JP2002373503A

JP2002373503A - 照明装置及び投写型表示装置

Info

Publication number: JP2002373503A
Application number: JP2001182227A
Authority: JP
Inventors: Yuusaku Shimaoka; 優策島岡; Shinya Mito; 真也三戸
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2002-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】照明むらや光損失による光利用効率の低下の
抑制を図り得、且つ、高い量産性とコストの低減を図り
得る照明装置およびそれを用いた投写型表示装置を提供
することにある。【解決手段】光源１０と、光源１０からの光を円環状
に集光し、集光した光の中央部分と外周部分とを反転さ
せる第１の光学素子１４と、第１の光学素子１４からの
中央部分と外周部分とが反転した光を平行光に変えて出
射する第２の光学素子１５とで照明装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、照明装置およびそ
れを用いた投写型表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、大画面表示が可能な投写型の映像
機器として、各種の光変調素子を用いた投写型表示装置
（プロジェクタ）が注目されている。これらの投写型表
示装置は、光変調素子を備えており、光源により光変調
素子を照明すると共に、外部から供給される映像信号に
応じた光学像を光変調素子上に形成し、投写レンズによ
り光学像をスクリーン上に拡大投影するものである。光
変調素子としては、透過型又は反射型の液晶パネルや、
アレイ状に配置された複数の微小ミラーの反射方向を制
御して光学像を形成するＤＭＤ（Digital Micro-Mirror
Device）素子（ミラーパネル）等が用いられている。

【０００３】この投影された大画面の重要な光学的特性
として、明るさとその均一性があげられる。具体的に
は、光源であるランプで発生した光を効率よく光変調素
子へ集光すること、及び明るさむらの少ない光束で光変
調素子を照明することが重要であり、光変調素子を照明
する照明装置の高効率化、明るさの均一化が強く求めら
れている。

【０００４】図１７に、従来の投写型表示装置の第1の
例を示す断面構成図である。図１７に示す投写型表示装
置においては、光変調素子として透過型の液晶パネルが
用いられている。図１７に示すように、投写型表示装置
は、ランプ１１と、凹面鏡１２と、ＵＶ−ＩＲカットフ
ィルタ１３と、フィールドレンズ３０と、液晶パネル３
１と、投写レンズ３２とで構成されている。

【０００５】ランプ１１としては、一般に、色再現性と
発光効率が優れている点からメタルハライドランプが広
く用いられている。その他、輝度の高い発光体を得られ
る点から、点灯時の発光管内を超高圧にした水銀灯やキ
セノンランプが用いられる場合もある。

【０００６】ランプ１１の放射する白色光は、凹面鏡１
２により集光されて光軸に沿って進行する光束となり、
フィールドレンズ３０を経て、液晶パネル３１の面上を
照明する。これにより、液晶パネル３１上に形成された
光学像が、投写レンズ３２によりスクリーン上に拡大投
影される。ＵＶ−ＩＲカットフィルタ１３は、照明光か
ら、有害な赤外光（ＩＲ）と紫外光（ＵＶ）とを取り除
くために用いられている。

【０００７】凹面鏡１２としては、一般に、放物面鏡や
楕円面鏡が広く用いられており、これらを用いること
で、反射面の発光体に対する集光角を大きくでき、集光
率を高めることができるという利点がある。

【０００８】図１８は、従来の投写型表示装置の第２の
例を示す断面構成図である。図１８に示すように、投写
型表示装置は、ランプ１１と、凹面鏡１２と、ＵＶ−Ｉ
Ｒカットフィルタ１３と、第１のレンズアレイ４０と、
第２のレンズアレイ４１と、フィールドレンズ３０と、
液晶パネル３１と、投写レンズ３２とで構成されてい
る。なお、ランプ１１、凹面鏡１２及びＵＶ−ＩＲカッ
トフィルタ１３は、図２９の例で示したものと同様のも
のである。

【０００９】図１８の例では、上記図１７の例と異な
り、第１のレンズアレイ４０と第２のレンズアレイ４１
とが更に配置されている。第１のレンズアレイ４０及び
第２のレンズアレイ４０は、複数のレンズ素子を二次元
状に配列して構成されている。第1のレンズアレイ４０
と第２のレンズアレイ４１とは、これらを構成する複数
のレンズ素子が互いに対をなすように（対向するよう
に）配置されている。

【００１０】ところで、凹面鏡１２として広く用いられ
ている放物面鏡や楕円面鏡は、ランプの発光部から放射
される光を集光し、光軸に沿って出射する光束とするも
のであるが、このとき光軸近傍は光束密度が高いので明
るいが、周辺になるほど光束密度が低いので暗くなって
しまう。本例では、第１のレンズアレイ４０と第２のレ
ンズアレイ４１とにより、この照明むらの改善を図って
いる。

【００１１】即ち、本例では、第１のレンズアレイ４０
が、凹面鏡から出射する光束を、複数の部分光束に分割
し、各部分光束を収斂させて対応する第２のレンズアレ
イ４１の開口中心近傍に導くように構成されている。こ
のとき、分割後の部分光束断面における照明むらは、分
割前の光束断面における照明むらと比較して、非常に小
さいものとなる。このため、上述した照明むらの改善が
図られる。

【００１２】よって、本例においては、ランプ１１の放
射する白色光は、凹面鏡１２により集光されて光軸に沿
って進行する光束となり、第1のレンズアレイ４０及び
第２のレンズアレイ４１を通ることで分割された部分光
束となる。この分割された部分光束は、フィールドレン
ズ３０によって液晶パネル３１面上で重畳されるため、
表示領域は均一に照明されることになる。液晶パネル３
１上に形成された光学像は、投写レンズ３２によりスク
リーン上に拡大投影される。

【００１３】図１９は、従来の投写型表示装置の第３の
例を示す断面構成図である。図１９に示すように、投写
型表示装置は、ランプ１１と、凹面鏡１２と、ＵＶ−Ｉ
Ｒカットフィルタ１３とからなる光源を４個備えている
以外は、図１７に示した投写型表示装置と同様にして構
成されている。なお、図１９においては２個の光源のみ
を図示している。このように、図１９に示す投写型表示
装置は、複数の光源を備えているため、図１７に示した
投写型表示装置に比べて、液晶パネル３１を明るく照明
することができ、更に明るい投写画像を表示できる。

【００１４】図２０は、従来の投写型表示装置の第４の
例を示す断面構成図である。図２０に示すように、本例
の投写型表示装置も、ランプ１１と、凹面鏡１２と、Ｕ
Ｖ−ＩＲカットフィルタ１３とからなる光源を４個備え
ている以外は、図１８に示した投写型表示装置と同様に
して構成されている。このように、図２０に示す投写型
表示装置も、複数の光源を備えているため、図１８に示
した投写型表示装置に比べて、液晶パネル３１を明るく
照明することができ、更に明るい投写画像を表示でき
る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】次に、上記した従来の
投写型表示装置の第１の例〜第４の例における課題につ
いて以下に説明する。

【００１６】最初に、従来の投写型表示装置の第１の例
における課題について図２１〜図２４を用いて説明す
る。図２１は、従来から投写型表示装置に用いられてい
る光源の一例を示す断面図である。図２１に示す光源
は、ＵＶ−ＩＲカットフィルタが取り付けられていない
以外は図１７〜図２０で示した光源と同様のものであ
る。図２２は、図２１に示す光源から出射された光束の
光量分布を示す図である。図２２における光量分布は光
軸に対して垂直な面に対する光量分布である。

【００１７】図２１に示すように、光源はランプ１１と
凹面鏡１２とで構成されている。図２１中の矢印はラン
プ１１から放射された光を示している。図２１の例で
は、凹面鏡１２は法物面鏡で構成されている。通常、凹
面鏡１２の頂点部分（中央部分）には、凹面鏡１２とラ
ンプ１１の電極部分とが干渉しないように、穴１９が設
けられている。

