(57)【要約】本発明の照明装置は、発光管及び楕円面リフレクタを有する光源装置と、光源装置からの照明光束を略平行化する回転双曲面からなる光入射面を有する凹レンズと、第１レンズアレイと、第２レンズアレイとを備えた照明装置であって、凹レンズの光入射面と第１レンズアレイにおける複数の小レンズが形成された面との間には、凹レンズの光入射面とともに、凹レンズの光入射面を通過した照明光束を光源装置の光軸に平行な光路よりも外方に向かう光路に沿って進行させ、かつ、第１レンズアレイ及び第２レンズアレイにおいてそれぞれ互いに対応する小レンズを通過させる機能を有する凹面が存在していることを特徴とする。  このため、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができる。
2005036255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管及び前記発光管からの光を反射して照明光束として射出する楕円面リフレクタを有する光源装置と、前記光源装置からの照明光束を略平行化する回転双曲面からなる光入射面を有する凹レンズと、前記凹レンズからの照明光束を複数の部分光束に分割するための複数の小レンズを有する第１レンズアレイと、前記第１レンズアレイによって分割された各部分光束を被照明領域上に重畳させるために前記第１レンズアレイの前記複数の小レンズに対応する複数の小レンズを有する第２レンズアレイとを備えた照明装置であって、
前記凹レンズの光入射面と前記第１レンズアレイにおける前記複数の小レンズが形成された面との間には、前記凹レンズの光入射面とともに、前記凹レンズの光入射面を通過した照明光束を前記光源装置の光軸に平行な光路よりも外方に向かう光路に沿って進行させ、かつ、前記第１レンズアレイ及び前記第２レンズアレイにおいてそれぞれ互いに対応する小レンズを通過させる機能を有する凹面が存在していることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載の照明装置において、
前記凹面は、球面であることを特徴とする照明装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の照明装置において、
前記凹面は、前記凹レンズの光射出面に形成されていることを特徴とする照明装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の照明装置において、
前記第１レンズアレイの前記複数の小レンズは、前記第１レンズアレイの光射出面に形成されており、
前記凹面は、前記第１レンズアレイの光入射面に形成されていることを特徴とする照明装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の照明装置において、
前記凹レンズと前記第１レンズアレイとの間には第２の凹レンズが配置され、
前記凹面は、前記第２の凹レンズの光入射面及び光射出面のうち少なくとも一方の面に形成されていることを特徴とする照明装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の照明装置と、前記照明装置からの照明光束を画像情報に応じて変調する電気光学変調装置と、前記電気光学変調装置からの変調光を投写する投写光学系とを備えたことを特徴とするプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、照明装置及びこれを備えたプロジェクタに関する。
【背景技術】  一般に、プロジェクタは、照明光を射出する照明装置と、照明装置からの照明光を画像信号に応じて変調する電気光学変調装置と、電気光学変調装置からの変調光を投写画像として投写表示する投写レンズとを備えている。
このようなプロジェクタにおいては、投写表示された画像の輝度分布は略均一であることが好ましいため、照明装置としては、画像が形成される被照明領域を略均一な光強度分布で照射することができる、いわゆるインテグレータ光学系を用いた照明装置が用いられている。
図７は、従来の照明装置を上面から見た図である。図８は、第１レンズアレイを光源光軸に沿って見た図である。従来の照明装置８００は、図７に示すように、発光管８２０及び楕円面リフレクタ８３０を有する光源装置８１０と、平行化レンズ８４０と、第１レンズアレイ８５０と、第２レンズアレイ８６０と、重畳レンズ８７０とを備えている。ＬＡは液晶装置等の被照明領域である。
なお、各光学要素は、光源光軸８１０ａｘ（光源装置８１０から射出される光束の中心軸）を基凖として配置されている。すなわち、第１レンズアレイ８５０、第２レンズアレイ８６０及び重畳レンズ８７０は、その中心が光源光軸８１０ａｘとほぼ一致するように、かつ、光源光軸８１０ａｘに対してほぼ垂直となるように配置されている。
このような照明装置８００において、発光管８２０は光源光軸８１０ａｘ方向に所定の長さをもつ発光部（アーク）を有しており、この発光部の中心が光源光軸８１０ａｘ上における楕円面リフレクタ８３０の２つの焦点のうち楕円面リフレクタ８３０に近い側の焦点（第１焦点）Ｆ１の位置近傍に配置されている。そして、発光部から射出された光は楕円面リフレクタ８３０の反射面８３０Ｒによって反射され、その反射光は楕円面リフレクタ８３０に遠い側の焦点（第２焦点）Ｆ２に向かう途中で平行化レンズ８４０によって光源光軸８１０ａｘに略平行な照明光束とされ、第１レンズアレイ８５０に入射する。
第１レンズアレイ８５０は、図８に示すように、被照明領域ＬＡの形状と略相似形を成す矩形状の輪郭をもつ複数の小レンズ８５２がマトリクス状（この場合、１０行×６列）に配置された構成となっており、光源装置８１０からの略平行な照明光束を、複数の小レンズ８５２によって複数の部分光束に分割する。また、第２レンズアレイ８６０も第１レンズアレイ８５０と同様に、矩形状の輪郭をもつ複数の小レンズ８６２がマトリクス状に配置された構成となっている。第２レンズアレイ８６０の小レンズ８６２は第１レンズアレイ８５０の小レンズ８５２と対応して配置されており、第１レンズアレイ８５０の小レンズ８５２から射出された複数の部分光束のそれぞれが、対応する小レンズ８６２上に集光される。そして、第２レンズアレイ８６０の各小レンズ８６２から射出された複数の部分光束のそれぞれが重畳レンズ８７０によって液晶装置等の被照明領域ＬＡを重畳照明するようになっている。
