(57)【要約】【課題】照明光学系、それを用いた照明ユニットおよび画像投影装置において、光源の発光面が相対的に大きく、点光源と見なし得ない場合でも、光利用効率を向上することができるようにする。【解決手段】発散光を放射するＬＥＤ素子１０と、ＬＥＤ素子１０からの発散光を集光する凹面鏡１１と、凹面鏡１１で集光された光を投射する集光レンズ１２とを有する照明光学系であって、凹面鏡１１が非球面の凹面鏡からなり、集光レンズ１２が、中心部で正の屈折力を有し周辺部に向けて屈折力が減少する非球面である、第１レンズ面１２ａ、第２レンズ面１２ｂを備えるようにする。【選択図】図２
2007171319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発散光を放射する光源と、該光源からの前記発散光を集光する反射光学系と、該反射光学系で集光された光を投射するレンズ光学系とを有する照明光学系であって、
前記反射光学系が、非球面の凹面鏡からなり、
前記レンズ光学系が、中心部で正の屈折力を有し周辺部に向けて屈折力が減少する非球面を備える構成とされたことを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記非球面の凹面鏡が、中心部から周辺部に向けて増大する屈折力を有することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記レンズ光学系が、両面非球面レンズからなることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記光源が、前記反射光学系の有効径に対して有限の大きさを有する面状光源であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の照明光学系。
【請求項５】
前記光源が、複数の発光素子を配置して構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の照明光学系。
【請求項６】
請求項１〜５の照明光学系を複数設けた照明ユニット。
【請求項７】
請求項１〜５の照明光学系または請求項６の照明ユニットを投影光源として用いる画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は照明光学系、照明ユニットおよびそれを用いた画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光源からの発散光を集光して、適宜の領域を所望の配光分布で照明する照明光学系が種々提案されている。光源の種類としては、近年、例えばＬＥＤなどの固体発光素子が採用されることが多い。また、これらの照明光学系は、例えばプロジェクタ、リアプロジェクションテレビ、投光装置などの画像投影装置の一部として、利用されている。
例えば、特許文献１には、断面が楕円の部分円弧状の反射面を有する反射鏡と、その反射面の焦点に発光を有するランプと、反射鏡の２つの焦点の間に配置された凹レンズからなる投光装置が記載されている。
また、特許文献２には、点光源と、その後面にコーン状の反射面を形成する反射体と、点光源と反射体との前方側に配置された正の屈折力を有する第１のレンズ群と、第１のレンズ群の光軸近傍に配置された第２のレンズ群とを有し、第２のレンズ群が光軸近傍で屈折力が負またはゼロで、周辺の屈折力が正である光出力装置が記載されている。
また、特許文献３には、ＬＥＤとコリメータ光学系とからなり、コリメータ光学系がＬＥＤ側から順に、光源側が凹面であるメニスカスレンズと、非球面を備える非球面レンズとを含む照明装置およびプロジェクタが記載されている。そして、このような光学系の後段に、光軸から離れるに従って屈折力が小さくなる集光光学系を配置することにより、光源の周縁部から射出した光が光源の中心部から射出した光の集光範囲に略集光できるようにした構成が記載されている。
【特許文献１】特開平１０−３１１９４４号公報（図１、５、９）
【特許文献２】特開２００３−３５８８３号公報（図５、７）
【特許文献３】特開２００５−２０８５７１号公報（図１、８、１０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、近年、ＬＥＤ等の固体発光素子を利用した照明光学系、照明ユニットおよびそれを用いた画像投影装置においては、小型でかつ高輝度のものが求められている。高輝度の要請に対しては、ＬＥＤ等の光源の発光面積を大きくするか複数個配置して面状光源として光源の光出力を増すことが考えられる。その場合、照明光学系においては、その光源から射出した光を高効率で所定の角度方向に導くことのできるものであることが望ましい。
