照明装置、图像显示装置以及投影机的制作方法

专利名称：照明装置、图像显示装置以及投影机的制作方法
技术领域：
本发明涉及照明装置、图^象显示装置以及投影才几，特别涉及使用激光 光源的照明装置的技术。
背景技术：
近年，提出了在投影机的照明装置中使用激光光源的技术。对于使激 光在被照射面上重叠的重叠部件，例如能够使用衍射光学元件。衍射光学 元件通过使作为相干光的激光衍射，进行照射区域的整形和放大、照射区 域的光量分布的均匀化。通过利用衍射光学元件实现多个功能，照明装置 能够以少的零部件个数形成，小型化、节省空间变得容易。当来自衍射光 学元件的零次光和衍射光入射到被照射面时，由于零次光和衍射光重叠， 因此只有照射区域的一部分变得明亮。由于只有照射区域的一部分变得明 亮，因此得到良好的光量分布变得困难。与此相对，通过使零次光向被照 射面以外的位置行进，照射区域的光量分布的均匀化变得容易。例如，在 专利文献l中提出了在从光源部射出的激光的光线的延长线上的位置以外 的位置设置被照射面的技术。从衍射光学元件射出的零次光在从光源部射 出的激光的光线的延长线上行进，向被照射面以外的位置行进。特开2007-S8148号公报
在专利文献l中提出的技术中，从衍射光学元件射出的衍射光的主光 线相对于配置衍射光学元件的基准面的垂线倾斜较大。衍射光学元件为了
量分布的均匀化，需要高超的设计技术。因此，如果采用以往的技术，则 产生照射区域的整形和光量分布的均匀化变得困难这一 问题。本发明正是鉴于上述的问题而提出的，其目的在于提供能够容易地进行照射区域的整 形和光量分布的均匀化的照明装置、使用该照明装置的图像显示装置以及 投影机。

发明内容
为了解决上述课题以实现目的，本发明的照明装置，其特征在于，具
被照射面行进的衍射光学元件；衍射光学元件被配置为相对于配置衍射光 学元件的基准面的垂线，相干光斜着入射；使从衍射光学元件射出的光中 作为衍射光以外的光的零次光向被照射面以外的位置行进。
进。通过使零次光向相对于基准面的垂线倾斜的方向行进，能够减小基准 面的垂线和衍射光的主光线所形成的角度。越能够减小相对于基准面的垂 线的衍射光的主光线的倾斜度，越能够设计能够容易地进行照射区域的整 形和光量分布的均匀化的衍射光学元件。由此，得到能够容易地进行照射 区域的整形以及光量分布的均匀化的照明装置。
此外，作为本发明的优选形式，优选地，在设置为使被照射面向与构 成照明装置的照明光学系统的光轴平行的方向移动的情况下，如果将由被 照射面的轨迹形成的空间区域设为规定区域，则至少衍射光学元件的一部 分包含在规定区域中。当衍射光学元件的一部分包含在规定区域中时，与 将衍射光学元件配置在从规定区域离开的位置的情况相比，能够使得使用 照明装置的设备紧凑。此外，能够使从衍射光学元件射出的衍射光的主光 线相对于被照射面尽可能地接近垂直。
此外，作为本发明的优选形式，优选地，基准面与光轴大致正交。由 此，能够j免基准面的垂线和衍射光的主光线所形成的角度最小，能够最容 易地进行照射区域的整形以及光量分布的均匀化。此外，能够使衍射光的 主光线相对于被照射面最接近垂直。
此外，作为本发明的优选形式，优选地，具有对来自衍射光学元件的衍射光的光束进行平行化并使其向被照射面行进的平行化透镜。越能够减 小相对于基准面的垂线的衍射光的主光线的倾斜度，越能够使用具备与球 面的一部分大致同一形状的球面透镜的中央部分。由于能够使用球面透镜 的中央部分，因此，与使用球面透镜的外边缘部附近的部分的情况相比， 能够降低球面透镜的像差的影响。由于能够降低像差的影响，因此能够减 轻由于照射区域的亮度不均匀或照射区域的失真而引起的光利用效率的低 下。由此，使用相对于非球面透镜能够容易制造的球面透镜，能够减轻亮 度不均匀以及光利用效率低下。
此外，作为本发明的优选形式，优选地，如果将沿着^L照射面的特定 方向设为第1方向，并将沿着被照射面且与第1方向大致正交的方向设为 第2方向，则被照射面中作为衍射光入射的区域的照射区域形成相对于第 1方向在第2方向上长的形状，向衍射光学元件入射的相干光的主光线相 对于垂线向第1方向倾斜。由此，能够尽可能地减小零次光的光线和衍射 光的主光线所形成的角度。越能够减小零次光的光线和衍射光的主光线所 形成的角度，越能够提高衍射光学元件的衍射效率，实现高的光利用效率。
此外，作为本发明的优选形式，优选地，具有多个光源部。通过^f吏用 多个光源部，能够提供明亮的光。
此外，作为本发明的优选形式，优选地，多个光源部4吏相干光关于构 成照明装置的照明光学系统的光轴或者包含光轴的面大致对称地行进。由 此，能够使各个零次光向被照射面以外的位置行进，并且减小零次光的光 线和衍射光的主光线所形成的角度。
此外，作为本发明的优选形式，优选地，从光源部射出的相干光的主 光线彼此在光源部和衍射光学元件之间的光路上最接近。通过使在光源部 和衍射光学元件之间收束的各个相干光向衍射光学元件入射，与使从各光 源部发散的相干光向衍射光学元件入射的情况相比，能够使用小的入射面 的衍射光学元件。由此，能够使衍射光学元件小型化，并能够降低衍射光 学元件的制造时间和成本。
此外，作为本发明的优选形式，优选地，从f汙射光学元件射出的零次光的主光线彼此在衍射光学元件和被照射面之间的光路上最接近。在这种 情况下，也是由于能够使衍射光学元件小型化，因此能够降低衍射光学元 件的制造时间和成本。进而，由于能够缩短光源部和衍射光学元件的间隔， 因此，还能够实现照明装置的小型化。
此外，作为本发明的优选形式，优选地，具有4吏从光源部射出的相干 光偏转并向衍射光学元件入射的偏转元件。由此，能够4吏相对于基准面的 垂线斜着行进的相干光向衍射光学元件入射。通过使用偏转元件使激光适 当地偏转，能够以高的自由度配置光源部。
