(57)【要約】【課題】光源から発する光の利用効率を向上することが可能な照明技術を提供する。【解決手段】リレーレンズ系６は、柱状光学素子５の出射面と被照明面１５０とが共役関係となるように構成されており、最初段レンズ群６０と、メニスカスレンズ６１ａ及び両凸レンズ６１ｂを含む中間レンズ群６１と、最終段レンズ６２とを含む。リレーレンズ系６は、２．４５＜ＦＮＯ＜２．７０、０．００５＜ｆ１／ｆ０＜０．２３、０．０３＜ｆ２／ｆ０＜０．５３、０．０３＜ｆ３／ｆ０＜０．７１、νｐ／νｎ＞１．９９を満足するように構成されている。ただし、ＦＮＯはリレーレンズ系６のＦナンバー、ｆ０〜ｆ３はリレーレンズ系６、最初段レンズ群６０、中間レンズ群６１及び最終段レンズ６２の焦点距離、νｎ及びνｐはメニスカスレンズ６１ａ及び両凸レンズ６１ｂのアッベ数を示している。【選択図】図１
2006267530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源が発する光を集束する集束部と、
前記集束部で集束された光をその強度分布の不均一性を緩和して出射する光学素子と、
前記光学素子の出射面に形成される像を被照明面に伝達するとともに、前記出射面と前記被照明面とが共役関係となるように構成されたリレーレンズ系と
を備え、
前記リレーレンズ系は、
前記光学素子からの出射光が入射される、正の屈折力を有する最初段レンズ群と、
前記最初段レンズ群からの出射光が入射される負レンズ及び前記負レンズからの出射光が入射される正レンズを含み、全体として正の屈折力を有する中間レンズ群と、
前記正レンズからの出射光が入射される、正の屈折力を有する最終段レンズと
を含み、
前記被照明面には前記最終段レンズからの出射光が照射され、
前記リレーレンズ系は、以下の式（１）〜（５）を満足するように構成されている、照明装置。
２．４５＜ＦＮＯ＜２．７０        ・・・（１）
０．００５＜ｆ１／ｆ０＜０．２３  ・・・（２）
０．０３＜ｆ２／ｆ０＜０．５３    ・・・（３）
０．０３＜ｆ３／ｆ０＜０．７１    ・・・（４）
νｐ／νｎ＞１．９９              ・・・（５）
ただし、
ＦＮＯ：前記リレーレンズ系のＦナンバー
ｆ０：前記リレーレンズ系の焦点距離
ｆ１：前記最初段レンズ群の焦点距離
ｆ２：前記中間レンズ群の焦点距離
ｆ３：前記最終段レンズの焦点距離
νｎ：前記負レンズのアッベ数
νｐ：前記正レンズのアッベ数
【請求項２】
請求項１に記載の照明装置であって、
前記負レンズと前記正レンズとはバルサムで互いに接着されている、照明装置。
【請求項３】
請求項１及び請求項２のいずれか一つに記載の照明装置であって、
前記リレーレンズ系は、前記中間レンズ群の直後に位置する光路偏向部材を更に含む、照明装置。
【請求項４】
請求項３に記載の照明装置であって、
前記光路偏向部材はダイクロイックミラーで構成されている、照明装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の照明装置であって、
前記光学素子は、中空の基材と、当該基材の内側面に設けられた反射材とを有する、照明装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載の照明装置と、
前記被照明面に配置された複数の可動ミラーを有し、当該可動ミラーにおけるオン・オフ状態の傾斜角が±１２度である反射型ライトバルブと
前記反射型ライトバルブにおけるオン状態の前記可動ミラーで反射される光をスクリーンに投写する投写光学系と
備える、投写型表示装置。
【請求項７】
請求項６に記載の投写型表示装置であって、
前記光学素子の入射面あるいは出射面に隣接して光学フィルタ領域が配置されたカラーフィルタを更に備える、投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射装置及びこれを用いた投写型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大画面の画像表示装置として投写型表示装置（プロジェクタ）が注目されている。ＣＲＴ（陰極線管）を用いた、小型で高精細・高輝度のＣＲＴプロジェクタ、液晶パネルを用いた液晶プロジェクタ、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いたＤＭＤプロジェクタ等が製品化されている。
【０００３】
また、映画やテレビプログラムといったＡＶソースに対応するだけの投写型表示装置だけではなく、コンピュータ画像を投写するデータプロジェクタと呼ばれる投写型表示装置が急速に市場を拡大しており、投写画面の明るさやコントラストの向上、高解像度化、明るさの均一性向上などの著しい性能改善が行われている。
【０００４】
特に液晶パネルやＤＭＤ等のライトバルブを用いたプロジェクタは明るさの向上と解像度の向上を独立して行える点でＣＲＴプロジェクタよりも優れており、プロジェクションテレビ（リア投写型プロジェクタ）への適用も増えている。
