲面に関して、ｘ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊはｙ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊと異なっており、前記光成形光学系は、前記第１の光線束と前記第２の光線束とが被照明領域を重畳的に照明するように構成されているのが好ましい。
この構成によれば、第１の光線束と第２の光線束とを重畳させるので、被照明領域の照度分布の均一性をさらに高めることができる。

上記第１態様において、前記第１の発光素子の出力を前記第２の発光素子の出力とは独立して制御する光源制御装置をさらに備えるのが好ましい。
この構成によれば、第１の発光素子の出力を制御することで、被照明領域全体の照度を調整することができる。

上記第１態様において、前記第１の発光素子と前記第１のレンズ面との間の前記第１の光線束の光路上に設けられた集光レンズをさらに備えるのが好ましい。
この構成によれば、第１の光線束の発散角を調整できるので、第１のレンズの設計条件が緩和される。

上記第１態様において、波長変換素子をさらに備え、前記波長変換素子の所定の領域は前記被照明領域に相当するのが好ましい。
この構成によれば、均一性が高い照度分布の光によって高い効率で蛍光光を生成できる。

上記第１態様において、前記光源装置は、第２の光線束を射出する第２の発光素子をさらに備え、前記光成形光学系は、前記第２の光線束が入射する第２のレンズをさらに備え、前記第２のレンズは、上記式（１）で表される第２の自由曲面を有し、前記第２の自由曲面に関して、ｘ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊはｙ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊと異なっており、前記光成形光学系は、前記第１の光線束と前記第２の光線束とを被照明領域の互いに異なる領域に入射させるように構成されているのが好ましい。
この構成によれば、任意の大きさの被照明領域を均一な照度分布で照明することができる。

上記第１態様において、前記第１の発光素子の出力を前記第２の発光素子の出力とは独立して制御する光源制御装置をさらに備えるのが好ましい。
この構成によれば、被照明領域の照度分布の均一性を高めることができる。また、被照明領域の照度分布を所望の分布に設定することができる。

上記第１態様において、波長変換素子をさらに備え、前記波長変換素子の所定の領域は前記被照明領域に相当するのが好ましい。
この構成によれば、均一性が高い照度分布の光によって高い効率で蛍光光を生成できる。

本発明の第２態様に従えば、上記第１態様の照明装置と、前記照明装置からの照明光を画像情報に応じて変調して画像光を生成する光変調装置と、前記画像光を投写する投写光学系と、を備え、前記光変調装置の画像形成領域が前記被照明領域に相当す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、光変調装置の画像形成領域を均一な照度分布で照明することができる。よって、明るさのムラが低減された画像を表示することができる。

本発明の第３態様に従えば、上記第１態様の照明装置と、前記光源装置からの照明光を画像情報に応じて変調して画像光を生成する光変調装置と、前記画像光を投写する投写光学系と、を備え、前記光源装置は、第３の光線束を射出する第３の発光素子をさらに備え、前記光成形光学系は、前記第３の光線束が入射する第３のレンズをさらに備え、前記第３のレンズは、上記式（１）で表される第３の自由曲面を有し、前記第３の自由曲面に関して、ｘ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊはｙ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊと異なっており、前記光成形光学系は、前記第３の光線束が前記被照明領域全体を照明するように構成されており、前記光源制御装置は、前記第３の発光素子の出力を、前記第１の発光素子の出力と前記第２の発光素子の出力のうち少なくとも一方とは独立して制御するように構成されており、前記光変調装置の画像形成領域が前記被照明領域に相当す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は、第３の発光素子の出力を第１の発光素子の出力と第２の発光素子の出力のうち少なくとも一方とは独立して制御することで、光変調装置の画像形成領域を所望の照度分布に設定することができる。

本発明の第４態様に従えば、上記第１態様の照明装置と、前記波長変換素子からの照明光を画像情報に応じて変調して画像光を生成する光変調装置と、前記画像光を投写する投写光学系と、を備えるプロジェクターが提供される。

第４態様に係るプロジェクターは、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光学系を示す概略図。 照明装置の概略構成を示す図。 光成形光学系の要部構成を示す図。 第二実施形態に係る第１照明装置の概略構成を示す図。 第三実施形態に係るプロジェクターの光学系を示す概略図。 第四実施形態に係る第１照明装置を示す概略図。 第五実施形態に係る第１照明装置を示す概略図。 第六実施形態に係る第１照明装置を示す概略図。 第一変形例に係る被照明領域の照明方式を概念的に示した図。 第二変形例に係る被照明領域の照明方式を概念的に示した図。 第三変形例に係る被照明領域の照明方式を概念的に示した図。 実施例１において球面レンズを用いた場合の照度分布を示す図。 実施例１の自由曲面レンズを用いた場合の照度分布を示す図。 実施例２において球面レンズを用いた場合の照度分布を示す図。 実施例２の自由曲面レンズを用いた場合の照度分布を示す図。 実施例５において球面レンズを用いた場合の照度分布を示す図。 実施例５の自由曲面レンズを用いた場合の照度分布を示す図。 実施例６において球面レンズを用いた場合の照度分布を示す図。 実施例６の自由曲面レンズを用いた場合の照度分布を示す図。

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）
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの光学系を示す概略図である。
図１に示すように、プロジェクター１は、照明装置１００と、色分離導光光学系２００と、液晶光変調装置４００Ｒと、液晶光変調装置４００Ｇと、液晶光変調装置４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投射光学系６００と、を備える。

照明装置１００は、第１照明装置１０１と、第２照明装置１０２とを含む。第１照明装置１０１は、赤色光及び緑色光を含む照明光Ｗ１（蛍光光ＹＬ）を色分離導光光学系２００に向けて射出する。第２照明装置１０２は、青色光Ｂを色分離導光光学系２００に向けて射出する。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０と、反射ミラー２２０と、反射ミラー２３０と、反射ミラー２５０と、を備える。色分離導光光学系２００は、第１照明装置１０１から射出された照明光Ｗ１を赤色光Ｒと緑色光Ｇとに分離し、それぞれ対応する液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇに導光する。また色分離導光光学系２００は、第２照明装置１０２から射出された青色光Ｂを液晶光変調装置４００Ｂに導光する。フィールドレンズ３００Ｒ、フィールドレンズ３００Ｇ、およびフィールドレンズ３００Ｂは、色分離導光光学系２００と液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂとの間に配置されている。

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を通過させ、緑色光成分を反射するダイクロイックミラーである。反射ミラー２２０は、緑色光成分を反射するミラーである。反射ミラー２３０は、赤色光成分を反射するミラーである。反射ミラー２５０は、青色光成分を反射する反射ミラーである。

ダイクロイックミラー２１０を通過した赤色光Ｒは、反射ミラー２３０で反射され、フィールドレンズ３００Ｒを通過して赤色光用の液晶光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２１０で反射された緑色光Ｇは、反射ミラー２２０でさらに反射され、フィールドレンズ３００Ｇを通過して緑色光用の液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。反射ミラー２５０で反射された青色光Ｂは、フィールドレンズ３００Ｂを経て青色光用の液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。

液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、各色に対応する画像光を形成する。
図示を省略したが、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂの光入射側に、入射側偏光板がそれぞれ配置されている。液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂの光射出側に、射出側偏光板がそれぞれ配置されている。

クロスダイクロイックプリズム５００は、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂから射出された各画像光を合成してカラー画像を形成する。クロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。

クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投射光学系６００によってスクリーンＳＣＲに拡大投射される。

続いて、照明装置１００の構成について説明する。
図２は照明装置１００の概略構成を示す図である。図２に示すように、第１照明装置１０１は、第１光源装置１０と、光成形光学系２０と、回転蛍光板３０と、ピックアップ光学系６０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０と、制御装置１６０と、を備える。

第１光源装置１０は、励起光として青色のレーザー光（例えば、発光強度のピークが約４４５ｎｍの光）ＬＢを射出する複数の半導体レーザー１１を有している。なお、半導体レーザー１１としては、４４５ｎｍ以外の波長、例えば４６０ｎｍの青色レーザー光を射出するものを用いてもよい。

以下、図面において必要に応じてＸＹＺ座標系を用いて説明することもある。Ｘ方向は照明光軸１００ａｘに沿う方向であり、Ｚ方向は鉛直方向に沿う方向であり、Ｙ方向はＸ方向及びＺ方向にそれぞれ直交する方向である。
本実施形態において、複数の半導体レーザー１１は二次元的に配列されている。具体的に、複数の半導体レーザー１１は照明光軸１００ａｘに垂直な面内（ＹＺ平面に平行な面内）において、マトリクス状（例えば、図２ではＹ方向に５行、Ｚ方向に５列）に配列されている。なお、図２では、複数の半導体レーザー１１のうち１列分の半導体レーザー１１のみ示している。第１光源装置１０は、複数のレーザー光ＬＢからなる励起光ＫＳを射出する。

複数の半導体レーザー１１は、制御装置１６０に電気的に接続されている。制御装置１６０は、例えば、複数の半導体レーザー１１の各々に供給する電流値を制御することで各レーザー光ＬＢの出力を独立して制御可能である。制御装置１６０は特許請求の範囲の「光源制御装置」に対応する。

第１光源装置１０から射出された励起光ＫＳは、光成形光学系２０を介して回転蛍光板３０に入射する。光成形光学系２０の構成については後述する。

回転蛍光板３０は、モーター５０と、基材４０と、ダイクロイック層４１と、蛍光体層４２と、を備える。回転蛍光板３０は、青色光からなる励起光ＫＳが入射する側と反対側に向けて蛍光光ＹＬを射出する。すなわち、回転蛍光板３０は、透過型の回転蛍光板である。

