JP2016180818A - 照明光学系及びこれを用いた投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、投射画像の明るさの低下と、光源からの光によるユーザーへの影響を抑制することが可能な照明光学系及びこれを用いた投射型表示装置を提供することである。
【解決手段】 照明光学系が、反射率が互いに異なるとともに互いに平行な第１面と第２面とを有する多重反射素子１１と、コリメータレンズ１２、フライアイレンズＡ１３と、フライアイレンズＢ１４とを備える。そして、フライアイレンズＡが備える複数のレンズセルのうち所定のレンズセルは、第１面と第２面からの光束を用いてフライアイレンズＢが備える複数のレンズセルのうち対応するレンズセル内の互いに異なる位置に複数の光源像を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明光学系及びこれを用いた投射型表示装置に関する。

近年、レーザーダイオード（以下、ＬＤ）光源やＬＥＤ光源などの固体光源を用いたプロジェクターが開発されている。固体光源を用いることで、水銀ランプを光源とした場合よりもプロジェクターの輝度をより長く維持することが可能となる。

固体光源は水銀ランプと比較して発光点が小さいために、光源像のエネルギー密度がより高くなり、水銀ランプの場合よりも固体光源の場合の方が、眼底に結像する光源像のエネルギー密度が高くなる。

このような固体光源を用いたプロジェクターを使用している際に、ユーザーが不意に投射レンズを直接覗き込んでしまうと、水銀ランプの場合よりも眩しく感じるおそれがある。

このため、固体光源を用いたプロジェクターは、光源からの光によるユーザーへの影響を抑制する必要がある。

光源からの光によるユーザーへの影響を抑制することが可能な技術として、特許文献１及び特許文献２に記載の技術が知られている。

特許文献１には、プロジェクターの照射領域に人が立ち入ったかどうかを周期的に監視し、照射領域に人が立ち入ったことが確認された場合、プロジェクターからの光の強度を低減させる、あるいは遮断する技術が開示されている。これにより、ユーザーが投射レンズを覗き込む可能性がある状況において、光源からの光によるユーザーへの影響を抑制することが可能となる。

特許文献２には、温度が所定の温度よりも低い場合に青色のＬＤ光源に供給する電流量を減らす技術が開示されている。これにより、温度が低下すると発光効率が上昇する性質を持つＬＤ光源を用いたプロジェクターにおいて、プロジェクターの使用環境に寄らずに光源からの光によるユーザーへの影響を抑制することが可能となる。

特開２００５−３５２１７２号公報 特開２０１３−７９６７号公報

前述の特許文献１及び２においては、光源からの光によるユーザーへの影響を抑制するために、光源からの光の強度を低下させる、あるいは、光源からの光の一部を遮断する手法を用いている。

しかしながら、このような手法の場合には、投射画像の明るさが低下してしまうおそれがある。

そこで、本発明の目的は、投射画像の明るさの低下と、光源からの光によるユーザーへの影響を抑制することが可能な照明光学系及びこれを用いた投射型表示装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の照明光学系は、
投射光学系を備える装置用の照明光学系であって、
反射率が互いに異なるとともに互いに平行で、光源からの光束を反射する第１の反射面と第２の反射面とを有する光学素子と、
前記光学素子からの光束の進行方向を変換するレンズユニットと、
複数のレンズセルを備え、前記レンズユニットからの光束を受光する第１のレンズアレイと、
複数のレンズセルを備え、前記第１のレンズアレイからの光束を受光する第２のレンズアレイと、を備え、
前記光源からの光束に含まれる複数の光線は、前記光源から前記光学素子に近づくにつれて互いの距離を広げるように進み、
前記第１の反射面及び前記第２の反射面は、前記レンズユニットの光軸に対して傾いており、
前記第１の反射面は、前記第２の反射面よりも前記光源に近い位置に設けられているとともに、前記光源からの光束の一部を反射して前記コリメータレンズに導くとともに、その他を前記第２の反射面に導き、
前記第１のレンズアレイが備える複数のレンズセルのうち所定のレンズセルは、前記所定のレンズセルに入射した前記第１の反射面で反射された光束と前記第２の反射面で反射された光束を用いて、前記第２のレンズアレイが備える複数のレンズセルのうち前記所定のレンズセルに対応するレンズセル内の互いに異なる位置に複数の光源像を形成する、ことを特徴とする。

本発明によれば、投射画像の明るさの低下と、光源からの光によるユーザーへの影響を抑制することが可能な照明光学系及びこれを用いた投射型表示装置を提供することが可能となる。

