JP2017151449A - 照明光学系および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源となる素子数を増やしても、照明光学系をコンパクトに構成可能な照明光学系および画像表示装置の提供を目的とする。【解決手段】照明光学系は、二次元レーザアレイ光源と、インテグレータ光学系と、複数の第１レンズと、複数の第２レンズと、を備える。二次元レーザアレイ光源は、複数のレーザ光源を、平面上に二次元アレイ状にして配置する。インテグレータ光学系は、入射光を重畳して被照射面に照射する。複数の第１レンズは、二次元アレイ平面と平行に配置されて、二次元アレイ平面の第１軸方向の発散角を制限しながら、二次元レーザアレイ光源からの光線を第１軸方向で重畳してインテグレータ光学系に照射する。複数の第２レンズは、第１レンズの後方に配置されて、第１軸方向と直交する第２軸方向の発散角を制限しながら、二次元レーザアレイ光源からの光線を第２軸方向で重畳してインテグレータ光学系に照射する。【選択図】図２

Description

本技術は、照明光学系および画像表示装置に関する。

画像表示装置の１つとしてフロントプロジェクター（投影装置）が知られている。フロントプロジェクターは、光源として放電ランプ、光変調素子としては反射型液晶表示素子、透過型液晶素子やＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などが用いられており、デバイス、光学系とも、さまざまな改良が重ねられてきている。

近年、画像表示装置の新しい光源として、レーザを用いる提案がある。レーザは、発光点が非常に微小であり、中央部の輝度が高く、周辺に向かって輝度が急激に減少する、ほぼガウシアン分布にしたがう照度分布を有する。そのため、レーザを光源とする照明光学系は、均一分布の照明として利用するための輝度の均一化が必要とされ、いくつかの提案がなされている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００６−５０１５号公報 特開２００９−１９２７８９号公報

しかしながら、提案の照明光学系は、一次元レーザアレイ光源であり、より大きな光量を得ようとして光源となる素子数を増やすと、照明光学系が大きくなるという欠点を有する。

本技術は、このような点に鑑みてなされたものであり、光源となる素子数を増やしても、照明光学系をコンパクトに構成可能な照明光学系および画像表示装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、照明光学系は、アレイ光源と、第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイと、インテグレータ光学系とを備える。アレイ光源は、一方向に対して大きな発散角を有する複数の光源を、第１軸方向の発散角が大きくなるようにして、前記第１軸方向と前記第１軸方向と直交する第２軸方向との二次元アレイ状にして平面上に配置する。第１のレンズアレイは、前記アレイ光源から入射する光線を前記第１軸方向の発散角が小さくなる方向に制限して出射する複数の第１レンズを前記第１軸方向に並べて配置する。第２のレンズアレイは、前記第１のレンズアレイから入射する、前記第１軸方向の発散角が小さくなる方向に制限された光線を前記第２軸方向の発散角が小さくなる方向に制限して出射する複数の第２レンズを前記第２軸方向に並べて配置する。インテグレータ光学系は、前記第２のレンズアレイから入射する光線を重畳して被照射面に照射する。

また、上記課題を解決するために、画像表示装置は、光変調素子と、アレイ光源と、第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイと、インテグレータ光学系とを備える。アレイ光源は、一方向に対して大きな発散角を有する複数の光源を、第１軸方向の発散角が大きくなるようにして、前記第１軸方向と前記第１軸方向と直交する第２軸方向との二次元アレイ状にして平面上に配置する。第１のレンズアレイは、前記アレイ光源から入射する光線を前記第１軸方向の発散角が小さくなる方向に制限して出射する複数の第１レンズを前記第１軸方向に並べて配置する。第２のレンズアレイは、前記第１のレンズアレイから入射する、前記第１軸方向の発散角が小さくなる方向に制限された光線を前記第２軸方向の発散角が小さくなる方向に制限して出射する複数の第２レンズを前記第２軸方向に並べて配置する。インテグレータ光学系は、前記第２のレンズアレイから入射する光線を重畳して被照射面に照射する。

上記の照明光学系および画像表示装置によれば、光源となる素子数を増やしても、照明光学系をコンパクトに構成することができる。

第１の実施形態の画像表示装置の構成例を示す図である。 第１の実施形態の照明光学系の構成例を第１平面に表した図である。 第１の実施形態の照明光学系の構成例を第２平面に表した図である。 第１の実施形態の二次元レーザアレイ光源からの出射光の様子を第１平面に表した図である。 第１の実施形態の二次元レーザアレイ光源からの出射光の様子を第２平面に表した図である。 第１の実施形態の照明光学系のインテグレータ光学系における入射光と出射光の関係を第１平面に表した図である。 第１の実施形態の照明光学系のインテグレータ光学系における入射光と出射光の関係を第２平面に表した図である。 第１の実施形態の照明光学系によって照射面に照射された光線の照度分布を示す図である。 第２の実施形態の照明光学系の構成例を第１平面に表した図である。 第２の実施形態の照明光学系の構成例を第２平面に表した図である。 第３の実施形態の照明光学系の構成例を第１平面に表した図である。