基材４０は、例えばガラス、石英、サファイア等の透光性を有する材料から構成される。基材４０は、モーター５０により回転軸の周りに回転可能とされている。基材４０は、平面形状が円形の板体である。

蛍光体層４２は、平面形状が円環状の無機蛍光体材料を含んで構成されている。蛍光体層４２として、例えば、アルミナ等の無機バインダー中に黄色の蛍光光を発する蛍光体粒子を分散させた蛍光体層、或いは、バインダーを用いずに蛍光体粒子を焼結した蛍光体層等が用いられる。蛍光体層４２は、基材４０の一面４０ａ側において、回転軸の周りに設けられている。本実施形態において、蛍光体層４２は特許請求の範囲の「波長変換素子」に対応する。

一般的に、蛍光体層４２に入射する励起光の強度が強いほど、蛍光体層が励起光を蛍光に変換する効率が低下する。そこで、励起光の照度分布を均一にすれば、強い励起光が局所的に照射されることを防止できるため、高い効率で蛍光光ＹＬを生成できる。

本実施形態の第１照明装置１０１は、光成形光学系２０を用いることで、蛍光体層４２の所定の領域（被照明領域）の照度分布を均一化するように励起光ＫＳ（各レーザー光ＬＢ）を蛍光体層４２に入射させる。

以下、光成形光学系２０の具体的な構成について説明する。
図３は光成形光学系２０の構成を示す図である。図３では、説明の都合上、回転蛍光板３０のうち励起光ＫＳによって照明する蛍光体層４２のみを図示した。また、図３では、複数の半導体レーザー１１のうち３列目の半導体レーザー１１のみ示している。図３に示すように、光成形光学系２０は第１光源装置１０の光射出側に設けられており、第１光源装置１０から射出された光が入射する。

複数の半導体レーザー１１は、第１の半導体レーザー１１ａと第２の半導体レーザー１１ｂと第３の半導体レーザー１１ｃとを含む。以下、第１の半導体レーザー１１ａから射出されるレーザー光ＬＢをレーザー光ＬＢ１、第２の半導体レーザー１１ｂから射出されるレーザー光ＬＢをレーザー光ＬＢ２、第３の半導体レーザー１１ｃから射出されるレーザー光ＬＢをレーザー光ＬＢ３と称す。

第１光源装置１０は特許請求の範囲の「光源装置」に対応し、第１の半導体レーザー１１ａは特許請求の範囲の「第１の発光素子」に対応し、第２の半導体レーザー１１ｂは特許請求の範囲の「第２の発光素子」に対応し、第３の半導体レーザー１１ｃは特許請求の範囲の「第３の発光素子」に対応する。

また、レーザー光ＬＢ１は特許請求の範囲の「第１の光線束」に対応し、レーザー光ＬＢ２は特許請求の範囲の「第２の光線束」に対応し、レーザー光ＬＢ３は特許請求の範囲の「第３の光線束」に対応する。

光成形光学系２０はアレイ状に配列された複数のレンズ２１を有している。複数のレンズ２１の各々は、複数の半導体レーザー１１の各々に対応して配置されている。すなわち、複数のレンズ２１は、マトリクス状（例えば、図３ではＹ方向に５行、Ｚ方向に５列）に配列されている。なお、図３では、３列目の半導体レーザー１１に対応するレンズ２１のみ示している。
以下の説明では、同じ列（３列目）を構成する複数の半導体レーザー１１の各々から射出されたレーザー光ＬＢ、すなわちＸＹ平面と平行な面内におけるレーザー光ＬＢの光路を例に挙げて説明する。

本実施形態において、光成形光学系２０は、複数の半導体レーザー１１の各々から射出されたレーザー光ＬＢが蛍光体層４２の所定の領域を重畳的に照明するように構成されている。レーザー光ＬＢが互いに重畳しているとは、各レーザー光ＬＢのスポットが互いに概ね重なっている状態をいう。

本実施形態において、各レーザー光ＬＢのスポットＳＰは蛍光体層４２上の所定の領域で互いに重畳している。各レーザー光ＬＢのスポットＳＰが互いに重畳されている領域が蛍光体層４２における被照明領域ＳＡに相当する。

複数のレンズ２１は、第１のレンズ２１ａと第２のレンズ２１ｂと第３のレンズ２１ｃとを含む。第１のレンズ２１ａは第１の半導体レーザー１１ａに対応し、第２のレンズ２１ｂは第２の半導体レーザー１１ｂに対応し、第３のレンズ２１ｃは第３の半導体レーザー１１ｃに対応する。

そのため、第１の半導体レーザー１１ａから射出されたレーザー光ＬＢ１が第１のレンズ２１ａに入射し、第２の半導体レーザー１１ｂから射出されたレーザー光ＬＢ２が第２のレンズ２１ｂに入射し、第３の半導体レーザー１１ｃから射出されたレーザー光ＬＢ３が第３のレンズ２１ｃに入射する。

本実施形態において、複数のレンズ２１の各々は自由曲面を有する自由曲面レンズから構成されている。複数のレンズ２１の各々は、対応するレーザー光ＬＢが被照明領域（蛍光体層４２）上に形成するスポットＳＰの成形及び照度分布の均一化を行う。

以下、複数のレンズ２１のうち、第１のレンズ２１ａを例に挙げて、その構造について説明する。第１のレンズ２１ａは、ｘとｙとを変数とする多項式で規定される第１の自由曲面２２ａを少なくとも一方の面（例えば、光射出面）に有している。第１の自由曲面２２ａは回転非対称な形状となっている。具体的に、第１の自由曲面２２ａは下式（１）で表される。式（１）では、第１の自由曲面２２ａに入射する光線の主光線と平行な方向をｚ軸とする直交座標系を用いている。第１の自由曲面２２ａを有する光射出面は特許請求の範囲の「第１のレンズ面」に対応する。

上記式（１）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り、ｃは曲率であり、ｃ_ｊはｘ^ｍｙ^ｎの係数であり、ｊ＝[（ｍ＋ｎ）^２＋ｍ＋３ｎ]／２＋１、Ｓ＝[（ｍ_１＋ｎ_１）^２＋ｍ_１＋３ｎ_１]／２＋１、ｒ＝（ｘ^２＋ｙ^２）^１／２である。なお、ｍ_１，ｎ_１はそれぞれｍ，ｎの上限である。

第１のレンズ２１ａの第１の自由曲面２２ａにおいては、ｈを正の整数としたとき、ｘ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊは、ｙ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊと異なっている。すなわち、多項式は、Ｃ_ｊｘ^２ｈの項とＣ_ｋｙ^２ｈの項とを含み、Ｃ_ｊ≠Ｃ_ｋである。以下、「ｘ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊがｙ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊと異なる」ことを第１条件と称すこともある。

一般にレーザー光の強度はガウシアン分布を有する。そのため、レーザー光が入射する被照明領域には均一性の低い照度分布が形成される。これに対し、第１条件を満たす第１の自由曲面２２ａによれば、レーザー光ＬＢ１のスポットＳＰを矩形化するとともに、スポットＳＰの照度分布を所謂トップハット分布に変換して均一化する。

また、上記式（１）は、ｘの１次の項とｙの１次の項とのうち少なくとも一方を含んでいる。つまり、xの係数とyの係数のうち少なくとも一方が０ではない。以下、「ｘの１次の項とｙの１次の項とのうち少なくとも一方を含む」ことを第２条件と称すこともある。

このような第２条件を満たす第１の自由曲面２２ａによれば、レーザー光ＬＢ１を偏向させることができる。これにより、レーザー光ＬＢ１のスポットＳＰを所望の位置に調整できる。よって、図３に示したように、レーザー光ＬＢ１を蛍光体層４２に入射させることができる。さらに、第１の自由曲面２２ａは第１条件を満足しているので、蛍光体層４２上に形成される被照明領域ＳＡは矩形であり、レーザー光ＬＢ１による照度分布は均一化されている。

また、第１の自由曲面２２ａにおいては、上記式（１）は、ｐ、ｑを正の整数としたとき、ｘ^ｐｙ^ｑの項を少なくとも一つ含む。つまり、xとyとを組み合わせた項のうち少なくとも一つの項の係数が０ではない。以下、「ｘ^ｐｙ^ｑの項を少なくとも一つ含む」ことを第３条件と称すこともある。

上述のようにレーザー光ＬＢ１を偏向させると、スポットＳＰに歪みが生じるおそれがある。これに対し、第１の自由曲面２２ａは、上記第３条件を満たすことで、偏向による歪みを補正している。これにより、被照明領域ＳＡの歪みが低減される。

以上述べたように第１のレンズ２１ａは、上記第１条件〜第３条件を満たす第１の自由曲面２２ａを有している。そのため、レーザー光ＬＢ１は、矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを蛍光体層４２上に形成することができる。

同様に、第２のレンズ２１ｂは光射出面に第２の自由曲面２２ｂを有している。第２の自由曲面２２ｂは上記式（１）の多項式で規定され、この多項式は上述した第１条件〜第３条件を満たしている。第２のレンズ２１ｂから射出されたレーザー光ＬＢ２は、レーザー光ＬＢ１と同様、矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを蛍光体層４２上に形成することができる。第２の自由曲面２２ｂは、蛍光体層４２上で、レーザー光ＬＢ２とレーザー光ＬＢ１とを互いに重畳させる。第２の自由曲面２２ｂを有する光射出面は特許請求の範囲の「第２のレンズ面」に対応する。

同様に、第３のレンズ２１ｃは光射出面に第３の自由曲面２２ｃを有している。第３の自由曲面２２ｃは上記式（１）の多項式で規定され、この多項式は上述した第１条件〜第３条件を満たしている。第３のレンズ２１ｃから射出されたレーザー光ＬＢ３は、レーザー光ＬＢ１，Ｂ２と同様、矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを蛍光体層４２上に形成する。第３の自由曲面２３ａを有する光射出面は特許請求の範囲の「第３のレンズ面」に対応する。

