JP5718375B2 - 照明光学系および投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は照明光学系および投射型表示装置に関し、詳しくは、光源から発せられた光をロッドインテグレータに通して光強度の分布を均一化して射出する照明光学系およびこの照明光学系を用いた投射型表示装置に関するものである。

従来より、光源から発せられた光束をＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・ディバイス）等の光変調素子を介して画像情報を表す光束に変調し、この変調された光束をスクリーンに投影して上記画像情報を表示する投射型表示装置が知られている。

このような投射型表示装置では、光変調素子を照明する照明用の光束の光強度分布にムラがあると、スクリーン上に投影される画像情報にも濃度ムラや色ムラが生じるため、この照明用光束の光強度分布を均一にすることが求められる。

このように照明用光束の光強度の分布を均一化するために用いられる光学素子として、入射された光束を反射させながら１方向に延びる光路中に通してこの光束の光強度分布を均一化させるロッドインテグレータが知られている。このロッドインテグレータは、入射した光束をこのロッドインテグレータの断面形状に応じた形に成形するとともに光強度分布を均一化して射出させることができる。

このような光強度分布が均一化された照明用光束（照明光）を発するロッドインテグレータは、径に比べて長さを長くするほど、ロッドインテグレータ中を伝搬する光の反射回数を増大させることができるので上記照明用光束の光強度分布の均一性をより高めることができる。

そして、ロッドインテグレータの射出面と、光変調素子とを光学的に共役な関係に配置して、この光変調素子を光強度分布が均一化された照明用光束で照明する。これにより、照明用光束は光変調素子で変調され画像情報を表す光束となってスクリーンへ投写され、スクリーン上にその画像情報を濃度ムラや色ムラなく表示させることができる。

このような照明用光束の光強度分布を均一化するロッドインテグレータには、透明部材で形成された中実棒状のものや、内面が鏡面である中空棒状の筒状体のものが知られている。

さらに、複数の光源から発せられた各光束をクロスプリズムで合成した後、ロッドインテグレータに通して照明用光束を形成する照明光学系も知られている（特許文献１参照）。また、複数の光源から発せられた各光束を、個別にロッドインテグレータに通した後、各ロッドインテグレータから射出された光束を合成して照明用光束を形成する照明光学系も知られている（特許文献２参照）。

特開２００２−１８９２６３号公報 特開２００６−２１５５５８号公報

ところで、少なくとも、１つの光源と他の光源との種類が異なる複数の光源から発せられた各光束を、例えば等倍のリレーレンズを介し、１つのロッドインテグレータに通して照明用光束を形成するときには、その照明用光束の品質が低下することがある。特に、互いに種類が異なる複数の光源から発せられた各光束を、等倍のリレーレンズを介し、１つのロッドインテグレータに通して照明用光束を形成するときには、その照明用光束の品質がより低下しやすい。

光源から発せられる光束の拡がり角が小さいときにはリレーレンズを通してロッドインテグレータに入射する光束の収束角が小さくなるため、ロッドインテグレータ内部での反射回数が少なくなり、このロッドインテグレータを通って射出される照明用光束の光強度が不均一になり、光強度分布にムラが生じる。

これとは反対に、光源から発せられる光束の拡がり角が大きいときにはリレーレンズを通してロッドインテグレータに入射する光束の収束角が大きくなるため、ロッドインテグレータ内部での反射回数の増大や反射率の低下等による光伝播損失の増大により、ロッドインテグレータを通って射出される照明用光束の利用効率が低下する。

そのようなことにより、各光源から発せられる光束の拡がり角が異なると、形成された照明用光束の光強度分布にムラが生じてしまう。

また、各光源の発光領域の大きさが異なると、ロッドインテグレータへ入射する光束によって形成される上記発光領域の光学像の大きさも互いに異なるものとなり、各光源毎にロッドインテグレータへの光束（光線）の入射状態が異なるものとなる。そのような場合には、ロッドインテグレータを通して射出される照明用光束の光強度分布が、各光源毎に互いに異なる分布を示すものとなる。そのため、発光領域の大きな光源に合わせてロッドインテグレータのサイズを決めるとロッドインテグレータが大型化し、さらには装置全体の大型化につながる。逆に発光領域の小さな光源にあわせてロッドインテグレータのサイズを決めると大きな光源からの光束が有効に活用されず光量の損失が生じてしまう。

さらに、複数の光源が互いに異なる色の光を発するものである場合には、各色の光束の拡がり角や発光領域に違いがあると、前記と同様の問題が発生する他に色ムラが生じてしまう。すなわち、例えば、白く表示されるべき画像情報の一部分が赤みがかって表示さたり、青みがかって表示されたりする。

また、投射型表示装置を小型化したいという要請があるため、ロッドインテグレータの長さを延したり複数のロッドインテグレータを用いたりすることなく、すなわち、装置サイズを大型化することなく、照明用光束の利用効率の低下や照射ムラ（光強度ムラおよび色ムラ）を抑制することが求められている。

