JPH07225429A - 照明光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 楕円鏡やコリメータレンズ、または放物面鏡
等の大型の光学部品を交換することなく、照明対象領域
の大きさや縦横比の変化に応じて、必要な照明光束面積
を得ることができる照明光学装置を提供する。 【構成】 楕円鏡と、前記楕円鏡の第１焦点の位置に配
置した光源と、コリメータレンズからなる照明光学装置
において、光軸と直交する任意の直交座標系の各座標軸
方向に異なるＮＡを持つＮＡ変換板を前記楕円鏡の第２
焦点に配置した照明光学装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スライドや液晶ライト
バルブ等の照明対象物を照明するのに有用な照明光学装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の照明光学装置としては、
ハロゲンランプ，キセノンランプ，メタルハライドラン
プ等の光源と、放物面鏡や楕円鏡とコリメータレンズを
組み合わせた照明系が用いられていた（例えば、トリケ
ップス社出版「プロジェクションテレビの設計」第３章
第１節参照）。楕円鏡とコリメータレンズを組み合わせ
た従来例を図１４に示す。

【０００３】図１４では、光源１は楕円鏡２の第１焦点
２１に配置されており、発光した光のうち、楕円鏡２で
反射された光は、第２焦点２２に収束した後発散し、コ
リメータレンズ４で平行光束またはやや収束する光束に
変換され、コンデンサレンズ５を介して、照明対象物６
上の照明対象領域６１を照明していた。

【０００４】図１４の従来例では照明光束断面形状が円
形なので、照明光束は図１６に示したように、照明対象
物６上で矩形の照明対象領域６１に対して外接するか、
あるいは外接よりも若干大きくなるように設計されてい
た。

【０００５】したがって、例えば照明対象領域６１の縦
横比が９：１６の場合は照明光束１０３の全体の面積の
５４．４％以下の部分が、同じく３：４の場合のそれは
６１．１％以下の部分が、照明対象領域６１を照明して
いた。

【０００６】一方、矩形の照明対象領域６１を効率よく
照明するために、その周辺部を矩形に切断した放物面鏡
を用いることにより、照明光束の断面形状を矩形にする
方法も用いられていた。この例を図１５に示す。

【０００７】図１５に示された装置では、光源１は放物
面鏡７の焦点７１に配置されており、放物面鏡７の周辺
部は、光軸上の無限遠点からみて、照明対象物６の照明
対象領域６１と同一の縦横比になるように切断されてい
る。このため、光源１で発光した光のうち、放物面鏡７
で反射された光は、ほぼ平行の照明光束になり、コンデ
ンサレンズ５を介して、照明対象物６上の照明対象領域
６１を照明していた。

【０００８】この装置では、照明対象物６上で照明光束
が、照明対象領域６１とほぼ等しい大きさになるように
設計されている。したがって、照明光束１０３の面積の
ほぼ１００％が、照明対象領域６１を照明することにな
っていた（図１８参照）。

【０００９】例えばこの装置において、照明対象領域の
縦横比が異なる場合は、放物面鏡７の切断の縦横比を変
えて、それぞれ専用の装置を設計製作していた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図１４や図１５の従来
例では、照明対象物６上の照明対象領域６１の大きさと
縦横比は一定の場合がほとんどだったので、問題点は生
じていなかった。

【００１１】ところで最近、その縦横比が９：１６であ
るワイド画面の表示装置が多く出回るようになってき
た。このような場合、前記ワイド画面だけでなく、同じ
装置で縦横比が３：４の標準画面も表示できるようにす
る場合がある。

【００１２】以下に、照明対象物６が液晶ライトバルブ
の場合について説明する。このような場合、液晶ライト
バルブは、その全面を使用した場合に縦横比９：１６の
ワイド画面（以下、ワイド画面と呼ぶ）を表示するよう
な構造であり、その横方向を短縮した場合には縦横比
３：４の標準画面（以下、標準画面と呼ぶ）も表示する
ことができる、という使われ方が一般的である。

【００１３】この場合、標準画面を表示する際に、任意
の遮光手段で液晶ライトバルブの横方向の両端部を遮光
して、照明対象領域の縦横比を合わせる必要があるた
め、その結果として、照明対象物６上の照明対象領域６
１の大きさと縦横比が、ともに変化することになる（図
１７，図１９参照）。

【００１４】このような場合、図１４の従来例では、縦
横比を３：４にすることによって、照明光束１０３の面
積に対する照明対象領域６１の面積が、図１７に示した
ように４１％以下になってしまい、スクリーン光量が大
幅に低下する問題点があった。