ところで、従来の照明装置８００においては、光源装置８１０から射出される光束の平行度が十分でないと、第１レンズアレイ８５０及び第２レンズアレイ８６０においてそれぞれ互いに対応する小レンズ８５２，８６２を通過できないことから、先に本発明者は、光源装置８１０から射出される光束の平行度を高める技術を開示している（例えば、特許文献１参照。）。
一方、この種のインテグレータ光学系を含む照明装置においては、上述したように、楕円面リフレクタと平行化レンズとの組み合わせにより発光管からの光を平行化するのではなく、発光管からの光を反射した時点で平行な光とすることが可能な放物面リフレクタを用いたものも存在している。
図９は、放物面リフレクタを用いた照明装置における問題点を説明するために示す図である。放物面リフレクタ８８０を用いた照明装置においては、図９に示すように、放物面リフレクタ８８０の回転放物面からなる反射面８８０Ｒの場合は、楕円面リフレクタ８３０の回転楕円面からなる反射面８３０Ｒの場合に比べ、発光管８２０から放射状に射出される光を平行化レンズ８４０へと導くためののみ込み角θ（光源光軸８１０ａｘ回りの角度）が小さくなってしまう。このため、放物面リフレクタ８８０を用いた照明装置は、楕円面リフレクタ８３０を用いた照明装置に比べて、光の利用効率が低下するという問題があった。そのため、近年では楕円面リフレクタを採用した照明装置の開発が盛んに行われている。
ところが、このような楕円面リフレクタを用いた照明装置においては、光強度分布が一様でなく、光源光軸側に偏る傾向があることから、次に示すような問題を有している。
図１０は、楕円面リフレクタを用いた従来の照明装置における光の軌跡を模式的に示す図である。図１１は、第２レンズアレイ上のアーク像を説明するために示す図である。図１１（ａ）は第２レンズアレイ上に理想的に形成された場合のアーク像を示す図であり、図１１（ｂ）は第２レンズアレイ上に実際に形成されるアーク像を示す図である。楕円面リフレクタ８３０を用いた従来の照明装置８００においては、図１１に示すように、光源光軸８１０ａｘ近傍の照度が高く、光源光軸８１０ａｘから離れるにしたがって照度が低くなる照度分布となる。このため、図１１に示すように、第２レンズアレイ８６０上に形成されるアーク像８６４が、本来、図１１（ａ）に示すように各小レンズ８６２内に収まるべきところが、図１１（ｂ）に示すように光源光軸８１０ａｘ近傍に偏り、小レンズ８６２の周囲のセルにはみ出してしまう現象が起きていた。
このように、第２レンズアレイ８６０の各小レンズ８６２内に収まらずにはみ出してしまった部分の光は、被照明領域を照明できず無駄となり、光量損失となっていた。なお、このようにはみ出してしまった部分の光とは、第１レンズアレイ８５０及び第２レンズアレイ８６０において、それぞれ互いに対応する小レンズ８５２，８６２を通過できなかった光に相当する。
したがって、従来の照明装置８００においては、平行化レンズ８４０から射出される照明光束の平行度を高めることにより、第１レンズアレイ８５０及び第２レンズアレイ８６０において互いに対応する小レンズ８５２，８６２を通過できるとしながらも、実際には光源光軸８１０ａｘ近傍の中心部分の照明光束の一部については、依然として通過できないままとなっており、その改善が望まれていた。
そこで、本発明者は、光源光軸付近の第１レンズアレイの小レンズによる各アーク像を互いに分離させることができる従来の他の照明装置として、照明装置９００を開示している（例えば、特許文献２参照。）。図１２は、従来の他の照明装置９００を説明するために示す図である。従来の他の照明装置９００においては、図１２に示すように、光源装置９１０からの照明光束を略平行化する凹レンズ９４０における回転双曲面９４０Ａの円錐定数Ｋを大きくするなどして、楕円面リフレクタ９３０の反射面９３０Ｒで反射された反射光のうち、少なくとも光源光軸９１０ａｘを中心とする中心部側の光路Ｌ１を、光源光軸９１０ａｘに平行な光路Ｌ２よりも若干外方に向かう光路Ｌ３に変更することとしている。
このため、従来の他の照明装置９００によれば、光源光軸９１０ａｘ近傍のアーク像が従来の照明装置８００の場合よりも良好に分離されるようになり、その結果、楕円面リフレクタ９３０の反射面９３０Ｒで反射された反射光のうち、少なくとも光源光軸９１０ａｘを中心とする中心部側の光路Ｌ１が、第１レンズアレイ及び第２レンズアレイ（ともに図示せず。）においてそれぞれ互いに対応する小レンズを通過できるようになる。
【特許文献１】特開２０００−３４７２９３号公報（図１〜図１５）
【特許文献２】国際公開第０２／０８８８４２号パンフレット（図１〜図５）
【発明の開示】
しかしながら、従来の他の照明装置９００においては、凹レンズ９４０の回転双曲面９４０Ａの円錐定数Ｋを大きくすることなどにより、光源光軸９１０ａｘ近傍の第１レンズアレイの小レンズによる各アーク像を互いに分離させることができるようになる一方において、光源光軸９１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像の分離はまだ不十分であることがわかった。
光源光軸９１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させる手段としては、回転双曲面９４０Ａの円錐定数Ｋをさらに大きくすることが考えられる。しかしながら、回転双曲面９４０Ａの円錐定数Ｋをさらに大きくした場合には、凹レンズ９４０の回転双曲面９４０Ａの中心部におけるレンズパワーの変化率が大きくなりすぎて光源光軸９１０ａｘ近傍の各アーク像が歪んでしまい、光源光軸９１０ａｘ近傍の照明光束の一部については、第１レンズアレイ及び第２レンズアレイにおいて互いに対応する小レンズを通過できなくなる。その結果、光量損失を低減することができず、照明光束の利用効率が低下するという問題があった。
