JP4477686B2 - 照明光学装置及び投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源からの光を画像形成手段としてのライトバルブ上に照射する照明光学装置、及びライトバルブに形成される画像を照明光で照射し、投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置に関するものである。

大画面映像を得るために、ライトバルブに映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像に光を照射し、投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する、プロジェクタ等の拡大型表示装置がよく知られている。

このような投写型表示装置において、赤、緑、青の３原色光に対応してライトバルブを３つ用いれば、高輝度、高解像度でかつ色再現性の良好な投写画像を表示できる。さらに、光源を複数用いれば、より高輝度な投写画像が実現できるうえ、万が一、１つの光源に不具合が発生して不点灯となった場合でも他方の光源が点灯していれば、投写画像が途切れないという利点を有する。このような複数の光源を用いた投写型表示装置は、例えば特許文献１、特許文献２などに開示されている。

特許文献２に開示された、２つの光源を用いた投写型表示装置の構成例を、図１１に示す。図１１において、光源１ａ、１ｂからの放射光は、楕円面鏡２ａ、２ｂによってそれぞれ合成プリズム３に集光される。合成プリズム３は、光の入射面に反射ミラーが形成され、楕円面鏡２ａ、２ｂからの集光光を互いの光軸を近接させ、２つの光の進行方向を集光光学系の光軸１０に沿って同一に合成させて、集光レンズ１１をはじめとする集光光学系側へ発散光として反射させる。

合成プリズム３からの光は集光レンズ１１により略平行光に変換される。集光レンズ１１からの略平行光は、複数のレンズから構成される第１レンズアレイ板１２に入射する。第１レンズアレイ板１２に入射した光束は多数の光束に分割され、分割された多数の光束は、複数のレンズから構成される第２レンズアレイ板１３に収束する。第２レンズアレイ板１３上には複数の光源１ａ、１ｂの多数の微小光源像が形成される。

第１レンズアレイ板１２のレンズ素子の焦点距離は第１レンズアレイ板１２と第２レンズアレイ板１３の間隔と等しい。第１レンズアレイ板１２のレンズ素子は液晶パネル１５と相似形の開口形状である。第２レンズアレイ板１３のレンズ素子は、第１レンズアレイ板１２面と液晶パネル面１６とが略共役関係となるように焦点距離が決められている。

照明レンズ１４は、第２レンズアレイ板１３の各レンズ素子からの出射した光を液晶パネル１６上に重畳照射するためのレンズである。第２レンズアレイ板１３から出射する多数の光束は、液晶パネル１６上に重畳され、液晶パネル１６を高効率で均一に照射する。

フィールドレンズ１５は、液晶パネル１６上に照射される光を投写レンズ１７の瞳面１８に集光するためのものである。投写レンズ１７は、液晶パネル１６上に形成された光学像をスクリーン（図示せず）上に投写する。
特許第３５８１５６８号公報 特開２０００−１７１９０１号公報

一般的に、投写型表示装置の明るさを向上させるためには、光源となる放電ランプの消費電力を高くすればよいが、そうすると、放電ランプの寿命が短くなる。放電ランプの寿命を確保しつつ、消費電力を高くすると、発光部が大きくなり、光利用効率が低下するという課題がある。

このため、比較的消費電力の小さい光源を複数個用いた方が、投写型表示装置の明るさを効率よく向上させることができる。

しかしながら、図１１の構成の場合、使用できる光源は２つに限定されるため、光源単体で使用できる消費電力も信頼性を確保するためには限界がある。光源をさらに増やそうとすれば装置内の収納スペースが大きくなってしまい、従って、投写型表示装置を大きくしなければならなくなる。

本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、光源を２つより多く使用した場合でも、光利用効率を低下させることなく、しかも全体をコンパクトに構成できる投写型表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の照明光学装置は、２ｎ個（ｎは２以上）の光源と、前記各光源からの出射光を各々集光するように配置された２ｎ個の楕円面鏡からなる第１集光光学系と、断面が二等辺三角形である三角柱状のプリズムからなり、各々、前記第１集光光学系のうちの対応する２個からの出射光を合成するように配置されたｎ個の第１合成光学系と、前記各第１合成光学系からの出射光を各々集光するように配置された第２集光光学系と、断面が二等辺三角形である三角柱状のプリズムからなり、各々、前記第２集光光学系のうちの対応する２個からの出射光を合成するように配置されたｎ/２個の第２合成光学系と、複数のレンズ、及び複数のレンズアレイからなり、前記第２合成光学系からの出射光が入射するように配置された第３集光光学系とを備え、前記２ｎ個の第１集光光学系の光軸はそれぞれ互いに略平行であることを特徴とする。

また、本発明の投写型表示装置は、入射光を変調して画像形成する画像形成装置と、前記画像形成装置に光源からの光を照射する照明光学装置と、前記画像形成装置上に形成された光学像を拡大透写する投写装置とを備え、前記照明光学装置として、上記構成の照明光学装置を用いたことを特徴とする。

本発明の構成によれば、３つ以上の光源を用いる場合において、光源単体の消費電力を抑えることで信頼性を確保し、かつコンパクトでありながら高効率に照明でき、超高輝度な投写画像を投写する投写型表示装置を実現できる。

本発明の照明光学装置は上記構成を基本として、種々の態様をとることができる。例えば、前記第２集光光学系は、少なくとも１つのレンズから構成されるか、または、反射面がアナモフィック非球面形状の凹面ミラーから構成することができる。その他、各請求項に記載のような態様を適用することにより、種々の用途に応じた特性を得ることが可能である。

以下、本発明の投写型表示装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の実施の形態１における投写型表示装置の全体構成を示す正面図である。図１Ｂは、図１Ａにおける光源の配置を矢印Ａの方向から見た底面図である。図１Ｃは、同様に光源の配置を矢印Ｂの方向から見た側面図である。図２は楕円面鏡の概略構成を示す断面図、図３、図４は集光レンズ系の概略構成を示す断面図である。図５Ａ、５Ｂは各々、第１及び第２レンズアレイの概略成を示す正面図である。

本実施の形態の投写型表示装置では、入射光を変調して画像形成するための空間光変調素子として、反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃが用いられる。反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃは、画素ごとにミラー素子がマトリックス状に配列され、映像信号に応じて光の進行方向を変調して、反射角の変化として光学像を形成する。反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃに照明光を照射するための光源としては、超高圧水銀灯からなる４つの光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが用いられる。

楕円面鏡２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、第１集光光学系として作用する。合成プリズム２３ａ、２３ｂは、第１合成光学系として作用する。入射側レンズ２４ａ、２４ｂ、及び出射側レンズ２５ａ、２５ｂは、第２集光光学系として作用する。合成プリズム２７は、第２合成光学系として作用する。レンズ２８、３１、３４、第１レンズアレイ２９、第２レンズアレイ３０、及び全反射ミラー３２、３３は、第３集光光学系として作用する。

光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄからの出力光は、断面形状が楕円面をなしている楕円面鏡２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄによって集光される。楕円面鏡２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄによって集光された光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの光源像は、それぞれ対応する合成プリズム２３ａ、２３ｂのミラー面に結像され、集光レンズ系２６ａ、２６ｂ側へ反射される（図１Ｂ参照）。合成プリズム２３ａ、２３ｂは、断面が二等辺三角形の三角柱状であり、光が入射する面には、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層した誘電体多層膜ミラーが形成されている。

合成プリズム２３ａ、２３ｂを出射した光は、楕円面鏡２２ａ、２２ｂからの収束光の光軸４１ａ、４１ｂ、及び楕円面鏡２２ｃ、２２ｄからの集光光の光軸４１ｃ、４１ｄがそれぞれ近接したまま発散光として進行し、それぞれ対応する入射側レンズ２４ａ、２４ｂ、出射側レンズ２５ａ、２５ｂで構成される第２集光光系としての集光レンズ系２６ａ、２６ｂによって再び収束光に変換される。

集光レンズ系２６ａ、２６ｂによって集光された光は、第２合成プリズム２７のミラー面で第３集光光学系３５（図１Ａ参照）側へ再び発散光として反射される。合成プリズム２７は断面が二等辺三角形の三角柱状であり、前述の合成プリズム２３ａ、２３ｂと同様に、光が入射する面には、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層した誘電体多層膜ミラーが形成されている。

第３集光光学系３５は、正パワーのレンズ２８、３１、３４、第１レンズアレイ２９、第２レンズアレイ３０、レンズ３１、全反射ミラー３２、３３、レンズ３４の順に配置される。合成プリズム２７を出射した発散光は、レンズ２８によって略平行光に変換され、第１レンズアレイ２９に入射する。第１レンズアレイ２９は多数のマイクロレンズから構成され、高効率で均一性の高い照明をするために、光源像を細分化する。第１レンズアレイ５９から出射する光は、第２レンズアレイ３０、正レンズ３１を透過した後、全反射ミラー３２、３３により反射されて、レンズ３４に入射する。

レンズ３４を出射した光は、全反射プリズム３６を経て色分解合成プリズム３７に入射する。色分解合成プリズム３７によって白色光から赤、青、緑の３原色光に分解された照明光は、対応する３つのライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃに入射する。

３つのライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃは、それぞれの映像信号に応じて光の進行方向を変調して、光学像を形成する。ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃからの反射光は、色分解合成プリズム３７によって再び１つに合成され、全反射プリズム３６を透過して投写レンズ３９によって拡大投写される。

以下に、本実施の形態の投写型表示装置を構成する上述の各要素について、より詳細に説明する。

楕円面鏡２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、ガラス製機材の内面に、赤外光を透過させ可視光を反射させる誘電体光学多層膜を形成したものである。

楕円面鏡２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの楕円面形状について、図２を用いて説明する。図２において、楕円面２２の頂点から、光源の発光体中心２１が配置された位置までの距離を第１焦点距離ｆ_E１とし、楕円面２２の頂点から、光源からの出力光を集光し発光体を結像させる位置までの距離を第２焦点距離ｆ_E２とする。第１及び第２焦点距離ｆ_E１、ｆ_E２は、式（１）の関係を満足していることが望ましい。

８≦ｆ_E２／ｆ_E１≦１１ （１）
上記数値が８より小さい場合は、第２焦点距離ｆ_E２に結像される光源の発光体像の結像倍率が大きくなり、集光効率が低下する。集光効率の低下を補うためには、以降の全ての光学部品の有効面積を大きくしなければならないため、セット全体が大きくなり、コンパクトに構成することが困難となる。

また、上記数値が１１より大きい場合は、第２焦点距離ｆ_E２に集光する集光角が大きくなり、以降のレンズ系の有効径を大きくする必要があり、この場合もセットサイズをコンパクトに構成することが困難となる。

一方、第２焦点距離ｆ_E２が長くなる場合は光路長が長くなるため、楕円面鏡２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ周辺をコンパクトに構成できない。

また、第１焦点距離ｆ_E１が短くなる場合は、光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが、楕円面鏡２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに近接するため、光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、楕円面鏡２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ双方とも信頼性を確保するための良好な冷却条件を満足することが困難となる。

また、第２焦点距離ｆ_E２が短くなる場合は、楕円面鏡２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが以降の光学系に近づくため、保持構造や冷却構造の構成が困難になってくる。

上記数値（ｆ_E２／ｆ_E１）は、さらに望ましくは、９以上１０以下とする。以上の条件を満足させることによって、集光効率、セットコンパクト性、及び、無理のない冷却構造を両立できる。

合成プリズム２３ａ、２３ｂ、及び合成プリズム２７とも、光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄからの出力光が微小な面積に集光されるため、ミラー面を形成する多層膜に用いる材料は、耐熱性、対紫外線に優れた材料を用いる必要がある。そうでない場合は、多層膜面にクラックや表面変質が発生し、良好な反射率を維持できなくなる恐れがある。

この条件を満足するために、誘電体多層膜を構成する低屈折率層として屈折率が１．４６のＳｉＯ_２を、高屈折率層として屈折率が２．１０のＴａ_２Ｏ_５を用い、交互周期層を形成する。高屈折率材料としては、他にＴａ_２Ｏ_５とＴｉＯ_２の混合材料を用いても良い。

集光レンズ系２６ａ、２６ｂを構成する入射側レンズ２４ａ、２４ｂと、出射側レンズ２５ａ、２５ｂとしては、図３に示すように、いずれも正パワーを有し、球面収差を最小限に抑えるため、片面が非球面の平凸レンズが用いられる。有効口径、非球面形状、及び焦点距離は互いに同一であり、入射側レンズ２４ａ、２４ｂは、発散光を略平行光に変換し、出射側レンズ２５ａ、２５ｂで収束光に変換する。

このように、レンズの凸面形状を非球面とし、かつ、集光レンズ系２６ａ、２６ｂを２つのレンズによってパワー配分させることによって、レンズで発生する収差を最小限に抑えることができる。

さらに、入射側レンズ２４ａ、２４ｂと、出射側レンズ２５ａ、２５ｂとを同一形状に設計することによって、部品コストも安価に抑えることが出来、量産性にも適した構成とすることが出来る。

ここで、複数の楕円面鏡で集光した光を小型かつ効率よく合成する為の条件について補足する。図４は、これを説明する為の概略図である。図４において、光軸１０６ａおよび光軸１０３ａは各々、楕円面鏡２２ａの光軸４１ａが、合成プリズム２３ａにより反射された後、及び集光レンズ系２６ａから出射した後の状態を示す。図４に示すように、光軸１０７ａは集光レンズ系２６ａの光軸１０５ａに平行である。

図４に示す光学系は、合成プリズム２３ａの反射面の法線１０４ａと楕円面鏡２２ａの光軸４１ａを含む面内において、式（２）の関係を満足するように構成されることが望ましい。

Ｌ１／３≦Ｌ２≦Ｌ１ （２）
ここで、Ｌ１は、合成プリズム２３ａ上における楕円面鏡２２ａの光軸４１ａと集光レンズ系２６ａの光軸１０５ａとの交点から、集光レンズ系２６ａの光入射面と光出射面との中間点１０２ａまでの間の距離である。Ｌ２は、楕円面鏡２２ａの光軸と集光レンズ系２６ａの光軸１０５ａとの交点から、合成プリズム２３ａによって反射される楕円面鏡２２ａの光軸上の光線１０６ａが集光レンズ系２６ａの光軸１０５ａと交差する位置までの距離である。

Ｌ２が上式を満たさない場合は、集光レンズ系２６ａを出射後の楕円面鏡２２ａの光軸１０３ａの平行度が悪くなり、後述する第２合成プリズム２７以降の集光度が悪くなる。

また、Ｌ２が下限値よりも小さい場合には、集光レンズ系２６ａに対する光軸１０６ａの高さが高くなり、集光レンズ系２６ａの口径が大きくなりすぎるので小型化が困難になる。

更には、楕円面鏡２２ａの光軸４１ａの反射位置１００ａと集光レンズ系２６ａの光軸１０５ａの間の距離をＬ３とする時、Ｌ２とＬ３との関係は式（３）の関係を満足するように構成することが望ましい。

Ｌ３／Ｌ２＝tanθ
５°≦θ≦２０° （３）
θが５°未満、または２０°を超える場合、良好な集光効率の確保とセット全体の小型化との両立が困難となる。

更に望ましくは、Ｌ３を式（４）で示される寸法範囲内で構成すればよい。

１．２ｍｍ≦Ｌ３≦５ｍｍ （４）
Ｌ３が下限値（１．２ｍｍ）未満である場合は、楕円面鏡２２ａで集光した光の合成プリズム２３ａからのはみ出し量が多くなる為、合成効率が悪くなる。また、上限値（５ｍｍ）よりも大きい場合は、集光レンズ系２６ａに対する光軸１０６ａの高さが高くなり、集光レンズ系２６ａの口径が大きくなりすぎるので小型化が困難になる。

以上の説明は楕円面鏡２２ａを例としたが、楕円面鏡２２ｂ、２２ｃ、２２ｄについても同様である。

以上のように構成することで、複数の楕円面鏡で集光した光をより小型かつ効率よく合成することが可能になる。

以上の構成において、光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの光軸４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｃは、それぞれ互いに平行となるように配置される。

また、光源２１ａと２１ｂ、及び楕円面鏡２２ａと２２ｂはそれぞれ、対応する合成プリズム２３ａの断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、互いに軸対称に配置される。同様に、光源２１ｃと２１ｄ、及び楕円面鏡２２ｃと２２ｄはそれぞれ、対応する合成プリズム２３ｂの断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、互いに軸対称に配置される。

さらに、光源２１ａ、２１ｂ、楕円面鏡２２ａ、２２ｂ、合成プリズム２３ａ、及び集光レンズ系２６ａからなる系と、光源２１ｃ、２１ｄ、楕円面鏡２２ｃ、２２ｄ、合成プリズム２３ｂ、及び集光レンズ系２６ｂからなる系とは、合成プリズム２７の断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、互いに軸対称に配置される。

また、４つの光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄから以降の光学系に展開される４つの光軸は、合成プリズム２７から出射するときには、断面における配置が略正方形の４隅に各々位置するように設計されている。即ち、４つの光軸の隣り合う光軸が互いに同じ間隔で第３集光光学系３５に入射するように配置される。

以上のように配置することによって、複数の光源を用いた光学系の場合においても、照明光に対称性があるため、輝度の不均一性が発生し難い。また光学系全体も無駄な空間が無くコンパクトに構成できるうえ、同一の光学部品を対称に配列することで、保持構造や冷却構造も、同様に、共通部品を用いて構成できる。

以上の構成において、各集光光学系間の関係は式（５）を満足することが望ましい。

（Ｄ_１／ｆ_１）＝（Ｄ_２／ｆ_２）＝（Ｄ_３／ｆ_３） （５）
但し、Ｄ_１は、楕円面鏡２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの光出射側開口の有効径である。ｆ_１は、楕円面鏡２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの光出射側開口面から、光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの出射光が最小サイズに集光される面までの距離である。Ｄ_２は、集光レンズ系２６ａ、２６ｂを構成する入射側レンズ２４ａ、２４ｂ、及び、出射側レンズ２５ａ、２５ｂそれぞれの有効口径である。ｆ_２は、入射側レンズ２４ａ、２４ｂ、及び、出射側レンズ２５ａ、２５ｂの焦点距離である。Ｄ_３は、第３集光光学系３５を構成するレンズ２８の有効口径である。ｆ_３はレンズ２８の焦点距離である。

