(57)【要約】【課題】ロッドインテグレータを延長しなくても射出面の輝度分布を均一化でき、光利用効率を満足させ、しかも、セットサイズを小型化できる安価なロッドインテグレータ及びこれを用いた照明装置を提供する。【解決手段】光源部１と、光源部１からの光束の輝度分布を均一化するロッドインテグレータ部と、ロッドインテグレータ部からの出射光束で被照明部を照明する複数のリレーレンズ６とを備える。そして、ロッドインテグレータ部であるロッドインテグレータ４を、入射側ロッド４１と出射側ロッド４２とから構成し、入射側ロッド４１の光軸に垂直な断面の断面積を、出射側ロッド４２の光軸に垂直な断面の断面積よりも縮小し、光源部１からの入射光束を繰り返して内面反射させ、射出面で均一な輝度分布を得る。【選択図】  図２
2004325533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光束を繰り返し内面反射させ、射出面で略均一な輝度分布を得るロッドインテグレータであって、
入射側ロッドと出射側ロッドとを備え、入射側ロッドの光軸に略垂直な断面の断面積を、出射側ロッドの光軸に略垂直な断面の断面積よりも小さくしたことを特徴とするロッドインテグレータ。
【請求項２】
入射側ロッドと出射側ロッドの中心軸を略一致させた請求項１記載のロッドインテグレータ。
【請求項３】
入射側ロッドと出射側ロッドの断面を相似形とした請求項１又は２記載のロッドインテグレータ。
【請求項４】
入射側ロッドと出射側ロッドの断面を略矩形とした請求項１、２、又は３記載のロッドインテグレータ。
【請求項５】
入射側ロッドの断面を略円形とし、出射側ロッドの断面を略矩形とした請求項１又は２記載のロッドインテグレータ。
【請求項６】
入射側ロッドと出射側ロッドの中心軸を略一致させて一体化した請求項１ないし５いずれかに記載のロッドインテグレータ。
【請求項７】
入射側ロッドの長さをＬ１，出射側ロッドの長さをＬ２とし、入射側ロッドの対角長をＤ１，出射側ロッドの対角長をＤ２としたとき、
【式１】
2004325533.tif 000010
である請求項１ないし６いずれかに記載のロッドインテグレータ。
【請求項８】
入射側ロッドの長さをＬ１，出射側ロッドの長さをＬ２とし、入射側ロッドの対角長をＤ１，出射側ロッドの対角長をＤ２としたとき、
【式２】
2004325533.tif 000011
である請求項１ないし６いずれかに記載のロッドインテグレータ。
【請求項９】
出射側ロッドの光軸に略垂直な射出面領域に、少なくとも２種類以上の異なる波長の光に対して透過性を有するフィルタを分割して設けた請求項１ないし８いずれかに記載のロッドインテグレータ。
【請求項１０】
出射側ロッドの光軸に略垂直な射出面領域を、出射側ロッドの短辺方向に分割した請求項９記載のロッドインテグレータ。
【請求項１１】
出射側ロッドの光軸に略垂直な射出面領域に、フィルタの非存在部を設けた請求項９又は１０記載のロッドインテグレータ。
【請求項１２】
出射側ロッドの光軸に略垂直な射出面領域に、全反射部を設けた請求項９、１０、又は１１記載のロッドインテグレータ。
【請求項１３】
フィルタを赤、青、緑の透過フィルタとした請求項９ないし１２いずれかに記載のロッドインテグレータ。
【請求項１４】
赤、青、緑の透過フィルタの面積をそれぞれ異ならせた請求項１３記載のロッドインテグレータ。
【請求項１５】
赤、青、緑の透過フィルタを、透過以外の可視波長成分を反射するダイクロイックフィルタとした請求項１３又は１４記載のロッドインテグレータ。
【請求項１６】
入射側ロッドからの入射光束を遮らない出射側ロッドの入射側の内面に、全反射部を設けた請求項１ないし１５いずれかに記載のロッドインテグレータ。
【請求項１７】
入射側ロッドと出射側ロッドの光軸に略垂直な断面が略同一のロッドインテグレータを備え、このロッドインテグレータの入射光を遮らない部分に全反射部を設けた請求項１ないし１６いずれかに記載のロッドインテグレータ。
【請求項１８】
フィルタの入射面又は射出面に、一方向の偏光のみ透過し、他方向の偏光のみ反射する偏光反射素子を設けた請求項９ないし１７いずれかに記載のロッドインテグレータ。
【請求項１９】
光源部と、この光源部からの光束の輝度分布を略均一化するロッドインテグレータ部と、このロッドインテグレータ部からの出射光束で被照明部を照明するレンズ系とを含んでなる照明装置であって、
ロッドインテグレータ部を請求項１ないし１８いずれかに記載のロッドインテグレータとしたことを特徴とする照明装置。
【請求項２０】
光源部と、この光源部からの光束の輝度分布を略均一化して領域毎に色彩を分割するロッドインテグレータ部と、このロッドインテグレータ部から色分割されて射出した光束をスクロールさせるスクロール部と、このスクロール部からの出射光束で被照明部を照明するレンズ系とを含んでなる照明装置であって、
ロッドインテグレータ部を請求項９ないし１８いずれかに記載のロッドインテグレータとしたことを特徴とする照明装置。
【請求項２１】
レンズ系の結像倍率をｍ、スクロール方向の出射側ロッドの長さをＡ、対応する被照明部のスクロール時における照明高さをＢとしたとき、
ｍ×Ａ＜Ｂとした請求項２０記載の照明装置。
【請求項２２】
スクロール方向を照明領域の短辺方向とした請求項２０又は２１記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロッドインテグレータ及びこれを用いた照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
