JP3794387B2

JP3794387B2 - 照明光学系及びプロジェクタ

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Publication number: JP3794387B2
Application number: JP2002586080A
Authority: JP
Inventors: 光一秋山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2022-04-25
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Description

【背景技術】
【０００１】
プロジェクタでは、照明光学系から射出された照明光を、液晶パネルなどの変調装置を用いて画像情報に応じて変調し、変調された照明光をスクリーン上に投写することにより画像表示を実現している。
【０００２】
このようなプロジェクタでは、変調装置を照明する照明光の面内照度分布を均一化するために、光源から射出された光を複数の部分光束に分割して、変調装置の付近で重畳させるインテグレータ照明光学系が用いられる。
【０００３】
図７は、従来のインテグレータ照明光学系を示す図である。
【０００４】
図７に示した照明光学系１０００において、１０１０は、光源１０２０、楕円リフレクタ１０３０及び非球面レンズ１０４０を備えた光源装置、１０５０は第一レンズアレイ、１０６０は第二レンズアレイ、１０７０は重畳レンズ、ＬＡは液晶パネルなどの照明領域である。なお、各光学要素は、光源光軸１０２０ａｘ（光源装置１０１０から出射される光束の中心軸）を基準として配置されている。すなわち、第一レンズアレイ１０５０、第二レンズアレイ１０６０、重畳レンズ１０７０は、その中心が光源光軸１０２０ａｘとほぼ一致するように、かつ、光源光軸１０２０ａｘに対してほぼ垂直となるように配置されている。
【０００５】
このインテグレータ照明光学系１０００において、光源１０２０は、光源光軸１０２０ａｘ方向にある長さを有する発光部（アーク）を有しており、アークの中心が光源光軸１０２０ａｘ（光源装置１０１０から出射される光束の中心軸）上における楕円リフレクタ１０３０の２つの焦点のうち、楕円リフレクタ１０３０により近い方の焦点（第一焦点）Ｆ１近傍に位置するように配置されている。
【０００６】
そして、発光部から出射された光は、楕円リフレクタ１０３０の反射面１０３０Ｒによって反射し、その反射光は、第二焦点Ｆ２に向かう途中で非球面レンズ１０４０によって光源光軸１０２０ａｘに略平行な光とされ、第一レンズアレイ１０５０に入射する。
【０００７】
第一レンズアレイ１０５０は、図７に示すように、照明領域ＬＡの形状と略相似形を成す矩形状の輪郭を有する複数のセルレンズ１０５１がマトリックス状に配置された構成となっており、光源装置１０１０からの略平行な光を、複数のセルレンズ１０５１によって複数の部分光束に分割する。また、第二レンズアレイ１０６０も第一レンズアレイ１０５０と同様に矩形状の輪郭を有する複数のセルレンズ１０６１がマトリックス状に配置された構成となっており、当該セルレンズ１０６１は第一レンズアレイ１０５０のセルレンズ１０５１と対応して設けられており、第一レンズアレイ１０５０のセルレンズ１０５１から出射された複数の部分光束のそれぞれが、対応するセルレンズ１０６１上に集光される。そして、第二レンズアレイ１０６０の各セルレンズ１０６１から出射された複数の部分光束のそれぞれが重畳レンズ１０７０によって液晶パネルなどの照明領域ＬＡを重畳照明するようになっている。
【０００８】
この種の照明光学系においては、光源１０２０から射出された光の平行度が充分でないと、第一レンズアレイ１０５０及び第二レンズアレイ１０６０においてそれぞれ対応するセルレンズ１０５１、１０６１を通過できないことから、先に本発明者は特開２０００−３４７２９３号公報によって、光源装置１０１０から射出される光の平行度を高める技術を提供している。
【０００９】
一方、この種のインテクレータ照明光学系においては、上述したように楕円リフレクタと非球面レンズとの組み合わせにより光源からの光を平行化するのではなく、光源からの光を反射した時点で平行光とすることが可能な放物面リフレクタを用いたものも存在している。しかしながら、放物面リフレクタを用いた照明光学系においては、図９に示すように、放物面リフレクタ１０８０の回転放物面でなる反射面１０８０Ｒは、楕円リフレクタ１０３０の回転楕円面でなる反射面１０３０Ｒに比べ、光源１０２０から放射状に出射される光線を非球面レンズ１０４０へと導くためののみ込み角θ（光源光軸１０２０ａｘ回りの角度）が小さくなることから（図９には、反射面１０３０Ｒの場合ののみこみ角θよりも小さい角度で既に非球面レンズ１０４０への導光が不能になっている状態が示されている）、光の利用効率が楕円リフレクタ１０３０に比して低くなり、よって、近年では、楕円リフレクタを採用したインテクレータ照明光学系の開発が盛んに行われている。
