照明装置及びプロジェクター
【課題】従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能な照明装置を提供することを目的とする。
【解決手段】光を射出する光源装置１１０と、複数の第１小レンズ１２２を有する第１レンズアレイ１２０と、複数の第１小レンズ１２２に対応する複数の第２小レンズ１３２を有する第２レンズアレイ１３０と、第２レンズアレイ１３０からの光を重畳させる重畳レンズ１５０とを備える照明装置１００であって、第１小レンズ１２２を通過した光が最も集まる点を集束点とするとき、第１小レンズ１２２の曲率は、集束点が第１レンズアレイ１２０より後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各第１小レンズ１２２ごとに設定されていることを特徴とする照明装置１００。
【解決手段】光を射出する光源装置１１０と、複数の第１小レンズ１２２を有する第１レンズアレイ１２０と、複数の第１小レンズ１２２に対応する複数の第２小レンズ１３２を有する第２レンズアレイ１３０と、第２レンズアレイ１３０からの光を重畳させる重畳レンズ１５０とを備える照明装置１００であって、第１小レンズ１２２を通過した光が最も集まる点を集束点とするとき、第１小レンズ１２２の曲率は、集束点が第１レンズアレイ１２０より後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各第１小レンズ１２２ごとに設定されていることを特徴とする照明装置１００。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置及びプロジェクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光を射出する光源装置と、複数の第１小レンズを有する第１レンズアレイと、複数の第１小レンズに対応する複数の第２小レンズを有する第２レンズアレイと、第２レンズアレイからの光を重畳させる重畳レンズとを備える照明装置が知られている。また、このような照明装置を備えるプロジェクターが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
従来の照明装置によれば、複数の第１小レンズを有する第１レンズアレイ、複数の第１小レンズに対応する複数の第２小レンズを有する第２レンズアレイ及び第２レンズアレイからの光を重畳させる重畳レンズを備えるため、光源装置からの光の面内光強度分布を均一化することが可能となり、その結果、明るさむらの少ない照明光を射出することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２１９４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、照明装置の技術分野においては、常に、光利用効率を一層高くすることが求められている。しかしながら、従来の照明装置においては、光利用効率を高くすることが困難であるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能な照明装置を提供することを目的とする。また、上記のような照明装置を備え、光利用効率を一層高くすることが可能なプロジェクターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発明者は、鋭意研究を重ねた結果、従来の照明装置において光利用効率を高くすることが困難である原因のひとつとして、第１小レンズを通過した光が最も集まる点を集束点とするとき、従来の照明装置においては当該集束点が各第１小レンズを通過した光ごとに大きく離れた位置にあるため、第１小レンズからの光が後段の光学要素（第２レンズアレイ等）を通過する際に当該光の一部が失われる事があることを見出した（後述する比較例参照。）。これは、従来の照明装置においては、設計及び製造の容易さの観点から、全ての第１小レンズで同様の曲率を採用することが一般的であるためである。
【０００８】
そして、さらなる研究を重ねた結果、集束点が第１レンズアレイより後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各第１小レンズの曲率を設定することに想到し、本発明を完成させるに至った。本発明は、以下の事項により構成される。
【０００９】
［１］本発明の照明装置は、光を射出する光源装置と、複数の第１小レンズを有する第１レンズアレイと、複数の前記第１小レンズに対応する複数の第２小レンズを有する第２レンズアレイと、前記第２レンズアレイからの光を重畳させる重畳レンズとを備える照明装置であって、前記第１小レンズを通過した光が最も集まる点を集束点とするとき、前記第１小レンズの曲率は、前記集束点が前記第１レンズアレイより後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各前記第１小レンズごとに設定されていることを特徴とする。
【００１０】
このため、本発明の照明装置によれば、第１小レンズの曲率は、集束点が第１レンズアレイより後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各第１小レンズごとに設定されているため、光が所定の光学要素を通過する際に当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、その結果、従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能となる（後述する実施形態参照。）。
【００１１】
また、本発明の照明装置によれば、第１レンズアレイと、第２レンズアレイと、重畳レンズとを備えるため、従来の照明装置と同様に、光源装置からの光の面内光強度分布を均一化することが可能となり、その結果、明るさむらの少ない照明光を射出することが可能となる。
【００１２】
［２］本発明の照明装置においては、前記第１小レンズは、前記第１小レンズに対応する前記第２小レンズよりも小さいことが好ましい。
【００１３】
このような構成とすることにより、射出する光の照明可能面積に比して小型の光源装置を用いることが可能となり、その結果、照明装置の小型化及び低コスト化を図ることが可能となる。
【００１４】
なお、上記［２］のような照明装置においては、第１レンズアレイから第２レンズアレイに向かって光軸を拡げているため、光が拡がるように第１レンズアレイに入射することになる。このため、第１レンズアレイにおける中心部分の第１小レンズに入射する光の拡がりと、第１レンズアレイにおける周辺部分の第１小レンズに入射する光の拡がりとが異なるようになる。したがって、第１小レンズの曲率が一定である場合には、集束点が光学要素から離れた位置になる（後述する実施形態及び比較例参照。）。よって、本発明は、上記［２］のような照明装置について特に好適に適用することができる。
【００１５】
［３］本発明の照明装置においては、前記第２レンズアレイと前記重畳レンズとの間に配置され、前記第２レンズアレイからの光を偏光方向の揃った略１種類の直線偏光からなる光として射出する偏光変換素子をさらに備えることが好ましい。
【００１６】
このような構成とすることにより、照明装置から偏光方向の揃った略１種類の直線偏光からなる光を射出することが可能となり、直線偏向からなる光を用いる機器（例えば、液晶光変調装置を備えるプロジェクター）に用いるのに適した照明装置とすることが可能となる。
【００１７】
［４］本発明の照明装置においては、前記所定の光学要素は、第２レンズアレイであることが好ましい。
【００１８】
このような構成とすることにより、第１小レンズからの光が第２レンズアレイを通過する際に、当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００１９】
［５］本発明の照明装置においては、前記所定の光学要素は、偏光変換素子であることが好ましい。
【００２０】
このような構成とすることにより、第１小レンズからの光が偏光変換素子を通過する際に、当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００２１】
［６］本発明の照明装置においては、前記所定の光学要素は、第２レンズアレイ及び偏光変換素子であり、前記集束点が第２レンズアレイから偏光変換素子までにあることが好ましい。
【００２２】
このような構成とすることにより、第１小レンズからの光が第２レンズアレイと偏光変換素子との両方を通過する際に、当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００２３】
なお、この場合、第１小レンズの曲率は、集束点が第２レンズアレイと偏光変換素子との両方の光学要素近傍に位置するように、各第１小レンズごとに設定されている。
【００２４】
［７］本発明の照明装置においては、前記第１小レンズは、曲面が球面の平凸レンズからなることが好ましい。
【００２５】
このような構成とすることにより、他形状の第１小レンズ（例えば、両凸レンズからなる第１小レンズや曲面が非球面の平凸レンズからなる第１小レンズ）を用いるよりも第１レンズアレイの設計を容易なものとすることが可能となる。
【００２６】
［８］本発明の照明装置においては、前記第１小レンズは、平凸レンズからなり、複数の前記第１小レンズは、行列状に配列され、前記平凸レンズの曲面は、行方向の曲率と、列方向の曲率とが別々に設定された曲面からなることが好ましい。
【００２７】
このような構成とすることにより、縦横両方の方向について曲率を設定することにより集束点の位置を調整することが可能となり、その結果、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００２８】
［９］本発明のプロジェクターは、本発明の照明装置と、前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置からの光を投写対象に投写する投写光学系とを備えることを特徴とする。
【００２９】
