JP3980036B2 - 照明装置及びそれを用いた投写型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置及びそれを用いた投写型画像表示装置に関するものである。

従来、大画面映像を表示する方法として、映像信号に応じた画像を表示する小型のライトバルブを照明し、その画像を投写レンズにより拡大投写する投写型画像表示装置が知られている。ライトバルブには透過型又は反射型の液晶パネルを用いたものや、微細なミラーの集合体であるデジタルミラーデバイスを用いたものがあり、これらを用いた投写型画像表示装置が実用化されている。以下、従来の投写型画像表示装置について説明する。

図２１は、従来の柱状光学素子（以下、「ロッドインテグレータ」という。）とライトバルブとを用いた投写型画像表示装置を示す光学系概念図である。図中、２はランプ、３は楕円凹面鏡、４はリレーレンズ系、５はフィールドレンズ、６は透過型ライトバルブ、７は投写レンズ、１５はガラス材料からなるロッドインテグレータである。

次に動作について説明する。ランプ２の発光中心は楕円凹面鏡３の第１焦点近傍に配置され、ランプ２より射出する光束は楕円凹面鏡３で反射された後、楕円凹面鏡３の第２焦点近傍に集光される。ロッドインテグレータ１５の入射面は前記の第２焦点近傍に配置されており、入射した光束はロッドインテグレータ１５の長手方向の側面で適宜全反射されロッドインテグレータ１５より射出する。

ここで、従来のロッドインテグレータ１５の基本動作を説明する。図２２は、入射した光線の動作を示す上面図であり、図２３は入射した光線の動作を示す側面図である。図中、角度θで入射した光線は、ロッドインテグレータ１５の長手方向の側面で適宜全反射し、角度を保存伝達され角度θで射出される。従って、例えば楕円凹面鏡３の集光角の最大値が３０度であれば、これに対応した最大３０度の光線がロッドインテグレータ１５から射出される。

また、入射する光線の角度が異なれば、ロッドインテグレータ１５の長手方向の側面で適宜全反射される回数が異なり、これらは射出面で混合されるため、入射面では不均一な照度分布であっても射出面で重畳され、結果としてロッドインテグレータ１５の射出面では均一性に優れ、かつ所望の照明領域と略等しい形状の照明光束を得ることが可能となる。但し、反射回数が多いほど均一性に優れることからロッドインテグレータ１５の長さは十分にとられていることはいうまでもない。

また、ロッドインテグレータ１５から射出された光束は、少なくとも１枚から構成されるリレーレンズ系４及びフィールドレンズ５を介して透過型ライトバルブ６を照明する。透過型ライトバルブ６は駆動回路（図示せず）から出力される電気信号によって画像を表示する。透過型ライトバルブ６に表示された画像は、投写レンズ７を介して拡大投写されスクリーン（図示せず）に投写される。

また、一方でこのような投写型画像表示装置では、投射画像の高輝度化に対する要望が高く、複数の光源を用いた投写型画像表示装置が開示されている。例えば、特許文献１のように複数の光源の出射光束を光ファイバなどの光ガイド手段により合成する方法及び光源を所定の位置に配置させ、反射ミラー、反射プリズムなどにより反射した光を合成する方法が開示されている。

さらに、下記特許文献２には、光源は上述の従来例と同様に１個であるが、ロッドインテグレータに、入射端面から出射端面に向かって断面形状が連続的に増大するテーパ部を形成している。この構成は、テーパ部のテーパ角の制御により、ランプからの集光光束の平行度を所望の値にするというものである。
特開平９−５００８２号公報 特開平１１−１４２７８０号公報

以上に示した従来の投写型画像表示装置の構成においては、明るさを向上させるために、ランプの消費電力を上げたり、点光源に近いランプ、例えば超高圧水銀灯の電極間距離１．３ｍｍ以下のものを用いて集光率を向上させて明るさを向上させる方法が取られている。

しかしながら、前記のような２つの方法を用いた場合、同じ電極間距離のままで消費電力を上げると光源の寿命が著しく短くなってしまう。また、消費電力はそのままで、さらに電極間距離を短くした場合にも光源の寿命は著しく短くなってしまう。従って、従来技術のように光源が１つである構成においては、光源の寿命を短くすることなく装置の明るさをさらに向上させることが課題となっている。

一方、複数個の光源を用いることで明るさを向上させようとする前記特許文献１に開示された方法は、光源と楕円凹面鏡からなる光源部から射出される光線の集光角がそのまま射出される合成方法である。例えば２つの光源部からの光束を合成した場合、集光角１５度程度までの楕円凹面鏡から射出される光線は、合成され射出される最大広がり角が３０度程度になる。

このため、反射ミラー、反射プリズムからなる合成部後段に用いられる集光レンズは実現可能ではあると考えられるが、集光角１５度程度の楕円凹面鏡で集光率を十分に取ろうとすると楕円凹面鏡の第１焦点位置と第２焦点位置を十分に離し、かつ楕円凹面鏡自体を大きくする必要があるため装置を小型化することができないという問題があった。

また、現在は明るさ向上と装置の小型化を重視した集光角３０度程度の楕円凹面鏡を使用するのが主流となっているが、これを２つ用いた場合、反射ミラー、反射プリズムからなる合成部から反射される光線の集光角に対応した最大広がり角は６０度程度となり、合成部後段に用いられる集光レンズを実現することは困難であり実用的でない。

前記特許文献２の構成によれば、ロッドインテグレータのテーパ部により、出射端面の広がり角を制御することができる。しかしながら、この技術は光源が１つの構成において、ロッドインテグレータの水平、垂直の両方向に形成されたテーパ面により、水平、垂直の両方向の光束の平行度を制御するというものである。すなわち、特許文献２には、光源を２つ用いた場合に、最大広がり角が大きくなることに対応した技術は、開示されていなかった。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、複数の光源部から被照射領域を高輝度かつ均一にできる照明装置、及びこれを用いた投写型画像表示装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の照明装置は、ランプ及び凹面鏡を含む光源部と、ロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータから射出された光束を導くリレーレンズ系とを備えた照明装置であって、前記ロッドインテグレータは、入射端面を上底、射出端面を下底とする柱状光学素子であり、前記射出端面の長辺方向を水平方向、短辺方向を垂直方向とすると、前記柱状光学素子の前記上底及び前記下底以外の４面の側面のうち、前記水平方向の向かい合う側面は、前記入射端面から前記射出端面に向けて両側面が互いに前記水平方向に離れるように、平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かい合ったテーパ面を形成しており、前記垂直方向の向かい合う側面は、平面同士が互いに平行に向かいあった部分を形成しており、前記光源部からの光は、前記ロッドインテグレータの入射端面近傍に収束照射され、前記光源部は、前記水平方向又は垂直方向に２個配置されていることを特徴とする。

次に、本発明の投写型画像表示装置は、ランプ及び凹面鏡を含む光源部と、ロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータから射出された光束を導くリレーレンズ系と、前記リレーレンズ系から導かれた光束を変調し、画像を形成するライトバルブと、前記ライトバルブの形成した画像を投写する投写レンズとを備えた投写型画像表示装置であって、前記ロッドインテグレータは、入射端面を上底、射出端面を下底とする柱状光学素子であり、前記射出端面の長辺方向を水平方向、短辺方向を垂直方向とすると、前記柱状光学素子の前記上底及び前記下底以外の４面の側面のうち、前記水平方向の向かい合う側面は、前記入射端面から前記射出端面に向けて両側面が互いに前記水平方向に離れるように、平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かい合ったテーパ面を形成しており、前記垂直方向の向かい合う側面は、平面同士が互いに平行に向かいあった部分を形成しており、前記光源部からの光は、前記ロッドインテグレータの入射端面近傍に収束照射され、前記光源部は、前記水平方向又は垂直方向に２個配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、射出端面における水平方向の光の広がり角を、入射端面における水平方向の光の広がり角と異なるように制御することができるので、高輝度かつ均一な光を得ることができる。

