JP2012230352A - 照明光学系およびそれを用いた画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 偏心フライアイレンズの２つのレンズセルの曲率半径を異ならせることにより、光量損失を抑えることを課題とする。
【解決手段】 本発明の照明光学系は、
光源からの光束を複数の光束に分割する複数のレンズセルを有する第１レンズアレイと、
前記第１レンズアレイのレンズセルにより分割された分割光束が入射するレンズセルを有する第２レンズアレイと、
前記第２レンズアレイを出射した光束を重ね合わせることにより画像表示素子を照明する光学素子を有し、
前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイのうち少なくともいずれか一方が、隣接するレンズセルとの曲面が連続になるように構成された少なくとも２つのレンズセルを有し、前記２つのレンズセルが偏心している照明光学系であって、
前記第１レンズアレイが有する少なくとも２つのレンズセルの曲率半径が互いに異なる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源からの光束を複数の光束に分割するレンズアレイを有する照明光学系、および該照明光学系を備えた画像投射装置に関する。

従来の照明光学系は液晶表示素子などの被照明面を均一かつ効率的に照明するために、光源からの光束を複数の光束に分割する第１フライアイレンズと、第１フライアイレンズに対応する複数のレンズセルを有する第２フライアイレンズを備える。

特許文献１は、光束の平行度を高めて照明光学系の光量損失を抑えるために、第１フライアイレンズまたは第２フライアイレンズを構成するレンズセルを偏心レンズとする発明を開示している。

特許文献２及び３は、第１フライアイレンズまたは第２フライアイレンズを構成するレンズセルの偏心量に応じてレンズセルの厚みを順次変化させ、偏心レンズセル間の曲面をほぼ連続にする発明を開示している。

特開平１０−１１５８７０号公報 特開２００３−３３７３７８号公報 特開２００３−０９０９８１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、偏心レンズセル間で曲面が不連続になるため、各偏心レンズセルの間に段差が生じてしまい、照明領域に影が生じるという問題があった（図１１（ａ））。

また、特許文献２及び３に開示された技術では、偏心レンズの曲面を連続にするためにレンズセルの厚みを変えている。しかし、レンズセルの厚みを変化させるとレンズセルの主点位置が光軸方向に移動してしまうので、目的とする収斂位置に分割光束が収斂しないという問題があった（図１１（ｂ））。

図１２のように、第１フライアイレンズを構成するレンズセルを偏心レンズとし、レンズセルの曲面を連続にすると、第１レンズセルにより分割される分割光束が最も収斂される位置が、第２フライアイレンズのレンズセルの主点位置に対してずれてしまう。図１２のｘは、照明光学系の光軸上のレンズセルの主点位置を基準としたとき、その基準に対する各レンズセルの主点位置のずれと、分割光束の集光位置のずれ量を模式的に示したものである。この結果、本来、対応するレンズセルに入射するはずの分割光束が、隣接するレンズセルに入射し、液晶表示素子の有効領域外を照明してしまうため光量損失が発生してしまう。

そこで本発明は、偏心レンズセルの曲面を連続とした場合でも、光量損失を抑えることが可能な照明光学系及び、それを用いた画像投射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の照明光学系は、
光源からの光束を複数の光束に分割する複数のレンズセルを有する第１レンズアレイと、
前記第１レンズアレイのレンズセルにより分割された分割光束が入射するレンズセルを有する第２レンズアレイと、
前記第２レンズアレイを出射した光束を重ね合わせることにより画像表示素子を照明する光学素子を有し、
前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイのうち少なくともいずれか一方が、隣接するレンズセルとの曲面が連続になるように構成された少なくとも２つのレンズセルを有し、前記２つのレンズセルが偏心している照明光学系であって、
前記第１レンズアレイが有する少なくとも２つのレンズセルの曲率半径が互いに異なることを特徴とする。

本発明によれば、偏心レンズセルの曲率半径を適切に設定することで、光量損失を抑えることができる。

実施形態１の照明光学系の概略構成図 分割光束の収斂位置の説明図 本発明の偏心フライアイレンズの一例を示す図 分割光束の収斂位置の説明図 実施形態２の照明光学系の概略構成図 偏光変換素子と分割光束の収斂位置の模式図 実施形態３の照明光学系の概略構成図 実施形態４の照明光学系の概略構成図 実施形態５の照明光学系の概略構成図 実施形態６の画像投射装置の概略構成図 フライアイレンズを偏心レンズセルで構成したときの模式図 偏心レンズセルの曲面を連続にしたときの分割光束の収斂位置の模式図 第２フライアイレンズの有効領域の模式図 偏光変換素子の有効領域の模式図

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に実施形態１の照明光学系を含む概略構成図を示す。図中１は光源、２は放物面リフレクタ、８は集光レンズ、９は液晶表示素子（画像表示素子）７と略相似形状の矩形レンズセルをマトリクス上に配置した第１フライアイレンズ（第１レンズアレイ）である。１０は第１フライアイレンズの個々のレンズセルに対応する複数のレンズセルを有する第２フライアイレンズ（第２レンズアレイ）、６はコンデンサレンズ（光学素子）、７は液晶表示素子である。

光源１から放射された光は、放物面リフレクタ２で反射され、略平行な光束となり、集光レンズ８に入射し、集光レンズ８よって収斂光となり、第１フライアイレンズ９に入射する。

第１フライアイレンズ９を構成するレンズセルは偏心しており、レンズセル中心に対する曲率中心の移動量（以下、偏心量とする）は、光軸付近のレンズセルから周辺部のレンズセルに向かうにつれ段階的に増加している。さらに、レンズセルの曲面を略連続にするため周辺部のレンズセルほど光軸に沿う方向の厚みが段階的に増加しているので、周辺部のレンズセルほど、その主点位置が光源側に平行移動している。全体として、第１フライアイレンズは光源側に凹、第２フライアイレンズ側に平面の形状を有する。

尚、本明細書における「偏心」とは、１つのレンズセルの光軸（レンズセルの２つの面の曲率中心を結ぶ直線）と１つのレンズセルの中心を通り該光軸に平行な線とが一致しないことである。本実施形態においては、第１フライアイレンズの中心以外のレンズセルは、図１の面又はそれと平行な面において偏心している。

また、本明細書における「連続」とは、互いに隣接するレンズセルの曲面が接することである。言いかえると、互いに隣接するレンズセルの曲面同士が、お互いの端部で繋がっている（接している、端部同士が同じ位置に存在する）ことである。

第１フライアイレンズ９の個々のレンズセルを出射する分割光束のうち、レンズセルの中心を通る光線はレンズセルの偏心によって光軸に対して略平行な光線となり、対応する第２フライアイレンズ１０のレンズセルに向けて収斂される。収斂された分割光束は第２フライアイレンズ１０の近傍において最も収斂（収束）され、光源像を形成した後、再び発散光となってコンデンサレンズ６に入射し、コンデンサレンズ６により液晶表示素子７上に重ね合わされる。

