(57)【要約】【課題】  簡易な構成により被投射面を明るく照明する。【解決手段】  光源１と、光源１からの光により複数の２次光源を形成する光ミキシング素子２と、光ミキシング素子２からの光を光変調素子７に照射する照明光学系と、を有する照明装置であって、照明光学系は、アナモルフィック面を有する光学素子５を含み、光変調素子７の中央部を原点、光変調素子７の表面方向をｘ軸、光変調素子７の法線方向をｙ軸、ｘ軸とｙ軸との双方に直交する方向をｚ軸、光ミキシング素子２の頂点から放射された光の所定位置に配置された仮想面における集光点をＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、光学素子５の面頂点からの法線を回転軸とした光学素子５の回転角をγ、仮想面上でＰ１とＰ２とＰ３とＰ４とを結んで形成される矩形の対向する２つの短辺のｘ軸方向の座標間距離の平均値をＳＬとするとき、回転角γは、座標間距離の平均値が最小となる位置に設定される。【選択図】図３
2015059940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光により複数の２次光源を形成する光ミキシング素子と、
前記光ミキシング素子からの光を光変調素子に照射する照明光学系と、
を有する照明装置であって、
前記照明光学系は、アナモルフィック面を有する光学素子を含み、
前記光変調素子の中央部を原点、前記光変調素子の表面内方向の１つの方向をｘ軸、前記光変調素子の表面の法線方向をｙ軸、前記ｘ軸と前記ｙ軸との双方に直交する方向をｚ軸とし、
前記光ミキシング素子の頂点から放射された光束の所定位置に配置された仮想面における集光点をそれぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４とし、
前記光学素子の面頂点からの法線を回転軸とした前記光学素子の回転角をγとし、
前記仮想面上でＰ１とＰ２とＰ３とＰ４とを結んで形成される矩形の対向する２つの短辺のｘ軸方向の座標間距離の平均値をＳＬとするとき、
前記回転角γは、前記座標間距離の平均値が最小となる位置に設定されている、
ことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記光学素子は、アナモルフィック面を有するミラーである、
請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
前記アナモルフィック面は、トロイダル面である、
請求項１または２記載の照明装置。
【請求項４】
前記照明光学系は、前記光ミキシング素子から前記光変調素子に向かう光路上に、レンズ系、平面ミラー、前記光学素子の順に配置されて構成される、
請求項１乃至３のいずれかに記載の照明装置。
【請求項５】
前記レンズ系は、１枚のレンズから構成されている、
請求項１乃至４のいずれかに記載の照明装置。
【請求項６】
照明装置と、
前記照明装置からの光が照射される光変調素子と、
前記光変調素子が形成する画像を被投射面に投射する投射光学系と、
を有する画像表示装置であって、
前記照明装置は、請求項１乃至５のいずれかに記載の照明装置である、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
前記光源から放射された光束が前記投射光学系に出射されるまでの前記照明光学系の効率η１が、前記光学素子を前記アナモルフィック面の最大曲率半径を有する球面に置換し、前記光ミキシング素子の寸法を前記ＳＬと同値になるように置換した照明光学系の効率η２よりも高い、
請求項６記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置と、照明装置を有する画像表示装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
装置前方に設置したスクリーン上に画像を投射するフロント投射型プロジェクタ装置などの画像表示装置は、例えば、企業でのプレゼンテーション用、学校教育用、あるいは家庭用として、幅広く用いられている。
【０００３】
