JP6724440B2 - 照明光生成光学系および画像表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、照明光生成光学系および画像表示装置に関する。

「透過型や反射型の液晶パネルやＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）」等の２次元的な画素配列を有する画像表示素子を照射し、画像表示素子に表示された画像に從って変調された画像光を、結像光学系により結像させて画像表示する画像表示装置は、プロジェクタ等として広く実施されている。

このような画像表示装置において、光源から放射される光束をリレー光学系によりロッドインテグレータ等の「光伝送素子」の入射端面の位置に導光し、光伝送素子の射出端面に均一な照度分布を形成させ、このように形成された「均一な照度分布を持つ光」を画像表示素子の照明に供するものが知られている（特許文献１、２等）。

この明細書に謂う「光伝送素子」は、入射端面から入射する光を射出端面に向けて伝送して射出端面に均一な照度分布を形成する光学素子であり、上述のロッドインテグレータやライトトンネル、ライトパイプ等、種々のものが知られている。

光源から放射される光束を光伝送素子の入射端面の位置に導光するリレー光学系は、基本的には、光源における発光部の実像を光伝送素子の入射端面の位置に結像させる「結像光学系」であり、特許文献１や２に記載されたものを初め、種々のものが知られている。

この発明は、均一な照度分布を有する照明光を生成する新規な照明光生成光学系の実現を課題とする。

この発明の照明光生成光学系は、均一な照度分布を有する照明光を生成する照明光生成光学系であって、ｍ（＞１）個の光源と、前記ｍ個の光源に共通化された光伝送素子と、個々の前記光源から放射される発散性の光束を、前記光伝送素子の入射端面に向けて導光し、該入射端面の位置に、前記光源の発光部の像を結像するｎ（１≦ｎ≦ｍ）種のリレー光学系と、該ｎ種のリレー光学系の光路を合成する光路合成部材と、を有し、前記ｎ種のリレー光学系の個々は、少なくとも２枚のレンズ素子を有し、且つ、前記光伝送素子に最も近いレンズ素子が全ての前記リレー光学系に共用され、少なくとも１種のリレー光学系は、前記入射端面に導光される光束を、前記入射端面の受光領域に向かって窄めるための歪曲収差：Ｄｉｓｔ（％）を有し、該歪曲収差：Ｄｉｓｔ（％）は、条件：
（１） Ｄｉｓｔ ＜ −５．０
を満足し、前記光伝送素子は、入射端面から入射する光を射出端面に向けて伝送して前記射出端面に均一な照度分布を形成するものであって、前記ｍ種の光源の個々から前記リレー光学系の個々を介して入射する光を混合するものである。

この発明によれば、新規な照明光生成光学系を実現できる。

リレー光学系を説明するための図である。 リレー光学系の負の歪曲収差を説明するための図である。 画像表示装置の実施の１形態を説明するための図である。 照明光生成光学系の実施の１形態を説明するための図である。 ２種のリレー光学系の実施例を説明するための図である。 実施例のリレー光学系の歪曲収差を示す図である。 実施例のレー光学系の歪曲収差を、縦横１１本のディストーション格子上で示す図である。 実施例におけるレンズＬ３の光源側の凸面の非球面形状を説明するための図である。 実施例のリレーレンズ系における軸外主光線の振る舞いを説明するための図である。

以下、図を参照しながら説明する。
図１は、リレー光学系を説明するための図である。
図１（ａ）において、符号ＬＳは光源、符号ＬＰＧは光伝送素子、符号ＲＬはリレー光学系を示している。
説明の具体性のため、光源ＬＳとしてはＬＥＤ（発光ダイオード）を想定しているが、勿論、これに限定されるものではなく、ＬＤ（半導体レーザ）やＥＬ（エレクトロルミネセンス素子）等、種々の固体発光素子を用いることが可能であり、固体発光素子以外の光源手段を用いることもできる。
図１（ｂ）、（ｃ）の左図に、光源ＬＳとしての２種のＬＥＤの発光端面ＬＳ１、ＬＳ２を示す。発光端面ＬＳ１は端面内に矩形状の発光部Ｅ１を有し、発光端面ＬＳ２は端面内に矩形状の発光部Ｅ２を有する。発光部Ｅ１、Ｅ２の縦横比を表す「アスペクト比」は、発光部Ｅ１では「１６：９」で横方向が長く、発光部Ｅ２では「４：３」で横方向が長い。

光伝送素子ＬＰＧは説明中の例では「ライトトンネル」を想定しているが、勿論、これに限定されるものではなく、前述の如く、ロッドインテグレータやライトパイプ等、公知の種々のものを使用できる。
図１（ｂ）、（ｃ）の中央に、光伝送素子ＬＰＧとしてのライトトンネルの２種の入射端面ＬＰＧ１、ＬＰＧ２を例示する。入射端面ＬＰＧ１は矩形状の受光領域ＬＲ１を有し、入射端面ＬＰＧ２は矩形状の受光領域ＬＲ２を有する。
光伝送素子ＬＰＧとしてのライトトンネルは「矩形状の断面形状を持つ中空の導光路（トンネル）」を有し、導光路の４面は反射面となっている。受光領域ＬＲ１、ＬＲ２は、導光路の入り口であり、伝送される光は受光領域ＬＲ１、ＬＲ２から入射して、上記４面の反射面による反射を繰り返しつつトンネル内を伝搬し、射出端面から射出する。
トンネル内を伝搬する光には「反射角を異にする多数の反射光」が含まれ、これらの反射光が伝搬の過程で混合されることにより、光伝送素子ＬＰＧの射出端面から射出する光は、射出端面内で均一な照度分布となる。
上の説明から明らかなように「光伝送素子が伝送する光」は、入射端面の受光領域に入射する光のみである。例示する受光領域ＬＲ１はアスペクト比：４：３、受光領域ＬＲ２はアスペクト比：１６：９である。

