JP4023066B2 - 光源装置、および、これを備えた照明光学系ならびにプロジェクタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源装置、および、光源装置を備えた照明光学系ならびにプロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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、光源ランプから射出された光を複数の部分光線束に分割して、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。このようなインテグレータ照明光学系のうち、楕円リフレクタを備えた光源ランプとレンズアレイとを用いたインテグレ−タ照明光学系（均一照明光学系）では、通常、楕円リフレクターから射出される光を平行化してレンズアレイに入射させるために、光源ランプとレンズアレイとの間に球面の凹レンズが設けられている。すなわち、光源ランプと球面の凹レンズとの組み合わせにより、平行光を射出する光源装置を構成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような光源ランプから射出される光線束は、実際には、中心部の平行度は高いものの、周辺部の平行度がよくない。これは、凹レンズにおいて、球面収差が生じることに起因する。平行度の悪い光線は、照明光学系において、あるいは、このような照明光学系を用いたプロジェクタなどの装置において、レンズアレイをうまく通過できず、無駄になる場合が多い。このため、従来の照明光学系では、光源ランプから射出される光を効率よく利用することが困難であった。
【０００５】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、光源装置から射出される光の平行度を向上させるための技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の光源装置は、
放電灯と、
前記放電灯から射出された光を反射する反射面を備えた楕円リフレクタと、
前記反射面によって反射された光を平行化するレンズと、を有し、
前記レンズは、入射面と射出面とのうち、いずれか一方に回転二次曲面形状の非球面を有する非球面レンズである、
ことを特徴とする。
【０００７】
本発明の光源装置は、入射面と射出面とのうちのいずれか一方に回転二次曲面形状の非球面を有する非球面レンズを備えているので、射出される光の平行度を向上させることが可能となる。
【０００８】
上記光源装置において、
前記非球面は、前記非球面と光源光軸との交点を原点とした光軸に軸対称なｒθＺ円柱座標系における座標値をｒおよびＺとし、近軸曲率をｃとし、円錐定数をＫとしたとき、
【数６】
によってあらわされる形状であることが好ましい。
【０００９】
こうすれば、非球面の形状を容易に決定することができる。また、この式に基づいて決定された非球面を有するレンズを用いれば、球面収差をかなり小さくすることができるので、光源装置から射出される光の平行度をかなり向上させることができる。
【００１０】
上記光源装置において、前記非球面は凹面であることが好ましい。この場合、レンズを楕円リフレクタの第１焦点と第２焦点の間に配置することができるため、光源装置を小型化することが可能である。
【００１１】
このとき、前記非球面レンズは、前記楕円リフレクタの開口面に接合されているようにしてもよい。こうすれば、光源装置をさらに小型化することができるとともに、非球面レンズを光源装置の前面ガラスとして機能させることが可能となる。
【００１２】
しかしながら、上記光源装置において、前記非球面は凸面としても構わない。
【００１３】
上記光源装置において、レンズの非球面を凹面または凸面とし、かつ、前記射出面が非球面である場合、前記非球面は回転楕円面形状を有することが好ましい。
【００１４】
射出面を非球面とした場合、射出される光線束の直径を小さくすることができる。従って、光源装置を照明光学系やプロジェクタに用いる場合において、光源装置より光路下流側に配置される光学素子の大きさを小さくすることができるため、照明光学系やプロジェクタを小型化できるという効果がある。さらに、射出面を非球面とした場合、射出される光線束の面内照度のばらつきを比較的小さくすることができるという効果もある。
【００１５】
また、このとき、回転楕円面は、前記非球面と光源光軸との交点を原点、前記光源光軸をＺ軸、前記光源光軸と直交する軸をｒ軸としたｒθＺ円柱座標系における座標値をｒおよびＺとし、近軸曲率をｃとし、円錐定数をＫとしたとき、
【数７】
によってあらわされる形状であり、
前記楕円リフレクタは、前記反射面と前記光源光軸との交点を原点、前記光源光軸をＺ軸、前記光源光軸と直交する軸をｒ軸としたｒθＺ円柱座標系における座標値をｒR、ＺRとし、近軸曲率をｃRとし、円錐定数をＫRとしたとき、
【数８】
によって表される形状であり、
−０．８＜ＫR＜−０．５であることが好ましい。
【００１６】
このようにすれば、回転楕円面の形状を容易に決定することができる。また、この式に基づいて決定された非球面を有するレンズを用いれば、球面収差をかなり小さくすることができるので、光源装置から射出される光の平行度をかなり向上させることができる。
【００１７】
上記光源装置において、レンズの非球面を凹面または凸面とし、かつ、前記射出面が回転楕円面である場合、レンズの入射面は球面とすることが好ましい。
【００１８】
このようにすれば、レンズの入射面において光が屈折を受けないようにすることができ、従って、さらに平行度の高い射出光を得ることが可能となる。尚、入射面が平面である場合は、入射面を球面とした場合に比べると射出光の平行度がやや悪くなるが、非球面レンズの一方を平面とすることにより、非球面レンズを比較的安価に制作することができるという利点がある。
【００１９】
また、レンズの非球面を凹面または凸面とし、射出面を回転楕円面とし、入射面を球面とした場合の当該回転楕円面は、前記非球面と光源光軸との交点を原点、前記光源光軸をＺ軸、前記光源光軸と直交する軸をｒ軸としたｒθＺ円柱座標系における座標値をｒおよびＺとし、近軸曲率をｃとし、円錐定数をＫとし、前記レンズの屈折率をｎとしたとき、
【数９】
によって表される形状とすることが好ましい。このようにすれば、回転楕円面の形状を容易に決定することができる。
【００２０】
この光源装置において、前記非球面レンズの前記入射面に、紫外線反射膜が形成されているようにしてもよい。こうすれば、紫外光が光源装置から射出されないようにすることができる。また、放電灯から射出された紫外光が反射されて、再度、放電灯に戻ることにより、光源装置から射出される可視光の強度を向上させることができる。
【００２１】
上記光源装置において、レンズの非球面を凹面または凸面とし、かつ、前記入射面が非球面である場合、前記非球面は回転双曲面形状を有することが好ましい。
【００２２】
入射面を非球面とした場合、楕円リフレクタの反射面で反射された光は、レンズの入射面で平行化され、射出面では屈折作用を受けないようにすることができる。従って、より平行度の高い射出光を得ることが可能となる。
【００２３】
また、このとき、回転双曲面は、前記非球面と光源光軸との交点を原点、前記光源光軸をＺ軸、前記光源光軸と直交する軸をｒ軸としたｒθＺ円柱座標系における座標値をｒおよびＺとし、近軸曲率をｃとし、円錐定数をＫとし、前記レンズの屈折率をｎとしたとき、
【数１０】
によってあらわされる形状であることが好ましい。
【００２４】
このようにすれば、回転双曲面の形状を容易に決定することができる。また、この式に基づいて決定された非球面を有するレンズを用いれば、球面収差をかなり小さくすることができるので、光源装置から射出される光の平行度をかなり向上させることができる。
【００２５】
この光源装置において、前記非球面レンズの前記射出面は平面であり、前記非球面レンズの前記射出面に、紫外線反射膜が形成されているようにしてもよい。こうすれば、紫外光が光源装置から射出されないようにすることができる。また、放電灯から射出された紫外光が反射されて、再度、放電灯に戻ることにより、光源装置から射出される可視光の強度を向上させることができる。
【００２６】
上述の光源装置は、光源装置から射出された光を複数の部分光線束に分割するレンズアレイと、前記レンズアレイによって分割された前記部分光線束を照明領域上で重畳させる重畳レンズと、を備える照明光学系において、光源装置として用いることが可能である。
【００２７】
また、照明光学系において、非球面レンズの入射面を回転双曲面形状とし、射出面を平面とする光源装置を用いる場合には、レンズアレイは、非球面レンズの射出面に設けられていてもよい。こうすれば、照明光学系を小型化することが可能となる。
【００２８】
また、上述の光源装置は、光源装置が照明する照明領域としての光入射面を有し、前記光源装置からの入射光を画像情報に応じて変調する電気光学装置と、前記電気光学装置によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたプロジェクタにおいて、光源装置として用いることが可能である。
【００２９】
上述の光源装置を照明光学系やプロジェクタの光源として用いることにより、光の利用効率を向上させて、投写される画像の明るさを向上させることが可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
Ａ．光源装置１５０Ａ：
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａを示す説明図である。光源装置１５０Ａは、放電灯２２とリフレクタ２４とからなる光源ランプ２５と、非球面レンズ３０Ａとを備えている。リフレクタ２４は、光源光軸２０ａｘに軸対称な回転楕円体からなる反射面２４Ｒを有する楕円リフレクタである。回転楕円体は、例えば、ガラスを用いて形成されている。反射面２４Ｒには誘電体多層膜が形成されている。なお、反射面２４Ｒには、アルミニウム膜や銀膜などの金属反射膜を形成するようにしてもよい。
【００３１】
放電灯２２は、放射状に光を射出する。放電灯２２の中心２２ｃは、楕円リフレクタ２４の光源光軸２０ａｘ上における２つの焦点のうち、楕円リフレクタ２４により近い方の焦点（第１焦点）の位置に配置されている。ここで、放電灯の中心とは、放電灯２２のアークの中心を意味している。放電灯２２から射出された放射光は、楕円リフレクタ２４によって反射され、反射光は楕円リフレクタ２４の他方の焦点（第２焦点）に向かう。放電灯２２としては、メタルハライドランプや高圧水銀灯などが用いられる。なお、光源光軸２０ａｘは、光源装置１５０Ａから射出される光線束の中心軸である。
【００３２】
非球面レンズ３０Ａは、楕円リフレクタ２４によって反射された反射光をほぼ平行な光に変換する機能を有している。図１に示す非球面レンズ３０Ａは、入射面３０Ａｉが平面であり、射出面３０Ａｏが非球面の凹面となっている。
【００３３】
図２は、本実施形態に係る光源装置１５０Ａにおいて、放電灯２２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ある。図２において、放電灯２２（図１）の図示は省略されている。また、図３は、図２に示す光源装置１５０Ａの楕円リフレクタの反射面２４Ｒと非球面レンズ３０Ａとの関係を示す説明図である。反射面２４Ｒの第１焦点ＦＲ１から射出され、反射面２４Ｒで反射された光線は、反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２の方向に進み、非球面レンズ３０Ａによって平行化される。なお、図３中、Ｆｅ１、Ｆｅ２は、それぞれ、非球面レンズ３０Ａの非球面の第１焦点、第２焦点である。本実施形態に係る光源装置１５０Ａでは、非球面レンズ３０Ａの射出面３０Ａｏの非球面の形状を、式（１）の関係をほぼ満足する形状とすることにより、すなわち回転二次曲面形状とすることにより、従来の光源装置と異なり、平行度の高い光を射出することが可能となっている。
【００３４】
【数１１】
【００３５】
ここで、ｒ，Ｚは、図３に示すように、非球面レンズ３０Ａの非球面と光源光軸２０ａｘとの交点を原点Ｌ０とし、光源光軸２０ａｘに軸対象なｒθＺ円柱座標系における座標値である。なお、図３において、Ｚ方向は、反射面２４Ｒの第１焦点ＦＲ１から第２焦点ＦＲ２へ向かう方向を正としている。ｒは、原点Ｌ０からの光源光軸２０ａｘに直交する方向への距離を示している。θは、所定のｒ方向からの角度を示しているが、式（１）から分かるように、非球面の形状は角度θに依存しない。
【００３６】
また、式（１）中、近軸曲率ｃは、反射面２４Ｒで反射された光線を、従来技術のように、球面の凹レンズを用いて平行光に変換すると仮定した場合の、当該球面の曲率を示している。すなわち、近軸領域（回転軸付近の領域）では、この曲率ｃを有する凹レンズを用いることにより、反射面２４Ｒで反射された光線を平行光に変換することができることになる。
【００３７】
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。すなわち、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。
【００３８】
また、左辺第３項は、一般非球面項と呼ばれる距離ｒに依存する関数であるが、十分に小さな値であるため、本実施形態では無視することとしている。
【００３９】
本実施形態における非球面レンズ３０Ａの非球面の回転二次曲面形状は、式（１）の左辺第３項を無視した下式（２）に基づき、次のような方法によって決定される。
【００４０】
【数１２】
【００４１】
まず、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状と、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉの曲率と、非球面レンズ３０Ａの屈折率ｎと、非球面レンズ３０Ａの中心部の厚みと、非球面レンズ３０Ａの設置位置とを考慮して、近似曲率ｃの値を求める。具体的には、反射面２４Ｒの形状と、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉの曲率と、非球面レンズ３０Ａの屈折率ｎと、非球面レンズ３０Ａの中心部の厚みと、非球面レンズ３０Ａの設置位置とを予め決めておく。そして、予め決定された反射面２４Ｒの形状と同じ形状の反射面を有する楕円リフレクタに対し、予め決定された位置に、入射面の曲率、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る。このようにして求めた曲率の値が近似曲率ｃとなる。ここで、本実施形態の光源装置１５０Ａのように、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉを平面とする場合には、入射面３０Ａｉの曲率を０とする。
【００４２】
次に、円錐定数Ｋを求める。本実施形態の光源装置１５０Ａにおいて、円錐定数Ｋは、その値を変更しながら、繰り返し式（２）を用いてシミュレーションを行うことにより、平行光が射出される条件に設定される。このシミュレーションでは、光源装置１５０Ａから射出される光線束を収差のない理想レンズで集光したときに、集光点での光スポット径が最も小さくなる場合を、ほぼ平行な光が射出される条件とすることが考えられる。実用上は、集光点での光スポット径が約１００μｍ以内となる場合を、ほぼ平行な光が射出される条件とみなしても問題ない。
【００４３】
図４は、このようにしてシミュレーションを行った結果求められた円錐定数Ｋと、非球面レンズ３０Ａの屈折率ｎとの関係を示すグラフである。図４においては、非球面レンズのレンズ材料として一般的な屈折率ｎの範囲１．４５〜１．９５での円錐定数Ｋの値が示されている。曲線ＣＡ１〜ＣＡ６では、それぞれ、反射面２４Ｒの形状が異なる。楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状は、前述した式（２）と同様の式（３）を用いて表すことができる。
【００４４】
【数１３】
【００４５】
ここで、ｒR、ＺRは、反射面２４Ｒと光源光軸２０ａｘとの交点を原点とし、光源光軸２０ａｘに軸対象なｒθＺ円柱座標系における座標値である。また、ｃRは楕円リフレクタの近軸曲率、ＫRは円錐定数である。曲線ＣＡ１〜ＣＡ６は、それぞれ、式（３）において、反射面２４Ｒの円錐定数ＫRが−０．５０，−０．５４，−０．６６，−０．７０，−０．８０，−０．８９である場合の値を示す。
【００４６】
図４からわかるように、本実施形態の光源装置１５０Ａにおいて、円錐定数ＫRが−０．８＜ＫR＜−０．５の範囲の反射面２４Ｒを有する楕円リフレクタを用いる場合には、非球面レンズ３０Ａの非球面の円錐定数Ｋは、−０．５５＜Ｋ＜−１の範囲、すなわち、回転楕円面形状とすることが好ましい。
【００４７】
また、図４中の曲線ＣＡ６で示されるように、式（３）において、反射面２４Ｒの円錐定数ＫRが−０．８９である場合には、非球面レンズ３０Ａの屈折率ｎが１．４５≦ｎ＜１．８４のとき円錐定数ＫはＫ＜−１となり、ｎ＝１．８４のときＫ＝１となり、ｎ＞１．８４のときＫ＜−１となる。すなわち、この場合には、非球面レンズの非球面は、ｎ＜１．８４の領域では回転楕円面、ｎ＝１．８４の場合には回転放物面形状、ｎ＞１．８４の領域では回転双曲面形状となる。なお、このとき、ＫRは１に近くなっており、すなわち、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状は放物面に近い形状となっている。この場合、反射面２４Ｒによって反射された光は、レンズによって平行化しなくても、ほぼ平行光に近い状態となる。したがって、非球面レンズを用いて平行化する必要性に乏しい。また、この場合、非球面レンズの直径が比較的大きくなってしまうことから、非球面レンズから射出される光線束の直径も比較的大きくなってしまう。したがって、光源装置以降の光学系を小型化するという効果はあまり期待できない。このようなことから、ＫRが１に近い場合はあまり実用的でないと考えられる。しかしながら、平行度の高い光線束得ることが必要な場合は、ＫRが１に近い場合であっても、本実施形態のように非球面レンズ３０Ａを用いることが考えられる。
