JP5494678B2 - 照明光学系およびプロジェクタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明光学系およびプロジェクタ装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）等を光源とする照明光学系からの光を、反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）やマイクロミラーデバイス等の表示素子に照射することにより、スクリーン等に画像を表示するプロジェクタ装置が知られている。例えば特許文献１には、光源からの光を自由曲面レンズにより矩形形状に集光し、反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）に照射するプロジェクタ装置が記載されている。

特開２００９−２１７０６０号公報

従来技術には、光源が所定方向に沿って複数の領域に分割された発光面を有している場合、被照明部材に分割パターンの像が形成され、照明ムラが生じてしまうという問題があった。

請求項１に係る発明は、所定方向に沿った分割線により複数の領域に分割された発光面を有する略矩形形状の光源と、長辺方向と短辺方向とを有する矩形形状の被照射領域を備えた被照明部材と、前記被照射領域の前記長辺方向と前記短辺方向とで前記発光面の結像位置を異ならせることにより、前記被照明部材に形成される前記光源の前記発光面の分割パターンの像が、前記被照射領域の前記長辺方向と前記短辺方向とで異なる拡大率で拡大するように前記被照射領域に照射する光学部材と、を備え、前記光源は、前記被照射領域において前記所定方向と前記被照射領域の前記短辺方向とが略平行になるよう配置されることを特徴とする照明光学系である。
請求項２に係る発明は、長辺方向と短辺方向とを有する矩形形状の被照射領域を備えた被照明部材に光を照射する照明光学系であって、所定方向に沿った分割線により複数の領域に分割された発光面を有する略矩形形状の光源と、前記発光面からの光を集光して前記被照射領域に照射する光学部材と、を備え、前記光学部材は、前記被照射領域の前記長辺方向と前記短辺方向とで前記発光面の結像位置を異ならせることにより、前記発光面からの光の照射領域の輪郭形状が略矩形形状になるように集光し、前記光源は、前記被照射領域において前記所定方向と前記被照射領域の前記短辺方向とが略平行になるよう配置されることを特徴とする照明光学系である。
請求項９に係る発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の照明光学系を備えることを特徴とするプロジェクタ装置である。

本発明によれば、被照明部材に発光面の分割パターンの像が形成されることによる照明ムラを防止することができる。

第１の実施の形態に係るプロジェクタ装置の照明光学系を、ｘ−ｙ平面から見た断面図である。 第１の実施の形態に係る偏光変換素子の構成を示す断面図である。 偏光分離素子の側面図である。 第１集光レンズの構成を示す斜視図である。 発光部１０ａのｘ−ｚ平面における断面図である。 光源１０および表示素子４０の平面図である。 光源１０からの照明光の光路の、ｘ−ｙ平面における断面図である。 光源１０からの照明光の光路の、ｘ−ｚ平面における断面図である。 第２の実施の形態に係るプロジェクタ装置の照明光学系を、ｘ−ｙ平面から見た断面図である。 第３の実施の形態に係るプロジェクタ装置の照明光学系を、ｘ−ｙ平面から見た断面図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。なお以下の説明で用いる各図面には、説明の便宜のため、各図面で共通のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を表す矢印を示している。図１は、第１の実施の形態に係るプロジェクタ装置の照明光学系を、ｘ−ｙ平面から見た断面図である。このプロジェクタ装置１は、光源１０、照明光学系２０、表示素子４０、および投影光学系５０を有する。光源１０は高輝度ＬＥＤ等で構成され、照明光を放射する。照明光学系２０は、光源１０から射出された照明光を例えばＬＣＯＳ（シリコン基板の上に液晶を形成した反射型の液晶表示パネル）などの反射型の表示素子である表示素子４０に照射する。投影光学系５０は、表示素子４０で反射した光の像を実像として撮像面（スクリーン等）に拡大投影する。

照明光学系２０は、集光レンズ群２１、絞り２４、偏光変換素子２５、および偏光ビームスプリッタ３０により構成される。これらの各部は、光源１０側から光軸上に上記の順で並んで配置されている。また、集光レンズ群２１は第１集光レンズ２２および第２集光レンズ２３からなり、偏光変換素子２５は偏光分離素子２６および半波長板２７からなる。偏光ビームスプリッタ３０は、Ｐ偏光成分の光のほとんどを透過させ、Ｓ偏光成分の光のほとんどを反射させる偏光分離面３０ａを有する。

