(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リフレクタの少なくとも一部に楕円面鏡を用い、前記楕円面鏡の第１焦点付近に光源を配設し、この光源から出射された光束を前記楕円面鏡で反射させて第２焦点付近に向かうようにした照明装置において、前記第１焦点と前記第２焦点とを結ぶ光軸付近の一部に非鏡面の窓が形成されて前記第１焦点と前記第２焦点との間に配設され、前記光源から出射された光束のうち少なくとも前記楕円面鏡での反射光の一部を前記第２焦点より手前で反射させて前記楕円面鏡ないしは前記第１焦点付近に戻す前面鏡を備え、
前記前面鏡は、平面鏡であって、前記光軸に対して直交させて前記楕円面鏡の短軸上に配置されており、
前記前面鏡は、少なくとも、前記リフレクタに形成された光源保持孔の縁から前記第１焦点を通過して伸びる円錐面で切られる範囲が前記窓とされていることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記前面鏡は、前記第２焦点を球心とする球面鏡であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
前記前面鏡は、少なくとも、前記第１焦点位置での前記光軸に垂直な面と前記楕円面鏡との交線から前記第２焦点へ向かう円錐面で切られる範囲が前記窓とされていることを特徴とする請求項２記載の照明装置。
【請求項４】
前記第２焦点より光軸上後段位置に平行光とするための平行化手段の最初の光学部材を配置したことを特徴とする請求項１ないし３の何れか一記載の照明装置。
【請求項５】
前記前面鏡と前記第２焦点との間に平行光とするための平行化手段の最初の光学部材を配置したことを特徴とする請求項１ないし３の何れか一記載の照明装置。
【請求項６】
前記窓は、出力光利用光学系の入力部の光学要素の入射口と相似形をなすことを特徴とする請求項１ないし５の何れか一記載の照明装置。
【請求項７】
前記出力光利用光学系の入力部の光学要素が、インテグレータであることを特徴とする請求項６記載の照明装置。
【請求項８】
出力光利用光学系の入力部の光学要素が、偏光変換器であることを特徴とする請求項６記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶プロジェクタ等に用いられる照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネルのような矩形状の被投射体を均一に照明するための照明光学系としては、従来より、２組のフライアイレンズアレイを組合せたインテグレータ光学系が例えば特開平３−１１１８０６号公報により知られている。
【０００３】
同公報等に示されるインテグレータ光学系は、放物面反射器、楕円面反射器、双曲面反射器等のリフレクタを備えた光源からの光束を、第１のフライアイレンズアレイを構成している複数の矩形状の集光レンズにより分割して２次光源像を形成し、これらの２次光源像を第１のフライアイレンズアレイの複数の矩形状の集光レンズに対応させた複数の集光レンズを備えた第２のフライアイレンズアレイを介して同一の被投射体上に重畳結像させるようにしたものである。このようなインテグレータ光学系によれば、光源光の利用効率が向上するとともに、被投射体面上の光の強度分布をほぼ一様にすることができるとされている。特に、第１，２のフライアイレンズアレイにおける各集光レンズの形状を矩形状の被投射体のアスペクト比率に対応させて、例えば、４：３なる比率の矩形状に形成することにより光の利用効率及び強度分布の均一化を図ることができる。
【０００４】
即ち、特開平３−１１１８０６号公報においては、インテグレータ光学系として、第１レンズ板に各長方形状のレンズを持つマクロレンズアレイ（通称、フライアイレンズ板）、第１レンズ板に対応したレンズを持つ第２のマクロレンズアレイを使用し、被照射体に合ったアスペクト比の照射を行なえるようにしている。そして、さらにインテグレータ光学系の外形を小さくするための光源側の構成例として、同公報中のＦig.２３によれば、回転楕円面鏡の第１焦点に光源を置き、第２焦点の後にコリメータレンズを置いてからインテグレータ光学系に導くようにしている。
【０００５】
図１２は、特開平３−１１１８０６号公報中でＦig.２３に示される構成例を示す。図１２において、基本的には、インテグレータ光学系１００の第１レンズ板に各々長方形状のレンズを持つマクロレンズアレイ（第１のフライアイレンズ）１０１と第１レンズに対応したレンズを持つ第２のマクロレンズアレイ（第２のフライアイレンズ）１０２とを使用し、被照射体である液晶パネル１０３に合ったアスペクト比の照射を行なうようにしている。そして、光源側としては、リフレクタである回転楕円面鏡１０４の第１焦点Ｆ１に配設した光源１０５から出射され回転楕円面鏡１０４により反射された光を第２焦点Ｆ２に焦点を結び、コリメータレンズ１０６によりインテグレータ光学系１００に入射させるように構成されている。なお、図１２において、１０７はＰ偏光成分とＳ偏光成分とが混在した光源光に関してＰ偏光成分のみ又はＳ偏光成分のみに揃える偏光整列プリズムアレイ、１０８，１０９はレンズである。
【０００６】
さらに、特開平５−２６４９０４号公報によれば、図１３に示すように、前述の特開平３−１１１８０６号公報方式の場合と同様に回転楕円面鏡１０４の第１焦点Ｆ１に光源１０５を置き、第２焦点Ｆ２の後にコリメータレンズ１０６を置いてからインテグレータ光学系に導く方式で、回転楕円面鏡１０４に入らない光束を球心を第１焦点Ｆ１に持つ凹面鏡１１０で光源１０５に戻し、光源１０５から発する光束の殆どを利用できるようにした提案がなされている。
【０００７】
