JP5197227B2 - 照明光学系及び画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の発光部を含む光源を有する照明光学系及びこれを備えた画像投射装置に関する。

プロジェクタ等の画像投射装置は、光源からの照明光を、液晶パネルやマイクロミラーアレイデバイス等の空間光変調素子で変調し、該変調光をスクリーン等の被投射面に投射することで画像を表示する。

画像投射装置に用いられる光源としては、一般に、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等の高輝度放電ランプが使用される。ただし、高輝度放電ランプを使用する場合には、放熱のための冷却系が必要となるために装置が大型化したり、ランプの寿命が短いために一定点灯時間ごとにランプの交換が必要であったりする。このため、光源として、大がかりな冷却系が不要であり、ランプに比べて寿命が長い半導体発光素子の利用が求められている。

ただし、現状において半導体発光素子を光源として使用する場合には、十分な光量を得るために複数の半導体発光素子をアレイ化する必要がある。

一方、光源からの光によって空間光変調素子（すなわち、被照明面）を均一に照明するために、複数のレンズセルを含むフライアイレンズや、ロッドレンズ等を用いた照明光学系が提案されている。

例えば、特許文献１には、光源からの光を、第１フライアイレンズにより複数の光束に分割し、これら複数の光束を第２フライアイレンズとコンデンサレンズによって空間光変調素子上にて重ね合わせることで、被照明面を均一に照明する。

このような照明光学系に、複数の発光部を有するアレイ光源を使用することもできる。例えば、特許文献２には、アレイ光源においてフライアイレンズのレンズセルごとに発光部を設け、各発光部から各レンズセルへの光束入射位置を変化させることにより、被照明面を均一に照明する照明光学系が開示されている。

特許文献３には、アレイ光源の発光部の配列方向において各発光部からの発散光束をレンズアレイにより平行化し、フライアイレンズの各レンズセルに複数の発光部からの光束を入射させることで、被照明面を均一に照明する照明光学系が開示されている。

さらに、特許文献４には、アレイ光源の各発光部からの発散光束を平行化レンズにより平行化し、該平行光束を複数のレンズセルにより分割することで被照明面を均一に照明する照明光学系が開示されている。
特開平３−１１１８０６号公報 特許第３９８７３５０号公報 特開２００２−１８４２０６号公報 特開２００４−２２００１６号公報

特許文献２〜４にて開示された照明光学系のように、アレイ光源を用いることで、アレイ光源内の個々の発光部の光量が小さくてもアレイ光源全体としての光量を増大させることができる。また、アレイ光源の各発光部の発光強度分布が均一であり、発光強度が安定していれば、被照明面を均一に照明することができる。

しかしながら、半導体発光素子であるＬＥＤや半導体レーザー（ＬＤ）の発光強度分布はガウス分布である。また、アレイ光源に用いられる個々の半導体発光素子には、製造誤差、構造欠陥、温度変動等の影響で発光強度にばらつきがある。このため、特許文献２〜４にて開示された照明光学系でも、実際に被照明面を均一に照明することは難しい。

例えば、特許文献２，３にて開示されているように、各発光部からの光束を分割せずに１つのレンズセルに入射させる場合には、ガウス分布を補正することができない。このため、複数の発光部からのガウス分布光束を被照明面上で互いにずらして重ねることで均一照明を図っているが、複数の発光部からの光束の接合部の照度を均一化するためには高精度の調整が必要となる。

また、複数の発光部からの複数の光束はそれぞれ、被照明面の異なる領域を照明するため、複数の発光部間で発光強度のばらつきがある場合には、被照明面上に局所的な照度むらが発生する。

また、画像投射装置に搭載される照明光学系には、小型化も重要である。特許文献４にて開示された照明光学系のように、アレイ光源の複数の発光部からの複数の光束を、複数のレンズセルによって分割することで、各発光部の発光強度分布や複数の発光部間での発光強度のばらつきの影響を低減することは可能である。しかし、特許文献４にて開示された照明光学系では、アレイ光源の各発光部に対応した平行化素子によって各発光部からの発散光を平行化してフライアイレンズに入射させるため、照明光学系が発光部の配列方向において大型化してしまう。

本発明は、複数の発光部を含む光源を有し、各発光部の発光強度分布や複数の発光部間での発光強度のばらつきの影響を低減して被照明面を均一に照明できるようにした小型の照明光学系を提供する。

