JP5282290B2 - 照明光学系および照明光学系を備えた画像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は照明光学系に関するものであり、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)やＬＣＤ(liquid crystal display)を表示素子とする画像投影装置において、その表示素子の画像表示面を照明するための照明光学系に関するものである。

面発光型の半導体レーザーアレイが、プロジェクター用の光源として注目されている。この半導体レーザーアレイの光源配列は、例えば１列又は２列×１０数列といった非常に扁平な配列であることが多いため、このようなレーザーアレイ光源で照明を行うと、照明光のＮＡ(numerical aperture)が方向により大きく異なることになる。一方、プロジェクターに用いられる投影レンズ等の光学系は、等方的なＮＡを有している。

上記のような扁平なＮＡの照明光では、光学系を小さい方のＮＡに合わせると、照明光の大きい方のＮＡ成分が伝達できなくなる。逆に、光学系を大きい方のＮＡに合わせると、光学系の大型化を招いたりして全体として効率が良くない。また、光学系を適度なＮＡ(例えばＮＡ＝０．２)で照明光の大きい方のＮＡに合わせると、照明光の小さい方向のＮＡはかなり小さくなり(例えばＮＡ＝０．０２５)、ＮＡの小さい方の解像力が得られなくなる。このように、レーザーアレイ光源を用いた場合にはＮＡ分布が扁平となることが問題となっている。

ＮＡ分布が扁平な光源を用いた照明光学系としては、特許文献１〜３記載のものが挙げられる。
米国特許第６，８５６，７２７号明細書 米国特許第５，７０４，７００号明細書 特開２００５−３００８２３号公報

特許文献１に記載されている光源はレーザーアレイ光源では無いが、扁平なＮＡ分布を等方的なＮＡ分布に補正するために、テーパーロッドが照明光学系に用いられている。しかし、インテグレータとしてのテーパーロッドは製造が困難であり、その使用はコストアップや照明光学系全体の大型化を招く原因となる。このため、一般的な四角柱形状(直方体形状等)のロッドインテグレータを用いた場合でも、高い照明効率が得られる照明光学系が求められている。

特許文献２に記載されている照明光学系では、光源としてレーザーアレイが用いられており、一対のレンズアレイにより均一な照度分布が得られるように構成されている。しかし、ＮＡの等方性については配慮されておらず、扁平なＮＡ分布に起因する問題点は解決されていない。

特許文献３に記載されている照明光学系では、光ファイバーを介してレーザーアレイからの光束をロッドインテグレータに入射させる構成になっている。そして、ロッド入射面に対して光ファイバーを斜めに配置して斜め方向から入射させることにより、戻り光対策としている。しかし、ＮＡの等方性については配慮されておらず、扁平なＮＡ分布に起因する問題点は解決されていない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、レーザーアレイ光源を備え、かつ、コンパクトな構成でありながら、等方的なＮＡ分布を有する照明光束が得られる照明光学系を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の照明光学系は、表示素子の画像表示面を照明するための照明光学系であって、扁平な光束断面の照明光を出射するレーザーアレイ光源と、断面形状が四辺形であり前記照明光の空間的なエネルギー分布を均一化するロッドインテグレータと、を有し、前記ロッドインテグレータへ照明光が入射する際、入射方向に対し垂直な前記ロッドインテグレータの断面において、
前記レーザーアレイ光源からの照明光を発散又は集光させて前記ロッドインテグレータに入射させるレンズを備え、
前記照明光の光束断面の長尺方向と、前記ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成し、
前記所定の角度が２０°〜７０°であることを特徴とする。

第２の発明の照明光学系は、上記第１の発明において、前記所定の角度が４５°又は略４５°であることを特徴とする。

第３の発明の照明光学系は、上記第１又は第２の発明において、前記照明光の光束中心軸と前記レンズの中心軸とが相対的に偏心していることを特徴とする。

第４の発明の照明光学系は、上記第３の発明において、前記偏心の方向が前記照明光の光束断面の短尺方向であることを特徴とする。

第５の発明の照明光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記照明光の光束断面の長尺方向の最大ＮＡの光線が、前記ロッドインテグレータ内面を構成するすべての面でそれぞれ２回以上反射することを特徴とする。

第６の発明の照明光学系は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記ロッドインテグレータが、前記レーザーアレイ光源側から順に、第１ロッドインテグレータと第２ロッドインテグレータとの２つの部分から成り、前記第１ロッドインテグレータへ照明光が入射する際、入射方向に対し垂直な前記第１ロッドインテグレータの断面において、前記照明光の光束断面の長尺方向と、前記第１ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成し、前記第２ロッドインテグレータへの照明光の入射方向に対し垂直な前記第２ロッドインテグレータの断面において、前記第１ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、前記第２ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成すことを特徴とする。

第７の発明の照明光学系は、上記第６の発明において、前記第２ロッドインテグレータへの照明光の入射方向に対し垂直な前記第２ロッドインテグレータの断面において、第２ロッドインテグレータへ入射する光束について、その光束断面の長尺方向と、前記第２ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成すことを特徴とする。

第８の発明の照明光学系は、上記第６の発明において、前記照明光の光束断面の長尺方向と、前記第１ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が成す所定の角度をαとし、前記第１ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、前記第２ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が成す所定の角度をβとすると、α＝４５°であり、かつ、β＝２２．５°であるか、又はα＝２２．５°であり、かつ、β＝４５°であることを特徴とする。

第９の発明の照明光学系は、上記第１〜第８のいずれか１つの発明において、前記レーザーアレイ光源を２つ有し、各レーザーアレイ光源から出射した照明光が同一方向に進行するように光束を合成する光束合成部材を更に有し、前記光束合成部材で合成された２つの光束の進行方向に対し垂直な断面において、２つの光束の断面の長尺方向が平行でない所定の角度を成すことを特徴とする。

第１０の発明の照明光学系は、上記第９の発明において、前記光束合成部材が偏光ビームスプリッターであることを特徴とする。

第１１の発明の照明光学系は、上記第９又は第１０の発明において、前記２つの光束の断面の長尺方向が成す所定の角度をγとし、合成後の２つの光束の対称軸と、前記ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が成す所定の角度をδとすると、γ＝９０°であり、かつ、δ＝２２．５°であるか、又はγ＝４５°であり、かつ、δ＝４５°であることを特徴とする。

第１２の発明の照明光学系は、上記第１〜第１１のいずれか１つの発明において、前記レーザーアレイ光源として、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光をそれぞれ出射する３つのレーザーアレイ光源を有し、各レーザーアレイ光源から出射した照明光を同一光路に合成する光路合成部材を更に有し、前記光路合成部材で光路合成された３つの光束が同じ発散度合い又は集光度合いで前記ロッドインテグレータに入射するように光学配置されたことを特徴とする。

第１３の発明の照明光学系は、上記第１２の発明において、前記各レーザーアレイ光源から前記ロッドインテグレータまでの光路長が等しいことを特徴とする。

第１４の発明の画像投影装置は、上記第１〜第１３のいずれか１つの発明に係る照明光学系を備えたことを特徴とする。

第１の発明によれば、ロッドインテグレータへ照明光が入射する際、入射方向に対し垂直な前記ロッドインテグレータの断面において、照明光の光束断面の長尺方向と、ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成す構成になっているため、扁平なＮＡ分布をより等方的に変換することができる。例えば、扁平な光束断面の照明光を上記所定の角度αを持って入射させた場合、ＮＡの大きな方向が角度２αを成す２方向となった状態で照明光がロッドインテグレータから出射することになる。つまり、扁平なＮＡ方向をもう１方向増やすことができ、それによって、扁平なＮＡ分布をより等方的な分布に変換することができるのである。レーザーアレイ光源を備え、かつ、コンパクトな構成でありながら、等方的なＮＡ分布を有する照明光束が得られるので、高い照明効率と高い解像力を保持しつつ、均一な照度分布を得ることができる。しかも、扁平な光束断面の照明光を上記のように所定の角度を持ってロッドインテグレータに入射させると、ロッドインテグレータの断面形状の短辺方向の反射面でも容易に反射させることができるため、均一な照度分布がより得やすくなる。

したがって上記特徴的な照明光学系を、第１４の発明のように画像投影装置(リアプロジェクター，フロントプロジェクター等)に用いれば、レーザーアレイ光源に特有の扁平なＮＡ分布に起因する問題点を解消して、画像投影装置のコンパクト化，低コスト化，高輝度化，高性能化，高機能化等に大きく寄与することができる。なお、本発明に係る照明光学系が適用される装置は画像投影装置に限らない。等方的なＮＡ分布の照明光を必要とする装置であれば適用可能である。

第１の発明によれば、ロッドインテグレータへ照明光が入射する際、入射方向に対し垂直な前記ロッドインテグレータの断面において、照明光の光束断面の長尺方向と、ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が角度２０°〜７０°を成す構成になっているため、等方的なＮＡ分布への変換をより有効に行うことができる。

さらに第２の発明によれば、ロッドインテグレータへ照明光が入射する際、入射方向に対し垂直な前記ロッドインテグレータの断面において、照明光の光束断面の長尺方向と、ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が角度４５°又は略４５°を成す構成になっているため、ＮＡの大きい方向が直交する結果、最も等方的なＮＡ分布を達成することができる。