仮に、第１フライアイレンズの全てのレンズセルの曲率半径が一定であるとすると、一般的には、周辺部ほど分割光束が最も収斂される位置が第２フライアイレンズのレンズセルの有効領域（図１におけるａ、図１３斜線部）から離れてしまう。この結果、第２フライアイレンズのレンズセルの有効領域における分割光束の広がりが大きくなり、対応する第２フライアイレンズのレンズセルの有効領域より外側を通る光量が増える。対応するレンズセルに入射されなかった光は、コンデンサレンズによって液晶表示素子の有効領域外へ集光されてしまので、その分の光量損失が発生してしまう。尚、図１３の左側の図は、第１レンズアレイと第２レンズアレイの模式図である。図１３の右側の図は、第２レンズアレイの点線で囲った部分を拡大した図である。

そこで、本発明者は照明光学系の光量損失を低下させるためには、第２フライアイレンズを構成するレンズセルや偏光変換素子の有効領域を通過する光束量を高める必要がある点に着目した。そして、第２フライアイレンズ１０のレンズセルの有効領域において分割光束が最も収斂されるように、第１フライアイレンズ９の各レンズセルの曲率半径を適切に設定した。

本実施形態では、第２フライアイレンズ１０の各レンズセルの有効領域において、分割光束が最も収斂されるように、第１フライアイレンズ９を構成する各レンズセルの曲率半径が周辺部のレンズセルほど大きくなるよう設定されている。言い換えれば、光軸から離れた位置（外側）に配置されるレンズセルほど、内側に配置されるレンズセルに比べて曲率半径が大きくなるように設定されている。さらに言い換えれば、第２フライアイレンズのレンズセルを通過する近軸的な分割光束の光線の幅が、第２フライアイレンズのレンズセルの有効領域において収束されるように第１フライアイレンズのレンズセルの曲率半径を設定する。

具体的には、集光レンズ８と第１フライアイレンズ９のレンズセルの合成焦点距離が第１フライアイレンズ９のレンズセルの主点位置の移動量分だけ大きくなる（液晶表示素子側に長くなる）ように、第１フライアイレンズ９のレンズセルの曲率半径を設定する。

以上より、光量損失を抑えた照明光学系を提供することができる。また、本発明のその他の効果として、レンズセルの曲面が連続になるよう構成されているので、照明領域内の影を低減することができる。また、フライアイレンズの製造工程における歩留まりの低下を抑えることができる。

以下、本実施形態のより好ましい形態について図２を用いて説明する。図中Ｃ１が第１フライアイレンズの偏心レンズセルであり、Ｃ２が第２フライアイレンズのレンズセルを表わす。Ｌ１はレンズセルの有効領域の中心とレンズセルの曲面とが交わる点を通り、光軸に垂直な線分を表わす。この線分Ｌ１の位置に入射した平行光が収斂される。実線は偏心レンズセルＣ１の曲率半径が適切に設定されていないときの分割光束である。ここで、適切に設定されていないとは、例えば、第１フライアイレンズの各レンズセルが偏心レンズセルであって、各レンズセルの曲面が連続になるよう構成され、各レンズセルの曲率中心が一定の場合である。このような第１フライアイレンズを用いた場合、本来はレンズセルＣ２の主平面において偏心レンズセルＣ１の分割光束が最も収斂されるのが好ましいが、実線のように主平面から離れた位置で最も収斂してしまう。

そこで本発明は、第１フライアイレンズの各レンズセルが偏心レンズセルであって、各レンズセルの曲面が連続になるよう構成されている場合においても、偏心レンズセルＣ１の曲率半径を他のレンズセルと異ならせ、適切な位置に分割光束を収斂させている。

仮に、第２フライアイレンズ１０のレンズセルＣ２の主平面を基準位置とし、その基準位置に対して曲率が適切に設定されていないレンズセルによって分割された分割光束が最も収斂される位置をΔ_１とする。Δ_１の符号は基準位置から光軸に沿って液晶表示素子側は正（＋）、光源側は負（−）の値をとる。このとき、本発明の第１フライアイレンズ９を構成するレンズセルの分割光束の収斂位置を−Ａ×Δ_１とした場合、係数Ａが以下の範囲になるよう第１フライアイレンズ９のレンズセルの曲率半径を設定する事が望ましい。０．５≦Ａ≦１．５ ・・・（１）
上記式を満足することにより、分割光束は図２の点線に示したように補正され、最も収斂される位置が適切に設定される。

尚、第１フライアイレンズ９を構成する全てのレンズセルが上記式（１）を満足することがより好ましいが、一部のレンズセルが上記条件を満足しても本発明の効果を得ることができる。

尚、光量の損失は有効領域における光束の広がりδに対応すると考えられる。δは以下の式で表わすことができる。
δ＝｜Δ_１｜・Ｄ／ｆ ・・・（２）
ここで、Ｄは第１フライアイレンズのレンズセルの有効径、ｆは第１フライアイレンズ９の焦点距離、・は掛け算を表わす演算子である。

第１フライアイレンズ９のレンズセルの曲率半径を適切に設定して零に近づけると、有効領域における光束広がりδは零に近づくため光量損失が抑えられる。一方、Δ_１が零から離れると、有効領域における光束広がりδは次第に大きくなり光量損失は増大する。つまり、式（１）の係数Ａは分割光束が最も収斂する位置を補正する度合いを表している。

よって、式（１）の条件を満足する範囲であれば、第１フライアイレンズ９を構成するレンズセルの曲率半径を独立に変えても、分割光束の収斂位置を補正する度合いが、不足または過剰とならず、十分な光量損失の抑制効果が期待できる。

さらに好ましくは、以下の式（３）を満足すると良い。
δ／Ｅ≦１／１０ ・・・（３）
ここでＥは第２フライアイレンズのレンズセルの有効領域、δは有効領域における光束の広がり幅を表わす。式（３）を満足すれば、有効領域の大きさに対する光束の広がりが１０％以内に抑えられるので明るい投射画像が得られる。一方、式（１）の範囲を超えてしまうと、光量が低下してしまう。よって、式（３）を満足するように第１フライアイレンズのレンズセルの曲率半径を設定するのが良い。

さらに好ましくは、以下の式（３ａ）を満足すると良い。
δ／Ｅ≦１／２０ ・・・（３ａ）
さらに好ましくは、以下を満足すると良い。
δ／Ｅ≒０ ・・・（３ｂ）
このとき、式（１）のＡ≒１となる。

また、第１、及び第２フライアイレンズを構成するレンズセルのうち少なくとも１つのレンズセルが式（１）、式（３）のいずれかを満足すれば、光量損失を抑える効果を得られる。しかし、より多くのレンズセル、さらには全てのレンズセルが上記の式を満足するのが好ましい。

図３に集光レンズ８のパワーを考慮して、第１フライアイレンズの各レンズセルの曲率半径を設定した一例を示す。図３（ａ）は第１フライアイレンズの模式図、（ｂ）の表は（ａ）の各レンズセルの厚み、焦点距離、曲率半径の値を示した表である。図３（ａ）のセル番号と表（ｂ）のセル番号は対応している。図３の設計例では、集光レンズ８はφ＝０．０１６４４の正パワーを有する。図３（ｂ）の表の各数値は、集光レンズ８のパワーφと第１フライアイレンズ９の間隔を鑑みて、第２フライアイレンズのレンズセルの主点位置にて分割光束が最も収斂するよう、第１フライアイレンズのレンズセルの曲率半径を設定した。

