JP2014102382A - 照明光学系および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照明光学系にて、面光源からの光束のフライアイレンズでのけられを回避する。
【解決手段】照明光学系は、矩形の発光面を有する光源１からの光束を集光する集光光学系２と、集光光学系からの光束を複数の光束に分割する光束分割系３とを有する。光束分割系３は、第１および第２のフライアイレンズ３ａ，３ｂにより構成されている。第１のレンズセルは、該第１のレンズセルを通過した光束を第２のレンズセルよりも被照明面に近い位置に収束させる。互いに対をなす第１および第２のレンズセルに関して、基準軸を含み発光面の長辺および短辺のそれぞれに平行な第１の断面および第２の断面において、 f_fe1／f_col×Y_obj≦H_fe2なる条件を満足する。H_fe2は第２のレンズセルの有効幅の半分、Y_objは発光面の基準軸からの最大高さ、f_colは集光光学系の焦点距離、f_fe1は第１のレンズセルの焦点距離である。
【選択図】図１

Description

本発明は、面光源から放射された光束を用いて被照明面を照明する照明光学系に関し、例えば、被照明面に配置された液晶パネル等の光変調素子からの光束を投射して画像を表示する画像投射装置に好適な照明光学系に関する。

画像投射装置の照明光学系では、光源からの光束をフライアイレンズにより複数の光束に分割し、該複数の光束をコンデンサレンズにより光変調素子（被照明面）上にて互いに重畳させることで、光変調素子を均一に照明する。このような照明光学系において、光源として、従来用いられていた放電ランプに代えて、長寿命化が期待できる発光ダイオード（ＬＥＤ）等の面光源を用いることが提案されている。

特許文献１には、放電ランプを光源として用いた照明光学系が開示されているが、この照明光学系では、ランプから放射された光束をリフレクタにより平行光束に変換してフライアイレンズに光軸と平行な光束を入射させる。このため、フライアイレンズによって光束がけられることなく被照明面を照明することができる。

また、特許文献２には、複数のＬＥＤをアレイ状に配置した光源を用いた照明光学系が開示されている。この照明光学系では、個々のＬＥＤから出射される光の照度分布をグラディエントフィルタにより取り除き、照度分布がない出射光を光変調素子に入射させる。このため、照明光学系のフライアイレンズには光軸と平行な光束が入射し、フライアイレンズによる光束のけられは問題となっていない。

特開２００４−３２５５７７号公報 特開２００７−０７２１７２号公報

しかしながら、一般的なＬＥＤを用いる場合には、ＬＥＤの光の放射角が広いので、焦点距離が短い集光レンズ（コリメータレンズ）を用いてＬＥＤからの光束を平行光束化してフライアイレンズに導く必要がある。一方、現状のＬＥＤの発光効率は低いため、発光面積を増加させることで画像表示に必要な光量を確保する必要がある。

このように面光源が大きな物体高を有し、焦点距離が短い集光レンズで平行光束化する場合には、大きな物体高から放射された光束が集光レンズから射出した後に大きな画角を有してしまい、フライアイレンズを通過する際にけられが発生し、光量がロスする。これにより、面光源の発光面積を大きくしたにもかかわらず、被照明面に到達する光量を十分に増加させることができないという問題が生ずる。

本発明は、面光源からの光束のフライアイレンズでのけられをほとんど発生させることなく被照明面を照明できるようにした高効率な照明光学系およびこれを用いた画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての照明光学系は、矩形の発光面を有する光源からの光束を集光する集光光学系と、該集光光学系からの光束を複数の光束に分割する光束分割系とを有し、該光束分割系からの複数の光束を被照明面にて互いに重畳させる。光束分割系は、集光光学系側から順に、複数の第１のレンズセルを含む第１のフライアイレンズと、複数の第１のレンズセルのそれぞれと対をなす複数の第２のレンズセルを含む第２のフライアイレンズとにより構成されている。第１のレンズセルは、該第１のレンズセルを通過した光束を第２のレンズセルよりも被照明面に近い位置に収束させる。発光面の中心と集光光学系の中心を通る軸を基準軸とするとき、互いに対をなす第１および第２のレンズセルに関して、基準軸を含み発光面の長辺および短辺のそれぞれに平行な第１の断面および第２の断面において、以下の条件を満足することを特徴とする。

f_fe1／f_col×Y_obj≦H_fe2
ただし、H_fe2は第２のレンズセルの有効幅の半分であり、Y_objは発光面の基準軸からの最大高さであり、f_colは集光光学系の焦点距離であり、f_fe1は第１のレンズセルの焦点距離である。