【００１５】また、図１５の従来例でも、縦横比を３：
４にすることによって、照明光束１０３の面積に対する
照明対象領域６１の面積が、図１９に示したように７５
％以下になってしまい、同じくスクリーン光量が低下す
る問題点があった。

【００１６】一方、図１４や図１５に示した従来例の照
明光学装置において、照明対象領域６１の大きさや縦横
比に合わせて、照明光束の面積やその縦横比を変えるこ
とを考えてみる。この場合、図１４の装置では楕円鏡２
またはコリメータレンズ４を、図１５の装置では放物面
鏡７をそれぞれ交換する必要があり、照明光学装置が大
型化するとともに交換部品が必要となるという問題点が
考えられる。

【００１７】以上の問題点は、液晶ライトバルブの場合
に限らず、例えばスライドプロジェクタなどの場合で
も、大きさの異なるスライドマスクを同一の照明光学装
置で照明する場合も同様である。

【００１８】そこで、本発明では、楕円鏡２やコリメー
タレンズ４または放物面鏡７等の大型の光学部品を交換
することなく、照明対象領域６１の大きさやその縦横比
の変化に応じて、必要な断面形状を持つ照明光束を得る
ことができる照明光学装置を提供することを目的とす
る。

【００１９】なお、この明細書では、照明光学装置の光
軸をＺ軸としたＸＹＺ３次元直交座標系を用いて、以下
説明する。また、照明対象物はその長辺方向がＸ軸方向
に、短辺方向がＹ軸方向となるように配置されている。
図２を参照のこと。なおこの図２は、左手系で表されて
いる。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、（イ）楕円鏡（２），（ロ）前記楕円
鏡（２）の第１焦点（２１）の位置に配置した光源
（１），（ハ）光源から前記楕円鏡（２）で反射して、
その第２焦点（２２）の位置で収束した後発散する光束
を平行光束または収束する光束に変換するためのコリメ
ータレンズ（４），以上のすべての要素を備えた照明装
置において、前記楕円鏡の第２焦点（２２）またはその
近傍にＮＡ変換板（８）を配置し、前記ＮＡ変換板は、
前記照明装置の光軸（９）をＺ軸としたときに、前記Ｎ
Ａ変換板上の任意のＸＹ直交座標系のＸ軸方向のＮＡと
Ｙ軸方向のＮＡが、それぞれ異なる照明光学装置であ
る。

【００２１】本発明で用いるＮＡ変換板は、以下のいく
つかの実施例で示したように、光軸をＺ軸としたＸＹＺ
３次元直交座標系を考えた場合、Ｘ軸とＹ軸方向にそれ
ぞれ異なるＮＡを有する光学素子として機能するもので
あればよい。

【００２２】これらのＮＡ変換板の場合、その最大ＮＡ
および最小ＮＡは、照明光束１０３の断面形状がＮＡ変
換板８を通過することによって、照明対象物６上で任意
の照明対象領域６１と同一の縦横比になるように選択さ
れていればよい。

【００２３】またコリメータレンズのＮＡは、ＮＡ変換
板８を通過した照明光束のＮＡと同等か、または大きく
なるように選択すればよく、その焦点距離は、照明光束
１０３が照明対象物６上で、任意の照明対象領域６１に
外接するように選択すればよい。

【００２４】なお、楕円鏡の第２焦点に収束する照明光
束のＮＡは、許容される照明光学装置の光路長の範囲
で、なるべく小さくすることが望ましい。

【００２５】

【作用】上述したように、本発明では前記照明光学装置
に、その板面上の直交する２方向のＮＡがそれぞれ異な
るＮＡ変換板を用いることを特徴としている。このＮＡ
変換板に入射する光束には、前記２方向のＮＡがそれぞ
れ加算されて、出射することになる。このため、このＮ
Ａ変換板を通過する前後の光束の断面形状の縦横比を、
変化させることができる。

【００２６】例えば、レンチキュラーレンズ板によるＮ
Ａ変換板を用いて、ＮＡ変換板の作用について説明する
（図３参照）。図３において、レンチキュラーレンズ板
のある一つのレンチキュラーレンズの対称軸の方向は、
ＮＡが変化しない方向である。これをＹ軸方向に配置し
ている。前記対称軸方向に対して垂直の方向は、最大の
ＮＡを持つ方向であり、これをＸ軸方向に配置してい
る。以下、レンチキュラーレンズ板の方向を、このＸ軸
Ｙ軸を用いて表すことにする。