リレー光学系ＲＬは、図示の例では、２枚のレンズ素子ＬＮ１、ＬＮ２を有する。
「リレー光学系」は、少なくとも２枚のレンズ素子を有する。從って、リレー光学系が有するレンズ素子の枚数は２枚に限らず、３枚以上であることもできる。
「レンズ素子」は、屈折力によるレンズ作用を持つ光学素子であり、図１（ａ）に例示されたレンズ素子ＬＮ１、ＬＮ２は、共に正の屈折力を持つレンズであるが、これに限らず、フレネルレンズや「屈折率分布型レンズ」等であることができる。
また、リレー光学系は「光源の発光部の実像を結像する」ものであるから、全体として「正の屈折力」有すればよく、リレー光学系を構成するレンズ素子のうちに「負の屈折力を有するもの」が含まれていてもよい。さらに、リレー光学系は「光源の発光部から光伝送素子ＬＰＧの入射端面の位置に至る光路」を折り曲げるための反射面素子を有することができる。

図１（ａ）に示すように、光源ＬＳの発光部から放射される発散性の光束が、レンズ素子ＬＮ１により取り込まれる角（以下「取り込み角」という。）をθ１、レンズ素子ＬＮ１に取り込まれ、レンズ素子ＬＮ２により光伝送素子ＬＰＧの入射端面の位置に集束する角（以下「集束角」という。）をθ２とする。
このとき、リレー光学系ＲＬの角倍率：γは、
γ＝θ２/θ１
であり、リレー光学系ＲＬの横倍率：ｍＴは、角倍率の逆数「１/γ」であるから、
ｍＴ＝θ１／θ２
で与えられる。
図１（ｂ）、（ｃ）の右図は、発光部Ｅ１、Ｅ２の実像を受光領域ＬＲ１、ＬＲ２に結像させた状態を示している。この図では、リレー光学系ＲＬの諸収差が良好に補正されている場合が想定されている。即ち、発光部Ｅ１の像ＩＥ１は、発光部Ｅ１と実質的に相似形であり、発光部Ｅ１と同様のアスペクト比：１６：９である。また、発光部Ｅ２の像ＩＥ２は、発光部Ｅ２と実質的に相似形で、発光部Ｅ２と同様のアスペクト比：４：３である。

図示のように、発光部と受光領域とでアスペクト比が異なる場合、発光部の実像の一部が受光領域から食み出す状況が生じる場合がある。受光領域から食み出した像部分の光は「受光領域によりケラれ」るので、光伝送素子により伝送されない。即ち、このような場合、光源から放射される光の利用効率が抑制されてしまう。
この問題に対処する方法の一つとして、リレー光学系ＲＬの結像の横倍率：ｍＴを小さく設定し、発光部の実像が「受光領域内に収まる」ようにすることが考えられる。
しかしながら、リレー光学系の結像倍率：ｍＴは、上述の如く、取り込み角：θ１と集束角：θ２の比：θ１/θ２で与えられるので、結像倍率：ｍＴを小さくすることは、集束角：θ２に相対的に取り込み角：θ１を小さくすることを意味する。
從って、結像倍率：ｍＴを小さくすると「光源から取り込む光量自体が減少する」ことになり、この場合も「光の利用効率」を高める上で問題が残る。

この発明の照明光生成光学系に用いられるリレー光学系では、リレー光学系に意図的に付与される「負の歪曲収差」により「光利用効率を有効に向上」させる。
即ち、リレー光学系に付与される負の歪曲収差は、結像面である「光伝送素子の入射端面」に結像する像を「樽型に縮小」する作用を有するので、負の歪曲収差により「入射端面に導光される光束を入射端面の受光領域に向かって窄める」ことにより、入射端面に結像する発光部の実像の「受光領域からの食み出し量」を低減させることができる。
從って「受光領域によるケラれ」を有効に軽減して、光利用効率を有効に向上させることができる。
図１（ｄ）と（ｅ）に、上に説明した内容を説明図的に示す。図１（ｄ）は、受光領域ＬＲ１に結像する像ＩＥ１が、負の歪曲収差により樽型の像ＩＥ１０に縮小された場合を
示す。図１（ｅ）は、受光領域ＬＲ２に結像する像ＩＥ２が、負の歪曲収差により樽型の像ＩＥ２０に縮小された場合を示す。

