JP3792883B2 - 照明装置およびこれを用いた投射型表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明装置およびこの照明装置を使用した投射型画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコンやテレビの画像を大画面で表示したいというニーズの高まりや、液晶関連の技術発展を背景に、液晶プロジェクターが多く用いられるようになってきた。液晶プロジェクターは、類似機能をもつＣＲＴプロジェクターと比較して、画質がよい、小型、軽量であるなどの特長を有するが、画面の明るさの向上が課題とされ、多くの応用分野において明るさの向上が期待されている。照明光学系に関しては、光の利用効率が通常数パーセントしかなく、効率の向上を目指して様々な技術が開発されてきた。また、高輝度のランプと回転放物面鏡あるいは回転楕円体面などの反射鏡（リフレクタ）との組合せを光源に用いることが広く行われているが、こうして得られる光ビームは照度の一様性が悪く、画面の輝度を均一にするためには照度の一様性を改善する手段が必要とされる。
【０００３】
こうした目的で開発されてきた種々の照明系の方式については、例えば、解説論文（本宮佳典、「液晶プロジェクターの照明光学系」ディスプレイ アンド イメージング 第６巻 第１号 ｐ．１７−２６（１９９７）：ＳＣＩ．サイエンス・コミュニケーションズ・インターナショナル発行）などの文献で紹介されている。
【０００４】
前記解説論文でも指摘されている通り、照明光学系では、光利用効率、照度の一様性のほか、照明光の指向性も重要である。指向性を確保することで、表示品質の確保や、システム全体を通しての光利用効率の向上、装置サイズの小形化などが可能となる。
【０００５】
従来広く用いられてきた方式に、ロッドを用いたり、フライアイレンズを用いる光インテグレータがある。照度の一様性と光利用効率の向上が得られるが、指向性の面で必ずしも常に満足とは限らなかった。これらの方式と異なるアプローチとして、指向性をできるだけ確保しながら一様性や効率の向上を実現しようとする方式としてビーム形状変換技術を用いる方式が開示されている（特願平６−２３８１２２号、特願平７−５６９０６号）。この方法は円形の光ビームを一様な略矩形の光ビームに変換するもので、指向性、一様性、効率などをできる限り高いレベルで実現しようとするものである。
【０００６】
しかしながら、このビーム形状変換による方法では、光源の大きさが無視しえないような場合に問題が発生する場合がある。すなわち、有限の大きさを有する光源の場合、リフレクタにより反射されても完全な平行光あるいは完全な集束光とはならず、有限の角度範囲に広がりのある光ビームとなる。この場合、略矩形の光ビームに変換されても、その後長い光路を経てから液晶パネルなどの表示デバイスに至るとすると、その表示デバイスの位置ではその画面内の周辺部において、照度の弱い領域であるいわゆるボケが発生したり、その他の照度ムラが発生するなど、照度の一様性や光利用効率が劣化する場合がある。
【０００７】
この問題を解決し、光路長がある程度長くても一様性、効率および指向性などを維持するための技術として、リレーレンズを用いる方式が開示されている（特願平８−３４８９５５）。この方式は本発明と目的を同じくし、本発明に先行する従来技術である。図１５はリレーレンズを用いた従来の照明装置の構成を示す図である。
【０００８】
図１５において、光源のランプ２１を発した光はリフレクタ２２で平行、集束、または発散性の光ビーム２３に変換される。光ビーム２３は、光ビーム形状変換手段を構成する第１の素子２４を通過し、光ビーム形状変換手段を構成する第２の素子２５の位置で概略矩形の断面形状となる。光ビーム形状変換手段を構成する第２の素子２５は、入射する光ビームを平行光に変換する機能を有する。第１の素子２４と第２の素子２５は、それぞれ例えば最適化計算により決定される所定の曲面形状を有する特殊なレンズ様光学素子として実現される。
【０００９】
第２の素子２５を通過した光は、リレーレンズを構成するレンズ２６、およびレンズ３０を通過して液晶パネル３１を照明する。レンズ２６を通過した光は、レンズ２６の焦点位置近傍に集光され、その後その位置から発散する光としてレンズ３０に入射する。集光点が概略レンズ３０の焦点位置に位置するように構成することで、レンズ３０を通過した光は概略平行光となる。
【００１０】
また、レンズ２６，３０で構成されるリレーレンズ系が、前記光ビーム形状変換手段を構成する第２の素子２５の位置と液晶パネル３１の位置を互いに共役関係となるように、すなわち光ビーム形状変換手段を構成する第２の素子２５の位置での光ビームの形状が、液晶パネル３１の位置に結像されるように設定することで、光路長による光ビームの品質の劣化を回復し、良好な照明状態を実現することが可能になる。更に、焦点近傍に開口２９を設置することも可能であり、設置した場合、液晶パネルを照射する光の角度範囲は、開口の大きさで規定され、それ以上の角度で照射する光を遮断することが可能である。なお、光ビーム形状変換手段を構成する第２の素子２５と、リレーレンズを構成するレンズ２６のそれぞれの機能は、複合して単一の素子で同時に実現することも可能である。その際は素子２５の位置に複合機能を有する素子を設置すればよく、部品点数を削減することが可能である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の技術では、照度の一様性を更に高度なものとするには必ずしも十分満足なものではない。すなわち、図１５に示した従来の構成では、画面のある部分を照明する光は、光源から特定の方向に出射し、所定の光路を経由した光ビームのみとなるため、例えば光源の発光分布等、光学系の一部にムラの要因がある場合などには、その影響がそのまま画面の照度ムラに反映されてしまうため、それらの要因に対するマージンを確保することが困難であった。
【００１２】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、例えば光源の発光分布等、光学系の一部にムラの要因がある場合でも照度の一様性を確保できるようにし、照度ムラの少ない照明装置と、これを用いることにより輝度ムラが軽減された投射型表示装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明の照明装置は、略軸対象の丸い断面形状を有する光ビームを生成する光源部と、前記光源部から入射される前記光ビームを略矩形の断面形状に変換する手段と、前記略矩形の断面形状に変換された光ビームを複数の光ビームに空間的に分割する手段と、該分割された複数の光ビームを照射面上で重畳する手段とを具備することを特徴とする。
【００１４】
この照明装置においては、光源部からの光ビームは略軸対象の丸い断面形状から略矩形の断面形状に形状変換された後に、複数の光ビームに空間的に分離され、そしてそれら分離された光ビームが照射面上で再び重畳される。このように光ビーム形状変換で一様化した光ビームをさらに分割重畳することにより、光源の発光分布ムラがあってもそれを互いに相殺できるようになり、光の指向性を維持しつつ、照度分布の一様性、光利用効率の向上を図ることができ、照度ムラを軽減することができる。よって、液晶プロジェクター等の投写型表示装置用の照明装置として用いることにより、輝度ムラの無い投射映像を得ることが可能となる。
【００１５】
前記光ビームを略矩形の断面形状に変換する手段としては、入射側の面が凹面であって、出射側の面が自由曲面である光学素子を用いることが好ましい。この場合、前記自由曲面は、前記光源部から入射される前記光ビームが所定位置で前記略矩形の断面形状となるような表面形状を有する。
【００１６】
これにより、光ビームの指向性劣化を防止できる。また、形状変換に伴って、光ビームの中心部が周囲と比べて輝度が異なるという特異点が生じることもあるが、４分割重畳化することでこの中心領域は画面の４隅へ分散させることができるため、画面の中央には特異点が発生せず、表示品質への影響を抑制できる。
【００１７】
前記光ビームを複数の光ビームに空間的に分割する手段は、複数の領域に分割された表面形状を有する光学素子を用いて実現でき、これによりそれら分割された複数の領域をそれぞれ通過する光ビームを互いに分離させることができる。この分割用の光学素子を前記光ビームが略矩形の形状となる前記所定位置に設置することにより、形状変換によって一様化された光ビームを複数の光ビームに分割することが可能となる。
【００１８】
また、このような光ビーム分割手段を用いた場合には、前記光ビームの形状を変換する手段は、前記所定位置における光ビームの強度分布が、前記複数の領域に分割された表面形状を有する光学素子の領域分割線近傍で、分割される各領域内部よりも高い照度を有するように光ビームの形状を変換するように構成することが好ましい。
【００１９】
光ビームを分割重畳した場合には、各分割領域を通過した個々の分割光ビームが略照射面全面に照射されるので、領域分割線近傍の光が、照射面上の画面周囲部に伝達されることになる。したがって、領域分割線近傍の照度を高めておくことにより、画面周囲部における照度の低下を防止でき、画面の表示品質を高めることができる。
【００２０】
また、前記光ビームを複数の光ビームに空間的に分割する手段としては、複数の領域に分割され且つこれら複数の領域を通過することによって分離された光ビームが互いに異なる点に集光されるような表面形状を有する光学素子を用いることができる。
【００２１】
これにより、分割光を発散させる構成のものに比し、比較的小型の光学系にて分割光の重畳を容易に行うことが可能となる。また、分割光を重畳するための光学系を小さくすることで、分割光と角度の異なる余分な光の伝達を防止することが可能となる。
【００２２】
また、レンズ等の光学素子はある程度の大きさ以上のものの方が加工精度が高いので、分割光の重畳を行うためのレンズをやや大きめに設計しておき、遮光板などの遮光手段によって余分な光の伝達を防止するようにしてもよい。
【００２３】
また、前記分割された複数の光ビームを照射面上で重畳する手段は、分割された光ビームそれぞれの発散領域に配置され、発散状態の光ビームを略並行光に変換するコリメータレンズと、各分割光ビームが入射され、それら分割光ビームが前記コリメータレンズを介して前記照射面上で重畳されるように前記コリメータレンズに向かう各分割光ビームの方向を偏向する偏向手段とから構成することができる。
【００２４】
このように各分割光を偏向させた後にコリメータレンズを介して照射面上に照射することにより、分割光を互いに異なる位置に集光させる構成を用いた場合でも、照射面上における分割光の重畳精度を高めることができる。
【００２５】
また、前記光ビームが略矩形となる前記所定位置と前記照射面上との位置が互いに共役関係になるように、前記所定位置上の像を前記照射面上に結像させる手段をさらに具備することが好ましい。
【００２６】
