JP5295468B1 - 集光光学系および投写型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

集光光学系（１）は、発光面（１２）から光を放射する面発光光源（１１）と、発光面（１２）から放射された光を略平行光に変換するコリメート光学系としてのコリメートレンズ（１３）と、略平行光に変換された光を集光する集光光学系としてのコンデンサレンズ（４）と、コンデンサレンズ（４）により集光された光が入射する入射面（８１）を有し、入射した光の光強度分布を均一化して出射面（８２）より出射する光強度分布均一化素子としてのインテグレータロッド（８）とを備える。インテグレータロッド（８）の入射面（８１）に集光される光のうち、入射面（８１）の中央部に集光される光の集光角が、入射面（８１）の隅部に集光される光の集光角よりも小さくなるように構成されている。

Description

本発明は、集光光学系、および、これを用いた投写型画像表示装置に関する。

従来、投写型画像表示装置の光源には、主としてランプ光源が用いられていた。しかしながら、ランプ光源は、赤色の発光光量が少なく、寿命が短いといった欠点を有しているため、近年では、ランプ光源に代えて、より長い寿命を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）等の面発光光源が用いられている。単色のＬＥＤが放射する光は波長帯域が狭いため、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のＬＥＤを組み合わせて用いることにより、広い色再現域を実現することができる。

特許文献１には、光の利用効率を高めるため、矩形状の発光面を有するＲ，Ｇ，ＢのＬＥＤを用い、各発光面の任意の一点から放射した光をコリメート光学系によりそれぞれ平行光化したのちダイクロイックミラーで合成し、合成光を集光レンズによりインテグレータロッドの入射面に集光する照明光学系が提案されている。この照明光学系では、インテグレータロッドの入射面に、ＬＥＤの光源像（発光面の像）を所定の倍率で形成している。

また、近年、例えば極端に横長なディスプレイのような異形ディスプレイの用途では、発光面のアスペクト比とディスプレイのスクリーン形状のアスペクト比が異なる場合がある。このような場合、光源は、発光面のアスペクト比と異なるアスペクト比を持つ画像表示素子の領域を照明することとなり、光量損失が生じる。

そこで、特許文献２には、投写型画像表示装置の照明光学系において、光路中にトロイダル面を有するトーリックレンズを設けることにより、光源の発光面のアスペクト比を変換する構成が提案されている。

特開２００９−３００７７２号公報（段落００４３〜００５０） 特開２００４−６１８４８号公報（段落００４６〜００５２）

ここで、投写型画像表示装置の照明光学系において光量損失を生じさせないためには、次の２つの条件を満たす必要がある。第１の条件は、光の入射角度を、許容入射角度（光が装置で有効に利用され得る所定の角度）にすることである。第２の条件は、光を所定の照明領域内に集光することである。

特許文献１に開示された技術では、ＬＥＤのエテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）が、インテグレータロッドのエテンデューより十分小さい場合には、ＬＥＤから放射された光は効率良くインテグレータロッドに集光される。しかしながら、画像表示素子（被照明体）の明るさを向上するために、ＬＥＤのエテンデューをインテグレータロッドのエテンデュー以上とした場合には、ＬＥＤの光源像をインテグレータロッドの入射面と同等のサイズに結像させると、インテグレータロッドの入射面に対して、許容入射角よりも大きな角度で光が入射することとなり、光量損失が生じる。

また、ＬＥＤのエテンデューがインテグレータロッドのエテンデューより小さい場合であっても、集光レンズの収差によりＬＥＤの光源像はその周辺部においてぼやけるため、実質的に大きく結像される。その結果、インテグレータロッドの入射面よりもＬＥＤの光源像が大きくなれば、光量損失が生じる。

また、特許文献２に開示された照明光学系では、光源の発光面のアスペクト比を変換して、異なるアスペクト比を持つ所望の照明領域内に集光することができるが、アスペクト比を変換することで、照明面での集光角度はエテンデューの保存則により変化する。エテンデューの保存則は、利用できる光源の面積と立体角との積が一定であるという自然法則である。

例として、光源（ＬＥＤ）の発光面のアスペクト比を４：３とし、そのアスペクト比を１６：９に変換してスクリーンに投影する場合を考える。特許文献２の構成ではトロイダル面を有するトーリックレンズを用いて、光軸に垂直な方向の結像倍率と光軸に水平な方向の結像倍率を変化させる。これにより、４：３のアスペクト比を１６：９のアスペクト比に変換できる。このとき、スクリーンの短辺方向は、アスペクト比を圧縮する方向にある。また、スクリーンの短辺方向の光線は、スクリーンの長辺方向の光線に比べて集光角度が大きくなる。従って、スクリーンの短辺方向の光線の入射角度は、装置で有効に利用され得る所定の角度（許容入射角度）よりも大きくなり、光量損失は全体として低減されないという問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、光源から放射された光を集光する際の光量損失を低減し、高い光利用効率を得ることができる集光光学系、およびこの集光光学系を用いた投写型画像表示装置を提供することを目的とする。また、本発明は、面発光光源のアスペクト比と光強度分布均一化素子または画像表示素子のアスペクト比とが異なる場合にも光量損失を低減することができる集光光学系、およびこの投写型画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る集光光学系は、発光面を有し、発光面から光を放射する面発光光源と、発光面から放射された光を略平行光に変換する、正のパワーを有するコリメート光学系と、略平行光に変換された光を集光する、正のパワーを有する集光素子とを備え、前記コリメート光学系および前記集光素子を構成する少なくとも一つのレンズは、前記面発光光源の前記発光面の隅部から放射された光を、前記発光面の中央部から放射された光よりも強いパワーで集光する光学面を有することを特徴とする。

本発明によれば、光量損失を低減し、光利用効率を向上することができる。また、面発光光源のアスペクト比と光強度分布均一化素子のアスペクト比とが異なる場合にも、光強度分布均一化素子での光量損失を低減し、光の利用効率を向上することができる。

本発明の実施の形態１における集光光学系を有する投写型画像表示装置の基本構成を示す図である。 参考例１の集光光学系の構成を示す図である。 参考例１の集光光学系の構成を示す図である。 実施の形態１における集光光学系の構成を示す図である。 実施の形態１における集光光学系におけるインテグレータロッドの入射面への集光状態を示す図である。 インテグレータロッドの入射面に形成される光スポットを、比較例の集光光学系（Ａ）と実施の形態１の集光光学系（Ｂ）とで対比して示す図である。 実施の形態１におけるインテグレータロッドの入射面での結像の大きさを模式的に示す図である。 実施の形態１における集光光学系のコンデンサレンズの形状の一例およびその集光状態を示す図である。 変形例の集光光学系のコンデンサレンズの形状の一例およびその集光状態を示す図である。 実施の形態１の数値実施例１に対応する集光光学系の具体的構成を示す図である。 実施の形態１の数値実施例１に対応するコンデンサレンズの形状を示す図である。 実施の形態１の数値実施例１に対応する集光光学系のインテグレータロッドの入射面上の光スポットを示す図である。 実施の形態１の数値実施例１に対応する集光光学系の相対像高とインテグレータロッドへの入射位置との関係を示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１における集光光学系において、インテグレータロッドの入射面への集光角に制限を設けない場合の入射面上の照度分布を示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１における集光光学系において、インテグレータロッドの入射面への集光角を許容入射角である３０度（半角）に制限した場合の入射面上の照度分布を示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、図１４および図１５にそれぞれ対応する照度分布を対比して示すグラフである。 面発光光源の配光分布を示す図である。 比較例の集光光学系の構成を示す図である。 比較例の集光光学系のインテグレータロッドの入射面上の光スポットを示す図である。 本発明の実施の形態２における集光光学系を有する投写型画像表示装置の基本構成を示す図である。 本発明の実施の形態３における集光光学系及び投写型画像表示装置の構成を概略的に示す構成図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、参考例２の集光光学系の構成を示す模式図である。 参考例２のインテグレータロッドの入射面における集光領域を示す模式図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、参考例３の集光光学系の構成を示す模式図である。 参考例３のインテグレータロッドの入射面における集光領域を示す模式図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、本発明の実施の形態３における集光光学系の構成を示す図である。 実施の形態３における集光光学系における集光状態を示す模式図である。 実施の形態３における集光光学系の微小発光領域から放射された光の結像状態を示す模式図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態３における集光光学系の集光Ｆ値制御レンズの集光状態を示す模式図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、数値実施例２に対応する集光光学系の構成を示す図である。 数値実施例２に対応する集光光学系のインテグレータロッドの入射面上の集光スポットを示す図である。 発光面から放射される光の放射位置を示す図である。 比較例２に対応する集光光学系の構成を示す構成図である。 比較例２に対応する集光光学系のインテグレータロッドの入射面上の集光スポットを示す図である。 本発明の実施の形態４における集光光学系及び投写型画像表示装置の構成を示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態４におけるテーパ形状のインテグレータロッドの形状を、一般的なインテグレータロッドと対比して示す説明図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態４における集光光学系のインテグレータロッドの入射面上の集光領域を説明するための図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態４におけるインテグレータロッドの構成を、一般的なインテグレータロッドと対比して示す斜視図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、数値実施例２における集光光学系の構成を示す構成図である。 数値実施例３における集光光学系のインテグレータロッドの入射面上の集光スポットを示す図である。 実施の形態４における集光光学系のインテグレータロッドの入射面における光線の角度依存性を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における集光光学系１Ａを有する投写型画像表示装置２Ａの基本構成を示す図である。実施の形態１における集光光学系１Ａは、赤色（Ｒ）の波長帯域の光（以下、赤色光）を放射する赤色用の面発光光源１１ｒと、緑色（Ｇ）の波長帯域の光（以下、緑色光）を放射する緑色用の面発光光源１１ｇと、青色（Ｂ）の波長帯域の光（以下、青色光）を放射する青色用の面発光光源１１ｂとを備えている。

図１では、赤色（Ｒ）の光を一点鎖線で示し、緑色（Ｇ）の光を長い破線で示し、青色（Ｂ）の光を短い破線で示している。

面発光光源１１ｒは、赤色光を放射する発光面１２ｒを有している。また、面発光光源１１ｇは、緑色光を放射する発光面１２ｇを有しており、面発光光源１１ｂは、青色光を放射する発光面１２ｂを有している。発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、互いに同じ矩形形状で同じ大きさの平面である。

面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子、半導体レーザ、およびこれらの組み合わせにより構成することができるが、以下では、ＬＥＤを用いた場合について説明する。

集光光学系１Ａは、また、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの出射側に、それぞれ正のパワーを有するコリメートレンズ（コリメート光学系）１３ｒ，１３ｇ，１３ｂを有している。

コリメートレンズ１３ｒは、赤色用の発光面１２ｒから放射された赤色光を略平行光に変換（平行光化）する。コリメートレンズ１３ｇは、緑色用の発光面１２ｇから放射された緑色光を略平行光に変換する。コリメートレンズ１３ｂは、青色用の発光面１２ｂから放射された青色光を略平行光に変換する。

集光光学系１Ａは、また、赤色用のコリメートレンズ１３ｒを通過した赤色光と、緑色用のコリメートレンズ１３ｇを通過した緑色光と、青色用のコリメートレンズ１３ｂを通過した青色光とを合成する光合成手段を備えている。光合成手段は、例えば、互いに直交する２枚のダイクロイックミラー６，７を有するクロスダイクロイックミラーで構成される。ダイクロイックミラー６，７は、特定の波長帯域の光を透過または反射する特性を有する。図１では、合成された光を、二点鎖線で示している。

この実施の形態１では、光合成手段は、緑色光および青色光を透過させ赤色光を反射するダイクロイックミラー６と、赤色光および緑色光を透過させ青色光を反射するダイクロイックミラー７とを備えている。クロスダイクロイックミラーは、２枚のダイクロイックミラーを互いに離間させて配置する場合に比べて、ミラーの配置スペースを小さくすることができるため、よりコンパクトな集光光学系を実現することができる。なお、光合成手段は、図１に示した構成に限定されない。

集光光学系１Ａは、また、光合成手段（ダイクロイックミラー６，７）によって合成された光を集光する、正のパワーを有するコンデンサレンズ（集光素子）４と、コンデンサレンズ４で集光された光の強度分布を均一化する光強度分布均一化素子としてのインテグレータロッド８とを備えている。インテグレータロッド８は、コンデンサレンズ４で集光された光が入射する入射面８１と、光強度分布が均一化された光を出射する出射面８２とを有している。

コンデンサレンズ４は、ダイクロイックミラー６，７により合成された光が入射し、この合成された光を所望の角度でインテグレータロッド８の入射面８１に集光する。Ｒ，Ｇ，Ｂ用の面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと、インテグレータロッド８の入射面８１は共役の関係にあり、インテグレータロッド８の入射面８１には、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの２次光源像が形成される。

インテグレータロッド８は、矩形状の断面を有する四角柱状の透明部材（ここではガラス）で構成されており、入射面８１は、画像表示素子（図１に符号２２で示す）と相似の矩形形状を有している。インテグレータロッド８の入射面８１に入射した光は、ガラスと空気の界面での全反射を繰り返しながらインテグレータロッド内部を伝播することで、各色の光が均一化され、出射面８２から出射される。なお、光強度分布均一化素子は、インテグレータロッド８に限定されるものではなく、内面での全反射を利用する中空のライトパイプや、その他の素子であってもよい。

投写型画像表示装置２Ａは、このように構成された集光光学系１Ａと、集光光学系１Ａから出射された光（インテグレータロッド８により光強度分布が均一化された光）が入射する照明光学系２１と、照明光学系２１から入射した光を変調して画像光を生成する画像表示素子２２と、画像表示素子２２で生成された画像光を拡大投写する投写光学系２４とを備えている。スクリーンを備えた背面投写型の投写型画像表示装置の場合は、画像光が拡大投影されるスクリーン２５をさらに有している。

照明光学系（照明光学素子とも称する）２１は、インテグレータロッド８から出射された光を、画像表示素子２２の表示面（表示領域）２３に照射させるものであり、例えばレンズなどで構成される。

インテグレータロッド８の出射面８２と画像表示素子２２の表示面２３とは、互いに共役な関係にあり、均一な輝度を有する矩形のインテグレータロッド８の出射面８２の像が、画像表示素子２２の表示面２３上に結像される。インテグレータロッド８の出射面８２と、画像表示素子２２の表示面２３とを互いに相似な形状とすることにより、効率良く画像表示素子２２の表示面２３を照明することができ、高い光利用効率を得ることができる。

