JP4158317B2 - 照明装置およびこの照明装置を用いた投写型表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶やＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などのライトバルブに対して照明光を照射する照明光学系（照明装置）、およびこれを用いた投写型表示装置に係わり、さらに詳しくは、照明均一性に優れ、かつ、光の利用効率の高い投写型表示装置用の照明光学系（照明装置）およびこの照明光学系（照明装置）を用いた投写型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大画面の画像表示装置としてプロジェクタ装置（投写型表示装置）が注目されている。
小型で高精細・高輝度のＣＲＴを用いたＣＲＴプロジェクタ装置、液晶パネルを用いた液晶プロジェクタ装置、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いたＤＭＤプロジェクタ装置等が製品化されている。
また、映画やＴＶプログラムといったＡＶソースに対応するだけでなく、コンピュータ画像を投写するデータプロジェクタと呼ばれるカテゴリの製品が急速に市場を拡大しており、投写画面の明るさやコントラスト向上、高解像度化、明るさの均一性向上などの著しい性能改善が行われている。
【０００３】
特に、液晶やＤＭＤなどのライトバルブを用いたプロジェクタ装置は、明るさと解像度の向上を独立して行うことができる点でＣＲＴプロジェクタ装置より優れており、プロジェクションテレビ（リア投写型プロジェクタ）への適用も増えている。
従来のライトバルブ照明光学系（照明装置）は、光源と投写レンズの射出瞳を共役関係とするレンズ系の光路中にライトバルブを配置してこれを照明する、一種のケーラー照明法にもとづいたものが殆どであった。
しかしながら、近年は照明均一性を向上させるためにフライアイインテグレータ照明法や、ロッドインテグレータ照明法が多用され、照明光学系（照明装置）に対してより高いレベルの結像性能と、複雑な構成の光学系が要求されるようになっている。
【０００４】
図１７は特許公報第２９３９２３７号公報に開示された従来の反射型プロジェクターである。
図において、１１０は光を生成して出射する光源、１２０は光源１１０から出射した光を波長によって選択的に透過させるカラーホイール、１３０は光源１１０側から入射した光を発散／収束または乱反射させて均一光にする光混合手段（光ミキシング素子）、１４０は入射光を収束させて平行光にするリレイレンズユニット、１５０は画像生成手段１６０から反射されて再入射した光を反射させる臨界角プリズム、１７０は入射した光がスクリーンに向かうように拡大透過させる投写レンズユニットである。
【０００５】
光混合手段１３０の具体的な例として、図では、スクランブラ１３５が配置されている。
１３５ａおよび１３５ｂは、それぞれスクランブラ１３５の入射面および出射面であって、光源１１０のランプ１１１から出射した光が収束される点には、光路に対して垂直な入射面１３５ａが配置され、同じく光路に対して垂直な出射面１３５ｂと４つの側面とから直六面体を形成している。
また、出射面１３５ｂの縦横比は、画像生成手段１６０を構成するＦＬＣＤ（ Ferroelectric Liquid Crystal Display：強誘電体液晶表示素子）１６３の縦横比に対応した長方形となる。
スクランブラ１３５によって光源１１０からの不均一光は、混合されて均一な光となり出射面１３５ｂから出射される。
リレイ（伝達）レンズユニット１４０は、この均一光を発散させる収束レンズ１４１と、入射する発散光を収束させ平行光にするコリメータレンズ１４３から構成されており、この平行光によりＦＬＣＤ１６３を照明している。
【０００６】
この従来例の構成に拠れば、臨界角プリズム１５０を採用して光の進行経路を変換させることによって偏光ビームスプリッタの採用を排除するとともに、長い光学長を必要とすることなく光学系の光軸整列が容易になる反射型プロジェクタを提供することが可能である。
臨界角プリズム１５０についてはここでは詳しく述べないが、照明光学系と投写光学系を光学的および物理的に分離する作用を除けば、投写像の解像度を劣化させる作用を有する点、不要なゴースト光を発生させる原因となり易い点、製造の難易度が高いためコスト上昇の原因となり易い点など問題も多い。
【０００７】
一方、臨界角プリズム１５０を用いない場合は、上述の照明光学系と投写光学系の物理的干渉の問題が発生する可能性が高い。
この従来例には、画像生成手段としてＤＭＤを用いた実施例も開示されているが、特にＤＭＤを用いた場合には前記干渉の問題が避けられない場合が多い。
ＤＭＤは、入射光の反射方向を微小ミラー（マイクロミラー）の傾きを変えることによって選択し、入射光束に画像情報に基づく変調を与える働きがある。
よってＤＭＤを照明する光線の入射角度に制限があり、これが照明光学系と投写光学系の物理的な干渉を引き起こす要因となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１８は、ＤＭＤ２ピクセルの構成を示す斜視図である。
図において、５１０、５１１はマイクロミラーで、素子５００の法線からそれぞれ＋１０度あるいは−１０度に傾いているところを示している。
ＤＭＤの詳細については、Larry J. Hornbeck, “Digital Light Processing for High-Brightness, High-Resolution Applications.”, SPIE Vol.３0１３, pp.２7-４0,などに詳しく紹介されているので、ここではこれ以上の詳しい説明は省略する。
【０００９】
ＤＭＤを照明するには、上記マイクロミラーの動作から明らかなように、ＤＭＤの法線から一定角度傾いた方向から光線を入射させなければならない。
マイクロミラーは±１０度に傾き、またマイクロミラーの回転軸は正方形のマイクロミラーに向かって４５度の方向であるから、反射光線をＤＭＤの法線方向に出射させる場合には法線から２０度傾き、かつアジマス４５度の方向から照明光を入射させる必要がある。
