JP2009294639A - 照明装置、プロジェクタ、照明方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光源部を備えたプロジェクタにおいて、照明光の輝度ムラや色ムラの低減を図るとともに、結像性能を充分に発揮させ得るプロジェクタを実現する。
【解決手段】本発明のプロジェクタ１００は、第１光源部１と、複数の第２光源部２ａ，２ｂと、第１光源部および複数の第２光源部から入射された光をそれぞれ所定の方向に射出させる光軸変換素子（四角錐台状反射体３）とを備えている。光軸変換素子は、第１光源部１から入射された光を、その射出光軸が照明光軸Ｌに略一致するように射出させるとともに、複数の第２光源部２ａ，２ｂから入射された光を、その射出光軸ａ２，ｂ２が光軸変換素子と光変調素子（ライトバルブ１１）との間で第１光源部１からの光の射出光軸と交わるように射出させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば光変調素子を照明する照明装置と、例えば光変調素子に形成した光学像を投写レンズによりスクリーン上に投写表示するプロジェクタ、および照明方法に関し、より詳しくは、複数個の光源部を備えた照明装置およびプロジェクタの照明光学系の構成に関するものである。

大画面映像を表示可能な装置の一つとして、映像情報に応じて光学像を形成する小型の光変調素子を照明装置からの光で照明し、その光学像を投写レンズによりスクリーン等へ表示するプロジェクタが実用化されている。このようなプロジェクタでは、投写画像の大画面化や高輝度化、輝度ムラや色ムラの低減が強く望まれており、それらを実現するための高性能な照明光学系が開発されてきている。

例えば、下記の特許文献１（特に図１参照）に開示されている投写型表示装置（プロジェクタ）では、２つの光源部を用いることによりライトバルブ（光変調素子）を照明する光の強度の増大を図っている。また、この投写型表示装置では、各光源部に対応したインテグレータ光学系を備えることにより照明光の輝度ムラや色ムラの低減を図っている。液晶ライトバルブに代表される光変調素子や偏光素子、投写レンズ等の光学素子は、いずれもその光学特性が入射光に対して角度依存性を有する。そのため、表示画像の高画質化を図るためには、角度分布の広がりが狭い照明光を射出できる光源部を用いることが望ましい。

しかし、このプロジェクタの構成によれば、２つの光源部を照明光軸からかなり離れた位置に配置しているため、照明光の角度分布は大きく広がり、投写レンズの瞳面に形成される２つの群の光源像が投写光軸から離れた位置に形成される。その結果、表示画像のコントラスト低下を生じ、期待するほどには表示画像を高輝度化できない。また、投写レンズの結像性能は投写光軸の近傍で高く、投写光軸から離れるにしたがって低下するため、投写レンズの結像性能を十分に発揮することができず、表示画像の画質劣化を招く。さらに、２つの光源部の発光特性が異なる場合には投写レンズの開口蝕による投写光の蹴られ（ケラレ）方が異なることに起因する輝度ムラや色ムラが表示画像に生じる。

これらの諸問題の解消を図った投写型表示装置（プロジェクタ）が下記の特許文献２（特に図１参照）に開示されている。ここで用いられている照明光学系は、発光体の近傍に第１焦点を有する楕円リフレクターからなる光源部を２つ備え、各々の楕円リフレクターの第２焦点に反射プリズム（反射面）を配置し、その反射プリズムによって各光源部からの光束をインテグレータ側に反射する構成を備えている。これにより、反射プリズムの反射面上に形成される発光体の二次光源像の位置は、本来の発光体の位置よりも照明光軸に近づく。これ以降の光学系においてはこの二次光源像の位置を光源位置と見なして取り扱うことができるため、２つの光源部を照明光軸にかなり近接して配置したことになり、上述した諸問題を改善することができる。

特開平６−２６５８８７号公報 特開２０００−３６１２号公報

しかしながら、特許文献２に記載の照明装置においても、投写レンズの瞳面に形成される光源像は依然として投写光軸から離れた位置に形成される。その理由は、以下の通りである。すなわち、各光源部の二次光源像を可能な限り照明光軸に近接した位置に形成することは、反射プリズムの頂点に可能な限り近い位置に各々の二次光源像を形成することに他ならない。ところが、二次光源像はある有限の大きさを有するため、反射面には相応の面積が必要となり、反射プリズムの頂点の最近傍で光束を反射させることができないからである。したがって、投写レンズにおいて最も高い結像性能を発揮する投写光軸上には依然として光源像の大部分は存在しないこととなり、上述の特許文献１に開示されているプロジェクタの場合と比べると、諸問題の改善効果は期待できるものの、必ずしも十分ではない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、複数の光源部を備えた照明装置もしくは照明光学系を備えたプロジェクタにおいて、投写画像の輝度ムラや色ムラの低減を図るとともに、投写レンズの結像性能を充分に発揮させ得る照明装置もしくはプロジェクタを実現することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のプロジェクタは、照明光学系と、前記照明光学系からの光を変調する光変調素子と、前記光変調素子により変調された光を投写する投写光学系と、を備え、前記照明光学系は、第１光源部と、複数の第２光源部と、前記第１光源部および前記複数の第２光源部から入射された光をそれぞれ所定の方向に射出させる光軸変換素子と、を備え、前記光軸変換素子は、前記第１光源部から入射された光を、その射出光軸が照明光軸に略一致するように射出させるとともに、前記複数の第２光源部の各々から入射された光を、その射出光軸が前記光軸変換素子と前記光変調素子との間で前記第１光源部からの光の射出光軸と交わるように射出させることを特徴とする。
なお、本明細書で言う「照明光軸」とは、照明光学系が照明する照明対象の照明面の中心を通る、照明面に対する法線のことを言う。「射出光軸」とは、光軸変換素子または第１，第２光源部を射出する光の光軸のことを言う。また、「光軸変換素子の射出光軸」は、各光源部から射出された光のそれぞれについて存在する。

本発明のプロジェクタにおいて、光軸変換素子は、第１光源部からの光をその射出光軸が照明光軸に略一致するように射出させ、複数の第２光源部からの光をその射出光軸が光軸変換素子と光変調素子との間で第１光源部からの光の射出光軸と交わるように射出させる機能を有している。このように、複数の光源部からの光の合成に際して上記の光軸変換素子を用いることで、複数の光源部からの光の光源像を互いに接近させることができ、さらに、少なくとも一つの光源部からの光の光軸を照明光軸上に配置できる。これにより、各光源部からの光束を互いに重畳させた状態で照明光となる合成光束を形成し、かつ、合成光束の略中心に最大強度の光束を配置できるため、照明光の角度分布の広がりを抑えられ、高い光利用効率を実現できる。また、投写光学系の瞳面に形成される複数の光源像が投写光軸を略中心とした領域に集中し、かつ略対称な状態で形成されることから、投写レンズ本来の結像性能を発揮し易く、照度ムラや色ムラが少ない均一性に優れた表示画像を実現できる。さらに、１個あるいは２個の光源部が不点灯となった場合でも大きな照度ムラを生じることがなく、使い勝手の向上を実現できる。

本発明のプロジェクタにおいて、光軸変換素子は、複数の第２光源部から入射された光を、複数の第２光源部からの全ての光の射出光軸が光軸変換素子と光変調素子との間の１点で第１光源部からの光の射出光軸と交わるように射出させることが望ましい。
複数の第２光源部からの全ての光の射出光軸は必ずしも１点で交わらなくても良いが、複数の第２光源部からの全ての光の射出光軸が第１光源部からの光の射出光軸と１点で交わる構成とすれば、合成光束を最も小径化できるため、以降の光学系での照明効率を高めやすく、以降の光学系の小型化を図りやすい。

本発明のプロジェクタにおいて、光軸変換素子と光変調素子との間にインテグレータ光学系を設けることが望ましい。
この構成によれば、インテグレータ光学系の作用によって光軸変換素子による合成光束の輝度の均一化が図れ、投写画像の輝度ムラや色ムラをより少なくできる。

インテグレータ光学系を設ける場合、インテグレータ光学系のうち、入射光を複数の部分光束に分割する光束分割手段またはその近傍の位置で、複数の第２光源部からの全ての光の射出光軸が第１光源部からの光の射出光軸と交わることが望ましい。

より具体的には、インテグレータ光学系が第１光源部および複数の第２光源部から入射された光を複数の光束に分割するレンズアレイ（光束分割手段）を少なくとも含む場合、光軸変換素子は、複数の第２光源部から入射された光を、複数の第２光源部からの全ての光の射出光軸がレンズアレイまたはその近傍の位置で第１光源部からの光の射出光軸と交わるように射出させることが望ましい。

あるいは、インテグレータ光学系がインテグレータロッドを少なくとも含む場合、光軸変換素子は、複数の第２光源部から入射された光を、複数の第２光源部からの全ての光の射出光軸がインテグレータロッドの入射端（光束分割手段）またはその近傍の位置で第１光源部からの光の射出光軸と交わるように射出させることが望ましい。

これらの構成によれば、光束分割手段以降の光学素子での照明効率を高めやすく、光束分割手段以降に配置されるインテグレータ光学系の小型化を図ることができる。

本発明のプロジェクタにおいて、前記第１光源部が照明光軸上に配置され、前記複数の第２光源部が前記照明光軸上から外れた位置に配置された構成を採ることができる。
この構成によれば、第１光源部から射出された光を反射させたり、屈折させたりすることなく、照明光軸上に射出させることができ、光軸変換素子の構成を簡単化できる。また、複数の第２光源部が照明光軸上から外れた位置に配置されているため、各光源部を設置する際に第１の光源部と干渉することがない。

本発明のプロジェクタにおいて、前記光軸変換素子の光射出端またはその近傍に、前記第１光源部からの光が集束することが望ましい。
この構成によれば、光軸変換素子を小型化でき、第１光源部からの光を効率良く利用できる。

本発明のプロジェクタにおいて、前記光軸変換素子が、前記複数の第２光源部の各々から射出された光を反射して射出させる構成を採ることができる。
光軸変換素子は、複数の第２光源部から射出された光を屈折させて射出させる構成でも良いが、反射させて射出させる構成とした方が複数の第２光源部から射出された光の光軸を大きく曲げることができ、第１光源部と複数の第２光源部との配置の自由度が高まる。

本発明のプロジェクタにおいて、前記光軸変換素子が、前記照明光軸に対して所定の角度をなすように傾いた複数の反射面を有し、前記複数の第２光源部から射出された各々の光が前記複数の反射面のうちのいずれかの反射面で反射する構成とすることができる。
この構成によれば、簡易な構成によって本発明に必要な機能を発揮できる光軸変換素子を実現できる。

本発明のプロジェクタにおいて、前記複数の反射面を構成する各々の反射面またはその近傍に、当該反射面に対応する前記第２光源部からの光が集束することが望ましい。
この構成によれば、光軸変換素子を小型化でき、第２光源部からの光を効率良く利用できる。

前記光軸変換素子の前記反射面として、前記複数の第２光源部の各々から射出された光を表面反射させる表面反射面を用いることができる。
この構成によれば、反射面に対して光を入射させる際の入射角度の制限が少なく、複数の第２光源部と光軸変換素子との位置関係の自由度が高まる。

本発明のプロジェクタにおいて、前記反射面に誘電体多層膜が形成されていることが望ましい。
この構成によれば、例えば、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）や酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）とを交互に積層した多層膜を用いることができる。このような多層膜では優れた耐熱性と高い反射率を実現できるため、本発明の光軸変換素子に用いて好適である。

あるいは、前記光軸変換素子の前記反射面として、前記複数の第２光源部の各々から射出された光を全反射させる全反射面を用いることができる。
この構成によれば、反射面に対して誘電体多層膜、金属膜等の反射膜を形成する必要がなく、また、反射に際して本質的に光損失を生じないため、効率が高く耐熱性に優れた光軸変換素子を容易に作製できる。

