JP6316226B2 - 照明光学系およびこれを用いた画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明光学系およびこれを用いた画像投射装置に関する。

近年、液晶プロジェクタなどの画像投射装置において、照明効率を改善させることによる高輝度化が検討されている。照明効率を改善させるには、照明エリアを狭くし、かつ、照明エリアのエッジ部分をシャープにすることが好ましい。特許文献１には、被照明面が湾曲した像面の近軸像面より光源側に位置し、かつ湾曲した像面の周辺像面が近軸像面よりも光源側に位置するように構成された照明装置が開示されている。このような構成により、像面湾曲の影響によって照明エリアがぼやけるのを緩和している。

特開２０１１―９０３２１号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、パネル面を近軸像面よりも光源側に設定しているため、パネルの共役点は、第１レンズアレイ（フライアイレンズ）よりも光源側に位置することになる。この場合、照明エリアの端部において高輝度部分（スジ）が発生するため、有効な照明エリアが狭まってしまう。この結果、エリアマージンを広くとる必要があり、明るさが低減する。一方、エリアマージンを十分にとらない場合、スジが投射されてしまうため、画質が低下する。

そこで本発明は、高輝度かつ高画質の画像の投射を実現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する。

本発明の一側面としての照明光学系は、画像表示素子を照明する照明光学系であって、光源から出射した光を分割する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイからの光を受光する第２のレンズアレイと、前記第２のレンズアレイからの光を前記画像表示素子に導く集光光学系とを有し、前記画像表示素子の共役点は、前記第１のレンズアレイの屈折力を有する面と前記第２のレンズアレイの入射面との間に位置し、前記第１のレンズアレイの入射面から前記第２のレンズアレイの出射面までの光軸方向の空気換算長をＡ（ｉｎ ａｉｒ）とし、前記第２のレンズアレイの焦点距離をＦ２とするとき、０．０１０＜（Ａ（ｉｎ ａｉｒ）−Ｆ２）／Ａ（ｉｎ ａｉｒ）＜０．３００を満足している。

本発明の他の側面としての画像投射装置は、画像表示素子と、前記照明光学系とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。

本発明によれば、高輝度かつ高画質の画像の投射を実現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することができる。

第１実施形態における画像投射装置（照明光学系）の要部構成図である。 第１実施形態におけるセル境界部に入射した光の光路図である。 第１実施形態におけるセル境界部の曲率半径およびパネル面のスポット径の相関グラフである。 第１実施形態におけるパネル短辺方向の輝度分布図である。 輝度ムラの説明図である。 パネル短辺方向の輝度分布図である。 図６中の高輝度部分の拡大図である。 フライアイレンズのセル境界部の拡大図である。 パネルの共役点の説明図である。 第１のフライアイレンズのセル境界部以外の領域に入射した平行光の光路図である。 第１のフライアイレンズのセル境界部に入射した平行光の光路図である。 セル境界部の曲率半径およびパネル面のスポット径の相関グラフである。 第２実施形態におけるパネル短辺方向に沿った画像投射装置の要部構成図である。 第２実施形態におけるパネル長辺方向に沿った画像投射装置の要部構成図である。 第２実施形態におけるパネル短辺方向における光の光路図である。 第２実施形態におけるパネル長辺方向における光の光路図である。 第３実施形態におけるパネル短辺方向に沿った画像投射装置の要部構成図である。 第３実施形態におけるパネル長辺方向に沿った画像投射装置の要部構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、一般的な照明光学系を備えた画像投射装置における、照明エリアの端部に生じる高輝度部分（以下、「スジ」という）の発生原理について説明する。図５を参照して、スジの現象について述べる。図５は、二次元の輝度ムラの説明図であり、画像表示素子５の面（パネル面）における照明エリアを示している。図５において、横方向の矢印はパネル長辺方向（ｘ軸）、縦方向の矢印はパネル短辺方向（ｙ軸）を示している。

図６は、図５中のｙ方向における輝度分布図である。図６において、縦軸は照度、横軸は位置（ｙ軸）をそれぞれ示している。図６中の点線部６０は、高輝度部分（スジ）を表している。図７は、図６中の点線部６０およびその周辺の拡大図である。スジの部分は、画像表示素子５の有効領域（パネル有効領域）内に存在すると、画像を表示する際に明るい輝線として認識され、画質の品位を低下させる原因となる。このため、スジがパネル有効領域内に入り込まないように、画像投射装置を設計する際に、照明領域（照明エリア）の幅に余裕（マージン）を持たせ、照明エリアを広めに確保するように設計する。これにより、画像内へのスジの侵入を防ぐことができる。しかし、画像投射装置の設計の際に照明エリアを広げることは、パネル面の有効領域内の明るさを低下させることになる。このため、照明効率の観点ではデメリットとなる。

