JP5197149B2 - 照明光学系およびそれを用いた画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源手段から射出された光束を用いて被照明面を照明する照明光学系に関する。さらにはその照明光学系を用いて被照明面に設けた液晶パネル等の画像表示素子を照明し、画像表示素子からの光をスクリーン等の被投影面に投影する画像投射装置（液晶プロジェクター等）に関する。

近年、液晶表示素子などの画像表示素子を用いて画像情報に対応して変調された光束を投射レンズによってスクリーンなどに拡大投射する構成のプロジェクター（画像投射装置）が種々と提案されている（特許文献１）。

図１６は、特許文献１に開示されている画像投射装置の概略図である。

図１６の画像投射装置では、光源１０２からの光を第１のフライアイレンズ３０１で複数の光束に分割し、射出光の光束を所定方向について狭めている。そして第１のフライアイレンズ３０１から射出した光を第２のフライアイレンズ３０２で集光している。

そして第２のフライアイレンズ３０１からの光束を色分解系１０７、平行化レンズ１０８を介して液晶パネル１０９を照明している。

図１６に示す画像投射装置では、第１のフライアイレンズ３０１の周辺部のセルは、曲率半径の中心が、第１フライアイレンズ３０１の中央部方向に偏心している。これにより、該所定方向には、第１のフライアイレンズ３０１から射出した後、光束の幅が狭まって第２フライアイレンズ３０２に入射することになり、色分離系１０７に入射する光の角度も小さくなる。この光学系は、色分離系１０７の偏光分離膜の面に入射する光の角度範囲も狭くなるため、画像コントラスト特性が良い。
特開平０７−１８１３９２号公報

特許文献１の照明光学系では、所定方向の光束を第１フライアイレンズ３０１で圧縮しているが、図１６に示すように、第１フライアイレンズ３０１の隣合うレンズセルの間に、段差が生じている。

フライアイレンズの成型上、図１６のように各レンズセルに段差がある場合、加工が難しい上、その段差によって照明光束がケラレてしまうため、照明効率が低下してしまう。

本発明は、被照射面を光量損失の少ない明るく効率良く照明することができる照明光学系の提供を目的とする。

この他、本発明は明るく高いコントラストを有する画像を投射することができる画像投射装置の提供を目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る照明光学系は、被照明面を照明する照明光学系であって、光源手段から出射した光束を収斂光として出射する光束集光手段と、前記照明光学系の光軸を含む第１断面において、前記光束集光手段から出射する収斂光を複数の平行光束に変換する第１レンズアレイと、前記照明光学系の光軸を含み前記第１断面と垂直な第２断面において、前記第１レンズアレイから出射する複数の収斂光束を複数の平行光束に変換する第２レンズアレイと、前記第２レンズアレイから出射した複数の光束の偏光状態を揃える偏光変換素子と、前記偏光変換素子からの光束を前記被照明面に導く偏光分離面と、を有する照明光学系であって、前記光束集光手段と前記第１、２レンズアレイは、前記光束集光手段に入射する光束を圧縮しており、前記第２断面は、前記偏光分離面の法線と平行であり、前記照明光学系の光軸上における、前記第１レンズアレイのレンズセルの表面と前記第２レンズアレイのレンズセルの表面との光軸方向の距離をＬ０、前記第１断面において、前記第１レンズアレイのレンズセルのうち最周辺部のレンズセルの表面と、前記第２レンズアレイのレンズセルのうち最周辺部のレンズセルの表面との、前記光軸方向の距離をＬ１、前記第２断面において、前記第１レンズアレイのレンズセルのうち最周辺部のレンズセルの表面と、前記第２レンズアレイのレンズセルのうち最周辺部のレンズセルの表面との、前記光軸方向の距離をＬ２とするとき、
Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２が、
１＜Ｌ１／Ｌ０＜１．２
１＜Ｌ２／Ｌ０＜１．２
なる条件を満足することを特徴とする。
また、上記照明光学系を用いた画像投射装置も本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、被照射面を光量損失の少ない明るく効率良く照明することができる照明光学系が得られる。