本発明のプロジェクタにおいて、前記光軸変換素子が、前記複数の第２光源部の各々から射出された光を屈折させて射出させる構成を採ることができる。
この構成によれば、場合によっては光軸変換素子の小型化が図れ、照明装置の小型化に寄与できる。

本発明のプロジェクタにおいて、前記光軸変換素子の光入射側に、前記第１光源部から射出された光の光軸を曲げる第１光源部用光軸変換素子を備えた構成としても良い。
この構成によれば、第１光源部の配置場所の自由度が向上し、照明光軸に沿う方向の照明装置の寸法を小さくできる。

本発明のプロジェクタにおいて、前記光軸変換素子の光入射側に、前記複数の第２光源部のうちの少なくとも一つから射出された光の光軸を曲げる第２光源部用光軸変換素子を備えた構成としても良い。
この構成によれば、光源部間の物理的な干渉が生じにくく、各光源部の配置場所の自由度が向上するため、照明装置の小型化が図れる。

本発明のプロジェクタにおいて、前記光軸変換素子に放熱部材が設けられることが望ましい。
この構成によれば、光軸変換素子の耐熱性をより高めることができる。

本発明のプロジェクタにおいて、前記光軸変換素子が光透過性を有する筐体内に収容されることが望ましい。
この構成によれば、光軸変換素子の反射面への塵や埃の付着を防止し、塵や埃の付着による反射面の焼けや焦げによる反射性能の劣化を防止できる。

本発明の照明装置は、第１光源部と、複数の第２光源部と、前記第１光源部および前記複数の第２光源部から入射された光をそれぞれ所定の方向に射出させる光軸変換素子と、を備え、前記光軸変換素子は、前記第１光源部から入射された光を、その射出光軸が照明光軸に略一致するように射出させるとともに、前記複数の第２光源部の各々から入射された光を、その射出光軸が前記光軸変換素子の射出側の外部で前記第１光源部からの光の射出光軸と交わるように射出させることを特徴とする。

本発明のプロジェクタと同様、本発明の照明装置によれば、複数の光源部からの光の合成に際して上記の光軸変換素子を用いることで、複数の光源部からの光の光源像を互いに接近させることができる。これにより、各光源部からの光束を互いに重畳させた状態で照明光となる合成光束を形成し、かつ、合成光束の略中心に最大強度の光束を配置できるため、照明光の角度分布の広がりを抑えられ、高い光利用効率を実現できる。

本発明の照明装置において、前記光軸変換素子は、前記複数の第２光源部から入射された光を、前記複数の第２光源部からの全ての光の射出光軸が前記光軸変換素子の射出側の外部の１点で前記第１光源部からの光の射出光軸と交わるように射出させることが望ましい。
この構成とすれば、合成光束を最も小径化できるため、以降の光学系での照明効率を高めやすく、以降の光学系の小型化を図りやすい。

なお、前記光軸変換素子の形態として、前記照明光軸に平行な方向に貫通する孔を有するテーパ形状を有する管状の光学部材を用いることができる。
この構成によれば、光軸変換素子の軽量化、低コスト化が図れるとともに、光軸変換素子内の光が透過する経路に物理的な界面が存在しないため、第１光源部からの光に対して界面反射等による光損失を低減できる。また、反射面で発生した熱を放散しやすく、耐熱性を高めやすい。

あるいは、前記光軸変換素子の他の形態として、中実のプリズム状の光学部材を用いることができる。
この構成によれば、反射面の形成精度を高めやすい。また、第１光源部を照明光軸上に配置した場合、光路長を短縮できるため、照明装置を小型化しやすい。

あるいは、前記光軸変換素子のさらに他の形態として、刳り抜かれた内部空間を有する光学部材を用いることができる。
この構成によれば、全反射を利用することで反射率を高めることができる。また、誘電体多層膜等の反射膜が不要であるため、光軸変換素子の熱損傷、熱劣化を抑制できる。

本発明の照明方法は、光軸変換素子を用い、第１光源部から射出された光を、その射出光軸が照明光軸に略一致するように照明対象に向けて照射するとともに、複数の第２光源部の各々から射出された光を、その射出光軸が前記光軸変換素子の射出側の外部で前記第１光源部からの光の射出光軸と交わるように前記照明対象に向けて照射することを特徴とする。
この構成によれば、各光源部からの光束を互いに重畳させた状態で照明光となる合成光束を形成し、かつ、合成光束の略中心に最大強度の光束を配置できるため、照明光の角度分布の広がりを抑えられ、高い光利用効率を実現できる。

本発明の第１実施形態の照明装置を備えたプロジェクタの一構成例を示す図である。 本実施形態の照明装置に用いる反射体の構成例を示す図である。 同反射体の他の構成例を示す図である。 同反射体のさらに他の構成例を示す図である。 照明光の集光スポットの光強度分布を示す図である。 合成レンズに入射する各光源部からの光の角度分布を示す図である。 第２レンズアレイにおける光源像の形成状態を示す図である。 投写レンズの瞳面における光源像の形成状態を示す図である。 図８のＡ−Ａ’線における仮想的な光強度分布を示す図である。 本発明の第２実施形態の照明装置を備えたプロジェクタの一構成例を示す図である。 本発明の第３実施形態の照明装置を備えたプロジェクタの一構成例を示す図である。 同照明装置のＰＢＳアレイと１／２波長板の構成例を示す図である。 投写レンズの瞳面における光源像の形成状態を示す図である。 反射体の他の構成例を示す図である。 本発明の第４実施形態の照明装置を備えたプロジェクタの一構成例を示す図である。 本実施形態の照明装置に用いる光軸変換素子の構成例を示す図である。 光軸変換素子の他の構成例を示す図である。 本発明の第５実施形態の照明装置を備えたプロジェクタの一構成例を示す図である。 本実施形態の照明装置に用いる光軸変換素子の構成例を示す図である。 光軸変換素子の他の構成例を示す図である。 本発明の第６実施形態の照明装置を備えたプロジェクタの一構成例を示す図である。 本実施形態の照明装置に用いる光軸変換素子の構成例を示す図である。 光軸変換素子の他の構成例を示す図である。 光軸変換素子の他の構成例を示す図である。 光軸変換素子の他の構成例を示す図である。 光軸変換素子の他の構成例を示す図である。 光軸変換素子の他の構成例を示す図である。 光軸変換素子の他の構成例を示す図である。 光軸変換素子の他の構成例を示す図である。 光軸変換素子の他の構成例を示す図である。 光軸変換素子の他の構成例を示す図である。 反射作用と屈折作用による効果の違いを説明するための図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図９を参照して説明する。
図１は、本発明に係るプロジェクタの一構成例を示す図である。図２〜図４は、本実施形態のプロジェクタの照明光学系に用いる反射体のいくつかの構成例を示す図である。図５は、照明光の集光スポットの光強度分布を示す図である。図６は、合成レンズに入射する各光源部からの光の角度分布を示す図である。図７は、インテグレータ部の第２レンズアレイにおける各光源部に係る光源像の形成状態を示す図である。図８は、投写レンズの瞳面における光源像の形成状態を示す図である。図９は、図８のＡ−Ａ’線における仮想的な光強度分布を示す図である。なお、以下の各図においては、各構成要素を見やすくするため、各構成要素毎に適宜縮尺を異ならせることもある。

本実施形態に係るプロジェクタ１００の構成例を図１に示す。
プロジェクタ１００は、照明光学系１０と、ライトバルブ１１（光変調素子）と、投写レンズ１３とを備えている。照明光学系１０は、画素構造を備えた液晶表示素子、複数の可動ミラーをアレイ状に備えた微小ミラーアレイ素子等からなるライトバルブ１１（光変調素子）を照明するための光を生成するものである。

以下、本発明の特徴部分をなす照明光学系の構成について詳細に説明する。
本実施形態の照明光学系１０は、１個の第１光源部１と２個の第２光源部２ａ，２ｂとを含む３個の光源部、四角錐台状反射体３（光軸変換素子）、合成レンズ４、インテグレータ部５（インテグレータ光学系）を主に備えている。

３つの光源部１，２ａ，２ｂは、いずれも同一の構成であり、発光ランプ７とリフレクター８とを備えている。発光ランプ７としては、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）等を使用でき、リフレクター８としては、楕円面形状の反射面を備えた楕円面リフレクターの使用が好適である。なお、楕円面リフレクターに代えて、放物面形状の反射面を備えた放物面リフレクターと集光レンズとの組み合わせを用いることもできる。

楕円面リフレクター８は、第一焦点位置、第二焦点位置の２つの焦点位置を有している。発光ランプ７は、発光ランプ７の発光点が楕円面リフレクター８の第一焦点位置に位置するように配置される。なお、発光ランプ７等の発光体は空間上の位置によって輝度が異なる立体的な発光領域を有するため、輝度の重心位置を発光点と見なすことが適当である。このような配置により、発光ランプ７から放射された光はリフレクター８で反射されるとともに集光される。そして、発光ランプ７から放射された光はＵＶ／ＩＲカットフィルター９で不要な紫外光と赤外光が除去された後、第二焦点位置に集光され、発光体の像（集光スポット）を形成する。この像は実像であることから、本来の発光体に対してこの像を二次光源と見なすことができる。そのため、以下の光学系では本来離れた位置にある発光体から放射された光を、二次光源から放射された光として扱うことができる。

光軸変換素子の構成例を図２〜図４に示す。図２に示す四角錐台状反射体３（光軸変換素子）は、略対向する２つの反射面３ａ，３ｂを両側面に備え、略対向する２つの反射面３ｃ，３ｄを上面および下面に備え、２つの透過端面３ｅ，３ｆを照明光軸Ｌと直交させて備えた光学素子である。すなわち、本実施形態の四角錐台状反射体３は、照明光軸Ｌと直交するように互いに平行に配置された２つの透過端面３ｅ，３ｆ（１組の平行平面）と、２つの透過端面３ｅ，３ｆ（あるいは照明光軸Ｌ）に対して所定の角度をなすように傾いた４つの反射面３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ（表面反射面）と、を有している。以下、必要に応じて、相対的に面積の小さい透過端面を「小透過端面」３ｅ、相対的に面積の大きい透過端面を「大透過端面」３ｆと称する。

照明光軸Ｌ上に配置された第１光源部１からの光は四角錐台状反射体３の２つの透過端面（大透過端面３ｆと小透過端面３ｅ）を透過してＺ方向に進む。また、詳細は後述するが、照明光軸Ｌ上に位置しない２個の第２光源部２ａ，２ｂから射出された後、Ｘ軸に沿って進む光は、側面の反射面３ａ，３ｂでそれぞれ反射して、照明光軸Ｌと交わる方向に進む。そのため、３つの光源部１，２ａ，２ｂからの光は照明光軸Ｌ上で略一つに合成された光となって略同じ方向に進む光となる。したがって、四角錐台状反射体３としては、少なくとも照明光軸Ｌ上に位置しない光源部２ａ，２ｂの数（本実施形態では２個）以上の反射面を側面に備えることが必要である。

本実施形態の場合、第２光源部２ａ，２ｂが２個であるから反射面は２つあれば足りるが、図２に示す四角錐台状反射体３は４つの反射面３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを有している。これら４つの反射面は全て、当該反射面と対向する方向から見たときに大透過端面３ｆ側の辺が長く、小透過端面３ｅ側の辺が短い台形形状となっている。すなわち、大透過端面３ｆおよび小透過端面３ｅ（あるいは照明光軸Ｌ）に対して全ての反射面３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが所定の角度をもって傾いている。