画像表示装置として、例えば、光源からの光を画像として結像させる結像光学系と、結像させた画像をスクリーンに投影させる投影光学系と、を有する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、特許文献１には、結像光学系が、ロッドインテグレータとリレーレンズと第１照明ミラーと第２照明ミラーにより構成されることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献１には、非点収差の発生を抑制して高い結像性能を得るために、第２照明ミラーの反射面について、回転非対称な形状とすることが開示されている。すなわち、特許文献１には、ロッドインテグレータの出射端面の短辺方向に対応する曲率半径よりも長辺方向に対応する曲率半径の方が大きい第２照明ミラーの反射面が開示されている。
【０００５】
また、画像表示装置として、光学素子を介して光源からの光によりＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）を照射する照明光学系と、ＤＭＤで反射された光を投影する投影光学系とを有する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
ここで、特許文献２には、第１照明ミラーがシリンダミラーであり、第２照明ミラーが球面ミラーである構成例が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の特許文献１及び２には、回転非対称のアナモルフィック面のミラーが開示されているものの、光利用効率を高めて投影画像の明るさを明るくすることができるようなアナモルフィック面のミラーの配置については開示されていなかった。
【０００８】
また、特許文献１の技術では、第１照明ミラーと第２照明ミラーの反射面とは、ともに自由曲面形状であるものの、その自由曲面は高次の拡張非球面係数を用いて構成されている。このため、特許文献１の技術では、反射面の形状が適切に形成されているか否かの検査に時間を要するため、コスト高になるという問題があった。
【０００９】
本発明は、簡易な構成により被投射面を明るく照明することができる照明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】
【００１０】
本発明は、光源と、光源からの光により複数の２次光源を形成する光ミキシング素子と、光ミキシング素子からの光を光変調素子に照射する照明光学系と、を有する照明装置であって、照明光学系は、アナモルフィック面を有する光学素子を少なくとも１つ含み、光変調素子の中央部を原点、光変調素子の表面方向をｘ軸、光変調素子の表面の法線方向をｙ軸とし、ｘ軸とｙ軸との双方に直交する方向をｚ軸、光ミキシング素子の頂点から放射された光束の所定位置に配置された仮想面における集光点をＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、光学素子の面頂点からの法線を回転軸とした光学素子の回転角をγ、仮想面上でＰ１とＰ２とＰ３とＰ４とを結んで形成される矩形の対向する２つの短辺のｘ軸方向の座標間距離の平均値をＳＬとするとき、回転角γは、座標間距離の平均値が最小となる位置に設定されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡易な構成により被投射面を明るく照明することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る画像表示装置の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】上記画像表示装置と被投射面との位置関係の例を示す概略構成図である。
【図３】上記画像表示装置の光学配置図である。
【図４】上記画像表示装置の光学配置図である。
【図５】上記画像表示装置の光源からライトトンネルまでの構成を示す概略構成図である。
【図６】上記画像表示装置の第２照明ミラーを示す斜視図である。
【図７】上記画像表示装置のＤＭＤの斜視図である。
【図８】上記画像表示装置の第２投射ミラーを示す斜視図である。
【図９】上記画像表示装置のＤＭＤ有効領域とライトトンネルの開口の頂点から放射された光束の照射領域との関係を示す模式図である。