発明者の検討では、図３の表（ｂ）のように独立に曲率半径を設定した場合、各レンズセルの曲率半径を光軸に隣接するレンズセルの曲率半径と同じ２８．２９ｍｍに設定した場合と比べ、照明効率が約２．０％向上した。

以上説明したように、仮に、第１フライアイレンズの各レンズセルの曲率半径が同じ値の場合は、図４（ａ）のようにレンズセルの光軸に沿った厚みの変化により分割光束の収斂位置が第２フライアイレンズの各レンズセルの有効領域に対してずれてしまう。これに対して、第１フライアイレンズの各レンズセルの曲率半径を各々適切に設定すれば、レンズセルの曲面を連続にさせつつも、適切な位置に光束が収斂される。これにより、照明領域の影やフライアイレンズの歩留まりの低下を抑えつつ、光量損失を抑えた照明光学系を提供することができる。

尚、実施形態１では、偏心レンズセルを含むのは第１フライアイレンズ９のみであるが、第２フライアイレンズ１０を偏心レンズセルで構成しても良いし、第１フライアイレンズ９及び第２フライアイレンズ１０を共に偏心レンズセルで構成しても良い。

また、実施形態１の構成では、第１フライアイレンズ９より光源側に正のパワーを有する集光レンズ８と放物面リフレクタ２が配置されているが、楕円リフレクタや負のパワーを有する凹レンズなどを有する構成に対しても、本発明は適用できる。即ち、リフレクタを含む第１フライアイレンズ９よりも光源側の全ての光学要素のパワーを考慮して、第１フライアイレンズの各レンズセルの曲率半径を設定すればよい。

また、コンデンサレンズ６は分割光束を液晶表示素子上に重ね合わせることができる作用があれば、凹面のミラーであっても構わない。

また、第１フライアイレンズを構成する全てのレンズセルのそれぞれの曲面が連続になるよう構成されている必要はなく、隣接するレンズセルとの曲面が連続に構成された偏心レンズセルを有し、そのレンズセルの曲率半径が他のレンズセルと異なっていればよい。このような形態でも、投射画像に影が生じてしまうのを低減しつつ、光量損失を抑えるという効果を得ることができる。

（実施形態２）
図５に実施形態２の照明光学系を含む概略構成図を示す。光源１から放射された光は、放物面リフレクタ２で反射され略平行な光束となり集光レンズ８に入射する。集光レンズ８よって収斂光となった光は、液晶表示素子７と略相似形状の矩形レンズセルをマトリクス上に配置した第１フライアイレンズ１１に入射する。

第１フライアイレンズ１１を構成するレンズセルは偏心しており、偏心量は光軸付近のレンズセルから周辺部のレンズセルに向かうにつれ段階的に増加している。さらに、曲面を略連続にするため周辺部のレンズセルほど厚みが段階的に増加している。

第１フライアイレンズの個々のレンズセルに入射する分割光束のうち、レンズセルの中心を通る光線はレンズセルの偏心によって光軸に対して略平行な光線となり、分割光束は偏光変換素子１３の近傍にて収斂される。ａ１は偏光変換素子の光入射側の有効領域、ａ２は光出射側の有効領域である。偏光変換素子１３の近傍にて収斂され再び発散する複数の分割光束は、コンデンサレンズ６によって液晶表示素子７上に重ね合わされる。

図６（ａ）に偏光変換素子１３の概略構成図を示す。偏光変換素子１３は偏光分離膜を有する角柱状の偏光ビームスプリッタを複数並べ、その偏光ビームスプリッタの射出面に１つおきに半波長板を配した構造を有する。ａ１は、光入射面に対して略４５度に傾くように配置された偏光分離膜と反射膜との、光入射側における距離である。偏光変換素子１３に入射した光は偏光分離膜でＰ偏光光とＳ偏光光に分離され、Ｓ偏光光は隣接する偏光分離膜でＰ偏光光と同じ方向に反射され、半波長板の間から射出される。偏光分離膜により分離されたＰ偏光光は、射出面に配された半波長板によりＳ偏光光に変換され射出される。ａ２は、光出射側の偏光分離膜と反射膜との距離である。以上により、偏光変換素子１３に入射する非偏光光はＳ偏光光に揃えられる。尚、偏光変換素子１３が揃える偏光方向はＰ偏光であってもよい。

図６（ｂ）あるいは図６（ｃ）に示したように、第１フライアイレンズにより分割された分割光束が最も収斂する位置が、偏光変換素子１３の外部になると、偏光ビームスプリッタの入射面及び射出面において分割光束の広がりが大きくなってしまう。このとき、偏光ビームスプリッタの一辺に相当する幅を持つ有効領域（図１４斜線部）より外側を通る光束は、本来Ｓ偏光光に変換されるべきＰ偏光光が、Ｐ偏光光のまま射出されたり、Ｓ偏光光が不要光であるＰ偏光光に変換されて射出されたりする。この結果、偏光変換効率が低下し最終的には光量損失に帰結する。尚、図１４の左側の図は、第１レンズアレイと偏光変換素子と入射光の模式図である。図１４の右側の図は、左側の図の点線で囲った部分を拡大した偏光ビームスプリッタの有効領域を示す図である。

また実施形態１で説明したように、偏光変換素子１３に限られず、第１フライアイレンズ１１のレンズセルから射出した光束のうち、対応する第２フライアイレンズ１２のレンズセルの有効領域より外側を通る光線も光量の損失となる。

第１フライアイレンズ１１を構成するレンズセルは、周辺部ほど光軸に沿う方向の厚みが厚いので、第１フライアイレンズ１１のレンズセルの主点位置が周辺部ほど光源側に平行移動している。仮に、第１フライアイレンズ１１の全てのレンズセルの曲率半径が一定であるとすると、周辺部ほど光束が最も収斂される位置が、偏光変換素子１３の有効領域から離れる。この結果、有効領域における分割光束の広がりが大きくなり光量損失が発生してしまう。

一般に偏光変換素子１３の有効領域の大きさは第２フライアイレンズ１２のレンズセルの有効領域の大きさの略半分に設定される。実施形態１で述べたように、有効領域の大きさに対する分割光束の光束広がりδの割合で光量損失が表わされる。従って、偏光変換素子１３の及び第２フライアイレンズ１２のレンズセルの有効領域において、同じだけ光束広がりがあるときの光量損失を比較すると、偏光変換素子１３の有効領域における光量損失のほうが大きい。

従って、本実施形態では、分割光束は偏光変換素子１３の有効領域において最も収斂されるように第１フライアイレンズ１１のレンズセルの曲率半径を設定している。より具体的に言えば、第１フライアイレンズ１１を構成する各レンズセルの曲率半径が周辺部のレンズセルになればなるほど大きくなるよう設定している。こうすることで、光量損失を抑えた照明光学系を提供できる。また、フライアイレンズの曲面が連続なので、照明領域内の影やフライアイレンズの製造工程における歩留まりの低下を抑えつつ、有効領域における分割光束の広がりを抑制することができる。

