JP2006318922A - 照明装置及び画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤのような微小面光源を用い、効率の良い且つ所望の平行性を有する均一照明を実現すること。
【解決手段】拡散放射特性を有する微小面光源であるＬＥＤ１と、入射端面と出射端面及び反射面を有し、上記入射端面から取り込んだ上記ＬＥＤ１からの光の一部または全部を、上記反射面で反射することにより上記出射端面に導光する柱状導光手段としての導光ロッド１０やテーパーロッド１３と、上記導光ロッド１０やテーパーロッド１３の上記出射端面からの射出光の配光角度強度を所定の照射領域内の位置強度に変換する角度位置変換手段としての照明レンズ１１とから照明装置を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高輝度且つ小型化で均一な照明を実現する照明装置に関する。

映像プロジェクタ等の画像投影装置に使用する照明装置における光源として、一般的には、放電型のランプが、放物面鏡や楕円鏡と組み合わせて使用されている。しかしながら、ランプバルブ自体や電極が影となり、軸上付近の光強度が落ちている所謂“中落ち”であったり、比較的狭い（フラットでない）分布の放射角特性なため、ケーラー照明を行うと中央が“中落ち”していたり、周辺のシェーディングが激しい照明ムラとなるため、通常、フライアイレンズなどのインテグレータが用いなければならず、大掛かりな照明装置となってしまっていた。

これに対して、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）は、従来のバルブランプ光源に比べて、長寿命、単色発光、高色再現性、等の利点を有しており、また近年は、発光効率もバルブランプに近づいて来ており、数年後にはこの点に付いてもＬＥＤがバルブランプを上回るとの予想が成されている。そこで、このようなＬＥＤを光源とする、映像プロジェクタ等の画像投影装置が各種提案されてきている。

図２０の（Ａ）は、このＬＥＤの放射角特性の一例を示したグラフである。ＬＥＤを照明装置における光源として用いる場合、これは同図に示すように所謂拡散（ランバーシャン）光源であるため、如何にして効率良く集光し、照明領域に導くかが難しくもあり、工夫の為所である。

また、図２０の（Ｂ）は、電極構造及び素子に電極をボンディングしているＬＥＤ１のチップ構造の一例を示したものである。

ＬＥＤ１は、このようなチップ構造及び放射角特性を有するため、ケーラー照明に向いている光源といえる。即ち、チップと被照明物とを共役関係にするクリティカル照明は、チップ構造の像が照明ムラとなるため不向きなのに対し、角度に対して比較的にフラットな強度分布なため、光源の角度強度分布が照明領域において位置強度分布になるケーラー照明光学系では、照明エリアで滑らかな強度分布が得やすい。課題は、広角の拡散光の集光効率である。

このようなＬＥＤ１を光源とする画像投影装置に使用する照明装置としては、例えば、図２０の（Ｃ）に示すように、ＬＥＤ１のアレイからの射出光を、各々のＬＥＤ１に対応した集光光学系２によって略平行光に変換し、凸レンズと凹レンズの組み合わせて構成されたアフォーカル光学系３によって、光変調素子４のサイズに応じた光束径に変換する照明装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、図２１の（Ａ）に示すように、複数のＬＥＤ１からの出力光を、各々のＬＥＤ１に対応した集光光学系２である光分配レンズアレイによって取り出し、重ね合わせレンズ５にてＬＣＤなどの光変調素子４上に複数のＬＥＤ１からの光を重畳させているケーラー照明系が、複数の発光体を光源に用いた画像投影装置の照明装置に使用する照明装置として提案されている（例えば、特許文献２参照）。

更に、図２１の（Ｂ）に示すように、複数のＬＥＤ１から発射される大角度の光を、各々のＬＥＤ１に対応したテーパーロッド６により小角度の光に変換した後、各々のテーパーロッド６に対応したレンズアレイ７のペアと重ね合わせレンズ５により光変調素子４上に重ね合せるクリティカル照明装置が、光源にＬＥＤを用いた画像投影装置に使用する照明装置として提案されている（例えば、特許文献３参照）。

あるいは、図２２に示すように、複数のＬＥＤ１から発射される大角度の光を、各々のＬＥＤ１に対応したテーパーロッド６により小角度の光に変換した後、単一テーパーロッド８により光変調素子４上に均一に重ね合せる照明装置も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平１１−３２２７８号公報（図４） 特許第３０４８３５３号公報（図３） 特許第３１５９９６８号公報（図２、図１３）

しかしながら、図２０の（Ｃ）に示したような照明装置では、複数のＬＥＤ１を用いて照明する場合、ＬＥＤのような発光素子は明るさに個体差が少なからず存在するため、重ね合わせて照明しなければ、ＬＥＤの明るさの個体差が照明領域（光変調素子４上）に於いてそのままムラになってしまうという問題がある。

また、レンズを集光素子として用いる場合、収差により取込ＮＡはそれほど大きくできないため、効率が良くない。

一方、図２１の（Ａ）に示したような照明装置では、レンズを用いているため収差の観点から集光性が良くないことに加え、各集光レンズ（集光光学系２）の軸上付近のパワーが負であるため集光効率が悪い。また、各ＬＥＤ１の中央から放射された光（ＬＥＤ軸上光）について瞳がきちんと形成されたとしても、ＬＥＤ１の中央部以外から放射された光（ＬＥＤ軸外光）は別な位置に瞳が形成されるため、結果として光学的な瞳は形成されず、効率が悪い。

図２１の（Ｂ）に示したような照明装置では、テーパーロッド６の後段のレンズアレイ７は、レンズ径が小さいとテーパーロッド６からの射出光を集光する効率が落ちるし、逆に大きいとテーパーロッド６間を離さなければならないため照明装置全体として小型化しづらくなる。

また、図２２に示したような照明装置では、重ね合わせのための単一テーパーロッド８は径が必然的に大きくなるため、長さが短いと側面での反射回数が確保できず照明ムラが残る。長さを長くすると、装置として重くなってしまう。また、光変調素子４として反射型の表示素子を照明することは、折り返す光路が確保できないため利用できない。

光学系における原則として、光学系の前後で面積と光束の立体角との積が一定であるといった光の保存則は良く知られるところである。一般的に、この面積と立体角の積をＥｔｅｎｄｕｅと称し、Ｅｔｅｎｄｕｅ不変則と言ったり、１次元では、物体（像）高と光線角（ＮＡ）の積が一定であるＬａｇｒａｎｇｅ不変則などと称したりする。即ち、２次元的に表した図２３の（Ａ）においては、光学系９の前の面積をＳ_１またその光束の立体角をΩ_１とし、光学系９の後の面積をＳ_２またその光束の立体角をΩ_２としたならば、
Ｓ_１×Ω_１＝Ｓ_２×Ω_２
であり、１次元的に表した図２３の（Ｂ）においては、光学系９の前の物体（像）高をＹ_１またその光線角（ＮＡ）をＮＡ_１とし、光学系９の後の物体（像）高をＹ_２またその光線角（ＮＡ）をＮＡ_２としたならば、
Ｙ_１×ＮＡ_１＝Ｙ_２×ＮＡ_２
である。

従って、光源にＬＥＤのような拡散光源を用いる場合、立体角（またはＮＡ）が大きいため、所定の角度内且つ所定の領域内に集光するのは難しい。即ち、図２３の（Ａ）において面積Ｓ_２や立体角Ω_２を小さい値にするのは難しい。