此外，作为本发明的优选形式，优选地，偏转元件^f吏相干光折射。由 此，能够使相关光偏转。
此外，作为本发明的优选形式，优选地，偏转元件使相干光衍射。由 此，能够使相干光偏转。
此外，作为本发明的优选形式，优选地，偏转元件和衍射光学元件,皮 一体地构成。由此，能够减少照明装置的零部件数量，能够使照明装置简 单并且紧凑。
进一步地，本发明的图像显示装置，其特征在于，使用由上述照明装 置提供的光来显示图像。通过使用上述的照明装置，能够利用紧凑的构成 得到良好的光量分布以及高的光利用效率。由此，通过紧凑的构成，得到 能够以良好的光量分布显示明亮的图像的图像显示装置。
进一步地，本发明的投影机，其特征在于，具有上述的照明装置； 根据图像信号调制由照明装置提供的光的空间光调制装置；以及投影从空 间光调制装置射出的光的投影光学系统。通过使用上述的照明装置，能够 利用紧凑的构成得到良好的光量分布以及高的光利用效率。由此，通过紧 凑的构成，得到能够以良好的光量分布显示明亮的图像的投影机。由于能 够抑制向空间光调制装置入射的光线所形成的角度，因此，还可以显示高 对比度的图像。


图1是表示根据本发明的实施例1的投影机的上面概略构成的图。
图2是模式地表示在衍射光学元件上形成的衍射光栅的图。 图3是表示衍射光栅的一部分的剖面构成的图。 图4是表示第1照明装置的侧面概略构成的图。 图5是表示以往的照明装置等的侧面概略构成的图。 图6是说明使用以往的照明装置时的照射区域的图。 图7是说明使用第1照明装置时的照射区域的图。 图8是表示入射光线的延长线和衍射光的光束所形成的角度与衍射效 率的关系的图。
图9是激光的主光线相对于垂线向X轴方向倾斜时的图。 图10是激光的主光线相对于垂线向Y轴方向倾斜时的图。 图ll是相对于光轴倾斜入射面的垂线配置衍射光学元件时的图。 图12是表示根据本发明的实施例2的照明装置的侧面构成的图。 图13是表示根据本发明的实施例3的照明装置的侧面构成的图。 图14是说明使激光大致对称地行进的优点的图。 图15是说明实施例3的变形例1的图。 图16是i兌明实施例3的变形例2的图。
图17是表示根据本发明的实施例4的照明装置的侧面概略构成的图。
图18是表示根据实施例4的变形例1的照明装置的侧面构成的图。
图19是表示作为偏转元件使用的衍射光栅的图。
图20是表示作为偏转元件使用的闪耀光栅的图。
图21是表示根据实施例4的变形例2的照明装置的侧面概略构成的图。
图22是表示根据本发明的实施例5的照明装置的侧面概略构成的图。 图23表示根据实施例5的变形例的照明装置的侧面概略构成的图。 符号说明
10:投影机；11R:第1照明装置；11G:第2照明装置；11B:第3照明 装置；12R、 12G、 12B:激光光源；13R、 13G、 13B:衍射光学元件；14:平行化透镜；15R:第1空间光调制装置；15G:第2空间光调制装置；15B: 第3空间光调制装置；16:交叉分色棱镜；17:第1分色膜；18:第2分 色膜；19:投影透镜；20:衍射光栅；22:矩形区域；21:光吸收部；AX: 光轴；L0:零次光；Ll: 一次衍射光；N:垂线；Sl:入射面；S2:被照 射面；23:照明装置；24:衍射光学元件；25:平行化透镜；LA:照射区 域；PA:像素区域；L1C:主光线；27:规定区域；12:激光光源；15: 空间光调制装置；30:照明装置；31:矛汙射光学元件；12a、 12b:激光光 源；33:照明装置；34:衍射光学元件；L0a、 L0b:零次光；Lla、 Lib: 一次衍射光；S3: XZ平面；S4: YZ平面；36:衍射光学元件；40:照明 装置；41:棱镜；42:界面；44:照明装置；45:凹透镜；46:凹面；47: 衍射光栅；48:闪耀光栅；50:照明装置；51:光学元件；52:闪耀光栅； 53:衍射光栅；60:照明装置；61:衍射光学元件；65:照明装置；66: 衍射光学元件。
具体实施例方式
以下参照附图，详细说明本发明的实施例。实施例1
图1示出根据本发明的实施例1的投影机10的上面概略构成。投影机 10是通过使光投影到屏幕(未图示)上并观察在屏幕上反射的光来欣赏图 像的正投影型投影机。投影机10具有第1照明装置IIR、第2照明装置 IIG、第3照明装置11B。第1照明装置IIR是提供作为第l颜色光的红 色(R)光的照明装置。第2照明装置11G是提供作为第2颜色光的绿色 (G )光的照明装置。第3照明装置11B是提供作为第3颜色光的蓝色(B ) 光的照明装置。投影机10是使用由第1照明装置11R提供的R光、由第 2照明装置11G提供的G光、由第3照明装置11B提供的B光显示图像 的图像显示装置。
第1照明装置11R具有射出R光的激光光源12R。激光光源12R是 射出作为相干光的激光的光源部，例如具备半导体激光器。衍射光学元件13R使来自激光光源12R的R光衍射，并使衍射光向第1空间光调制装置 15R的被照射面行进。衍射光学元件13R在第1空间光调制装置15R的被 照射面上，形成矩形形状且被均匀化的光量分布的照射区域。衍射光学元 件13R进行照射区域的整形和放大、照射区域的光量分布的均匀化。平行 化透镜14对来自衍射光学元件13R的衍射光的光束进行平行化并使其向 被照射面行进。笫1空间光调制装置15R是根据图像信号调制由第1照明 装置11R提供的R光的空间光调制装置，是透过型液晶显示装置。来自第 1空间光调制装置15R的R光向交叉分色棱镜16入射。