本発明の各実施例における照明光学系を搭載可能な投射型表示装置の構成図である 本発明の第１実施例におけるフライアイレンズの正面図である 本発明の第１実施例における多重反射素子の構成図である 本発明の第１実施例における多重反射手段の作用を説明する図である 本発明の第１実施例における多重反射素子とコリメータレンズの複合作用を説明する図である 本発明の第１実施例における多重反射素子の作用によるフライアイレンズＢのレンズセルでの光源像分布をしめす図である 本発明の第１実施例における多重反射素子の作用によるフライアイレンズＢのレンズセルでの光源像分布をしめす図である 本発明の第１実施例における多重反射素子の特性の一例を示す図である 本発明の第２実施例における多重反射素子の構成図である 本発明の第２実施例における多重反射素子の特性の一例を示す図である 本発明の第３実施例における多重反射素子の構成図である 本発明の第３実施例における多重反射素子の作用によるフライアイセルでの光源像分布をしめす図である

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の相対配置などは、この発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。すなわち、構成部品の相対位置などは、この発明の範囲を以下の実施の形態に限定する趣旨で規定されたものではない。

〔投射型表示装置の構成の説明〕
図１を用いて後述の各実施例における照明光学系を搭載可能なプロジェクター（投射型表示装置）１の構成を説明する。つまり、後述の各実施例において、照明光学系は、投射光学系を備える装置用の照明光学系である。

図１において、１０は固体光源としてのＬＤ光源（光源）、１１は多重反射素子（光学素子）、１２はコリメータレンズ（レンズユニット）である。また、１３はフライアイレンズＡ（第１のレンズアレイ）、１４はフライアイレンズＢ（第２のレンズアレイ）である。

なお、コリメータレンズ１２は、正のパワーを有するレンズユニットとも言える。

同様に、図１において、１５はＰＳ変換素子、１６はコンデンサーレンズ（コンデンサーレンズユニット）、１７は色分離合成系、１８は液晶表示素子（光変調素子）、１９は投射レンズ（投射光学系）である。

まず、ＬＤ光源１０からの光束が投射レンズ１９に至るまでを説明する。

ＬＤ光源１０からの光束は、多重反射素子１１に入射し、多重反射素子１１によって複数の光束に分割される。そして、フライアイレンズＡ１３が備える複数のレンズセルのうち所定のレンズセルが、多重反射素子１１によって分割された複数の光束を用いて、フライアイレンズＢ１４が有する複数のレンズセルのうち対応するレンズセルに複数の光源像を形成する。複数の光源像が形成される原理は後述する。

多重反射素子１１で反射された光束はコリメータレンズ１２によって平行化されて、フライアイレンズＡ１３に入射する。もちろん、コリメータレンズ１２は多重反射素子１１からの光束を完全な平行光にする必要はなく、使用に耐えうる範囲で、若干収束した光であっても発散した光であっても良い。

コリメータレンズ１２からフライアイレンズＡ１３に入射した光束は、フライアイレンズＡ１３が有する複数のレンズセルによって分割されて部分光束となり、フライアイレンズＢ１４の近傍に集光する。

すなわち、フライアイレンズＡ１３が備える複数のレンズセルのうち所定のレンズセルは、フライアイレンズＢ１４が有する複数のレンズセルのうち、対応するレンズセルに光源像を形成する。なお、フライアイレンズＡ１３からの部分光束は、ＰＳ変換素子１５の近傍に集光してもよい。また、コンデンサーレンズ１２は、多重反射素子１１とフライアイレンズＢ１４との間に設けられている。

フライアイレンズＡ１３及びフライアイレンズＢ１４は図２に示すように、互いに相似な矩形形状のレンズセルを合計９個備え、各レンズセルは単独でレンズ作用を持つ。もちろん、レンズセルの個数は９個に限らず、適宜調節してもよい。

フライアイレンズＢ１４からの光束はＰＳ変換素子１５によって偏光方向を整えられる。ＰＳ変換素子１５は、後述のコンデンサーレンズ１６の光軸に対して傾いた偏光分離膜を複数備える構造である。本実施例においてＰＳ変換素子１５は入射した光束をＳ偏光光に変換する。Ｓ偏光光とは、図１の紙面と直交する方向に振動する偏光光である。

本実施例において、照明光学系βはフライアイレンズＢ１４、ＰＳ変換素子１５、コンデンサーレンズ１６を備えている。

ＰＳ変換素子１５からの光束はコンデンサーレンズ１６によって色分離合成系１７に導かれ、液晶表示素子１８を重畳的に照明する。色分離合成系１７は少なくとも偏光分離素子としての偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を備える。ＰＳ変換素子１５で整えられたＳ偏光光は色分離合成系１７中のＰＢＳによって反射されて液晶表示素子１８に導かれる。

液晶表示素子１８は入射した光束の偏光方向を変換する機能を有する。ＬＤ光源１０からの光束のほとんどをスクリーンに導きたい場合には、液晶表示素子１８は入射したＳ偏光光を、Ｓ偏光光と直交する方向に振動しているＰ偏光光に変換する。なお、本実施例において、液晶表示素子１８は反射型液晶表示素子である。

