(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024094490
(43)【公開日】2024-07-10
(54)【発明の名称】光源装置
(51)【国際特許分類】
F21S 2/00 20160101AFI20240703BHJP
G03F 7/20 20060101ALI20240703BHJP
F21V 5/00 20180101ALI20240703BHJP
F21V 5/04 20060101ALI20240703BHJP
G02B 3/00 20060101ALI20240703BHJP
G02B 19/00 20060101ALI20240703BHJP
F21Y 115/10 20160101ALN20240703BHJP
【ＦＩ】
F21S2/00 330
G03F7/20 501
F21S2/00 340
F21V5/00 510
F21V5/04 200
F21V5/04 400
G02B3/00 A
G02B19/00
F21Y115:10
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022211056
(22)【出願日】2022-12-28
(71)【出願人】
【識別番号】000102212
【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000729
【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】松島 竹夫
(72)【発明者】
【氏名】福田 雄介
【テーマコード（参考）】
2H052
2H197
【Ｆターム（参考）】
2H052BA02
2H052BA09
2H052BA11
2H197BA09
2H197BA10
2H197CA01
2H197CA15
2H197CB16
(57)【要約】
【課題】複数のＬＥＤから出射された光の利用効率を高めながらも、フライアイインテグレータ内に取り込むことのできる光量を高めることのできる光源装置を提供する。
【解決手段】
光源装置は、複数のＬＥＤと、前記複数のＬＥＤに対応して配置されたコリメート光学系と、コリメート光学系からの出射光を集光する集光光学系と、集光光学系からの出射光が入射されるフライアイインテグレータとを備える。集光光学系のバックフォーカス位置に配置された仮想一次光源からフライアイインテグレータの最大取込角を発散角として集光光学系に向かって進行した後に集光光学系を通過して得られる平行光を仮想二次光源としたとき、コリメート光学系の光出射面の形状に応じて決定される二次光源の幅と仮想二次光源の幅とが実質的に一致している。
【選択図】図２
【解決手段】
光源装置は、複数のＬＥＤと、前記複数のＬＥＤに対応して配置されたコリメート光学系と、コリメート光学系からの出射光を集光する集光光学系と、集光光学系からの出射光が入射されるフライアイインテグレータとを備える。集光光学系のバックフォーカス位置に配置された仮想一次光源からフライアイインテグレータの最大取込角を発散角として集光光学系に向かって進行した後に集光光学系を通過して得られる平行光を仮想二次光源としたとき、コリメート光学系の光出射面の形状に応じて決定される二次光源の幅と仮想二次光源の幅とが実質的に一致している。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のＬＥＤと、
前記複数のＬＥＤに対応して配置され、前記複数のＬＥＤからの出射光が入射されるコリメート光学系と、
前記コリメート光学系からの出射光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系からの出射光が入射されるフライアイインテグレータとを備え、
前記集光光学系のバックフォーカス位置に仮想一次光源を配置し、前記仮想一次光源から前記フライアイインテグレータの有効取込角を発散角として前記集光光学系に向かって進行した後に前記集光光学系を通過して得られる平行光を仮想二次光源としたとき、前記コリメート光学系の光出射面の形状に応じて決定される二次光源の幅と前記仮想二次光源の幅とが、実質的に一致していることを特徴とする、光源装置。
前記複数のＬＥＤに対応して配置され、前記複数のＬＥＤからの出射光が入射されるコリメート光学系と、
前記コリメート光学系からの出射光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系からの出射光が入射されるフライアイインテグレータとを備え、
前記集光光学系のバックフォーカス位置に仮想一次光源を配置し、前記仮想一次光源から前記フライアイインテグレータの有効取込角を発散角として前記集光光学系に向かって進行した後に前記集光光学系を通過して得られる平行光を仮想二次光源としたとき、前記コリメート光学系の光出射面の形状に応じて決定される二次光源の幅と前記仮想二次光源の幅とが、実質的に一致していることを特徴とする、光源装置。
【請求項2】
前記コリメート光学系の光出射面の外縁を直線又は包絡線で仮想的に連絡して形成された凸多角形又は閉曲面の内側を二次光源とし、前記コリメート光学系の前記光出射面の位置に前記仮想二次光源を設定した場合において、
前記仮想二次光源の外縁上の第一点から、前記仮想二次光源の中心を通過して、前記仮想二次光源の前記外縁上の前記第一点とは異なる第二点に達する線分の長さをＤとしたとき、
前記二次光源の外縁は、前記仮想二次光源の外縁を前記中心に近づく側に０．１Ｄだけオフセットされてなる第一基準境界と、前記仮想二次光源の外縁を前記中心から離れる側に０．１Ｄだけオフセットされてなる第二基準境界との間に位置していることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
前記仮想二次光源の外縁上の第一点から、前記仮想二次光源の中心を通過して、前記仮想二次光源の前記外縁上の前記第一点とは異なる第二点に達する線分の長さをＤとしたとき、
前記二次光源の外縁は、前記仮想二次光源の外縁を前記中心に近づく側に０．１Ｄだけオフセットされてなる第一基準境界と、前記仮想二次光源の外縁を前記中心から離れる側に０．１Ｄだけオフセットされてなる第二基準境界との間に位置していることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
【請求項3】
前記コリメート光学系の前記光出射面を二次光源とし、前記コリメート光学系の前記光出射面の位置に前記仮想二次光源を設定した場合において、
前記仮想二次光源の占有領域である取込可能領域の面積Ｓ１と、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の内側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である未利用領域の面積Ｓ２ｂと、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の外側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である取込不能領域の面積Ｓ３ｂとが、
０＜Ｓ３ｂ／Ｓ１＜０．４ 且つ ０＜Ｓ２ｂ／Ｓ１＜０．４
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
前記仮想二次光源の占有領域である取込可能領域の面積Ｓ１と、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の内側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である未利用領域の面積Ｓ２ｂと、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の外側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である取込不能領域の面積Ｓ３ｂとが、
０＜Ｓ３ｂ／Ｓ１＜０．４ 且つ ０＜Ｓ２ｂ／Ｓ１＜０．４
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
