(57)【要約】【課題】小型で表示素子を均一に照明した低価格の照明装置と画像投影装置を提供する。【解決手段】照明光学系２０の正パワーの第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂと正パワーの第２レンズ群２２の間に光合成手段２３を配置して、光合成手段２３で複数の光源１０の照明光を合成し、照明光学系２０で単一の表示素子３０に結像させる。【選択図】図１
2008111889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
時分割によって画像を表示する単一の表示素子と、
前記表示素子を照射する光を面状の出射面から出射する複数の光源と、
前記複数の光源からの照明光を前記表示素子に導く照明光学系と、
前記複数の光源からの照明光を反射または透過する面を有し互いの該面が直交する交差部を有する光合成手段と、
を備える照明装置において、
前記照明光学系は光源側から順に正のパワーを有する第１レンズ群と正のパワーを有する第２レンズ群とを備え、前記光合成手段は前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に配置されたことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記複数の光源が赤色光と緑色光と青色光とを面発光する発光ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記複数の光源がそれぞれ発光素子とロッドインテグレータを有し、前記ロッドインテグレータが前記発光素子から入射した各色光を前記照明光学系に出射することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記ロッドインテグレータの光軸に垂直な断面積が入射側から出射側において徐々に大きくなることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
【請求項５】
前記ロッドインテグレータの入射側に複数の発光ダイオードが配置されたことを特徴とする請求項３または請求４に記載の照明装置。
【請求項６】
前記光源の出射面の形状が前記表示素子の画像表示領域に略相似することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記光源の出射面の形状が長方形であり、該長方形の長辺が前記光合成手段の前記交差部と同一平面にあって略平行であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記第１レンズ群の焦点距離をｆ、前記光源の出射面の最大寸法の半分をｒで表すとき、
ｒ／ｆ＜０．２
の関係を満たすことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の照明装置。
【請求項９】
前記照明光学系が瞳を備え、前記瞳は前記光合成手段が占める空間に位置することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記照明光学系が絞りを備え、前記瞳が前記絞りと前記光合成手段の前記交差部との間に位置することを特徴とする請求項９項に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記光合成手段の入射側または出射側にトリミングフィルターを設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１２】
前記表示素子がデジタルマイクロミラーデバイスであり、前記光合成手段がダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１３】
前記ダイクロイックミラーは青色光を反射し緑色光と赤色光を透過させるダイクロイック膜を有し、前記ダイクロイック膜の構成が、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層され、低屈折率層の屈折率をｎＬ、高屈折率層の屈折率をｎＨで表すとき、
ｎＬ≧１．８
ｎＨ≧２．３
ｎＨ＞ｎＬ
の関係を満たすことを特徴とする請求項１２項に記載の照明装置。
【請求項１４】
前記ダイクロイックミラーが、緑色光を反射し青色光と赤色光とを透過するダイクロイック膜と、青色光を反射し緑色光と赤色光とを透過するダイクロイック膜とで構成されたことを特徴とする請求項１２項に記載の照明装置。
【請求項１５】
請求項１〜請求項１４のいずれか１項に記載の照明装置と、前記表示素子の画像を投影する投影光学系とを備えることを特徴とする画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、単一の表示素子に照明光を導く照明装置及び表示素子の画像を投影する画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、映像を鑑賞する目的として、光源から出射された光を表示素子により変調して、画像をスクリーン等に投影する画像投影装置がある。この画像投影装置の照明装置として、波長の異なる複数の発光ダイオード等の光源からの照明光をダイクロイックミラー等の光合成手段で合成して表示素子に導くものが知られている。
【０００３】
例えば、図７に示す非特許文献１では、複数の光源７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂの前面にコリメータレンズ７２を配置してコリメータレンズ７２を出射した各色光をダイクロイックミラー７３とミラー７４で順次合成し、合成した光をコンデンサーレンズ７５によりロッドインテグレータ７６の入射面に集光する照明光学系の技術が開示されている。また、特許文献１では、表示素子と相似形状である複数の光源の光をリレーレンズとフィールドレンズより表示素子上に導く照明光学系の技術が開示されている。この照明光学系が複数の表示素子それぞれに配置され、表示素子で変調された各色光がダイクロイック面を直角に交差させた光合成プリズムによって合成され、投影光学系によりスクリーンに拡大して投影される。