そこで、本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができる照明装置及びこれを備えたプロジェクタを提供することを目的とする。
本発明者は、上述した目的を達成すべく鋭意努力を重ねた結果、光源光軸から離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させる手段として、回転双曲面の円錐定数Ｋをさらに大きくする手段を用いるのに代えて、凹レンズの光入射面と第１レンズアレイにおける複数の小レンズが形成された面との間に、所定の凹面を配置する手段を用いることにより、凹レンズの回転双曲面の中心部におけるレンズパワーの変化率が大きくなりすぎて光源光軸近傍の各アーク像が歪んでしまうのを効果的に抑制することができるようになることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明の照明装置は、発光管及び前記発光管からの光を反射して照明光束として射出する楕円面リフレクタを有する光源装置と、前記光源装置からの照明光束を略平行化する回転双曲面からなる光入射面を有する凹レンズと、前記凹レンズからの照明光束を複数の部分光束に分割するための複数の小レンズを有する第１レンズアレイと、前記第１レンズアレイによって分割された各部分光束を被照明領域上に重畳させるために前記第１レンズアレイの前記複数の小レンズに対応する複数の小レンズを有する第２レンズアレイとを備えた照明装置であって、前記凹レンズの光入射面と前記第１レンズアレイにおける前記複数の小レンズが形成された面との間には、前記凹レンズの光入射面とともに、前記凹レンズの光入射面を通過した照明光束を前記光源装置の光軸に平行な光路よりも外方に向かう光路に沿って進行させ、かつ、前記第１レンズアレイ及び前記第２レンズアレイにおいてそれぞれ互いに対応する小レンズを通過させる機能を有する凹面が存在していることを特徴とする。
このため、本発明の照明装置によれば、光源光軸から離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させる手段として、回転双曲面の円錐定数Ｋをさらに大きくする手段を用いるのに代えて、凹レンズの光入射面と第１レンズアレイにおける複数の小レンズが形成された面との間に所定の凹面を存在させることとしたため、光源光軸から離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させることができるようになる。その結果、回転双曲面の円錐定数Ｋをさらに大きくしなくともよくなるため、回転双曲面の中心部のレンズパワーの変化率が大きくなりすぎて光源光軸近傍の各アーク像が歪んでしまうこともなくなる。これにより、光源光軸近傍の照明光束についても、第１レンズアレイの小レンズによるアーク像をそれぞれ対応する第２レンズアレイの各小レンズ内に良好に形成することができるようになる。
すなわち、本発明の照明装置においては、光源光軸から離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させる機能を、凹レンズの回転双曲面と、凹レンズの光入射面と第１レンズアレイにおける複数の小レンズが形成された面との間に配置された所定の凹面とに負わせることとしたため、回転双曲面の円錐定数Ｋをさらに大きくすることなく、光源光軸から離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させることができるようになり、本発明の目的を達成できるのである。
このため、本発明の照明装置は、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができる照明装置となる。
本発明の照明装置においては、前記凹面は、球面であることが好ましい。このように構成することにより、比較的簡便容易な方法で、本発明の目的を達成できるようになる。
また、本発明の照明装置においては、前記凹面は、前記凹レンズの光射出面に形成されていることが好ましい。このように構成することにより、新たな光学要素を追加することなく、本発明の目的を達成できるようになる。
本発明の照明装置においては、前記第１レンズアレイの前記複数の小レンズは、前記第１レンズアレイの光射出面に形成されており、前記凹面は、前記第１レンズアレイの光入射面に形成されていることが好ましい。このように構成することによっても、新たな光学要素を追加することなく、本発明の目的を達成できるようになる。
本発明の照明装置においては、前記凹レンズと前記第１レンズアレイとの間には第２の凹レンズが配置され、前記凹面は、前記第２の凹レンズの光入射面及び光射出面のうち少なくとも一方の面に形成されていることが好ましい。このように構成することにより、従来の照明装置の構成に上記したような第２の凹レンズを１枚追加するだけで、本発明の目的を達成できるようになる。
本発明のプロジェクタは、本発明の照明装置と、前記照明装置からの照明光束を画像情報に応じて変調する電気光学変調装置と、前記電気光学変調装置からの変調光を投写する投写光学系とを備えたことを特徴とする。
このため、本発明のプロジェクタによれば、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができる優れた照明装置を備えているため、高輝度のプロジェクタとなる。
【図面の簡単な説明】  図１は、実施形態１に係るプロジェクタの光学系を上面から見た図である。
図２は、実施形態１に係る照明装置を説明するために示す図である。
図３は、比較例１に係る照明装置を説明するために示す図である。
図４は、比較例２に係る照明装置を説明するために示す図である。
図５は、実施形態２に係る照明装置を説明するために示す図である。
図６は、実施形態３に係る照明装置を説明するために示す図である。
図７は、従来の照明装置を上面から見た図である。
図８は、第１レンズアレイを光源光軸に沿って見た図である。
図９は、放物面リフレクタを用いた照明装置における問題点を説明するために示す図である。
図１０は、楕円面リフレクタを用いた従来の照明装置における光線の軌跡を模式的に示す図である。