【請求項4】
前記コリメート光学系の光出射面の外接円の内側を二次光源とし、前記コリメート光学系の前記光出射面の位置に前記仮想二次光源を設定した場合において、
前記仮想二次光源の占有領域である取込可能領域の面積Ｓ１と、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の内側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である未利用領域の面積Ｓ２ａと、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の外側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である取込不能領域の面積Ｓ３ａとが、
|Ｓ３ａ－Ｓ２ａ| / Ｓ１ ≦ ０．１７
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
前記仮想二次光源の占有領域である取込可能領域の面積Ｓ１と、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の内側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である未利用領域の面積Ｓ２ａと、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の外側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である取込不能領域の面積Ｓ３ａとが、
|Ｓ３ａ－Ｓ２ａ| / Ｓ１ ≦ ０．１７
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
【請求項5】
前記コリメート光学系の光出射面は、前記集光光学系のフロントフォーカス位置の近傍範囲に配置されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項6】
前記フライアイインテグレータは、四角形状又は六角形状を呈する複数のレンズ要素を含むことを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は光源装置に関し、特に、複数のＬＥＤからの出射光を集光して利用する光源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、アレイ状に配置された複数のＬＥＤからの光をコリメートした後、集光光学系によってフライアイインテグレータの光入射面に集光させる光源装置が、本発明者によって開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１４－００３０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
フライアイインテグレータは、要素レンズの形状によって、有効取込角の範囲が決定される。つまり、フライアイインテグレータの光入射面に対して、有効取込角の最大値に対応する角度より大きな入射角で入射された光については、フライアイインテグレータ内に取り込むことができない。この場合、複数のＬＥＤからの光を有効に利用することができず、光の利用効率が低下してしまう。
【0005】
複数のＬＥＤからの光をすべてフライアイインテグレータ内に導くためには、単に、フライアイインテグレータの有効取込角の最大値よりも小さい角度で、フライアイインテグレータの光入射面に対して全ての光を入射させればよいようにも思える。しかし、このような状態を光源装置として実現しようとすると、フライアイインテグレータの光入射面における全ての光の入射角が、フライアイインテグレータの有効取込角の最大値から大幅に小さくなってしまい、フライアイインテグレータ内に取り込まれる光量が低下してしまう。
【0006】
本発明は、上記の課題に鑑み、複数のＬＥＤから出射された光の利用効率を高めながらも、フライアイインテグレータ内に取り込むことのできる光量を高めることのできる、光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係る光源装置は、
複数のＬＥＤと、
前記複数のＬＥＤに対応して配置され、前記複数のＬＥＤからの出射光が入射されるコリメート光学系と、
前記コリメート光学系からの出射光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系からの出射光が入射されるフライアイインテグレータとを備え、
前記集光光学系のバックフォーカス位置に仮想一次光源を配置し、前記仮想一次光源から前記フライアイインテグレータの最大取込角を発散角として前記集光光学系に向かって進行した後に前記集光光学系を通過して得られる平行光を仮想二次光源としたとき、前記コリメート光学系の光出射面の形状に応じて決定される二次光源の幅と前記仮想二次光源の幅とが、実質的に一致していることを特徴とする。
複数のＬＥＤと、
前記複数のＬＥＤに対応して配置され、前記複数のＬＥＤからの出射光が入射されるコリメート光学系と、
前記コリメート光学系からの出射光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系からの出射光が入射されるフライアイインテグレータとを備え、
前記集光光学系のバックフォーカス位置に仮想一次光源を配置し、前記仮想一次光源から前記フライアイインテグレータの最大取込角を発散角として前記集光光学系に向かって進行した後に前記集光光学系を通過して得られる平行光を仮想二次光源としたとき、前記コリメート光学系の光出射面の形状に応じて決定される二次光源の幅と前記仮想二次光源の幅とが、実質的に一致していることを特徴とする。
【0008】
仮想二次光源について、図１を参照して説明する。図１には、レンズ要素６，６，…を備えるコリメート光学系５と、コリメート光学系５からの出射光を集光する集光光学系７が図示されている。コリメート光学系５から出射された光は、集光光学系７によって、焦点（バックフォーカス）７ｆに集光される。図１において、集光光学系７の理想焦点距離がｆａで表記されている。
【0009】
図１には、集光光学系７の焦点（バックフォーカス）７ｆに仮想一次光源ＶＳ１が配置されている状態が示されている。この仮想一次光源ＶＳ１は、フライアイインテグレータの有効取込角θＬに対応する発散角を有して、集光光学系７に向けて光を発する。この光は、集光光学系７を通過すると、平行光に変換されて、コリメート光学系５の側に向けて進行する。図１では、この平行光を発する仮想的な光源を、仮想二次光源ＶＳ２と表記している。
【0010】
仮想二次光源ＶＳ２は、集光光学系７の側からコリメート光学系５の側に向けて平行光を発する仮想的な光源であるため、集光光学系７とコリメート光学系５の間の位置において、光軸１１に平行な方向に任意に移動させることが可能である。図１では、仮想二次光源ＶＳ２を、コリメート光学系５の光出射面５ａの位置に設定した場合についても、併せて図示されている。
【0011】
フライアイインテグレータの有効取込角θＬは、フライアイインテグレータの要素形状によって決定される値である。つまり、光源装置が備えるフライアイインテグレータが特定されると、フライアイインテグレータの有効取込角θＬも特定される。
【0012】
図１によれば、仮想二次光源ＶＳ２は、光軸１１に直交する平面方向に係る幅をｗｓ２、光軸１１から仮想二次光源ＶＳ２の外縁までの距離をｒと規定すると、ｗｓ２＝２×ｒ＝２×（ｆａ×tan θＬ）として導出することができる。つまり、仮想二次光源ＶＳ２の寸法は、集光光学系７の焦点距離ｆａと、フライアイインテグレータの有効取込角θＬとによって導出できる。
【0013】
一方、複数のＬＥＤから発せられた実際の光は、コリメート光学系５を介して平行光に変換された後、集光光学系７に向けて進行する。この平行光は、仮想光源からの仮想的な光ではなく、実際の光である。この実際の平行光の幅は、コリメート光学系５の光出射面５ａの形状に応じて決定される。
【0014】