この構成により、形状変換によって略一様の照度分布を持つ用に変換された光ビームの断面形状が照射面上に反映されるようになるので、焦点ずれによる光の損失を低減でき、光の利用効率を高めることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態に関る液晶プロジェクターの構成が照明装置部分の構成を中心に示されている。図１において、光源のランプ２１を発した光はリフレクタ２２で平行、集束、または発散性の光ビーム２３に変換される。光ビーム２３は、光ビーム形状変換手段を構成する第１の素子２４を通過し、光ビーム形状変換手段を構成する第２の素子２５の位置で概略矩形の断面形状となる。光ビーム形状変換手段を構成する第２の素子２５は、入射する光ビームを平行光に変換する機能を有する。第１の素子２４と第２の素子２５は、それぞれ例えば最適化計算により決定される所定の曲面形状を有する特殊なレンズ様光学素子として実現される。
【００２８】
第２の素子２５を通過した光は、リレーレンズを構成するレンズ２６を通過して集束光ビームに変換される。その後第１のプリズムアレイ２７を通過して光ビームは上下左右に空間的に４分割される。図１においては、分割された４ビームの内、２つのビームがＡ，Ｂとして示されている。４分割されたそれぞれのビームは第１のプリズムアレイ２７にて偏向されるため、光軸からはずれた異なる４つの点に集束される。その集束点近傍には第２のプリズムアレイ２８が設置され、再度光ビームを偏向する。この偏向方向は、照明すべき液晶表示パネル３１の領域にコリメート用のレンズ３０を介して正しく光が導かれるように定められる。第２のプリズムアレイ２８を通過した光線は発散状態で、リレーレンズを構成するレンズ３０に入射し、そこで平行光となって液晶パネル３１に導かれる。上述のように、４分割された光ビームのそれぞれが同様に、液晶パネル３１上に正しく導かれるように設定されるため、この位置では４つのビームが重畳される。
【００２９】
液晶パネル３１に表示された像は視野レンズ３２を介して投射レンズ３３の入射面に縮小結像され、この投射レンズ３３によって液晶パネル３１に表示された像がスクリーン３４に投影表示される。なお、視野レンズ３２は必ずしも必要なものではなく、視野レンズ３２による縮小結像を用いる代わりに、収束光を液晶パネル３１に入射させるようにしてもよい。もちろん、液晶パネル３１と投射レンズ３３をほぼ同様の大きさに設定できる場合には、平行ビームが照射される液晶パネル３１に表示された像を、直接に投射レンズ３３に導くようにしても良い。
【００３０】
外部から入力される映像信号は映像信号処理回路３６によって処理されて、液晶パネル３１を駆動するための駆動回路３５に駆動用の信号として与えられる。これにより、液晶パネル３１には映像信号による像が表示される。
【００３１】
なお、通常は、冷却ファンなどの手段が必要に応じて一緒に装置内に内蔵される。また、光学系についても、発明の趣旨の説明に必要なものなどの主だったものしか図示していないが、例えばランプの破裂に際して破片が飛び散らないための防護部品、不用な紫外光や赤外光を反射・吸収などして除去するためのフィルター、偏向を揃えるための光学系、光路を折り曲げるための反射鏡、プリズムなど、各種の光学部品を必要に応じて光路に挿入できる。
【００３２】
図２は第１のプリズムアレイ２７の構造の一例を示した図である。光の通過領域が４分割され、それぞれの領域毎に異なる向きのプリズム面を有するため、通過した光は４分割される。また、各プリズム面は、各分割光が異なる位置に収束するような形状および向きに設定されている。図１の光学系は、４分割されたプリズム面を入射面として配置した例であるが、４分割されたプリズム面が出射面側になるようにプリズムアレイ２７を配置しても良い。この場合にも、各プリズム面は、各分割光が異なる位置に収束するような形状および向きに最適化される。
【００３３】
図３は第２のプリズムアレイ２８の構造の一例を示した図である。第２のプリズムアレイ２８は前述したように４分割された各分割光を偏向してレンズ３０に導くものであり、４分割されたプリズム面を有している。第１のプリズムアレイ２７の各面の向きは、この第２のプリズム２８の４分割されたそれぞれの領域の中央付近に光を集束するように、決定される。収束された各分割光は、それが集光した第２のプリズム２８のプリズム面を通過することで偏向を受ける。図１では、分割された光ビームＡについては上方向に向きが変えられ、また分割された光ビームＢについては下方向に向きが変えられている様子が示されている。第２のプリズム２８の各プリズム面は、４つの分割光がレンズ３０を通過した後に液晶パネル３１上で精度良く重畳するような形状および向きに最適化されている。
【００３４】
このように分割された４つの光ビームをプリズムアレイ２８の異なるプリズム面に集光させることにより、プリズムアレイ２８をプリズムアレイ２７よりも小型化でき、分割光を発散させる構成のものに比し、比較的小型の光学系にて分割光の重畳を容易に行うことが可能となる。また、プリズムアレイ２８を小型化することで、分割光と角度の異なる余分な光の伝達を防止することが可能となる。
【００３５】
なお、図１の光学系は、４分割されたプリズム面を入射面として配置した例であるが、４分割されたプリズム面が出射面側になるようにプリズムアレイ２８を配置しても良い。この場合にも、各プリズム面は、各分割光が液晶パネル３１上で精度良く重畳するように決定される。
【００３６】
公知例（特願平８−３４８９５５号）のような単板カラーフィルターレス方式の表示パネルに適用しようとする場合は、パネルを照明する光の角度範囲は、上下方向と左右方向では許容範囲が大きく異なる。この場合第２のプリズムアレイ２８の有効な開口は縦長となる。この場合、図３のように、縦長の長方形の領域を有効面とし、その有効面を上下、左右に分割して、都合４分割の面を持たせることが好ましい。
【００３７】
ビーム形状変換手段を構成する第１の素子２４は略軸対称の丸い断面形状を持つ入射光を略矩形の断面形状に変換して照度の一様性を改善するものであるが、この設計手法について、公知例（特願平６−２３８１２２号）では、厚みが無視できる場合には平面型の素子として位相伝達関数を用いる近似に基づいても設計できることが開示されているが、本実施形態では光路長を短くするために肉厚のレンズを用いるので、直接曲面形状を最適化する方法を採用した。素子は、射出成形法による作製を前提とすると片面が球面でもう一方の面が自由曲面であることが望ましい。入射側の面を凹面として、出射側の曲面を最適な自由曲面として決定した。この曲面の設計には非線形最小二乗法を用いた最適化と、光線追跡を組合わせた設計プログラムを用いたが、幾つかのサンプル光線を設定し、これが矩形状に配置される目標到達点にできるだけ近い点に到達するように、曲面を規定する未知パラメータを決定するという手法は基本的には公知例（特願平６−２３８１２２号）で開示されている方針と同じである。しかしながら、薄肉近似で多項式の位相伝達関数を想定する場合は、解析的にヤコビアンを記述できるため計算が非常に容易であったが、曲面を多項式で表現する厚肉設計の場合にはヤコビアンは解析的に記述できない。すなわち、ヤコビアンを与える厳密な数式が一般には得られない。そこで、偏微分を差分で代用してこれをヤコビアンの代わりに用いる方法を採用した。この結果として、処理に必要な計算機資源は相当量増加するが、光路長を短くできるという重要な特長を実現できる。
【００３８】
また、ビーム形状変換手段を構成する第１の素子２４の形状は、矩形ビームが照射されるプリズム２７の面を４つの領域に分割する分割線近傍で、各分割プリズム面領域内部よりも高い強度となるように決定されている。
【００３９】
すなわち、図１の照明装置のように、光ビーム形状変換で一様化した光ビームをさらに分割重畳するという光学系を利用した場合には、プリズム２７の各分割プリズム面を通過した個々の分割光ビームは液晶パネル３１のほぼ全面に照射されるので、領域分割線近傍の光が、液晶パネル３１上の画面周囲部に伝達されることになる。したがって、領域分割線近傍の照度を高めておくことにより、画面周囲部における照度の低下を防止でき、投影映像の表示品質を高めることができる。
【００４０】
光ビームを分割重畳する主要な効果は主に２つ挙げられる。第一の効果は中心部が特異点とならないことである。第２の素子２５の中心付近は、本来は中抜けのため光強度の低下する領域であるが、中抜け対策機能により周囲の光が導かれて補填されている。そのため、中抜け対策のない場合と比較すると強度は均一化されているものの、詳細にみると周囲と強度の異なる特異な点となってしまう。光源の取付け位置や素子の取付け位置の誤差の影響を受けやすく、これらの条件に依存して周囲より明るくなる場合や暗くなる場合が発生する。４分割重畳化することでこの中心領域は画面の４隅へ分散するため、画面の中央には特異点が発生せず、表示品質への影響を抑制できる。
【００４１】
第二の効果は光源の発光分布ムラの影響を軽減するためである。高輝度放電ランプ（メタルハライドランプ、水銀ランプなど）の発光部分であるアークの領域は、重力の影響やその他の微妙な放電条件の影響で、必ずしも等方的には光を放射していない。素子２４，２５による円形−矩形変換（○−□変換）では指向性を劣化させないことを基本としているため、異なる方向に放射された光は異なる点を照明することになるため、発光分布ムラはそのまま照度のムラになる。色ムラ等についても同様である。実験時の主観評価からも、ある程度の重畳は必須と判断された。本実施形態では、光ビーム形状変換で一様化した光ビームをさらに分割重畳することにより、光源の発光分布ムラがあってもそれを互いに相殺できるので、照度ムラを軽減することができる。よって、液晶プロジェクター等の投写型表示装置用の照明装置として用いることにより、輝度ムラの無い投射映像を得ることが可能となる。
【００４２】
分割数を多く設定すると、より均一な照度分布の得られることが予想される。しかしながら分割数を増やしていくと、照射面のどの位置に対しても多方向から照明する形になるため、実質的にフライアイレンズに近い性能しか実現し得なくなる方向に近づく。つまり敢えてビーム形状変換を施す効果が薄れて指向性の確保も次第に容易でなくなる。評価の結果、４分割で実用的な均一性の得られることが確認された。ただし、光源の具体的な仕様や、求められる指向性、均一性などの条件から、必ずしも４分割に限定されなければならない理由はなく、条件に適合した任意の数値であってもよい。ただし、中心のような特異な点が境界線上や隅に位置する場合の方が、分割された領域の内部にある場合と比較して一様性を確保するのが容易であり、そのように分割することが望ましい。領域が４分割の場合は上下左右の対称性があり、分割された光学系の一系統の設計ができれば、他もその対称形とすればよいので、設計、製造等の観点から有利である。
【００４３】
以上のように、本実施形態によれば、ビーム形状変換で残留する照度ムラを、ビームの分割重畳により抑制すると共に、ビーム形状変換の特性としての指向性を維持することが比較的小形で簡便な構成で実現できる。
【００４４】
（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態に関る液晶プロジェクターの照明装置部分の構成を示す図である。図４において、図１と共通する部分については同じ番号を付した。動作が共通するものについては説明を一部省略する。本実施形態においては、部品点数を削減するため、第１の実施形態における３つの素子、すなわち光ビーム形状変換手段を構成する第２の素子２５、リレーレンズを構成するレンズ２６、および第１のプリズムアレイ２７の３つの素子の機能を併せ持つ素子を設置することで部品点数を迎えた構成とする改善を図っている。この素子は、合成機能素子４０として図示してあり、図１における３つの素子の設置位置近傍に設置するものとする。
【００４５】