第１の発明によれば、レーザーアレイ光源からの照明光がレンズで発散又は集光するため、ロッドインテグレータに対してより角度を持って入射することになる。したがって、ロッドインテグレータ内での反射回数を多くすることができ、均一な照度分布がより得やすくなる。

さらに第３の発明によれば、照明光の光束中心軸とレンズの中心軸とが相対的に偏心しているため、扁平な光束断面の照明光は斜め方向に曲がってロッドインテグレータに入射することになる。その斜め方向にＮＡが大きくなるため、扁平なＮＡ分布をより等方的に変換することが可能となる。

例えば第４の発明のように、偏心方向を照明光の光束断面の短尺方向に設定すれば、ロッドインテグレータに入射する照明光はＮＡの小さい方向に傾くため、その方向のＮＡが大きくなってＮＡの扁平性がより緩和される。また、偏心のない状態でレンズを使うとＮＡの小さい方向には角度がつきにくいが、ＮＡの小さい方向へのレンズ偏心によりロッドインテグレータへの入射角度を大きくすれば、ＮＡの小さい方向にロッドインテグレータへの入射光が傾いている分、その方向でのロッドインテグレータ内面での反射回数を増やすことができる。したがって、均一な照度分布がより得やすくなる。

第５の発明によれば、照明光の光束断面の長尺方向の最大ＮＡの光線が、ロッドインテグレータ内面を構成するすべての面でそれぞれ２回以上(つまり４面で８回以上)反射する構成になっているため、２方向のそれぞれで５つ以上(つまりＮＡの小さい方向でも５つ以上)の２次光源による重ね合わせが可能となる。したがって、均一な照度分布を効果的に得ることができる。

第６の発明によれば、ロッドインテグレータが第１ロッドインテグレータと第２ロッドインテグレータとの２つの部分から成っているため、第１ロッドインテグレータで扁平なＮＡ方向を１つ増やし、第２ロッドインテグレータで扁平なＮＡ方向を更に２つ増やすことができる。したがって、ＮＡ分布をより等方的にすることができる。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを使ったプロジェクターの場合、通常、ロッドインテグレータ断面の辺方向に４５°の角度を持って光束を入射させると、ＮＡの大きい方向は投影画面の斜め４５°方向になる。しかし、画素配列は上下・左右方向なので、この方向のＮＡが相対的に小さくなり、解像力が十分でなくなるおそれがある。ロッドインテグレータを２つの部分に分割することによってその機能をもう１つ追加すれば、上下・左右方向にもＮＡを大きくすることができる。また、第２ロッドインテグレータに入射する光束が、ＮＡの大きい方向を２つ有しているので、第２ロッドインテグレータ内での反射回数が増えて、均一な照度分布がより得やすくなる。

さらに第７の発明によれば、第２ロッドインテグレータへの照明光の入射方向に対し垂直な前記第２ロッドインテグレータの断面において、第２ロッドインテグレータへ入射する光束について、その光束断面の長尺方向と、前記第２ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成す構成になっているため、第２ロッドインテグレータによる等方的なＮＡ分布への変換をより確実で効果的に行うことができる。

例えば第８の発明のように、α＝４５°，β＝２２．５°か、又はα＝２２．５°，β＝４５°の構成にすれば、ＮＡの大きい方向が４５°ごとの４方向になるため、より等方的なＮＡ分布を達成することができる。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、画素の配列方向の解像力も確保することができる。

第９の発明によれば、レーザーアレイ光源を２つ有し、各レーザーアレイ光源から出射した照明光が同一方向に進行するように光束合成部材で光束を合成する構成になっているため、等方的なＮＡ分布への変換をより効果的に行うことができる。このようにレーザーアレイ光源を２つ使うことによっても、ロッドインテグレータを２つ使った場合と同様、より等方的なＮＡ分布を得ることができる。しかもこの場合、明るさを２倍にすることができるので、本発明に係る照明光学系はシネマ用等の高出力なプロジェクターに最適である。また、光束合成部材で合成された２つの光束の断面の長尺方向が平行でない所定の角度を成してロッドインテグレータに入射するため、ロッドインテグレータ内での反射回数が増えて、均一な照度分布がより得やすくなる。

例えば第１０の発明のように、光束合成部材として偏光ビームスプリッターを用いれば、光束の合成を効率的に行うことができる。レーザーアレイ光源から出射される光束はアレイの配列方向に直線偏光しているため、偏光ビームスプリッターを用いることによって同軸の光束合成を容易かつ効率良く行うことができる。

例えば第１１の発明のように、γ＝９０°，δ＝２２．５°か、又はγ＝４５°，δ＝４５°の構成にすれば、ＮＡの大きい方向が４５°ごとの４方向になるため、より等方的なＮＡ分布を達成することができる。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、画素の配列方向の解像力も確保することができる。

第１２の発明によれば、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光をそれぞれ出射する３つのレーザーアレイ光源を有し、各レーザーアレイ光源から出射した照明光を光路合成部材で同一光路に合成する構成になっているので、フルカラー対応の照明が可能である。さらに、光路合成部材で光路合成された３つの光束が同じ発散度合い又は集光度合いでロッドインテグレータに入射するように光学配置されているため、色ムラの発生を抑えることができる。したがって、各色光で略等しい均一な照度分布での照明を、より確実に達成することができる。

さらに第１３の発明のように、各レーザーアレイ光源からロッドインテグレータまでの光路長が等しい光学配置を採用すれば、色ムラの発生防止を簡単な構成で行うことができる。レーザー光源のように点光源に近く、同じ微小角度の発散角を持って発光する光源装置を用いると、光路長の差がそのまま光学部品での光束幅の差になる。したがって、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ光源からロッドインテグレータまでの光路長が異なれば、光束幅の差が発散角度の差となるため、色ごとに生じるＮＡの差により色ムラが生じることになる。Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ光源からロッドインテグレータまでの光路長が等しい光学配置を採用することにより、このような色ムラが生じる危険性を排除することができる。

以下、本発明に係る照明光学系とそれを用いた画像投影装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

《第１の実施の形態(図１〜図３，図１６，図１７)》
図１(Ａ)に、第１の実施の形態に係る照明光学系ＩＬ１を備えた画像投影装置の主要な光学配置を上面側から示す。この画像投影装置は、表示素子１０と、その画像表示面１０ａを照明するための照明光学系ＩＬ１と、画像表示面１０ａに表示される画像をスクリーン(不図示)に対して拡大投影するための投影光学系ＰＯと、を備えている。照明光学系ＩＬ１は、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ；反射ミラー３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ；ダイクロイックミラー４Ｒ，４Ｇ；凹レンズ７ａ；ロッドインテグレータ８；リレー光学系９等で構成されており、ロッドインテグレータ８よりも後の光学構成、つまり、リレー光学系９，表示素子１０，ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズム１１，及び投影レンズ１２は、放電ランプを用いた一般的な画像投影装置と同様の構成になっている。

レーザーアレイ光源１Ｒからは赤色(Ｒ)の照明光が出射され、レーザーアレイ光源１Ｇからは緑色(Ｇ)の照明光が出射され、レーザーアレイ光源１Ｂからは青色(Ｂ)の照明光が出射される。つまり、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光をそれぞれ出射する３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂが順次点滅し、表示素子１０が照明光の色に応じた画像を画像表示面１０ａに表示することにより、カラー画像の表示が行われる。

各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの光源配列は、いずれも扁平になっている(例えば１列又は２列×１０数列)。このため、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。そして、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、各照明光の光束断面の長尺方向が略一直線状になるように配列されており、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂには共通のヒートシンク２が取り付けられている。図１(Ｃ)に、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂに取り付けられた状態のヒートシンク２を側面側(つまり図１(Ａ)における矢印Ｄ２側)から示す。

図１(Ａ)に示すように、ヒートシンク２の側面側には冷却ファン６が配置されており、冷却ファン６からヒートシンク２に風６ａが送られて、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂが冷却される構成になっている。図１(Ｃ)から分かるように、ヒートシンク２には複数のフィン２ａが形成されている。冷却ファン６からの風６ａは、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの配列方向に沿って流れるように、フィン２ａによってガイドされる。この冷却構成は、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを一直線状に配列することによって採用可能となる。つまり、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂのレイアウトを一直線状にすることにより、共通の冷却機構を使用することが可能となり、冷却箇所も一箇所で済み、非常に効率良く冷却することが可能となる。特に半導体レーザーやＬＥＤ(light emitting diode)等の光源を扱う場合には、その冷却が発光量にも影響を及ぼすため、照明光学系において上記レイアウトは重要なポイントとなる。

また図１(Ａ)に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ駆動を行うための端子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂは、同一平面・同一方向に配置されており、制御基板(不図示)との接続が行い易いようになっている。半導体レーザーやＬＥＤ等の光源を扱う場合には、大きな電流を流すことになるため、効率，安全性等の観点からも、上記レイアウトでレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを配列することは重要である。

レーザーアレイ光源１Ｒから出射したＲの照明光は、反射ミラー３Ｒで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｒで反射される。ダイクロイックミラー４ＲはＲの照明光を反射し、Ｇ，Ｂの照明光を透過するので、Ｒの照明光はダイクロイックミラー４Ｒで反射されることにより、Ｇ，Ｂの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＲの照明光は、凹レンズ７ａに入射して発散される。レーザーアレイ光源１Ｇから出射したＧの照明光は、反射ミラー３Ｇで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｇで反射される。ダイクロイックミラー４ＧはＧの照明光を反射し、Ｂの照明光を透過するので、Ｇの照明光はダイクロイックミラー４Ｇで反射されることにより、Ｂの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＧの照明光は、ダイクロイックミラー４Ｒを透過し、凹レンズ７ａに入射して発散される。レーザーアレイ光源１Ｂから出射したＢの照明光は、反射ミラー３Ｂで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｇ，４Ｒを順に透過することにより、Ｒ，Ｇの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＢの照明光は、凹レンズ７ａに入射して発散される。

