JP4876547B2 - 照明光学系および画像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device；米国テキサスインスツルメント社製）や液晶表示素子のような光変調素子に光線を照射する照明光学系と、それを備える画像投影装置とに関するものである。

昨今、高輝度の画像を提供できる画像投影装置（プロジェクター等）の要望が高まっている。そして、かかる要望を実現すべく、例えば特許文献１・２のような画像投影装置が開発されている（図１０・図１１参照）。

特許文献１の画像投影装置１０９は、図１０に示すように、２つの高出力ランプユニット１１１ａ・１１１ｂを設けることで、投影画像の高輝度化を図っている。そして、２つのランプユニット１１１ａ・１１１ｂの光線束は、インテグレータロッド１１８で合成された後に、カラーホイール１１６を通過して光変調素子１０２に到達するようになっている。

また、特許文献２の画像投影装置１０９も、図１１に示すように、２つの高出力ランプユニット１１１ａ・１１１ｂを設けることで、投影画像の高輝度化を図っている。そして、２つのランプユニット１１１ａ・１１１ｂの光線束は、カラーホイール１１６上で重ね合わせて集光し、そのカラーホイール１１６を通過した後に、インテグレータ光学系１１８で再び合成され、光変調素子１０２に到達するようになっている。
特表２００２−５４３４５４号公報（図４等参照） 特許第３５９６３５７号公報（図１参照）

いずれの特許文献の画像投影装置１０９・１０９も、ランプユニット１１１の個数を増やしていることから高輝度化を実現できる。しかしながら、これらの特許文献の画像投影装置１０９・１０９では、高輝度化を実現できるものの別の問題が生じている。

例えば特許文献１の画像投影装置１０９では、カラーホイール１１６がインテグレータロッド（均一光線束射出体）１１８の光射出側に位置し、さらに、インテグレータロッド１１８の光射出面と光変調素子１０２の素子面とが略共役になっている。そのため、カラーホイール１１６に含まれる各色フィルタの境界線がインテグレータロッド１１８の光射出面を横切るとき、かかる境界線がそのまま光変調素子１０２の素子面に投影される。その結果、素子面内の位置によって照明光の色光が異なることになり、色分布の不均一性(色むら)の問題が生じる。

この問題を解決する一方策として、フィルタの境界線がインテグレータロッド１１８の光射出面を横切る間は画像を表示しないという方法が挙げられる。しかし、表示しない時間が長いほど投影画像の輝度が低下し、複数のランプユニットを用いる効果が減少する。

一方、特許文献２の画像投影装置１０９では、カラーホイール１１６はインテグレータ光学系（均一光線束射出体）１１８の光入射側に位置している。つまり、かかる画像投影装置１０９は、色むら問題の原因となるカラーホイール１１６とインテグレータ光学系１１８の配置関係を解消している。そのため、特許文献１と同じような色むらは生じにくい。

しかし、特許文献２の画像投影装置１０９では、図１１に示すように、２つのランプユニット１１１ａ・１１１ｂが隣り合うように位置し、かつ、ランプユニット１１１ａ・１１１ｂの２つ中心光線はカラーホイール１１６の近傍で交差するようになっている。そのため、カラーホイール１６へ入射する光線の角度分布Ｘは広がり、ひいては入射角も比較的大きくなる。

通常、カラーホイール１１６に搭載されたカラーフィルタは、入射角「０°」の光線に対しては、所望の波長帯域で透過できる。しかしながら、入射角の大きな光線がカラーフィルタに入射する場合、透過率が５０％となるカットオフ波長がシフトしてしまう。そのため、カラーフィルタにおける透過波長帯域が変化する。すると、図１１のように、入射角の大きな光線がカラーフィルタに入射する場合、入射角に起因して光線の色純度が低下することになる。そのため、特許文献２の画像投影装置１０９は、高輝度の画像を提供できるものの、質の良い画像を提供できない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものである。そして、その目的は、複数の発光ユニットを備える場合に、例えばインテグレータロッド（均一光線束射出体）の光入射側にカラーホイール（色分解体）を配置できるようにして、高品質な投影画像を供給する照明光学系、および、かかる照明光学系を備える画像形成装置の提供にある。

本発明では、照明光学系は、光線束を射出する複数の発光ユニットと、上記の光線束を所定方向側へと導く光線束誘導体と、上記光線束誘導体によって導かれる光線束が通過するリレー光学系と、上記リレー光学系を経た光線束が通過し、並べて配置された複数色のフィルタを含むとともに、上記フィルタを光線束に対し横切るように移動させることで、色切替を行うカラーホイールと、上記カラーホイールによる色光の射出側に配置され、光線束を取り込み、光強度を均一化して射出するインテグレータロッドと、を含む。上記発光ユニットは、光線束を発する放電ランプと、上記放電ランプからの光線束を集光する集光体とを含んでおり、上記集光体は、上記光線束誘導体の近傍で各光線束の中心光線を離間するように集光させる。上記光線束誘導体は、複数の光線束の進行方向を略同一方向にして誘導する。上記リレー光学系は、上記の光線束誘導体の近傍で集光された光像を、結像させて、上記インテグレータロッドに導光する。

