(57)【要約】  照明装置は、有効面（３１）に入射した照明光を光変調する光変調素子（３）を照明するものであり、面発光光源（１２）およびフォトニック結晶体（１４）を含む光源装置（１）と、面発光光源（１２）の発光面（１３）から出射された光束により光変調素子（３）を照明する少なくとも２つの光学素子（２１，２２）からなる照明光学系（２）とを備えている。照明光学系（２）は、面発光光源（１２）の発光面（１３）を拡大して、光変調素子（３）の有効面（３１）にテレセントリックに結像させる。
2008111275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有効面に入射した照明光を光変調する光変調素子を照明する照明装置であって、
面発光光源を含む光源装置と、
前記面発光光源の発光面から出射された光束により前記光変調素子を照明する、少なくとも２つの光学素子を有する照明光学系と
を備え、
前記照明光学系は、前記面発光光源の前記発光面の像を拡大して、前記光変調素子の前記有効面に結像させることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記光源装置は、前記発光面に対して、光が出射される側に、前記発光面と略平行にかつ近接して配置された、平面状のフォトニック結晶体を有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記面発光光源の前記発光面は、全面に亘って略均一な輝度分布を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記面発光光源の前記発光面は、前記光変調素子の前記有効面と略相似形であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記照明光学系は、正のパワーを有する第１の光学素子と、正のパワーを有する第２の光学素子とを有することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記第１の光学素子は、前記面発光光源の前記発光面から出射された光束を略コリメート化することを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子は、前記光変調素子の前記有効面を略テレセントリックに照明することを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記面発光光源の前記発光面から当該発光面に垂直に出射された主光線が、前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子を介して、収束状態で前記光変調素子の前記有効面に入射することを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項９】
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間に、瞳が設けられていることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記光源装置の前記面発光光源の近傍に、面内の位置により透過特性が異なる拡散面を有する素子を配置したことを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記照明光学系による前記発光面の像の結像位置に対して、前記光変調素子の前記有効面をずらして配置したことを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１２】
波長帯域の異なる光束を出射する複数の前記光源装置を備え、
前記照明光学系は、
各光源装置毎に設けられた複数の第１の光学素子と、
前記複数の第１の光学素子から出射された光束を合成する合成素子と、
前記合成素子により合成された光束が入射する第２の光学素子と
を備え、
前記複数の第１の光学素子のそれぞれと前記第２の光学素子とにより、前記照明光学系が形成されることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１３】
請求項１から１２までのいずれか１項に記載の前記照明装置と、
前記光変調素子の光変調により生成された映像光を拡大して投影する投写光学系と
を備えたことを特徴とする画像投写装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光光源から出射された光束により光変調素子を照明する照明装置、及び、その照明装置を用いた画像投写装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、画像投写装置の照明装置として、ランプ光源から出射された光束を、一対のマイクロレンズアレイを透過させて輝度分布を均一化した後、光変調素子を照明するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
また、クリティカル型の照明光学系によって、略均一な輝度分布を有する面発光光源の発光部の像を光変調素子に結像させるものも知られている（例えば、特許文献２参照）。【０００４】
【特許文献１】特開平１１−６４９７７号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】特開２００６−１２６３９４号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された照明装置では、ランプ光源から出射された光束が不均一な輝度分布を有しているため、この光束の輝度分布を均一化するためのマイクロレンズアレイが必要となり、その結果、照明装置の構成が複雑化する上、マイクロレンズアレイでの光量損失が生じる。また、カラー画像を表示するためには、ランプ光源から出射された光束（白色光）を色分離するための光学素子等が必要となり、照明装置の構成がさらに複雑になる。【０００６】
また、特許文献２に記載された照明装置では、略均一な輝度分布を有する面発光光源の発光部の像を凸レンズのみで光変調素子に結像させているため、光変調素子を略均一に照明することはできるが、光変調素子に対するテレセントリック性を確保できない（すなわち、光変調素子の有効面の面内位置によって照明光束の入射角が異なる）。このとき、面発光光源から放射される光束が完全拡散面に近い光束分布を有する場合には、光量損失の発生は比較的少ない。これに対し、面発光光源から放射される光束が、発光面の法線方向の光強度が最も強く、法線方向からの角度が大きくなるにつれ急激に光強度が小さくなるような、指向性の高い光束分布を有する場合には、光量損失が大きくなると共に、例えば光変調素子として液晶パネルを用いた場合、液晶パネルの変調特性が入射角に依存するため、液晶パネルの出射光束（光変調された映像光）が不均一になり、画質の低下を招く。【０００７】
また、特許文献２に記載された照明装置において、ある程度のテレセントリック性を確保しようとすると、凸レンズと液晶パネルとの距離を長くする必要があり、照明装置が大型化する。【０００８】
一方、光変調素子として反射型のＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏ−Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）等を使用した場合、一般に、上述したテレセントリック性の欠如による出射光束の不均一の問題は生じない。しかしながら、上述した指向性の高い光束分布を有する面発光光源を用いた場合、面発光光源から出射された光束のうち、発光面の法線方向に出射された主光線は、凸レンズで一旦収束された後、発散した状態で光変調素子に入射する（後述の図２参照）。そのため、光変調素子の出射光束の主光線も、発散状態で投写光学系に向かうことになる。このような発散状態の出射光束を光量損失なく投写光学系に入射させるためには、投写光学系を大型化しなければならない。【０００９】