【００２７】さてこの図で、ある一つのレンチキュラー
レンズに入射する照明光束のＮＡを、ＮＡ＝ｓｉｎθと
すると、このレンチキュラーレンズに入射する照明光束
は、光束径がレンチキュラーレンズ幅と等しく、かつ光
軸とのなす角がθ以下の平行光束の集合とみなすことが
できる。

【００２８】したがって、レンチキュラーレンズの最大
のＮＡをＮＡ_MAX ＝ｓｉｎα、最小のＮＡをＮＡ_MIN ＝
ｓｉｎβ（＝０）と定義し、変換後のＮＡをＮＡ’とす
ると、各平行光束はレンチキュラーレンズを通過するこ
とにより、 Ｘ軸方向には、ＮＡ'_X＝ｓｉｎ（θ＋α） Ｙ軸方向には、ＮＡ'_Y＝ｓｉｎ（θ＋β）＝ｓｉｎθ のＮＡで発散する照明光束に変換される。つまり、この
ＮＡ変換板は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に関して、それぞれ
異なるＮＡを有することになる。なお、レンチキュラー
レンズではβ＝０となる。

【００２９】このＮＡ変換板を通過した後の光束は、通
過する前のＮＡに対して、Ｘ軸方向とＹ軸方向にそれぞ
れに異なるＮＡが加算されたことになり、その断面形状
はそれぞれの方向に異なった拡大率で拡大された形状と
なることになる。

【００３０】したがって、照明対象領域の大きさや縦横
比の変化に合わせて、ＮＡ変換板の前記Ｘ軸とＹ軸方向
のそれぞれのＮＡを適当に選択するだけで、照明光束の
断面形状を照明対象領域に適した形状に変形することが
可能となる。

【００３１】なお、レンチキュラーレンズ板や後述のマ
イクロレンズアレイのレンズピッチは、入射する光束径
に対して大きいと、ＮＡ変換板としての効果が弱くなっ
てしまう。逆に、小さくなりすぎると、光の回折により
色収差をおこしてしまう。したがって、具体的には、入
射する光束径の１／１０ないし１／２０より小さく、入
射する光の波長の５０ないし１００倍より大きい範囲で
あることが望ましい。

【００３２】

【実施例】

（実施例１）図１は、本発明による照明光学装置の一実
施例を示す光学断面図である。この実施例では、照明光
束のある一方向のＮＡを変換する場合である。

【００３３】図において、光源１は楕円鏡２の第１焦点
２１に配置されており、楕円鏡２の開口は楕円鏡２を装
置の光軸９に垂直な面で切断することにより形成されて
いる。また、ＮＡ変換板８にはレンチキュラーレンズ板
（図４参照）を用い、楕円鏡の第２焦点２２の位置に配
置されている。コリメータレンズ４は、楕円鏡２から楕
円鏡の第２焦点２２に収束する照明光束のＮＡに、ＮＡ
変換板８の最大ＮＡを加算したＮＡと同等または若干大
きなＮＡを持つように設計されている。コンデンサレン
ズは、照明対物の光源側に配置されている。

【００３４】光源１から発光した光のうち、楕円鏡２に
到達した光線は、反射されて楕円鏡の第２焦点２２に収
束する照明光束になる。第２焦点に収束した照明光束
は、光源１の大きさに楕円鏡の倍率を掛けた大きさを持
ち、ＮＡ変換板８を照射する。この照明光束の断面形状
は円形である。そして、ＮＡ変換板８を通過することに
よって、個々のレンチキュラーレンズにより、Ｘ軸方向
のＮＡだけが変換されることになる。このときの照明光
束の断面形状はＸ軸方向に拡大され、この軸方向に長軸
を持つ楕円形となる。

【００３５】図１の実施例では、レンチキュラーレンズ
のＮＡは、ｔａｎθとｔａｎ（θ＋α）の比率が、照明
対象物６の照明対象領域６１の縦横比、すなわち、ワイ
ド画面では１：１６／９に、標準画面では１：４／３と
なるように、それぞれ選択すればよい。

【００３６】またコリメータレンズ４の焦点距離は、照
明対象物６上で照明光束が照明対象領域６１に外接する
大きさになるように選択すればよい。

【００３７】以下に、具体的設計数値例を示す。 楕円鏡２：第１焦点距離ｆ₁＝２０ｍｍ，第２焦点距
離ｆ₂＝１００ｍｍ，開口 半径＝３３．３３ｍｍ コリメータレンズ４：焦点距離ｆ＝８６．２ｍｍ，口
径＝１１０ｍｍ コンデンサレンズ５：焦点距離ｆ＝１００ｍｍ，口径
＝１１０ｍｍ ＬＣＤパネル６：対角１０１．６ｍｍ（４インチ），
ワイド画面用パネル（縦＝４５．７２ｍｍ，横＝９０．
７３ｍｍ） （なお、標準画面を表示する場合は、対角７６．２ｍｍ
（３インチ）（縦＝４５．７２ｍｍ，横＝６０．９６ｍ
ｍ）で使用） ＮＡ変換板：ワイド画面用；ＮＡ_WX＝０．１４７，Ｎ
Ａ_WY＝０ 標準画面用；ＮＡ_SX＝０．０６２，ＮＡ_SY＝０ 以上のようである。

