(57)【要約】【課題】扁平な断面の照明光束を出射する光源を備えたコンパクトな構成でありながら、等方的なＮＡ分布を有する照明光束が得られる照明光学系を提供する。【解決手段】表示素子１０の画像表示面１０ａを照明するための照明光学系ＩＬであって、扁平な断面の照明光束を出射するレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂと、照明光束Ｐを等方的に拡散させるレンズアレイ７と、レンズアレイ７で拡散状態となった照明光束Ｐの空間的なエネルギー分布を均一化するロッドインテグレータ８と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示素子の画像表示面を照明するための照明光学系であって、扁平な断面の照明光束を出射する光源と、前記照明光束を等方的に拡散させる拡散部材と、前記拡散部材で拡散状態となった照明光束の空間的なエネルギー分布を均一化するロッドインテグレータと、を有することを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記拡散部材が、前記照明光束を複数に分割してそれぞれの光束状態を等方的に変化させることにより、前記照明光束を等方的に拡散させることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
【請求項３】
前記拡散部材が、前記照明光束を複数に分割してそれぞれを同一又は略同一の等方的な集光状態又は発散状態にすることにより、前記照明光束を等方的に拡散させることを特徴とする請求項１又は２記載の照明光学系。
【請求項４】
前記拡散部材がレンズアレイであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項５】
前記レンズアレイを構成している各レンズセルが、レンズアレイに入射する際の照明光束の断面の最小幅より小さいことを特徴とする請求項４記載の照明光学系。
【請求項６】
前記レンズアレイを構成している各レンズセルのレンズ形状が正多角形であることを特徴とする請求項４又は５記載の照明光学系。
【請求項７】
前記光源がレーザーアレイ光源であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項８】
前記光源として、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光束をそれぞれ出射する３つの光源を有し、各光源から出射した照明光束を同一光路に合成する光路合成部材を更に有し、前記光路合成部材で光路合成された３つの照明光束が同じ発散度合い又は集光度合いで前記ロッドインテグレータに入射するように光学配置されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項９】
前記各光源から前記ロッドインテグレータまでの光路長が等しいことを特徴とする請求項８記載の照明光学系。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の照明光学系を備えた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】
本発明は照明光学系に関するものであり、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)やＬＣＤ(liquid crystal display)を表示素子とする画像投影装置において、その表示素子の画像表示面を照明するための照明光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
面発光型の半導体レーザーアレイが、プロジェクター用の光源として注目されている。この半導体レーザーアレイの光源配列は、例えば１列又は２列×１０数列といった非常に扁平な配列であることが多いため、このようなレーザーアレイ光源で照明を行うと、照明光のＮＡ(numerical aperture)が方向により大きく異なることになる。一方、プロジェクターに用いられる投影レンズ等の光学系は、等方的なＮＡを有している。
【０００３】
上記のような扁平なＮＡの照明光では、光学系を小さい方のＮＡに合わせると、照明光の大きい方のＮＡ成分が伝達できなくなる。逆に、光学系を大きい方のＮＡに合わせると、光学系の大型化を招いたりして全体として効率が良くない。また、光学系を適度なＮＡ(例えばＮＡ＝０．２)で照明光の大きい方のＮＡに合わせると、照明光の小さい方向のＮＡはかなり小さくなり(例えばＮＡ＝０．０２５)、ＮＡの小さい方の解像力が得られなくなる。このように、レーザーアレイ光源を用いた場合にはＮＡ分布が扁平となることが問題となっている。
【０００４】
レーザーアレイ光源を用いた照明光学系としては、特許文献１記載のものが挙げられる。