【０００４】
しかしながら、非特許文献１において、各色光をダイクロイックミラー７３、ミラー７４で順次合成する構成では、各色光の光路長を揃えるために照明光学系が大型になり、またロッドインテグレータ７６の出射面を表示素子に投影して照明するために別の光学系が必要になり大型化する。また特許文献１においては、光合成プリズムのダイクロイック面の交差部が表示素子の近くに配置されるために、その交差部の縦線がスクリーン上に縦すじの影として投影され、画質を低下させるという不都合があった。そこで、この縦すじの発生を軽減させるために特許文献２には、ダイクロイックミラーを４分割して各々のミラーの角辺を近接させてクロス配置し、さらに、ダイクロイックミラーの出射側に配置したロッドインテグレータにより、合成した光を混合して、表示素子上で縦すじの発生を軽減させる技術が開示されている。
【非特許文献１】ＳＩＤ  ０４  ＤＩＧＥＳＴ  ２６．１：ＲＧＢ  ＬＥＤ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｐｏｃｋｅｔ−Ｓｉｚｅｄ  Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒｓ（Ｆｉｇｕｒｅ  １）
【特許文献１】特開平１０−３２６０８０号公報（第１図）
【特許文献２】特開２００５−３１６４０５号公報（第１図、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２では、ダイクロイックミラーを構成する部品数が増加し、配置が複雑になり、さらに高精度の部品を組み立てることになり、製造費が高くなるという問題があった。本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、小型で表示素子を均一に照明する低価格の照明装置と画像投影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】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明は、時分割によって画像を表示する単一の表示素子と、前記表示素子を照射する光を面状の出射面から出射する複数の光源と、前記複数の光源からの照明光を前記表示素子に導く照明光学系と、前記複数の光源からの照明光を反射または透過する面を有し互いの該面が直交する交差部を有する光合成手段と、を備える照明装置において、前記照明光学系は光源側から順に正のパワーを有する第１レンズ群と正のパワーを有する第２レンズ群とを備え、前記光合成手段は前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に配置されたことを特徴としている。
【０００７】
この構成によると、各光源からの照明光が第１レンズ群を透過して光合成手段で合成され、合成された照明光が第２レンズ群を透過して表示素子上に結像する。また、正のパワーを有する第１レンズ群と正のパワーを有する第２レンズ群を備える照明光学系では、瞳が第１レンズ群と第２レンズ群との間に位置することになる。各光源の出射面の中心から周辺に至る照明光が瞳を通過するために、光合成手段の交差部を通過する光の影響は表示素子の全面に均一に影響する。したがって、第１レンズ群と第２レンズ群との間に配置された光合成手段の交差部の縦線が表示素子上には発生しない。
【０００８】
また、この構成によると、光源からの照明光が照明光学系により表示素子上に結像し、複数の光源の照明光を合成する光合成手段が照明光学系の中に配置されたために、光合成手段と表示素子の間にロッドインテグレータ等の照明光を均一にする部材を配置することが不要になる。
【０００９】
また、本発明は、上記の構成の照明装置において、前記複数の光源が赤色光と緑色光と青色光とを面発光する発光ダイオードであることを特徴とする。この構成によれば、赤色光と緑色光と青色光の面発光ダイオードからの照明光が第１レンズ群を透過して光合成手段で合成され、合成された照明光が第２レンズ群を透過して表示素子に結像し、瞳が第１レンズ群と第２レンズ群との間に位置することになる。各光源の中心から周辺に至る照明光が瞳を通過するために、光合成手段の交差部を通過する光の影響は表示素子の全面に均一に影響する。したがって、第１レンズ群と第２レンズ群との間に配置された光合成手段の交差部の縦線が表示素子上には発生しない。
【００１０】
また、本発明は、上記の構成の照明装置において、前記複数の光源がそれぞれ発光素子とロッドインテグレータを有し、前記ロッドインテグレータが前記発光素子から入射した各色光を前記照明光学系に出射することを特徴とする。この構成によれば、各面発光ダイオードからの照明光がロッドインテグレータ内を透過・反射することにより、光源の照明光が均一になる。
【００１１】
また、本発明は、上記の構成の照明装置において、前記ロッドインテグレータの光軸に垂直な断面積が入射側から出射側において徐々に大きくなることを特徴とする。この構成によれば、ロッドインテグレータに入射する発光ダイオードの大きい開口数の照明光がロッドインテグレータから出射するときに、開口数が小さくなるために、照明光学系への入射角が小さくなり簡単な構成の照明光学系になる。
【００１２】