なお、上記照明光学系と、被照明面に配置され、該照明光学系からの光束を変調する光変調素子とを有し、該光変調素子からの光を被投射面に投射して画像を表示する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、面光源を用いた場合でも、光束分割系による光束のけられを回避し、高い照明効率で被照明面を均一に照明することが可能な照明光学系を実現することができる。そして、この照明光学系を用いることで、高いコントラストを有する明るい画像を表示可能な画像投射装置を実現することができる。

本発明の実施例１である照明光学系の構成を示す断面図。 実施例１の照明光学系における面光源とコリメータレンズとの関係を示す図。 比較例としての照明光学系における光束分割系を説明する図。 実施例１の照明光学系における光束分割系を説明する図。 実施例１の光束分割系の構成を示す断面図。 本発明の実施例２である照明光学系の構成を示す断面図。 実施例２の照明光学系における光束分割系の構成を示す断面図。 本発明の実施例３である照明光学系の構成を示す断面図。 実施例１〜３の照明光学系に用いられるＬＥＤの斜視図。 実施例２の照明光学系における光束分割系の構成を示す断面図。 本発明の実施例４である照明光学系における光束分割系と偏光変換素子を示す断面図。 上記偏光変換素子の断面図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である照明光学系の構成を示している。この照明光学系は、画像投射装置としての液晶プロジェクタに用いられる。また、表１には、本実施例に対応する数値例１を示す。

図１において、１は面光源としての面発光型ＬＥＤ（以下、単にＬＥＤという）であり、アスペクト比が４：３の矩形の発光面を有する。図１には、ＬＥＤ１および後述する反射型液晶パネル７の長辺に平行な断面（後述する第１の断面であり、照明光学系の光軸を含む断面）を示している。

本発明の実施例１である照明光学系の構成ＬＥＤ１からの光束は、複数（ここでは３つ）の透過型光学素子である集光レンズ（コリメータレンズ）２ａ，２ｂ，２ｃにより構成される集光光学系２によって平行光束に変換された後、光束分割系３に入射する。集光光学系２は、１つの透過型光学素子により構成されてもよいし、ミラー等の反射型光学素子を含んでいてもよい。光束分割系３は、集光光学系側から順に、第１のフライアイレンズ３ａと第２のフライアイレンズ３ｂとにより構成されている。

第１のフライアイレンズ３ａは、二次元配列された複数（水平方向に６つ、垂直方向に８つの計４８）の第１のマイクロレンズセルを有する。また、第２のフライアイレンズ３ｂは、第１のフライアイレンズ３ａのそれぞれの第１のマイクロレンズセルと対をなす複数（水平方向に６つ、垂直方向に８つの計４８）の第２のマイクロレンズセルを有する。なお、各フライアイレンズにおけるマイクロレンズセルの数は例に過ぎず、他の数のマイクロレンズセルを有していてもよい。以下の説明において、第１および第２のマイクロレンズセルは、単に第１および第２のレンズセルという。

対をなす第１および第２のレンズセルとは、ある１つの第１のレンズセルから射出した光束が、１つの第２のレンズセルに入射するときのこれら第１および第２のレンズセルを意味する。

第１のフライアイレンズ３ａ（第１のレンズセル）から射出した複数の光束はそれぞれ、第２のフライアイレンズ３ｂ（第２のレンズセル）を通過した後に収束し、その収束点に面光源（ＬＥＤ１）の中間像を形成する。該収束点の近傍（第２のフライアイレンズ３ｂと被照明面との間）には後述する偏光変換素子４が配置されており、第２のフライアイレンズ３ｂからの光束が細く収束した状態で偏光変換素子４に入射する。