画像表示素子２２は、例えば、透過型若しくは反射型の液晶パネル、または反射型のＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）である。画像表示素子２２の表示面２３は、多数の画素が二次元的に配列された構成を有している。画像表示素子２２は、照明光学系２１により照射された光を、映像信号に応じて画素毎に強度変調することにより、画像光を生成する。

投写光学系２４は、画像表示素子２２により変調された光（画像光）を、スクリーン２５に拡大投写する。スクリーン２５は、前面投写型（フロントプロジェクタ）の場合には反射型スクリーンを用い、観察者は反射光による画像を観察する。背面投写型（リアプロジェクタ）の場合には透過型スクリーンを用い、観察者は透過光による画像を観賞する。スクリーン２５の表面と、画像表示素子２２の表示面２３とは、互いに共役な位置に配置されている。

このように構成された投写型画像表示装置２Ａでは、以下のようにして画像を表示する。すなわち、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから放射された赤色光、緑色光および青色光が、対応するコリメートレンズ（コリメート光学系）１３ｒ，１３ｇ，１３ｂを透過して略平行光となり、ダイクロイックミラー６，７に入射して合成される。ダイクロイックミラー６，７で合成された光は、コンデンサレンズ４によりインテグレータロッド８の入射面８１に集光する。インテグレータロッド８により光強度分布が均一化された光は、照明光学系２１を通過して画像表示素子２２に照射され、画像表示素子２２により変調された画像光は、投写光学系２４によりスクリーン２５に拡大投写され、スクリーン２５に画像が表示される。

なお、集光光学系１Ａは、画像表示素子２２（被照明体）を照明するものであるため、照明装置と称される場合もある。

次に、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのサイズと、インテグレータロッド８の入射面８１のサイズと、画像表示素子２２の表示面２３のサイズとの関係についてより詳細に説明する。実施の形態１においては、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂとインテグレータロッド８の入射面８１とは互いに共役な関係にあり、且つ、インテグレータロッド８の出射面８２と画像表示素子２２の表示面２３とは互いに共役な関係にある。

一般に、集光光学系および照明光学系を設計する際には、エテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）という量を考慮する。エテンデューの概念を、実施の形態１における集光光学系１Ａおよび投写型画像表示装置２Ａに適用すると、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから放射される光束の配光分布をランバーシアン分布（完全拡散）と仮定したときの面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂのエテンデュー（Ｅｓ）、インテグレータロッド８のエテンデュー（Ｅｉ）および画像表示素子２２のエテンデュー（Ｅｌ）は、発光面または受光面の面積と、発光面から放射される光または受光面で受光される光の立体角との積により、以下の式（１）〜（３）で表される。

Ｅｓ＝Ａｓ×π×ｓｉｎ^２（θｓ） ・・・（１）
Ｅｉ＝Ａｉ×π×ｓｉｎ^２（θｉ） ・・・（２）
Ｅｌ＝Ａｌ×π×ｓｉｎ^２（θｌ） ・・・（３）

式（１）において、Ｅｓは、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂのエテンデューである。Ａｓは、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの面積である。θｓは、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから放射され、コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂで取り込もうとする光線のうち、最も大きな広がり角で放射される光線の、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの法線に対する角度（取込角）である。πは、円周率である。

式（２）において、Ｅｉは、インテグレータロッド８のエテンデューである。Ａｉは、インテグレータロッド８の入射面８１の面積である。θｉは、上記の取込角で面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから放射され、インテグレータロッド８の入射面８１に入射する光線の、インテグレータロッド８の入射面８１の法線に対する角度（集光角）である。

式（３）において、Ｅｌは、画像表示素子２２のエテンデューである。Ａｌは、画像表示素子２２の表示面２３の面積である。θｌは、上記の集光角でインテグレータロッド８の入射面８１に入射した後、画像表示素子２２の表示面２３に入射する光線の、表示面２３の法線に対する角度（照明角）である。

一般に、集光光学系および照明光学系は、上記のＥｓ，Ｅｉ，Ｅｌの値が同じになるよう設計される。例えば、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのサイズ（横方向×縦方向）が３ｍｍ×４ｍｍ（対角寸法は５ｍｍ）であり、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから半球状に放射された（θｓ＝９０°）光束の配光分布がランバーシアン分布であるとすると、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂのエテンデュー（Ｅｓ）は、式（１）から以下のように計算され、約３７．７となる。
Ｅｓ＝Ａｓ×π×ｓｉｎ^２（θｓ）
＝（３×４）×π×ｓｉｎ^２（９０°）
＝１２×π≒３７．７

これに対応し、画像表示素子２２の表示面２３のサイズを１２ｍｍ×１６ｍｍ（対角寸法２０ｍｍ）とし、画像表示素子２２の表示面２３を照明する光のＦ値を２．０（θｌ≒１４．５°）と設定すると、画像表示素子２２のエテンデュー（Ｅｌ）は、式（３）から以下のように計算され、約３７．７となり、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂのエテンデュー（Ｅｓ）と同じにすることができる。
Ｅｌ＝Ａｉ×π×ｓｉｎ^２（θｌ）
＝（１２×１６）×π×ｓｉｎ^２（１４．５°）
≒１９２×π×０．０６２７≒３７．７

また、インテグレータロッド８の入射面８１に入射する光のＦ値を１．０（θｉ＝３０°）とし、インテグレータロッド８の入射面８１のサイズを６ｍｍ×８ｍｍ（対角寸法１０ｍｍ）と設定すると、インテグレータロッド８のエテンデュー（Ｅｉ）は、式（２）から以下のように計算され、約３７．７となり、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂのエテンデュー（Ｅｓ）および画像表示素子２２のエテンデュー（Ｅｌ）の両方と同じにすることができる。
Ｅｉ＝Ａｌ×π×ｓｉｎ^２（θｉ）
＝（６×８）×π×ｓｉｎ^２（３０°）
＝４８×π×０．２５≒３７．７

上記の例の場合、コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂおよびコンデンサレンズ４からなる光学系は、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ（サイズ：３ｍｍ×４ｍｍ）を２倍に拡大してインテグレータロッド８の入射面８１（サイズ：６ｍｍ×８ｍｍ）に結像させることになる。このとき、コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂおよびコンデンサレンズ４からなる光学系の有する収差によりＬＥＤの光源像がその周辺部においてぼやけて実質的に大きく結像される場合、あるいは、上記光学系の結像倍率が大きく、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの２次光源像がインテグレータロッド８の入射面８１よりも大きく結像される場合には、インテグレータロッド８の入射面８１の外側にも光が照射され（すなわち、入射面８１に入射されない光が存在し）、光量損失が生じる。

一方、コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂおよびコンデンサレンズ４からなる光学系の倍率を所望の値よりも小さくすると、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの２次光源像がより小さくなり、インテグレータロッド８の入射面８１の外側に照射される光はなくなる。しかしながら、この場合には、インテグレータロッド８の入射面８１に入射する光の集光角が大きくなるため、画像表示素子２２の表示面２３に入射する光の照明角も大きくなり、その結果、光量損失または投写光学系の大型化を招くこととなる。

すなわち、集光光学系１Ａは、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから所定の取込角で放射される光を、所定の集光角で所定のサイズに結像させる必要があり、この所定の集光角およびサイズを超えると、光量損失等が生じる。

但し、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから放射される光を全て（θｓ＝９０°まで）取り込むことは困難であること、また、製造誤差や均一性を考慮して、画像表示素子２２の表示面２３を照明する際には、表示面２３よりもやや大きめに照明すること（照明マージン）等により、実際には、光学系の仕様に合わせて取込角やインテグレータロッド８の入射面８１のサイズ等が適宜最適化される。

インテグレータロッド８のエテンデューと画像表示素子２２のエテンデューが同じか、または一定の関係にあるものとすると、上述したように、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂのエテンデューとインテグレータロッド８のエテンデューとを一致させることが、光の利用効率の点で最も望ましい。しかしながら、実際には、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂおよび画像表示素子２２のサイズや仕様は選択の余地が限られており、必ずしも面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂのエテンデューとインテグレータロッド８のエテンデューとを一致させることができるとは限らない。

一方、面発光光源のエテンデューを、インテグレータロッドのエテンデューよりも小さく設定すると、画像表示素子２２で達成しうる最大の明るさを得ることができないため、面発光光源のエテンデューを、インテグレータロッドのエテンデューよりも大きく設定する場合が多い。また、面発光光源のエテンデューを、インテグレータロッドのエテンデューよりも小さく設定しても、集光系の収差が大きいと光量損失が生じる。

このように面発光光源のエテンデューをインテグレータロッドのエテンデューよりも大きく設定した場合、面発光光源からの光の全てを所望の角度以下の集光角でインテグレータロッドに取り込むことはできず、光量損失が生じる。この点について、図２および図３の参考例１を用いて説明する。

図２および図３は、参考例１として、面発光光源から放射した光の全てを所望の角度以下の集光角でインテグレータロッドに取り込むことができずに光量損失が生じる場合の構成を示す。参考例１の構成要素は、説明の便宜上、実施の形態１の構成要素と同じ符号を用いて説明する。

インテグレータロッド８の入射面８１のサイズは、画像表示素子２２の仕様（面積およびＦ値）により定められている。図２に示した参考例１では、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを、インテグレータロッド８の入射面８１と同一サイズとなるような結像倍率でインテグレータロッド８の入射面８１に結像させている。この場合、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの各点から放射された光は、許容入射角よりも大きい角度αでインテグレータロッド８の入射面８１に集光されるため、光量損失が生じる。この光量損失を、角度による光量損失と称する。

なお、許容入射角とは、インテグレータロッド８の入射面８１への光の入射角がこれより大きくなると、インテグレータロッド８から出射された光の一部が後段の光学素子（ここでは照明光学系２１および投写光学系２４）に入射しない状態になるという限界の入射角を言う。

一方、図３に示した参考例１では、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの各点から放射された光を、許容入射角以下の角度でインテグレータロッド８の入射面８１を含む平面上に結像させているが、結像倍率が図２よりも大きくなる。そのため、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの２次光源像は、インテグレータロッド８の入射面８１のサイズよりも大きくなり、光量損失が生じる。この損失を、面積による光量損失と称する。

図４は、本発明の実施の形態１における集光光学系１Ａにおける光路を示す図である。なお、ダイクロイックミラー６，７は、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから放射された光の集光（収束）状態に与える影響が無視できるため、ここでは省略している。面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂのエテンデューがインテグレータロッド８のエテンデューよりも大きいことは、参考例１（図２および図３）と共通である。

なお、以下の説明では、必要に応じて、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを「面発光光源１１」総称する。また、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを「発光面１２」と総称し、コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂを「コリメートレンズ１３」と総称する。

面発光光源１１のエテンデューがインテグレータロッド８のエテンデューよりも大きい場合には、上述したように、角度による光量損失（図２）、面積による光量損失（図３）、またはその両方が生じる。実施の形態１は、特に、角度による光量損失（図２）を低減するものである。

図４において、面発光光源１１の発光面１２の隅部（４隅）から放射された光は、インテグレータロッド８の入射面８１の隅部に、所定の入射角で入射する。一方、面発光光源１１の発光面１２の中央部から放射された光は、インテグレータロッド８の入射面８１の中央部に、発光面１２の４隅から放射された光の入射角よりも小さい入射角で入射する。

言い換えると、面発光光源１１の発光面１２の像がインテグレータロッド８の入射面８１に結像される際の結像倍率は、入射面８１の隅部よりも中央部で大きい。

図５は、面発光光源１１（１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ）の発光面１２（１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ）から放射された光がインテグレータロッド８に集光する様子を示す拡大図である。ここでは、説明の便宜上、インテグレータロッド８の入射面８１の法線方向が、水平であるものとして説明する。

面発光光源１１の発光面１２の隅部の一点から水平方向より下方向に放射された光は、インテグレータロッド８の入射面８１の隅部に、水平方向より上方向に角度ｕ１で集光する。面発光光源１１の発光面１２の隅部の一点から水平方向より上方向に放射された光は、インテグレータロッド８の入射面８１の隅部に、水平方向より下方向に角度ｕ２で集光する。

また、面発光光源１１の中央部の一点から水平方向より下方向に放射された光は、インテグレータロッド８の入射面８１の中央部に、水平方向より上方向に角度ｖ１で集光する。面発光光源１１の中央部の一点から水平方向より上方向に放射された光は、インテグレータロッド８の入射面８１の中央部に、水平方向より下方向に角度ｖ２で集光する。

インテグレータロッド８への許容入射角を水平方向に対して上下方向にそれぞれαとすると、インテグレータロッド８の入射面８１の隅部では、集光角ｕ１，ｕ２は、αよりも大きく、従って角度による光量損失が生じている。一方、インテグレータロッドの入射面８１の中央部では、集光角ｖ１およびｖ２は、αよりも小さく、従って角度による光量損失は生じていない。

その結果、図２に示した参考例１と比較して、面発光光源１１の発光面１２の中央部から放射される光の、角度による光量損失を低減することができる。この場合、面発光光源１１の中央部から放射される光の集光角は、許容入射角よりも小さく、なお且つ許容入射角に近いほど、光量損失を小さくすることができる。

なお、この実施の形態１では、２次光源像とインテグレータロッド８の入射面８１のサイズを等しくしたが、これに限定されるものではなく、結像倍率を若干大きくする等の変形も可能である。

図６に、面発光光源の４隅および中央部から放射された光により形成される、インテグレータロッド８の入射面８１上の光スポットを示す。図６（Ａ）は、図２に示した参考例１の集光光学系における入射面８１上の光スポットを示し、図６（Ｂ）は、図４に示した実施の形態１の集光光学系における入射面８１上の光スポットを示す。

図６（Ａ）に示すように、参考例１の集光光学系では、面発光光源１１の発光面１２の４隅および中央部に形成される光スポットは、全て小さい（但し、集光系の収差により周辺部でのスポットは厳密に一点に集光せず、多少なりともぼやけるため、インテグレータロッド８の入射面８１に入射しない光も存在する）。一方、実施の形態１における集光光学系では、図６（Ｂ）に示すように、面発光光源１１の発光面１２の４隅に形成される光スポットは小さいが、中央部に形成される光スポットは大きい。

これは、上述したように面発光光源１１の発光面１２の４隅から放射された光よりも、発光面１２の中央部から放射された光の結像倍率を大きくしたため、発光面１２の４隅から放射された光はインテグレータロッド８の入射面８１に集光するのに対し、発光面１２の中央部から放射された光はインテグレータロッド８の入射面８１よりも出射面８２側（コンデンサレンズ４から離れた側）に集光するためである（図５）。