【００１０】
図１９は、ＤＭＤを画像生成手段として用いた光学システムの部分を示す概略図であり、臨界角プリズムを用いない場合の照明光学系と投写光学系との物理的干渉を説明するものである。
図において、４４０は照明光学系の最終レンズ、４４１は最終レンズ４４０の鏡胴、５１２はＤＭＤ、７０は照明光軸、７１は投写光軸、８０は投写レンズ、αはＤＭＤ５１２への光線の進入角であり、照明光軸７０とＤＭＤ５１２の法線のなす角度である。
投写レンズ８０は、ＤＭＤ５１２の正面に配置されており、後置絞りタイプを想定して図示した。
【００１１】
ＤＭＤ５１２のマイクロミラーの傾きが±１０°の場合、ＤＭＤ５１２への光線の入射角度はα＝２０°とする必要があるので、図中点線円で囲んだ付近で物理的な干渉が生じる可能性が非常に高くなる。
この場合、照明光束や投写光束の一部が遮られ、照明性能や投写性能を犠牲にしなければならなくなる。
このような不具合を回避するためには、例えば投写レンズの入射開口径を小さくしたり、鏡胴の一部を意図的に削除したりしなければならなかった。
しかし、これらは投写レンズの性能低減やコスト上昇を引き起こす要因であるため、実際には図２０に示すように投写レンズの光軸をＤＭＤの中心軸に対して所定量だけシフトさせる方法が採られる事が多い。なお、図２０の符号は図１９と同様であるので説明を省略する。
【００１２】
この光軸シフトを行うとプロジェクタ装置の投写方向が装置から上向きになるため、フロントプロジェクタの場合には積極的に採用される技術である。
勿論、投写レンズ８０がシフトして配置された分、ＤＭＤの法線に対する照明光の入射角度は大きな角度βにする必要があり、さらに投写レンズ８０のイメージサークルも図１９の場合より大きく設計する必要がある。
しかしながら、投写方向の傾きが許されないシステムの場合には、前記干渉の問題を避けることが困難であり、例えば臨界角プリズムの配置などのコストを上昇させる方法が採られていた。
【００１３】
本発明の目的は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、臨界角プリズム等の高価な光学素子を用いることなく、ＤＭＤなどに代表される反射型ライトバルブへの照明を行い、照明光束が部分的に遮られても照明性能、特に照明均一性に大きな影響を与えない照明光学系（照明装置）、ならびにこの照明光学系（照明装置）を用いたプロジェクタ装置（投写型表示装置）を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る照明装置は、発光体から出射される光を集光して、上記発光体の集光像を所定の位置に形成する集光手段と、形成された上記発光体の集光像の位置近傍に入射端面を有し、出射端面に均一光源面が形成される光ミキシング素子と、光ミキシング素子側からライトバルブの被照明面側にかけて、順に第１レンズ群および第２レンズ群が配置され、上記第１レンズ群によって、光ミキシング素子の入射端面と第２レンズ群を構成するレンズが配置される位置の仮想面とを第１の光学的な共役関係とするとともに、上記第１レンズ群および第２レンズ群によって、光ミキシング素子の出射端面と上記被照明面とを第２の光学的な共役関係とし、光出射面から非テレセントリックな状態で照明光束を上記ライトバルブの被照明面側に出射する伝達光学系とを備えたものである。
【００１５】
また、この発明に係る照明装置の伝達光学系の第２レンズ群は、光ミキシング素子側から順に、光ミキシング素子側に凸面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズと正の屈折力を有するレンズであることを特徴とするものである。
【００１６】
また、この発明に係る照明装置は、伝達光学系の第１レンズ群を１枚の正レンズ、第２レンズ群を２枚の正レンズで構成したことを特徴とするものである。
【００１７】
また、この発明に係る照明装置の光ミキシング素子は、単一反射部材の折り曲げ加工により成形された中空柱状をなすことを特徴とするものである。
【００１８】
また、この発明に係る照明装置の伝達光学系の第１レンズ群および第２のレンズ群は、少なくとも一方が凹面鏡あるいは凸面鏡であることを特徴とするものである。
【００１９】
また、この発明に係る投写型表示装置は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明装置と、上記照明装置の伝達光学系から出射された非テレセントリックな状態の光束により照明され、各々独立して駆動される２次元アレイ構造からなる多数の画素を有するライトバルブと、ライトバルブから出射した光をスクリーン手段に伝達する投写レンズ手段とを備えたものである。
【００２０】
また、この発明に係る投写型表示装置の伝達光学系は、光ミキシング素子側からライトバルブの被照明面側にかけて順に第１レンズ群および第２レンズ群が配置され、第１レンズ群は、少なくとも１枚の正の屈折力を有するメニスカスレンズを含み、第２レンズ群は、光ミキシング素子側からライトバルブの被照明面側にかけて、負の屈折力を有する第１のレンズ手段と正の屈折力を有する第２のレンズ手段を前記光源側から順に備え、伝達光学系から非テレセントリックな状態で照明光束を出射するとともに、伝達光学系全系の焦点距離をｆ０、第１レンズ群の焦点距離をｆ１としたとき、
０．６８ ＜ ｆ１／ｆ０ ＜ ０．７６
の関係を満足することを特徴とするものである。
【００２１】
また、この発明に係る投写型表示装置の照明装置は、光ミキシング素子の直前あるいは直後に回転カラーフィルタを配置したことを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
実施の形態１．
一般的に、プロジェクタ装置（投写型表示装置）は、例えば外部より入力される映像信号の情報を反映した電気信号に対応するようにライトバルブ（例えば、液晶やＤＭＤなど）を駆動するための電気信号を発生する信号生成部と、後に詳述するような光ミキシング素子を用いた照明光学系（照明装置）と、この照明光学系（照明装置）と整合性の高い投写光学系から投写される光束を受けて、その面上に映像を映し出すためのスクリーン手段とを備えている。