液晶表示素子１８からのＰ偏光光はＰＢＳを透過し、投射レンズ１９を介してスクリーンＳＣなどの被投射面に導かれる。

なお、本実施例において、照明光学系は多重反射素子１１、コリメータレンズ１２、フライアイレンズＡ１３、フライアイレンズＢ１４、偏光変換素子１５、コンデンサーレンズ１６を備えている。

すなわち、プロジェクター１は、ＬＤ光源１０と、照明光学系と、液晶表示素子を備える。さらに、照明光学系からの光束を液晶表示素子に導くとともに、液晶表示素子からの光束を合成する色分離合成系を備える。

以上が、ＬＤ光源１０からの光束が投射レンズ１９に至るまでの説明である。

〔第１実施例〕
以下、図３から図７を用いて本発明の第１実施例における照明光学系の構成および機能について説明する。

図３は多重反射素子１１の構成を示す図であり、図３に示すように多重反射素子１１は第１面（第１の反射面）と第２面（第２の反射面）を備えている。

図３において、角度θはコリメータレンズ１２の光軸と直交する軸と、第１面の法線とがなす角度である。すなわち、角度θは多重反射素子１１の傾きを示す。また、Ｒ１は第１面の反射率、Ｒ２は第２面の反射率、ｔは多重反射素子１１の厚み、ｎｔは多重反射素子１１の屈折率である。

図４は多重反射素子１１で生じる多重反射の様子を示した模式図である。なお、図４においてコリメータレンズ１２は省略している。

ＬＤ光源１０からの光束はまず第１面に入射する。第１面の反射率を０．５とするとき、ＬＤ光源１０からの光束の５０％は、光路Ａとして示すように第１面で反射されてコリメータレンズ１２へ向かう。

ＬＤ光源１０からの光束の残りの５０％は第１面を透過して第２面に向かい、第２面の反射率を１．０とすると、第２面で反射されて第１面に入射する。前述のように第１面の反射率は０．５であるために、第２面から第１面に入射した光束のうち５０％は、光路Ｂとして示すように第１面を透過してコリメータレンズ１２へ向かう。

第２面からの光束の残りの５０％は第１面で反射されて第２面に向かい、第２面で反射されて第１面に入射し、このうち５０％は光路Ｃとして示すようにコリメータレンズ１２へ向かう。

このように、ＬＤ光源１０からの光束の一部は多重反射素子１１内でＮ回反射を繰り返す。その結果、ＬＤ光源１０からの光束は、互いに異なる光路を進む複数の光束に分割される。以上が、本発明の各実施例における多重反射の原理である。

また、図４に示すように、光路Ａを進む光束の主光線と光路Ｂを進む光束の主光線とは、コリメータレンズ１２の光軸と直交する方向に間隔ｄ_ｓ分だけ離れている。間隔ｄｓは後述の（６）式に示すように、多重反射素子１１の厚み、屈折率、傾き角度から求めることができる。

図５は、多重反射素子１１によって分割された光束がコリメータレンズ１２で平行光化される様子を示した模式図である。

前述のように、多重反射素子１１はＬＤ光源１０からの光束を互いに異なる光路Ａ、Ｂ、Ｃを進む光束に分割し、図４に示すように各光束は第１面の互いに異なる位置から出射する。これは、図５（Ａ）に示すように、第１面の反射率が１．０であるときに、互いに異なる位置に設けられている複数のＬＤ光源１０、１０Ｂ、１０Ｃからの光束が第１面で反射されることに置き換えて考えることができる。

その結果、図５（Ｂ）に示すように、光路Ａを進む光線を主光線とする発散光束は、コリメータレンズ１２によって、コリメータレンズ１２の光軸に平行な方向に進む平行光束に変換される。一方、図５（Ｃ）に示すように、光路Ｂを進む光線を主光線とする発散光束は、コリメータレンズ１２によって、コリメータレンズ１２の光軸から傾いた方向に進む平行光束に変換される。

その結果、フライアイレンズＡ１３の複数のレンズセルのうち所定のレンズセルには、互いに異なる方向に進む複数の平行光束が入射する。そして、フライアイレンズＡ１３の所定のレンズセルは、フライアイレンズＢ１４の複数のレンズセルのうち対応するレンズセルに複数の光源像を形成する。

なお、図５（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、ＬＤ光源１０からの光束が発散したまま多重反射素子１１に入射することで、互いに異なる角度の複数の平行光束がコリメータレンズ１２から射出される。これにより、フライアイレンズＡ１３の所定のレンズセルが、フライアイレンズＢ１４の対応レンズセルに複数の光源像を形成することができる。

図６は、コリメータレンズ１２を通過した複数の平行光が、フライアイレンズＡ１１３によってフライアイレンズＢ１４のレンズセルの近傍に光源像を形成する様子を示す図である。

図６に示すように、多重反射素子１１によって分割されたＬＤ光源１０からの光束は、フライアイレンズＢ１４のレンズセルに複数の光源像を形成する。具体的には、多重反射素子１１の第１面で反射した光束による光源像Ｓ_１と、第２面で１回反射した光束による光源像Ｓ_２と、第２面でＮ回反射した光束による光源像Ｓ_Ｎである。

