(57)【要約】  【課題】  複数光源を有する投射型映像表示装置用照明光学系において、光の利用効率改善と低照度ムラ化が可能な技術を提供する。  【解決手段】  照明光学系を、複数光源に対応した複数のロッドレンズと、該複数のロッドレンズのそれぞれから入射される光を１つの光路上に揃えて出射させるプリズムアレイとを備えた構成とし、プリズムアレイは、入射される光の約１／２または所定の偏光成分光を反射し、残りまたは他の所定の偏光成分光を透過する第１の手段と、該第１の手段を透過した光または該第１の手段で反射された光を反射する第２の手段と、該第１、第２の両手段に接するプリズム材とが一体状に形成され、該第１の手段による透過光と反射光、及び第２の手段による反射光を、光路を１つに揃えた合成光として、該プリズムアレイの１つのプリズム面から映像表示素子側に出射させる構成とする。【選択図】  図１
2006337428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源側からの光を映像表示素子に照射して映像信号に応じた光学像を形成し、拡大投射して映像表示する投射型映像表示装置の照明光学系であって、
複数の光源を有して成る光源ユニットと、
上記光源ユニットの上記複数の光源のそれぞれに対応して配され、それぞれが該光源側からの入射光を均一化して出射する複数のロッドレンズと、
上記複数のロッドレンズ側から入射される光のうち、約１／２の光または所定の偏光成分の光を反射し、残りの光または他の所定の偏光成分の光を透過する第１の手段と、該第１の手段を透過した光または該第１の手段で反射された光を反射する第２の手段と、該両手段に接するプリズム材とが一体状に形成され、該第１の手段からの透過光、反射光及び該第２の手段からの反射光を１つのプリズム面から出射するプリズムアレイと、
上記プリズムアレイ側からの出射光を集光する集光レンズと、
を備え、上記複数の各光源からの出射光を、上記対応するそれぞれのロッドレンズを通した後上記プリズムアレイで１つの光路上に合成し、該合成光を上記集光レンズで集光して、上記映像表示素子側に出射する構成としたことを特徴とする投射型映像表示装置の照明光学系。
【請求項２】
光源側からの光を映像表示素子に照射して映像信号に応じた光学像を形成し、拡大投射して映像表示する投射型映像表示装置の照明光学系であって、
複数の光源を有して成る光源ユニットと、
上記光源ユニットの上記複数の光源のそれぞれに対応して配され、それぞれが該光源側からの入射光を均一化して出射する複数のロッドレンズと、
上記複数のロッドレンズ側から入射される光のうち、約１／２の光または所定の偏光成分の光を反射し、残りの光または他の所定の偏光成分の光を透過する第１の手段と、該第１の手段を透過した光または該第１の手段で反射された光を反射する第２の手段と、該両手段に接するプリズム材とが一体状に形成され、該第１の手段からの透過光、反射光及び該第２の手段からの反射光を１つのプリズム面から出射するプリズムアレイと、
上記複数のロッドレンズのそれぞれと上記プリズムアレイとの間に配され、該複数のロッドレンズそれぞれの出射光を集光して該プリズムアレイに入射させる第１の集光レンズと、
上記プリズムアレイ側からの出射光を集光する第２の集光レンズと、
を備え、上記複数の各光源からの出射光を、上記対応するそれぞれのロッドレンズを通した後上記第１の集光レンズで集光し、上記プリズムアレイで１つの光路上に合成し、該合成光を上記第２の集光レンズで集光して上記映像表示素子側に出射する構成としたことを特徴とする投射型映像表示装置の照明光学系。
【請求項３】
光源側からの光を映像表示素子に照射して映像信号に応じた光学像を形成し、拡大投射して映像表示する投射型映像表示装置の照明光学系であって、
複数の光源を有して成る光源ユニットと、
上記光源ユニットの上記複数の光源のそれぞれに対応して配され、それぞれが該光源側からの入射光を均一化して出射する複数のロッドレンズと、
上記複数のロッドレンズ側から入射される光のうち、約１／２の光または所定の偏光成分の光を反射し、残りの光または他の所定の偏光成分の光を透過する第１の手段と、該第１の手段を透過した光または該第１の手段で反射された光を反射する第２の手段と、該両手段に接するプリズム材とが一体状に形成され、該第１の手段からの透過光、反射光及び該第２の手段からの反射光を１つのプリズム面から出射するプリズムアレイと、
複数のレンズの集合体から成り、上記プリズムアレイ側からの出射光を平行化するレンズアレイと、
を備え、上記複数の各光源からの出射光を、上記対応するそれぞれのロッドレンズを通した後、上記プリズムアレイで１つの光路上に合成し、該合成光を上記レンズアレイで平行化して、上記映像表示素子側に出射する構成としたことを特徴とする投射型映像表示装置の照明光学系。
【請求項４】
上記プリズムアレイは、上記第１の手段がハーフミラー、上記第２の手段が全反射ミラーである請求項１、２または３に記載の投射型映像表示装置の照明光学系。
【請求項５】
上記プリズムアレイは、上記第１の手段が偏光ビームスプリッタ、上記第２の手段が全反射ミラーである請求項１、２または３に記載の投射型映像表示装置の照明光学系。
【請求項６】
上記複数のロッドレンズは、それぞれが、光が入射する端部側に、円形の開口部を有する全反射ミラーと１／４波長位相差板を備え、光が出射する端部側に、反射型の偏光板を備えた構成である請求項１、２または３に記載の投射型映像表示装置の照明光学系。
【請求項７】
上記プリズムアレイは、上記第１の手段と上記第２の手段が互いに略平行に配された構成である請求項１、２または３に記載の投射型映像表示装置の照明光学系。
【請求項８】