本発明の一側面としての照明光学系は、特定方向に配列された複数の発光部を含む光源と、該特定方向に配列された複数のレンズセルを含む第１レンズアレイと、該特定方向に配列された複数のレンズセルを含む第２レンズアレイを有し、第１レンズアレイに含まれる各レンズセルと第２レンズアレイに含まれる各レンズセルとが互いに対をなすように設けられており、該複数の発光部から射出されて第１レンズアレイと第２レンズアレイを介した光束により被照明面を照明する照明光学系である。複数の発光部からの複数の光束は、それぞれ特定方向に拡がる発散光束として、互いに該特定方向においてずれを有して第１レンズアレイの入射面に入射する。そして、複数の発光部のうち互いに隣り合う２つの発光部からの２つの光束が、第１レンズアレイの入射面において１つのレンズセルよりも大きな領域で互いに重なり合い、以下の条件を満足することを特徴とする。
（２Ｌ _１ ｔａｎσ−Ｐ _１ ）／Ｐ _２ ＞１
（Ｐ _２ ／２Ｌ _２ ）／ｔａｎσ＞０．８
ただし、Ｐ _１ は複数の発光部の特定方向での間隔であり、Ｌ _１ は光源から第１レンズアレイの入射面までの距離であり、σは第１レンズアレイの入射面に入射する光束の特定方向での発散角であり、Ｐ _２ は第１レンズアレイに含まれる複数のレンズセルの特定方向での間隔であり、Ｌ _２ は第１レンズアレイ、及び第２レンズアレイにおいて互いに対をなすレンズセル間の距離である。

なお、上記照明光学系と、被照明面に配置された空間光変調素子と、該空間光変調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、各発光部からの光束をインテグレータの入射面に発散光束として入射させることで、各光束を複数のレンズセルによって分割することができ、各発光部の発光強度分布を分散させることができる。このため、各発光部の発光強度分布や複数の発光部の発光強度のばらつきの影響を低減して、被照明面を均一に照明することができる。さらに、本発明によれば、互いに隣り合う２つの発光部からの２つの光束の一部同士がインテグレータの入射面上で１つのレンズセルよりも大きな領域で重なり合うので、複数の発光部が配列された特定方向において光学系を小型化することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

図１及び図２は、本発明の実施例１である照明光学系１の構成を示している。図１は照明光学系１の上面視断面（第１断面）を示しており、図２は図１の断面に直交する側面視断面（第２断面）を示している。

これらの図において、１１は楕円断面形状を有する光束をそれぞれ射出する複数（本実施例では３個）の半導体レーザ（以下、ＬＤと記す）１１ａ，１１ｂ，１１ｃを発光部として含むアレイ光源である。３個のＬＤ１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、図１の上下方向（図２の紙面に垂直な方向）である特定方向に配列されている。以下の説明において、該特定方向をＬＤ配列方向という。ＬＤ１１ａ，１１ｂは、ＬＤ配列方向（第１断面）において互いに隣り合う２つの発光部であり、ＬＤ１１ｂ，１１ｃも、ＬＤ配列方向において互いに隣り合う２つの発光部である。また、各ＬＤからの光束の楕円断面のうち短軸方向は、ＬＤ配列方向に一致する。

なお、アレイ光源１１に設けられる複数のＬＤは同一色の光を射出するものであってもよいし、Ｒ，Ｇ，Ｂ等の互いに異なる色の光を射出するものであってもよい。このことはも後述する他の実施例でも同じである。

１２はシリンダレンズであり、２１はインテグレータである。インテグレータ２１は、光源側から順に配置された第１フライアイレンズ（第１レンズアレイ）２１ａと第２フライアイレンズ（第２レンズアレイ）２１ｂとにより構成されている。１３はインテグレータ２１からの複数の光束を被照明面３１上にて重ね合わせるコンデンサレンズ（重畳光学系）１３である。

まず、図１を用いて、照明光学系１におけるＬＤ配列方向での光学作用について説明する。ＬＤ１１ａ，１１ｂ，１１ｃからはそれぞれ、発散光束が射出される。なお、図１においてはＬＤ１１ａ，１１ｂから射出される光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂのみを示し、ＬＤ１１ｃから射出される光束は図示を省略している。

発散光束としての光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂは、その光束径が拡大しながらシリンダレンズ１２を透過して、第１フライアイレンズ２１ａの入射面に入射する。各発散光束を構成する光線のうち最も強度が高い方向に進む光線を主光線といい、該主光線は、第１フライアイレンズ２１ａの入射面に垂直に入射する。また、各発散光束は、互いにＬＤ配列方向においてずれを有して第１フライアイレンズ２１ａの入射面に入射する。

第１フライアイレンズ２１ａに入射した各光束は第１フライアイレンズ２１ａを構成する、それぞれ矩形開口形状を有する複数のレンズセルによって複数の光束に分割される。これにより、各ＬＤの発光強度分布の分散化が行われる。第１フライアイレンズ２１ａの複数のレンズセルは、ＬＤ配列方向とこれに直交する方向に配列されている。

ここで、第１フライアイレンズ２１ａの入射面に入射した発散光束としての光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂのそれぞれの一部は、図３に示す領域（以下、重畳領域という）ＬｍにてＬＤ配列方向において互いに重なり合う。図３には、第１フライアイレンズ２１ａの入射面上における光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂの上記第１及び第２断面に直交する断面を示している。重畳領域Ｌｍは、第１フライアイレンズ２１ａの１つのレンズセルよりも大きな領域である。言い換えれば、重畳領域ＬｍのＬＤ配列方向（及びこれに直交する方向）での幅は、上記１つのレンズセルの同方向での幅よりも大きい。