この条件を満足することによって良好な集光効率を得ることが出来る。

第１レンズアレイ２９に入射する光は光軸に近い中心付近が最も明るく、周辺ほど急激に暗くなる傾向にあるため、このまま反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃ上に照射させた場合、面内に輝度の不均一性が残る。

そこで、図５Ａに示すように、第１レンズアレイ２９は、細分化された各マイクロレンズ２９ａの開口形状を二次面光源として扱うように構成される。各マイクロレンズ２９ａの外形は、反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃの有効表示面と同じアスペクト比とし、各マイクロレンズ２９ａから、対応する第２レンズアレイ３０の各マイクロレンズ３０ａ上に、光源像をレンズアレイの数だけ細分化して結像させるようにする。それにより、各マイクロレンズ３０ａ上には、４つの光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの発光体像が結像される。

また、４つの発光体像が第２レンズアレイ３０の有効領域内で細密充填に配置されるように、発光体像の結像位置に応じて第２レンズアレイ３０の各マイクロレンズ３０ａの開口形状を最適化する。こうすることで、第２レンズアレイ３０の有効径を大きくすることなく、良好な集光効率が得られる。

第２レンズアレイ３０からの出力光は、（途中でミラー３２、３３を経て、）第２レンズアレイ３０及び集光レンズ３１、３４により、反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃ上で、第１レンズアレイ２９の各レンズ形状の像が重畳された状態の照明になる。このような構成とすることで、均一でかつ反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃのアスペクト比に対応した集光効率の高い照明を得ることができる。

全反射プリズム３６は２つのプリズムから構成され、互いのプリズムの近接面には非常に薄い空気層が形成されている。空気層は、照明光が空気層に入射する場合には、臨界角以上の角度で入射して全反射されて、反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃ側に斜め方向から進行し、投写画像として反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃから反射された光は、臨界角以下の角度で空気層に入射し透過して、投写レンズ３９に入射するように角度設定されている。このように、全反射プリズム３６を設けることにより、投写光学系全体をコンパクトに構成できる。

全反射プリズム３６と反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃとの間に配置された色分解合成プリズム３７は、３つのプリズムからなり、それぞれのプリズムの近接面には青反射ダイクロイックミラーと赤反射ダイクロイックミラーが形成されている。

３つの反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃは、各々赤用、緑用、青用に用いられる。全反射プリズム３６から入射した光が、まず青反射ダイクロイックミラーによって青色光のみ反射され、青色光となって青色用反射型ライトバルブ３８ｃに入射する。次に、青反射ダイクロイックミラーを透過した光は、赤反射ダイクロイッミラーによって赤色光のみ反射され、赤色光となって赤色用反射型ライトバルブ３８ａに入射する。そして、青反射ダイクロイックミラーと赤反射ダイクロイックミラーをいずれも透過した緑色光は、緑色用反射型ライトバルブ３８ｂに入射する。３色の光はそれぞれ、対応する反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃによって反射された後、再び青反射ダイクロイックミラーと赤反射ダイクロイックミラーによって１つに合成され、全反射プリズム３６に入射する。

このように、白色光を赤、青、緑の３原色に分解及び合成し、それぞれの映像信号に対応する３つの反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃを用いることで、高精細でフルカラーの投写画像を表示できる。

反射型ライトバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃに入射した照明光のうち、白表示に相当する光は、全反射プリズム３６、投写レンズ３９を透過してスクリーン上（図示せず）に拡大投写される。一方、黒表示に相当する光は、投写レンズ３９の有効径外に進行し、スクリーンには到達しない。

なお、この場合、光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの光軸４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、前述のように互いに平行に配置され、かつ投写レンズ３９の光軸４２に対しては、いずれも垂直となるように配置されている。

光源２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとして用いられている超高圧水銀灯のようなアークランプは、光軸４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄに対して回転する方向で使用する場合においては、十分な信頼性、寿命を確保できる。しかし、それ以外の方向で傾けた状態で使用した場合は、著しく信頼性が下がり、寿命が劣化する場合が多い。一般に、投写型表示装置はセットの水平軸に対して回転する方向で投射する設置環境が多く、本実施の形態のような配置とすることで、セットの水平軸に対して回転する方向で投射する限りにおいては、いかなる姿勢においても信頼性、寿命を確保できる。

（実施の形態２）
図６Ａは、本発明の実施の形態２における投写型表示装置の全体構成を示す正面図、図６Ｂは光源の配置をＣ方向から見た底面図である。

空間光変調素子としては、反射型ライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８ｃが用いられる。反射型ライトバルブは、画素ごとにミラー素子がマトリックス状に配列され、映像信号に応じて光の進行方向を変調し、反射角の変化として光学像を形成するものである。４つの光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄとして、超高圧水銀灯が用いられる。

楕円面鏡５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄは、第１集光光学系として作用する。合成プリズム５３ａ、５３ｂは、第１合成光学系として作用する。入射側レンズ５４ａ、５４ｂ、出射側レンズ５５ａ、５５ｂは、第２集光光学系として作用する。合成プリズム５７は第２合成光学系として作用する。レンズ５８、６１、６４、第１レンズアレイ５９、第２レンズアレイ６０、全反射ミラー６２、６３は、第３集光光学系として作用する。

光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄからの出力光は、断面形状が楕円面をなしている楕円面鏡５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄによって、対応するコールドミラー５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを介して集光される。コールドミラー５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄは、透明ガラス板の表面に、可視光は反射し、紫外線、及び赤外線を透過する誘電体多層膜が形成されたものである。このような配置とすれば、コールドミラー５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄの周辺のみの耐光性や冷却を考慮すればよく、以降の光学部品には可視光のみが到達するため、紫外線、赤外線による耐光性、耐熱性に対する配慮を軽減することができる。

楕円面鏡５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄによって集光された光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄの光源像は、コールドミラー５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを経て、それぞれ対応する第１合成プリズム５３ａ、５３ｂのミラー面に結像され、集光レンズ系５６ａ、５６ｂ側へ反射される。第１合成プリズム５３ａ、５３ｂは、断面が二等辺三角形の三角柱状であり、光が入射する面には低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層した誘電体多層膜ミラーが形成されている。

合成プリズム５３ａ、５３ｂを出射した光は、楕円面鏡５２ａ、５２ｂからの収束光の光軸７１ａ、７１ｂ、及び、楕円面鏡５２ｃ、５２ｄからの集光光の光軸７１ｃ、７１ｄがそれぞれ近接したまま発散光として進行する。そして、それぞれ対応する入射側レンズ５４ａ、５４ｂ、出射側レンズ５５ａ、５５ｂで構成される第２集光光系としての集光レンズ系５６ａ、５６ｂによって、再び収束光に変換される。

集光レンズ系５６ａ、５６ｂによって集光された光は、第２合成プリズム５７のミラー面で、第３集光光学系６５側へ、再び発散光として反射される。プリズム５７も断面が二等辺三角形の三角柱状であり、光が入射する面には低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層した誘電体多層膜ミラーが形成されている。

第３集光光学系６５は、正パワーのレンズ５８、６１、６４、第１レンズアレイ５９、第２レンズアレイ６０、レンズ６１、全反射ミラー６２、６３、レンズ６４の順に配置される。合成プリズム５７を出射した発散光は、レンズ５８によって略平行光に変換され、第１レンズアレイ５９に入射する。第１レンズアレイ５９は、高効率で均一性の高い照明をするために、光源像を細分化する。第１レンズアレイ５９から出射する光は、第２レンズアレイ６０、正レンズ６１を透過した後、全反射ミラー６２、６３により反射されて、レンズ６４に入射する。

レンズ６４を出射した光は、全反射プリズム６６を経て色分解合成プリズム６７に入射する。色分解合成プリズム６７によって白色光から赤、青、緑の３原色光に分解された照明光は、対応する３つのライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８ｃに入射する。

３つのライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８ｃは、それぞれの映像信号に応じて光の進行方向を変調して、光学像を形成する。ライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８ｃからの反射光は、色分解合成プリズム６７によって再び１つに合成され、全反射プリズム６６を透過して投写レンズ６９によって拡大投写される。

以下に、本実施の形態の投写型表示装置を構成する上述の各要素について、より詳細に説明する。

楕円面鏡５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄの楕円面形状は、実施の形態１の楕円面鏡２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと同様、（式１）の条件を満足していることが望ましい。

本実施の形態においても、（式１）におけるｆ_E２／ｆ_E１の値が８より小さい場合は、第２焦点距離ｆ_E２に結像される光源の発光体像の結像倍率が大きくなり、集光効率が低下する。従って、集光効率の低下を補うために、以降の全ての光学部品の有効面積を大きくしなければならない。そのため、セット全体が大きくなり、コンパクトに構成することが困難となる。

また、上記数値が１１より大きい場合は、第２焦点距離ｆ_E２に集光する集光角が大きなり、以降のレンズ系の有効径を大きくする必要があり、この場合も、セットサイズをコンパクトに構成することが困難となる。

一方、第２焦点距離ｆ_E２が長くなる場合は、光路長が長くなるため、同様に、楕円面鏡５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ周辺をコンパクトに構成できない。

