(57)【要約】【課題】光源ユニットからの照明光束を画像生成用の光変調ユニットに集光照射させる集光光学系に自由曲面を有する光学素子を用いた画像投影装置を提供する。【解決手段】複数の光源２からの照明光束３を投影レンズ８中のほぼ一点に集光させ、小さな光源像９を形成する。集光素子として、自由曲面を有するレンズ６を用いる。集光用の反射鏡に自由曲面を用いる。複数の光源２からの照明光束を投影レンズ８中のほぼ一点に集光させ、小さな光源像９を形成する。集光素子として、自由曲面を有する反射鏡１０を用いている。反射では、レンズによる屈折とは異なり、全ての波長に対して同一の反射角となる。光源ユニット４の各光源２から発光された照明光束は、２枚の自由曲面を有する凹面鏡１１ａで反射された後、光変調ユニット７を照射し、投影レンズ８中のほぼ一点に集光され、小さな光源像９を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子が２次元的に配列された光源ユニットを有する画像投影装置であって、
前記光源ユニットからの照明光束を画像生成用の光変調ユニットに集光照射させる集光光学系を有し、
前記集光光学系は、自由曲面を有する光学素子を用いることを特徴とする画像投影装置。
【請求項２】
前記光学素子は、透過レンズであることを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
【請求項３】
前記光学素子は、反射鏡であることを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
【請求項４】
前記反射鏡は、少なくとも２枚の凹面鏡であることを特徴とする請求項３に記載の画像投影装置。
【請求項５】
前記反射鏡は、少なくとも１枚の凹面鏡と、少なくとも１枚の凸面鏡とであることを特徴とする請求項３に記載の画像投影装置。
【請求項６】
前記２枚の凹面鏡の配置間隔を可変としたことを特徴とする請求項４に記載の画像投影装置。
【請求項７】
前記凹面鏡と、前記凸面鏡との配置間隔を可変としたことを特徴とする請求項５に記載の画像投影装置。
【請求項８】
前記光変調ユニットは、反射型光変調ユニットであることを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
【請求項９】
前記透過レンズは、少なくとも１枚の正レンズと、少なくとも１枚の負レンズとであることを特徴とする請求項２に記載の画像投影装置。
【請求項１０】
前記正レンズと、前記負レンズとの配置間隔を可変としたことを特徴とする請求項９に記載の画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光学系における画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコンやテレビの画像を大画面で表示したい、綺麗な画像を表示したいなどのニーズの高まりに伴い、液晶関連の技術発展を背景に、プロジェクタなどの、画像投影装置の高性能化が求められる。プロジェクタを高性能化することは、高画質化、小型化、軽量化につながる。これらに伴い、主に期待されているのは、画面の明るさの向上であり、照明光学系に関して、光の利用効率の向上を目指して様々な技術が開発されてきた。
【０００３】
例えば、特許文献１では、良好な光学機能を保持しつつ量産性やコスト面で有利であり、薄型で光学部品がコンパクトな大画面の斜め投影光学系および画像投影装置を提案している。
【０００４】
また、特許文献２では、投射画面の大画面化を図り、投射装置外の投影空間を縮小するために、反射鏡を含む結像光学系を採用し、色収差も補正可能な投射光学系およびこのような投射光学系を用いる拡大投射光学系および画像投射装置を提案している。
【０００５】
また、特許文献３では、１０度以上の開き角を持って発する光束が、その基準軸近傍にある第１の光学系と、その基準軸近傍において光束の発散作用を有する第２の光学系とを通過し、光束が第１光学系を通過する位置に応じて、使用する光学素子の種類に関わらず半角６０度以上の広画角で歪みの少ない斜入結像光学系を提案している。
【０００６】
また、特許文献４では、反射曲面を有する第１の光学成分と、第１光学成分よりも縮小側に配置された第２光学成分とを有し、縮小側から拡大側にトレースするとき、第２光学成分は、第１光学成分よりも拡大側に縮小側共役点を形成し、所望の変倍比を得つつ、倍率色収差等の諸収差の発生を抑制しコンパクトな構成の変倍光学系を提案している。
【０００７】
