(57)【要約】【課題】照明光学系に高い結像性能を有する投写型画像表示装置を提供する。【解決手段】楕円リフレクタ（Ｌ２）は光源（Ｌ１）からの光を集光し、ロッドインテグレータ（ｔ２）は光の空間的なエネルギー分布を均一化して長方形状の射出端面（ｔ２）から射出し、カラーホイール（ＣＷ）は射出端面（ｔ２）近傍でカラー表示のために時間的な色分解を行う。リレーレンズ（ＲＬ）、反射面にパワーを有する第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）、パネル面（ＰＳ）直前での集光を行うコンデンサレンズ（ＣＬ）から成る結像光学系で、射出端面（ｔ２）の像をパネル面（ＰＳ）上に形成する。第２ミラー（Ｍ２）の反射面は、射出端面（ｔ２）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回転非対称な形状を有する。【選択図】      図１
2004184626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を照明光学系で表示パネルに導き、それにより照明された表示パネルの表示画像を投影光学系でスクリーンに投影する投写型画像表示装置であって、
前記照明光学系が、光源からの光を集光する集光光学系と、その集光光学系で集光された光の空間的なエネルギー分布を均一化して長方形状の射出端面から射出するロッドインテグレータと、そのロッドインテグレータの端面近傍でカラー表示のために時間的な色分解を行うカラーフィルターと、前記ロッドインテグレータの射出端面の像を前記表示パネルのパネル面上に形成する結像光学系と、を有し、前記結像光学系が、前記ロッドインテグレータ側から、リレーレンズと、反射面にパワーを有する第１ミラー及び第２ミラーと、前記表示パネルのパネル面直前での集光を行うコンデンサレンズと、を有し、前記第２ミラーの反射面が、前記ロッドインテグレータの射出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回転非対称な形状を有することを特徴とする投写型画像表示装置。
【請求項２】
前記第１ミラーの反射面が回転非対称な形状を有することを特徴とする請求項１記載の投写型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は投写型画像表示装置に関するものであり、更に詳しくは、画像投影を行うための照明をカラーシーケンシャル方式で行う投写型画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
投写型画像表示装置に用いられる反射型の表示パネルとして、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ｄｉｇｉｔａｌ  ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  ｄｅｖｉｃｅ）が知られている。デジタル・マイクロミラー・デバイスは複数のマイクロミラーを２次元状に備えており、その長辺又は短辺に対し所定の傾き（例えば４５°）を持つ方向の軸を中心として、各マイクロミラーが回動可能に構成されている。画像表示のための画素毎のＯＮ／ＯＦＦ状態は、各マイクロミラーが２つの傾き状態（例えば±１２°）をとることにより得られる。マイクロミラーがＯＮ状態の場合には、反射された照明光が投影光学系の入射瞳に導かれた後、スクリーンに到達する。一方、マイクロミラーがＯＦＦ状態の場合には、反射された照明光が投影光学系の入射瞳位置とは異なる方向に反射されるため、スクリーンには何も表示されない。
【０００３】
上記のように動作するデジタル・マイクロミラー・デバイスを搭載した投写型画像表示装置では、デジタル・マイクロミラー・デバイスの画面全体に対して斜め方向から照明を行い、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した照明光が投影光学系の入射瞳に効率的に導かれるようにする必要がある。それとともに、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射した照明光が投影光学系の入射瞳に入らないようにする必要もある。そのため様々なタイプの照明光学系が従来より提案されており、例えば楕円ミラーやコンデンサレンズを備えた照明光学系が特許文献１で提案されている。
【０００４】
図６に、特許文献１に記載されている画像表示装置の概略光学構成を示す。図６において、ＬＡは光源ランプ、Ｌ１は光源、Ｌ２は楕円リフレクタ、ＲＩはロッドインテグレータ、ＣＷはカラーホイール、ＲＬはリレーレンズ、Ｍ１は平面反射面を有する第１ミラー、Ｍ２は球面反射面を有する第２ミラー、ＣＬはコンデンサレンズ、ＰＡは表示パネル、ＰＳはパネル面、ＰＬは投写レンズである。光源ランプ（ＬＡ）は、白色光を放射する放電ランプから成る光源（Ｌ１）と、光源（Ｌ１）からの光を集光する楕円リフレクタ（Ｌ２）と、で構成されている。ロッドインテグレータ（ＲＩ）は内壁面が反射面で構成されており、集光した光を内壁面で反射させて出口の射出端面（ｔ２）で均一な強度分布をもつように変換する。カラーホイール（ＣＷ）は、白色光に対する３原色（Ｒ：赤，Ｇ：緑，Ｂ：青）の時間的な色分解を行う。時間的に色分解された光は、リレーレンズ（ＲＬ）、光路を折り返す第１，第２ミラー、コンデンサレンズ（ＣＬ）の順に通って、表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）を照明する。表示パネル（ＰＡ）は上述したデジタル・マイクロミラー・デバイスから成っており、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射された光は投写レンズ（ＰＬ）を通ってスクリーン（不図示）に到達する。
【０００５】