【００１８】しかし、このような穴１９を凹面鏡１２に
設けると、ランプ１１からの光を凹面鏡１２で集光した
場合に光が漏れ、光の損失が発生する。このため、図２
２に示すように、凹面鏡１２の前方へ出射される光束の
光軸近傍部分には、光量が著しく少ない部分が生じてし
まうという問題がある。即ち、凹面鏡１２で集光された
光には明るさむらが大きく、この光をそのまま照明した
い領域に照射した場合には大きな照明むらを生じさせる
という問題がある。

【００１９】また、図２３は、従来から投写型表示装置
に用いられている光源の他の例を示す断面図である。図
２３に示す光源もランプ１１と凹面鏡１２とで構成され
ているが、図２１に示す光源と異なり、ランプ１１に
は、ランプ１１の発光部５０の電極等の劣化を防ぐため
に、不活性ガス等が封入されたガラス管５１が発光部５
０を覆うように設けられている。このため、図２３に示
す光源においては、凹面鏡１２に設けられた穴１９によ
る光の損失に加え、ガラス管５１による光の損失も発生
する。よって、照明むらは図２１に示す光源よりも更に
大きいものとなる。

【００２０】なお、図２２に示すように、凹面鏡１２か
ら出射された光束の光量分布は、光束を半径方向に等間
隔で分割した場合、凹面鏡１２に設けられた穴１９やラ
ンプ１１に設けられたガラス管（図２３参照）等の障害
物によって光量が著しく少なくなる光軸近傍の領域を除
くと、光軸近傍である中央付近に近い領域程、単位面積
あたりの光量が大きくなる傾向にある。これは、半径方
向に等間隔で分割された領域の各面積が中央に近い程小
さくなるため、領域毎に面内総光量に多小差があって
も、単位面積あたりの光量は中央に近い程大きくなるか
らであると考えられる。

【００２１】このような凹面鏡１２から出射される光束
の明るさむらを改善する方法として、特開平５−３４６
５５７号公報には、複数のレンズ素子を２次元状に配列
したレンズアレイを用いる方法が提案されている。この
方法では、上記第２の例と同様に、凹面鏡から出射する
光束を複数の部分光束に分割し、これを再度重ね合わせ
ることにより明るさむらの問題を解決している。

【００２２】しかし、レンズアレイは、その形状が複雑
であるため、成型が困難という問題やコストが高いとい
う問題がある。また、光変調素子を照明する装置におい
ては、作りやすく安価な部品を用いて高い量産性と安い
コストを実現することが要望されている。

【００２３】一方、特開平１１−１７６２２９号公報に
は、平面のプリズムを組み合わせた光偏向手段を用いる
ことによって、周辺部の光を光軸近傍部分に移動させ、
これにより凹面鏡１２から出射される光束の明るさむら
の改善を図る方法が開示されている。この方法によれ
ば、形状が複雑なレンズアレイを使用しなくてもよいた
め、コストの低下を図ることができる。

【００２４】しかし、この方法では、中央付近の光量の
著しく少ない範囲が大きくなった場合に、例えば、凹面
鏡１２に設けられた穴１９が大きくなった場合や、ラン
プ１１に設けられたガラス管５１が大きくなった場合
に、部材の厚さを変更しなくては光量が少ない領域が残
存するという問題がある。なお、凹面鏡１２に設けられ
た穴１９やランプ１１に設けられたガラス管５１が大き
くなるのは、使用するランプ１１のワッテージ（Ｗ）を
大きくする場合である。つまり、ランプ１１のワッテー
ジ（Ｗ）が大きくなると、凹面鏡内のランプの発熱量が
増加するため冷却風の流量を上げるため穴１９を拡大す
る必要があるからであり、又ランプに流れる電流に比例
して電極が大きくなるためガラス管も大きくする必要が
あるからである。

【００２５】また、凹面鏡から出射される光束の明るさ
むらの改善を図る別の方法として、凹面鏡の集光角を大
きくする方法が考えられる。図２４は、従来から投写型
表示装置に用いられている光源の集光角と光束との関係
を示す図である。図２４に示すように、光源は、ランプ
１１と、凹面鏡１２と、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ１３
とで構成されている。図２４の例では、凹面鏡１２は放
物面鏡であるため、ランプ１１から放射された光を少し
でも多く凹面鏡１２によって集光するには、凹面鏡１２
の集光角αを大きくすれば良い。

【００２６】しかし、図２４に示すように、集光角αを
大きくすると、凹面鏡１２から出射される光束の径も大
きくなってしまうため、集光角を大きくする前と後で、
凹面鏡１２で照明された領域の明るさは殆ど変化しない
といえる。このことから、集光角αを大きくしても照明
される領域の面積が大きくなるだけといえ、よって、照
明むらを改善するのは（照明効率を高めることは）困難
といえる。

【００２７】このように、従来から用いられている光源
には上記のような問題点があるため、上記図１７で示し
た第１の例では、液晶パネル３１上で照明むらが生じて
しまい、明るさが均一化された投写画像を得るのは困難
と言える。また、第１の例には、凹面鏡１２から出射さ
れる光束の径が大きくなると、従来から使用している光
学系をそのまま使用することができないという問題もあ
る。

【００２８】次に、従来の投写型表示装置の第２の例に
おける課題について図２５〜図２９を用いて説明する。
図２５は、図１８に示す従来の投写型表示装置（第２の
例）の一部分を示す断面図であり、図中の矢印は光源か
ら出射された光束の主光線を示している。図２６は、図
２５で用いられている光源における反射光の平行度を示
す図である。図２７は、平行度の異なる光の集光作用を
示す図である。図２７（ａ）は平行度の高い場合、図２
７（ｂ）は平行度の低い場合をそれぞれ示している。図
２８は、図１８に示す従来の投写型表示装置において、
第２のレンズアレイ上に形成される発光部の実像を示す
図である。図２９は、従来から投写型表示装置に用いら
れている光源の集光角、光束及びレンズアレイの関係を
示す図である。

【００２９】図２５に示す投写型表示装置は、図１８で
も説明したように、明るさの均一性の改善を図るため、
第１のレンズアレイ４０と第２のレンズアレイ４１とを
備えている。図２５に示す投写型表示装置では、凹面鏡
１２から出射する光束は第１のレンズアレイ４０によっ
て分割され、第２のレンズアレイ４１を構成する複数の
レンズ素子それぞれの上にランプ１１の発光部５０の実
像が形成される。

【００３０】ところで、図２６に示すように、有限の大
きさを持つランプの発光部５０から放射されて凹面鏡１
２で反射される光は、反射位置と発光部５０との距離の
違いにより、厳密には平行度の異なるものとなる。即
ち、図２６に示すように、凹面鏡１２の光軸近傍部分で
反射した光は、凹面鏡１２の周辺部で反射した光に比
べ、平行度が悪くなってしまう。この平行度が悪い光が
レンズアレイを構成するレンズ素子によって集光される
場合、図２７に示すように、平行度が良い光に比べて集
光面でのスポットの大きさが広がってしまう。

【００３１】そのため、図２８に示すように、第２のレ
ンズアレイ４１としてレンズ素子の開口が第１のレンズ
アレイ４０のそれと略同形状のレンズアレイを用いた場
合、第１のレンズアレイ４０によって第２のレンズアレ
イ４１の中央付近に形成される発光部の実像７０は、平
行度が悪い光束によって形成される。このため、中央付
近に形成される実像７０は周辺に形成される発光部の実
像に比べて大きく広がってしまう。即ち、発光部の実像
は、光軸近傍である中央付近で大きく、周辺になるに連
れて小さくなる。