また、第１焦点距離ｆ_E1が短くなる場合は、光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄが楕円面鏡５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄに近接するため、光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、楕円面鏡５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ双方とも、信頼性を確保するための良好な冷却条件を満足することが困難となる。

また、第２焦点距離ｆ_E２が短くなる場合は、楕円面鏡５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄが以降の光学系に近づくため、保持構造や冷却構造の構成が困難になってくる。

集光レンズ系５６ａ、５６ｂを構成する入射側レンズ５４ａ、５４ｂと、出射側レンズ５５ａ、５５ｂは、実施の形態１と同様、いずれも正パワーを有し、球面収差を最小限に抑えるため、片面が非球面の平凸レンズを用いて構成されている。有効口径、非球面形状、及び焦点距離は互いに同一であり、入射側レンズ５４ａ、５４ｂは、発散光を略平行光に変換し、出射側レンズ５５ａ、５５ｂで収束光に変換する。

以上の構成において、光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄの光軸７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄは、それぞれ互いに平行となるように配置されている。

また、光源５１ａと５１ｃ、楕円面鏡５２ａと５２ｃ、及びコールドミラー５０ａ、５０ｃはそれぞれ、対応する合成プリズム５３ａの断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、互いに軸対称に配置される。同様に、光源５１ｂと５１ｄ、楕円面鏡５２ｂと５２ｄ、及びコールドミラー５０ｂ、５０ｄはそれぞれ、対応する合成プリズム５３ｂの断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、互いに軸対称に配置される。

さらに、光源５１ａ、５１ｃ、楕円面鏡５２ａ、５２ｃ、コールドミラー５０ａ、５０ｃ、合成プリズム５３ａ、集光レンズ系５６ａからなる系と、光源５１ｂ、５１ｄ、楕円面鏡５２ｂ、５２ｄ、コールドミラー５０ｂ、５０ｄ、合成プリズム５３ｂ、集光レンズ系５６ｂからなる系とは、合成プリズム５７の断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、互いに軸対称に配置される。

また、本実施の形態の場合も、４つの光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄから以降の光学系に展開される４つの光軸は、合成プリズム５７から出射するときには、断面における配置が略正方形の４隅に各々位置するように設計されている。即ち、４つの光軸の隣り合う光軸が互いに同じ間隔で第３集光光学系６５に入射するように配置される。

以上のような配置にすることによって、複数の光源を用いた光学系の場合においても、照明光に対称性があるため、輝度の不均一性が発生し難い。また光学系全体も無駄な空間が無くコンパクトに構成できるうえ、同一の光学部品を対称に配列することで、保持構造や冷却構造も、同様に、共通部品を用いて構成できる。

本実施の形態の場合も、良好な集光効率を確保するために、各集光光学系間の関係は上述の（式５）を満足することが望ましい。

但し、この場合は、Ｄ_１は、楕円面鏡５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄの光出射側開口の有効径である。ｆ_１は、楕円面鏡５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄの光出射側開口面から、光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄの出射光が最小サイズに集光される面までの距離である。Ｄ_２は、集光レンズ系５６ａ、５６ｂを構成する入射側レンズ５４ａ、５４ｂ、及び、出射側レンズ５５ａ、５５ｂそれぞれの有効口径である。ｆ_２は、入射側レンズ５４ａ、５４ｂ、及び、出射側レンズ５５ａ、５５ｂの焦点距離である。Ｄ_３は、第３集光光学系６５を構成するレンズ５８の有効口径である。ｆ_３は、レンズ５８の焦点距離である。

第１レンズアレイ５９は、細分化された各レンズの開口形状を二次面光源として扱うように構成される。各レンズの外形は、反射型ライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８ｃの有効表示面と同じアスペクト比を有し、第１レンズアレイ５９の各レンズは、対応する第２レンズアレイ６０の各レンズ上に、光源像をレンズアレイの数だけ細分化して結像させるようにする。それにより、第２レンズアレイ６０の各レンズ上には、４つの光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄの発光体像が結像される。

４つの発光体像が、第２レンズアレイ６０の有効領域内で細密充填に配置されるように、発光体像の結像位置に応じて、第２レンズアレイ６０の各レンズの開口形状は最適化される。こうすることで、第２レンズアレイ６０の有効径を大きくすることなく、良好な集光効率が得られる。

第２レンズアレイ６０からの出力光は、第２レンズアレイ６０と集光レンズ６１、６４とによって、途中、ミラー６２、６３を経て、反射型ライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８上に、第１レンズアレイ５９の各レンズ形状の像が重畳された状態に照射される。

実施の形態１と同様、このような構成とすることで、均一でかつ反射型ライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８のアスペクト比に対応した集光効率の高い照明を実現することができる。

全反射プリズム６６は２つのプリズムから構成され、互いのプリズムの近接面には非常に薄い空気層を形成している。空気層は、照明光が空気層に入射する場合には、臨界角以上の角度で入射して全反射されて、反射型ライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８ｃ側に斜め方向から進行し、投写画像として、反射型ライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８ｃから反射された光は、臨界角以下の角度で空気層に入射及び透過して投写レンズ６９に入射するように角度設定されている。このように、全反射プリズム６６を設けることにより、投写光学系全体をコンパクトに構成できる。

全反射プリズム６６と反射型ライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８ｃとの間に配置された色分解合成プリズム６７は、３つのプリズムからなり、それぞれのプリズムの近接面には青反射ダイクロイックミラーと赤反射ダイクロイックミラーが形成されている。

反射型ライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８ｃは、赤用、緑用、青用に３つ用いられる。全反射プリズム６６から入射した光が、まず、青反射ダイクロイックミラーによって青色光のみ反射され、青色光となって青色用反射型ライトバルブ６８ｃに入射する。次に、青反射ダイクロイックミラーを透過した光は、赤反射ダイクロイッミラーによって赤色光のみ反射され、赤色光となって赤色用反射型ライトバルブ６８ａに入射する。そして、青反射ダイクロイックミラーと赤反射ダイクロイックミラーをいずれも透過した緑色光は、緑色用反射型ライトバルブ６８ｂに入射する。３色の光はそれぞれ対応する反射型ライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８ｃによって反射された後、再び青反射ダイクロイックミラーと赤反射ダイクロイックミラーによって１つに合成され、全反射プリズム６６に入射する。

このように、白色光を赤、青、緑の３原色に分解及び合成し、それぞれの映像信号に対応する３つの反射型ライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８ｃを用いることで、高精細でフルカラーの投写画像を表示できる。

反射型ライトバルブ６８ａ、６８ｂ、６８ｃに入射した照明光のうち、白表示に相当する光は、全反射プリズム６６、投写レンズ６９を透過してスクリーン上（図示せず）に拡大投写される。一方、黒表示に相当する光は、投写レンズ６９の有効径外に進行し、スクリーンには到達しない。

なお、この場合、光源５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄの光軸７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄは、前述のように互いに平行に配置され、かつ投写レンズ６９の光軸７０に対しては、いずれも垂直となるように配置されている。

（実施の形態３）
図７Ａは、本発明の実施の形態３における投写型表示装置の全体構成を示す正面図、図７Ｂは光源の配置をＥ方向から見た底面図、図７Ｃは光源の配置をＥ方向から見た側面図である。

空間光変調素子としては、反射型ライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃが用いられる。反射型ライトバルブは、画素ごとにミラー素子がマトリックス状に配列され、映像信号に応じて光の進行方向を変調し、反射角の変化として光学像を形成するものである。４つの光源８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄとして、超高圧水銀灯が用いられる。

楕円面鏡８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄは、第１集光光学系として作用する。合成プリズム８３ａ、８３ｂは、第１合成光学系として作用する。凹面ミラー８４ａ、８４ｂは、第２集光光学系として作用する。合成プリズム８５は第２合成光学系として作用する。レンズ８６、８９、９２、第１レンズアレイ８７、第２レンズアレイ８８、全反射ミラー９０、９１は第３集光光学系として作用する。

光源８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄからの出力光は、断面形状が楕円面をなしている楕円面鏡８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄによって集光される。楕円面鏡８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄによって集光された光源８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄの光源像は、それぞれ対応する第１合成プリズム８３ａ、８３ｂのミラー面に結像され、凹面ミラー８４ａ、８４ｂ側へ反射される。 第１合成プリズム８３ａ、８３ｂは、断面が二等辺三角形の三角柱状であり、光が入射する面には、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層した誘電体多層膜ミラーが形成されている。

第１合成プリズム８３ａ、８３ｂを出射した光は、楕円面鏡８２ａ、８２ｂからの収束光の光軸８０ａ、８０ｂ、及び楕円面鏡８２ｃ、８２ｄからの集光光の光軸８０ｃ、８０ｄがそれぞれ近接したまま発散光として進行し、それぞれ対応する凹面ミラー８４ａ、８４ｂによって再び収束光に変換される。

凹面ミラー８４ａ、８４ｂによって集光された光は、第２合成プリズム８５のミラー形成面で第３集光光学系９３側へ再び発散光として反射される。第２合成プリズム８５は断面が二等辺三角形の三角柱状であり、第１合成プリズム８３ａ、８３ｂと同様に、光が入射する面には、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層した誘電体多層膜ミラーが形成されている。