集光光学系７の側から見て、コリメート光学系５の光出射面５ａは、実際の二次光源を形成する。言い換えれば、二次光源の幅は、コリメート光学系５の光出射面５ａの形状に応じて決定される。
【0015】
上記構成のように、コリメート光学系５の光出射面５ａの形状に応じて決定される二次光源の幅が、仮想二次光源ＶＳ２の幅に実質的に一致しているとき、コリメート光学系５の光出射面５ａから出射された実際の光は、図１に示す仮想一次光源ＶＳ１からの仮想的な光と逆方向に進行する。簡単のために、フライアイインテグレータの光入射面が、集光光学系７の焦点（バックフォーカス）７ｆに配置されている場合を想定すると、コリメート光学系５の光出射面５ａから出射されて集光光学系７を通過した実際の光が、フライアイインテグレータの光入射面に対して入射するときの最大角度（最大入射角）は、有効取込角θＬに実質的に一致する。
【0016】
つまり、上記光源装置の構成によれば、複数のＬＥＤからコリメート光学系を介して出射された光の光線束がフライアイインテグレータの光入射面に対して入射される際の、入射角の範囲が、フライアイインテグレータ側で取込可能な角度範囲に実質的に一致する。このため、複数のＬＥＤによって発せられた光量に対する、フライアイインテグレータ内に取り込まれる光量の比率を高めつつ、更に、フライアイインテグレータ内に多くの光を取り込むことが可能となる。詳細は、「発明の詳細な説明」の項内で後述される。
【0017】
コリメート光学系５の光出射面５ａの形状に応じて決定される二次光源の幅が、仮想二次光源ＶＳ２の幅に実質的に一致するとは、以下の３つの態様で表現される。言い換えれば、以下の３つの態様のうち、少なくとも１つの態様によって表現できる場合、二次光源の幅と仮想二次光源の幅とが実質的に一致していると評価される。
【0018】
なお、上記によれば、二次光源の幅と仮想二次光源の幅とが実質的に一致していることは、言い換えれば、前記集光光学系からの出射光の前記仮想面に対する入射角の範囲が、前記フライアイインテグレータの要素形状（レンズ要素の形状）によって決定される有効取込角の範囲に実質的に一致することを意味する。
【0019】
第一の態様は、
前記コリメート光学系の光出射面の外縁を直線又は包絡線で仮想的に連絡して形成された凸多角形又は閉曲面の内側を二次光源とし、前記コリメート光学系の前記光出射面の位置に前記仮想二次光源を設定した場合において、
前記仮想二次光源の外縁上の第一点から、前記仮想二次光源の中心を通過して、前記仮想二次光源の前記外縁上の前記第一点とは異なる第二点に達する線分の長さをＤとしたとき、
前記二次光源の外縁は、前記仮想二次光源の外縁を前記中心に近づく側に０．１Ｄだけオフセットされてなる第一基準境界と、前記仮想二次光源の外縁を前記中心から離れる側に０．１Ｄだけオフセットされてなる第二基準境界との間に位置している場合に対応する。
前記コリメート光学系の光出射面の外縁を直線又は包絡線で仮想的に連絡して形成された凸多角形又は閉曲面の内側を二次光源とし、前記コリメート光学系の前記光出射面の位置に前記仮想二次光源を設定した場合において、
前記仮想二次光源の外縁上の第一点から、前記仮想二次光源の中心を通過して、前記仮想二次光源の前記外縁上の前記第一点とは異なる第二点に達する線分の長さをＤとしたとき、
前記二次光源の外縁は、前記仮想二次光源の外縁を前記中心に近づく側に０．１Ｄだけオフセットされてなる第一基準境界と、前記仮想二次光源の外縁を前記中心から離れる側に０．１Ｄだけオフセットされてなる第二基準境界との間に位置している場合に対応する。
【0020】
第二の態様は、
前記コリメート光学系の前記光出射面を二次光源とし、前記コリメート光学系の前記光出射面の位置に前記仮想二次光源を設定した場合において、
前記仮想二次光源の占有領域である取込可能領域の面積Ｓ１と、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の内側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である未利用領域の面積Ｓ２ｂと、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の外側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である取込不能領域の面積Ｓ３ｂとが、
０＜Ｓ３ｂ／Ｓ１＜０．４ 且つ ０＜Ｓ２ｂ／Ｓ１＜０．４
を満たす場合に対応する。
前記コリメート光学系の前記光出射面を二次光源とし、前記コリメート光学系の前記光出射面の位置に前記仮想二次光源を設定した場合において、
前記仮想二次光源の占有領域である取込可能領域の面積Ｓ１と、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の内側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である未利用領域の面積Ｓ２ｂと、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の外側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である取込不能領域の面積Ｓ３ｂとが、
０＜Ｓ３ｂ／Ｓ１＜０．４ 且つ ０＜Ｓ２ｂ／Ｓ１＜０．４
を満たす場合に対応する。
【0021】
第三の態様は、
前記コリメート光学系の光出射面の外接円の内側を二次光源とし、前記コリメート光学系の前記光出射面の位置に前記仮想二次光源を設定した場合において、
前記仮想二次光源の占有領域である取込可能領域の面積Ｓ１と、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の内側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である未利用領域の面積Ｓ２ａと、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の外側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である取込不能領域の面積Ｓ３ａとが、
|Ｓ３ａ－Ｓ２ａ| / Ｓ１ ≦ ０．１７
を満たすに対応する。
前記コリメート光学系の光出射面の外接円の内側を二次光源とし、前記コリメート光学系の前記光出射面の位置に前記仮想二次光源を設定した場合において、
前記仮想二次光源の占有領域である取込可能領域の面積Ｓ１と、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の内側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である未利用領域の面積Ｓ２ａと、
前記二次光源上に前記仮想二次光源を投影したときに、前記仮想二次光源の外縁の外側において、前記二次光源の外縁と前記仮想二次光源の外縁とに挟まれた領域である取込不能領域の面積Ｓ３ａとが、
|Ｓ３ａ－Ｓ２ａ| / Ｓ１ ≦ ０．１７
を満たすに対応する。
【0022】
前記コリメート光学系の光出射面は、前記集光光学系の前記フロントフォーカスの近傍範囲に配置されていても構わない。この「フロントフォーカスの近傍範囲」については、「発明の詳細な説明」の項内で後述される。
【0023】
前記フライアイインテグレータを構成するレンズ要素の形状は任意であるが、典型的には、円形状、四角形状又は六角形状を呈する。上記構成によれば、特にレンズ要素が四角形状又は六角形状である場合においても、複数のＬＥＤから出射された光の利用効率を高めながらも、フライアイインテグレータ内に取り込まれる光量を高めることが可能となる。
【発明の効果】
【0024】
本発明の光源装置によれば、複数のＬＥＤから出射された光の利用効率を高めながらも、フライアイインテグレータ内に取り込むことのできる光量を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】仮想二次光源を説明するための図面である。
【図2】本発明の光源装置の一実施形態の構成を模式的に示す図面である。
【図3】ＬＥＤ上の異なる発光位置から出射した光の進行の態様を説明するための図面である。