また、特許文献５では、少なくとも１つの自由曲面反射面を用いて、基準光軸が基準平面上に存在する投射光学系と、複数の色光を合成するクロスダイクロイックプリズムとが、互いに共役な位置に置くようにし、異なる色光で各々を照明し、その画像表示面が長方形である複数の画像変調素子からなり、複数の画像変調素子により変調された色光をクロスダイクロイックプリズムで色合成し、色合成平面と複数の画像変調素子の表示面の短辺方向が平行であり、投射光学系の基準平面と色合成平面が互いに平行であり、投射された画像が横長であるように画像変調素子をクロスダイクロイックプリズムおよび投射光学系に対して配置することで反射光学系による投射光学系と光学エンジンの組み合わせの小型化、および取り扱いの簡素化を図った画像投射装置を提案している。
【０００８】
また、特許文献６では、投射光学系に非回転対象な非球面形状のミラーを含む複数のミラーを用いて、筒状に囲む構造物の内側の反射面以外の部分が投射光路に干渉しないように配置し、外気取り込み口から清浄された外気を、前記筒状に囲む構造物の内部を通して導入し、外気により前記複数のミラーの表面を冷却し、熱、昇温の影響を受けにくい画像投影装置を提案している。
【０００９】
さらに、特許文献７では、光ビーム形状変換で一様化した光ビームをさらに分割重畳することにより、光源の発光分布ムラがあっても、それを維持しつつ、照度分布の一様性、光利用効率の向上を図ることができ、照度ムラを軽減することができ、輝度ムラの少ない投射映像を得ることが可能な液晶プロジェクタ等の投写型表示装置用の照明装置を提案している。
【００１０】
上記に述べた何れの特許文献においても、投影レンズからスクリーンまでの結像光学系、とくに光路を折り曲げる反射鏡に自由曲面が用いられているが、照明光学系には従来より球面または２次非球面(放物面鏡など)が使われている。
【００１１】
また、一般のプロジェクタの光源としては、メタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどの高出力な光源が広く使われている。しかし、これらの光源では比較的に大きな電力を必要とする。これに対して、より少ない電力で発光が可能なＬＥＤが、とくに小型プロジェクタの光源に使われるようになってきた。
【００１２】
ＬＥＤは従来のランプに比べて発光効率が良く、省電力化が可能という利点の他に、それ自体が小さく、点灯させるための電源回路も小さく設計でき、装置全体の小型化に有利となる。
【００１３】
さらにＬＥＤでは、狭い波長域での単色発光が可能で、光の３原色であるＲ（レッド）Ｇ（グリーン）Ｂ（ブラック）の各色に発光する単色のＬＥＤを順次点灯させることで、色フィルタ(カラーホイールなど)を必要とせずにカラー映像を生成させることができる。これも装置の小型化に多いに寄与する。また、色フィルタによる光の吸収も起こらず、光の利用効率がさらに良くなる。従来のランプに比べて寿命が極めて長いため、ランプ交換を殆ど必要としないという利点もある。
【特許文献１】特開２００４−２９５０４２号公報
【特許文献２】特開２００４−２５８６２０号公報
【特許文献３】特開２００４−２３４０１５号公報
【特許文献４】特開２００４−２９５１０７号公報
【特許文献５】特開２００５−３３８１３８号公報
【特許文献６】特開２００６−３５４１号公報
【特許文献７】特開平１１−２７３４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、様々な従来の技術開発によって得られた光ビームは照度の一様性が未だに十分満足のいく結果ではなく、画面の輝度を均一にするためには照度の一様性をさらに改善する手段が必要とされている。
【００１５】
そこで、本発明では、光源ユニットからの照明光束を画像生成用の光変調ユニットに集光照射させる集光光学系に自由曲面を有する光学素子を用いた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】
【００１６】
上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、発光素子が２次元的に配列された光源ユニットを有する画像投影装置にであって、前記光源ユニットからの照明光束を画像生成用の光変調ユニットに集光照射させる集光光学系を有し、前記集光光学系は、自由曲面を有する光学素子を用いる画像投影装置であることを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の画像投影装置において、前記光学素子は、透過レンズであることを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の画像投影装置において、前記光学素子は、反射鏡であることを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の画像投影装置において、前記反射鏡は、少なくとも２枚の凹面鏡であることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の画像投影装置において、前記反射鏡は、少なくとも１枚の凹面鏡と、少なくとも１枚の凸面鏡とであることを特徴とする。