これにより、一つ一つの光源像のエネルギー密度を低下させることができる。ユーザーが不意に投射レンズを覗き込んだ際には、光源像が形成される面と網膜とが光学的に共役な関係となる。

このため、一つ一つの光源像のエネルギー密度を低下させることで、ユーザーが不意に投射レンズを直接覗き込んだ場合に、ＬＤ光源１０からの光束がユーザーに与える影響を抑制することができる。さらに、ＬＤ光源１０の出力を低下させる、あるいは、ＬＤ光源１０からの光束の一部を遮光するといった方法を採用する必要がない。

すなわち、本実施例に記載の構成を採用することによって、ＬＤ光源１０の利用効率の低下と、ＬＤ光源１０からの光束によるユーザーへの影響を抑制するという効果を発揮することができる。

次に、上記の効果を高める、あるいは上記の効果とは別の効果を発揮するための構成について説明する。

前述のように、多重反射素子１１は、ＬＤ光源１０からの光束を分割する。このため、第１面はＬＤ光源１０からの光束の一部を反射してフライアイレンズＢ１４に導くとともに、その他を第２面に導く。

言い換えれば、第１面の反射率をＲ_１とするとき、以下の（１）式に示す関係を満足している。
Ｒ_１＜１．０ （１）

さらに、
Ｒ_１≦０．５ （１´）
を満足すると好ましい。第１面の反射率Ｒ_１が小さいということは、多重反射素子１１によって分割された光束が形成する光源像の最大のエネルギー密度を低くすることができることを意味する。したがって、第１面の反射率Ｒ_１は（１´）式を満足すると好ましい。

また、第２面の反射率をＲ_２とするとき、Ｒ_２はＲ_１よりも大きいことが好ましい。

さらに、多重反射素子１１が有する複数の反射面のうち、最もＬＤ光源１０から離れている反射面の反射率をＲ_ｆとするとき、反射率Ｒ_ｆは以下の（２）式を満足すると好ましい。
０．８≦Ｒ_ｆ≦１．０ （２）

反射率Ｒ_ｆが（２）式を満足することで、多重反射素子１１がＬＤ光源１０からの光束のうちのほとんどを後段の系に導くことが可能となり、光の利用効率を向上させることが可能となる。なお、第２面の反射率をＲ_２とするとき、本実施例において反射率Ｒ_ｆとは第２面の反射率Ｒ_２である。

フライアイレンズＡ１３のレンズセルによって分割された光束は、フライアイレンズＢ１４のレンズセルのうち、対応するレンズセルに導かれる。しかし、フライアイレンズＡ１３のレンズセルによって分割された光束が、フライアイレンズＢ１４のうち、対応しないレンズセルに導かれてしまうと、その光束は液晶表示素子１８よりも外側に導かれてしまう。液晶表示素子１８の外側に導かれてしまった光束は損失となるため、光の利用効率が低下してしまう。

このため、図７に示すように、フライアイレンズＢ１４の所定のレンズセルに複数の光源像が形成される場合、複数の光源像はフライアイレンズＢ１４の所定のレンズセル内に収まっていることが好ましい。これにより、上記の光の利用効率の低下を抑制することが可能となる。

具体的には、光源像の個数をｎとし、複数の光源像同士の間隔をｄとし、フライアイレンズＢ１４の所定のレンズセルの複数の光源像が形成される方向の幅をＣとするとき、本実施例で示す照明光学系が、以下の（３）式を満足すると好ましい。
Ｄ_Ｌ＋（ｎ−１）×ｄ≦Ｃ （３）

（１）式を満足することで、複数の光源像がフライアイレンズＢ１４の所定のレンズセル内に収まり、前述の光の利用効率の低下を抑制することが可能となる。

さらに、光源像の個数ｎが（３）式を満たす２以上の最大の自然数であれば、幅Ｃを持つレンズセルにおいて光源像を最も多く形成することが可能となる。すなわち、光源像の個数ｎは、前述の（３）式及びｎ≧２を満たす自然数のうち最大の自然数である。

光源像が多いということは、ＬＤ光源１０からの光束が多重反射素子１１の第１面と第２面の間で何度も反射してから第１面を介して多重反射素子１１から出射した光束をコリメータレンズ１２が取り込むことができていることを意味する。コリメータレンズ１２が取り込む光束の数が多いということは、光の利用効率の低下を抑制していることを意味する。

なお、結像倍率をＭとし、多重反射素子１１で分割された複数の光束同士の間隔をｄ_ｓとするとき、間隔ｄは以下の（４）式で表わされる。
ｄ＝Ｍ×ｄ_ｓ （４）

また、コリメータレンズ１２の焦点距離をｆ_ｃとし、フライアイレンズＡ１３の所定のレンズセルの焦点距離をｆ_ｆとするとき、倍率Ｍは以下の（５）式で表わされる。
Ｍ＝ｆ_ｆ／ｆ_ｃ （５）