このような照明用光束の利用効率の低下や照射ムラの問題は、照明光学系を投射型表示装置に適用する場合に限らず照明光学系において一般に生じる問題である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、装置サイズを大型化することなく、照明用の光束の利用効率の低下や照射ムラの発生を抑制することができる照明光学系およびこの照明光学系を用いた投射型表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明の照明光学系は、少なくとも、１つの光源と他の光源との種類が異なる複数の光源と、この光源から発せられた各光束を合成して同一位置に収束させる光合成光学系と、同一位置に収束された各光束が一端から入射され、該一端から入射された各光束の光強度分布を均一化して他端から射出させるロッドインテグレータとを備え、光合成光学系が、各光源毎にリレー光学部を配置してなるものであり、少なくとも１つのリレー光学部は他のリレー光学部と異なるリレー倍率を有するものであり、種類の異なる光源が異なる大きさの発光領域を有するものであり、各リレー光学部が、前記各リレー光学部を通して結像される各発光領域の光学像の大きさを揃えるようにリレー倍率が定められたものであることを特徴とするものである。
本発明の他の照明光学系は、少なくとも、１つの光源と他の光源との種類が異なる複数の光源と、この光源から発せられた各光束を合成して同一位置に収束させる光合成光学系と、同一位置に収束された各光束が一端から入射され、該一端から入射された各光束の光強度分布を均一化して他端から射出させるロッドインテグレータとを備え、光合成光学系が、各光源毎にリレー光学部を配置してなるものであり、少なくとも１つのリレー光学部は他のリレー光学部と異なるリレー倍率を有するものであり、種類の異なる光源が異なる拡がり角を持つ光束を発するものであり、各リレー光学部が、ロッドインテグレータへ入射する各光束の収束角を揃えるようにリレー倍率が定められたものであることを特徴とするものである。

前記照明光学系は、ＢＨを各リレー光学部に定められたリレー倍率のうち最も高いリレー倍率、ＢＬを各リレー光学部に定められたリレー倍率のうち最も低いリレー倍率としたときに、条件式（Ａ）：ＢＨ／ＢＬ＞１．０５を満足するように構成されたものとすることができる。

前記照明光学系は、ＢＨを各リレー光学部に定められたリレー倍率のうち最も高いリレー倍率、ＢＬを各リレー光学部に定められたリレー倍率のうち最も低いリレー倍率としたときに、条件式（Ａ）：ＢＨ／ＢＬ＞１．０５を満足するように構成されたものとすることができる。

なお、「各リレー光学部を通して形成される各発光領域の光学像の大きさとロッドインテグレータへ入射させる各光束の収束角とをバランスさせるようにリレー倍率が定められる」とは、「ロッドインテグレータを通して射出される各光束を合成してなる（合成）光束の光強度分布の変動をより小さくする各光学像の大きさと各収束角になるように、リレー倍率が定められる」ことを意味する。

前記複数の光源は、互いに異なる色の光を発するものとすることができる。

前記リレー光学部中の最もロッドインテグレータの側に配されたレンズは、一部のリレー光学部または全てのリレー光学部について共通に使用されるものとすることができる。

前記複数の光源それぞれからロッドインテグレータの入射面までの各光路長を互いに等しくすることが望ましい。

前記光源は、ＬＥＤ光源とすることができる。

前記光源は、レーザ光源とすることができる。

前記ロッドインテグレータは、中実のロッドからなるものとすることができる。

前記ロッドインテグレータは、中空のロッドからなるものとすることができる。

本発明の投写型表示装置は、前記照明光学系と、この照明光学系から発せられた照明用の光束で照明され、その照明用の光束を変調する光変調素子と、光変調素子によって変調された画像情報を表す光束を投写するための投写用レンズとを備えたことを特徴とするものである。

本発明の照明光学系および投射型表示装置によれば、少なくとも１つのリレー光学部は他のリレー光学部と異なるリレー倍率を有するものとしたので、装置サイズを大型化することなく、照明用の光束の利用効率の低下や照射ムラの発生を抑制することができる。

すなわち、各リレー光学部を、ロッドインテグレータへの各光束の入射状態がより望ましい状態に揃うように、リレー倍率が調節されたものとすることができるので、上記のような効果を得ることができる。

例えば、各光源から発っせられる光束の拡がり角が互いに異なっている場合には、ロッドインテグレータに入射させる各光束の収束角を望ましい大きさに揃えるように、各リレー光学部のリレー倍率を調節することができるので、ロッドインテグレータ内での各光束の伝播効率を高めることができ光源から発せられる光の利用効率を高めることができるとともに、照射ムラの発生を抑制することもできる。

また、例えば、各光源の発光領域の大きさが互いに異なっている場合には、各リレー光学部を通して結像される各発光領域の光学像の大きさを望ましい大きさに揃えるように各リレー光学部のリレー倍率を調節することができるので、装置の大型化や光量損失の発生を抑制することができる。

上記のようなことにより、ロッドインテグレータの長さを延したり、複数のロッドインテグレータを用いるような装置サイズの大型化をまねく構成を採用することなく、照明用光束の利用効率の低下や照射ムラ（光強度ムラ、色ムラ）の発生を抑制することができる。

本発明の実施の形態による照明光学系および投射型表示装置の概略構成を示す図 実施例１の照明光学系を示す断面図 実施例１の照明光学系から射出される光束（照明光）の光強度分布を示す図 実施例２の照明光学系を示す断面図 実施例２の照明光学系から射出される光束（照明光）の光強度分布を示す図 実施例３の照明光学系を示す断面図 実施例３の照明光学系から射出される光束（照明光）の光強度分布を示す図

以下、本発明の照明光学系およびこの照明光学系を備えた投射型表示装置について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態による照明光学系とこの照明光学系を用いた投射型表示装置とを示す図である。