インテグレータロッド８の入射面８１の４隅では、光スポットが大きくなると、その一部が入射面８１からはみ出すため、上述した面積による光量損失が生じる。これに対し、インテグレータロッド８の入射面８１の中央部では、光スポットがある程度大きくなっても入射面８１からはみ出さない。従って、面積による光量損失を生じることなく、角度による光量損失を低減することができる。

図７は、面発光光源１１の発光面１２の中央部および隅部の微小領域の像が、インテグレータロッド８の入射面８１に結像される状態を示す模式図である。

面発光光源１１の発光面１２の中央部および隅部における微小長さΔａは、コリメートレンズ１３およびコンデンサレンズ４によってインテグレータロッド８の入射面８１に、それぞれΔｃ（中央部）およびΔｐ（隅部）の長さに結像される。このとき、上述したように、インテグレータロッド８の入射面８１の隅部への集光角よりも、中央部への集光角が小さいため、結像倍率は隅部よりも中央部の方が大きい。すなわち、ΔｐよりもΔｃが大きい。

図８は、コンデンサレンズ４の具体的形状の一例を示す図である。コンデンサレンズ４は、面発光光源１１からの光が入射する第１面４１と、第１面４１から入射した光が出射される第２面４２を有する。コンデンサレンズ４は、全体として正のパワーを有し、第１面４１に入射した光を収束させて第２面４２から出射する。第１面４１は、凸面形状を有する。第２面４２は、コンデンサレンズ４の光軸（中心）を含む断面において、中央近傍４２ａが凹面形状を有し、周辺部４２ｂが凸面形状で且つ非球面形状を有している。

面発光光源１１の発光面１２の隅部から放射された光は、第１面４１で収束作用を受け、第２面４２の周辺部４２ｂ（凸面）でさらに収束作用を受け、集光点ｆｐに集光される。この集光点ｆｐは、概ねインテグレータロッド８の入射面８１上に位置する。

一方、面発光光源１１の発光面１２の中央部から放射された光は、第１面４１で収束作用を受けるが、第２面４２の中央近傍４２ａ（凹面）では殆ど発散・収束作用を受けずに集光点ｆｃに集光される。この集光点ｆｃは、インテグレータロッド８の入射面８１よりも出射面８２側（すなわちコンデンサレンズ４から離れた側）に位置する。

このような構成により、インテグレータロッド８の入射面８１の中央部への集光角度を、隅部への集光角度よりも小さくすることができる。

なお、ここでは、コンデンサレンズ４の第２面４２の中央近傍４２ａは、上記の集光点ｆｃ（面発光光源１１の発光面１２の中央部からの光の集光点）を中心とする球面に近い形状を有しているが、これに限定されるものではない。

図９に、コンデンサレンズ４の形状の変形例を示す。この変形例では、コンデンサレンズ４の第２面４３の中央近傍４３ａの凹面形状が略球面ではなく、図８のコンデンサレンズ４の第２面４２の中央近傍４２ａよりも大きな曲率を有しているか、あるいは中心が不連続な形状を有している。この例では、コンデンサレンズ４の中央近傍４３ａにおいて、各輪帯からの光の集光点（ｆ１，ｆ２）が大きく異なり、面発光光源１１の発光面１２の中央部からの光は明確な集光点を有さない。この場合も、インテグレータロッド８の入射面８１内に許容入射角以下の角度で光が入射すれば、光量損失の低下を防ぐことができる。

なお、以上の説明では、コンデンサレンズ４の第２面４３の面形状により、インテグレータロッド８の入射面８１の隅部と中央部とで光の集光角を異ならせる機能を発揮しているが、このような構成に限定されるものではない。

例えば、コンデンサレンズ４の第１面４１と第２面４２の両方の面形状に、インテグレータロッド８の入射面８１の隅部と中央部とで光の集光角を異ならせる機能を分担させてもよい。あるいは、コンデンサレンズ４を複数のレンズで構成し、その複数のレンズに当該機能を持たせてもよい。

また、インテグレータロッド８の入射面８１の隅部と中央部とで光の集光角を異ならせる機能は、コリメートレンズ１３およびコンデンサレンズ４からなる集光光学系の全体で発揮できれば良く、当該機能をコリメートレンズ１３のみが発揮するようにしてもよく、あるいは、コリメートレンズ１３およびコンデンサレンズ４の両方が発揮するようにしてもよい。

但し、インテグレータロッド８の入射面８１の隅部と中央部とで光の集光角を異ならせる機能を発揮する面が非球面を有していて、その非球面を形成するためのコストが球面を形成するコストよりも高い場合には、各色の面発光光源１１（１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ）から放射される光に共通して作用する（すなわち、使用個数の少ない）コンデンサレンズ４が当該機能を発揮することが望ましい。

数値実施例１．
以下、実施の形態１の集光光学系１Ａの数値実施例１について説明する。表１には、集光光学系１Ａの光学データを示す。図１０には、表１の光学データの集光光学系の構成を示す。

本実施例では、面発光光源１１の発光面１２（１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ）のサイズは４．１６ｍｍ×２．６ｍｍである。インテグレータロッド８の入射面８１のサイズは６．０８ｍｍ×３．８ｍｍである。面発光光源１１からの光の取込角は８０度（半角）である。インテグレータロッド８への許容入射角は半角で３０度（すなわちＦ値１．０）である。これは、画像表示素子２２の表示面２３上の１５．２ｍｍ×９．５ｍｍの領域を、Ｆ値２．５（約１１．５度（半角））で照明することに相当する。また、面発光光源１１の発光波長は、赤色（１１ｂ）が６２３ｎｍ、緑色（１１ｇ）が５２６ｎｍ、青色（１１ｒ）が４６２ｎｍである。

表１に示した光学データにおける面番号Ｓｉの欄には、図１０に示した符号Ｓｉに対応させて、ｉ番目の面の番号を示している。番号ｉは１以上の自然数である。最も物体側にある構成要素の面を１番目とし、像側に向かって番号ｉが増加する。物体側とは、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ側である。面番号Ｓｉの欄では、面発光光源の発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂをＯＢＪとし、インテグレータロッド８の入射面８１をＩＭＡとする。ＣＧは、面発光光源のカバーガラスである。

また、表１の曲率半径Ｒｉの欄には、物体側からｉ番目の面の曲率半径の値を示す。面間隔Ｄｉの欄には、物体側からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸上の間隔を示す。曲率半径Ｒｉおよび面間隔Ｄｉの値の単位はミリメートル（ｍｍ）である。Ｎｄ，νｄの欄には、ｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する屈折率およびアッベ数の値をそれぞれ示す。

表１のＳ２の面間隔において、（ｒ）、（ｇ）、（ｂ）は、それぞれ赤色、緑色、青色の面発光光源の場合の面間隔に相当する。各色間の色収差を補正するために、面Ｓ２と面Ｓ３との面間隔を色毎に異なる値としている。

また、表１において、面番号の右上に付された記号「＊」は、そのレンズ面が非球面形状であることを示す。ここでは、Ｓ８，Ｓ９、Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２が非球面形状となっている。表２に、非球面データを示す。

表２に示す非球面データとしては、以下の式（４）によって表される非球面形状の式における各係数ｋ，Ａｉの値を記す。Ｚは、光軸から半径ｒ（ｍｍ）離れた位置での非球面サグ量（深さ：ｍｍ）である。係数ｋはコーニック係数を示す。係数Ｃは面頂点での曲率を示す。係数Ａｉはｉ次の非球面係数を示す。
Ｚ１（ｒ）＝Ｃ・ｒ^２／｛１＋（１−（１＋ｋ）・Ｃ^２・ｒ^２）^１／２｝＋ΣＡｉ・ｒｉ（ｉ＝１〜ｎ）・・・（４）

なお、表１および表２に示した光学データは、実施の形態１における集光光学系１Ａの機能を説明するための一例に過ぎない。例えば、ここでは非球面レンズを多用しているが、これを複数の球面レンズに置き換えることも可能である。また、表１に示した硝材以外にも、屈折率やアッベ数の異なる種々の硝材を使用することが可能である。

表１および図１０において、ＣＧは面発光光源１１のカバーガラス（平行平板）である。コリメートレンズ１３（１３ｒ，１３ｇ，１３ｂ）は、面発光光源１１側からインテグレータロッド８側に、順に第１コリメートレンズ１１３（１１３ｒ，１１３ｇ，１１３ｂ）、第２コリメートレンズ２１３（２１３ｒ，２１３ｇ，２１３ｂ）および第３コリメートレンズ３１３（３１３ｒ，３１３ｇ，３１３ｂ）の３枚で構成されている。また、コンデンサレンズ４（図１）は、面発光光源１２側からインテグレータロッド８側に、順に第１コンデンサレンズ１１４および第２コンデンサレンズ１１５の２枚で構成されている。

図１１に、コンデンサレンズ１１５の形状およびインテグレータロッド８への集光状態の詳細を示す。コンデンサレンズ１１５の第２面Ｓ１２は、その中央近傍が凹面形状を有しており、面発光光源１１の発光面１２の中央部から放射された光を殆ど収束・発散させない一方、その周辺部が凸面形状を有しており、その正のパワーにより面発光光源１１の発光面１２の隅部から放射された光を収束させる。その結果、インテグレータロッド８の入射面８１への集光角は、隅部よりも中央部の方が小さくなる。

図１２に、面発光光源１１の発光面１２の４隅および中央部、並びに発光面１２の４辺の各中点から放射された光により形成される、インテグレータロッド８の入射面８１上の光スポットを示す。中央部を除く８点の光スポットは比較的小さく集光しているが、中央部の光スポットは大きく広がっていることが分かる。

表３に、相対像高と、インテグレータロッド８の入射面８１に集光する光のＦ値との関係を示す。相対像高とは、インテグレータロッド８の入射面８１の中心から隅部までの距離で規格化した像高であり、中心では相対像高が０、隅部では相対像高が１である。

インテグレータロッド８の入射面８１への光の集光角は中心ほど小さいため、表３では、相対像高が０（すなわち中心）のときのＦ値が最大で、相対像高が大きくなるほど（すなわち隅部に近づくほど）Ｆ値が小さくなる傾向にあることが分かる。例えば、タンジェンシャル方向とサジタル方向のＦ値の平均値は、相対像高が０（中心）のときには１．０１６であるのに対し、相対像高が１（隅部）のときには０．７１０である。

図１３は、相対像高とインテグレータロッド８の入射面８１への入射位置との関係を示すグラフである。インテグレータロッド８の入射面８１への入射位置は、入射面８１の中心からの距離で示す。図１３に示す曲線ｍは、表３に示した相対像高と入射位置との関係を示す曲線である。一方、図１３に示す直線ｎは、相対像高と入射位置とが比例する（すなわち相対像高によって倍率が変化しない）ことを示す直線である。

すなわち、相対像高が大きくなる（すなわち隅部に近づく）につれて、曲線ｍと直線ｎとはほぼ一致するようになる。一方、相対像高の小さい部分では、曲線ｍが直線ｎよりも上にあることから、入射面８１の中心近傍では結像倍率が大きくなっていることが分かる。

図１４および図１５に、インテグレータロッド８の入射面８１での照度分布を示す。図１４（Ａ）は、実施の形態１における集光光学系において、インテグレータロッド８の入射面８１への集光角に制限を設けない（すなわち、入射面８１へ集光する光を全て含めた）場合の入射面８１での照度分布を示す図である。また、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に対応する照度（単位：Ｗ／ｍｍ^２）のばらつきを示す図である。

図１５（Ａ）は、実施の形態１における集光光学系において、インテグレータロッド８の入射面８１への集光角を許容入射角である３０度（半角）に制限した（すなわち、入射面８１へ集光する光のうち集光角３０度以上で入射する光を除いた）場合の入射面８１での照度分布を示す図である。図１５（Ｂ）には、図１５（Ａ）に対応する照度（単位：Ｗ／ｍｍ^２）のばらつきを示す図である。

また、図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）は、図１４および図１５にそれぞれ対応する照度分布を示すグラフである。図１６では、Ｘ方向（横方向）の照度分布を実線で示し、Ｙ方向（縦方向）の照度分布を破線で示す。図１７は、ここで使用した面発光光源１１の配光分布を示すグラフである。図１７において、横軸は角度を示し、縦軸は放射強度を示す。

図１４（Ａ）では、中央部において結像倍率が大きいため、中央部に集光される光の密度が小さく、隅部に比べて照度が低くなっている。図１５（Ａ）では、隅部において、許容入射角よりも大きい角度で入射する光が制限されるため、隅部では図１４（Ａ）と比較して照度は低くなる。一方、図１５（Ａ）の中央部では、許容入射角以内で光が集光されているため、入射角制限を設けていない図１４（Ａ）と比較しても照度は殆ど変化しない。その結果。入射面８１での照度分布は、図１５および図１６（Ｂ）に示すように概ね均一な照度分布となる。

なお、図１４（Ａ）では入射面８１の中央部が明るく見えるが、これは図面をグレースケールで表示していることによるものであり、実際には入射面８１の中央部が最も暗くなっている。また、図１４（Ｂ）から、入射面８１での照度は、０．０２〜０．０５Ｗ／ｍｍ^２という比較的広い範囲に亘っており、照度のばらつきが大きいことが分かる。

また、図１５（Ｂ）から、入射面８１での照度は、図１４（Ｂ）よりも狭い範囲に集まっており、照度のばらつきが小さいことが分かる。

この結果から、実施の形態１の数値実施例１によれば、インテグレータロッド８の入射面８１に、概ね均一な照度分布となるように光が集光していることが分かる。

比較例１．
以下、実施の形態１の集光光学系１Ａと対比するための比較例１について説明する。この比較例１では、面発光光源からの光をインテグレータロッドの許容入射角で集光するように構成した一般的な集光光学系である。比較例１の光学データを表４に示し、対応する構成を図１８に示す。

この比較例１では、面発光光源１１の発光面１２のサイズは４．１６ｍｍ×２．６ｍｍであり、インテグレータロッド８の入射面８１のサイズは６．０８ｍｍ×３．８ｍｍである。面発光光源１１からの光の取込角は８０度（半角）であり、インテグレータロッド８の入射面８１への許容入射角は３０度（半角）である。これは、画像表示素子２２の表示面２３に対して、１５．２ｍｍ×９．５ｍｍの領域をＦ値２．５（約１１．５度（半角））で照明することに相当する。また、面発光光源１１の発光波長は、赤色（１１ｒ）が６２３ｎｍ、緑色（１１ｇ）が５２６ｎｍ、青色（１１ｂ）が４６２ｎｍである。以上の仕様は、上述した実施の形態１の数値実施例１と同様である。