本発明のプロジェクターによれば、従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能な本発明の照明装置を備えるため、プロジェクター全体としても、光利用効率を一層高くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施形態に係るプロジェクター１０００の光学系を示す平面図。
【図２】実施形態における第１レンズアレイ１２０を第２レンズアレイ１３０側から見た図。
【図３】実施形態に係る照明装置１００における光の様子を示す図。
【図４】比較例に係る照明装置１００ａにおける光の様子を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の照明装置及びプロジェクターについて、図に示す実施の形態に基づいて説明する。
【００３２】
［実施形態］
図１は、実施形態に係るプロジェクター１０００の光学系を示す平面図である。なお、図１を含む各図面においては、光源装置１１０については断面図として表示している。また、図１及び図２は模式図であり、図中の光学要素の形状は必ずしも現実に則したものではない。
図２は、実施形態における第１レンズアレイ１２０を第２レンズアレイ１３０側から見た図である。図２の各第１小レンズ１２２（符号を図示せず。）に表示されているＡ−１〜Ｄ−６の数字（小レンズ番号）は、各第１小レンズ１２２を区別するための符号であり、数字が現実に付されていることを示すものではない。
図３は、実施形態に係る照明装置１００における光の様子を示す図である。なお、図３に示す光の様子は、シミュレーションにより得たものである。このため、光源装置１１０に関しては発光部１３及びリフレクター２０以外の記載は省略する。後述する図４に関しても同様である。
【００３３】
なお、以下の説明においては、互いに直交する３つの方向をそれぞれｚ軸方向（図１における照明光軸１００ａｘ方向）、ｘ軸方向（図１における紙面に平行かつｚ軸に垂直な方向）及びｙ軸方向（図１における紙面に垂直かつｚ軸に垂直な方向）とする。
【００３４】
実施形態１に係るプロジェクター１０００は、図１に示すように、照明装置１００と、色分離導光光学系２００と、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ変調する３つの液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投写光学系６００とを備える。
照明装置１００は、光源装置１１０と、凹レンズ９０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０とを備える。照明装置１００は、照明光として赤色光、緑色光及び青色光を含む光（つまり、白色光として用いることができる光）を、照明光軸１００ａｘに沿うように射出する。
【００３５】
光源装置１１０は、図１に示すように、発光管１０と、リフレクター２０とを備える。光源装置１１０は、照明光軸１００ａｘを中心軸とする集束光を被照明領域側に射出する。
【００３６】
発光管１０は、発光部１３を内包する管球部１２、管球部１２の両側に伸びる一対の封止部１４，１６、照明光軸１００ａｘに沿って配置された一対の電極、一対の封止部１４，１６内にそれぞれ封止された一対の金属箔及び一対の金属箔にそれぞれ電気的に接続された一対のリード線を有する。発光管１０としては、高輝度発光する種々の発光管を採用でき、例えば、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ等を採用できる。発光部１３は、後述する反射面２４の第１焦点近傍に位置している。発光部１３は、赤色光、緑色光及び青色光を含む光を射出する。
【００３７】
発光管１０の構成要素の条件等を例示的に示すと、管球部１２及び封止部１４，１６は、例えば石英ガラスからなり、管球部１２内には、水銀、希ガス及び少量のハロゲンが封入されている。電極は、例えばタングステン電極であり、金属箔は、例えばモリブデン箔である。リード線は、例えばモリブデン又はタングステンから構成されている。
【００３８】
リフレクター２０は、一対の封止部１４，１６のうち一方の封止部である第１封止部１４に配設され、発光部１３から射出される光を被照明領域に向けて反射する。リフレクター２０は、発光管１０の第１封止部１４を挿通・固定するための開口部２２と、光を被照明領域側へ向けて反射する反射面２４とを有する。反射面２４は楕円面であり、第１焦点近傍に位置している発光部１３から射出される光を被照明領域側の第２焦点近傍に集まる集束光として反射する。リフレクター２０は、開口部２２に充填されたセメントなどの無機系接着剤によって第１封止部１４に配設されている。
【００３９】
反射面２４を構成する基材の材料としては、例えば、結晶化ガラスやアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などを好適に用いることができる。反射面２４の内面には、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）と酸化シリコン（ＳｉＯ２）との誘電体多層膜からなる可視光反射層が形成されている。
【００４０】
凹レンズ９０は、図１に示すように、リフレクター２０の被照明領域側に配置され、リフレクター２０からの光を第１レンズアレイ１２０に向けて射出するように構成されている。凹レンズ９０は、光が拡がるように当該光を第１レンズアレイ１２０に入射させる。
【００４１】
第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０及び重畳レンズ１５０は、光変調装置に入射する光の面内光強度分布を均一化する光均一化光学系（いわゆるレンズインテグレーター光学系）を構成する。
【００４２】
第１レンズアレイ１２０は、図１〜図３に示すように、凹レンズ９０からの光を複数の部分光束に分割するための複数の第１小レンズ１２２を有する。第１レンズアレイ１２０は、光源装置１１０からの光を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子としての機能を有し、複数の第１小レンズ１２２が照明光軸１００ａｘと直交する面内に６行４列のマトリクス状に配列された構成を有する（図２参照。）。詳しい説明は省略するが、第１小レンズ１２２の外形形状（横：縦＝４：３の長方形）は、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域の外形形状に関して略相似形である。
【００４３】
実施形態に係る照明装置１００においては、第１小レンズ１２２を通過した光が最も集まる点を集束点とするとき、第１小レンズ１２２の曲率は、集束点が第１レンズアレイ１２０より後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各第１小レンズ１２２ごと（Ａ−１〜Ｄ−６ごと）に設定されている。当該実施形態においては、図３に示すように、所定の光学要素は第２レンズアレイ１３０であり、集束点は第２レンズアレイ１３０の射出面近傍にある。なお、本発明はこれに限定されるものではなく、集束点が第２レンズアレイ中や第２レンズアレイの入射面近傍等にあるようにしてもよい。第１小レンズ１２２は、曲面が球面の平凸レンズからなる。
【００４４】
各第１小レンズ１２２の曲率は、例えば、シミュレーションを行って、集束点が所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するようになる各第１小レンズ１２２の曲率を割り出し、その結果に基づいて設定することができる。なお、本発明においては、第１小レンズの曲率が全て異なってもよいし、曲率が同一の２つ以上の第１小レンズを備えていてもよい。
【００４５】
第１小レンズ１２２は、図１に示すように、第１小レンズ１２２に対応する第２小レンズ１３２（後述。）よりも小さい。このため、第１レンズアレイ１２０は第２レンズアレイ１３０よりも小さくなっており、第１レンズアレイ１２０から第２レンズアレイ１３０に向かって光軸を拡げていることになる。
いる。第１レンズアレイ１２０は、図３に示すように、第１小レンズ１２２を通過する光の光軸を拡げるように屈折させ、第１小レンズ１２２を通過する光を対応する第２小レンズ１３２に入射させる。
【００４６】
第２レンズアレイ１３０は、複数の第１小レンズ１２２に対応する複数の第２小レンズ１３２を有する。第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、各第１小レンズ１２２の像を液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に結像させる機能を有する。第２レンズアレイ１３０は、複数の第２小レンズ１３２が照明光軸１００ａｘに直交する面内に６行４列のマトリクス状に配列された構成を有する。
【００４７】
偏光変換素子１４０は、第２レンズアレイ１３０からの光（第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光束）を、偏光方向の揃った略１種類の直線偏光からなる光として射出する偏光変換素子である。
偏光変換素子１４０は、光源装置１１０からの光に含まれる偏光成分のうち一方の直線偏光成分をそのまま透過し、他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに垂直な方向に反射する偏光分離層と、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに平行な方向に反射する反射層と、反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する位相差板とを有している。
【００４８】
重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０からの各部分光束（もとは第２レンズアレイ１３０からの光）を集光して液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に重畳させるための光学素子である。重畳レンズ１５０は、重畳レンズ１５０の光軸と照明光軸１００ａｘとが略一致するように配置されている。なお、重畳レンズは、複数のレンズを組み合わせた複合レンズで構成されていてもよい。
【００４９】