【００４８】
なお、本実施形態に係る光源装置１５０Ａでは、図３に示すように、非球面レンズ３０Ａの非球面の第２焦点Ｆｅ２が楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２と一致しない。これは、楕円リフレクタの第２焦点ＦＲ２に向かう光が、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉで屈折作用を受けるためである。後述する他の実施形態に係る光源装置１５０Ｂのように、楕円リフレクタの第２焦点ＦＲ２に向かう光が、非球面レンズの非球面部分のみで屈折作用を受ける場合には、非球面の第２焦点Ｆｅ２と楕円リフレクタの反射面の第２焦点ＦＲ２とが一致する。
【００４９】
以上のように、本実施形態に係る光源装置１５０Ａでは、非球面レンズ３０Ａの射出面３０Ａｏの非球面の形状を、式（１）の左辺第３項を無視した式（２）の関係を満足する形状とすることにより、すなわち回転二次曲面形状とすることにより、従来の光源装置と異なり、平行度の高い光を射出することができる。また、本実施形態の光源装置１５０Ａにおいて、非球面レンズ３０Ａの非球面の円錐定数Ｋは、回転楕円面形状とすることが好ましい。
【００５０】
Ｂ．光源装置１５０Ｂ：
図５は、図２並びに図３に示す第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａの変形例を示す説明図である。光源装置１５０Ａでは、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉが平面であったが、本実施形態では、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉが球面となっている。非球面レンズ３０Ｂ以外の構成につては、第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａと同様であるため、図１〜図３で用いたものと同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５１】
本実施形態に係る光源装置１５０Ｂにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第１焦点ＦＲ１から射出され、反射面２４Ｒで反射された光線は、反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２の方向に進み、非球面レンズ３０Ｂによって平行化される。なお、図５中、Ｆｅ１、Ｆｅ２は、それぞれ、非球面レンズ３０Ｂの非球面の第１焦点、第２焦点である。
【００５２】
非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉの球面は、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２を中心とする球面である。また、非球面レンズ３０Ｂの射出面３０Ｂｏは、式（２）の関係を満足する回転二次曲面形状とされており、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａの場合と同様、平行度の高い光を射出することが可能となっている。本実施形態のように、入射面３０Ｂｉと射出面３０Ｂｏにそれぞれ形状の異なる曲面を有する非球面レンズ３０Ｂを用いると、レンズの製造コストが大きくなってしまう。しかしながら、本実施形態の光源装置１５０Ｂにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒからの反射光は、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉに垂直に入射するため、非球面レンズ３０Ｂでは、楕円リフレクタの反射面２４Ｒからの反射光は、射出面３０Ｂｏにおいて進行方向を１回変更するのみである。したがって、本実施形態の光源装置１５０Ｂは、より平行度の高い光線束を得られるという点で有利である。
【００５３】
本実施形態における非球面レンズ３０Ｂの非球面の回転二次曲面形状は、式（２）に基づき、次のような方法によって決定される。
【００５４】
まず、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状と、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉの曲率と、非球面レンズ３０Ｂの屈折率ｎと、非球面レンズ３０Ｂの中心部の厚みと、非球面レンズ３０Ｂの設置位置とを考慮して、近似曲率ｃの値を求める。具体的には、反射面２４Ｒの形状と、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉの曲率と、非球面レンズ３０Ｂの屈折率ｎと、非球面レンズ３０Ｂの中心部の厚みと、非球面レンズ３０Ｂの設置位置とを予め決めておく。そして、予め決定された反射面２４Ｒ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、入射面の曲率、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曲率を求める。このようにして求めた曲率の値が近似曲率ｃとなる。
【００５５】
次に、円錐定数Ｋを求める。ここで、図６に曲線ＣＢで示すように、本実施形態の光源装置１５０Ｂにおいては、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａの場合と異なり、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状を変更しても、非球面レンズ３０Ｂの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係が変化しない。これは、図３に示す非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉの形状（平面）と、図５に示す非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉの形状（球面）との相違に起因する。すなわち、図３に示す非球面レンズ３０Ａでは、入射面３０Ａｉが平面であるため、反射面２４Ｒからの反射光は、入射面３０Ａｉでの屈折により進行方向が変えられる。一方、図５に示す非球面レンズ３０Ｂでは、入射面３０Ｂｉが球面であるため、反射面２４Ｒからの反射光は、入射面３０Ｂｉにほぼ垂直に交わるように入射し、進行方向は変わらない。この結果、曲線ＣＢでは、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状を変更しても、非球面レンズ３０Ｂの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係は一定となる。なお、図６に示す非球面レンズ３０Ｂの反射面形状の非球面の円錐定数Ｋは、ほぼＫ＝−１／ｎ2で決定されている。
【００５６】
したがって、本実施形態において、円錐定数ＫはＫ＝−１／ｎ2で求めることができ、第１の実施形態のようなシミュレーションを行う必要はない。
【００５７】
さらに、図６からわかるように、本実施形態の光源装置１５０Ｂにおいては、非球面レンズ３０Ｂの非球面の円錐定数Ｋは、−０．５５＜Ｋ＜−０．３の範囲である。したがって、本実施形態の光源装置１５０Ｂのように、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉを球面、射出面３０Ｂｏを非球面とする場合には、非球面を回転楕円面形状とすることが好ましい。
【００５８】
なお、本実施形態に係る光源装置１５０Ｂでは、楕円リフレクタの第２焦点ＦＲ２に向かう光が、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉで屈折作用を受けないため、非球面レンズ３０Ｂの非球面の第２焦点Ｆｅ２が楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２とほぼ一致する。
【００５９】
以上のように、本実施形態に係る光源装置１５０Ｂでは、非球面レンズ３０Ｂの射出面３０Ｂｏの非球面の形状を、式（１）の左辺第３項を無視した式（２）の関係を満足する形状とすることにより、すなわち回転二次曲面形状とすることにより、従来の光源装置と異なり、平行度の高い光を射出することができる。また、本実施形態の光源装置１５０Ｂにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒからの反射光は、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉに垂直に入射するため、より平行度の高い光線束を得ることが可能である。また、本実施形態の光源装置１５０Ｂにおいて、非球面レンズ３０Ｂの非球面の円錐定数Ｋは、回転楕円面形状とすることが好ましい。
【００６０】
Ｃ．光源装置１５０Ｃ：
図７は、本発明の第３の実施形態に係る光源装置１５０Ｃを示す説明図である。また、図８は、図７に示す光源装置１５０Ｃの楕円リフレクタの反射面２４Ｒと非球面レンズ３０Ｃとの関係を示す説明図である。第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａでは、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉが平面、射出面３０Ａｏが非球面であったが、本実施形態では、非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉが非球面、射出面３０Ｃｏが平面となっている。非球面レンズ３０Ｃ以外の構成につては、第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａと同様であるため、図１〜図３で用いたのと同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６１】
本実施形態に係る光源装置１５０Ｃにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第１焦点ＦＲ１から射出され、反射面２４Ｒで反射された光線は、反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２の方向に進み、非球面レンズ３０Ｃによって平行化される。なお、図８中、Ｆｈ１、Ｆｈ２は、それぞれ、非球面レンズ３０Ｃの非球面の第１焦点、第２焦点である。
【００６２】
本実施形態の光源装置１５０Ｃにおいて、非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉは、式（２）の関係を満足する回転二次曲面形状とされており、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａの場合と同様、平行度の高い光を射出することが可能となっている。
【００６３】
図７と図２との比較からわかるように、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａでは、本実施形態にかかる光源装置１５０Ｃよりも、射出される光線束の直径を小さくすることができるという点で有利である。すなわち、非球面レンズ３０Ａの射出面３０Ａｏから射出される光線束の直径３０ＡＬＤは、入射面３０Ａｉに入射する光線束の直径よりも小さくなる。これは、楕円リフレクタと非球面レンズ３０Ａとの間隔、および、楕円リフレクタと非球面レンズ３０Ｃとの間隔をほぼ同じ程度に設定する際には、図７の非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉにおける反射光の光線束よりも、図２の非球面レンズ３０Ａの射出面３０Ａｏにおける反射光の光線束の方が集光されて小さくなっているからである。したがって、第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａを後述するような照明光学系やプロジェクタに利用すれば、光源装置以降の各部の構成を、全体的に小さくすることが可能である。
【００６４】
また、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａは、図７と図２にそれぞれ示す光線の軌跡の分布から分かるように、本実施形態にかかる光源装置１５０Ｃよりも、面内の照度分布がより均一な光線束となって射出されるという点で有利である。これは、図２の非球面レンズ３０Ａでは、射出面３０Ａｏが凹面となっており、図７の非球面レンズ３０Ｃでは、入射面３０Ｃｉが凹面となっているからである。すなわち、図２に示す第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａでは、非球面レンズ３０Ａに入射する光線の入射角は、非球面レンズ３０Ａの中央でも周辺でも、あまり大きな差がない。一方、図７に示す第２の実施形態に係る光源装置１５０Ｃでは、非球面レンズ３０Ｃに入射する光線の入射角は、非球面レンズ３０Ｃの中央と周辺とで、かなり大きな差が生じている。このため、光源装置１５０Ｃでは、射出される光線束に強度分布が発生しやすくなっている。
【００６５】
さらに、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａは、製造コストを小さくできる点においても、本実施形態の光源装置１５０Ｃより有利である。一般に、非球面レンズの非球面部分の制作には、かなりの精度が要求され、非球面部分が小さいほど安価に制作することができる。このため、非球面部分が小さい非球面レンズ３０Ａを用いた光源装置１５０Ａの方が、安価に制作できるため、より実用的と言える。
【００６６】
しかしながら、本実施形態の光源装置１５０Ｃは、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａを用いる場合と比較して、より平行度の高い光線束を得やすいという利点がある。すなわち、光源装置１５０Ａから射出される光線束は、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉと射出面３０Ａｏとにおける屈折により、２回の進行方向の変更を経て射出される。一方、光源装置１５０Ｃから射出される光線束は、非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉにおける屈折により、１回のみの進行方向の変更を経て射出される。したがって、光源装置１５０Ｃを用いれば、かなり平行度の高い光線束を得ることが可能となる。よって、より平行度の高い光線束を得る必要がある場合には、本実施形態の光源装置１５０Ｃを用いた方が良い。なお、より平行度の高い光線束を得られる点では、第２の実施形態にかかる光源装置１５０Ｂも同様であるが、本実施形態の光源装置１５０Ｃの非球面レンズ３０Ｃは一方の面が平面であるため、本実施形態の光源装置１５０Ｃの方が、製造コスト面では有利である。
【００６７】
本実施形態における非球面レンズ３０Ｃの非球面の回転二次曲面形状は、式（２）に基づき、次のような方法によって決定される。
【００６８】
まず、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状と、非球面レンズ３０Ｃの屈折率ｎと、非球面レンズ３０Ｃの中心部の厚みと、非球面レンズ３０Ｃの設置位置とを考慮して、近似曲率ｃの値を求める。具体的には、反射面２４Ｒの形状と、非球面レンズ３０Ｃの屈折率ｎと、非球面レンズ３０Ｃの中心部の厚みと、非球面レンズ３０Ｃの設置位置とを予め決めておく。そして、予め決定された反射面２４Ｒ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、球面収差がなければ平行光に変換できる曲率を求める。このようにして求めた曲率の値が近似曲率ｃとなる。
【００６９】
次に、円錐定数Ｋを求める。ここで、図９に曲線ＣＣで示すように、本実施形態の光源装置１５０Ｃにおいては、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａの場合と異なり、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状を変更しても、非球面レンズ３０Ｃの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係が変化しない。これは、図３に示す非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉの形状（平面）と、図８に示す非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉの形状（非球面）との相違に起因する。すなわち、図３に示す非球面レンズ３０Ａでは、入射面３０Ａｉが平面であるため、反射面２４Ｒからの反射光は、入射面３０Ａｉでの屈折により進行方向が光軸２０ａｘに対して非平行な方向に変えられ、さらに射出面３０Ａｏで屈折する。一方、図８に示す非球面レンズ３０Ｃでは、入射面３０Ｃｉが式（２）に基づいて設定された非球面であるため、反射面２４Ｒからの反射光は、入射面３０Ｃｉでの屈折により進行方向がほぼ平行な方向に変えられ、射出面３０Ｃｏではほとんど屈折作用を受けない。この結果、曲線ＣＣでは、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状を変更しても、非球面レンズ３０Ｃの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係が一定となる。なお、図９に示す非球面レンズ３０Ｃの反射面形状の非球面の円錐定数Ｋは、ほぼＫ＝−ｎ2で決定されている。