投影光学系５０は、偏光ビームスプリッタ３０、偏光板５１、および投影レンズ群５２により構成される。これらの各部は、表示素子４０側から光軸上に上記の順で並んで配置されている。なお投影光学系５０と照明光学系２０とは偏光ビームスプリッタ３０を共用している。投影レンズ群５２は少なくとも１枚のレンズから構成される。光源１０は、発光部１０ａとカバー１０ｂとから構成される。発光部１０ａは照明光を放射し、カバー１０ｂは発光部１０ａを覆って保護する。本実施の形態に係る発光部１０ａは、発光面に所定のパターン形状が形成されたＬＥＤチップである。このＬＥＤチップは白色光を照射する、いわゆる白色発光ダイオードである。カバー１０ｂは発光部１０ａから照射される照射光を透過する、透明な部材（例えば樹脂など）により構成されている。表示素子４０は、偏光ビームスプリッタ３０に対して、照明光学系２０から出射した照明光のうち、偏光分離面３０ａで反射した光が照射される側に配置されている。

このような構成のプロジェクタ装置１において、光源１０の発光部１０ａから放射された照明光は、集光レンズ群２１で集光されて略平行光束にされた後、絞り２４の開口部を通って偏光変換素子２５に入射する。偏光変換素子２５に入射した光はほとんどがＳ偏光成分で構成される光に変換され、偏光ビームスプリッタ３０に入射する。この光は、偏光ビームスプリッタ３０の偏光分離面３０ａで反射して表示素子４０の表示面に照射される。

本実施の形態に係る表示素子４０は、シリコン基板とガラス基板との間に液晶を介在させた液晶パネル（ＬＣＯＳ）であり、シリコン基板上にはＴＦＴ等のスイッチング素子や電極が画素の各サブピクセルに対応して設けられている。また、シリコン基板の最表面には光を反射させるアルミ層が形成されている。そして、透明電極が形成されたガラス基板との間に介在する液晶層を電気的に駆動して映像を表示させることができる。表示素子４０は、不図示の駆動回路から入力される映像信号のレベルに基づいて表示素子４０の各画素に設けられた電極への電圧の印加を制御する。映像信号のレベルに応じて表示素子４０が各電極に電圧を印加すると、液晶層の液晶分子の配列が変化してこの液晶層が位相板の役目を果たすようになる。その結果、電圧印加状態に応じた映像パターンが表示素子４０に形成され、空間光変調が行われる。

すなわち、表示素子４０のガラス基板側から入射したＳ偏光成分の光は、シリコン基板側の反射面（アルミ層）で反射されて再びガラス基板から出射するが、その間に白画素部に入射したＳ偏光成分の光は偏光方向が９０°回転されてＰ偏光成分の光に変調（偏光変換）される。一方、黒画素部に入射したＳ偏光成分の光は偏光状態が変化せず、Ｓ偏光成分のまま出射される。なお、表示素子４０は、カラーフィルタを備えたカラー表示のＬＣＯＳを用いることで、カラー画像の表示が可能になる。

表示素子４０で反射された光は、再び偏光ビームスプリッタ３０に入射する。ここで、表示素子４０の黒画素部を透過したＳ偏光成分の光のほとんどは、偏光分離面３０ａで反射されて光源１０側へと戻る。一方、表示素子４０の白画素部で変調されて出射されたＰ偏光成分の光は偏光分離面３０ａを透過した後、偏光板５１を透過し、投影レンズ群５２により不図示のスクリーンに投影される。その結果、表示素子４０に表示された画像の拡大画像がスクリーン上に投影される。なお、偏光ビームスプリッタ３０の出射面側に設けられた偏光板５１は、偏光ビームスプリッタ３０の偏光分離面３０ａで反射されずに透過したＳ偏光成分の光（黒画素部を透過した光）を除去するものである。偏光板５１を設けることで、画像の投影に必要のないＳ偏光成分の光が除去され、投影画像のコントラスト比を高くすることができる。

次に、上述のプロジェクタ装置１の照明光学系２０に用いられる第１の実施形態に係る偏光変換素子２５について、図２および図３を用いて説明する。偏光変換素子２５は、上述のように偏光分離素子２６と、半波長板２７とから構成されている。

偏光分離素子２６は、第１のプリズム２６１、第２のプリズム２６２、第３のプリズム２６３、第４のプリズム２６４、および第５のプリズム２６５により構成されている。第１のプリズム２６１は、ｘ−ｙ平面における断面が略直角二等辺三角形状に形成されており、直角側の頂点は光源１０側の光軸上に、当該直角に対向する辺を形成する面（第１の射出面２６ｃ）が表示素子４０側に、それぞれ配置されている。第２のプリズム２６２および第３のプリズム２６３は、ｘ−ｙ平面における断面が略台形状に形成されており、第１のプリズム２６１の直角を挟む辺を形成する２つの面（第１の偏光分離面２６ｂ１、２６ｂ２）の各々に接合されている。第４のプリズム２６４および第５のプリズム２６５は、それぞれ第２のプリズム２６２および第３のプリズム２６３における上記第１の偏光分離面２６ｂ１、２６ｂ２を形成する面と対向する面（第２の偏光分離面２６ｄ１，２６ｄ２）の各々に接合されている。