また、特開２００１−６６６９７公報によれば、図１４に示すように、リフレクタ１１１に取り付けられたランプ１１２の管球部１１３の一部に反射膜１１４を形成して概ね球面鏡構造の光源部とすることで、光源からの光束をリフレクタ１１１側に返して有効に利用するようにした提案がなされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述の特開平３−１１１８０６号公報に示される思想は、光源１０５が発する光束を一旦集光し、コリメータレンズ１０６で平行光にすることによりインテグレータ全体のサイズを小さくし、大局的な目的を満たそうとするものである。しかしながら、この構成は光源１０５が発散する光束が再度集光された焦点部での光源像の大きさは元の光源像の何倍にも拡大されてしまい、コリメータレンズ１０６で平行光にしようとしても限界があり、インテグレータ光学系１００での光利用効率を落とすことになる。
【０００９】
さらに、リフレクタ（回転楕円面鏡１０４）の包括角θを大きくするとコリメータレンズ１０６への最大入射角ψも大きくなってしまい、コリメータレンズ１０６での効率が落ちたり、レンズの枚数を多くことが必要になる等複雑になってしまう。
【００１０】
また、特開平５−２６４９０４号公報の場合には、第１焦点Ｆ１位置に球心を一致させた凹面鏡１１０を配置することにより、リフレクタ（回転楕円面鏡１０４）に取り込めない光を再帰させて利用することで光源１０５の発する光束の利用効率を向上させている。しかしながら、光束を一旦集光し、コリメータレンズ１０６で平行光にすることによりインテグレータ光学系全体のサイズを小さくし、大局的な目的を満たそうとする考え方は図１２で示した従来例と同じものである。ということで、この構成は光源１０５が発散する光束が再度集光された焦点部での光源像の大きさは元の光源像の何倍にも拡大されてしまい、コリメータレンズ１０６で平行光にしようとしても限界があり、インテグレータ光学系での光利用効率を落とすことになることには変わりが無い。
【００１１】
さらに、リフレクタ（回転楕円面鏡１０４）の包括角θを大きくするとコリメータレンズ１０６への最大入射角ψも大きくなってしまい、コリメータレンズ１０６での効率が落ちたり、レンズの枚数を多くことが必要になる等複雑になってしまう点も特開平３−１１１８０６号公報の場合と同様である。
【００１２】
また、特開２００１−６６６９７公報例の場合、球面鏡による反射光は光源のアーク像を拡大（あたかも球心からの距離と同じほど外側の位置にアーク像群があるように振舞う：図１４中に破線で示す部分を参照）してしまう。言い換えると、そのアーク像はリフレクタ１１１の焦点位置からかけ離れた位置に存在しているので、アークからの直接光に比べると、この球面反射鏡を介して得られるリフレクタ１１１からの光束の平行度は極端に低下してしまい、逆効果になってしまう。さらには、１０００℃近くになる管壁では反射特性が短時間で劣化してしまい、図１５に示すように管壁から若干浮かせた状態にしても劣化時間が少し延びる程度で実用レベルでは頻繁にランプ交換を強いられてしまう。
【００１３】
そこで、本発明は、実質的に包括角を大きく取ることができ、光源光の光束の利用効率を向上させることを目的とし、具体的には、インテグレータ光学系等の出力光利用光学系に入射する光束の平行度をより一層向上させることで、例えば、インテグレータ光学系の第２フライアイレンズ面にできる光源像の大きさを点光源状に小さくすることができる照明装置を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、実質的に包括角を大きく取ることができ、平行化手段への入射角を小さくすることができ、効率よく平行光を得ることができる照明装置を提供することを目的とする。
【００１５】
さらには、本発明は、質のよい均質な照射光を照射面に照射できる照明装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、リフレクタの少なくとも一部に楕円面鏡を用い、前記楕円面鏡の第１焦点付近に光源を配設し、この光源から出射された光束を前記楕円面鏡で反射させて第２焦点付近に向かうようにした照明装置において、前記第１焦点と前記第２焦点とを結ぶ光軸付近の一部に非鏡面の窓が形成されて前記第１焦点と前記第２焦点との間に配設され、前記光源から出射された光束のうち少なくとも前記楕円面鏡での反射光の一部を前記第２焦点より手前で反射させて前記楕円面鏡ないしは前記第１焦点付近に戻す前面鏡を備え、前記前面鏡は、平面鏡であって、前記光軸に対して直交させて前記楕円面鏡の短軸上に配置されており、前記前面鏡は、少なくとも、前記リフレクタに形成された光源保持孔の縁から前記第１焦点を通過して伸びる円錐面で切られる範囲が前記窓とされている。
【００１７】
従って、基本的にリフレクタを構成する楕円面鏡により反射された光束は前面鏡の窓を通して第２焦点側に向かう一方、光源から発せられて前面鏡で反射される光束や光源から発せられて楕円面鏡で反射されさらに前面鏡で反射される光束は第１焦点を経て楕円面鏡で反射させ前面鏡の窓を通して第２焦点側に向かわせることができ、前面鏡の窓の大きさを規定するだけで実質的に包括角を大きく取ることができ、光源光の光束の殆ど全部を効率よく利用することができる。又、前面鏡が平面鏡であり基本的に作りやすい上に、リフレクタの出口を覆う前面ガラスと一体に前面鏡を設けることができる等、構成を単純にでき、精度も向上する。又、光源を実装するための光源保持孔を考慮しても、リフレクタに形成された光源保持孔による弊害を受けない範囲で極力包括角を大きく取り、光源から放出される光束を殆ど全部利用することができ、高効率の照明装置を提供できる。
【００２２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の照明装置において、前記前面鏡は、前記第２焦点を球心とする球面鏡である。
【００２３】
