(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光体と、
該発光体からの放射光を集光する放物面鏡又は楕円面鏡を有する集光手段と、
複数の第１レンズを２次元状に配列し、該集光手段からの光束を複数の光束に分割する第１レンズアレイと、
該第１レンズアレイの複数の第１レンズと対をなす複数の第２レンズを２次元的に配列した第２レンズアレイと、
該第２レンズアレイからの該複数の光束の各々を被照明領域上に照射する光学系とを有し、該集光手段と該複数の第１レンズの個々のレンズで構成される複数の系は、互いに該発光体を結像するときの結像倍率が等しいことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記複数の第１レンズの光軸近傍の第１レンズと周辺部の第１レンズとは互いに焦点距離及び／又は光軸方向の長さが異なっていることを特徴とする請求項１の照明装置。
【請求項３】
前記複数の第１レンズは前記集光手段からの光束を各レンズに対応する前記第２レンズの開口部近傍で最も収束せしめていることを特徴とする請求項１又は２の照明装置。
【請求項４】
前記光学系は前記第２レンズアレイからの光束を集光する第３レンズを有していることを特徴とする請求項１、２又は３の照明装置。
【請求項５】
前記複数の第１レンズの一部は、それらの開口中心から前記集光手段の光軸までの距離の長さに応じてそれらの焦点距離を相対的に変えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の照明装置。
【請求項６】
前記集光手段は凹面鏡から成り、前記発光体の長軸方向と該集光手段の光軸を同一方向とすることを特徴とした請求項１乃至５のいずれか１項記載の照明装置。
【請求項７】
前記光学系は第３レンズを有しており、前記第１レンズ又は第２レンズ又は第３レンズの少なくとも１つの光学面を非球面としたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項の照明装置。
【請求項８】
前記第２レンズアレイからの光束の偏光状態を揃えて射出させる偏光変換素子を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項９】
前記第１レンズは平面を光入射側に向けた平凸レンズであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の照明装置。
【請求項１０】
発光体と、
該発光体からの放射光を集光する放物面鏡又は楕円面鏡を有する集光手段と、
略同一の開口形状を有する複数の第１レンズを２次元状に配列し、該集光手段からの光束を複数の光束に分割する第１レンズアレイと、
該第１レンズアレイの複数の第１レンズと対をなす複数の第２レンズを２次元的に配列した第２レンズアレイと、
該第２レンズアレイからの光束の偏光状態を揃えて射出させる偏光変換素子と、該第１レンズアレイからの該複数の光束の各々を被照明領域上に照射する光学系とを有し、
前記複数の第１レンズが、光軸方向の位置及び焦点距離が互いに異なるレンズを備えることを特徴とする照明装置。
【請求項１１】
前記偏光変換素子は、光束をＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離する偏光光束分離面と、該偏光光束分離面によって分離されたＰ偏光光束とＳ偏光光束のうちいずれか一方の光を反射させる反射面と、いずれか一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換する偏光変換手段とを有し、該反射面と該偏光光束分離面とが交互に配列されていることを特徴とする請求項１０の照明装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項の照明装置の被照明領域に配置した被投影物体を投影光学系で所定面上に投影していることを特徴とする投影装置。
【請求項１３】