透過型あるいは反射型の表示素子を備えた投射型の表示装置（以下、プロジェクタという）には、赤、青、緑に対してそれぞれ表示素子を有する３板式プロジェクタと、１枚のみの表示素子を使用する単板式プロジェクタのタイプがある。これらのタイプのうち、コンパクトなタイプは単板式プロジェクタであるが、この単板式プロジェクタとして、現在一般的なのが、テキサスインスツルメンツ社の開発した反射型の表示素子であるＤｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏ  ＭｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅＴＭ（以下、ＤＭＤ８という）を使用したＤｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴＭ（以下、ＤＬＰ方式という）と呼ばれるものである。
【０００３】
ＤＭＤ８は、図１７等に示すように、ヒンジで回転可能に軸支された１３．２μｍあるいは１６．２μｍのマイクロミラー８０を縦横に並び備え、この微小なマイクロミラー８０を水平位置から±１２°（または±１０°）の２値の間の角度で揺動させる。このマイクロミラー８０の角度がある１値の場合には図１７に示すように、ＤＭＤ８に対する入射光束は投射レンズ９に取り込まれるが、別の１値の場合には図１８に示すように、ＤＭＤ８に対する入射光束は投射レンズ９に取り込まれることはない。したがって、マイクロミラー８０を高速動作させ、投射レンズ９に光を入射させる回数を変更すれば、画像の階調を表現して画像を形成することができる。
【０００４】
単板式でＤＬＰ方式のプロジェクタにおける光学系の基本構造としては、図１９に示すように、楕円リフレクター２の一方の焦点部に白色光を発する超高圧水源ランプ等からなるランプ３をセットした光源部１と、楕円リフレクター２のもう一方の焦点部に集光されたランプ３の２次光源像を取り込んで内面反射を繰り返すことにより、射出面における面内の輝度ムラを減少させるロッドインテグレータ４と、このロッドインテグレータ４の入射面近傍に配置され、図に示す中心から所定の角度で赤、青、緑の光を透過するダイクロイックコートを３分割して蒸着した円板形のガラス板をモータで回転させることにより、光源部１からの白色光を赤、青、緑に時分割するカラーホイール５と、ロッドインテグレータ４の出射側端面をパネル面に結像するリレーレンズ６と、光束の方向を変更するミラー部７と、画素に相当する微細なマイクロミラー８０の角度を２値の間で変更することにより、階調を表現して画像を形成するＤＭＤ８と、このＤＭＤ８に表示される画像を図示しないスクリーン面に拡大する投射レンズ９とから構成されたタイプが知られている。
【０００５】
ＤＭＤ８は、時分割された赤、青、緑に対応した画像を表示する。この画像表示は、高速で行われるので、人間の目の残像現象が脳で合成され、１つの画像として知覚されることとなる（以下、カラーフィールドシーケンシャル方式という）。
【０００６】
ロッドインテグレータ４に対する入射光束の入射角度と相対輝度の関係を示す１例を図２０に示す。この図２０によれば、入射角度とのピークは１２〜１３°付近であり、それよりも小さい角度の場合には、相対輝度の低下しているのが分かる。このため、図２９の上図（ａ）に示すように、光束のもつ入射角が小さく、ロッドインテグレータ４の側面で内部反射をしない場合、射出面輝度分布の断面は、図２１に示すように周辺が明るく、センターが暗い中抜け状態となる。
これを解消するため、図２９の下図（ｂ）に示すように、ロッドインテグレータ４の全長を長くし、入射光のもつ角度分布が小さくてもロッドインテグレータ４の内部で反射させると、反射した光がセンター付近を照明し、射出面の輝度分布を均一化することができる。
しかしながら、ロッドインテグレータ４を長くすると、コンパクト化を図ることができないという問題を生じる。
【０００７】
この問題を解消するため、図２２に示すようなロッドインテグレータ４を短縮する技術が提案されている（特許文献１参照）。同図において、ロッドインテグレータ４は、光軸を中心に同断面積の複数個に分割され、これら複数個の集合体として構成されている。このように分割すれば、ロッドインテグレータ４は、分割後の個々の断面積が分割前の断面積よりも減少するので、内面反射の回数が増加し、全長を短くすることができる。
【０００８】
しかしながら、上記効果は分割された各ロッドインテグレータ４に入射する光束が等しい場合には得られるものの、光軸ずれ等で各ロッドインテグレータ４の入射光束が均等でない場合、各ロッドインテグレータ４毎の射出面の輝度値が一致しないため、全体として見ると、輝度の分布が均一にならないという問題が新たに生じる。
【０００９】
また、単板式でＤＬＰ方式のプロジェクタは、光源部１からの白色光を図に示すようなカラーホイール５を回転させることにより、赤、青、緑とする時分割方式であるから、例えば赤の光の場合には、青や緑の光が処分されることとなり、光の利用効率が１／３程度に低下してしまうという別の問題がある。
【００１０】
そこで、処分される光を再利用する技術が提案されている（特許文献２参照）。係る技術は、図２３に示すように、光源部１から出射される白色光をミラー１０で９０°曲げ、図示しないレンズ系で輝度分布が均一の矩形の開口１１に入射させる。この開口１１を白色光が通過すると、交差した複数のダイクロイックミラー１２・１２Ａにより赤、青、緑の色に分離される。ダイクロイックミラー１２は、赤のみを反射し、その他の青と緑からなる補色を透過する特性を有している。これに対し、ダイクロイックミラー１２Ａは、青のみを反射し、その他の赤と緑からなる補色を透過する。このため、赤の光は上方向、青の光は下方向、そして緑の光は透過方向に進行する。
【００１１】
これら赤、青、緑の光は、全反射ミラー１３・１３Ａにより方向が揃えられ、矩形の開口１１Ａを透過する。この透過により、上から順に赤、緑、青の光の色帯が形成され、この色帯が正方形の断面を有する回転プリズム１４に入射する。この入射した光は、回転プリズム１４の回転に伴い、色帯の上下位置が動き、１／４回転すると元の位置に復帰する。したがって、回転プリズム１４は、色帯をスクロールさせる機能を有することとなる（プリズムスクロールの原理については、図２５参照）。