なお、シリンダレンズ１２を透過したＬＤ１１ｃからの発散光束の主光線も第１フライアイレンズ２１ａの入射面に垂直に入射する。また、ＬＤ１１ｃからの発散光束の一部は、第１フライアイレンズ２１ａの入射面上にて発散光束としての光束Ｌ１１ｂの一部と１つのレンズセルよりも大きな領域で重なり合う。

本実施例では、前述したように、各ＬＤからの発散光束をその主光線が第１フライアイレンズ２１ａの入射面に垂直に入射するように、つまりは該発散光束を偏向することなく、第１フライアイレンズ２１ａの入射面に導く。これにより、簡易な構成でインテグレータ２１に入射する発散光束の発散角を抑制することができ、この結果、照明光学系１の全長を短縮することが可能となる。

第１フライアイレンズ２１ａから射出した複数の光束は、第２フライアイレンズ２１ｂに入射する。第２フライアイレンズ２１ｂは、第１フライアイレンズ２１ａの複数のレンズセルのそれぞれと互いに対をなすように設けられ、矩形開口形状を有する複数の集光レンズセルを有する。第１フライアイレンズ２１ａの各レンズセルからの光束は、第２フライアイレンズ２１ｂにおいて該第１フライアイレンズ２１ａのレンズセルに対応する（該レンズセルと対をなす）集光レンズセルに入射する。第２フライアイレンズ２１ｂの複数のレンズセルも、ＬＤ配列方向とこれに直交する方向に配列されている。

第２フライアイレンズ２１ｂから射出した複数の光束は、コンデンサレンズ１３によって被照明面３１にて互いに重ね合わせられる。これにより、被照明面３１は、ＬＤ配列方向において均一な照度で照明される。

以下、各ＬＤに対する照明光学系１の光学作用についてより詳細に説明する。前述したように、各ＬＤから射出された光束は、第１フライアイレンズ２１ａの入射面に発散光束として導かれる。このため、図３に示すように、第１フライアイレンズ２１ａの入射面に到達した該発散光束のＬＤ配列方向での径（短軸方向の幅）は、各ＬＤからの射出時点よりも拡大されている。したがって、第１フライアイレンズ２１ａは、各ＬＤからの光束を、該光束の幅が狭いＬＤ配列方向においても複数のレンズセルによって複数の光束に分割される。

これにより、各ＬＤの発光強度分布がガウス分布であっても、該発光強度分布を十分に分散させることができ、個々のＬＤからの１つの光束だけでも被照明面３１を均一に照明することができる。このため、ＬＤ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ間に発光強度のばらつきがあっても、被照明面３１における局所的な照度むらはほとんど生じない。

さらに、発散光束のＬＤ配列方向での径が拡大されることで、図３に示すように、ＬＤ配列方向において互いに隣り合うＬＤ１１ａ，１１ｂからの光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂに、第１フライアイレンズ２１ａの入射面上で重畳領域Ｌｍを形成させることができる。なお、重畳領域Ｌｍは、光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂのうち有効光束成分（例えば、最大強度からその１／ｅ^２までの強度を有する光束成分）によって形成される領域である。

また、前述したように、重畳領域Ｌｍは、第１フライアイレンズ２１ａの１つのレンズセルよりも大きな領域である。このため、第１フライアイレンズ２１ａの少なくとも１つのレンズセルを、互いに隣り合うＬＤ１１ａ，１１ｂからの光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂによって共用することができる。これにより、ＬＤ１１ａ，１１ｂ，１１ｃに対して必要となるＬＤ配列方向でのレンズセル数を少なくすることができ、この結果、ＬＤ配列方向において照明光学系１を小型化することができる。

次に、図２を用いてＬＤ配列方向と直交する方向（第２断面）における照明光学系１の光学作用について説明する。各ＬＤからの発散光束は、シリンダレンズ１２により平行光束に変換されて第１フライアイレンズ２１ａに入射する。光束径が拡大された平行光束として第１フライアイレンズ２１ａに入射した各光束は、第１フライアイレンズ２１ａの複数のレンズセルによって複数の光束に分割される。これにより、ＬＤ配列方向と同様に、各ＬＤの発光強度分布の分散化が行われる。

さらに、第１フライアイレンズ２１ａから射出した複数の光束は、第２フライアイレンズ２１ｂの複数の集光レンズセルとコンデンサレンズ１３とによって、被照明面３１にて互いに重ね合わされる。これにより、被照明面３１は、ＬＤ配列方向に直交する方向においても均一な照度で照明される。

次に、本実施例における照明光学系１において、小型化と被照明面３１への光到達効率の向上とを図るために満足した方が好ましい条件について説明する。なお、上述した照明光学系１の特徴が満足されていれば、以下の条件は必ずしも満足しなくてもよい。