上記複数のロッドレンズは、上記プリズムアレイに対し、第１のロッドレンズ側からの光は第１の手段の一方の平面側から入射し、第２のロッドレンズ側からの光は該第１の手段の他方の平面側から入射する構成である請求項１、２または３に記載の投射型映像表示装置の照明光学系。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の照明光学系と、該照明光学系から出射された光が照射された光を赤、緑、青の各色光に分離する色分離手段と、該分離された色光が照射され映像信号に応じて該色光を変調し光学像を形成する映像表示素子と、該光学像光を拡大投射する投射手段とを備えた構成を特徴とする投射型映像表示装置の光学エンジン。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれかに記載の照明光学系と、該照明光学系から出射された光が照射された光を赤、緑、青の各色光に分離する色分離手段と、該分離された色光が照射され映像信号に応じて該色光を変調し光学像を形成する映像表示素子と、該光学像光を拡大投射する投射手段と、上記照明光学系の複数の光源を駆動する電源回路と、上記映像表示素子を映像信号に基づき駆動する駆動回路とを備えた構成を特徴とする投射型映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は投射型映像表示装置の光学系に係り、特に、複数の光源を用いて映像の明るさを向上させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源からの光をレンズやミラーなどを用いて映像表示素子（例えば、画素となる微小ミラーをマトリクス状に配列したマイクロミラーアレイ）に照射し、該映像表示素子での変調により形成された光学像を拡大投射して映像表示する投射型映像表示装置が知られている。かかる映像表示装置においては、近年、輝度向上のために、複数の光源を備えた照明光学系が用いられることがある。該複数の光源を用いた照明光学系では、複数の光源からの光を合成する手段が必要となる。この種の従来技術としては、例えば特開２００４−１３３３８８号公報（特許文献１）に記載されたものがある。該公報には、直交配置された２つの光源を用い、各光源からの光束をそれぞれ対応したロッドレンズにより明るさの均一化を行い、反射面を備えたビームスプリッタいわゆるハーフミラーで該２つの光源からの光を合成するとした技術が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１３３３８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特開２００４−１３３３８８号公報記載の技術では、ビームスプリッタを用いているため、各光源から出射された光のうち略半分の光が直接、映像表示素子に照射され、残り半分の光は、該ビームスプリッタの反射面で反射されてロッドレンズ側に戻り、該ロッドレンズのミラーで反射されて再びビームスプリッタに向かう。該残り半分の光は、かかる繰返し反射された後、該ビームスプリッタから出射し、映像表示素子に照射される。このため、該残り半分の光は、繰返し反射に基づく光損失のために光の利用効率が低下し易い。従って、本技術では、２つの光源を用いながら十分な高輝度化が得られないおそれがある。
本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、投射型映像表示装置において、光の利用効率を改善し所定の高輝度映像を得られるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、投射型映像表示装置の照明光学系として、基本的に、複数の光源のそれぞれに対応した複数のロッドレンズと、該複数のロッドレンズのそれぞれから入射される光を１つの光路上に揃えて出射させるプリズムアレイとを備えた構成とする。該プリズムアレイは、該複数のロッドレンズのそれぞれから入射される光のうち約１／２の光または所定の偏光成分光を反射し、残りの光または他の所定の偏光成分光を透過する第１の手段と、該第１の手段を透過した光または該第１の手段で反射された光を反射する第２の手段と、該第１、第２の両手段に接するプリズム材とが一体状に形成されて成る構成を有し、上記第１の手段による透過光と反射光、及び第２の手段による反射光を、光路を１つに揃えた合成光として、該プリズムアレイの１つのプリズム面から映像表示素子側に向けて出射させる構成とする。上記第１の手段には、例えばハーフミラーや偏光ビームスプリッタなどを用い、上記第２の手段には、例えば全反射ミラーを用いる。
具体的には、本発明は、上記を基本的要件とした照明光学系、光学エンジン及び
投射型映像表示装置である。
【発明の効果】
【０００６】
複数の光源を用いた構成下で光の利用効率を改善でき、高輝度かつ照度ムラの少ない照明光学系、光学エンジン及び投射型映像表示装置の提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態につき、図面を用いて説明する。図面は、各図において共通の機能を有する構成要素には同じ符号を付して示す。
【実施例１】
【０００８】
図１〜図３は、本発明の第１の実施例の説明図である。図１は、本発明の第１の実施例としての投射型映像表示装置用照明光学系の構成図、図２は、図１の照明光学系による映像表示素子上の照射領域の説明図、図３は、図１の照明光学系におけるハーフミラー５の光学特性例を示す図である。
