JPWO2002031592A1 - 照明光学装置及びこれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

従来の照明光学装置は、光軸に対して傾斜した被照明領域を照明する場合、傾斜方向に明るさむらを発生する、という課題があった。ランプ１、楕円面鏡２、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ３、集光レンズ４、第１レンズ５、第２レンズ６、から構成される前置照明光学系７と、偏心レンズ９、リレーレンズ１１、とを用いて照明光学装置を構成する。リレーレンズ１１は、光軸１５に対して傾斜させて配置した第２発光面１０と第３発光面１２とをおよそ共役にする。偏心レンズ９は、光軸１４に対して適切に偏心させ、第２レンズ６からの出射光をリレーレンズ１１に有効に入射させるとともに、リレーレンズ１１で発生する明るさ傾斜を打ち消す方向の傾斜を第２発光面１０に与える。

Description

技術分野
本発明は、例えば空間光変調素子を照明するために用いることができる照明光学装置と、空間光変調素子上に形成される光学像を投写レンズによりスクリーン上に投影することのできる投写型表示装置に関するものである。
背景技術
従来、大画面用の映像機器として各種の空間光変調素子を用いた投写型表示装置が知られている。これらは、例えば透過型や反射型の液晶パネルを空間光変調素子とし、光源により液晶パネルを照明すると共に、外部から供給される映像信号に応じた光学像を液晶パネル上に形成し、投写レンズにより光学像をスクリーン上に拡大投影するものである。
投写型表示装置を構成する場合、大きい光出力を実現し、明るく、高画質な投写画像を提供することが重要である。そのためには、ランプの放射する光を高い効率で集光し、均一よく空間光変調素子を照明することのできる照明光学系を実現することが重要である。特開平３−１１１８０６号公報、特開平５−３４６５５７号公報には、光学インテグレータやガラスロッドを用いた照明光学装置が開示されている。これらは、空間光変調素子と相似形状の発光面を形成し、この発光面をリレーレンズ等によって空間光変調素子上に結像させることにより、高効率、高均一照明を実現するものである。
一方、投写型表示装置に用いられる照明光学系は、例えば、反射型の空間光変調素子を照明する際や、軸ずらし投影する際等、その用途や構成によっては空間光変調素子に対して所定の傾きを持った方向から照明光束を入射させる場合がある。しかしながら、上記従来の照明光学系を用いて斜め照明を行う場合、被照射面上に結像させた照明光束は、光軸近傍では結像条件が保持されるが、光軸から離れた位置では結像条件が崩れるため、被照射面上の有効領域に効率よく集光することが困難となる。また、被照射面の傾斜方向に対して図形が歪み、明るさむらが発生する、という問題があった。
光軸に対して傾斜した平面を効率良く照明するためには、所謂、シャインプルーフの条件則と呼ばれる、傾斜物体に関する結像条件を満たした照明光学系を実現すればよい。しかしながら、この条件則は、互いに傾斜した２つの平面の結像条件を与えるものではあっても、被照射面の傾斜方向に対して図形が歪み、明るさむらが発生する、という問題を解決するものではなく、斜め照明においては本質的な問題であった。
これに対して、シャインプルーフの条件則を２回繰り返す構成として、斜め結像における問題点を解決する方法が開示されている（例えば、特開平４−２７９１２）。
図９の（ａ）は、従来の投写型表示装置の基本的な構成の一例である。
従来の投射型表示装置は、ランプ１２１、凹面鏡１２２、集光レンズ１２３、ライトバルブ１２４、第１レンズ１２５、中間結像面１２６、反射ミラー１２７、第２レンズ１２８、スクリーン１２９、から構成される。
ランプ１２１の放射する光は、凹面鏡１２２により集光され、光軸に対しておよそ回転対称な単一光束が形成される。
集光レンズ１２３は、この単一光束を用いてライトバルブ１２４の全域を照明するとともに、ライトバルブ１２４を通過した光を第１レンズ１２５の物体側焦点１２５ａ位置の近傍に集光する。
ライトバルブ１２４は、例えば、透過型の液晶パネルが用いられ、映像信号に応じた光学像を形成する。
第１レンズ１２５は、ライトバルブ１２４を通過した光を用いて中間結像面１２６を形成する。同時に、集光レンズ１２３によって集光された光は、第１レンズ１２５の焦点１２５ａ位置の近傍を通過するので、中間結像面１２６を内包する略平行光となって第１レンズ１２５を出射する。
第１レンズ１２５の光軸１２５ｂに対してライトバルブ１２４と中間結像面１２６とは、シャインプルーフの条件則を満たすように、第１レンズ１２５の光軸１２５ｂに対して互いに傾斜して配置されている。
中間結像面１２６近傍に配置される反射ミラー１２７は、例えば、図９（ｂ）に拡大して示すような、微小反射面１２７ａを二次元的に配列したものが用いられ、第１レンズ１２５の出射光が第２レンズ１２８に効率よく入射するようにしている。
第２レンズ１２８は、中間結像面１２６上をスクリーン１２９上に再結像させる。中間結像面１２６とスクリーン１２９とは、シャインプルーフの条件則を満たすように、第２レンズ１２８の光軸１２８ｂに対して互いに傾斜して配置されている。
上記構成によれば、第１レンズ１２５で発生する図形歪が、第２レンズ１２６で発生する図形歪を打ち消すことができるので、スクリーン１２９上には、ライトバルブ１２３上の光学像と共役な歪の無い画像を形成することができる。また、第１レンズ１２５の出射光束を略平行光とすることで、第１レンズ１２５から第２レンズ１２８に至る光路中の光損失を小さくできる、といった利点がある。