【００３２】この場合、実像７０を構成している光のう
ち第２のレンズアレイ４１の開口からはみ出した光は、
目標とする照明領域まで伝播されないため、光損失とな
り光利用効率が低下することとなる。つまり、図２５に
示す投写型表示装置を用いた場合は、光軸近傍である光
束の中央付近において、第２のレンズアレイ４１上に形
成される発光部の実像７０は大きくなって第２のレンズ
アレイ４１の開口からはみ出し易く、又そのはみ出した
光の光束密度は高いため、大きな光損失を生じてしまう
という問題がある。

【００３３】このような光損失を改善して光利用効率を
向上させるため、上述の特開平５−３４６５５７号公報
には、第２のレンズアレイ４１の開口をランプ１１の発
光部５０の実像の大きさに合わせ、中央付近で大きく、
周辺部で小さくする手法が開示されている。しかし、こ
の手法では、レンズアレイの形状を従来よりも更に複雑
なものとしてしまう。このため、成形及び量産が困難と
なってコストが上昇するという問題や、レンズアレイの
小型化が図れないといった問題が生じてしまう。

【００３４】また、図２５に示す投写型表示装置におい
て、発光部５０から放射された光を少しでも多く集光し
ようとした場合、凹面鏡１２の集光角α（図２９参照）
を大きくする必要がある。しかし、図２９に示すよう
に、集光角αを大きくすると凹面鏡１２から出射される
光束の径も大きくなってしまうため、集光角αの増加に
合わせて第１のレンズアレイ４０の径を拡大しなけれ
ば、凹面鏡１２から出射される光束の一部は取り込むこ
とができず、却って光利用効率を低下させてしまう。即
ち、図２５に示す投写型表示装置においては、集光角α
の増加を図ろうとすると、第１のレンズアレイ４０を取
り替えなければならないという問題がある。

【００３５】次に、従来の投写型表示装置の第３の例に
おける課題について図３０を用いて説明する。図３０
は、図１９に示す投写型表示装置で用いられている光源
を前方から見た平面図である。図３１は、図３０に示す
光源から出射された光束の光量分布を示す図である。

【００３６】図３０に示すように光源２１は４個あり、
２次元的に配置されている。各光源１０は、ランプ１１
と、凹面鏡１２と、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ（図示せ
ず）とで構成されている。このため、４個の光源から出
射された光束の光量分布は図３１に示すようになる。

【００３７】ここで、図３１に示すように、４個の光源
から出射された４つの光束を一つの光束と考えると、４
つの光束を包絡する円８０の中央部分の光量は著しく少
なくなっている。これは、凹面鏡１２の形状によって各
光源部分間に生じるすき間、放物面鏡１２として用いら
れているガラスや金属の厚み、各光源部分から出射され
た光束の光量分布が各光源部分の光軸から離れるにつれ
光量が少なくなっていくこと等が原因と考えられる。そ
のため、複数の光源から複数の光束を照射しても、照明
領域において中央部分が周辺部分よりも光量が著しく少
ないという問題が生じてしまう。

【００３８】次に、従来の投写型表示装置の第４の例に
おける課題について図３２を用いて説明する。図３２
は、図２０に示す投写型表示装置（第４の例）の一部を
示す断面図である。上記したように図３２に示す投写型
表示装置は、光源からの光束を、第１のレンズアレイ４
０を用いて第１のレンズアレイ４０の開口形状と相似な
形状の照明領域に分割し、更に第２のレンズアレイ４１
を用いて重畳することで、均一な照明光が得られるよう
に構成されている。また、上記図２０において示したよ
うに光源として二次元的に配列された４個の光源が用い
られている。

【００３９】ところで、このような二つのレンズアレイ
を用いた構成では、光源を複数個用いて第１のレンズア
レイ４０に入射する略平行な光束の径が大きくなった場
合、第１のレンズアレイ４０を構成するレンズ素子の大
きさも大きくする必要があり、結果第１のレンズアレイ
４０全体の径を大きくすることが必要となる。

【００４０】このとき、第１のレンズアレイ４０の大き
さを大きくすると相似形である照明領域も大きくなるた
め、第１のレンズアレイ４０と第２のレンズアレイ４１
との間隔を大きくすることによって、照明領域を大きく
することなく第１のレンズアレイ４０全体の径を大きく
する必要がある。

【００４１】しかし、第１のレンズアレイ４０に入射す
る光束は、上記図２６で示したように有限の大きさを持
つランプの発光部５０から出射された光であるため、完
全に平行な光ではない。そのため、レンズアレイ間の間
隔が大きくなるにつれ第２のレンズアレイ４１上に形成
される発光部の実像も大きくなってしまう。

【００４２】この場合、その実像を形成させた第１のレ
ンズアレイ４０に対応する第２のレンズアレイ４１の開
口より、はみ出してしまった光は、目標とする照明領域
に伝搬されず光損失となり、光利用効率が低下する。ま
た、第４の例においても上記した第３の例と同様に光源
が複数個あるため、照明領域において中央部分が周辺部
分よりも光量が著しく少ないという問題（図３１参照）
が生じてしまう。

【００４３】本発明の課題は、上記問題を解決し、照明
むらや光損失による光利用効率の低下の抑制を図り得、
且つ、高い量産性とコストの低減を図り得る照明装置お
よびそれを用いた投写型表示装置を提供することにあ
る。

【００４４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明にかかる照明装置は、光源と、前記光源からの
光を円環状に集光し、集光した光の中央部分と外周部分
とを反転させる第１の光学素子と、前記第１の光学素子
からの中央部分と外周部分とが反転した光を平行光に変
えて出射する第２の光学素子とを少なくとも含むことを
特徴とする。

【００４５】かかる構成により、光源から出射された光
束の中央部分の光を周辺部分の光とを入れ替えた光束を
形成することができる。よって、光源から出射された光
束において光軸近傍の中央付近（光軸に対して垂直な面
内の光量分布を見たときの中央付近）に光量が著しく少
ない部分があるときであっても、均一でむらのない照明
光束を得ることができる。さらに、中央付近における
光量が著しく少ない範囲が大きくなった場合でも、照明
装置の構成要素の形状を変更する必要がないという利点
がある。

【００４６】本発明にかかる照明装置においては、前記
第１の光学素子及び前記第２の光学素子が、光軸に対称
な断面を前記光軸を中心に回転させて得られる形状のレ
ンズであり、前記断面には、光軸方向に突出し、且つ、
光軸に対称な二つの円弧が設けられているのが好ましい
態様である。

【００４７】このような第１の光学素子及び第２の光学
素子は、複数のレンズを２次元状に配列した形状のレン
ズアレイより簡単な形状の光学素子であるため、成形及
び量産が容易なものである。よって、本発明にかかる照
明装置のコストを低減するのに寄与することができる。

【００４８】このとき、前記第１の光学素子における前
記二つの円弧の曲率中心の軌跡によって形成される円の
半径と、前記第２の光学素子における前記二つの円弧の
曲率中心の軌跡によって形成される円の半径とが同一で
あるのが更に好ましい態様である。

【００４９】また、前記第１の光学素子及び前記第２の
光学素子における前記二つの円弧の曲率中心の軌跡によ
って形成される円の半径をｒとし、前記第１の光学素子
に入射する光束の半径又は前記第１の光学素子に入射す
る光束が複数の場合は複数の光束を包絡する円の半径を
Ｒとしたときに下記（数２）を満たすのが特に好ましい
態様である。

【００５０】［数２］ｒ≦（Ｒ／２）この態様によれば、第２の光学素子から出射される光束
の径を光源から出射された光束の径よりも小さくするこ
とができる。そのため、例えば光源がランプと凹面鏡と
で構成されている場合において、ランプの発光部から放
射された光を少しでも多く集光するために凹面鏡の集光
角を大きくしたときに、集光角を大きくする前と照明領
域の面積はそのままで、該領域における明るさの向上を
図り、照明効率を高めることができる。さらに、光源か
ら出射される光束の径が大きくなった場合であっても、
従来使用していた光学系（特に投写光学系）を変更する
ことなく、使用することができるという利点がある。

