JP2004226813A - 照明装置及びこれを備えたプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】不足する光の強度を十分に高めて十分に色バランスのよい照明光を得ることができるとともに光源の光利用効率の低下を防止することができる照明装置を提供する。
【解決手段】複数の波長域の光を射出する主光源５と、この主光源５から射出した不均一な光強度分布をもつ光を略均一な光強度分布をもつ光に変換するインテグレータ光学系６とを備え、
このインテグレータ光学系６によって複数の集光像（光源像）Ａが離散して形成される位置の近傍に、所定の波長域の光を射出する補助光源７を配置したことを特徴とする照明装置。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧水銀ランプ等の光源ランプを有する照明装置及びこれを備えたプロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プロジェクタは、照明光を射出する照明装置と、この照明装置からの照明光を画像信号に応じて変調する電気光学変調装置と、この電気光学変調装置によって変調された光を投写画像としてスクリーン上に投写表示する投写光学系とを備えている。このようなプロジェクタにおいては、投写画像が明るいこと及び照明光の光強度が高いことが要求される。
このため、前記した照明装置には、より高い光強度を得るために、光源ランプとしての高圧水銀ランプに凹面鏡を組み合わせてなる光源を備えたものが従来から利用されている。
【０００３】
ところで、従来の照明装置に用いられる光源ランプ（高圧水銀ランプ）は、光強度が比較的大きいものの、その発光特性が水銀固有の発光スペクトルを有しており、赤色光（Ｒ），緑色光（Ｇ）及び青色光（Ｂ）の各波長域のうち赤色光の波長域の光強度が不足する傾向があるため、可視域での色バランスがよい照明光を得ることができないという問題があった。
そこで、色バランスのよい照明光を得るために、光強度が不足する波長域の色成分以外の色成分を減光することが考えられるが、この場合には投写画像における明るさ（光源の光利用効率）が低下するという問題があった。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１には、この問題を解決するための照明装置が提案されている。図１１は、この特許文献１に記載された照明装置の光学系を示す図である。図１１に示されるように、この照明装置１００は、インテグレータ光学系としての透光性ロッド１２０の入射側面１２０ｉに、２００〜４３０ｎｍの波長の光を吸収して５７０〜６３０ｎｍの波長の光を発光する波長変換光学素子１３０を配置した照明装置である。波長変換光学素子１３０により高圧水銀ランプの場合に不足する赤色光の強度を高めることができるため、光の色バランスを補正することができる。
【特許文献１】
特開２００２−９０８８３号公報（図１〜図６）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この照明装置においては、波長変換光学素子１３０による赤色の発光光は等方性の放射光となるため、透光性ロッド１２０の入射側面１２０ｉに入射した赤色の発光光のうち、照明光として利用可能な光は、透光性ロッド１２０の界面１２０ｓにおける全反射条件を満たす光のみである。このため、不足する光の強度を十分には高めることはできず、その結果十分に色バランスのよい照明光を得るのは容易ではないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、不足する光の強度を十分に高めて十分に色バランスのよい照明光を得ることができるとともに光源の光利用効率の低下を防止することができる照明装置及びこれを備えたプロジェクタを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するためになされた本発明に係る照明装置は、複数の波長域の光を射出する光源と、この光源から射出した不均一な光強度分布をもつ光を、略均一な光強度分布をもつ光に変換するインテグレータ光学系とを備え、このインテグレータ光学系によって複数の集光像（光源像）が離散して形成される位置の近傍に、所定の波長域の光を射出する補助光源を配置したことを特徴とする。
【０００８】
このため、本発明の照明装置によれば、光源から射出される複数の波長域の光において不足する波長域の光が補助光源から射出されるため、光源の発光特性を十分に補足して可視域での色バランスがよい照明光を得ることができる。
また、本発明の照明装置によれば、色バランスのよい照明光を得るために、特定の色成分を減光する必要がないから、光源の光利用効率の低下を防止することができる。
【０００９】
本発明の照明装置においては、前記補助光源が、発光素子及び集光素子を有するものであることが好ましい。このように構成することにより、発光素子から射出した光が集光素子によって効率よく照明領域に導かれ、照明効率が高められる。
【００１０】
また、本発明の照明装置においては、前記補助光源が、前記光源における光軸の周辺部であって、前記集光像（光源像）のうち外形寸法が相対的に小さい集光像（光源像）の近傍に配置されていることが好ましい。このように構成することにより、補助光源の配置によって光源からの光が遮蔽されることがないため、光利用効率を低下させることなく、色バランスがよい照明光を得ることができる。
【００１１】
また、本発明の照明装置においては、前記補助光源が、前記光源の光軸に関して対称な位置に配置された複数の補助光源とされることが好ましい。このように構成することにより、照明光の角度分布が異方性をもたなくなることから、照明対象において照明光の角度分布の不均一性による明るさむらの発生が防止される。特に、表示特性が入射角依存性を有する表示素子を照明する場合には、表示むらの低減が可能となる。また、リレー光学系を備えた三板式のプロジェクタに本照明装置が用いられると、色むらの発生を効果的に防止することができる。
【００１２】