【００３８】上記数値例の設計について説明する。ま
ず、楕円鏡２の第２焦点に収束する光束の角度は、 θ＝ｔａｎ^-1（３３．３３／８０）＝２２．６２° である。これは、ＮＡ＝０．３９５に相当する。

【００３９】つぎに、コリメータレンズ４の焦点距離を
求める。 ＮＡ変換板を用いない場合の照明対象物６上の光束径
φ₆は、ＬＣＤパネルの縦寸法の√２倍となる。

【００４０】 φ₆＝４５．７２×√２＝６４．６５８（ｍｍ） ＮＡ変換板を用いない場合のコリメータレンズ４の主
面上の光束径φ₄は、 φ₄＝６４．６５８×（１００／９０）＝７１．８４２
（ｍｍ） （コンデンサレンズ５の焦点距離は１００ｍｍであり、
コンデンサレンズ５とＬＣＤパネル６との距離を１０ｍ
ｍとした。） 楕円鏡２の第２焦点とコリメータレンズ４の主面間距
離Ｌは、 Ｌ＝φ₄／（２ｔａｎθ）＝８６．２１（ｍｍ） コリメータレンズ４の焦点距離ｆはＬと同じとする。
したがって、ｆ＝８６．２１（ｍｍ）となる。

【００４１】つづいて、ＮＡ変換板のＮＡを求める方法
について説明する。 まず、ＮＡ変換板を用いたときの、ワイド画面と標準
画面を照明するのに必要な照明対象物６上の光束の光束
高さｈを求める。

【００４２】ワイド画面の場合：ｈ_W6＝(45.72/2)×(√
(9²+16²)/9)＝４６．６２８(mm) 標準画面の場合 ：ｈ_S6＝(45.72/2)×(5/3)＝３８．１
(mm) つぎに、ワイド画面と標準画面を照明するのに必要な
コリメータレンズ４の主面上における光束の光束高さｈ
を求める。

【００４３】ワイド画面の場合：ｈ_W4＝46.628×(100/9
0)＝５１．８０９(mm) 標準画面の場合 ：ｈ_S4＝38.1×(100/90)＝４２．３３
３(mm) 前記、それぞれのコリメータレンズ４の主面上の光束
高さｈを得るのに必要なＮＡ変換板のＮＡに対応する角
度α_W，α_Sを求める。

【００４４】 θ＋α_W＝ｔａｎ^-1（ｈ_W4／Ｌ）＝ｔａｎ^-1(51.809/86.21)＝３１．００４° θ＋α_S＝ｔａｎ^-1（ｈ_S4／Ｌ）＝ｔａｎ^-1(42.333/86.21)＝２６．１５３° α_W＝３１．００４°−２２．６２°＝８．３８４° α_S＝２６．１５３°−２２．６２°＝３．５３３° ＮＡ変換板のＮＡ_WX，ＮＡ_SXを求める。

【００４５】 ＮＡ_WX＝ｔａｎ（８．３８４°）＝０．１４７ ＮＡ_SX＝ｔａｎ（３．５３３°）＝０．０６２ なお、ＮＡ_WY，ＮＡ_SYはともに０である。

【００４６】さらに、このＮＡに対応する平凸のレンチ
キュラーレンズの一設計例を示す。このレンズの曲率半
径をｒ，焦点距離をｆ（空気中），レンズに用いるガラ
スの屈折率をｎ，レンズピッチを２ｈとすると、 ｒ＝（ｎ−１）ｆ，ｆ＝ｈ／ｔａｎα となる。この式に、ｎ＝１．５１９（ＢＫ−７ガラスの
屈折率），αにα_W＝８．３８４°，α_S＝３．５３３°
を代入し、２ｈ＝０．１ｍｍとすると、 ｆ_W＝０．３３９ｍｍ ｆ_S＝０．８１０ｍｍ ｒ_W＝０．１７６ｍｍ ｒ_S＝０．４２０ｍｍ が得られる。このレンチキュラーレンズは、上述したＮ
Ａを有するＮＡ変換板として作用する。