色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０，２２０、反射ミラー２３０，２４０，２５０及びリレーレンズ２６０，２７０を備える。色分離導光光学系２００は、照明装置１００からの光を赤色光、緑色光及び青色光に分離するとともに、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ照明対象となる液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂに導光する。
色分離導光光学系２００と、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂが配置されている。
【００５０】
ダイクロイックミラー２１０，２２０においては、基板上に、所定の波長領域の光を反射して、他の波長領域の光を通過させる波長選択透過膜が形成されている。
ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を反射して、緑色光及び青色光成分を通過させる。
ダイクロイックミラー２２０は、緑色光成分を反射して、青色光成分を通過させる。
【００５１】
ダイクロイックミラー２１０で反射された赤色光は、反射ミラー２３０でさらに反射され、集光レンズ３００Ｒを通過して赤色光用の液晶光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー２１０を青色光とともに通過した緑色光は、ダイクロイックミラー２２０で反射され、集光レンズ３００Ｇを通過して緑色光用の液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光は、リレーレンズ２６０、入射側の反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、射出側の反射ミラー２５０、集光レンズ３００Ｂを経て青色光用の液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。リレーレンズ２６０，２７０及び反射ミラー２４０，２５０は、ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光を液晶光変調装置４００Ｂまで導く機能を有する。
【００５２】
なお、青色光の光路にこのようなリレーレンズ２６０，２７０が設けられているのは、青色光の光路の長さが他の色光の光路の長さよりも長いため、光の発散等による光利用効率の低下を防止するためである。実施形態に係るプロジェクター１０００においては、青色光の光路の長さが長いのでこのような構成をとったが、例えば、赤色光の光路の長さを長くして、リレーレンズ及び反射ミラーを赤色光の光路に用いる構成としてもよい。
【００５３】
液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、照明装置１００からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置であり、入射された色光を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成するものである。なお、図示を省略したが、集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が介在配置され、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとクロスダイクロイックプリズム５００との間には、それぞれ射出側偏光板が介在配置されている。これら入射側偏光板、各液晶光変調装置及び射出側偏光板によって、入射された各色光の光変調が行われる。
各液晶光変調装置は、一対の透明なガラス基板に電気光学物質である液晶を密閉封入した透過型の液晶光変調装置であり、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として、与えられた画像信号に応じて、入射側偏光板から射出された１種類の直線偏光の偏光方向を変調する。各液晶光変調装置における画像形成領域の外径形状は、横：縦＝４：３の長方形形状からなる。
【００５４】
クロスダイクロイックプリズム５００は、射出側偏光板から射出された色光毎に変調された光学像を合成してカラー画像を形成する光学素子である。このクロスダイクロイックプリズム５００は、ｙ軸方向から見て、４つの直角プリズムを貼り合わせた略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。略Ｘ字状の一方の界面に形成された誘電体多層膜は、赤色光を反射するものであり、他方の界面に形成された誘電体多層膜は、青色光を反射するものである。これらの誘電体多層膜によって赤色光及び青色光は曲折され、緑色光の進行方向と揃えられることにより、３つの色光が合成される。
【００５５】
クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投写光学系６００によって投写され、投写対象であるスクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。
【００５６】
次に、実施形態に係る照明装置１００及びプロジェクター１０００の効果を説明する。
【００５７】
実施形態に係る照明装置１００によれば、第１小レンズ１２２の曲率は、集束点が第１レンズアレイ１２０より後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍（第２レンズアレイ１３０の入射面近傍）に位置するように、各第１小レンズごとに設定されているため、光が所定の光学要素（第２レンズアレイ１２０）を通過する際に当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、その結果、従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能となる。
【００５８】
実施形態に係る照明装置１００によれば、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、重畳レンズ１５０とを備えるため、従来の照明装置と同様に、光源装置からの光の面内光強度分布を均一化することが可能となり、その結果、明るさむらの少ない照明光を射出することが可能となる。
【００５９】
また、実施形態に係る照明装置１００によれば、第１小レンズ１２２は、第１小レンズ１２２に対応する第２小レンズ１３２よりも小さいため、射出する光の照明可能面積に比して小型の光源装置を用いることが可能となり、その結果、照明装置の小型化及び低コスト化を図ることが可能となる。
【００６０】
また、実施形態に係る照明装置１００によれば、偏光変換素子１４０を備えるため、照明装置から偏光方向の揃った略１種類の直線偏光からなる光を射出することが可能となり、直線偏向からなる光を用いる機器に用いるのに適した照明装置とすることが可能となる。
【００６１】
また、実施形態に係る照明装置１００によれば、所定の光学要素が第２レンズアレイ１２０であるため、第１小レンズからの光が第２レンズアレイを通過する際に、当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００６２】
また、実施形態に係る照明装置１００によれば、第１小レンズ１２２は、曲面が球面の平凸レンズからなるため、他形状の第１小レンズ（例えば、両凸レンズからなる第１小レンズや曲面が非球面の平凸レンズからなる第１小レンズ）を用いるよりも第１レンズアレイの設計を容易なものとすることが可能となる。
【００６３】
実施形態に係るプロジェクター１０００によれば、実施形態１に係る照明装置１００を備えるため、従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能な実施形態１に係る照明装置１００を備えるため、プロジェクター全体としても、光利用効率を一層高くすることが可能となる。
【００６４】
［比較例］
図４は、比較例に係る照明装置１００ａにおける光の様子を示す図である。
比較例として、従来の照明装置と同様の構成を有する照明装置１００ａについて、集束点の位置を確認するためのシミュレーションを行った。
照明装置１００ａについては、第１小レンズの曲率以外は実施形態に係る照明装置１００と同様の構成を有するものとして上記シミュレーションを行った。すなわち、比較例に係る照明装置１００ａにおいては、第１レンズアレイ１２０ａにおける第１小レンズ１２２ａの曲率が全て等しく設定されている。
【００６５】
シミュレーションの結果として、図４に示すように、従来の照明装置と同様の構成を有する照明装置１００ａにおいては、実施形態１に係る照明装置１００と同様に、第１レンズアレイ１２０ａから第２レンズアレイ１３０に向かって光軸を拡げているため、光が拡がるように第１レンズアレイ１２０ａに入射することになる。このため、第１レンズアレイ１２０ａにおける中心部分の第１小レンズ１２２ａに入射する光の拡がりと、第１レンズアレイ１２０ａにおける周辺部分の第１小レンズ１２２ａに入射する光の拡がりとが異なるようになる。すなわち、中心付近の第１小レンズ１２２ａにおいては、入射する光の入射角の差が周辺部分の第１小レンズ１２２ａに比べて大きくなるために集束点の位置が遠くになり、周辺部分の第１小レンズ１２２ａにおいては、入射する光の入射角の差が中心部分の第１小レンズに比べて小さくなるために集束点の位置が近くになり、その結果、集束点が各第１小レンズ１２２ａを通過した光ごとに大きく離れた位置（この場合、第２レンズアレイ１３０の前段及び偏光変換素子１４０の後段）に位置することがわかった。このため、第１小レンズ１２２ａからの光が第２レンズアレイ１３０を通過する際に当該光の一部が失われる事があり、従来の照明装置と同様の構成を有する照明装置１００ａにおいては、光利用効率を高くすることが困難となる。
【００６６】
一方、本発明に係る照明装置においては、上記した実施形態に示したように、第１小レンズの曲率は、集束点が前記第１レンズアレイより後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各第１小レンズごとに設定されている（図３参照。）。このため、光利用効率を高くすることが可能となる。
