(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の色光、第２の色光、第３の色光各々に対応する第１、第２及び第３の光変調素子と、
光源からの光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズからの光を第１の色光、第２の色光、第３の色光に分解する色分解光学系とを有し、
前記色分解光学系から出射された、前記第１、２、３の色光で、前記第１、２、３の光変調素子を照明し、前記第１、２、３の光変調素子からの各色光を用いて所定面上に画像を拡大投射する投射装置であって、
前記光源から前記第１の光変調素子に至る前記第１の色光の光路長が、前記光源から前記第２の光変調素子に至る前記第２の色光の光路長よりも長く、
前記第１の色光の光路において、前記集光レンズに入射した平行光束の結像面に略均一な照明領域を形成しており、
前記結像面と前記第１の光変調素子との間に配置されており、前記結像面と前記第１の光変調素子とをほぼ共役にするリレー光学系を有しており、
前記リレー光学系が、集光及び反射する軸対称性の無い凹面ミラーを含む複数の反射面から成ることを特徴とする投射装置。
【請求項２】
前記光源と前記集光レンズとの間に、前記光源からの無偏光光を直線偏光光に変換する偏光変換素子を備えることを特徴とする請求項１記載の投射装置。
【請求項３】
前記リレー光学系が、前記色分解光学系側から順に、凹面ミラー、平面ミラー、凹面ミラーから成っており、前記２面の凹面ミラーは軸対称性の無い非球面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の投射装置。
【請求項４】
前記光源から前記第１の光変調素子に至る前記第１の色光の光路長が、前記光源から前記第２の光変調素子に至る前記第２の色光の光路長、及び前記光源から前記第３の光変調素子に至る前記第３の色光の光路長よりも長いことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の投射装置。
【請求項５】
前記第１の色光が赤色波長領域の光であり、前記第２、３の色光が、緑色波長領域の光、青色波長領域の光であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の投射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は照明装置及び投射装置に関し、例えば３枚の液晶パネルに表示された赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）三色の画像をスクリーン上に重ねて拡大投影するカラー液晶プロジェクターに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液晶パネル（ライトバルブ）などで作った画像をスクリーン上に拡大投影する液晶プロジェクターが種々と提案されている。
【０００３】
この種の投射装置では、３つの画像表示素子（液晶パネル）を、光源からの光を色分解したＲ，Ｇ，Ｂ３つの色光で照明し、この３つの画像表示素子でＲ，Ｇ，Ｂの３色の画像として表示している。そして各画像表示素子による画像（色光）を色合成して一つの投射レンズでスクリーン等に投射している。
【０００４】
この構成において、色合成系として、ダイクロイック膜を有する面が交差した構成のクロスダイクロイックプリズムを用いたときに、光源から３つの画像表示素子までの照明のための３つの色光の光路長のうちの１つの光路長が他の２つの光路長よりも長い場合や２つの光路長が残りの１つの光路長よりも長い場合がある。
【０００５】
特開昭６３−１１６１２３号公報に開示されているプロジェクターにおいては、Ｒ、Ｇ、Ｂ三色の光の光路のうちの最も長い光路に光路折り曲げ用の平面ミラーが設けられている。これは光源からの光を直接、画像表示素子に導く構成においてよく使われる。
【０００６】