【００１２】
すなわち、開口１１Ａをリレーレンズ６で画像表示素子面に結像させることにより、画像表示素子面をスクロールする赤、緑、青の色帯を得ることができる。赤、緑、青の色帯のスクロールに合わせて画像表示素子上に結像を表示し、しかも、スクロールが高速なので、投射レンズ９によりスクリーン上に投射された画像は、人間の目の残像現象が脳で合成されることにより、１つの画像として知覚される（以下、カラースクロール方式という）。
【００１３】
しかし、係る技術の場合、赤、緑、青の画像をビデオフィールドの１／３ずつ遅延させているので、画像表示素子上の赤、緑、青の光は、例えば図２４のようになる。これを実現するためには、図２６の左図のように、回転プリズム１４に非常に平衡度の高い光を入射させる必要がある。このように処分される光を再利用する技術は、光源部１と照明光学系に高い平衡度を必要とするので、画像が暗くなるおそれが少なくない。
【００１４】
一方、単板式でＤＬＰ方式のプロジェクタの光利用効率を高める技術も提案されている（特許文献３参照）。図２７はＳＣＲ方式・単板ＤＬＰ方式でカラースクロール方式のプロジェクタにおける光学系の基本構造を示すもので、この場合には、楕円リフレクター２の第１焦点部に光源をセットした光源部１と、楕円リフレクター２の第２焦点部に集光された２次光源の面内の輝度ムラを減少させるロッドインテグレータ４と、円板ガラスの表面に渦巻き状の赤、青、緑の光を透過するダイクロイックフィルタ１６、１６Ａ、１６Ｂが蒸着されたＳＣＲカラーホイール５Ａと、ロッドインテグレータ４の出射側端面をパネル面に結像するリレーレンズ６と、光束の方向を変更するミラー部７と、画素に相当する微細なマイクロミラー８０の角度を２値の間で変更することにより、階調を表現して画像を形成するＤＭＤ８と、このＤＭＤ８に表示される画像を図示しないスクリーン面に拡大する投射レンズ９とから構成されている。
【００１５】
ロッドインテグレータ４の入射側端面には図２８に示すように、２次光源像が入射できる孔以外の部分にミラー４０が蒸着され、このミラー４０がＳＣＲカラーホイール５Ａのダイクロイックフィルタ１６、１６Ａ、１６Ｂで反射された補色光を反射して光を再利用し、光の利用効率を向上させるよう機能する。また、投射レンズ９は、ＤＭＤ８のマイクロミラー８０の角度のうち１値では投射レンズ９に入射させるが、他の１値では投射レンズ９に入射させない機能を発揮する。
【００１６】
しかし、ＳＣＲカラーホイール５Ａを使用する場合、画像表示素子がストライプ配列であり、しかも、画像表示素子上の色帯が曲線なので、光のロスを招くという問題が生じる。また、ロッドインテグレータ４とＳＣＲカラーホイール５Ａとの間に空間を形成しなければならず、この空間に基づき、ロッドインテグレータ４の外部に逃げてしまう反射光により、発生する光にロスが生じるおそれがある。また、ロッドインテグレータ４の射出面とＳＣＲカラーホイール５Ａの位置が一致していないので、画像表示素子でロッドインテグレータ４とＳＣＲカラーホイール５Ａ上の色帯の両方には焦点を合わせることができず、光の利用効率が低下することとなる。さらに、ＳＣＲカラーホイール５Ａによる光学系の増大や渦状の蒸着によりコストアップを招くという問題もある。
【００１７】
【特許文献１】
特開平９‐２２２６０３号公報
【００１８】
【特許文献２】
特開平４‐３１６２９６号公報
【００１９】
【特許文献３】
特開２００１‐２４２４１６号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の照明装置は、以上のように構成されているので、射出面の輝度分布を均一化するには、ロッドインテグレータ４を延長せざるを得ないという問題がある。また、カラースクロール方式では光利用効率が十分ではなく、しかも、セットサイズが大型化するとともに、製造コストが上昇するという問題がある。
【００２１】
本発明は、上記に鑑みなされたもので、ロッドインテグレータを延長しなくても射出面の輝度分布を均一化することができ、十分な光利用効率を期待でき、しかも、セットサイズを小型化することのできる安価なロッドインテグレータ及びこれを用いた照明装置を提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、上記課題を達成するため、入射光束を繰り返し内面反射させ、射出面で略均一な輝度分布を得るものであって、
入射側ロッドと出射側ロッドとを備え、入射側ロッドの光軸に略垂直な断面の断面積を、出射側ロッドの光軸に略垂直な断面の断面積よりも小さくしたことを特徴としている。
なお、入射側ロッドと出射側ロッドの中心軸を略一致させることができる。
また、入射側ロッドと出射側ロッドの断面を相似形とすることができる。
【００２３】
また、入射側ロッドと出射側ロッドの断面を略矩形とすることが可能である。
また、入射側ロッドの断面を略円形とし、出射側ロッドの断面を略矩形とすることが可能である。
また、入射側ロッドと出射側ロッドの中心軸を略一致させて一体化することが可能である。
また、入射側ロッドの長さをＬ１，出射側ロッドの長さをＬ２とし、入射側ロッドの対角長をＤ１，出射側ロッドの対角長をＤ２としたとき、
【式３】
2004325533.tif 000003
とすることが可能である。
【００２４】
また、入射側ロッドの長さをＬ１，出射側ロッドの長さをＬ２とし、入射側ロッドの対角長をＤ１，出射側ロッドの対角長をＤ２としたとき、
【式４】
2004325533.tif 000004
としても良い。