また、本発明の照明装置においては、前記インテグレータ光学系として、前記光源から入射した光を界面又は反射面で反射させて照明対象側に射出する導光体と、この導光体からの射出光を照明対象側に導く伝達レンズとを有する構成を採用することができる。このようなインテグレータ光学系は構成が簡単であり、実現が容易であるという特徴がある。この系では、入射側端面と射出側端面との寸法が相似的に異なるテーパーロッドによって、導光体を形成することにより、光源光による集光像の形成位置が制御可能である。
【００１３】
また、本発明の照明装置においては、前記伝達レンズがレンズアレイであることが好ましい。このように構成することにより、伝達レンズが単数のレンズである場合と比べて照明効率を高められる。
【００１４】
また、本発明の照明装置においては、前記補助光源が、前記伝達レンズの入射側及び射出側の少なくとも一方側に配置されていることが好ましい。このように構成することにより、インテグレータ光学系が導光体及び伝達レンズを有する場合において、補助光源の配置上の自由度が高められる。ここで、補助光源が伝達レンズの入射側に配置されている場合には、伝達レンズによって補助光源から射出した光を集光するように構成することが可能であり、この場合には、補助光源に放射角制御用の光学素子（集光素子）を不要とでき、光学系を簡素化できる。
【００１５】
また、本発明の照明装置においては、前記インテグレータ光学系が、前記光源からの光を中間光に分割する第一レンズアレイと、この第一レンズアレイによって分割された中間光を集光する第二レンズアレイとを有する構成を採用することができる。このようなインテグレータ光学系では、２つのレンズアレイにおける各レンズの集光性を変えることで、集光像の形成位置を自在に制御可能であるため、補助光源を配置するための領域が形成し易くなり、光利用効率を低下させることなく、色バランスがよい照明光を得ることができる。
【００１６】
また、本発明の照明装置においては、前記補助光源が、前記第二レンズアレイの入射側及び射出側の少なくとも一方側に配置されていることが好ましい。
このように構成することにより、インテグレータ光学系が第一レンズアレイ及び第二レンズアレイを有する場合において、補助光源の配置上の自由度が高められる。ここで、補助光源が第二レンズアレイの入射側に配置されている場合には、第二レンズアレイによって補助光源から射出した光を集光するように構成することが可能であり、この場合には、補助光源に放射角制御用の光学素子（集光素子）が不要となるため、光学系を簡素化できる。
【００１７】
また、本発明の照明装置においては、前記第一レンズアレイ及び前記第二レンズアレイが同一のレンズアレイによって形成され、かつ、これらレンズアレイの各レンズが互いに対応させて配置されていることが好ましい。
このように構成することにより、第二レンズアレイを構成するレンズ毎に一つの集光像と一つの補助光源を配置することが容易となる。これにより、照明対象において均一な光強度分布を得ることができ、色バランスと照明効率の向上を同時に実現できる。
【００１８】
また、本発明の照明装置においては、前記補助光源の射出側に偏光変換素子が配置されていることが好ましい。このように構成することにより、補助光源から複数の偏光成分をもつ光が放射される場合には、光源からの射出光と共に補助光源からの射出光が偏光変換素子によってＰ偏光光とＳ偏光光に空間的に分離された後、一方の偏光光の偏光方向を他方の偏光光の偏光方向に揃えて、偏光方向が略揃った各光が照明対象側に導かれる。これにより、照明対象が画像表示に際して偏光を必要とする液晶表示装置である場合、液晶表示装置における光利用効率を高めて明るい表示状態を達成することができる。
【００１９】
また、本発明の照明装置においては、前記偏光変換素子は、前記集光像（光源像）及び前記補助光源が前記各偏光分離面に対応して配置されるよう構成されたものであることが好ましい。
このように構成することにより、光源及び補助光源からの光が偏光方向を揃えて照明対象側に確実に導かれ、偏光の変換効率を高められる。
【００２０】
また、本発明の照明装置においては、前記補助光源が、赤色光を放射する補助光源であることが好ましい。このように構成することにより、光源の光源ランプが例えば高圧水銀ランプやメタルハライドランプである場合、不足する赤色光を補助光源によって補足し、可視域での色バランスがよい照明光を得ることができる。
【００２１】
また、本発明の照明装置においては、前記補助光源が、青色光を放射する補助光源であることもまた好ましい。このように構成することにより、光源の光源ランプが例えば上記とは別のメタルハライドランプやハロゲンランプである場合、不足する青色光を補助光源によって補足し、可視域での色バランスがよい照明光を得ることができる。
【００２２】
また、本発明の照明装置においては、前記補助光源がＬＥＤ（発光ダイオード）光源であることが好ましい。このように構成することにより、補助光源として発光効率の高い小型の補助光源を用いることができ、装置設計が容易になる。補助光源としては放射角の制御が可能で小型の素子が望ましく、ＬＥＤの他では、レーザー、ＥＬやＦＥＤ等の電界発光素子等を使用できる。
【００２３】
本発明の他の発明に係るプロジェクタは、上記した本発明の照明装置と、この照明装置からの照明光を変調して画像を表示する電気光学変調装置と、この電気光学変調装置によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたことを特徴とする。
【００２４】
本発明のプロジェクタによれば、色バランスがよく光利用効率のよい優れた照明装置を備えているため、色バランスがよく光利用効率のよい優れたプロジェクタとなる。
【００２５】
本発明のプロジェクタにおいては、前記電気光学変調装置が偏光光を変調する電気光学変調装置であっても良いし、無偏光光を変調する電気光学変調装置であっても良い。前者の例としてはＴＮ型液晶を用いた液晶表示素子、後者の例としては高分子分散型液晶を用いた液晶表示素子や微小な可動ミラーをマトリックス状に備えたミラーアレイ素子等が挙げられる。いずれのタイプの電気光学変調装置であっても、色バランスがよく光利用効率のよい優れたプロジェクタを構成することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された照明装置及びこれを備えたプロジェクタについて、実施の形態に基づいて説明する。