【特許文献１】米国特許第５，７０４，７００号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されている照明光学系では、レーザーアレイ光源からのガウシアン分布の光束で矩形分布の均質な照明を可能とする一対のレンズアレイが用いられている。レーザーアレイ光源が扁平な光束を放射する場合、一対のレンズアレイを用いて照明する方式では、扁平な光束分布に従い、レンズアレイを扁平な領域に配置することになる。このときのレンズアレイが占める扁平な領域が、この照明光学系のＮＡ分布になる。したがって等方的なＮＡ分布にならないが、これに関する記述は無い。また、レンズアレイ方式であるため、矩形の照明光の重なりの不十分さ、照明領域のエッジの結像性能の不十分さがあり、照明余裕域を十分に確保する必要がある。その結果、光量の損失となる。また、広すぎる照明余裕域は、画面外に発生するゴーストの原因にもなり、特にホームシアター用のプロジェクタでは好ましくない。
【０００６】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、扁平な断面の照明光束を出射する光源を備え、かつ、コンパクトな構成でありながら、等方的なＮＡ分布を有する照明光束が得られる照明光学系を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、第１の発明の照明光学系は、表示素子の画像表示面を照明するための照明光学系であって、扁平な断面の照明光束を出射する光源と、前記照明光束を等方的に拡散させる拡散部材と、前記拡散部材で拡散状態となった照明光束の空間的なエネルギー分布を均一化するロッドインテグレータと、を有することを特徴とする。
【０００８】
第２の発明の照明光学系は、上記第１の発明において、前記拡散部材が、前記照明光束を複数に分割してそれぞれの光束状態を等方的に変化させることにより、前記照明光束を等方的に拡散させることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明の照明光学系は、上記第１又は第２の発明において、前記拡散部材が、前記照明光束を複数に分割してそれぞれを同一又は略同一の等方的な集光状態又は発散状態にすることにより、前記照明光束を等方的に拡散させることを特徴とする。
【００１０】
第４の発明の照明光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記拡散部材がレンズアレイであることを特徴とする。
【００１１】
第５の発明の照明光学系は、上記第４の発明において、前記レンズアレイを構成している各レンズセルが、レンズアレイに入射する際の照明光束の断面の最小幅より小さいことを特徴とする。
【００１２】
第６の発明の照明光学系は、上記第４又は第５の発明において、前記レンズアレイを構成している各レンズセルのレンズ形状が正多角形であることを特徴とする。
【００１３】
第７の発明の照明光学系は、上記第１〜第６のいずれか１つの発明において、前記光源がレーザーアレイ光源であることを特徴とする。
【００１４】
第８の発明の照明光学系は、上記第１〜第７のいずれか１つの発明において、前記光源として、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光束をそれぞれ出射する３つの光源を有し、各光源から出射した照明光束を同一光路に合成する光路合成部材を更に有し、前記光路合成部材で光路合成された３つの照明光束が同じ発散度合い又は集光度合いで前記ロッドインテグレータに入射するように光学配置されたことを特徴とする。
【００１５】
第９の発明の照明光学系は、上記第８の発明において、前記各光源から前記ロッドインテグレータまでの光路長が等しいことを特徴とする。
【００１６】
第１０の発明の画像投影装置は、上記第１〜第９のいずれか１つの発明に係る照明光学系を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明によれば、拡散部材での等方的な拡散により扁平なＮＡ分布が等方的なＮＡ分布に変換される。したがって、扁平な断面の照明光束を出射する光源を備え(例えば第７の発明のようにレーザーアレイ光源を備え)、かつ、コンパクトな構成でも、等方的なＮＡ分布を有する照明光束を得ることが可能となり、高い照明効率と高い解像力を保持しつつ均一な照度分布を得ることが可能となる。また、拡散部材で照明光束が等方的に拡散されるため、ロッドインテグレータに対してより角度を持って照明光束が入射することになる。その結果、ロッドインテグレータ内での反射回数が多くなり、均一な照度分布がより得やすくなる。したがって、拡散部材とロッドインテグレータとの組合せにより、等方的なＮＡ分布を有する照明光束で均質な照明を実現することが可能となる。
【００１８】
拡散部材での等方的な拡散は、例えば第２の発明のように、照明光束を複数に分割してそれぞれの光束状態を等方的に変化させる構成により行うことができる。照明光束の断面が扁平であれば、その光束幅は方向によって異なるが、照明光束を複数に分割してそれぞれの光束状態を等方的に変化させる構成であれば、光束幅の違いはＮＡ分布や照度分布に影響しない。したがって、等方的なＮＡ分布を有する照明光束での均質な照明を、簡単な構成で実現することが可能となる。
