(57)【要約】照明光学装置１０は光源装置１１および均一照明光学系１５を備えている。光源装置１１の光源ランプ１２の照明光学装置１０の膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部には、反射部材１２１が設けられている。また、光源装置１１の楕円リフレクタ１３の有効反射面径は、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下である。さらに、楕円リフレクタ１３の第一焦点距離をｆ１、第二焦点距離をｆ２とした場合、ｆ１は５ｍｍ以上、ｆ２は５０ｍｍ以上であり、かつ、ｆ２／ｆ１は、４以上、７以下となっている。これによって、さらなる小型化、光の利用率の低下防止、所定以上の光量の確保を図ることができ、製造コストの増加を防止することができる照明光学装置及びプロジェクタを提供することが可能となる。
2004063792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光束を画像情報に応じて変調し、光学像を形成する長方形状の画像形成領域を備えた光変調装置と、
発光管と、前記の発光管から放射された光を反射する楕円リフレクタと、前記楕円リフレクタにより反射された光束を平行化する平行化レンズと、を有する光源装置と、
複数の小レンズをマトリクス状に配列して構成され、前記光源装置から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子と、
前記光束分割光学素子により分割された各部分光束を前記光変調装置の前記画像形成領域上に重畳させる集光レンズと、を備えたプロジェクタであって、
前記平行化レンズは、前記楕円リフレクタにより反射された光束の径が、前記画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に配置され、
前記光束分割光学素子と前記集光レンズの有効光束透過領域は、辺の寸法が前記画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項２】
請求項１に記載のプロジェクタにおいて、
前記発光管は、所定距離離間して配置される一対の電極と、前記一対の電極が封入された管状部材と、を備え、
前記管状部材の前記電極の離間部分には膨出部が設けられ、
前記膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部には、放射光を前記楕円リフレクタに反射する反射部材が設けられていることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項３】
請求項２に記載のプロジェクタにおいて、
前記反射部材は、前記膨出部に蒸着形成された金属膜であることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載のプロジェクタにおいて、
前記平行化レンズは、前記有効光束透過領域の入射側及び／又は射出側が非球面とされた平行化凹レンズであることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項５】
請求項４に記載のプロジェクタにおいて、
前記平行化凹レンズは、前記有効光束透過領域の入射側が双曲面形状を有する非球面であり、射出側が平面であることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項６】
請求項４に記載のプロジェクタにおいて、
前記平行化凹レンズは、前記有効光束透過領域の入射側が平面であり、
前記射出側が楕円面を有する非球面であることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項７】
請求項４に記載のプロジェクタにおいて、
前記平行化凹レンズは、前記有効光束透過領域の入射側が球面であり、
前記射出側が双曲面形状を有する非球面であることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項８】
請求項１から７の何れかに記載のプロジェクタにおいて、
前記集光レンズは、前記有効光束透過領域の入射側が平面であり、射出側が双曲面形状を有する非球面であることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項９】
請求項１から８の何れかに記載のプロジェクタにおいて、
前記光束分割光学素子及び集光レンズの間には、入射光束の偏光方向を揃える偏光変換素子を備え、
前記偏光変換素子は、水晶又は雲母製の位相差板を有していることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項１０】
所定距離離間して配置される一対の電極が封入されるとともに、前記一対の電極の離間部分に膨出部が設けられた管状部材を有する発光管と、前記膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部に設けられた反射部材と、前記発光管から放射された光を反射する楕円リフレクタと、前記楕円リフレクタにより反射された光束を平行化する平行化レンズと、を備えた光源装置と、
前記光源装置から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子と、
前記光束分割光学素子により分割された各部分光束を、被照明領域上に重畳させる集光レンズと、を備えた照明光学装置であって、
前記楕円リフレクタの第一焦点距離をｆ１、第二焦点距離をｆ２とした場合に、４≦ｆ２／ｆ１≦７であることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の照明光学装置において、
前記被照明領域は長方形状であり、
前記平行化レンズは、前記楕円リフレクタにより反射された光束の径が、前記被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に配置され、
前記光束分割光学素子と前記集光レンズの有効光束透過領域は、辺の寸法が前記被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の照明光学装置において、
前記平行化レンズは、光束入射面、射出面のいずれか一方が非球面とされた凹レンズであることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１３】
請求項１０から１２の何れかに記載の照明光学装置において、
前記楕円リフレクタの第一焦点距離ｆ１は、５ｍｍ以上であることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１４】
請求項１０から１３の何れかに記載の照明光学装置において、
前記楕円リフレクタの第二焦点距離ｆ２は５０ｍｍ以上であることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１５】
請求項１０から１４の何れかに記載の照明光学装置において、
前記楕円リフレクタが光束を反射する有効反射面の径は、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下であることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１６】
請求項１０から１５の何れかに記載の照明光学装置において、
前記照明光軸の射出光束基端側部分と、前記発光管から射出される光束がなす最大の角度をθとすると、
θが１０５°以下であることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１７】
請求項１０から１６の何れかに記載の照明光学装置と、前記照明光学装置から射出された光束を画像情報に応じて変調する光変調装置とを備え、
前記被照明領域は、前記光変調装置の画像形成領域である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、照明光学装置及びプロジェクタに関する。
【背景技術】  従来から、プロジェクタとして、光源装置から射出された光束を、ダイクロイックミラーによりＲＧＢの三色の色光に分離し、三枚の液晶パネル（光変調装置）によって色光毎に画像情報に応じて変調し、変調後の光束をクロスダイクロイックプリズムで合成し、投写レンズを介してカラー画像を拡大投写する、いわゆる三板式のプロジェクタが知られている。
このようなプロジェクタは、図８に示すような照明光学装置１００を有している。この照明光学装置１００は、光源装置１１０と、均一照明光学系１５０とを有する。
光源装置１１０は、放射光源としての発光管（光源ランプ１２）と、楕円リフレクタ１３０と、平行化凹レンズ１４０とを有しており、光源ランプ１２から射出された放射状の光線を楕円リフレクタ１３０で反射して射出し、平行化凹レンズ１４０で平行化させている。
均一照明光学系１５０は、楕円リフレクタ１３０で反射された光束を複数の部分光束に分割し、液晶パネル４１の画像形成領域上に重畳させる機能を有し、光束分割光学素子（第１レンズアレイ１６０）と、偏光変換素子（ＰＢＳアレイ１８０）と、第２レンズアレイ１７０と、集光レンズ１９０とを有する（例えば、特開２０００−３４７２９３号公報の第１２〜第１３頁ならびに図１４を参照）。
このような照明光学装置１００では、光源ランプ１２からの光束をすべて取り込むために、第１レンズアレイ１６０、第２レンズアレイ１７０、ＰＢＳアレイ１８０、集光レンズ１９０の有効光束透過領域の輪郭形状を正方形状とし、その一辺の寸法をリフレクタ１３０の開口部における反射面の直径の寸法（以下、これを「有効反射面径」という）とほぼ等しくしている。なお、「有効光束透過領域」とは、これらの光学要素それぞれを通過する光束のうち、光変調装置の画像形成領域（被照明領域）を通過できるものが存在する領域である。たとえば、第２レンズアレイ１７９、ＰＢＳアレイ１８０、集光レンズ１９０の付近では、第１レンズアレイ１６０によって分割された複数の部分光束の集光像（アークの像）が観察されるが、この場合の有効光束透過領域は、これらの集光像を包括するような仮想的な矩形の領域である。
これに対し、液晶パネル４１の画像形成領域は、リフレクタ１３０の有効反射面径よりも非常に短い短辺、長辺から構成される長方形状となっているので、集光レンズ１９０の周縁部から射出された光の液晶パネル４１への入射角度は大きなものとなる。通常、液晶パネル４１はリフレクタ１３０やレンズ等で平行光束とされた光束が、画像形成領域に対してほぼ垂直に入射するように設定されているので、光束が画像形成領域に対し斜めに入射した場合には、投写映像のコントラストが悪化しやすく、画像の品質が低下する可能性がある。
また、近年、照明光学装置、ひいてはプロジェクタのさらなる小型化が望まれているが、楕円リフレクタを採用した場合、その大きさによっては装置が大型化してしまったり、所定以上の光量が確保しにくかったり、製造コストの増加を招いてしまったりする可能性がある。
【発明の開示】
本発明は、コントラストの向上、装置の小型化、光の利用効率の向上、製造コストの増加の防止のうち、少なくとも１つの課題を解決することを目的とする。
本発明のプロジェクタは、入射光束を画像情報に応じて変調し、光学像を形成する長方形状の画像形成領域を備えた光変調装置と、発光管と、前記発光管から放射された光を反射する楕円リフレクタと、前記楕円リフレクタにより反射された光束を平行化する平行化レンズとを備えた光源装置と、複数の小レンズをマトリクス状に配列して構成され、前記光源装置から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子と、この光束分割光学素子により分割された各部分光束を前記画像形成領域上に重畳させる集光レンズとを備えたプロジェクタであって、前記平行化レンズは、前記楕円リフレクタにより反射された光束の径が、前記画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に配置され、前記光束分割光学素子と前記集光レンズの有効光束透過領域は、辺の寸法が前記画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることを特徴とする。
本発明によれば、楕円リフレクタを使用しているので、光源ランプから放射される光線を単に反射するだけでなく、反射した光束を絞り込み、その径を小さくすることができる。そして、楕円リフレクタにより反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に平行化レンズを配置して、この平行化レンズよりも光路下流側に配置される光束分割光学素子と集光レンズの有効光束透過領域を、辺の寸法が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定する。すると、集光レンズの有効光束透過領域の辺の寸法と、画像形成領域の長辺寸法、短辺寸法との差が小さくなるので、集光レンズから射出された光線の光変調装置への入射角度を小さくすることができる。光変調装置への光線の入射角度が小さいほど、投写映像のコントラストは良くなるため、従来のプロジェクタに比べ、投写映像のコントラストを向上させることができる。
また、このように光変調装置への光線の入射角度が小さくなるので、光変調装置から射出される光線の射出角度も小さくなる。そのため、光変調装置よりも光路下流側に設けられる投写レンズのＦナンバーを大きくすることができ、より解像力の高いまたは高精細な投写映像を形成することができる。
また、光束分割光学素子と集光レンズの有効光束透過領域は、辺の寸法が光変調装置の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されているので、これらのサイズを従来よりもかなり小さくすることができる。従って、プロジェクタの小型化、軽量化を図ることができる。
なお、「有効光束透過領域は、辺の寸法が光変調装置の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されている」とは、光束分割光学素子や集光レンズの外形が光変調装置の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることを意味するものではない。光束分割光学素子や集光レンズの外形は、有効光束透過領域を包含できる大きさでなくてはならないが、有効光束透過領域と同形状である必要は無い。
本発明において、前記発光管は、所定距離離間して配置される一対の電極と、前記一対の電極が封入された管状部材とを備え、前記管状部材の前記電極の離間部分には膨出部が設けられ、前記膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部には、放射光を前記楕円リフレクタに反射する反射部材が設けられていることが好ましい。