しかしながら、上記のような従来の照明光学系、それを用いた照明ユニットおよび画像投影装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、楕円形状の反射鏡の焦点位置に光源を位置調整可能に配置するため、ランプが点光源の場合には所望の配光分布が得られるものの、ランプの大きさがレンズや反射鏡に対して相対的に大きくなると、いわゆる面光源の全発光面からの全射出光を所定の角度方向に導くことはできず、結果として良好な配光分布は得られないため光利用効率が悪化するという問題がある。
特許文献２に記載の技術では、特許文献１と異なる構成を有するものの、点光源を前提として配光分布を調整することは同様なので、光源の大きさが相対的に大きい場合には、良好な配光分布は得られないため光利用効率が悪化するという問題がある。
特許文献３に記載の発明では、コリメータ光学系としてレンズ光学系を用いているので、光源周縁部から射出した光を集光できるとしてもレンズ光学系のＮＡの範囲に限られ、光利用効率を向上するには、ＮＡの大きなコリメータ光学系を構成する必要があり、レンズ構成が複雑化したり、有効レンズ径が大きくなってしまい、小型で光利用効率の良い照明光学系、照明ユニットおよびそれを用いた画像投影装置が達成できないという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、光源の発光面が相対的に大きく、点光源と見なし得ない場合でも、小型な構成でありながら光利用効率を向上することができる照明光学系、それを用いた照明ユニットおよび画像投影装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明の照明光学系は、発散光を放射する光源と、該光源からの前記発散光を集光する反射光学系と、該反射光学系で集光された光を投射するレンズ光学系とを有する照明光学系であって、前記反射光学系が、非球面の凹面鏡からなり、前記レンズ光学系が、中心部で正の屈折力を有し周辺部に向けて屈折力が減少する非球面を備える構成とする。
この発明によれば、光源からの発散光を非球面の凹面鏡からなる反射光学系により集光し、さらにレンズ光学系により集光して、一定の投射角の範囲に集光することができる。
光源からの発散光を集光する凹面鏡は、コリメータ光学系のようにＮＡの制約を受けることなく、発散光の全てを前方に反射し集光することができるものである。
さらに、凹面鏡を非球面とすることで、レンズ光学系の非球面作用とともに、効果的に軸上光と軸外光全ての射出角度を一定範囲に抑制することができる。
このとき、光源周辺からの発散光（以下、「軸外光」とよぶ）は、その全光線束のうち、凹面鏡の光軸に近い中心部分の反射面で反射されるものほど、反射方向が光源中心からの発散光（以下、「軸上光」とよぶ）の反射方向から大きくずれるが、レンズ光学系が中心部分で周辺部分より大きい正の屈折力を有するので、レンズ光学系の中心部分を通る軸外光ほど大きな屈折作用が働く。そのため、反射光学系により軸上光の反射方向からずれた軸外光を屈折して軸上光の反射方向との差を低減することができる。その結果、軸外光のレンズ光学系からの射出角度を一定範囲に抑制することができる。
【０００６】
また、本発明の照明ユニットは、本発明の照明光学系を複数設けた構成とする。
この発明によれば、本発明の照明光学系を用いるので、本発明の照明光学系と同様の作用効果を備える。
また、本発明の画像投影装置は、本発明の照明光学系または照明ユニットを投射光源として用いる構成とする。
この発明によれば、本発明の照明光学系または照明ユニットを用いるので、本発明の照明光学系または照明ユニットと同様の作用効果を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の照明光学系、照明ユニットおよびそれを用いた画像投影装置によれば、反射光学系を用いるため光源からの発散光を効率的に集光することができるとともに、光源が点光源と見なし得ない場合でも、反射光学系で発生する軸上光に対する軸外光の反射方向のずれをレンズ光学系により低減することができるので、レンズ光学系から出射される光を軸外光も含めて効率よく集光することができ、光利用効率を向上することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【０００９】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る照明光学系について、それを用いた照明ユニットおよび画像投影装置とともに説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る照明光学系を用いた画像投影装置の概略構成を示す模式図である。図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る照明光学系の概略構成および軸上光の光路を示す光軸を含む断面における光線図である。図２（ｂ）は、同じく照明光学系を軸外光の光路の一例について示す光軸を含む断面における光線図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る照明光学系に用いる光源の一例を示す平面図である。
