JP6108666B2

JP6108666B2 - 画像投射装置

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Description

本発明は、液晶プロジェクタ等の画像投射装置に用いられる照明光学系に関する。

画像投射装置は、光源から発せられた光を照明光学系によって液晶パネル等の画像形成素子に導いてこれを照明し、画像形成素子にて画像情報が付加された光を投射レンズを介してスクリーン等の被投射面に拡大投射する。

このような画像投射装置では、光源として、高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等の放電発光管が用いられることが多い。放電発光管は、互いに離れた一対の放電電極間に高電圧を印加してアークを発生させ、該アークから発せられた光を射出する。

また、照明光学系は、光源からの光によって画像形成素子を明るさむらなく照明するために、特許文献１にて開示されているように、複数のレンズセルが２次元配列されたフライアイレンズアレイを用いることが多い。

図１６には、特許文献１にて開示されている、フライアイレンズアレイ（以下、フライアイレンズという）を用いた照明光学系を示している。放電発光管とリフレクタとにより構成された光源２１からの光は、第１のフライアイレンズ２２を構成する複数のレンズセルによって複数の光束に分割され、かつ集光されて、第２のフライアイレンズ２３の近傍に光源像としてのアーク像を形成する。第２のフライアイレンズ２３の直後には、偏光変換素子２５が配置されている。

偏光変換素子２５は、第２のフライアイレンズを構成する複数のレンズセルの配列ピッチの１／２に相当する幅（高さ）を有する複数の偏光ビームスプリッタを等ピッチで配列し、それらの入射面のうち１つおきの入射面に１／２波長板を貼り付けて製作される。光源２１から発せられた光は無偏光光であるが、偏光変換素子２５の偏光変換作用によって特定の方向に偏光方向を持つ直線偏光光に変換される。ただし、偏光変換作用を受けるのは、偏光変換素子２５の有効入射領域から偏光変換素子２５内に入射した光のみである。

図１７に示すように、光源側から見た偏光変換素子２５のうち有効入射領域ではない部分には、図中にハッチングで示す遮光部２４が設けられている。有効入射領域に入射せずに遮光部２４で遮られた光は、損失となる。一方、第２のフライアイレンズ２３においても、第１のフライアイレンズ２２のレンズセルと１対１に対応するように設けられたレンズセルに入射しない光（アーク像ＡＩの一部）も、損失となる。

つまり、第１のフライアイレンズ２２によって形成されたアーク像ＡＩのうち、偏光変換素子２５の有効入射領域に入射し、かつ第２のフライアイレンズ２３のレンズセルにも入射した光以外の光は損失となり、この結果、光源からの光の利用効率が低下する。

特開２００３−１８６１１１号公報

特許文献１にて開示された照明光学系では、光源２１は、アーク方向（放電電極の配置方向）が照明光学系の光軸に対して平行になるように配置された放電発光管と、光軸を対称軸として回転対称な放物面形状を有するリフレクタとで構成されている。

このような構成において、アーク像は、図１７に示すように、光軸を中心とした放射状に形成され、それぞれ向きが異なる。この場合、全てのアーク像を偏光変換素子２５の有効入射領域と第２のフライアイレンズ２３のレンズセルに効率良く入射させることが難しい。

また、高圧水銀ランプ等の放電発光管は、累積発光時間とともに放電電極の先端が摩耗し、アーク長が伸びる特性を持つ。アーク長が伸びると、それに伴ってアーク像も大きくなるため、偏光変換素子２５の有効入射領域と第２のフライアイレンズ２３のレンズセルの双方に入射する光も減少する。つまり、光源からの光の利用効率を急激に低下させ用いた従来の照明光学系はアーク長の変化に対して敏感であり、明るさが低下しやすい。つまり、放電電極の摩耗が直接、光源からの光の利用効率を急激に低下させ易い。