第３の自由曲面２２ｃは、レーザー光ＬＢ３を蛍光体層４２上で、レーザー光ＬＢ１及びレーザー光ＬＢ２に重畳させる。

複数のレンズ２１の残りは、上述した第１のレンズ２１ａ、第２のレンズ２１ｂ及び第３のレンズ２１ｃと同様、第１条件〜第３条件を満たす多項式で規定される自由曲面を有している。各レンズ２１から射出されたレーザー光ＬＢは蛍光体層４２上に矩形状且つ均一な照度分布を持ち、互いに重畳するスポットＳＰを形成する。
なお、上記説明では、ＸＹ平面と平行な面内におけるレーザー光ＬＢが構成するスポットを例に挙げて説明したが、同じ行（Ｚ方向に並ぶ）を構成する複数の半導体レーザー１１の各々から射出されたレーザー光ＬＢ、すなわちＸＺ平面と平行な面内におけるレーザー光ＬＢが構成するスポットについても同様のことが言える。
したがって、照明光軸１００ａｘと直交する面内にマトリクス状に配置される各レンズ２１から射出されたレーザー光ＬＢは蛍光体層４２上に矩形状且つ均一な照度分布を持ち、互いに重畳するスポットＳＰを形成する。

このように、本実施形態の光成形光学系２０によれば、各レーザー光ＬＢのスポットＳＰを互いに重畳させることで蛍光体層４２上に被照明領域ＳＡを形成するので、該被照明領域ＳＡにおける照度分布は均一性が高いものとなる。仮に、複数の半導体レーザー１１の出力（レーザー光ＬＢの光量）にバラツキがある場合でも、蛍光体層４２を均一に照明することができる。
また、光成形光学系２０は、各レーザー光ＬＢを平行化するために従来用いられていたコリメートレンズアレイを複数のレンズ２１に置き換えることで構成されているため、従来のマルチレンズを２枚使用して照度分布を均一化する構成に比べて部品点数を少なくできる。

したがって、本実施形態の第１照明装置１０１によれば、少ない部品点数でありながら、蛍光体層４２上に形成される被照明領域ＳＡの照度分布を均一化できる。よって、高い効率で蛍光光ＹＬを生成することができる。

また、蛍光体層４２上に矩形状のスポットＳＰを互いに重畳させて被照明領域ＳＡを形成するので、蛍光光ＹＬの発光領域が大きくなるのを防止できる。よって、後段の光学系（ピックアップ光学系６０）は、蛍光体層４２から射出された蛍光光ＹＬを高い効率で取り込むことができるので、蛍光光ＹＬを効率良く利用できる。

本実施形態の第１照明装置１０１によれば、制御装置１６０により各レーザー光ＬＢの出力を独立して制御することもできる。このようにすれば、蛍光体層４２上に形成される被照明領域ＳＡの全体における照度を調整することができる。

図２に戻って、回転蛍光板３０で生成された蛍光光ＹＬはピックアップ光学系６０に入射する。ピックアップ光学系６０は、例えば２つのピックアップレンズ６０ａ，６０ｂから構成されている。ピックアップ光学系６０は、蛍光光ＹＬを平行化し、第１レンズアレイ１２０へと導く。

第１レンズアレイ１２０は蛍光光ＹＬを複数の部分光束に分割するための複数の第１小レンズ１２２を有する。複数の第１小レンズ１２２は、照明光軸１００ａｘと直交する面内にマトリクス状に配列されている。

第２レンズアレイ１３０は、第１レンズアレイ１２０の複数の第１小レンズ１２２に対応する複数の第２小レンズ１３２を有する。第２レンズアレイ１３０は、後段の重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の第１小レンズ１２２の像を液晶光変調装置４００Ｒおよび液晶光変調装置４００Ｇそれぞれの画像形成領域もしくはその近傍に結像させる。複数の第２小レンズ１３２は、照明光軸１００ａｘに直交する面内にマトリクス状に配列されている。

偏光変換素子１４０は、第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光束（蛍光光ＹＬ）を、偏光方向が揃った直線偏光光に変換する。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された各部分光束を集光し、液晶光変調装置４００Ｒ及び液晶光変調装置４００Ｇそれぞれの画像形成領域もしくはその近傍で互いに重畳させる。第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０、および重畳レンズ１５０は、回転蛍光板３０から射出された蛍光光ＹＬの面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。

一方、第２照明装置１０２は、第２光源装置７１０と、集光光学系７２０、散乱板７３０、ピックアップ光学系７３１、レンズインテグレーター光学系７４０及び重畳レンズ７６０を備える。

第２光源装置７１０は、第１光源装置１０と同様、青色のレーザー光ＬＢを射出する半導体レーザー１１を有する。半導体レーザー１１は１つでも複数でもよい。第２光源装置７１０は、レーザー光からなる青色光Ｂを射出するようになっている。第２光源装置７１０の半導体レーザー１１も、制御装置１６０に電気的に接続されている。制御装置１６０は、半導体レーザー１１に供給する電流値を制御することで青色光Ｂの出力を制御可能である。

集光光学系７２０は、図２に示すように、第１レンズ７２２及び第２レンズ７２４を備える。集光光学系７２０は、全体として、青色光Ｂを略集光した状態で散乱板７３０に入射させる。第１レンズ７２２及び第２レンズ７２４は、凸レンズからなる。

散乱板７３０は、第２光源装置７１０からの青色光Ｂを所定の散乱度で散乱し、回転蛍光板３０から射出された蛍光光ＹＬに似た配光分布を有する青色光Ｂとする。散乱板７３０としては、例えば、光学ガラスからなる磨りガラスを用いることができる。

ピックアップ光学系７３１は、レンズ７３２、７３３を備える。レンズ７３２、７３３はそれぞれ凸レンズからなる。ピックアップ光学系７３１は散乱板７３０で散乱された青色光Ｂを平行化してレンズインテグレーター光学系７４０に入射させる。

レンズインテグレーター光学系７４０は、レンズアレイ７５０，７５１を有する。レンズアレイ７５０は青色光Ｂを複数の部分光束に分割するための複数の小レンズ７５０ａを有する。レンズアレイ７５１は、レンズアレイ７５０の複数の小レンズ７５０ａに対応する複数の小レンズ７５１ａを有する。レンズアレイ７５１は、後段の重畳レンズ７６０とともに、レンズアレイ７５０の小レンズ７５０ａの像を液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域もしくはその近傍に結像させる。

本実施形態において、第２照明装置１０２から射出された青色光Ｂは、反射ミラー２５０で反射され、フィールドレンズ３００Ｂを通過して青色光用の液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。

以上述べたように、本実施形態の第１照明装置１０１によれば、二枚のマルチレンズアレイを用いる場合に比べて少ない部品点数で蛍光体層４２上の被照明領域ＳＡの照度分布を矩形化、均一化できる。よって、高い効率で蛍光光ＹＬを生成することができる。

本実施形態のプロジェクター１によれば、上記第１照明装置１０１を含む照明装置１００を備えるため、明るいカラー画像をスクリーンＳＣＲ上に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プロジェクターについて説明する。本実施形態と第一実施形態との違いは照明装置（第１照明装置）の構成である。以下では、照明装置の構成を主体に説明する。なお、第一実施形態と共通の部材及び部品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。

図４は本実施形態の第１照明装置２０１の概略構成を示す図である。図４に示すように、第１照明装置２０１は、第１光源装置１０と、コリメート光学系１５と、光成形光学系７０と、回転蛍光板３０と、ピックアップ光学系６０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０と、制御装置１６０と、を備える。

コリメート光学系１５は、複数のコリメートレンズ１５ａを有する。複数のコリメートレンズ１５ａは二次元的に配列されている。複数のコリメートレンズ１５ａの各々は、複数の半導体レーザー１１の各々に対応して配置されている。すなわち、複数のコリメートレンズ１５ａは、マトリクス状（例えば、図４では５行５列）に配列されている。本実施形態において、コリメートレンズ１５ａは、特許請求の範囲の「集光レンズ」に対応する。

複数のコリメートレンズ１５ａの各々は対応するレーザー光ＬＢを平行化する。本実施形態において、レーザー光ＬＢは平行光に変換された状態で光成形光学系７０に入射する。

光成形光学系７０は、アレイ状に配列された複数のレンズ７１を備えている。複数のレンズ７１の各々は、複数の半導体レーザー１１の各々に対応して配置されている。すなわち、複数のレンズ７１は、マトリクス状（例えば５行５列）に配列されている。

本実施形態において、複数のレンズ７１の各々は自由曲面を有する自由曲面レンズから構成されている。複数のレンズ７１の各々は、対応するレーザー光ＬＢが被照明領域（蛍光体層４２）上に形成するスポット形状を成形するとともに該スポットの照度分布を均一化する。

本実施形態において、複数のレンズ７１は、第１のレンズ７１ａと第２のレンズ７１ｂと第３のレンズ７１ｃとを含む。第１のレンズ７１ａは第１の半導体レーザー１１ａに対応し、第２のレンズ７１ｂは第２の半導体レーザー１１ｂに対応し、第３のレンズ７１ｃは第３の半導体レーザー１１ｃに対応する。そのため、レーザー光ＬＢ１が第１のレンズ７１ａに入射し、レーザー光ＬＢ２が第２のレンズ７１ｂに入射し、レーザー光ＬＢ３が第３のレンズ７１ｃに入射する。