図示の照明光学系１００は、少なくとも、１つの光源と他の光源との種類が異なる複数の光源１１０（ここでは、複数の光源をまとめて光源１１０と称する）と、それらの光源１１０から発せられた各光束を合成して同一位置に収束させる光合成光学系１２０と、同一位置に収束された各光束が一端から入射され、この一端から入射された各光束の光強度分布を均一化して他端から射出させるロッドインテグレータ１３０とを備えている。

なお、「少なくとも、１つの光源と他の光源との種類が異なる複数の光源１１０」は、「互いに種類の異なる複数の光源」としたり、「少なくとも互いに種類の異なる光源を含む複数の光源」としたり、「少なくとも１つの光源と該光源とは種類の異なる他の光源とからなる複数の光源」としたり、「少なくとも１つの光源と他の光源の種類が異なる複数の光源」としたりすることができる。

上記光合成光学系１２０は、各光源毎に配された複数のリレー光学部１２０Ｗ（ここでは、複数のリレー光学部をまとめてリレー光学部１２０Ｗと称する）を有するものであり、各リレー光学部Ｗは、互いに異なるリレー倍率を有するリレー光学部と、同じリレー倍率を有するリレー光学部とで構成されたものとすることができる。この光合成光学系１２０は、各光源１１０から発せられた各光束を合成してロッドインテグレータ１３０の入射面１３０Ｎの中央部に収束させる。

上記「種類が異なる」とは、例えば、それらの光源の発光領域の大きさや、それらの光源から発せられる光束の拡がり角等が互いに異なるものであり、それらの種類が異なる光源には、ＬＥＤ光源、レーザ光源、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の互いに形式の異なる光源を採用することができる。

また、種類が異なる複数の光源１１０は、同形式の光源（例えば、ＬＥＤ光源）だが、発光領域の大きさや光束の拡がり角が互いに異なるものとすることもできる。

なお、種類の異なる光源は次のような光源である。すなわち、各光源を予め定められた所定位置に配置して、各光源から発せられた光束を同じ光路（同じリレー光学部およびロッドインテグレータ）に通して照明用光束を形成したときに、各照明用光束の光強度分布に違いが生じる場合には、それらの照明用光束の形成に用いられた各光源は種類の異なる光源である。

また、本発明の実施の形態の投写型表示装置２００は、上記照明光学系１００と、この照明光学系１００から発せられた照明光用の光束で照明され、その照明光用光束を変調する光変調素子２１０と、光変調素子２１０によって変調された画像情報を表す光束を投写するための投写用レンズ２２０とを備え、投写用レンズ２２０を通して画像情報を表す光学像をスクリーン１上に形成するものである。

光合成光学系１２０を構成する各リレー光学部１２０Ｗは、各リレー光学部１２０Ｗを通して結像される各光源１１０の発光領域の光学像の大きさを揃えるようにリレー倍率を定めたり、ロッドインテグレータ１３０へ入射される各光束の収束角の大きさを揃えるようにリレー倍率が定められたものとすることができる。また、各リレー光学部１２０Ｗは、各リレー光学部１２０Ｗを通して形成される各発光領域の光学像の大きさやロッドインテグレータへ入射させる各光束の収束角をバランスさせるようにリレー倍率が定められたものとすることもできる。

なお、装置サイズの大型化をまねくことなく、照明用光束の利用効率の低下や照射ムラの発生を抑制することができれば、他の方式により各リレー光学部１２０Ｗのリレー倍率を定めるようにしてもよい。

「光源の発光領域の大きさ」、および「発光領域の光学像の大きさ」は、光軸直交方向における大きさとして定められるものである。また、それらの大きさは、例えば、光軸直交方向の長さや面積とすることができる。

また、「発光領域の光学像の大きさを揃える」とは、各光源の発光領域の大きさの違いよりも、各発光領域の光学像の大きさの違いの方が小さくなるようにすることを意味する。例えば、発光領域の大きさの最大値と最小値との比の値よりも、発光領域の光学像の大きさの最大値と最小値との比の値の方がより１に近くなるようにリレー倍率を定めることにより、発光領域の光学像の大きさを揃えることができる。

また、「収束角の大きさを揃える」とは、光源から発せられる各光束の拡がり角の違いよりも、ロッドインテグレータへ入射するときの各光束の収束角の違いの方を小さくすることを意味する。例えば、拡がり角の最大値と最小値との比の値よりも、収束角の最大値と最小値との比の値の方がより１に近くなるようにリレー倍率を定めることにより、収束角の大きさを揃えることができる。

照明光学系１００は、各リレー光学部１２０Ｗ毎に定められたリレー倍率のうち最も最も高いリレー倍率をＢＨ、各リレー光学部１２０Ｗ毎に定められたリレー倍率のうち最も最も低いリレー倍率をＢＬとしたときに、条件式（Ａ）：ＢＨ／ＢＬ＞１．０５を満たすように構成されたものとすることができる。

さらに、照明光学系１００が、条件式（Ａ１）：ＢＨ／ＢＬ≧１．２を満たすように構成されたものとすれば照射ムラを抑制するより大きな効果を期待することができ、条件式（Ａ２）：ＢＨ／ＢＬ≧１．８を満たすように構成されたものとすれば照射ムラを抑制するさらに大きな効果が期待できる。

なお、照明光学系１００が、条件式（Ａ′）：５．０≧ＢＨ／ＢＬ＞１．０５、または条件式（Ａ１′）：５．０≧ＢＨ／ＢＬ≧１．２、条件式（Ａ２′）：５．０≧ＢＨ／ＢＬ≧１．８を満たすように構成されたものとすれば照射ムラをより確実に抑制することができる。ここで、照明光学系１００が、条件式（Ａ′）、条件式（Ａ１′）、または条件式（Ａ２′）の上限を上回るように構成されたものとすると、各リレー光学部における各光束が合成される部分の空間的な配置が困難となる。