ここでさらに好ましい形態について説明する。偏光変換素子１３の光軸に沿う方向の厚みをｄとし、偏光変換素子１３の光軸に沿う方向の内部中心ｄ／２の位置を基準とする。実施形態１と同じように、ｄ／２の基準位置に対して、曲率半径が適切に設定されていないレンズセルによって分割された分割光束が最も収斂される位置をΔ_２とする。Δ_２の符号は基準位置から光軸に沿って液晶表示素子側は正、光源側は負の値をとる。これに対して、実施形態２の第１フライアイレンズ１１を構成するレンズセルの曲率半径を適切に設定したときの分割光束が最も収斂される位置を−Ｂ×Δ_２とする。このとき、係数Ｂが以下の式（４）を満足するよう第１フライアイレンズ１１を構成するレンズセルの曲率半径を設定する事が望ましい。
０．５≦Ｂ≦１．５＋（ｄ／２）／Δ_２ ・・・（４）

実施形態１と同様に、光量損失は以下の式（５）で与えられる有効領域における光束の広がりδに対応すると考えられる。
δ＝｜Δ_２｜・Ｄ_Ｆ／ｆ_Ｆ ・・・（５）
ここで、ｆ_Ｆは第１及び第２フライアイレンズの合成焦点距離、Ｄ_Ｆは第１フライアイレンズのレンズセルの有効径である。

第１フライアイレンズ１１のレンズセルの曲率半径を変えてΔ_２を零に近づけると、有効領域における光束広がりδは零になるため照明効率は最も向上する。一方、第１フライアイレンズ１１のレンズセルの曲率半径を変えて分割光束が最も収斂する位置を補正した後のΔ_２が零から離れると、有効領域における光束広がりδは次第に大きくなり光量損失は増える。即ち、係数Ｂは分割光束が最も収斂する位置を補正する度合いを表している。

実施形態２の偏光変換素子１３は、実施形態１の第２フライアイレンズ１０とは異なり、入射側と出射側２つに有効領域を有することである。Δ_２の変化に対する偏光変換素子１３による光量の損失の変化を考える場合、偏光変換素子１３の入射側と出射側の各有効領域における光束の広がδのうち大きい方が光量損失に対して大きく影響する。偏光変換素子の基準位置に対する入射側と出射側の有効領域における光束広がりを考慮すると、分割光束が基準位置から液晶表示素子側の正方向にずれた場合は入射側の有効領域における光束の広がりが増す。一方で出射側の有効領域の光束広がりは減るので、入射側の有効領域における光束広がりによる光量の損失はほぼ相殺される。

従って、偏光変換素子の基準位置から分割光束の収斂位置が正方向にｄ／２変化するまでの間は、照明効率がほぼ一定となるので、実施形態２において照明効率改善の効果が適当に得られる範囲が、実施形態１に比べ、ｄ／２だけ液晶表示素子側にシフトする。
このような特性のもと、Δ_２の変化に対して入射側、出射側の光束広がりのうち値が大きい方のδの変化を取ると式（４）が得られる。

式（４）の条件を満足する範囲であれば、第１フライアイレンズ１１を構成するレンズセルの曲率半径を独立に変えても、分割光束の収斂位置を補正する度合いが、不足または過剰とならず、十分な照明効率改善の効果が期待できる。

また、実施形態２では、偏心レンズセルを含むのは第１フライアイレンズ１１のみであるが、第２フライアイレンズ１２を偏心レンズセルで構成しても良いし、第１フライアイレンズ１１及び第２フライアイレンズ１２を共に偏心レンズセルで構成しても良い。

（実施形態３）
図７（ａ）、（ｂ）に実施形態３の照明光学系を含む概略構成図を示す。図７（ａ）と（ｂ）はそれぞれ光軸を含み互いに直交する第１断面（図中ＸＺ断面）、第２の断面（図中ＹＺ断面）における概略構成図を示している。

光源１から放射された光は、放物面リフレクタ２で反射され略平行な光束となり集光レンズ８に入射する。集光レンズ８よって収斂光となった光は第１フライアイレンズ１４に入射する。

ここで、第１フライアイレンズ１４を構成するレンズセルは偏心しており、偏心量は光軸付近のレンズセルから周辺部のレンズセルに向かうにつれ段階的に増加している。さらに、曲面を略連続にするため周辺部のレンズセルほど光軸に沿う方向の厚みが段階的に増加している。

第１フライアイレンズ１４の個々のレンズセルに入射する分割光束のうち、レンズセルの中心を通る光線はレンズセルの偏心によって光軸に対して略平行な光線となり、分割光束は第２フライアイレンズ１５の対応するレンズセルに向けて収斂される。第２フライアイレンズ１５から射出した複数の分割光束はコンデンサレンズ６によって液晶表示素子７上に重ね合わされる。

ここで、光軸を含み互いに直交する２つの断面のうち図７（ａ）で示される第１の断面に注目する。第１の断面は、偏光変換素子１３を構成する偏光ビームスプリッタの偏光分離膜面および半波長板が第１断面に沿って（ＸＹ方向に）配列された断面である。従って、偏光変換素子１３の有効領域にて分割光束が最も収斂されるよう第１フライアイレンズ１５の曲率半径が設定するほうが有利である。

仮に、第１フライアイのレンズセルの全ての曲率半径が一定であるとすると、一般的には、周辺部ほど分割光束が最も収斂されている位置が偏光変換素子の有効領域から離れてしまう。この結果、有効領域における分割光束の広がりが大きくなり光量の損失が発生する。

従って、実施形態３では、第１断面において、偏光変換素子１３の有効領域にて分割光束が最も収斂されるように、第１フライアイレンズ１５を構成する各レンズセルの曲率半径が周辺部のレンズセルほど大きくなるよう設定されている。

次に、光軸を含み互いに直交する２つの断面のうち図７（ｂ）で示される第２の断面に注目する。第２の断面は偏光変換素子１３を構成する偏光ビームスプリッタの偏光分離膜面および半波長板が作用しない断面であり、第１の断面に存在するような有効領域は存在しない。従って、分割光束が第２フライアイレンズ１５のレンズセルの有効領域にてもっとも収斂されるよう第１フライアイレンズ１４の曲率半径を設定するほうが有利である。

仮に、第１フライアイレンズのレンズセルの曲率半径が一定であるとすると、周辺部ほど分割光束が最も収斂されている位置が第２フライアイレンズのレンズセルの有効領域から離れてしまう。この結果、有効領域における分割光束の広がりが大きくなり光量の損失が発生する。

本実施形態では、第２断面において、第２フライアイレンズ１５のレンズセルの有効領域にて分割光束が最も収斂されるように、第１フライアイレンズ１４を構成する各レンズセルの曲率半径が周辺部ほど大きくなるよう設定されている。