【図１０】上記第２照明ミラーの回転角とライトトンネルの開口の頂点から放射された光束の照射領域の矩形の対向する２つの短辺のｘ軸方向の座標間距離の平均値との関係を示すグラフである。
【図１１】上記画像表示装置のＤＭＤ上の照度分布を光線追跡により計算した結果を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る照明装置と、その照明装置を有する画像表示装置との実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
●画像表示装置●
まず、本発明に係る画像表示装置の実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に係る画像表示装置を示す概略構成図である。同図に示すように、画像表示装置１００は、光源１と、ライトトンネル２とを有する。また、画像表示装置１００は、第１照明ミラー４及び第２照明ミラー５を含む、光源１から不図示のＤＭＤまでの光学系である照明光学系と、を有する。
【００１６】
ここで、光源１と、ライトトンネル２と、照明光学系とは、本発明に係る照明装置を構成する。
【００１７】
また、画像表示装置１００は、鏡筒１０に保持される不図示の投射レンズ系、第１投射ミラー８４、第２投射ミラー８５、及び平面ガラス９を含む、ＤＭＤから被投射面１０１までの光学系である投射光学系を有する。
【００１８】
そして、画像表示装置１００は、照明光学系と投射光学系とを経た投射像を、被投射面（スクリーン）１０１に投射する。
【００１９】
なお、以下の説明において、絶対座標系の原点は、後述するＤＭＤの中心（中央部）とし、ＤＭＤの偏向素子（マイクロミラー）が設置されている面（表面）内の１つの方向をｘ軸とする。また、ｘ軸に直交するＤＭＤの表面内方向をｚ軸、ｘ軸とｚ軸との双方に直交するＤＭＤの法線方向の軸をy軸とする。ここで、ＤＭＤの表面面形状が長方形である場合に、ｘ軸はＤＭＤの短手方向に平行であり、ｚ軸はＤＭＤの長手方向に平行である。
【００２０】
また、以下の説明において、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りの回転角を、それぞれα、β、γとする。
【００２１】
図２は、画像表示装置１００と被投射面１０１との位置関係の例を示す概略構成図である。同図に示すように、画像表示装置１００では、鏡筒１０に保持される投射レンズ系の光軸が被投射面１０１に対して平行に配置される。また、画像表示装置１００では、第１投射ミラー８４と第２投射ミラー８５とが、投射レンズ系を透過した光束を被投射面１０１に向けて反射するように配置される。
【００２２】
なお、本発明に係る画像表示装置に用いられる投射光学系は、上述の画像表示装置１００のような構成に限定されるものではなく、例えば投射レンズ系の光軸が被投射面に対してほぼ正対する構成の画像表示装置にも適用することができる。
【００２３】
●画像表示装置の構成
次に、画像表示装置１００の構成について説明する。
【００２４】
図３と図４は、画像表示装置１００の光学配置図である。画像表示装置１００は、光源１と、ライトトンネル２と、レンズ３と、第１照明ミラー４と、第２照明ミラー５と、カバーガラス６と、ＤＭＤ７と、投射光学系８と、平面ガラス９と、防爆ガラス１２と、カラーホイール１３とを有してなる。
【００２５】
●照明装置の構成
次に、本実施の形態に係る照明装置の構成について説明する。本実施の形態に係る照明装置は、光源１と、ライトトンネル２と、防爆ガラス１２、カラーホイール１３と、第１照明ミラー４と、第２照明ミラー５などの光学部品を有する。本実施の形態に係る照明装置は、光源１からの光によりＤＭＤ７の反射面を均等に照射する。
【００２６】
光源１は、キセノンランプ、水銀ランプ、あるいはメタルハライドランプなどからなる発光体４００をリフレクタ４０１の内部に備える。
【００２７】
光源１では、発光体４００から出射される光が、リフレクタ４０１の内側に設けられている集光ミラーにより所定の位置で集光されて、発光体の像（光源像）を形成する。光源１から出射する光の光軸は、ｚ軸方向になる。
【００２８】
