投射装置和照明装置的制作方法

本发明涉及将相干光用作光源的投射装置和照明装置。

背景技术：

已知如下的技术，使来自激光源的激光射入旋转轮上的荧光层并对其使其激励，从而生成其他波段的光，并将其用作投影仪用的光源光(参见日本特开2012-103615号公报)。在该公报所公开的技术中，若对荧光层照射高输出的激光，则会产生荧光层损伤，或者荧光层的发光效率降低等的不良情况，因而在通过光扩散部件使激光变得均匀后，将其射入旋转轮。

技术实现要素：

然而，上述公报的光扩散部件是含有散乱粒子的透明的树脂板材，通过该板材而被扩散的激光的一部分未射入旋转轮，使得光的利用效率降低。

此外，在上述公报中，使用准直光学系统或透镜阵列使得在旋转轮的荧光层被激励的光变得均匀，而通过这种均匀化处理，也会使得光的利用效率进一步降低。

这样，在上述公报中，在旋转轮的前后具有均匀化光学系统，光学系统的结构变得复杂，难以使得投影仪变得小型，而且装置成本也会变高。

本发明就是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够简化光学系统的结构，并且能够提升相干光的利用效率的投射装置和照明装置。

为了解决上述的课题，本发明的一个方面提供一种投射装置，其具有：光学元件，其扩散相干光；照射装置，其以使得相干光在所述光学元件上扫描的方式，向所述光学元件照射相干光；色生成器，其以时分方式进行被由所述光学元件扩散的相干光照明的第1被照明区域内的光的波长变换和透过；一个以上的中继光学系统，其改变通过所述色生成器进行了波长变换的光的行进方向和透过了所述色生成器的光的行进方向，生成对第2被照明区域进行照明的照明光；光调制器，其根据所述第2被照明区域的照明光生成调制图像；以及投射光学系统，其将通过所述光调制器生成的调制图像投射在扩散面上，所述第1被照明区域和所述第2被照明区域处于光学共轭关系，所述色生成器具有：荧光部，其被由所述光学元件扩散的相干光激励，生成波段与该光不同的光；以及透过部，其使通过所述光学元件被扩散的相干光不扩散地透过，所述色生成器对于使由所述光学元件扩散的相干光射入到所述荧光部还是射入到所述透过部，周期性地进行切换。

本发明还可以构成为，所述色生成器使所述荧光部通过波长变换生成的光向所述光学元件的方向进行反射，该投射装置还具有色分离光学系统，该色分离光学系统被设置于所述光学元件与所述色生成器之间的光路中，将由所述光学元件扩散的相干光引导至所述色生成器，将被所述荧光部反射的光引导至与所述光学元件不同的方向上。

本发明还可以构成为，所述色生成器使所述荧光部通过波长变换生成的光透过，与透过了所述透过部的光一起射入到所述中继光学系统中。

本发明还可以构成为，所述色生成器是沿着周向配置有所述荧光部和所述透过部，绕旋转轴旋转自如的旋转部件。

本发明还可以构成为，所述照射装置将单一波段的相干光照射到所述光学元件上，所述荧光部被由所述光学元件扩散的相干光激励，生成分别不同的2种波段的光。

本发明还可以构成为，所述照射装置将分别不同的波段的2种相干光照射到所述光学元件上，所述荧光部被所述2种相干光中的一方激励，生成波段与所述2种相干光的波段不同的光。

本发明还可以构成为，所述中继光学系统根据通过所述色生成器进行了波长变换的光和透过了所述色生成器的光，在所述第1被照明区域与所述第2被照明区域之间的光路中生成第3被照明区域，改变该第3被照明区域的照明光的行进方向，生成所述第2被照明区域的照明光。

本发明还可以构成为，该投射装置具有色合成光学系统，该色合成光学系统对通过所述色生成器进行了波长变换的光和透过了所述色生成器的光进行合成，生成所述第3被照明区域的照明光。

本发明还可以构成为，所述光调制器具有多个光调制部，该多个光调制部使用分别不同的波段的光，生成个别的调制图像，所述中继光学系统对与所述多个光调制部分别对应地设置的多个所述第2被照明区域进行照明。