本発明の照明装置又は投写型画像表示装置によれば、ロッドインテグレータの一対のテーパ面により、射出端面における光の広がり角を制御でき、２個以上の光源部を用いた場合、入射端面における光の広がり角が水平方向と垂直方向とで異なっていても、射出端面における光の広がり角を水平方向と垂直方向とで略同一にできる。このため、高輝度かつ均一な光を得ることができる。また、装置の小型化を実現することができる。

前記本発明の照明装置又は投写型画像表示装置においては、前記柱状光学素子の上底及び下底以外の４面の側面のうち、一方の向かい合う側面は、平面同士が互いに平行に向かいあった部分を形成しており、他方の向かい合う側面は、前記入射端面から前記射出端面に向けて両側面が互いに離れるように、平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かいあったテーパ面を形成していることが好ましい。この構成によれば、平面同士が平行に向かいあった側面を反射する光は、入射端面における光の広がり角と射出端面における光の広がり角とが同じになり、テーパ面を反射する光は、入射端面における光の広がり角と射出端面における光の広がり角とが異なることになる。このことにより、合計２個の光源部を用いた場合、入射端面において光の広がり角が水平方向と垂直方向とで異なっていても、射出端面における光の広がり角を水平方向と垂直方向とで略同一にできる。

また、前記柱状光学素子の上底及び下底以外の４面の側面のうち、前記射出端面の短辺方向に向かい合う側面は、平面同士が互いに平行に向かいあった部分を形成しており、前記射出端面の長辺方向に向かい合う側面は、前記入射端面から前記射出端面に向けて両側面が互いに離れるように、平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かいあったテーパ面を形成していることが好ましい。

また、前記一対の互いに平行な平面の法線方向を第１の方向、前記ロッドインテグレータの中心線と直交し、かつ前記第１の方向と直交する方向を第２の方向とすると、前記ロッドインテグレータの前記入射端面に入る光の広がり角度は、第１の方向の最大値に比べ、第２の方向の最大値が大きくなるように、前記２つの光源部は配置されていることが好ましい。

また、前記２個の光源部に並列に、さらに２個の光源部が配置されており、前記柱状光学素子の上底及び下底以外の４面の側面のうち、２対の向かい合う側面はいずれも、前記入射端面から前記射出端面に向けて両側面が互いに離れるように、平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かいあったテーパ面を形成していることが好ましい。この構成によれば、合計４個の光源部を用いた場合、射出端面における光の広がり角を水平方向と垂直方向とで略同一にでき、射出端面における光の広がり角を入射端面における光の広がり角より小さくできる。このため、特に高輝度な光を望む場合に有利である。

また、前記２個の光源部を、それぞれ第１の光源部、第２の光源部とすると、前記第１の光源部からの光を前記ロッドインテグレータの入射端面に導く第１の反射手段と、前記第２の光源部からの光を前記ロッドインテグレータの入射端面に導く第２の反射手段とをさらに備えたことが好ましい。この構成によれば、第１、第２の反射手段を備えているので、２つの光源部の配置の自由度を高めることができる。

また、前記ロッドインテグレータの前記射出端面から射出される光の広がり角度は、水平方向の最大値と垂直方向の最大値とが略同一であることが好ましい。この構成によれば、高輝度かつ均一な光を得るのにより有利である。

また、前記一対の互いに平行な平面の法線方向を第１の方向、前記ロッドインテグレータの中心線と直交し、かつ前記第１の方向と直交する方向を第２の方向とすると、前記ロッドインテグレータの前記入射端面に入る光の広がり角度は、第１の方向の最大値に比べ、第２の方向の最大値が大きくなるように、前記２つの光源部は配置されており、第２の方向の最大値に対応した光は、前記ロッドインテグレータの前記テーパ面で反射され、第１の方向の最大値に対応した光は、前記ロッドインテグレータの互いに平行な平面で反射され、前記射出端面における光の広がり角度は、第１の方向の最大値が、前記入射端面における第１の方向の最大値と略同一であり、第２の方向の最大値が、前記入射端面における第２の方向の最大値より小さくなっていることが好ましい。この構成によれば、ロッドインテグレータの平行面を用いて入射端面における垂直方向の光の広がり角と略同一にしつつ、ロッドインテグレータのテーパ面を用いて射出端面における水平方向の光の広がり角を、入射端面における水平方向の光の広がり角と異なるように制御することができる。

また、前記第１の光源部の射出方向に前記第２の光源部があるように向かい合って配置されていることが好ましい。

また、さらに投写レンズを備えており、前記２つの光源部の凹面鏡の光軸と前記投写レンズの光軸とが垂直であることが好ましい。この構成によれば、光源部の光軸は設置調整角が変化しても傾かないようにすることができ、光源の寿命を損ねる可能性が少なく、信頼性を高めることができる。

また、前記第１の光源部及び前記第２の光源部は、前記第１の光源部の凹面鏡の光軸と前記第２の光源部の凹面鏡の光軸とが、前記ロッドインテグレータの中心線と交差しないように配置されていることが好ましい。この構成によれば、反射手段を設けたことにより、光線の使用できない部分が生じることを防止できる。

また、前記第１、及び第２の反射手段は、誘電体材料をコーティングした反射ミラー又はプリズムで構成されていることが好ましい。

また、前記ロッドインテグレータの中心線と前記凹面鏡の頂点を通る前記凹面鏡の光軸とがなす角度を入射角とし、前記凹面鏡の有効開口の最外周部から射出した光束が、前記凹面鏡の頂点を通る前記凹面鏡の光軸となす角度を集光角とすると、前記入射角は前記集光角より小さいことが好ましい。この構成によれば、装置の明るさを向上させることができる。

また、前記入射角の前記集光角に対する比率が、６０％以上８０％以下の範囲であることが好ましい。この構成によれば、集光効率がより良好になる。

また、前記本発明の投写型画像表示装置においては、前記ロッドインテグレータから射出される光束を、前記ロッドインテグレータの中心線を中心に、前記ライトバルブの配置に合わせて回転させて前記ライトバルブに導く光回転手段を備えたことが好ましい。この構成によれば、光回転手段を備えているので、ライトバルブの光利用効率を向上させることができる。

（実施の形態１）
最初に図１を用いて実施の形態１に係る投写型画像表示装置の構成及び動作について説明する。図１は、実施の形態１に係る光学系概念図の上面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る投写型画像表示装置は、２つの光源部１０１、１０２と、ロッドインテグレータ１と、ロッドインテグレータ１から射出された光束を導くリレーレンズ系４と、フィールドレンズ５と、リレーレンズ系４から導かれた光束を変調し、画像を形成する透過型ライトバルブ６と、ライトバルブ６の形成した画像を投写する投写レンズ７とを備えている。

なお、図１は、投写型画像表示装置の例で図示しているが、光束の進行順に２つの光源部１０１、１０２からリレーレンズ系４までの構成は、照明装置でもあり、この照明装置を独立して用いることもできる。また、この照明装置にはさらに投写レンズを追加してもよい。このことは、以下の実施の形態においても同様である。

光源部１０１と１０２とは同じ構成であり、それぞれ光源２と、光源２からの光を集光する集光光学系である凹面鏡３とを備えている。光源２としては、超高圧水銀ランプ、メタルハイドロランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ等の白色ランプを用いることができる。凹面鏡３は、本図の例では楕円凹面鏡である。また、ロッドインテグレータ１は耐熱性の良好なガラス材料で形成している。