続いて、スジの発生原理について詳述する。スジの発生原因は、二つの光学構成（二つの原因）による。第一の原因は、第１のフライアイレンズ２（第１のレンズアレイ、または、第１の光分割手段）のうち隣接する各セルの間の境界部（セル境界部）の形状が凹面である（セル境界部が負の屈折率を有する）ことである。第二の原因は、画像表示素子５（パネル）の共役点の位置である。

ここで、図８を参照して、第一の原因である第１のフライアイレンズ２（セル境界部）の形状について説明する。図８は、第１のフライアイレンズ２のセル境界部の拡大図である。通常、フライアイレンズにおいて、隣接する各セル間の境界部（セル境界部）は、製造上、図８中の点線部８０で示されるように凹面形状となる。フライアイレンズは、型で成型を行うことにより製造される。このとき、フライアイレンズの境界部の形状に関しては、型の形状誤差が大きくなりやすい。また、境界部に関しては、良好な転写精度が得られないことが多い。このため、フライアイレンズにおけるセル境界部は、凹面形状となる。型の精度を改善した場合でも、セル境界部における凹面部分は、深さや幅が変化するだけであり、この凹面部分を完全に除去することは困難である。

次に、第二の原因である画像表示素子５（パネル）の共役点について説明する。例えば特許文献１の構成では、パネルの共役点は第１のフライアイレンズの光源側に位置している。また、特許文献１以外の構成であっても、一般的に、パネルの共役点は光源側に位置するように設定されている。以下、この理由について説明する。

通常、第１のフライアイレンズ２と画像表示素子５の面（パネル面）は、略近軸的に共役関係の位置にある。しかし、これらを完全に共役関係の位置に設定すると、第１のフライアイレンズ２のキズやごみなどが、パネル面に結像され、スクリーン（投射面）に第１のフライアイレンズ２のキズやごみが投射されてしまう。このため、これらを共役関係の位置から光軸方向に若干ずらして照明設計を行い、画像投射装置を製造する。そのずらす方向に関して、通常、パネルの共役点を第１のフライアイレンズ２の光源側にずらすように設計される。

図９を参照して、画像表示素子５（パネル）の共役点について説明する。図９は、画像表示素子５の共役点の説明図である。図９において、１は光源部である。光源部１は、光源および放物面リフレクタを備えており、光源から平行な光が出射するように構成されている。２は、第１のフライアイレンズ、３は第２のフライアイレンズ、４はコンデンサレンズ（集光光学系）、５は画像表示素子（パネル）である。図９中の黒丸９０は、パネルの共役点である。パネルの共役点を、第１のフライアイレンズ２のパワーを有する面（図９中において、第１のフライアイレンズ２の左側面）に対して、光源部１側にずらすことにより、第２のフライアイレンズ３の焦点距離を大きくする（曲率半径を大きくする）ことができる。これにより、前述の第１のフライアイレンズ２のキズや表面のごみの影響を抑制するとともに、第２のフライアイレンズ３を成形しやすくなる。

続いて、図１０および図１１を参照して、前述の二つの原因に基づくスジの発生理由について説明する。図１０は、第１のフライアイレンズ２のセル境界部以外に入射した平行光の光路図である。図１０において、第１のフライアイレンズ２（セル部）に入射した平行光は、第２のフライアイレンズ３の近傍位置に集光する。そして、この光はコンデンサレンズ４により平行光とされ、画像表示素子５（パネル）を照明する。

図１１は、第１のフライアイレンズ２のセル境界部（またはセル境界部の近傍）に入射した平行光の光路図である。前述のように、セル境界部９は凹面形状であるため、負の屈折力を有する。従って、セル境界部９に入射した平行光は、負の屈折力によって発散されて出射する。ここで、見かけの発光点は、セル境界部９の入射側となり、図１１の点線部１１０内の黒丸１１５で示される位置にある。セル境界部９から出射した発散光は、第２のフライアイレンズ３によって略平行な光とされ、コンデンサレンズ４に入射する。コンデンサレンズ４に入射した光は、画像表示素子５の面（パネル面）の端部に向かって集光する。従って、パネル面の端部において、輝度の高いスジ（高輝度部分）として現れる。すなわち、セル境界部９の凹面による見かけの発光点（黒丸１１５）が、パネル面の共役点と一致する場合、スジが発生する。また、セル境界部９は、セル有効領域内において正屈折力を有し、セル境界部９の最も凹んだ箇所では負屈折力を有する。このようにセル境界部９は、正屈折力から緩やかに曲率半径が変化して負屈折力に変化する。

