(57)【要約】【目的】リフレクタを備えた主要光源部からの光束の、中心近傍の光束低密部に光束を補うように光束を出射する補助光源部、および２枚のフライアイを有する第１インテグレータ部を配し、コンパクトで、照明効率が高く、明るく均一な照明を行ない得る照明光学系およびこれを用いた投写型表示装置を得る。【構成】放物面鏡リフレクタ１２を備えた主要光源部１、主要光源部１から出射される光束の光束低密部に光束を補うように光束を出射する補助光源部２、偏向ミラー３、２枚のフライアイ１５、１６により主要光源部１からの光束の光量分布の均一化を図る第１インテグレータ部４、およびロッドインテグレータ３６により補助光源部２からの光束の光量分布の均一化を図る第２インテグレータ部５を備えた照明光学系である。２枚のフライアイ１５、１６の中央部には集光レンズ３７、３８が形成されている。【選択図】          図１
2004157405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光体およびこの発光体から出射された光を被照明体側に反射するリフレクタを備えた主要光源部と、この主要光源部から出射された光束の中心近傍の光束低密部に光束を補うように光束を出射する補助光源部とを備え、前記主要光源部からの光束の光量均一化を図る、２枚のフライアイを有する第１インテグレータ部が設けられていることを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記補助光源部から出射された光束が、前記主要光源部から出射された光束の中心近傍の光束低密部に位置するように、前記主要光源部側の前記フライアイの前段において導入され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】
前記補助光源部から出射された光束が、前記主要光源部から出射された光束の中心近傍の光束低密部に位置するように、前記２枚のフライアイの間において導入されることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
【請求項４】
前記第１インテグレータ部の前記２枚のフライアイのうち少なくとも一方は、前記補助光源部からの光束が通過する光軸近傍に、前記補助光源部からの光束を集光または発散させるレンズを備えてなることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の照明光学系。
【請求項５】
前記補助光源部から出射される光束は出射された状態で光量分布が略均一とされていて、該補助光源部からの光束の光量均一化を図る手段は省略されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の照明光学系。
【請求項６】
前記補助光源部からの光束の光量均一化を図る、２枚のフライアイを有する第２インテグレータ部が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の照明光学系。
【請求項７】
前記第２インテグレータ部の２枚のフライアイのうち少なくとも一方のフライアイが、前記第１インテグレータ部の２枚のフライアイのうち少なくとも一方のフライアイと同一部材上に形成されていることを特徴とする請求項６記載の照明光学系。
【請求項８】
前記補助光源部からの光束の光量均一化を図る、ロッドインテグレータを有する第２インテグレータ部が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の照明光学系。
【請求項９】
前記主要光源部の前記発光体はランダムな偏光の光束を発生し、この光束が偏光変換光学系により直線偏光に変換されて前記被照明体の照明を行い、前記補助光源部は、前記偏光変換光学系により直線偏光に変換された前記主要光源部からの光束と略一致する偏光方向となるような、偏光方向が揃えられた光束を出射し、この補助光源部からの光束は偏光変換をされずに前記被照明体の照明を行なうことを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１項記載の照明光学系。
【請求項１０】
前記主要光源部の前記発光体はランダムな偏光の光束を発生し、この光束が第１偏光変換光学系により直線偏光に変換されて前記被照明体の照明を行い、前記補助光源部の前記発光体はランダムな偏光の光束を発生し、この光束が第２偏光変換光学系により前記第１偏光変換光学系により直線偏光に変換された前記主要光源部からの光束と略一致する偏光方向となるような、直線偏光に変換されて前記被照明体の照明を行なうことを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１項記載の照明光学系。
【請求項１１】
請求項１〜１０のうちいずれか１項記載の照明光学系を備え、この照明光学系からの光束により、所定の画像情報に基づいて照明光束の光変調を行なう少なくとも１つのライトバルブを照明し、このライトバルブからの画像情報を担持した光束を、投写光学系を介し投写することを特徴とする投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光体およびリフレクタを備えた光源部を用いて被照明体を照明する照明光学系に関するもので、特に、照明光束をライトバルブにより光変調し、この投映光束によりスクリーン上に画像を拡大投映する投写型表示装置に好適な照明光学系、およびこれを用いた投写型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
投写型表示装置の光源部としては、光源およびリフレクタからなる構成が一般的である。この光源は、発光分布が小さく発光効率の高いものが望ましく、現在では、超高圧水銀灯、メタルハライドランプ、キセノンランプなどの光源を使用することが一般的である。また、この光源からの光を反射させ前方に出射させるリフレクタは、通常、放物面鏡または楕円面鏡が用いられる。
【０００３】
図１７〜図１９は従来よく知られた光源部の構成を示すものである。図１７および図１８はリフレクタ１０４、１０５の後部に発光管１０１を位置させたタイプである。また、図１９は、多くはキセノンランプとして用いられる構成で、リフレクタ１０４の後部に陽極１０３が配置され、リフレクタ１０４の光出射側から陰極１０２が配置されるタイプである。図１９（ｂ）はこの光源部の断面図であり、図１９（ａ）はこの光源部を光出射側から見た図である。陰極１０２を有する陰極部は、キセノンガス封入用の透明部材１０６に溶着されて、リフレクタ外周に対し保持せしめられ、透明部材１０６上には陰極１０２に電圧を負荷するための配線を有する棒状保持部材１０７が配されている。
