JP2005121710A - 照明装置及びこれを備えたプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高め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。
【解決手段】 発光管１２０と、楕円面リフレクタ１３０と、平行化レンズと、第１レンズアレイと、第２レンズアレイ１６０とを備えた照明装置１００Ａであって、
前記平行化レンズと前記第１レンズアレイとに代えて、
入射面には回転双曲面４０Ａｓが形成され、射出面には複数の小レンズ５２Ａが形成された光学要素４０Ａを備えるとともに、この光学要素４０Ａの回転双曲面４０Ａｓは、複数種類の回転双曲面領域４２Ａｓ_１，４２Ａｓ_２，４２Ａｓ_３に区分されてなることを特徴とする照明装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は、照明装置及びこれを備えたプロジェクタに関する。

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からの変調光を投写画像として投写表示する投写レンズとを備えている。

このようなプロジェクタにおいては、投写表示された画像の輝度分布は略均一であることが好ましいため、照明装置としては、画像が形成される被照明領域を略均一な光強度分布で照射することができるいわゆるインテグレータ光学系を用いた照明装置が用いられている。

図９は、このような従来の照明装置を示す図である。この照明装置８００は、図９に示すように、発光管８２０、楕円面リフレクタ８３０及び平行化レンズ８４０を含む光源装置８１０と、第１レンズアレイ８５０と、第２レンズアレイ８６０と、重畳レンズ８７０とを備えている。ＬＡは液晶表示装置等の被照明領域である。
なお、各光学要素は、光源光軸８１０ａｘ（光源装置８１０から射出される光束の中心軸）を基準として配置されている。すなわち、第１レンズアレイ８５０，第２レンズアレイ８６０及び重畳レンズ８７０は、その中心が光源光軸８１０ａｘとほぼ一致するように、かつ光源光軸８１０ａｘに対してほぼ垂直となるように配置されている。

このような照明装置８００において、発光管８２０は光源光軸８１０ａｘ方向に所定の長さをもつ発光部（アーク）を有しており、この発光部の中心が光源光軸８１０ａｘ上における楕円面リフレクタ８３０の２つの焦点のうち楕円面リフレクタ８３０に近い側の焦点（第１焦点）Ｆ１の位置近傍に配置されている。そして、発光部から射出された光は楕円面リフレクタ８３０の反射面８３０Ｒによって反射され、その反射光は楕円面リフレクタ８３０に遠い側の焦点（第２焦点）Ｆ２に向かう途中で平行化レンズ８４０によって光源光軸８１０ａｘに略平行な光束とされ、第１レンズアレイ８５０に入射する。

第１レンズアレイ８５０は、図１０に示すように、被照明領域ＬＡの形状と略相似形を成す矩形状の輪郭をもつ複数の小レンズ８５１がマトリクス状（この場合、８行×６列）に配置された構成となっており、光源装置８１０からの略平行な光束を、複数の小レンズ８５１によって複数の部分光束に分割する。また、第２レンズアレイ８６０も第１レンズアレイ８５０と同様に、矩形状の輪郭をもつ複数の小レンズ８６１がマトリクス状に配置された構成となっている。これら小レンズ８６１は第１レンズアレイ８５０の小レンズ８５１と対応して配置されており、第１レンズアレイ８５０の小レンズ８５１から射出された複数の部分光束のそれぞれが、対応する小レンズ８６１上に集光される。そして、第２レンズアレイ８６０の各小レンズ８６１から射出された複数の部分光束のそれぞれが重畳レンズ８７０によって液晶表示装置等の被照明領域ＬＡを重畳照明するようになっている。

ところで、この種の照明装置８００においては、光源装置８１０から射出された光束の平行度が十分でないと、第１レンズアレイ８５０及び第２レンズアレイ８６０においてそれぞれ互いに対応する小レンズ８５１，８６１を通過できないことから、先に本発明者は、光源装置８１０から射出される光束の平行度を高める技術を開示している（例えば、特許文献１参照。）。

一方、この種のインテグレータ光学系を含む照明装置においては、上述したように楕円面リフレクタと平行化レンズとの組み合わせにより発光管からの光を平行化するのではなく、発光管からの光を反射した時点で平行な光とすることが可能な放物面リフレクタを用いたものも存在している。
しかしながら、放物面リフレクタを用いた照明光学系においては、図１１に示すように、放物面リフレクタ８８０の回転放物面からなる反射面８８０Ｒの場合、楕円面リフレクタ８３０の回転楕円面からなる反射面８３０Ｒに比べ、発光管８２０から放射状に射出される光を平行化レンズ８４０へと導くためののみ込み角θ（光源光軸８１０ａｘ回りの角度）が小さくなることから、光の利用効率が楕円面リフレクタ８３０に比べて低くなり、よって近年では楕円面リフレクタを採用した照明装置の開発が盛んに行われている。