また、出射側ロッドの光軸に略垂直な射出面領域に、少なくとも２種類以上の異なる波長の光に対して透過性を有するフィルタを分割して設けても良い。
また、出射側ロッドの光軸に略垂直な射出面領域を、出射側ロッドの短辺方向に分割しても良い。
また、出射側ロッドの光軸に略垂直な射出面領域に、フィルタの非存在部を設けても良い。
【００２５】
また、出射側ロッドの光軸に略垂直な射出面領域に、全反射部を設けることができる。
また、フィルタを赤、青、緑の透過フィルタとすることができる。
また、赤、青、緑の透過フィルタの面積をそれぞれ異ならせることができる。
また、赤、青、緑の透過フィルタを、透過以外の可視波長成分を反射するダイクロイックフィルタとすることができる。
【００２６】
また、入射側ロッドからの入射光束を遮らない出射側ロッドの入射側の内面に、全反射部を設けることが可能である。
さらに、入射側ロッドと出射側ロッドの光軸に略垂直な断面が略同一のロッドインテグレータを備え、このロッドインテグレータの入射光を遮らない部分に全反射部を設けることが可能である。
さらにまた、フィルタの入射面又は射出面に、一方向の偏光のみ透過し、他方向の偏光のみ反射する偏光反射素子を設けることが可能である。
【００２７】
また、本発明においては、上記課題を達成するため、光源部と、この光源部からの光束の輝度分布を略均一化するロッドインテグレータ部と、このロッドインテグレータ部からの出射光束で被照明部を照明するレンズ系とを含んでなるものであって、
ロッドインテグレータ部を請求項１ないし１８いずれかに記載のロッドインテグレータとしたことを特徴としている。
【００２８】
また、本発明においては、上記課題を達成するため、光源部と、この光源部からの光束の輝度分布を略均一化して領域毎に色彩を分割するロッドインテグレータ部と、このロッドインテグレータ部から色分割されて射出した光束をスクロールさせるスクロール部と、このスクロール部からの出射光束で被照明部を照明するレンズ系とを含んでなるものであって、
ロッドインテグレータ部を請求項９ないし１８いずれかに記載のロッドインテグレータとしたことを特徴としている。
【００２９】
なお、レンズ系の結像倍率をｍ、スクロール方向の出射側ロッドの長さをＡ、対応する被照明部のスクロール時における照明高さをＢとしたとき、ｍ×Ａ＜Ｂとしても良い。
さらに、スクロール方向を照明領域の短辺方向としても良い。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明すると、本実施形態における照明装置は、図１や図２等に示すように、光源部１と、この光源部１からの光束の輝度分布を均一化するロッドインテグレータ部と、このロッドインテグレータ部からの出射光束で被照明部を照明する複数のリレーレンズ６と、画像表示素子１５とを備え、ロッドインテグレータ部をロッドインテグレータ４とするようにしている。
【００３１】
光源部１は、楕円リフレクター２の一方の焦点部に、白色光を発する超高圧水源ランプやメタルハライドランプ等からなるランプ３がセットされ、このランプ３から発した光が楕円リフレクター２のもう一方の焦点部に集光され、２次光源が生成される。
【００３２】
ロッドインテグレータ部であるロッドインテグレータ４は、入射側ロッド４１と出射側ロッド４２とを一列に並べ備え、光源部１からの入射光束を繰り返して内面反射させ、射出面で均一な輝度分布を得るよう機能する。入射側ロッド４１と出射側ロッド４２とは、共に断面が矩形の角柱形に形成され、異なる大きさに形成されており、従来例よりも全長が短縮される。入射側ロッド４１は、２次光源の近傍に配置され、光軸に垂直な断面の断面積が出射側ロッド４２の光軸に垂直な断面の断面積よりも縮小形成されるとともに、出射側ロッド４２に段付きに接続されており、２次光源を取り込むよう機能する。ロッドインテグレータ４は、リレーレンズ６により画像表示素子面を照明すると同時に、出射側ロッド４２の射出面が画像表示素子面に結像するよう設計される。
【００３３】
画像表示素子１５としては、透過型表示素子や反射型表示素子を使用することができる。具体的には、液晶パネル、ＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  ＣｒｉｓｔａｌＳｉｌｉｃｏｎ）、ＤＭＤ素子等を使用できる。画像表示素子１５により変調され、射出した光は、図示しないが、一般的には投射レンズ９等でスクリーン等に投射される。これにより、コンパクトで輝度ムラの少ない照明光学系が提供される。
【００３４】
次いで、ロッドインテグレータ４の全長が短いにもかかわらず、ロッドインテグレータ４の射出面における輝度分布を均一化できる原理について説明すると、ロッドインテグレータ４の入射面は、上記したように、２次光源を取り込むよう機能する。
【００３５】
ここで、光源であるランプ３の輝度分布の一例を図３に示す。同図によると、ランプ３からの光は、±４５°内に含まれる光束が多く、±４５°を超えると、輝度値が急激に低下しているのが分かる。すなわち、図３０に示すように、上記±４５°を超えた光が少ないということは、ロッドインテグレータ４の入射面に対して入射角度が０°付近の光束は元々少ないことも分かる。ロッドインテグレータ４の入射面に対して入射角度が０°付近の光束は、楕円リフレクター２にランプ３固定用のランプホールが穿孔されていること、ランプ３からの光がロッドインテグレータ４に入射する際、ランプ３の管面自体等に光がけられることによっても減少する。
【００３６】
上記により、ロッドインテグレータ４に対する入射光は、０°付近の角度の輝度が低い分布となる（図２０参照）。このため、ロッドインテグレータ４の壁面での反射がないとすると、ロッドインテグレータ４の射出面での強度分布は図２１に示すように、センター付近の輝度が低く、周辺が高い中抜け状態となる。