以下、複数のレンズ７１のうち、第１のレンズ７１ａを例に挙げて、その構造について説明する。第１のレンズ７１ａは、ｘとｙとを変数とする多項式で規定される第１の自由曲面７２ａを光入射面側に有し、光射出面側に屈折面７４ａを有している。第１の自由曲面７２ａは回転非対称な形状となっており、上記式（１）で規定される。

本実施形態において、第１の自由曲面７２ａを規定する多項式は上記第１条件を満たしている。そのため、レーザー光ＬＢ１のスポットを矩形化するとともに、スポットの照度分布を所謂トップハット分布に変換して均一化することができる。

本実施形態において、第１のレンズ７１ａに入射するレーザー光ＬＢ１はコリメート光学系１５により発散光から平行光に変換されている。そのため、コリメート光学系１５を用いない第一実施形態における第１の自由曲面と比較して、第１の自由曲面７２ａにかかる負荷が低い。したがって、第一実施形態に比べ、第１の自由曲面７２ａの設計条件が緩和されるので、第１のレンズ７１ａの設計が容易となる。

屈折面７４ａは平面（例えば、プリズム面）から構成され、第１のレンズ７１ａから射出されるレーザー光ＬＢ１を偏向させる。これにより、レーザー光ＬＢ１のスポット位置を調整できる。

第１の自由曲面７２ａを規定する多項式は上記第３条件を満たしている。これにより、偏向による歪みを補正することで被照明領域上に歪みのないスポットを形成できる。

第１のレンズ７１ａは上述の屈折面７４ａを有するため、第１の自由曲面７２ａはレーザー光ＬＢ１を偏向させる必要はない。つまり、第１の自由曲面７２ａは第２条件を満たしていない。第１の自由曲面７２ａはレーザー光ＬＢ１の偏向機能を有さないため、レンズの形状設計が容易となる。

なお、第１のレンズ７１ａが屈折面７４ａを有する場合においても、上記第２条件を満たしても良い。このようにすれば、第１の自由曲面７２ａ及び屈折面７４ａがそれぞれ屈折力を持つようになるので、屈折面７４ａの屈折力を小さくできる。

さらに、本実施形態の第１のレンズ７１ａにおいては、式（１）におけるｘの奇数次項の係数とｙの奇数次項の係数が０であり、かつｘとｙとを組み合わせた項の係数が０である。すなわち、多項式はｘの偶数次の項とｙの偶数次の項とで構成されている。以下、「多項式をｘの偶数次の項とｙの偶数次の項とで構成する」ことを第４条件と称すこともある。

第４条件を満たした第１の自由曲面７２ａの形状設計は容易であるので、コストを低減できる。

以上述べたように第１のレンズ７１ａによれば、蛍光体層４２上に、矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを形成できる。また、第１のレンズ７１ａは、レーザー光ＬＢ１を屈折させる機能が不要なため、設計が容易である。

同様に、第２のレンズ７１ｂは第２の自由曲面７２ｂと屈折面７４ｂを有している。第２の自由曲面７２ｂは、第１、第３、第４条件を満たしており、第２のレンズ７１ｂから射出されたレーザー光ＬＢ２が蛍光体層４２上に矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを形成するように設計されている。第２の自由曲面７２ｂは、第２のレンズ７１ｂから射出したレーザー光ＬＢ２と第１のレンズ７１ａから射出されたレーザー光ＬＢ１とを蛍光体層４２上で互いに重畳させる。

同様に、第３のレンズ７１ｃは第３の自由曲面７２ｃと屈折面７４ｃを有している。第３の自由曲面７２ｃは、第１、第３、第４条件を満たしており、第３のレンズ７１ｃから射出されたレーザー光ＬＢ３が蛍光体層４２上に矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを形成するように設計されている。第３の自由曲面７２ｃは、蛍光体層４２上で、レーザー光ＬＢ３を、レーザー光ＬＢ１及びレーザー光ＬＢ２に重畳させる。

本実施形態において、第１のレンズ７１ａ、第２のレンズ７１ｂ及び第３のレンズ７１ｃを除く複数のレンズ７１の各々も、第１、第３、第４条件を満たす自由曲面を有している。そのため、各レンズ７１から射出されたレーザー光ＬＢは蛍光体層４２上に矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを形成し、各スポットＳＰは蛍光体層４２上で互いに重畳している。これにより、蛍光体層４２上には複数のレーザー光ＬＢによって被照明領域ＳＡが形成される。

なお、偏向による歪みが小さい場合、第１条件及び第４条件のみを満たす自由曲面を有するレンズ７１を採用しても良い。この場合、歪みを補正する必要が無いので、レンズ７１の設計が容易になる。

このような構成に基づき、本実施形態の光成形光学系７０は、蛍光体層４２上におけるスポットＳＰを矩形状に成形するとともに、該スポットＳＰの照度分布を均一化することができる。コリメート光学系１５は、各レーザー光ＬＢを平行化するために従来用いられていたコリメートレンズアレイとみなすことができる。よって、コリメートレンズアレイに加えてマルチレンズを２枚使用して照度分布を均一化する場合に比べて部品点数を少なくできる。

本実施形態の第１照明装置２０１によれば、蛍光体層４２上に形成される被照明領域ＳＡの照度分布が均一化されるため、高い効率で蛍光光ＹＬを生成できる。

なお、コリメート光学系１５と光成形光学系７０との位置関係は上記に限定されない。例えば、第１照明装置２０１の光射出方向に向かって、第１光源装置１０、光成形光学系７０及びコリメート光学系１５の順に配置されていてもよい。

また、コリメート光学系１５の代わりに、シリンドリカルレンズを用いても良い。一般的にレーザー光ＬＢの放射角は異方性を持つ。そのため、例えば、放射角の小さい方向と放射角の大きい方向に対応する母線をそれぞれ有する一対のシリンドリカルレンズを用意することで、放射角に異方性を持つレーザー光ＬＢを良好に平行化して光成形光学系７０に入射させることができる。

（第三実施形態）
続いて、第三実施形態に係るプロジェクターについて説明する。本実施形態は第二照明装置の構成が異なる。以下では、第二照明装置の構成を主体に説明する。なお、第一実施形態と共通の部材及び部品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。

図５は本実施形態に係るプロジェクターの第二照明装置を示す概略図である。図５に示すように、本実施形態の第２照明装置２０２は、第２光源装置７１０と、光成形光学系２０とを備える。第２光源装置７１０は、第１照明装置１０１の第１光源装置１０と同一構成からなり、複数の半導体レーザー１１を有している。本実施形態において、第２光源装置７１０は、光成形光学系２０に向けて、複数のレーザー光ＬＢからなる青色光Ｂを射出する。

第１照明装置１０１と同じく、第２照明装置２０２は、光成形光学系２０により、被照明領域である液晶光変調装置４００Ｂ上における照度分布を均一化するように、青色光Ｂを構成する各レーザー光ＬＢを液晶光変調装置４００Ｂに入射させる。

本実施形態の第２照明装置２０２によれば、二枚のマルチレンズアレイを用いるレンズインテグレーター光学系７４０に比べて少ない部品点数でありながら、被照明領域である液晶光変調装置４００Ｂに入射する青色光Ｂの照度分布を均一化できる。

（第四実施形態）
続いて、第四実施形態に係る第１照明装置について説明する。本実施形態と第二実施形態との違いは光成形光学系の構成である。以下では、光成形光学系の構成を主体に説明する。なお、第二実施形態と共通の部材及び部品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。

図６は本実施形態の第１照明装置３０１の概略構成を示す図である。図６に示すように、第１照明装置３０１は、第１光源装置１０と、コリメート光学系１５と、光成形光学系１７０と、回転蛍光板３０と、ピックアップ光学系６０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０と、制御装置１６０と、を備える。

光成形光学系１７０は、アレイ状に配列された複数の光学部材１７１を備えている。複数の光学部材１７１の各々は、複数の半導体レーザー１１の各々に対応して配置されている。すなわち、複数の光学部材１７１は、マトリクス状（例えば５行５列）に配列されている。

本実施形態において、複数の光学部材１７１の各々は光入射面１７５と光射出面１７６と反射面１７７とが一体形成された硝子からなる。光射出面１７６は、自由曲面を有するレンズ面から構成されている。複数の光学部材１７１の各々は、対応するレーザー光ＬＢが被照明領域（蛍光体層４２）上に形成するスポット形状を成形するとともに該スポットの照度分布を均一化する。

本実施形態において、複数の光学部材１７１は、第１の光学部材１７１ａと第２の光学部材１７１ｂと第３の光学部材１７１ｃとを含む。第１の光学部材１７１ａは第１の半導体レーザー１１ａに対応し、第２の光学部材１７１ｂは第２の半導体レーザー１１ｂに対応し、第３の光学部材１７１ｃは第３の半導体レーザー１１ｃに対応する。そのため、レーザー光ＬＢ１が第１の光学部材１７１ａに入射し、レーザー光ＬＢ２が第２の光学部材１７１ｂに入射し、レーザー光ＬＢ３が第３の光学部材１７１ｃに入射する。

以下、複数の光学部材１７１のうち、第１の光学部材１７１ａを例に挙げて、その構造について説明する。第１の光学部材１７１ａは、光入射面１７５ａと、光射出面１７６ａと、反射面１７７ａとを有する。図６では、図を見易くするため、各光学部材１７１に入射するレーザー光ＬＢの主光線のみを示している。

光入射面１７５ａは平面（例えば、プリズム面）から構成される。レーザー光ＬＢ１の主光線ＬＢ１ｃは、光入射面１７５ａにおける面法線方向に入射する。そのため、光入射面１７５ａを透過する際、レーザー光ＬＢ１の主光線ＬＢ１ｃは屈折によって進行方向が変化しない。