【００５１】また、この態様によれば、光源が複数ある
場合に、複数の光源から出射される光束の断面面積の合
計よりも照明領域の面積を小さくすることができる。こ
のため、特に照明対象が光変調素子のように決まった大
きさを持つ面である場合、中央部分の光量が著しく少な
いことが改善された光束を、小さな範囲に、より密度の
高い状態で照射することができる。

【００５２】さらに、本発明にかかる照明装置において
は、前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子のうち
一方又は両方が、フレネルレンズであるのも好ましい態
様である。

【００５３】また、本発明にかかる照明装置において
は、前記光源が、光発生部と、前記光発生部が出射する
光を集光して平行光を出射する集光部とで構成されてい
るのが好ましい態様である。このとき、前記光発生部
は、アークランプ又は発光部がガラス管で覆われたラン
プであるのが好ましい。さらに、前記集光部が、放物面
鏡又は楕円面鏡で構成されているのが好ましく、前記方
物面鏡又は前記楕円面鏡における前記光源の光軸と交わ
る部分には穴が形成されているのが好ましい。

【００５４】本発明にかかる照明装置においては、前記
光源が複数個あり、各光源は、互いの光軸が平行とな
り、各光源から出射された光が第１の光学素子に入射さ
れるように配置されている態様とすることもできる。

【００５５】従来の照明装置では、光源が複数個備えら
れていると、光源の形状によって生じる光源間の隙間に
よって、照明光束は光軸に垂直な面内における光量分布
が不均一なものとなってしまう。しかし、本発明にかか
る照明装置によれば、上記した第１の光学素子と第２の
光学素子との機能により、照明光束の光量分布を均一な
ものとできるため、複数個の光源を用いることによる光
量の増加を図りつつ、照明むらの抑制を図ることができ
る。

【００５６】また、本発明にかかる照明装置において
は、複数のレンズ素子を二次元的に配列して構成した第
１のレンズアレイ及び第２のレンズアレイを更に含み、
前記第１のレンズアレイは、第２の光学素子から出射す
る光が入射するように配置され、前記第２のレンズアレ
イは、それを構成する各レンズ素子が前記第１のレンズ
アレイを構成する各レンズ素子と対向するように配置さ
れている態様とすることもできる。

【００５７】ランプと凹面鏡とで構成された光源のよう
に光軸近傍の中央付近から出射される光束の平行度が低
い光源が用いられた従来の照明装置に、二つのレンズア
レイを設けると、出射側のレンズアレイの中央付近に形
成される光源の実像が該レンズアレイの開口より大きく
なって光損失が生じてしまい、光利用効率が低下してし
まう。しかし、本発明にかかる照明装置によれば、第１
の光学素子と第２の光学素子によって、光源の中央付近
から出射される平行度が低い光束はレンズアレイ上にお
いて周辺部に移され、光源の周辺から出射される平行度
が良い光束はレンズアレイ上において中央部に移され
る。

【００５８】よって、光源と第１のレンズアレイとによ
って第２のレンズアレイの中央付近に形成される発光部
の実像をより小さく集光することが可能となり、光利用
効率を高めることができる。また、複数の光源が備えら
れており、各光源から出射される光束を一つの光束とみ
たときに、この一つの光束の中央部分に光量の少ない部
分がある場合も、同様の効果を得ることができる。

【００５９】上記目的を達成するために、本発明にかか
る投写型表示装置は、上記した本発明にかかる照明装置
と、この照明装置から出射される光を集光させる光学手
段と、前記光学手段から出射される光により照明されて
光学像を形成する光変調素子と、前記光変調素子に形成
された光学像を投影するための投写レンズとを少なくと
も含むことを特徴とする。

【００６０】この構成によれば、照明むらが少ない照明
光により光変調素子を照明することができる。よって、
光変調素子上の光学像を投写レンズでスクリーン上に投
影した場合、表示画像の中央付近に著しく光量の少ない
ことが改善された画像を表示することができる。また光
利用効率の向上を図ることもできる。

【００６１】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下、本発明の
実施の形態１にかかる照明装置及び投写型表示装置につ
いて、図１〜図８を参照しながら説明する。図１は本発
明の実施の形態１にかかる照明装置の一例を示す断面構
成図である。図２は図１で示した第１の光学素子１４及
び第２の光学素子１５を示す図であり、同図（ａ）は断
面図、同図（ｂ）は斜視図である。図３は図１で示した
第１の光学素子１４及び第２の光学素子１５の機能を示
す図である。図４は図１で示した第１の光学素子１４及
び第２の光学素子１５による光量分布の変化を示す図で
ある。図５は本発明の実施の形態１にかかる照明装置の
他の例及びその光量分布を示す断面構成図である。但
し、図５においては光源については省略している。図６
は図５に示す照明装置における光源の集光角と光束との
関係を示す図である。図７は第１の光学素子及び第２の
光学素子として用いることができるフレネルレンズを示
す断面図である。図８は本実施の形態１にかかる投写型
表示装置の一例を示す断面構成図である。

【００６２】図１の例に示すように、本実施の形態１に
かかる照明装置は、光源１０と、第１の光学素子１４
と、第２の光学素子１５とで構成されている。このうち
第１の光学素子１４は、光源１０からの光を円環状に集
光し、集光した光の中央部分と外周部分とを反転させる
機能を有している。第２の光学素子１５は第１の光学素
子からの中央部分と外周部分とが反転した光を平行光に
変えて出射する機能を有している。１６は光源１０の光
軸上に配置された受光面である。なお、本明細書でいう
平行光には、全ての光線が光源１０の光軸と完全に平行
な光だけではなく、光軸に沿っておよそ平行に進行する
光、即ち一部又は全部の光線の平行度は低いが、本発明
の目的を達成できる程度の光であれば含まれる。

【００６３】図１の例では、光源１０は、光発生部とな
るランプ１１と、集光部となる凹面鏡１２と、ＵＶ−Ｉ
Ｒカットフィルタ１３とで構成されたものであり、図２
１等で示した従来から投写型表示装置に用いられている
ものと同様のものである。よって、ランプ１１から放射
された光は、凹面鏡１２により集光され、光源１０の光
軸に平行な平行光として第１の光学素子１４に向けて出
射される。

【００６４】ランプ１１としては、発光部がガラス管で
覆われたランプ、例えば、不活性ガス等が封入されたガ
ラス管内にアーク放電によって発光体を形成するキセノ
ンランプやガラス管内を超高圧にした水銀灯といったア
ークランプ、その他発光効率に優れたメタルハライドラ
ンプ等を用いることができる。

【００６５】凹面鏡１２は、光発生手段であるランプ１
１から放射された光を集光し、これを光軸に沿っておよ
そ平行な光、即ち平行光として出射するものである。図
１の例では、凹面鏡１２としては、放物面鏡が用いられ
ている。また、図１に示す凹面鏡１２の出射側の開口形
状は円形であるが、本実施の形態１においては、矩形、
楕円形、矩形の対向する二辺に半円形を組み合わせてな
る形状といった矩形と円形とを合わせた形状等であって
も良い。本発明においては、凹面鏡１２として楕円面鏡
等を用いることもできる。

【００６６】ところで、上記したように光源１０は従来
から用いられているものと同様であり、凹面鏡１２にお
ける光源の光軸と交わる部分には穴１９が形成されてい
る。このため、上記図２２で示したように、凹面鏡１２
の前方に出射される光束の、光軸に対して垂直な面内に
おける光量分布は、光軸近傍の中央部分が周辺部分より
も著しく光量が少ないものとなる。また、ランプ１１と
して発行部分がガラス管で覆われているものを用いた場
合は、これによっても中央部分が周辺部分よりも著しく
光量が少ない光量分布となる。従って、本実施の形態１
にかかる照明装置においても、光源１０から出射される
光束をそのまま照明に用いると、照明領域の中心部分が
暗くなるといった照明むらが生じると言える。