また、本発明は、上記の構成の照明装置において、前記ロッドインテグレータの入射側に複数の発光ダイオードが配置されたことを特徴とする。この構成によれば、複数の発光ダイオードの照明光がロッドインテグレータにより混合されるために、表示素子が明るく波長など特性のバラツキが抑制される。
【００１３】
また、本発明は、上記の構成の照明装置において、前記光源の出射面の形状が前記表示素子の画像表示領域に略相似することを特徴とする。この構成によれば、光源の形状が照明光学系の結像倍率により表示素子の画像表示領域の大きさに一致して投影されるために、照明光の伝達効率の低下が小さい。
【００１４】
また、本発明は、上記の構成の照明装置において、前記光源の出射面の形状が長方形であり、該長方形の長辺が前記光合成手段の前記交差部と同一平面にあって略平行であることを特徴とする。この構成によれば、光源短辺側の照明光の中心光線と周辺光線とが入射角を異ならせて光合成手段に入射する。光源の長辺側の照明光が光合成手段に入射する場合と比較すると、光源短辺側の中心光線と周辺光線との入射角の差が小さいために、光合成手段により発生する色むらが抑えられる。
【００１５】
また、本発明は、上記の構成の照明装置において、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ、前記光源の出射面の最大寸法の半分をｒで表すとき、
ｒ／ｆ＜０．２              ・・・１式
の関係を満たすことを特徴とする。この１式の範囲を満たす構成によれば、照明光が光源から第１レンズ群に入射するとき、照明光の中心光線に対する周辺光線の広がりが抑えられるために、中心光線と周辺光線との光合成手段への入射角の差が大きくなりすぎず、表示素子上で色むらが抑えられる。
【００１６】
また、本発明は、上記の構成の照明装置において、前記照明光学系が瞳を備え、前記瞳は前記光合成手段が占める空間に位置することを特徴とする。この構成によれば、光源の中心部から周辺部に至る照明光が瞳を通過するために、瞳の近くに配置された光合成手段の交差部の縦線が表示素子上に発生することを抑制する。
【００１７】
また、本発明は、上記の構成の照明装置において、前記照明光学系が絞りを備え、前記瞳が前記絞りと前記光合成手段の前記交差部との間に位置することを特徴とする。この構成によれば、光合成手段が瞳の近辺に配置され、光源の中心部から周辺部に至る照明光が光合成手段の交差部を通過するために、交差部の縦線が表示素子上に発生することを抑制する。また、絞りが瞳の近辺に配置され、表示素子に表示される画像のコントラストが向上する。
【００１８】
また、本発明は、上記の構成の照明装置において、前記光合成手段の入射側または出射側にトリミングフィルターを設けられたことを特徴とする。この構成によれば、例えば青色光発光ダイオードに対するトリミングフィルターを設ける場合、青色光の波長域を透過させ、青色光に隣接する緑色光の波長域の光を遮断する分光特性を備えるトリミングフィルターを光合成手段の入射側に配置すると、入射角度依存性の影響を受ける緑色光が光合成手段に入射しない。また、トリミングフィルターを光合成手段の出射側に配置する場合、青色光と緑色光の間の波長域で入射角度依存性の影響を受ける波長の光の透過を遮断する分光特性を備えるトリミングフィルターを設けると、入射角度依存性の影響を受ける波長域の光が表示素子に出射しない。
【００１９】
また、本発明は、上記の構成の照明装置において、前記表示素子がデジタルマイクロミラーデバイスであり、前記光合成手段がダイクロイックミラーであることを特徴とする。この構成によれば、各光源からの照明光がダイクロイックミラーで合成され、照明光学系によりデジタルマイクロミラーデバイスに結像する。ダイクロイックミラーは、Ｐ偏光成分の光にも十分な反射率を確保し、ランダム偏光の光源を効率よく合成するために、表示素子がデジタルマイクロミラーデバイスである場合には光合成手段はダイクロイックミラーが適する。
【００２０】
前記ダイクロイックミラーは青色光を反射し緑色光と赤色光を透過させるダイクロイック膜を有し、前記ダイクロイック膜の構成が、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層され、低屈折率層の屈折率をｎＬ、高屈折率層の屈折率をｎＨで表すとき、
ｎＬ≧１．８      ・・・２式
ｎＨ≧２．３      ・・・３式
ｎＨ＞ｎＬ        ・・・４式
の関係を満たすことを特徴とする。この構成によれば、ダイクロイックミラーの角度依存性が小さく、表示素子上で色むらが抑えられる。
【００２１】
また、本発明は、上記の構成の照明装置において、前記ダイクロイックミラーが、緑色光を反射し青色光と赤色光とを透過するダイクロイック膜と、青色光を反射し緑色光と赤色光とを透過するダイクロイック膜とで構成されたことを特徴とする。この構成によれば、一方のダイクロイックミラーを、例えば（４５＋α）°で反射すると、他方のダイクロイックミラーを（４５−α）°で透過する。つまり、緑色光は一方のダイクロイックミラーを反射するときの入射角と他方のダイクロイックミラーを透過するときの互いの入射角が４５°に対して振り分けとなるために、入射角度依存性を相殺して、色むらが抑制される。青色光も同様にダイクロイックミラーへの入射角度依存性を相殺されて、色むらが抑制される。
【００２２】
また、本発明は、上記の構成の照明装置と、前記表示素子の画像を投影する投影光学系とを備えることを特徴とする画像投影装置。この構成によれば、表示素子の画像を投影光学系によりスクリーンに投影し、投影した画像が鑑賞される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、複数の光源からの照明光を照明光学系により単一の表示素子に結像させ、照明光学系の正のパワーを有する第１レンズ群と正のパワーを有する第２レンズ群との間に複数の照明光を合成する光合成手段を配置したので、光合成手段の交差部の縦線が表示素子上に発生せず、表示素子を均一に照明することができ、また表示素子の照明を均一化する特段の部品が不要であり、小型で低価格である照明装置にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は、この実施形態に限定されない。本発明の実施形態は発明の最も好ましい形態を示すものであり、また発明の用途やここで示す用語等はこれに限定されるものではない。