前記被投影物体は液晶パネルであることを特徴とする請求項１２の投影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明装置及びそれを用いた投影装置に関し、主に液晶パネルを照明する用途に用いる照明装置（照明光学装置）、ならびに当該照明光学装置により液晶パネルを照明し、液晶パネル上の光学像をスクリーン上に拡大投影する投影装置（投射型表示装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液晶パネル等をスクリーン上に拡大投影するための投射型表示装置は、液晶パネル等が矩形の形状をしているため、矩形の照明エリアを均一に照明することと、照明するための光源からのエネルギー損失を少なくその照明エリアに導くことが重要である。
【０００３】
このような投射型表示装置には、液晶パネル上の光学像を強力な光で照明する照明光学装置が必要であり、その性能は投写画像の画質を大きく左右する。具体的に、高効率で色再現性に優れ、明るさと色の均一性の良好な照明光学装置が要望される。
【０００４】
従来より用いられている照明光学装置の一例として、凹面鏡式の照明光学装置がある。図８にこのような照明光学装置の構成例を示す。図８の照明光学装置は主に、ランプ１０１と凹面鏡１０２から構成される。凹面鏡１０２は放物面鏡であり、発光体１０３の放射する光の大部分を集光し、光軸１０４に平行に近い照明光１０５を形成して、被照明領域１０６を照明する。光源として、例えば、ランプ１０１にはメタルハライドランプが用いられる。他にキセノンランプ、ハロゲンランプ等が用いられる。又、凹面鏡１０２には、他に楕円面鏡等が用いられる。
【０００５】
このような凹面鏡式の照明光学装置は、凹面鏡１０２の集光効率が高い利点がある反面、光軸１０４近傍の光束密度が高く、被照明領域１０６の明るさむらが比較的大きい。そこで、照明光の明るさ均一性を改善する方法としてレンズアレイを用いたインテグレータと呼ばれる構成が知られており、例えば、特公昭43-5089号公報、特開平3-111806号公報、特開平5-346557号公報がある。図９に、このような照明光学装置の構成例を示す。
【０００６】
図９に示す照明光学装置は、図８に示した凹面鏡式の照明光学装置に第１レンズアレイ板１２１、第２レンズアレイ板１２２、そして、第３レンズ１２３を付加した構成より成っている。第１レンズアレイ板１２１は、複数の第１レンズ１２４を２次元状に配列して構成する。第２レンズアレイ板１２２も同様に、複数の第２レンズ１２５を２次元状に配列して構成する。第１レンズアレイ板１２１は、凹面鏡１０２から出射する明るさむらの大きな単一光束を、第１レンズ１２４と同数の部分光束に分割する。分割後の部分光束の明るさむらは、分割前の単一光束に比較して小さい。各部分光束は、第２レンズアレイ板１２２により被照明領域１０６まで有効に伝達され、第３レンズ１２３との合成系がこれを重畳させるので、明るさ均一性の高い照明を実現できる。
【０００７】
上記照明装置は、明るさ均一性の高い照明を実現できるが、ランダムな偏光光束を照明光として用いている。そのため、液晶パネル等の照明光学装置として用いた場合、利用される光束は特定の偏光方向の光束だけであるので、光の利用率は大幅に低下し、明るい照明系は実現できない。
【０００８】
この問題を解決した構成として、照明光学装置内に偏光変換素子を用いた照明系が、例えば、特開平9-311297号公報等で開示されている。図１０にこのような照明光学装置の構成例を示す。この構成は、第２レンズアレイ１２２から出射されたランダムな偏光方向を持つ光束を、図１１に示すように偏光分離面１２６Ａ、反射面１２６Ｃ、λ／２位相差板１２６Ｂから成る偏光変換素子１２６により特定の偏光方向を有する光束に変換した後、液晶パネル等の被照射領域を照明するため、偏光面の揃った明るく均一性の高い照明を実現している。
【０００９】
図１１に示す偏光変換光学素子１２６の構成の詳細については、例えば特開平10-39136号公報等で開示されている。図１１は、第２レンズアレイ１２２を構成する複数のレンズ１２５のうちの１つのレンズとそれに対応する偏光変換光学素子１２６の主要部を拡大して示したものである。