しかしながら、画像投影装置における光変調素子として、広く用いられている液晶素子や２次元マイクロミラー偏向アレイなどのライトバルブを用いる場合、ライトバルブ自体のコントラストや効率、また投影光学系の解像度仕様、さらに液晶を用いる場合は併用される偏光光学系における色分離や効率、などの観点から、照射する光束のＮＡに許容値がある。即ち、図２３の（Ａ）においては立体角Ω_２を小さくしなければならず、面積Ｓ_２はライトバルブサイズでほぼ決まってしまうため、光源サイズが変えられない以上、立体角Ω_１を小さくせざるを得ない。換言すると、光源の放射光の集光効率が低くなってしまう。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ＬＥＤのような微小面光源を用い、効率の良い且つ所望の平行性を有する均一照明を実現可能な照明装置を提供することを目的とする。

本発明の照明装置の一態様は、
拡散放射特性を有する微小面光源と、
入射端面と出射端面及び反射面を有し、上記入射端面から取り込んだ上記微小面光源からの光の一部または全部を、上記反射面で反射することにより上記出射端面に導光する柱状導光手段と、
上記柱状導光手段の上記出射端面からの射出光の射出光角度強度を所定の照射領域内の位置強度に変換する角度位置変換手段と、
を具備することを特徴とする。

本発明によれば、ＬＥＤのような微小面光源を用い、効率の良い且つ所望の平行性を有する均一照明を実現可能な照明装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１の（Ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の構成を示す図であり、本実施の形態に係る照明装置は、微小面光源であるＬＥＤ１と、柱状導光手段としての導光ロッド１０と、角度位置変換手段もしくは瞳形成手段としての照明レンズ１１と、光変調素子１２とから構成されている。

ここで、上記照明レンズ１１の前側焦点位置に上記導光ロッド１０の出射端面が位置するように、上記導光ロッド１０を配設すれば、上記照明レンズ１１の焦点位置付近に光学的な瞳が形成されるため、その瞳位置に上記光変調素子１２を配すれば、上記導光ロッド１０の出射端面を仮想の光源とした像側テレセントリックなケーラー照明となる。

なお、上記導光ロッド１０は、材質が照明光束の波長域に対して透明なガラスもしくは樹脂で、効率の観点から側面での全反射で導光するように、全面鏡面加工の光学面で構成されたものである。

また、上記光変調素子１２を１インチの透過型のＬＣＤ、許容ＮＡを０．２とし、導光ロッド出射端面からのＮＡをＳｉｎ２５°とすると、図２３の（Ｂ）に示した関係より、導光ロッド断面サイズΦは、Φ＝２×２５．４×０．２／（２×Ｓｉｎ（２５°））＝１２ｍｍとなる。上記導光ロッド１０の入力側と出力側では光線ＮＡは変わらないため、ＬＥＤ１のチップを上記導光ロッド１０の入射面から１３ｍｍ離せば、２５°以下の光線のみが取り出すことができ、照明ムラが±１０％程度にできる。また、上記照明レンズ１１の焦点距離ｆを約２７ｍｍとすれば、該照明レンズ１１の主平面から約２７ｍｍの位置に直径１インチの瞳を形成することができ、面積効率の良い照明が実現できる。

なお、上記照明レンズ１１が、そのＦナンバがおよそ１の短焦点レンズとなってしまうことと、上記導光ロッド１０での取込効率が、取込ＮＡが２５°ということで、約１８％という効率の低さから、ＬＥＤ光源からの光の取込効率集光素子を高効率にできると、より好ましい。

以上のように、本第１の実施の形態に係る照明装置では、ＬＥＤ１のような微小面光源からの放射光を集光する導光ロッド１０と、該導光ロッド１０からの出射光から所定のサイズの瞳を形成する照明レンズ１１とを具備することで、比較的簡単な構成で短光学長の照明系が実現できる。

また、ＬＥＤ１の放射角度特性は比較的緩やかなカーブを描き、照明レンズ１１により瞳を形成することで放射角度特性が瞳において瞳上での強度ムラに変換されるため、瞳を被照射領域とすれば、照明ムラの少ない、均一な照明を行うことが可能な照明装置が実現できる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。

図１の（Ｂ）は、本第２の実施の形態に係る照明装置の構成を示す図であり、本実施の形態に係る照明装置は、微小面光源であるＬＥＤ１と、柱状導光手段としてのテーパーロッド１３と、照明レンズ１１と、光変調素子１２とから構成されている。

即ち、図１の（Ａ）の導光ロッド１０において、ロッドの取込効率向上のため、ＬＥＤ１のチップを該ロッドに近づければ取込効率が上がるが、被照射領域外の光になるか、許容ＮＡを超えた光になるかで結局無駄な光になってしまうので、本第２の実施の形態では、テーパー状の導光ロッドであるテーパーロッド１３を用い、該テーパーロッド１３においてＮＡ変換を行い、効率向上を図るようにしている。

このように導光ロッドをテーパー状にしたことで、ＬＥＤ１の放射光のうちテーパーロッド１３の入射端面に取り込まれた光束のＮＡは、該テーパーロッド１３の出射端面から射出する際、該テーパーロッド１３の側面で角度の大きな光は反射されて小さい角度に変換されるため、より小さなＮＡとなり射出する。従って、ＬＥＤ放射光の取込ＮＡを大きくすることができ、効率の向上が実現する。

なお、上記第１の実施の形態では導光ロッド１０の長さについて、触れていないが、このようにテーパー状にした場合には、長さが長ければ長いほど出射端面から射出する光の角度強度分布がより一様になる。

また、上記照明レンズ１１の焦点距離がｆの場合、該照明レンズ１１の主平面から後段側へｆ離れた焦点位置に光学的な瞳が形成される。上記テーパーロッド１３の出射端面を上記照明レンズ１１の主平面から前段側へｆ離れた位置に配すれば、上記光変調素子１２をテレセントリックに照明することができ、上記テーパーロッド１３の出射端面と上記照明レンズ１１の主平面との間隔を焦点距離ｆよりも短くすることによって、本実施の形態のように光変調素子１２において周辺に行くにしたがって、発散方向となる光線傾角で照明することができる。例えば、このような照明装置を用いた画像投影装置において、上記光変調素子１２を図示しない投影レンズで拡大投影する場合、光線傾角における投影レンズとのマッチングを図ることによって、その投影レンズでのケラレが低減でき、効率を確保できる。

例えば、上記照明レンズ１１として図１の（Ａ）の例で用いた焦点距離２７ｍｍ程度のレンズを用いる場合、上記テーパーロッド１３は入射端面Φ（断面サイズ）を１．５ｍｍ、出射端面Φを８．８ｍｍ、長さを４０ｍｍであればＮＡ０．３の光に変換でき、光変調素子１２としての０．７インチの透過型ＬＣＤをＮＡ０．１５で照明できる。このとき、主光線傾角は、そのＬＣＤの後段に配される投影レンズの主光線傾角に合わせる。

以上のように、本第２の実施の形態に係る照明装置は、ＬＥＤ１のような微小面光源を用い、効率の良い、且つ、所望の平行性を有する均一照明を実現するため、光源から放射された拡散光を集光性良く、平行度の高い光に変換する素子としてのテーパーロッド１３と、該テーパーロッド１３からの出射光から所定のサイズの瞳を形成する照明レンズ１１とを具備している。

そして、ＬＥＤ１の放射角度特性は比較的緩やかなカーブを描き、さらにテーパーロッド１３を用いることで、よりフラットな放射角度特性となり、照明レンズ１１により瞳を形成することで放射角度特性が瞳において瞳上での強度ムラに変換されるため、瞳を被照射領域とすれば、照明ムラの少ない、均一な照明を行うことができる照明装置が実現できる。