【図4】二次光源とみなされるコリメート光学系の光出射面から光軸に平行に進行する光の進行態様を説明するための図面である。
【図5】二次光源とみなされるコリメート光学系の光出射面から光軸に非平行に進行する光の進行態様を説明するための図面である。
【図7】コリメート光学系を、光出射面側から見たときの模式的な図面の一例である。
【図10】フライアイインテグレータに対して入射した光の進行の態様を模式的に示す図面である。
【図11】フライアイインテグレータに対して、有効取込角よりも大きな入射角で入射した光の進行の態様を模式的に示す図面である。
【図12】仮想二次光源の幅に対して、二次光源の幅を小さく設計した場合の、フライアイインテグレータの取込余裕を説明するための模式的な図面である。
【図13】仮想二次光源の幅に対して、二次光源の幅を大きく設計した場合に、フライアイインテグレータに取り込まれない光が存在することを説明するための模式的な図面である。
【図14】円形状の仮想二次光源を、コリメート光学系の光出射面の位置に設定した場合において、二次光源の外縁が取り得る領域を説明するための図面である。
【図15】矩形状の仮想二次光源を、コリメート光学系の光出射面の位置に設定した場合において、二次光源の外縁が取り得る領域を説明するための図面である。
【図16】複数のレンズ要素が近接配置された領域から離れた位置に、独立して配置された光源及びレンズが配置されている態様を模式的に示す図面である。
【図17】仮想二次光源に二次光源の光出射面を重ね合わせた図面である。
【図19】二次光源の外縁を円形と擬制した場合において、二次光源の光出射面と仮想二次光源の領域とを重ね合わせた図面である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
本発明に係る光源装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【0027】
図２は、本実施形態の光源装置１を模式的に示す図面である。光源装置１は、複数のＬＥＤ３，３，…と、コリメート光学系５と、集光光学系７と、フライアイインテグレータ１０とを備える。なお、以下の説明に際しては、光軸１１に平行な方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する平面をＸ-Ｙ平面とする、Ｘ-Ｙ-Ｚ座標系が参照される場合がある。
【0028】
コリメート光学系５は、複数のＬＥＤ３，３，…に対応して配置されたレンズ要素６，６，…を備え、複数のＬＥＤ３，３，…から出射された光をコリメートして出射する。コリメート光学系５から出射された光は、集光光学系７において集光され、フライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａに導かれる。フライアイインテグレータ１０は、複数のレンズ要素を有しており、各レンズ要素は、円形状、四角形状又は六角形状を呈する。
【0029】
本実施形態において、コリメート光学系５の光出射面（より詳細には、各レンズ要素６，６，…の光出射面）が、集光光学系７のフロントフォーカス位置に配置されている。また、フライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａは、集光光学系７のバックフォーカス位置に配置されている。
【0030】
この光学系により、複数のＬＥＤ３，３，からの出射光が集光されてフライアイインテグレータ１０に導かれ、フライアイインテグレータ１０から照度が均一化された光が照射される。
【0031】
ところで、ＬＥＤ３から出射され、このＬＥＤ３に対応して配置されたコリメート光学系５のレンズ要素６を通過する光の進行方向は、ＬＥＤ３の発光位置に応じて異なる。図３は、この点を説明するための模式的な図面である。
【0032】
ＬＥＤ３から出射された光の多くを取り込んでコリメート光を生成する観点から、レンズ要素６は、その中心位置が、光軸１２の方向に関して、ＬＥＤ３の発光面の中心位置に対応するように配置される。このとき、光軸１２上に位置する発光点３ａから出射した光Ｌ６ａは、レンズ要素６を通過して、光軸１２に平行な方向に進行する。他方、発光点３ａから光軸１２に直交する方向に関してｄ１だけずれた位置にある発光点３ｂから出射した光Ｌ６ｂは、光軸１２に対して、距離ｄ１に対応した角度θ１を有して進行する。
【0033】
ＬＥＤ３，３，…から出射した光は、全てコリメート光学系５を通じて出射されることから、コリメート光学系５の光出射面５ａを二次光源（図４参照）とみなすことができる。よって、以下では、二次光源についても、符号５ａが適宜参照される。
【0034】
二次光源５ａから出射され、光軸１１に平行に進行した光は、図４に示すように、集光光学系７のバックフォーカス７ｆで集光される。また、二次光源５ａから出射され、光軸１１に非平行に進行した光は、図５に示すように、集光光学系７のバックフォーカス７ｆからずれた位置に集光される。いずれの場合においても、バックフォーカス７ｆを含み、光軸１１に直交する平面３０（Ｘ-Ｙ平面）に対して、同一の入射角θ２で入射される。
【0035】
二次光源５ａから出射した光が、平面３０に入射するときの入射角は、二次光源５ａの幅に依存する。図６は、図４と比較して、二次光源５ａの幅Ｗ５を広げた場合に対応する。ここでいう幅Ｗ５とは、Ｘ-Ｙ平面上における長さに対応する。このとき、二次光源５ａから出射した光が、平面３０に対して入射されるときの入射角θ３は、図４～図５における入射角θ２よりも大きくなる。
【0036】
このことは、平面３０を、フライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａに置き換えた場合、フライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａに入射される光の入射角は、二次光源５ａの幅、すなわち、コリメート光学系５を構成する複数のレンズ要素６，６，…の配置態様によって決定されることを意味する。
【0037】
図７は、コリメート光学系５を、光出射面側から見たときの、すなわち図２における－Ｚ方向に見たときの模式的な図面の一例である。なお、図７には、コリメート光学系５よりも紙面奥行き方向に配置されたＬＥＤ３についても併記されている。
【0038】
図７に表示されたコリメート光学系５から、光が＋Ｚ方向（紙面手前方向）に向かって出射される。つまり、上述したように、コリメート光学系５の光出射面を二次光源５ａとみなすことができる。図８は、図７に対応して二次光源５ａを模式的に表示した図面である。
【0039】
なお、図８では便宜上、コリメート光学系５を構成する各レンズ要素６の光出射面の外縁を、直線又は包絡線で仮想的に連絡することで描画された閉じた図形（凸多角形又は閉曲面）の内側が、二次光源５ａとして表記されている。この閉じた図形の外縁４１によって囲まれた領域を、二次光源５ａとみなすことができる。
【0040】
図９は、図８で模擬された二次光源５ａの外縁４１のみを抜き出して描画した図面である。図９に示すように、二次光源５ａの光出射面には、最小幅Ｗｎを有する領域と、最大幅Ｗｘを有する領域が存在する。上述したように、光源のＸ-Ｙ平面上の幅の寸法は、集光光学系７のバックフォーカス７ｆを含む平面３０に入射される際の光の入射角に影響を与える。言い換えれば、二次光源５ａのうち、最大幅Ｗｘに対応する領域から出射して集光光学系７を経て進行した光が平面３０に入射されたときの入射角は、最小幅Ｗｎに対応する領域から出射した光の入射角と比べて、大きくなる。
【0041】
二次光源５ａから出射した光は、フライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａに入射する。上述したように、光源の同一領域から出射された光は、同一の入射角で入射する。つまり、図１０に模式的に示すように、二次光源５ａ内のある幅を有する部分から出射した光は、フライアイインテグレータ１０を構成するレンズ要素２１に対して、同一の入射角θａで入射する。
【0042】
