JP3720678B2 - 照明光学装置および投写型表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を画像形成手段に照明する照明光学装置と画像形成手段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。
【０００２】
【従来の技術】
大画面の画像を得るための、映像信号に応じた画像を形成する小型の画像形成手段に対して光源からの光を照明し、投写レンズによりその画像をスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置が用いられている。
【０００３】
画像形成手段として有力なものに、映像信号に応じて画素単位の微小ミラーを傾動させ、光を偏向させるミラー偏向型ライトバルブがある。このミラー偏向型ライトバルブは、２次元的に画素単位の微小なミラーを配置して構成し、これらの微小ミラーの傾きを映像信号に応じて変化させることにより、入射光を投写レンズに入射させる方向か、もしくは投写レンズに入射しない方向に反射、偏向させるものである。このようなミラー偏向型ライトバルブを用いた小型の投写型表示装置については、例えば国際公開ＷＯ９８／２９７７３号公報（特願平１０−５０５０７２号）に開示されている。
【０００４】
図７は、画像形成手段としてミラー偏向型ライトバルブを用いる従来技術にかかわる投写型表示装置の構成を示す平面図である。この投写型表示装置における照明光学装置は、放電ランプ１と楕円面鏡２とコンデンサレンズ３と反射鏡４などを備えている。このような構成要素を備えた照明光学装置に、カラーホイール（回転式カラーフィルタ）１１とミラー偏向型ライトバルブ１２と投写レンズ１３とを組み合わせて投写型表示装置を構成している。
【０００５】
光源である放電ランプ１からの放射光は楕円面鏡２により集光され、一方の焦点に収束する。収束した光は、白色光を時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離するカラーホイール１１によって選択的に透過される。カラーホイール１１からの時系列的な各色成分の光は、コンデンサレンズ３および反射鏡４によってそれぞれ透過および反射し、ミラー偏向型ライトバルブ１２に入射する。ミラー偏向型ライトバルブ１２は、映像信号に応じて、画素単位の微小なミラーの傾きを変え、反射光を偏向させる。ミラー偏向型ライトバルブ１２によって偏向された一部の反射光は投写レンズ１３により図示しないスクリーン上に拡大され画像を形成する。
【０００６】
以上のように構成された投写型表示装置は、小型でありながらかなりの大画面の画像の表示が可能となっている。
【０００７】
ところで、投写型表示装置における照明光学装置について、ライトバルブに対する照明を効率良く均一に行うために、２枚のレンズアレイ板やロッドレンズを用いたインテグレータ光学系が用いられるようになってきている（その構成については、後述する実施の形態の図１における符号の３５，３６で指示するレンズアレイ板や図４における符号６３で指示するロッドレンズを参照されたい）。
【０００８】
２枚のレンズアレイ板の構成は、光源側に配置される第１のレンズアレイ板により入射する光束を多数に分割し、分割された各光束を第２のレンズアレイ板に収束させるものとなっている。第２のレンズアレイ板は、第１のレンズアレイ板の出射面とライトバルブ面とを実質的に共役の関係にするものとして構成されている。第２のレンズアレイ板上に収束された光は、ライトバルブ面で重畳され、ライトバルブを均一に照明するようになっている。
【０００９】
また、ロッドレンズは、表示領域と相似形の入出射面をもつガラス柱であり、ロッドレンズの内部を多重反射して、ロッドレンズ出射面での光の均一性を高くするものである。ロッドレンズの出射面とライトバルブ面とを実質的に共役の関係にして、ライトバルブ上に均一に照明する。
【００１０】
以上のような照明光学装置により、効率の良い均一な照明ができるようになってきた。
【００１１】
しかし、さらに高輝度で均一性が良好な投写画像が望まれているのも事実である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示すミラー偏向型ライトバルブに対する照明光学装置においては、照明光は、微小なミラーの傾き方向と傾き角に応じて入射させる。微小ミラーの傾き方向については、ライトバルブの矩形表示領域の長手方向を０度とした場合に、４５度方向を回動基準軸として、その回動基準軸まわりに微小ミラーを傾けるものとなっており、その微小ミラーの傾き角は±１０度である。この場合、照明光の光軸はミラー偏向型ライトバルブ面の法線に対して、−２０度以上傾ける必要がある（図１を参照すると、ラインａとラインｂのなす角度が２０度以上ということに相当している）。また、投写レンズの光軸は、ミラー偏向型ライトバルブ面の法線よりオフセットした位置に配置される（図２を参照すると、点ｃと点ｄとのずれに相当している）。
【００１３】
このような構成の投写型表示装置の照明光学装置に、レンズアレイ板またはロッドレンズを用いたインテグレータ光学系を用いた場合において、効率良く均一に照明するためには、ライトバルブ面位置で矩形表示領域と相似形な矩形照明を行う必要がある。
【００１４】
しかしながら、照明光の光軸がライトバルブ面の法線に対する角度を−２０度以上とするため、ライトバルブ面での矩形照明光が歪み、菱形状照明となってしまう（図３（ｂ）参照）。
【００１５】
このため、ライトバルブ表示領域に対して比較的大きな面積の照明をする必要があり、ライトバルブ面での光損失が増大し、光利用効率が低下するという問題があった。
【００１６】
また、できるだけ効率良く小型に照明光学装置を構成し、小型で高効率な投写型表示装置を構成する必要があった。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
照明光学装置についての本発明は、次のような手段を講じることにより、上記の課題を解決するものである。すなわち、被照明対象に対して効率の良い均一な照明を行う必要性からインテグレータ光学系が採用されてはいるものの、被照明対象に対する入射光の光軸が被照明対象の面における法線に対して大きく傾いていることから（特にミラー偏向型ライトバルブではその傾向が強い）、照明領域が変形を受けて被照明対象の領域に対して歪んだ形状となるような照明光学装置の構成を前提として、光路途中に照明領域補正用光学素子を配置することにより、前記の照明領域の形状歪みを補正するように構成してある。
【００１８】
上記構成の本発明によると、被照明対象に対してその領域に相似形の照明領域の状態で照明を行うことができ、インテグレータ光学系を採用したことによる本来的な、小型化できるとともに被照明対象に対して効率の良い均一な照明を行うことができるという効果を所期通りに十分に発揮させることを確保しつつも、被照明対象に対する照明領域のずれに起因する光損失を極力軽減し、光利用効率の高い十分に明るい照明を行うことができる。
【００１９】
また、上記のようなすぐれた照明光学装置を照明光学手段として採用している投写型表示装置においては、画面が明るくて視認性の十分良好な画像投写を行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を総括的に説明する。
【００２３】
本願第１の発明の照明光学装置は、光源からの光を集光し、複数の微小ミラーが２次元的に配置されたミラー偏向型ライトバルブに照明する照明光学装置であって、光源と、前記光源からの放射光を集光する集光手段と、複数のレンズ素子から構成され前記集光手段からの光を多数の光束に分割する第１のレンズアレイ板と、複数のレンズ素子から構成され前記第１のレンズアレイ板からの光が入射する第２のレンズアレイ板と、前記第２のレンズアレイ板からの光が入射して前記ミラー偏向型ライトバルブの表示領域に前記表示領域と相似形な照明ができるように補正する照明領域補正用光学素子とを備え、前記照明領域補正用光学素子は、ゼルニケ多項式で表現される回転非対称曲面のレンズ素子または反射素子であることを特徴としている。
【００２４】
この第１の発明による作用は次のとおりである。インテグレータ光学系として第１のレンズアレイ板と第２のレンズアレイ板の構成を採用すると、十分に効率の良い均一な照明が可能となる。また、画像形成手段としてミラー偏向型ライトバルブを採用すると、反射型液晶パネルの場合に比べて、光の利用効率が高く、熱に強くて応答速度が速いという優れた特性がある。しかし、インテグレータ光学系（レンズアレイ板）とミラー偏向型ライトバルブとの組み合わせでは、ミラー偏向型ライトバルブに対する入射光の光軸が前記ライトバルブの面における法線に対して大きく傾きがちとなり、照明領域が変形を受けてライトバルブの表示領域に対して歪んだ形状となってしまう。
【００２５】