第2照明装置11G具有射出G光的激光光源12G。激光光源12G是 射出作为相干光的激光的光源部，例如具备半导体激光器。衍射光学元件 13G使来自激光光源12G的G光衍射，并使衍射光向第2空间光调制装置 15G的被照射面行进。衍射光学元件13G在第2空间光调制装置15G的被 照射面上，形成矩形形状且^^均匀化的光量分布的照射区域。矛汴射光学元 件13G进行照射区域的整形和放大、照射区域的光量分布的均匀化。平行 化透镜14对来自衍射光学元件13G的衍射光的光束进行平行化并使其向 被照射面行进。第2空间光调制装置15G是根据图像信号调制由第2照明 装置11G提供的G光的空间光调制装置，是透过型液晶显示装置。来自第 2空间光调制装置15G的G光向交叉分色棱镜16中与R光入射的面不同 的面入射。
第3照明装置11B具有射出B光的激光光源12B。激光光源12B是射 出作为相干光的激光的光源部，例如具备半导体激光器。衍射光学元件13B 使来自激光光源12B的B光衍射，并使衍射光向第3空间光调制装置15B 的被照射面行进。衍射光学元件13B在第3空间光调制装置15B的被照射 面上，形成矩形形状且被均匀化的光量分布的照射区域。衍射光学元件13B 进行照射区域的整形和放大、照射区域的光量分布的均匀化。平行化透镜
行进。第3空间光调制装置15B是根据图傳4言号调制由第3照明装置11B 提供的B光的空间光调制装置，是透过型液晶显示装置。来自第3空间光调制装置15B的B光向交叉分色棱镜16中与R光入射的面和G光入射的 面不同的面入射。
作为衍射光学元件13R、 13G、 13B,例如能够使用计算机合成全息图 (CGH)。作为透过型液晶显示装置，例如能够使用高温多晶硅TFT液 晶面板(HTPS)。
交叉分色棱镜16具有相互大致正交配置的2个分色膜17、 18。第1 分色膜17反射R光，使G光和B光透过。第2分色膜18反射B光，使 R光和G光透过。交叉分色棱镜16合成从各个不同的方向入射的R光、 G光和B光，并向投影透镜19的方向射出。投影透镜19具有作为投影从 各空间光调制装置15R、 15G、 15B射出的光的投影光学系统的功能。
图2模式地示出在衍射光学元件13R、 13G、 13B上形成的衍射光栅 20。图3示出图2的AA剖面构成。衍射光栅20在衍射光学元件13R、13G、 13B中激光入射的位置上形成。衍射光栅20在衍射光学元件13R、 13G、 13B的表面，例如射出光的射出面上形成。衍射光栅20包括以矩形区域 22为单位形成的多个凹凸。这些凹凸在图3所示的剖面中形成矩形形状。 在图2中，通过在各矩形区域22上涂满或附加剖面线等，表示设置有向与 纸面垂直的方向的高低差。
衍射光栅20对于每个矩阵区域22使激光的相位变化。衍射光学元件 13R、 13G、 13B通过在衍射光栅20中使激光的相位在空间上变化，产生 衍射光。通过对包含矩形区域22的间距和凹凸的高度的表面条件进行最佳 化，能够使衍射光学元件13R、 13G、 13B具有规定的功能。作为对衍射 光栅20的表面条件进行最佳化的设计方法，能够使用例如重复傅立叶变换 等规定的运算方法(模拟方法)。衍射光学元件13R、 13G、 13B除了设 置具备在剖面呈矩形形状的凹凸的衍射光栅20之外，也可以设置具备在剖 面呈三角形状的凹凸的衍射光栅。
例如，衍射光学元件13R、 13G、 13B能够在形成了具备所希望的形 状的模型后，使用将模型的形状热复制到！4^上的所谓纳米压印的方法制 造。此外，衍射光学元件13R、 13G、 13B如果能够形成所希望的形状，则也可以通过以往使用的其它方法制造。
图4示出第1照明装置11R的侧面概略构成。第1照明装置11R、第 2照明装置IIG、第3照明装置11B除了所提供的光的波长以及所配置的 朝向不同以外具有同样的构成。以下，以第1照明装置11R的构成为代表 例子进行说明。衍射光学元件13R、平行化透镜14、第l空间光调制装置 15R设置在构成第1照明装置IIR的照明光学系统的光轴AX上。假设光 轴AX是通过第1空间光调制装置IIR的照射区域的中心且与被照射面垂 直的线。平行化透镜14的主轴与光轴AX—致。将与光轴AX平行的轴设 为Z轴。X轴是与Z轴正交的轴。Y轴是与Z轴和X轴正交的轴。
衍射光学元件13R的入射面Sl、第1空间光调制装置15R的被照射 面S2任意一个都与光轴AX大致正交。入射面Sl和^ 皮照射面S2任意一 个都与X轴和Y轴大致平行。假设衍射光学元件13R的入射面Sl是配置 衍射光学元件13R的基准面。作为衍射光学元件13R的基准面的入射面 Sl的垂线N与光轴AX大致平行。激光光源12R以相对于垂线N激光的 主光线向Y轴方向倾斜的方式，使激光相对于垂线N斜着行进。衍射光学 元件13R被配置为相对于垂线N激光斜着入射。
衍射光学元件13R使从激光光源12R射出的激光衍射，并使一次衍射 光Ll向被照射面S2行进。衍射光学元件13R使用一次衍射光Ll，形成 矩形形状且#:均匀化的光量分布的照射区域。照射区域是#皮照射面S2中一 次衍射光Ll入射的区域。衍射光学元件13R射出作为一次衍射光Ll以外 的光的零次光L0。零次光L0是不在衍射光学元件13R处衍射而直接透过 衍射光学元件13R的光。
从衍射光学元件13射出的一次衍射光L1以光轴AX为中心扩展。从 矛汴射光学元件13R射出的一次矛汙射光Ll的主光线与光轴AX大致一致。 从衍射光学元件13R射出的零次光L0在从激光光源12R射出的激光的光 线的延长线上行进，并向被照射面S2以外的位置行进。通过使零次光LO 向被照射面S2以外的位置行进，减少照射区域的一部分变得明亮的不均匀 的发生，照射区域的光量分布的均匀化变得容易。在从衍射光学元件13R射出的零次光LO入射的位置设置有光吸收部 21。从衍射光学元件13R射出的零次光LO被光吸收部21吸收。光吸收部 21例如使用光吸收性树脂材料而构成。通过使用光吸收部21，能够降低散 射光的发生。