この場合、最も長い光路では光が発散してしまい、他の短い光路に対して光の利用効率が低下してしまう問題があった。このような問題に対して米国特許第５，６２６，４０９号公報は、図９に示すように画像表示素子を照明する照明系にマトリックス上に構成されたレンズアレイからなる所謂インテグレーター１０３を備え、色分解系における他の光路よりも長い光路に対してはインテグレーター１０３でこの長い光路中に生成される均一な照明領域と画像表示素子を共役にするように凸レンズと平面ミラーとより成るリレー系を設ける構成が開示されている。
【０００７】
尚、図９において、１０１はメタルハライドランプや水銀ランプなどの光源である。１０２は放物面や楕円体面からなる反射面をもつリフレクターである。１０３は第１のレンズアレイ１０３１と第２のレンズアレイ１０３２からなるインテグレーターである。
【０００８】
１０４は偏光変換素子で無偏光の入射光を所定の直線偏光光に変換して射出している。１０５はダイクロイックミラー１０５１，１０５２からなる色分解系である。１０７１，１０７２はミラーである。１０８はリレー系であり、レンズ１０８１，１０８２，１０８３、ミラー１０８４，１０８５を有している。
【０００９】
１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０ＢはＲ，Ｇ，Ｂ各色用の画像表示素子で、液晶パネル（ライトバルブ）より成る。１１１はクロスダイクロイックプリズムである。１１２は、正の屈折力を有し、画像表示素子１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂで表示した画像を拡大投影する為の投射レンズである。
【００１０】
１０６は偏光変換素子１０４からの拡散光を画像表示素子１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂに集光する為の集光レンズである。１０９Ｇ，１０９Ｒは照明光を投射レンズに集光するためのコンデンサーレンズである。なお、このコンデンサレンズと同じ役目をリレー系１０８のリレーレンズ１０８３も担っている。
【００１１】
リレー系１０８は、少なくとも共役関係を調整する為の第２のリレーレンズ１０８２がリレー系１０８の中央部に設けられ、レンズアレイ１０３で生成される複数の光源像の像を前記第２のリレーレンズ１０８２の近傍に生成する第１のリレーレンズ１０８１が均一照明領域の近傍に設けられ、リレー系１０８において投射レンズに対するコンデンサーレンズの働きをする第３のリレーレンズ１０８３が青色用画像表示素子の近傍に設けられ、光路を折り曲げる為の２つの平面ミラー１０８４，１０８５がリレーレンズ間に設けられてある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
近年、カラー液晶プロジェクター等の投射装置ではその小型化が望まれており、画像表示素子を照明する照明装置も小型化が必要である。図９に示すようなカラー画像投射装置のときは３つの色光の光路のうち最も光路の長い青（Ｂ）の色の光の光路（リレー光路）を短くすることが照明系の小型化には有効である。
【００１３】
しかしながら、青色の光の光路中に形成される均一照明領域と青色用の画像表示素子との共役関係を維持しつつリレー系１０８の光路を短縮するためには、リレー系１０８の正の屈折力を強くしなければならない。
【００１４】
リレー系１０８の屈折力を強くするということは、それを構成する３つの集光レンズであるこれら第１，第２，第３リレーレンズ１０８１，１０８２，１０８３それぞれの屈折力を強くするということである。
【００１５】
しかしながら、そうすると、各リレーレンズの曲率半径が小さくなりレンズの厚みを増大し、レンズ内部の吸収による透過率の低下が無視できなくなり、結局光量が低下するという問題がある。
【００１６】