偏光変換素子４は、ＬＥＤ１から射出された無偏光光のうちＰ偏光成分をそのまま通過させ、Ｓ偏光成分をＰ偏光に変換する機能を有する。これにより、偏光変換素子４を射出した光束は、全てＰ偏光としての直線偏光光になる。

偏光変換素子４から射出した複数の光束（Ｐ偏光）は、２つのコンデンサレンズ５ａ，５ｂからなるコンデンサ光学系５により集光され、偏光ビームスプリッタ６を介して被照明面に配置された反射型液晶パネル（光変調素子）７上にて互いに重畳される。ＬＥＤ１から放射される光束はガウス形状の配光分布を有するが、その光束を光束分割系３によって複数（４８）に分割した後に反射型液晶パネル７上で重畳させることにより、該液晶パネル７を均一な輝度分布にて照明することができる。反射型液晶パネル７のアスペクト比は４：３である。反射型液晶パネル７は、不図示の制御回路によって画像信号に応じて駆動され、その画素ごとに入射した光束を反射するとともに変調する。液晶プロジェクタは、この反射型液晶パネル７により変調された光束を、投射光学系８を介してスクリーン等の被投射面９に投射し、これにより被投射面９上に画像を表示する。

なお、第２のフライアイレンズ３ｂの各第２のレンズセルとコンデンサ光学系５とによって、第１のフライアイレンズ３ａの各第１のレンズセルと液晶パネル７とに光学的に共役な関係が与えられている。

図２には、ＬＥＤ１からの光束が集光光学系２を通過する様子を模式的に示している。ＬＥＤ１から放射された光束は、集光光学系２で結合され、さらに該集光光学系２により平行光束に変換される。ここで、ＬＥＤ１の矩形の発光面の中心と集光光学系２の中心とを通る軸ＡＸを、照明光学系の基準軸としての光軸という。ＬＥＤ１の発光面の中心と集光光学系２の中心とが光軸ＡＸ上にあるため、ＬＥＤ１の発光面の端から放射された光束は、集光光学系２によって平行光束に変換されるが、その進行方向は光軸ＡＸに対して平行にならない。すなわち、集光光学系２から射出した光束が画角を持つ。

ここで、面光源（ＬＥＤ１）の発光面における各点の光軸ＡＸからの高さ（物体高）をY_obj(mm)とし、集光光学系２の焦点距離をf_col(mm)とする。このとき、集光光学系２から射出される平行光束の画角θ(rad)は（１）式で表わされる。

画角θは、面光源上での物体高Y_objが高いほど、また集光光学系２の焦点距離f_colが短いほど大きくなる。

また、ＬＥＤは一般に半値全幅５０deg以上の広い放射角を有している。本実施例に対応する数値例１におけるＬＥＤ１は、放射角の半値全幅が６０degのＬＥＤであり、かなり広い放射角を有している。このような広い放射角を有する面光源から放射された光束を効率良く結合するためには、集光光学系２の焦点距離f_colを短くして、面光源からの光束の取込み角を大きくする必要がある。その一方、集光光学系２の焦点距離f_colを短くすると、面光源の発光面の端から放射された光束の画角をより増加させる結果となる。

図３には、本実施例の比較例としての照明光学系のうち、面光源（ＬＥＤ１）から光束分割系３までの部分とそこでの光路を模式的に示している。図３には、ＬＥＤ１の発光面上の複数の点から放射されて集光光学系２から平行光束として射出した複数の光束であり、第１のフライアイレンズ３ａにおける１つの第１のレンズセル３ａ＿１に入射する光束を示している。また図３では、第１のレンズセル３ａ＿１を開口絞りとし、第１のレンズセル３ａ＿１の中央を通過する光線を主光線として一点鎖線で示し、第１のレンズセル３ａ＿１の端を通過する光線をマージナル光線として実線で示している。さらに、図３には、第２のフライアイレンズ３およびこれを構成する第２のレンズセル３ｂ＿１を破線で示しており、第１のレンズセル３ａ＿１を通過した光束が第２のレンズセル３ｂ＿１に向かう様子を示している。H_fe2およびY_fe1の意味については、図４での説明中に示す。