图5示出作为本实施例的比较例的以往的照明装置23以及从照明装置 23到投影透镜19的各部的侧面概略构成。照明装置23具有设置在同一光 轴AX上的激光光源12R、衍射光学元件24以及平行化透镜25。第1空 间光调制装置15R、交叉分色棱镜16以及投影透镜19被设置在从光轴AX 向特定方向，例如Y轴方向移动的位置上。激光光源12R使激光与垂线N 大致平行地行进。衍射光学元件24被配置为相对于垂线N，激光大致平行 地入射。
从衍射光学元件24射出的零次光L0与光轴AX大致平行地行进，向 被照射面S2以外的位置行进。从衍射光学元件24射出的一次衍射光Ll 向被照射面S2行进。从衍射光学元件24射出的一次衍射光Ll的主光线 相对于光轴AX倾斜。衍射光学元件24为了对相对于垂线N主光线较大 倾斜的衍射光实现照射区域的整形和光量分布的均匀化，需要高超的设计 技术。因此，根据本比较例的照明装置23存在照射区域的整形和光量分布 的均匀化变得困难的情况。
此外，通过采用使相对于光轴AX主光线倾斜的一次f;t射光Ll向第1 空间光调制装置15R入射的构成，与在光轴AX上配置第1空间光调制装 置15R的情况相比，投影机10也能够大型化。平行化透镜25使用外边缘 部附近的部分，使一次衍射光L1的光束平行化。
图6对使用以往的照明装置23时的照射区域LA进行说明。例如，平 行化透镜25是具备球面形状的球面透镜。球面透镜越使用靠近外边缘部的 部分，球面透镜的像差的影响越显著。例如，如果越使用靠近球面透镜的 外边缘部的部分，像缩小的畸变的影响越显著，则如图所示，相对于矩形 形状的像素区域PA，照射区域LA歪曲。照射区域LA从矩形形状开始变 形越大，则由于向像素区域PA以外的位置入射而损失的光越增加，光利用效率降低。此外，由于像差的影响，存在产生照射区域LA的亮度不均 匀的情况。在被照射面S2中，如果产生从光轴AX离开越远则越明亮的亮 度不均匀，则由于向像素区域PA以外的位置入射而损失的光将进一步增 加。为了降低这种像差的影响，在使用非球面透镜作为平行化透镜25时， 对非球面透镜需要高难度的设计。
返回图4，通过使零次光L0向相对于垂线N倾斜的方向行进，能够 减小垂线N和一次衍射光Ll的主光线所形成的角度。越能够减小相对于 垂线N的一次衍射光Ll的主光线的倾斜度，越能够设计能够容易地进行 照射区域的整形以及光量分布的均匀化的衍射光学元件13R。本实施例的 第1照明装置11R通过使衍射光学元件13的垂线N和一次衍射光Ll的 主光线大致一致，使照射区域的整形以及光量分布的均勻化变得最容易。 根据以上的说明，各照明装置IIR、 IIG、 11B达到能够容易地进行照射 区域的整形以及光量分布的均匀化的效果。
由于能够在光轴AX上配置第1空间光调制装置15R，因此投影机10 能够采用紧凑的构成。投影机10通过紧凑的构成，能够以良好的光量分布 显示明亮的图像。此外，还能够使一次衍射光L1以相对于被照射面S2尽 可能垂直的方式行进。由于能够抑制向第1空间光调制装置15R入射的一 次衍射光Ll的光线所形成的角度，因此还能够显示高对比度的图像。通 过使垂线N和一次衍射光Ll的主光线大致一致，平行化透镜14使用以光 轴AX为中心的中央部分，使一次衍射光L1的光束平行化。
图7对使用根据本实施例的第1照明装置11R时的照射区域LA进行 说明。例如，平行化透镜14是具备球面形状的球面透镜。由于能够使用球 面透镜的中央部分，因此，与使用球面透镜的外边缘部分近的部分的情况 相比，能够降低球面透镜的像差的影响。由于能够降低像差的影响，因此 能够降低由于照射区域LA的亮度不均匀、畸变而导致的光利用效率的低 下。由此，相对于非球面透镜使用能够容易制造的球面透镜，能够降低亮 度不均匀以及光利用效率低下。
图8表示向衍射光学元件13R入射的入射光线的延长线与衍射光的光束所形成的角度和衍射光学元件13R的衍射效率的关系。曲线图的纵轴表 示任意单位的衍射效率，横轴表示入射光线的延长线与衍射光的光束所形 成的角度。所谓衍射效率是表示从衍射光学元件13R射出的衍射光的强度 相对于向衍射光学元件13R入射的入射光的强度的值。对于第1照明装置 IIR，衍射光学元件13R的衍射效率越高，越能够实现高的光利用效率。 衍射光学元件13R能够根据设计合适地决定入射光线的延长线和衍射光的 光束所形成的角度。随着入射光线的延长线和衍射光的光束所形成的角度 从5度附近向7.5度附近增大，衍射光学元件13R的衍射效率变低。因此， 衍射光学元件13R为了使一次衍射光Ll向被照射面S2高效率地入射，理 想地，尽可能小地设定入射光线的延长线和一次衍射光Ll的光束所形成 的角度。
图9和图10对本实施例中为了得到高的衍射效率而希望的构成进行^兌 明。在图9和图10中，对于激光光源12R、衍射光学元件13R以及第1 空间光调制装置15R以外的构成省略了图示。在被照射面S2上形成的照
形形状。Y轴方向是沿着被照射面S2的特定方向，作为第1方向。X轴方 向是沿着被照射面S2且与作为第1方向的Y轴方向大致正交的方向，作 为第2方向。照射区域LA形成相对于作为第l方向的Y轴方向在作为第 2方向的X轴方向上长的形状。