図１１は、第２レンズアレイ上のアーク像を説明するために示す図である。
図１２は、従来の他の照明装置を説明するために示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の照明装置及びこれを備えたプロジェクタについて、図に示す実施の形態に基づいて説明する。
［実施形態１］
まず、実施形態１に係るプロジェクタ１Ａについて、図１を用いて説明する。
図１は、実施形態１に係るプロジェクタの光学系を上面から見た図である。なお、以下の説明においては、互いに直交する３つの方向をそれぞれｚ方向（光源光軸１１０ａｘと平行な方向）、ｘ方向（ｚ方向に垂直かつ紙面に平行な方向）、ｙ方向（紙面に垂直な方向）とする。
実施形態１に係るプロジェクタ１Ａは、図１に示すように、照明装置１００Ａと、色分離光学系２００と、リレー光学系３００と、電気光学変調装置としての３つの液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投写光学系６００とを備えている。各光学系の構成要素は、クロスダイクロイックプリズム５００を中心に略水平方向に配置されている。
照明装置１００Ａは、光源装置１１０と、平行化レンズ１４０Ａと、第１レンズアレイ１５０と、第２レンズアレイ１６０と、偏光変換素子１７０と、重畳レンズ１８０とを有している。光源装置１１０から射出された照明光束は、凹レンズ１４０Ａの光入射面で略平行化され、第１レンズアレイ１５０により複数の部分光束に分割され、各部分光束は第２レンズアレイ１６０及び重畳レンズ１８０によって照明対象である３つの液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域上で重畳される。
なお、照明装置１００Ａについての詳細は後述する。
色分離光学系２００は、照明装置１００Ａから射出された照明光束を、それぞれ異なる波長域の３色の照明光束に分離する機能を有している。第１ダイクロイックミラー２１０は、略青色の光束（以下「Ｂ光」という。）を反射するとともに、略緑色の光束（以下「Ｇ光」という。）及び略赤色の光束（以下「Ｒ光」という。）を透過させる。第１ダイクロイックミラー２１０で反射されたＢ光は、反射ミラー２３０でさらに反射され、フィールドレンズ２４０Ｂを透過してＢ光用の液晶装置４００Ｂを照明する。
フィールドレンズ２４０Ｂは、照明装置１００Ａからの複数の部分光束がそれぞれＢ光用の液晶装置４００Ｂを照明するように集光する。通常、各部分光束が、それぞれ略平行な光束となるように設定されている。他の液晶装置４００Ｇ，４００Ｒの前に配設されたフィールドレンズ２４０Ｇ，３５０も、フィールドレンズ２４０Ｂと同様に構成されている。
第１ダイクロイックミラー２１０を透過したＧ光とＲ光のうちＧ光は、第２ダイクロイックミラー２２０によって反射され、フィールドレンズ２４０Ｇを透過してＧ光用の液晶装置４００Ｇを照明する。一方、Ｒ光は、第２ダイクロイックミラー２２０を透過し、リレー光学系３００を通過してＲ光用の液晶装置４００Ｒを照明する。
リレー光学系３００は、入射側レンズ３１０、入射側反射ミラー３２０、リレーレンズ３３０、射出側反射ミラー３４０及びフィールドレンズ３５０を有している。色分離光学系２００から射出されたＲ光は、入射側レンズ３１０によってリレーレンズ３３０の近傍で収束し、射出側反射ミラー３４０及びフィールドレンズ３５０に向かって発散する。フィールドレンズ３５０に入射する光束の大きさは、入射側レンズ３１０に入射する光束の大きさに略等しくなるように設定されている。
各色光用の液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、それぞれの光入射面に入射した色光を、それぞれに対応する画像信号に応じた光に変換し、これら変換された光を透過光として射出する。液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの入射側には入射側偏光板９１８Ｒ，９１８Ｇ，９１８Ｂがそれぞれ配置され、射出側には射出側偏光板９２０Ｒ，９２０Ｇ，９２０Ｂがそれぞれ配置されている。液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとしては、透過型の液晶装置が用いられる。
クロスダイクロイックプリズム５００は、各色光用の液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂから射出される各色光の変換光を合成する色合成光学系としての機能を有する。そして、Ｒ光を反射するＲ光反射ダイクロイック面５１０Ｒと、Ｂ光を反射するＢ光反射ダイクロイック面５１０Ｂとを有している。Ｒ光反射ダイクロイック面５１０Ｒ及びＢ光反射ダイクロイック面５１０Ｂは、Ｒ光を反射する誘電体多層膜とＢ光を反射する誘電体多層膜とを４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成することにより設けられている。これら両反射ダイクロイック面５１０Ｒ，５１０Ｂによって３色の変換光が合成され、カラー画像を表示する光が生成される。クロスダイクロイックプリズム５００において生成された合成光は、投写光学系６００に向かって射出される。
投写光学系６００は、クロスダイクロイックプリズム５００からの合成光を表示画像としてスクリーンなどの投写面上に投写するように構成されている。
次に、実施形態１に係る照明装置１００Ａについて、図２を用いて詳細に説明する。図２は、実施形態１に係る照明装置を説明するために示す図である。図２（ａ）は照明装置の一部を上面から見た図であり、図２（ｂ）は第２レンズアレイ上におけるアーク像を示す図である。
実施形態１に係る照明装置１００Ａは、図１及び図２（ａ）に示すように、光源装置１１０と、凹レンズ１４０Ａと、第１レンズアレイ１５０と、第２レンズアレイ１６０と、偏光変換素子１７０と、重畳レンズ１８０とを有している。