表４の表記の仕方は、表１と同様である。この比較例１では、ＯＢＪからＳ８面までは、上記の実施の形態１の数値実施例１（表１）と同一であり、Ｓ９以降が異なる。表５には、非球面データを示す。

表６には、表３と同様に、相対像高（面発光光源の中心から隅までの距離で規格化した像高）と、インテグレータロッド８へ集光する光のＦ値との関係を示す。この比較例１では、インテグレータロッド８の入射面８１への集光角は、中心および隅部でほぼ同一となるよう設計されているので、相対像高に関わらず、Ｆ値はほぼ１となっている。

図１９に、面発光光源１１の発光面１２の４隅および中央部、並びに発光面１２の４辺の各中点から放射された光により形成される、インテグレータロッド８の入射面８１上の光スポットを示す。この比較例１では、インテグレータロッド８のエテンデューに対して面発光光源１１のエテンデューが大きいため、インテグレータロッド８の入射面８１への集光角を許容入射角に設定すると、角度による光量損失は生じない代わりに、結像倍率が大きくなるため、面発光光源１１の発光面の隅から放射された光はインテグレータロッド８の発光面８の隅部よりも外側に集光され、面積による光量損失が生じている。

表７に、図１７の配光分布を持つ面発光光源１１を使用した場合のインテグレータロッド８の入射面８１への集光効率（許容入射角を３０度（半角）とした場合）を、比較例１と、上述した実施の形態１の数値実施例１とで対比して示す。

表７から、比較例１の集光効率が５５．１９％であるのに対し、実施の形態１の数値実施例１の集光効率は５８．６８％であり、光利用効率が６．３２％向上していることが分かる。なお、インテグレータロッド８のサイズは、画像表示素子２２のサイズと照明Ｆ値から適宜決定されているため、インテグレータロッド８に入射した光は、照明マージンやレンズ等の透過損失および画像表示素子２２での損失を除き、原則として光損失なくスクリーン２５まで到達するものと考えられる。

以上説明したように、実施の形態１における集光光学系１Ａおよび投写型画像表示装置２Ａは、光強度分布均一化素子（インテグレータロッド８）の入射面８１に集光される光のうち、入射面８１の中央部に集光される光の集光角が、入射面８１の隅部に集光される光の集光角よりも小さい。言い換えると、インテグレータロッド８の入射面８１に集光される光により形成される光スポットのうち、入射面８１の中央部に形成される光スポットが、入射面８１の隅部に形成される光スポットよりも大きい。さらに言い換えると、面発光光源１１の発光面１２から放射された光のうち、発光面１２の中央部から放射された光が、発光面１２の隅部から放射された光と比較して、よりコンデンサレンズ４（集光素子）から離れた位置に集光する。さらに言い換えると、面発光光源１１の発光面１２がインテグレータロッド８（光強度分布均一化素子）の入射面８１に結像される際の結像倍率が、入射面８１の隅部よりも中央部で大きい。

そのため、面発光光源１１のエテンデューがインテグレータロッド８のエテンデューより大きい場合でも、インテグレータロッド８での光量損失を低減し、光利用効率を向上することができる。

なお、実施の形態１では、面発光光源１１のエテンデューがインテグレータロッド８のエテンデューより大きいとしたが、本発明はこれに限らず、面発光光源１１のエテンデューがインテグレータロッド８のエテンデューより小さい場合にも適用できる。

また、集光光学系の少なくとも一つのレンズ（コンデンサレンズ４）が、面発光光源１１の発光面１２の隅部から放射された光を、発光面１２の中央部から放射された光よりも強いパワーで集光する光学面（第２面４２）を有するため、入射面８１の中央部に集光される光の集光角を、入射面８１の隅部に集光される光の集光角よりも小さくする構成を実現することができる。

また、コンデンサレンズ４の第２面４２のうち、面発光光源１１の発光面１２の中央部から放射された光に作用する部分（中央部）が凹面形状をなし、隅部から放射された光に作用する部分（周辺部）が凸面形状をなしているため、簡単な構成で、入射面８１の中央部に集光される光の集光角を、入射面８１の隅部に集光される光の集光角よりも小さくする構成を実現することができる。

また、複数の面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを備え、これら複数の面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから放射された光を合成してコンデンサレンズ４（集光光学系）に導くダイクロイックミラー６，７（光合成手段）を備えているため、カラーの投写型画像表示装置において光利用効率を向上することができる。

なお、上記の説明では、緑色用の面発光光源１１ｇをコンデンサレンズ４に対向させ、赤色用および青色用の面発光光源１１ｒ，１１ｂを緑色用の面発光光源１１ｇと直交する方向を向くように配置することとしたが、本発明はこのような構成に限定されない。例えば、青色用の面発光光源１１ｂをコンデンサレンズ４に対向させ、赤色用および緑色用の面発光光源１１ｒ，１１ｇを青色用の面発光光源１１ｂと直交する方向を向くように配置してもよい。あるいは、赤色用の面発光光源１１ｒをコンデンサレンズ４に対向させ、緑色用および青色用の面発光光源１１ｇ，１１ｂを赤色用の面発光光源１１ｒと直交する方向を向くように配置してもよい。

また、上記の説明では、コンデンサレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂおよびコリメートレンズ４は、それぞれ１枚の凸レンズとして表したが、本発明はこのような形態に限定されず、取込角や倍率等、集光光学系の仕様に応じて、それぞれ２枚以上のレンズを用いて構成することも可能である。また、コンデンサレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂおよびコリメートレンズ４は、球面レンズに限らず、非球面レンズや自由曲面レンズ等を用いることも可能である。

さらに、上記の説明では、光強度分布均一化素子がインテグレータロッドである場合について説明したが、インテグレータロッドに限らず、例えば中空のライトトンネル等、他の光強度分布均一化素子を用いてもよい。

また、上記の説明では、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから放射した光をダイクロイックミラー６，７で合成することとしたが、ダイクロイックミラーに限らず、例えばダイクロイックプリズム等、他の光合成手段を用いてもよい。また、面発光光源の数は、３つに限定されるものではない。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図２０は、本発明の実施の形態２における集光光学系１Ｂを有する投写型画像表示装置２Ｂの構成を概略的に示す図である。実施の形態２における集光光学系１Ｂは、インテグレータロッド８および照明光学系２１を有さない点で、実施の形態１における集光光学系１Ａ（図１）とは異なる。

上述した実施の形態１では、インテグレータロッド８の入射面８１において、図１５および図１６（Ｂ）に示したように概ね均一な照度分布が得られていた。

そこで、この実施の形態２では、インテグレータロッドによる光強度分布の均一化を行わずに、コンデンサレンズ４を透過した光が、画像表示素子２２の表示面２３に直接入射するように構成し、画像表示素子２２の表示面２３での照度分布が、図１５および図１６（Ｂ）に示した概ね均一な照度分布に近い分布となるようにしている。

コリメートレンズ１３およびコンデンサレンズ４は、面発光光源１１の発光面１２を、画像表示素子２２の表示面２３に結像させる。画像表示素子２２の表示面２３は、インテグレータロッド８の入射面８１（図１）よりも大きいため、結像倍率は、画像表示素子２２の表示面２３のサイズと面発光光源１１の発光面１２のサイズおよび適切な照明マージンを考慮して決定する。

また、上述した実施の形態１では、インテグレータロッド８の入射面８１の中央部への入射角を入射面８１の隅部への入射角よりも小さくしていたが、この実施の形態２では、画像表示素子２２の表示面２３の中央部への入射角を表示面２３の隅部への入射角よりも小さくしており、これにより光量損失の低減を図っている。

また、この実施の形態２では、画像表示素子２２の表示面２３の中央部への光の集光角を、画像表示素子２２の表示面２３への許容入射角以下に設定している。この許容入射角は、実施の形態１で説明したインテグレータロッド８の入射面８１への許容入射角から、インテグレータロッド８の出射面８２の像を画像表示素子２２の表示面２３に結像する際の結像倍率を考慮して求めることができる。

コンデンサレンズ４は、図８および図９を参照して説明したように、面発光光源１１の発光面１２の隅部から放射された光を、発光面１２の中央部から放射された光よりも強いパワーで集光する光学面を備えたものとする。

このようにインテグレータロッド８を設けないことにより、集光光学系１Ｂおよび投写型画像表示装置２Ｂの製造コストを低減することができる。また、インテグレータロッド８での反射または透過損失がないため、光量損失をさらに低減することができる。また、インテグレータロッド８の配置スペースが不要となるため、装置の小型化が可能になる。他の構成は、実施の形態１と同様である。

以上説明したように、実施の形態２に係る集光光学系１Ｂおよび投写型画像表示装置２Ｂは、画像表示素子２２の表示面２３の中央部への集光角が、表示面２３の隅部への集光角よりも小さくなるように構成されている。言い換えると、画像表示素子２２の表示面２３の中央部に形成される光スポットが、隅部に形成される光スポットよりも大きい。さらに言い換えると、発光面１２の中央部から放射された光の集光位置が、隅部から放射された光の集光位置と比較して、よりコンデンサレンズ４（集光素子）から離れた位置にある。さらに言い換えると、発光面１２が画像表示素子２２の表示面２３に結像される際の結像倍率が、表示面２３の隅部よりも中央部において大きい。

このように構成されているため、面発光光源１２のエテンデューが画像表示素子２２のエテンデューより大きい場合でも、画像表示素子２２での光量損失を低減することができ、高い光利用効率を実現することができる。また、インテグレータロッドが不要であるため、製造コストを低減することができ、また、装置の小型化を図ることができる。

実施の形態２は、画像表示素子２２の表示面２３において、図１５および図１６（Ｂ）に示したような概ね均一な照度分布が許容される場合に、装置の小型化や製造コストの低減という効果を奏するものである。

一方、画像表示素子２２の表示面２３において、図１５および図１６（Ｂ）に示したような照度分布よりもさらに均一な照度分布が求められる場合には、実施の形態１のようにインテグレータロッドを用いた十分な光強度の均一化を行うことが望ましい。

すなわち、実施の形態１と実施の形態２とを対比した場合、装置の小型化や製造コストの低減という観点では、実施の形態２の方が有利であり、表示画面の照度の均一さという観点では、実施の形態１の方が有利である。

なお、実施の形態２では、面発光光源１１のエテンデューが画像表示素子２２の表示面２３のエテンデューより大きいとしたが、本発明はこれに限らず、面発光光源１１のエテンデューが画像表示素子２２の表示面２３のエテンデューより小さい場合にも適用できる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。以下では、互いに直交する３つの方向を、ｘ方向（横方向）、ｙ方向（縦方向）およびｚ方向（光軸と平行な方向）とする。

図２１は、本発明の実施の形態３における集光光学系１Ｃを有する投写型画像表示装置２Ｃの構成を示す図である。図２１に示すように、実施の形態３に係る集光光学系１Ｃは、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを有している。面発光光源１１ｒは、発光面１２ｒから赤色（Ｒ）の光を放射する。面発光光源１１ｇは、発光面１２ｇから緑色（Ｇ）の光を放射する。面発光光源１１ｂは、発光面１２ｂから青色（Ｂ）の光を放射する。

図２１では、赤色（Ｒ）の光を一点鎖線で示し、緑色（Ｇ）の光を長い破線で示し、青色（Ｂ）の光を短い破線で示している。

面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは、ＬＥＤ、ＥＬ素子、半導体レーザまたはこれらの組合せ等により構成することができる。以下の説明では、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂをＬＥＤで構成した場合について説明する。

集光光学系１Ｃは、また、コリメートレンズ（コリメート光学系）１３ｒ，１３ｇ，１３ｂを有している。コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂは、いずれも正のパワーを有している。コリメートレンズ１３ｒは、面発光光源１１ｒの発光面１２ｒから放射された赤色光を略平行光に変換する。コリメートレンズ１３ｇは、面発光光源１１ｇの発光面１２ｇから放射された緑色光を略平行光に変換する。コリメートレンズ１３ｂは、面発光光源１１ｂの発光面１２ｂから放射された青色光を略平行光に変換する。

集光光学系１Ｃは、また、光合成手段を備えている。光合成手段は、コリメートレンズ１３ｒを通過した赤色光と、コリメートレンズ１３ｇを通過した緑色光と、コリメートレンズ１３ｂを通過した青色光とを合成する。図２１では、光合成手段により合成された光を、二点鎖線で示している。

図２１に示した例では、光合成手段は、クロスダイクロイックミラーであり、互いに直交する２枚のダイクロイックミラー６，７を有している。ダイクロイックミラー６，７は、特定の波長帯域の光を透過し、特定の波長帯域の光を反射する特性を有している。

ここでは、ダイクロイックミラー６は、緑色光および青色光を透過し、赤色光を反射する。ダイクロイックミラー７は、赤色光および緑色光を透過し、青色光を反射する。クロスダイクロイックミラーは、２枚のダイクロイックミラーを互いに離間して配置する場合と比較してミラーの配置スペースを小さくできるため、コンパクトな集光光学系を実現することができる。なお、光合成手段の構成は、図２１に示した構成に限定されない。

集光光学系１Ｃは、また、コンデンサレンズ４、集光Ｆ値制御レンズ５およびインテグレータロッド８を有している。コンデンサレンズ４は、正のパワーを有しており、光合成手段によって合成された光を集光する。

集光Ｆ値制御レンズ（集光素子）５は、集光Ｆ値を制御する機能を有しており、２面以上のトロイダル面を有している。なお、トロイダル面には、シリンドリカル面も含まれる。集光Ｆ値制御レンズ５は、コンデンサレンズ４で集光された光が入射し、その光をインテグレータロッド８の入射面８１に所望の角度で集光する。

インテグレータロッド８は、入射面８１と出射面８２とを有し、光強度分布均一化素子としての機能を有している。入射面８１には、集光Ｆ値制御レンズ５からの光が入射する。出射面８２から、光強度分布が均一化された光を出射する。

コンデンサレンズ４は、赤色光、緑色光および青色光のそれぞれに共通の構成である。また、集光Ｆ値制御レンズ５も、赤色光、緑色光および青色光のそれぞれに共通の構成である。

コンデンサレンズ４は、ダイクロイックミラー６，７により合成された光を集光する。集光Ｆ値制御レンズ５は、コンデンサレンズ４で集光された光を、所望の角度でインテグレータロッド８の入射面８１に集光する。このとき、インテグレータロッド８の入射面８１は、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと共役の関係にある。すなわち、インテグレータロッド８の入射面８１には、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの２次光源像が形成される。なお、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、それぞれ同じ大きさの矩形状の平面である。