そこで、上記のようなレンズアレイ板とミラー偏向型ライトバルブとの組み合わせに対して、照明領域補正用光学素子を介在させることにより、前記の照明領域の変形を補正し、ミラー偏向型ライトバルブの表示領域に対してその表示領域と相似形な照明領域の照明を行うのである。
【００２６】
したがって、レンズアレイ板を採用したことによる小型化と効率の良い均一な照明の機能を所期通りに十分に発揮させながらも、照明領域のずれに起因する光損失を極力軽減し、光利用効率を十分に高いものとなすことが可能となる。
レンズ素子であれ反射素子であれ、ゼルニケ多項式に準拠した球面の照明領域補正用光学素子であれば、上記した照明領域の形状歪みに対する補正の効果および性状が非常に良好なものとなる。その結果として、ミラー偏向型ライトバルブなどの被照明対象に対して効率の良い均一な照明を行うことができるという効果を所期通りに十分に発揮させることを確保しつつも、被照明対象に対する照明領域のずれに起因する光損失を極力軽減し、光利用効率の高い十分に明るい照明を行えるという効果を十分に発揮させることが可能となっている。
【００２７】
本願第２の発明の照明光学装置は、光源からの光を集光し、複数の微小ミラーが２次元的に配置されたミラー偏向型ライトバルブに照明する照明光学装置であって、光源と、前記光源からの放射光を集光する集光手段と、入射光を多重反射させて均一光を出射させるロッドレンズと、前記ロッドレンズからの光が入射して前記ミラー偏向型ライトバルブの表示領域に前記表示領域と相似形な照明ができるように補正する照明領域補正用光学素子とを備え、前記照明領域補正用光学素子は、ゼルニケ多項式で表現される回転非対称曲面のレンズ素子または反射素子であることを特徴としている。
【００２８】
この第２の発明による作用は次のとおりである。インテグレータ光学系としてロッドレンズの構成を採用すると、その全反射を含む多重反射により、不均一な光束を均一な光束として出射することとなり、十分に効率の良い均一な照明が可能となる。ロッドレンズは、レンズアレイ板と比較して、部品点数が少なく、低コストで構成することが容易である。また、画像形成手段としてミラー偏向型ライトバルブを採用すると、反射型液晶パネルの場合に比べて、光の利用効率が高く、熱に強くて応答速度が速いという優れた特性がある。しかし、インテグレータ光学系（ロッドレンズ）とミラー偏向型ライトバルブとの組み合わせでは、ミラー偏向型ライトバルブに対する入射光の光軸が前記ライトバルブの面における法線に対して大きく傾きがちとなり、照明領域が変形を受けてライトバルブの表示領域に対して歪んだ形状となってしまう。
【００２９】
そこで、上記のようなロッドレンズとミラー偏向型ライトバルブとの組み合わせに対して、照明領域補正用光学素子を介在させることにより、前記の照明領域の変形を補正し、ミラー偏向型ライトバルブの表示領域に対してその表示領域と相似形な照明領域の照明を行うのである。
【００３０】
したがって、ロッドレンズを採用したことによる小型化と効率の良い均一な照明の機能を所期通りに十分に発揮させながらも、照明領域のずれに起因する光損失を極力軽減し、光利用効率を十分に高いものとなすことが可能となる。
【００３３】
レンズ素子であれ反射素子であれ、ゼルニケ多項式に準拠した球面の照明領域補正用光学素子であれば、上記した照明領域の形状歪みに対する補正の効果および性状が非常に良好なものとなる。その結果として、ミラー偏向型ライトバルブなどの被照明対象に対して効率の良い均一な照明を行うことができるという効果を所期通りに十分に発揮させることを確保しつつも、被照明対象に対する照明領域のずれに起因する光損失を極力軽減し、光利用効率の高い十分に明るい照明を行えるという効果を十分に発揮させることが可能となっている。
【００３４】
本願第３の発明の照明光学装置は、上記の第１または第２の発明において、前記照明領域補正用光学素子と前記ミラー偏向型ライトバルブとの間に裏面反射光学素子を配置した構成となっている。
【００３５】
この第３の発明による作用は次のとおりである。裏面反射光学素子は、表面反射光学素子と比較して、同じ曲率であれば焦点距離をより短くすることができ、また、表面（屈折面）を利用できるため、収差補正にも利用できる。このため、投写レンズなどの終端光学要素との配置空間の干渉をできるだけ抑えつつ、照明光学装置を小型に構成することが可能となっている。
【００３６】
本願第４の発明の照明光学装置は、上記の第３の発明において、前記裏面反射光学素子の反射面が球面とされた構成となっている。
【００３７】
また、本願第５の発明の照明光学装置は、上記の第３の発明において、前記裏面反射光学素子の反射面が非球面とされた構成となっている。
【００３８】
これらは、裏面反射光学素子の反射面についてより具体的レベルで記述したものである。すなわち、その反射面は球面・非球面のいずれであってもよいが、非球面の場合には、照明領域の形状補正にも有利となる。
【００４２】
本願第１１以降の発明は、投写型表示装置についてのものである。
【００４３】
本願第６の発明の投写型表示装置は、光源からの光を集光し画像形成手段に照明する照明光学手段と、前記照明光学手段からの光が入射して映像信号に応じて画像を形成する前記ミラー偏向型ライトバルブと、前記ミラー偏向型ライトバルブからの画像光が入射してその画像をスクリーン上に拡大投写する投写レンズとを備えて構成されており、前記照明光学手段として、上記の第１〜第５の発明における照明光学装置を採用してあることを特徴としている。
【００４４】
この第６の発明による作用は次のとおりである。上記のようなすぐれた照明光学装置を照明光学手段として採用している投写型表示装置においては、画面が明るくて視認性の十分良好な画像投写を行うことができる。
【００４７】
ミラー偏向型ライトバルブにて画像を形成することで、反射型液晶パネルの場合に比べて、光の利用効率が高く、熱に強くて応答速度が速いという優れた特性を投写型表示装置にもたせることが可能となる。
【００４９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の照明光学装置およびその照明光学装置を含む投写型表示装置の構成を示す平面図、図２はその側面図である。図１および図２においては、照明光学装置を含む投写型表示装置の光学構成を示している。
【００５０】
図１および図２において、符号の３０は光源としてのメタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の放電ランプ、３１は放電ランプ３０からの光を集光する集光手段としての楕円面鏡、３２，３４はコンデンサレンズ、３３は反射ミラー、３５は複数のレンズ素子から構成された第１のレンズアレイ板、３６は同じく複数のレンズ素子から構成された第２のレンズアレイ板、３７は重畳用レンズ、３８は反射光学素子、３９は回転非対称光学素子の一例としての回転非対称レンズ素子から構成された照明領域補正用光学素子、４０は裏面反射鏡、４５は画像形成手段としてのミラー偏向型ライトバルブ、４６は投写レンズ、４７は白色光を時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離するカラーホイール（回転式カラーフィルタ）である。第１のレンズアレイ板３５のレンズ素子の焦点距離は、第１のレンズアレイ板３５と第２のレンズアレイ板３６との離間距離とされている。第１のレンズアレイ板３５のレンズ素子はミラー偏向型ライトバルブ４５と相似形の開口形状とされている。第２のレンズアレイ板３６のレンズ素子は、第１のレンズアレイ板３５の出射面とミラー偏向型ライトバルブ４５の入射面とが実質的に共役関係となるように、レンズ素子のパワーを考慮して焦点距離を決めている。重畳用レンズ３７は第２のレンズアレイ板３６の各レンズ素子から出射した光をミラー偏向型ライトバルブ４５上に重畳照明するためのレンズである。
【００５１】
次に、上記のように構成された実施の形態１の照明光学装置および投写型表示装置の動作を説明する。
【００５２】
放電ランプ３０から放射される光は楕円面鏡３１により集光され、一方の焦点に収束する。収束した光は、カラーホイール４７によって白色光が時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離され、それぞれの色成分の光が選択的に透過される。透過した各色成分の光は、コンデンサレンズ３２、反射ミラー３３、コンデンサレンズ３４により実質的な平行光に変換される。実質的な平行光に変換された光は、第１のレンズアレイ板３５に入射し、その複数のレンズ素子によって光束は多数の光束に分割される。分割された多数の光束は、複数のレンズ素子から構成される第２のレンズアレイ板３６に収束し、重畳用レンズ３７に入射される。重畳用レンズ３７を出射した光は、反射光学素子３８で反射され、回転非対称レンズ素子からなる照明領域補正用光学素子３９に入射する。照明領域補正用光学素子３９は、光束分布を形状的に補正した後、裏面反射鏡４０に入射する。裏面反射鏡４０で反射された光はミラー偏向型ライトバルブ４５に入射する。ミラー偏向型ライトバルブ４５で変調された光は画像形成に必要な光束のみを投写レンズ４６に入射させる。投写レンズ４６はミラー偏向型ライトバルブ４５で形成される画像を拡大投写する。
