JP2004233442A - 照明装置およびプロジェクタ - Google Patents
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Abstract
【課題】光利用効率が高く明るさムラの少ない照明光を発生できる照明装置と、それを用いたプロジェクタを提供することを目的とする。特に、明るさが均一で、投写画像にむらが無く、レンズの製造も容易に行えるようにする。
【解決手段】光源１０、１１からの光束を複数の部分光束に分割・集光する集光光学素子１２、１３と、集光光学素子１２、１３により生成された複数の部分光束を被照明領域上に伝達する伝達光学素子と、伝達光学素子により伝達される複数の部分光束を被照明領域上で重畳する重畳光学素子１７、１８とを有する照明装置１であって、集光光学素子１２、１３は、互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズアレイ１２、１３で構成されていると共に、重畳光学素子１７、１８は、互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズ１７，１８で構成されていることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】光源１０、１１からの光束を複数の部分光束に分割・集光する集光光学素子１２、１３と、集光光学素子１２、１３により生成された複数の部分光束を被照明領域上に伝達する伝達光学素子と、伝達光学素子により伝達される複数の部分光束を被照明領域上で重畳する重畳光学素子１７、１８とを有する照明装置１であって、集光光学素子１２、１３は、互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズアレイ１２、１３で構成されていると共に、重畳光学素子１７、１８は、互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズ１７，１８で構成されていることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの不定偏光光を略一種類の偏光光束に変換すると共に、被照明領域を略均一に照明する照明装置、およびそれを用いたプロジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液晶ライトバルブを光源からの光で照明し、スクリーンなどに画像を投写して表示する投写型表示装置（液晶プロジェクタ）が実用化されている。液晶プロジェクタでは、明るく、明るさムラのない投写画像を表示するために、略一種類の偏光光束を高い効率で生成すると共に、被照明領域である液晶ライトバルブ（電気光学装置）上で略均一な照度分布を実現する照明光学系が必要とされる。これを実現するために、図１０に示す偏光照明系（例えば、特許文献１参照）が本願発明者らによって考案され実用化されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３０４７３９号公報
【特許文献２】
特開平１１−２３１２６２号公報
【特許文献３】
特開２０００−１８０８１３号公報
【０００４】
図１０において、光源ランプ１００から放射された不定偏光光束は、リフレクタ１０１によって略平行化され第１レンズアレイ１０２に入射する。第１レンズアレイ１０２及び第２レンズアレイ１０３は、共に複数の小レンズ１０２ａ、１０３ａがアレイ状に配置された構成を成している。第１レンズアレイ１０２に入射した光束は複数の部分光束に分割されると共に集光され、対応する第２レンズアレイ１０３の小レンズ１０３ａに入射した後、重畳レンズ１０６を経て被照明領域である液晶ライトバルブ１０８上で重畳される。ここで、小レンズ１０２ａの外形形状は被照明領域である液晶ライトバルブ１０８の表示領域と略相似形を成すように設定されている。液晶プロジェクタに使用される液晶ライトバルブ１０８の多くは３：４の縦横比の表示領域を有するため、第１レンズアレイ１０２も３：４の縦横比を有する小レンズ１０２ａによって構成される。なお、第２レンズアレイ１０３の小レンズ１０３ａについては、第１レンズアレイ１０２の小レンズ１０２ａの様な制約はないが、レンズアレイの製造コストの低減を狙って、第１レンズアレイ１０２と同じ物を第２レンズアレイ１０３として使用する場合が殆どである。
【０００５】
上記の照明光学系においては、さらに、部分光束が集光され光源像を形成する位置の近傍に、偏光変換光学系としての偏光ビームスプリッタアレイ１０４と位相差板アレイ１０５とが配置され、光源ランプ１００からの不定偏光光束を略一種類の偏光光束に変換している。偏光ビームスプリッタアレイ１０４は、不定偏光をＰ偏光とＳ偏光に分離する偏光分離面１０４ａと、偏光分離面１０４ａからの光の向きを変える反射面１０４ｂとを、交互に配列した構造を有する光学素子であり、偏光分離面１０４ａは小レンズ１０３ａの列或いは行方向に対応して配置される。また、製造の容易さを考慮して、偏光分離面１０４ａは等間隔で配置される構成となっている。以上により、液晶ライトバルブ１０８は略一種類の偏光光束で略均一に照明される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
偏光ビームスプリッタアレイ１０４において偏光分離を効率良く行うためには、偏光分離面１０４ａにのみ選択的に部分光束を入射させることが必要となる。しかしながら、有限長の発光部を有する光源ランプ１００からの光束は完全な平行光束ではなく、照明光軸Ｌに対して傾いた方向から入射する光も存在する。この様な光は第１レンズアレイ１０２により形成される光源像１１０の寸法を大型化させる原因の一つとなり、その結果、図１１に示すように、部分光束の一部は偏光ビームスプリッタアレイ１０４の対応する偏光分離面１０４ａには入射せず、隣接する反射面１０４ｂに入射する。反射面１０４ｂに直接入射した光は、照明に寄与しない偏光光束となって、或いは液晶ライトバルブ１０８に入射しない光束となって位相差板アレイ１０５から射出されるため、このような光の存在が多くなる程照明効率は低下する。例えば、表示領域の縦横比が３：４の液晶ライトバルブ１０８を照明する場合には、縦横比が３：２の入射開口部を有する偏光分離面１０４ａに部分光束を集光させる必要がある。このような縦横比の開口部では、長辺に比して短辺の寸法が２／３となるため、短辺方向に拡がった（角度分布を有する）光束を効率良く入射させることができず、光利用効率が悪くなるという課題があった。
【０００７】
そこで、形成される光源像の寸法形状に対応させて、小レンズ１０３ａや偏光ビームスプリッタアレイ１０４の偏光分離面１０４ａと反射面１０４ｂの大きさ及び配置状態を個々に変えることが想致される。しかし、その場合には偏光ビームスプリッタアレイ１０４の構成が複雑となり、製造コストの著しい上昇を招くという問題があり、有効な解決策とはなっていない。
【０００８】
また、第１レンズアレイ１０２のＦ値を小さく設定して、部分光束を偏光分離面１０４ａの入射開口部の短辺よりも小さな寸法となるように絞込み、入射開口部で遮られることなく部分光束を通過させた後、通過した部分光束の発散角を調整して所定の被照明領域上で重畳を行う構成が本願発明者らによって考案されている（例えば、特許文献２参照）。また、従来の重畳レンズ１０６を縦方向と横方向で集光性の異なる２つのシリンドリカル状の補助レンズとした構成（例えば、特許文献３参照）が開示されている。
【０００９】
上記の特許文献３では、第１レンズアレイにおける小レンズと被照明領域との相似関係を崩し、小レンズの大きさを横方向（横方向は偏光分離面の入射開口部の短辺方向に対応する）のみ拡大させ、横方向における部分光束径を小さく絞り込んで偏光分離面の入射開口部を通過させた後、２つのシリンドリカル状の補助レンズによって照明角を補正する構成となっている。
【００１０】
しかし、前者の構成では光利用効率を十分に高めるには至っておらず、また、後者の構成でも光利用効率をある程度向上できるものの、小レンズの大きさを横方向のみ拡大しているため、横方向における小レンズの数が少なくなり、被照明領域における照度分布の悪化を招きやすいという新たな問題を生じる。また、横方向の拡大に対応させてレンズを厚くする必要があるが、その結果、小レンズの中心部と周辺部との間で厚み差が大きくなり、アレイ化に際して隣接する小レンズ間の境界部では正確なレンズ形状を実現し難いという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、光利用効率が高く明るさムラの少ない照明光を発生できる照明装置と、それを用いたプロジェクタを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明にかかる照明装置は、光源からの光束を複数の部分光束に分割・集光する集光光学素子と、前記集光光学素子により生成された複数の部分光束を被照明領域上に伝達する伝達光学素子と、前記伝達光学素子により伝達される複数の部分光束を被照明領域上で重畳する重畳光学素子とを有する照明装置であって、前記集光光学素子は、互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズアレイで構成されていると共に、前記重畳光学素子は、互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズで構成されていることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、光源からの光束を互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズアレイで構成された集光光学素子により複数の部分光束に分割・集光し、その複数の部分光束を伝達光学素子により被照明領域上に伝達し、その伝達される複数の部分光束を互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズで構成された重畳光学素子により被照明領域上で重畳するようにしたため、集光光学素子により形成される光源像（部分光束）の寸法（光束径）を異なる集光方向においてそれぞれ独立して制御することができ、照明装置からの射出光が入射する入射部の形状に対応させて光源像を最適な寸法とすることができるので、入射部への入射効率を高めることができる。よって光利用効率が高く明るさムラの少ない照明光を実現することができる。
【００１４】
上記構成において、前記集光光学素子を構成する前記２種類のレンズアレイは、互いに異なる焦点距離に設定されており、前記重畳光学素子を構成する前記２種類のレンズは、互いに異なる焦点距離に設定されていることが好ましい。
このように構成すれば、照明装置からの射出光が入射する入射部おいて、部分光束をより絞り込むことができ、入射部への入射効率をより一層高めることができる。
【００１５】