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の画像投影装置において、前記２枚の凹面鏡の配置間隔を可変としたことを特徴とする。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の画像投影装置において、前記凹面鏡と、前記凸面鏡との配置間隔を可変としたことを特徴とする。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の画像投影装置において、前記光変調ユニットは、反射型光変調ユニットであることを特徴とする。
【００２４】
請求項９に記載の発明は、請求項２に記載の画像投影装置において、前記透過レンズは、少なくとも１枚の正レンズと、少なくとも１枚の負レンズとであることを特徴とする。
【００２５】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の画像投影装置において、前記正レンズと、前記負レンズとの配置間隔を可変としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、光源ユニットからの照明光束を画像生成用の光変調ユニットに集光照射させる集光光学系に自由曲面を有する光学素子を用いた画像投影装置を提供することを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本実施形態では、ＬＥＤ等の固体発光素子を２次元的に配列した光源ユニットを使った画像投影装置で、光源からの光束を効率よく利用し、プロジェクタの小型化に寄与する照明光学系を提供することを目的とする。
【００２８】
以下に、本実施形態での画像投影装置の一例としてプロジェクタの照明系に自由曲面を使った集光素子(レンズや反射鏡)を用いるまでの過程を説明する。
【００２９】
まず、単体のＬＥＤ素子について図１１を用いて説明する。図１１（ａ）は、単体のＬＥＤ素子の概観図を示す。図１１（ｂ）は、単体のＬＥＤ素子の第１の側面図を示す。図１１（ｃ）は、単体のＬＥＤ素子の第２の側面図を示す。
【００３０】
ＬＥＤ素子１１の発光面(図中の手前側)の中央には発光部１２があり、その発光部１２から図に示す領域１３に照明光束が発光される。以降の説明では、図１１（ｂ）や図１１（ｃ）に示すような簡略的な側面図も使用する。なお図１１（ｃ）では、照明光束の中心光線３ａのみで発光方向を簡易的に表している。
【００３１】
次に、光源ユニットについて、図１２を用いて説明する。図１２（ａ）は、光源ユニット（ＬＥＤアレイ）の概観図を示す。図１２（ｂ）は、光源ユニットの一体表示の斜視図を示す。図１２（ｃ）は、光源ユニットの一体表示の側面図を示す。
【００３２】
ＬＥＤの問題点としては、素子１つあたりの光量が少ないことがあげられる。これを補うため、図１２（ｂ）に示すように、多数のＬＥＤ素子１１を配列した光源ユニット１４が使われる。以降の説明では、図１２（ａ）のＬＥＤ素子１１を光源ユニット１４として、一体的に簡略化し、図１２（ｂ）のような斜視図、または図１２（ｃ）にような側面図で示す。
【００３３】
また光源ユニット１４から発光させる照明光束の領域５について、図１３を用いて示す。図１３（ａ）は、光源ユニットと発光領域の第１の側面図を示す。図１３（ｂ）は、光源ユニットと発光領域の第２の側面図を示す。図１３（ｃ）は、光源ユニットと発光領域および中心光線の側面図を示す。図１３（ｃ）では、発光領域１５の中心光線１５ａも同時に示している。
【００３４】
図１４（ａ）は、一般的な照明光学系の一例を示す。一般的なプロジェクタの照明光学系では、図１４（ａ）に示すように、光源１２から発光された照明光束をコンデンサレンズや反射鏡など集光光学系１６で光変調ユニット１７を照射した後、投影レンズ１８の中に集光させる。これは、光源の像１９を投影レンズ１８内に結像させることになる。光源像１９は虚光源とも呼ばれる。光変調ユニット１７はライトバルブとも呼ばれる画像生成ユニットで、透過型の液晶パネルや反射型のマイクロミラーアレイ(ＤＭＤ)などが広く知られている。
【００３５】