合成機能素子４０は、最適化計算により決定される所定の曲面形状を有する特殊なレンズ様光学素子として実現される。この曲面形状を決定する計算に際しては、第１の実施形態の素子２５の場合に出力光が平行光となるよう設計するのに対応して、本実施形態では直接第２のプリズムアレイ２８の分割された面の中央近傍を目標到達点として最適化計算を実行してパラメータを決定する。
【００４６】
本実施形態の最大の特徴は部品点数の削減にあるが、性能面でも若干の改善が期待される。前述の第１の実施形態では、平行光にした後に挿入されるレンズ２６、および第１のプリズムアレイ２７の２つの素子により、僅かながら収差が発生する。本実施形態では、直接集光点を目標とした設計をするので、そうした影響などを若干ではあるが回避し、性能の向上を図ることができる。
【００４７】
なお、本実施形態では第１の実施形態の３つの素子の機能を全て兼ねる素子を具備したが、当然ながら全てではなく、任意の２つの素子の機能を兼ねる素子と他の素子、などの組合せであっても構わない。構成の自由度が増えるため、装置の用途や寸法によってはその方が実施し易い場合もある。
【００４８】
最適化で曲面形状の設計パラメータを決定するにあたっては、素子形状を表わす関数形の定義、サンプル光線の設定、目標到達点の設定が必要である。公知例（特願平６−２３８１２２号明細書）で開示されている手法より高い精度を実現するため、より多くのパラメータを含む自由度の高い関数形を設定した。また、目標到達点はサンプル光線の位置からマッピングにより導く方法に拠るものとした。
【００４９】
また、最適化による設計であることから、たとえ解が求まってもそれが満足な解である保証はない。したがって、求められたパラメータで実現される性能をシミュレーションで予測する必要がある。アークの大きさを考慮したモンテカルロシミュレーションにより、予測される照度分布を計算して設計を調整するなどの行程も必要に応じて適宜行うことが望ましい。
【００５０】
（第３の実施形態）
図５は本発明の第３の実施形態に関る液晶プロジェクターの照明装置部分の構成を示す図である。図５において、図４と共通する部分については同じ番号を付した。動作が共通するものについては説明を一部省略する。本実施形態においては、第２のプリズムアレイ２８を図１および図４よりも比較的大きく設計してその形状の加工精度を上げるようにしている。また、第２のプリズムアレイ２８の出射面側には所定の開口を持つ遮光板５０が設けられており、これにより分割光とは異なる角度で入射される余分な光成分４１が遮光される。光成分４１の伝達は照度分布のムラを発生する要因となるので、遮光板５０によってそれを防止することにより第２のプリズムアレイ２８の寸法設計の自由度を向上できる。また、遮光板５０を第２のプリズムアレイ２８の入射面側に設けてもよい。さらに、遮光板５０の代わりに、例えば、第２のプリズムアレイ２８の出射面側に、反射材料が内面に形成された中空の遮光膜を張り付けてもよい。
【００５１】
（第４の実施形態）
図６は本発明の第４の実施形態に関る液晶プロジェクターの照明装置部分の構成を示す図である。図６において、図４の第２実施形態と共通する部分については同じ番号を付した。動作が共通するものについては説明を一部省略する。本実施形態においては、第２のプリズムアレイ２８の４分割プリズム面が出射面側になるように配置しており、また第２のプリズムアレイ２８の入射面側は図示のように凸状の曲率を持たせている。この曲率形状は４つの分割ビーム、すなわち４つの分割プリズム面に対応して上下左右に都合４つ形成されている。各曲率形状は、略矩形状の光ビームが得られる合成機能素子４０の位置を液晶パネル３１の照射面の位置とが互いに共役関係になるように決定される。これにより、合成機能素子４０の像が液晶パネル３１の照射面に結像されて、形状変換によって略一様の照度分布を持つ用に変換された合成機能素子４０上における光ビームの断面形状が照射面上に反映されるようになり、焦点ずれによる光の損失を低減でき、光の利用効率を高めることができる。
【００５２】
（光学計の設計手法）
次に、図６の第４の実施形態を例にとって、光学系の具体的設計の詳細について説明する。光学系の主要なパラメータは次のように設定した：
液晶パネルサイズ（横） ：ＡＸＰ＝６０．４８ｍｍ
液晶パネルサイズ（縦） ：ＡＹＰ＝３３．６０ｍｍ
リフレクタ第１焦点距離 ：Ｆ１＝１０ｍｍ
リフレクタ第２焦点距離 ：Ｆ２＝１８０ｍｍ
素子Ａ−素子Ｂ間距離 ：ＤＡＢ＝４０ｍｍ
プリズム−レンズ間距離 ：ＤＰＬ＝１９０ｍｍ
素子Ａ入射面曲率半径 ：Ｒ１＝６００ｍｍ（凹面：中心は光軸）
素子Ｂ入射面曲率半径 ：Ｒ２＝６００ｍｍ（凹面：中心は光軸）
素子Ｐ入射面曲率半径 ：Ｒ３＝２３．５ｍｍ（凸面：中心は各プリズムの中心）
当然ながら、発明の趣旨はこれらの具体的数値に限定されるものではない。なお、以下では記述の便宜のため、光ビーム形状変換手段を構成する第１の素子２４を素子Ａと呼ぶ。また、同様に合成機能素子４０を素子Ｂ、第２のプリズムアレイ２８を素子Ｐと呼ぶことにする。いずれも入射面側は球面としたが、必ずしもこのような組合せに限定する必要はない。
【００５３】
ここで、素子Ｐの有効領域のサイズは、リレーレンズを構成するレンズ３０の焦点距離、および液晶パネルの許容入射角度から決まる大きさを超えられない。この大きさを超えると、許容入射角度を超える角度で液晶パネル３１に光が入射する。この制約から各プリズムの有効領域の大きさが定まる。一方、アークが有限な大きさをもつことから、この位置での光ビームのスポットサイズはやはり有限な大きさをもつ。このため素子Ｐの大きさによって効率に制約が課せられる。これは、液晶パネルの特性と、光源の発光領域（アーク）の大きさから定まる本質的な制約であり、光学系の構成によらず同種の制約が必ず課せられる。本発明における素子Ａ，Ｂの曲面の最適化は、こうした制約により規定される限界に近い性能の実現を目指すものである。
【００５４】
最適化にあたっては、素子の曲面形状を表わす関数ｈ（ｘ，ｙ）に、未知パラメータを幾つか含む関数形を仮定し、代表的なサンプル光線の到達点と目標到達点の座標差（距離）の重み付き２乗和が最小となるように未知パラメータの値を定める。公知の技術（特願平６−２３８１２２号、特願平７−５６９０６号）では薄肉近似であるため位相伝達関数を最適化していたのに対して、本実施形態の設計では厚肉素子として設計するため素子形状そのものを最適化する。しかしながら、光学系のレイアウトや許容誤差などの観点から、位相伝達関数の最適化で十分な場合には、敢えて厚肉素子としなくても一定の性能を達成することは可能な場合がある。位相伝達関数で特性を記述する場合、通過する光線がどのように偏向されるかは、解析的に計算し表現できるため、プログラムは開発も容易であり計算時間も短くて済む。厚肉素子の場合、光線がどこで素子面に当たるかを再帰的な処理で計算し、その位置での面の向きを計算し、屈折の法則を適用して境界面通過後の光線の進行方向を計算する。また、ヤコビアン（光線の到達点の座標の、最適化対象パラメータによる偏微分係数の行列）も一般的には解析的に計算できないため、パラメータ値を微小に変えた場合の計算結果から差分を計算してヤコビアンの近似値として用いる方法を採用した。
【００５５】
素子Ａの出射面の曲面形状を表わす関数ｈ（ｘ，ｙ）としては、次の関数形を採用した。
【００５６】
ｈ_A（ｘ，ｙ）＝Σ_KLＣ_KLｒ^L ＣＯＳ Ｋθ …（１）
ただし、Σ記号による和は、Ｌについては１から８までの整数、またＫについては０から１０までの偶数について全部で４８項の和をとる。最適化の対象となる未知パラメータＣ_KLはこれに対応して４８個である。また、（ｘ，ｙ）と（ｒ，θ）との関係は、ｘ＝ｒ ｓｉｎθ，ｙ＝ｒ ｃｏｓθとする。なお、ｃｏｓのみ、かつＫが偶数のみであることから、関数はｘについてもｙについても対称である。
【００５７】
素子Ｂは４分割されるが、ｘについてもｙについても対称とするので、４分割したうちの一つのみ設計すれば、他はこれを対称変換して定められる。そこで、ｘ≧０，ｙ≧０の領域に注目してこの領域で設計する。この場合、円形における中心点のような特異点はないので関数形には次の形を採用した。
【００５８】
ｈ_B（ｘ，ｙ）＝Σ_KLＤ_KLｘ^K ｙ^L …（２）
ただし、Σ記号による和は、Ｋ，Ｌとも非負の整数として、Ｌ＋Ｋが１以上８以下となる全ての組み合わせについて全部で４４項の和をとる。未知パラメータＤ_KLもこれに対応して４４個である。
【００５９】
評価関数を小さくするためには自由度、即ち未知パラメータの数を大きく設定する必要があるが、サンプルとする光線の数に比べて十分小さい自由度に設定しないと不適切な解に収束してしまう。したがって適当な自由度のモデル関数としなければ的確な設計は実現できない。上述のモデルの場合、パラメータ数の増減で関数の値や素子の性能に顕著な変化がみられないことなどから、妥当な関数モデルであることがわかる。ただし、このことはまた、適切な自由度があれば関数形の具体的な形やパラメータ数について特に上記のモデルに限定する必要はないことも意味しており、他の関数形であっても構わない。
【００６０】
最適化にあたっては、代表的なサンプル光線の到達点と目標到達点を定める必要がある。系がｘについてもｙについても対称としているので、ｘ≧０，ｙ≧０の領域のみにサンプル光線を設定する。本実施形態の設計では１８７本のサンプル光線を設定したが、このように多数のサンプル光線を設定するためには、それぞれのサンプル光線に対する目標到達点の位置を、計算機で処理できるような一定の処方で設定できることが望ましい。素子Ｂについては通過後の光線が一点に集束するように最適化すればよいので、処理は容易である。一方、素子Ａについては通過後の光が素子Ｂ位置で矩形状の領域を一様に照明するように配光することから、目標到達点の設定は重要な課題となる。
【００６１】
本実施形態の設計ではマッピングを定義し、光線の出発点の座標からそのマッピングによって規定される座標を目標到達点とする方法を用いた。サンプル光線はリフレクタ出射開口面から発するものとし、これが素子Ｂの置かれる位置に想定した仮想平面に到達するものとする。マッピングとはこの場合、リフレクタ出射開口面の位置座標を、素子Ｂ位置の仮想平面上の座標に対応させる規則である。マッピングによる設定の妥当性は、次のように考えることで理解できる。すなわち、理想的な素子ができたと想定した場合、その素子の機能により何らかのマッピングが定義されるであろうから、そのようなマッピングにしたがった目標到達点を設定すれば理想的な素子ができるであろうとの考えである。残念ながらそのような理想的なマッピングの具体的な表現がどのようになるのかは判らない。したがって、ある程度の試行錯誤により改良を施さなければならない要素がある。そのために一般性が高くしかも見通しの得やすい処方で改良が加えられるようなマッピングの定式化として以下のようなモデルを考え、これに基づいて設計した。
【００６２】
まず、リフレクタ開口面から素子Ｂ位置の平面へのマッピングを２段階に分けて扱う。極座標で表して、リフレクタ開口面上の点Ｐ₁（ｒ₁，θ₁）→単位円内 の点Ｐ₀（ｒ₀，θ₀）→矩形領域内の点Ｐ₂（ｒ₂，θ₂）、のように対応づける。
【００６３】
リフレクタ開口面上の強度分布はｒ₁のみの関数ｆ（ｒ₁）で与えられるとする。動径方向にはθ₀＝θ₁とする。半径方向は、単位円内の強度分布が一定となることに対応する次の条件にしたがってｒ₀を対応させる。
【００６４】
【数１】