光源１１０は、互いに異なる色の光を発するものとすることもできる。互いに異なる色の光を発する光源を適用した場合には、ロッドインテグレータ１３０から発せられる照明光用光束の光強度のムラとして視認されやすい色ムラが現れるので、上記照明光学系１００は、色ムラの発生を抑制する顕著な効果を奏することができる。

各リレー光学部１２０Ｗ中の最もロッドインテグレータ１３０の側に配置されているレンズは、全てのリレー光学部１２０Ｗについて共通に使用されるものとすることができる。

各光源１１０それぞれから各リレー光学部１２０Ｗを通ってロッドインテグレータへ入射するまでの各光路長は、互いに等しくなるように構成することが望ましい。これにより、照明光学系１００の構成部材の互換性を高めることができ、装置コストを低減することができる。

なお、「光路長」は、実際の長さ（実長）であり、空気換算長ではない。

ロッドインテグレータ１３０は、中実のロッドからなるものとしたり、中空のロッドからなるものとしたりすることができる。

以下、照明光学系およびこの照明光学系を備えた投射型表示装置の作用について説明する。

互いに種類の異なる複数の光源１１０から発せられた各光束は、各光源１１０毎に配置されたリレー光学部１２０Ｗそれぞれを通って合成されロッドインテグレータ１３０の入射面１３０Ｎに入射する。

ここで、各リレー光学部１２０Ｗのリレー倍率は、各光源１１０から発せられロッドインテグレータ１３０へ入射する各発光領域の光学像の大きさや収束角の大きさが揃うように定められている。このように各リレー倍率を定めることにより、装置サイズの大型化をまねくことなく、照明用光束の利用効率の低下や照射ムラの発生を抑制することができる。

入射面１３０Ｎを通してロッドインテグレータ１３０内を伝搬する各光束それぞれは、このロッドインテグレータ１３０内において光強度分布が均一化された後、ロッドインテグレータ１３０の射出面１３０Ｓから射出される。

ロッドインテグレータ１３０の射出面１３０Ｓから射出された光強度分布が均一化された照明用の光束は、すなわち、光強度分布の変動が抑制された照明用の光束は、光変調素子２１０に入射されこの光変調素子２１０によって画像情報を表す光束に変調される。

光変調素子２１０で変調された画像情報を表す光束は、投写用レンズ２２０を通ってスクリーン１上に投写される。

これにより、濃度ムラや色ムラの抑制されたより明るい光学像（画像情報を表す光学像）をスクリーン１上に形成することができる。

＜実施例１＞
図２は、実施例１の照明光学系を示す断面図であり、２種類の光源を１つずつ配置した合計２つの光源を有する照明光学系を示す図である。

図２に示す実施例１の照明光学系１０１は、互いに種類の異なる２つの光源である第１光源１１１Ａおよび第２光源１１１Ｂと、それらの光源から発せられた各光束を合成して同一位置に収束させる光合成光学系１２１とを備えている。

さらに、この照明光学系１０１は、同一位置に収束された各光束が一端の入射面１３０Ｎから入射され、この入射面１３０Ｎから入射された各光束の光強度分布をロッドの断面内で均一化して他端の射出面１３０Ｓから射出させるロッドインテグレータ１３０とを備えている。

上記光合成光学系１２１は、第１光源１１１Ａから発せられた光束Ｋａをリレーしてロッドインテグレータ１３０の入射面１３０Ｎの中央部１３２Ｃに収束させる第１光路Ｊａを形成するための第１リレー光学部１２１Ａと、第２光源１１１Ｂから発せられた光束Ｋｂをロッドインテグレータ１３０の入射面１３０Ｎの中央部１３２Ｃに収束させる第２光路Ｊｂを形成するための第２リレー光学部１２１Ｂを有するものである。図２中に、第１光路Ｊａを通る光束Ｋａに関する光軸Ｚａ、および第２光路Ｊｂを通る光束Ｋｂに関する光軸Ｚｂを示す。

第１リレー光学部１２１Ａと第２リレー光学部１２１Ｂとは互いに異なるリレー倍率を有するものである。

第１リレー光学部１２１Ａは、第１光源１１１Ａの側から順に、第１レンズＬａ１、第２レンズＬａ２、第３レンズＬａｂ３の３枚のレンズを配してなるものである。

第２リレー光学部１２１Ｂは、第２光源１１１Ｂの側から順に、第１レンズＬｂ１、第２レンズＬｂ２、第３レンズＬａｂ３の３枚のレンズを配してなるものである。

なお、第１リレー光学部１２１Ａ中のロッドインテグレータ１３０の最も近くに配されているレンズ（第３レンズＬａｂ３）は、第２リレー光学部１２１Ｂ中のロッドインテグレータ１３０の最も近くに配されているレンズ（第３レンズＬａｂ３）と同じものである。この第３レンズＬａｂ３は、第１リレー光学部１２１Ａと第２リレー光学部１２１Ｂとに共通に利用されるものである。

また、光合成光学系１２１の有するダイクロイックミラーＨａｂが、第１リレー光学部１２１Ａの第２レンズＬａ２と第３レンズＬａｂ３との間、および第２リレー光学部１２１Ｂの第２レンズＬｂ２と第３レンズＬａｂ３との間に配されることにより、第１光路Ｊａを通る光束Ｋａと、第２光路Ｊｂを通る光束Ｋｂとが合成される。