光源装置１１０は、発光管１２０、補助ミラー１２２及び楕円面リフレクタ１３０を有している。発光管１２０は、その発光中心が楕円面リフレクタ１３０の第１焦点Ｆ１の位置近傍に配置されている。楕円面リフレクタ１３０は、被照明領域側に開口し、発光管１２０の発光部後方に配置されている。そして、発光管１２０からの光を反射して被照明領域側に射出するように構成されている。補助ミラー１２２は、発光管１２０の発光部よりも被照明領域側に配置された反射凹面体からなり、発光部から被照明領域側に放射される光を楕円面リフレクタ１３０に反射して光利用効率を向上させるように構成されている。
凹レンズ１４０Ａは、光源光軸１１０ａｘと平行なレンズ光軸を有し、光源装置１１０の被照明領域側に配置されている。凹レンズ１４０Ａの光入射面には、光源装置１１０からの照明光束を略平行化する回転双曲面１４０ＡＳ１が形成され、光射出面には、球面からなる凹面１４０ＡＳ２が形成されている。凹面１４０ＡＳ２は、回転双曲面１４０ＡＳ１とともに、回転双曲面１４０ＡＳ１を通過した照明光束を光源光軸１１０ａｘ（光源装置１１０の光軸）に平行な光路よりも外方に向かう光路に沿って進行させ、かつ、第１レンズアレイ１５０及び第２レンズアレイ１６０においてそれぞれ互いに対応する小レンズ１５２，１６２を通過させる機能を有している。
第１レンズアレイ１５０は、マトリクス状に配列された複数の小レンズ１５２を有し、光源装置１１０からの照明光束を複数の部分光束に分割するように構成されている。各小レンズ１５２は、ｚ方向に沿って見たときの外形形状が被照明領域の形状と略相似形となるように形成されている。
第２レンズアレイ１６０は、第１レンズアレイ１５０における複数の小レンズ１５２にそれぞれ対応する複数の小レンズ１６２を有している。各小レンズ１６２は、第１レンズアレイ１５０の各小レンズ１５２と同様にマトリクス状に配列されており、第１レンズアレイ１５０の複数の小レンズ１５２によるアーク像を重畳レンズ１８０とともに被照明領域上に重畳照明するように構成されている。
偏光変換素子１７０は、非偏光な光を３つの液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂで利用可能な偏光方向を有する偏光光に揃える機能を有している。また、偏光変換素子１７０の光入射面上には、第２レンズアレイ１６０などからの望ましくない光を遮蔽するための遮光板（図示せず。）が配置されている。
重畳レンズ１８０は、集光レンズからなり、偏光変換素子１４０の被照明領域側に配置されている。そして、偏光変換素子１４０から射出された照明光束を集光して第２レンズアレイ１６０とともに液晶装置４０４Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域上に重畳させるように構成されている。
さて、実施形態１に係る照明装置１００Ａにおいては、凹レンズ１４０Ａの光入射面と第１レンズアレイ１５０における複数の小レンズ１５２が形成された面との間には、上述したように、凹面１４０ＡＳ２が凹レンズ１４０Ａの光射出面として形成されている。
このため、実施形態１に係る照明装置１００Ａによれば、光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させる手段として、回転双曲面１４０ＡＳ１の円錐定数Ｋをさらに大きくする手段を用いるのに代えて、凹レンズ１４０Ａの光入射面と第１レンズアレイ１５０における複数の小レンズ１５２が形成された面との間に所定の凹面１４０ＡＳ２を存在させることとしたため、光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させることができるようになる。その結果、回転双曲面１４０ＡＳ１の円錐定数Ｋをさらに大きくしなくともよくなるため、回転双曲面１４０ＡＳ１の中心部のレンズパワーの変化率が大きくなりすぎて光源光軸１１０ａｘ近傍の各アーク像が歪んでしまうこともなくなる。これにより、光源光軸１１０ａｘ近傍の照明光束についても、第１レンズアレイ１５０の小レンズ１５２によるアーク像をそれぞれ対応する第２レンズアレイ１６０の各小レンズ１６２内に良好に形成することができるようになる。
すなわち、実施形態１に係る照明装置１００Ａにおいては、光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させる機能を、凹レンズ１４０Ａの回転双曲面１４０ＡＳ１と、凹レンズ１４０Ａの光入射面と第１レンズアレイ１５０における複数の小レンズ１５２が形成された面との間に配置された所定の凹面１４０ＡＳ２とに負わせることとしたため、回転双曲面１４０ＡＳ１の円錐定数Ｋをさらに大きくすることなく、光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させることができるようになり、本発明の目的を達成できるのである。
このため、実施形態１に係る照明装置１００Ａは、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができる照明装置となる。
実施形態１に係る照明装置１００Ａにおいては、凹面１４０ＡＳ２は球面である。このため、比較的簡便容易な方法で、本発明の目的を達成できるようになる。
実施形態１に係る照明装置１００Ａにおいては、凹面１４０ＡＳ２は、凹レンズ１４０Ａの光射出面に形成されている。このため、新たな光学要素を追加することなく、本発明の目的を達成できるようになる。
ここで、実施形態１の比較例に係る照明装置を説明することによって、実施形態１に係る照明装置１００Ａの効果をさらに詳細に説明する。図３は、比較例１に係る照明装置を説明するために示す図である。図３（ａ）は照明装置の一部を上面から見た図であり、図３（ｂ）は第２レンズアレイ上におけるアーク像を示す図である。図４は、比較例２に係る照明装置を説明するために示す図である。図４（ａ）は照明装置の一部を上面から見た図であり、図４（ｂ）は第２レンズアレイ上におけるアーク像を示す図である。