以上より、光量損失を抑えた照明光学系を提供することができる。より具体的に言えば、照明領域内の影やフライアイレンズの製造工程における歩留まりの低下を抑えつつ、有効領域における分割光束の広がりを抑制することができるので、光量損失を抑えることができる。

さらに本発明のその他の効果として、断面によってより光量の損失を抑えることができる分割光束の収斂位置の違いに着目し、第１断面と第２断面で偏心レンズセルの曲率半径を異ならせることで、より光量損失を抑えることができる。

また、本実施形態において偏心レンズセルを含むのは第１フライアイレンズ１４のみであるが、第２フライアイレンズ１５を偏心レンズセルで構成しても良いし、第１フライアイレンズ１４及び第２フライアイレンズ１５を共に偏心レンズセルで構成にしても良い。

また、レンズセルの偏心量を第１の断面と第２の断面で異ならせても本実施形態の効果を得ることができる。

（実施形態４）
図８に実施形態４の照明光学系を含む概略構成図を示す。光源１から放射された光は、放物面リフレクタ２で反射され略平行な光束となり集光レンズ８に入射する。集光レンズ８よって収斂光となった光は第１フライアイレンズ１６に入射する。

ここで、第１フライアイレンズ１６を構成するレンズセルは偏心しており、偏心量は光軸付近のレンズセルから周辺部のレンズセルに向かうにつれ段階的に増加している。さらに、曲面を略連続にするため周辺部のレンズセルほど光軸に沿う方向の厚みが段階的に増加している。

また、第１フライアイレンズ１６を構成するレンズセルの曲面が第２フライアイレンズ１７の方向に向いている。そして、第１フライアイレンズ１６及び第２フライアイレンズ１７の対応するレンズセル同士の間隔が光軸中心から周辺部に向かうにつれて段階的に小さくなっている。

第１フライアイレンズ１６の個々のレンズセルに入射し分割される分割光束のうち、レンズセルの中心を通る光線はレンズセルの偏心によって光軸に対して略平行な光線となり、分割光束は第２フライアイレンズ１５の対応するレンズセルに向けて収斂される。

第２フライアイレンズ１７から射出した複数の分割光束はコンデンサレンズ６によって液晶表示素子７上に重ね合わされる。

仮に、光軸付近から周辺部の全段において第１フライアイのレンズセルの曲率半径が一定であるとすると、分割光束が最も収斂されている位置が周辺部ほど第２フライアイレンズのレンズセルの有効領域から離れる。この結果、有効領域における分割光束の広がりが大きくなり照明効率の低下が発生する。

本実施形態では、第２フライアイレンズ１７の各レンズセルの有効領域において、分割光束が最も収斂されるように第１フライアイレンズ１６を構成するレンズセルの曲率半径を周辺部ほど小さく設定している。言い換えれば、レンズセルの光軸方向において、第１フライアイレンズ１６のレンズセルに対応する第２フライアイレンズ１７のレンズセルの曲面の面頂点と該レンズセルに隣接するレンズセルとの接点との間に光源像を形成するように、２つのレンズセルの曲率半径を設定する。従って、有効領域における分割光束の広がりを抑制することができ、照明効率の低下を防ぐ事ができる。

ところで、分割光束は最も収斂される位置で光源１の像を形成するが、その結像倍率は第１フライアイレンズ１６の焦点距離に比例する。本実施形態では第１フライアイレンズ１６を構成するレンズセルの曲率半径を周辺部ほど小さく、即ち焦点距離を短くしている。従って、曲率半径が一定である場合よりも、第１フライアイレンズ１６を構成するレンズセルが形成する結像倍率が小さくなる。つまり本実施形態では、有効領域における光束広がりを小さくする効果に加えて、光源の像の結像倍率が小さくなることで有効領域における光束広がりを小さくする効果も期待できる。

以上より、照明効率の低下を抑えた照明光学系を提供することができる。より具体的に言えば、照明領域内の影やフライアイレンズの製造工程における歩留まりの低下を抑えつつ、有効領域における分割光束の広がりを抑制することができるので、照明効率の低下を抑えることができる。

（実施形態５）
図９に実施形態５の照明光学系を含む概略構成図を示す。光源１から放射された光は、放物面リフレクタ２で反射され略平行な光束となり集光レンズ８に入射する。集光レンズ８よって収斂光となった光は第１フライアイレンズ１８に入射する。

ここで、第１フライアイレンズ１８を構成するレンズセルは偏心しており、偏心量は光軸付近のレンズセルから周辺部のレンズセルに向かうにつれ段階的に増加している。さらに、曲面を略連続にするため周辺部のレンズセルほど光軸に沿う方向の厚みが段階的に増加している。

また、第１フライアイレンズ１８を構成するレンズセルの曲面が第２フライアイレンズ１９の方向に向いており、第１及び第２フライアイレンズの対応するレンズセル同士の間隔が光軸中心から周辺部に向かうにつれて段階的に小さくなっている。

第１フライアイレンズ１８の個々のレンズセルに入射し、分割される分割光束のうち、レンズセルの中心を通る光線はレンズセルの偏心によって光軸に対して略平行な光線となり、分割光束は偏光変換素子１３の有効領域に向けて収斂される。

偏光変換素子１３から射出した複数の分割光束はコンデンサレンズ６によって液晶表示素子７上に重ね合わされる。

仮に、第１フライアイ１８のすべてのレンズセルの曲率半径が一定であるとすると、光束が最も収斂されている位置が周辺部ほど偏光変換素子１３の有効領域から離れてしまう。この結果、有効領域における分割光束の広がりが大きくなり照明効率の低下が発生する。

本実施形態では、第１フライアイレンズ１８を構成するレンズセルの曲率半径を周辺部ほど小さくして、光軸中心から周辺部の全段に渡って偏光変換素子１３の有効領域にて分割光束が最も収斂されるよう設定されている。従って、有効領域における分割光束の広がりを抑制することができ、照明効率の低下を防ぐ事ができる。

ところで、分割光束はもっとも収斂される位置で光源１の像を形成するが、分割光束が第２のフライアイレンズ１９を介した場合その結像倍率は第１及び第２フライアイレンズの合成焦点距離に比例する。第１及び第２フライアイレンズの合成焦点距離ｆ_Ｆは以下の式（６）で与えられる。
ｆ_Ｆ＝ｆ_１×ｆ_２／｛ｆ_１＋ｆ_２−（Ｌ−α）｝ ・・・（６）
但しｆ_１、ｆ_２はそれぞれ第１、第２フライアイレンズの焦点距離、Ｌは第１、第２フライアイレンズの対応するレンズセル同士の偏心によって生じる厚み補正を行わない場合の主点位置の間隔、αは厚み補正によって生じるレンズセル同士の間隔の変化量である。但し、各記号は第１、第２フライアイレンズのレンズセルの組み合わせ内における関係を一般化したものであり、特定のレンズセルの組み合わせに限定されない。