なお、光源１には、前端部に不図示のランプカバーが取り付けられている。
【００２９】
ランプカバーの前面には、発光体４００の光軸（ｚ軸方向）に対し、防爆ガラス１２と、カラーホイール１３とが、光源１とライトトンネル２の間に例えば角度を１０度だけ傾けて配置されている。
【００３０】
リフレクタ４０１は、光源１から放射される光を集光して所定の位置に集光像を形成する。
【００３１】
図５は、画像表示装置１００の光源１からライトトンネル２までの構成を示す概略構成図である。同図に示すように、光源１とライトトンネル２の間には防爆ガラス１２とカラーホイール１３が配置されている。防爆ガラス１２とカラーホイール１３は、ともに光源１の光軸（図５においてｚ軸方向）に対して所定角度（例えば１０°）傾けて配置されている。
【００３２】
カラーホイール１３は、輪帯部分が光の三原色（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））に対応して３つに分割された、周知の光学フィルタである。なお、カラーホイール１３は、赤、緑、青に白（Ｗ）を加えて４つに分割された光学フィルタであってもよい。
【００３３】
カラーホイール１３が回転駆動されると輪帯部分が光の光路を横切るため、光源１からの光は、Ｒ、Ｇ、Ｂ、あるいはＷを加えた各色の光に時分割されて、ライトトンネル２に入射する。つまり、本実施の形態に係る照明装置を有する画像表示装置１００では、カラーホイール１３の各色の光学フィルタに対応した画像を被投射面１０１に投射することで、カラー画像を形成する。
【００３４】
ライトトンネル２は、カラーホイール１３の後方における光の焦点位置近傍に入射端が位置するように配置される。ここで、ライトトンネル２は、本発明における光ミキシング素子に相当し、矩形の開口を有する。
【００３５】
ライトトンネル２は、４枚の板状のミラーの反射面が内側を向いて四角筒を形成するように構成されたものである。ライトトンネル２は、一端近傍に光の焦点位置を配置させることによって、光が効率よく入射する。
【００３６】
ライトトンネル２は、内面に配置される４枚のミラーで入射光が反射を繰り返すことにより、光源像が複数個の２次光源像（光源の像）を形成する。そのため、ライトトンネル２では、他端の出射端からは照度分布が均一化された横断面矩形の光を出射させる。
【００３７】
ライトトンネル２から出射した光の進路上には、レンズ３、第１照明ミラー４、第２照明ミラー５がこの順に配置されている。
【００３８】
なお、本発明における光ミキシング素子としては、ライトトンネル２のほかに、公知のロッドインテグレータ、ライトパイプなどを用いることができる。
【００３９】
レンズ３は、コンデンサレンズであり、ライトトンネル２から出射する光の略直進路上にある。レンズ３は、出射面に非球面を有するレンズ１枚で構成される。ここで、非球面は数式１で定義される非球面と、後述の曲率半径、非球面係数によって表される。
【００４０】
（数式１）
2015059940.tif 000003
【００４１】
ただし、非球面の定義式である数式１におけるｚ’は、個々のレンズの面頂点を原点としたローカル座標系ｘ'、ｙ'、ｚ'で表される。すなわち、数式１において、ｚ’がレンズ面のサグ量である。
【００４２】
第１照明ミラー４は、ライトトンネル２から出射する光の略直進路上にある。第１照明ミラー４は、レンズ３から出射される光を斜め後ろ上方に向かって折り曲げるように、ｘ軸方向とｚ軸方向との双方に対して傾いた姿勢で設置されている。ここで、第１照明ミラー４は、平面ミラーである。
【００４３】
第２照明ミラー５は、第１照明ミラー４による反射光を、下方に設置されているＤＭＤ７に向かって折り曲げるように、ｘ軸方向とｚ軸方向との双方に対して傾いた姿勢で設置されている。
【００４４】
図６は、第２照明ミラー５を示す斜視図である。同図に示すように、第２照明ミラー５の反射面は、アナモルフィック面であり、本実施の形態において具体的にはトロイダル面である。
【００４５】
ここで、第２照明ミラー５のトロイダル面は、ローカル座標系ｘ'、ｙ'、ｚ'において，ｙ'軸に平行な軸回りの曲率半径Ｒｙ＝７９．３ｍｍの円弧を曲率半径Ｒｘ＝７０ｍｍでｘ'軸に平行な軸回りに回転して形成される凹面のｘトロイダル面である。ここで、｜Ｒｙ｜＞｜Ｒｘ｜である。また、第２照明ミラー５のトロイダル面は、以下の数式２で定義される非球面である。