さらに、ＬＤ光源１０からの光束の多重反射素子１１への入射角度をθとし、多重反射素子１１の厚みをｔとし、多重反射素子１１の屈折率をｎ_ｔとするとき、多重反射素子１１で分割された複数の光束同士の間隔をｄ_ｓは、以下の（６）式で表わされる。

複数の光源像同士が重なると、重なった領域で光が強めあってしまい、ＬＤ光源１０からの光束のユーザーへの影響を抑制できなくなってしまうおそれがある。このため、光源像の大きさＤ_Ｌと間隔ｄは以下の（７）式で示す関係であることが好ましい。
Ｄ_Ｌ≦ｄ （７）

（７）式を満足することにより、複数の光源像同士が重なることを抑制できる。

以下は、本実施例における数値実施例である。

本数値実施例において、コリメータレンズの焦点距離ｆ_ｃ＝２０ｍｍ、フライアイレンズＡ１３の焦点距離ｆ_ｆ＝６０ｍｍ、レンズセル幅Ｃ＝６．０ｍｍ、光源の大きさが０．２ｍｍである。結像倍率Ｍ＝３であるため、光源像の大きさはＤ_Ｌ＝０．６ｍｍとなる。

なお、光源の大きさとは、レーザー光の出射方向視における、ＬＤ光源１０が備えるダブルヘテロ構造のうちの活性層上に形成される光源スポットの大きさを意味する。

より具体的には、レーザー光の出射方向視における、活性層上の光源スポットのうちのピーク強度の１０％よりも強度が大きい領域の積層方向と直交する方向の寸法を意味する。なお、本実施例においてはピーク強度の１０％を閾値としたが、これに限らず、閾値をピーク強度の５０％としてもよい。

なお、本実施例において、光源像の大きさは光源の大きさに結像倍率Ｍをかけた値である。ただし、光源像の大きさを、光源像スポットのピーク強度の１０％よりも強度が大きい領域の、光源像が並ぶ方向の寸法としてもよい。もちろん、閾値はピーク強度の１０％ではなく、ピーク強度の５０％としてもよい。

多重反射素子１１の屈折率ｎ_ｔ＝１．５１６、厚みｔ＝０．２６ｍｍとし、θ＝４５°に配置し、前述の（６）式を用いると、第２面で反射することによる光源像の間隔ｄ＝０．６３ｍｍとなる。したがって、本数値実施例は、光源像の大きさＤ_Ｌは光源像の間隔ｄよりも小さいため、光源像同士が重なることによって光が強め合うことを抑制することができる。

前述の（３）式によれば、本数値実施例においては光源像の個数ｎ＝９となる。光源像の個数が９個であるということは、多重反射素子１１の第１面で反射された光束と、多重反射素子１１の第２面で１回反射した光束から８回反射した光束までをコリメータレンズ１２で取り込み、フライアイレンズＡ１３へ導いていることを意味する。

ここで、本実施例における多重反射素子１１での反射回数と強度比率との関係を図８に示す。図８に示すグラフの横軸は、ある光束が多重反射素子１１から出射するまでの反射回数を示している。例えば、反射回数が１回とは、多重反射素子１１の第１面で反射されて多重反射素子１１から出射する光束の反射回数を意味する。また、反射回数が２回とは、多重反射素子１１の第１面を透過し、第２面で反射されて再び第１面を透過して多重反射素子１１から出射する光束の反射回数である。

また、図８に示すグラフの縦軸は相対強度を示している。相対強度とは、ＬＤ光源１０からの光束のエネルギー強度を１としたときの、多重反射素子１１から出射する光束のエネルギー強度である。

また、図８に示すグラフ中の実線は、反射回数がある値の光束の相対強度を示しており、破線は、反射回数が１回の光束から反射回数がある値の光束までの相対強度の合計を意味している。例えば、多重反射素子１１の第１面の反射率が０．４であるために、反射回数が１回の光束の相対強度は、０．４となっている。

前述のように、本数値実施例においては、反射回数が９回の光束までを取りこんでいるため、相対強度の合計値は０．９９となる。すなわち、ＬＤ光源１０からの光束のほとんどを利用することができる。

また、本数値実施例において相対強度が最大となる光束は、多重反射素子１１の第１面で反射した光束であり、その相対強度は図９に示すように０．４である。本実施例とは異なり、所定のレンズセルに複数の光源像を形成しない場合、その光源像を形成する光束の相対強度は１．０となる。したがって、本数値実施例においては、従来よりも相対強度を６０％低下させることができる。

このように、本実施例においては、プロジェクター用の照明光学系の構成について例示した。

具体的には、照明光学系が、反射率が互いに異なるとともに互いに平行で、ＬＤ光源１０からの光束を反射する第１面と第２面とを有する多重反射素子１１と、多重反射素子１１からの光束の進行方向を変換するコリメータレンズ１２を備えている。