図９に示す投写型表示装置は、斜め結像によって発生する図形歪とこれに起因する明るさ傾斜の問題を改善し、ランプの放射する光を効率よくスクリーン上に導くことで、明るく歪の無い投写画像を実現するものである。従って、上記構成を照明光学系に適用すれば、光軸に対して傾斜した空間光変調素子を効率よく照明することが可能になるが、以下のような課題がある。
具体的には、斜め結像に関するシャインプルーフの条件則を２回繰り返す場合、第１レンズと第２レンズの光軸が大きく屈折するため、光路折り曲げ手段が必要になる。図９では、微小反射ミラーを二次元状に配列した微小反射ミラーアレイを中間結像面の近傍に配置してこれを実現しているが、中間結像面はスクリーンと共役関係にあるため、スクリーン上に微小反射ミラーのエッジ部等が結像される。
すなわち、従来の照明光学装置または投射型表示装置では、光路折り曲げ手段の微小反射ミラーのエッジ部等がスクリーンに結像されてしまうという課題（第１の課題）がある。
第２に、図９の構成では、集光レンズによる収束光がライトバルブを照明しているため、光源の光軸に対して傾斜して配置されたライトバルブ上の明るさは、光軸に対して非対称な分布となる。ライトバルブ上の明るさ分布は、上記２回結像の作用によりスクリーン上におよそ再現されるので、光軸に対して非対称な明るさ分布を持った画像がスクリーン上に形成されてしまう。
すなわち、従来の照明光学装置または投射型表示装置では、光軸に対して非対称な明るさ分布を持った画像がスクリーン上に形成されてしまうという課題（第２の課題）がある。
発明の開示
本発明は、上記第１の課題を考慮し、光路折り曲げ手段の微小反射ミラーのエッジ部等がスクリーンに結像されてしまわない照明光学装置及び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。
また、本発明は、上記第２の課題を考慮し、光軸に対して非対称な明るさ分布を持った画像がスクリーン上に形成されてしまわない照明光学装置及び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。
上述した課題を解決するために、第１の本発明（請求項１に対応）は、光軸に対して斜めに傾いた被照明領域を照明する照明光学装置であって、
光源と、
前記光源が放射する光を集光する前置照明光学系と、
前記集光された光束を入射して第１の発光面を形成する光伝達素子と、
前記第１の発光面を通過する光を用いて前記被照明領域上に第２の発光面を形成するリレー光学系とを備え、
前記リレー光学系は、前記リレー光学系の光軸に対して傾いた前記第１の発光面と前記第２の発光面を互いに実質上共役とし、
前記光伝達素子は、出射光束が前記リレー光学系に有効に入射するように、前記入射光束の進行方向を校正して第１の発光面を形成すると共に、前記第１の発行面が前記リレー光学系で生じる明るさの傾斜を打ち消す方向の明るさの傾斜を有するように前記第１の発行面を形成する照明光学装置である。
また、第２の本発明（請求項２に対応）は、前記前置照明光学系は、前記集光された光束の明るさ分布を実質上均一にする光学インテグレータ素子を備えた第１の本発明に記載の照明光学装置である。
また、第３の本発明（請求項３に対応）は、前記光学インテグレータ素子は、第１レンズアレイと第２レンズアレイから構成される第２の本発明に記載の照明光学装置である。
また、第４の本発明（請求項４に対応）は、前記光伝達素子は、前記前置照明光学系の光軸に対して偏心させた偏心レンズ、両凸レンズ、屈折率分布型レンズ、プラスチック非球面レンズ、フレネルレンズおよびプリズム素子のいずれかである第１の本発明に記載の照明光学装置である。
また、第５の本発明（請求項５に対応）は、前記偏心レンズは、非球面を有する第４の本発明に記載の照明光学装置である。
また、第６の本発明（請求項６に対応）は、前記被照明領域の入射側近傍に照射角補正素子を備える第１の本発明に記載の照明光学装置である。
また、第７の本発明（請求項７に対応）は、光軸に対して斜めに傾いた被照明領域を照明する照明光学装置であって、
光源と、
光源の放射する光を集光して単一光束を形成し、その光軸に対し実質上直交する第１の発光面を形成する集光光学系と、
前記第１の発光面を通過する光を用いて第２の発光面を形成する第１のリレー光学系と、
前記第２の発光面を通過する光を用いて被照明領域上に第３の発光面を形成する第２のリレー光学系とを備え、
前記第１のリレー光学系は、前記第１のリレー光学系の光軸に対して傾いた前記第１の発光面と前記第２の発光面を互いに実質上共役とし、
前記第２のリレー光学系は、前記第２のリレー光学系の光軸に対して傾いた前記第２の発光面と前記第３の発光面を互いに実質上共役とし、
前記第１のリレー光学系は、前記第２のリレー光学系で生じる明るさの傾斜を打ち消す方向の明るさ傾斜を前記第１の発光面に与えて前記第２の発光面を形成する照明光学装置である。
また、第８の本発明（請求項８に対応）は、前記第１発光面の近傍、又は前記第２発光面の近傍の少なくともいずれかに光路を折り曲げるための光路折り曲げ手段を配置する第７の本発明に記載の照明光学装置である。
また、第９の本発明（請求項９に対応）は、前記光路折り曲げ手段は、前記第１の発光面を形成する集光光学系の光軸に対して偏心させた、または前記第２のリレー光学系の光軸に対して偏心させた偏心レンズ、両凸レンズ、屈折率分布型レンズ、プラスチック非球面レンズ、フレネルレンズおよびプリズム素子のいずれかである第８の本発明に記載の照明光学装置である。