なお、光線束誘導体は、発光ユニットからの光線束を導くために、かかる光線束を受光できる位置（発光ユニット近傍）にある。例えば、対向配置した発光ユニットの間に光線束誘導体は位置するようになっている。

このような照明光学系であれば、リレー光学系があるため、カラーホイールが、光線束誘導体の近傍に位置する発光ユニットに過剰に近づかない。その上、光線束誘導体により所定方向側に導かれる光線束が、リレー光学系によって、広がることなくカラーホイールに導かれる。そのため、広がった光線（入射角の比較的大きな光線）がカラーホイールに入射する場合に生じる色純度の低下問題が起こりにくい。

さらには、リレー光学系がカラーホイールの光入射側に位置することから、カラーホイールによる色光の射出側に、光線を取り込み、光強度を均一化して射出するインテグレータロッドが位置することになる（インテグレータロッドの光入射側にカラーホイールが配置できるようになる）。

つまり、複数の発光ユニットと、発光ユニットからの光線束を所定方向側へと導く光線束誘導体と、光線束誘導体によって導かれる光線束を取り込み、光強度を均一化させて出射するインテグレータロッドと、を含む照明光学系であって、リレー光学系をさらに有するともいえる。

このような構成であれば、インテグレータロッドの光入射端が過剰に発光ユニットに近づかない。そのため、かかる光入射端の近傍に（すなわち、インテグレータロッドの光入射側に）カラーホイールが配置できる。

また、光線束誘導体が、複数の発光ユニットからの複数の光線束の進行方向を略同一方向にして誘導しており、リレー光学系、ひいてはカラーホイールに入射する光線の広がりを確実に防止できる。そのため、一層、カラーホイールへの入射光線の角度依存に基づく、色純度の低下が防止される。

また、集光体は光線束誘導体近傍で各光線束の中心光線を離間するように集光させており、リレー光学系に入射する前の光線束を、集光によって比較的小さくできる。そのため、リレー光学系のサイズは、比較的小さくなった光線束を受光できるようなサイズであればよく、リレー光学系のコンパクト化が達成できる。集光体は、例えば楕円面リフレクタとしてもよい。

また、リレー光学系が、光線束誘導体近傍で集光された光像を、結像させて、インテグレータロッドに導光しており、インテグレータロッドに入射する光像が小さいと、インテグレータロッドのコンパクト化が達成できる。また、インテグレータロッドの大きさが変化しない場合には、インテグレータロッドに導光されずに損失する光が減少する（インテグレータロッドに入射する光が増加する）ので、光の利用効率が向上する。

さらに、本発明の照明光学系では、各発光ユニットからの光線束が並ぶようにしてカラーホイールに到達する場合、カラーホイールにおいて隣り合って配置するフィルタの境界線が、色切替のときに、光線束を略同時に横切るように形成されていると望ましい。

つまり、色切替のとき、フィルタの境界線と光線束の並び方向とが略一致する時間が生じるような照明光学系であれば望ましい。

かかるような照明光学系であれば、例えば２色のフィルタの境界線が２つの光線束を通過していく時間（色切替時間）が短くなる。すると、２色分の光線束がインテグレータロッドで同時にミキシングされる時間も短くなり、インテグレータロッドから射出する光線束の色調が所望の色調に近づくようになる。

なお、本発明の画像投影装置は、上記した照明光学系と、照明光学系からの光線束を画像データに応じて変調させる光変調素子と、光変調素子にて変調された光線束を投影する投影光学系と、を含むようになっている。そのため、かかる画像投影装置であっても、上記した作用効果を奏じる。

本発明の照明光学系等によれば、リレー光学系により光線束誘導体の近傍に位置する発光ユニットにカラーホイールが過剰に近づかず、また、インテグレータロッドの光入射側にカラーホイールを配置できる。そのため、本発明の照明光学系は、インテグレータロッドの光射出側にカラーホイールが位置することで生じる色むら問題を防止できる。その上、光線束誘導体により所定方向側に導かれる光線束が、リレー光学系によって、広がることなくカラーホイールに導かれることから、広がった光線に起因する色純度の低下が起こらない。

よって、本発明の照明光学系等は、インテグレータロッドの光入射側にカラーホイールを配置できつつ、高品質な投影画像を供給できる。

［実施の形態１］
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

〈１．プロジェクタの構成について〉
図１は、本発明の画像投影装置の一例であるプロジェクタ９の概略構成図である。この図１に示すように、プロジェクタ９は、照明光学系１、ＤＭＤ３、および投影光学系４を含んでいる。

《１−１．照明光学系について》
照明光学系１は、対向配置になったランプユニット１１（第１ランプユニット１１ａ・第２ランプユニット１１ｂ）、プリズムミラー１４、第１リレー光学系１５、カラーホイール１６、インテグレータロッド１８、第２リレー光学系２１、ミラーユニット２２、およびプリズムユニット２６を含んでいる。