本発明の目的は、光量の低下が小さい照明装置及び投射装置の提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、第１の色光、第２の色光、第３の色光各々に対応する第１、第２及び第３の光変調素子と、光源からの光を集光する集光レンズと、前記集光レンズからの光を第１の色光、第２の色光、第３の色光に分解する色分解光学系とを有し、前記色分解光学系から出射された、前記第１、２、３の色光で、前記第１、２、３の光変調素子を照明し、前記第１、２、３の光変調素子からの各色光を用いて所定面上に画像を拡大投射する投射装置であって、前記光源から前記第１の光変調素子に至る前記第１の色光の光路長が、前記光源から前記第２の光変調素子に至る前記第２の色光の光路長よりも長く、前記第１の色光の光路において、前記集光レンズに入射した平行光束の結像面に略均一な照明領域を形成しており、前記結像面と前記第１の光変調素子との間に配置されており、前記結像面と前記第１の光変調素子とをほぼ共役にするリレー光学系を有しており、前記リレー光学系が、集光及び反射する軸対称性の無い凹面ミラーを含む複数の反射面から成ることを特徴としている。
【００１８】
請求項２の発明は、前記光源と前記集光レンズとの間に、前記光源からの無偏光光を直線偏光光に変換する偏光変換素子を備えることを特徴としている。
【００１９】
請求項３の発明は、前記リレー光学系が、前記色分解光学系側から順に、凹面ミラー、平面ミラー、凹面ミラーから成っており、前記２面の凹面ミラーは軸対称性の無い非球面であることを特徴としている。
【００２０】
請求項４の発明は、前記光源から前記第１の光変調素子に至る前記第１の色光の光路長が、前記光源から前記第２の光変調素子に至る前記第２の色光の光路長、及び前記光源から前記第３の光変調素子に至る前記第３の色光の光路長よりも長いことを特徴としている。
【００２１】
請求項５の投射装置の発明は、前記第１の色光が赤色波長領域の光であり、前記第２、３の色光が、緑色波長領域の光、青色波長領域の光であることを特徴としている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の要部概略図である。図中、１はメタルハライドランプや水銀ランプ等のランプ（光源）である。２は放物面や楕円体面からなる反射面をリフレクターである。
【００３３】
３は第１のレンズアレイ３１と第２のレンズアレイ３２からなるフライアイレンズ型のインテグレーターである。４は複数の偏光分離面４１と偏光分離面４１に対応した複数の反射面４２と複数の位相板４３とを備える偏光変換素子である。５１，５２はダイクロイックミラーで、５はミラー５１，５２を有する色分解系である。
【００３４】
７１，７２は平面ミラーである。８はリレー系で、集光する凹面ミラー８１,８３と平面ミラー８２とを有している。１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは液晶パネルより成る赤色用，緑色用，青色用の画像表示素子である。１１は、色合成系としての２種類のダイクロイック膜面が９０度でクロスしているクロスダイクロイックプリズムである。
【００３５】
１２は、正の屈折力を有し、３つの画像表示素子で表示した画像を拡大投影するための投射レンズである。６は偏光変換素子からの拡散光を３つの画像表示素子上に集光するための集光レンズである。
【００３６】
９Ｇ，９Ｂは各々照明光を投射レンズ１２（の瞳）に集光するためのコンデンサーレンズである。
【００３７】
本実施形態のリレー系８は集光レンズを有しておらず、後述する各実施形態のリレー系もレンズ（集光レンズ）は有していない。なお、リレー系８は、２つの凹面ミラー８１，８３と１つの平面鏡８２から成る反射光学系で構成されているが、それ以上の枚数のミラーより構成しても良い。
【００３８】
尚、偏光変換素子４は、図８に示すように、偏光分離膜を施した偏光分離面４１が入射光ＬＩのＰ偏光成分を通過させ、Ｓ偏光成分を反射させ、このうち偏光分離面４１を通過したＰ偏光成分が１／２波長板４３を通り、偏光方向を９０度変換されてＳ偏光成分と同じ偏光であるＳ偏光光となり射出する。
【００３９】
一方、偏光分離面４１で反射したＳ偏光成分は反射面４２で反射し、射出面４４よりＳ偏光光として射出する。これによって入射する無偏光光をＳ偏光の直線偏光光に変換して射出させている。
【００４０】