【００２３】
図１は、本発明の実施の一形態に係る照明光学系（照明装置）の構成を示す図である。
図において、１は光源ランプ（発光体）１０とリフレクタ（反射鏡）１１から構成される光源、２はコンデンサレンズ系であり、光源１とコンデンサレンズ系２により集光手段を構成している。
また、３は一対の入射端面３１と出射端面３２を有する光ミキシング素子、４はリレー（ Relay：伝達）レンズ系、５はライトバルブの被照明面である。
リレーレンズ系（伝達レンズ系あるいは伝達光学系とも称する）４は、第１のレンズ４１と第２のレンズ４２で構成される第１レンズ群４５、第３のレンズ４３と第４のレンズ４４で構成される第２レンズ群４６の合わせて２群からなるレンズ系で構成されている。
また、第４のレンズ４４近傍にリレーレンズ系（伝達レンズ系）４の絞り６が配置されている。
また、図中の一点鎖線は光軸、その他の直線は光線の振舞いを模式的に示すものである。
【００２４】
まず、光源１側からライトバルブの被照明面５へ向かって順に、それぞれの構成要素の動作を説明する。
光源ランプ１０は白色光や単色光などを出射する発光体を有しており、発光体から放出された光はリフレクタ１１によって所定の集光方法による光束の収斂、あるいは略平行化が行われる。
前者（即ち、光束の収斂）は回転楕円鏡を用いて第１焦点近傍に発光体を配置する方法が、また、後者（即ち、光束の略平行化）は回転放物面鏡を用いてその焦点位置近傍に発光体を配置する方法がよく知られている。
図１に例示したリフレクタ１１は回転放物面鏡であり、略平行化された光束はコンデンサレンズ系２によって収斂されて光ミキシング素子３に導かれる。
【００２５】
光ミキシング素子３はリフレクタ１１とコンデンサレンズ系２によって集光された光源１の集光像が持つ輝度ムラを低減する光強度均一化素子であり、出射端面３２近傍において照明光源となる均一光源面を形成する。
このため、光ミキシング素子３の出射端面３２の形状は基本的にはライトバルブの被照明面５と相似形状であることが望ましい。
また、光ミキシング素子３は、光学ガラスや耐熱ガラス、耐熱性樹脂等の透明部材からなる柱状のバルクを形成しており、光を伝達する原理は光ファイバやカレイドスコープ（万華鏡）のように、空気界面との全反射によるものが一般的である。
なお、素子の側面での反射が効率よく行われるのであれば、全反射による伝達でなくてもよく、反射ミラー片を組み合わせて柱状に形成したりすることも勿論可能である。光ミキシング素子の詳しい動作については後述する。
【００２６】
リレーレンズ系４はこの光ミキシング素子３の出射端面とライトバルブの被照明面５を共役とする結像関係を満足するように構成され、均一光源面である出射端面３２からの光を効率良くライトバルブの被照明面５へ伝達（リレー）し、これを照明する働きがある。
このとき照明光束の主光線６0は光軸に対して傾いた状態でライトバルブの被照明面５へ入射する。
つまり、照明光束は非テレセントリック（Non-telecentric）な状態でライトバルブの被照明面５を照明する。
なお、主光線が光軸とほぼ平行な状態の光学系をテレセントリック系と言うので、非テレセントリック状態とは主光線と光軸が平行でない状態のことを言う。
【００２７】
リレーレンズ系４は光源１側より順に、光源１側に凹面を向けた正のメニスカスレンズ４１、両凸レンズ４２、光源１側に凸面を向けた負のメニスカスレンズ４３、両凸レンズ４４から構成され、正のメニスカスレンズ４１と両凸レンズ４２は第１レンズ群４５を、負のメニスカスレンズ４３と両凸レンズ４４は第２レンズ群４６を形成している。第１レンズ群４５と第２レンズ群４６は共に正の屈折力を有している。
【００２８】
図２は、本照明光学系（照明装置）の光ミキシング素子３からライトバルブの被照明面までの光線の収束ならびに発散を模式的に示す図である。
図中、３０は光ミキシング素子３の入射単面３１近傍に形成される仮想的な光源面である。
リレーレンズ系４は、仮想光源面３０に形成される多数の仮想光源の像を絞り６近傍に形成する第１の光学的共役関係と、出射端面３２に形成される均一光源面の像をライトバルブの被照明面５の近傍に形成する第２の光学的共役関係の、２つの共役関係を成立させている。
なお、図２において、記号Ａは第１の光学的共役関係を、また、記号Ｂは第２の光学的共役関係を示している。
【００２９】
図３は、本実施の形態である照明光学系（照明装置）の絞り６近傍に形成される仮想光源の像を撮影したものである。
図ではネガポジ反転させているので、光が集中して輝度が高くなっている領域は黒っぽくなっている。
点線円で囲んだ範囲は両凸レンズ４４の外形を示しており、ほぼレンズの有効径いっぱいまで仮想光源の像１２が広がっていることがわかる。
こうして多数の光源に分かれた光は再びライトバルブの被照明面５において重畳されて、これを均一に照明する。
図４は、仮想光源像による重畳照明を模式的に示す図である。
【００３０】
仮想光源の像が図３のように複数に分かれるのは、光ミキシング素子３の作用による。
図５は多数の仮想光源が形成される作用を説明する図であり、１３は光源ランプ１０の発光体の像、１４、１５はともに仮想発光体像、６１、６２は光ミキシング素子３内を進行する光線を模式的に示したものである。
光ミキシング素子３はガラス等の透明媒質で形成された柱状の素子であり、空中もしくは透明媒質より低い屈折率値を有する媒質内に配置される。
【００３１】
入射端面３１から入射した光は、光ファイバやカレイドスコープと同じ原理で界面での全反射を繰り返し、出射端面側へ進行する。
これを出射端面３２側から見ると、あたかも仮想発光体像１４や１５が仮想光源面３０内で分離して配置しているように観察される。光線６１は側面での１回反射、光線６２は２回反射に対応しているが、このように素子内部での反射回数が仮想光源の位置ならびに分離数を決めることになる。
【００３２】