具体的な場合の１例を図２に示す。
図２（ａ）は、リレー光学系の「負の歪曲収差」の１例であり、この例では、負の歪曲収差は（絶対値で１％以下）に小さく補正されている。このようにリレー光学系の歪曲収差が「十分に補正」されている場合には、例えば、アスペクト比：４：３の発光部の実像は図２（ｂ）に示すように発光部と実質的に等しいアスペクト比をもった形状となる。
図２（ｃ）では、リレー光学系の「負の歪曲収差」は絶対値で１０％まで大きい。このようにリレー光学系が「負の大きい歪曲収差」を有すると、結像された発光部の実像は、図２（ｄ）に示す如く「樽型」に変形し、歪曲収差が小さい場合に比して「縮小」されている。

若干付言すると、上の説明から明らかなように、光伝送素子の受光領域のアスペクト比を「光源における発光部のアスペクト比（例えば４：３）」に等しく設定し、発光部の実像が受光領域と同じ大きさになるように「リレー光学系による横倍率（＝ｍＴ）」を設定すれば前述した「受光領域によるケラれ」の問題を回避できる。
しかし、このような場合でも、リレー光学系の倍率：ｍＴを「さらに大きく設定」して光源からの取り込み角：θ１を大きくし「より多くの光をリレー光学系により光伝送素子に向けて導光」するとともに、倍率の増加分により受光領域から食み出す部分を「負の歪曲収差」により受光領域側に窄めて、光の利用効率をより高めることができる。
また、後述する具体的な例のように、複数種の光源からの光を「光源ごとに設けたリレー光学系」により「共通の光伝送素子」に導光する場合、光源の発光部のアスペクト比は光源の種類により異なる場合がある。このような場合、光伝送素子の受光領域のアスペクト比を「全ての光源の発光部のアスペクト比に合わせる」ことはできない。

このような場合においても、光源と光伝送素子を光学的に関連付けるリレー光学系における負の歪曲収差を調整することにより、アスペクト比の違いに起因する「受光領域によるケラれ」を有効に軽減させることができる。

以下、画像表示装置の実施の１形態を、図３以下を参照して説明する。
この画像表示装置は、リレー光学系と照明光生成光学系とを有する。
図３に符号１００で示す「画像表示装置」は、カラー画像を投射表示するプロジェクタであり、以下、プロジェクタ１００とも言う。プロジェクタ１００は、画像表示素子３を照明光により照射し、画像表示素子３に表示された画像に從って変調された画像光５を、結像光学系４によりスクリーン上に拡大画像として結像させて「画像表示」する。
結像光学系４は、従来から種々のものが広く知られており、これら周知のものを適宜用いることができる。また、画像表示素子３も、液晶パネル等の種々のものを適宜利用できるが、図３に示す例ではＤＭＤである。從って、以下では、画像表示素子３をＤＭＤ３とも称する。

図３において、符号１は「光伝送素子」を示し、符号２は「照明光学系」を示している。光伝送素子１としては、前述の如くロッドインテグレータやライトパイプ等、種々のものを使用できるが、図３に示しているのは「ライトトンネル」である。從って、以下において、光伝送素子１を「ライトトンネル１」とも称する。また、後述の如く、光伝送素子１を「光ミキシング素子」と言うこともある。
図３において、符号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３はそれぞれ「光源」を示す。これら光源Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３も、前述の如く、ＬＤやＥＬ等、種々のものを用いることができるが、説明中の光源Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は何れもＬＥＤで、電源１０１により駆動される。電源１０１は、ＤＭＤ３の駆動等も行う。

光源Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は「互いに発光波長スペクトルが異なる」ものであるが、光源Ｐ１とＰ３とは「形態的な仕様は同一で、発光部の形状は同形・同大」であり、放射される光（波長は異なる）の発散角も共通である。これに対し、光源Ｐ２は光源Ｐ１、Ｐ３とは異なる発散角を持ち、発光部の形状・サイズも異なる。

説明中の例においては、光源Ｐ１の発光波長は６２０ｎｍ（赤色光）、光源Ｐ３の発光波長は４６０ｎｍ（青色光）であり、光源Ｐ２の発光波長は６２０ｎｍ（緑色光）である。

從って、以下において光源Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３をそれぞれ「赤色光源Ｐ１、緑色光源Ｐ２、青色光源Ｐ３」とも称する。

図３において符号「Ｍ」で示す部分は、光源Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３とライトトンネル１とを光学的に結合する部分であり、３つのリレー光学系Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が組み合わせられている。
図３における光源Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３と、符号Ｍで示す部分と、ライトトンネル１とは「照明光生成光学系」を構成する。
この照明光生成光学系を図４に即して説明する。
図４（ａ）は、照明光生成光学系を示し、（ｂ）は、ライトトンネル１を斜視図として示している。
リレー光学系Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は、それぞれ、３枚のレンズで構成されている。光源Ｐ１に対応するリレー光学系Ｍ１は、３枚のレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３を有し、レンズＬ２とＬ３との間にクロスダイクロイックミラー９が配設されている。
クロスダイクロイックミラー９は、２枚のダイクロイックミラー９Ａ、９Ｂを互いに直交させて組み合わせたものであり、ダイクロイックミラー９Ａ、９Ｂの法線は共に、リレー光学系Ｍ１の光軸に対して４５度をなしている。