反射部材が設けられていない発光管を使用する場合には、発光管から放射される光をなるべくたくさん反射させるために、光束反射面積（有効反射面の面積）が大きな楕円リフレクタを使用する必要がある。リフレクタによって反射されることなく放射された光は、有効に利用することができないからである。これに対し、発光管の膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部に反射部材を設ければ、発光管から楕円リフレクタの開口側に射出される光を、この反射部材によって楕円リフレクタ側に反射することが可能となる。そのため、光束反射面積が大きな楕円リフレクタを使わなくても、発光管から放射される光束の損失を防ぎ、光の利用効率を向上させることが可能である。
また、光束反射面積が大きな楕円リフレクタを使用する場合には、楕円リフレクタにより反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置が光源ランプから遠くなるので、光源ランプと平行化レンズとの距離を大きくとる必要がある。また、このように光源ランプからの距離を大きくとった場合には平行化レンズの倍率を大きなものにする必要がある。これに対し、発光管の膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部に反射部材を設ければ、楕円リフレクタの大きさを小さくできるので、楕円リフレクタにより反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置が光源ランプに近くなる。そのため、平行化レンズを光源ランプに接近させることが可能となり、プロジェクタの小型化を図ることができる。また、平行化レンズを光源ランプに接近させることができるので、平行化レンズの倍率を小さくすることができる。
更に、上記反射部材は、前記膨出部に蒸着形成された金属膜であることが好ましい。このようにすれば、発光管から放射された光を確実に楕円リフレクタに反射させることができる。従って、発光管から放射された光が楕円リフレクタに反射されずに射出されてしまうことを防止でき、光の利用効率をより高めることが可能となる。
また、本発明において、前記平行化レンズは、有効光束透過領域の入射側及び／又は射出側が非球面とされた平行化凹レンズであることが好ましい。球面の平行化凹レンズを使用した場合には、球面収差が生じるため、中心部の平行度は高いものの、周辺部の平行度がよくないことがある。これに対し、平行化凹レンズの入射側及び／又は射出側を非球面とすれば、射出される光束の平行度を向上させることができる。
また、この平行化凹レンズは、（１）有効光束透過領域の入射側が双曲面形状を有する非球面であり、射出側が平面であるもの、（２）有効光束透過領域の入射側が平面であり、前記射出側が楕円面を有する非球面であるもの、（３）有効光束透過領域の入射側が球面であり、前記射出側が双曲面形状を有する非球面であるもの、のうち、何れかであることが好ましい。（１）の場合には、光束は平行化凹レンズの有効光束透過領域の入射側で平行化され、射出側では屈折作用を受けないようにすることができる。従って、より平高度の高い射出光束を得ることができる。また、射出側は平面であるため、平行化凹レンズの作成を比較的安価に行うことができる。（２）の場合には、射出される光束の径を小さくすることができる。また、有効光束透過領域の射出側を非球面としているので射出される光束の面内照度のばらつきを比較的小さくすることができる。（３）の場合には、（２）と同様の効果を奏することができるほか、有効光束透過領域の入射側を球面としているので、入射側において光が屈折を受けないようにすることができ、より平行度の高い射出光束を得ることができる。
また、本発明において、前記集光レンズは、前記有効光束透過領域の入射側が平面であり、射出側が双曲面形状を有する非球面であることが好ましい。このようにすれば、前記有効光束透過領域の射出側を非球面としているので射出される光束の収差を小さくすることができる。従って、光変調装置の画像形成領域に確実に光束を入射させることができる。
また、本発明において、前記光源装置と前記集光レンズとの間には、入射光束の偏光方向を揃える偏光変換素子を備え、前記偏光変換素子は、前記光源装置から射出された光を２種類の偏光成分を有する光に分離する偏光分離膜と、前記２種類の偏光成分を有する光の偏光方向を揃える水晶又は雲母製の位相差板と、を有していることが好ましい。本発明によれば、前述したように、光束分割光学素子や集光レンズのサイズを、従来よりもかなり小さくすることができる。一方、これらの小型化により光束密度は高くなり、単位面積あたりの光量は増えることになる。偏光変換素子には一般的に樹脂を用いた位相差板が用いられるが、単位面積あたりの光量が増えると、樹脂では耐熱性が充分でなくなる可能性がある。そこで、水晶又は雲母製の位相差板を用いれば、位相差板の耐熱性を向上させることができる。
次に、第２の発明は、所定距離離間して配置される一対の電極が封入されるとともに、前記一対の電極の離間部分に膨出部が設けられた管状部材を有する発光管と、前記膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部に設けられた反射部材と、前記発光管から放射された光を反射する楕円リフレクタと、前記楕円リフレクタにより反射された光束を平行化する平行化レンズと、を備えた光源装置と、前記光源装置から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子と、前記光束分割光学素子により分割された各部分光束を前記光変調装置の画像形成領域上に重畳させる集光レンズと、を備えた照明光学装置であって、前記楕円リフレクタの第一焦点距離をｆ１、第二焦点距離をｆ２とした場合に、４≦ｆ２／ｆ１≦７であることを特徴とする。
通常、発光管は、発光部の中心（アーク中心）が楕円リフレクタの第一焦点とほぼ一致するように配置される。一方、平行化レンズは、楕円リフレクタにより反射された光束を平行化できる位置、例えば、光束入射面が凹面とされたレンズであれば、楕円リフレクタの第二焦点と、平行化レンズの焦点とがほぼ一致する位置に設置される。
楕円リフレクタの第一焦点距離ｆ１、第二焦点距離ｆ２との比、ｆ２／ｆ１を４未満とすると、第一焦点距離ｆ１、すなわち、楕円リフレクタから発光管のアーク中心までの距離が長くなる場合があり、この場合には、光束反射面積（有効反射面の面積）の大きな大型の楕円リフレクタを使用しなければならない。そのため、装置の小型化が困難となる。
また、ｆ１、ｆ２の距離を小さくして、ｆ２／ｆ１を４未満とすることも考えられるが、この場合には、ｆ２の距離が小さくなるので、汎用の発光管を使用した場合、平行化レンズと、発光管が干渉する虞がある。そのため小さな寸法の特殊な発光管を用意しなければならず、製造コストが増加するという問題が生じる。
さらに、ｆ２／ｆ１が７を超えると、第二焦点距離ｆ２が長くなる場合があり、これに伴って、楕円リフレクタから平行化レンズまでの光路の長さが長くなる。そのため、照明光学装置の小型化を図ることが困難となる。さらに、アークの像が大きくなり過ぎたり、歪んでしまったりして、光の利用率が低下する可能性がある（以下、この現象を「アークの像の劣化」という）。つまり、例えば光束分割素子よりも光路下流側にレンズアレイやＰＢＳアレイが配置される場合、アークの像が劣化してしまうと、レンズアレイの各レンズの内部にアークの像が収まりきらなかったり、ＰＢＳアレイの各アレイの内部にアークの像が収まりきらなかったりして、光の利用効率が低下する可能性がある。レンズアレイの各レンズやＰＢＳアレイの各アレイの内部に収まりきらなかったアークの像は、照明光として有効利用することができないためである。
また、ｆ１を小さな値としてｆ２／ｆ１が７を超えるものとした場合には、楕円リフレクタと発光管との距離が近接するため、楕円リフレクタの光束反射面積が小さくなる。そのため、平行化レンズ等の透過光束領域が必要以上に狭くなり、光量が不足する可能性がある。
これに対し、第２の発明では、ｆ２／ｆ１を４以上、７以下としているので、上述した問題が発生せず、光の利用率の低下を防ぎ、所定以上の光量を確保することができる。
また、第二の発明によれば、発光管の膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部には反射部材が設けられているので、発光管から楕円リフレクタの開口側に射出される光を、この反射部材によって楕円リフレクタ側に反射することが可能となる。反射部材が設けられていない発光管を使用する場合には、発光管から放射される光束をなるべくたくさん反射させるために、光束反射面積（有効反射面の面積）が大きな楕円リフレクタを使用する必要がある。これに対し、発光管の膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部に反射部材を設ければ、発光管から楕円リフレクタの開口側に射出される光を楕円リフレクタ側に反射させることができるため、光束反射面積が大きな楕円リフレクタを使わなくても、発光管から放射される光束の損失を防ぎ、光の利用効率を向上させることが可能である。
第２の発明では、被照明領域が長方形状であり、前記平行化レンズは、前記楕円リフレクタにより反射された光束の径が、前記被照明領域の短辺寸法以下、長辺寸法以上となる位置に配置され、前記光束分割光学素子と前記集光レンズの有効光束透過領域は、辺の寸法が前記被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることが好ましい。
第２の発明によれば、楕円リフレクタを使用しているので、光源ランプから放射される光線を単に反射させるだけでなく、反射した光束を絞り込み、その径を小さくすることができる。そして、楕円リフレクタにより反射された光束の径が被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に平行化レンズを配置して、この平行化レンズよりも光路下流側に配置される光束分割光学素子と集光レンズの有効光束透過領域を、辺の寸法が被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定することができる。すると、集光レンズの有効光束透過領域の辺の寸法と、被照明領域の長辺寸法、短辺寸法との差が小さくなるので、集光レンズから射出された光線の被照明領域への入射角度を小さくすることができる。
第２の発明にかかる照明装置を、光変調装置を備えたプロジェクタに採用した場合には、被照明領域に相当する光変調装置の画像形成領域への光線の入射角度が小さいほど、投写映像のコントラストは良くなるため、投写映像のコントラストを向上させることができる。また、このように光変調装置への光線の入射角度が小さくなるので、光変調装置から射出される光線の射出角度も小さくなる。そのため、光変調装置よりも光路下流側に設けられる投写レンズのＦナンバーを大きくすることができ、より解像力の高いまたは高精細な投写映像を形成することができる。
また、光束分割光学素子と集光レンズの有効光束透過領域は、辺の長さが被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されているので、これらのサイズを従来よりもかなり小さくすることができる。従って、照明光学装置の小型化、軽量化、ひいてはプロジェクタの小型化、軽量化を図ることができる。
なお、「有効光束透過領域は、辺の寸法が被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されている」とは、光束分割光学素子や集光レンズの外形が被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることを意味するものではない。平行化レンズ、光束分割光学素子、集光レンズの外形は、有効光束透過領域を包含できる大きさでなくてはならないが、有効光束透過領域と同形状である必要は無い。
第２の発明において、前記平行化レンズは、光束入射面、射出面のいずれか一方が非球面とされた凹レンズであることが好ましい。球面の平行化凹レンズを使用した場合には、球面収差が生じるため、中心部の平行度は高いものの、周辺部の平行度がよくないことがある。これに対し、平行化凹レンズの入射側又は射出側を非球面とすれば、射出される光束の平行度を向上させることができる。
第２の発明において、前記楕円リフレクタの第一焦点距離ｆ１は、５ｍｍ以上であることが好ましい。発光管の膨出部の径は、一般的に約９ｍｍ（半径約４．５ｍｍ）程度となっている。そして、この膨出部の内部に形成される発光部の中心（アーク中心）と楕円リフレクタの第一焦点とがほぼ一致するように発光管が配置されるため、第一焦点距離ｆ１が５ｍｍ未満の場合には、楕円リフレクタに膨出部が接触する虞があり、好ましくない。これに対し、第一焦点距離を５ｍｍ以上とすれば、膨出部と楕円リフレクタとの接触を防止することができる。
第２の発明において、前記楕円リフレクタの第二焦点距離ｆ２は５０ｍｍ以上であることが好ましい。発光管の管状部材は、膨出部の中心部から先端までの長さ寸法が一般的に約２０〜３５ｍｍ程度となっている。そのため、第二焦点距離ｆ２が５０ｍｍ未満の場合には、発光管の管状部材と、平行化レンズとが接触する可能性がある。これに対し、第二焦点距離ｆ２を５０ｍｍ以上とすれば、このような問題が生じない。
第２の発明において、楕円リフレクタの有効反射面径は、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下であることが好ましい。有効反射面径が５０ｍｍを超えるものは、大きすぎて照明光学装置の小型化を図ることが困難となる虞がある。また、有効反射面径が３０ｍｍ未満の場合には、光束を反射する面積が小さくなりすぎて、平行化レンズ等の透過光束領域が狭くなり、光量が不足する可能性がある。これに対し、楕円リフレクタの有効反射面径を、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下とすれば、このような問題が生じない。
第２の発明では、前記照明光軸の射出光束基端側部分と、前記発光管から射出される光束がなす最大の角度をθとすると、θが１０５°以下であることが好ましい。このようにすれば、発光管から広範囲に光が射出されず、この光を反射する楕円リフレクタの有効反射面径を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の実施形態にかかるプロジェクタの光学系を示す模式図である。
図２は、照明光学装置と液晶パネルとの関係を示す模式図である。
図３は、光源装置から射出される光線の軌跡（ｆ１＝７．１ｍｍ、ｆ２＝５０ｍｍ）を示す図である。
図４（Ａ）は、平行化レンズ１４の構成を説明するための図、図４（Ｂ）は、第１レンズアレイ１６の構成を説明するための図、図４（Ｃ）は、第２レンズアレイとＰＢＳアレイ１８の構成を説明するための図、図４（Ｄ）は、集光レンズ１９の構成を説明するための図である。  図５（Ａ）は、ｆ２／ｆ１が４のアークの像を示す図、図５（Ｂ）は、ｆ２／ｆ１が５のアークの像を示す図である。
図６（Ａ）は、ｆ２／ｆ１が７のアークの像２を示す図、図６（Ｂ）は、ｆ２／ｆ１が１０のアークの像を示す図である。
図７は、ｆ１＝１０ｍｍ、ｆ２＝１００ｍｍとした場合の光線の軌跡を示す図である。