さて、以上に述べたように本実施の形態では、第２レンズ群４６の近傍にリレーレンズ系４の絞り６を設定し、光ミキシング素子３の作用による多数の仮想光源の像を形成することができるため、前述の投写光学系と照明光学系の物理的な干渉の問題を、照明光学系（照明装置）としての性能を大きく劣化させることなく解消することが可能である。
【００３３】
図６は、照明光学系（照明装置）の一部を投写レンズの鏡胴が遮っている状態を模式的に示す図である。
図において、８は投写レンズ、５０はＤＭＤ、４５、４６はそれぞれ第１レンズ群、第２レンズ群を代表するレンズである。
その他の符号は前述の通りである。
図６では投写レンズ８とレンズ４６が物理的に干渉している。
【００３４】
図７は、図３に示した仮想光源の像の一部が投写レンズ８によって遮光された状態を模式的に示している。
図において、８ａは投写レンズ８の断面を模式的に示す円、１２は多数の光源像である。
このとき、第２レンズ群では仮想光源像の一部が遮られることになる。
図７からも明らかなように、多数の仮想光源のうち外側に形成される大きな角度成分を持つ光が遮られる。
【００３５】
そこで、以上のような物理的干渉状態を計算機モデルに設定し、照明性能がどのように保たれるかをシミュレーションで確かめた。
図８は、部分的に欠落した第２レンズ群のモデルを示している。図中点線の楕円で囲んだ領域が欠落しているレンズ部分である。
図９、図１０はそれぞれ第２レンズ群の一部分が欠落したモデル、第２レンズ群に欠落がない場合のライトバルブの被照明面での照明光束の強度分布を計算した結果を示している。
【００３６】
図中、白っぽい部分が強度の大きい領域を示しており、ライトバルブの有効領域を想定した長方形の範囲を照明していることがわかる。
また、光ミキシング素子３の効果と、これを伝達するリレーレンズ系４の作用により、図９、図１０ともに高い均一性を保ちながらライトバルブの被照明面を照明していることがわかる。
図８に示したように、レンズ系を大きく欠落させたにもかかわらず、光量損失は約１．５％に抑えられることが分かった。
【００３７】
このような照明光束の均一性を保つ作用は、リレーレンズ系４の絞り６の位置と、ライトバルブの被照明面５が光学的なフーリエ変換の関係になっているためであり、その点からすれば絞り６付近で半分の仮想光源像が遮られても、ライトバルブの被照明面５の均一性は保たれることになる。
また、図３に示したように、レンズの外周付近に形成される仮想光源像ほど単位面積に占める光集中領域の大きさの割合が小さく、投写レンズの鏡胴などのように円筒形の物体によって光が遮られる場合は、光量の損失はレンズの欠落の度合いに比べて比較的少なく抑えることができる。
【００３８】
ここで、絞り６付近で仮想光源像が遮られても、ライトバルブの被照明面５に入射される照明光束の均一性が保たれるの理由について、簡単に説明する。
いま、光軸上に並んだＡ面、Ｂ面、Ｃ面の３つの光学面を想定し、Ｂ面はＡ面のフーリエ変換面、Ｃ面はＢ面のフーリエ変換面の関係にあるとする。
一方、物体と像との関係で言うと、Ａ面に配置した物体がＢ面付近に配置されたレンズ手段によってＣ面付近で結像するとする。
これをフーリエ変換で説明すると、「レンズ手段による結像」が「２段階からなるフーリエ変換」とほぼ等価になる。
つまり、Ａ面に配置された物体からの光（情報）をフーリエ変換すると、Ｂ面にはフーリエ像が形成されるが、これをさらに逆フーリエ変換すると、Ｃ面において物体とほぼ同じ像が形成されることになる。
【００３９】
フーリエ変換の場合、上記途中のフーリエ像（即ち、Ｂ面に形成されるフーリエ像）は、その情報の一部が欠落しても最終像には大きな影響を与えないという関係がある。
本照明装置の光学系の場合、フーリエ像に相当するものが「多数の光源像」であり、これが一部欠落しても最終的な像質（即ち、照明光束とその均一性）には大きな影響を与えない。但し、光量は低減する。
原理的には光軸を含む面でレンズを縦割りにして、半分（半円）の光を欠落させても、最終像の形状や均一性は影響を受けない。
なお、「光学的なフーリエ変換」の詳細については、「フーリエ変換とその光学への応用（ P.M.Duffieux 著、辻内順平訳、共立出版（１９８６年発行）」のＰ６５〜８０“第５章 コンボリューションの応用、ディクリレの定理”」を参考にされたい。
【００４０】
次に、具体的なリレーレンズ系（伝達レンズ系）４の設計方法について説明する。
図１１は、光ミキシング素子３から絞り６までの構成を示す図であり、符号は全て前述の通りであるので説明を省略する。
図１１には仮想光源面３０上のある仮想光源から出射された光が絞り６近傍に到達する様子を模式的に示しているが、この光線の振舞いからも明らかなように、絞り６近傍での仮想光源像の形成にはリレーレンズ系４を構成するレンズのうち、第１レンズ群４５が主な働きをしていることがわかる。
第２レンズ群４６は結像面に近いので、結像には大きく寄与しない。このような状態を図１２でさらに概念的に示す。
【００４１】
図１２中、３３は仮想光源面における仮想光源の大きさを表す矢印、３４は光ミキシング素子３の出射端面３２に形成される均一面光源の大きさを表す矢印、４７ならびに４８はそれぞれ第１レンズ群、第２レンズ群のレンズ作用を代表した理想的な薄肉レンズである。また、５０はライトバルブの被照明面に形成される均一面光源の像の大きさを表す矢印、６０は絞り６近傍に形成される仮想光源像の大きさを表す矢印である。
前述の通り、仮想光源面とその像の共役関係Ａと、均一面光源とその像の共役関係Ｂからなる２つの共役関係が成立している。
【００４２】
具体的なレンズ設計においても、この２つの共役関係を保つようにすればよいが、光ミキシング素子３の光軸方向の長さが均一面光源の均一性と仮想光源の像位置の両方に大きく影響を与える点、仮想光源の像位置とライトバルブの被照明面の位置関係は、ライトバルブの被照明面の位置と投写レンズの瞳位置の関係と見かけ上同等としなければならない点などに特に注意が必要である。
【００４３】
本実施の形態による照明光学系（照明装置）では、このような条件を満たす以外にも伝達光学系（即ち、リレーレンズ系４）として次のような設計を行った。
まず、正の屈折力を有するレンズのみでは軸外収差、特に歪曲収差と色収差を補正することが困難であるため、第２レンズ群内に負の屈折力を有するレンズを配置することによって前記軸外収差を良好に補正した。