本发明的另一个方面提供一种照明装置，其具有：光学元件，其扩散相干光；照射装置，其以使得相干光在所述光学元件上进行扫描的方式，向所述光学元件照射相干光；色生成器，其以时分方式进行被由所述光学元件扩散的相干光进行照明的第1被照明区域内的光的波长变换和透过；以及一个以上的中继光学系统，其改变通过所述色生成器进行了波长变换的光和透过了所述色生成器的光的行进方向，生成对第2被照明区域进行照明的照明光，所述第1被照明区域和所述第2被照明区域处于光学共轭关系，所述色生成器具有：荧光部，其被由所述光学元件扩散的相干光激励，生成波段与该光不同的光；以及透过部，其使由所述光学元件扩散的相干光不扩散地透过，所述色生成器对于使由所述光学元件扩散的相干光射入到所述荧光部还是射入到所述透过部，周期性地进行切换。

根据本发明，能够简化光学系统的结构，并且能够提升相干光的利用效率。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的投射装置1的光学系统的结构的图。

图2是第1实施方式的旋转轮13的俯视图。

图3是表示本实施方式的光学元件2的详细情况的图。

图4是表示本发明的第2实施方式的投射装置1的光学系统的结构的图。

图5是第2实施方式的旋转轮13的俯视图。

图6是表示本发明的第3实施方式的投射装置1的光学系统的结构的图。

图7是表示荧光部14的剖面结构的一例的图。

图8是表示本发明的第4实施方式的投射装置1的光学系统的结构的图。

图9是表示本发明的第5实施方式的投射装置1的光学系统的结构的图。

具体实施方式

以下，根据附图说明本发明的一个实施方式。另外，关于本申请说明书所附的附图，为了便于图示和理解，将比例尺和纵横尺寸比等基于实物情况适当变更而凸显示出。

(第1实施方式)

图1是表示本发明的第1实施方式的投射装置1的光学系统的结构的图。在图1中，示出了投射装置1的主要的光学部件，而有些情况下未图示的光学部件也存在于投射装置1内。

图1的投射装置1具有光学元件2、照射装置3、色生成器4、中继光学系统5、色分离光学系统6、色合成光学系统7、光调制器8和投射光学系统9。其中，通过光学元件2和照射装置3构成照明装置10。

光学元件2扩散来自照射装置3的相干光。光学元件2例如既可以通过能够再生散乱板的像的记录有折射条纹的未图示的全息记录介质构成，也可以使用透镜阵列构成。在本实施方式中，说明使用透镜阵列的光学元件2的示例。这种情况下的光学元件2的具体结构将在后面叙述。

照射装置3具有照射特定的波段的相干光的激光源11、以及使从激光源11照射的相干光在光学元件2的表面上进行扫描的光扫描装置12。

作为使用激光源11的理由，可举出相比于其他光源寿命较长而不耗费维护成本的原因、能够使得光源本身变得小型的原因、相干光的直进性优良因而能够提升光的利用效率的原因。在本实施方式中，使用照射蓝色的波段的相干光的激光源11。仅凭单一的激光源11，有时无法获得充分的光强度，因此可以设置具有多个照射蓝色的波段的相干光的激光源11的激光单元。

光扫描装置12使来自激光源11的相干光的反射角度以固定周期可变，从而使被反射的相干光在光学元件2的表面上进行扫描。由此，被光学元件2扩散的相干光将会以随时间不同而不同的射入角度射入到后述的色生成器4的表面上，在色生成器4的表面上重叠不相关的斑纹图案，使得斑纹图案不再显著。

光扫描装置12使被照射来自激光源11的相干光的反射镜部件通过MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)等进行振动或通过马达进行旋转等，使照射在反射镜部件上的相干光的反射角度在一维方向或二维方向上变化。

在本实施方式中，将光学元件2在色生成器4的表面上形成的均匀光区域称作第1被照明区域LZ1。如上所述，射入到第1被照明区域LZ1内的相干光的射入角度发生时间性变化，在第1被照明区域LZ1内变得不易视觉确认到斑纹图案。