インテグレータロッド８は、例えば、断面が矩形の四角柱の形状を有している。インテグレータロッド８は、例えば、ガラスで構成されている。入射面８１は、画像表示素子２２の表示面２３と相似の形状を有している。ここでは、画像表示素子２２が矩形状であるため、入射面８１は矩形状である。入射面８１に入射した光は、ガラスと空気の界面で全反射を繰り返しながらインテグレータロッド８の内部を伝播する。インテグレータロッド８の内部を伝播することで、各色の光が均一化される。均一化された光は、出射面８２から出射される。

なお、光強度分布均一化素子は、インテグレータロッド８に限定されない。光強度分布均一化素子は、内面で全反射を利用する中空のライトパイプであってもよいし、その他の素子であってもよい。

図２１に示すように、投写型画像表示装置２Ｃは、集光光学系１Ｃと、照明光学系２１、画像表示素子２２および投写光学系２４を有している。また、スクリーンを備えた背面投写型の投写型画像表示装置の場合は、画像光が拡大投影されるスクリーン２５をさらに有している。

照明光学系２１には、集光光学系１Ｃから出射された光が入射する。集光光学系１Ｃから出射された光は、インテグレータロッド８によって光強度分布が均一化された光である。照明光学系２１は、例えばレンズで構成される。画像表示素子２２は、照明光学系２１を通過した光を変調して画像光を生成する。画像光とは、静止画および動画を含む画像情報を有する光である。投写光学系２４は、画像表示素子２２で生成された画像光をスクリーン２５に拡大投写する。

照明光学系２１は、インテグレータロッド８から出射された光を、画像表示素子２２の表示面２３に照射する。このとき、インテグレータロッド８の出射面８２は、画像表示素子２２の表示面２３と共役な関係にある。そのため、出射面８２の像が、表示面２３上に結像される。出射面８２は、均一な輝度を有する矩形状の面である。出射面８２は、表示面２３と相似な形状を有している。これにより、効率良く表示面２３を照明することができ、また高い光利用効率を得ることができる。

画像表示素子２２は、例えば、透過型の液晶パネル、反射型の液晶パネル、または反射型のＤＭＤである。表示面２３は、多数の画素が二次元的に配列された構成を有している。画像表示素子２２は、照明光学系２１により照射された光を画像光に変換する。画像表示素子２２は、照明光学系２１により照射された光を、映像信号に応じて画素毎に強度変調することにより、画像光を生成する。

投写型画像表示装置２Ｃは、以下のようにして画像を表示する。面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから放射された赤色光、緑色光および青色光は、対応するコリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂを透過して略平行光となる。コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂを透過した略平行光は、ダイクロイックミラー６，７により合成される。合成された光は、コンデンサレンズ４で集光される。コンデンサレンズ４で集光された光は、集光Ｆ値制御レンズ５によってインテグレータロッド８の入射面８１に集光される。インテグレータロッド８により光強度分布が均一化された光は、照明光学系２１に入射する。照明光学系２１から出射された光は、画像表示素子２２に照射される。画像表示素子２２により変調された画像光は、投写光学系２４によりスクリーン２５に拡大投写される。拡大投写された画像光により、スクリーン２５に画像が表示される。

次に、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ、入射面８１、および表示面２３の幾何学的な関係について説明する。この実施の形態３では、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは入射面８１と共役な関係にある。しかしながら、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの面形状は、入射面８１の面形状と相似形ではなく、アスペクト比が異なる。出射面８２は表示面２３と共役な関係にある。出射面８２の面形状は、表示面２３の面形状と相似形であり、アスペクト比が同じである。従って、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂと入射面８１との間では、アスペクト比が異なることにより光量損失が生じる。この光量損失を低減するためには、集光光学系１Ｃの改善が必要である。

この光量損失がなぜ生じるかについて説明する。ここでは、実施の形態１で説明したエテンデューの概念を、実施の形態３に係る集光光学系１Ｃおよび投写型画像表示装置２Ｃに適用する。発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから放射される光束の配光分布をランバーシアン（ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）分布と仮定する。ランバーシアン分布は、完全拡散した場合の配光分布である。

エテンデューは、発光面の面積と発光面から放射される光の立体角との積で定義される。エテンデューは、また、受光面の面積と受光面で受光される光の立体角との積で定義される。面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂのエテンデューＥｓ、インテグレータロッド８のエテンデューＥｉおよび画像表示素子２２のエテンデューＥｌは、実施の形態１と同様、以下の式（５）から式（７）で表される。
Ｅｌ＝Ａｌ×π×ｓｉｎ^２（θｌ） ・・・（５）
Ｅｉ＝Ａｉ×π×ｓｉｎ^２（θｉ） ・・・（６）
Ｅｓ＝Ａｓ×π×ｓｉｎ^２（θｓ） ・・・（７）

式（５）において、Ｅｌは、画像表示素子２２のエテンデューである。Ａｌは、表示面２３の面積である。θｌは、集光角θｉ（後述）で入射面８１に入射した後、表示面２３に入射する光線の、表示面２３の法線に対する角度（照明角）である。πは円周率である。

式（６）において、Ｅｉは、インテグレータロッド８のエテンデューである。Ａｉは、入射面８１の面積である。θｉは、取込角θｓ（後述）で発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから放射され、入射面８１に入射する光線の、入射面８１の法線に対する角度（集光角）である。

式（７）において、Ｅｓは、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂのエテンデューである。Ａｓは、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの面積である。θｓは、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから放射され、コリメータレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂで取り込もうとする光線のうち、最も大きな広がり角で放射される光線の、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの法線に対する角度（取込角）である。

一般に、集光光学系および照明光学系は、上記エテンデューＥｓ，Ｅｉ，Ｅｌの値が等しくなるよう設計される。例えば、表示面２３のサイズを１６．０ｍｍ×７．０ｍｍとする。この場合、表示面２３のアスペクト比は１６対７である（アスペクト比１６：７）。表示面２３を照明する光のＦ値を２．５と設定する。その際の照明角θｌは、１１．５３度である（θｌ≒１１．５３°）。画像表示素子２２のエテンデューＥｌは、式（５）を用いて以下のように計算され、約１４．１となる。
Ｅｌ＝Ａｌ×π×ｓｉｎ^２（θｌ）
＝（１６．０×７．０）×π×ｓｉｎ^２（１１．５３°）
≒１４．１

これに対応して、入射面８１に入射する光のＦ値を１．０とする。その際の集光角θｉは、３０度である（θｉ＝３０°）。入射面８１のサイズを６．４ｍｍ×２．８ｍｍと設定する。入射面８１のアスペクト比は１６対７である（アスペクト比１６：７）。インテグレータロッド８のエテンデューＥｉは、式（６）を用いて以下のように計算され、約１４．１となる。インテグレータロッド８のエテンデューＥｉは、画像表示素子２２のエテンデューＥｌと等しくすることができる。
Ｅｉ＝Ａｉ×π×ｓｉｎ^２（θｉ）
＝（６．４×２．８）×π×ｓｉｎ^２（３０°）
≒１４．１

ここで、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのサイズが２．７ｍｍ×２．０ｍｍであるとする。発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのアスペクト比は４対３である（アスペクト比４：３）。そして、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから半球状に放射された光束の配光分布がランバーシアン分布であるとする。半球状の放射の場合、取込角θｓは９０度である（θｓ＝９０°）。この場合の面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂのエテンデューＥｓは、式（７）を用いて以下のように計算され、約１７．０となる。
Ｅｓ＝Ａｓ×π×ｓｉｎ^２（θｓ）
＝（２．７×２．０）×π×ｓｉｎ^２（９０°）
＝１７．０

従って、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂのエテンデューＥｓは、画像表示素子２２のエテンデューＥｌおよびインテグレータロッド８のエテンデューＥｉよりも大きな値を持つ。エテンデューは光学不変量である。インテグレータロッド８のエテンデューＥｉが、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂのエテンデューＥｓよりも小さいということは、光量損失が生じることを意味する。

これまでのエテンデューによる光の利用効率の検討から、発光面のアスペクト比と集光面（すなわち入射面８１）のアスペクト比とが異なる場合、従来の集光光学系では光量損失が生じることが分かる。しかしながら、エテンデューは、発光面の面積と発光面から放射される光の立体角との積、または受光面の面積と受光面で受光される光の立体角との積で定義されるため、２次元的な関係を表していると言える。発光面のアスペクト比と集光面のアスペクト比とが異なる場合のエネルギーの利用効率の検討には、さらに１次元的な関係を検討する必要がある。

そこで、以下では、エテンデューを１次元的に表した式を用いて、光の利用効率について検討する。ここでは、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂとインテグレータロッド８との関係について説明する。エテンデューを１次元的に表した式を用いると、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂとインテグレータロッド８との間で光量損失が生じない条件は、式（８）および式（９）に示す２つの条件の両方を満たすことである。
ｘｓ×ｓｉｎ（θｓ）≦ｘｉ×ｓｉｎ（θｉ） ・・・（８）
ｙｓ×ｓｉｎ（θｓ）≦ｙｉ×ｓｉｎ（θｉ） ・・・（９）

式（８）および式（９）において、ｘｓは、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの横方向（ｘ方向）の長さを示す。ｙｓは、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの縦方向（ｙ方向）の長さを示す。ｘｉは、入射面８１の横方向（ｘ方向）の長さを示す。ｙｉは、入射面８１の縦方向（ｙ方向）の長さを示す。

式（５）〜（７）の説明で述べた各部の寸法を式（８）に代入すると、式（８）の左辺と右辺は、それぞれ以下のようになる。
ｘｓ×ｓｉｎ（θｓ）＝２．７×ｓｉｎ（９０°）＝２．７
ｘｉ×ｓｉｎ（θｉ）＝６．４×ｓｉｎ（３０°）＝３．２
従って、式（８）の条件を満たす。つまり、横方向（ｘ方向）には光量損失が生じないことが分かる。

同様に、式（９）の左辺と右辺は、それぞれ以下のようになる。
ｙｓ×ｓｉｎ（θｓ）＝２．０×ｓｉｎ（９０°）＝２．０
ｙｉ×ｓｉｎ（θｉ）＝２．８×ｓｉｎ（３０°）＝１．４
従って、ｙｓ×ｓｉｎ（θｓ）＞ｙｉ×ｓｉｎ（θｉ）となり、式（９）の条件を満たさない。つまり、縦方向（ｙ方向）で光量損失が生じることが分かる。

上記の例のように、発光面のアスペクト比と集光面のアスペクト比とが異なる場合の光量損失は、式（５）〜（７）だけでは不十分であり、エテンデューを１次元的に表した式（８）および式（９）の両方を用いて検討しなければならない。発光面のアスペクト比と集光面のアスペクト比とが異なる場合、式（８）と式（９）とのどちらか一方もしくは両方を満たさない従来の集光光学系では、光量損失の発生を避けられない。

但し、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから放射される光を全て取り込むことは困難である。放射される光を全て取り込むとは、取込角θｓが９０度（θｓ＝９０°）ということである。また、製造誤差や均一性を考慮して、表示面２３を照明する際には、表示面２３よりもやや大きめに照明するのが一般的である。このことを照明マージンと言う。これら等により、実際には、光学系の仕様に合わせて取込角や入射面８１のサイズ等は適宜最適化してもよい。

発光面と集光面とでアスペクト比が異なる集光光学系の光量損失には、実施の形態１でも説明したように、角度による光量損失と面積による光量損失との２種類の光量損失がある。角度による光量損失とは、発光面から放射された光が、集光面で許容入射角度よりも大きい角度で入射することによる光量損失である。面積による光量損失とは、発光面から放射された光が、集光面からはみ出して集光することによる光量損失である。

＜参考例２＞
ここで、参考例２として、光量損失が生じる場合の構成について説明する。参考例２の構成要素は、説明の便宜上、実施の形態３の構成要素と同じ符号を用いて説明する。図２２は、参考例２の集光光学系の構成を示す図である。図２２（Ａ）は、集光光学系を＋ｙ方向から見た図であり、図２２（Ｂ）は、集光光学系を＋ｘ方向から見た図である。図２２では、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは、まとめて符号１１で表し、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、まとめて符号１２で表す。コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂは、まとめて符号１３で表す。参考例２の集光光学系は、従来の設計手法で設計され、光量損失が生じる集光光学系である。

参考例２の集光光学系は、発光面１２から放射された光をコリメートレンズ１３で平行光に変換し、その平行光を、コンデンサレンズ４を介してインテグレータロッド８の入射面８１に集光する。

図２３は、参考例２のインテグレータロッド８の入射面８１における照明光の集光領域を示す模式図である。図２３において、集光領域を符号Ｂで示す。入射面８１のサイズは、画像表示素子２２の仕様、すなわち表示面２３の面積やＦ値などにより定められる。

図２２（Ａ）に示すように、参考例２では、入射面８１における集光角θｉは、許容入射角の範囲内である。許容入射角とは、光が有効に利用され得る所定の角度である。そのため、光が無効な入射角度（光が有効に利用されない角度）で入射することによる光量損失はない。すなわち、角度による光量損失は生じない。

しかしながら、集光角θｉを、上記のように角度による光量損失が生じない角度に設定したことで、エテンデューにより集光可能領域の面積は一意に決まる。そのため、図２２（Ｂ）および図２３に示したように、インテグレータロッド８の入射面８１の範囲から、照明光がｙ方向にはみ出している。すなわち、面積による光量損失が生じている。

＜参考例３＞
図２４は、参考例３の集光光学系の構成を示す図である。図２４（Ａ）は、集光光学系を＋ｙ方向から見た図であり、図２４（Ｂ）は、集光光学系を＋ｘ方向から見た図である。参考例３の集光光学系は、従来の設計手法を用いて設計され、光量損失が生じる集光光学系である。

参考例３の集光光学系は、トロイダルレンズ５０を有している。すなわち、参考例３の集光光学系は、発光面１２から放射した光をコリメートレンズ１３で平行光に変換し、平行光をコンデンサレンズ４に入射させて集光し、さらにトロイダルレンズ５０を介してインテグレータロッド８の入射面８１に集光する。