特に、光源部の数が３個の場合に好適な光軸変換素子の構成例を図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示す。図３（Ａ）に示す反射体２３（光軸変換素子）は、４つの側面２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを有しており、第２光源部２ａ，２ｂに対向する側の２つの側面２３ａ，２３ｂは反射面であり、当該反射面と対向する方向から見たときに長方形状となっている。残りの２つの側面２３ｃ，２３ｄは、反射面として機能しない面であり、当該側面と対向する方向から見たときに大透過端面２３ｆ側の辺が長く、小透過端面２３ｅ側の辺が短い台形形状となっている。すなわち、大透過端面２３ｆおよび小透過端面２３ｅ（あるいは照明光軸Ｌ）に対して２つの反射面２３ａ，２３ｂのみが所定の角度をもって傾いている。図３（Ａ）の構成によれば、反射面２３ａ，２３ｂの面積を大きく取れるため、放熱性を向上させ易い。

あるいは、図３（Ａ）の反射体２３の変形例として、図３（Ｂ）に示す反射体３３では、反射面として機能しない２つの側面（上面および下面）３３ｃ，３３ｄに放熱フィン３４（放熱部材）がそれぞれ設けられている。この構成により、反射体３３の放熱性をより高めることができる。

光軸変換素子のその他の態様としては、図４（Ａ）に示す反射体４３を用いることができる。反射体４３は、照明光軸Ｌの方向に貫通する孔を有し、複数の反射面４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを外面とするテーパ形状を有する管状の反射体である。この反射体４３は、例えば一面が反射面とされた４枚の板体を貼り合わせることで製作できる。この反射体４３においては、光入射側および光射出側の板体の４つの辺によって作られる仮想的な面を「透過端面」と呼ぶことにする。すなわち、四角錐台状反射体４３を構成する４枚の板体の内側は照明光軸Ｌの延在方向に貫通する中空部となっており、符号４３ｅ，４３ｆで示した透過端面には物理的な界面が存在しない。

あるいは、図４（Ｂ）に示す反射体５３を用いることができる。反射体５３は、均質な透明媒質からなる四角錐台体の側面に反射面５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄを形成した、外形が多角錐台状の中実のプリズム状の反射体である。

あるいは、図４（Ｃ）に示す反射体６３を用いることができる。反射体６３は、均質な透明媒質からなる直方体の内部を四角錐台状に刳り抜き、内壁面に反射面６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄを形成した直方体状の反射体である。この反射体６３においても、符号６３ｅ，６３ｆで示した透過端面には物理的な界面が存在しない。

図４（Ａ）の反射体４３は、管状体で構成されているため、素子の軽量化や低コスト化に適している。また、反射体４３の透過端面４３ｅ，４３ｆに物理的な界面が存在しないため、第１光源部１からの光に対して界面反射等による光損失を低減できる。また、反射面４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄで発生した熱を放散し易く、耐熱性を高め易い。図４（Ｂ）および図４（Ｃ）の反射体５３，６３は、複数の反射面が一体的に形成されるため、反射面の設置精度を高めやすい。さらに、図４（Ｃ）の反射体６３は、全反射条件を満たすように反射面の設置角度を設定すれば、高い反射率が得られる、側面の反射面の面積を大きく取れるため放熱性を向上させやすい、等の特徴を有する。また、透過端面６３ｅ，６３ｆに物理的な界面が存在しないため、第１光源部１からの光に対して界面反射等による光損失を低減できる。

各反射体は、後述するように、光が集光する位置あるいはその極近傍に配置されるため、耐熱性に優れる、熱伝導率が高い、熱膨張率が低い等の特性を有する媒質で反射体を形成することが望ましく、サファイア、水晶、石英ガラス等の使用が好適である。さらに、図４（Ｂ）や図４（Ｃ）の反射体５３，６３のように、透明媒質を用いる場合には、高い透明性を有する媒質で反射体を形成することが望ましい。

各反射体の反射面には、誘電体多層膜、アルミニウム膜、銀膜等による反射膜が形成されており、光を高い効率で反射する。反射体は光が集光する位置あるいはその極近傍に配置されるため、反射膜としては耐熱性に優れたものが望ましく、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）や酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）とを交互に積層した多層膜はその点で好適である。なお、図４（Ｃ）の反射体６３で全反射条件を満たすように反射面を設置した場合には、それらの反射面に反射膜を形成する必要はない。
なお、図４（Ｂ）や図４（Ｃ）のように、物理的な透過端面を有する場合には、透過端面に誘電体多層膜等による減反射膜が形成されることが望ましい。

反射面には強度が非常に大きな光が集光するため、反射面には塵や埃を付着させないことが重要である。反射面に付着した塵や埃の燃焼によって、反射面が損傷し、反射性能の劣化や短寿命化の原因となるためである。したがって、塵や埃の付着を防止するために、反射体に清浄な冷却風を常に当てる、反射体を塵や埃が進入しない閉空間内に配置する等の方策が効果的である。具体的には、例えば６枚の透明平板によって密閉された直方体状の筐体を製作し、その内部に反射体を配置すればよい。

四角錐台状反射体３の設置位置について図１を用いて説明する。
四角錐台状反射体３は、第１光源部１による発光体の像（集光スポット）が小透過端面３ｅあるいはその近傍（すなわち光射出端またはその近傍）に位置するように設置されている。また、四角錐台状反射体３は、２個の第２光源部２ａ，２ｂによる２つの発光体の像（集光スポット）が各反射面３ａ，３ｂあるいはその近傍に位置するように設置されている。したがって、反射面３ａ，３ｂは集光スポットと同等以上の大きさであることが望ましい。

なお、第１光源部１による発光体の像（集光スポット）が小透過端面３ｅの端面よりも僅かに光源部側に位置するように設置しても良い。このような構成によれば、発光体の像（集光スポット）の位置と後述する合成レンズ４との間の距離を、第１光源部１と２個の第２光源部２ａ，２ｂとの間で略等しくできる。そのため、合成レンズ４から射出される合成光束の角度分布の広がりを抑えることができる。

ここで、第２光源部２ａ，２ｂからの光の光軸は反射面３ａ，３ｂで折れ曲がるため、説明の便宜上、反射面３ａ，３ｂで折れ曲がる前の光軸を（四角錐台状反射体３に光が入射する）入射光軸と称し、符号ａ１，ｂ１で示す。また、反射面３ａ，３ｂで折れ曲がった後の光軸を（四角錐台状反射体３から光が射出する）射出光軸と称し、符号ａ２，ｂ２で示す。

２個の第２光源部２ａ，２ｂは、その入射光軸ａ１，ｂ１が照明光軸Ｌに対して各々直交するように配置されている。また、３個の光源部１，２ａ，２ｂは、照明対象であるライトバルブ１１の長辺と照明光軸Ｌとを含む平面に対して概ね平行な略同一平面（図１におけるＸＺ平面）内に配置されている。これに対応させて、四角錐台状反射体３のＹ軸を挟んで略対向する２つの反射面３ａ，３ｂは、照明光軸Ｌに対して所定の角度、例えば４５度＋α／２度をなすように形成されている。そのため、反射面３ａ，３ｂで折り返された後の第２光源部２ａ，２ｂの射出光軸ａ２，ｂ２は、照明光軸Ｌと±αの角度をなす状態となる。一方、第１光源部１については、入射光軸、射出光軸のいずれもが照明光軸Ｌと略一致している。

なお、四角錐台状反射体３の反射面３ａ，３ｂが照明光軸Ｌに対してなす角は４５度＋α／２度に限定されるものではない。すなわち、第２光源部２ａ，２ｂの射出光軸ａ２，ｂ２が照明光軸Ｌと±αの角度をなすように、反射面３ａ，３ｂが照明光軸Ｌに対してなす角度や、反射面３ａ，３ｂで折り返される前の入射光軸ａ１，ｂ１が照明光軸Ｌとなす角度をそれぞれ適宜設定すればよい。

以上の配置により、四角錐台状反射体３の小透過端面３ｅには、第１光源部１の二次光源が形成される。四角錐台状反射体３の略対向する２つの反射面３ａ，３ｂには、対応する第２光源部２ａ，２ｂの二次光源が形成される。そして、それら二次光源から集光時と同じ角度を伴った発散光が射出される。３ヶ所の集光スポットから射出された発散光は合成レンズ４に入射し、各々の主光線に対して略平行光に変換され、合成光束となって射出される。合成レンズ４としては、発散光を平行化する際の光学収差を低減しやすい点で、非球面レンズや複数のレンズからなる複合レンズ等を用いることが望ましい。

ここで、上述したように、反射面３ａ，３ｂで折り返された後の射出光軸ａ２，ｂ２は照明光軸Ｌに対して±αの角度をなす。以下、αを合成角と称する。換言すると、射出光軸ａ２，ｂ２は所定の合成角αをもって照明光軸Ｌ、すなわち第１光源部１の射出光軸と交わる。これら第２光源部２ａ，２ｂの射出光軸ａ２，ｂ２と第１光源部１からの射出光軸とが交わる位置はインテグレータ部５を構成する第１レンズアレイ１５の入射面の近傍である。言い換えると、第２光源部２ａ，２ｂの射出光軸ａ２，ｂ２と第１光源部１からの射出光軸とが交わる位置は合成レンズ４の射出面の近傍である。このとき、３つの光源部１，２ａ，２ｂからの光は、第１レンズアレイ１５の入射面において略重畳された状態で入射される。逆に言えば、３つの光源部１，２ａ，２ｂからの光が第１レンズアレイ１５の入射面において略重畳されるように、第２光源部２ａ，２ｂの射出光軸ａ２，ｂ２の照明光軸Ｌに対する合成角が設定される。このような構成によれば、合成光束の小径化を実現できるため、第１レンズアレイ１５より後段側（投写レンズ１３側）の照明効率を高めやすく、インテグレータ部５を小型化できる。

なお、ここでは第２光源部２ａ，２ｂの射出光軸ａ２，ｂ２と第１光源部１からの射出光軸とが交わる位置を合成レンズ４の射出面の近傍としたが、この位置に限るものではない。射出光軸が交わる位置は、四角錐台状反射体３とライトバルブ１１との間であれば任意の位置に設定できる。例えば後述する第１レンズアレイ１５、第２レンズアレイ１６、重畳レンズ１７、平行化レンズ１８等の入射面または射出面等に設定しても良い。射出光軸が交わる位置が四角錐台状反射体３から離れるほど合成角αを小さくできるため、合成レンズ４から射出される合成光束の角度分布の広がりを狭くでき、合成レンズ４より後段側（投写レンズ１３側）の照明効率を高めやすい。

一方、照明光軸Ｌ上に位置する第１光源部１からの光に第２光源部２ａ，２ｂからの光を所定の合成角αで合成するため、図６に示すように、各光源部１，２ａ，２ｂから合成レンズ４に入射する光束に対する合成光束の角度分布は、各光源部１，２ａ，２ｂからの光束が合成される方向（この例ではＸ方向）において広がる。この角度分布の拡大は合成レンズより後段側での照明効率を低下させる原因となるため、合成光束の角度分布の拡大を抑えることが重要となる。

合成光束の角度分布の拡大を抑えるためには、射出光軸ａ２，ｂ２の照明光軸Ｌに対する合成角を小さくすることが必要となる。しかしながら、上述したように、発光ランプ７の発光体は有限の大きさを有するため、楕円面状のリフレクター８の第二焦点位置には、図５に示すような直径Ｗ０の集光スポットが形成され、この集光スポットの大きさによって合成角αは制約を受ける。すなわち、合成角αをある所定の値よりも小さくした場合には、四角錐台状反射体３の反射面３ａ，３ｂで反射されずに、対向する第２光源部２ａ，２ｂ方向に直進する光束が発生する。そのため、合成レンズ４の方向に進む光束量は減少し、照明効率は低下する。