上述したようにロッドインテグレータ（ＲＩ）とカラーホイール（ＣＷ）とを組み合わせて用いる場合、そこでの光の利用効率を上げる方法としてＳＣＲ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｃｏｌｏｒ  Ｒｅｃａｐｔｕｒｅ）と呼ばれる方法が特許文献２で提案されている。その原理を以下に簡単に説明する。図７に示すように、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の入射端面（ｔ１）には、中央部が透過部を成し周辺部が反射部を成すように反射マスク（ＭＫ）が配置される。一方、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）近傍には、Ｒ・Ｇ・Ｂの３色のフィルター領域がスポーク状に位置するカラーホイール（ＣＷ）が配置される。
【０００６】
光源ランプ（ＬＡ）から射出した光は、入射端面（ｔ１）の中央部からロッドインテグレータ（ＲＩ）内に入射し、射出端面（ｔ２）から射出した後、カラーホイール（ＣＷ）に入射する。カラーホイール（ＣＷ）に入射した光のうち、各フィルター領域（ＲＧＢ）に対応した波長の光線はカラーホイール（ＣＷ）を透過し、リレーレンズ（ＲＬ）を通った後、最終的に表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）に到達する。各フィルター領域（ＲＧＢ）に対応した波長以外の波長の光線は、カラーホイール（ＣＷ）で反射されて射出端面（ｔ２）から再びロッドインテグレータ（ＲＩ）内に入射する。ロッドインテグレータ（ＲＩ）内に再入射して入射端面（ｔ１）に到達した光線の一部は、反射マスク（ＭＫ）で反射されて再びロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）から射出する。そして、その一部が最終的に表示パネル（ＰＡ）に到達してパネル面（ＰＳ）を照明することになる。このようにして光の利用効率が４０％アップすると言われている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２６８０１０号公報
【非特許文献１】
Ｄ．Ｓｃｏｔｔ  Ｄｅｗａｌｄ，Ｓｔｅｖｅｎ  Ｍ．Ｐｅｎｎ，ａｎｄ  Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｄａｖｉｓ；Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ，ＤＬＰＴＭ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，Ｐｌａｎｏ  ＴＸ，ＵＳＡ；“Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｃｏｌｏｒ  Ｒｅｃａｐｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ：Ａ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｓｃｒｏｌｌｉｎｇ  Ｃｏｌｏｒ”，ＳＩＤ  ００  ＤＩＧＥＳＴ（ＳＯＣＩＥＴＹ  ＦＯＲ  ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ  ＤＩＳＰＬＡＹ  ２０００  ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ  ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ  ＤＩＧＥＳＴ  ＯＦ  ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ  ＰＡＰＥＲＳ）４０．２／Ｄｅｗａｌｄ
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示す投写型画像表示装置において、リレーレンズ（ＲＬ）とコンデンサレンズ（ＣＬ）は、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）を表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）上に結像させる役割を持っている。また、コンデンサレンズ（ＣＬ）は投写レンズ（ＰＬ）の瞳位置に照明光を効率良く導く役割を持っている。したがって、コンデンサレンズ（ＣＬ）に強いパワーを持たせると、投写レンズ（ＰＬ）の瞳位置に光を効率良く導くことが可能となる。しかし、コンデンサレンズ（ＣＬ）は投影光学系の一部でもあるため、パワーが強いと収差補正が難しくなり、また位置ズレによる性能劣化も大きくなる。逆に、コンデンサレンズ（ＣＬ）のパワーが弱いと、足りない分のパワーを第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）に配分しなければならなくなる。第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）には光線が斜めに当たるため、第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）に一般的な球面ミラーや非球面ミラーを用いると、大きな非点収差が発生し、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）を表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）上に良好に結像させることができなくなる。また、投写レンズ（ＰＬ）の瞳位置に効率良く光線を導くこともできなくなる。
【０００９】