第1被照明区域LZ1与被重叠配置在后述的光调制器8的位置处的第2被照明区域LZ2存在共轭关系。即，第1被照明区域LZ1和第2被照明区域LZ2呈相似的形状。因此，用于对第1被照明区域LZ1进行照明的相干光还可被用于通过中继光学系统5对第2被照明区域LZ2进行照明，光的利用效率提升。在设计图1的投射装置1的光学系统时，以使得形成在色生成器4的表面上的第1被照明区域LZ1与被重叠配置在光调制器8的位置上的第2被照明区域LZ2成为共轭关系的方式，配置各光学部件。

色生成器4以时分方式进行通过被光学元件2扩散的相干光进行照明的第1被照明区域LZ1内的光的波长变换和透过。在图1中，作为色生成器4的具体示例而使用旋转轮13。

图2是旋转轮13的俯视图。图2的旋转轮13具有绕在中心配置的旋转轴13a旋转自如的圆盘13b，在该圆盘13b的表面上，沿周向设置有荧光部14和透过部15。荧光部14被由光学元件2扩散的相干光激励，生成波段与该相干光不同的光。透过部15使被光学元件2扩散的相干光不扩散地透过。通过旋转轮13的旋转，能够周期性地切换被光学元件2扩散的相干光向荧光部14的射入和向透过部15的射入。

现有的旋转轮13在使被照射在旋转轮13上的相干光透过时，设置磨砂玻璃那样的扩散层，有意地使相干光扩散。这是为了通过扩散层使相干光扩散而不易视觉确认到斑纹。与此相对，在本实施方式中，如上所述，在相比于旋转轮13的前侧采取斑纹对策，使得在旋转轮13上的第1被照明区域LZ1内斑纹变得不再显著，因而不需要磨砂玻璃等的扩散层。于是，在本实施方式中，沿旋转轮13的周向设置透过部15。在透过部15中，使来自光学元件2的相干光直接透过，因此相比于设置磨砂玻璃等的扩散层的情况而言，光不会发生损失，能够提升光的利用效率。

旋转轮13上的荧光部14被蓝色的波段的相干光激励，生成红色的波段的相干光和绿色的波段的相干光。通过荧光部14生成的红色的波段的相干光和绿色的波段的相干光朝向来自光学元件2的相干光的射入方向而被射出。即，红色和绿色的相干光在旋转轮13被反射后射出，而蓝色的相干光透过旋转轮13后被射出。

中继光学系统5使通过色生成器4进行了波长变换的光和透过了色生成器4的光的行进方向发生变化，生成对第2被照明区域LZ2进行照明的照明光。

中继光学系统5可以通过组合若干个不同的中继光学系统而构成。在图1中，具有改变透过作为色生成器4的旋转轮13的蓝色的相干光的行进方向的第1中继光学系统5a、改变通过旋转轮13被波长变换的红色和绿色的相干光的行进方向的第2中继光学系统5b、以及根据后述的中间像生成对第2被照明区域LZ2进行照明的照明光的第3中继光学系统5c。

第1～第3中继光学系统5a～5c均包括使射入光反射的反射镜和会聚射入光的凸透镜，然而也可以包含除此以外的光学部件、例如使光变得均匀的均匀化光学系统等。

色分离光学系统6具有分色镜16。该分色镜16由具备波长选择性的电介体多层膜形成，该电介体多层膜将来自光学元件2的相干光引导至旋转轮13，并且使被旋转轮13反射的红色和绿色的相干光的行进方向改变90°。

第2中继光学系统5b切换被分色镜16分离的红色和绿色的相干光的行进方向。

通过了第1中继光学系统5a的蓝色的相干光和通过了第2中继光学系统5b的红色和绿色的相干光被色合成光学系统7合成，从而生成对第3被照明区域LZ3进行照明的照明光。该第3被照明区域LZ3是供中间像17形成的区域，在该处不应配置光调制器8。另外，是否设置中间像17可任意选择，并非必须。即，可以在第3被照明区域LZ3的位置处配置光调制器8。