第３集光光学系９３は、正パワーのレンズ８６、第１レンズアレイ８７、第２レンズアレイ８８、正パワーのレンズ８９、全反射ミラー９０、９１、正パワーのレンズ９２の順に配置される。第２合成プリズム８５を出射した発散光は、レンズ８６によって略平行光に変換され、第１レンズアレイ８７に入射する。第１レンズアレイ８７は、高効率で均一性の高い照明をするために、光源像を細分化する。第１レンズアレイ８７から出射する光は、第２レンズアレイ８８、正レンズ８９を透過した後、全反射ミラー９０、９１により反射されて、レンズ９２に入射する。

レンズ９２を出射した光は、全反射プリズム９４を経て色分解合成プリズム９５に入射する。色分解合成プリズム９５によって白色光から赤、青、緑の３原色光に分解された照明光は、対応する３つのライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃに入射する。

３つのライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃは、それぞれの映像信号に応じて光の進行方向を変調して、光学像を形成する。ライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃからの反射光は、色分解合成プリズム９５によって再び１つに合成され、全反射プリズム９４を透過して投写レンズ９７によって拡大投写される。

以下に、本実施の形態の投写型表示装置を構成する上述の各要素について、より詳細に説明する。

楕円面鏡８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄは、ガラス製機材の内面に、赤外光を透過させ可視光を反射させる誘電体光学多層膜を形成したものであり、楕円面形状は、実施の形態１と同様、上述の（式１）の条件を満足していることが望ましい。

本実施の形態においても、（式１）におけるｆ_E２／ｆ_E１の値が８より小さい場合は、第２焦点距離ｆ_E２に結像される光源の発光体像の結像倍率が大きくなり、集光効率が低下する。従って、集光効率の低下を補うために、以降の全ての光学部品の有効面積を大きくしなければならないため、セット全体が大きくなり、コンパクトに構成することが困難となる。

また、上記数値が１１より大きい場合は、第２焦点距離ｆ_E２に集光する集光角が大きくなり、以降のレンズ系の有効径を大きくする必要があり、この場合もセットサイズをコンパクトに構成することが困難となる。

一方、第２焦点距離ｆ_E２が長くなる場合は、光路長が長くなるため、同様に、楕円面鏡８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ周辺がコンパクトに構成できない。

また、第１焦点距離ｆ_E１が短くなる場合は、光源８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄが、楕円面鏡８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄに近接するため、光源８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ、楕円面鏡８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ双方とも信頼性を確保するための良好な冷却条件を満足することが困難となる。

また、第２焦点距離ｆ_E２が短くなる場合は、楕円面鏡８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄが以降の光学系に近づくため、保持構造や冷却構造の構成が困難になってくる。

さらに、上記数値を９以上１０以下とすることが望ましい。以上の条件を満足させることによって、集光効率、セットコンパクト性、及び、無理のない冷却構造を両立できる。

次に、凹面ミラー８４ａ、８４ｂの楕円面形状について、図８、９を用いて説明する。凹面ミラー８４ａ、８４ｂは、光の入射面が光軸に対して回転対称でないアナモフィック非球面形状をなす。図８に示すように、ミラー形成面は、第１合成プリズム８３ａ、８３ｂの光軸上の出射点１０９から出射する発散光が、再び第２合成プリズム８５の入射点１１０に収束光として集光されるように、発散光の各光線の入射角に応じて焦点距離が連続的に変化している。

図９を参照して、凹面ミラー８４ａ、８４ｂの断面形状について説明する。図９には、入射光軸１０７と出射光軸１０８とを含む平面上の断面形状が示される。図示するように、出射点１０９から入射光軸１０７と出射光軸１０８との交点までの距離をａとし、交点から入射点１１０までの距離をｂとした時の、ａとｂとの総和をＬ_０とする。また、出射点１０９から出射する任意の光線についての、出射点１０９から凹面ミラー８４ａ、８４ｂを経て第２合成プリズム８５の入射点１１０に至るまでの光軸に平行な方向の距離をＬ_ｎとする。任意の光入射点における焦点距離をｆ_ｎとすると、Ｌ_０とｆ_ｎとの関係は、式（６）を満足するように焦点距離が変化している。

ｆ_ｎ＝Ｌ_ｎ（Ｌ_０−Ｌ_ｎ）／Ｌ_０ （６）
なお、ミラー形成面は、第１合成プリズム８３ａ、８３ｂからの出射光が入射する入射光軸１０７と凹面ミラーよって反射された出射光軸１０８とを含む平面上の第１断面形状と、その第１断面形状と垂直な方向の第２断面形状は、いずれも焦点距離が連続的に変化している。しかも、第１断面形状と第２断面形状は互いに形状が異なるアナモフィック非球面形状である。

また、凹面ミラー８４ａ、８４ｂのミラー形成面には、ＳｉＯ_２からなる低屈折率層とＮｂ_２Ｏ_５からなる高屈折率層の交互周期層による誘電体多層膜が形成され、紫外光と赤外光の大部分を透過し、可視光のみ反射させる特性を有する。

光源８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄから可視光とともに出射する紫外光や赤外光は、反射型ライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃの信頼性を確保するため、反射型ライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃに到達する前にカットさせる必要がある。凹面ミラー８４ａ、８４ｂがその作用を兼ね備えることによって、別途、紫外光、赤外光をカットするための光学部品を設ける必要がなく、部品点数を抑えることができる。

なお、高屈折率層の材料としては、上述のＮｂ_２Ｏ_５の他に、ＴｉＯ_２やＴａ_２Ｏ_５を用いてもよい。

また、凹面ミラー８４ａ、８４ｂの基板は、成形によって加工されたガラス材料であり、周辺の保持構造も含めて一体形状として成形すれば、さらに部品点数の削減を図ることが出来る。

以上の構成において、光源８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄの光軸８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｃは、それぞれ互いに平行となるように配置されている。

また、光源８１ａと８１ｂ、及び楕円面鏡８２ａと８２ｂはそれぞれ、対応する第１合成プリズム８３ａの断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、軸対称に配置される。同様に、光源８１ｃと８１ｄ、及び楕円面鏡８２ｃと８２ｄは、対応する第１合成プリズム８３ｂの断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、軸対称に配置される。

さらに、光源８１ａ、８１ｂ、楕円面鏡８２ａ、８２ｂ、第１合成プリズム８３ａ、凹面ミラー８４ａからなる系と、光源８１ｃ、８１ｄ、楕円面鏡８２ｃ、８２ｄ、第１合成プリズム８３ｂ、凹面ミラー８４ｂからなる系とは、第２合成プリズム８５の断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、互いに軸対称に配置される。

また、４つの光源８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄから以降の光学系に展開される４つの光軸は、合成プリズム８５から出射するときには、断面における配置が略正方形の４隅に各々位置するように設計されている。即ち、４つの光軸の隣り合う光軸が互いに同じ間隔で第３集光光学系９３に入射するように配置される。

以上のような配置にすることによって、複数の光源を用いた光学系の場合においても、照明光に対称性があるため、輝度の不均一性が発生し難い。また光学系全体も無駄な空間が無くコンパクトに構成できるうえ、同一の光学部品を対称に配列することで、保持構造や冷却構造も、同様に、共通部品を用いて構成できる。

第１レンズアレイ８７は、細分化された各レンズの開口形状を二次面光源として扱うように構成される。各レンズの外形は、反射型ライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃの有効表示面と同じアスペクト比とし、第１レンズアレイ８７の各レンズから、対応する第２レンズアレイ８８の各レンズ上に、光源像をレンズアレイの数だけ細分化して結像させるようにする。それにより、第２レンズアレイ８８の各レンズ上には、４つの光源８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄの発光体像が結像される。

４つの発光体像が、第２レンズアレイ８８の有効領域内で細密充填に配置されるように、発光体像の結像位置に応じて、第２レンズアレイ８８の各レンズの開口形状を最適化させる。こうすることで、第２レンズアレイ８８の有効系を大きくすることなく、良好な集光効率が得られる。

第２レンズアレイ８８からの出力光は、第２レンズアレイ８８とレンズ８９、９２とによって、途中、ミラー９０、９１を経て、反射型ライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃ上に、第１レンズアレイ８７の各レンズ形状の像が重畳された状態に照射される。実施の形態１と同様、このような構成とすることで、均一でかつ反射型ライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃのアスペクト比に対応した集光効率の高い照明をさせることができる。

全反射プリズム９４は２つのプリズムから構成され、互いのプリズムの近接面には非常に薄い空気層を形成している。空気層は、照明光が空気層に入射する場合には、臨界角以上の角度で入射して全反射されて、反射型ライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃ側に斜め方向から進行し、投写画像として反射型ライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃから反射された光は、臨界角以下の角度で空気層に入射及び透過して、投写レンズ９７に入射するように角度設定されている。このように、全反射プリズム９４を設けることにより、投写光学系全体をコンパクトに構成できる。

全反射プリズム９４と反射型ライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃとの間に配置された色分解合成プリズム９５は、３つのプリズムからなり、それぞれのプリズムの近接面には青反射ダイクロイックミラーと赤反射ダイクロイックミラーが形成されている。