本発明は、累積発光時間が長くなっても光源からの光の利用効率を高く維持することができるようにした照明光学系およびこれを用いた画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての画像投射装置は、照明光学系の光軸方向に対して直交する第１の方向に一対の放電電極が対向するように配置された放電発光管を備える光源と、長辺および短辺を有する画像形成素子と、前記照明光学系として、前記光源から発せられた光束を集光する第１の集光レンズ系と、前記第１の集光レンズ系からの光束を複数の光束に分割して複数の光源像を形成する第１のフライアイレンズと、前記第１のフライアイレンズからの前記複数の光束を前記画像形成素子に向けて透過させる第２のフライアイレンズと、前記第２のフライアイレンズよりも前記画像形成素子側に設けられ、所定の方向に並べられた複数の偏光分離面を有する偏光変換素子と、前記偏光変換素子からの光束を前記画像形成素子に導く第２の集光レンズ系と、を有する画像投射装置であって、前記複数の光源像が前記第２のフライアイレンズよりも前記画像形成素子側に形成され、かつ前記複数の光源像の前記第１の方向での配列ピッチＰ１と前記第１の方向および前記光軸方向に直交する第２の方向での配列ピッチＰ２とが、
Ｐ２／Ｐ１≦２．０
なる条件を満足し、前記所定の方向及び前記光軸方向に直交する方向を第３の方向とするとき、前記光源は、前記第１の方向が前記画像形成素子の長辺方向及び前記第３の方向と平行になるように構成されていることを特徴とする。

なお、上記照明光学系と、被照明面の位置に配置された画像形成素子と、該画像形成素子からの光を被投射面に投射する投射光学系とを有する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、長い発光時間にわたって高い光利用効率を達成可能な照明光学系および画像投射装置を実現することができる。

本発明の実施例１である照明光学系の構成を示す断面図。実施例１の照明光学系における第２のフライアイレンズ近傍に形成されるアーク像を示す図。実施例１と従来の照明光学系とのアーク長変化に伴う明るさ変化の相関を示すグラフ図。本発明の実施例２である照明光学系の構成を示す断面図。実施例２の照明光学系における第２のフライアイレンズ近傍に形成されるアーク像を示す図。本発明の実施例３である照明光学系の構成を示す断面図。実施例３の照明光学系における第２のフライアイレンズ近傍に形成されるアーク像を示す図。本発明の実施例４である照明光学系の構成を示す断面図。実施例４の照明光学系における第２のフライアイレンズ近傍に形成されるアークを示す図。本発明の実施例５である照明光学系の構成を示す断面図。実施例５の照明光学系における第２のフライアイレンズ近傍に形成されるアーク像を示す図。本発明の実施例６である照明光学系の構成を示す断面図。実施例６の照明光学系における第２のフライアイレンズ近傍に形成されるアーク像を示す図。本発明の実施例７である照明光学系の構成を示す断面図。本発明の実施例８であるプロジェクタの構成を示す断面図。従来の照明光学系の構成を示す断面図。従来の照明光学系における第２のフライアイレンズ近傍に形成されるアーク像を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１（Ａ），（Ｂ）には、本発明の実施例１である照明光学系の光学構成示す。本実施例および後述する他の実施例では、光源からの光が照明光学系内を進行する方向を、光軸方向としてのｚ方向と定義する。また、ｚ方向に直交し、かつ互いに直交する方向をｘ方向およびｙ方向と定義する。図１（Ａ）にはｙｚ断面を示し、図１（Ｂ）にはｘｚ断面を示している。

１は放電発光管としての高圧水銀ランプであり、ガラス管内に封入した気体内で一対の放電電極間に高電圧を印加することで該放電電極間にアーク（発光体）が発生し、該アークからの光が射出される。本実施例では、一対の放電電極がｙｚ断面を境として第１の方向としてのｘ方向にて対向するように配置されており、アークもｘ方向に沿うように形成される。すなわち、ランプ１は、照明光学系の光軸方向に対して直交するｘ方向を長手方向として有限の長さを有し、ｘ方向に延びるアークを発生させる。一対の放電電極が対向するよう配置された方向を、以下、アーク方向ともいう。

ランプ１から射出された光のうち照明光学系に向かう（＋ｚ方向に進む）光は、該照明光学系の一部を構成する集光レンズ系３により集光されて平行光とされた後、第１のフライアイレンズ５に入射する。なお、集光レンズ系３がランプ１から光を取り込む光取り込み角度θは、８０度より大きい。

一方、ランプ１から射出された光のうち照明光学系（集光レンズ系３）とは逆側（−ｚ方向）に射出された光は、ランプ１を挟んで集光レンズ系３とは反対側に配置された再帰反射鏡２により反射される。再帰反射鏡２は、ランプ１のガラス管形状により発生する収差をキャンセルするようにｘｚ断面とｙｚ断面とで異なる断面形状を有する、いわゆるトーリック形状を有し、ランプ１（つまりはアーク）からの光を元のアーク位置にほぼ無収差で戻す。元のアーク位置に戻されて＋ｚ方向に進む光は、前述したように集光レンズ系３を介して第１のフライアイレンズ５に入射する。ランプ１と再帰反射鏡２とにより、光源が構成される。ランプ１のガラス管のうち少なくとも再帰反射鏡側に反射防止膜を設けてもよい。