図１において、本実施例の照明光学系は、光路が直交するように配置された２つの光源１Ａ、１Ｂと、各光源に対応して設けられたリフレクタ２Ａ、２Ｂと、各光源からの光をそれぞれ均一化する２つのロッドレンズ３Ａ、３Ｂと、該ロッドレンズ３Ａ、３Ｂからの出射光を光路を揃えた合成光とする（以下、これを「合成する」という）プリズムアレイ４と、プリズムアレイ４で合成した光を集光する集光レンズ７とを備えて成る。集光レンズ７から出射された光は、色分離手段（図示なし）により赤、緑、青の各色光に分離（色分離）された後、例えばマイクロミラーアレイなどの映像表示素子８に照射される。なお、図１において、各符号中の「Ａ」は一方の光源１Ａ側の要素を示し、同「Ｂ」は他方の光源１Ｂ側の要素を示すものとする。光源１Ａ、１Ｂと、リフレクタ２Ａ、２Ｂとは、光源ユニットを構成する。
【０００９】
本実施例では、リフレクタ２Ａ及びリフレクタ２Ｂとしては楕円リフレクタを用い、該リフレクタ２Ａ、リフレクタ２Ｂそれぞれの第１焦点近傍に光源１Ａ、１Ｂを配し、それぞれの第２焦点近傍には、ロッドレンズ３Ａの入射側端面（以下、「入射面」という）Ｓ３Ａｉ、ロッドレンズ３Ｂの入射側端面（以下、「入射面」という）Ｓ３Ｂｉを配する。これにより、光源１Ａ、１Ｂそれぞれから出射した光を、ロッドレンズ３Ａの入射面Ｓ３Ａｉ、ロッドレンズ３Ｂの入射面Ｓ３Ｂｉに効率良く入射させることができる。リフレクタ２Ａ、リフレクタ２Ｂに放物リフレクタを用い、球面形状または非球面形状の集光レンズ（図示せず）等により、ロッドレンズ３Ａ、ロッドレンズ３Ｂそれぞれの入射面に光を集光させるようにしてもよい。
【００１０】
ロッドレンズ３Ａ、３Ｂは、棒状の透明ガラス材で構成されたものや、４面を全反射ミラーで囲み、中央が空洞とされたものなどがあり、光源からの光を略均一の強度分布の光にする構成を有する。光源１Ａからロッドレンズ３Ａに入射した光線は、該ロッドレンズ３Ａの側面を全反射しながら通過し、ロッドレンズ３Ａの出射側端面（以下、「出射面」という）Ｓ３Ａｏにおいて、様々な角度の光が交合された状態となり、光強度分布が略均一になる。ロッドレンズ３Ａを出射した光はプリズムアレイ４に入射する。同様に、光源１Ｂからロッドレンズ３Ｂに入射した光線は、該ロッドレンズ３Ｂの側面を全反射しながら通過し、ロッドレンズ３Ｂの出射側端面（以下、「出射面」という）Ｓ３Ｂｏにおいて、様々な角度の光が交合された状態となり、光強度分布が略均一になる。ロッドレンズ３Ｂを出射した光はプリズムアレイ４に入射する。
【００１１】
プリズムアレイ４は、上記複数のロッドレンズ３Ａ、３Ｂ側から入射される光のうち約１／２を反射または透過し、残りを透過または反射する第１の手段としてのハーフミラー５と、該ハーフミラー５を透過した光または該ハーフミラー５で反射された光を反射する第２の手段としての全反射ミラー６と、該ハーフミラー５及び該全反射ミラー６に接するプリズム材４０とが一体状（１つの剛体状にされている状態をいうものとする）に形成されている。該ハーフミラー５を透過した光、該ハーフミラー５で反射された光、該ハーフミラー５を透過した後該全反射ミラー６で反射された光及び該ハーフミラー５で反射された後さらに該全反射ミラー６で反射された光は、光路を１つに揃えた（合成した）合成光として該プリズムアレイ４（またはプリズム材４０）の１つのプリズム平面から出射される。該プリズムアレイ４内において、ハーフミラー５と全反射ミラー６は互いに略平行とされ、光源１Ａの光軸１００Ａ及び光源１Ｂの光軸１００Ｂに対して、略４５°傾斜している。
【００１２】
本第１の実施例では、プリズムアレイ４は、その内部でハーフミラー５と全反射ミラー６とが、ロッドレンズ３Ａ側からも、ロッドレンズ３Ｂ側からも、ハーフミラー５、全反射ミラー６の順で配列されている。ロッドレンズ３Ａからプリズムアレイ４に入射した光は、ハーフミラー５に入射し、該ハーフミラー５で約１／２が反射され、残りを透過する。ハーフミラー５で反射された光は、プリズムアレイ４の出射面Ｓ５から出射する。一方、ハーフミラー５を透過した光は、全反射ミラー６で反射された後、プリズムアレイ４の出射面Ｓ６から出射する。出射面Ｓ５、Ｓ６はともに、プリズムアレイ４（またはプリズム材４０）の１つのプリズム平面内に形成されている。また、ロッドレンズ３Ｂからプリズムアレイ４に入射した光は、ハーフミラー５に入射し、約１／２が該ハーフミラー５を透過し、残りが該ハーフミラー５で反射される。ハーフミラー５を透過した光は、プリズムアレイ４の出射面Ｓ５から出射する。一方、ハーフミラー５で反射された残り半分の光は、さらに全反射ミラー６で反射された後、プリズムアレイ４の出射面Ｓ６から出射する。上記のように、ロッドレンズ３Ａからプリズムアレイ４に入射した光と、ロッドレンズ３Ｂからプリズムアレイ４に入射した光とは、光路を１つに揃えた（合成した）合成光として、プリズムアレイ４（またはプリズム材４０）の１つの平面すなわち出射面Ｓ５、Ｓ６を有するプリズム面から出射される。
上記第１の実施例の構成においては、上記ロッドレンズ３Ａ、３Ｂはそれぞれ、プリズムアレイ４の対向面と接着されている。該接着構造にすることにより、ロッドレンズ３Ａ、３Ｂの出射面及びプリズムアレイ４の入射面における光損失が抑えられ、光の利用効率をより一層高められ、高輝度化に有利となる。
【００１３】
集光レンズ７は、その光軸７００が、プリズムアレイ４のハーフミラー５と全反射ミラー６の境界位置Ｑとなるように配されている。これにより、プリズムアレイ４の出射面Ｓ５から出射された光は、集光レンズ７により集光された後、赤、緑、青の色光に分離され、映像表示素子８の面上の約半分（例えば図の上方の半分の面）に照射され、また、プリズムアレイ４の出射面Ｓ６を出射した光も、集光レンズ７により集光された後、赤、緑、青の色光に分離され、該各色光は、映像表示素子８上の面上の約半分（例えば図の下方の半分の面）に照射される。すなわち、プリズムアレイ４の出射面Ｓ５、Ｓ６からの出射光により、該プリズムアレイ４の出射面Ｓ５、Ｓ６が映像表示素子８上に写像されることになる。
【００１４】
図２は、映像表示素子８上の照射領域の説明図である。