【００６７】
以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の様態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。
【００６８】
（１）上記実施形態において記載した各構成要素の寸法、個数、材質及び形状は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。
【００６９】
（２）上記実施形態においては、曲面が球面の平凸レンズからなる第１小レンズ１２２を備える照明装置１００を例にとって本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１小レンズが平凸レンズからなり、複数の第１小レンズが行列状に配列され、平凸レンズの曲面が行方向の曲率と、列方向の曲率とが別々に設定された曲面からなるものを備える照明装置としてもよい。このような構成とすることにより、縦横両方の方向について曲率を設定することにより集束点の位置を調整することが可能となり、その結果、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００７０】
（３）上記実施形態においては、光変調装置として、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ変調する液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。他の色光（黄色光等）を変調する液晶光変調装置を用いてもよい。
【００７１】
（４）上記実施形態においては、発光部から射出される光のうち、リフレクターには直接入射しない光の一部又は全部を反射する副鏡をさらに備える光源装置を用いてもよい。
【００７２】
（５）上記実施形態においては、反射面が楕円面からなるリフレクターを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、反射面が放物面からなるリフレクターを用いてもよい。この場合、リフレクターから平行光を射出することが可能であるため、実施形態における凹レンズ９０に該当する光学要素は備えなくてもよい。
【００７３】
（６）上記実施形態においては、透過型のプロジェクターを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、反射型のプロジェクターを用いてもよい。ここで、「透過型」とは、透過型の液晶光変調装置等のように光変調手段としての光変調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、反射型の液晶光変調装置等のように光変調手段としての光変調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ーにこの発明を適用した場合にも、透過型のプロジェクターと同様の効果を得ることができる。
【００７４】
（７）上記実施形態においては、プロジェクターの光変調装置として液晶光変調装置を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。光変調装置としては、一般に、画像情報に応じて入射光を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等を用いてもよい。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。
【００７５】
（８）上記実施形態においては、３つの液晶光変調装置を用いたプロジェクターを例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。１つ、２つ又は４つ以上の液晶光変調装置を用いたプロジェクターにも適用可能である。
【００７６】
（９）上記実施形態においては、所定の光学要素が第２レンズアレイであったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、所定の光学要素が偏光変換素子であってもよい。このような構成とすることにより、第１小レンズからの光が偏光変換素子を通過する際に、当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。さらに詳しくいえば、偏光変換素子の反射層に対応する入射側に遮光膜が形成されている場合は、第１小レンズからの光が偏光変換素子に入射する際に、偏光分離層に対応する部分へ入射するのではなく反射層に対応する部分へ入射する光が発生し、当該遮光膜により遮光されて当該光の一部が失われることを抑制することが可能となる。また、反射層に対応する入射側に遮光膜が形成されていない場合は、反射層に入射した光が偏光分離層に入射した光と異なる偏光となって偏光変換素子より射出され、当該光の一部の偏光方向が異なる偏光となることを抑制し、ひいては、異なる偏光となった光が失われることを抑制することが可能となる。
【００７７】
（１０）上記実施形態においては、所定の光学要素が第２レンズアレイであったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、所定の光学要素は、第２レンズアレイ及び偏光変換素子であってもよい。この場合には、集束点が第２レンズアレイから偏光変換素子までにあるようにすればよい。このような構成とすることにより、第１小レンズからの光が第２レンズアレイと偏光変換素子との両方を通過する際に、当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００７８】
（１１）上記実施形態においては、光源装置として発光管を有するものを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、光源装置として固体光源（発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザー（ＬＤ）等）を有するものを用いてもよい。
【００７９】
（１２）上記各実施形態においては、本発明の照明装置をプロジェクターに適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の照明装置を他の光学機器（例えば、光ディスク装置、自動車のヘッドランプ、照明機器等。）に適用することもできる。
【００８０】
（１３）本発明は、投写画像を観察する側から投写するフロント投写型プロジェクターに適用する場合にも、投写画像を観察する側とは反対の側から投写するリア投写型プロジェクターに適用する場合にも可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１０…発光管、１２…管球部、１３…発光部、１４…第１封止部、１６…第２封止部、２０…リフレクター、２２…開口部、２４…反射面、９０…凹レンズ、１００，１００ａ…照明装置、１００ａｘ…照明光軸、１１０…光源装置、１２０，１２０ａ…第１レンズアレイ、１２２，１２２ａ…第１小レンズ、１３０…第２レンズアレイ、１３２…第２小レンズ、１４０…偏光変換素子、１５０…重畳レンズ、２００…色分離導光光学系、２１０，２２０…ダイクロイックミラー、２３０，２４０，２５０…反射ミラー、２６０，２７０…リレーレンズ、３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…集光レンズ、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…液晶光変調装置、５００…クロスダイクロイックプリズム、６００…投写光学系、１０００…プロジェクター、ＳＣＲ…スクリーン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置及びプロジェクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光を射出する光源装置と、複数の第１小レンズを有する第１レンズアレイと、複数の第１小レンズに対応する複数の第２小レンズを有する第２レンズアレイと、第２レンズアレイからの光を重畳させる重畳レンズとを備える照明装置が知られている。また、このような照明装置を備えるプロジェクターが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
従来の照明装置によれば、複数の第１小レンズを有する第１レンズアレイ、複数の第１小レンズに対応する複数の第２小レンズを有する第２レンズアレイ及び第２レンズアレイからの光を重畳させる重畳レンズを備えるため、光源装置からの光の面内光強度分布を均一化することが可能となり、その結果、明るさむらの少ない照明光を射出することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２１９４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、照明装置の技術分野においては、常に、光利用効率を一層高くすることが求められている。しかしながら、従来の照明装置においては、光利用効率を高くすることが困難であるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能な照明装置を提供することを目的とする。また、上記のような照明装置を備え、光利用効率を一層高くすることが可能なプロジェクターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発明者は、鋭意研究を重ねた結果、従来の照明装置において光利用効率を高くすることが困難である原因のひとつとして、第１小レンズを通過した光が最も集まる点を集束点とするとき、従来の照明装置においては当該集束点が各第１小レンズを通過した光ごとに大きく離れた位置にあるため、第１小レンズからの光が後段の光学要素（第２レンズアレイ等）を通過する際に当該光の一部が失われる事があることを見出した（後述する比較例参照。）。これは、従来の照明装置においては、設計及び製造の容易さの観点から、全ての第１小レンズで同様の曲率を採用することが一般的であるためである。