位于中间像17的位置处的第3被照明区域LZ3的照明光被射入到第3中继光学系统5c，光的行进方向发生变更，最终生成对第2被照明区域LZ2进行照明的照明光。

如上所述，由于第2被照明区域LZ2被重叠配置于光调制器8的位置处，因此光调制器8接收第2被照明区域LZ2的照明光，生成调制图像。该调制图像通过投射光学系统9的投影透镜9a，被投射在扩散屏幕18上。

作为光调制器8，例如可以使用透过型的液晶微型显示器、例如LCOS(Liquid Crystal on Silicon：硅基液晶)。这种情况下，通过照明装置10而呈面状照明的液晶微型显示器按照每个像素选择相干光并使其透过，从而在液晶微型显示器上形成调制图像。如上得到的调制图像(映像光)通过投射光学系统9根据需要变倍而被投射在扩散屏幕18上。被投射在扩散屏幕18上的调制图像的斑纹图案随时间发生变化，因此斑纹无法被观察到。

或者，作为光调制器8还可以使用反射型的微型显示器。这种情况下，通过在光调制器8上的反射光形成调制图像，光调制器8的被从照明装置10照射相干光的面与通过光调制器8生成的调制图像的映像光(反射光)的射出面成为同一个面。在使用这种反射光的情况下，作为光调制器8可使用DMD(Digital Micromirror Device：数字微镜器件)等的MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)元件。在上述日本特开2008-224760号公报所公开的装置中，将DMD用作光调制器8。

此外，光调制器8的射入面优选为与第2被照明区域LZ2相同的形状和大小。这种情况下，能够将来自激光源11的相干光以较高的利用效率用于在扩散屏幕18上的映像的显示。

位于与上述中间像17接近的位置处的透镜19的射出瞳孔与投射光学系统9内的投影透镜9a的射入瞳处于共轭关系。由此，通过透镜19的射出瞳孔的中间像17通过投影透镜9a而被投影在扩散屏幕18上。扩散屏幕18既可以是透过型也可以是反射型。

如上所述，在本实施方式中，通过设置于照射装置3内的光扫描装置12，使相干光在光学元件2上进行扫描，因此在扩散屏幕18上发生的斑纹会随时间而重叠且被平均，使得在扩散屏幕18上发生的斑纹变得不再显著。

如后述的另一个实施方式所说明的那样，图1的结构中的色合成光学系统7并非必须要件，而且也无需设置多个中继光学系统5。此外，如上所述，也不必须形成中间像17。

图3是表示本实施方式的光学元件2的详细情况的图。图3的光学元件2构成为其上沿光轴按顺序排列着第1透镜阵列21、第2透镜阵列22和场透镜23。第1透镜阵列21将多个要素透镜沿与光轴垂直的面排列而成。多个要素透镜的直径全都相同，各要素透镜的焦点距离也都相同。第2透镜阵列22将与第1透镜阵列21的各要素透镜对应起来设置的多个要素透镜沿与光轴垂直的面排列而成。第2透镜阵列22的各要素透镜被设置在第1透镜阵列21的对应的要素透镜的焦点位置处。由此，通过第1透镜阵列21的各要素透镜而会聚的光在第2透镜阵列22的对应的要素透镜上成像。

通过了第2透镜阵列22的各要素透镜后的光通过场透镜23而对旋转轮13上的第1被照明区域LZ1进行照明。如图3所示，第2透镜阵列22的各要素透镜对第1被照明区域LZ1整体进行照明。

光扫描装置12使相干光在第1透镜阵列21上进行扫描。由此，从第1透镜阵列21内的各要素透镜射入第2透镜阵列22内的对应的要素透镜的相干光的射入角度会随时间而发生变化。因此，从第2透镜阵列22通过场透镜23对旋转轮13上的第1被照明区域LZ1进行照明的照明光的射入角度也会随时间而发生变化，使得第1被照明区域LZ1的斑纹不易被视觉确认到。

这样，在第1实施方式中，将通过光学元件2使光强度变得均匀的相干光射入旋转轮13，因此不必在旋转轮13的光轴后方侧设置光的均匀化手段即可，既能够提升光的利用效率，又能够简化光学系统的结构。