また、前記集光光学素子の光射出側に、前記集光光学素子により生成された複数の部分光束を偏光方向の揃った複数の偏光部分光束に変換する偏光変換素子を更に備える照明装置にあっては、前記集光光学素子は、前記偏光変換素子の偏光分離方向と略同じ方向に集光性を有するレンズアレイが、他方のレンズアレイよりも前記偏光変換素子側に配置されて構成されていることが好ましく、また、前記各レンズアレイの焦点距離は、各レンズアレイと前記偏光変換素子との間の光路長と略等しくなるようにそれぞれ設定されていることが好ましい。
この構成によれば、集光光学素子により形成される光源像の寸法（部分光束の光束径）を異なる集光方向において、それぞれ独立して制御することができる。とくに、偏光変換素子の偏光分離方向と略同じ方向に集光方向を有するレンズアレイを、他方のレンズアレイよりも偏光変換素子側に配置する構成（換言すれば、偏光変換素子が長方形状の開口部を有する場合には、開口部の短辺方向に集光性を有するレンズアレイを他方のレンズアレイに比して偏光変換素子側に配置する構成）とし、また、各レンズアレイの焦点距離を、各レンズアレイと偏光変換素子との間の光路長と略等しくなるようにそれぞれ設定したので、例えば、表示領域の縦横比が３：４の電気光学装置を照明する場合には、偏光変換素子にあっては縦横比（横方向が偏光分離方向）が３：２の入射開口部を有する偏光分離面に部分光束を集光させる必要があるが、このような長辺に比して短辺の寸法が２／３となる開口部において短辺方向に拡がった（角度分布を有する）光束を効率良く入射させることができる。したがって、偏光変換素子の入射開口部への入射効率を高めることができ、よって光利用効率が高く明るさムラの少ない照明光を実現することができる。
【００１６】
上記構成において、前記重畳光学素子は、前記偏光変換素子の偏光分離方向と略同じ方向に集光性を有するレンズよりも、他方のレンズが前記偏光変換素子側に配置されて構成されていることが好ましい。
この構成によれば、上記集光光学素子を採用した照明装置において、この集光光学素子により形成される部分光束を好適に被照明領域上で重畳することができる。よって光利用効率が高く、明るさムラの少ない照明光を得ることができる。上記した集光光学素子を構成する２種類のレンズアレイは、シリンドリカル面を有する複数のレンズをそれぞれ備えて構成することができる。
上記２種類のレンズアレイは、複数のシリンドリカルレンズで構成されるので、隣接するシリンドリカルレンズ間の境界部において段差構造を生じず、アレイ化が容易であり、レンズアレイの低コスト化を実現できる。
また、上記伝達光学素子は、トーリック面を有する複数のレンズを備えたレンズアレイで構成することができる。
これら複数のレンズの屈折作用面を、上記集光光学素子の２種類のレンズアレイの互いに異なる集光方向に対応させて、これらの方向で曲率が異なるトーリック面とすることによって、集光光学素子で形成された部分光束を好適に被照明領域上に伝達することができる。よって光利用効率が高く、明るさムラの少ない照明光を得ることができる。
また、前記重畳光学素子を構成する２種類のレンズは、それぞれシリンドリカル面を有するレンズで構成することもできる。
上記構成において、前記被照明領域の入射側には、入射光束を略平行化して被照明領域内を照射する平行化レンズをさらに備えており、前記平行化レンズは、トーリック面を有するレンズで構成されていることが好ましい。
これらの構成によれば、上記集光光学素子及び重畳光学素子を採用した照明装置において、上記集光光学素子により形成されて上記重畳光学素子から射出される部分光束の発散角を好適に小さくして入射効率を高め、被照明領域上で重畳することができる。よって光利用効率が高く、明るさムラの少ない状態で被照明領域を照明することができる。
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明にかかるプロジェクタは、上記の照明装置と、前記照明装置の被照明領域に配置された電気光学装置と、前記電気光学装置からの射出光を拡大投写する投写光学系と、を備えていることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、上記の照明装置を備えたプロジェクタとしたため、光利用効率が高く、明るい、明るさムラの少ない投写画像を表示することができる。
【００１９】
上記構成において、前記電気光学装置には、複数の略矩形状の画素開口部が設けられ、前記画素開口部の入射側には、各々の画素開口部に対して入射光束を集光するマイクロレンズが配置されていることが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、電気光学装置に入射する光束は、マイクロレンズで集光され、光束径が絞り込まれた状態で対応する画素開口部に入射する。したがって、画素開口部の物理的な開口寸法を変えることなく電気光学装置における光利用効率を高めることができる。
【００２１】
上記構成において、前記マイクロレンズは、前記マイクロレンズに入射する角度分布に異方性を有する照明光束に対応して、前記照明光束における角度分布の拡がりがより大きな方向において、他の方向よりも大きな集光性を有していることが好ましい。上記マイクロレンズは、トーリック面を有するレンズで構成することができる。
【００２２】
この構成によれば、マイクロレンズを、マイクロレンズに入射する角度分布に異方性を有する照明光束に対応して、前記照明光束における角度分布の拡がりがより大きな方向において、他の方向よりも大きな集光性を有する構成としたので、角度分布に異方性を有する照明光束であっても光束を十分細く絞り込んで画素開口部に入射させることができる。したがって、電気光学装置における光利用効率を更に高めることができ、より一層明るい投写画像を表示することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる照明装置およびこの照明装置を用いたプロジェクタの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明にかかる照明装置の一構成例を示す図であり、（ａ）は垂直面上の断面図、（ｂ）は水平面上の断面図である。なお、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、互いに直交する３方向を示している。
【００２５】
図１における照明装置１は、光源としての光源ランプ１０、リフレクタ１１、集光光学素子としての第１−Ａレンズアレイ１２と第１−Ｂレンズアレイ１３、伝達光学素子としての第２レンズアレイ１４、偏光変換素子としての偏光ビームスプリッタアレイ１５と位相差板１６、重畳光学素子としてのＡ重畳レンズ１７とＢ重畳レンズ１８、平行化レンズ１９、および、被照明領域としての液晶ライトバルブ（電気光学装置）２０などにより構成されている。
【００２６】
照明装置１の特徴的な点は、図１０を用いて説明した従来の照明装置に対して、部分光束を生成する集光光学素子として互いに集光方向が異なる２つのレンズアレイ（第１−Ａレンズアレイ１２、第１−Ｂレンズアレイ１３）を、また、それに対応する重畳光学素子として互いに集光方向が異なる２つのレンズ（Ａ重畳レンズ１７、Ｂ重畳レンズ１８）を備えたところにある。これにより、部分光束の集光性（ＸＹ平面における部分光束の断面寸法）を制御し、偏光変換素子への入射効率を高めて、光利用効率の高い照明装置を実現している。
【００２７】
光源ランプ１０から放射された光は、リフレクタ１１によって反射され、略平行な光束となって集光光学素子としての２つのレンズアレイ（第１−Ａレンズアレイ１２、第１−Ｂレンズアレイ１３）に入射する。ここで、光源ランプ１０としては、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、ハロゲンランプなどを使用できる。
【００２８】
第１−Ａレンズアレイ１２は、図２（ａ）に示すように、Ｙ方向（垂直方向）にのみ集光性を有する複数のＡシリンドリカルレンズ１２ａを備え、他方、第１−Ｂレンズアレイ１３は、図２（ｂ）に示すように、Ｘ方向（水平方向）にのみ集光性を有する複数のＢシリンドリカルレンズ１３ａを備えて構成されている。
【００２９】
２つのレンズアレイ１２、１３における屈折作用面の位置はＺ方向（光軸Ｌ方向）に離れているため、それに対応するように２つのレンズアレイ１２、１３の焦点距離は互いに異なる焦点距離に設定されている。具体的には、第１−Ａレンズアレイ１２の焦点距離は、第１−Ａレンズアレイ１２と偏光ビームスプリッタアレイ１５との間の光路長と略等しくなるように設定され、一方、第１−Ｂレンズアレイ１３の焦点距離は、第１−Ｂレンズアレイ１３と偏光ビームスプリッタアレイ１５との間の光路長と略等しくなるように設定されている。
また、第１−Ａレンズアレイ１２を構成するＡシリンドリカルレンズ１２ａのＹ方向におけるレンズ幅ＷＹは、被照明領域である液晶ライトバルブ２０の表示領域におけるＹ方向の寸法（ＤＹ）と対応しており、一方、第１−Ｂレンズアレイ１３を構成するＢシリンドリカルレンズ１３ａのＸ方向におけるレンズ幅ＷＸは、同様に被照明領域である液晶ライトバルブ２０の表示領域におけるＸ方向の寸法（ＤＸ）と対応しており、互いに相似関係を維持するように設定されている。すなわち、ＷＹとＷＸの比は、ＤＹとＤＸの比に略等しい。
さらに、２つのレンズアレイ１２、１３の配置順序は、後述する偏光ビームスプリッタアレイ１５における偏光分離方向を考慮して決定されている。詳細は後述するが、偏光ビームスプリッタアレイ１５における偏光分離方向（図１ではＸ方向）と同じ方向において集光性を有する一方のレンズアレイ（図１では第１−Ｂレンズアレイ１３）が、他方のレンズアレイよりも偏光ビームスプリッタアレイ１５側に配置される。
【００３０】
なお、必ずしも２つのレンズアレイ１２、１３を分離して２ヶ所に配置する必要はない。要するに、２つの方向における屈折作用面の位置が光軸Ｌ方向で互いに離れて分離されていればよいため、例えば、２つのレンズアレイを一体化し、光源側の面にはＹ方向のみに集光性を有するレンズ形状を、偏光ビームスプリッタアレイ１５側の面にはＸ方向のみに集光性を有するレンズ形状を、それぞれ形成したものを用いることもできる。２つのレンズアレイの一体化によってレンズ枚数を低減できるため、照明装置の低コスト化やレンズ界面の減少による光利用効率の向上を期待できる。
【００３１】
第２レンズアレイ１４は、上記した２つのレンズアレイ１２、１３によって生成された複数の部分光束を液晶ライトバルブ２０上に効率良く伝達する伝達光学素子であり、図３に示すように、部分光束の数に対応した複数の小レンズ１４ａを備えて構成されている。より詳しくは、小レンズ１４ａの機能は、第１−Ａレンズアレイ１２と第１−Ｂレンズアレイ１３の各々の屈折作用面における像（光束分布）を液晶ライトバルブ２０上に伝達することであり、それらの２つの屈折作用面は互いに離れて存在すること、また、後述する重畳光学素子も光軸Ｌ方向の離れた位置に２つの屈折作用面を有すること、などを考慮してレンズ特性は設定される。この様な点を考慮して、本実施の形態では、小レンズ１４ａの屈折作用面をＸ方向とＹ方向とでレンズの曲率が異なるトーリック面としている。もちろん、集光光学素子や重畳光学素子における各々２つの屈折作用面の位置関係によっては、レンズの曲率が一軸対称である一般的な球面レンズや非球面レンズを用いることもできる。なお、小レンズ１４ａの外形形状は、１対１で対応する部分光束の断面形状を包含できるように設定されれば良く、図３に示したような矩形状には限定されない。