アレイ光源１１における３個のＬＤ１１ａ，１１ｂ，１１ｃのＬＤ配列方向での間隔をＰ_１とし、アレイ光源１１から第１フライアイレンズ２１ａ（インテグレータ２１）の入射面までの距離をＬ_１とする。また、第１フライアイレンズ２１ａ（インテグレータ２１）の入射面に入射する発散光束の発散角をσとし、第１フライレンズ２１ａの複数のレンズセル間のＬＤ配列方向での間隔（セル間隔）をＰ_２とする。さらに、第１及び第２フライアイレンズ２１ａ，２１ｂにおいて互いに対をなすレンズセル間の距離をＬ_２とする。このとき、
（１） （２Ｌ_１ｔａｎσ−Ｐ_１）／Ｐ_２＞１
（２） （Ｐ_２／２Ｌ_２）／ｔａｎσ＞０．８
なる条件を満足するとよい。

ここで、発散角σとは、各ＬＤの発光強度分布がガウス分布であるとき、発光強度が最大強度の１／ｅ^２となるいわゆる半値幅（一般的なレーザ発散角の表記における１／ｅ^２幅）に対応する角度である。

また、間隔Ｐ_１は、ＬＤ配列方向において互いに隣り合うＬＤの発光領域の中心間隔であり、セル間隔Ｐ_２は、ＬＤ配列方向において互いに隣り合うレンズセルの中心間隔である。

条件（１）を満足すれば、インテグレータ２１（第１フライアイレンズ２１ａ）の入射面上において、ＬＤ配列方向において互いに隣り合う２つのＬＤからの２つの光束をインテグレータ２１の１つのレンズセルよりも大きな領域で重ね合わせることができる。これにより、前述したように、上記２つの光束により少なくとも１つのレンズセルを共用することができ、ＬＤ配列方向において照明光学系１を小型化することができる。条件（１）を満足しない場合には、レンズセルを共用する領域が小さくなり、照明光学系１の十分な小型化が図れない可能性が生ずる。

また、条件（２）を満足すれば、第１及び第２フライアイレンズ２１ａ，２１ｂにおいて互いに対をなすレンズセルへの光束の取り込み効率を増加させることができる。つまり、アレイ光源１１から被照明面３１への光到達効率を向上させることができ、アレイ光源１１からの射出光量に対してより明るく被照明面３１を照明することができる。条件（２）を満足しない場合には、アレイ光源１１から被照明面３１への光到達効率が低下し、アレイ光源１１からの射出光量を増加させないと被照明面３１を明るく照明することができない可能性が生じる。

発明者は、Ｐ_１＝４ｍｍ、Ｌ_１＝５２ｍｍ、σ＝５度、Ｐ_２＝３．６ｍｍ、Ｌ_２＝１０ｍｍとして実験（シミュレーション）を行い、良好な結果を得た。この場合、
（２Ｌ_１ｔａｎσ−Ｐ_１）／Ｐ_２＝１．４２ ＞ １
（Ｐ_２／２Ｌ_２）／ｔａｎσ＝２．０５ ＞ ０．８
となり、上記条件（１），（２）のいずれをも満足した。

ただし、条件（１），（２）は必ずしもその両方を同時に満足する必要はなく、いずれか一方の条件を満足してもよい。

本実施例によれば、複数のＬＤを含むアレイ光源１１を用いる場合において、被照明面３１での均一照明に対する各ＬＤの発光強度分布や複数のＬＤ間での発光強度のばらつきの影響を低減させ、小型で光利用効率が高い照明光学系１を実現することができる。

図４及び図５は、本発明の実施例２である照明光学系２の構成を示している。図４は照明光学系２の上面視断面（第１断面）を示しており、図５は図４の断面に直交する側面視断面（第２断面）を示している。

これらの図において、実施例１（図１及び図２）に示した構成要素と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付して説明に代える。

ただし、本実施例では、アレイ光源１１に含まれるＬＤ１１ａ，１１ｂ，１１ｃのそれぞれから、円形断面を有する平行光束が射出される。また、アレイ光源１１とインテグレータ２１との間には、各ＬＤからの光束の発散角を制御する発散角制御素子１４が配置されている。実施例１に示したシリンダレンズ１２は用いられていない。

まず、図４を用いて、照明光学系２におけるＬＤ配列方向での光学作用について説明する。前述したように、ＬＤ１１ａ，１１ｂ，１１ｃからはそれぞれ、平行光束が射出される。なお、図４においてはＬＤ１１ａ，１１ｂから射出される光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂのみを示し、ＬＤ１１ｃから射出される光束は図示を省略している。

平行光束としての光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂは、３つのＬＤに対応する３つのレンズを有する発散角制御素子１４によって円形断面を有する発散光束に変換される。発散角制御素子１４を配置することで、使用する光源の選択自由度と照明光学系２の設計自由度を向上させることができ、より小型でありながらも被照明面３１を均一に照明できる照明光学系２を実現することができる。

発散光束に変換された光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂは、その光束径が拡大しながら第１フライアイレンズ２１ａの入射面に入射する。また、光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂ及びＬＤ１１ｃからの光束は、互いにＬＤ配列方向においてずれを有して第１フライアイレンズ２１ａの入射面に入射する。