なお、第２のプリズム２６２および第３のプリズム２６３の光源１０側の面は、光源１０側の光軸上に配置されている第１のプリズム２６１の直角側の頂点から光軸と垂直に交わる面であって、入射面２６ａを構成している。入射面２６ａは、第１の射出面２６ｃに対し平行に位置し、第１の射出面２６ｃと略同一形状に形成され、且つ、光源１０側から見たときに第１の射出面２６ｃとほぼ重なるように配置されている。第２のプリズム２６２および第３のプリズム２６３の表示素子４０側の面は、第２の射出面２６ｅ１，２６ｅ２を構成しており、第１の射出面２６ｃを延長した面内よりやや光源１０側に傾斜するように配置されている。第１の偏光分離面２６ｂ１，２６ｂ２と第２の偏光分離面２６ｄ１，２６ｄ２とは、第２のプリズム２６２および第３のプリズム２６３の台形断面の平行な辺を形成する面となっている。第１のプリズム２６１と第２のプリズム２６２および第３のプリズム２６３との間（接合面）、および、第２のプリズム２６２および第３のプリズム２６３と第４のプリズム２６４および第５のプリズム２６５との間（接合面）にはそれぞれ偏光分離膜が形成されて、上述の第１の偏光分離面２６ｂ１、２６ｂ２および第２の偏光分離面２６ｄ１，２６ｄ２が構成されている。ここで偏光分離膜は、透過する光のうち、Ｐ偏光成分の光のほとんどを透過し、Ｓ偏光成分の光のほとんどを反射する性質を有するものである。

この偏光分離素子２６に形成された第２の射出面２６ｅ１，２６ｅ２は、図２に示すように、入射面２６ａと対向する位置において、中心側から外側に向かって、やや光源側に傾斜するように配置されており、正の屈折力を有するように構成されている。

このような構成の偏光分離素子２６によると、入射面２６ａから入射した照明光のうちＰ偏光成分の光は、第１の偏光分離面２６ｂ１，２６ｂ２を透過して第１の射出面２６ｃから出射する。一方でＳ偏光成分の光は、第１の偏光分離面２６ｂ１，２６ｂ２で反射し、さらに第２の偏光分離面２６ｄ１，２６ｄ２で反射して第２の射出面２６ｅ１，２６ｅ２から出射する。このとき、上述のように、第２の射出面２６ｅ１，２６ｅ２は、正の屈折力を有するように構成されている。従って、第２の射出面２６ｅ１，２６ｅ２から出射する照明光（Ｓ偏光成分の光）は、平面視において中心方向（光軸方向）に斜めに射出されることになる。

半波長板２７は、透過する光を半波長回転させる回転面としての機能を有している。半波長板２７は偏光分離素子２６の第１の射出面２６ｃと略同一形状で、第１の射出面２６ｃと略平行に配置されている。そのため、第１の射出面２６ｃを出射したＰ偏光成分の光は、半波長回転されてＳ偏光成分の光に偏光される。半波長板２７をこのように配置することにより、半波長板２７を出射する光は、第２の射出面２６ｅ１，２６ｅ２を出射したＳ偏光成分の光とともにＳ偏光成分となる。従って、この偏光変換素子２５を透過した照明光は、そのほとんどがＳ偏光成分で構成される光に変換されることとなる。

なお、絞り２４の開口部２４ａは、偏光分離素子２６の入射面２６ａと略同一形状に形成されており、光源１０から出射して集光レンズ群２１で集光された照明光のうち、偏光分離素子２６の入射面２６ａ以外に入射する光を制限するように構成されている。そのため、上述の経路を通らずに出射するＰ偏光成分の光が制限されるので、偏光変換素子２５を出射する照明光に含まれるＰ偏光成分の光を低減させることができ、スクリーンに投影される投影画像のコントラスト比を高くすることができる。

図１および図２から明らかなように、偏光変換素子２５から出射する照明光の光束径（ｚ軸方向の照明光の幅）は、入射する光の光束径よりも広くなる。このため、偏光変換素子２５の第２の射出面２６ｅ１、２６ｅ２から出射される照明光を平面視において中心方向（光軸方向）に傾けて出射するように、この第２の射出面２６ｅ１、２６ｅ２に正の屈折力を持たせることにより、第２の射出面２６ｅ１、２６ｅ２から出射されて表示素子４０における表示面４０ａ（被照明部材における被照射領域であって、画像が表示される領域）に照射される照明光の照射領域を中心側に狭めることができる。つまり、表示面４０ａの外側に照射される照明光を少なくして、この照明光の利用効率を高めることができる。特に、第２の射出面２６ｅ１、２６ｅ２を正の屈折力を有するように、入射面２６ａと対向する側において、中心側から外側に向かってやや傾斜するような面とすることで、照明光が表示素子４０に照射される領域をこの第２の射出面２６ｅ１、２６ｅ２の傾斜によって調整できるので、この偏光分離素子２６の製作を容易にすることができる。

