JP2015230866A - 照明光学系及び投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より均一な輝度分布の光を出射することができる照明光学系を提供する。
【解決手段】照明光学系は、第１の方向に並んだ複数の固体光源１２と、第１の光線重合手段２１と、第２の光線重合手段２３と、を有する。第１の光線重合手段２１は、複数の固体光源１２から出射した光線の各々を複数の分割光線に分割するとともに、複数の固体光源のうちの１つから出射した光線から生成された複数の分割光線と、複数の固体光源のうちの別の１つから出射した光線から生成された複数の分割光線と、を重ね合わせて出射する。第２の光線重合手段２３は、第１の光線重合手段２１から出射した光線の各々を複数の分割光線に分割するとともに、第１の光線重合手段２１から出射した複数の光線のうちの１つから生成された複数の分割光線と、第１の光線重合手段２１から出射した複数の光線のうちの別の１つから生成された複数の分割光線と、を重ね合わせて出射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の固体光源を含む照明光学系及び投写型表示装置に関する。

プロジェクタのような投写型表示装置は、一般に、照明光学系として白熱ランプを有する。近年、白熱ランプの代わりに、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザ光源などの固体光源を用いた投写型表示装置が開発されている。１つの固体光源から出射される光は、一般に、白熱ランプから出射される光よりも暗い。そのため、複数の固体光源を同一平面上に配列することにより、照明光学系から出射した光線全体から成る光束の光量を増大させている。

複数の固体光源は離散的に配置されているため、複数の光線から成る光束全体の輝度分布は不均一になる。そのため、通常、インテグレータを用いて複数の固体光源から出射された光の輝度分布を均一化する。しかしながら、固体光源の配置間隔が大きいと、インテグレータを用いても十分に輝度分布を均一化することができないことがある。

そこで、特許文献１に記載の照明光学系では、複数の固体光源を含む光源部から出射した複数の光線のそれぞれを２つの分割光線に分割するとともに、２つの分割光線の光軸が互いに重ならないように出射するビームスプリッタアレイが用いられる。このビームスプリッタアレイは、各々が１つの固体光源に対応して設けられた複数のビームスプリッタを備えている。各ビームスプリッタはハーフミラー及び反射ミラーを備える。ハーフミラーは、対応する１つの固体光源から出射した光線の半分を透過させ、残りの半分を反射ミラーに向けて反射する。反射ミラーは、ハーフミラーによって反射された光を、ハーフミラーを透過した光の透過方向と同じ方向に反射させる。

特許文献２に記載の照明光学系では、離散的に配置された複数の固体光源に伴う輝度分布の不均一性を改善するため、複数の固体光源を含む光源部から出射した複数の光線のそれぞれを２つの分割光線に分割するとともに、２つの分割光線の光軸が互いに重ならないように出射する光分布調整手段が用いられている。この光分布調整手段は、複数の偏光ビームスプリッタを備えている。固体光源から出射した光のうちＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタを透過する。一方、固体光源から出射した光のうちＰ偏光成分は、偏光ビームスプリッタで反射し、隣接する偏光ビームスプリッタに入射し、当該隣接する偏光ビームスプリッタで反射して、偏光ビームスプリッタを透過したＳ偏光成分と平行な方向に進む。なお、特許文献２は、偏光ビームスプリッタの分離面の代わりにハーフミラーを用いてもよいことを開示している。

特許文献３に記載の照明光学系では、ロッドインテグレータの入射側に、光源からの光を複数の光束に分割する光束分割手段が設けられている。この光束分割手段は、複数のハーフミラーと、複数のハーフミラーを挟んで両側に配置された全反射ミラーと、を有する。

特開２０１２−１２３９４８号公報 特開２００５−２０８３８７号公報 特開２００７−３１６２９５号公報

特許文献１及び特許文献２に記載の照明光学系は、個々の固体光源から出射した光線を分割し、個々の分割光線の光軸が重ならないように光線の本数を増やすことによって、光線全体から成る光束の輝度分布を均一化させている。

しかしながら、固体光源どうし間で光線の明るさにバラつきがある場合、光線の本数を増やすだけでは、光線どうしの間の明るさのバラつきを解消することはできない。また、いずれかの固体光源が故障等により点灯しない場合には、複数の光線の中に局所的に光線が配置されないところが生じ、光束全体において局所的な輝度の低下が生じる。したがって、輝度分布の均一化には改善の余地が残されている。

なお、特許文献３に記載の照明光学系は、ロッドインテグレータの長さが比較的短くとも十分な照明光の均一性が得られる小型で高効率な照明装置を提供することを目的としており、特許文献３はロッドインテグレータの入射側で光束を分割することを開示するだけである。特許文献３も、上述した課題について教示していない。

本発明の目的は、より均一な輝度分布の光を出射することができる照明光学系を提供することにある。また、本発明の他の目的は、当該照明光学系を含む投写型表示装置を提供することにある。