【００４６】
（数式２）
2015059940.tif 000004
【００４７】
このように、本実施の形態に係る照明装置では、光源１から出射された光がレンズ３、第１照明ミラー４、第２照明ミラー５の順に透過または反射されることにより、光の横断面形状が整形されてＤＭＤ７に照射される。
【００４８】
なお、ライトトンネル２の出射端には、不図示のライトトンネル２の配置調整手段が設けられている。
【００４９】
配置調整手段により、ライトトンネル２の出射端が矩形開口の長手方向、短手方向（図３における矢印１０５または矢印１０６の方向）に傾動するため、本実施の形態に係る照明装置では、ＤＭＤ７に照射される光の位置調整をすることができる。
【００５０】
カバーガラス６は、ＤＭＤ７の前面に配置されている。
【００５１】
ＤＭＤ７は、ほぼ水平面に沿って配置され、ＤＭＤ７が有している微小ミラーがオンのとき、第２照明ミラー５を経て照射される光を垂直方向上方に向かって反射する。
【００５２】
ライトトンネル２の出射端とＤＭＤ７の微小ミラー面は、レンズ３、第１照明ミラー４、第２照明ミラー５を有する本実施の形態に係る照明装置に関し略共役な位置に配置される。
【００５３】
このように配置することで、ライトトンネル２の出射端の均一な光は、ＤＭＤ７の微小ミラー面に対して均一に照射される。
【００５４】
また、上述のように、光は、レンズ３から、第１照明ミラー４、第２照明ミラー５、ＤＭＤ７を経て投射光学系８に至るまでに、３次元的に数回反射される。
【００５５】
そして、レンズ３から投射光学系８に至るまでの間に光が各光学部材によって干渉されないように、第１照明ミラー４、第２照明ミラー５は、投射レンズ系８１の光軸を中心にしてその周囲に、ｘ軸方向とｙ軸方向に対して傾けられて配置されている。
【００５６】
ここで、光源１からＤＭＤ７に至る、照明光学系の部品仕様を表１に示す。また、照明光学系を構成する各光学部品の位置座標を表２に示す。
【００５７】
なお、表１と表２とにおいて、ランプ１とは光源１を指す。
【００５８】
【表１】
2015059940.tif 000005
【００５９】
【表２】
2015059940.tif 000006
【００６０】
●ＤＭＤの構成
次に、ＤＭＤの構成について説明する。
【００６１】
図７は、ＤＭＤの斜視図である。ＤＭＤ７は、本発明に係る照明装置における光変調素子に相当する。同図に示すように、ＤＭＤ７は、２次元状に配置された微小ミラー７−１〜７−ｋを有する。
【００６２】
微小ミラー７−１〜７−ｋは、それぞれ独立して傾きを変化させることができる。微小ミラー７−１〜７−ｋが傾きを変化させることにより、所定の向きから所定の角度で入射する光の反射角度を変化させることによりオン状態とオフ状態を作ることができる。ここで、微小ミラー７−１〜７−ｋの偏向角度は、およそ±１２°である。
【００６３】
ここで、オン状態とは、例えば反射光を後続の投射光学系に入射させる状態をいう。また、オフ状態とは反射光が後続の投射光学系から逸れる状態をいう。
【００６４】
ＤＭＤ７は、長手方向の微小ミラー数ＭがＭ＝１２８０個であり、短手方向の微小ミラー数ＮがＮ＝８００個であり、合計ｋ＝Ｍ×Ｎ＝１０２４０００個の微小ミラー７−１〜７−ｋにより構成される。ここで、ＤＭＤ７のアスペクト比は、１２８０：８００＝１６：１０である。また、微小ミラー７−１〜７−ｋの配置間隔（画素ピッチ）は、１０．８μｍである。
【００６５】
オン状態にある微小ミラー７−１〜７−ｋは、第２照明ミラー５で反射される光を投射光学系８に向けて反射する。そして、オン状態にある微小ミラー７−１〜７−ｋからの反射光は、投射光学系８により、ｙ軸およびｚ軸を含む平面に平行に設置された被投射面１０１上に結像投射される。ここで、投射画像サイズは、最大８０インチである。
【００６６】
●投射光学系の構成
次に、画像表示装置１００の投射光学系８の構成について説明する。
【００６７】