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態に係るプロジェクタの光学系を示す図である。図２は、本発明の第一実施形態における第二レンズアレイの近傍に形成される集光像と補助光源の配置状態を説明するための図である。図３は、本発明の第一実施形態における第二レンズアレイの近傍に形成される集光像と補助光源の別の配置状態を説明するための図である。なお、以下の各実施形態においては、互いに直交する三つの方向を便宜的にＸ方向，Ｙ方向及びＺ方向とする。また、後述する第一レンズアレイや集光レンズアレイによって形成される集光像は光源像に他ならないが、以下の各実施形態では集光像の呼称を用いた。
図１において、符号１で示すプロジェクタは、照明装置２及び電気光学変調装置３と投写レンズ４とによって大略構成されている。このプロジェクタ１の各構成要素２〜４は、照明光軸（光軸）ＯＣに沿って左から右へ順に配置されている。
【００２７】
照明装置２は、主光源５及びインテグレータ光学系６と補助光源７と平行化光学系８とを備えている。この照明装置２の各構成要素５〜８は、光軸ＯＣに沿って配置されている。
主光源５は、光源ランプ５Ａ及び凹面鏡５Ｂを有している。光源ランプ５Ａには例えば高圧水銀ランプが用いられている。凹面鏡５Ｂには放物面鏡が用いられている。これにより、光源ランプ５Ａから射出された放射光が凹面鏡５Ｂによって一方向に反射され、光軸ＯＣに略平行な光となってインテグレータ光学系６に入射される。
なお、凹面鏡５Ｂとしては、楕円面鏡や球面鏡を用いるようにしてもよい。この場合、光源ランプ５Ａから射出される光がインテグレータ光学系６に効率よく入射するように、主光源５とインテグレータ光学系６との間にレンズ等を配置することが好ましい。
【００２８】
インテグレータ光学系６は、第一レンズアレイ６Ａ及び第二レンズアレイ６Ｂを有している。レンズアレイ６Ａ，６Ｂの仮想中心軸線上に光軸ＯＣが位置するように、インテグレータ光学系６と光源５との位置関係が設定されている。
第一レンズアレイ６Ａは、電気光学変調装置３の表示領域と略相似関係にある外形形状（例えばＸＹ平面上でＸ方向に長い矩形状）を有する複数の光分割レンズ６ａをマトリックス状に配列して形成されている。そして、主光源５からの光を中間光ａに分割し、光軸ＯＣと垂直な平面（図１ではＸＹ平面）内の中間光ａを収束させる位置に光分割レンズ６ａと同数の集光像（光源像）Ａを形成するように構成されている。
【００２９】
第二レンズアレイ６Ｂは、第一レンズアレイ６Ａと略同様に構成されている。すなわち、この第二レンズアレイ６Ｂは、光分割レンズ６ａと同数の集光レンズ６ｂをマトリックス状に配列して形成されている。第二レンズアレイ６Ｂの各集光レンズ６ｂは、各光分割レンズ６ａと一対一で対応するように、すなわち、集光像Ａが形成される位置の近傍に配置され、各光分割レンズ６ａからの光束を電気光学変調装置３に導くように構成されている。これにより、各光分割レンズ６ａ上の光束分布は電気光学変調装置３上で重畳結合されるため、電気光学変調装置３は明るさのむらができないように均一に照明される。ここで、第二レンズアレイ６Ｂの近傍における集光像Ａの形成状態の一例を図２に示す。集光像Ａは対応する集光レンズ６ｂ毎に離散的に形成される。
【００３０】
補助光源７は、図１に示されるように、発光素子７Ａ及び集光素子７Ｂを有して第二レンズアレイ６Ｂの入射側に配置される。また、ＸＹ平面においては、図２に示すように、各集光レンズ６ｂ内の集光像Ａが存在しない空間に集光像Ａと重ならないように配置される。ここで、集光像Ａの形成位置は第一レンズアレイ６Ａにおける光分割レンズ６ａの集光特性によって制御可能であるため、各光分割レンズ６ａの光軸を偏芯させるなどして、対応する集光レンズ６ｂ内で集光像Ａを局在化させ、補助光源７を配置できる空間を確保している。
【００３１】
なお、主光源５によって形成される集光像Ａの大きさは、図２に示されるように、一般に光軸ＯＣ付近では大きく光軸ＯＣから離れるほど小さくなる。その変化の仕方は凹面鏡５Ｂの光学特性に依存する。したがって、本実施形態では、大きな集光像Ａが形成される光軸ＯＣ付近の集光レンズ６ｂには補助光源７を配置せず、比較的小さな集光像Ａが形成される光軸ＯＣから離れた集光レンズ６ｂに補助光源７を配置しているが、これに限定されない。集光像Ａの大きさは主光源５や第一レンズアレイ６Ａの光学特性に依存するため、全ての集光レンズ６ｂに補助光源７を配置する構成としても良い。要するに、集光像Ａの大きさと集光レンズ６ｂの相対的な大きさの関係を考慮して、補助光源７の配置場所を決めれば良い。本実施形態では全ての集光レンズ６ｂを同一の寸法形状としているが、例えば、集光像Ａが大きい光軸ＯＣ付近の集光レンズ６ｂを周辺部の集光レンズ６ｂに比べて大型化すれば、この領域にも補助光源７を配置することが可能となる。
【００３２】
発光素子７Ａから放射された光は集光素子７Ｂで集光されて所定の放射角の光となった後、第二レンズアレイ６Ｂで射出方向を電気光学変調装置３の中心方向に曲げられて、集光像Ａからの光と同様に電気光学変調装置３の表示領域の全体を照明する。すなわち、複数の補助光源７から射出された光束は、主光源５からの光束と同様に、電気光学変調装置３上で重畳結合される。したがって、照明対象である電気光学変調装置３は主光源５からの光と複数の補助光源７からの光によって、明るさのむらができないように均一に照明される。なお、補助光源７は、主光源５の光軸ＯＣに関して対称な位置に位置する複数（１２個）の補助光源によって構成されている。これにより、照明光の角度分布が異方性をもたなくなるから、照明対象（電気光学変調装置３）の表示特性が入射角依存性を有する場合においても、照明光角度分布の不均一性による表示むらや明るさむらの発生を防止できる。
【００３３】
なお、本実施形態においては、補助光源７を第二レンズアレイ６Ｂの入射側に配置する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、第二レンズアレイ６Ｂの射出側に、また入射側及び射出側の両側に配置することもできる。このため、補助光源７を配置する上での自由度が高められる。
また、本実施形態においては、補助光源７が第二レンズアレイ６Ｂの集光レンズ６ｂの一部に対向する（補助光源７からの光は集光レンズ６ｂに入射する）場合について説明したが、図３（１／４象限のみ図示）に示すように集光レンズ６ｂ１を小さくして補助光源７が集光レンズ６ｂ１に対向しない（補助光源７からの光は集光レンズ６ｂに入射しない）ような構造としてもよい。