通常、レンズセル同士の間隔は第２フライアイレンズの焦点距離ｆ_２で与えられる。従って、式（６）は
ｆ_Ｆ＝ｆ_１×ｆ_２／｛ｆ_１＋ｆ_２−（ｆ_２−α）｝＝ｆ_１／（ｆ_１＋α）×ｆ_２ ・・・（７）
となる。

本実施形態では第１フライアイレンズを構成するレンズセルの曲率半径を周辺部ほど小さく、即ち焦点距離ｆ_１を小さくしている。従って、式（７）のｆ_２の係数ｆ_１／（ｆ_１＋α）を小さくして合成焦点距離を小さくする方向に焦点距離が変化しており、曲率半径が一定である場合よりも第１及び第２フライアイレンズを構成するレンズセルが形成する光源像が小さくなる。つまり本実施形態では、有効領域の位置と分割光束が最も収斂される位置との間隔を補正する事で有効領域における光束広がりを小さくする効果に加えて、光源の像の結像倍率が小さくなることで有効領域における光束広がりを小さくする効果も期待できる。

以上より、照明効率の低下を抑えた照明光学系を提供することができる。より具体的に言えば、照明領域内の影やフライアイレンズの製造工程における歩留まりの低下を抑えつつ、有効領域における分割光束の広がりを抑制することができるので、照明効率の低下を抑えることができる。

尚、実施形態５においても、第１フライアイレンズのレンズセルの曲率半径を光軸付近から周辺部に向けて段階的に大きくしても、同様の効果が得られる。

（実施形態６）
実施形態１の照明光学系を用いた画像投射装置の概略構成を図１０に示す。図中１は光源、２は放物面リフレクタ、８は集光レンズ、９は液晶表示素子７と略相似形状の矩形レンズセルをマトリクス上に配置した第１フライアイレンズである。１０は第１フライアイレンズの個々のレンズセルに対応する複数のレンズセルを有する第２フライアイレンズ、６はコンデンサレンズ、７は液晶表示素子、２０は偏光ビームスプリッタ、２１は投射レンズ（投射光学系）である。

本実施形態では、反射型の液晶表示素子を使用している。液晶表示素子７は実施形態１の照明光学系によって効率良く照明される。このとき、反射型液晶表示素子の前に配された偏光ビームスプリッタ２０により光源からの光のうちＰ偏光成分のみが反射型液晶表示素子に到達する。反射型画像表示素子によって偏光状態を制御された光のうちＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ２０を反射し、投射レンズ２１によりスクリーン等の投射面（スクリーン）に拡大投影される。

ここで、偏光変換素子を第２フライアイレンズ１０の後に配置する事で更に効率を高めてもよい。また、液晶表示素子は反射型に限らず、透過型液晶表示素子を用いてもよい。

以上、実施形態１から実施形態６における本発明によれば、偏心レンズセルの曲率半径を適切に設定しているので、光量損失を抑えることができる。

尚、本発明の第１フライアイレンズの任意の２つのレンズセルの面頂点位置の差の内、最大の差をｇａｐ_ｍａｘとし、第１フライアイレンズと第２フライアイレンズの対応するレンズセルの面頂点同士の間隔の内もっとも短い間隔をＬ_ｍｉｎとする。このとき、本発明による照明効率改善の効果を十分に得られる前提条件としては、
ｇａｐ_ｍａｘ＞Ｌ_ｍｉｎ／２０
を満足することが望ましい。

さらに好ましくは、
Ｌ_ｍｉｎ／５＞ｇａｐ_ｍａｘ＞Ｌ_ｍｉｎ／２０を満足すると尚、良い。

本発明の第１フライアイレンズの任意の２つのレンズセルによる集光位置（最も光束径が小さくなる位置）の光軸方向の差をｆｇａｐとする。このとき、
ｆｇａｐ＜Ｌ_ｍｉｎ／１０
を満足するとよい。つまり、第１フライアイレンズの任意の２つのレンズセルによる集光位置の差のうち、最も大きな差も除きの条件式を満足する。さらに好ましくは、
ｆｇａｐ＜Ｌ_ｍｉｎ／２０
を満足すると尚、良い。

更に、図１、図７（ｂ）、図８、図１０において、第１フライアイレンズのレンズセルによる集光位置と、それらと対応する第２フライアイレンズのレンズセルの面頂点との、光軸方向の距離の平均値をｄ１_ａｖｅとする。このとき、
ｄ１_ａｖｅ＜Ｌ_ｍｉｎ／１０
を満足することが望ましい。更に、
ｄ１_ａｖｅ＜Ｌ_ｍｉｎ／２０
を満足すると尚、良い。

また、第１フライアイレンズのレンズセルによる集光位置と、それらと対応する第２フライアイレンズのレンズセルの面頂点との、光軸方向の距離のうち最大値をｄ１_ｍａｘとする。このとき、
ｄ１_ｍａｘ＜Ｌ_ｍｉｎ／５
を満足すると望ましい。さらに、
ｄ１_ｍａｘ＜Ｌ_ｍｉｎ／１０
を満足すると尚、良い。

更に、図５、図７（ａ）、図９において、第１および第２フライアイレンズのレンズセルによる集光位置と、それらと対応する偏光変換素子の光軸方向における中間位置（図６（ｂ）、（ｃ）等の破線）との光軸方向の距離の平均値をｄ２_ａｖｅとする。このとき、ｄ２_ａｖｅ＜Ｌ_ｍｉｎ／１０
を満足すると望ましい。さらに、
ｄ２_ａｖｅ＜Ｌ_ｍｉｎ／２０
を満足すると尚、良い。

また、第１および第２フライアイレンズのレンズセルによる集光位置と、それらと対応する偏光変換素子の光軸方向における中間位置との光軸方向の、光軸方向の距離のうち最大値をｄ２_ｍａｘとする。このとき、
ｄ２_ｍａｘ＜Ｌ_ｍｉｎ／５
を満足すると望ましい。さらに、
ｄ２_ｍａｘ＜Ｌ_ｍｉｎ／１０
を満足すると尚、良い。

尚、ここで、偏光変換素子の光軸方向における中間位置は、第２フライアイレンズの中心を通って光軸と平行に進む光線が偏光変換素子内の偏光分離面に入射する位置（その光線の光路と偏光分離面との交点）と置き換えても構わない。

また、実施形態１、実施形態２においてはより好ましい形態として、光軸を通り、ｙ軸に平行な軸Ａを挟んで対称に同じ曲率半径を有するレンズセルが並ぶ形態について説明したが、これに限られずレンズセルの曲率半径が軸Ａに関して非対称であってもよい。あるいは、光軸をとおりｘ軸に平行な軸Ｂに関しても同様に、非対称であってもよい。

また、実施形態１、実施形態２においてはフライアイレンズが、２次元的に配列されたフライアイレンズについて説明してが、１次元的に配列されたシリンドリカルフライアイレンズであっても光量損失を低減させる効果を得ることができる。例えば、シリンドリカルレンズアレイのうち、２つのシリンドリカルレンズの曲率半径を、分割光束が適切な位置に収斂するように設定してやれば良い。