【００１０】
偏光変換素子１２６は積層構造を有する光学素子であり、図に示したようにレンズアレイ１２２の各レンズより射出した光線が入射するように、レンズアレイを構成する各レンズの周期に合わせた構成となっている。
【００１１】
Ｒ１１は偏光変換光学素子１２６に入射する光線を示したものである。偏光分離面１２６Ａは光の偏光成分を分離するための手段であり、薄膜等により形成されている。偏光分離面１２６Ａは、例えば、偏光成分のうちＰ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射するような構成となっている。Ｒ１１は光源１より発光した光であり、ランダムな偏光成分を有している。光Ｒ１１の中のＰ偏光成分は偏光分離面１２６Ａを透過し、λ／２位相の波長板１２６Ｂに入射する。波長板１２６Ｂは光の偏光方向を９０°回転させるような波長板であるため、波長板１２６Ｂより射出する光線は９０°偏波面が回転する。偏光分離面１２６Ａで反射されたＳ偏光成分は反射面１２６Ｃで反射され図に示したように、偏光分離面１２６Ａを透過した光線Ｒ１Ｐと異なった位置に光Ｒ１Ｓとして出射する。光Ｒ１Ｐは前述したように、波長板１２６Ｂにより偏波面を回転させられるため、射出光束としては、偏光方向が揃っていることになる。このため、光の利用効率が高くなる。
【００１２】
図１０は、図９の光学系中の第２のレンズアレイ１２２の射出側に偏光変換光学素子１２６を配置したインテグレータ光学系の配置概要を示したものであり、偏光変換素子１２６以外の光学系についての光学的配置については図９と同様であるため、説明は省略する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図１２は図９において第２レンズアレイ１２２付近に形成される光源（発光体）１０３の光源像の概要を示したものである。図１２は縦８，横６の４８個の第２レンズより成る第２レンズアレイの各レンズ１２５に入射する光源像の大きさを１３５で示している。図に示したように、光軸１０４に近いほど光源像１３５が拡大し、第２レンズアレイ１２２の開口よりも光源像が大きくなっていることがわかる。このため、開口から外れた光が損失となり、光が有効に利用されていないといった課題を生じている。又、前述したように、現在インテグレータ光学系に偏光変換光学系を組み合わせて、さらに光量をあげる試みがされている。
【００１４】
図１１ではＲ３，Ｒ２は、第１レンズアレイ１２１からの光線を示している。前述したように、第２レンズアレイ１２２付近で光源１０３の実像１３５を形成している。光束Ｒ２，Ｒ３は第２レンズアレイ１２２の各レンズ１２５を透過し、偏光変換光学素子１２６に入射するが、偏光変換光学素子の構成から偏光変換機能を有しているのは開口部Ａ１となる。つまり、開口部Ａ１の部分以外の位置に入射する光線（図中点線の光線）は損失となってしまう。つまり、第２レンズアレイ１２２の開口よりも偏光変換機能を有する開口部Ａ１の方が小さくなっていることがわかる。図１３は第２レンズアレイ１２２上に形成される光源像の大きさと、第２レンズアレイ１２２の開口及び偏光変換光学系１２６の有効部の対応関係を示したものである。１３５は各発光体１０３の投影像、斜線部は偏光変換光学素子の非有効部Ａ２を示している。
【００１５】
この図１３で示したように、第２インテグレータ付近に形成される光源の像は中心付近で大きくなるため、偏光変換光学系の非有効部に入射する割合が大きくなり、偏光変換等により全体として光の利用効率は上がっているものの、第２レンズアレイ上で損失があるという課題を有する。
【００１６】
図１４を用いて第２レンズアレイ１２２上で光源の大きさが異なることについて補足説明する。図１４は、従来のインテグレータ光学系を示したものであり、第２レンズアレイ上に光源像ができるときの結像関係についての概略を示したものである。反射鏡１０２は発光点を焦点とする放物面である。従って、発光点から光線は反射面１０２で反射され平行光となる。