図８は、従来の照明光学装置と液晶パネルとの関係を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明の実施形態に係るプロジェクタ１の光学系の構造を表す模式図が示されている。このプロジェクタ１は、インテグレータ照明光学系（照明光学装置）１０、色分離光学系２０、リレー光学系３０、光学装置４０、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム６０、および投写光学系である投写レンズ７０を備えている。
前記照明光学装置１０は、光源装置１１および均一照明光学系１５を備え、光源装置１１は、光源ランプ１２（発光管）と、光源ランプ１２から射出された光を反射する楕円リフレクタ１３と、平行化凹レンズ１４とを備えている。
均一照明光学系１５は、光源装置１１から射出された光束を複数の部分光束に分割するとともに、各部分光束の偏光方向を、Ｐ偏光光束あるいはＳ偏光光束に揃えるものであり、光束分割素子である第１レンズアレイ１６、集光レンズである第２レンズアレイ１７、偏光変換素子であるＰＢＳアレイ１８、および集光レンズである集光レンズ１９を含んで構成されている。
なお、照明光学装置１０についての詳細は、後述する。
色分離光学系２０は、２枚のダイクロイックミラー２１，２２と、反射ミラー２３とを備え、ダイクロイックミラー２１、２２により照明光学装置１０から射出された複数の部分光束を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色光に分離する機能を有している。
リレー光学系３０は、入射側レンズ３１と、リレーレンズ３３と、反射ミラー３２、３４とを備え、色分離光学系２０で分離された色光である赤色光を液晶パネル４１Ｒまで導く機能を有している。
この際、色分離光学系２０のダイクロイックミラー２１では、照明光学装置１０から射出された光束のうち、赤色光と緑色光を透過し、青色光を反射する。ダイクロイックミラー２１によって反射した青色光は、反射ミラー２３で反射し、フィールドレンズ４４を通って、青色用の液晶パネル４１Ｂに到達する。このフィールドレンズ４４は、第２レンズアレイ１７から射出された各部分光束をその中心軸（主光線）に対して平行な光束に変換する。他の液晶パネル４１Ｇ、４１Ｒの光束入射側に設けられたフィールドレンズ４４も同様である。
また、ダイクロイックミラー２１を透過した赤色光と緑色光のうちで、緑色光は、ダイクロイックミラー２２によって反射し、フィールドレンズ４４を通って、緑色用の液晶パネル４１Ｇに到達する。一方、赤色光は、ダイクロイックミラー２２を透過してリレー光学系３０を通り、さらにフィールドレンズ４４を通って、赤色光用の液晶パネル４１Ｒに到達する。
なお、赤色光にリレー光学系３０が用いられているのは、赤色光の光路の長さが他の色光の光路の長さよりも長いため、光の発散等による光の利用効率の低下を防止するためである。すなわち、入射側レンズ３１に入射した部分光束をそのまま、フィールドレンズ４４に伝えるためである。なお、リレー光学系３０には、３つの色光のうちの赤色光を通す構成としたが、これに限らず、例えば、青色光を通す構成としてもよい。
光学装置４０は、入射された光束を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成するものであり、色分離光学系２０で分離された各色光が入射される３つの入射側偏光板（図示略）と、入射側偏光板の入射側に配置されるフィールドレンズ４４と、各入射側偏光板の光束射出側に配置される光変調装置としての液晶パネル４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂと、各液晶パネル４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂの光束射出側に配置される射出側偏光板（図示略）と、色合成光学系としてのクロスダイクロイックプリズム６０とを備える。
液晶パネル４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂは、一対の透明なガラス基板間に電気光学物質である液晶を密閉封入したものであり、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として、与えられた画像信号に従って、入射側偏光板から射出された偏光光束の偏光方向を変調する。この液晶パネル４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂの画像形成領域は長方形状である。
入射側偏光板は、色分離光学系２０で分離された各色光のうち、一定方向の偏光光束のみ透過させ、その他の光束を吸収する光学変換素子である。また、射出側偏光板も、液晶パネル４１（４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂ）から射出された光束のうち、所定方向の偏光光束のみ透過させ、その他の光束を吸収するものである。
フィールドレンズ４４は、照明光学装置１０の集光レンズ１９で絞り込まれた射出光束を照明光軸に対して平行にするための光学素子である。
クロスダイクロイックプリズム６０は、射出側偏光板から射出され、各色光毎に変調された光学像を合成してカラー画像を形成するものである。
クロスダイクロイックプリズム６０には、赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが、４つの直角プリズムの界面に沿ってほぼＸ字状に設けられ、これらの誘電体多層膜により３つの色光が合成される。
図２も参照して照明光学装置１０について詳細に説明する。図２は照明光学装置１０と液晶パネル４１との関係を示す模式図である。
前述したように照明光学装置１０は光源装置１１および均一照明光学系１５を備えている。光源装置１１は、光源ランプ１２と、楕円リフレクタ１３と、平行化凹レンズ１４とを備えている。
光源ランプ１２は、図示しないが、所定距離離間して配置される一対の電極と、この電極が封入された管状部材１２０とを備えている。管状部材１２０は、電極の離間部分において外側に膨出した膨出部１２２を有している。膨出部の内部にはガスが封入されており、一対の電極間に電圧を印加すると放電が発生して発光部（アーク）が形成される。このような光源ランプ１２の発光部の中心（アーク中心）から管状部材１２０の先端までの長さ寸法Ｌ１は、２０〜３５ｍｍ程度（すなわち、管状部材１２０の全長は４０〜７０ｍｍ程度となる）であり、膨出部１２２の径は、９ｍｍ程度である。そして、膨出部１２２のリフレクタ１３と反対側の光束射出部（平行化凹レンズ１４側）には反射部材１２１が設けられている。光源ランプ１２の配光角θは、例えば、１００〜１０５°となっている。なお、この配光角θは、照明光軸ａの射出光束基端側部分と、光源ランプ１２から射出される光束がなす最大の角度である。
反射部材１２１は膨出部１２２の平行化凹レンズ１４側から放射される光束を楕円リフレクタ１３に反射するものである。反射部材１２１は、例えば、五酸化タンタルの単層膜、或いは二酸化珪素の多層膜を膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部面に直接蒸着したものである。反射部材１２１は、このような多層膜を蒸着した第二反射鏡を発光管に取り付けることによって構成しても良い。
なお、このような光源ランプ１２としては、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ等を使用することができる。
楕円リフレクタ１３は、光源ランプ１２から射出された光を反射するものであり、その有効反射面径は、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下である。また、この楕円リフレクタ１３の第一焦点距離をｆ１、第二焦点距離をｆ２とした場合、ｆ１は５ｍｍ以上、ｆ２は５０ｍｍ以上であり、かつ、ｆ２／ｆ１は、４以上、７以下である。本実施形態では、例えば、ｆ１＝７．１ｍｍ、ｆ２＝５０ｍｍであり、ｆ２／ｆ１は７、楕円リフレクタ１３の有効反射面径は３０ｍｍとなっている。
なお、前述した光源ランプ１２は、アーク中心が楕円リフレクタ１３の第一焦点の位置とほぼ一致するように配置されている。  平行化凹レンズ１４は、楕円リフレクタ１３により反射された光束を平行化するものである。この平行化凹レンズ１４の有効光束透過領域の入射側は双曲面形状を有する非球面であり、射出側は平面となっている。平行化凹レンズ１４は、楕円リフレクタ１３により反射された光束の径が液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置であり、かつ、その焦点が、楕円リフレクタ１３の第二焦点とほぼ一致する位置に配置されている。
均一照明光学系１５は、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、ＰＢＳアレイ１８、および集光レンズ１９を有している。
第１レンズアレイ１６は、光源装置１１から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子としての機能を有し、照明光軸ａと直交する面内にマトリクス状に配列される複数のレンズを備えて構成され、各レンズの縦横比は、後述する光学装置４０を構成する液晶パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂの画像形成領域の縦横比と対応している。
第２レンズアレイ１７は、前述の第１レンズアレイ１６により分割された部分光束を集光する集光レンズであり、第１レンズアレイ１６と同様に照明光軸ａに直交する面内にマトリクス状に配列される複数のレンズを備えている。各レンズの配列は、第１レンズアレイ１６を構成するレンズと対応しているが、その大きさは、第１レンズアレイ１６のように液晶パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂの画像形成領域の縦横比と対応する必要はない。
偏光変換素子としてのＰＢＳアレイ１８は、第１レンズアレイ１６により分割された各部分光束の偏光方向を一方向に揃える光学素子である。このＰＢＳアレイ１８は、図示しないが、偏光方向の異なる２種類のＰ偏光光束およびＳ偏光光束のうち、一方の偏光光束を透過させ、他方の偏光光束を反射して両偏光光束に分離する偏光分離膜と、この偏光分離膜で反射した他方の偏光光束の進行方向を折り曲げて、透過した一方の偏光光束の出射方向に揃える反射ミラーと、２種類の偏光光束の偏光方向を揃える位相差板とを含んで構成される。この位相差板は、耐熱性を考慮すると水晶又は雲母製であることが好ましいが、樹脂製であっても良い。
このようなＰＢＳアレイ１８を採用することで、光源ランプ１２から射出される光束を一方向の偏光光束のみに揃えることができるため、光源光の利用効率を向上させることができる。
集光レンズ１９は、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、およびＰＢＳアレイ１８を経た複数の部分光束を集光して、液晶パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂの画像形成領域上に重畳させる機能を有するレンズである。この集光レンズ１９は有効光束透過領域の入射側が平面であり、射出側が双曲面形状を有する非球面となっている。
次に、図３と図４（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、照明光学装置１０の詳細な構成について説明する。図３は、ｆ１＝７．１ｍｍ、ｆ２＝５０ｍｍとした場合（ｆ２／ｆ１＝７）の光線の軌跡を示した図である。また、図４（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、平行化レンズ１４、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイとＰＢＳアレイ１８、集光レンズ１９の構成を説明するための図である。
照明光学装置１０において、光源ランプ１２を点灯させると、光が放射され、この光は楕円リフレクタ１３により反射される。楕円リフレクタ１３は、光源ランプ１２から放射される光を単に反射するだけでなく、反射した光束を絞り込み、その径を小さくする。楕円リフレクタ１３により反射された光は平行化凹レンズ１４に入射され、平行化される。
平行化凹レンズ１４は、前述したように、また図４（Ａ）に示すように、楕円リフレクタ１３により反射された光束１３Ａの径Ｌ１３が液晶パネル４１の画像形成領域４１Ａの短辺寸法Ｌ１以上、長辺寸法Ｌ２以下となる位置に配置されている。よって、平行化凹レンズ１４から射出される光束１３Ｂの径Ｌ１３は、液晶パネル４１の画像形成領域４１Ａの短辺寸法Ｌ１以上、長辺寸法Ｌ２以下となる。
平行化レンズ１４によって平行化された光は、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、およびＰＢＳアレイ１８、集光レンズ１９を順に通過する。図４（Ｂ）に示すように、第１レンズアレイ１６の有効光束透過領域１６Ａ（図中斜線部で示した領域）の辺の寸法Ｌ１６は、画像形成領域４１Ａの短辺寸法Ｌ１以上、長辺寸法Ｌ２以下である。図４（Ｃ）に示すように、第２レンズアレイ１７とＰＢＳアレイ１８の有効光束透過領域１７Ａ，１８Ａ（図中斜線部で示した領域）の辺の寸法Ｌ１７，Ｌ１８も、画像形成領域４１Ａの短辺寸法Ｌ１以上、長辺寸法Ｌ２以下である。さらに、図４（Ｄ）に示すように、集光レンズ１９の有効光束透過領域１９Ａの辺の寸法Ｌ１９も、画像形成領域４１Ａの短辺寸法Ｌ１以上、長辺寸法Ｌ２以下である。なお図４（Ｃ）には、第２レンズアレイ１７の付近で観察される複数のアークの像１７Ｃが示されている。有効光束透過領域１７Ａは、これら複数のアークの像を包括するような仮想的な矩形の領域である。有効光束透過領域１８Ａ，１９Ａに関しても同様である。
図４（Ｄ）からわかるように、集光レンズ１９の有効光束透過領域１９Ａの辺の寸法Ｌ１９と、画像形成領域４１Ａの長辺寸法、短辺寸法との差は、極めて小さい。また、図３に示したとおり、集光レンズ１９から射出された光線は、液晶パネル４１の画像形成領域にほぼ垂直に入射しており、液晶パネル４１への光線の入射角度が小さいことがわかる。
すなわち、本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
楕円リフレクタ１３を使用しているので、光源ランプ１２から放射される光を単に反射するだけでなく、反射した光束を絞り込み、その径を小さくすることができる。
そして、楕円リフレクタ１３により反射された光束の径が液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に平行化凹レンズ１４を配置して、これよりも光路下流側に配置される第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、ＰＢＳアレイ１８、集光レンズ１９の有効光束透過領域の辺の寸法を、画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定している。すると、集光レンズ１９の有効光束透過領域の辺の寸法と、液晶パネル４１の画像形成領域の長辺、短辺寸法との差が小さくなるため、集光レンズ１９から射出される光線は液晶パネル４１の画像形成領域へほぼ垂直に入射することとなる。つまり、光変調装置への光線の入射角度をより小さくすることができる。液晶パネル４１へ入射する光線の入射角度が小さいほど、投写映像のコントラストは良くなるため、投写映像のコントラストを向上させることができる。