【００３２】
本実施の形態では、偏光ビームスプリッタアレイ１５の入射側に１つのレンズアレイとして第２レンズアレイ１４を配置しているが、これ以外にも偏光ビームスプリッタアレイ１５の後方に配置したり、１つのレンズアレイを２つに機能分離して偏光ビームスプリッタアレイ１５の前後（入射側と射出側）にシリンドリカルレンズアレイとして配置するなどのバリエーションが考えられる。その際、偏光ビームスプリッタアレイ１５の射出側に配置された伝達光学素子としての第２レンズアレイ１４は、後述する重畳光学素子としてのＡ重畳レンズ１７などと一体化して構成しても良い。或いは、Ａ重畳レンズ１７を偏光ビームスプリッタアレイ１５の入射側に配置して、第２レンズアレイ１４と一体化しても良い。一体化によってレンズ枚数を低減できるため、照明装置の低コスト化やレンズ界面の減少による光利用効率の向上を期待できる。
【００３３】
偏光ビームスプリッタアレイ１５は、図１に示すように、第１−Ａレンズアレイ１２と第１−Ｂレンズアレイ１３によって複数の光源像が形成される位置の近傍に配置され、より望ましくは、光源像を形成する部分光束が最も集光された状態で偏光ビームスプリッタアレイ１５に入射する位置に配置されている。この偏光ビームスプリッタアレイ１５は、第２レンズアレイ１４によって伝達される複数の不定偏光である部分光束を、互いに偏光方向が異なる２種類の偏光部分光束に分離する機能を有する。偏光ビームスプリッタアレイ１５は、図４（ａ）に示すように、Ｘ方向に互い違いに、略平行且つ略等間隔で配置された複数の偏光分離面２４と反射面２１とを備え、この偏光分離面２４や反射面２１が透光性のガラス体や樹脂体などによって挟持された構造を成しており、入射する不定偏光光束をＰ偏光光束とＳ偏光光束に分離する機能を有している。一つの偏光分離面２４と一つの反射面２１とによって構成される対の数は、第１−Ａレンズアレイ１２を構成するＡシリンドリカルレンズ１２ａまたは第１−Ｂレンズアレイ１３を構成するＢシリンドリカルレンズ１３ａの数に対応している。偏光分離面２４のＸ方向における配置間隔は第２レンズアレイ１４の小レンズ１４ａのＸ方向における配置間隔に略等しい。
【００３４】
偏光分離面２４と反射面２１とは、光軸Ｌに対して４５度の傾きをなすように配置されることが望ましい。なお、少なくとも対応する一対の偏光分離面２４と反射面２１とが互いに平行に配置されていれば良く、全ての偏光分離面２４と反射面２１とを同じ方向に配列する必要はない。したがって、光軸Ｌを対称軸として、その両側で偏光分離面２４が対向するように配置したり、或いは、一対の偏光分離面２４と反射面２１毎に大きさを変えて配置しても良い。
【００３５】
偏光ビームスプリッタアレイ１５の光射出面側には、図４（ｂ）に示すように、λ／２位相差層２６が短冊状に規則的に形成された位相差板１６が設置されており、偏光ビームスプリッタアレイ１５によって分離された２種類の偏光部分光束を偏光方向が略揃った一種類の偏光部分光束に変換して射出する。ここで、λ／２位相差層２６は偏光分離面２４の位置に対応して形成され、反射面２１からの光束が通過する位置にはλ／２位相差層２６は形成されていない。
【００３６】
図５は、図１（ｂ）の偏光ビームスプリッタアレイ１５の一部に入射した不定偏光光束（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが混在する光と見なせる）が１種類の偏光に変換される状態を説明する図である。図５に示すように、第２レンズアレイ１４から偏光ビームスプリッタアレイ１５に偏光方向が互いに直交するＰ偏光成分とＳ偏光成分とが混在する光束が入射されると、偏光分離面２４でＳ偏光成分のみが反射され、反射面２１で再度反射されてＳ偏光光束として射出される。また、Ｐ偏光成分は、偏光分離面２４を透過するが、射出側に設けられた位相差板１６のλ／２位相差層２６により偏光方向が回転されＳ偏光光束に変換されて射出される。したがって、偏光ビームスプリッタアレイ１５と位相差板１６によって、不定偏光光束は略一種類の偏光光束（この場合はＳ偏光光束）に変換される。なお、ここでは、不定偏光光束をＳ偏光光束に変換する場合について説明したが、位相差板１６の配置の仕方によってはＰ偏光光束に変換することも可能である。
【００３７】
位相差板１６の射出側には、重畳光学素子であるＡ重畳レンズ１７とＢ重畳レンズ１８が配置されており、偏光変換素子によって偏光方向が略揃った複数の偏光部分光束を被照明領域である液晶ライトバルブ２０上で重畳する。Ａ重畳レンズ１７は第１−Ａレンズアレイ１２によってＹ方向のみに集光された光成分の進行方向を、また、Ｂ重畳レンズ１８は第１−Ｂレンズアレイ１３によってＸ方向のみに集光された光成分の進行方向を、それぞれ被照明領域の略中央部に向ける機能を有する。第１−Ａレンズアレイ１２と第１−Ｂレンズアレイ１３は光軸Ｌ方向に分離されて配置されているため、これらに対応する２つの重畳レンズ１７、１８も光軸Ｌ方向に分離されて配置されている。したがって、これら２つの重畳レンズ１７、１８は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、互いに集光方向と焦点距離が異なるシリンドリカルレンズとなっており、それらの配置の順序は、第１−Ａレンズアレイ１２と第１−Ｂレンズアレイ１３の配置の順序に対応している。すなわち、Ｙ方向のみに集光性を有する第１−Ａレンズアレイ１２が光源側に配置されることに対応して、Ｙ方向のみに集光性を有するＡ重畳レンズ１７はＢ重畳レンズ１８よりも光源側に配置されている。集光光学素子と重畳光学素子におけるこのような配置の関係については後述する。
【００３８】
なお、必ずしも２つの重畳レンズ１７、１８を分離して２ヶ所に配置する必要はない。要するに、２つの方向における屈折作用面の位置が光軸Ｌ方向に分離されていればよいため、例えば、２つの重畳レンズを一体化し、光源側の面にはＹ方向のみに集光性を有するレンズ形状を、被照明領域側の面にはＸ方向のみに集光性を有するレンズ形状を、それぞれ形成したものを用いることもできる。このように構成すれば、２つのレンズの一体化によってレンズ枚数を低減できるため、照明装置の低コスト化やレンズ界面の減少による光利用効率の向上を期待できる。
【００３９】
被照明領域である液晶ライトバルブ２０の入射側には平行化レンズ１９が配置され、２つの重畳レンズ１７、１８から射出され液晶ライトバルブ２０に入射する偏光部分光束の発散角を小さくして、液晶ライトバルブ２０における表示ムラを低減したり、その後段に配置される光学素子（図示せず）への入射効率を高めている。したがって、液晶ライトバルブ２０の表示特性やその後段に配置される光学素子（図示せず）の光学性能によっては、平行化レンズ１９を省略しても良い。平行化レンズ１９の入射側に配置される重畳光学素子は互いに光軸Ｌ方向に離れた位置に２つの屈折作用面を有するため、これに対応して、平行化レンズ１９のレンズ特性は設定される。本実施の形態では、平行化レンズ１９の屈折作用面をトーリック面としている。もちろん、重畳光学素子における２つの屈折作用面の位置関係によっては、レンズの曲率が一軸対称である一般的な球面レンズや非球面レンズを用いることもできる。
【００４０】
次に、集光光学素子と重畳光学素子において、各々２つの屈折作用面を設定する理由について説明する。発明が解決しようとする課題の項で説明したように、表示領域の縦横比（Ｙ方向寸法とＸ方向寸法の比）が３：４の液晶ライトバルブ２０を照明する場合には、縦横比が３：２の入射開口部を有する偏光分離面２４に部分光束を集光させる必要がある。一般的に、レンズなどの集光素子によって光束を集光する場合、集光素子の焦点距離に比例して光束径を小さく絞り込むことができるため、集光光学素子における集光性に異方性を持たせることができれば、入射開口部の形状に対応させて部分光束を最適な断面寸法となるように絞り込むことが可能となり、入射開口部への入射効率を高めることができる。本実施の形態では、偏光分離面２４への入射開口部がＸ方向に幅の狭い長方形であることに対応して、集光光学素子のＸ方向の集光性とＹ方向の集光性を、それらの屈折作用面の位置を分離することによって異ならしめている。すなわち、Ｘ方向の光成分に対する焦点距離をＹ方向のそれに比べて短く設定することにより、入射開口部付近における光束径がＹ方向に比べてＸ方向でより小さくなり、光束径（光源像）の断面形状が入射開口部の形状に略対応したものとなる。これにより、部分光束が偏光分離面２４の入射開口部に遮られることなく入射する効率を高めることができる。
【００４１】
偏光ビームスプリッタアレイ１５に入射する部分光束は、Ｘ方向の光成分における集光角がＹ方向の光成分における集光角よりも大きいため、偏光ビームスプリッタアレイ１５から射出される偏光部分光束も、Ｘ方向の光成分における発散角がＹ方向の光成分における発散角よりも大きくなる。これに対応させて、重畳光学素子の屈折作用面もＸ方向のみとＹ方向のみに集光性を有する各々２つの屈折作用面（Ａ重畳レンズ１７、Ｂ重畳レンズ１８）に分離し、大きな発散角を有するＸ方向の光成分に対しては偏光ビームスプリッタアレイ１５から離れた位置にＢシリンドリカルレンズ１８を配置して発散角を絞り込むことで、小さな発散角を有するＹ方向の光束成分と発散角を一致させている。したがって、偏光ビームスプリッタアレイ１５の偏光分離面２４への入射開口部がＸ方向に狭いため、集光光学素子においてＸ方向にのみ光を屈折させる屈折作用面（第１−Ｂレンズアレイ１３）を、Ｙ方向にのみ光を屈折させる屈折作用面（第１−Ａレンズアレイ１２）よりも偏光ビームスプリッタアレイ１５に近い側に配置し、逆に、重畳光学素子においてＸ方向にのみ光を屈折させる屈折作用面（Ｂ重畳レンズ１８）を、Ｙ方向にのみ光を屈折させる屈折作用面（Ａ重畳レンズ１７）よりも液晶ライトバルブ２０に近い側に配置した構成としている。
【００４２】
以上説明したように、本実施の形態の照明装置１によれば、集光方向が異なる２つの第１レンズアレイ１２、１３と２つの重畳レンズ１７、１８を備えているため、偏光ビームスプリッタアレイ１５の近傍で形成される光束径（光源像）の縦方向と横方向の寸法を独立して制御することができる。これにより、偏光ビームスプリッタアレイ１５における偏光分離面２４への入射開口部の寸法形状に対応した光束径（光源像）を形成することができるため、偏光ビームスプリッタアレイ１５への入射効率を高めることができる。したがって、光利用効率が高く、明るい照明光が得られる照明装置を実現できる。
【００４３】
さらに、２種類の第１レンズアレイ１２、１３は複数のシリンドリカルレンズで構成されるため、隣接するシリンドリカルレンズ間の境界部において段差構造を生じず、アレイ化が容易であり、レンズアレイの高精度化と低コスト化を実現しやすい。
【００４４】