本実施例の照明光学系は、被照明面を照明する照明光学系であって、光束集光手段と、第１レンズアレイと、第２レンズアレイと、偏光変換素子と、偏光分離面（偏光分離素子、偏光分離プリズム）とを備えている。ここで、光束集光手段は、光源手段から出射した光束を収斂光として出射する。第１レンズアレイは、複数のレンズセルで構成されており、照明光学系の光軸を含む第１断面において、光束集光手段から出射する収斂光を複数の平行光束に変換する。第２レンズアレイは、複数のレンズセルで構成されており、照明光学系の光軸を含み第１断面と垂直な第２断面において、第１レンズアレイから出射する複数の収斂光束を複数の平行光束に変換する。偏光分離面（偏光分離素子）は、第２レンズアレイから出射した複数の光束を被照明面（画像表示素子、液晶パネル）に導いている。ここで、光束集光手段と第１、２レンズアレイは、光束集光手段に入射する光束を圧縮している（光束集光手段から出射する時点での光束径を狭めて平行光束として出射している）。また、前述の第２断面は偏光分離面の法線と実質的に平行である。尚、第１断面は偏光分離面の法線とは非平行である。ここで、照明光学系の光軸上における、第１レンズアレイのレンズセルの表面と第２レンズアレイのレンズセルの表面との距離をＬ０とする。また、第１断面において、第１レンズアレイのレンズセルのうち最周辺部の（最も光軸から遠い）レンズセルの表面と、第２レンズアレイのレンズセルのうち最周辺部のレンズセルの表面との、光軸方向の距離をＬ１とする。また、第２断面において、第１レンズアレイのレンズセルのうち最周辺部のレンズセルの表面と、第２レンズアレイのレンズセルのうち最周辺部のレンズセルの表面との、光軸方向の距離をＬ２とする。このとき、Ｌ０とＬ１のうち距離が長い方を距離が短い方で割った値が１より大きく１.２より小さく、Ｌ０とＬ２のうち距離が長い方を距離が短い方で割った値が１より大きく１.２より小さい点が本実施例の特徴である。

次に、Ｌ１とＬ２とＬ０が、以下の条件式のうちいずれか１つ以上を満足すると好ましい。

０．９＜Ｌ２／Ｌ１＜１．１
１＜Ｌ１／Ｌ０＜１．２
１＜Ｌ２／Ｌ０＜１．２
また、第１断面内と第２断面内の光束の圧縮率を各々β、αとするとき
α＜１
β＜１
α＜β
を満足すると好ましい。

第１及び第２レンズアレイはそれぞれ、レンズセルを構成する面が、一方の面のみに形成されている場合、各レンズアレイのレンズセルを構成する面が互いに外側を向いている、或いは互いに向かい合っているように構成すると好ましい。

また、第１レンズアレイ及び第２レンズアレイの中央部を除いた各レンズセルの曲率中心位置が、各レンズセルの中心に対して第１断面あるいは第２断面内において、光軸から離れる方向に偏心していることが望ましい。

また、本実施例の画像投射装置は、画像表示素子と、画像表示素子を照明する前述の照明光学系とを備えている。更に、画像表示素子の画像を投影する投射光学系を有していると尚好ましい。

以下に図面を用いた各実施例１、２、３を詳細に説明する。
［実施例１］

図１は、本発明の照明光学系を有する画像投射装置の実施例１の中心軸Ｏ（光軸Ｌａ）を含む断面における要部概略図である。図２は図１の中心軸０の（光軸Ｌａ）を含み紙面に直交する断面内の要部概略図である。

本実施例の照明光学系は、光源手段と、光源手段から出射した光束を収斂光（収斂光束、集光光束）として出射する光束集光手段と、光束集光手段からの光束を平行光束とし出射する平行化手段とを有している。

更に平行化手段からの光束の偏光状態を揃えて出射する偏光変換素子と、偏光変換素子からの偏光状態の揃った光束を集光する集光レンズとを備えている。更に、集光レンズからの光束を被照射面に設けた画像表示素子に入射させる偏光分離面を有する偏光分離手段とを有している。ここで、前述の偏光分離手段が持つ偏光分離面の法線は、ｙｚ平面（第２断面）と平行であり、ｘｚ平面（第１断面）とは非平行である。また、偏光変換素子が持つ偏光分離面の法線は、ｘｚ平面（第１断面）と平行であり、ｙｚ平面（第２断面）とは非平行である。

図１、図２において１は光源手段であり、高圧水銀ランプ（メタルハライドランプ等でも構わない）等の白色光を放射する光源である。２はリフレクターであり、光源手段１からの光束を効率良く反射する回転楕円面（凹面鏡）から成っている。

３は集光レンズであり、リフレクター（光束集光手段）２からの光束を集光している。リフレクター２と集光レンズ３は光束集光手段の一要素を構成している。

４は第１レンズアレイ（第１フライアイレンズ）であり、集光手段３からの光束を複数の光束に分割している。５は第２レンズアレイ（第２フライアイレンズ）であり、第１レンズアレイ４に対応して配置されている。

第１、第２レンズアレイ４、５は平行化手段の一要素を構成している。ここで、平行化とは、レンズアレイのレンズセルの中心に入射した光束が光軸に対して平行な光束にすることを意味している。別の言い方をすれば、平行化とは、複数に分割された各光束の主光線（中心光線）が照明光学系の光軸と平行になるように変換することを意味している。