以下、本技術の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施形態］
まず、第１の実施形態の画像表示装置の全体構成について図１を用いて説明する。図１は、第１の実施形態の画像表示装置の構成例を示す図である。

画像表示装置１は、ＲＧＢ（赤色、緑色、青色）毎に光変調された画像を合成した画像を表示出力する。画像表示装置１は、たとえば、フロントプロジェクターやリアプロジェクターなどの投影装置である。

画像表示装置１は、照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ、反射型偏光素子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ、光変調素子３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ、色合成プリズム４（合成光学系）、投影レンズ５（投射光学系）を有している。

照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは、ＲＧＢの各色に対応する二次元レーザアレイ光源を有する照明光学系である。たとえば、照明光学系１０Ｒは、赤色に対応する二次元レーザアレイ光源を有する。照明光学系１０Ｇは、緑色に対応する二次元レーザアレイ光源を有する。照明光学系１０Ｂは、青色に対応する二次元レーザアレイ光源を有する。

照明光学系１０Ｒは、二次元レーザアレイ光源からの出射光（Ｌ１）を、均一な照度分布にして被照射面となる光変調素子３Ｒに照射する。照明光学系１０Ｇは、二次元レーザアレイ光源からの出射光（Ｌ２）を、均一な照度分布にして被照射面となる光変調素子３Ｇに照射する。照明光学系１０Ｂは、二次元レーザアレイ光源からの出射光（Ｌ３）を、均一な照度分布にして被照射面となる光変調素子３Ｂに照射する。

照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０ＢからのＲＧＢの各光は、それぞれ対応する反射型偏光素子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂで反射し、対応する光変調素子３Ｒ、３Ｇ、３Ｂを照射する。光変調素子３Ｒ、３Ｇ、３Ｂは、ＲＧＢの各光をそれぞれ光変調して反射する。

光変調素子３Ｒ、３Ｇ、３Ｂで光変調されたＲＧＢの各光は、図示しない光学補償素子で光学補償（位相変調量の微調整）された後、反射型偏光素子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂに入射する。再度、反射型偏光素子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂに入射したＲＧＢの各光は、光変調の度合いにより、一部は透過して色合成プリズム４に入射し、一部は反射して照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの方向に戻る。

色合成プリズム４は、緑色波長帯域の入射光を透過し、赤色波長帯域および青色波長帯域の入射光を投影レンズ５方向に反射するように構成されている。色合成プリズム４は、たとえば、複数のガラスプリズム（４つの略同形状の直角二等辺プリズム）を接合することによって構成されており、各ガラスプリズムの接合面には、所定の光学特性を有する２つの干渉フィルタが形成されている。第１干渉フィルタは、青色波長帯域の入射光を反射し、赤色波長帯域および緑色波長帯域の入射光を透過する。第２干渉フィルタは、赤色波長帯域の入射光を反射し、緑色波長帯域および青色波長帯域の入射光を透過する。したがって、色合成プリズム４は、光変調素子３Ｒからの入射光（Ｌ４）と、光変調素子３Ｇからの入射光（Ｌ５）と、光変調素子３Ｂからの入射光（Ｌ６）を合成して、投影レンズ５に出射する。

投影レンズ５は、色合成プリズム４からの出射光（Ｌ７）を所定の倍率に拡大してスクリーン（図示せず）に映像を投影する。

なお、光変調素子としては、反射型液晶表示素子、透過型液晶素子やＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いた構成とすることができる。

次に、第１の実施形態の照明光学系の構成について図２、図３を用いて説明する。図２は、第１の実施形態の照明光学系の構成例を第１平面に表した図である。図３は、第１の実施形態の照明光学系の構成例を第２平面に表した図である。なお、第１平面は、光源の光軸を法線とする平面上の一軸をｙ軸方向として定義し、ｙ軸方向に直交する方向をｘ軸方向として定義する。このとき、ｘ軸が図面の下方から上方に向き、ｙ軸が手前に向かって図面を貫通する向きにある平面を第１平面と定義する。また、ｙ軸が図面の下方から上方に向き、ｘ軸が手前から図面を貫通する向きにある平面を第２平面と定義する。

照明光学系１０は、対応する色（波長）を特定しない二次元レーザアレイ光源１２を有する照明光学系である。照明光学系１０は、照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと同様の構成であり、照明光学系１０を説明することで、照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの各々の説明に代える。