【０００８】
そして、さらなる研究を重ねた結果、集束点が第１レンズアレイより後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各第１小レンズの曲率を設定することに想到し、本発明を完成させるに至った。本発明は、以下の事項により構成される。
【０００９】
［１］本発明の照明装置は、光を射出する光源装置と、複数の第１小レンズを有する第１レンズアレイと、複数の前記第１小レンズに対応する複数の第２小レンズを有する第２レンズアレイと、前記第２レンズアレイからの光を重畳させる重畳レンズとを備える照明装置であって、前記第１小レンズを通過した光が最も集まる点を集束点とするとき、前記第１小レンズの曲率は、前記集束点が前記第１レンズアレイより後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各前記第１小レンズごとに設定されていることを特徴とする。
【００１０】
このため、本発明の照明装置によれば、第１小レンズの曲率は、集束点が第１レンズアレイより後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各第１小レンズごとに設定されているため、光が所定の光学要素を通過する際に当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、その結果、従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能となる（後述する実施形態参照。）。
【００１１】
また、本発明の照明装置によれば、第１レンズアレイと、第２レンズアレイと、重畳レンズとを備えるため、従来の照明装置と同様に、光源装置からの光の面内光強度分布を均一化することが可能となり、その結果、明るさむらの少ない照明光を射出することが可能となる。
【００１２】
［２］本発明の照明装置においては、前記第１小レンズは、前記第１小レンズに対応する前記第２小レンズよりも小さいことが好ましい。
【００１３】
このような構成とすることにより、射出する光の照明可能面積に比して小型の光源装置を用いることが可能となり、その結果、照明装置の小型化及び低コスト化を図ることが可能となる。
【００１４】
なお、上記［２］のような照明装置においては、第１レンズアレイから第２レンズアレイに向かって光軸を拡げているため、光が拡がるように第１レンズアレイに入射することになる。このため、第１レンズアレイにおける中心部分の第１小レンズに入射する光の拡がりと、第１レンズアレイにおける周辺部分の第１小レンズに入射する光の拡がりとが異なるようになる。したがって、第１小レンズの曲率が一定である場合には、集束点が光学要素から離れた位置になる（後述する実施形態及び比較例参照。）。よって、本発明は、上記［２］のような照明装置について特に好適に適用することができる。
【００１５】
［３］本発明の照明装置においては、前記第２レンズアレイと前記重畳レンズとの間に配置され、前記第２レンズアレイからの光を偏光方向の揃った略１種類の直線偏光からなる光として射出する偏光変換素子をさらに備えることが好ましい。
【００１６】
このような構成とすることにより、照明装置から偏光方向の揃った略１種類の直線偏光からなる光を射出することが可能となり、直線偏向からなる光を用いる機器（例えば、液晶光変調装置を備えるプロジェクター）に用いるのに適した照明装置とすることが可能となる。
【００１７】
［４］本発明の照明装置においては、前記所定の光学要素は、第２レンズアレイであることが好ましい。
【００１８】
このような構成とすることにより、第１小レンズからの光が第２レンズアレイを通過する際に、当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００１９】
［５］本発明の照明装置においては、前記所定の光学要素は、偏光変換素子であることが好ましい。
【００２０】
このような構成とすることにより、第１小レンズからの光が偏光変換素子を通過する際に、当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００２１】
［６］本発明の照明装置においては、前記所定の光学要素は、第２レンズアレイ及び偏光変換素子であり、前記集束点が第２レンズアレイから偏光変換素子までにあることが好ましい。
【００２２】
このような構成とすることにより、第１小レンズからの光が第２レンズアレイと偏光変換素子との両方を通過する際に、当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００２３】
なお、この場合、第１小レンズの曲率は、集束点が第２レンズアレイと偏光変換素子との両方の光学要素近傍に位置するように、各第１小レンズごとに設定されている。
【００２４】
［７］本発明の照明装置においては、前記第１小レンズは、曲面が球面の平凸レンズからなることが好ましい。
【００２５】
このような構成とすることにより、他形状の第１小レンズ（例えば、両凸レンズからなる第１小レンズや曲面が非球面の平凸レンズからなる第１小レンズ）を用いるよりも第１レンズアレイの設計を容易なものとすることが可能となる。
【００２６】
［８］本発明の照明装置においては、前記第１小レンズは、平凸レンズからなり、複数の前記第１小レンズは、行列状に配列され、前記平凸レンズの曲面は、行方向の曲率と、列方向の曲率とが別々に設定された曲面からなることが好ましい。
【００２７】
このような構成とすることにより、縦横両方の方向について曲率を設定することにより集束点の位置を調整することが可能となり、その結果、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００２８】
［９］本発明のプロジェクターは、本発明の照明装置と、前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置からの光を投写対象に投写する投写光学系とを備えることを特徴とする。
【００２９】
本発明のプロジェクターによれば、従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能な本発明の照明装置を備えるため、プロジェクター全体としても、光利用効率を一層高くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施形態に係るプロジェクター１０００の光学系を示す平面図。
【図２】実施形態における第１レンズアレイ１２０を第２レンズアレイ１３０側から見た図。
【図３】実施形態に係る照明装置１００における光の様子を示す図。
【図４】比較例に係る照明装置１００ａにおける光の様子を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の照明装置及びプロジェクターについて、図に示す実施の形態に基づいて説明する。
【００３２】
［実施形態］
図１は、実施形態に係るプロジェクター１０００の光学系を示す平面図である。なお、図１を含む各図面においては、光源装置１１０については断面図として表示している。また、図１及び図２は模式図であり、図中の光学要素の形状は必ずしも現実に則したものではない。
図２は、実施形態における第１レンズアレイ１２０を第２レンズアレイ１３０側から見た図である。図２の各第１小レンズ１２２（符号を図示せず。）に表示されているＡ−１〜Ｄ−６の数字（小レンズ番号）は、各第１小レンズ１２２を区別するための符号であり、数字が現実に付されていることを示すものではない。
図３は、実施形態に係る照明装置１００における光の様子を示す図である。なお、図３に示す光の様子は、シミュレーションにより得たものである。このため、光源装置１１０に関しては発光部１３及びリフレクター２０以外の記載は省略する。後述する図４に関しても同様である。
【００３３】
なお、以下の説明においては、互いに直交する３つの方向をそれぞれｚ軸方向（図１における照明光軸１００ａｘ方向）、ｘ軸方向（図１における紙面に平行かつｚ軸に垂直な方向）及びｙ軸方向（図１における紙面に垂直かつｚ軸に垂直な方向）とする。
【００３４】
実施形態１に係るプロジェクター１０００は、図１に示すように、照明装置１００と、色分離導光光学系２００と、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ変調する３つの液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投写光学系６００とを備える。
照明装置１００は、光源装置１１０と、凹レンズ９０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０とを備える。照明装置１００は、照明光として赤色光、緑色光及び青色光を含む光（つまり、白色光として用いることができる光）を、照明光軸１００ａｘに沿うように射出する。
【００３５】
光源装置１１０は、図１に示すように、発光管１０と、リフレクター２０とを備える。光源装置１１０は、照明光軸１００ａｘを中心軸とする集束光を被照明領域側に射出する。
【００３６】
発光管１０は、発光部１３を内包する管球部１２、管球部１２の両側に伸びる一対の封止部１４，１６、照明光軸１００ａｘに沿って配置された一対の電極、一対の封止部１４，１６内にそれぞれ封止された一対の金属箔及び一対の金属箔にそれぞれ電気的に接続された一対のリード線を有する。発光管１０としては、高輝度発光する種々の発光管を採用でき、例えば、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ等を採用できる。発光部１３は、後述する反射面２４の第１焦点近傍に位置している。発光部１３は、赤色光、緑色光及び青色光を含む光を射出する。
【００３７】
発光管１０の構成要素の条件等を例示的に示すと、管球部１２及び封止部１４，１６は、例えば石英ガラスからなり、管球部１２内には、水銀、希ガス及び少量のハロゲンが封入されている。電極は、例えばタングステン電極であり、金属箔は、例えばモリブデン箔である。リード線は、例えばモリブデン又はタングステンから構成されている。
【００３８】