前述の如く、光源Ｐ１とＰ３とは「形態的な仕様は同一で、発光部の形状は同形・同大であり、放射される光の発散角も共通」である。即ち、リレー光学系Ｍ１とリレー光学系Ｍ３とは「光学系として同一（同一種）」である。従って、リレー光学系Ｍ３を構成する３枚のレンズにも、リレー光学系Ｍ１を構成する３枚のレンズと同一の符号Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を付した。
リレー光学系Ｍ２は、光源Ｐ２からの光をライトトンネル１の入射端面に導光するものである。光源Ｐ２は、光源Ｐ１、Ｐ３とは形態も放射される光の発散角も異なるので、リレー光学系Ｍ１、Ｍ３とは異なったもの（異種）となる。
リレー光学系Ｍ２は、３枚のレンズＬ１’、Ｌ２’、Ｌ３により構成されている。

即ち、リレー光学系Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は、何れも３枚のレンズにより構成されるが、これらのうちで、最もライトトンネル１の入射端面に近いレンズＬ３は、３つのリレー光学系Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３に共用されている。
クロスダイクロイックミラー９のダイクロイックミラー９Ａは、赤色光源Ｐ１から放射される赤色光と、緑色光源Ｐ２から放射される緑色光とを透過させ、青色光源Ｐ３から放射される青色光を反射する。
ダイクロイックミラー９Ｂは、赤色光源Ｐ１から放射される赤色光と、青色光源Ｐ３から放射される青色光とを透過させ、緑色光源Ｐ２から放射される緑色光を反射する。

「光伝送素子」であるライトトンネル１は、図４（ｂ）に示す如く「中空の四角柱状」であり、中空のトンネル部１Ｃは４面が反射面をなしている。伝送される光は、入射端面における矩形形状の受光領域１Ａから入射し、トンネル部１Ｃの反射面で反射されつつ射出端面の出口領域１Ｂから射出する。このとき、伝送される光はトンネル部１Ｃの反射面で反射を繰り返すことで、光強度の異なる部分が平均化され、出口領域１Ｂから射出するときには「均一な照度分布」となっている。

図４（ａ）に示すように、ライトトンネル１の入射端面部と、光源Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３とはそれぞれ、リレー光学系Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３により共役関係とされている。
即ち、赤色光源Ｐ１の発光部から放射された赤色光は、レンズＬ１とＬ２を透過し、ダイクロイックミラー９Ａ、９Ｂを透過してレンズＬ３に入射し、レンズＬ３の集光作用によりライトトンネル１の入射端面部に集光して、発光部の赤色像を結像する。
緑色光源Ｐ２の発光部から放射された緑色光は、レンズＬ１’とＬ２’を透過し、ダイクロイックミラー９Ａを透過し、ダイクロイックミラー９Ｂにより反射されて、レンズＬ３に入射し、レンズＬ３の集光作用により、ライトトンネル１の入射端面部に集光して、発光部の緑色像を結像する。
青色光源Ｐ３の発光部から放射された青色光は、レンズＬ１とＬ２を透過し、ダイクロイックミラー９Ｂを透過し、ダイクロイックミラー９Ａにより反射されて、レンズＬ３に入射し、レンズＬ３の集光作用により、ライトトンネル１の入射端面部に集光して、発光部の青色像を結像する。
上記の如く、ダイクロイックミラー９Ａと９Ｂとにより構成されるクロスダイクロイックミラー９は、リレー光学系Ｍ１〜Ｍ３の光路を合成してライトトンネル１に向かわせる機能を持つ。即ち、クロスダイクロイックミラー９は「光路合成部材」である。

ライトトンネル１の入射端面位置に集光した前記赤色光、緑色光、青色光は、ライトトンネル１の受光領域１Ａから入射して出口領域１Ｂに導光され、出口領域に各色光の均一な照度分布を形成する。
このように、光伝送素子としてのライトトンネル１は、赤色光源Ｐ１からの赤色光、緑色光源Ｐ２からの緑色光、青色光源Ｐ３からの青色光を伝送の過程で混合（ミキシング）する機能を持っている。從って、以下の説明において、ライトトンネル１を「光ミキシング素子１」とも称する。
光ミキシング素子１により伝送された光は、出口領域１Ｂに均一な照度分布を形成し、「照明光」として射出する。このようにして照明光が生成される。

ここで再び、図３を参照すると、光ミキシング素子１から射出した照明光は、照明光学系２により画像表示素子であるＤＭＤ３の「画像表示面」に照射される。
ＤＭＤ３の画像表示面には「微小なミラーによる画素」が２次元的に配列され、これらミラーの選択的な傾きにより画像が表示される。
照明光学系２は、レンズ系による屈折光学系６と、反射鏡７、８とを有する。反射鏡８は凹面鏡である。光ミキシング素子１から入射した照明光は、屈折光学系６と反射鏡７を介して反射鏡８に入射し、反射鏡８によりＤＭＤ３の画像表示面に、照明光として照射される。照明光学系２は、光ミキシング素子１の射出端面位置と、ＤＭＤ３の画像表示面とを共役関係としており、光ミキシング素子１の出口領域に形成された「均一な照度分布」を物体として、画像表示面上に出口領域の「均一な照度分布」の実像を結像する。
從って、ＤＭＤ３の画像表示面は均一な光強度の照明光により照明され、画像表示面に表示された画像に從って変調されて画像光となる。
結像光学系４に入射した画像光は、結像光束５となって射出し、スクリーン上に画像の拡大像を投射画像として結像する。