上記のように、３枚の反射ミラー３Ｒ，３Ｇ，３Ｂと２種類のダイクロイックミラー４Ｒ，４Ｇによって、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照明光が同一の光路に合成される。この光路合成(つまり色合成)により、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照明光は、同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ８までの光路長が互いに等しくなる。その結果、光路合成後の同一面における光束断面が略等しくなる。これについては後で詳しく説明する。

光路合成後のＲ，Ｇ，Ｂの各照明光は、凹レンズ７ａで発散された後、ロッドインテグレータ８に入射する。ロッドインテグレータ８は、４枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段である。入射端面から入射してきた照明光は、ロッドインテグレータ８の側面(すなわち内壁面)で何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、照明光の空間的なエネルギー分布が均一化されて出射端面から出射する。ロッドインテグレータ８の入射端面と出射端面の形状は、表示素子１０の画像表示面１０ａと略相似の四角形になっており、また、ロッドインテグレータ８の出射端面は表示素子１０の画像表示面１０ａに対して共役になっている。したがって、上記ミキシング効果により出射端面での輝度分布が均一化されることにより、表示素子１０は効率良く均一に照明されることになる。

なお、ロッドインテグレータ８は中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。また、表示素子１０の画像表示面１０ａの形状と適合するならば、その側面についても４面に限らない。つまり、断面形状は長方形等の四辺形に限らない。したがって、用いるロッドインテグレータ８としては、複数枚の反射ミラーを組み合わせて成る中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。

前述したように、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。主要な光学配置を上面側から示している図１(Ａ)では、凹レンズ７ａとロッドインテグレータ８は光束幅の大きい方から見た状態で示されている。凹レンズ７ａとロッドインテグレータ８を図１(Ａ)における矢印Ｄ１側、つまり光束幅の小さい方から見た状態を図１(Ｂ)に示す。この照明光学系ＩＬ１では、図１(Ａ)，(Ｂ)から分かるように、凹レンズ７ａで光束Ｐに角度をつけることによりロッドインテグレータ８内で反射しやすくしている。このように、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの照明光が凹レンズ７ａで発散する(あるいは後述する凸レンズ７ｂ(図４，図６，図９)で集光する)構成にすれば、ロッドインテグレータ８に対してより角度を持って入射すること(つまり、入射端面に対する入射角度が大きいこと)になるため、ロッドインテグレータ８内での反射回数が多くなり、均一な照度分布がより得やすくなる。

しかし、照明光の光束断面は扁平な形状をしているため、図１６に示すように、光束幅Ｓ１と光束幅Ｓ２との差によって光束の屈折角度Ｕ１，Ｕ２は異なってしまう。つまり、光束幅の大きい方Ｓ１に比べると、光束幅の小さい方Ｓ２ではロッドインテグレータ８に対してあまり角度がつかなくなる。このため、ロッドインテグレータ８内では、その方向の反射回数が少なくなり、均一な照度分布や等方的なＮＡ分布が得にくくなる。

この照明光学系ＩＬ１では上記問題点を解消するため、ロッドインテグレータ８へ照明光が入射する際、その入射方向に対し垂直な断面において、照明光の光束断面の長尺方向と、ロッドインテグレータ８の断面形状の長辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度(この照明光学系ＩＬ１では４５°)を成すようにしている。図２(Ａ)に、照明光の光束Ｐの断面とロッドインテグレータ８の断面との関係を示す。ロッドインテグレータ８は、その断面形状の長辺方向が光束Ｐの断面の長尺方向に対して角度α＝４５°を成すように配置されている。光束Ｐの断面形状は、光束Ｐがロッドインテグレータ８に入射するときのＮＡ分布とほぼ一致するので、断面が扁平な光束Ｐを角度α＝４５°で入射させた場合、図２(Ｂ)に示すように、ＮＡの大きな方向(すなわち光束Ｐの断面の長尺方向)が角度θ＝２α＝９０°を成す２方向となった状態で、光束Ｐがロッドインテグレータ８から出射することになる。つまり、扁平なＮＡ方向をもう１方向増やすことができ、それによって、扁平なＮＡ分布をより等方的な分布に変換することができるのである。

この照明光学系ＩＬ１の構成によると、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを備え、かつ、コンパクトな構成でありながら、等方的なＮＡ分布を有する照明光束が得られるので、高い照明効率と高い解像力を保持しつつ、均一な照度分布を得ることができる。しかも、扁平な光束断面の照明光を上記のように所定の角度を持ってロッドインテグレータ８に入射させると、ロッドインテグレータ８の断面形状の短辺方向の反射面でも容易に反射させることができるため、均一な照度分布がより得やすくなる。したがって、この照明光学系ＩＬ１を画像投影装置が備えることにより、コンパクト化，低コスト化，高性能化，高機能化等に大きく寄与することができる。

図２(Ａ)に示すように、ロッドインテグレータ８へ照明光束Ｐが入射する際、その入射方向に対し垂直な断面において、照明光束Ｐの断面の長尺方向と、ロッドインテグレータ８の断面形状の長辺方向と、が角度α＝４５°又は略４５°を成す構成にすると、ＮＡの大きい方向が直交する結果、最も等方的なＮＡ分布を達成することができる。ただし、ＮＡの等方性を増すために有効な角度αは４５°又は略４５°に限らない。実際的には、角度α＝２０°〜７０°を成す構成であれば、等方的なＮＡ分布への変換をより効果的に行うことができる。

例えば図３(Ａ)に示すように、ロッドインテグレータ８へ照明光束Ｐが入射する際、その入射方向に対し垂直な断面において、照明光束Ｐの断面の長尺方向と、ロッドインテグレータ８の断面形状の長辺方向と、が角度α＝３０°を成すように配置してもよい。断面が扁平な光束Ｐを角度α＝３０°を持って入射させた場合、図３(Ｂ)に示すように、ＮＡの大きな方向(すなわち光束Ｐの断面の長尺方向)が角度θ＝２α＝６０°を成す２方向となった状態で、光束Ｐがロッドインテグレータ８から出射することになるため、扁平なＮＡ分布はより等方的な分布へと変換される。このように、扁平なＮＡ分布を有する光束Ｐをロッドインテグレータ８に対して所定角度α傾けて入射させると、その傾き度合いに応じてＮＡ分布の扁平度合いを改善することができる。

この実施の形態や後述する他の実施の形態では、ロッドインテグレータの断面形状の長辺方向に対して、扁平な光束断面の長尺方向が成す角度を規定しているが(例えば、平行でも垂直でもない所定の角度、あるいはδ＝２２．５°又は４５°等である。)、長辺方向に対して成す角度に限らず、四辺形の辺方向に対して平行でも垂直でもない所定の角度であれば、扁平なＮＡ分布をより等方的な分布に変換することができる。

この照明光学系ＩＬ１では、照明光束Ｐの断面の長尺方向の最大ＮＡの光線が、ロッドインテグレータ８の内面を構成するすべての面でそれぞれ２回以上反射するように構成されている。照明光束Ｐの断面の長尺方向の最大ＮＡの光線が、ロッドインテグレータ８の内面を構成するすべての面でそれぞれ２回以上(つまり４面で８回以上)反射するように構成すれば、２方向のそれぞれで５つ以上(つまりＮＡの小さい方向でも５つ以上)の２次光源による重ね合わせが可能となる。したがって、均一な照度分布を効果的に得ることができる。

ところで、レーザー光源のように点光源に近い光源から、図１７に示すように、同じ微小角度Δの発散角を持って発光した光束は、その光路長Ｔ１，Ｔ２の差がそのまま光学部品(ここでは凹レンズ７ａ)での光束幅の差になる。このため、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの光路長Ｔ１，Ｔ２が異なれば、凹レンズ７ａでの光束幅の差異の比率が比較的大きくなり、凹レンズ７ａで色ごとの発散角度Ｖ１，Ｖ２に大きな差異が発生する。したがって、色ごとにＮＡの差異が生じて色ムラが生じることになる。図１に示す照明光学系ＩＬ１では、光路合成されたＲ，Ｇ，Ｂの３つの光束が同じ発散度合いでロッドインテグレータ８に入射するように光学配置されているため、上記のような色ムラが生じる危険性は排除される。そして、色ムラの発生が抑えられることにより、各色光で略等しい均一な照度分布での照明をより確実に達成することが可能となる。また、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからロッドインテグレータ８までの光路長が等しい光学配置を採用することにより、色ムラの発生防止をより簡単な構成で行うことが可能となる。

図１(Ａ)に示すように、ロッドインテグレータ８から出射した照明光は、照明用のリレー光学系９を通ってＴＩＲプリズム１１に入射する。ＴＩＲプリズム１１に入射した照明光は、ＴＩＲプリズム１１のエアギャップ面１１ａで全反射した後、表示素子１０の画像表示面１０ａを均一に照明する。このときリレー光学系９は、照明光をリレーしてロッドインテグレータ８の出射端面を表示素子１０の画像表示面１０ａ上で結像させる。つまり、表示素子１０の画像表示面１０ａ上にはロッドインテグレータ８の出射端面の像が形成されることになる。