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り、その目的は、簡単な構成で、光量損失を抑制でき、均一な照明が可能な照明装置及び画像投写装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る照明装置は、有効領域に入射した照明光を光変調する光変調素子を照明する照明装置であって、面発光光源を含む（好ましくは、更にフォトニック結晶体を含む）光源装置と、面発光光源から出射された光束により光変調素子を照明する、少なくとも２つの光学素子を有する照明光学系とを備えて構成される。さらに、照明光学系は、面発光光源の発光面の像を拡大して、光変調素子の有効面に（好ましくは、テレセントリックに）結像させるよう構成されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る照明装置によれば、簡単な構成で、均一に光変調素子を照明することができ、装置の大型化や光量損失の低下を抑制することができる。また、この照明装置を画像投写装置に適用することで、映像光の不均一を解消し、高画質な画像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る照明装置の構成及び光路を示す図である。
【図２】完全拡散面から放射される光の光束分布を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る光源装置から放射される光の光束分布を示す図である。
【図４】比較例の構成及び光路を示す図である。
【図５】比較例の構成及び光路を示す図である。
【図６】比較例の構成及び光路を示す図である。
【図７】比較例の構成及び光路を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る照明装置を用いた画像投写装置の構成及び光路を示す図である。
【図９】照明光学系の第１の光学素子が負のパワーを有し、第２の光学素子が正のパワーを有する照明光学装置を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る照明装置における発光面の形状（Ａ）及び輝度分布（Ｂ）、並びに光変調素子の有効面の形状（Ｃ）及び輝度分布（Ｄ）を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る照明装置の変形例を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態１に係る照明装置の他の変形例を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態１に係る照明装置の更に他の変形例における発光面での輝度分布（Ａ）、拡散面での透過率分布（Ｂ）及び光変調素子の有効面での輝度分布（Ｃ）を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態２に係る照明装置の構成及び光路を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態２に係る照明装置の構成及び光路を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態３に係る照明装置を含む画像投写装置の構成及び光路を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態３に係る照明装置の構成例を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態３に係る照明装置の構成例を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態３に係る照明装置の構成例を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態３に係る照明装置の構成例を示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態３に係る照明装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００１３】
１，１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ，１０１，１０２，１０３  光源装置、  ２  照明光学系、  ３  光変調素子、  ４  投写光学系、  ５  光拡散素子、  １１  回路基板、  １２  固体光源、  １３  発光面、  １４  フォトニック結晶体、  ２１，２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂ  第１の光学素子、  ２２  第２の光学素子、  ３１  有効面、  Ｐ１，Ｐ２  瞳位置、  ＣＲ４，ＣＲ５，ＣＲ６，ＣＲ７  主光線、  Ｍ１，Ｍ２，Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３  ダイクロイックミラー、  ＬＲ，ＬＧ，ＬＢ  光線。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る照明装置について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る照明装置の構成及びその光路を示す図である。この照明装置は、光変調素子３（被照明体）を照明するものであり、光源装置１と、照明光学系２とを有している。【００１５】
光源装置１は、例えば赤色、青色、緑色又は白色等の光束を出射するＬＥＤ（発光ダイオード）チップ等の固体光源（面発光光源）１２を、電源回路等を備えた回路基板１１に実装したものである。固体光源１２は、回路基板１１と反対の側に、矩形の発光面１３を有している。固体光源１２は、回路基板１１を通じて電源から電力の供給を受けることにより、発光面１３の全面から略均一に光を出射する。発光面１３の出射側に近接して、フォトニック結晶体１４が設けられている。【００１６】
フォトニック結晶体１４は、屈折率の異なる誘電体材料を波長オーダーの周期で配列した構造を有する。フォトニック結晶体１４としては、３次元的な屈折率分布を持つ３次元フォトニック結晶や、２次元的な屈折率分布を持つ２次元フォトニック結晶などがあり、リソグラフィーやエッチングにより製作することができる。【００１７】
フォトニック結晶体１４が有する周期的な屈折率分布によって、屈折率分布の周期と同程度の波長を持つ光の存在が不可能となるフォトニックバンドギャップ（禁制帯）が形成される。その結果、ある特定範囲の波長を有する光を閉じ込め、或いは、進行方向を変化させるなど、光を自在に制御することができる。【００１８】
発光ダイオードのような一般的な面発光光源から放射される光束は、完全拡散面に近い光束分布を有する。図２は、完全拡散面から放射される光の光束分布を模式的に示す図である。発光面１３の法線方向の光束をΦとし、発光面１３の法線と光の放射方向とのなす角度を放射角θとすると、放射角θの光束は、Φ・cosθと表される。【００１９】
図３に、本実施の形態における面発光光源（固体光源１２）から放射される光の光束分布を模式的に示す。図２との相違点は、発光面１３の近傍（出射側）に、平面状のフォトニック結晶体１４を、発光面１３と平行に配置している点である。フォトニック結晶体１４は、発光面１３から放射された光束が入射し、その光束分布を制御することにより、フォトニック結晶体１４を出射する光束の、発光面１３すなわちフォトニック結晶体１４の出射面の法線方向の放射成分をより多くするため、フォトニック結晶体１４から出射される光束に高い指向性を持たせることができる。【００２０】
図１に示すように、照明光学系２は、第１の光学素子２１と第２の光学素子２２とからなり、光源装置１の発光面１３から出射された光束を、光変調素子３に照射する。より詳細には、第１の光学素子２１は、発光面１３から大きな広がり角を持って出射（放射）された光束を略コリメート化する。第２の光学素子２２は、第１の光学素子２１によりコリメート化された光束を、光変調素子３の有効面３１に集光させる。照明光学系２はクリティカル照明系であり、固体光源１２の発光面１３と光変調素子３の有効面３１とは、照明光学系２に関して共役な関係となっており、結像倍率は負となっている。【００２１】