しかしながら、図５に示すように、集光スポットにおける光強度分布はその径方向に非線形な強度分布形状を有する。そのため、ピーク強度の１０％〜２０％程度に光強度が低下する領域を除く直径Ｗ１を基にして合成角αを設定すれば、合成レンズ４の方向に進む光束量の減少を抑制しつつ、合成光束径を細くして合成レンズ４以降（投写レンズ１３側）における照明効率を高めることができる。

各光源部１，２ａ，２ｂから合成レンズ４に入射する光束および合成レンズ４から射出される合成光束は、図６に示すように、第１光源部１からの光の強度が最も強く、かつ、そのピーク強度位置は略照明光軸Ｌ上に位置する。そして、２つの第２光源部２ａ，２ｂからの光の強度は、射出光軸ａ２，ｂ２が合成角αで照明光軸Ｌと交わるため、角度−α、＋αがピーク強度位置となるように分布する。したがって、合成レンズ４からはそれらを合成した強度分布（２点鎖線で示す）を有する合成光束が射出される。すなわち、合成レンズ４から、照明光軸Ｌ上に大きなピーク強度を有し、照明光軸Ｌから離れるに従って光強度が小さくなる光が射出される。

合成レンズ４から射出された合成光束はインテグレータ部５に入射し、照明対象上での照度分布が略均一である光束に変換され、照明対象であるライトバルブ１１を照明する。インテグレータ部５は、主に第１レンズアレイ１５、第２レンズアレイ１６、重畳レンズ１７、平行化レンズ１８を備えて構成されている。第１レンズアレイ１５、第２レンズアレイ１６は各々同数のレンズをマトリックス状に配置してなる集光素子であり、第１レンズアレイ１５を構成する小レンズの焦点距離は第１レンズアレイ１５と第２レンズアレイ１６の間隔と略等しく、その輪郭形状は照明対象であるライトバルブ１１の表示領域と略相似形状となっている。第２レンズアレイ１６を構成する各伝達レンズの焦点距離は、第１レンズアレイ１５と照明対象（ライトバルブ１１）とが略共役関係となるように設定されている。また、各伝達レンズの輪郭形状は第１レンズアレイ１５の小レンズと同一としても良いが、適切に外形形状を変形したり、サイズを大型化して光利用効率を向上させても良い。

合成光束は第１レンズアレイ１５に入射して複数の部分光束に分割された後、第２レンズアレイ１６の対応する伝達レンズ内に集束し、各光源部の発光体の像（光源像）を形成する。第２レンズアレイ１６における光源像の形成状態を図７に模式的に示す。各伝達レンズには合成光束に対応した光源像が形成される。光源像の大きさやその輝度は第１レンズアレイ１５の対応する小レンズに各光源部１，２ａ，２ｂから入射する光束の立体角や光強度に対応するため、伝達レンズの第２レンズアレイ１６上の位置に応じて変化する。なお、合成レンズ４と第１レンズアレイ１５とを一体化しても良く、その場合にはレンズ界面を削減できるため、界面での光反射損失の低減による光利用効率の向上を実現できる。

そして、図６で説明したように、合成光束の角度分布は各光源部１，２ａ，２ｂからの光束が合成される方向（この場合はＸ方向）に広がるため、第２レンズアレイ１６に形成される光源像もその方向（Ｘ方向）に広がった形状となる。
なお、図７では判り易くするために、３個の各光源部１，２ａ，２ｂからの光束と対応させて３種類の光源像を描いているが、実際には、第２レンズアレイ１６の（照明光軸Ｌから離れた）周辺部を除けば、各光源部に対応する光源像は重なりＸ軸方向に細長い一つの光源像となる。

すなわち、第２レンズアレイ１６を光源側から見た場合に、各伝達レンズのやや左側（−Ｘ方向）には第２光源部２ｂからの光束による光源像が形成され、同中央部には第１光源部１からの光束による光源像が形成され、同やや右側（＋Ｘ方向）には第２光源部２ａからの光束による光源像が形成される。ここで、形成される光源像の大きさや輝度分布は、第２レンズアレイ１６内を通過する光の角度分布や強度分布を反映している。したがって、射出光軸ａ２が照明光軸Ｌと＋αの合成角で交わる第２光源部２ａからの光束によって形成される光源像群においては、最も輝度の高い光源像は照明光軸Ｌの右側（例えばＧ２ａの位置）に形成される。同様に、第２光源部２ｂからの光束によって形成される光源像群においては、最も輝度の高い光源像は照明光軸Ｌの左側（例えばＧ２ｂの位置）に形成される。第１光源部１からの光束によって形成される光源像群においては、最も輝度の高い光源像は照明光軸Ｌ上（Ｇ１の位置）に形成される。なお、これらの光源像は離散的に形成され、その形成位置は第１レンズアレイ１５を構成するレンズの数や配置形態に依存するため、図７で示した矢印の位置（Ｇ１，Ｇ２ａ，Ｇ２ｂ）と上述の最も輝度の高い光源像の位置とは必ずしも一致しない。

第２レンズアレイ１６から射出された複数の部分光束は、重畳レンズ１７によって進行方向を変えられ、平行化レンズ１８を経て照明対象であるライトバルブ１１に入射する。そして、ライトバルブ１１で変調された光は、投写光となって投写レンズ１３（投写光学系）に入射し、スクリーン２０上に伝達される。なお、適切に偏心した伝達レンズを第２レンズアレイに用いれば、重畳レンズを省略することができる。

ここで、第２レンズアレイ１６と投写レンズ１３内の瞳面とは略共役関係にある。そのため、図８に模式的に示すように、瞳面には第２レンズアレイ１６に形成された光源像群と対応した光源像群が形成される。なお、図８は瞳面を投写レンズ１３の射出側から見た場合を示している。また、破線で示した長方形状のセルは第２レンズアレイ１６の伝達レンズを仮想的に示している。ここでも、形成される光源像の大きさや輝度の分布は、投写レンズ１３の瞳面位置を通過する光の角度分布や強度分布を反映していることから、瞳面を通過する光の強度分布は、概ね図９に示すような分布となる。

一般的に投写レンズの結像性能は投写光軸の近傍で高く、投写光軸から離れるにしたがって低下する。ここで、図９から判るように、投写光軸Ｌ上の光強度が最も強く、投写光軸Ｌを略中心とした領域に集中していることから、本実施形態の照明光学系１０によれば、投写レンズ本来の結像性能を発揮し易く、表示画像の画質劣化を招き難い光強度分布を実現していると言える。なお、照明光軸Ｌと投写光軸Ｌとは本来同一の光軸であるが、本明細書では、便宜上、この光軸を照明装置側においては照明光軸、投写レンズ側においては投写光軸と各々呼称している。

投写レンズ１３の瞳径としては、全ての発光体の像（光源像）を包含する大きさであることが望ましく、よって、図８に符号Ｔ２で示す円の径であることが理想的である。しかし、投写光軸Ｌの周辺部ほど発光体の像（光源像）が小さいことから判るように、投写光軸Ｌの周辺部を通過する部分光束はその強度が弱く光量が少ない。したがって、符号Ｔ１で示す円の径に対応する瞳径に設定すれば、光損失を抑えつつ、投写レンズ１３を小型化、低コスト化できる。

以上、本実施形態の照明光学系１０によれば、複数の光源部１，２ａ，２ｂからの光の合成に際して四角錐台状反射体３を用いることにより、複数の光源部１，２ａ，２ｂの照明光軸Ｌ，ａ，ｂをインテグレータ部５近傍で互いに交わる状態とすることができる。また、複数の光源部１，２ａ，２ｂの照明光軸Ｌ，ａ，ｂを、投写レンズ１３の瞳位置では互いに近接した状態とすることができる。これにより、各光源部１，２ａ，２ｂからの光束によって形成された合成光束によって、その略中心に最大強度を有し角度分布の広がりも抑えた照明光を生成できる。

また、このような照明光を利用したプロジェクタ１００によれば、角度分布の広がりが抑えられていることから、高い光利用効率を実現できる。また、投写レンズ１３の瞳面に形成される多数の光源像が投写光軸Ｌを略中心とした領域に集中し、かつ略対称な状態となっているため、投写レンズ本来の結像性能を発揮し易く、照度ムラや色ムラが少ない均一性に優れた表示画像を実現できる。さらに、一つあるいは二つの光源部が不点灯となった場合でも、大きな照度ムラを生じることが無く、使い勝手の向上を実現できる。

なお、本実施形態では３個の光源部を備えたプロジェクタを例示したが、本実施形態の四角錐台状反射体３を用いた場合、Ｙ軸方向に更に２つの第２光源部を配置することができ、合計５個の光源部からの光をＺ方向に進む光に変換できる。勿論、反射体の側面に形成される反射面の数は４つに限定されない。例えば、照明光軸Ｌ上に位置しない光源部の数が６個の場合には六角錐台状反射体を、光源部の数が８個の場合には八角錐台状反射体を使用すれば良い。また、光源部の数を本実施形態の３個よりも増やす場合には、ライトバルブ１１の長辺と照明光軸Ｌとを含む平面に過半数以上の光源部を配置することが、照明効率を向上させ易い点で望ましい。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態を図１０を参照して説明する。
図１０は、本発明に係る照明光学系を備えたプロジェクタ１１０の構成例を示す図である。なお、図１０において、第１実施形態の図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態の照明光学系３０が第１実施形態（図１）の照明光学系と異なる点は、図１０に示すように、照明光軸Ｌ上に位置しない２つの第２光源部２ａ，２ｂを第１光源部１の側方に隣接させて配置し、第２光源部２ａ，２ｂからの光を反射ミラー２２（第２光源部用光軸変換素子）でそれぞれ反射させて四角錐台状反射体３に導いていることである。反射ミラー２２で反射する前の第２光源部２ａ，２ｂの入射光軸ａ１，ｂ１が第１光源部１の入射光軸と平行となるように第２光源部２ａ，２ｂを配置しても良いし、第２光源部２ａ，２ｂの入射光軸ａ１，ｂ１が第１光源部の入射光軸と必ずしも平行にならなくても良い。

反射ミラー２２としては、不要な紫外光や赤外光を透過させ、必要な光のみを反射させるダイクロイックミラー（コールドミラー）とすることが望ましい。これにより、四角錐台状反射体３や各種レンズ等での発熱を抑制でき、場合によっては光源部２ａ，２ｂの射出側のＵＶ／ＩＲカットフィルター９を不要とできる。勿論、反射ミラー２２としてフィルター機能を持たないミラーを用いても良い。

本実施形態のプロジェクタ１１０においては、反射ミラー２２を介在させることで３個の光源部１，２ａ，２ｂの配置方向を揃えられる。そのため、３個の光源部１，２ａ，２ｂに対して冷却装置を１箇所、具体的には例えばリフレクター８の後方側に設置し、冷却風が流れる方向を揃えることができる。これにより、冷却風の流れがスムーズになり、冷却装置の小型化、冷却効率の向上、冷却時のファンなどの騒音低減、等を実現できる。勿論、第２光源部２ａ，２ｂとともに、第１光源部１からの光を反射ミラーで反射させて照明光軸Ｌ上に導く構成としても良い。

［第３実施形態］
以下、本発明の第２実施形態を図１１〜図１３を参照して説明する。
図１１は、本発明に係る照明光学系を備えたプロジェクタ１２０の構成例を示す図である。なお、図１１において、第１実施形態の図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１１に示す本実施形態の照明光学系４０が図１に示す第１実施形態の照明光学系１と異なる点は、偏光変換光学系としての偏光分離プリズムアレイ２４（ＰＢＳアレイ）と１／２波長板２５を備えていることである。なお、偏光変換光学系は、第２レンズアレイの伝達レンズとのサイズ等の関係も含めて公知の技術であるため、偏光変換光学系の詳細な説明は省略し、光源部と偏光分離方向との関係について説明する。