表示素子１０の画像表示面１０ａでは、照明光の強度変調により２次元画像が形成される。ここでは、表示素子１０としてデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を想定している。ただし、使用される表示素子１０はこれに限らず、投影光学系ＰＯに適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子１０としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態(例えば±１２°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが、ＴＩＲプリズム１１のエアギャップ面１１ａを全反射無しに透過し、投影レンズ１２に入射してスクリーン上に投射される。一方、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射した光は、ＴＩＲプリズム１１の照明光の進入側とは反対側に大きく偏向されるため、投影レンズ１２には入射しない。このように、投影光学系ＰＯを構成する投影レンズ１２のパワーにより、画像表示面１０ａの表示画像がスクリーン上に拡大投影される。

《第２の実施の形態(図４，図５)》
図４に、第２の実施の形態に係る照明光学系ＩＬ２の要部を拡大して示す。図４は、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからロッドインテグレータ８までの部分を、扁平な照明光束Ｐの光束幅の小さい方から見た状態で示している。この照明光学系ＩＬ２の特徴は、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの照明光を集光させてロッドインテグレータ８に入射させる凸レンズ７ｂを偏心状態で有する点にあり、その凸レンズ７ｂを前記凹レンズ７ａの代わりに有するほかは、前記第１の実施の形態と同様の構成になっている。

光路合成後の照明光束Ｐは、凸レンズ７ｂで集光されてロッドインテグレータ８に入射する。凹レンズ７ａの代わりに凸レンズ７ｂを用いても、前記第１の実施の形態と同様、照明光束Ｐに角度をつけることができる。したがって、照明光束Ｐは凸レンズ７ｂでの集光によりロッドインテグレータ８内で反射しやすくなり、ロッドインテグレータ８内での反射回数が多くなることによって均一な照度分布が得やすくなる。

照明光束Ｐの中心軸ＰＸと凸レンズ７ｂの中心軸ＡＸとが相対的に偏心しているため、照明光束Ｐは斜め方向に曲がって、ロッドインテグレータ８の入射端面に対し傾いて入射することになる。図５(Ａ)に、そのときの照明光束Ｐの断面とロッドインテグレータ８の断面との関係を示す。凸レンズ７ｂの偏心方向が照明光束Ｐの断面の短尺方向(つまり光束幅の小さい方向)に設定されているため、ロッドインテグレータ８に入射する光束ＰはＮＡの小さい方向に傾く。ロッドインテグレータ８は、その断面形状の長辺方向が光束Ｐの断面の長尺方向に対して角度α＝４５°を成すように配置されているので、図５(Ｂ)に示すように、ＮＡの大きな方向(すなわち光束Ｐの断面の長尺方向)が角度θ＝２α＝９０°を成す２方向となり、かつ、凸レンズ７ｂで斜め偏向方向にＮＡが大きくなるため、光束ＰはＮＡ分布の扁平度合いがより一層改善された状態でロッドインテグレータ８から出射することになる。

また、偏心のない状態でレンズを使うとＮＡの小さい方向には角度がつきにくいが、この実施の形態ではＮＡの小さい方向へのレンズ偏心によりロッドインテグレータ８への入射角度が大きく設定されているため、ＮＡの小さい方向にロッドインテグレータ８への入射光が傾いている分、その方向でのロッドインテグレータ８の内面での反射回数が増える。したがって、均一な照度分布がより得やすくなる。

《第３の実施の形態(図６〜図８)》
図６(Ａ)に、第３の実施の形態に係る照明光学系ＩＬ３を備えた画像投影装置の主要な光学配置を上面側から示す。この照明光学系ＩＬ２の主たる特徴は、ロッドインテグレータ８が、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ側から順に、第１ロッドインテグレータ８ａと第２ロッドインテグレータ８ｂとの２つの部分から成る点にある。また、凸レンズ７ｂを前記凹レンズ７ａの代わりに有し、反射ミラー３Ｒ，３Ｇをそれぞれ２枚有し、冷却ポンプ１３を前記冷却ファン６の代わりに有し、ヒートシンク２には液冷パイプ２ｂがフィン２ａの代わりに取り付けられているほかは、前記第１の実施の形態(図１)と同様の構成になっている。

レーザーアレイ光源１Ｒからは赤色(Ｒ)の照明光が出射され、レーザーアレイ光源１Ｇからは緑色(Ｇ)の照明光が出射され、レーザーアレイ光源１Ｂからは青色(Ｂ)の照明光が出射される。つまり、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光をそれぞれ出射する３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂが順次点滅し、表示素子１０が照明光の色に応じた画像を画像表示面１０ａに表示することにより、カラー画像の表示が行われる。

各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの光源配列は、いずれも扁平になっている(例えば１列又は２列×１０数列)。このため、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。そして、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、各照明光の光束断面の長尺方向が略一直線状になるように配列されており、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂには共通のヒートシンク２が取り付けられている。図６(Ｂ)に、冷却ポンプ１３，液冷パイプ２ｂ及びヒートシンク２を底面側(つまりレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂが設けられている側の反対側)から示す。

図６(Ａ)に示すように、ヒートシンク２の側面側には冷却ポンプ１３が配置されており、冷却ポンプ１３から液冷パイプ２ｂに冷却液を流してヒートシンク２から熱を奪うことにより、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを冷却する構成になっている。図６(Ｂ)から分かるように、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの配列方向に沿って冷却液が流れるように、液冷パイプ２ｂが配置されている。この冷却構成は、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを一直線状に配列することによって採用可能となる。つまり、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂのレイアウトを一直線状にすることにより、共通の冷却機構を使用することが可能となり、冷却箇所も一箇所で済み、非常に効率良く冷却することが可能となる。特に半導体レーザーやＬＥＤ(light emitting diode)等の光源を扱う場合には、その冷却が発光量にも影響を及ぼすため、照明光学系において上記レイアウトは重要なポイントとなる。

また図６(Ａ)に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ駆動を行うための端子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂは、同一平面・同一方向に配置されており、制御基板(不図示)との接続が行い易いようになっている。半導体レーザーやＬＥＤ等の光源を扱う場合には、大きな電流を流すことになるため、効率，安全性等の観点からも、上記レイアウトでレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを配列することは重要である。

レーザーアレイ光源１Ｒから出射したＲの照明光は、２枚の反射ミラー３Ｒで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｒで反射される。ダイクロイックミラー４ＲはＲの照明光を反射し、Ｇ，Ｂの照明光を透過するので、Ｒの照明光はダイクロイックミラー４Ｒで反射されることにより、Ｇ，Ｂの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＲの照明光は、凸レンズ７ｂに入射して集光される。レーザーアレイ光源１Ｇから出射したＧの照明光は、２枚の反射ミラー３Ｇで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｇで反射される。ダイクロイックミラー４ＧはＧの照明光を反射し、Ｂの照明光を透過するので、Ｇの照明光はダイクロイックミラー４Ｇで反射されることにより、Ｂの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＧの照明光は、ダイクロイックミラー４Ｒを透過し、凸レンズ７ｂに入射して集光される。レーザーアレイ光源１Ｂから出射したＢの照明光は、反射ミラー３Ｂで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｇ，４Ｒを順に透過することにより、Ｒ，Ｇの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＢの照明光は、凸レンズ７ｂに入射して集光される。

上記のように、５枚の反射ミラー３Ｒ，３Ｇ，３Ｂと２種類のダイクロイックミラー４Ｒ，４Ｇによって、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照明光が同一の光路に合成される。この光路合成(つまり色合成)により、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照明光は、同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ８までの光路長が互いに等しくなる。その結果、光路合成後の同一面における光束断面が略等しくなる。これについては前述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。つまり、レーザー光源のように点光源に近い光源から同じ微小角度の発散角を持って発光した光束は、その光路長の差がそのまま光学部品での光束幅の差になる。Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの光路長が異なれば、凸レンズ７ｂでの光束幅の差異の比率が比較的大きくなり、凸レンズ７ｂで色ごとの発散角度に大きな差異が発生する。このため、色ごとにＮＡの差異が生じて色ムラが生じることになる。図６に示す照明光学系ＩＬ３では、光路合成されたＲ，Ｇ，Ｂの３つの光束が同じ発散度合いでロッドインテグレータ８に入射するように光学配置されているため、上記のような色ムラが生じる危険性は排除される。そして、色ムラの発生が抑えられることにより、各色光で略等しい均一な照度分布での照明をより確実に達成することが可能となる。また、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからロッドインテグレータ８までの光路長が等しい光学配置を採用することにより、色ムラの発生防止をより簡単な構成で行うことが可能となる。

光路合成後のＲ，Ｇ，Ｂの各照明光は、凸レンズ７ｂで集光された後、第１ロッドインテグレータ８ａと第２ロッドインテグレータ８ｂとの２つの部分から成るロッドインテグレータ８に入射する。第１，第２ロッドインテグレータ８ａ，８ｂは、それぞれ４枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段であり、各入射端面から入射してきた照明光は、第１，第２ロッドインテグレータ８ａ，８ｂの側面(すなわち内壁面)でそれぞれ何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、照明光の空間的なエネルギー分布が均一化されて各出射端面から出射する。