６は偏光変換素子（偏光ビームスプリッター）であり、偏光分離面を有し、それによって所定の偏光状態の光を反射し、それと直交する偏光状態の光を透過させている。尚、この偏光変換素子が有する偏光分離面の法線は、図１に記載したようにｘｚ断面（第１断面）と（実質的に）平行である。

７は第１のコンデンサーレンズである。８は第２のコンデンサーレンズである。第１、第２コンデンサーレンズ７、８は集光レンズを構成している。９は偏光分離素子（偏光分離プリズム）である。

１０は被照射物体（画像表示素子）としての反射型の液晶パネル（ライトバルブ、以下「パネル」とも言う）である。

Ｐｒは投射光学系であり、パネル１０に基づく画像情報をスクリーン（所定面上）Ｓに投射している。

図１、図２のｘ、ｙ、ｚ軸の方向について説明する。偏光分離プリズム９に関し、偏光分離面１１の法線と照明光束の中心軸０によって規定される面が第２平面（第２断面、ｙｚ平面）であり、図２に示す断面である。この第２平面と平行で中心軸０と直交する方向をｙ軸方向とする。ｙ軸と中心軸０の両方に直交する方向をｘ軸方向とする。前記照明光束の中心軸０をｚ軸方向とする。

ｘ軸方向と中心軸０を含む面は第１平面（第１断面）である。図１は、実施例１のｘｚ断面（第１平面、第１断面）における構成図であり、図２はｙｚ断面（第２断面）における構成図である。

パネル１０が長方形状のときは、ｘ軸方向が長辺方向、ｙ軸方向が短辺方向である。

平行化手段は図１の第１断面内において、リフレクター２と集光レンズ３とで構成される光束集光手段からの光束を、平行光束とする複数のレンズセルを２次元的に配列した第１レンズアレイ４を有している。

更に、図２の第２断面内において光束集光手段２、３からの光束を平行光束とする複数のレンズセルを２次元的に配列した第２レンズアレイ５と、を有している。

光束集光手段と、第１レンズアレイ４と第２レンズアレイ５とで構成される平行化手段４、５は、第１断面内と第２断面内とで異なる圧縮率で光束を圧縮している。

第１、第２レンズアレイ４、５は、それぞれにおいて複数のレンズセルが２次元的に配置されて構成されている。

図３は第１レンズアレイ４の斜視図、図４は第２レンズアレイ５の斜視図を示している。第１及び第２レンズアレイ４、５はレンズアレイ側の面が互いに外側を向いている。

図５、図６は第１レンズアレイ４の説明図である。

第１レンズアレイ４はｘ方向に関して、各レンズセルの曲率中心位置Ｐが中心軸０に対して外側に偏心している。

また、本実施例においては、レンズアレイ周辺部で各レンズセル１６、１７、１８の曲率中心位置Ｐが外側に偏心しているために、各レンズセル１６、１７、１８の厚みを一定にした場合には、図５の実線部のような段差を持つ形状となる。

図５の段差１９について、この段差をなくすために、レンズセルの厚みを増すようにしたのが、図の点線である。レンズセル１６がレンズセル１２のように光軸方向にシフトされる。同様にレンズセル１７、１８がレンズセル１３、１４のようにシフトされる。

このようにして、レンズアレイの各レンズセルは外周部へいくほど厚みが増すような構成となる。

第２レンズアレイ５の各レンズセルについては、図４に示すようにｙ方向に関して第１レンズアレイ４と同様に、周辺部へいくほど各レンズセルの厚みが増すような構成となっている。

以上のように本実施例では、第１レンズアレイ４及び第２レンズアレイ５は、中央部を除いた各レンズセルは、その曲率中心位置が第１断面又は第２断面において、照明光学系の光軸０に対して離れるように外側に偏心している。

図２２は偏光変換素子６の一部分の説明図である。

偏光変換素子６は、平行化手段の光出射側又はその光路中に設けて用いられる。

偏光変換素子６は、複数の偏光分離面６ａと、複数の反射面６ｂと、複数の１／２波長板６ｃとを有する。

ここでの偏光変換素子６は、具体的には、偏光分離面６ａと反射面（偏光分離面でも可）６ｂと１/２波長板６ｃとを１セットとし、このセットを複数個配列した（光軸に対して略直交する方向に）アレイ状の光学素子（偏光変換素子）である。

従って、ここでの偏光変換素子６は、偏光変換素子アレイと称しても良い。この偏光変換素子６において、各偏光分離面６ａに入射した光のうち所定の偏光方向を有する偏光成分はこれを透過して偏光変換素子６から射出する。