これを解消するため、ロッドインテグレータ４の入射側ロッド４１と出射側ロッド４２の長さと断面積とを適当な値に変更すれば、中抜けの輝度を向上させることができる。
【００３７】
先ず、図４に示すように、入射側ロッド４１に入射した光束の内、出射側ロッド４２の射出面の端部に向かう光線ＲＡＹが入射側ロッド４１の光軸方向の内面でけられないことが必要である。そこで、入射側ロッド４１の長さをＬ１，出射側ロッド４２の長さをＬ２とし、入射側ロッド４１の対角長（矩形の場合、以下同じ）をＤ１，出射側ロッド４２の対角長をＤ２としたとき、（５）式の条件で入射側ロッド４１の対角長を決定するのが良い。これにより、周辺部における輝度低下を防止することができる。
【００３８】
【式５】
2004325533.tif 000005
【００３９】
次いで、中抜け部の輝度を向上させるためには、入射側ロッド４１の長さをＬ１，出射側ロッド４２の長さをＬ２とし、入射側ロッド４１の対角長をＤ１，出射側ロッド４２の対角長をＤ２としたとき、（６）式の範囲内にＬ１、Ｌ２、Ｄ１、Ｄ２を設定すると良い。例えば、Ｄ１＝Ｌ１×Ｄ２／（Ｌ１＋Ｌ２）の条件で入射側ロッド４１の対角長をＤ１を決定した場合について考える。
【００４０】
【式６】
2004325533.tif 000006
【００４１】
図５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）、図６（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に、Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）の値を０．２〜０．９まで変化させ、入射側ロッド４１の壁面における反射光がロッドインテグレータ４の射出面でどの位置を照明しているのかを示す。これより、０．３＜Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＜０．９のとき、ロッドインテグレータ４の中心部付近を照明しており、中抜け状態を解消するよう作用するのが分かる。また、上記したように（７）式の関係が成立する必要があるため、（８）式の関係式が成立する。
【００４２】
【式７】
2004325533.tif 000007
【００４３】
【式８】
2004325533.tif 000008
【００４４】
従来の光学系の場合には、シングルロッドを使用するので、ロッドインテグレータ４の射出面の輝度ムラを抑制しようとすると、ロッド長が長くなるという問題があった。
これに対し、本実施形態の場合、短い全長で輝度ムラを低下させることができ、効果的である。また、入射側ロッド４１と出射側ロッド４２とを一体化することにより、これらの位置精度を調整する必要がなくなり、しかも、空気とガラスの屈折率差に基づき、境界面で４％程度反射が起こるのを防止するために蒸着していたＡＲコートを省略することもできる。
【００４５】
図７に段付きロッドインテグレータ４とシングルのロッドインテグレータ４とが同一の長さの場合におけるロッド射出面での輝度分布の比較を示す。同図によれば、段付きのロッドインテグレータ４は、シングルタイプに比べ、ロッド射出面での輝度分布を改善することができる。また、同一レベルの輝度分布の均一にするため、シングルのロッドインテグレータ長さの約６０％の長さに短縮することができる。
【００４６】
なお、上記実施形態ではガラスの全反射を利用したロッドインテグレータ４について説明したが、図８に示すように、鏡で囲んだロッドインテグレータ４でも同様の作用効果を期待することができる。また、図９に示すように、ロッドの段数を増加することもできる。また、入射側ロッド４１と出射側ロッド４２とを共に断面矩形にした場合について説明したが、何らこれに限定されるものではない。入射側ロッド４１と出射側ロッド４２の断面形は、画像表示素子１５の外形と相似になるため、矩形になってしまうが、図１０に示すように断面円形等としても良い。さらに、ロッドインテグレータ４に入射光が斜めに入射する場合には、入射側ロッド４１と出射側ロッド４２の中心軸をずらすことも可能である。
【００４７】
次に、図１１や図１２等は本発明の第２の実施形態を示すもので、この場合には、光源部１と、この光源部１からの光束の輝度分布を均一化して領域毎に色彩を分割するロッドインテグレータ部と、このロッドインテグレータ部から色分割されて射出した光束をスクロールさせるスクロール部と、このスクロール部からの出射光束で被照明部を照明する複数のリレーレンズ６と、画像表示素子１５とを備え、ロッドインテグレータ部を、ロッドインテグレータ４としてその出射側ロッド４２の光軸に垂直な射出面領域には、少なくとも２種類以上の異なる波長の光に対して透過性を有するダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂを分割して設けるようにしている。
【００４８】
光源部１は、楕円リフレクター２の一方の焦点部に、白色光を発する超高圧水源ランプやメタルハライドランプ等からなるランプ３がセットされ、このランプ３から発した光が楕円リフレクター２の他方の焦点部に集光され、２次光源が生成される。
【００４９】
ロッドインテグレータ部であるロッドインテグレータ４は、入射側ロッド４１と出射側ロッド４２とが一列に一体化され、光源部１からの入射光束を繰り返して内面反射させ、射出面で均一な輝度分布を得るよう機能する。入射側ロッド４１と出射側ロッド４２とは、共に断面が矩形の角柱形に形成され、異なる大きさに形成されており、従来例よりも全長が短縮される。入射側ロッド４１は、２次光源の近傍に配置され、光軸に垂直な断面の断面積が出射側ロッド４２の光軸に垂直な断面の断面積よりも縮小形成されるとともに、出射側ロッド４２に段付きに接続されており、２次光源を取り込むよう機能する。
【００５０】
