(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から放出される照明光を回転体楕円反射鏡で反射し発散光束からなる照明光とする照明装置において、  前記照明光は、前記回転体楕円反射鏡で反射された直後では収束光、前記回転体楕円反射鏡の第２焦点より先は発散光となり、  前記回転体楕円反射鏡の前記第２焦点よりも前側に配置され、前記発散光を光軸に近づく方向に偏向する回転体形状の第１偏向手段と、  前記第１偏向手段の前側に配置され、前記光軸に近づく方向の照明光を光軸から遠ざかる方向に偏向する回転体形状の第２偏向手段と、を有し、
前記第２偏向手段の前記光軸に直交する方向の長さは、前記第１偏向手段の前記光軸に直交する方向の長さよりも長いことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載の照明装置を用いた映像装置であって、前記照明装置によって被照明物体の背面側から照明光を照射し、前記被照明物体の像を投射することを特徴とする映像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの照明光を、反射鏡を用いて反射したあと、特定の大きさ、照明角で被照明物体を照明する照明装置に関し、さらにこの照明装置を利用した例えば液晶プロジェクターに代表される拡大観察装置、拡大投影装置などの映像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
拡大観察装置、拡大投影装置、液晶プロジェクターなどの映像装置、その他に用いられる照明装置においては、照明光の面分布と照明光角度分布を制御することが重要であり、照明光角度分布はその均一性と最大入射角度が特に重要である。照明光の最大入射角度は照明光最大入射角（θｍａｘまたは照明ＮＡまたは照明Ｆ値）とよばれ、この照明光最大入射角（θｍａｘ）にあわせて、被照明物体を拡大観察する拡大観察装置の拡大観察光学系または拡大投影する拡大投影装置の拡大投影光学系が決定される。
【０００３】
反射鏡を用いた場合の照明系ＮＡは、一般には光源の大きさ（光源の長さ）と被照明物体の大きさで決定される（光技術コンタクト、Ｐ．６０７，Ｎｏ．９，１９９９）。反射鏡の大きさは、この反射鏡の開口径と、これから出射する照明光の最大出射角度および被照明物体の大きさで決定される。このため、例えば放電管からなる光源の長さを短くする努力が行われ、以前は１．５ｍｍ程度の光源長であったものが、最近では１．２ｍｍ程度となっている。
【０００４】
いま、被表示物体としてライトバルブ（以下「ＬＶ」という）を用い、このＬＶの短軸の大きさ１２ｍｍとするならば（４：３のＬＶで約０．７９型の場合）、照明光最大入射角θｍａｘは、反射鏡を放物面とし、光源の最大取り込み角を実用的な１２０度とした場合に、約１２．９度である。このような仕様によれば、ＬＶとして透過型液晶ディスプレイパネル（ＬＣＤ）を用いた場合には、明るい投射レンズと組み合わせることにより拡大投影装置を実現できる。しかし、反射型ＬＶを用いた場合には、ダイクロイックプリズム（ＤＰ）や偏向ビームスプリッタ（ＰＢＳ）やＬＶ自体の入射角度による光学特性値の変動により、面内の均一性に優れた映像品質を得ることが困難である。このため、照明光学装置内で入射角度の大きい照明光を損失させ、あるいは、暗い投射レンズを用いて光の利用効率を低減させると同時に実効的なθｍａｘを低減させており、光の利用効率の低減量を小さくしながら、θｍａｘを増大することが望まれている。
【０００５】
反射鏡の開口を小さくし、開口以外には反射鏡部分を設けることにより光を再起させることにより、開口を小さくしながらも、開口を通過する実質的な光量を増加させる照明装置が特開平６−２０３６０３号公報に記載されている。図２９（ａ）は従来の照射装置の例を示す断面図、図２９（ｂ）はその正面図である。この従来の照明装置は図２９（ａ）に示すように、たとえばショートアークタイプのメタルハライドランプなど、点状の光源１７０、この光源１７０の位置に焦点Ｄを有する放物面反射鏡１６５、放物面反射鏡１６５の前側（以下、光源から放射された照明光が進む側を「前側」という）に設けられた平面反射鏡１６６、平面反射鏡１６６の外縁位置から放物面反射鏡１６５との隙間を覆うように設けられた球面反射鏡１６７で構成されている。
【０００６】
平面反射鏡１６６は、焦点Ｄを通る光軸Ｏを法線とする平面上に反射面を有し、かつ光軸Ｏを含む矩形の開口部１７１を有している。球面反射鏡１６７は、反射面を形成する球面の中心Ｅが焦点Ｄを通る光軸Ｏ上にあり、かつ焦点Ｄと中心Ｅとの距離が、光軸Ｏと平面反射鏡１６６の反射面を延長した仮想平面との交点Ｈから焦点Ｄまでの距離の約２倍、すなわち中心Ｅと焦点Ｄとの中点が交点Ｈとなるように配置したものである。
【０００７】
放物面反射鏡１６５の焦点Ｄに位置する光源１６０からは照射光が放射状に照射される。光源１６０からの照射光のうち、放物面反射鏡１６５の開口縁部付近に向かって進んだ照射光１６８ａは放物面反射鏡１６５で反射され、さらに平面反射鏡１６６で反射された後、同じ光路を通って光源１７０に戻り、光源１７０を通り過ぎて今度は放物面反射鏡１６５の底部寄りの位置で反射された後、光軸Ｏと平行な有効光１６８ｂとなって開口部１７１を経て、被照射面（図示せず）に照射される。一方、光源１７０から放射され、放物面反射鏡１６５で反射されることなく平面反射鏡１６６に直接向かう照射光１６９ａは平面反射鏡１６で外側に向かって反射され、さらに球面反射鏡１６７で反射された後、同じ光路を通って光源１７０に戻り、光源１７０を通り過ぎて今度は放物面反射鏡１６５の底部寄りの位置で反射された後、光軸Ｏに平行な有効光１６９ｂとなって開口部１７１を通り、被照射面（図示せず）に照射される。
【０００８】
したがって、光源１７０から平面反射鏡１６６に直接照射される照射光、および平面反射鏡１６６に照射される放物面反射鏡１６５からの反射光の両方が光軸Ｏに平行な有効光として利用できるとともに、平面反射鏡１６６に開口部１７１を設けていることから、開口部１７１において照射光を損失することなく利用できる。
【０００９】
しかしながら、この照明装置は、実際には光源が放電管としてガラス容器に内包されているために、このガラスの作製時の厚さムラに基づくレンズ作用のばらつきにより理想的な再起光学系とはならない。また放物面の焦点以外の光軸に関しては、反射により元の距離の２倍以上の位置に再起するため、この点からも理想的な再起光学系とはならない。このため、開口から取り出せる光量としては反射鏡がない場合よりも大きくなるが、被照明物体の照明に適したθｍａｘ以内の照明光の増加量はそれよりも小さく、開口を小さくした影響の方がはるかに大きい。このため、θｍａｘを低減して光利用効率の低減を小さくするという目的が効果的に達成されるわけではない。
【００１０】
一方、反射鏡の前面に光学素子を設けて照明光の光学特性を変化させる照明装置が、特開平５−３４８２４号公報、特開平８−２０１７５９号公報、特開平９−５４２８０号公報、特開２０００−３２１５２９号公報に記載されている。これらは、それぞれ、小型化を目的とした照明エリアの拡大、照度均一化を目的とした中央の照明光の偏向、照度均一化を目的とした周辺の照明光の偏向、複数光源の利用を目的とした輪体形状照明の形成であり、反射鏡の開口の大きさとその最大出射角度に影響される照明光の最大入射角度であるθｍａｘおよびこれとトレードオフとなる光の利用効率を考慮したものではない。
【００１１】
また、反射鏡の前面に照明光の光束を縮小する光学素子を設けた照明装置が、特開平１１−４４９２０号公報、特開平１１−１１９１４９号公報、特開平１１−３１６５３５号公報に記載されている。これらは、複数光源の利用を目的として、複数の光源の光軸を近づけるために使用しているものであり、離して配置した複数光源の隙間を光学的に隣接させることにより、複数光源からなる照明光の実効的開口径を小さくすることにより、光利用効率はあるレベルに維持したままθｍａｘを低減しようというものである。しかし、反射鏡自体の光軸が反射鏡で反射された照明光と同様に偏向されており、反射鏡の光軸に対する角度および光源からの距離に対応した照明光の有する光学的特性を配慮したものではなく、複数光源の仮想的な中心位置を光軸として、照明光エリアを単に光軸に直角な平面方向に縮小しただけである。このため、前述の従来例と同様に、主に光源の大きさ（光源長）と被照明物体の大きさで決定されるθｍａｘが、単に開口が小さくなったことによる光利用効率の低減から推測できる値以上になるものではない。
【００１２】
ところで、この種照明装置には、光源からの照明光を反射鏡で反射した後に、特定の偏光で被照明物体を照明するものがある。かかる照明装置においても、照明光の面分布と照明光角度分布を制御することが重要であり、照明光角度分布はその均一性と照明光最大入射角度θｍａｘが特に重要である。また、照明を均一化するために２つのフライアイレンズを用い、さらにこの部分にＰＢＳアレイと位相板アレイからなる偏光変換素子を用いるのが一般的である。この場合には２つのフライアイレンズのうち、被照明物体側の第２フライアイレンズの開口が１／２になるので、この部分で照明光がケラレないようにすることが重要である。さらに、前述の従来例と同様に、光の利用効率の低減量を小さくしながら、θｍａｘを増大することが望まれている。
【００１３】
また、上記第２フライアイレンズ上（またはＰＢＳアレイ上）での光源像の大きさは、光源の大きさ、反射鏡の焦点距離、光源の取り込み角、光源の最大取り込み角、第１フライアイレンズと第２フライアイレンズとの距離で決定される。通常、フライアイレンズの数は８×８程度であり、これが、偏光変換素子のために横方向に分割されて１６×８となり、光源の像の大きい照明光は光束の中央部付近がケラレ、照明光の光束の周辺部はケラレないようにして、フライアイレンズの数の増加による照度の均一化と光利用効率の向上とのトレードオフとなる光学設計をしている。このため、第２フライアイレンズを分割する必要のない偏光変換素子が望まれている。
【００１４】