このように、プロジェクタ装置１を構成する照明光学系２０に偏光変換素子２５を設け、光源１０から出射した照明光をＳ偏光成分とＰ偏光成分の光に分離し、Ｓ偏光成分の光はそのまま出射させ、Ｐ偏光成分の光はＳ偏光成分の光に変換することにより、偏光ビームスプリッタ３０の偏光分離面３０ａを透過して表示素子４０に照射されない光を少なくして、照明光の利用効率を高めることができる。これにより、輝度の小さい光源１０を用いても明るい画像を投影することができ、光源１０で消費される電力を少なくすることができる。また、光源１０から放射される光の利用効率を高めることにより、このプロジェクタ装置１の発熱を抑えることができ、このプロジェクタ装置１の小型化が可能となる。さらに、偏光変換素子２５を構成する偏光分離素子２６において、第２の射出面２６ｅ１，２６ｅ２に正の屈折力を持たせることにより、照明光を表示素子４０の表示面４０ａに照射することができるのでさらに照明光の利用効率を高くすることができる。

ここで、表示素子４０の表示面４０ａは略矩形形状をしている。光源１０から放射された照明光を効率良く表示面４０ａに照射するためには、光源１０から円錐状に放射された照明光の輪郭形状を、表示素子４０の表示面４０ａと略同一の輪郭形状で且つ略同一の大きさに変換する必要がある。そのため、このプロジェクタ装置１においては、図４に示すように、集光レンズ群２１を構成する第１集光レンズ２２および第２集光レンズ２３のうち最も光源１０側の面、すなわち、第１集光レンズ２２の光源１０側の面２２ａを、光軸回りの回転角により異なる屈折力を有する自由曲面として形成して、この第１集光レンズ２２を自由曲面集光レンズとして構成している。この自由曲面２２ａにより、光源１０から放射された照明光を、照度が均一になるようにするとともに、輪郭形状を表示素子４０の表示面４０ａの輪郭形状と相似となる矩形形状に変換し、集光レンズ群２１の他のレンズ面でさらに集光させて、表示素子４０の表示面４０ａと略同一形状・略同一大きさとして照射するように構成されている。

具体的には、光軸を切るとともに、発光部１０ａ、自由曲面２２ａ、および表示素子４０の表示面４０ａと交差する仮想平面を考え、発光部１０ａのうち、この仮想平面と交差する領域から放射された照明光を、自由曲面２２ａのうち、仮想平面と交差する領域で集光し、表示素子４０の表示面４０ａのうち、仮想平面と交差する領域に照明するように他のレンズ面のパワーを考慮して自由曲面２２ａを決定する。そして、この仮想平面を光軸に対して所定の角度ずつ回転させ、各回転角毎に自由曲面２２ａを決定する。この光軸周りの回転角θは、表示素子４０の表示面４０ａの長辺方向をｙ軸とし、短辺方向をｚ軸とし、光軸方向をｘ軸とすると、この表示面４０ａの長辺方向（ｙ軸方向）はθ＝０°となり、短辺方向（ｚ軸方向）はθ＝９０°となる。そして、例えば、長辺と短辺の比が４：３の表示面４０ａを有する表示素子４０の場合、この表示面４０ａの対角方向はθ＝３６．８７°となる。

このように、集光レンズ群２１の少なくとも何れかのレンズ面を自由曲面とし、光源１０から円錐状に放射される照明光の輪郭形状を表示素子４０の表示面４０ａと略同一の矩形形状に変換するとともに、照度が均一化するように構成することによっても、光源１０から放射された光の損失を少なくして照明光として利用することができ、輝度の小さい光源１０を用いて、この光源１０で消費される電力を少なくすることができる。さらに、光源１０から放射される光の損失を少なくすることにより、このプロジェクタ装置１の発熱を抑えることができ、このプロジェクタ装置１を小型化することが可能となる。このように、自由曲面２２ａを集光レンズ群２１に設けることにより、集光レンズ群２１の機能うち、自由曲面２２ａには照明光の輪郭形状の変形機能と照度の均一化機能を分担させ、集光機能は集光レンズ群２１の他のレンズ面に分担させることができるので、自由曲面２２ａの設計の自由度を向上させることができるとともに、その設計も容易に行うことができる。また、集光レンズ群２１により照明光の輪郭形状を略矩形形状にすることにより、絞り２４を設けなくても偏光変換素子２５（偏光分離素子２６）の入射面２６ａ内に照明光を入射させることができる。

次に、発光部１０ａの構造について詳述する。図５は、発光部１０ａのｘ−ｚ平面における断面図である。本実施形態における発光部１０ａは、ｐ型電極１１、ｐ型半導体１２、発光層１３、ｎ型半導体１４、およびｎ型電極１５が積層されたＬＥＤチップである。ｐ型電極１１とｎ型電極１５との間に電圧を印加すると、ｐ型半導体１２とｎ型半導体１４との間に位置する発光層１３が発光し、ｐ型電極１１側の発光面から照明光が照射される。