一態様に係る照明光学系は、照明光学系は、少なくとも第１の方向に並んだ複数の固体光源と、第１の光線重合手段と、第２の光線重合手段と、を有する。第１の光線重合手段は、上記第１の方向に並んだ複数の固体光源から出射した光線の各々を複数の分割光線に分割するとともに、上記第１の方向に並んだ複数の固体光源のうちの１つから出射した光線から生成された複数の分割光線と、上記第１の方向に並んだ複数の固体光源のうちの別の１つから出射した光線から生成された複数の分割光線と、を重ね合わせて固体光源の光軸に沿った方向に出射する。第２の光線重合手段は、第１の光線重合手段から出射した光線の各々を複数の分割光線に分割するとともに、第１の光線重合手段から出射した複数の光線のうちの１つから生成された複数の分割光線と、第１の光線重合手段から出射した複数の光線のうちの別の１つから生成された複数の分割光線と、を重ね合わせて固体光源の光軸に沿った方向に出射する。

一態様に係る投写型表示装置は、上記の照明光学系と、照明光学系から出射した光から画像光を形成する画像形成素子と、画像形成素子で形成された画像光を投写する投写レンズと、を有する。

本発明に係る照明光学系は、より均一な輝度分布の光を出射することができる。

第１の実施形態に係る照明光学系の構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係る照明光学系に備えられた第１及び第２の光線重合手段の構成の一例を示す概略図である。 第１の実施形態に係る照明光学系に備えられた第１及び第２の光線重合手段の構成の別の一例を示す概略図である。 第１の実施形態に係る照明光学系において、複数の固体光源のうちの第１の固体光源から出射した光線の光路を示している。 第１の実施形態に係る照明光学系において、複数の固体光源のうちの第２の固体光源から出射した光線の光路を示している。 第２の実施形態に係る照明光学系の構成を示す概略図である。 第２の実施形態に係る照明光学系において、複数の固体光源のうちの第１の固体光源から出射した光線の光路を示している。 第２の実施形態に係る照明光学系において、複数の固体光源のうちの第２の固体光源から出射した光線の光路を示している。 第３の実施形態に係る照明光学系の構成を示す概略図である。 図９と同じ方向から見たときの光線の光路を示す模式図である。 図９の矢印１１Ａの方向から見たときの光線の光路を示す模式図である。 各ポジションにおける光線の位置を示す模式図である。 一実施形態に係る投写型表示装置の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る照明光学系の構成を示す概略図である。第１の実施形態に係る照明光学系は、複数の固体光源１２と、第１の光線重合手段２１と、第２の光線重合手段２３と、を有する。

固体光源１２は、例えば発光ダイオード又はレーザ光源などであってよい。複数の固体光源１２は、互いに平行な方向に光線を出射するように配置されている。複数の固体光源１２は、少なくとも第１の方向に沿って配列されていてよい。また、複数の固体光源１２は、第１の方向と、第１の方向と交差する第２の方向と、に沿って２次元的に配列されていてもよい。

照明光学系は、各固体光源１２から出射した光線を平行光にするコリメートレンズ１４を有していてもよい。コリメートレンズ１４は、固体光源１２と第１の光線重合手段２１との間に設けられる。コリメートレンズ１４は、固体光源１２の各々に対応して複数設けられていることが好ましい。

図２は、第１及び第２の光線重合手段２１，２３の構成の一例を示す概略図である。第１及び第２の光線重合手段２１，２３は、それぞれ複数の第１及び第２の光線分離面２２，２４を備えたプリズムから構成されていてよい。光線分離面２２，２４は、入射光を透過光と反射光に分離する。第１の光線重合手段２１は、一例として、大きい立方体形状の複数のプリズム素子から形成されたプリズム群から形成されていてよい。第２の光線重合手段２３は、小さい立方体形状の複数のプリズム素子から形成されたプリズム群から形成されていてよい。これらのプリズム素子の各々には、当該プリズム素子を対角線状に半分に分離するように光線分離面２２，２４が形成されている。第１の光線重合手段２１を構成する複数のプリズム素子は互いに貼り合わされて一体化されていてよい。第２の光線重合手段２３を構成する複数のプリズム素子は互いに貼り合わされて一体化されていてよい。

第１の光線重合手段２１を構成する正四角柱形状のプリズム素子は、第２の光線重合手段２３を構成する正四角柱形状のプリズム素子の２倍の大きさを有することが好ましい。第２の光線重合手段２３を構成するプリズム素子のうちの一部は、第１の光線重合手段２１を構成するプリズム素子と中心を一致して配置されていてよい。第２の光線重合手段２３を構成するプリズム素子と中心を一致して配置された小さいプリズム素子どうしの間に、第２の光線重合手段２３を構成するプリズム素子のうちの残りの一部が配置されている。なお、本実施形態では、第１の光線重合手段２１と第２の光線重合手段２３とは、互いに貼り合わされて一体的に接合されている。