図２において、映像表示素子８の面上の下半分領域は、全反射ミラー６で反射され出射面Ｓ６から出射した集光光９ａにより照射され、映像表示素子８の面上の上半分領域は、ハーフミラー５を透過した光（光源１Ｂ側からの光）及び該ハーフミラー５で反射された光（光源１Ａ側からの光）すなわち全反射ミラー６の光路を通らずに出射面Ｓ５から出射した集光光９ｂにより照射される。集光光９ａの強度及び集光光９ｂの強度はそれぞれ、ハーフミラー５の光の透過性能や反射性能に依存する。
【００１５】
図３は、上記図１の照明光学系におけるハーフミラー５の光学特性例を示す。
図３に示すように、ハーフミラー５の透過率６０１と反射率６０２を略同性能とすることで、集光光９ａと集光光９ｂの光量を略同量とすることができ、光源１Ａと光源１Ｂの明るさが異なる場合であっても、映像表示素子８上における照度ムラを低減させることができる。
このとき、映像表示素子８上に集光される光の照射領域の形状は、プリズムアレイ４の出射面と略相似となる。この点からも、光の利用効率が高められる。
また、リフレクタ２Ａ、２Ｂ及びロッドレンズ３Ａ、３Ｂは、該ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ内で略最大角度の成分の光が少なくとも２回以上反射されるように、該リフレクタ２Ａ、２Ｂの第２焦点距離、ロッドレンズ３Ａ、３Ｂの長さ（光軸方向の長さ）及び太さ（光軸に垂直な方向の距離）を定めた場合には、この点からも、映像表示素子８上の照射領域における照度ムラを低減することが可能となる。
【００１６】
上記第１の実施例によれば、複数の光源１Ａ、１Ｂのそれぞれから出射された光がプリズムアレイ４で合成される時、ロッドレンズ３Ａ、３Ｂから出射した光は、ハーフミラー５及び全反射ミラー６を各１回しか通過しないため、それぞれにおける光損失を抑えられる。このため、光の利用効率を高められ、高輝度化を図ることができる。また、照度ムラの低減化も可能となる。さらに、色ムラも低減化可能である。
【実施例２】
【００１７】
図４は、本発明の第２の実施例としての投射型映像表示装置用照明光学系の構成図である。本第２の実施例では、ロッドレンズ３Ａ、３Ｂから入射された光を、プリズムアレイ４'中で偏光ビームスプリッタ５'と全反射ミラー６により合成して出射させる。プリズムアレイ４'は、複数のロッドレンズ３Ａ、３Ｂ側から入射される光のうちＳ偏光成分を反射しＰ偏光成分を透過する第１の手段としての偏光ビームスプリッタ５'と、該偏光ビームスプリッタ５'を透過したＰ偏光成分光または該偏光ビームスプリッタ５'で反射されたＳ偏光成分光を反射する第２の手段としての全反射ミラー６と、該偏光ビームスプリッタ５'及び該全反射ミラー６に接するプリズム材４０とが一体状に形成されている。該偏光ビームスプリッタ５'を透過したＰ偏光成分光、該偏光ビームスプリッタ５'で反射されたＳ偏光成分光、該偏光ビームスプリッタ５'を透過した後該全反射ミラー６で反射されたＰ偏光成分光及び該偏光ビームスプリッタ５'で反射された後さらに該全反射ミラー６で反射されたＳ偏光成分光は、光路を１つに揃えた（合成した）合成光として該プリズムアレイ４'の１つのプリズム面から出射される。
【００１８】
プリズムアレイ４'内において、該偏光ビームスプリッタ５'と全反射ミラー６は互いに略平行に配され、光源１Ａの光軸１００Ａ及び光源１Ｂの光軸１００Ｂに対して、略４５°傾斜している。また、プリズムアレイ４'は、その内部で偏光ビームスプリッタ５'と全反射ミラー６とが、ロッドレンズ３Ａ側からも、ロッドレンズ３Ｂ側からも、偏光ビームスプリッタ５'、全反射ミラー６の順で配列されている。ロッドレンズ３Ａからプリズムアレイ４'に入射した光２０１Ａは、偏光ビームスプリッタ５'に入射し、該偏光ビームスプリッタ５'でＳ偏光成分２０１ＡＳが反射され、Ｐ偏光成分２０１ＡＰが透過される。偏光ビームスプリッタ５'で反射されたＳ偏光成分光２０１ＡＳは、プリズムアレイ４'の出射面Ｓ５から出射する。一方、偏光ビームスプリッタ５'を透過したＰ偏光成分光２０１ＡＰは、全反射ミラー６で反射された後、プリズムアレイ４'の出射面Ｓ６から出射される。出射面Ｓ５、Ｓ６はともに、プリズムアレイ４'の１つのプリズム平面内に形成されている。また、ロッドレンズ３Ｂからプリズムアレイ４'に入射した光２０１Ｂは、偏光ビームスプリッタ５'に入射し、Ｐ偏光成分２０１ＢＰが該偏光ビームスプリッタ５'を透過し、Ｓ偏光成分２０１ＢＳが反射される。偏光ビームスプリッタ５'を透過したＰ偏光成分光２０１ＢＰは、プリズムアレイ４'の出射面Ｓ５から出射する。一方、偏光ビームスプリッタ５'で反射されたＳ偏光成分光２０１ＢＳは、さらに全反射ミラー６で反射された後、プリズムアレイ４'の出射面Ｓ６から出射される。上記のように、ロッドレンズ３Ａからプリズムアレイ４'に入射した光２０１Ａと、ロッドレンズ３Ｂからプリズムアレイ４'に入射した光２０１Ｂとは、光路を１つに揃えた（合成した）合成光として、プリズムアレイ４'の１つのプリズム平面すなわち出射面Ｓ５、Ｓ６を有する平面から出射される。
上記第２の実施例の構成においても、上記ロッドレンズ３Ａ、３Ｂはそれぞれ、プリズムアレイ４の対向面と接着されている。該接着構造にすることにより、ロッドレンズ３Ａ、３Ｂの出射面及びプリズムアレイ４'の入射面における光損失が抑えられ、光の利用効率をより一層高められ、高輝度化に有利となる。
【００１９】