光変調素子３は、透過型若しくは反射型の液晶パネル、又はＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏ−Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）により構成されており、多数の画素が二次元的に配列された有効面３１を有している。光変調素子３は、照明光学系２によって有効面３１に照射された光束を映像信号に応じて画素毎に二次元的に強度変調することにより、映像光（画像光）を生成する。【００２２】
図１において、符号ＣＲ１は、光源装置１の発光面１３から、当該発光面１３の法線方向に出射される光（主光線）を示す。符号ＣＲ２は、上記の主光線ＣＲ１が、照明光学系２の作用を受け、光変調素子３の有効面３１に入射する際の光（主光線）を示す。主光線ＣＲ１は、照明光学系２の第１の光学素子２１により収束されて互いに交わる。【００２３】
一般に、光学系を構成する全ての光学素子が回転対称性を有しており、それらの光学素子の回転対称軸が一直線上に配置されている場合には、その直線を光軸といい、瞳位置は、近軸計算において主光線と光軸とが交わる位置と定義される。しかしながら、光源装置１の発光面１３の中心と光軸とが一致する場合において、発光面１３上で光軸から有限距離だけ離れた位置から出射された主光線は、第１の光学素子２１の収差のため、一般に、近軸計算で得られる瞳位置とは異なる位置で光軸と交わる。【００２４】
ここでは、主光線ＣＲ１のうち、矩形の発光面１３の対角端から出射された主光線が互いに交わる位置を、便宜上、瞳位置とする。発光面１３の中心位置（又はその角度）が光軸に対してずれている場合においても、瞳位置の定義は同様とする。また、例えば、第１の光学素子２１がレンズ等の透過型素子の場合、第１の光学素子２１の入射面と出射面との間に瞳位置が存在する場合もあり得る。【００２５】
図１において、符号Ｐ１は瞳位置を示し、矩形の発光面１３の対角端（図示せず）から当該発光面１３の法線方向に出射された主光線は、第１の光学素子２１の作用を受け、この瞳位置Ｐ１で互いに交わる。【００２６】
瞳位置Ｐ１の近傍において互いに交わった主光線ＣＲ１は、その後発散した状態で第２の光学素子２２に入射し、第２の光学素子２２により収束作用を受ける。第２の光学素子２２を透過した主光線ＣＲ２は、それぞれが略平行な状態で、光変調素子３の有効面３１に、当該有効面３１の法線に略平行に入射する。すなわち、略テレセントリックに光変調素子３を照明する。【００２７】
図４に、比較例として、照明光学系２が１枚の凸レンズのみからなる照明装置の構成及び光路を示す。図１に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には、同一の符号を付す。【００２８】
図４に示した比較例では、固体光源１２の発光面１３から出射された主光線ＣＲ３は、照明光学系２の凸レンズにより収束作用を受けた後、瞳位置Ｐ１の近傍において互いに交わり、符号ＣＲ４で示すように発散した状態のまま光変調素子３に入射する。つまり、非テレセントリックに光変調素子３を照明する。【００２９】
上述したように、フォトニック結晶１４を出射する光束の光強度は、フォトニック結晶１４の出射面の法線方向つまり主光線が最も大きく、放射角が大きくなるにつれ急速に小さくなるような分布を持つ。【００３０】
図５に、光変調素子３として液晶パネルを用いた場合の、投写光学系４を含めた比較例の構成を示す。最も光強度の大きい主光線が、光変調素子３を透過した後も発散するため、光量損失なく映像光を投写するためには、投写レンズ４を大型化する必要がある。また、液晶パネルが有する変調特性の入射角への依存性のため、液晶パネルの法線に対する入射角の大きい光線の割合が多いほど、画質が低下することが知られている。従って、図４に示したように非テレセントリックに光変調素子３を照明したのでは、良好な画像を得ることができない。【００３１】
図６に、光変調素子３として液晶パネルを用い、テレセントリックに光変調素子３を照明する場合の構成を示す。この場合、図５と比較して、投写光学系４を小さくすることができる。しかしながら、光変調素子３の周辺を照明する光束は、フォトニック結晶１４の出射面の法線方向に対して傾きを持った、光強度の小さい成分を多く含むため、光量損失が大きくなってしまう。また、光源装置１から放射される、より大きい放射角の光束を取り込むには、照明光学系２を大型化させなければならない。【００３２】
これに対し、この実施の形態１に係る照明装置（図１）は、略テレセントリックに光変調素子３の有効面３１を照明するため、光強度の大きい、発光面１３の法線方向に近い光束をより多く利用することができ、そのため、光量損失が少なく、かつ、投写光学系の大型化を招くこともない。また、光変調素子３の有効面３１に入射するあらゆる光線の当該有効面３１の法線に対する入射角度を、（有効面３１を照明する光束のＦ値が同一の場合で比較した場合）最小にすることができる。つまり、光変調素子３の有効面３１の法線に略平行に入射する光線が多くなる。その結果、光変調素子３である液晶パネルの変調特性が最良となり、良好な画質が得られる。【００３３】
図７に、図４と同様の比較例において、光変調素子３としてＤＭＤ等の反射型光変調素子を用いた場合の構成及び光路を、投写光学系４と共に示す。図１に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には、同一の符号を付す。【００３４】
図７において、発光面１３から出射されて光変調素子３であるＤＭＤに入射した主光線ＣＲ４は、ＤＭＤの各マイクロミラーにより反射される。これを主光線ＣＲ５とする。主光線ＣＲ５は、互いの角度差を維持したまま直進するため、互いの間隔は増大していく。【００３５】
そのため、光変調素子３により変調作用を受けた映像光は大きく広がって進行し、投写光学系４に入射しきれず、大きな光量損失が生じてしまう。また、光量損失なく映像光を投写光学系４に入射させようとすると、投写光学系４を大型化させなければならない。【００３６】
図８に、実施の形態１における照明装置（図１）により、光変調素子３としてのＤＭＤを照明する場合の構成及び光路を示す。この実施の形態１における照明装置は、略テレセントリックに光変調素子３を照明するため、光変調素子３としてのＤＭＤにより反射された映像光が大きく広がることはない。そのため、図７と図８との比較から明らかなように、この実施の形態１における照明装置では、大きな光量損失が生じることがなく、また、投写光学系４を大型化する必要もない。【００３７】
実施の形態１における照明装置（図１，図８）では、第１の光学素子２１及び第２の光学素子２２は共に正のパワーを有している。これに対し、図９には、第１の光学素子２３が負のパワーを有し、第２の光学素子２４が正のパワーを有している場合の構成及びその光路を示す。図９において、図１に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には、同一の符号を付す。【００３８】
図９に示した構成では、面発光光源１の発光面１３から出射された主光線ＣＲ１は、第１の光学素子２３により発散作用を受けた後、第２の光学素子２４により収束作用を受け、光変調素子３の有効面３１に、概ねテレセントリックに入射する。その際、主光線は互いに交わることがなく、結像倍率は正となっている。【００３９】
図９に示した構成では、発光面１３から大きな広がり角を持って出射（放射）された光束を、第１の光学素子２３によりさらに発散させているため、第２の光学素子２４の有効径を大きくする必要があり、照明装置全体が大型化してしまう。逆に、第２の光学素子２４の有効径を小さくするためには、第１の光学素子２３の有効径も小さくする必要があり、発光面１３から出射された光束のうち、有効に利用できる割合が少なくなってしまう。【００４０】
また、第２の光学素子２４の有効径を小さくするには、第１の光学素子２３と第２の光学素子２４との間隔を狭くする必要があるが、その場合、後述するように、照明光学系２内に（複数の光源装置からの光束を合成するための）ダイクロイックミラー等を配置するスペースを確保することが難しくなる。さらに、第１の光学素子２３と第２の光学素子２４との間で光束が発散しているため、ダイクロイックミラー等の特性を十分に発揮させることが難しくなる。【００４１】