また、上記の軸Ａあるいは軸Ｂを挟んだ半領域内の全てのレンズセルの曲率半径が異なっている必要はなく、少なくとも２つのレンズセルの曲率半径が適切に設定されていれば、光量損失を抑えられる。

また、他の形態として、第２レンズアレイが偏心レンズセルを有していてもよい。第２レンズアレイが偏心レンズセルを有し、且つ曲面を連続とすると偏心形状に応じて主点位置が移動する。例えば、光源側に平面、液晶表示素子側に凹面を持つ偏心形状であれば、光軸から離れた位置のレンズセルほど主点位置が液晶表示素子側に移動する。逆に光源側に平面、液晶表示素子側に凸面を持つ偏心形状であれば、光軸から離れた位置のレンズセルほど主点位置が光源側に移動する。このような形態においても、第２レンズアレイの主平面において最も収斂するように第１レンズアレイを構成する２つのレンズセルの曲率半径を異ならせることで、本発明の効果を得ることができる。言い換えれば、第２レンズアレイの偏心したレンズセルの主平面を含む近傍の位置において、第１レンズアレイによって分割された分割光束が最も収斂するように第１レンズアレイのレンズセルの偏心量を設定するのが好ましい。例えば、光源側から順に楕円リフレクタと、負レンズと、光源側に凸面、液晶表示素子側に平面を有する第１レンズアレイ、光源側に平面、液晶表示素子側に凹面を有する第２フライアイレンズを有する照明光学系としてもよい。このような形態においても、第２レンズアレイの主平面において分割光束が最も収斂するように第１レンズアレイを構成する２つのレンズセルの曲率半径を異ならせることで、本発明の効果を得ることができる。

また、他の実施形態として、第１レンズアレイのレンズセルが偏心する方向が、実施例１における第１レンズアレイのレンズセルが偏心する方向と逆であり、該第１レンズアレイよりも液晶表示素子側に偏光変換素子を有する形態について説明する。つまり、第１レンズアレイの外側のレンズセルが、内側のレンズセルよりも、照明光学系の光軸に近づくように偏心したレンズセルである場合である。言い換えれば、外側のレンズセルの方が内側のレンズセルよりも曲面の曲率中心の位置がレンズセルのピッチの中心位置に対して照明光学系の光軸に近づく方向にシフトしている場合である。この場合、隣接するレンズセルとの曲面を連続にするためには、外側のレンズセルの厚みを内側のレンズセルの厚みよりも減らす必要がある。この時、第１レンズアレイ及び第２レンズアレイの対応するレンズセルの組み合わせの主平面同士の間隔が内側の組み合わせよりも外側の組み合わせの方が小さくなる。この場合、本発明によれば第１レンズアレイにおいて、隣接するレンズセルとの曲面が連続になるように構成された少なくとも２つのレンズセルのうち、前記照明光学系の光軸からより遠い外側の位置に配置されたレンズセルの曲率半径が、より近い位置に配置された内側のレンズセルの曲率半径よりも小さく設定される。これにより、第１レンズアレイのレンズセルが偏心することにより生じる、前記２つのレンズセルから出射する分割光束の収斂位置のずれを低減することができるので、照明効率を向上させる効果を得ることができる。

また、他の実施形態として、第１レンズアレイが、偏心したレンズセルを有さない第１レンズアレイであって、第２レンズアレイが、隣接するレンズセルとの曲面が連続になるよう構成された、少なくとも２つのレンズセルを有する形態について説明する。このような形態に置いても、第２のレンズアレイの主平面において分割光束が収斂するように、第１レンズアレイを構成する少なくとも２つのレンズセルの曲率半径を異ならせることで、照明効率を向上させる効果を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形・変更及び構成の組み合わせが可能である。

９ 第１フライアイレンズ
１０ 第２フライアイレンズ
６ コンデンサレンズ

図１２のように、第１フライアイレンズを構成するレンズセルを偏心レンズとし、レンズセルの曲面を連続にすると、第１フライアイレンズのレンズセルにより分割される分割光束が最も収斂される位置が、第２フライアイレンズのレンズセルの主点位置に対してずれてしまう。図１２のｘは、照明光学系の光軸上のレンズセルの主点位置を基準としたとき、その基準に対する各レンズセルの主点位置のずれと、分割光束の集光位置のずれ量を模式的に示したものである。この結果、本来、対応するレンズセルに入射するはずの分割光束が、隣接するレンズセルに入射し、液晶表示素子の有効領域外を照明してしまうため光量損失が発生してしまう。

以下、本実施形態のより好ましい形態について図２を用いて説明する。図中Ｃ１が第１フライアイレンズの偏心レンズセルであり、Ｃ２が第２フライアイレンズのレンズセルを表わす。Ｌ１はレンズセルの有効領域の中心とレンズセルの曲面とが交わる点を通り、光軸に垂直な線分を表わす。この線分Ｌ１の位置に入射した平行光が収斂される。実線は偏心レンズセルＣ１の曲率半径が適切に設定されていないときの分割光束である。ここで、適切に設定されていないとは、例えば、第１フライアイレンズの各レンズセルが偏心レンズセルであって、各レンズセルの曲面が連続になるよう構成され、各レンズセルの曲率半径が一定の場合である。このような第１フライアイレンズを用いた場合、本来はレンズセルＣ２の主平面において偏心レンズセルＣ１の分割光束が最も収斂されるのが好ましいが、実線のように主平面から離れた位置で最も収斂してしまう。

仮に、第２フライアイレンズ１０のレンズセルＣ２の主平面を基準位置とし、その基準位置に対して曲率半径が適切に設定されていないレンズセルによって分割された分割光束が最も収斂される位置をΔ_１とする。Δ_１の符号は基準位置から光軸に沿って液晶表示素子側は正（＋）、光源側は負（−）の値をとる。このとき、本発明の第１フライアイレンズ９を構成するレンズセルの分割光束の収斂位置を−Ａ×Δ_１とした場合、係数Ａが以下の範囲になるよう第１フライアイレンズ９のレンズセルの曲率半径を設定する事が望ましい。
０．５≦Ａ≦１．５ ・・・（１）
上記式を満足することにより、分割光束は図２の点線に示したように補正され、最も収斂される位置が適切に設定される。

図３に集光レンズ８のパワーを考慮して、第１フライアイレンズの各レンズセルの曲率半径を設定した一例を示す。図３（ａ）は第１フライアイレンズの模式図、（ｂ）の表は（ａ）の各レンズセルの厚み、焦点距離、曲率半径の値を示した表である。図３（ａ）のセル番号と表（ｂ）のセル番号は対応している。図３の設計例では、集光レンズ８はφ＝０．０１６４４の正パワーを有する。図３（ｂ）の表の各数値は、集光レンズ８のパワーφと第１フライアイレンズ９と第２フライアイレンズの間隔を鑑みて、第２フライアイレンズのレンズセルの主点位置にて分割光束が最も収斂するよう、第１フライアイレンズのレンズセルの曲率半径を設定した。