第２の実施例において、プリズムアレイ４'からの出射光は、集光レンズ（図示なし）により集光される。プリズムアレイ４'の出射面Ｓ５から出射された光（偏光成分光）は、集光レンズにより集光された後、赤、緑、青の色光に分離され、映像表示素子（図示なし）の面上の約半分の素子面に照射され、また、プリズムアレイ４'の出射面Ｓ６から出射された光（偏光成分光）も、集光レンズにより集光された後、赤、緑、青の色光に分離され、該各色光は、映像表示素子上の面上の約半分の素子面に照射される。すなわち、映像表示素子の面上の例えば下半分領域は、全反射ミラー６で反射され出射面Ｓ６から出射した偏光成分光（２０１ＡＰ、２０１ＢＳ）が照射され、映像表示素子の面上の例えば上半分領域は、偏光ビームスプリッタ５'を透過して直進し出射面Ｓ５から出射する偏光成分光（光源１Ｂ側からの光２０１ＢＰ）及び該偏光ビームスプリッタ５'で反射され出射面Ｓ５から出射する偏光成分光（光源１Ａ側からの光２０１ＡＳ）が照射される。
【００２０】
光源として、例えば、高圧水銀ランプ、キセノンランプまたはＬＥＤなどのインコヒーレントな光源を用いた場合には、光の偏光成分としてＳ偏光成分とＰ偏光成分は略同量であり、偏光ビームスプリッタ５'を透過する光量と反射する光量とはほぼ同量となる。このため、映像表示素子の面上の上半分領域と下半分領域の光量を略同量とすることができ、この結果、光源１Ａと光源１Ｂの明るさが異なる場合であっても、映像表示素子上における照度ムラを低減させることができる。また、映像表示素子上に集光される光の照射領域の形状は、プリズムアレイ４'の出射面と略相似となるため、第１の実施例の場合と同様、この点からも光の利用効率を高められる。
また、リフレクタ２Ａ、２Ｂ及びロッドレンズ３Ａ、３Ｂは、該ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ内で略最大角度の成分の光が少なくとも２回以上反射されるように、該リフレクタ２Ａ、２Ｂの第２焦点距離、ロッドレンズ３Ａ、３Ｂの長さ（光軸方向の長さ）及び太さ（光軸に垂直な方向の距離）を定めた場合には、この点からも、映像表示素子上の照射領域における照度ムラを低減することが可能となる。
なお、図４の構成では、偏光ビームスプリッタ５'は、Ｐ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射するとしたが、逆に、偏光ビームスプリッタ５'が、Ｓ偏光成分を透過し、Ｐ偏光成分を反射するものであってもよい。
【００２１】
上記第２の実施例によっても、複数の光源１Ａ、１Ｂのそれぞれから出射された光がプリズムアレイ４'で合成される時、ロッドレンズ３Ａ、３Ｂから出射した光は、偏光ビームスプリッタ５'及び全反射ミラー６を各１回しか通過しないため、それぞれの光損失を抑えられる。このため、光の利用効率を高められ、高輝度化を図ることができる。また、照度ムラの低減化も可能となる。さらに、色ムラも低減化可能である。
【実施例３】
【００２２】
図５及び図６は本発明の第３の実施例の説明図である。図５は、第３の実施例としての投射型映像表示装置用照明光学系の構成図、図６は、図５の照明光学系に用いるロッドレンズの構成図である。本第３の実施例では、ロッドレンズとして偏光変換機能を有するものを用いる。該ロッドレンズ以外は、上記第１の実施例の照明光学系の構成と同じである。
図５において、３０１Ａ、３０１Ｂはそれぞれ、偏光変換機能を有するロッドレンズである。該ロッドレンズは、図６に示すように、入射面Ｓ３０１ｉ側に、全反射ミラー３０２と１／４波長位相差板３０３、出射面Ｓ３０１ｏ側に反射型偏光板３０４を備えている。該全反射ミラー３０２は、光学的な円形の開口部３０２ｂを有し、該開口部３０２ｂの周縁部に全反射ミラー部３０２ａが設けられている。１／４波長位相差板３０３は、光源からの発熱の影響を受けるため、水晶など耐熱性に優れた素材を用いることが望ましい。反射型偏光板３０４も、アルミニウム等による格子状構造（例えばワイヤーグリッド型構造）のものを用いることが望ましい。
【００２３】
図５、図６において、光源１（光源１Ａ、１Ｂ）を出射した光はリフレクタ２（リフレクタ２Ａ、２Ｂ）を介してロッドレンズ３０１（ロッドレンズ３０１Ａ、３０１Ｂ）に入射する。リフレクタ２によって集光された光は、上記全反射ミラー３０２の開口部３０２ｂに入射し、ロッドレンズ３０１内を側面で反射されながら出射面側に進む。光がロッドレンズ３０１出射面側の反射型偏光板３０４に達する際、直線偏光成分のうち、一方の成分のみが反射型偏光板３０４を透過し、もう一方の成分は反射される。反射された光はロッドレンズ３０１内部を光源側に進行し、１／４波長位相差板３０３を通過し、全反射ミラー部３０２ａで反射された後、再び１／４波長位相差板３０３を通過し、出射面側に向う。このとき、光は、１／４波長位相差板３０３を２回通過するため、再び反射型偏光板３０４に到達した際には、反射型偏光板３０４を透過する偏光方向となっており、これがロッドレンズ３０１から出射される。すなわち、ロッドレンズ３０１（ロッドレンズ３０１Ａ、３０１Ｂ）において偏光変換された光が、該ロッドレンズ３０１（ロッドレンズ３０１Ａ、３０１Ｂ）からプリズムアレイ４側に出射される。
【００２４】
プリズムアレイ４では、入射される光のうち約１／２を反射または透過し、残りを透過または反射する第１の手段としてのハーフミラー５と、該ハーフミラー５を透過した光または該ハーフミラー５で反射された光を反射する第２の手段としての全反射ミラー６とにより、入射光の透過及び反射が行われ、該ハーフミラー５を透過した光、該ハーフミラー５で反射された光、該ハーフミラー５を透過した後該全反射ミラー６で反射された光及び該ハーフミラー５で反射された後さらに該全反射ミラー６で反射された光が、光路を１つに揃えた（合成した）合成光として該プリズムアレイ４の１つのプリズム面から出射される。出射光は、集光レンズ７によって集光された後、色分離され、映像表示素子上に照射される。
【００２５】
