JP2015219434A - 照明光学系および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被照明面に対して斜めに照明光を照射する場合の照明エリアの歪みを低減して光利用効率を向上させる。【解決手段】照明光学系は、光源１からの光束をその光束断面形状が被照明面６の矩形形状に近づくように整形する第１の光学系αと、被照明面の法線Ｎに対して傾いた光軸ＲＡを有し、第１の光学系からの光束を被照明面に導く第２の光学系βとを含む。照明光学系は、第２の光学系の光軸と被照明面の法線とを含む平面内において第２の光学系の光軸に対してなす傾き角度θ１，θ２が互いに異なる２つの平面である入射面および出射面を有する透光素子を含む。透光素子は、第１の光学系と被照明面との間に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの光束を被照明面に導く照明光学系に関し、特に被照明面にデジタルマイクロミラーデバイス（以下、ＤＭＤという）等の光変調素子を配置した画像投射装置に好適な照明光学系に関する。

上記のような画像投射装置は、光源からの光（照明光）を被照明面に配置された光変調素子に照射し、該光変調素子にて変調された光（画像光）を投射光学系を介して被投射面に投射することで画像を表示する。

光変調素子として代表的なものにＤＭＤがある。ＤＭＤは、一般には、図８（ａ）に示すように、その変調領域全体が矩形に形成され、その変調領域内に複数の正方形のマイクロミラーがマトリックス状に配置されて構成されている。各マイクロミラーは、その対角線ａを軸として、画像情報の各画素の画素値に応じてＯＮ位置とＯＦＦ位置の２つの回動位置間で回動する。例えば、図８（ｂ）に示すように、ＯＮ位置はＤＭＤにおいて複数のマイクロミラーが配置された平面である変調面（図中の水平面）に対して＋１２°傾いた位置であり、ＯＦＦ位置は変調面に対して−１２°傾いた位置である。

照明光学系は、変調面の法線に対して２４°傾いた方向から各マイクロミラーに照明光を入射させる。ＯＮ位置にあるマイクロミラーは、入射した照明光を変調面の法線が延びる方向（法線方向）に反射する。この法線方向には投射光学系が配置されているため、反射光は被投射面に投射される。一方、ＯＦＦ位置にあるマイクロミラーは、入射した照明光を変調面の法線方向から外れた方向（投射光学系に向かわない方向）に反射するため、反射光は被投射面に投射されない。画像情報の１フレーム内においてマイクロミラーをＯＮ位置とＯＦＦ位置との間で高速で回動させ、ＯＮ位置にある時間とＯＦＦ位置にある時間との比率を変更することで階調表現を行い、他階調の画像を表示する。

照明光学系は、光源からの発散光束をその断面形状（以下、光束断面形状という）がＤＭＤの有効範囲の矩形に近づくように整形して、光の利用効率を高める。ＤＭＤが配置されている被照明面での光束が到達する範囲（以下、照明エリアという）は、照明光学系を構成する光学素子の製造誤差や位置決め精度を考慮して、ＤＭＤの変調領域の外周にマージンを有するように設定される。

ただし、照明光をＤＭＤにその変調面の法線に対して斜めから照射すると、図９の上側の図に示すように、照明エリアは照明光の入射方向（マイクロミラーの回動方向）を被照明面に投影した方位に歪みやデフォーカスを生じる。具体的には、照明光はＤＭＤにその変調面の法線方向から見て＋４５°の方位から、該変調面の法線に対して２４°傾いて入射する。このとき、４５°の方位の断面（ｘｚ断面）では、照明光学系の光軸と変調面とが直交していないので、照明エリアの見かけ上の倍率が拡大する。