【００２５】
（第１実施形態）
図1は、本発明の第１実施形態である画像投影装置を示す断面図であり、図２は、ダイクロイックミラーの膜構成による波長分光特性を示すグラフであり、図３は、画像投影装置の構成を示すブロック図である。
【００２６】
先ず、画像投影装置１の構成について説明する。図１に示すように、画像投影装置１は、照明装置２と投影光学系４０及びスクリーン５０（図３に示す）を有する。照明装置２は、光源１０と照明光学系２０と光合成手段２３及び表示素子３０を有する。
【００２７】
表示素子３０は、多数の微小鏡面を平面に配列した単一の表示素子である。そして、表示素子３０は、各鏡面の角度変調によって、照明光を反射して画像をスクリーン５０に投射する。鏡面の角度変調によって画像を表示する素子としては、例えばテキサスインスツルメント社のデジタルマイクロミラーデバイス等が挙げられる。
【００２８】
光源１０は、赤色光を発光するダイオード１１Ｒと緑色光を発光するダイオード１１Ｇと青色光を発光するダイオード１１Ｂを含んでおり、表示素子３０を照射する照明光を提供する。各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、その出射面の形状が表示素子３０の画像表示領域と略相似の長方形で面発光する。ここで面発光とは、発光面積（出射面の面積）が表示素子３０の画像表示領域の面積に対して１/１００以上の比率を有することを意味する。また、緑色光発光ダイオード１１Ｇが表示素子３０に至る照明光学系２０の光軸上に配置され、赤色光発光ダイオード１１Ｒと青色光発光ダイオード１１Ｂが互いに対向し、緑色光発光ダイオード１１Ｇに対して垂直に配置されている。
【００２９】
照明光学系２０は、光源１０側から順に、各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ毎に正のパワーを有する第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂと、光路を折り曲げる折返しミラー２６及び各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂに共通である正のパワーを有する第２レンズ群２２と、を備える。第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、光源１０側から順に、光源１０側に強い凹面を向けた正メニスカスレンズと、表示素子３０側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、表示素子３０側に凸面を向けた正メニスカスレンズと、で構成される。また第２レンズ群２２は、光源１０側に凸面を向けた平凸の１枚の正レンズが全反射プリズム２７に接合されて構成される。なお、第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂをコリメートレンズ群とし第２レンズ群２２をコンデンサーレンズ群として、第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂと第２レンズ群２２との間を平行光束にしてもよい。また、折り返しミラー２６は、第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂからの照明光を第２レンズ群２２に導き、回転させて表示素子３０の照明領域を調整することができる。
【００３０】
赤色照明光を表示素子３０に導くための照明光学系２０は、第１レンズ群２１Ｒと第２レンズ群２２により赤色光発光ダイオード１１Ｒの照明光を表示素子３０に拡大して結像させる。同様に、青色光発光ダイオード１１Ｂの青色照明光を第１レンズ群２１Ｂと第２レンズ群２２により赤色照明光と同じ倍率に拡大して表示素子３０に結像させ、緑色光発光ダイオード１１Ｇの緑色照明光を第１レンズ群２１Ｇと第２レンズ群２２により赤色照明光と同じ倍率に拡大して表示素子３０に結像させる。また、照明光学系２０の瞳１３が赤色照明光用の照明光学系２０の光軸と緑色照明用の照明光学系２０の光軸との交差する近辺に配置される。また、照明光学系２０はテレセントリック系であり、各照明光の主光線がその光軸に対して平行で表示素子３０に入射して、光源１０と表示素子３０の光軸上の位置がずれてディフォーカスしても、照明倍率の変化が抑えられる。なお、フォーカス調整機構を設けて、焦点を合わせると表示素子３０の周辺照明の陰りが抑制される。
【００３１】
各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの出射面の縦横サイズは２．７×４．８ｍｍｍｍ（対角長の半分ｒが２．７５ｍｍ）であり、デジタルマイクロミラーデバイス３０の縦横サイズは１１．７×２０．７ｍｍ（対角長の半分が１１．９ｍｍ）であり、照明光学系２０が４．３倍の拡大率を有する。また、第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの焦点距離ｆが１６．３ｍｍであり、ｒ／ｆが０．１７である。
【００３２】