上記第３の実施例構成によっても、第１の実施例の場合と同様、複数の光源１Ａ、１Ｂのそれぞれから出射された光がプリズムアレイ４で合成される時、ロッドレンズ３Ａ、３Ｂから出射した光は、ハーフミラー５及び全反射ミラー６を各１回しか通過しないため、それぞれにおける光損失を抑えられる。このため、光の利用効率を高められ、高輝度化を図ることができる。また、照度ムラの低減化も可能となる。特に、照明光学系の外形寸法を増大させることなく、ロッドレンズから出射する光の偏光方向を概略直線偏光に揃えることができるため、例えば、映像表示素子として液晶パネルを用いた場合に、照明光学系や装置全体などの小型化を図り易い。さらに、色ムラも低減化可能である。
上記第３の実施例構成では、プリズムアレイ４として、ハーフミラー５と全反射ミラー６とを備えた構成のものとしたが、第２の実施例（図４）におけるプリズムアレイ４'のように、偏光ビームスプリッタと全反射ミラーとを備えた構成のものであってもよい。
【実施例４】
【００２６】
図７及び図８は本発明の第４の実施例の説明図である。図７は、第４の実施例としての投射型映像表示装置用照明光学系の構成図、図８は、図７の照明光学系による映像表示素子上の照射領域の説明図である。本第４の実施例では、ロッドレンズとプリズムアレイとの間に集光レンズ（第１の集光レンズ）を備える。他の構成は、第１の実施例の場合と同様である。
図７において、４０１Ａ、４０１Ｂはそれぞれ、ロッドレンズ３Ａ、３Ｂとプリズムアレイ４との間に配された集光レンズ（第１の集光レンズ）である。該集光レンズ４０１Ａ、４０１Ｂはそれぞれ、ロッドレンズ３Ａ、３Ｂそれぞれの出射面Ｓ３ｏ（出射面Ｓ３Ａｏ、Ｓ３Ｂｏ）がその焦点位置近傍となるように配置されている。光源１（光源１Ａ、１Ｂ）を出射した光は、リフレクタ２（リフレクタ２Ａ、２Ｂ）で反射され、ロッドレンズ３（ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ）に入射して光強度分布が均一化され、該ロッドレンズ３（ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ）の出射面Ｓ３ｏ（出射面Ｓ３Ａｏ、Ｓ３Ｂｏ）から出射する。ロッドレンズ３（ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ）の出射面Ｓ３ｏ（出射面Ｓ３Ａｏ、Ｓ３Ｂｏ）から出射した光は、リフレクタ２（リフレクタ２Ａ、２Ｂ）で集光される際の光線角度とほぼ同じ光線角度分布を有しているが、ロッドレンズ３（ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ）の出射面Ｓ３ｏ（出射面Ｓ３Ａｏ、Ｓ３Ｂｏ）から出射した光は第１の集光レンズ４０１（第１の集光レンズ４０１Ａ、４０１Ｂ）により略平行光とされる。第１の集光レンズ４０１（第１の集光レンズ４０１Ａ、４０１Ｂ）で略平行光とされた光は、プリズムアレイ４に入射する。プリズムアレイ４では、入射される光のうち約１／２を反射または透過し、残りを透過または反射する第１の手段としてのハーフミラー５と、該ハーフミラー５を透過した光または該ハーフミラー５で反射された光を反射する第２の手段としての全反射ミラー６とにより、入射光の透過及び反射が行われ、該ハーフミラー５を透過した光、該ハーフミラー５で反射された光、該ハーフミラー５を透過した後該全反射ミラー６で反射された光及び該ハーフミラー５で反射された後さらに該全反射ミラー６で反射された光が、光路を１つに揃えた（合成した）合成光として該プリズムアレイ４の１つのプリズム面から出射される。出射光は、第２の集光レンズ７によって集光された後、色分離され、映像表示素子８上に照射される。
【００２７】
本第４の実施例では、ロッドレンズ３（ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ）の出射面Ｓ３ｏ（出射面Ｓ３Ａｏ、Ｓ３Ｂｏ）の形状は、第１の集光レンズ４０１（第１の集光レンズ４０１Ａ、４０１Ｂ）と第２の集光レンズ７によって映像表示素子８上に写像されている。すなわち、ロッドレンズ３（ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ）の出射面Ｓ３ｏ（出射面Ｓ３Ａｏ、Ｓ３Ｂｏ）と映像表示素子８上の被照射面とは共役な関係にある。このため、ロッドレンズ３Ａの出射面Ｓ３Ａｏの形状とロッドレンズ３Ｂの出射面Ｓ３Ｂｏの形状が、それぞれ集光レンズ４０１Ａ、４０１Ｂを介して第２の集光レンズ７によって映像表示素子８上に重畳照射されることになる。
【００２８】
図８において、集光光１０Ａは、ロッドレンズ３Ａの出射面Ｓ３Ａｏから出射した集光光であり、集光光１０Ｂはロッドレンズ３Ｂの出射面Ｓ３Ｂｏから出射した集光光である。各ロッドレンズ３（ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ）の出射面Ｓ３ｏ（出射面Ｓ３Ａｏ、Ｓ３Ｂｏ）から出射した各集光光が、映像表示素子８上に重畳した状態で結像されるため、光源１Ａと光源１Ｂの明るさが異なりかつハーフミラー５の透過率と反射率が異なる場合であっても、映像表示素子８上において照度ムラを抑えることができる。また、ハーフミラー５は、光の入射角によって透過率や反射率が変化し、これが照度ムラの原因となるおそれがあるが、本第４の実施例によれば、上記のように、第１の集光レンズ４０１（第１の集光レンズ４０１Ａ、４０１Ｂ）でプリズムアレイ４への入射光を略平行光とすることができるため、ハーフミラー５の該角度依存性を補って照度ムラを低減することができるし、また、プリズムアレイ４の小型化も可能となる。色ムラの低減も可能である。
【００２９】