【０００５】
このようなライトバルブを用いた投写型表示装置での従来の照明光学系では、光源と投写レンズの射出瞳とを共役関係とするレンズ系の光路中にライトバルブが配置されており、このライトバルブに光を照射する、一種のケーラー照明法が用いられているものがほとんどであった。
【０００６】
しかしながら、近年は照明均一性を向上させるために、照明光学系にフライアイインテグレータ照明法や、ロッドインテグレータ照明法が多用されるようになり、照明光学系に対してより高いレベルの結像性能と、複雑な構成の光学系が要求されるようになってきている。
【０００７】
例えば特許文献１では、ロッドインテグレータ照明法を利用した反射型プロジェクタの一例が開示されている。特許文献１の反射型プロジェクタでは、臨界角プリズムで光の進行進路を変換しており、これにより偏向ビームスプリッタを排除するとともに、長い光学長を必要とすることなく光学系の光軸整列が容易になるという効果を生じる。また特許文献１では、スクランブラのような光混合手段を用いたロッドインテグレータ照明法が採用されているため、照明光学系の構成が簡素化され、コストパフォーマンスに優れた照明光学系とプロジェクタが提供可能である。
【０００８】
なお特許文献２には、投写型表示装置で使用されるプリズムに関する技術が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特許第２９３９２３７号公報
【特許文献２】米国特許第５６０４６２４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一般的に、光源から発する光の利用効率を向上して高効率の投写型表示装置を得るためには、１）ライトバルブに対して効率良く光の照射を行うための照明光学系の設計、特に、ライトバルブの有効画素領域に対する照明マージンを最小にすることや、２）ライトバルブの有効画素領域における照射光強度の均一性を向上させることが重要である。
【００１１】
ここで、ライトバルブにおいては、その有効画素領域よりも少し大きい範囲に光が照射されるため、ライトバルブへの照射光の一部は、当該有効画素領域には照射されずに損失となる。上述の照射マージンは、ライトバルブの有効画素領域に照射されて実際に画像表示に寄与する光の量に対する、上記損失となる光の量の割合を意味している。
【００１２】
しかしながら、特許文献１の反射型プロジェクタでは、照射マージンを十分に低減できず、照射光強度の均一性を十分に向上することができないことがあり、その結果、光源から発する光の利用効率を十分に向上させることができないことがある。
【００１３】
そこで、本発明は上述の問題に鑑みて成されたものであり、光源から発する光の利用効率を向上することが可能な照明装置及びそれを利用した投写型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明の照明装置は、光源と、前記光源が発する光を集束する集束部と、前記集束部で集束された光をその強度分布の不均一性を緩和して出射する光学素子と、前記光学素子の出射面に形成される像を被照明面に伝達するとともに、前記出射面と前記被照明面とが共役関係となるように構成されたリレーレンズ系とを備え、前記リレーレンズ系は、前記光学素子からの出射光が入射される、正の屈折力を有する最初段レンズ群と、前記最初段レンズ群からの出射光が入射される負レンズ及び前記負レンズからの出射光が入射される正レンズを含み、全体として正の屈折力を有する中間レンズ群と、前記正レンズからの出射光が入射される、正の屈折力を有する最終段レンズとを含み、前記被照明面には前記最終段レンズからの出射光が照射され、前記リレーレンズ系は、以下の式（１）〜（５）を満足するように構成されている。
【００１５】
２．４５＜ＦＮＯ＜２．７０        ・・・（１）
０．００５＜ｆ１／ｆ０＜０．２３  ・・・（２）
０．０３＜ｆ２／ｆ０＜０．５３    ・・・（３）
０．０３＜ｆ３／ｆ０＜０．７１    ・・・（４）
νｐ／νｎ＞１．９９              ・・・（５）
ただし、
ＦＮＯ：前記リレーレンズ系のＦナンバー
ｆ０：前記リレーレンズ系の焦点距離
ｆ１：前記最初段レンズ群の焦点距離
ｆ２：前記中間レンズ群の焦点距離
ｆ３：前記最終段レンズの焦点距離
νｎ：前記負レンズのアッベ数
νｐ：前記正レンズのアッベ数
【発明の効果】
【００１６】
この発明の照明装置によれば、リレーレンズ系が式（１）〜（５）を満足するように構成されているため、被照明面での倍率色収差、球面収差及び歪曲収差が低減する。従って、被照明面に対して損失光を低減した光の照射が可能となるとともに、当該被照明面での光の照射強度の均一性が向上し、光の利用効率が向上する。
【００１７】