比較例１に係る照明装置１１００Ａは、図３（ａ）に示すように、従来の照明装置８００（図７参照。）の場合と同様に、光入射面が回転双曲面１１４０ＡＳ１であり、光射出面が平面１１４０ＡＳ２である凹レンズ１１４０Ａを有している。比較例１に係る照明装置１１００Ａによれば、図３（ｂ）に示すように、第２レンズアレイ１６０上に形成されるアーク像が、本来各小レンズ１６２内に収まるべきところが光源光軸１１０ａｘ近傍に偏り、小レンズ１６２の周囲のセルにはみ出してしまっているのがわかる。
比較例２に係る照明装置１１００Ｂは、図４（ａ）に示すように、従来の照明装置９００（図１２参照。）の場合と同様に、光入射面が円錐定数Ｋを大きくした回転双曲面１１４０ＢＳ１であり、光射出面が平面１１４０ＢＳ２である凹レンズ１１４０Ｂを有している。比較例２に係る照明装置１１００Ｂによれば、図４（ｂ）に示すように、確かに光源光軸１１０ａｘ近傍のアーク像が互いに分離されている。しかしながら、光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像の分離はまだ不十分であることがわかる。
この場合、光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させる手段としては、回転双曲面１１４０ＢＳ１の円錐定数Ｋをさらに大きくすることなどが考えられる。しかしながら、回転双曲面１１４０ＢＳ１の円錐定数Ｋをさらに大きくした場合には、回転双曲面１１４０ＢＳ１の中心部におけるレンズパワーの変化率が大きくなりすぎて光源光軸１１０ａｘ近傍の各アーク像が歪んでしまい、光源光軸１１０ａｘ近傍の照明光束の一部については、第１レンズアレイ１５０及び第２レンズアレイ１６０において互いに対応する小レンズ１５２，１６２を通過できなくなる。その結果、光量損失を低減することができず、照明光束の利用効率が低下することとなる。
また、偏光変換素子１７０（図示せず。）の遮光板に対応する領域Ｍ２に照射される割合も大きく、偏光変換素子１７０の光入射面に対応する領域Ｍ１に照射される割合が減じられて、光利用効率が低下することとなる。
これに対して、実施形態１に係る照明装置１００Ａにおいては、図２（ｂ）に示すように、光源光軸１１０ａｘ近傍のアーク像も光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部におけるアーク像も良好に分離されていることがわかる。また、偏光変換素子１７０（図１参照。）の遮光板に対応する領域Ｍ２に照射される割合も小さくなり、偏光変換素子１７０の光入射面に対応する領域Ｍ１に照射される割合が減じられて光利用効率が低下することもなくなる。
このため、実施形態１に係る照明装置１００Ａは、上記した比較例１又は２に係る照明装置１１００Ａ，１１００Ｂとの比較からも明らかなように、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができる照明装置となる。
実施形態１に係るプロジェクタ１Ａは、図１に示すように、上記した照明装置１００Ａと、照明装置１００Ａからの照明光束を画像情報に応じて変調する液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂと、液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂからの変調光を投写する投写光学系６００とを備えている。
このため、実施形態１に係るプロジェクタ１Ａによれば、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができる優れた照明装置１００Ａを備えているため、高輝度のプロジェクタとなる。
以下、実施形態１に係る照明装置１００Ａにおける各光学要素の設計方法を説明する。
楕円面リフレクタ１３０と凹レンズ１４０Ａとには、凹レンズ１４０Ａの光入射面を通過した照明光束を理想的な平行光とし得る最適な組み合わせ（楕円面リフレクタ１３０の形状、凹レンズ１４０Ａの屈折率、凹レンズ１４０Ａの設置位置等によって多種多様）が存在する。本明細書では、その組み合わせの状態を基準として、この状態に実施形態１に係る照明装置１００Ａや後述する実施形態２又は３に係る照明装置１００Ｂ，１００Ｃにおいて説明する各種の変更をそれぞれ加えることにより、本発明の目的を達成できるようにしている。
なお、理想的な平行光を得ることが可能とされる最適な組み合わせを得るための各光学要素の設計方法については、本発明者が特許文献１において、凹レンズにおける光入射面の形状が以下の式（１）を満足することにより理想的な平行光が得られることを開示している。
2005036255.tif 000003
ここで、式（１）中、ｒ，Ｚは、凹レンズ１４０Ａの光入射面と光源光軸１１０ａｘとの交点を原点とし、光源光軸１１０ａｘに軸対称なｒθＺ円柱座標系における座標値である。なお、ｒは原点からの光軸直交方向の距離であり、Ｚは原点からの光軸方向の距離である。また、ｃは近軸曲率半径である。
Ｋは、円錐定数と呼ばれる値である。実施形態１に係る照明装置１００Ａにおいては、凹レンズ１４０Ａの光入射面は回転双曲面であるため、円錐定数Ｋの値はＫ＜−１である。
近軸曲率半径ｃは、楕円面リフレクタ１３０の反射面の形状、凹レンズ１４０Ａの屈折率、凹レンズ１４０Ａの中心部の厚さ及び凹レンズ１４０Ａの設置位置を考慮して求められるものである。具体的には、予め楕円面リフレクタ１３０の反射面の形状、凹レンズ１４０Ａの屈折率、凹レンズ１４０Ａの中心部の厚さ及び凹レンズ１４０Ａの設置位置を決めておく。そして、予め決定された楕円面リフレクタ１３０の反射面の形状と同じ形状を有する楕円面リフレクタに対し、予め決定された位置に、屈折率及び中心部の厚さが凹レンズ１４０Ａと同じである凹レンズを用いた場合に、近軸領域で平行光に変換できるような曲率半径を求めると、これが近軸曲率半径ｃとなる。よって、理想的な平行光を得ることが可能な凹レンズの回転双曲面の形状が決定されるとき、楕円面リフレクタ１３０と凹レンズ１４０Ａとの組み合わせ、すなわち楕円面リフレクタ１３０の反射面の形状や凹レンズ１４０Ａの設置位置、近軸曲率半径ｃは決定されていることになる。
また、実施形態１に係る照明装置１００Ａのように凹レンズ１４０Ａの光入射面が回転双曲面で形成される場合には、凹レンズ１４０Ａの屈折率をｎとしたとき、円錐定数ＫをＫ＝−ｎ２とし、この円錐定数Ｋのもとで上記式（１）を満足する回転双曲面を用いることにより、平行光を得ることができるとしている。