ところが、このような楕円面リフレクタを用いた照明装置においては、光強度分布が一様でなく、光源光軸側に偏る傾向があることから、次に示すような問題を有している。
図１２は、楕円面リフレクタを用いた光源装置における発光管の中心部から放射状に射出される光の軌跡を示す図である。図１３は、第２レンズアレイ上のアーク像を示す図である。これによると、光源光軸８１０ａｘ近傍の照度が高く、光源光軸８１０ａｘから離れるにしたがって照度が低くなる照度分布となることが示されている。このため、楕円面リフレクタを用いた照明装置８００においては、図１３に示すように、第２レンズアレイ８６０上に形成されるアーク像８６２が、本来、図１３（ａ）に示すように各小レンズ８６１内に収まるべきところが、図１３（ｂ）に示すように光源光軸８１０ａｘ近傍に偏り、小レンズ８６１の周囲のセルにはみ出してしまう現象が起きていた。

このように、第２レンズアレイ８６０の各小レンズ８６１内に収まらずにはみ出してしまった部分の光は、被照明領域を照明できず無駄となり、光量損失となっていた。なお、このようにはみ出してしまった部分の光とは、第１レンズアレイ８５０及び第２レンズアレイ８６０においてそれぞれ互いに対応する小レンズ８５１，８６１を通過できなかった光に相当する。
したがって、この種の照明装置８００においては、平行化レンズ８４０から射出される光束の平行度を高めることにより第１レンズアレイ８５０及び第２レンズアレイ８６０において互いに対応する小レンズ８５１，８６１を通過できるとしながらも、実際には光源光軸８１０ａｘ近傍の光束の一部については依然として通過できないままとなっており、その改善が望まれていた。

そこで、本願発明者は、図１４に示すように、平行化レンズ９４０の回転双曲面９４０Ａの円錐定数Ｋを大きくするなどして、楕円面リフレクタ９３０の反射面９３０Ｒで反射された反射光のうち少なくとも光源光軸９１０ａｘを中心とする中心部側の光線Ｌ_１の光路が、光源光軸９１０ａｘに平行な光路Ｌ_２よりも若干外方に向かう光路Ｌ_３に変更された照明装置９００を開示している（例えば、特許文献２参照。）。
この照明装置９００によれば、光源光軸９１０ａｘ付近のアーク像が従来よりも良好に分離されるようになり、その結果、楕円面リフレクタ９３０の反射面９３０Ｒで反射された反射光のうち少なくとも光源光軸９１０ａｘを中心とする中心部側の光線Ｌ_１の光路が、第１レンズアレイ及び第２レンズアレイ（ともに図示せず）においてそれぞれ互いに対応する小レンズを通過できるようになる。
特開２０００−３４７２９３号公報（図１〜図１５） 国際公開第０２／０８８８４２号公報（図１〜図５）

しかしながら、このような照明装置９００においては、平行化レンズ９４０の回転双曲面９４０Ａの円錐定数Ｋを大きくすることなどにより、光源光軸９１０ａｘ付近の第１レンズアレイの小レンズによる各アーク像を互いに分離させることができるようになる一方において、光源光軸９１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像の分離はまだ不十分であることがわかった。そこで、光源光軸９１０ａｘから離れた周辺部における各アーク像を十分に分離させるために回転双曲面９４０Ａの円錐定数Ｋをさらに大きくすることなどが考えられる。

しかしながら、この場合には、回転双曲面の中心部のレンズパワーの変化率が大きくなりすぎて光源光軸９１０ａｘ付近の各アーク像が歪んでしまい、光源光軸９１０ａｘ近傍の光束の一部については、第１レンズアレイ及び第２レンズアレイ（ともに図示せず）において互いに対応する小レンズを通過できなくなる。その結果、光量損失を低減することができず、照明光束の利用効率が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができる照明装置及びこれを備えた高輝度のプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明者らは、上述した目的を達成すべく鋭意努力を重ねた結果、複数種類の回転双曲面領域に区分されてなる平行化レンズを用いることによって、光源光軸付近のアーク像と光源光軸から離れた周辺部におけるアーク像をともに良好に分離することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。