更に、リレーレンズ系のＦナンバーＦＮＯが式（１）を満足するため、可動ミラーのオン・オフ状態での傾斜角が±１２度の反射型ライトバルブを有する投写型表示装置に好適な照射装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る照明装置１０の構成を示す側面図である。なお図１では、リフレクタ２に関しては、その内部構造を示すために断面構造を示している。本実施の形態１に係る照明装置１０は、ライトバルブを有する投写型表示装置において当該ライトバルブに光を照射する照明光学系として利用される。
【００１９】
図１に示されるように、本実施の形態１に係る照明装置１０は、投写型表示装置のライトバルブが配置される被照明面１５０に光を照射する照明装置であって、光源１と、光源１から発する光を集束する集束部４と、集束部４で集光された光をその強度分布の不均一性を緩和して出射する柱状光学素子５と、柱状光学素子５の出射面に形成される像を被照明面１５０に伝達するリレーレンズ系６とを備えており、これらは照明光軸２００上に直線的に配置されている。
【００２０】
光源１は白色光や単色光などを出射する発光体から成る。集束部４は、リフレクタ２と、コンデンサレンズ系３とから成る。リフレクタ２は例えば回転放物面鏡であり、その焦点近傍に光源１が配置されている。これにより、光源１から放出された光はリフレクタ２で略平行化されてコンデンサレンズ系３に入射する。コンデンサレンズ系３は、平凸レンズ３ａとメニスカスレンズ３ｂとから成り、リフレクタ２で略平行化された光を集束して光源１の像を形成する。光の利用効率を向上させる観点からは、この光源１の像が形成される位置に、柱状光学素子５の光の入射面を配置するのが好ましい。また、光源１の像の大きさと角度分布（照明光軸２００の周りの配光分布）は、コンデンサレンズ系３の性能を調整することによって所定の値に近づけることができる。
【００２１】
本実施の形態１では、電極ギャップ長が約１．３ｍｍの放電ランプを光源１として採用し、焦点距離が７．５ｍｍの回転放物面からなるリフレクタ２を用いている。そして、コンデンサレンズ系３により実効的な直径が４ｍｍ程度の光源１の像が形成される。
【００２２】
光源１は、メタルハイライドランプや超高圧水銀ランプ等、発光領域の寸法が小さく発光効率が高いものが好ましい。これは、光源１での発光領域の寸法が小さい方がリフレクタ２による光の平行化が行いやすくなり、これにより、コンデンサレンズ系３によって、柱状光学素子５の入射面に光を集光しやすくなり、集光効率を高めることができるからである。
【００２３】
また、リフレクタ２を回転楕円鏡として、当該回転楕円鏡の第１焦点近傍に光源１を配置し、リフレクタ２のみで光源１から発する光を集束しても良い。この場合には、コンデンサレンズ系３は不要となり、集束部４はリフレクタ２のみで構成されることになる。
【００２４】
柱状光学素子５は、集束部４で集束された光の強度分布の不均一性を緩和して、その出射面に新たな光源１の像を形成し、当該出射面に二次的な光源面を形成する。
【００２５】
リレーレンズ系６は、柱状光学素子５の出射面と被照明面１５０とが共役関係となるように構成されており、柱状光学素子５の出射面に形成される像を被照明面１５０に伝達する。柱状光学素子５の出射面には輝度の不均一性が低減された二次的な光源面が形成されるため、当該光源面から発する光をリレーレンズ系６によって被照明面１５０に再び結像することによって効率の良い均一な照射が可能となる。
【００２６】
また図１に示されるように、リレーレンズ系６は、被照明面１５０での照射光束の主光線１００が照明光軸２００に対して略平行となるように構成されており、像側においてテレセントリック光学系となるように構成されている。テレセントリック光学系では周辺光量比を高くすることが設計的に容易であるため、光強度の均一性を保持して柱状光学素子５の出射面に形成される像を被照明面１５０に伝達することができ、高効率で品位の高いライトバルブへの照明が可能となる。
【００２７】
なお、柱状光学素子５の出射面の寸法は、リレーレンズ系６の結像倍率と被照明面１５０の大きさとに基づいて決定する。光利用効率を向上させるためには、柱状光学素子５の出射面の形状は、被照明面１５０の形状、つまりライトバルブの有効画素領域の形状と略相似形であることが好ましい。
【００２８】
次に柱状光学素子５の詳細な構造について説明する。図２は柱状光学素子５の構造の一例を示す側断面図である。図２に示される柱状光学素子５はガラスロッドで形成されており、光の入射面５ａと出射面５ｂとは同一形状である。集束部４で集光された光１１０が柱状光学素子５の入射面５ａに入射されると、当該光１１０は、柱状光学素子５の外側面５ｃと外気との界面において全反射を生じ、図２に示されるように、柱状光学素子５ではこの全反射が繰り返して行われる。これにより、光１１０が柱状光学素子５の出射面５ｂに効率よく伝達されるとともに、入射面５ａで生じていた光１１０の強度分布の不均一性が低減され、出射面５ｂには強度分布の均一性が非常に高い光源面が形成される。
【００２９】
柱状光学素子５を構成するすべての面の平面度や、入射面５ａと出射面５ｂとの間の平行度、あるいは外側面５ｃ間の平行度は、柱状光学素子５の材料として一般的な平面ガラス部材を使用した場合であっても、出射面５ｂに形成される二次的な光源面の形成にはほとんど影響を与えない程度に維持される。