图9对向衍射光学元件13R入射的激光的主光线相对于垂线N向X 轴方向倾斜的情况进行说明。图9左边表示XZ面内的零次光L0、 一次衍 射光Ll的动作。从衍射光学元件13R射出的零次光LO的光线与从激光光 源12R向衍射光学元件13R的入射光线的延长线一致。 一次衍射光Ll的 主光线L1C和零次光LO的光线形成角度6 ，。图9右边表示XY面内的零 次光LO的动作。
图10对向衍射光线元件13R入射的激光的主光线相对于垂线N向Y 轴方向倾斜的情况进行说明。图10左ii^示YZ面内的零次光LO、 一次 衍射光Ll的动作。 一次衍射光Ll的主光线L1C和零次光LO的光线形成角度6。图10右i4^示XY面内的零次光L0的动作。如果比较图9中的
角度e，以及图io中的角度e，则6，〉e的关系成立。
因此，衍射光学元件13R为了得到高的衍射效率，理想地，向衍射光 学元件13R入射的激光的主光线相对于垂线N，与X轴方向相比更向Y 轴方向倾斜。这样，根据照射区域LA的形状，通过尽可能减小零次光LO 的光线和一次衍射光L1的主光线L1C所形成的角度，能够提高在衍射光 学元件13R的衍射效率。通过提高衍射光学元件13R的衍射效率，投影机 10能够实现高的光利用效率。
衍射光学元件13R并不限于配置成入射面Sl与光轴AX正交的情况。 如图11所示，f汴射光学元件13R也可以配置成相对于与光轴AX正交的 XY平面，入射面S1倾斜。在这种情况下，入射面Sl的垂线N相对于光 轴AX倾斜。通过尽可能减小入射面Sl的垂线N和光轴AX所形成的角 度，能够容易地进行照射区域的整形以及光量分布的均匀化。
此外，衍射光学元件13R并不限于设置在光轴AX上的情况。衍射光 学元件13R只要至少衍射光学元件13R的一部分包含在以图中虛线表示的 规定区域27中即可。进一步地，优选地，衍射光学元件13R的入射面Sl 中激光入射的位置包含在规定区域27中。规定区域27是在使被照射面S2
域。当衍射光学元件13R的一部分包含在规定区域27中时，与衍射光学 元件13R被配置在从规定区域27离开的位置的情况相比，能够使投影机 10紧凑。此外，能够使从衍射光学元件13R射出的第1衍射光L1的主光 线相对于被照射面S2尽可能接近垂直。激光光源12R也可以配置在使激 光相对于衍射光学元件13R的入射面Sl的垂线斜着行进的任意一个位置。 对于激光光源12R，通过配置成至少一部分包含在规定区域27中，与在从 规定区域27离开的位置上配置激光光源12R的情况相比，也可以使投影 机10紧凑。
图12示出根据本发明的实施例2的照明装置30的侧面概略构成。本 实施例的照明装置30能够适用于根据上述实施例1的投影机10。对与上述实施例相同的部分付与相同的符号，并省略重复的说明。根据本实施例
的照明装置30具有3个激光光源12。激光光源12是射出作为相干光的激光的光源部。3个激光光源12在Y轴方向上并列。各个激光光源12都使激光相对于配置^f射光学元件31的作为基准面的入射面Sl的垂线N斜着行进。从各激光光源12射出的激光大致平行地行进。
衍射光学元件31使来自激光光源12的各激光衍射，并使第1衍射光Ll向空间光调制装置15的被照射面S2行进。衍射光学元件31使用在各激光入射的位置上设置的衍射光栅20 (参照图2)，使各激光衍射。空间光调制装置15是根据图像信号调制由照明装置30提供的激光的空间光调制装置。
衍射光学元件31被设计为由来自各激光光源12的激光产生的各个一次衍射光Ll在被照射面S2的照射区域上重叠。本实施例的照明装置30通过使用多个激光光源12，与使用一个激光光源12的情况相比，提供更明亮的光。此外，衍射光学元件31射出作为一次衍射光L1以外的光的零次光LO。通过使来自各激光光源12的激光向衍射光学元件31入射而产生的零次光LO大致平行地行进，向光吸收部21入射。
例如，如图11所示，当相对于光轴AX向Y轴方向倾斜垂线N配置f汙射光学元件13R时，在各个一次衍射光L1的焦点距离上产生差。如果在各个一次衍射光Ll的焦点距离上产生差，则通过平行化透镜14对一次衍射光Ll的光束进行平行化变得困难。因此，优选地，本实施例的照明装置30以相对于光轴AX垂线N变为大致平行的方式配置衍射光学元件13R。
激光光源12的数量和配置并不限于在本实施例中说明的情况。照明装置30只要是具有在X轴方向和Y轴方向的至少一方上并列的多个激光光源12的构成即可。
[实施例3
图13示出根据本发明的实施例3的照明装置33的侧面概略构成。本实施例的照明装置33能够适用于根据上述实施例1的投影机10。相对于在上述实施例2中使激光从多个激光光源中大致平行地行进，本实施例使激光从多个激光光源向彼此不同的方向行进。对与上述实施例相同的部分付与相同的符号，并省略重复的说明。本实施例的照明装置33具有第1激光光源12a、第2激光光源12b。第1激光光源12a、第2激光光源12b是射出作为相干光的激光的光源部。第1激光光源12a以及第2激光光源12b在Y轴方向上并列。
第1激光光源12a和第2激光光源12b使激光关于包含光轴AX的XZ平面大致对称地行进。来自第1激光光源12a的激光和来自第2激光光源12b的激光以关于Y轴方向相互离开的方式发散。衍射光学元件34被设计为由第l激光光源12a产生的一次衍射光Lla和由来自第2激光光源12b的激光产生的一次衍射光Llb在被照射面S2的照射区域重叠。由来自第1激光光源12a的激光产生的零次光L0a和由来自第2激光光源12b的激光产生的零次光L0b关于包含光轴AX的XZ平面大致对称地行进。在由来自第1激光光源12a的激光产生的零次光L0a入射的位置和由来自第2激光光源12b的激光产生的零次光L0b入射的位置分别设置有光吸收部21。