《《ランプユニットについて》》
ランプユニット（発光ユニット）１１ａ・１１ｂは、光線束を射出するものであり、光線束を発するランプ１２（第１ランプ１２ａ・第２ランプ１２ｂ）と、ランプ１２ａ・１２ｂからの光線束を反射させるリフレクタ１３（第１リフレクタ１３ａ・第２リフレクタ１３ｂ）とを含んでいる。なお、ランプユニット１１ａ・１１ｂは水平面に平行な平面上に配置されている。

なお、ランプ（発光体）１２としては、例えば、２つの電極間を放電させることにより白色光を発する３００Ｗの超高圧水銀ランプ等が挙げられる。また、リフレクタ１３としては、例えば、楕円の反射面（回転楕円面）を有するリフレクタが挙げられる。

ただし、図１に示すリフレクタ（集光体）１３は楕円面リフレクタになっており、リフレクタ１３内に位置する焦点（リフレクタ内焦点）に、ランプ１２が配置されるようになっている。そのため、ランプ１２の光線は、もう一方の焦点（リフレクタ外焦点）に集光するようになる。したがって、楕円の反射面を有するリフレクタ１３は、光線を集光する機能を有しているといえる。

《《プリズムミラーについて》》
プリズムミラー（光線束誘導体）１４は、ランプユニット１１ａ・１１ｂ間（例えばリフレクタ外焦点付近）に位置し、両ランプユニット１１ａ・１１ｂからの光線を所定方向側へと導くものである。例えば図２（図１の部分拡大図）に示す本発明の照明光学系１の場合、プリズムミラー１４は、光線を反射させることによって、その光線を第１リレー光学系１５の位置する側（所定方向側）へと導くようになっている。

なお、図３に示すように、プリズムミラー１４は、第１ランプユニット１１ａからの光線を反射させる第１ミラー面１４ａと、第２ランプユニット１１ｂからの光線を反射させる第２ミラー面１４ｂとを有している。そして、第１ミラー面１４ａと第２ミラー面１４ｂとによって形成される角度（頂角の角度）θ１は、例えば９６．６°になっている。その上、第１ミラー面１４ａと第２ミラー面４ｂとの連結によって形成される一辺１４ｃの近傍（第１集光エリアAREA１；図１・図２参照）で、ランプユニット１１ａ・１１ｂの光線が集光するようになっている。

また、第１ランプユニット１１ａの光線と第２ランプユニット１１ｂの光線とは、互いに離間した位置で集光するようにもなっている。例えば図２に示すように、第１ランプユニット１１ａからの光線の集光点と第２ランプユニット１１ｂからの光線の集光点との間隔（離間距離Ｄ１）は２．６ｍｍになっている。なお、かかるような離間距離Ｄ１が２．６ｍｍの場合、第１ランプユニット１１ａの光線と第２ランプユニット１１ｂの光線とは、第１リレー光学系１５の光軸ＡＸ１から１．３ｍｍ離れた距離で集光しているともいえる。

その上、かかるように集光する光線は、プリズムミラー１４における頂角の角度θ１に起因して、種々の方向に進行するようになっている。例えば図１・図２に示すように、９６．６°の角度θ１を有する頂角であれば、集光する両光線束の中心光線は第１リレー光学系１５の光軸ＡＸ１に向かって近づくように進行する。

《《第１リレー光学系について》》
第１リレー光学系１５は、複数のレンズを含む光学系であり、光像をリレー（再結像）するようになっている。そして、この第１リレー光学系１５は、プリズムミラー１４とカラーホイール１６との間に位置するようになっている。特に、第１リレー光学系１５は、図２に示すように、第１集光エリアAREA１にて形成される第１集光光像ＩＭ１を、インテグレータロッド１８の光入射端面１８ａ近傍（第２集光エリアAREA２）に再結像するようになっている。つまり、第１集光光像ＩＭ１と光入射端１８ａ近傍とは、第１リレー光学系１５により共役関係にある。

ただし、第１集光光像ＩＭ１のサイズと第２集光光像ＩＭ２のサイズとが、同サイズである必要はない。例えば、第１リレー光学系１５は、第１集光光像ＩＭ１を縮小させて（例えば約０．８７倍に縮小させて）第２集光エリアAREA２に再結像させてもよい。かかるように縮小結像によって形成された第２集光光像ＩＭ２であれば、インテグレータロッド１８の光入射端面１８ａのサイズが小さくできるからである。また、インテグレータロッド１８の大きさが変化しない場合には、インテグレータロッド１８に導光されずに損失する光が減少する（すなわち、インテグレータロッド１８に入射する光が増加する）ので、光の利用効率が向上する。

《《カラーホイールについて》》
カラーホイール（色分解体）１６は、カラー映像提供のために、第１リレー光学系１５を経た白色光を赤色光（Ｒ光）、緑光（Ｇ光）、または青色光（Ｂ光）に色分解するものである。かかるようなカラーホイール１６は、例えば図４に示すように、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光のみをそれぞれ選択的に透過させる３種のカラーフィルタ１７（１７Ｒ・１７Ｇ・１７Ｂ）を、略円周方向に沿うように配置している。