照明光学系１０（照明光学装置）は、二次元レーザアレイ光源１２と、第１レンズ１３と、第２レンズ１４と、インテグレータ光学系１１を備える。照明光学系１０は、インテグレータ光学系１１からの出射光を光変調素子１９に照射する。

二次元レーザアレイ光源１２は、複数のシングルレーザ光源を平面上に二次元アレイ状にして配置する。たとえば、二次元レーザアレイ光源１２は、ｍ×ｎ個のシングルレーザ光源を、ｍ行、ｎ列の二次元アレイ状（マトリクス状）に配置する。

シングルレーザ光源は、光軸に対して所定の発散角（広がり角）を有し、特定方向に対して大きな発散角を有する。二次元レーザアレイ光源１２は、複数のシングルレーザ光源の特定方向を揃えて配置する。したがって、二次元レーザアレイ光源１２も光軸に対して所定の発散角を有し、特定方向に対して大きな発散角を有する。なお、ここでの特定方向は、ｙ軸方向である。

照明光学系１０は、二次元レーザアレイ光源１２がシングルレーザ光源を配置する平面と平行に、複数の第１レンズ１３を配置する。第１レンズ１３は、シリンドリカルレンズによって構成される。

第１レンズ１３は、ｘ軸方向に並ぶシングルレーザ光源の一列ごとに設けられ、ｙ軸方向に並べて複数配置される。第１レンズ１３は、入射光のうちＦＡＳＴ軸成分をコリメートするＦＡＣ（Fast-Axis-Collimator）レンズであり、ＦＡＳＴ軸成分について準平行光を生成するレンズとして用いられる。

第１レンズ１３は、二次元レーザアレイ光源１２からの出射光を、主としてｙ軸方向（二次元アレイの第１軸方向）について発散角を制限した準平行光（完全にコリメートしない光線）にする。

ここでいう準平行光は、インテグレータ光学系１１の入射面において、インテグレータ光学系１１への入射光がｙ軸方向で重畳する程度の発散角を有する。第１レンズ１３は、デフォーカスするように、焦点位置が二次元レーザアレイ光源１２から所定量だけずらして配置されている。これにより、第１レンズ１３は、出射光を、ｙ軸方向について準平行光としている。

照明光学系１０は、二次元レーザアレイ光源１２がシングルレーザ光源を配置する平面と平行に、複数の第２レンズ１４を配置する。第２レンズ１４は、第１レンズ１３の後方（インテグレータ光学系１１側）に配置される。第２レンズ１４は、シリンドリカルレンズによって構成される。

第２レンズ１４は、ｙ軸方向に並ぶシングルレーザ光源の一列ごとに設けられ、ｘ軸方向に並べて複数配置される。第２レンズ１４は、入射光のうちＳＬＯＷ軸成分をコリメートするＳＡＣ（Slow-Axis-Collimator）レンズであり、ＳＬＯＷ軸成分について準平行光を生成するレンズとして用いられる。

第２レンズ１４は、二次元レーザアレイ光源１２からの出射光を、主としてｘ軸方向（二次元アレイの第２軸方向）について発散角を制限した準平行光にする。

ここでいう準平行光は、インテグレータ光学系１１の入射面において、インテグレータ光学系１１への入射光がｘ軸方向で重畳する程度の発散角を有する。第２レンズ１４は、デフォーカスするように、焦点位置が二次元レーザアレイ光源１２から所定量だけずらして配置されている。これにより、第２レンズ１４は、出射光を、ｘ軸方向について準平行光としている。

インテグレータ光学系１１は、第１フライアイレンズ１５と、第２フライアイレンズ１６と、コンデンサレンズ１７と、フィールドレンズ１８を備える。インテグレータ光学系１１は、第１レンズ１３および第２レンズ１４が一部を重畳しながら準平行光とした、二次元レーザアレイ光源１２からの出射光を、第１フライアイレンズ１５に入射する。したがって、インテグレータ光学系１１は、第２レンズ１４からの照射光が一部重畳するように、第２レンズ１４と所定の距離を設けて配置される。

インテグレータ光学系１１は、第１フライアイレンズ１５への入射光を分割した後、照射面に重畳するようにして出射する。インテグレータ光学系１１は、フィールドレンズ１８からの出射光を、被照射面となる光変調素子１９に照射する。

第１フライアイレンズ１５および第２フライアイレンズ１６は、入射した準平行光の照度を均一化する。コンデンサレンズ１７は、第２フライアイレンズ１６の出射光を入射して、フィールドレンズ１８を通して光変調素子１９に照射する。

このように、照明光学系１０は、二次元レーザアレイ光源１２からの出射光を、まず、第１レンズ１３によってｙ軸方向の発散角を小さくし、次に、第２レンズ１４によってｘ軸方向の発散角を小さくしている。第１レンズ１３および第２レンズ１４を出射した準平行光は、ｘ軸方向およびｙ軸方向で光線同士が一部重畳して、インテグレータ光学系１１を照射する。