反射鏡の開口や発散角を変化させることなく、照明光のうち１つの偏光に対して偏光変換を行い、光利用効率を向上させる照明装置が、特開平７−２９４８５１号公報、特開平９−５００００号公報に記述されている。以下、図面を参照しながら特開平７−２９４８５１号公報に記載されている従来例について説明する。図３０において、発光源２０１は例えばキセノンランプあるいはメタルハライドランプ等の放電発光体からなる。また、上記発光源２０１を内部に収容する回転体反射鏡２０２を備えている。ここで、「回転体」反射鏡とは、特定の線を軸の周りに回転させることによって描かれる反射面をもった反射鏡のことである。本例では回転楕円体形状を有する反射鏡を用いている。なお回転体反射鏡２０２の底部には発光源２０１を挿入するための切欠開口が設けられており、反射面が一部除去されている。この結果、回転体反射鏡２０２は中央シャドー部２０３を含む光源光束２０４を前方に放射する。なお、シャドー部２０３は前述した切欠開口の寸法に応じて所定の出射角θ１を有している。回転体反射鏡２０２から出射した発散性でかつ無偏光の光源光束２０４はコリメータレンズ２０５により平行光束に変換される。
【００１５】
コリメータレンズ２０５の前方には偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０６が配設されており、光源光束２０４を互いに直交する直線偏光成分（Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分）に分割し、一方のＳ偏光成分を偏光照明光束２０７として出射する。残された他方のＰ偏光成分は複数のミラー部材（本例では３枚のミラー部材２０８，２０９，２１０）により繰り返し反射されある程度偏光を解除した戻り光束２１１に変換される。すなわち、ＰＢＳ６を通過したＰ偏光成分は第１ミラー部材２０８、第２ミラー部材２０９、第３ミラー部材２１０によって繰り返し反射される間に偏光解除が起り、戻り光束２１１にはＰ偏光成分に加えＳ偏光成分も相当程度含まれることになる。
【００１６】
この偏光照明装置はさらに混合手段を備えており、戻り光束２１１を光源光束２０４の中央シャドー部２０３に合流させる。この混合手段は、戻り光束２１１を収束させる集束レンズ２１２と中央シャドー部２０３の光路中に介在する傾斜ミラー２１３とからなる。集束レンズ２１２は平行な戻り光束２１１を集束して傾斜ミラー１３に照射する。この傾斜ミラー２１３は例えば直径が１０ｍｍ程度の寸法を有しており、光源光束２０４の光軸に対して所定の角度傾斜して配置されている。このため、集束した戻り光束２１１を中央シャドー部２０３の光路と整合して混合することが可能である。前述したように、合流した戻り光束２１１は相当程度のＳ偏光成分を含んでいる。従ってコリメータレンズ２０５を通過した後、偏光ビームスプリッタ２０６によりＳ偏光成分が分離され、偏光照明光束２０７に加えられることになる。
【００１７】
この従来例では、戻り光束２１１の通過光路中に偏光変換手段２１４を備えている。この偏光変換手段２１４は第２ミラー部材２０９と第３ミラー部材２１０の間に介在しており、戻り光束２１１の出射角θ３およびθ４を調整して棒状導光部材２１７中で複数回の全反射を実現するとともに、戻り光を平行光にもどしている。この偏光変換手段２１４は開口数の同じ一対のレンズ２１５および２１６を含んでいる。また、一対のレンズ２１５，２１６の間には空気に比し高屈折率の棒状導光部材２１７が装着されており、戻り光束を無偏光状態にする。図３０から容易に理解されるように、偏光変換手段２１４に含まれる一対のレンズ２１５，２１６は戻り光束２１１の絞りとして機能し、絞られた戻り光束２１１は集束レンズ２１２を通過した後所望の出射角θ２が与えられることになる。この出射角θ２は、前述したように光源光束２０４に含まれる中央シャドー部２０３の出射角θ１と整合するか、もしくは包含するように設定される。戻り光束２１１の出射角θ２は、集束レンズ２１２に開口数を適宜設定することにより最適に調整できる。
【００１８】
しかしながら、図３０からわかるように、従来の照明装置は、ＰＢＳ２０７で照明光のうち１つの偏光を取り出した後、反射を３回繰り返すとともに長い光路長を有する反射光学系を経て照明光を再起させており、これに加えて部品点数も多いため、照明装置が大型化し、また高コストであり、さらには衝撃や振動に対する信頼性に関して問題が生じやすい難点があった。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来の問題点に鑑みてなされたもので、光利用効率の低減を小さくし、かつ被照明物体への最大入射角度を小さくすることができる照明装置を実現すること、また、小型の照明装置、低コストの照明装置、信頼性にすぐれた照明装置、さらには、最大入射角度の照明装置、より高い光利用効率の照明装置を実現することを目的とする。
【００２０】
本発明はまた、光源から放出される照明光を回転体反射鏡で反射する照明装置において、反射鏡の開口や発散角を変化させることなく、照明光のうち１つの偏光に対して偏光変換を行う、小型、低コストで信頼性に優れ、高い光利用効率の照明装置を実現することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討の結果、面状に配列された複数の光源からの照明光を空間的に複数の光束に分割し、その空間的に複数の光束に分割する分割状態を複数の光源の配列状態に対して関連づけた照明光学手段を用いることにより、上記課題を達成しうることを見出した。以下、請求ごとに本出願に係る発明の要旨を示す。
【００２２】
請求項１に記載の発明は、光源から放出される照明光を回転体楕円反射鏡で反射し発散光束からなる照明光とする照明装置において、照明光は、回転体楕円反射鏡で反射された直後では収束光、回転体楕円反射鏡の第２焦点より先は発散光となり、回転体楕円反射鏡の第２焦点よりも前側に配置され、発散光を光軸に近づく方向に偏向する回転体形状の第１偏向手段と、第１偏向手段の前側に配置され、光軸に近づく方向の照明光を光軸から遠ざかる方向に偏向する回転体形状の第２偏向手段と、を有し、第２偏向手段の光軸に直交する方向の長さは、第１偏向手段の光軸に直交する方向の長さよりも長いことを特徴とする。
【００２３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の照明装置を用いた映像装置であって、照明装置によって被照明物体の背面側から照明光を照射し、被照明物体の像を投射することを特徴とする。
【００４７】
【本発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。図１は、本発明にかかる照明装置の第１の実施形態を示す。図１において、符号１は高圧水銀ランプの発光部分からなる光源、２は回転体反射鏡となる回転体放物面鏡、３ａは回転体放物面鏡２で反射された円柱状の平行光束、３ｂは輪体形状の照明光、４は回転体放物面鏡２の前側に配置されて輪体形状の照明光３ｂを形成する第１光学素子、３ｄは照明光３ｂの外輪径よりも小さくかつ外輪径と内輪径との比が増大した照明光、５は第１光学素子４の前側に配置され輪体形状の照明光３ｂを上記照明光３ｄに変換する第２光学素子、６は光軸をそれぞれ示している。ここでの前側とは、光源からの照明光が反射鏡で反射された後に進行する方向を意味する。また、すべての回転体の中心は一致しており、またこれが光軸と一致している。
【００４８】
光源１から放射された照明光は、回転体放物面鏡２で反射されて平行光束３ａとなり、この平行光束３ａは第１光学素子４を透過することによって、回転体放物面鏡２の回転軸を中心とする輪体形状の照明光３ｂとなる。この輪体形状の照明光３ｂは、第２光学素子５を透過することによって、外輪径が小さく、かつ、外輪径と内輪径の比が増大して横断面が円形の平行光束となる。
【００４９】
図１において、第１光学素子４を回転体放物面鏡２の反射面の近傍に配置し、かつ第２光学素子５を第１光学素子４の近傍に配置することにより、縮小せしめた開口部分であるにもかかわらず、従来の光源の発光角度分布、発光面積分布および大きさから推測できる光量以上の照明光の取り出しが可能となり、これにより照明光の最大入射角であるθｍａｘを小さくしながらも、光利用効率の低減を小さくした照明装置を実現することができ、これにより、低消費電力で明るい照明装置を提供することができる。
【００５０】
第１光学素子４および第２光学素子５として、レンズや反射鏡、多層誘電膜等の古典的な光学素子を用いることができ、それ以外にも、ホログラム、複合ホログラム、複屈折材料、電気光学材料、フォトリフラクティブ材料、フォトニクス結晶材料等を用いることにより実現することができる。また、光学素子（Ａ）および光学素子（Ｂ）は、複数の光学素子により構成することもでき、また光学素子（Ａ）と光学素子（Ｂ）の一部または全部を複合した素子として構成することもできる。
【００５１】
上記実施形態の動作を図２に示す。図２は、光源１からの照明光が回転放物面鏡２で反射される状態を縦断面で示したものである。図２において、光源１は直径０．３ｍｍ、長さ１．２ｍｍの円筒形状であり、回転放物面鏡２は焦点６ｍｍ、反射面の曲率１２ｍｍ（ただし、外側の曲率は２４ｍｍ）、開口直径６０ｍｍである。符号７ａ，７ｂ，７ｃはそれぞれ光源１の中央、右端部、左端部から放出された光軸と垂直な方向に対して±３０度の範囲の照明光を複数の光線として示す。符号８は回転放物面の近傍前側にある照度の測定面を示す。光源１は焦点を中央として光軸方向に横長に配置し、右端部は上記焦点から＋０．６ｍｍの位置、左端部は上記焦点から−０．６ｍｍの位置となるように設定している。
【００５２】
図２からわかるように、これらの照明光は、測定面８において、中央部に光線が入射しない輪体状となる。実際には、光源からの照明光は±９０度の角度で放出されるが、その発光角度分布は、すべての方向に均一ではなく、ランバートに近い分布となる。このため、±３０度の範囲に多くのエネルギーが含まれるので、この部分を有効に利用して開口を小さくした。これにより、従来の照明装置のように単に開口を中心付近に設けた場合と比較して、より大きい光利用効率を実現できる。
【００５３】