【００６７】しかし、本実施の形態１にかかる照明装置
では、上記したように第１の光学素子１４と第２の光学
素子１５とが備えられているため、中央部分が周辺部分
よりも著しく光量が少ない光量分布を持った光束は、第
１の光学素子によって円環状に集光され、中央部分と外
周部分とが反転させられ、更に第２の光学素子により再
度平行光に変えられて出射される。

【００６８】即ち、本実施の形態１にかかる照明装置を
用いることで、図４に示すように、光軸近傍である中央
部分が周辺部分よりも光量が著しく少ない光源１０から
の光束は、中央部分に周辺部分の光が移され、又周辺部
分に中央付近の光が移されるので、中央部分の光量が著
しく少ないことが改善された光束となる。

【００６９】次に、図２及び図３を用いて第１の光学素
子１４及び第２の光学素子１５を説明する。図２に示す
ように、第１の光学素子１４と第２の光学素子１５と
は、いわゆる円環体レンズであり、共に同一のドーナツ
形状を呈している。即ち、第１の光学素子１４と第２の
光学素子１５とは、光軸１８に対称な断面を光軸１８を
中心に回転させて得られる形状のレンズである。この断
面には、光軸方向に突出し、且つ、光軸１８に対称な円
弧１７ａと円弧１７ｂとが設けられている。円弧１７ａ
と円弧１７ｂとは光軸１８に対して対称であるため、こ
の断面を光軸を中心に回転させたとき、円弧１７ａの曲
率中心Ｏ₁の軌跡及び円弧１７ｂの曲率中心Ｏ₂の軌跡は
両者とも光軸に垂直な面上に描かれる円となる（図３参
照）。

【００７０】このため、図３に示すように、第１の光学
素子１４と第２の光学素子１５とには、入射した光を円
環状に集光する機能が付与される。この機能の点から、
本実施の形態１にかかる照明装置においては、第１の光
学素子１４における二つの円弧１７ａ及び１７ｂの曲率
中心の軌跡によって形成される円の半径ｒと、第２の光
学素子１５における二つの円弧１７ａ及び１７ｂの曲率
中心の軌跡によって形成される円の半径ｒとは同一であ
るのが好ましい。また、第１の光学素子１４と第２の光
学素子１５とは、互いの曲率中心の軌跡によって形成さ
れる円が一致するように配置されるのが好ましい。

【００７１】また、図５に示すように、本実施の形態１
においては、第１の光学素子１４及び第２の光学素子１
５における曲率中心の軌跡が描く円の半径をｒとし、第
１の光学素子に入射する光束の半径をＲとしたときに、
半径ｒと半径Ｒとが下記（数３）を満たす関係にあるの
が好ましい。

【００７２】［数３］ｒ≦（Ｒ／２）

【００７３】このため、図５の例では、第１の光学素子
１４において曲率中心の軌跡が描く円の半径ｒを小さく
すればするほど、第１の光学素子１４に入射する光束の
径に対して、第２の光学素子１５から出射される光束の
径を小さくすることができる。つまり、凹面鏡１２から
出射される光束の断面積よりも小さい面積の領域に、中
央部分の光量が著しく少なくなっておらず、密度が高
く、又均一な光を照射することができる。

【００７４】また、既に図２４において説明したよう
に、凹面鏡１２の集光角αを大きくしてより多くの光を
集光しようとすると、凹面鏡１２から出射される光束の
径も大きくなってしまい、照明効率を高めるのが困難と
なる。しかし、図５に示す照明装置を用いれば、入射側
の光束の径に対して出射側の光束の径を小さくすること
ができるので、図６に示すように、出射側の光束径を大
きくすることなく凹面鏡１２の集光角αを大きくでき
る。よって、ランプ１１から放射される光をより多く取
り込むことが可能となる。これより、従来使用していた
光学系をそのまま使用しながら、光利用効率を高めるこ
とができる。

【００７５】本実施の形態１において、第１の光学素子
１４及び第２の光学素子１５は、上記で示した円環体レ
ンズに限定されるものではなく、平行に入射した光を円
環状に集光できる光学素子であれば良い。円環体レンズ
以外のものとしては、図７に示すフレネルレンズが挙げ
られる。図７において２０は第１の光学素子、２１は第
２の光学素子である。このようなフレネルレンズを用い
ることによっても同様の効果を得ることができる。

【００７６】次に、本実施の形態１にかかる投写型表示
装置について説明する。図８の例に示すように、本実施
の形態１にかかる投写型表示装置は、図１に示す照明装
置２２と、光学手段３０と、光変調素子３１と、投写レ
ンズ３２とで構成されている。

【００７７】光学手段３０は、照明装置２２から出射さ
れる光を集光して光変調素子を照明するものであり、図
８の例では単体のフィールドレンズである。なお、光学
手段３０は単体のフィールドレンズに限定されるもので
はなく、複数個の単レンズを組み合わせて構成したもの
であっても良い。

【００７８】光変調素子３１は、光学手段３０から出射
される光により照明されて光学像を形成するものであ
る。図８の例では、光変調素子は透過型の液晶パネルで
あるが、これに限定されるものではない。例えば、透過
型ライトバルブ、反射型ライトバルブ、アレイ状に配置
された微小ミラーによって反射方向を変化できるミラー
パネル、又は光書き込み方式の光変調素子などを用いる
こともできる。また、図８の例では、光変調素子３１と
して１枚の液晶パネルを備えた構成であるが、本実施の
形態１においては複数個の光変調素子を備えた構成であ
っても良い。

【００７９】投写レンズ３２は、光変調素子３１に形成
された光学像を投影するものであれば良く、従来から投
写型表示装置において用いられているものを利用でき
る。また、本実施の形態１にかかる投写型表示装置にお
いては、色分解および色合成を行うことができるプリズ
ムやフィルタ、ミラー等を適宜備えた構成とすることも
できる。

【００８０】このように本実施の形態１にかかる投写型
表示装置においては、本実施の形態１にかかる照明装置
２２を備えているため、照明むらの少ない光で光変調素
子３１を照明することができる。よって、明るさが均一
で高画質な投写画像を得ることができる。また、照明装
置２２における凹面鏡１２の集光角αを大きくして集光
率を高めたうえで光利用効率の向上を図ることもでき
る。

【００８１】（実施の形態２）次に本発明の実施の形態
２にかかる照明装置及び投写型表示装置について、図９
〜図１１を参照しながら説明する。図９は本発明の実施
の形態２にかかる照明装置の一例を示す断面構成図であ
る。図１０は図９に示す照明装置を構成する第２のレン
ズアレイ４１上に形成される発光部の実像を示す図であ
る。図１１は本発明の実施の形態２にかかる投写型表示
装置の一例を示す断面構成図である。

【００８２】図９の例に示すように、本実施の形態２に
かかる照明装置は、実施の形態１にかかる照明装置に、
第１のレンズアレイ４０、第２のレンズアレイ４１及び
集光レンズ４２を更に設けて構成されている。

【００８３】第１のレンズアレイ４０及び第２レンズア
レイ４１は、複数のレンズ素子を二次元的に配列して構
成されたものであり、上記図１８において示したものと
同様のものである。第１のレンズアレイ４０は、第２の
光学素子１５から出射する光が入射するように配置され
ている。また、第２のレンズアレイ４１は、それを構成
する各レンズ素子が第１のレンズアレイ４０を構成する
各レンズ素子と対向するように配置されている。