图14对使激光关于包含光轴AX的XZ平面大致对称地行进的优点进行说明。假设如虛线所示的使来自第2激光光源12b的激光向与来自第1激光光源12a的激光大致相同的方向行进。此时，将由来自第2激光光源12b的激光产生的一次衍射光Lib的主光线L1C和零次光LOb，的光线所形成的角度设为61，。由来自第2激光光源12b的激光产生的零次光LOb，和由来自第l激光光源12a的激光产生的一次衍射光Lla交叉。角度61，被设定为在平行化透镜14的前面零次光LOb，完全地穿过一次衍射光Lla的光束。
在以实线表示的本实施例的构成的情况下，将由来自第2激光光源12b的激光产生的一次衍射光Lib的主光线L1C和零次光L0b的光线所形成的角度设为61。在这种情况下，由来自第2激光光源12b的激光产生的零次光L0b与由来自第1激光光源12a的激光产生的 一次衍射光LI a不交叉。能够将角度6 1设定为比零次光L0b穿过一次衍射光Lla的光束时小。因此，如果比较角度ei，和角度ei,则ei，> 6i的关系成立。
根据以上说明，本实施例的照明装置33能够使零次光L0a、 LOb向被照射面S2以外的位置行进，并且减小零次光LOa、 LOb的光线和一次衍射光Lla、 Llb所形成的角度。如使用图8所述的，衍射光学元件34通过尽可能小地设定入射光线的延长线和衍射光的光束所形成的角度，能够得到高的矛汴射效率。通过减小零次光LOa、 LOb的光线和一次f汙射光Lla、 Lib所形成的角度，能够提高衍射光学元件34的衍射效率。因此，照明装置33能够实现高的光利用效率。
图15对本实施例的变形例1进行说明。在被照射面S2上形成的照射
形状。照射区域LA形成相对于作为第1方向的Y轴方向在作为第2方向的X轴方向上长的形状。
图15的上段表示利用第1激光光源12a和第2激光光源12b使激光关于包含光轴AX的XZ平面S3大致对称地行进时的XY面内的零次光LOa、L0b的动作。这种构成适用于才艮据本实施例的上述照明装置33。图15的下段示出根据本变形例的照明装置的构成。根据本变形例的照明装置利用第1激光光源12a和第2激光光源12b使激光关于包含光轴AX的YZ平面S4大致对称地行进。照明装置也可以是图示的任意一个构成。
另外，与使用图9和图IO说明的上述实施例1的情况一样，对于衍射光学元件34，向衍射光学元件34入射的激光的主光线相对于垂线N与X轴方向相比更向Y轴方向倾斜这一方面，能够得到高的衍射效率。因此，对于本实施例的情况，采用图15的上段所示的构成与采用图15的下段所示的构成相比，能够进一步得到高的衍射效率。
图16是对本实施例的变形例2进行说明。根据本变形例的照明装置具有4个激光光源。4个激光光源是在X轴方向上2个、在Y轴方向上2个并列地配置。衍射光学元件36被设计为由来自各激光光源的激光产生的一次衍射光在被照射面S2的照射区域LA重叠。
图16的上^J^示利用各激光光源使激光关于包含光轴AX的XZ平面S3大致对称地行进时的XY面内的零次光L0的动作。图16的中段表示利
XY面内的零次光L0的动作。图16的下段表示利用各激光光源使激光关于光轴AX大致对称地行进时的XY面内的零次光L0的动作。根据本变形例的照明装置也可以是图示的任意一个构成。
零次光L0的光线和一次衍射光Ll的主光线所形成的角度在图16的上段的情况下最小，在下段的情况下最大。在本变形例的情况下，能够按图16的上段所示的构成、中段所示的构成、下段所示的构成的顺序得到高的衍射效率。另外，在本实施例中说明的衍射光学元件34、 36的衍射效率的高低根据衍射光学元件34、 36所产生的再生像的形状而变化。本实施例的照明装置只要是使激光关于光轴AX或者包含光轴AX的面大致对称地行进的构成即可，也可以适宜地改变激光光源的数量或配置。
[实施例4
图17示出根据本发明的实施例4的照明装置40的侧面概略构成。本实施例的照明装置40能够适用于根据上述实施例1的投影机10。对与上述实施例相同的部分付与相同的符号，并省略重复的说明。本实施例的照明装置40具有棱镜41。棱镜41具有作为使从第1激光光源12a、第2激
第1激光光源12a和第2激光光源12b都使激光与配置衍射光学元件34的作为基准面的入射面Sl的垂线N大致平行地行进。棱镜41被配置在衍射光学元件34的入射面S1上。棱镜41使用透明材料构成。棱镜41具有相对于入射面Sl倾斜设置的界面42。棱镜41通过使激光在界面42上折射，使激光偏转。来自第1激光光源12a和第2激光光源12b的激光通过使用了棱镜41的偏转而关于包含光轴AX的XZ面大致对称地行进。透过了棱镜41的激光向衍射光学元件34入射。
通过使激光关于包含光轴AX的XZ平面大致对称地行进，本实施例的情况也与根据上述实施例3的照明装置一样，能够得到高的衍射效率。本实施例的照明装置40通过利用棱镜41 ^使激光适宜地偏转，能够使相对于入射面Sl的垂线N斜着行进的激光向衍射光学元件34入射。照明装置40通过使用棱镜41，能够以高的自由度配置激光光源12a、 12b。棱镜41只要能够使激光适宜地偏转即可，也可以是任意的形状。棱镜41并不限于配置在衍射光学元件34的入射面Sl上的情况，也可以与衍射光学元件34的入射面S设置间隔地配置。
图18示出根据本实施例的变形例1的照明装置44的侧面概略构成。本变形例的照明装置44的特征在于，具有作为偏转元件的功能的凹透镜45。凹透镜45械 没置在第1激光光源12a以及第2激光光源12b和衍射光学元件34之间的光路中。凹透镜45具有凹形状的凹面46。凹透镜45通过使激光在凹面46上折射而使激光偏转。本变形例子的情况也能够以高的自由度配置激光光源12a、 12b。另外，凹透镜45可以设置在衍射光学元件34的入射面Sl上。