また、第１０の本発明（請求項１０に対応）は、前記偏心レンズは、非球面を有する第９の本発明に記載の照明光学装置である。
また、第１１の本発明（請求項１１に対応）は、前記被照明領域の入射側近傍に照射角補正素子を備える第７の本発明に記載の照明光学装置である。
また、第１２の本発明（請求項１２に対応）は、第１〜６の本発明のいずれかに記載の照明光学装置と、
前記第２の発光面と実質上同位置に配置され、映像信号に応じた光学象を形成する空間変調素子と、
前記空間変調素子の光学像を投影する投射レンズとを備えた投射型表示装置である。
また、第１３の本発明（請求項１３に対応）は、第７〜１１の本発明のいずれかに記載の照明光学装置と、
前記第３の発光面と実質上同位置に配置され、映像信号に応じた光学象を形成する空間変調素子と、
前記空間変調素子の光学像を投影する投射レンズとを備えた投射型表示装置である。
また、第１４の本発明（請求項１４に対応）は、第７〜１１の本発明のいずれかに記載の照明光学装置と、
前記第１の発光面と実質上同位置に配置され、映像信号に応じた光学像を形成する空間変調素子を備え、
前記第１のリレーレンズ系と前記第２のリレーレンズ系とは、前記空間変調素子の光学像を前記被照明領域上に配置されたスクリーンに投影する投射型表示装置である。
また、第１５の本発明（請求項１５に対応）は、前記第１発光面の近傍に、赤、緑、および青の光を選択的に透過するカラーホイルを円盤状に配列した回転型カラーホイルを備え、
前記空間光変調素子を色順次駆動させる第１２の本発明に記載の投射型表示装置である。
また、第１６の本発明（請求項１６に対応）は、前記第２発光面の近傍に、赤、緑、および青の光を選択的に透過するカラーホイルを円盤状に配列した回転型カラーホイルを備え、
前記空間光変調素子を色順次駆動させる第１３の本発明に記載の投射型表示装置である。
発明を実施するための最良の形態
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
まず、第１の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態である照明光学装置における構成を示す図である。
本実施の形態の照明光学装置は、光源としてのランプ１、楕円面鏡２、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ３、集光レンズ４、第１レンズ５、第２レンズ６、第１発光面８、光伝達素子としての偏心レンズ９、第２発光面１０、リレー光学系としてのリレーレンズ１１、第３発光面１２、被照明領域１３、から構成される。ランプ１から第２レンズ６に至る光学系で前置照明光学系７を構成している。
次に、このような本実施の形態の動作を説明する。
前置照明光学系７は、ランプ１から放射される光を効率よく集光し、任意形状の第１発光面８を形成する。具体的には、楕円面鏡２の第１焦点Ｆ１近傍に配置されたランプ１から放射される光は、楕円面鏡２で反射され、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ３で紫外光、赤外光成分が除去された後、楕円面鏡２の第２焦点Ｆ２近傍に集光される。
集光レンズ４は、その焦点位置が楕円面鏡２の第２焦点Ｆ２位置とおよそ一致するように配置され、凹面鏡２の第２焦点Ｆ２を通過した光を、光軸１４に沿っておよそ平行に進行する光として出射させる。
第１レンズ５は、入射した平行光を第２レンズ６上に集光し、第２レンズ６は、第１レンズ５の主平面５ａとおよそ共役な第１発光面７を形成する。図１に示すように第１発光面８は、光軸１４に直交するように形成されている。従って、第１レンズ５の開口を適切に設定すれば、所望の形状の第１発光面８を形成することができる。第１発光面８の明るさ分布は、第１レンズ５の主平面５ａとおよそ等価であり、光軸１４に対しておよそ対称な明るさ分布となる。
なお、本実施の形態では、第１発光面８は、光軸１４に直交しているとして説明したが、これに限らず第１発光面８は、光軸１４に必ずしも直交していなくてもよい。
さらに、本実施の形態では、第１発光面８の明るさ分布は、光軸１４に対しておよそ対象な分布になるとして説明したが、これに限らず、第１の発光面８の明るさ分布は、光軸１４に対して対称でなくともよい。
第１発光面８の入射側近傍には、第２レンズ６の光軸１４に対して偏心した偏心レンズ９が配置される。偏心レンズ９は、第２レンズ６から出射する光を適切に屈折させて、リレーレンズ１１に有効に導く。同時に、リレーレンズ１１で発生する明るさ傾斜を打ち消すような明るさ傾斜を第１発光面８に与え、リレーレンズ１１の光軸１５に対して傾斜した第２発光面１０を形成する。リレーレンズ１１は、第２発光面１０を通過した光を用いて、光軸１５に対して第２発光面１０とは反対方向に傾斜した第３発光面１２を形成し、被照明領域１３を有効に照明する。被照明領域１３上の明るさ分布は、第１発光面８、すなわち第１レンズ５の主平面５ａとおよそ等価であり、光軸に対しておよそ対称な明るさ分布となる。
以下、上記構成における具体的な作用と効果について、図２、図３を用いて説明する。
図２は、偏心レンズ９の作用を説明するための光路図である。偏心レンズ９は、光線の入射側が非球面、出射側が平面の非球面ガラスレンズであり、第２レンズ６から出射する光をリレーレンズ１１に有効に入射させるとともに、第１発光面７とは異なる明るさ分布を持った第２発光面１０を形成する。