【００８４】上記図２５〜図２９において説明したよう
に、レンズアレイを用いた照明装置においては、光源か
ら出射されて第１のレンズアレイ４０に入射する光に平
行度のばらつきがあると、平行度の悪い光によって第２
のレンズアレイに形成される発光部の実像が大きくな
り、その結果、大きな光損失が生じてしまう。特に、ラ
ンプ１１と凹面鏡１２とで構成された光源１０を用いる
場合は、光軸近傍の光の平行度が外周部分の光の平行度
に比べて悪く、第２のレンズの中央部分での光損失が大
きいといえる。

【００８５】しかし、本実施の形態２にかかる照明装置
においては、本実施の形態１と同様に、第１の光学素子
１４と第２の光学素子１５とが備えられており、光源か
らの光は第１の光学素子によって円環状に集光され、中
央部分と外周部分とが反転させられ、更に第２の光学素
子により再度平行光に変えられて出射される（図４参
照）。このため、第２のレンズ素子１５から出射される
光においては、光軸近傍である中央部分の光の方が外周
部分の光よりも平行度が高いものとなる。

【００８６】従って、本実施の形態２にかかる照明装置
においては、中央付近の平行度が良い光束が第１のレン
ズアレイ４０の中央付近に入射するため、図１０に示す
ように、第２のレンズアレイ４１上の中央付近に形成さ
れるランプの発光部の実像７０が、従来のように第２の
レンズアレイ４１の開口からはみ出してしまう（図２８
参照）のを抑制することができる。よって、光損失が少
なく、光利用効率の高い照明装置を実現できる。

【００８７】なお、従来例とは逆に、第２のレンズアレ
イ４１の外側付近では発光部の実像７０が第２のレンズ
アレイ４１の開口からはみ出してしまう場合も考えられ
る。しかし、第２のレンズアレイ４１の外側付近に形成
されるランプの発光部の実像７０の光束密度は、中央付
近に形成されるランプの発光部の実像７０に比べて少な
くなっているため、一部開口からはみ出しても光損失の
影響は小さいといえる。よって、この場合の光損失は、
従来例のように光利用効率の低下を生じさせるものでは
ないと考えられる。

【００８８】図９の例では、第１の光学素子１４及び第
２の光学素子１５として実施の形態１で用いられた円環
体レンズと同様のものが用いられている。なお、本実施
の形態２においても、円環体レンズの代わりにフレネル
レンズを用いることができる。

【００８９】円環体レンズを用いる場合は、実施の形態
１の図３において記述したように、第１の光学素子１４
における曲率中心の軌跡によって形成される円の半径
と、第２の光学素子１５における曲率中心の軌跡によっ
て形成される円の半径とは同一であるのが好ましい。ま
た、第１の光学素子１４と第２の光学素子１５とは、互
いの曲率中心の軌跡によって形成される円が一致するよ
うに配置されるのが好ましい。

【００９０】更に、本実施の形態２にかかる照明装置お
いても、上記図５で示したように、上記（数３）が満た
されるように構成されているのが好ましい。この場合、
実施の形態１と同様に第１の光学素子１４に入射する光
束の径に対して、第２の光学素子１５から出射される光
束の径を小さくすることができるので、密度が高く、均
一な光を照射することができる。また、出射側の光束径
を大きくすることなく凹面鏡１２の集光角を大きくでき
るので、ランプ１１から放射される光をより多く取り込
むことが可能となる。そのため、従来使用していた光学
系をそのまま使用しながら、光利用効率を高めることが
できる。

【００９１】図９及び図１０の例では、第１のレンズア
レイ４０及び第２のレンズアレイ４１として、断面方向
に４つ（合計１６個）のレンズ素子を配列したものが用
いられている。しかし、本実施の形態２ではこれに限定
されず、更に多数個のレンズ素子が配列されたレンズア
レイを用いることもできる。また、図９及び図１０で示
したレンズアレイは、各レンズ素子の曲率中心が開口の
中心に位置したものであるが、開口の中心とは異なる位
置に曲率中心がある偏心レンズで構成されたものであっ
ても良い。

【００９２】更に、図９及び図１０の例では、第１のレ
ンズアレイ４０の開口形状と第２のレンズアレイ４１の
開口形状とは同形状であるが、これに限定されるもので
はない。本実施の形態２においては、第１のレンズアレ
イ４０と第２のレンズアレイ４１とは、互いに異なる開
口形状を有するものであっても良い。

【００９３】上記したように本実施の形態２にかかる照
明装置では、第２のレンズアレイ４１から出射された光
を照明領域に集光するために、集光レンズ４２が設けら
れているが、本実施の形態２はこれに限定されるもので
はない。例えば、集光レンズ４２を設置する代わりに、
レンズアレイを偏心させることによって照明領域に集光
できるようにすることもできる。

【００９４】次に、本実施の形態２にかかる投写型表示
装置について説明する。図１１の例に示すように、本実
施の形態２にかかる投写型表示装置は、図９に示す照明
装置２３（集光レンズ４２を除く）と、光学手段３０
と、光変調素子３１と、投写レンズ３２とで構成されて
いる。光学手段３０、光変調素子３１及び投写レンズ３
２は図８において説明したものと同様のものである。

【００９５】本実施の形態２にかかる投写型表示装置に
おいては、本実施の形態２にかかる照明装置２３を備え
ているため、光損失の少ない、光利用効率の高い投写型
表示装置を得ることができる。また、本実施の形態２に
かかる照明装置２３も照明むらの少ない光で光変調素子
３１を照明することができので、明るさが均一で高画質
な投写画像を得ることができる。また、照明装置２３に
おける凹面鏡１２の集光角αを大きくして集光率を高め
たうえで光利用効率の向上を図ることもできる。

【００９６】（実施の形態３）次に本発明の実施の形態
３にかかる照明装置及び投写型表示装置について、図１
２〜図１４を参照しながら説明する。図１２は本発明の
実施の形態３にかかる照明装置の一例を示す断面構成図
である。図１３は本発明の実施の形態３にかかる照明装
置の他の例を示す断面構成図である。図１４は本発明の
実施の形態３にかかる投写型表示装置の一例を示す断面
構成図である。

【００９７】図１２に示すように、本実施の形態３にか
かる照明装置には、４個の光源１０が設けられており
（図１２においては２個の光源だけが示されてい
る。）、各光源１０は、互いの光軸が平行となり、各光
源１０から出射された光が第１の光学素子１４に入射さ
れるように配置されている。それ以外の部分について実
施の形態１において図１で示した照明装置と同様にして
構成されている。

【００９８】なお、図１２の例では、光源１０は４個で
あるが、本実施の形態３においてはこれに限定されるも
のではなく、少なくとも２個以上の光源が備えられてい
れば良い。また、図１２の例では、４個の光源１０は断
面方向に２個ずつ二次元的に配置されているが、配置の
態様もこれに限定されるものではない。本実施の形態３
においては、各光源の光軸が等間隔となるような配置で
あれば良い。

【００９９】ところで、上記図３１で説明したように、
複数の光源を用いた場合、複数の光源から出射された複
数の光束を一つの光束と考えると、光源１０の前方から
見た場合に中央部分の光量が著しく少なくなるため、照
明領域において中央部分が周辺部分よりも光量が著しく
少ない状態となる。

【０１００】しかし、本実施の形態３にかかる照明装置
においては、本実施の形態１と同様に、第１の光学素子
１４と第２の光学素子１５とが備えられており、光源か
らの光は第１の光学素子によって円環状に集光され、中
央部分と外周部分とが反転させられ、更に第２の光学素
子により再度平行光に変えられて出射される（図４参
照）。このため、複数の光束を一つの光束と考えた場合
の中央部分に周辺部分の光が移され、又周辺部分に中央
付近の光が移され、よって、光束中央部分の光量が著し
く少ないことが改善された光束を得ることができる。