図２５は、参考例３のインテグレータロッド８の入射面８１における照明光の集光領域を示す模式図である。図２５において、集光領域を符号Ｂで示す。

トロイダルレンズ５０は、ｘ方向とｙ方向とでそれぞれ異なる屈折力を持たせることができる。参考例３では、トロイダルレンズ５０の入射側の第１面５１および出射側の第２面５２に、ｙ方向にのみ屈折力をもたせている。これにより、図２５に示すように面積による光量損失を防ぐことができる。しかしながら、図２４（Ｂ）に示すように、入射面８１でのｙ方向の集光角が許容入射角（α）よりも大きい。つまり、参考例３では、角度による光量損失が生じている。この場合の光量損失は、参考例２（図２２，図２３）の場合と同等の光量損失となる。

参考例２および参考例３のように、発光面１２のアスペクト比が入射面８１のアスペクト比と異なる場合、面積による光量損失、または角度による光量損失、若しくはその両方が生じる。本発明の実施の形態３は、トロイダルレンズを用いながら、図２４（Ｂ）に示したｙ方向の角度による光量損失を低減するものである。

＜実施の形態３の集光光学系＞
図２６は、実施の形態３の集光光学系１Ｃの構成を示す図である。ここでは、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは、まとめて符号１１で表し、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、まとめて符号１２で表す。コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂは、まとめて符号１３で表す。また、光軸方向をｚ方向とし、横方向をｘ方向、縦方向をｙ方向とする。図２６（Ａ）は、実施の形態３の集光光学系１Ｃを＋ｙ方向から見た図である。図２６（Ｂ）は、実施の形態３の集光光学系１Ｃを＋ｘ方向から見た図である。

実施の形態３の集光光学系１Ｃは、面発光光源１１の発光面１２から放射された光を、コリメートレンズ１３により平行光に変換している。平行光は、コンデンサレンズ４に入射して集光される。コンデンサレンズ４で集光された光は、集光Ｆ値制御レンズ５に入射して、入射面８１上に集光する。

図２６（Ｂ）に示すように、ｙ方向の集光角θｉについて見ると、入射面８１の中央部の集光角θｉは、入射面８１の縁部の集光角θｉと異なっている。より具体的には、入射面８１の中央部の集光角θｉは、入射面８１の縁部の集光角θｉよりも小さい。ｙ方向は、集光Ｆ値制御レンズ５のトロイダル面によりアスペクト比を圧縮する方向、つまり光量損失の生じる方向である。なお、アスペクト比の圧縮については、後述する。

すなわち、図２６（Ｂ）において、ｙ−ｚ平面に平行な面内における光の結像状態を見ると、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのｙ方向の縁部から放射された光は、入射面８１の縁部に到達するように所定の倍率で結像する。これに対し、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのｙ方向の中央部から放射された光は、縁部から放射された光の結像倍率よりも大きい結像倍率で結像する。言い換えると、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのｙ方向中央部から放射された光は、ｙ方向縁部から放射された光よりも小さな集光角θｉで、入射面８１に結像する。

図２７はｙ−ｚ平面において、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから放射された光がインテグレータロッド８の入射面８１に集光する状態を示す模式図である。図２７は、入射面８１の近傍を、＋ｘ方向から見た図である。

発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ上の一点から＋ｚ方向に放射された光は、ある広がり角を持って放射される。放射された光のうち、コリメータレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂに取り込まれる最も大きな角度が取込角θｓである。取込角θｓは、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの法線に対する角度で定義される。そのため、ｙ−ｚ平面では、ｚ方向に対して、＋ｙ方向に取込角θｓ１で放射された光と、−ｙ方向に取込角θｓ２で放射された光とが存在する。

一方、入射面８１の一点に入射する光は、ある角度をもって集光する。入射面８１の一点に入射する光の角度が集光角θｉである。集光角θｉは、入射面８１の法線に対する角度で定義される。このため、ｙ−ｚ平面では、ｚ方向に対して、＋ｙ方向から集光角θｉ１で入射する光と、−ｙ方向から集光角θｉ２で入射する光とが存在する。図２７では、集光角θｉ１で入射する光を符号ｕ１，ｖ１で示している。また、集光角θｉ２で入射する光を符号ｕ２，ｖ２で示している。

発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの−ｙ方向の縁部（図２６（Ｂ）参照）から取込角θｓ２で放射された光は、入射面８１に集光角ｕ２で集光する。発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの−ｙ方向の縁部から取込角θｓ１で放射された光は、入射面８１に集光角ｕ１で集光する。

発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのｙ方向の中央部（図２６（Ｂ）参照）から取込角θｓ２で放射された光は、入射面８１に集光角ｖ２で集光する。発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのｙ方向の中央部から取込角θｓ１で放射された光は、入射面８１に集光角ｖ１で集光する。

インテグレータロッド８への許容入射角をαとする。許容入射角αは、入射面８１の法線に対する角度で定義される。入射面８１の縁部では、集光角ｕ１，ｕ２は許容入射角αよりも大きく、従って角度による光量損失が生じている。一方、入射面８１の中央部では、集光角ｖ１，ｖ２は集光角ｕ１，ｕ２よりも小さいため、角度による光量損失を無くすことができるか、または、少なくとも入射面８１の縁部よりも低く抑えることができる。

その結果、図２４（Ｂ）の参考例３と比較して、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの中央部から縁部にかけて、角度による光量損失を低減することができる。この場合、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの中央から放射される光のｙ方向における集光角ｖ１，ｖ２を許容入射角αに近づけるほど、光量損失は小さくなる。そのため、集光角ｖ１，ｖ２を許容入射角α以下とすることが望ましい。

なお、実施の形態３では、発光面の２次光源像のサイズと入射面８１のサイズとを同じにしたが、このような構成に限定されるものではなく、結像倍率を若干大きくする等の変形は可能である。

図２８は、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの微小発光領域の像が、ｙ−ｚ平面において、インテグレータロッド８の入射面８１に結像される状態を示す模式図である。面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは、まとめて符号１１で表し、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、まとめて符号１２で表す。コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂは、まとめて符号１３で表す。

図２８において、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ上の微小発光領域のｙ方向の微小長さを、△ａとする。図２８には、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの中央部の微小長さ△ａの領域から、発光面に垂直に出射された光線が示されている。また、同図には、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの縁部の微小長さ△ａの領域から、発光面に垂直に出射された光線が示されている。

発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの中央部の微小長さ△ａの微小発光領域は、入射面８１上で微小長さ△ｃの像として結像される。一方、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの縁部の微小長さ△ａの微小発光領域は、入射面８１上で微小長さ△ｐの像として結像される。上述したように、入射面８１の中央部での集光角ｖ１，ｖ２（図２７）は縁部での集光角ｕ１，ｕ２より小さく、言い換えると、中央部での結像倍率は縁部の結像倍率よりも大きい。そのため、微小長さ△ｃは微小長さ△ｐよりも大きい。これにより、面積による光量損失を生じずに（すなわち入射面８１から光がはみ出すことなく）、角度による光量損失を低減することができる。

図２９は、集光Ｆ値制御レンズ５の構成と、その集光作用を示す模式図である。図２９（Ａ）は＋ｘ方向から見た図であり、図２９（Ｂ）は＋ｙ方向から見た図である。集光Ｆ値制御レンズ５は、第１面５１および第２面５２を有する。第１面５１は、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂからの光が入射する面である。第２面５２は、第１面５１に入射した光が集光Ｆ値制御レンズ５から出射する面である。第１面５１および第２面５２は、いずれもトロイダル面である。なお、トロイダル面には、シリンドリカル面も含まれる。

集光Ｆ値制御レンズ５は、２つの機能を有する。第１の機能は、アスペクト比を圧縮する機能である。第２の機能は、集光Ｆ値を制御する機能である。第１の機能は、ｘ方向のアスペクト比を圧縮する機能、または、ｙ方向のアスペクト比を圧縮する機能である。また、第２の機能は、入射面８１において、アスペクト比を圧縮する方向の集光Ｆ値を制御する機能である。

まず、アスペクト比を圧縮する機能（第１の機能）について説明する。図２９（Ａ）に示すように、第１面５１および第２面５２は、いずれもｙ−ｚ平面において＋ｚ方向に凸となる形状を有している。一方、図２９（Ｂ）に示すように、第１面５１および第２面５２は、いずれもｘ方向の曲率は無限大である。すなわちフラットな形状を有している。

従って、図２９（Ｂ）に示すように、ｘ−ｚ平面では、光線が第１面５１に入射するときの入射角度と、第２面５２から出射するときの出射角度とは同じである。集光Ｆ値制御レンズ５は、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから出射した光を入射面８１に所望の角度で集光する。

一方、図２９（Ａ）に示すように、ｙ方向の光線は、アスペクト比の圧縮方向の光線である。ｙ方向の光線とは、ｙ−ｚ平面と平行な面上の光線である。そのため、ｘ方向の光線よりも大きい角度で入射面８１に入射しなければならない。ｘ方向の光線とは、ｘ−ｚ平面と平行な面上の光線である。このとき、入射面８１においてｙ方向の光線を任意の位置に集光するためには、集光位置に応じて、ｘ方向の光線よりも光路長を長くするか、または短くする必要がある。そのためには、トロイダル面が少なくとも２面必要である。このトロイダル面は、アスペクト比の圧縮方向に屈折力を持っている。アスペクト比の圧縮方向はｙ方向である。この２面のトロイダル面が、第１面５１および第２面５２である。

次に、集光Ｆ値を制御する機能（第２の機能）について説明する。図２９（Ａ）において、集光Ｆ値制御レンズ５のｙ−ｚ平面内の曲率は、中央部の屈折力を周辺部の屈折力よりも小さくする曲率である。なお、集光Ｆ値制御レンズ５の中央部の屈折力は、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのｙ方向中央部から出射した光線を屈折する力である。また、集光Ｆ値制御レンズ５の周辺部の屈折力は、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのｙ方向の縁部から出射した光線を屈折する力である。

集光Ｆ値制御レンズ５は、入射面８１での集光角ｖ１，ｖ２を集光角ｕ１，ｕ２よりも小さくすることができる。集光角ｖ１，ｖ２は、入射面８１の中央部に集光する光線のｙ方向の集光角である。集光角ｕ１，ｕ２は、入射面８１のｙ方向縁部に集光する光線のｙ方向の集光角である。つまり、集光Ｆ値制御レンズ５は、入射面８１におけるアスペクト比を圧縮する方向（ここではｙ方向）の集光Ｆ値を制御することができる。

なお、以上の説明では、集光Ｆ値制御レンズ５のみが、アスペクト比の圧縮方向において入射面８１の縁部の集光角ｕ１，ｕ２を中央部の集光角ｖ１，ｖ２と異なる角度にする機能を有している。しかしながら、このような構成に限定されるものではない。例えば、集光Ｆ値制御レンズ５を複数のレンズで構成し、その複数のレンズが、アスペクト比の圧縮方向において縁部の集光角ｕ１，ｕ２を中央部の集光角ｖ１，ｖ２と異なる角度にする機能を有していてもよい。

また、当該機能（アスペクト比の圧縮方向において入射面８１の縁部の集光角ｕ１，ｕ２を中央部の集光角ｖ１，ｖ２と異なる角度にする機能）は、集光光学系１Ｃの全体で発揮できれば良い。例えば、当該機能を、集光光学系１Ｃを構成するコリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂ、コンデンサレンズ４および集光Ｆ値制御レンズ５のいずれのレンズに付与してもよく、或いは、集光光学系１Ｃを構成する複数のレンズに分散させて付与することも可能である。

＜数値実施例２＞
以下、実施の形態３の集光光学系１Ｃの数値実施例２について説明する。表８には、集光光学系１Ｃの光学データを示す。図３０は、表８の光学データの集光光学系１Ｃの構成を示す図である。図３０（Ａ）は、集光光学系１Ｃをｘ方向から見た図である。図３０（Ｂ）は、集光光学系１Ｃをｙ方向から見た図である。

図３０に示す集光光学系１Ｃは、面発光光源１１、コリメートレンズ５１３，６１３、コンデンサレンズ１１４、トロイダルレンズ１１５およびインテグレータロッド８で構成されている。

本実施例では、面発光光源１１の発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのサイズは２．７ｍｍ×２．０ｍｍである。インテグレータロッド８の入射面８１のサイズは６．３９ｍｍ×２．８６ｍｍである。面発光光源１１からの光の取込角は８０度である。インテグレータロッド８への許容入射角は３０度である。この場合、Ｆ値は１．０である（Ｆ値＝１．０）。これは画像表示素子２２の表示面２３上の１５．９７ｍｍ×７．１６ｍｍの領域を、Ｆ２．５で照明することに相当する。この場合、照明角θｌは約１１．５度である。各レンズに使用する硝子材の屈折率は１．５２である。

表８に示した光学データにおける面番号Ｓｉの欄には、図３０に示した符号Ｓｉに対応させて、ｉ番目の面の番号を示している。ｉは１以上の自然数である。最も物体側にある構成要素の面を１番目（ｉ＝１）とする。物体側とは、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ側である。番号ｉは、像側に向かって順次増加する。ＯＢＪは物体面を示し、図３０では発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂである。ＩＭＡは結像面を示し、図３０では入射面８１である。ＣＧは面発光光源のカバーガラス（平行平板）である。

また、表８において、面Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８は非球面形状となっている。表９に、非球面データを示す。

表９に示す非球面データは、以下の式（１０）で表される非球面形状の式の各係数ｋ，Ａｉの値を示している。係数ｋはコーニック係数を示す。係数Ｃは面頂点での曲率を示す。係数Ａｉはｉ次の非球面係数を示す。Ｚは、光軸から半径ｒ（ｍｍ）離れた位置での非球面サグ量（深さ：ｍｍ）である。サグ量とは、レンズ各面と光軸の交点（面頂点）を含む光軸と直交する平面を基準（基準面）に、光軸からの距離に対して基準面からレンズ面の形状までの距離である。
Ｚ１（ｒ）＝Ｃ・ｒ^２／｛１＋（１−（１＋ｋ）・Ｃ^２・ｒ^２）^１／２｝＋ΣＡｉ・ｒｉ
（ｉ＝１〜ｎ）・・・（１０）

また、表８において、面Ｓ９，Ｓ１０は非球面であるトロイダル面形状となっている。表１０に、非球面データを示す。

表１０に示す非球面データは、以下の式（１１）で表される非球面形状の式の各係数ｋ，Ａｉの値を示している。係数ｋはコーニック係数を示す。係数Ｃは面頂点での曲率を示す。係数Ａｉはｉ次の非球面係数を示す。Ｚは、光軸からｙ方向に半径ｒｙ（ｍｍ）離れた位置での非球面サグ量（深さ：ｍｍ）である。
Ｚ１（ｙ）＝Ｃ・ｒｙ^２／｛１＋（１−（１＋ｋ）・Ｃ^２・ｒｙ^２）^１／２｝＋ΣＡｉ・ｒｙｉ^２・ｉ （ｉ＝１〜ｎ）・・・（１１）