此外，本实施方式的光学元件2通过全息或透镜阵列等的光的利用效率较高的手法来进行光强度的均匀化处理，因此能够抑制在旋转轮13的光轴前方的相干光的损失。

进而，在本实施方式中，通过光扫描装置12和光学元件2在不易视觉确认到斑纹的状态下使相干光射入旋转轮13，因此即使不在旋转轮13上设置磨砂玻璃等的扩散部件，在第1被摄体区域或第2被摄体区域也不易视觉确认到斑纹。因此，只要在旋转轮13上设置透过部15以使射入光直接透过即可，因而能够进一步提升光的利用效率。

(第2实施方式)

上述第1实施方式示出了仅将蓝色的波段的相干光从激光源11照射的示例，而在以下说明的第2实施方式中，通过激光源11照射蓝色和红色的波段的2种相干光。

图4是表示本发明的第2实施方式的投射装置1的光学系统的结构的图。图4的投射装置1中，除激光源11的结构与图1不同之外，均与图1同样地构成。图4的激光源11具有照射蓝色的波段的相干光的第1光源部11a、以及照射红色的波段的相干光的第2光源部11b。第1光源部11a和第2光源部11b排他地照射相干光。即，在第1光源部11a照射蓝色的相干光的期间内，第2光源部11b停止照射，而在第2光源部11b照射红色的相干光的期间内，第1光源部11a停止相干光的照射。由第1光源部11a照射的蓝色的相干光也会用于通过旋转轮13生成绿色的光，因而第1光源部11a照射相干光的时间被设定为第2光源部11b照射相干光的时间的2倍。

这2种相干光通过光扫描装置12被反射，在光学元件2上进行扫描。并且，光学元件2使2种相干光以时分交替扩散，对旋转轮13上的第1被照明区域LZ1进行照明。

作为色生成器4的旋转轮13例如图5所示，沿周向具有透过部15和1个荧光部14。透过部15具有荧光部14的2倍的圆弧长度。蓝色和红色的相干光在透过部15中透过后被射出，绿色的相干光通过荧光部14而被生成。

若激光源11照射蓝色的相干光，则第1被照明区域LZ1的照明光也成为蓝色的相干光，该光会透过旋转轮13的透过部15，或者被射入荧光部14。若蓝色的相干光被射入荧光部14，则荧光部14被激励，生成绿色的光。该绿色的光被旋转轮13反射，通过第2中继光学系统5b而被射入色合成光学系统7。

此外，透过旋转轮13的透过部15后的蓝色和红色的相干光通过第1中继光学系统5a而被射入色合成光学系统7。色合成光学系统7对通过了第1中继光学系统5a的蓝色和红色的相干光和通过了第2中继光学系统5b的绿色的相干光进行合成，在第3被照明区域LZ3形成中间像17。此后，与第1实施方式同样地，通过第3中继光学系统5c，对第2被照明区域LZ2进行照明。

这样，在第2实施方式中，从第1光源部11a和第2光源部11b以时分照射蓝色和红色的相干光，通过旋转轮13生成绿色的相干光，因此能够利用合成了3色的颜色，对被重叠配置在光调制器8上的第2被摄体区域进行照明。

此外，在第2实施方式中，同样在通过光学元件2进行了光的均匀化后，对旋转轮13上的第1被照明区域LZ1进行照明，因此在旋转轮13的光轴后方不需要光的均匀化手段。进而，通过光扫描装置12和光学元件2，使得斑纹变得不再显著，因此也无需在旋转轮13的光轴后方采取斑纹对策，能够简化投射装置1的光学系统的结构。

(第3实施方式)

在以下说明的第3实施方式中，使通过旋转轮13的荧光部14生成的相干光透过而不进行反射。

图6是表示本发明的第3实施方式的投射装置1的光学系统的结构的图。图6的投射装置1内的激光源11与图1同样地，照射蓝色的波段的相干光。图6的旋转轮13与图2同样地具有荧光部14和透过部15，而荧光部14将通过激励生成的相干光在与透过部15相同的方向上透过旋转轮13输出。