【００４７】上述のような設計手法によれば、所望のＮ
Ａを持つ平凸のレンチキュラーレンズを持つＮＡ変換板
を、設計製作することができる。製作方法としては、プ
レス法等を用いることができる。

【００４８】また、イオン交換法によっても、上述のｆ
_W，ｆ_Sを有するレンチキュラーレンズ板を製作すること
ができる（図５）。まず、例えばＮａイオン等を含むア
ルカリガラス基板に、図６のように、平行に並んだ直線
開口を有するマスクを形成し、この基板を、前記アルカ
リイオンよりイオン半径の大きな１価のイオン（例え
ば、Ｔｌイオン）を含む溶融金属塩中に浸漬し、イオン
交換処理することによって製作することができる。ま
た、必要に応じて電界を印加しながら、イオン交換処理
することもできる。

【００４９】以上の構成にすることによって、照明対象
物６上で照明光束１０３は、その断面形状が照明対象領
域６１に外接し、かつ照明対象領域６１と同一の縦横比
をもつ楕円形になるため、ワイド画面表示のときも標準
画面表示のときも、図７のように光束断面積に対する照
明対象領域６１の面積比率は６３．７％となる。

【００５０】したがって、図１４の従来例に対して、実
施例１の光束断面積に対する照明対象領域の面積比率
は、ワイド画面の場合１．１７倍、標準画面の場合１．
５６倍となり、効率のよい照明が可能となる。

【００５１】（実施例２）図８は、本発明による照明光
学装置の別の実施例を示す光学断面図である。図８にお
いて、光源１は楕円鏡２の第１焦点２１に配置されてい
る。球面鏡３は半球形状を有し、その曲率中心が楕円鏡
２の第１焦点２１に配置され、その開口部は、光源１の
発光光が漏れないように楕円鏡２の開口部２３と光軸方
向に重なって配置されている。球面鏡３の孔部３１は、
楕円鏡２で反射し楕円鏡の第２焦点２２に収束する照明
光束がケラレない大きさに設計されている。

【００５２】ＮＡ変換板８にはレンチキュラーレンズ板
を用い、楕円鏡の第２焦点２２の位置に配置している。

【００５３】照明対象物６は縦横比９：１６の液晶ライ
トバルブであり、その全面を使用したワイド画面と、横
幅を短縮した標準画面も表示することができ、これは実
施例１と同様のものである。

【００５４】このとき、照明光学装置としては、例えば
ＮＡ変換板を用いないときに、前記標準画面に合致した
照明対象領域を照明するように設計しておき、ＮＡ変換
板を用いたときに、前記ワイド画面を照明するように設
計すればよいことになる。

【００５５】照明対象物６の照明対象領域６１の大きさ
が変化する場合、楕円鏡の第２焦点に収束する照明光束
のＮＡが与えられているならば、まず、ＮＡ変換板８を
取り除いた状態で、照明対象物６上における照明光束
が、照明対象領域６１の最小寸法と同一または小さくな
るように、コリメータレンズ４の焦点距離を選択する。

【００５６】つぎに、任意の照明対象領域６１に対し
て、照明対象物６上で照明光束断面が外接するか、また
は若干大きくなるようにＮＡ変換板８の最大ＮＡおよび
最小ＮＡを選択する。最後に、ＮＡ変換板８通過後の照
明光束のＮＡと同等または若干大きなＮＡを持つように
コリメータレンズのＮＡを選択すればよい。

【００５７】コリメータレンズ４は、楕円鏡２から楕円
鏡の第２焦点２２に収束する照明光束のＮＡに、ＮＡ変
換板８のＮＡと、コリメータレンズ４から照明対象物６
上に収束する照明光束のＮＡとを加算したＮＡと同等ま
たは若干大きなＮＡを持ち、かつ照明対象物６全面を照
明するのに十分な直径を持っている。また、図１の実施
例のコンデンサレンズ５の機能をコリメータレンズ４に
持たせてコンデンサレンズを省略している。

【００５８】楕円鏡２の開口の周辺部は、以下で規定す
る仮想の四角錐の側面との交線で形成されている。 （ａ）その中心が楕円鏡の第１焦点２１にあり、かつそ
の形状が縦横比３：４の矩形であり、かつ前記楕円鏡の
楕円面と外接し、かつ光軸９と直交する矩形平面を仮想
し、（ｂ）その底面が前記矩形平面であり、かつ前記底
面と対向する頂点が前記楕円鏡の第２焦点２２近傍にあ
る仮想四角錐。