なお、表８、表９および表１０に示した光学データは、実施の形態３における集光光学系１Ｃの機能を説明するためのものである。例えば、数値実施例２では非球面レンズを多用しているが、これを複数の球面レンズに置き換えることも可能である。レンズに使用する硝子材も、屈折率の異なる種々の硝材を使用することが可能である。

コリメートレンズ１３は、第１コリメートレンズ５１３および第２コリメートレンズ６１３の２枚で構成されている。面発光光源１１の側は、第１コリメートレンズ５１３である。インテグレータロッド８の側は、第２コリメートレンズ６１３である。コンデンサレンズ４は、コンデンサレンズ１１４の１枚で構成されている。集光Ｆ値制御レンズ５は、トロイダルレンズ１１５の１枚で構成されている。

なお、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂをまとめて、符号１１で表す。コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂをまとめて、符号１３で表す。第１コリメートレンズ５１３ｒ，５１３ｇ，５１３ｂをまとめて、符号５１３で表す。第２コリメートレンズ６１３ｒ，６１３ｇ，６１３ｂをまとめて、符号６１３で表す。

図３１は、入射面８１上の集光スポットのシミュレーション結果を示す図である。図３１における四角形の枠は、入射面８１の範囲を示している。横軸はｘ軸であり、横軸の右方向が＋ｘ方向である。縦軸がｙ軸であり、縦軸の上方向が＋ｙ方向である。なお、図３１には、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから出射された３波長の光（赤色光、緑色光、青色光）を代表して、波長５５０ｎｍの光の集光スポットを示している。

集光スポットは、下記の９つの光により形成される。すなわち、集光スポットは、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの４隅から放射された光、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの中心から放射された光、および発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの各辺の中点から放射された光により形成されるものである。発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂから出射された光は、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのアスペクト比が変換されて、入射面８１の上に集光している。

表１１は、図３２で定義する発光面１２上の点Ｐ１〜Ｐ９から放射される光線がインテグレータロッド８の入射面８１に集光するときのｘ方向とｙ方向のＦ値を示す。

放射位置Ｐ１は、発光面１２の中心を通るｘ方向の直線上における−ｘ方向の端の点である。放射位置Ｐ２は、発光面１２の中心点である。放射位置Ｐ３は、発光面１２の中心を通るｘ方向の直線における＋ｘ方向の端の点である。放射位置Ｐ７は、発光面１２の＋ｙ方向の端の辺における−ｘ方向の端の点である。放射位置Ｐ８は、発光面１２の＋ｙ方向の端の辺における中心点である。放射位置Ｐ９は、発光面１２の＋ｙ方向の端の辺における＋ｘ方向の端の点である。放射位置Ｐ４は、放射位置Ｐ１と放射位置Ｐ７との中点である。放射位置Ｐ５は、放射位置Ｐ２と放射位置Ｐ８との中点である。放射位置Ｐ６は、放射位置Ｐ３と放射位置Ｐ９との中点である。

入射面８１へのｙ方向の集光角θｉは、入射面８１の中心ほど小さい。そのため、表１１では、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのｙ方向中心ほどＦ値が大きくなる傾向があり、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのｙ方向の縁に近づくほどＦ値が小さくなる傾向がある。

＜比較例２＞
以下、実施の形態３の集光光学系１Ｃの効果と対比するための比較例２について説明する。この比較例２の集光光学系は、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから放射された光をインテグレータロッド８の入射面８１に許容入射角αで集光するように設計された一般的な集光光学系である。

表１２は、比較例２の集光光学系の光学データを示す。図３３は、表１２の光学データの集光光学系の構成を示す図である。図３３に示すように、比較例２の集光光学系は、面発光光源１１、コリメートレンズ５１３，６１３、コンデンサレンズ１１４，２１４およびインテグレータロッド８で構成されている。なお、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは、符号１１で表す。発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、符号１２で表わす。第１コリメートレンズ５１３ｒ，５１３ｇ，５１３ｂは、符号５１３で表す。第２コリメートレンズ６１３ｒ，６１３ｇ，６１３ｂは、符号６１３で表す。

比較例２では、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのサイズは２．７ｍｍ×２．０ｍｍである。入射面８１のサイズは６．３９ｍｍ×２．８６ｍｍである。面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから放射された光の取込角θｓは８０度である。インテグレータロッド８の入射面８１への許容入射角αは３０度である。このときのＦ値は１である（Ｆ値＝１）。これは、表示面２３上の１５．９７ｍｍ×７．１６ｍｍの領域をＦ２．５で照明することに相当する。このときの照明角θｌは約１１．５度である。各レンズに使用する硝子材の屈折率は１．５２である。すなわち、発光面１２のサイズ、入射面８１のサイズ、取込角θｓ、許容入射角α、照明角θｌ、光の波長および硝子材の屈折率は、数値実施例２と同様である。

表１２の表記は、表９と同様である。表１３に非球面データを示す。

表１４は、表１１と同様に、図３２で定義した面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ上の点Ｐ１〜Ｐ９から放射された光線がインテグレータロッド８の入射面８１に集光するときのｘ方向とｙ方向のＦ値を示している。比較例２では、入射面８１への集光角θｉは、入射面８１の中心と入射面８１の縁部とでほぼ同一となるように設計されている。このことから、光線の放射位置Ｐ１〜Ｐ９に関わらず、Ｆ値はほぼ１となっている。

図３４は、図３１と同様に、入射面８１上の集光スポットのシミュレーション結果を示す図である。図３４における四角形の枠は、入射面８１の範囲を示している。横軸がｘ軸であり、横軸の右方向が＋ｘ方向である。縦軸がｙ軸であり、縦軸の上方向が＋ｙ方向である。なお、図３４には、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから出射された３波長の光（赤色光、緑色光、青色光）を代表して、波長５５０ｎｍの光の集光スポットを示している。

発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのアスペクト比と入射面８１のアスペクト比とが異なるため、入射面８１への集光角θｉを許容入射角αと等しくすると、角度による光量損失は生じない。しかしながら、結像倍率が大きくなるため、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのｙ方向の縁部から放射された光は、入射面８１のｙ方向の縁部よりも外側に集光される。つまり、面積による光量損失が生じる。

表１５は、比較例２および数値実施例２の入射面８１への集光効率を対比して示す表である。表１５において、許容入射角αは３０度である。比較例２の集光効率は７０．１９％である。これに対し、数値実施例２の集光効率は８０．０１％である。比較例２と比較して、数値実施例２の集光効率は１３．９９％向上している。相対効率とは、比較例２を１００％とした場合の集光効率（光利用効率）である。

なお、インテグレータロッド８のサイズは、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのサイズと照明Ｆ値とから適切に決められている。このため、インテグレータロッド８に入射した光は、照明マージンやレンズ等の透過損失および画像表示素子２２での損失を除き、原則として光損失なくスクリーン２５まで到達するものと考える。

以上説明したように、実施の形態３に係る集光光学系１Ｃおよび投写型画像表示装置２Ｃは、入射面８１の中央部の集光角θｉを縁部の集光角θｉよりも小さくしている。特に、入射面８１の、アスペクト比の圧縮方向（上記の例ではｙ方向）の中央部に集光する光の集光角を、同方向の縁部に集光する光の集光角よりも小さくしている。これにより、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのアスペクト比と入射面８１のアスペクト比とが異なる場合でも、インテグレータロッド８での光量損失を低減することができ、インテグレータロッド８での光利用効率を向上することができる。

実施の形態４．
図３５は、本発明の実施の形態４に係る集光光学系１Ｄおよび投写型画像表示装置２Ｄの構成を概略的に示す構成図である。図３５に示すように、インテグレータロッド８０がテーパ形状を有する点で実施の形態３と異なる。インテグレータロッド８０は、光強度分布均一化素子である。

図３５では、実施の形態３で説明した集光光学系１Ｃおよび投写型画像表示装置２Ｃの構成要素と同様の構成要素には、同一符号を付し、その説明を省略する。実施の形態４の投写型画像表示装置２Ｄは、いずれも実施の形態３と同様の、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ、コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂ、ダイクロイックミラー６，７、コンデンサレンズ４、集光Ｆ値制御レンズ５、照明光学系２１、画像表示素子２２、投写光学系２４およびスクリーン２５を有する。図３５では、赤色（Ｒ）の光を短い一点鎖線で示し、緑色（Ｇ）の光を長い破線で示し、青色（Ｂ）の光を短い破線で示している。

上述した実施の形態３に係る集光光学系１Ｃは、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂからの光をインテグレータロッド８の入射面８１に集光して均一化していた。そして、図３１を参照して説明したように、ｘ方向において殆ど全ての集光スポットが入射面８１の範囲内に収まっていた。すなわち、ｘ方向における面積による光量損失は殆どなかった。

一方、ｙ方向においては、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのｙ方向の縁部から放射された光の集光スポットが入射面８１のｙ方向の縁よりも外側に外れていた。すなわち、面積による光量損失が生じていた。これは、ｙ方向において面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから８０度の取込角θｓで出射された光線の全てを入射面８１の範囲内に集光することが難しいからである。実施の形態４に係る集光光学系１Ｄは、このｙ方向の面積による損失をさらに低減するものである。

図３６（Ａ）は、角柱形状を有する一般的なインテグレータロッド８の構成を示し、図３６（Ｂ）は、テーパ形状を有するインテグレータロッド８０の構成を示す。図３６（Ａ）および図３６（Ｂ）は、いずれも＋ｙ方向から見た図である。

図３６（Ａ）に示すように、一般的なインテグレータロッド８では、入射面８１への入射角θｉｎがφ１のとき、出射面８２からの出射角θｏｕｔはφ１となる。すなわち、一般的なインテグレータロッド８では、入射面８１に入射する光線の入射角θｉｎと、出射面８２から出射される光線の出射角θｏｕｔとは等しい。ここで、入射角θｉｎは、集光角θｉである。

一方、図３６（Ｂ）に示すインテグレータロッド８０は、入射面８１０の面積が出射面８２０の面積よりも小さくなるようなテーパ形状を有している。この場合、入射面８１０への入射角θｉｎがφ１のとき、出射角θｏｕｔはφ２（＜θ１）となる。すなわち、光線の出射角θｏｕｔは、入射角θｉｎよりも小さくなる。この場合、光線の出射角θｏｕｔは、光線の入射角θｉｎと、テーパ角度βと、テーパ形状のインテグレータロッド８０内での反射回数ｍとから、次の式（１２）で与えられる。
θｏｕｔ＝θｉｎ−２×ｍ×β・・・（１２）

実施の形態４に係る集光光学系１Ｄは、式（１２）の関係を利用する。図３７は、一般的なインテグレータロッド８とテーパ形状を有するインテグレータロッド８０の入射面８１，８１０に対する集光領域Ｂ１，Ｂ２を示す図である。図３７（Ａ）には、入射面８１に対する実施の形態３の集光領域Ｂ１を示している。図３７（Ｂ）には、入射面８１０に対する実施の形態４の集光領域Ｂ２を示している。図３７（Ｂ）において、集光領域Ｂ２は入射面８１０と一致している。なお、図３７（Ｂ）の破線は、図３７（Ａ）の入射面８１を比較のために示したものである。

上記実施の形態３の数値実施例２では、ｘ方向には、所望の集光角θｉで入射面８１の範囲内に光を集光できているが、ｙ方向には、図３７（Ａ）に示すように、角度による光量損失に加えて面積による光量損失が生じている。そこで、実施の形態４の集光光学系１Ｄでは、図３７（Ｂ）に示すように、入射面８１０におけるｘ方向の集光領域Ｂ２を、実施の形態３の集光領域Ｂ１よりも狭くする。これにより、入射面８１０におけるｙ方向の集光領域Ｂ２を小さくすることができ、その結果、ｙ方向の面積による光量損失を低減できる。

ここで、図３６（Ａ）の出射角θｏｕｔを角度φ２として、図３６（Ｂ）の出射角θｏｕｔと同じにすると、図３６（Ａ）の入射角θｉｎ（＝θｏｕｔ）は、角度φ２となる。この場合、入射角θｉｎは集光角θｉであるため、実施の形態３のｘ方向の光線の集光角θｉである角度φ２に比べて、実施の形態４のｘ方向の光線の集光角θｉである角度φ１の方が大きくなる。

図３８（Ａ）および（Ｂ）は、一般的なインテグレータロッド８およびテーパ形状のインテグレータロッド８０の構成をそれぞれ示す斜視図である。図３８（Ａ）において、インテグレータロッド８の入射面８１での入射角θｉｎは角度φ２であり、出射面８２での出射角θｏｕｔも角度φ２である。一方、図３８（Ｂ）において、インテグレータロッド８０の入射面８１０での入射角θｉｎは角度φ１（＞φ２）であり、出射面８２０での出射角θｏｕｔは角度φ２である。

上記の通り、入射角θｉｎは集光角θｉであるため、実施の形態３のｘ方向の光線の集光角θｉの角度φ２に比べて、実施の形態４のｘ方向の光線の集光角θｉの角度φ１の方が大きい。

そこで、実施の形態４では、図３６（Ｂ）および図３８（Ｂ）に示すように、インテグレータロッド８０をテーパ形状とすることで、ｘ方向の光線の角度変換を行う。入射面８１０において、ｘ方向の集光角θｉは、角度φ１である。ｘ方向の光線は、テーパ形状のインテグレータロッド８０の内部で全反射を繰り返す。そして、出射面８２０において、ｘ方向の出射角θｏｕｔは、角度φ２となる。実施の形態４の出射角θｏｕｔは、実施の形態３の集光角θｉ（図３８（Ａ））と等しくなる。インテグレータロッド８０は、集光角θｉが角度φ１の光を、出射角θｏｕｔが角度φ２の光に変換する。

よって、テーパ形状のインテグレータロッド８０の出射面８２０においては、ｘ方向の角度による光量損失を回復することができる。実施の形態４において、ｘ方向の光量損失は実施の形態３と変わらなくなる。

＜数値実施例３＞
以下、実施の形態４の集光光学系１Ｄの数値実施例３について説明する。表１６には、集光光学系１Ｄの光学データを示す。図３９は、表１６の光学データの集光光学系１Ｄの構成を示す図である。図３９（Ａ）は、集光光学系１Ｄをｘ方向から見た図であり、図３９（Ｂ）は、集光光学系１Ｄをｙ方向から見た図である。