【００１９】
さらに第３の発明のように、拡散部材が照明光束を複数に分割してそれぞれを同一又は略同一の等方的な集光状態又は発散状態にすることにより、照明光束を等方的に拡散させる構成にすれば、光束幅の差に関係なく、ロッドインテグレータに入射させる照明光束の角度分布(つまり集光度合い又は発散度合い)をすべての方向で同一又は略同一にすることができ、照明光学系の構成も簡単になる。
【００２０】
例えば、第４の発明のように拡散部材としてレンズアレイを用いれば、個々のレンズセルで入射光束を同じ角度分布で等方的に拡散させることができるので、照明光学系の構成や組み立てが簡単になり、低コスト化も容易になる。拡散部材としてレンズアレイを用いた場合、第５の発明のように、レンズアレイを構成している各レンズセルが、レンズアレイに入射する際の照明光束の断面の最小幅より小さい構成であれば、光束幅の小さい方向に関しても効果的な拡散が可能となる。また第６の発明のように、レンズアレイを構成している各レンズセルのレンズ形状が正多角形(例えば、正方形，正六角形)であれば、光束幅の大きい方向も小さい方向も同様の屈折が行われるため、より等方的なＮＡ分布を得ることができる。
【００２１】
第８の発明によれば、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光束をそれぞれ出射する３つの光源を有し、各光源から出射した照明光束を光路合成部材で同一光路に合成する構成になっているので、フルカラー対応の照明が可能である。さらに、光路合成部材で光路合成された３つの照明光束が同じ発散度合い又は集光度合いでロッドインテグレータに入射するように光学配置されているため、色ムラの発生を抑えることができる。したがって、各色光で略等しい均一な照度分布での照明を、より確実に達成することができる。
【００２２】
さらに第９の発明のように、各光源からロッドインテグレータまでの光路長が等しい光学配置を採用すれば、色ムラの発生防止を簡単な構成で行うことができる。例えば、レーザー光源のように点光源に近く、同じ微小角度の発散角を持って発光する光源装置を用いると、光路長の差がそのまま光学部品での光束幅の差になる。したがって、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ光源からロッドインテグレータまでの光路長が異なれば、光束幅の差が発散角度の差となるため、色ごとに生じるＮＡの差により色ムラが生じることになる。Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ光源からロッドインテグレータまでの光路長が等しい光学配置を採用することにより、このような色ムラが生じる危険性を排除することができる。
【００２３】
上記の各発明に係る特徴的な照明光学系を、第１０の発明のように画像投影装置(リアプロジェクター，フロントプロジェクター等)に用いれば、例えば、レーザーアレイ光源に特有の扁平なＮＡ分布に起因する問題点を解消して、画像投影装置のコンパクト化，低コスト化，高輝度化，高性能化，高機能化等に大きく寄与することができる。なお、本発明に係る照明光学系が適用される装置は画像投影装置に限らない。等方的なＮＡ分布の照明光を必要とする装置であれば適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る照明光学系とそれを用いた画像投影装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に説明する実施の形態では、扁平な光束断面の照明光を出射する光源としてレーザーアレイ光源を例に挙げているが、光源はレーザーアレイ光源に限らない。扁平な断面の照明光束を出射する光源であれば、例えば、ＬＥＤ(light emitting diode)アレイ等の光源の適用も可能である。
【００２５】
図１(Ａ)に、照明光学系ＩＬを備えた画像投影装置の主要な光学配置を上面側から示す。この画像投影装置は、表示素子１０と、その画像表示面１０ａを照明するための照明光学系ＩＬと、画像表示面１０ａに表示される画像をスクリーン(不図示)に対して拡大投影するための投影光学系ＰＯと、を備えている。照明光学系ＩＬは、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ；反射ミラー３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ；ダイクロイックミラー４Ｒ，４Ｇ；レンズアレイ７；ロッドインテグレータ８；リレー光学系９等で構成されており、ロッドインテグレータ８よりも後の光学構成、つまり、リレー光学系９，表示素子１０，ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズム１１，及び投影レンズ１２は、放電ランプを用いた一般的な画像投影装置と同様の構成になっている。