さらに、照明光学系が、複数のレンズセルを備え、コリメータレンズ１２からの光束を受光するフライアイレンズＡ１３と、複数のレンズセルを備え、フライアイレンズＡ１３からの光束を受光するフライアイレンズＢ１４とを備える。

そして、ＬＤ光源１０からの光束に含まれる複数の光線は、ＬＤ光源１０から多重反射素子１１に近づくにつれて互いの距離を縮めるように進む。

また、第１面及び第２面は、コリメータレンズ１２の光軸に対して傾いている。

さらに、第１面は、第２面よりもＬＤ光源１０に近い位置に設けられているとともに、ＬＤ光源１０からの光束の一部を反射してコリメータレンズ１２に導くとともに、その他を第２の反射面に導くように構成されている。

そして、フライアイレンズＡ１３が備える複数のレンズセルのうち所定のレンズセルについて考える。この所定のレンズセルは、所定のレンズセルに入射した第１面からの光束と第２面からの光束を用いて、フライアイレンズＢ１４が備える複数のレンズセルのうち所定のレンズセルに対応するレンズセルに複数の光源像を形成する。

このような照明光学系により、投射画像の明るさの低下と、ＬＤ光源１０からの光によるユーザーへの影響を抑制することが可能となる。

なお、前述の図１においては、液晶表示素子１８が１枚のみであるが、液晶表示素子１８は３枚あっても良い。また、光源サイズや各レンズの焦点距離は１例であり、フライアイレンズＢ近傍に結像される光源像の位置をシフトする効果を得られる範囲で多重反射素子１１の配置や厚みを適宜調節してもよい。

〔第２実施例〕
以下、図９及び図１０を用いて本発明の第２実施例における多重反射素子１１の構成および機能について説明する。

前述の第１実施例と本実施例との違いは、第３面（第３の反射面）をさらに備える点である。

図９は、本実施例における多重反射素子１１の構成を示す図である。図９において、第３面の反射率をＲ３とし、第２面と第３面間の厚みをｔ、第２面と第３面間の屈折率をｎｔとしている。すなわち、第２面と第３面間は第１面と第２面間と同様の厚み及び屈折率となっている。なお、第１面の反射率Ｒ_１＝０．２５、第２面の反射率Ｒ_２＝０．５、第３面の反射率Ｒ_３＝１．０となっている。

本実施例においては、前述の第１実施例よりも第１面の反射率Ｒ_１を小さくしている。言い換えれば、前述の第１実施例よりも第１面の透過率が大きくなっている。これにより、多重反射素子１１からより多くの光束を後段の系に導くことが可能となる。

さらに、本実施例においては、前述の第１実施例よりも反射面の数を多くしている。すなわち、多重反射素子１１内での界面の数を増やしている。これにより、前述の第１実施例よりも、ＬＤ光源１０からの光束をより細かく分割することが可能となる。

以下は、本実施例における数値実施例である。

本数値実施例において、コリメータレンズの焦点距離ｆ_ｃ＝３５ｍｍ、フライアイレンズＡ１３の焦点距離ｆ_ｆ＝３５ｍｍ、レンズセル幅Ｃ＝４ｍｍ、光源の大きさが０．２ｍｍである。結像倍率Ｍ＝１であるため、光源像の大きさはＤ_Ｌ＝０．２ｍｍとなる。

多重反射素子１１の屈折率ｎ_ｔ＝１．５１６、厚みｔ＝０．２６ｍｍとし、θ＝４５°に配置し、前述の（４）式を用いると、第２面で反射することによる光源像の間隔ｄ＝０．２１ｍｍとなる。したがって、本数値実施例は、光源像の大きさＤ_Ｌは光源像の間隔ｄ_ｓよりも小さいため、光源像同士が重なることによって光が強め合うことを抑制することができる。

また、前述（５）式によれば、本数値実施例においては光源像の個数ｎ＝１９となる。光源像の個数が１９個であるということは、多重反射素子１１の第１面で反射された光束と、多重反射素子１１の第２面で１回反射した光束から１８回反射した光束までをコリメータレンズ１２で取り込むことを意味する。

ここで、図１０に本実施例における多重反射素子１１での反射回数と強度比率との関係を示す。本実施例において、多重反射素子１１の第１面の反射率が０．２５であるために、反射回数が１回の光束の相対強度は、０．２５となっている。

前述のように、本数値実施例においては、反射回数が１９回の光束までを取りこんでいるため、相対強度の合計値は０．９９となる。すなわち、ＬＤ光源１０からの光束のほとんどを利用することができる。

また、本数値実施例において相対強度が最大となる光束は、多重反射素子１１の第１面で反射した光束であり、その相対強度は図９に示すように０．２５である。本実施例とは異なり、所定のレンズセルに複数の光源像を形成しない場合、その光源像を形成する光束の相対強度は１．０となる。