【００３０】
なお、光源１から放出された光が集束部４で集光される位置に入射面５ａを配置した場合には光の伝達効率が最も高くなる。この場合には、柱状光学素子５への入射光のエネルギー密度が大きくなるため、柱状光学素子５の耐熱性を向上させる。また、柱状光学素子５の入射面５ａと出射面５ｂとの形状や寸法を互いに異ならせても良い。
【００３１】
図３は柱状光学素子５の構造の他の例を示す側断面図である。図３に示される柱状光学素子５は、中空の基材１５と、当該基材１５の内側面に設けられた反射材１６とを備える中空ロッドである。基材１５の内側面は４つの平面が所定空間を取り囲むように形成されており、反射材１６は当該４つの平面のそれぞれに設けられている。そして、柱状光学素子５の入射面５ａ及び出射面５ｂのそれぞれには、反射材１６で囲まれた四角形状の開口が設けられている。なお、入射面５ａに円形の開口を、出射面５ｂに四角形の開口をそれぞれ設けてもよい。
【００３２】
入射面５ａから柱状光学素子５内に進入した光１１０は、図３に示されるように、反射材１６で反射を繰り返して柱状光学素子５内を進行する。これにより、出射面５ｂには均一な強度分布を有する二次的な光学面が形成される。
【００３３】
なお、図３に示されるような反射材１６を使用した柱状光学素子５は、当該反射材１６で光の損失が生じるため、図２に示されるようなガラスロッドで形成された柱状光学素子５と比較して、一般的に光の利用効率が低下する。しかしながら、図３の柱状光学素子５を、例えば、アルミ材の表面にアルマイト処理がなされた基材に高純度のアルミを真空蒸着し、更にその上に保護層としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）やチタン酸化膜（ＴｉＯ2膜）などを蒸着して形成することによって、反射特性、耐熱性及び耐候性に優れた柱状光学素子５を実現することができる。柱状光学素子５は、アラノッド社製のＭＩＲＯ（登録商標）を用いて形成するのが好適である。
【００３４】
図３に示される柱状光学素子５は、基材１５と反射材１６との２つの材料で形成されているため、基材１５及び反射材１６の材料を個別に選定することによって、光の反射特性を維持しつつ放熱特性を向上させることができる。例えば、基材１５を放熱効果にすぐれた金属で形成することによって反射特性を維持しつつ放熱特性を向上させることができる。従って、光の利用効率を高めるために、コンデンサレンズ系３による光の集束点に入射面５ａを配置し、柱状光学素子５への入射光のエネルギー密度が大きくなった場合であっても、反射特性を維持しながら、入射光による柱状光学素子５での発熱を抑制できる。
【００３５】
また、図２に示される柱状光学素子５では、単一の材料で形成されているため、当該柱状光学素子５を外側から保持する部材が光の反射特性に影響を与えることがないように当該部材の材料及び形状を工夫する必要がある。しかしながら、図３の柱状光学素子５では、中空の基材１５の内側面に反射材１６が設けられているため、当該柱状光学素子５を外側から保持する部材が光の反射特性に与える影響は少ない。従って、簡便な手段で柱状光学素子５を保持することができ、本照明装置１０の製造コストを低減できる。更には、板状部材を折り曲げることによって中空の基材１５を形成することができるため、簡単な製造方法で柱状光学素子５を形成することができる。
【００３６】
次に、リレーレンズ系６の詳細な構造について上述の図１を参照して説明する。図１に示されるように、リレーレンズ系６は、正の屈折力を有する最初段レンズ群６０と、正の屈折力を有する中間レンズ群６１と、正の屈折力を有する最終段レンズ６２とを備えている。最初段レンズ群６０は、ともに正の屈折力を有するメニスカスレンズ６０ａ及び平凸レンズ６０ｂを備えている。中間レンズ群６１は、負の屈折力を有するメニスカスレンズ６１ａと正の屈折力を有する両凸レンズ６１ｂとを備えており、全体として正の屈折力を有している。メニスカスレンズ６１ａと両凸レンズ６１ｂとはバルサムで互いに接着されている。最終段レンズ６２は平凸レンズである。
【００３７】
メニスカスレンズ６０ａ、平凸レンズ６０ｂ、メニスカスレンズ６１ａ、両凸レンズ６１ｂ及び最終段レンズ６２は、柱状光学素子５と被照明面１５０との間にこの順で一列に配置されている。メニスカスレンズ６０ａはその凹面を、平凸レンズ６０ｂはその平面を、メニスカスレンズ６１ａはその凸面を、最終段レンズ６２はその凸面を柱状光学素子５側に向けて配置されている。
【００３８】
本実施の形態１では、メニスカスレンズ６１ａと両凸レンズ６１ｂとは互いに異なった硝材で形成されている。そして、リレーレンズ系６に含まれる複数のレンズにおいては、メニスカスレンズ６１ａ及び両凸レンズ６１ｂと、これら以外のレンズとは互いに異なった硝材で形成されており、メニスカスレンズ６１ａ及び両凸レンズ６１ｂ以外のレンズは互いに同じ硝材で形成されている。