発散光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂの主光線は、第１フライアイレンズ２１ａの入射面に垂直に入射する。ＬＤ１１ｃから射出され、光束発散角制御素子１４により発散光束に変換された光束の主光線も第１フライアイレンズ２１ａの入射面に垂直に入射する。これにより、実施例１と同様に、簡易な構成でインテグレータ２１に入射する発散光束の発散角を抑制することができ、この結果、照明光学系１の全長を短縮することが可能となる。

光束径が拡大されて第１フライアイレンズ２１ａに入射した各発散光束は、第１フライアイレンズ２１ａを構成する、それぞれ矩形開口形状を有する複数のレンズセルによって複数の光束に分割される。これにより、各ＬＤの発光強度分布の分散化が行われ、各ＬＤの発光強度分布がガウス分布であっても、該ＬＤの発光強度分布を十分に分散させることができる。つまり、個々のＬＤからの１つの光束だけでも被照明面３１を均一に照明することができる。このため、ＬＤ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ間に発光強度のばらつきがあっても、被照明面３１における局所的な照度むらはほとんど生じない。

第１フライアイレンズ２１ａの入射面に入射した発散光束としての光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂのそれぞれの一部は、図６に示す領域（以下、重畳領域という）ＬｍにてＬＤ配列方向において互いに重なり合う。図６には、第１フライアイレンズ２１ａの入射面上における光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂの上記第１及び第２断面に直交する断面を示している。重畳領域Ｌｍは、第１フライアイレンズ２１ａの１つのレンズセルよりも大きな領域である。言い換えれば、重畳領域ＬｍのＬＤ配列方向（及びこれに直交する方向）での幅は、上記１つのレンズセルの同方向での幅よりも大きい。

また、ＬＤ１１ｃから射出され、光束発散角制御素子１４により発散光束に変換された発散光束の一部は、第１フライアイレンズ２１ａの入射面上にて発散光束としての光束Ｌ１１ｂの一部と１つのレンズセルよりも大きな領域で重なり合う。

これにより、実施例１と同様に、ＬＤ配列方向での照明光学系２の小型化を実現できる。

第１フライアイレンズ２１ａの複数のレンズセルから射出した複数の光束は、第２フライアイレンズ２１ｂにおいて第１フライアイレンズ２１ａの複数のレンズセルと対をなす複数の集光レンズセルに入射する。

第２フライアイレンズ２１ｂから射出した複数の光束は、コンデンサレンズ１３によって被照明面３１にて互いに重ね合わせられる。これにより、被照明面３１は、ＬＤ配列方向において均一な照度で照明される。

次に、図５を用いてＬＤ配列方向と直交する方向（第２断面）における照明光学系２の光学作用について説明する。各ＬＤからの平行光束は、発散角制御素子１４により発散光束に変換されて第１フライアイレンズ２１ａに入射する。光束径が拡大されて第１フライアイレンズ２１ａに入射した各発散光束は、第１フライアイレンズ２１ａの複数のレンズセルによって複数の光束に分割される。これにより、ＬＤ配列方向と同様に、各ＬＤの発光強度分布の分散化が行われる。

さらに、第１フライアイレンズ２１ａから射出した複数の光束は、第２フライアイレンズ２１ｂの複数の集光レンズセルとコンデンサレンズ１３とによって、被照明面３１にて互いに重ね合わされる。これにより、被照明面３１は、ＬＤ配列方向に直交する方向においても均一な照度で照明される。

本実施例でも、照明光学系２の小型化と被照明面３１への光到達効率の向上とを図るために、実施例１で説明した条件（１），（２）のうち少なくとも一方を満足することが好ましい。

発明者は、Ｐ_１＝４ｍｍ、Ｌ_１＝５２ｍｍ、σ＝４．５度、Ｐ_２＝３．６ｍｍ、Ｌ_２＝１０ｍｍとして実験（シミュレーション）を行い、良好な結果を得た。この場合、
（２Ｌ_１ｔａｎσ−Ｐ_１）／Ｐ_２＝１．１６ ＞ １
（Ｐ_２／２Ｌ_２）／ｔａｎσ＝２．２８ ＞ ０．８
となり、上記条件（１），（２）のいずれをも満足した。

本実施例によれば、平行光束を射出する複数のＬＤを含むアレイ光源１１を用いる場合において、被照明面３１での均一照明に対する各ＬＤの発光強度分布や複数のＬＤ間での発光強度のばらつきの影響を低減させることができる。しかも、小型で光利用効率が高い照明光学系２を実現することができる。

図７及び図８は、本発明の実施例３である照明光学系３の構成を示している。図７は照明光学系３の上面視断面（第１断面）を示しており、図８は図７の断面に直交する側面視断面（第２断面）を示している。