【００１７】
一方、放物面１０２の微小領域の焦点距離は、放物面上の位置の関数になる。図１４で、発光点と放物面上の距離がその微小領域における焦点距離となる。従って、放物面上の点Ｐａ（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）における焦点距離ｆｐ（Ｐａ）は、
ｆｐ（Ｐａ）＝ＳＱＲＴ（ｘｐ2＋ｙｐ2＋ｚｐ2）
となる。従って、放物面上の点Ｐａ，Ｐｂの位置における焦点距離を考えると、点Ｐａの方が原点に近いため、焦点距離が短くなる。
【００１８】
ｆｐ（Ｐａ）＜ｆｐ（Ｐｂ）
ここで、ｆｐ（Ｐａ）は点Ｐａの位置の焦点距離、ｆｐ（Ｐｂ）は点Ｐｂの位置の焦点距離である。又、第１レンズアレイ１２１の各レンズ１２４の焦点距離はすべて等しくｆａ１であるとする。光学系の構成から、第２レンズアレイ付近に結像される場合の光源像の倍率は、Ｐａの位置，Ｐｂの位置に関しそれぞれ、
βＰａ＝ｆａ１／ｆｐ（Ｐａ）
βＰｂ＝ｆａ１／ｆｐ（Ｐｂ）
となり、関係式
ｆｐ（Ｐａ）＜ｆｐ（Ｐｂ）
より倍率が異なり、拡大率がＰａの点を通る光線の方が大きい、つまり光源像が大きくなることがわかる。
【００１９】
以上が、図１２，図１３においての光源像の大きさが異なる主たる要因である。
【００２０】
本発明は、光の利用効率を高め、被照射領域を高い照度で照明することができる、照明装置及びそれを用いた投影装置の提供を目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の照明装置は、発光体と、
該発光体からの放射光を集光する放物面鏡又は楕円面鏡を有する集光手段と、
複数の第１レンズを２次元状に配列し、該集光手段からの光束を複数の光束に分割する第１レンズアレイと、
該第１レンズアレイの複数の第１レンズと対をなす複数の第２レンズを２次元的に配列した第２レンズアレイと、
該第２レンズアレイからの該複数の光束の各々を被照明領域上に照射する光学系とを有し、該集光手段と該複数の第１レンズの個々のレンズで構成される複数の系は、互いに該発光体を結像するときの結像倍率が等しいことを特徴としている。
【００２２】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記複数の第１レンズの光軸近傍の第１レンズと周辺部の第１レンズとは互いに焦点距離及び／又は光軸方向の長さが異なっていることを特徴としている。
【００２３】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、前記複数の第１レンズは前記集光手段からの光束を各レンズに対応する前記第２レンズの開口部近傍で最も収束せしめていることを特徴としている。
【００２４】
請求項４の発明は請求項１、２又は３の発明において、前記光学系は前記第２レンズアレイからの光束を集光する第３レンズを有していることを特徴としている。
【００２５】
請求項５の発明は請求項１乃至４のいずれか１項の発明において、前記複数の第１レンズの一部は、それらの開口中心から前記集光手段の光軸までの距離の長さに応じてそれらの焦点距離を相対的に変えていることを特徴としている。
【００２６】
請求項６の発明は請求項１乃至５のいずれか１項の発明において、前記集光手段は凹面鏡から成り、前記発光体の長軸方向と該集光手段の光軸を同一方向とすることを特徴としている。
【００２７】
請求項７の発明は請求項１乃至６のいずれか１項の発明において、前記光学系は第３レンズを有しており、前記第１レンズ又は第２レンズ又は第３レンズの少なくとも１つの光学面を非球面としたことを特徴としている。
【００２８】
請求項８の発明は請求項１乃至７のいずれか１項の発明において、前記第２レンズアレイからの光束の偏光状態を揃えて射出させる偏光変換素子を備えることを特徴としている。
【００２９】
請求項９の発明は請求項１乃至８のいずれか１項の発明において、前記第１レンズは平面を光入射側に向けた平凸レンズであることを特徴としている。
【００３０】