再び、図４を参照すると、図４に即して説明した照明光生成光学系は「均一な照度分布を有する照明光を生成する照明光生成光学系」である。
この照明光生成光学系は、３個の光源Ｐ１〜Ｐ３と、これら３個の光源Ｐ１〜Ｐ３に共通化された光伝送素子１と、個々の光源Ｐ１〜Ｐ３から放射される発散性の光束を、光伝送素子１の入射端面に向けて導光し、該入射端面の位置に、光源Ｐ１〜Ｐ３の発光部の実像を結像する２種のリレー光学系Ｍ１（Ｍ３）およびＭ２と、該２種のリレー光学系の光路を合成する光路合成部材９と、を有する。
２種のリレー光学系Ｍ１（Ｍ３）およびＭ２の個々は、３枚のレンズ素子Ｌ１（Ｌ１’）、Ｌ２（Ｌ２’）、Ｌ３を有し、且つ、光伝送素子１に最も近いレンズ素子Ｌ３が全てのリレー光学系Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３に共用されている。

リレー光学系Ｍ１とリレー光学系Ｍ３は「同一構成の光学系」であり、リレー光学系Ｍ２は「これらとは異なる光学系」である。
即ち、図４に示す照明光生成光学系は、２種のリレー光学系を有する。
これらのうちの少なくとも１種は、光伝送素子１の入射端面に導光される光束を受光領域に向かって窄めるための「負の歪曲収差」を有する。
若干補足する。
図３、図４に即して説明した実施の形態においては、照明光生成光学系は、３つの光源Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を有し、これらの光源の個々に対応して３つのリレー光学系Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３を有する。
しかし、この場合に限らず、照明光生成光学系が有するべき光源の数：ｍは２であってもよいし４以上であってもよい。２個の光源を用いる場合や４個の光源を用いる場合は、従来から知られており、例えば、特許文献１の図２には「２個の光源を用いる場合」が、また図４には「４個の光源を用いる場合」が開示されている。この発明の照明光生成光学系を構成するにあたっても、これらの例に類した構成を採用できる。

この発明の照明光生成光学系に用いられるｍ（＞１）個の光源は互いに異なる。ｍ個の光源が「互いに異なる」とは、以下の如き場合である。
ア．発光部のアスペクト比が互いに異なる。
ロ．発光部の大きさが互いに異なる。
ハ．配光特性が互いに異なる。
ニ．発光波長スペクトルが互いに異なる。
図４を参照して上に説明した例に即して言えば、光源Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、互いに発光波長スペクトルが異なる（上記「ニ」）。また、光源Ｐ１とＰ３は、発光部のアスペクト比と配光特性は同一であるが、発光波長スペクトルは互いに異なり（上記「ニ」）、光源Ｐ２は、光源Ｐ１、Ｐ３とは「発光部のアスペクト比、大きさ、配光特性、発光波長スペクトル」の何れも異なる（上記「ア〜ニ」）」。

これに対して、リレー光学系Ｍ１、Ｍ３は「同種の光学系」であり、リレー光学系Ｍ２は「これらとは異種の光学系」である。
即ち、ｍ（＞１）個の光源を用いる場合であれば、ｍ個の光源に対応してリレー光学系もｍ個であるが、これらｍ個のリレー光学系のうちに「同種のものが複数」あってもよい。即ち、リレー光学系の種類数：ｎは「１≦ｎ≦ｍ」である。

ｎ種のリレー光学系のうちの少なくとも１種は「光伝送素子の入射端面に導光される光束を、受光領域に向かって窄めるための負の歪曲収差」を有する。即ち、リレー光学系がｎ種あるとすれば、そのうちの少なくとも１種は「光伝送素子の入射端面に導光される光束を受光領域に向かって窄めるための負の歪曲収差」を有するのである。

これにより、負の歪曲収差を持つリレー光学系により導光される光の「利用効率」を有効に高め、明るい投射画像を実現できるようになる。
勿論、ｎ種のリレー光学系の全てが上記の如き「負の歪曲収差」を有してよいことは言うまでもない。しかし、上に説明したｍ＝３、ｎ＝２の場合に、例えば、リレー光学系Ｍ２を「光源Ｐ２の発光部の像が、光ミキシング素子１の受光領域から食み出さない」ように光学特性を設定すれば、リレー光学系Ｍ２には「負の歪曲収差」を付与する必要は必ずしもない。このような場合には、残りの１種のリレー光学系Ｍ１、Ｍ３に対して「負の歪曲収差」を与えるようにすれば、光源Ｐ１、Ｐ３からの光の利用効率を有効に高めることができる。

所望の「負の歪曲収差」を設定することは、図４の例で言えば、３枚のレンズＬ１（Ｌ１’）、Ｌ２（Ｌ２’）、Ｌ３の形状や材質、配置等の設計により実現できる。
図３、図４に示した形態例では、３つのリレー光学系Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３において、最も光ミキシング素子１に近いレンズＬ３が、３つのリレー光学系に共用されているので、このレンズＬ３を用いて「負の歪曲収差の設定」を行うことができる。
レンズＬ３による「負の歪曲収差の設定」として好ましいのは、レンズＬ３の光源側のレンズ面を凸面とし、この凸面を非球面形状とすることにより負の歪曲収差を設定することである。