具体的に、偏心レンズ９の光軸２１は、リレーレンズ１１の光軸１５とおよそ平行で、かつ第２レンズ６の主点６ａ近傍を通過するように、光軸１４に対して適切に偏心されている。従って、第２レンズ６の主点６ａを通過して偏心レンズ９に入射した光は、リレーレンズ１１の光軸１５に沿っておよそ平行に進行する光として出射される。これにより、第２レンズを通過した光を、リレーレンズに有効に入射させることができる。
偏心レンズ９は、第２レンズ６の光軸１４上に形成される第１発光面８に明るさの傾斜を与え、それとは異なる位置に第２発光面１０を形成する。第２発光面１０は、リレーレンズ１１の光軸１５に対して所定の傾きを持って配置されるとともに、第１発光面８、すなわち第１レンズ５の主平面５ａ上の明るさ分布とは異なった分布を有している。
明るさ分布の違いをわかり易く説明するために、第１レンズ５に入射する平行光束２０を等間隔に分割し、分割後の光線をＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５とする。光線Ｌ３は第２レンズ６の光軸１４に相当する。また、分割後の各光線の間隔をＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とする。主平面５ａ上における各光線の間隔は等しく、Ｓ１＝Ｓ２＝Ｓ３＝Ｓ４、である。
第１レンズ５の主平面５ａを通過した光線Ｌ１は、第２レンズ６の主点６ａを通過し、偏心レンズ９で屈折された後、リレーレンズ１１の光軸１５に沿っておよそ平行に進行する光となって第２発光面１０上の点Ｐ１に到達する。光線Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５についても同様に、リレーレンズ１１の光軸１５に沿っておよそ平行に進行する光となって第２発光面１０上の点Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５に達する。
ここで、第２発光面１０上の光線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５の間隔をＳ１’、Ｓ２’、Ｓ３’、Ｓ４’とすると、Ｓ４’＞Ｓ３’＞Ｓ２’＞Ｓ１’、となる。主平面５ａ上のＳ１内に含まれる光線は、第２発光面１０上のＳ１’内に含まれる。同様に、主平面５ａ上のＳ２、Ｓ３、Ｓ４内に含まれる光線は、第２発光面１０上のＳ２’、Ｓ３’、Ｓ４’内に含まれる。従って、偏心レンズ９は、主平面５ａ上の光束密度分布に傾斜を与え、光軸１５に対して非対称な明るさ分布を有する第２発光面１０を形成することがわかる。
図３は、リレーレンズ１１の作用を説明するための光路図である。リレーレンズ１１は、第２発光面１０とおよそ共役な第３発光面１２を被照明領域１３の近傍に形成する。この時、第２発光面１０と第３発光面１２とは、リレーレンズ１１の光軸１５に対していずれも傾斜して配置される。
この関係を幾何光学的に説明すると、第２発光面１０と第３発光面１２とはリレーレンズ１１の結像位置Ａ１、Ａ２に配置され、第２発光面１０の延長線３１と第３発光面１２の延長線３２とが、リレーレンズ１１の主点１１ａを通り、かつ光軸１５に垂直な線３３上の点Ｏで交わる。このような位置関係を満たすことにより、光軸１５に対して傾斜した第２発光面１０を第３発光面１２に結像させることができる。これは、所謂、「シャインプルーフの関係則」と呼ばれ、傾斜物体に対して必要十分な結像条件を与える。
次に、第２発光面１０上の明るさ分布が、第３発光面１２上でどのように変化するか説明する。
点Ｐ１からリレーレンズ１１の主点１１ａを通過し、第３発光面１２に到達する光をＬ１’とする。同様に、点Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５からリレーレンズ１１の主点１１ａを通過し、第３発光面１２に到達する光をそれぞれＬ２’、Ｌ３’、Ｌ４’、Ｌ５’とする。図２で示したように、各点の間隔はＳ４’＞Ｓ３’＞Ｓ２’＞Ｓ１’、である。これに対して、第３発光面１２上の各光線の間隔をＳ１”、Ｓ２”、Ｓ３”、Ｓ４”とすると、Ｓ１”＝Ｓ２”＝Ｓ３”＝Ｓ４”、となる。これは、第３発光面１２上の明るさ分布が、第２発光面１０上の明るさ分布と異なっていることを意味する。同時に、リレーレンズ１１で発生する明るさの傾斜を打ち消すような明るさの分布を第２発光面１０に与えておけば、被照明領域１３を斜めから照明する場合あっても、光軸１５に対しておよそ対称な明るさ分布が得られることがわかる。
上記を実現するために、理想的には、偏心レンズ９の焦点距離は、その焦点位置が第２レンズ６の主点６ａとおよそ一致するように設定すればよい。また、偏心レンズ９の偏心量は、その光軸２１がリレーレンズ１１の光軸１５とおよそ並行になるように設定すればよい。
上記構成によれば、偏心レンズ９は、前置照明光学系７の形成する第１発光面８の明るさ分布に傾斜を与え、しかもその傾斜がリレーレンズ１１で発生する明るさ傾斜をおよそ打ち消すように設定される。これにより、リレーレンズ１１の光軸１５に対して傾斜した被照明領域１３の明るさ分布は、前置照明光学系７の形成する第１発光面８の明るさ分布とおよそ等しくすることができる。例えば、前置照明光学系７によって明るさの均一な第１発光面８を形成することによって、被照明領域１３の明るさ分布をおよそ均一にすることができる。
また、第２発光面１０の近傍に偏心レンズ９を配置しても、被照明領域１３上に不要な影やモアレ縞を発生することが無いという利点がある。
なお、本実施の形態の第２の発光面は本発明の第１の発光面の例であり、本実施の形態の第３の発光面は本発明の第２の発光面の例である。