従って、光源から発せられて楕円面鏡で反射され球面鏡に向かう光束を再び楕円面鏡に向けて反射させ光源が位置する第１焦点を通って再び楕円面鏡で反射させるような経路を取らせることができ、光源からの光束を効率よく第２焦点側に向かわせることができる。
【００２４】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の照明装置において、前記前面鏡は、少なくとも、前記第１焦点位置での前記光軸に垂直な面と前記楕円面鏡との交線から前記第２焦点へ向かう円錐面で切られる範囲が前記窓とされている。
【００２５】
従って、光源光の利用効率を損なうことなく極力包括角を大きく取ることができる。
【００２６】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一記載の照明装置において、前記第２焦点より光軸上後段位置に平行光とするための平行化手段の最初の光学部材を配置した。
【００２７】
従って、コリメータレンズ等の平行化手段に対する入射角を小さくすることができ、効率よく平行光を得ることができる。
【００２８】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一記載の照明装置において、前記前面鏡と前記第２焦点との間に平行光とするための平行化手段の最初の光学部材を配置した。
【００２９】
従って、第２焦点に向かう光束をコリメータレンズ等の平行化手段により平行化することができ、後段の出力光利用光学系を詰めて配設させることができる。
【００３０】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一記載の照明装置において、前記窓は、出力光利用光学系の入力部の光学要素の入射口と相似形をなす。
【００３１】
従って、前面鏡の窓が出力光利用光学系の入力部の光学要素の入射口と相似形をなすように形成されているので、この窓の大きさを規制することで、出力光利用光学系のサイズを小さく抑えることができる。
【００３２】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の照明装置において、前記出力光利用光学系の入力部の光学要素が、インテグレータである。
【００３３】
従って、基本的に光源から出射される光束の密度が不均一であることから、複数の光束に分割して各々の分割光束を被照射体上で再度インテグレートするインテグレータ光学系を備える構成下に、請求項８記載の発明の場合と同様な作用効果を得ることができる。即ち、インテグレータ光学系に入る光束の平行度を向上させることができ、インテグレータ光学系の第２フライアイ面に形成される光源像の大きさを小さくすることができ、よって、液晶プロジェクタにおける液晶パネル等を照明する上で質のよい均質な照明光を照射させることができる。
【００３４】
請求項８記載の発明は、請求項６記載の照明装置において、出力光利用光学系の入力部の光学要素が、偏光変換器である。
【００３５】
従って、出力光利用光学系が光利用効率を向上させるために偏光変換器を用いた構成下にあっても、請求項６記載の発明と同様な作用効果を得ることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。まず、図１を参照して本実施の形態の照明装置の原理を説明する。本実施の形態の照明装置は、リフレクタ１に第１焦点Ｆ１、第２焦点Ｆ２を有する楕円面鏡を用いることを基本とする。ここに、第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２とを結ぶ線を光軸と称し、Ｚ軸として表し、第１焦点Ｆ１の位置でＺ軸に直交する紙面上の軸をＹ軸、紙面に鉛直な軸をＸ軸とする（従って、第１焦点Ｆ１が原点となる）。また、楕円面の長軸の半分の線分をａ、短軸の半分の線分をｂ、第１焦点Ｆ１・第２焦点Ｆ２間距離の半分の線分をｃとすると、リフレクタ１を構成する楕円面鏡は、
ｙ２＝−（ｂ２／ａ２）(ｚ−ｃ)２＋ｂ２
で表される楕円をＺ軸回りに回転させた曲線の一部（長軸方向の半分）を用いて形成されている。このようなリフレクタ１の一部には、アーク灯による光源２を支持するための直径ｄの光源保持孔３が形成されており、リフレクタ１は光源保持孔３部分により楕円面鏡とはならない部分を含んでいる。
【００３７】
このようなリフレクタ１に対して、その楕円面鏡の短軸上（ｘ′，ｙ′平面上）にはＺ軸に対して直交させて前面鏡としての平面鏡４が配設されている。この平面鏡４は第１焦点Ｆ１側の面がミラー面とされたもので、そのＺ軸付近なる中心付近にはコリメータレンズへの入射角を制御する幅（直径）ｗの窓５が開口形成されている。即ち、窓５部分は非鏡面とされている。
【００３８】
さらに、リフレクタ１の楕円面鏡における第１焦点Ｆ１付近には光源２が配設されている。この光源２はＺ軸方向の長さがＴとされている。
【００３９】
このように構成された平面鏡４付きのリフレクタ１を用いて第１焦点Ｆ１付近に配設した光源２からの光束を効率よく第２焦点Ｆ２側に向かわせる原理を説明する。まず、光束の開き角αは光源２の大きさ（Ｚ軸上の長さ：Ｔ）とリフレクタ１への入射角θ′と距離ｔとで決まる。即ち、α＝tan−１｛（Ｔ／ｔ）sinθ′｝で表される。これは、楕円面鏡においてＹ軸上の点ｐｙ付近で反射される光束が最大となる。
【００４０】
楕円面鏡上の点ｐ０（点ｐｙより左側）で反射した光束に注目すると、これはリフレクタ１からの直接反射光による光束の開き角αとなる。
【００４１】