表１Ａに、第１光路Ｊａを構成する第１のリレー光学部１２１Ａのレンズデータを示す。また、表１Ｂに第２光路Ｊｂを構成する第２のリレー光学部１２１Ｂのレンズデータを示す。なお、表１Ａおよび表１Ｂは、光源側をマイナス方向（−方向）、ロッドインテグレータ側をプラス方向（＋方向）として作成したものである。

表１Ａ、表１Ｂに示す各レンズデータにおいて、面番号Ｓｉは、最も物体側から像側に向かうに従い順次増加するｉ番目（ｉ＝１、２、３、・・・）のレンズ面等の番号を示す。なお、これらのレンズデータには光源の位置やロッドインテグレータの入射面の位置も含めて記載している。

曲率半径Ｒｉはｉ番目（ｉ＝１、２、３、・・・）の面の曲率半径を示し、面間隔Ｄｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）はｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸上における面間隔を示す。レンズデータの符号Ｒｉおよび符号Ｄｉは、レンズ面等を示す符号Ｓｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）と対応している。

Ｎｄｊは物体側から像側に向かうに従い順次増加するｊ番目（ｊ＝１、２、３、・・・）の光学要素(光学部材)について波長５８７．６ｎｍ（ｄ線）に対する屈折率を示し、νｄｊはｊ番目の光学要素(光学部材)のｄ線を基準としたアッベ数を示す。

表１Ａ、表１Ｂに示すレンズデータにおいて、曲率半径および面間隔の単位はｍｍであり、曲率半径は光源側に凸の場合を正、ロッドインテグレータ側に凸の場合を負としている。

また、表２に各リレー光学部の作用に関するデータ示す。より具体的には、光源部１１１Ａ、１１１Ｂの発光領域の大きさおよび上記各光源部から発せられる光束の拡がり角θａ１、θａ２、各リレー光学部１２１Ａ、１２１Ｂのリレー倍率、ロッドインテグレータ１３０の入射面１３０Ｎに入射する各発光領域の光学像および収束角θａ１′、θａ２′の関係を示す。

実施例２における条件式（Ａ）：ＢＨ／ＢＬ＞１．０５中の数式ＢＨ／ＢＬによって求められる値（ＢＨ／ＢＬ＝１．８）を表２の下に示す。

なお、第１光路Ｊａと第２光路Ｊｂとにおける「各発光領域の大きさ」の最大値に対する最小値の比の値０．７７（０．７７＝１１．０／１４．３）と、第１光路Ｊａと第２光路Ｊｂとにおいて形成される「各光学像の大きさ」の最大値に対する最小値の比の値０．７３（０．７３＝７．２／９．９）とは、「比の値＝１」に対する近さが同等となっている。これは、「各光学像の大きさ」を揃えるよりも、「各収束角の大きさ」を揃えることを優先したためである。

すなわち、「各収束角の大きさ」については、第１光路Ｊａと第２光路Ｊｂとにおける「各広がり角の大きさ」の最大値に対する最小値の比の値０．５０（０．５０＝２０．０／４０．０）よりも、第１光路Ｊａと第２光路Ｊｂとにおける「各収束角の大きさ」の最大値に対する最小値の比の値０．８８（０．８８＝３８．９／４４．０）の方が、「比の値＝１」に近いので、「収束角の大きさ」が揃えられていることがわかる。

ここで、リレー光学部は、各リレー光学部を通して形成される各発光領域の光学像の大きさ、およびロッドインテグレータへ入射させる各光束の収束角をバランスさせるようにリレー倍率が定められている。すなわち、「ロッドインテグレータを通して射出される各光束を合成してなる（合成）光束の光強度分布の変動をより小さくする各光学像の大きさや各収束角となるように、リレー倍率が定められている。

このように、本発明の照明光学系は、「光学像の大きさ」と「収束角の大きさ」とが両方共に揃えられる場合に限らず、いずれか一方のみが揃えられて他方が揃えられていない場合をも含むものである。

図３は、横軸に、ロッドインテグレータ１３０の射出面１３０Ｓ上を通る直線上の位置（Ｘ）を示し、縦軸に、光強度（Ｅ）を示す座標面上に、射出面１３０Ｓから射出される照明光用の光束の光強度分布を示す図である。なお、図３中の位置（Ｘ）方向の原点０は、射出面１３０Ｓの中心位置に対応している。

この図３は、各リレー光学部のリレー倍率を適切に調節した場合にロッドインテグレータから射出される照明用光束の光強度分布Ｐ１（実線）と、各リレー光学部のリレー倍率を同じ倍率とした場合にロッドインテグレータから射出される照明用光束における第１光路Ｊａを通った光束Ｋａの光強度分布Ｑ１（破線）、および第２光路Ｊｂを通った光束Ｋｂの光強度分布Ｑ２（破線）とを比較して示す図である。

より詳しくは、照明用光束の光強度分布Ｐ１（実線）は、光合成光学系１２０の光軸（各リレー光学部１２１Ａ、１２１Ｂの光軸）とロッドインテグレータ１３０の光軸とを一致させるようにして、ロッドインテグレータ１３０の入射面１３０Ｎに形成される各発光領域の光学像の大きさを揃えるとともに、各光束の収束角を揃えるように各リレー光学部１２１Ａ、１２１Ｂのリレー倍率を調節したときに射出面１３０Ｓから射出される合成された照明用光束の光強度分布を示すものである。