光入射面１７５ａを透過して第１の光学部材１７１ａ内に入射したレーザー光ＬＢ１は、反射面１７７ａに入射する。反射面１７７ａは例えば金属蒸着膜により形成される。なお、反射面１７７ａの構成は特に限定されず、例えば、レーザー光ＬＢ１を全反射させる全反射面で構成しても良い。反射面１７７ａは、光入射面１７５ａを透過したレーザー光ＬＢ１を反射することでレーザー光ＬＢ１の進行方向を偏向させる。これにより、レーザー光ＬＢ１の被照明領域上でのスポット位置が調整される。

反射面１７７ａで反射されたレーザー光ＬＢ１は、光射出面１７６ａに入射する。光射出面１７６ａは、第１のレンズ面１７８ａから構成される。第１のレンズ面１７８ａはｘとｙとを変数とする多項式で規定される第１の自由曲面１７２ａを有する。第１の自由曲面１７２ａは回転非対称な形状となっており、上記式（１）で規定される。

本実施形態において、第１の自由曲面１７２ａを規定する多項式は上記第１条件を満たしている。そのため、レーザー光ＬＢ１のスポットを矩形化するとともに、スポットの照度分布を所謂トップハット分布に変換して均一化することができる。

本実施形態において、第１の自由曲面１７２ａに入射するレーザー光ＬＢ１はコリメート光学系１５により発散光から平行光に変換されている。そのため、コリメート光学系１５を用いない第一実施形態における第１の自由曲面と比較して、第１の自由曲面１７２ａにかかる負荷が低く、第１の自由曲面１７２ａの設計条件が緩和される。

本実施形態において、第１の自由曲面１７２ａを規定する多項式は上記第３条件を満たすのが望ましい。これにより、反射面１７７ａによる偏向によって生じた歪みを補正することで被照明領域上に歪みのないスポットを形成できる。

ここで、レーザー光の進行方向を偏向する手段としてレンズ面の屈折を利用した場合、レンズ硝材の温度変化によって屈折率が変動するおそれがあった。レンズ硝材の屈折率が変動すると、レンズ面の屈折による光の進行方向にバラツキが生じてしまう。そのため、被照明領域上のスポット形成位置にずれが生じ、被照明領域を効率良く照明できなくなるおそれがあった。

これに対し、本実施形態の第１の光学部材１７１ａは上述の反射面１７７ａを有するため、第１の自由曲面１７２ａにおいてレーザー光ＬＢ１を偏向（屈折）させる必要がない。すなわち、第１の自由曲面１７２ａはレーザー光ＬＢ１を屈折させる屈折機能（偏向機能）を有しない。つまり、第１の自由曲面１７２ａは上述の第２条件を満たす必要はない。

したがって、本実施形態の第１の光学部材１７１ａによれば、レンズ面による屈折に代えて反射面１７７ａによる反射を用いて光を偏向させるようにしている。さらに、レーザー光ＬＢ１は光入射面１７５ａから入射する際にも屈折しない。そのため、温度変化による屈折率の変動が生じた場合でも、上述のように光の屈折を利用しないため、レーザー光ＬＢ１の進行方向にバラツキが生じ難い。よって、被照明領域上のスポット形成位置にずれが生じ難いので、蛍光体層４２上に、矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを効率良く形成できる。

同様に、第２の光学部材１７１ｂは光入射面１７５ｂと、光射出面１７６ｂと、反射面１７７ｂとを有している。光入射面１７５ｂは第２のレンズ面１７８ｂから構成されている。第２のレンズ面１７８ｂは第２の自由曲面１７２ｂを有する。第２の自由曲面１７２ｂは、第１、第３条件を満たしており、第２の光学部材１７１ｂから射出されたレーザー光ＬＢ２が蛍光体層４２上に矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを形成するように設計されている。第２の自由曲面１７２ｂは、第２の光学部材１７１ｂから射出したレーザー光ＬＢ２と第１の光学部材１７１ａから射出されたレーザー光ＬＢ１とを蛍光体層４２上で互いに重畳させる。第２の光学部材１７１ｂでは光の屈折を利用しないため、レーザー光ＬＢ２の進行方向にバラツキが生じ難い。よって、蛍光体層４２上に、矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを効率良く形成できる。

同様に、第３の光学部材１７１ｃは光入射面１７５ｃと、光射出面１７６ｃと、反射面１７７ｃとを有している。光入射面１７５ｃは第３のレンズ面１７８ｃから構成されている。第３のレンズ面１７８ｃは第３の自由曲面１７２ｃを有する。第３の自由曲面１７２ｃは、第１、第３条件を満たしており、第３の光学部材１７１ｃから射出されたレーザー光ＬＢ３が蛍光体層４２上に矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを形成するように設計されている。第３の自由曲面１７２ｃは、蛍光体層４２上で、レーザー光ＬＢ３を、レーザー光ＬＢ１及びレーザー光ＬＢ２に重畳させる。第３の光学部材１７１ｃでは光の屈折を利用しないため、レーザー光ＬＢ３の進行方向にバラツキが生じ難い。よって、蛍光体層４２上に、矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを効率良く形成できる。

本実施形態において、第１の光学部材１７１ａ、第２の光学部材１７１ｂ及び第３の光学部材１７１ｃを除く複数の光学部材１７１の各々も、第１、第３条件を満たす自由曲面を有している。そのため、各光学部材１７１から射出されたレーザー光ＬＢは蛍光体層４２上に矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを形成し、各スポットＳＰは蛍光体層４２上で互いに重畳する。これにより、蛍光体層４２上には複数のレーザー光ＬＢによって被照明領域ＳＡが形成される。なお、レーザー光ＬＢの進行方向を偏向させない光学部材１７１（例えば、照明光軸１００ａｘ上に位置する光学部材１７１）は、光入射面１７５及び光射出面１７６のみを有し、反射面１７７を有していない。

複数の光学部材１７１の各々においても、光を偏向させる際に屈折を利用しないため、硝材の屈折率が変動した場合でも、レーザー光ＬＢの進行方向にバラツキが生じ難い。したがって、本実施形態の光成形光学系１７０によれば、蛍光体層４２上に、矩形状且つ均一な照度分布を持つ被照明領域ＳＡを精度良く形成することができる。

本実施形態の第１照明装置３０１によれば、蛍光体層４２に均一な被照明領域ＳＡを形成できるので、高い効率で蛍光光ＹＬを生成できる。

なお、本実施形態では、光学部材１７１として、光入射面１７５、光射出面１７６及び反射面１７７が一体形成された場合を例に挙げたが、各々が別体で構成されていても良い。

例えば、光射出面１７６を有する自由曲面レンズと、該自由曲面レンズ及び反射面１７７を保持する保持部材とを用いて光学部材を構成しても良い。この場合、保持部材の一部に反射面１７７を形成することで部品点数を減らすことができる。なお、平板からなる光入射面１７５は省略することができる。

また、光学部材１７１のうちレーザー光ＬＢに影響を及ぼす光入射面１７５及び反射面１７７以外の部分を空気層で構成しても良い。すなわち、光学部材１７１内を通過するレーザー光ＬＢの光路の途中部分を中空構造にしても良い。
中空構造を採用可能な部分としては、例えば、レーザー光ＬＢの光路のうち、光入射面１７５を透過してから反射面１７７に至るまでの経路、或いは、反射面１７７で反射してから光射出面１７６に入射するまでの経路に相当する部分を例示できる。

（第五実施形態）
続いて、第五実施形態に係る第１照明装置について説明する。本実施形態と第四実施形態との違いは光成形光学系の構成である。以下では、光成形光学系の構成を主体に説明する。なお、第四実施形態と共通の部材及び部品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。

図７は本実施形態の第１照明装置４０１の概略構成を示す図である。図７に示すように、第１照明装置４０１は、第１光源装置１０と、コリメート光学系１５と、光成形光学系２７０と、回転蛍光板３０と、ピックアップ光学系６０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０と、制御装置１６０と、を備える。

光成形光学系２７０は、アレイ状に配列された複数の光学部材２７１を備えている。複数の光学部材２７１の各々は、複数の半導体レーザー１１の各々に対応して配置されている。すなわち、複数の光学部材１７１は、マトリクス状（例えば５行５列）に配列されている。

本実施形態において、複数の光学部材２７１の各々は光入射面２７５と光射出面２７６と反射面２７７とを有する。光入射面２７５は、自由曲面を有するレンズ面から構成されている。複数の光学部材２７１の各々は、対応するレーザー光ＬＢが被照明領域（蛍光体層４２）上に形成するスポット形状を成形するとともに該スポットの照度分布を均一化する。

本実施形態において、複数の光学部材２７１は、第１の光学部材２７１ａと第２の光学部材２７１ｂと第３の光学部材２７１ｃとを含む。第１の光学部材２７１ａは第１の半導体レーザー１１ａに対応し、第２の光学部材２７１ｂは第２の半導体レーザー１１ｂに対応し、第３の光学部材２７１ｃは第３の半導体レーザー１１ｃに対応する。そのため、レーザー光ＬＢ１が第１の光学部材２７１ａに入射し、レーザー光ＬＢ２が第２の光学部材２７１ｂに入射し、レーザー光ＬＢ３が第３の光学部材２７１ｃに入射する。

以下、複数の光学部材２７１のうち、第１の光学部材２７１ａを例に挙げて、その構造について説明する。第１の光学部材２７１ａは、光入射面２７５ａと、光射出面２７６ａと、反射面２７７ａとを有する。図７では、図を見易くするため、各光学部材２７１に入射するレーザー光ＬＢの主光線のみを示している。

光入射面２７５ａは、第１のレンズ面２７８ａから構成される。第１のレンズ面２７８ａはｘとｙとを変数とする多項式で規定される第１の自由曲面２７２ａを有する。第１の自由曲面２７２ａは回転非対称な形状となっており、上記式（１）で規定される。