投射光学系８は、投射レンズ系８１と、鏡筒１０と、第１投射ミラー８４と、第２投射ミラー８５と、平面ガラス９を備える。投射光学系８は、ＤＭＤ７に表示されている画像を被投射面１０１に投射する。
【００６８】
投射レンズ系８１は、入射端のレンズ８１１から出射端のレンズ８２１に至る１１枚のレンズで構成されている。
【００６９】
投射レンズ系８１の光軸は、垂直なｙ軸方向に向いていて、被投射面１０１も投射レンズ系８１の光軸と平行に垂直方向に設置されている。
【００７０】
ここで、投射レンズ系８１のデータを表３に示す。
【００７１】
【表３】
2015059940.tif 000007
【００７２】
表３において、入射端のレンズ８１１から出射端のレンズ８２１に向かって順に「投射レンズ１」乃至「投射レンズ１１」としている。
【００７３】
また、表３において、面番号に該当する面の曲率半径をＲ、隣り合う面相互の間隔をｄ、各レンズのＤ線に対する屈折率をｎｄ、各レンズのアッベ数をνｄとする。
【００７４】
また、表３において、「投射レンズ１」と「投射レンズ１０」と「投射レンズ１１」は、両側の面がともに非球面のレンズである。それぞれの非球面レンズの非球面形状は、上述の数式１で定義されるローカル座標系を用いた非球面式と、表４に示す非球面係数で表される。
【００７５】
【表４】
2015059940.tif 000008
【００７６】
鏡筒１０は、内部に投射レンズ系８１を保持している。
【００７７】
第１投射ミラー８４は、投射レンズ系８１からの光を第２投射ミラー８５に向けて反射する。
【００７８】
図８は、画像表示装置の第２投射ミラー８５を示す斜視図である。第２投射ミラー８５は、被投射面１０１に向かい斜め上方に出射されて被投射面１０１に投射される画像の上下左右の歪みを矯正するために、反射面が自由曲面に形成されている。
【００７９】
また、第２投射ミラー８５に該当する「投射ミラー２」の反射面は、図６に示すようにローカル座標軸ｘ´、ｙ´、ｚ´をとったとき、数式３で定義される非球面式と表５の非球面係数を用いて表される非球面に形成される。
【００８０】
（数式３）
2015059940.tif 000009
【００８１】
【表５】
2015059940.tif 000010
【００８２】
また、表６は、投射光学系８を構成する投射レンズおよび第２投射ミラー８５以外の光学部品の仕様を示す。
【００８３】
【表６】
2015059940.tif 000011
【００８４】
表６において「投射ミラー１」は、第１投射ミラー８４に該当する。なお、図３と図４とにおいて、「絞り１」、「絞り２」、「絞り３」は不図示である。
【００８５】
表７は、被投射面１０１に投射される画面サイズが４３インチの場合における投射光学系の光学部品の配置座標を示す。
【００８６】
【表７】
2015059940.tif 000012
【００８７】
画像表示装置１００は、被投射面１０１の下端よりも下方にあって、斜め上方にある被投射面１０１に向かい投射光が斜め上方に出射するように構成されている。
【００８８】
平面ガラス９は、第１投射ミラー８４と第２投射ミラー８５との上端に近接してｘ軸とｚ軸を含む面に平行に配置されている。ここで、画像表示装置１００は、不図示の筐体内に組み込まれているため、筐体の上端開口に平面ガラス９が嵌め込まれることにより、画像表示装置内部の防塵が図られている。
【００８９】
●第２照明ミラーの構成
次に、第２照明ミラー５の構成と作用について説明する。
【００９０】
一般にプロジェクタなどの画像表示装置において、被投射面上に表示される画像の明るさは、光源のパワーと光学系の光利用効率によって決まる。ここで、画像表示装置において、光利用効率を向上させるためには、光学系を構成する光学素子の透過率や反射率を向上させる、あるいは光路中での光のけられによる光量損失を抑制させる、などが考えられる。
【００９１】
透過率や反射率を向上させるには、各光学素子の入射面や出射面に無反射コーティングを施すことで、透過率や反射率を数％以下にすることができる。
【００９２】
一方、けられによる光量損失は、光の入射範囲が光学素子の有効領域よりも大きくなることが原因である。一般的に、ライトトンネルとＤＭＤを用いた照明光学系において、けられによる損失が大きい箇所は、以下の２か所である。
【００９３】