一方、各偏光分離面６ａに入射した光のうち上記所定の偏光方向に直交する偏光方向を有する偏光成分は、該偏光分離面６ａで反射し、さらに反射面６ｂで反射する。そして、１／２波長板６ｃでその偏光方向が９０度変換されて偏光変換素子６から射出する。

こうして、偏光変換素子６は、入射した無偏光光を所定の偏光方向を有する直線偏光に変換して射出する。

ここで、１／２波長板６ｃは偏光分離面６ａを透過した光の光路上にのみ配置していても構わない。また、この偏光変換素子６は、各色ごと（各パネルに対応する波長領域ごと）に無偏光を直線偏光にすれば良く、それらの直線偏光の方向は必ずしも同一である必要は無い。

光源手段１から発せられた光は、反射面が放物面形状のリフレクター２により反射され、平行光として集光レンズ３に入射する。集光レンズ３に入射した光は、正の屈折力によって収束光として第１レンズアレイ４に入射する。第１レンズアレイ４に入射した光は、複数のレンズセルによって複数の光束に分割され、第２レンズアレイ５を介して偏光変換素子６の光入射面又はその近傍に複数の光源像（２次光源像）を形成する。

複数の集光された光源像に基づく光束は、偏光変換素子６を透過し、所定の偏光方向に偏光が揃えられ、出射して第１のコンデンサーレンズ７及び第２のコンデンサーレンズ８で集光される。そして偏光分離プリズム９を透過し、複数の光源像に基づく光束は各々パネル１０面において重ね合わされてパネル１０を照明する。

これにより、液晶パネル１０は均一な分布を有する照明光束によって照明される。液晶パネル１０において画像変調及び反射された光は、偏光ビームスプリッタ９の偏光分離面１１で反射されて投射レンズ（投射光学系）Ｐｒに導かれる。

本実施例では、液晶パネル１０を１枚のみ示しているが、実際の一般的なカラープロジェクタでは、１枚以上の画像表示素子としてＲ、Ｇ、Ｂ色光に対応した３つの液晶パネルが設けられる。

偏光ビームスプリッタ９は、これら３つの液晶パネルに対してＲ、Ｇ、Ｂの各色照明光を導き、３つの液晶パネルからの各色画像光を合成する、いわゆる色分解合成光学系の一部を構成する。

本実施例では、楕円リフレクター２で反射した収束光束（収斂光）は、図１のｘｚ断面では第１レンズアレイ４で平行光束としている。又、図２のｙｚ断面では第２のレンズアレイ５で平行光束としている。

すなわち、ｘｚ断面においては楕円リフレクター２と第１レンズアレイ４とによって構成される圧縮系（平行化手段）によって光束を圧縮している。またｙｚ断面においては楕円リフレクター２と第２レンズアレイ５とによって構成される圧縮系（平行化手段）によって、光束を圧縮している。

このように、本実施例では、楕円リフレクター２から収束光束を射出させ、楕円リフレクター２から第１および第２レンズアレイ４、５までの距離差を利用して、ｘｚ断面よりも大きな光束圧縮率（平行化倍率）をｙｚ断面で得ている。

これにより、偏光分離プリズム９における光束角度分布に敏感な方向（ｙｚ断面）での光束角度分布を小さくして明るさむらやコントラスト低下を抑制しつつ、明るい画像を投射している。

偏光分離プリズム９における光束角度分布に鈍感な方向（ｘｚ断面）についても光束角度分布を小さくすることで、この方向での光束角度分布が大きい場合に比べれば、明るさむらやコントラスト低下に寄与することができる。

本実施例では、液晶パネル１０のパネル面に対する入射光束の角度分布は、図２の液晶パネル１０の短辺方向に平行なｙｚ断面（第２断面）に比べて、図１の長辺方向に平行なｘｚ断面（第１断面）の方が大きい。

光源手段１と偏光分離プリズム９との間に設けられ、照明光学系における互いに直交する第２断面（ｙｚ断面）および第１断面（ｘｚ断面）においてそれぞれ光束を圧縮する第１レンズアレイ４及び第２レンズアレイ５で構成される平行化手段を有する。

そして、平行化手段による光束の圧縮率（平行化倍率）は、第１断面と第２断面とで互いに異なっている。

尚、光束の圧縮とは、光束集光手段で光束径を縮小した後、平行化手段で平行光束として出射することを言う。

そして、圧縮率とは、平行化手段を通過した後の幅Ｌ（第１断面（ｘｚ断面）において第１レンズアレイ４を通過した後の光束幅ＬＸ、第２断面（ｙｚ断面）において第２レンズアレイ５を通過した後の光束幅ＬＹ）を、光束集光手段から出射した直後の光束の幅（光軸と垂直な方向の幅）Ｌｒで割った値Ｌ／Ｌｒをいう。