（１）本発明の照明装置は、発光管と、この発光管からの光を反射して照明光束として射出する楕円面リフレクタと、この楕円面リフレクタからの照明光束を略平行化する平行化レンズと、この平行化レンズによって略平行化された照明光束を複数の部分光束に分割するために複数の小レンズがマトリクス状に配列された第１レンズアレイと、この第１レンズアレイによって分割された各部分光束を被照明領域上に重畳させるために前記第１レンズアレイの複数の小レンズに対応する複数の小レンズを有する第２レンズアレイとを備えた照明装置において、前記平行化レンズは、複数種類の回転双曲面領域に区分されてなることを特徴とする。

このため、本発明の照明装置によれば、複数種類の回転双曲面領域に区分されてなる平行化レンズを用いることによって、光源光軸付近における回転双曲面のレンズ特性と光源光軸から離れた周辺部における回転双曲面のレンズ特性とを、それぞれ適切な特性にすることができるようになるため、光源光軸付近のアーク像と光源光軸から離れた周辺部におけるアーク像とをともに良好に分離することができることができるようになる。
その結果、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができるようになる。

また、本発明の照明装置によれば、光源光軸付近のアーク像と光源光軸から離れた周辺部におけるアーク像とをともに良好に分離することができることができるようになるため、発光管毎にアーク（発光部）の位置がばらついたとしても、また、経時変化によってアークの位置が変動したとしても、第２レンズアレイにおけるアーク像が所定のマージンをもって対応する小レンズの中に収まるようになるため、この点においても光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率の低下を抑制することができるようになる。

（２）上記（１）に記載の照明装置においては、前記複数種類の回転双曲面領域は、前記第１レンズアレイの列又は行に対応して形成されてなることが好ましい。
アーク像は第１レンズアレイの小レンズ毎に形成される。このため、上記のように構成することにより、第１レンズアレイの列又は行毎に適切にアークの分離を行うことができるようになる。
この場合、複数種類の回転双曲面領域が第１レンズアレイの列に対応して形成される場合には、横方向の分離がよくなる。一方、複数種類の回転双曲面領域が第１レンズアレイの行に対応して形成される場合には、縦方向の分離がよくなる。

（３）上記（１）又は（２）に記載の照明装置においては、前記複数種類の回転双曲面領域は、それぞれが連続して接続されてなることが好ましい。
このように構成することにより、回転双曲面の表面において段差がなくなるため、複数種類の回転双曲面間の領域における望ましくない光の損失を抑制することができる。

（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載の照明装置においては、前記平行化レンズと前記第１レンズアレイとが一体化された構造の光学要素を備え、この光学要素の光入射面には前記平行化レンズの回転双曲面が形成され、光射出面には前記第１レンズアレイの複数の小レンズが形成されてなることが好ましい。
このように構成することにより、製造時や使用時に回転双曲面と第１レンズアレイのレンズ面との位置関係が変動することがなくなるため照明装置ひいてはプロジェクタの信頼性が向上する。また、部品点数が少なくなるので製造コストが低減するという効果もある。

（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載の照明装置においては、前記複数種類の回転双曲面領域は、それぞれが異なった円錐定数及び／又は近軸曲率半径を有することが好ましい。
円錐定数及び近軸曲率半径の値はアークの分離に大きな影響を与える、このため、上記のように複数種類の回転双曲面領域毎に適切な円錐定数及び／又は近軸曲率半径を設定することにより、アークの分離を良好に行うことができるようになる。

（６）本発明のプロジェクタは、上記（１）〜（５）のいずれかに記載の照明装置と、この照明装置からの照明光束を画像情報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からの変調光を投写する投写レンズとを備えたことを特徴とする。

このため、本発明のプロジェクタは、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができる優れた照明装置を備えているため、高輝度のプロジェクタとなる。

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、図に示す実施の形態に基づいて説明する。
まず、本発明のプロジェクタについて、図１を用いて説明する。
図１は、本発明の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１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は照明装置部分の側面図である。なお、以下の説明においては、互いに直交する３つの方向をそれぞれｚ方向（光源光軸と平行な方向）、ｘ方向（ｚ方向に垂直な方向）、ｙ方向（ｚ方向及びｘ方向に垂直な方向）とする。

実施形態に係るプロジェクタ１Ａは、図１に示すように、照明装置１００Ａと、色分離光学系２００と、リレー光学系３００と、３つの液晶表示装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投写光学系６００とを備えている。各光学系の構成要素は、クロスダイクロイックプリズム５００を中心に略水平方向に配置されている。