【０１０１】図１２の例では、第１の光学素子１４及び
第２の光学素子１５として実施の形態１で用いられた円
環体レンズと同様のものが用いられている。なお、本実
施の形態２においても、円環体レンズの代わりにフレネ
ルレンズを用いることができる。

【０１０２】円環体レンズを用いる場合は、実施の形態
１の図３において記述したように、第１の光学素子１４
における曲率中心の軌跡によって形成される円の半径
と、第２の光学素子１５における曲率中心の軌跡によっ
て形成される円の半径とは同一であるのが好ましい。ま
た、第１の光学素子１４と第２の光学素子１５とは、互
いの曲率中心の軌跡によって形成される円が一致するよ
うに配置されるのが好ましい。

【０１０３】さらに、図１３の例に示すように、本実施
の形態３にかかる照明装置においては、第１の光学素子
及び第２の光学素子における曲率中心の軌跡が描く円の
半径をｒとし、第１の光学素子に入射する複数の光束を
包絡する円の半径をＲとしたときに、半径ｒと半径Ｒと
が下記（数４）を満たす関係にあるのが好ましい。な
お、複数の光束を包絡する円とは、光軸に垂直な面にお
いて、複数の光源１０から出射された全ての光束を内包
し得る最小の円をいい、上記図３１で示した円８０と同
様のものをいう。

【０１０４】［数４］ｒ≦（Ｒ／２）

【０１０５】この場合、第１の光学素子１４に入射する
光束の径に対して、第２の光学素子１５から出射される
光束の径を小さくすることができるので、密度が高く、
均一な光を照射することができる。また、出射側の光束
径を大きくすることなく凹面鏡１２の集光角を大きくで
きるので、ランプ１１から放射される光をより多く取り
込むことが可能となる。そのため、従来使用していた光
学系をそのまま使用しながら、光利用効率を高めること
ができる。

【０１０６】次に、本実施の形態３にかかる投写型表示
装置について説明する。図１４の例に示すように、本実
施の形態３にかかる投写型表示装置は、図１２に示す照
明装置２４と、光学手段３０と、光変調素子３１と、投
写レンズ３２とで構成されている。光学手段３０、光変
調素子３１及び投写レンズ３２は図８において説明した
ものと同様のものである。

【０１０７】このように本実施の形態３にかかる投写型
表示装置においては、本実施の形態３にかかる照明装置
２４を備えており、よって中央部分の光量が著しく少な
いことが改善された光束によって光変調素子を照明でき
るため、照明むらが少なく、明るさの向上が図られた投
写画像を得ることができる。また、照明装置２４として
図１３に示す照明装置を用いれば、光変調素子３１より
大きな径を有する光束によって光変調素子を効率良く照
明できるため、光利用効率の高い投射型表示装置を得る
ことができる。

【０１０８】（実施の形態４）次に本発明の実施の形態
４にかかる照明装置及び投写型表示装置について、図１
５〜図１６を参照しながら説明する。図１５は本発明の
実施の形態３にかかる照明装置の一例を示す断面構成図
である。図１６は本発明の実施の形態３にかかる投写型
表示装置の一例を示す断面構成図である。

【０１０９】図１５に示すように、本実施の形態４にか
かる照明装置は、実施の形態３にかかる照明装置に、第
１のレンズアレイ４０、第２のレンズアレイ４１及び集
光レンズ４２を更に設けて構成されている。第１のレン
ズアレイ４０、第２のレンズアレイ４１及び集光レンズ
４２は、実施の形態２で説明したものと同様のものであ
る。

【０１１０】図１５に示す本実施の形態４にかかる照明
装置は、実施の形態３と同様に、複数個の光源を備えた
ものである。このため、光源１０から出射される光束の
径は光源が一つの場合に比べて大きくなり、第１のレン
ズアレイ４０に入射する光束の径も大きくなる。よっ
て、上記図２０において説明したように、第１のレンズ
アレイ４０の全体の径を大きくする必要があり、更に第
１のレンズアレイ４０と第２のレンズアレイ４１との間
隔を大きくすることによって、照明領域を大きくするこ
となく第１のレンズアレイ４０全体の径を大きくする必
要がある。

【０１１１】しかし、光源１０から出射された光は、完
全に平行な光ではないため（図２６参照）、第１のレン
ズアレイ４０と第２のレンズアレイ４１との間隔が大き
くなるにつれて第２のレンズアレイ４１上に形成される
発光部の実像が大きくなり、結果、光損失が生じ、光利
用効率が低下してしまう。

【０１１２】そこで、図１５に示すように、本実施の形
態３においては、第１の光学素子１４と第２の光学素子
１５とを利用することにより、第１のレンズアレイ４０
に入射する光の径を小さくし、第１のレンズアレイとし
て全体の径が小さいもの、特に複数の光源１０から出射
される複数の光束を包絡する円の直径よりも径が小さい
ものを用いることができるようにしている。このため、
第１のレンズアレイ４０と第２のレンズアレイ４１との
間隔も短くできるため、複数の光源とレンズアレイとを
用いているにも拘わらず、光利用効率の向上を図ること
ができる。

【０１１３】また、上記の実施の形態３で説明したよう
に、複数の光源を用いると、光源１０の前方から見た場
合に中央部分の光量が著しく少なくなる。しかし、第１
の光学素子１４と第２の光学素子１５とが備えられてい
るため、光源からの光は第１の光学素子によって円環状
に集光され、中央部分と外周部分とが反転させられる。
このため、複数の光束を一つの光束と考えた場合の中央
部分に周辺部分の光が移され、又周辺部分に中央付近の
光が移されて光束中央部分の光量が著しく少ないことが
改善された光束を得ることができる。

【０１１４】図１５の例では、第１の光学素子１４及び
第２の光学素子１５として実施の形態１で用いられた円
環体レンズと同様のものが用いられている。なお、本実
施の形態２においても、円環体レンズの代わりにフレネ
ルレンズを用いることができる。

【０１１５】円環体レンズを用いる場合は、実施の形態
１の図３において記述したように、第１の光学素子１４
における曲率中心の軌跡によって形成される円の半径
と、第２の光学素子１５における曲率中心の軌跡によっ
て形成される円の半径とは同一であるのが好ましい。ま
た、第１の光学素子１４と第２の光学素子１５とは、互
いの曲率中心の軌跡によって形成される円が一致するよ
うに配置されるのが好ましい。

【０１１６】更に、本実施の形態４にかかる照明装置お
いても、上記図１３で示したように、上記（数４）が満
たされるように構成されているのが好ましい。この場
合、実施の形態３と同様に、第１の光学素子１４に入射
する光束の径に対して第２の光学素子１５から出射され
る光束の径を小さくすることができ、又第１のレンズア
レイ４０及び第２のレンズアレイ４１のいっそうの小径
化を図ることができるので、密度が高く、均一な光を照
射することができる。また、出射側の光束径を大きくす
ることなく凹面鏡１２の集光角を大きくできるので、ラ
ンプ１１から放射される光をより多く取り込むことが可
能となる。そのため、従来使用していた光学系をそのま
ま使用しながら、光利用効率を高めることができる。

【０１１７】なお、本実施の形態４にかかる照明装置お
いても、本実施の形態２にかかる照明装置と同様に、第
２のレンズアレイ４１から出射された光を照明領域に集
光するために集光レンズ４２が設けられているが、本実
施の形態４もこれに限定されるものではない。例えば、
集光レンズ４２を設置する代わりに、レンズアレイを偏
心させることによって照明領域に集光できるようにする
こともできる。