【００３４】
上述したように、集光素子７Ｂは発光素子７Ａからの光を所定の放射角を有する光に変換する機能を有する。したがって、発光素子７Ａから放射される光が予め上記の所定の放射角となっている場合には、集光素子７Ｂを省略することができる。但し、第二レンズアレイ６Ｂは集光素子７Ｂからの光の進行方向を照明対象である電気光学変調装置３の中心方向に曲げる機能を有するため、補助光源７の射出側に集光レンズ６ｂが存在しない構成、例えば、図３の場合や補助光源７が第二レンズアレイ６Ｂの射出側に配置される場合には、集光素子７Ｂに第二レンズアレイ６Ｂの機能を付加する必要があり、よって、集光素子７Ｂを備えることが望ましい。尤も、発光素子７Ａから放射される光が第二レンズアレイ６Ｂの機能をも考慮した放射特性である場合には、第二レンズアレイ６Ｂの有無に係わらず集光素子７Ｂを省略することができる。
【００３５】
さらに、本発明において、一つの集光レンズ６ｂに対応する補助光源７の配置領域と集光像Ａの形成領域との位置関係は特に限定されるものではなく、図３に示されるように、本実施形態（図２を参照）とは左右が逆となるような位置関係としてもよい。
【００３６】
発光素子７Ａには、所定の波長域の光としての赤色光を射出するＬＥＤ光源（発光ダイオード）が用いられている。これにより、主光源５から射出される光において不足する赤色光を補足するように構成されている。また、ＬＥＤ光源は発光効率の高い小型の発光素子であるため、集光像Ａを遮ることなく僅かな空間に配置可能であり、照明装置としての設計が容易になる。集光素子７Ｂは、放射角制御用の光学素子からなり、発光素子７Ａから射出した光を重畳結合するように構成されている。これにより、補助光源７による照明効率が高められる。
【００３７】
平行化光学系８は、平行化レンズ（フィールドレンズ）８Ａを有し、第二レンズアレイ６Ｂと電気光学変調装置３との間に配置され、第二レンズアレイ６Ｂからの各光束をその光束の中心軸に対して平行となるように変換している。これにより、照明対象である電気光学変調装置３への照明光束の角度分布範囲が狭くなるため、表示特性が入射角依存性を有する場合でも、高画質化を実現できる。
なお、平行化光学系８の構成はこれに限定されず、例えば平行化レンズ８Ａの入射側（インテグレータ光学系側）に入射側レンズを、またその射出側（電気光学変調装置側）には射出側レンズを配置してなるものなど、複数のレンズによって構成されたものでもよい。
【００３８】
電気光学変調装置３は、例えば透過型の液晶表示装置のような電気光学変調装置からなり、平行化光学系８のスクリーンＳＣ側に配置されている。そして、照明装置２から射出された光を入射させ、さらに図示されない画像信号（画像情報）に応じて変調し、この変調された光を透過光ｂとしてスクリーンＳＣ側に射出するように構成されている。
投写レンズ４は、電気光学変調装置３とスクリーンＳＣとの間に配置されている。そして、電気光学変調装置３から射出された変調光（透過光ｂ）を投写画像としてスクリーンＳＣ上に投写表示するように構成されている。
【００３９】
以上の構成により、照明装置２（主光源５及び補助光源７）から射出された光が電気光学変調装置３に入射して変調され、この変調光が投写レンズ４によってスクリーンＳＣ上に投写表示される。この際、照明装置２の主光源５（光源ランプ５Ａ）から射出される複数の波長域の光において不足する赤色光が照明装置２の補助光源７から射出される。
したがって、本実施形態においては、光源ランプ（高圧水銀ランプ）５Ａの発光特性を補正して可視域での色バランスがよい照明光を得ることができ、また、色バランスのよい照明光を得るために、特定の色成分を減光する必要がないから、光源ランプ５Ａの光利用効率の低下を防止することができる。これらにより、明るく、色表現域の広い投写画像を実現できる。さらに、補助光源７として発光効率が高く発熱が少ないＬＥＤ光源を用いているため、明るい投写画像を表示する場合でも、冷却装置などを従来に比べて大型化する必要が無く、小型で低騒音のプロジェクタを実現できる。
【００４０】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態につき、図４及び図５を用いて説明する。図４は、本発明の第二実施形態に係るプロジェクタの光学系を示す図である。（ａ）は上面から見た断面図であり、（ｂ）は側面から見た断面図である。図５は、本発明の第二実施形態における第二レンズアレイの近傍に形成される集光像と補助光源の配置状態を説明するための図である。本実施形態も含めて以降に説明する各実施形態において、既に説明済みの部材と同一又は同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態におけるプロジェクタ（照明装置）は、二つのレンズアレイを有するインテグレータ光学系を備え、所定の波長域の光（赤色光）を射出する補助光源の射出側に偏光変換素子（偏光変換光学系）を配置した点に特徴がある。
照明装置４１は、主光源５及びインテグレータ光学系６と補助光源７と平行化光学系８と偏光変換光学系４２とを備えている。なお、本実施形態で採用している偏光変換光学系は公知技術であり、例えば、本願発明人による特開平８−３０４７３９号公報に詳述されている。
【００４１】
偏光変換光学系４２は、偏光分離ユニットアレイ４３及びλ／２位相差板４４と射出側レンズ（重畳レンズ）４５とを有し、補助光源７の射出側に第二レンズアレイ６Ｂを介して配置されている。そして、第二レンズアレイ６Ｂを透過した主光源５からの中間光ａ及び補助光源７からの赤色光をＰ偏光光とＳ偏光光とに空間的に分離した後、一方の偏光光の偏光方向を他方の偏光光の偏光方向に揃え、偏光方向が略揃ったそれぞれの光を照明対象（電気光学変調装置３）側に導くように構成されている。これにより、特定の偏光光を必要とする電気光学変調装置３Ａ（例えばＴＮ型の液晶表示装置）における光利用効率を高めて明るい表示状態が達成される。
【００４２】
本実施形態では偏光変換光学系４２を用いているため、補助光源７の配置形態は第一実施形態の場合とは異なっている。すなわち、補助光源７は第二レンズアレイ６Ｂの入射側であって、図５に示されるように、第一レンズアレイ６Ａによって複数の集光像Ａが離散して形成される位置のＹ方向における直上方又は直下方に配置されている。この様な配置形態を取る理由は、第一レンズアレイ６Ａによって複数の集光像Ａが離散して形成される位置の近傍（側方）には、偏光変換を行うための領域（空間）ＳＰを形成する必要があるためである。