ここで図１２を参照して、セル境界部９の曲率半径およびパネル面でのスポットの半径（スポット径）について説明する。図１２は、セル境界部９の曲率半径およびパネル面のスポット径の相関グラフである。図１２中の実線は、パネル短辺方向（ｙ軸）に平行な平面内におけるセル境界部９（またはその近傍）の曲率半径を表し、縦軸はｙ座標、横軸は曲率半径をそれぞれ示している。図１２に示されるように、セル境界部９の曲率半径は、∞から７０μｍまで連続的に変化している。これは、パネルの共役点を第１のフライアイレンズ２の光源側とした場合において、スジが必ず発生することを意味する。言い換えれば、連続的に変化しているセル境界部９の曲率半径が所定の曲率半径となる範囲に光束が入射した際に、スジが必ず発生することを意味する。前述のとおり、見かけの発光点（図１１中の黒丸１１５）がパネル面の共役点と一致する場合、スジが発生する。これは、セル境界部９（またはその付近）の曲率半径が連続的に変化するため、見かけの発光点は、第１のフライアイレンズ２の光源側に、光軸上において曲率半径が∞から７０μｍまで存在するからである。図１２中の点線は、セル境界部９の曲率半径とパネル面でのスポット径（スポットサイズ）との関係を示している。スポット径が小さいほど集光点が小さくなるため、スジとしての輝度ムラが顕著になる。図１２では、曲率半径Ｒ＝１１００μｍの近傍においてスジが最大となることが示されている。

以下、各実施形態において、照明エリアの範囲内におけるスジを除去または低減するための構成について説明する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態における画像投射装置１００（液晶プロジェクタ）の要部構成図である。画像投射装置１００は、照明エリアの端部における高輝度部分（スジ）を低減可能な照明光学系を備えて構成される。

図１において、１は光源部である。光源部１は、光源１ａおよび放物面リフレクタ１ｂを備えており、光源１ａから平行な光が出射するように構成されている。２は第１のフライアイレンズ（第１のレンズアレイ）である。第１のフライアイレンズ２は、光源１ａから出射した光を分割する（複数の光束に分割する）光分割手段である。第１のフライアイレンズ２は、パワー（屈折力）を有する面（入射面２ａ）が図１中の左側に設けられている。第１フライアイレンズ２の入射面２ａには、複数のセル２０が二次元状に設けられている。また、複数のセル２０のうち隣接する各セル間には、セル境界部９が形成されている。セル境界部９は、図１１を参照して説明したような凹面形状（負の屈折力）を有する。３は第２のフライアイレンズ（第２のレンズアレイ）であり、第１のフライアイレンズ２からの光を導く（受光する）光分割手段である。４はコンデンサレンズであり、第２のフライアイレンズ３からの光を集光する集光光学系である。５は画像表示素子であり、コンデンサレンズ４からの光が入射するパネル（液晶パネル）である。本実施形態において、第１のフライアイレンズ２、第２のフライアイレンズ３、コンデンサレンズ４、および、画像表示素子５は、光源側から順に、コンデンサレンズ４の光軸ＯＡの方向（光軸方向）に沿って配置されている。

図１において、黒丸１０は画像表示素子５（パネル）の共役点を示している。本実施形態において、第１のフライアイレンズ２は、光源１ａから出射した光を入射する入射面２ａ、および、光を分割して出射する出射面２ｂを有する。このとき、画像表示素子５の共役点（黒丸１０）は、第１のフライアイレンズ２の出射面２ｂの側（入射面２ａとは反対側）に位置している。換言すると、画像表示素子５の共役点と画像表示素子５との距離は、第１のフライアイレンズ２と画像表示素子５との距離よりも短い（すなわち、画像表示素子５の共役点は、第１のフライアイレンズ２よりも画像表示素子５に近い）。また、画像表示素子５の共役点は、第１のフライアイレンズ２の入射面２ａと第２のフライアイレンズ３の入射面３ａとの間に位置しているともいえる。すなわち、画像表示素子５の共役点は、図１に示されるように、第１のフライアイレンズ２と第２のフライアイレンズ３との間の空気層中に位置していてもよく、第１のフライアイレンズ２上に位置していてもよい。