ＬＥＤ１の発光面の中央から放射された光束は、集光光学系２から射出した後に照明光学系の光軸ＡＸと平行となるが、発光面の端から放射された光束は、集光光学系２から射出した後に光軸に対して角度（画角）を有する。これらの光束の主光線は第１のレンズセル３ａ＿１の中央で交わり、それぞれの画角を維持したまま第１のレンズセル３ａ＿１を通過する。一方、各光束のマージナル光線は、該光束の主光線上にある第１のレンズセル３ａ＿１による該光束の収束点ｃ１に向かって進む。

このとき、集光光学系２から射出した大きな画角を持つ光束は、その一部が第２のレンズセル３ｂ＿１を通過することができず、けられてしまう。特に、図１に示したように偏光変換素子４を用いる照明光学系では、該偏光変換素子４の近傍に中間結像点を形成することが好ましい。このためには、第１のレンズセル３ａ＿１による光束の収束点を第２のレンズセル３ｂ＿１よりも像側に形成する必要があり、この結果、上記けられが顕著となる。

そこで、本実施例では、５０deg以上の広い放射角を有する面光源を用いた場合においても、光束分割系（第２のフライアイレンズ３ｂ）での光束のけられの発生を回避して、高い照明効率が得られる照明光学系を実現する。

図４には、実施例１の照明光学系のうち面光源（ＬＥＤ１）から光束分割系３までの部分とそこでの光路を模式的に示している。本実施例では、第１のレンズセル３ａ＿１による光束の収束点ｃ１を、第２のレンズセル３ｂ＿１よりも像側（すなわち被照明面に近い位置）に形成する。これは、第１レンズセル３ａ＿１による光束の収束点ｃ１を、第２のレンズセル３ｂ＿１よりも物体側（光源に近い側）に配置すると、光束が第２のレンズセル３ｂ＿１に入射する時点でマージナル光線が広がり、けられるためである。

また、集光光学系２から射出され、照明光学系の光軸ＡＸに対して最大角度（最大画角）を有する光束の第１のレンズセル３ａ＿１による収束点ｃ１の該第１のレンズセル３ａ＿１の光軸ａｘ１からの高さを、第２のレンズセル３ｂ＿１の有効幅の半分以下とする。有効幅の半分を、有効半径ともいう。これらの条件は、それぞれ照明光学系の光軸ＡＸを含み、矩形の発光面の長辺に平行な第１の断面とその短辺に平行な第２の断面の双方において満足されるべきである。

具体的には、第１および第２の断面のそれぞれにおいて、第１のレンズセル３ａ＿１の焦点位置（光束の収束点ｃ１）の第１のレンズセル３ａ＿１の光軸ａｘ１からの高さをY_fe1(mm)とする。また、第２のレンズセル３ｂ＿１の有効幅の半分をH_fe2(mm)とする。このとき、以下の（２）式の条件を満足する。

Y_fe1≦H_fe2 ．．．（２）
Y_fe1は、第１のレンズセル３ａ＿１の焦点距離f_fe1(mm)を用いて表現すると
Y_fe1=f_fe1×tanθ ．．．（３）
となり、さらに（１）式より、
Y_fe1 = f_fe1 ／ f_col×Y_obj ．．．（４）
となる。ここでのY_objは、発光面の照明光学系の光軸ＡＸからの最大高さ（最大物体高）である。そして、（２）式および（４）式から以下の（５）式が成り立つ。
f_fe1／f_col×Y_obj≦H_fe2 ．．．（５）
また、第１のレンズセル３ａ＿１の焦点距離f_fe1(mm)と第２のレンズセル３ｂ＿１の焦点距離f_fe2(mm)との間には、以下の（６）式の関係が成り立つ。
f_fe1＞f_fe2 ．．．（６）
このように、本実施例では、面光源（ＬＥＤ１）からの光束の第２のフライアイレンズ３ｂでのけられをほとんどなくして高効率の照明光学系を得るために、上記（５）式と（６）式を満足するように照明光学系を構成している。