出射側ロッド４２は、その射出面に赤、青、緑の複数のダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂが図１１の上下方向に並設され、出射光が赤、青、緑の帯状の光となる。ダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂにより補正された光は入射側に反射する。この反射した光の一部は、全反射ミラー４３で再度反射されてその一部が再利用されることとなる。
【００５１】
回転プリズム１４の射出光束は、リレーレンズ６により画像表示素子面を照明すると同時に、出射側ロッド４２の射出面が画像表示素子面に結像するよう設計される。画像表示素子１５としては、透過型表示素子や反射型表示素子を使用することができる。具体的には、液晶パネル、ＬＣｏＳ、ＤＭＤ素子等を使用できる。画像表示素子１５には、スクロールに合わせて赤、青、緑の光の当たる部分の画像が表示されるが、これが高速（画像のフィールド周波数の２〜３倍程度）で行われるため、残像現象により視聴者の頭の中で画像が形成される。画像表示素子１５を透過、あるいは反射した光束は、図示しないが、通常、投射レンズ９等でスクリーン等に投射される。これにより、コンパクトで輝度ムラの少ない照明光学系を提供することができる。
【００５２】
ここで、出射側ロッド４２の射出面には、赤、青、緑の複数のダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂが帯状に並設され、出射光が赤、青、緑の帯状となる。ダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂにより補正された光は入射側に反射する。この反射した光の一部は、全反射ミラー４３で再度反射されてその一部が再利用される。このような作用効果は、図１１に示す段付きロッドの他、図１３のシングルロッドでも同様に期待することができる。
【００５３】
以下、図１３に示すシングルロッドからなるロッドインテグレータ４について説明すると、これに用いられる光源部１は、楕円リフレクター２の一方の焦点部に、白色光を発する超高圧水源ランプやメタルハライドランプ等からなるランプ３がセットされ、このランプ３から発した光が楕円リフレクター２の他方の焦点部に集光され、２次光源が生成される。
【００５４】
ロッドインテグレータ４は、その入射側が２次光源の近傍に配置され、射出面には、赤、青、緑の複数のダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂが帯状に並設され、出射光が赤、青、緑の帯状となる。ダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂにより補色光は入射側に反射する。この反射した光の一部は、全反射ミラー４３で再度反射されてその一部が再利用される。赤、青、緑のダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂは、面積が同一でも良いが、図１３に示すように一部が異なる面積でも良い。この面積の変更により、赤、青、緑の光量の比率を変えることができ、スクロール時における白色の色度を調整することができる。
なお、全反射ミラー４３としては、例えばアルミ反射ミラーを使用することができる。
【００５５】
なお、必ずしもダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂを使用する必要はなく、赤、青、緑を透過するが、補色を吸収するカラーフィルタを使用することも可能である。このようなカラーフィルタを使用する場合、補色が反射されないので、光を再利用することはできなくなるものの、ダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂのような入射角度に対するカット波長の変化が少ないので、より高い色の再現性を得ることが可能となる。
【００５６】
また、図１４に示すように、色帯の一部にコートのない部分４４を設けることもできる。例えば、色帯を上方向から下方向に赤、青、緑、透明になるように配置すれば、透明の部分に入射する白色光がそのまま出力されるので、輝度を向上させることができる。透明の部分には、反射防止膜、換言すれば、ＡＲコートを蒸着して透過率の向上が期待できる。
【００５７】
また、図１５に示すように、色帯を上方向から下方向に全反射部４５、赤、緑、青、全反射部４５になるように配列すれば、ロッドインテグレータ４の入射部分の面積が小さく、光源部１による２次光源が取り込めないような場合には、入射部分を大きくすることができるため、光の利用効率の向上が期待できる。また、全反射部４５に入射する白色光は入射側に反射し、反射した光の一部は全反射ミラー４３で再度反射されるが、その光が赤、緑、青のフィルタに入射すると、光が再利用されるので、利用効率を向上させることができる。この場合の全反射ミラー４３についても、例えばアルミ反射ミラーを使用することができる。
また、赤のダイクロイックフィルタと青のダイクロイックフィルタの間に隙間を形成したい場合等にも、この方法を用いれば、光の利用効率を向上させることができる。
【００５８】
偏光を利用した光学系等の場合には、ダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂの入射側あるいは射出側に偏光反射素子を配置することにより、光の再利用の他、偏光の分離と再利用とが可能になる。偏光反射素子には、直線偏光反射素子と円偏光反射素子とがあり、直線偏光反射素子としては、ワイヤーグリッド偏光板や３Ｍ社のＤ‐ＢＥＦがあげられる。また、円偏光反射素子には、コレステリック液晶等があげられる。
【００５９】