「負の歪曲収差」は、リレー光学系により光伝送素子の入射端面に導光される光束を、前記入射端面の受光領域に向かって窄め「光の利用効率を高める」ためのものである。
光源の発光部と「光伝送素子の入射端面」とは、これらを光学的に結ぶリレー光学系により共役関係とされ、このリレー光学系の結像倍率は、光源の発光部の形状（アスペクト比）や大きさと、光伝送素子の受光領域の形状や大きさとが適合するように最適化されて設定される。このように設定されても、上記入射端面に結像する発光部の実像が上記「受光領域」から食み出す場合があり、リレー光学系に付与される「負の歪曲収差」は、光束を窄めることにより「受光領域からの食み出し分」を減少させるのである。

從って、光の利用効率を高める効果は、上記食み出し分を「減少させる程度」により異なる。実用的な観点からして、このような効果を有効に得るために、ｎ種のリレー光学系のうちの少なくとも１種の持つ歪曲収差：Ｄｉｓｔ（％）が、条件：
（１） Ｄｉｓｔ ＜ −５．０
を満足するようにする。

さらに好ましくは、上記歪曲収差は、以下の条件：
（２） −２５．０ ＜ Ｄｉｓｔ ＜ −１０．０
を満足するのが良い。

条件（１）の上限を超える場合には「受光領域からの食み出し分を減少させる程度」が小さく、光の利用効率の増大に有効な寄与を期待できない。

条件（２）の上限より小さい「負の歪曲収差」では「受光領域からの食み出し分を減少させる程度」が大きくなり、光の利用効率を有効に増大させることができる。
負の歪曲収差が小さく（絶対値で大きく）なるほど「入射端面に結像するスポット（発光部の実像で樽型に変形している。）」は小さくなり、受光領域で取り込まれる光量は増大する。しかし、条件（２）の下限を超える場合には、光伝送素子の受光領域に集光する光束の最大入射角が大きくなる。

光伝送素子として上に説明したライトトンネル１を用いる場合だと、受光領域に大きな入射角で入射した光は、ライトトンネル内での反射角が小さく、出口領域から射出するときはライトトンネルの光伝送方向に対する角が大きくなり、このことは「出口領域から射出する照明光の発散角がおおきくなる」ことを意味する。
このような大きな発散角の照明光を取り込みうるためには、図３で説明した照明光学系２の開口数を大きくしなくてはならず、照明光学系２が大型化し易い。

この点を鑑みると、リレー光学系に付与される「負の歪曲収差の下限」は、条件（２）の「−２５％」が妥当である。

上に、図４を参照して説明した例では、リレー光学系Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は何れも、３枚の正レンズで構成され、光カップリング素子１に最も近く配置されたレンズＬ３が、３つのリレー光学系に共用されている。

共用されたレンズＬ３は、光源側に向けた凸面が非球面であり、該非球面の形状により負の歪曲収差を発生させている。図４においてレンズＬ３の物体側の非球面を符号「ＡＳＰ」で示した。

この非球面ＡＳＰの形状は「光軸からの高さ：ｙにおけるサグ量の、近軸曲率球面のサグ量との差：Δｘが、条件：
（３） Δｘ／ｙ ＜ ０．０３
を満足する形状」であることが好ましい。

条件（３）が満足されると、光利用効率を有効に高め得る「負の歪曲収差」を実現できる。条件（３）の上限を超えると、条件（２）の下限を超えた場合と同様になる。

以下、図４に示したリレー光学系Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の具体的な実施例を説明する。

上記の如く、リレー光学系Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３のうち、リレー光学系Ｍ１とＭ３は「同一の構成」であり、これらリレー光学系Ｍ１（Ｍ３）の構成を、図５（ａ）に示す。
図５（ｂ）には、リレー光学系Ｍ２の構成を示す。
リレー光学系Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は何れも３枚のレンズで構成され、最も光伝送素子（光ミキシング素子）１側のレンズＬ３は、リレー光学系Ｍ１〜Ｍ３に共有されている。
図５（ａ）、（ｂ）において、「物体面（発光端面）」とあるのは「光源Ｐ１〜Ｐ３であるＬＥＤの発光端面」を示し、「像面（入射端面）」とあるのは「光伝送素子である光ミキシング素子１の入射端面」を示している。
リレー光学系Ｍ１（Ｍ３）では、図５（ａ）に示す如く、物体面側から像面側に向かって順次、レンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３が配されており、図４の光学配置では、レンズＬ２とＬ３との間に「光路合成部材」であるクロスダイクロイックミラー９が配置されている。
リレー光学系Ｍ２では、図５（ｂ）に示す如く、物体面側から像面側に向かって順次、レンズＬ１’、Ｌ２’、Ｌ３が配されており、図４の光学配置では、レンズＬ２’とＬ３との間にクロスダイクロイックミラー９が配置されている。

「実施例」
以下、リレー光学系Ｍ１（Ｍ３）、Ｍ２の実施例を挙げる。実施例に関連する記号の意味は以下の通りである。
Ｙ：物体高（光源であるＬＥＤの矩形形状の発光部の対角長さの半値） 単位：ｍｍ
Ｒ：ＬＥＤの発光部のアスペクト比（短手サイズ／長手サイズ）
θ１：取り込み角 単位：度]
θ２：集束角 単位：度
ｍＴ：横倍率（＝θ１/θ２）
ｒ：面（発光端面および入射端面を含む）の曲率半径
ｄ：面間隔
ｎｄ：ｄ線の屈折率
ν：アッベ数 。