照明装置１００Ａは、光源ランプ１１０と、光学要素４０Ａと、第２レンズアレイ１６０と、偏光変換素子１７０と、重畳レンズ１８０とを有している。光源ランプ１１０から射出された光束は、光学要素４０Ａの光入射面で略平行化され、光学要素４０Ａの光射出面で複数の部分光束に分割される。そして、各部分光束は第２レンズアレイ１６０及び重畳レンズ１８０によって照明対象である３つの液晶表示装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの光入射面上で重畳される。
なお、照明装置１００Ａ（光源ランプ１１０、光学要素４０Ａ及び第２レンズアレイ１６０）についての詳細は後述する。

色分離光学系２００は、照明装置１００Ａから射出される照明光束を、それぞれ異なる波長域の３色の照明光束に分離する機能を有している。第１ダイクロイックミラー２１０は、略青色の光束（以下「Ｂ光束」という。）を反射するとともに、略緑色の光束（以下「Ｇ光束」という。）及び略赤色の光束（以下「Ｒ光束」という。）を透過させる。第１ダイクロイックミラー２１０で反射されたＢ光束は、反射ミラー２３０でさらに反射され、フィールドレンズ２４０Ｂを透過してＢ用の液晶表示装置４００Ｂを照明する。

フィールドレンズ２４０Ｂは、照明装置１００Ａからの複数の部分光束がそれぞれ液晶表示装置４００Ｂを照明するように集光する。通常、各部分光束が、それぞれ略平行な光束となるように設定されている。他の液晶表示装置４００Ｇ，４００Ｒの前に配設されたフィールドレンズ２４０Ｇ，３５０も、フィールドレンズ２４０Ｂと同様に構成されている。

第１ダイクロイックミラー２１０を透過したＧ光束とＲ光束のうちＧ光束は、第２ダイクロイックミラー２２０によって反射され、フィールドレンズ２４０Ｇを透過してＧ用の液晶表示装置４００Ｇを照明する。一方、Ｒ光束は、第２ダイクロイックミラー２２０を透過し、リレー光学系３００を通過してＲ用の液晶表示装置４００Ｒを照明する。

リレー光学系３００は、入射側レンズ３１０、入射側反射ミラー３２０、リレーレンズ３３０、射出側反射ミラー３４０及びフィールドレンズ３５０を有している。色分離光学系２００から射出されたＲ光束は、入射側レンズ３１０によってリレーレンズ３３０の近傍で収束し、射出側反射ミラー３４０及びフィールドレンズ３５０に向かって発散する。フィールドレンズ３５０に入射する光束の大きさは、入射側レンズ３１０に入射する光束の大きさに略等しくなるように設定されている。

各色用の液晶表示装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、それぞれの光入射面に入射した色光束を、それぞれに対応する画像信号に応じた光束に変換し、これら変換された光束を透過光束として射出する。液晶表示装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの入射側には入射側偏光板９１８Ｒ，９１８Ｇ，９１８Ｂが、射出側には射出側偏光板９２０Ｒ，９２０Ｇ，９２０Ｂが、それぞれ配置されている。液晶表示装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとしては透過型の液晶表示装置が用いられる。

クロスダイクロイックプリズム５００は、各色用の液晶表示装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂから射出される各色の変換光束を合成する色合成光学系としての機能を有する。そして、Ｒ光束を反射するＲ光束反射ダイクロイック面５１０Ｒと、Ｂ光束を反射するＢ光束反射ダイクロイック面５１０Ｂとを有している。Ｒ光束反射ダイクロイック面５１０Ｒ及びＢ光束反射ダイクロイック面５１０Ｂは、Ｒ光束を反射する誘電体多層膜とＢ光束を反射する誘電体多層膜とを４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成することにより設けられている。これら両反射ダイクロイック面５１０Ｒ，５１０Ｂによって３色の変換光束が合成され、カラー画像を表示する光束が生成される。クロスダイクロイックプリズム５００において生成された合成光束は投写光学系６００に向かって射出される。

投写光学系６００は、複数のレンズを有し、クロスダイクロイックプリズム５００からの合成光束を表示画像としてスクリーンなどの投写面上に投写表示するように構成されている。

次に、本発明が適用された照明装置について、図に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

［実施形態１］
まず、本発明の実施形態１について、図２及び図３を用いて説明する。図２は、実施形態１に係る照明装置を説明するための図である。図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は側面図である。図３は、実施形態１に係る照明装置を説明するための図である。図３（ａ）は光学要素を説明するための図であり、図３（ｂ）は第２レンズアレイ上におけるアーク像を示す図である。
実施形態１に係る照明装置１００Ａは、図１、図２及び図３（ａ）に示すように、光源ランプ１１０と、光学要素４０Ａと、第２レンズアレイ１６０と、偏光変換素子１７０と、重畳レンズ１８０とを備えている。