楕円面鏡上の点ｐ１（点ｐｙより右側）で反射した場合は第２焦点Ｆ２へ向かうが平面鏡４で反射され再び第１焦点Ｆ１へと向かう。これは、恰も光源が第２焦点Ｆ２に置かれ点ｐ′１で反射されて第１焦点Ｆ１へ向かうように振舞う。この光束は第１焦点Ｆ１付近を通過し、再度、リフレクタ１で反射される。ここでの鏡面は楕円面鏡による凹面状態となっているので、開いてきた光束が逆に収束する（絞る）ように反射される。勿論、中心線は第２焦点Ｆ２へと向かうので、その絞られる角度はリフレクタ１からの直接反射光の光束の開き角と同じように見ることができる。ここで、この光束の開き角をβと称する。即ち、点ｐ１で反射される光束は開き角α′で第２焦点Ｆ２に向かうが、その後、平面鏡４とリフレクタ１とで各々反射され、最終的には第２焦点Ｆ２へは開き角β′で向かう。
【００４２】
ここで、包括角θを大きくとるよう平面鏡４に形成された窓５の大きさｗを小さくしていくと、リフレクタ１→平面鏡４→リフレクタ１のルートをとった光束は光源２用の直径ｄの光源保持孔３内に入ってしまう。この光束は、平面鏡４→リフレクタ１→リフレクタ１のルートをとる光束より強いので、そうならないようにする必要がある。即ち、窓５の大きさｗはこの光源保持孔３の縁の点ｐｄから第１焦点Ｆ１を通る線と短軸との交点ｑｄにより規定される円錐面以上となるような大きさに設定する必要がある。
【００４３】
さらに、点ｐ′２へ向かう光束に注目すると、先に平面鏡４で反射されてからリフレクタ１上の点ｐ２で反射されて第１焦点Ｆ１へと向かう。これは、恰も光源２が第２焦点Ｆ２に置かれ点ｐ２で反射されて第１焦点Ｆ１へ向かうように振舞う（この場合の第１焦点Ｆ１上でのアーク像は光源２のアークよりも小さくなると見ることができる）。この光束は第１焦点Ｆ１付近を通過した後、再度、リフレクタ１で反射される。やはり、ここでの鏡面は凹面状態となっているので、開いてきた光束が逆に収束（絞る）方向に反射される。勿論、中心線は第２焦点Ｆ２へと向かうので、その絞られる角度はリフレクタ１からの直接反射光の光束の開き角と同じように見ることができる。ここで、この光束の開き角をγと称する。即ち、平面鏡４で反射されてからリフレクタ１の点ｐ２で反射される光束は開き角α″で第１焦点Ｆ１に向かうが、その後、再度、リフレクタ１で反射されて第２焦点Ｆ２へは開き角γ″で向かう。
【００４４】
図２はこのような原理の下、平行化手段の少なくとも一部を構成するコリメータレンズ６も含めて構成した、より実際的な照明装置Ａ１の構成例を示す。このコリメータレンズ６はZ軸上で第２焦点Ｆ２よりも後段位置に配設されている。ここに、コリメータレンズ６は、第２焦点Ｆ２の位置が焦点となるように凸レンズ系（色収差の軽減をするために凹レンズを含めて複数のレンズで構成するのが通常であるが、非球面レンズを用いて１枚で済ませてもよい）により構成されるが、具体的な配設位置は、さらに後段に配設されるインテグレータ光学系の大きさ等に応じて、Ｌ，Ｌ′等で示す最適な位置に設定される。
【００４５】
なお、図２において、リフレクタ１を構成する楕円面鏡のＹ軸上とそのリフレクタ１との交点と楕円面鏡の第２焦点Ｆ２とを結ぶ線をｌ，ｌ′で示している。また、その線ｌ，ｌ′とＹ′軸との交点を各々ｍ，ｍ′として示している。また、図示する光線は、線１の場合であれば楕円面鏡で線２として反射された後、平面鏡４で線３として反射され、さらに第１焦点Ｆ１を通って楕円面鏡で線４として反射されて第２焦点Ｆ２に向かい、コリメータレンズ６に入射する様子を示しており、線１を反対方向に向かう光線は楕円面鏡で反射されて線５としてそのまま第２焦点Ｆ２に向かい、コリメータレンズ６に入射する様子を示しており、線６の場合であれば最初に平面鏡４により線７として反射され、さらに楕円面鏡により線８として反射され、さらに第１焦点Ｆ１を通って楕円面鏡で線９として反射されて第２焦点Ｆ２に向かい、コリメータレンズ６に入射する様子を示しており、逆に、線８の場合であれば楕円面鏡により線７として反射された後、平面鏡４で線６として反射され、さらに第１焦点Ｆ１を通って楕円面鏡で線１０として反射されて第２焦点Ｆ２に向かい、コリメータレンズ６に入射する様子を示している。
【００４６】
もちろん、光源２から発する光線が上述の線６、線８の説明とは反対方向に向かう方の光線の各々は楕円面鏡で反射され、各々線１０、線９として直接第２焦点は２に向かう。
【００４７】
ここで、注意が必要なのは、平面鏡４の窓５を小さくしていき、線ｌ、線ｌ′を交差する点ｍ，ｍ′未満に小さくすると、第１焦点Ｆ１から発した光線のうち、その点ｍ，ｍ′未満の範囲に光源２から平面鏡４へ入った光線は平面鏡４→リフレクタ１→リフレクタ１→平面鏡４→リフレクタ１と辿ってから、ようやく第２焦点Ｆ２へ到達する経路となり、反射回数が２回増えて減衰量が増加するので効果が殆どない。
【００４８】
本実施の形態によれば、楕円面鏡により形成されたリフレクタ１に対して、窓５のサイズｗが所定サイズに規定された平面鏡４を短軸上に配設させているので、実質的にリフレクタ１の包括角θを大きく取ることができ、光源２から発せられる光束を効率よく第２焦点Ｆ２に集光させて、入射角ψを小さくしてコリメータレンズ６に入射させることができる。よって、効率よく平行光を得ることができる。
【００４９】
本発明の第二の実施の形態を図３に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し説明も省略する（以降の実施の形態でも順次同様とする）。
【００５０】
図３は平行化手段の少なくとも一部を構成するコリメータレンズ７も含めて構成した、より実際的な照明装置Ａ２の構成例を示す。このコリメータレンズ７はＺ軸上で平面鏡４・第２焦点Ｆ２間の位置に配設されている。ここに、コリメータレンズ７は、第２焦点Ｆ２の位置が焦点となるように凹レンズ系（色収差の軽減をするために凸レンズを含めて複数のレンズで構成するのが通常であるが、非球面レンズを用いて１枚で済ませてもよい）により構成されるが、具体的な配設位置は、さらに後段に配設されるインテグレータ光学系の大きさ等に応じて、Ｌ，Ｌ′等で示す最適な位置に設定される。
【００５１】
本実施の形態による場合も、第一の実施の形態の場合と同様な効果が得られる。