なお、ｙｚ断面においては、ランプ１から３６０度全周囲に光が射出されるが、再帰反射鏡２と集光レンズ系３の境界部分については隙間が存在している。そこで、本実施例では、図に示すように、ランプ１のトリガー線４がこの隙間に位置するようにランプ１の方向を決めている。トリガー線４は、ランプ１にアークを発生させる（起動する）ときに必要な電圧を印加するための導線であり、この部分は光を透過しないため、光の損失を生じさせる。本実施例では、このようなトリガー線４を再帰反射鏡２と集光レンズ系３との境界に配置することで、光の損失を最小限に抑える。

第１のフライアイレンズ５は、被照明面である画像形成素子１０と相似な矩形のレンズセルが複数、２次元配列されて構成されている。このため、第１のフライアイレンズ５に入射した光は複数のレンズセルによって複数の光束に分割され、かつ各分割光束は各レンズセルによって集光される。第１のフライアイレンズ５の各レンズセルの焦点位置は、第２のフライアイレンズ６の対応レンズセルの近傍であって第２のフライアイレンズ６よりも被照明面側に設定されている。このため、第１のフライアイレンズ５から射出した複数の分割光束は、複数の発光体の像に相当するアーク像（光源像）を第２のフライアイレンズ６の近傍であって第２のフライアイレンズ６よりも被照明面側に形成する。

第２のフライアイレンズ６は、第１のフライアイレンズ５の複数のレンズセルとそれぞれ１対１に対応する複数のレンズセルが２次元配列されて構成されている。第２のフライアイレンズ６の各レンズセルの物体側焦点位置は、第１のフライアイレンズの対応する各レンズセルの位置に設定されている。第２のフライアイレンズ６の複数のレンズセルと第２のフライアイレンズ６よりも被照明面側（以下、その後段ともいう）に配置されるコンデンサーレンズ９とはタンデム系を構成している。該タンデム系は、第２のフライアイレンズ６の各レンズセルとコンデンサーレンズ９の焦点距離の比を横倍率として、第１のフライアイレンズ５の複数のレンズセルを画像形成素子１０上に互いに重なり合うように結像させる。これにより、被照明面の位置に配置された画像形成素子１０の画像形成面全体が均一な明るさで照明される。

第２のフライアイレンズ６のすぐ後段には偏光変換素子７が配置されている。偏光変換素子７は、第２のフライアイレンズ６におけるレンズセルのｙ方向での配列ピッチの半分の幅（高さ）を有してｘ方向に延びる偏光ビームスプリッタが、第２の方向としてのｙ方向に複数配列されて構成されている。偏光変換素子７は、無偏光光である光源からの光を、特定の一方向に偏光方向を有する直線偏光光に変換する。偏光変換素子７の入射側には、各偏光ビームスプリッタと同じ幅（高さ）を有する遮光部８が、１つの偏光ビームスプリッタおきに設けられており、遮光部８が設けられた偏光ビームスプリッタへの光の入射を阻止している。

各偏光ビームスプリッタは、そこに入射した光を偏光方向に応じて透過光と反射光とに分割する光路分割作用を有する。そのうちの一方の光の偏光方向は、偏光ビームスプリッタの後段に設けられた１／２波長板（図示せず）によって回転される。これにより、偏光変換素子７から射出する光の偏光方向が全て特定の一方向になる。

図２（Ａ）は、第２のフライアイレンズ６のレンズセルと偏光変換素子７の遮光部８との配置関係、および第２のフライアイレンズ６の近傍に形成されたアーク像ＡＩとを、被照明面側から見て示している。図２（Ｂ）は、偏光変換素子７を射出した後に形成されるアーク像ＡＩを示し、偏光変換素子７の光路分割作用によってｙ方向においてアーク像ＡＩの数が増えた状態を示している。なお、このことは、後述する他の実施例にて用いられる図５（Ａ），（Ｂ）、図７（Ａ），（Ｂ）、図９（Ａ），（Ｂ）および図１１（Ａ），（Ｂ）についても同じである。