第２ロッドインテグレータ８ｂの入射端面と出射端面の形状は、表示素子１０の画像表示面１０ａと略相似の四角形になっており、第２ロッドインテグレータ８の出射端面は表示素子１０の画像表示面１０ａに対して共役になっている。したがって、上記ミキシング効果により出射端面での輝度分布が均一化されることにより、表示素子１０は効率良く均一に照明されることになる。一方、第１ロッドインテグレータ８ａの断面形状は正方形になっている。第１ロッドインテグレータ８ａの出射端面は表示素子１０の画像表示面１０ａに対して共役になっていないので、第１ロッドインテグレータ８ａの出射端面は表示素子１０の画像表示面１０ａと相似形である必要はない。

なお、第１，第２ロッドインテグレータ８ａ，８ｂは中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。また、第１ロッドインテグレータ８ａの側面は４面に限らず、第２ロッドインテグレータ８ｂの側面についても表示素子１０の画像表示面１０ａの形状と適合するならば４面に限らない。つまり、第１，第２ロッドインテグレータ８ａ，８ｂの断面形状は長方形等の四辺形に限らない。したがって、用いる第１，第２ロッドインテグレータ８ａ，８ｂとしては、複数枚の反射ミラーを組み合わせて成る中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。

この照明光学系ＩＬ３では、照明光束Ｐの断面の長尺方向の最大ＮＡの光線が、ロッドインテグレータ８の内面を構成するすべての面でそれぞれ２回以上反射するように構成されている。照明光束Ｐの断面の長尺方向の最大ＮＡの光線が、ロッドインテグレータ８の内面を構成するすべての面でそれぞれ２回以上(つまり４面で８回以上)反射するように構成すれば、２方向のそれぞれで５つ以上(つまりＮＡの小さい方向でも５つ以上)の２次光源による重ね合わせが可能となる。したがって、均一な照度分布を効果的に得ることができる。なお、この照明光学系ＩＬ３では、ロッドインテグレータ８が第１，第２ロッドインテグレータ８ａ，８ｂに２分割されているが、ロッドインテグレータ８全体として照明光が均質分布になるだけの反射回数が上記のように確保されれば、３分割又は４分割以上に分割数を増やしてもよい。

前述したように、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。この照明光学系ＩＬ３では、図６(Ａ)から分かるように、凸レンズ７ｂで光束Ｐに角度をつけることによりロッドインテグレータ８内で反射しやすくしている。このように、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの照明光が凸レンズ７ｂで集光する構成にすれば、ロッドインテグレータ８に対してより角度を持って入射すること(つまり、入射端面に対する入射角度が大きいこと)になるため、ロッドインテグレータ８内での反射回数が多くなり、均一な照度分布がより得やすくなる。

しかし、照明光の光束断面は扁平な形状をしているため、前述したように(図１６)、光束幅Ｓ１と光束幅Ｓ２との差によって光束の屈折角度Ｕ１，Ｕ２は異なってしまう。つまり、光束幅の大きい方Ｓ１に比べると、光束幅の小さい方Ｓ２ではロッドインテグレータ８に対してあまり角度がつかなくなる。このため、ロッドインテグレータ８内では、その方向の反射回数が少なくなり、均一な照度分布や等方的なＮＡ分布が得にくくなる。

この照明光学系ＩＬ３では上記問題点を解消するため、第１ロッドインテグレータ８ａへ照明光が入射する際、その入射方向に対し垂直な断面において、照明光の光束断面の長尺方向と、第１ロッドインテグレータ８ａの断面形状の長辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度(この照明光学系ＩＬ３では４５°)を成し、第２ロッドインテグレータ８ｂへの照明光の入射方向に対し垂直な断面において、第１ロッドインテグレータ８ａの断面形状の長辺方向と、第２ロッドインテグレータ８ｂの断面形状の長辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度(この照明光学系ＩＬ３では２２．５°)を成すようにしている。

図７(Ａ)に、照明光の光束Ｐの断面と第１ロッドインテグレータ８ａの断面との関係を示す。ロッドインテグレータ８ａは、その断面形状の長辺方向(この実施の形態では断面形状が正方形なので一方の辺の方向である。)が光束Ｐの断面の長尺方向に対して角度α＝４５°を成すように配置されている。光束Ｐの断面形状は、光束Ｐがロッドインテグレータ８に入射するときのＮＡ分布とほぼ一致するので、断面が扁平な光束Ｐを角度α＝４５°で入射させた場合、図７(Ｂ)に示すように、ＮＡの大きな方向(すなわち光束Ｐの断面の長尺方向)が角度θ＝２α＝９０°を成す２方向となった状態で、光束Ｐが第１ロッドインテグレータ８ａから出射することになる。したがって、扁平なＮＡ方向がもう１方向増えた分だけＮＡ分布が等方的なものに変換され、第１ロッドインテグレータ８ａから出射した光束Ｐは、第２ロッドインテグレータ８ｂに入射する。

図７(Ｃ)に、第１ロッドインテグレータ８ａから出射した２つの照明光束Ｐの断面と、第１，第２ロッドインテグレータ８ａ，８ｂの断面と、の関係を示す。第２ロッドインテグレータ８ｂは、その断面形状の長辺方向が第１ロッドインテグレータ８ａの断面形状の一辺の方向に対して角度β＝２２．５°を成すように配置されている。２つの光束Ｐの断面形状は、２つの光束Ｐが第２ロッドインテグレータ８ｂに入射するときのＮＡ分布とほぼ一致するので、断面が扁平な２つの光束Ｐが第２ロッドインテグレータ８ｂに入射すると、図７(Ｄ)に示すように、ＮＡの大きな方向(すなわち光束Ｐの断面の長尺方向)が角度θ＝４５°を成す４方向となった状態で、４種類の光束Ｐが第２ロッドインテグレータ８ｂから出射することになる。したがって、扁平なＮＡ方向が更に２方向増えた分だけＮＡ分布が等方的なものに変換されて、光束ＰはＮＡ分布の扁平度合いがより一層改善された状態で第２ロッドインテグレータ８ｂから出射することになる。

上記のように、ロッドインテグレータ８は第１ロッドインテグレータ８ａと第２ロッドインテグレータ８ｂとの２つの部分から成っているため、第１ロッドインテグレータ８ａで扁平なＮＡ方向を１つ増やし、第２ロッドインテグレータ８ｂで扁平なＮＡ方向を更に２つ増やすことができる。したがって、ＮＡ分布をより等方的にすることができる。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを使ったプロジェクターの場合、通常、ロッドインテグレータ断面の長辺方向に４５°の角度を持って光束を入射させると、ＮＡの大きい方向は投影画面の斜め４５°方向になる。しかし、画素配列は上下・左右方向なので、この方向のＮＡが相対的に小さくなり、解像力が十分でなくなるおそれがある。ロッドインテグレータを２つの部分に分割することによってその機能をもう１つ追加すれば、上下・左右方向にもＮＡを大きくすることができる。また、第２ロッドインテグレータ８ｂに入射する光束が、ＮＡの大きい方向を２つ有しているので、第２ロッドインテグレータ８ｂ内での反射回数が増えて、均一な照度分布がより得やすくなる。

この実施の形態では、第２ロッドインテグレータ８ｂへの照明光の入射方向に対し垂直な断面において、第２ロッドインテグレータ８ｂへ入射する光束について、その光束断面の長尺方向と、第２ロッドインテグレータ８ｂの断面形状の長辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成す構成になっているため、第２ロッドインテグレータ８ｂによる等方的なＮＡ分布への変換をより確実で効果的に行うことができる。

この実施の形態では、図７に示すように、α＝４５°，β＝２２．５°となっているが、図８に示すように、α＝２２．５°，β＝４５°としてもよい。図８(Ａ)に示すように、第１ロッドインテグレータ８ａへ照明光束Ｐが入射する際、断面が扁平な光束Ｐを角度α＝２２．５°を持って入射させると、図８(Ｂ)に示すように、ＮＡの大きな方向が角度θ＝２α＝４５°を成す２方向となった状態で、光束Ｐが第１ロッドインテグレータ８ａから出射して第２ロッドインテグレータ８ｂへ入射することになる。第２ロッドインテグレータ８ｂは、図８(Ｃ)に示すように、その断面形状の長辺方向が第１ロッドインテグレータ８ａの断面形状の一辺の方向に対して角度β＝４５°を成すように配置されているので、２つの光束Ｐが第２ロッドインテグレータ８ｂに入射すると、図８(Ｄ)に示すように、ＮＡの大きな方向が角度θ＝４５°を成す４方向となった状態で、４種類の光束Ｐが第２ロッドインテグレータ８ｂから出射することになる。

したがって、図８に示すロッドインテグレータ８の構成によれば、図７に示すロッドインテグレータ８の構成と同様、ＮＡ分布が等方的なものに変換されて、光束ＰはＮＡ分布の扁平度合いがより一層改善された状態で第２ロッドインテグレータ８ｂから出射することになる。上記のようにα＝４５°，β＝２２．５°か、又はα＝２２．５°，β＝４５°の構成にすれば、ＮＡの大きい方向が４５°ごとの４方向になるため、より等方的なＮＡ分布を達成することができ、また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、画素の配列方向の解像力も確保することができる。