なお、本実施の形態では、偏光変換素子としての偏光ビームスプリッタアレイ１５を用いた照明装置について説明したが、偏光変換素子を備えない照明装置に対しても本発明の構成を適用することができる。例えば、上記関係を有する集光光学素子、伝達光学素子、重畳光学素子を備えた照明装置を構成しても、上記と略同様に好適な効果を実現することができる。その場合には、伝達光学素子を構成する小レンズ１４ａの入射開口部の形状に合わせた部分光束を生成することにより、伝達光学素子への入射効率を高め、光利用効率の高い照明装置を実現することができる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
本第２の実施の形態では、上記第１の実施の形態で説明した照明装置をプロジェクタに適用した場合について説明する。
【００４６】
図７は、電気光学装置として透過型液晶ライトバルブを３枚用いて構成したプロジェクタ２の概略構成図である。図７において、照明装置は、図１と同じものを用いているため、既に説明した各構成要素と同様の構成要素については、図１で用いたものと同じ参照番号或いは符号を付し、その部分の説明を省略する。
【００４７】
図７に示すように、プロジェクタ２において、照明装置１の光源ランプ１０から放射された白色光は、偏光方向が略揃った偏光光束に変換された後、フォールディングミラー２７を経て、色分離を行う２枚のダイクロイックミラー２８、３０によって、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３つの色光に分光され、対応する液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ（電気光学装置）を照明する。ここで、これら液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂは、照明装置１の被照明領域（或いは被照明領域と光学的に透過な位置）にそれぞれ配置されている。不図示の外部からの画像情報に基づいて液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂで強度変調された各色光は、クロスダイクロイックプリズム３６で合成された後、投写レンズ３７（投写光学系）によって不図示のスクリーン上に拡大投写される。
【００４８】
図８は、プロジェクタ２で使用される液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂの画素構成を平面的に示す概略図である。表示領域２０Ｄの形状は縦横比（Ｖ：Ｈ）が３：４の横長（横方向とは図７の紙面と平行な方向）の矩形形状であり、各画素２０Ｇの形状は正方形に、そして、照明光束を透過させる画素開口部２０Ｐは横長の矩形状に設定されている。そこで、プロジェクタ２においては、表示領域２０Ｄの横長の形状に対応させて、照明装置１の偏光ビームスプリッタアレイ１５における偏光分離方向も横方向とすることで、照明角の拡大を防止して光利用効率を高めている。液晶ライトバルブは表示性能が照明光の入射角依存性を有するため、照明角の拡大の防止は表示性能の向上に対して都合がよい。
【００４９】
さらに、プロジェクタ２の液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂには、個々の画素開口部２０Ｐに対応するようにマイクロレンズを配置したものを用いている。図９は、マイクロレンズを搭載した液晶ライトバルブの構造を示す部分断面図である。図９に示すように、マイクロレンズ３９は、レンズ基板３８上に形成され、接着層４０を介してカバーガラス４１に固定されている。各マイクロレンズ３９の配列ピッチは、マトリックス状に形成された各画素２０Ｇの配列ピッチに対応し、画素開口部２０Ｐと１対１で対応するように形成されている。隣接する画素間には、ブラックマトリックス４３が配置され、画素開口部２０Ｐには、共通電極４４と画素電極４６とが液晶層４２を介して対向配置されている。レンズ基板３８側から入射した光束４８は、マイクロレンズ３９で集光され、光束径が絞り込まれた状態で対応する画素開口部２０Ｐに導かれる。このため、物理的な開口寸法を変えることなく、液晶ライトバルブにおける光利用効率を高めることができる。
【００５０】
ところで、レンズなどの集光素子によって光束を集光する場合、角度分布の広がりに比例して光束径を小さく絞り込むことが困難になる。プロジェクタ２で用いている照明装置１においては、Ａ重畳レンズ１７に比べてＢ重畳レンズ１８を液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ寄りに配置しているため、照明光束の横方向（Ｘ方向）における角度分布は縦方向（Ｙ方向）におけるそれよりも広がっている。したがって、上記の様な角度分布を有する照明光束を一般的な球面レンズからなるマイクロレンズで集光しようとした場合には、横方向における光束径を十分細く絞り込むことができない。
【００５１】
上記の点を考慮して、本実施の形態のプロジェクタ２では、照明光束の角度分布特性に対応させて、横長形状の画素開口部２０Ｐを有する液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを用いている。また、液晶ライトバルブのマイクロレンズ３９を、縦方向よりも横方向（図７の紙面と平行な方向、或いは、図８のＨ方向）に大きな集光性（Ｆ値が小さい）を有するトーリックレンズとしている。これらによって、角度分布に異方性を有する照明光束であっても、光束を十分細く絞り込んで画素開口部２０Ｐに入射させることができるため、液晶ライトバルブにおける光利用効率を高めることができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態のプロジェクタ２によれば、第１の実施の形態で説明した照明装置１を備えているため、光源からの不定偏光光束を偏光方向が略揃った偏光光束に高い効率で変換でき、よって、光利用効率が高く、明るい、明るさムラのない投写画像を表示することができる。また、照明装置１から射出される照明光束の角度分布の異方性に対応させて、横長形状の画素開口部を備えた液晶ライトバルブを用い、また、液晶ライトバルブがマイクロレンズを備えている場合には、横方向に大きな集光性を有するトーリックレンズとすることによって、より一層明るい投写画像を表示することができる。勿論、液晶ライトバルブの画素開口部の形状を横長とする、或いは、トーリックレンズであるマイクロレンズを備える、のどちらか一方のみを採用しても、光利用効率の向上には有効であることは明らかである。また、マイクロレンズとしては、トーリックレンズ以外にも、楕円面を有するレンズなどを用いても同様の効果を実現することができる。なお、ここで言う横方向とは、照明装置１の偏光ビームスプリッタアレイ１５における偏光分離方向を指している。
【００５３】
なお、本発明は上記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、改良は、本発明に含まれるものである。上記実施形態では、電気光学装置として３つの液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを用いたプロジェクタ２の例のみを挙げたが、本発明は、１つの液晶ライトバルブのみを用いたプロジェクタ、２つのライトバルブを用いたプロジェクタ、あるいは、４つ以上の液晶ライトバルブを用いたプロジェクタにも適用可能である。また、上記実施形態では、電気光学装置として液晶ライトバルブを用いていたが、複数のマイクロミラーを２次元的に配列したライトバルブなど、液晶ライトバルブ以外を用いてもよい。さらに、前記実施形態では、光入射面と光射出面とが異なる透過型の液晶ライトバルブを用いていたが、光入射面と光射出面とが同一となる反射型の液晶ライトバルブを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる照明装置の一構成例を示す図であり、（ａ）は垂直面上の断面図、（ｂ）は水平面上の断面図。
【図２】第１レンズアレイの斜視図であり、（ａ）は第１−Ａレンズアレイ、（ｂ）は第１−Ｂレンズアレイ。
【図３】第２レンズアレイの斜視図。
【図４】偏光変換光学系を示す斜視図であり、（ａ）は偏光ビームスプリッタアレイ、（ｂ）は位相差板。
【図５】図１（ｂ）の偏光ビームスプリッタアレイの一部に入射した不定偏光が１種類の偏光に変換される状態を説明する図。
【図６】重畳レンズを示す斜視図であり、（ａ）はＡ重畳レンズ、（ｂ）はＢ重畳レンズ。
【図７】透過型液晶ライトバルブを用いた３板式液晶プロジェクタの概略構成図。
【図８】透過型液晶ライトバルブの画素構成を平面的に示す概略図。
【図９】マイクロレンズを搭載した液晶ライトバルブの構造を示す部分断面図。
【図１０】従来の照明光学系を説明する平面断面図。
【図１１】偏光ビームスプリッタアレイの入射端面付近における光源像の形成状態を示す図。
【符号の説明】
１ 照明装置
２ プロジェクタ
１０ 光源ランプ
１１ リフレクタ
１２ 第１−Ａレンズアレイ
１２ａ Ａシリンドリカルレンズ
１３ 第１−Ｂレンズアレイ
１３ａ Ｂシリンドリカルレンズ
１４ 第２レンズアレイ
１５ 偏光ビームスプリッタアレイ
１６ 位相差板
１７ Ａ重畳レンズ
１８ Ｂ重畳レンズ
１９ 平行化レンズ
２０、２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ 液晶ライトバルブ
２０Ｄ 表示領域
２０Ｇ 画素
２０Ｐ 画素開口部
２１ 反射面
２２ Ｐ偏光光束出射面
２３ Ｓ偏光光束出射面
２４ 偏光分離面
２５ 偏光ビームスプリッタユニット
２６ λ／２位相差層
２７ フォールディングミラー
２８、３０ ダイクロイックミラー
３１、３３ リレーレンズ
３２、３４ フォールディングミラー
３５ リレー光学系
３６ クロスダイクロイックプリズム
３７ 投写レンズ
３８ レンズ基板
３９ マイクロレンズ
４０ 接着層
４１ カバーガラス
４２ 液晶層
４３ ブラックマトリックス
４４ 共通電極
４５ 薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
４６ 画素電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの不定偏光光を略一種類の偏光光束に変換すると共に、被照明領域を略均一に照明する照明装置、およびそれを用いたプロジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液晶ライトバルブを光源からの光で照明し、スクリーンなどに画像を投写して表示する投写型表示装置（液晶プロジェクタ）が実用化されている。液晶プロジェクタでは、明るく、明るさムラのない投写画像を表示するために、略一種類の偏光光束を高い効率で生成すると共に、被照明領域である液晶ライトバルブ（電気光学装置）上で略均一な照度分布を実現する照明光学系が必要とされる。これを実現するために、図１０に示す偏光照明系（例えば、特許文献１参照）が本願発明者らによって考案され実用化されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３０４７３９号公報
【特許文献２】