【００５９】光源１から発光した光のうち、球面鏡３に
到達した光線１０１は反射されて光源１に戻り、楕円鏡
２で再反射されて第２焦点２２に到達する。また光源１
から発光した光のうち、楕円鏡２に到達した光線１０２
は反射されて第２焦点２２に到達する。したがって光源
１から発光した光の大部分は、前記仮想四角錐の表面お
よびその内部を伝搬し、楕円鏡の第２焦点２２に収束す
る照明光束になる。このとき照明光束の断面形状は前記
仮想四角錐の底面と相似の形状、すなわち縦横比３：４
の矩形形状となる。

【００６０】この図８の実施例では、楕円鏡２の開口の
周辺部を上述のような形状にしてあるので、ＮＡ変換板
を用いない状態で、標準画面の照明対象領域の全域を照
明することができる。また、コリメータレンズ４の焦点
距離は、照明対象物６上における照明光束の大きさが、
標準画面表示時の照明対象領域６１の形状と一致するよ
うに選択した。

【００６１】以下に、具体的設計数値例を示す。 楕円鏡２：第１焦点距離ｆ₁＝２０ｍｍ，第２焦点距
離ｆ₂＝１００ｍｍ，開口径（最大）＝８４．７ｍｍ，
前記仮想の四角錐の頂点位置；第２焦点，深さ（最大）
＝３９．５ｍｍ，深さ（最小）＝２０．０ｍｍ 球面鏡：半径Ｒ＝５０．０ｍｍ，開口径＝１００．０
ｍｍ，孔部（３１）開口寸法＝３４×４５ｍｍ コリメータレンズ４：焦点距離ｆ＝６６．７ｍｍ，口
径＝１６０ｍｍ，楕円鏡第２焦点−コリメータレンズ主
面間距離＝１００ｍｍ ＬＣＤパネル６：対角８３．８ｍｍ（３．３イン
チ），ワイド画面用パネル（縦＝４１．０ｍｍ，横＝７
３．０ｍｍ） ワイド画面用ＮＡ変換板：ＮＡ_X＝０．１２９，ＮＡ_Y
＝０ 以上のようである。

【００６２】つづいて、ＮＡ変換板のＮＡを求める方法
について説明する。 まず、前記第２焦点に収束する光束の角度およびＮＡ
は、 θ_X＝２９．１°，θ_Y＝２２．６° ＮＡ_X＝０．４８６，ＮＡ_Y＝０．３８５ である。 つぎに、標準画面を照明する場合のコリメータレンズ
４の主面上における光束のＹ軸方向の光束高さｈ_Y を求
める。楕円鏡第２焦点−コリメータレンズ主面間距離は
１００ｍｍなので、 標準画面：ｈ_Y4＝１００×ｔａｎ２２．６°＝４１．２
６ｍｍ さらに、Ｘ軸方向の光束高さｈは、ｈ_Y4横寸法の１６／
９倍となるので、 ｈ_X4＝４１．２６×１６／９＝７４．０ｍｍ となる。 前記ｈ_X4を得るのに必要なＮＡ変換板のＮＡに対応す
る角度θを求める。

【００６３】θ_X＋α_X＝ｔａｎ^-1（ｈ_X4／Ｌ）＝ｔａｎ
^-1(74.0/100)＝３６．５° α_X＝３６．５°−２９．１°＝７．４° ＮＡ変換板のＮＡ_Xを求める。

【００６４】ＮＡ_X＝ｔａｎ７．４°＝０．１２９ なお、ＮＡ_Yは０である。

【００６５】上述のようにして求めたＮＡを有するＮＡ
変換板は、実施例１に示した方法で容易に製作すること
ができる。

【００６６】以上の構成にすることによって、照明対象
物６に到達した照明光束は、図９のようにその断面形状
が、ワイド画面用の照明対象領域６１と同一形状になる
ため、照明光束断面積に対する照明対象領域６１の面積
比率は、ほとんど１００％となる（図９参照）。

【００６７】また、標準画面表示時も、ＮＡ変換板８を
光束から取り除くことによって、照明光束の断面形状
が、標準画面用の照明領域６１と同一形状となるため、
照明光束断面積に対する照明対象領域６１の面積比率は
ほとんど１００％となる。

【００６８】したがって、ワイド画面の場合も標準画面
の場合も、光源１の発光光の大部分で照明対象領域６１
を照明することができ、きわめて高効率の照明光学装置
を実現できる。