【００５２】
本発明の第三の実施の形態を図４及び図５に基づいて説明する。まず、図４を参照して本実施の形態の照明装置の原理を説明する。本実施の形態の照明装置も、リフレクタ１に第１焦点Ｆ１、第２焦点Ｆ２を有する楕円面鏡を用いることを基本とし、その第１焦点Ｆ１にアーク灯による光源２が配設されている。さらに、本実施の形態では、平面鏡４に代えて、前面鏡としての球面鏡１１が設けられている。この球面鏡１１は第２焦点Ｆ２を球心として第１焦点Ｆ１側が凸面ミラー面となるように半径ｒで形成されて第１焦点Ｆ１と第２焦点は２との間に配設されている。このような球面鏡１１のＺ軸付近なる中心付近にはコリメータレンズへの入射角を制御するサイズの窓１２が開口形成されている。
【００５３】
このように構成された球面鏡１１付きのリフレクタ１を用いて第１焦点Ｆ１付近に配設した光源２からの光束を効率よく第２焦点Ｆ２側に向かわせる原理を説明する。まず、光束の開き角αは、第一の実施の形態で前述したうに、光源２の大きさ（Ｚ軸上の長さ：Ｔ）とリフレクタ１への入射角θ′と距離ｔとで決まる。即ち、α＝tan−１｛（Ｔ／ｔ）sinθ′｝で表される。これは、楕円面鏡においてＹ軸上の点ｐｙ付近で反射される光束が最大となる。
【００５４】
楕円面鏡上の点ｐ０（点ｐｙより左側）で反射した光束に注目すると、これはリフレクタ１からの直接反射光による光束の開き角αとなる。
【００５５】
楕円面鏡上の点ｐ１（点ｐｙより右側）で反射した場合は第２焦点Ｆ２へ向かう（このときの光束の開き角はα′）が球面鏡１１で反射される。ここでは、光束がさらに広がって反射される。この光束のうち、第１焦点Ｆ１から発した中心の光線は、丁度、第２焦点Ｆ２に置かれた点光源からの光線が点ｐ１で反射されて第１焦点Ｆ１へ向かう場合と同じとなる。しかしながら、光束全体では球面鏡１１で発散するように反射するので、再度、リフレクタ１上の点ｐ１で反射されるときは更に光束の開き角はα′よりも広がっている。
【００５６】
しかし、この点ｐ１の鏡面は凹面状態となっているので、開いてきた光束が逆に収束する（絞る）ように反射される（その角度の絶対値は反射前の発散角よりは小さい角度となっている）。この光束の中心は前述の通り、第１焦点Ｆ１を通過し、再再度、リフレクタ１で反射される。ここでの鏡面も凹面状態なので更に収束するように反射される。勿論、中心線は第２焦点Ｆ２へと向かうので、その光束の持つ角度はリフレクタ１からの直接反射光の光束の開き角と同じように見ることができる。ここで、この開き角をδと称する。即ち、点ｐ１で反射される光束は開き角α′で第２焦点Ｆ２に向かうが、球面鏡１１とリフレクタ１とで反射され、最終的に第２焦点Ｆ２へは開き角δ′で向かう。
【００５７】
球面鏡１１の位置は、原理的には第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２との間にあれば前述の内容は崩れないが、球面鏡１１と楕円面鏡（リフレクタ１）との交点ｐｍへ第１焦点Ｆ１から引いた直線ｎが球面鏡１１の接線となる位置（図４中ではＭ″で表示してある）に置くと、包括角θの光束を有効に利用することができ、それよりも第２焦点Ｆ２に近づけると球面で蹴られる光束が生じる。勿論、他の制約でその条件を無視しても良いし、図中のＭ′のような位置（短軸よりも第１焦点Ｆ１側位置）をとることは包括角θを犠牲にしているが本発明の思想を崩すものではない。
【００５８】
図５はこのような原理の下、平行化手段の少なくとも一部を構成するコリメータレンズ６も含めて構成した、より実際的な照明装置Ａ３の構成例を示す。このコリメータレンズ６はZ軸上で第２焦点Ｆ２よりも後段位置に配設されている。ここに、コリメータレンズ６は、第２焦点Ｆ２の位置が焦点となるように凸レンズ系（色収差の軽減をするために凹レンズを含めて複数のレンズで構成するのが通常であるが、非球面レンズを用いて１枚で済ませてもよい）により構成されるが、具体的な配設位置は、さらに後段に配設されるインテグレータ光学系の大きさ等に応じて、Ｌ，Ｌ′等で示す最適な位置に設定される。
【００５９】
なお、図５において、リフレクタ１を構成する楕円面鏡のＹ軸上とそのリフレクタ１との交点と楕円面鏡の第２焦点Ｆ２とを結ぶ線をｌ，ｌ′で示している。また、その線ｌ，ｌ′とＹ′軸との交点を各々ｍ，ｍ′として示している。また、図示する光線は、線１の場合であれば楕円面鏡で線２として反射された後、球面鏡１１で線２として折り返し反射され、さらに第１焦点Ｆ１を通って楕円面鏡で線３として反射されて第２焦点Ｆ２に向かい、コリメータレンズ６に入射する様子を示しており、線４の場合であれば楕円面鏡で線５として反射された後、球面鏡１１で線５として折り返し反射され、さらに第１焦点Ｆ１を通って楕円面鏡で線６として反射されて第２焦点Ｆ２に向かい、コリメータレンズ６に入射する様子を示しており、さらに、線７の場合には楕円面鏡でそのまま線７として折り返し反射され、さらに第１焦点Ｆ１を通って楕円面鏡で線８として反射されて第２焦点Ｆ２に向かい、コリメータレンズ６に入射する様子を示しており、線９の場合には楕円面鏡で線１０として反射されて第２焦点Ｆ２に向かい、コリメータレンズ６に入射する様子を示している。
【００６０】
ここで、注意が必要なのは、球面鏡１１の窓１２を小さくしていき、線ｌ、線ｌ′を交差する点ｍ，ｍ′以下に小さくすると、第１焦点Ｆ１から発した光線のうち、その点ｍ，ｍ′以下の範囲にリフレクタ１で反射してから球面鏡１１へ入った光線はリフレクタ１→球面鏡１１→リフレクタ１→球面鏡１１と反射を何回も繰返すだけで第２焦点Ｆ２へ到達する経路がなくなり、球面鏡１１を置く意味がなくなる。
【００６１】
本実施の形態によれば、楕円面鏡により形成されたリフレクタ１に対して、窓１２のサイズが所定サイズに規定された球面鏡１１を第１焦点Ｆ１、第２焦点Ｆ２間の光軸上に配設させているので、実質的にリフレクタ１の包括角θを大きく取ることができ、光源２から発せられる光束を効率よく第２焦点Ｆ２に集光させて、入射角ψを小さくしてコリメータレンズ６に入射させることができる。よって、効率よく平行光を得ることができる。