図２はロッドインテグレータ１の斜視図であり、図３Ａは上面図、図３Ｂは、側面図、及び左右の側面図である。図２に示すように、ロッドインテグレータ１は入射端面１３０Ｆを上底とし、射出端面１３０Ｂを下底とし、４面の側面（１３０Ｔ、１３０Ｕ、１３０Ｌ、１３０Ｒ）を備えた柱状光学素子である。互いに向かい合う側面のうち、一方の側面１３０Ｔ及び１３０Ｕは平行な平面である（図３Ｂ参照）。また、他方の向かい合う側面１３０Ｌ及び１３０Ｒは、入射端面１３０Ｆから射出端面１３０Ｂに向けて、両側面１３０Ｌ及び１３０Ｒが互いに離れるように、平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かいあっている（図３Ａ参照）。

なお、本実施の形態において、「水平方向」とは、射出端面１３０Ｂの長辺方向（図２の矢印ａ方向）のことであり、「垂直方向」とは、射出端面１３０Ｂの短辺方向（図２の矢印ｂ方向）のことである。このことは、以下の実施の形態においても同様である。

すなわち、ロッドインテグレータ１を垂直方向について見ると、一対の側面１３０Ｔ、１３０Ｕが互いに平行に形成されているが、水平方向について見ると、一対の側面１３０Ｒ、１３０Ｌが、入射端面１３０Ｆから射出端面１３０Ｂに向けて広がるようにテーパ状に配置されている。

図１において、ランプ２と凹面鏡３とを含む一対の光源部１０１及び光源部１０２の２個の光源部が、水平方向（矢印ａ方向）に配置されている。また、光源部１０１及び光源部１０２の各ランプ２の発光中心は、凹面鏡３の第１焦点近傍に配置されている。

各光源部１０１、光源部１０２は入射端面１３０Ｆに対して入射角θで配置されており、各ランプ２より射出した光束は、凹面鏡３で反射された後、入射端面１３０Ｆ近傍、すなわち凹面鏡３の第２焦点近傍に収束照射される。ここで、入射角とは、ロッドインテグレータの中心線１０３と凹面鏡３の頂点３ａを通る凹面鏡３の光軸とがなす角度のことである。図１の例では、角度θが入射角に相当する。

なお、入射端面１３０Ｆとランプ２との間に凹面鏡３とは別に反射面を設けた場合、凹面鏡３の頂点３ａと交わる光線とは、中心線１０３と入射端面１３０Ｆとの交点を通り、反射面を介して凹面鏡３の頂点３ａと交わる光軸のことである。

前記のように、ロッドインテグレータ１の入射端面１３０Ｆは、凹面鏡３の第２焦点近傍に配置されており、入射した光束はロッドインテグレータ１の垂直方向及び水平方向の側面で適宜全反射されロッドインテグレータ１の射出面１３０Ｂより射出する。

次に、ロッドインテグレータ１の基本動作を説明する。図４は、入射した光線の動作を示すロッドインテグレータ１の上面図であり、図５は入射した光線の動作を示すロッドインテグレータ１の側面図である。

図４の図示は、最大角（２θ）で入射端面１３０Ｆに入射した光線が、ロッドインテグレータ１内で反射され、射出端面１３０Ｂから射出する様子を示している。ここで、最大角とは、ロッドインテグレータ１の入射端面１３０Ｆに入射する光のうち、光源１つ分に対応した最大角のことである。

より具体的には、凹面鏡３の有効開口（図１の有効径Ｒ）の最外周部から射出した光束が、入射端面１３０Ｆにおいてロッドインテグレータ１の中心線１０３となす角度のことである。図１の例では、角度θＭが最大角に相当する。

また、集光角というときは、最大角から入射角を引いた角度のことをいう。

最大角をθMAX、入射角をθＥ、集光角をθｃとして、以上の関係を整理すると下記式（１）のようになる。

式（１） θMAX＝θＥ＋θｃ

図１の例では、入射角θＥと集光角θｃとがいずれもθであり、最大角θMAXは２θとなる。図４に示したように、最大角２θで入射した光線は、ロッドインテグレータ１の一対のテーパ面で適宜全反射されることにより、最大角２θとは異なる角度θ′で射出端面１３０Ｂから射出されることになる。

一方、図５において、角度θ"で入射した光線は、ロッドインテグレータ１の１対の互いに平行な側面間で適宜全反射するので、角度は保存伝達され、入射時と同じ角度θ"で射出されることになる。

図２、３において、例えば、ロッドインテグレータ１の射出面の水平有効寸法を７．６ｍｍ、テーパ角を約１．６３７３４度、長さを５６．１８６２４ｍｍ、長手方向の側面での反射回数を５回とし、ロッドインテグレータ１の硝子材料に耐熱性、光学特性の良好な石英（屈折率ｎｄを１．４５８７４）を用いた場合、図４において、最大角である２θが６０度で入射した光は、約３０度で射出させることができる。また、図５において、３０度で入射した光は、角度を保存伝達され３０度で射出されることになる。

より具体的には、前記のように各凹面鏡３の入射角が３０度である場合、各凹面鏡３の最大角は、前記式（１）によれば、６０度となる。図１の構成のように、２つの凹面鏡３を水平方向に配置した場合は、最大１２０度の光がロッドインテグレータ１の入射端面１３０Ｆに入射することになるが、射出端面１０３Ｂの最大射出角度は約６０度に制御することが可能となる。

一方、垂直方向についてみると、凹面鏡３を２つ配置した場合であっても、入射する光の入射端面における角度の最大値は、凹面鏡３が一つの場合と変わりなく、この最大値は６０度であり、平行面間で反射しながら角度が保存伝達され６０度で射出されることになる。

このことにより、ロッドインテグレータ１へ入射する光の入射端面１３０Ｆにおける角度の最大値が水平方向において１２０度、垂直方向において６０度であったとしても、射出端面１３０Ｂでの射出角は、水平方向及び垂直方向ともに約６０度にすることが可能となる。

すなわち、入射端面１３０Ｆに入射する光束の広がり角度は、水平方向の最大値が、垂直方向の最大値より大きくなっていても、射出端面１３０Ｂから射出される光束の広がり角度は、水平方向の最大値と垂直方向の最大値とを略同一にすることが可能となる。

また、ロッドインテグレータ１の射出部近傍に少なくとも赤、青、緑の３原色を透過させるダイクロイックフィルターからなり、かつ回転することにより白色光を時分割で色分解するカラーホイール（図１には図示せず）を配置させることでカラー表示も可能とすることができる。

尚、前記カラーホイールは、構成するダイクロイックミラーにコーティングされる薄膜の特性上、入射角３０度程度に対応する仕様のものが主流であり、この場合この３０度が凹面鏡３の入射角の所望の角度である。

さらに、入射する光線の角度が異なれば、ロッドインテグレータ１の垂直方向及び水平方向の一対のそれぞれの側面で適宜全反射される回数が異なり、射出面で混合されるため、入射面では不均一な照度分布であっても射出面で重畳され、結果としてロッドインテグレータ１の射出端面１３０Ｂでは均一性に優れ、かつ所望の照明領域とほぼ等しい形状の照明光束を得ることが可能となる。

但し、反射回数が多いほど均一性に優れることが一般的であるが、テーパ角と入射光線の反射回数により最大の射出角が決まることを考慮して、ロッドインテグレータ１の形状を決める必要があることはいうまでもない。

次に、図６を用いてロッドインテグレータ１の形状の決定について説明する。図６は、ロッドインテグレータ１の上面図である。ロッドインテグレータ１の形状を決定するには、詳細は数式を参照しながら順次説明するが、入射端面１３０Ｆに入射する光のうち、最大角で入射する光線のテーパ面１３０Ｒ、１３０Ｌでの反射回数（以下、「反射回数」という）を決定し、テーパ角θＴ、入射端面１３０Ｆにおける水平方向の寸法Ｌ′を導出することが必要となる。