【００５３】
上記において、裏面反射鏡４０は、表面鏡に比べて比較的曲率が大きくても、焦点距離を短かくできるため、周辺の光学部品との干渉が少なく、光学系を小型に構成できる。
【００５４】
以上において、照明光学装置の構成要素は、放電ランプ３０、楕円面鏡３１、コンデンサレンズ３２，３４、反射ミラー３３、第１のレンズアレイ板３５、第２のレンズアレイ板３６、重畳用レンズ３７、反射光学素子３８、照明領域補正用光学素子３９および裏面反射鏡４０である。この照明光学装置に、カラーホイール４７、ミラー偏向型ライトバルブ４５、投写レンズ４６を付加したものが投写型表示装置である。
【００５５】
照明光学装置によるミラー偏向型ライトバルブ４５への照明光は微小なミラーの傾き方向と傾き角に応じて入射させている。微小ミラーの傾き方向については、ミラー偏向型ライトバルブ４５の矩形表示領域の長手方向を０度とした場合に、４５度方向を回動基準軸として、その回動基準軸まわりに微小ミラーを傾けるものとなっており、その微小ミラーの傾き角は±１０度である。この場合、照明光の光軸はミラー偏向型ライトバルブ４５の表面での法線に対して、−２０度以上傾ける必要がある。すなわち、ラインａとラインｂのなす角度が２０度以上である必要がある。また、投写レンズ４６の光軸は、ミラー偏向型ライトバルブ４５の表面での法線よりオフセットした位置に配置される（図２の点ｃと点ｄとのずれ参照）。
【００５６】
以上のような条件においては、第１のレンズアレイ板３５および第２のレンズアレイ板３６を用いたインテグレータ光学系を用いた場合、ミラー偏向型ライトバルブ４５に対して効率良く均一に照明するためには、ミラー偏向型ライトバルブ４５の表面位置で矩形表示領域と相似形な矩形照明をする必要がある。
【００５７】
以下、図３を用いて矩形の表示領域に対する照明領域の形状変化について説明する。図３（ａ），（ｂ）はミラー偏向型ライトバルブの表示領域と照明光の照明領域の様相を示している。５０はミラー偏向型ライトバルブの矩形の表示領域、ハッチングで表した５１，５２は照明領域を示している。
【００５８】
照明光の光軸がミラー偏向型ライトバルブの表面での法線に対してなす角度が小さい場合は、図３（ａ）のように、矩形の表示領域５０に対してやや大きい矩形の照明領域５１の状態で照明される。すなわち、矩形の照明領域５１が矩形の表示領域５０に対して相似形をなしている。この場合、ミラー偏向型ライトバルブでの光損失は少なく、効率良く均一に照明される。
【００５９】
しかしながら、ミラー偏向型ライトバルブの表面での法線に対して照明光の光軸がなす角度が−２０度以上と大きい場合には（図１のラインａとラインｂを参照（ただし、照明領域補正用光学素子３９がない場合を想定）、ミラー偏向型ライトバルブの表面での照明光の形状が歪み、図３（ｂ）に示す照明領域５２のように菱形状の照明となってしまい、効率良く均一な照明ができなくなる。
【００６０】
図３（ｂ）のような場合は、インテグレータ光学系を用いても、ライトバルブの表示領域５０に対してかなり大きな面積の照明をする必要があり、ライトバルブ面での光損失が増大し、光利用効率が低下する。
【００６１】
図３（ｂ）のような菱形状に照明されることとなる要因は、次の２点にある。すなわち、照明光学装置を小型に構成することから、照明光の光軸がライトバルブ４５の表面での法線に対して大きく傾いていることが１つの要因である。また、裏面反射鏡４０などを回転非対称に配置していることがもう１つの要因である。
【００６２】
このような状況にあって、回転非対称レンズ素子からなる照明領域補正用光学素子３９は、図３（ｂ）のような菱形状の照明領域５２を図３（ａ）のような矩形状の照明領域５１に補正するために設けてある。
【００６３】
照明領域補正用光学素子３９における回転非対称曲面は、ゼルニケ多項式で表現される曲面となっている。ゼルニケ面は光軸からの径ρと回転角θを変数とした極座標の関数で表現される面である。
【００６４】
なお、照明領域補正用光学素子３９を用いて、菱形状の照明領域５２を矩形状の照明領域５１に補正しているが、反射光学素子３８の曲面を回転非対称曲面とした反射ミラーとして構成しても同様に補正することができる。
【００６５】
裏面反射鏡４０は、表面反射鏡と比較して、同じ曲率を比較条件とすれば、焦点距離をより短くすることができ、また、表面（屈折面）を利用できるため、収差補正にも利用できる。このため、投写レンズ４６との配置空間の干渉をできるだけ抑えつつ、照明光学装置を小型に構成することができる。裏面の反射面は球面であってもよいが、非球面であれば、照明領域の形状補正にも利用できる。また、裏面反射鏡４０をオフセットして配置すれば、照明領域の補正がより良好なものとなる。
【００６６】
以上のように、ミラー偏向型ライトバルブ４５に対する照明光の入射が大きく傾く照明光学装置の場合であっても、回転非対称光学素子としての照明領域補正用光学素子３９を用いることにより、ミラー偏向型ライトバルブ４５の矩形の表示領域５０に対して相似形をなす矩形状の照明領域５１の状態で効率の良い均一な照明を行うことができる。また、裏面反射鏡４０を用いることにより、照明光学装置を小型化することができる。
【００６７】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２の照明光学装置およびその照明光学装置を含む投写型表示装置の構成を示す平面図である。図４においては、照明光学装置を含む投写型表示装置の光学構成を示している。
【００６８】
図４において、符号の６０は光源としてのメタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の放電ランプ、６１は放電ランプ６０からの光を集光する集光手段としての楕円面鏡、６２は反射ミラー、６３はロッドレンズ、６４，６５はコンデンサレンズ、６６は反射ミラーなどの反射光学素子、６７は回転非対称光学素子の一例としての照明領域補正用光学素子、６８は裏面反射鏡、８０は画像形成手段としてのミラー偏向型ライトバルブ、８１は投写レンズ、８２は白色光を時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離するカラーホイール（回転式カラーフィルタ）である。実施の形態１（図１、図２）の照明光学装置と異なる構成は、レンズアレイ板ではなくロッドレンズを用いて照明光学装置を構成している点である。ロッドレンズ６３は、入射面と出射面が矩形の柱状ガラスをもって構成されている。
【００６９】
次に、上記のように構成された実施の形態２の照明光学装置および投写型表示装置の動作を説明する。
【００７０】
放電ランプ６０から放射される光は楕円面鏡６１により集光され、一方の焦点に収束する。収束した光は、カラーホイール８２によって白色光が時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離され、それぞれの色成分の光が選択的に透過される。透過した各色成分の光は、ロッドレンズ６３に入射する。ロッドレンズ６３に入射した光は、全反射を含む多重反射により出射面まで伝播される。ロッドレンズ６３の入射面で不均一であった光束も出射面では均一な光束となる。
【００７１】
ロッドレンズ６３の出射面とミラー偏向型ライトバルブ８０の表面とが共役な関係となるように、ロッドレンズ６３とミラー偏向型ライトバルブ８０の表面との間に存在する光学素子群すなわちコンデンサレンズ６４，６５、反射光学素子６６、照明領域補正用光学素子６７、裏面反射鏡６８のパワー配置を決めれば、照明領域補正用光学素子６７の作用によって、ミラー偏向型ライトバルブ８０の矩形の表示領域に対して相似形をなす矩形状の照明領域となる状態で照明することができ、効率の良い均一な照明ができる。
【００７２】
ロッドレンズは、レンズアレイ板と比較して部品点数が少なく、低コストで照明光学系を構成できる。
【００７３】
コンデンサレンズ６４，６５を透過した光は、反射光学素子６６で反射され、回転非対称レンズ素子からなる照明領域補正用光学素子６７に入射する。
【００７４】
照明領域補正用光学素子６７は、照明光の光軸がミラー偏向型ライトバルブ８０の表面の法線に対して大きく傾いていることに起因して生じる菱形状照明領域を表示領域に沿った矩形照明領域に補正する。
【００７５】
裏面反射鏡６８は、緩い曲率であっても焦点距離を短くできるため、比較的小空間でミラー偏向型ライトバルブ８０に光を集光できる。裏面反射鏡６８の曲面形状は球面であっても、非球面であってもよい。また、偏芯させて配置してもよい。この裏面反射鏡６８は、投写レンズ８１に対して空間的に干渉することのない状態で配置することが可能であり、照明光学装置および投写型表示装置を小型に構成する上で有利となっている。