複数の第１の光線分離面２２は、固体光源１２が並んでいる第１の方向に沿った第１の配列方向に並んでいる。複数の第１の光線分離面２２は、固体光源１２の光軸に沿って入射する光線の一部を上記第１の配列方向へ反射するように互いに同じ角度で配置されている。第１の光線分離面２２は、固体光源１２の光軸に対して４５°傾いていることが好ましい。また、各々の第１の光線分離面２２は、複数の固体光源１２の各々の光軸上に設けられていることが好ましい。この場合、第１の配列方向に沿って並んだ第１の光線分離面２２の数は、第１の方向に沿って並んだ固体光源の数と同じであることが好ましい。

複数の第２の光線分離面２４は、複数の第１の光線分離面２２を挟んで複数の固体光源１２の反対側に配置されている。複数の第２の光線分離面２４は、複数の固体光源１２が並んでいる第１の方向に沿った第２の配列方向に並んでいる。第２の光線分離面２４の数は、第１の光線分離面２２よりも多い。複数の第２の光線分離面２４のうちの一部の第２の光線分離面は、第１の光線分離面２２の光軸上に配置されており、複数の第２の光線分離面２４のうちの他の一部の第２の光線分離面は、複数の第１の光線分離面２２の光軸上に配置された上記一部の第２の光線分離面どうしの間に配置されている。

複数の第２の光線分離面２４は、固体光源１２の光軸に沿って入射する光線の一部を上記第２の配列方向へ反射するように互いに同じ角度で配置されている。第２の光線分離面２４は、固体光源１２の光軸に対して４５°傾いていることが好ましい。第１の実施形態では、第２の光線分離面２４は、固体光源１２の光軸に関して第１の光線分離面２２と軸対称な角度で配置されている。

図３は、第１及び第２光線重合手段の構成の別の一例を示す概略図である。図３において、図２と同様の構成については、同一の符号を付している。図３に示すように、本例では、第１の光線重合手段２１は、第２の光線重合手段２３と離間して設けられている。この場合であっても、複数の固体光源１２から出射した光の光路は、第１の実施形態と同様になる。

次に、複数の固体光源１２から出射された光線の光路について説明する。まず、図４及び図５を参照し、複数の固体光源１２のうちの任意の１つの固体光源から出射した光線の光路について説明する。図４は、複数の固体光源１２のうちの第１の固体光源から出射した光線の光路を示しており、図５は、複数の固体光源１２のうちの第２の固体光源から出射した光線の光路を示している。

図４及び図５に示すように、１つの固体光源１２から出射した光線は、固体光源１２の光軸に沿って進み、第１の光線分離面２２に入射する。第１の光線分離面２２に入射した光線の一部は、第１の光線分離面２２を透過し、固体光源１２の光軸に沿って進み、第２の光線分離面２４に入射する。固体光源１２の光軸に沿って第１の光線分離面２２に入射した光線の残りの一部は、第１の光線分離面２２で反射し、第１の光線分離面２２の配列方向（第１の配列方向）に沿って進む。第１の配列方向に沿って進む光線は、隣接する第１の光線分離面２２に入射する。

上記第１の配列方向に沿って進む光線の一部は、第１の光線分離面２２で反射し、固体光源１２の光軸に沿った方向に進む。上記第１の配列方向に沿って進む光線の残りの一部は、第１の光線分離面２２を透過し、当該第１の配列方向に沿ってさらに隣接する第１の光線分離面２２へ入射する。

このように、複数の第１の光線分離面２２によって反射光線と透過光線の分割を繰り返すことで、１つの固体光源１２から出射した光線は、最初に入射した第１の光線分離面２２よりも下流側（図４，５では下側）に配置された第１の光線分離面２２の数に応じて分割される。ここで、「下流」とは、最初に入射した第１の光線分離面２２で反射した光線の進行方向における下流を意味する。

上記第１の配列方向における最下流側の第１の光線分離面２２に隣接して、反射ミラー２７が設けられていることが好ましい。反射ミラー２７は、入射光を全反射させる全反射ミラーであってよい。反射ミラー２７は、第１の光線分離面２２を構成するプリズムと一体的に形成されたプリズムで構成されていてよい。反射ミラー２７は、最下流側の第１の光線分離面２２を経て第１の配列方向（図４，５では下方向）へ進む光線を、固体光源１２の光軸に沿った方向に反射させることができる。

上記のように、第１の光線重合手段２１は、第１の方向に並んだ複数の固体光源１２から出射した光線の各々を複数の分割光線に分割して固体光源１２の光軸に沿った方向に出射する。これとともに、第１の光線重合手段２１は、第１の方向に並んだ複数の固体光源１２のうちの１つ（第１の固体光源）から出射した光線から生成された複数の分割光線のうちの一部と、第１の方向に並んだ複数の固体光源１２のうちの別の１つ（第２の固体光源）から出射した光線から生成された複数の分割光線と、を重ね合わせて固体光源１２の光軸に沿った方向に出射する。