作为使激光折射的偏转元件，除了棱镜41和凹透镜45之外，也可以使用具有折射率梯度的折射率分布型透镜、根据电场使折射率分布变化的电场光学元件等。偏转元件并不限于使激光折射的情况。偏转元件也可以使激光衍射。作为使激光衍射的偏转元件，例如也可以使用图19所示的衍射光栅47。衍射光栅47只要能够通过衍射使光偏转即可，例如，具备微细二元构造。微细二元构造是以大致一定的高度形成的凸部和以大致一定的高度形成的凹部交替地形成的微细构造。此外，作为使激光衍射的偏转元件，也可以使用图20所示的闪耀光栅48。作为偏转元件，也可以使用菲涅耳透镜。
图21示出根据本实施例的变形例2的照明装置50的侧面概略构成。本实施例的照明装置50的特征在于，具有闪耀光栅52和衍射光栅53 —体地构成的光学元件51。光学元件51被设置在从激光光源12射出的激光入射的位置上。光学元件51使用透明材料构成。闪耀光栅52在光学元件51中来自激光光源12的激光入射的入射面上形成。闪耀光栅52具有作为使激光衍射的偏转元件的功能。
衍射光栅53在光学元件51中使来自闪耀光栅52的光射出的射出面上形成。衍射光栅53具有作为使来自闪耀光栅52的激光衍射并使一次衍射 光Ll向被照射面S2行进的衍射光学元件的功能。衍射光栅53被设计为 通过使来自闪耀光栅52的激光入射而产生的一次衍射光L1在被照射面S2 的照射区域上重叠。此外，通过使来自闪耀光栅52的激光向衍射光栅53 入射而产生的零次光L0大致平行地行进，向光吸收部21入射。
通过使用闪耀光栅52和衍射光栅53 —体地构成的光学元件51，能够 减少照明装置50的零部件数量，使照明装置50简易且紧凑。图17所示的 照明装置40的情况也通过采用在衍射光学元件34的入射面Sl上设置棱镜 41的构成，与本变形例一样，能够使照明装置40简易且紧凑。光学元件 51代替闪耀光栅52，也可以设置具备微细二元构造的衍射光栅或使光折射 的棱镜或凹透镜等。
光学元件51并不限于在入射面上形成具有作为偏转元件的功能的构 造、在射出面上形成具有作为衍射光学元件的功能的构造的情况，也可与 适当地变形。例如，也可以将具有作为偏转元件的功能的构造在光学元件 51的内部形成。本实施例的各照明装置只要是利用偏转元件使来自一个或 者多个激光光源的激光偏转的构成即可。也可以适当地改变激光光源的数 量和配置。
[实施例5
图22示出根据本发明的实施例5的照明装置60的侧面概略构成。根 据本实施例的照明装置60能够适用于根据上述实施例1的投影机10。根 据本实施例的照明装置60的特征在于，从激光光源12射出的激光的主光 线彼此在激光光源12和衍射光学元件61之间的光路上最接近。对与上述 实施例相同的部分付与相同的符号，并省略重复的说明。
照明装置60具有2个激光光源12。各激光光源12使激光关于包含光 轴AX的XZ平面大致对称地行进。来自各激光光源12的激光以对于Y轴 方向相互接近的方式收束，并在激光光源12和衍射光学元件61之间的光 路上相交。各激光在激光光源12和衍射光学元件61之间的光路上交叉后， 以对于Y轴方向相互离开的方式发散。各激光在衍射光学元件61的入射面S1中，向对于Y轴方向相互不同的位置射入。
衍射光学元件61被设计为通过使来自各激光光源12的激光光入射而 产生的一次衍射光L1在被照射面S2的照射区域中重叠。由来自各激光光 源12的激光产生的零次光LO分别向光吸收部21入射。本实施例的情况 也与才艮据上述实施例3的照明装置33 (参照图13 )的情况一样，通过减小 零次光L0的光线和一次衍射光L1所形成的角度，能够提高衍射光学元件 61的衍射效率，并能够实现高的光利用效率。
通过使在激光光源12和衍射光学元件61之间收束的各激光向衍射光 学元件61入射，与使从各激光光源12发散的激光光向衍射光学元件61 入射的情况相比，能够使用小的入射面Sl的衍射光学元件61。由此，能 够使衍射光学元件61小型化，能够降低衍射光学元件61的制造时间以及 成本。例如，在激光光源12是大型的光源、不能严密地设置各激光光源 12的射出位置时，如果使各激光平行地行进或者发散，则产生不得不使衍 射光学元件61大型化的情况。根据本实施例的照明装置60由于通过使各 激光收束而使衍射光学元件61小型化，因此，在激光光源12是大型的情 况下有用。另外，照明装置60只要是激光的主光线彼此在激光光源12和 衍射光学元件61之间的光路上最接近的构成即可，并不限于在激光光源 12和衍射光学元件61之间的光路上激光彼此相交的构成。
图23示出根据本实施例的变形例的照明装置65的侧面概略构成。根 据本变形例的照明装置65的特征在于，从衍射光学元件66射出的零次光 L0的主光线彼此在衍射光学元件66和被照射面S2之间的光路上最接近。 来自各激光光源12的激光以对于Y轴方向相互接近的方式收束。各激光 在衍射光学元件66的入射面Sl中向对于Y轴方向相互不同的位置入射。 衍射光学元件66被设计为通过使来自各激光光源12的激光入射而产生的 一次衍射光L1在被照射面S2的照射区域中重叠。
由来自各激光光源12的激光产生的零次光L0在向衍射光学元件66 入射的激光的光线的延长线上行进，并在衍射光学元件66和被照射面S2 之间的光路上相交。各零次光L0在衍射光学元件66和被照射面S2之间的光路上交叉后，以对于Y轴方向相互离开的方式发散，分别向光吸收部21入射。本变形例的情况也通过使在激光光源12和衍射光学元件66之间收束的各激光向衍射光学元件66入射，能够使衍射光学元件66小型化，降低衍射光学元件66的制造时间以及成本。进一步地，与上述的照明装置60 (参照图22 )相比，由于能够缩短激光光源12和衍射光学元件66的间隔，因此，还可以实现照明装置65的小型化。另外，照明装置65只要是零次光的主光线彼此在衍射光学元件66和被照射面S2之间的光路上最接近的构成即可，并不限于在衍射光学元件66和被照射面S2之间的光路上零次光彼此相交的构成。
