JP2014153636A - 照明光学系および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い照明効率を有する照明光学系を提供する。
【解決手段】光軸を含み互いに直交する第１断面または第２断面において光束径を変更可能な照明光学系であって、光源と、光源からの光を集光する集光レンズと、集光レンズで集光された光が入射する第１レンズセルを備えた第１フライアイレンズと、第１レンズセルに対応する第２レンズセルを備えた第２フライアイレンズと、第２フライアイレンズからの光に対して偏光変換を行う偏光変換素子と、偏光変換素子からの光に基づいて画像を表示する画像表示素子とを有し、第１断面および第２断面のそれぞれにおける画像表示素子の幅、光源の発光面の幅、第１フライアイレンズの径、第２フライアイレンズの径、光束径の変化率α、βは適切な範囲に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明光学系および画像投射装置に関する。

従来から、液晶ライトバルブなどの画像表示素子を均一かつ効率的に照明するため、フライアイレンズおよび偏光変換素子を備えた照明光学系が用いられている。このような照明光学系において照明効率を高めるには、フライアイレンズのレンズセルおよび偏光変換素子で形成される有効領域を通過する光束量を大きくする必要がある。

照明光学系で形成される光源像は、光源である放電アークの形状を反映してロッド状であるが、それぞれの光源像を形成する光束が通る放物面リフレクタの反射面の位置に応じた傾斜をもって結像される。このため、光源像は照明光学系の光軸を中心として放射状の分布を有する。一方、フライアイレンズおよび偏光変換素子により形成される有効領域は、長方形である。このため、光源像が有効領域に対してはみ出る（突出する）場合があり、これにより照明光学系の照明効率は低下する。

放物面リフレクタの使用により放射状に広がった光源像に対して、最小の有効領域の面積で最大の照明効率を得るには、有効領域が正方形であることが好ましい。特許文献１には、有効領域を正方形とすることで照明効率を維持する構成が開示されている。

特開平０７−１８１３９２号公報

しかしながら、特許文献１の構成において、光の利用効率を更に高めるには、例えば偏光変換素子を配置する必要がある。ところが、偏光変換素子を構成する偏光ビームスプリッタの幅は、フライアイレンズのレンズセルの半分の幅である。このため、有効領域の形状は長方形となり、損失が発生しやすくなる。

そこで本発明は、高い照明効率を有する照明光学系および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、光軸を含み互いに直交する第１断面または第２断面において光束径を変更可能な照明光学系であって、光源と、前記光源からの光を集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光された光が入射する第１レンズセルを備えた第１フライアイレンズと、前記第１レンズセルに対応する第２レンズセルを備えた第２フライアイレンズと、前記第２フライアイレンズからの光に対して偏光変換を行う偏光変換素子と、前記偏光変換素子からの光に基づいて画像を表示する画像表示素子とを有し、前記第１断面および前記第２断面のそれぞれにおける前記画像表示素子の幅、前記光源の発光面の幅、前記第１フライアイレンズの径、前記第２フライアイレンズの径、前記光束径の変化率α、βはそれぞれ適切に設定されている。

本発明の他の側面としての照明光学系は、光軸を含み互いに直交する第１断面または第２断面において光束径を変更可能な照明光学系であって、光源と、前記光源からの光を集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光された光が入射する第１レンズセルを備えた第１フライアイレンズと、前記第１レンズセルに対応する第２レンズセルを備えた第２フライアイレンズと、前記第２フライアイレンズからの光に基づいて画像を表示する画像表示素子とを有し、前記第１断面および前記第２断面のそれぞれにおける前記画像表示素子の幅、前記光源の発光面の幅、前記第１フライアイレンズの径、前記第２フライアイレンズの径、前記光束径の変化率α、βはそれぞれ適切に設定されている。

本発明の他の側面としての照明光学系は、光軸を含み互いに直交する第１断面または第２断面において光束径を変更可能な照明光学系であって、光源と、前記光源からの光を集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光された光が入射するロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータからの光に基づいて画像を表示する画像表示素子とを有し、前記第１断面および前記第２断面のそれぞれにおいて、前記画像表示素子の幅、前記光源の発光面の幅、前記ロッドインテグレータの射出面の幅、該ロッドインテグレータの入射面の幅、前記光束径の変化率α、βはそれぞれ適切に設定されている。

本発明の他の側面としての画像投射装置は、前記照明光学系を有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、高い照明効率を有する照明光学系および画像投射装置を提供することができる。

実施例１における照明光学系の構成図である。 実施例１における照明光学系の有効領域と光源像との関係図である。 実施例１における照明光学系の有効領域と光源の発光面のアスペクトに差異が生じた場合の損失を示す図である。 実施例２における照明光学系の構成図である。 実施例２における照明光学系の有効領域と光源像との関係図である。 実施例２における照明光学系の有効領域と光源の発光面のアスペクトに差異が生じた場合の損失を示す図である。 実施例３における照明光学系の構成図である。 実施例３における照明光学系の有効領域と光源像との関係図である。 実施例３における照明光学系の有効領域と光源の発光面のアスペクトに差異が生じた場合の損失を示す図である。 実施例１乃至３において、有効領域のアスペクトに応じた効果の変化を示す図である。 実施例４における照明光学系の構成図である。 実施例４における照明光学系の有効領域と光源像との関係図である。 実施例５における照明光学系の構成図である。 実施例５における照明光学系の有効領域と光源像との関係図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本発明の実施例１における照明光学系の構成について説明する。図１は、本実施例における照明光学系の構成図であり、図１（ａ）はＹ方向から見た断面図、図１（ｂ）はＸ方向から見た断面図をそれぞれ示している。本実施例の照明光学系は、光軸ＯＡを含み互いに直交する第１断面（ＸＺ平面）または第２断面（ＹＺ平面）において光束径を変更可能に構成されている。