なお、上記のようなテーパーロッド１３を使用した場合におけるＥｔｅｎｄｕｅの関係は図１の（Ｃ）に示すようになる。ここで、ＬＥＤ１から放射された拡散光のうち、テーパーロッド１３で取り込まれ、その出射端面に到達した、出射端面積Ｓ_１、立体角Ω_１の光と、レンズ系１１’（照明レンズ１１）を介した面積Ｓ_２、立体角Ω_２の光との間に保存則が成り立ち、ＬＥＤ１から放射された光量とテーパーロッド出射端面から放射される光量の比が、該テーパーロッド１３における取込及び導光の効率である。

また、上記テーパーロッド１３及び上記導光ロッド１０は、材質としては照明光束の波長域において透明なガラスか樹脂で製作されるものであるが、例えば汎用光学ガラスのＢＫ７が可視域全般で高透過率、低分散な特性を示すので適している。また、高価であるが、短波長域での透過率確保のため、石英などを用いても良い。また、全反射を基本とするため、該ロッドを構成する面の全面を、いわゆる粗面でなく鏡面にする必要がある。

また、このような透明光学部材で形成するロッドに対して、内面が反射面になっている中空状のパイプ構造、即ちミラーパイプを使用しても、所望の集光及び光線平行度の向上といった機能が得られる。このミラーパイプは、金属板を加工してロッド形状にしたり、金属の反射膜や誘電体多層膜を内面に成膜することによって形成する。

このようなロッドタイプと中空パイプタイプは、媒質がガラス又は樹脂と空気とで屈折作用がその屈折率に従い違うだけで、原理的には同様である。但し、ロッドタイプの方が、全反射があるため効率が良いこと、屈折するため同じ反射回数ではパイプタイプよりも長くなること、端面にごみが付着すること、パイプタイプよりも重くなること、製作が高価なことなどが特徴として挙げられる。

本実施の形態、更には他の実施の形態において、効率重視かサイズ重視かを考慮して、その使用状況に応じて最適ないずれかを選択すれば良い。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。

図２は、本第３の実施の形態に係る照明装置の構成を示す図であり、本実施の形態に係る照明装置は、上記第２の実施の形態と同様のＬＥＤ１とテーパーロッド１３のペアを複数個用いて構成したものである。

この場合、照明レンズ１１を、その主平面から焦点距離ｆに相当する距離離れた位置に各々のテーパーロッド出射端面が位置するよう、像側テレセントリックとなるように構成し、上記テーパーロッド１３を平行に配列することにより、各ＬＥＤ１からの光を重ね合わせることができる。

このような構成の照明装置によれば、ＬＥＤ１が複数であるため、明るくできることに加え、ＬＥＤ１の放射角特性の個体差などが平均化でき照明ムラを均一化することができるという効果を奏する。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。

図３は、本第４の実施の形態に係る照明装置の構成を示す図であり、本実施の形態に係る照明装置は、第３の実施の形態の構成に於いて、照明レンズ１１の光学軸方向に、上記ＬＥＤ１とテーパーロッド１３とのペアをずらして構成したものである。即ち、テーパーロッド１３ｃ１，１３ｃ２の最外角の光線が光変調素子１２の最軸外になるように照明レンズ１１を構成し、テーパーロッド１３ｂ１，１３ｂ２を上記照明レンズ１１から離す方向に少しずらし、テーパーロッド１３ａをさらに離した位置に配している。

このような構成の照明装置の効果を以下に説明する。
図４の（Ａ）は、各テーパーロッド１３の出射端面から射出される光束の配光角特性を示す図である。同図に示すように、テーパーロッド１３ｃ１，１３ｃ２では約±２７°以内の角度の光束が光変調素子１２に導かれるが、テーパーロッド１３ｂ１，１３ｂ２では約±２４°以内の角度の光束、テーパーロッド１３ａでは約±２０°以内の角度の光束が光変調素子１２を照明する。このような配置にすると、実際の光変調素子１２上の照明ムラは、図４の（Ｂ）に示したａ，ｂ，ｃの各角度分布特性の足し合わせであり、照明ムラが平均化されるメリットがある。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。

図５の（Ａ）及び（Ｂ）は、本第５の実施の形態に係る照明装置の構成を示す水平方向断面図及び垂直方向断面図である。

本実施の形態に係る照明装置は、上記第２の実施の形態におけるテーパーロッド１３に代えてミラーパイプ１４を使用すると共に、このミラーパイプ１４のテーパー度を、その方向によって変えているものである。

このように、ミラーパイプ１４の入射端面と出射端面の大きさの比、即ち、口径比が、水平方向と垂直方向で異なれば、射出光束のＮＡも方向によって異なる。従って、形成される光学的な瞳１５も、方向によってサイズが異なり、図５の（Ｃ）に示すように、仮に入射端面が正方形だとしても、出射端面が縦に長い矩形、即ち、縦方向の口径の方が横方向の口径よりも大きい場合には、縦方向の射出ＮＡの方が横方向のＮＡよりも小さくなる。従って、瞳１５の形状は、横方向に長軸を持つ楕円になる。

このようにすることで、横に長いアスペクトの光変調素子１２を照明する場合に、許容ＮＡに入るようにすれば、照射エリアの面積効率が上がり、光効率が向上する。

ここで、図５の（Ａ）及び（Ｂ）に示すような口径比（Aperture Ratio、以降ＡＲと記す。）を有するロッドやミラーパイプ、更にはアスペクトのある入射端面形状を有するロッドやミラーパイプの、形状と角度分布特性との関係を明確化するため、図６に示すような角型テーパーロッド（又はテーパーを有するミラーパイプ）１３Ａ乃至１３Ｄの角度分布を調べてみる。座標軸は、長軸方向をＺとし、図６に示すように、断面の水平方向をＸ方向、垂直方向をＹ方向とする。

この場合の諸元は、図７に示すような表のようになっている。即ち、１×１のＬＥＤ１のチップサイズに対し、該ＬＥＤチップと入射端面とのギャップを０．５、長さを３５に統一して、テーパーロッド１３Ａとテーパーロッド１３ＢはＡＲは同じだが、テーパーロッド１３Ｂは入射端面、出射端面サイズがそれぞれテーパーロッド１３Ａの２倍の関係、テーパーロッド１３Ａとテーパーロッド１３Ｃは一方向のＡＲがもう一方の２倍の関係、テーパーロッド１３Ａとテーパーロッド１３ＤはＡＲは同じだが、一方向の径がもう一方向の径の２倍の関係、テーパーロッド１３Ｃとテーパーロッド１３Ｄは方向によってＡＲが異なる関係とする。

また、ＬＥＤチップの放射角特性をランバーシャン（完全拡散）とした場合の各ロッドの出射端面からの射出光の配光特性を図８の（Ａ）乃至（Ｄ）に示す。

テーパーロッド１３Ａとテーパーロッド１３Ｂは、入射端面の大きさの比較になる。ＡＲが方向による違いがないため、図８の（Ａ）と図８の（Ｂ）との比較により判るように、Ｘ（水平）方向とＹ（垂直）方向とで特性に違いがないが、テーパーロッド１３Ａと比較してテーパーロッド１３Ｂのほうが口径が大きいため、射出角も大きい。これは、入射端面の大きさが大きいことで入射ＮＡが大きいため、射出ＮＡが大きくなるからである。