図６(Ａ)に示すように、第２ロッドインテグレータ８ｂから出射した照明光は、照明用のリレー光学系９を通ってＴＩＲプリズム１１に入射する。ＴＩＲプリズム１１に入射した照明光は、ＴＩＲプリズム１１のエアギャップ面１１ａで全反射した後、表示素子１０の画像表示面１０ａを均一に照明する。このときリレー光学系９は、照明光をリレーして第２ロッドインテグレータ８ｂの出射端面を表示素子１０の画像表示面１０ａ上で結像させる。つまり、表示素子１０の画像表示面１０ａ上には第２ロッドインテグレータ８ｂの出射端面の像が形成されることになる。

表示素子１０の画像表示面１０ａでは、照明光の強度変調により２次元画像が形成される。ここでは、表示素子１０としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを想定している。ただし、使用される表示素子１０はこれに限らず、投影光学系ＰＯに適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子１０としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態(例えば±１２°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが、ＴＩＲプリズム１１のエアギャップ面１１ａを全反射無しに透過し、投影レンズ１２に入射してスクリーン(不図示)上に投射される。一方、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射した光は、ＴＩＲプリズム１１の照明光の進入側とは反対側に大きく偏向されるため、投影レンズ１２には入射しない。このように、投影光学系ＰＯを構成する投影レンズ１２のパワーにより、画像表示面１０ａの表示画像がスクリーン上に拡大投影される。

《第４の実施の形態(図９，図１０)》
図９に、第４の実施の形態に係る照明光学系ＩＬ４の要部を拡大して示す。図９は、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからロッドインテグレータ８までの部分を、扁平な照明光束Ｐの光束幅の小さい方から見た状態で示している。この照明光学系ＩＬ４は、前述した照明光学系ＩＬ２，ＩＬ３双方の特徴を備えている。つまり、第３の実施の形態において凸レンズ７ｂを偏心状態で有する点(図４)に特徴があり、そのほかは、前記第３の実施の形態と同様の構成になっている。

光路合成後の照明光束Ｐは、凸レンズ７ｂで集光されてロッドインテグレータ８に入射する。照明光束Ｐは凸レンズ７ｂでの集光によりロッドインテグレータ８内で反射しやすくなるため、ロッドインテグレータ８内での反射回数が多くなることによって均一な照度分布が得やすくなる。また、照明光束Ｐの中心軸ＰＸと凸レンズ７ｂの中心軸ＡＸとが相対的に偏心しているため、照明光束Ｐは斜め方向に曲がって、第１ロッドインテグレータ８ａの入射端面に対し傾いて入射することになる。図１０(Ａ)に、そのときの照明光束Ｐの断面と第１ロッドインテグレータ８ａの断面との関係を示す。

凸レンズ７ｂの偏心方向が照明光束Ｐの断面の短尺方向(つまり光束幅の小さい方向)に設定されているため、第１ロッドインテグレータ８ａに入射する光束ＰはＮＡの小さい方向に傾く。第１ロッドインテグレータ８ａは、その断面形状の一辺の方向が光束Ｐの断面の長尺方向に対して角度α＝４５°を成すように配置されているので、図１０(Ｂ)に示すように、ＮＡの大きな方向(すなわち光束Ｐの断面の長尺方向)が角度θ＝２α＝９０°を成す２方向となり、かつ、凸レンズ７ｂで斜め偏向方向にＮＡが大きくなるため、光束ＰはＮＡ分布の扁平度合いがより一層改善された状態で第１ロッドインテグレータ８ａから出射し、第２ロッドインテグレータ８ｂに入射する。

図１０(Ｃ)に、第１ロッドインテグレータ８ａから出射した４つの照明光束Ｐの断面と、第１，第２ロッドインテグレータ８ａ，８ｂの断面と、の関係を示す。第２ロッドインテグレータ８ｂは、その断面形状の長辺方向が第１ロッドインテグレータ８ａの断面形状の一辺の方向に対して角度β＝２２．５°を成すように配置されている。４つの光束Ｐの断面形状は、４つの光束Ｐが第２ロッドインテグレータ８ｂに入射するときのＮＡ分布とほぼ一致するので、断面が扁平な４つの光束Ｐが第２ロッドインテグレータ８ｂに入射すると、図１０(Ｄ)に示すように、ＮＡの大きな方向(すなわち光束Ｐの断面の長尺方向)が角度θ＝４５°を成す４方向となった状態で、８種類の光束Ｐが第２ロッドインテグレータ８ｂから出射することになる。したがって、扁平なＮＡ方向が更に２方向増えた分だけＮＡ分布が等方的なものに変換されて、光束ＰはＮＡ分布の扁平度合いが非常に改善された状態で第２ロッドインテグレータ８ｂから出射することになる。

また、偏心のない状態でレンズを使うとＮＡの小さい方向には角度がつきにくいが、この実施の形態ではＮＡの小さい方向へのレンズ偏心によりロッドインテグレータ８への入射角度が大きく設定されているため、ＮＡの小さい方向にロッドインテグレータ８への入射光が傾いている分、その方向でのロッドインテグレータ８の内面での反射回数が増える。したがって、均一な照度分布がより得やすくなる。

《第５の実施の形態(図１１〜図１３)》
図１１に、第５の実施の形態に係る照明光学系ＩＬ５の要部を拡大して示す。図１１は、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射した照明光が前記凹レンズ７ａ(図１)又は凸レンズ７ｂ(図４，図６，図９)に入射する前までの光学配置を、上面側(Ａ)と側面側(Ｂ)から見た状態でそれぞれ示している。この照明光学系ＩＬ５は、各々３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから成る２つの光源セット２１，２２を有し、合成された２つの光束の進行方向に対し垂直な断面において、２つの光束の断面の長尺方向が平行でない所定の角度(この照明光学系ＩＬ５では９０°)を成す点に特徴があり、そのほかは前記第１の実施の形態と同様の構成になっている。

各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの光源配列は、いずれも扁平になっている(例えば１列又は２列×１０数列)。このため、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。そして、各光源セット２１，２２における３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、各照明光の光束断面の長尺方向が略一直線状になるように配列されており、２つの光源セット２１，２２は同一平面に沿って並列に配置されている。また、図１１(Ｂ)に示すように、２つの光源セット２１，２２が有する合計６つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの背面には、共通のヒートシンク２が取り付けられている。このヒートシンク２を用いた冷却は、第１の実施の形態(図１)と同様、冷却ファン６で行われる。

第１の光源セット２１は、図１１(Ａ)に示すように、紙面に対して垂直な方向に発光し、紙面に対して垂直な面内で光路合成(つまり色合成)が行われる。色合成は第１の実施の形態(図１)と同様に行われ、色合成によってＲ，Ｇ，Ｂの各照明光が同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ８までの光路長が互いに等しくなる。色合成された第１の光源セット２１からの照明光束Ｐ１は、反射ミラー１６で偏光ビームスプリッター１７の方へと偏向される。一方、第２の光源セット２２は、図１１(Ａ)に示すように、紙面に対して垂直な方向に発光し、その照明光束Ｐ２は長尺の反射ミラー１５で紙面に対して平行な面に沿って偏向され、紙面に対して平行な面内で光路合成(つまり色合成)が行われる。色合成は第１の実施の形態(図１)と同様に行われ、色合成によってＲ，Ｇ，Ｂの各照明光が同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ８までの光路長が互いに等しくなる。そして、色合成された第２の光源セット２２からの照明光束Ｐ２は、偏光ビームスプリッター１７の方へと進行する。

第１，第２の光源セット２１，２２でそれぞれ色合成された照明光束Ｐ１，Ｐ２は、いずれも光束断面の扁平方向に依存した直線偏光である。また、偏光ビームスプリッター１７では、各照明光束Ｐ１，Ｐ２の断面の長尺方向が互いに９０°を成す関係にある。したがって、偏光ビームスプリッター１７で一方の光束Ｐ１を反射させ、他方の光束Ｐ２を透過させることにより、照明光束Ｐ１，Ｐ２を容易に同一光軸に合成することができる。また偏光ビームスプリッター１７での偏光合成の前に、波長板等を用いて少なくとも一方の照明光束Ｐ１，Ｐ２を任意の偏光方向に偏光させる等の処理を施せば、偏光ビームスプリッター１７を第１の光源セット２１側に配置したり、偏光合成後の進行方向を変えたり、画像投影装置としてのレイアウトを都合に応じて変更したりすることが容易に可能となる。

図１２(Ａ)に、同一光軸に偏光合成された照明光束Ｐ１，Ｐ２の断面形状を示す。図１２(Ａ)から分かるように、偏光合成された２つの照明光束Ｐ１，Ｐ２は、その進行方向に対し垂直な断面において、断面形状の長尺方向が角度γ＝９０°を成している。そして、そのように光束合成された状態で凹レンズ７ａ(図１)又は凸レンズ７ｂ(図４，図６，図９)を介し、ロッドインテグレータ８へと入射する。ロッドインテグレータ８以降、投影レンズ１２までの構成は第１の実施の形態(図１)と同様である。