画像形成素子１０は、４：３のアスペクト比を有し、その長辺がｘ方向に延びるように配置されている。また、第１および第２のフライアイレンズ５，６間に偏心は設定されておらず、第２のフライアイレンズ６のレンズセル形状は、第１のフライアイレンズ５のレンズセル形状と同じである。第１および第２のフライアイレンズ５，６においてレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比は、４：３である。

遮光部８は、第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｙ方向での配列ピッチの半分の幅（高さ）を有し、これが第２のフライアイレンズ６の射出面のうちｙ方向にて互いに隣り合うレンズセル間の境界を跨ぐ領域に対向するように配置されている。これにより、第２のフライアイレンズ６のレンズセルのうち遮光部８に対向しない領域（レンズセルのｙ方向配列ピッチの半分の幅の領域）を通過した光のみが偏光変換素子７に入射する。偏光変換素子７の入射面において遮光部８により覆われていない領域、すなわち有効入射領域は、ｘ方向長さ：ｙ方向長さ＝４：１．５の矩形形状を有する。

図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、本実施例において形成される複数のアーク像ＡＩは、その全ての長手方向（以下、この方向もアーク方向という）がｘ方向であり、この点で従来の放物面リフレクタを用いたランプ光源と大きく異なる。これは、ランプをそのアーク方向が光軸方向に対して直交するように配置し、さらに光軸に対して回転対称な形状を有するリフレクタによって第１のフライアイレンズ５に向けて集光させるのはなく、集光レンズ系３によって集光させることにより得られる効果である。

このようなアーク像ＡＩに対して、本実施例では、図２（Ａ）に示すように有効入射領域を、ｘ方向を長手方向（長辺方向）とする横長の矩形形状に設定している。従来のリフレクタを用いる場合には、図１７に示したように複数のアーク像ＡＩの長手方向が放射状に分布していたのに対して、本実施例では、全てのアーク像ＡＩの長手方向がｘ方向に揃っている。したがって、有効入射領域が横長矩形形状であっても、従来のリフレクタを用いる場合に比べて光損失を少なくすることができる。

また、アーク方向がｘ方向に揃っていることと、ｘ方向に長い（横長の）有効入射領域を形成したことで、アーク長の変化に対する敏感度が低減されている。例えば、有効入射領域のｘ方向の長さが４で、ｘ方向でのアーク像の長さが２である場合には、アーク像が約２倍の長さまで伸びた場合でも光の損失が増えず、明るさが低減しない。つまり、累積発光時間が長くなってアーク長が長くなっても、光の利用効率を高く維持することができる。

図３には、本実施例の照明光学系（実線）と従来の照明光学系（点線）のアーク像の長さの変化（伸び）に対する明るさの変化を示している。従来の照明光学系で明るさが半減するアーク長変化に対して、本実施例ではほとんど明るさが低下していないことが分かる。

本実施例のように偏光変換素子７が用いられる照明光学系では、図２（Ｂ）に示すように偏光変換素子７から射出した光により偏光変換素子７の後段に形成される最終的なアーク像ＡＩについてｘ方向での配列ピッチＰｘとｙ方向での配列ピッチＰｙとを定義する。上記のような効果を得るためには、これらのアーク像の配列ピッチの比であるＰｙ／Ｐｘが２以下（Ｐｙ／Ｐｘ≦２．０）という条件を満足することが必要である。

Ｐｙ／Ｐｘが２を超えると、照明光学系での光の損失が大きくなり、高輝度かつ長寿命という目的を達成できなくなる。より好ましくは、Ｐｙ／Ｐｘが１．６以下（Ｐｙ／Ｐｘ≦１．６）、さらに好ましくはＰｙ／Ｐｘが１．０以下（Ｐｙ／Ｐｘ≦１．０）とするとよい。

このように本実施例では、偏光変換素子７の後段に形成される複数のアーク像のｘ方向およびｙ方向での配列ピッチＰｘ，Ｐｙが上記条件を満足するように光源と光学素子（集光レンズ系３、第１および第２のフライアイレンズ５，６）とが構成されている
なお、Ｐｙ／Ｐｘの下限はとくに限定しないが、０．０５以上（０．０５≦Ｐｙ／Ｐｘ）が好ましく、さらに言えば０．１以上（０．１≦Ｐｙ／Ｐｘ）がより好ましい。Ｐｙ／Ｐｘがこれらの下限を下回ると、アーク像のｙ方向での位置（アーク位置）のずれに対する敏感度が高くなり、照明光学系に対する光源の位置ずれによる明るさのばらつきが大きくなる可能性が出てくる。