上述したように、光源の幅が広い領域から出射した光は、相対的に大きな入射角で入射面に入射する。しかし、フライアイインテグレータ１０は、その特性上、レンズ要素２１の形状によって、内側に取り込むことのできる入射角の範囲に制限が生じる。本明細書では、フライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａ側から入射された光のうち、フライアイインテグレータ１０の光出射面側まで導光することのできる入射角を、「有効取込角」と記載する。
【0043】
図１１は、ある光Ｌｂが、フライアイインテグレータ１０を構成するレンズ要素２１に対して、有効取込角θＬよりも大きい入射角θｂで入射した場合の状況を示す図面である。光Ｌｂの一部は、フライアイインテグレータ１０内に取り込むことができないか、又は、フライアイインテグレータ１０内に取り込むものの、光出射面に達することなく、側面から出射される。この場合、フライアイインテグレータ１０に入射した光のうちの一部が、フライアイインテグレータ１０の後段の光学系に入射させることができない。つまり、光源として配置された複数のＬＥＤ３，３，…から出射された光のうちの一部が、利用できていないこととなり、光の利用効率が高められているとはいえない。
【0044】
二次光源５ａから出射された光を、全てフライアイインテグレータ１０内に有効に取り込むには、単に、図９を参照して説明した二次光源５ａの幅（Ｗｘ，Ｗｎ）を、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬに対応する光源幅よりも小さくなるように設計すればよいようにも思える。しかし、この場合には、フライアイインテグレータ１０において取り込むことのできる余裕（角度余裕）が存在しているにも関わらず、実際には利用されていない領域が存在することになる。
【0045】
なお、図１を参照して上述したように、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬに対応する光源幅とは、仮想二次光源ＶＳ２の幅に対応する。前記の記載を言い換えれば、図９を参照して説明した二次光源５ａの幅（Ｗｘ，Ｗｎ）を仮想二次光源ＶＳ２の幅よりも小さく設計した場合、フライアイインテグレータ１０側ではまだ光を取り込む余裕があるにも関わらず、その余裕領域に光が入射されていないことを意味する。
【0046】
図１２は、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬに対応する光源幅、言い換えれば仮想二次光源ＶＳ２の幅に対して、二次光源５ａの幅（Ｗｘ，Ｗｎ）を大幅に小さく設計した場合の、フライアイインテグレータ１０の取込余裕を説明するための模式的な図面である。図１２において、領域５０の内側は、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬ以下の全範囲の入射角で光を入射させることのできる仮想的な二次光源に対応する。つまり、領域５０は、仮想二次光源の占有領域であって、フライアイインテグレータ１０内に取り込むことのできる領域に対応する。以下では、領域５０を「取込可能領域５０」と表現する。
【0047】
取込可能領域５０の内側であって、二次光源５ａの占有領域よりも外側の領域５５（図１２内の右下がりハッチング領域）は、仮にその領域内に光源が配置されていればフライアイインテグレータ１０に取り込むことのできる領域である。言い換えれば、追加的にこの領域５５内に二次光源を配置すれば、フライアイインテグレータ１０に取り込むことのできる光量が増大されるため、光源装置１の出力を向上できる。
【0048】
逆に、二次光源５ａの占有領域が、取込可能領域５０よりも大きくなるように二次光源５ａの幅が設計された場合には、図１３に示すように、取込可能領域５０の外側であって、二次光源５ａの占有領域よりも内側の領域５６（図１３内の細かい右上がりのハッチング領域）からの光を、フライアイインテグレータ１０の内部に取り込むことができない。この場合には、図１１を参照して上述したように、複数のＬＥＤ３，３，…から出射された光のうちの一部が利用できておらず、光の利用効率が高められない。
【0049】
本実施形態の光源装置１は、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬによって規定される取込可能領域５０と、二次光源５ａの占有領域（外縁４１で囲まれた領域）とを実質的に一致させている。このことを、図１を参照して上述した内容に基づいて言い換えれば、本実施形態の光源装置１は、仮想二次光源ＶＳ２の幅によって規定される領域（取込可能領域５０）と、コリメート光学系５の光出射面５ａの形状に応じて決定される二次光源５ａの占有領域とを、実質的に一致させている。これにより、フライアイインテグレータ１０に取り込むことができる角度範囲内において、可能な限り二次光源５ａの大きさを広げることができる。言い換えれば、複数のＬＥＤ３，３，…の配置数、又は発光面積を広げることができる。これにより、光の利用効率を低下させることなく、高出力の光源装置１が実現できる。
【0050】
二次光源５ａから出射されてフライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａに入射さされる入射角の範囲を、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬの全範囲にための設計手法としては、いくつかの方法が採用され得る。この設計手法は、言い換えれば、仮想二次光源ＶＳ２の幅によって規定される領域（取込可能領域５０）と、コリメート光学系５の光出射面５ａの形状に応じて決定される二次光源５ａの占有領域とを実質的に一致させる手法ともいえる。以下、それぞれについて説明する。
【0051】
（第一の態様）
図１２～図１３を参照して上述したように、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬによって規定される取込可能領域５０、つまり仮想二次光源ＶＳ２の幅によって規定される取込可能領域５０は、フライアイインテグレータ１０を構成するレンズ要素２１，２１，…の形状や配置態様によって決定される。
図１２～図１３を参照して上述したように、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬによって規定される取込可能領域５０、つまり仮想二次光源ＶＳ２の幅によって規定される取込可能領域５０は、フライアイインテグレータ１０を構成するレンズ要素２１，２１，…の形状や配置態様によって決定される。
【0052】
図１４は、第一の態様における二次光源５ａの形状を説明するための図面である。図１４は、説明の簡単のために、仮想二次光源ＶＳ２が円形である場合が想定されている。端的には、フライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａが円形であって、この円形状の仮想一次光源ＶＳ１（図１参照）から出射された仮想的な光が、集光光学系７を通過してコリメート光学系５に向けて進行することで、光軸１１方向に見て円形の仮想二次光源ＶＳ２を形成する場合が想定されている。
【0053】
図１４は、このような円形の仮想二次光源ＶＳ２をコリメート光学系５の光出射面５ａの位置に設定した場合において、コリメート光学系５の光出射面５ａの外縁、言い換えれば二次光源５ａの外縁が取り得る領域を説明するための図面である。
【0054】
図１４において、仮想二次光源ＶＳ２が右上がりのハッチング領域で示されている。言い換えれば、右上がりのハッチング領域が取込可能領域５０に対応する。そして、図１４において、右下がりのハッチング領域で示された領域が、二次光源５ａの外縁が取り得る領域である。
【0055】
仮想二次光源ＶＳ２の外縁ＶＳ２ａ上の第一点Ｐ１から、仮想二次光源ＶＳ２の中心Ｏを通過して、仮想二次光源ＶＳ２の外縁ＶＳ２ａの第二点Ｐ２に達する線分の長さをＤとする。二次光源５ａ、言い換えればコリメート光学系５の光出射面５ａは、その外縁が、仮想二次光源ＶＳ２の外縁ＶＳ２ａを中心Ｏに近づく側（内側）に０．１×Ｄだけオフセットされてなる第一基準境界５１と、仮想二次光源ＶＳ２の外縁ＶＳ２ａを中心Ｏから離れる側（外側）に０．１×Ｄだけオフセットされてなる第二基準境界５２とによって挟まれた領域（右下がりハッチング領域）内に位置するように、設定されている。