【００１０】
プロジェクタ１は、本実施形態の照明光学系を含む照明ユニット２を備え、反射型スクリーン６上に、例えば外部信号に応じたカラー画像を投影する画像投影装置である。
プロジェクタ１の概略構成は、照明ユニット２、集光レンズ３、空間変調素子４、および投影レンズ５からなる。
【００１１】
照明ユニット２は、フルカラー画像を表示するために少なくとも光の３原色Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する波長の略平行光を時分割されたタイミングで順次生成するものである。
集光レンズ３は、照明ユニット２で生成された略平行光を空間変調素子４上の変調領域に集光する光学素子である。
【００１２】
空間変調素子４は、集光レンズ３で集光された光を、照射タイミングに対応する波長光の画像信号に応じて空間変調し、色分解された画像を表示するものである。空間変調素子４としては、例えば透過型の素子としては液晶表示デバイス（ＬＣＤ）、反射型の素子としては微小ミラーアレイであるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ、Digigal Micromirror Device）や反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ、Liquid Crystal On Silicon）などの素子を採用することができる。
投影レンズ５は、空間変調素子４で表示された画像を反射型スクリーン６上に拡大投影する光学素子である。
【００１３】
照明ユニット２の詳細構成について説明する。
照明ユニット２は、図２（ａ）に示すように、本発明の第１の実施形態に係る照明光学系を構成するＬＥＤ素子１０、凹面鏡１１、および集光レンズ１２を備え、これらが不図示の筐体に位置決めして配置されたものである。
ＬＥＤ素子１０は、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長成分を独立に駆動し、全体として白色の照明光を形成する光源である。
本実施形態では、図３に示すように、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に対応するＬＥＤチップＲ、Ｇ、Ｂを３×３の正方マトリックス状に配列した構成を備える。特に図示しないが、これらの各ＬＥＤチップには、発光するための電圧印加部設けられ、適宜の点灯制御手段により点灯制御できるようになっている。
各色の配置位置は、図示横方向を添字ｉ、図示縦方向を添字ｊとして、Ｅｉｊ（ただし、ｉ、ｊは、それぞれ１，２，３のいずれか）と表すと、ＬＥＤチップＲが、位置Ｅ１１、Ｅ３３、ＬＥＤチップＢが、位置Ｅ１３、Ｅ３１、それ以外がＬＥＤチップＧであるような配置位置を採用することができる。
この配置位置では、ＬＥＤ素子１０の外周部を形成するＥ１１、Ｅ１２、Ｅ１３、Ｅ２３、Ｅ３３、Ｅ３２、Ｅ３１、Ｅ２１に、それぞれＬＥＤチップＲ、Ｇ、Ｂ、Ｇ、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｇが配置され、各色が循環的となって隣接素子同士のバランスがよくなる。また、中央のＥ２２に対して各色の配置が左右対称あるいは回転対称になるため２次元的にもバランスがとれているものである。そのため、ＬＥＤ素子１０の中央部と周辺部とで放射される光の光路に変化が生じても、照射面におけるＲＧＢのバランスが崩れにくい配列となっている。
【００１４】
凹面鏡１１は、ＬＥＤ素子１０からの発散光を集光する反射光学素子であり、回転放物面に近似した回転対称非球面からなる凹反射面を備える。本実施形態では、凹反射面は、径方向の中央部から、周辺部に向けて増大する屈折力を有する形状とされている。
そして、ＬＥＤ素子１０の発光面の中心を通る法線が、凹面鏡１１の光軸と一致する状態で、ＬＥＤ素子１０から適宜距離だけ離して配置されている。
例えば、本実施形態のように、照明ユニット２から略平行光を出射するためには、凹面鏡１１の径方向の周辺部で反射された軸上光が略平行光とされるような距離に配置される。
【００１５】
集光レンズ１２は、径方向の中心部で正の屈折力を有し、径方向の周辺部に向けて屈折力が減少する回転対称の非球面レンズである。本実施形態では、図２（ａ）に示すように、物体側（凹面鏡１１側）の第１面１２ａを、中心部１２Ａで凹面、周辺部１２Ｂで凸面とし、像側の第２面１２ｂを、中心部１２Ａで第１面１２ａより全体として曲率が小さい凸面、周辺部１２Ｂで第１面１２ａの形状に略沿った凹面にそれぞれ形成することで、上記のような屈折力分布を実現している。
すなわち、集光レンズ１２の屈折力は、中心部１２Ａ内で正の値をとりつつ径方向に沿って減少し、周辺部１２Ｂで屈折力が略ゼロになっている。