【００６９】以上、ＮＡ変換板に１枚のレンチキュラー
レンズ板を用いた場合についての実施例を述べてきた。
以下に、このほかのＮＡ変換板の例について述べる。

【００７０】まず、ＮＡ変換板として、２枚のレンチキ
ュラーレンズ板を用いた場合の例を示す。図１０は、レ
ンチキュラーレンズのピッチの異なる２枚のレンチキュ
ラーレンズ板を互いに直交させて配置した場合の正面図
である。この場合、それぞれのレンチキュラーレンズ板
のあるレンチキュラーレンズの対称軸方向を、それぞれ
Ｘ軸Ｙ軸方向に配置している。

【００７１】照明光束は、このＮＡ変換板を通過するこ
とによって、Ｘ軸Ｙ軸方向にそれぞれ異なるＮＡが加算
されて、出射することになる。それぞれのレンチキュラ
ーレンズ板のＮＡは、出射された照明光束のＸ軸Ｙ軸そ
れぞれ方向に目的とする縦横比を持つように、設計され
ていればよい。

【００７２】つぎに図１１は、レンチキュラーレンズの
ピッチの同じ２枚のレンチキュラーレンズ板を組み合わ
せた例である。この場合、２枚のレンチキュラーレンズ
板が交差してできる菱形の対角線の方向が、それぞれＸ
軸Ｙ軸に一致するように配置されている。さらに、前記
２枚のレンズアレイはこの関係を保ちながら、相対的に
回転させられるようになっていてもよい。

【００７３】このようなＮＡ変換板では、このＮＡ変換
板を通過した後の光束の断面形状の縦横比を、連続的に
変化させることも可能である。（ａ）の場合では、Ｘ軸
方向にこのレンチキュラーレンズの持つＮＡの２倍のＮ
ＡをＮＡ変換板として作用する。（ｂ）の場合では、Ｘ
軸，Ｙ軸方向のそれぞれのＮＡは、前記レンズ板の交差
角度に応じて、合成されたＮＡとなる。（ｃ）の場合で
は、Ｘ軸，Ｙ軸方向のＮＡは同じである。

【００７４】この場合、実施例１や２のように、ＮＡ変
換板を交換しなくても、ＮＡを変換することができるメ
リットがある。

【００７５】さらに図１２は、ＮＡ変換板としてマイク
ロレンズアレイを用いた場合の正面図である。この場
合、ＮＡ変換板はＸ軸Ｙ軸に関して、図に示したような
位置に配置されている。

【００７６】このマイクロレンズアレイは、各マイクロ
レンズの開口形状が矩形であり、さらに各マイクロレン
ズは四方稠密配列されている。

【００７７】このようなマイクロレンズアレイは、例え
ばＮａイオン等を含むアルカリガラス基板に、図１３の
ように、多数の直線開口（あるいは円形の開口でもよ
い）が四方配列されたマスクを形成し、この基板を、前
記アルカリイオンよりイオン半径の大きな１価のイオン
（例えば、Ｔｌイオン）を含む溶融金属塩中に浸漬し、
イオン交換処理することによって製作することができ
る。

【００７８】この場合、形成されるある１つのマイクロ
レンズの拡散領域の先端縁の形状は、前記直線開口に対
応して、その当初トラック状の偏円形である。さらにイ
オン交換処理を続けると、その前記先端縁が周辺のマイ
クロレンズのそれと重なって四方稠密配列となり、隙間
のないレンズ面が形成される。

【００７９】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、光学照
明装置の照明対象物上の照明対象領域の大きさや縦横比
を変更する場合に、リフレクタやコリメータレンズなど
の高価で大型の光学部品を交換することなく、前記ＮＡ
変換板のＮＡを適当に選択するだけ、あるいはＮＡ変換
板の組み合わせを変更するだけで、前記照明対象物上に
おける照明光束の大きさを、前記照明対象領域に外接す
る大きさに制御することができる。このため、照明光利
用効率が高く、かつ安価で小型の照明光学装置を実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例１の照明光学装置の光学断
面図を示す図。