【００３９】
なお、リレーレンズ系６に含まれる複数のレンズにおいては、メニスカスレンズ６１ａと、これ以外のレンズとを互いに異なった硝材で形成し、メニスカスレンズ６１ａ以外のレンズを互いに同じ硝材で形成しても良い。
【００４０】
被照明面１５０の直前に配置されている最終段レンズ６２は、中間レンズ群６１の両凸レンズ６１ｂよりも小さい屈折力を有している。この最終段レンズ６２の働きによって、被照明面１５０に入射する照明光束の主光線１００は、照明光軸２００に対して略平行となり、これによってテレセントリック照明を実現している。このとき、中間レンズ群６１が正の屈折力を有するレンズのみで構成されている場合には、最終段レンズ６２の軸外収差、特に歪曲収差及び倍率色収差の補正が困難である。そこで、本実施の形態１では、中間レンズ群６１内に負レンズ、すなわちメニスカスレンズ６１ａを配置し、これにより、最終段レンズ６２の軸外収差を低減している。
【００４１】
また本実施の形態１では、中間レンズ群６１のメニスカスレンズ６１ａの入射面に絞り６３を設けており、この絞り６３の近傍に光源１の像を形成するリレーレンズ系６としている。これにより、メニスカスレンズ６１ａの歪曲収差を低減している。
【００４２】
なお、柱状光学素子５の出射面５ｂが照明光源となるため、照明の効率を向上させるためには、光源１の像において比較的高い位置での収差、すなわち歪曲収差や倍率色収差等の軸外収差を優先的に補正する必要がある。
【００４３】
本実施の形態１では、中間レンズ群６１に負レンズを設けることによって、あるいは絞り６３を設けることによって軸外収差を良好に補正しているため、被照明面１５０での照射マージンを低減することができ、光の利用効率を向上することができる。
【００４４】
特に、中間レンズ群６１に負レンズを設けることによって倍率色収差を補正しているため、本照明装置１０をカラー表示可能な投写型表示装置に使用した場合には有効である。つまり、光源１が発する光をカラーフィルタに通過させるとＲＧＢの３つの色光が生じるが、当該３つの色光が被照明面１５０で重ならないために生じる、わずかに色づいた領域を、倍率色収差を補正することによって低減することができ、被照明面１５０の全面に渡って高品質の白色照明が可能となる。この特徴は、一枚のライトバルブによりカラー表示を行う単板式プロジェクタにおいてはＲＧＢの３つの色光の光路が共通であるため、各色光別に収差補正が可能な複数板式プロジェクタに採用する場合よりも、当該単板式プロジェクタに採用する場合の方が効果が顕著に表れる。
【００４５】
本実施の形態１では、シミュレーション結果に基づいてリレーレンズ系６は、以下の式（１）〜（５）を満足するように構成されている。
【００４６】
２．４５＜ＦＮＯ＜２．７０        ・・・（１）
０．００５＜ｆ１／ｆ０＜０．２３  ・・・（２）
０．０３＜ｆ２／ｆ０＜０．５３    ・・・（３）
０．０３＜ｆ３／ｆ０＜０．７１    ・・・（４）
νｐ／νｎ＞１．９９              ・・・（５）
ただし、ＦＮＯはリレーレンズ系６のＦナンバー、ｆ０はリレーレンズ系６の焦点距離、ｆ１は最初段レンズ群６０の焦点距離、ｆ２は中間レンズ群６１の焦点距離、ｆ３は最終段レンズ６２の焦点距離、νｎは負のメニスカスレンズ６１ａのアッベ数、νｐは正の両凸レンズ６１ｂのアッベ数をそれぞれ示している。
【００４７】
本シミュレーションは、被照明面１５０に生じる収差として、球面収差、歪曲収差、倍率色収差、非点収差、像面湾曲収差及びコマ収差を考慮し、更に被照明面１５０での像の大きさや、光が被照明面１５０へ入射する際の当該光の角度を考慮して行っている。
【００４８】
ＦナンバーＦＮＯが式（１）を満足するようにリレーレンズ系６を構成すると、現状のＤＭＤのように、オン・オフ状態での傾斜角が±１２°の反射型ライトバルブを使用した投写型表示装置に好適な照射装置を提供することができる。つまり、傾斜角が±１２°の反射型ライトバルブを使用した投写型表示装置に、本実施の形態１に係る照明装置１０を当該反射型ライトバルブに対する照明装置として組み込むと、画質の良い投写画像が得られる。
【００４９】
また、式（１）を満足するように構成されるリレーレンズ系６では、中間レンズ群６１の各レンズを上記式（５）を満足するような材料で構成すると、被照明面１５０での倍率色収差を低減することができる。従って、柱状光学素子５の出射面に形成される像を被照明面１５０上に効率よく伝達することができる。また、倍率色収差を良好に補正することができることから、本照明装置１０をカラー表示可能な投写型表示装置に使用した場合には、上述のように、ＲＧＢの３つの色光が被照明面１５０で重ならないために生じる、わずかに色づいた領域を低減することができる。
【００５０】
更に、式（１），（５）を満足するように設計されるリレーレンズ系６において、式（２）〜（４）を満足するようにｆ０〜ｆ３を設定すると、被照明面１５０での球面収差及び歪曲収差を低減することができる。
【００５１】