【００７６】
ミラー偏向型ライトバルブ８０に入射する光は、映像信号に従って変調され、その変調された光のうちの画像形成に必要な光束のみを投写レンズ８１に入射させる。投写レンズ８１はミラー偏向型ライトバルブ８０で形成された画像を拡大投写する。
【００７７】
以上のように、インテグレータ光学系としてロッドレンズ６３を用いた照明光学装置に、回転非対称レンズ素子からなる照明領域補正用光学素子６７を配置することにより、ミラー偏向型ライトバルブ８０の表示領域と相似形の照明領域となる状態で、効率の良い均一な照明を行うことができる。また、裏面反射鏡６８を用いることにより、小型な照明光学装置を構成することができる。
【００７８】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３の投写型表示装置の構成を示す平面図、図６はその側面図である。この投写型表示装置においては、その照明光学装置としては上記の実施の形態１のものを採用している。
【００７９】
図５および図６において、符号の３０は光源としてのメタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の放電ランプ、３１は放電ランプ３０からの光を集光する集光手段としての楕円面鏡、３２，３４はコンデンサレンズ、３３は反射ミラー、３５は複数のレンズ素子から構成された第１のレンズアレイ板、３６は同じく複数のレンズ素子から構成された第２のレンズアレイ板、３７は重畳用レンズ、３８は反射光学素子、３９は回転非対称光学素子の一例としての照明領域補正用光学素子、４０は裏面反射鏡、４５は画像形成手段としてのミラー偏向型ライトバルブ、４６は投写レンズ、４７は白色光を時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離するカラーホイール（回転式カラーフィルタ）である。第１のレンズアレイ板３５のレンズ素子の焦点距離は、第１のレンズアレイ板３５と第２のレンズアレイ板３６との離間距離とされている。第１のレンズアレイ板３５のレンズ素子はミラー偏向型ライトバルブ４５と相似形の開口形状とされている。第２のレンズアレイ板３６のレンズ素子は、第１のレンズアレイ板３５の出射面とミラー偏向型ライトバルブ４５の入射面とが実質的に共役関係となるように、レンズ素子のパワーを考慮して焦点距離を決めている。重畳用レンズ３７は第２のレンズアレイ板３６の各レンズ素子から出射した光をミラー偏向型ライトバルブ４５上に重畳照明するためのレンズである。そして、符号の１００は本実施の形態３における投写型表示装置を示している。
【００８０】
次に、上記のように構成された実施の形態３の投写型表示装置の動作を説明する。
【００８１】
放電ランプ３０から放射される光は楕円面鏡３１により集光され、一方の焦点に収束する。収束した光は、カラーホイール４７によって白色光が時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離され、それぞれの色成分の光が選択的に透過される。透過した各色成分の光は、コンデンサレンズ３２、反射ミラー３３、コンデンサレンズ３４により実質的な平行光に変換される。実質的な平行光に変換された光は、第１のレンズアレイ板３５に入射し、その複数のレンズ素子によって光束は多数の光束に分割される。分割された多数の光束は、複数のレンズ素子から構成される第２のレンズアレイ板３６に収束し、重畳用レンズ３７に入射される。重畳用レンズ３７を出射した光は、反射光学素子３８で反射され、回転非対称光学素子としての照明領域補正用光学素子３９に入射する。照明領域補正用光学素子３９は、光束分布を形状的に補正した後、裏面反射鏡４０に入射する。裏面反射鏡４０で反射された光はミラー偏向型ライトバルブ４５に入射する。ミラー偏向型ライトバルブ４５で変調された光は画像形成に必要な光束のみを投写レンズ４６に入射させる。投写レンズ４６はミラー偏向型ライトバルブ４５で形成される画像を拡大投写する。上記において、裏面反射鏡４０は、表面鏡に比べて比較的曲率が大きくても、焦点距離を短かくできるため、周辺の光学部品との干渉が少なく、光学系を小型に構成できる。
【００８２】
以上のように、本実施の形態３においては、回転非対称レンズ素子からなる照明領域補正用光学素子３９や裏面反射鏡４０を採用した実施の形態１の照明光学装置を用いて投写型表示装置を構成しているので、小型で高効率の投写型表示装置を構成することができる。なお、ロッドレンズ６３や裏面反射鏡６８を採用した実施の形態２の照明光学装置を用いて投写型表示装置を構成した場合も、同様の効果を発揮する。
【００８３】
なお、上述の実施の形態１〜３においては、画像形成手段としてミラー偏向型ライトバルブを例にあげたが、必ずしもそれにとらわれる必要性はなく、斜め照明する照明光学装置が必要であれば、画像形成手段としては反射型液晶パネルを用いてもよい。また、透過型のスクリーンを用いて、背面投写の投写型表示装置を構成してもよい。いずれも上記同様の効果を発揮する。
【００８４】
また、上記の実施の形態１〜３においては、反射光学素子３８，６６と裏面反射鏡４０，６８との間に回転非対称レンズ素子からなる照明領域補正用光学素子３９，６７を設けたが、これに代えて、反射光学素子３８，６６を回転非対称曲面反射ミラーとしてもよく、同様な光束分布補正ができる。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、インテグレータ光学系を採用することを前提にした照明光学装置において、回転非対称レンズ素子や反射素子などからなる照明領域補正用光学素子を設けて照明領域の形状歪みを補正し、被照明対象に対してその領域に相似形の照明領域の状態で照明を行うことができるため、小型化できるとともに被照明対象に対して効率の良い均一な照明を行うことができるという効果を所期通りに十分に発揮させることを確保しつつも、被照明対象に対する照明領域のずれに起因する光損失を極力軽減し、光利用効率の高い十分に明るい照明を行うことができる。
【００８６】
また、上記のようなすぐれた照明光学装置を照明光学手段として採用している投写型表示装置においては、画面が明るくて視認性の十分良好な画像投写を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の照明光学装置および投写型表示装置の構成を示す平面図
【図２】 本発明の実施の形態１の照明光学装置および投写型表示装置の構成を示す側面図
【図３】 照明光学装置の照明領域の補正の様子を示す説明図
【図４】 本発明の実施の形態２の照明光学装置および投写型表示装置の構成を示す平面図
【図５】 本発明の実施の形態３の投写型表示装置の構成を示す平面図
【図６】 本発明の実施の形態３の投写型表示装置の構成を示す側面図
【図７】 従来の技術における照明光学装置および投写型表示装置の構成を示す平面図
【符号の説明】
３０，６０…放電ランプ
３１，６１…楕円面鏡
３２，３４，６４，６５…コンデンサレンズ
３３…反射ミラー
３５…第１のレンズアレイ板
３６…第２のレンズアレイ板
３７…重畳用レンズ
３８，６６…反射光学素子
３９…照明領域補正用光学素子（回転非対称レンズ素子）
６７…照明領域補正用光学素子（回転非対称レンズ素子）
４０，６８…裏面反射鏡
４５，８０…ミラー偏向型ライトバルブ
４６，８１…投写レンズ
４７…カラーホイール（回転式カラーフィルタ）
５０…ライトバルブの表示領域
５１，５２…照明光の照明領域
６２…反射ミラー
６３…ロッドレンズ
１００…投写型表示装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を画像形成手段に照明する照明光学装置と画像形成手段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。
【０００２】
【従来の技術】
大画面の画像を得るための、映像信号に応じた画像を形成する小型の画像形成手段に対して光源からの光を照明し、投写レンズによりその画像をスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置が用いられている。
【０００３】
画像形成手段として有力なものに、映像信号に応じて画素単位の微小ミラーを傾動させ、光を偏向させるミラー偏向型ライトバルブがある。このミラー偏向型ライトバルブは、２次元的に画素単位の微小なミラーを配置して構成し、これらの微小ミラーの傾きを映像信号に応じて変化させることにより、入射光を投写レンズに入射させる方向か、もしくは投写レンズに入射しない方向に反射、偏向させるものである。このようなミラー偏向型ライトバルブを用いた小型の投写型表示装置については、例えば国際公開ＷＯ９８／２９７７３号公報（特願平１０−５０５０７２号）に開示されている。