なお、二次元レーザアレイ光源１２が出射する光線は、直線偏光である。二次元レーザアレイ光源１２が出射する光線の偏光方向は、光変調素子１９が反射型液晶表示素子（反射型液晶表示装置）や、透過型液晶素子（透過型液晶表示装置）である場合、光変調素子１９の偏光方向と一致するように設けられる。これにより、照明光学系１０は、二次元レーザアレイ光源１２の偏光方向を保持することによって、Ｐ／Ｓ変換素子などを追加する必要も無く、光利用効率を高く保つことができる。

この場合、二次元レーザアレイ光源１２の偏光比は、望ましくは１０以上である。すなわち、Ｐ成分とＳ成分のうち、従となる偏光成分を１としたとき、主となる偏光成分は１０以上である。より望ましくは、二次元レーザアレイ光源１２の偏光比は、２０以上である。すなわち、Ｐ成分とＳ成分のうち、従となる偏光成分を１としたとき、主となる偏光成分は２０以上である。なお、所望する偏光比を得られない場合は、照明光学系１０は、Ｐ／Ｓ変換素子を設けて光学効率を改善することができる。

次に、第１の実施形態の照明光学系の構成について図４、図５を用いて説明する。図４は、第１の実施形態の二次元レーザアレイ光源からの出射光の様子を第１平面に表した図である。図５は、第１の実施形態の二次元レーザアレイ光源からの出射光の様子を第２平面に表した図である。

二次元レーザアレイ光源１２は、ｙ軸方向にピッチＰ１（距離Ｐ１）、ｘ軸方向にピッチＰ２（距離Ｐ２）でシングルレーザ光源２０を二次元アレイ状に配置する。二次元レーザアレイ光源１２は、ｙ軸方向について大きな発散角を有するように、シングルレーザ光源２０を配置する。

シングルレーザ光源２０は、ｘ軸方向にピッチＰ１より小さいピッチＰ２で複数が並べられて一次元レーザアレイ光源を構成する。一次元レーザアレイ光源は、対応する第１レンズ１３とともに一次元レーザアレイユニットを構成する。二次元レーザアレイ光源１２は、複数の一次元レーザアレイユニットをｙ軸方向にピッチＰ１で並べることで、複数のシングルレーザ光源２０を二次元アレイ状に配置する。

第２レンズ１４は、二次元レーザアレイ光源１２の後方に配置され、二次元レーザアレイユニットを構成する。二次元レーザアレイ光源１２は、必要な光量に応じて、１または２以上の二次元レーザアレイユニットにより構成される。

このような二次元レーザアレイ光源１２からの出射光は、第１レンズ１３によってｙ軸方向に発散角β１を有し、第２レンズ１４によってｘ軸方向に発散角α１を有する準平行光としてインテグレータ光学系１１を照射する。

このような構成により、照明光学系１０は、二次元レーザアレイ光源１２の素子（シングルレーザ光源２０）数が増えても、発散角が大きい方向への素子の配置を容易としている。また、照明光学系１０は、二次元レーザアレイ光源１２の素子が二次元アレイ状に配置した配置面のいずれにあっても、対応する第１レンズ１３および対応する第２レンズ１４によって準平行光を生成可能であり、素子数の増大に容易に対応可能である。

このように、照明光学系１０は、より大きな光量を得るためにシングルレーザ光源２０の素子数を増やしても、コンパクトに設計可能である。また、二次元レーザアレイ光源１２は、シングルレーザ光源２０を二次元アレイ状に配置するとき、発散角が大きいｙ軸方向の配置数を発散角が小さいｘ軸方向の配置数より少なくすることで、二次元レーザアレイ光源１２をコンパクトにしている。

特に、照明光学系１０は、二次元レーザアレイ光源１２の素子数が増えても、二次元アレイ面の中央部から離れた周縁部に位置する素子について、中央部に位置する素子と同様にインテグレータ光学系への照明光の取り込みを容易にする。

また、照明光学系１０は、第１レンズ１３と第２レンズ１４のうち、第１レンズ１３を光源側に配置したことで、二次元レーザアレイ光源１２からの出射光のうち発散角が大きいｙ軸方向について先に準平行光を生成して照明光学系１０をコンパクトにしている。

次に、第１の実施形態のインテグレータ光学系１１における入射光と出射光の関係について図６、図７を用いて説明する。図６は、第１の実施形態の照明光学系のインテグレータ光学系における入射光と出射光の関係を第１平面に表した図である。図７は、第１の実施形態の照明光学系のインテグレータ光学系における入射光と出射光の関係を第２平面に表した図である。