【００１０】
しかしながら、楕円リフレクタを用いた照明光学系においては、光の強度分布が一様ではなく、光源光軸側に偏る傾向があることから以下に説明する問題を有している。次の図は光の強度分布に偏りがある状態を示した図である。
【００１１】
図１０は従来の楕円リフレクタを用いた光源装置における光源の中心から放射状に射出される光線の軌跡を図示したもので、光源光軸１０２０ａｘ近傍の中央部が照度が高く、光軸から離れるに従って照度が低下する照度分布となることが示されている。このため、楕円リフレクタを採用した図７の従来の照明光学系１０００においては、第二レンズアレイ１０６０上に形成されるアーク像１０６２が、本来、図１１（ａ）に示す如く各セルレンズ１０６１内に収まるべきところが、図１１（ｂ）に示す如く光源光軸１０２０ａｘ近傍の中心部に偏り、本来収まるべきセルレンズ１０６１の周囲のセルにはみ出してしまう現象が生じていた。
【００１２】
このように、第二レンズアレイ１０６０の各セルレンズ１０６１内に収まらずはみ出してしまった部分の光線は、照射領域を照明できずに無駄となってしまい、光量損失となっていた。なお、このようにはみ出してしまった部分の光線とは、第一レンズアレイ１０５０及び第二レンズアレイ１０６０においてそれぞれ対応するセルレンズ１０５１、１０６１を通過できなかった光線に相当し、上記従来の照明光学系においては、非球面レンズ１０４０から出射される光線の平行度を高めることによって第一レンズアレイ１０５０及び第二レンズアレイ１０６０においてそれぞれ対応するセルレンズ１０５１、１０６１を通過できるとしながらも、実際には光源光軸１０２０ａｘ近傍の中心部分の光線の一部については依然通過できないままとなっており、その改善が望まれていた。
【発明の開示】
【００１３】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、非球面レンズから射出された光線のうち、光源光軸を中心とする中心部分側の光線を光源光軸に平行よりも若干外向きの光線となるようにして第一、第二レンズアレイにおいてそれぞれ対応するセルレンズを通過できるようにして光源からの光を有効に利用することが可能な照明光学系およびプロジェクタを提供することを目的とする。
【００１４】
本発明の一つの態様に係る照明光学系は、光源と、該光源からの光を反射する楕円リフレクタと、該楕円リフレクタからの反射光を複数の部分光束に分割するための複数のセルレンズを含む第一及び第二レンズアレイとが光源光軸に沿ってそれぞれ配置された照明光学系において、前記楕円リフレクタは、前記光源からの光を第二焦点に向けて集光させる機能を有しており、前記楕円リフレクタと前記第一レンズアレイとの間には非球面レンズが配置され、前記非球面レンズは、前記楕円リフレクタで反射され、前記第二焦点に向けて集光される前記反射光のうち、前記光源光軸を中心とする中心部側の光線の光路を、前記第一レンズアレイ及び前記第二レンズアレイにおいてそれぞれ対応する前記セルレンズを通過するように、前記光源光軸に平行な光路よりも若干外方に向かう光路に変更し、その他の光線を前記光源光軸に略平行な光路に変更するようにしたものである。
【００１５】
また、本発明の他の態様に係る照明光学系は、前記非球面レンズの非球面の形状を特定するための円錐定数を、非球面レンズからの出射光を理想的な平行光とし得るときの非球面レンズの非球面形状を特定するための円錐定数よりも大きい値に設定したものである。
【００１６】
本発明の他の態様に係る照明光学系は、前記非球面レンズの非球面の近軸曲率半径を、非球面レンズからの出射光を理想的な平行光とし得るときの非球面レンズの近軸曲率半径よりも小さい値に設定したものである。
【００１７】
本発明の他の態様に係る照明光学系は、前記非球面レンズを、非球面レンズからの出射光を理想的な平行光とし得るときの非球面レンズの設置位置よりも楕円リフレクタ側に設置したものである。
【００１８】
本発明の他の態様に係る照明光学系は、楕円リフレクタと非球面レンズとの組み合わせが、非球面レンズからの出射光を理想的な平行光とし得る条件を満たしたときの組み合わせにおける楕円リフレクタよりも、第１焦点と第２焦点との間の距離が長い楕円リフレクタを用いたものである。
【００１９】
これらの発明によれば、第一レンズアレイ及び第二レンズアレイにおいて、それぞれ対応するセルレンズを通過できるようになり、従って第二レンズアレイ上に形成される光源のアーク像が、本来収まるべきセルレンズ内に収まるようになる。よって、光量損失を低減して、照明領域を効率良く照明することが可能となる。（尚、第二レンズアレイ上に形成されるとしたが、第二レンズアレイ上、乃至第二レンズアレイ附近に形成されれば良い。以降同様。）
本発明の他の態様に係る照明光学系は、楕円リフレクタで反射された反射光のうち、光源光軸を中心とする中心部側の光線が、第一レンズアレイ及び第二レンズアレイのそれぞれにおいて光源光軸の周囲の４つのセルレンズを通過する光路を有する光線であるものである。