ＤＭＤの変調面の法線に対して角度θだけ傾いた方向から照明光が入射する場合のｘｚ断面での照明エリアの大きさをａとする。図９の下側の図に示すように変調面の法線に対して傾かない方向から照明光が入射する場合のｙｚ断面での照明エリアの大きさｂを１とする。このとき、ａは、１／ｃｏｓθで表される。さらに、照明光学系の光軸に対してＤＭＤの変調面の法線が傾くと、照明光学系の焦点位置に対して変調面内のマイクロミラーが変位するため、デフォーカスも発生する。一方、−４５°の方位では、照明光学系の光軸がＤＭＤの変調面の法線に対して傾いていないので、見かけ上の倍率の変化やデフォーカスは発生しない。

この結果、被照明面上での照明エリアは、図１０に示すように、本来の矩形からその対角方向に歪み、またデフォーカスも生じるため、平行四辺形（菱形）のような形状となる。このよう歪んだ照明エリアでは、その斜めの輪郭部がＤＭＤの変調領域にかかると、投射画像の一部が暗くなるので好ましくない。このため、照明エリアの斜めの輪郭部がＤＭＤの変調領域にかからないように照明エリアのマージンを大きく確保する必要があるが、これでは光利用効率が低下し、投射画像全体が暗くなる。また、照明エリアのうちデフォーカス部分では、デフォーカスしていない部分に対して照度が下がるので、該デフォーカス部分に対応する投影画像の部分が暗くなり、投射画像の明るさの均一性が低下する。

特許文献１には、照明光学系（ロッドインテグレータ）の出射面を菱形とし、被照明面上での照明エリアの菱形の歪みを補正する方法が開示されている。また、特許文献２には、照明光学系のうち少なくとも１つの光学素子（レンズ）を光軸に対して回転および偏心させることで、照明エリアの菱形の歪みを補正する方法が開示されている。

特開２０００−２６７０４４号公報 特開２００４−４５７１８号公報

しかしながら、特許文献１にて開示された方法では、照明光をＤＭＤに対して斜めに入射させるため、ロッドインテグレータの射出面に対してＤＭＤの変調面が平行ではない。このため、矩形の照明エリアの対角方向で依然としてデフォーカスが生じる。

一方、特許文献２にて開示された方法では、レンズを回転および偏心させると偏心収差が発生し、照明光学系のＤＭＤに対する結像性能が低下する。この結果、照明エリアの鮮鋭度が低下して、デフォーカス部分と同様に照度を低下させる。

本発明は、被照明面に対して斜めに照明光を照射する場合の照明エリアの歪みを低減するとともに照明エリアでのデフォーカスの発生や鮮鋭度の低下を回避して光利用効率を向上させることができるようにした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、光源からの光束をその光束断面形状が被照明面の矩形形状に近づくように整形する第１の光学系と、被照明面の法線に対して傾いた光軸を有し、第１の光学系からの光束を被照明面に導く第２の光学系とを含む。該照明光学系は、第２の光学系の光軸と被照明面の法線とを含む平面内において第２の光学系の光軸に対してなす傾き角度が互いに異なる２つの平面である入射面および出射面を有する透光素子を含む。そして、透光素子は、第１の光学系と被照明面との間に配置されていることを特徴とする。

なお、上記照明光学系と、被照明面に配置された光変調素子とを有し、光源からの光束を光変調素子により変調し、該変調された光束を被投射面に投射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、平面である入射面および出射面を有する、いわゆるくさび形状の透光素子を用いて、被照明面に対して斜めに照明光を照射する場合の照明エリアの歪みを低減するとともに照明エリアでのデフォーカスの発生や鮮鋭度の低下を回避することができる。したがって、照明エリアのマージンを大きくする必要をなくすることができ、この結果、光利用効率を向上させることができる。そして、この照明光学系を用いれば、明るい投射画像を提示可能な画像投射装置に実現することができる。