【０００４】
図７は、画像形成手段としてミラー偏向型ライトバルブを用いる従来技術にかかわる投写型表示装置の構成を示す平面図である。この投写型表示装置における照明光学装置は、放電ランプ１と楕円面鏡２とコンデンサレンズ３と反射鏡４などを備えている。このような構成要素を備えた照明光学装置に、カラーホイール（回転式カラーフィルタ）１１とミラー偏向型ライトバルブ１２と投写レンズ１３とを組み合わせて投写型表示装置を構成している。
【０００５】
光源である放電ランプ１からの放射光は楕円面鏡２により集光され、一方の焦点に収束する。収束した光は、白色光を時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離するカラーホイール１１によって選択的に透過される。カラーホイール１１からの時系列的な各色成分の光は、コンデンサレンズ３および反射鏡４によってそれぞれ透過および反射し、ミラー偏向型ライトバルブ１２に入射する。ミラー偏向型ライトバルブ１２は、映像信号に応じて、画素単位の微小なミラーの傾きを変え、反射光を偏向させる。ミラー偏向型ライトバルブ１２によって偏向された一部の反射光は投写レンズ１３により図示しないスクリーン上に拡大され画像を形成する。
【０００６】
以上のように構成された投写型表示装置は、小型でありながらかなりの大画面の画像の表示が可能となっている。
【０００７】
ところで、投写型表示装置における照明光学装置について、ライトバルブに対する照明を効率良く均一に行うために、２枚のレンズアレイ板やロッドレンズを用いたインテグレータ光学系が用いられるようになってきている（その構成については、後述する実施の形態の図１における符号の３５，３６で指示するレンズアレイ板や図４における符号６３で指示するロッドレンズを参照されたい）。
【０００８】
２枚のレンズアレイ板の構成は、光源側に配置される第１のレンズアレイ板により入射する光束を多数に分割し、分割された各光束を第２のレンズアレイ板に収束させるものとなっている。第２のレンズアレイ板は、第１のレンズアレイ板の出射面とライトバルブ面とを実質的に共役の関係にするものとして構成されている。第２のレンズアレイ板上に収束された光は、ライトバルブ面で重畳され、ライトバルブを均一に照明するようになっている。
【０００９】
また、ロッドレンズは、表示領域と相似形の入出射面をもつガラス柱であり、ロッドレンズの内部を多重反射して、ロッドレンズ出射面での光の均一性を高くするものである。ロッドレンズの出射面とライトバルブ面とを実質的に共役の関係にして、ライトバルブ上に均一に照明する。
【００１０】
以上のような照明光学装置により、効率の良い均一な照明ができるようになってきた。
【００１１】
しかし、さらに高輝度で均一性が良好な投写画像が望まれているのも事実である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示すミラー偏向型ライトバルブに対する照明光学装置においては、照明光は、微小なミラーの傾き方向と傾き角に応じて入射させる。微小ミラーの傾き方向については、ライトバルブの矩形表示領域の長手方向を０度とした場合に、４５度方向を回動基準軸として、その回動基準軸まわりに微小ミラーを傾けるものとなっており、その微小ミラーの傾き角は±１０度である。この場合、照明光の光軸はミラー偏向型ライトバルブ面の法線に対して、−２０度以上傾ける必要がある（図１を参照すると、ラインａとラインｂのなす角度が２０度以上ということに相当している）。また、投写レンズの光軸は、ミラー偏向型ライトバルブ面の法線よりオフセットした位置に配置される（図２を参照すると、点ｃと点ｄとのずれに相当している）。
【００１３】
このような構成の投写型表示装置の照明光学装置に、レンズアレイ板またはロッドレンズを用いたインテグレータ光学系を用いた場合において、効率良く均一に照明するためには、ライトバルブ面位置で矩形表示領域と相似形な矩形照明を行う必要がある。
【００１４】
しかしながら、照明光の光軸がライトバルブ面の法線に対する角度を−２０度以上とするため、ライトバルブ面での矩形照明光が歪み、菱形状照明となってしまう（図３（ｂ）参照）。
【００１５】
このため、ライトバルブ表示領域に対して比較的大きな面積の照明をする必要があり、ライトバルブ面での光損失が増大し、光利用効率が低下するという問題があった。
【００１６】
また、できるだけ効率良く小型に照明光学装置を構成し、小型で高効率な投写型表示装置を構成する必要があった。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
照明光学装置についての本発明は、次のような手段を講じることにより、上記の課題を解決するものである。すなわち、被照明対象に対して効率の良い均一な照明を行う必要性からインテグレータ光学系が採用されてはいるものの、被照明対象に対する入射光の光軸が被照明対象の面における法線に対して大きく傾いていることから（特にミラー偏向型ライトバルブではその傾向が強い）、照明領域が変形を受けて被照明対象の領域に対して歪んだ形状となるような照明光学装置の構成を前提として、光路途中に照明領域補正用光学素子を配置することにより、前記の照明領域の形状歪みを補正するように構成してある。
【００１８】
上記構成の本発明によると、被照明対象に対してその領域に相似形の照明領域の状態で照明を行うことができ、インテグレータ光学系を採用したことによる本来的な、小型化できるとともに被照明対象に対して効率の良い均一な照明を行うことができるという効果を所期通りに十分に発揮させることを確保しつつも、被照明対象に対する照明領域のずれに起因する光損失を極力軽減し、光利用効率の高い十分に明るい照明を行うことができる。
【００１９】
また、上記のようなすぐれた照明光学装置を照明光学手段として採用している投写型表示装置においては、画面が明るくて視認性の十分良好な画像投写を行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を総括的に説明する。
【００２３】
本願第１の発明の照明光学装置は、光源からの光を集光し、複数の微小ミラーが２次元的に配置されたミラー偏向型ライトバルブに照明する照明光学装置であって、光源と、前記光源からの放射光を集光する集光手段と、複数のレンズ素子から構成され前記集光手段からの光を多数の光束に分割する第１のレンズアレイ板と、複数のレンズ素子から構成され前記第１のレンズアレイ板からの光が入射する第２のレンズアレイ板と、前記第２のレンズアレイ板からの光が入射して前記ミラー偏向型ライトバルブの表示領域に前記表示領域と相似形な照明ができるように補正する照明領域補正用光学素子とを備え、前記照明領域補正用光学素子は、ゼルニケ多項式で表現される回転非対称曲面のレンズ素子または反射素子であることを特徴としている。
【００２４】
この第１の発明による作用は次のとおりである。インテグレータ光学系として第１のレンズアレイ板と第２のレンズアレイ板の構成を採用すると、十分に効率の良い均一な照明が可能となる。また、画像形成手段としてミラー偏向型ライトバルブを採用すると、反射型液晶パネルの場合に比べて、光の利用効率が高く、熱に強くて応答速度が速いという優れた特性がある。しかし、インテグレータ光学系（レンズアレイ板）とミラー偏向型ライトバルブとの組み合わせでは、ミラー偏向型ライトバルブに対する入射光の光軸が前記ライトバルブの面における法線に対して大きく傾きがちとなり、照明領域が変形を受けてライトバルブの表示領域に対して歪んだ形状となってしまう。
【００２５】
そこで、上記のようなレンズアレイ板とミラー偏向型ライトバルブとの組み合わせに対して、照明領域補正用光学素子を介在させることにより、前記の照明領域の変形を補正し、ミラー偏向型ライトバルブの表示領域に対してその表示領域と相似形な照明領域の照明を行うのである。
【００２６】
したがって、レンズアレイ板を採用したことによる小型化と効率の良い均一な照明の機能を所期通りに十分に発揮させながらも、照明領域のずれに起因する光損失を極力軽減し、光利用効率を十分に高いものとなすことが可能となる。
レンズ素子であれ反射素子であれ、ゼルニケ多項式に準拠した球面の照明領域補正用光学素子であれば、上記した照明領域の形状歪みに対する補正の効果および性状が非常に良好なものとなる。その結果として、ミラー偏向型ライトバルブなどの被照明対象に対して効率の良い均一な照明を行うことができるという効果を所期通りに十分に発揮させることを確保しつつも、被照明対象に対する照明領域のずれに起因する光損失を極力軽減し、光利用効率の高い十分に明るい照明を行えるという効果を十分に発揮させることが可能となっている。
【００２７】