続いて、図２を参照して、第１のフライアイレンズ２のセル境界部９に入射した光の光路について説明する。図２は、第１のフライアイレンズ２のセル境界部９に入射した光の光路図である。図２に示されるように、セル境界部９に入射した光は、セル境界部９の凹面により発散され、第２のフライアイレンズ３およびコンデンサレンズ４（第１のコンデンサレンズ７、第２のコンデンサレンズ８）により画像表示素子５に導かれる。

本実施形態において、画像表示素子５の面（パネル面）の共役点（図１中の黒丸１０で示される位置）は、第１のフライアイレンズ２の出射側に設定されている。すなわち、画像表示素子５の共役点と画像表示素子５との距離は、第１のフライアイレンズ２と画像表示素子５との距離よりも短い。このため、セル境界部９に入射した平行光は、パネル面よりも手前（画像表示素子５と第２のコンデンサレンズ８（集光光学系）との間の位置）で集光する。図２中の黒丸１２は、このときの集光点を示しており、画像表示素子５（パネル）に対して入射側にずれた位置にある。このため、画像表示素子５の面では、光がぼけるため、高輝度部分（スジ）は発生しない。

続いて、図３を参照して、本実施形態におけるセル境界部９の曲率半径およびパネル面でのスポットの半径（スポット径）について説明する。図３は、セル境界部９の曲率半径およびパネル面のスポット径の相関グラフである。図３中の実線は、パネル短辺方向（ｙ軸）に平行な平面内におけるセル境界部９（またはその近傍）の曲率半径を表し、縦軸はｙ座標、横軸は曲率半径をそれぞれ示している。図３に示されるように、セル境界部９の曲率半径は、∞から７０μｍまで連続的に変化している。図３からわかるように、本実施形態では、曲率半径Ｒが∞から７０μｍまで変化しても、スポットは常にぼけている。このように本実施形態によれば、スポット径は１ｍｍ以下になることがないため、スジが発生しない。これは、曲率半径Ｒが∞から７０μｍまで変化しても、図２の集光点（黒丸１２）は光軸方向において画像表示素子５から光源部１側にずれるためである。

続いて、図４を参照して、本実施形態における照明エリアのスジ改善効果（高輝度部分の低減効果）に関し、照明分布計算を説明する。図４は、セル境界部９に凹面の設定をした状態におけるシミュレーション結果（ｙ方向における輝度分布図）である。図４において、縦軸は照度、横軸は位置（ｙ軸）をそれぞれ示している。図４に示されるように、図６とは異なり、スジ部分（高輝度部分）が除去されており、良好な輝度分布が得られる。

本実施形態において、第２のフライアイレンズ３の焦点距離Ｆ２は、第１のフライアイレンズ２の焦点距離Ｆ１よりも短いことが好ましい。より好ましくは、第１のフライアイレンズ２の焦点距離をＦ１、第２のフライアイレンズ３の焦点距離をＦ２とするとき、以下の式（１）を満たす。

０．７＜Ｆ２／Ｆ１＜１．０ … （１）
また、照明光学系（画像投射装置１００）は、以下の式（２）を満たすことが好ましい。

０．０１０＜（Ａ（ｉｎ ａｉｒ）−Ｆ２）／Ａ（ｉｎ ａｉｒ）＜０．３００ … （２）
さらに、照明光学系は、以下の式（２ａ）を満たすことがより好ましい。

０．０１０＜（Ａ（ｉｎ ａｉｒ）−Ｆ２）／Ａ（ｉｎ ａｉｒ）＜０．２００ …（２ａ）
式（２）、（２ａ）において、Ａ（ｉｎ ａｉｒ）は、第１のフライアイレンズ２の入射面２ａから第２のフライアイレンズ３の出射面３ｂまでの光軸方向の空気換算長であり、Ｆ２は第２のフライアイレンズ３の焦点距離である。なお、Ａ（ｉｎ ａｉｒ）は、以下の式（３）から求めることができる。

Ａ（ｉｎ ａｉｒ）＝ｔ１／ｎ１＋Ｄ＋ｔ２／ｎ２ … （３）
式（３）において、ｔ１は第１のフライアイレンズ２の光軸方向の厚み、ｎ１は第１のフライアイレンズ２の屈折率、Ｄは第１のフライアイレンズ２の出射面２ｂ及び第２のフライアイレンズ３の入射面３ａまでの光軸方向の距離である。また、ｔ２は第２のフライアイレンズ３の光軸方向の厚み、ｎ２は第２のフライアイレンズ３の屈折率である。なお本実施形態において、Ｄは第１のフライアイレンズ２と第２のフライアイレンズ３との間の空気層の光軸方向の厚みともいえる。