複数の第１の光線分離面２２を経由して複数に分割された分割光線は、固体光源１２の光軸に沿って進み、複数の第２の光線分離面２４に入射する。固体光源１２の光軸に沿って第２の光線分離面２４に入射した光線の一部は、第２の光線分離面２４を透過し、固体光源１２の光軸に沿って直進する。固体光源１２の光軸に沿って第２の光線分離面２４に入射した光線の残りの一部は、第２の光線分離面２４で反射し、第２の光線分離面２４の配列方向（第２の配列方向）に沿って進む。第２の配列方向に沿って進む光線は、隣接する第２の光線分離面２４に入射する。ここで、第１の実施形態では、第２の光線分離面２４は、固体光源１２の光軸に関して第１の光線分離面２２と軸対称な角度で配置されている。したがって、上記第２の配列方向に沿って進む光線は、第１の光線分離面２２を経由して第１の配列方向に沿って進む光線とは逆方向（図４，５では上方向）に進む。

上記第２の配列方向に沿って進む光線の一部は、第２の光線分離面２４で反射し、固体光源１２の光軸に沿った方向に進む。上記第２の配列方向に沿って進む光線の残りの一部は、第２の光線分離面２４を透過し、上記第２の配列方向に沿ってさらに隣接する第２の光線分離面２４へ入射する。

第２の配列方向における最下流側の第２の光線分離面２４に隣接して、反射ミラー２８が設けられていることが好ましい。ここで、「下流」とは、第２の光線分離面を経て第２の配列方向へ進む光線の進行方向における下流を意味する。反射ミラー２８は、入射光を全反射させる全反射ミラーであってもよい。反射ミラー２８は、第２の光線分離面２４を構成するプリズムと一体的に形成されたプリズムで構成されていてよい。反射ミラー２８は、最下流側の第２の光線分離面２４を経て第２の配列方向へ進む光線を、固体光源１２の光軸に沿った方向に反射させることができる。

また、複数の第２の光線分離面２４の最上流側の第２の光線分離面２４は、反射ミラー２９に置き換えられてもよい。この反射ミラー２９は、第２の光線分離面２４を構成するプリズムと一体的に形成されたプリズムで構成されていてよい。

上記のように、複数の第２の光線分離面２４によって反射光線と透過光線との分割を繰り返すことで、第１の光線重合手段２１から第２の光線重合手段２３に入射する光線の各々は、第２の光線分離面２４の数に応じた光線に分割される。これとともに、第２の光線重合手段２３は、第１の光線重合手段２１から出射した複数の光線のうちの１つから生成された複数の分割光線と、第１の光線重合手段２１から出射した複数の光線のうちの別の１つから生成された複数の分割光線と、を重ね合わせて出射する。

第２の光線分離面２４は、第１の光線分離面２２よりも密に配置されているので、より多くの分割光線を生成することができ、固体光源１２の光軸どうしの間にも分割光線を配置することができる。このように、固体光源の光軸どうしの間に分割光線を配置することで、固体光源１２どうしの間の距離が離れていたとしても、複数の固体光源１２から出射した光線全体から成る光速の輝度分布を均一化することができる。

図４と図５を見比べると解るように、複数の固体光源１２のうちの第１の固体光源から出射して第１及び第２の光線重合手段２１，２３を通過した光線は、複数の固体光源１２のうちの第２の固体光源から出射して第１及び第２の光線重合手段２１，２３を通過した光線と同じ光路となり、互いに重ね合わされる。このように、第１の方向に沿って配列した複数の第１の固体光源の各々から出射した光線は、互いに重ね合わせられて出射される。

これにより、第１及び第２の光線重合手段２１，２３により形成された複数の光線の各々の明るさは、第１の方向に沿って並んだ複数の固体光源１２のすべてからの寄与を受け、平均化されたものとなる。したがって、固体光源１２どうし間で光線の明るさにバラつきがあったり、いずれかの固体光源１２が点灯しなかったりした場合であっても、第１及び第２の光線重合手段２１，２３を通過した光線間の輝度のばらつきは抑制される。その結果、これらの光線の集合から成る光束全体における局所的な輝度の低下を抑制することができ、より均一な輝度分布の光を出射することができる。

光線分離面２２，２４を透過する光の光量と光線分離面２２，２４で反射する光の光量との比は、必要に応じて適宜設計すればよい。光線分離面２２，２４ごとに透過光と反射光の光量の比を変えてもよい。例えば、各光線分離面２２，２４での透過光と反射光との比は、第１及び第２の光線重合手段２１，２３を通過した光線から成る光束全体の輝度分布ができるだけ均一になるように設定されることが好ましい。この代わりに、すべての光線分離面２２，２４において透過光と反射光の光量の比を同一にしてもよい。例えば、各光線分離面２２，２４での透過光と反射光との比を１対１に設定してもよい。この場合、光線分離面２２，２４は、ハーフミラーを構成する。

照明光学系は、第１及び第２の光線重合手段２１，２３により重ね合わせられた光線全体から成る光束の輝度分布を均一化させるインテグレータをさらに有していてもよい。インテグレータは、一対のフライアイレンズから構成されていることが好ましい。

照明光学系は、第１及び第２の光線重合手段２１，２３により重ね合わせられた光線全体から成る光束を、より小さい光束径を有する光束にするレンズ系を有していてもよい。このレンズ系は、光線全体から成る光束を集光する集光レンズ１６と、集光レンズ１６で集光された光束を平行光にするレンズ１８と、を含んでいてよい。複数の固体光源１２から出射した光線全体から成る光束の径は、複数の固体光源１２の設置領域の広さに応じて大きくなる。このレンズ系１６，１８は、当該光束が通過すべき以降の光学系又は後述する投写型表示装置の有効径に合わせて、光束径を小さくすることができる。