なお図１４（ａ）において、投影レンズ１８の左方向には画像を映し出すスクリーンがあり、光変調ユニット１７に形成された画像は、投影レンズ１８によってスクリーン上に直接、または反射鏡などで折り返された後スクリーン上に結像されるが、ここでは投影レンズ１８からスクリーンまでの光学系の図示を省いている。以降の説明図においても、光源１２から投影レンズ１８までの照明光学系のみを図示している。
【００３６】
図１４（ｂ）は、光源がＬＥＤアレイの場合の光源像の概観図を示す。十分な光量を確保するため、必要な個数のＬＥＤ素子を配列した光源ユニット１４では、ユニットとしてある程度の発光面積を持つことになる。図１４（ｂ）に示すように、もし光源ユニット１４が大きいと、投影レンズ１８での光源像１９も大きく広がり、投影レンズ１８の径を大きくせざるを得ない。また光源１２から発光される光束も広くなり、集光光学系１６の径を大きくする必要がある。
【００３７】
図１４（ｃ）は、光源像が小さくなるように配置された照明系の概観図を示す。光源像１９を小さな１点に集光させるには、図１４（ｃ）に示すように、光源１２と集光光学系１６の間隔を広げ、集光光学系６による結像倍率を小さくする方法もある。しかし、この方法では集光光学系１６の径が大きくなることが避けられない。また、光変調ユニット７を必要以上に大きな光束径で照射することになり、光の利用効率が落ちる。
【００３８】
通常の球面を使ったレンズや反射鏡では、図１４（ａ）に示したように、光源１２が一点の場合に、球面収差によりある程度の広がりを持つものの、ほぼ一点に集光する。しかし光源１２が２点以上の場合には、全ての光源像１９を同一の点に集光させることはできない。
【００３９】
これに対して、レンズの屈折面や反射鏡の反射面に非球面を使うことで、光軸上に並んだ複数の光源１９を、ほぼ一点に集光させることができる。
【００４０】
図１５は、非球面の説明を模式的な図に示す。図１５のように、光学素子の中心を通る光軸をＸ軸、光軸と直交する軸をＹ軸とする座標系で、光軸からＹ軸方向に測った距離(光軸高さとも呼ぶ)をＨとすると、その高さＨでのＹ軸から測った光軸方向の変位量(サグ量とも呼ぶ)は、ΔＸ＝Ｆ(Ｈ)のように、Ｈを変数とする関数で表すことができる。この関数によって描かれる曲線を光軸(Ｘ軸)の廻りに回転させて形成されるのが非球面と呼ばれる曲面で、光軸について回転対象となる。
【００４１】
上記の関数は、通常は偶数次の係数のみを使った高次関数となっている。２次以下の係数のみの特殊な場合は２次曲線とも呼ばれ、それを回転させた２次曲面には、放物面、楕円面、双曲面などがある。とくに楕円面では、ひとつの焦点から発光した光束がもう一方の焦点に完全に収束することが知られている。非球面を用いた場合、高次係数の値を適切に設定することで、光軸上または光軸と平行に点在する複数の光源からの光束をほぼ一点に集めることができる。
【００４２】
しかし、光源ユニット上でＬＥＤ素子が２次元に配列され、光軸以外にも光源が存在するときは、非球面では回転対称曲面であるため、同一の点に集光させることはできない。これを、集光光学系に反射鏡を使った例で説明する。
【００４３】
図１６（ａ）は、反射鏡を用いた照明系の一例図を示す。この例では、投影レンズ１８とは反対方向に発光された照明光束を、反射鏡２０によって集光させながら投影レンズ１８方向に戻している。集光光学系に反射板を使った場合には、レンズと異なり、色収差が発生せず、光路も比較的に短くできるなどの利点がある。しかし図１６（ａ）の例のように、反射鏡２０と光源１２をともに光軸上に一列に配置した場合、反射鏡２０で反射された光束が光源ユニット１１に遮光され、光の利用効率が落ちる。
【００４４】
これを解決するため、図１６（ｂ）に断面図を示すように、反射鏡２０の上半分のみを反射面として利用する例がある。図１６（ｂ）は、反射鏡を部分的に用いた照明系の一例図を示す。これを図１７（ａ）を用いて説明する。図１７（ａ）は、椀型の反射鏡の概観図を示す。図１７（ｂ）は、椀型反射鏡を半分に切った反射鏡の概観図を示す。この反射鏡２０を、図１８に示すように上方に向けた光源ユニット１４、光変調ユニット１７、投影レンズ１８とともに配置する。つまり図１８は、反射鏡、光源ユニット、ライトバルブ、投影レンズの配置図を示す。以降、主にこの例を用いて説明する。
【００４５】
次に照明光束の収束状態を、図１９に光源ユニット１４と反射鏡２０の断面を示して説明する。図１９（ａ）は、反射鏡が２次非球面の場合の集光状態の図を示す。図１９（ｂ）は、反射鏡が高次非球面の場合の集光状態の図を示す。
【００４６】
反射鏡２０に球面または２次非球面を用いた場合は、図１９（ａ）に示すように、複数の光源１２からの光束を一点に集めることができない。しかし、高次の非球面を用いた場合は、図１９（ｂ）に示すように、ほぼ一点に集めることができる。この状態を、図２０（ａ）に斜視図で示す。図２０（ａ）は、光源が光軸と平行に存在する場合の集光状態の図を示す。図２０（ａ）では、分かり易く説明するため、複数の光源２から発光された光束をそれぞれ１本ずつの中心光線だけで表わしている。