図３に、図２における測定面の位置を光軸方向に移動させた場合の照度分布変化をシミュレーションした結果を示す。（ａ）は測定面と光源１との距離が２５ｍｍの場合であり、同様に（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ５０ｍｍ，１００ｍｍ，１５０ｍｍの場合である。また、縦軸の単位はＷ／ｍ２であり、横軸は光軸６を含む断面での光軸に対し垂直方向の距離で、単位はｍｍであり、３０ｍｍが光軸となる。このとき、光源のエネルギーは１Ｗであり、簡略化のため角度分布はランバートに従い光軸と垂直な方向に対して±３０度の範囲で放出されるとし、面内分布は均一とした。小型の回転放物面鏡では、回転放物面鏡の最大径や光源としての放電管（ＬＶ）を通す貫通孔により、実質的に±３０度の範囲程度しか回転放物面鏡で利用できない場合が多い。
【００５４】
図３（ａ）は、光源と測定面との距離が２５ｍｍであって、ＬＶを配置する位置が光源に近い場合には中央部の照度が高い。これは特開平８−２０１７５９号公報等に記述されていて、よく知られている照度分布である。しかし、（ｂ）では光源と測定面との距離が５０ｍｍに離れた場合には中央部の照度に低減がみられ、さらに（ｃ）、（ｄ）のように光源と測定面との距離が長くなるにつれて、中央部の照度の低減量およびその範囲が増加している。これは、図２において、符号７ａ，７ｂ，７ｃの光線から説明することもできる。このことからも、±３０度の範囲の輪体状照明光を有効に利用して開口を小さくすることにより、従来の照明装置のように単に開口を中心部分付近に設けた場合と比較して、より高い光利用効率を実現できることになる。
【００５５】
図４は、図３における（ｄ）の場合において、光源の角度分布および面内分布を、１５０Ｗの高圧水銀ランプの実測データを用いて、より詳細にシミュレーションした結果を示す。ただし、シミュレーションとしては、光源のエネルギーを比較するために、図３と同じ１Ｗとして計算した。あとは、図３と同様である。また、（ａ）は（ｄ）に対して光源の角度分布および面内分布を変更したのみであり、（ｂ）は±９０度の範囲の全照明光に関してシミュレーションした場合である。また、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、（ａ）および（ｂ）の場合における光軸からの距離内に含まれるエネルギーであり、最大値は光源のエネルギーの１Ｗに等しくなる。
【００５６】
図４（ａ）を参照すると、図３（ｄ）と比較して、中央部の照度の低減量が大きくなっている。これは実際の光源の発光分布がランバートの場合よりも、光軸と垂直方向により強い分布を有していることによる。また、図４（ｂ）が示すように、すべての照明光が回転放物面鏡に入射した場合においても、光軸付近に大きな照度の低減現象が生じることがわかる。
【００５７】
図４（ｃ）に示すように、光軸から７ｍｍ（全体の半径約２１ｍｍの３分の１）の部分に相当する中央部分の照明光を除去しても、約３％程度の光量低減にしかならないが、第１、第２光学素子が無収差であれば、開口は１４ｍｍの半径とすることができるので、最大入射角を元の２１ｍｍとした場合と比べて３３％も低減することができる。また、これは、すべての照明光が回転放物面鏡に入射した図４（ｄ）の場合においても同様であり、開口２５ｍｍとして利用した場合、８８％の光を取り込むことができる。このとき光軸から７ｍｍ（全体の半径約２５ｍｍの２８％）の部分に相当する中央部分の照明光を除去しても、約３％程度の光量の低減にしかならないため、８３％の光利用効率で、かつ、第１、第２光学素子が無収差であれば、開口は１８ｍｍの半径とすることができるので、最大入射角を元の２５ｍｍにした場合と比べて２８％も低減することができる。実際には、中心部よりの１０％程度は、光源ＬＶ用の回転放物面鏡の孔により、あるいは、成形時の制約や強度保持のために、放物面の曲率変更により利用できない場合が多く、この場合にはさらに最大入射角を低減することができる。
【００５８】
図５に照明装置の第２実施形態を示す。図５において、斜線部分に付した符号９ｄ、９ｅは、光源から放出され回転体反射部材である回転体放物面鏡２で反射された平行光束からなる照明光の輪体形状部分を示す。符号１０は回転体反射鏡２の前側に設けた光軸に回転対称な第１偏向手段を示している。第１偏向手段１０は照明光を光軸６に近づく方向に偏向する。符号９ｂは第１偏向手段１０により偏向された輪体形状の照明光束、１１は第１偏向手段１０の前側に設けた光軸に回転対称な第２偏向手段を示す。第２偏向手段１１は上記照明光束９ｂを光軸６から遠ざかる方向に偏向するものである。符号９ｃは第２偏向手段１１により偏向された光軸から遠ざかる方向に進行する輪体形状の照明光束を示す。
【００５９】
図５に示す実施形態では、回転体放物面鏡２で反射された輪体形状の照明光９ｄ、９ｅのうち、光軸６を中心とする中央部付近の照明光が第１偏光手段１０により光軸６と実質的に交差し、光軸６に対して反対側になるので、偏向方向が光軸に近づく方向となり、結果として光軸方向に対して大きく角度が異なる光線となり、この中央部付近の照明光を除去することができる。これに対して、輪体形状の照明光９ｄ，９ｅは、第１の偏向手段１０により光軸に近づく平行光束となり、その後、第２偏向手段１１により偏向され光軸と平行な平行光束９ｄとなる。これにより、簡単な２つの偏向光学素子１０、１１により、開口を小さくして照明最大入射角度を小さくした場合に、単に回転体放物鏡２の中央部を小さくした場合以上の大きな光利用効率を得ることができる。
【００６０】
図５において、偏向手段１０、１１は、収束または発散作用があっても構わない。しかし、図５に示すように中央部分の照明光を効率よく除去するためには、凸レンズと凹レンズの組み合わせのようなガリレオ式のビーム径変換器またはケプラー式ビーム径変換器の類よりは、照明光の入射位置の違いで第１、第２偏向手段１０、１１による偏向角度の差が一定値であることが好ましい。また、より好ましくは、第１、第２偏向手段１０、１１による偏向角度が同じ場合であり、直線形状を有する偏向手段の方が適している。
【００６１】
また、図５において、回転体反射鏡は、回転放物面である必要はないし、かつ、この回転体反射鏡の反射面で反射される光束が平行光束である必要はない。回転体反射鏡は回転球面、回転楕円体、回転双曲線、回転高次非球面、回転多角形であってもよいし、回転球面、回転放物面、回転楕円体等であってもよく、その中心や焦点に光源を配置していなくてもよい。
また、第２偏向手段１１は、照明光の進行方向が光軸から離れる方向である必要はなく、光軸と平行であってもよく、また光軸に向かう方向でもよく、第２の偏向手段１１により偏向として作用する進行方向に対して加算する偏向ベクトルの方向が光軸から離れて行く方向であればいよい。
【００６２】
図６は、本発明にかかる照明装置の第３実施形態を示す。図６において、斜線部分に付された符号１２ａ、１２ｂは、光源１から放出され回転反射体である回転体放物面鏡２で反射された照明光の輪体形状部分を示しており、回転体放物面鏡２で反射された直後では平行光束となっている。符合１３は集光作用を有する凸レンズ、１４は第１偏向手段、１５は第２偏向手段、１６は凸レンズ１３の焦点位置、１７は第１および第２偏向手段１４、１５を経た後の照明光の集光位置をそれぞれ示している。
【００６３】
図６からわかるように、回転体放物面鏡２と第１偏向手段１４との間に凸レンズ１３が設けられ、かつ第１偏向手段１４とその前側に第２偏向手段１５が設けられているので、光学系をビーム径小型変換の前段階としたり、回転フィルタを用いたりすることができ、光学系の小型化を実現しながら、かつ開口を小さくして照明最大入射角度を小さくした場合に、単に回転体放物面鏡２の中央部を小さくした場合以上の大きな光利用効率を得ることができる。
【００６４】
図７に、本発明にかかる照明装置の第４実施形態を示す。図７において、斜線部分に付した１８ａ、１８ｂは、１光源から放出され回転反射体である回転体楕円反射鏡２１で反射された照明光の輪体形状部分を示しており、回転体楕円反射鏡２１で反射された直後では収束光束となっている。符合１９は第１偏向手段、２０は第２偏向手段、２２ａは回転体楕円反射鏡２１の第２焦点位置、２２ｂは第１および第２偏向手段１９、２０を経た後の照明光の集光位置を示す。
【００６５】
図７からわかるように、回転体反射鏡として、回転体放物面鏡の代わりに、回転体楕円反射鏡２１を設け、かつ、第１偏向手段１９と第２偏向手段２０を設けているので、部品点数を増加させることなく簡単な構成で、光学系をビーム径小型変換の前段階としたり、回転フィルタを用いたりすることができ、光学系の小型化を実現しながら、かつ、開口を小さくして照明光の最大入射角度を小さくした場合に、単に回転体放物面鏡の中央部を小さくした場合以上の大きな光利用効率を得ることができる。また、このような照明装置を用いることによって、ひとつのＬＶのみを使用した低コストの拡大映像装置を小型に実現することができる。
【００６６】
図８は、本発明にかかる照明装置の第５実施形態を示す。図８において、斜線部分に付した符号２３ａ、２３ｂは、光源１から放出され回転反射体である回転体楕円反射鏡２１で反射された照明光の輪体形状部分であり、回転体楕円反射鏡２１で反射された直後では収束光束となっている。回転体楕円反射鏡２１の第２焦点位置２２ｃより先は発散光となり、この発散光の進行方向に、光束を収束させる第１偏向手段２４と、光束を発散させる第２偏向手段２５がこの順に配置されている。
【００６７】
図８からわかるように、回転体楕円反射鏡２１の第２焦点２２ｃ以降に第１偏向手段２４と第２偏向手段２５を設けているので、光源１からの偏向手段を遠くに配置することができ、光源１からの空気や部材を介した熱伝導による偏向手段２４、２５の熱的劣化を低減することができる。これによって、偏向手段２４、２５として、低コスト、高信頼性、高性能の部材や構成を使用することができるので、低コストまたは高信頼性またはより高い光利用効率の照明装置を実現することができる。
【００６８】
図９は、本発明にかかる照明装置の第６実施形態を示す。図９において、斜線部分に付した符号３０ａ、３０ｂは、光源から放出され回転反射体２６ａおよび２６ｂでそれぞれ反射された照明光の輪体形状部分を示す。上記回転反射体２６ａ，２６ｂは２つの異なる頂点を有する放物線から構成され、図９上部の回転反射体２６ａは頂点２７ａでありその主軸は２８ａであり、図９下部の回転反射体２６ｂは頂点２７ｂでありその主軸は２８ｂである。上記二つの主軸２８ａ，２８ｂは光源１の中心位置で交差している。上記２つの放物線を実際の光軸６に対して回転させた回転体を回転反射体２６ａ，２６ｂとし、この回転反射体２６ａ，２６ｂは第１偏向手段を兼用している。符号３１は回転反射体２６ａ，２６ｂの前方に配置された第２偏向手段を示す。