図１において、９は光源（発光ダイオード）である。光源９は、アスペクトが約１：２である矩形（長方形）の発光面を有する。ここで、アスペクトとは、第１断面（Ｘ方向）における幅（長さ）と第２断面（Ｙ方向）における幅（長さ）との比である。１０は、光源９からの光を集光する集光レンズである。１１は、アスペクトが２：１である画像表示素子（液晶画像表示素子）である。画像表示素子１１（光変調素子）は、後述の偏光変換素子１４（コンデンサレンズ１５）からの光に基づいて（光を変調して）画像を表示する。１２は第１フライアイレンズである。第１フライアイレンズ１２は、集光レンズ１０で集光された光が入射する複数のレンズセル１２ａ（第１レンズセル）をマトリクス状に配列して構成されている。本実施例において、各々のレンズセル１２ａは、矩形（長方形）であって、画像表示素子１１と略相似形状である。

１３は第２フライアイレンズである。第２フライアイレンズ１３は、第１フライアイレンズ１２の複数のレンズセル１２ａの各々に対応する複数のレンズセル１３ａ（第２レンズセル）を有する。１４は偏光変換素子である。偏光変換素子１４は、第２フライアイレンズ１３からの光に対して偏光変換を行う（光を所定の偏光状態に揃える）。１５はコンデンサレンズである。また図１（ａ）、（ｂ）において、光軸ＯＡはＺ軸（Ｚ方向）と平行である。また、光軸ＯＡを含み互いに直交する２つの断面（図１（ａ）に示される断面、図１（ｂ）に示される断面）をそれぞれ、第１断面（Ｙ軸に直交する断面）および第２断面（Ｘ軸に直交する断面）とする。

光源９（発光ダイオード）は、半導体ウエハの切り出し方により、発光面形状を任意に決定することができる。このため、アスペクトが１：２である矩形の発光面形状は、比較的容易に作成することが可能である。光源９から放射された光は、集光レンズ１０で集光され略平行な光束となり、第１フライアイレンズ１２に入射する。第１フライアイレンズ１２の各々のレンズセル１２ａは、それに対応する第２フライアイレンズ１３のレンズセル１３ａおよび偏光変換素子１４（または、それらの近傍）に、複数の光源像を形成する。

第２フライアイレンズ１３の外形は、図１（ａ）中の第１断面方向（Ｘ方向）に、第１フライアイレンズ１２に対して約５０％まで圧縮されており、照明光学系の小型化が図られている。このとき、第２フライアイレンズ１３のレンズセル１３ａのアスペクトは、約１：１である。第２フライアイレンズ１３から射出した複数の分割光束は、偏光変換素子１４で偏光変換された後、コンデンサレンズ１５により画像表示素子１１上で重ね合わされる。

続いて、図２を参照して、第２フライアイレンズ１３と偏光変換素子１４により構成される有効領域１６、および、光源像１７の形状について説明する。図２は、本実施例における照明光学系の有効領域と光源像との関係図である。

図２（ａ）は、第２フライアイレンズ１３と偏光変換素子１４により構成される有効領域１６の形状を示している。第２フライアイレンズ１３のレンズセル１３ａのアスペクトは約１：１である。このため、偏光変換素子１４を介すると、有効領域１６は約１：２のアスペクトの長方形形状となる。従って、有効領域１６は、例えばランプの放電アークとリフレクタが作る放射状の光源像分布に対して照明効率が低下する形状を有する。

図２（ｂ）は、本実施例における照明光学系により形成される光源像１７の形状を示している。前述のリフレクタを用いた場合と比較して、集光レンズ１０および第１フライアイレンズ１２を有する結像光学系により形成される光源像１７は、放射状ではなく、光源９の発光面の１：２のアスペクトおよび配置を保持した状態で結像される。これは、第１フライアイレンズ１２により形成される各分割光束は、集光レンズ１０を通過する面が位置に依存せずに同一の焦点距離を有するため、傾きを持って結像されないからである。

従って、図２（ｃ）に示されるように、本実施例の集光レンズ１０を用いた構成では、光源像１７が光源９の発光面と同様の１：２のアスペクトの矩形形状および配置を保持した状態で結像される。このため、有効領域１６と光源像１７のアスペクトが略相似形状となり、有効領域１６が長方形であるにもかかわらず、照明効率の低下を防ぐ（低減）することができる。

本実施例の照明光学系によれば、第２フライアイレンズ１３の外形を圧縮して光学系（照明光学系）の小型化を達成しつつ、第２フライアイレンズ１３および偏光変換素子１４により形成される有効領域１６が長方形となる場合でも高い照明効率を維持可能である。

本実施例において、有効領域１６のアスペクトと光源９の発光面のアスペクトを一致（略一致）させているが、多少のアスペクト差を含んでいる場合でも十分な効果を得ることができる。本実施例において、第１断面（図１（ａ））および第２断面（図１（ｂ））における画像表示素子１１のアスペクトをＸ：Ｙ（画像表示素子１１の幅をＸ、Ｙ）、光源９の発光面のアスペクトをｘ：ｙ（発光面の幅をｘ、ｙ）とする。また、第１断面および第２断面における第１フライアイレンズ１２の径（外径）をそれぞれ、Ｄ１ｘ、Ｄ１ｙとする。また、第１断面および第２断面における第２フライアイレンズ１３の径（外径）をそれぞれ、Ｄ２ｘ、Ｄ２ｙとする。また、第１断面および第２断面における光束（光束径）の変化率（圧縮率または拡大率）をそれぞれ、α＝Ｄ２ｘ／Ｄ１ｘ、β＝Ｄ２ｙ／Ｄ１ｙと定義する。このとき、有効領域１６と光源９の発光面のアスペクト差は、以下の式（１）のように表される。

（αＸ／２）／（βＹ）×（ｙ／ｘ） …（１）
例えば、本実施例において、画像表示素子１１のアスペクトはＸ：Ｙ＝２：１を満たし、光源９の発光面のアスペクトはｘ：ｙ＝１：２を満たす。第１断面について光束径は圧縮されないためα＝１、第２断面については光束径の圧縮率は５０％であるためβ＝０．５となる。従って、アスペクト差を表す式（１）は、以下の式（２）で表される関係を満たし、アスペクト差がないことが示される。