表１に示した数値例１では、f_fe1=２９．２mm、f_col=２９．６mm、Y_obj=２．００mmであり、これを（４）式に代入すると、Y_fe1=１．９８mmである。このとき、H_fe2=２．００mmであるので（５）式の条件を満足する。また、f_fe2=２７．６mmであるので、（６）式の条件を満足する。

図５には、本実施例の照明光学系の第１のフライアイレンズ３ａにおける第１のレンズセル３ａ＿１とは別の第１のレンズセル３ａ＿２による結像の様子を示す。この図において、Y_fe1(mm)は、第１のレンズセル３ａ＿２による光束の収束点ｃ２の該第１のレンズセル３ａ＿２の光軸ａｘ２からの高さである。この図では、第２のフライアイレンズ３ｂを破線で示すとともに、その光学的作用は示さず、第２のフライアイレンズ３ｂの位置と第１のレンズセル３ａ＿２と対をなす第２のレンズセル３ｂ＿２の有効幅の半分H_fe2(mm)を示している。

本実施例の照明光学系においても、第１レンズセル３ａ＿２の収束点ｃ２は第２のレンズセル３ｂ＿２よりも１．４５mmだけ像側に位置している。

最大画角θ=３．９０degの光束の第１のレンズセル３ａ＿２による収束点ｃ２の第１のレンズセル３ａ＿２の光軸ａｘ２からの高さY_fe1は１．９７mmである。また、第２レンズセル３ｂ＿２の有効半径H_fe2は２．００mmである。このため、上記（５），（６）式の条件を満足する。つまり、第１のレンズセル３ａ＿２を通過した光束はほぼ全て、これと対をなす第２レンズセル３ｂ＿２によりけられることなく該第２レンズセル３ｂ＿２を通過することができる。

このように、本実施例によれば、面光源を用いた場合においても光束分割系３（第２のフライアイレンズ３ｂ）での光束のけられの発生をほぼ回避することができる。

また、本実施例で用いた面発光型ＬＥＤの配光分布は、発光面の法線方向での光量が最も多く、法線方向からの傾きが大きくなるほど光量が低下する。このため、発光面の法線方向を中心とした広い角度で光束を取り込むことが重要である。この点について、本実施例では、集光光学系２を透過型光学素子のみで構成しているので、面発光型ＬＥＤの法線方向の光量を効率良く取り込むことができる。しかも、集光光学系２の焦点距離f_colを、例えば数値例１のように２９．６mmと短く設定し、光束の取込角も±２９．８degと大きくしているので、結合効率が高い集光光学系２を実現している。

これら分割光学系３でのけられの回避と集光光学系２の高い結合効率とにより、本実施例の照明光学系は、非常に高い効率を実現している。そして、この照明光学系を用いることで、高いコントラストを有する明るい画像を表示可能な液晶プロジェクタを実現することができる。

なお、集光光学系２の焦点距離は、第１および第２の断面において３０mm以下であることが好ましい。

図６には、本発明の実施例２である照明光学系の構成を示している。この図でも、図１と同様に、ＬＥＤ１および反射型液晶パネル７の長辺に平行な第１の断面を示している。
また、表２には、本実施例に対応する数値例２を示す。本実施例は、実施例１に比べて、集光光学系２の焦点距離を短縮して光束の取込角度を大きくし、面発光型ＬＥＤ１から放射される光束の結合効率を高めている。なお、照明光学系の基本構成は実施例１と同じであるので、以下の説明において、実施例１と構成要素と共通する機能を有する構成要素には実施例１と同符号を付す。また、本実施例でも、ＬＥＤ１の発光面および液晶パネル７のアスペクト比は、４：３である。

実施例１（数値例１）における集光光学系２の焦点距離f_colは２９．６mmであるが、本実施例（数値例２）における集光光学系２の焦点距離f_colは２０．４mmと短くなっている。また、取込角度も、実施例１では±２９．８degであるが、本実施例では±３９．８degと大きくなっている。