また、図７に示すＳＣＲを用いた照明光学系によると、カラーホイール（ＣＷ）が回転するにつれて、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、パネル面（ＰＳ）上でのＲ・Ｇ・Ｂの照明領域が刻々と変化していく。例えば画面上方の照明が、ある瞬間にはＲ照明であったものが、次の瞬間にはＧ照明、Ｂ照明へと変化していく。この照明光の変化に合わせて、対応する位置の画素信号を変化させることによりカラー表示を行うことができる。しかし、ＳＣＲを利用する場合には、カラーホイール（ＣＷ）又はロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）を表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）上に良好に結像させないと、３色の領域を正確に分離することができず混色が生じてしまう。その結果、混色部分の領域については信号をＯＦＦしなければならなくなるため、ＳＣＲを有効に利用できなくなる。したがって、ＳＣＲを利用しても光利用効率のアップはあまり見込めないことになる。
【００１０】
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、照明光学系に高い結像性能を有する投写型画像表示装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の投写型画像表示装置は、光源からの光を照明光学系で表示パネルに導き、それにより照明された表示パネルの表示画像を投影光学系でスクリーンに投影する投写型画像表示装置であって、前記照明光学系が、光源からの光を集光する集光光学系と、その集光光学系で集光された光の空間的なエネルギー分布を均一化して長方形状の射出端面から射出するロッドインテグレータと、そのロッドインテグレータの端面近傍でカラー表示のために時間的な色分解を行うカラーフィルターと、前記ロッドインテグレータの射出端面の像を前記表示パネルのパネル面上に形成する結像光学系と、を有し、前記結像光学系が、前記ロッドインテグレータ側から、リレーレンズと、反射面にパワーを有する第１ミラー及び第２ミラーと、前記表示パネルのパネル面直前での集光を行うコンデンサレンズと、を有し、前記第２ミラーの反射面が、前記ロッドインテグレータの射出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回転非対称な形状を有することを特徴とする。
【００１２】
第２の発明の投写型画像表示装置は、上記第１の発明の構成において、前記第１ミラーの反射面が回転非対称な形状を有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した投写型画像表示装置を、図面を参照しつつ説明する。図１に、投写型画像表示装置の一実施の形態を示す。図１において、ＬＡは光源ランプ、Ｌ１は光源、Ｌ２は楕円リフレクタ、ＲＩはロッドインテグレータ、ＣＷはカラーホイール、ＲＬはリレーレンズ、Ｍ１，Ｍ２は第１，第２ミラー、ＣＬはコンデンサレンズ（Ｇ１：第１コンデンサレンズ，Ｇ２：第２コンデンサレンズ）、ＰＡは表示パネル、ＰＳはパネル面、ＰＬは投写レンズである。楕円リフレクタ（Ｌ２）と、ロッドインテグレータ（ＲＩ）と、カラーホイール（ＣＷ）と、リレーレンズ（ＲＬ）と、第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）と、コンデンサレンズ（ＣＬ）とから成る照明光学系により、光源（Ｌ１）からの光が表示パネル（ＰＡ）に導かれる。照明光学系により照明された表示パネル（ＰＡ）の表示画像は、コンデンサレンズ（ＣＬ）と投写レンズ（ＰＬ）とから成る投影光学系によってスクリーン（不図示）に投影される。なお、ここでは表示パネル（ＰＡ）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が、これに限らない。投写レンズ（ＰＬ）に適した他の非発光・反射型（又は透過型）の表示素子やライトバルブ（液晶表示素子等）を用いても構わない。
【００１４】
各部の構成を更に詳しく説明する。光源ランプ（ＬＡ）は、光源（Ｌ１）と楕円リフレクタ（Ｌ２）とから成っている。光源（Ｌ１）としては、例えば超高圧水銀ランプ等の放電ランプが挙げられる。楕円リフレクタ（Ｌ２）は、光源（Ｌ１）から放射された白色光を集光して２次光源を形成する集光光学系であり、光源ランプ（ＬＡ）から射出した光がロッドインテグレータ（ＲＩ）の入射端面（ｔ１）近傍で結像するように構成されている。つまり、光源（Ｌ１）は楕円リフレクタ（Ｌ２）の楕円反射面の第１焦点近傍に配置され、その集光位置である第２焦点の近傍にロッドインテグレータ（ＲＩ）の入射端面（ｔ１）が配置される。なお、楕円リフレクタ（Ｌ２）の代わりに回転放物面鏡や球面鏡等を用いてもよいが、その場合、光源（Ｌ１）からの光を集光するために、集光レンズ等と組み合わせて集光光学系を構成する必要がある。
【００１５】
光源ランプ（ＬＡ）から射出した光は、ロッドインテグレータ（ＲＩ）に入射する。ロッドインテグレータ（ＲＩ）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り、上述したように２次光源近傍に入射端面（ｔ１）を有している。入射端面（ｔ１）には前記反射マスク（ＭＫ，図７）が設けられており、光の利用効率が向上するように前記ＳＣＲに対応した構成になっている。入射端面（ｔ１）の中央部から入射してきた光は、ロッドインテグレータ（ＲＩ）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、光の空間的なエネルギー分布が均一化されて射出端面（ｔ２）から射出する。
【００１６】
ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）の形状は、表示パネル（ＰＡ）と相似の長方形になっている。また、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の入射端面（ｔ１）は照明光学系の瞳に対して共役になっており、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（Ｔ２）は表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）に対して共役になっている。上記ミキシング効果により射出端面（ｔ２）での輝度分布は均一化されるため、表示パネル（ＰＡ）は効率良く均一に照明されることになる。なお、ロッドインテグレータ（ＲＩ）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、表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）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。したがって、用いるロッドインテグレータ（ＲＩ）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。
【００１７】
ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）の近傍には、カラー表示のために射出光色を時分割で変化させるカラーホイール（ＣＷ）が配置されている。カラーホイール（ＣＷ）には、表示パネル（ＰＡ）をＳＣＲ方式で照明するために、図７に示すようにＲ・Ｇ・Ｂの３色のフィルター領域が円周方向に順番に配列されている。カラーホイール（ＣＷ）が回転すると、そのスポーク状に位置するカラーフィルターのうち、照明光透過位置にあるフィルター部分が回転方向に移動する（図８）。その結果、ロッドインテグレータ（ＲＩ）からの射出光が時間的に色分解されて、カラーホイール（ＣＷ）からの射出光の色が時分割で変化することになる。
【００１８】
カラーホイール（ＣＷ）に入射した光のうち、各フィルター領域（ＲＧＢ）に対応した波長の光線はカラーホイール（ＣＷ）を透過し、リレーレンズ（ＲＬ）を通った後、最終的に表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）に到達する。各フィルター領域（ＲＧＢ）に対応した波長以外の波長の光線は、カラーホイール（ＣＷ）で反射されて射出端面（ｔ２）から再びロッドインテグレータ（ＲＩ）内に入射する。ロッドインテグレータ（ＲＩ）内に再入射して入射端面（ｔ１）に到達した光線の一部は、反射マスク（ＭＫ）で反射されて再びロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）から射出する。そして、その一部が最終的に表示パネル（ＰＡ）に到達してパネル面（ＰＳ）を照明することになる。このようにして光の利用効率が向上することになる。なお、ＳＣＲ以外のカラーシーケンシャル方式を採用する場合には、カラーホイール（ＣＷ）の位置は、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）の近傍に限らず、他の光学要素の配置等に応じて設定すればよい。例えばロッドインテグレータ（ＲＩ）の入射端面（ｔ１）の近傍にカラーホイール（ＣＷ）を配置してもよい。またさらに、ＵＶ（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｒａｙ）−ＩＲ（ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｒａｙ）カットフィルターを配置することにより、照明光から紫外線と赤外線をカットするように構成してもよい。
【００１９】
カラーホイール（ＣＷ）を透過した光は、リレーレンズ（ＲＬ）を通り、反射面にパワーを有する第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）で反射され、表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）直前でコンデンサレンズ（ＣＬ）により集光される。つまり、リレーレンズ（ＲＬ）と第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）とコンデンサレンズ（ＣＬ）とから成る結像光学系によって、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）の像が表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）上に形成される。表示パネル（ＰＡ）に入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態（例えばチルト角±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強度変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが投写レンズ（ＰＬ）の入射瞳に効率良く入射し、投写レンズ（ＰＬ）によってスクリーンに投写される。
【００２０】
上記結像光学系を更に詳しく説明する。ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）を表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）上で結像させているのは、カラーホイール（ＣＷ）射出側のリレーレンズ（ＲＬ）と、表示パネル（ＰＡ）直前のコンデンサレンズ（ＣＬ）と、の主な作用である。第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）は主に光路の折り曲げに利用されているが、それらの反射面にも結像のためのパワーは配分されている。一般にパワーを有する反射面に光線が斜め入射すると、その斜め入射によって複雑な非点収差が発生する。第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）の各反射面は、そのような収差の発生を抑制するための回転非対称な形状を有しており、その回転非対称な曲面形状によって、２枚の折り返しミラー（Ｍ１，Ｍ２）の偏心配置を補正することが可能となる。
【００２１】