図１の実施形態の光路について説明する。光源１からの光の一部の光束は、直接第１のレンズアレイ３１に入射し、他の光束はリフレクター２で反射して第１のレンズアレイ３１に入射する。
【００４１】
第１のレンズアレイ３１は光源からの光で第２のレンズアレイ３２の近傍に光源１の像である複数の２次光源像（２次光源）を形成する。
【００４２】
第２のレンズアレイ３２の近傍の複数の２次光源像からの各光は偏光変換素子４に入射し、偏光変換素子４から偏光方向が揃った直線偏光光束（ダイクロイックミラー５１，５２に対してＳ偏光）として集光レンズ６に入射している。
【００４３】
素子４によりＳ偏光光に変換された複数の２次光源像からの各光束は、集光レンズ６とコンデンサーレンズ９Ｂ，９Ｇ，リレー系８を介して、被照射面としての３つの画像表示素子１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒのそれぞれを互いに重畳する形で照明している。これにより、各素子１０が直線偏光光により均一照明されることになる。
【００４４】
一方、色分解の観点でみると、集光レンズ６からの白色光は、ミラー７１で反射しダイクロイックミラー５１に入射している。ダイクロイックミラー５１を透過する青色光は、ミラー７２で反射し、コンデンサーレンズ９Ｂで集光されて青色用の画像表示素子１０Ｂを照明している。
【００４５】
ダイクロイックミラー５１で反射した緑色光と赤色光のうちの緑色光は、ダイクロイックミラー５２で反射し赤色光はダイクロイックミラー５２を透過する。
【００４６】
ダイクロイックミラー５２を反射した緑色光はコンデンサーレンズ９Ｇで集光されて緑色用の画像表示素子１０Ｇを照明している。
【００４７】
ダイクロイックミラー５２を透過した赤色光はリレー系８で集光されて、赤色用の画像表示素子１０Ｒを照明している。画像表示素子１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒからの各色光（画像）はクロスダイクロイックプリズム１１で合成され、投射レンズ１２で所定面上に拡大投影される。
【００４８】
図２は図１の集光レンズ６からリレー系８に至る赤色光の光路を展開した光路説明図である。図２では図１で描いていた集光レンズ６からリレー系８の凹面鏡８１に至る光路中に配置した部材７１，５１，５２は省略している。
【００４９】
図２を用いて、リレー系８の光学作用について説明する。集光レンズ６に入射した平行光束の結像面Ｐに第１の均一な照明領域Ｋが生成され、インテグレーター３による光源１の結像点（２次光源像）Ｉからの光線（ａ１，ａ２）の束は、発散状態でこの第１の均一な照明領域Ｋが生成される面Ｐを通過し、さらに発散して第１のリレーミラー８１に入射する。第１のリレーミラー８１１は、この光線束（ａ１，ａ２）を収束して第２のリレーミラー８２近傍に結像する。
【００５０】
そのため第１のリレーミラー８１はその光軸を集光レンズ６の光軸Ｏ１に対して所定の角度θ１で傾けて配置された凹面ミラーで構成されている。
【００５１】
第２のリレーミラー８２はその光軸（垂線）を第１のリレーミラー８１によって屈曲した光軸Ｏ２に対して所定の角度θ２で傾けて配置され、第１のリレーミラー８１からの光を第３のリレーミラー８３へと導く。
【００５２】
第２のリレーミラー８２の近傍に２次光源像を再結像した光は発散して第３のリレーミラー８３に入射する。第３のリレーミラー８３は、この発散光をほぼ平行な光にして画像表示素子１０Ｒに入射させる。
【００５３】
このために第３のリレーミラー８３は、その光軸を第２のリレーミラー８２によって屈曲した光軸Ｏ３に対して所定の角度θ３で傾けて配置されており、また凹面ミラーで構成されている。
【００５４】
各リレーミラー８１，８２，８３は第１の均一な照明領域Ｋと画像表示素子１０Ｒがほぼ共役な関係となるように配置されているので、第１の均一な照明領域Ｋを物平面Ｐとする光線束（ｂ１，ｂ２）はリレーミラー８１，８２，８３の作用により画像表示素子１０Ｒの近傍の結像面に集光する（結像する）。
【００５５】