偏光分離プリズムアレイ２４（ＰＢＳアレイ）と１／２波長板２５の構成例を図１２に示す。ここで、偏光分離プリズムアレイ２４における偏光分離方向は、３つの光源部１，２ａ，２ｂが配置された平面と直交する方向に設定される。ここで、偏光分離プリズムアレイ２４における偏光分離方向とは、一対の偏光分離面と反射面とが配列された方向（図１２ではＹ軸方向）のことである。また、３つの光源部１，２ａ，２ｂが配置された平面とは、各光源部１，２ａ，２ｂからの光束が合成される方向のことである。なお、光源部の数が３よりも多い場合には、過半数以上の光源部が配置される平面と直交する方向に偏光分離プリズムアレイ２４における偏光分離方向を設定することが、照明効率を向上させ易い点で望ましい。

合成レンズ４から射出された合成光束は偏光変換光学系によって略１種類の偏光光束に変換され、照明対象であるライトバルブ１１に入射する。画像表示に際して偏光を扱う必要がある液晶表示素子をライトバルブ１１として用いる際には、偏光変換光学系の採用は光利用効率を向上できる点で効果的である。

ここで、投写レンズ１３の瞳面における光源像群の形成状態を模式的に図１３に示す。図１３は瞳面を投写レンズ１３の射出側から見た場合を示している。破線で示す長方形状のセルは第２レンズアレイ１６の伝達レンズを仮想的に示している。瞳面には各光源部１，２ａ，２ｂに対応する発光体の像（光源像）として、偏光分離プリズムアレイ２４の偏光分離面を透過した偏光による発光体の像（Ｐ偏光による光源像）と同偏光分離面で反射されて１／２波長板２５で偏光方向を変換された偏光による発光体の像（Ｓ偏光からＰ偏光に変換された偏光による光源像）が対になって偏光分離方向（Ｙ軸方向）に形成される。

偏光分離プリズムアレイ２４を用いた偏光変換光学系では、第１レンズアレイ１５で生成した部分光束のそれぞれを更に偏光方向の違いによって空間的に分離する必要がある。一方、本実施形態に係る照明光学系４０では、図１３に示したように、光源部１，２ａ，２ｂの数に対応する複数の種類の部分光束が各光源部１，２ａ，２ｂからの光束が合成される方向に並んで形成される。なお、図１３では判り易くするために、３種類の部分光束を分離して描いている。そのため、上述したように、偏光分離プリズムアレイ２４による偏光分離方向を光束の合成方向と直交する方向に設定すれば、光源部の数に起因して生成する部分光束とそれらを偏光分離して生成する部分光束を互いに近接させられるため、第２レンズアレイ１６や偏光分離プリズムアレイ２４での部分光束の蹴られ（ケラレ）が少なくなり、光利用効率を向上できる。

以上、本実施形態の照明光学系４０によれば、第１実施形態の照明光学系で得られる効果に加えて、光源部１，２ａ，２ｂから射出される非偏光な光を特定の偏光状態を有する光に変換する偏光変換光学系を備えているため、偏光を扱う必要がある液晶表示素子を備えたプロジェクタにおいては非常に高い光利用効率を実現できる。また、複数の光源部１，２ａ，２ｂの配置関係を考慮して、偏光変換光学系における偏光分離方向を適切に設定しているため、高い光利用効率を実現できる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態では反射体として四角錐台状反射体を例示したが、必ずしも四角錐台状反射体に限ることはなく、第１光源部からの光を照明光軸上に透過させ、第２光源部からの光を、その射出光軸が第１光源部からの射出光軸と交わる方向に反射させる機能を有していさえすれば、外形形状は多角錐台状反射体でなくても良い。例えば、円錐台の湾曲した側面の一部を切り欠いて平坦面とし、その平坦面を反射面としても良い。

また、第１光源部１は必ずしも照明光軸Ｌ上に配置する必要はない。例えば、図１４（Ａ）に示すように、上記実施形態と同様の反射体３の光入射側に偏角プリズム１３１（第１光源部用光軸変換素子）を隣接させて配置しても良い。この場合、図１４（Ａ）には図示しないが、第１光源部１を照明光軸Ｌ上から外れた位置に配置し、照明光軸Ｌと第１光源部１の照明光軸ｃとが９０度以外の角度で交わるように、照明光軸Ｌに対して第１光源部１の照明光軸ｃを傾けて配置する。この構成においては、第１光源部１からの光が偏角プリズム１３１の入射端面１３１ａに入射する際に屈折した後、反射体３から照明光軸Ｌに沿って射出されるように、照明光軸Ｌに対する第１光源部１の照明光軸ｃの傾きを設定する。これにより、第１光源部１からの光は、照明光軸Ｌに対して所定の合成角を有する２つの第２光源部２ａ，２ｂからの光とともに略同一方向に進み、これらの光が略一つに合成された光となる。

あるいは、図１４（Ｂ）に示すように、上記実施形態と同様の反射体３の光入射側に反射プリズム１３３（第１光源部用光軸変換素子）を隣接させて配置しても良い。この場合、例えば照明光軸Ｌと第１光源部１の照明光軸ｃとが略直角に交わるように第１光源部１を配置する。この構成においては、第１光源部１からの光は反射プリズム１３３の入射端面１３３ａを透過し、全反射面１３３ｂで反射した後、反射体３から照明光軸Ｌに沿って射出される。これにより、第１光源部１からの光は、照明光軸Ｌに対して所定の合成角を有する２つの第２光源部２ａ，２ｂからの光とともに略同一方向に進み、これらの光が略一つに合成された光となる。
なお、照明光軸Ｌと照明光軸ｃとは直角以外の角度で交わる構成としても良い。反射プリズムに入射した光は全反射面１３３ａへの入射角が全反射条件を満たす場合に全反射を生じる。そのため、その入射角を大きくして全反射を生じるように反射プリズム１３３の形状や照明光軸ｃの配置を設定することが好ましい。

図１４（Ａ）や図１４（Ｂ）の構成によれば、第１光源部１を照明光軸Ｌ上に配置しなくて済むため、第１光源部１の配置場所の自由度が向上し、照明光軸Ｌに沿う方向の照明装置の寸法を小さくできる場合がある。
なお、図１４（Ｂ）の構成において、反射体３の光入射側に反射プリズム１３３を設置することに代えて、反射プリズム１３３の全反射面１３３ｂの位置に反射ミラーを配置しても良い。この場合も上記と同様の効果が得られる。

また、上記実施形態では、光軸変換素子として、複数の第２光源部からの光を、最初に入射する側面で表面反射させてその光軸を照明光軸Ｌと交わる方向に変換する反射体の例を挙げたが、その構成に限るものではない。例えば複数の第２光源部からの光を、最初に入射する側面で透過させた後に他の側面で全反射させ、その光軸を照明光軸と所定の角度（この角度は合成角に等しい）をなす方向に変換する光軸変換素子を用いても良い。もしくは、複数の第２光源部からの光を内部で屈折させてその光軸を照明光軸と所定の角度（この角度は合成角に等しい）をなす方向に変換する光軸変換素子を用いても良い。
以下、これらの構成を反映した実施形態について説明する。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態を図１５〜図１７を参照して説明する。
図１５は、本発明に係る照明装置を備えたプロジェクタの構成例を示す図である。図１５に示すプロジェクタの全体構成は図１に示す第１実施形態のプロジェクタと略共通であり、主な相違点は照明装置の光軸変換素子の構成である。したがって、図１５において、第１実施形態の図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１６（Ａ）、（Ｂ）は本実施形態の照明装置１４０に用いる光軸変換素子１３５を示す図である。この図に示すように、本実施形態の光軸変換素子１３５は、ガラス、樹脂、結晶等の透光性の材質からなる中実の透明体である。光軸変換素子１３５は四角錐台状の形状を有しており、６つの面１３５ａ〜１３５ｆの全てに誘電体多層膜等による反射防止膜が形成されている。光軸変換素子１３５は２つの透過端面を有しており、相対的に面積が小さい小透過端面１３５ｅが第１光源部１に近い側、相対的に面積が大きい大透過端面１３５ｆが第１光源部１から遠い側に配置される。小透過端面１３５ｅと大透過端面１３５ｆとは互いに平行な配置関係にあり、照明光軸Ｌと略直交する１組の平行平面を構成する。また、４つの側面１３５ａ〜１３５ｄは光軸変換素子１３５の略中心を通る軸に対して所定の角度をなすように配置されている。換言すると、各側面１３５ａ〜１３５ｄは、各側面１３５ａ〜１３５ｄの法線が照明光軸Ｌと光軸変換素子１３５の射出側（小透過端面１３５ｅよりも投写レンズ１３側）で交わるように傾斜させて配置されている。

図１５に示すように、照明光軸Ｌ上に位置する第１光源部１からの光は小透過端面１３５ｅから入射し、進行方向を変えることなく大透過端面１３５ｆから照明光軸Ｌに沿って射出される。一方、照明光軸Ｌ上に位置しない第２光源部２ａ，２ｂからの光は、図１６（Ｂ）に示すように、第２光源部２ａ，２ｂの入射光軸ａ１，ｂ１上に位置する側面１３５ａ，１３５ｂから入射し、その入射時に屈折して僅かに進行方向を変える。そして、第２光源部２ａ，２ｂからの光は、入射した側面１３５ａ，１３５ｂと相対する側面１３５ｂ，１３５ａで全反射して更に大きく進行方向を変えた後、大透過端面１３５ｆから射出光軸ａ２，ｂ２が照明光軸Ｌに対して所定の角度をなすように射出される。換言すると、第２光源部２ａ，２ｂからの光が大透過端面１３５ｆから照明光軸Ｌに対して所定の角度（この角度は合成角に等しい）をなす方向に射出されるように、２つの側面１３５ａ，１３５ｂと第２光源部２ａ，２ｂの入射光軸ａ１，ｂ１との配置関係が設定されている。これにより、異なる方向から光軸変換素子１３５に入射した複数の光源部１，２ａ，２ｂからの光は、互いに接近した状態で一つの大透過端面１３５ｆから射出される。このとき、第２光源部２ａ，２ｂの射出光軸ａ２，ｂ２と照明光軸Ｌとのなす角度が小さいため、複数の光源部１，２ａ，２ｂからの光は、照明光軸Ｌ上で略一つに合成された光となる。

光軸変換素子１３５では、側面１３５ａから入射した光のうち、側面１３５ｂへの入射角が全反射条件を満たす光のみが側面１３５ｂで全反射する。同様に、側面１３５ｂから入射した光のうち、側面１３５ａへの入射角が全反射条件を満たす光のみが側面１３５ａで全反射する。全反射を生じる入射角は光軸変換素子１３５を構成する透明体の屈折率が高いほど小さくなるため、屈折率が高い材質を用いて光軸変換素子１３５を形成することが望ましい。このような光軸変換素子１３５とすれば、照明光軸Ｌと側面１３５ａ，１３５ｂとのなす角度を小さくできるため、光軸変換素子１３５の寸法（特にＸ方向の寸法）を小さくできる。

光軸変換素子１３５は、照明光軸Ｌ上に位置しない第２光源部２ａ，２ｂの数と少なくとも同数以上の側面を備えることが必要であり、全体として３個以上の光源部からの光を合成することができる。また、本実施形態の光軸変換素子１３５は、奇数個（本実施形態では３個）の光源部からの光を合成する構成に適している。すなわち、本実施形態の光軸変換素子１３５の構成では側面１３５ａ〜１３５ｄの形状を全て同一にできるため、素子の加工が比較的容易になる。また、合成光としては角度分布や強度分布の空間対称性が高い方が利用しやすいため、その観点から、対応する光源部の数は奇数個であることが望ましい。例えば、図１６（Ａ）に示す本実施形態の光軸変換素子１３５は、５つの光源部からの光束を合成する場合にも利用できる。この場合、照明光軸Ｌを中心とした対称な位置に４つの第２光源部を配置すれば良く、光源部を配置しやすい。