また、表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）の縦方向をｙ軸方向とし横方向をｚ軸方向とすると、第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）の反射面は、いずれもｙ軸方向とｚ軸方向とにそれぞれ非対称な自由曲面形状を有している。このように、照明光学系を構成する反射面のうちの少なくとも１面が、ｙ軸方向とｚ軸方向とにそれぞれ非対称な自由曲面形状を有することが望ましい。こうすることで、その反射面に当たる位置によって光線の反射方向を制御しやすくなるため、結像や歪曲の光学性能を向上させることができる。例えば、表示パネル（ＰＡ）としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、パネル面（ＰＳ）に対する斜め照明が必須となるが、上記自由曲面を用いれば斜め照明に際しても歪曲等の収差を良好に補正することができる。それにより、投写レンズ（ＰＬ）の入射瞳に向けて効率的に光を導いて、表示を明るくすることができる。つまり、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）に対して共役な表示パネル（ＰＡ）への結像性能（例えばボケや歪曲）を高めることができるので、表示パネル（ＰＡ）での反射光を投写レンズ（ＰＬ）の入射瞳に効率的に集めて、照明効率を上げることが可能となるのである。また、画面中の位置による照度変化も少なくできるので、明るさムラの低減も可能となる。
【００２２】
また、第２ミラー（Ｍ２）の反射面は、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）の短辺方向（ｙ軸方向）に対応する曲率半径（｜ＣＲｙ｜）よりも長辺方向（ｚ軸方向）に対応する曲率半径（｜ＣＲｚ｜）の方が大きい（｜ＣＲｙ｜＜｜ＣＲｚ｜）回転非対称な形状を有することが望ましい。この構成によると、光学性能の向上を図り、歪曲を減少させたり、結像性能を向上させたりすることが可能になる。ＳＣＲに対応できる良好な結像性能により、高い光利用効率を得ることが可能となる。また、ＳＣＲを利用しない場合でも、フォーカス精度が良好なときは照明エリアを小さくすることができるため、高い光利用効率を得ることが可能となる。
【００２３】
第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）の反射面を構成する基板材料としては、ガラス，プラスチック，金属，セラミック等、いずれの材料を用いてもよく、必要に応じたものを用いればよい。例えば、温度変化による結像性能の劣化を防ぐには、ガラス等の形状変化の少ない材料が好ましく、コストを低減するには、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ），ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）等のプラスチック材料が好ましい。照明効率を高くするには基板上に反射率の高いコートを施す必要があり、具体的にはＡｌ（アルミニウム）やＡｇ（銀）等の金属反射薄膜を形成したり、誘電体をコートした増反射膜を形成したりすればよい。また、数十層の誘電体から成る多層膜をコートしてもよい。その場合、金属膜とは異なり、金属による光吸収がないため、使用時にも吸収光が熱に変わるといった不具合がないので好ましい。また、反射面の可視光での反射率は、概ね９０％以上の反射率があることが好ましい。
【００２４】
【実施例】
次に、前述した照明光学系の光学構成をコンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。以下のコンストラクションデータでは、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）から表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）までを含めた系において、光源（Ｌ１）側から順に各光学要素の配置，面形状等の光学データを示している。なお、楕円リフレクタ（Ｌ２）については第１焦点８ｍｍ，第２焦点６４ｍｍを想定しており、表示パネル（ＰＡ）についてはマイクロミラーのチルト角：±１２°を想定している。また、投写レンズ（ＰＬ）の瞳位置については、パネル面（ＰＳ）から投写レンズ（ＰＬ）の光軸方向に５０ｍｍ、パネル面（ＰＳ）の画面短辺方向（上下方向）に７．１ｍｍを想定している。
【００２５】
各光学要素の配置は、その光学面の面頂点をローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の原点（ｏ）として、グローバルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）におけるローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の原点（ｏ）とｘ軸，ｙ軸の座標軸ベクトル（ｖｘ，ｖｙ）の座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表される（単位：ｍｍ）。また、２面以上の光学面から成る共軸系の光学要素や光学系については、その入射側の光学面に対する軸上面間隔（Ｔ’，ｍｍ）で表される。したがって、共軸系ブロックにおける回転対称軸の方向は、原点（ｏ）での面法線ベクトル（ｖｘ）の座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表される。
【００２６】