また、第２レンズ群を負正のレトロフォーカス構成としリレーレンズ系４のバックフォーカスを長くし、レンズ系を大きくすることなく所定の結像倍率を得ている。また、両凸レンズ４４の出射面に絞り６を設け、この絞り６近傍に仮想光源の像を形成することにより歪曲収差を良好に補正した。
これによって、ライトバルブの被照明面５とほぼ相似な形状である光ミキシング素子の寸法マージン量を低く抑えることができ、光の利用効率を向上させている。
【００４４】
また、リレーレンズ系４の全系の焦点距離をｆ0、第１レンズ群４５の合成焦点距離をｆ１としたとき、本実施の形態の第１レンズ群４５の合成焦点距離ｆ１は、
０．６８ ＜ ｆ１／ｆ０ ＜ ０．７６ （１）
の条件を満たしている。
【００４５】
この条件式（１）の上限を超えると、第２レンズ群４６の屈折力が大きくなり、歪曲収差が増大する。
また、リレーレンズ系４の主点間隔が大きくなるためリレーレンズ系４の全長が必要以上に大きくなる。
一方、条件式（１）の下限を下回ると、リレーレンズ系４の有効径が増大するため、省スペース性やコストの点で不利となる。
【００４６】
また、リレーレンズ系４の第２レンズ群４６の合成焦点距離をｆ２としたとき、前記式（１）を満たす条件のもとでｆ２は、
１．２７ ＜ ｆ２／ｆ０ ＜ １．４２ （２）
の条件を満たしている。
この条件式（２）の値ｆ２／ｆ０は条件式（１）の値ｆ１／ｆ０と同様の振舞いを示すので、有効な範囲は条件式（１）に準ずる。
【００４７】
また、第２レンズ群４６を構成する正レンズおよび負レンズの材質の平均アッベ数をそれぞれνｐ、νｎとすると、本実施の形態は
νｐ／νｎ ＞ １．７ （３）
の条件を満たしている。
これは色消しレンズの条件から、一般に大きいほど色消しに有利であると言われる値であり、この条件式（３）の値を下回ると十分な色消しを行うことができなくなる。
【００４８】
この条件式（３）を満たす材料で第２レンズ群４７を構成すれば、倍率色収差を比較的良好に補正することが可能である。
よって光ミキシング素子３の出射端面の像をライトバルブの被照明面５上に効率よく伝達することができ、照明領域周辺部での色づきを抑え、照明の寸法マージンを低減して光の利用効率を向上させている。
【００４９】
下記の表１に示す数値実施例１は、実施の形態１の光ミキシング素子３の出射端面である光源面からライトバルブの被照明面５までのデータである。
本データにおいて、ｆ０は全系の焦点距離、ｆ１は第１レンズ群の合成焦点距離、ｆ２は第２レンズ群の合成焦点距離、ＦＮＯはＦナンバー、ＲＥＤは近軸倍率、ＲＯＤは光ミキシング素子の光軸長さを示している。
また、表中２行目において、左から順にｉは物体側からの順序を示し、Ｒｉは第ｉ面の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面から第ｉ＋１面までの間隔、ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはアッベ数を示している。
なお、Ｒ＝∞は平面を表すものとする。
また、光ミキシング素子３はＢＳＣ７（ｎｄ＝１．５１６８）で光軸方向に沿う長さは６０ｍｍを想定した。
【００５０】
【表１】

【００５１】
数値実施例１の条件式（１）、（２）、（３）に相当する数式の値はそれぞれ
ｆ１／ｆ０ ＝ ０．７０１
ｆ２／ｆ０ ＝ １．２９３
νｐ／νｎ ＝ １．９５
であり、いずれも条件を満たしている。
なお、νｐは各正レンズのアッベ数νｄの平均値であり、νｎは各負レンズのアッベ数νｄの平均値であるが、数値実施例１においては表１から明らかなように、正レンズは３枚あり、それぞれのアッベ数νｄは、６４．２、６４．２、６０．３であるので、νｐはこれらの平均値である６２．９となり、また、負レンズは１枚のみでそのアッベ数νｄは３２．２であるのでνｎは３２．２となる。
従って、νｐ／νｎは１．９５となる。
【００５２】
さて、下記の表２に示す数値実施例２および表３に示す数値実施例３は、数値実施例１とほぼ同様の構成からなるリレーレンズ系４の設計例である。
前述の数値実施例１と同様、ＢＳＣ７で構成される光ミキシング素子の光軸方向に沿う長さはともに５０ｍｍを想定した。
なお、レンズ枚数を減らし、非球面レンズを採用することにより、同等の光学性能を維持することも勿論可能であるが、この場合はレンズ枚数低減の効果や、有効径等の条件を考慮すると第１レンズ群４５への導入が効果的であると考えられる。
【００５３】
【表２】

【００５４】
数値実施例２の条件式（１）、（２）、（３）に相当する数式の値はそれぞれ
ｆ１／ｆ０ ＝ ０．７３６
ｆ２／ｆ０ ＝ １．２９７
νｐ／νｎ ＝ １．９５
であり、いずれも条件を満たしている。
【００５５】
【表３】

【００５６】
数値実施例３の条件式（１）、（２）、（３）に相当する数式の値はそれぞれ
ｆ１／ｆ０ ＝ ０．７４３
ｆ２／ｆ０ ＝ １．４０５
νｐ／νｎ ＝ １．９５
であり、いずれも条件を満たしている。
【００５７】
なお、リレーレンズ系４の構成例については以上に説明したタイプに限定されることはなく、例えば、正レンズのみで全系を構成することも可能である。
この場合、前述の負レンズを内包したレンズタイプとは性能が異なるが、求める照明性能のレベルによっては、このような単純なレンズ構成を用いても構わない。
【００５８】
実施の形態２．
図１３は、実施の形態２に係る照明光学系（照明装置）におけるリレーレンズ系（伝達レンズ系あるいは伝達光学系とも称す）４の構成を示す図であり、本実施の形態でのリレーレンズ系４は第１レンズ群４５を１枚の正レンズ、第２レンズ群４６を２枚の正レンズで構成したことを特徴し、リレーレンズ系４以外の基本的な構成は図１に示した実施の形態１と同様である。
【００５９】
図において、４９は第２レンズ群を構成する両凸レンズであり、その他の符号は前述の通りである。
本実施の形態では、第２レンズ群４６を構成する２枚のレンズ４４および４９はいずれも正レンズであり、レトロフォーカス構成にしていないため、レンズ径を制限すると結像倍率が小さくなるなどの問題も生じ易いが、仮想光源の像を絞り６近傍に形成する作用によって、前記干渉の問題を解消することができる点は同様である。