光合成手段２３は、赤反射ダイクロイックミラー２３Ｒと青反射ダイクロイックミラー２３Ｂを有する。赤反射ダイクロイックミラー２３Ｒと青反射ダイクロイックミラー２３Ｂが互いに直交するように構成され、その交差部２３ａが赤色照明光用の照明光学系２０の光軸と緑色照明用の照明光学系２０の光軸との交差する位置にあり、照明光学系２０の瞳１３の近辺に配置されている。また、交差部２３ａが照明光学系２０の瞳１３に配置されていても良い。
【００３３】
赤反射ダイクロイックミラー２３Ｒは、赤色光を反射し緑色光と青色光を透過させるダイクロイック膜が表示素子３０側の面に設けられ、また、青反射ダイクロイックミラー２３Ｂは、青色光を反射し緑色光と赤色光を透過させるダイクロイック膜が表示素子３０側の面に設けられている。
【００３４】
青反射ダイクロイックミラー２３Ｂのダイクロイック膜の構成は、表１に示すようにガラス板の０層上に順に、ＲＡＳ（Ｒａｄｉｃａｌ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）により、低屈折率層のＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5の混合膜と高屈折率層であるＮｂ2Ｏ5膜とが交互に積層される。なお、表１のｎiは屈折率を示し、ｄｉは膜の物理膜厚を示しその単位はｎｍである。
【表１】
2008111889.tif 000003
【００３５】
図２に青反射ダイクロイックミラー２３Ｂのダイクロイック膜の構成による波長分光特性を示す。図２の横軸は波長（単位はｎｍ）、縦軸は透過率を示し、実線はダイクロイック膜への入射角が４５°の場合の分光特性、破線は入射角３３°の分光特性、一点鎖線は入射角５７°の分光特性を示す。なお、細い実線は青色光発光ダイオード１１Ｂの分光特性、細い破線は緑色光発光ダイオード１１Ｇの分光特性、細い一点鎖線は赤色光発光ダイオード１１Ｒの分光特性を示す。
【００３６】
図３に画像投影装置１の構成を模式的に示す。画像投影装置１は、照明光学系２０、デジタルマイクロミラーデバイス等の表示素子３０、投影光学系４０、スクリーン５０の他に、映像信号ＶＳを入力し、それぞれ赤色画像、緑色画像、青色画像に対応する赤用画像信号、緑用画像信号、青用画像信号を生成し、これらを順次切り換えて出力する映像信号処理回路６６と、この映像信号処理回路６６によって生成された赤用画像信号、緑用画像信号、青用画像信号を一時的に記録するための画像メモリ６７と、映像信号処理回路６６及び画像メモリ６７に接続され、デジタルマイクロミラーデバイス３０を駆動する表示素子駆動回路６８と、を備えている。
【００３７】
画像投影装置１は、更に、それぞれ赤色光発光ダイオード１１Ｒ、緑色光発光ダイオード１１Ｇ、青色光発光ダイオード１１Ｂを駆動する赤色ＬＥＤ駆動回路６４Ｒ、緑色ＬＥＤダイオード駆動回路６４Ｇ、青色ＬＥＤ駆動回路６４Ｂと、映像信号処理回路６６、表示素子駆動回路６８及び各色ＬＥＤ駆動回路６４Ｒ、６４Ｇ、６４Ｂを制御するコントローラ６５とを備えている。
【００３８】
次に、画像投影装置１の動作について説明する。図３に示すように、コントローラ６５は、映像信号ＶＳを入力し、この映像信号に同期し、１フレーム又は１フィールドの期間を分割するためのタイミング信号を生成し、映像信号処理回路６６と表示素子駆動回路６８に送る。映像信号処理回路６６は、このタイミング信号に応じて、赤用画像信号，緑用画像信号，青用画像信号を生成し、これらを順次切り換えて出力する。この画像信号は、画像メモリ６７に一旦記録される。表示素子駆動回路６８は、コントローラ６５からのタイミング信号に応じて、画像メモリ６７から各色用の画像信号を順次読み出し、この画像信号に基づいて、デジタルマイクロミラーデバイス３０を駆動する。その結果、デジタルマイクロミラーデバイス３０では、１フレーム又は１フィールドの期間中で、個々のマイクロミラーが、順次オン・オフ駆動され、角度変調される。
【００３９】
一方、コントローラ６５は、デジタルマイクロミラーデバイス３０の各マイクロミラーの駆動タイミングに同期して、各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂが順次点灯するように、各色ＬＥＤ駆動回路６４Ｒ、６４Ｇ、６４Ｂを制御する。その結果、デジタルマイクロミラーデバイス３０において各マイクロミラーの駆動タイミングに同期して、各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂが点灯し、各色の光が順次切り換えられ、第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを経て、各照明光が光合成手段２３で透過・反射して、折り返しミラー２６で偏向され、第２レンズ群２２、全反射プリズム２７を経て、デジタルマイクロミラーデバイス３０に結像される。このようなデジタルマイクロミラーデバイス３０に結像された赤、緑、青の各画像が順次切り換えられ、投影光学系４０によりスクリーン５０に投影される。
【００４０】
なお、各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの発光強度を制御して、例えば、２個の発光ダイオードを同時に発光したり、特定の発光ダイオードの発光強度を低下させたり、また全部の発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの発光強度を低下させたりして、輝度を制御しても良い。
【００４１】