本実施形態において、第１の自由曲面２７２ａを規定する多項式は上記第１条件を満たしている。そのため、レーザー光ＬＢ１のスポットを矩形化するとともに、スポットの照度分布を所謂トップハット分布に変換して均一化することができる。

本実施形態において、第１の自由曲面２７２ａに入射するレーザー光ＬＢ１はコリメート光学系１５により発散光から平行光に変換されている。そのため、コリメート光学系１５を用いない第一実施形態における第１の自由曲面と比較して、第１の自由曲面２７２ａにかかる負荷が低く、第１の自由曲面２７２ａの設計条件が緩和される。

反射面２７７ａは例えば金属蒸着膜により形成され、光入射面２７５ａを透過したレーザー光ＬＢ１を反射することでレーザー光ＬＢ１の進行方向を偏向させる。これにより、レーザー光ＬＢ１の被照明領域上でのスポット位置が調整される。

光射出面２７６ａは平面（例えば、プリズム面）から構成される。レーザー光ＬＢ１の主光線ＬＢ１ｃは、光射出面２７６ａにおける面法線方向に入射する。そのため、光射出面２７６ａから射出される際、レーザー光ＬＢ１の主光線ＬＢ１ｃは屈折によって進行方向が変化しない。

本実施形態において、第１の自由曲面２７２ａを規定する多項式は上記第３条件を満たすのが望ましい。これにより、反射面２７７ａによる偏向によって生じた歪みを補正することで被照明領域上に歪みのないスポットを形成できる。

本実施形態の第１の光学部材２７１ａでは、レンズ面による屈折に代えて反射面２７７ａによる反射を用いて光を偏向させ、光射出面２７６ａから射出される際にレーザー光ＬＢ１が屈折しない。そのため、温度変化によって硝材の屈折率に変動が生じた場合でも、レーザー光ＬＢ１の進行方向にバラツキが生じ難い。よって、被照明領域上のスポット形成位置にずれが生じ難いので、蛍光体層４２上に、矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを効率良く形成できる。

同様に、第２の光学部材２７１ｂは光入射面２７５ｂと、光射出面２７６ｂと、反射面２７７ｂとを有している。光入射面２７５ｂは第２のレンズ面２７８ｂから構成されている。第２のレンズ面２７８ｂは第２の自由曲面２７２ｂを有する。第２のレンズ面２７８ｂは、第１、第３条件を満たしており、第２の光学部材２７１ｂから射出されたレーザー光ＬＢ２が蛍光体層４２上に矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを形成するように設計されている。第２の光学部材２７１ｂでは光の屈折を利用しないため、レーザー光ＬＢ２の進行方向にバラツキが生じ難く、蛍光体層４２上に、矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを効率良く形成できる。

同様に、第３の光学部材２７１ｃは光入射面２７５ｃと、光射出面２７６ｃと、反射面２７７ｃとを有している。光入射面２７５ｃは第３のレンズ面２７８ｃから構成されている。第３のレンズ面２７８ｃは第３の自由曲面２７２ｃを有する。第３の自由曲面２７２ｃは、第１、第３条件を満たしており、第３の光学部材２７１ｃから射出されたレーザー光ＬＢ３が蛍光体層４２上に矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを形成するように設計されている。第３の自由曲面２７２ｃでは光の屈折を利用しないため、レーザー光ＬＢ３の進行方向にバラツキが生じ難く、蛍光体層４２上に、矩形状且つ均一な照度分布を持つスポットＳＰを効率良く形成できる。

本実施形態において、第１の光学部材２７１ａ、第２の光学部材２７１ｂ及び第３の光学部材２７１ｃを除く複数の光学部材２７１の各々も、第１、第３条件を満たす自由曲面を有している。複数の光学部材２７１の各々においても、光を偏向させる際に屈折を利用しないため、硝材の屈折率が変動した場合でも、レーザー光ＬＢの進行方向にバラツキが生じ難い。したがって、本実施形態の光成形光学系２７０によれば、蛍光体層４２上に、矩形状且つ均一な照度分布を持つ被照明領域ＳＡを精度良く形成することができる。なお、レーザー光ＬＢの進行方向を偏向させない光学部材２７１（例えば、照明光軸１００ａｘ上に位置する光学部材２７１）は、光入射面２７５及び光射出面２７６のみを有し、反射面２７７を有していない。

本実施形態の第１照明装置４０１によれば、蛍光体層４２に均一な被照明領域ＳＡを形成できるので、高い効率で蛍光光ＹＬを生成できる。

（第六実施形態）
続いて、第六実施形態に係る第１照明装置について説明する。本実施形態と第五実施形態との違いは光成形光学系の構成である。以下では、光成形光学系の構成を主体に説明する。なお、第四実施形態と共通の部材及び部品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。

図８は本実施形態の第１照明装置５０１の概略構成を示す図である。図８に示すように、第１照明装置５０１は、第１光源装置１０と、光成形光学系３７０と、回転蛍光板３０と、ピックアップ光学系６０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０と、制御装置１６０と、を備える。

光成形光学系３７０は、アレイ状に配列された複数の光学部材３７１を備えている。複数の光学部材３７１の各々は、複数の半導体レーザー１１の各々に対応して配置されている。すなわち、複数の光学部材１７１は、マトリクス状（例えば５行５列）に配列されている。

本実施形態において、複数の光学部材３７１の各々は光入射面３７５と光射出面２７６と反射面２７７とを有する。光入射面３７５は、自由曲面を有するレンズ面から構成されている。図８では、図を見易くするため、各光学部材３７１に入射するレーザー光ＬＢの主光線のみを示している。

光入射面３７５は、ｘとｙとを変数とする上記式（１）の多項式で規定される自由曲面を有するレンズ面から構成される。本実施形態において、光入射面３７５は、対応する半導体レーザー１１から射出されたレーザー光ＬＢを平行化するコリメートレンズとしての機能も有するように設計されている。したがって、本実施形態の第１照明装置５０１は、第五実施形態の第１照明装置４０１におけるコリメート光学系１５の機能を光成形光学系３７０で兼ねた構成としている。

本実施形態の第１照明装置５０１によれば、コリメート光学系を省略できるので、装置構成を小型化できる。

なお、上記各実施形態においては、複数のレーザー光ＬＢの各々が被照明領域の全面を照射するとともに、各レーザー光ＬＢが重畳的に照明する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。

（第一変形例）
本変形例の光成形光学系２０は、被照明領域ＳＡの異なる領域に各スポットＳＰをそれぞれ入射させるように構成されている。すなわち、本変形例において、各スポットＳＰは上記実施形態と異なり、重畳していない。

例えば、第１のレンズ２１ａ及び第２のレンズ２１ｂは、被照明領域ＳＡ上にレーザー光ＬＢ１が形成するスポットの位置と、被照明領域ＳＡ上にレーザー光ＬＢ２が形成するスポットの位置と、を異ならせるように各々の自由曲面２２ａ，２２ｂが設計されている。

図９は被照明領域の照明方式の変形例を概念的に示した図である。図９では、蛍光体層４２上にレーザー光ＬＢによって形成されるスポットＳＰの数をｎ個とした。図９において、ｎ個の各スポットＳＰをそれぞれＳＰ_１、ＳＰ_２、…ＳＰ_ｎと示す。

スポットＳＰの各々は矩形状からなり、均一な照度分布を有する。そのため、ｎ個のスポットＳＰで構成される被照明領域ＳＡは全体として均一な照度分布を有する。

また、本変形例によれば、各スポットを重畳させないため、各スポットの大きさを適宜調整することで任意の大きさの被照明領域ＳＡを照明することができる。

また、本変形例によれば、被照明領域ＳＡにおいて各スポットＳＰの位置が互いに異なる。よって、被照明領域ＳＡが蛍光体層４２である場合、照射される光の単位面積あたりの強度は、第一実施形態のように各スポットＳＰを重畳させる場合よりも小さくなる。これにより、蛍光体層４２の単位面積あたりの光強度が低減するので、より高い効率で蛍光光ＹＬを生成することができる。

本変形例において、制御装置１６０により各レーザー光ＬＢの出力を独立して制御することもできる。被照明領域ＳＡが液晶光変調装置などの光変調装置である場合、このようにすれば、光変調装置に形成される被照明領域ＳＡの照度分布を、表示する画像に応じて調整して、画質を高めることができる。

（第二変形例）
図１０は被照明領域の照明方式の変形例を概念的に示した図である。図１０では、蛍光体層４２上にレーザー光によって形成されるスポットＳＰの数をｎ個とした。図１０において、ｎ個の各スポットＳＰをそれぞれＳＰ_１、ＳＰ_２、…ＳＰ_ｎと示す。

本変形例では、被照明領域ＳＡにおいて、部分的にスポットＳＰを重畳させている。図７に示すように、被照明領域ＳＡは、第１照明領域ＳＢ１及び第２照明領域ＳＢ２を含む複数の照明領域ＳＢから構成される。複数の照明領域ＳＢのうち少なくとも１つの照明領域ＳＢは、二つのスポットＳＰが重畳することで形成されている。他の照明領域ＳＢは、一つのスポットＳＰで形成されていても良い。

本変形例において、第１照明領域ＳＢ１は、例えば、スポットＳＰ_１とスポットＳＰ_２とが重畳することで構成されている。また、第２照明領域ＳＢ２は、他の二つのレーザー光（スポットＳＰ_ｎ−１、スポットＳＰ_ｎ）が重畳することで構成されている。

本変形例において、各スポットＳＰの各々は均一な照度分布を有するため、各照明領域ＳＢは均一な照度分布を有したものとなる。よって、複数の照明領域ＳＢから構成される被照明領域ＳＡは、均一な照度分布を有し、第一変形例と同様な効果を奏する。