リフレクター２０は、一対の封止部１４，１６のうち一方の封止部である第１封止部１４に配設され、発光部１３から射出される光を被照明領域に向けて反射する。リフレクター２０は、発光管１０の第１封止部１４を挿通・固定するための開口部２２と、光を被照明領域側へ向けて反射する反射面２４とを有する。反射面２４は楕円面であり、第１焦点近傍に位置している発光部１３から射出される光を被照明領域側の第２焦点近傍に集まる集束光として反射する。リフレクター２０は、開口部２２に充填されたセメントなどの無機系接着剤によって第１封止部１４に配設されている。
【００３９】
反射面２４を構成する基材の材料としては、例えば、結晶化ガラスやアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などを好適に用いることができる。反射面２４の内面には、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）と酸化シリコン（ＳｉＯ２）との誘電体多層膜からなる可視光反射層が形成されている。
【００４０】
凹レンズ９０は、図１に示すように、リフレクター２０の被照明領域側に配置され、リフレクター２０からの光を第１レンズアレイ１２０に向けて射出するように構成されている。凹レンズ９０は、光が拡がるように当該光を第１レンズアレイ１２０に入射させる。
【００４１】
第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０及び重畳レンズ１５０は、光変調装置に入射する光の面内光強度分布を均一化する光均一化光学系（いわゆるレンズインテグレーター光学系）を構成する。
【００４２】
第１レンズアレイ１２０は、図１〜図３に示すように、凹レンズ９０からの光を複数の部分光束に分割するための複数の第１小レンズ１２２を有する。第１レンズアレイ１２０は、光源装置１１０からの光を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子としての機能を有し、複数の第１小レンズ１２２が照明光軸１００ａｘと直交する面内に６行４列のマトリクス状に配列された構成を有する（図２参照。）。詳しい説明は省略するが、第１小レンズ１２２の外形形状（横：縦＝４：３の長方形）は、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域の外形形状に関して略相似形である。
【００４３】
実施形態に係る照明装置１００においては、第１小レンズ１２２を通過した光が最も集まる点を集束点とするとき、第１小レンズ１２２の曲率は、集束点が第１レンズアレイ１２０より後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各第１小レンズ１２２ごと（Ａ−１〜Ｄ−６ごと）に設定されている。当該実施形態においては、図３に示すように、所定の光学要素は第２レンズアレイ１３０であり、集束点は第２レンズアレイ１３０の射出面近傍にある。なお、本発明はこれに限定されるものではなく、集束点が第２レンズアレイ中や第２レンズアレイの入射面近傍等にあるようにしてもよい。第１小レンズ１２２は、曲面が球面の平凸レンズからなる。
【００４４】
各第１小レンズ１２２の曲率は、例えば、シミュレーションを行って、集束点が所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するようになる各第１小レンズ１２２の曲率を割り出し、その結果に基づいて設定することができる。なお、本発明においては、第１小レンズの曲率が全て異なってもよいし、曲率が同一の２つ以上の第１小レンズを備えていてもよい。
【００４５】
第１小レンズ１２２は、図１に示すように、第１小レンズ１２２に対応する第２小レンズ１３２（後述。）よりも小さい。このため、第１レンズアレイ１２０は第２レンズアレイ１３０よりも小さくなっており、第１レンズアレイ１２０から第２レンズアレイ１３０に向かって光軸を拡げていることになる。
いる。第１レンズアレイ１２０は、図３に示すように、第１小レンズ１２２を通過する光の光軸を拡げるように屈折させ、第１小レンズ１２２を通過する光を対応する第２小レンズ１３２に入射させる。
【００４６】
第２レンズアレイ１３０は、複数の第１小レンズ１２２に対応する複数の第２小レンズ１３２を有する。第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、各第１小レンズ１２２の像を液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に結像させる機能を有する。第２レンズアレイ１３０は、複数の第２小レンズ１３２が照明光軸１００ａｘに直交する面内に６行４列のマトリクス状に配列された構成を有する。
【００４７】
偏光変換素子１４０は、第２レンズアレイ１３０からの光（第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光束）を、偏光方向の揃った略１種類の直線偏光からなる光として射出する偏光変換素子である。
偏光変換素子１４０は、光源装置１１０からの光に含まれる偏光成分のうち一方の直線偏光成分をそのまま透過し、他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに垂直な方向に反射する偏光分離層と、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに平行な方向に反射する反射層と、反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する位相差板とを有している。
【００４８】
重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０からの各部分光束（もとは第２レンズアレイ１３０からの光）を集光して液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に重畳させるための光学素子である。重畳レンズ１５０は、重畳レンズ１５０の光軸と照明光軸１００ａｘとが略一致するように配置されている。なお、重畳レンズは、複数のレンズを組み合わせた複合レンズで構成されていてもよい。
【００４９】
色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０，２２０、反射ミラー２３０，２４０，２５０及びリレーレンズ２６０，２７０を備える。色分離導光光学系２００は、照明装置１００からの光を赤色光、緑色光及び青色光に分離するとともに、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ照明対象となる液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂに導光する。
色分離導光光学系２００と、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂが配置されている。
【００５０】
ダイクロイックミラー２１０，２２０においては、基板上に、所定の波長領域の光を反射して、他の波長領域の光を通過させる波長選択透過膜が形成されている。
ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を反射して、緑色光及び青色光成分を通過させる。
ダイクロイックミラー２２０は、緑色光成分を反射して、青色光成分を通過させる。
【００５１】
ダイクロイックミラー２１０で反射された赤色光は、反射ミラー２３０でさらに反射され、集光レンズ３００Ｒを通過して赤色光用の液晶光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー２１０を青色光とともに通過した緑色光は、ダイクロイックミラー２２０で反射され、集光レンズ３００Ｇを通過して緑色光用の液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光は、リレーレンズ２６０、入射側の反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、射出側の反射ミラー２５０、集光レンズ３００Ｂを経て青色光用の液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。リレーレンズ２６０，２７０及び反射ミラー２４０，２５０は、ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光を液晶光変調装置４００Ｂまで導く機能を有する。
【００５２】
なお、青色光の光路にこのようなリレーレンズ２６０，２７０が設けられているのは、青色光の光路の長さが他の色光の光路の長さよりも長いため、光の発散等による光利用効率の低下を防止するためである。実施形態に係るプロジェクター１０００においては、青色光の光路の長さが長いのでこのような構成をとったが、例えば、赤色光の光路の長さを長くして、リレーレンズ及び反射ミラーを赤色光の光路に用いる構成としてもよい。
【００５３】
液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、照明装置１００からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置であり、入射された色光を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成するものである。なお、図示を省略したが、集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が介在配置され、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとクロスダイクロイックプリズム５００との間には、それぞれ射出側偏光板が介在配置されている。これら入射側偏光板、各液晶光変調装置及び射出側偏光板によって、入射された各色光の光変調が行われる。
各液晶光変調装置は、一対の透明なガラス基板に電気光学物質である液晶を密閉封入した透過型の液晶光変調装置であり、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として、与えられた画像信号に応じて、入射側偏光板から射出された１種類の直線偏光の偏光方向を変調する。各液晶光変調装置における画像形成領域の外径形状は、横：縦＝４：３の長方形形状からなる。