（αＸ／２）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＝１ …（２）
一方、式（２）の右辺の値が１から離れるほど有効領域１６のアスペクトと光源９の発光面のアスペクトとの差（アスペクト差）が大きくなる。

続いて、図３を参照して、照明光学系の有効領域１６のアスペクトと光源９の発光面のアスペクトに差が生じた場合の損失について説明する。図３は、有効領域１６と光源９の発光面のアスペクトに差が生じた場合の損失を示す図である。図３（ａ）は、アスペクトが１：２である長方形の有効領域１６に対して正方形１：１の発光面を有する光源９を適用した場合を示している。図３（ｂ）は、正方形と同じ面積であり、かつ有効領域１６と同じアスペクト（１：２）である長方形の発光面を有する光源９を適用した場合を示している。図３（ｃ）は、有効領域１６のアスペクトと光源９の発光面のアスペクトとの間にある程度の差異がある場合、それぞれについて損失が発生する様子を示している。

図３（ａ）は、長方形の有効領域１６に対して、リフレクタの使用により生じる対称の光源像１７を適用した場合を想定している。長方形の有効領域１６に対して正方形の光源像１７を適用すると、光源像１７が有効領域１６と比較して大きくはみ出す（突出する）ため、損失が発生し、照明効率が低下する。照明光学系の損失は、概して、光源像１７の全面積に対する有効領域１６からはみ出した部分（突出部分）の面積で表すことができ、このとき損失は約３２％である。

一方、図３（ｂ）では、有効領域１６と同じアスペクトを有する長方形の光源像１７を適用しているため、有効領域１６から光源像１７がはみ出す面積（突出する面積）は最小となり、このとき損失は約９％である。本実施例において、図３（ａ）の損失に対する図３（ｂ）の損失の差分としての約２３％が、照明効率改善の効果となる。

図３（ｂ）において、有効領域１６に対して同じアスペクトを有する長方形の光源像１７を適用しているが、光源像１７は有効領域１６から僅かにはみ出している（突出している）。通常、照明光学系において光源９からの発散光束をより効率的に取り込むため、リフレクタや集光レンズの焦点距離を短くする。ただし、このとき光源像１７の結像倍率は大きくなる。画像表示素子１１に到達する光量を最も多くするには、光源像１７の有効領域１６からのはみ出しの損失と光源９からの取り込み増による光量増が釣り合うように設計する必要がある。このため、有効領域１６に対して光源像１７がはみ出す（突出する）ように設計している。

図３（ｃ）では、有効領域１６に対する光源像１７のアスペクトの差異が、式（１）を用いて以下の式（３）、（４）で表される量だけ生じている場合、有効領域１６に対する光源像１７のはみ出し面積はいずれも約１６％程度となる。

（αＸ／２）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＝０．７８ …（３）
（αＸ／２）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＝１．２８ …（４）
従って、図３（ａ）の損失に対する図３（ｃ）の損失の差分としての約１６％が、これらの場合の照明効率改善の効果となる。

１：２のアスペクトを有する有効領域１６に対して同じアスペクトを有する長方形の発光面を有する光源９を適用した場合、照明効率は約２３％だけ改善する。一方、式（３）、（４）で表されるアスペクトの差異を有する発光面の光源９を適用した場合、照明効率は約１６％だけ改善する。この場合、最も大きな照明効率の改善率（約２３％）に対して約７０％の効果が得られることになる。

従って、長方形の有効領域１６に対しては、同じアスペクトを有する長方形の発光面を有する光源９を適用するのが好ましい。ただし、以下の式（５）の条件を満たす範囲であれば、十分な照明効率改善の効果が得られる。

０．７８＜（αＸ／２）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＜１．２８ …（５）

次に、図４を参照して、本発明の実施例２における照明光学系の構成について説明する。図４は、本実施例における照明光学系の構成図であり、図４（ａ）はＹ方向から見た断面図、図４（ｂ）はＸ方向から見た断面図をそれぞれ示している。本実施例の照明光学系は、光軸ＯＡを含み互いに直交する第１断面（ＸＺ平面）または第２断面（ＹＺ平面）において光束径を変更可能に構成されている。

図４（ａ）、（ｂ）において、１８は光源（発光ダイオード）である。光源１８は、アスペクトが約２：３である矩形（長方形）の発光面を有する。ここで、アスペクトとは、第１断面（Ｘ方向）における幅（長さ）と第２断面（Ｙ方向）における幅（長さ）との比である。１０は、光源１８からの光を集光する集光レンズである。１９は、アスペクトが４：３である画像表示素子（液晶画像表示素子）である。画像表示素子１９（光変調素子）は、後述の偏光変換素子２２（コンデンサレンズ１５）からの光に基づいて（光を変調して）画像を表示する。

２０は第１フライアイレンズである。第１フライアイレンズ２０は、集光レンズ１０で集光された光が入射する複数のレンズセル２０ａ（第１レンズセル）をマトリクス状に配列して構成されている。本実施例において、各々のレンズセル２０ａは、矩形（長方形）であって、画像表示素子１９と略相似形状を有する。

２１は第２フライアイレンズである。第２フライアイレンズ２１は、第１フライアイレンズ２０の複数のレンズセル２０ａの各々に対応する複数のレンズセル２１ａ（第２レンズセル）を有する。２２は偏光変換素子である。偏光変換素子２２は、第２フライアイレンズ２１からの光に対して偏光変換を行う（光を所定の偏光状態に揃える）。１５はコンデンサレンズである。また図４（ａ）、（ｂ）において、光軸ＯＡはＺ軸（Ｚ方向）と平行である。また、光軸ＯＡを含み互いに直交する２つの断面（図４（ａ）に示される断面、図４（ｂ）に示される断面）をそれぞれ、第１断面（Ｙ軸に直交する断面）および第２断面（Ｘ軸に直交する断面）とする。