【００６０】
本実施の形態による照明光学系（照明装置）が提供する照明性能においては、光ミキシング素子３の出射端面に形成される２次的な光源面の品質、即ち、強度分布の均一性が実現されることによって高い効果を得ることができる。
ここで、光源１から光ミキシング素子３までの系について、図１を用いて説明する。
図１に示す光源１は、白色光や単色光などを出射する発光体を有するランプであり、例えばメタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなど、実効的な発光源の寸法パラメータが小さく、発光効率の高いものが好ましい。
【００６１】
これは発光源から発散した光をリフレクタ１１によって集光する場合に、集光効率を高めることができるからである。
本実施の形態ではリフレクタ１１の内面形状を回転２次曲面のひとつである回転放物面とし、この放物面の焦点近傍に発光源が位置されるようにランプの配置を行った。
リフレクタ１１で略平行化された光束は、コンデンサレンズ系２によって収斂されて発光源の像を形成する。
この発光源の像の大きさと角度分布は、コンデンサレンズ系２の設定によって所定の値に近づけることが可能である。
【００６２】
本実施の形態では、電極ギャップ長が約１．３ｍｍの放電ランプを光源１とし、焦点距離７．５ｍｍの放物面からなるリフレクタ１１を用い、コンデンサレンズ系２によりて有効直径が４ｍｍ程度の発光源の像を形成している。
勿論、リフレクタ１１を同じ回転２次曲面である回転楕円鏡とし、コンデンサレンズ系２を用いない集光光学系を構成することも好適である。
いずれにしても、発光源の像を後段の光ミキシング素子３の伝達特性に合わせて形成することが重要である。
【００６３】
光ミキシング素子３は、リレーレンズ系４の結像倍率とライトバルブの被照明面５の大きさから端面の寸法を決めることができる。
また、リレーレンズ系４の結像性能を活かすために、光ミキシング素子３の出射端面３２はライトバルブの被照明面５の形状とほぼ相似な形状とすることが望ましい。
入射端面３１は発光源の像が形成される位置に配置すると最も伝達効率が高くなるが、入射光のエネルギー密度が大きいために耐熱性を高めることが重要である。
なお、入射面と出射面の形状や寸法を変えるといった変形例も勿論可能であることは言うまでもない。
【００６４】
実施の形態３．
図１４は、光ミキシング素子の変形例を示す断面図であり、本実施の形態３に係る照明光学系（照明装置）のその他の基本的な構成は前述の実施の形態１あるいは２と同様である。
図において、３５は中空光ミキシング素子、３６は基材、３７は反射材であり、４つの平面から中空の柱状素子を形成したものである。
反射材３７が中空の内面に配置されており、入射端面から進入した光は反射材３７による反射を繰り返して進行し、前述のガラスロッドの場合と同様の均一な強度分布を有する光源面を出射面近傍に形成する。
一般的に全反射を利用するロッドタイプのものに比べて、反射部材を用いる場合は効率が劣るが、アルミ材の表面をアルマイト処理した基材に高純度のアルミを真空蒸着し、更にその上にＳｉＯ₂膜とＴｉＯ₂膜を蒸着形成したような反射材に優れた反射特性、耐熱性、耐候性を有するものがある。
このような材料としては、例えば、アラノッド社（独）製のＭＩＲＯ材が好適である。
【００６５】
このような中空光ミキシング素子３５によれば、エネルギー密度の高い集光点を空間に形成することが可能である上、素子全体を放熱効果の高い金属で形成可能であるため、システム全体の冷却を容易にできる。
また、外壁面を保持のために用いても内面の反射性能にほとんど影響を与えることがないので、簡便な方法による保持が可能でありコスト面でも有利である。
さらに、ＭＩＲＯ材等の薄板材料を用いれば、単一部材の折り曲げ加工のみで成形できるので製造も容易である。
【００６６】
実施の形態４．
前述の実施の形態１乃至３においては、リレーレンズ系（伝達光学系）４は、レンズ素子を用いた第１および第２レンズ群の複数のレンズ群によって構成されているが、レンズ群を用いず、凹面鏡や凸面鏡、非球面鏡などの組み合わせによってリレーレンズ系（伝達光学系）４を構成することは勿論可能である。
【００６７】
図１５は、リレーレンズ系（伝達光学系）４の第１および第２レンズ群を、レンズ素子に代えて凹面鏡や凸面鏡、非球面鏡の組合せによって構成した例を概略的に示す図である。
図において、１は光源、３は光ミキシング素子、５は反射型ライトバルブ、８は投写レンズ、４００、４０１はそれぞれ凹面鏡や凸面鏡、あるいは非球面鏡である第１および第２のミラー手段である。
光ミキシング素子３から出射された光は、第１のミラー手段４００、第２のミラー手段４０１の順で反射されて光路が折れ曲がり、反射型ライトバルブ５へと導かれる。
【００６８】
なお、本実施の形態における伝達光学系においても、図２に示した実施の形態１の場合と同様に、第１のミラー手段４００および第２のミラー手段４０１で構成されたリレーレンズ系（伝達光学系）４は、仮想光源面３０に形成される多数の仮想光源の像を絞り６近傍に形成する第１の光学的共役関係と、出射端面３２に形成される均一光源面の像をライトバルブの被照明面５の近傍に形成する第２の光学的共役関係の、２つの共役関係を成立させているとともに、光出射面からは非テレセントリックな状態で照明光束を出射する。
【００６９】
本実施の形態においては、全系の光路を折り曲げる必然性が生じるため、隣接する光学素子の物理的な干渉が生じる可能性が高くなるが、本実施の形態による光学系は投写光学系と照明光学系の物理的な干渉をある程度許容できるため、全系レイアウトを考慮する上で自由度が高まるという利点がある。
さらに、図１５のように照明光学系（照明装置）をレンズ素子で構成されたレンズ群を用いることなく、全てミラー手段で構成すれば、原理的に色収差が発生しないため、光の利用効率を高めることも容易である。
【００７０】
実施の形態５．
図１６は、回転カラーフィルタを用いた単板式（即ち、ライトハセルブが１枚）のプロジェクタ装置（投写型表示装置）の光学系を示す図である。