なお、ここで、中心部１２Ａ、周辺部１２Ｂは、説明の便宜のための相対的な区分であり、第１面１２ａと第２面１２ｂとでは、それぞれ若干異なる範囲が該当する。
【００１６】
プロジェクタ１の動作について、本実施形態の照明光学系の作用を中心に説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態に係る照明光学系における軸上光および軸外光の光学系からの光線射出角度分布の一例について説明するグラフである。横軸はＬＥＤからの射出光線配光角、縦軸は照明光学系からの光線射出角度を表し、それぞれの単位は、（°）である。またそれぞれの角度は、光学系の光軸と平行の場合を０°としたときの角度を示す。
【００１７】
プロジェクタ１は、例えば外部からＲ、Ｇ、Ｂにそれぞれ色分解された画像信号を受けると、照明ユニット２を、例えばＲ、Ｇ、Ｂの順に切り替えて点灯し、それぞれの色に応じた画像信号に対応して空間変調素子４を時分割駆動する。照明ユニット２から出射されるＲ、Ｇ、Ｂの光は、集光レンズ３で集光されて、空間変調素子４で空間変調され、各色に対応する色分解画像を表示する。そして、空間変調素子４に表示された画像は、投影レンズ５で拡大され反射型スクリーン６上に投影される。その結果、反射型スクリーン６上でフルカラー画像を観察することができる。
【００１８】
照明ユニット２に、点灯制御信号が送出されると、ＬＥＤ素子１０の所定色に対応するＬＥＤチップが点灯される。
ＬＥＤ素子の多くは、ランバートの法則を略満たすので、配光角の余弦に略比例した配光分布を持つ。すなわち、配光分布が、光軸から計った配光角θが０°から９０°に変化するにつれて光出力が低下するような発散光となっている。
【００１９】
本実施形態では、ＬＥＤ素子１０を、例えば０．５ｍｍ角とし、凹面鏡１１、集光レンズ１２の有効径を、それぞれφ９．５ｍｍ、φ９．８ｍｍとしている。このため、ＬＥＤ素子１０は、点光源と見なすことができず、周辺部からの光が軸外光として集光され、軸上光と異なる配光分布を形成することが無視できない構成となっている。
凹面鏡１１は、その屈折力が中心部から周辺部に向けて減少し、周辺部で軸上光が略平行光とされるので、ＬＥＤ素子１０から出射されたＬＥＤ素子１０の軸上光は、図２（ａ）に示すように、中心部１１Ａでわずかに発散する光として集光され、周辺部１１Ｂでは、略平行光として集光される。
一方、軸外光は、図２（ｂ）に示すように、ＬＥＤ素子１０からの射出角が小さい光束ほど、軸上光との差異が大きくなるため、凹面鏡１１からの光線反射角度が大きくなる。したがって、中心部１１Ａに照射される相対的に高出力の光が光軸に対して傾斜した方向に反射される。
このとき、中心部１１Ａの屈折力は、放物反射面に比べて小さくなっているので、光軸に対し角度を持ちながら、わずかに発散する光として集光されるものとなる。周辺部１１Ｂでは、軸上光と同様に略平行光として集光される。
非球面である凹面鏡１１による、このような軸上光および軸外光の集光光線は、後述する集光レンズ１２の非球面作用と相まって、射出光線角度を制御するのに好適なものとなっている。
【００２０】
凹面鏡１１で反射された光は、集光レンズ１２により集光される。
凹面鏡１１の反射によりわずかに発散する光となっている、中心部１２Ａに入射する軸上光は、中心部１２Ａの正の屈折力により集光され略平行光とされる。また、同様に略平行光となっている、周辺部１２Ｂに入射する軸上光は、屈折力が略ゼロの周辺部１２Ｂを透過し、略平行光として出射される。
一方、凹面鏡１１の反射により光軸に対して角度を持ちながらわずかに発散する光となっている、中心部１２Ａに入射する軸外光は、図２（ｂ）に示すように、中心部１２Ａの正の屈折力による屈折作用を受けて集光され、光軸に対して有限の光線射出角度分布を有する略平行光とされる。また、同様に略平行光となっている、周辺部１２Ｂに入射する軸外光は、屈折力が略ゼロの周辺部１２Ｂを透過し、略平行光のままで射出される。
したがって、集光レンズ１２から射出された光は、光軸に対する射出角度と照明位置までの距離に応じて決まる範囲を照射することができる。
【００２１】
例えば、図４に後述する実施例１の条件における光線射出角度分布の例を示した。
曲線１００は、本実施形態の照明光学系の軸上光の光線射出角度分布を示し、曲線１０１は、軸外光（像高０．３５ｍｍ）の光線射出角度分布を示す。曲線２００、２０１は、本実施形態の照明光学系に代えて、放物反射面を配置した場合の比較例である。
放物反射面の場合、その焦点位置に光源を配置したときには、軸上光が平行光とされるので、曲線２００に示すように、ＬＥＤ素子１０からの射出光線配光角（以下、単に配光角と称する）によらず、光線射出角度（以下、単に射出角度と称する）が０°となる。また、軸外光では配光角に応じて、約８°の範囲でばらつく分布となる。このとき、配光角が９０°に近づくほど、放物反射面の周辺部で反射された軸外光は、軸上光との差異が少なくなるため、射出角度は０°に近づいていることが分かる。