なお、本第４の実施例において、映像表示素子に照射される光の照射領域の形状は、ロッドレンズ３（ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ）の出射面の形状と略相似となるため、光の利用効率を高める上から、ロッドレンズ３（ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ）の出射面の形状は、映像表示素子８の平面形状と略相似となるようにしてある。また、第１の集光レンズ４０１（第１の集光レンズ４０１Ａ、４０１Ｂ）とロッドレンズ３（ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ）の空間距離（第１の集光レンズ４０１（第１の集光レンズ４０１Ａ、４０１Ｂ）の焦点距離にほぼ等しい）は、映像表示素子８上に集光される集光光のサイズと反比例の関係にあるため、該空間距離及び該第１の集光レンズ４０１（第１の集光レンズ４０１Ａ、４０１Ｂ）の曲率は、映像表示素子８のサイズに合わせて設定してある。
【００３０】
上記第４の実施例構成によっても、第１の実施例の場合と同様、複数の光源１Ａ、１Ｂのそれぞれから出射された光がプリズムアレイ４で合成される際、ロッドレンズ３Ａ、３Ｂから出射した光は、ハーフミラー５及び全反射ミラー６を各１回しか通過しないため、それぞれにおける光損失を抑えられる。このため、光の利用効率を高められ、高輝度化を図ることができる。また、上記のように、照度ムラの低減化や、プリズムアレイ４や照明光学系や装置全体などの小型化も可能となる。さらに、色ムラも低減化可能である。
上記第４の実施例構成では、プリズムアレイ４として、ハーフミラー５と全反射ミラー６とを備えた構成のものとしたが、上記第２の実施例（図４）におけるプリズムアレイ４'のように、偏光ビームスプリッタと全反射ミラーとを備えた構成のものであってもよい。偏光ビームスプリッタを用いた場合には、特に、光の入射角に起因した照度ムラの低減化を図り易い。
【実施例５】
【００３１】
図９は、本発明の第５の実施例としての投射型映像表示装置用照明光学系の構成図である。本第５の実施例では、プリズムアレイの後段側に、該プリズムアレイ側からの出射光を平行化するレンズアレイを配する。他の構成は、第１の実施例の場合と同様である。
図９において、５０１は、プリズムアレイ４の出射面と集光レンズ７の間に配され、該プリズムアレイ４から出射された光を平行化するレンズアレイ、５０１ａは、該レンズアレイ５０１においてプリズムアレイ４の出射面Ｓ５に対応したレンズセル、５０１ｂは、該レンズアレイ５０１においてプリズムアレイ４の出射面Ｓ６に対応したレンズセルである。レンズアレイ５０１は、集光レンズ７の光軸７００を境にして、その両側に分けて配されている。レンズアレイ５０１の各レンズセル５０１ａ、５０１ｂは、プリズムアレイ４の出射面Ｓ５、Ｓ６がそれぞれ、その焦点位置近傍となるようにされている。プリズムアレイ４の出射面Ｓ５を出射した光は、レンズアレイ５０１のレンズセル５０１ａに入射して平行光とされた後、集光レンズ７に入射し、プリズムアレイ４の出射面Ｓ６を出射した光は、レンズセル５０１ｂに入射して平行光とされた後、集光レンズ７に入射する。レンズセル５０１ａからの出射光とレンズセル５０１ｂからの出射光は、集光レンズで集光された後、色光に分離され、映像表示素子８上に重畳結像される。すなわち、プリズムアレイ４の出射面Ｓ５、Ｓ６が、図８に示すように、それぞれ映像表示素子８上に重畳結像される。他の部分については、第１の実施例の場合と同様である。プリズムアレイ４の出射面Ｓ５、Ｓ６が、映像表示素子８上に重畳結像されるため、光源１Ａと光源１Ｂの明るさが異なりかつ第１の手段としてのハーフミラー５の透過率と反射率が異なる場合であっても、映像表示素子上における照度ムラを抑えることが可能となる。
【００３２】
なお、本第５の実施例においても、映像表示素子に照射される光の照射領域の形状は、ロッドレンズ３（ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ）の出射面の形状と略相似となるため、光の利用効率を高める上から、ロッドレンズ３（ロッドレンズ３Ａ、３Ｂ）の出射面の形状は、映像表示素子８の平面形状と略相似となるようにしてある。また、レンズアレイ５０１とプリズムアレイ４の空間距離（レンズアレイ５０１の焦点距離にほぼ等しい）は、映像表示素子上に集光される集光光のサイズと反比例の関係にあるため、該空間距離及びレンズアレイ５０１（レンズセル５０１ａ、５０１ｂ）の曲率は、映像表示素子のサイズに合わせて設定してある。
【００３３】
上記第５の実施例の構成によっても、上記第１の実施例の場合と同様、複数の光源１Ａ、１Ｂのそれぞれから出射された光がプリズムアレイ４で合成される際、ロッドレンズ３Ａ、３Ｂから出射した光は、ハーフミラー５及び全反射ミラー６を各１回しか通過しないため、それぞれにおける光損失を抑えられる。このため、光の利用効率を高められ、高輝度化を図ることができる。また、照度ムラや色ムラの低減化や、プリズムアレイ４や照明光学系や装置全体などの小型化も可能となる。
上記第５の実施例の構成においても、プリズムアレイ４を、入射される光のうち約１／２を反射または透過し、残りを透過または反射する第１の手段としてのハーフミラー５と、該ハーフミラー５を透過した光または該ハーフミラー５で反射された光を反射する第２の手段としての全反射ミラー６とを備えて成る構成のものとしたが、上記第２の実施例（図４）におけるプリズムアレイ４'のように、第１の手段として偏光ビームスプリッタを、第２の手段として全反射ミラーを備える構成のものとしてもよい。第２の手段として偏光ビームスプリッタを用いた場合には、特に、光の入射角に起因した照度ムラの低減化を図り易い。
【００３４】
図１０は、図９の照明光学系を用いた投射型映像表示装置の構成例図である。