これらの図において、実施例２に示した構成要素と共通する構成要素には、実施例２と同符号を付して説明に代える。

本実施例では、アレイ光源１１に、ＬＤ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆを含む９個（３×３個）のＬＤが２次元配列されている。各ＬＤからは、楕円形状断面を有する発散光束が射出される。ＬＤ１１ａ，１１ｂ，１１ｃの配列方向を以下、第１ＬＤ配列方向といい、ＬＤ１１ｄ，１１ｅ，１１ｆの配列方向を以下、第２ＬＤ配列方向という。また、各ＬＤからの光束の楕円断面のうち短軸方向は、第１ＬＤ配列方向に一致する。

まず、図７を用いて、照明光学系３における第１ＬＤ配列方向での光学作用について説明する。前述したように、ＬＤ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ及びこれらと同じ方向に配列された他の６つのＬＤからはそれぞれ、発散光束が射出される。なお、図７においてはＬＤ１１ａ，１１ｂから射出される光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂのみを示し、他のＬＤから射出される光束の図示を省略している。

発散光束としての光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂは、９個のＬＤのそれぞれに対応する９個のレンズを有する発散角制御素子１４を透過し、その光束径が拡大しながら第１フライアイレンズ２１ａの入射面に入射する。また、光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂを含むすべてのＬＤからの光束は、互いに第１ＬＤ配列方向においてずれを有して第１フライアイレンズ２１ａの入射面に入射する。

光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂの主光線は、第１フライアイレンズ２１ａの入射面に垂直に入射する。また、ＬＤ１１ａ，１１ｂ以外のＬＤから射出され、光束発散角制御素子１４を透過した発散光束の主光線も第１フライアイレンズ２１ａの入射面に垂直に入射する。これにより、実施例１と同様に、簡易な構成でインテグレータ２１に入射する発散光束の発散角を抑制することができ、この結果、照明光学系１の全長を短縮することが可能となる。

光束径が拡大されて第１フライアイレンズ２１ａに入射した各発散光束は、第１フライアイレンズ２１ａを構成する、それぞれ矩形開口形状を有する複数のレンズセルによって複数の光束に分割される。これにより、各ＬＤの発光強度分布の分散化が行われ、各ＬＤの発光強度分布がガウス分布であっても、該ＬＤの発光強度分布を十分に分散させることができる。つまり、個々のＬＤからの１つの光束だけでも被照明面３１を均一に照明することができる。このため、ＬＤ間に発光強度のばらつきがあっても、被照明面３１における局所的な照度むらはほとんど生じない。

第１フライアイレンズ２１ａの入射面に入射した発散光束としての光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂのそれぞれの一部は、図９に示す領域（以下、重畳領域という）Ｌｍにて第１ＬＤ配列方向において互いに重なり合う。図９には、第１フライアイレンズ２１ａの入射面上における光束Ｌ１１ａ，Ｌ１１ｂの上記第１及び第２断面に直交する断面を示している。重畳領域Ｌｍは、第１フライアイレンズ２１ａの１つのレンズセルよりも大きな領域である。言い換えれば、重畳領域Ｌｍの第１ＬＤ配列方向での幅は、上記１つのレンズセルの同方向での幅よりも大きい。

ＬＤ１１ａ，１１ｂ以外のＬＤのうち第１ＬＤ配列方向で互いに隣り合う２つのＬＤから射出されて光束発散角制御素子１４を透過した２つの発散光束のそれぞれの一部は、第１フライアイレンズ２１ａの入射面上で１つのレンズセルよりも大きな領域で重なり合う。

これにより、実施例１と同様に、第１ＬＤ配列方向において照明光学系３を小型化することができる。

第１フライアイレンズ２１ａの複数のレンズセルから射出した複数の光束は、第２フライアイレンズ２１ｂにおいて第１フライアイレンズ２１ａの複数のレンズセルと対をなす複数の集光レンズセルに入射する。

第２フライアイレンズ２１ｂから射出した複数の光束は、コンデンサレンズ１３によって被照明面３１にて互いに重ね合わせられる。これにより、被照明面３１は、第１ＬＤ配列方向において均一な照度で照明される。

次に、図８を用いて第２ＬＤ配列方向（第２断面）における照明光学系３の光学作用について説明する。ＬＤ１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ及びこれらと同じ方向に配列された他のＬＤからの発散光束は、それらの発散角を制御する発散角制御素子１４により発散角が狭められ、円形断面を有する発散光束に変換される。なお、図８においてはＬＤ１１ｄ，１１ｅから射出される光束Ｌ１１ｄ，Ｌ１１ｅのみを示し、他のＬＤから射出される光束の図示を省略している。

発散光束としての光束Ｌ１１ｄ，Ｌ１１ｅは、発散角制御素子１４を透過し、その光束径が拡大しながら第１フライアイレンズ２１ａの入射面に入射する。また、光束Ｌ１１ｄ，Ｌ１１ｅを含むすべてのＬＤからの光束は、互いに第２ＬＤ配列方向においてずれを有して第１フライアイレンズ２１ａの入射面に入射する。

光束Ｌ１１ｄ，Ｌ１１ｅの主光線は、第１フライアイレンズ２１ａの入射面に垂直に入射する。ＬＤ１１ｄ，１１ｅ以外のＬＤから射出され、光束発散角制御素子１４を透過した発散光束の主光線も第１フライアイレンズ２１ａの入射面に垂直に入射する。これにより、第１ＬＤ配列方向において説明したのと同様な効果が得られる。