【００６５】
次に第２のマッピングを考える。このため、ηをパラメータとする閉曲線群を考える。このような曲線群は次のように書くことができる。
【００６６】
ｒ＝ｇ（θ，η） （ただし、０≦η≦１、 ｇ／ η≧０） …（６）
ｒ₀＝一定の円は、第２のマッピングで、特定のηの値に対応する閉曲線にマ ッピングされるとする。
【００６７】
マッピング後の強度分布に相当する重み関数ｗ（ｒ，θ）を考える。このときηの値は次の条件で規定される。
【００６８】
【数２】

【００６９】
すなわち、
η＝ｆ_I2 ^-1（ｒ₀ ²） …（８）
ただし、ｆ_I2（η）は上式の右辺で表わされる関数とする。
【００７０】
角度θ₂は（０≦θ₀≦π／２の場合）、次式の条件で定まる。
【００７１】
【数３】

【００７２】
すなわち、
θ₂＝ｆ_I3 ^-1（２θ₀／π） …（１０）
ただし、ｆ_I3（θ₂）は、上式の右辺で表わされる関数とする。こうしてηお よびθ₂が決まると、半径ｒ₂はηとθ₂を用いて、ｒ₂＝ｇ（θ₂，η）として求 まる。
【００７３】
このように単位円内の領域を経由して２段階とする理由は、サンプル光線の設定の仕方を幾つか試行できるようにするためである。単位円内で一様な密度となるように設定すると、リフレクタ開口面では強度に比例してサンプル光線を設定できる。実際には一様な密度とはしなかったが、単位円内で半径を１１通り変化させ、各場合に１／４円周を１７等分して１７×１１＝１８７本のサンプル光線の出射点を設定した。
【００７４】
リフレクタ開口面の強度分布に関する処理を説明する。関数ｆ（ｒ）については、等方的に発光する点光源がリフレクタの焦点におかれた場合の理論的強度分布ｆ_INT（ｒ）を元に設定した。リフレクタ開口の半径をｒ_max0、中心穴の半径 をｒ_min0とする。
【００７５】
関数ｆ（ｒ）については、ｒを乗じた積分値を用いるので次のように設定する。
【００７６】
【数４】