光源ランプ１１０は、発光管１２０、補助ミラー１２２及び楕円面リフレクタ１３０を有している。発光管１２０は、その発光中心が楕円面リフレクタ１３０の一方の焦点に配置されている。楕円面リフレクタ１３０は、被照明領域側に開口し、発光管１２０の発光部後方に配置されている。そして、発光管１２０からの光を反射して被照明領域側に射出するように構成されている。補助ミラー１２２は、発光管１２０の発光部よりも被照明領域側に配置された反射凹面体からなり、発光部からの光を楕円面リフレクタ１３０に反射して光利用効率を向上させる作用をしている。

光学要素４０Ａは、平行化レンズの機能及び第１レンズアレイの機能を併せもった光学要素である。光学要素４０Ａは、その光入射面に、光源光軸１１０ａｘと平行なレンズ光軸を有する回転双曲面４０Ａｓを有し、楕円面リフレクタ１３０からの射出光を略平行化するいわゆる平行化レンズとしての機能を有している。また、光学要素４０Ａは、その光射出面に、マトリクス状に配列された複数の小レンズ５２Ａを有し、回転双曲面４０Ａｓで略平行化された照明光束を複数の部分光束に分割するように構成されている。各小レンズ５２Ａは、ｚ方向に沿って見たときの外形形状が通常被照明領域の形状と略相似形となるように形成されている。
そして、光学要素４０Ａの回転双曲面４０Ａｓは、図３（ａ）に示すように、小レンズ５２Ａの列毎に対応して配列された複数種類の回転双曲面領域４２Ａｓ_１，４２Ａｓ_２，４２Ａｓ_３を有している。

第２レンズアレイ１６０は、光学要素４０Ａにおける複数の小レンズ５２Ｂにそれぞれ対応する複数の小レンズ１６２を有している。小レンズ１６２は、光学要素４０Ａの小レンズ５２Ａと同様にマトリクス状に配列されている。そして、光学要素４０Ａの小レンズ５２Ａによるアーク像を重畳レンズ１８０とともに被照明領域上に重畳照明するように構成されている。

偏光変換素子１７０は、非偏光な光を３つの液晶表示装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂで利用可能な偏光方向を有する偏光光に揃える機能を有している。
光学要素４０Ａ，第２レンズアレイ１６０及び偏光変換素子１７０は、楕円面リフレクタ１３０からの射出光の採光効率を最も高くするような位置に配置されている。

実施形態１に係る照明装置１００Ａは、図３（ａ）に示すように、光学要素４０Ａの回転双曲面４０Ａｓが、小レンズ５２Ａの列毎に対応して配列された複数種類の回転双曲面領域４２Ａｓ_１，４２Ａｓ_２，４２Ａｓ_３を有することを特徴としている。そして、それぞれの回転双曲面領域で、以下の式（１）で示される数式の円錐定数Ｋ及び近軸曲率半径ｃの値が異なっている。

ここで、符号ｒ，Ｚ，ｃは、光学要素４０Ａの光入射面と光源光軸１１０ａｘとの交点を原点とし光源光軸１１０ａｘに軸対称なｒθＺ円柱座標系における座標値である。ｒは原点からの光軸直交方向の距離、Ｚは原点からの光軸方向の距離、ｃは近軸曲率半径である。Ｋは、円錐定数と呼ばれる値である。実施形態１では光学要素４０Ａの光入射面は回転双曲面であるため、円錐定数Ｋの値はＫ＜−１である。

光学要素４０Ａにおいては、円錐定数Ｋの値及び近軸曲率半径ｃの値を以下のように設定している。すなわち、回転双曲面領域４２Ａｓ_１においては、円錐定数Ｋの値を−２．４とし、近軸曲率半径ｃの値を−４．８に設定している。また、回転双曲面領域４２Ａｓ_２においては、円錐定数Ｋの値を−２．２とし、近軸曲率半径ｃの値を−４．０に設定している。また、回転双曲面領域４２Ａｓ_３においては、円錐定数Ｋの値を−２．０とし、近軸曲率半径ｃの値を−３．５に設定している。