さらに、本発明の前置照明光学系は、本実施の形態における図１に示した構成を有する前置照明光学系７に限らない。要するに本発明の前置照明光学系は、ランプの放射する光を集光して、所定の発光面を形成するものでありさえすればよい。
さらに、本発明の第１の発光面は、本実施の形態における第１発光面１０のように、光軸１４に直交しているものに限らず、光軸１４に必ずしも直交していなくてもよい。また、明るさ分布も光軸１４に対して対称である必要は無なく、光軸１４に対して非対称な明るさ分布をもっていてもよい。要するに、上記作用を満たすように偏心レンズが設定されていれば同等の効果を得ることができる。
さらに、本発明の光伝達素子は、本実施の形態における偏心レンズ９のように、その形状、及び偏心量は上記条件を満たすものに限らない。要するに本発明の光伝達素子は、入射光を屈折させて、リレーレンズで発生する明るさ傾斜をおよそ打ち消すことのできる第２発光面を形成する、といった作用を有するものでありさえすればよい。また、本発明の光伝達素子は、本実施の形態における偏心レンズのように出射光を平行光にするものに限らず、出射光を平行光にしないものなど、要するに、本発明の光伝達素子は、第２発光面に所望の明るさ傾斜を与え、かつ第２レンズから出射する光の広がりを低減してリレーレンズに有効に入射させさえすればよい。
さらに、本発明の光伝達素子は、本実施の形態における偏心レンズ９に限らず、両凸レンズ、屈折率分布型レンズ、プラスチック非球面レンズ、フレネルレンズ等を用いてもよい。また、場合によってはプリズム素子等を用いることもできる。
さらに、本実施の形態の第１レンズ５の主平面５ａと第２発光面１０とは共役である必要は無い。例えば、偏心レンズの出射側に視野絞りを配置して第２発光面を形成すればよい。
さらに、本発明のリレー光学系は、本実施の形態におけるリレーレンズ１１に限らず、複数のレンズで構成したものなど、要するに本発明のリレー光学系は、第２発光面と第３発光面をおよそ共役関係にするものでありさえすればよい。
さらに、本実施の形態における第２発光面１０はリレーレンズ１１の光軸に対して傾斜して配置しているが、これは収差を十分に補正したリレーレンズの例を示したものであって、例えば、像面湾曲の大きなリレーレンズを用いる場合等は、その収差に合わせてリレーレンズの最適結像面を第２発光面に設定すれば良く、場合によっては、第２発光面を光軸に垂直となるよう配置しても良い。
以上のように、図１に示す構成を用いれば、偏心レンズを配置することによって、斜め照明の課題であった図形歪や明るさむらを低減し、被照明領域の傾斜方向に対して明るさ傾斜の少ない照明光学装置を実現することができる。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。
図４（ａ）は、本発明の一実施の形態である照明光学装置における構成を示す図である。
本実施の形態の照明光学装置は、光源としてのランプ４１、集光光学系としての放物面鏡４２、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ４３、第１の光路折り曲げ素子としての第１フレネルレンズ４４、第１発光面４５、第１のリレーレンズ系としての第１リレーレンズ４６、第２の光路折り曲げ素子としての第２フレネルレンズ４７、第２発光面４８、第２のリレーレンズ系としての第２リレーレンズ４９、第３発光面５０、被照明領域５１、から構成される。
ランプ４１の放射する光は、放物面鏡４２で集光され、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ４３によって紫外光、赤外光成分が除去される。第１フレネルレンズに入射した平行光は集光され、第１発光面４５を形成する。
第１リレーレンズ４６は、光軸５３に対して傾斜した第１発光面４５と第２発光面４７とを互いに共役とせしめる。具体的に、第１発光面４５と第２発光面４７とは第１リレーレンズ４６の結像位置Ｂ１、Ｂ２に配置され、第１発光面４５の延長線５５と第２発光面４８の延長線５７とが、第１リレーレンズ４６の主点４６ａを通り、かつ光軸５３に垂直な線５６上の点Ｑで交わる。
第２リレーレンズ４９は、その光軸５４に対して傾斜した第２発光面４８と第３発光面５０を互いに共役とせしめる。具体的に、第２発光面４８と第３発光面５０とは第２リレーレンズ４９の結像位置Ｃ１、Ｃ２に配置され、第２発光面４８の延長線５７と第３発光面５０の延長線５９とが、第２リレーレンズ４９の主点４９ａを通り、かつ光軸５４に垂直な線５８上の点Ｑで交わる。
なお、図４（ａ）では、延長線５６と延長線５８とが同一の点Ｑで交わる例を示したが、その必要は無い。
第１フレネルレンズ４４は、図４（ｂ）に拡大断面図を示すように、放物面鏡４２から出射する平行光を第１リレーレンズ４６の主点４６ａに集光する。それゆえ、第１フレネルレンズ４４は、放物面鏡４２の光軸５２に対して偏心させている。具体的に、第１フレネルレンズ４４の光軸４４ａが放物面鏡４２の光軸５２とおよそ平行で、かつ第１リレーレンズ４６の主点４６ａを通過するように偏心している。
第２フレネルレンズ４７は、第１リレーレンズ４６から出射する光を第２リレーレンズ４９に有効に入射させるために用いる。具体的に第２フレネルレンズ４７は、入射側の焦点位置が第１リレーレンズ４６の主点４６ａ近傍に、また出射側の焦点位置が第２リレーレンズ４９の主点４９ａ近傍になるよう、偏心している。