ｐ型電極１１は、光取り出し効率を高めると共に電流密度を均一にするため、ｐ型半導体１２の表面に直線状に整然と配列されている。このため、発光部１０ａの発光面には、ｐ型電極１１に起因するパターン形状が形成されることになる。

図６（ａ）は、光源１０を照明光が射出される側（偏光ビームスプリッタ３０側）から見た図である。図６（ａ）に示すように、本実施形態に係る発光部１０ａの発光面はほぼ正方形の形状であり、ｙ軸方向（図１における前後方向、図６（ａ）における左右方向）に沿った２つの分割線１６（ｐ型電極１１による）により３つの領域に分割されている。

図６（ｂ）は、表示素子４０を表示面４０ａ側（偏光ビームスプリッタ３０側）から見た図である。本実施形態に係る表示面４０ａは、長辺方向ＬＳと短辺方向ＳＳとを有する矩形形状となっている。長辺と短辺の比率は、例えば４：３である。

発光部１０ａの発光面に何らかのパターンが形成されている場合、このパターンが表示面４０ａに投影されると、当該パターンに対応する部分だけ光量が不足し、投影面に照明ムラが現れてしまう。本実施形態においては、光源１０を、表示面４０ａにおいて分割線１６の方向と表示面４０ａの短辺方向ＳＳとが略平行になるよう配置している。このようにすることで、ＬＥＤチップのチップパターンが表示面４０ａに結像されにくくなる。以下、チップパターンが結像されにくくなる理由について説明する。

図７および図８は、光源１０からの照明光の光路を示す断面図である。図７はｘ−ｙ平面における断面図であり、図８はｘ−ｚ平面における断面図である。なお図７および図８では、説明を簡単にするため、偏光ビームスプリッタ３０が有する偏光分離面３０ａを省略して各部を書き表している。

前述の通り、集光レンズ群２１は、正方形の発光部１０ａから円錐状に放射された照明光の輪郭形状を、表示面４０ａと略同一の輪郭形状で且つ略同一の大きさに変換する。発光部１０ａの大きさは表示面４０ａよりも小さいので、発光面に形成されているパターン形状が大きく引き延ばされて表示面４０ａに投影されることになる。一方で、表示面４０ａは長方形形状を有するので、図７および図８に示すように、短辺方向ＳＳと長辺方向ＬＳとで発光面のパターン形状を引き延ばす倍率が異なっている。

発光面のパターン形状が結像される位置は、図７および図８から明らかなように、短辺方向ＳＳの方が表示面４０ａから近くなる。すなわち、短辺方向ＳＳにおいて、長辺方向ＬＳよりも発光面のパターン形状が明瞭に結像する。本実施形態では、光源１０を、表示面４０ａにおいて分割線１６の方向（ｙ軸方向）と表示面４０ａの短辺方向ＳＳとが略平行になるよう配置している。このように各部材を配置することで、分割線１６が表示面４０ａにおいて結像しにくくなるので、表示面４０ａにおいて照明ムラが発生しにくくなる。

上述した第１の実施の形態によるプロジェクタ装置によれば、次の作用効果が得られる。
（１）プロジェクタ装置１は、長辺方向ＬＳと短辺方向ＳＳとを有する矩形形状の表示面４０ａを備えた表示素子４０に光を照射する照明光学系を有する。この照明光学系は、ｙ軸方向に沿った分割線により３つの領域に分割された発光面を有する正方形の発光部１０ａと、発光面からの光を集光して表示面４０ａに照射する集光レンズ群２１とを備える。集光レンズ群２１は、表示面４０ａの長辺方向ＬＳと短辺方向ＳＳとで発光面の結像位置を異ならせることにより、発光面からの光の照射領域の輪郭形状が略矩形形状になるように集光し、発光部１０ａは、表示面４０ａにおいてｙ軸方向と短辺方向ＳＳとが略平行になるように配置される。このようにしたので、被照明部材に発光面の分割パターンの像が形成されることによる照明ムラが防止される。

（２）集光レンズ群２１は、発光部１０ａからの光を、表示面４０ａの短辺方向ＳＳに対応する方向の長さが表示面４０ａの長辺方向ＬＳに対応する方向の長さよりも短くなるように集光する。このようにしたので、分割パターンが表示面４０ａにおいて明瞭に結像してしまうことを防止することができる。

（３）集光レンズ群２１は、表示面４０ａの形状と略同一になるように発光部１０ａからの光を集光する自由曲面レンズである。このようにしたので、光源１０からの光を効率よく利用することができる。