反射型ライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃは、赤用、緑用、青用の３つが用いられる。全反射プリズム９４から入射した光が、まず青反射ダイクロイックミラーによって青色光のみ反射され、青色光となって青色用反射型ライトバルブ９６ｃに入射する。次に、青反射ダイクロイックミラーを透過した光は、赤反射ダイクロイッミラーによって赤色光のみ反射され、赤色光となって赤色用反射型ライトバルブ９６ａに入射する。そして、青反射ダイクロイックミラーと赤反射ダイクロイックミラーをいずれも透過した緑色光は、緑色用反射型ライトバルブ９６ｂに入射する。

３色の光は、それぞれ対応する反射型ライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃによって反射された後、再び青反射ダイクロイックミラーと赤反射ダイクロイックミラーによって１つに合成され、全反射プリズム９４に入射する。

反射型ライトバルブ９６ａ、９６ｂ、９６ｃに入射した照明光のうち、白表示に相当する光は、全反射プリズム９４、投写レンズ９７を透過してスクリーン上（図示せず）に拡大投写される。一方、黒表示に相当する光は、投写レンズ９７の有効径外に進行し、スクリーンには到達しない。

なお、本実施の形態において、光源８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄの光軸８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄは、前述のように互いに平行に配置され、かつ投写レンズ９７の光軸９８に対しては、いずれも垂直となるように配置されている。

光源８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄとして用いている超高圧水銀灯のようなアークランプは、光軸８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄに対して回転する方向で使用する場合においては、十分な信頼性、寿命を確保できるが、それ以外の方向で傾けた状態で使用した場合は、著しく信頼性が下がり、寿命が劣化する場合が多い。一般に、投写型表示装置はセットの水平軸に対して回転する方向で投射する設置環境が多く、本実施の形態のような配置とすることで、セットの水平軸に対して回転する方向で投射する限りにおいては、いかなる姿勢においても信頼性、寿命を確保できる。

（実施の形態４）
図１０Ａは、本発明の実施の形態４における投写型表示装置の全体構成を示す正面図である。図１０Ｂは、光源の配置をＦ方向から見た底面図である。図１０Ｃは、光源の配置をＧ方向から見た側面図である。

空間光変調素子としては、反射型ライトバルブ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃが用いられる。反射型ライトバルブは、画素ごとにミラー素子がマトリックス状に配列され、映像信号に応じて光の進行方向を変調し、反射角の変化として光学像を形成するものである。４つの光源１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄとして、超高圧水銀灯が用いられる。

楕円面鏡１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄは、第１集光光学系として作用する。第１合成プリズム１１４ａ、１１４ｂは、第１合成光学系として作用する。凹面ミラー１１５ａ、１１５ｂは、第２集光光学系として作用する。第２合成プリズム１１６は、第２合成光学系として作用する。レンズ１１７、１２１、１２４、第１レンズアレイ１１８、第２レンズアレイ１２０、全反射ミラー１２２、１２３は、第３集光光学系１２５として作用する。

光源１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄからの出力光は、断面形状が楕円面をなしている楕円面鏡１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄによって、対応するコールドミラー１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄを介して集光される。コールドミラー１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄは、透明ガラス板の表面に、可視光は反射し、紫外線、及び赤外線を透過する誘電体多層膜が形成された構造を有する。このような配置とすれば、コールドミラー１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄの周辺のみの耐光性や冷却を考慮すればよく、以降の光学部品には可視光のみが到達するため、紫外線、赤外線による耐光性、耐熱性に対する配慮を軽減することができる。

楕円面鏡１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄによって集光された光源１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄの光源像は、コールドミラー１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄを経て、それぞれ対応する第１合成プリズム１１４ａ、１１４ｂのミラー形成面に結像され、凹面ミラー１１５ａ、１１５ｂ側へ反射される。第１合成プリズム１１４ａ、１１４ｂは、断面が二等辺三角形の三角柱状であり、光が入射する面には低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層した誘電体多層膜ミラーが形成されている。

合成プリズム１１４ａ、１１４ｂを出射した光は、楕円面鏡１１２ａ、１１２ｂからの収束光の光軸７１ａ、７１ｂ、及び、楕円面鏡１１２ｃ、１１２ｄからの集光光の光軸７１ｃ、７１ｄがそれぞれ近接したまま発散光として進行し、それぞれ対応する凹面ミラー１１５ａ、１１５ｂによって再び収束光に変換される。

凹面ミラー１１５ａ、１１５ｂによって集光された光は、第２合成プリズム１１６のミラー形成面で、第３集光光学系１２５側へ、再び発散光として反射される。プリズム１１６も断面が二等辺三角形の三角柱状であり、光が入射する面には低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層した誘電体多層膜ミラーが形成されている。

第３集光光学系１２５は、正パワーのレンズ１１７、第１レンズアレイ１１８、全反射ミラー１１９、第２レンズアレイ１２０、正パワーのレンズ１２１、全反射ミラー１２２、１２３、及び正パワーのレンズ１２４の順に配置される。合成プリズム１１６を出射した発散光は、レンズ１１７によって略平行光に変換され、第１レンズアレイ１１８に入射する。第１レンズアレイ１１８は、高効率で均一性の高い照明をするために、光源像を細分化する。第１レンズアレイ１１８から出射する光は、全反射ミラー１１９を介して第２レンズアレイ１２０を透過し、正レンズ１２１を透過した後、全反射ミラー１２２、１２３により反射されて、レンズ１２４に入射する。

レンズ１２４を出射した光は、全反射プリズム１２６を経て色分解合成プリズム１２７に入射する。色分解合成プリズム１２７によって白色光から赤、青、緑の３原色光に分解された照明光は、対応する３つのライトバルブ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃに入射する。

３つのライトバルブ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃは、それぞれの映像信号に応じて光の進行方向を変調して、光学像を形成する。ライトバルブ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃからの反射光は、色分解合成プリズム６７によって再び１つに合成され、全反射プリズム１２６を透過して投写レンズ１２９によって拡大投写される。

以下に、本実施の形態の投写型表示装置を構成する上述の各要素について、より詳細に説明する。

楕円面鏡１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄの楕円面形状は、実施の形態１と同様、（式１）の条件を満足していることが望ましい。

本実施の形態においても、（式１）におけるｆ_E２／ｆ_E１の値が８より小さい場合は、第２焦点距離ｆ_E２に結像される光源の発光体像の結像倍率が大きくなり、集光効率が低下する。従って、集光効率の低下を補うために、以降の全ての光学部品の有効面積を大きくしなければならないため、セット全体が大きくなり、コンパクトに構成することが困難となる。

また、上記数値が１１より大きい場合は、第２焦点距離ｆ_E２に集光する集光角が大きくなり、以降のレンズ系の有効径を大きくする必要があり、この場合も、セットサイズをコンパクトに構成することが困難となる。

一方、第２焦点距離ｆ_E２が長くなる場合は光路長が長くなるため、同様に、楕円面鏡１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ周辺がコンパクトに構成できない。

また、第１焦点距離ｆ_E1が短くなる場合は、光源１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄが楕円面鏡１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄに近接するため、光源１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、楕円面鏡１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ双方とも、信頼性を確保するための良好な冷却条件を満足することが困難となる。

また、第２焦点距離ｆ_E２が短くなる場合は、楕円面鏡１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄが以降の光学系に近づくため、保持構造や冷却構造の構成が困難になってくる。

凹面面ミラー８４ａ、８４ｂは、実施の形態３と同様、光の入射面が光軸に対して回転対称でないアナモフィック非球面形状をなしている。ミラー形成面は、合成プリズム１１４ａ、１１４ｂの出射点から出射する発散光が再び合成プリズム１１６の入射点に収束光として集光されるように、発散光の各光線の入射角に応じて焦点距離が連続的に変化している。

以上の構成において、光源１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄの光軸１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄは、それぞれ互いに平行となるように配置されている。

また、光源１１１ａと１１１ｂ、楕円面鏡１１２ａと１１２ｂ、及びコールドミラー１１３ａと１１３ｂはそれぞれ、対応する合成プリズム１１４ａの断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、互いに軸対称に配置される。同様に、光源１１１ｃと１１１ｄ、楕円面鏡１１２ｃと１１２ｄ、及びコールドミラー１１３ｃと１１３ｄはそれぞれ、対応する合成プリズム１１４ｂの断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、互いに軸対称に配置される。

本実施の形態においては、コールドミラー１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄを用いて構成することにより、光源１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄは全て同一方向に平行して近接配置される。それにより、光源１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄの配置姿勢を常に同じ条件に保つことができるうえ、冷却構造もコンパクトに構成できるという利点を有する。

さらに、光源１１１ａ、１１１ｂ、楕円面鏡１１２ａ、１１２ｂ、コールドミラー１１３ａ、１１３ｂ、合成プリズム１１４ａ、及び凹面ミラー１１５ａからなる系と、光源１１１ｃ、１１１ｄ、楕円面鏡１１２ｃ、１１２ｄ、コールドミラー１１３ｃ、１１３ｄ、合成プリズム１１４ｂ、及び凹面ミラー１１５ｂからなる系は、合成プリズム１１６の断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、互いに軸対称に配置される。

また、４つの光源１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄから以降の光学系に展開される４つの光軸は、合成プリズム１１６から出射するときには、断面における配置が略正方形の４隅に各々位置するように設計されている。即ち、４つの光軸の隣り合う光軸が互いに同じ間隔で第３集光光学系１２５に入射するように配置されている。