図１２(Ｂ)に、照明光束Ｐ１，Ｐ２の断面とロッドインテグレータ８の断面との関係を示す。ロッドインテグレータ８は、その断面形状の長辺方向が合成後の２つの照明光束Ｐ１，Ｐ２の対称軸に対して角度δ＝２２．５°を成すように配置されている。照明光束Ｐ１，Ｐ２の断面形状は、照明光束Ｐ１，Ｐ２がロッドインテグレータ８に入射するときのＮＡ分布とほぼ一致するので、断面が扁平な照明光束Ｐ１，Ｐ２が角度δ＝２２．５°でロッドインテグレータ８に入射すると、図１２(Ｃ)に示すように、ＮＡの大きな方向(すなわち光束Ｐ１，Ｐ２の断面の長尺方向)が角度θ＝２δ＝４５°を成す４方向となった状態で、４種類の照明光束Ｐ１，Ｐ２がロッドインテグレータ８から出射することになる。したがって、扁平なＮＡ方向が２方向増えた分だけＮＡ分布が等方的なものに変換されて、照明光束Ｐ１，Ｐ２はＮＡ分布の扁平度合いがより一層改善された状態でロッドインテグレータ８から出射することになる。

上記のように、照明光学系ＩＬ５は同一色のレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを２つ有し、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射した照明光が同一方向に進行するように光束Ｐ１，Ｐ２を合成する構成になっているため、等方的なＮＡ分布への変換をより効果的に行うことができる。このようにレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを光源セット２１，２２として２つ使うことによっても、ロッドインテグレータ８が２つの部分８ａ，８ｂから成る第３の実施の形態の場合(図６)と同様、より等方的なＮＡ分布を得ることができる。しかもこの場合、同一色の同時発光により明るさを２倍にすることができるので、この構成を有する照明光学系ＩＬ５はシネマ用等の高出力なプロジェクターに最適である。また、光束合成された２つの光束の断面の長尺方向が平行でない所定の角度を成してロッドインテグレータ８に入射するため、ロッドインテグレータ８内での反射回数が増えて、均一な照度分布がより得やすくなる。

また照明光学系ＩＬ５では、光束合成部材として偏光ビームスプリッター１７を用いているため、光束の合成を効率的に行うことができる。レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される光束はアレイの配列方向に直線偏光しているため、偏光ビームスプリッター１７を用いることによって同軸の光束合成を容易かつ効率良く行うことができる。

この実施の形態では、図１２に示すように、γ＝９０°，δ＝２２．５°となっているが、図１３に示すように、γ＝４５°，δ＝４５°としてもよい。第２の光源セット２２の長尺の反射ミラー１５の角度を変えて、色合成方向を図１１(Ａ)の紙面に対し４５°方向に設定し、波長板で偏光方向を補正すれば、図１３(Ａ)に示すような偏光合成も可能である。図１３(Ｂ)に示すように、ロッドインテグレータ８へ照明光束Ｐ１，Ｐ２を角度δ＝４５°を持って入射させると、図１３(Ｃ)に示すように、ＮＡの大きな方向が角度θ＝４５°を成す４方向となった状態で、４種類の光束Ｐがロッドインテグレータ８から出射することになる。

したがって、図１３に示すロッドインテグレータ８の構成によれば、図１２に示すロッドインテグレータ８の構成と同様、ＮＡ分布が等方的なものに変換されて、照明光束Ｐ１，Ｐ２はＮＡ分布の扁平度合いがより一層改善された状態でロッドインテグレータ８から出射することになる。上記のようにγ＝９０°，δ＝２２．５°か、又はγ＝４５°，δ＝４５°の構成にすれば、ＮＡの大きい方向が４５°ごとの４方向になるため、より等方的なＮＡ分布を達成することができる。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、画素の配列方向の解像力も確保することができる。

《第６の実施の形態(図１４，図１５)》
図１４に、第６の実施の形態に係る照明光学系ＩＬ６の要部を拡大して示す。図１４は、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射した照明光が前記凹レンズ７ａ(図１)又は凸レンズ７ｂ(図４，図６，図９)に入射する前までの光学配置を、上面側(Ａ)と側面側(Ｂ)から見た状態でそれぞれ示している。この照明光学系ＩＬ６は、各々３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから成る４つの光源セット２１，２２，２３，２４を有し、合成された４つの光束の進行方向に対し垂直な断面において、そのうちの２つの光束が他の２つの光束に対し、断面の長尺方向が平行でない所定の角度(この照明光学系ＩＬ６では９０°)を成す点に特徴があり、そのほかは前記第１の実施の形態と同様の構成になっている。

各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの光源配列は、いずれも扁平になっている(例えば１列又は２列×１０数列)。このため、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。そして、各光源セット２１〜２４における３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、各照明光の光束断面の長尺方向が略一直線状になるように配列されている。第１，第２の光源セット２１，２２は、同一平面に沿って並列に配置されており、図１４(Ｂ)に示すように、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの背面に共通のヒートシンク２が取り付けられた状態で、第１の光源ユニット３１を構成している。同様に、第３，第４の光源セット２３，２４は、同一平面に沿って並列に配置されており、図１４(Ｂ)に示すように、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの背面に共通のヒートシンク２が取り付けられた状態で、第２の光源ユニット３２を構成している。各光源ユニット３１，３２におけるヒートシンク２を用いた冷却は、第１の実施の形態(図１)と同様、冷却ファン６で行われる。

第１の光源セット２１は、図１４(Ａ)の紙面に対して垂直な方向(図１４(Ｂ)の紙面に対して平行な方向)に発光し、その照明光束Ｐ１は長尺の反射ミラー１５で、図１４(Ａ)，(Ｂ)の紙面に対して平行な面に沿って偏向される。第２の光源セット２２も同様であり、図１４(Ａ)の紙面に対して垂直な方向(図１４(Ｂ)の紙面に対して平行な方向)に発光し、その照明光束Ｐ２は長尺の反射ミラー１５で、図１４(Ａ)，(Ｂ)の紙面に対して平行な面に沿って照明光束Ｐ１と同じに方向に偏向される。このとき、図１４(Ｂ)に示すように、長尺の反射ミラー１５の配置高さが異なっているため、照明光束Ｐ１，Ｐ２は並行して配置されることになる。これらの並行した照明光束Ｐ１，Ｐ２は、共通の色合成機構により色合成(つまり光路合成)される。色合成は第１の実施の形態(図１)と同様に行われ、色合成によってＲ，Ｇ，Ｂの各照明光が同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ８までの光路長が互いに等しくなる。そして、照明光束Ｐ１と照明光束Ｐ２は、並行して偏光ビームスプリッター１７の方へと進行する。ここまでが第１の光源ユニット３１の構成である。

第３の光源セット２３と第４の光源セット２４は、図１４(Ａ)の紙面に対して垂直な方向(図１４(Ｂ)の紙面に対して平行な方向)に発光する。第３の光源セット２３からの照明光束Ｐ３は、２枚の長尺の反射ミラー１５で反射されて、第４の光源セット２４からの照明光束Ｐ４の近傍を並行するように光路を変更される。これらの並行した照明光束Ｐ３，Ｐ４は、共通の色合成機構により色合成(つまり光路合成)される。色合成は第１の実施の形態(図１)と同様に行われ、色合成によってＲ，Ｇ，Ｂの各照明光が同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ８までの光路長が互いに等しくなる。そして、図１４(Ａ)に示すように、照明光束Ｐ３と照明光束Ｐ４は反射ミラー１６で偏光ビームスプリッター１７の方へと偏向される。ここまでが第２の光源ユニット３２の構成である。

第１の光源ユニット３１から出射した照明光束Ｐ１，Ｐ２と、第２の光源ユニット３２から出射した照明光束Ｐ３，Ｐ４は、それぞれ光束断面の扁平方向に依存した直線偏光である。また、偏光ビームスプリッター１７では、照明光束Ｐ１，Ｐ２と照明光束Ｐ３，Ｐ４とで光束断面の長尺方向が互いに９０°を成す関係にある。したがって、偏光ビームスプリッター１７で一方の光束Ｐ１，Ｐ２を透過させ、他方の光束Ｐ３，Ｐ４を反射させることにより、照明光束Ｐ１〜Ｐ４を容易に同一光軸に合成することができる。また、偏光ビームスプリッター１７での偏光合成の前に、波長板等を用いて少なくとも１つの照明光束Ｐ１〜Ｐ４を任意の偏光方向に偏光させる等の処理を施せば、偏光ビームスプリッター１７の配置、偏光合成後の進行方向、画像投影装置としてのレイアウト等を都合に応じて容易に変更することが可能となる。

図１５(Ａ)に、同一光軸に偏光合成された照明光束Ｐ１〜Ｐ４の断面形状を示す。図１５(Ａ)から分かるように、偏光合成された４つの照明光束Ｐ１〜Ｐ４は、その進行方向に対し垂直な断面において、断面形状の長尺方向が角度γ＝９０°を成している。そして、そのように光束合成された状態で凹レンズ７ａ(図１)又は凸レンズ７ｂ(図４，図６，図９)を介し、ロッドインテグレータ８へと入射する。ロッドインテグレータ８以降、投影レンズ１２までの構成は第１の実施の形態(図１)と同様である。