ここで、第１断面（ｘｚ断面）における光束の圧縮率をβ、第２断面（ｙｚ断面）における光束の圧縮率αとする。

このとき、
β＝ＬＸ／Ｌｒ
α＝ＬＹ／Ｌｒ
である。ここで、
α≠β
α＜１、β＜１
α＜β
である。

第１、第２レンズアレイ４、５の光学作用について説明する。図１、図２に示すように光源１から発せられた光は、リフレクター２を介して集光レンズ３に入射し、集光レンズ３に入射した光は、収束光となり、第１レンズアレイ４に入射する。

図６に示すように、集光レンズ３を出射した光のうち第１レンズアレイ４における例えばセル２１の中心部Ａに入射する光線Ｌａ０について説明する。セル２１の曲率中心Ｐは点線Ｏ１上にあり、セル２１の中心部Ａに対してｘ軸方向に外側へ偏心している。

この偏心によって、集光レンズ３から出射後の光線Ｌ０はｘｚ断面（図１面内）において照明系の光軸Ｏに略平行な光線Ｌａ１となる。

同様にして、第２レンズアレイ５についても、第２レンズアレイ５を透過後、ｙｚ断面（図２面内）において照明系の光軸Ｏに略平行な光線となる。

また、集光レンズ３から第２レンズアレイ５までの距離が、集光レンズ３から第１レンズアレイ４までの距離よりも長い。

このため、第１、第２レンズアレイ４、５を透過後の光束の幅に関し、ｙ方向においてはｘ方向よりも狭まった光束となる。

これにより、偏光分離プリズム９の偏光分離膜１１に入射する光の角度範囲がｙ方向において狭くなるため、投射画像のコントラスト特性に有利となる。

上記実施例のｘｚ平面において、図１に示すように、第１レンズアレイ４と第２レンズアレイ５の対応する周辺部のレンズセルの光軸方向のレンズセル間隔をＬ１、中心部のレンズセルのレンズセル間隔をＬ０としたとき、
１．０＜Ｌ１／Ｌ０＜１.２ ・・・（１）
を満足する。

好ましくは、
１＜Ｌ１／Ｌ０＜１．１
を満足するように構成すると良い。このとき、フライアイレンズの周辺部と中央部によるパネル面における照明範囲の差が小さくなるため、照明効率を高めることができる。

また、ｙｚ平面において、図２に示すように、第１レンズアレイ４と第２レンズアレイ５の対応する周辺部のレンズセルの光軸方向のレンズセル間隔をＬ２、中心部のレンズセルのレンズセル間隔をＬ０としたとき、
１．０＜Ｌ２／Ｌ０＜１.２ ・・・（２）
を満足する。

好ましくは、
１＜Ｌ２／Ｌ０＜１．１（２ａ）
を満足するように構成すると良い。

このとき、フライアイレンズの周辺部と中央部によるパネル面における照明範囲の差が小さくなるため、照明効率を高めることができる。

本実施例においては、上述の条件式（１）、（２）を共に満足しているが、その限りでは無く、条件式（１）、（２）のいずれか一方のみを満足し、他方を満足しなくても構わない。

さらに、間隔Ｌ１と間隔Ｌ２について、
０．９＜Ｌ２／Ｌ１＜１．１ ・・・（３）
を満足するようにしている。

ここで、
０．９５＜Ｌ２／Ｌ１＜１．０５ ・・・（３ａ）
を満足すると尚好ましい。

尚、ここで、セル間隔Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２等はセル間隔であるが、その間隔は、各レンズアレイを構成するレンズセル（微小レンズ）のレンズ面の頂点同士の間隔を指している。言い換えると、第１レンズアレイの２次元的に複数の微小レンズ面が構成されている側の面において、中心部（光軸に最も近い）或いは周辺部（光軸から最も遠い）に配置された微小レンズ面の頂点と、その微小レンズ面に対応する微小レンズ面の頂点との距離である。この「セル間隔」の定義は実施例２以降も同じである。

次に条件式（３）の技術的意味を説明する。

図７はレンズアレイの間隔を広げたときの照明エリアの変化を説明する図である。点Ａから発せられ、第１レンズアレイ２４の中央部のレンズセル３３の周辺部に入射する光ＬＡは、第２レンズアレイ２５のレンズアレイ側の面の中央部のレンズセル３６の中心位置ＯＡに入射する。そしてコンデンサーレンズ２６によって屈折され、パネル２７に入射する。