一方、本実施形態の照明光学系では、曲線１００に示すように、軸上光については、配光角が±３０°の範囲では、平行光となり、配光角の絶対値がそれ以上の範囲でわずかに平行光からずれるような略平行光とされている。
また、軸外光は、曲線１０１に示すように、配光角が約−４１°から約＋５３°の範囲で、放物反射面に比べて射出角度が低減され、全配光角の範囲で、射出角度が約５．４°以下に抑えられている。
なお、光軸に対して１８０°対角方向の軸外光については、左右が反転する分布が得られるものである。
【００２２】
このように、本実施形態では、凹面鏡１１、集光レンズ１２のそれぞれの中心部、周辺部の屈折力を変えることにより、放物反射面のみの場合に比べて、配光角が小さい範囲での射出角度ずれを低減することができる。
一方、配光角の絶対値が大きい範囲では、軸上光、軸外光ともに、放物反射面のみの場合に比べて、射出角度分布は悪くなるが、ＬＥＤ素子１０の光出力分布は、配光角が小さい範囲に集中しているので、照明光としての光利用効率は確実に向上するとともに、軸上光および軸外光の全光線束が一定の角度範囲内に収まっているため、後続する光学系に効率よく光を導くことが可能となる。
したがって、本実施形態の照明光学系によれば、点光源と見なすことができないような相対的に大きなＬＥＤ素子１０を用いる場合でも、良好な光利用効率を確保することができ、照明ユニット２やプロジェクタ１を小型化することができるという利点がある。
【００２３】
また、本実施形態では、ＬＥＤ素子１０を複数のＬＥＤチップＲ、Ｇ、Ｂから構成するので、各色光を合成する光学系などを用いることなくプロジェクタ１を構成できる。そのためコンパクトな装置を構成することができる。
また、ＬＥＤチップＲ、Ｇ、Ｂの２次元配列のバランスがよいため、軸外光成分となるＬＥＤ素子１０の外周部のＬＥＤチップの色の偏りが相殺され、ホワイトバランスの劣化を防止することができるという利点がある。
【００２４】
本実施形態の照明光学系は、光源が反射光学系の有効径に対して有限の大きさを有する面状光源である構成となっている。
この場合、有効径が小さいコンパクトな反射光学系を用いる場合に、有限の大きさを有する面状光源を用いることができるので、点光源とみなされる小さな光源を用いなくてもよいものである。そのためコンパクトな割に光量の大きな照明光学系とすることができる。
また、本実施形態の照明光学系は、光源が、複数の発光素子を配置して構成された場合の例となっている。
この場合、複数の発光素子の波長を変えることにより、例えば、白色光など、複数の波長光を含むコンパクトな照明光学系を構成することができる。また、複数の発光素子を有するため点灯タイミングを変えることにより、それぞれの発光素子の発光負荷を低減し、発熱などを低減することができる。
【００２５】
本実施形態の照明光学系は、凹面鏡の非球面反射面、集光レンズの２つの非球面の形状を適宜変形して実施することができる。
図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る照明光学系の概略構成および軸上光の光路を示す光軸を含む断面における光線図である。図５（ｂ）は、同じく照明光学系を軸外光の光路の一例について示す光軸を含む断面における光線図である。
【００２６】
本変形例の照明光学系は、照明ユニット２０を構成し、上記実施形態のプロジェクタ１の照明ユニット２に代えて用いることができるものであり、上記実施形態のＬＥＤ素子１０、凹面鏡１１、集光レンズ１２に代えて、それぞれＬＥＤ素子１３、凹面鏡１４、集光レンズ１５を備え、それぞれ後述する実施例２に示す構成を有する。
本変形例の照明光学系は、上記実施形態ＬＥＤ素子１０に比べて、より大きな発光面を備えるＬＥＤ素子１３を用い、相対的によりコンパクトな構成を実現できるように、凹面鏡１４、集光レンズ１５の非球面の条件を設定したものである。
【００２７】
本変形例では、ＬＥＤ素子１３を、例えば１．０ｍｍ角とし、凹面鏡１４、集光レンズ１５の有効径をそれぞれφ１６ｍｍ、φ１６ｍｍとしている。
凹面鏡１４、集光レンズ１５の形状は、定性的には、凹面鏡１１、集光レンズ１２と同様の非球面形状を採用している。すなわち、図５（ａ）に示すように、上記実施形態の中心部１１Ａ、１２Ａ、周辺部１１Ｂ、１２Ｂ、第１レンズ面１２ａ、第２レンズ面１２ｂに対して、それぞれ、中心部１４Ａ、１５Ａ、周辺部１４Ｂ、１５Ｂ、第１レンズ面１５ａ、第２レンズ面１５ｂが対応している。
ただし、集光レンズ１５では、周辺部１５Ｂに対して中心部１５Ａの占める割合が多くなっている。
【００２８】
このような構成によれば、上記実施形態と同様の作用効果を備える。
図６は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る照明光学系における軸上光および軸外光の光学系からの光線射出角度分布の一例について説明するグラフである。横軸はＬＥＤからの射出光線配光角、縦軸は照明光学系からの光線射出角度を表し、それぞれの単位は、（°）である。