【００６２】
本発明の第四の実施の形態を図６に基づいて説明する。第三の実施の形態と同様であるが、図６は平行化手段の少なくとも一部を構成するコリメータレンズ７も含めて構成した、より実際的な照明装置Ａ４の構成例を示す。このコリメータレンズ７はZ軸上で球面鏡１１・第２焦点Ｆ２間の位置に配設されている。ここに、コリメータレンズ７は、第２焦点Ｆ２の位置が焦点となるように凹レンズ系（色収差の軽減をするために凸レンズを含めて複数のレンズで構成するのが通常であるが、非球面レンズを用いて１枚で済ませてもよい）により構成されるが、具体的な配設位置は、さらに後段に配設されるインテグレータ光学系の大きさ等に応じて、Ｌ，Ｌ′等で示す最適な位置に設定される。
【００６３】
本実施の形態による場合も、第三の実施の形態の場合と同様な効果が得られる。
【００６４】
本発明の第五の実施の形態を図７に基づいて説明する。本実施の形態は、前述の照明装置Ａ４を例えば縦横のアスペクト比が４：３なる矩形状の液晶パネル（ＬＣＤ）２１の照明用に用いた適用例を示す。
【００６５】
即ち、照明装置としては、球面鏡１１を用いるとともに、楕円面鏡（リフレクタ１）の第２焦点Ｆ２よりも手前で平行化手段としてのコリメータレンズ７によりコリメートする構成のものであり、照明装置Ａ２であってもよい。本実施の形態の場合には、コリメータレンズ７として１枚の非球面凹レンズが用いられている。また、２２はリフレクタ１の開口部（短軸）部分に取り付けられた前面ガラスである。
【００６６】
また、照明装置Ａ４・液晶パネル２１間に配設される出力光利用光学系は、本実施の形態の場合、偏光変換器付きインテグレータ光学系２３とされている。インテグレータ光学系２３としては、種々の構成をとり得るが、本実施の形態では、一般的な第１のフライアイレンズに代えて、直交シリンドリカルレンズアレイ２４ａ，２４ｂを用いた例を示している。また、第２のフライアイレンズに相当する直交シリンドリカルレンズ２５ａ，２５ｂ間に配設された偏光整列プリズム２６の前段には、遮光板アレイ２７が配設されている。２８はＵＶ／ＩＲカットフィルタである。また、シリンドリカルレンズ２５ｂと照射面とのほぼ中間の位置に凸レンズ２９（焦点距離はこの凸レンズ２９から液晶パネル２１までの距離に一致させる）を置き、第２のフライアイレンズ（直交シリンドリカルレンズ２５ａ，２５ｂ）で分割された光束を照射面である液晶パネル２１上に重ね合わせている。
【００６７】
このような構成をとることにより、凸レンズ２９から被照射面となる液晶パネル２１までは、フライアイレンズの各構成レンズが作る光束は各々平行光となっているので、特に反射型液晶パネル２１を用いるプロジェクタの場合でも色むらが発生しにくく、都合がよい。
【００６８】
なお、本実施の形態において、インテグレータ光学系２３を構成する上で、各々の直交シリンドリカルレンズアレイに代えて、第１，２フライアイレンズ板を用いても何ら本発明の本質を変えるものではない。この場合、偏光整列プリズム２６に相当する偏光変換器は第２フライアイレンズ板の直後に配設するのがよい。
【００６９】
また、図８に示すように、直交シリンドリカルレンズ２５ａ，２５ｂ間中の偏光整列プリズム２６に代えて、偏光変換器３１（ここでは、名称を偏光変換器としたが、目的及び機能は、前述の偏光整列プリズムアレイと同じである。ただし、インテグレータ光学系２３との相対位置の違いで若干形状が異なるので、別の名称を用いている）を照明装置Ａ４の直後（即ち、出力光利用光学系の入力部の光学要素に相当する）に設けるようにしてもよい。この偏光変換器３１は第１フライアイレンズ３５と一体に設けられたもので、図９に示すように、４５°の二等辺三角形形状の６個のプリズム３２ａ〜３２ｆを中心対称に台形状に組合せ、各斜面にＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）膜３３ａ〜３３ｄを形成してなる。ＰＢＳ膜３３ａ〜３３ｄはＳ偏光を反射しＰ偏光を透過するように形成されているので、照明装置Ａ４側から入射される平行光は、中央部に位置する最初のＰＢＳ膜３３ｂ，３３ｃによりＳ偏光とＰ偏光とに分離され、Ｐ偏光はそのまま透過してインテグレータ光学系２３へ導かれる。一方、Ｓ偏光は反射され、外側のＰＢＳ膜３３ａ，３３ｄ（これらは全反射ミラーでもよい）により再度反射され、そのプリズム３２ａ，３２ｆの出口に配設された１／２波長板３４ａ，３４ｂでＰ偏光に変換されてインテグレータ光学系２３側に導かれる。
【００７０】
このような偏光変換器３１の機能は３個のプリズムの組合せでも実現できるが、図９に示すように、６個のプリズム３２ａ〜３２ｆを用い、３個組を２組対称に組合せて構成することにより、偏光変換器３１の受光側（リフレクタ１側）に対して出射側（インテグレータ光学系２３側）の面積が２倍となる小型構成を採ることができる。即ち、インテグレータ光学系２３の入力部の外形を図７に示した場合と同じとすると、偏光変換器３１の受光側の面積は半分にできるため、球面鏡１１の窓１２の開口形状もプリズム３２ｂ，３２ｅを合わせた大きさ形状に小さくできる。
【００７１】
本発明の第六の実施の形態を図１０及び図１１に基づいて説明する。本実施の形態は、前述の照明装置Ａ１を液晶パネル（ＬＣＤ）２１の照明用に用いた適用例を示す。
【００７２】
即ち、照明装置としては、楕円面鏡（リフレクタ１）の短軸上に平面鏡４を配設し、第２焦点Ｆ２よりも後段位置で平行化手段としてのコリメータレンズ６によりコリメートする構成のものであり、照明装置Ａ３であってもよい。本実施の形態の場合には、コリメータレンズ６としては、色収差を軽減するために凸レンズと凹レンズとを４枚組み合わせて、全体を１枚の凸レンズに相当するように構成のものが用いられている。また、本実施の形態では、楕円面鏡（リフレクタ１）の開口部に取り付けられた前面ガラス２２がそのまま平面鏡４として利用されている。