これに対し、実施の形態１における照明装置（図１、図８）では、第１の光学素子２１と第２の光学素子２２とが共に正のパワーを有しているため、主光線ＣＲ１が第１の光学素子２１により略コリメート化され、その結果、第２の光学素子２２の有効径を大きくする必要がないため、照明装置の小型化に有利である。また、第１の光学素子２１と第２の光学素子２２との間に瞳位置を設定することにより、第１の光学素子２１と第２の光学素子２２とを適度な間隔を保って配置することができ、後述するように（図１６）、両光学素子２１，２２の間にダイクロイックミラー等を配置することが容易になる。さらに、第１の光学素子２１と第２の光学素子２２との間では光束が略コリメートされているため、当該ダイクロイックミラー等の特性も良好となる。【００４２】
光変調素子３の有効面３１は矩形形状であり、そのアスペクト比（縦：横）は、３：４又は９：１６が一般的である。この実施の形態１における照明光学系２は、クリティカル照明系であり、光源装置１の発光面１３が直接光変調素子３の有効面３１に結像されることから、光源装置１の発光面１３の形状も、基本的にはアスペクト比３：４あるいは９：１６の矩形形状であることが望ましい。【００４３】
このように、略均一な輝度分布を有する光源装置１の発光面１３を、光変調素子３の有効面３１と相似形の矩形形状とし、発光面１３を直接光変調素子３の有効面３１に結像させることにより、ランプ光源を用いた照明光学系（例えば特許文献１）のように、照明光束を均一化してランプ光源像を矩形の有効面に結像させるマイクロレンズアレイ等を設ける必要がない。その結果、照明光学系の構成を簡単にすることができる。【００４４】
照明光学系を設計する際に考慮される概念として、Ｅｔｅｎｄｕｅ（エタンデュ）という量が一般に用いられる。固体光源１２（発光面１３）から出射される光束の配光分布をランバーシアン分布（完全拡散）と仮定したときの固体光源１２及び光変調素子３のＥｔｅｎｄｕｅは、発光面または受光面の面積と、放射または受光される光の立体角との積で定義され、以下の式で表される。
Ｅｓ＝Ａｓ×ｓｉｎ（θｓ）＾２×π  ・・・（１）
Ｅｌ＝Ａｌ×ｓｉｎ（θｌ）＾２×π  ・・・（２）
（１）式において、Ｅｓは固体光源１２のＥｔｅｎｄｕｅであり、Ａｓは固体光源１２の発光面１３の面積であり、θｓは固体光源１２の発光面１３から出射される光束の半画角である。（２）式において、Ｅｌは光変調素子３のＥｔｅｎｄｕｅであり、Ａｌは光変調素子３の有効面３１の面積であり、θｌは光変調素子３の有効面３１に入射する光束の半画角である。πは円周率である。【００４５】
この実施の形態１に係る照明装置では、固体光源１２のＥｔｅｎｄｕｅと、光変調素子３のＥｔｅｎｄｕｅとが概ね等しくなるように各仕様を設定することが、高い照明効率を実現する上で望ましい。例えば、固体光源１２の発光面１３が３ｍｍ×４ｍｍ（対角寸法５ｍｍ）であり、仮に、当該発光面１３から半球状に放射された（θｓ＝９０度）光束の配光分布がランバーシアン分布とすると、固体光源１２のＥｔｅｎｄｕｅは約３７．７となる。このとき、光変調素子３の有効面３１を１２ｍｍ×１６ｍｍ（対角寸法２０ｍｍ）とし、光変調素子３を照明する光束のＦ値を２．０（θｌ≒１４．５度）と設定すれば、光変調素子３のＥｔｅｎｄｕｅは３７．７となり、固体光源１２のＥｔｅｎｄｕｅと等しくすることができる。また、その際、照明光学系２の結像倍率の絶対値は、光変調素子３の有効面３１の対角寸法を固体光源１２の発光面１３の対角寸法で割った値（２０ｍｍ÷５ｍｍ＝４）と設定すればよい。【００４６】
但し、固体光源１２の発光面１３から放射される光束の空間（角度）的な広がりを考慮すると、光量損失を完全に０にすること、すなわち、発光面１３から出射された光束を全て光変調素子３の有効面３１に所望の角度範囲内で照明することは難しい。そのため、実際には、固体光源１２のＥｔｅｎｄｕｅを、光変調素子３のＥｔｅｎｄｕｅより大きめに設定することがより望ましい。【００４７】
上記は、発光面を完全拡散面と仮定した場合の計算であるが、発光面１３から放射される光が、発光面１３の法線方向に高い指向性を有している場合には、放射される光の立体角が小さい分、同じ発光面積を有する完全拡散面と比較して、固体光源１２のＥｔｅｎｄｕｅは小さくなる。よって、光源の指向性が高い本実施の形態１に係る照明装置では、光学系をより小型化でき、かつ光利用効率を高くすることができる。また、光源のＥｔｅｎｄｕｅを同一とした場合には、完全拡散面と比較して光の立体角が小さい分、発光面の面積を大きくすることができ、より明るい映像光を得ることができる。【００４８】
例えば、光の立体角が完全拡散の場合の半分となる場合には、上記計算において、固体光源１２の発光面１３は、４．２４ｍｍ×５．６６ｍｍ（対角寸法７．０７ｍｍ）とすることができる。【００４９】
図１０は、実施の形態１の照明装置における発光面１３の平面形状（Ａ）及び輝度分布（Ｂ）、並びに光変調素子３の照明領域の平面形状（Ｃ）及び輝度分布（Ｄ）を示す図である。なお、光変調素子３の照明領域とは、光源装置１及び照明光学系２による照明光束が照射される領域であって、有効面３１を含む領域を言う。一般に、照明光学系２の収差のため、固体光源１２の発光面１３が、光変調素子３の有効面３１に完全に結像されることはない。すなわち、発光面１３の周辺部がシャープに結像していない（ぼけている）と、図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、発光面１３の全面で輝度が均一であっても、図１０（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、光変調素子３の照明領域では、特に周辺部で輝度が低下しやすい。【００５０】
また、照明光学系２が歪曲収差を有する場合や、照明光学系２の構成要素の少なくとも一部が偏心を有する場合等では、固体光源１２の発光面１３が矩形でも、照明領域は矩形とはならず、台形、樽型、糸巻型又はこれらを組み合わせた複雑な形状となる。【００５１】
さらに、照明装置の組み立て・調整時には、固体光源１２の発光面１３、照明光学系２及び光変調素子３の有効面３１の相互のアライメントを完全に調整することは実際上難しいため、照明領域と光変調素子３の有効面３１との位置関係は、理想的な状態からある程度のずれを生じてしまう。【００５２】
そのため、実際には、組み立て・調整時に発生する光変調素子３と照明領域との相対的な配置誤差も考慮した上で、周辺での輝度劣化が許容範囲内に収まる程度に、光変調素子３の有効面３１よりも照明領域が大きくなるよう、照明光学系２の倍率を設定することが望ましい。【００５３】
なお、図４の比較例では、照明領域周辺の主光線ＣＲ４が、光変調素子３の有効面３１の法線方向に対して傾斜しているため、例えば光変調素子３の有効面３１が、当該有効面３１の法線方向に誤差（位置ずれ）を生じて配置された場合には、有効面３１の位置ずれ量が僅かであっても、照明領域の面積が、光変調素子３の有効面３１の面積に対して比較的大きく変動する。【００５４】
これに対して、実施の形態１に係る照明装置は、略テレセントリックに光変調素子３の有効面３１を照明することから、光変調素子３の有効面３１を照明する主光線が、当該有効面３１の法線方向に対して略平行であり、そのため、上述したような位置ずれがあっても結像倍率の変動がほとんど生じず、照明領域の面積が大きく変動することがない。このように、光変調素子３の位置ずれ（誤差）による画像周辺の輝度劣化が生じにくいので、製造上の歩留まりも良い。【００５５】
以上説明したように、本発明の実施の形態１に係る照明装置によれば、面発光光源（固体光源１２の発光面１３）からの光束をマイクロレンズアレイ等の光均一化手段（整形手段）を用いることなく、直接光変調素子３に結像させるクリティカル照明系を構成することにより、簡単な構成でありながら、効率よく、均一に光変調素子を照明することができる。【００５６】
また、固体光源１２の発光面１３が、全面に亘って略均一な輝度分布を有しており、光変調素子３の有効面３１と略相似形であるため、発光面１３の像を直接光変調素子３の有効面３１に結像させることができ、マイクロレンズアレイ等を設けずに、光変調素子３の有効面３１を均一に照明することができる。その結果、照明光学系の構成を簡単にすることができる。【００５７】