請求項１０の発明の照明装置は、発光体と、
該発光体からの放射光を集光する放物面鏡又は楕円面鏡を有する集光手段と、
略同一の開口形状を有する複数の第１レンズを２次元状に配列し、該集光手段からの光束を複数の光束に分割する第１レンズアレイと、
該第１レンズアレイの複数の第１レンズと対をなす複数の第２レンズを２次元的に配列した第２レンズアレイと、
該第２レンズアレイからの光束の偏光状態を揃えて射出させる偏光変換素子と、該第１レンズアレイからの該複数の光束の各々を被照明領域上に照射する光学系とを有し、
前記複数の第１レンズが、光軸方向の位置及び焦点距離が互いに異なるレンズを備えることを特徴としている。
【００３１】
請求項１１の発明は請求項１０の発明において、前記偏光変換素子は、光束をＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離する偏光光束分離面と、該偏光光束分離面によって分離されたＰ偏光光束とＳ偏光光束のうちいずれか一方の光を反射させる反射面と、いずれか一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換する偏光変換手段とを有し、該反射面と該偏光光束分離面とが交互に配列されていることを特徴としている。
【００３２】
請求項１２の発明の投影装置は、請求項１から１１のいずれか１項の照明装置の被照明領域に配置した被投影物体を投影光学系で所定面上に投影していることを特徴としている。
【００３３】
請求項１３の発明は請求項１２の発明において、前記被投影物体は液晶パネルであることを特徴としている。
【００４９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の照明装置を用いた投影装置の実施形態１の要部概略図である。以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に述べる。尚、各実施形態において、特に断りのない限り、光学系を構成する光軸をＺ方向、被投影物体としての液晶パネルの形状に対応した被照射領域で液晶の長手（水平）方向をＸ方向、短手（垂直）方向をＹ方向としている。
【００５０】
図１において、１は光源としてのメタルハライドランプ、２は光源１の発光体、３は集光手段としての放物面鏡、４は第１レンズアレイ板であり、互いに中心厚が異なり焦点距離が異なる複数の第１レンズ１０より成っている。尚、第１レンズアレイの一部のレンズのみを互いに焦点距離が異なるようにしても良い。５は第２レンズアレイ板、６は偏光変換素子であり、図１１で示したのと同様の構成より成っている。７は第３レンズ、８は被照明領域である。９は照明装置の主光軸（光軸）であり、発光体２から第１レンズアレイ板４の有効領域の中心４ａと第２レンズアレイ板５の有効領域の中心５ａ、偏光変換素子６の有効領域の中心６ａ、第３レンズ７のレンズ中心を経て被照明領域の中心８ａに至る。ただし、主光軸９と放物面鏡３の回転対称軸は一致している。被照明領域８は、例えば液晶パネル等のライトバルブの有効表示領域である。ＰＬは投影レンズ、Ｓはスクリーンである。
【００５１】
一般に、メタルハライドランプ１は円筒形に近い形状の発光体２を形成する。発光体２の長軸方向と主光軸９の方向を一致させ、その重心は放物面鏡３の焦点近傍に位置している。したがって、第１レンズアレイ板４には主光軸９と平行に近い光が入射する。厳密には、放物面鏡３の焦点から放射された光が主光軸９と平行に入射する。
【００５２】
図２に第１レンズアレイ板４の構成の一例を示す。被照明領域８と相似形状である矩形開口の第１レンズ１０を４８個２次元的に配列している。第１レンズアレイ板４の中心４ａに対して右上の１／４象現内のレンズのみａ〜ｌの記号を記載している。他のレンズについては中心４ａを通るＸＹ軸に対して右上の形状と軸対称な構成を有しているのが一般的な構成なので記号の記載は省略している。
【００５３】