また、本実施形態のように３つの光源部からの光束を合成するだけであれば、図１７に示すように、光源部からの光束が入射する側面１３７ａ，１３７ｂを光源部からの光束が入射しない側面１３７ｃ、１３７ｄに対して大型化し、小透過端面１３７ｅのＹ方向の寸法を大透過端面１３７ｆのＹ方向の寸法と合わせた構成としても良い。この場合、光軸変換素子１３７が相対する平行平面を２組備えた形状となるため、素子の加工が容易になる。また、光軸変換素子の帯熱に着目すると、図１７に示す光軸変換素子１３７は、図１６（Ａ）に示す光軸変換素子１３５に比べて表面積が大きいため、放熱しやすく、耐熱性を向上できる。

次に、光軸変換素子１３５の設置位置について図１５を用いて説明する。
各光源部１，２ａ，２ｂからの光束は、集束して発光体の像（集光スポット）を形成した後には発散していくため、光束径が小さくなっている段階で光軸変換素子１３５を用いることが望ましい。この観点から、光軸変換素子１３５は、照明光軸Ｌ上に位置しない２つの第２光源部２ａ，２ｂによる２つの集光スポットが光軸変換素子１３５の内部に形成され、照明光軸Ｌ上に位置する第１光源部１による集光スポットができるだけ光軸変換素子１３５の小透過端面１３５ｅの極近傍に形成され、各集光スポットから合成レンズ４までの光学距離ができるだけ一致するような位置に設置されることが望ましい。また、小透過端面１３５ｅ、大透過端面１３５ｆ、側面１３５ａ〜１３５ｄの大きさは、そこに入射する光束を遮らないように光束径と同等以上の寸法に設定される。このような配置や構成により、合成光束を生成する段階での効率を高められ、合成光束の角度分布の広がりを小さくできる。

本実施形態のプロジェクタ２００においても、照明装置１４０から射出される光の角度分布の広がりが抑えられていることから、高い光利用効率を実現できる、といった上記実施形態と同様の効果が得られる。また本実施形態のように、全反射を利用して光の進行方向を変える機能を備えた光軸変換素子１３５を使用する場合、光が入射する側の端面では極僅かの光反射によって光損失を生じるものの、全反射が生じる側面では光損失をほとんど生じない。そのため、光軸変換素子１３５を構成する透明体の光吸収が極僅かであれば、光軸変換素子１３５はほとんど帯熱することがない。よって、非常に強い光を入射させた場合にも長期にわたって高い耐久性を維持できる。

なお、本実施形態において、第２光源部２ａ，２ｂからの光が光軸変換素子１３５の側面１３５ａ，１３５ｂの法線に沿って入射する場合は、その光が光軸変換素子１３５の側面１３５ａ，１３５ｂに入射する際に屈折が生じないため、進行方向が変わらない。第２光源部２ａ，２ｂと光軸変換素子１３５とがこのような位置関係にあっても良い。また、本実施形態の場合も、光軸変換素子１３５の入射側に図１４（Ａ）、（Ｂ）に示したような偏角プリズムや反射プリズムを設置し、第１光源部１を照明光軸Ｌ上に配置しない構成としても良い。

［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態を図１８〜図２０を参照して説明する。
図１８は、本発明に係る照明装置２５０を備えたプロジェクタ４００の構成例を示す図である。図１９（Ａ）、（Ｂ）は本実施形態で用いる光軸変換素子２５１の構成を示す図であり、図１９（Ａ）が斜視図、図１９（Ｂ）が平面図である。
図１８に示すプロジェクタの全体構成は図１に示す第１実施形態のプロジェクタと略共通であり、主な相違点は照明装置の光軸変換素子の構成である。したがって、図１８において、第１実施形態の図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態の光軸変換素子２５１は、図１８に示すように、入射した光を内部で屈折させ、光軸の位置やその方向を変換して射出させる光学素子で構成されている。また、光軸変換素子２５１の光入射側には反射ミラー２５２（第２光源部用光軸変換素子）が設置されている。反射ミラー２５２は、第２光源部２ａ，２ｂからの光を反射してその光軸を曲げ、光軸変換素子２５１に対して入射させるためのものである。本実施形態では、反射ミラー２５２を介して第２光源部２ａ，２ｂからの光を光軸変換素子２５１に入射させる構成とすることで、第２光源部２ａ，２ｂの設置場所の自由度を高めている。したがって、例えば第１光源部１と２つの第２光源部２ａ，２ｂとが互いに物理的に干渉することなく配置できる場合には、必ずしも反射ミラー２５２を用いなくても良い。

以下、光軸変換素子２５１について説明する。
本実施形態の光軸変換素子２５１は、図１９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ガラス、樹脂、結晶等の透光性の材質からなる中実の透明体で構成されている。光軸変換素子２５１は、全部で１０個の面を有しており、そのうちの４つの面２５１ｄ１，２５１ｄ２，２５１ｅ１，２５１ｅ２は光の透過に寄与しない面である。残りの６つの面２５１ａ１，２５１ａ２，２５１ｂ１，２５１ｂ２，２５１ｃ１，２５１ｃ２は、光源部１，２ａ，２ｂの数と一致した３組の互いに平行な一対の面（平行平面）である。以下、説明の便宜上、面２５１ａ１，２５１ａ２からなる１組の平行平面を第１平行平面２５１ａ、面２５１ｂ１，２５１ｂ２からなる１組の平行平面を第２平行平面２５１ｂ、面２５１ｃ１，２５１ｃ２からなる１組の平行平面を第２平行平面２５１ｃと記す。

照明光軸Ｌと垂直に交わる１組の第１平行平面２５１ａの両側に２組の第２平行平面２５１ｂ，２５１ｃが形成されている。２組の第２平行平面２５１ｂ，２５１ｃは、各第２平行平面２５１ｂ，２５１ｃの法線が照明光軸Ｌと光軸変換素子２５１の射出側で交わるように照明光軸Ｌに対して傾斜させて配置されている。第１平行平面２５１ａは、第１光源部１からの光を入射させる入射端面２５１ａ１と、第１光源部１からの光を射出させる射出端面２５１ａ２とで構成されている。第２平行平面２５１ｂ，２５１ｃの各々は、第２光源部２ａ，２ｂの各々からの光を入射させる入射端面２５１ｂ１，２５１ｃ１と、第２光源部２ａ，２ｂの各々からの光を射出させる射出端面２５１ｂ２，２５１ｃ２とで構成されている。そして、これら６つの面２５１ａ１，２５１ａ２，２５１ｂ１，２５１ｂ２，２５１ｃ１，２５１ｃ２は、その表面に反射防止膜が施されていることが望ましい。

ここで、第２平行平面２５１ｂ，２５１ｃに対して第２平行平面２５１ｂ，２５１ｃの法線から外れた方向から光が入射すると、光は入射光軸ａ１，ｂ１に対して所定の方向に平行にシフトし、入射時の進行方向を維持した状態で射出される。シフトする方向は第２平行平面２５１ｂ，２５１ｃの照明光軸Ｌに対する傾斜方向に依存し、シフト量は第２平行平面２５１ｂ，２５１ｃの法線に対する入射角度、第２平行平面２５１ｂ，２５１ｃを構成する２つの面の間隔、および光軸変換素子２５１を構成する材料の屈折率に依存する。したがって、照明光軸Ｌ上に位置する第１光源部１からの光束は、第１平行平面２５１ａの法線に沿って入射し、進行方向を変えることなく照明光軸Ｌに沿って射出される。一方、照明光軸Ｌ上に位置しない第２光源部２ａ，２ｂからの光束は、反射ミラー２５２で反射した後に入射光軸ａ１が照明光軸Ｌに対して所定の角度α（この角度は合成角に等しい）をなすように配置されている場合、第２平行平面２５１ｂ，２５１ｃの入射端面２５１ｂ１，２５１ｃ１から入射し、光束の位置が照明光軸Ｌ寄りにシフトして、照明光軸Ｌに対して入射時と同一の角度αをなすように射出端面２５１ｂ２，２５１ｃ２から射出される。
なお、本実施形態以降の説明においては、第２光源部からの光が光軸変換素子に入射する前の光軸を入射光軸と称し、符号ａ１，ｂ１で示す。また、第２光源部からの光が光軸変換素子から射出された後の光軸を射出光軸と称し、符号ａ２，ｂ２で示す。

すなわち、第２光源部２ａ，２ｂからの光束を、照明光軸Ｌに対して所定の角度で配置された第２平行平面１５１ｂ，１５１ｃを通過させることによって、２次光源である集光スポットの位置を照明光軸Ｌ寄りに近付けることができる。このことは、第１光源部１から物理的に離れた位置にある第２光源部２ａ，２ｂを光学的に第１光源部１に近接して配置したことと等価になる。これにより、光軸変換素子１５１に入射した複数の光源部１，２ａ，２ｂからの光束は、互いに近接した状態で射出され、照明光軸Ｌ上で略一つに合成された光束となる。

本実施形態のプロジェクタ４００においても、照明装置２５０から射出される光の角度分布の広がりが抑えられていることから、高い光利用効率を実現できる、といった上記実施形態と同様の効果が得られる。

本実施形態の光軸変換素子２５１において、２つの第２光源部２ａ，２ｂの入射光軸ａ１，ｂ１は、光軸変換素子２５１の略中心を通る第１光源部１の照明光軸（すなわち照明光軸Ｌ）に対して所定の角度αをなすように設定されている。そのため、２つの第２光源部２ａ，２ｂからの光束を反射ミラー２５２で反射させて光軸変換素子２５１に導く構成とし、光源部１，２ａ，２ｂ間の物理的な干渉が生じにくい構成とした。ここで用いる反射ミラー２５２としては、不要な紫外光や赤外光を透過させ、必要な可視光のみを反射させるコールドミラーとすることが望ましい。これにより、光軸変換素子２５１やそれ以降の光学素子等での発熱を抑制できる。第２光源部２ａ，２ｂからの光束の進行方向を変える手段としては、反射ミラー２５２に代えて、全反射作用を利用できる反射プリズムを用いても良い。

また、光源部１，２ａ，２ｂからの光束は集束して発光体の像（集光スポット）を形成した後には発散していくため、光束径が小さくなっている段階で光軸変換素子２５１を用いることが望ましい。光軸変換素子２５１に入射する光束および光軸変換素子２５１から射出する光束は、集光スポットの部分を含めて有限の寸法を有するため、それらの光束を遮らないように入射端面２５１ａ１，２５１ｂ１，２５１ｃ１や射出端面２５１ａ２，２５１ｂ２，２５１ｃ２の開口寸法を設定する必要がある。この観点から、光源部１，２ａ，２ｂによる集光スポットが光軸変換素子２５１の内部に形成されるような配置で光軸変換素子２５１を用いることが望ましい。また、各光源部１，２ａ，２ｂによって形成される集光スポットから合成レンズ４までの光学距離が略一致するように、各光源部１，２ａ，２ｂの配置や光源部１，２ａ，２ｂからの集束光束の集束度を設定することが望ましい。このような構成を採用すれば、合成光束の平行性を高められるとともに光束径を小さくでき、合成レンズ以降の光学系における光利用効率を高められる。

また、本実施形態の光軸変換素子２５１では、２つの第２平行平面２５１ｂ，２５１ｃが照明光軸Ｌを中心として対称に配置されているが、この配置に限定されず、２つの第２平行平面２５１ｂ，２５１ｃが非対称に配置されていても良い。その場合には、第２光源部２ａ，２ｂの設置位置の自由度を高められる。また、本実施形態では、反射ミラー２５２も照明光軸Ｌに対して対称に配置したが、この配置に限定されず、第２光源部２ａ，２ｂの位置に対応させて非対称に配置されていても良く、例えば、２つの第２光源部２ａ，２ｂのいずれか一方の入射光軸ａ１，ｂ１上のみに設けても良い。