【００７７】
とする。ここで、ｒ_min1は中心穴より僅かに内側に設定し、数値計算で発生する不連続性を緩和するための値である。また、ｒ_max1は同様に開口より少し外側に延長して辺縁部の特異性を緩和するための値であり、ｒ_max0よりやや大きい値に設定する。ここでは約１．１倍で区切りのよい値に設定した。ｆ₁（ｒ）は周 辺強度を調整するための関数、ｆ₂（ｒ）は中心付近の強度を調整するための関 数である。アーク長の影響などにより必ずしも満足な解が得られない場合に、これらのパラメータを適宜調整することで特性が改善する場合があるため、現段階ではこのような処理の可能性を残している。ただし、今回はこのような処理を行わなくてもある程度の性能の確保できることが確認できたため、ｆ_OUT＝１．０ ，ｆ_IN＝１．０としており、ｆ₁（ｒ）＝ｆ₂（ｒ）＝１となっている。また、ｒ_IBは解の安定を確保するために恣意的に導入したパラメータである。この値を大きく設定すると理論強度分布に近づくが、周辺の光強度が非常に弱いため、例えば周辺の光が内部の方へ折り返してしまうような現象が現われてしまうなど、得られる解が非実際的なものとなってしまう。したがって、性能の確認、あるいは予測をシミュレーションなどにより行なって、所望の機能を実現できているかどうか見極め、必要に応じて調整することでより高い性能を実現できる。
【００７８】
次に閉曲線群のモデルについて説明する。関数ｇ（θ，η）について、ηが０と１の両極のケースでの形状を仮定して設定する手法を試みた。最外周に相当する曲線ｒ＝ｇ（θ，１）がｘ軸と交わる点のｘ座標をａ_Y1、ｙ軸と交わる点のｙ座標をａ_Y1とする。また、最内周に相当する曲線ｒ＝ｇ（θ，０）がｘ軸と交わる点のｘ座標をａ_X2、ｙ軸と交わる点のｙ座標をａ_Y2とする。周辺と中心付近とで曲線の形状を変え、その間を滑らかに補間するため、以下の処理をした。
【００７９】
まず、曲線｜ｘ／ａ_X1｜^N1＋｜ｙ／ａ_Y1｜^N1＝１を考える。以後、第１象限（ｘ≧０，ｙ≧０）に注目するが、その際は絶対値の記号を外せる。それ以外の象限については対称性から同様に設計できる。ここで、Ｎ１が２であれば楕円を表わすが、大きくなるほど矩形に近づく。また、Ｎ１は必ずしも整数である必要はなく、任意の実数でよい。この曲線は、