【００２６】
レーザーアレイ光源１Ｒからは赤色(Ｒ)の照明光束Ｐが出射され、レーザーアレイ光源１Ｇからは緑色(Ｇ)の照明光束Ｐが出射され、レーザーアレイ光源１Ｂからは青色(Ｂ)の照明光束Ｐが出射される。つまり、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光束Ｐをそれぞれ出射する３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂが順次点滅し、表示素子１０が照明光束Ｐの色に応じた画像を画像表示面１０ａに表示することにより、カラー画像の表示が行われる。
【００２７】
各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの光源配列は、いずれも扁平になっている(例えば１列又は２列×１０数列)。このため、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される照明光束Ｐは、いずれも扁平な光束断面を有している。そして、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、各照明光の光束断面の長尺方向が略一直線状になるように配列されており、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂには共通のヒートシンク２が取り付けられている。図１(Ｃ)に、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂに取り付けられた状態のヒートシンク２を側面側(つまり図１(Ａ)における矢印Ｄ２方向)から見た状態で示す。
【００２８】
図１(Ａ)に示すように、ヒートシンク２の側面側には冷却ファン６が配置されており、冷却ファン６からヒートシンク２に風６ａが送られて、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂが冷却される構成になっている。図１(Ｃ)から分かるように、ヒートシンク２には複数のフィン２ａが形成されている。冷却ファン６からの風６ａは、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの配列方向に沿って流れるように、フィン２ａによってガイドされる。この冷却構成は、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを一直線状に配列することによって採用可能となる。つまり、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂのレイアウトを一直線状にすることにより、共通の冷却機構を使用することが可能となり、冷却箇所も一箇所で済み、非常に効率良く冷却することが可能となる。特に半導体レーザーやＬＥＤ(light emitting diode)等の光源を扱う場合には、その冷却が発光量にも影響を及ぼすため、照明光学系において上記レイアウトは重要なポイントとなる。
【００２９】
また図１(Ａ)に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ駆動を行うための端子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂは、同一平面・同一方向に配置されており、制御基板(不図示)との接続が行い易いようになっている。半導体レーザーやＬＥＤ等の光源を扱う場合には、大きな電流を流すことになるため、効率，安全性等の観点からも、上記レイアウトでレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを配列することは重要である。
【００３０】
レーザーアレイ光源１Ｒから出射したＲの照明光束Ｐは、反射ミラー３Ｒで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｒで反射される。ダイクロイックミラー４ＲはＲの照明光束Ｐを反射し、Ｇ，Ｂの照明光束Ｐを透過するので、Ｒの照明光束Ｐはダイクロイックミラー４Ｒで反射されることにより、Ｇ，Ｂの照明光束Ｐと同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＲの照明光束Ｐは、レンズアレイ７に入射して分割・拡散される。レーザーアレイ光源１Ｇから出射したＧの照明光束Ｐは、反射ミラー３Ｇで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｇで反射される。ダイクロイックミラー４ＧはＧの照明光束Ｐを反射し、Ｂの照明光束Ｐを透過するので、Ｇの照明光束Ｐはダイクロイックミラー４Ｇで反射されることにより、Ｂの照明光束Ｐと同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＧの照明光束Ｐは、ダイクロイックミラー４Ｒを透過し、レンズアレイ７に入射して分割・拡散される。レーザーアレイ光源１Ｂから出射したＢの照明光束Ｐは、反射ミラー３Ｂで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｇ，４Ｒを順に透過することにより、Ｒ，Ｇの照明光束Ｐと同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＢの照明光束Ｐは、レンズアレイ７に入射して分割・拡散される。