【００２０】
本発明によれば、第二レンズアレイ上に形成される複数のアーク像のうち、特に従来の光学系においてセルレンズからのアーク像のはみ出しによる光量損失が多かった光源光軸周囲の４つセルレンズのアーク像をセルレンズ内に収めることができ、よって、光量損失を低減して、照明領域を効率良く照明することが可能となる。
【００２１】
本発明の一つの態様に係るプロジェクタは、上記の何れかに記載のプロジェクタの光学系を備えたものである。
【００２２】
本発明によれば、上記の何れかに記載の照明光学系を組み込むことにより、照明領域を効率良く照明でき、投写される画像の明るさを向上させることが可能なプロジェクを得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１を示す図、図２は本発明の実施の形態１の照明光学系を示す図である。
【００２４】
図２に示す照明光学系１は、光源装置１０と、第一レンズアレイ５０と、第二レンズアレイ６０と、重畳レンズ７０とを備えている。光源装置１０は、メタルハイドランプや高圧水銀灯などの高圧放電灯で構成される光源２０と、楕円リフレクタ３０と、本実施の形態１の特徴部分である非球面レンズ４０とを備えている。各光学要素は、光源光軸２０ａｘ（光源装置１０から出射される光束の中心軸）を基準として配置されている。すなわち、第一レンズアレイ５０、第二レンズアレイ６０、重畳レンズ７０は、その中心が光源光軸２０ａｘとほぼ一致するように、かつ、光源光軸２０ａｘに対してほぼ垂直となるように配置されている。
【００２５】
光源装置１０は、光源２０と、楕円リフレクタ３０と、本実施の形態１の特徴部分である非球面レンズ４０とを備えている。光源２０は、光源光軸２０ａｘ方向にある長さを有する発光部（アーク）を有しており、アークの中心が光源光軸２０ａｘ（光源装置１０から出射される光束の中心軸）上における楕円リフレクタ３０の２つの焦点のうち、楕円リフレクタ３０により近い方の焦点（第一焦点）Ｆ１近傍に位置するように配置されている。
【００２６】
楕円リフレクタ３０は、光源光軸２０ａｘに軸対称な回転楕円体の凹面からなる反射面３０Ｒを有しており、光源２０からの光を第二焦点Ｆ２に向けて集光させる機能を有している。
【００２７】
非球面レンズ４０は、楕円リフレクタ３０によって反射された反射光が第一レンズアレイ５０及び第二レンズアレイ６０のそれぞれの対応する後述のセルレンズ５１、６１を通過するように前記楕円リフレクタ３０からの反射光の光路変更を行うレンズである。具体的には、楕円リフレクタ３０からの反射光のうち、光源光軸２０ａｘを中心とする中心部側を通過する光線を光源光軸２０ａｘに平行な光路よりも若干外方へ向かう光路に変更し、その他の光線を光源光軸２０ａｘに略平行な光路に変更する。非球面レンズ４０は、入射面が凹状の回転双曲面からなる非球面４０Ａ、出射面が平面で構成されている。本実施の形態１においては、非球面４０Ａの形状に特徴を有するものであり、その詳細については後述する。
【００２８】
第一レンズアレイ５０の構成は、先に示した図８と同様に、矩形状の輪郭を有する複数のセルレンズ５１（図２参照）がマトリックス状に配置された構成となっている。各セルレンズ５１をｚ方向からみた外形形状は、通常照明領域ＬＡの形状と略相似形を成すように設定される。このように構成された第一レンズアレイ５０は、光源装置１０から出射された出射光を複数のセルレンズ５１によって複数の部分光束に分割し、複数の部分光束のそれぞれを第二レンズアレイ６０の対応するセルレンズ６１上に集光する機能を有している。尚、必ずしも第二レンズアレイ６０の対応するセルレンズ６１上に集光する必要はなく、セルレンズ６１上、乃至セルレンズ６１附近に集光すれば良い。以降の説明においても同様である。
【００２９】
第二レンズアレイ６０は、第一レンズアレイ５０と同様に矩形状の輪郭を有する複数のセルレンズ６１がマトリックス状に配置された構成となっている。当該セルレンズ６１は第一レンズアレイ５０のセルレンズ５１と対応して設けられている。第一レンズアレイ５０のセルレンズ５１の像は対応するセルレンズ６１を通過することによって照明領域ＬＡ上に結像される。
【００３０】
尚、第二レンズアレイの各セルレンズ６１は第一レンズアレイの各セルレンズ５１と対応していれば良く、必ずしもセルレンズ５１と同様の形状である必要は無い。
【００３１】
重畳レンズ７０は、第一レンズアレイ５０のセルレンズ５１のそれぞれから出射された複数の部分光束を照明領域ＬＡ上に重畳する機能を有している。
【００３２】
ところで、図７に示した従来の光源装置１０１０においては、上述したように第一レンズアレイ１０５０及び第二レンズアレイ１０６０のそれぞれの対応するセルレンズ１０５１、１０６１を通過させるために、非球面レンズ１０４０によって楕円リフレクタ１０３０の反射光を平行化することでこれを実現するようにしている。しかしながら、実際には光源光軸１０２０ａｘを中心とする中心部側の光線については実現されていないことも上述の通りである。