本発明の実施例１である画像投射装置の構成を示す図。 実施例１の画像投射装置の照明光学系における照明エリアの歪みの補正効果を示す図。 実施例１と従来技術との差異を示す図。 実施例１の照明光学系の変形例を示す図。 照明光学系中の透光素子の位置により歪み補正効果が異なる理由を説明する図。 上記透光素子の形状についての条件を示す図。 実施例１の照明光学系の他の変形例を示す図。 従来のＤＭＤの構成および動作を示す図。 従来において照明エリアの菱形歪みが発生する理由を説明する図。 上記菱形歪みが生じた照明エリアを示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である画像投射装置の構成を示す。超高圧水銀ランプ等の放電発光管により構成される光源１から発せられた光束は、楕円リフレクタ２によって反射されて照明光学系に入射する。照明光学系は、楕円リフレクタ２からの光束が入射する集光レンズ３と、該集光レンズ３からの光束が入射するロッドインテグレータ４とにより構成される第１の光学系αを有する。集光レンズ３は、楕円リフレクタ２からの光束をロッドインテグレータ４の入射面の近傍に集光させる。集光レンズ３およびロッドインテグレータ４の中心を通る軸を、第１の光学系αの光軸という。また、光源１としては、ＬＥＤやレーザ等の他の発光素子を用いてもよい。

ロッドインテグレータ４は、ガラス製の中実角柱状の光学素子であり、第１の光学系αの光軸に直交する断面として矩形断面を有する。ロッドインテグレータ４にその入射面から入射した光は、ロッドインテグレータ４の内部で全反射を繰り返し、ロッドインテグレータ４の出射面にて均一な照度分布を形成する。

なお、ロッドインテグレータ４を、中空角柱状の本体と、該本体の４つの内側面に誘電体多層膜や金属膜を蒸着して形成した反射ミラーとにより中空タイプのロッドインテグレータとして構成してもよい。また、ロッドインテグレータ４に代えて、フライアイタイプのインテグレータを用いてもよい。

照明光学系は、さらにリレー光学系５と全反射プリズム７とにより構成される第２の光学系βを含む。ロッドインテグレータ４の出射面から出射した光束はリレー光学系５を通過し、全反射プリズム７で反射して、照明光学系の被照明面に配置されたデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）６に照射される。

本実施例では、リレー光学系５は複数の球面レンズ５ａ〜５ｄによって構成されている。これら球面レンズ５ａ〜５ｄの中心を通る軸を、リレー光学系５の光軸、さらには第２の光学系βの光軸という。なお、リレー光学系を、球面ミラーや非球面レンズを用いて構成してもよいし、レンズ間に光を反射して第２の光学系βの光軸を折り曲げるミラーやプリズムを配置してもよい。

全反射プリズム７は、空気層を挟んで配置された２つのプリズムブロック７ａ，７ｂにより構成されている。リレー光学系５から射出した光束は、プリズムブロック７ａに入射し、該プリズムブロック７ａにおける空気層との界面にて全反射してＤＭＤ６に入射する。プリズムブロック７ａでの反射によって第２の光学系の光軸は折り曲げられる。

ＤＭＤ６は、図８（ａ）を用いて前述したように、その矩形の変調領域内に複数の正方形のマイクロミラーがマトリクス状に配置された光変調素子である。各マイクロミラーは、図８（ｂ）を用いて前述したように、複数のマイクロミラーが配置された平面である変調面に対して、該マイクロミラーの対角線ａを軸として、＋１２°傾いたＯＮ位置と−１２°傾いたＯＦＦ位置との間で回動する。変調面は、基板面上に回動可能な複数のマイクロミラーが配置されたＤＭＤ６における該基板面に平行な面ということもできる。

本実施例では、第２の光学系βの光軸は、ＤＭＤ６の変調面の法線に対して２４°の傾きを有する。言い換えれば、第２の光学系βからの光束（照明光）は、ＤＭＤ６に対して、その変調面の法線に対して２４°傾いた方向から入射する。そして、図８（ｂ）を用いて前述したように、ＯＮ位置にあるマイクロミラーにより反射された光束のみが変調面の法線方向に反射されて不図示の投射光学系に入射し、被投射面に投射される。