（第三変形例）
図１１は被照明領域の照明方式の変形例を概念的に示した図である。図１１では、蛍光体層４２上にレーザー光によって形成されるスポットＳＰの数をｎ個とした。図１１において、ｎ個の各スポットＳＰをそれぞれＳＰ_１、ＳＰ_２、…ＳＰ_ｎと示す。

本変形例に係る光成形光学系２０において、第３のレンズ２１ｃ（第３の自由曲面２２ｃ）は被照明領域ＳＡの全面にレーザー光ＬＢ３を入射させる。また、第１のレンズ２１a（第１の自由曲面２２ａ）は、被照明領域ＳＡの一部の領域にレーザー光ＬＢ１を入射させる。また、第２のレンズ２１ｂ（第２の自由曲面２２ｂ）は、被照明領域ＳＡの一部の領域（レーザー光ＬＢ１の入射領域とは別の領域）にレーザー光ＬＢ２を入射させる。

本変形例において、制御装置１６０は、第１の半導体レーザー１１ａの出力と第２の半導体レーザー１１ｂの出力とを互いに独立して制御する。すなわち、制御装置１６０は、各半導体レーザー１１の出力を制御することで各スポットＳＰを所望の照度分布に設定する。

本実施形態の光成形光学系２０は、図１１に示すように、一つのスポットＳＰ_３が被照明領域ＳＡの全面を照射するとともに、スポットＳＰ_３を除いた残り（ｎ−１）個のスポットＳＰが被照明領域ＳＡの異なる領域にそれぞれ入射するように構成されている。

本変形例においても、各スポットＳＰの各々は均一な照度分布を有するため、第一変形例と同様な効果が得られる。

なお、本発明は上記実施形態及び変形例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、上記実施形態では、第１光源装置１０が複数の半導体レーザー１１から構成される場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１光源装置１０が一つの半導体レーザー１１（例えば、第１の半導体レーザー１１ａ）のみから構成されていても良い。このとき、光成形光学系２０は第１のレンズ２１ａのみを有する。

上記実施形態において、重畳とは、各レーザー光ＬＢのスポットＳＰの全体がほぼ重なる状態と説明したが、本発明において重畳とは各スポットＳＰの一部同士が重なった状態も含む。

すなわち、第１光源装置１０が二つの半導体レーザー１１（例えば、第１の半導体レーザー１１ａ及び第２の半導体レーザー１１ｂ）から構成され、第１の半導体レーザー１１ａ及び第２の半導体レーザー１１ｂから射出されるレーザー光ＬＢ１，Ｂ２の入射位置が実装誤差によって互いに少しずれているとする。このとき、レーザー光ＬＢ１，Ｂ２が形成するスポットＳＰのうち部分的に重なる領域（重畳している領域）が被照明領域を構成する。

また、上記実施形態では、光変調装置として３つの液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂを備えるプロジェクター１を例示したが、１つの液晶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。

本発明者は、光成形光学系を構成するレンズについてシミュレーションを行った。本シミュレーションでは、レンズの自由曲面を規定する上記式（１）の多項式の係数をパラメーターとし、各自由曲面を用いた場合の被照明領域における照度分布を求めた。

（実施例１）
実施例１は、上記第１条件（ｘ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊがｙ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊと異なる）、第２条件（ｘの１次の項とｙの１次の項とのうち少なくとも一方を含む）及び第３条件（ｘ^ｐｙ^ｑの項を少なくとも一つ含む）を満たす自由曲面を有するレンズのシミュレーション結果である。すなわち、実施例１のレンズは、第１条件〜第３条件を満たす第一実施形態の光成形光学系２０を構成するレンズ２１に相当する。

表１に実施例１の各パラメーターを示す。

実施例１では、式（１）において、ｘ及びｙの項の係数を−０．３５、ｘ^２の項の係数を−０．０２、ｘｙの項の係数を０．００８、ｙ^２の項の係数を０．０２、ｘ^４の項の係数を−０．００２、ｘ^３ｙの項の係数を０、ｙ^４の項の係数を−０．０８、曲率ｃを０．０２９、コーニック定数ｋを０とした。なお、表１に記載されていない項の係数は全て０である。

図１２Ａ及び図１２Ｂは実施例１のシミュレーション結果を示す図である。図１２Ａは比較として球面レンズを用いた場合の照度分布を示す図であり、図１２Ｂは上記パラメーター（第１条件〜第３条件）を有する自由曲面レンズを用いた場合の照度分布を示す図である。なお、図１２Ａ，１２Ｂにおいて、下側に示されるグラフは被照明領域の左右方向の照度分布であり、右側に示されるグラフは被照明領域の上下方向の照度分布である。

図１２Ａに示すように、球面レンズを用いた場合、レーザー光は被照明領域に楕円状のスポットを形成し、該スポットの照度分布は不均一となる。
一方、図１２Ｂに示すように、実施例１の自由曲面レンズを用いた場合、レーザー光は被照明領域に略矩形状のスポットを形成し、該スポットの照度分布の均一性が向上する。すなわち、実施例１より、第１条件及び第２条件を満たす自由曲面レンズを採用することで、被照明領域を矩形状に成形するとともに、照度分布を均一化できることが確認できた。

（実施例２）
実施例２は、実施例１と同様、上記第１条件〜第３条件を満たす自由曲面を有するレンズのシミュレーション結果である。

表２に実施例２の各パラメーターを示す。

実施例２では、式（１）において、ｘの項の係数を−０．２５、ｙの項の係数を−０．７５、ｘ^２の項の係数を−０．０１、ｘｙの項の係数を０．００６、ｙ^２の項の係数を−０．０１２、ｘ^４の項の係数を−０．００１、ｘ^３ｙの項の係数を０．００１、ｙ^４の項の係数を０．０２、曲率ｃを０．０１、コーニック定数ｋを０とした。なお、表２に記載されていない項の係数は全て０である。

図１３Ａ及び図１３Ｂは実施例２のシミュレーション結果を示す図である。図１３Ｂは上記パラメーターを有する自由曲面レンズを用いた場合の照度分布を示す図であり、図１３Ａは比較例として、Ｘの係数およびＹの係数以外の係数を総て０とした場合の照度分布を示す図である。なお、図１３Ａ，１３Ｂにおいて、下側に示されるグラフは被照明領域の左右方向の照度分布であり、右側に示されるグラフは被照明領域の上下方向の照度分布である。

図１３Ａ，１３Ｂに示すように、第１条件及び第２条件を満たす自由曲面レンズを用いると、被照明領域に均一な照度分布を有する矩形状のスポットが形成される。このように、実施例２より、第１条件及び第２条件を満たす自由曲面レンズを採用することで、被照明領域を矩形状に成形するとともに、照度分布を均一化できることが確認できた。

（実施例３）
実施例３は、上記第１条件及び第３条件を満たす自由曲面を有するレンズのシミュレーション結果である。すなわち、実施例３のレンズは、第１条件及び第３条件を満たす第二実施形態の光成形光学系７０を構成するレンズ７１に相当する。

表３に実施例３の各パラメーターを示す。

実施例３では、式（１）において、ｘ及びｙの項の係数を０、ｘ^２の項の係数を−０．０２、ｘｙの項の係数を０．００８、ｙ^２の項の係数を０．０２、ｘ^４の項の係数を−０．００２、ｘ^３ｙの項の係数を０、ｙ^４の項の係数を−０．０８、曲率ｃを０．０２９、コーニック定数ｋを０とした。なお、表３に記載されていない項の係数は全て０である。

実施例３は、ｘ及びｙの項の係数を０とする以外、実施例１のパラメーターと同じである。すなわち、実施例３の自由曲面と実施例１の自由曲面とは、光を偏向させる機能の有無のみが異なる。なお、光を偏向させる機能は被照明領域上に形成されるスポットの形状及び該スポットの照度分布に影響しない。

実施例３の自由曲面レンズを採用すれば、実施例１の図１２Ｂと同様の照度分布を実現できる。すなわち、被照明領域を矩形状に成形するとともに、照度分布を均一化できることが確認できた。実施例３に関する照度分布を示す図は実施例１と同じため、省略する。

（実施例４）
実施例４は、実施例３と同様、第１条件及び第３条件を満たす自由曲面を有するレンズのシミュレーション結果である。

表４に実施例４の各パラメーターを示す。

実施例４では、式（１）において、ｘ及びｙの項の係数を０、ｘ^２の項の係数を−０．０１、ｘｙの項の係数を０．００６、ｙ^２の項の係数を−０．０１２、ｘ^４の項の係数を−０．００１、ｘ^３ｙの項の係数を０．００１、ｙ^４の項の係数を０．０２、曲率ｃを０．０１、コーニック定数ｋを０とした。なお、表４に記載されていない項の係数は全て０である。

実施例４は、ｘ及びｙの項の係数を０とする以外、実施例２のパラメーターと同じである。すなわち、実施例４の自由曲面と実施例２の自由曲面とは、光を偏向させる機能の有無のみが異なる。

実施例４の自由曲面レンズを採用すれば、実施例２の図１３Ｂと同様の照度分布を実現できる。すなわち、被照明領域を矩形状に成形するとともに、照度分布を均一化できることが確認できた。実施例４に関する照度分布を示す図は実施例２と同じため、省略する。

（実施例５）
実施例５は、上記第１条件及び第４条件（多項式をｘの偶数次の項とｙの偶数次の項とで構成する）を満たす自由曲面を有するレンズのシミュレーション結果である。すなわち、実施例５のレンズは、第１条件及び第４条件を満たす第二実施形態の光成形光学系７０を構成するレンズ７１に相当する。