特開平１１−２３１２６２号公報
【特許文献３】
特開２０００−１８０８１３号公報
【０００４】
図１０において、光源ランプ１００から放射された不定偏光光束は、リフレクタ１０１によって略平行化され第１レンズアレイ１０２に入射する。第１レンズアレイ１０２及び第２レンズアレイ１０３は、共に複数の小レンズ１０２ａ、１０３ａがアレイ状に配置された構成を成している。第１レンズアレイ１０２に入射した光束は複数の部分光束に分割されると共に集光され、対応する第２レンズアレイ１０３の小レンズ１０３ａに入射した後、重畳レンズ１０６を経て被照明領域である液晶ライトバルブ１０８上で重畳される。ここで、小レンズ１０２ａの外形形状は被照明領域である液晶ライトバルブ１０８の表示領域と略相似形を成すように設定されている。液晶プロジェクタに使用される液晶ライトバルブ１０８の多くは３：４の縦横比の表示領域を有するため、第１レンズアレイ１０２も３：４の縦横比を有する小レンズ１０２ａによって構成される。なお、第２レンズアレイ１０３の小レンズ１０３ａについては、第１レンズアレイ１０２の小レンズ１０２ａの様な制約はないが、レンズアレイの製造コストの低減を狙って、第１レンズアレイ１０２と同じ物を第２レンズアレイ１０３として使用する場合が殆どである。
【０００５】
上記の照明光学系においては、さらに、部分光束が集光され光源像を形成する位置の近傍に、偏光変換光学系としての偏光ビームスプリッタアレイ１０４と位相差板アレイ１０５とが配置され、光源ランプ１００からの不定偏光光束を略一種類の偏光光束に変換している。偏光ビームスプリッタアレイ１０４は、不定偏光をＰ偏光とＳ偏光に分離する偏光分離面１０４ａと、偏光分離面１０４ａからの光の向きを変える反射面１０４ｂとを、交互に配列した構造を有する光学素子であり、偏光分離面１０４ａは小レンズ１０３ａの列或いは行方向に対応して配置される。また、製造の容易さを考慮して、偏光分離面１０４ａは等間隔で配置される構成となっている。以上により、液晶ライトバルブ１０８は略一種類の偏光光束で略均一に照明される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
偏光ビームスプリッタアレイ１０４において偏光分離を効率良く行うためには、偏光分離面１０４ａにのみ選択的に部分光束を入射させることが必要となる。しかしながら、有限長の発光部を有する光源ランプ１００からの光束は完全な平行光束ではなく、照明光軸Ｌに対して傾いた方向から入射する光も存在する。この様な光は第１レンズアレイ１０２により形成される光源像１１０の寸法を大型化させる原因の一つとなり、その結果、図１１に示すように、部分光束の一部は偏光ビームスプリッタアレイ１０４の対応する偏光分離面１０４ａには入射せず、隣接する反射面１０４ｂに入射する。反射面１０４ｂに直接入射した光は、照明に寄与しない偏光光束となって、或いは液晶ライトバルブ１０８に入射しない光束となって位相差板アレイ１０５から射出されるため、このような光の存在が多くなる程照明効率は低下する。例えば、表示領域の縦横比が３：４の液晶ライトバルブ１０８を照明する場合には、縦横比が３：２の入射開口部を有する偏光分離面１０４ａに部分光束を集光させる必要がある。このような縦横比の開口部では、長辺に比して短辺の寸法が２／３となるため、短辺方向に拡がった（角度分布を有する）光束を効率良く入射させることができず、光利用効率が悪くなるという課題があった。
【０００７】
そこで、形成される光源像の寸法形状に対応させて、小レンズ１０３ａや偏光ビームスプリッタアレイ１０４の偏光分離面１０４ａと反射面１０４ｂの大きさ及び配置状態を個々に変えることが想致される。しかし、その場合には偏光ビームスプリッタアレイ１０４の構成が複雑となり、製造コストの著しい上昇を招くという問題があり、有効な解決策とはなっていない。
【０００８】
また、第１レンズアレイ１０２のＦ値を小さく設定して、部分光束を偏光分離面１０４ａの入射開口部の短辺よりも小さな寸法となるように絞込み、入射開口部で遮られることなく部分光束を通過させた後、通過した部分光束の発散角を調整して所定の被照明領域上で重畳を行う構成が本願発明者らによって考案されている（例えば、特許文献２参照）。また、従来の重畳レンズ１０６を縦方向と横方向で集光性の異なる２つのシリンドリカル状の補助レンズとした構成（例えば、特許文献３参照）が開示されている。
【０００９】
上記の特許文献３では、第１レンズアレイにおける小レンズと被照明領域との相似関係を崩し、小レンズの大きさを横方向（横方向は偏光分離面の入射開口部の短辺方向に対応する）のみ拡大させ、横方向における部分光束径を小さく絞り込んで偏光分離面の入射開口部を通過させた後、２つのシリンドリカル状の補助レンズによって照明角を補正する構成となっている。
【００１０】
しかし、前者の構成では光利用効率を十分に高めるには至っておらず、また、後者の構成でも光利用効率をある程度向上できるものの、小レンズの大きさを横方向のみ拡大しているため、横方向における小レンズの数が少なくなり、被照明領域における照度分布の悪化を招きやすいという新たな問題を生じる。また、横方向の拡大に対応させてレンズを厚くする必要があるが、その結果、小レンズの中心部と周辺部との間で厚み差が大きくなり、アレイ化に際して隣接する小レンズ間の境界部では正確なレンズ形状を実現し難いという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、光利用効率が高く明るさムラの少ない照明光を発生できる照明装置と、それを用いたプロジェクタを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明にかかる照明装置は、光源からの光束を複数の部分光束に分割・集光する集光光学素子と、前記集光光学素子により生成された複数の部分光束を被照明領域上に伝達する伝達光学素子と、前記伝達光学素子により伝達される複数の部分光束を被照明領域上で重畳する重畳光学素子とを有する照明装置であって、前記集光光学素子は、互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズアレイで構成されていると共に、前記重畳光学素子は、互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズで構成されていることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、光源からの光束を互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズアレイで構成された集光光学素子により複数の部分光束に分割・集光し、その複数の部分光束を伝達光学素子により被照明領域上に伝達し、その伝達される複数の部分光束を互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズで構成された重畳光学素子により被照明領域上で重畳するようにしたため、集光光学素子により形成される光源像（部分光束）の寸法（光束径）を異なる集光方向においてそれぞれ独立して制御することができ、照明装置からの射出光が入射する入射部の形状に対応させて光源像を最適な寸法とすることができるので、入射部への入射効率を高めることができる。よって光利用効率が高く明るさムラの少ない照明光を実現することができる。
【００１４】
上記構成において、前記集光光学素子を構成する前記２種類のレンズアレイは、互いに異なる焦点距離に設定されており、前記重畳光学素子を構成する前記２種類のレンズは、互いに異なる焦点距離に設定されていることが好ましい。
このように構成すれば、照明装置からの射出光が入射する入射部おいて、部分光束をより絞り込むことができ、入射部への入射効率をより一層高めることができる。
【００１５】
また、前記集光光学素子の光射出側に、前記集光光学素子により生成された複数の部分光束を偏光方向の揃った複数の偏光部分光束に変換する偏光変換素子を更に備える照明装置にあっては、前記集光光学素子は、前記偏光変換素子の偏光分離方向と略同じ方向に集光性を有するレンズアレイが、他方のレンズアレイよりも前記偏光変換素子側に配置されて構成されていることが好ましく、また、前記各レンズアレイの焦点距離は、各レンズアレイと前記偏光変換素子との間の光路長と略等しくなるようにそれぞれ設定されていることが好ましい。
この構成によれば、集光光学素子により形成される光源像の寸法（部分光束の光束径）を異なる集光方向において、それぞれ独立して制御することができる。とくに、偏光変換素子の偏光分離方向と略同じ方向に集光方向を有するレンズアレイを、他方のレンズアレイよりも偏光変換素子側に配置する構成（換言すれば、偏光変換素子が長方形状の開口部を有する場合には、開口部の短辺方向に集光性を有するレンズアレイを他方のレンズアレイに比して偏光変換素子側に配置する構成）とし、また、各レンズアレイの焦点距離を、各レンズアレイと偏光変換素子との間の光路長と略等しくなるようにそれぞれ設定したので、例えば、表示領域の縦横比が３：４の電気光学装置を照明する場合には、偏光変換素子にあっては縦横比（横方向が偏光分離方向）が３：２の入射開口部を有する偏光分離面に部分光束を集光させる必要があるが、このような長辺に比して短辺の寸法が２／３となる開口部において短辺方向に拡がった（角度分布を有する）光束を効率良く入射させることができる。したがって、偏光変換素子の入射開口部への入射効率を高めることができ、よって光利用効率が高く明るさムラの少ない照明光を実現することができる。
【００１６】
上記構成において、前記重畳光学素子は、前記偏光変換素子の偏光分離方向と略同じ方向に集光性を有するレンズよりも、他方のレンズが前記偏光変換素子側に配置されて構成されていることが好ましい。
この構成によれば、上記集光光学素子を採用した照明装置において、この集光光学素子により形成される部分光束を好適に被照明領域上で重畳することができる。よって光利用効率が高く、明るさムラの少ない照明光を得ることができる。上記した集光光学素子を構成する２種類のレンズアレイは、シリンドリカル面を有する複数のレンズをそれぞれ備えて構成することができる。
上記２種類のレンズアレイは、複数のシリンドリカルレンズで構成されるので、隣接するシリンドリカルレンズ間の境界部において段差構造を生じず、アレイ化が容易であり、レンズアレイの低コスト化を実現できる。
また、上記伝達光学素子は、トーリック面を有する複数のレンズを備えたレンズアレイで構成することができる。
これら複数のレンズの屈折作用面を、上記集光光学素子の２種類のレンズアレイの互いに異なる集光方向に対応させて、これらの方向で曲率が異なるトーリック面とすることによって、集光光学素子で形成された部分光束を好適に被照明領域上に伝達することができる。よって光利用効率が高く、明るさムラの少ない照明光を得ることができる。
また、前記重畳光学素子を構成する２種類のレンズは、それぞれシリンドリカル面を有するレンズで構成することもできる。
上記構成において、前記被照明領域の入射側には、入射光束を略平行化して被照明領域内を照射する平行化レンズをさらに備えており、前記平行化レンズは、トーリック面を有するレンズで構成されていることが好ましい。