第１レンズ１０の開口はすべて同一形状であり、アスペクト比４：３の矩形開口である。これは、例えばＮＴＳＣのＴＶ画像を表示する液晶パネルを照明する場合を想定し、被照明領域８に対して相似形状としている。第１レンズ１０は放物面鏡３から出射する光束の断面形状に合わせて各開口の形状と、Ｘ，Ｙ各方向のアレイ数が決定される。
【００５４】
第１レンズアレイ板４の有効領域の中心４ａは、４８個の第１レンズ１０が内接する円の中心であり、この中心４ａを主光軸９は通過する。尚、第２レンズアレイ板５と複数の第２レンズ１１のＸＹ断面の開口形状は第１レンズアレイ板４と複数の第１レンズ１０のＸＹ断面の開口形状と同じなので図示はしない。
【００５５】
次に本実施形態における照明装置の特徴を説明する。
【００５６】
放物面鏡３は発光体２から放射される光を集光し、主光軸９に沿った単一光束を形成する。この単一光束は、主光軸９の近傍ほど光束密度が高く明るさむらが大きい。第１レンズアレイ板４に入射した単一光束は４８の第１レンズ１０により４８本の部分光束に分割される。分割後の各部分光束は元の単一光束に比較して明るさむらが小さくなっている。複数の第１レンズ１０は、互いに焦点距離が異なっており、対応する部分光束を対応する第２レンズアレイ板５の第２レンズ１１の開口部に光源１の発光体２の像が略同一となるように導いている。又、第２レンズ１１の開口部近傍で各々の部分光束を最も収束させている。第２レンズアレイ板５の各開口部近傍に発光体２の２次光源が形成されている。尚、「略」とは本発明の目的を達成できる程度のことをいう。これは以下同じである。
【００５７】
第２レンズ１１と第３レンズ７の合成の光学系により、対応する部分光束は適当な大きさに拡大され、被照明領域８上に重ね合わせる。具体的に、対応する第１レンズ１０の開口形状に即した断面形状の光束を倍率Ｍだけ拡大し、被照明領域８上に導いて重畳させている。第１レンズ１０の開口を被照明領域８と相似形状としているので、照明光の光束断面形状と被照明領域８の形状が一致し、光利用効率の面で有利となる。又、第１レンズアレイ板４の第１レンズ１０の開口はすべて同形状であるので、投影倍率は第１レンズの各開口で同じ倍率となる。
【００５８】
複数の第１レンズ１０の主光軸９方向の位置と各第１レンズ１０の各焦点距離は異なっている。又、各第１レンズ１０と被照射領域８の中心８ａまでの距離は各レンズ１０毎に異なっている。したがって、複数の第１レンズの開口像を被照射領域８に鮮明に結像するために、第２レンズ１１と第３レンズ７の合成のパワーを各部分光束（又は、第２レンズアレイの各レンズ、又は第３レンズを非球面）毎に変えており、これによってすべての第１レンズ１０の開口の被照射領域での開口像を被照射領域８上で略同一方法で鮮明に重ね合わせている。
【００５９】
本発明の照明装置は、放物面鏡３からの明るさむらの大きな単一光束を第１レンズアレイ板４で明るさむらの小さい部分光束に分割し、これを第２レンズアレイ板５や第３レンズ７によって被照明領域上に重畳させているので、明るさの均一性に優れた照明を実現できるという特徴がある。
【００６０】
一方、ランプの消費電力を大きくすることなく明るい照明光を得るために、光利用効率の高い照明装置を構成することは重要である。発光体２から放射された光の大部分は、放物面鏡３により集光されて第１レンズアレイ板４に入射し、第２レンズアレイ板５に到達する。したがって、第２レンズアレイ板５及び偏光変換素子６の開口部における光の損失が少なければ、発光体２から放射される光の大部分は有効に被照明領域８に到達することがわかる。
【００６１】
本発明の構成では、発光体２の第２レンズアレイ板５の開口近傍での投影像の大きさが略均一になるように複数の第１レンズをそれらの主光軸方向の位置と焦点距離を互いに異ならせている。これによって、第２レンズアレイ板５及び偏光変換素子６の開口部における光の損失が殆どない高い光利用効率を実現できる照明装置を提供している。この場合、光学系（３，４，５，７）の配置誤差等を考慮して、第１レンズアレイ板４のそれぞれの第１レンズ１０の投影像が第２レンズアレイ板５の開口に対して余裕を与える程度に、投影像のサイズを決定しても構わない。