【００３３】
そこで、本実施の形態１を含む後述の各実施の形態では、楕円リフレクタ３０にて反射された光のうち、光源光軸２０ａｘを含む中心部側を通過する光線については、光源光軸２０ａｘに平行とせずに、平行よりも若干外方（光源光軸２０ａｘから離れる方向）に向けることで、第一レンズアレイ５０及び第二レンズアレイ６０のそれぞれの対応するセルレンズ５１、６１を通過させる、すなわちアーク像がセルレンズ６１からはみ出すことの無いようにするものである。
【００３４】
また、楕円リフレクタ３０と非球面レンズ４０とには、非球面レンズ４０からの出射光を理想的な平行光とし得る最適な組み合わせ（楕円リフレクタ３０の形状、非球面レンズの屈折率、非球面レンズ４０の設置位置等によって多種多様）が存在する。本明細書では、その組み合わせの状態を基準として、その状態に本実施の形態１を含む後述の各実施の形態において説明する各種の変更をそれぞれ加えることにより、光源光軸２０ａｘを含む中心部側を通過する光線を外方に向ける構成を得るようにしている。
【００３５】
なお、理想的な平行光を得ることが可能とされる最適な組み合わせを得る方法として、本願発明者は、先に提案した特開２０００−３４７２９３号公報において、非球面の形状が以下の条件を満足することで、理想的な平行光が得られるとしている。
【００３６】
【数１】

【００３７】
ここで、ｒ、Ｚは非球面４０Ａと光源光軸２０ａｘとの交点を原点とし、光軸２０ａｘに軸対象なｒθＺ円柱座標系における座標値である。なお、ｒは前記原点からの光軸直交方向の距離、Ｚは原点からの光軸方向の距離である。また、ｃは近軸曲率半径である。
【００３８】
Ｋは、円錐定数と呼ばれる値である。この円錐定数Ｋの値によって、回転二次曲面形状は特定の形状に限定される。即ち、円錐定数Ｋの値が−１＜Ｋ＜０である場合には非球面は回転楕円面となる。また、円錐定数Ｋの値がＫ＝１である場合には、非球面は回転放物面となる。さらに、円錐定数Ｋの値がＫ＜−１である場合には、非球面は回転双曲面となる。
【００３９】
また、近軸曲率半径ｃは、楕円リフレクタ３０の反射面３０Ｒの形状と、非球面レンズ４０の屈折率ｎと、非球面レンズ４０の中心部の厚みと、非球面レンズ４０の設置位置とを考慮して求められるものである。具体的には、予め楕円リフレクタ３０の反射面３０Ｒの形状と、非球面レンズ４０の屈折率ｍと、非球面レンズ４０の中心部の厚みと、非球面レンズ４０の設置位置とを決めておく。そして、予め決定された反射面３０Ｒの形状と同じ形状を有する楕円リフレクタに対し、予め決定された位置に、屈折率、中心部の厚みが同じ球面の凹レンズを用いた場合に、近軸領域（回転軸付近の領域）で平行光に変換できるような曲率を求め、これが近軸曲率半径ｃとなる。よって、理想的な平行光を得ることが可能な非球面の形状が決定されるとき、楕円リフレクタ３０と非球面レンズ４０との組み合わせ、つまり、楕円リフレクタ３０の反射面３０Ｒの形状や、非球面レンズ４０の設置位置、近軸曲率半径ｃは決定されていることになる。
【００４０】
また、本実施の形態１のように入射面側が非球面で構成される場合には、非球面レンズ４０の屈折率をｎとしたとき、円錐定数ＫをＫ＝−ｎ^２とし、当該円錐定数Ｋの元で、上記（１）式を満足する非球面を用いることにより、平行光を得ることができるとしている。
【００４１】
円錐定数Ｋは、その値を大きくすることによって非球面のうちの特に中心部分（光源光軸２０ａｘを中心とする中心部分）の光学的パワーを増加させることができる。つまり、円錐定数Ｋの値を大きくすることにより光源光軸２０ａｘに平行となっていた光線の光路を徐々に外方に向かう光路に変更することが可能となる。従って、円錐定数Ｋの値を徐々に大きくしていくことにより、第二レンズアレイ６０上において光源光軸２０ａｘ側に偏っていたアーク像（図１１に示されているように、光源光軸周囲の４つのセルレンズ内のアーク像）が、除々に放射状方向へ分離させることが可能となる。そこで、本実施の形態１では、理想的な平行光を出射し得るときの円錐定数Ｋの値を初期値とし、当該円錐定数Ｋを徐々に大きくしながら繰り返しシミュレーションを行い、光源光軸２０ａｘ側に偏っていたアーク像が、本来収まるべきセルレンズ６１内に収まったときの円錐定数Ｋを、本実施の形態１の非球面４０Ａを決定するための最適な円錐定数Ｋpと決定する。
【００４２】
本実施の形態１の非球面４０Ａの形状は、このようにして決定した円錐定数Ｋpの基で上記（１）式を満足する非球面に設定される。なお、その他の構成（楕円リフレクタ３０の反射面３０Ｒの形状や、非球面レンズ４０の設置位置など）は、非球面レンズからの出射光を理想的な平行光とし得るときの構成と同じである。そして、このように設定された非球面４０Ａを用いることにより、図１に示すように楕円リフレクタ３０から反射された光線のうち、光源光軸２０ａｘの中心部分側を通過し、略平行となって出射されていた光線８０、８１を、光線８０ａ、８１ａのように、平行よりも若干外方へ向かわせることが可能となる。従って、セルレンズ６１内にアーク像を収めることが可能となり、よって光量損失を低減でき、光源からの光を有効利用できて照明領域ＬＡを効率良く照明することが可能となる。