リレー光学系Ｍ１（Ｍ３）、Ｍ２に共用されるレンズＬ３の光源側のレンズ面は非球面である。非球面は、周知の以下の式で表現する。

ｘ＝｛(1/R0)×ｙ^２｝/［1＋√(1−(1＋K)×(ｙ/R0)^２)］
＋A4×ｙ^４＋A6×ｙ^６＋A8×ｙ^８＋A10×ｙ^１０＋A12×ｙ^１２＋A14×ｙ^1４
この式において、ｙは「光軸からの高さ」を示し、ｘは「光軸から高さ：ｙにおける非球面頂点における接平面からの距離（サグ量）」を示す。また、Ｒ０は「非球面の近軸曲率半径」、Ｋは「円錐定数」、Ａ^ｉ（ｉ＝４〜１４）は「第ｉ次の非球面係数」を表す。

「リレー光学系Ｍ１（Ｍ３）」
Ｙ=2.0、Ｒ=0.81、θ１=54.7、θ２=31.2、ｍＴ=1.75
リレー光学系Ｍ１（Ｍ３）のデータを表１に示す。

表１において、最も左側の列は、発光部の側から数えた面番号であり、面番号１は発光端面、面番号８は入射端面である。面番号２〜７はレンズＬ１〜Ｌ３のレンズ面である。以下においても同様である。

面番号６（レンズＬ３の光源側のレンズ面）は非球面である。該非球面の形状を特定する円錐定数：Ｋ、非球面係数：Ａ^４〜Ａ^１４を表２に示す。

表２の表記中、例えば「−８．８５８１Ｅ−１７」は「−８．８５８１×１０^−１７」を表す。

「リレー光学系Ｍ２」
Ｙ=3.0、Ｒ=0.63、θ１=37.2、θ２=30.9、ｍＴ=1.20
リレー光学系Ｍ２のデータを表３に示す。

面番号６（レンズＬ３の光源側のレンズ面）は非球面である。レンズＬ３は、リレー光学系Ｍ１（Ｍ３）におけるものと同一であるので、該非球面のデータは上記表２のものと同一である。

リレー光学系Ｍ１（Ｍ３）の歪曲収差図を図６（ａ）に示す。
図中「Ｒ、Ｇ、Ｂ」は、波長：６２０ｎｍ、５６０ｎｍ、４６０ｎｍの光に対するものであり、図６（ａ）におけるＲとＢがそれぞれ、上に説明した赤色光源Ｐ１、青色光源Ｐ３に関するものである。赤色光については−１８％程度、青色光については−１６％程度の「負の歪曲収差」が発生している。

リレー光学系Ｍ２の歪曲収差図を上記波長：６２０ｎｍ、５６０ｎｍ、４６０ｎｍに対して図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）におけるＧが、上述の緑色光源Ｐ２に関するものであり、−１３％程度の「負の歪曲収差」が発生している。

図７に、これらのリレー光学系の歪曲収差を「縦横１１本のディストーション格子」上で示す。（ａ）はリレー光学系Ｍ１に関するものであり、（ｂ）はリレー光学系Ｍ２に関するものである。どちらのリレー光学系も「樽型の歪曲」となっている。

上に示したリレー光学系Ｍ１〜Ｍ３と組み合わせる「光伝送素子である光ミキシング素子」としては、その受光領域の対角線長(半値)が３．４ｍｍ、アスペクト比が０．７のものを用いた。
この受光領域の形状に応じて、リレー光学系Ｍ１（Ｍ３）およびリレー光学系Ｍ２の倍率（ｍＴ）を設定した。即ち、リレー光学系Ｍ１（Ｍ３）においては、光源の発光部の対角線長（半値）が２．０ｍｍであるので、倍率：ｍＴ＝１．７５とした。このとき、結像する発光部の実像の対角線長（半値）は３．５ｍｍとなり、像の周辺部は受光領域から若干食み出す。
しかし、リレー光学系Ｍ１（Ｍ３）には−１６％程度(−１８％程度)の負の歪曲収差があるので、結像する実際の像は樽型となり、対角線長(半値)は２．９４ｍｍ（２．８７ｍｍ）となって「受光領域からの食み出し量」は有効に軽減される。

リレー光学系Ｍ２については、光源の発光部の対角線長(半値)が３．０ｍｍであるので、倍率：ｍＴ＝１．２０とした。このとき、結像する発光部の実像の対角線長(半値)は、３．６ｍｍとなり、像の周辺部は受光領域から若干食み出す。
しかし、リレー光学系Ｍ２には−１３％程度の負の歪曲収差があるので、結像する実際の像は樽型となって、対角線長(半値)は３．１３ｍｍとなり「受光領域からの食み出し量」は有効に軽減される。

このようにして、赤色光源Ｐ１、緑色光源Ｐ２、青色光源Ｐ３からの光の「光伝送素子の受光領域によるケラれ」が有効に軽減され、光の利用効率が有効に向上する。

実施例として上に説明した場合に、リレー光学系の歪曲収差を十分に補正した場合に対し、上記負の歪曲収差を与えたことにより、光利用効率を「赤色光につき３％、青色光につき５％、緑色光につき４％」向上させることができた。