図６に示すのは、後述する実施例２の条件における光線射出角度分布の例である。
【００２９】
曲線１０２は、本変形例の照明光学系の軸上光の光線射出角度分布を示し、曲線１０３は、軸外光（像高０．７０ｍｍ）の光線射出角度分布を示す。曲線２０２、２０３は、本変形例の照明光学系に代えて、放物反射面を配置した場合の比較例である。
本変形例の照明光学系では、曲線１０２に示すように軸上光については、配光角が±３０°の範囲では、平行光となり、配光角の絶対値がそれ以上の範囲でわずかに平行光からずれるような略平行光とされている。ただし、図４の場合とは異なり、すべての配光角で射出角度が約０．５°以下となるため、より良好な略平行光を形成している。
また、軸外光は、曲線１０３に示すように、配光角が約−３７°から約＋３７°の範囲で、放物反射面に比べて射出角度が低減され、全配光角の範囲で、射出角度が約５．４°以下に抑えられている。また、図４の場合に比べて、分布の対称性が良好となっている。
【００３０】
このように本変形例によれば、ＬＥＤ素子１３の一辺の大きさが、ＬＥＤ素子１０の２倍、面積では４倍となっているが、凹面鏡１４、集光レンズ１５の有効径は、それぞれ１．６８倍、１．６３倍に過ぎないので、よりコンパクトな構成で軸外光が効率的に集光されていることが分かる。
したがって、例えば光量の必要性などにより、１ｍｍ角のＬＥＤチップからの光を投射する場合、照明ユニット２では４個配置する必要があるが、照明ユニット２０では、１個で済むことになる。そのため照明ユニットおよびそれを用いた画像投影装置をコンパクトに構成することができるという利点がある。
また、より広い範囲にＬＥＤチップを配置することができるのでＬＥＤチップの配置個数を増やすことができて好都合である。
【００３１】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る画像投影装置について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る照明光学系を用いた画像投影装置の概略構成を示す模式図である。
【００３２】
本実施形態のリアプロジェクションテレビ３０の概略構成は、図７に示すように、照明ユニット２、集光レンズ３、空間変調素子４、集光レンズ１６、ミラー１７、投影レンズ１８および透過型スクリーン１９からなる。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００３３】
集光レンズ１６、投影レンズ１８は、空間変調素子４から出射される空間変調された画像を透過型スクリーン１９に拡大投影するための投影光学系である。
ミラー１７は、この投影光学系の光路を折り畳むための偏向手段である。
透過型スクリーン１９は、特に図示しないが、例えば、フレネルレンズシートと、拡散層を含むレンチキュラーシートとが積層されてなり、投影レンズ１８から投射される発散光をフレネルレンズシートで水平方向に進む略平行光とし、レンチキュラーレンズシートを透過する際に、水平、垂直方向に適宜拡散させるものである。そのため、観察者は透過型スクリーン１９の透過光による画像を一定範囲の視野角の範囲で観察できる。
【００３４】
このようなリアプロジェクションテレビ３０によれば、照明ユニット２を投影光源として用いるので、照明ユニット２と同様の作用効果を備えることができる。
ここで、照明ユニット２としては、本発明の第１の実施形態に係る照明光学系をすべて好適に採用することができる。例えば、照明ユニット２に代えて照明ユニット２０を採用してもよい。
【００３５】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る画像投影装置について説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態に係る照明光学系を用いた画像投影装置の概略構成を示す模式図である。
【００３６】
本実施形態のプロジェクタ４０は、図８に示すように、上記第１の実施形態のプロジェクタ１の照明ユニット２、集光レンズ３に代えて、照明ユニット２１、光路合成手段２２を備える。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
照明ユニット２１は、それぞれ、Ｒ、Ｇ、Ｂの平行光を出射する照明光学系２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを備える。各照明光学系は、上記第１の実施形態の照明ユニット２（２０）において、ＬＥＤ素子１０（１３）を、それぞれＲ、Ｇ、Ｂの波長光を発生するＬＥＤチップを有するＬＥＤ素子に置き換えたものである。各ＬＥＤ素子は、単一のＬＥＤチップでもよいし、複数のＬＥＤチップを配列したものでもよい。