【００４３】
なお、本実施の形態１の方法においては、光源光軸２０ａｘを中心とする中心部側のうち、光源光軸２０ａｘ付近だけでなく、その周辺部の光線についても同様にして外方に向かう光路に変更されるが、前述の図１１に示されているように外周部のアーク像は中心部のものと比べて小さいことから、現在収まっているセルレンズ６１からはみ出すことはあまりなく、特に問題ない。仮に、はみ出すような場合には、第二レンズアレイ６０の該当のセルレンズ形状をアーク像が収まるように変えることにより対応可能である。すなわち、第一レンズアレイ５０の各セルレンズは、照明領域と相似形である必要があるが、第二レンズアレイ６０についてはそのような条件はないため、自由に変更可能である。よって、本実施の形態１によれば、アーク像を第二レンズアレイ６０のセルレンズ６１に確実に収めることが可能となる。
【００４４】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２の照明光学系の説明図で、図３には実施の形態２の照明光学系における光源装置１１０が示されており、第一レンズアレイ５０、第二レンズアレイ６０については図示を省略している。なお、図３において、図２と同一部分には同一符号を付し、説明を省略する。
【００４５】
本実施の形態２は、理想的な平行光を出射し得る組み合わせにある楕円リフレクタ３０と非球面レンズ１４１のうち、非球面レンズ１４１を、その非球面１４１Ａの近軸曲率半径よりも小さい値に設定された非球面１４０Ａを有する非球面レンズ１４０に代えたものである。その他は実施形態１と同じである。
【００４６】
近軸曲率半径ｃを小さくすることにより、非球面レンズ１４１全体の光学的パワーを増加させることができるため、すなわち非球面レンズ１４１の中心部分の光学的パワーも増加させることができるため、楕円リフレクタ３０から反射された光線のうち、光源光軸２０ａｘの中心部分側を通過し、略平行となって出射されていた光線１８０、１８１を、光線１８０ａ、１８１ａのように、平行よりも若干外方へ向かわせることが可能となる。従って、近軸曲率半径ｃを小さくしていくと、第二レンズアレイ６０上において光源光軸２０ａｘ側に偏っていたアーク像（図１１に示されているように、光源光軸周囲の４つのセルレンズ内のアーク像）を、除々に放射状方向へ分離させることが可能となる。
【００４７】
よって、本実施の形態２では、理想的な平行光を出射し得るときの非球面１４１Ａの近軸曲率半径ｃを初期値とし、当該近軸曲率半径ｃを徐々に小さくしながら繰り返しシミュレーションを行い、光源光軸２０ａｘ側に偏っていたアーク像が、本来収まるべきセルレンズ６１内に収まったときの近軸曲率半径ｃを非球面１４０Ａを決定するための最適な近軸曲率半径ｃpと決定する。
【００４８】
以上のようにして決定された近軸曲率半径ｃpを有する非球面１４０Ａを用いることにより、第一レンズアレイ５０及び第二レンズアレイ６０において、それぞれ対応するセルレンズ５１，６１を通過できるようになり、つまり第二レンズアレイ６０上に形成されるアーク像が、本来収まるべきセルレンズ６１内に収まるようになる。よって、光量損失を低減して、照明領域を効率良く照明することが可能となる。
【００４９】
なお、この実施の形態２の方法においても、上記実施の形態１と同様に非球面全体の光学的パワーが増加するため（なお、実施の形態１の方法は、非球面のうちの特に中心部分の光学的パワーの増加が可能）、光源光軸２０ａｘを中心とする中心部側のうち、光源光軸２０ａｘ付近だけでなく、その周辺部の光線についても外方に向かう光路に変更されるが、特に影響が無いことは上述の通りである。よって、本実施の形態２によれば、第二レンズアレイ６０上に形成される全てのアーク像をそれぞれ対応するセルレンズ６１内に確実に収めることが可能となる。
【００５０】
［実施の形態３］
図４は、本発明の実施の形態３の照明光学系の説明図で、図４には実施の形態３の照明光学系における光源装置２１０が示されおり、第一レンズアレイ５０、第二レンズアレイ６０については図示を省略している。なお、図４において、図２と同一部分には同一符号を付し、説明を省略する。
【００５１】