したがって、本数値実施例においては、従来よりも相対強度を７５％低下させることができる。すなわち、前述の第１実施例における数値実施例よりも、相対強度をより低下させることができる。

このように、本実施例においても、投射画像の明るさの低下と、ＬＤ光源１０からの光によるユーザーへの影響を抑制することが可能な照明光学系を提供することができる。

〔第３実施例〕
以下、図１１及び図１２を用いて本発明の第３実施例における多重反射素子１１の構成および機能について説明する。

前述の第１実施例及び第２実施例と本実施例との違いは、多重反射素子１１が回転可能に保持している点である。

本実施例における多重反射素子１１の構成を図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図１１（Ａ）は、ミラー法線（第１の反射面の法線）と、コリメータレンズ１２（不図示）の光軸とに平行な断面における多重反射素子１１の構成を示している。なお、図１１（Ａ）中の符号１１´については後述の通りである。

図１１（Ｂ）は、多重反射素子１１を図１１（Ａ）示すＢ方向から見たときの図である。図１１（Ｂ）に示すように、多重反射素子１１は、ミラー法線から第１面の法線から所定の角度傾いた回転軸を中心として回転するように構成されている。図１１（Ｂ）中の符号１１´は、ミラー法線から第１面の法線から所定の角度傾いた回転軸を中心として回転している多重反射素子１１のうち、そのミラー法線が回転軸からθ_Ｈ傾いている状態を抜き出したものである。

多重反射素子１１がミラー法線から所定の角度傾いた回転軸を中心として回転するということは、図１１（Ｂ）に示すように、回転軸がミラー法線から傾いているように見える断面において、多重反射素子１１の角度が変わることを意味する。

これにより、多重反射素子１１の第１面での反射光が進む方向を変えることができる。その結果、図１２に示すように、複数の光源像Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_Ｎが形成される位置が変わるため、レンズセルのうち所定の位置における単位時間当たりの光源像のエネルギー密度を、前述の第１実施例及び第２実施例と比較して低下させることが可能となる。

ただし、図１２に示すように複数の光源像が動く方向は複数の光源像が並んでいる方向と直交していることが好ましい。仮に、複数の光源像を複数の光源像が並んでいると平行な方向に複数の光源像を動かすと、所定のレンズセルの隣のレンズセルに光源像が形成されてしまう。

前述のフライアイレンズＡ１３とフライアイレンズＢ１４は、フライアイレンズＡ１３のレンズセルから出射した光束は、そのレンズセルと対応するフライアイレンズＢ１４のレンズセルに入射する。これによりフライアイレンズＢ１４からの光束は液晶表示素子１８を照明することができる。一方、フライアイレンズＡ１３のレンズセルから出射した光束が、そのレンズセルとは対応しないレンズセルに入射してしまうと、液晶表示素子１８を正しく照明できず、光量損失が増加してしまう。

したがって、本実施例のように、複数の光源像が動く方向を複数の光源像が並んでいる方向と直交させることで、対応しないレンズセルに光源像が形成されて光量損失が増加してしまうことを抑制することが可能となる。

第１面と直交する断面のうち、コリメータレンズ１２の光軸と平行な断面を第１の断面とし、第１面と直交する断面のうち、第１の断面と直交する断面を第２の断面とする。このとき、複数の光源像が動く方向を複数の光源像が並んでいる方向と直交させるために、第２の断面において、回転軸が第１面の法線から所定の角度傾いている。

すなわち、本実施例によれば、前述の第１実施例及び第２実施例と比較して、光源からの光によるユーザーへの影響をより抑制することが可能となる。

なお、本実施例においては多重反射素子１１が第１面の法線から所定の角度傾いた回転軸を中心として回転する構成を例示したが、多重反射素子１１の法線と直交する方向を軸として多重反射素子１１が回動可能な構成であってもよい。

具体的には、多重反射素子１１の反射面が長方形である場合には、多重反射素子１１が反射面の長辺あるいは短辺方向を軸として回動可能な構成であってもよい。

このような構成により、前述の多重反射素子１１の法線と直交する方向を回転軸として多重反射素子１１が回転可能な構成と同様に、ＬＤ光源１０からの光束（入射光）とミラー法線と平行な断面において、多重反射素子１１の角度を変えることが可能となる。

さらに、ＬＤ光源１０からの光束の主光線と平行な軸を回転軸として、多重反射素子１１が回転可能な構成であってもよい。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で様々な変形及び変更が可能である。

〔他の実施形態〕
前述の実施例において、コリメータレンズ１２及びコンデンサーレンズ１６がレンズ１枚である構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。コリメータレンズ１２及びコンデンサーレンズ１６は、複数枚のレンズで構成されていても良い。

また、前述の実施例においては光源としてＬＤ光源１０のみを用いた構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、青色帯域の光を出射する第１の光源と、緑色帯域の光を出射する第２の光源と、赤帯域の光を出射する第３の光源を用いても良い。