また、このように液晶パネル４１への光線の入射角度が小さくなるので、液晶パネル４１から射出される光線の射出角度も小さくなる。そのため、投写レンズ７０のＦナンバーを大きくすることができ、より解像力の高いまたは高精細な投写映像を形成することができる。
さらに、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、およびＰＢＳアレイ１８、集光レンズ１９の有効光束透過領域の辺の寸法が、液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下である。従って、これらの光学要素１６，１７，１８，１９のサイズは、楕円リフレクタ１３の有効反射面径とほぼ同じ寸法の有効光束透過領域を有する従来の光束分割光学素子等よりもかなり小さくすることができる。そのため、照明光学装置１０、ひいてはプロジェクタの小型化、軽量化を図ることができる。
また、光源ランプ１２の膨出部１２２のリフレクタ１３と反対側の光束射出部には反射部材１２１が設けられている。反射部材１２１が設けられていない光源ランプ１２を使用する場合には、光源ランプ１２から放射される光をなるべくたくさん反射させるために、光束反射面積（有効反射面の面積）が大きな楕円リフレクタを使用する必要がある。リフレクタによって反射されることなく放射された光は、有効に利用することができないからである。これに対し、本実施形態では、反射部材１２１が設けられているので、光源ランプ１２から楕円リフレクタの開口側に射出される光を、反射部材１２１によって楕円リフレクタ１３側に反射することが可能となる。そのため、光束反射面積が大きな楕円リフレクタを使わなくても、光源ランプ１２から放射される光の損失を防ぎ、光の利用効率を向上させることが可能である。
また、光束反射面積が大きな楕円リフレクタを使用する場合には、楕円リフレクタにより反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置が光源ランプ１２から遠くなるので、光源ランプ１２と平行化レンズ１４との距離を大きくとる必要がある。また、このように光源ランプからの距離を大きくとった場合には、平行化レンズの倍率を大きなものにする必要がある。これに対し、反射部材１２１を設ければ、楕円リフレクタ１３により反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置が光源ランプ１２に近くなる。そのため、平行化レンズ１４を光源ランプに接近させることが可能となり、プロジェクタの小型化を図ることができる。また、平行化レンズを光源ランプに接近させることができるので、平行化レンズの倍率を小さくすることができる。
さらに、通常、光源ランプ１２は、そのアーク中心が楕円リフレクタ１３の第一焦点とほぼ一致するように配置される。一方、平行化凹レンズ１４は、楕円リフレクタにより反射された光束を平行化できる位置、例えば、光束入射面が凹面とされたレンズであれば、楕円リフレクタの第二焦点と、平行化レンズの焦点とがほぼ一致する位置に設置される。
楕円リフレクタ１９の第一焦点距離ｆ１、第二焦点距離ｆ２との比、ｆ２／ｆ１を４未満とすると、第一焦点距離ｆ１、すなわち、楕円リフレクタ１３から光源ランプ１２のアーク中心までの距離が長くなる場合があり、この場合には、光束反射面積（有効反射面の面積）の大きな大型の楕円リフレクタを使用しなければならない。そのため、照明光学装置、さらにはプロジェクタの小型化が困難となる。
また、ｆ１、ｆ２の距離を小さくして、ｆ２／ｆ１を４未満とすることも考えられるが、この場合には、ｆ２の距離が小さくなるので、一般的な光源ランプを使用した場合、平行化凹レンズと、光源ランプが干渉する虞がある。そのため小さな寸法の特殊な光源ランプを用意しなければならず、製造コストが増加するという問題が生じる。
さらに、ｆ２／ｆ１が７を超えると、第二焦点距離ｆ２が長くなる場合があり、これに伴って、楕円リフレクタ１３から平行化凹レンズ１４までの光路の長さが長くなる。そのため、照明光学装置の小型化を図ることが困難となる上、アークの像に劣化が生じて光の利用率が低下する可能性がある。また、ｆ１を小さな値としてｆ２／ｆ１が７を超えるものとした場合には、楕円リフレクタ１３と発光管１２のアーク中心との距離が近接するため、楕円リフレクタ１３の光束を反射する面積が小さくなる。そのため、平行化凹レンズ１４等の透過光束領域が必要以上に狭くなり、光量が不足する可能性がある。
これに対し、本実施形態は、ｆ２／ｆ１を４以上、７以下としているので、上述した問題が発生せず、照明光学装置１０、プロジェクタ１の製造コストの増加防止、さらなる小型化、光の利用率の低下防止、所定以上の光量の確保を図ることができる。
平行化凹レンズ１４の有効光束透過領域の入射側を、双曲面形状を有する非球面としているので、光束は入射側で平行化され、射出側では屈折作用を受けないようにすることができる。従って、より平高度の高い射出光束を得ることができる。また、射出側は平面であるため、平行化凹レンズ１４の作成を比較的安価に行うことができる。
さらに、集光レンズ１９の有効光束透過領域の射出側を非球面としているので射出される光束の収差を小さくすることができる。従って、液晶パネル４１の画像形成領域に確実に光束を入射させることができる。また、有効光束透過領域の入射側が平面であるため、集光レンズ１９の作成を容易に行うことができる。
また、本実施形態では、前述したように平行化凹レンズ１４や、第１レンズアレイ１６等の有効光束透過領域を小さくしたので、光束密度が高くなっている。そのため、ＰＢＳアレイの位相差板の耐熱性を向上させる必要がある。本実施形態で、この位相差板を水晶又は雲母製とすれば、樹脂製の位相差板に比べ、耐熱性を向上させることができる。
光源ランプ１２の膨出部１２２の径は一般的に約９ｍｍ（半径約４．５ｍｍ）程度となっている。この膨出部１２２のアーク中心と楕円リフレクタ１３の第一焦点とがほぼ一致するように光源ランプ１２が配置されるため、第一焦点距離ｆ１が５ｍｍ未満の場合には、楕円リフレクタ１３に膨出部１２２が接触する虞があり、好ましくない。本実施形態では、第一焦点距離を５ｍｍ以上としているので、膨出部１２２と楕円リフレクタ１３の接触を防止することができる。
光源ランプ１２の管状部材１２０は、膨出部１２２の中心部から先端までの長さ寸法Ｌ１が約２０〜３５ｍｍ程度となっている。そのため、第二焦点距離ｆ２が５０ｍｍ未満の場合には、光源ランプ１２の管状部材１２０と、平行化凹レンズ１４とが接触する可能性がある。これに対し、本実施形態では、第二焦点距離ｆ２を５０ｍｍ以上としているので、このような問題が生じない。
楕円リフレクタの有効反射面径が５０ｍｍを超えるものは、大きすぎて照明光学装置の小型化を図ることが困難となる虞がある。また、有効反射面径が３０ｍｍ未満の場合には、光束を反射する面積が小さくなりすぎて、平行化凹レンズ１４等の有効光束透過領域が狭くなりすぎ、光量が不足する可能性がある。本実施形態では、楕円リフレクタ１３の有効反射面径は、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下としているので、このような問題が生じない。
さらに、光源ランプ１２の配光角θが１００〜１０５°であるため、光源ランプ１２から広範囲に光が射出されず、この光を反射する楕円リフレクタ１３を小さな径のものとすることができる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、平行化凹レンズ１４は、有効光束透過領域の入射側が双曲面形状を有する非球面であり、射出側が平面であるとしたが、これには限られず、入射側が平面であり、射出側が楕円面を有する非球面であるものや、入射側は球面であり、射出側は双曲面形状を有する非球面であるものであってもよい。
前者の場合には、射出側を非球面としているので射出される光束の径を小さくすることができる。また、射出側を非球面としているので射出される光束の面内照度のばらつきを比較的小さくすることができる。
後者の場合には、前者と同様の効果を奏することができるうえ、入射側を球面としているので、入射側において光が屈折を受けないようにすることができ、より平行度の高い射出光束を得ることができる。
さらに、平行化凹レンズは、非球面を有さず、球面のみを有するものとしてもよい。この場合には、球面収差が生じ、平行度が悪くなる可能性があるが、球面を形成すればよいので、非球面を形成する場合に比べ、製造が容易となるという利点がある。
また、平行化レンズは凹レンズに限らず、凸レンズであってもよい。例えば、光束入射面を非球面の凸面とし、光束射出面を平面とする平行化レンズが挙げられる。この場合には、楕円リフレクタにより反射された光束の径が液晶パネルの画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置であり、かつ、楕円リフレクタの第二焦点で集光した光が発散する位置に平行化レンズを配置することが好ましい。
前記実施形態では、光源ランプ１２の配光角θを１００〜１０５°としたが、この範囲には限られず、例えば９０°であってもよい。
さらに、前記実施形態では、楕円リフレクタ１３の第一焦点距離ｆ１を５ｍｍ以上、第二焦点距離ｆ２を５０ｍｍ以上としたが、これに限られず、第一焦点距離ｆ１を５ｍｍ未満、第二焦点距離ｆ２を５０ｍｍ未満としてもよい。この場合には、照明光学装置のより一層の小型化を図ることができる。ただし、楕円リフレクタ１３と光源ランプ１２の膨出部１２２とが干渉しないように、また、光源ランプ１２と平行化凹レンズ１４とが干渉しないように注意する必要がある。
また、前記実施形態では、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、およびＰＢＳアレイ１８、集光レンズ１９の有効光束透過領域を略正方形状としたが、これには限られず、辺の長さが液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下である長方形状であってもよい。ただし、光束は円形状の断面を有しているので、前記実施形態のように正方形状とした方が有効光束透過領域のうち、光束が透過しない部分が少なくてよいという利点がある。
さらに、前記実施形態では、液晶パネル４１を用いたプロジェクタ１としたが、これに限らず、例えば、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などを用いたプロジェクタとしてもよい。この場合、非常に小さなミラーに光束を反射させて投影するため、光束の透過に伴う光の吸収ロスを抑えることができ、さらに、鮮やかな画像を投影することが可能になる。
本発明の効果を確認するために以下の実験を行った。
まず、楕円リフレクタの第二焦点距離ｆ２を５０ｍｍと固定し、第一焦点距離ｆ１を変え、ｆ２／ｆ１を１〜１０に変化させて、楕円リフレクタの有効反射径を測定した。その結果を表１に示す。
2004063792.tif 000003
2004063792.tif 000004
また、表１において、ｆ２／ｆ１が４，５，７，１０の場合に、ＰＢＳアレイ１８の偏光分離膜付近の位置に形成されるアークの像を調べた結果を図５（Ａ），（Ｂ）および図６（Ａ），（Ｂ）に示した。図５（Ａ）は、ｆ２／ｆ１が４のアークの像を示す図、図５（Ｂ）は、ｆ２／ｆ１が５のアークの像を示す図である。図６（Ａ）は、ｆ２／ｆ１が７のアークの像を示す図、図６（Ｂ）は、ｆ２／ｆ１が１０のアークの像を示す図である。
表１に示したとおり、ｆ２／ｆ１が４未満の場合には、楕円リフレクタの有効反射面径が６０ｍｍ以上となってしまい、照明光学装置及びプロジェクタの小型化を図ることができないことが確認された。また、ｆ２／ｆ１が７を超えるものでは、楕円リフレクタの有効反射面径が小さなものとなってしまい、光量が不足することが確認された。さらに、図６（Ｂ）に示すように、ｆ２／ｆ１が１０のものでは、アークの像が劣化しており、ＰＢＳアレイで効率的に分離できず、光の利用率が低下することがわかった。
これに対し、ｆ２／ｆ１が４〜７の場合には、楕円リフレクタの有効反射面径が３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下であり、充分な光量を確保でき、かつ、照明光学装置及びプロジェクタの小型化を図ることができた。また、図５（Ａ），（Ｂ）および図５（Ａ）に示すように、アークの像は劣化しておらず、ＰＢＳアレイで効率的に分離することができ、光の利用率の低下を防止できることが確認された。
次に、先に説明したような光源ランプ１２０を用いて、楕円リフレクタの第一焦点距離ｆ１を１０ｍｍに固定し、第二焦点距離ｆ２を変え、ｆ２／ｆ１を１〜１０に変化させて、楕円リフレクタの有効反射面径を測定した。結果を表２に示す。
2004063792.tif 000005
また、図７に、表２においてｆ２／ｆ１＝１０とした場合の光線の軌跡を示す。
表１に示したとおり、ｆ２／ｆ１が４未満の場合には、ｆ２の距離が短くなり、平行化レンズと発光管とが接触する可能性があるため、小さな寸法の特殊な光源ランプを使用しなければならなかった。
ｆ２／ｆ１が７を超えると、図７に示されるように、光路の長さが長くなり、照明光学装置、プロジェクタの小型化を図ることが困難となった。また、図示は省略するが、ｆ２／ｆ１が７を超えた場合には、図６（Ｂ）に示したように、アークの像が劣化し、光の利用率が低下することがわかった。
これに対し、ｆ２／ｆ１が、４以上、７以下の場合には、アークの像の劣化がなく、光路の長さも適度であり、また、楕円リフレクタの有効反射面径の大きさも所定以上確保することができるため、照明光学装置及びプロジェクタの小型化、光の利用率の低下防止、所定以上の光量の確保を図ることができた。また、ｆ２／ｆ１が、４以上、７以下の場合には、実施形態と同様の一般的な大きさの光源ランプを使用することができ、製造コストの増加を防止できた。
【図１】
2004063792.tif 000006
【図２】
2004063792.tif 000007
【図３】
2004063792.tif 000008
【図４】
2004063792.tif 000009
【図５】
2004063792.tif 000010
【図６】
2004063792.tif 000011
【図７】
2004063792.tif 000012
【図８】
2004063792.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成17年6月10日(2005.6.10)
【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】
入射光束を画像情報に応じて変調し、光学像を形成する長方形状の画像形成領域を備えた光変調装置と、
発光管と、前記の発光管から放射された光を反射する楕円リフレクタと、前記楕円リフレクタにより反射された光束を平行化する平行化レンズと、を有する光源装置と、
複数の小レンズをマトリクス状に配列して構成され、前記光源装置から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子と、