【0056】
図１５は、仮想二次光源ＶＳ２が矩形状を示す場合について、図１４と同様に図示したものである。すなわち、図１５は、矩形状の仮想二次光源ＶＳ２を、コリメート光学系５の光出射面５ａの位置に設定した場合において、二次光源５ａの外縁が取り得る領域を説明するための図面である。
【0057】
図１５においても、図１４と同様に、仮想二次光源ＶＳ２が右上がりのハッチング領域で示されており、この領域が取込可能領域５０に対応する。そして、図１５において、右下がりのハッチング領域で示された領域が、二次光源５ａの外縁が取り得る領域である。
【0058】
図１５に示す形状の場合においても、二次光源５ａ、言い換えればコリメート光学系５の光出射面５ａは、その外縁が、仮想二次光源ＶＳ２の外縁ＶＳ２ａを中心Ｏに近づく側に０．１×Ｄだけオフセットされてなる第一基準境界５１と、仮想二次光源ＶＳ２の外縁ＶＳ２ａを中心Ｏから離れる側に０．１×Ｄだけオフセットされてなる第二基準境界５２とによって挟まれた領域（右下がりハッチング領域）内に位置するように、設定されている。
【0059】
図１４又は図１５に示す右下がりハッチング領域内に、コリメート光学系５の光出射面５ａの外縁が位置することは、コリメート光学系５の光出射面５ａの形状に応じて決定される二次光源５ａの幅と仮想二次光源ＶＳ２の幅とが実質的に一致していることを意味する。言い換えれば、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬの全範囲に対応する取込可能領域と、二次光源５ａの占有領域とが、ほぼ近い形状を示していることを意味する。
【0060】
なお、二次光源５ａの占有領域の外縁４１は、図８を参照して上述したように、コリメート光学系５を構成する各レンズ要素６の光出射面の外縁を、直線又は包絡線で仮想的に連絡することで設定できる。ただし図１６に示すように、複数のレンズ要素６，６，…が近接して配置された領域から離れた位置に、独立して配置された光源及びレンズ（以下、「独立二次光源８０」と称する。）が配置されている場合も想定される。かかる場合、離間しているレンズ要素６に対する離間距離ｄｇ６がレンズ要素６の半径以上の距離であって、且つ、独立二次光源８０に含まれる光源数が、各レンズ要素６の光出射面の外縁を取り囲むことで特定される光源数の１０％以下であれば、独立二次光源８０は無視して構わない。
【0061】
（第二の態様）
図１７及び図１８は、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬによって規定される取込可能領域５０、つまり仮想二次光源ＶＳ２の幅によって規定される取込可能領域５０を、二次光源５ａの光出射面に重ね合わせた図面である。図１８に示すように、取込可能領域５０の内側であって、二次光源５ａの光出射面の外縁よりも外側に位置する領域６２は、この位置に二次光源が追加的に配置されていたとしても、フライアイインテグレータ１０の内部に取り込むことのできる領域（未利用領域）である。図１８では、図１７に対して未利用領域６２に右下がりのハッチングが施されている。
図１７及び図１８は、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬによって規定される取込可能領域５０、つまり仮想二次光源ＶＳ２の幅によって規定される取込可能領域５０を、二次光源５ａの光出射面に重ね合わせた図面である。図１８に示すように、取込可能領域５０の内側であって、二次光源５ａの光出射面の外縁よりも外側に位置する領域６２は、この位置に二次光源が追加的に配置されていたとしても、フライアイインテグレータ１０の内部に取り込むことのできる領域（未利用領域）である。図１８では、図１７に対して未利用領域６２に右下がりのハッチングが施されている。
【0062】
また、図１８に示すように、二次光源５ａの光出射面の一部であって、取込可能領域５０の外側に位置している領域６３は、この領域６３から出射した光をフライアイインテグレータ１０の内部に有効に取り込むことができない領域（取込不能領域）である。図１８では、図１７に対して取込不能領域６３に右上がりのハッチングが施されている。
【0063】
ここで、取込可能領域５０の面積をＳ１とし、未利用領域６２の面積をＳ２ｂとし、取込不能領域６３の面積をＳ３ｂとしたときに、
０＜Ｓ３ｂ／Ｓ１＜０．４ 且つ ０＜Ｓ２ｂ／Ｓ１＜０．４ …（１）
を満たすように、二次光源５ａの形状が寸法が設定されることで、二次光源５ａの幅と仮想二次光源ＶＳ２の幅とが実質的に一致する。言い換えれば、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬの全範囲に対応する取込可能領域と、二次光源５ａの占有領域とを、ほぼ近い形状にすることができる。
０＜Ｓ３ｂ／Ｓ１＜０．４ 且つ ０＜Ｓ２ｂ／Ｓ１＜０．４ …（１）
を満たすように、二次光源５ａの形状が寸法が設定されることで、二次光源５ａの幅と仮想二次光源ＶＳ２の幅とが実質的に一致する。言い換えれば、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬの全範囲に対応する取込可能領域と、二次光源５ａの占有領域とを、ほぼ近い形状にすることができる。
【0064】
（第三の態様）
図１９は、二次光源５ａの外縁を円形と擬制した場合において、二次光源５ａの光出射面と、仮想二次光源ＶＳ２の幅によって規定される取込可能領域５０を重ね合わせた図面である。コリメート光学系５を構成するレンズ要素６，６，…が、円に近い形で配列されている場合には、二次光源５ａの外縁を円形とみなすことができる。また、コリメート光学系５を構成するレンズ要素６，６，…が、正六角形状や正方形状等に配置されている場合には、レンズ要素６，６，…の外周に接する外接円によって、二次光源５ａの外縁とみなすことができる場合がある。
図１９は、二次光源５ａの外縁を円形と擬制した場合において、二次光源５ａの光出射面と、仮想二次光源ＶＳ２の幅によって規定される取込可能領域５０を重ね合わせた図面である。コリメート光学系５を構成するレンズ要素６，６，…が、円に近い形で配列されている場合には、二次光源５ａの外縁を円形とみなすことができる。また、コリメート光学系５を構成するレンズ要素６，６，…が、正六角形状や正方形状等に配置されている場合には、レンズ要素６，６，…の外周に接する外接円によって、二次光源５ａの外縁とみなすことができる場合がある。
【0065】
取込可能領域５０、つまり仮想二次光源ＶＳ２の幅によって規定される領域を正方形で擬制し、二次光源５ａの外縁を円形で擬制すると、取込可能領域５０の面積Ｓ１に対する、未利用領域６２の面積Ｓ２ａと取込不能領域６３の面積Ｓ２ｂの差の比率を小さくする条件が、平面幾何学に基づく数値演算で算出できる。
【0066】
図２０は、図１９に表記された図形の、右上１／４部分に対応する要素を抽出した図面である。図１９内の未利用領域６２の面積をＳ２ａとすると、図２０内において、取込可能領域５０の内側で、且つ二次光源５ａの外縁の外側に位置する領域の面積は、Ｓ２ａ／４と表記される。同様に、取込不能領域６３の面積をＳ３ａとすると、図２０に２箇所表示されている、取込可能領域５０の外側で、且つ二次光源５ａの外縁の内側に位置する領域の面積は、それぞれ、Ｓ２ｂ／８と表記される。
【0067】
図２０では、円形で擬制された二次光源５ａの一部である１／４円の円弧上の一端をＰ１、他端をＰ２と表記し、二次光源５ａの外縁と取込可能領域５０の外縁との交点をＰｓと表記している。二次光源５ａの半径をＲｓ、取込可能領域５０の一辺の１／２の大きさをＲｃ、二次光源５ａの中心Ｏと点Ｐｓとを結ぶ線分と、二次光源５ａの中心Ｏと点Ｐ２とを結ぶ線分とのなす角度をθとする。このとき、平面幾何学に基づく演算により、取込可能領域５０の面積Ｓ１に対する未利用領域６２の面積Ｓ２ａの比率、及び、取込可能領域５０の面積Ｓ１に対する取込不能領域６３の面積Ｓ３ａの比率は、それぞれ以下の（２）式及び（３）式によって算定される。
【0068】
【数1】
【0069】
（２）式及び（３）式を変形することで（４）式が導かれる。また、（４）式の右辺に微分等の演算を施すことで、（５）式が導かれる。