なお、補助光源７は、第二レンズアレイ６Ｂの入射側に配置されているが、単一の偏光成分をもつ光を放射する光源（例えばレーザー等）である場合には、λ／２位相差板４４と射出側レンズ４５との間に配置されることが可能である。更に加えて、補助光源７の集光素子７Ｂが射出側レンズ４５と同等の機能を有する場合には、補助光源７を射出側レンズ４５の射出側に配置することができる。
【００４３】
偏光分離ユニットアレイ４３は、複数の偏光分離ユニット４３Ａがマトリックス状に配列して形成されている。偏光分離ユニット４３Ａは、内部に偏光分離面４３ａ１及び反射面４３ａ２を有する四角柱状の構造体からなり、主光源５からの中間光ａ及び補助光源７からの光をＰ偏光光とＳ偏光光とに空間的に分離するように構成されている。このため、偏光分離面４３ａ１と反射面４３ａ２は、横方向（Ｘ方向）に並列して配置されている。また、これら偏光分離面４３ａ１と反射面４３ａ２は、光軸ＯＣに対して約４５°傾斜し、かつ互いに平行な状態で配置されている。そして、偏光分離ユニット４３Ａは、集光像Ａ及び補助光源７のそれぞれ一つが偏光分離面４３ａ１に対応するように配置されている。これにより、偏光分離ユニット４３Ａに入射した主光源５からの中間光ａ及び補助光源７からの光は、偏光分離面４３ａ１において進行方向を変えずに偏光分離面４３ａ１を通過するＰ偏光光と、偏光分離面４３ａ１で反射して反射面４３ａ２に進行方向を変えるＳ偏光光とに分離される。そして、Ｐ偏光光はそのまま偏光分離ユニット４３Ａから電気光学変調装置３Ａ側に射出され、Ｓ偏光光は再び反射面４３ａ２で進行方向を変え、Ｐ偏光光と略平行な状態で偏光分離ユニット４３Ａから射出される。
【００４４】
なお、偏光分離ユニット４３Ａの偏光分離面４３ａ１が存在する領域に主光源５からの中間光ａ及び補助光源７からの光を導く必要があるため、これら光が偏光分離面４３ａ１の中央部に入射するように、偏光分離ユニット４３Ａと集光レンズ６ｂの位置関係や集光レンズ６ｂのレンズ特性は設定されている。
【００４５】
λ／２位相差板４４は、複数の位相差板からなり、偏光分離ユニット４３ＡのＰ射出面に対向する部位に配置されている。これにより、偏光分離ユニット４３ＡのＰ射出面（偏光分離面４３ａ１を透過したＰ偏光光が射出する面）から射出されたＰ偏光光がλ／２位相差板４４を通過する際に偏光方向の回転作用を受けてＳ偏光光へと変換される。一方、偏光分離ユニット４３ＡのＳ射出面（偏光分離面４３ａ１を反射したＳ偏光光が射出する面）から射出されたＳ偏光光はλ／２位相差板４４を通過しないため、その偏光方向は変化せず、そのままスクリーンＳＣ側に進行する。これにより、主光源５及び補助光源７からの不定偏光光は略偏光方向が揃った偏光光に変換される。
【００４６】
射出側レンズ（重畳レンズ）４５は単一のレンズ体からなり、λ／２位相差板４４の射出側に配置されている。この射出側レンズ４５はλ／２位相差板４４の異なる位置から射出された各光束の進行方向を照明対象である電気光学変調装置３Ａの中心方向に曲げる機能を有する。これにより、λ／２位相差板４４においてＳ偏光光に揃えられた光束は電気光学変調装置３上で重畳結合される。したがって、照明対象である電気光学変調装置３Ａは主光源５からの光と複数の補助光源７からの光によって、明るさのむらができないように均一に、しかも偏光方向が略揃った一種類の偏光光で照明される。なお、補助光源７は、主光源５の光軸ＯＣに関して対称な位置に位置する複数（図５では８個）の補助光源によって構成されている。これにより、照明光の角度分布が異方性をもたなくなるから、照明対象（電気光学変調装置３Ａ）の表示特性が入射角依存性を有する場合においても、照明光角度分布の不均一性による表示むらや明るさむらの発生を防止できる。
さらに、射出側レンズ４５は、単一のレンズ体である必要がなく、レンズ集合体であってもよい。
【００４７】
以上の構成により、照明装置４１（主光源５及び補助光源７）から射出された光は平行化レンズ８Ａを経て電気光学変調装置３Ａに入射して変調され、この変調光が投写レンズ４によってスクリーンＳＣ上に投写表示される。この際、補助光源７においては、主光源５（光源ランプ５Ａ）から射出される複数の波長域の光において不足する赤色光が射出される。
【００４８】
したがって、本実施形態においても第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
加えて、本実施形態では主光源５や補助光源７が放射する不定偏光光を偏光方向が揃った特定の偏光光に変換する偏光変換光学系４２を備えているため、画像表示に際して偏光光を必要とする電気光学変調装置（例えばＴＮ型の液晶表示装置）を用いたプロジェクタにおいては、一層明るい投写画像を実現できる。なお、本実施形態及び以下の実施形態（偏光変換光学系を含むもの）においては、任意の偏光光から一種類の偏光光としてＳ偏光光を得る構成としているが、Ｐ偏光光を得る構成としても勿論よい。
【００４９】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態につき、図６を用いて説明する。図６は、本発明の第三実施形態に係るプロジェクタの光学系を示す図である。（ａ）は上面から見た断面図であり、（ｂ）は側面から見た断面図である。
本実施形態におけるプロジェクタ（照明装置）は、偏光変換素子（偏光変換光学系）の射出側に第二レンズアレイを配置した点に特徴がある。
【００５０】
照明装置６１は、主光源５及びインテグレータ光学系６２と補助光源７と平行化光学系８と偏光変換光学系４２とを備えている。インテグレータ光学系６２は、第一レンズアレイ６Ａ及び第二レンズアレイ６２Ｂを有している。
【００５１】
第二レンズアレイ６２Ｂは、光分割レンズ６ａの二倍の個数の集光レンズ（重畳レンズ）６２ｂをマトリックス状に配列して形成され、各集光レンズ６２ｂは各偏光分離ユニット４３ＡのＰ射出面とＳ射出面に対応する位置に配置されている。この第二レンズアレイ６２Ｂは、偏光変換光学系４２からの光の進行方向を照明対象である電気光学変調装置３の中心方向に曲げ、各光分割レンズ６ａからの光を電気光学変調装置３上で重畳結合させる機能を有する。