さらに、本実施形態の光軸変換素子２５１では３つの光源部からの光束を合成する構成としたが、光源部の数は３つに限定されることはなく、４つ以上であっても良い。その場合、照明光軸Ｌに対してその法線が斜めに配置された平行平面（本実施形態における第２平行平面２５１ｂ，２５１ｃ）を、照明光軸Ｌ上に位置しない第２光源部の数と少なくとも同数以上備えていることが必要である。ただし、合成光束としては、角度分布や強度分布の空間対称性が高い方が利用しやすい光束であるため、対応する光源部の数は奇数個であることが望ましい。

本実施形態の光軸変換素子２５１は３つの平行平面２５１ａ，２５１ｂ，２５１ｃによって構成されているため、その形状加工が比較的容易である。また、この光軸変換素子２５１を用いた照明装置２５０では、光軸変換素子２５１から射出される第２光源部２ａ，２ｂからの光束の射出角度を第２光源部２ａ，２ｂの設置角度によって調整できる。そのため、射出角度を調整する場合にも同じ光軸変換素子２５１を使用でき、照明装置２５０を構成しやすい。また、第２光源部２ａ，２ｂから反射ミラー２５２に入射する光の入射光軸ａ１，ｂ１と反射ミラー２５２の法線とがなす角度は４５度よりも大きくなるため、反射ミラー２５２における反射率を高めやすく、光利用効率を向上できる。

なお、本実施形態の光軸変換素子２５１に代えて、第１光源部１を照明光軸Ｌ上に配置し、第１光源部１からの光束を偏角する必要がない場合には、図２０に示すように、図１９（Ｂ）に示す光軸変換素子２５１のうち、第１光源部１からの光束が透過する第１平行平面２５１ａに相当する部分を削除して照明光軸Ｌの延在方向に貫通する中空部２６３とした光軸変換素子２６１を用いても良い。第２光源部２ａ，２ｂからの光束は、面２６１ｂ１，２６１ｃ１から入射し、光束の位置が照明光軸Ｌ寄りにシフトして、面２６１ｂ２，２６１ｃ２から照明光軸Ｌと平行な方向に射出される。

この構成においては、第１平行平面２５１ａのうち、第１光源部１からの光束が透過する部分の近傍のみを開口して中空部とし、第２光源部２ａ，２ｂからの光束が透過する両側の部分は一体となった光軸変換素子でも良いし、第１平行平面２５１ａの全てを削除して第２光源部２ａ，２ｂからの光束が透過する２つの部分が別体となった光軸変換素子でも良い。ただし、光源部１，２ａ，２ｂとの位置合わせ等の取り扱いのし易さの点では前者を用いる方が望ましい。
本構成の光軸変換素子２６１によれば、図１９（Ａ）、（Ｂ）に示す光軸変換素子２５１の構成に比べて、第１光源部１からの光束が透過する物理的な界面の数が減るため、界面での光損失が減り、光軸変換素子２６１での光利用効率を高められる。

［第６実施形態］
以下、本発明の第６実施形態を図２１〜図２２を参照して説明する。
図２１は、本発明に係る照明装置１５０を備えたプロジェクタ３００の構成例を示す図である。図２２（Ａ）、（Ｂ）は本実施形態で用いる光軸変換素子１５１の構成を示す図であり、図２２（Ａ）が斜視図、図２２（Ｂ）が平面図である。
図２１に示すプロジェクタの全体構成は図１８に示す第５実施形態のプロジェクタと略共通であり、相違点は照明装置の光軸変換素子の構成である。したがって、図２１において、第５実施形態の図１８と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態の光軸変換素子１５１は、図２２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１光源部１からの光束が入射する部分は１組の平行平面２５１ａで構成されており、第２光源部２ａ，２ｂからの光束が入射する部分は互いに非平行な一対の面（以下、非平行平面という）で構成されている。具体的には、光軸変換素子１５１において、第１光源部１からの光束を透過させる部分は、面１５１ａ１，１５１ａ２からなる平行平面１５１ａで構成されており、第２光源部２ａ，２ｂからの光束を透過させる部分は、入射端面１５１ｂ１，１５１ｃ１と射出端面１５１ｂ２，１５１ｃ２とが互いに非平行とされた非平行平面１５１ｂ，１５１ｃで構成されている。本実施形態の場合、入射端面１５１ｂ１，１５１ｃ１と射出端面１５１ｂ２，１５１ｃ２との仮想的な交線が照明光軸Ｌから遠い側に位置している。換言すると、第２光源部２ａ，２ｂからの光束を透過させる部分は、光軸変換素子１５１の中央部側（第１光源部１からの光束を透過させる部分）から端部側に向けて先細りのテーパ形状となっている。

図２２（Ａ）、（Ｂ）に示す光軸変換素子１５１を用いた場合、照明光軸Ｌ上に位置する第１光源部１からの光束は、その光軸を曲げることなく平行平面１５１ａを通過して照明光軸Ｌに沿って射出される。一方、第２光源部２ａ，２ｂからの光束は、入射端面１５１ｂ１，１５１ｃ１と射出端面１５１ｂ２，１５１ｃ２との２つの界面でそれぞれ屈折し、入射時とは異なる角度で光軸変換素子１５１から射出される。非平行平面１５１ｂ，１５１ｃを透過する光束は、入射端面１５１ｂ１，１５１ｃ１と射出端面１５１ｂ２，１５１ｃ２との仮想的な交線から離れる方向（すなわち、照明光軸Ｌに近づく方向）に進行方向を変えて射出される。したがって、第２光源部２ａ，２ｂからの光束は、図２２（Ｂ）に示すように、入射光軸ａ１，ｂ１が照明光軸Ｌと平行に配置されていても、各非平行平面１５１ｂ，１５１ｃに入射した後に光束の位置が照明光軸Ｌ寄りにシフトするとともに、射出光軸ａ２，ｂ２が照明光軸Ｌに対して所定の角度αをなすように射出される。

本実施形態のプロジェクタ３００においても、照明装置１５０から射出される光の角度分布の広がりが抑えられていることから、高い光利用効率を実現できる、といった上記実施形態と同様の効果が得られる。さらに本実施形態の場合には、第５実施形態の構成と異なり、第２光源部２ａ，２ｂの入射光軸ａ１，ｂ１を照明光軸Ｌと平行に配置できるため、２つの第２光源部２ａ，２ｂを照明光軸Ｌと直交する方向に配置でき、各光源部１，２ａ，２ｂの配置精度を確保しやすい。

以下、本実施形態のプロジェクタに適用可能な光軸変換素子の変形例について図２３〜図３１を用いて説明する。
例えば、第１光源部１を照明光軸Ｌ上に配置し、第１光源部１からの光束を偏角する必要がない場合には、図２３に示すように、図２２（Ｂ）に示す光軸変換素子１５１のうち、第１光源部１からの光束が透過する平行平面１５１ａに相当する部分を削除して照明光軸Ｌの延在方向に貫通する中空部１６３とした光軸変換素子１６１を用いても良い。第２光源部２ａ，２ｂからの光束は、面１６１ｂ１，１６１ｃ１から入射し、光束の位置とその方向が照明光軸Ｌ寄りにシフトして、面１６１ｂ２，１６１ｃ２から照明光軸Ｌと所定の角度αをなす方向に射出される。本構成の光軸変換素子１６１によれば、図２２（Ｂ）に示す光軸変換素子１５１の構成に比べて、第１光源部１からの光束が透過する物理的な界面の数が減るため、界面での光損失が減り、光軸変換素子１６１での光利用効率を高められる。

また、第２光源部２ａ，２ｂからの光束が入射する部分を非平行平面で構成する場合、図２４に示す光軸変換素子１７１では、第１光源部１からの光束を透過させる部分は、面１７１ａ１，１７１ａ２からなる平行平面１７１ａで構成されており、第２光源部２ａ，２ｂからの光束を透過させる部分は、入射端面１７１ｂ１，１７１ｃ１と射出端面１７１ｂ２，１７１ｃ２との仮想的な交線（図２４においては交点Ｐで示されており、この交点Ｐは入射端面１７１ｂ１と射出端面１７１ｂ２との交線のＸＺ平面上の点を示している）が照明光軸Ｌに近い側に位置するように、入射端面１７１ｂ１，１７１ｃ１と射出端面１７１ｂ２，１７１ｃ２とが互いに非平行とされた非平行平面１７１ｂ，１７１ｃで構成されている。

図２４に示す光軸変換素子１７１を用いた場合、照明光軸Ｌ上に位置する第１光源部１からの光束は、平行平面１７１ａを通過して照明光軸Ｌに沿って射出される。一方、第２光源部２ａ，２ｂからの光束は、入射端面１７１ｂ１，１７１ｃ１と射出端面１７１ｂ２，１７１ｃ２との２つの界面でそれぞれ屈折して、射出光軸ａ２，ｂ２が照明光軸Ｌと所定の角度αをなすように射出される。これにより、第２光源部２ａ，２ｂの２次光源である集光スポットの位置を照明光軸Ｌ寄りに近付けることができる。本構成の場合には、第２光源部２ａ，２ｂの入射光軸ａ１，ｂ１を大きく曲げることができるため、第２光源部２ａ，２ｂの配置の自由度を高められる。そのため、光軸変換素子１７１の光入射側の反射ミラーを削減でき、光利用効率を高められる。

図２４に示す光軸変換素子１７１において、第１光源部１からの光束を偏角する必要がない場合には、図２５に示すように、第１光源部１からの光束が透過する平行平面の部分を削除して照明光軸Ｌの延在方向に貫通する中空部１８３とした光軸変換素子１８１を用いても良い。本構成の光軸変換素子１８１を用いた場合、図２４に示す光軸変換素子１７１の構成に比べて、第１光源部１からの光束が透過する物理的な界面の数が減るため、界面での光損失が減り、光軸変換素子での光利用効率を高められる。

第２光源部２ａ，２ｂからの光束が入射する部分を非平行平面で構成する場合、入射端面と射出端面との仮想的な交線を照明光軸Ｌに近い側に位置させる図２４の構成に代えて、図２６に示すように、入射端面１９１ｂ１，１９１ｃ１と射出端面１９１ｂ２，１９１ｃ２との仮想的な交線（図２６においては交点Ｐ）を照明光軸Ｌから遠い側に位置させた構成の光軸変換素子１９１を採用しても良い。図２６に示す光軸変換素子１９１によれば、２つの第２光源部２ａ，２ｂの入射光軸ａ１，ｂ１が互いに交わる構成となるため、照明装置を小型化できるという利点がある。

図２６に示す光軸変換素子１９１においても、第１光源部１からの光束を偏角する必要がない場合には、図２７に示すように、第１光源部１からの光束が透過する平行平面の部分を削除して照明光軸Ｌの延在方向に貫通する中空部２１３とした光軸変換素子２１１を用いても良い。本構成の光軸変換素子２１１を用いた場合、図２６に示す光軸変換素子１９１の構成に比べて、第１光源部１からの光束が透過する物理的な界面の数が減るため、界面での光損失が減り、光軸変換素子での光利用効率を高められる。

また、以上の光軸変換素子は、第２光源部２ａ，２ｂからの光束が入射する非平行平面の入射端面と射出端面の双方で光束を屈折させる構成であったが、この構成に代えて、入射端面と射出端面のいずれか一方のみで光束を屈折させる構成であっても良い。
例えば、図２８に示す光軸変換素子２２１の場合、第２光源部２ａ，２ｂの入射光軸ａ１，ｂ１が入射端面２２１ｂ１，２２１ｃ１に対して垂直に配置されている。この構成では、入射端面２２１ｂ１，２２１ｃ１では光束が屈折せず、射出端面２２１ｂ２，２２１ｃ２で光束が屈折して照明光軸Ｌに対して所定の角度αをなすように射出される。