すなわち、けられによる損失が大きいのは、光源から発した光がライトトンネル２に入射するまでの間で生じるライトトンネルカップリング損失と、ＤＭＤを照射する光束（以下「ＤＭＤ照射光束」という。）がＤＭＤの有効領域よりも大きいために生じるＤＭＤ損失である。
【００９４】
このうち、ＤＭＤ損失は、ＤＭＤ照射光束とＤＭＤの位置との調整マージンを確保するために、小さくすることは得策ではない。
【００９５】
つまり、画像表示装置において、光利用効率向上のためには、ライトトンネルカップリング損失を低減するために、ライトトンネルカップリングの効率を向上させることが重要である。ライトトンネルカップリングの効率を向上させるためには、ライトトンネルの開口サイズを大きくすることが有効である。
【００９６】
そこで、本発明に係る画像表示装置１００では、第２照明ミラー５の反射面に上述のようにアナモルフィック面（トロイダル面）を採用する。そして、第２照明ミラー５の反射面には、ＤＭＤ照射光束の短手方向の寸法を短くする方向について、トロイダル面の曲率半径が｜Ｒｙ｜＞｜Ｒｘ｜の関係を有する。
【００９７】
トロイダル面の曲率半径が以上の関係を有することで、第２照明ミラー５によれば、ＤＭＤ照射光束の短手方向の寸法について光学系のパワーが高くなるため、ＤＭＤ照射光束の短手方向の寸法を縮小することができる。つまり、第２照明ミラー５によれば、短手方向の調整マージンを元に戻すためのライトトンネル２の短手方向の開口サイズを大きくすることができる。
【００９８】
ところで、一般的にレンズやミラーなどの光学素子を３次元空間に偏心配置した照明光学系は、ライトトンネル２の開口形状が矩形であっても、ＤＭＤの面上の結像形状が開口形状に対応した完全な矩形から変形した、歪んだ矩形形状となる。
【００９９】
具体的には、画像表示装置１００において、ライトトンネル２の開口の頂点（四隅の各点）から放射された光束のｘｚ平面に平行でありｙ＝０の位置に配置された仮想面における集光点を、それぞれ点Ｐ１，点Ｐ２，点Ｐ３，点Ｐ４とする。換言すれば、点Ｐ１，点Ｐ２，点Ｐ３，点Ｐ４の位置は、ライトトンネル２の開口の四隅の各点から放射される各光束を形成する光線群の仮想面における重心座標位置である。
【０１００】
図９は、ＤＭＤ７の有効領域とライトトンネル２の開口の頂点から放射された光束の照射領域との関係を示す模式図である。同図に示すように、ライトトンネル２の開口の頂点Ｐ１〜Ｐ４を仮想的に線で結んだときに形成される矩形形状は、歪んだ矩形形状となる。
【０１０１】
ここで、画像表示装置１００では、点Ｐ１〜Ｐ４により形成される矩形の２つの短辺のｘ軸方向の距離（図９におけるＳＬ１とＳＬ２）の平均値をＳＬとする。
【０１０２】
また、第２照明ミラー５のトロイダル面の面頂点からの法線（図８におけるｚ’軸）を回転軸としたｚ’軸回りの回転角をγとする。このとき、γは、ＳＬが最小となる位置（及びその近傍）に設定される。
【０１０３】
図１０は、第２照明ミラー５の回転角とライトトンネル２の開口の頂点から放射された光束の照射領域の矩形の対向する２つの短辺のｘ軸方向の座標間距離の平均値ＳＬとの関係を示すグラフである。同図において、第２照明ミラー５のトロイダル面のγの設計値（表２における中央値：γ＝−９２．００７°）からの変化量とＳＬとの関係を示し、設計値においてＳＬは最小値をとる。
【０１０４】
以上説明したように、画像表示装置１００では、ＤＭＤ照射光束の短手方向の寸法を最も短くする方向に第２照明ミラー５のトロイダル面の回転角γを設定することができる。つまり、画像表示装置１００によれば、効率良くライトトンネル２の短手方向の開口サイズを大きくすることができるため、光利用効率を向上させることができる。
【０１０５】
なお、画像表示装置１００では、ライトトンネル２の開口の長手方向寸法は変化しないため、ＤＭＤ照射光束の長手方向の寸法もほぼ不変である。
【０１０６】
図１１は、ＤＭＤ７上の照度分布を光線追跡により計算した結果を示す模式図である。同図において、黒線で囲まれた領域がＤＭＤ７の有効領域である。また、照度分布は、領域内最大照度を１すなわち１００％として規格化して表示している。
【０１０７】