そして、カラーホイール１６は、カラーフィルタ１７を回転移動等させるようになっている。そのため、これらカラーフィルタ１７（１７Ｒ・１７Ｇ・１７Ｂ）が第１リレー光学系１５を経た光線の光路上に順に進出する。その結果、白色光は、時間的にＲ光、Ｇ光、Ｂ光に色分解されるようになる。

《《インテグレータロッドについて》》
インテグレータロッド１８は、カラーホイール１６を経た光線の光強度を均一化させて出射させるものである。かかるようなインテグレータロッド１８は、例えば図２のように角柱形状であり、一方の端面（光入射端面）１８ａで光線を受光し、内部へと入射させる。そして、内部に入った光線は、インテグレータロッド１８の内部側面で反射を繰り返しミキシングされながら他方の端面（光射出端面）１８ｂに導かれ、そこから射出するようになっている。

《《第２リレー光学系について》》
第２リレー光学系２１は、第１リレー光学系１５同様、複数のレンズを含む光学系であり、インテグレータロッド１８から射出してきた光線をミラーユニット２２へと導くものである。なお、第２リレー光学系２１は、インテグレータロッド１８の光射出端面１８ｂを、ＤＭＤ３の表示面（素子面）に共役な状態でリレーするようになっている。そのため、インテグレータロッド１８の光射出端面１８ｂの形状（例えば長方形）と、ＤＭＤ３の表示面の形状とが略相似形になっていると望ましい。このように両者が相似形であれば、照明光が、無駄なく（比較的効率よく）ＤＭＤ３を照射するためである。

《《ミラーユニットについて》》
ミラーユニット２２は、第１ミラー２３および第２ミラー２４を含むユニットであり、第２リレー光学系２１を経た光線をプリズムユニット２６へと導いている。具体的には、第１ミラー２３は第２リレー光学系２１からの光線を第２ミラー２４に向けて反射させ、第２ミラー２４は第１ミラー２３から反射してきた光線をプリズムユニット２６に向けて反射させている。

《《プリズムユニットについて》》
プリズムユニット２６は、ミラーユニット２２からの光線をＤＭＤ３へと導くとともに、ＤＭＤ３からの反射光を投影光学系４へと導くものである。かかるようなプリズムユニット２６は、図５・図６に示すように、全反射プリズム２７と、透過プリズム２８とを含んでいる。なお、図５は図１に示す投影光学系４の位置から透過プリズム２８の第２射出面ｓ５を主体的にみた場合の正面図であり、図６は図５の側面図である。ただし、便宜上、図６は図５の正面図も図示している。

全反射プリズム２７は、図６に示すように、少なくとも３つのプリズム面を有するようになっている。具体的には、全反射プリズム２７は、最初に光線の入射する第１入射面ｓ１と、第１入射面ｓ１を透過してきた光線の到達する臨界面ｓ２と、臨界面ｓ２で全反射した場合の光線をＤＭＤ３に向けて射出させる第１射出面ｓ３とを有している。

一方、透過プリズム２８は、少なくとも２つのプリズム面を有するようになっている。そして、２面のうちの１つのプリズム面が全反射プリズム２７からの光線の入射する第２入射面ｓ４になっており、もう一方のプリズム面が第２入射面ｓ４を透過してきた光線を投影光学系４に射出させる第２射出面ｓ５になっている。

なお、全反射プリズム２７の臨界面ｓ２と透過プリズム２８の第２入射面ｓ４とは、空気層を介して対向するように配置されている。また、全反射プリズム２７の第１入射面ｓ１には、光線をテレセントリックにするために、平凸レンズＬＳ１が取りつけられていると望ましい。

また、ミラーユニット２２およびプリズムユニット２６は、第２リレー光学系２１からの光線を適切に折り返してＤＭＤ３に到達させることで、照明光学系１は、インテグレータロッド１８の端面（光入射端面１８ａおよび光射出端面１８ｂ）における長手方向と水平面とを略平行にできる。すると、対向配置されたランプユニット１１ａ・１１ｂからの光線束が、プリズムミラー１４によって並ぶようにしてインテグレータロッド１８に到達する場合、光線束の並び方向Ｈ（後述の図８参照）とインテグレータロッド１８における端面の長手方向とが一致するようにできる。その結果、比較的効率よく、２つの光線束がインテグレータロッド１８に入射するようになる。

《１−２．ＤＭＤについて》
ＤＭＤ３は、照明光学系１から供給される光を画像データに応じて変調する光変調素子である。具体的には、表示画像の画像データに応じてＯＮ／ＯＦＦ駆動される微小ミラーがマトリクス状に配置することで長方形の画像表示領域を形成している。

そして、ＤＭＤ３の各微小ミラーは、１画素に対応しており、長方形の画像表示領域における長辺に対し４５°の角度をなす偏向軸を有している。その上、各微小ミラーは、画像データに応じて偏向軸を中心に±１２°偏向するようになっている。そのため、ＤＭＤ３は、画像データに応じて各微小ミラーの傾斜角を選択的に変化させることで、各微小ミラーに基づく画素光線（反射光線）を投影光学系４へ入射できる。