本願第２の発明の照明光学装置は、光源からの光を集光し、複数の微小ミラーが２次元的に配置されたミラー偏向型ライトバルブに照明する照明光学装置であって、光源と、前記光源からの放射光を集光する集光手段と、入射光を多重反射させて均一光を出射させるロッドレンズと、前記ロッドレンズからの光が入射して前記ミラー偏向型ライトバルブの表示領域に前記表示領域と相似形な照明ができるように補正する照明領域補正用光学素子とを備え、前記照明領域補正用光学素子は、ゼルニケ多項式で表現される回転非対称曲面のレンズ素子または反射素子であることを特徴としている。
【００２８】
この第２の発明による作用は次のとおりである。インテグレータ光学系としてロッドレンズの構成を採用すると、その全反射を含む多重反射により、不均一な光束を均一な光束として出射することとなり、十分に効率の良い均一な照明が可能となる。ロッドレンズは、レンズアレイ板と比較して、部品点数が少なく、低コストで構成することが容易である。また、画像形成手段としてミラー偏向型ライトバルブを採用すると、反射型液晶パネルの場合に比べて、光の利用効率が高く、熱に強くて応答速度が速いという優れた特性がある。しかし、インテグレータ光学系（ロッドレンズ）とミラー偏向型ライトバルブとの組み合わせでは、ミラー偏向型ライトバルブに対する入射光の光軸が前記ライトバルブの面における法線に対して大きく傾きがちとなり、照明領域が変形を受けてライトバルブの表示領域に対して歪んだ形状となってしまう。
【００２９】
そこで、上記のようなロッドレンズとミラー偏向型ライトバルブとの組み合わせに対して、照明領域補正用光学素子を介在させることにより、前記の照明領域の変形を補正し、ミラー偏向型ライトバルブの表示領域に対してその表示領域と相似形な照明領域の照明を行うのである。
【００３０】
したがって、ロッドレンズを採用したことによる小型化と効率の良い均一な照明の機能を所期通りに十分に発揮させながらも、照明領域のずれに起因する光損失を極力軽減し、光利用効率を十分に高いものとなすことが可能となる。
【００３３】
レンズ素子であれ反射素子であれ、ゼルニケ多項式に準拠した球面の照明領域補正用光学素子であれば、上記した照明領域の形状歪みに対する補正の効果および性状が非常に良好なものとなる。その結果として、ミラー偏向型ライトバルブなどの被照明対象に対して効率の良い均一な照明を行うことができるという効果を所期通りに十分に発揮させることを確保しつつも、被照明対象に対する照明領域のずれに起因する光損失を極力軽減し、光利用効率の高い十分に明るい照明を行えるという効果を十分に発揮させることが可能となっている。
【００３４】
本願第３の発明の照明光学装置は、上記の第１または第２の発明において、前記照明領域補正用光学素子と前記ミラー偏向型ライトバルブとの間に裏面反射光学素子を配置した構成となっている。
【００３５】
この第３の発明による作用は次のとおりである。裏面反射光学素子は、表面反射光学素子と比較して、同じ曲率であれば焦点距離をより短くすることができ、また、表面（屈折面）を利用できるため、収差補正にも利用できる。このため、投写レンズなどの終端光学要素との配置空間の干渉をできるだけ抑えつつ、照明光学装置を小型に構成することが可能となっている。
【００３６】
本願第４の発明の照明光学装置は、上記の第３の発明において、前記裏面反射光学素子の反射面が球面とされた構成となっている。
【００３７】
また、本願第５の発明の照明光学装置は、上記の第３の発明において、前記裏面反射光学素子の反射面が非球面とされた構成となっている。
【００３８】
これらは、裏面反射光学素子の反射面についてより具体的レベルで記述したものである。すなわち、その反射面は球面・非球面のいずれであってもよいが、非球面の場合には、照明領域の形状補正にも有利となる。
【００４２】
本願第１１以降の発明は、投写型表示装置についてのものである。
【００４３】
本願第６の発明の投写型表示装置は、光源からの光を集光し画像形成手段に照明する照明光学手段と、前記照明光学手段からの光が入射して映像信号に応じて画像を形成する前記ミラー偏向型ライトバルブと、前記ミラー偏向型ライトバルブからの画像光が入射してその画像をスクリーン上に拡大投写する投写レンズとを備えて構成されており、前記照明光学手段として、上記の第１〜第５の発明における照明光学装置を採用してあることを特徴としている。
【００４４】
この第６の発明による作用は次のとおりである。上記のようなすぐれた照明光学装置を照明光学手段として採用している投写型表示装置においては、画面が明るくて視認性の十分良好な画像投写を行うことができる。
【００４７】
ミラー偏向型ライトバルブにて画像を形成することで、反射型液晶パネルの場合に比べて、光の利用効率が高く、熱に強くて応答速度が速いという優れた特性を投写型表示装置にもたせることが可能となる。
【００４９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の照明光学装置およびその照明光学装置を含む投写型表示装置の構成を示す平面図、図２はその側面図である。図１および図２においては、照明光学装置を含む投写型表示装置の光学構成を示している。
【００５０】
図１および図２において、符号の３０は光源としてのメタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の放電ランプ、３１は放電ランプ３０からの光を集光する集光手段としての楕円面鏡、３２，３４はコンデンサレンズ、３３は反射ミラー、３５は複数のレンズ素子から構成された第１のレンズアレイ板、３６は同じく複数のレンズ素子から構成された第２のレンズアレイ板、３７は重畳用レンズ、３８は反射光学素子、３９は回転非対称光学素子の一例としての回転非対称レンズ素子から構成された照明領域補正用光学素子、４０は裏面反射鏡、４５は画像形成手段としてのミラー偏向型ライトバルブ、４６は投写レンズ、４７は白色光を時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離するカラーホイール（回転式カラーフィルタ）である。第１のレンズアレイ板３５のレンズ素子の焦点距離は、第１のレンズアレイ板３５と第２のレンズアレイ板３６との離間距離とされている。第１のレンズアレイ板３５のレンズ素子はミラー偏向型ライトバルブ４５と相似形の開口形状とされている。第２のレンズアレイ板３６のレンズ素子は、第１のレンズアレイ板３５の出射面とミラー偏向型ライトバルブ４５の入射面とが実質的に共役関係となるように、レンズ素子のパワーを考慮して焦点距離を決めている。重畳用レンズ３７は第２のレンズアレイ板３６の各レンズ素子から出射した光をミラー偏向型ライトバルブ４５上に重畳照明するためのレンズである。
【００５１】
次に、上記のように構成された実施の形態１の照明光学装置および投写型表示装置の動作を説明する。
【００５２】
放電ランプ３０から放射される光は楕円面鏡３１により集光され、一方の焦点に収束する。収束した光は、カラーホイール４７によって白色光が時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離され、それぞれの色成分の光が選択的に透過される。透過した各色成分の光は、コンデンサレンズ３２、反射ミラー３３、コンデンサレンズ３４により実質的な平行光に変換される。実質的な平行光に変換された光は、第１のレンズアレイ板３５に入射し、その複数のレンズ素子によって光束は多数の光束に分割される。分割された多数の光束は、複数のレンズ素子から構成される第２のレンズアレイ板３６に収束し、重畳用レンズ３７に入射される。重畳用レンズ３７を出射した光は、反射光学素子３８で反射され、回転非対称レンズ素子からなる照明領域補正用光学素子３９に入射する。照明領域補正用光学素子３９は、光束分布を形状的に補正した後、裏面反射鏡４０に入射する。裏面反射鏡４０で反射された光はミラー偏向型ライトバルブ４５に入射する。ミラー偏向型ライトバルブ４５で変調された光は画像形成に必要な光束のみを投写レンズ４６に入射させる。投写レンズ４６はミラー偏向型ライトバルブ４５で形成される画像を拡大投写する。
【００５３】
上記において、裏面反射鏡４０は、表面鏡に比べて比較的曲率が大きくても、焦点距離を短かくできるため、周辺の光学部品との干渉が少なく、光学系を小型に構成できる。
【００５４】
以上において、照明光学装置の構成要素は、放電ランプ３０、楕円面鏡３１、コンデンサレンズ３２，３４、反射ミラー３３、第１のレンズアレイ板３５、第２のレンズアレイ板３６、重畳用レンズ３７、反射光学素子３８、照明領域補正用光学素子３９および裏面反射鏡４０である。この照明光学装置に、カラーホイール４７、ミラー偏向型ライトバルブ４５、投写レンズ４６を付加したものが投写型表示装置である。
【００５５】