さらに、発光面１３の近傍にフォトニック結晶体１４を配置し、フォトニック結晶体１４の法線方向に放射される光の光強度をより大きくするとともに、光変調素子３を略テレセントリックに照明するため、映像光の光量損失を抑制することができ、また、投写光学系を大型化する必要もない。さらに、光変調素子３が液晶パネルの場合であっても、むらのない映像光を生成でき、これにより高画質な画像を提供することができる。【００５８】
加えて、照明光学系２が、正のパワーを有する第１の光学素子２１と、正のパワーを有する第２の光学素子２２とを有しているため、第１の光学素子２１により光束を略コリメート化しつつ、第1の光学素子２１と第２の光学素子２２との間に瞳を設定し、光変調素子３を略テレセントリックに照明することができる。これにより、上述した効果に加え、第２の光学素子２２の有効径を小さく抑え、照明装置の小型化に資することができる。【００５９】
また、第１の光学素子２１と第２の光学素子２２との間に瞳位置を設定することで、第１の光学素子２１と第２の光学素子２２とを適度な間隔を保って配置し、両光学素子の間に他の光学素子を配置することが容易になる。【００６０】
なお、上述した実施の形態１において、発光面１３の近傍にフォトニック結晶体１４を設けない構成も可能である。但し、上述したように、フォトニック結晶体１４を設けた方が、より効果的に光量損失を抑制することができ、また投写光学系の小型化に資することができることは言うまでもない。【００６１】
また、上述した実施の形態１において、照明光学系２を構成する第１の光学素子２１及び第２の光学素子２２は、屈折、反射及び回折機能のいずれか一つの機能又はそれらを任意に組み合わせた複合した機能を有するものであれば良い。【００６２】
また、第１の光学素子２１及び第２の光学素子２２は、いずれも、単一の光学素子である必要はなく、２以上の光学素子を組合せたものであってもよい。この場合には、第１の光学素子２１及び第２の光学素子２２が、それらの一部に負のパワーを有する光学素子を含んでいたとしても、第１の光学素子２１及び第２の光学素子２２が、いずれも、全体として正のパワーを有していればよい。一般的には、第１の光学素子２１及び第２の光学素子２２の構成要素が増加すると、照明光学系２の収差を低減できるため、光源装置１の発光面１３の像を光変調素子３の有効面３１に良好に結像させることができ、照明効率を向上することができる。【００６３】
また、照明装置の小型化やレイアウト上の制約等のために、光源装置１から光変調素子３に至るまでの光路中に、平面ミラーやプリズム等を用いて光路を折り曲げることも可能である。【００６４】
また、光変調素子３としてＤＭＤ等の反射型光変調素子を使用する場合には、照明光学系２を構成する第２の光学素子２２と光変調素子３との間に、プリズム、レンズ又はミラー等を配置して、照明光束と投写光束とを良好に分離し、又は投写光束と照明光学系２の構成要素等との干渉を回避することができる。【００６５】
図１１は、この実施の形態１に係る照明装置の変形例を示す図である。図１１に示した変形例は、固体光源１２の構造上の問題や製造ばらつき等により、発光面１３に輝度が不均一な部分が存在する場合に特に有効である。図１１に示した変形例では、発光面１３の近傍（なお且つ第１の光学素子２１側）に、光拡散素子５等を配置し、この光拡散素子５等の入射面又は出射面に、面内位置により透過特性の異なる拡散特性を持たせている。光拡散素子５等を透過する光束の透過率を、光拡散素子５等の面内位置に応じて制御することにより、光変調素子３の有効面３１を略均一に照明することができる。【００６６】
図１２は、この実施の形態１に係る照明装置の他の変形例を示す図である。図１２に示した変形例は、光変調素子３の有効面３１を、照明光学系２による発光面１３の結像位置に対して、光軸方向の前後いずれかの方向にずらして配置したものである。このような構成により、発光面１３の像を光変調素子３の有効面３１上にぼかして結像させ、これにより光変調素子３の有効面３１の輝度の不均一性を目立たなくし、光変調素子３の有効面３１の照明の均一性を向上することができる。【００６７】
図１３は、この実施の形態１に係る照明装置の更に他の変形例における固体光源１２の発光面１３での輝度分布（Ａ）と、光拡散素子５等の拡散面での輝度分布（Ｂ）と、光変調素子３の照明領域（有効面３１を含む）での輝度分布（Ｃ）とを示す図である。図１３に示した変形例では、図１１に示した上記の光拡散素子５等の拡散面に、例えば図１３（Ｂ）に示すような任意の透過率分布を持たせることにより、固体光源１２の発光面１３の輝度分布（図１３（Ａ））によらず、例えば図１３（Ｃ）に示すような所望の輝度分布で、光拡散素子３の有効面３１を照明している。図１１〜図１３に示した変形例は、適宜組み合わせて用いてもよい。【００６８】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係る照明装置について説明する。図１４は、実施の形態２に係る照明装置の構成及びその光路を示す図である。図１４において、実施の形態１で説明した構成要素と同一の機能を有する構成要素には、同一の符号を付す。【００６９】
実施の形態２に係る照明装置は、実施の形態１に係る照明装置（図１）とほぼ同様であるが、光拡散素子３に入射する主光線ＣＲ６が互いに収束している点において、実施の形態１とは異なっている。また、実施の形態２では、光変調素子３として、ＤＭＤ等の反射型の光変調素子を用いることが想定されている。【００７０】
図１５は、実施の形態２に係る照明装置（図１４）を適用した画像投写装置を示す図である。図１５に示した画像投写装置は、図１４に示した照明装置及び光変調素子に、投写光学系４を加えたものであり、図示しないスクリーンに画像を投影するものである。【００７１】
上述した実施の形態１において、比較例（図４）に関して説明したように、主光線（図４に示した主光線ＣＲ５）が互いに発散した状態で投写光学系４に入射する構成では、投写光学系４を大型化しなければならず、また、光量損失が生じるという問題がある。【００７２】
これに対し、この実施の形態２に係る照明装置では、照明光学系２（第１の光学素子２１及び第２の光学素子２２）が、光束を、主光線ＣＲ６が互いに収束している状態で光変調素子３の有効面３１に入射させる。そのため、図１５に示すように、光変調素子３により反射された主光線ＣＲ７も、主光線ＣＲ６と同様に互いの角度差を維持して収束し、第２の光学素子２２に対して瞳位置Ｐ１と共役な関係にある照明光学系２の射出瞳Ｐ２の位置で互いに交わる。【００７３】
このように、主光線ＣＲ６が収束している状態で光変調素子３を照明することにより、光変調素子３の出射光束（変調された映像光）の断面積を小さくすることができる。つまり、照明光学系２の射出瞳Ｐ２を小さくすることができる。そのため、照明光学系２の出射瞳Ｐ２の近傍に投写光学系４を配置すれば、図４の比較例よりも投写光学系４を小型化・低コスト化できるのはもちろん、実施の形態１の照明装置を用いた場合（図８）よりも更に投写光学系４を小型化・低コスト化することができる。また、投写光学系４と照明光束との干渉の回避や、投写光学系４と照明光学系２との干渉の回避等も容易に行うことができる。【００７４】
なお、照明光学系２の第２の光学素子２２と光変調素子３との間に、プリズム、レンズ又はミラー等を配置することで、照明光束と投写光束とを良好に分離し、又は投写光束と照明光学系２の構成要素等との干渉を回避することができる。また、実施の形態１の各変形例を実施の形態２に適用してもよい。【００７５】
以上説明したように、本発明の実施の形態２に係る照明装置によれば、実施の形態１と同様、固体光源１２の発光面１３から出射された光束を、マイクロレンズアレイ等の光均一化手段（整形手段）を用いることなく、直接光変調素子３に結像させるクリティカル照明系を構成することにより、簡単な構成で、効率よく、均一に光変調素子３を照明することができる。【００７６】