照明光学系が式（２）を満足することで、照明エリアの端部における高輝度部分（スジ）を低減しつつ、照明エリアのボケを抑制することが可能となる。

また、照明光学系は、以下の式（４）を満たすことが好ましい。

Ａ（ｉｎ ａｉｒ）−Ｆ２＞ｔ１Ａ／ｎ１ … （４）
式（４）において、ｔ１Ａは第１のレンズアレイのレンズセル部の厚み、ｎ１は第１のレンズアレイの屈折率である。照明光学系が式（４）を満足することは、画像表示素子５の共役点が、第１のフライアイレンズ２のレンズセル部上に位置することを意味する。照明光学系が式（４）を満足することで、照明エリアの端部における高輝度部分（スジ）を低減しつつ、第１のフライアイレンズ２表面上のキズやごみによる影響を抑制することが可能となる。

なお、レンズセル部とは、フライアイレンズのうち、レンズセルが設けられている部分を意味し、レンズセル部が設けられていない部分を平面部とする。すなわち、第１のフライアイレンズ２および第２のフライアイレンズ３はそれぞれ、レンズセル部と平面部とを有する。

具体的に述べると、図１において、第１のフライアイレンズ２のうち直線Ｃよりも入射面２ａ側の部分がレンズセル部であり、直線Ｃよりも出射面２ｂ側が平面部である。

以下、各フライアイレンズの焦点距離に関する数値実施例である。

（第１数値実施例）
Ｆ１＝２５．３ｍｍ
Ｆ２＝２１．１ｍｍ
Ｆ２／Ｆ１＝０．８３
（第２実施形態）
次に、図１３および図１４を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と共通する部分の説明は省略する。図１３は、画像表示素子５の短辺方向（パネル短辺方向、ｙ軸方向）に沿った画像投射装置１００ａ（照明光学系）の要部構成図である。図１４は、画像表示素子５の長辺方向（パネル長辺方向、ｘ軸方向）に沿った画像投射装置１００ａの要部構成図である。

図１３および図１４において、１は光源および放物面リフレクタを備えた光源部である。２２は第１のフライアイレンズ（第１のレンズアレイ）である。第１のフライアイレンズ２２は、パネル短辺方向（ｙ軸方向）において、各セルの曲率中心が各セルの中心に対して光軸ＯＡ側に偏心（変位）するように構成されている。３３は第２のフライアイレンズ（第２のレンズアレイ）である。第２のフライアイレンズ３３は、パネル短辺方向（ｙ軸方向）において、各セルの曲率中心が各セルの中心に対して光軸ＯＡから離れる側に偏心（変位）するように構成されている。４は集光光学系、５は画像表示素子（パネル）である。

本実施形態では、第１のフライアイレンズ２２および第２のフライアイレンズ３３に関して、セル短辺方向（パネル短辺方向）において各セルの曲率中心を各セルの中心に対して偏心（変位）させている。また本実施形態において、第２のフライアイレンズ３３はトーリック面（トロイダル面）を有し、各セルの長辺方向（ｘ軸方向）と短辺方向（ｙ軸方向）において、曲率半径が互いに異なるように構成されている。本実施形態では、各セルの長辺方向の曲率半径が、各セルの短辺方向の曲率半径よりも大きくなるように設定されている。

図１３は、セル短辺方向およびパネル短辺方向（ｙ軸方向）の断面図である。図１４は、セル長辺方向およびパネル長辺方向（ｘ軸方向）の断面図である。図１３および図１４において、黒丸１１、１２は、パネルの共役点を示している。すなわち、パネル短辺方向（ｙ軸方向）に関しては、パネルの共役点（黒丸１１）を第１のフライアイレンズ２２の出射側にずらしている（画像表示素子５の共役点と画像表示素子５との距離は、第１のフライアイレンズ２２と画像表示素子５との距離よりも短い）。一方、パネル長辺方向（ｘ軸方向）に関しては、パネルの共役点を第１のフライアイレンズ２２の光源側にずらしている。すなわち、画像表示素子５の共役点は、画像表示素子５の共役点と画像表示素子５との距離は、第１のフライアイレンズ２２と画像表示素子５との距離よりも長い（画像表示素子５の共役点は、第１のフライアイレンズ２２よりも画像表示素子５から遠い）。これは、フライアイレンズのセル境界部の形状のダレは、偏心している平面方向において顕著であり、第１実施形態で説明したスジ対策について特に偏心平面で行うことで効果が大きいためである。本実施形態の構成によれば、特に短辺方向における高輝度部分（スジ）を除去または低減することができる。