直線偏光反射素子をダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂの射出側に配置する場合について説明すると、直線偏光反射素子とダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂとの間には、直線偏光反射素子の偏光軸に対して４５°の光学軸をもつようλ／４板が配置される。直線偏光反射素子に入射する光のうち、一方の直線偏光は透過されるが、これと９０°回転した方向の光は反射される。反射された直線偏光はλ／４板を透過すると、円偏光となり、そのうちの一部の光が全反射ミラー４３で再度反射する。円偏光はミラー面で反射されることにより、元の円偏光とは逆方向に回転する円偏光となる。
【００６０】
円偏光がダイクロイックフィルタ１６・１６Ａ・１６Ｂを透過してλ／４板を再度透過すると、反射した直線偏光とは逆の直線偏光、すなわち、直線偏光反射素子を透過する方向の直線偏光に変換されるため、光の利用効率を向上させることが可能になる。
【００６１】
リレーレンズ６の結像倍率をｍ、スクロール方向の出射側ロッド４２の長さをＡ、対応する被照明部のスクロール時における照明高さをＢとしたとき、これらの関係はｍ×Ａ＜Ｂであることが好ましい。これを図１２や図２６に基づいて説明すると、スクロールするためには、図２６の回転プリズム１４のａ面から入射した光束がｂ面に入射する必要がある。
しかしながら、Ｂ＝ｍ×Ａであると、図２６の左図のように出射側ロッド４２の射出面からの広がりのある光束を取り込むことができないため、光のロスが大きく、結果として暗い照明系しか得ることができない。
【００６２】
そのため、ｍ×Ａ＜Ｂとする必要がある。Ａを適正な小さなサイズにすることにより、図２６の右図のように光の利用効率を維持することができる。現実的には、（９）式程度にする必要がある。これにより、回転プリズム１４が停止している場合の照明は図１６のようになり、瞬間的には照明光は画像表示素子１５の一部しか照明していないこととなる。
【００６３】
【式９】
2004325533.tif 000009
【００６４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ロッドインテグレータを延長しなくても射出面の輝度分布を均一化することができ、光利用効率を向上させ、しかも、セットサイズを小型化することができるという効果がある。
具体的には、入射側ロッドと出射側ロッドとを備え、入射側ロッドの光軸に略垂直な断面の断面積を、出射側ロッドの光軸に略垂直な断面の断面積よりも小さくすれば、ロッドインテグレータを延長しなくても、射出面の輝度分布を略均一化することができる。
また、出射側ロッドの光軸に略垂直な射出面領域に、少なくとも２種類以上の異なる波長の光に対して透過性を有するフィルタを分割して設ければ、カラースクロール方式に対応させることができる。
【００６５】
また、出射側ロッドの光軸に略垂直な射出面領域を、出射側ロッドの短辺方向に分割すれば、カラースクロール方式に対応させることが可能になる。
また、出射側ロッドの光軸に略垂直な射出面領域に、フィルタの非存在部を設ければ、光利用効率を向上させることが可能になる。
また、出射側ロッドの光軸に略垂直な射出面領域に全反射部を設ければ、光利用率を向上させることが可能になる。
また、フィルタを赤、青、緑の透過フィルタとすれば、カラースクロール方式への対応が期待できる。
また、赤、青、緑の透過フィルタの面積をそれぞれ異ならせれば、赤、青、緑の光量バランスの変更が期待できる。
【００６６】
また、赤、青、緑の透過フィルタを、透過以外の可視波長成分を反射するダイクロイックフィルタとすれば、透過以外の可視波長成分を反射することにより、光を再利用し、高い光利用効率が期待できる。
また、入射側ロッドからの入射光束を遮らない出射側ロッドの入射側の内面に、全反射部を設ければ、光を再利用し、高い光利用効率を得ることが可能になる。
【００６７】
また、入射側ロッドと出射側ロッドの光軸に略垂直な断面が略同一のロッドインテグレータを備え、このロッドインテグレータの入射光を遮らない部分に全反射部を設ければ、光を再利用し、高い光利用効率を得ることが可能になる。
また、フィルタの入射面及び又は射出面に、一方向の偏光のみ透過し、他方向の偏光のみ反射する偏光反射素子を設ければ、偏光を利用する光学系で高い利用効率を得ることが可能になる。
【００６８】
さらに、光源部と、この光源部からの光束の輝度分布を略均一化するロッドインテグレータ部と、このロッドインテグレータ部からの出射光束で被照明部を照明するレンズ系とを含み、ロッドインテグレータ部を請求項１ないし１８いずれかに記載のロッドインテグレータとすれば、コンパクトな照明光学系であるにもかかわらず、均一な輝度分布を得ることができる。
【００６９】
さらにまた、光源部と、この光源部からの光束の輝度分布を略均一化して領域毎に色彩を分割するロッドインテグレータ部と、このロッドインテグレータ部から色分割されて射出した光束をスクロールさせるスクロール部と、このスクロール部からの出射光束で被照明部を照明するレンズ系とを含み、ロッドインテグレータ部を請求項９ないし１８いずれかに記載のロッドインテグレータとすれば、コンパクトな照明光学系であるにもかかわらず、均一な輝度分布と高い光利用効率を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るロッドインテグレータの実施形態を示す斜視説明図である。
【図２】本発明に係る照明装置の実施形態を示す説明図である。
【図３】本発明に係る照明装置の実施形態におけるランプの角度毎の輝度分布（配光分布）の一例を示すグラフである。
【図４】本発明に係る照明装置の実施形態における入射側ロッドに入射した光束中、出射側ロッドの射出面の端部に向かう光線ＲＡＹが入射側ロッドの光軸方向の内面でけられないのが必要なことを示す説明図である。