また、コリメータレンズ１２の光軸と、色分離合成系が備えるＰＢＳの偏光分離面の法線とに平行な断面を第３の断面とし、コリメータレンズ１２の光軸と平行であるとともに、第３の断面と直交する断面を第４の断面とする。このとき、第１面から第２面に向かう方向は、第４の断面と平行であってもよい。

仮に、第１面から第２面に向かう方向が第３の断面と平行である場合は、ＰＢＳの偏光分離面に角度分布の広い光束が入射し、偏光分離性能が低下する。このため、第１面から第２面に向かう方向は、第４の断面と平行であることが好ましく、このような構成により、前述の偏光分離性能の低下を抑制することが可能となる。

１０ ＬＤ光源（光源）
１１ 多重反射素子（光学素子）
１２ コリメータレンズ（レンズユニット）
１３ フライアイレンズＡ（第１のレンズアレイ）
１４ フライアイレンズＢ（第２のレンズアレイ）

Claims (10)

1. 投射光学系を備える装置用の照明光学系であって、
   反射率が互いに異なるとともに互いに平行で、光源からの光束を反射する第１の反射面と第２の反射面とを有する光学素子と、
   前記光学素子からの光束の進行方向を変換するレンズユニットと、
   複数のレンズセルを備え、前記レンズユニットからの光束を受光する第１のレンズアレイと、
   複数のレンズセルを備え、前記第１のレンズアレイからの光束を受光する第２のレンズアレイと、を備え、
   前記光源からの光束に含まれる複数の光線は、前記光源から前記光学素子に近づくにつれて互いの距離を広げるように進み、
   前記第１の反射面及び前記第２の反射面は、前記レンズユニットの光軸に対して傾いており、
   前記第１の反射面は、前記第２の反射面よりも前記光源に近い位置に設けられているとともに、前記光源からの光束の一部を反射して前記コリメータレンズに導くとともに、その他を前記第２の反射面に導き、
   前記第１のレンズアレイが備える複数のレンズセルのうち所定のレンズセルは、前記所定のレンズセルに入射した前記第１の反射面で反射された光束と前記第２の反射面で反射された光束を用いて、前記第２のレンズアレイが備える複数のレンズセルのうち前記所定のレンズセルに対応するレンズセル内の互いに異なる位置に複数の光源像を形成する、
   ことを特徴とする照明光学系。
2. 前記第１の反射面の反射率をＲ_１とし、前記第２の反射面の反射率をＲ_２とするとき、Ｒ_２はＲ_１よりも大きく、
   Ｒ_１＜１．０
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記光学素子は複数の反射面を備え、
   前記複数の反射面のうち、前記光源から最も離れている反射面の反射率をＲ_ｆとするとき、
   ０．８≦Ｒ_ｆ≦１．０
   を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
4. 前記所定のレンズセルの幅のうち、前記複数の光源像が並んでいる方向の幅をＣとし、
   前記複数の光源像のうち所定の光源像の大きさをＤ_Ｌとし、
   前記複数の光源像のうち所定の光源像同士の間隔をｄとし、
   前記複数の光源像の個数をｎとするとき、
   ｎは、
   Ｄ_Ｌ＋（ｎ−１）×ｄ≦Ｃ
   ｎ≧２
   を満たす自然数のうち最大の自然数である、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の照明光学系。
5. 前記複数の光源像のうち所定の光源像の大きさをＤ_Ｌとし、
   前記複数の光源像のうち所定の光源像同士の間隔をｄとするとき、
   Ｄ_Ｌ≦ｄ
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の照明光学系。
6. 前記光学素子は、前記第１の反射面の法線から所定の角度傾いた回転軸を中心として回転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５のいずれか一項に記載の照明光学系。
7. 前記第１の反射面と直交する断面のうち、前記レンズユニットの光軸と平行な断面を第１の断面とし、前記第１の断面と直交する断面を第２の断面とするとき、
   前記回転軸は、前記第２の断面において、前記第１の反射面の法線から前記所定の角度傾いている、
   ことを特徴とする請求項６に記載の照明光学系。
8. 前記光学素子は、前記第１の反射面の法線と直交する方向を軸として回動可能なように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の照明光学系。
9. 固体光源と、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の照明光学系と、
   光変調素子と、
   前記照明光学系からの光束を前記光変調素子に導くとともに、前記光変調素子からの光束を合成する色分離合成系と、
   前記色分離合成系からの光束を被投射面に導く投射光学系と、を備える、
   ことを特徴とする投射型表示装置。
10. 前記色分離合成系は偏光分離素子を備え、
    前記レンズユニットの光軸と、前記偏光分離素子の偏光分離面の法線とに平行な断面を第３の断面とし、
    前記レンズユニットの光軸と平行であるとともに、前記第３の断面と直交する断面を第４の断面とするとき、
    前記第１の反射面から前記第２の反射面に向かう方向は、前記第４の断面と平行である、
    ことを特徴とする請求項９に記載の投射型表示装置。