このため、実施形態１に係る照明装置１００Ａによれば、光学要素４０Ａの回転双曲面４０Ａｓが、小レンズ５２Ａの列毎に対応して、複数種類の回転双曲面領域４２Ａｓ_１，４２Ａｓ_２，４２Ａｓ_３に区分されてなるため、光源光軸１１０ａｘ付近における回転双曲面４０Ａｓのレンズ特性と光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部における回転双曲面４０Ａｓのレンズ特性とを、それぞれ適切な特性にすることができるようになる。これにより、光源光軸１１０ａｘ付近のアーク像と光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部におけるアーク像とをともに良好に分離することができるようになる。
その結果、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができるようになる。

また、実施形態１に係る照明装置１００Ａによれば、光源光軸１１０ａｘ付近のアーク像と光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部におけるアーク像とをともに良好に分離することができるようになるため、発光管毎にアーク（発光部）の位置がばらついたとしても、また、経時変化によってアークの位置が変動したとしても、第２レンズアレイ１６０におけるアーク像が所定のマージンをもって対応する小レンズ１６２の中に収まるようになるため、この点においても光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率の低下を抑制することができるようになる。

また、複数種類の回転双曲面領域４２Ａｓ_１，４２Ａｓ_２，４２Ａｓ_３が小レンズ５２Ａの列毎に対応して形成されているので、第２レンズアレイ１６０におけるアーク像の横方向の分離が良好になる。

実施形態１に係る照明装置１００Ａの効果を、図４及び図５を用いて、さらに詳細に説明する。図４は、比較例に係る照明装置を説明するための図である。図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は側面図である。図５は、比較例に係る照明装置を説明するための図である。図５（ａ）は光学要素を説明するための図であり、図５（ｂ）は第２レンズアレイ上におけるアーク像を示す図である。

比較例に係る照明装置１１００Ａは、図４及び図５（ａ）に示すように、実施形態１に係る照明装置１００Ａと類似した構成を有しているが、光学要素の部分が異なっている。すなわち、比較例の光学要素１０４０Ａにおいては、実施形態１の光学要素４０Ａとは異なり、その回転双曲面１０４０Ａｓは、単一の回転双曲面からなっている。すなわち、単一の円錐定数Ｋ及び近軸曲率半径ｃを有しているのである。そして、円錐定数Ｋの値はこの回転双曲面１０４０Ａｓの全面に渡って−２．４であり、近軸曲率半径ｃの値は−４．８である。

比較例に係る照明装置１１００Ａにおける第２レンズアレイ１６０上のアーク像は、図５（ｂ）に示すように、ア−ク像の分離が不十分である。特に周辺部で不十分である。これに対して、実施形態１に係る照明装置１００Ａにおける第２レンズアレイ上のアーク像は図３（ｂ）に示すように、比較例に係る照明装置１１００Ａの場合と比較して、アーク像の分離が良好になっていることがわかる。

実施形態１に係る照明装置１００Ａにおいては、複数種類の回転双曲面領域４２Ａｓ_１，４２Ａｓ_２，４２Ａｓ_３は、それぞれが連続して接続されている。このため、回転双曲面４０Ａｓの表面において段差がなくなるため、複数種類の回転双曲面領域４２Ａｓ_１，４２Ａｓ_２，４２Ａｓ_３間の領域における望ましくない光の損失を抑制することができる。

図６は、実施形態１に係る照明装置１００Ａに用いる光学要素４０Ａの構造を説明するための図である。光学要素４０Ａの回転双曲面４０Ａｓは、上述したように、小レンズ５２Ａの列毎に対応して配列された複数種類の回転双曲面領域４２Ａｓ_１，４２Ａｓ_２，４２Ａｓ_３に区分されている。そして、それぞれの回転双曲面領域４２Ａｓ_１，４２Ａｓ_２，４２Ａｓ_３で、上記式（１）で示される数式の円錐定数Ｋ及び近軸曲率半径ｃの値が異なっている。

そして、これらの３つの回転双曲面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の光源光軸１００Ａａｘ方向の頂点の位置は、図６に示すように、光源光軸１００Ａａｘから最も遠い回転双曲面領域４２Ａｓ_３に対応する回転双曲面Ｓ_３が最も楕円面リフレクタ１３０から遠く、光源光軸１００Ａａｘから最も近い回転双曲面領域４２Ａｓ_１に対応する回転双曲面Ｓ_１が最も楕円面リフレクタ１３０から近くなるように構成されている。これにより、これらの回転双曲面領域４２Ａｓ_１，４２Ａｓ_２，４２Ａｓ_３が互いに滑らかに接続されることになり、光学要素４０Ａの光入射面４０Ａｓにおいて段差がなくなるため、これらの回転双曲面間の領域における望ましくない光の損失を抑制することができるようになる。