一方、レンズアレイ間隔が広いときの説明のために、第１レンズアレイ２４を第２レンズアレイ２５から離したときの第１レンズアレイ２８を図７の点線で示している。

この図のように、点Ｂから発せられた光ＬＢは、第１レンズアレイ２８の中央部のレンズセル３０の周辺部で屈折し、光軸上の点ＯＢを通過し、第２レンズアレイ２５の中央部のレンズセル３６に入射する。

その後、コンデンサーレンズ２６で屈折し、パネル面２７に入射する。

ここで、実線の光ＬＡと比べて、点線の光ＬＢのほうが、パネル２７面で内側（光軸Ｏ側）に入射する。

ここで、より詳細に説明するために、第２レンズアレイ２５での光路の拡大図を図８に示す。

光ＬＡ、ＬＢは光軸Ｏに対して同じ傾きを持った状態（ここでは光軸Ｏに対して同じ角度θ０をなす状態）で、第２レンズアレイ２５の出側面３６に入射する。光ＬＢは出射面３６の点ＯＢ´で屈折し、光ＬＡは出射面３６の点ＯＡで屈折するため、光ＬＢの方が光ＬＡよりも出射面３６において大きく屈折する。ここで、その出射面３６を出射した光ＬＡ’、ＬＢ’が、光軸０との成す角度をそれぞれθＡ、θＢとする。

このとき、
θＡ ＞ θＢ
と言う関係が成り立つ。

このため、図６の点線で示した光は、実線の光よりもコンデンサーレンズ２６に対して浅い角度で入射するために、パネル面１０でやや内側に入射する光となる。

このことから、フライアイ周辺部において、第１及び第２レンズアレイ４、５の対応する各セルの、光軸方向のセル中心間距離が長い場合、レンズアレイ中央部よりも、パネル面での照明領域は狭まることが分かる。

逆に、レンズアレイ周辺部において、第１及び第２のレンズアレイの対応する各セルの、光軸方向のセル中心間距離が短い場合、レンズアレイ中央部よりも、パネル面での照明領域は広がる。

すなわち、レンズアレイのセル間隔が狭いときは、倍率が大きくなり、セル間隔が広いときは倍率が小さくなる。

照明領域を最適化するにあたって、ｘ方向の周辺部のセルと、ｙ方向の周辺部のセルにおける照明倍率がなるべく同等であることが望ましい。

その理由は以下の通りである。レンズセルによって照明倍率が異なる場合、最も倍率の小さいレンズセルの照明領域が、画像表示部（パネルの有効範囲）をカバーするようにする。このとき倍率の大きいレンズセルについては、パネル面上（被照明面上）における照明範囲がパネルの有効範囲よりも大きくなってしまうため、光量損失が発生してしまう。従って、中央部のレンズセル、ｘ方向の周辺部のレンズセル、ｙ方向の周辺部のレンズセルとで、倍率が同じである（なるべく同等）ことが望ましい。

これらのことを考慮すると、ｘ方向とｙ方向で、第１レンズアレイ４と第２レンズアレイ５の対応するセルの光軸方向の間隔が同等又はほぼ同等となるように、条件式（１）の範囲を設定している。

これを満足することで、対応する各セルの位置によって照明領域が大きく変化しないようにすることができる。

図９は、パネル１０の正面説明図である。図９において、３８が画像表示部であり、３９がレンズアレイ中央部による照明領域である。４０がｘ方向のレンズアレイ外周部による照明領域、４１がｙ方向のレンズアレイ外周部による照明領域を示す。このように、対応する各セルによる照明エリアが大きく変化しないため、光量損失を抑えることができて、パネル面１０での光量アップが容易となる。

又、以上の本実施例によれば偏光変換手段９の偏光面の角度分布が敏感な断面において角度分布を小さくしながらも、画像表示素子上の明るさが均一で、明るく高いコントラストで画像を投射することができる画像投射装置が得られる。
［実施例２］

図１０は、本発明の照明装置を有する画像投射装置の実施例２の要部概略図である。図１１は図１０の中心軸０（光軸Ｌａ）を含み紙面に直交する断面内の要部概略図である。

実施例２の構成、そして各部材は、第１、第２レンズアレイ４５、４６を除いて実施例１と同じである。

実施例１では第１、第２レンズアレイ４５、４６がフライアイレンズ面を互いに外側へ向けて配置されていた。これに対し本実施例では、フライアイレンズ面を向き合うように配置したことが実施例１と異なっている。