図１５(Ｂ)に、照明光束Ｐ１〜Ｐ４の断面とロッドインテグレータ８の断面との関係を示す。ロッドインテグレータ８は、その断面形状の長辺方向が合成後の２つの照明光束Ｐ１，Ｐ２の対称軸に対して角度δ＝２２．５°を成すように配置されている。照明光束Ｐ１〜Ｐ４の断面形状は、照明光束Ｐ１〜Ｐ４がロッドインテグレータ８に入射するときのＮＡ分布とほぼ一致するので、断面が扁平な照明光束Ｐ１〜Ｐ４が角度δ＝２２．５°でロッドインテグレータ８に入射すると、図１５(Ｃ)に示すように、ＮＡの大きな方向(すなわち光束Ｐ１〜Ｐ４が断面の長尺方向)が角度θ＝２δ＝４５°を成す４方向となった状態で、４種類の照明光束Ｐ１〜Ｐ４がロッドインテグレータ８から出射することになる。したがって、扁平なＮＡ方向が２方向増えた分だけＮＡ分布が等方的なものに変換されて、照明光束Ｐ１〜Ｐ４はＮＡ分布の扁平度合いが非常に改善された状態でロッドインテグレータ８から出射することになる。

上記のように、照明光学系ＩＬ６は同一色のレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを４つ有し、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射した照明光が同一方向に進行するように光束Ｐ１〜Ｐ４を合成する構成になっているため、等方的なＮＡ分布への変換をより効果的に行うことができる。このようにレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを光源セット２１〜２４として４つ使うことによっても、前記第４の実施の形態(図９)の場合(つまり、ロッドインテグレータ８が２つの部分８ａ，８ｂから成り、凸レンズ７ｂを偏心状態で有する構成)と同様、非常に等方的なＮＡ分布を得ることができる。しかもこの場合、同一色の同時発光により明るさを４倍にすることができるので、この構成を有する照明光学系ＩＬ６はシネマ用等の高出力なプロジェクターに最適である。また、光束合成された４つの光束の断面の長尺方向が平行でも垂直でもない所定の角度を成してロッドインテグレータ８に入射するため、ロッドインテグレータ８内での反射回数が増えて、均一な照度分布がより得やすくなる。

また照明光学系ＩＬ６では、照明光学系ＩＬ５と同様、光束合成部材として偏光ビームスプリッター１７を用いているため、光束の合成を効率的に行うことができる。レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される光束はアレイの配列方向に直線偏光しているため、偏光ビームスプリッター１７を用いることによって同軸の光束合成を容易かつ効率良く行うことができる。また、上記のようにγ＝９０°，δ＝２２．５°か、又はγ＝４５°，δ＝４５°の構成にすれば、ＮＡの大きい方向が４５°ごとの４方向になるため、より等方的なＮＡ分布を達成することができる。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、画素の配列方向の解像力も確保することができる。

第１の実施の形態に係る画像投影装置を示す概略構成図。 第１の実施の形態でのロッドインテグレータ(α＝４５°)によるＮＡ分布の変化をロッド断面との位置関係で示す図。 第１の実施の形態でのロッドインテグレータ(α＝３０°)によるＮＡ分布の変化をロッド断面との位置関係で示す図。 第２の実施の形態に係る画像投影装置の要部を示す正面図。 第２の実施の形態でのロッドインテグレータ(α＝４５°)によるＮＡ分布の変化をロッド断面との位置関係で示す図。 第３の実施の形態に係る画像投影装置を示す概略構成図。 第３の実施の形態でのロッドインテグレータ(α＝４５°，β＝２２．５°)によるＮＡ分布の変化をロッド断面との位置関係で示す図。 第３の実施の形態でのロッドインテグレータ(α＝２２．５°，β＝４５°)によるＮＡ分布の変化をロッド断面との位置関係で示す図。 第４の実施の形態に係る画像投影装置の要部を示す正面図。 第４の実施の形態で凸レンズを偏心させた場合のロッドインテグレータ(α＝４５°，β＝２２．５°)によるＮＡ分布の変化をロッド断面との位置関係で示す図。 第５の実施の形態に係る照明光学系の要部を示す概略構成図。 第５の実施の形態でのロッドインテグレータ(γ＝９０°，δ＝２２．５°)によるＮＡ分布の変化をロッド断面との位置関係で示す図。 第５の実施の形態でのロッドインテグレータ(γ＝４５°，δ＝４５°)によるＮＡ分布の変化をロッド断面との位置関係で示す図。 第６の実施の形態に係る照明光学系の要部を示す概略構成図。 第６の実施の形態でのロッドインテグレータ(γ＝９０°，δ＝２２．５°)によるＮＡ分布の変化をロッド断面との位置関係で示す図。 ロッドインテグレータに対する光束幅の差によって生じる屈折角度の差を説明するための光路図。 ロッドインテグレータまでの光路長及び光束幅の差によって生じる屈折角度の差を説明するための光路図。

符号の説明

ＩＬ１〜ＩＬ６ 照明光学系
ＰＯ 投影光学系
１Ｒ 赤色発光のレーザーアレイ光源
１Ｇ 緑色発光のレーザーアレイ光源
１Ｂ 青色発光のレーザーアレイ光源
３Ｒ Ｒ用の反射ミラー
３Ｇ Ｇ用の反射ミラー
３Ｂ Ｂ用の反射ミラー
４Ｒ Ｒ反射用のダイクロイックミラー(光路合成部材)
４Ｇ Ｇ反射用のダイクロイックミラー(光路合成部材)
７ａ 凹レンズ
７ｂ 凸レンズ
８ ロッドインテグレータ
８ａ 第１ロッドインテグレータ
８ｂ 第２ロッドインテグレータ
１０ 表示素子
１０ａ 画像表示面
１２ 投影レンズ(投影光学系)
１７ 偏光ビームスプリッター(光束合成部材)
２１〜２４ 光源セット
３１，３２ 光源ユニット
Ｐ 照明光束
ＰＸ 照明光の光束中心軸
ＡＸ レンズの中心軸

Claims (14)

1. 表示素子の画像表示面を照明するための照明光学系であって、扁平な光束断面の照明光を出射するレーザーアレイ光源と、断面形状が四辺形であり前記照明光の空間的なエネルギー分布を均一化するロッドインテグレータと、を有し、前記ロッドインテグレータへ照明光が入射する際、入射方向に対し垂直な前記ロッドインテグレータの断面において、
   前記レーザーアレイ光源からの照明光を発散又は集光させて前記ロッドインテグレータに入射させるレンズを備え、
   前記照明光の光束断面の長尺方向と、前記ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成し、
   前記所定の角度が２０°〜７０°であることを特徴とする照明光学系。
2. 前記所定の角度が４５°又は略４５°であることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
3. 前記照明光の光束中心軸と前記レンズの中心軸とが相対的に偏心していることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
4. 前記偏心の方向が前記照明光の光束断面の短尺方向であることを特徴とする請求項３記載の照明光学系。
5. 前記照明光の光束断面の長尺方向の最大ＮＡの光線が、前記ロッドインテグレータ内面を構成するすべての面でそれぞれ２回以上反射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明光学系。
6. 前記ロッドインテグレータが、前記レーザーアレイ光源側から順に、第１ロッドインテグレータと第２ロッドインテグレータとの２つの部分から成り、前記第１ロッドインテグレータへ照明光が入射する際、入射方向に対し垂直な前記第１ロッドインテグレータの断面において、前記照明光の光束断面の長尺方向と、前記第１ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成し、前記第２ロッドインテグレータへの照明光の入射方向に対し垂直な前記第２ロッドインテグレータの断面において、前記第１ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、前記第２ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成すことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明光学系。
7. 前記第２ロッドインテグレータへの照明光の入射方向に対し垂直な前記第２ロッドインテグレータの断面において、第２ロッドインテグレータへ入射する光束について、その光束断面の長尺方向と、前記第２ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が平行でも垂直でもない所定の角度を成すことを特徴とする請求項６記載の照明光学系。
8. 前記照明光の光束断面の長尺方向と、前記第１ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が成す所定の角度をαとし、前記第１ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、前記第２ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が成す所定の角度をβとすると、α＝４５°であり、かつ、β＝２２．５°であるか、又はα＝２２．５°であり、かつ、β＝４５°であることを特徴とする請求項６記載の照明光学系。
9. 前記レーザーアレイ光源を２つ有し、各レーザーアレイ光源から出射した照明光が同一方向に進行するように光束を合成する光束合成部材を更に有し、前記光束合成部材で合成された２つの光束の進行方向に対し垂直な断面において、２つの光束の断面の長尺方向が平行でない所定の角度を成すことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の照明光学系。
10. 前記光束合成部材が偏光ビームスプリッターであることを特徴とする請求項９記載の照明光学系。
11. 前記２つの光束の断面の長尺方向が成す所定の角度をγとし、合成後の２つの光束の対称軸と、前記ロッドインテグレータの断面形状の辺方向と、が成す所定の角度をδとすると、γ＝９０°であり、かつ、δ＝２２．５°であるか、又はγ＝４５°であり、かつ、δ＝４５°であることを特徴とする請求項９又は１０記載の照明光学系。
12. 前記レーザーアレイ光源として、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光をそれぞれ出射する３つのレーザーアレイ光源を有し、各レーザーアレイ光源から出射した照明光を同一光路に合成する光路合成部材を更に有し、前記光路合成部材で光路合成された３つの光束が同じ発散度合い又は集光度合いで前記ロッドインテグレータに入射するように光学配置されたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の照明光学系。
13. 前記各レーザーアレイ光源から前記ロッドインテグレータまでの光路長が等しいことを特徴とする請求項１２記載の照明光学系。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の照明光学系を備えたことを特徴とする画像投影装置。

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