前記光束分割光学素子により分割された各部分光束を前記光変調装置の前記画像形成領域上に重畳させる集光レンズと、を備えたプロジェクタであって、
前記平行化レンズは、前記楕円リフレクタにより反射された光束の径が、前記画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に配置され、
前記光束分割光学素子と前記集光レンズの有効光束透過領域は、辺の寸法が前記画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項２】
請求項１に記載のプロジェクタにおいて、
前記発光管は、所定距離離間して配置される一対の電極と、前記一対の電極が封入された管状部材と、を備え、
前記管状部材の前記電極の離間部分には膨出部が設けられ、
前記膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部には、放射光を前記楕円リフレクタに反射する反射部材が設けられていることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項３】
請求項２に記載のプロジェクタにおいて、
前記反射部材は、前記膨出部に蒸着形成された金属膜であることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載のプロジェクタにおいて、
前記平行化レンズは、前記有効光束透過領域の入射側及び／又は射出側が非球面とされた平行化凹レンズであることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項５】
請求項４に記載のプロジェクタにおいて、
前記平行化凹レンズは、前記有効光束透過領域の入射側が双曲面形状を有する非球面であり、射出側が平面であることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項６】
請求項４に記載のプロジェクタにおいて、
前記平行化凹レンズは、前記有効光束透過領域の入射側が平面であり、
前記射出側が楕円面を有する非球面であることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項７】
請求項４に記載のプロジェクタにおいて、
前記平行化凹レンズは、前記有効光束透過領域の入射側が球面であり、
前記射出側が双曲面形状を有する非球面であることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項８】
請求項１から７の何れかに記載のプロジェクタにおいて、
前記集光レンズは、前記有効光束透過領域の入射側が平面であり、射出側が双曲面形状を有する非球面であることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項９】
請求項１から８の何れかに記載のプロジェクタにおいて、
前記光束分割光学素子及び集光レンズの間には、入射光束の偏光方向を揃える偏光変換素子を備え、
前記偏光変換素子は、水晶又は雲母製の位相差板を有していることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項１０】
所定距離離間して配置される一対の電極が封入されるとともに、前記一対の電極の離間部分に膨出部が設けられた管状部材を有する発光管と、前記膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部に設けられた反射部材と、前記発光管から放射された光を反射する楕円リフレクタと、前記楕円リフレクタにより反射された光束を平行化する平行化レンズと、を備えた光源装置と、
前記光源装置から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子と、
前記光束分割光学素子により分割された各部分光束を、被照明領域上に重畳させる集光レンズと、を備えた照明光学装置であって、
前記楕円リフレクタの第一焦点距離をｆ１、第二焦点距離をｆ２とした場合に、４≦ｆ２／ｆ１≦７であることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の照明光学装置において、
前記被照明領域は長方形状であり、
前記平行化レンズは、前記楕円リフレクタにより反射された光束の径が、前記被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に配置され、
前記光束分割光学素子と前記集光レンズの有効光束透過領域は、辺の寸法が前記被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の照明光学装置において、
前記平行化レンズは、光束入射面、射出面のいずれか一方が非球面とされた凹レンズであることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１３】
請求項１０から１２の何れかに記載の照明光学装置において、
前記楕円リフレクタの第一焦点距離ｆ１は、５ｍｍ以上であることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１４】
請求項１０から１３の何れかに記載の照明光学装置において、
前記楕円リフレクタの第二焦点距離ｆ２は５０ｍｍ以上であることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１５】
請求項１０から１４の何れかに記載の照明光学装置において、
前記楕円リフレクタが光束を反射する有効反射面の径は、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下であることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１６】
請求項１０から１５の何れかに記載の照明光学装置において、
前記照明光軸の射出光束基端側部分と、前記発光管から射出される光束がなす最大の角度をθとすると、
θが１０５°以下であることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１７】
請求項１０から１６の何れかに記載の照明光学装置と、前記照明光学装置から射出された光束を画像情報に応じて変調する光変調装置とを備え、
前記被照明領域は、前記光変調装置の画像形成領域であることを特徴とするプロジェクタ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光学装置及びプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プロジェクタとして、光源装置から射出された光束を、ダイクロイックミラーによりＲＧＢの三色の色光に分離し、三枚の液晶パネル（光変調装置）によって色光毎に画像情報に応じて変調し、変調後の光束をクロスダイクロイックプリズムで合成し、投写レンズを介してカラー画像を拡大投写する、いわゆる三板式のプロジェクタが知られている。
【０００３】
このようなプロジェクタは、図８に示すような照明光学装置１００を有している。この照明光学装置１００は、光源装置１１０と、均一照明光学系１５０とを有する。
【０００４】
光源装置１１０は、放射光源としての発光管（光源ランプ１２）と、楕円リフレクタ１３０と、平行化凹レンズ１４０とを有しており、光源ランプ１２から射出された放射状の光線を楕円リフレクタ１３０で反射して射出し、平行化凹レンズ１４０で平行化させている。
【０００５】
均一照明光学系１５０は、楕円リフレクタ１３０で反射された光束を複数の部分光束に分割し、液晶パネル４１の画像形成領域上に重畳させる機能を有し、光束分割光学素子（第１レンズアレイ１６０）と、偏光変換素子（ＰＢＳアレイ１８０）と、第２レンズアレイ１７０と、集光レンズ１９０とを有する（例えば、特許文献１の第１２〜第１３頁ならびに図１４を参照）。
【０００６】
このような照明光学装置１００では、光源ランプ１２からの光束をすべて取り込むために、第１レンズアレイ１６０、第２レンズアレイ１７０、ＰＢＳアレイ１８０、集光レンズ１９０の有効光束透過領域の輪郭形状を正方形状とし、その一辺の寸法をリフレクタ１３０の開口部における反射面の直径の寸法（以下、これを「有効反射面径」という）とほぼ等しくしている。なお、「有効光束透過領域」とは、これらの光学要素それぞれを通過する光束のうち、光変調装置の画像形成領域（被照明領域）を通過できるものが存在する領域である。たとえば、第２レンズアレイ１７９、ＰＢＳアレイ１８０、集光レンズ１９０の付近では、第１レンズアレイ１６０によって分割された複数の部分光束の集光像（アークの像）が観察されるが、この場合の有効光束透過領域は、これらの集光像を包括するような仮想的な矩形の領域である。
【０００７】
これに対し、液晶パネル４１の画像形成領域は、リフレクタ１３０の有効反射面径よりも非常に短い短辺、長辺から構成される長方形状となっているので、集光レンズ１９０の周縁部から射出された光の液晶パネル４１への入射角度は大きなものとなる。通常、液晶パネル４１はリフレクタ１３０やレンズ等で平行光束とされた光束が、画像形成領域に対してほぼ垂直に入射するように設定されているので、光束が画像形成領域に対し斜めに入射した場合には、投写映像のコントラストが悪化しやすく、画像の品質が低下する可能性がある。
【０００８】
また、近年、照明光学装置、ひいてはプロジェクタのさらなる小型化が望まれているが、楕円リフレクタを採用した場合、その大きさによっては装置が大型化してしまったり、所定以上の光量が確保しにくかったり、製造コストの増加を招いてしまったりする可能性がある。
【特許文献１】特開２０００−３４７２９３号公報
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、コントラストの向上、装置の小型化、光の利用効率の向上、製造コストの増加の防止のうち、少なくとも１つの課題を解決することを目的とする。
【００１０】
本発明のプロジェクタは、入射光束を画像情報に応じて変調し、光学像を形成する長方形状の画像形成領域を備えた光変調装置と、発光管と、前記発光管から放射された光を反射する楕円リフレクタと、前記楕円リフレクタにより反射された光束を平行化する平行化レンズとを備えた光源装置と、複数の小レンズをマトリクス状に配列して構成され、前記光源装置から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子と、この光束分割光学素子により分割された各部分光束を前記画像形成領域上に重畳させる集光レンズとを備えたプロジェクタであって、前記平行化レンズは、前記楕円リフレクタにより反射された光束の径が、前記画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に配置され、前記光束分割光学素子と前記集光レンズの有効光束透過領域は、辺の寸法が前記画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、楕円リフレクタを使用しているので、光源ランプから放射される光線を単に反射するだけでなく、反射した光束を絞り込み、その径を小さくすることができる。そして、楕円リフレクタにより反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に平行化レンズを配置して、この平行化レンズよりも光路下流側に配置される光束分割光学素子と集光レンズの有効光束透過領域を、辺の寸法が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定する。すると、集光レンズの有効光束透過領域の辺の寸法と、画像形成領域の長辺寸法、短辺寸法との差が小さくなるので、集光レンズから射出された光線の光変調装置への入射角度を小さくすることができる。光変調装置への光線の入射角度が小さいほど、投写映像のコントラストは良くなるため、従来のプロジェクタに比べ、投写映像のコントラストを向上させることができる。
【００１２】
また、このように光変調装置への光線の入射角度が小さくなるので、光変調装置から射出される光線の射出角度も小さくなる。そのため、光変調装置よりも光路下流側に設けられる投写レンズのＦナンバーを大きくすることができ、より解像力の高いまたは高精細な投写映像を形成することができる。
【００１３】
また、光束分割光学素子と集光レンズの有効光束透過領域は、辺の寸法が光変調装置の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されているので、これらのサイズを従来よりもかなり小さくすることができる。従って、プロジェクタの小型化、軽量化を図ることができる。
【００１４】
なお、「有効光束透過領域は、辺の寸法が光変調装置の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されている」とは、光束分割光学素子や集光レンズの外形が光変調装置の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることを意味するものではない。光束分割光学素子や集光レンズの外形は、有効光束透過領域を包含できる大きさでなくてはならないが、有効光束透過領域と同形状である必要は無い。
【００１５】
本発明において、前記発光管は、所定距離離間して配置される一対の電極と、前記一対の電極が封入された管状部材とを備え、前記管状部材の前記電極の離間部分には膨出部が設けられ、前記膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部には、放射光を前記楕円リフレクタに反射する反射部材が設けられていることが好ましい。
【００１６】
反射部材が設けられていない発光管を使用する場合には、発光管から放射される光をなるべくたくさん反射させるために、光束反射面積（有効反射面の面積）が大きな楕円リフレクタを使用する必要がある。リフレクタによって反射されることなく放射された光は、有効に利用することができないからである。これに対し、発光管の膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部に反射部材を設ければ、発光管から楕円リフレクタの開口側に射出される光を、この反射部材によって楕円リフレクタ側に反射することが可能となる。そのため、光束反射面積が大きな楕円リフレクタを使わなくても、発光管から放射される光束の損失を防ぎ、光の利用効率を向上させることが可能である。
【００１７】
また、光束反射面積が大きな楕円リフレクタを使用する場合には、楕円リフレクタにより反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置が光源ランプから遠くなるので、光源ランプと平行化レンズとの距離を大きくとる必要がある。また、このように光源ランプからの距離を大きくとった場合には平行化レンズの倍率を大きなものにする必要がある。これに対し、発光管の膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部に反射部材を設ければ、楕円リフレクタの大きさを小さくできるので、楕円リフレクタにより反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置が光源ランプに近くなる。そのため、平行化レンズを光源ランプに接近させることが可能となり、プロジェクタの小型化を図ることができる。また、平行化レンズを光源ランプに接近させることができるので、平行化レンズの倍率を小さくすることができる。