第２フライアイレンズ２１の外形は、図４（ａ）中の第１断面方向（Ｘ方向）に、第１フライアイレンズ２０に対して約７０％まで圧縮されており、照明光学系の小型化が図られている。このとき、第２フライアイレンズ２１のレンズセル２１ａのアスペクトは、画像表示素子１９と共役関係にある第１フライアイレンズ２０と同様に、約４：３である。

続いて、図５を参照して、第２フライアイレンズ２１と偏光変換素子２２により構成される有効領域２３、および、光源像２４の形状について説明する。図５は、本実施例における照明光学系の有効領域と光源像との関係図である。

図５（ａ）は、第２フライアイレンズ２１と偏光変換素子２２により構成される有効領域２３の形状を示している。第２フライアイレンズ２１のレンズセル２１ａのアスペクトは約４：３である。このため、偏光変換素子２２を介すると、有効領域２３は約２：３のアスペクトの長方形となる。従って、有効領域２３は、例えばランプの放電アークとリフレクタが作る放射状の光源像分布に対して照明効率が低下する形状を有する。

図５（ｂ）は、本実施例における照明光学系により形成される光源像２４の形状を示している。本実施例では、有効領域２３と同じアスペクトである発光面を有する光源１８を用い、かつ、光源１８からの光束を集光レンズ１０により集光している。このため、光源像２４が光源１８の発光面と同様の２：３のアスペクトおよび配置を保持した状態で結像される。従って、図５（ｃ）に示されるように、有効領域２３と光源像２４のアスペクトが略相似形状となり、有効領域２３が長方形であるにもかかわらず、照明効率の低下を防ぐ（低減）することができる。

本実施例の照明光学系によれば、第２フライアイレンズ２１の外形を圧縮し光学系（照明光学系）の小型化を達成しつつ、第２フライアイレンズ２１および偏光変換素子２２により形成される有効領域２３が長方形となる場合でも高い照明効率を維持可能である。

例えば、本実施例において、画像表示素子１９のアスペクトはＸ：Ｙ＝４：３を満たし、光源１８の発光面のアスペクトはｘ：ｙ＝２：３を満たす。第１断面および第２断面についての圧縮率はいずれも７０％であるから、α＝０．７、β＝０．７となる。従って、アスペクト差を表す式（１）の右辺は、実施例１と同様に１である。

続いて、図６を参照して、照明光学系の有効領域２３と光源１８の発光面のアスペクトに差が生じた場合の損失について説明する。図６は、有効領域２３と光源１８の発光面のアスペクトに差が生じた場合の損失を示す図である。図６（ａ）は、アスペクトが２：３である長方形の有効領域２３に対して正方形１：１の発光面を有する光源１８を適用した場合を示している。図６（ｂ）は、正方形と同じ面積であり、かつ有効領域２３と同じアスペクト（２：３）である長方形の発光面を有する光源１８を適用した場合を示している。図６（ｃ）は、有効領域２３のアスペクトと光源１８の発光面のアスペクトとの間にある程度の差異がある場合、それぞれについて損失が発生する様子を示している。

図６（ａ）において、照明光学系の損失は、概して、光源像２４の全面積に対する有効領域２３からはみ出した部分（突出部分）の面積で表すことができ、このとき損失は約２２％である。

一方、図６（ｂ）では、有効領域２３と同じアスペクトを有する長方形の光源像２４を適用しているため、有効領域２３から光源像２４がはみ出す面積（突出する面積）は最小となり、このとき損失は約９％である。本実施例において、図６（ａ）の損失に対する図６（ｂ）の損失の差分としての約１３％が、照明効率改善の効果となる。

図６（ｃ）では、有効領域２３に対する光源像２４のアスペクトの差異が、式（１）を用いて以下の式（６）、（７）で表される量だけ生じている場合、有効領域２３に対する光源像２４のはみ出し面積はいずれも約１３％程度となる。

（αＸ／２）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＝０．８３ …（６）
（αＸ／２）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＝１．２０ …（７）
従って、図６（ａ）の損失に対する図６（ｃ）の損失の差分としての約９％が、これらの場合の照明効率改善の効果となる。

２：３のアスペクトを有する有効領域２３に対して同じアスペクトを有する長方形の発光面を有する光源１８を適用した場合、照明効率は約１３％だけ改善する。一方、式（６）、（７）で表されるアスペクトの差異を有する発光面の光源１８を適用した場合、照明効率は約９％だけ改善する。このため、有効領域２３と光源１８のアスペクトの差異がある場合でも、最も大きな照明効率の改善率（約１３％）に対して約７０％の効果が得られる。

有効領域２３と光源１８のアスペクトの差異が式（５）の範囲内にある場合、照明効率は約５０％まで低下する。従って、２：３のアスペクトを有する長方形の有効領域２３に対しては、以下の式（８）の条件を満たす範囲にあることがより好ましい。

０．８３＜（αＸ／２）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＜１．２０ …（８）

次に、図７を参照して、本発明の実施例３における照明光学系の構成について説明する。図７は、本実施例における照明光学系の構成図であり、図７（ａ）はＹ方向から見た断面図、図７（ｂ）はＸ方向から見た断面図をそれぞれ示している。本実施例の照明光学系は、光軸ＯＡを含み互いに直交する第１断面（ＸＺ平面）または第２断面（ＹＺ平面）において光束径を変更可能に構成されている。

図７（ａ）、（ｂ）において、２５は光源（発光ダイオード）である。光源２５は、アスペクトが約２：３である矩形（長方形）の発光面を有する。ここで、アスペクトとは、第１断面（Ｘ方向）における幅（長さ）と第２断面（Ｙ方向）における幅（長さ）との比である。１０は、光源２５からの光を集光する集光レンズである。１９は、アスペクトが４：３である画像表示素子（液晶画像表示素子）である。画像表示素子１９（光変調素子）は、後述の偏光変換素子２８（コンデンサレンズ１５）からの光に基づいて（光を変調して）画像を表示する。２６は、集光レンズ１０で集光された光が入射する複数のレンズセル２６ａ（第１レンズセル）をマトリクス状に配列して構成された第１フライアイレンズである。本実施例において、各々のレンズセル２６ａは、矩形（長方形）であって、画像表示素子１９と略相似形状を有する。