表２および図３等からわかるように、各リレー光学部を通して形成される各発光領域の光学像の大きさおよび入射面１３０Ｎに入射する各収束角を揃えることにより、射出面１３０Ｓから射出される照明用光束の光強度をより均一化することができ、照明光学系１０１から発せられる照明用光束の照射ムラを抑制することができる。これとともに照明光学系１０１から発せられる照明用光束の利用効率の低下を抑制できることがわかる。

＜実施例２＞
次に実施例２について説明する。

図４は、実施例２の照明光学系１０２を示す断面図である。なお、実施例２における実施例１と同様の構成については同じ符号を用いて示しその詳しい説明は省略する。

実施例２の照明光学系１０２は、２種類の光源である第１光源１１２Ｃ、第２光源１１２Ｄを有するものであり、各種類毎に光源を２つ配置した合計４つの光源を有するものである。

なお、同じ種類の光源は、少なくとも光源の発光領域の大きさ、および光源から発せられる光束の拡がり角の大きさ、および発光色が同じものである。

光合成光学系１２２は、２つの第１光源１１２Ｃ、および２つの第２光源１１２Ｄから発せられた各光束を合成して同一位置に収束させるものである。

同一位置に収束された各光束は、ロッドインテグレータ１３０に入射される。

上記光合成光学系１２２は、２つの第１光源１１２Ｃから発せられた各光束Ｋｃをリレーしてロッドインテグレータ１３０の入射面１３０Ｎの中央部１３２Ｃに収束させる第１光路Ｊｃを形成するための第１リレー光学部１２２Ｃと、２つの第２光源１１２Ｄから発せられた各光束Ｋｄをロッドインテグレータ１３０の入射面１３０Ｎの中央部１３２Ｃに収束させる第２光路Ｊｄを形成するための第２リレー光学部１２２Ｄを有するものである。

図４中に、第１光路Ｊｃを通る光束Ｋｃに関する光軸Ｚｃ、および第２光路Ｊｄを通る光束Ｋｄに関する光軸Ｚｄを示す。

第１リレー光学部１２２Ｃと第２リレー光学部１２２Ｄとは互いに異なるリレー倍率を有するものである。

第１リレー光学部１２２Ｃは、第１光源１１２Ｃの側から順に、第１レンズＬｃ１、第２レンズＬｃ２、第３レンズＬｃｄ３、平面板Ｌｃｄ４を配置してなるものである。

なお、２つの第１光源１１２Ｃそれぞれからロッドインテグレータ１３０に至るまでの光路は、レンズ設計上同一のものなので、両方の光路についてまとめて説明する。

また、後述する２つの第２光源１１２Ｄそれぞれからロッドインテグレータ１３０に至るまでの光路も、レンズ設計上同一のものなので、上記と同様に両光路についてまとめて説明する。

第２リレー光学部１２２Ｄは、第２光源１１２Ｄの側から順に、第１レンズＬｄ１、第２レンズＬｄ２、第３レンズＬｃｄ３、平行平面板Ｌｃｄ４を配置してなるものである。

なお、第１リレー光学部１２１Ａ中の最もロッドインテグレータ１３０の側に配されている第３レンズＬａｂ３、および平行平面板Ｌｃｄ４は、第２リレー光学部１２１Ｂ中の最もロッドインテグレータ１３０の側に配されている第３レンズＬｃｄ３、および平行平面板Ｌｃｄ４と同じものであり、共通に使用されるものである。

また、光合成光学系１２１の有するダイクロイックミラーＨｃｄが、第１リレー光学部１２２Ｃ中の第２レンズＬｃ２と第３レンズＬｃｄ３との間、および第２リレー光学部１２１Ｂの第２レンズＬｂ２と第３レンズＬａｂ３との間に配されることにより、第１光路Ｊｃを通る光束Ｋｃと、第２光路Ｊｄを通る光束Ｋｄとが合成される。

さらに、光合成光学系１２２の有する偏光ミラーＨｃが、第１リレー光学部１２２Ｃ中の第１レンズＬｃ１と第２レンズＬｃ２との間に配置されることにより、２つの第１光源１１２Ｃから発せられる光束が合成される。同様に、光合成光学系１２２の有する偏光ミラーＨｄが、第２リレー光学部１２２Ｄ中の第１レンズＬｄ１と第２レンズＬｄ２との間に配置されることにより、２つの第２光源１１２Ｄから発せられる光束が合成される。

表３Ｃに、第１光路Ｊｃを構成する第１のリレー光学部１２２Ｃのレンズデータを示す。また、表３Ｄに第２光路Ｊｄを構成する第２のリレー光学部１２２Ｄのレンズデータを示す。なお、表３Ｃ、表３Ｄのレンズデータは、実施例１にて説明済の表１Ａ、１Ｂのレンズデータと同じ方式により作成したものなのでその詳しい説明は省略する。

また、表４に各リレー光学部の作用に関するデータ示す。なお、表４のデータも、実施例１にて説明済の表２のデータと同じ方式により作成したものなのでその詳しい説明は省略する。