以上のように、リレーレンズ系６を式（１）〜（５）を満足するように設計することによって、球面収差、歪曲収差及び倍率色収差を低減することができる。従って、照射マージンが低減して、被照明面１５０に対して損失光を低減した光の照射が可能となるとともに、被照明面１５０での光の照射強度の均一性が向上する。その結果、光の利用効率が向上する。
【００５２】
なお、ｆ１／ｆ０が式（２）に示される０．２３以上に設定され、ｆ２／ｆ０が式（３）に示される０．５３以上に設定され、ｆ３／ｆ０が式（４）に示される０．７１以上に設定されると、リレーレンズ系６を構成する各レンズの主点間隔が大きくなる傾向にあり、リレーレンズ系６の全長が大きくなる傾向にある。
【００５３】
また、ｆ１〜ｆ３の値を小さくして、ｆ１／ｆ０を式（２）に示される０．００５以下に設定し、ｆ２／ｆ０を式（３）に示される０．０３以下に設定し、ｆ３／ｆ０を式（４）に示される０．０３以下に設定すると、リレーレンズ系６を構成する各レンズの有効径が増大するため、本照明装置１０が大きくなり、省スペース化や低コスト化を実現しにくくなる。
【００５４】
また本実施の形態１では、メニスカスレンズ６１ａと両凸レンズ６１ｂとがバルサムで互いに接着されているため、被照明面１５０での倍率色収差が更に低減し、光の利用効率が更に向上する。
【００５５】
次にリレーレンズ系６の設計例について説明する。図４はリレーレンズ系６の設計例を示す図である。図中のＲＥＤは、リレーレンズ系６での近軸倍率を示している。また図中のｉは、柱状光学素子５の出射面５ｂに形成される二次的な光源面と被照明面１５０とを含む、それらの間に存在する光学面を示しており、当該二次的な光源面から被照明面１５０に向かって０番からの通し番号を割り当てている。つまり、ｉが示す０から１０の番号は、二次的な光源面、メニスカスレンズ６０ａの凹面、その凸面、平凸レンズ６０ｂの平面、その凸面、メニスカスレンズ６１ａの凸面、両凸レンズ６１ｂの光源１側の凸面、その被照明面１５０側の凸面、最終段レンズ６２の凸面、その平面、及び被照明面１５０をそれぞれ示している。
【００５６】
図中のＲｉはｉ番目の光学面の曲率半径を、Ｄｉはｉ番目から（ｉ＋１）番目の光学面の間の距離をそれぞれ示している。また図中のｎｄはそれに対応するｉの番号が示す光学面を含むレンズにおけるｄ線に対する屈折率を示しており、図中のνｄはそれに対応するｉの番号が示す光学面を含むレンズのアッベ数を示している。従って、例えば、図中のｉ＝１に対応するｎｄ＝１．５１６８はメニスカスレンズ６０ａのｄ線に対する屈折率を示しており、ｉ＝５に対応するνｄ＝２７．５はメニスカスレンズ６１ａのアッベ数を示している。なお、Ｒｉ＝∞は平面を示しており、ｆ０〜ｆ３及びＲｉ，Ｄｉの値の単位は「ｍｍ」である。
【００５７】
図４に示される設計例からｆ１／ｆ０、ｆ２／ｆ０、ｆ３／ｆ０及びνｐ／νｎを求めると、
ｆ１／ｆ０＝０．０４
ｆ２／ｆ０＝０．１０
ｆ３／ｆ０＝０．１６
νｐ／νｎ＝２．２３
となり、式（２）〜（５）を満足する。また本設計例では、ＦＮＯ＝２．６０であるため、式（１）も満足する。
【００５８】
なお図４の設計例では、リレーレンズ系６を構成する５枚のレンズのうち、負のメニスカスレンズ６１ａ、つまり屈折率ｎｄ＝１．７５５２を示すレンズとしてはＨＯＹＡ社のＥ−ＦＤ４を使用し、両凸レンズ６１ｂ、つまり屈折率ｎｄ＝１．５８９１を示すレンズとしてはＨＯＹＡ社のＢＡＣＤ５を使用している。そして、その他のレンズ、つまり屈折率ｎｄ＝１．５１６８のレンズとしては、安価なＨＯＹＡ社のＢＳＣ７を使用している。更に、リレーレンズ系６でのすべての光学作用面（光学面）を球面にて構成することによって製造コストを抑えている。
【００５９】
なお本実施の形態１に係るリレーレンズ系６では、メニスカスレンズ６１ａと両凸レンズ６１ｂとはバルサムで互いに接着されているが、製造コストを抑えるために、両者を接着せずに互いに離して配置しても良い。この場合のリレーレンズ系６の設計例を図５に示す。本設計例では、メニスカスレンズ６１ａと両凸レンズ６１ｂとは互いに離れて配置されているため、図４の設計例よりもリレーレンズ系６に存在する光学面が一つ増加する。従って、ｉが示す番号が一つ増加している。つまり、ｉが示す０から１１の番号は、二次的な光源面、メニスカスレンズ６０ａの凹面、その凸面、平凸レンズ６０ｂの平面、その凸面、メニスカスレンズ６１ａの凸面、その凹面、両凸レンズ６１ｂの光源１側の凸面、その被照明面１５０側の凸面、最終段レンズ６２の凸面、その平面、及び被照明面１５０をそれぞれ示している。
【００６０】
図５に示される設計例からｆ１／ｆ０、ｆ２／ｆ０、ｆ３／ｆ０及びνｐ／νｎを求めると、
ｆ１／ｆ０＝０．０２
ｆ２／ｆ０＝０．０４
ｆ３／ｆ０＝０．０５
νｐ／νｎ＝２．２３
となり、式（２）〜（５）を満足する。また本設計例では、ＦＮＯ＝２．６０であるため、式（１）も満足する。
【００６１】
なお、メニスカスレンズ６０ａ、平凸レンズ６０ｂ及び最終段レンズ６２と同じ安価な硝材で両凸レンズ６１ｂを形成することにより、製造コストを更に抑えることができる。