また、実施形態１に係る照明装置１００Ａにおいては、上記のように従来の平行化レンズと第１レンズアレイとが一体化された構造を有しているため、製造時や使用時に回転双曲面と第１レンズアレイのレンズ面との位置関係が変動することがなくなり、照明装置ひいてはプロジェクタの信頼性が向上するという効果もある。また、部品点数が少なくなるので製造コストが低減するという効果もある。

実施形態１に係る光学要素４０Ａは、一方の面に回転双曲面４０Ａｓが形成され他方の面が平面である第１の基材と、一方の面に複数の小レンズ５２Ａが形成され他方の面が平面である第２の基材とを準備し、これら第１の基材と第２の基材とをそれぞれの平面を対向させた状態で貼り合せることによって製造することができる。
また、実施形態１に係る光学要素４０Ａは、回転双曲面４０Ａｓに対応する上型（又は下型）と、複数の小レンズ５２Ａに対応する下型（又は上型）とからなる金型を準備し、この金型に樹脂を入れて成形を行うことによっても製造することができる。

［実施形態２］
次に、本発明の実施形態２について、図７を用いて説明する。
図７は、実施形態２に係る照明装置を説明するための図である。図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は側面図である。図７において、図２と同一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。

実施形態２に係る照明装置１００Ｂにおいては、実施形態１に係る照明装置１００Ａと基本的な構成は類似しているが、実施形態１に係る照明装置１００Ａの光学要素４０Ａが平行化レンズ１４０Ｂと第１レンズアレイ１５０Ｂとに分離されている点が異なっている。

しかしながら、実施形態２に係る照明装置１００Ｂにおいても、平行化レンズ１４０Ｂの回転双曲面１４０Ｂｓが、小レンズの列毎に対応して配列された複数種類の回転双曲面領域に区分されてなるため、実施形態１に係る照明装置１００Ａの場合と同様に、光源光軸１１０ａｘ付近における回転双曲面１４０Ｂｓのレンズ特性と光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部における回転双曲面１４０Ｂｓのレンズ特性とを、それぞれ適切な特性にすることができるようになる。これにより、光源光軸１１０ａｘ付近のアーク像と光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部におけるアーク像とをともに良好に分離することができることができるようになる。その結果、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができるようになる。

また、実施形態２に係る照明装置１００Ｂによれば、光源光軸１１０ａｘ付近のアーク像と光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部におけるアーク像とをともに良好に分離することができるようになるため、実施形態１に係る照明装置１００Ａの場合と同様に、発光管毎にアーク（発光部）の位置がばらついたとしても、また、経時変化によってアークの位置が変動したとしても、第２レンズアレイ１６０におけるアーク像が所定のマージンをもって対応する小レンズ１６２の中に収まるようになるため、この点においても光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率の低下を抑制することができるようになる。

［実施形態３］
次に、本発明の実施形態３について、図８を用いて説明する。
図８は、実施形態３に係る照明装置を説明するための図である。図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は側面図である。図８において、図２と同一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。

実施形態３に係る照明装置１００Ｃにおいては、実施形態１に係る照明装置１００Ａと基本的な構成は類似しているが、その光学要素４０Ｃが小レンズ５２Ｃの行毎に対応して配列された複数種類の回転双曲面領域を有している点が異なっている。

しかしながら、実施形態３に係る照明装置１００Ｃにおいても、光学要素４０Ｃの回転双曲面４０Ｃｓが、小レンズ５２Ｃの行毎に対応して配列された複数種類の回転双曲面領域に区分されてなるため、実施形態１に係る照明装置１００Ａの場合と同様に、光源光軸１１０ａｘ付近における回転双曲面４０Ｃｓのレンズ特性と光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部における回転双曲面４０Ｃｓのレンズ特性とを、それぞれ適切な特性にすることができるようになる。これにより、光源光軸１１０ａｘ付近のアーク像と光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部におけるアーク像とをともに良好に分離することができるようになる。その結果、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができるようになる。

また、実施形態３に係る照明装置１００Ｃによれば、光源光軸１１０ａｘ付近のアーク像と光源光軸１１０ａｘから離れた周辺部におけるアーク像とをともに良好に分離することができることができるようになるため、実施形態１に係る照明装置１００Ａの場合と同様に、発光管毎にアーク（発光部）の位置がばらついたとしても、また、経時変化によってアークの位置が変動したとしても、第２レンズアレイ１６０におけるアーク像が所定のマージンをもって対応する小レンズ１６２の中に収まるようになるため、この点においても光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率の低下を抑制することができるようになる。