【００７０】
したがって、本実施形態において、円錐定数Ｋは、Ｋ＝−ｎ2で求めることができ、第１の実施形態のようなシミュレーションを行う必要はない。
【００７１】
さらに、図９からわかるように、本実施形態の光源装置１５０Ｃにおいては、非球面レンズ３０Ｃの非球面の円錐定数Ｋは、−２．１＜Ｋ＜−３．８の範囲である。したがって、本実施形態の光源装置１５０Ｃのように、入射面３０Ｃｉを非球面とする場合には、非球面を回転双曲面形状とすることが好ましい。図８中の直線Ｐ、直線Ｑは、回転双曲線（非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉの一部を構成する回転双曲線）の漸近線、曲線Ｒは、もう一方の回転双曲線を示したものであり、いずれも非球面が回転双曲面形状であることを理解し易くするために図示されているものである。
【００７２】
なお、本実施形態に係る光源装置１５０Ｃでは、楕円リフレクタの第２焦点ＦＲ２に向かう光が、非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉで光源光軸２０ａｘに平行な光とされ、射出面３０Ｃｏでは屈折作用を受けないため、非球面レンズ３０Ｃの非球面の第２焦点Ｆｈ２が、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２とほぼ一致する。
【００７３】
以上のように、本実施形態に係る光源装置１５０Ｃでは、非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉの非球面の形状を、式（１）の左辺第３項を無視した式（２）の関係を満足する形状とすることにより、すなわち回転二次曲面形状とすることにより、従来の光源装置と異なり、平行度の高い光を射出することができる。また、本実施形態の光源装置１５０Ｃにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒからの反射光は、非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉによって光源光軸２０ａｘに平行な光とされ、射出面３０Ｃｏでは屈折作用を受けないため、より平行度の高い光線束を得ることが可能である。また、本実施形態の光源装置１５０Ｃにおいて、非球面レンズ３０Ｃの非球面の円錐定数Ｋは、回転双曲面形状とすることが好ましい。
【００７４】
Ｄ．光源装置１５０Ｄ：
図１０は、図７並びに図８に示す本発明の第３の実施形態に係る光源装置１５０Ｃの変形例を示す説明図である。本実施形態に係る光源装置１５０Ｄでは、非球面レンズ３０Ｄは、楕円リフレクタの反射面２４Ｒで反射された反射光が第２焦点ＦＲ２で一旦集光して、発散する位置に設置されている。なお、本実施形態の光源装置１５０Ｄにおいて、非球面レンズ３０Ｄ以外の構成は、第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａと同様であるため、図１〜図３で用いたのと同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００７５】
本実施形態に係る光源装置１５０Ｄにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第１焦点ＦＲ１から射出され、反射面２４Ｒで反射された光線は、反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２で集光された後、非球面レンズ３０Ｄによって平行化される。非球面レンズ３０Ｄは、入射面３０Ｄｉが非球面の凸面であり、射出面３０Ｄｏが平面となっている。なお、図１０中、Ｆｈ１、Ｆｈ２は、それぞれ、非球面レンズ３０Ｄの非球面の第１焦点、第２焦点である。
【００７６】
本実施形態の光源装置１５０Ｄにおいて、非球面レンズ３０Ｄの入射面３０Ｄｉは、式（２）の関係を満足する回転二次曲面形状とされており、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃの場合と同様、平行度の高い光を射出することが可能となっている。
【００７７】
図１０と図８との比較からわかるように、本実施形態にかかる光源装置１５０Ｄでは、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃよりも、射出される光線束の直径を小さくすることができるという点で有利である。これは、焦点ＦＲ２で集光した光が反射面２４Ｒの開口面積よりも大きく発散しないような位置に非球面レンズ３０Ｄを配置できるからである。したがって、光源装置１５０Ｄを後述するような照明光学系やプロジェクタに利用すれば、光源装置以降に配置される光学素子を、小さくすることが可能である。さらに、本実施形態にかかる光源装置１５０Ｄは、非球面部分が小さいため、製造コストを小さくできる点においても、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃより有利である。ただし、楕円リフレクタと非球面レンズ３０Ｄとの間隔は、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃの場合よりも大きくなってしまう。
【００７８】
また、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａと比較した場合、本実施形態の光源装置１５０Ｄでは、射出される光線束に強度分布が発生しやすくなっている点で不利なこと、一方、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａよりも平行度の高い光線束を得やすいという点で有利なことは、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃの場合と同様である。また、第２の実施形態にかかる光源装置１５０Ｂと比較した場合、本実施形態の光源装置１５０Ｄの方が製造コスト面で有利であることも、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃの場合と同様である。
【００７９】
本実施形態における非球面レンズ３０Ｄの非球面の回転二次曲面形状は、式（２）に基づき、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃの非球面レンズ３０Ｃの非球面の形状と同様の方法によって決定される。
【００８０】
本実施形態の光源装置１５０Ｄにおいても、光源装置１５０Ｃの場合と同様、非球面レンズ３０Ｄの非球面の円錐定数Ｋは、回転双曲面形状とすることが好ましい。図１０中の直線Ｐ、直線Ｑは、回転双曲線（非球面レンズ３０Ｄの入射面３０Ｄｉの一部を構成する回転双曲線）の漸近線、曲線Ｒは、もう一方の回転双曲線を示したものであり、いずれも非球面が回転双曲面形状であることを理解し易くするために図示されているものである。
【００８１】
なお、本実施形態に係る光源装置１５０Ｄでは、楕円リフレクタの第２焦点ＦＲ２に向かう光が、非球面レンズ３０Ｄによって屈折作用を受けないため、非球面レンズ３０Ｄの非球面の第２焦点Ｆｈ２が、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２とほぼ一致する。
【００８２】
以上のように、本実施形態に係る光源装置１５０Ｄでは、非球面レンズ３０Ｄの入射面３０Ｄｉの非球面の形状を、式（１）の左辺第３項を無視した式（２）の関係を満足する形状とすることにより、すなわち回転二次曲面形状とすることにより、従来の光源装置と異なり、平行度の高い光を射出することができる。また、本実施形態の光源装置１５０Ｄにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒからの反射光は、非球面レンズ３０Ｄの入射面３０Ｄｉによって光源光軸２０ａｘに平行な光とされ、射出面３０Ｄｏでは屈折作用を受けないため、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃの場合と同様、より平行度の高い光線束を得ることが可能である。また、本実施形態の光源装置１５０Ｄにおいて、非球面レンズ３０Ｄの非球面の円錐定数Ｋは、回転双曲面形状とすることが好ましい。
【００８３】
なお、本実施形態では非球面レンズの入射面３０Ｄｉを凸面、射出面３０Ｄｏを平面としているが、逆に、非球面レンズの入射面を平面として射出面を凸面とした非球面レンズを用いることもできる。この場合は、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａの非球面レンズ３０Ａの非球面の形状と同様の方法によって決定される。このとき、非球面の焦点は、第１の実施形態の場合と同様、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２とは一致しない。また、第２の実施形態にかかる光源装置１５０Ｂの場合と同様に、非球面レンズの入射面を球面状の凹面とし、射出面を非球面の凸面とすることもできる。このようにすれば、第２の実施形態の場合と同様、より高い平行度を有する光線束を得ることができる。この場合、凹面の形状は、楕円リフレクタ２４の第２焦点ＦＲ２を中心とする球面とすればよい。
【００８４】
Ｅ．照明光学系：
図１１は、本発明の第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａを適用した照明光学系の要部を平面的に見た概略構成図である。なお、図１１に示す照明光学系１００は、後述する液晶パネルなどの照明領域ＬＡを備えるプロジェクタに適した照明光学系である。
【００８５】
この照明光学系１００は、光源装置１５０Ａと、第１のレンズアレイ４０と、第２のレンズアレイ５０と、偏光発生光学系６０と、重畳レンズ７０とを備えている。各光学要素は、システム光軸１００ａｘに沿ってこの順に配置されている。但し、これらの光学要素のうち、光源装置１５０Ａと、第１のレンズアレイ４０と、第２のレンズアレイ５０とは、光源光軸２０ａｘを基準として配置されている。光源光軸２０ａｘは、偏光発生光学系６０以降の光学素子から射出される光線束の中心軸であるシステム光軸１００ａｘに対し、図中ｘ方向に所定のずれ量Ｄｐだけほぼ平行にずれている。このずれ量Ｄｐについては後述する。
【００８６】
第１のレンズアレイ４０は、非球面レンズ３０Ａから射出された略平行光を複数の部分光線束に分割するとともに、各部分光線束をそれぞれ第２のレンズアレイ５０の近傍で集光する機能を有している。また、第２のレンズアレイ５０は、第１のレンズアレイ４０から射出された部分光線束のそれぞれの中心軸がシステム光軸１００ａｘにほぼ平行となるように揃える機能を有している。
【００８７】
図１２は、第１のレンズアレイ４０の外観を示す斜視図である。第１のレンズアレイ４０は、略矩形の輪郭を有する第１の小レンズ４２がＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。なお、図１２は、Ｍ＝５，Ｎ＝４の例を示している。各第１の小レンズ４２をｚ方向から見た外形形状は、通常、照明領域ＬＡの形状とほぼ相似形をなすように設定される。例えば、照明領域ＬＡとして液晶パネルを想定し、画像の有効領域のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）が４：３であるならば、第１の小レンズ４２のアスペクト比も４：３に設定する。なお、図１１の第２のレンズアレイ５０は、第１のレンズアレイ４０の第１の小レンズ４２に対応するように、第２の小レンズ５２がＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。
【００８８】
第１のレンズアレイ４０の各第１の小レンズ４２によって分割された複数（Ｍ×Ｎ個）の部分光線束は、図１１に示すように、第２のレンズアレイ５０の近傍位置、すなわち、偏光発生光学系６０内において集光される。
【００８９】
図１３は、偏光発生光学系６０を示す説明図である。図１３（Ａ）は、偏光発生光学系６０の斜視図を示しており、図１３（Ｂ）は、その平面図の一部を示している。偏光発生光学系６０は、遮光板６２と、偏光ビームスプリッタアレイ６４と、選択位相差板６６とを備えている。
【００９０】
偏光ビームスプリッタアレイ６４は、図１３（Ａ）に示すように、略平行四辺形の断面を有する柱状の透光性板材６４ｃが複数貼り合わされて構成されている。各透光性板材６４ｃの界面には、偏光分離膜６４ａと反射膜６４ｂとが交互に形成されている。なお、偏光分離膜６４ａとしては、誘電体多層膜が用いられる。また、反射膜６４ｂとしては、誘電体多層膜、あるいは、アルミニウム等の金属膜が用いられる。
【００９１】
遮光板６２は、遮光面６２ｂと開口面６２ａとがストライプ状に配列されて構成されている。遮光板６２は、遮光面６２ｂに入射する光線束を遮り、開口面６２ａに入射する光線束を通過させる機能を有している。遮光面６２ｂと開口面６２ａとは、第２のレンズアレイ５０（図１１）から射出された部分光線束が偏光ビームスプリッタアレイ６４の偏光分離膜６４ａのみに入射し、反射膜６４ｂには入射しないように配列されている。具体的には、図１３（Ｂ）に示すように、遮光板６２の開口面６２ａの中心は、偏光ビームスプリッタアレイ６４の偏光分離膜６４ａの中心とほぼ一致するように配置されている。また、開口面６２ａのｘ方向の開口幅は、偏光分離膜６４ａのｘ方向の大きさＷｐとほぼ等しく設定されている。このとき、遮光板６２の開口面６２ａを通過した光線束は、そのほとんど全てが偏光分離膜６４ａのみに入射し、反射膜６４ｂには入射しないこととなる。なお、遮光板６２としては、平板状の透明体（例えばガラス板）に遮光性の膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜など）を部分的に形成したものを用いることができる。また、アルミニウム板のような遮光性の平板に開口部を設けたものを用いてもよい。
【００９２】
第２のレンズアレイ５０（図１１）から射出された各部分光線束は、図１３（Ｂ）に実線で示すように、その主光線（中心軸）がシステム光軸１００ａｘにほぼ平行に遮光板６２の開口面６２ａに入射する。開口面６２ａを通過した部分光線束は、偏光分離膜６４ａに入射する。偏光分離膜６４ａは、入射した部分光線束をｓ偏光の部分光線束とｐ偏光の部分光線束とに分離する。このとき、ｐ偏光の部分光線束は偏光分離膜６４ａを透過し、ｓ偏光の部分光線束は偏光分離膜６４ａで反射される。偏光分離膜６４ａで反射されたｓ偏光の部分光線束は、反射膜６４ｂに向かい、反射膜６４ｂにおいてさらに反射される。このとき、偏光分離膜６４ａを透過したｐ偏光の部分光線束と、反射膜６４ｂで反射されたｓ偏光の部分光線束とは、互いにほぼ平行な状態となっている。
【００９３】
選択位相差板６６は、開口層６６ａとλ／２位相差層６６ｂとによって構成されている。なお、開口層６６ａは、λ／２位相差層６６ｂが形成されていない部分である。開口層６６ａは、入射する直線偏光光をそのまま透過する機能を有している。一方、λ／２位相差層６６ｂは、入射する直線偏光光を、偏光方向が直交する直線偏光光に変換する偏光変換素子としての機能を有している。本実施例においては、図１３（Ｂ）に示すように、偏光分離膜６４ａを透過したｐ偏光の部分光線束は、λ／２位相差層６６ｂに入射する。したがって、ｐ偏光の部分光線束は、λ／２位相差層６６ｂにおいて、ｓ偏光の部分光線束に変換されて射出される。一方、反射膜６４ｂで反射されたｓ偏光の部分光線束は、開口層６６ａに入射するので、ｓ偏光の部分光線束のまま射出される。すなわち、偏光発生光学系６０に入射した非偏光な部分光線束は、そのほとんどがｓ偏光の部分光線束に変換されて射出されることとなる。なお、反射膜６４ｂで反射されるｓ偏光の部分光線束の射出面だけにλ／２位相差層６６ｂを配置することにより、偏光発生光学系６０に入射するほとんどの部分光線束をｐ偏光の部分光線束に変換して射出することもできる。また、選択位相差板６６は、開口層６６ａの部分に何も設けず、単に、λ／２位相差層６６ｂをｐ偏光の部分光線束またはｓ偏光の部分光線束の射出面に貼りつけるようなものであっても良い。
【００９４】
なお、図１３（Ｂ）から分かるように、偏光発生光学系６０から射出する２つのｓ偏光光の中心は、入射する非偏光な光（ｓ偏光光＋ｐ偏光光）の中心よりもｘ方向にずれている。このずれ量は、λ／２位相差層６６ｂの幅Ｗｐ（すなわち、偏光分離膜６４ａのｘ方向の大きさ）の半分に等しい。このため、図１１に示すように、光源光軸２０ａｘとシステム光軸１００ａｘとは、Ｗｐ／２に等しい距離Ｄｐだけずれた位置に設定されている。
【００９５】
第２のレンズアレイ５０から射出された複数の部分光線束は、上記のように、偏光発生光学系６０によって各部分光線束ごとに２つの部分光線束に分離されるとともに、それぞれ偏光方向の揃ったほぼ１種類の直線偏光光に変換される。
【００９６】
偏光方向のほぼ揃った複数の部分光線束は、図１１に示す重畳レンズ７０によって照明領域ＬＡ上で重畳される。上記の説明から分かるように、第１のレンズアレイ４０と、第２のレンズアレイ５０と、重畳レンズ７０とは、いわゆるインテグレータ光学系を構成している。これにより、照明領域ＬＡに照射される光の強度分布をほぼ均一にすることが可能である。
【００９７】
なお、本実施例の光源装置１５０Ａは、以下に説明するように、ほぼ平行な光を射出することが可能である。したがって、図１１の照明光学系１００において、平行度の悪い光を補正、あるいは、除去する機能を有する第２のレンズアレイ５０や遮光板６２は、省略してもよい。
【００９８】
先に説明したように、光源装置１５０Ａは、平行度の高い光を射出することができる。従って、本実施形態の照明光学系１００においては、光の利用効率を向上させることが可能である。上述したような照明光学系１００に、光源装置１５０Ａの代わりに光源装置１５０Ｂ〜１５０Ｄを用いた場合にも同様の効果を得ることができる。
【００９９】