図１０において、８０１は、図９の構成の照明光学系、７０１は、照明光学系８０１からの集束光を平行光にするコンデンサレンズ、７０２はＴＩＲプリズム（Ｔｏｔａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  Ｐｒｉｓｍ）、７０３は映像表示素子、７０４は投射レンズユニット、８０２は、光源に電源を供給する整流電源回路、８０４は映像表示素子７０３を駆動する駆動回路である。ＴＩＲプリズムは、２つの３角柱状のプリズムであり、２つの３角柱状プリズムの間に、狭い空隙が設けられているものであってもよいし、プリズムに対し屈折率が十分小さい接着剤で該２つの３角柱状プリズムが接着されているものなどであってもよい。照明光学系８０１内の複数の光源１（光源１Ａ、１Ｂ）には、整流電源回路８０２が接続され、該整流電源回路８０２より電圧を印加されることによって光源１（光源１Ａ、１Ｂ）が発光し、該発光光が出射される。なお、光源１（光源１Ａ、１Ｂ）は、光源近傍に配置された冷却装置（図示なし）によって冷却されるようになっている。
【００３５】
照明光学系８０１では、複数の光源１（光源１Ａ、１Ｂ）から出射した光は、図９で説明したように、プリズムアレイ４によって合成される。プリズムアレイ４からの出射光は、レンズアレイ５０１で平行光化された後、集光レンズ７によって集光される。集光レンズ７から出射された光は、コンデンサレンズ７０１によって略平行光とされた後、ＴＩＲプリズム７０２に入射する。ＴＩＲプリズム７０２に入射した光の方向と、ＴＩＲプリズム７０２の反射面との間の成す角が全反射角に対して大きな場合は、入射光は該ＴＩＲプリズム７０２の反射面で反射し、該成す角が小さい場合には、入射光は該反射面を透過する。本構成例では、コンデンサレンズ７０１から出射した光とＴＩＲプリズム７０２の反射面の成す角は、全反射角よりも大きな角度とされているため、光は該反射面で反射される。
例えばマイクロミラーアレイなどで構成された映像表示素子７０３では、駆動回路８０４からの映像信号に応じて、照射された光に対して角度変調を行って光学像を形成し、該光学像光を、ＴＩＲプリズム７０２に向けて反射する。このとき、映像表示素子７０３で反射された光とＴＩＲプリズム７０２の反射面とが成す角は、全反射角よりも小さくなっているため、該光学像光は、該ＴＩＲプリズム７０２の反射面を透過して投射レンズユニット７０４に入射し、該投射レンズユニット７０４によりスクリーン（図示なし）に拡大投射され、映像表示する。
図１０の構成において、照明光学系８０１、コンデンサレンズ７０１、ＴＩＲプリズム７０２、映像表示素子７０３及び投射レンズユニット７０４は光学エンジンを構成する。該光学エンジン、整流電源回路８０２及び駆動回路８０４を含めて投射型映像表示装置が構成される。
【００３６】
上記投射型映像表示装置によれば、光の利用効率が高く、照度ムラが少ない照明光学系を用いているため、省電力下で、明るい高画質の映像表示を行うことができる。
なお、図１０の投射型映像表示装置では、照明光学系として図９の構成のものを用い、色合成手段としてＴＩＲプリズム７０２を用いる構成としたが、本発明ではこれに限定されず、照明光学系として、図１に示した構成のものや、図４に示した構成のものや、図５に示した構成のものや、図７に示した構成のものや、図５に示した構成のうちハーフミラーに替えて偏光ビームスプリッタとしたものや、図７に示した構成のうちハーフミラーに替えて偏光ビームスプリッタとしたものや、図９に示した構成のうちハーフミラーに替えて偏光ビームスプリッタとしたものなどを用いてもよいし、また、色合成手段としては、例えば、クロスダイクロイックプリズムなどを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１の実施例の投射型映像表示装置用照明光学系の構成図である。
【図２】図１の照明光学系による映像表示素子上の照射領域の説明図である。
【図３】図１の照明光学系におけるハーフミラーの光学特性例図である。
【図４】第２の実施例の照明光学系の構成図である。
【図５】第３の実施例の照明光学系の構成図である。
【図６】図５の照明光学系に用いるロッドレンズの構成図である。
【図７】第４の実施例の照明光学系の構成図である。
【図８】図７の照明光学系による映像表示素子上の照射領域の説明図である。
【図９】第５の実施例の照明光学系の構成図である。
【図１０】投射型映像表示装置の構成例図である。
【符号の説明】
【００３８】
１、１Ａ、１Ｂ…光源、
２、２Ａ、２Ｂ…リフレクタ、
３、３Ａ、３Ｂ、３０１Ａ、３０１Ｂ…ロッドレンズ、
４、４'…プリズムアレイ、
５…ハーフミラー、
５'…偏光ビームスプリッタ、
６、３０２…全反射ミラー、
７、４０１Ａ、４０１Ｂ…集光レンズ、
８、７０３…映像表示素子、
４０…プリズム材、
３０２ａ…全反射ミラー部、
３０２ｂ…開口部、
３０３…１/４波長位相差板、
３０４…反射型偏光板、
５０１…レンズアレイ、
７０１…コンデンサレンズ、
７０２…ＴＩＲプリズム、
７０４…投射レンズユニット、
８０１…照明光学系、
８０２…整流電源回路、
８０４…駆動回路。
【図１】
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【図２】
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【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】
2006337428.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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