表５に実施例５の各パラメーターを示す。

実施例５では、式（１）において、ｘ^２の項の係数を０．１、ｙ^２の項の係数を−０．０２、ｘ^４の項の係数を−０．１３、ｘ^６の項の係数を０．０１、曲率ｃを０．１２５、コーニック定数ｋを０とした。なお、表５に記載されない記載されていない項の係数は全て０である。

図１４Ａ及び図１４Ｂは実施例５のシミュレーション結果を示す図である。図１４Ａは比較として球面レンズを用いた場合の照度分布を示す図であり、図１４Ｂは上記パラメーターを有する自由曲面レンズを用いた場合の照度分布を示す図である。なお、図１４Ａ，１４Ｂにおいて、下側に示されるグラフは被照明領域の左右方向の照度分布であり、右側に示されるグラフは被照明領域の上下方向の照度分布である。

図１４Ａに示すように、比較例においては、レーザー光は被照明領域に上下に長細い形状のスポットを形成し、該スポットの照度分布は不均一となる。
一方、図１４Ｂに示すように、実施例５の自由曲面レンズを用いた場合、レーザー光は被照明領域に正方形状のスポットを形成し、該スポットの照度分布は均一性が高くなる。すなわち、実施例５より、第１条件及び第４条件を満たすことで形状設計が容易な自由曲面レンズを採用した場合でも、被照明領域を正方形状に成形するとともに、照度分布を均一化できることが確認できた。

（実施例６）
実施例６は、実施例５と同様、上記第１条件及び第４条件を満たす自由曲面を有するレンズのシミュレーション結果である。

表６に実施例６の各パラメーターを示す。

実施例６では、式（１）において、ｘ^２の項の係数を０．１、ｙ^２の項の係数を−０．０２、ｘ^４の項の係数を−０．１１、ｘ^６の項の係数を０、曲率ｃを０．１２５、コーニック定数ｋを０とした。なお、表６に記載されていない項の係数は全て０である。

図１５Ａ及び図１５Ｂは実施例６のシミュレーション結果を示す図である。図１５Ａは比較として球面レンズを用いた場合の照度分布を示す図であり、図１５Ｂは上記パラメーターを有する自由曲面レンズを用いた場合の照度分布を示す図である。なお、図１５Ａ，１５Ｂにおいて、下側に示されるグラフは被照明領域の左右方向の照度分布であり、右側に示されるグラフは被照明領域の上下方向の照度分布である。

図１５Ａ，１５Ｂに示すように、第１条件及び第４条件を満たす自由曲面レンズを用いると、被照明領域に均一な照度分布を有する正方形状のスポットが形成される。このように、実施例６より、第１条件及び第４条件を満たすことで形状設計が容易な自由曲面レンズを採用した場合でも、被照明領域を正方形に成形するとともに、照度分布を均一化できることが確認できた。

実施例５，６では、ＸとＹとを組み合わせた項の係数は総て０である。この場合、ｘ方向とｙ方向とでそれぞれ独立してレンズの曲率を設計できるので、レンズの設計が容易である。

１…プロジェクター、１０…第１光源装置、１１ａ…第１の半導体レーザー、１１ｂ…第２の半導体レーザー、１１ｃ…第３の半導体レーザー、２０…光成形光学系、２１ａ…第１のレンズ、２１ｂ…第２のレンズ、２１ｃ…第３のレンズ、２２ａ…第１の自由曲面、２２ｂ…第２の自由曲面、２２ｃ…第３の自由曲面、４２…蛍光体層、７０…光成形光学系、７１ａ…第１のレンズ、７１ｂ…第２のレンズ、７１ｃ…第３のレンズ、７２ａ…第１の自由曲面、７２ｂ…第２の自由曲面、７２ｃ…第３の自由曲面、１０１…第１照明装置、１０２…第２照明装置、１６０…制御装置、２０１…第１照明装置、２０２…第２照明装置、４００Ｂ，４００Ｇ，４００Ｒ…液晶光変調装置、６００…投射光学系、７１０…第２光源装置、ＬＢ１…レーザー光、ＬＢ２…レーザー光、ＬＢ３…レーザー光、ＳＡ…被照明領域。

Claims (20)

1. 第１の光線束を射出する第１の発光素子を備える光源装置と、
   前記第１の光線束が入射する第１のレンズ面を備える光成形光学系と、を備え、
   前記第１のレンズ面は、ｘとｙとを変数とする式（１）で表される第１の自由曲面を有し、
   前記式（１）において、ｈを正の整数としたとき、
   ｘ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊは、ｙ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊと異なっている
   照明装置。
   
2. 前記式（１）は、ｘの１次の項とｙの１次の項とのうち少なくとも一方を含み、
   ｐ、ｑを正の整数としたとき、ｘ^ｐｙ^ｑの項を少なくとも一つ含む
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光成形光学系は、前記第１の光線束の進行方向を偏向する屈折面をさらに備え、
   前記式（１）は、ｐ、ｑを正の整数としたとき、ｘ^ｐｙ^ｑの項を少なくとも一つ含む
   請求項１に記載の照明装置。
4. 前記式（１）が有する多項式は、ｘの偶数次の項とｙの偶数次の項とからなる
   請求項３に記載の照明装置。
5. 前記屈折面は平面である
   請求項３又は４に記載の照明装置。
6. 前記光成形光学系は、前記第１の光線束を反射して該第１の光線束の進行方向を偏向する反射面をさらに備え、
   前記式（１）は、ｐ、ｑを正の整数としたとき、ｘ^ｐｙ^ｑの項を少なくとも一つ含む
   請求項１に記載の照明装置。
7. 前記式（１）が有する多項式は、ｘの偶数次の項とｙの偶数次の項とからなる
   請求項６に記載の照明装置。
8. 前記光成形光学系は、光入射面及び光射出面を有し、
   前記光入射面及び前記光射出面の一方は、前記第１のレンズ面から構成され、
   前記第１の光線束の主光線は、前記光入射面及び前記光射出面の他方における面法線方向に入射する
   請求項６又は７に記載の照明装置。
9. 前記第１の発光素子と前記第１のレンズ面との間の前記第１の光線束の光路上に設けられた集光レンズをさらに備える
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の照明装置。
10. 前記光成形光学系を透過した前記第１の光線束が入射する波長変換素子をさらに備える
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載の照明装置。
11. 前記光源装置は、第２の光線束を射出する第２の発光素子をさらに備え、
    前記光成形光学系は、前記第２の光線束が入射する第２のレンズ面をさらに備え、
    前記第２のレンズ面は、前記式（１）で表される第２の自由曲面を有し、
    前記第２の自由曲面に関して、ｘ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊはｙ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊと異なっており、
    前記光成形光学系は、前記第１の光線束と前記第２の光線束とが被照明領域を重畳的に照明するように構成されている
    請求項２乃至８のいずれか一項に記載の照明装置。
12. 前記第１の発光素子の出力を前記第２の発光素子の出力とは独立して制御する光源制御装置をさらに備える
    請求項１１に記載の照明装置。
13. 前記第１の発光素子と前記第１のレンズ面との間の前記第１の光線束の光路上に設けられた集光レンズをさらに備える
    請求項１１又は１２に記載の照明装置。
14. 波長変換素子をさらに備え、
    前記波長変換素子の所定の領域は前記被照明領域に相当する
    請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の照明装置。
15. 前記光源装置は、第２の光線束を射出する第２の発光素子をさらに備え、
    前記光成形光学系は、前記第２の光線束が入射する第２のレンズ面をさらに備え、
    前記第２のレンズ面は、前記式（１）で表される第２の自由曲面を有し、
    前記第２の自由曲面に関して、ｘ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊはｙ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊと異なっており、
    前記光成形光学系は、前記第１の光線束と前記第２の光線束とを被照明領域の互いに異なる領域に入射させるように構成されている
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載の照明装置。
16. 前記第１の発光素子の出力を前記第２の発光素子の出力とは独立して制御する光源制御装置をさらに備える
    請求項１５に記載の照明装置。
17. 波長変換素子をさらに備え、
    前記波長変換素子の所定の領域は前記被照明領域に相当する
    請求項１５又は１６に記載の照明装置。
18. 請求項１乃至９、請求項１１、請求項１２、又は請求項１５のいずれか一項に記載の照明装置と、
    前記照明装置から射出された照明光を画像情報に応じて変調して画像光を生成する光変調装置と、
    前記画像光を投写する投写光学系と、を備え、
    前記光変調装置の画像形成領域が前記被照明領域に相当する
    プロジェクター。
19. 請求項１６に記載の照明装置と、
    前記照明装置からの照明光を画像情報に応じて変調して画像光を生成する光変調装置と、
    前記画像光を投写する投写光学系と、を備え、
    前記光源装置は、第３の光線束を射出する第３の発光素子をさらに備え、
    前記光成形光学系は、前記第３の光線束が入射する第３のレンズ面をさらに備え、
    前記第３のレンズ面は、前記式（１）で表される第３の自由曲面を有し、
    前記第３の自由曲面に関して、ｘ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊはｙ^２ｈの項の係数Ｃ_ｊと異なっており、
    前記光成形光学系は、前記第３の光線束が前記被照明領域全体を照明するように構成されており、
    前記光源制御装置は、前記第３の発光素子の出力を、前記第１の発光素子の出力と前記第２の発光素子の出力のうち少なくとも一方とは独立して制御するように構成されており、
    前記光変調装置の画像形成領域が前記被照明領域に相当する
    プロジェクター。
20. 請求項１０、請求項１４、又は請求項１７のいずれか一項に記載の照明装置と、
    前記波長変換素子からの照明光を画像情報に応じて変調して画像光を生成する光変調装置と、
    前記画像光を投写する投写光学系と、を備える
    プロジェクター。