【００６２】
また、本実施の形態１に係るリレーレンズ系６の光学性能を維持しつつ、最初段レンズ群６０を非球面レンズ１枚で構成すること可能である。つまり、最初段レンズ群６０に関しては、一般的に複数を意味する「群」という文言を使用してはいるものの、当該最初段レンズ群６０は、複数枚のレンズで構成される場合のみならず、一枚のレンズで構成される場合もある。
【００６３】
また本実施の形態１では、光源１から被照明面１５０までの光路は直線的であったが、図６に示されるように、例えば、中間レンズ群６１の直後に反射ミラー等から構成される光路偏向部材６４を設けて、全系の光路を途中で折り曲げても良い。この場合には、コンパクトな照明装置を実現できる。
【００６４】
また、上記光路偏向部材６４をダイクロイックミラーで構成しても良い。この場合には、光路偏向部材６４への入射光に含まれる様々な波長の光のうち、紫外線等の不要な波長の光を透過させ、必要な波長の光のみを反射して被照明面１５０に照射することができる。その結果、被照明面１５０に対する照明性能が向上する。
【００６５】
実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２に係る投写型表示装置の構成を示す側面図である。なお図７では、図１と同様に、リフレクタ２に関してはその内部構造を示すために断面構造を示している。本実施の形態２に係る投写型表示装置は、上述の実施の形態１に係る照明装置１０を照明光学系として備える表示装置である。
【００６６】
図７に示されるように、本実施の形態２に係る投写型表示装置は、実施の形態１に係る照明装置１０と、回転カラーフィルタ８０と、プリズム８１と、投写光学系８２と、反射型ライトバルブ８３と、スクリーン８４とを備えている。
【００６７】
回転カラーフィルタ８０は、柱状光学素子５の出射面５ｂとメニスカスレンズ６０ａとの間において、その光学フィルタ領域が当該出射面５ｂに隣接するように配置されている。回転カラーフィルタ８０の光学フィルタ領域８０ａは、ＲＧＢの各成分に対応した３つの領域から成る。光学フィルタ領域８０ａは、例えば、映像信号に含まれる同期信号に同期して回転し、柱状光学素子５からの光の入射領域が、ＲＧＢの各成分に対応した３つの領域の間で順次切り替わる。これにより、回転カラーフィルタ８０では、入射光から各色成分が抽出されて出射される。その結果、フィールドシーケンシャルで投写映像のカラー化を行うことができる。
【００６８】
反射型ライトバルブ８３はＤＭＤであって、スクリーン８４上の複数の画素にそれぞれ対応する、マトリックス状に配列された複数の微小な可動ミラー８３ａを備えており、当該複数の可動ミラー８３ａによって入射光を反射する。図８は反射型ライトバルブ８３が有する複数の可動ミラー８３ａの動作を示す側面図である。図８（ａ），８（ｂ）は非可動状態及び可動状態の可動ミラー８３ａをそれぞれ示している。
【００６９】
図８（ａ）に示されるように、非可動状態においては、複数の可動ミラー８３ａの光の反射面８３ａａは同一平面上に位置しており、上記被照明面１５０に配置されている。そして図８（ｂ）に示されるように、可動状態においては、複数の可動ミラー８３ａのそれぞれは、所定の方向あるいはそれとは逆方向に回転して傾斜する。これにより、複数の可動ミラー８３ａのそれぞれはオン状態あるいはオフ状態となる。本実施の形態２に係る反射型ライトバルブ８３では、可動ミラー８３ａの傾斜角αは±１２度に設定されている。
【００７０】
図８（ｂ）に示されるように、オン状態の可動ミラー８３ａへの入射光１２０ａは当該可動ミラー８３ａで反射され、反射光１２０ｂとなって、プリズム８１及び投写光学系８２を介してスクリーン８４に入射される。一方、オフ状態の可動ミラー８３ａへの入射光１２０ｃは当該可動ミラー８３ａで反射され、反射光１２０ｄとなって、図示しない光吸収部材に入射される。
【００７１】
反射型ライトバルブ８３は、入力される画像情報に基づいて複数の可動ミラー８３ａのそれぞれのオン／オフ状態を個別に制御して、複数の可動ミラー８３ａのそれぞれの傾きを個別に変化させている。これにより、入射光の反射方向が可動ミラー８３ａ単位で変化し、当該入射光には画像情報に基づいた二次元的な変調が与えられる。
【００７２】
プリズム８１は、リレーレンズ系６の最終段レンズ６２の直後に配置されており、照明光軸２００に対して垂直な光入射面８１ａと、反射型ライトバルブ８３における非可動状態の複数の可動ミラー８３ａが成す平面に対して平行な光出射面８１ｂとを備えている。最終段レンズ６２から出射される照明光は、光入射面８１ａからプリズム８１内に入射し、入射した照明光は、当該プリズム８１の内部での全反射作用によって偏向する。偏向した照明光は、光出射面８１ｂから出射して、反射型ライトバルブ８３に入射される。
【００７３】