【００５４】
クロスダイクロイックプリズム５００は、射出側偏光板から射出された色光毎に変調された光学像を合成してカラー画像を形成する光学素子である。このクロスダイクロイックプリズム５００は、ｙ軸方向から見て、４つの直角プリズムを貼り合わせた略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。略Ｘ字状の一方の界面に形成された誘電体多層膜は、赤色光を反射するものであり、他方の界面に形成された誘電体多層膜は、青色光を反射するものである。これらの誘電体多層膜によって赤色光及び青色光は曲折され、緑色光の進行方向と揃えられることにより、３つの色光が合成される。
【００５５】
クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投写光学系６００によって投写され、投写対象であるスクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。
【００５６】
次に、実施形態に係る照明装置１００及びプロジェクター１０００の効果を説明する。
【００５７】
実施形態に係る照明装置１００によれば、第１小レンズ１２２の曲率は、集束点が第１レンズアレイ１２０より後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍（第２レンズアレイ１３０の入射面近傍）に位置するように、各第１小レンズごとに設定されているため、光が所定の光学要素（第２レンズアレイ１２０）を通過する際に当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、その結果、従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能となる。
【００５８】
実施形態に係る照明装置１００によれば、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、重畳レンズ１５０とを備えるため、従来の照明装置と同様に、光源装置からの光の面内光強度分布を均一化することが可能となり、その結果、明るさむらの少ない照明光を射出することが可能となる。
【００５９】
また、実施形態に係る照明装置１００によれば、第１小レンズ１２２は、第１小レンズ１２２に対応する第２小レンズ１３２よりも小さいため、射出する光の照明可能面積に比して小型の光源装置を用いることが可能となり、その結果、照明装置の小型化及び低コスト化を図ることが可能となる。
【００６０】
また、実施形態に係る照明装置１００によれば、偏光変換素子１４０を備えるため、照明装置から偏光方向の揃った略１種類の直線偏光からなる光を射出することが可能となり、直線偏向からなる光を用いる機器に用いるのに適した照明装置とすることが可能となる。
【００６１】
また、実施形態に係る照明装置１００によれば、所定の光学要素が第２レンズアレイ１２０であるため、第１小レンズからの光が第２レンズアレイを通過する際に、当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００６２】
また、実施形態に係る照明装置１００によれば、第１小レンズ１２２は、曲面が球面の平凸レンズからなるため、他形状の第１小レンズ（例えば、両凸レンズからなる第１小レンズや曲面が非球面の平凸レンズからなる第１小レンズ）を用いるよりも第１レンズアレイの設計を容易なものとすることが可能となる。
【００６３】
実施形態に係るプロジェクター１０００によれば、実施形態１に係る照明装置１００を備えるため、従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能な実施形態１に係る照明装置１００を備えるため、プロジェクター全体としても、光利用効率を一層高くすることが可能となる。
【００６４】
［比較例］
図４は、比較例に係る照明装置１００ａにおける光の様子を示す図である。
比較例として、従来の照明装置と同様の構成を有する照明装置１００ａについて、集束点の位置を確認するためのシミュレーションを行った。
照明装置１００ａについては、第１小レンズの曲率以外は実施形態に係る照明装置１００と同様の構成を有するものとして上記シミュレーションを行った。すなわち、比較例に係る照明装置１００ａにおいては、第１レンズアレイ１２０ａにおける第１小レンズ１２２ａの曲率が全て等しく設定されている。
【００６５】
シミュレーションの結果として、図４に示すように、従来の照明装置と同様の構成を有する照明装置１００ａにおいては、実施形態１に係る照明装置１００と同様に、第１レンズアレイ１２０ａから第２レンズアレイ１３０に向かって光軸を拡げているため、光が拡がるように第１レンズアレイ１２０ａに入射することになる。このため、第１レンズアレイ１２０ａにおける中心部分の第１小レンズ１２２ａに入射する光の拡がりと、第１レンズアレイ１２０ａにおける周辺部分の第１小レンズ１２２ａに入射する光の拡がりとが異なるようになる。すなわち、中心付近の第１小レンズ１２２ａにおいては、入射する光の入射角の差が周辺部分の第１小レンズ１２２ａに比べて大きくなるために集束点の位置が遠くになり、周辺部分の第１小レンズ１２２ａにおいては、入射する光の入射角の差が中心部分の第１小レンズに比べて小さくなるために集束点の位置が近くになり、その結果、集束点が各第１小レンズ１２２ａを通過した光ごとに大きく離れた位置（この場合、第２レンズアレイ１３０の前段及び偏光変換素子１４０の後段）に位置することがわかった。このため、第１小レンズ１２２ａからの光が第２レンズアレイ１３０を通過する際に当該光の一部が失われる事があり、従来の照明装置と同様の構成を有する照明装置１００ａにおいては、光利用効率を高くすることが困難となる。
【００６６】
一方、本発明に係る照明装置においては、上記した実施形態に示したように、第１小レンズの曲率は、集束点が前記第１レンズアレイより後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各第１小レンズごとに設定されている（図３参照。）。このため、光利用効率を高くすることが可能となる。
【００６７】
以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の様態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。
【００６８】
（１）上記実施形態において記載した各構成要素の寸法、個数、材質及び形状は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。
【００６９】
（２）上記実施形態においては、曲面が球面の平凸レンズからなる第１小レンズ１２２を備える照明装置１００を例にとって本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１小レンズが平凸レンズからなり、複数の第１小レンズが行列状に配列され、平凸レンズの曲面が行方向の曲率と、列方向の曲率とが別々に設定された曲面からなるものを備える照明装置としてもよい。このような構成とすることにより、縦横両方の方向について曲率を設定することにより集束点の位置を調整することが可能となり、その結果、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００７０】
（３）上記実施形態においては、光変調装置として、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ変調する液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。他の色光（黄色光等）を変調する液晶光変調装置を用いてもよい。
【００７１】
（４）上記実施形態においては、発光部から射出される光のうち、リフレクターには直接入射しない光の一部又は全部を反射する副鏡をさらに備える光源装置を用いてもよい。
【００７２】
（５）上記実施形態においては、反射面が楕円面からなるリフレクターを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、反射面が放物面からなるリフレクターを用いてもよい。この場合、リフレクターから平行光を射出することが可能であるため、実施形態における凹レンズ９０に該当する光学要素は備えなくてもよい。
【００７３】
（６）上記実施形態においては、透過型のプロジェクターを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、反射型のプロジェクターを用いてもよい。ここで、「透過型」とは、透過型の液晶光変調装置等のように光変調手段としての光変調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、反射型の液晶光変調装置等のように光変調手段としての光変調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ーにこの発明を適用した場合にも、透過型のプロジェクターと同様の効果を得ることができる。
【００７４】
（７）上記実施形態においては、プロジェクターの光変調装置として液晶光変調装置を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。光変調装置としては、一般に、画像情報に応じて入射光を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等を用いてもよい。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。
【００７５】
（８）上記実施形態においては、３つの液晶光変調装置を用いたプロジェクターを例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。１つ、２つ又は４つ以上の液晶光変調装置を用いたプロジェクターにも適用可能である。
【００７６】