根据本实施例的照明装置60、 65都要求激光入射到衍射光学元件61、66的入射面Sl中相互不同的位置。通过采用各激光入射到入射面Sl中尽可能接近的位置上的构成，能够使衍射光学元件61、 66尽可能小型化。
另外，上述各实施例的照明装置并不限于使用具备半导体激光器的激光光源的情况，也可以使用具备固体激光器、液体激光器、气体激光器等的激光光源。照明装置并不限于在光源部中使用激光光源的情况。照明装置作为光源部，也可以釆用例如使用发光二极管(LED)、高亮度发光二极管(SLD)等固体光源的构成。根据本发明的投影机并不限于使用透过型液晶显示装置作为空间光调制装置的情况。作为空间光调制装置，也可以使用反射型液晶显示装置(LCOS ) 、 DMD (数字微镜器件)、GLV (栅状光阀)等。投影机并不限于对每个色光具备空间光调制装置的构成。投影机也可以采用通过一个空间光调制装置调制2个或者3个以上的色光。投影机并不限于使用空间光调制装置的情况。投影机也可以是使用具有图像信息的幻灯片的幻灯投影机。投影机也可以是通过向屏幕的一面提供光并观察从屏幕的另一面射出的光而欣赏图像的所谓背投影机。
本发明的照明装置也可以适用于图像显示装置以外的电子机器，例如，拍摄使用来自照明装置的光照明的被拍摄体的监控装置等。此外，根据本发明的照明装置也可以使用例如使用了激光的曝光用的曝光装置和激光光加工装置等光学系统。[产业上的可利用性
如上所述，根据本发明的照明装置适用于在投影机等图像显示装置中使用的情况。
权利要求
1. 一种照明装置，其特征在于，具有射出相干光的光源部；以及使从上述光源部射出的上述相干光衍射并使衍射光向被照射面行进的衍射光学元件；上述衍射光学元件被配置为相对于配置上述衍射光学元件的基准面的垂线，上述相干光斜着入射；使从上述衍射光学元件射出的光之中作为上述衍射光以外的光的零次光向上述被照射面以外的位置行进。
2. 根据权利要求l所述的照明装置，其特征在于，在设置为使上述被照射面向与构成上述照明装置的照明光学系统的光 轴平行的方向移动的情况下，如果将由上述^:照射面的轨迹形成的空间区 域设为规定区域，则至少上述衍射光学元件的一部分包含在上述规定区域 中。
3. 根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于，上述基准面与上述 光轴大致正交。
4. 根据权利要求1 3的任意一项所述的照明装置，其特征在于，具有 平行化透镜，其对来自上述衍射光学元件的上述衍射光的光束进行平行化， 并使其向上述被照射面行进。
5. 根据权利要求1 4的任意一项所述的照明装置，其特征在于， 如果将沿着上述被照射面的特定方向设为第l方向，将沿着上述被照射面并且与上述第1方向大致正交的方向设为第2方向，则在上述被照射 面中作为上述衍射光入射的区域的照射区域成为相对于上述第1方向在上 述第2方向上长的形状；向上述衍射光学元件入射的上述相干光的主光线相对于上述垂线向上 述第1方向倾斜。
6. 根据权利要求1 5的任意一项所述的照明装置，其特征在于，具有 多个上述光源部。
7. 根据权利要求6所示的照明装置，其特征在于，多个上述光源部使 上述相干光关于构成上述照明装置的照明光学系统的光轴或者包含上述光 轴的面大致对称地行进。
8. 根据权利要求6或7所述的照明装置，其特征在于，从上述光源部光路上最接近。
9.根据权利要求6或7所述的照明装置，其特征在于，从上述衍射光面之间的光路上最接近。
10. 根据权利要求1~6的任意一项所述的照明装置，其特征在于，具 有偏转元件，其使从上述光源部射出的上述相干光偏转，向上述衍射光学 元件入射。
11. 根据权利要求10所述的照明装置，其特征在于，上述偏转元件使 上述相干光折射。
12. 根据权利要求10所述的照明装置，其特征在于，上述偏转元件使 上ii^目干光衍射。
13. 根据权利要求10 12的任意一项所述的照明装置，其特征在于， 上述偏转元件和上述衍射光学元件^L一体地构成。
14. 一种图像显示装置，其特征在于，使用由权利要求1~13的任意一 项所述的照明装置提供的光而显示图像。
15. —种投影机，其特征在于，具有 权利要求1~13的任意一项所述的照明装置；根据图像信号调制由上述照明装置提供的光的空间光调制装置；以及 投影从上述空间光调制装置射出的光的投影光学系统。
全文摘要
本发明提供能够容易地进行照射区域的整形以及光量分布的均匀化的照明装置、使用该照明装置的图像显示装置以及投影机。该照明装置具有作为射出相干光的光源部的激光光源(12R)以及使从光源部射出的相干光衍射并使作为衍射光的一次衍射光(L1)向被照射面(S2)行进的衍射光学元件(13R)；衍射光学元件(13R)被配置为相对于作为配置衍射光学元件(13R)的基准面的入射面(S1)的垂线(N)，相干光斜着入射；使从衍射光学元件(13R)射出的光中作为衍射光以外的光的零次光(L0)向被照射面(S2)以外的位置行进。
文档编号G03B21/20GK101482691SQ20091000180
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月6日 优先权日2008年1月7日
发明者山内泰介, 武田高司, 高木将行 申请人:精工爱普生株式会社