なお、本実施形態の照明光学系１００はレンズアレイ４０、５０及び重畳レンズ７０によって構成される均一照明光学系や、偏光発生光学系６０を備えているが、光源装置１５０Ａ〜１５０Ｄは、均一照明光学系や偏光発生光学系と組み合わせることなく、それぞれ単独で用いても良い。また、光源装置１５０Ａ〜１５０Ｄは、均一照明光学系のみと組み合わせて照明光学系を構成することもできる。すなわち、光源装置１５０Ａ〜１５０Ｄは偏光発生光学系６０を備えない照明光学系にも適用することができる。
【０１００】
Ｆ．プロジェクタ：
図１４は、図１１の照明光学系１００を用いたプロジェクタの要部を平面的に見た概略構成図である。プロジェクタ１０００は、照明光学系１００と、色光分離光学系２００と、リレー光学系２２０と、３枚の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム３２０と、投写光学系３４０とを備えている。照明光学系１００から射出された光は、色光分離光学系２００において赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色光に分離される。分離された各色光は、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂにおいて画像情報に対応して変調される。変調された各色光は、クロスダイクロイックプリズム３２０で合成され、投写光学系３４０によってスクリーンＳＣ上に画像が投写表示されることとなる。
【０１０１】
照明光学系１００は、図１で説明したように、偏光方向の揃えられた直線偏光光（ｓ偏光光）の照明光を射出し、図１の照明領域ＬＡに対応する液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを照明する。本実施例の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂは、それぞれ、本発明における電気光学装置に相当する液晶パネルと、その光入射面側および光射出面側に配置された偏光板とによって構成されている。液晶パネルの各光入射面側に配置されている偏光板は、照明光の偏光度を高めるためのものであり、照明光学系１００から射出される直線偏光光の偏光方向が、偏光板の透過軸方向と一致するように配置されている。
【０１０２】
色光分離光学系２００は、２枚のダイクロイックミラー２０２，２０４と、反射ミラー２０８とを備えており、照明光学系１００から射出される光線束を、赤、緑、青の３色の色光に分離する機能を有する。第１のダイクロイックミラー２０２は、照明光学系１００から射出された光の赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射する。第１のダイクロイックミラー２０２を透過した赤色光Ｒは、反射ミラー２０８で反射されて、クロスダイクロイックプリズム３２０へ向けて射出される。色光分離光学系２００から射出された赤色光Ｒは、フィールドレンズ２３２を通って赤色光用の液晶ライトバルブ３００Ｒに達する。このフィールドレンズ２３２は、照明光学系１００から射出された各部分光線束をその中心軸に対して平行な光線束に変換する。他の液晶ライトバルブの前に設けられたフィールドレンズ２３４，２３０も同様である。
【０１０３】
第１のダイクロイックミラー２０２で反射された青色光Ｂと緑色光Ｇのうち、緑色光Ｇは第２のダイクロイックミラー２０４によって反射されて、色光分離光学系２００からクロスダイクロイックプリズム３２０へ向けて射出される。色光分離光学系２００から射出された緑色光Ｇは、フィールドレンズ２３４を通って緑色光用の液晶ライトバルブ３００Ｇに達する。一方、第２のダイクロイックミラー２０４を透過した青色光Ｂは、色光分離光学系２００から射出されて、リレー光学系２２０に入射する。
【０１０４】
リレー光学系２２０に入射した青色光Ｂは、リレー光学系２２０に備えられる入射側レンズ２２２、リレーレンズ２２６および反射ミラー２２４，２２８および射出側レンズ（フィールドレンズ）２３０を通って青色光用の液晶ライトバルブ３００Ｂに達する。なお、青色光Ｂにリレー光学系２２０が用いられているのは、青色光Ｂの光路の長さが他の色光の光路の長さよりも大きいためであり、リレー光学系２２０を用いることにより入射側レンズ２２２に入射した青色光Ｂをそのまま、射出側レンズ２３０に伝えることができる。
【０１０５】
３枚の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂは、与えられた画像情報（画像信号）に従って、３色の色光をそれぞれ変調して画像を形成する光変調手段としての機能を有する。クロスダイクロイックプリズム３２０は、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを通って変調された３色の色光を合成してカラー画像を形成する色光合成光学系としての機能を有する。なお、クロスダイクロイックプリズム３２０には、赤色光反射ダイクロイック面３２１と、青色光反射ダイクロイック面３２２とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。赤色光反射ダイクロイック面３２１には、赤色光を反射する誘電体多層膜が形成されている。青色光反射ダイクロイック面３２２には、青色光を反射する誘電体多層膜が形成されている。これらの赤色光反射ダイクロイック面３２１と青色光反射ダイクロイック面３２２によって３つの色光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。
【０１０６】
クロスダイクロイックプリズム３２０で生成された合成光は、投写光学系３４０の方向に射出される。投写光学系３４０は、クロスダイクロイックプリズム３２０から射出された合成光を投写して、スクリーンＳＣ上にカラー画像を表示する。なお、投写光学系３４０としてはテレセントリックレンズを用いることができる。
【０１０７】
このプロジェクタ１０００では、照明光学系１００において、平行度の高い光線束を射出することのできる光源装置１５０Ａが用いられている。これにより、プロジェクタ１０００における光の利用効率を向上させることができるので、より明るい画像を表示させることが可能となる。なお、光源装置１５０Ａの代わりに、光源装置１５０Ｂ〜１５０Ｄを用いた場合も同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
なお、本実施形態のプロジェクタ１０００において、照明光学系１００はレンズアレイ４０、５０及び重畳レンズ７０によって構成される均一照明光学系や、偏光発生光学系６０を備えているが、光源装置１５０Ａ〜１５０Ｄは、均一照明光学系や偏光発生光学系と組み合わせることなく、それぞれ単独で用いても良い。また、光源装置１５０Ａ〜１５０Ｄは、均一照明光学系のみと組み合わせて照明光学系を構成することもできる。すなわち、偏光発生光学系６０を備えない照明光学系を本実施形態のプロジェクタ１０００に適用することもできる。
【０１０９】
なお、本発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１１０】
（１）上記の光源装置１５０Ａ〜１５０Ｄでは、各非球面レンズ３０Ａ〜３０Ｄは、楕円リフレクタ２４の開口面から離れた位置に配置されているが、開口面に接合するようにしてもよい。図１５は、非球面レンズを楕円リフレクタの開口面に接合した光源装置１５０Ｃ’を示す説明図である。光源装置１５０Ｃ’は、放電灯２２と楕円リフレクタ２４と非球面レンズ３０Ｃ’とを備えている。なお、この光源装置１５０Ｃ’は、第３の実施形態に係る光源装置１５０Ｃ（図７，図８）の非球面レンズ３０Ｃの非球面形状を調整し、また、周辺部を変形して、楕円リフレクタの開口面に接合したものである。このように、非球面レンズ３０Ｃ’を楕円リフレクタ２４の開口面に接合して配置することにより、光源装置１５０Ｃ’を小型化することができるとともに、非球面レンズ３０Ｃ’を光源装置１５０Ｃ’の前面ガラスとして機能させることが可能となる。
【０１１１】
なお、同様に、第１および第２の実施形態に係る光源装置１５０Ａ，１５０Ｂについても、楕円リフレクタ２４の開口面に非球面レンズ３０Ａ，３０Ｂを接合するようにしてもよい。ただし、第４の実施形態に係る光源装置１５０Ｄにおいて、楕円リフレクタ２４の開口面に非球面レンズ３０Ｄを接合する場合には、光源装置が大型化してしまい、あまり実用的でない。すなわち、一般には、非球面レンズの非球面が凹面である場合には、非球面レンズを楕円リフレクタ２４の開口面に接合することができる。
【０１１２】
（２）また、図１５の光源装置１５０Ｃ’では、非球面レンズ３０Ｃ’の射出面３０Ｃ’ｏに、紫外線反射膜ＵＲが形成されている。このとき、放電灯２２から射出された紫外光は、紫外線反射膜ＵＲで反射されて楕円リフレクタ２４内部に戻るので、光源装置１５０Ｃ’から紫外光が射出されてしまうことを防止できる。この結果、例えば、光源装置１５０Ｃ’をプロジェクタ１０００に適用した場合に、液晶ライトバルブが紫外線によって劣化してしまうことを防止できる。また、光源装置１５０Ｃ’において、放電灯２２から射出された紫外光は、非球面レンズ３０Ｃ’の射出面３０Ｃ’ｏに形成された紫外線反射膜ＵＲに垂直に入射している。このとき、紫外線反射膜ＵＲで反射された紫外光は、同じ経路を辿って放電灯２２に入射する。紫外光が放電灯２２の中心２２ｃに入射すると、放電灯２２は入射した紫外光より長波長の光を射出する。これにより、光源装置１５０Ｃ’から射出される可視光の強度を向上させることが可能となる。
【０１１３】
なお、図１５においては、楕円リフレクタ２４の開口面に接合された非球面レンズ３０Ｃ’に紫外線反射膜ＵＲが形成されているが、図７，図８に示すように、楕円リフレクタ２４の開口面から離れた位置に非球面レンズ３０Ｃが設けられている場合にも同様に適用可能である。
【０１１４】
同様に、第２，第４の実施形態に係る光源装置１５０Ｂ，１５０Ｄにおいても、非球面レンズ３０Ｂ，３０Ｄに紫外線反射膜を形成するようにしてもよい。光源装置１５０Ｂにおいては、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉに紫外線反射膜を形成すればよい。また、光源装置１５０Ｄにおいては、非球面レンズ３０Ｄの射出面３０Ｄｏに紫外線反射膜を形成すればよい。このとき、図１５の光源装置１５０Ｃ’と同様に、紫外線反射膜で反射された紫外光は、同じ経路を辿って放電灯２２内に入射するので、可視光の強度を向上させることが可能である。一般には、非球面レンズの入射面または射出面のうち、放電灯から射出された紫外光が、ほぼ法線方向から入射する面に紫外線反射膜が形成されていればよい。
【０１１５】
（３）上記照明光学系１００（図１１）では、第１のレンズアレイ４０は独立して設けられているが、第１のレンズアレイは、非球面レンズの射出面に設けられていてもよい。すなわち、照明光学系１００の光源装置として、第３または第４の実施形態に係る光源装置１５０Ｃ，１５０Ｄを用いる場合には、非球面レンズ３０Ｃ，３０Ｄの射出面３０Ｃｏ，３０Ｄｏは平面となっているので、第１のレンズアレイを非球面レンズの射出面上に設けることが可能である。このとき、図１１に示す第１のレンズアレイ４０の各小レンズ４２として、非球面レンズ側に平面を有する平凸レンズを用いればよい。
【０１１６】
なお、図１５に示す光源装置１５０Ｃ’のように、非球面レンズが楕円リフレクタの開口面に接合されている場合にも同様に適用可能である。このように、非球面レンズの射出面にレンズアレイを設ければ、照明光学系１００を小型化することが可能となる。なお、レンズアレイは、非球面レンズの射出面に直接形成されていてもよいし、射出面と接合されていてもよい。レンズアレイを非球面レンズの射出面に直接形成する場合には、部品点数を低減させることができるという利点がある。
【０１１７】
（４）上記プロジェクタは、透過型のプロジェクタ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、透過型液晶パネル等のように光変調手段として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、反射型液晶パネルのように光変調手段として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。反射型のプロジェクタでは、クロスダイクロイックプリズムは、光を赤、緑、青の３色の光に分離する色光分離手段として利用されると共に、変調された３色の光を再度合成して同一の方向に射出する色光合成手段としても利用される。反射型のプロジェクタにこの発明を適用した場合にも、透過型のプロジェクタとほぼ同様の効果を得ることができる。
【０１１８】
（５）また、上記実施例においては、カラー画像を表示するプロジェクタ１０００を例に説明しているが、モノクロ画像を表示するプロジェクタに本発明の照明光学系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。
【０１１９】
（６）上記実施例において、プロジェクタ１０００は、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、これに限られない。電気光学装置としては、一般に、入射光を画像情報に応じて変調するものであればよく、マイクロミラー型光変調装置などを利用してもよい。なお、マイクロミラー型光変調装置としては、例えば、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）（ＴＩ社の商標）を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａを示す説明図である。
【図２】光源装置１５０Ａにおいて、放電灯２２の中心から放射状に射出される光線の軌跡を示す説明図である。
【図３】光源装置１５０Ａにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒと非球面レンズ３０Ａとの関係を示す説明図である。
【図４】光源装置１５０Ａについて、非球面レンズ３０Ａの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る光源装置１５０Ｂにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒと非球面レンズ３０Ｂとの関係を示す説明図である。
【図６】光源装置１５０Ｂについて、非球面レンズ３０Ｂの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る光源装置１５０Ｃにおいて、放電灯２２の中心から放射状に射出される光線の軌跡を示す説明図である。
【図８】光源装置１５０Ｃにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒと非球面レンズ３０Ｃとの関係を示す説明図である。
【図９】光源装置１５０Ｃについて、非球面レンズ３０Ｃの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る光源装置１５０Ｄにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒと非球面レンズ３０Ｄとの関係を示す説明図である。
【図１１】光源装置１５０Ａを適用した照明光学系１００の要部を平面的に見た概略構成図である。
【図１２】第１のレンズアレイ４０の外観を示す斜視図である。
【図１３】偏光発生光学系６０を示す説明図である。
【図１４】図１１の照明光学系１００を用いたプロジェクタ１０００の要部を平面的に見た概略構成図である。
【図１５】非球面レンズを楕円リフレクタの開口面に接合した光源装置１５０Ｃ’を示す説明図である。
【符号の説明】
２０ａｘ…光源光軸
２２…放電灯
２２ｃ…放電灯の中心
２４…楕円リフレクタ
２４Ｒ…反射面
２５…光源ランプ
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｃ’，３０Ｄ…非球面レンズ
４０…第１のレンズアレイ
４２…小レンズ
５０…第２のレンズアレイ
５２…小レンズ
６０…偏光発生光学系
６２…遮光板
６２ａ…開口面
６２ｂ…遮光面
６４…偏光ビームスプリッタアレイ
６４ａ…偏光分離膜
６４ｂ…反射膜
６４ｃ…透光性板材
６６…選択位相差板
６６ａ…開口層
６６ｂ…λ／２位相差層
７０…重畳レンズ
１００…照明光学系
１００ａｘ…システム光軸
１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ，１５０Ｃ’，１５０Ｄ…光源装置
２００…色光分離光学系
２０２，２０４…ダイクロイックミラー
２０８…反射ミラー
２２０…リレー光学系
２２２…入射側レンズ
２２４，２２８…反射ミラー
２２６…リレーレンズ
２３０…射出側レンズ
２３０，２３２，２３４…フィールドレンズ
３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…液晶ライトバルブ
３２０…クロスダイクロイックプリズム
３２１…赤色光反射ダイクロイック面
３２２…青色光反射ダイクロイック面
３４０…投写光学系
１０００…プロジェクタ
ＬＡ…照明領域
ＳＣ…スクリーン
ＵＲ…紫外線反射膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源装置、および、光源装置を備えた照明光学系ならびにプロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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、光源ランプから射出された光を複数の部分光線束に分割して、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。このようなインテグレータ照明光学系のうち、楕円リフレクタを備えた光源ランプとレンズアレイとを用いたインテグレ−タ照明光学系（均一照明光学系）では、通常、楕円リフレクターから射出される光を平行化してレンズアレイに入射させるために、光源ランプとレンズアレイとの間に球面の凹レンズが設けられている。すなわち、光源ランプと球面の凹レンズとの組み合わせにより、平行光を射出する光源装置を構成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような光源ランプから射出される光線束は、実際には、中心部の平行度は高いものの、周辺部の平行度がよくない。これは、凹レンズにおいて、球面収差が生じることに起因する。平行度の悪い光線は、照明光学系において、あるいは、このような照明光学系を用いたプロジェクタなどの装置において、レンズアレイをうまく通過できず、無駄になる場合が多い。このため、従来の照明光学系では、光源ランプから射出される光を効率よく利用することが困難であった。