本実施例におけるＤＭＤ６の変調領域はアスペクト比１６：１０の矩形形状を有し、これに対応してロッドインテグレータ４の出射面もアスペクト比１６：１０の矩形形状に形成されている。これにより、照明光はＤＭＤ６の矩形の変調領域と概ね相似な形状の照明エリアを形成する。つまり、第１の光学系αは、光源１からの光束をその光束断面形状が被照明面の矩形形状に近づくように整形する光学系である。この第１の光学系αを設けることで、光源１からの光の利用効率を高めることができる。

しかし、図９および図１０を用いて説明したのと同様に、ＤＭＤ６の各マイクロミラーのＯＮ位置とＯＦＦ位置との間で回動する方向は、正方形のマイクロミラーの対角方向であり、ＤＭＤ６の矩形の変調領域の各辺に対して４５°傾いた方向である。したがって、ＤＭＤ６の矩形の変調領域は、ＤＭＤ６の変調面の法線方向から見たとき、全反射プリズム７の外形に対して４５°傾いている。言い換えれば、照明光は、ＤＭＤ６の矩形の変調領域に対して＋４５°の方位から入射する。これにより、照明エリアの対角方向での見かけ上の倍率が大きくなり、照明エリアに菱形の歪みが生じる。さらに、第２の光学系βの光軸に対してＤＭＤ６の変調面の法線が傾くと、第２の光学系βの焦点位置に対して変調面内のマイクロミラーが変位するため、デフォーカスも発生する。

このため、本実施例では、図１に示すように、リレー光学系５内（第２の光学系内）におけるレンズ５ｂとレンズ５ｃの間に、くさび形状を有するくさび状の透光素子（以下、くさび素子という）８を配置している。くさび素子８の材料は一般的な光学ガラス等の透光性材料であればよく、本実施例ではＢＫ７を用いている。以下の説明において、第２の光学系βの光軸のうち、くさび素子８が配置されたリレー光学系５の光軸の部分を、リレー光軸ＲＡという。

くさび素子８は、図１の上側の図に示すように、ＤＭＤ６の変調面（被照明面）の法線とリレー光軸とを含む平面内、すなわちｘｚ面内において、リレー光軸ＲＡに対する傾き角度が互いに異なる２つの平面である入射面８ａおよび出射面８ｂを有する。くさび素子８に入射してこれを透過する光線は、傾き角度が互いに異なる２つの平面（入射面８ａおよび出射面８ｂ）にて屈折するため、入射前に比べてリレー光軸ＲＡに対する進行角度が変化する。

一方、図１の下側の図に示すｘｚ面に直交するｙｚ面内では、くさび素子８の２つの平面（入射面８ａおよび出射面８ｂ）はリレー光軸ＲＡに対して直交するように配置されている。このため、くさび素子８は、単なる平行平板となる。これにより、くさび素子８は、ｘｚ面内のみにおいて結像倍率を変化させる効果を持つ。

図２（ａ）にはリレー光学系５内にくさび素子８を設けない場合の照明エリアを示している。図２（ａ）では、照明光の入射方位である４５°方位に歪みが生じることで、照明エリアが菱形に歪んでいる。ここで図中の黒枠はＤＭＤの変調領域を示す。変調領域に対して４５°方位に照明エリアの歪みが発生し、さらにデフォーカスも発生しているので、特に照明エリアの４５°方位の角部の鮮鋭度が低下する。これにより、この角部に隣接する部分に対して照明エリアの照度が大きく低下する。このような低照度部分がＤＭＤの変調領域にかかると、投射画像の明るさの均一性が損なわれる。このため、変調領域に対する照明エリアのマージンを大きくする必要があり、この結果、光源１からの光の利用効率が低下し、投影画像の明るさが低下する。

図２（ｂ）にはくさび素子８を設けず、従来のようにリレー光学系５中のレンズ（５ａ〜５ｄのうち１つ）をリレー光軸ＲＡに対して回転および偏心させて菱形歪みを補正した照明エリアを示す。図２（ｂ）では、図２（ａ）に比べて照明エリアの菱形の歪みは小さくなっているが、レンズを回転および偏心させることによって生じた偏心収差の影響により、照明エリアの外縁部の鮮鋭度が低下している。このため、変調領域に対する照明エリアのマージンをある程度大きくする必要がある。