図６（ａ）に偏光変換素子１３の概略構成図を示す。偏光変換素子１３は偏光分離膜を有する角柱状の偏光ビームスプリッタを複数並べ、その偏光ビームスプリッタの射出面に１つおきに半波長板を配した構造を有する。ａ１は、光入射面に対して略４５度に傾くように配置された偏光分離膜と反射膜との、光入射側における距離である。偏光変換素子１３に入射した光は偏光分離膜でＰ偏光光とＳ偏光光に分離され、Ｓ偏光光は隣接する反射膜でＰ偏光光と同じ方向に反射され、半波長板の間から射出される。偏光分離膜により分離されたＰ偏光光は、射出面に配された半波長板によりＳ偏光光に変換され射出される。ａ２は、光出射側の偏光分離膜と反射膜との距離である。以上により、偏光変換素子１３に入射する非偏光光はＳ偏光光に揃えられる。尚、偏光変換素子１３が揃える偏光方向はＰ偏光であってもよい。

実施形態２の偏光変換素子１３は、実施形態１の第２フライアイレンズ１０とは異なり、入射側と出射側２つに有効領域を有することである。Δ_２の変化に対する偏光変換素子１３による光量の損失の変化を考える場合、偏光変換素子１３の入射側と出射側の各有効領域における光束の広がδのうち大きい方が光量損失に対して大きく影響する。偏光変換素子の基準位置に対する入射側と出射側の有効領域における光束広がりを考慮すると、分割光束の収斂位置が基準位置から液晶表示素子側の正方向にずれた場合は入射側の有効領域における光束の広がりが増す。一方で出射側の有効領域の光束広がりは減るので、入射側の有効領域における光束広がりによる光量の損失はほぼ相殺される。

ここで、光軸を含み互いに直交する２つの断面のうち図７（ａ）で示される第１の断面に注目する。第１の断面は、偏光変換素子１３を構成する偏光ビームスプリッタの偏光分離膜面および半波長板が第１断面に沿って（ＸＹ方向に）配列された断面である。従って、偏光変換素子１３の有効領域にて分割光束が最も収斂されるよう第１フライアイレンズ１４の曲率半径を設定するほうが有利である。

従って、実施形態３では、第１断面において、偏光変換素子１３の有効領域にて分割光束が最も収斂されるように、第１フライアイレンズ１４を構成する各レンズセルの曲率半径が周辺部のレンズセルほど大きくなるよう設定されている。

第１フライアイレンズ１６の個々のレンズセルに入射し分割される分割光束のうち、レンズセルの中心を通る光線はレンズセルの偏心によって光軸に対して略平行な光線となり、分割光束は第２フライアイレンズ１７の対応するレンズセルに向けて収斂される。

本実施形態では、第２フライアイレンズ１７の各レンズセルの有効領域において、分割光束が最も収斂されるように第１フライアイレンズ１６を構成するレンズセルの曲率半径を周辺部ほど小さく設定している。言い換えれば、レンズセルの光軸方向において、第１フライアイレンズ１６のレンズセルに対応する第２フライアイレンズ１７のレンズセルの曲面の面頂点と該レンズセルに隣接するレンズセルとの接点との間に光源像を形成するように、少なくとも２つのレンズセルの曲率半径を設定する。従って、有効領域における分割光束の広がりを抑制することができ、照明効率の低下を防ぐ事ができる。

本実施形態では、反射型の液晶表示素子を使用している。液晶表示素子７は実施形態１の照明光学系によって効率良く照明される。このとき、反射型液晶表示素子の前に配された偏光ビームスプリッタ２０により光源からの光のうちＰ偏光成分のみが反射型液晶表示素子に到達する。反射型画像表示素子によって偏光状態を制御された光のうちＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ２０により反射され、投射レンズ２１によりスクリーン等の投射面（スクリーン）に拡大投影される。

Claims (12)

1. 光源からの光束を複数の光束に分割する複数のレンズセルを有する第１レンズアレイと、
   前記第１レンズアレイのレンズセルにより分割された分割光束が入射するレンズセルを有する第２レンズアレイと、
   前記第２レンズアレイを出射した光束を重ね合わせることにより画像表示素子を照明する光学素子を有し、
   前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイのうち少なくともいずれか一方が、隣接するレンズセルとの曲面が連続になるように構成された少なくとも２つのレンズセルを有し、該２つのレンズセルが偏心している照明光学系であって、
   前記２つのレンズセルが偏心している断面において、前記第１レンズアレイが有する少なくとも２つのレンズセルの曲率半径が互いに異なることを特徴とする照明光学系。
2. 前記第１レンズアレイが、隣接するレンズセルとの曲面が連続になるように構成された少なくとも２つのレンズセルを有することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記２つのレンズセルのうち、前記第２レンズアレイの光軸からより遠い位置に配置されたレンズセルの曲率半径が、より近い位置に配置されたレンズセルの曲率半径よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
4. 互いに異なる曲率半径を有する前記２つのレンズセルの曲率半径は、
   前記レンズセルの光軸方向において、前記２つのレンズセルにより分割された分割光束が、前記２つのレンズセルに対応する前記第２レンズアレイのレンズセルの曲面の面頂点と該レンズセルに隣接するレンズセルとの接点との間に光源像を形成する曲率半径であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の照明光学系。
5. 互いに異なる曲率半径を有する前記２つのレンズセルの曲率半径は、
   前記２つのレンズセルにより分割された分割光束を、前記第２レンズアレイのレンズセルの主平面において最も収斂する曲率半径であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の照明光学系。
6. 前記第１レンズアレイの各レンズセルが偏心していることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の照明光学系。
7. 前記第１レンズアレイは、光源側に凹面を有することを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項に記載の照明光学系。
8. 前記第２レンズアレイを出射した光束の偏光方向を揃える偏光変換素子を有し、
   互いに異なる曲率半径を有する前記２つのレンズセルの曲率半径は、
   前記偏光変換素子の内部において前記２つのレンズセルにより分割される光束が最も収斂する曲率半径であることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載の照明光学系。
9. 前記偏光変換素子の前記照明光学系の光軸に沿う方向の厚みの中心を基準位置とすると、
   互いに異なる曲率半径を有する前記２つのレンズセルの曲率半径は、
   前記基準位置において、前記分割光束が最も収斂する曲率半径であることを特徴とする請求項８に記載の照明光学系。
10. 前記偏光変換素子の複数の偏光分離膜が配列される方向に沿う断面を第２断面、前記照明光学系の光軸を含み前記第２断面に直交する断面を第１断面とすると、
    前記第１断面において前記２つのレンズセルにより分割された分割光束が最も収斂される位置が、前記第２断面において前記２つのレンズセルによって分割された分割光束が最も収斂される位置よりも光源側であることを特徴とする請求項８または９に記載の照明光学系。
11. 前記第１断面における前記２つのレンズセルの曲率半径は、前記第２断面における前記２つのレンズセルの曲率半径よりも小さいことを特徴とする請求項１０に記載の照明光学系。
12. 前記光源からの光により前記画像表示素子を照明する請求項１乃至１１いずれか１項に記載の照明光学系と、
    前記画像表示素子により形成された画像を投射面に投射する投射光学系を有することを特徴とする画像投射装置。

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