【００３７】
光路合成手段２２は、照明ユニット２１から出射される３色の光を、同一光路に合成し、空間変調素子４上の所定の領域に集光するものである。例えば、ダイクロイックプリズムまたはダイクロイックミラーと適宜の集光レンズの組み合わせなどを採用することができる。
【００３８】
このような構成のプロジェクタ４０は、本発明の第１の実施形態に係る照明光学系を複数備えた画像投影装置の例となっている。そのため、第１の実施形態と同様の作用効果を備える。
【００３９】
なお、上記の説明では、光源として、ＬＥＤ素子を用い、ＬＥＤ素子と反射光学系との間に光学系を配置しない構成の例で説明したが、ＬＥＤ素子と反射光学系との間に、反射光学系に入射する配光角の範囲を狭くするために集光作用を有するレンズや導光手段などの光学素子を設けてもよい。また、ＬＥＤ素子の空間的固定と電極配置のためにＬＥＤ素子の反射光学系との空間を光透過性樹脂で埋める構成でも同様な効果が得られることはいうまでもない。
【００４０】
また、上記の第３の実施形態の説明では、照明光学系２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂが照明ユニット２１を構成する例で説明したが、照明光学系２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂをそれぞれ独立した照明ユニットとした構成としてもよい。
【００４１】
また、上記の説明では、光源が反射光学系や集光レンズの有効径に対して面状光源と見なされる場合の例で説明したが、本発明の光源は面状光源に限定されるものではない。
光源が点光源と見なされる場合でも、光源が光軸からずれて配置された場合、光利用効率を向上することができるものである。
【００４２】
また、上記の説明では、凹面鏡として、中心部から周辺部に向けて増大する屈折力を有する場合の例で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、凹面鏡の屈折力が中心部から周辺部にかけて増大しない場合は、レンズ光学系での屈折力分布で相対的な屈折力のバランスをとるように設定すればよい。
【００４３】
また、上記の説明では、照明光学系から略平行光を出射する場合の例で説明したが、照明光学系の相対配置を変えて、発散光または収束光を出射するようにしてもよい。
【００４４】
また、上記の説明では、本発明の照明光学系を用いる例として、画像投影装置に用いる場合の例について説明したが、照明光を照射するものであれば、特に画像を投影する装置に限らず、適宜の照明装置、投光装置の一部として用いることができる。
【００４５】
ここで、上記各実施形態の用語と特許請求の範囲の用語との対応関係について名称が異なる場合について説明する。
プロジェクタ１、４０、リアプロジェクションテレビ３０は、画像投影装置の一実施形態である。ＬＥＤ素子１０、１３は、光源の一実施形態である。集光レンズ１２、１４は、レンズ光学系の一実施形態である。ＬＥＤチップＲ、Ｇ、Ｂは、発光素子の一実施形態である。
【実施例１】
【００４６】
次に、上記に説明した第１の実施形態の照明光学系の第１実施例について図２（ａ）を参照して説明する。
本実施例では、ＬＥＤ素子１０の発光面を０．５ｍｍ角、凹面鏡１１の有効径をφ９．５ｍｍ、集光レンズ１２の有効径をφ９．８ｍｍとしている。
下記に第１実施例の照明光学系の構成パラメータを示す。図２（ａ）に表記されたｒｉ、ｄｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータのｒｉ、ｄｉ、ｎｉに対応する。長さの単位は、（ｍｍ）である。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している。
非球面形状は、面の頂点を原点とし、ｈを光軸からの高さとしたとき、光軸方向の変位量Ｚ（ｈ）として、次式で与えられる。
【００４７】
【数１】
2007171319.tif 000003
【００４８】
ここで、ｒは曲率半径、ｋは円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは非球面係数を表す。
【００４９】
面番号    曲率半径            面間隔            屈折率        アッベ数
1      ∞(光源面)          d1 =-2.519
2      非球面[1]           d2 = 5.000
3      非球面[2]           d3 = 2.000     n1 = 1.5168     ν1 = 64.2
4      非球面[3]           
非球面[1]
ｒ    6.320 
ｋ   -1.000 
Ａ    0.258x10-3    Ｂ   -0.385x10-4 
Ｃ    0.358x10-5    Ｄ   -0.840x10-7 