これに対して、図２（ｃ）には、本実施例のようにリレー光学系５中にくさび素子８を設けて菱形歪みを補正した照明エリアを示す。図２（ｃ）では、くさび素子８のｘｚ面内のみでの倍率補正効果により、ＤＭＤの変調領域の矩形とほぼ相似なほとんど歪みがない照明エリアを形成することができる。しかも、図２（ｃ）を図２（ｂ）と比べると、照明エリアの外縁部の鮮鋭度が改善していることが分かる。これは、レンズを回転および偏心させることなく、くさび素子８の挿入しているため、結像性能を低下させる偏心収差が新たに発生しないためである。これにより、図２（ｃ）では、図２（ｂ）と比べて、照明エリアのマージンがさらに確保されている。結果としてマージンを図２（ｂ）の状態と同量にした場合、画像として投射できる光量を増加させることにつながる。

図３（ａ）には、リレー光学系５中のレンズをリレー光軸ＲＡに対して回転および偏心させて照明エリアの菱形歪みを補正した場合のスポットダイアグラムを示す。図中の０，０、０，ｘ、０，−ｘ、ｙ，０および−ｙ，０は、被照明面上でのｘｙ座標（像高）を示す。ＲＭＳは、二乗平均平方根（Root Mean Square）であり、その値が小さいほどスポットの収斂性が高いことを示す。図３（ｂ）には、本実施例のようにリレー光学系５中にくさび素子８を設けて照明エリアの菱形歪みを補正した場合のスポットダイアグラムを示す。図３（ａ）に比べて、図３（ｂ）の方がスポットの収斂性が高いことが分かる。つまり、リレー光学系５中にくさび素子８を設けることで、図２（ｃ）に示したような鮮鋭度が高い照明エリアを形成することができる。

このように、本実施例によれば、くさび素子８を設けることで、照明エリアの菱形の歪みを良好に補正することができ、かつ照明エリアの外縁部を含む全域において鮮鋭度を改善することができる。これにより、照明エリアのマージンを大きくする必要をなくすることができ、より高い光利用効率が得られる照明光学系を実現することができる。

図１ではくさび素子８をリレー光学系５内のレンズ５ｂ，５ｃの間に配置した場合を示したが、くさび素子８を第１の光学系α（ロッドインテグレータ４）の出射面とＤＭＤ６との間でのどの位置に配置しても歪み補正効果は得られる。ただし、図１に示すようにリレー光学系５の中で光源１である放電発光管の放電アークの像（光源像）が形成される位置（その近傍範囲を含む）、つまりはレンズ５ｂ，５ｃの間にくさび素子８を配置すると、照明エリアの外縁部の鮮鋭度がより改善するので、好ましい。本実施例の照明光学系では、ロッドインテグレータ４の入射面に２次光源像が形成され、さらにリレー光学系５のレンズ５ｂ，５ｃの間に３次光源像が形成される。以下の説明では、この３次光源像が形成される面を、３次光源面という。

３次光源面にくさび素子８を配置することで、照明エリアの菱形歪みが補正され、かつ照明エリアの外縁部の鮮鋭度が改善する理由について説明する。まず、ロッドインテグレータ４の出射面を物体面Ｏとし、ＤＭＤ６の変調面を像面Ｉとしたときの結像関係を図４（ａ），（ｂ）に示す。図４（ａ）はリレー光学系５内にくさび素子８が配置されていない場合を、図４（ｂ）はリレー光学系５内にくさび素子８が配置されている場合をそれぞれ示す。物体面Ｏの中心点（中心画角）Ｆ１から出射した主光線Ｒ１、上部光線Ｒ２および下部光線Ｒ３は、正のパワーを持つ素子９，１０間で平行光線となる。素子９は図１中のレンズ５ｂに、素子１０はレンズ５ｃ，５ｄにそれぞれ相当する。また、物体面Ｏにおいて中心点Ｆ１を挟んで互いに反対側に位置する２つの周辺点（周辺画角）Ｆ２，Ｆ３のそれぞれから出射した光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３も、素子９，１０間で平行光線となる。