图7是表示荧光部14的剖面结构的一例的图。如图7所示，荧光部14构成为在荧光层14a的两面上配置有电介体多层膜14b、14c的层积结构。荧光层14a被蓝色的波段的相干光激励，生成绿色的波段的光。接近光学元件2的一侧的电介体多层膜14b具备反射绿色的波段的光的性质，接近第1中继光学系统5a的一侧的电介体多层膜14c具备反射蓝色的波段的光的性质。由此，通过荧光层14a生成的绿色的波段的光通过电介体多层膜14c而被射入第1中继光学系统5a。

在图6的投射装置1中，红、绿和蓝的波段的光透过旋转轮13而被射入第1中继光学系统5a，因此不需要在图1或图4中所需的第2中继光学系统5b和色合成光学系统7。

第1中继光学系统5a使红色、绿色和蓝色的波段的光的行进方向以时分在相同方向上变化，生成中间像17。并且，通过第3中继光学系统5c，生成对第2被照明区域LZ2进行照明的照明光。

在第3实施方式中，中间像17的生成并非必须，也不是必须设置第3中继光学系统5c。此外，可以将中间像17的生成位置作为第2被照明区域LZ2。

这样，在第3实施方式中，使通过旋转轮13的荧光部14生成的光也透过旋转轮13而射入第1中继光学系统5a，因此不需要第2中继光学系统5b，相比第1和第2实施方式能够进一步简化投射装置1的光学系统的结构。

(第4实施方式)

在以下说明的第4实施方式中，进一步简化第3实施方式，在不生成中间像17的情况下对第2被照明区域LZ2进行照明。

图8是表示本发明的第4实施方式的投射装置1的光学系统的结构的图。在图8的投射装置1中，与第3实施方式同样地，使透过了旋转轮13的红色、绿色和蓝色的波段的相干光以时分射入第1中继光学系统5a。通过第1中继光学系统5a后的光直接对第2被照明区域LZ2进行照明，在该第2被照明区域LZ2的位置上设置有光调制器8。

这样，在第4实施方式中，利用通过了第1中继光学系统5a的光，直接对第2被照明区域LZ2进行照明，因此不需要第2中继光学系统5b或第3中继光学系统5c，也不必形成中间像，因此相比第3实施方式能够进一步简化投射装置1的光学系统。

(第5实施方式)

在以下说明的第5实施方式中，光调制器8按照各种颜色分别设置。

图9是表示本发明的第5实施方式的投射装置1的光学系统的结构的图。图9的投射装置1内的光调制器8具有红色用的光调制器8a、绿色用的光调制器8b和蓝色用的光调制器8c。在这3个光调制器8a、8b、8c与第1中继光学系统5a之间设置有按照各色切换光的方向的光方向切换器30。光方向切换器30例如通过组合多个光学棱镜而构成。

图9的投射装置1的从激光源11到第1中继光学系统5a的结构都与图8同样构成。通过第1中继光学系统5a后的光以时分方式包含红色、绿色或蓝色的波段的光，而使通过了第1中继光学系统5a的光射入到光方向切换器30，由此使得红色的光对被重叠配置在红色用的光调制器8的位置处的第2被照明区域LZ2进行照明，绿色的光对被重叠配置在绿色用的光调制器8的位置处的第2被照明区域LZ2进行照明，蓝色的光对被重叠配置在蓝色用的光调制器8的位置处的第2被照明区域LZ2进行照明。此外，由这3个光调制器8生成的调制图像通过光方向切换器30以合成的状态被射入投射光学系统9。

这样，在按照各色分别设置各个光调制器8的情况下，通过在第1中继光学系统5a的光轴后方设置光方向切换器30，能够生成对各光调制器8进行照明的照明光。

此外，在上述第3～第5实施方式中，在通过光学元件2进行了光的均匀化后，对旋转轮13上的第1被照明区域LZ1进行照明，因此在旋转轮13的光轴后方不需要光的均匀化手段。进而，通过光扫描装置12和光学元件2使得斑纹变得不再显著，因此还无需在旋转轮13的光轴后方采取斑纹对策，能够简化投射装置1的光学构成。

本发明的方式不限于上述各个实施方式，还包含本领域普通技术人员能够想到的各种的变形，本发明的效果也不限定于上述内容。即，可以在不脱离根据权利要求书所规定的内容及其均等物而导出的本发明的概念性思想和主旨的范围内进行各种追加、变更和部分的削除。