第１実施形態によると、面発光する各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂからの照明光を照明光学系２０により単一の表示素子３０に結像させ、照明光学系２０の正のパワーを有する第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂと正のパワーを有する第２レンズ群２２との間に複数の照明光を合成する光合成手段２３を配置することによって、光合成手段２３が照明光学系２０の瞳１３の位置、またはその近辺に配置されるため、交差部２３ａの縦線が表示素子３０上に発生しないので、表示素子３０を均一に照明することができる。また、光合成手段２３が照明光学系２０の中に配置されたので、表示素子３０の照明を均一化する特段の部品が不要であり、照明装置２を小型にすることができる。
【００４２】
また、各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの出射面の形状が表示素子３０の画像表示領域に略相似することによって、照明光を効率良く表示素子３０に伝達することができる。
【００４３】
また、第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの焦点距離をｆ、各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの出射面の形状の最大寸法の半分をｒで表すとき、
ｒ／ｆ＜０．２              ・・・１式
の関係を満たすことによって、照明光が各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂから第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに入射するとき、照明光の中心光線に対する周辺光線の広がりが抑えられるために、中心光線と周辺光線との光合成手段２３への入射角の差が大きくなりすぎず、表示素子３０上で色むらを抑えることができる。
【００４４】
また、各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの出射面の形状が長方形であり、その長辺が光合成手段２３の交差部２３ａと同一平面状にあって略平行であることによって、光合成手段２３には、各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの照明光の短辺側の照明光の中心光線と周辺光線が入射角を異ならせて光合成手段２３に入射する。各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの長辺側の照明光が光合成手段２３に入射する場合と比較すると、光源１０の短辺側の中心光線と周辺光線との入射角差が小さいために、色むらを抑えることができる。
【００４５】
また、表示素子３０がデジタルマイクロミラーデバイスであり、光合成手段２３が赤反射ダイクロイックミラー２３Ｒ、青反射ダイクロイックミラー２３Ｂであることによって、各ダイクロイックミラー２３Ｒ、２３ＢはＰ偏光成分の光にも十分な反射率を確保し、ランダム偏光の光源１０を効率よく合成するために、表示素子３０がデジタルマイクロミラーデバイスである場合には光合成手段２３はダイクロイックミラーが適する。
【００４６】
また、青反射ダイクロイックミラー２３Ｂのダイクロイック膜は、青色光を反射し緑色光と赤色光を透過させ、そのダイクロイック膜の構成が、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層され、低屈折率層の屈折率をｎＬ、高屈折率層の屈折率をｎＨで表すとき、
ｎＬ≧１．８      ・・・２式
ｎＨ≧２．３      ・・・３式
ｎＨ＞ｎＬ        ・・・４式
の関係を満たすことによって、ダイクロイックミラーの角度依存性が小さく、表示素子３０上で色むらを抑えることができる。
【００４７】
また、上記の構成の照明装置２と、表示素子３０の画像を投影する投影光学系４０とを備えることによって、表示素子３０の画像を投影光学系４０によりスクリーン５０に投影し、投影した画像が鑑賞される。
【００４８】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態である照明装置の照明光学系を示す模式的な断面図である。第１実施形態と異なる、ダイクロイックミラー２３Ｂ、２３Ｇと絞り２８とについて説明し、以降、第１実施形態と同じ部分の説明を省略する。
【００４９】
光合成手段２３は、青反射ダイクロイックミラー２３Ｂと緑反射ダイクロイックミラー２３Ｇを有し、青反射ダイクロイックミラー２３Ｂと緑反射ダイクロイックミラー２３Ｇが互いに直交するように構成され、その交差部２３ａが赤色照明光用の照明光学系２０の光軸と緑色照明用の照明光学系２０の光軸との交差する位置にある。赤色光発光ダイオード１１Ｒが表示素子３０に至る照明光学系２０の光軸上に配置され、青色光発光ダイオード１１Ｂと緑色光発光ダイオード１１Ｇが互いに対向し、赤色光発光ダイオード１１Ｒに対して垂直に配置されている。
【００５０】
絞り２８が照明光学系２０内で、光合成手段２３の出射側に配置され、照明光学系２０の瞳１３が絞り２８と光合成手段２３の交差部２３ａの間に配置されている。絞り２８は口径を可変にするものでも良い。
【００５１】
青色光発光ダイオード１１Ｂの照明光は、青反射ダイクロイックミラー２３Ｂに反射し、緑反射ダイクロイックミラー２３Ｇを透過して、絞り２８で周辺光を遮断され、第２レンズ群２２により収束し、表示素子３０に結像する。また、緑色光発光ダイオード１１Ｇの照明光は、緑反射ダイクロイックミラー２３Ｇに反射し、青反射ダイクロイックミラー２３Ｂを透過して、絞り２８で周辺光を遮断され、第２レンズ群２２により収束し、表示素子３０に結像する。また、赤色光発光ダイオード１１Ｒの照明光は、青反射ダイクロイックミラー２３Ｂ、緑反射ダイクロイックミラー２３Ｇを透過して、絞り２８で周辺光を遮断され、第２レンズ群２２により収束し、表示素子３０に結像する。
【００５２】