照明光学装置によるミラー偏向型ライトバルブ４５への照明光は微小なミラーの傾き方向と傾き角に応じて入射させている。微小ミラーの傾き方向については、ミラー偏向型ライトバルブ４５の矩形表示領域の長手方向を０度とした場合に、４５度方向を回動基準軸として、その回動基準軸まわりに微小ミラーを傾けるものとなっており、その微小ミラーの傾き角は±１０度である。この場合、照明光の光軸はミラー偏向型ライトバルブ４５の表面での法線に対して、−２０度以上傾ける必要がある。すなわち、ラインａとラインｂのなす角度が２０度以上である必要がある。また、投写レンズ４６の光軸は、ミラー偏向型ライトバルブ４５の表面での法線よりオフセットした位置に配置される（図２の点ｃと点ｄとのずれ参照）。
【００５６】
以上のような条件においては、第１のレンズアレイ板３５および第２のレンズアレイ板３６を用いたインテグレータ光学系を用いた場合、ミラー偏向型ライトバルブ４５に対して効率良く均一に照明するためには、ミラー偏向型ライトバルブ４５の表面位置で矩形表示領域と相似形な矩形照明をする必要がある。
【００５７】
以下、図３を用いて矩形の表示領域に対する照明領域の形状変化について説明する。図３（ａ），（ｂ）はミラー偏向型ライトバルブの表示領域と照明光の照明領域の様相を示している。５０はミラー偏向型ライトバルブの矩形の表示領域、ハッチングで表した５１，５２は照明領域を示している。
【００５８】
照明光の光軸がミラー偏向型ライトバルブの表面での法線に対してなす角度が小さい場合は、図３（ａ）のように、矩形の表示領域５０に対してやや大きい矩形の照明領域５１の状態で照明される。すなわち、矩形の照明領域５１が矩形の表示領域５０に対して相似形をなしている。この場合、ミラー偏向型ライトバルブでの光損失は少なく、効率良く均一に照明される。
【００５９】
しかしながら、ミラー偏向型ライトバルブの表面での法線に対して照明光の光軸がなす角度が−２０度以上と大きい場合には（図１のラインａとラインｂを参照（ただし、照明領域補正用光学素子３９がない場合を想定）、ミラー偏向型ライトバルブの表面での照明光の形状が歪み、図３（ｂ）に示す照明領域５２のように菱形状の照明となってしまい、効率良く均一な照明ができなくなる。
【００６０】
図３（ｂ）のような場合は、インテグレータ光学系を用いても、ライトバルブの表示領域５０に対してかなり大きな面積の照明をする必要があり、ライトバルブ面での光損失が増大し、光利用効率が低下する。
【００６１】
図３（ｂ）のような菱形状に照明されることとなる要因は、次の２点にある。すなわち、照明光学装置を小型に構成することから、照明光の光軸がライトバルブ４５の表面での法線に対して大きく傾いていることが１つの要因である。また、裏面反射鏡４０などを回転非対称に配置していることがもう１つの要因である。
【００６２】
このような状況にあって、回転非対称レンズ素子からなる照明領域補正用光学素子３９は、図３（ｂ）のような菱形状の照明領域５２を図３（ａ）のような矩形状の照明領域５１に補正するために設けてある。
【００６３】
照明領域補正用光学素子３９における回転非対称曲面は、ゼルニケ多項式で表現される曲面となっている。ゼルニケ面は光軸からの径ρと回転角θを変数とした極座標の関数で表現される面である。
【００６４】
なお、照明領域補正用光学素子３９を用いて、菱形状の照明領域５２を矩形状の照明領域５１に補正しているが、反射光学素子３８の曲面を回転非対称曲面とした反射ミラーとして構成しても同様に補正することができる。
【００６５】
裏面反射鏡４０は、表面反射鏡と比較して、同じ曲率を比較条件とすれば、焦点距離をより短くすることができ、また、表面（屈折面）を利用できるため、収差補正にも利用できる。このため、投写レンズ４６との配置空間の干渉をできるだけ抑えつつ、照明光学装置を小型に構成することができる。裏面の反射面は球面であってもよいが、非球面であれば、照明領域の形状補正にも利用できる。また、裏面反射鏡４０をオフセットして配置すれば、照明領域の補正がより良好なものとなる。
【００６６】
以上のように、ミラー偏向型ライトバルブ４５に対する照明光の入射が大きく傾く照明光学装置の場合であっても、回転非対称光学素子としての照明領域補正用光学素子３９を用いることにより、ミラー偏向型ライトバルブ４５の矩形の表示領域５０に対して相似形をなす矩形状の照明領域５１の状態で効率の良い均一な照明を行うことができる。また、裏面反射鏡４０を用いることにより、照明光学装置を小型化することができる。
【００６７】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２の照明光学装置およびその照明光学装置を含む投写型表示装置の構成を示す平面図である。図４においては、照明光学装置を含む投写型表示装置の光学構成を示している。
【００６８】
図４において、符号の６０は光源としてのメタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の放電ランプ、６１は放電ランプ６０からの光を集光する集光手段としての楕円面鏡、６２は反射ミラー、６３はロッドレンズ、６４，６５はコンデンサレンズ、６６は反射ミラーなどの反射光学素子、６７は回転非対称光学素子の一例としての照明領域補正用光学素子、６８は裏面反射鏡、８０は画像形成手段としてのミラー偏向型ライトバルブ、８１は投写レンズ、８２は白色光を時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離するカラーホイール（回転式カラーフィルタ）である。実施の形態１（図１、図２）の照明光学装置と異なる構成は、レンズアレイ板ではなくロッドレンズを用いて照明光学装置を構成している点である。ロッドレンズ６３は、入射面と出射面が矩形の柱状ガラスをもって構成されている。
【００６９】
次に、上記のように構成された実施の形態２の照明光学装置および投写型表示装置の動作を説明する。
【００７０】
放電ランプ６０から放射される光は楕円面鏡６１により集光され、一方の焦点に収束する。収束した光は、カラーホイール８２によって白色光が時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離され、それぞれの色成分の光が選択的に透過される。透過した各色成分の光は、ロッドレンズ６３に入射する。ロッドレンズ６３に入射した光は、全反射を含む多重反射により出射面まで伝播される。ロッドレンズ６３の入射面で不均一であった光束も出射面では均一な光束となる。
【００７１】
ロッドレンズ６３の出射面とミラー偏向型ライトバルブ８０の表面とが共役な関係となるように、ロッドレンズ６３とミラー偏向型ライトバルブ８０の表面との間に存在する光学素子群すなわちコンデンサレンズ６４，６５、反射光学素子６６、照明領域補正用光学素子６７、裏面反射鏡６８のパワー配置を決めれば、照明領域補正用光学素子６７の作用によって、ミラー偏向型ライトバルブ８０の矩形の表示領域に対して相似形をなす矩形状の照明領域となる状態で照明することができ、効率の良い均一な照明ができる。
【００７２】
ロッドレンズは、レンズアレイ板と比較して部品点数が少なく、低コストで照明光学系を構成できる。
【００７３】
コンデンサレンズ６４，６５を透過した光は、反射光学素子６６で反射され、回転非対称レンズ素子からなる照明領域補正用光学素子６７に入射する。
【００７４】
照明領域補正用光学素子６７は、照明光の光軸がミラー偏向型ライトバルブ８０の表面の法線に対して大きく傾いていることに起因して生じる菱形状照明領域を表示領域に沿った矩形照明領域に補正する。
【００７５】
裏面反射鏡６８は、緩い曲率であっても焦点距離を短くできるため、比較的小空間でミラー偏向型ライトバルブ８０に光を集光できる。裏面反射鏡６８の曲面形状は球面であっても、非球面であってもよい。また、偏芯させて配置してもよい。この裏面反射鏡６８は、投写レンズ８１に対して空間的に干渉することのない状態で配置することが可能であり、照明光学装置および投写型表示装置を小型に構成する上で有利となっている。
【００７６】
ミラー偏向型ライトバルブ８０に入射する光は、映像信号に従って変調され、その変調された光のうちの画像形成に必要な光束のみを投写レンズ８１に入射させる。投写レンズ８１はミラー偏向型ライトバルブ８０で形成された画像を拡大投写する。
【００７７】
以上のように、インテグレータ光学系としてロッドレンズ６３を用いた照明光学装置に、回転非対称レンズ素子からなる照明領域補正用光学素子６７を配置することにより、ミラー偏向型ライトバルブ８０の表示領域と相似形の照明領域となる状態で、効率の良い均一な照明を行うことができる。また、裏面反射鏡６８を用いることにより、小型な照明光学装置を構成することができる。
【００７８】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３の投写型表示装置の構成を示す平面図、図６はその側面図である。この投写型表示装置においては、その照明光学装置としては上記の実施の形態１のものを採用している。