本実施の形態３は、理想的な平行光を出射し得る組み合わせにある楕円リフレクタ３０と非球面レンズ１４１において、非球面レンズ１４１の設置位置を楕円リフレクタ３０側に移動させたものである。なお、図４において設置位置変更後の非球面レンズ１４１を非球面レンズ２４０として示している。なお、このような集光光学系（図４の光学系は第二焦点に向かって集光する光学系である）では、光学的パワーは光源光軸２０ａｘを中心として半径方向に離れるに従って強くなることから、楕円リフレクタ３０側に近づけることにより、移動前に比べ非球面２４０Ａの周辺側に光線が入射されるようになるため、移動後の非球面２４０Ｒに入射される光線は、移動前の非球面１４１Ａに比べてより強い光学的パワーを受けることになる。つまり、上記実施の形態２と同様の作用を受けることになる。よって、図４に示されるように、上記実施の形態２と同様に楕円リフレクタ３０から反射された光線のうち、光源光軸２０ａｘの中心部分側を通過し、略平行となって出射されていた光線２８０、２８１を、光線２８０ａ、２８１ａのように、平行よりも若干外方に向かわせることが可能となる。その他は実施形態１と同様である。
【００５２】
従って、理想的な平行光を出射し得るときの設置位置から楕円リフレクタ３０側に除々に移動させることにより、第二レンズアレイ６０上において光源光軸２０ａｘ側に偏っていたアーク像（図１１に示すアーク像のうち、特に光源光軸周囲の４セル内のアーク像）を、除々に放射状方向へ分離させることが可能となる。なお、どの程度楕円リフレクタ３０側に移動させるかは上記と同様にシミュレーションにより決定されるものであり、第二レンズアレイ６０上において光源光軸２０ａｘの中心に偏っていたアーク像が、本来収まるべきセルレンズ上に収まった時点での位置を、最適な設置位置と決定する。
【００５３】
以上のようにして決定された位置に配置された非球面レンズ２４０を用いることにより、第一レンズアレイ５０及び第二レンズアレイ６０において、それぞれ対応するセルレンズ５１，６１を通過できるようになり、つまり第二レンズアレイ６０上に形成されるアーク像が、本来収まるべきセルレンズ６１内に収まるようになる。よって、光量損失を低減して、照明領域を効率良く照明することが可能となる。
【００５４】
なお、本実施の形態３の方法においても、上記実施の形態２と同様に光源光軸２０ａｘを中心とする中心部側のうち、光源光軸２０ａｘ付近だけでなく、その周辺部の光線についても同様に、より強い光学的パワーを受けることになり、外方に向かう光路に変更されるが、特に影響が無いことは上述の通りである。よって、本実施の形態３によれば、第二レンズアレイ６０上に形成される全てのアーク像をそれぞれ対応するセルレンズ６１内に確実に収めることが可能となる。
【００５５】
［実施の形態４］
図５は、本発明の実施の形態４の照明光学系の説明図で、図５には実施の形態４の照明光学系における光源装置３１０が示されており、第一レンズアレイ５０、第二レンズアレイ６０については図示を省略している。なお、図５において、図２と同一部分には同一符号を付し、説明を省略する。
【００５６】
本実施の形態４は、理想的な平行光を出射し得る組み合わせにある楕円リフレクタ３０と非球面レンズ１４１のうち、楕円リフレクタ３０を、楕円リフレクタ３０の第１焦点と第２焦点との間の距離よりも長い焦点間距離を有する楕円リフレクタ３３０に代えたものである。その他は実施形態１と同様である。
【００５７】
第１焦点と第２焦点間が長い楕円リフレクタ３３０を用いることにより、変更後の楕円リフレクタ３３０にて反射された光線は、変更前の（つまり、平行光が得られる条件を満たした）楕円リフレクタ３０にて反射された光線よりも外側で非球面レンズ１４１に入射されることになり、より強い光学的パワーを受けることになるという上記実施の形態２，３と同様の作用を受けることになる。よって、図５に示されるように、上記実施の形態２，３と同様に楕円リフレクタ３０で反射された光線のうち、光源光軸２０ａｘの中心部分側を通過し、略平行となって出射されていた光線３８０、３８１を、光線３８０ａ、３８１ａのように、平行よりも若干外方に向かわせることが可能となる。
【００５８】
従って、楕円リフレクタ３０を第一焦点と第二焦点間が長いものに変更していくと、第二レンズアレイ６０上において光源光軸２０ａｘ側に偏っていたアーク像（図１１に示すアーク像のうち、特に光源光軸周囲の４セル内のアーク像）を、除々に放射状方向へ分離させることが可能となる。なお、どの程度、第一焦点と第二焦点間を長くした楕円リフレクタにするかは、上記と同様にシミュレーションにより決定されるものである。すなわち、楕円リフレクタ３０を第一焦点と第二焦点間の距離が長いものに徐々に変更しながら繰り返しシミュレーションを行い、第二レンズアレイ６０上において光源光軸２０ａｘの中心に偏ってアーク像が、本来収まるべきセルレンズ６１上に収まった時点での楕円リフレクタ３３０を、最適な楕円リフレクタと決定する。
【００５９】
以上のようにして決定された楕円リフレクタ３３０を用いることにより、第一レンズアレイ５０及び第二レンズアレイ６０において、それぞれ対応するセルレンズ５１，６１を通過できるようになり、つまり第二レンズアレイ６０上に形成されるアーク像が、本来収まるべきセルレンズ６１内に収まるようになる。よって、光量損失を低減して、照明領域を効率良く照明することが可能となる。