【００３１】
上記のように、３枚の反射ミラー３Ｒ，３Ｇ，３Ｂと２種類のダイクロイックミラー４Ｒ，４Ｇによって、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照明光束Ｐが同一の光路に合成される。この光路合成(つまり色合成)により、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照明光束Ｐは、同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ８までの光路長が互いに等しくなる。その結果、光路合成後の同一面における光束断面が略等しくなる。これについては後で詳しく説明する。
【００３２】
光路合成後のＲ，Ｇ，Ｂの各照明光束Ｐは、複数のレンズセル７ａ(後述する図３等参照。)で構成されたレンズアレイ７で分割・拡散された後、ロッドインテグレータ８に入射する。前述したように、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される照明光束Ｐは、いずれも扁平な光束断面を有している。その照明光束Ｐに関して、主要な光学配置を上面側から示している図１(Ａ)では、レンズアレイ７及びロッドインテグレータ８は光束幅の大きい方から見た状態で示されている。図１(Ｂ)に、レンズアレイ７及びロッドインテグレータ８を光束幅の小さい方(つまり図１(Ａ)における矢印Ｄ１方向)から見た状態で示す。
【００３３】
レンズアレイ７で拡散状態となったＲ，Ｇ，Ｂの各照明光束Ｐは、ロッドインテグレータ８を通ることによって光強度が均一化される。ここで想定しているロッドインテグレータ８は、４枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段である。入射端面から入射してきた照明光束Ｐは、ロッドインテグレータ８の側面(すなわち内壁面)で何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、照明光束Ｐの空間的なエネルギー分布が均一化されて出射端面から出射する。ロッドインテグレータ８の出射端面の形状は、表示素子１０の画像表示面１０ａと略相似の四角形になっており、また、ロッドインテグレータ８の出射端面は表示素子１０の画像表示面１０ａに対して共役になっている。したがって、上記ミキシング効果により出射端面での輝度分布が均一化されることにより、表示素子１０は効率良く均一に照明されることになる。
【００３４】
なお、ロッドインテグレータ８は中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。また、表示素子１０の画像表示面１０ａの形状と適合するならば、その側面についても４面に限らない。つまり、断面形状は長方形等の四辺形に限らない。したがって、用いるロッドインテグレータ８としては、複数枚の反射ミラーを組み合わせて成る中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。
【００３５】
一対のレンズアレイを用いるレンズアレイ方式のインテグレータでは、矩形の照明光の重なりの不十分さ、照明領域のエッジの結像性能の不十分さ等があるため、照明余裕域を十分確保する必要がある。その広すぎる照明余裕域は光量の損失を引き起こし、さらに画面外に発生するゴーストの原因にもなるため、特にホームシアター用のプロジェクタでは好ましくない。したがって、プロジェクターの照明光学系用としては、ロッド方式のインテグレータが適している。
【００３６】
この照明光学系ＩＬでは、レンズアレイ７で照明光束Ｐに角度をつけることによりロッドインテグレータ８内で反射しやすくしている。このように、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの照明光がレンズアレイ７の各レンズセルで集光又は発散する構成にすれば、ロッドインテグレータ８に対してより角度を持って入射すること(つまり、入射端面に対する入射角度が大きいこと)になるため、ロッドインテグレータ８内での反射回数が多くなり、均一な照度分布がより得やすくなる。
【００３７】