【０００５】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、光源装置から射出される光の平行度を向上させるための技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の光源装置は、
放電灯と、
前記放電灯から射出された光を反射する反射面を備えた楕円リフレクタと、
前記反射面によって反射された光を平行化するレンズと、を有し、
前記レンズは、入射面と射出面とのうち、いずれか一方に回転二次曲面形状の非球面を有する非球面レンズである、
ことを特徴とする。
【０００７】
本発明の光源装置は、入射面と射出面とのうちのいずれか一方に回転二次曲面形状の非球面を有する非球面レンズを備えているので、射出される光の平行度を向上させることが可能となる。
【０００８】
上記光源装置において、
前記非球面は、前記非球面と光源光軸との交点を原点とした光軸に軸対称なｒθＺ円柱座標系における座標値をｒおよびＺとし、近軸曲率をｃとし、円錐定数をＫとしたとき、
【数６】
【０００９】
こうすれば、非球面の形状を容易に決定することができる。また、この式に基づいて決定された非球面を有するレンズを用いれば、球面収差をかなり小さくすることができるので、光源装置から射出される光の平行度をかなり向上させることができる。
【００１０】
上記光源装置において、前記非球面は凹面であることが好ましい。この場合、レンズを楕円リフレクタの第１焦点と第２焦点の間に配置することができるため、光源装置を小型化することが可能である。
【００１１】
このとき、前記非球面レンズは、前記楕円リフレクタの開口面に接合されているようにしてもよい。こうすれば、光源装置をさらに小型化することができるとともに、非球面レンズを光源装置の前面ガラスとして機能させることが可能となる。
【００１２】
しかしながら、上記光源装置において、前記非球面は凸面としても構わない。
【００１３】
上記光源装置において、レンズの非球面を凹面または凸面とし、かつ、前記射出面が非球面である場合、前記非球面は回転楕円面形状を有することが好ましい。
【００１４】
射出面を非球面とした場合、射出される光線束の直径を小さくすることができる。従って、光源装置を照明光学系やプロジェクタに用いる場合において、光源装置より光路下流側に配置される光学素子の大きさを小さくすることができるため、照明光学系やプロジェクタを小型化できるという効果がある。さらに、射出面を非球面とした場合、射出される光線束の面内照度のばらつきを比較的小さくすることができるという効果もある。
【００１５】
また、このとき、回転楕円面は、前記非球面と光源光軸との交点を原点、前記光源光軸をＺ軸、前記光源光軸と直交する軸をｒ軸としたｒθＺ円柱座標系における座標値をｒおよびＺとし、近軸曲率をｃとし、円錐定数をＫとしたとき、
【数７】
前記楕円リフレクタは、前記反射面と前記光源光軸との交点を原点、前記光源光軸をＺ軸、前記光源光軸と直交する軸をｒ軸としたｒθＺ円柱座標系における座標値をｒR、ＺRとし、近軸曲率をｃRとし、円錐定数をＫRとしたとき、
【数８】
−０．８＜ＫR＜−０．５であることが好ましい。
【００１６】
このようにすれば、回転楕円面の形状を容易に決定することができる。また、この式に基づいて決定された非球面を有するレンズを用いれば、球面収差をかなり小さくすることができるので、光源装置から射出される光の平行度をかなり向上させることができる。
【００１７】
上記光源装置において、レンズの非球面を凹面または凸面とし、かつ、前記射出面が回転楕円面である場合、レンズの入射面は球面とすることが好ましい。
【００１８】
このようにすれば、レンズの入射面において光が屈折を受けないようにすることができ、従って、さらに平行度の高い射出光を得ることが可能となる。尚、入射面が平面である場合は、入射面を球面とした場合に比べると射出光の平行度がやや悪くなるが、非球面レンズの一方を平面とすることにより、非球面レンズを比較的安価に制作することができるという利点がある。
【００１９】
また、レンズの非球面を凹面または凸面とし、射出面を回転楕円面とし、入射面を球面とした場合の当該回転楕円面は、前記非球面と光源光軸との交点を原点、前記光源光軸をＺ軸、前記光源光軸と直交する軸をｒ軸としたｒθＺ円柱座標系における座標値をｒおよびＺとし、近軸曲率をｃとし、円錐定数をＫとし、前記レンズの屈折率をｎとしたとき、
【数９】
【００２０】
この光源装置において、前記非球面レンズの前記入射面に、紫外線反射膜が形成されているようにしてもよい。こうすれば、紫外光が光源装置から射出されないようにすることができる。また、放電灯から射出された紫外光が反射されて、再度、放電灯に戻ることにより、光源装置から射出される可視光の強度を向上させることができる。
【００２１】
上記光源装置において、レンズの非球面を凹面または凸面とし、かつ、前記入射面が非球面である場合、前記非球面は回転双曲面形状を有することが好ましい。
【００２２】
入射面を非球面とした場合、楕円リフレクタの反射面で反射された光は、レンズの入射面で平行化され、射出面では屈折作用を受けないようにすることができる。従って、より平行度の高い射出光を得ることが可能となる。
【００２３】
また、このとき、回転双曲面は、前記非球面と光源光軸との交点を原点、前記光源光軸をＺ軸、前記光源光軸と直交する軸をｒ軸としたｒθＺ円柱座標系における座標値をｒおよびＺとし、近軸曲率をｃとし、円錐定数をＫとし、前記レンズの屈折率をｎとしたとき、
【数１０】
【００２４】
このようにすれば、回転双曲面の形状を容易に決定することができる。また、この式に基づいて決定された非球面を有するレンズを用いれば、球面収差をかなり小さくすることができるので、光源装置から射出される光の平行度をかなり向上させることができる。
【００２５】
この光源装置において、前記非球面レンズの前記射出面は平面であり、前記非球面レンズの前記射出面に、紫外線反射膜が形成されているようにしてもよい。こうすれば、紫外光が光源装置から射出されないようにすることができる。また、放電灯から射出された紫外光が反射されて、再度、放電灯に戻ることにより、光源装置から射出される可視光の強度を向上させることができる。
【００２６】
上述の光源装置は、光源装置から射出された光を複数の部分光線束に分割するレンズアレイと、前記レンズアレイによって分割された前記部分光線束を照明領域上で重畳させる重畳レンズと、を備える照明光学系において、光源装置として用いることが可能である。
【００２７】
また、照明光学系において、非球面レンズの入射面を回転双曲面形状とし、射出面を平面とする光源装置を用いる場合には、レンズアレイは、非球面レンズの射出面に設けられていてもよい。こうすれば、照明光学系を小型化することが可能となる。
【００２８】
また、上述の光源装置は、光源装置が照明する照明領域としての光入射面を有し、前記光源装置からの入射光を画像情報に応じて変調する電気光学装置と、前記電気光学装置によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたプロジェクタにおいて、光源装置として用いることが可能である。
【００２９】
上述の光源装置を照明光学系やプロジェクタの光源として用いることにより、光の利用効率を向上させて、投写される画像の明るさを向上させることが可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
Ａ．光源装置１５０Ａ：
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａを示す説明図である。光源装置１５０Ａは、放電灯２２とリフレクタ２４とからなる光源ランプ２５と、非球面レンズ３０Ａとを備えている。リフレクタ２４は、光源光軸２０ａｘに軸対称な回転楕円体からなる反射面２４Ｒを有する楕円リフレクタである。回転楕円体は、例えば、ガラスを用いて形成されている。反射面２４Ｒには誘電体多層膜が形成されている。なお、反射面２４Ｒには、アルミニウム膜や銀膜などの金属反射膜を形成するようにしてもよい。
【００３１】
放電灯２２は、放射状に光を射出する。放電灯２２の中心２２ｃは、楕円リフレクタ２４の光源光軸２０ａｘ上における２つの焦点のうち、楕円リフレクタ２４により近い方の焦点（第１焦点）の位置に配置されている。ここで、放電灯の中心とは、放電灯２２のアークの中心を意味している。放電灯２２から射出された放射光は、楕円リフレクタ２４によって反射され、反射光は楕円リフレクタ２４の他方の焦点（第２焦点）に向かう。放電灯２２としては、メタルハライドランプや高圧水銀灯などが用いられる。なお、光源光軸２０ａｘは、光源装置１５０Ａから射出される光線束の中心軸である。
【００３２】
非球面レンズ３０Ａは、楕円リフレクタ２４によって反射された反射光をほぼ平行な光に変換する機能を有している。図１に示す非球面レンズ３０Ａは、入射面３０Ａｉが平面であり、射出面３０Ａｏが非球面の凹面となっている。
【００３３】
図２は、本実施形態に係る光源装置１５０Ａにおいて、放電灯２２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ある。図２において、放電灯２２（図１）の図示は省略されている。また、図３は、図２に示す光源装置１５０Ａの楕円リフレクタの反射面２４Ｒと非球面レンズ３０Ａとの関係を示す説明図である。反射面２４Ｒの第１焦点ＦＲ１から射出され、反射面２４Ｒで反射された光線は、反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２の方向に進み、非球面レンズ３０Ａによって平行化される。なお、図３中、Ｆｅ１、Ｆｅ２は、それぞれ、非球面レンズ３０Ａの非球面の第１焦点、第２焦点である。本実施形態に係る光源装置１５０Ａでは、非球面レンズ３０Ａの射出面３０Ａｏの非球面の形状を、式（１）の関係をほぼ満足する形状とすることにより、すなわち回転二次曲面形状とすることにより、従来の光源装置と異なり、平行度の高い光を射出することが可能となっている。
【００３４】
【数１１】
ここで、ｒ，Ｚは、図３に示すように、非球面レンズ３０Ａの非球面と光源光軸２０ａｘとの交点を原点Ｌ０とし、光源光軸２０ａｘに軸対象なｒθＺ円柱座標系における座標値である。なお、図３において、Ｚ方向は、反射面２４Ｒの第１焦点ＦＲ１から第２焦点ＦＲ２へ向かう方向を正としている。ｒは、原点Ｌ０からの光源光軸２０ａｘに直交する方向への距離を示している。θは、所定のｒ方向からの角度を示しているが、式（１）から分かるように、非球面の形状は角度θに依存しない。
【００３６】
また、式（１）中、近軸曲率ｃは、反射面２４Ｒで反射された光線を、従来技術のように、球面の凹レンズを用いて平行光に変換すると仮定した場合の、当該球面の曲率を示している。すなわち、近軸領域（回転軸付近の領域）では、この曲率ｃを有する凹レンズを用いることにより、反射面２４Ｒで反射された光線を平行光に変換することができることになる。
【００３７】
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。すなわち、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。
【００３８】
また、左辺第３項は、一般非球面項と呼ばれる距離ｒに依存する関数であるが、十分に小さな値であるため、本実施形態では無視することとしている。
【００３９】
本実施形態における非球面レンズ３０Ａの非球面の回転二次曲面形状は、式（１）の左辺第３項を無視した下式（２）に基づき、次のような方法によって決定される。
【００４０】
【数１２】
まず、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状と、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉの曲率と、非球面レンズ３０Ａの屈折率ｎと、非球面レンズ３０Ａの中心部の厚みと、非球面レンズ３０Ａの設置位置とを考慮して、近似曲率ｃの値を求める。具体的には、反射面２４Ｒの形状と、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉの曲率と、非球面レンズ３０Ａの屈折率ｎと、非球面レンズ３０Ａの中心部の厚みと、非球面レンズ３０Ａの設置位置とを予め決めておく。そして、予め決定された反射面２４Ｒの形状と同じ形状の反射面を有する楕円リフレクタに対し、予め決定された位置に、入射面の曲率、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る。このようにして求めた曲率の値が近似曲率ｃとなる。ここで、本実施形態の光源装置１５０Ａのように、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉを平面とする場合には、入射面３０Ａｉの曲率を０とする。
【００４２】
次に、円錐定数Ｋを求める。本実施形態の光源装置１５０Ａにおいて、円錐定数Ｋは、その値を変更しながら、繰り返し式（２）を用いてシミュレーションを行うことにより、平行光が射出される条件に設定される。このシミュレーションでは、光源装置１５０Ａから射出される光線束を収差のない理想レンズで集光したときに、集光点での光スポット径が最も小さくなる場合を、ほぼ平行な光が射出される条件とすることが考えられる。実用上は、集光点での光スポット径が約１００μｍ以内となる場合を、ほぼ平行な光が射出される条件とみなしても問題ない。
【００４３】
図４は、このようにしてシミュレーションを行った結果求められた円錐定数Ｋと、非球面レンズ３０Ａの屈折率ｎとの関係を示すグラフである。図４においては、非球面レンズのレンズ材料として一般的な屈折率ｎの範囲１．４５〜１．９５での円錐定数Ｋの値が示されている。曲線ＣＡ１〜ＣＡ６では、それぞれ、反射面２４Ｒの形状が異なる。楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状は、前述した式（２）と同様の式（３）を用いて表すことができる。
【００４４】
【数１３】
ここで、ｒR、ＺRは、反射面２４Ｒと光源光軸２０ａｘとの交点を原点とし、光源光軸２０ａｘに軸対象なｒθＺ円柱座標系における座標値である。また、ｃRは楕円リフレクタの近軸曲率、ＫRは円錐定数である。曲線ＣＡ１〜ＣＡ６は、それぞれ、式（３）において、反射面２４Ｒの円錐定数ＫRが−０．５０，−０．５４，−０．６６，−０．７０，−０．８０，−０．８９である場合の値を示す。
【００４６】
図４からわかるように、本実施形態の光源装置１５０Ａにおいて、円錐定数ＫRが−０．８＜ＫR＜−０．５の範囲の反射面２４Ｒを有する楕円リフレクタを用いる場合には、非球面レンズ３０Ａの非球面の円錐定数Ｋは、−０．５５＜Ｋ＜−１の範囲、すなわち、回転楕円面形状とすることが好ましい。
【００４７】
また、図４中の曲線ＣＡ６で示されるように、式（３）において、反射面２４Ｒの円錐定数ＫRが−０．８９である場合には、非球面レンズ３０Ａの屈折率ｎが１．４５≦ｎ＜１．８４のとき円錐定数ＫはＫ＜−１となり、ｎ＝１．８４のときＫ＝１となり、ｎ＞１．８４のときＫ＜−１となる。すなわち、この場合には、非球面レンズの非球面は、ｎ＜１．８４の領域では回転楕円面、ｎ＝１．８４の場合には回転放物面形状、ｎ＞１．８４の領域では回転双曲面形状となる。なお、このとき、ＫRは１に近くなっており、すなわち、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状は放物面に近い形状となっている。この場合、反射面２４Ｒによって反射された光は、レンズによって平行化しなくても、ほぼ平行光に近い状態となる。したがって、非球面レンズを用いて平行化する必要性に乏しい。また、この場合、非球面レンズの直径が比較的大きくなってしまうことから、非球面レンズから射出される光線束の直径も比較的大きくなってしまう。したがって、光源装置以降の光学系を小型化するという効果はあまり期待できない。このようなことから、ＫRが１に近い場合はあまり実用的でないと考えられる。しかしながら、平行度の高い光線束得ることが必要な場合は、ＫRが１に近い場合であっても、本実施形態のように非球面レンズ３０Ａを用いることが考えられる。
【００４８】
なお、本実施形態に係る光源装置１５０Ａでは、図３に示すように、非球面レンズ３０Ａの非球面の第２焦点Ｆｅ２が楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２と一致しない。これは、楕円リフレクタの第２焦点ＦＲ２に向かう光が、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉで屈折作用を受けるためである。後述する他の実施形態に係る光源装置１５０Ｂのように、楕円リフレクタの第２焦点ＦＲ２に向かう光が、非球面レンズの非球面部分のみで屈折作用を受ける場合には、非球面の第２焦点Ｆｅ２と楕円リフレクタの反射面の第２焦点ＦＲ２とが一致する。
【００４９】
以上のように、本実施形態に係る光源装置１５０Ａでは、非球面レンズ３０Ａの射出面３０Ａｏの非球面の形状を、式（１）の左辺第３項を無視した式（２）の関係を満足する形状とすることにより、すなわち回転二次曲面形状とすることにより、従来の光源装置と異なり、平行度の高い光を射出することができる。また、本実施形態の光源装置１５０Ａにおいて、非球面レンズ３０Ａの非球面の円錐定数Ｋは、回転楕円面形状とすることが好ましい。