（４）集光レンズ群２１と表示素子４０との間には、表示素子４０に照射される光の偏光方向を揃える偏光変換素子２５が配置される。また、集光レンズ群２１と表示素子４０との間に配置された偏光分離素子２６の第２の射出面２６ｅ１、２６ｅ２は、正の屈折力を有する。このようにしたので、光源１０からの光の利用効率が向上する。

（第２の実施の形態）
図９は、本発明の第２の実施の形態に係るプロジェクタ装置の照明光学系を、ｘ−ｙ平面から見た断面図である。なお、以下の説明では、第１の実施の形態に係るプロジェクタ装置１と同等の機能を果たす部材については第１の実施の形態と同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のプロジェクタ装置２は、図１に示す光源１０に代えて、図９に示す光源１００を有する。光源１００は、赤色光を射出する赤色ＬＥＤ１１０、緑色光を射出する緑色ＬＥＤ１２０、青色光を射出する青色ＬＥＤ１３０、および、これら３つの色の光を合成するクロスダイクロプリズム１４０から構成される。赤色ＬＥＤ１１０は第１の実施の形態に係る光源１０と同様に、発光部１１０ａとカバー１１０ｂとから構成されており、発光部１１０ａの発光面には発光部１０ａと同様のパターンが形成されている。緑色ＬＥＤ１２０および青色ＬＥＤ１３０についても同様である。

各ＬＥＤはそれぞれ、発光部１１０ａ、１２０ａ、１３０ａの発光面に形成されている分割線の方向が、表示面４０ａの短辺方向ＳＳと略平行になるように配置されている。つまり、発光部１１０ａの発光面の分割線はｘ軸方向に、発光部１２０ａの発光面の分割線はｙ軸方向に、発光部１３０ａの発光面の分割線はｘ軸方向にそれぞれ沿っている。

上述した第２の実施の形態によれば、３灯のＬＥＤを合成する光源であっても、第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。

（第３の実施の形態）
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係るプロジェクタ装置の照明光学系を、ｘ−ｙ平面から見た断面図である。本実施形態に係るプロジェクタ装置の照明光学系２３０は、赤、緑、青の各色光を時分割的に出射する光源部２３１と、全反射プリズム２３２と、保護部材２３３と、マイクロミラーデバイス２３４と、投影レンズ２３５とを有する。

光源部２３１は、時系列的に点灯される３つの高輝度ＬＥＤ２３１Ｒ、２３１Ｇ、２３１Ｂと、これらの高輝度ＬＥＤから出射された各々の光束をマイクロミラーデバイス２３４を照射するための略平行光束とする集光レンズ２３８と、各々の略平行光束を全反射プリズム２３２に向けて出射するクロスダイクロプリズム２３９と、から構成される。高輝度ＬＥＤ２３１Ｒは赤色ＬＥＤであり、赤色の光束を出射する。同様に、高輝度ＬＥＤ２３１Ｇは緑色ＬＥＤ、高輝度ＬＥＤ２３１Ｂは青色ＬＥＤであり、それぞれ緑色、青色の光束を出射する。これらの高輝度ＬＥＤから出射された光束は、各々の高輝度ＬＥＤの前方に配置された集光レンズ２３８により集光されて略平行光束となる。

なお、図１０に示すように、これら３つの高輝度ＬＥＤ２３１Ｒ、２３１Ｇ、２３１Ｂと集光レンズ２３８との距離は均等でなく、高輝度ＬＥＤ２３１Ｒは０．４８ｍｍ、高輝度ＬＥＤ２３１Ｇは０．３７ｍｍ、高輝度ＬＥＤ２３１Ｂは０．２５ｍｍとなっている。これは、それぞれのＬＥＤからの光束の投影時に軸上色収差が現れないようにするためである。

集光レンズ２３８から出射した３色のそれぞれの光束は、クロスダイクロプリズム２３９により、全反射プリズム２３２に向けて出射される。全反射プリズム２３２は、第１プリズム２３２ａと第２プリズム２３２ｂとを０．０２ｍｍの間隔を空けて貼り合わせることにより構成されている。第１プリズム２３２ａの光源部２３１側の面２４０は光源部２３１から出射される略平行光束の入射面であり、マイクロミラーデバイス２３４の表示領域の輪郭形状と略一致するように当該略平行光束を集光する自由曲面となっている。第２プリズム２３２ｂの投影レンズ２３５側の面２４２は非球面となっており、マイクロミラーデバイス２３４からの反射光は第２プリズム２３２ｂから出射される際、この非球面により収差が補正される。

保護部材２３３はマイクロミラーデバイス２３４の表示面を保護するための透明な部材である。マイクロミラーデバイス２３４は微少なミラーを二次元状に配列した反射型の表示素子である。なお本実施形態において、第１プリズム２３２ａおよび第２プリズム２３２ｂはそれぞれ屈折率が約１．５３０９の樹脂（例えば、シクロオレフィンポリマー）または硝材により構成されている。同様に、クロスダイクロプリズム２３９は屈折率が約１．５１８７の、保護部材２３３は屈折率が約１．５２の、集光レンズ２３８は屈折率が約１．６２３１の、樹脂または硝材によりそれぞれ構成されている。また、マイクロミラーデバイス２３４を構成する各ミラーは、反射面の傾斜角を＋１２度と−１２度とに設定可能である。