なお、ＤＭＤ３の代わりに、例えば反射型や透過型の液晶表示素子で光変調素子として使用することも可能である。

《１−３．投影光学系について》
投影光学系４は、ＤＭＤ３にて変調された光線をスクリーン等の被投影面に拡大投影するものである。

〈２．プロジェクタ内での光線の進行について〉
ここで、プロジェクタ９内での光線の進行について説明する。まず、対向配置になったランプユニット１１ａ・１１ｂのランプ１２ａ・１２ｂから発せられた光線束は、楕円面を有するリフレクタ１３ａ・１３ｂによって、リフレクタ外焦点近傍に位置するプリズムミラー１４へと進行する。

かかる進行の光線は、集光されながら進行するので、比較的小さな光線束幅になり、プリズムミラー１４へと到達する。具体的には、第１ランプユニット１１ａからの光線は第１ミラー面１４ａに到達し、第２ランプユニット１１ｂからの光線は第２ミラー面１４ｂに到達する。そして、第１ミラー面１４ａ・第２ミラー面１４ｂによって反射された光線束は、第１集光エリアAREA１内にて集光する。

そして、この集光する光線束は、第１リレー光学系１５によって、第２集光エリアAREA２内で再結像される。ただし、第１リレー光学系１５とインテグレータロッド１８との間にカラーホイール１６が介在するようになっているため、インテグレータロッド１８に入射する光線は、色味を帯びた光線束（色光）になっている。

かかる色味を帯びた光線束は、インテグレータロッド１８によって、均一な光強度を有する光線束として射出されるとともに、第２リレー光学系２１を通過してミラーユニット２２へと進行する。そして、このミラーユニット２２によって反射された光線は、プリズムユニット２６に向けて進行する。

そして、この進行する光線は、平凸レンズＬＳ１を通過することによって、テレセントリックな光線になって、全反射プリズム２７の第１入射面ｓ１に到達する。さらに、光線は第１入射面ｓ１を透過し、臨界面ｓ２へと到達する。このとき、光線は全反射条件を満たすように臨界面ｓ２に到達するようになっている。そのため、光線は全反射することで第１射出面ｓ３に向けて進行する。

その後、光線は第１射出面ｓ３を透過し、ＤＭＤ３に到達する。ＤＭＤ３では、画像データに応じて各微小ミラーの傾き角がＯＮまたはＯＦＦに変化する。そして、ＯＮになった微小ミラーで反射された光（投影光）が、第１射出面ｓ３から再び全反射プリズム２７に入射し、臨界面ｓ２に到達する。かかる場合、投影光は全反射条件を満たさない角度で臨界面ｓ２に入射するようになっている。したがって、光線は臨界面ｓ２を透過し、空気層を介して透過プリズム２８の第２入射面ｓ４へと進行する。

そして、第２入射面ｓ４を透過する光線は、そのまま第２射出面ｓ５も透過して、投影光学系４に向けて進行する。その結果、投影光学系４は、画像データに基づく光線をスクリーン等に投影できるようになる。

〈３．本発明における種々の特徴の一例について〉
以上のように、本発明のプロジェクタ９における照明光学系１では、光線束を射出する複数のランプユニット１１ａ・１１ｂと、光線束を所定方向側へと導くプリズムミラー１４と、プリズムミラー１４から進行してくる光線束を色光に分解するカラーホイール１６と、を含んでいる。そして、プリズムミラー１４とカラーホイール１６との間に、第１リレー光学系１５が配置されるようになっている。

かかるような照明光学系１であれば、プリズムミラー１４とカラーホイール１６との間に、一定の離間間隔（すなわち第１リレー光学系１５の全長と同程度の間隔）が生じることになる。そのため、カラーホイール１６が、プリズムミラー１４を挟むように位置するランプユニット１１ａ・１１ｂに過剰に近づかない。すると、カラーホイール１６が、ランプユニット１１ａ・１１ｂに接触するような事態は起こり得ない。また、ランプユニット１１ａ・１１ｂの光線の有効光路領域に、カラーホイール１６が干渉するような事態も起こり得ない。

その上、第１リレー光学系１５によって、プリズムミラー１４近傍の光像（例えば集光光像）が共役関係を維持しながら、カラーホイール１６に導かれる。そのため、プリズムミラー１４によって導かれる光線が、広がってカラーホイール１６（具体的にはカラーフィルタ１７）に入射するような事態は起こり得ない。つまり、カラーフィルタ１７への入射光線の角度分布の増加が防止され、ひいては入射角の増加も防止される。その結果、本発明の照明光学系１では、カラーホイール１６からの射出光の色純度が、光線の入射角に起因して低下することは起こり得ない。

また、プリズムミラー１４とカラーホイール１６との間に、第１リレー光学系１５が配置されるようになっていると、図１・図２のように第１ランプユニット１１ａおよび第２ランプユニット１１ｂとを対向配置させた場合でも、カラーホイール１６による色光の射出側に、インテグレータロッド１８が配置できるようになる。つまり、インテグレータロッド１８の光入射側にカラーホイール１６が配置できる。