さらに、射出端面１３０Ｂの水平方向の寸法Ｌ、光源の最大角θMAX、ロッドインテグレータ１の屈折率ｎｄの値が必要となるが、これらは定数である。すなわち、寸法Ｌはライトバルブの形状等に応じて決定され、最大角θMAXは、各光源部の入射角に応じて決定され、屈折率ｎｄはロッドインテグレータを構成する材料から決定されるためである。また、射出角θＥの値も必要となるが、この値は、最大角θMAXに応じて決定する要求値であり、これも定数である。

図６において、最大角θMAX（度）で入射端面１３０Ｆに入射した光のうち、屈折直後の射出角をθ′MAX（度）とすると、スネルの法則より、下記の式（２）が成り立つ。

式（２） １×ｓｉｎθMAX＝ｎｄ×ｓｉｎθ′MAX

また、最大角θMAXで入射端面１３０Ｆに入射した光のうち、射出端面１３０Ｂでの屈折直前の射出角をθ′Ｅ（度）とし、射出端面１３０Ｂでの屈折直後の射出角をθＥ（度）とすると、同様にスネルの法則より、下記の式（３）が成り立つ。

式（３） １×ｓｉｎθＥ＝ｎｄ×ｓｉｎθ′Ｅ

また、図６のように、反射面１３０Ｒ、１３０Ｌの法線を基準として、初期入射角θＲ１（度）を設定すると、θＲ１は下記の式（４）で表わされる。

式（４） θＲ１＝９０−（θ′MAX−θＴ）

また、図６のように、反射面１３０Ｒ、１３０Ｌの法線を基準として、反射回数ｎ（ｎ＝２，３，４…）での入射角θＲｎ（度）を設定すると、θＲｎは下記の式（５）で表わされる。

式（５） θＲｎ＝θＲ１＋２×θＴ×（ｎ−１）

式（４）、（５）より、θＲ１を消去すると、下記の式（６）が得られる。

式（６） θＲｎ＝９０−（θ′MAX−θＴ）＋２×θＴ×（ｎ−１）

一方、射出端面１３０Ｂでの屈折前の射出角θ′Ｅは、下記の式（７）で表される。

式（７） θ′Ｅ＝９０−θＲｎ−θＴ

式（７）を変形すると、下記の式（８）が得られる。

式（８） θＲｎ＝９０−θＴ−θ′Ｅ

式（６）、（８）のθＲｎ同士は等しいので、下記式（９）が得られ、θＴを求めることができる。

式（９） θＴ＝（θ′MAX−θ′Ｅ）／２ｎ

一方、入射端面１３０Ｆの水平方向の寸法Ｌ′（ｍｍ）は、公知である照明光学系の前後で照明領域の面積と照明光の立体角の積が一定であることと同様に考えて、ロッドインテグレータ１の射出面の面積と照明光の射出角の積と、透過型ライトバルブ６の面積と照明光の立体角の積が等しくなっていることから、下記のように表される。

π×Ｌ′×Ｖ×sinθMAX×sinθV＝π×Ｌ×Ｖ×sinθE×sinθV

ただし、Ｖ（ｍｍ）はロッドインテグレータの垂直方向の寸法であり、θV（度）は垂直方向の入射最大角、Ｌ（ｍｍ）は射出端面１３０Ｂの水平方向の寸法である。

この関係により、Ｌ′は下記の式（１０）により決定される。

式（１０） Ｌ′＝Ｌ×ｓｉｎθＥ／ｓｉｎθMAX

このように、テーパ角θT、入射端面１３０Ｆの水平方向の寸法Ｌ′が決定されることにより、ロッドインテグレータ１の長手方向の寸法Ｈ（ｍｍ）は、下記の式（１１）で決定されることになる。

式（１１） Ｈ＝（Ｌ−Ｌ′）／２ｔａｎθＴ

以上のように、寸法Ｌ、反射回数ｎ、最大角θMAX、射出角θＥを決めれば、寸法Ｌ′、テーパ角θＴ、長手方向の寸法Ｈを導出することができ、ロッドインテグレータ１の形状を決定することができる。

なお、前記のようにロッドインテグレータ１の形状は、前記各式に所定の数値を代入して理論値を算出することができる。しかしながら、凹面鏡３の楕円形状、ランプ２の管球形状、ランプの配光特性、アークの強度分布を考慮すると、寸法Ｈの理論値に対して調整が必要な場合もある。

また、算出値に対しては、許容範囲があり、前記式（９）のθＴ（度）は、下記の範囲であることが好ましい。
［（θ′MAX−θ′）／２ｎ］−１≦θＴ≦［（θ′MAX−θ′）／２ｎ］＋１

また、θＴ（度）の算出値に対して、＋５′（分）以内−５′（分）以上の範囲内であればより好ましい。このような範囲内であれば、研磨公差内で作成が可能である。

以下、前記各式を用いた算出例について説明する。例えば、現在は明るさ向上と装置の小型化を重視した集光角（入射角）３０度程度の楕円凹面鏡を使用するのが主流となっている。このことから、算出例に係るロッドインテグレータ１は、この楕円凹面鏡を２つ用いたものとする。この場合、前記式（１）より、最大角θMAXは、６０度となる。射出角θＥの要求値を３０度とすると、前記式（２）〜（９）より、テーパ角θＴは１．６３７３４度と求められる。

一方、ライトバルブの大きさに応じて射出端面１３０Ｂの水平方向の側面の寸法Ｌを７．６ｍｍとすると、式（１０）より入射端面１３０Ｂの寸法Ｌ′は４．３８７８６ｍｍと決定することができる。

また、式（１１）より、寸法Ｈは５６．１８６２４９０ｍｍと決定することができる。

ただし、反射回数は５回とし、ロッドインテグレータ１の屈折率ｎｄは１．４５８７４として計算した。

なお、反射回数ｎ、最大角θMAXを変化させた場合のテーパ角θＴ、寸法Ｌ′、寸法Ｈの変化については、以下の各表に示した。表１はθMAXと反射回数ｎからテーパ角θＴを計算した結果であり、表２はθMAXと射出端面寸法Ｌから入射端面１３０Ｆの寸法Ｌ′を計算した結果であり、表３は計算したテーパ角θＴ、射出端面１３０Ｂの寸法Ｌ及び入射端面１３０Fの寸法Ｌ′を用いて、反射回数ｎ、最大角θMAXを変化させて、寸法Ｈを計算した結果である。

ただし、ロッドインテグレータ１のｎｄは１．４５８７４、射出端面１３０Ｂでの射出角θＥは３０度として計算している。

このようにして決定されたロッドインテグレータ１から射出された光束は、少なくとも１枚から構成されるリレーレンズ系４及びフィールドレンズ５を介して透過型ライトバルブ６を照明する。

透過型ライトバルブ６は駆動回路（図示せず）から出力される電気信号によって画像を表示する。透過型ライトバルブ６に表示された画像は、投写レンズ７を介して拡大投写されスクリーン（図示せず）に投写される。

本実施の形態によれば、射出端面１３０Ｂにおける垂直方向の光の広がり角を、入射端面１３０Ｆにおける垂直方向の光の広がり角と略同一にしつつ（図５参照）、射出端面１３０Ｂにおける水平方向の光の広がり角を、入射端面１３０Ｆにおける水平方向の光の広がり角（最大角）と異なるように制御することができる（図４参照）。

このことにより、例えば入射端面１３０Ｆにおいて最大角が６０度（図４の２θ）、中心線１０３に対する垂直方向の広がり角が３０度（図５のθ″）である光について、射出端面１３０Ｂにおける水平方向の光の広がり角（図４のθ′）と、垂直方向の光の広がり角（図４のθ″）とを同じ３０度にすることができる。