加えて、この実施の形態２に係る照明装置では、主光線ＣＲ６が収束している状態で光変調素子３の有効面３１を照明することにより、投写光学系４のより一層の小型化及び低コスト化を実現することができる。【００７７】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３に係る画像投写装置について説明する。
図１６は、本発明の実施の形態３に係る画像投写装置の構成及び光路を示す図である。図１６において、実施の形態１で説明した構成要素と同一の機能を有する構成要素には、同一の符号を付す。【００７８】
実施の形態３に係る画像投写装置は、実施の形態１又は２に係る照明装置（及び光変調素子３）を、３つの光源装置を備えた画像投写装置に適用したものである。【００７９】
図１６に示すように、実施の形態３に係る画像投写装置は、赤色、緑色、青色の波長帯域の光束を出射する光源装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを有している。光源装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、いずれも、実施の形態１で説明した回路基板１１、固体光源１２、発光面１３、及びフォトニック結晶体１４をそれぞれ備えるものである。図１において、符号ＬＲ，ＬＧ，ＬＢは、光源装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射された各光束のうちの、代表的な光線を表している。各光線ＬＲ，ＬＧ，ＬＢは、それぞれが重なり合わないように模式的に示されている。光源装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの出射側には、それぞれ、第１の光学素子２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂが配置されている。この第１の光学素子２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂは、いずれも、実施の形態１で説明した第１の光学素子２１と同様の機能を有する。【００８０】
光源装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射され、第１の光学素子２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂを透過した光束が交わる位置には、ダイクロイックミラーＭ１，Ｍ２が配置されている。ダイクロイックミラーＭ１は、青色の波長帯域の光束を反射し、赤色及び緑色の波長帯域の光束を透過する。ダイクロイックミラーＭ２は、赤色の波長帯域の光束を反射し、緑色及び青色の波長帯域の光束を透過する。これらダイクロイックミラーＭ１，Ｍ２は、光源装置１Ｂ，１Ｒから出射された光束を反射し、光源装置１Ｇから出射された光束を透過して、第２の光学素子２に導くように配置されている。【００８１】
第２の光学素子２２は、実施の形態１で説明した第２の光学素子２２と同様に機能する。すなわち、第１の光学素子２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂのそれぞれと、第２の光学素子２２との組み合わせにより、実施の形態１で説明した照明光学系２と同様の照明光学系２０が構成される。照明光学系２０の出射側には、光変調素子３が配置されており、光変調素子３の出射側には、投影光学系４が配置されている。なお、光変調素子３は、図１６に示した構成例では透過型の液晶パネルであるが、ＤＭＤ等であってもよい。【００８２】
光源装置１Ｇの発光面から大きな広がり角を持って放射された緑色の波長帯域の光束は、第１の光学素子２１Ｇにより略コリメート化され、ダイクロイックミラーＭ１，Ｍ２に入射し、これらを透過して第２の光学素子２２に入射する。第２の光学素子２２を透過した光束は、略テレセントリックに光変調素子３の有効面３１に入射する。【００８３】
光源装置１Ｒの発光面から出射された赤色の波長帯域の光束は、第１の光学素子２１Ｒにより略コリメート化され、ダイクロイックミラーＭ２で反射され、且つダイクロイックミラーＭ１を透過して、第２の光学素子２２に入射する。第２の光学素子２２を透過した光束は、略テレセントリックに光変調素子３の有効面３１に入射する。【００８４】
同様に、光源装置１Ｂの発光面から出射された青色の波長帯域の光束は、第１の光学素子２１Ｂにより略コリメート化され、ダイクロイックミラーＭ１で反射され、且つダイクロイックミラーＭ２を透過して、第２の光学素子２２に入射する。第２の光学素子２２を透過した光束は、略テレセントリックに光変調素子３の有効面３１に入射する。【００８５】
光変調素子３は、赤色、緑色及び青色の映像信号に応じて、時分割に各色ごとに順次光変調を行う。光変調素子３の各色の変調のタイミングに対応して、赤色、緑色及び青色の光源装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂも、時分割に順次光束を出射する。光変調素子３で順次光変調された赤色、緑色及び青色の映像光（画像光）は、投写光学系４により図示しないスクリーン等に所望の倍率で拡大投影される。この赤色、緑色及び青色の映像光が観測者の目で積分されることにより、カラー画像が観察されることになる。【００８６】
ダイクロイックミラーは、誘電体多層膜により形成されるのが一般的であるため、特定波長帯域の光を反射又は透過させるという分光透過／反射特性は、光束のダイクロイックミラーへの入射角に大きく依存する。つまり、発散状態又は収束状態の光束中にダイクロイックミラーを配置すると、ダイクロイックミラーに入射する光束の角度分散が大きくなるため、所望の分光透過／反射特性が得られず、その結果、光量損失や照明むら、又は迷光の発生等が生じ、良好な映像が得られない。【００８７】
例えば、上述した実施の形態１で説明した比較例（図４）では、コリメート化された光束が存在しないために、例えば瞳位置Ｐ１と光変調素子３との間にダイクロイックミラーを配置した場合、収束状態の光束中にダイクロイックミラーを配置することとなり、上述した光量損失、照明むら、又は迷光の発生等が生じる。【００８８】
これに対し、この実施の形態３に係る画像投写装置（図１６）では、第１の光学素子２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂにより各色ともコリメート化された光束中にダイクロイックミラーＭ１，Ｍ２を配置しているので、上述した光量損失、照明むら、又は迷光の発生等が発生せず、良好な映像を得ることができる。【００８９】
また、本実施の形態に係る照明装置では、赤色、緑色、青色の波長帯域の光束を単独で出射する光源装置を備えているので、白色のランプ光源を用いた場合と比較して色分離のための光学系が不要となり、その結果、照明光学系の構成を簡単にし、小型化及び低コスト化を実現することができる。【００９０】
なお、図１６における１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの配置は、これに限定されるものではなく、自由に設定することができる。また、図１６では、光変調素子３を１つだけ使用する単板式の光変調素子３として説明したが、赤色、緑色及び青色の波長帯域の光束を光変調する光変調素子を合計３つ使用する方式（３板式）を採用してもよい。また、実施の形態１の各変形例又は実施の形態２の構成を、この実施の形態３に適用してもよい。【００９１】
図１７〜図２１に、実施の形態３に係る画像投写装置の種々の構成例を示す。
図１７に示した画像投写装置は、波長帯域の異なる光束を出射する光源装置１０１，１０２，１０３を有している。光源装置１０１，１０２，１０３は、それぞれ、図１６に示した光源装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂのいずれかで構成されている。光源装置１０１，１０２，１０３のうち、２つの光源装置１０１，１０２は、残る一つの光源装置１０３の発光面の法線方向に配置され、各発光面が光源装置１０３の発光面に対して垂直になるように配置されている。光源装置１０１，１０２，１０３の出射側には、それぞれ、第１の光学素子２１１，２１２，２１３が配置されている。第２の光学素子２２は、第１の光学素子２１１に対向配置されている。【００９２】