またプリズム８１は、反射型ライトバルブ８３におけるオン状態の可動ミラー８３ａで反射された光を偏向することなくそのまま透過し、投写光学系８２に入射する。これにより、照明光学系、つまり照明装置１０の照明性能と、投写光学系８２の投写性能を両立させることができる。更に、照明光軸２００と、投写光学系８２における光軸である投写光軸２１０とは互いに分離され、反射型ライトバルブ８３の前後での光学系の物理的な干渉を回避することができる。
【００７４】
なお、本実施の形態２に係るプリズム８１と同じ動作を行うプリズムについては、例えば上記特許文献２に開示されている。
【００７５】
また、反射型ライトバルブ８３における光の変調作用は、プリズム８１における光学系の干渉回避作用との整合性が高く、これにより非常に小さなスペースで本実施の形態２に係る投写型表示装置を構成することができる。
【００７６】
投写光学系８２は、投写レンズ等から成り、反射型ライトバルブ８３からプリズム８１を介して入射される光をスクリーン８４上に拡大投写する。これにより、スクリーン上８４には大画面の映像が映し出される。
【００７７】
上述のように、実施の形態１に係る照明装置１０は、非常に効率が良くかつ均一な照明を行うことができるため、本実施の形態２に係る投写型表示装置のように、当該照明装置１０を照明光学系として利用することによって、非常に光利用効率が高く、コンパクトで安価な投写型表示装置を実現でき、かつ明るい投写画像を得ることができる。この効果は、フロント投写やリア投写といった投写方式に関わらず得ることができる。
【００７８】
なお、図７に示される照明装置１０において、図６に示される照明装置１０と同様に、反射ミラー等の光路偏向部材６４を更に設けて、照明光学系での光路を折り曲げても良い。この場合には、本投写型表示装置が更にコンパクトになり、小型かつ軽量の投写型表示装置が実現できる。
【００７９】
また本実施の形態２では、回転カラーフィルタ８０の光学フィルタ領域８０ａを柱状光学素子５の出射面５ｂに隣接して配置しているが、当該光学フィルタ領域８０ａを、柱状光学素子５とコンデンサレンズ系３との間において当該柱状光学素子５の入射面５ａに隣接して配置しても良い。通常、柱状光学素子５の入射面５ａ及び出射面５ｂの近傍では光束径が小さいため、回転カラーフィルタ８０の光学フィルタ領域８０ａを柱状光学素子５の入射面５ａあるいは出射面５ｂに隣接して配置することによって、当該光学フィルタ領域８０ａを小さくすることができる。従って、回転カラーフィルタ８０の小型化が可能になり、小型で軽量の投写型表示装置を提供できる。
【００８０】
また、投写映像のカラー化については、回転カラーフィルタ８０以外にも、照明装置１０と整合が良く、光の利用効率が高い投写型表示装置を提供できるカラー化手段であれば、これを採用することは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る照明装置の構成を示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る柱状光学素子の構造を示す側断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る柱状光学素子の変形例の構造を示す側断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るリレーレンズ系の設計例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るリレーレンズ系の設計例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る照明装置の変形例の構成を示す側面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る投写型表示装置の構成を示す側面図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る反射型ライトバルブの可動ミラーの動作を示す側面図である。
【符号の説明】
【００８２】
１  光源、４  集束部、５  柱状光学素子、５ａ  入射面、５ｂ  出射面、６  リレーレンズ系、１０  照明装置、１５  基材、１６  反射材、６０  最初段レンズ群、６１  中間レンズ群、６１ａ  メニスカスレンズ、６１ｂ  両凸レンズ、６２  最終段レンズ、６４  光路偏向部材、８０  カラーフィルタ、８０ａ  光学フィルタ領域、８２  投写光学系、８３  反射型ライトバルブ、８３ａ  可動ミラー、８４  スクリーン、１２０ｂ  反射光、１５０  被照明面、α  傾斜角。
【図１】
2006267530.tif 000003
【図２】
2006267530.tif 000004
【図３】
2006267530.tif 000005
【図４】
2006267530.tif 000006
【図５】
2006267530.tif 000007
【図６】
2006267530.tif 000008
【図７】
2006267530.tif 000009
【図８】
2006267530.tif 000010