【００１８】
更に、上記反射部材は、前記膨出部に蒸着形成された金属膜であることが好ましい。このようにすれば、発光管から放射された光を確実に楕円リフレクタに反射させることができる。従って、発光管から放射された光が楕円リフレクタに反射されずに射出されてしまうことを防止でき、光の利用効率をより高めることが可能となる。
【００１９】
また、本発明において、前記平行化レンズは、有効光束透過領域の入射側及び／又は射出側が非球面とされた平行化凹レンズであることが好ましい。球面の平行化凹レンズを使用した場合には、球面収差が生じるため、中心部の平行度は高いものの、周辺部の平行度がよくないことがある。これに対し、平行化凹レンズの入射側及び／又は射出側を非球面とすれば、射出される光束の平行度を向上させることができる。
【００２０】
また、この平行化凹レンズは、（１）有効光束透過領域の入射側が双曲面形状を有する非球面であり、射出側が平面であるもの、（２）有効光束透過領域の入射側が平面であり、前記射出側が楕円面を有する非球面であるもの、（３）有効光束透過領域の入射側が球面であり、前記射出側が双曲面形状を有する非球面であるもの、のうち、何れかであることが好ましい。（１）の場合には、光束は平行化凹レンズの有効光束透過領域の入射側で平行化され、射出側では屈折作用を受けないようにすることができる。従って、より平行度の高い射出光束を得ることができる。また、射出側は平面であるため、平行化凹レンズの作成を比較的安価に行うことができる。（２）の場合には、射出される光束の径を小さくすることができる。また、有効光束透過領域の射出側を非球面としているので射出される光束の面内照度のばらつきを比較的小さくすることができる。（３）の場合には、（２）と同様の効果を奏することができるほか、有効光束透過領域の入射側を球面としているので、入射側において光が屈折を受けないようにすることができ、より平行度の高い射出光束を得ることができる。
【００２１】
また、本発明において、前記集光レンズは、前記有効光束透過領域の入射側が平面であり、射出側が双曲面形状を有する非球面であることが好ましい。このようにすれば、前記有効光束透過領域の射出側を非球面としているので射出される光束の収差を小さくすることができる。従って、光変調装置の画像形成領域に確実に光束を入射させることができる。
【００２２】
また、本発明において、前記光源装置と前記集光レンズとの間には、入射光束の偏光方向を揃える偏光変換素子を備え、前記偏光変換素子は、前記光源装置から射出された光を２種類の偏光成分を有する光に分離する偏光分離膜と、前記２種類の偏光成分を有する光の偏光方向を揃える水晶又は雲母製の位相差板と、を有していることが好ましい。本発明によれば、前述したように、光束分割光学素子や集光レンズのサイズを、従来よりもかなり小さくすることができる。一方、これらの小型化により光束密度は高くなり、単位面積あたりの光量は増えることになる。偏光変換素子には一般的に樹脂を用いた位相差板が用いられるが、単位面積あたりの光量が増えると、樹脂では耐熱性が充分でなくなる可能性がある。そこで、水晶又は雲母製の位相差板を用いれば、位相差板の耐熱性を向上させることができる。
【００２３】
次に、第２の発明は、所定距離離間して配置される一対の電極が封入されるとともに、前記一対の電極の離間部分に膨出部が設けられた管状部材を有する発光管と、前記膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部に設けられた反射部材と、前記発光管から放射された光を反射する楕円リフレクタと、前記楕円リフレクタにより反射された光束を平行化する平行化レンズと、を備えた光源装置と、前記光源装置から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子と、前記光束分割光学素子により分割された各部分光束を前記光変調装置の画像形成領域上に重畳させる集光レンズと、を備えた照明光学装置であって、前記楕円リフレクタの第一焦点距離をｆ１、第二焦点距離をｆ２とした場合に、４≦ｆ２／ｆ１≦７であることを特徴とする。
【００２４】
通常、発光管は、発光部の中心（アーク中心）が楕円リフレクタの第一焦点とほぼ一致するように配置される。一方、平行化レンズは、楕円リフレクタにより反射された光束を平行化できる位置、例えば、光束入射面が凹面とされたレンズであれば、楕円リフレクタの第二焦点と、平行化レンズの焦点とがほぼ一致する位置に設置される。
【００２５】
楕円リフレクタの第一焦点距離ｆ１、第二焦点距離ｆ２との比、ｆ２／ｆ１を４未満とすると、第一焦点距離ｆ１、すなわち、楕円リフレクタから発光管のアーク中心までの距離が長くなる場合があり、この場合には、光束反射面積（有効反射面の面積）の大きな大型の楕円リフレクタを使用しなければならない。そのため、装置の小型化が困難となる。
【００２６】
また、ｆ１、ｆ２の距離を小さくして、ｆ２／ｆ１を４未満とすることも考えられるが、この場合には、ｆ２の距離が小さくなるので、汎用の発光管を使用した場合、平行化レンズと、発光管が干渉する虞がある。そのため小さな寸法の特殊な発光管を用意しなければならず、製造コストが増加するという問題が生じる。
【００２７】
さらに、ｆ２／ｆ１が７を超えると、第二焦点距離ｆ２が長くなる場合があり、これに伴って、楕円リフレクタから平行化レンズまでの光路の長さが長くなる。そのため、照明光学装置の小型化を図ることが困難となる。さらに、アークの像が大きくなり過ぎたり、歪んでしまったりして、光の利用率が低下する可能性がある（以下、この現象を「アークの像の劣化」という）。つまり、例えば光束分割素子よりも光路下流側にレンズアレイやＰＢＳアレイが配置される場合、アークの像が劣化してしまうと、レンズアレイの各レンズの内部にアークの像が収まりきらなかったり、ＰＢＳアレイの各アレイの内部にアークの像が収まりきらなかったりして、光の利用効率が低下する可能性がある。レンズアレイの各レンズやＰＢＳアレイの各アレイの内部に収まりきらなかったアークの像は、照明光として有効利用することができないためである。
【００２８】
また、ｆ１を小さな値としてｆ２／ｆ１が７を超えるものとした場合には、楕円リフレクタと発光管との距離が近接するため、楕円リフレクタの光束反射面積が小さくなる。そのため、平行化レンズ等の透過光束領域が必要以上に狭くなり、光量が不足する可能性がある。
【００２９】
これに対し、第２の発明では、ｆ２／ｆ１を４以上、７以下としているので、上述した問題が発生せず、光の利用率の低下を防ぎ、所定以上の光量を確保することができる。
【００３０】
また、第二の発明によれば、発光管の膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部には反射部材が設けられているので、発光管から楕円リフレクタの開口側に射出される光を、この反射部材によって楕円リフレクタ側に反射することが可能となる。反射部材が設けられていない発光管を使用する場合には、発光管から放射される光束をなるべくたくさん反射させるために、光束反射面積（有効反射面の面積）が大きな楕円リフレクタを使用する必要がある。これに対し、発光管の膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部に反射部材を設ければ、発光管から楕円リフレクタの開口側に射出される光を楕円リフレクタ側に反射させることができるため、光束反射面積が大きな楕円リフレクタを使わなくても、発光管から放射される光束の損失を防ぎ、光の利用効率を向上させることが可能である。
【００３１】
第２の発明では、被照明領域が長方形状であり、前記平行化レンズは、前記楕円リフレクタにより反射された光束の径が、前記被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に配置され、前記光束分割光学素子と前記集光レンズの有効光束透過領域は、辺の寸法が前記被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることが好ましい。
【００３２】
第２の発明によれば、楕円リフレクタを使用しているので、光源ランプから放射される光線を単に反射させるだけでなく、反射した光束を絞り込み、その径を小さくすることができる。そして、楕円リフレクタにより反射された光束の径が被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に平行化レンズを配置して、この平行化レンズよりも光路下流側に配置される光束分割光学素子と集光レンズの有効光束透過領域を、辺の寸法が被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定することができる。すると、集光レンズの有効光束透過領域の辺の寸法と、被照明領域の長辺寸法、短辺寸法との差が小さくなるので、集光レンズから射出された光線の被照明領域への入射角度を小さくすることができる。
【００３３】
第２の発明にかかる照明装置を、光変調装置を備えたプロジェクタに採用した場合には、被照明領域に相当する光変調装置の画像形成領域への光線の入射角度が小さいほど、投写映像のコントラストは良くなるため、投写映像のコントラストを向上させることができる。また、このように光変調装置への光線の入射角度が小さくなるので、光変調装置から射出される光線の射出角度も小さくなる。そのため、光変調装置よりも光路下流側に設けられる投写レンズのＦナンバーを大きくすることができ、より解像力の高いまたは高精細な投写映像を形成することができる。
【００３４】
また、光束分割光学素子と集光レンズの有効光束透過領域は、辺の長さが被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されているので、これらのサイズを従来よりもかなり小さくすることができる。従って、照明光学装置の小型化、軽量化、ひいてはプロジェクタの小型化、軽量化を図ることができる。
【００３５】
なお、「有効光束透過領域は、辺の寸法が被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されている」とは、光束分割光学素子や集光レンズの外形が被照明領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることを意味するものではない。平行化レンズ、光束分割光学素子、集光レンズの外形は、有効光束透過領域を包含できる大きさでなくてはならないが、有効光束透過領域と同形状である必要は無い。
【００３６】
第２の発明において、前記平行化レンズは、光束入射面、射出面のいずれか一方が非球面とされた凹レンズであることが好ましい。球面の平行化凹レンズを使用した場合には、球面収差が生じるため、中心部の平行度は高いものの、周辺部の平行度がよくないことがある。これに対し、平行化凹レンズの入射側又は射出側を非球面とすれば、射出される光束の平行度を向上させることができる。
【００３７】
第２の発明において、前記楕円リフレクタの第一焦点距離ｆ１は、５ｍｍ以上であることが好ましい。発光管の膨出部の径は、一般的に約９ｍｍ（半径約４．５ｍｍ）程度となっている。そして、この膨出部の内部に形成される発光部の中心（アーク中心）と楕円リフレクタの第一焦点とがほぼ一致するように発光管が配置されるため、第一焦点距離ｆ１が５ｍｍ未満の場合には、楕円リフレクタに膨出部が接触する虞があり、好ましくない。これに対し、第一焦点距離を５ｍｍ以上とすれば、膨出部と楕円リフレクタとの接触を防止することができる。
【００３８】
第２の発明において、前記楕円リフレクタの第二焦点距離ｆ２は５０ｍｍ以上であることが好ましい。発光管の管状部材は、膨出部の中心部から先端までの長さ寸法が一般的に約２０〜３５ｍｍ程度となっている。そのため、第二焦点距離ｆ２が５０ｍｍ未満の場合には、発光管の管状部材と、平行化レンズとが接触する可能性がある。これに対し、第二焦点距離ｆ２を５０ｍｍ以上とすれば、このような問題が生じない。
【００３９】
第２の発明において、楕円リフレクタの有効反射面径は、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下であることが好ましい。有効反射面径が５０ｍｍを超えるものは、大きすぎて照明光学装置の小型化を図ることが困難となる虞がある。また、有効反射面径が３０ｍｍ未満の場合には、光束を反射する面積が小さくなりすぎて、平行化レンズ等の透過光束領域が狭くなり、光量が不足する可能性がある。これに対し、楕円リフレクタの有効反射面径を、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下とすれば、このような問題が生じない。
【００４０】
第２の発明では、前記照明光軸の射出光束基端側部分と、前記発光管から射出される光束がなす最大の角度をθとすると、θが１０５°以下であることが好ましい。このようにすれば、発光管から広範囲に光が射出されず、この光を反射する楕円リフレクタの有効反射面径を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００４２】
図１には、本発明の実施形態に係るプロジェクタ１の光学系の構造を表す模式図が示されている。このプロジェクタ１は、インテグレータ照明光学系（照明光学装置）１０、色分離光学系２０、リレー光学系３０、光学装置４０、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム６０、および投写光学系である投写レンズ７０を備えている。
【００４３】
前記照明光学装置１０は、光源装置１１および均一照明光学系１５を備え、光源装置１１は、光源ランプ１２（発光管）と、光源ランプ１２から射出された光を反射する楕円リフレクタ１３と、平行化凹レンズ１４とを備えている。
【００４４】
均一照明光学系１５は、光源装置１１から射出された光束を複数の部分光束に分割するとともに、各部分光束の偏光方向を、Ｐ偏光光束あるいはＳ偏光光束に揃えるものであり、光束分割素子である第１レンズアレイ１６、集光レンズである第２レンズアレイ１７、偏光変換素子であるＰＢＳアレイ１８、および集光レンズである集光レンズ１９を含んで構成されている。
【００４５】
なお、照明光学装置１０についての詳細は、後述する。
【００４６】
色分離光学系２０は、２枚のダイクロイックミラー２１，２２と、反射ミラー２３とを備え、ダイクロイックミラー２１、２２により照明光学装置１０から射出された複数の部分光束を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色光に分離する機能を有している。
【００４７】
リレー光学系３０は、入射側レンズ３１と、リレーレンズ３３と、反射ミラー３２、３４とを備え、色分離光学系２０で分離された色光である赤色光を液晶パネル４１Ｒまで導く機能を有している。
【００４８】