と書ける。また、曲線（ｘ／ａ_X1）²＋（ｙ／ａ_Y1）² ＝１は、

と書ける。最外周の曲線は、これらを用いて、
ｒ₁（θ）＝Ｐ_r1（θ）×｛Ｐ₁（θ）／Ｐ_r1（θ）｝^q1 …（１３）
とする。今回はｑ１＝１としたので、単にｒ₁（θ）＝Ｐ₁（θ）としたのと同等であるが、ｑ１の形でモデルを考えることで、設計自由度の増加の可能性を確保できる。
【００８０】
最内周についても同様の扱いをする。まず、曲線（Ｘ／ａ_X1）^N2＋（Ｙ／ａ_Y2）^N2＝１を考え、

とする。また、曲線（Ｘ／ａ_X2）²＋（Ｙ／ａ_Y2）²＝１を、

と書く。最内周の曲線は、これらを用いて、
ｒ₂（θ）＝Ｐ_r2（θ）×｛Ｐ₂（θ）／Ｐ_r2（θ）｝^q2 …（１６）
とした。この実施形態では閉曲線の形がやや菱形に近づくように、ｑ２＝−２とした。
【００８１】
パラメータηが０＜η＜１の範囲の場合の閉曲線は、上記のｒ₂をＡ_mag倍にスケールアップしたものとｒ₁との間をη：（１−η）に内分する点を求め、もう 一度スケールダウンして設定する。具体的に式で書くと、曲線は、