【００６２】
次に図３を用い、本発明の特徴である第１レンズアレイの構成について補足する。図３は、特に第１レンズ１０ｆ及び第２レンズ１１ｆの組み合わせに着目し、発光体２から放物面鏡３，第１レンズ１０ｆ，第２レンズ１１ｆ，偏光変換素子６，第３レンズ７，被照明領域８に至る経路に沿って、関連する要素のみを記述している。
【００６３】
発光体２の長さ（長軸方向）をｄＬ，太さ（短軸方向）をφ０、第１レンズ１０ｆの光軸と放物面３の交点をＱｆ、交点Ｑｆと発光点２の重心位置（放物面鏡３の焦点位置）の距離をＬ１ｆ、第１レンズ１０ｆの焦点距離をＦ１ｆ、第２レンズ１１ｆの焦点距離をＦ２ｆとおく。放物面鏡３の焦点から出射し、第１レンズ１０ｆの開口中心、第２レンズ１１ｆの開口中心を経て被照明領域８の中心８ａに至る光線に沿った経路を、着目しているレンズ系の補助光軸２５とする。
【００６４】
放物面３の局所的な焦点距離は前述のＬ１と見做して良く、したがって第１レンズ１０ｆの焦点距離Ｆ１ｆとの合成で、第２レンズアレイ５の対応する第２レンズ１１ｆ上に投影される発光体２の投影像２６ｆは倍率βｆだけ拡大又は縮小された像となる。ここで倍率βｆは、
βｆ＝Ｆ１ｆ／Ｌ１ｆ
で与えられる。さらに光源２の長軸ｄＬと補助光軸２５は直交していないので、補助光軸２５との傾き角θに応じて、結像面上で光線像２６ｆは傾き、その傾きは各レンズ光軸と発光体２の重心位置を含む面と垂直な軸に対して回転するように傾く。
【００６５】
図４は第２レンズアレイ板５上の着目している第２レンズ１１ｆのみと、そこに作られる発光体像（光源像）２６ｆの一例を示す。光源像２６ｆは主光軸９に対して回転対称に投影されるので、第２レンズ１１ｆの中心と主光軸位置５ａを結ぶ軸に沿って発光体２の長軸ｄＬが投影される。
【００６６】
図５は第２レンズアレイ板５上に作られるすべての発光体像２６の様子を観測した結果の一例を示す。発光体像２６の大きさは、前述した像の回転等を考慮して第１レンズ１０の各焦点距離を決定しているので、略均一な大きさが得られる。
【００６７】
本発明の照明装置の実施例において、凹面鏡は、特に放物面鏡でなくても構わない。楕円面鏡等を用いても良く、この場合も同様に、楕円と第１レンズによる第２レンズの開口近傍の発光体像２６が所望のサイズとなるように第１レンズの各焦点距離を決定すれば良い。尚、第３レンズ７を第２レンズアレイと同様に複数のレンズを配列したレンズアレイより構成しても良い。
【００６８】
又、図５において、発光体像２６は第２レンズ１１の開口よりその直後の偏光変換素子６の開口部の方が小さいので、偏光変換素子６の開口での光損失をなくすように発光体像２６の大きさ、つまり複数の第１レンズ１０の焦点距離を決定している。しかし、偏光変換素子６を用いない系にも本実施例は適用でき、この場合は、第２レンズ１１の開口部で損失がないように第１レンズ１０の焦点距離を決定すれば良い。
【００６９】
さらに本実施例において、発光体像２６のサイズが略均一になるように複数の第１レンズ１０の焦点距離を変えているが、必ずしも全エリアで発光体像を均一にする必要はない。具体的には、第２レンズの開口部等で光損失がないような像であれば、開口に対して十分小さな像や、開口と略同サイズの像等と、ばらついていても本発明の目的は達成できる。これは、特に放物面鏡３の局所的な焦点距離Ｌ１が大きく変化する場合に有効である。
【００７０】
上に述べた実施例において、第１レンズ１０の開口形状を被照明領域８と相似形状として説明した。これは、被照明領域を照明する光束の断面形状を被照明領域の形状に合わせることができるので、光利用効率の面で有効である。しかし、本発明の効果は、特に第１レンズの開口形状にはよらず、必ずしも被照明領域と相似形状とする必要はない。
【００７１】
又、発光体，凹面鏡，第１レンズ，第２レンズ，第１レンズアレイ板，第２レンズアレイ板の形状，構成，位置関係等は、特に上に述べた関係を厳密に満たす必要はない。被照明領域を照明する光が所定の性能を満たすように適宜、変更しても構わない。特に第１レンズ，第２レンズ，第３レンズのいずれかの光学面の少なくとも１つを非球面形状とすれば、照明光に与える諸収差の影響を低減でき、光利用効率をさらに高めることができる。