【００６９】
図９からわかるように、回転反射体２６ａおよび２６ｂが第１偏向手段を兼用しているため、光学素子の点数を減少させると同時に、第２偏向手段３１を回転反射体２６ａおよび２６ｂに近づけることができ、より小型で低コストの照明装置を実現することができる。
【００７０】
図１０は、本発明にかかる照明装置の第７実施形態を示す。図１０において、斜線部分に付した符号３６ａ、３６ｂは、光源から放出され回転反射体３２ａおよび３２ｂでそれぞれ反射された照明光の輪体形状部分を示す。回転反射体３２ａ，３２ｂは２つの異なる頂点を有する楕円から構成され、図１０上部の回転反射体３２ａの頂点を符号３３ａで、主軸を３４ａで示す。図１０下部の回転反射体３２ｂの頂点を符号３３ｂで、主軸を３４ｂで示す。二つの主軸３４ａ，３４ｂは光源１の中心位置で交差している。これらの２つの楕円を実際の光軸６を中心にして回転させた回転体を回転反射体３２ａ，３２ｂとする。この回転反射体３２ａ，３２ｂは第１偏向手段を兼用している。符号３７は回転反射体３２ａ，３２ｂの前方に配置された第２偏向手段、３８ａおよび３８ｂはそれぞれ回転反射体３２ａおよび回転反射体３２ｂの第２焦点、３９は回転反射体３２ａおよび回転反射体３２ｂの第２焦点３８ａおよび３８ｂが第２の偏向手段３７により略同位置となった実際の集光点を示す。
【００７１】
図１０からわかるように、回転反射体３２ａおよび３２ｂが第１偏向手段を兼用しているので、光学素子の点数を減少させることができると同時に、第２偏向手段３７を回転反射体２６ａおよび２６ｂに近づけることができるので、焦点または収束光を有する照明装置であって、より小型で低コストの照明装置を実現することができる。
【００７２】
図１１は、本発明の第８実施形態を示す。図１１において、符号４１は回転体反射鏡４０の前側に配置された回転体プリズムを示す。回転体プリズム４１は、断面が照明光の進行方向に頂点を有する２等辺三角形状を有する光軸に回転対称なプリズムである。符号４２は回転体プリズム４１の前側に設けた断面が照明光の進行方向と逆の方向にクサビ形状を有する、換言すれば、断面形状が光軸に向かって薄くなる楔形状を有する、光軸に回転対称な回転体プリズムを示す。光源１は直径０．３ｍｍ、長さ１．２ｍｍの円筒形状で、長さ方向を光軸方向に向けて配置されている。回転体反射鏡４０は回転体放物面鏡をなし、焦点６ｍｍ、曲率１２ｍｍ（ただし、外側は１２ｍｍ）、開口直径６０ｍｍである。符号４３ａ，４３ｂ，４３ｃはそれぞれ光源の中央、右端部、左端部から放出された光軸と垂直な方向に対して±３０度の範囲の照明光を複数の光線として示す。
【００７３】
図１１において、光源から放出された±３０度の範囲の照明光は回転体放物面鏡４０で反射された平行光束からなる輪体形状の照明光であり、これは第１偏向手段である回転体プリズム４１と第２偏向手段である回転体プリズム４２により、外輪の径および内輪の径が略平行光束のまま縮小されて開口が小さくなり、開口を小さくして照明最大入射角度を小さくした場合に、単に回転体放物鏡４０の中央部を小さくした場合以上の大きな光利用効率を得ることができる。また、図示はしていないが、±３０度の範囲以外の、中央部の照明光は、回転体プリズム４１と回転体プリズム４２により、光軸に平行な方向とは大きく異なる方向に偏向されることによって除去される。
【００７４】
図１１において、回転体プリズム４１または回転体プリズム４２は、断面形状が２等辺三角形のみに限定されるものではなく、屋根型プリズムの屋根部分が２等辺三角形になっているものでもよく、台形であって２等辺三角形の左右の稜辺を有しているものでもよい。また、２等辺三角形の回転体プリズムと同等の幾何光学的作用を行う光学素子であってもよく、例えばこれを光軸と垂直な方向に数個に分割してノコギリ状形状として厚さを減少させたものや、微細な構造を有するフレネルレンズ形状にして平板化してもよい。また、完全な２等辺三角形状である必要はなく、場合により回転体を扁平な形状にした場合も、被照明物体が円形または正方形でないときには有効となる場合がある。
【００７５】
図１１からわかるように、断面が直線の簡単な回転体を２つ組み合わせることによって、開口を小さくして照明最大入射角度を小さくした場合に、単に回転放物鏡の中央部を小さくした場合以上の大きな光利用効率を簡単に得ることができる。
【００７６】
図１２は本発明の第９実施形態を示す。図１２において、符号４６は、回転体放物面反射鏡４５の前側に配置された、断面が照明光の進行方向に閉じたハの字形状を有する光軸に回転対称な回転体反射鏡を示す。符号４７は、上記回転体反射鏡４６の前側に配置され、かつ、この回転反射鏡４６の外径よりも小さい外径で、断面が照明光の進行方向に閉じたハの字形状を有する光軸に回転対称な回転体反射鏡を示す。符号４８ａは、光源１から放出された照明光が回転体放物面反射鏡４５で反射されることによって得られる輪体形状の平行光束を示し、符号４８ｂは、第１偏向手段としての回転反射鏡４６および第２偏向手段としての回転体反射鏡回転放物面鏡４７で上記輪体形状の平行光束が反射されることによって得られる平行光束を示す。
【００７７】
図１２において、光源１から放出され、回転体放物面反射鏡４５で反射された輪体形状の照明光４８ａは、第１偏向手段である回転体反射鏡４６と第２偏向手段である回転体反射鏡４７により、外輪の径および内輪の径が略平行光束のまま縮小されて開口が小さくなり、開口を小さくして照明最大入射角度を小さくした場合に、単に回転放物鏡の中央部を小さくした場合以上の大きな光利用効率を得ることができる。また、図示はしていないが±３０度の範囲以外の、中央部の照明光は、回転体反射鏡４６および回転体反射鏡４７により、光軸が照明光の進行方向と大きく異なる方向に偏向されることによって除去される。
【００７８】
図１２において、回転体反射鏡４６または回転体反射鏡４７は、断面が照明光の進行方向に閉じた直線からなる完全なハの字形状を有する光軸に回転対称な回転体反射鏡にのみ限定されるわけではなく、ハの字の上部が接している形状であってもよいし、ハの字が曲線を有していたりしていてもよい。また、これを光軸と垂直な方向に数個に分割して厚さを減少させたものや、フレネル反射板化して平板化したものでもよい。
【００７９】
図１２からわかるように、断面が直線の簡単な回転反射鏡４６、４７を２つ組み合わせることによって、開口を小さくして照明最大入射角度を小さくした場合に、単に回転放物鏡の中央部を小さくした場合以上の大きな光利用効率を簡単に得ることができる。また、屈折を利用するものと比較して、照明装置の重量を低減することができる。
【００８０】
図１３は、本発明の第１０の実施形態を示す。図１３において、符号４９は、回転体反射鏡４５の前側に配置され、光軸方向に近づく方向に照明光を偏向する第１変更手段としてのホログラムを示す。符号５０は、ホログラム４９の前側に配置され、光軸から遠ざかる方向に照明光を偏向する第２偏向手段としてのホログラムを示す。符号５１ａ，５１ｂは、回転放物面鏡４５で反射された輪体形状の照明光を示す。
【００８１】
図１３において、光源１から放出され回転放物面鏡４５で反射された輪体形状の照明光５１ａ，５１ｂは、第１偏向手段であるホログラム４９と第２偏向手段であるホログラム５０により、外輪の径および内輪の径が略平行光束のまま縮小されて開口が小さくなり、開口を小さくして照明最大入射角度を小さくした場合に、単に回転放物鏡の中央部を小さくした場合以上の大きな光利用効率を得ることができる。また、図示はしていないが±３０度の範囲以外の、中央部の照明光は、ホログラム４９およびホログラム５０によって光軸が照明光の進行方向と大きく異なる方向に偏向されることにより除去される。
【００８２】
図１３において、ホログラム４９およびホログラム５０は、位相ホログラムでも体積ホログラムでもよい。また、同一基板の表と裏にホログラム４９とホログラム５０を一体に設けてもよい。また、ホログラム４９およびホログラム５０は複数のホログラムにより形成してもよい。
【００８３】
図１３からわかるように、平板のホログラムを２つ組み合わせることによって、開口を小さくして照明最大入射角度を小さくした場合に、単に回転放物鏡の中央部を小さくした場合以上の大きな光利用効率を簡単に得ることができる。また、屈折や反射を利用するものと比較して、照明装置の重量を低減することができ、また、照明装置を小型化することができる。
【００８４】
図１４は、本発明の第１１実施形態を示す。図１４において、符号５３は、回転体反射鏡４５の前側に配置された、光軸に近づく方向に照明光を偏向するホログラム、５４は、ホログラム５３の前側に配置された、断面が照明光の進行方向と逆の方向にクサビ形状を有する、換言すれば、断面形状が光軸に向かって薄くなるクサビ形状を有する、光軸に回転対称な回転体プリズムを示す。符号５５ａ，５５ｂは、回転放物面鏡４５で反射された輪体形状の照明光を示す。
【００８５】
図１４において、光源１から放出され、回転放物面鏡４５で反射された輪体形状の照明光５５ａ，５５ｂは、第１偏向手段であるホログラム５３と第２偏向手段である回転体プリズム５４により、外輪の径および内輪の径が略平行光束のまま縮小されて開口が小さくなる。したがって、開口を小さくして照明最大入射角度を小さくした場合に、単に回転放物鏡の中央部を小さくした場合以上の大きな光利用効率を得ることができる。また、ガラスの色分散とホログラムの色分散が反対方向であるので、色収差を低減することにより色むらの少ない照明装置を実現できる。
【００８６】
図１５は、本発明の第１２実施形態を示す。図１５において、符号５６は、回転体反射鏡４５の前側に配置された、光軸に近づく方向に照明光を偏向するホログラムを示す。ホログラム５６の前側には、断面が照明光の進行方向に狭まるクサビ形状を有する、光軸に回転対称な回転体反射鏡５７が配置されている。
【００８７】