第１平面に表したインテグレータ光学系１１は、第２レンズ１４から発散角α１の出射光を入射し、取込角α２で光変調素子１９を照射する。このとき、インテグレータ光学系１１は、第２レンズ１４のｘ軸方向の大きさＬ１ｘの出射面から光を取り込み、光変調素子１９のｘ軸方向の大きさＬ２ｘの被照射面を照射する。

同様に、第２平面に表したインテグレータ光学系１１は、第２レンズ１４から発散角β１の出射光を入射し、取込角β２で光変調素子１９を照射する。このとき、インテグレータ光学系１１は、第２レンズ１４のｙ軸方向の大きさＬ１ｙの出射面から光を取り込み、光変調素子１９のｙ軸方向の大きさＬ２ｙの被照射面を照射する。

なお、発散角α１および発散角β１は、シングルレーザ光源２０の発光点の大きさ、実装精度、およびデフォーカス量によって決定される。

これら、Ｌ１ｘ、Ｌ１ｙ、α１、α２、Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙ、β１、β２の関係式はラグランジュ−ヘルムホルツの不変量によって、（１）式および（２）式のように表される。なお、ｋ１、ｋ２は、第２レンズ１４からの出射光と、インテグレータ光学系１１が取り込む光の関係を表す係数である。
ｋ１・Ｌ１ｘ・α１＝Ｌ２ｘ・α２ ……（１）
ｋ２・Ｌ１ｙ・β１＝Ｌ２ｙ・β２ ……（２）

係数ｋ１、ｋ２は、０．５から１．５の範囲にあることが望ましい。たとえば、係数が０．５以下の場合、インテグレータ光学系１１は、５０％以上の光を利用しないことを示す。また、係数が１．５以上の比率の場合、インテグレータ光学系１１は、過大に冗長設計であることを示す。

したがって、照明光学系１０は、０．５≦ｋ１≦１．５、０．５≦ｋ２≦１．５の範囲で、（１）式および（２）式を満たすことで、好適に設計され得る。なお、係数ｋ１、ｋ２は、等しくてもよい。

このように、照明光学系１０は、インテグレータ光学系１１の取込角度に合わせて、光線の発散角をコントロールすることで、光線の利用効率を最適化することが可能である。また、照明光学系１０は、インテグレータ光学系１１への入射光の重ね合わせを大きくすることで、照射面の均一性を得ることができる。

次に、第１の実施形態の照明光学系１０によって照射面に照射された光線の照度分布について図８を用いて説明する。図８は、第１の実施形態の照明光学系によって照射面に照射された光線の照度分布を示す図である。

図８に示すグラフは、横軸を照射面の位置、縦軸を照度として、照明光学系１０が照射面に照射する光線の照度分布９１（実線）と、比較例となる照明光学系の照度分布９０（破線）とを表す。

比較例となる照度分布９０は、二次元レーザアレイ光源からの光を平行光にしてインテグレータ光学系に取り込む場合を示し、複数ある光源の均一化が十分になされず、不均一な照度分布を示す。一方、照明光学系１０の照度分布９１は、複数ある光源の均一化がなされ、全体として均一な照度分布を示す。

このように、照明光学系１０は、インテグレータ光学系１１によって、照度が均一化された光線を被照射面に照射することができる。また、照明光学系１０は、二次元レーザアレイ光源１２を大光量にしても発散角が過大にならず、ｘ軸方向の発散角とｙ軸方向の発散角とをコントロールすることで、インテグレータ光学系１１の取込角度とのバランスをとることができる。これにより、照明光学系１０は、光学効率の損失を低減し、均一性のよい照明光を得ることができる。また、照明光学系１０は、二次元レーザアレイ光源１２の偏光方向を維持して被照射面に照射することで、高い光学効率を実現する。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態の照明光学系の構成について図９、図１０を用いて説明する。図９は、第２の実施形態の照明光学系の構成例を第１平面に表した図である。図１０は、第２の実施形態の照明光学系の構成例を第２平面に表した図である。なお、第２の実施形態の説明では、第１の実施形態と同様の構成について符号を同じにして詳細な説明を省略する。また、ｘ軸方向、ｙ軸方向、第１平面、第２平面の定義は、第１の実施形態と同様とする。

照明光学系３０は、第１の実施形態の照明光学系１０と同様に、対応する色を特定しない二次元レーザアレイ光源１２を有する照明光学系である。

照明光学系３０（照明光学装置）は、二次元レーザアレイ光源１２と、第１レンズ１３と、第２レンズ１４と、インテグレータ光学系３１を備える。照明光学系３０は、インテグレータ光学系３１からの出射光を光変調素子１９に照射する。