本実施例では、Ｐｘを第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｘ方向での配列ピッチと同じ４とし、Ｐｙを第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｙ方向での配列ピッチの半分である１．５とする（Ｐｘ：Ｐｙ＝４：１．５）。したがって、本実施例では、Ｐｙ／Ｐｘ＝０．３７５となり、上記条件を満たす。

同様の構成において、画像形成素子１０が１６：９のアスペクト比を有し、第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比が１６：９である場合には、Ｐｘ：Ｐｙ＝１６：４．５で、Ｐｙ／Ｐｘ＝０．２８１となり、上記条件を満たす。

言い換えれば、本実施例（および後述する実施例４）では、第２のフライアイレンズ６のレンズセルの第１の方向での配列ピッチをＦ１（＝Ｆｘ）とし、第２の方向での配列ピッチをＦ２（＝Ｆｙ）とするとき、
Ｆ１＞Ｆ２
である。また、第２の方向にＦ２／２の配列ピッチで１次元配列された複数の偏光ビームスプリッタを含む偏光変換素子７が配置されている。そして、複数のアーク像が偏光変換素子７の後段に形成されるとともに、該複数のアーク像の第１の方向での配列ピッチＰ１と第２の方向での配列ピッチＰ２とが、
Ｐ１＝Ｆ１（つまり、Ｐｘ＝Ｆｘ）
Ｐ２＝Ｆ２／２（つまり、Ｐｙ＝Ｆｙ／２）
であって、
Ｐ２／Ｐ１≦２．０
なる条件を満足する。

より好ましくは、
１．３≦Ｐ２／Ｐ１≦１．７
なる条件を満足する。

図４には、本発明の実施例２である照明光学系の光学構成示す。本実施例の基本的な構成は実施例１と同じであるが、偏光変換素子７における偏光ビームスプリッタおよび遮光部８がｘ方向に配列されている点が実施例１と異なる。この結果、偏光変換素子７における有効入射領域とアーク像ＡＩとの関係は図５（Ａ），（Ｂ）に示すようになる。このとき、アーク方向（ｘ方向）でのアーク長変化に対する余裕は実施例１に比べると小さくなるが、アーク方向に直交する方向（ｙ方向）での余裕は増加し、アーク位置のずれに対する敏感度が低減して、それによる明るさのばらつきを抑えることができる。

本実施例において、第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比が４：３である場合には、Ｐｙ／Ｐｘ＝１．５となり、実施例１で説明した条件を満たす。また、第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比が１６：９である場合には、Ｐｙ／Ｐｘ＝１．１２５となり、上記条件を満たす。

言い換えれば、本実施例（および後述する実施例５）では、第２のフライアイレンズ６のレンズセルの第１の方向での配列ピッチをＦ１とし、第２の方向での配列ピッチをＦ２とするとき、
Ｆ１＞Ｆ２
である。また、第１の方向にＦ１／２の配列ピッチで１次元配列された複数の偏光ビームスプリッタを含む偏光変換素子７が配置されている。そして、複数のアーク像が偏光変換素子７の後段に形成されるとともに、該複数のアーク像の第１の方向での配列ピッチＰ１と第２の方向での配列ピッチＰ２とが、
Ｐ１＝Ｆ１／２（つまり、Ｐｘ＝Ｆｘ／２）
Ｐ２＝Ｆ２（つまり、Ｐｙ＝Ｆｙ）
であって、
Ｐ２／Ｐ１≦２．０
なる条件を満足する。

図６には、本発明の実施例３である照明光学系の光学構成示す。本実施例の基本的な構成は実施例２と同じであるが、ランプ１の配置が実施例２と異なる。本実施例では、ランプ１のアーク方向がｙ方向であり、アークもｙ方向に沿うように形成される。すなわち、ランプ１は、照明光学系の光軸方向に対して直交する第１の方向としてのｙ方向を長手方向として有限の長さを有し、ｙ方向に延びるアークを形成する。ｙ方向は、画像形成素子１０および各フライアイレンズのレンズセルの短辺方向に対応する方向である。