これにより、ＬＥＤ１から放射された半値全幅６０degのガウス形状の配光分布を有する光束の結合効率は、実施例１での３９．３%に対して、本実施例では５９．１%と約１．５倍に向上し、取り込める光量が増加している。

ただし、ＬＥＤ１の端から放射された光束は、実施例１よりも大きな画角を有して第１のフライアイレンズ３ａに入射する。集光光学系２から射出した平行光束の最大画角は、実施例１でのθ＝３．９１degに対して、本実施例ではθ=５．８２degと大きくなっている。この場合、最大画角の光束の主光線が第２のフライアイレンズ３ｂの有効径内に収まらないという問題が発生する。

そこで、本実施例では、第１のフライアイレンズ３ａと第２のフライアイレンズ３ｂとの間隔を狭めて、少なくとも最大画角の主光線が第２のフライアイレンズ３ｂを構成する第２のレンズセル３ｂ＿１の有効径内に収まるように構成している。

また、第１のフライアイレンズ３ａにおける第１のレンズセル３ａ＿１による光束の収束点ｃ１の該第１のレンズセル３ａ＿１の光軸ａｘ１からの高さY_fe1が、第２のレンズセル３ｂ＿１の有効幅の半分H_fe2以下となるように構成している。なお、第１のレンズセル３ａ＿１の収束点ｃ１は、実施例１と同様に、第２のレンズセル３ｂ＿１よりも像側に位置させている。

図７には、本実施例の照明光学系の第１のフライアイレンズ３ａにおける第１のレンズセル３ａ＿１とは別の第１のレンズセル３ａ＿２による結像の様子を示す。本実施例では、第１レンズセル３ａ＿２による光束の収束点ｃ２の該第１のレンズセル３ａ＿２の光軸ａｘ２からの高さY_fe1を１．９３mmとしている。そして、これが、第２のレンズセル３ｂ＿１の有効幅の半分H_fe2=２．００mm以下となるように構成している。また、第１のレンズセル３ａ＿２による光束の収束点ｃ２を、第２のレンズセル３ｂ＿２より２．８９mmだけ像側に配置している。

本実施例でも、第１および第２の断面において上記（５），（６）式の条件を満足することで、各第１のレンズセルを通過した光束（マージナル光線）を、これと対をなす第２のレンズセルによってほとんどけられずにこれを通過させることができる。また、集光光学系２の結合効率もきわめて高い。これにより、高効率な照明光学系を実現することができる。

図８には、本発明の実施例３である照明光学系の構成を示している。この図では、ＬＥＤ１およびと液晶パネル７の短辺に平行な第２の断面を示している。また、表３には、本実施例に対応する数値例３を示す。なお、照明光学系の基本構成は、偏光ビームスプリッタ６がないことを除いて、実施例１と同じであるので、以下の説明において、実施例１と構成要素と共通する機能を有する構成要素には実施例１と同符号を付す。

本実施例（数値例３）における液晶パネル７は、アスペクト比が４：３の透過型液晶パネルである。一方、図９に示すように、面光源である面発光型ＬＥＤ１の発光面１ａのアスペクト比は８：３である。具体的には、水平方向幅が５．６６mmで、垂直方向幅が２．１２mmの発光面１ａを有する。この８：３は、液晶パネル７のアスペクト比４：３に対して長辺方向の幅を２倍としたアスペクト比である。また、ＬＥＤ１の発光面積を実施例１および実施例２と同等の１２mm²とするため、発光面１ａの水平方向および垂直方向の幅を上記のように設定した。

集光光学系２は実施例２と同じ構成を有するが、水平方向においてＬＥＤ１の物体高が高くなっていることから、集光光学系２を通過した後の光束の最大画角もθ=８．６１８degと実施例２に比べてかなり大きくなっている。このため、本実施例では、第１のフライアイレンズ３ａと第２フライアイレンズ３ｂとの間隔を、実施例２よりもさらに狭めて１０．０mmとしている。