したがって、光源を２個用いた場合には、射出端面１３０Ｂから射出される光の広がり角度は、水平方向の最大値と垂直方向の最大値とが同じ６０度となり、高輝度かつ均一な光を得ることができることになる。輝度に関しては、１つの光源部で実現される場合の輝度に比べ１．７〜１．８倍程度にすることが可能となる。また、１つの光源部を交互に使用することにより、各光源部の光源が切れるまでの時間が長くなるので、光源が１つである装置と比べ、光源寿命を２倍程度にすることも可能となる。

なお、本実施の形態では、投写型画像表示装置の例で説明したが、光の進行順に光源２からリレーレンズ系４までの構成を少なくとも備えた装置を照明装置として用いれば、高輝度かつ均一な光を照射できる照明装置を実現できる。このことは以下の実施の形態においても同様である。

（実施の形態２）
図７は、実施の形態２に係る投写型画像表示装置の光学系概念図を示している。図１に示した実施の形態１に係る投写型画像表示装置と同一構成のものは、同一番号を付してその詳細な説明は省略する。図７に示した構成は、図１に示した構成に比べ、２つの光源部１０１、１０２の配置が異なっており、第１の反射手段４８、第２の反射手段４９が設けられている。

本実施の形態では、第１の反射手段、第２の反射手段として、合成用プリズム４８、４９を用いている。この合成用プリズム４８、４９は、耐熱性の良好なガラス材料で形成しており、反射面には反射率の良好な誘電体多層膜をコーティングしている。

また、誘電体多層膜をコーティングした反射ミラーでもよい。ただし、アルミ又は銀を蒸着したプリズムや反射ミラーを用いる場合には、合成部の前段に紫外線を除去するフィルターを挿入する必要がある。

第１の反射手段４８は、光源部１０２からの光をロッドインテグレータ１の入射端面１３０Ｆに導くものであり、第２の反射手段４９は、光源部１０１からの光をロッドインテグレータ１の入射端面１３０Ｆに導くものである。第１の反射手段４８、第２の反射手段４９は、上面から見た場合、ロッドインテグレータ１の入射端面１３０Ｆと反対側に開口した略くの字型（入射端面１３０Ｆ側から見て略Ｖ字型）になるように配置されている。このような配置とすることにより、第１の反射手段４８、第２の反射手段４９の反射面の傾斜角度を、最大角の１／２の角度にしている。

本実施の形態は、第１の反射手段４８と第２の反射手段４９を用いることで、光源部１０１、１０２の配置の自由度は高くなり、図７の例では、光源部１０１と光源部１０２とは、水平方向において互いに向かい合うように配置されている。すなわち、光源２同士、凹面鏡３同士は、水平方向において互いに向かい合っている。各光源２より射出する光束は、各凹面鏡３で反射された後、それぞれ、第１の反射手段４８、第２の反射手段４９で反射される。この反射光は、ロッドインテグレータ１の中心線１０３に対し互いに等しい角度θで入射端面１３０Ｆ近傍、すなわち凹面鏡３の第２焦点近傍に収束照射される。

図８は、本実施の形態に係る光学系概念図の側面図である。点線部は、スクリーン（図示せず）位置に対応させて仰角方向の設置調整角９を調整した状態を示す。通常、光源は光軸方向に傾けると熱等の影響によりその寿命を短くすることとなる。本実施の形態では、２つの光源部１０１、１０２の各凹面鏡３の光軸と投写レンズ７の光軸とが垂直になるように配置されているため、光源部の光軸は設置調整角９が変化しても傾かないことになる。

このように、本実施の形態によれば、光源２及び凹面鏡３は、その光軸を中心に設置調整角９の角度分だけ回転しても、光軸の位置は変化せず、水平点灯が継続され仕様に変化が生じない。このため、装置そのものを傾けて設置しても、光源の寿命を損ねる可能性が少なく、信頼性の高い装置することができる。

（実施の形態３）
図９は、実施の形態３に係る投写型画像表示装置の光学系概念図を示している。図１に示した実施の形態１に係る投写型画像表示装置と同一構成のものは、同一番号を付してその詳細な説明は省略する。ただし、光源部１０１、１０２の図示はより具体的なものとし、凹面鏡３は断面状態で図示した（以下の各図も同じ）。

図９に示した構成は、図１に示した構成に比べ、２つの光源部１０１、１０２の配置が異なっており、合成用ミラー６１（第１の反射手段）、合成用ミラー６２（第２の反射手段）が設けられている。合成用ミラー６１、６２は、例えば誘電体多層膜をコーティングした反射ミラーである。

また、ロッドインテグレータ１自体の構成は、実施の形態１と同様であるが、本実施の形態でロッドインテグレータ１は、実施の形態１の配置に対して、中心軸１０３回りに９０度回転した状態で配置されている。

したがって、実施の形態３においても、「垂直方向」、「水平方向」の定義を実施の形態１で説明した定義を用いれば、図９の紙面に水平な方向が「垂直方向」、紙面に垂直な方向が「水平方向」となる。

光源２同士、凹面鏡３同士は、垂直方向において互いに向かい合っている。また、合成用ミラー６１、６２の反射面は、それぞれランプ２と向かい合っている。また、合成用ミラー６１、６２の反射面は、それぞれ垂直方向において４５度傾いて配置されており、合成用ミラー６１と合成用ミラー６２とでは傾き方向が逆になっている。このことにより、各ランプ２からの光束は、合成用ミラー６１の反射面、及び合成用ミラー６２の反射面によって９０度折り曲げられ、ロッドインテグレータ１の入射端面１３０Ｆに導かれることになる。

また、合成用ミラー６１の反射面は、水平方向において凹面鏡３の集光角の１／２である１５度傾いて（図９の矢印ｃ方向）配置されており、合成用ミラー６２の反射面は、水平方向において凹面鏡３の集光角の１／２である１５度傾いて（図９の矢印ｄ方向）配置されている。

ここで、図１０Ａは、図９に示した装置をロッドインテグレータ１の射出端面１３０Ｂ側から見た図を示している。本図に示したように、光源部１０１及び光源部１０２は、光源部１０１の凹面鏡３の光軸と光源部１０２の凹面鏡３の光軸とが、ロッドインテグレータ１の中心線１０３と交差しないように配置されている。すなわち、両光軸は互いに平行になるように離れており、両光軸はいずれもロッドインテグレータ１の中心線１０３と交差していない。このような光源部１０１、１０２の配置に、合成用ミラー６１、６２の配置を対応させている。

図１０Ｂは、ロッドインテグレータ１の入射端面１３０Ｆ近傍の側面図を示している。また、図１３は、合成用ミラー６１、６２の配置の一例の斜視図であり、合成用ミラー６１、６２の配置の理解を容易にするため図示したものである。これらの各図により、光源部１０１、１０２からの光束は、合成用ミラー６１、６２の傾斜面で反射することが分かる。

前記のような合成用ミラー６１、６２の反射面の傾き、及び合成用ミラー６１、６２、左右２つのランプ２の水平方向のずれにより、ランプ２からの光は、合成用ミラー６１、６２で反射されて、中心線１０３に対し互いに等しい入射角θ（３０度）で入射端面１３０Ｆ近傍、すなわち凹面鏡３の第２焦点近傍に収束照射されることになる。

この場合、入射端面１３０Ｆには、各凹面鏡３からそれぞれ最大角２θ（６０度）の光が入射し、最大１２０度の光がロッドインテグレータ１の入射端面１３０Ｆに入射することになる。本実施の形態は、ロッドインテグレータ１のテーパ面は水平方向に配置されているので、最大１２０度の光はテーパ面で反射し、前記実施の形態１と同様に、射出端面１０３Ｂの最大射出角度を約６０度に制御することが可能となる。