各光学要素の面形状は、光学面の曲率（Ｃ０，ｍｍ−１）やその逆数である曲率半径（Ｒ０，ｍｍ）で表される。第１リレーレンズ（Ｇ１）に用いられている回転対称非球面の場合、その面頂点を原点（ｏ）とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた以下の式（ＡＳ）で定義される。第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）に用いられている自由曲面（回転非対称非球面）の場合、その面頂点を原点（ｏ）とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた以下の拡張非球面の式（ＦＳ）で定義される。また、各光学面の入射側に位置する媒質のｄ線に対する屈折率（Ｎ）、射出側に位置する媒質のｄ線に対する屈折率（Ｎ’）、及び光学材料のアッベ数（νｄ）をあわせて示す。
【００２７】
ｘ＝（Ｃ０・ｈ２）／｛１＋√（１−ε・Ｃ０２・ｈ２）｝＋Σ｛Ａ（ｉ）・ｈｉ｝  …（ＡＳ）
ｘ＝（Ｃ０・ｈ２）／｛１＋√（１−ε・Ｃ０２・ｈ２）｝＋Σ｛Ｇ（ｊ，ｋ）・ｙｊ・ｚｋ｝  …（ＦＳ）
ただし、式（ＦＳ）中、
ｘ：高さｈの位置でのｘ軸方向の基準面からの変位量（面頂点基準）、
ｈ：ｘ軸に対して垂直な方向の高さ（ｈ２＝ｙ２＋ｚ２）、
Ｃ０：面頂点での曲率（正負はｘ軸に対するものであり、正の場合その曲率中心がベクトルｖｘ上の正方向に存在する。）、
ε：２次曲面パラメータ、
Ａ（ｉ）：ｉ次の非球面係数（表記されていない項の係数は０である。）、
Ｇ（ｊ，ｋ）：ｙのｊ次、ｚのｋ次の拡張非球面係数（表記されていない項の係数は０である。）、
である。
【００２８】
〈ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）〉
ロッドサイズ（中空）：５ｍｍ（縦）×６．５ｍｍ（横）×３０ｍｍ（長さ）
ｏ  ：（        ０．０００００  ，        ０．０００００  ，        ０．０００００）
ｖｘ：（  １．００００００００  ，  ０．００００００００  ，  ０．００００００００）
ｖｙ：（  ０．００００００００  ，  １．００００００００  ，  ０．００００００００）
Ｎ＝１．０００００
Ｃ０＝０．００００００００
Ｎ’＝１．０００００
【００２９】
〈第１リレーレンズ（Ｇ１）〉
ｏ  ：（        ７．４７７５８  ，        ０．０００００  ，        ０．０００００）
ｖｘ：（  １．００００００００  ，  ０．００００００００  ，  ０．００００００００）
ｖｙ：（  ０．００００００００  ，  １．００００００００  ，  ０．００００００００）
（入射側面）
Ｎ＝１．０００００
Ｃ０＝−０．０２５８９２５０（Ｒ０＝−３８．６２１２）
Ｎ’＝１．５１８７２（νｄ＝６４．２０）
Ｔ’＝５
（射出側面）
Ｎ＝１．５１８７２（νｄ＝６４．２０）
Ｃ０＝−０．０９２２０１５３（Ｒ０＝−１０．８４５８）
ε＝１．００００００００
Ａ（４）＝  ８．５９１７７０４８×１０−５
Ａ（６）＝−１．４３８４７８１４×１０−６
Ａ（８）＝  １．８２６４８３３９×１０−８
Ｎ’＝１．０００００
Ｔ’＝１．７
【００３０】
〈第２リレーレンズ（Ｇ２）〉
（入射側面）
Ｎ＝１．０００００
Ｃ０＝０．００５６３１９９（Ｒ０＝１７７．５５７１）
Ｎ’＝１．５１８７２（νｄ＝６４．２０）
Ｔ’＝８
（射出側面）
Ｎ＝１．５１８７２（νｄ＝６４．２０）
Ｃ０＝−０．０５４０９５６０（Ｒ０＝−１８．４８５８）
Ｎ’＝１．０００００
【００３１】
〈第１ミラー（Ｍ１）の反射面〉
ｏ  ：（      ６３．０５８１０  ，      −４．１４６５３  ，      −０．０１９６９）
ｖｘ：（  ０．９１８５１４０８  ，−０．０３５７３９２７  ，  ０．３９３７６９７２）
ｖｙ：（  ０．０３２８４８０１  ，  ０．９９９３６１１５  ，  ０．０１４０８２０４）
Ｎ＝１．０００００
Ｃ０＝０．００００００００
ε＝１．００００００００
Ｇ（２，０）＝−０．００３３９５３５４１６
Ｇ（３，０）＝−４．９６０７８２１２×１０−５
Ｇ（４，０）＝  ３．８４４８４７６９×１０−６
Ｇ（５，０）＝  １．０１７６９３４３×１０−７
Ｇ（６，０）＝−５．８８７８５５１９×１０−９
Ｇ（１，１）＝−０．０００５２６４６４９８７
Ｇ（２，１）＝−２．０３９５７７５２×１０−６
Ｇ（３，１）＝  １．８３１５３８９０×１０−６
Ｇ（４，１）＝−１．４２３１７４２４×１０−７
Ｇ（５，１）＝  ３．１７４４６３３４×１０−９
Ｇ（０，２）＝−０．００３７２２４５４８０
Ｇ（１，２）＝−４．２６２３６６０７×１０−５
Ｇ（２，２）＝  ６．４５４１５６９９×１０−６
Ｇ（３，２）＝  １．２７８７４８８９×１０−７
Ｇ（４，２）＝−８．９２８４９１２０×１０−９
Ｇ（０，３）＝−３．１３２７９６５２×１０−６
Ｇ（１，３）＝  １．５４４７７９０２×１０−６
Ｇ（２，３）＝−２．４５３４３９０９×１０−８
Ｇ（３，３）＝−６．２４６３８９０４×１０−９
Ｇ（０，４）＝  ２．０８１０３８１６×１０−６
Ｇ（１，４）＝  ７．６４９９１００２×１０−８
Ｇ（２，４）＝−３．７０６１４１７９×１０−９
Ｇ（０，５）＝  １．８８４１４８３７×１０−８
Ｇ（１，５）＝−４．９１３４７６５４×１０−９
Ｇ（０，６）＝−５．２５８０６５０８×１０−１０
Ｎ’＝−１．０００００
【００３２】
〈第２ミラー（Ｍ２）の反射面〉
ｏ  ：（      ４４．３７４８８  ，        ３．６５４０９  ，    −１４．９９９００）
ｖｘ：（−０．２７２８３７７５  ，  ０．０６０３３２４３  ，−０．９６０１６６４２）
ｖｙ：（  ０．０１６４９１０１  ，  ０．９９８１７８３４  ，  ０．０５８０３４８９）
Ｎ＝１．０００００
Ｃ０＝０．００００００００
ε＝１．００００００００
Ｇ（２，０）＝−０．００３９５７７６９５３
Ｇ（３，０）＝−７．０５３０５３４５×１０−５
Ｇ（４，０）＝−１．７４６６０４９５×１０−６
Ｇ（５，０）＝  １．５０５４４００８×１０−７
Ｇ（６，０）＝  ５．６１９９３７０７×１０−９
Ｇ（１，１）＝−０．０００１１６０７１８５４
Ｇ（２，１）＝  ５．２１６６９０６３×１０−５
Ｇ（３，１）＝−７．５６５４９６８５×１０−７