図において、５０は反射型ライトバルブであり、ここではTexas Instruments 社のＤＭＤ（ Digital Micromirror Device ）を想定して説明を行う。
９０は回転カラーフィルタであり、その他の符号は実施の形態１を示す図１と同様であるので説明を省略する。
【００７１】
回転カラーフィルタ９０は、例えば、映像信号の同期信号に同期して回転することによってフィールドシーケンシャルでカラー化を行うための光学装置であり、前述のＤＭＤを反射型ライトバルブとした場合に整合性が高い。
投写レンズ８から出射した光は図示しないスクリーン上に拡大投写されて、大画面の映像を提供することができる。
【００７２】
照明光学系（照明装置）の部分は、実施の形態１で説明した通り、投写レンズ８との物理的な干渉がある程度許されるため、全体の構成要素の配置条件が緩和されるだけでなく、投写光量の損失を最低限に抑えながら均一な投写画面を得ることができる。
よって本実施の形態によれば非常に光利用効率が高く、コンパクトで安価な光学システムを構成し、かつ、明るく均一な投写画像を提供するプロジェクタ装置を実現することができる。
【００７３】
なお、回転カラーフィルタ９０はこれを透過する光束径が小さいほど、装置の寸法増大を抑えることができるため、照明光学系（照明装置）全系の中でも光束径が小さい位置に配置することが望ましい。
具体的には、図１６に示すように光ミキシング素子３の直前、あるいは直後に配置することが望ましい。
カラー化については、回転カラーフィルタ９０を用いなければならないということはなく、照明光学系（照明装置）と整合が高く、高効率のプロジェクタ装置を提供できるカラー化手段であれば、これを光学系の一部に配置することは全く問題がなく可能である。
【００７４】
【発明の効果】
この発明に係る照明装置は、発光体から出射される光を集光して、上記発光体の集光像を所定の位置に形成する集光手段と、形成された上記発光体の集光像の位置近傍に入射端面を有し、出射端面に均一光源面が形成される光ミキシング素子と、光ミキシング素子側からライトバルブの被照明面側にかけて、順に第１レンズ群および第２レンズ群が配置され、上記第１レンズ群によって、光ミキシング素子の入射端面と第２レンズ群を構成するレンズが配置される位置の仮想面とを第１の光学的な共役関係とするとともに、上記第１レンズ群および第２レンズ群によって、光ミキシング素子の出射端面と上記被照明面とを第２の光学的な共役関係とし、光出射面から非テレセントリックな状態で照明光束を上記ライトバルブの被照明面側に出射する伝達光学系とを備えたので、光ミキシング素子の出射端面に形成される均一な強度分布を持った光源面とライトバルブの被照明面を光学的に共役な関係とし、かつ、第２レンズ群の最終面に設定された絞りの近傍に発光体の多数の光源像を形成するので、第２レンズ群からライトバルブの被照明面に出射される照明光束の一部が物理的に欠落しても、被照明面上での照明均一性に影響を与えず、かつ、光の利用効率の高い投写型表示装置用の照明装置を提供できる。
【００７５】
また、この発明に係る照明装置の伝達光学系の第２のレンズ群は、光ミキシング素子側から順に、上記光ミキシング素子側に凸面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズと正の屈折力を有するレンズであることを特徴とするので、軸外収差を良好に補正することができ、高品位な照明装置を提供できる。
【００７６】
また、この発明に係る照明装置は、伝達光学系の第１レンズ群を１枚の正レンズ、第２レンズ群を２枚の正レンズで構成したことを特徴とするので、伝達光学系のレンズ構成が簡単になり、装置を安価に実現できる。
【００７７】
また、この発明に係る照明装置の光ミキシング素子は、単一反射部材の折り曲げ加工により成形された中空柱状をなすことを特徴とするので、光ミキシング素子の外壁面をその保持のために用いても内面の反射性能にほとんど影響は与えず、簡便な方法による保持が可能であり、装置を安価に実現できる。
【００７８】
また、この発明に係る照明装置の伝達光学系の第１レンズ群および第２のレンズ群は、少なくとも一方が凹面鏡あるいは凸面鏡であることを特徴とするもので、色収差を低減し、光の利用効率が高い高品位な照明装置を提供できる。
さらに、照明光学系の光路が折り曲げられるので、コンパクトな照明装置を提供できる。
【００７９】
また、この発明に係る投写型表示装置は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明装置と、上記照明装置の伝達光学系から出射された非テレセントリックな状態の光束により照明され、各々独立して駆動される２次元アレイ構造からなる多数の画素を有するライトバルブと、ライトバルブから出射した光をスクリーン手段に伝達する投写レンズ手段とを備えたので、照明装置の第２レンズ群からライトバルブの被照明面に出射される照明光束の一部が理的に欠落しても、被照明面上での照明均一性に影響を与えず、かつ、光の利用効率の高い投写型表示装置を提供できる。
【００８０】
また、この発明に係る投写型表示装置の伝達光学系は、光ミキシング素子側からライトバルブの被照明面側にかけて順に第１レンズ群および第２レンズ群が配置され、第１レンズ群は、少なくとも１枚の正の屈折力を有するメニスカスレンズを含み、第２レンズ群は、光ミキシング素子側からライトバルブの被照明面側にかけて、負の屈折力を有する第１のレンズ手段と正の屈折力を有する第２のレンズ手段を前記光源側から順に備え、伝達光学系から非テレセントリックな状態で照明光束を出射するとともに、伝達光学系全系の焦点距離をｆ０、第１レンズ群の焦点距離をｆ１としたとき、
０．６８ ＜ ｆ１／ｆ０ ＜ ０．７６
の関係を満足することを特徴とするので、照明装置の伝達光学系における歪曲収差の増大が防止できると共に、省スペース化が図れ、高品位、かつ、コンパクトな投写型表示装置を提供できる。
【００８１】