図１０、図１１において図１、図２で示す部材と同一部材には同じ番号を付している。

実施例２は第１、第２レンズアレイ４５、４６のそれぞれの単体の構成は実施例１と同様であるが、フライアイレンズ面が互いに向かい合うように配置している。

ここで、図１０に示すように、ｘｚ平面において第１レンズアレイ４５と第２レンズアレイ４６の対応する周辺部のレンズセルの光軸方向の間隔をＬ１´、中心部のレンズセルの光軸方向の間隔をＬ０´とする。このとき、
１.０＜Ｌ０´／Ｌ１´＜１.２ ・・・（４）
を満足するように構成している。
より好ましくは、
１.０＜Ｌ０´／Ｌ１´＜１.１ ・・・（４ａ）
を満足すると尚好ましい。このとき、フライアイレンズの周辺部と中央部によるパネル面における照明範囲の差が小さくなるため、照明効率を高めることができる。

また、図１１に示すｙｚ断面において第１レンズアレイ４５と第２レンズアレイ４６の対応する周辺部のレンズセルの光軸方向の間隔をＬ２´、中心部セルの間隔をＬ０’とする。このとき、
１.０＜Ｌ０´／Ｌ２´＜１.２ ・・・（５）
を満足するように構成している。
より好ましくは、
１.０＜Ｌ０´／Ｌ２´＜１.１ ・・・（５ａ）
を満足すると尚好ましい。このとき、フライアイレンズの周辺部と中央部によるパネル面における照明範囲の差が小さくなるため、照明効率を高めることができる。

さらに、間隔Ｌ１´と間隔Ｌ２´について、
０．９ ＜ Ｌ２´／Ｌ１´ ＜ １．１ （６）
を満足するようにしている。

これらの関係を満足することにより、パネル面１０での照明領域は、図１２に示すように、画像表示部３８に対して所定の照明余裕量を持った照明領域となり、望ましい。

その理由は実施例１で述べた理由と同様である。

ここで、図１２の３９はｘ方向のレンズアレイ外周部のレンズセルによる照明領域である。４０はｙ方向のレンズアレイ外周部のレンズセルによる照明領域である。４１はレンズアレイ中央部セルによる照明領域である。これにより、光量損失を抑えることができて、パネル面１０での光量アップが容易となる。
［実施例３］

図１３は、本発明の照明装置を有する画像投射装置の実施例３の要部概略図である。図１４は図１３の中心軸０（光軸Ｌａ）を含み紙面に直交する断面内の要部概略図である。

実施例３の構成、そして各部材は、第１、第２レンズアレイ５９の構成を除いて実施例１と同じである。

図１３、図１４において図１、図２で示す部材と同一部材には同符番を付している。

第１レンズアレイ４の単体の構成は実施例１と同様である。第２レンズアレイ５９は、入射側の面がｙｚ平面（図１４）に負の屈折力を有するシリンドリカル面であり、光出射面はｘｙ平面内に２次元的に配列されたフライアイレンズより成っている。

ここで、図１３に示すように、ｘｚ平面において、第１レンズアレイ４と第２レンズアレイ５９の対応する周辺部のレンズセルの光軸方向の間隔をＬ１″、中心部のレンズセルの間隔をＬ０″とする。

このとき、
１.０＜Ｌ１″／Ｌ０″＜１.２ ・・・（７）
を満足するように構成している。
より好ましくは、
１.０＜Ｌ１″／Ｌ０″＜１.１ ・・・（７ａ）
を満足すると尚好ましい。このとき、フライアイレンズの周辺部と中央部によるパネル面における照明範囲の差が小さくなるため、照明効率を高めることができる。

また、図１４に示すようにｙｚ平面において、第１レンズアレイ４と第２レンズアレイ５９の対応する周辺部のレンズセルの光軸方向の間隔をＬ２″とする。

このとき、
０.９＜Ｌ２″／Ｌ０″＜１.１ ・・・（８）
を満足するように構成している。
より好ましくは、
０.９５＜Ｌ２″／Ｌ０″＜１.０５ ・・・（８ａ）
を満足すると尚好ましい。
更に好ましくは、
Ｌ２″ ＝ Ｌ０″
を満足すると良い。さらに、間隔Ｌ１″と間隔Ｌ２″について、
０．９ ＜ Ｌ２″／Ｌ１″ ＜ １．１ ・・・（９）
を満足するようにしている。

これらの関係を満足することにより、パネル面１０での照明領域は、図１５に示すように、画像表示部３８に対して所定の照明余裕量を持った照明領域となり、望ましい。その理由は実施例１で述べた理由と同様である。

ここで、図１５の３９はｘ方向のレンズアレイ外周部セルによる照明領域である。４０はｙ方向のレンズアレイ外周部セルによる照明領域であり、４１はレンズアレイ中央部セルによる照明領域である。