２７は、第１フライアイレンズ２６の複数のレンズセル２６ａの各々に対応する複数のレンズセル２７ａ（第２レンズセル）を有する第２フライアイレンズである。２８は偏光変換素子である。偏光変換素子２８は、第２フライアイレンズ２７からの光に対して偏光変換を行う（光を所定の偏光状態に揃える）。１５はコンデンサレンズである。また図７（ａ）、（ｂ）において、光軸ＯＡはＺ軸（Ｚ方向）と平行である。また、光軸ＯＡを含み互いに直交する２つの断面（図７（ａ）に示される断面、図７（ｂ）に示される断面）をそれぞれ、第１断面（Ｙ軸に直交する断面）および第２断面（Ｘ軸に直交する断面）とする。

第２フライアイレンズ２７の外形は、図７（ａ）中の第１断面方向（Ｘ方向）に、第１フライアイレンズ２６に対して約１３％だけ拡大されており、照明光学系の大幅な大型化を回避しつつ照明効率の向上を図っている。このとき、第２フライアイレンズ２７のレンズセル２７ａのアスペクトは、約６：４である。

続いて、図８を参照して、第２フライアイレンズ２７と偏光変換素子２８により構成される有効領域２９、および、光源像３０の形状について説明する。図８は、本実施例における照明光学系の有効領域と光源像との関係図である。

図８（ａ）は、第２フライアイレンズ２７と偏光変換素子２８により構成される有効領域２９の形状を示している。第２フライアイレンズ２７のレンズセル２７ａのアスペクトは約６：４である。このため、偏光変換素子２８を介すると、有効領域２９は約３：４のアスペクトの長方形形状となる。従って、有効領域２９は、大型化と引き換えに照明効率の向上を図ろうとしながら、例えばランプの放電アークとリフレクタが作る放射状の光源像分布に対して照明効率が低下する形状を有する。

図８（ｂ）は、本実施例における照明光学系により形成される光源像３０の形状を示している。本実施例では、有効領域２９と同じアスペクトである発光面を有する光源２５を用い、かつ、光源２５からの光束を集光レンズ１０により集光している。このため、光源像３０が光源２５の発光面と同様の３：４のアスペクトおよび配置を保持した状態で結像される。従って、図８（ｃ）に示されるように、有効領域２９と光源像３０のアスペクトが略相似形状となり、有効領域２９が長方形であるにもかかわらず、照明効率の低下を防ぐ（低減）することができる。

本実施例の照明光学系によれば、第２フライアイレンズ２７の外形を拡大し光学系（照明光学系）の大型化を抑えつつ、第２フライアイレンズ２７および偏光変換素子２８により形成される有効領域２９が長方形となる場合でも高い照明効率を維持可能である。

例えば、本実施例において、画像表示素子１９のアスペクトはＸ：Ｙ＝４：３を満たし、光源２５の発光面のアスペクトはｘ：ｙ＝３：４を満たす。第１断面についての拡大率は約１３％であるため、α＝１．１３である。また、第２断面については拡大していないため、β＝１である。従って、アスペクトの差異を表す式（１）の右辺は、実施例１、２と同様に１である。

続いて、図９を参照して、照明光学系の有効領域２９と光源２５の発光面のアスペクトに差が生じた場合の損失について説明する。図９は、有効領域２９と光源２５の発光面のアスペクトに差が生じた場合の損失を示す図である。図９（ａ）は、アスペクトが３：４である長方形の有効領域２９に対して正方形１：１の発光面を有する光源２５を適用した場合を示している。図９（ｂ）は、正方形と同じ面積であり、かつ有効領域２９と同じアスペクト（３：４）である長方形の発光面を有する光源２５を適用した場合を示している。図９（ｃ）は、有効領域２９のアスペクトと光源２５の発光面のアスペクトとの間にある程度の差異がある場合、それぞれについて損失が発生する様子を示している。

図９（ａ）において、照明光学系の損失は、概して、光源像３０の全面積に対する有効領域２９からはみ出した部分（突出部分）の面積で表すことができ、このとき損失は約１７．５％である。

一方、図９（ｂ）では、有効領域２９と同じアスペクトを有する長方形の光源像３０を適用しているため、有効領域２９から光源像３０がはみ出す面積（突出する面積）は最小となり、このとき損失は約９％である。本実施例において、図９（ａ）の損失に対する図９（ｂ）の損失の差分としての約８．５％が、照明効率改善の効果となる。

図９（ｃ）では、有効領域２９に対する光源像３０のアスペクト差が、式（１）を用いて以下の式（９）、（１０）で表される量だけ生じている場合、有効領域２９に対する光源像３０のはみ出し面積はいずれも約１１．５％程度となる。

（αＸ／２）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＝０．８６ …（９）
（αＸ／２）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＝１．１６ …（１０）
従って、図９（ａ）の損失に対する図９（ｃ）の損失の差分としての約６％が、これらの場合の照明効率改善の効果となる。

３：４のアスペクトを有する有効領域２９に対して同じアスペクトを有する長方形の発光面を有する光源２５を適用した場合、照明効率は約８．５％だけ改善する。一方、式（９）、（１０）で表されるアスペクト差を有する発光面の光源２５を適用した場合、照明効率は約６％だけ改善する。この場合、最も大きな照明効率の改善率（約８．５％）に対して約７０％の効果が得られる。

有効領域２９と光源２５のアスペクト差が式（５）の範囲内にある場合、照明効率は約２０％まで低下する。また、有効領域２９と光源２５のアスペクト差が式（８）の範囲内にある場合、照明効率は約５０％まで低下する。従って、３：４のアスペクトを有する長方形の有効領域２９に対しては、以下の式（１１）の条件を満たす範囲にあることがより好ましい。