光束径が拡大されて第１フライアイレンズ２１ａに入射した各発散光束は、第１フライアイレンズ２１ａを構成する、それぞれ矩形開口形状を有する複数のレンズセルによって複数の光束に分割される。これにより、第１ＬＤ配列方向において説明したのと同様な効果が得られる。

第１フライアイレンズ２１ａの入射面に入射した発散光束としての光束Ｌ１１ｄ，Ｌ１１ｅのそれぞれの一部は、図９に示す領域（以下、重畳領域という）Ｌｎにて第２ＬＤ配列方向において互いに重なり合う。重畳領域Ｌｎは、第１フライアイレンズ２１ａの１つのレンズセルよりも大きな領域である。言い換えれば、重畳領域Ｌｎの第２ＬＤ配列方向での幅は、上記１つのレンズセルの同方向での幅よりも大きい。

ＬＤ１１ｄ，１１ｅ以外のＬＤのうち第２ＬＤ配列方向で互いに隣り合う２つのＬＤから射出されて光束発散角制御素子１４を透過した２つの発散光束のそれぞれの一部は、第１フライアイレンズ２１ａの入射面上で１つのレンズセルよりも大きな領域で重なり合う。

これにより、第２ＬＤ配列方向においても、照明光学系３を小型化することができる。

第１フライアイレンズ２１ａから射出した複数の光束は、第２フライアイレンズ２１ｂの複数の集光レンズセルとコンデンサレンズ１３とによって、被照明面３１にて互いに重ね合わされる。これにより、被照明面３１は、第２ＬＤ配列方向においても均一な照度で照明される。

本実施例でも、照明光学系２の小型化と被照明面３１への光到達効率の向上とを図るために、実施例１で説明した条件（１），（２）のうち少なくとも一方を満足することが好ましい。

発明者は、Ｐ_１＝２ｍｍ、Ｌ_１＝３７ｍｍ、σ＝５度、Ｐ_２＝３．６ｍｍ、Ｌ_２＝１０ｍｍとして実験（シミュレーション）を行い、良好な結果を得た。この場合、
（２Ｌ_１ｔａｎσ−Ｐ_１）／Ｐ_２＝１．８ ＞ １
（Ｐ_２／２Ｌ_２）／ｔａｎσ＝１．５８ ＞ ０．８
となり、上記条件（１），（２）のいずれをも満足した。

本実施例によれば、２次元配列された複数のＬＤを含むアレイ光源１１を用いる場合において、被照明面３１での均一照明に対する各ＬＤの発光強度分布や複数のＬＤ間での発光強度のばらつきの影響を低減させることができる。しかも、小型で光利用効率が高い照明光学系３を実現することができる。

図１０には、本発明の実施例４である画像投射装置としての反射型液晶プロジェクタ１００の構成を示している。

プロジェクタ１００は、実施例１に示した照明光学系１と、被照明面３１に配置された空間光変調素子としての反射型液晶パネル３１Ａと、該液晶パネル３１Ａにより変調された光をスクリーン（被投射面）１５０に拡大投射する投射光学系２０とを有する。なお、ここでは、実施例１に示した照明光学系１を用いたプロジェクタについて説明するが、照明光学系１に代えて、実施例２又は３に示した照明光学系２又は３を用いてもよい。

アレイ光源１１は、Ｒ（赤）光（λ＝６４０ｎｍ）、Ｇ（緑）光（λ＝５５０ｎｍ）及びＢ（青）光（λ＝４５０ｎｍ）それぞれを発する３つのＬＤを有する。アレイ光源１１からのＲ，Ｇ，Ｂ光は、シリンダレンズ１２を透過してインテグレータ２１で複数の光束に分割される。該複数の光束は、コンデンサレンズ１３によって集光されて、偏光ビームスプリッタ６を介して液晶パネル３１Ａ上にて重ね合わせられる。

偏光ビームスプリッタ６は、その内部に不図示の偏光分離膜を有する。該偏光分離膜は多層膜により形成されており、Ｐ偏光を透過してＳ偏光を反射する。

アレイ光源１１の３つのＬＤは、偏光ビームスプリッタ６に対してＳ偏光としてのＲ，Ｇ，Ｂ光を射出する。ＬＤが無偏光光を射出する場合は、照明光学系１内（例えば、第１フライアイレンズ２１ａの直後）に、無偏光光をＳ偏光に変換する偏光変換素子を配置してもよい。

液晶パネル３１Ａは、不図示の駆動回路に接続されている。駆動回路には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオデッキ、テレビチューナ等の画像供給装置から画像信号が入力される。プロジェクタと画像供給装置によって画像表示システムが構成される。

駆動回路は、入力された画像信号のＲ，Ｇ，Ｂ成分に基づいて、Ｒ用原画，Ｇ用原画及びＢ用原画が時分割で順次形成されるように液晶パネル３１Ａを駆動する。これにより、液晶パネル３１Ａは、Ｒ，Ｇ，Ｂ光を反射するとともに変調してＲ，Ｇ，Ｂ画像光（変調光）として射出する。