図１には、１列に並んだ複数の固体光源１２と、１列に並んだ複数の第１及び第２の光線分離面２２，２４とが示されている。実際には、固体光源１２は、複数列に並んでいてよい。この場合、第１及び第２の光線重合手段２１，２３も、固体光源１２の列に合わせて複数列に並んでいることが好ましい。

図６は、第２の実施形態に係る照明光学系の構成を示す概略図である。図６において、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。また、第１の実施形態と同様の構成については、その説明を省略する。

第１の実施形態では、第２の光線重合手段２３の第２の光線分離面２４は、固体光源１２の光軸に関して第１の光線分離面２２と軸対称な角度で配置されている。これに代えて、第２の実施形態では、第２の光線重合手段２３の第２の光線分離面２４は、第１の光線重合手段２１の第１の光線分離面２２と同じ角度で配置されている。また、図６において、第２の光線分離面２４の列の最も下側の光線分離面の下に反射ミラー２８が配置されている。反射ミラー２８は、第２の光線分離面２４と同じ角度で配置されている。

次に、第２の実施形態において、固体光源１２から出射された光線の光路について説明する。まず、図７及び図８を参照し、複数の固体光源１２のうちの任意の１つの固体光源から出射した光線の光路について説明する。図７は、複数の固体光源１２のうちの第１の固体光源から出射した光線の光路を示している。図８は、複数の固体光源１２のうちの第２の固体光源から出射した光線の光路を示している。

第１及び第２の固体光源から出射した光線は、第１の実施形態とほぼ同様に、第１の光線分離面２２及び第２の光線分離面２４で分割される。しかしながら、第２の実施形態では、第２の光線分離面２４は、第１の光線分離面２２と同じ角度で配置されている。そのため、第２の光線分離面２４を経て第２の光線分離面２４の配列方向（第２の配列方向）に沿って進む光線は、第１の光線分離面２２を経て第１の光線分離面２２の配列方向（第１の配列方向）に沿って進む光線と同じ方向（図７及び図８では下方）に進む。

図７及び図８から解るように、ある固体光源から出射された光線は、最初に入射した第１の光線分離面２２よりも下方に配置された第２の光線分離面２４の数に応じて分割される。これは、ある固体光源から出射された光線は、最初に入射した第１の光線分離面２２よりも上方に配置された第２の光線分離面２４を通らないからである。

この場合であっても、図６〜図８で下側に配置された第２の固体光源から出射された光線から得られた複数の分割光線の全ては、それよりも上側に配置された第１の固体光源から出射された光線から得られた複数の分割光線のうちの一部と同一の光路を通り、重ね合わせられる。したがって、固体光源１２どうし間で光線の明るさにバラつきがあったり、いずれかの固体光源１２が点灯しなかったりした場合に、第１及び第２の光線重合手段２１，２３を通過した光線どうしの間での輝度のばらつきを抑制する効果がある程度認められる。ただし、複数の固体光源１２から出射された光線全体から成る光束の輝度分布の均一性を向上させるという観点では、第１の実施形態で示す第１及び第２の光線重合手段２１，２３の組み合わせの方がより効果が高い。

第２の実施形態に係る第１の光線重合手段２１は、第２の光線重合手段２３と接合されて一体化されている。これに代えて、第１の光線重合手段２１は、第２の光線重合手段２３と離間して設けられていてもよい。

図９は、第３の実施形態に係る照明光学系の構成を示す概略図である。図９において、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。また、第１の実施形態と同様の構成については、その説明を省略する。

第３の実施形態に係る照明光学系では、複数の固体光源１２は、第１の方向（Ｘ方向）と、第１の方向に交差する第２の方向（Ｙ方向）と、に沿って２次元的に配列されている。例えば、複数の固体光源１２は、正方格子状に配置されていてよい。この場合、複数の固体光源１２は、第１の方向に沿って複数列に配列されており、第１の方向に直交する第２の方向に沿って複数列に配列されている。

第３の実施形態に係る照明光学系は、第１〜第４の光線重合手段２１，２３，９１，９３を有する。第１〜第４の光線重合手段２１，２３，９１，９３の構成は、上述したいずれかの光線重合手段と同じであってよい。また、第３の光線重合手段９１は、第１の光線重合手段２１と同一のものであってもよい。この場合、第３の光線重合手段９１は、第１の光線重合手段２１を、その光軸まわりに、第１の方向と第２の方向が成す角度だけ回転させて配置したものであってよい。さらに、第４の光線重合手段９３は、第２の光線重合手段２３と同一のものであってもよい。この場合、第４の光線重合手段９３は、第２の光線重合手段２３を、その光軸まわりに、第１の方向と第２の方向が成す角度だけ回転させて配置したものであってよい。