そして、これらの点Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３からの同じ符号（Ｒ１，Ｒ２またはＲ３）を付した平行光線同士が交差する位置Ｐが３次光源面である。周辺点Ｆ２からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と周辺点Ｆ３からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３はそれぞれ、３次光源面Ｐにて、中心点Ｆ１からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に対して角度が異なる平行光線となる。これは、物体面Ｏで位置情報を表していた各点からの光線が、３次光源面Ｐでは角度情報に光学的に変換されていることを示している。すなわち、物体面Ｏにおいて中心点Ｆ１から周辺点（Ｆ２，Ｆ３）までの距離が遠いほど、その周辺点からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、３次光源面Ｐにおいて中心点Ｆ１からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に対して大きな角度をなす平行光線となる。

図４（ｂ）に示すように、３次光源面Ｐにくさび素子８が配置されると、物体面Ｏ上の点Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３のそれぞれからの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は平行光線を維持したまま、進行する方向（角度）が変えられる。そして、これにより点Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３のそれぞれからの平行光線同士がなす角度が変わる。

前述したように３次光源面Ｐでは物体面Ｏでの位置情報が角度情報に光学的に変換されている。このため、点Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３のそれぞれからの平行光線同士がなす角度が変わると、像面Ｉでは位置情報が変わる。具体的には、周辺点Ｆ２から出射してくさび素子８に入射する平行光線は、周辺点Ｆ３から出射してくさび素子８に入射する平行光線に比べて、より最小偏角（偏角は、光線を屈折させる角度）の条件に近い。このため、周辺点Ｆ３から出射してくさび素子８に入射する平行光線の偏角は、周辺点Ｆ２から出射してくさび素子８に入射する平行光線の偏角よりも大きくなる。これにより、図１の上側の図に示したくさび素子８においてリレー光軸ＲＡに対する傾き角度が異なる２つの平面が存在するｘｚ面内でのみ結像倍率を変更することができ、照明エリアの菱形歪みの補正が可能となる。

また、くさび素子８をリレー光学系５内に挿入しても、物体面Ｏ上の各点からの平行光線の進行する角度が変わり、像面Ｉにおける位置情報が変わるだけであるので、像面Ｉにおける光線の収斂性、つまりは収差に与える影響をきわめて小さく抑えることができる。

一方、くさび素子８を物体面（ロッドインテグレータ４の出射面）Ｏと素子９との間に配置した場合を図５（ａ）に示す。物体面Ｏ上の各点から出射する光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は発散光線であり、くさび素子８はその発散光線の中に配置される。くさび素子８はプリズムの一種であり、光線の入射角に応じてその光線に対する偏角が異なる特性を持つ。図５（ｂ）には、くさび素子８に相当するプリズムに対する入射角と偏角との関係を示す。偏角は、最小偏角δ_０を最小値として入射角に応じて大きく変わる。このように、プリズムは、入射角に対する偏角の分散が大きい素子と言える。

したがって、くさび素子８が発散光線中に配置されると、物体面Ｏ上の各点からの主光線、上部光線および下部光線に対してくさび素子８が与える偏角が大きく異なる。図５（ｂ）では、上部光線はプリズムの最小偏角δ_０近傍であるが、主光線および下部光線は段階的に偏角が大きくなっている。これによってコマ収差が発生し易くなり、３次光源面Ｐにくさび素子８を配置した場合に比べて、照明エリアの外縁部の鮮鋭度が低下しやすい。

以上の理由により、３次光源面Ｐにくさび素子８を配置することにより、くさび素子８自体による新たな収差の発生を抑えることができるため、照明エリアの外縁部の鮮鋭度をより改善することができる。