【００５０】
Ｂ．光源装置１５０Ｂ：
図５は、図２並びに図３に示す第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａの変形例を示す説明図である。光源装置１５０Ａでは、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉが平面であったが、本実施形態では、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉが球面となっている。非球面レンズ３０Ｂ以外の構成につては、第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａと同様であるため、図１〜図３で用いたものと同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５１】
本実施形態に係る光源装置１５０Ｂにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第１焦点ＦＲ１から射出され、反射面２４Ｒで反射された光線は、反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２の方向に進み、非球面レンズ３０Ｂによって平行化される。なお、図５中、Ｆｅ１、Ｆｅ２は、それぞれ、非球面レンズ３０Ｂの非球面の第１焦点、第２焦点である。
【００５２】
非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉの球面は、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２を中心とする球面である。また、非球面レンズ３０Ｂの射出面３０Ｂｏは、式（２）の関係を満足する回転二次曲面形状とされており、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａの場合と同様、平行度の高い光を射出することが可能となっている。本実施形態のように、入射面３０Ｂｉと射出面３０Ｂｏにそれぞれ形状の異なる曲面を有する非球面レンズ３０Ｂを用いると、レンズの製造コストが大きくなってしまう。しかしながら、本実施形態の光源装置１５０Ｂにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒからの反射光は、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉに垂直に入射するため、非球面レンズ３０Ｂでは、楕円リフレクタの反射面２４Ｒからの反射光は、射出面３０Ｂｏにおいて進行方向を１回変更するのみである。したがって、本実施形態の光源装置１５０Ｂは、より平行度の高い光線束を得られるという点で有利である。
【００５３】
本実施形態における非球面レンズ３０Ｂの非球面の回転二次曲面形状は、式（２）に基づき、次のような方法によって決定される。
【００５４】
まず、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状と、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉの曲率と、非球面レンズ３０Ｂの屈折率ｎと、非球面レンズ３０Ｂの中心部の厚みと、非球面レンズ３０Ｂの設置位置とを考慮して、近似曲率ｃの値を求める。具体的には、反射面２４Ｒの形状と、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉの曲率と、非球面レンズ３０Ｂの屈折率ｎと、非球面レンズ３０Ｂの中心部の厚みと、非球面レンズ３０Ｂの設置位置とを予め決めておく。そして、予め決定された反射面２４Ｒ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、入射面の曲率、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曲率を求める。このようにして求めた曲率の値が近似曲率ｃとなる。
【００５５】
次に、円錐定数Ｋを求める。ここで、図６に曲線ＣＢで示すように、本実施形態の光源装置１５０Ｂにおいては、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａの場合と異なり、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状を変更しても、非球面レンズ３０Ｂの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係が変化しない。これは、図３に示す非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉの形状（平面）と、図５に示す非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉの形状（球面）との相違に起因する。すなわち、図３に示す非球面レンズ３０Ａでは、入射面３０Ａｉが平面であるため、反射面２４Ｒからの反射光は、入射面３０Ａｉでの屈折により進行方向が変えられる。一方、図５に示す非球面レンズ３０Ｂでは、入射面３０Ｂｉが球面であるため、反射面２４Ｒからの反射光は、入射面３０Ｂｉにほぼ垂直に交わるように入射し、進行方向は変わらない。この結果、曲線ＣＢでは、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状を変更しても、非球面レンズ３０Ｂの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係は一定となる。なお、図６に示す非球面レンズ３０Ｂの反射面形状の非球面の円錐定数Ｋは、ほぼＫ＝−１／ｎ2で決定されている。
【００５６】
したがって、本実施形態において、円錐定数ＫはＫ＝−１／ｎ2で求めることができ、第１の実施形態のようなシミュレーションを行う必要はない。
【００５７】
さらに、図６からわかるように、本実施形態の光源装置１５０Ｂにおいては、非球面レンズ３０Ｂの非球面の円錐定数Ｋは、−０．５５＜Ｋ＜−０．３の範囲である。したがって、本実施形態の光源装置１５０Ｂのように、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉを球面、射出面３０Ｂｏを非球面とする場合には、非球面を回転楕円面形状とすることが好ましい。
【００５８】
なお、本実施形態に係る光源装置１５０Ｂでは、楕円リフレクタの第２焦点ＦＲ２に向かう光が、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉで屈折作用を受けないため、非球面レンズ３０Ｂの非球面の第２焦点Ｆｅ２が楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２とほぼ一致する。
【００５９】
以上のように、本実施形態に係る光源装置１５０Ｂでは、非球面レンズ３０Ｂの射出面３０Ｂｏの非球面の形状を、式（１）の左辺第３項を無視した式（２）の関係を満足する形状とすることにより、すなわち回転二次曲面形状とすることにより、従来の光源装置と異なり、平行度の高い光を射出することができる。また、本実施形態の光源装置１５０Ｂにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒからの反射光は、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉに垂直に入射するため、より平行度の高い光線束を得ることが可能である。また、本実施形態の光源装置１５０Ｂにおいて、非球面レンズ３０Ｂの非球面の円錐定数Ｋは、回転楕円面形状とすることが好ましい。
【００６０】
Ｃ．光源装置１５０Ｃ：
図７は、本発明の第３の実施形態に係る光源装置１５０Ｃを示す説明図である。また、図８は、図７に示す光源装置１５０Ｃの楕円リフレクタの反射面２４Ｒと非球面レンズ３０Ｃとの関係を示す説明図である。第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａでは、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉが平面、射出面３０Ａｏが非球面であったが、本実施形態では、非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉが非球面、射出面３０Ｃｏが平面となっている。非球面レンズ３０Ｃ以外の構成につては、第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａと同様であるため、図１〜図３で用いたのと同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６１】
本実施形態に係る光源装置１５０Ｃにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第１焦点ＦＲ１から射出され、反射面２４Ｒで反射された光線は、反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２の方向に進み、非球面レンズ３０Ｃによって平行化される。なお、図８中、Ｆｈ１、Ｆｈ２は、それぞれ、非球面レンズ３０Ｃの非球面の第１焦点、第２焦点である。
【００６２】
本実施形態の光源装置１５０Ｃにおいて、非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉは、式（２）の関係を満足する回転二次曲面形状とされており、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａの場合と同様、平行度の高い光を射出することが可能となっている。
【００６３】
図７と図２との比較からわかるように、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａでは、本実施形態にかかる光源装置１５０Ｃよりも、射出される光線束の直径を小さくすることができるという点で有利である。すなわち、非球面レンズ３０Ａの射出面３０Ａｏから射出される光線束の直径３０ＡＬＤは、入射面３０Ａｉに入射する光線束の直径よりも小さくなる。これは、楕円リフレクタと非球面レンズ３０Ａとの間隔、および、楕円リフレクタと非球面レンズ３０Ｃとの間隔をほぼ同じ程度に設定する際には、図７の非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉにおける反射光の光線束よりも、図２の非球面レンズ３０Ａの射出面３０Ａｏにおける反射光の光線束の方が集光されて小さくなっているからである。したがって、第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａを後述するような照明光学系やプロジェクタに利用すれば、光源装置以降の各部の構成を、全体的に小さくすることが可能である。
【００６４】
また、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａは、図７と図２にそれぞれ示す光線の軌跡の分布から分かるように、本実施形態にかかる光源装置１５０Ｃよりも、面内の照度分布がより均一な光線束となって射出されるという点で有利である。これは、図２の非球面レンズ３０Ａでは、射出面３０Ａｏが凹面となっており、図７の非球面レンズ３０Ｃでは、入射面３０Ｃｉが凹面となっているからである。すなわち、図２に示す第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａでは、非球面レンズ３０Ａに入射する光線の入射角は、非球面レンズ３０Ａの中央でも周辺でも、あまり大きな差がない。一方、図７に示す第２の実施形態に係る光源装置１５０Ｃでは、非球面レンズ３０Ｃに入射する光線の入射角は、非球面レンズ３０Ｃの中央と周辺とで、かなり大きな差が生じている。このため、光源装置１５０Ｃでは、射出される光線束に強度分布が発生しやすくなっている。
【００６５】
さらに、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａは、製造コストを小さくできる点においても、本実施形態の光源装置１５０Ｃより有利である。一般に、非球面レンズの非球面部分の制作には、かなりの精度が要求され、非球面部分が小さいほど安価に制作することができる。このため、非球面部分が小さい非球面レンズ３０Ａを用いた光源装置１５０Ａの方が、安価に制作できるため、より実用的と言える。
【００６６】
しかしながら、本実施形態の光源装置１５０Ｃは、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａを用いる場合と比較して、より平行度の高い光線束を得やすいという利点がある。すなわち、光源装置１５０Ａから射出される光線束は、非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉと射出面３０Ａｏとにおける屈折により、２回の進行方向の変更を経て射出される。一方、光源装置１５０Ｃから射出される光線束は、非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉにおける屈折により、１回のみの進行方向の変更を経て射出される。したがって、光源装置１５０Ｃを用いれば、かなり平行度の高い光線束を得ることが可能となる。よって、より平行度の高い光線束を得る必要がある場合には、本実施形態の光源装置１５０Ｃを用いた方が良い。なお、より平行度の高い光線束を得られる点では、第２の実施形態にかかる光源装置１５０Ｂも同様であるが、本実施形態の光源装置１５０Ｃの非球面レンズ３０Ｃは一方の面が平面であるため、本実施形態の光源装置１５０Ｃの方が、製造コスト面では有利である。
【００６７】
本実施形態における非球面レンズ３０Ｃの非球面の回転二次曲面形状は、式（２）に基づき、次のような方法によって決定される。
【００６８】
まず、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状と、非球面レンズ３０Ｃの屈折率ｎと、非球面レンズ３０Ｃの中心部の厚みと、非球面レンズ３０Ｃの設置位置とを考慮して、近似曲率ｃの値を求める。具体的には、反射面２４Ｒの形状と、非球面レンズ３０Ｃの屈折率ｎと、非球面レンズ３０Ｃの中心部の厚みと、非球面レンズ３０Ｃの設置位置とを予め決めておく。そして、予め決定された反射面２４Ｒ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、球面収差がなければ平行光に変換できる曲率を求める。このようにして求めた曲率の値が近似曲率ｃとなる。
【００６９】
次に、円錐定数Ｋを求める。ここで、図９に曲線ＣＣで示すように、本実施形態の光源装置１５０Ｃにおいては、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａの場合と異なり、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状を変更しても、非球面レンズ３０Ｃの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係が変化しない。これは、図３に示す非球面レンズ３０Ａの入射面３０Ａｉの形状（平面）と、図８に示す非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉの形状（非球面）との相違に起因する。すなわち、図３に示す非球面レンズ３０Ａでは、入射面３０Ａｉが平面であるため、反射面２４Ｒからの反射光は、入射面３０Ａｉでの屈折により進行方向が光軸２０ａｘに対して非平行な方向に変えられ、さらに射出面３０Ａｏで屈折する。一方、図８に示す非球面レンズ３０Ｃでは、入射面３０Ｃｉが式（２）に基づいて設定された非球面であるため、反射面２４Ｒからの反射光は、入射面３０Ｃｉでの屈折により進行方向がほぼ平行な方向に変えられ、射出面３０Ｃｏではほとんど屈折作用を受けない。この結果、曲線ＣＣでは、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの形状を変更しても、非球面レンズ３０Ｃの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係が一定となる。なお、図９に示す非球面レンズ３０Ｃの反射面形状の非球面の円錐定数Ｋは、ほぼＫ＝−ｎ2で決定されている。
【００７０】
したがって、本実施形態において、円錐定数Ｋは、Ｋ＝−ｎ2で求めることができ、第１の実施形態のようなシミュレーションを行う必要はない。
【００７１】
さらに、図９からわかるように、本実施形態の光源装置１５０Ｃにおいては、非球面レンズ３０Ｃの非球面の円錐定数Ｋは、−２．１＜Ｋ＜−３．８の範囲である。したがって、本実施形態の光源装置１５０Ｃのように、入射面３０Ｃｉを非球面とする場合には、非球面を回転双曲面形状とすることが好ましい。図８中の直線Ｐ、直線Ｑは、回転双曲線（非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉの一部を構成する回転双曲線）の漸近線、曲線Ｒは、もう一方の回転双曲線を示したものであり、いずれも非球面が回転双曲面形状であることを理解し易くするために図示されているものである。
【００７２】
なお、本実施形態に係る光源装置１５０Ｃでは、楕円リフレクタの第２焦点ＦＲ２に向かう光が、非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉで光源光軸２０ａｘに平行な光とされ、射出面３０Ｃｏでは屈折作用を受けないため、非球面レンズ３０Ｃの非球面の第２焦点Ｆｈ２が、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２とほぼ一致する。