なお、照度分布のシミュレーションには、米国ＯＲＡ社のLightTools（登録商標）を用いている。また、シミュレーションに使用した光源は、フィリップス社の高圧水銀ランプUHP 240-190W 0.8 E20.9 FusionStarである。
【０１０８】
図１１に示すように、ＤＭＤ７の有効領域のＡＮＳＩ（American
National Standards Institute）９点（ＤＭＤ７の有効領域を縦横均等サイズに９分割した際の各領域の中心の照度）の平均値は９０．２％である。つまり、図１１によれば、ＤＭＤ７の有効領域での照度分布は、均一な分布になっていることを示している。
【０１０９】
次に、画像表示装置１００における光利用効率について説明する。画像表示装置１００において、光源１から放射された光束が投射光学系を出射するまでの光利用効率をη１とする。
【０１１０】
また、画像表示装置１００の比較例として、第２照明ミラー５のトロイダル面を、最大曲率半径（表１におけるＲｙ＝７９．３ｍｍ）を有する球面に置換する。その上で、ＳＬを本発明のＳＬと同値（８．９２ｍｍ）になるようにライトトンネル２の短手方向の寸法を置換（短手寸法は２．６２ｍｍとなる）する。この比較例による光利用効率をη２とする。
【０１１１】
このとき、両者の光利用効率の比はη１／η２＝１．０８４となる。すなわち、両者の光利用効率の関係は、η１＞η２となっている。
【０１１２】
以上説明したように、画像表示装置１００によれば、第２照明ミラーを球面で，ＤＭＤ照射光束が同サイズとなるような照明光学系を有する比較例に対して、光利用効率を８．４％向上することができる。
【０１１３】
なお、以上説明した画像表示装置１００は、投写型の画像表示装置を例にしたが、本発明はこれに限定されず、パソコン、テレビ、ＤＶＤプレーヤ等からの映像信号を表示するためのプロジェクタ等の画像表示装置として広く利用することができる。
【０１１４】
また、画像表示装置１００によれば、ＤＭＤ７の短手方向に対応するライトトンネル２の寸法を拡張することができるため、光利用効率を向上させることができる。
【０１１５】
また、画像表示装置１００によれば、光変調素子の直前にレンズを配置した画像表示装置とは異なり、より簡易な照明光学系を実現することができる。
【０１１６】
また、画像表示装置１００によれば、レンズ３の後に配置されたアナモルフィック面を有する第２照明ミラー５のみで照明光学系を構成できるため、簡易かつ低コストの照明光学系が実現することができる。
【０１１７】
また、画像表示装置１００によれば、第２照明ミラー５が、高次の拡張非球面係数を用いる面形状よりも単純な形状であるトロイダル面であるため、面形状の検査時間に要する時間も短くすることができ、部品の製作コストを低減することができる。
【０１１８】
また、画像表示装置１００によれば、ＤＭＤ７が形成する画像を被投射面１０１に投射する投射光学系を有するため、簡易な構成で光利用効率が高い画像表示装置が実現することができる。
【符号の説明】
【０１１９】
１     光源
２     光ミキシング素子
３     レンズ
４     第１照明ミラー
５     第２照明ミラー
６     カバーガラス
７     ＤＭＤ
８     投射光学系
９     平面ガラス
１０   鏡筒
１２   防爆ガラス
１３   カラーホイール
８１   投射レンズ系
８４   第１投射ミラー
８５   第２投射ミラー
１００ 画像表示装置
１０１ 被投射面
４００ 発光体
４０１ リフレクタ
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１２０】
【特許文献１】特開２００４−１８４６２６号公報
【特許文献２】特開２００２−２６８０１０号公報
【図１０】
2015059940.tif 000013
【図１１】
2015059940.tif 000014
【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】
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【図９】
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