続いて、図１５および図１６を参照して、各フライアイレンズのセル境界部を除いた箇所に入射した光の光路について説明する。図１５は、パネル短辺方向（ｙ軸方向）における光の光路図である。図１６は、パネル長辺方向（ｘ軸方向）における光の光路図である。図１５において、各セルの曲率半径の中心は、各セルの中心に対して偏心している。第１のフライアイレンズ２２は、各セルの曲率中心が光軸ＯＡ側に偏心している。一方、第２のフライアイレンズ３３は、各セルの曲率中心が光軸ＯＡから離れる側に偏心している。これにより、光束を複数に分割しながらも、パネル短辺方向（ｙ軸方向）において光束を圧縮することができる。この結果、画像投射装置１００ａの小型化に寄与する。

このように本実施形態において、各フライアイレンズは、コンデンサレンズ４の光軸ＯＡに直交する面内（ｘｙ面内）の所定の方向にて、各フライアイレンズの各セルの曲率中心が各セルの中心位置から偏心するように構成されている。各セルの中心位置とは、所定の方向における各セルの両端の中心位置である。好ましくは、第１のフライアイレンズ２２は、所定の方向において、第１のフライアイレンズ２２の各セルの曲率中心が各セルの前記中心位置に対して、コンデンサレンズ４の光軸側（光軸ＯＡに近づく方向）に偏心するように構成されている。一方、第２のフライアイレンズ３３は、所定の方向において、第２のフライアイレンズ３３の各セルの曲率中心が各セルの中心位置に対して、光軸ＯＡから離れる側に偏心するように構成されている。より好ましくは、所定の方向は、画像表示素子５の短辺方向（パネル短辺方向）である。

好ましくは、画像表示素子５のパネル短辺方向に関する共役点と画像表示素子５との距離は、第１のフライアイレンズ２２と画像表示素子５との距離よりも短い。一方、画像表示素子５のパネル長辺方向に関する共役点と画像表示素子５との距離は、第１のフライアイレンズ２２と画像表示素子５との距離よりも長い。

また好ましくは、第２のフライアイレンズ３３は、トーリック面を有し、パネル短辺方向およびパネル長辺方向における各セルの曲率半径が互いに異なるように構成されている。より好ましくは、第２のフライアイレンズ３３の各セルは、パネル長辺方向の曲率半径がパネル短辺方向の曲率半径よりも大きいように構成されている。

また好ましくは、第１のフライアイレンズ２２の焦点距離をＦ１、第２のフライアイレンズ３３のパネル短辺方向に関する焦点距離をＦ２１、第２のフライアイレンズ３３のパネル長辺方向に関する焦点距離をＦ２２とするとき、以下の式（５）、（６）を満たす。

０．７＜Ｆ２１／Ｆ１＜１．０ … （５）
Ｆ２２／Ｆ１＞１．０ … （６）
なお、パネル短辺方向に関する焦点距離とは、照明光学系の光軸とパネル短辺方向に平行な断面における焦点距離を意味する。同様に、パネル長辺方向に関する焦点距離とは、照明光学系の光軸とパネル長辺方向に平行な断面における焦点距離を意味する。

図１３および図１４に示されるように、第１のフライアイレンズ２２および第２のフライアイレンズ３３のレンズセル部の形状が断面によって異なる場合、フライアイレンズの中心のレンズセルの面頂点間の空気換算長をＡ（ｉｎ ａｉｒ）とする。また、図１３に示される断面においては、前述の式（２）および式（４）と同様の条件式を満足することが好ましい。このように、断面によって第１のフライアイレンズ２２の焦点の光軸方向の位置をずらすことで、光学素子への熱の影響を抑制することが可能となる。

以下、各フライアイレンズの焦点距離に関する数値実施例である。

（第２数値実施例）
Ｆ１＝２５．３ｍｍ
Ｆ２１＝２１．１ｍｍ
Ｆ２２＝２９．４ｍｍ
Ｆ２１／Ｆ１＝０．８３
Ｆ２２／Ｆ１＝１．１６
（第３実施形態）
次に、図１７および図１８を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態と共通する部分の説明は省略する。図１７は、画像表示素子５の短辺方向（パネル短辺方向、ｙ軸方向）に沿った画像投射装置１００ｂ（照明光学系）の要部構成図である。図１８は、画像表示素子５の長辺方向（パネル長辺方向、ｘ軸方向）に沿った画像投射装置１００ｂの要部構成図である。