図２に示すように、光束断面が扁平な形状の照明光束Ｐを１枚の凸レンズ７Ａで集光させた場合には、光束幅Ｓ１と光束幅Ｓ２との差によって照明光束Ｐの屈折角度Ｕ１，Ｕ２が異なってしまう。つまり、大きい方の光束幅Ｓ１に比べると、小さい方の光束幅Ｓ２ではロッドインテグレータ８に対してあまり角度がつかなくなる。このため、ロッドインテグレータ８内では、その方向の反射回数が少なくなり、等方的なＮＡ分布だけでなく、均一な照度分布も得にくくなる。
【００３８】
図１に示す照明光学系ＩＬでは上記問題点を解消するため、レンズアレイ７を用いて照明光束Ｐを等方的に拡散させている。レンズアレイ７及びロッドインテグレータ８の要部を、図３(Ａ)に光束幅の小さい方から見た状態で示し、図３(Ｂ)に光束幅の大きい方から見た状態で示す。つまり、図３(Ａ)は図１(Ｂ)の要部拡大図であり、図３(Ｂ)は図１(Ａ)の要部拡大図である。レンズアレイ７は、正方形の凸レンズから成る同一レンズ形状(つまり同一曲率のレンズ面)・同一レンズサイズの複数のレンズセル７ａで構成されている。各レンズセル７ａは、図３(Ａ)に示すように、小さい方の光束幅よりも十分に小さいサイズで構成されている。
【００３９】
レンズアレイ７は、照明光束Ｐを複数に分割してそれぞれの光束状態を等方的に変化させることにより、照明光束Ｐを等方的に拡散させる。つまり、レンズアレイ７に入射した照明光束Ｐは、図３(Ａ)，(Ｂ)に示すように複数に分割されて、光束幅の大きい方も小さい方も同様に最大角度θで屈折することになる。照明光束Ｐの断面が扁平であれば、その光束幅は方向によって異なるが、照明光束Ｐを複数に分割してそれぞれの光束状態を等方的に変化させれば、光束幅の違いはＮＡ分布に影響しない。したがって等方的なＮＡ分布が得られ、等方的なＮＡ分布を有する照明光束Ｐでの均質な照明を、簡単な構成で実現することが可能となる。また、レンズアレイ７を構成している各レンズセル７ａが、レンズアレイ７に入射する際の照明光束Ｐの断面の最小幅より小さいので、光束幅の小さい方向に関しても効果的な拡散が可能となる。
【００４０】
レンズアレイ７は、照明光束Ｐを複数に分割してそれぞれを同一(又は略同一)の等方的な集光状態(凹レンズでレンズセル７ａを構成した場合には発散状態)にすることにより、照明光束Ｐを等方的に拡散させる構成になっているので、光束幅の差に関係なく、ロッドインテグレータ８に入射させる照明光束Ｐの角度分布(つまり集光度合い又は発散度合い)をすべての方向で同一(又は略同一)にすることができ、照明光学系の構成も簡単になる。また、拡散部材としてレンズアレイ７を用いれば、個々のレンズセル７ａで入射光束を同じ角度分布で等方的に拡散させることができるので、照明光学系の構成や組み立てが簡単になり、低コスト化も容易になる。
【００４１】
上記のようにレンズアレイ７での等方的な拡散により扁平なＮＡ分布が等方的なＮＡ分布に変換されるので、扁平な断面の照明光束Ｐを出射するレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを備え、かつ、コンパクトな構成でも、等方的なＮＡ分布を有する照明光束Ｐを得ることが可能となり、高い照明効率と高い解像力を保持しつつ均一な照度分布を得ることが可能となる。また、レンズアレイ７で照明光束Ｐが等方的に拡散されるため、ロッドインテグレータ８に対してより角度を持って照明光束Ｐが入射することになる。その結果、ロッドインテグレータ８内での反射回数が多くなり、均一な照度分布がより得やすくなる。したがって、レンズアレイ７とロッドインテグレータ８との組合せにより、ロッドインテグレータ８の出射端面でのＮＡ分布及び輝度分布は均一になり、結果として、等方的なＮＡ分布を有する照明光束Ｐで均質な照明を実現することが可能となる。
【００４２】
レンズアレイ７を構成している各レンズセル７ａは、そのレンズ形状が正方形になっているが、他の正多角形(例えば正六角形)のレンズセル７ａから成るレンズアレイ７を用いてもよい。正多角形のレンズセル７ａから成るレンズアレイ７を用いた場合、光束幅の大きい方向も小さい方向も同様の屈折が行われるため、より等方的なＮＡ分布を得ることができる。
【００４３】
この照明光学系ＩＬでは、凸レンズから成る複数のレンズセル７ａで構成されたレンズアレイ７を拡散部材として用いているが、凹レンズから成る複数のレンズセルで構成されたレンズアレイを拡散部材として用いてもよい。また、制御された等方的な拡散性を有する光学部材であれば、拡散部材はレンズアレイに限らない。例えば、複数の円錐セルをアレイ状に有する光学部材，複数の角錐セルをアレイ状に有する光学部材，複数のプリズム面をアレイ状に有するプリズムアレイ，入射光をランダムに散乱させる光学部材等でもよい。また、拡散部材が有する拡散作用も屈折作用(レンズ作用，プリズム作用等)に限らない。例えば、拡散部材が回折格子から成り、その回折作用により照明光束を等方的に拡散させるものでもよい。
【００４４】