Ｇ（４，１）＝−６．２５３７０８７０×１０−８
Ｇ（５，１）＝  １．６６４２０６９６×１０−９
Ｇ（０，２）＝−０．００１９３０８７０２０
Ｇ（１，２）＝−６．２０７１６３１０×１０−５
Ｇ（２，２）＝−３．５４４８８６５８×１０−６
Ｇ（３，２）＝  １．８８０４６１７９×１０−７
Ｇ（４，２）＝  ８．１０５７５１２２×１０−９
Ｇ（０，３）＝  ３．４８８７７４６９×１０−５
Ｇ（１，３）＝  ８．０２８１４９７２×１０−７
Ｇ（２，３）＝−１．４６１１５８２１×１０−７
Ｇ（３，３）＝−３．６８６８８０３０×１０−９
Ｇ（０，４）＝−１．２５１９５７９６×１０−６
Ｇ（１，４）＝  ３．８０９８４６３０×１０−８
Ｇ（２，４）＝  ３．６９６３０８３９×１０−９
Ｇ（０，５）＝−３．４５５２２３０４×１０−８
Ｇ（１，５）＝−４．０７２４２９４２×１０−９
Ｇ（０，６）＝  ６．２８４６０２０９×１０−１０
Ｎ’＝−１．０００００
【００３３】
〈コンデンサレンズ（ＣＬ）〉
ｏ  ：（      ３６．５６３７２  ，    −１４．６１１１９  ，      １１．５６６０１）
ｖｘ：（  ０．００００００００  ，  ０．１４４３７１５８  ，  ０．９８９５２３５４）
ｖｙ：（  ０．００００００００  ，  ０．９８９５２３５４  ，−０．１４４３７１５８）
（入射側面）
Ｎ＝１．０００００
Ｃ０＝０．０２８２７１６４（Ｒ０＝３５．３７１１）
Ｎ’＝１．５１８７２（νｄ＝６４．２０）
Ｔ’＝２３
（射出側面）
Ｎ＝１．５１８７２（νｄ＝６４．２０）
Ｃ０＝０．００００００００
Ｎ’＝１．０００００
Ｔ’＝０．５
【００３４】
〈表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）〉
パネル面（ＰＳ）サイズ：１２ｍｍ（縦）×１６．４ｍｍ（横）
ｏ  ：（      ３６．８４７７０  ，      −４．１２５９０  ，      ３４．２９０３０）
ｖｘ：（  ０．００００００００  ，  ０．１４４３７１５８  ，  ０．９８９５２３５４）
ｖｙ：（−０．０４００００８７  ，−０．９８８７３１５７  ，  ０．１４４２５６０３）
Ｎ＝１．０００００
Ｃ０＝０．００００００００
Ｎ’＝１．０００００
【００３５】
図２，図３に、第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）の反射面形状をｘ軸方向の等高線（０．２５ｍｍピッチ）で示す。第１ミラー（Ｍ１）の反射面形状はわずかにアナモルフィックな形状になっており、その曲率半径は場所毎に異なっている。第２ミラー（Ｍ２）の反射面形状は明らかにアナモルフィックな形状になっており、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）の長辺方向（ｚ軸方向）に対応する曲率半径が、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）の短辺方向（ｙ軸方向）に対応する曲率半径よりも大きくなっている。また、単純なトーリック面とは異なり、場所毎に曲率半径が異なっている。
【００３６】
ここで、自由曲面形状の非対称性について具体的に説明する。物体面であるロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）の中心から射出され、照明光学系の瞳の略中心を通過し、像面である表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）の中心に達する光線を主光線とすると、本実施例ではその主光線が通過する各面での位置が、各面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）の原点（ｏ）近傍を通過するように設計されている。そこで、ｙ軸，ｚ軸の各方向について各自由曲面の原点（ｏ）近傍の曲率半径ＣＲｙ，ＣＲｚを求めると、以下のようになる。
第１ミラー（Ｍ１）  …  ＣＲｙ＝−１４７．２６，ＣＲｚ＝−１３４．３２
第２ミラー（Ｍ２）  …  ＣＲｙ＝−１２６．３３，ＣＲｚ＝−２５８．９５
【００３７】
いずれも自由曲面であるためｙ軸方向とｚ軸方向とで曲率半径は異なっているが、第２ミラー（Ｍ２）の場合、偏心方向（ｚ軸方向）に比べてｙ軸方向の曲率半径（絶対値）は明らかに小さくなっていることが分かる。したがって、物体面（ｔ２）の中心から照明光学系の瞳中心を通る主光線が反射面を通過する位置では、以下の式（Ｉ）が成り立つといえる。更に厳密に言えば、物体面（ｔ２）の中心から縦方向（すなわちｙ軸方向）に微少にずらした点から照明光学系の瞳中心を通過し、像面｛すなわち表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）｝に至る光線が反射面を通過する位置をＰｙとし、前記主光線が反射面を通過する位置をＰ０とすると、反射面のローカル座標系のｙ軸方向を、その面の法線ベクトルに垂直な面に射影した点Ｐ０から点Ｐｙへのベクトルの方向にとり（ｚ軸方向は法線ベクトルとｙ軸ベクトルから求まる。）、かつ、像面の横方向に主に偏心した光学系とすると、以下の式（ＩＩ）が成り立つといえる。
｜偏心している方向の曲率半径｜＞｜偏心している方向に垂直な方向の曲率半径｜  …（Ｉ）
｜各ローカル座標系のｙ軸方向の曲率半径｜＜｜各ローカル座標系のｚ軸方向の曲率半径｜  …（ＩＩ）
【００３８】