このような配置であれば、各色カラーフィルタ１７Ｒ・１７Ｇ・１７Ｂの境界線ＬＮ付近を光が通過しても、混色の光がインテグレータロッド１８でミキシングされてＤＭＤ３に供給される。そのため、カラーホイール１６をインテグレータロッド１８の光出射側に配置したときに生じるような問題が生じ得ない。具体的には、ＤＭＤ３の表示面上での部分的な色むらの問題が抑制できる。

また、かかる配置では、カラーフィルタ１７を通過後の光線しかインテグレータロッド１８に入射しない。そのため、一度に白色光線分のエネルギー負荷がインテグレータロッド１８にかかることはない。つまり、白色光線分のエネルギーのうち約３分の１のエネルギー（例えば赤色光線分のエネルギー）しか一度にインテグレータロッド１８に入射しない。すると、インテグレータロッド１８が光線により過剰に高温化することはない。

そのため、例えば、板ミラー４枚を接着剤等で貼り合わせた中空状のインテグレータロッド１８を使用することができる。なぜなら、接着剤等が高温により劣化する事態が起きないためである。また、このような中空状のインテグレータロッド１８は、ガラスのみで構成されたインテグレータロッドに比べて全長を短くすることもできる。なぜなら、中空状のインテグレータロッド１８の内部は空気と同様の屈折率１．０のため、屈折率１．５等のガラスから成るインテグレータロッド１８に比べて、約３分の２の全長で同様の効果を発揮できるためである。

また、図７に示すように、本発明の照明光学系１では、プリズムミラー１４が、複数の光線の進行方向を略同一方向（略平行）にして誘導させている（なお、光線は先端黒塗りの矢印で示す）。これは、図７（Ａ）に示すように、第１ランプユニット１１ａの光線の進行方向と第２ランプユニット１１ｂの光線の進行方向とが、互いに近づきつつも、第１リレー光学系１５に向かって略同一方向となる場合や、図７（Ｂ）に示すように、第１ランプユニット１１ａの光線の進行方向と第２ランプユニット１１ｂの光線の進行方向とが同一方向となる場合を意味している。

かかるように、プリズムミラー１４がランプユニット１１ａ・１１ｂの両光線を導くようになっていれば、第１リレー光学系１５に入射する光線の入射角は比較的小さくなり、ひいては、カラーフィルタ１７に入射する光線の入射角も小さくできる。よって、一層、カラーフィルタ１７への入射光線の角度依存に基づく、色純度の低下が防止される。

なお、図７（Ａ）の場合、図７（Ｂ）に比べてインテグレータロッド１８に入射する光線に若干の角度（入射角度）が生じる。しかし、この入射角は極めて小さいものになっている。例えば、プリズムミラー１４の頂角θ１が９６．６°の場合、中心光線の入射角は１３．２°になっている。すると、従来の図１１に示すような、カラーホイール１１６への入射角度のように、極めて大きな角度にはならない。

ただし、入射角が生じると両光線による角度分布が広がり、色純度の問題とともに、投影光の照度むらという問題も生じるおそれもあり得る。しかし、本発明の照明光学系１は、ランプユニット１１ａ・１１ｂの両光線束による角度分布を、照度分布むらの問題を生じない程度に設計している。

つまり、第１リレー光学系１５以降の光学系内で、ランプユニット１１ａ・１１ｂの両光線束による角度分布が多少異なることを考慮した上で、プリズムミラー１４が設計されている。したがって、本発明の照明光学系１を備えるプロジェクタ９は、１灯のランプユニットを具備する照明光学系１を有するプロジェクタと同程度の照度むらしか起き得ない。

また、ランプユニット１１は、光線束を発するランプ１２と、ランプ１２からの光線束を集光するリフレクタ（例えば楕円面を有するリフレクタ）１３を含んでいる。そして、リフレクタ１３は、プリズムミラー１４の近傍（第１集光エリアAREA１）で光線束を集光させるようになっている。

このようなリフレクタ１３であれば、第１リレー光学系１５に入射する前の光線束を、集光によって比較的小さくできる。そのため、第１リレー光学系１５のサイズは、比較的小さくなった光束を受光できるようなサイズであればよい。つまり、比較的小さな第１リレー光学系１５であっても構わない。

なお、図１・図２の照明光学系１のように、リフレクタ１３が楕円面を有するものであれば、別個の集光レンズ（コンデンサーレンズ）等を設ける必要がなくなり、照明光学系１のコンパクト化にもつながる。

その上、第１リレー光学系１５は、プリズムミラー１４近傍（第１集光エリアAREA１）で集光された光像を、縮小結像させてインテグレータロッド１８に伝達するようになっている。

つまり、第１リレー光学系１５は、その第１リレー光学系１５に入射する前の光像をさらに縮小させて、インテグレータロッド１８に導くことになる。そのため、インテグレータロッド１８の光入射側に位置するカラーホイール１６（具体的には、カラーフィルタ１７）に入射する光線束幅は一層小さくなる。その結果、色光の切替時間（色切替時間；後述）の短縮化が図れる。