図５は、ロッドインテグレータ１３０の射出面１３０Ｓから射出される照明光用の光束の光強度分布を示す図である。すなわち、この図５は、各リレー光学部１２２Ｃ、１２２Ｄを通して形成される各発光領域の光学像およびロッドインテグレータ１３０に入射する各光束の収束角を揃えるように各リレー光学部１２２Ｃ、１２２Ｄのリレー倍率を調節したときに射出面１３０Ｓから射出される照明用光束の光強度分布Ｐ１（実線）と、各リレー光学部のリレー倍率を同じ倍率としたときに上記射出面１３０Ｓから射出される照明光用光束における第１光路Ｊｃを通った光束Ｋｃの光強度分布Ｑ１（破線）、第２光路Ｊｄを通った光束Ｋｄの光強度分布Ｑ２（破線）とを比較して示す図である。なお、図５は、実施例１にて説明済の図３と同じ方式により作成したものなのでその詳しい説明は省略する。

表４および図５等からわかるように、各発光領域の光学像の大きさおよび各光束の収束角の大きさを揃えることにより、照明光学系１０２から発せられる照明用光束の利用効率の低下および照明光の照射ムラを抑制することができる。

＜実施例３＞
次に、実施例３について説明する。

図６は、実施例３の照明光学系を示す断面図である。なお、実施例３における実施例１と同様の構成については同じ符号を用いて示しその詳しい説明は省略する。

実施例３の照明光学系１０３は、３種類の光源である、第１光源１１３Ｅ、第２光源１１３Ｆ、第３光源１１３Ｇを１つずつ配した合計３つの光源を有するものである。

光合成光学系１２３は、第１光源１１３Ｅ、第２光源１１３Ｆ、第３光源１１３Ｇそれぞれから発せられた各光束を合成して同一位置に収束させるものである。

同一位置に収束された各光束は、ロッドインテグレータ１３０の入射面１３０Ｎに入射される。

上記光合成光学系１２３は、第１光源１１３Ｅから発せられた光束Ｋｅをリレーしてロッドインテグレータ１３０の入射面１３０Ｎの中央部１３２Ｃに収束させる第１光路Ｊｅを形成するための第１リレー光学部１２３Ｅと、第２光源１１３Ｆから発せられた光束Ｋｆをロッドインテグレータ１３０の入射面１３０Ｎの中央部１３２Ｃに収束させる第２光路Ｊｆを形成するための第２リレー光学部１２３Ｆと、第３光源１１３Ｇから発せられた光束Ｋｇをロッドインテグレータ１３０の入射面１３０Ｎの中央部１３２Ｃに収束させる第３光路Ｊｇを形成するための第３リレー光学部１２３Ｇとを有するものである。

図６中に、第１光路Ｊｅを通る光束Ｋｅに関する光軸Ｚｅ、第２光路Ｊｆを通る光束Ｋｆに関する光軸Ｚｆ、および第３光路Ｊｇを通る光束Ｋｇに関する光軸Ｚｇを示す。

第１リレー光学部１２３Ｅと第２リレー光学部１２３Ｆと第３リレー光学部１２３Ｇとは互いに異なるリレー倍率を有するものである。

第１リレー光学部１２２Ｅは、第１光源１１３Ｅの側から順に、第１レンズＬｅ１、第２レンズＬｅｆ２、第３レンズＬｅｆｇ３の３枚のレンズを配してなるものである。

第２リレー光学部１２３Ｆは、第２光源１１３Ｆの側から順に、第１レンズＬｆ１、第２レンズＬｅｆ２、第３レンズＬｅｆｇ３の３枚のレンズを配してなるものである。

第３リレー光学部１２３Ｇは、第３光源１１３Ｇの側から順に、第１レンズＬｇ１、第２レンズＬｇ２、第３レンズＬｅｆｇ３の３枚のレンズを配してなるものである。

なお、第１リレー光学部１２３Ｅ中の最もロッドインテグレータ１３０の側に配されている第３レンズＬｅｆｇ３、第２リレー光学部１２３Ｆ中の最もロッドインテグレータ１３０の側に配されている第３レンズＬｅｆｇ３、第３リレー光学部１２３Ｇ中の最もロッドインテグレータ１３０の側に配されている第３レンズＬｅｆｇ３とは同じものである。

また、光合成光学系１２３の有するダイクロイックミラーＨｅｆが、第１リレー光学部１２３Ｅ中の第１レンズＬｅ１と第２レンズＬｅ２との間、および第２リレー光学部１２３Ｆの第１レンズＬｆ１と第２レンズＬｆ２との間に配されることにより、第１光路Ｊｅを通る光束Ｋｅと、第２光路Ｊｆを通る光束Ｋｆとが合成される。

さらに、光合成光学系１２２の有するダイクロイックミラーＨｅｆｇが、第２リレー光学部１２３Ｆの第２レンズＬｅｆ２と第３レンズＬｅｆｇ３との間、および第３リレー光学部１２３Ｆの第２レンズＬｇ２と第３レンズＬｅｆｇ３との間に配置されることにより、３種類の光源から発せられる光束が合成される。

表５Ｅに、第１光路Ｊｅを構成する第１のリレー光学部１２３Ｅのレンズデータを示す。また、表５Ｆに、第２光路Ｊｆを構成する第２のリレー光学部１２３Ｆのレンズデータを示す。さらに、表５Ｇに、第３光路Ｊｇを構成する第３のリレー光学部１２３Ｇのレンズデータを示す。