【００５２】
なお、第一レンズアレイ６Ａによって複数の集光像Ａが離散して形成される位置の近傍（側方）には、偏光変換を行うための領域（空間）ＳＰを形成する必要があるため、本実施形態に示す補助光源７も第二実施形態に示す補助光源７と同様に配置されている（図５参照）。すなわち、補助光源７は、第二レンズアレイ６２Ｂの入射側であって、第一レンズアレイ６Ａによって複数の集光像Ａが離散して形成される位置のＹ方向における直上方又は直下方に配置されている。したがって、一つの集光レンズ６２ｂには偏光変換後の偏光方向が略揃った中間光ａと補助光源７からの光が入射する（補助光源７が存在しない位置の集光レンズ６２ｂには中間光ａのみが入射する）。そして、これらの光は電気光学変調装置３Ａ上で重畳結合される。
【００５３】
以上の構成により、照明装置６１（主光源５及び補助光源７）から射出された光は平行化レンズ８Ａを経て電気光学変調装置３Ａに入射して変調され、この変調光が投写レンズ４によってスクリーンＳＣ上に投写表示される。この際、補助光源７においては、主光源５（光源ランプ５Ａ）から射出される複数の波長域の光において不足する赤色光が射出される。
【００５４】
したがって、本実施形態においても第一及び第二実施形態と同様の効果を得ることができる。
加えて、偏光変換素子（偏光変換光学系）の射出側に第二レンズアレイを配置しているため、第二レンズアレイに第二実施形態の射出側レンズ（重畳レンズ）４５の機能を併せ持たせ、射出側レンズを省略でき、光学系を簡素化できる。また、偏光変換後の光束毎に集光レンズを対応させるため、照明対象である電気光学変調装置３Ａ上での各光束の重畳結合をより精度良く行え、照明効率を向上させて、より明るい投写画像を実現できる。なお、補助光源７が特定の偏光光（例えば直線偏光光）を射出する光源である場合には、補助光源７をλ／２位相差板４４と第二レンズアレイ６２Ｂとの間に配置することができる。更に加えて、補助光源７の集光素子７Ｂが第２レンズアレイ６２Ｂと同等の機能を有する場合には、補助光源７を第２レンズアレイ６２Ｂの射出側に配置することができる。
【００５５】
［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態につき、図７及び図８を用いて説明する。図７は、本発明の第四実施形態に係るプロジェクタの光学系を示す図である。図８は、本発明の第四実施形態における伝達レンズ７３Ｂの近傍に形成される集光像と補助光源の配置状態を説明するための図である。
本実施形態におけるプロジェクタ（照明装置）は、インテグレータ光学系が、光源から入射した光を界面や反射面で反射させて照明対象側に射出する導光ロッド（導光体）と、この導光ロッドからの射出光を照明対象側に導く伝達レンズとを有するものである点に特徴がある。
照明装置７１は、主光源７２及びインテグレータ光学系７３と補助光源７と平行化光学系８とを備えている。
【００５６】
主光源７２は、光源ランプ７２Ａ及び凹面鏡７２Ｂを有している。光源ランプ７２Ａには例えば高圧水銀ランプが用いられている。凹面鏡７２Ｂには楕円面鏡が用いられている。これにより、光源ランプ７２Ａから射出された放射光束が凹面鏡７２Ｂによって集光され、インテグレータ光学系７３の導光ロッド（後述）の入射端面に効率よく入射する。
なお、凹面鏡７２Ｂとしては、放物面鏡や球面鏡を用いるようにしてもよい。この場合、光源ランプ７２Ａから射出される光がインテグレータ光学系７３の導光ロッドに効率よく入射するように、主光源７２とインテグレータ光学系７３との間にレンズ等を配置することが好ましい。
【００５７】
インテグレータ光学系７３は、導光ロッド７３Ａ及び伝達レンズ７３Ｂを有し、主光源７２と平行化光学系８との間に配置されている。
導光ロッド７３Ａは、主光源７２からの光を反射させる界面７３ａ１を複数有する導光体であり、照明対象である電気光学変調装置の表示領域と略相似関係にある形状の射出端面を有している。この導光ロッド７３Ａは、例えば、透明な角柱状のガラス体や反射ミラーを管状に構成したものである。そして、主光源７２から入射した不均一な強度分布をもつ光を、界面７３ａ１において反射を繰り返すことにより均一な強度分布をもつ光に変換し、射出端面から射出するように構成されている。
【００５８】
また、この導光ロッド７３Ａの射出端面部には集光レンズ７３ａが配置され、導光ロッド７３Ａから異なる方向に角度分離されて射出された光束は、この集光レンズ７３ａによって複数の集光像Ａを光軸ＯＣと垂直な平面（図７ではＸＹ平面）内にマトリックス状に形成する。図８に示すように、複数の集光像Ａが離散的に形成される。なお、形成される集光像Ａの大きさに関しては、第一実施形態で説明したように、一般に光軸ＯＣ付近では大きく、光軸ＯＣから離れるほど小さい。
そして、導光ロッド７３Ａを、入射端面と射出端面との寸法が相似的に異なる所謂テーパーロッドとすることにより、光源光による集光像Ａの形成位置をテーパー形状によって制御することができる。
【００５９】
伝達レンズ７３Ｂは、単数のレンズからなり、補助光源７の射出側に配置されている。そして、導光ロッド７３Ａ（主光源７２）及び補助光源７からの光を照明対象である電気光学変調装置３の中心方向に曲げ、それらの光を電気光学変調装置３上で重畳結合させる機能を有する。
なお、伝達レンズ７３Ｂは、単数のレンズである場合について説明したが、レンズアレイであってもよい。この場合には、伝達レンズ７３Ｂが単数のレンズである場合と比べて照明効率を高められる。
【００６０】
図８に示されるように、伝達レンズ７３Ｂの入射側には、集光像Ａが存在しない空間に集光像Ａと重ならないように補助光源７が配置される。補助光源７から射出された光は伝達レンズ７３Ｂで射出方向を電気光学変調装置３の中心方向に曲げられて、集光像Ａからの光と同様に電気光学変調装置３の表示領域の全体を照明する。すなわち、複数の補助光源７から射出された光束は、主光源５からの光束と同様に、電気光学変調装置３上で重畳結合される。したがって、照明対象である電気光学変調装置３は主光源５からの光と複数の補助光源７からの光によって、明るさのむらができないように均一に照明される。
【００６１】