さらには、インテグレータロッド１８に入射する光線束幅も小さくなるため、インテグレータロッド１８の光入射端１８ａのサイズも小型化でき、ひいてはインテグレータロッド１８の全長の短縮化にもつながる。また、インテグレータロッド１８の大きさが変化しない場合には、インテグレータロッド１８に導光されずに損失する光が減少する（すなわち、インテグレータロッド１８に入射する光が増加する）ので、光の利用効率が向上する。

ところで、カラーホイールの形状は特に限定されるものではない。要は、並べて配置された複数色のカラーフィルタを含むとともに、それらのカラーフィルタを光線を横切るように移動させることで、色切替を行うようになっているカラーホイールであればよい。すると、例えば図４のような、回転移動によって、時間的にＲ光、Ｇ光、Ｂ光に色分解できるカラーホイール１６が、本発明の照明光学系１に使用できる。

ただし、かかるようなカラーホイール１６においては、隣り合って配置したカラーフィルタ１７（例えば１７Ｒ・１７Ｇ）により形成される境界線ＬＮが生じる。そのため、図８に示すように、この境界線ＬＮをまたいで光線束ＬＦ１・ＬＦ２が入射すると、２色分の光線束ＬＦ１・ＬＦ２がインテグレータロッド１８で同時にミキシングされることになる。このようなミキシングが長時間にわたって行われると、インテグレータロッド１８から射出する光線の色調が所望の色調と異なることになる。

そこで、各ランプユニット１１ａ・１１ｂからの光線束ＬＦ１・ＬＦ２が、並ぶようにしてカラーホイール１６に到達する場合、そのカラーホイール１６において隣り合って配置するカラーフィルタ１７の境界線ＬＮは、色切替のときに、光線束ＬＦ１・ＬＦ２を略同時に横切るように形成されている。具体的には、色切替のとき、カラーフィルタ１７の境界線ＬＮと光線束の並び方向とが略一致する時間が生じるようになっているとよい。

かかる構成であれば、色調の変化が抑制できる。その理由を図９を用いて説明する。図９は、回転するカラーホイール１６での境界線ＬＮが、光線束を横切る状態を示している。そして、図９（Ａ）は、色切替のときにカラーフィルタ１７の境界線ＬＮと光線束の並び方向Ｈとが略一致する時間が生じる状態を示している。一方、図９（Ｂ）は、色切替のときにカラーフィルタ１７の境界線ＬＮと光線束の並び方向Ｈとが全く一致しない状態を示している。

なお、点線の境界線ＬＮは、回転移動する境界線ＬＮを段階的に示したものである。具体的には、回転移動に応じて先に光線束ＬＦ１・ＬＦ２をまたぐ境界線ＬＮの順に応じ、ＬＮ₁・ＬＮ₂・ＬＮ₃としている。また、カラーホイール１６の回転方向は、ＲＤとしている。

図９（Ａ）・図９（Ｂ）に示すように、境界線ＬＮ₁から境界線ＬＮ₃に移動する区間（混色区間）において、２色の混色が生じる。しかしながら、図９（Ａ）に示す本発明の照明光学系１は、カラーフィルタ１７の境界線ＬＮと光線束の並び方向Ｈとが全く一致しない図９（Ｂ）の照明光学系に比べて、混色区間を短縮化できる。すなわち、本発明の照明光学系１は、境界線ＬＮが２つの光線束ＬＦ１・ＬＦ２のうち少なくとも一方を通過していく合計時間（色切替時間）を比較的短くできる。

かかるように混色区間の時間（色切替時間）が比較的短くなると、２色分の光線がインテグレータロッド１８で同時にミキシングされる時間も短くなる。すると、インテグレータロッド１８から射出する光線の色調が所望の色調に近づくようになる。

また、本発明の照明光学系１は、カラーホイール１６の１回転の時間において、２色のカラーフィルタ１７（例えば１７Ｒ・１７Ｇ）にまたがって入射している時間（色切替時間）の割合を最小にできる。したがって、カラーホイール１６の通過時における光の混色を最小限に抑えることにもなる。そのため、明るさ（輝度）を維持しつつ色純度を向上させた照明光学系１ともいえる。

［その他の実施の形態］
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、複数のランプユニットの配置は対向配置に限定されない。つまり、各ランプユニットからの光線が直交するような配置であってもよい（例えば図１０参照）。

ただし、対向配置のランプユニット１１ａ・１１ｂの場合、電気系・冷却系等の別部材を適切に配置できる。また、ランプユニットを鉛直方向に沿って配置させると、厚みの大きなプロジェクタになってしまうが、対向配置のランプユニット１１ａ・１１ｂであれば、プロジェクタ９の厚みの抑制も可能になる。

また、上記のリフレクタ１３は楕円面を有するものの、その楕円形状は特に限定するものではない。ただし、離心率ｅは、「０．７８≦ｅ≦０．８０」の関係（関係１）を満たすようになっていると望ましい。

例えば、離心率ｅが関係１の上限値を上回る場合、楕円面における２つの焦点間隔が比較的広がることになる。すると、焦点間隔の増加に伴い、集光される光線の幅（光束幅）が比較的大きくなる。そのため、この大型化した光線を受光するプリズムミラーや第１リレー光学系等が大型化せざるを得ない。