【００７９】
図５および図６において、符号の３０は光源としてのメタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の放電ランプ、３１は放電ランプ３０からの光を集光する集光手段としての楕円面鏡、３２，３４はコンデンサレンズ、３３は反射ミラー、３５は複数のレンズ素子から構成された第１のレンズアレイ板、３６は同じく複数のレンズ素子から構成された第２のレンズアレイ板、３７は重畳用レンズ、３８は反射光学素子、３９は回転非対称光学素子の一例としての照明領域補正用光学素子、４０は裏面反射鏡、４５は画像形成手段としてのミラー偏向型ライトバルブ、４６は投写レンズ、４７は白色光を時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離するカラーホイール（回転式カラーフィルタ）である。第１のレンズアレイ板３５のレンズ素子の焦点距離は、第１のレンズアレイ板３５と第２のレンズアレイ板３６との離間距離とされている。第１のレンズアレイ板３５のレンズ素子はミラー偏向型ライトバルブ４５と相似形の開口形状とされている。第２のレンズアレイ板３６のレンズ素子は、第１のレンズアレイ板３５の出射面とミラー偏向型ライトバルブ４５の入射面とが実質的に共役関係となるように、レンズ素子のパワーを考慮して焦点距離を決めている。重畳用レンズ３７は第２のレンズアレイ板３６の各レンズ素子から出射した光をミラー偏向型ライトバルブ４５上に重畳照明するためのレンズである。そして、符号の１００は本実施の形態３における投写型表示装置を示している。
【００８０】
次に、上記のように構成された実施の形態３の投写型表示装置の動作を説明する。
【００８１】
放電ランプ３０から放射される光は楕円面鏡３１により集光され、一方の焦点に収束する。収束した光は、カラーホイール４７によって白色光が時系列的に青、緑、赤の色成分の光に分離され、それぞれの色成分の光が選択的に透過される。透過した各色成分の光は、コンデンサレンズ３２、反射ミラー３３、コンデンサレンズ３４により実質的な平行光に変換される。実質的な平行光に変換された光は、第１のレンズアレイ板３５に入射し、その複数のレンズ素子によって光束は多数の光束に分割される。分割された多数の光束は、複数のレンズ素子から構成される第２のレンズアレイ板３６に収束し、重畳用レンズ３７に入射される。重畳用レンズ３７を出射した光は、反射光学素子３８で反射され、回転非対称光学素子としての照明領域補正用光学素子３９に入射する。照明領域補正用光学素子３９は、光束分布を形状的に補正した後、裏面反射鏡４０に入射する。裏面反射鏡４０で反射された光はミラー偏向型ライトバルブ４５に入射する。ミラー偏向型ライトバルブ４５で変調された光は画像形成に必要な光束のみを投写レンズ４６に入射させる。投写レンズ４６はミラー偏向型ライトバルブ４５で形成される画像を拡大投写する。上記において、裏面反射鏡４０は、表面鏡に比べて比較的曲率が大きくても、焦点距離を短かくできるため、周辺の光学部品との干渉が少なく、光学系を小型に構成できる。
【００８２】
以上のように、本実施の形態３においては、回転非対称レンズ素子からなる照明領域補正用光学素子３９や裏面反射鏡４０を採用した実施の形態１の照明光学装置を用いて投写型表示装置を構成しているので、小型で高効率の投写型表示装置を構成することができる。なお、ロッドレンズ６３や裏面反射鏡６８を採用した実施の形態２の照明光学装置を用いて投写型表示装置を構成した場合も、同様の効果を発揮する。
【００８３】
なお、上述の実施の形態１〜３においては、画像形成手段としてミラー偏向型ライトバルブを例にあげたが、必ずしもそれにとらわれる必要性はなく、斜め照明する照明光学装置が必要であれば、画像形成手段としては反射型液晶パネルを用いてもよい。また、透過型のスクリーンを用いて、背面投写の投写型表示装置を構成してもよい。いずれも上記同様の効果を発揮する。
【００８４】
また、上記の実施の形態１〜３においては、反射光学素子３８，６６と裏面反射鏡４０，６８との間に回転非対称レンズ素子からなる照明領域補正用光学素子３９，６７を設けたが、これに代えて、反射光学素子３８，６６を回転非対称曲面反射ミラーとしてもよく、同様な光束分布補正ができる。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、インテグレータ光学系を採用することを前提にした照明光学装置において、回転非対称レンズ素子や反射素子などからなる照明領域補正用光学素子を設けて照明領域の形状歪みを補正し、被照明対象に対してその領域に相似形の照明領域の状態で照明を行うことができるため、小型化できるとともに被照明対象に対して効率の良い均一な照明を行うことができるという効果を所期通りに十分に発揮させることを確保しつつも、被照明対象に対する照明領域のずれに起因する光損失を極力軽減し、光利用効率の高い十分に明るい照明を行うことができる。
【００８６】
また、上記のようなすぐれた照明光学装置を照明光学手段として採用している投写型表示装置においては、画面が明るくて視認性の十分良好な画像投写を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の照明光学装置および投写型表示装置の構成を示す平面図
【図２】 本発明の実施の形態１の照明光学装置および投写型表示装置の構成を示す側面図
【図３】 照明光学装置の照明領域の補正の様子を示す説明図
【図４】 本発明の実施の形態２の照明光学装置および投写型表示装置の構成を示す平面図
【図５】 本発明の実施の形態３の投写型表示装置の構成を示す平面図
【図６】 本発明の実施の形態３の投写型表示装置の構成を示す側面図
【図７】 従来の技術における照明光学装置および投写型表示装置の構成を示す平面図
【符号の説明】
３０，６０…放電ランプ
３１，６１…楕円面鏡
３２，３４，６４，６５…コンデンサレンズ
３３…反射ミラー
３５…第１のレンズアレイ板
３６…第２のレンズアレイ板
３７…重畳用レンズ
３８，６６…反射光学素子
３９…照明領域補正用光学素子（回転非対称レンズ素子）
６７…照明領域補正用光学素子（回転非対称レンズ素子）
４０，６８…裏面反射鏡
４５，８０…ミラー偏向型ライトバルブ
４６，８１…投写レンズ
４７…カラーホイール（回転式カラーフィルタ）
５０…ライトバルブの表示領域
５１，５２…照明光の照明領域
６２…反射ミラー
６３…ロッドレンズ
１００…投写型表示装置
Claims (6)
- 光源からの光を集光し、複数の微小ミラーが２次元的に配置されたミラー偏向型ライトバルブに照明する照明光学装置であって、光源と、前記光源からの放射光を集光する集光手段と、複数のレンズ素子から構成され前記集光手段からの光を多数の光束に分割する第１のレンズアレイ板と、複数のレンズ素子から構成され前記第１のレンズアレイ板からの光が入射する第２のレンズアレイ板と、前記第２のレンズアレイ板からの光が入射して前記ミラー偏向型ライトバルブの表示領域に前記表示領域と相似形な照明ができるように補正する照明領域補正用光学素子とを備え、
前記照明領域補正用光学素子は、ゼルニケ多項式で表現される回転非対称曲面のレンズ素子または反射素子であることを特徴とする照明光学装置。 - 光源からの光を集光し、複数の微小ミラーが２次元的に配置されたミラー偏向型ライトバルブに照明する照明光学装置であって、光源と、前記光源からの放射光を集光する集光手段と、入射光を多重反射させて均一光を出射させるロッドレンズと、前記ロッドレンズからの光が入射して前記ミラー偏向型ライトバルブの表示領域に前記表示領域と相似形な照明ができるように補正する照明領域補正用光学素子とを備え、
前記照明領域補正用光学素子は、ゼルニケ多項式で表現される回転非対称曲面のレンズ素子または反射素子であることを特徴とする照明光学装置。 - 前記照明領域補正用光学素子と前記ミラー偏向型ライトバルブとの間に裏面反射光学素子を配置してあることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学装置。
- 前記裏面反射光学素子の反射面が球面とされていることを特徴とする請求項３に記載の照明光学装置。
- 前記裏面反射光学素子の反射面が非球面とされていることを特徴とする請求項３に記載の照明光学装置。
- 光源からの光を集光し画像形成手段に照明する照明光学手段と、前記照明光学手段からの光が入射して映像信号に応じて画像を形成する前記ミラー偏向型ライトバルブと、前記ミラー偏向型ライトバルブからの画像光が入射してその画像をスクリーン上に拡大投写する投写レンズとを備えて構成されており、前記照明光学手段として、上記の請求項１から請求項５までのいずれかに記載の照明光学装置を採用してあることを特徴とする投写型表示装置。
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