上記構成によれば、第２リレーレンズ４９で発生する明るさの傾斜を、第１リレーレンズ４６で発生する明るさの傾斜によって打ち消すことができる。これによって、第３発光面５０の明るさ分布と第１発光面４５の明るさ分布をおよそ等しくすることができる。
また、第２発光面１０の近傍に偏心レンズ９を配置しても、被照明領域１３上に不要な影やモアレ縞を発生することが無いという利点がある。
なお、本発明の光路折り曲げ手段は、本実施の形態における第１フレネルレンズ４４、第２フレネルレンズ４７のように、形状、偏心量は上記条件を満たすものに限らず、要するに本発明の光路折り曲げ手段は、入射光を屈折させて、第２リレーレンズで発生する明るさ傾斜をおよそ打ち消すことのできる第２発光面を形成する、といった作用を有するものでありさえすればよい。また、本発明の光路折り曲げ手段は、本実施の形態の第１フレネルレンズ４４及び第２フレネルレンズ４７のように出射光を平行光にするものに限らず、出射光を平行光にする必要は無く、要するに本実施の形態の光路折り曲げ手段は、第２発光面に所望の明るさ傾斜を与え、かつ第２レンズから出射する光の広がりを低減してリレーレンズに有効に入射せしめさせすればよい。
さらに、本発明の光路折り曲げ手段は、本実施の形態における第１フレネルレンズ４４及び第２フレネルレンズ４７に限らず、偏心レンズは、両凸レンズ、屈折率分布型レンズ、プラスチック非球面レンズ、また、場合によってはプリズム素子等を用いてもよい。
さらに、本発明の第１のリレー光学系は、本実施の形態における第１リレーレンズ４６に限らず、複数のレンズで構成するものであってもよい。要するに本発明の第１のリレー光学系は、第１発光面と第２発光面とをおよそ共役関係にせしめるものでありさえすればよい。
さらに、本発明の第２のリレー光学系は、本実施の形態における第２リレーレンズ４９に限らず、複数のレンズで構成したものであってもよい。要するに本発明の第２のリレー光学系は、第２発光面と第３発光面をおよそ共役関係にせしめるものでありさえすればよい。
以上のように、図４に示す構成を用いれば、シャインプルーフの条件則を満たす２つのリレー光学系を効率よく結合させることで、斜め照明の課題であった図形歪や明るさむらを低減し、被照明領域の傾斜方向に対して明るさ傾斜が少なく、ランプの放射光を有効に利用することのできる照明光学装置を実現することができる。
（第３の実施形態）
次に第３の実施の形態について説明する。
図５は、本発明の一実施の形態である照明光学装置の構成を示す図である。
本実施の形態の照明光学装置は、光源としてのランプ６１、放物面鏡６２、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ６３、第１レンズアレイ６４、第２レンズアレイ６５、補助レンズ６６、第１発光面６８、光伝達素子としての偏心レンズ６９、第２発光面７０、リレー光学系としてのリレーレンズ７１、第３発光面７２、被照明領域７３、から構成される。ランプ６１から補助レンズ６６に至る光学系で前置照明光学系６７を構成している。
次に、このような本実施の形態の動作を説明する。
ランプ６１の放射する光は放物面鏡６２で反射され、光軸７５に沿っておよそ平行に進行する光に変換される。放物面鏡６２から出射した光は、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ６３により紫外光、赤外光成分が除去され、第１レンズアレイ６４に入射する。
第１レンズアレイ６４は、第１レンズ６４を二次元状に配列して構成される。入射光束を複数の微少光束に分割し、各々の微少光束を第２レンズアレイ６５上に集光する。第２レンズアレイ６５は、第１レンズ６４と対をなす第２レンズ６５ａを二次元状に配列して構成され、対応する第１レンズ６４ａに入射した微少光束を拡大又は縮小して重畳形態で第１発光面６８を形成する。明るさむら、色むらの比較的小さな複数の微少光束を重畳した結果、第１発光面６８の明るさ分布は極めて均一になる。
補助レンズ６６は、第２レンズ６５ａを通過した光を第１発光面６８上で重畳するために用いている。
上記第１の実施の形態で説明した作用と同等の作用により、偏心レンズ６９は、第１発光面６８の明るさ分布に対して、リレーレンズ７１で発生する明るさ傾斜を打ち消す方向の明るさを与えた第２発光面７０を形成する。第２発光面７０は、リレーレンズ７１によって被照明領域７３の近傍に第３発光面７２を形成する。
第３発光面７３の明るさ分布は、複数の第１レンズ６４ａと第２レンズ６５ａによって得られる明るさ分布を重畳して得られるので、極めて均一となる。
なお、補助レンズを用いる代わりに、適切に偏心させた第２レンズを二次元上に配列して、第２レンズアレイ６５を構成しても良い。
以上のように、図５に示す構成を用いれば、光軸に対して傾斜して配置された被照明領域を均一に照明できる照明光学装置を実現することができる。
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について説明する。
図６は、本発明の一実施の形態である照明光学装置の構成を示す図である。
照射角補正レンズ８１以外は、図５に示した構成と同一である。
照射角補正レンズ８１は、第３発光面７２を形成する光に作用し、入射光を光軸７４に沿っておよそ平行に進行する光として出射せしめる。従って、被照明領域には所定の角度をもった平行光束が入射する。
これは、例えば、光の入射角に応じて透過率や反射率の異なる空間光変調素子を照明する場合などに有効である。
なお、照射角補正レンズ８１の発生する収差は、リレーレンズ７１で補正すると良い。