ところで、回転双曲面の円錐定数Ｋは、その値を大きくすることにより、回転双曲面の中心部における光学的パワーを増加できる。すなわち、円錐定数Ｋの値を徐々に大きくしていくことにより、光源光軸１１０ａｘに平行となっていた照明光束の光路を徐々に外方に向かう光路に変更することが可能となる。したがって、円錐定数Ｋの値を徐々に大きくしていくことにより、第２レンズアレイ上において光源光軸側に偏っていたアーク像を、徐々に放射状の方向へ分離させることが可能となる。
この場合、さらに円錐定数Ｋの値を大きくすることで光源光軸から離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させようとすると、回転双曲面の中心部におけるレンズパワーの変化率が大きくなりすぎて、光源光軸近傍の各アーク像が歪んでしまうため、回転双曲面の円錐定数Ｋの値を調整するだけではなく、凹面における曲率半径Ｒの値も調整する必要がある。
このため、実施形態１に係る照明装置１００Ａにおいては、凹レンズ１４０Ａの回転双曲面１４０ＡＳ１における円錐定数Ｋの値を初期値とし、この円錐定数Ｋを徐々に大きくしていく一方、凹面１４０ＡＳ２における曲率半径ＲについてＲ＝∞を初期値とし、この曲率半径Ｒを徐々に小さくしていくシミュレーションを実行する。そして、光源光軸１１０ａｘ側に偏っていたアーク像が本来収まるべき小レンズ１６２内に収まったときの円錐定数Ｋ及び曲率半径Ｒを、凹レンズ１４０Ａの回転双曲面１４０ＡＳ１及び凹面１４０ＡＳ２を決定するための最適な円錐定数ＫＰ及び曲率半径ＲＰと決定する。
実施形態１に係る照明装置１００Ａにおける凹レンズ１４０Ａの形状は、このようにして決定した円錐定数ＫＰのもとで上記式（１）を満足する回転双曲面１４０ＡＳ１がその光入射面に、曲率半径ＲをＲ＝ＲＰとする球面からなる凹面１４０ＡＳ２をその光射出面にそれぞれ有する形状に決定される。なお、その他の構成（楕円面リフレクタ１３０の反射面の形状や凹レンズ１４０Ａの設置位置等）は、凹レンズ１４０Ａの光入射面を通過した照明光束を理想的な平行光とし得るときの構成と同じである。これにより、凹レンズ１４０Ａの光入射面を通過した照明光束を光源光軸１１０ａｘに平行な光路に沿って進行させずに、光源光軸１１０ａｘに平行な光路よりも外方に進行させることが可能となる。したがって、図２（ｂ）に示すように、第１レンズアレイ１５０の小レンズ１５２による各アーク像をそれぞれ対応する第２レンズアレイ１６０の各小レンズ１６２内に収めることが可能となり、光量損失を低減することができ、照明光束の利用効率を高めることができる。
［実施形態２］
次に、実施形態２に係る照明装置１００Ｂついて、図５を用いて説明する。図５は、実施形態２に係る照明装置を説明するために示す図である。図５において、図２（ａ）と同一の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
実施形態２に係る照明装置１００Ｂは、図５に示すように、第１レンズアレイ１５０Ｂの光入射面（複数の小レンズ１５２Ｂが形成された面とは反対の面）に、凹レンズ１４０の光入射面に形成された回転双曲面１４０Ｓ１とともに、凹レンズ１４０の光入射面を通過した照明光束を光源光軸１１０ａｘに平行な光路よりも外方に向かう光路に沿って進行させ、かつ、第１レンズアレイ１５０Ｂ及び第２レンズアレイ１６０においてそれぞれ互いに対応する小レンズ１５２Ｂ，１６２を通過させる機能を有する球面からなる凹面１５０ＢＳ１が形成された点を特徴としている。
このため、実施形態２に係る照明装置１００Ａによれば、光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させる手段として、回転双曲面１４０Ｓ１の円錐定数Ｋをさらに大きくする手段を用いるのに代えて、凹レンズ１４０の光入射面と第１レンズアレイ１５０Ｂにおける複数の小レンズ１５２Ｂが形成された面との間に上記したような凹面１５０ＢＳ１を存在させることとしたため、実施形態１の場合と同様に、光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させることができるようになる。その結果、回転双曲面１４０Ｓ１の円錐定数Ｋをさらに大きくしなくともよくなるため、回転双曲面１４０Ｓ１の中心部のレンズパワーの変化率が大きくなりすぎて光源光軸１１０ａｘ近傍の各アーク像が歪んでしまうこともなくなる。これにより、光源光軸１１０ａｘ近傍の照明光束についても、第１レンズアレイ１５０Ｂの小レンズ１５２Ｂによるアーク像をそれぞれ対応する第２レンズアレイ１６０の各小レンズ１６２内に良好に形成することができるようになる。
このため、実施形態２に係る照明装置１００Ｂは、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができる照明装置となる。
また、実施形態２に係る照明装置１００Ｂにおいては、上記したように、第１レンズアレイ１５０Ｂの複数の小レンズ１５０Ｂは、第１レンズアレイ１５０Ｂの光射出面に形成されており、凹面１５０ＢＳ１は、第１レンズアレイ１５０Ｂの光入射面に形成されている。このため、新たな光学要素を追加することなく、本発明の目的を達成できるようになる。
なお、実施形態２に係る照明装置１００Ｂにおける凹レンズ１４０や第１レンズアレイ１５０Ｂなどの光学要素の形状を決定するにあたり、凹レンズ１４０の回転双曲面１４０Ｓ１の円錐定数Ｋ及び第１レンズアレイ１５０Ｂの球面からなる凹面１５０ＢＳ１の曲率半径Ｒについては、上述した実施形態１に係る照明装置１００Ａにおける各光学要素の設計方法と同様の設計方法によって決定することができる。
［実施形態３］
次に、実施形態３に係る照明装置１００Ｃついて、図６を用いて説明する。図６は、実施形態３に係る照明装置を説明するために示す図である。図６において、図２（ａ）と同一の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