光源１から放出される照明光は、回転体反射鏡４５で反射されて輪体形状の照明光５９ａ，５９ｂとなって光軸に平行に進み、第１偏向手段としてのホログラム５６で光軸に近づく方向に偏向され、さらに、第２偏向手段としての回転体反射鏡５７で光軸から遠ざかる方向に偏向され、結果として、外輪の径および内輪の径が略平行光束のまま縮小された照明光６０ａ、６０ｂとなって、図示されない被照明体を照明する。このように、この実施形態によっても、これまで説明してきた実施形態と同様の効果を得ることができる。また、１枚の平板ホログラムと回転体反射鏡とを用いているため、図１３に示す実施形態のように２枚のホログラムを用いる場合と比べて、あるいは、図１４に示す実施形態のように回転体プリズムを用いるものに比べて、低コストで、軽量な照明装置を得ることができる。
【００８８】
図１６は、本発明の第１３実施形態を示す。図１６において、符号６１は、回転体反射鏡４５の前側に配置された、光軸に近づく方向に照明光を偏向する第１偏向手段としての回転体プリズムを示す。回転体プリズム６１は、光軸に対して回転対称で、断面形状が光軸に近づくにしたがって厚くなる形をしている。回転体プリズム６１の前側には第２偏向手段としてのホログラム６３が配置されている。
【００８９】
光源１から放出される照明光は、回転体反射鏡４５で反射されて輪体形状の照明光６４ａ，６４ｂとなって光軸に平行に進み、第１偏向手段としての回転体プリズム６１で光軸に近づく方向に偏向され、さらに、第２偏向手段としてのホログラム６３で光軸から遠ざかる方向に偏向され、結果として、外輪の径および内輪の径が略平行光束のまま縮小された照明光となって、図示されない被照明体を照明する。このように、この実施形態によっても、これまで説明してきた実施形態と同様の効果を得ることができる。また、プリズムの素材であるガラスの色分散とホログラムの色分散が反対方向であることから、色収差を低減して色むらの少ない照明光を得ることができる。また、ホログラムの大きさを小さくすることができ、さらには、ホログラムを光源から離すことにより、耐熱性の低い有機材料からなる回折率の高い高分子型体積ホログラムを用いることが可能になり、色むらの少ない低コストで光利用効率の高い照明装置を得ることができる。
【００９０】
図１７は、本発明にかかる照明装置の第１４実施形態を示す。図１７において、符号６６は、回転体反射鏡６５の前側に配置された、光軸に近づく方向に照明光を偏向する第１偏向手段としての回転体プリズムを示す。回転体プリズム６６は、光軸に対して回転対称で、断面形状が光軸に近づくにしたがって厚くなる形をしている。回転体プリズム６６の前側には第２偏向手段としての回転体反射鏡６７が配置されている。回転体反射鏡６７は、断面が照明光の進行方向に狭まるクサビ形状で光軸に回転対称な形をしている。
【００９１】
光源１から放出される照明光は、回転体反射鏡６５で反射されて輪体形状の照明光６９ａ，６９ｂとなって光軸に平行に進み、第１偏向手段としての回転体プリズム６６で光軸に近づく方向に偏向され、さらに、第２偏向手段としての回転体反射鏡６７で光軸から遠ざかる方向に偏向され、結果として、外輪の径および内輪の径が略平行光束のまま縮小された照明光６９ｃ，６９ｄとなって、図示されない被照明体を照明する。このように、この実施形態によっても、これまで説明してきた実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９２】
図１８は、本発明にかかる照明装置の第１５実施形態を示す。図１８において、符号７１は、回転体反射鏡７０の前側に配置された、光軸に近づく方向に照明光を偏向する第１偏向手段としての回転体反射鏡を示す。回転体反射鏡７１は、光軸に対して回転対称で、照明光の進行方向に径が緩やかに小さくなる円錐形状をしている。回転体反射鏡７１の前端部内周には第２偏向手段としての回転体プリズム７３が配置されている。回転体プリズム７３は、光軸に対して回転対称で、断面形状が光軸に近づくにしたがって薄くなる形をしている。
【００９３】
光源１から放出される照明光は、回転体反射鏡７０で反射されて輪体形状の照明光７４ａ，７４ｂとなって光軸に平行に進み、第１偏向手段としての回転体反射鏡７１で光軸に近づく方向に偏向され、さらに、第２偏向手段としての回転体プリズム７３で光軸から遠ざかる方向に偏向され、結果として、外輪の径および内輪の径が略平行光束のまま縮小された照明光となって、図示されない被照明体を照明する。このように、この実施形態によっても、これまで説明してきた実施形態と同様の効果を得ることができる。また、図１７に示す実施形態に比べて、回転体プリズムを小さくすることができるため、軽量な照明装置を得ることができる。
【００９４】
図１９は、本発明にかかる照明装置の第１６実施形態を示す。図１９において、符号７６は、回転体反射鏡７５の前側に配置された、光軸に近づく方向に照明光を偏向する第１偏向手段としての回転体反射鏡を示す。回転体反射鏡７６は、光軸に対して回転対称で、照明光の進行方向に径が緩やかに小さくなる円錐形状をしている。回転体反射鏡７６の前端には第２偏向手段としてのホログラム７７が配置されている。ホログラム７７は、照明光を広げる機能を持っている。
【００９５】
光源１から放出される照明光は、回転体反射鏡７５で反射されて輪体形状の照明光７８ａ，７８ｂとなって光軸に平行に進み、第１偏向手段としての回転体反射鏡７６で光軸に近づく方向に偏向され、さらに、第２偏向手段としてのホログラム７７で光軸から遠ざかる方向に偏向され、結果として、外輪の径および内輪の径が略平行光束のまま縮小された照明光となって、図示されない被照明体を照明する。このように、この実施形態によっても、これまで説明してきた実施形態と同様の効果を得ることができる。また、図１５に示す実施形態と比較して、ホログラムを小さくすることができるため、低コストで、軽量な照明装置を得ることができる。
【００９６】
図２０（ａ）は、本発明の第１７実施形態を示す。図２０に示す実施形態は、図１１に示す実施形態の場合の遠視野に相当する照明光の角度分布を示す。図２０において、左側の２つの矢印（→、および↑）で示される原点部分に、図１１に示す実施形態と同様の構成の、光源１、回転放物面、回転体プリズム４１、および回転体プリズム４２が設けてある。光源１は直径０．３ｍｍ、長さ１．２ｍｍの円筒形状であり、回転放物面鏡は焦点６ｍｍ、曲率１２ｍｍ（ただし、外側は１２ｍｍ）、開口直径６０ｍｍである。符号７ａ，７ｂ，７ｃはそれぞれ光源の中央、右端部、左端部から放出された光軸と垂直な方向に対して±３０度の範囲の照明光を複数の光線として示しており、それぞれ２１本の等間隔の光線から形成される。
【００９７】
図２０（ｂ）は、回転体プリズム４１と回転体プリズム４２の対向した屈折面を平行にした場合であり、放物面の頂点の距離が異なるため、照明光７ａと７ｂは光軸に対して対称とならず、照明光７ｃの光軸となす平均的な角度が、照明光７ｂの光軸となす平均的な角度より大きくなる。これは、回転体プリズム４１および回転体プリズム４２を設けない場合の回転放物面の場合も同様である。もとの、照明光７ｂ，７ｃは図２０の下側つまりは光軸から離れる側に光源から放出された照明光であり、照明光７ｃを除いて、光源の端部から放出された照明光７ａおよび７ｂからなる照明光は、光軸に対してその光源の位置に依存して発散する形になる。
【００９８】
このため、回転体プリズム４１と回転体プリズム４２の角度を調整することで、第１の偏向手段である回転体プリズム４１による偏向角度よりも、光源の略中央部から放出された光線の第２偏向手段である回転体プリズム４２による偏向角度を小さくすることにより、凸レンズ等による集光作用を行うことなく、図２０（ａ）に示すように、照明光７ａおよび７ｂは、光軸に対して対称にすることができる。この結果として、照明装置の最大入射角度が照明光７ａよび７ｂに対応した同じ値となる本当の最小値にすることができる。集光作用を有する光学素子で発散角を低減させる場合には、今度は完全に平行光束である光源の中心から放出された照明光が発散することになり、結果として最大入射角度が増加する場合がある。
【００９９】
このように、回転体プリズムにより集光作用を行うことなく偏向することにより、照明光７ａおよび７ｂは、光軸に対して対称にし、この結果として照明装置の最大入射角を照明光７ａよび７ｂと同じ値となる本当の最小値にすることは、回転体プリズム１つのみでも可能であり、これは開口を変化させない場合にも適用することができる。
【０１００】
図２１は、本発明の第１８実施形態を示す。図２１に示す実施形態は、図１３に示す実施形態とほぼ同様であり、図１３に示す実施形態と異なる点は、第１の偏向手段となるホログラム４９の中央部の領域に、カーボンブラックを混入した樹脂塗料の被覆層８５が形成されている点である。光源１の中心から、光軸となす角が小さい角度で放出される照明光であって最終的に利用しない照明光８８ａが上記被覆層８５に照射される。
【０１０１】
図１３に示す実施形態では、第１の偏向手段となるホログラム４９の中央部を透過した照明光が迷光８８ｂとなっていたが、図２１に示す実施形態では、最終的に利用しない照明光を上記樹脂塗料の被覆層８５で吸収して強制的に除去するので、迷光が少なくなり、結果としてコントラストの高い照明光を実現することができる。
【０１０２】
図２２は、本発明の第１９実施形態を示す。図２２に示す実施形態は、図２１に示す実施形態とほぼ同様の構成であり、図２１に示す実施形態と異なる点は、第１の偏向手段となるホログラム４９の中央部の領域に、平面鏡８６が設けられている点である。光源１の中心から光軸となす角が小さい角度で放出された照明光であって最終的に利用しない照明光８９ａ，８９ｂはホログラム４９の中央部領域に照射される。そこでこの中央部領域に平面鏡８６を設けたものである。符号８７ａ、８７ｂは、光源１から放出され、回転体反射鏡４５で反射される輪体形状の照明光を示す。
【０１０３】
図２２からわかるように、最終的に利用しない照明光のうち一部の光線８９ｂは、回転放物面からなる回転体反射鏡４５で反射され、次に平面鏡８６で反射され、さらに回転体反射鏡４５で反射されて光源１に戻り、１８０度異なる方向の照明光となる。実際には、光源１の中心からのずれ、光源１を構成する管球の厚さムラ、反射鏡の角度ズレ、反射鏡の散乱性、吸収性、透過性により、減衰したり、位置がずれたりしながら戻ってくる。また、最終的に利用しない照明光のうち他の光線８９ａは、平面鏡８６で反射され、次に回転体反射鏡４５で反射され、照明光を進行させる方向とは全く関係のない方向に進行する。結果として、これらの不要な照明光が回転体反射鏡４５と平面反射鏡８６との広い空間の種々の面で吸収して除去されるので、特定の箇所の温度が吸収により増加することがなく、信頼性に優れた照明装置を提供することができる。