【００７２】
次に本発明の実施形態２について説明する。
【００７３】
実施形態１では、第１レンズを平凸レンズとし、光源側に平面を向けて第１レンズを構成した場合について述べた。本発明の効果はこの構成に限定されない。図６に示すように、基板１２の光源２側に凸面を向けた第１レンズ１３と、平面を向けた第１レンズ１２ａを組み合わせることも可能である。この場合、基板の厚み分だけ第１レンズの位置はシフトすることは可能である。実施する焦点距離の変化が少ない場合等は、本実施の構成は第１レンズアレイ１０の素子厚を薄くできるので、ガラス成形等で第１レンズアレイを作成する場合は、特に有効である。さらに平凸レンズだけでなく、焦点距離の短い第１レンズの一部を両凸レンズとすると、各レンズの曲率が緩和でき、成形による製造はさらに容易にできる。
【００７４】
次に本発明の実施形態３について説明する。
【００７５】
図７に本発明の実施形態３の照明装置を用いて投写型表示装置を構成した場合について述べる。５０は図１に示したものと同じ照明装置である。５１は透過型のツイストネマティック液晶パネル、５２は投写レンズ、５３はスクリーンを表す。投写レンズ５２はテレセントリックの投写レンズを用いている。本発明の実施例は被投射領域の大きさ、及びそこに照射される光束の入射角については、従来例と全く同じ構成で高効率な照明を達成しているので、これらの光学系は従来例と同様な光学系がそのまま使用できる。
【００７６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、被照明領域への照明光の集中角を大きくすることなく、高い光利用効率で明るさの均一性に優れた照明装置を提供することができる。さらに、本発明の照明装置を用いれば明るく、明るさの均一性に優れた投写画像を呈示するコンパクトな投影装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１の照明装置を用いた投影装置の要部概略図
【図２】  図１の第１レンズアレイのＸＹ断面形状の説明図
【図３】  図１の光源の投影関係の説明図
【図４】  図１の第２レンズアレイのＸＹ断面図
【図５】  図１の第２レンズアレイ上に投影された発光体像の説明図
【図６】  本発明の実施形態２の照明装置の要部概略図
【図７】  本発明の実施形態３の投影装置の要部概略図
【図８】  従来の照明装置の一例を示す構成図
【図９】  従来の照明装置の他の一例を示す構成図
【図１０】  従来の照明装置の他の一例を示す構成図
【図１１】  従来の偏光変換素子の原理説明図
【図１２】  従来例における第２レンズアレイ上に投影された発光体像の説明図
【図１３】  他の従来例における第２レンズアレイ上に投影された発光体像の説明図
【図１４】  従来の光源の投影関係の説明図
【符号の説明】
１  ランプ
２  発光部
３  反射鏡
４  第１レンズアレイ
５  第２レンズアレイ
６  偏光変換素子
７  第３レンズ
８  被照射領域
９  照明装置主光軸
１０  第１レンズ
１１  第２レンズ
２５  補助光軸
２６  発光体投影像
５０  照明光学装置
５１  液晶パネル
５２  投射レンズ
５３  スクリーン
１０１  ランプ
１０２  反射鏡
１０３  発光部
１０４  照明装置主光軸
１０５  補助光軸
１０６  被照射領域
１２１  第１レンズアレイ
１２２  第２レンズアレイ
１２３  第３レンズ
１２４  第１レンズ
１２５  第２レンズ
１２６  偏光変換素子
１３５  発光体投影像
【図１】
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【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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