０．８６＜（αＸ／２）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＜１．１６ …（１１）
実施例１乃至３において、有効領域のアスペクトがより正方形に近づくにつれて、有効領域と光源の発光面のアスペクトを一致させた場合の照明効率改善の効果が小さくなっている。続いて、図１０を参照して、この照明効率改善の効果について説明する。図１０は、実施例１乃至３において、有効領域のアスペクトに応じた効果の変化を示す図であり、有効領域のアスペクトによる照明効率改善の最大効果をプロットしたグラフを示している。図１０において、縦軸は照明効率改善、横軸は有効領域のアスペクトをそれぞれ示している。また、図１０中の点線部は、有効領域のアスペクトが９：１０（０．９）である場合、および、１１：１０（１．１）である場合をそれぞれ示している。

図１０に示されるように、有効領域のアスペクトが９：１０（０．９）以上かつ１１：１０（１．１）以下の範囲、すなわち有効領域が正方形に近い場合には、照明効率改善の効果はほとんどない。一方、有効領域のアスペクト比が１から離れるにつれて、照明効率改善の効果は向上する。従って、各実施例により照明効率改善の十分な効果を得るには、有効領域のアスペクトが以下の式（１２）で表される範囲を満たすように、画像表示素子のアスペクトＸ：Ｙ、および、変化率α、β（圧縮率または拡大率）を設定することが好ましい。

（αＸ／２）／（βＹ）＜０．９または１．１＜（αＸ／２）／（βＹ） …（１２）

次に、図１１を参照して、本発明の実施例４における照明光学系の構成について説明する。図１１は、本実施例における照明光学系の構成図であり、図１１（ａ）はＹ方向から見た断面図、図１１（ｂ）はＸ方向から見た断面図をそれぞれ示している。本実施例の照明光学系は、光軸ＯＡを含み互いに直交する第１断面（ＸＺ平面）および第２断面（ＹＺ平面）において光束径を変更可能に構成されている。

図１１（ａ）、（ｂ）において、３１は光源（発光ダイオード）である。光源３１は、アスペクトが約２：１である矩形（長方形）の発光面を有する。ここで、アスペクトとは、第１断面（Ｘ方向）における幅（長さ）と第２断面（Ｙ方向）における幅（長さ）との比である。１０は、光源３１からの光を集光する集光レンズである。１９は、アスペクトが４：３である画像表示素子（液晶画像表示素子）である。画像表示素子１９（光変調素子）は、後述の第２フライアイレンズ３３（コンデンサレンズ１５）からの光に基づいて（光を変調して）画像を表示する。３２は、集光レンズ１０で集光された光が入射する複数のレンズセル３２ａ（第１レンズセル）をマトリクス状に配列して構成された第１フライアイレンズである。本実施例において、各々のレンズセル３２ａは、矩形（長方形）であって、画像表示素子１９と略相似形状を有する。

３３は、第１フライアイレンズ３２の複数のレンズセル３２ａの各々に対応する複数のレンズセル３２ａ（第２レンズセル）を有する第２フライアイレンズである。１５はコンデンサレンズである。また図１１（ａ）、（ｂ）において、光軸ＯＡはＺ軸（Ｚ方向）と平行である。また、光軸ＯＡを含み互いに直交する２つの断面（図１１（ａ）に示される断面、図１１（ｂ）に示される断面）をそれぞれ、第１断面（Ｙ軸に直交する断面）および第２断面（Ｘ軸に直交する断面）とする。

第２フライアイレンズ３３の外形は、図１１（ａ）中の第２断面方向（Ｙ方向）に、第１フライアイレンズ３２に対して約７５％まで圧縮されており、照明光学系の小型化が図られている。このとき、第２フライアイレンズ３３のレンズセル３３ａのアスペクトは、約２：１である。

続いて、図１２を参照して、第２フライアイレンズ３３により構成される有効領域３４、および、光源像３５の形状について説明する。図１２は、本実施例における照明光学系の有効領域と光源像との関係図である。本実施例の照明光学系は、偏光変換素子が含まれない点で、実施例１乃至３の照明光学系とは異なる。このため、図１２（ａ）に示されるように、有効領域３４の形状は第２フライアイレンズ３３のレンズセル３３ａの形状と同一であり、有効領域３４のアスペクトは２：１の長方形形状となる。従って、有効領域３４は、例えばランプの放電アークとリフレクタが作る放射状の光源像分布に対して照明効率が低下する形状を有する。

図１２（ｂ）は、本実施例における照明光学系により形成される光源像３５の形状を示している。本実施例では、有効領域３４と同じアスペクトである発光面を有する光源３１を用い、かつ、光源３１からの光束を集光レンズ１０により集光している。このため、光源像３５が光源３１の発光面と同様の２：１のアスペクトおよび配置を保持した状態で結像される。従って、図１２（ｃ）に示されるように、有効領域３４と光源像３５のアスペクトが略相似形状となり、有効領域３４が長方形であるにもかかわらず、照明効率の低下を防ぐ（低減）することができる。

本実施例の照明光学系によれば、第２フライアイレンズ３３の外形を圧縮し光学系（照明光学系）の小型化を達成しつつ、第２フライアイレンズ３３のレンズセル３３ａにより形成される有効領域３４が長方形となる場合でも高い照明効率を維持可能である。

本実施例では、有効領域３４のアスペクトと光源３１の発光面のアスペクトを略一致させているが、実施例１乃至３と同様に、多少のアスペクトがある場合でも十分な効果を得ることが可能である。有効領域と発光面のアスペクト差は、以下の式（１３）で表される。

（αＸ）／（βＹ）×（ｙ／ｘ） …（１３）
本実施例の照明光学系には偏光変換素子が設けられていないため、有効領域のアスペクトを表現する際に、式（１）中の１／２のファクター（因子）が消える。

本実施例では、実施例１と同様に、有効領域３４のアスペクトが２：１の長方形である。長方形の有効領域３４に対して、同じアスペクトである長方形の発光面を有する光源３１を適用した場合の照明効率改善は、約２３％である。一方、以下の式（１４）、（１５）で表されるアスペクトの差異を有する発光面の光源を適用した場合、照明効率改善は約１６％となり、最も大きな照明効率改善に対して約７０％の効果が得られる。