また、テーパーロッド１３Ａとテーパーロッド１３Ｃの場合は、ＡＲの比較になる。図８の（Ａ）と図８の（Ｃ）との比較により判るように、テーパーロッド１３Ａとテーパーロッド１３ＣとでＡＲが同じであるＸ方向の射出ＮＡは同じであるが、Ｙ方向ではＡＲの大きいテーパーロッド１３Ｃの方が射出ＮＡは小さい。図５の（Ｃ）で示した定性的な説明がそのまま当てはまる。

テーパーロッド１３Ａとテーパーロッド１３Ｄの場合は、入射端面の大きさの比較になる。テーパーロッド１３Ａとテーパーロッド１３ＤとでＡＲは各方向で同じであるが、図８の（Ａ）と図８の（Ｄ）との比較により判るように、テーパーロッド１３ＤのＹ方向の射出ＮＡが大きい。これは、テーパーロッド１３Ａに比してテーパーロッド１３Ｄの入射端面が大きいため入射ＮＡが大きいからである。

テーパーロッド１３Ｃとテーパーロッド１３Ｄの場合は、ＡＲの比較になる。テーパーロッド１３Ｃとテーパーロッド１３Ｄとで入射端面の大きさが２倍の関係にある。ＡＲは、テーパーロッド１３ＣのＸ方向が２．８、Ｙ方向が５．６であり、テーパーロッド１３ＤのＸ方向は２．８、Ｙ方向は２．８である。図８の（Ｃ）と図８の（Ｄ）との比較により判るように、射出ＮＡはテーパーロッド１３ＣのＸ方向とテーパーロッド１３ＤのＸ方向は同じであるが、Ｙ方向については、ＡＲの大きいテーパーロッド１３Ｃの方が小さい。ＡＲ値がＸ方向と同一であるテーパーロッド１３ＤのＹ方向の射出ＮＡが大きいのは、入射端面の大きさが大きいからである。

以上を整理すると、射出ＮＡはＡＲが大きいほうが、また、入射端面の大きさは小さいほうが、小さくなる。また、長さは長くなるほど、射出角の角度ムラが滑らかになる。図８の（Ａ）乃至（Ｄ）に示された角度特性も滑らかなグラフではないので角度ムラが残存する。これは、テーパーロッド長を長くすれば低減する。

このようにテーパーロッド（又はテーパーを有するミラーパイプ）を用いることで、入射ＮＡはギャップと入射端面の大きさから約０．８以上もある光束をＮＡ０．３程度に変換することができる。これをレンズで同じ事を達成しようとしても、そもそも入射ＮＡのレンズ自体が難しく、軸上性能は確保できても、チップ面全体に渡り性能を出すのは難しい。

このテーパーロッド（又はテーパーを有するミラーパイプ）のＮＡの変換度は、ある程度の反射回数が確保できる長さにおいては、前述のＡＲに依り所謂テーパー角には依らない。即ち、図８の（Ａ）乃至（Ｄ）のグラフは、図６に示した各テーパーロッド（又はテーパーを有するミラーパイプ）の長さが変わってもグラフの滑らかさが変わるだけで、最大角度やグラフの傾きはそれほど変化しない。

［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態を説明する。

本実施の形態に係る照明装置は、上記第５の実施の形態で説明したように、入射端面サイズと出射端面サイズとの比であるＡＲが大きいとテーパーロッド１３の射出光のＮＡがより小さくなるということを利用して、第４の実施の形態を変形したものである。

即ち、図９に示すように、本第６の実施の形態に係る照明装置は、ＡＲが大きく射出ＮＡが小さいテーパーロッド１３ｐを光軸に近い中央付近に配設し、ＡＲが小さく射出ＮＡが大きいテーパーロッド１３ｒ１，１３ｒ２を光軸から離れて周辺付近に配設しているものである。

このような構成とすることで、被照射物に対する照射領域において無駄な領域を低減でき、効率を確保しながら、照明ムラを平均化することが可能となる。

［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態を説明する。

テーパーロッドから放射される光は、テーパーロッドの長さが短いと図８の（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように角度ムラが存在する。即ち、図１０の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、角型のテーパーロッド１３の場合、放射される光に格子状の角度ムラが生じる。このテーパーロッド１３の放射光束を瞳を形成してケーラー照明すると、この角度ムラが被照射物上でそのまま照度ムラとなる。

そこで、本第７の実施の形態に係る照明装置においては、図１０の（Ｃ）に示すように、テーパーロッド１３の出射端面の後段に、光拡散素子としての拡散板１６を配設している。これにより、図１０の（Ｄ）に示すように、角度ムラを低減することができる。

なおこのとき、上記拡散板１６として拡散角があまり大きなものを使用してしまうと、せっかくテーパーロッド１３にてＮＡを小さい光に変換したのに、大きな角度の光になってしまうこととなる。従って、照明ムラの大きさとの兼ね合いで拡散角の比較的小さな拡散板１６を用いる。

この拡散板１６の拡散角について、図１１を参照して説明する。

拡散角の大きさは、角度ムラ低減（照明位置では照明ムラ低減）と効率とに関係し、拡散角が大きいほど角度ムラが低減するが、効率が悪くなる。

最大拡散角θは、照明レンズ１１の焦点距離をｆとした場合、テーパーロッド１３の出射端面から垂直に射出された光束が拡散角θの広がりを持ったときに、照明位置において照明領域Ｌ程度の大きさになる程度が上限である。この拡散角の大きさで射出角の平均化の効果は最大になる。しかしながら、拡散板１６を入れない元々のテーパーロッド１３の最大射出角がおよそθ相当であった場合、該拡散板１６を入れると瞳の大きさが照明領域に対して大きくなってしまい、効率が非常に悪くなってしまうため、実際には拡散角はこの最大拡散角よりも小さい値が好適である。

また、上記のように拡散板１６をテーパーロッド１３の後段に配設することで角度ムラを低減できるが、ケーラー照明を行う場合、この拡散板１６の特性を工夫すると効率向上が図れる。

例えば、図１２の（Ａ）に示すように、円形光束を入射すると楕円形状の光束になる１次元方向のみ拡散角を有する拡散板（１次元ディフューザ１６Ａ）を用いれば、長方形の被照射物をケーラー照明する場合、照明領域の面積効率が向上する。この１次元ディフューザ１６Ａとしては、例えば、ＬＳＤ５×０．２という商品名で販売されているビーム整形ディフューザが知られている。

さらに、図１２の（Ｂ）に示すように、円形光束を矩形光束に変換するような光束形状変換機能を有する拡散板（光束形状変換ディフューザ１６Ｂ）を用いれば、面積効率が更に向上する。この場合、前述のように拡散角が小さいものでないと、角度分布のシェーディングが大きくなってしまったり、効率が悪くなってしまうが、拡散角がテーパーロッドの射出光の射出側のＮＡに比して、小さいと光束の形状変換が充分に行われないため、テーパーロッドのＮＡ変換効果を大きくして、シェーディング、効率とのバランスに応じて最適な拡散角のものを選定することが重要である。ここで、光束を角型にするために光路長はある程度必要になる。従って、光束形状変換ディフューザ１６Ｂは、テーパーロッド１３の出射端面近辺に配設することが好ましい。例えば、図１３の（Ａ）に示すような構成の照明装置とする。このような構成の照明装置とすることによって、該光束形状変換ディフューザ１６Ｂが無い場合は図１３の（Ｂ）に示すよう照明領域１７であるものが、該光束形状変換ディフューザ１６Ｂの配設により図１３の（Ｃ）に示すような照明領域１７となる。この場合、面積効率は、図１３の（Ｂ）の場合が約６０％であるのに対して、図１３の（Ｃ）の場合は約８０％程度と効率が向上する。