【0070】
【数2】
【0071】
上記の演算結果から、取込可能領域の面積Ｓ１と、未利用領域の面積Ｓ２ａと、取込不能領域の面積Ｓ３ａとが、
|Ｓ３ａ－Ｓ２ａ| / Ｓ１ ≦ ０．１７
の関係を満たす場合には、取込可能領域の面積Ｓ１と未利用領域の面積Ｓ２ａの差分値が、二次光源５ａの占有領域に対して極めて小さいこととなり、二次光源５ａの占有領域と取込可能領域５０とが実質的に一致しているとみなすことができる。つまり、上記関係を満たす場合には、二次光源５ａの幅と仮想二次光源ＶＳ２の幅とが実質的に一致することになり、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬの全範囲に対応する取込可能領域と、二次光源５ａの占有領域とを、ほぼ近い形状にすることができる。
|Ｓ３ａ－Ｓ２ａ| / Ｓ１ ≦ ０．１７
の関係を満たす場合には、取込可能領域の面積Ｓ１と未利用領域の面積Ｓ２ａの差分値が、二次光源５ａの占有領域に対して極めて小さいこととなり、二次光源５ａの占有領域と取込可能領域５０とが実質的に一致しているとみなすことができる。つまり、上記関係を満たす場合には、二次光源５ａの幅と仮想二次光源ＶＳ２の幅とが実質的に一致することになり、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬの全範囲に対応する取込可能領域と、二次光源５ａの占有領域とを、ほぼ近い形状にすることができる。
【0072】
［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。
以下、別実施形態につき説明する。
【0073】
〈１〉上記実施形態では、コリメート光学系５の光出射面が、集光光学系７のフロントフォーカス位置に配置されているものとした。しかし、上記の議論は、コリメート光学系５の光出射面が、集光光学系７のフロントフォーカス位置の「近傍範囲」に配置されている場合にも適用が可能である。以下、図２１～図２３を参照して、「近傍範囲」について説明を行う。
【0074】
図２１は、図２からコリメート光学系５と集光光学系７とを抜粋したものに、光線の進行の態様を模式的に付記した図面である。図２１は、コリメート光学系５の光出射面５ａが集光光学系７のフロントフォーカスに配置されている場合が図示されている。
【0075】
図２１では、コリメート光学系５が有する各レンズ要素６から出射する光線群のうち、光軸１１に平行に進行する光線と、光軸１１に対して角度θ1だけ傾斜して進行する光線とが図示されている。図２１では、前者の光線が二点鎖線、後者の光線が一点鎖線でそれぞれ図示されている。
【0076】
コリメート光学系５が有する各レンズ要素６から出射した、光軸１１に平行に進行する光線群は、光軸１１上の点Ａ１において集光される。この点Ａ１は、集光光学系７のバックフォーカスの位置である。一方、コリメート光学系５が有する各レンズ要素６から出射した、光軸１１に対して角度θ1だけ傾斜して進行する光線群は、光軸１１から離れた点Ａ２において集光される。なお、以下では、説明の都合上、点Ａ２において集光される光線群のうち、最も＋Ｙ側に位置する光線を「光線Ｌ７１」、最も－Ｙ側に位置する光線を「光線Ｌ７２」と称する。
【0077】
図２２は、図２１の状態からコリメート光学系５を光軸１１の方向（Ｚ方向）に距離Ｚeだけ移動させたときの光線の進行態様を、図２１の光線に重ね合わせた図面である。なお、図２２では、集光光学系７のバックフォーカスの位置から距離Ｚeだけずれた位置に配置されているコリメート光学系５を、図２１の状態と区別するために、「コリメート光学系５ｅ」と称する。
【0078】
図２２に示すように、コリメート光学系５ｅが有する各レンズ要素６から出射した光軸１１に平行に進行する光線群は、図２１に示すコリメート光学系５が有する各レンズ要素６から出射した光軸１１に平行に進行する光線群と同様に、光軸１１上の点Ａ１において集光される。また、図２２に示すように、コリメート光学系５ｅが有する各レンズ要素６から出射し、光軸１１に対して角度θ1だけ傾斜して進行する光線群は、図２１に示すコリメート光学系５が有する各レンズ要素６から出射し、光軸１１に対して角度θ1だけ傾斜して進行する光線群と同様に、光軸１１から離れた点Ａ２において集光される。
【0079】
集光光学系７のフロントフォーカスに配置されたコリメート光学系５から出射し、光軸１１に対して角度θ1だけ傾斜して進行する光線群は、光線Ｌ７１と光線Ｌ７２との間に含まれる光線の束で構成される。ここで、点Ａ２の位置に、フライアイインテグレータ１０のレンズ要素が配置されていると仮定する。フライアイインテグレータ１０のレンズ要素の形状によって決定される有効取込角の範囲が、光線Ｌ７１がレンズ要素に入射するときの入射角と、光線Ｌ７２がレンズ要素に入射するときの入射角とで決定される入射角範囲に完全に一致しているとき、コリメート光学系５から出射した光が点Ａ２の位置に配置されたレンズ要素に過不足なく入射される。
【0080】
ところが、このような状況の下で、図２２に示すように、コリメート光学系５の位置が集光光学系７のフロントフォーカスからずれた位置に配置されると（コリメート光学系５ｅ）、点Ａ２の位置に配置されているフライアイインテグレータ１０のレンズ要素に対して入射される光線群の入射角の範囲は、図２３に示すように、光線Ｌ７１ｅがレンズ要素に入射するときの入射角と、光線Ｌ７２ｅがレンズ要素に入射するときの入射角とで決定される。
【0081】
このとき、光線Ｌ７１と光線Ｌ７１ｅとで挟まれた領域６３については、同領域を進行する光線が、フライアイインテグレータ１０のレンズ要素に取り込むことができない。つまり、領域６３は、「取込不能領域６３」に対応する。また、光線Ｌ７２と光線Ｌ７２ｅとで挟まれた領域６２については、仮にこの領域を通じて光線が進行していればフライアイインテグレータ１０のレンズ要素に取り込むことができる領域である。つまり、領域６２は、「未利用領域６２」に対応する。
【0082】
コリメート光学系５の光出射面の位置を、集光光学系７のフロントフォーカスからあまりにずらし過ぎると、未利用領域６２及び取込不能領域６３のうちの一方又は双方が増え、光の利用効率やフライアイインテグレータ１０に取り込まれる光量の低下を招くこととなる。よって、コリメート光学系５は、集光光学系７のフロントフォーカスの近傍に配置されるのが好適である。ただし、本発明は、コリメート光学系５の光出射面が、集光光学系７のフロントフォーカスの近傍から外れた位置に配置されている場合についても、射程範囲内である。
【0083】
図２１において、フライアイインテグレータ１０の最大取込角をθ2とし、許容される入射角のずれ量の範囲は、θ2の±５０％であり、好ましくはθ2の±３０％であり、より好ましくはθ2の±１０％である。
【0084】
例えば、許容される入射角のずれ量の範囲をθ2の±５０％とした場合、コリメート光学系５の集光光学系７のフロントフォーカスからの許容ずれ幅±Ｚeは、コリメート光学系５からの出射角をθ1、コリメート光学系５のサイズを２×ｙ2（図２１参照）とすると、
±Ｚe＝±（２×ｙ2×０．５）／tan θ1
として表すことができる。なお、許容される入射角のずれ量の範囲をθ２の±１０％とした場合には、
±Ｚe＝±（２×ｙ2×０．１）／tan θ1
として表すことができる。
±Ｚe＝±（２×ｙ2×０．５）／tan θ1
として表すことができる。なお、許容される入射角のずれ量の範囲をθ２の±１０％とした場合には、
±Ｚe＝±（２×ｙ2×０．１）／tan θ1
として表すことができる。
【0085】
つまり、集光光学系７のフロントフォーカスからの許容ずれ幅の絶対値|Ｚe|は、
|Ze| ＜ ｙ2／tan θ1 であるのが好ましく、|Ze| ＜ 0.6・ｙ2／tan θ1 であるのがより好ましく、|Ze| ＜ 0.2・ｙ2／tan θ1 であるのが特に好ましい。言い換えると、本明細書では、集光光学系７のフロントフォーカスから上記条件で規定される |Ｚe| の値だけずれた位置が、集光光学系７のフロントフォーカスの近傍と規定される。