また、本実施の形態は、前記のように、光源部１０１、１０２を、光源部１０１の凹面鏡３の光軸と光源部１０２の凹面鏡３の光軸とが、ロッドインテグレータ１の中心線１０３と交差しないように配置し、これに対応させて合成用ミラー６１、６２を配置している。このことにより、前記実施の形態２の合成用プリズムで生ずる光線の使用できない部分（図７の斜線部）が解消され、さらに高輝度かつ均一な画像が得られる装置を実現することができる。

また、２つの光源部の各凹面鏡の光軸と投写レンズ７の光軸とが垂直になるように配置することで、装置そのものを傾けて設置しても、光源の破裂の危険性が少なく、信頼性の高い実現できることは、前記実施の形態２と同様である。

（実施の形態４）
図１１は、実施の形態４に係る投写型画像表示装置の光学系概念図を示している。図１に示した実施の形態１に係る投写型画像表示装置と同一構成のものは、同一番号を付してその詳細な説明は省略する。図１２は、図１１に示した装置をロッドインテグレータ１の射出端面１３０Ｂ側から見た図を示している。図１１、１２に示したように、光束の進行順に、光源２からロッドインテグレータ１までの構成は、前記実施の形態４と同様である。

図１１に示したように、ロッドインテグレータ１から射出された光束は、カラーホイール１１、少なくとも１枚から構成されるリレーレンズ系４、全反射ミラー１２、フィールドレンズ５、及び全反射プリズム１３を経て反射型ライトバルブ１４を照明する。ライトバルブ１４により、光学像を形成する変調光が射出される。ライトバルブ１４からの光束は、全反射プリズム１３を経て投写レンズ７に至り、投写レンズ７は、ライトバルブ１４の形成した光学像を投写することになる。

ロッドインテグレータ１の射出端面１３０Ｂ近傍に配置されたカラーホイール１１は、カラー表示を可能にさせるものである。カラーホイール１１は、少なくとも赤、青、緑の３原色を透過させるダイクロイックフィルターからなり、かつ回転することにより白色光を時分割で色分解することができる。カラーホイール１１は、構成するダイクロイックミラーにコーティングされる薄膜の特性上、入射角３０度程度に対応する仕様のものが主流であり、この場合この３０度が入射角の所望の角度である。

全反射ミラー１２及び全反射プリズム１３は光回転手段を構成しており、ロッドインテグレータ１から射出される光束を、ロッドインテグレータの中心線１０３の方向から見た場合に、中心線１０３を中心として回転させるように配置されている。この回転角度は、反射型ライトバルブ１４の配置に合わせて決定され、本図の例では９０度である。

この構成により、ロッドインテグレータ１の射出面１３０Ｂから射出される照明光は、９０度回転した状態で反射型ライトバルブ１４を照明することになる。回転角度は、全反射を利用して反射型ライトバルブ１４に光束を導く全反射プリズム１３の空気との界面の角度と、全反射ミラー１２の角度を所望の角度にすることにより調整することができる。

このように光回転手段を設けたのは、集光効率をさらに向上させるためである。例えば、反射型ライトバルブ１４の面積が十分な場合、つまりロッドインテグレータ１の射出面の短辺寸法が十分な長さをとることが可能である場合には問題にならないが、セットのサイズを小型化するためにライトバルブのサイズも小型化され、例えば対角寸法１７．７８ｍｍの反射型ライトバルブを使用し、照明光の集光角をＦナンバー２に相当させた場合、ロッドインテグレータ１の射出面の短辺寸法は、約６ｍｍにする必要がある。この場合、射出面の短辺寸法の約６ｍｍを基準にテーパ角を付けることにより、さらに入射面の寸法が短くなり集光効率が減少する。

この問題を解決するために、ロッドインテグレータ１の長辺寸法側にテーパ角を備えて集光効率を向上させ、かつ全反射ミラー１２と全反射プリズム１３で照明光を、反射型ライトバルブの配置に合わせて回転させた構成をとることにより、反射型ライトバルブの光利用効率を最大にし、さらに高輝度かつ均一化させた照明装置を実現することができ、前記照明装置を備えた投写型画像表示装置を実現することができる。

但し、照明光学系の前後で照明領域の面積と照明光の立体角の積が一定であることは公知であるが、ロッドインテグレータ１の射出面の面積と照明光の射出角の積と、反射型ライトバルブ１４の面積と照明光の立体角の積が等しくなっていることはいうまでもない。

また、図１２に示したように、前記実施の形態３と同様に、光源部１０１、１０２を、光源部１０１の凹面鏡３の光軸と光源部１０２の凹面鏡３の光軸とが、ロッドインテグレータ１の中心線１０３と交差しないように配置し、これに対応させて合成用ミラー６１、６２を配置している。このことにより、より高輝度かつ均一な画像を実現することができる。

ここで、本実施の形態のように、ロッドインテグレータを、中心線１０３を中心として回転させて配置した場合は、この回転角度に応じて、左右２つのランプ２の配置も変化することになる。この場合であっても、図１２に示した光源部１０１、１０２と合成用ミラー６１、６２との間の位置関係を維持したまま、これらを中心線１０３を中心として回転させて配置すれば、前記のような回転したロッドインテグレータの配置にも対応できることになる。

また、反射型ライトバルブ１４は、微細なミラーの集合体であるデジタルミラーデバイスからなり、駆動回路（図示せず）から出力される電気信号によって画像を表示する。反射型ライトバルブ１４に表示された画像は、全反射プリズム１３及び投写レンズ７を介して拡大投写されスクリーン（図示せず）に投写される。

（実施の形態５）
前記各実施の形態は、光源部が２個の実施の形態であるが、実施の形態５は光源部が４個の例である。図１４Ａは、実施の形態６に係る投写型画像表示装置光の上面図であり、図１４Ｂは側面図である。

本実施の形態に係る投写型画像表示装置は、４つの光源部２０１−２０４と、ロッドインテグレータ２０と、ロッドインテグレータ２０から射出された光束を導くリレーレンズ系４と、フィールドレンズ５と、リレーレンズ系４から導かれた光束を変調し、画像を形成する透過型ライトバルブ６と、ライトバルブ６の形成した画像を投写する投写レンズ７とを備えている。２０６は、ロッドインテグレータ２０の中心線である。

各光源部２０１−２０４は同じ構成であり、それぞれ光源２００と、光源２からの光を集光する集光光学系である凹面鏡２０５とを備えている。図１の構成に比べ光源部の数が異なるが、各光源部の構成は図１の光源部と同様である。

図１５はロッドインテグレータ２０の斜視図であり、図１６Ａは上面図、図１６Ｂは、側面図、及び左右の側面図である。図１５に示すように、ロッドインテグレータ２０は入射端面２３０Ｆを上底とし、射出端面２３０Ｂを下底とし、４面の側面（２３０Ｔ、２３０Ｕ、２３０Ｌ、２３０Ｒ）を備えた柱状光学素子である。

前記実施の形態の図２に示したロッドインテグレータ１は、互いに向かい合う２対の側面のうち、テーパ面が形成されているのは、１対の両側面１３０Ｌ及び１３０Ｒだけであるのに対して、本実施の形態では、２対の側面の双方にテーパ面が形成されている。

すなわち、向かい合う側面２３０Ｌ及び２３０Ｒは、入射端面１３０Ｆから射出端面１３０Ｂに向けて、両側面２３０Ｌ及び２３０Ｒが互いに離れるように、平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かいあっており（図１６Ａ参照）、このことは、向かい合う側面２３０Ｔ及び２３０Ｕについても同様である（図１６Ｂ参照）。

前記のように、ロッドインテグレータ１の入射端面２３０Ｆは、凹面鏡２０５の第２焦点近傍に配置されており、入射した光束はロッドインテグレータ２０の垂直方向及び水平方向の側面で適宜全反射されロッドインテグレータ２０の射出面２３０Ｂより射出する。