本実施例において、くさび素子８の望ましい形状について説明する。前述したように、くさび素子８は、リレー光軸ＲＡに対して傾き角度が互いに異なる２つの平面である入射面８ａおよび出射面８ｂを有する。これら入射面８ａおよび出射面８ｂのリレー光軸ＲＡに対する傾き方向は互いに同じであることが望ましい。さらに、傾き方向が互いに同じ入射面８ａおよび出射面８ｂのリレー光軸ＲＡに対する傾き角度をそれぞれθ_１およびθ_２とするとき、θ_１とθ_２は以下の条件を満足することが望ましい。
θ_１＞θ_２ ・・・（１）
くさび素子８を上述した３次光源面に配置する場合には、入射面８ａおよび出射面８ｂが条件（１）を満足することで、照明エリアの菱形歪みをより確実に補正することが可能となる。以下、その理由を説明する。

照明エリアの菱形歪みを補正するためには、照明光が斜めに入射する被照明面での見かけ上の倍率が大きくなった断面において、倍率を縮小方向に補正する必要がある。図４（ａ）を用いて説明したように、３次光源面Ｐでは物体面Ｏ上で位置情報を表していた各点からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が角度情報に変換されている。このため、物体面Ｏにおける中心点Ｆ１から周辺点（Ｆ２，Ｆ３）までの距離が遠いほど、該周辺点からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、３次光源面Ｐでは中心点Ｆ１から出射した光線（平行光線）に対して大きな角度を持った平行光線となる。したがって、くさび素子８を３次光源面Ｐに配置して倍率を縮小させる作用を持たせるためには、３次光源面Ｐ上における各点からの平行光線同士がなす角度が小さくなるようにくさび素子８の形状を設定する必要がある。

図６（ａ）には、くさび素子８を透過する平行光線同士がなす角度の変化を示す。図６（ａ）では、物体面上にて中心点を挟んで該中心点から等距離の２つの周辺点からの平行光線同士が３次光源面にてなす角度（変化前の角度）をθ_ｉとする。また、３次光源面に挿入されたくさび素子８を透過したこれら平行光線同士がなす角度（変化後の角度）をθ_ｏとする。図６（ｂ）には、θ_１＝１０°，２０°，３０°に対する様々なθ_２を横軸にとり、くさび素子８の挿入による角度θ_ｉ，θ_ｏの変化率θ_ｏ／θ_ｉを縦軸にとったグラフを示す。

倍率を縮小すべき断面において倍率縮小作用を得るためには、くさび素子８の挿入によって変化率θ_ｏ／θ_ｉが１以下になる必要がある。図６（ｂ）のグラフを見ると分かるように、変化率θ_ｏ／θ_ｉが１以下になる範囲は条件（１）が満足されている範囲である。ただし、条件（１）を満足する範囲のうち、正の値のθ_１に対してθ_２の値が負になる、つまり入射面８ａと出射面８ｂがリレー光軸ＲＡに対して互いに逆方向に傾いた範囲では変化率θｏ／θ_ｉが１より大きくなる場合がある。したがって、θ_１とθ_２が同じ符号を有し（つまり入射面８ａと出射面８ｂがリレー光軸ＲＡに対して互いに同じ方向に傾き）、条件（１）を満足すれば、変化率θ_ｏ／θ_ｉが１以下になる。

さらに、くさび素子８（入射面８ａおよび出射面８ｂ）がリレー光軸ＲＡに対して傾いた方向が、ＤＭＤ６の変調面（被照明面）の法線がリレー光軸ＲＡに対して傾いた方向と同じであることが望ましい。これにより、照明エリアの外縁部の鮮鋭度をより改善することができる。以下、その理由を説明する。

図７（ａ）には、図４（ａ）と同様に、ロッドインテグレータ４の射出面を物体面Ｏとし、ＤＭＤ６の変調面を像面Ｉとしたときの結像関係を示す。像面Ｉの法線Ｎは、ＤＭＤ６の変調面の法線を意味する。