一方、離心率ｅが関係１の下限値を下回る場合、楕円面における２つの焦点間隔が比較的狭くなる。すると、焦点間隔の減少に伴い、過剰に２つのランプユニットが近づくようになり、集光される光線がランプの構造体（バルブ先端）と干渉するような事態が生じ得る。その結果、プリズムミラーに到達する光線量が減少し、光線の有効利用が図れなくなる。

以上から、上記の関係式１を満たすと望ましいといえる。なお、かかる関係１を満たす例としては、下記のような条件を満たすリフレクタ１３が挙げられる。
・楕円面における半長径Ａ１＝４１．４５ｍｍ
・楕円面における半短径Ａ２＝２５．５０ｍｍ
・離心率ｅ＝√（１−（Ａ１／Ａ２）²）＝０．７８８

また、インテグレータロッド１８の材質も特に限定されるものではない。例えば、ホウケイ酸クラウン光学ガラス（ＢＫ７）等の耐熱性が比較的低く、安価な材料を使用することもできる。これは、インテグレータロッド１８に入射する光線がカラーフィルタ１７を透過した光線になっているために、インテグレータロッド１８自体が過剰な高温にならないからである。

本発明における照明光学系およびプロジェクタ（画像投影装置）の概略構成図である。 図１の部分拡大図である。 プリズムミラーの斜視図である。 カラーホイールの正面図である。 プリズムユニットの正面図である。 プリズムユニットの側面図である。 図７（Ａ）は、第１ランプユニットの光線の進行方向と第２ランプユニットの光線の進行方向とが、互いに近づきつつも、第１リレー光学系に向かって略同一方向となっている状態を示す説明図である。図７（Ｂ）は、第１ランプユニットの光線の進行方向と第２ランプユニットの光線の進行方向とが同一方向となっている状態を示す説明図である。 カラーホイールの正面図であり、カラーホイール（具体的にはカラーフィルタ）の境界線をまたいで光線束が入射する状態を示している。 回転するカラーホイールでの境界線が光束を横切る状態を示す説明図であり、図９（Ａ）は、色切替のときにカラーフィルタの境界線と光束の並び方向とが略一致する時間が生じる状態を示している。図９（Ｂ）は、色切替のときにカラーフィルタの境界線と光束の並び方向とが全く一致しない状態を示している。 従来の画像投影装置の概略構成図である。 図１０の他の一例を示す画像投影装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 照明光学系
３ ＤＭＤ（光変調素子）
４ 投影光学系
９ プロジェクタ（画像投影装置）
１１ ランプユニット（発光ユニット）
１２ ランプ（発光体）
１３ リフレクタ（集光体）
１４ プリズムミラー（光線束誘導体）
１５ 第１リレー光学系（リレー光学系）
１６ カラーホイール（色分解体）
１７ カラーフィルタ（フィルタ）
ＬＮ 境界線
ＬＦ１ 第１ランプユニットの光線束
ＬＦ２ 第２ランプユニットの光線束
Ｈ 光線束の並び方向
１８ インテグレータロッド（均一光線束射出体）
２１ 第２リレー光学系
２２ ミラーユニット
２６ プリズムユニット
AREA１ 第１集光エリア（光線束誘導体近傍）
ＩＭ１ 第１集光光像
AREA２ 第２集光エリア
ＩＭ２ 第２集光光像
ＡＸ１ 第１リレー光学系の光軸

Claims (4)

1. 光線束を射出する複数の発光ユニットと、
   上記の光線束を所定方向側へと導く光線束誘導体と、
   上記光線束誘導体によって導かれる光線束が通過するリレー光学系と、
   上記リレー光学系を経た光線束が通過し、並べて配置された複数色のフィルタを含むとともに、上記フィルタを光線束に対し横切るように移動させることで、色切替を行うカラーホイールと、
   上記カラーホイールによる色光の射出側に配置され、光線束を取り込み、光強度を均一化して射出するインテグレータロッドと、
   を含み、
   上記発光ユニットは、光線束を発する放電ランプと、上記放電ランプからの光線束を集光する集光体とを含んでおり、
   上記集光体は、上記光線束誘導体の近傍で各光線束の中心光線を離間するように集光させ、
   上記光線束誘導体は、複数の光線束の進行方向を略同一方向にして誘導し、
   上記リレー光学系は、上記の光線束誘導体の近傍で集光された光像を、結像させて、上記インテグレータロッドに導光する
   ことを特徴とする照明光学系。
2. 上記集光体が、楕円面リフレクタであることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 各発光ユニットからの光線束が並ぶようにして上記カラーホイールに到達する場合、
   上記カラーホイールにおいて隣り合って配置する上記フィルタの境界線は、色切替のときに、上記光線束を略同時に横切るように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照明光学系。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明光学系と、
   上記照明光学系からの光線束を画像データに応じて変調させる光変調素子と、
   上記光変調素子にて変調された光線束を投影する投影光学系と、
   を含むことを特徴とする画像投影装置。

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