前述の第２実施形態と本実施形態との違いは、第２のフライアイレンズ３３と集光光学系４との間に偏光変換素子６を設けている点と、第１のフライアイレンズ２２の焦点距離と第２のフライアイレンズ３３の焦点距離との関係である。なお、偏光変換素子６の偏光分離面の法線は、照明光学系の光軸と画像表示素子５の長辺方向と平行な断面と平行になっている。

ここで、第１のフライアイレンズ２２のパネル短辺方向に関する焦点距離をＦ１１、第１のフライアイレンズ２２のパネル長辺方向に関する焦点距離をＦ１２とする。また、第２のフライアイレンズ３３のパネル短辺方向に関する焦点距離をＦ２１、第２のフライアイレンズ３３のパネル長辺方向に関する焦点距離をＦ２２とする。このとき、本実施形態においては、第１のフライアイレンズ２２の入射面の面頂点から、偏光変換素子６の出射面までの空気換算長をＢ（ｉｎ ａｉｒ）とするとき、画像投射装置１００ｂ（照明光学系）が以下の式（７）、（８）を満足している。

０．９≦Ｆ１１／Ａ（ｉｎ ａｉｒ）≦１．１ … （７）
０．９≦Ｆ１２／Ｂ（ｉｎ ａｉｒ）≦１．１ … （８）
式（７）は、焦点距離Ｆ１１が、空気換算長Ａ（ｉｎ ａｉｒ）と略等しいことを意味している。すなわち、式（７）を満足することは、照明光学系の光軸とパネル短辺方向に平行な断面においては、第１のフライアイレンズ２２の焦点は第２のフライアイレンズ３３の近傍に位置することを意味する。

一方、式（８）は、焦点距離Ｆ１２が、空気換算長Ｂ（ｉｎ ａｉｒ）と略等しいことを意味している。すなわち、式（８）を満足することは、照明光学系の光軸とパネル長辺方向に平行な断面においては、第１のフライアイレンズ２２の焦点は偏光変換素子６の近傍に位置することを意味する。

さらに、本実施形態においては、照明光学系が以下の式（９）、（１０）を満足することが好ましい。

０．７＜Ｆ２１／Ｆ１１＜１．０ … （９）
０．７＜Ｆ２２／Ｆ１２＜１．０ … （１０）
以下、各フライアイレンズの焦点距離に関する数値実施例である。
（第３数値実施例）
Ｆ１１＝２６．１ｍｍ
Ｆ１２＝２９．０ｍｍ
Ｆ２１＝２３．５ｍｍ
Ｆ２２＝２５．１ｍｍ
Ｆ２１／Ｆ１１＝０．９０
Ｆ２２／Ｆ１２＝０．８７
各実施形態によれば、照明エリアの端部まで有効な照明エリアとする（有効な照明エリア内でのスジの発生を低減する）ことができる。この結果、照明エリアのマージンを大きく確保する必要はない。このため各実施形態によれば、高輝度かつ高画質の画像を投射可能な画像投射装置を提供することができる。各実施形態は、液晶プロジェクタなどの画像投射装置に用いられる照明光学系に適用可能であり、特にフライアイレンズ（レンズアレイまたは光分割手段）を用いた光学系において有効である。

なお、前述の式（２）および式（４）に関する数値実施例（第４〜第８数値実施例）は、以下の表１のとおりであり、各数値実施例は式（２）で示される範囲を満たしている。

なお、前述の各実施形態においては、 第１のフライアイレンズの入射側（光源側）が屈折面であるが、第１のフライアイレンズの出射側（第２のフライアイレンズ側）が屈折面であってもよい。第１のフライアイレンズの出射側が屈折面の場合、パネルの共役点は、第１のフライアイレンズの出射面と、第２のフライアイレンズの入射面との間にあることが好ましい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

２：第１のフライアイレンズ（第１のレンズアレイ）
３：第２のフライアイレンズ（第２のレンズアレイ）
４：コンデンサレンズ（集光光学系）

Claims (17)