以上のような配置にすることによって、複数の光源を用いた光学系の場合においても、照明光に対称性があるため、輝度の不均一性が発生し難い。また光学系全体も無駄な空間が無くコンパクトに構成できるうえ、同一の光学部品を対称に配列することで、保持構造や冷却構造も、同様に、共通部品を用いて構成できる。

第１レンズアレイ１１８は、細分化された各レンズの開口形状を二次面光源として扱うように構成される。各レンズの外形は、反射型ライトバルブ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃの有効表示面と同じアスペクト比とし、第１レンズアレイ１１８の各レンズから、対応する第２レンズアレイ１２０の各レンズ上に、光源像をレンズアレイの数だけ細分化して結像させるようにする。それにより、第２レンズアレイ１２０の各レンズ上には、４つの光源１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄの発光体像が結像される。

４つの発光体像が、第２レンズアレイ１２０の有効領域内で細密充填に配置されるように、発光体像の結像位置に応じて、第２レンズアレイ１２０の各レンズの開口形状を最適化させている。こうすることで、第２レンズアレイ１２０の有効系を大きくすることなく、良好な集光効率が得られる。

第２レンズアレイ１２０からの出力光は、第２レンズアレイ１２０とレンズ１２１、１２４とによって、途中、全反射ミラー１２２、１２３を経て、反射型ライトバルブ１２８ａ、１２８ｂ、１２８上に第１レンズアレイ１１８の各レンズ形状の像が重畳された状態に照射される。実施の形態１同様、このような構成とすることで、均一でかつ反射型ライトバルブ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃのアスペクト比に対応した集光効率の高い照明をさせることができる。

全反射プリズム１２６は２つのプリズムから構成され、互いのプリズムの近接面には非常に薄い空気層を形成している。空気層は、照明光が空気層に入射する場合には、臨界角以上の角度で入射して全反射されて、反射型ライトバルブ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ側に斜め方向から進行し、投写画像として、反射型ライトバルブ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃから反射された光は、臨界角以下の角度で空気層に入射及び透過して投写レンズ１２９に入射するように角度設定されている。このように、全反射プリズム１２６を設けることにより、投写光学系全体をコンパクトに構成できる。

全反射プリズム１２６と反射型ライトバルブ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃとの間に配置された色分解合成プリズム１２７は、３つのプリズムからなり、それぞれのプリズムの近接面には青反射ダイクロイックミラーと赤反射ダイクロイックミラーが形成されている。

反射型ライトバルブ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃは、赤用、緑用、青用に３つ用いられる。全反射プリズム１２６から入射した光は、まず、青反射ダイクロイックミラーによって青色光のみ反射され、青色光となって青色用反射型ライトバルブ１２８ｃに入射する。次に、青反射ダイクロイックミラーを透過した光は、赤反射ダイクロイッミラーによって赤色光のみ反射され、赤色光となって赤色用反射型ライトバルブ１２８ａに入射する。そして、青反射ダイクロイックミラーと赤反射ダイクロイックミラーをいずれも透過した緑色光は、緑色用反射型ライトバルブ１２８ｂに入射する。３色の光はそれぞれ対応する反射型ライトバルブ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃによって反射された後、再び青反射ダイクロイックミラーと赤反射ダイクロイックミラーによって１つに合成され、全反射プリズム１２６に入射する。

反射型ライトバルブ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃに入射した照明光のうち、白表示に相当する光は、全反射プリズム１２６、投写レンズ１２９を透過してスクリーン上（図示せず）に拡大投写される。一方、黒表示に相当する光は、投写レンズ１２９の有効径外に進行し、スクリーンには到達しない。

なお、この場合、光源１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄの光軸１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄは、前述のように互いに平行に配置され、かつ投写レンズ１２９の光軸１３２に対しては、いずれも垂直となるように配置されている。

本実施の形態においては、ライトバルブとして、光の進行方向を変調する反射型のライトバルブを用いたが、有効表示領域の外側に一部の不要光が照射される構成の場合であれば、光の偏光方向や散乱状態を変調するタイプのライトバルブや、透過型ライトバルブのタイプを用いた場合でも同様の効果を発揮する。

また、本実施の形態においては、使用する光源は４つ用いたが、本実施の形態１または２の集光レンズ系を用いた構成や、本実施の形態３または４の凹面ミラーを用いた構成で展開すれば、４つ以上の光源数でも同様の考え方に基づいて構成できる。

本発明によれば、複数の光源を用いる場合において、光源単体の消費電力を抑えることで信頼性を確保し、かつ、コンパクトでありながら高効率に照明でき、超高輝度な投写画像を投写するプロジェクタ等の投写型表示装置に有用である。

図１Ａは、本発明の実施の形態１における投写型表示装置の全体構成を示す正面図である。 図１Ｂは、図１Ａにおける光源の配置を矢印Ａの方向から見た底面図である。 図１Ｃは、図１Ａにおける光源の配置を矢印Ｂの方向から見た側面図である。 図２は、本発明の実施の形態１における投写型表示装置の楕円面鏡の概略構成を示す断面図である。 図３は、同投写型表示装置の集光レンズ系の概略構成を示す断面図である。 図４は、同投写型表示装置の集光レンズ系の概略構成を示す断面図である。 図５Ａは、同投写型表示装置に含まれる第１レンズアレイの概略構成を示す正面図である。 図５Ｂは、同投写型表示装置に含まれる第２レンズアレイの概略構成を示す正面図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態２における投写型表示装置の全体構成を示す正面図である。 図６Ｂは、図６Ａにおける光源の配置を矢印Ｃの方向から見た底面図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態３における投写型表示装置の全体構成を示す正面図である。 図７Ｂは、図７Ａにおける光源の配置を矢印Ｄの方向から見た底面図である。 図７Ｃは、図７Ａにおける光源の配置を矢印Ｅの方向から見た側面図である。 図８は、本発明の実施の形態３における投写型表示装置の凹面ミラーの構造を説明するための図である。 図９は、同凹面ミラーの構造の詳細を説明するための図である。 図１０Ａは、本発明の実施の形態４における投写型表示装置の全体構成を示す正面図である。 図１０Ｂは、図１０Ａにおける光源の配置を矢印Ｆの方向から見た底面図である。 図１０Ｃは、図１０Ａにおける光源の配置を矢印Ｇの方向から見た側面図である。 図１１は、従来例の投写型表示装置の全体構成を示す正面図である。

符号の説明

１ａ〜１ｂ、２１ａ〜２１ｄ、５１ａ〜５１ｄ、８１ａ〜８１ｄ、１１１ａ〜１１１ｄ 光源
２ａ〜２ｂ、２２ａ〜２２ｂ、５２ａ〜５２ｂ、８２ａ〜８２ｂ、１１２ａ〜１１２ｂ 楕円面鏡
３、２３ａ、２３ｂ、２７、５３ａ、５３ｂ、５７、８３ａ、８３ｂ、８５、１１４ａ、１１４ｂ、１１６ 合成プリズム
３５、６５、９３、１２５ 第３集光光学系
３８ａ〜３８ｃ、６８ａ〜６８ｃ、９６ａ〜９６ｃ、１２８ａ〜１２８ｃ 反射型ライトバルブ
３９、６９、９７、１２９ 投写レンズ
２６ａ、２６ｂ、５６ａ、５６ｂ 集光レンズ系
８４ａ、８４ｂ、１１５ａ、１１５ｂ 凹面ミラー

Claims (32)