インテグレータ光学系３１は、集光レンズ３２と、ロッドレンズ３３と、コンデンサレンズ３４と、フィールドレンズ１８を備える。インテグレータ光学系３１は、第１レンズ１３および第２レンズ１４が準平行光とした、二次元レーザアレイ光源１２からの出射光を、集光レンズ３２を介してロッドレンズ３３に入射する。二次元レーザアレイ光源１２からの出射光は、一部を重畳（デフォーカス）しながらロッドレンズ３３の入射面に入射する。したがって、インテグレータ光学系３１は、第２レンズ１４からの照射光が一部重畳するように、第２レンズ１４と所定の距離を設けて配置される。

ロッドレンズ３３への入射光は、ロッドレンズ３３により重畳されて、照度が均一化される。コンデンサレンズ３４は、ロッドレンズ３３の出射光を入射して、フィールドレンズ１８を通して光変調素子１９に照射する。

このように、照明光学系３０は、二次元レーザアレイ光源１２からの出射光を、まず、第１レンズ１３によってｙ軸方向の発散角を小さくし、次に、第２レンズ１４によってｘ軸方向の発散角を小さくしている。第１レンズ１３および第２レンズ１４を出射した準平行光は、ｘ軸方向およびｙ軸方向で光線同士が一部重畳して、インテグレータ光学系３１を照射する。

なお、二次元レーザアレイ光源１２の偏光方向は、光変調素子１９が反射型液晶表示素子（反射型液晶表示装置）や、透過型液晶素子（透過型液晶表示装置）である場合、光変調素子１９の偏光方向と一致するように設けられる。これにより、照明光学系３０は、二次元レーザアレイ光源１２の偏光方向を保持することによって、Ｐ／Ｓ変換素子などを追加する必要も無く、光利用効率を高く保つことができる。また、第１の実施形態と同様に、照明光学系３０は、０．５≦ｋ１≦１．５、０．５≦ｋ２≦１．５の範囲で、（１）式および（２）式を満たすことで、好適に設計され得る。

このような構成により、照明光学系３０は、二次元レーザアレイ光源１２の素子（シングルレーザ光源２０）数が増えても、発散角が大きい方向への素子の配置を容易としている。また、照明光学系３０は、二次元レーザアレイ光源１２の素子が二次元アレイ状に配置した配置面のいずれにあっても、対応する第１レンズ１３および対応する第２レンズ１４によって準平行光を生成可能であり、素子数の増大に容易に対応可能である。また、照明光学系３０は、二次元レーザアレイ光源１２の素子が二次元アレイ状に配置した配置面のいずれにあっても、第１レンズ１３および第２レンズ１４が各々の素子に対応することで、第１レンズ１３および第２レンズ１４の球面収差を抑制可能である。

このように、照明光学系３０は、より大きな光量を得るためにシングルレーザ光源２０の素子数を増やしても、コンパクトに設計可能である。

特に、照明光学系３０は、二次元レーザアレイ光源１２の素子数が増えても、二次元アレイ面の中央部から離れた周縁部に位置する素子について、中央部に位置する素子と同様にインテグレータ光学系への照明光の取り込みを容易にする。

また、照明光学系３０は、第１レンズ１３と第２レンズ１４のうち、第１レンズ１３を光源側に配置したことで、二次元レーザアレイ光源１２からの出射光のうち発散角が大きいｙ軸方向について先に準平行光を生成して照明光学系３０をコンパクトにしている。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態の照明光学系の構成について図１１を用いて説明する。図１１は、第３の実施形態の照明光学系の構成例を第１平面に表した図である。なお、第３の実施形態の説明では、第１の実施形態と同様の構成について符号を同じにして詳細な説明を省略する。また、ｘ軸方向、ｙ軸方向、第１平面の定義は、第１の実施形態と同様とする。

照明光学系４０は、第１の実施形態の照明光学系１０と同様に、対応する色を特定しない二次元レーザアレイ光源１２を有する照明光学系である。

照明光学系４０（照明光学装置）は、二次元レーザアレイ光源１２と、第１レンズ１３と、第２レンズ１４と、リレー光学系４１と、インテグレータ光学系１１を備える。照明光学系４０は、インテグレータ光学系１１からの出射光を被照射面に照射する。なお、照明光学系４０は、インテグレータ光学系１１に代えてインテグレータ光学系３１を備えるようにしてもよい。

リレー光学系４１は、第１リレーレンズ４２と、第２リレーレンズ４３を備える。照明光学系４０は、第２レンズ１４からの出射光がリレー光学系４１を通過することにより、二次元レーザアレイ光源１２の大きさ（面積）を任意にして、インテグレータ光学系１１を構成する光学装置（たとえば、第１フライアイレンズ１５）の大きさに合わせることができる。