なお、光束形状変換素子としての上記光束形状変換ディフューザ１６Ｂは、水平方向と垂直方向と対角方向とで異なる配光角特性を備え、図１３の（Ｄ）に示すように光束を矩形状に分離することができ、角型形状への変換が実現できるものである。この光束形状変換ディフューザ１６Ｂとしては、例えば、米国特許第５３６５３５４号や第５５３４３８６号に開示されており、ホログラムパターンを樹脂などの素材面上に加工するサーフェスレリーフ技術により、配光制御が可能となるものである。例えば、ＬＳＤ５×３という商品名で販売されているビーム整形ディフューザが知られている。

このように、微細な凹凸がランダムに形成された拡散板（ディフューザ）をテーパーロッド１３の出射端面に配設することで、瞳形状を、円形ではなく、所望の形状に近づけることで、効率向上を図ることが可能となる。

［第８の実施の形態］
次に、本発明の第８の実施の形態を説明する。

ところで、テーパーロッド１３でＮＡ変換した光を所定のＮＡで所定の照明領域に集光する際、被照明物が２次元マイクロミラー偏向アレイのときのように斜光照明が必要な場合は、テーパーロッド１３や照明レンズ１１などの構成レイアウトも斜光照明に併せて偏心させる必要がある。

なお、上記光変調用の２次元マイクロミラー偏向アレイとは、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）の商標で知られるものであり、例えば、特開平１１−３２２７８号公報の段落［００２６］や国際公開第ＷＯ９８/２９７７３号公報の第５頁第２３行目乃至第６頁第６行目に開示されているので、その詳細説明は省略する。

図１４の（Ａ）は、このような斜光照明が必要な場合における本第８の実施の形態に係る照明装置を使用した画像投影装置の構成を示す図である。

即ち、瞳形成手段として、照明レンズ１１に代えて偏心ミラー１１Ａを使用し、該偏心ミラー１１Ａで光路を折りたたみ、光変調素子１２としてのＤＭＤ（商標）１２Ａを照明する構成とすることで、コンパクト化を図っている。この場合、ＤＭＤ（商標）のＯＮ光とＯＦＦ光がオーバーラップしないように偏心ミラー１１Ａを配設し、さらに偏心収差を除去するため、アナモルフィックにするなどの工夫がある。

［第９の実施の形態］
ここで、ロッドを用いた場合の幾つかのバリエーションを、本発明の第９の実施の形態として説明する。

図１４の（Ｂ）は、テーパーロッド１３の出射端面に、光軸を曲げるために斜面に反射コートした三角プリズム１８を配設し、照明レンズ１１として機能する自由曲面で構成されたプリズム１１Ｂで光路を折りたたみ、光変調素子１２としての薄型な透過型ＬＣＤ１２Ｂを照明するよう構成した照明装置を示している。この場合、ロッド出射端面は、三角プリズム１８と別体ではなく、出射端面が斜めになるようにテーパーロッド１３を加工しても良いし、後段の光学系との兼ね合いでレンズ形状を持たせても良い。

また、図１５の（Ａ）は、瞳形成手段として同じく自由曲面で構成された自由曲面プリズム１１Ｃを用いた照明装置の例である。この場合、光路の折りたたみが多いことで、レイアウトの制限条件に合わせたコンパクト化が図れる。

図１５の（Ｂ）は、光変調素子１２として反射型ＬＣＤ１２Ｃを用いた画像投影装置の構成を示す図である。この場合、照明装置は、直線偏光化するために、テーパーロッド１３後段にＰＳコンバータ１９を配し、また、照明レンズ１１と反射型ＬＣＤ１２Ｃとの間に偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと記す。）２０を配して、照明光を反射型ＬＣＤ１２Ｃに照射するようにしている。更に、上記テーパーロッド１３でＮＡ変換した光束により光学瞳を作るための照明レンズ１１は色取りのためダブレットで構成する。そして、ＰＢＳ２０は、ＬＥＤ側から上記反射型ＬＣＤ１２Ｃへの光は反射し、上記反射型ＬＣＤ１２Ｃからの反射光は上記ＬＥＤ側に反射しないで投影レンズ２１側に透過するようになっているので、このような照明装置を使用した画像投影装置では、図示しない駆動回路から出力される電気信号によって上記反射型ＬＣＤ１２Ｃに画像を表示することで、その表示された画像を上記ＰＢＳ２０を介して投影レンズ２１でスクリーン２２上に拡大投影することができる。

［第１０の実施の形態］
次に、本発明の第１０の実施の形態を説明する。

複数のＬＥＤ１をロッドに対して移動手段により相対移動させながら、ロッドの入射端に対向する所定の位置に到達したＬＥＤ１を選択し、点灯手段によりパルス点灯駆動し、順次切り替えるよう光選択制御手段により制御することで明るくする方法が考えられる。この場合、ＬＥＤ１とロッドとの相対位置関係は時間的に変化するため、ロッドの射出光量も時間的に変動することになる。ＬＥＤ１が１個だけ順次点灯する場合だと、ＬＥＤ１の配光特性が、一般的な配光特性である垂直方向に最も光量が多いような場合、ＬＥＤ１がロッド端面の中央法線上にある位置をピークとして、ＬＥＤ１がロッド端面の中心位置から外れるほど、ロッドに取り込まれる光量が少なくなるため、この時間変動は激しく、ＤＭＤ（商標）のようにタイムシェアリングすることで階調を表現するような光変調素子１２を照明する場合には不適である。

そこで、本第１０の実施の形態に係る照明装置では、このようにＬＥＤ１を動かす場合、常時２個のＬＥＤ１を点灯させる。

図１６の（Ａ）乃至（Ｄ）は、テーパーロッド１３の入射端面から取り込む様子を、時間的に、図１６の（Ａ）→図１６の（Ｂ）→図１６の（Ｃ）→図１６の（Ｄ）の順で示したものである。ここで、これらの図中、黒塗りしているＬＥＤ１が発光している状態を示しているが、図１６の（Ａ）から図１６の（Ｂ）の状態移行のタイミングで発光ＬＥＤ１を切り替えるのが望ましい。この場合、常に約１個半強分の光がテーパーロッド１３に取り込まれるため、光量の時間変動が少ない。そのためには、ＬＥＤ１またはテーパーロッド１３の移動方向に対し、ＬＥＤピッチの２倍の入射端面径が必要である。従って、紙面と垂直方向は例えばＬＥＤピッチと同等の径で、移動方向である紙面方向にはＬＥＤピッチの２倍の径であるような楕円もしくは長方形のテーパーロッド１３となる。

また、このように移動方向に入射端面の大きさが長いものが時間変動が少ないため、図６に示すような入射端面と出射端面のアスペクトが同じであるテーパーロッド１３Ｄを使用した場合、入射ＮＡの大きい方向がそのまま射出ＮＡも大きくなることを利用して、装置の仕様決定を行えば、テーパーロッドの製作性良く、時間変動の少ない照明装置が実現できる。更に、この図６に示すテーパーロッド１３Ｄの例では、ロッドのＹ方向と同一方向に光変調素子１２の長辺が位置するように構成すれば、面積効率良く照明できる。