（αＸ）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＝０．７８ …（１４）
（αＸ）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＝１．２８ …（１５）
従って、長方形の有効領域３４に対しては、同じアスペクトである長方形の発光面を有する光源３１を適用するのが好ましいが、以下の式（１６）で表される条件を満たす範囲であれば、十分な照明効率改善の効果が得られる。

０．７８＜（αＸ）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＜１．２８ …（１６）

次に、図１３を参照して、本発明の実施例５における照明光学系の構成について説明する。図１３は、本実施例における照明光学系の構成図であり、図１３（ａ）はＹ方向から見た断面図、図１３（ｂ）はＸ方向から見た断面図をそれぞれ示している。本実施例の照明光学系は、光軸ＯＡを含み互いに直交する第１断面（ＸＺ平面）および第２断面（ＹＺ平面）において光束径を変更可能に構成されている。

図１３（ａ）、（ｂ）において、９は光源（発光ダイオード）である。光源９は、アスペクトが約１：２である矩形（長方形）の発光面を有する。ここで、アスペクトとは、第１断面（Ｘ方向）における幅（長さ）と第２断面（Ｙ方向）における幅（長さ）との比である。３６は、光源９からの光を集光する集光レンズである。３７はロッドインテグレータである。ロッドインテグレータ３７は、集光レンズ３６で集光された光が入射する。３８は、アスペクト４：３のＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）であり、画像表示素子を構成する。ＤＭＤ３８（光変調素子）は、ロッドインテグレータ３７（コンデンサレンズ３９、全反射プリズム４０）からの光に基づいて（光を変調して）画像を表示する。３９は結像レンズである。４０は全反射プリズムである。また図１３（ａ）、（ｂ）において、光軸ＯＡはＺ軸（Ｚ方向）と平行である。また、光軸ＯＡを含み互いに直交する２つの断面（図１３（ａ）に示される断面、図１３（ｂ）に示される断面）をそれぞれ、第１断面（Ｙ軸に直交する断面）および第２断面（Ｘ軸に直交する断面）とする。

光源９から放射された光は、集光レンズ３６で集光され、ロッドインテグレータ３７の入射面４１（またはその近傍）において光源像４２を形成する。ロッドインテグレータ３７は、フライアイレンズと同様に、画像表示素子を照明する照度分布の均一化を行う素子である。ロッドインテグレータ３７に入射した光束は、その内部で全反射を繰り返し、射出面４３から均一な照度分布が得られる。射出面４３は、ＤＭＤ３８と相似形状の４：３のアスペクトを有し、射出面４３から発散する光束が結像レンズ３９、全反射プリズム４０の境界面における全反射を介して、ＤＭＤ３８を矩形かつ均一にクリティカル照明する。ＤＭＤ３８に入射した光束は、ＤＭＤ３８を構成する可動マイクロミラーにより光路が切り替えられる。光路が切り替えられた光束は、投射光学系を介してスクリーン（投射面）へ投射される。

全反射プリズム４０は、境界面における全反射を利用してＤＭＤ３８への入射および反射光路の切り替えを行う。このため、ＤＭＤ３８へ入射する光束の角度広がりが大きくなると、臨界角（または、その近傍）にて入射側の反射光路と射出側の透過光路の間にクロストークが生じる。これは、映像のコントラストを低下させる原因になる。

本実施例において、ロッドインテグレータ３７の入射面４１の形状は、第１断面方向（Ｘ方向）において、射出面４３の形状に対して約６３％圧縮され、所謂テーパロッド形状になっている。射出面４３の幅（Ｘ方向の長さ）より入射面４１の幅（Ｘ方向の長さ）が狭くなることにより、射出面４３から発散する光束の角度は小さくなる。従って、ＤＭＤ３８を照明する光束の角度広がりを小さくすることができ、コントラストの低下を防ぐ（低減する）ことが可能となる。

しかしながら、ロッドインテグレータ３７の４：３のアスペクトを有する射出面４３に対して、入射面４１は、第１断面で約６３％圧縮されているため、１：２のアスペクトの長方形形状となる。従って、入射面４１は、例えばランプの放電アークとリフレクタが作る放射状の光源像分布に対して照明効率が低下する形状を有する。換言すれば、ロッドインテグレータ３７の射出面４３は、実施例１乃至４における第１フライアイレンズのレンズセル形状に相当し、入射面４１は第２フライアイレンズのレンズセル形状に相当する。またロッドインテグレータ３７の入射面４１は、実施例１乃至４における有効領域に相当する。

続いて、図１４を参照して、ロッドインテグレータ３７の入射面４１（有効領域）、および、光源像４２の形状について説明する。図１４は、本実施例における照明光学系の有効領域（ロッドインテグレータ３７の入射面４１）と光源像４２との関係図である。

本実施例では、図１４（ａ）に示されるように、有効領域（ロッドインテグレータの入射面４１）と同じ１：２のアスペクトである発光面を有する光源９が用いられている。また、光源９からの光束を集光レンズ３６により集光している。このため、図１４（ｂ）に示されるように、光源像４２が光源９の発光面と同様の１：２のアスペクトおよび配置を保持した状態で、ロッドインテグレータ３７の入射面４１に結像される。従って、図１４（ｃ）に示されるように、有効領域（ロッドインテグレータ３７の入射面４１）と光源像４２のアスペクトが略相似形状となるため、有効領域が長方形であるにもかかわらず、照明効率の低下を防ぐ（低減する）ことができる。

以上、本実施例によりロッドインテグレータを用いた照明光学系において、ロッドインテグレータの入射面が形成する有効領域が長方形となる場合でも高い照明効率を維持できる。