1. ２ｎ個（ｎは２以上）の光源と、
   前記各光源からの出射光を各々集光するように配置された２ｎ個の楕円面鏡からなる第１集光光学系と、
   断面が二等辺三角形である三角柱状のプリズムからなり、各々、前記第１集光光学系のうちの対応する２個からの出射光を合成するように配置されたｎ個の第１合成光学系と、
   前記各第１合成光学系からの出射光を各々集光するように配置された第２集光光学系と、
   断面が二等辺三角形である三角柱状のプリズムからなり、各々、前記第２集光光学系のうちの対応する２個からの出射光を合成するように配置されたｎ/２個の第２合成光学系と、
   複数のレンズ、及び複数のレンズアレイからなり、前記第２合成光学系からの出射光が入射するように配置された第３集光光学系とを備え、
   前記２ｎ個の第１集光光学系の光軸はそれぞれ互いに略平行であることを特徴とする照明光学装置。
2. 前記第２集光光学系は、少なくとも１つのレンズからなる請求項１記載の照明光学装置。
3. 前記第１集光光学系における楕円面の第１焦点距離ｆ_{E １}と、第２焦点距離ｆ_{E ２}とは、式（１）の関係を満足する請求項１記載の照明光学装置。
   ８≦ｆ_{E ２}／ｆ_{E １}≦１１ （１）
4. 前記第２集光光学系としての前記レンズは、前記第１合成光学系からの光が入射する入射側レンズと、光が出射する出射側レンズの２つのレンズによって構成され、前記２つのレンズはいずれも正レンズであり、有効口径、及び焦点距離は互いに略同一である請求項２記載の照明光学装置。
5. 前記２つのレンズは、互いに略同一形状である請求項４記載の照明光学装置。
6. 前記２つのレンズは、いずれも球面収差を補正する非球面レンズである請求項４記載の照明光学装置。
7. 前記２つのレンズの非球面形状は、楕円面形状である請求項６記載の照明光学装置。
8. 前記第２集光光学系から出射する２ｎ個の前記第１集光光学系の光軸は、前記第２集光光学系の光軸に対して略並行であり、
   前記第１合成光学系の反射面の法線と前記第１集光光学系の光軸を含む面内において、前記第１合成光学系で反射された前記第１集光光学系の光軸は、前記第２集光光学系の光軸と交差し、
   前記第１集光光学系の光軸と前記第２集光光学系の光軸との交点から、前記第２集光光学系の光入射面と光出射面との中間点までの間の距離をＬ１とし、前記第１集光光学系の光軸と前記第２集光光学系の光軸との交点から、前記第１合成光学系によって反射された前記第１集光光学系の光軸と前記第２集光光学系の光軸が交差する位置までの間の距離をＬ２としたとき、距離Ｌ１と距離Ｌ２は式（２）の関係を満足する請求項１記載の照明光学装置。
   Ｌ１／３≦Ｌ２≦Ｌ１
9. 前記第１合成光学系での前記第１集光光学系の光軸の反射位置と、前記第２集光光学系の光軸の間の距離をＬ３としたとき、距離Ｌ２と距離Ｌ３は、式（３）の関係を満足する請求項８記載の照明光学装置。
   Ｌ３／Ｌ２＝ｔａｎθ
   ５°≦θ≦２０° （３）
10. 距離Ｌ３は、式（４）を満足する請求項９記載の照明光学装置。
    １．２ｍｍ≦Ｌ３≦５ｍｍ （４）
11. 前記第３集光光学系は、光が入射する側から順に、第１正レンズ、第１レンズアレイ、第２レンズアレイ、第２正レンズ、第３正レンズで構成されている請求項１記載の照明光学装置。
12. 前記第２レンズアレイを構成する各マイクロレンズは、各々の位置における前記光源の像の大きさに応じて、前記複数の光源全てが効率よく結像されるように開口形状が各々異なる請求項１１記載の照明光学装置。
13. 前記第１合成光学系及び前記第２合成光学系としての前記プリズムは、光が入射する面に誘電体多層膜ミラーが形成され、
    前記誘電体多層膜ミラーは、低屈折率層としてのＳｉＯ_２層と、高屈折率層としてのＴａ_２Ｏ_５層またはＴａ_２Ｏ_５とＴｉＯ_２の混合物の層とが交互に積層された多層膜により構成されている請求項１記載の照明光学装置。
14. 前記第１集光光学系と、前記第２集光光学系と、前記第３集光光学系とは、式（５）の関係を満足する請求項１記載の照明光学装置。
    （Ｄ_１／ｆ_１）＝（Ｄ_２／ｆ_２）＝（Ｄ_３／ｆ_３） （５）
    但し、Ｄ_１は、前記第１集光光学系としての前記楕円面鏡の光出射側開口の有効径、
    ｆ_１は、前記楕円面鏡の光出射側開口面から前記光源の出射光が最小サイズに集光される面までの距離、
    Ｄ_２は、前記第２集光光学系を構成する前記入射側レンズ及び出射側レンズそれぞれの有効口径、
    ｆ_２は、前記入射側レンズ及び出射側レンズの焦点距離、
    Ｄ_３は、前記第３集光光学系を構成する第１正レンズの有効口径、
    ｆ_３は、前記第１正レンズの焦点距離である。
15. 前記複数の光源、及び前記複数の第１集光光学系はそれぞれ、対応する前記第１合成光学系としての前記プリズムの断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、軸対称に配置されている請求項１記載の照明光学装置。
16. 前記複数の光源、前記複数の第１集光光学系、前記複数の第１合成光学系、及び前記複数の第２集光光学系は、対応する前記第２合成光学系としての前記プリズムの断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、軸対称に配置されている請求項１記載の照明光学装置。
17. 前記光源及び前記第１集光光学系は４つ含まれ、
    前記第１合成光学系及び前記第２集光光学系は２つ含まれ、
    前記２つの第１合成光学系は、それぞれ、対応する２つの前記光源及び前記第１集光光学系からの出射光を合成し、
    前記第２合成光学系は、前記２つの第１合成光学系及び前記第２集光光学系からの出射光を合成し、
    前記第２合成光学系から出射する４つの前記光源に対応する光軸は、断面が略正方形の４隅に各々配置されている請求項１記載の照明光学装置。
18. 第２集光光学系は、反射面がアナモフィック非球面形状の凹面ミラーからなる請求項１記載の照明光学装置。
19. 前記第１集光光学系における楕円面の第１焦点距離ｆ_{E １}と、第２焦点距離ｆ_{E ２}とは、式（１）の関係を満足する請求項１８記載の照明光学装置。
    ８≦ｆ_{E ２}／ｆ_{E １}≦１１ （１）
20. 前記第２集光光学系としての前記凹面ミラーは、前記第１合成光学系からの出射光が入射する入射光軸と前記凹面ミラーよって反射された出射光軸とを含む平面上の第１断面形状と、前記第１断面形状と垂直な方向の第２断面形状は、いずれも焦点距離が連続的に変化し、
    かつ前記第１断面形状と前記第２断面形状は互いに形状が異なるアナモフィック非球面形状であり、
    前記第１合成光学系からの出射光線束が、前記第２集光光学系によって略１点に集光される請求項１８記載の照明光学装置。
21. 前記第２集光光学系として前記凹面ミラーの前記第１断面形状は、式（６）を満足する請求項２０記載の照明光学装置。
    ｆ_ｎ＝Ｌ_ｎ（Ｌ_０−Ｌ_ｎ）／Ｌ_０ （６）
    但し、ｆ_ｎは任意の光入射点における焦点距離、
    Ｌ_ｎは、前記第１合成光学系の光軸上の光出射点から任意の光線が入射する前記第２集光光学系の光入射点までの光軸に平行な方向の距離、
    Ｌ_０は、光軸上における前記第１合成光学系の光出射点から前記第２集光光学系の入射点までの距離と、前記第２集光光学系の出射点から前記第２合成光学系の入射点までの距離との総和である。
22. 前記凹面ミラーのミラー面には、低屈折率層と高屈折率層との交互周期層による誘電体多層膜が形成され、紫外光と赤外光を透過し、可視光を反射させる特性を有する請求項１８記載の照明光学装置。
23. 前記低屈折率層はＳｉＯ_２層であり、前記高屈折率層は、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５のいずれかからなる層、またはこれらの混合物からなる層である請求項２２記載の照明光学装置。
24. 前記凹面ミラーのミラー基板は、ガラス材料からなり、保持構造を含む一体成形体である請求項２０記載の照明光学装置。
25. 前記第３集光光学系は、光が入射する側から順に、第１正レンズ、第１レンズアレイ、第２レンズアレイ、第２正レンズ、第３正レンズで構成されている請求項１８記載の照明光学装置。
26. 前記第２レンズアレイを構成する各マイクロレンズは、各々の位置における前記光源の像の大きさに応じて、前記複数の光源全てが効率よく結像されるように開口形状が各々異なる請求項２５記載の照明光学装置。
27. 前記第１合成光学系及び前記第２合成光学系としての前記プリズムは、光が入射する面に誘電体多層膜ミラーが形成され、
    前記誘電体多層膜ミラーは、低屈折率層としてのＳｉＯ_２層と、高屈折率層としてのＴａ_２Ｏ_５層またはＴａ_２Ｏ_５とＴｉＯ_２の混合物の層とが交互に積層された多層膜により構成されている請求項１８記載の照明光学装置。
28. 前記複数の光源、及び前記複数の第１集光光学系はそれぞれ、対応する前記第１合成光学系としての前記プリズムの断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、軸対称に配置されている請求項１８記載の照明光学装置。
29. 前記複数の光源、前記複数の第１集光光学系、前記複数の第１合成光学系、及び前記複数の第２集光光学系は、対応する前記第２合成光学系としての前記プリズムの断面形状である二等辺三角形の頂角から底辺への垂線に対し、軸対称に配置されている請求項１８記載の照明光学装置。
30. 前記光源及び前記第１集光光学系は４つ含まれ、
    前記第１合成光学系及び前記第２集光光学系は２つ含まれ、
    前記２つの第１合成光学系は、それぞれ、対応する２つの前記光源及び前記第１集光光学系からの出射光を合成し、
    前記第２合成光学系は、前記２つの第１合成光学系及び前記第２集光光学系からの出射光を合成し、
    前記第２合成光学系から出射する４つの前記光源に対応する光軸は、断面が略正方形の４隅に各々配置されている請求項１８記載の照明光学装置。
31. 入射光を変調して画像形成する画像形成装置と、
    前記画像形成装置に光源からの光を照射する照明光学装置と、
    前記画像形成装置上に形成された光学像を拡大透写する投写装置とを備え、
    前記照明光学装置として、請求項１〜３０のいずれかに記載の照明光学装置を用いたことを特徴とする投写型表示装置。
32. 複数の前記光源の出射光軸と前記投写装置の光軸とが直交している請求項３１記載の投写型表示装置。

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