【００７３】
以上のように、本実施形態に係る光源装置１５０Ｃでは、非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉの非球面の形状を、式（１）の左辺第３項を無視した式（２）の関係を満足する形状とすることにより、すなわち回転二次曲面形状とすることにより、従来の光源装置と異なり、平行度の高い光を射出することができる。また、本実施形態の光源装置１５０Ｃにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒからの反射光は、非球面レンズ３０Ｃの入射面３０Ｃｉによって光源光軸２０ａｘに平行な光とされ、射出面３０Ｃｏでは屈折作用を受けないため、より平行度の高い光線束を得ることが可能である。また、本実施形態の光源装置１５０Ｃにおいて、非球面レンズ３０Ｃの非球面の円錐定数Ｋは、回転双曲面形状とすることが好ましい。
【００７４】
Ｄ．光源装置１５０Ｄ：
図１０は、図７並びに図８に示す本発明の第３の実施形態に係る光源装置１５０Ｃの変形例を示す説明図である。本実施形態に係る光源装置１５０Ｄでは、非球面レンズ３０Ｄは、楕円リフレクタの反射面２４Ｒで反射された反射光が第２焦点ＦＲ２で一旦集光して、発散する位置に設置されている。なお、本実施形態の光源装置１５０Ｄにおいて、非球面レンズ３０Ｄ以外の構成は、第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａと同様であるため、図１〜図３で用いたのと同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００７５】
本実施形態に係る光源装置１５０Ｄにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第１焦点ＦＲ１から射出され、反射面２４Ｒで反射された光線は、反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２で集光された後、非球面レンズ３０Ｄによって平行化される。非球面レンズ３０Ｄは、入射面３０Ｄｉが非球面の凸面であり、射出面３０Ｄｏが平面となっている。なお、図１０中、Ｆｈ１、Ｆｈ２は、それぞれ、非球面レンズ３０Ｄの非球面の第１焦点、第２焦点である。
【００７６】
本実施形態の光源装置１５０Ｄにおいて、非球面レンズ３０Ｄの入射面３０Ｄｉは、式（２）の関係を満足する回転二次曲面形状とされており、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃの場合と同様、平行度の高い光を射出することが可能となっている。
【００７７】
図１０と図８との比較からわかるように、本実施形態にかかる光源装置１５０Ｄでは、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃよりも、射出される光線束の直径を小さくすることができるという点で有利である。これは、焦点ＦＲ２で集光した光が反射面２４Ｒの開口面積よりも大きく発散しないような位置に非球面レンズ３０Ｄを配置できるからである。したがって、光源装置１５０Ｄを後述するような照明光学系やプロジェクタに利用すれば、光源装置以降に配置される光学素子を、小さくすることが可能である。さらに、本実施形態にかかる光源装置１５０Ｄは、非球面部分が小さいため、製造コストを小さくできる点においても、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃより有利である。ただし、楕円リフレクタと非球面レンズ３０Ｄとの間隔は、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃの場合よりも大きくなってしまう。
【００７８】
また、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａと比較した場合、本実施形態の光源装置１５０Ｄでは、射出される光線束に強度分布が発生しやすくなっている点で不利なこと、一方、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａよりも平行度の高い光線束を得やすいという点で有利なことは、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃの場合と同様である。また、第２の実施形態にかかる光源装置１５０Ｂと比較した場合、本実施形態の光源装置１５０Ｄの方が製造コスト面で有利であることも、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃの場合と同様である。
【００７９】
本実施形態における非球面レンズ３０Ｄの非球面の回転二次曲面形状は、式（２）に基づき、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃの非球面レンズ３０Ｃの非球面の形状と同様の方法によって決定される。
【００８０】
本実施形態の光源装置１５０Ｄにおいても、光源装置１５０Ｃの場合と同様、非球面レンズ３０Ｄの非球面の円錐定数Ｋは、回転双曲面形状とすることが好ましい。図１０中の直線Ｐ、直線Ｑは、回転双曲線（非球面レンズ３０Ｄの入射面３０Ｄｉの一部を構成する回転双曲線）の漸近線、曲線Ｒは、もう一方の回転双曲線を示したものであり、いずれも非球面が回転双曲面形状であることを理解し易くするために図示されているものである。
【００８１】
なお、本実施形態に係る光源装置１５０Ｄでは、楕円リフレクタの第２焦点ＦＲ２に向かう光が、非球面レンズ３０Ｄによって屈折作用を受けないため、非球面レンズ３０Ｄの非球面の第２焦点Ｆｈ２が、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２とほぼ一致する。
【００８２】
以上のように、本実施形態に係る光源装置１５０Ｄでは、非球面レンズ３０Ｄの入射面３０Ｄｉの非球面の形状を、式（１）の左辺第３項を無視した式（２）の関係を満足する形状とすることにより、すなわち回転二次曲面形状とすることにより、従来の光源装置と異なり、平行度の高い光を射出することができる。また、本実施形態の光源装置１５０Ｄにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒからの反射光は、非球面レンズ３０Ｄの入射面３０Ｄｉによって光源光軸２０ａｘに平行な光とされ、射出面３０Ｄｏでは屈折作用を受けないため、第３の実施形態にかかる光源装置１５０Ｃの場合と同様、より平行度の高い光線束を得ることが可能である。また、本実施形態の光源装置１５０Ｄにおいて、非球面レンズ３０Ｄの非球面の円錐定数Ｋは、回転双曲面形状とすることが好ましい。
【００８３】
なお、本実施形態では非球面レンズの入射面３０Ｄｉを凸面、射出面３０Ｄｏを平面としているが、逆に、非球面レンズの入射面を平面として射出面を凸面とした非球面レンズを用いることもできる。この場合は、第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａの非球面レンズ３０Ａの非球面の形状と同様の方法によって決定される。このとき、非球面の焦点は、第１の実施形態の場合と同様、楕円リフレクタの反射面２４Ｒの第２焦点ＦＲ２とは一致しない。また、第２の実施形態にかかる光源装置１５０Ｂの場合と同様に、非球面レンズの入射面を球面状の凹面とし、射出面を非球面の凸面とすることもできる。このようにすれば、第２の実施形態の場合と同様、より高い平行度を有する光線束を得ることができる。この場合、凹面の形状は、楕円リフレクタ２４の第２焦点ＦＲ２を中心とする球面とすればよい。
【００８４】
Ｅ．照明光学系：
図１１は、本発明の第１の実施形態にかかる光源装置１５０Ａを適用した照明光学系の要部を平面的に見た概略構成図である。なお、図１１に示す照明光学系１００は、後述する液晶パネルなどの照明領域ＬＡを備えるプロジェクタに適した照明光学系である。
【００８５】
この照明光学系１００は、光源装置１５０Ａと、第１のレンズアレイ４０と、第２のレンズアレイ５０と、偏光発生光学系６０と、重畳レンズ７０とを備えている。各光学要素は、システム光軸１００ａｘに沿ってこの順に配置されている。但し、これらの光学要素のうち、光源装置１５０Ａと、第１のレンズアレイ４０と、第２のレンズアレイ５０とは、光源光軸２０ａｘを基準として配置されている。光源光軸２０ａｘは、偏光発生光学系６０以降の光学素子から射出される光線束の中心軸であるシステム光軸１００ａｘに対し、図中ｘ方向に所定のずれ量Ｄｐだけほぼ平行にずれている。このずれ量Ｄｐについては後述する。
【００８６】
第１のレンズアレイ４０は、非球面レンズ３０Ａから射出された略平行光を複数の部分光線束に分割するとともに、各部分光線束をそれぞれ第２のレンズアレイ５０の近傍で集光する機能を有している。また、第２のレンズアレイ５０は、第１のレンズアレイ４０から射出された部分光線束のそれぞれの中心軸がシステム光軸１００ａｘにほぼ平行となるように揃える機能を有している。
【００８７】
図１２は、第１のレンズアレイ４０の外観を示す斜視図である。第１のレンズアレイ４０は、略矩形の輪郭を有する第１の小レンズ４２がＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。なお、図１２は、Ｍ＝５，Ｎ＝４の例を示している。各第１の小レンズ４２をｚ方向から見た外形形状は、通常、照明領域ＬＡの形状とほぼ相似形をなすように設定される。例えば、照明領域ＬＡとして液晶パネルを想定し、画像の有効領域のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）が４：３であるならば、第１の小レンズ４２のアスペクト比も４：３に設定する。なお、図１１の第２のレンズアレイ５０は、第１のレンズアレイ４０の第１の小レンズ４２に対応するように、第２の小レンズ５２がＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。
【００８８】
第１のレンズアレイ４０の各第１の小レンズ４２によって分割された複数（Ｍ×Ｎ個）の部分光線束は、図１１に示すように、第２のレンズアレイ５０の近傍位置、すなわち、偏光発生光学系６０内において集光される。
【００８９】
図１３は、偏光発生光学系６０を示す説明図である。図１３（Ａ）は、偏光発生光学系６０の斜視図を示しており、図１３（Ｂ）は、その平面図の一部を示している。偏光発生光学系６０は、遮光板６２と、偏光ビームスプリッタアレイ６４と、選択位相差板６６とを備えている。
【００９０】
偏光ビームスプリッタアレイ６４は、図１３（Ａ）に示すように、略平行四辺形の断面を有する柱状の透光性板材６４ｃが複数貼り合わされて構成されている。各透光性板材６４ｃの界面には、偏光分離膜６４ａと反射膜６４ｂとが交互に形成されている。なお、偏光分離膜６４ａとしては、誘電体多層膜が用いられる。また、反射膜６４ｂとしては、誘電体多層膜、あるいは、アルミニウム等の金属膜が用いられる。
【００９１】
遮光板６２は、遮光面６２ｂと開口面６２ａとがストライプ状に配列されて構成されている。遮光板６２は、遮光面６２ｂに入射する光線束を遮り、開口面６２ａに入射する光線束を通過させる機能を有している。遮光面６２ｂと開口面６２ａとは、第２のレンズアレイ５０（図１１）から射出された部分光線束が偏光ビームスプリッタアレイ６４の偏光分離膜６４ａのみに入射し、反射膜６４ｂには入射しないように配列されている。具体的には、図１３（Ｂ）に示すように、遮光板６２の開口面６２ａの中心は、偏光ビームスプリッタアレイ６４の偏光分離膜６４ａの中心とほぼ一致するように配置されている。また、開口面６２ａのｘ方向の開口幅は、偏光分離膜６４ａのｘ方向の大きさＷｐとほぼ等しく設定されている。このとき、遮光板６２の開口面６２ａを通過した光線束は、そのほとんど全てが偏光分離膜６４ａのみに入射し、反射膜６４ｂには入射しないこととなる。なお、遮光板６２としては、平板状の透明体（例えばガラス板）に遮光性の膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜など）を部分的に形成したものを用いることができる。また、アルミニウム板のような遮光性の平板に開口部を設けたものを用いてもよい。
【００９２】
第２のレンズアレイ５０（図１１）から射出された各部分光線束は、図１３（Ｂ）に実線で示すように、その主光線（中心軸）がシステム光軸１００ａｘにほぼ平行に遮光板６２の開口面６２ａに入射する。開口面６２ａを通過した部分光線束は、偏光分離膜６４ａに入射する。偏光分離膜６４ａは、入射した部分光線束をｓ偏光の部分光線束とｐ偏光の部分光線束とに分離する。このとき、ｐ偏光の部分光線束は偏光分離膜６４ａを透過し、ｓ偏光の部分光線束は偏光分離膜６４ａで反射される。偏光分離膜６４ａで反射されたｓ偏光の部分光線束は、反射膜６４ｂに向かい、反射膜６４ｂにおいてさらに反射される。このとき、偏光分離膜６４ａを透過したｐ偏光の部分光線束と、反射膜６４ｂで反射されたｓ偏光の部分光線束とは、互いにほぼ平行な状態となっている。
【００９３】
選択位相差板６６は、開口層６６ａとλ／２位相差層６６ｂとによって構成されている。なお、開口層６６ａは、λ／２位相差層６６ｂが形成されていない部分である。開口層６６ａは、入射する直線偏光光をそのまま透過する機能を有している。一方、λ／２位相差層６６ｂは、入射する直線偏光光を、偏光方向が直交する直線偏光光に変換する偏光変換素子としての機能を有している。本実施例においては、図１３（Ｂ）に示すように、偏光分離膜６４ａを透過したｐ偏光の部分光線束は、λ／２位相差層６６ｂに入射する。したがって、ｐ偏光の部分光線束は、λ／２位相差層６６ｂにおいて、ｓ偏光の部分光線束に変換されて射出される。一方、反射膜６４ｂで反射されたｓ偏光の部分光線束は、開口層６６ａに入射するので、ｓ偏光の部分光線束のまま射出される。すなわち、偏光発生光学系６０に入射した非偏光な部分光線束は、そのほとんどがｓ偏光の部分光線束に変換されて射出されることとなる。なお、反射膜６４ｂで反射されるｓ偏光の部分光線束の射出面だけにλ／２位相差層６６ｂを配置することにより、偏光発生光学系６０に入射するほとんどの部分光線束をｐ偏光の部分光線束に変換して射出することもできる。また、選択位相差板６６は、開口層６６ａの部分に何も設けず、単に、λ／２位相差層６６ｂをｐ偏光の部分光線束またはｓ偏光の部分光線束の射出面に貼りつけるようなものであっても良い。
【００９４】
なお、図１３（Ｂ）から分かるように、偏光発生光学系６０から射出する２つのｓ偏光光の中心は、入射する非偏光な光（ｓ偏光光＋ｐ偏光光）の中心よりもｘ方向にずれている。このずれ量は、λ／２位相差層６６ｂの幅Ｗｐ（すなわち、偏光分離膜６４ａのｘ方向の大きさ）の半分に等しい。このため、図１１に示すように、光源光軸２０ａｘとシステム光軸１００ａｘとは、Ｗｐ／２に等しい距離Ｄｐだけずれた位置に設定されている。
【００９５】
第２のレンズアレイ５０から射出された複数の部分光線束は、上記のように、偏光発生光学系６０によって各部分光線束ごとに２つの部分光線束に分離されるとともに、それぞれ偏光方向の揃ったほぼ１種類の直線偏光光に変換される。
【００９６】
偏光方向のほぼ揃った複数の部分光線束は、図１１に示す重畳レンズ７０によって照明領域ＬＡ上で重畳される。上記の説明から分かるように、第１のレンズアレイ４０と、第２のレンズアレイ５０と、重畳レンズ７０とは、いわゆるインテグレータ光学系を構成している。これにより、照明領域ＬＡに照射される光の強度分布をほぼ均一にすることが可能である。
【００９７】
なお、本実施例の光源装置１５０Ａは、以下に説明するように、ほぼ平行な光を射出することが可能である。したがって、図１１の照明光学系１００において、平行度の悪い光を補正、あるいは、除去する機能を有する第２のレンズアレイ５０や遮光板６２は、省略してもよい。
【００９８】
先に説明したように、光源装置１５０Ａは、平行度の高い光を射出することができる。従って、本実施形態の照明光学系１００においては、光の利用効率を向上させることが可能である。上述したような照明光学系１００に、光源装置１５０Ａの代わりに光源装置１５０Ｂ〜１５０Ｄを用いた場合にも同様の効果を得ることができる。
【００９９】
なお、本実施形態の照明光学系１００はレンズアレイ４０、５０及び重畳レンズ７０によって構成される均一照明光学系や、偏光発生光学系６０を備えているが、光源装置１５０Ａ〜１５０Ｄは、均一照明光学系や偏光発生光学系と組み合わせることなく、それぞれ単独で用いても良い。また、光源装置１５０Ａ〜１５０Ｄは、均一照明光学系のみと組み合わせて照明光学系を構成することもできる。すなわち、光源装置１５０Ａ〜１５０Ｄは偏光発生光学系６０を備えない照明光学系にも適用することができる。
【０１００】
Ｆ．プロジェクタ：
図１４は、図１１の照明光学系１００を用いたプロジェクタの要部を平面的に見た概略構成図である。プロジェクタ１０００は、照明光学系１００と、色光分離光学系２００と、リレー光学系２２０と、３枚の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム３２０と、投写光学系３４０とを備えている。照明光学系１００から射出された光は、色光分離光学系２００において赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色光に分離される。分離された各色光は、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂにおいて画像情報に対応して変調される。変調された各色光は、クロスダイクロイックプリズム３２０で合成され、投写光学系３４０によってスクリーンＳＣ上に画像が投写表示されることとなる。
【０１０１】