図１０には、本実施例の照明光学系の第１のフライアイレンズ３ａにおける第１のレンズセル３ａ＿２による結像の様子を示す。本実施例では、第１レンズセル３ａ＿２の収束点ｃ２を、第２のレンズセル３ｂ＿２よりも１．８９mmだけ像側に配置している。また、第１のレンズセル３ａ＿２による光束の収束点ｃ２の該第１のレンズセル３ａ＿２の光軸ａｘ２からの高さY_fe1は２．００mmであり、第２のレンズセル３ｂ＿１の有効幅の半分H_fe2=２．００mmと同じとなるように構成している。

本実施例でも、第１および第２の断面において上記（５），（６）式の条件を満足している。これにより、第１のレンズセルを通過したほぼ全ての光束が、これと対をなす第２のレンズセルによりけられることなくこれを通過することができる。したがって、物体高が高い面光源を用いても光束分割系によりほとんど光束がけられることがない、高効率な照明光学系を実現することができる。

図１１には、第２の断面における光束分割系３から偏光変換素子４までの光路を示している。各レンズセルは、水平方向の有効幅が４．００mmで垂直方向の有効幅が３．００mmの矩形形状を有する。すなわち、液晶パネル７と同じアスペクト比４：３（８：６）を有する。

これに対して、ＬＥＤ１の発光面のアスペクト比は８：３であるため、垂直方向においては、光束分割系３による光束の収束点ｃの近傍ではほぼ半分のエリアを光束が占め、他のエリアは光束が到達しないように構成することができる。

図１２に、偏光変換素子４の構成を模式的に示している。偏光変換素子４は、偏光分離面（誘電体膜）４ａと反射面４ｂとが垂直方向に交互に配置された構成を有する。また、偏光分離面４ａで反射した光の射出面には、１／２波長板４ｃが設けられている。

偏光変換素子４に入射した無偏光光のうちＳ偏光成分（第１の偏光方向を有する第１の偏光成分）は、偏光分離面４ａにて反射され、反射面４ｂにて反射された後、１／２波長板４ｃにてその偏光方向が９０度回転されることで、Ｐ偏光に変換される。偏光分離面４ａでのＳ偏光成分の反射方向は、ＬＥＤ１の発光面の短辺が延びる方向（垂直方向）である。

一方、偏光変換素子４に入射した無偏光光のうちＰ偏光成分（第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する第２の偏光成分）は、偏光分離面４ａを透過してそのまま偏光変換素子４から射出する。これにより、偏光変換素子４に入射した無偏光光が、Ｐ偏光としての直線偏光光に変換される。

偏光変換素子４からのＰ偏光は、液晶パネル７に入射する前にＰ偏光のみを通過させる不図示の偏光板を通過する。これにより、液晶パネル７での透過率を高めることができる。

本実施例では、光変調素子として透過型液晶パネルを用いているが、実施例１，２のように反射型液晶パネルを用いた場合においても偏光ビームスプリッタ６が偏光板の機能を兼ねており、同等の効果が得られる。

ここで、図１２に示したように、偏光変換素子４ではＳ偏光成分の光路を確保する必要があるため、少なくとも１つの断面では、光束が占める割合を５０％程度に抑える必要がある。

本実施例では、液晶パネル７の短辺に対する長辺の長さの割合Ａは１．３３（＝４／３）であるのに対して、ＬＥＤ１の発光面１ａの短辺に対する長辺の長さの割合Ｂは、２．６７（＝８／３）である。つまり、液晶パネル７の縦横比Ａに対して、ＬＥＤ１の発光面１ａの縦横比Ｂが２倍となるように設定している。これにより、図１１に示したように、光束分割系３による光束の収束点ｃの近傍において、発光面１ａの短辺方向に相当する垂直方向での光束が占める割合をほぼ５０％とすることができる。

そして、光束分割系３の収束点ｃの近傍に偏光変換素子４を配置し、Ｓ偏光成分を垂直方向に反射する構成とすることで、偏光変換素子４におけるＳ偏光成分の光路を確保することができる。これにより、液晶パネル７における光量損失が回避され、さらに照明効率を高めることができる。