以上のように、図６に示す構成を用いれば、光軸に対して傾斜して配置された被照明領域を所定の角度を持った平行光束で均一に照明することのできる照明光学装置を実現することができる。
（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態について説明する。
図７は、本発明の一実施の形態である投写型表示装置の構成を示す図である。
本実施の形態の投射型表示装置は、照明光学装置９１、反射型液晶パネル９２、投写レンズ９３、スクリーン９４、から構成される。
照明光学装置９１は、図６に示した照明光学装置と同一である。照明光学装置９１は、第４の実施の形態に説明した作用により、均一性の高い平行光束を形成し、反射型液晶パネル９２を照明する。反射型液晶パネル９２は、映像信号に応じて入射光を変調し反射させることで、光学像を形成する。反射型液晶パネル９２上の光学像は、投写レンズ９３によりスクリーン９４上に投影される。
投写レンズ９３は、照射角補正レンズ８１の発生する収差を十分補正してあり、反射型液晶パネル９２上の光学像を高い解像度でスクリーン９４上に結像させることができる。
照射角補正レンズ８１を配置することで、反射型液晶パネル９２で反射された光の広がりを小さくして投写レンズに入射させることができるので、投写レンズを小型化できる利点がある。
また、第１レンズアレイ６４上の第１レンズ６４ａの開口形状を、液晶パネル９２の有効表示領域とおよそ相似形状にすれば、液晶パネル９２の有効表示領域以外を照明する不要光を低減できるので、投写画像のコントラストが向上する。
また、反射型の空間光変調素子を照明する場合は、照射角補正レンズ８１を空間光変調素子９２側に凸面を設けた平凸レンズとすればよい。不要反射光の空間光変調素子９２への不要反射光の再入射を防止し、よりコントラストが向上する。
また、赤、緑、青のカラーフィルタを円盤状に配列したカラーホイル等を用いて色順次表示を行う場合は、カラーホイルを第２発光面７０の近傍に配置すればよい。第２発光面７０の近傍では、幅の小さな平行光束を形成することができるので、カラーフィルタの入射角依存による波長シフトが低減される。
なお、本発明の空間光変調素子は、本実施の形態の反射型液晶パネル９２に限らず、透過型の液晶パネルや、複数の微小ミラーにより光を変調するミラー型デバイスであってもよい。
さらに、投写型表示装置としてはフロント二体型、リア一体型、いずれの構成であっても本発明の効果を得ることができる。
さらに、照明光学装置として、図１、図５に示した照明光学装置を用いても同様の効果が得られる。
以上のように、図７に示す構成を用いれば、光軸に対して傾斜した空間光変調素子を効率よく、しかも均一に照明することができるので、明るく、高画質な画像を得ることのできる投写型表示装置を実現することができる。
（第６の実施の形態）
次に、第６の実施の形態について説明する。
図８は、本発明の一実施の形態である投写型表示装置の構成を示す図である。
本実施の形態の投射型表示装置は、照明光学装置１０１、反射型液晶パネル１０２、投写レンズ１０３、スクリーン１０４、から構成される。
照明光学装置１０１は、図４に示した照明光学装置と同一である。反射型液晶パネル１０２は、照明光学装置１０１によって形成される明るさ傾斜の無い、平行光束によって照明される。反射型液晶パネル１０２上に形成される光学像は、投写レンズ１０３によってスクリーン１０４上に投影される。
投写レンズ１０３は、十分大きなイメージサークルを有し、軸ずらし投影が可能である。これにより、スクリーン１０４上に歪を生じることなく、斜め投影が可能になる。
以上のように、図８に示す構成を用いれば、光軸に対して傾斜した空間光変調素子１０２を効率よく、しかも均一に照明することができるので、明るく、高画質な画像を得ることのできる投写型表示装置を実現することができる。
なお、図４で示した第２の実施の形態の照明光学装置の第１発光面４５と実質上同位置に透過型液晶パネルを設けることにより投射型表示装置を実現することが出来る。ただし、この透過型液晶パネルは、映像信号に応じて入射光を変調して透過させることで、光学像を形成するものであり、第１のリレーレンズ４６および第２のリレーレンズ４９は、この液晶パネルが形成した光学像を第３の発光面５０に配置されたスクリーンに投影する投影レンズとしても機能する。
このように本実施の形態によれば、光軸に対して傾斜した被照明領域を照明する場合であっても、その傾斜方向　に明るさの傾斜が無く、ランプの放射する光を効率よく集光して被照明領域を照明することのできる照明光学装置を実現できる。
また、明るさむらのない明るい画像を高画質で表示することのできる投写型表示装置を実現できる。
産業上の利用可能性
以上説明したところから明らかなように、本発明は、光路折り曲げ手段の微小反射ミラーのエッジ部等がスクリーンに結像されてしまわない照明光学装置及び投射型表示装置を提供することが出来る。
また、本発明は、光軸に対して非対称な明るさ分布を持った画像がスクリーン上に形成されてしまわない照明光学装置及び投射型表示装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の実施形態における照明光学装置を示す略構成図である。
図２は、図１の偏心レンズの作用を説明する光路図である。
図３は、図１のリレーレンズの作用を説明する光路図である。
図４は、
（ａ）本発明の第２の実施の形態における照明光学装置を示す略構成図である。
（ｂ）本発明の第２の実施の形態の照明光学装置に用いられているフレネルレンズの拡大断面図である。
図５は、本発明の第３の実施の形態における照明光学装置のを示す略構成図である。