【００７３】
また、照明装置Ａ１・液晶パネル２１間に配設される出力光利用光学系は、本実施の形態の場合、偏光変換器付きインテグレータ光学系４１とされている。インテグレータ光学系４１としては、種々の構成をとり得るが、本実施の形態では、図７の場合と同様に、直交シリンドリカルレンズアレイ２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂを利用した構成とされ、最終のシリンドリカルレンズアレイ２５ｂの直後に凸レンズ４２（焦点距離は液晶パネル２１までの距離に一致させる）が配設されている。これにより、直交シリンドリカルレンズアレイ２５ａ，２５ｂで分割された光束を照射面である液晶パネル２１上に重ね合わせている。４３は液晶プロジェクタにおける投射レンズ（図示せず）に最小径の光束で通過させるためのコンデンサレンズである。
【００７４】
このように、一旦焦点を持たせてその後で平行光にする方式はフィールドシーケンシャル方式のプロジェクタの照明装置に有効である。即ち、焦点位置にカラーホイールを置くことにより、ちらつきが目立たなくなる。
【００７５】
ところで、前面鏡としての平面鏡４が有する窓５（球面鏡１１の窓１２も同様）の形状について図１１を用いて説明する。なお、ここでは、説明を簡単にするためにインテグレータ光学系４１の入力部の光学要素としての直交シリンドリカルレンズアレイ２４ａ，２４ｂを１枚のフライアイレンズに置き換えて説明する。そこで、ここではそのフライアイレンズを構成する要素レンズのサイズを横Ｈ＝４ｍｍ、縦Ｖ＝３ｍｍとし、７×９個を並べて構成されている場合を想定している。
【００７６】
このような条件下では、基本の窓形状は横４ｍｍ×７個＝２８ｍｍ、縦３ｍｍ×９個＝２７ｍｍの矩形形状となる。もし、この形状のままで全ての要素レンズを利用しようとすれば、２８：２７の横縦比で平面鏡４の窓５を作ればよい。
【００７７】
しかしながら、反射型ＬＣＤを用いるプロジェクタ用としては液晶パネル２１面に入る入射角が小さいほどコントラストや色むらに対する性能が向上する。そのため、入射角が比較的大きくなる対角の要素レンズを通過する光束は使わなくてよい。しかも、本実施の形態の方式ではその部分に来る光束を反射させ、再利用し、中心付近の良質な光束とすることができるので全体としての効率が向上する。
【００７８】
図１１（ａ）は対角上の要素レンズを各１個分ずつの範囲を反射面（楕円面鏡の一部）とした例であり、図１１（ｂ）はその両隣までの各３個分ずつの範囲を反射面（楕円面鏡の一部）とした例を示す。なお、図１１中の括弧内の数値は、（ｘ，ｙ，ｌ）、即ち、その点のｘ座標、ｙ座標及び原点に点対称となる対角の長さｌを示している。
【００７９】
さらに、光軸を精度よく作成し、維持することができれば、図１１（ｃ）又は図１１（ｄ）に示すように必ずしも要素レンズの単位で窓を構成する必要性はない。図１１（ｃ）は外形である矩形に内接する楕円形状或いは円形状の窓５に形成した例であり、図１１（ｄ）は図１１（ｂ）で示した四隅の３個分の要素レンズを対角線で区切り、全体を八角形形状の窓５に形成した例である。これらの図１１（ｃ）又は図１１（ｄ）の例は要素レンズの一部分のみを光束が通過するので、一つの要素レンズだけに注目すると照度むらの出るおそれがあるが、全部を重畳した後の照度は互いに補い合っているのでほとんど照度むらにつながらない。特に、図１１（ｄ）に示す例は、四隅の２個ずつの要素レンズは互いの対角の要素レンズと完全に補完関係にあるので理論的にも全く照度むらにつながることはない。
【００８０】
以上、説明を簡単にするためにインテグレータ光学系４１の入力部の光学要素としての直交シリンドリカルレンズアレイ２４ａ，２４ｂを１枚のフライアイレンズに置き換えて説明したが、直交シリンドリカルレンズアレイも横シリンダ、縦シリンダの交差する単位で同様の考え方を採用すれば、同様の効果が得られることは容易に理解し得るので、詳細は省略する。
【００８１】
このように、インテグレータ光学系４１に入射させる光束を円形或いは円形に近い形にすることにより、その周囲に来る光束を反射させ、再利用し、中心付近の良質な光束とすることができるので、全体としての効率が向上する。
【００８２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、リフレクタの少なくとも一部に楕円面鏡を用い、前記楕円面鏡の第１焦点付近に光源を配設し、この光源から出射された光束を前記楕円面鏡で反射させて第２焦点付近に向かうようにした照明装置において、前記第１焦点と前記第２焦点とを結ぶ光軸付近の一部に非鏡面の窓が形成されて前記第１焦点と前記第２焦点との間に配設され、前記光源から出射された光束のうち少なくとも前記楕円面鏡での反射光の一部を前記第２焦点より手前で反射させて前記楕円面鏡ないしは前記第１焦点付近に戻す前面鏡を備えることで、基本的にリフレクタを構成する楕円面鏡により反射された光束は前面鏡の窓を通して第２焦点側に向かう一方、光源から発せられて前面鏡で反射される光束や光源から発せられて楕円面鏡で反射されさらに前面鏡で反射される光束は第１焦点を経て楕円面鏡で反射させ前面鏡の窓を通して第２焦点側に向かわせることができ、前面鏡の窓の大きさを規定するだけで実質的に包括角を大きく取ることができ、光源光の光束の殆ど全部を効率よく利用することができる。又、前記前面鏡は、平面鏡であって、前記光軸に対して直交させて前記楕円面鏡の短軸上に配置されているので、基本的に作りやすい上に、リフレクタの出口を覆う前面ガラスと一体に前面鏡を設けることができる等、構成を単純にでき、精度も向上させることができる。又、前記前面鏡は、少なくとも、前記リフレクタに形成された光源保持孔の縁から前記第１焦点を通過して伸びる円錐面で切られる範囲が前記窓とされており、光源を実装するための光源保持孔を考慮しても、リフレクタに形成された光源保持孔による弊害を受けない範囲で極力包括角を大きく取り、光源から放出される光束を殆ど全部利用することができ、高効率の照明装置を提供することができる。