この際、色分離光学系２０のダイクロイックミラー２１では、照明光学装置１０から射出された光束のうち、赤色光と緑色光を透過し、青色光を反射する。ダイクロイックミラー２１によって反射した青色光は、反射ミラー２３で反射し、フィールドレンズ４４を通って、青色用の液晶パネル４１Ｂに到達する。このフィールドレンズ４４は、第２レンズアレイ１７から射出された各部分光束をその中心軸（主光線）に対して平行な光束に変換する。他の液晶パネル４１Ｇ、４１Ｒの光束入射側に設けられたフィールドレンズ４４も同様である。
【００４９】
また、ダイクロイックミラー２１を透過した赤色光と緑色光のうちで、緑色光は、ダイクロイックミラー２２によって反射し、フィールドレンズ４４を通って、緑色用の液晶パネル４１Ｇに到達する。一方、赤色光は、ダイクロイックミラー２２を透過してリレー光学系３０を通り、さらにフィールドレンズ４４を通って、赤色光用の液晶パネル４１Ｒに到達する。
【００５０】
なお、赤色光にリレー光学系３０が用いられているのは、赤色光の光路の長さが他の色光の光路の長さよりも長いため、光の発散等による光の利用効率の低下を防止するためである。すなわち、入射側レンズ３１に入射した部分光束をそのまま、フィールドレンズ４４に伝えるためである。なお、リレー光学系３０には、３つの色光のうちの赤色光を通す構成としたが、これに限らず、例えば、青色光を通す構成としてもよい。
【００５１】
光学装置４０は、入射された光束を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成するものであり、色分離光学系２０で分離された各色光が入射される３つの入射側偏光板（図示略）と、入射側偏光板の入射側に配置されるフィールドレンズ４４と、各入射側偏光板の光束射出側に配置される光変調装置としての液晶パネル４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂと、各液晶パネル４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂの光束射出側に配置される射出側偏光板（図示略）と、色合成光学系としてのクロスダイクロイックプリズム６０とを備える。
【００５２】
液晶パネル４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂは、一対の透明なガラス基板間に電気光学物質である液晶を密閉封入したものであり、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として、与えられた画像信号に従って、入射側偏光板から射出された偏光光束の偏光方向を変調する。この液晶パネル４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂの画像形成領域は長方形状である。
【００５３】
入射側偏光板は、色分離光学系２０で分離された各色光のうち、一定方向の偏光光束のみ透過させ、その他の光束を吸収する光学変換素子である。また、射出側偏光板も、液晶パネル４１（４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂ）から射出された光束のうち、所定方向の偏光光束のみ透過させ、その他の光束を吸収するものである。
【００５４】
フィールドレンズ４４は、照明光学装置１０の集光レンズ１９で絞り込まれた射出光束を照明光軸に対して平行にするための光学素子である。
【００５５】
クロスダイクロイックプリズム６０は、射出側偏光板から射出され、各色光毎に変調された光学像を合成してカラー画像を形成するものである。
【００５６】
クロスダイクロイックプリズム６０には、赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが、４つの直角プリズムの界面に沿ってほぼＸ字状に設けられ、これらの誘電体多層膜により３つの色光が合成される。
【００５７】
図２も参照して照明光学装置１０について詳細に説明する。図２は照明光学装置１０と液晶パネル４１との関係を示す模式図である。
【００５８】
前述したように照明光学装置１０は光源装置１１および均一照明光学系１５を備えている。光源装置１１は、光源ランプ１２と、楕円リフレクタ１３と、平行化凹レンズ１４とを備えている。
【００５９】
光源ランプ１２は、図示しないが、所定距離離間して配置される一対の電極と、この電極が封入された管状部材１２０とを備えている。管状部材１２０は、電極の離間部分において外側に膨出した膨出部１２２を有している。膨出部の内部にはガスが封入されており、一対の電極間に電圧を印加すると放電が発生して発光部（アーク）が形成される。このような光源ランプ１２の発光部の中心（アーク中心）から管状部材１２０の先端までの長さ寸法Ｌ１は、２０〜３５ｍｍ程度（すなわち、管状部材１２０の全長は４０〜７０ｍｍ程度となる）であり、膨出部１２２の径は、９ｍｍ程度である。そして、膨出部１２２のリフレクタ１３と反対側の光束射出部（平行化凹レンズ１４側）には反射部材１２１が設けられている。光源ランプ１２の配光角θは、例えば、１００〜１０５°となっている。なお、この配光角θは、照明光軸ａの射出光束基端側部分と、光源ランプ１２から射出される光束がなす最大の角度である。
【００６０】
反射部材１２１は膨出部１２２の平行化凹レンズ１４側から放射される光束を楕円リフレクタ１３に反射するものである。反射部材１２１は、例えば、五酸化タンタルの単層膜、或いは二酸化珪素の多層膜を膨出部のリフレクタと反対側の光束射出部面に直接蒸着したものである。反射部材１２１は、このような多層膜を蒸着した第二反射鏡を発光管に取り付けることによって構成しても良い。
【００６１】
なお、このような光源ランプ１２としては、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ等を使用することができる。
【００６２】
楕円リフレクタ１３は、光源ランプ１２から射出された光を反射するものであり、その有効反射面径は、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下である。また、この楕円リフレクタ１３の第一焦点距離をｆ１、第二焦点距離をｆ２とした場合、ｆ１は５ｍｍ以上、ｆ２は５０ｍｍ以上であり、かつ、ｆ２／ｆ１は、４以上、７以下である。本実施形態では、例えば、ｆ１＝７．１ｍｍ、ｆ２＝５０ｍｍであり、ｆ２／ｆ１は７、楕円リフレクタ１３の有効反射面径は３０ｍｍとなっている。
【００６３】
なお、前述した光源ランプ１２は、アーク中心が楕円リフレクタ１３の第一焦点の位置とほぼ一致するように配置されている。  平行化凹レンズ１４は、楕円リフレクタ１３により反射された光束を平行化するものである。この平行化凹レンズ１４の有効光束透過領域の入射側は双曲面形状を有する非球面であり、射出側は平面となっている。平行化凹レンズ１４は、楕円リフレクタ１３により反射された光束の径が液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置であり、かつ、その焦点が、楕円リフレクタ１３の第二焦点とほぼ一致する位置に配置されている。
【００６４】
均一照明光学系１５は、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、ＰＢＳアレイ１８、および集光レンズ１９を有している。
【００６５】
第１レンズアレイ１６は、光源装置１１から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子としての機能を有し、照明光軸ａと直交する面内にマトリクス状に配列される複数のレンズを備えて構成され、各レンズの縦横比は、後述する光学装置４０を構成する液晶パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂの画像形成領域の縦横比と対応している。
【００６６】
第２レンズアレイ１７は、前述の第１レンズアレイ１６により分割された部分光束を集光する集光レンズであり、第１レンズアレイ１６と同様に照明光軸ａに直交する面内にマトリクス状に配列される複数のレンズを備えている。各レンズの配列は、第１レンズアレイ１６を構成するレンズと対応しているが、その大きさは、第１レンズアレイ１６のように液晶パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂの画像形成領域の縦横比と対応する必要はない。
【００６７】
偏光変換素子としてのＰＢＳアレイ１８は、第１レンズアレイ１６により分割された各部分光束の偏光方向を一方向に揃える光学素子である。このＰＢＳアレイ１８は、図示しないが、偏光方向の異なる２種類のＰ偏光光束およびＳ偏光光束のうち、一方の偏光光束を透過させ、他方の偏光光束を反射して両偏光光束に分離する偏光分離膜と、この偏光分離膜で反射した他方の偏光光束の進行方向を折り曲げて、透過した一方の偏光光束の出射方向に揃える反射ミラーと、２種類の偏光光束の偏光方向を揃える位相差板とを含んで構成される。この位相差板は、耐熱性を考慮すると水晶又は雲母製であることが好ましいが、樹脂製であっても良い。
【００６８】
このようなＰＢＳアレイ１８を採用することで、光源ランプ１２から射出される光束を一方向の偏光光束のみに揃えることができるため、光源光の利用効率を向上させることができる。
【００６９】
集光レンズ１９は、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、およびＰＢＳアレイ１８を経た複数の部分光束を集光して、液晶パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂの画像形成領域上に重畳させる機能を有するレンズである。この集光レンズ１９は有効光束透過領域の入射側が平面であり、射出側が双曲面形状を有する非球面となっている。
【００７０】
次に、図３と図４（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、照明光学装置１０の詳細な構成について説明する。図３は、ｆ1＝７．１ｍｍ、ｆ２＝５０ｍｍとした場合（ｆ２／ｆ１＝７）の光線の軌跡を示した図である。また、図４（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、平行化レンズ１４、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、ＰＢＳアレイ１８、集光レンズ１９の構成を説明するための図である。
【００７１】
照明光学装置１０において、光源ランプ１２を点灯させると、光が放射され、この光は楕円リフレクタ１３により反射される。楕円リフレクタ１３は、光源ランプ１２から放射される光を単に反射するだけでなく、反射した光束を絞り込み、その径を小さくする。楕円リフレクタ１３により反射された光は平行化凹レンズ１４に入射され、平行化される。
【００７２】
平行化凹レンズ１４は、前述したように、また図４（Ａ）に示すように、楕円リフレクタ１３により反射された光束１３Ａの径Ｌ１３が液晶パネル４１の画像形成領域４１Ａの短辺寸法Ｌ１以上、長辺寸法Ｌ２以下となる位置に配置されている。よって、平行化凹レンズ１４から射出される光束１３Ｂの径Ｌ１３は、液晶パネル４１の画像形成領域４１Ａの短辺寸法Ｌ１以上、長辺寸法Ｌ２以下となる。
【００７３】
平行化レンズ１４によって平行化された光は、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、およびＰＢＳアレイ１８、集光レンズ１９を順に通過する。図４（Ｂ）に示すように、第１レンズアレイ１６の有効光束透過領域１６Ａ（図中斜線部で示した領域）の辺の寸法Ｌ１６は、画像形成領域４１Ａの短辺寸法Ｌ１以上、長辺寸法Ｌ２以下である。図４（Ｃ）に示すように、第２レンズアレイ１７とＰＢＳアレイ１８の有効光束透過領域１７Ａ，１８Ａ（図中斜線部で示した領域）の辺の寸法Ｌ１７，Ｌ１８も、画像形成領域４１Ａの短辺寸法Ｌ１以上、長辺寸法Ｌ２以下である。さらに、図４（Ｄ）に示すように、集光レンズ１９の有効光束透過領域１９Ａの辺の寸法Ｌ１９も、画像形成領域４１Ａの短辺寸法Ｌ１以上、長辺寸法Ｌ２以下である。なお図４（Ｃ）には、第２レンズアレイ１７の付近で観察される複数のアークの像１７Ｃが示されている。有効光束透過領域１７Ａは、これら複数のアークの像を包括するような仮想的な矩形の領域である。有効光束透過領域１８Ａ，１９Ａに関しても同様である。
【００７４】
図４（Ｄ）からわかるように、集光レンズ１９の有効光束透過領域１９Ａの辺の寸法Ｌ１９と、画像形成領域４１Ａの長辺寸法、短辺寸法との差は、極めて小さい。また、図３に示したとおり、集光レンズ１９から射出された光線は、液晶パネル４１の画像形成領域にほぼ垂直に入射しており、液晶パネル４１への光線の入射角度が小さいことがわかる。
【００７５】
すなわち、本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
【００７６】
楕円リフレクタ１３を使用しているので、光源ランプ１２から放射される光を単に反射するだけでなく、反射した光束を絞り込み、その径を小さくすることができる。
【００７７】
そして、楕円リフレクタ１３により反射された光束の径が液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に平行化凹レンズ１４を配置して、これよりも光路下流側に配置される第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、ＰＢＳアレイ１８、集光レンズ１９の有効光束透過領域の辺の寸法を、画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定している。すると、集光レンズ１９の有効光束透過領域の辺の寸法と、液晶パネル４１の画像形成領域の長辺、短辺寸法との差が小さくなるため、集光レンズ１９から射出される光線は液晶パネル４１の画像形成領域へほぼ垂直に入射することとなる。つまり、光変調装置への光線の入射角度をより小さくすることができる。液晶パネル４１へ入射する光線の入射角度が小さいほど、投写映像のコントラストは良くなるため、投写映像のコントラストを向上させることができる。
【００７８】
また、このように液晶パネル４１への光線の入射角度が小さくなるので、液晶パネル４１から射出される光線の射出角度も小さくなる。そのため、投写レンズ７０のＦナンバーを大きくすることができ、より解像力の高いまたは高精細な投写映像を形成することができる。
【００７９】
さらに、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、およびＰＢＳアレイ１８、集光レンズ１９の有効光束透過領域の辺の寸法が、液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下である。従って、これらの光学要素１６，１７，１８，１９のサイズは、楕円リフレクタ１３の有効反射面径とほぼ同じ寸法の有効光束透過領域を有する従来の光束分割光学素子等よりもかなり小さくすることができる。そのため、照明光学装置１０、ひいてはプロジェクタの小型化、軽量化を図ることができる。
【００８０】