図１４Ａにおいて、一対の光源部２０１と光源部２０２の２個の光源部が、水平方向（矢印ａ方向）に配置されている。この場合、紙面の裏側については、一対の光源部２０３と光源部２０４の２個の光源部が、同様に配置されている。また、図１４Ｂにおいて、一対の光源部２０１と光源部２０３の２個の光源部が、垂直方向（矢印ｂ方向）に配置されている。この場合、紙面の裏側については、一対の光源部２０２と光源部２０４の２個の光源部が、同様に配置されている。

本実施の形態では、光源部の個数は４個であるが、水平方向に配置されているのは２個であり、垂直方向に配置されているのも２個である。

すなわち、本実施の形態６の光源部の構成は、水平方向又は垂直方向に２個の光源部が配置された光源部に並列に、さらに２個の光源部が配置されていることになる。本実施の形態６では、２対のテーパ面のそれぞれに対応するように光源部を設けているので、光源部の個数が合計４個になっている。

次に、ロッドインテグレータ２０の基本動作を説明する。図１７は入射した光線の動作を示すロッドインテグレータ２０の上面図であり、図１８は入射した光線の動作を示すロッドインテグレータ２０の側面図である。

図１７の図示は、最大角（２θ）で入射端面２３０Ｆに入射した光線が、ロッドインテグレータ２０内で反射され、射出端面２３０Ｂから射出する様子を示している。図１７に示したように、最大角２θで入射した光線は、ロッドインテグレータ２０の一対のテーパ面２３０Ｌ、２３０Ｒで適宜全反射されることにより、最大角２θとは異なる角度θ′で射出端面１３０Ｂから射出されることになる。

このことは、図１８においても同様であり、最大角２θで入射した光線は、ロッドインテグレータ２０の１対のテーパ面２３０Ｔ、２３０Ｕで適宜全反射されることにより、最大角２θとは異なる角度θ′で射出端面１３０Ｂから射出されることになる。

すなわち、本実施の形態によれば、水平方向に２θで入射端面２３０Ｆに入射した光線、垂直方向に２θで入射端面２３０Ｆに入射した光線のいずれについても、射出端面１３０Ｂにおいて角度θ′で射出されることになる。

本実施形態は、光源部の数が合計４個と多く、前記のように、水平方向、垂直方向の双方において、射出端面における光の広がり角を入射端面における光の広がり角より小さくできるので、より高輝度な光を望む場合に有利である。

（実施の形態６）
前記実施の形態１は、ロッドインテグレータ１に入射する光の入射角と集光角とが同じである例で説明したが、本実施の形態６は、入射角が集光角より小さい実施の形態である。

図１９は、実施の形態６に係る光学系概念図の上面図を示している。本図の構成は、入射角と集光角との関係を除けば、実施の形態１の図１に示した構成と同様の構成であるので、図１と同一符号を用いて、各部の説明は省略する。

図１９において、θＥは入射角、θｃは集光角である。本図の構成では、入射角θＥは集光角θｃより小さくなっている。

本実施の形態では、図４において、入射端面１３０Ｆにおける２θがθＥ＋θｃとなるが、射出端面１３０Ｂにおいては、入射端面１３０Ｆとは異なる角度θ′となることは、実施の形態１と同様である。また、図５に示したように、入射角θ″が保存伝達されて射出されることも同様である。

例えば、最大角であるθＥ＋θｃが５１度（θＥ＝２１度）で入射した光を、射出角θ’を約３０度にして射出させることができる。この場合、ロッドインテグレータ１の射出面の水平有効寸法は７．５ｍｍ、テーパ角は約１．５１８４８度、長さは５０．４４８５ｍｍ、長手方向の側面での反射回数は４回とし、ロッドインテグレータ１の硝子材料に耐熱性、光学特性の良好な石英（屈折率ｎｄ＝１．４５８５９）とした。また、図５における入射角θ″が３０度である場合は、角度は保存伝達され３０度で射出されることになる。

以下の表４に、入射角を変化させた場合のテーパ角θＴ、入射面寸法Ｌ’、ロッドインテグレータ長さＭ及び集光効率の最大値を１に規格化した計算値を示している。但し、前記ロッドインテグレータ射出面の有効寸法は、水平有効寸法７．５（ｍｍ）、垂直有効寸法５．８（ｍｍ）であり、集光効率の計算値には、ほぼ理想的なリレーレンズ系を用いている。また、反射回数（ｎ）を３、４、５回とした。

表４の例では、集光角θｃは３０度に固定し、入射角θＥを１５度から３度ずつ増加させ３０度まで変化させている。入射角θＥが３０度の場合を除き、入射角が集光角より小さい関係になっている。表４中のＥは、集光効率である。集光効率とは、光源及びレンズ、ミラー等の光学デバイスをモデル化し、光源から射出される所望の光線が投写されるスクリーンに、どれだけの光線が到達するかを照明光学系評価用シュミレーションソフトを使用して計算したものである。表４に示した値は、ロッドインテグレータの各々の反射回数毎に、最大値を１として規格化している。

この表４の数値を用い集光効率と入射角との関係を図示したのが、図２０である。横軸θは入射角であり、縦軸Ｅは集光効率である。

図１９において、横軸θ＝３０度のときは、集光角はこれと同じ３０度であるが、これ以外では入射角θは集光角より小さくなっている。図２０から分るように、集光効率は入射角と集光角とが等しい横軸θ＝３０度のときに最も小さくなっており、集光角の７０％を入射角としたθ＝２１度のときに最大値になっている。

すなわち、表４、図２０によれば、集光角より入射角を小さくすると、装置の明るさを向上させることが可能となることが分る。この場合、集光効率は、入射角θの集光角に対する比率が６０％（θ＝１８度）以上８０％（θ＝２４度）以下の範囲で、特に良好な値を示している。

なお、光源２個の場合で説明したが、本実施の形態を前記実施の形態５のような光源４個の構成に適用してもよい。

また、前記各実施の形態のうち、ロッドインテグレータ１の一対の向かい合う側面が互いに平行な平面であり、他方の一対の向かい合う側面が所定の角度の傾きをもって向かい合う平面である構成において、ロッドインテグレータ１は一対の向かい合う側面は少なくとも一部に互いに平行な平面を有し、他方の一対の向かい合う側面は少なくとも一部に所定の角度の傾きをもって向かい合う平面を有するものであってもよい。それは、一対の互いに所定の角度の傾きをもって向かい合う平面間を光束が反射することで、射出角を所望の角度に狭め、かつ均一な照明が可能だからである。この点は実施の形態１から５についても同様である。

また、ロッドインテグレータ１の射出端面１３０Ｂは、製造上、研磨する必要がある。ところがこの研磨工程でロッドインテグレータ１の端部、すなわち射出端面１３０Ｂの４辺のエッジや四隅のコーナが欠けることがある。この欠けの大きさは０．１ｍｍ以上になることもある。

射出端面１３０Ｂでの欠けは、均一照射に悪影響を及ぼし、照射にむらをつくることになる。

そこで、射出端面１３０Ｂの４辺のエッジ長さを所望の基準長さＬに対して、余裕寸法を付加した長さＬ１に基いて、ロッドインテグレータの形状を決定することが好ましい。このことにより、射出端面１３０Ｂの４辺のエッジや四隅のコーナが欠けによる影響が均一照射に悪く作用することを防止できる。余裕寸法は、例えば０．２ｍｍ以内の範囲内である。このことは、実施の形態１から５についても同様である。

また、前記各実施の形態において、ロッドインテグレータは、ガラス材料の例で説明したが、４つの内壁面をミラーで形成し、内側が空洞になっている柱状光学素子としてもよい。この構成においても、入射した光束は、内壁面のミラーで適宜全反射されて射出することになる。

以上のように、本発明によれば、射出端面における水平方向の光の広がり角を、入射端面における水平方向の光の広がり角と異なるように制御することができるので、高輝度かつ均一な光を得ることができる。このため、本発明は、ロッドインテグレータを備えた照明装置や投写型画像表示装置に有用である。