スポットダイアグラム（図４）と歪曲図（図５）で照明光学系の光学性能を示す。図４に示すスポットダイアグラム（Ａ）〜（Ｙ）は、表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）上での結像特性（ｍｍ）を３波長（４５０ｎｍ，５４６ｎｍ，６０５ｎｍ）で示しており、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２，縦横サイズ：５ｍｍ×６．５ｍｍ）を格子状にサンプリングして得られた２５ポイントでの結像状態を示している。以下に、各スポットダイアグラム（Ａ）〜（Ｙ）のパネル面（ＰＳ）上でのポジション（ｘ，ｙ；ｍｍ）を示す。ただし、パネル面（ＰＳ）の画面中心を原点（ｏ）とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）において、ｙ軸方向は表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）の画面短辺方向（上向きが正）であり、ｚ軸方向は表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）の画面長辺方向（上から見たとき左方向が正）である。また、図５に示す歪曲図は、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面（ｔ２）での長方形状網目に対応する表示パネル（ＰＡ）のパネル面（ＰＳ）での光線位置（ｍｍ）を示しており、実線が本実施例の歪曲格子であり、破線がアナモ比を考慮した理想像点の格子（歪曲無し）である。なお、パネル面（ＰＳ）の画面短辺方向（ｙ軸方向）のサイズは±６ｍｍ、画面長辺方向（ｚ軸方向）のサイズは±８．２ｍｍである。
【００３９】
（Ａ）：ｙ＝  ６．０１２６１，ｚ＝−８．１１０９７
（Ｂ）：ｙ＝  ５．９７１８，ｚ＝−４．０１６３３
（Ｃ）：ｙ＝  ５．９５９８５，ｚ＝  ０．０２３０３３
（Ｄ）：ｙ＝  ５．９６２２６，ｚ＝４．０２６５３
（Ｅ）：ｙ＝  ６．０３１６３，ｚ＝  ８．２１４６９
（Ｆ）：ｙ＝  ３．０１９２，ｚ＝−８．２１５４８
（Ｇ）：ｙ＝  ２．９７４２９，ｚ＝−４．１２７１４
（Ｈ）：ｙ＝  ２．９７９０２，ｚ＝−０．０５９６４９６
（Ｉ）：ｙ＝  ２．９９９５５，ｚ＝  ３．９７０６９
（Ｊ）：ｙ＝  ３．０８０８６，ｚ＝８．０６３５４
（Ｋ）：ｙ＝  ０．０７８９１６３，ｚ＝−８．２３３９５
（Ｌ）：ｙ＝  ０．０２３７８２２，ｚ＝−４．１６５６４
（Ｍ）：ｙ＝  ０．０２９３５５１，ｚ＝−０．０７７６５４３
（Ｎ）：ｙ＝  ０．０６２０３６６，ｚ＝４．００３３２
（Ｏ）：ｙ＝  ０．１７０３０１，ｚ＝  ８．０４８５１
（Ｐ）：ｙ＝−２．８７１１９，ｚ＝−８．１９９５３
（Ｑ）：ｙ＝−２．９０９２４，ｚ＝−４．１０３０２
（Ｒ）：ｙ＝−２．９２２９，ｚ＝−０．０１５５９５３
（Ｓ）：ｙ＝−２．８７７１２，ｚ＝  ４．０５５２６
（Ｔ）：ｙ＝−２．７８０３１，ｚ＝８．１８５２８
（Ｕ）：ｙ＝−５．９２３，ｚ＝−８．１１５３
（Ｖ）：ｙ＝−５．９０３１６，ｚ＝−３．９６８１１
（Ｗ）：ｙ＝−５．９１２３８，ｚ＝  ０．１３７３２６
（Ｘ）：ｙ＝−５．９１３６，ｚ＝４．２４０４５
（Ｙ）：ｙ＝−５．８６９１１，ｚ＝  ８．４４５２４
【００４０】
図４，図５から分かるように、本実施例は照明光学系に高い結像性能を有している。本実施例の光学構成に球面のみを用いたり、第１ミラー（Ｍ１）にシリンダー面、第２ミラー（Ｍ２）に球面を用いたりした場合、図４に示すスポットダイアグラムのスケールでは表現できないくらいにフォーカス精度が低下してしまう。このため、特に第２ミラー（Ｍ２）については回転非対称な（つまりアナモルフィックな）反射面形状が必要になり、第１ミラー（Ｍ１）についても回転非対称な反射面形状とすることが望ましい。このような反射面形状は、例えば、溶けたガラスを型に流し込むガラス成形法やガラス基板を型に押し当てながら加熱するガラス成形法で、安価かつ大量に製造することが可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第２ミラーの反射面が、ロッドインテグレータの射出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回転非対称な形状を有する構成になっているため、照明光学系に高い結像性能を有する投写型画像表示装置を実現することができる。さらに、第１ミラーの反射面を回転非対称な形状にすれば、結像性能をより一層向上させることができる。ＳＣＲに対応できる良好な結像性能により、高い光利用効率を得ることが可能となり、ＳＣＲを利用しない場合でも、フォーカス精度が良好なときは照明エリアを小さくすることができるため、高い光利用効率を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る投写型画像表示装置の概略光学構成を示す平面図。
【図２】照明光学系に用いられている第１ミラーの自由曲面反射面形状を示すグラフ。
【図３】照明光学系に用いられている第２ミラーの自由曲面反射面形状を示すグラフ。
【図４】照明光学系の表示パネル面上でのスポットダイアグラム。
【図５】照明光学系の表示パネル面上での歪曲図。
【図６】従来の投写型画像表示装置の概略光学構成を示す平面図。
【図７】ＳＣＲを用いた照明光学系の概略光学構成を示す斜視図。
【図８】ＳＣＲを用いた照明光学系による表示パネル面上での照明光色の変化を示す図。
【符号の説明】
ＬＡ  …光源ランプ
Ｌ１  …光源
Ｌ２  …楕円リフレクタ（集光光学系）
ＲＩ  …ロッドインテグレータ
ｔ１  …入射端面
ｔ２  …射出端面
ＣＷ  …カラーホイール（カラーフィルター）
ＲＬ  …リレーレンズ（結像光学系）
Ｍ１  …第１ミラー（結像光学系）
Ｍ２  …第２ミラー（結像光学系）
ＣＬ  …コンデンサレンズ（結像光学系の一部，投影光学系の一部）
ＰＡ  …表示パネル
ＰＳ  …パネル面
ＰＬ  …投写レンズ（投影光学系の一部）
【図１】
2004184626.tif 000003
【図２】
2004184626.tif 000004
【図３】
2004184626.tif 000005
【図４】
2004184626.tif 000006
【図５】
2004184626.tif 000007
【図６】
2004184626.tif 000008
【図７】
2004184626.tif 000009
【図８】
2004184626.tif 000010