【００４７】
図１９（ｂ）と図２０（ａ）に示したように、光源１２が光軸上、または光軸と平行に一列に並んで配置された場合は、反射面に高次非球面を用いることでほぼ一点に集光する。
【００４８】
図２０（ｂ）は、光源が光軸から離れて存在する場合の集光状態の図を示す。しかし非球面では回転対称であるため、光源１２が光軸から離れている場合、すなわち光軸と平行ではない方向に配列された場合、図２０（ｂ）に示すように、各光源からの光束は一点には集光しない。図２０（ｃ）は、光源が２次元に配列された場合の集光状態の図を示す。充分な光量を得るために、光源２が２次元的に配列されている光源ユニット１４を用いた場合には、図２０（ｃ）に示すように、図２０（ｂ）の場合に比べてさらに光源像１９は広がりを持つことになる。なお図２０（ｃ）では、図示の煩雑性を避けるため、それぞれの光源１２より発光させる光線は描いていない。
【００４９】
これら、非球面が持つ欠点を補うものとして自由曲面がある。図１は、自由曲面の説明図を示し、自由曲面について簡単に説明する。
【００５０】
図１に示すような座標系で、光軸(Ｘ軸)と直交するＹ軸とＺ軸で構成されるＹＺ
平面を参照平面(図示せず)とし、この参照平面上の座標を、Ｘ軸からＹ軸方向とＺ軸
方向に測った距離(Ｘ軸からの高さ)をそれぞれΔＹとΔＺで表わし、参照平面からＸ
軸方向に測ったサグ量をΔＸとすると、ΔＸ＝Ｆ(ΔＹ，ΔＺ)のような高次関数、またはΔＹとΔＺを変数に含む補助関数を用いた高次関数で定義される曲面が自由曲面で、一般的には対称性はない。
【００５１】
参照平面上での任意の座標(ΔＹ，ΔＺ)でのサグ量(ΔＸ)を独立に定義し、それら定義された曲面上の各点の間を３次スプライン等の補間関数で内挿することで、各定義点を滑らかに結んで自由曲面を形成する場合もある。
【００５２】
図２は、本実施形態における集光光学系に自由曲面レンズを用いた一例の図を示す。
自由曲面による集光性の効果を、透過型レンズを用いた例で図２を用いて説明する。図２に示すように、屈折面に自由曲面を用いた集光レンズでは、各発光点からの光束７が、それぞれ屈折する部分の屈折方向を自在に設定することが可能となる。これにより、複数の光源１からの照明光束７を、投影レンズ４のほぼ一点に集光させることができる。図３は、本実施形態における集光光学系に自由曲面反射鏡を用いた一例の図を示す。つまりは、図２を斜視図で表したのが図３で、多くの光源１が２次元的に配列された光源ユニット２からの照明光束が一点に集まり、小さな光源像３を形成する。
【００５３】
図３では、図１０（ｃ）と同様に、図示の煩雑性を避けるため、それぞれの光源１より発光させる光線は描いていない。
【００５４】
以上に説明した通り、本実施形態では、プロジェクタの照明系に自由曲面を使った集光素子(レンズや反射鏡)を用いることで、比較的に大きな広がりを持つ光源ユニットの照明光束を小さな点に集光させることができる。これにより、小型で、電力消費が少く、かつ十分な明るさを持った画像投影装置を提供することが可能となる。
【００５５】
次に、画像投影装置の一例としてプロジェクタの照明系に自由曲面を使った集光素子(レンズや反射鏡)を用いる上での最良の形態について詳細に説明する。
【００５６】
本実施形態は、ＬＥＤアレイのような、複数の光源を２次元的に配置した光源ユニットを使ったプロジェクタで、図１に示したような自由曲面を、照明光学系の集光素子に用いることで、従来の球面や非球面を照明系に用いたプロジェクタ装置に比べて、集光特性を極めて高めている。図１０（ａ）から図１０（ｃ）に従来の球面や非球面での集光状態、図２と図３に自由曲面を用いた場合の集光状態の例を示している。
【００５７】
本実施形態では、照明系の集光素子に自由曲面を用いることで、光源ユニット５からの照明光束を、投影レンズ４の中において、ほぼ１点に集光できる。これによって、投影光学系の小径化や短小化が図れる他に、照明系の性能を落とすことなく集光素子(レンズや反射鏡など)に強いパワー（収束力）を持たせることも可能で、投影装置の小型化に大いに寄与できる。また、より少ない点数の集光素子で従来方式と同等の集光性能が得られるため、低コスト化も十分に期待できる。
【００５８】
本実施形態では、透過型の集光レンズに自由曲面を用いている。図２は、集光レンズ６に自由曲面を用いた例で、複数の光源１からの照明光束７を投影レンズ４中のほぼ一点に集光させ、小さな光源像３を形成している。
【００５９】