図６は、本発明の第４の実施の形態における照明光学装置の略構成図である。
図７は、本発明の第５の実施の形態における投写型表示装置のを示す略構成図である。
図８は、本発明の第６の実施の形態における投写型表示装置を示す略構成図である。
図９は、
（ａ）従来の投写型表示装置の構成例を示す略構成図である。
（ｂ）微小反射ミラーの構成を示す略拡大構成図である。
符号の説明
光源　１、４１、６１
前置照明光学系　７、６７
光伝達素子　９、６９
第１発光面　８、４５、６８
第２発光面　１０、４８、７０
第３発光面　１２、５０、７２
リレー光学系　１１、７１
被照明領域　１３、５１、７３
集光光学系　４２
第１のリレー光学系　４６
第２のリレー光学系　４９
空間光変調素子　９２、１０２
投写レンズ　９３、１０３
スクリーン　９４、１０４

Claims (16)

1. 光軸に対して斜めに傾いた被照明領域を照明する照明光学装置であって、
   光源と、
   前記光源が放射する光を集光する前置照明光学系と、
   前記集光された光束を入射して第１の発光面を形成する光伝達素子と、
   前記第１の発光面を通過する光を用いて前記被照明領域上に第２の発光面を形成するリレー光学系とを備え、
   前記リレー光学系は、前記リレー光学系の光軸に対して傾いた前記第１の発光面と前記第２の発光面を互いに実質上共役とし、
   前記光伝達素子は、出射光束が前記リレー光学系に有効に入射するように、前記入射光束の進行方向を校正して第１の発光面を形成すると共に、前記第１の発行面が前記リレー光学系で生じる明るさの傾斜を打ち消す方向の明るさの傾斜を有するように前記第１の発行面を形成する照明光学装置。
2. 前記前置照明光学系は、前記集光された光束の明るさ分布を実質上均一にする光学インテグレータ素子を備えた請求項１記載の照明光学装置。
3. 前記光学インテグレータ素子は、第１レンズアレイと第２レンズアレイから構成される請求項２記載の照明光学装置。
4. 前記光伝達素子は、前記前置照明光学系の光軸に対して偏心させた偏心レンズ、両凸レンズ、屈折率分布型レンズ、プラスチック非球面レンズ、フレネルレンズおよびプリズム素子のいずれかである請求項１記載の照明光学装置。
5. 前記偏心レンズは、非球面を有する請求項４記載の照明光学装置。
6. 前記被照明領域の入射側近傍に照射角補正素子を備える請求項１記載の照明光学装置。
7. 光軸に対して斜めに傾いた被照明領域を照明する照明光学装置であって、
   光源と、
   光源の放射する光を集光して単一光束を形成し、その光軸に対し実質上直交する第１の発光面を形成する集光光学系と、
   前記第１の発光面を通過する光を用いて第２の発光面を形成する第１のリレー光学系と、
   前記第２の発光面を通過する光を用いて被照明領域上に第３の発光面を形成する第２のリレー光学系とを備え、
   前記第１のリレー光学系は、前記第１のリレー光学系の光軸に対して傾いた前記第１の発光面と前記第２の発光面を互いに実質上共役とし、
   前記第２のリレー光学系は、前記第２のリレー光学系の光軸に対して傾いた前記第２の発光面と前記第３の発光面を互いに実質上共役とし、
   前記第１のリレー光学系は、前記第２のリレー光学系で生じる明るさの傾斜を打ち消す方向の明るさ傾斜を前記第１の発光面に与えて前記第２の発光面を形成する照明光学装置。
8. 前記第１発光面の近傍、又は前記第２発光面の近傍の少なくともいずれかに光路を折り曲げるための光路折り曲げ手段を配置する請求項７記載の照明光学装置。
9. 前記光路折り曲げ手段は、前記第１の発光面を形成する集光光学系の光軸に対して偏心させた、または前記第２のリレー光学系の光軸に対して偏心させた偏心レンズ、両凸レンズ、屈折率分布型レンズ、プラスチック非球面レンズ、フレネルレンズおよびプリズム素子のいずれかである請求項８記載の照明光学装置。
10. 前記偏心レンズは、非球面を有する請求項９記載の照明光学装置。
11. 前記被照明領域の入射側近傍に照射角補正素子を備える請求項７記載の照明光学装置。
12. 請求項１〜６のいずれかに記載の照明光学装置と、
    前記第２の発光面と実質上同位置に配置され、映像信号に応じた光学象を形成する空間変調素子と、
    前記空間変調素子の光学像を投影する投射レンズとを備えた投射型表示装置。
13. 請求項７〜１１のいずれかに記載の照明光学装置と、
    前記第３の発光面と実質上同位置に配置され、映像信号に応じた光学象を形成する空間変調素子と、
    前記空間変調素子の光学像を投影する投射レンズとを備えた投射型表示装置。
14. 請求項７〜１１のいずれかに記載の照明光学装置と、
    前記第１の発光面と実質上同位置に配置され、映像信号に応じた光学像を形成する空間変調素子を備え、
    前記第１のリレーレンズ系と前記第２のリレーレンズ系とは、前記空間変調素子の光学像を前記被照明領域上に配置されたスクリーンに投影する投射型表示装置。
15. 前記第１発光面の近傍に、赤、緑、および青の光を選択的に透過するカラーホイルを円盤状に配列した回転型カラーホイルを備え、
    前記空間光変調素子を色順次駆動させる請求項１２記載の投射型表示装置。
16. 前記第２発光面の近傍に、赤、緑、および青の光を選択的に透過するカラーホイルを円盤状に配列した回転型カラーホイルを備え、
    前記空間光変調素子を色順次駆動させる請求項１３記載の投射型表示装置。

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