なお、表５Ｅ、表５Ｆ、表５Ｇは、実施例１にて説明済の表１Ａ、１Ｂと同じ方式により作成したものなのでその詳しい説明は省略する。

また、表６に各リレー光学部の作用に関するデータ示す。なお、表６は、実施例１にて説明済の表２と同じ方式により作成したものなのでその詳しい説明は省略する。

図７は、ロッドインテグレータ１３０の射出面１３０Ｓから射出される照明光用の光束の光強度分布を示す図である。すなわち、この図７は、各リレー光学部１２３Ｅ、１２３Ｆ、１２３Ｇを通して形成される各発光領域の光学像およびロッドインテグレータ１３０に入射する各光束の収束角を揃えるように各リレー光学部１２３Ｅ、１２３Ｆ、１２３Ｇのリレー倍率を調節したときに射出面１３０Ｓから射出される照明用光束の光強度分布Ｐ１（実線）と、各リレー光学部のリレー倍率を同じ倍率としたときに上記射出面１３０Ｓから射出される照明用光束における第１光路Ｊｅを通った光束Ｋｅの光強度分布Ｑ１（破線）、第２光路Ｊｆを通った光束Ｋｆの光強度分布Ｑ２（破線）、第３光路Ｊｇを通った光束Ｋｇの光強度分布Ｑ３（破線）とを比較して示す図である。なお、図７は、実施例１にて説明済の図３と同じ方式により作成したものなのでその詳しい説明は省略する。

表６および図７等からわかるように、各発光領域の光学像および各光束の収束角を揃えることにより、照明光学系１０３から発せられる照明用光束の利用効率の低下および照明光の照射ムラを抑制することができる。

上記のように、本発明の照明光学系および投射型表示装置によれば、装置サイズを大型化することなく、照明光の利用効率の低下や照射ムラ（光強度のムラや色ムラ）の発生を抑制することができる。

Claims (16)

1. 少なくとも、１つの光源と他の光源との種類が異なる複数の光源と、
   該光源から発せられた各光束を合成して同一位置に収束させる光合成光学系と、
   前記同一位置に収束された各光束が一端から入射され、該一端から入射された各光束の光強度分布を均一化して他端から射出させるロッドインテグレータとを備え、
   前記光合成光学系が、各光源毎にリレー光学部を配置してなるものであり、少なくとも１つのリレー光学部は他のリレー光学部と異なるリレー倍率を有するものであり、
   前記種類の異なる光源が、異なる大きさの発光領域を有するものであり、
   前記各リレー光学部が、該リレー光学部を通して形成される各発光領域の光学像の大きさを揃えるようにリレー倍率が定められたものであることを特徴とする照明光学系。
2. 少なくとも、１つの光源と他の光源との種類が異なる複数の光源と、
   該光源から発せられた各光束を合成して同一位置に収束させる光合成光学系と、
   前記同一位置に収束された各光束が一端から入射され、該一端から入射された各光束の光強度分布を均一化して他端から射出させるロッドインテグレータとを備え、
   前記光合成光学系が、各光源毎にリレー光学部を配置してなるものであり、少なくとも１つのリレー光学部は他のリレー光学部と異なるリレー倍率を有するものであり、
   前記種類の異なる光源が、異なる拡がり角を持つ光束を発するものであり、
   前記各リレー光学部が、前記ロッドインテグレータへ入射する各光束の収束角を揃えるように前記リレー倍率が定められたものであることを特徴とする照明光学系。
3. 以下の条件式（Ａ）を満足することを特徴とする請求項１または２記載の照明光学系。
   ＢＨ／ＢＬ＞１．０５ ・・・（Ａ）
   ＢＨ：各リレー光学部に定められたリレー倍率のうち最も高いリレー倍率
   ＢＬ：各リレー光学部に定められたリレー倍率のうち最も低いリレー倍率
4. 前記種類の異なる光源が、互いに異なる色の光を発するものであるであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の照明光学系。
5. 前記リレー光学部中の最も前記ロッドインテグレータの側に配されたレンズが、全ての前記リレー光学部について共通に使用されるものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の照明光学系。
6. 前記複数の光源それぞれから前記ロッドインテグレータの入射面までの各光路長が互いに等しいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の照明光学系。
7. 前記光源が、ＬＥＤ光源であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の照明光学系。
8. 前記光源が、レーザ光源であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の照明光学系。
9. 前記ロッドインテグレータが、中実のロッドからなるものであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の照明光学系。
10. 前記ロッドインテグレータが、中空のロッドからなるものであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の照明光学系。
11. 以下の条件式（Ａ１）を満足することを特徴とする請求項３記載の照明光学系。
    ＢＨ／ＢＬ≧１．２ ・・・（Ａ１）
12. 以下の条件式（Ａ２）を満足することを特徴とする請求項３記載の照明光学系。
    ＢＨ／ＢＬ≧１．８ ・・・（Ａ２）
13. 以下の条件式（Ａ′）を満足することを特徴とする請求項３記載の照明光学系。
    ５．０≧ＢＨ／ＢＬ＞１．０５ ・・・（Ａ′）
14. 以下の条件式（Ａ１′）を満足することを特徴とする請求項３記載の照明光学系。
    ５．０≧ＢＨ／ＢＬ≧１．２ ・・・（Ａ１′）
15. 以下の条件式（Ａ２′）を満足することを特徴とする請求項３記載の照明光学系。
    ５．０≧ＢＨ／ＢＬ≧１．８・・・（Ａ２′）
16. 請求項１から１５のいずれか１項記載の照明光学系と、
    該照明光学系から発せられた照明用の光束で照明され、該照明用の光束を変調する光変調素子と、
    前記光変調素子によって変調された画像情報を表す光束を投写するための投写用レンズとを備えたことを特徴とする投写型表示装置。

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