この照明光学系ＩＬを画像投影装置(リアプロジェクター，フロントプロジェクター等)が備えることにより、レーザーアレイ光源に特有の扁平なＮＡ分布に起因する問題点を解消して、画像投影装置のコンパクト化，低コスト化，高輝度化，高性能化，高機能化等に大きく寄与することができる。なお、この照明光学系ＩＬが適用される装置は画像投影装置に限らない。等方的なＮＡ分布の照明光を必要とする装置であれば適用可能である。
【００４５】
ところで、レーザー光源のように点光源に近く指向性のある光源から、図４に示すように、同じ微小角度Δの発散角を持って発光した光束は、その光路長Ｔ１，Ｔ２の差がそのまま光学部品(ここではレンズアレイ７)での光束幅Ｗ１，Ｗ２の差になる。このため、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの光路長Ｔ１，Ｔ２が異なれば、レンズアレイ７での光束幅Ｗ１，Ｗ２の差異の比率が比較的大きくなり、レンズアレイ７で色ごとの光束分割度合いに大きな差異が発生する。したがって、色ごとに照度分布の差異が生じて色ムラが生じることになる。図１に示す照明光学系ＩＬでは、光路合成されたＲ，Ｇ，Ｂの３つの照明光束Ｐが同じ角度分布でロッドインテグレータ８に入射するように光学配置されているため、上記のような色ムラが生じる危険性は排除される。そして、色ムラの発生が抑えられることにより、各色光で略等しい均一な照度分布での照明をより確実に達成することが可能となる。また、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからロッドインテグレータ８までの光路長が等しい(又は略等しい)光学配置を採用することにより、色ムラの発生防止をより簡単な構成で行うことが可能となる。
【００４６】
図１(Ａ)に示すように、ロッドインテグレータ８から出射した照明光は、照明用のリレー光学系９を通ってＴＩＲプリズム１１に入射する。ＴＩＲプリズム１１に入射した照明光は、ＴＩＲプリズム１１のエアギャップ面１１ａで全反射した後、表示素子１０の画像表示面１０ａを均一に照明する。このときリレー光学系９は、照明光をリレーしてロッドインテグレータ８の出射端面を表示素子１０の画像表示面１０ａ上で結像させる。つまり、表示素子１０の画像表示面１０ａ上にはロッドインテグレータ８の出射端面の像が形成されることになる。
【００４７】
表示素子１０の画像表示面１０ａでは、照明光を変調することにより２次元画像が形成される。ここでは、表示素子１０としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを想定している。ただし、使用される表示素子１０はこれに限らず、投影光学系ＰＯに適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子１０としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態(例えば±１２°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが、ＴＩＲプリズム１１のエアギャップ面１１ａを全反射無しに透過し、投影レンズ１２に入射してスクリーン上に投射される。一方、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射した光は、ＴＩＲプリズム１１の照明光の進入側とは反対側に大きく偏向されるため、投影レンズ１２には入射しない。このようにして、投影光学系ＰＯを構成する投影レンズ１２のパワーにより、画像表示面１０ａの表示画像がスクリーン上に拡大投影される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】画像投影装置の一実施の形態を示す概略構成図。
【図２】ロッドインテグレータ直前に１枚の凸レンズを用いた場合の光束幅の差によって生じる屈折角度の差を説明するための光路図。
【図３】図１におけるレンズアレイ及びロッドインテグレータの要部を光束幅の異なった方向から拡大して示す光路図。
【図４】ロッドインテグレータ直前にレンズアレイを用いた場合の光路長及び光束幅の差によって生じる光束分割度合いの差を説明するための光路図。
【符号の説明】
【００４９】
ＩＬ    照明光学系
ＰＯ    投影光学系
１Ｒ    赤色発光のレーザーアレイ光源
１Ｇ    緑色発光のレーザーアレイ光源
１Ｂ    青色発光のレーザーアレイ光源
３Ｒ  Ｒ用の反射ミラー
３Ｇ  Ｇ用の反射ミラー
３Ｂ  Ｂ用の反射ミラー
４Ｒ  Ｒ反射用のダイクロイックミラー(光路合成部材)
４Ｇ  Ｇ反射用のダイクロイックミラー(光路合成部材)
７    レンズアレイ(拡散部材)
７ａ    レンズセル
８    ロッドインテグレータ
１０    表示素子
１０ａ    画像表示面
１２    投影レンズ(投影光学系)
Ｐ    照明光束
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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