次に、以上のように構成された照明光学系２３０の動作について説明する。プロジェクタ装置が高輝度ＬＥＤ２３１Ｒ、２３１Ｇ、２３１Ｂをシーケンシャルに点灯すると、これらの高輝度ＬＥＤからの光束は集光レンズ２３８を介してクロスダイクロプリズム２３９に入射する。

クロスダイクロプリズム２３９はこれらの光束を第１プリズム２３２ａの面２４０に向けて出射する。この略平行光束は自由曲面である面２４０を介して全反射プリズム２３２に入射し、全反射面２４１により全反射して面２４４から出射し、保護部材２３３を介してマイクロミラーデバイス２３４の表示面に入射する。その反射光像は面２４４から全反射プリズム２３２に入射し、全反射面２４１を透過して非球面である面２４２から出射する。その後、この反射光像は、投影レンズ２３５を介してカメラ正面に投影される。

プロジェクタ装置の小型化のため、本実施形態の光源部２３１は、出射光軸２４３がマイクロミラーデバイス２３４の入射面（面２４４）に対してマイクロミラーデバイス２３４の方向（図１０に矢印２４６で示す方向）に約１０．５９度だけ傾くよう配置されている。

光源部２３１からの出射光軸２４３をこのように傾けると、全反射面２４１により全反射された略平行光束の出射面（面２４４）と全反射面２４１とのなす頂角２４５が、出射光軸２４３とマイクロミラーデバイス２３４の入射面（面２４４）とが並行する場合と比べて小さくなる。その結果、全反射プリズム２３２を、出射光軸２４３とマイクロミラーデバイス２３４の入射面（面２４４）とが並行する場合と比べて小型化することができる。

本実施形態のマイクロミラーデバイス２３４の表示領域の輪郭形状は、図６（ｂ）に示した第１の実施の形態に係る表示素子４０の表示面４０ａと同様の略矩形形状であり、紙面に平行な方向（ｘ方向）が長辺、紙面の前後方向（ｙ方向）が短辺である。第１プリズム２３２ａの光源部２３１側の面２４０は自由曲面となっており、光源部２３１から出射される略平行光束はこの自由曲面により、マイクロミラーデバイス２３４の表示領域の輪郭形状と略一致するように集光される。

また、高輝度ＬＥＤ２３１Ｒ、２３１Ｇ、２３１Ｂは、それぞれ第２の実施の形態に係る赤色ＬＥＤ１１０、緑色ＬＥＤ１２０、青色ＬＥＤ１３０と同様に、発光面に図６（ａ）に示すパターンが形成されている。各ＬＥＤはそれぞれ、発光面に形成されている分割線の方向が、マイクロミラーデバイス２３４の表示領域の短辺方向と略平行になるように配置されている。つまり、高輝度ＬＥＤ２３１Ｒの発光面の分割線はｘ軸方向に、高輝度ＬＥＤ２３１Ｇの発光面の分割線はｙ軸方向に、高輝度ＬＥＤ２３１Ｂの発光面の分割線はｘ軸方向にそれぞれ沿っている。

上述した第３の実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様の作用効果が得られる。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。

（変形例１）
上述の各実施形態では、表示素子４０の表示面４０ａが４：３の縦横比の矩形形状を有していたが、表示面４０ａの形状はこのような形状でなくてもよい。具体的には、長辺方向と短辺方向とを有する矩形形状であれば、どのような形状であってもよい。

（変形例２）
表示素子４０は反射型の液晶素子であるＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）以外の表示素子であってもよい。例えば、反射型の表示素子である
ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）であってもよいし、透過型の液晶素子であるＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）であってもよい。

（変形例３）
発光部１０ａの発光面の形状は矩形形状であればよく、上述の各実施形態のように正方形である必要はない。また、分割線により分割された領域の数は３つより多くても少なくてもよい。

（変形例４）
集光レンズ群２１を単一の集光レンズで置き換えた場合であっても本発明を適用することが可能である。また、集光レンズ群２１は、長辺方向と短辺方向とで発光面の結像位置を異ならせることにより、発光面からの光の照射領域の輪郭形状が略矩形形状になるように集光するレンズであれば、必ずしも表示面４０ａの形状と略同一になるように光源からの光を集光する自由曲面レンズを含んでいなくてよい。例えば、発光面からの光の照射領域の輪郭形状が表示面４０ａを含む楕円形状になるように集光するシリンドリカルレンズやアナモルフィックレンズであってもよい。このようなレンズを用いた場合であっても、発光面の結像位置が表示面４０ａの長辺方向と短辺方向とで異なるように構成することが可能であり、従って自由曲面レンズを用いた場合と同様の作用効果が得られる。