非球面[2]
ｒ  -14.141 
ｋ    0.000 
Ａ    0.192x10-2    Ｂ    0.270x10-4 
Ｃ    0.248x10-5    Ｄ   -0.102x10-6 
非球面[3]
ｒ   -5.648 
ｋ    0.000 
Ａ    0.552x10-2    Ｂ   -0.560x10-3 
Ｃ    0.455x10-4    Ｄ   -0.987x10-6
【実施例２】
【００５０】
次に、上記に説明した第１の実施形態の照明光学系の第２実施例について図５（ａ）を参照して説明する。
本実施例では、ＬＥＤ素子１３の発光面を１．０ｍｍ角、凹面鏡１４の有効径をφ１６．０ｍｍ、集光レンズ１２の有効径をφ１６．０ｍｍとしている。
下記に第２実施例の照明光学系の構成パラメータを示す。
【００５１】
面番号    曲率半径            面間隔            屈折率        アッベ数
1      ∞(光源面)          d1 =-4.211
2      非球面[1]           d2 =10.000
3      非球面[2]           d3 = 4.000     n1 = 1.5168     ν1 = 64.2
4      非球面[3]           
非球面[1]
ｒ   11.069 
ｋ   -1.000 
Ａ    0.405x10-4    Ｂ    0.777x10-7 
Ｃ    0.167x10-7    Ｄ   -0.171x10-9 
非球面[2]
ｒ  -27.168 
ｋ    0.000 
Ａ   -0.259x10-3    Ｂ   -0.150x10-5 
Ｃ    0.878x10-7    Ｄ   -0.255x10-9 
非球面[3]
ｒ  -10.235 
ｋ    0.000 
Ａ    0.146x10-3    Ｂ   -0.624x10-5 
Ｃ    0.104x10-6    Ｄ    0.297x10-9
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る照明光学系を用いた画像投影装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る照明光学系の概略構成、軸上光の光路、および軸外光の光路の一例を示す光軸を含む断面における光線図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る照明光学系に用いる光源の一例を示す平面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る照明光学系における軸上光および軸外光の光学系からの光線射出角度分布の一例について説明するグラフである。
【図５】本発明の第１の実施形態の変形例に係る照明光学系の概略構成、軸上光の光路、および軸外光の光路の一例について示す光軸を含む断面における光線図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の変形例に係る照明光学系における軸上光および軸外光の光学系からの光線射出角度分布の一例について説明するグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る照明光学系を用いた画像投影装置の概略構成を示す模式図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る照明光学系を用いた画像投影装置の概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
１、４０  プロジェクタ（画像投影装置）
２、２０、２１  照明ユニット
３  集光レンズ
４  空間変調素子
５  投影レンズ
６  反射型スクリーン
１０、１３  ＬＥＤ素子（光源）
１１、１４  凹面鏡（反射光学系）
１１Ａ、１２Ａ  中心部
１１Ｂ、１１Ｂ  周辺部
１２、１４  集光レンズ（レンズ光学系）
１６  集光レンズ
１８  投影レンズ
１９  透過型スクリーン
２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ  照明光学系
２２  光路合成手段
３０  リアプロジェクションテレビ（画像投影装置）
Ｒ、Ｇ、Ｂ  ＬＥＤチップ（発光素子）
【図１】
2007171319.tif 000004
【図２】
2007171319.tif 000005
【図３】
2007171319.tif 000006
【図４】
2007171319.tif 000007
【図５】
2007171319.tif 000008
【図６】
2007171319.tif 000009
【図７】
2007171319.tif 000010
【図８】
2007171319.tif 000011