本実施例の構成によれば、有効領域（入射面４１）のアスペクトと光源９の発光面のアスペクトを略一致させているため、最も大きい照明効率改善の効果が得られる。ただし、実施例１、４と同様に、有効領域（入射面４１）と光源９の発光面のアスペクトとの間に多少の差異がある場合でも、以下の式（１７）で表される条件を満たす範囲であれば、十分な照明効率改善の効果が得られる。

０．７８＜（αＸ）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＜１．２８ …（１７）
なお本実施例において、ロッドインテグレータ３７の射出面４３の幅をＤ３ｘ、Ｄ３ｙ、ロッドインテグレータ３７の入射面４１の幅をＤ４ｘ、Ｄ４ｙとする。また、光束径の変化率α、β（圧縮率または拡大率）をα＝Ｄ４ｘ／Ｄ３ｘ、β＝Ｄ４ｙ／Ｄ３ｙと定義している。

各実施例によれば、高い照明効率を有する照明光学系、および、そのような照明光学系を有する画像投射装置を提供することができる。

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及び変更が可能である。

各実施例において、光源の発光面の形状は長方形であるが、これに限定されるものではない。例えば、発光面の形状が楕円であってもよい。この場合、楕円の長軸の長さ（長径）および短軸の長さ（短径）が各実施例における発光面の長方形の幅ｘ、ｙに相当する。

各実施例において、光源として発光ダイオードが用いられているが、これに限定されるものではない。光源としては面発光光源が適して用いられ、発光面の形状を任意に決定可能な光源であれば、レーザ光源や有機ＥＬなどの他の光源を用いることができる。また、光源をアレイ化する（単位発光面を配列する）ことにより、光源アレイの外形が各実施例中の各条件を満たす形状となるように設計してもよい。

９ 光源
１０ 集光レンズ
１１ 画像表示素子
１２ 第１フライアイレンズ
１３ 第２フライアイレンズ
１４ 偏光変換素子

Claims (14)

1. 光軸を含み互いに直交する第１断面または第２断面において光束径を変更可能な照明光学系であって、
   光源と、
   前記光源からの光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズで集光された光が入射する第１レンズセルを備えた第１フライアイレンズと、
   前記第１レンズセルに対応する第２レンズセルを備えた第２フライアイレンズと、
   前記第２フライアイレンズからの光に対して偏光変換を行う偏光変換素子と、
   前記偏光変換素子からの光に基づいて画像を表示する画像表示素子と、を有し、
   前記第１断面および前記第２断面のそれぞれにおいて、前記画像表示素子の幅をＸ、Ｙ、前記光源の発光面の幅をｘ、ｙ、前記第１フライアイレンズの径をＤ１ｘ、Ｄ１ｙ、前記第２フライアイレンズの径をＤ２ｘ、Ｄ２ｙ、前記光束径の変化率α、βをα＝Ｄ２ｘ／Ｄ１ｘ、β＝Ｄ２ｙ／Ｄ１ｙとするとき、
   （αＸ／２）／（βＹ）＜０．９または１．１＜（αＸ／２）／（βＹ）、および、
   ０．７８＜（αＸ／２）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＜１．２８
   の関係を満たすことを特徴とする照明光学系。
2. （αＸ／２）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＝１の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 光軸を含み互いに直交する第１断面または第２断面において光束径を変更可能な照明光学系であって、
   光源と、
   前記光源からの光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズで集光された光が入射する第１レンズセルを備えた第１フライアイレンズと、
   前記第１レンズセルに対応する第２レンズセルを備えた第２フライアイレンズと、
   前記第２フライアイレンズからの光に基づいて画像を表示する画像表示素子と、を有し、
   前記第１断面および前記第２断面のそれぞれにおいて、前記画像表示素子の幅をＸ、Ｙ、前記光源の発光面の幅をｘ、ｙ、前記第１フライアイレンズの径をＤ１ｘ、Ｄ１ｙ、前記第２フライアイレンズの径をＤ２ｘ、Ｄ２ｙ、前記光束径の変化率α、βをα＝Ｄ２ｘ／Ｄ１ｘ、β＝Ｄ２ｙ／Ｄ１ｙとするとき、
   （αＸ）／（βＹ）＜０．９または１．１＜（αＸ）／（βＹ）、および、
   ０．７８＜（αＸ）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＜１．２８
   の関係を満たすことを特徴とする照明光学系。
4. （αＸ）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＝１の関係を満たすことを特徴とする請求項３に記載の照明光学系。
5. 光軸を含み互いに直交する第１断面または第２断面において光束径を変更可能な照明光学系であって、
   光源と、
   前記光源からの光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズで集光された光が入射するロッドインテグレータと、
   前記ロッドインテグレータからの光に基づいて画像を表示する画像表示素子と、を有し、
   前記第１断面および前記第２断面のそれぞれにおいて、前記画像表示素子の幅をＸ、Ｙ、前記光源の発光面の幅をｘ、ｙ、前記ロッドインテグレータの射出面の幅をＤ３ｘ、Ｄ３ｙ、該ロッドインテグレータの入射面の幅をＤ４ｘ、Ｄ４ｙ、前記光束径の変化率α、βをα＝Ｄ４ｘ／Ｄ３ｘ、β＝Ｄ４ｙ／Ｄ３ｙとするとき、
   （αＸ）／（βＹ）＜０．９または１．１＜（αＸ）／（βＹ）、および、
   ０．７８＜（αＸ）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＜１．２８
   の関係を満たすことを特徴とする照明光学系。
6. （αＸ）／（βＹ）×（ｙ／ｘ）＝１の関係を満たすことを特徴とする請求項５に記載の照明光学系。
7. 前記光源の前記発光面の形状は長方形であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学系。
8. 前記光源の前記発光面の形状は楕円であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学系。
9. 前記光源は、単位発光面を配列して前記発光面を形成していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明光学系。
10. 前記光源は、面発光光源であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の照明光学系。
11. 前記光源は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の照明光学系。
12. 前記光源は、レーザ光源であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の照明光学系。
13. 前記光源は、有機ＥＬであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の照明光学系。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の照明光学系を有することを特徴とする画像投射装置。