［第１１の実施の形態］
次に、本発明の第１１の実施の形態を説明する。

図１７の（Ａ）は、本第１１の実施の形態に係る照明装置の構成を示す図であり、ＬＥＤ１を順次パルス点灯することで明るさを向上させるようにしたものである。

即ち、本実施の形態に係る照明装置は、ＬＥＤ１を中心に向かって円周状に配列し、柱状導光手段としてのＮＡ変換のためのＬ字型の光学面で構成された２本の角型の導光ロッド部材２３を回転させ、これら導光ロッド部材２３の回動に伴い、対応する位置となったＬＥＤ１を順次発光させる。この場合、上記第１０の実施の形態で説明したように、各導光ロッド部材２３に関してそれぞれ２個のＬＥＤ１を発光させることが好ましいが、勿論、１個であっても構わない。

そして、光学系はケーラー照明の構成とし、導光ロッド部材２３の出射端面に配設された光束変換素子、例えば光束形状変換ディフューザ１６Ｂ、により、照明レンズ１１で形成される瞳の形状を光変調素子１２の外形に近い形へ変換する。

このとき、図１７の（Ｂ）に示すように、導光ロッド部材２３の出射端面２３ａの光束形状は、該出射端面２３ａ自体は矩形形状であっても、回転によりコーナー部の軌跡を円周とする円形形状となる。仮に、出射端面２３ａを仮想光源として、被照射物である光変調素子１２と共役関係にするクリティカル照明を行う場合、物体面である出射端面２３ａの周辺部が時間的に光量変動することとなり、時間的な照明ムラとなってしまう。これに対して、ケーラー照明だと、射出光の角度分布が導光ロッド部材２３が回転しても変化しないため、照度ムラの時間的な変動は生じない。

図１８は、図１７の（Ａ）に示した本第１１の実施の形態に係る照明装置の構成をより詳細に示す図である。

即ち、回動可能な保持具であるロッドホルダ２４に取り付けられたＬ字型の光学面で構成された角型の導光ロッド部材２３を、駆動手段としてのモータ２５で回転し、ドラム状に形成したＬＥＤ基板２６の内周に配列した複数のＬＥＤ１を、上記導光ロッド部材２３の回転に併せて順次点灯する。なお、導光ロッド部材２３が角型とした理由は、ＬＥＤ１が矩形であるためその形状に近いことが効率が高いことと、Ｌ字型に折り曲げるときの損失を最小限に抑えることである。また、このＬ字状の導光ロッド部材２３は、一体成形で製作しても良いし、角柱の平行ロッド２３Ａと光路折り曲げ用の斜面に反射コートを施した反射プリズム２３Ｂとテーパーロッド２３Ｃとの３部品を接合して形成しても良い。

そして、上記導光ロッド部材２３の出射端面を仮想光源として、照明レンズ１１で光変調素子１２である表示デバイス上に光学瞳を作るケーラー照明光学系を構成する。更に、面積効率向上のため、光束形状変換ディフューザ１６Ｂを導光ロッド部材２３の出射端面後段に配設する。また、上記導光ロッド部材２３の出射端付近に配した導光板２７により、射出光の一部を光量モニタ２８に導光してモニタし、点灯手段としてのＬＥＤ駆動回路２９により、そのモニタした射出光の増減に応じて、光量が最適となるよう、ＬＥＤ１の駆動電流をフィードバック制御する。また、このＬＥＤ駆動回路２９によるＬＥＤ１の発光タイミングは、回転センサ３０によるロッドホルダ２４の回転位置検出に基づいて、光選択制御手段としての発光タイミング制御回路３１によって制御される。

なお、上記モータ２５はモータ駆動回路３２によって駆動される。また、ドラム状のＬＥＤ基板２６の外周には放熱板３３が設けられており、ＬＥＤ１の発光に伴って発生される熱を放熱することで、熱によるＬＥＤ１の特性変化を防止し、該照明装置を連続運転しても安定した照明が得られるようになっている。

このように、複数のＬＥＤ１を順次切り替えパルス発光させ、放射光を取込む導光ロッド部材２３との相対位置関係をＬＥＤ１の発光切り替えに併せて選択しながら変移させることによって、実効的に高輝度のＬＥＤが得られ、多光量の平行度の向上した光が導光ロッド部材２３から得られる。

なお、この構成では、ＬＥＤ１と導光ロッド部材２３の相対位置変移を、導光ロッド部材２３を回転させることで行っているが、ＬＥＤ１を移動させることによっても実現し得る。しかしながら、ＬＥＤ１への給電の観点からみれば導光ロッド部材２３を移動するほうが信頼性の面から好適である。この場合、例えば導光ロッド部材２３の出射端面内の光強度分布は導光ロッド部材２３の長さがある程度あればムラが小さくなっているため、この出射端面を均一度の高い仮想の矩形上面光源と見なせるため、被照射物である光変調素子１２と導光ロッド部材２３の出射端面とを共役関係にして照明するクリティカル照明を行っても良いが、本構成のように導光ロッド部材２３が複数ある場合、各導光ロッド部材２３の出射端面の周縁部が被照射物に投影されて照明されるため、照明ムラになってしまう。実際には回転するため、照明領域は円形形状となり回転速度によっては見た目的には周縁部がわからないが、ある瞬間において、ロッド出射端面の周縁部が照明ムラとなっており、時々刻々照明ムラが領域内で変移することになってしまい、時分割で階調表現を行うような光変調素子１２（表示デバイス）には適用できない。これに対し、本構成のように、導光ロッド部材２３から射出される光束の角度強度分布を照明領域における位置強度分布に変換するケーラー照明の場合、導光ロッド部材２３が変移しても、導光ロッド部材２３から射出される光束の角度強度分布は変化しないため、照明領域における照明ムラが小さい照明装置が実現できる。

図１９は、本実施の形態に係る照明装置の変形例を示すである。
この変形例は、ロッドではなく、内面が反射鏡面加工された角状のライトパイプ３４により発光体としてのＬＥＤ１からの光を反射導光し、反射ミラー３５によって光軸方向を変えて、光束形状変換ディフューザ１６Ｂ上で複数のライトパイプ３４からの光が並ぶように導光するようにしている。本変形例でも、給電の観点からＬＥＤ１は固定設置で、導光部材であるライトパイプ３４と反射ミラー３５とが回動する。また、ケーラー照明であるため、光源とパイプ端面との相対位置が変移しても、照明領域が変移することはない。

ライトパイプ３４は、ＮＡ変換をするわけではなく導光しているだけであるため、点線で示したＮＡが大きな光は被照射物から外れた位置に到達してしまう。よって、本変形例は、比較的放射角が狭い拡散発光体に有効である。

なお、本変形例においても、上記反射ミラー３５と光束形状変換ディフューザ１６Ｂの間に導光板を配し、該導光板によって導光された射出光の一部を光量モニタでモニタして、ＬＥＤ駆動回路２９により、ＬＥＤ１の駆動電流をフィードバック制御するようにしても良い。

以上実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。

例えば、発光体はＬＥＤに限定されるものではなく、拡散放射特性を有する微小面光源であればどのようなものでも良い。

（付記）
前記の具体的実施形態から、以下のような構成の発明を抽出することができる。

（１） 拡散放射特性を有する微小面光源と、
入射端面と出射端面及び反射面を有し、上記入射端面から取り込んだ上記微小面光源からの光の一部または全部を、上記反射面で反射することにより上記出射端面に導光する柱状導光手段と、
上記柱状導光手段の上記出射端面からの射出光の射出光角度強度を所定の照射領域内の位置強度に変換する角度位置変換手段と、
を具備することを特徴とする。