このように、照明光学系４０は、リレー光学系４１を備えることにより、二次元レーザアレイ光源１２とインテグレータ光学系１１の組み合わせの柔軟性を拡張する。

なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）複数のレーザ光源を、平面上に二次元アレイ状にして配置する二次元レーザアレイ光源と、
入射光を重畳して被照射面に照射するインテグレータ光学系と、
前記平面と平行に配置されて、前記二次元アレイの第１軸方向の発散角を制限しながら、前記二次元レーザアレイ光源からの光線を前記第１軸方向で重畳して前記インテグレータ光学系に照射する複数の第１レンズと、
前記第１レンズの後方に配置されて、前記第１軸方向と直交する第２軸方向の発散角を制限しながら、前記二次元レーザアレイ光源からの光線を前記第２軸方向で重畳して前記インテグレータ光学系に照射する複数の第２レンズと、
を備える照明光学系。
（２）前記複数の第２レンズから出射する光線は、前記第１軸方向および前記第２軸方向のそれぞれにおいて、出射範囲の大きさと発散角との積が、前記被照射面の照射範囲の大きさと取込角の積の０．５倍以上、かつ１．５倍以下である（１）記載の照明光学系。
（３）前記第１レンズおよび前記第２レンズは、シリンドリカルレンズによって構成される（１）または（２）記載の照明光学系。
（４）前記二次元レーザアレイ光源からの光線は、直線偏光であって、前記直線偏光の偏光成分と、前記直線偏光と直交する方向の偏光成分との比が少なくとも１０以上である（１）乃至（３）のいずれか１つに記載の照明光学系。
（５）前記二次元レーザアレイ光源は、前記複数のレーザ光源を、前記第１軸方向において第１ピッチで配列し、前記第２軸方向において前記第１ピッチより小さな第２ピッチで配列する（１）乃至（４）のいずれか１つに記載の照明光学系。
（６）前記インテグレータ光学系は、
第１フライアイレンズと、
前記第１フライアイレンズの後方に配置される第２フライアイレンズと、
前記第２フライアイレンズの後方に配置されるレンズ群と、
を含んで構成される（１）乃至（５）のいずれか１つに記載の照明光学系。
（７）前記インテグレータ光学系は、
ロッドレンズと、
前記ロッドレンズの前方に位置する前方レンズと、
前記ロッドレンズの後方に位置する後方レンズと、
を含んで構成される（１）乃至（５）のいずれか１つに記載の照明光学系。
（８）前記複数の第２レンズと前記インテグレータ光学系との間をリレーするリレー光学系を備える（１）乃至（７）のいずれか１つに記載の照明光学系。
（９）光変調素子と、
複数のレーザ光源を、平面上に二次元アレイ状にして配置する二次元レーザアレイ光源と、
入射光を重畳して前記光変調素子に照射するインテグレータ光学系と、
前記平面と平行に配置されて、前記二次元アレイの第１軸方向の発散角を制限しながら、前記二次元レーザアレイ光源からの光線を前記第１軸方向で重畳して前記インテグレータ光学系に照射する複数の第１レンズと、
前記第１レンズの後方に配置されて、前記第１軸方向と直交する第２軸方向の発散角を制限しながら、前記二次元レーザアレイ光源からの光線を前記第２軸方向で重畳して前記インテグレータ光学系に照射する複数の第２レンズと、
を備える画像表示装置。
（１０）前記光変調素子が反射型液晶表示装置であり、
前記二次元レーザアレイ光源の偏光方向は、前記反射型液晶表示装置の偏光方向と一致している（９）記載の画像表示装置。

なお、上述の実施の形態は、実施の形態の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることができる。

さらに、上述の実施の形態は、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではない。

１……画像表示装置、２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ……反射型偏光素子、３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ，１９……光変調素子、４……色合成プリズム、５……投影レンズ、１０，１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ，３０，４０……照明光学系、１１，３１……インテグレータ光学系、１２……二次元レーザアレイ光源、１３……第１レンズ、１４……第２レンズ、１５……第１フライアイレンズ、１６……第２フライアイレンズ、１７，３４……コンデンサレンズ、１８……フィールドレンズ、２０……シングルレーザ光源、３２……集光レンズ、３３……ロッドレンズ、４１……リレー光学系、４２……第１リレーレンズ、４３……第２リレーレンズ、９０，９１……照度分布

上記課題を解決するために、照明光学系は、アレイ光源と、第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイと、インテグレータ光学系とを備える。アレイ光源は、一方向に対して大きな発散角を有する複数の光源を、第１軸方向の発散角が大きくなるようにして、前記第１軸方向と前記第１軸方向と直交する第２軸方向との二次元アレイ状にして平面上に配置するとともに、直線偏光である光線を出射する。第１のレンズアレイは、前記アレイ光源から入射する光線を前記第１軸方向の発散角が小さくなる方向に制限して出射する複数の第１レンズを前記第１軸方向に並べて配置する。第２のレンズアレイは、前記第１のレンズアレイから入射する、前記第１軸方向の発散角が小さくなる方向に制限された光線を前記第２軸方向の発散角が小さくなる方向に制限して出射する複数の第２レンズを前記第２軸方向に並べて配置する。インテグレータ光学系は、前記第２のレンズアレイから入射する光線を重畳して被照射面に照射する。