【００６０】
なお、本実施の形態４の方法においても、上記実施の形態２，３と同様に光源光軸２０ａｘを中心とする中心部側のうち、光源光軸２０ａｘ付近だけでなく、その周辺部の光線についても同様に、より強い光学的パワーを受けることになり、外方に向かう光路に変更されるが、特に影響が無いことは上述の通りである。よって、本実施の形態４によれば、第二レンズアレイ６０上に形成される全てのアーク像をそれぞれ対応するセルレンズ６１内に確実に収めることが可能となる。
【００６１】
以上のように構成された照明光学系が組み込まれたプロジェクタ４００の構成を図６に示す。なお、図１（図２）、図３〜図５に示した照明光学系のうち、特に図２に示した照明光学系１を組み込んだ場合を示している。
【００６２】
図６に示すプロジェクタ４００は、照明光学系１と、色光分離光学系４１０と、リレー光学系４２０と、３枚の液晶パネル４３０ａ、４３０ｂ、４３０ｃ（特に区別しない場合は４３０と符号を付す）と、クロスダイクロイックプリズム４４０と、投写レンズ４５０とを備えている。
【００６３】
このような構成のプロジェクタ４００では、照明光学系１において、光源装置１０から出射された出射光が、第一レンズアレイ５０の複数のセルレンズ５１によって複数の部分光束に分割され、その部分光束のそれぞれが、対応する第二レンズアレイ６０の複数のセルレンズ６１をそれぞれ良好に通過し、重畳レンズ７０によって液晶パネル４３０上で重畳される。
【００６４】
色光分離光学系４１０は、青緑反射ダイクロイックミラー４１１と緑反射ダイクロイックミラー４１２と、反射鏡４１３とを備えている。青緑反射ダイクロイックミラー４１１は、照明光学系１からの照明光の赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色成分とを反射する。透過した赤色光束Ｒは、反射鏡４１３で反射されて、液晶パネル４３０ａに達する。一方、青緑反射ダイクロイックミラー４１１で反射された青色光束Ｂと緑色光束Ｇのうち、緑色光束Ｇは緑反射ダイクロイックミラー４１２によって反射され、液晶パネル４３０ｂに達する。
【００６５】
一方、青色光束Ｂは、緑反射ダイクロイックミラー４１２も透過してリレー光学系４２０へと入射する。
【００６６】
リレー光学系４２０は、第一リレーレンズ４２１、反射鏡４２２、第二リレーレンズ４２３、反射鏡４２４及びコンデンサーレンズ４２５を備え、これら各光学要素を通過させることによって青色光束Ｂをその強度を維持したまま液晶パネル４３０ｃまで導くようにしている。
【００６７】
３枚の液晶パネル４３０は、入射した光を、与えられた画像情報（画像信号）に従ってそれぞれの色光を変調し、それぞれの色成分の画像を形成する光変調手段としての機能を有するもので、いわゆる電気光学装置に相当するものである。
【００６８】
なお、これら３つの液晶パネル４３０の入射側と出射側には図示しない偏光板が設けられており、所定の偏光光のみが液晶パネル４３０の入射側の偏光板を透過し、変調される。
【００６９】
変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム４４０に入射して合成され、合成された光は投写レンズ４５０によってスクリーンＳＣ上に投写される。
【００７０】
このように構成されたプロジェクタ４００においては、本発明による照明光学系１が用いられているため、照明領域ＬＡが効率良く照明され、よって、スクリーンＳＣ上に投写される画像の明るさを向上させることが可能となる。なお、光源装置１０の代わりに光源装置１１０、２１０、３１０を用いた場合も同様の効果を得ることができる。
【００７１】
なお、上記各実施の形態においては、非球面レンズ４０を、入射面側を凹状の非球面（回転双曲面）、出射面側を平面として場合を例に説明してきたが、これに限られたものではなく、例えばメニスカスレンズ（レンズの第１面と第２面の曲率が同符号（正負が同じ）であるレンズ）で、入射面側を平面、出射面側を凹状の非球面（回転楕円面）としたもの、入射面側に球面を、出射面側に非球面（回転楕円面）を設けたもの、であっても同様に上記各実施の形態を適用可能である。
【００７２】
なお、本実施の形態では、透過型のプロジェクタ４００に本発明の照明光学系を適用した場合を例に説明しているが、本発明は反射型のプロジェクタにも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、液晶パネル等の電気光学装置が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは液晶パネルなどの電気光学装置が光を反射するタイプであることを意味している。反射型の電気光学装置を採用したプロジェクタでは、ダイクロイックプリズムが光を赤、緑、青の３つの光に分離する色光分離手段として利用されるとともに、変調された３つの光を合成して同一の方向に出射する色光合成手段としても利用されることがある。反射型のプロジェクタに本発明を適用した場合にも、透過型のプロジェクタと略同様の効果を得ることができる。