図３９に示す集光光学系１Ｄは、面発光光源１１、コリメートレンズ７１３，８１３、コンデンサレンズ１１７、集光Ｆ値制御レンズ１１８およびインテグレータロッド８で構成されている。なお、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは、まとめて符号１１で表す。発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、まとめて符号１２で表わす。第１コリメートレンズ７１３ｒ，７１３ｇ，７１３ｂは、まとめて符号７１３で表す。第２コリメートレンズ８１３ｒ，８１３ｇ，８１３ｂは、まとめて符号８１３で表す。

本実施例では、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのサイズは２．７ｍｍ×２．０ｍｍである。テーパ形状のインテグレータロッド８０の入射面８１０のサイズは５．６４ｍｍ×２．８６ｍｍである。出射面８２０のサイズは６．３９ｍｍ×２．８６ｍｍである。

入射面８１０におけるｘ方向の光線の集光角θｉを３３度とする。出射面８２０におけるｘ方向の光線の最大出射角度を３０度とするために、テーパ角度βは１．５度とした。面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂからの光の取込角θｓは８０度である。許容出射角αは３０度である。この場合、Ｆ値は１である（Ｆ値＝１）。これは、画像表示素子２２の表示面２３の１５．９７ｍｍ×７．１６ｍｍの領域を、Ｆ２．５で照明することに相当する。このときの照明角θｌは、約１１．５度である。光学部品に使用する硝子材の屈折率は１．５２である。光学部品とは、コリメートレンズ７１３，８１３、コンデンサレンズ１１７、集光Ｆ値制御レンズ１１８およびインテグレータロッド８０である。以上の仕様は、インテグレータロッド８０の入射面８１０のサイズおよびテーパを除いて、実施の形態３で示した数値実施例２および比較例２と同様である。

表１６の表記は、表９と同様である。表１６において、面番号Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８は非球面形状である。表１７に、非球面データを示す。

また、表１６において、面番号Ｓ９，Ｓ１０は、非球面であるトロイダル面形状となっている。表１８に、非球面データを示す。

図４０は、入射面８１０上の集光スポットのシミュレーション結果を示す図である。図４０における四角形の枠は、入射面８１の範囲を示している。横軸がｘ軸であり、横軸の右方向が＋ｘ方向である。縦軸がｙ軸であり、縦軸の上方向が＋ｙ方向である。なお、図４０には、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから出射された３波長の光（赤色光、緑色光、青色光）を代表して、波長５５０ｎｍの光の集光スポットを示している。

集光スポットは、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの４隅から放射された光、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの中心から放射された光、および発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの各辺の中点から放射された光により形成される。図４０に示した集光スポットの集光領域は、数値実施例２の図３１に示す集光スポットの集光領域より狭い。

表１９は、インテグレータロッド８０の入射面８１０へ集光するときのｘ方向のＦ値とｙ方向のＦ値とを示す。光線の放射位置は、図３２で定義した位置Ｐ１〜Ｐ９である。ｙ方向において、集光角θｉは入射面８１０の中心ほど小さい。そのため、表１９では、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのｙ方向中心ほどＦ値が大きくなる傾向があり、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのｙ方向の縁に近づくほどＦ値が小さくなる傾向がある。また、ｘ方向において集光角θｉを３０度より大きくしたために、Ｆ値が１よりも小さくなっている。

図４１は、入射面８１０におけるｘ方向の光線の角度依存性および出射面８２０におけるｘ方向の光線の角度依存性を示した図である。横軸は、光線の角度（度）を表している。縦軸は光強度（ａ．ｕ．）を表している。破線は、入射面８１０における光の入射角θｉｎの分布を表している。実線は、出射面８２０における光の出射角θｏｕｔの分布を表している。入射面８１０では、入射光は、入射角θｉｎが３０度よりも大きい光を含んでいる。しかしながら、出射面８２０では、殆どの光が３０度以内の角度分布を持っている。テーパ形状のインテグレータロッド８０による光線の角度変換の有効性が示された。

表２０は、比較例３および数値実施例３の入射面８２０への集光効率について示した表である。表２０において、許容入射角αは３０度である。なお、比較例３のインテグレータロッドは、数値実施例３のテーパ形状のインテグレータロッド８０と同じ長さを有し、テーパを有さないものである。比較例３の集光効率は６９．９４％である。一方、数値実施例３の集光効率は８０．２０％である。比較例３と比較して、数値実施例３の集光効率は１４．６７％向上している。相対効率とは、比較例を１００％とした場合の集光効率（光利用効率）である。

なお、インテグレータロッド８０のサイズは、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのサイズと照明Ｆ値とから適切に決められている。このため、インテグレータロッド８０に入射した光は、照明マージンやレンズ等の透過損失および画像表示素子２２での損失を除き、原則として光損失なくスクリーン２５まで到達するものと考える。

以上説明したように、実施の形態４に係る集光光学系１Ｄでは、アスペクト比の圧縮方向において、入射面８１０の中央部の集光角θｉを入射面８１０の縁部の集光角θｉよりも小さい。これにより、集光光学系１Ｄは、発光面１２ｒ，１２ｇ，１２ｂのアスペクト比と画像表示素子２２のアスペクト比とが異なる場合であっても、光量損失を低減することができる。その結果、集光光学系１Ｄを採用した投写型画像表示装置２Ｄは、光量損失を低減できる。

これに加えて、インテグレータロッド８０は、アスペクト比の圧縮方向に直交する方向の集光角θｉを大きくしている。これにより、画像全体の結像倍率を小さくすることができる。また、アスペクト比の圧縮方向の面積による光量損失を更に低減することができる。

ここで、アスペクト比の圧縮方向に直交する方向の集光角θｉを大きくすることに伴い、入射面８１０におけるアスペクト比の圧縮方向に直交する方向で、角度による光量損失が生じる。この角度による光量損失は、光線がテーパ形状のインテグレータロッド８０を透過することで回復する。テーパ形状のインテグレータロッド８０の出射面８２０では、全体として光量損失を低減するこができる。そして、集光光学系１Ｄは、高い光利用効率を実現することができる。

以上、本発明の実施の形態１〜４について説明したが、各実施の形態は、適宜変形が可能であることは言うまでもない。例えば、上記の各実施の形態では、緑色用の面発光光源１１ｇをコンデンサレンズ４に対向させている。また、赤色用の面発光光源１１ｒを緑色用の面発光光源１１ｇと直交する方向に配置している。また、青色用の面発光光源１１ｂを緑色用の面発光光源１１ｇと直交する方向に配置している。しかしながら、本発明はこのような形態に限定されるものではない。

例えば、青色用の面発光光源１１ｂをコンデンサレンズ４に対向させることができる。この場合、赤色用の面発光光源１１ｒを青色用の面発光光源１１ｂと直交する方向に配置することができる。また、緑色用の面発光光源１１ｇを青色用の面発光光源１１ｂと直交する方向に配置することができる。

或いは、赤色用の面発光光源１１ｒをコンデンサレンズ４に対向させることができる。この場合、緑色用の面発光光源１１ｇを赤色用の面発光光源１１ｒと直交する方向に配置することができる。また、青色用の面発光光源１１ｂを赤色用の面発光光源１１ｒと直交する方向に配置することができる。

また、上記の各実施の形態では、コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂは、各々１枚のレンズとして表した。また、コンデンサレンズ４は、１枚のレンズとして表した。また、コリメートレンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂは、球面レンズに限らず、非球面レンズや自由曲面レンズ等を用いることができる。また、コンデンサレンズ４は、球面レンズに限らず、非球面レンズや自由曲面レンズ等を用いることができる。

また、上記の実施の形態３，４では、集光Ｆ値制御レンズ５を、１枚のレンズとして説明したが、このような形態に限定されるものではない。例えば、集光光学系１Ｃの仕様、例えば取込角θｓや倍率等に応じて、２枚以上のレンズを用いて構成することができる。また、集光Ｆ値制御レンズ５は、球面レンズに限らず、非球面レンズや自由曲面レンズ等を用いることができる。

さらに、上記の実施の形態１，３，４では、光強度分布均一化素子としてインテグレータロッド８を用いた場合について説明した。しかしながら、インテグレータロッドに限らず、中空のライトトンネル等の他の光強度分布均一化素子を用いてもよい。

また、上記の各実施の形態では、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから放射される光を合成する手段をダイクロイックミラーとした。しかしながら、ダイクロイックミラーに限らず、ダイクロイックプリズム等の他の光合成手段を用いてもよい。

また、上記の各実施の形態では、面発光光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは赤色、緑色および青色の３色とした。しかし、これに限らず、４色以上からなる面発光光源を用いても良い。また、例えば、シアン色と赤色などの２色からなる面発光光源を用いても良い。また、白色の面発光光源を用いてもよい。複数色での表示が不要な場合には、単色の面発光光源を用いても良い。

本発明は、面発光光源を用いた集光光学系、および、その集光光学系を用いた投写型画像表示装置に適用することができる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 集光光学系、 ２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ 投写型画像表示装置、 ４，１１４，１１７，２１４ コンデンサレンズ（集光素子）、 ５，１１８ 集光Ｆ値制御レンズ（集光素子）、 ５０，１１５ トロイダルレンズ、 ５１ 第１面、 ５２ 第２面、 ６，７ ダイクロイックミラー（光合成手段）、 ８ インテグレータロッド（光強度分布均一化素子）、 ８１ インテグレータロッドの入射面、 ８２ インテグレータロッドの出射面、 １１，１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ 面発光光源、 １２，１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ 面発光光源の発光面、 １３，１３ｒ，１３ｇ，１３ｂ，１１３，２１３，３１３，５１３，６１３，７１３，８１３ コリメートレンズ（コリメート光学系）、 ２０，２１ 照明光学系、 ２２ 画像表示素子、 ２３ 画像表示素子の表示面、 ２４ 投写光学系、 ２５ スクリーン、 Ａｓ 発光面の面積、 Ａｉ 入射面の面積、 Ａｌ 表示面面積、 θｓ 取込角、 θｉ 集光角、 θｌ 照明角、 α 許容入射角、 θｉｎ 入射角、 θｏｕｔ 出射角、 φ１，φ２ 角度、 Ｅｓ 面発光光源のエテンデュー、 Ｅｉ インテグレータロッドのエテンデュー、 Ｅｌ 画像表示素子のエテンデュー、 Ｂ，Ｂ１，Ｂ２ 集光領域、 Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ８，Ｐ９ 放射位置、 β テーパ角度。

Claims (15)

1. 発光面を有し、前記発光面から光を放射する面発光光源と、
   前記発光面から放射された光を略平行光に変換する、正のパワーを有するコリメート光学系と、
   略平行光に変換された光を集光する、正のパワーを有する集光素子と
   を備え、
   前記コリメート光学系および前記集光素子を構成する少なくとも一つのレンズは、前記面発光光源の前記発光面の隅部から放射された光を、前記発光面の中央部から放射された光よりも強いパワーで集光する光学面を有する
   ことを特徴とする集光光学系。
2. 前記集光素子で集光された光の集光面に集光される光のうち、前記集光面の中央部に集光される光の集光角が、前記集光面の隅部に集光される光の集光角よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１に記載の集光光学系。
3. 前記集光素子で集光された光の集光面に集光される光により形成される光スポットのうち、前記集光面の中央部に形成される光スポットが、前記集光面の隅部に形成される光スポットよりも大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の集光光学系。
4. 前記面発光光源の前記発光面から放射された光のうち、前記発光面の中央部から放射された光が、前記発光面の隅部から放射された光と比較して、より前記集光素子から離れた位置に集光する
   ことを特徴とする請求項１に記載の集光光学系。
5. 前記面発光光源の前記発光面が、前記集光素子で集光された光の集光面に結像される結像倍率が、前記面発光光源の発光面の隅部よりも中央部において大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の集光光学系。
6. 前記光学面において、前記面発光光源の前記発光面の、主に中央部から放射された光に作用する部分のパワーは、主に隅部から放射された光に作用する部分のパワーよりも小さい
   ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の集光光学系。
7. 前記光学面において、前記面発光光源の前記発光面の、主に中央部から放射された光に作用する部分が凹面形状をなし、主に隅部から放射された光に作用する部分が凸面形状をなす
   ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の集光光学系。
8. 前記集光素子は、２面以上のトロイダル面を有し、
   前記発光面のアスペクト比は、前記集光素子で集光された光の集光面のアスペクト比と異なり、
   前記集光面に集光するアスペクト比の圧縮方向の光のうち、前記入射面のアスペクト比の圧縮方向の中央部に集光する光の集光角が、アスペクト比の圧縮方向の縁部に集光する光の集光角よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１に記載の集光光学系。
9. 前記集光面に集光するアスペクト比の圧縮方向の光のうち、前記集光面のアスペクト比の圧縮方向の中央部に集光する光のスポットが、アスペクト比の圧縮方向の縁部に集光する光のスポットよりも大きい
   ことを特徴とする請求項８に記載の集光光学系。
10. 前記発光面のアスペクト比の圧縮方向の中央から放射した光の集光位置が、前記発光面のアスペクト比の圧縮方向の縁部から放射した光の集光位置と比較して、より前記集光素子から離れている
    ことを特徴とする請求項８に記載の集光光学系。
11. 前記発光面が前記集光面に結像される際の結像倍率において、前記発光面のアスペクト比の圧縮方向の縁部の結像倍率が、前記発光面のアスペクト比の圧縮方向の中央部の結像倍率よりも大きい
    ことを特徴とする請求項８に記載の集光光学系。
12. 前記集光素子の少なくとも２面以上の光学面が、トロイダル面を有し、前記発光面のアスペクト比の圧縮方向の縁部から放射したアスペクト比の圧縮方向の光を、前記発光面のアスペクト比の圧縮方向の中央部から放射したアスペクト比の圧縮方向の光よりも、強いパワーで集光する請求項８から１１までのいずれか１項に記載の集光光学系。
13. 前記面発光源を複数備え、
    複数の前記面発光光源から放射された光を合成して前記集光素子に導く光合成手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から１２までのいずれか１項に記載の集光光学系。
14. 請求項１から１３までのいずれか１項に記載の集光光学系と、
    前記集光素子により集光された光が入射する入射面を有し、入射した光の光強度分布を均一化して出射面より出射する光強度分布均一化素子と
    を備え、
    前記集光面は、前記入射面である
    ことを特徴とする投写型画像表示装置。
15. 請求項１から１３までのいずれか１項に記載の集光光学系と、
    前記集光素子により集光された光が入射して、画像光を生成する画像表示素子と
    を備え、
    前記集光面は、前記画像表示素子の表示面である
    ことを特徴とする投写型画像表示装置。

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