【図５】本発明に係る照明装置の実施形態における中抜け部の輝度を向上させることを説明する説明図である。
【図６】本発明に係る照明装置の実施形態における中抜け部の輝度を向上させることを説明する説明図である。
【図７】本発明に係るロッドインテグレータの実施形態における段付きロッドインテグレータとシングルのロッドインテグレータとが同一の長さの場合におけるロッド射出面での輝度分布の比較を示すグラフである。
【図８】本発明に係るロッドインテグレータの実施形態における鏡で囲んだロッドインテグレータを示す斜視説明図である。
【図９】本発明に係るロッドインテグレータの実施形態におけるロッドインテグレータの段数を増やした状態を示す斜視説明図である。
【図１０】本発明に係るロッドインテグレータの実施形態における入射側ロッドの断面を断面円形に形成した状態を示す斜視説明図である。
【図１１】本発明に係るロッドインテグレータの第２の実施形態を示す斜視説明図である。
【図１２】本発明に係る照明装置の第２の実施形態を示す説明図である。
【図１３】本発明に係るロッドインテグレータの実施形態におけるシングルロッドからなるロッドインテグレータを示す斜視図である。
【図１４】本発明に係るロッドインテグレータの実施形態における色帯の一部にコートのない部分を設けた状態を示す斜視図である。
【図１５】本発明に係るロッドインテグレータの実施形態における色帯を上方向から全反射部、赤、緑、青、全反射部になるよう配列した状態を示す斜視説明図である。
【図１６】本発明に係るロッドインテグレータの実施形態における回転プリズムが停止している場合の照明を示す断面説明図である。
【図１７】従来のＤＭＤにおけるマイクロミラーの角度がある１値の場合を示す説明図である。
【図１８】従来のＤＭＤにおけるマイクロミラーの角度が別の１値の場合を示す説明図である。
【図１９】単板式でＤＬＰ方式のプロジェクタの光学系の基本構造を示す説明図である。
【図２０】ロッドインテグレータに対する入射光束の入射角度と相対輝度の関係を示すグラフである。
【図２１】ロッドインテグレータの側面で内部反射をしない場合、射出面の輝度分布を示すグラフである。
【図２２】ロッドインテグレータを短縮する技術を示す斜視図である。
【図２３】処分される光を再利用する技術を示す説明図である。
【図２４】赤、緑、青の画像をビデオフィールドの１／３ずつ遅延させた画像表示素子上の赤、緑、青の光を示す断面説明図である。
【図２５】プリズムスクロールの原理図である。
【図２６】回転プリズムに平衡度の高い光を入射させる状態を示す説明図である。
【図２７】ＳＣＲ方式・単板ＤＬＰ方式でカラースクロール方式のプロジェクタにおける光学系の基本構造を示す説明図である。
【図２８】ロッドインテグレータの２次光源像が入射できる孔以外の部分にミラーを蒸着した状態を示す斜視説明図である。
【図２９】光束のもつ入射角が小さく、ロッドインテグレータの側面で内部反射をしない場合やロッドインテグレータの全長を長くした状態を示す説明図である。
【図３０】±４５°を超えた光が少ない場合、ロッドインテグレータの入射面に対して入射角度が０°付近の光束は元々少ないことを示す説明図である。
【符号の説明】
１          光源部
４          ロッドインテグレータ
６          リレーレンズ（レンズ系）
９          投射レンズ
１４        回転プリズム
１５        画像表示素子
１６        ダイクロイックフィルタ
１６Ａ      ダイクロイックフィルタ
１６Ｂ      ダイクロイックフィルタ
４１        入射側ロッド
４２        出射側ロッド
４３        全反射ミラー
４４        コートのない部分
４５        全反射部
【図１】
2004325533.tif 000012
【図２】
2004325533.tif 000013
【図３】
2004325533.tif 000014
【図４】
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【図５】
2004325533.tif 000016
【図６】
2004325533.tif 000017
【図７】
2004325533.tif 000018
【図８】
2004325533.tif 000019
【図９】
2004325533.tif 000020
【図１０】
2004325533.tif 000021
【図１１】
2004325533.tif 000022
【図１２】
2004325533.tif 000023
【図１３】
2004325533.tif 000024
【図１４】
2004325533.tif 000025
【図１５】
2004325533.tif 000026
【図１６】
2004325533.tif 000027
【図１７】
2004325533.tif 000028
【図１８】
2004325533.tif 000029
【図１９】
2004325533.tif 000030
【図２０】
2004325533.tif 000031
【図２１】
2004325533.tif 000032
【図２２】
2004325533.tif 000033
【図２３】
2004325533.tif 000034
【図２４】
2004325533.tif 000035
【図２５】
2004325533.tif 000036
【図２６】
2004325533.tif 000037
【図２７】
2004325533.tif 000038
【図２８】
2004325533.tif 000039
【図２９】
2004325533.tif 000040
【図３０】
2004325533.tif 000041