また、上記課題を解決するために、画像表示装置は、光変調素子と、アレイ光源と、第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイと、インテグレータ光学系とを備える。アレイ光源は、一方向に対して大きな発散角を有する複数の光源を、第１軸方向の発散角が大きくなるようにして、前記第１軸方向と前記第１軸方向と直交する第２軸方向との二次元アレイ状にして平面上に配置するとともに、直線偏光であって前記直線偏光の偏光方向が前記光変調素子の偏光方向と一致する光線を出射する。第１のレンズアレイは、前記アレイ光源から入射する光線を前記第１軸方向の発散角が小さくなる方向に制限して出射する複数の第１レンズを前記第１軸方向に並べて配置する。第２のレンズアレイは、前記第１のレンズアレイから入射する、前記第１軸方向の発散角が小さくなる方向に制限された光線を前記第２軸方向の発散角が小さくなる方向に制限して出射する複数の第２レンズを前記第２軸方向に並べて配置する。インテグレータ光学系は、前記第２のレンズアレイから入射する光線を重畳して被照射面に照射する。

Claims (10)

1. 一方向に対して大きな発散角を有する複数の光源を、第１軸方向の発散角が大きくなるようにして、前記第１軸方向と前記第１軸方向と直交する第２軸方向との二次元アレイ状にして平面上に配置するアレイ光源と、
   前記アレイ光源から入射する光線を前記第１軸方向の発散角が小さくなる方向に制限して出射する複数の第１レンズを前記第１軸方向に並べて配置する第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイから入射する、前記第１軸方向の発散角が小さくなる方向に制限された光線を前記第２軸方向の発散角が小さくなる方向に制限して出射する複数の第２レンズを前記第２軸方向に並べて配置する第２のレンズアレイと、
   前記第２のレンズアレイから入射する光線を重畳して被照射面に照射するインテグレータ光学系と、
   を備える照明光学系。
2. 前記複数の第２レンズから出射する光線は、前記第１軸方向および前記第２軸方向のそれぞれにおいて、出射範囲の大きさと発散角との積が、前記被照射面の照射範囲の大きさと取込角の積の０．５倍以上、かつ１．５倍以下である請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記第１レンズおよび前記第２レンズは、シリンドリカルレンズによって構成される請求項１または２に記載の照明光学系。
4. 前記アレイ光源からの光線は、直線偏光であって、前記直線偏光の偏光成分と、前記直線偏光と直交する方向の偏光成分との比が少なくとも１０以上である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学系。
5. 前記アレイ光源は、前記複数の光源を、前記第１軸方向において第１ピッチで配列し、前記第２軸方向において前記第１ピッチより小さな第２ピッチで配列する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学系。
6. 前記インテグレータ光学系は、
   第１フライアイレンズと、
   前記第１フライアイレンズの後方に配置される第２フライアイレンズと、
   前記第２フライアイレンズの後方に配置されるレンズ群と、
   を含んで構成される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明光学系。
7. 前記インテグレータ光学系は、
   ロッドレンズと、
   前記ロッドレンズの前方に位置する前方レンズと、
   前記ロッドレンズの後方に位置する後方レンズと、
   を含んで構成される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明光学系。
8. 前記第２のレンズアレイと前記インテグレータ光学系との間をリレーするリレー光学系を備える請求項１乃至７のいずれか１項に記載の照明光学系。
9. 光変調素子と、
   一方向に対して大きな発散角を有する複数の光源を、第１軸方向の発散角が大きくなるようにして、前記第１軸方向と前記第１軸方向と直交する第２軸方向との二次元アレイ状にして平面上に配置するアレイ光源と、
   前記アレイ光源から入射する光線を前記第１軸方向の発散角が小さくなる方向に制限して出射する複数の第１レンズを前記第１軸方向に並べて配置する第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイから入射する、前記第１軸方向の発散角が小さくなる方向に制限された光線を前記第２軸方向の発散角が小さくなる方向に制限して出射する複数の第２レンズを前記第２軸方向に並べて配置する第２のレンズアレイと、
   前記第２のレンズアレイから入射する光線を重畳して被照射面に照射するインテグレータ光学系と、
   を備える画像表示装置。
10. 前記光変調素子が反射型液晶表示装置であり、
    前記アレイ光源の偏光方向は、前記反射型液晶表示装置の偏光方向と一致している請求項９記載の画像表示装置。

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