と表現できる。この関数のηに関する微分は、

のように得られる。
【００８２】
次に、目標とすべき強度分布に定式上の自由度をもたせ、実際の設計における調整のための自由度を確保するために、重み関数を導入した。すなわち、重み関数ｗ（ｒ，θ）は、一様な強度分布を実現しようという目的から、通常は一定値とすることが素朴で自然な処理であるが、現実の光源には大きさがあることなどから必ずしも一定の強度分布が得られる訳ではない。そこでそのような不均一性を補償するように意図的にｗ（ｒ，θ）を設定しておくことで、得られる強度分布の均一性を改善できることが期待できる。また、目標とする分布を均一分布以外のより望ましい分布とするために、積極的に利用することもできる。液晶プロジェクターでは、液晶パネル以後のフィールドレンズ、投影レンズ、スクリーンなどの素子により周辺の輝度が中心の輝度よりも大幅に減衰する。この影響を逆に補償しようとすると、液晶の周辺を中心部以上に明るく照明することが望まれる。従来の光学系ではこのような照明の実現は必ずしも容易ではなかったが、本発明の実施形態では多くのパラメータで規定される自由曲面を用いているので、関数ｗ（ｒ，θ）に適当な関数を設定することで容易に対応できる。４分割重畳をする場合、素子Ｂの開口の周辺と、ｘ軸、およびｙ軸近傍の領域がパネルの周辺部分の照明に寄与する。そこで、これらの領域で大きい値をとる関数として次のような関数を採用した。
【００８３】

今回の設計では、
ａ₁ ＝ａ₃＝２．０，ａ₂＝ａ₄＝１．５，
ｗ_a1＝ｗ_a3＝５．０，ｗ_a2＝ｗ_a4＝３．０
として、周辺部を増強する重みとした。
【００８４】
このように、閉曲線の設定についても、重みの設定についても自由度の高いモデルを利用しているが、このことは、現実の設計において有効である。実現される変換特性は、理想的には目標到達点の設定の仕方の細部には依らなくなることが望ましいが、少なくとも現在は理想的な関数を具体的に知る手段はなく、こうしたマッピングのためのパラメータをある程度試行錯誤的に調整する必要がある。その際にシミュレーションで予測される特性との関係の分かりやすいパラメータが設計パラメータとしてモデルに自然に組み入れられていることが有効である。上述のモデルはそういう意味で有力なものである。例えば、Ｎ１は矩形への近さ、Ａ_magは内周部の形状から外周部の形状へ変化する過程の調整、ａ₁〜ａ₄は 周辺部の増強の程度、ｗ₁〜ｗ₄は増強する領域の幅、などのように意味付けのしやすいパラメータとしてモデルに組み入れられている。しかしながら、必ずしもこのようなモデルに限定されるべき必然性を負うものではなく、他の手段で設定されてもよい。いずれにしろ、光を無駄なく有効に使いながら、最終的にパネル位置での強度分布が所望のものとなるように、曲面の形状の自由度を有効に活用するという趣旨を実現することが本発明の主眼である。
【００８５】
次に、素子Ｂの設計の手順について説明する。先の素子Ａの設計に際しては、リフレクタ開口周辺部の光線が特異な挙動にならないように、周辺よりやや外側に実際には存在しない光線もサンプル光線として仮定して設計した。素子Ｂの設計ではそれらの光線は有害になるので、実際に存在する光線で最適化を行なった。すなわち、リフレクタ開口内に改めてサンプル光線を設定し、これが素子Ａを通過して素子Ｂの入射面で屈折するまでを光線追跡で求め、得られた光線を最適化のサンプル光線の初期状態として採用した。目標到達点は、素子Ｐの入射面の球面形状も考慮に入れて、素子Ｐの出射面の中心に到達するよう設定した。
【００８６】
このようにして設定された関数形と目標到達点を用いた最適化計算でパラメータが求まるが、設計の実際についてもう少し詳細に説明する。
【００８７】
図７に素子Ａ設計時に用いたサンプル光線のリフレクタ開口面における位置を示した。また、図８には目標到達点、図９にはモデルによる到達点を示した。最適化により、設計意図が反映されて概略矩形状の領域を照明できることが分かる。最適化により求まったパラメータを、素子Ａについては表１、素子Ｂについては表２に示す。
【００８８】
【表１】

【００８９】
【表２】

【００９０】
特性の評価にはサンプル光線以外の光線の振舞いも確認することが必要である。図１０ではリフレクタ開口面に設定した蜘蛛の巣状のパターンを示す。図１１はこれが液晶パネル位置でどのような領域に到達するかを示したものである。折返しなどのない、なめらかな形状変換の実現できることが確認できる。
【００９１】
さらに、アークが大きさを有することを考慮した性能予測のため、モンテカルロシミュレーションによる照度分布の計算を行なった。光源のモデルとしては、等方的に発光する点光源が、アークサイズに相当する円柱状の領域に多数分布するものとした。円柱の直径は０．７ｍｍ、長さは１．５ｍｍ、また、長さ方向に領域を３等分し、点光源の分布密度はそれぞれの領域内では一様としたが、中央の領域は前後の領域の半分の密度とすることで、電極近傍の輝度の高いことの影響を取り入れるようにした。また、アークの中心は楕円鏡の第一焦点より０．１ｍｍ前方（リフレクタから離す方向）に位置するように設定した。
【００９２】
パネルを透過した光はスクリーンを通過するまでの過程で投影レンズやスクリーンにより減衰するが、その減衰量は画面の周辺に近づくほど大きくなり、画面隅では約半分に減衰する。こうした減少の影響を簡便に見積もり、設計に活かすためには、精密でなくても近似的に影響をモデル化することが有効である。そこで、スクリーン上で観察される表示画面の輝度の一様性の指標とするべく、パネル面上での予想強度分布に、
ａ（ｒ）＝１−（１／２）ｒ²／｛（ａｘｐ／２）²＋（ａｙｐ／２）²｝…（２０）
なる関数を乗じた量を計算した。すなわち、中心からの距離の２乗に比例して輝度が減衰し、スクリーンの４隅では５割の減衰が生ずるとするモデルである。これは、スクリーンを観察した際の輝度分布の予測値に相当する。スクリーンにおける輝度分布の予測結果を、図１２では立体斜視図、図１３では横方向の分布、図１４に縦方向の分布として図示する。
【００９３】
数値的な結果については、表３に効率の内訳、表４に輝度の均一性について示す。
【００９４】
【表３】