液晶パネル３１ＡからのＲ，Ｇ，Ｂ画像光は、Ｐ偏光として偏光ビームスプリッタ６に入射し、その偏光分離膜を透過して投射光学系２０によりスクリーン１５０に投射される。

アレイ光源１１の３つのＬＤのうち点灯させるＬＤとＲ，Ｇ，Ｂ用原画のうち液晶パネル３１Ａに形成される原画とを同期させつつ高速で切り替えることにより、スクリーン１５０に順次投射されるＲ，Ｇ，Ｂの画像が高速で切り替わる。人間の目の残像効果により、スクリーン１５０にてカラー画像が認識される。

なお、本実施例では、空間光変調素子として反射型液晶パネルを用いた場合について説明したが、透過型液晶パネルやＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）等の他の空間光変調素子を用いてもよい。また、本実施例では、単板式プロジェクタについて説明したが、実施例１〜３にて説明した照明光学系１〜３を用いて、３板式等の多板式プロジェクタを構成することもできる。さらに、ＬＤの発光色は、Ｒ，Ｇ，Ｂに限らず、他の発光色であってもよい。

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。

例えば、実施例１〜３においては、フライアイレンズにより構成されるインテグレータを用いた場合について説明した。しかし、シリンダーレンズアレイ、レンチキュラーレンズアレイ、回折素子、ホログラム素子等、光束を分割する機能を有する他の光学素子により構成されたインテグレータを用いてもよい。

また、実施例１〜３では、アレイ光源に含まれるＬＤの数を３又は９個とした場合について説明したが、ＬＤの数はこれらに限定されない。さらに、ＬＤの配列についても、規則的な配列に限られず、ランダムなＬＤ配列を採用してもよい。

また、光源としては、ＬＤ以外に、ＬＥＤを用いることもできる。

本発明の実施例１である照明光学系の上面断面図。 実施例１の照明光学系の側面断面図。 実施例１におけるインテグレータ入射面上での光束分布を示す図。 本発明の実施例２である照明光学系の上面断面図。 実施例２の照明光学系の側面断面図。 実施例２におけるインテグレータ入射面上での光束分布を示す図。 本発明の実施例３である照明光学系の上面断面図。 実施例３の照明光学系の側面断面図。 実施例３におけるインテグレータ入射面上での光束分布を示す図。 本発明の実施例４であるプロジェクタの構成を示す図。

符号の説明

１，２，３ 照明光学系
１１ アレイ光源，
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ ＬＤ
１２ シリンダレンズ
１３ コンデンサレンズ
１４ 発散角制御素子
２１ インテグレータ
２１ａ，２１ｂ フライアイレンズ
６ 偏光ビームスプリッタ
２０ 投射光学系
１５０ スクリーン

Claims (5)

1. 特定方向に配列された複数の発光部を含む光源と、
   前記特定方向に配列された複数のレンズセルを含む第１レンズアレイと、
   前記特定方向に配列された複数のレンズセルを含む第２レンズアレイを有し、
   前記第１レンズアレイに含まれる各レンズセルと前記第２レンズアレイに含まれる各レンズセルとが互いに対をなすように設けられており、
   前記複数の発光部から射出されて前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイを介した光束により被照明面を照明する照明光学系であって、
   前記複数の発光部からの複数の光束が、それぞれ前記特定方向に拡がる発散光束として、互いに前記特定方向においてずれを有して前記第１レンズアレイの入射面に入射し、
   前記複数の発光部のうち互いに隣り合う２つの発光部からの２つの光束が、前記第１レンズアレイの入射面において１つの前記レンズセルよりも大きな領域で互いに重なり合い、
   以下の条件を満足することを特徴とする照明光学系。
   （２Ｌ _１ ｔａｎσ−Ｐ _１ ）／Ｐ _２ ＞１
   （Ｐ _２ ／２Ｌ _２ ）／ｔａｎσ＞０．８
   ただし、Ｐ _１ は前記複数の発光部の前記特定方向での間隔であり、Ｌ _１ は前記光源から前記第１レンズアレイの入射面までの距離であり、σは前記第１レンズアレイの入射面に入射する光束の前記特定方向での発散角であり、Ｐ _２ は前記第１レンズアレイに含まれる複数のレンズセルの前記特定方向での間隔であり、Ｌ _２ は前記第１レンズアレイ、及び第２レンズアレイにおいて互いに対をなすレンズセル間の距離である。
2. 前記複数の発光部は２次元方向に配列されることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記光源と前記第１レンズアレイとの間に、前記複数の発光部からの光束の発散角を制御する発散角制御素子が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
4. 前記第２レンズアレイから射出した前記複数の光束を、前記被照明面にて重ね合わせる重畳光学系を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の照明光学系。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の照明光学系と、
   前記被照明面に配置された空間光変調素子と、
   該空間光変調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画像投射装置。