即ち、（１）に記載の照明装置によれば、柱状導光手段で光源の放射光を効率良く集光することができ、比較的簡単な構成で短光学長の照明装置が実現できる。

また、上述したチップ構造による照明ムラのない均一な照明を実現できる。

（２） （１）に記載の照明装置において、
上記角度位置変換手段が、上記柱状導光手段の上記出射端面を仮想光源として瞳を形成する瞳形成手段であって、
上記照射領域の位置を、上記瞳形成手段によって形成される瞳の位置の近傍としたことを特徴とする。

即ち、（２）に記載の照明装置によれば、柱状導光手段で光源の放射光を効率良く集光することができ、瞳を形成することによって簡単な構成で高効率な照明装置が実現できる。

なお、本明細書において、瞳位置とは、ロッド出射端面から垂直に射出する光線同士が交差する位置を指すものとする。

（３） （２）に記載の照明装置において、
上記瞳形成手段が、上記柱状導光手段の上記出射端面からの光を集光する照明レンズであって、
上記所定の照射領域を、上記照明レンズの焦点位置近傍としたことを特徴とする。

即ち、（３）に記載の照明装置によれば、柱状導光手段で光源の放射光を効率良く集光することができ、照明レンズの焦点距離付近に瞳が形成されるため、簡単な構成で高効率な照明装置が実現できる。

（４） （１）に記載の照明装置において、上記柱状導光手段は、上記入射端面の面積よりも上記出射端面の面積の方が大きいテーパー状の形状を有することを特徴とする。

即ち、（４）に記載の照明装置によれば、柱状導光手段を、その入射端面側から連続的に大きくなるテーパー状の形状にすることで、ＮＡを小さい光に変換でき、高効率な照明装置が実現できる。

（５） （１）に記載の照明装置において、上記拡散放射特性を有する微小面光源を複数具備することを特徴とする。

即ち、（５）に記載の照明装置によれば、複数の光源を備えることで、明るい高効率な照明装置が実現できる。

（６） （３）に記載の照明装置において、
上記柱状導光手段を複数具備し、
上記柱状導光手段のある一方向の配列数ｎは、該柱状導光手段の上記出射端面のその方向における長さをＹとし、上記照明レンズの焦点距離をｆとし、上記所定の照明領域におけるその方向の最大許容光線角度をθとした場合、
ｎ≦（２×ｆ×Ｔａｎθ）／Ｙ
を満足することを特徴とする。

即ち、（６）に記載の照明装置によれば、複数の柱状導光手段を備えることで、明るく平行度の高い光に変換することができ、さらに、ロッド出射端面の共役面を照射位置とするのではなく、瞳を形成し、該瞳位置を照射位置とすることによって、複数のロッドを配列したときに各ロッドの出射端面の外周縁が照射位置に照明ムラとなってしまうようなことなく、均一な照明装置が実現できる。

（７） （５）又は（６）に記載の照明装置において、上記微小面光源と上記柱状導光手段とは各々対になっていることを特徴とする。

即ち、（７）に記載の照明装置によれば、複数の光源と柱状導光手段とが各々対となっていることで、微小面光源からの光を効率良く柱状導光手段に取り込むことができ、より明るく高効率な照明装置が実現できる。

（８） （６）に記載の照明装置において、上記複数の柱状導光手段が、上記微小面光源の法線方向に対して異なった位置に該柱状導光手段の上記出射端面が位置するようにし、配列した複数の柱状導光手段は中央の柱状導光手段が上記照明レンズから最も遠く、端に位置する柱状導光手段が上記照明レンズから最も近くなるように配設したことを特徴とする。

即ち、（８）に記載の照明装置によれば、一部または全部の柱状導光手段が所定の位置からずれて配設されることによって、被照明領域での均一性が高い照明装置が実現できる。

（９） （１）に記載の照明装置において、上記柱状導光手段は、ガラスや樹脂などの透明材料からなる光学面で構成されたロッドであることを特徴とする。

即ち、（９）に記載の照明装置によれば、柱状導光手段が透明材料の光学面で構成されていることにより、導光損失の少ない、効率の高い照明装置が実現できる。

（１０） （１）に記載の照明装置において、上記柱状導光手段は、内面が反射鏡で構成された中空構造のミラーパイプであることを特徴とする。

即ち、（１０）に記載の照明装置によれば、柱状導光手段が中空構造のミラーパイプタイプであることにより、柱状導光手段の長さが短く、製作性の高い、取込効率の高い照明装置が実現できる。

（１１） （１）又は（４）に記載の照明装置において、
上記柱状導光手段は、上記入射端面の大きさと上記出射端面の大きさとの比に異方性があり、
上記照明領域の大きな方向が上記比が小さい方向となるように、上記柱状導光手段を配設することを特徴とする。

即ち、（１１）に記載の照明装置によれば、柱状導光手段の入射端面の大きさと出射端面の大きさとの比が方向により異なることで、方向により照明領域の大きさを変えることができ、高効率な照明装置が実現できる。

（１２） （１）又は（４）に記載の照明装置において、上記柱状導光手段は、上記入射端面の形状と上記出射端面の形状とが相似であることを特徴とする。

即ち、（１２）に記載の照明装置によれば、柱状導光手段の入射端面と出射端面の形状が相似であることにより、取込光学系である柱状導光手段の製作性の良い、高効率の照明装置が実現できる。

（１３） （２）に記載の照明装置において、上記柱状光学手段の最大射出ＮＡは、上記瞳形成手段が所定の大きさの瞳を形成する際の入射側ＮＡと略一致するように構成することを特徴とする。

即ち、（１３）に記載の照明装置によれば、柱状導光手段の最大ＮＡと所定の大きさの光学的瞳を形成するときの瞳形成手段の入射側ＮＡが略一致していることで、柱状導光手段の最大ＮＡの光線が照明領域の最周縁に到達し、無駄のない照明効率の良い照明装置が実現できる。

（１４） （２）に記載の照明装置において、上記柱状導光手段の上記出射端面の後段に光拡散素子を配設したことを特徴とする。

即ち、（１４）に記載の照明装置によれば、柱状導光手段の出射端面後段に光を拡散させる素子を配することにより、柱状導光手段の射出光の角度ムラを低減し、被照射領域での照明ムラの少ない均一な照明装置が実現できる。

（１５） （１４）に記載の照明装置において、
上記光拡散素子の拡散角θは、
上記瞳形成手段が焦点距離ｆを有し、上記照射領域の大きさをＬとした場合に、
−２×Ｔａｎ^−１（０．５×Ｌ／ｆ）＜θ＜２×Ｔａｎ^−１（０．５×Ｌ／ｆ）
を満足することを特徴とする。

即ち、（１５）に記載の照明装置によれば、光拡散素子の拡散角が所定の角度以内であることにより、照明領域に無駄の少ない効率的で均一な照明装置が実現できる。

（１６） （１４）に記載の照明装置において、上記光拡散素子は、１次元ディフューザであることを特徴とする。

即ち、（１６）に記載の照明装置によれば、光拡散素子が１次元ディフューザであるで、照明領域に無駄が一層少ない効率的で照明ムラの少ない照明装置が実現できる。

（１７） （１）に記載の照明装置において、上記柱状導光手段の上記出射端面の近傍に光束形状変換素子を配設したことを特徴とする。

即ち、（１７）に記載の照明装置によれば、光束形状変換素子を配設することで、任意の照明領域形状に対応した照明装置が実現できる。

（１８） （１７）に記載の照明装置において、上記光束形状変換素子は、円形の光束断面形状を矩形に変換する機能を有するディフューザであることを特徴とする。

即ち、（１８）に記載の照明装置によれば、円形形状を矩形形状に変換する光束形状変換素子を配設することで、矩形の被照射物に対応した効率的で照明ムラの少ない照明装置が実現できる。