【００９５】
【表４】

【００９６】
約４８％の光利用効率（有効照明光／リフレクタ反射光量）と、約４２％の周辺強度比（スクリーン換算値）が実現できることがシミュレーションで予想されている。
【００９７】
以上、本発明の実施形態によれば、液晶プロジェクターなどの照明光学系において、高い指向性を実現しながら、輝度の高い一様性と、高い光利用効率が達成できる。
【００９８】
また本発明は必ずしも以上説明した各実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、光源のリフレクタの形状は回転楕円面としたが、回転放物面でもよく、更に、他の形状でもよい。素子Ａ位置で場所の関数として光線の伝播方向がなるべく狭い角度範囲に規定されていれば、それだけ本発明の効果が高い。また、前記実施形態では、光軸が一貫した直線であったが、途中で鏡を使って折返したりすることも可能である。また、投射レンズの光軸と照明系の光軸は一致していてもずれを設定してあってもよい。更に、先にも言及したとおり、分割は上下左右の分割線による４分割に限定されるものではなく、より少数、あるいは多数の分割であってもよい。また、目標到達点を設定するための具体的なアルゴリズムにも何ら限定されない。前述の実施形態ではリフレクタ開口面の強度分布を表す関数ｆ（ｒ）については、等方的に発光する点光源がリフレクタの焦点におかれた場合の理論的強度分布ｆ_INT（ｒ）を元にマッピングを設定した。しかしな がら、このように限定される必要はなく、何らかの有限な大きさの光源モデルを設定して計算した強度分布、あるいは実測した強度分布や、それに適当な処理を施したような関数を用いてもよく、更には、敢えてマッピングを定義せずに光線ごとに適宜判断して設定してもよい。これらの変形はいずれも、高い指向性、一様性、および効率を実現しようとする本発明の趣旨を逸脱するものではなく、いずれも本発明に含まれるものである。
【００９９】
また、第１実施形態の構成に、第３実施形態の遮光板５０、第４実施形態のプリズムレンズ２８の曲率形状を適用することも可能である。
【０１００】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、光ビーム形状変換で一様化した光ビームをさらに分割重畳することにより、光の指向性を維持しつつ、照度分布の一様性、光利用効率の向上を図ることができる。よって、液晶プロジェクター等の投写型表示装置用の照明装置として用いることにより、輝度ムラの無い投射映像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に関る液晶プロジェクターの照明装置部分の構成を示す図。
【図２】図１の照明装置に設けられた第１のプリズムアレイの構造の一例を示す図。
【図３】図１の照明装置に設けられた第２のプリズムアレイの構造の一例を示す図。
【図４】本発明の第２実施形態に関る液晶プロジェクターの照明装置部分の構成を示す図。
【図５】本発明の第３実施形態に関る液晶プロジェクターの照明装置部分の構成を示す図。
【図６】本発明の第４実施形態に関る液晶プロジェクターの照明装置部分の構成を示す図。
【図７】本発明の照明装置の設計で用いられるサンプル光線のリフレクタ開口面における位置を示した図。
【図８】本発明の照明装置の設計で用いられる目標到達点を示した図。
【図９】本発明の照明装置の設計で用いられるモデルによる到達点を示した図。
【図１０】本発明の照明装置の設計で用いられるリフレクタ開口面に設定した蜘蛛の巣状のパターンを示す図。
【図１１】図１０の蜘蛛の巣状のパターンが液晶パネル位置で到達する領域を示す図。
【図１２】本発明による液晶プロジェクターのスクリーンにおける輝度分布の予測結果を示す図（立体斜視図）。
【図１３】本発明による液晶プロジェクターのスクリーンにおける輝度分布の予測結果を示す図（横方向の分布）。
【図１４】本発明による液晶プロジェクターのスクリーンにおける輝度分布の予測結果を示す図（縦方向の分布）。
【図１５】リレーレンズを用いる従来の照明装置の構成を示す図。
【符号の説明】
２１…光源ランプ
２２…リフレクタ
２３…光ビーム
２４…光ビーム形状変換手段を構成する第１の素子
２５…光ビーム形状変換手段を構成する第２の素子
２６…リレーレンズを構成するレンズ
２７…第１のプリズムアレイ
２８…第２のプリズムアレイ
３０…コリメートレンズ
３１…液晶表示パネル
３２…視野レンズ
３３…投影レンズ
３４…スクリーン
３５…駆動回路
３６…映像信号処理回路
４０…合成機能素子
５０…遮光板

Claims (10)

1. 略軸対象の丸い断面形状を有する光ビームを生成する光源部と、
   前記光源部から入射される前記光ビームを略矩形の断面形状に変換する手段と、
   前記略矩形の断面形状に変換された光ビームを複数の光ビームに空間的に分割する手段と、
   該分割された複数の光ビームを照射面上で重畳する手段とを具備することを特徴とする照明装置。
2. 前記光ビームを略矩形の断面形状に変換する手段は、
   入射側の面が凹面であって、出射側の面が自由曲面である光学素子を含み、
   前記自由曲面は、前記光源部から入射される前記光ビームが所定位置で前記略矩形の断面形状となるような表面形状を有することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 前記光ビームを複数の光ビームに空間的に分割する手段は、
   前記光ビームが略矩形の形状となる前記所定位置に設置され、複数の領域に分割された表面形状を有する光学素子を含み、それら分割された複数の領域をそれぞれ通過する光ビームが互いに分離されることを特徴とする請求項２記載の照明装置。
4. 前記光ビームの形状を変換する手段は、
   前記所定位置における光ビームの強度分布が、前記略矩形内の領域で、入射光の強度分布よりも高い一様性を有するように光ビームの形状を変換することを特徴とする請求項２記載の照明装置。
5. 前記光ビームを複数の光ビームに空間的に分割する手段は、
   前記光ビームが略矩形の形状となる前記所定位置に設置され、複数の領域に分割された表面形状を有する光学素子を含み、
   前記光ビームを略矩形の断面形状に変換する手段は、
   前記所定位置における光ビームの強度分布が、前記複数の領域に分割された表面形状を有する光学素子の領域分割線近傍で、分割される各領域内部よりも高い照度を有するように光ビームの形状を変換することを特徴とする請求項２記載の照明装置。
6. 前記光ビームを複数の光ビームに空間的に分割する手段は、
   複数の領域に分割され且つこれら複数の領域を通過することによって分離された光ビームが互いに異なる点に集光されるような表面形状を有する光学素子を含むことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
7. 前記分離された光ビームの集光位置に開口を有する遮光遮断をさらに具備することを特徴とする請求項６記載の照明装置。
8. 前記分割された複数の光ビームを照射面上で重畳する手段は、
   分割された光ビームそれぞれの発散領域に配置され、発散状態の光ビームを略並行光に変換するコリメータレンズと、
   各分割光ビームが入射され、それら分割光ビームが前記コリメータレンズを介して前記照射面上で重畳されるように前記コリメータレンズに向かう各分割光ビームの方向を偏向する偏向手段とを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の照明装置。
9. 前記光ビームが略矩形となる前記所定位置と前記照射面上との位置が互いに共役関係になるように、前記所定位置上の像を前記照射面上に結像させる手段をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の照明装置。
10. 略軸対象の丸い断面形状を有する光ビームを生成する光源部と、前記光源部から入射される前記光ビームを略矩形の断面形状に変換する手段と、前記略矩形の断面形状に変換された光ビームを複数の光ビームに空間的に分割する手段と、該分割された複数の光ビームを照射面上で重畳する手段とを含む照明装置と、
    該照明装置の照射面上に配置された表示素子と、
    該表示素子上の像をスクリーンに投影表示する投影レンズとを具備することを特徴とする投射型表示装置。

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