実施形態３に係る照明装置１００Ｃは、図６に示すように、凹レンズ１４０と第１レンズアレイ１５０との間に、凹レンズ１４０の光入射面に形成された回転双曲面１４０Ｓ１とともに、凹レンズ１４０の光入射面を通過した照明光束を光源光軸１１０ａｘに平行な光路よりも外方に向かう光路に沿って進行させ、かつ、第１レンズアレイ１５０及び第２レンズアレイ１６０においてそれぞれ互いに対応する小レンズ１５２，１６２を通過させる機能を有する凹面１４２Ｓ２を有する第２の凹レンズ１４２が配置された点を特徴としている。
このため、実施形態３に係る照明装置１００Ｃによれば、光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させる手段として、回転双曲面１４０Ｓ１の円錐定数Ｋをさらに大きくする手段を用いるのに代えて、凹レンズ１４０の光入射面と第１レンズアレイ１５０における複数の小レンズ１５２が形成された面との間に上記したような凹面１４２Ｓ２を存在させることとしたため、光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させることができるようになる。その結果、回転双曲面１４０Ｓ１の円錐定数Ｋをさらに大きくしなくともよくなるため、回転双曲面１４０Ｓ１の中心部のレンズパワーの変化率が大きくなりすぎて光源光軸１１０ａｘ近傍の各アーク像が歪んでしまうこともなくなる。これにより、光源光軸１１０ａｘ近傍の照明光束についても、第１レンズアレイ１５０の小レンズ１５２によるアーク像をそれぞれ対応する第２レンズアレイ１６０の各小レンズ１６２内に良好に形成することができるようになる。
このため、実施形態３に係る照明装置１００Ｃは、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができる照明装置となる。
また、実施形態３に係る照明装置１００Ｃにおいては、上記したように、凹レンズ１４０と第１レンズアレイ１５０との間には第２の凹レンズ１４２が配置され、凹面１４２Ｓ２は、第２の凹レンズ１４２の光射出面に形成されている。このため、従来の照明装置の構成に上記したような第２の凹レンズ１４２を１枚追加するだけで、本発明の目的を達成できるようになる。
なお、実施形態３に係る照明装置１００Ｃにおいては、第２の凹レンズ１４２の光射出面に凹面１４２Ｓ２が形成された場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、第２の凹レンズの光入射面に凹面が形成されていてもよいし、第２の凹レンズの光入射面及び光射出面の両方に凹面が形成されていてもよい。
また、実施形態３に係る照明装置１００Ｃにおける凹レンズ１４０や第２の凹レンズ１４２などの光学要素の形状を決定するにあたり、凹レンズ１４０の回転双曲面１４０Ｓ１の円錐定数Ｋ及び凹レンズ１４２の球面からなる凹面１４２Ｓ２の曲率半径Ｒについては、上述した実施形態１に係る照明装置１００Ａにおける各光学要素の設計方法と同様の設計方法によって決定することができる。
以上、本発明の照明装置及びこれを備えたプロジェクタを上記の各実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の各実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上記各実施形態においては、所定の凹面として球面を用いたが、本発明はこれに限定されず、所定の凹面として種々の非球面を用いることもできる。
上記実施形態１に係るプロジェクタ１Ａにおいては、透過型のプロジェクタに本発明の照明装置を適用した場合を例示しているが、本発明は反射型のプロジェクタにも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、透過型の液晶装置等のように光変調手段としての電気光学変調装置が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、反射型の液晶装置等のように光変調手段としての電気光学変調装置が光を反射するタイプであることを意味している。反射型のプロジェクタに本発明の照明装置を適用した場合にも、透過型のプロジェクタとほぼ同様の効果を得ることができる。
上記実施形態１に係るプロジェクタ１Ａにおいては、カラー画像を表示するプロジェクタを例として説明したが、本発明はこれに限定されず、モノクロ画像を表示するプロジェクタにも適用可能である。
上記実施形態１に係るプロジェクタ１Ａにおいては、３つの液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂを用いたプロジェクタを例として説明したが、本発明はこれに限定されず、２つ又は４つ以上の液晶装置を用いたプロジェクタにも適用可能である。
上記実施形態１に係るプロジェクタ１Ａにおいては、電気光学変調装置として液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂを用いているが、本発明はこれに限られない。電気光学変調装置としては、一般に、入射光を画像情報に応じて変調するものであればよく、マイクロミラー型光変調装置などを利用してもよい。マイクロミラー型光変調装置としては、例えば、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）（米国テキサスインスツルメンツ社の商標）を用いることができる。
この他、本発明は、投写画像を観察する側から投写するフロント投写型プロジェクタにも、投写画像を観察する側とは反対側から投写するリア投写型プロジェクタにも適用できることは言うまでもない。
【図１】
2005036255.tif 000004
【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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【国際調査報告】
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