1. 画像表示素子を照明する照明光学系であって、
   光源から出射した光を分割する第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイからの光を受光する第２のレンズアレイと、
   前記第２のレンズアレイからの光を前記画像表示素子に導く集光光学系と、を有し、
   前記画像表示素子の共役点は、前記第１のレンズアレイの屈折力を有する面と前記第２のレンズアレイの入射面との間に位置し、
   前記第１のレンズアレイの入射面から前記第２のレンズアレイの出射面までの光軸方向の空気換算長をＡ（ｉｎ ａｉｒ）とし、前記第２のレンズアレイの焦点距離をＦ２とするとき、
   ０．０１０＜（Ａ（ｉｎ ａｉｒ）−Ｆ２）／Ａ（ｉｎ ａｉｒ）＜０．３００を満足することを特徴とする照明光学系。
2. 前記第１のレンズアレイの入射面は、前記第１のレンズアレイの屈折力を有する面であって、
   前記画像表示素子の共役点は、前記第１のレンズアレイの入射面と、前記第２のレンズアレイの入射面との間に位置することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記第１のレンズアレイの出射面は、前記第１のレンズアレイの屈折力を有する面であって、
   前記画像表示素子の共役点は、前記第１のレンズアレイの出射面と、前記第２のレンズアレイの入射面との間に位置することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
4. 前記第１のレンズアレイのレンズセル部の厚みをｔ１Ａ、前記第１のレンズアレイの屈折率をｎ１とするとき、
   Ａ（ｉｎ ａｉｒ）−Ｆ２＞ｔ１Ａ／ｎ１
   を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学系。
5. 前記第１のレンズアレイ、前記第２のレンズアレイ、前記集光光学系、および、前記画像表示素子は、光源側から順に、該集光光学系の光軸方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学系。
6. 前記第１のレンズアレイの焦点距離をＦ１とするとき、
   ０．７＜Ｆ２／Ｆ１＜１．０
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明光学系。
7. 前記第１のレンズアレイは、複数のセル、および、該複数のセルの間に形成されたセル境界部を有し、
   前記セル境界部は、負の屈折力を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学系。
8. 前記集光光学系は、前記第１のレンズアレイの前記セル境界部からの光を、前記集光光学系と前記画像表示素子との間の位置に集光させることを特徴とする請求項７に記載の照明光学系。
9. 前記第１のレンズアレイおよび前記第２のレンズアレイは、前記集光光学系の光軸に直交する面内の所定の方向において、該第１のレンズアレイおよび該第２のレンズアレイの各セルの曲率中心が該各セルの中心位置から偏心するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明光学系。
10. 前記第１のレンズアレイは、前記所定の方向において、該第１のレンズアレイの各セルの前記曲率中心が該各セルの前記中心位置に対して、前記集光光学系の光軸側に偏心するように構成されており、
    前記第２のレンズアレイは、前記所定の方向において、該第２のレンズアレイの各セルの前記曲率中心が該各セルの前記中心位置に対して、前記光軸から離れる側に偏心するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の照明光学系。
11. 前記所定の方向は、前記画像表示素子の短辺方向であることを特徴とする請求項９または１０に記載の照明光学系。
12. 前記画像表示素子の前記短辺方向に関する共役点と前記画像表示素子との距離は、前記第１のレンズアレイと前記画像表示素子との距離よりも短く、
    前記画像表示素子の長辺方向に関する共役点と前記画像表示素子との距離は、前記第１のレンズアレイと前記画像表示素子との距離よりも長いことを特徴とする請求項１１に記載の照明光学系。
13. 前記第２のレンズアレイは、トーリック面を有し、前記短辺方向および前記長辺方向における各セルの曲率半径が互いに異なるように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の照明光学系。
14. 前記第２のレンズアレイの前記各セルは、前記長辺方向の曲率半径が前記短辺方向の曲率半径よりも大きいように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の照明光学系。
15. 前記画像表示素子の共役点は、前記第１のレンズアレイの入射面と前記第２のレンズアレイの入射面との間に位置していることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の照明光学系。
16. 画像表示素子を照明する照明光学系であって、
    光源から出射した光を分割する第１のレンズアレイと、
    前記第１のレンズアレイからの光を受光する第２のレンズアレイと、
    前記第２のレンズアレイからの光を前記画像表示素子に導く集光光学系と、を有し、
    前記画像表示素子の共役点は、前記第１のレンズアレイの屈折力を有する面と前記第２のレンズアレイの入射面との間に位置し、
    前記画像表示素子の共役点は、前記第１のレンズアレイの中にあることを特徴とする照明光学系。
17. 画像表示素子と、
    請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の照明光学系と、を有することを特徴とする画像投射装置。