第１の光学素子２１１，２１２，２１３は、いずれも、実施の形態１で説明した第１の光学素子２１と同様の機能を有し、第２の光学素子２２と共に照明光学系を構成する。光源装置１０１，１０２のそれぞれの出射側にはダイクロイックミラーＭ１１，Ｍ１２が配置されており、これらダイクロイックミラーＭ１１，Ｍ１２は光源装置１０３の発光面の法線方向に並んで配置されている。ダイクロイックミラーＭ１１，１２は、それぞれ特定の波長帯域の光束を反射・透過させる分光透過／反射特性を有している。【００９３】
ダイクロイックミラーＭ１２は、光源装置１０２の出射光束を反射し、光源装置１０３の出射光束を透過して、それぞれダイクロイックミラーＭ１１に導く。ダイクロイックミラーＭ１１は、光源装置１０１の出射光束を透過し、ダイクロイックミラーＭ１２の出射光束を反射して、それぞれ第２の光学素子２２に導く。第２の光学素子２２を透過した光束は、光変調素子３（図１６）に入射して各色の映像情報に応じて光変調され、投写光学系４（図１６）により拡大投影される。【００９４】
図１８に示した画像投写装置では、光源装置１０１，１０２，１０３のうち、２つの光源装置１０２，１０３が、残る一つの光源装置１０１の発光面の法線方向に配置され、各発光面が光源装置１０１の発光面に対して垂直になるように配置されている。光源装置１０１，１０２，１０３の出射側には、それぞれ、第１の光学素子２１１，２１２，２１３が配置されている。第２の光学素子２２は、第１の光学素子２１１に対向配置されている。【００９５】
光源装置１０２，１０３のそれぞれの出射側にはダイクロイックミラーＭ１１，Ｍ１２が配置されており、これらダイクロイックミラーＭ１１，Ｍ１２は光源装置１０１の発光面の法線方向に並んで配置されている。ダイクロイックミラーＭ１１は、光源装置１０１の出射光束を透過し、光源装置１０２の出射光束を反射して、それぞれダイクロイックミラーＭ１２に導く。ダイクロイックミラーＭ１２は、ダイクロイックミラーＭ１１の出射光束を透過し、光源装置１０３の出射光束を反射して、それぞれ第２の光学素子２２に導く。第２の光学素子２２を透過した光束は、光変調素子３（図１６）に入射して各色の映像情報に応じて光変調され、投写光学系４（図１６）により拡大投影される。【００９６】
図１９に示した画像投写装置では、光源装置１０１，１０２，１０３のうち、２つの光源装置１０１，１０２が平行に光束を出射するように並置され、残る一つの光源装置１０３が光源装置１０２に対向配置されている。光源装置１０１，１０２，１０３の出射側には、それぞれ、第１の光学素子２１１，２１２，２１３が配置されている。第２の光学素子２２は、光源装置１０１に対向配置されている。【００９７】
光源装置１０１と第２の光学素子２２との間には、ダイクロイックミラーＭ１１が配置されており、光源装置１０２，１０３の間には、ダイクロイックミラーＭ１２，Ｍ１３が配置されている。ダイクロイックミラーＭ１２は、光源装置１０２の出射光束を反射し、光源装置１０３の出射光束を透過して、それぞれダイクロイックミラーＭ１１に導く。ダイクロイックミラーＭ１３は、光源装置１０３の出射光束を反射し、光源装置１０２の出射光束を透過して、それぞれダイクロイックミラーＭ１１に導く。ダイクロイックミラーＭ１１は、光源装置１０１の出射光束を透過し、ダイクロイックミラーＭ１２，Ｍ１３の各出射光束を反射して、それぞれ第２の光学素子２２に導く。第２の光学素子２２を透過した光束は、光変調素子３（図１６）に入射して各色の映像情報に応じて光変調され、投写光学系４（図１６）により拡大投影される。【００９８】
図２０に示した画像投写装置では、光源装置１０１，１０２，１０３が、互いに平行に光束を出射するように一列に並んで配置されている。光源装置１０１，１０２，１０３の出射側には、それぞれ、第１の光学素子２１１，２１２，２１３が配置されている。第２の光学素子２２は、光源装置１０３に対向配置されている。【００９９】
光源装置１０１，１０２，１０３の出射側には、ダイクロイックミラーＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３がそれぞれ配置されている。ダイクロイックミラーＭ１１は、光源装置１０１の出射光束を反射してダイクロイックミラーＭ１２に導く。ダイクロイックミラーＭ１２は、光源装置１０２の出射光束を反射し、ダイクロイックミラーＭ１１の出射光束を透過して、それぞれダイクロイックミラーＭ１３に導く。ダイクロイックミラーＭ１３は、光源装置１０３の出射光束を透過し、ダイクロイックミラーＭ１２の出射光束を反射して、それぞれ第２の光学素子２２に導く。第２の光学素子２２を透過した光束は、光変調素子３（図１６）に入射して各色の映像情報に応じて光変調され、投写光学系（図１６）により拡大投影される。【０１００】
図２１に示した画像投写装置では、光源装置１０１，１０２，１０３が、互いに平行に光束を出射するように一列に並んで配置されている。光源装置１０１，１０２，１０３の出射側には、それぞれ、第１の光学素子２１１，２１２，２１３が配置されている。第２の光学素子２２は、光源装置１０１，１０２，１０３の配列方向の一端（光源装置１０３側）に配置されている。【０１０１】
光源装置１０１，１０２，１０３の出射側には、ダイクロイックミラーＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３がそれぞれ配置されている。ダイクロイックミラーＭ１１は、光源装置１０１の出射光束を反射してダイクロイックミラーＭ１２に導く。ダイクロイックミラーＭ１２は、光源装置１０２の出射光束を反射し、ダイクロイックミラーＭ１１の出射光束を透過して、それぞれダイクロイックミラーＭ１３に導く。ダイクロイックミラーＭ１３は、光源装置１０３の出射光束を反射し、ダイクロイックミラーＭ１２の出射光束を透過して、それぞれ第２の光学素子２２に導く。第２の光学素子２２を透過した光束は、光変調素子３（図１６）に入射して各色の映像情報に応じて光変調され、投写光学系４（図１６）により拡大投影される。【０１０２】
なお、図１７〜図２１に示した変形例は、あくまで代表的な構成例であり、光源装置の冷却、画像投写装置の他の構成部品との干渉、デザイン上の制約、コスト、組立性等の種々の条件に即して、適宜配置を変更することができる。【０１０３】
以上説明した実施の形態３の照明装置によれば、赤色、緑色、青色等、各色の波長帯域の光束を出射する面発光光源からの光束を、色分離することなく、また、マイクロレンズアレイ等の光均一化手段（整形手段）を用いることなく直接光変調素子に結像させるクリティカル照明系により、簡単な構成で、各色ごとに効率良く、均一に光変調素子を照明することができる。また、光変調素子により光変調された各色の映像光を、投写光学系によりスクリーン等に投影し、むらのない良好な画像を得ることができる。【０１０４】
なお、実施の形態３及びその各変形例では、波長帯域の異なる光束を出射する光源装置を３つ設けたが、これに限定されるものではない。例えば、同じ波長帯域の光束を出射する光源装置を複数設けてもよく、或いは、さらに別の波長帯域の光束を出射する光源装置を追加する等、より多くの光源装置を用いてもよい。
【図１】
2008111275.tif 000003
【図２】
2008111275.tif 000004
【図３】
2008111275.tif 000005
【図４】
2008111275.tif 000006
【図５】
2008111275.tif 000007
【図６】
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【図７】
2008111275.tif 000009
【図８】
2008111275.tif 000010
【図９】
2008111275.tif 000011
【図１０】
2008111275.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2008111275.tif 000014
【図１３】
2008111275.tif 000015
【図１４】