【０１１８】次に、本実施の形態４にかかる投写型表示
装置について説明する。図１６の例に示すように、本実
施の形態４にかかる投写型表示装置は、図１５に示す照
明装置２５（集光レンズ４２を除く）と、光学手段３０
と、光変調素子３１と、投写レンズ３２とで構成されて
いる。光学手段３０、光変調素子３１及び投写レンズ３
２は図８において説明したものと同様のものである。

【０１１９】このように本実施の形態４にかかる投写型
表示装置においては、本実施の形態４にかかる照明装置
２５を備えているため、複数の光源による投写画像の明
るさの向上を図りつつ、高い光利用効率を達成できる。
更に照明むらの抑制を図ることもできる。また、照明装
置２４として上記（数４）を満たすものを用いれば、光
変調素子３１より大きな径を有する光束によって光変調
素子を効率良く照明できるため、光利用効率の高い投射
型表示装置を得ることができる。

【０１２０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光源から
出射される光束の中央部分における光量不足を解消して
照明むらや光損失の抑制を図ることができるので、光利
用効率の高い照明装置を提供することができる。また、
この照明装置を用いることにより、光利用効率が高く、
高画質な投写画像を投影できる投写型表示装置を提供す
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１にかかる照明装置の一例
を示す断面構成図

【図２】図１で示した第１の光学素子１４及び第２の光
学素子１５を示す図

【図３】図１で示した第１の光学素子１４及び第２の光
学素子１５の機能を示す図

【図４】図１で示した第１の光学素子１４及び第２の光
学素子１５による光量分布の変化を示す図

【図５】本発明の実施の形態１にかかる照明装置の他の
例及びその光量分布を示す断面構成図

【図６】図５に示す照明装置における光源の集光角と光
束との関係を示す図

【図７】第１の光学素子及び第２の光学素子として用い
ることができるフレネルレンズを示す断面図

【図８】本実施の形態１にかかる投写型表示装置の一例
を示す断面構成図

【図９】本発明の実施の形態２にかかる照明装置の一例
を示す断面構成図

【図１０】図９に示す照明装置を構成する第２のレンズ
アレイ４１上に形成される発光部の実像を示す図

【図１１】本発明の実施の形態２にかかる投写型表示装
置の一例を示す断面構成図

【図１２】本発明の実施の形態３にかかる照明装置の一
例を示す断面構成図

【図１３】本発明の実施の形態３にかかる照明装置の他
の例を示す断面構成図

【図１４】本発明の実施の形態３にかかる投写型表示装
置の一例を示す断面構成図

【図１５】本発明の実施の形態３にかかる照明装置の一
例を示す断面構成図

【図１６】本発明の実施の形態３にかかる投写型表示装
置の一例を示す断面構成図

【図１７】従来の投写型表示装置の第1の例を示す断面
構成図

【図１８】従来の投写型表示装置の第２の例を示す断面
構成図

【図１９】従来の投写型表示装置の第３の例を示す断面
構成図

【図２０】従来の投写型表示装置の第４の例を示す断面
構成図

【図２１】従来から投写型表示装置に用いられている光
源の一例を示す断面図

【図２２】図２１に示す光源から出射された光束の光量
分布を示す図

【図２３】従来から投写型表示装置に用いられている光
源の他の例を示す断面図

【図２４】従来から投写型表示装置に用いられている光
源の集光角と光束との関係を示す図

【図２５】図１８に示す従来の投写型表示装置の一部分
を示す断面図

【図２６】図２５で用いられている光源における反射光
の平行度を示す図

【図２７】平行度の異なる光の集光作用を示す図

【図２８】図１８に示す従来の投写型表示装置におい
て、第２のレンズアレイ上に形成される発光部５０の実
像を示す図

【図２９】従来から投写型表示装置に用いられている光
源の集光角、光束及びレンズアレイとの関係を示す図

【図３０】図１９に示す投写型表示装置で用いられてい
る光源を前方から見た平面図

【図３１】図３０に示す光源から出射された光束の光量
分布を示す図

【図３２】図２０に示す投写型表示の一部を示す断面図

【符号の説明】

１０光源１１ランプ１２凹面鏡１３ＵＶ−ＩＲカットフィルタ１４、２０第１の光学素子１５、２１第２の光学素子１６受光面１７ａ、１７ｂ円弧１８光軸１９穴２２、２３、２４、２５照明装置３０光学手段（フィールドレンズ）３１光変調素子３２投写レンズ４０第１のレンズアレイ４１第２のレンズアレイ４２集光レンズ５０発光部５１ガラス管Ｏ₁、Ｏ₂ 曲率中心ｒ第１及び第２の光学素子における二つの円弧の曲率
中心の軌跡に形成される円の半径Ｒ第１の光学素子に入射する光束の半径又は第１の光
学素子に入射する複数の光束を包絡する円の半径

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｆ２１Ｙ 101:00 Ｆターム(参考） 3K042 AA01 AC06 BB03 BB05 BC03 BC09 BE08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源からの光を円環状に集
光し、集光した光の中央部分と外周部分とを反転させる
第１の光学素子と、前記第１の光学素子からの中央部分
と外周部分とが反転した光を平行光に変えて出射する第
２の光学素子とを少なくとも含むことを特徴とする照明
装置。
【請求項２】前記第１の光学素子及び前記第２の光学
素子が、光軸に対称な断面を前記光軸を中心に回転させ
て得られる形状のレンズであり、前記断面には、光軸方向に突出し、且つ、光軸に対称な
二つの円弧が設けられている請求項１記載の照明装置。
【請求項３】前記第１の光学素子における前記二つの
円弧の曲率中心の軌跡によって形成される円の半径と、
前記第２の光学素子における前記二つの円弧の曲率中心
の軌跡によって形成される円の半径とが同一である請求
項２に記載の照明装置。
【請求項４】前記第１の光学素子及び前記第２の光学
素子における前記二つの円弧の曲率中心の軌跡によって
形成される円の半径をｒとし、前記第１の光学素子に入
射する光束の半径又は前記第１の光学素子に入射する光
束が複数の場合は複数の光束を包絡する円の半径をＲと
したときに下記（数１）を満たす請求項２に記載の照明
装置。［数１］ｒ≦（Ｒ／２）
【請求項５】前記第１の光学素子及び前記第２の光学
素子のうち一方又は両方が、フレネルレンズである請求
項１に記載の照明装置。
【請求項６】前記光源が、光発生部と、前記光発生部
が出射する光を集光して平行光を出射する集光部とで構
成されている請求項１に記載の照明装置。
【請求項７】前記光発生部が、アークランプである請
求項６に記載の照明装置。
【請求項８】前記光発生部が、発光部がガラス管で覆
われたランプである請求項６に記載の照明装置。
【請求項９】前記集光部が、放物面鏡又は楕円面鏡で
構成されている請求項６に記載の照明装置。
【請求項１０】前記方物面鏡又は前記楕円面鏡におけ
る前記光源の光軸と交わる部分に穴が形成されている請
求項９に記載の照明装置。
【請求項１１】前記光源が複数個あり、各光源は、互
いの光軸が平行となり、各光源から出射された光が第１
の光学素子に入射されるように配置されている請求項１
記載の照明装置。
【請求項１２】複数のレンズ素子を二次元的に配列し
て構成した第１のレンズアレイ及び第２のレンズアレイ
を更に含み、前記第１のレンズアレイは、第２の光学素
子から出射する光が入射するように配置され、前記第２
のレンズアレイは、それを構成する各レンズ素子が前記
第１のレンズアレイを構成する各レンズ素子と対向する
ように配置されている請求項１から１１のいずれかに記
載の照明装置。
【請求項１３】前記請求項１〜１２のいずれかに記載
の照明装置と、前記照明装置から出射される光を集光さ
せる光学手段と、前記光学手段から出射される光により
照明されて光学像を形成する光変調素子と、前記光変調
素子に形成された光学像を投影するための投写レンズと
を少なくとも含むことを特徴とする投写型表示装置。