第１及び第２の光線重合手段２１，２３を構成する複数の第１及び第２の光線分離面２２，２４は、それぞれ第１の固体光源１２が並んだ第１の方向に沿った第１の配列方向に並べられている。第１の固体光源１２が第１の方向に沿って複数列配列されている場合、第１及び第２の光線重合手段２１，２３の第１及び第２の光線分離面２２，２４も、第１の配列方向に沿って複数列配列されていることが好ましい。一方、第３及び第４の光線重合手段９１，９３を構成する複数の第１及び第２の光線分離面２２，２４は、それぞれ第１の固体光源１２が並んだ第２の方向に沿った第２の配列方向に並べられている。第１の固体光源１２が第２の方向に沿って複数列配列されている場合、第３及び第４の光線重合手段９１，９３の第１及び第２の光線分離面２２，２４も、第２の配列方向に沿って複数列配列されていることが好ましい。

第１及び第２の光線重合手段２１，２３は、第１の実施形態と同様に、第１の方向に並んだ複数の固体光源１２から出射した光線の各々を複数の分割光線に分割する。それとともに、第１及び第２の光線重合手段２１，２３は、第１の方向に並んだ複数の固体光源のうちの１つから出射した光線から生成された複数の分割光線と、第１の方向に並んだ複数の固体光源のうちの別の１つから出射した光線から生成された複数の分割光線と、を重ね合わせて固体光源の光軸に沿った方向に出射する。

第３の光線重合手段９１は、第２の方向に並んだ複数の固体光源１２から出射した光線の各々を複数の分割光線に分割する。それとともに、第３の光線重合手段９１は、第２の方向に並んだ複数の固体光源のうちの１つから出射した光線から生成された複数の分割光線と、第２の方向に並んだ複数の固体光源のうちの別の１つから出射した光線から生成された複数の分割光線と、を重ね合わせて固体光源１２の光軸に沿った方向に出射する。

第４の光線重合手段９３は、第３の光線重合手段９１から出射した光線の各々を複数の分割光線に分割する。それとともに、第４の光線重合手段９３は、第３の光線重合手段９１から出射した複数の光線のうちの１つから生成された複数の分割光線と、第３の光線重合手段９１から出射した複数の光線のうちの別の１つから生成された複数の分割光線と、を重ね合わせて固体光源１２の光軸に沿った方向に出射する。

図１０は、図９と同じ方向から見たときの光線の光路を示す模式図である。図１１は、図９の矢印１１Ａの方向から見たときの光線の光路を示す模式図である。図１２（Ａ）は、図１０及び図１１における矢印１２Ａの位置における複数の光線の位置を示す模式図であり、第１の光線重合手段２１を通過する前の光線の位置を示している。図１２（Ｂ）は、図１０及び図１１における矢印１２Ｂの位置における複数の光線の位置を示す模式図であり、第２の光線重合手段２３と第３の光線重合手段９１との間での光線の位置を示している。図１２（Ｃ）は、図１０及び図１１における矢印１２Ｃの位置における複数の光線の位置を示す模式図であり、第４の光線重合手段９３を通過した後の光線の位置を示している。

本例では、第１の光線重合手段２１に入射する前に、２行２列に配列した固体光源１２に合わせて、第１の方向（Ｘ方向）に２つ、かつ第２の方向（Ｙ方向）に２つの光線３０がある（図１２（Ａ）参照）。これらの光線は、第１及び第２の光線重合手段２１，２３で第１の方向（Ｘ方向）に分割される。そのため、第２の光線重合手段２３と第３の光線重合手段９１との間では、第１の方向（Ｘ方向）に６つ、かつ第２の方向（Ｙ方向）に２つの光線３０がある（図１２（Ｂ）参照）。このとき、第１の方向に並んだ光線は、互いに重ね合わせられて平均化されている。これらの光線は、第３及び第４の光線重合手段９１，９３で第２の方向（Ｙ方向）に分割される。そのため、第４の光線重合手段９３を通過した後では、第１の方向（Ｘ方向）に６つ、かつ第２の方向（Ｙ方向）に６つの光線３０がある（図１２（Ｃ）参照）。このとき、第２の方向に並んだ光線は、互いに重ね合わせられて平均化されている。

このように、第１〜第４の光線重合手段２１，２３，９１，９３を用いることで、複数の固体光源１２から出射した光線を、第１の方向と第２の方向とに２次元的に分割することができる。さらに、第１〜第４の光線重合手段２１，２３，９１，９３を経た光線は、第１の方向に沿った固体光源１２からの寄与を平均化しただけでなく、第２の方向に沿った固体光源１２からの寄与をも平均化したものになる。したがって、これらの光線の集合から成る光束全体における局所的な輝度の低下をさらに抑制することができ、より均一な輝度分布の光を得ることができる。