本実施例での偏光変換素子７における有効入射領域とアーク像ＡＩとの関係は図７（Ａ），（Ｂ）に示すようになる。このとき、アーク方向（ｙ方向）でのアーク長変化に対する余裕は実施例１に比べると小さいが、実施例２よりは大きい。また、アーク方向に直交する方向（ｘ方向）での余裕は実施例２よりは小さいが、実施例１よりは大きくなる。このように、本実施例では、アーク長の変化とアーク位置のずれの双方に対してバランス良く余裕を持たせることができ、明るさのばらつきと長寿命化の両立を達成できる。

本実施例において、第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比が４：３である場合には、Ｐｙ／Ｐｘ＝０．６７となり、実施例１で説明した条件を満たす。また、第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比が１６：９である場合には、Ｐｙ／Ｐｘ＝０．８９となり、上記条件を満たす。

言い換えれば、本実施例では、第２のフライアイレンズ６のレンズセルの第１の方向での配列ピッチをＦ１（＝Ｆｙ）とし、第２の方向での配列ピッチをＦ２（＝Ｆｘ）とするとき、
Ｆ１＜Ｆ２
である。また、第２の方向にＦ２／２の配列ピッチで１次元配列された複数の偏光ビームスプリッタを含む偏光変換素子７が配置されている。そして、複数のアーク像が偏光変換素子７の後段に形成されるとともに、該複数のアーク像の第１の方向での配列ピッチＰ１と第２の方向での配列ピッチＰ２とが、
Ｐ１＝Ｆ１（つまり、Ｐｙ＝Ｆｙ）
Ｐ２＝Ｆ２／２（つまり、Ｐｘ＝Ｆｘ／２）
であって、
Ｐ２／Ｐ１≦２．０
なる条件を満足する。

図８には、本発明の実施例４である照明光学系の光学構成示す。本実施例の基本的な構成は実施例１と同じであるが、第１および第２のフライアイレンズ５，６間に偏心を設けて光束圧縮を行っている点において実施例１と異なる。すなわち、第１および第２のフライアイレンズ５，６は、光束圧縮光学系を兼ねている。光束圧縮を行うことで、圧縮断面の照明光学系のＦナンバーを抑えることができ、色むらを低減したり、第２のフライアイレンズ６および偏光変換素子７を小型化したりすることができる。

本実施例では、ｙｚ断面において光束圧縮を行っており、圧縮比は０．７である。本実施例での偏光変換素子７における有効入射領域とアーク像ＡＩとの関係は図９（Ａ），（Ｂ）に示すようになる。

画像形成素子１０のアスペクト比が４：３である場合は、ｙ方向において光束が０．７の比で圧縮されるため、第２のフライアイレンズ６におけるレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比は、４：２．１３である。本実施例では、偏光変換素子７において偏光ビームスプリッタがｙ方向に配列されているので、有効入射領域の形状は、ｘ方向長さ：ｙ方向長さ＝４：１．０５となる。

本実施例では、全てのアーク像のアーク方向が揃っているために、アーク方向と直交する方向に光束圧縮を行っても光の損失がほとんど生じない。したがって、従来のように明るさを犠牲にして照明光学系の小型化を図る必要がなく、明るさと小型化とを両立することができる。

本実施例において、第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比が４：３である場合には、Ｐｙ／Ｐｘ＝０．２６３となり、実施例１で説明した条件を満たす。また、第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比が１６：９である場合には、Ｐｙ／Ｐｘ＝０．１９７となり、上記条件を満たす。

図１０には、本発明の実施例５である照明光学系の光学構成示す。本実施例の基本的な構成は実施例４と同じであるが、偏光変換素子７における偏光ビームスプリッタおよび遮光部８がｘ方向に配列されている点が実施例１と異なる。本実施例では、アーク方向に直交する方向（ｙ方向）でのアーク間の間隔の余裕が実施例４より大きくなるため、第１および第２のフライアイレンズ５，６間の偏心を実施例４よりも強めて、光束圧縮比を０．６としている。本実施例での偏光変換素子７における有効入射領域とアーク像ＡＩとの関係は図１１（Ａ），（Ｂ）に示すようになる。

画像形成素子１０のアスペクト比が４：３である場合は、ｙ方向において光束が０．６の比で圧縮されるため、第２のフライアイレンズ６におけるレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比は、４：１．８である。本実施例では、偏光変換素子７において偏光ビームスプリッタがｘ方向に配列されているので、有効入射領域の形状は、ｘ方向長さ：ｙ方向長さ＝２：１．８となる。