（１９） （５）に記載の照明装置において、
上記微小面光源のそれぞれの発光量を調整可能にする点灯手段と、
上記微小面光源と上記柱状導光手段とを相対的に移動させる移動手段と、
上記照明領域を照明する光を上記複数の上記微小面光源の光から選択するように上記移動手段、及び／又は、上記点灯手段を制御する光選択制御手段と、
を具備することを特徴とする。

即ち、（１９）に記載の照明装置によれば、微小光源と柱状導光手段とを相対的に移動させ、その移動に伴い微小光源を制御しながら発光させることで、明るい光源を得ることができ、さらに、柱状導光手段で集光効率良く光を取り出し、瞳形成手段により形成された光学的瞳位置を照射位置とすることで、光源と取込光学系である柱状導光手段との相対的移動に伴う、照射領域の変移がない、効率的な明るい照明装置が実現できる。

（２０） （２）に記載の照明装置において、上記瞳形成手段を上記柱状導光手段の上記出射端面の法線に対して偏心して配設することを特徴とする。

即ち、（２０）に記載の照明装置によれば、柱状導光手段の光学軸と瞳形成手段の光学軸とが偏心関係にあることで、斜め照射が必要な場合に、照明ムラのない、コンパクト且つ効率的な照明装置が実現できる。

（２１） （２０）に記載の照明装置において、上記瞳形成手段が自由曲面からなるプリズムを備えていることを特徴とする。

即ち、（２１）に記載の照明装置によれば、瞳形成手段を自由曲面プリズムで構成することで、柱状導光手段で効率良く集光、導光された光をコンパクトに被照射領域に導くことができ、効率的且つコンパクトな照明装置が実現できる。

（２２） （１）乃至（２１）の何れかに記載の照明装置と、
画素構造を有し、画像信号に従って画素ごとに光を変調する光変調素子と、
上記光変調素子を拡大投影する投影レンズと、
を具備し、
上記照明装置における上記照明領域に上記光変調素子を配設したことを特徴とする画像投影装置。

即ち、（２２）の画像投影装置によれば、効率の良い均一な明るい照明装置を備えることにより、高効率で高画質の良い画像投影装置を提供できる。

（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の構成を示す図、（Ｂ）は本第２の実施の形態に係る照明装置の構成を示す図であり、（Ｃ）は第２の実施の形態に係る照明装置における光の保存則を説明するための図である。 本発明の第３の実施の形態に係る照明装置の構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る照明装置の構成を示す図である。 （Ａ）は第４の実施の形態に係る照明装置における各テーパーロッドの出射端面から射出される光束の配光角特性を示す図であり、（Ｂ）は角度分布特性を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ本発明の第５の実施の形態に係る照明装置の構成を示す水平方向断面図及び垂直方向断面図であり、（Ｃ）は形成される光学瞳を説明するための図である。 角型テーパーロッドの例を示す図である。 図６に示した各角型テーパーロッドの諸元表を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｄ）はそれぞれＬＥＤチップの放射角特性をランバーシャン（完全拡散）とした場合の図６に示した各角型テーパーロッドの出射端面からの射出光の配光特性を示す図である。 本発明の第６の実施の形態に係る照明装置の構成を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ角型のテーパーロッドの場合における角度ムラを説明するための図、（Ｃ）は本発明の第７の実施の形態に係る照明装置の構成を示す図であり、（Ｄ）は第７の実施の形態に係る照明装置における角度強度分布グラフを示す図である。 拡散板の拡散角を説明するための図である。 （Ａ）は１次元ディフューザによる円形光束から楕円形状の光束への形状変換を説明するための図であり、（Ｂ）は光束形状変換ディフューザによる円形光束から矩形光束への形状変換を説明するための図である。 （Ａ）は図１２の（Ｂ）の光束形状変換ディフューザを用いた照明装置の構成を示す斜視図、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ光束形状変換ディフューザの無しの場合及び有りの場合の照明領域を説明するための図であり、（Ｄ）は光束形状変換ディフューザによる光束の矩形状分離を説明するための図である。 （Ａ）は本発明の第８の実施の形態に係る照明装置を使用した画像投影装置の構成を示す図であり、（Ｂ）は本発明の第９の実施の形態に係る照明装置の構成を示す図である。 （Ａ）は第９の実施の形態に係る照明装置の変形例の構成を示す図であり、（Ｂ）は第９の実施の形態に係る照明装置の別の変形例を使用した画像投影装置の構成を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｄ）は本発明の第１０の実施の形態に係る照明装置におけるテーパーロッドとＬＥＤとの相対移動の各時点での発光するＬＥＤを説明するための図で、テーパーロッドの入射端面から光を取り込む様子を時間的に（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）→（Ｄ）の順で示したものである。 （Ａ）は本発明の第１１の実施の形態に係る照明装置の構成を示す図であり、（Ｂ）は出射される光束形状を説明するための図である。 第１１の実施の形態に係る照明装置の構成をより詳細に示す図である。 第１１の実施の形態に係る照明装置の変形例の構成を示す図である。 （Ａ）はＬＥＤの放射角特性図、（Ｂ）はＬＥＤ１のチップ構造を示す図であり、（Ｃ）は従来の照明装置の構成を示す図である。 （Ａ）は他の従来の照明装置の構成を示す図であり、（Ｂ）は別の従来の照明装置の構成を示す図である。 更に別の従来の照明装置の構成を示す図であ。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ光の保存則を説明するための図である。

符号の説明

１…ＬＥＤ、 １０…導光ロッド、 １１…照明レンズ、 １１’…レンズ系、 １１Ａ…偏心ミラー、 １１Ｂ…プリズム、 １１Ｃ…自由曲面プリズム、 １２…光変調素子、 １２Ａ…ＤＭＤ（商標）、 １２Ｂ…透過型ＬＣＤ、 １２Ｃ…反射型ＬＣＤ、 １３…テーパーロッド、 １３ａ，１３ｂ１，１３ｂ２，１３ｃ１，１３ｃ２，１３ｐ，１３ｑ１，１３ｑ２，１３ｒ１，１３ｒ２，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ…テーパーロッド、 １４…ミラーパイプ、 １５…瞳、 １６…拡散板、 １６Ａ…１次元ディフューザ、 １６Ｂ…光束形状変換ディフューザ、 １７…照明領域、 １８…三角プリズム、 １９…ＰＳコンバータ、 ２０…ＰＢＳ、 ２１…投影レンズ、 ２２…スクリーン、 ２３…導光ロッド部材、 ２３ａ…出射端面、 ２３Ａ…平行ロッド、 ２３Ｂ…反射プリズム、 ２３Ｃ…テーパーロッド、 ２４…ロッドホルダ、 ２５…モータ、 ２６…ＬＥＤ基板、 ２７…導光板、 ２８…光量モニタ、 ２９…ＬＥＤ駆動回路、 ３０…回転センサ、 ３１…発光タイミング制御回路、 ３２…モータ駆動回路、 ３３…放熱板、 ３４…ライトパイプ、 ３５…反射ミラー。

Claims (1)

1. 拡散放射特性を有する微小面光源と、
   入射端面と出射端面及び反射面を有し、前記入射端面から取り込んだ前記微小面光源からの光の一部または全部を、前記反射面で反射することにより前記出射端面に導光する柱状導光手段と、
   前記柱状導光手段の前記出射端面からの射出光の射出光角度強度を所定の照射領域内の位置強度に変換する角度位置変換手段と、
   を具備することを特徴とする照明装置。

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