図１３は、一実施形態に係る投写型表示装置の概略構成を示している。投写型表示装置は、照明光学系１０ａ，１０ｂ，１０ｃと、照明光学系から出射した光から画像光を形成する画像形成素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃと、画像形成素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃで形成された画像光を投写する投写レンズ３１と、を有する。本実施形態では、投写型表示装置は、３つの照明光学系１０ａ，１０ｂ，１０ｃを有する。これらの照明光学系１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、上述したいずれかの実施形態に係る照明光学系と同様の構成を有する。これに代えて、照明光学系１０ａ，１０ｂ，１０ｃの少なくとも１つが、上述したいずれかの実施形態に係る照明光学系と同様の構成を有していればよい。

第１の照明光学系１０ａは、赤色光を出射する複数の固体光源を含んでいてよい。第２の照明光学系１０ｂは、緑色光を出射する複数の固体光源を含んでいてよい。第３の照明光学系１０ｃは、青色光を出射する複数の固体光源を含んでいてよい。これにより、第１〜第３の照明光学系１０ａ〜１０ｃは、それぞれ赤色光、緑色光及び青色光を出射することができる。

第１〜第３の照明光学系１０ａ〜１０ｃから出射した赤色光、緑色光及び青色光は、合成光学系により合成される。この合成光学系は、第１のダイクロイックミラー５１及び第２のダイクロイックミラー５２を含んでいてよい。

第１のダイクロイックミラー５１は、赤色光を反射し、緑色光を透過させる。これにより、第１の照明光学系１０ａから出射した赤色光と第２の照明光学系１０ｂから出射した緑色光は、第１のダイクロイックミラー５１を経て、同一の方向へ向かう。これにより、赤色光と緑色光とが合成される。

第２のダイクロイックミラー５２は、赤色光及び緑色光の合成光を透過させ、緑色光を反射する。これにより、第３の照明光学系１０ｃから出射した青色光と、赤色光及び緑色光の合成光とは、第２のダイクロイックミラー５２を経て、同一の方向へ向かう。これにより、赤色光と緑色光と青色光とが合成され、白色の照明光が形成される。合成光学系を経た照明光の主光線（光軸）は、照明光学系の光軸と平行であることが好ましい。

なお、各照明光学系１０ａ〜１０ｃから出射した光線を拡散する拡散板が、合成光学系よりも前に設けられていてもよい。拡散板は、固体光源からの光線がより均一に分散させることができる。

合成光学系で合成された合成光は、インテグレータとして機能する一対のフライアイレンズ３２、フィールドレンズ３４，３５を通過する。レンズ３５を通過した光は、ダイクロイックミラー３６，３７によって各色の光に分離される。具体的には、ダイクロイックミラー３６は、赤色光を反射し、緑色光及び青色光を透過する。ダイクロイックミラー３６で反射した赤色光は、反射ミラー４０で反射して第１の透過型の画像形成素子（ライトバルブ）４４ａに入射する。

ダイクロイックミラー３６を透過した緑色光と青色光との合成光は、ダイクロイックミラー３７に入射する。ダイクロイックミラー３７は、緑色光と青色光とを分離する。具体的には、緑色光は、ダイクロイックミラー３７で反射し、第２の透過型の画像形成素子４４ｂに入射する。

ダイクロイックミラー３７を透過した青色光は、レンズ系３８ａ，３８ｂ及び反射ミラー３９ａ，３９ｂを経由して、第３の透過型の画像形成素子４４ｃに入射する。これらの画像形成素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃは、パーソナルコンピュータやＤＶＤプレーヤ等の電子機器からの画像信号に合わせて入射光を変調する。また、各色の光は、画像形成素子４４ａ〜４４ｃに入射する前に、集光レンズ４２ａ，４２ｂ，４２ｃに入射してもよい。

第１〜第３の透過型の画像形成素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃは、液晶パネルを含むものであってよい。各画像形成素子４４ａ，４４ｂ、４４ｃが液晶パネルから構成される場合、液晶パネルの両側には、偏光板４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４５ａ，４５ｂ，４５ｃが設けられていてよい。液晶パネルは、入射光の偏光状態を画素毎に変えることができる。液晶パネルと偏光板４３ａ〜４３ｃ，４５ａ〜４５ｃとの作用により、各色の光を画像光として投写することができる。

画像形成素子４４ａ〜４４ｃを通過した各色の光は、クロスダイクロイックプリズム４６に入射する。各色の光は、クロスダイクロイックプリズム４６によって合成された後、投写レンズ３１を通ってスクリーンなどに投影される。このようにして、画像形成素子４４ａ〜４４ｃで形成された画像光がスクリーンなどの被投写体に拡大投写される。

上記実施形態に係る投写型表示装置では、合成光学系５１，５２により３色の光を合成した後、分離光学系３６，３７により再び各々の色の光に分離している。このような構成に限らず、各照明光学系１０ａ〜１０ｃから出射した各色の光を合成することなく、それぞれに対応する液晶パネル４４ａ〜４４ｃに入射させても良い。また、上記実施形態に係る投写型表示装置は、透過型の画像形成素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃを有するものである。これに代えて、投写型表示装置は、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）のような反射型の画像形成素子を有するものであってもよい。

以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲の趣旨又は範囲から逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。