【０１０４】
次に、光源から放出される照明光を回転体反射鏡で反射する照明装置の実施形態について説明する。
図２３は、本発明にかかる照明装置の第２０実施形態を示す。図２３において、符号１は光源を示しており、例えば、高圧水銀ランプの発光部分からなる。符号９０は回転反射鏡となる回転放物面鏡、９１は偏光偏向光学素子となる同心円状パターンを有するホログラム、９２は偏向素子となる同心円状パターンを有するホログラム、９５ａ〜９５ｆは、光源１から放出された照明光、９３は４５度傾けたλ／２位相板をそれぞれ示している。すべての回転体の中心は一致しており、またこれが光軸と一致している。説明を簡単にするため、高圧水銀ランプのチューブ、電極、配線等は省略してある。照明光５ａは説明の都合上無偏光の照明光とし、照明光５ｅはＰ偏光の照明光とする。回転放物面鏡９０の焦点距離は６ｍｍであり、光源中心は焦点に配置され、焦点から偏光偏向光学素子９１および偏向光学素子９２までの距離は、それぞれ２０ｍｍ、４０ｍｍであり、偏光偏向光学素子９１および偏向光学素子９２を構成するホログラム回折格子の平均ピッチは１．４０ミクロンである。
【０１０５】
図２３において、光源１から放出された照明光のうち、光軸に対して９０度方向を中心とする照明光が回転放物面鏡９０で反射されて輪体形状の照明光９５ａ、９５ｅとなる。光源１からの照明光は実際には±９０度の角度で放出されるが、その発光角度に対応した強度分布はすべての方向に均一ではなく、光軸に垂直な方向の照明光の強度が強くなっている。特に光軸と垂直方向に±３０度の範囲にエネルギーとして多く含まれるので、この角度に対応する輪体形状の照明が回転体反射鏡９０から放出されている。このため、この角度内の照明光となる輪体形状の照明光を優先的に使用することによって高効率な照明を実現することができる。
【０１０６】
回転放物面鏡で反射された照明光のうち光軸に垂直な方向に対して±２０度以内に相当する光源９５ａ，および９５ｅの照明光に対して、偏光偏向光学素子９１は、Ｐ偏光となる照明光を０次光として透過し、Ｓ偏光となる照明を偏光するように設計する。これは、微小レリーフを刻んだガラス板内に、配向方向を揃えた複屈折液晶材料を封入することにより実現できる。これにより、Ｓ偏光のみに関して輪体形状の照明光を、その外輪径を小さくすると同時に外輪径と内輪径との比を増大せしめ、かつ、光軸に向かって進行する照明光９５ｃを形成することができる。この照明光９５ｃを、偏向光学素子９２に入射せしめて、光軸と略平行な方向に偏向させることにより、もとの輪体形状の内輪をほぼ外径とする円柱形状の平行光束からなる照明光９５ｄを形成することができる。偏向光学素子９２は、偏向分離性を有する必要がないので、体積ホログラムでもレリーフホログラムでもよく、その他多くの種類の中から簡易なホログラムを選択して用いることができる。このとき、偏向光学素子９２の中央領域を透過する照明光９５ｄは、λ／２位相板９３により偏光方向が９０度回転されており、もとのＳ偏光がＰ偏光となっている。
【０１０７】
一方、Ｐ偏光の輪体形状の照明光は、偏光偏向光学素子９１によって偏向されないので、Ｐ偏向のまま、９５ｂ、９５ｆに示すように、そのまま輪体形状の平行光束の照明光となる。このため、結果として、開口を大きくすることなく、また発散角を大きくすることなくＳ偏光をＰ偏光に偏光変換することができ、かつ輪体形状の内側に偏光変換したＰ偏光を導入することにより円形状のＰ偏光の照明光を実現できる。さらには、低消費電力で、小型で、低コストの、信頼性に優れた、明るい照明装置を提供できる。
【０１０８】
実際には、ホログラムによる偏向の効率や収差、さらには取り込める光源の発散角の問題が生じる。しかしながら、ホログラムの効率が８０％であった場合には、２面のみの仕様であるので、６４％の偏向効率が得られる。ホログラムのみのロスを考慮すると、
（０．５＋０．５×０．６４）／０．５＝１．６
と通常の偏光変換素子と同程度の効果がある。また、利用する発散角が、図２３の場合に光軸に垂直な方向に対して±２０度以内と小さい角度ではあるが、このために、大きい角度を取り込むと輪体形状照明の外輪の大きさが小さくなり、最大照明角度を低減することができる。
【０１０９】
光源長が１．２ｍｍ、回転放物面鏡９０の焦点距離が６ｍｍ、ライトバルブ（ＬＶ）の短径が１２ｍｍとしたときに、±３０度で１２．９度であるライトバルブ上での理論的最大照明入射角度が、±２０度では１０．３度となって約２割小さくすることができる。反射型ＬＶの色むら等は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）の影響により約１２．０度を超えると急激に劣化するため、これを低減することができる。照明光として取り出せる最大の効率自体は、１５０Ｗの高圧水銀ランプでは、実測では、±３０度で８３％であるのに対して、±２０度以内では５０％と、１／１．６となっている。このため、偏光変換の効率と合わせると、効率としての向上はほとんどないことになる。しかしながら、開口を同じにしたまま、かつ発散角が減少しているので、反射型ライトバルブ用のように発散角を大きくできない照明装置の場合には非常に有効である。また、ライトバルブでの最大入射角をこの場合で１０．３度よりも大きくしてよい場合には、光源からの光を±３０度で取り込んで、偏光光学素子９２の部分でＰ偏光よびＳ偏光ともケラレる形で設計することにより、偏光度が劣化するかわりに、これよりも大きい光利用効率を達成できる。
【０１１０】
偏光偏向光学素子９１および偏向光学素子９２は、光の進行方向を略同一方向に静的に偏向するものである。ホログラムに限定されるものではなく、従来のレンズ、プリズム、反射鏡、多層誘電膜、さらにはこれらと複合した複合ホログラム、また複屈折材料、電気光学材料、フォトリフラクティブ材料、フォトニクス結晶材料等を用いることにより実現することができる。また、偏光偏向光学素子９１および偏向光学素子９２は、複数の光学素子により構成することもできるし、一体化することもできる。ただし、ホログラムの場合には、平面上で偏向を行うことができるので、非常に小型化できる。
【０１１１】
ホログラムを２枚同時に用いた場合は、この２枚で色収差をうち消す作用も生じ、色分散性を低減することもできる。また、通常の光学素子と比較して軽量化することもできる。ホログラムの場合には、単純な一定ピッチの回折格子である必要はなく、ピッチが周期的にまたは非周期的に変化する回折格子からなっていてもよい。また、動的にモードを切り替えるために、ＰＤＬＣからなる液晶偏向スイッチ（例えば、デジレンズ／米国デジレンズ社）を用いてもよい。また、ランプの管球や電極部分を貫通孔としてできるだけ光源中心部に近づけて小型化してもよい。
【０１１２】
回転体反射鏡９０は、回転放物鏡に限定されるわけではなく、球面鏡、回転双曲線、回転高次非球面、回転多角形回転放物面鏡であってもよい。しかし、回転放物面鏡の場合は、平行光束が入射するので、面内でより均一な偏向角度、さらには２回の偏向の伴う均一なシフト量を実現することにより、より高い光利用効率を実現することができる。
【０１１３】
図２４は、本発明にかかる照明装置の第２１実施形態を示す。図２４において、符号１は高圧水銀ランプの発光部分からなる光源、９６は回転反射鏡となる回転楕円鏡、９７は偏光偏向光学素子となる同心円状パターンを有するホログラム、９８は偏向素子となる同心円状パターンを有するホログラム、１０１ａ〜１０１ｆは、光源１から放出される照明光、９９は４５度傾けたλ／２位相板をそれぞれ示している。すべての回転体の中心は一致しており、また光軸と一致している。説明を簡単にするため、高圧水銀ランプのチューブ、電極、配線等は省略してある。また、説明の都合上照明光１０１ａはＰ偏光の照明光とし、照明光１０１ｃはＳ偏光の照明光とする。また、回転楕円鏡９６の焦点距離は１１．２９ｍｍであり、コーニック定数は−０．５４８であり、焦点間距離は７４．０６ｍｍであり、光源中心は第１焦点に配置され、第１焦点から偏光偏向光学素子９７および偏向光学素子９８までの距離は、それぞれ２０ｍｍ、３７．８ｍｍであり、偏光偏向光学素子９７および偏向光学素子９８のホログラム回折格子の平均ピッチはそれぞれ、１．７５ミクロンと１．１１ミクロンである。
【０１１４】
図２４に示す実施形態おいては、図２３に示す実施形態と同様に、符号１０１ｄ、１０１ｅを付した斜線部分の照明光は、光源から放出され回転反射鏡である回転楕円鏡９６で反射された収束光束からなる照明光の輪体形状部分であり、偏光偏向光学素子９７は、回転体反射鏡９６の前側に設けられて、照明光を光軸と近づく方向に偏向する、光軸に回転対称な偏光偏向光学素子を示す。符号１０１ｄは、偏光偏向偏光光学素子９７により偏向されて光軸に近づく方向に進行する輪体形状の照明光束、９８は偏光偏向光学素子９７の前側に設けられて、照明光を光軸から遠ざかる方向に偏向する、光軸に回転対称な偏向光学素子、１０１ｅは偏向光学素子９８により偏向されて光軸から遠ざかる方向に進行する輪体形状の照明光束をそれぞれ示す。この照明光束１０１ｅは、回転楕円鏡９６の第２焦点１００付近で集光する。
【０１１５】
回転楕円鏡９６で反射された照明光のうち光軸にほぼ垂直（照明光の進行方向に対して８５度）方向に対して±３０度以内にある照明光１０１ａ，および１０ｅに対して、偏光偏向光学素子９７は、Ｐ偏光となる照明光を０次光として透過し、Ｓ偏光となる照明を偏光するように設計する。これは、配向方向を揃えた複屈折液晶材料を、微小レリーフを刻んだガラス板内に封入することにより実現できる。これにより、Ｓ偏光のみに関して輪体形状の照明光をその外輪径を小さくすると同時に外輪径と内輪径との比を増大せしめて光軸に向かって進行する照明光１０１ｄを形成することができる。この照明光を、偏向光学素子９８に入射せしめて、再び光軸上の第２焦点１００の方向に偏向させることにより、もとの輪体形状の内輪をほぼ外径とする円形状の集光光束の照明光１０１ｅを形成することができる。偏向光学素子９８は、偏向分離性を有する必要がないので、体積ホログラムでもレリーフホログラムでもよく、多くの種類の中から簡易なホログラムを選択して用いることができる。このとき、照明光１０１ｅは、λ／２位相板９９により偏光方向を９０度回転されており、もとのＳ偏光がＰ偏光となっている。