【図２】本明細書における３次元直交座標系を説明する
図。

【図３】レンチキュラーレンズ板を用いたＮＡ変換板の
動作原理を説明する図。

【図４】レンチキュラーレンズ板を用いたＮＡ変換板。

【図５】イオン交換法にて製作したレンチキュラーレン
ズ板を用いたＮＡ変換板。

【図６】イオン交換法にてレンチキュラーレンズ板を製
作するときのマスク。

【図７】本発明による実施例１の場合の、照明対象物上
での照明光束と照明対象領域との関係を示す図。

【図８】本発明による実施例２の照明光学装置の光学断
面図を示す図。

【図９】本発明による実施例２の場合の、照明対象物上
での照明光束と照明対象領域との関係を示す図。

【図１０】ＮＡ変換板に、ピッチの異なる２枚のレンチ
キュラーレンズ板を直交させた例の正面図。

【図１１】ＮＡ変換板に、同じピッチの２枚のレンチキ
ュラーレンズ板の交差角度を変化替させながら用いた例
を説明する図。

【図１２】ＮＡ変換板に、矩形型マイクロレンズアレイ
を用いた例の正面図。

【図１３】矩形型マイクロレンズアレイ用のマスクを説
明する斜視図。

【図１４】楕円鏡とコリメータレンズを用いた従来の照
明光学装置の光学断面図を示す図。

【図１５】矩形切断した放物面鏡を用いた従来の照明光
学装置の光学断面図を示す図。

【図１６】図１４の照明光学装置の、照明対象物上での
照明光束と照明対象領域との関係を示す図。

【図１７】ワイド画面の照明対象領域用に設計した図１
４の照明光学装置を用いて、ワイド画面および標準画面
の照明対象領域を照明した場合の、照明対象物上での照
明光束と照明対象領域との関係を示す図。

【図１８】図１５の照明光学装置の、照明対象物上での
照明光束と照明対象領域との関係を示す図。

【図１９】ワイド画面の照明対象領域用に設計した図１
６の照明光学装置を用いて、ワイド画面および標準画面
の照明対象領域を照明した場合の、照明対象物上での照
明光束と照明対象領域との関係を示す図。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 楕円鏡 ２１ 楕円鏡の第１焦点 ２２ 楕円鏡の第２焦点 ３ 球面鏡 ３１ 球面鏡の孔部 ４ コリメータレンズ ５ コンデンサレンズ ６ 照明対象物 ６１ 照明対象領域 ７ 放物面鏡 ７１ 放物面鏡の焦点 ８ ＮＡ変換板 ８１ （１つの）レンチキュラーレンズ ８２ レンズ基板 ８３ マスク ８４ （１つの）マイクロレンズ ９ 光軸 １０１ 発光光のうち、球面鏡で反射された後楕円鏡
で再反射されて楕円鏡の第２焦点に収束する光 １０２ 発光光のうち、楕円鏡で反射されて楕円鏡の
第２焦点に収束する光 １０３ 照明対象物上での照明光束

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（イ）楕円鏡（２），（ロ）前記楕円鏡
   （２）の第１焦点（２１）の位置に配置した光源
   （１），（ハ）光源から前記楕円鏡（２）で反射して、
   その第２焦点（２２）の位置で収束した後発散する光束
   を平行光束または収束する光束に変換するためのコリメ
   ータレンズ（４），以上のすべての要素を備えた照明装
   置において、 前記楕円鏡の第２焦点（２２）またはその近傍にＮＡ変
   換板（８）を配置し、前記ＮＡ変換板は、前記照明装置
   の光軸（９）をＺ軸としたときに、前記ＮＡ変換板上の
   任意のＸＹ直交座標系のＸ軸方向のＮＡとＹ軸方向のＮ
   Ａが、それぞれ異なることを特徴とする照明光学装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の照明光学装置において、
   その曲率中心が前記第１焦点（２１）の位置に球面鏡
   （３）を配し、前記球面鏡はその中央部に孔部（３１）
   を有し、かつその曲率半径が前記楕円鏡（２）の第１焦
   点（２１）と第２焦点（２２）の間隔以下である照明光
   学装置。
3. 【請求項３】請求項２に記載の照明光学装置において、
   前記ＮＡ変換板（８）は、１枚または複数枚のレンチキ
   ュラーレンズ板である照明光学装置。
4. 【請求項４】請求項２に記載の照明光学装置において、
   前記ＮＡ変換板（８）は、マイクロレンズアレイである
   照明光学装置。
5. 【請求項５】請求項４に記載の照明光学装置において、
   前記ＮＡ変換板（８）は、各マイクロレンズが矩形形状
   の開口を持ち稠密配列されたマイクロレンズアレイであ
   る照明光学装置。
6. 【請求項６】請求項２に記載の照明光学装置において、
   前記楕円鏡（２）の開口の周辺部を、以下で規定する仮
   想の四角錐の側面との交線で形成したことを特徴とする
   照明光学装置。（ａ）その中心が前記楕円鏡（２）の第
   １焦点（２１）にあり、かつその形状が任意の矩形形状
   を有し、かつ光軸（９）と直交する平面を仮想し、
   （ｂ）その底面が前記矩形平面であり、かつ前記底面と
   対向する頂点が前記楕円鏡（２）の第２焦点（２２）近
   傍にある仮想四角錐。