|Ze| ＜ ｙ2／tan θ1 であるのが好ましく、|Ze| ＜ 0.6・ｙ2／tan θ1 であるのがより好ましく、|Ze| ＜ 0.2・ｙ2／tan θ1 であるのが特に好ましい。言い換えると、本明細書では、集光光学系７のフロントフォーカスから上記条件で規定される |Ｚe| の値だけずれた位置が、集光光学系７のフロントフォーカスの近傍と規定される。
【0086】
【0087】
一例として、フライアイインテグレータ１０の最大取込角θ2＝10°、フライアイインテグレータ１０の１／２サイズｙ1＝ 50 mm 、コリメート光学系５からの出射角θ1＝5°である場合を取り上げる。
【0088】
図２１から、明らかに tan θ2 ＝ ｙ2 / ｆa であるため、
ｙ2 ＝ ｙ1・（tan θ2／tan θ1）≒101 mm
±Ｚe ＝ ±（２×ｙ2×０．１）／tan θ1 ≒ ±232 mm
ｆa ＝ ｙ2 / tan θ2 ＝574 mm
と算定できる。
ｙ2 ＝ ｙ1・（tan θ2／tan θ1）≒101 mm
±Ｚe ＝ ±（２×ｙ2×０．１）／tan θ1 ≒ ±232 mm
ｆa ＝ ｙ2 / tan θ2 ＝574 mm
と算定できる。
【0089】
この例では、コリメート光学系５の光出射面の位置を、集光光学系７のフロントフォーカス、又は、集光光学系７のフロントフォーカスから 232 mm 以内の距離だけ正方向又は負方向にずれた位置とすればよい。
【0090】
〈２〉上記実施形態では、フライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａは、集光光学系７のバックフォーカス位置に配置されているものとした。しかし、上記の議論は、フライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａが、集光光学系７のバックフォーカスからずれた位置であっても構わない。
【0091】
図２４は、図２からコリメート光学系５及び集光光学系７を抜粋したものに、光線の進行の態様を模式的に付記した図面である。なお、図２４には、集光光学系７のバックフォーカス７ｆを含むＸ-Ｙ平面に平行な面（平面３０）上に結像される、複数のＬＥＤ３，３，…の像７０が模式的に図示されている。
【0092】
図２４には、コリメート光学系５のうち最も＋Ｙ側に位置する箇所から出射された光線束に含まれる光線として、光軸１１に平行な光線Ｌ５１ａ、光軸１１に対して＋Ｙ側に最も発散して進行する光線Ｌ５１ｂ、及び光軸１１に対して－Ｙ側に最も発散して進行する光線Ｌ５１ｃが図示されている。同様に、図２４には、コリメート光学系５のうち最も－Ｙ側に位置する箇所から出射された光線束に含まれる光線として、光軸１１に平行な光線Ｌ５２ａ、光軸１１に対して＋Ｙ側に最も発散して進行する光線Ｌ５２ｂ、及び光軸１１に対して－Ｙ側に最も発散して進行する光線Ｌ５２ｃが図示されている。
【0093】
図２４内にハッチングで示された領域Ｓ１０内は、複数のＬＥＤ３，３，…の像７０が結像可能な領域である。言い換えれば、この領域Ｓ１０内に、フライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａが位置している場合、フライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａに、複数のＬＥＤ３，３，…の像７０が結像する。かかる観点から、フライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａが領域Ｓ１０内に位置するように、フライアイインテグレータ１０の設置位置が調整されるのが好ましい。
【0094】
図２４に示すように、集光光学系７のバックフォーカス７ｆとフライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａとのＺ方向に係る距離をＺa、集光光学系７の理想焦点距離をｆa、集光光学系７から出射されてフライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａに入射される光の入射角をθ3、コリメート光学系５のサイズを２×ｙ2、平面３０上に結像されるＬＥＤ３，３，…の像７０のｙ方向に係る長さを２×ｙ70、とそれぞれ規定する。
【0095】
このとき、
tanθ3＝(２×ｙ2)/(２×ｆa) = ｙ2 / ｆaであり、
tanθ3＝(２×ｙ70)/(２×Ｚa) = ｙ70 / Ｚaである。
tanθ3＝(２×ｙ2)/(２×ｆa) = ｙ2 / ｆaであり、
tanθ3＝(２×ｙ70)/(２×Ｚa) = ｙ70 / Ｚaである。
【0096】
よって、式変形によって、
Ｚa = ｆa× {(２×ｙ2) / (２×ｙ70)}
を得る。
Ｚa = ｆa× {(２×ｙ2) / (２×ｙ70)}
を得る。
【0097】
以上により、Ｚ方向（光軸１１に平行な方向）に関して、フライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａとバックフォーカス７ｆとのずれ量は、±Ｚa以内であるのが好ましく、±Ｚa /２以内であるのがより好ましい。上記Ｚaの値は、集光光学系７の理想焦点距離ｆa、コリメート光学系５のサイズ(２×ｙ2)、及び平面３０上に結像されるＬＥＤ３，３，…の像７０の大きさ(２×ｙ70)によって決定される。ＬＥＤ３，３，…の像７０の大きさの値は、例えば、実際にバックフォーカス７ｆを含むＸ-Ｙ平面に平行な面（平面３０）上にスクリーンを設置し、スクリーン上に表示される像７０の大きさを検出することで得られる。
【0098】
〈３〉二次光源５ａから出射されてフライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａに入射される入射角の範囲が、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬの全範囲に実質的に一致できているかどうかは、撮像装置を用いて検証することが可能である。具体的には、図２において、ピンホール付の撮像装置をフライアイインテグレータ１０の光入射面１０ａの位置に設置する。そして、フライアイインテグレータ１０の光軸１１の方向に係る長さ分だけ、撮像装置の入射面から進んだ位置に投影面を設置する。投影面には二次光源５ａ（図１，図８等参照）の像、すなわちコリメート光学系５の像が投影される。
【0099】
投影面に投影される像の大きさをｂ１とし、フライアイインテグレータ１０の光軸１１の方向に係る長さをｂ２とすると、投影された像の外縁に対応する入射角θβは、
θβ＝tan -1（ｂ１／ｂ２）
によって求められる。この角度θβと、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬとを対比することで、検証が可能である。
θβ＝tan -1（ｂ１／ｂ２）
によって求められる。この角度θβと、フライアイインテグレータ１０の有効取込角θＬとを対比することで、検証が可能である。
【符号の説明】
【0100】
１ ：光源装置
３ ：ＬＥＤ
３ａ，３ｂ ：発光点
５ ：コリメート光学系
５ａ ：コリメート光学系の光出射面（二次光源）
６ ：レンズ要素
７ ：集光光学系
７ｆ ：集光光学系のバックフォーカス
１０ ：フライアイインテグレータ
１０ａ ：フライアイインテグレータの光入射面
１１，１２ ：光軸
２１ ：フライアイインテグレータのレンズ要素
４１ ：二次光源の外縁
５０ ：取込可能領域
６２ ：未利用領域
６３ ：取込不能領域
ＶＳ１ ：仮想一次光源
ＶＳ２ ：仮想二次光源
３ ：ＬＥＤ
３ａ，３ｂ ：発光点
５ ：コリメート光学系
５ａ ：コリメート光学系の光出射面（二次光源）
６ ：レンズ要素
７ ：集光光学系
７ｆ ：集光光学系のバックフォーカス
１０ ：フライアイインテグレータ
１０ａ ：フライアイインテグレータの光入射面
１１，１２ ：光軸
２１ ：フライアイインテグレータのレンズ要素
４１ ：二次光源の外縁
５０ ：取込可能領域
６２ ：未利用領域
６３ ：取込不能領域
ＶＳ１ ：仮想一次光源
ＶＳ２ ：仮想二次光源
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】