【０１１６】
一方、Ｐ偏光の輪体形状の照明光は、偏光偏向光学素子９７によって偏向されないので、Ｐ偏向のまま、符号１０１ａ、１０１ｂに示すように、そのまま輪体形状の平行光束の照明光となる。このため、結果として、開口を大きくすることなく、また発散角を大きくすることなくＳ偏光をＰ偏光に偏光変換することができ、かつ輪体形状の内側に偏光変換したＰ偏光を導入することにより、円形状のＰ偏光の照明光を実現できる。さらには、低消費電力で、小型で、低コストの、信頼性に優れた明るい照明装置を提供できる。また、回転楕円鏡９６で第２焦点１００に集光しているので、回転フィルタやカラースイッチ（カラーリンク社）やデジレンズ（デジレンズ社）等による色分解を利用した単板フィールドシーケンシャル表示を行う、小型で低コストな照明装置を実現することができる。
【０１１７】
図２５は、光源の出力エネルギーが１Ｗのときに、実際の１５０Ｗの高圧水銀等を用いた場合をシミュレーションした光軸中心からの距離と偏光偏向光学素子９７の場所での積算照明光量との関係を示す。図２５からわかるように、偏光偏向光学素子９７の中央部半径１０ｍｍ以内の積算照明光量は１０％程度であるので、この部分をカットしても大きなロスとはならない。輪体形状の内輪径が１０ｍｍで外輪径が３０ｍｍの場合の、上記中央部以外の残り９０％の積算光量が存在するが、回転楕円鏡９６で反射されず、実際には照明に利用できない直接光が１０％程度存在するので、８０％が実力値となる。そして、この幅２０ｍｍの輪体形状の照明光を、回転楕円鏡９６による集光力とホログラムによる集光力とを利用して、光軸から幅１０ｍｍ程度の円形状の部分にロスを少なくして伝播させることができる。実際には、偏光偏向光学素子９７と偏向光学素子９８の収束作用と発散作用の不完全さにより、若干の発散角の増加が生じるものの、もとの光源の発散角をほぼ±３０度の８０％近い分を取り込んでいるので、平行のまま偏光偏向を行う場合よりも、設計に自由度が生じ、高効率の照明装置を実現することができる。
【０１１８】
図２６に、本発明にかかる照明装置の第２２実施形態を示す。図２６において、符号１は光源、９６０は回転反射鏡となる回転放物鏡を示す。符号１０３は偏光偏向光学素子となる同心円状パターンを有するホログラム、１０４は偏向素子となる同心円状パターンを有するホログラム、１０６ａ〜１０６ｆは、光源から放出される照明光、９９は４５度傾けてホログラム１０４の中央部に配置されたλ／２位相板を示す。すべての回転体の中心は一致しており、また光軸と一致している。光源である高圧水銀ランプのチューブ、電極、配線等は省略してある。照明光１０６ａはＰ偏光とし、照明光１０６ｃはＳ偏光とする。回転放物面鏡９６０の焦点距離は６ｍｍであり、光源中心は焦点に配置されている。符号１０２は、半径７５ｍｍの曲率を両面に有するＢＫ７からなる両凸レンズを示す。この凸レンズ１０２は、回転放物面鏡９６０とホログラム１０３との間に、ホログラム１０３に近接して配置されている。光源位置からホログラム１０３およびホログラム１０４までの距離は、それぞれ２５ｍｍ、４５ｍｍであり、第１偏向光学素子としてのホログラム１０３および第２偏向光学素子としてのホログラム１０４の回折格子平均ピッチは１．４０ミクロンである。
【０１１９】
図２６にかかる実施形態は、図２４に示す実施形態とほぼ同様であり、回転楕円鏡９６のかわりに、収束作用のある単凸レンズ１０２を回転法物鏡９６０と偏光偏向光学素子１０３の間に設けてある。このため、斜線部分の照明光１０６ｄ、１０６ｅは、光源から放出され回転反射鏡である回転楕円鏡９６０で反射された収束光束からなる照明光の輪体形状部分である。ホログラム１０３は回転体反射鏡９６０の前側に配置された、照明光を光軸に近づく方向に偏向する光軸に回転対称な偏光偏向光学素子であり、照明光束１０６ｄは偏光偏向光学素子１０３により偏向されて光軸に近づく方向に進行する輪体形状の照明光束であり、ホログラム１０４は偏光偏向光学素子１０３の前側に設けられ、照明光を光軸から遠ざかる方向に偏向する光軸に回転対称な偏向光学素子であり、照明光束１０６ｅは、偏向光学素子１０４により偏向されて光軸から遠ざかる方向に進行する輪体形状の照明光束である。照明光束は、単凸レンズ１０２の第２焦点１０５付近で集光する。
【０１２０】
回転法物鏡９６０で反射された照明光のうち光軸にほぼ垂直（照明光の進行方向に対して９０度）方向に対して±２５度以内にある照明光１０６ａ，および１０６ｅに対して、偏光偏向光学素子１０３は、Ｐ偏光となる照明光を０次光として透過し、Ｓ偏光となる照明を偏光するように設計する。これは、配向方向を揃えた複屈折液晶材料を、微小レリーフを刻んだガラス板内に封入することにより実現できる。これにより、Ｓ偏光のみに関して輪体形状の照明光を、その外輪径を小さくすると同時に外輪径と内輪径との比を増大せしめて、光軸に向かって進行する照明光１０６ｄを形成することができる。この照明光を、偏向光学素子１０４に入射せしめて、光軸から遠ざかる方向に偏向し、光軸上の焦点１６にさせ、もとの輪体形状の、内輪をほぼ外径とする円形状の集光光束の照明光１０６ｅを形成することができる。偏向光学素子１０４は、偏向分離性を有する必要がないので、体積ホログラムでもレリーフホログラムでも、その他多くの種類の中から簡易なホログラムを用いることができる。このとき、照明光１０６ｅは、λ／２位相板９９により偏光方向を９０度回転されており、もとのＳ偏光がＰ偏光となっている。
【０１２１】
一方、Ｐ偏光の輪体形状の照明光は、偏光偏向光学素子１０３によって偏向されないので、Ｐ偏向のまま、符号１０６ａ、１０６ｂに示すように、そのまま輪体形状の平行光束の照明光となる。このため、結果として、開口を大きくすることなく、また発散角を大きくすることなくＳ偏光をＰ偏光に偏光変換することができ、かつ輪体形状の内側に偏光変換したＰ偏光を導入することにより、円形状のＰ偏光の照明光を実現できる。さらには、低消費電力で、小型で、低コストの信頼性に優れた明るい照明装置を提供できる。また、回転放物鏡９６０と単凸レンズ１０２により焦点１０５付近に照明光を集光しているので、回転フィルタやカラースイッチ（カラーリンク社）等による色分解を利用した単板フィールドシーケンシャル表示を行う、小型で低コストの照明装置を実現することができる。さらには、凸レンズ１０２による集光作用を利用しているので、凸レンズ１０２の曲率を変えることで、簡単に設計変更ができ、部品の共通化ができることから、より低コストの照明装置を提供できる。
【０１２２】
図２７は、本発明にかかる照明装置の第２３実施形態を示す。図２７（ａ）は全体図、図２７（ｂ）は集光部分の拡大図である。図２７において、符号１は高圧水銀ランプの発光部分からなる光源、１１３は回転反射鏡となる回転楕円鏡、１１４は偏光偏向光学素子となる同心円上パターンを有するホログラム、１１５は偏向素子となる同心円状パターンを有するホログラム、１１６は４５度傾けてホログラム１１５の中央部に配置されたλ／２位相板、１１７はホログラム１１５の中央部にλ／２位相板１１６と対向させて配置された平凹レンズをそれぞれ示す。すべての回転体の中心は一致しており、また光軸と一致している。
【０１２３】
光源１からの照明光１１８ａは、説明の都合上Ｐ偏光の照明光とし、偏光偏向光学素子１１４を透過した照明光１１８ｃはＳ偏光の照明光とする。また、回転楕円鏡１１３の焦点距離は１１．２９ｍｍ、コーニック定数は−０．５４８、焦点間距離は７４．０６ｍｍである。光源中心は第１焦点に配置され、第１焦点から偏光偏向光学素子１１４および偏向光学素子１１５までの距離は、それぞれ２０ｍｍ、３７．８ｍｍであり、偏光偏向光学素子１１４および偏向光学素子１１５のホログラム回折格子の平均ピッチはそれぞれ、１．７５ミクロンと１．１１ミクロンであり、平凹レンズ１１７は３９．５ｍｍの開始位置に光源側が５５ｍｍの曲率を有する厚さ１．５ｍｍのＢＫ７からなるガラス材である。
【０１２４】
図２７においては、符号１１８ｄ，１１８ｅを付した斜線部分は、光源１から放出され回転体反射鏡である回転楕円鏡１１３で反射された収束光束からなる照明光の輪体形状部分を示している。偏光偏向光学素子１１４は、回転体反射鏡の前側に配置され、照明光を光軸に近づく方向に偏向する、光軸に回転対称な光学素子である。照明光１１８ｄは、偏光偏向光学素子１１４により偏向された光軸に近づく方向に進行する輪体形状の照明光束である。偏向光学素子１１５は、偏光偏向光学素子１１４の前側に配置されて、照明光を光軸から遠ざかる方向に偏向する、光軸に回転対称な光学素子で手段である。符号１１８ｆは、偏向光学素子１１５により光軸から遠ざかる方向に偏向される輪体形状の照明光束を示す。照明光束１１８ｅ，１１８ｆは、回転楕円鏡１１３の第２焦点１２０付近で集光する。
【０１２５】
回転楕円鏡１１３で反射された照明光のうち光軸にほぼ垂直（照明光の進行方向に対して８５度）方向に対して±３０度以内にある照明光１１８ｂに対して、偏光偏向光学素子１１４は、Ｐ偏光となる照明光を０次光として透過し、Ｓ偏光となる照明を偏光するように設計する。これは、配向方向を揃えた複屈折液晶材料を、微小レリーフを刻んだガラス板内に封入することにより実現できる。これにより、Ｓ偏光のみに関して輪体形状の照明光をその外輪径を小さくすると同時に、外輪径と内輪径との比を増大せしめた光軸に向かって進行する照明光１１８ｃを形成することができる。この照明光１１８ｃを、偏向光学素子１１５に入射せしめて、再び光軸から遠ざかる方向に偏向させ、第２焦点１２０に収束させることにより、もとの輪体形状の内輪をほぼ外径とする円形状の集光光束の照明光１１８ｆを形成することができる。偏向光学素子１１５は、偏向分離性を有する必要がないので、体積ホログラムでもレリーフホログラムでもよく、多くの種類の中から簡易なホログラムを選択して用いることができる。このとき、照明光１１８ｆは、λ／２位相板１１６により偏光方向を９０度回転されており、もとのＳ偏光がＰ偏光となっている。
【０１２６】
一方、Ｐ偏光の輪体形状の照明光は、偏光偏向光学素子１１４によって偏向されないので、Ｐ偏向のまま、１１８ｄ，１１８ｅに示すように、そのまま輪体形状の平行光束の照明光となる。
【０１２７】