【００８５】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の照明装置において、前記前面鏡は、前記第２焦点を球心とする球面鏡であるので、光源から発せられて楕円面鏡で反射され球面鏡に向かう光束を再び楕円面鏡に向けて反射させ光源が位置する第１焦点を通って再び楕円面鏡で反射させるような経路を取らせることができ、光源からの光束を効率よく第２焦点側に向かわせることができる。
【００８６】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の照明装置において、前記前面鏡は、少なくとも、前記第１焦点位置での前記光軸に垂直な面と前記楕円面鏡との交線から前記第２焦点へ向かう円錐面で切られる範囲が前記窓とされているので、光源光の利用効率を損なうことなく極力包括角を大きく取ることができる。
【００８７】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし３の何れか一記載の照明装置において、前記第２焦点より光軸上後段位置に平行光とするための平行化手段の最初の光学部材を配置したので、コリメータレンズ等の平行化手段に対する入射角を小さくすることができ、効率よく平行光を得ることができる。
【００８８】
請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし３の何れか一記載の照明装置において、前記前面鏡と前記第２焦点との間に平行光とするための平行化手段の最初の光学部材を配置したので、第２焦点に向かう光束をコリメータレンズ等の平行化手段により平行化することができ、後段の出力光利用光学系を詰めて配設させることができる。
【００８９】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし５の何れか一記載の照明装置において、前記窓は、出力光利用光学系の入力部の光学要素の入射口と相似形をなすように形成されているので、この窓の大きさを規制することで、出力光利用光学系のサイズを小さく抑えることができる。
【００９０】
請求項７記載の発明によれば、基本的に光源から出射される光束の密度が不均一であることから、複数の光束に分割して各々の分割光束を被照射体上で再度インテグレートするインテグレータ光学系を備える構成下に、請求項６記載の発明の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【００９１】
請求項８記載の発明によれば、出力光利用光学系が光利用効率を向上させるために偏光変換器を用いた構成下にあっても、請求項６記載の発明と同様な作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態のリフレクタ構成を示す原理図である。
【図２】コリメータレンズを組合せた、より具体的な原理構成図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態のコリメータレンズを組合せたリフレクタのより具体的な原理構成図である。
【図４】本発明の第三の実施の形態のリフレクタ構成を示す原理図である。
【図５】コリメータレンズを組合せた、より具体的な原理構成図である。
【図６】本発明の第四の実施の形態のコリメータレンズを組合せたリフレクタのより具体的な原理構成図である。
【図７】本発明の第五の実施の形態の照明装置の要部を示す光学系構成図である。
【図８】その変形例を示す光学系構成図である。
【図９】その偏光変換器の平面図である。
【図１０】本発明の第六の実施の形態の照明装置の要部を示す光学系構成図である。
【図１１】窓形状を示す正面図である。
【図１２】第１の従来例の照明装置を示す光学系構成図である。
【図１３】第２の従来例のリフレクタ付近を示す光学系構成図である。
【図１４】第３の従来例のリフレクタ付近を示す光学系構成図である。
【図１５】その光学系構成図である。
【符号の説明】
１      楕円面鏡によるリフレクタ
２      光源
３      光源保持孔
４      平面鏡、前面鏡
５      窓
６      平行化手段
７      平行化手段
１１      球面鏡、前面鏡
１２      窓
２３      インテグレータ光学系、出力光利用光学系
２４ａ    インテグレータ
３１      偏光変換器
【図１】
0004695308.tif 000002
【図２】
0004695308.tif 000003
【図３】
0004695308.tif 000004
【図４】
0004695308.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004695308.tif 000007
【図７】
0004695308.tif 000008
【図８】
0004695308.tif 000009
【図９】
0004695308.tif 000010
【図１０】
0004695308.tif 000011
【図１１】
0004695308.tif 000012
【図１２】
0004695308.tif 000013
【図１３】
0004695308.tif 000014
【図１４】
0004695308.tif 000015
【図１５】
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