これらの構成によれば、上記集光光学素子及び重畳光学素子を採用した照明装置において、上記集光光学素子により形成されて上記重畳光学素子から射出される部分光束の発散角を好適に小さくして入射効率を高め、被照明領域上で重畳することができる。よって光利用効率が高く、明るさムラの少ない状態で被照明領域を照明することができる。
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明にかかるプロジェクタは、上記の照明装置と、前記照明装置の被照明領域に配置された電気光学装置と、前記電気光学装置からの射出光を拡大投写する投写光学系と、を備えていることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、上記の照明装置を備えたプロジェクタとしたため、光利用効率が高く、明るい、明るさムラの少ない投写画像を表示することができる。
【００１９】
上記構成において、前記電気光学装置には、複数の略矩形状の画素開口部が設けられ、前記画素開口部の入射側には、各々の画素開口部に対して入射光束を集光するマイクロレンズが配置されていることが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、電気光学装置に入射する光束は、マイクロレンズで集光され、光束径が絞り込まれた状態で対応する画素開口部に入射する。したがって、画素開口部の物理的な開口寸法を変えることなく電気光学装置における光利用効率を高めることができる。
【００２１】
上記構成において、前記マイクロレンズは、前記マイクロレンズに入射する角度分布に異方性を有する照明光束に対応して、前記照明光束における角度分布の拡がりがより大きな方向において、他の方向よりも大きな集光性を有していることが好ましい。上記マイクロレンズは、トーリック面を有するレンズで構成することができる。
【００２２】
この構成によれば、マイクロレンズを、マイクロレンズに入射する角度分布に異方性を有する照明光束に対応して、前記照明光束における角度分布の拡がりがより大きな方向において、他の方向よりも大きな集光性を有する構成としたので、角度分布に異方性を有する照明光束であっても光束を十分細く絞り込んで画素開口部に入射させることができる。したがって、電気光学装置における光利用効率を更に高めることができ、より一層明るい投写画像を表示することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる照明装置およびこの照明装置を用いたプロジェクタの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明にかかる照明装置の一構成例を示す図であり、（ａ）は垂直面上の断面図、（ｂ）は水平面上の断面図である。なお、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、互いに直交する３方向を示している。
【００２５】
図１における照明装置１は、光源としての光源ランプ１０、リフレクタ１１、集光光学素子としての第１−Ａレンズアレイ１２と第１−Ｂレンズアレイ１３、伝達光学素子としての第２レンズアレイ１４、偏光変換素子としての偏光ビームスプリッタアレイ１５と位相差板１６、重畳光学素子としてのＡ重畳レンズ１７とＢ重畳レンズ１８、平行化レンズ１９、および、被照明領域としての液晶ライトバルブ（電気光学装置）２０などにより構成されている。
【００２６】
照明装置１の特徴的な点は、図１０を用いて説明した従来の照明装置に対して、部分光束を生成する集光光学素子として互いに集光方向が異なる２つのレンズアレイ（第１−Ａレンズアレイ１２、第１−Ｂレンズアレイ１３）を、また、それに対応する重畳光学素子として互いに集光方向が異なる２つのレンズ（Ａ重畳レンズ１７、Ｂ重畳レンズ１８）を備えたところにある。これにより、部分光束の集光性（ＸＹ平面における部分光束の断面寸法）を制御し、偏光変換素子への入射効率を高めて、光利用効率の高い照明装置を実現している。
【００２７】
光源ランプ１０から放射された光は、リフレクタ１１によって反射され、略平行な光束となって集光光学素子としての２つのレンズアレイ（第１−Ａレンズアレイ１２、第１−Ｂレンズアレイ１３）に入射する。ここで、光源ランプ１０としては、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、ハロゲンランプなどを使用できる。
【００２８】
第１−Ａレンズアレイ１２は、図２（ａ）に示すように、Ｙ方向（垂直方向）にのみ集光性を有する複数のＡシリンドリカルレンズ１２ａを備え、他方、第１−Ｂレンズアレイ１３は、図２（ｂ）に示すように、Ｘ方向（水平方向）にのみ集光性を有する複数のＢシリンドリカルレンズ１３ａを備えて構成されている。
【００２９】
２つのレンズアレイ１２、１３における屈折作用面の位置はＺ方向（光軸Ｌ方向）に離れているため、それに対応するように２つのレンズアレイ１２、１３の焦点距離は互いに異なる焦点距離に設定されている。具体的には、第１−Ａレンズアレイ１２の焦点距離は、第１−Ａレンズアレイ１２と偏光ビームスプリッタアレイ１５との間の光路長と略等しくなるように設定され、一方、第１−Ｂレンズアレイ１３の焦点距離は、第１−Ｂレンズアレイ１３と偏光ビームスプリッタアレイ１５との間の光路長と略等しくなるように設定されている。
また、第１−Ａレンズアレイ１２を構成するＡシリンドリカルレンズ１２ａのＹ方向におけるレンズ幅ＷＹは、被照明領域である液晶ライトバルブ２０の表示領域におけるＹ方向の寸法（ＤＹ）と対応しており、一方、第１−Ｂレンズアレイ１３を構成するＢシリンドリカルレンズ１３ａのＸ方向におけるレンズ幅ＷＸは、同様に被照明領域である液晶ライトバルブ２０の表示領域におけるＸ方向の寸法（ＤＸ）と対応しており、互いに相似関係を維持するように設定されている。すなわち、ＷＹとＷＸの比は、ＤＹとＤＸの比に略等しい。
さらに、２つのレンズアレイ１２、１３の配置順序は、後述する偏光ビームスプリッタアレイ１５における偏光分離方向を考慮して決定されている。詳細は後述するが、偏光ビームスプリッタアレイ１５における偏光分離方向（図１ではＸ方向）と同じ方向において集光性を有する一方のレンズアレイ（図１では第１−Ｂレンズアレイ１３）が、他方のレンズアレイよりも偏光ビームスプリッタアレイ１５側に配置される。
【００３０】
なお、必ずしも２つのレンズアレイ１２、１３を分離して２ヶ所に配置する必要はない。要するに、２つの方向における屈折作用面の位置が光軸Ｌ方向で互いに離れて分離されていればよいため、例えば、２つのレンズアレイを一体化し、光源側の面にはＹ方向のみに集光性を有するレンズ形状を、偏光ビームスプリッタアレイ１５側の面にはＸ方向のみに集光性を有するレンズ形状を、それぞれ形成したものを用いることもできる。２つのレンズアレイの一体化によってレンズ枚数を低減できるため、照明装置の低コスト化やレンズ界面の減少による光利用効率の向上を期待できる。
【００３１】
第２レンズアレイ１４は、上記した２つのレンズアレイ１２、１３によって生成された複数の部分光束を液晶ライトバルブ２０上に効率良く伝達する伝達光学素子であり、図３に示すように、部分光束の数に対応した複数の小レンズ１４ａを備えて構成されている。より詳しくは、小レンズ１４ａの機能は、第１−Ａレンズアレイ１２と第１−Ｂレンズアレイ１３の各々の屈折作用面における像（光束分布）を液晶ライトバルブ２０上に伝達することであり、それらの２つの屈折作用面は互いに離れて存在すること、また、後述する重畳光学素子も光軸Ｌ方向の離れた位置に２つの屈折作用面を有すること、などを考慮してレンズ特性は設定される。この様な点を考慮して、本実施の形態では、小レンズ１４ａの屈折作用面をＸ方向とＹ方向とでレンズの曲率が異なるトーリック面としている。もちろん、集光光学素子や重畳光学素子における各々２つの屈折作用面の位置関係によっては、レンズの曲率が一軸対称である一般的な球面レンズや非球面レンズを用いることもできる。なお、小レンズ１４ａの外形形状は、１対１で対応する部分光束の断面形状を包含できるように設定されれば良く、図３に示したような矩形状には限定されない。
【００３２】
本実施の形態では、偏光ビームスプリッタアレイ１５の入射側に１つのレンズアレイとして第２レンズアレイ１４を配置しているが、これ以外にも偏光ビームスプリッタアレイ１５の後方に配置したり、１つのレンズアレイを２つに機能分離して偏光ビームスプリッタアレイ１５の前後（入射側と射出側）にシリンドリカルレンズアレイとして配置するなどのバリエーションが考えられる。その際、偏光ビームスプリッタアレイ１５の射出側に配置された伝達光学素子としての第２レンズアレイ１４は、後述する重畳光学素子としてのＡ重畳レンズ１７などと一体化して構成しても良い。或いは、Ａ重畳レンズ１７を偏光ビームスプリッタアレイ１５の入射側に配置して、第２レンズアレイ１４と一体化しても良い。一体化によってレンズ枚数を低減できるため、照明装置の低コスト化やレンズ界面の減少による光利用効率の向上を期待できる。
【００３３】
偏光ビームスプリッタアレイ１５は、図１に示すように、第１−Ａレンズアレイ１２と第１−Ｂレンズアレイ１３によって複数の光源像が形成される位置の近傍に配置され、より望ましくは、光源像を形成する部分光束が最も集光された状態で偏光ビームスプリッタアレイ１５に入射する位置に配置されている。この偏光ビームスプリッタアレイ１５は、第２レンズアレイ１４によって伝達される複数の不定偏光である部分光束を、互いに偏光方向が異なる２種類の偏光部分光束に分離する機能を有する。偏光ビームスプリッタアレイ１５は、図４（ａ）に示すように、Ｘ方向に互い違いに、略平行且つ略等間隔で配置された複数の偏光分離面２４と反射面２１とを備え、この偏光分離面２４や反射面２１が透光性のガラス体や樹脂体などによって挟持された構造を成しており、入射する不定偏光光束をＰ偏光光束とＳ偏光光束に分離する機能を有している。一つの偏光分離面２４と一つの反射面２１とによって構成される対の数は、第１−Ａレンズアレイ１２を構成するＡシリンドリカルレンズ１２ａまたは第１−Ｂレンズアレイ１３を構成するＢシリンドリカルレンズ１３ａの数に対応している。偏光分離面２４のＸ方向における配置間隔は第２レンズアレイ１４の小レンズ１４ａのＸ方向における配置間隔に略等しい。
【００３４】
偏光分離面２４と反射面２１とは、光軸Ｌに対して４５度の傾きをなすように配置されることが望ましい。なお、少なくとも対応する一対の偏光分離面２４と反射面２１とが互いに平行に配置されていれば良く、全ての偏光分離面２４と反射面２１とを同じ方向に配列する必要はない。したがって、光軸Ｌを対称軸として、その両側で偏光分離面２４が対向するように配置したり、或いは、一対の偏光分離面２４と反射面２１毎に大きさを変えて配置しても良い。
【００３５】