なお、液晶パネル７の縦横比ＡとＬＥＤ１の発光面１ａの縦横比Ｂとが、
２Ａ≦Ｂ≦５Ａ ．．．（７）
なる条件を満足するとよい。つまり、ＬＥＤ１の発光面１ａの縦横比Ｂが、液晶パネル７の縦横比Ａの２倍以上５倍以下であることが好ましい。Ｂが（７）式の範囲の下限を下回ると、偏光変換素子４においてＳ偏光成分の光路とＰ偏光成分の光路との干渉を回避することが困難となる。また、Ｂが（７）式の範囲の上限を上回ると、ＬＥＤ１の発光面積が小さくなり、光量が低下したり、ＬＥＤ１の長辺方向（水平方向）での物体高が大きくなって必要以上に集光光学系２を射出した光束の画角が大きくなったりして、好ましくない。

このように、（７）式の条件を満足するように液晶パネル７とＬＥＤ１の発光面１ａの縦横比を設定し、かつ偏光変換素子４の偏光分離面４ａにてＳ偏光成分を発光面１ａの短辺が延びる方向に反射させることで、高効率な照明光学系を実現することができる。

なお、上記各実施例では光変調素子として液晶パネルを用いた画像投射装置について説明したが、マイクロミラーデバイス等、液晶パネル以外の光変調素子を用いてもよい。

また、上記各実施例では、画像投射装置に用いられる照明光学系について説明したが、他の装置に照明光学系を用いてもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

画像投射装置等に好適な照明光学系を提供できる。

１ 面発光型ＬＥＤ
２ 集光光学系
３ 光束分割系
７ 液晶パネル（被照明面）

Claims (5)

1. 矩形の発光面を有する光源からの光束を集光する集光光学系と、前記集光光学系からの前記光束を複数の光束に分割する光束分割系とを有し、該光束分割系からの前記複数の光束を被照明面にて互いに重畳させる照明光学系であって、
   前記光束分割系は、前記集光光学系側から順に、複数の第１のレンズセルを含む第１のフライアイレンズと、前記複数の第１のレンズセルのそれぞれと対をなす複数の第２のレンズセルを含む第２のフライアイレンズとにより構成されており、
   前記第１のレンズセルは、該第１のレンズセルを通過した光束を前記第２のレンズセルよりも前記被照明面に近い位置に収束させ、
   前記発光面の中心と前記集光光学系の中心を通る軸を基準軸とするとき、互いに対をなす前記第１および第２のレンズセルに関して、前記基準軸を含み前記発光面の長辺および短辺のそれぞれに平行な第１の断面および第２の断面において、以下の条件を満足することを特徴とする照明光学系。
   f_fe1／f_col×Y_obj≦H_fe2
   ただし、H_fe2は前記第２のレンズセルの有効幅の半分であり、Y_objは前記発光面の前記基準軸からの最大高さであり、f_colは前記集光光学系の焦点距離であり、f_fe1は前記第１のレンズセルの焦点距離である。
2. 前記第２のフライアイレンズと前記被照明面との間に、該第２のフライアイレンズからの無偏光光である前記複数の光束をそれぞれ直線偏光光に変換する偏光変換素子を有し、
   該偏光変換素子は、前記無偏光光のうち第１の偏光方向を有する第１の偏光成分を反射し、該第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する第２の偏光成分を透過する偏光分離面を有しており、
   矩形である前記被照明面の長辺に対する短辺の長さの割合をＡとし、
   前記発光面の長辺に対する短辺の長さの割合をＢとするとき、
   ２Ａ≦Ｂ≦５Ａ
   を満足し、かつ前記偏光分離面は、前記第１の偏光成分を前記発光面の短辺が延びる方向に反射することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記集光光学系が、１または複数の透過型光学素子により構成されており、
   該集光光学系の焦点距離が、前記第１および第２の断面において３０mm以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
4. 前記発光面からの光束の放射角の半値全幅が５０deg以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の照明光学系。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の照明光学系と、
   前記被照明面に配置され、前記照明光学系からの光束を変調する光変調素子とを有し、
   該光変調素子からの光を被投射面に投射して画像を表示することを特徴とする画像投射装置。