また、光源ランプ１２の膨出部１２２のリフレクタ１３と反対側の光束射出部には反射部材１２１が設けられている。反射部材１２１が設けられていない光源ランプ１２を使用する場合には、光源ランプ１２から放射される光をなるべくたくさん反射させるために、光束反射面積（有効反射面の面積）が大きな楕円リフレクタを使用する必要がある。リフレクタによって反射されることなく放射された光は、有効に利用することができないからである。これに対し、本実施形態では、反射部材１２１が設けられているので、光源ランプ１２から楕円リフレクタの開口側に射出される光を、反射部材１２１によって楕円リフレクタ１３側に反射することが可能となる。そのため、光束反射面積が大きな楕円リフレクタを使わなくても、光源ランプ１２から放射される光の損失を防ぎ、光の利用効率を向上させることが可能である。
【００８１】
また、光束反射面積が大きな楕円リフレクタを使用する場合には、楕円リフレクタにより反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置が光源ランプ１２から遠くなるので、光源ランプ１２と平行化レンズ１４との距離を大きくとる必要がある。また、このように光源ランプからの距離を大きくとった場合には、平行化レンズの倍率を大きなものにする必要がある。これに対し、反射部材１２１を設ければ、楕円リフレクタ１３により反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置が光源ランプ１２に近くなる。そのため、平行化レンズ１４を光源ランプに接近させることが可能となり、プロジェクタの小型化を図ることができる。また、平行化レンズを光源ランプに接近させることができるので、平行化レンズの倍率を小さくすることができる。
【００８２】
さらに、通常、光源ランプ１２は、そのアーク中心が楕円リフレクタ１３の第一焦点とほぼ一致するように配置される。一方、平行化凹レンズ１４は、楕円リフレクタにより反射された光束を平行化できる位置、例えば、光束入射面が凹面とされたレンズであれば、楕円リフレクタの第二焦点と、平行化レンズの焦点とがほぼ一致する位置に設置される。
【００８３】
楕円リフレクタ１３の第一焦点距離ｆ１、第二焦点距離ｆ２との比、ｆ２／ｆ１を４未満とすると、第一焦点距離ｆ1、すなわち、楕円リフレクタ１３から光源ランプ１２のアーク中心までの距離が長くなる場合があり、この場合には、光束反射面積（有効反射面の面積）の大きな大型の楕円リフレクタを使用しなければならない。そのため、照明光学装置、さらにはプロジェクタの小型化が困難となる。
【００８４】
また、ｆ１、ｆ２の距離を小さくして、ｆ２／ｆ１を４未満とすることも考えられるが、この場合には、ｆ２の距離が小さくなるので、一般的な光源ランプを使用した場合、平行化凹レンズと、光源ランプが干渉する虞がある。そのため小さな寸法の特殊な光源ランプを用意しなければならず、製造コストが増加するという問題が生じる。
【００８５】
さらに、ｆ２／ｆ１が７を超えると、第二焦点距離ｆ２が長くなる場合があり、これに伴って、楕円リフレクタ１３から平行化凹レンズ１４までの光路の長さが長くなる。そのため、照明光学装置の小型化を図ることが困難となる上、アークの像に劣化が生じて光の利用率が低下する可能性がある。また、ｆ１を小さな値としてｆ２／ｆ１が７を超えるものとした場合には、楕円リフレクタ１３と発光管１２のアーク中心との距離が近接するため、楕円リフレクタ１３の光束を反射する面積が小さくなる。そのため、平行化凹レンズ１４等の透過光束領域が必要以上に狭くなり、光量が不足する可能性がある。
【００８６】
これに対し、本実施形態は、ｆ２／ｆ１を４以上、７以下としているので、上述した問題が発生せず、照明光学装置１０、プロジェクタ１の製造コストの増加防止、さらなる小型化、光の利用率の低下防止、所定以上の光量の確保を図ることができる。
【００８７】
平行化凹レンズ１４の有効光束透過領域の入射側を、双曲面形状を有する非球面としているので、光束は入射側で平行化され、射出側では屈折作用を受けないようにすることができる。従って、より平高度の高い射出光束を得ることができる。また、射出側は平面であるため、平行化凹レンズ１４の作成を比較的安価に行うことができる。
【００８８】
さらに、集光レンズ１９の有効光束透過領域の射出側を非球面としているので射出される光束の収差を小さくすることができる。従って、液晶パネル４１の画像形成領域に確実に光束を入射させることができる。また、有効光束透過領域の入射側が平面であるため、集光レンズ１９の作成を容易に行うことができる。
【００８９】
また、本実施形態では、前述したように平行化凹レンズ１４や、第１レンズアレイ１６等の有効光束透過領域を小さくしたので、光束密度が高くなっている。そのため、ＰＢＳアレイの位相差板の耐熱性を向上させる必要がある。本実施形態で、この位相差板を水晶又は雲母製とすれば、樹脂製の位相差板に比べ、耐熱性を向上させることができる。
【００９０】
光源ランプ１２の膨出部１２２の径は一般的に約９ｍｍ（半径約４．５ｍｍ）程度となっている。この膨出部１２２のアーク中心と楕円リフレクタ１３の第一焦点とがほぼ一致するように光源ランプ１２が配置されるため、第一焦点距離ｆ１が５ｍｍ未満の場合には、楕円リフレクタ１３に膨出部１２２が接触する虞があり、好ましくない。本実施形態では、第一焦点距離を５ｍｍ以上としているので、膨出部１２２と楕円リフレクタ１３の接触を防止することができる。
【００９１】
光源ランプ１２の管状部材１２０は、膨出部１２２の中心部から先端までの長さ寸法Ｌ１が約２０〜３５ｍｍ程度となっている。そのため、第二焦点距離ｆ２が５０ｍｍ未満の場合には、光源ランプ１２の管状部材１２０と、平行化凹レンズ１４とが接触する可能性がある。これに対し、本実施形態では、第二焦点距離ｆ２を５０ｍｍ以上としているので、このような問題が生じない。
【００９２】
楕円リフレクタの有効反射面径が５０ｍｍを超えるものは、大きすぎて照明光学装置の小型化を図ることが困難となる虞がある。また、有効反射面径が３０ｍｍ未満の場合には、光束を反射する面積が小さくなりすぎて、平行化凹レンズ１４等の有効光束透過領域が狭くなりすぎ、光量が不足する可能性がある。本実施形態では、楕円リフレクタ１３の有効反射面径は、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下としているので、このような問題が生じない。
【００９３】
さらに、光源ランプ１２の配光角θが１００〜１０５°であるため、光源ランプ１２から広範囲に光が射出されず、この光を反射する楕円リフレクタ１３を小さな径のものとすることができる。
【００９４】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００９５】
例えば、前記実施形態では、平行化凹レンズ１４は、有効光束透過領域の入射側が双曲面形状を有する非球面であり、射出側が平面であるとしたが、これには限られず、入射側が平面であり、射出側が楕円面を有する非球面であるものや、入射側は球面であり、射出側は双曲面形状を有する非球面であるものであってもよい。
【００９６】
前者の場合には、射出側を非球面としているので射出される光束の径を小さくすることができる。また、射出側を非球面としているので射出される光束の面内照度のばらつきを比較的小さくすることができる。
【００９７】
後者の場合には、前者と同様の効果を奏することができるうえ、入射側を球面としているので、入射側において光が屈折を受けないようにすることができ、より平行度の高い射出光束を得ることができる。
【００９８】
さらに、平行化凹レンズは、非球面を有さず、球面のみを有するものとしてもよい。この場合には、球面収差が生じ、平行度が悪くなる可能性があるが、球面を形成すればよいので、非球面を形成する場合に比べ、製造が容易となるという利点がある。
【００９９】
また、平行化レンズは凹レンズに限らず、凸レンズであってもよい。例えば、光束入射面を非球面の凸面とし、光束射出面を平面とする平行化レンズが挙げられる。この場合には、楕円リフレクタにより反射された光束の径が液晶パネルの画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置であり、かつ、楕円リフレクタの第二焦点で集光した光が発散する位置に平行化レンズを配置することが好ましい。
【０１００】
前記実施形態では、光源ランプ１２の配光角θを１００〜１０５°としたが、この範囲には限られず、例えば９０°であってもよい。
【０１０１】
さらに、前記実施形態では、楕円リフレクタ１３の第一焦点距離ｆ1を５ｍｍ以上、第二焦点距離ｆ２を５０ｍｍ以上としたが、これに限られず、第一焦点距離ｆ1を５ｍｍ未満、第二焦点距離ｆ２を５０ｍｍ未満としてもよい。この場合には、照明光学装置のより一層の小型化を図ることができる。ただし、楕円リフレクタ１３と光源ランプ１２の膨出部１２２とが干渉しないように、また、光源ランプ１２と平行化凹レンズ１４とが干渉しないように注意する必要がある。
【０１０２】
また、前記実施形態では、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、およびＰＢＳアレイ１８、集光レンズ１９の有効光束透過領域を略正方形状としたが、これには限られず、辺の長さが液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下である長方形状であってもよい。ただし、光束は円形状の断面を有しているので、前記実施形態のように正方形状とした方が有効光束透過領域のうち、光束が透過しない部分が少なくてよいという利点がある。
【０１０３】
さらに、前記実施形態では、液晶パネル４１を用いたプロジェクタ１としたが、これに限らず、例えば、ＤＬＰ(Digital Light Processor)などを用いたプロジェクタとしてもよい。この場合、非常に小さなミラーに光束を反射させて投影するため、光束の透過に伴う光の吸収ロスを抑えることができ、さらに、鮮やかな画像を投影することが可能になる。
【０１０４】
本発明の効果を確認するために以下の実験を行った。
【０１０５】
まず、楕円リフレクタの第二焦点距離ｆ２を５０ｍｍと固定し、第一焦点距離ｆ１を変え、ｆ２／ｆ１を１〜１０に変化させて、楕円リフレクタの有効反射径を測定した。その結果を表１に示す。
【０１０６】
【表１】
2004063792.tif 000014
【０１０７】
また、表１において、ｆ２／ｆ１が４，５，７，１０の場合に、ＰＢＳアレイ１８の偏光分離膜付近の位置に形成されるアークの像を調べた結果を図５（Ａ），（Ｂ）および図６（Ａ），（Ｂ）に示した。図５（Ａ）は、ｆ２／ｆ１が４のアークの像を示す図、図５（Ｂ）は、ｆ２／ｆ１が５のアークの像を示す図である。図６（Ａ）は、ｆ２／ｆ１が７のアークの像を示す図、図６（Ｂ）は、ｆ２／ｆ１が１０のアークの像を示す図である。
【０１０８】
表１に示したとおり、ｆ２／ｆ１が４未満の場合には、楕円リフレクタの有効反射面径が６０ｍｍ以上となってしまい、照明光学装置及びプロジェクタの小型化を図ることができないことが確認された。また、ｆ２／ｆ１が７を超えるものでは、楕円リフレクタの有効反射面径が小さなものとなってしまい、光量が不足することが確認された。さらに、図６（Ｂ）に示すように、ｆ２／ｆ１が１０のものでは、アークの像が劣化しており、ＰＢＳアレイで効率的に分離できず、光の利用率が低下することがわかった。
【０１０９】
これに対し、ｆ２／ｆ１が４〜７の場合には、楕円リフレクタの有効反射面径が３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下であり、充分な光量を確保でき、かつ、照明光学装置及びプロジェクタの小型化を図ることができた。また、図５（Ａ），（Ｂ）および図６（Ａ）に示すように、アークの像は劣化しておらず、ＰＢＳアレイで効率的に分離することができ、光の利用率の低下を防止できることが確認された。
【０１１０】
次に、先に説明したような光源ランプ１２０を用いて、楕円リフレクタの第一焦点距離ｆ１を１０ｍｍに固定し、第二焦点距離ｆ２を変え、ｆ２／ｆ１を１〜１０に変化させて、楕円リフレクタの有効反射面径を測定した。結果を表２に示す。
【０１１１】
【表２】
2004063792.tif 000015
【０１１２】
また、図７に、表２においてｆ２／ｆ１＝１０とした場合の光線の軌跡を示す。
【０１１３】
表１に示したとおり、ｆ２／ｆ１が４未満の場合には、ｆ２の距離が短くなり、平行化レンズと発光管とが接触する可能性があるため、小さな寸法の特殊な光源ランプを使用しなければならなかった。
【０１１４】
ｆ２／ｆ１が７を超えると、図７に示されるように、光路の長さが長くなり、照明光学装置、プロジェクタの小型化を図ることが困難となった。また、図示は省略するが、ｆ２／ｆ１が７を超えた場合には、図６（Ｂ）に示したように、アークの像が劣化し、光の利用率が低下することがわかった。
【０１１５】
これに対し、ｆ２／ｆ１が、４以上、７以下の場合には、アークの像の劣化がなく、光路の長さも適度であり、また、楕円リフレクタの有効反射面径の大きさも所定以上確保することができるため、照明光学装置及びプロジェクタの小型化、光の利用率の低下防止、所定以上の光量の確保を図ることができた。また、ｆ２／ｆ１が、４以上、７以下の場合には、実施形態と同様の一般的な大きさの光源ランプを使用することができ、製造コストの増加を防止できた。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の実施形態にかかるプロジェクタの光学系を示す模式図である。
【図２】照明光学装置と液晶パネルとの関係を示す模式図である。
【図３】光源装置から射出される光線の軌跡（ｆ１＝７．１ｍｍ、ｆ２＝５０ｍｍ）を示す図である。
【図４】（Ａ）は、平行化レンズ１４の構成を説明するための図、（Ｂ）は、第１レンズアレイ１６の構成を説明するための図、（Ｃ）は、第２レンズアレイ１７とＰＢＳアレイ１８の構成を説明するための図、（Ｄ）は、集光レンズ１９の構成を説明するための図である。
【図５】（Ａ）は、ｆ２／ｆ１が４のアークの像を示す図、（Ｂ）は、ｆ２／ｆ１が５のアークの像を示す図である。
【図６】（Ａ）は、ｆ２／ｆ１が７のアークの像２を示す図、（Ｂ）は、ｆ２／ｆ１が１０のアークの像を示す図である。
【図７】ｆ1＝１０ｍｍ、ｆ２＝１００ｍｍとした場合の光線の軌跡を示す図である。
【図８】従来の照明光学装置と液晶パネルとの関係を示す模式図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004063792.tif 000016
【図２】
2004063792.tif 000017
【図３】
2004063792.tif 000018
【図４】
2004063792.tif 000019
【図５】
2004063792.tif 000020
【図６】
2004063792.tif 000021
【図７】
2004063792.tif 000022
【図８】
2004063792.tif 000023
【国際調査報告】
2004063792.tif 000024
2004063792.tif 000025
2004063792.tif 000026
2004063792.tif 000027
2004063792.tif 000028
2004063792.tif 000029
2004063792.tif 000030