上述の各実施例の中の条件式（１）、（２）、（４）、（５）、（７）において、Ｌ１とＬ０、Ｌ２とＬ０、Ｌ１´とＬ０´、Ｌ２´とＬ０´、Ｌ１″とＬ０"、Ｌ２"とＬ０″の各々の関係について規定した。しかしながら、これらの条件式において分子と分母を逆にしても構わない。これらの条件式において分子と分母を逆にする場合は、実施例中の第１、２レンズアレイのレンズセルが構成される面を逆の面にすれば良い。

これにより、光量損失を抑えることができて、パネル面での光量アップが容易となる。

：本発明第１実施例のｘｚ断面の構成図 ：本発明の実施例１のｙｚ断面の構成図 ：本発明の実施例１の第１フライアイレンズの斜視図 ：本発明の実施例１の第２フライアイレンズの斜視図 ：本発明の実施例１の第１フライアイレンズの形状説明図 ：本発明の実施例１の第１フライアイレンズの光学作用説明図 ：フライアイレンズ間隔と照明領域との関係説明図 ：第２フライアイレンズでの光路拡大図 ：本発明の実施例１における照明領域の説明図 ：本発明の実施例２のｘｚ断面の構成図 ：本発明の実施例２のｙｚ断面の構成図 ：本発明の実施例２における照明領域の説明図 ：本発明の実施例３のｘｚ断面の構成図 ：本発明の実施例３のｙｚ断面の構成図 ：本発明の実施例３における照明領域の説明図 ：従来の画像投射装置の構成図 ：本発明の照明光学系に係る偏光変換素子の説明図

１ 光源手段
２ リフレクター
３ 集光レンズ
４ 第１レンズアレイ
５ 第２レンズアレイ
６ 偏光変換素子
７ 第１コンデンサーレンズ
８ 第２コンデンサーレンズ
９ 偏光分離手段
１０ 画像表示素子
Ｐｒ 投射光学系
Ｓ スクリーン

Claims (7)

1. 被照明面を照明する照明光学系であって、
   光源手段から出射した光束を収斂光として出射する光束集光手段と、
   前記照明光学系の光軸を含む第１断面において、前記光束集光手段から出射する収斂光を複数の平行光束に変換する第１レンズアレイと、
   前記照明光学系の光軸を含み前記第１断面と垂直な第２断面において、前記第１レンズアレイから出射する複数の収斂光束を複数の平行光束に変換する第２レンズアレイと、
   前記第２レンズアレイから出射した複数の光束の偏光状態を揃える偏光変換素子と、
   前記偏光変換素子からの光束を前記被照明面に導く偏光分離面と、
   を有する照明光学系であって、
   前記光束集光手段と前記第１、２レンズアレイは、前記光束集光手段に入射する光束を圧縮しており、
   前記第２断面は、前記偏光分離面の法線と平行であり、
   前記照明光学系の光軸上における、前記第１レンズアレイのレンズセルの表面と前記第２レンズアレイのレンズセルの表面との光軸方向の距離をＬ０、
   前記第１断面において、前記第１レンズアレイのレンズセルのうち最周辺部のレンズセルの表面と、前記第２レンズアレイのレンズセルのうち最周辺部のレンズセルの表面との、前記光軸方向の距離をＬ１、
   前記第２断面において、前記第１レンズアレイのレンズセルのうち最周辺部のレンズセルの表面と、前記第２レンズアレイのレンズセルのうち最周辺部のレンズセルの表面との、前記光軸方向の距離をＬ２とするとき、
   Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２が、
   １＜Ｌ１／Ｌ０＜１．２
   １＜Ｌ２／Ｌ０＜１．２
   なる条件を満足することを特徴とする照明光学系。
2. Ｌ１とＬ２が、
   ０．９＜Ｌ２／Ｌ１＜１．１
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
3. 前記第２断面において前記第２レンズアレイを通過した後の光束幅を、前記光束集光手段から出射した直後の光束幅で割った値をα、前記第１断面において前記第１レンズアレイを通過した後の光束幅を、前記光束集光手段から出射した直後の光束幅で割った値をβとするとき、
   α＜１
   β＜１
   α＜β
   であることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
4. 前記第１、第２レンズアレイは、レンズセルが構成された面が互いに外側を向いていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の照明光学系。
5. 前記第１、第２レンズアレイは、レンズセルが構成された面が互いに向かい合っていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の照明光学系。
6. 前記第１、第２レンズアレイの中央部を除いた各レンズセルの曲率中心位置が、各レンズセルの中心に対して前記第１断面あるいは第２断面内において、前記照明光学系の光軸から離れる方向に偏心するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の照明光学系。
7. 画像表示素子と、前記画像表示素子を照明する、請求項１乃至６いずれか１項に記載の照明光学系と、前記画像表示素子の画像を投影する投射光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。