（９）上記実施形態においては、所定の光学要素が第２レンズアレイであったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、所定の光学要素が偏光変換素子であってもよい。このような構成とすることにより、第１小レンズからの光が偏光変換素子を通過する際に、当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。さらに詳しくいえば、偏光変換素子の反射層に対応する入射側に遮光膜が形成されている場合は、第１小レンズからの光が偏光変換素子に入射する際に、偏光分離層に対応する部分へ入射するのではなく反射層に対応する部分へ入射する光が発生し、当該遮光膜により遮光されて当該光の一部が失われることを抑制することが可能となる。また、反射層に対応する入射側に遮光膜が形成されていない場合は、反射層に入射した光が偏光分離層に入射した光と異なる偏光となって偏光変換素子より射出され、当該光の一部の偏光方向が異なる偏光となることを抑制し、ひいては、異なる偏光となった光が失われることを抑制することが可能となる。
【００７７】
（１０）上記実施形態においては、所定の光学要素が第２レンズアレイであったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、所定の光学要素は、第２レンズアレイ及び偏光変換素子であってもよい。この場合には、集束点が第２レンズアレイから偏光変換素子までにあるようにすればよい。このような構成とすることにより、第１小レンズからの光が第２レンズアレイと偏光変換素子との両方を通過する際に、当該光の一部が失われることを抑制することが可能となり、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。
【００７８】
（１１）上記実施形態においては、光源装置として発光管を有するものを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、光源装置として固体光源（発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザー（ＬＤ）等）を有するものを用いてもよい。
【００７９】
（１２）上記各実施形態においては、本発明の照明装置をプロジェクターに適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の照明装置を他の光学機器（例えば、光ディスク装置、自動車のヘッドランプ、照明機器等。）に適用することもできる。
【００８０】
（１３）本発明は、投写画像を観察する側から投写するフロント投写型プロジェクターに適用する場合にも、投写画像を観察する側とは反対の側から投写するリア投写型プロジェクターに適用する場合にも可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１０…発光管、１２…管球部、１３…発光部、１４…第１封止部、１６…第２封止部、２０…リフレクター、２２…開口部、２４…反射面、９０…凹レンズ、１００，１００ａ…照明装置、１００ａｘ…照明光軸、１１０…光源装置、１２０，１２０ａ…第１レンズアレイ、１２２，１２２ａ…第１小レンズ、１３０…第２レンズアレイ、１３２…第２小レンズ、１４０…偏光変換素子、１５０…重畳レンズ、２００…色分離導光光学系、２１０，２２０…ダイクロイックミラー、２３０，２４０，２５０…反射ミラー、２６０，２７０…リレーレンズ、３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…集光レンズ、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…液晶光変調装置、５００…クロスダイクロイックプリズム、６００…投写光学系、１０００…プロジェクター、ＳＣＲ…スクリーン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を射出する光源装置と、複数の第１小レンズを有する第１レンズアレイと、複数の前記第１小レンズに対応する複数の第２小レンズを有する第２レンズアレイと、前記第２レンズアレイからの光を重畳させる重畳レンズとを備える照明装置であって、
前記第１小レンズを通過した光が最も集まる点を集束点とするとき、
前記第１小レンズの曲率は、前記集束点が前記第１レンズアレイより後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各前記第１小レンズごとに設定されていることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載の照明装置において、
前記第１小レンズは、前記第１小レンズに対応する前記第２小レンズよりも小さいことを特徴とする照明装置。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の照明装置において、
前記第２レンズアレイと前記重畳レンズとの間に配置され、前記第２レンズアレイからの光を偏光方向の揃った略１種類の直線偏光からなる光として射出する偏光変換素子をさらに備えることを特徴とする照明装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の照明装置において、
前記所定の光学要素は、第２レンズアレイであることを特徴とする照明装置。
【請求項５】
請求項３に記載の照明装置において、
前記所定の光学要素は、偏光変換素子であることを特徴とする照明装置。
【請求項６】
請求項３に記載の照明装置において、
前記所定の光学要素は、第２レンズアレイ及び偏光変換素子であり、
前記集束点が第２レンズアレイから偏光変換素子までにあることを特徴とする照明装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の照明装置において、
前記第１小レンズは、曲面が球面の平凸レンズからなることを特徴とする照明装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載の照明装置において、
前記第１小レンズは、平凸レンズからなり、
複数の前記第１小レンズは、行列状に配列され、
前記平凸レンズの曲面は、行方向の曲率と、列方向の曲率とが別々に設定された曲面からなることを特徴とする照明装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の照明装置と、
前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
前記光変調装置からの光を投写対象に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ー。
【請求項１】
光を射出する光源装置と、複数の第１小レンズを有する第１レンズアレイと、複数の前記第１小レンズに対応する複数の第２小レンズを有する第２レンズアレイと、前記第２レンズアレイからの光を重畳させる重畳レンズとを備える照明装置であって、
前記第１小レンズを通過した光が最も集まる点を集束点とするとき、
前記第１小レンズの曲率は、前記集束点が前記第１レンズアレイより後段にある所定の光学要素中又は当該所定の光学要素近傍に位置するように、各前記第１小レンズごとに設定されていることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載の照明装置において、
前記第１小レンズは、前記第１小レンズに対応する前記第２小レンズよりも小さいことを特徴とする照明装置。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の照明装置において、
前記第２レンズアレイと前記重畳レンズとの間に配置され、前記第２レンズアレイからの光を偏光方向の揃った略１種類の直線偏光からなる光として射出する偏光変換素子をさらに備えることを特徴とする照明装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の照明装置において、
前記所定の光学要素は、第２レンズアレイであることを特徴とする照明装置。
【請求項５】
請求項３に記載の照明装置において、
前記所定の光学要素は、偏光変換素子であることを特徴とする照明装置。
【請求項６】
請求項３に記載の照明装置において、
前記所定の光学要素は、第２レンズアレイ及び偏光変換素子であり、
前記集束点が第２レンズアレイから偏光変換素子までにあることを特徴とする照明装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の照明装置において、
前記第１小レンズは、曲面が球面の平凸レンズからなることを特徴とする照明装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載の照明装置において、
前記第１小レンズは、平凸レンズからなり、
複数の前記第１小レンズは、行列状に配列され、
前記平凸レンズの曲面は、行方向の曲率と、列方向の曲率とが別々に設定された曲面からなることを特徴とする照明装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の照明装置と、
前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
前記光変調装置からの光を投写対象に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ー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−４１７６０（Ｐ２０１３−４１７６０Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７８２７２（Ｐ２０１１−１７８２７２）
【出願日】平成２３年８月１７日（２０１１．８．１７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１７日（２０１１．８．１７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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