なお、補助光源７は、主光源５の光軸ＯＣに関して対称な位置に位置する複数（例えば１４個）の補助光源によって構成されている。これにより、照明光の角度分布が異方性をもたなくなるから、照明対象（電気光学変調装置３）の表示特性が入射角依存性を有する場合においても、照明光角度分布の不均一性による表示むらや明るさむらの発生を防止できる。また、伝達レンズ７３Ｂは単レンズではなく、複数のレンズからなる組み合わせレンズ、ＸＹ平面内で特性の異なる複数のレンズを組み合わせたレンズアレイ等を用いることもできる。
【００６２】
以上の構成により、照明装置７１（主光源７２及び補助光源７）から射出された光は平行化レンズ８Ａを経て電気光学変調装置３に入射して変調され、この変調光が投写レンズ４によってスクリーンＳＣ上に投写表示される。この際、照明装置７１においては、主光源７２（光源ランプ７２Ａ）から射出される複数の波長域の光において不足する赤色光が射出される。
したがって、本実施形態においても第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
なお、本実施形態においては、伝達レンズ７３Ｂの入射側に補助光源７を配置する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、伝達レンズ７３Ｂの射出側に、また入射側及び射出側の両側に配置することもできる。このため、補助光源７を配置する上での自由度を高められる。
【００６４】
［第五実施形態］
次に、本発明の第五実施形態につき、図９及び図１０を用いて説明する。図９は、本発明の第五実施形態に係るプロジェクタにおける光学系を示す図である。（ａ）は上面から見た断面図であり、（ｂ）は側面から見た断面図である。図１０は、本発明の第五実施形態における集光レンズアレイの近傍に形成される集光像と補助光源の配置状態を説明するための図である。
本実施形態におけるプロジェクタ（照明装置）は、導光ロッド及び伝達レンズを有するインテグレータ光学系を備え、所定の波長域の光（赤色光）を射出する補助光源の射出側に偏光変換素子（偏光変換光学系）を配置した点に特徴がある。
【００６５】
照明装置８１は、主光源７２及びインテグレータ光学系７３と補助光源７と平行化光学系８と偏光変換光学系８２とを備えている。なお、本実施形態における偏光変換光学系８２の構成及び機能は第二実施形態の偏光変換光学系４２と基本的に同じである。大きく異なる点は、偏光分離膜４３ａ１と反射面４３ａ２の配置状態である。具体的には、第二実施形態では偏光分離面４３ａ１と反射面４３ａ１とが光軸ＯＣを対称軸としてＸ軸の左右で対称に配置されていたが、本実施形態では全ての偏光分離面４３ａ１と反射面４３ａ１とが同じ方向に配置されている。しかし、この差異は偏光変換光学系のバリエーションに過ぎず、本発明の本質ではないため、偏光変換光学系８２の詳細な説明は省略する。
【００６６】
補助光源７は集光レンズアレイ８３の入射側であって、図１０に示されるように、導光ロッド７３Ａによって複数の集光像Ａが離散して形成される位置のＹ方向における直上方又は直下方に配置されている。これにより、照明対象である電気光学変調装置３Ａは主光源５からの光と複数の補助光源７からの光によって、明るさのむらができないように均一に、しかも偏光方向が略揃った一種類の偏光光で照明される。ここで、補助光源７は、主光源５の光軸ＯＣに関して対称な位置に位置する複数（図１０では６個）の補助光源によって構成されている。なお、補助光源７は、集光レンズアレイ８３の入射側に配置されているが、単一の偏光成分をもつ光を放射する光源（例えばレーザー）である場合には、λ／２位相差板４４と射出側レンズ７３Ｂとの間に配置されることが可能である。更に加えて、補助光源７の集光素子７Ｂが射出側レンズ７３Ｂと同等の機能を有する場合には、補助光源７を射出側レンズ７３Ｂの射出側に配置することができる。
【００６７】
以上の構成により、照明装置８１から射出された光が電気光学変調装置３Ａに入射して変調され、この変調光が投写レンズ４によってスクリーンＳＣ上に投写表示される。この際、補助光源７においては、主光源７２（光源ランプ７２Ａ）から射出される複数の波長域の光において不足する赤色光が射出される。
【００６８】
したがって、本実施形態においても第四実施形態と同様の効果を得ることができる。
加えて、本実施形態では主光源５や補助光源７が放射する不定偏光光を偏光方向が揃った特定の偏光光に変換する偏光変換光学系４２を備えているため、画像表示に際して偏光光を必要とする電気光学変調装置（例えば液晶表示装置）を用いたプロジェクタにおいては、一層明るい投写画像を実現できる。
【００６９】
以上の各実施形態で説明したように、照明対象に至る過程において複数の集光像を離散的に形成する過程を備えた光学系であれば、インテグレータ光学系や偏光変換光学系の形態に関係なく本発明の構成を採用することが可能である。
また、各実施形態においては、主光源５，７２の光源ランプ５Ａ，７２Ａが高圧水銀ランプである場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、メタルハライドランプやハロゲンランプ等の他の光源ランプを用いてもよい。メタルハライドランプを用いた場合には、補助光源の発光素子として青色光や赤色光を射出する発光素子を、また、ハロゲンランプを用いた場合には青色光を射出する発光素子を用いると、主光源から射出される光束において不足する特定の色光を補足でき、色バランスの良い照明光を得ることができる。
【００７０】
さらに、補助光源として用いる発光素子の発光部の形状を照明対象である電気光学変調装置の表示領域と略対称関係に設定することが望ましい。或いは、発光部の形状が電気光学変調装置の表示領域と略対称関係にない場合には、集光素子の光学特性を制御することによって、電気光学変調装置の表示領域と略対称関係に設定することが望ましい。第二レンズアレイや集光レンズアレイによって、発光素子の発光部と照明対象とは共役関係にあるため、上記の略対称関係を導入することによって、照明効率を向上できるからである。
【００７１】
また、各実施形態においては、単一の電気光学変調装置３を備えた単板式のプロジェクタに適用する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、三つの電気光学変調装置を備えた三板式のプロジェクタに適用することもできる。