第２実施形態によると、絞り２８が瞳１３の近辺に配置されていることによって、照明光を均一にするとともに、表示素子３０の照明に不要である周辺光を遮断して画像コントラストを向上させることができる。
【００５３】
また、青色光発光ダイオード１１Ｂと緑色光発光ダイオード１１Ｇの照明光は、近接した波長帯にあり、また単一の波長ではなく、ある程度の波長分布を有するために、色むらを抑える必要性が大きい。そこで、緑反射ダイクロイックミラー２３Ｇを、緑色光を反射し青色光と赤色光とを透過するダイクロイック膜で構成し、青反射ダイクロイックミラー２３Ｂを、青色光を反射し緑色光と赤色光とを透過するダイクロイック膜とで構成する。このようにすると、青色光発光ダイオード１１Ｂの照明光は、青反射ダイクロイックミラー２３Ｂに例えば（４５＋α）°で反射すると、緑反射ダイクロイックミラー２３Ｇを（４５−α）°で透過する。このように、４５°を挟んで互いに相対する同じ角度で透過して反射した照明光が互いの入射角度依存性を相殺することになり、色むらを抑えることができる。同様に、緑色光発光ダイオード１１Ｇの照明光は、緑反射ダイクロイックミラー２３Ｇで反射して、青反射ダイクロイックミラー２３Ｂに透過するために、互いの角度依存性を相殺して、色むらを抑えることができる。
【００５４】
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態である画像投影装置を示す断面図である。第１及び第２実施形態と異なる、光源１０とトリミングフィルター２９Ｂ、２９Ｇと投影光学系４０について説明する。
【００５５】
各光源１０は、各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂとロッドインテグレータ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを含んでいる。各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、長方形状の面発光ダイオードが縦に２個、横に３個配置されている。ロッドインテグレータ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、ガラス製の四角錐体であり、各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂに対向する入射面側から、第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに対向する出射面側において、その光軸に垂直な断面積が徐々に大きくなり、均一になった照明光が出射面から出射する。なお、ロッドインテグレータ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、その内面に反射膜を備える中空形状のものでも良い。
【００５６】
トリミングフィルター２９Ｂ、２９Ｇが、第１レンズ群２１Ｂ、２１Ｇと光合成手段２３との間に照明光学系２０の光軸に垂直に配置されている。トリミングフィルター２９Ｂは、青色光発光ダイオード１１Ｂの波長域の光を透過させ、緑色光と赤色光との波長域の光を遮断させる分光特性を備える。このため、青色光発光ダイオード１１Ｂの波長域の光がトリミングフィルター２９Ｂに入射し、入射角度依存性の影響を受ける波長域の光がトリミングフィルター２９Ｂに入射しない。また、トリミングフィルター２９Ｇは、緑色光発光ダイオード１１Ｇの波長域の光を透過させ、青色光と赤色光との波長域の光を遮断させる分光特性を備える。このため、緑色光発光ダイオード１１Ｇの波長域の光がトリミングフィルター２９Ｇに入射するが、入射角度依存性の影響を受ける波長域の光がトリミングフィルター２９Ｇに入射しない。
【００５７】
照明光学系２０は、１枚の両凸レンズである第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂと１枚の両凸レンズである第２レンズ群２２とを備え、各ロッドインテグレータの出射面の像を表示素子３０上に形成する。
【００５８】
投影光学系４０は、表示素子３０側から順に、曲面ミラー４１とレンズ４２と凸曲面ミラー４３と自由曲面ミラー４４、４５とを有し、表示素子３０からの投影光をスクリーンに導いて、投影光の表す画像の拡大像をスクリーン上に形成する。
【００５９】
第３実施形態によると、複数の光源１０が各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂと、その照明光を入射する各ロッドインテグレータ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを有することによって、光源１０から出射する照明光を均一にすることができる。
【００６０】
また、各ロッドインテグレータ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの光軸に垂直な断面積が入射側から出射側において徐々に大きくなることによって、照明光の照明光学系２０への入射角が小さくなるために、照明光学系２０の第１レンズ群２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを簡単な構成にすることができる。
【００６１】