リレーミラー８１，８２，８３の表面には反射増加膜が形成されており、本実施形態では、この膜を特に色分解系５により抽出された光源からの光路が最も長くなる赤色光に対して高反射率を示すダイクロイック膜で構成している。
【００５６】
以上のように本実施形態では３つの照明光路のうち、光路長が最も長い光路（Ｒ光路）に少なくとも２つの凹面ミラー８１，８３を有するリレー系８を設けることにより、コンパクトな構成にもかかわらず、リレー系８の内部吸収による光量損失もなく、画像表示素子を均一照明している。
【００５７】
また、リレー系８を構成するミラー８１，８２，８３は透明基板上に誘電体多層膜を設けたミラーとすることにより、吸収がなくなり、より高い反射率が得られている。
【００５８】
さらに、リレー系８を構成する複数のミラーの少なくとも一つのミラーの形状を軸対称性のない非球面形状とすることにより、リレー系８で発生する収差をさらに小さくし、より均一性の高い照明領域を生成することができる。
【００５９】
図３は本発明の実施形態２のリレー系の要部概略図である。図３は図１の実施形態１の一部を変更したものであり、色合成系としてのクロスダイクロイックプリズム１１のクロスするダイクロイック面のなす角度αを８６度とし、第２のリレーミラー８２を平面ミラーとしたときのリレー系８のレイアウト図を示している。
【００６０】
本実施形態においては、第１，第３のリレーミラー８１，８３の反射面は軸対称性のない非球面であり、これら２枚の非球面の効果で、第３のリレーミラー８３から出て画像表示素子１０Ｒに至る照明光の平行度を改善し、さらに画像表示素子１０Ｒ上での照明の均一性を改善している。
【００６１】
以下に、このような構成のリレー系の光学データを表１に示す。各ミラーの反射面（以下、「ミラー面」と記す。）の形状は
【００６２】
【外１】
0003684127.tif 000002
なる関数式により表されており、この関数の原点はミラー面におけるローカルな原点（ｃ１，ｃ２，ｃ３）である。各ミラー面の原点と画像表示素子の中心ｃ４の絶対的な位置は、集光レンズ６の射出側レンズ面を原点ＡＣとした絶対座標として（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表している。曲率半径はＺ軸方向に凸の形状が正である。
【００６３】
【表１】
0003684127.tif 000003
【００６４】
このようにリレーミラー８１，８３のそれぞれの軸対称性のない非球面のＺ方向の位置を互いにほぼ同じになるように設定すると、リレーミラー８１，８３を実際に製作するとき、図示するように、２つのミラーがつながった１つの成形部品として加工することができ、装置全体の簡素化が図れる。
【００６５】
図４は本発明の実施形態３の要部概略図である。本実施形態は図１の実施形態１に比べて、リレー系８ａを除いて、基本的に同じである。ここでは、リレー系８ａを４つの凹面ミラー８１ａ，８２ａ，８３ａ，８４ａからなる反射光学系で構成している。
【００６６】
図５は図４の集光レンズ６からリレー系８ａに至る光路を展開した光路説明図である。図５では図４では描かれている集光レンズ６からリレー系８ａに至る光路中に配置した各要素７１，５１，５２は省略している。
【００６７】
図５により、リレー系８ａの光学作用について説明する。集光レンズ６の結像面Ｐに第１の均一な照明領域Ｋが生成され、インテグレーター３による光源１の２次光源像Ｉからの光線束（ａ１′，ａ２′）は、発散状態でこの第１の均一な照明領域Ｋが生成される面Ｐを通過し、さらに発散して第１，第２のリレーミラー８１ａ，８２ａの順に反射する。リレーミラー８１ａ，８２ａはこの光線束ａ１′，ａ２′を収束して第２のリレーミラー８２ａと第３のリレーミラー８３ａの間の位置Ｉ′に結像する。
【００６８】
そのため第１のリレーミラー８１ａはその光軸を集光レンズ６の光軸Ｏ１ａに対して所定の角度θ１ａで傾けて配置された凹面ミラーで構成されている。また第２のリレーミラー８２ａはその光軸をミラー８１ａで屈折された光軸Ｏ２ａに対して角度θ２ａ傾けて配置された凹面ミラーで構成されている。第３のリレーミラー８３ａ第４のリレーミラー８４ａは位置Ｉ′からの発散光を順に反射し、その光をほぼ平行な光として画像表示素子１０Ｒに入射させる。