【００７３】
また、本実施の形態においては、カラー画像を表示するプロジェクタを例に説明したが、モノクロ画像を表示するプロジェクタに本発明の光源装置を適用することも可能である。この場合にも、上記プロジェクタと同様の効果を得ることができる。
【００７４】
また、本実施の形態においては、光変調用電気光学装置として液晶パネルを用いた例を示しているが、これに限られたものではなく、例えばマイクロミラーを用いた装置であっても良い。
【００７５】
また、本実施の形態においては、投写像を観察する方向から投写を行う前面投写型プロジェクタを例に説明したが、投写像を観察する方向とは反対側から投写を行う背面投写型プロジェクタに本発明の光源装置を適用することも可能である。
【００７６】
また、本実施の形態では、３つの液晶パネルを用いたいわゆる３板方式のプロジェクタにおいて本発明の照明光学系を適用した場合を例に示したが、液晶パネルを２枚又は４枚用いた２板方式又は４板方式のプロジェクタにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
図１は本発明の実施形態１の照明光学系の説明図である。
図２は本発明の実施形態１の照明光学系を示す図である。
図３は本発明の実施形態２の照明光学系の説明図である。
図４は本発明の実施形態３の照明光学系の説明図である。
図５は本発明の実施形態４の照明光学系の説明図である。
図６は図２の照明光学系を用いたプロジェクタの光学系を示す図である。
図７は従来の照明光学系を示す図である。
図８はレンズアレイの説明図である。
図９は光源から放射状に出射される光を非球面レンズへと導光可能とする光源光軸回りの角度（のみ込み角）が、リフレクタの反射面が回転楕円面の場合と回転放物面の場合とで違いがあることを説明するための図である。
図１０は従来の楕円リフレクタを用いた光源装置における光源の中心から放射状に射出される光線の軌跡示す図である。
図１１は第二レンズアレイ上に形成されるアーク像を示す図である。

Claims

光源と、該光源からの光を反射する楕円リフレクタと、該楕円リフレクタからの反射光を複数の部分光束に分割するための複数のセルレンズを含む第一及び第二レンズアレイとが光源光軸に沿ってそれぞれ配置された照明光学系において、
前記楕円リフレクタは、前記光源からの光を第二焦点に向けて集光させる機能を有しており、
前記楕円リフレクタと前記第一レンズアレイとの間には非球面レンズが配置され、
前記非球面レンズは、前記楕円リフレクタで反射され、前記第二焦点に向けて集光される前記反射光のうち、前記光源光軸を中心とする中心部側の光線の光路を、前記第一レンズアレイ及び前記第二レンズアレイにおいてそれぞれ対応する前記セルレンズを通過するように、前記光源光軸に平行な光路よりも若干外方に向かう光路に変更し、その他の光線を前記光源光軸に略平行な光路に変更することを特徴とする照明光学系。
前記非球面レンズの前記非球面の形状を特定するための円錐定数は、非球面レンズからの出射光を理想的な平行光とし得るときの非球面レンズの非球面形状を特定するための円錐定数よりも大きい値に設定されていることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
前記非球面レンズの前記非球面の近軸曲率半径は、非球面レンズからの出射光を理想的な平行光とし得るときの非球面レンズの近軸曲率半径よりも小さい値に設定されていることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
前記非球面レンズは、非球面レンズからの出射光を理想的な平行光とし得るときの非球面レンズの設置位置よりも前記楕円リフレクタ側に設置されていることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
楕円リフレクタと非球面レンズとの組み合わせには、非球面レンズからの出射光を理想的な平行光とし得る条件が存在し、前記楕円リフレクタは、当該条件を満足するときの楕円リフレクタよりも、第１焦点と第２焦点との間の距離が長い楕円リフレクタであることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
前記楕円リフレクタで反射された反射光のうち、前記光源光軸を中心とする中心部側の光線は、前記第一レンズアレイ及び前記第二レンズアレイのそれぞれにおいて、前記光源光軸の周囲の４つのセルレンズを通過する光路を有する光線であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の照明光学系。
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の照明光学系を備えてなることを特徴とするプロジェクタ。