凹レンズ１１７は、２回の偏向によって光路長が長くなった方の照明光の焦点距離を、発散作用によって元にわずかに戻す機能を有する。これにより、結像がＰ偏向とＳ偏向で同じように小さくできることになり、収差による発散角の増加を低減することにより、より光利用効率の大きい照明装置とすることができ、さらに反射型ＬＶに用いた場合には色むら等を減少するこができるようになり、高品質の照明装置を実現できる。結果として、開口を大きくすることなく、また発散角を大きくすることなくＳ偏光をＰ偏光に偏光変換することができ、かつ輪体形状の内側に偏光変換したＰ偏光を導入することにより円形状のＰ偏光の照明光を実現できる。さらには、低消費電力で、小型で、低コストの、信頼性に優れた明るい照明装置を提供できる。また、回転楕円鏡１１３で第２焦点１２０に集光しているので、回転フィルタやカラースイッチ（カラーリンク社）やデジレンズ（デジレンズ社）等による色分解を利用した単板フィールドシーケンシャル表示を行う小型で低コストな照明装置を実現することができる。
【０１２８】
図２８に、本発明にかかる照明装置の第２４実施形態を示す。図２８において、符号１は光源、１０７は回転反射鏡となる回転楕円鏡、１０８は無偏光性偏向素子、１０９は偏光偏向光学素子となる同心円状パターンを有するホログラム、１１０は偏向素子となる同心円上パターンを有するホログラム、１１１は４５度傾けたλ／２位相板をそれぞれ示す。符号１２４ａは、光源１をとおる回転反射鏡１０７の光軸、１２４ｂは最終的な円形状の照明光の中心をとおる回転反射鏡の光軸、１２３ａ〜１２３ｇは、光源から放出された光線をそれぞれ示す。すべての回転体の中心は一致しておらず、シフトまたは偏向した状態となっている。説明の都合上、光源１としての高圧水銀ランプのチューブ、電極、配線等は省略してある。照明光１２３ａは説明の都合上Ｐ偏光の照明光とし、１２３ｄはＳ偏光の照明光とする。
【０１２９】
図２８においては、図２３と同様に、斜線を付した部分の照明光１２３ａ、１２３ｄは、光源から放出され回転体反射鏡１０７で反射された平行光束からなる輪体形状の照明光である。無偏光性偏光光学素子１０８は、偏光にかかわらず一様に上記照明光１２３ａ、１２３ｄを４５度偏向する。これにより、照明光１２３ａ、１２３ｄは、それぞれ符号１２３ｂおよび１２３ｅで示すように偏向されることになる。偏光偏向光学素子１０９は、光軸に回転対称な偏光偏向光学素子であり、上記照明光１２３ａ、１２３ｄを光軸に対し４５度偏向して、進行する照明光のうちのＳ偏光を光軸に近づく方向に偏向する。照明光１２３ｆは、偏光偏向光学素子１０９により偏向されて光軸に近づく方向に進行する輪体形状の照明光束を示す。偏向光学素子１１０は、偏光偏向光学素子１０９の前側に配置されて照明光を光軸から遠ざかる方向に偏向する光軸に回転対称な光学素子である。照明光１２３ｇは、偏向光学素子１１０により光軸から遠ざかる方向に偏向され、結果的に光軸と略同一方向に進行する平行光束となった輪体形状の照明光束である。
【０１３０】
回転体放物面鏡１０７で反射された照明光のうち光軸にほぼ垂直（照明光の進行方向に対して８５度）方向に対して±２０度以内にある照明光１２３ａ，および１２３ｄに対して、偏光偏向光学素子１０９は、Ｐ偏光となる照明光を０次光として透過し、Ｓ偏光となる照明を偏光するように設計する。これにより、Ｓ偏光のみに関して輪体形状の照明光をその外輪径を小さくすると同時に外輪径と内輪径との比を増大せしめ、光軸に向かって進行する照明光１２３ｆを形成することができる。この照明光１２３ｆを、偏向光学素子１１０に入射せしめ、光軸と平行な方向に偏向させることにより、もとの輪体形状の、内輪をほぼ外径とする円形状の平行光束からなる照明光１２３ｇを形成することができる。偏向光学素子１１０は、偏向分離性を有する必要がないので、体積ホログラムでもレリーフホログラムでもよく、多くの種類の中から簡易なホログラムを選択して用いることができる。さらに、照明光１２３ｇは、λ／２位相板１１１により偏光方向を９０度回転されており、もとのＳ偏光がＰ偏光となっている。
【０１３１】
一方、Ｐ偏光の輪体形状の照明光は、偏光性偏向光学素子１０９で偏向されないので、Ｐ偏向のまま、符号１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃで示すように、２回偏向した結果、その進行方向が光軸の方向と一致して、そのまま輪体形状の平行光束の照明光となる。
【０１３２】
偏光性偏向光学素子１０９に入射する照明光１２３ｂ、１２３ｅはあらかじめ無偏向性偏向素子１０８により偏向する角度がどちらも大きくなるように偏向されているので、ホログラムによる偏光分離が容易となり、この結果、高効率でＰ偏光、Ｓ偏光とも偏向することができるようになる。このため、開口を大きくすることなく、また発散角を大きくすることなく、Ｓ偏光をより高効率でかつより高い偏向分離比でＰ偏光に偏光変換することができ、かつ輪体形状の内側により高効率で偏光変換したＰ偏光を導入することにより、円形状のＰ偏光のより明るい照明光を実現できる。さらには、低消費電力で、小型で低コストの信頼性に優れた明るい照明装置を提供できる。
【０１３３】
無偏光性偏向光学素子１０８のかわりに、偏光性をもたせた偏向光学素子を用いて、次の偏向性偏向光学素子１０９と合わせて、偏向分離性を大きくしてもよい。また、最終的な円形状の光軸が、もとの光軸と平行である必要はなく、照明光１２３ｃ、１２３ｇが一様に平行光のまま偏向していてもよい。
【０１３４】
以上説明した各実施形態に係る照明装置の用途として映像装置がある。すなわち、この映像装置は、これまで説明してきた何れかの実施形態にかかる照明装置を有し、この照明装置から出射される照明光を被照明物体の背面側から照射し、被照明物体の像を、投影レンズを通してスクリーンに投射するようになっている。上記被照明物体が液晶パネルであれば、この液晶パネルに表示される画像をスクリーンに投射することができる、いわゆる液晶プロジェクターが構成されることになる。上記被照明物体としては、そのほかに映画フイルム、スライド投影用フイルムなどがある。
【０１３５】
【発明の効果】
以上、詳細かつ具体的説明から明らかなように、本発明においては、光源からの放出光が角度分布と有限の面積を有することに伴う反射鏡による照明光の光学特性に着目し、反射鏡の前面に輪体形状の照明光を形成する第１光学手段と、この輪体形状の外輪径を小さくすると同時に外輪径と内輪径の比を増大せしめる第２光学手段とを設けているので、光源から放出された照明光のうち、強度が大きい角度の照明光が光軸付近の小さな開口内から効率よく出射し、これによって、光利用効率の低減を小さくすることができ、被照明物体への最大入射角度を小さくすることが可能な照明装置を提供することができる。また、小型で、低コストで、軽量で、信頼性にすぐれた照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる照明装置の第１実施形態を示す光学配置図である。
【図２】上記実施形態の動作原理を説明するための光路図である。
【図３】上記実施形態において測定面の位置を光軸方向に移動させた場合の照度分布変化をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図４】上記実施形態において光源の角度分布および面内分布をより詳細にシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図５】本発明にかかる照明装置の第２実施形態を示す光学配置図である。
【図６】本発明にかかる照明装置の第３実施形態を示す光学配置図である。
【図７】本発明にかかる照明装置の第４実施形態を示す光学配置図である。
【図８】本発明にかかる照明装置の第５実施形態を示す光学配置図である。
【図９】本発明にかかる照明装置の第６実施形態を示す光学配置図である。
【図１０】本発明にかかる照明装置の第７実施形態を示す光学配置図である。
【図１１】本発明にかかる照明装置の第８実施形態を示す光学配置図である。
【図１２】本発明にかかる照明装置の第９実施形態を示す光学配置図である。
【図１３】本発明にかかる照明装置の第１０実施形態を示す光学配置図である。
【図１４】本発明にかかる照明装置の第１１実施形態を示す光学配置図である。
【図１５】本発明にかかる照明装置の第１２実施形態を示す光学配置図である。
【図１６】本発明にかかる照明装置の第１３実施形態を示す光学配置図である。
【図１７】本発明にかかる照明装置の第１４実施形態を示す光学配置図である。
【図１８】本発明にかかる照明装置の第１５実施形態を示す光学配置図である。
【図１９】本発明にかかる照明装置の第１６実施形態を示す光学配置図である。
【図２０】本発明にかかる照明装置の第１７実施形態を示す光学配置図である。
【図２１】本発明にかかる照明装置の第１８実施形態を示す光学配置図である。
【図２２】本発明にかかる照明装置の第１９実施形態を示す光学配置図である。
【図２３】本発明にかかる照明装置の第２０実施形態を示す光学配置図である。
【図２４】本発明にかかる照明装置の第２１実施形態を示す光学配置図である。
【図２５】第２１実施形態において光軸中心から偏光偏向光学素子の位置までの距離と積算照明光量との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図２６】本発明にかかる照明装置の第２２実施形態を示す光学配置図である。
【図２７】本発明にかかる照明装置の第２３実施形態を示す光学配置図である。
【図２８】本発明にかかる照明装置の第２４実施形態を示す光学配置図である。
【図２９】従来の照明装置の一例を示す（ａ）は断面図、（ｂ）は半体の正面図である。
【図３０】従来の照明装置の別の例を示す光学配置図である。
【符号の説明】
１  光源
２  回転体反射鏡
４  第１光学素子
５  第２光学素子
１０  第１光学素子
１１  第２光学素子
１４  第１光学素子
１５  第２光学素子
２１  回転体反射鏡
１９  第１光学素子
２０  第２光学素子
２４  第１光学素子
２５  第２光学素子
４０  回転体反射鏡
４１  第１光学素子
４２  第２光学素子
【図１】
0004737880.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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