【００６９】
このために第３のリレーミラー８３ａはその光軸を第２のリレーミラー８２ａで屈曲した光軸Ｏ３ａに対して所定の角度θ３ａで傾けて配置された凹面ミラーで構成されており、第４のリレーミラー８４ａはその光軸を第３のミラー８３ａで屈曲された光軸Ｏ４ａに対して所定角度θ４ａで傾けて配置された凹面ミラーで構成されている。
【００７０】
各リレーミラー８１ａ，８２ａ，８３ａ，８４ａは第１の均一な照明領域Ｋと画像表示素子１０Ｒがほぼ共役な関係となるように配置されているので、第１の均一な照明領域Ｋを物平面Ｐとした光線束（ｂ１ａ，ｂ２ａ）はリレーミラー８１ａ，８２ａ，８３ａ，８４ａの作用により画像表示素子１０Ｒの近傍の結像面＝Ｐｐｌａｎｅに集光する（結像する）。
【００７１】
図６は本発明の実施形態４の要部概略図である。本実施形態４は、図４の実施形態３に比べて、第１，第４のリレーミラー８１ｂ，８４ｂを凹面ミラーとし、第２，第３のリレーミラー８２ｂ，８３ｂを平面ミラーとすることによりミラーの加工をトータルで容易にした点が異なっており、その他の構成は同じである。
【００７２】
図７は本発明の実施形態５の要部概略図である。本実施形態５は、図４の実施形態３に比べて、第１，第４のリレーミラー８１ｃ，８４ｃを凹面ミラーとし、第２，第３のリレーミラー８２ｃ，８３ｃを凸面ミラーとすることにより像面湾曲を良好に補正できる構成とした点が異なっており、その他の構成は同じである。
【００７３】
上記各実施例で色合成手段として用いているクロスダイクロイックプリズムの代りに、板状の複数のダイクロイックミラーを交叉させたものや日本特許２５０５７５８に示されている、複数のプリズムよりなるものも用いることができる。
【００７４】
又、均一照明のためのインテグレーターとしては、光パイプ（ロッド型インテグレーター）も用いることができる。
【００７５】
以上説明した各実施形態は、色分解系が互いに光路長が同じ２つの短い光路とこれらよりも光路長が長い１光路を定める例であったが、色分解系が互いに光路長が同じ２つの長い光路とこれらよりも光路長が短い１光路を定め、且つ、この２つの長い光路の夫々に上記各実施形態で使った集光及び反射機能をもつ集光レンズをもたない正のパワーの光学系を適用する形態もある。また凹面ミラーや凸面ミラーの代りに、平板状の回折格子タイプの集光ミラー（正の屈折力の反射型回折光学素子）を使うこともできる。
【００７６】
【発明の効果】
以上の本発明の照明装置や投影装置によれば光源から最も遠くにある液晶パネルなどの光変調素子を対応する色の光で光量の損失を少なくして均一な照度分布で照明できる。従ってその光により形成したある色の画像も他の色の画像と同様の品質で投影することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】図１の一部分の光路を展開したときの光路図
【図３】本発明の実施形態２の一部分の要部概略図
【図４】本発明の実施形態３の要部概略図
【図５】図４の一部分の光路を展開したときの光路図
【図６】本発明の実施形態４の要部概略図
【図７】本発明の実施形態４の要部概略図
【図８】本発明にかかる偏光変換素子の説明図
【図９】従来の画像表示装置の要部概略図
【符号の説明】
１  光源ランプ
２  リフレクター
３  インテグレーター
４  偏光変換素子
５  色分解系
６  集光レンズ
７１，７２  ミラー
８１，８２，８３  リレーミラー
９Ｇ，９Ｂ  コンデンサーレンズ
１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ  画像表示素子
１１  クロスダイクロイックプリズム
１２  投射レンズ
【図１】
0003684127.tif 000004
【図２】
0003684127.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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