本実施形態では、集光素子として、自由曲面を有するレンズ６を用いている。一般的にレンズでは、入射側と射出側の２面それぞれに自由曲面を適用できるため、設計に使えるパラメータの数、すなわち設計の自由度が増える。これにより、より少ない光学素子で高性能の照明光学系が設計可能となる。
【００６０】
本実施形態では、集光用の反射鏡に自由曲面を用いている。図３は、反射鏡８に自由曲面を用いた例で、図２の例と同様に、複数の光源２からの照明光束(図示せず)を投影レンズ８中のほぼ一点に集光させ、小さな光源像３を形成している。
【００６１】
本実施形態では、集光素子として、自由曲面を有する反射鏡８を用いている。反射では、レンズによる屈折とは異なり、全ての波長に対して同一の反射角となる。このため、反射鏡を用いた場合には色収差が全く発生しない。このことより、ＬＥＤなどの単色発光が可能な光源が持つ優れた色特性を最大限に発揮したプロジェクタ装置の設計が可能となる。
【００６２】
図４は、本実施形態における集光光学系に少なくとも２枚の自由曲面を有する凹面鏡を用いている一例の図を示している。光源ユニット２の各光源１から発光された照明光束は、２枚の自由曲面を有する凹面鏡８ａで反射された後、光変調ユニット７を照射し、投影レンズ４中のほぼ一点に集光され、小さな光源像３を形成する。
【００６３】
本実施形態では、図４に示すように、集光光学系に、少なくとも２枚の自由曲面を有する凹面鏡８ａを用いている。１枚の凹面鏡のみを用いた構成でも、その反射鏡のパワー(収束力)を強くすれば、光源像３の結像位置が近くなり、照明光学系を小さく設計することができる。しかし、パワーが強すぎる場合、各種の収差が発生しやすい。とくに光源や反射鏡の設置誤差、すなわち光学的な偏心(傾きや軸ずれ)の影響を受けやすい。この例のように、２枚以上の凹面鏡８ａを用いた構成では、必要とするパワーを各反射面に適度に分散させることが可能で、１枚のみの場合に比べて安定した性能の照明系が設計できる。
【００６４】
図５は、本実施形態における集光光学系に少なくとも１枚の自由曲面を有する凹面鏡と、少なくとも１枚の自由曲面を有する凸面鏡を用いた一例の図を示す。光源ユニット２の各光源１から発光された照明光束は、自由曲面を有する凹面鏡８ａと自由曲面を有する凸面鏡８ｂで反射された後、光変調ユニット５を照射し、投影レンズ４中のほぼ一点に集光され、小さな光源像３を形成する。凹面鏡と凸面鏡を組み合わせた構成の照明光学系では、凹面鏡のみの構成に比べ、照明光束がより平行に近い状態で射出される。この例でも、図４の例に比べ、光源像３がより遠くに形成されている。ここで示した例では、凸面鏡８ｂで反射された後に、平面鏡９で光路を折り曲げて光変調ユニット５を照射している。これは光学系を小さくレイアウトするために工夫であるが、平面ミラー９を用いず、直接に光変調ユニット５を照射しても構わない。その場合の投影レンズは、図中では上向きとなる。
【００６５】
本実施形態では、図５に示すように、それぞれに自由曲面を有する凹面鏡８ａと凸面鏡８ｂを用いている。凸レンズや凹面鏡などの正のパワー（収束力）を持つ光学素子と、凹レンズや凸面鏡などの負のパワー（発散力）を持つ光学素子を組み合わせた光学系では、正パワーの光学素子のみで構成された光学系に比べ、射出光束がより平行に近い状態となる。
【００６６】
本実施形態では、図４に示しているような凹面鏡のみの構成に比べ、より平行に近い光束が射出される。ほぼ平行光束として照明系から射出される場合は、テレセントリック光学系とも呼ばれる。液晶パネルなど、所望の画像特性を得るために垂直に近い入射角度が求められるライトバルブ用のデバイスでは、照明系にテレセントリック光学系が使われることが多い。本実施形態での凹面鏡と凸面鏡を組み合わせた構成では、それぞれの収束または発散のパワー、配置関係を適切に設定することでテレセントリック光学系、またはテレセントリックに近い光学系を実現できる。
【００６７】
図６は、本実施形態における少なくとも２枚の自由曲面を有する凹面鏡を用いた集光光学系で、それぞれの凹面鏡の配置間隔を可変できる一例の図を示す。この例の基本構成は図４の例と同じだが、光源ユニット２と２枚の自由曲面を有する凹面鏡８ａのそれぞれの位置関係を変えることで、照明光束の収束位置、すなわち光源像３が形成される位置が図４に対して、より遠くに変化している。
【００６８】
本実施形態では、図４に示す構成で、それぞれの凹面鏡８ａの配置間隔を可変としている。間隔を変えることで、それぞれの光学素子による合成の焦点距離が変化し、光変調ユニット（ライトバルブ）５上での照射領域も変化する。各種の画像を投影するプロジェクタでは、投影する画像のサイズ（画素数）やアスペクト比（縦横比）に応じて、光変調ユニット５上に形成される画像の大きさ、すなわち光変調ユニット５で実際に使用される領域を変化させることがある。この様なプロジェクタ装置においては、本実施形態のように照射領域も変化させることで、光変調ユニット５上の必要な領域のみを照射し、照明光束を効率よく利用することができる。