この他、各実施形態においては、透過型の電気光学変調装置３を備えたプロジェクタに適用する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、反射型（変調光を反射するタイプ）の電気光学変調装置（例えば、多数の微小ミラーをマトリックス状に配列したマイクロミラー表示素子、液晶を用いたＬＣＯＳ素子）を備えたプロジェクタにも各実施形態と同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施形態に係るプロジェクタの光学系を示す図である。
【図２】第一実施形態における第二レンズアレイの近傍に形成される集光像と補助光源の配置状態を説明するための図である。
【図３】第一実施形態における第二レンズアレイの近傍に形成される集光像と補助光源の別の配置状態を説明するための図である。
【図４】第二実施形態に係るプロジェクタの光学系を示す図である。
【図５】第二実施形態における第二レンズアレイの近傍に形成される集光像と補助光源の配置状態を説明するための図である。
【図６】第三実施形態に係るプロジェクタの光学系を示す図である。
【図７】第四実施形態に係るプロジェクタの光学系を示す図である。
【図８】第四実施形態における集光レンズアレイの近傍に形成される集光像と補助光源の配置状態を説明するための図である。
【図９】第五実施形態に係るプロジェクタの光学系を示す図である。
【図１０】第五実施形態における集光レンズアレイの近傍に形成される集光像と補助光源の配置状態を説明するための図である。
【図１１】従来のプロジェクタの光学系を示す図である。
【符号の説明】
１ プロジェクタ
２ 照明装置
３，３Ａ 電気光学変調装置
４ 投写レンズ
５ 主光源
５Ａ 光源ランプ
５Ｂ 凹面鏡
６ インテグレータ光学系
６Ａ 第一レンズアレイ
６ａ 光分割レンズ
６Ｂ 第二レンズアレイ
６ｂ 集光レンズ
７ 補助光源
７Ａ 発光素子
７Ｂ 集光素子
８ 平行化光学系
８Ａ 平行化レンズ
Ａ，Ａ１〜Ａ３ 集光像（光源像）
ａ 中間光
ｂ 透過光
ＯＣ 光軸
ＳＣ スクリーン

Claims (18)

1. 複数の波長域の光を射出する光源と、
   この光源から射出した不均一な光強度分布をもつ光を、略均一な光強度分布をもつ光に変換するインテグレータ光学系とを備え、
   このインテグレータ光学系によって複数の集光像（光源像）が離散して形成される位置の近傍に、所定の波長域の光を射出する補助光源を配置したことを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載された照明装置において、前記補助光源が、発光素子及び集光素子を有することを特徴とする照明装置。
3. 請求項１又は２に記載された照明装置において、前記補助光源が、前記光源における光軸の周辺部であって、前記集光像（光源像）のうち外形寸法が相対的に小さい集光像（光源像）の近傍に配置されていることを特徴とする照明装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載された照明装置において、前記補助光源が、前記光源の光軸に関して対称な位置に配置された複数の補助光源とされることを特徴とする照明装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載された照明装置において、前記インテグレータ光学系が、前記光源から入射した光を界面又は反射面で反射させて照明対象側に射出する導光体と、この導光体からの射出光を照明対象側に導く伝達レンズとを有することを特徴とする照明装置。
6. 請求項５に記載された照明装置において、前記伝達レンズがレンズアレイであることを特徴とする照明装置。
7. 請求項５又は６に記載された照明装置において、前記補助光源が、前記伝達レンズの入射側及び射出側の少なくとも一方側に配置されていることを特徴とする照明装置。
8. 請求項１〜４のいずれかに記載された照明装置において、前記インテグレータ光学系が、前記光源からの光を中間光に分割する第一レンズアレイと、この第一レンズアレイによって分割された中間光を集光する第二レンズアレイとを有することを特徴とする照明装置。
9. 請求項８に記載された照明装置において、前記補助光源が、前記第二レンズアレイの入射側及び射出側の少なくとも一方側に配置されていることを特徴とする照明装置。
10. 請求項８又は９に記載された照明装置において、前記第一レンズアレイ及び前記第二レンズアレイが同一のレンズアレイによって形成され、かつこれらレンズアレイの各レンズが互いに対応させて配置されていることを特徴とする照明装置。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載された照明装置において、前記補助光源の射出側に偏光変換素子が配置されていることを特徴とする照明装置。
12. 請求項１１に記載された照明装置において、前記偏光変換素子は、前記集光像（光源像）及び前記補助光源のそれぞれが前記各偏光分離面に対応して配置されるよう構成されていることを特徴とする照明装置。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載された照明装置において、前記補助光源が、赤色光を放射する補助光源であることを特徴とする照明装置。
14. 請求項１〜１２のいずれかに記載された照明装置において、前記補助光源が、青色光を放射する補助光源であることを特徴とする照明装置。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載された照明装置において、前記補助光源がＬＥＤ（発光ダイオード）光源であることを特徴とする照明装置。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載された照明装置と、この照明装置からの照明光を変調して画像を表示する電気光学変調装置と、この電気光学変調装置によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクタ。
17. 請求項１６に記載されたプロジェクタにおいて、前記電気光学変調装置が偏光光を変調する電気光学変調装置であることを特徴とするプロジェクタ。
18. 請求項１６に記載されたプロジェクタにおいて、前記電気光学変調装置が無偏光光を変調する電気光学変調装置であることを特徴とするプロジェクタ。

Images