図７（ａ）には、リレー光学系５内にくさび素子８が配置されていない場合を示す。この場合、照明光は像面Ｉにその法線Ｎに対して斜めに入射するため、像面Ｉがリレー光軸ＲＡに対して傾いている。これにより、物体面Ｏ上の中心点Ｆ１からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の焦点位置Ｐ１は像面Ｉ上に位置するが、周辺点Ｆ２からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の焦点位置Ｐ２は像面Ｉに対して後側にずれる。また、周辺点Ｆ３からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の焦点位置Ｐ３は像面Ｉに対して前側にずれる。これにより、デフォーカスが生じ、照明エリアの外縁部の鮮鋭度が低下する。

一方、図７（ｂ）には、リレー光学系５内にくさび素子８が配置され、該くさび素子８がリレー光軸ＲＡに対して、像面Ｉの法線Ｎがリレー光軸ＲＡに対して傾いた方向と同じ方向に傾いている場合を示す。この場合、物体面Ｏ上の周辺点Ｆ２からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の光路は、くさび素子８が配置されていない場合に比べてリレー光軸ＲＡから離れ、その光路長が長くなる。この結果、周辺点Ｆ２からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の焦点位置Ｐ２は、くさび素子８が配置されていない場合に比べて像面Ｉに近づく。一方、周辺点Ｆ３からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の光路は、くさび素子８が配置されていない場合に比べてリレー光軸ＲＡに近づき、その光路長が短くなる。この結果、周辺点Ｆ３からの光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の焦点位置Ｐ２も、くさび素子８が配置されていない場合に比べて像面Ｉに近づく。

このように、くさび素子８のリレー光軸ＲＡに対する傾き方向が、ＤＭＤ６の変調面（被照明面）の法線Ｎのリレー光軸ＲＡに対する傾き方向と同じであると、照明エリアの外縁部の鮮鋭道をより改善することができる。

なお、本実施例では、光変調素子としてＤＭＤを用いる場合について説明したが、他の光変調素子を用いてもよい。また、本実施例では、画像投射装置に用いられる照明光学系について説明したが、同様に構成される照明光学系を他の装置において、光源からの照明光に被照明面上にて所定形状の照明エリアを形成させるために用いることもできる。

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。

１ 光源
α 第１の光学系
β 第２の光学系
６ ＤＭＤ
８ くさび素子

Claims (7)

1. 光源からの光束をその光束断面形状が被照明面の矩形形状に近づくように整形する第１の光学系と、前記被照明面の法線に対して傾いた光軸を有し、前記第１の光学系からの光束を前記被照明面に導く第２の光学系とを含む照明光学系であって、
   前記第２の光学系の前記光軸と前記被照明面の前記法線とを含む平面内において前記第２の光学系の前記光軸に対してなす傾き角度が互いに異なる２つの平面である入射面および出射面を有する透光素子を含み、
   前記透光素子は、前記第１の光学系と前記被照明面との間に配置されていることを特徴とする照明光学系。
2. 前記透光素子は、前記第２の光学系内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記透光素子は、前記第２の光学系内において前記光源の像が形成される位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
4. 前記透光素子の前記入射面および前記出射面はいずれも前記第２の光学系の前記光軸に対して同じ方向に傾いており、前記入射面および前記出射面の前記第２の光学系の前記光軸に対する傾き角度をそれぞれθ_１およびθ_２とするとき、
   θ_１＞θ_２
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の照明光学系。
5. 前記透光素子が前記第２の光学系の前記光軸に対して傾いた方向が、前記被照明面の前記法線が前記第２の光学系の前記光軸に対して傾いた方向と同じであることを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の照明光学系と、
   前記被照明面に配置された光変調素子とを有し、
   光源からの光束を前記光変調素子に導き、該光変調素子により変調された光束を被投射面に投射することを特徴とする画像投射装置。
7. 前記光変調素子は、該光変調素子の変調面に対して傾くように回動が可能な複数のミラーを含むデジタルマイクロミラーデバイスであり、
   前記第２の光学系の前記光軸は、前記変調面の法線に対して傾いていることを特徴とする請求項６に記載の画像投射装置。