本実施例において、第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比が４：３である場合には、Ｐｙ／Ｐｘ＝０．９となり、実施例１で説明した条件を満たす。また、第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比が１６：９である場合には、Ｐｙ／Ｐｘ＝０．６７５となり、上記条件を満たす。

図１２には、本発明の実施例６である照明光学系の光学構成示す。本実施例の基本的な構成は実施例４と同じであるが、画像形成素子１０として、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）等の偏光を利用しない素子を用いている。したがって、本実施例では、偏光変換素子は用いていない。これにより、アーク方向に直交する方向におけるアーク間の間隔に余裕が生じるため、第１および第２のフライアイレンズ５，６間の偏心を実施例４よりも強めて、光束圧縮比を０．６としている。本実施例での第２のフライアイレンズ６のレンズセルとアークとの関係は図１３に示すようになる。

画像形成素子１０のアスペクト比が４：３である場合は、ｙ方向において光束が０．６の比で圧縮されるため、第２のフライアイレンズ６におけるレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比は、４：１．８である。本実施例では、偏光変換素子が存在せず、偏光変換素子の光路分割作用によってアーク像の数が増加することもない。このため、図１３に示す第２のフライアイレンズ６の近傍であってその後段に形成されるアーク像のｘ方向およびｙ方向での配列ピッチをＰｘ，Ｐｙと定義する。

本実施例において、第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比が４：３である場合には、Ｐｙ／Ｐｘ＝０．４５となり、実施例１で説明した条件を満たす。また、第２のフライアイレンズ６のレンズセルのｘ方向およびｙ方向の配列ピッチの比が１６：９である場合には、Ｐｙ／Ｐｘ＝０．３３８となり、上記条件を満たす。

言い換えれば、本実施例では、第２のフライアイレンズ６のレンズセルの第１の方向での配列ピッチをＦ１とし、第２の方向での配列ピッチをＦ２とするとき、複数のアーク像の第１の方向での配列ピッチＰ１と第２の方向での配列ピッチＰ２とが、
Ｐ１＝Ｆ１
Ｐ２＝Ｆ２
であり、
Ｐ２／Ｐ１≦２．０
なる条件を満足する。

図１４には、本発明の実施例７である照明光学系の光学構成であって、ｘｚ断面を示す。本実施例では、光源（ランプ１および再帰反射鏡２）１１，１３を２つ用いている。２つのランプ１のそれぞれにおいて、アーク方向はｙ方向である。また、２つの光源１１，１３のそれぞれに対して、集光レンズ系３が設けられている。第１のフライアイレンズ５よりも後段の構成は実施例１〜６と同じであるので、図示を省略してする。

光源１１，１３に対して設けられた２つの集光レンズ系３の後段にはそれぞれ、光束圧縮光学系１２，１４が配置されている。光束圧縮光学系１２，１４は、ｘｚ断面において曲率を有する凸と凹のシリンドリカルレンズにより構成されるアフォーカル光学系であり、ｘｚ断面（第２の方向）で光束を圧縮する。

光源１３から発せられた光は、平面反射ミラー１５によって、光源１１から発せられた光の進行方向と同じ方向に反射される。この結果、２つの光源１１，１３からの光は、ｘｚ断面にて並列に第１のフライアイレンズ５に入射する。

従来このような光束圧縮を行うと、第２のフライアイレンズ６の近傍における光の損失が大きくなるため、光源を２つ用いたとしても、明るさは光源が１つである場合の１．２〜１．３倍程度にしかならない。

しかし、本実施例の構成によれば、アーク方向に対して直交する方向に光束を圧縮することができるため、光の損失はほとんど発生しない。したがって、光源を２つ用いれば、１つの場合のほぼ２倍の明るさを得ることができる。

図１５には、上述した実施例１〜６の照明光学系を用いた、本発明の実施例８である反射型液晶プロジェクタ（画像投射装置）の光学構成を示す。なお、ここでは反射型液晶プロジェクタについて説明するが、実施例１〜６の照明光学系を用いて透過型液晶プロジェクタを構成したり、実施例７の照明光学系を用いたプロジェクタを構成したりすることもできる。また、図１５には、図示はしていないが、実際のプロジェクタには、図示した光学素子以外にも、偏光板や波長板等の様々な光学素子が用いられている。