【００６９】
図７は、本実施形態における少なくとも１枚の自由曲面を有する凹面鏡と、少なくとも１枚の自由曲面を有する凸面鏡を用いた集光光学系で、それら凹面鏡と凸面鏡の配置間隔を可変できる一例の図を示す。この例での基本構成は図５の例と同じだが、光源ユニット２、自由曲面を有する凹面鏡８ａ、自由曲面を有する凸面鏡８ｂそれぞれの位置関係を変えることで、照明光束の収束位置、すなわち光源像３が形成される位置が図５に対して、より遠くに変化している。
【００７０】
本実施形態では、図５の構成で、凹面鏡８ａと凸面鏡８ｂとの配置間隔を可変としている。これにより、図５の例で説明した平行に近い光束で射出される効果の他に、図６を用いて説明したのと同様に、光変調ユニット５上での照射領域の調整が可能となる。
【００７１】
本実施形態では、反射型の光変調ユニットを図８を用いて説明する。図８（ａ）は、本実施形態における反射型の光変調ユニットを用いることで形成される光源像の第１の概観図を示す。図８（ｂ）は、本実施形態における反射型の光変調ユニットを用いることで形成される光源像の第２の概観図を示す。
【００７２】
反射型の光変調ユニットに、その例を示している。図８（ａ）の例では、図４に示した例のような光学配置で、透過型の光変調ユニット５の替わりに反射型の光変調ユニット１０を用いている。図８（ｂ）の例では、図５に示した例の光学配置に光変調ユニット１０を用いている。何れの例でも、集光光学系に自由曲面を有する反射鏡を用いているが、反射鏡の替わりに自由曲面を有するレンズを用いてもよい。
【００７３】
本実施形態では、光変調ユニットとして反射型の光変調ユニット１０を用いている。とくに集光素子に反射鏡を用いた例では、照明系の光路を折り曲げることで、全体をコンパクトにまとめることができる。このときに、図５や図７で示した例のように、平面ミラー９により光路を折り曲げることもできるが、図８（ｂ）に示した例のように、反射型の光変調ユニット１０を用いていることで、装置の小型化のほかに、部品点数の低減が図られる。自由曲面を有する光学素子を用いたことによる照明系の小型化という利点を、さらに活かした小型の装置が実現できる。
【００７４】
微小な反射版を多数配列したマイクロミラーアレイ（ＤＭＤなど）を使った反射型の光変調ユニット１０は、液晶パネルなどに比べても、より垂直に近い入射角度が求められる場合が多い。この様な反射型の光変調ユニット１０では、図５や図６に示したようなテレセントリック光学系、またはテレセントリックに近い照明光学系を用いるのが良い。
【００７５】
図９は、本実施形態における集光光学系に少なくとも１枚の自由曲面を有する正レンズ（凸レンズ）と、少なくとも１枚の自由曲面を有する負レンズ（凹レンズ）を用いた一例の図を示す。光源ユニット２の各光源１から発光された照明光束は、自由曲面を有する正レンズ６ａと自由曲面を有する負レンズ６ｂで反射された後、光変調ユニット７を照射し、投影レンズ４中のほぼ一点に集光され、小さな光源像３を形成する。正レンズと負レンズを組み合わせた構成の照明光学系では、正レンズのみの構成に比べ、照明光束がより平行に近い光束が射出される。この例でも、図２の例に比べ、光源像３がより遠くに形成されている。
【００７６】
本実施形態では、集光素子として、それぞれに自由曲面を有する正レンズと負レンズを用いている。反射鏡を用いた例でも説明したように、レンズの製造で一般的に使われる硝材は、異なる光の波長に対する屈折率が変化し、その結果として色収差が発生する。１枚のレンズだけ、または２枚以上の正レンズのみでは、この色収差を無くすことはできない。しかし、波長特性（色分散）の異なる硝材の正レンズと負レンズを組み合わせることで色収差を補正できることは広く知られている。
【００７７】
本実施形態では、正レンズと負レンズを組み合わせることで色収差を補正し、さらに図５に示した構成と同様に、より平行に近い光束が射出させることが可能となる。
【００７８】
図１０は、本実施形態における少なくとも１枚の自由曲面を有する正レンズと、少なくとも１枚の自由曲面を有する負レンズを用いた集光光学系で、それら正レンズと負レンズの配置間隔を可変できる一例の図を示す。この例での基本構成は図９の例と同じだが、光源ユニット２、自由曲面を有する正レンズ６ａ、自由曲面を有する負レンズ６ｂそれぞれの位置関係を変えることで、照明光束の収束位置、すなわち光源像３が形成される位置が図９に対して変化している。
【００７９】