2008111275.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年6月8日(2009.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有効面に入射した照明光を光変調する光変調素子を照明する照明装置であって、
発光面を有する面発光光源を含む光源装置と、
前記面発光光源の前記発光面から出射された光束により前記光変調素子を照明する、少なくとも２つの光学素子を有する照明光学系と
を備え、
前記照明光学系は、前記面発光光源の側から順に、正のパワーを有する第１の光学素子と、正のパワーを有する第２の光学素子とを有し、前記面発光光源の前記発光面の像を拡大して、前記光変調素子の前記有効面に結像させ、
前記光源装置は、前記発光面に対して光が出射される側に、前記発光面と略平行にかつ近接して配置された平面状のフォトニック結晶体を備え、
前記面発光光源の前記発光面から出射されて前記フォトニック結晶体に入射した後、当該フォトニック結晶体から出射される光が、前記発光面の法線方向の放射成分が当該法線方向以外の方向の放射成分よりも多い光束分布を有し、
前記面発光光源の前記発光面は、前記光変調素子の前記有効面と略相似形であると共に、全面に亘って略均一な輝度分布を有し、
前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子は、前記面発光光源側および前記光変調素子側のいずれにもテレセントリックな光学系を構成していること
を特徴とする照明装置。
【請求項２】
有効面に入射した照明光を光変調する光変調素子を照明する照明装置であって、
発光面を有する面発光光源を含む光源装置と、
前記面発光光源の前記発光面から出射された光束により前記光変調素子を照明する、少なくとも２つの光学素子を有する照明光学系と
を備え、
前記照明光学系は、前記面発光光源の側から順に、正のパワーを有する第１の光学素子と、正のパワーを有する第２の光学素子とを有し、前記面発光光源の前記発光面の像を拡大して、前記光変調素子の前記有効面に結像させ、
前記光源装置は、前記発光面に対して光が出射される側に、前記発光面と略平行にかつ近接して配置された平面状のフォトニック結晶体を備え、
前記面発光光源の前記発光面から出射されて前記フォトニック結晶体に入射した後、当該フォトニック結晶体から出射される光が、前記発光面の法線方向の放射成分が当該法線方向以外の方向の放射成分よりも多い光束分布を有し、
前記面発光光源の前記発光面は、前記光変調素子の前記有効面と略相似形であると共に、全面に亘って略均一な輝度分布を有し、
前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子は、前記面発光光源側にテレセントリックな光学系を構成しており、前記光変調素子側においては、前記面発光光源の前記発光面から当該発光面の法線方向に出射された主光線が、前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子を介して、収束状態で前記光変調素子の前記有効面に入射すること
を特徴とする照明装置。
【請求項３】
前記第１の光学素子は、前記面発光光源の前記発光面から出射された光束を略コリメート化することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間に、瞳が設けられていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記光源装置の前記面発光光源の近傍に、面内の位置により透過特性が異なる拡散面を有する素子を配置したことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記照明光学系による前記発光面の像の結像位置に対して、前記光変調素子の前記有効面をずらして配置したことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項７】
波長帯域の異なる光束を出射する複数の前記光源装置を備え、
前記照明光学系は、
各光源装置毎に設けられた複数の第１の光学素子と、
前記複数の第１の光学素子から出射された光束を合成する合成素子と、
前記合成素子により合成された光束が入射する第２の光学素子と
を備え、
前記複数の第１の光学素子のそれぞれと前記第２の光学素子とにより、前記照明光学系が形成されることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載の前記照明装置と、
前記光変調素子の光変調により生成された映像光を拡大して投影する投写光学系と
を備えたことを特徴とする画像投写装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明に係る照明装置は、
有効面に入射した照明光を光変調する光変調素子を照明する照明装置であって、
発光面を有する面発光光源を含む光源装置と、
前記面発光光源の前記発光面から出射された光束により前記光変調素子を照明する、少なくとも２つの光学素子を有する照明光学系と
を備え、
前記照明光学系は、前記面発光光源の側から順に、正のパワーを有する第１の光学素子と、正のパワーを有する第２の光学素子とを有し、前記面発光光源の前記発光面の像を拡大して、前記光変調素子の前記有効面に結像させ、
前記光源装置は、前記発光面に対して光が出射される側に、前記発光面と略平行にかつ近接して配置された平面状のフォトニック結晶体を備え、
前記面発光光源の前記発光面から出射されて前記フォトニック結晶体に入射した後、当該フォトニック結晶体から出射される光が、前記発光面の法線方向の放射成分が当該法線方向以外の方向の放射成分よりも多い光束分布を有し、
前記面発光光源の前記発光面は、前記光変調素子の前記有効面と略相似形であると共に、全面に亘って略均一な輝度分布を有し、
前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子は、前記面発光光源側および前記光変調素子側のいずれにもテレセントリックな光学系を構成していること
を特徴とする。
本発明に係る照明装置は、また、
有効面に入射した照明光を光変調する光変調素子を照明する照明装置であって、
発光面を有する面発光光源を含む光源装置と、
前記面発光光源の前記発光面から出射された光束により前記光変調素子を照明する、少なくとも２つの光学素子を有する照明光学系と
を備え、
前記照明光学系は、前記面発光光源の側から順に、正のパワーを有する第１の光学素子と、正のパワーを有する第２の光学素子とを有し、前記面発光光源の前記発光面の像を拡大して、前記光変調素子の前記有効面に結像させ、
前記光源装置は、前記発光面に対して光が出射される側に、前記発光面と略平行にかつ近接して配置された平面状のフォトニック結晶体を備え、
前記面発光光源の前記発光面から出射されて前記フォトニック結晶体に入射した後、当該フォトニック結晶体から出射される光が、前記発光面の法線方向の放射成分が当該法線方向以外の方向の放射成分よりも多い光束分布を有し、
前記面発光光源の前記発光面は、前記光変調素子の前記有効面と略相似形であると共に、全面に亘って略均一な輝度分布を有し、
前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子は、前記面発光光源側にテレセントリックな光学系を構成しており、前記光変調素子側においては、前記面発光光源の前記発光面から当該発光面の法線方向に出射された主光線が、前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子を介して、収束状態で前記光変調素子の前記有効面に入射すること
を特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明に係る照明装置によれば、簡単な構成で、均一に光変調素子を照明することができ、装置の大型化や光量損失を抑制することができる。また、この照明装置を画像投写装置に適用することで、映像光の不均一を解消し、高画質な画像を提供することができる。
【国際調査報告】
2008111275.tif 000024
2008111275.tif 000025
2008111275.tif 000026
2008111275.tif 000027