図１５において、光源１におけるアーク方向は、図１５の紙面に平行な方向である。光源１から発せられた光は、集光レンズ系３、第１および第２のフライアイレンズ５，６を透過して、ミラー２９により反射された後、コンデンサーレンズ９に入射する。

コンデンサーレンズ９を透過した光は、色分離合成光学系３０によって３原色（ＲＧＢ）の光に分離される。該ＲＧＢの光はそれぞれ、画像形成素子１０としての３つの反射型液晶パネルに入射し、ここで反射されるとともに画像変調される。そして、反射型液晶パネルから射出したＲＧＢの光は、色分離合成光学系３０によって合成され、投射レンズ（投射光学系）３１によって不図示のスクリーン等の被投射面に投射される。
投射レンズ３１の光軸方向は、図１５の紙面に平行に延び、かつ光源（ランプ１）のアーク方向とは直交している。

このような構成を採用することで、照明光学系をコンパクト化することができる。また、光源に用いられるランプはできるだけ水平に置かないと２つの電極の近傍間で温度差が生じ、発光効率が低下する等、寿命が短くなる。この点、本実施例では、プロジェクタを水平から傾けて使用する場合でも、ランプ１を水平に配置することができる。したがって、ランプ１の寿命を延ばすことができる。

以上説明した実施例では、光源として放電発光管（ランプ）を用いる場合について説明したが、ＬＥＤを第１の方向に並べて構成した光源を用いたり、第１の方向に延びるように配置した蛍光体をレーザによって励起して発光させる光源を用いたりしてもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

被照明面を明るく照明することが可能な照明光学系およびこれを用いた画像投射装置を提供できる。

１ランプ
２再帰反射鏡
３集光レンズ系
５第１のフライアイレンズ
６第２のフライアイレンズ

Claims

照明光学系の光軸方向に対して直交する第１の方向に一対の放電電極が対向するように配置された放電発光管を備える光源と、
長辺および短辺を有する画像形成素子と、
前記照明光学系として、
前記光源から発せられた光束を集光する第１の集光レンズ系と、
前記第１の集光レンズ系からの光束を複数の光束に分割して複数の光源像を形成する第１のフライアイレンズと、
前記第１のフライアイレンズからの前記複数の光束を前記画像形成素子に向けて透過させる第２のフライアイレンズと、
前記第２のフライアイレンズよりも前記画像形成素子側に設けられ、所定の方向に並べられた複数の偏光分離面を有する偏光変換素子と、
前記偏光変換素子からの光束を前記画像形成素子に導く第２の集光レンズ系と、
を有する画像投射装置であって、
前記複数の光源像が前記第２のフライアイレンズよりも前記画像形成素子側に形成され、かつ前記複数の光源像の前記第１の方向での配列ピッチＰ１と前記第１の方向および前記光軸方向に直交する第２の方向での配列ピッチＰ２とが、
Ｐ２／Ｐ１≦２．０
なる条件を満足し、
前記所定の方向及び前記光軸方向に直交する方向を第３の方向とするとき、
前記光源は、前記第１の方向が前記画像形成素子の長辺方向及び前記第３の方向と平行になるように構成されていることを特徴とする画像投射装置。
前記光源像は、前記一対の放電電極間での放電により発生する発光体の像であることを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
トーリック形状を有し、前記放電発光管からの光を前記発光体の位置に戻すように反射する再帰反射鏡を有することを特徴とする請求項２に記載の画像投射装置。
前記第２のフライアイレンズを構成する複数のレンズセルの前記第１の方向での配列ピッチをＦ１とし、前記第２の方向での配列ピッチをＦ２とするとき、
Ｐ１＝Ｆ１
Ｐ２＝Ｆ２
であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の画像投射装置。
前記第２のフライアイレンズを構成する複数のレンズセルの前記第１の方向での配列ピッチをＦ１とし、前記第２の方向での配列ピッチをＦ２とするとき、
Ｆ１＞Ｆ２
であり、
前記複数の偏光分離面は前記所定の方向にＦ２／２の配列ピッチで配列されており、
Ｐ１＝Ｆ１
Ｐ２＝Ｆ２／２
であって、
Ｐ２／Ｐ１≦２．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の画像投射装置。
前記第２の方向に光束を圧縮する光束圧縮光学系を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の画像投射装置。
前記画像形成素子からの光を被投射面に投射する投射光学系を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の画像投射装置。