本実施形態では、図９の構成で、正レンズと負レンズの配置間隔を可変としている。図９を用いて述べられたレンズとしての効果の他に、図６や図７の構成と同様に、ライトバルブ上の必要な領域のみを照射することで、照明光束を効率よく利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明のプロジェクタ装置を利用すれば、ビデオ画像やコンピュータ出力をスクリーン投影に応用が利く。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】自由曲面の説明を模式的に示した図である。
【図２】本実施形態における集光光学系に自由曲面レンズを用いた一例を示した図である。
【図３】本実施形態における集光光学系に自由曲面反射鏡を用いた一例を示した図である。
【図４】本実施形態における集光光学系に少なくとも２枚の自由曲面を有する凹面鏡を用いている一例を示した図である。
【図５】本実施形態における集光光学系に少なくとも１枚の自由曲面を有する凹面鏡と、少なくとも１枚の自由曲面を有する凸面鏡を用いた一例を示した図である。
【図６】本実施形態における少なくとも２枚の自由曲面を有する凹面鏡を用いた集光光学系で、それぞれの凹面鏡の配置間隔を可変できる一例を示した図である。
【図７】本実施形態における少なくとも１枚の自由曲面を有する凹面鏡と、少なくとも１枚の自由曲面を有する凸面鏡を用いた集光光学系で、それら凹面鏡と凸面鏡の配置間隔を可変できる一例を示した図である。
【図８】（ａ）は、本実施形態における反射型の光変調ユニットを用いることで形成される光源像の第１の概観図である。（ｂ）は、本実施形態における反射型の光変調ユニットを用いることで形成される光源像の第２の概観図である。
【図９】本実施形態における集光光学系に少なくとも１枚の自由曲面を有する正レンズ（凸レンズ）と、少なくとも１枚の自由曲面を有する負レンズ（凹レンズ）を用いた一例を示した図である。
【図１０】本実施形態における少なくとも１枚の自由曲面を有する正レンズと、少なくとも１枚の自由曲面を有する負レンズを用いた集光光学系で、それら正レンズと負レンズの配置間隔を可変できる一例を示した図である。
【図１１】（ａ）は、単体のＬＥＤ素子の概観図である。（ｂ）は、単体のＬＥＤ素子の第１の側面図である。（ｃ）は、単体のＬＥＤ素子の第２の側面図である。
【図１２】（ａ）は、本実施形態における光源ユニット（ＬＥＤアレイ）の概観図である。（ｂ）は、光源ユニットの一体表示の斜視図である。（ｃ）は、光源ユニットの一体表示の側面図である。
【図１３】（ａ）は、光源ユニットと発光領域の第１の側面図である。（ｂ）は、光源ユニットと発光領域の第２の側面図である。（ｃ）は、光源ユニットと発光領域および中心光線の側面図である。
【図１４】（ａ）は、一般的な照明光学系の一例を示した図である。（ｂ）は、本実施形態における光源がＬＥＤアレイの場合の光源像の概観図である。（ｃ）は、本実施形態における光源像が小さくなるように配置された照明系の概観図である。
【図１５】非球面の説明を模式的に示した図である。
【図１６】（ａ）は、反射鏡を用いた照明系の一例を示す図である。（ｂ）は、本実施形態における反射鏡を部分的に用いた照明系の一例を示す図である。
【図１７】（ａ）は、椀型の反射鏡の概観図である。（ｂ）は、椀型反射鏡を半分に切った反射鏡の概観図である。
【図１８】反射鏡、光源ユニット、ライトバルブ、投影レンズの配置の一例を示した図である。
【図１９】（ａ）は、反射鏡が２次非球面の場合の集光状態を示す図である。（ｂ）は、反射鏡が高次非球面の場合の集光状態を示す図である。
【図２０】（ａ）は、光源が光軸と平行に存在する場合の集光状態を示す図である。（ｂ）は、光源が光軸から離れて存在する場合の集光状態を示す図である。（ｃ）は、光源が２次元に配列された場合の集光状態を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１、１２    発光部
２、１４    光源ユニット
３，１９    集光点
４，１８    投影レンズ
５，１７    光変調ユニット
６    集光光学系
６ａ    正の集光レンズ
６ｂ    負の集光レンズ
７，１３    発光領域
８，２０    反射鏡
８ａ    凹面鏡
８ｂ    凸面鏡
９    光路折り曲げ用の平面ミラー
１０    反射型ライトバルブ
１１    ＬＥＤ素子
１５    光源ユニットの発光領域
１５ａ    発光光束の中心光線
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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