図８に、実施例のレンズＬ３の光源側レンズ面（第６面）の非球面形状を示す。
図８（ａ）は全体形状であり、縦軸の「レンズ高さ」は、光軸からの距離(前記非球面式における「ｙ」)をｍｍ単位で示し、横軸の「サグ量」は、光軸方向における非球面頂点における接平面からの距離（前記非球面式における「ｘ」）を示している。実線は「近軸曲率を持つ球面形状」であり、破線が非球面形状である。

図８（ｂ）は、ｙの値が０（光軸）から１０ｍｍまでの「軸側領域」の形状を拡大して示している。レンズＬ３は光源側に凸面を向けており、非球面形状のサグ量（ｘ）は、光軸から１０ｍｍを含む領域において、近軸曲率による球面のサグ量よりも大きく、曲率が急峻になっている。このため、非球面の面法線に対する光の入射角度が大きくなるため、光線が非球面により光軸側へ向かってより大きく屈折し易い。このため、光の集光作用が強くなり「大きな負の歪曲収差」を発生させることできる。

「軸外主光線の振る舞い」を図９に示す。リレー光学系の口径を絞り、軸上と軸外の主光線の光路を確認した。リレー光学系Ｍ１（Ｍ３）、Ｍ２の何れもレンズＬ３の光源側の非球面で軸外主光線が高くなっている。このような面に非球面を用いることで、大きな負の歪曲を発生させることが可能である。

なお、上記具体例で示された非球面形状の、光軸からの高さ：ｙにおけるサグ量の、近軸曲率球面のサグ量との差：Δｘと、高さ：ｙとの比：Δｘ／ｙの最大値は０．０２７であって、条件（３）を満足している。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

ＬＰＧ 光伝送素子
１ ライトトンネル、光ミキシング素子（光伝送素子）
１Ａ 受光領域
１Ｂ 出口領域
ＬＳ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 光源
ＬＮ１、ＬＮ２ レンズ素子
ＲＬ リレーレンズ系
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ リレーレンズ系
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ１’、Ｌ２’、Ｌ３ レンズ
９ 光路合成部材

特許５７１８３７５号公報 特開２００２−１８９２６３号公報

Claims (7)

1. 均一な照度分布を有する照明光を生成する照明光生成光学系であって、
   ｍ（＞１）個の光源と、
   前記ｍ個の光源に共通化された光伝送素子と、
   個々の前記光源から放射される発散性の光束を、前記光伝送素子の入射端面に向けて導光し、該入射端面の位置に、前記光源の発光部の像を結像するｎ（１≦ｎ≦ｍ）種のリレー光学系と、
   該ｎ種のリレー光学系の光路を合成する光路合成部材と、
   を有し、
   前記ｎ種のリレー光学系の個々は、少なくとも２枚のレンズ素子を有し、且つ、前記光伝送素子に最も近いレンズ素子が全ての前記リレー光学系に共用され、少なくとも１種のリレー光学系は、前記入射端面に導光される光束を、前記入射端面の受光領域に向かって窄めるための歪曲収差：Ｄｉｓｔ（％）を有し、該歪曲収差：Ｄｉｓｔ（％）は、条件：
   （１） Ｄｉｓｔ ＜ −５．０
   を満足し、
   前記光伝送素子は、入射端面から入射する光を射出端面に向けて伝送して前記射出端面に均一な照度分布を形成するものであって、前記ｍ種の光源の個々から前記リレー光学系の個々を介して入射する光を混合するものである、照明光生成光学系。
2. 請求項１記載の照明光生成光学系であって、
   前記ｎ種のリレー光学系のうちの少なくとも１種は、歪曲収差：Ｄｉｓｔ（％）が、条件：
   （２） −２５．０ ＜ Ｄｉｓｔ ＜ −１０．０
   を満足する照明光生成光学系。
3. 請求項１または２に記載の照明光生成光学系であって、
   全てのリレー光学系に共用され、前記光伝送素子の前記入射端面に最も近い前記レンズ素子が、前記光源側に凸面を有するレンズであり、該レンズの前記光源側の凸面は非球面形状を有し、該非球面形状により前記全てのリレー光学系に対して前記歪曲収差を発生させる照明光生成光学系。
4. 請求項３記載の照明光生成光学系であって、
   前記ｎ種のリレー光学系の個々が３枚のレンズで構成されている照明光生成光学系。
5. 請求項４記載の照明光生成光学系であって、
   全てのリレー光学系に共用され、前記光伝送素子の前記入射端面に最も近い前記レンズの前記非球面形状の、光軸からの高さ：ｙにおけるサグ量の、近軸曲率球面のサグ量との差：Δｘが、条件：
   （３） Δｘ／ｙ ＜ ０．０３
   を満足する照明光生成光学系。
6. 請求項１ないし５の何れか１項に記載の照明光生成光学系であって、
   前記ｍ個の光源が、種類の異なるｎ種の固体発光素子で構成された照明光生成光学系。
7. ２次元的な画素配列を有する画像表示素子を照射し、前記画像表示素子に表示された画像に從って変調された画像光を、結像光学系により結像させて画像表示する画像表示装置であって、
   請求項１ないし６の何れか１項に記載の照明光生成光学系により生成した照明光を用いて、前記画像表示素子の照明を行う画像表示装置。

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