偏光ビームスプリッタアレイ１５の光射出面側には、図４（ｂ）に示すように、λ／２位相差層２６が短冊状に規則的に形成された位相差板１６が設置されており、偏光ビームスプリッタアレイ１５によって分離された２種類の偏光部分光束を偏光方向が略揃った一種類の偏光部分光束に変換して射出する。ここで、λ／２位相差層２６は偏光分離面２４の位置に対応して形成され、反射面２１からの光束が通過する位置にはλ／２位相差層２６は形成されていない。
【００３６】
図５は、図１（ｂ）の偏光ビームスプリッタアレイ１５の一部に入射した不定偏光光束（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが混在する光と見なせる）が１種類の偏光に変換される状態を説明する図である。図５に示すように、第２レンズアレイ１４から偏光ビームスプリッタアレイ１５に偏光方向が互いに直交するＰ偏光成分とＳ偏光成分とが混在する光束が入射されると、偏光分離面２４でＳ偏光成分のみが反射され、反射面２１で再度反射されてＳ偏光光束として射出される。また、Ｐ偏光成分は、偏光分離面２４を透過するが、射出側に設けられた位相差板１６のλ／２位相差層２６により偏光方向が回転されＳ偏光光束に変換されて射出される。したがって、偏光ビームスプリッタアレイ１５と位相差板１６によって、不定偏光光束は略一種類の偏光光束（この場合はＳ偏光光束）に変換される。なお、ここでは、不定偏光光束をＳ偏光光束に変換する場合について説明したが、位相差板１６の配置の仕方によってはＰ偏光光束に変換することも可能である。
【００３７】
位相差板１６の射出側には、重畳光学素子であるＡ重畳レンズ１７とＢ重畳レンズ１８が配置されており、偏光変換素子によって偏光方向が略揃った複数の偏光部分光束を被照明領域である液晶ライトバルブ２０上で重畳する。Ａ重畳レンズ１７は第１−Ａレンズアレイ１２によってＹ方向のみに集光された光成分の進行方向を、また、Ｂ重畳レンズ１８は第１−Ｂレンズアレイ１３によってＸ方向のみに集光された光成分の進行方向を、それぞれ被照明領域の略中央部に向ける機能を有する。第１−Ａレンズアレイ１２と第１−Ｂレンズアレイ１３は光軸Ｌ方向に分離されて配置されているため、これらに対応する２つの重畳レンズ１７、１８も光軸Ｌ方向に分離されて配置されている。したがって、これら２つの重畳レンズ１７、１８は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、互いに集光方向と焦点距離が異なるシリンドリカルレンズとなっており、それらの配置の順序は、第１−Ａレンズアレイ１２と第１−Ｂレンズアレイ１３の配置の順序に対応している。すなわち、Ｙ方向のみに集光性を有する第１−Ａレンズアレイ１２が光源側に配置されることに対応して、Ｙ方向のみに集光性を有するＡ重畳レンズ１７はＢ重畳レンズ１８よりも光源側に配置されている。集光光学素子と重畳光学素子におけるこのような配置の関係については後述する。
【００３８】
なお、必ずしも２つの重畳レンズ１７、１８を分離して２ヶ所に配置する必要はない。要するに、２つの方向における屈折作用面の位置が光軸Ｌ方向に分離されていればよいため、例えば、２つの重畳レンズを一体化し、光源側の面にはＹ方向のみに集光性を有するレンズ形状を、被照明領域側の面にはＸ方向のみに集光性を有するレンズ形状を、それぞれ形成したものを用いることもできる。このように構成すれば、２つのレンズの一体化によってレンズ枚数を低減できるため、照明装置の低コスト化やレンズ界面の減少による光利用効率の向上を期待できる。
【００３９】
被照明領域である液晶ライトバルブ２０の入射側には平行化レンズ１９が配置され、２つの重畳レンズ１７、１８から射出され液晶ライトバルブ２０に入射する偏光部分光束の発散角を小さくして、液晶ライトバルブ２０における表示ムラを低減したり、その後段に配置される光学素子（図示せず）への入射効率を高めている。したがって、液晶ライトバルブ２０の表示特性やその後段に配置される光学素子（図示せず）の光学性能によっては、平行化レンズ１９を省略しても良い。平行化レンズ１９の入射側に配置される重畳光学素子は互いに光軸Ｌ方向に離れた位置に２つの屈折作用面を有するため、これに対応して、平行化レンズ１９のレンズ特性は設定される。本実施の形態では、平行化レンズ１９の屈折作用面をトーリック面としている。もちろん、重畳光学素子における２つの屈折作用面の位置関係によっては、レンズの曲率が一軸対称である一般的な球面レンズや非球面レンズを用いることもできる。
【００４０】
次に、集光光学素子と重畳光学素子において、各々２つの屈折作用面を設定する理由について説明する。発明が解決しようとする課題の項で説明したように、表示領域の縦横比（Ｙ方向寸法とＸ方向寸法の比）が３：４の液晶ライトバルブ２０を照明する場合には、縦横比が３：２の入射開口部を有する偏光分離面２４に部分光束を集光させる必要がある。一般的に、レンズなどの集光素子によって光束を集光する場合、集光素子の焦点距離に比例して光束径を小さく絞り込むことができるため、集光光学素子における集光性に異方性を持たせることができれば、入射開口部の形状に対応させて部分光束を最適な断面寸法となるように絞り込むことが可能となり、入射開口部への入射効率を高めることができる。本実施の形態では、偏光分離面２４への入射開口部がＸ方向に幅の狭い長方形であることに対応して、集光光学素子のＸ方向の集光性とＹ方向の集光性を、それらの屈折作用面の位置を分離することによって異ならしめている。すなわち、Ｘ方向の光成分に対する焦点距離をＹ方向のそれに比べて短く設定することにより、入射開口部付近における光束径がＹ方向に比べてＸ方向でより小さくなり、光束径（光源像）の断面形状が入射開口部の形状に略対応したものとなる。これにより、部分光束が偏光分離面２４の入射開口部に遮られることなく入射する効率を高めることができる。
【００４１】
偏光ビームスプリッタアレイ１５に入射する部分光束は、Ｘ方向の光成分における集光角がＹ方向の光成分における集光角よりも大きいため、偏光ビームスプリッタアレイ１５から射出される偏光部分光束も、Ｘ方向の光成分における発散角がＹ方向の光成分における発散角よりも大きくなる。これに対応させて、重畳光学素子の屈折作用面もＸ方向のみとＹ方向のみに集光性を有する各々２つの屈折作用面（Ａ重畳レンズ１７、Ｂ重畳レンズ１８）に分離し、大きな発散角を有するＸ方向の光成分に対しては偏光ビームスプリッタアレイ１５から離れた位置にＢシリンドリカルレンズ１８を配置して発散角を絞り込むことで、小さな発散角を有するＹ方向の光束成分と発散角を一致させている。したがって、偏光ビームスプリッタアレイ１５の偏光分離面２４への入射開口部がＸ方向に狭いため、集光光学素子においてＸ方向にのみ光を屈折させる屈折作用面（第１−Ｂレンズアレイ１３）を、Ｙ方向にのみ光を屈折させる屈折作用面（第１−Ａレンズアレイ１２）よりも偏光ビームスプリッタアレイ１５に近い側に配置し、逆に、重畳光学素子においてＸ方向にのみ光を屈折させる屈折作用面（Ｂ重畳レンズ１８）を、Ｙ方向にのみ光を屈折させる屈折作用面（Ａ重畳レンズ１７）よりも液晶ライトバルブ２０に近い側に配置した構成としている。
【００４２】
以上説明したように、本実施の形態の照明装置１によれば、集光方向が異なる２つの第１レンズアレイ１２、１３と２つの重畳レンズ１７、１８を備えているため、偏光ビームスプリッタアレイ１５の近傍で形成される光束径（光源像）の縦方向と横方向の寸法を独立して制御することができる。これにより、偏光ビームスプリッタアレイ１５における偏光分離面２４への入射開口部の寸法形状に対応した光束径（光源像）を形成することができるため、偏光ビームスプリッタアレイ１５への入射効率を高めることができる。したがって、光利用効率が高く、明るい照明光が得られる照明装置を実現できる。
【００４３】
さらに、２種類の第１レンズアレイ１２、１３は複数のシリンドリカルレンズで構成されるため、隣接するシリンドリカルレンズ間の境界部において段差構造を生じず、アレイ化が容易であり、レンズアレイの高精度化と低コスト化を実現しやすい。
【００４４】
なお、本実施の形態では、偏光変換素子としての偏光ビームスプリッタアレイ１５を用いた照明装置について説明したが、偏光変換素子を備えない照明装置に対しても本発明の構成を適用することができる。例えば、上記関係を有する集光光学素子、伝達光学素子、重畳光学素子を備えた照明装置を構成しても、上記と略同様に好適な効果を実現することができる。その場合には、伝達光学素子を構成する小レンズ１４ａの入射開口部の形状に合わせた部分光束を生成することにより、伝達光学素子への入射効率を高め、光利用効率の高い照明装置を実現することができる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
本第２の実施の形態では、上記第１の実施の形態で説明した照明装置をプロジェクタに適用した場合について説明する。
【００４６】
図７は、電気光学装置として透過型液晶ライトバルブを３枚用いて構成したプロジェクタ２の概略構成図である。図７において、照明装置は、図１と同じものを用いているため、既に説明した各構成要素と同様の構成要素については、図１で用いたものと同じ参照番号或いは符号を付し、その部分の説明を省略する。
【００４７】
図７に示すように、プロジェクタ２において、照明装置１の光源ランプ１０から放射された白色光は、偏光方向が略揃った偏光光束に変換された後、フォールディングミラー２７を経て、色分離を行う２枚のダイクロイックミラー２８、３０によって、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３つの色光に分光され、対応する液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ（電気光学装置）を照明する。ここで、これら液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂは、照明装置１の被照明領域（或いは被照明領域と光学的に透過な位置）にそれぞれ配置されている。不図示の外部からの画像情報に基づいて液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂで強度変調された各色光は、クロスダイクロイックプリズム３６で合成された後、投写レンズ３７（投写光学系）によって不図示のスクリーン上に拡大投写される。
【００４８】
図８は、プロジェクタ２で使用される液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂの画素構成を平面的に示す概略図である。表示領域２０Ｄの形状は縦横比（Ｖ：Ｈ）が３：４の横長（横方向とは図７の紙面と平行な方向）の矩形形状であり、各画素２０Ｇの形状は正方形に、そして、照明光束を透過させる画素開口部２０Ｐは横長の矩形状に設定されている。そこで、プロジェクタ２においては、表示領域２０Ｄの横長の形状に対応させて、照明装置１の偏光ビームスプリッタアレイ１５における偏光分離方向も横方向とすることで、照明角の拡大を防止して光利用効率を高めている。液晶ライトバルブは表示性能が照明光の入射角依存性を有するため、照明角の拡大の防止は表示性能の向上に対して都合がよい。
【００４９】