一方、図２９に示す光軸変換素子２３１の場合、第２光源部２ａ，２ｂの入射光軸ａ１，ｂ１は入射端面２３１ｂ１，２３１ｃ１に対して垂直に配置されていないが、入射端面２３１ｂ１，２３１ｃ１で屈折した後の光軸に対して射出端面２３１ｂ２，２３１ｃ２が垂直に配置されている。この構成では、入射端面２３１ｂ１，２３１ｃ１で光束が屈折した後、射出端面２３１ｂ２，２３１ｃ２では屈折せずに照明光軸Ｌに対して所定の角度αをなすように射出される。
図２８、図２９に示す光軸変換素子２２１，２３１を使用した場合、光束が垂直に入射する側の界面での光損失を低減できるため、光利用効率を低減できる。
なお、図２８、図２９は、非平行平面の２つの面の配置として、入射端面と射出端面との仮想的な交線を照明光軸Ｌに近い側に位置させる構成例を示したが、このように入射端面と射出端面のいずれか一方のみで光束を屈折させる場合も、光軸変換素子１９１のように、入射端面と射出端面との仮想的な交線を照明光軸Ｌから遠い側に位置させる構成を採用できる。

屈折作用を利用した光軸変換素子を用いる場合も、第１光源部１は必ずしも照明光軸Ｌ上に配置する必要はない。例えば、図３０に示すように、図２２で示した光軸変換素子１５１の入射側に偏角プリズム１５３（第１光源部用光軸変換素子）を隣接させて配置したものを用いても良い。この場合、照明光軸Ｌと第１光源部の照明光軸ｃとが９０度以外の角度で交わるように、照明光軸Ｌに対して第１光源部１の照明光軸ｃを傾けて配置する。この場合、第１光源部１からの光束が偏角プリズム１５３の入射端面１５３ａに入射する際に屈折した後、光軸変換素子１５１から照明光軸Ｌに沿って射出されるように、照明光軸Ｌに対する第１光源部１の照明光軸ｃの傾きを設定する。これにより、第１光源部１からの光は２つの第２光源部２ａ，２ｂからの光と略一つに合成された光となる。

あるいは、図３１に示すように、図２２で示した光軸変換素子１５１の入射側に反射プリズム１５５（第１光源部用光軸変換素子）を隣接させて配置したものを用いても良い。この場合、例えば照明光軸Ｌと第１光源部１の照明光軸ｃとが略直角に交わるように第１光源部１を配置する。この構成においては、第１光源部１からの光は反射プリズム１５５の入射端面１５５ａを透過し、全反射面１５５ｂで反射した後、光軸変換素子１５１から照明光軸Ｌに沿って射出される。これにより、第１光源部１からの光は２つの第２光源部２ａ，２ｂからの光と略一つに合成された光となる。

図３０や図３１の構成によれば、第１光源部１を照明光軸Ｌ上に配置しなくて済み、第１光源部１の配置場所の自由度が向上し、照明光軸Ｌに沿う方向の照明装置の寸法を小さくできる場合がある。
なお、図３１の構成において、光軸変換素子１５１の入射側に反射プリズム１５５を設置することに代えて、反射プリズム１５５の全反射面１５５ｂの位置に反射ミラーを配置しても良い。この場合も上記と同様の効果が得られる。

ところで、光の進行方向を比較的小さな角度で変えたいとき、反射作用を利用する場合と屈折作用を利用する場合とを比較する。
反射作用を利用する場合は、図３２（Ａ）に示すように、入射する光束の光軸と反射面の法線とがなす角度が大きいため、有限の光束径を有する光束が入射するのに必要な反射面のサイズを大きくする必要がある。これに対して、屈折作用を利用する場合は、図３２（Ｂ）に示すように、入射する光束の光軸と屈折面の法線とがなす角度が小さいため、有限の光束径を有する光束が入射するのに必要な屈折面のサイズは小さくて済む。

ここで、図１８に示したプロジェクタ４００の構成において、例えば光軸変換素子２５１の光入射側に反射ミラー２５２を備えない構成を想定した場合、第２光源部２ａ，２ｂからの入射光軸ａ１，ｂ１が照明光軸Ｌと小さい角度をなすように配置されるため、射出光軸ａ２，ｂ２を照明光軸Ｌと小さい角度で交わるようにするためには光の進行方向を小さな角度で変えれば良いことになる。このような場合には、屈折作用を利用した光軸変換素子が有効であり、照明装置の小型化に寄与できる場合がある。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上述の照明装置では、均一照明系として２つのレンズアレイを備えたインテグレータ光学系を採用しているが、これに代えて、インテグレータロッドを備えたインテグレータ光学系も使用できる。その場合には、光軸変換素子が、第２光源部から入射された光を、その射出光軸がインテグレータロッドの入射端またはその近傍の位置で第１光源部からの光の射出光軸と交わるように射出させることが望ましい。勿論、射出光軸が交わる位置はインテグレータロッドの入射端やその近傍には限定されず、インテグレータロッドの入射端とライトバルブとの間であれば任意の位置に設定できる。また、合成レンズを用いずに光軸変換素子の直後にインテグレータロッドを配置する構成としても良い。あるいは、平行化ではなく、集光させるような特性の合成レンズを使用し、各光束を集光させた位置にインテグレータロッドを配置する構成としても良い。
その他、プロジェクタを構成する各部材の形状、数、配置等の具体的な構成については適宜変更が可能である。

１…第１光源部、２ａ，２ｂ…第２光源部、３…四角錐台状反射体（光軸変換素子）、２３，３３，４３，５３，６３…反射体（光軸変換素子）、３ａ〜３ｄ，２３ａ〜２３ｄ，３３ａ〜３３ｄ，４３ａ〜４３ｄ，５３ａ〜５３ｄ，６３ａ〜６３ｄ…反射面、３ｅ，３ｆ，２３ｅ，２３ｆ，３３ｅ，３３ｆ，４３ｅ，４３ｆ，５３ｅ，５３ｆ，６３ｅ，６３ｆ…透過端面、１０，３０，４０…照明光学系、１４０，１５０，２５０…照明装置、１１…ライトバルブ（光変調素子）、１３…投写レンズ（投写光学系）、２２，１５２，２５２…反射ミラー（第２光源部用光軸変換素子）、３４…放熱フィン（放熱部材）、１００，１１０，１２０，２００，３００，４００…プロジェクタ、１３１，１５３…偏角プリズム（第１光源部用光軸変換素子）、１３３，１５５…反射プリズム（第１光源部用光軸変換素子）、１３５，１５１，１６１，１７１，１８１，１９１，２１１，２２１，２３１，２５１，２６１…光軸変換素子、ａ１，ｂ１…入射光軸、ａ２，ｂ２…射出光軸、Ｌ…照明光軸。

Claims (20)

1. 照明光学系と、前記照明光学系からの光を変調する光変調素子と、前記光変調素子により変調された光を投写する投写光学系と、を備え、
   前記照明光学系は、第１光源部と、複数の第２光源部と、前記第１光源部および前記複数の第２光源部から入射された光をそれぞれ所定の方向に射出させる光軸変換素子と、を備え、
   前記光軸変換素子は、前記第１光源部から入射された光を、その射出光軸が照明光軸に略一致するように射出させるとともに、前記複数の第２光源部の各々から入射された光を、その射出光軸が前記光軸変換素子と前記光変調素子との間で前記第１光源部からの光の射出光軸と交わるように射出させることを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記光軸変換素子は、前記複数の第２光源部から入射された光を、前記複数の第２光源部からの全ての光の射出光軸が前記光軸変換素子と前記光変調素子との間の１点で前記第１光源部からの光の射出光軸と交わるように射出させることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記光軸変換素子と前記光変調素子との間にインテグレータ光学系が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のプロジェクタ。
4. 前記インテグレータ光学系が、前記第１光源部および前記複数の第２光源部から入射された光を複数の光束に分割するレンズアレイを少なくとも含み、
   前記光軸変換素子は、前記複数の第２光源部から入射された光を、前記複数の第２光源部からの全ての光の射出光軸が前記レンズアレイまたはその近傍の位置で前記第１光源部からの光の射出光軸と交わるように射出させることを特徴とする請求項３に記載のプロジェクタ。
5. 前記インテグレータ光学系が、インテグレータロッドを少なくとも含み、
   前記光軸変換素子は、前記複数の第２光源部から入射された光を、前記複数の第２光源部からの全ての光の射出光軸が前記インテグレータロッドの入射端またはその近傍の位置で前記第１光源部からの光の射出光軸と交わるように射出させることを特徴とする請求項３に記載のプロジェクタ。
6. 前記第１光源部が照明光軸上に配置され、前記複数の第２光源部が前記照明光軸上から外れた位置に配置されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のプロジェクタ。
7. 前記光軸変換素子の光射出端またはその近傍に、前記第１光源部からの光が集束することを特徴とする請求項６に記載のプロジェクタ。
8. 前記光軸変換素子が、前記複数の第２光源部の各々から射出された光を反射して射出させることを特徴とする請求項６または７に記載のプロジェクタ。
9. 前記光軸変換素子が、前記照明光軸に対して所定の角度をなすように傾いた複数の反射面を有し、前記複数の第２光源部から射出された各々の光が前記複数の反射面のうちのいずれかの反射面で反射することを特徴とする請求項８に記載のプロジェクタ。
10. 前記複数の反射面を構成する各々の反射面またはその近傍に、当該反射面に対応する前記第２光源部からの光が集束することを特徴とする請求項９に記載のプロジェクタ。
11. 前記光軸変換素子の前記反射面が、前記複数の第２光源部の各々から射出された光を表面反射させる表面反射面であることを特徴とする請求項９または１０に記載のプロジェクタ。
12. 前記反射面に誘電体多層膜が形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のプロジェクタ。
13. 前記光軸変換素子の前記反射面が、前記複数の第２光源部の各々から射出された光を全反射させる全反射面であることを特徴とする請求項９または１０に記載のプロジェクタ。
14. 前記光軸変換素子が、前記複数の第２光源部の各々から射出された光を屈折させて射出させることを特徴とする請求項６または７に記載のプロジェクタ。
15. 前記光軸変換素子の光入射側に、前記第１光源部から射出された光の光軸を曲げる第１光源部用光軸変換素子を備えたことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか一項に記載のプロジェクタ。
16. 前記光軸変換素子の光入射側に、前記複数の第２光源部のうちの少なくとも一つから射出された光の光軸を曲げる第２光源部用光軸変換素子を備えたことを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか一項に記載のプロジェクタ。
17. 前記光軸変換素子に放熱部材が設けられたことを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか一項に記載のプロジェクタ。
18. 前記光軸変換素子が光透過性を有する筐体内に収容されたことを特徴とする請求項１ないし１７のいずれか一項に記載のプロジェクタ。
19. 第１光源部と、複数の第２光源部と、前記第１光源部および前記複数の第２光源部から入射された光をそれぞれ所定の方向に射出させる光軸変換素子と、を備え、
    前記光軸変換素子は、前記第１光源部から入射された光を、その射出光軸が照明光軸に略一致するように射出させるとともに、前記複数の第２光源部の各々から入射された光を、その射出光軸が前記光軸変換素子の射出側の外部で前記第１光源部からの光の射出光軸と交わるように射出させることを特徴とする照明装置。
20. 光軸変換素子を用い、第１光源部から射出された光を、その射出光軸が照明光軸に略一致するように照明対象に向けて照射するとともに、複数の第２光源部の各々から射出された光を、その射出光軸が前記光軸変換素子の射出側の外部で前記第１光源部からの光の射出光軸と交わるように前記照明対象に向けて照射することを特徴とする照明方法。

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