また、各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを複数の発光ダイオードで構成し、その照明光を各ロッドインテグレータ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂに入射させることによって、各発光ダイオード１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの照明光が各ロッドインテグレータ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂにより混合されるために、表示素子３０を明るく、波長など特性のバラツキを抑制することができる。なお、本実施形態では、各光源１０に面発光ダイオードを複数使用しているが、面発光でない発光ダイオードや単一の発光ダイオードあるいはレーザーダイオード等の自発光型の発光素子を使用してもよい。各光源１０はロッドインテグレータ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの作用により均一な輝度分布を持つ照明光を出射することができる。
【００６２】
また、光合成手段２３の入射側にトリミングフィルター２９Ｂ、２９Ｇを設けたことによって、入射角度依存性の影響を受ける波長域の光が光合成手段２０に入射しないために、表示素子３０上で色むらを抑制することができる。
【００６３】
（第４実施形態）
図６は、本発明の第４実施形態である照明装置を示す断面図である。これまでの実施形態において、照明装置の位置調整について説明する。
【００６４】
まず、光合成手段と照明光学系に対して光源の光軸合わせ調整を行い、調整した光合成手段と照明光学系と光源をひとつのブロックとして、次にそのブロックと表示素子の位置調整を行なう。
【００６５】
つまり、光合成手段と照明光学系とに対して光源の光軸合わせ調整は、各色光において、発光ダイオード１１を第１レンズ群２１の光軸に対して垂直方向に調整して光源ブロック１６とし、ひとつの光源ブロック１６を基準にして他の光源ブロック１６を調整して第１レンズ群２１の３つの光軸を合わせる。次に、光合成手段２３を回転させて光軸周りの角度合わせを行い、３つの発光ダイオード１１の照明光を光合成手段２３の出射側で一致させて、照明ブロック１７とする。次に、照明ブロック１７を表示素子３０の光軸に対して垂直方向に調整して、照明ブロック１７と表示素子３０の位置合わせを行なう。照明ブロック１７と表示素子３０の位置合わせは、第１実施形態（図１）の場合には、折り返しミラー２６で行なっても良い。
【００６６】
なお、表示素子３０の照明は、照明光学系の光軸に対して表示素子３０を傾斜させて行っているが、発光ダイオード１１を傾斜させても良い。また、発光ダイオード１１と第１レンズ群枠１５の間にスポンジ３２を固設して、発光ダイオード１１と第１レンズ群枠１５の空間を密閉すると、発光ダイオード１１を防塵することができる。スポンジ３２の替わりにゴムチューブでも良い。また、第１レンズ群２１を平凸レンズにして光源１０に固設して防塵しても良い。
【００６７】
上記第１から第４実施形態では、光合成手段がダイクロイックミラーである構成を示したが、本発明はこれに限らず、ダイクロイックプリズムにしてもよい。この場合も上記同様、交差部２３ａの縦線が表示素子３０上に発生せず、色むらを抑制し均一に照明することができる。
【００６８】
また、第１から第４実施形態では光源に発光ダイオードを使用しているが、面発光する発光素子であれば良く、例えばエレクトロルミネッセンス素子でも良い。
【００６９】
また、上記第３実施形態では、光合成手段２３の入射側にトリミングフィルター２９Ｂ、２９Ｇを設けた構成を示したが、本発明はこれに限らず、例えば青色光と緑色光の間の波長域で入射角度依存性の影響を受ける波長域の光の透過を遮断するトリミングフィルターを光合成手段２３の出射側に設けてもよい。この場合も上記同様、入射角度依存性の影響を受ける波長域の光が表示素子３０に出射しないために。表示素子３０上の色むらを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】は、本発明の第１実施形態である画像投影装置を示す断面図である。
【図２】は、本発明の第１実施形態であるダイクロイックミラーの膜構成による波長分光特性を示すグラフである。
【図３】は、本発明の第１実施形態である画像投影装置の構成を示すブロック図である。
【図４】は、本発明の第２実施形態である照明装置の照明光学系を示す断面図である。
【図５】は、本発明の第３実施形態である画像投影装置を示す断面図である。
【図６】は、本発明の第４実施形態である照明装置を示す断面図である。
【図７】は、従来の照明装置の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
１    画像投影装置
２    照明装置
１０    光源
１１Ｒ    赤色光発光ダイオード
１１Ｇ    緑色光発光ダイオード
１１Ｂ    青色光発光ダイオード
１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ    ロッドインテグレータ
１３    瞳
２０    照明光学系
２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ    第１レンズ群
２２    第２レンズ群
２３    光合成手段
２３ａ    交差部
２３Ｒ    赤反射ダイクロイックミラー
２３Ｇ    緑反射ダイクロイックミラー
２３Ｂ    青反射ダイクロイックミラー
２６    折り返しミラー
２７    全反射プリズム
２８    絞り
２９Ｂ、２９Ｇ    トリミングフィルター
３０    デジタルマイクロミラーデバイス（表示素子）
４０    投影光学系
５０    スクリーン
【図１】
2008111889.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008111889.tif 000008
【図６】
2008111889.tif 000009
【図７】
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