また、実施形態３に係る照明装置１００Ｃにおいては、複数種類の回転双曲面領域が小レンズ５２Ｃの行に対応して形成されているので、第２レンズアレイ１６０におけるアーク像の縦方向の分離が良好になるという効果がある。

以上説明したように、上記した各実施形態における照明装置は、光量損失を低減することができ、もって照明光束の利用効率を高めることができる照明装置となる。

なお、上記した各実施形態においては、透過型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、反射型のプロジェクタにも同様に適用することができる。
また、上記した各実施形態においては、カラー画像を表示するプロジェクタを例に説明したが、本発明はこれに限定されず、モノクロ画像を表示するプロジェクタに適用することができる。
また、上記した各実施形態においては、３枚の液晶表示装置を用いたいわゆる３板方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、液晶表示装置の１枚又は２枚を用いた単板方式又は二板方式のプロジェクタ又は液晶表示装置を４枚以上用いたプロジェクタにも適用することができる。
さらにまた、上記した各実施形態においては、電気光学変調装置として液晶表示装置を用いた場合を例にして説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、マイクロミラーを用いた電気光学変調装置を用いることもできる。

本発明の実施形態に係るプロジェクタの光学系を示す図。 実施形態１に係る照明装置を説明するための図。 実施形態１に係る照明装置を説明するための図。 比較例の照明装置を説明するための図。 比較例の照明装置を説明するための図。 実施形態１で用いる光学要素の構造を説明するための図。 実施形態２に係る照明装置を説明するための図。 実施形態３に係る照明装置を説明するための図。 従来の照明装置を示す図。 第１レンズアレイを示す正面図。 リフレクタによってその反射光の光源光軸回りの角度が相異することを説明するために示す図。 従来の照明装置における光線の軌跡を示す図。 第２レンズアレイ上のアーク像を示す正面図。 従来の別の照明装置を示す図。

符号の説明

１Ａ…プロジェクタ、４０Ａ，４０Ｃ，１０４０Ａ…光学要素、４０Ａ_Ｓ，４０Ｃ_Ｓ，１４０Ｂ_Ｓ，１０４０Ａ_Ｓ…回転双曲面、５０Ａ_Ｓ，５０Ｃ_Ｓ，１０５０Ａ_Ｓ…第１レンズアレイ面、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，８００，９００，１１００Ａ…照明装置、１１０…光源ランプ、１１０ａｘ…光源光軸、１２０…発光管、１２２…補助ミラー、１３０…楕円面リフレクタ、１４０Ｂ…平行化レンズ、１５０Ｂ…第１レンズアレイ、５２Ａ，５２Ｃ，１０５２Ａ…小レンズ、１６０…第２レンズアレイ、１６２…小レンズ、１７０…偏光変換素子、１８０…重畳レンズ、２００…色分離光学系、３００…リレー光学系、４００Ｒ…赤用の液晶表示装置、４００Ｇ…緑用の液晶表示装置、４００Ｂ…青用の液晶表示装置、５００…クロスダイクロイックプリズム、６００…投写光学系

Claims (6)

1. 発光管と、この発光管からの光を反射して照明光束として射出する楕円面リフレクタと、この楕円面リフレクタからの照明光束を略平行化する平行化レンズと、この平行化レンズによって略平行化された照明光束を複数の部分光束に分割するために複数の小レンズがマトリクス状に配列された第１レンズアレイと、この第１レンズアレイによって分割された各部分光束を被照明領域上に重畳させるために前記第１レンズアレイの複数の小レンズに対応する複数の小レンズを有する第２レンズアレイとを備えた照明装置において、
   前記平行化レンズは、複数種類の回転双曲面領域に区分されてなることを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置において、
   前記複数種類の回転双曲面領域は、前記第１レンズアレイの列又は行に対応して形成されてなることを特徴とする照明装置。
3. 請求項１又は２に記載の照明装置において、
   前記複数種類の回転双曲面領域は、それぞれが連続して接続されてなることを特徴とする照明装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の照明装置において、
   前記平行化レンズと前記第１レンズアレイとが一体化された構造の光学要素を備え、
   この光学要素の光入射面には前記平行化レンズの回転双曲面が形成され、光射出面には前記第１レンズアレイの複数の小レンズが形成されてなることを特徴とする照明装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置において、
   前記複数種類の回転双曲面領域は、それぞれが異なった円錐定数及び／又は近軸曲率半径を有することを特徴とする照明装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の照明装置と、この照明装置からの照明光束を画像情報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からの変調光を投写する投写レンズとを備えたことを特徴とするプロジェクタ。