照明光学系１００は、図１で説明したように、偏光方向の揃えられた直線偏光光（ｓ偏光光）の照明光を射出し、図１の照明領域ＬＡに対応する液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを照明する。本実施例の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂは、それぞれ、本発明における電気光学装置に相当する液晶パネルと、その光入射面側および光射出面側に配置された偏光板とによって構成されている。液晶パネルの各光入射面側に配置されている偏光板は、照明光の偏光度を高めるためのものであり、照明光学系１００から射出される直線偏光光の偏光方向が、偏光板の透過軸方向と一致するように配置されている。
【０１０２】
色光分離光学系２００は、２枚のダイクロイックミラー２０２，２０４と、反射ミラー２０８とを備えており、照明光学系１００から射出される光線束を、赤、緑、青の３色の色光に分離する機能を有する。第１のダイクロイックミラー２０２は、照明光学系１００から射出された光の赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射する。第１のダイクロイックミラー２０２を透過した赤色光Ｒは、反射ミラー２０８で反射されて、クロスダイクロイックプリズム３２０へ向けて射出される。色光分離光学系２００から射出された赤色光Ｒは、フィールドレンズ２３２を通って赤色光用の液晶ライトバルブ３００Ｒに達する。このフィールドレンズ２３２は、照明光学系１００から射出された各部分光線束をその中心軸に対して平行な光線束に変換する。他の液晶ライトバルブの前に設けられたフィールドレンズ２３４，２３０も同様である。
【０１０３】
第１のダイクロイックミラー２０２で反射された青色光Ｂと緑色光Ｇのうち、緑色光Ｇは第２のダイクロイックミラー２０４によって反射されて、色光分離光学系２００からクロスダイクロイックプリズム３２０へ向けて射出される。色光分離光学系２００から射出された緑色光Ｇは、フィールドレンズ２３４を通って緑色光用の液晶ライトバルブ３００Ｇに達する。一方、第２のダイクロイックミラー２０４を透過した青色光Ｂは、色光分離光学系２００から射出されて、リレー光学系２２０に入射する。
【０１０４】
リレー光学系２２０に入射した青色光Ｂは、リレー光学系２２０に備えられる入射側レンズ２２２、リレーレンズ２２６および反射ミラー２２４，２２８および射出側レンズ（フィールドレンズ）２３０を通って青色光用の液晶ライトバルブ３００Ｂに達する。なお、青色光Ｂにリレー光学系２２０が用いられているのは、青色光Ｂの光路の長さが他の色光の光路の長さよりも大きいためであり、リレー光学系２２０を用いることにより入射側レンズ２２２に入射した青色光Ｂをそのまま、射出側レンズ２３０に伝えることができる。
【０１０５】
３枚の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂは、与えられた画像情報（画像信号）に従って、３色の色光をそれぞれ変調して画像を形成する光変調手段としての機能を有する。クロスダイクロイックプリズム３２０は、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを通って変調された３色の色光を合成してカラー画像を形成する色光合成光学系としての機能を有する。なお、クロスダイクロイックプリズム３２０には、赤色光反射ダイクロイック面３２１と、青色光反射ダイクロイック面３２２とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。赤色光反射ダイクロイック面３２１には、赤色光を反射する誘電体多層膜が形成されている。青色光反射ダイクロイック面３２２には、青色光を反射する誘電体多層膜が形成されている。これらの赤色光反射ダイクロイック面３２１と青色光反射ダイクロイック面３２２によって３つの色光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。
【０１０６】
クロスダイクロイックプリズム３２０で生成された合成光は、投写光学系３４０の方向に射出される。投写光学系３４０は、クロスダイクロイックプリズム３２０から射出された合成光を投写して、スクリーンＳＣ上にカラー画像を表示する。なお、投写光学系３４０としてはテレセントリックレンズを用いることができる。
【０１０７】
このプロジェクタ１０００では、照明光学系１００において、平行度の高い光線束を射出することのできる光源装置１５０Ａが用いられている。これにより、プロジェクタ１０００における光の利用効率を向上させることができるので、より明るい画像を表示させることが可能となる。なお、光源装置１５０Ａの代わりに、光源装置１５０Ｂ〜１５０Ｄを用いた場合も同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
なお、本実施形態のプロジェクタ１０００において、照明光学系１００はレンズアレイ４０、５０及び重畳レンズ７０によって構成される均一照明光学系や、偏光発生光学系６０を備えているが、光源装置１５０Ａ〜１５０Ｄは、均一照明光学系や偏光発生光学系と組み合わせることなく、それぞれ単独で用いても良い。また、光源装置１５０Ａ〜１５０Ｄは、均一照明光学系のみと組み合わせて照明光学系を構成することもできる。すなわち、偏光発生光学系６０を備えない照明光学系を本実施形態のプロジェクタ１０００に適用することもできる。
【０１０９】
なお、本発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１１０】
（１）上記の光源装置１５０Ａ〜１５０Ｄでは、各非球面レンズ３０Ａ〜３０Ｄは、楕円リフレクタ２４の開口面から離れた位置に配置されているが、開口面に接合するようにしてもよい。図１５は、非球面レンズを楕円リフレクタの開口面に接合した光源装置１５０Ｃ’を示す説明図である。光源装置１５０Ｃ’は、放電灯２２と楕円リフレクタ２４と非球面レンズ３０Ｃ’とを備えている。なお、この光源装置１５０Ｃ’は、第３の実施形態に係る光源装置１５０Ｃ（図７，図８）の非球面レンズ３０Ｃの非球面形状を調整し、また、周辺部を変形して、楕円リフレクタの開口面に接合したものである。このように、非球面レンズ３０Ｃ’を楕円リフレクタ２４の開口面に接合して配置することにより、光源装置１５０Ｃ’を小型化することができるとともに、非球面レンズ３０Ｃ’を光源装置１５０Ｃ’の前面ガラスとして機能させることが可能となる。
【０１１１】
なお、同様に、第１および第２の実施形態に係る光源装置１５０Ａ，１５０Ｂについても、楕円リフレクタ２４の開口面に非球面レンズ３０Ａ，３０Ｂを接合するようにしてもよい。ただし、第４の実施形態に係る光源装置１５０Ｄにおいて、楕円リフレクタ２４の開口面に非球面レンズ３０Ｄを接合する場合には、光源装置が大型化してしまい、あまり実用的でない。すなわち、一般には、非球面レンズの非球面が凹面である場合には、非球面レンズを楕円リフレクタ２４の開口面に接合することができる。
【０１１２】
（２）また、図１５の光源装置１５０Ｃ’では、非球面レンズ３０Ｃ’の射出面３０Ｃ’ｏに、紫外線反射膜ＵＲが形成されている。このとき、放電灯２２から射出された紫外光は、紫外線反射膜ＵＲで反射されて楕円リフレクタ２４内部に戻るので、光源装置１５０Ｃ’から紫外光が射出されてしまうことを防止できる。この結果、例えば、光源装置１５０Ｃ’をプロジェクタ１０００に適用した場合に、液晶ライトバルブが紫外線によって劣化してしまうことを防止できる。また、光源装置１５０Ｃ’において、放電灯２２から射出された紫外光は、非球面レンズ３０Ｃ’の射出面３０Ｃ’ｏに形成された紫外線反射膜ＵＲに垂直に入射している。このとき、紫外線反射膜ＵＲで反射された紫外光は、同じ経路を辿って放電灯２２に入射する。紫外光が放電灯２２の中心２２ｃに入射すると、放電灯２２は入射した紫外光より長波長の光を射出する。これにより、光源装置１５０Ｃ’から射出される可視光の強度を向上させることが可能となる。
【０１１３】
なお、図１５においては、楕円リフレクタ２４の開口面に接合された非球面レンズ３０Ｃ’に紫外線反射膜ＵＲが形成されているが、図７，図８に示すように、楕円リフレクタ２４の開口面から離れた位置に非球面レンズ３０Ｃが設けられている場合にも同様に適用可能である。
【０１１４】
同様に、第２，第４の実施形態に係る光源装置１５０Ｂ，１５０Ｄにおいても、非球面レンズ３０Ｂ，３０Ｄに紫外線反射膜を形成するようにしてもよい。光源装置１５０Ｂにおいては、非球面レンズ３０Ｂの入射面３０Ｂｉに紫外線反射膜を形成すればよい。また、光源装置１５０Ｄにおいては、非球面レンズ３０Ｄの射出面３０Ｄｏに紫外線反射膜を形成すればよい。このとき、図１５の光源装置１５０Ｃ’と同様に、紫外線反射膜で反射された紫外光は、同じ経路を辿って放電灯２２内に入射するので、可視光の強度を向上させることが可能である。一般には、非球面レンズの入射面または射出面のうち、放電灯から射出された紫外光が、ほぼ法線方向から入射する面に紫外線反射膜が形成されていればよい。
【０１１５】
（３）上記照明光学系１００（図１１）では、第１のレンズアレイ４０は独立して設けられているが、第１のレンズアレイは、非球面レンズの射出面に設けられていてもよい。すなわち、照明光学系１００の光源装置として、第３または第４の実施形態に係る光源装置１５０Ｃ，１５０Ｄを用いる場合には、非球面レンズ３０Ｃ，３０Ｄの射出面３０Ｃｏ，３０Ｄｏは平面となっているので、第１のレンズアレイを非球面レンズの射出面上に設けることが可能である。このとき、図１１に示す第１のレンズアレイ４０の各小レンズ４２として、非球面レンズ側に平面を有する平凸レンズを用いればよい。
【０１１６】
なお、図１５に示す光源装置１５０Ｃ’のように、非球面レンズが楕円リフレクタの開口面に接合されている場合にも同様に適用可能である。このように、非球面レンズの射出面にレンズアレイを設ければ、照明光学系１００を小型化することが可能となる。なお、レンズアレイは、非球面レンズの射出面に直接形成されていてもよいし、射出面と接合されていてもよい。レンズアレイを非球面レンズの射出面に直接形成する場合には、部品点数を低減させることができるという利点がある。
【０１１７】
（４）上記プロジェクタは、透過型のプロジェクタ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、透過型液晶パネル等のように光変調手段として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、反射型液晶パネルのように光変調手段として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。反射型のプロジェクタでは、クロスダイクロイックプリズムは、光を赤、緑、青の３色の光に分離する色光分離手段として利用されると共に、変調された３色の光を再度合成して同一の方向に射出する色光合成手段としても利用される。反射型のプロジェクタにこの発明を適用した場合にも、透過型のプロジェクタとほぼ同様の効果を得ることができる。
【０１１８】
（５）また、上記実施例においては、カラー画像を表示するプロジェクタ１０００を例に説明しているが、モノクロ画像を表示するプロジェクタに本発明の照明光学系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。
【０１１９】
（６）上記実施例において、プロジェクタ１０００は、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、これに限られない。電気光学装置としては、一般に、入射光を画像情報に応じて変調するものであればよく、マイクロミラー型光変調装置などを利用してもよい。なお、マイクロミラー型光変調装置としては、例えば、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）（ＴＩ社の商標）を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光源装置１５０Ａを示す説明図である。
【図２】光源装置１５０Ａにおいて、放電灯２２の中心から放射状に射出される光線の軌跡を示す説明図である。
【図３】光源装置１５０Ａにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒと非球面レンズ３０Ａとの関係を示す説明図である。
【図４】光源装置１５０Ａについて、非球面レンズ３０Ａの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る光源装置１５０Ｂにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒと非球面レンズ３０Ｂとの関係を示す説明図である。
【図６】光源装置１５０Ｂについて、非球面レンズ３０Ｂの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る光源装置１５０Ｃにおいて、放電灯２２の中心から放射状に射出される光線の軌跡を示す説明図である。
【図８】光源装置１５０Ｃにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒと非球面レンズ３０Ｃとの関係を示す説明図である。
【図９】光源装置１５０Ｃについて、非球面レンズ３０Ｃの屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る光源装置１５０Ｄにおいて、楕円リフレクタの反射面２４Ｒと非球面レンズ３０Ｄとの関係を示す説明図である。
【図１１】光源装置１５０Ａを適用した照明光学系１００の要部を平面的に見た概略構成図である。
【図１２】第１のレンズアレイ４０の外観を示す斜視図である。
【図１３】偏光発生光学系６０を示す説明図である。
【図１４】図１１の照明光学系１００を用いたプロジェクタ１０００の要部を平面的に見た概略構成図である。
【図１５】非球面レンズを楕円リフレクタの開口面に接合した光源装置１５０Ｃ’を示す説明図である。
【符号の説明】
２０ａｘ…光源光軸
２２…放電灯
２２ｃ…放電灯の中心
２４…楕円リフレクタ
２４Ｒ…反射面
２５…光源ランプ
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｃ’，３０Ｄ…非球面レンズ
４０…第１のレンズアレイ
４２…小レンズ
５０…第２のレンズアレイ
５２…小レンズ
６０…偏光発生光学系
６２…遮光板
６２ａ…開口面
６２ｂ…遮光面
６４…偏光ビームスプリッタアレイ
６４ａ…偏光分離膜
６４ｂ…反射膜
６４ｃ…透光性板材
６６…選択位相差板
６６ａ…開口層
６６ｂ…λ／２位相差層
７０…重畳レンズ
１００…照明光学系
１００ａｘ…システム光軸
１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ，１５０Ｃ’，１５０Ｄ…光源装置
２００…色光分離光学系
２０２，２０４…ダイクロイックミラー
２０８…反射ミラー
２２０…リレー光学系
２２２…入射側レンズ
２２４，２２８…反射ミラー
２２６…リレーレンズ
２３０…射出側レンズ
２３０，２３２，２３４…フィールドレンズ
３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…液晶ライトバルブ
３２０…クロスダイクロイックプリズム
３２１…赤色光反射ダイクロイック面
３２２…青色光反射ダイクロイック面
３４０…投写光学系
１０００…プロジェクタ
ＬＡ…照明領域
ＳＣ…スクリーン
ＵＲ…紫外線反射膜
Claims (10)
- 放電灯と、
前記放電灯から射出された光を反射する反射面を備えた楕円リフレクタと、
前記反射面によって反射された光を平行化するレンズと、を有し、
前記レンズは、入射面に回転双曲面形状の非球面を有し、射出面に平面を有する非球面レンズであることを特徴とする光源装置。 - 請求項１に記載の光源装置であって、
前記非球面は、前記非球面と光源光軸との交点を原点、前記光源光軸をＺ軸、前記光源光軸と直交する軸をｒ軸としたｒθＺ円柱座標系における座標値をｒおよびＺとし、近軸曲率をｃとし、円錐定数をＫとしたとき、
- 請求項２に記載の光源装置であって、
前記円錐定数Ｋは前記非球面レンズの屈折率をｎとしたとき、Ｋ＝−ｎ2 で表される、光源装置。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の光源装置であって、
前記非球面レンズの前記射出面には、紫外線反射膜が形成されている、光源装置。 - 請求項１ないし４のいずれかに記載の光源装置であって、
前記非球面は凹面である、光源装置。 - 請求項１ないし５のいずれかに記載の光源装置であって、
前記非球面レンズは、前記楕円リフレクタの開口面に接合されている、光源装置。 - 請求項１ないし６のいずれかに記載の光源装置であって、
前記楕円リフレクタは、前記反射面と前記光源光軸との交点を原点、前記光源光軸をＺ軸、前記光源光軸と直交する軸をｒ軸としたｒθＺ円柱座標系における座標値をｒR、ＺRとし、近軸曲率をｃRとし、円錐定数をＫRとしたとき、
−０．８＜ＫR＜−０．５である、光源装置。 - 請求項１ないし７のいずれかに記載の光源装置と、
前記光源装置から射出された光を複数の部分光線束に分割するレンズアレイと、
前記レンズアレイによって分割された前記部分光線束を照明領域上で重畳させる重畳レンズと、
を備えることを特徴とする照明光学系。 - 請求項１ないし４のいずれかに記載の光源装置と、
前記光源装置から射出された光を複数の部分光線束に分割するレンズアレイと、
前記レンズアレイによって分割された前記部分光線束を照明領域上で重畳させる重畳レンズと、
を備え、
前記レンズアレイは、前記非球面レンズの前記射出面に設けられていることを特徴とする照明光学系。 - 請求項１ないし７のいずれかに記載の光源装置と、
前記光源装置が照明する照明領域としての光入射面を有し、前記光源装置からの入射光を画像情報に応じて変調する電気光学装置と、
前記電気光学装置によって変調された光を投写する投写光学系と、
を備えることを特徴とするプロジェクタ。
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