さらに、プロジェクタ２の液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂには、個々の画素開口部２０Ｐに対応するようにマイクロレンズを配置したものを用いている。図９は、マイクロレンズを搭載した液晶ライトバルブの構造を示す部分断面図である。図９に示すように、マイクロレンズ３９は、レンズ基板３８上に形成され、接着層４０を介してカバーガラス４１に固定されている。各マイクロレンズ３９の配列ピッチは、マトリックス状に形成された各画素２０Ｇの配列ピッチに対応し、画素開口部２０Ｐと１対１で対応するように形成されている。隣接する画素間には、ブラックマトリックス４３が配置され、画素開口部２０Ｐには、共通電極４４と画素電極４６とが液晶層４２を介して対向配置されている。レンズ基板３８側から入射した光束４８は、マイクロレンズ３９で集光され、光束径が絞り込まれた状態で対応する画素開口部２０Ｐに導かれる。このため、物理的な開口寸法を変えることなく、液晶ライトバルブにおける光利用効率を高めることができる。
【００５０】
ところで、レンズなどの集光素子によって光束を集光する場合、角度分布の広がりに比例して光束径を小さく絞り込むことが困難になる。プロジェクタ２で用いている照明装置１においては、Ａ重畳レンズ１７に比べてＢ重畳レンズ１８を液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ寄りに配置しているため、照明光束の横方向（Ｘ方向）における角度分布は縦方向（Ｙ方向）におけるそれよりも広がっている。したがって、上記の様な角度分布を有する照明光束を一般的な球面レンズからなるマイクロレンズで集光しようとした場合には、横方向における光束径を十分細く絞り込むことができない。
【００５１】
上記の点を考慮して、本実施の形態のプロジェクタ２では、照明光束の角度分布特性に対応させて、横長形状の画素開口部２０Ｐを有する液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを用いている。また、液晶ライトバルブのマイクロレンズ３９を、縦方向よりも横方向（図７の紙面と平行な方向、或いは、図８のＨ方向）に大きな集光性（Ｆ値が小さい）を有するトーリックレンズとしている。これらによって、角度分布に異方性を有する照明光束であっても、光束を十分細く絞り込んで画素開口部２０Ｐに入射させることができるため、液晶ライトバルブにおける光利用効率を高めることができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態のプロジェクタ２によれば、第１の実施の形態で説明した照明装置１を備えているため、光源からの不定偏光光束を偏光方向が略揃った偏光光束に高い効率で変換でき、よって、光利用効率が高く、明るい、明るさムラのない投写画像を表示することができる。また、照明装置１から射出される照明光束の角度分布の異方性に対応させて、横長形状の画素開口部を備えた液晶ライトバルブを用い、また、液晶ライトバルブがマイクロレンズを備えている場合には、横方向に大きな集光性を有するトーリックレンズとすることによって、より一層明るい投写画像を表示することができる。勿論、液晶ライトバルブの画素開口部の形状を横長とする、或いは、トーリックレンズであるマイクロレンズを備える、のどちらか一方のみを採用しても、光利用効率の向上には有効であることは明らかである。また、マイクロレンズとしては、トーリックレンズ以外にも、楕円面を有するレンズなどを用いても同様の効果を実現することができる。なお、ここで言う横方向とは、照明装置１の偏光ビームスプリッタアレイ１５における偏光分離方向を指している。
【００５３】
なお、本発明は上記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、改良は、本発明に含まれるものである。上記実施形態では、電気光学装置として３つの液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを用いたプロジェクタ２の例のみを挙げたが、本発明は、１つの液晶ライトバルブのみを用いたプロジェクタ、２つのライトバルブを用いたプロジェクタ、あるいは、４つ以上の液晶ライトバルブを用いたプロジェクタにも適用可能である。また、上記実施形態では、電気光学装置として液晶ライトバルブを用いていたが、複数のマイクロミラーを２次元的に配列したライトバルブなど、液晶ライトバルブ以外を用いてもよい。さらに、前記実施形態では、光入射面と光射出面とが異なる透過型の液晶ライトバルブを用いていたが、光入射面と光射出面とが同一となる反射型の液晶ライトバルブを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる照明装置の一構成例を示す図であり、（ａ）は垂直面上の断面図、（ｂ）は水平面上の断面図。
【図２】第１レンズアレイの斜視図であり、（ａ）は第１−Ａレンズアレイ、（ｂ）は第１−Ｂレンズアレイ。
【図３】第２レンズアレイの斜視図。
【図４】偏光変換光学系を示す斜視図であり、（ａ）は偏光ビームスプリッタアレイ、（ｂ）は位相差板。
【図５】図１（ｂ）の偏光ビームスプリッタアレイの一部に入射した不定偏光が１種類の偏光に変換される状態を説明する図。
【図６】重畳レンズを示す斜視図であり、（ａ）はＡ重畳レンズ、（ｂ）はＢ重畳レンズ。
【図７】透過型液晶ライトバルブを用いた３板式液晶プロジェクタの概略構成図。
【図８】透過型液晶ライトバルブの画素構成を平面的に示す概略図。
【図９】マイクロレンズを搭載した液晶ライトバルブの構造を示す部分断面図。
【図１０】従来の照明光学系を説明する平面断面図。
【図１１】偏光ビームスプリッタアレイの入射端面付近における光源像の形成状態を示す図。
【符号の説明】
１ 照明装置
２ プロジェクタ
１０ 光源ランプ
１１ リフレクタ
１２ 第１−Ａレンズアレイ
１２ａ Ａシリンドリカルレンズ
１３ 第１−Ｂレンズアレイ
１３ａ Ｂシリンドリカルレンズ
１４ 第２レンズアレイ
１５ 偏光ビームスプリッタアレイ
１６ 位相差板
１７ Ａ重畳レンズ
１８ Ｂ重畳レンズ
１９ 平行化レンズ
２０、２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ 液晶ライトバルブ
２０Ｄ 表示領域
２０Ｇ 画素
２０Ｐ 画素開口部
２１ 反射面
２２ Ｐ偏光光束出射面
２３ Ｓ偏光光束出射面
２４ 偏光分離面
２５ 偏光ビームスプリッタユニット
２６ λ／２位相差層
２７ フォールディングミラー
２８、３０ ダイクロイックミラー
３１、３３ リレーレンズ
３２、３４ フォールディングミラー
３５ リレー光学系
３６ クロスダイクロイックプリズム
３７ 投写レンズ
３８ レンズ基板
３９ マイクロレンズ
４０ 接着層
４１ カバーガラス
４２ 液晶層
４３ ブラックマトリックス
４４ 共通電極
４５ 薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
４６ 画素電極
Claims (13)
- 光源からの光束を複数の部分光束に分割・集光する集光光学素子と、前記集光光学素子により生成された複数の部分光束を被照明領域上に伝達する伝達光学素子と、前記伝達光学素子により伝達される複数の部分光束を被照明領域上で重畳する重畳光学素子とを有する照明装置であって、
前記集光光学素子は、互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズアレイで構成されていると共に、
前記重畳光学素子は、互いに集光方向の異なる少なくとも２種類のレンズで構成されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項１において、
前記集光光学素子を構成する前記２種類のレンズアレイは、互いに異なる焦点距離に設定されており、
前記重畳光学素子を構成する前記２種類のレンズは、互いに異なる焦点距離に設定されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項１または２において、
前記集光光学素子の光射出側に、前記集光光学素子により生成された複数の部分光束を偏光方向の揃った複数の偏光部分光束に変換する偏光変換素子を更に備え、
前記集光光学素子は、前記偏光変換素子の偏光分離方向と略同じ方向に集光性を有するレンズアレイが、他方のレンズアレイよりも前記偏光変換素子側に配置されて構成されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項３において、
前記各レンズアレイの焦点距離は、各レンズアレイと前記偏光変換素子との間の光路長と略等しくなるようにそれぞれ設定されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項３または４において、
前記重畳光学素子は、前記偏光変換素子の偏光分離方向と略同じ方向に集光性を有するレンズよりも、他方のレンズが前記偏光変換素子側に配置されて構成されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記集光光学素子を構成する２種類のレンズアレイは、シリンドリカル面を有する複数のレンズをそれぞれ備えていることを特徴とする照明装置。 - 請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記伝達光学素子は、トーリック面を有する複数のレンズを備えたレンズアレイで構成されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項１ないし７のいずれかにおいて、
前記重畳光学素子を構成する２種類のレンズは、それぞれシリンドリカル面を有するレンズであることを特徴とする照明装置。 - 請求項１ないし８のいずれかにおいて、
前記被照明領域の入射側には、入射光束を略平行化して被照明領域内を照射する平行化レンズをさらに備えており、前記平行化レンズは、トーリック面を有するレンズで構成されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項１〜９のいずれかに記載の照明装置と、
前記照明装置の被照明領域に配置された電気光学装置と、
前記電気光学装置からの射出光を拡大投写する投写光学系と、
を備えていることを特徴とするプロジェクタ。 - 請求項１０において、
前記電気光学装置には、複数の略矩形状の画素開口部が設けられ、前記画素開口部の入射側には、各々の画素開口部に対して入射光束を集光するマイクロレンズが配置されていることを特徴とするプロジェクタ。 - 請求項１１において、
前記マイクロレンズは、前記マイクロレンズに入射する角度分布に異方性を有する照明光束に対応して、前記照明光束における角度分布の拡がりがより大きな方向において、他の方向よりも大きな集光性を有していることを特徴とする記載のプロジェクタ。 - 請求項１２において、
前記マイクロレンズは、トーリック面を有するレンズで構成されていることを特徴とするプロジェクタ。
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