また、この発明に係る投写型表示装置の照明装置は、光ミキシング素子の直前あるいは直後に回転カラーフィルタを配置したことを特徴とするので、光利用効率が高く、安価でコンパクトな投写型表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１に係る照明装置の構成を示す図である。
【図２】 実施の形態１に係る伝達光学系を説明する概略図である。
【図３】 実施の形態１に係る多数の光源像を説明する概略図である。
【図４】 実施の形態１に係る多数の光源像からの光線の振舞いを説明する図である。
【図５】 実施の形態１に係る光ミキシング素子の動作を説明するための図である。
【図６】 実施の形態１において照明光学系の一部と投写光学系の投写レンズの一部（鏡胴）が遮っている状態を示す図である。
【図７】 実施の形態１において仮想光源の像の一部が投写レンズによって遮光された状態を模式的に示す図である。
【図８】 実施の形態１に係る第２レンズ群の部分的欠落を説明する概略図である。
【図９】 第２レンズ群の一部分が欠落した場合の計算機シミュレーションによるライトバルブの被照明面の強度分布を示す図である。
【図１０】 第２レンズ群に欠落がない場合の計算機シミュレーションによるライトバルブの被照明面の強度分布を示す図である。
【図１１】 実施の形態１に係る伝達光学系を説明する概略図である。
【図１２】 実施の形態１に係る伝達光学系の共役関係を説明する概略図である。
【図１３】 実施の形態２に係る照明光学系（照明装置）の伝達光学系の構成を示す図である。
【図１４】 実施の形態３に係る照明光学系（照明装置）の光ミキシング素子の変形例を示す概略図である。
【図１５】 実施の形態４に係る伝達光学系の変形例を模式的に示す概略図である。
【図１６】 実施の形態５に係る投写型表示装置の構成を示す図である。
【図１７】 従来の投写型表示装置の概略構成を示す図である。
【図１８】 ＤＭＤ２ピクセルの動作を説明するための概略図である。
【図１９】 ＤＭＤを画像生成手段として用いた従来の光学システムにおける投写光学系と照明光学系の物理的干渉を説明するため図である。
【図２０】 ＤＭＤを画像生成手段として用いた従来光学システムにおける投写光学系と照明光学系の物理的干渉を回避する事例を説明するため図である。
【符号の説明】
１ 光源 ２ コンデンサレンズ系
３ 光ミキシング素子 ４ リレーレンズ系（伝達光学系）
５ ライトバルブの被照明面 ６ 絞り
７ 光軸 ８ 投写レンズ
１０ 光源ランプ（発光体） １１ リフレクタ（反射鏡）
１２ 多数の光源像 １３ 発光体の像
１４ 仮想発光体像 １５ 仮想発光体像
３０ 仮想光源面 ３１ 入射端面
３２ 出射端面 ３５ 中空光ミキシング素子
３６ 基材 ３７ 反射材
４１ 正のメニスカスレンズ ４２ 両凸レンズ
４３ 負のメニスカスレンズ ４４ 両凸レンズ
４５ 第１レンズ群 ４６ 第２レンズ群
４９ 両凸レンズ ５０ ＤＭＤ
６０ 主光線 ６１ 光線
６２ 光線 ９０ カラーフィルタ
４００ ミラー手段 ４０１ ミラー手段

Claims (8)

1. 発光体から出射される光を集光して、上記発光体の集光像を所定の位置に形成する集光手段と、
   形成された上記発光体の集光像の位置近傍に入射端面を有し、出射端面に均一光源面が形成される光ミキシング素子と、
   上記光ミキシング素子側からライトバルブの被照明面側にかけて、順に第１レンズ群および第２レンズ群が配置され、上記第１レンズ群によって、上記光ミキシング素子の入射端面と上記第２レンズ群を構成するレンズが配置される位置の仮想面とを第１の光学的な共役関係とするとともに、上記第１レンズ群および第２レンズ群によって、上記光ミキシング素子の出射端面と上記被照明面とを第２の光学的な共役関係とし、光出射面から非テレセントリックな状態で照明光束を上記ライトバルブの被照明面側に出射する伝達光学系とを備えたことを特徴とする照明装置。
2. 伝達光学系の第２レンズ群は、光ミキシング素子側から順に、上記光ミキシング素子側に凸面を向けた負の屈折力を有するメニスカスレンズと正の屈折力を有するレンズであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 伝達光学系の第１レンズ群を１枚の正レンズ、第２レンズ群を２枚の正レンズで構成したことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 光ミキシング素子は、単一反射部材の折り曲げ加工により成形された中空柱状をなすことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. 伝達光学系の第１レンズ群および第２のレンズ群は、少なくとも一方が凹面鏡あるいは凸面鏡であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明装置と、
   上記照明装置の伝達光学系から出射された非テレセントリックな状態の光束により照明され、各々独立して駆動される２次元アレイ構造からなる多数の画素を有するライトバルブと、
   上記ライトバルブから出射した光をスクリーン手段に伝達する投写レンズ手段を備えことを特徴とする投写型表示装置。
7. 照明装置の伝達光学系は、光ミキシング素子側からライトバルブの被照明面側にかけて順に第１レンズ群および第２レンズ群が配置され、
   上記第１レンズ群は、少なくとも１枚の正の屈折力を有するメニスカスレンズを含み、上記第２レンズ群は、上記光ミキシング素子側からライトバルブの被照明面側にかけて、負の屈折力を有する第１のレンズ手段と正の屈折力を有する第２のレンズ手段を前記光源側から順に備え、上記伝達光学系から非テレセントリックな状態で照明光束を出射するとともに、伝達光学系全系の焦点距離をｆ０、第１レンズ群の焦点距離をｆ１としたとき、
   ０．６８ ＜ ｆ１／ｆ０ ＜ ０．７６
   の関係を満足することを特徴とする請求項６に記載の投写型表示装置。
8. 照明装置は、光ミキシング素子の直前あるいは直後に回転カラーフィルタを配置したことを特徴とする請求項６に記載の投写型表示装置。

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