１２ 固体光源
２１ 第１の光線重合手段
２２ 第１の光線分離面
２３ 第２の光線重合手段
２４ 第２の光線分離面
９１ 第３の光線重合手段
９３ 第４の光線重合手段
２７，２８，２９ 反射ミラー
３１ 投写レンズ
３２，３４ フライアイレンズ
４４ａ，４４ｂ，４４ｃ 画像形成素子

Claims (10)

1. 少なくとも第１の方向に並んだ複数の固体光源と、
   前記第１の方向に並んだ複数の固体光源から出射した光線の各々を複数の分割光線に分割するとともに、前記第１の方向に並んだ複数の固体光源のうちの１つから出射した光線から生成された複数の分割光線と、前記第１の方向に並んだ複数の固体光源のうちの別の１つから出射した光線から生成された複数の分割光線と、を重ね合わせて前記固体光源の光軸に沿った方向に出射する第１の光線重合手段と、
   前記第１の光線重合手段から出射した光線の各々を複数の分割光線に分割するとともに、前記第１の光線重合手段から出射した複数の光線のうちの１つから生成された複数の分割光線と、前記第１の光線重合手段から出射した複数の光線のうちの別の１つから生成された複数の分割光線と、を重ね合わせて前記固体光源の光軸に沿った方向に出射する第２の光線重合手段と、を有する、照明光学系。
2. 請求項１に記載の照明光学系であって、
   前記第１の光線重合手段は、前記第１の方向に沿った第１の配列方向に沿って並べられ、入射光を透過光及び反射光に分離する複数の第１の光線分離面を有し、
   前記第２の光線重合手段は、前記第１の方向に沿った第２の配列方向に沿って並べられ、入射光を透過光及び反射光に分離する複数の第２の光線分離面を有し、
   前記複数の第１の光線分離面は、前記固体光源の光軸に沿って入射する光線の一部を前記第１の配列方向へ反射するように互いに同じ角度で配置されており、
   前記複数の第２の光線分離面は、前記固体光源の光軸に沿って入射する光線の一部を前記第２の配列方向へ反射するように互いに同じ角度で配置されており、
   前記複数の第２の光線分離面のうちの一部の第２の光線分離面は、前記複数の第１の光線分離面の光軸上に配置されており、前記複数の第２の光線分離面のうちの他の一部の第２の光線分離面は、前記複数の第１の光線分離面の光軸上に配置された前記一部の第２の光線分離面どうしの間に配置されている、照明光学系。
3. 請求項２に記載の照明光学系であって、
   前記複数の第１の光線分離面は、前記固体光源の光軸に関して前記複数の第２の光線分離面と軸対称な角度で配置されている、照明光学系。
4. 請求項２に記載の照明光学系であって、
   前記複数の第１の光線分離面は、前記複数の第２の光線分離面と同じ角度で配置されている、照明光学系。
5. 請求項２から４のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
   前記複数の第１の光線分離面は、それぞれ前記複数の固体光源の各々の光軸上に設けられている、照明光学系。
6. 請求項２から５のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
   前記第１の配列方向に並んだ前記複数の第１の光線分離面の最下流側の第１の光線分離面に隣接して設けられ、前記最下流側の第１の光線分離面から前記第１の配列方向に沿って出射した光線を前記固体光源の光軸に沿った方向へ反射する第１の反射ミラーと、前記第２の配列方向に並んだ前記複数の第２の光線分離面の最下流側の第２の光線分離面に隣接して設けられ、前記最下流側の第２の光線分離面から前記第２の配列方向に沿って出射した光線を前記固体光源の光軸に沿った方向へ反射する第２の反射ミラーと、の少なくとも一方を有する、照明光学系。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
   前記第１の光線重合手段及び前記第２の光線重合手段から出射した光線全体から成る光束の照度分布を均一化させるインテグレータを有する、照明光学系。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
   前記第１の光線重合手段及び前記第２の光線重合手段から出射した光線全体から成る光束を、より小さい光束径を有する光束にするレンズ系を有する、照明光学系。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
   前記複数の固体光源は、前記第１の方向と、前記第１の方向に交差する第２の方向と、に沿って２次元的に配列されており、
   前記第２の方向に並んだ複数の固体光源から出射した光線の各々を複数の分割光線に分割するとともに、前記第２の方向に並んだ複数の固体光源のうちの１つから出射した光線から生成された複数の分割光線と、前記第２の方向に並んだ複数の固体光源のうちの別の１つから出射した光線から生成された複数の分割光線と、を重ね合わせて前記固体光源の光軸に沿った方向に出射する第３の光線重合手段と、
   前記第３の光線重合手段から出射した光線の各々を複数の分割光線に分割するとともに、前記第３の光線重合手段から出射した複数の光線のうちの１つから生成された複数の分割光線と、前記第３の光線重合手段から出射した複数の光線のうちの別の１つから生成された複数の分割光線と、を重ね合わせて前記固体光源の光軸に沿った方向に出射する第４の光線重合手段と、を有する、照明光学系。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の照明光学系と、
    前記照明光学系から出射した光から画像光を形成する画像形成素子と、
    前記画像形成素子で形成された画像光を投写する投写レンズと、を有する、投写型表示装置。

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