本発明の実施の形態１に係る光学系概念図の上面図。 本発明の一実施形態に係るロッドインテグレータの斜視図。 本発明の一実施形態に係るロッドインテグレータの上面図。 本発明の一実施形態に係るロッドインテグレータの側面図。 本発明の一実施形態に係るロッドインテグレータの上面図。 本発明の一実施形態に係るロッドインテグレータの側面図。 本発明の一実施形態に係るロッドインテグレータの寸法Ｈの決定を説明する図。 本発明の実施の形態２に係る光学系概念図の上面図。 本発明の実施の形態２に係る光学系概念図の側面図。 本発明の実施の形態３に係る光学系概念図の上面図。 本発明の実施の形態３に係る光源部及び合成部の詳細図。 本発明の実施の形態３に係るロッドインテグレータの入射端部の拡大図。 図１１は、本発明の実施の形態４に係る光学系概念図の上面図。 本発明の実施の形態４に係る光源部及び合成部の詳細図。 本発明の一実施の形態に係るミラーの配置を示し斜視図。 本発明の実施の形態５に係る投射型画像表示装置の上面図。 図１４Ａの側面図。 本発明の実施の形態５に係るロッドインテグレータの斜視図。 本発明の実施の形態５に係るロッドインテグレータの上面図。 図１６Ａに示したロッドインテグレータの側面図及び左右の側面図。 本発明の実施の形態５に係るロッドインテグレータの入射した光線の動作を示す上面図。 本発明の実施の形態５に係るロッドインテグレータの入射した光線の動作を示す側面図。 本発明の実施の形態６に係る光学系概念図の上面図。 集光効率と入射角との関係を示す図。 従来の投写型画像表示装置の一例の光学系概念図。 従来のロッドインテグレータの一例の上面図。 従来のロッドインテグレータの一例の側面図。

符号の説明

１，２０ ロッドインテグレータ
２ ランプ
３ 楕円凹面鏡
４ リレーレンズ系
５ フィールドレンズ
６ 透過型ライトバルブ
７ 投写レンズ
４８，４９ 合成プリズム
９ 設置調整角
１１ カラーホイール
１２ 全反射ミラー
１３ 全反射プリズム
１４ 反射型ライトバルブ
１０１，１０２，２０１，２０２，２０３，２０４，３０１，３０２ 光源部
１０３，２０６ ロッドインテグレータの中心線
１３０Ｌ，１３０Ｒ，２３０Ｌ，２３０Ｒ，２３０Ｔ，２３０Ｕ テーパ面
１３０Ｔ，１３０Ｕ 平行面
１３０Ｆ，２３０Ｆ 入射端面
１３０Ｂ，２３０Ｂ 射出端面

Claims (14)

1. ランプ及び凹面鏡を含む光源部と、
   ロッドインテグレータと、
   前記ロッドインテグレータから射出された光束を導くリレーレンズ系とを備えた照明装置であって、
   前記ロッドインテグレータは、入射端面を上底、射出端面を下底とする柱状光学素子であり、
   前記射出端面の長辺方向を水平方向、短辺方向を垂直方向とすると、
   前記柱状光学素子の前記上底及び前記下底以外の４面の側面のうち、前記水平方向の向かい合う側面は、前記入射端面から前記射出端面に向けて両側面が互いに前記水平方向に離れるように、平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かい合ったテーパ面を形成しており、
   前記垂直方向の向かい合う側面は、平面同士が互いに平行に向かいあった部分を形成しており、
   前記光源部からの光は、前記ロッドインテグレータの入射端面近傍に収束照射され、
   前記光源部は、前記水平方向又は前記垂直方向に２個配置されていることを特徴とする照明装置。
2. 前記２個の光源部を、それぞれ第１の光源部、第２の光源部とすると、前記第１の光源部からの光を前記ロッドインテグレータの入射端面に導く第１の反射手段と、前記第２の光源部からの光を前記ロッドインテグレータの入射端面に導く第２の反射手段とをさらに備えた請求項１に記載の照明装置。
3. 前記ロッドインテグレータの前記射出端面から射出される光の広がり角度は、水平方向の最大値と垂直方向の最大値とが略同一である請求項１に記載の照明装置。
4. 前記第１の光源部の射出方向に前記第２の光源部があるように向かい合って配置されている請求項２に記載の照明装置。
5. さらに投写レンズを備えており、前記２つの光源部の凹面鏡の光軸と前記投写レンズの光軸とが垂直である請求項４に記載の照明装置。
6. 前記第１の光源部及び前記第２の光源部は、前記第１の光源部の凹面鏡の光軸と前記第２の光源部の凹面鏡の光軸とが、前記ロッドインテグレータの中心線と交差しないように配置されている請求項４に記載の照明装置。
7. 前記ロッドインテグレータの中心線と前記凹面鏡の頂点を通る前記凹面鏡の光軸とがなす角度を入射角とし、
   前記凹面鏡の有効開口の最外周部から射出した光束が、前記凹面鏡の頂点を通る前記凹面鏡の光軸となす角度を集光角とすると、
   前記入射角は前記集光角より小さい請求項１に記載の照明装置。
8. 前記入射角の前記集光角に対する比率が、６０％以上８０％以下の範囲である請求項７に記載の照明装置。
9. ランプ及び凹面鏡を含む光源部と、
   ロッドインテグレータと、
   前記ロッドインテグレータから射出された光束を導くリレーレンズ系と、
   前記リレーレンズ系から導かれた光束を変調し、画像を形成するライトバルブと、
   前記ライトバルブの形成した画像を投写する投写レンズとを備えた投写型画像表示装置であって、
   前記ロッドインテグレータは、入射端面を上底、射出端面を下底とする柱状光学素子であり、
   前記射出端面の長辺方向を水平方向、短辺方向を垂直方向とすると、
   前記柱状光学素子の前記上底及び前記下底以外の４面の側面のうち、前記水平方向の向かい合う側面は、前記入射端面から前記射出端面に向けて両側面が互いに前記水平方向に離れるように、平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かい合ったテーパ面を形成しており、
   前記垂直方向の向かい合う側面は、平面同士が互いに平行に向かいあった部分を形成しており、
   前記光源部からの光は、前記ロッドインテグレータの入射端面近傍に収束照射され、
   前記光源部は、前記水平方向又は前記垂直方向に２個配置されていることを特徴とする投写型画像表示装置。
10. 前記２個の光源部を、それぞれ第１の光源部、第２の光源部とすると、前記第１の光源部からの光を前記ロッドインテグレータの入射端面に導く第１の反射手段と、前記第２の光源部からの光を前記ロッドインテグレータの入射端面に導く第２の反射手段とをさらに備えた請求項９に記載の投写型画像表示装置。
11. 前記第１の光源部の射出方向に前記第２の光源部があるように向かい合って配置されている請求項１０に記載の投写型画像表示装置。
12. さらに投写レンズを備えており、前記２つの光源部の凹面鏡の光軸と前記投写レンズの光軸とが垂直である請求項１１に記載の投写型画像表示装置。
13. 前記第１の光源部及び前記第２の光源部は、前記第１の光源部の凹面鏡の光軸と前記第２の光源部の凹面鏡の光軸とが、前記ロッドインテグレータの中心線と交差しないように配置されている請求項１１に記載の投写型画像表示装置。
14. 前記ロッドインテグレータの中心線と前記凹面鏡の頂点を通る前記凹面鏡の光軸とがなす角度を入射角とし、
    前記凹面鏡の有効開口の最外周部から射出した光束が、前記凹面鏡の頂点を通る前記凹面鏡の光軸となす角度を集光角とすると、
    前記入射角は前記集光角より小さい請求項９に記載の投写型画像表示装置。

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