（変形例５）
上述した各実施の形態は、本発明に係る照明光学系を用いたプロジェクタ装置であった。本発明はプロジェクタ装置以外の装置で用いられる照明光学系にも適用することが可能である。例えば顕微鏡において、試料に光を照射するために用いられる照明光学系に対して本発明を適用しても、上述した各実施の形態と同様の作用効果が得られる。

（変形例６）
上述した各実施の形態では、偏光変換素子２５により光源１０から放射された照明光をＳ偏光成分の光に変換する場合について説明したが、照明光をＰ偏光成分の光に変換するように構成することも可能である。

（変形例７）
光源からの照明光は白色光でなくてもよい。例えば、赤色光を照射する赤色ＬＥＤのみを光源としてもよい。また、所定方向に沿った分割線により複数の領域に分割された発光面を有していれば、ＬＥＤ以外の部材を光源として利用することが可能である。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１、２…プロジェクタ装置、１０、１００…光源、１０ａ、１１０ａ、１２０ａ、１３０ａ…発光部、１０ｂ、１１０ｂ、１２０ｂ、１３０ｂ…カバー、２０…照明光学系、２１…集光レンズ群、２２…第１集光レンズ、２３…第２集光レンズ、２４…絞り、２５…偏光変換素子、２６…偏光分離素子、２７…半波長板、３０…偏光ビームスプリッタ、４０…表示素子、４０ａ…表示面、５０…投影光学系、５１…偏光板、５２…投影レンズ群

Claims (10)

1. 所定方向に沿った分割線により複数の領域に分割された発光面を有する略矩形形状の光源と、
   長辺方向と短辺方向とを有する矩形形状の被照射領域を備えた被照明部材と、
   前記被照射領域の前記長辺方向と前記短辺方向とで前記発光面の結像位置を異ならせることにより、前記被照明部材に形成される前記光源の前記発光面の分割パターンの像が、前記被照射領域の前記長辺方向と前記短辺方向とで異なる拡大率で拡大するように前記被照射領域に照射する光学部材と、を備え、
   前記光源は、前記被照射領域において前記所定方向と前記被照射領域の前記短辺方向とが略平行になるよう配置されることを特徴とする照明光学系。
2. 長辺方向と短辺方向とを有する矩形形状の被照射領域を備えた被照明部材に光を照射する照明光学系であって、
   所定方向に沿った分割線により複数の領域に分割された発光面を有する略矩形形状の光源と、
   前記発光面からの光を集光して前記被照射領域に照射する光学部材と、を備え、
   前記光学部材は、前記被照射領域の前記長辺方向と前記短辺方向とで前記発光面の結像位置を異ならせることにより、前記発光面からの光の照射領域の輪郭形状が略矩形形状になるように集光し、
   前記光源は、前記被照射領域において前記所定方向と前記被照射領域の前記短辺方向とが略平行になるよう配置されることを特徴とする照明光学系。
3. 請求項１または２に記載の照明光学系において、
   前記光学部材は集光レンズであることを特徴とする照明光学系。
4. 請求項２に記載の照明光学系において、
   前記光学部材は集光レンズであり、
   前記照射領域の輪郭形状は、前記被照射領域の短辺方向に対応する方向の長さが前記被照射領域の長辺方向に対応する方向の長さよりも短いことを特徴とする照明光学系。
5. 請求項４に記載の照明光学系において、
   前記集光レンズは、前記照射領域の輪郭形状が前記被照射領域の形状と略同一になるように集光する自由曲面レンズ、前記照射領域の輪郭形状が前記被照射領域を含む楕円形状になるように集光するシリンドリカルレンズ、または前記照射領域の輪郭形状が前記被照射領域を含む楕円形状になるように集光するアナモルフィックレンズの少なくとも１つを含むことを特徴とする照明光学系。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明光学系において、
   前記光源は発光ダイオードを有することを特徴とする照明光学系。
7. 請求項６に記載の照明光学系において、
   前記光源が有する発光ダイオードには、白色発光ダイオード、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、または青色発光ダイオードの少なくとも１つが含まれることを特徴とする照明光学系。
8. 請求項３〜５のいずれか一項に記載の照明光学系において、
   前記集光レンズと前記被照明部材との間に配置され、前記被照明部材に照射される光の偏光方向を揃える偏光変換素子を更に備え、
   前記集光レンズと前記被照明部材との間に配置された光学部材の光学面の少なくとも１面は、正の屈折力を有することを特徴とする照明光学系。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の照明光学系を備えることを特徴とするプロジェクタ装置。
10. 請求項９に記載のプロジェクタ装置において、
    前記被照明部材は反射型液晶素子またはマイクロミラーデバイスであることを特徴とするプロジェクタ装置。

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