【０００４】
また、図１７および図１９においてはリフレクタ１０４は放物面鏡とされ、その焦点位置に光源の発光点が位置するように配されており、これらの光源部からは平行光とされた照明光束が出射される。図１８においてはリフレクタ１０５は楕円面鏡とされ、その第１焦点位置に光源の発光点が位置するように配されており、この光源部から出射された照明光束は楕円面鏡の第２焦点位置に集光される。
【０００５】
ところで、このような光源１０１〜１０３およびリフレクタ１０４、１０５からなる構成の光源部においては、その構造上、リフレクタ１０４、１０５から出射される光束の光軸近傍に、光強度の弱い空間ができてしまうことが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の図６（ａ）および段落番号００３８に記載されるとおり、リフレクタ後部に設けられた孔部のために光が反射されない、または発光管そのものの大きさが原因となって光が遮られるためである。発光管１０１または陽極１０７を配置するためにリフレクタ最後部に鏡面化されていない範囲があり、この直径をＡとすると、光源部から出射される光束の中央部に、少なくとも、図１７および図１９においては光軸に直交する面内で直径Ａの範囲に、また、図１８においてはリフレクタの第２焦点を中心に角度Ｂ°となるような範囲に、光がほとんど通過しない空間が存在することになる。
【０００６】
特許文献１では、光源部より後段のマルチレンズアレイにおいて、被照明体側のマルチレンズアレイの光軸近傍のレンズセルの数を減らし、レンズセルサイズを大きくし、また、これらのレンズセルを偏心させることにより、光強度の弱い光軸近傍の光は利用せずに、光学系全体としての光利用効率を向上させようとする技術が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−５６４３５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、投写型表示装置においては明るい場所での投写でも問題なく利用できるよう、明るい投写型表示装置の開発が進められている。明るさの向上に大きく寄与する要素として、ライトバルブと並び、照明光学系の光源部の構成にも新たな工夫が求められている。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、光源とリフレクタよりなる光源部から出射される光束の光軸近傍の光量分布に着目し、従来からあるこのタイプの光源部に対し大きな設計変更を施すことなく、コンパクトでありながら、照明効率が高く、明るく均一な照明を行ない得る照明光学系およびこれを用いた投写型表示装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る照明光学系は、発光体およびこの発光体から出射された光を被照明体側に反射するリフレクタを備えた主要光源部と、この主要光源部から出射された光束の中心近傍の光束低密部に光束を補うように光束を出射する補助光源部とを備え、前記主要光源部からの光束の光量均一化を図る、２枚のフライアイを有する第１インテグレータ部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記補助光源部から出射された光束が、前記主要光源部から出射された光束の中心近傍の光束低密部に位置するように、前記主要光源部側の前記フライアイの前段において導入されるように構成されていてもよい。また、前記補助光源部から出射された光束が、前記主要光源部から出射された光束の中心近傍の光束低密部に位置するように、前記２枚のフライアイの間において導入されるように構成されていてもよい。
【００１２】
また、前記第１インテグレータ部の前記２枚のフライアイのうち少なくとも一方は、前記補助光源部からの光束が通過する光軸近傍に、前記補助光源部からの光束を集光または発散させるレンズを備えていてもよい。
【００１３】
また、前記補助光源部から出射される光束は出射された状態で光量分布が略均一とされていて、該補助光源部からの光束の光量均一化を図る手段は省略されていてもよい。
【００１４】
また、前記補助光源部からの光束の光量均一化を図る、２枚のフライアイを有する第２インテグレータ部が設けられていることが好ましい。また、前記第２インテグレータ部の２枚のフライアイのうち少なくとも一方のフライアイが、前記第１インテグレータ部の２枚のフライアイのうち少なくとも一方のフライアイと同一部材上に形成されていることがより好ましい。
【００１５】
また、前記補助光源部からの光束の光量均一化を図る、ロッドインテグレータを有する第２インテグレータ部が設けられていることが好ましい。
【００１６】
また、前記主要光源部の前記発光体はランダムな偏光の光束を発生し、この光束が偏光変換光学系により直線偏光に変換されて前記被照明体の照明を行い、前記補助光源部は、前記偏光変換光学系により直線偏光に変換された前記主要光源部からの光束と略一致する偏光方向となるような、偏光方向が揃えられた光束を出射し、この補助光源部からの光束は偏光変換をされずに前記被照明体の照明を行なうように構成されていてもよい。
【００１７】
また、前記主要光源部の前記発光体はランダムな偏光の光束を発生し、この光束が第１偏光変換光学系により直線偏光に変換されて前記被照明体の照明を行い、前記補助光源部の前記発光体はランダムな偏光の光束を発生し、この光束が第２偏光変換光学系により前記第１偏光変換光学系により直線偏光に変換された前記主要光源部からの光束と略一致する偏光方向となるような、直線偏光に変換されて前記被照明体の照明を行なうように構成されていてもよい。
【００１８】
本発明に係る投写型表示装置は、上記照明光学系を備え、この照明光学系からの光束により、所定の画像情報に基づいて照明光束の光変調を行なう少なくとも１つのライトバルブを照明し、このライトバルブからの画像情報を担持した光束を、投写光学系を介し投写することを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、後述する本発明の実施例１に係る照明光学系の概略構成を示す図１（ａ）を参照しつつ説明する。この照明光学系は、主要光源部１、補助光源部２、偏向ミラー３、２枚のフライアイ１５、１６を有する第１インテグレータ部４、および第２インテグレータ部５を備えてなる。
【００２０】
主要光源部１は、キセノンランプやメタルハライドランプ等の発光管からなる光源１１を備え、その発光点が放物面鏡よりなるリフレクタ１２の焦点に配置されてなり、光源１１から出射された光を被照明体側に反射するリフレクタ１２の開口部からは、略平行な光束が出射される。
【００２１】
ところで、前述のとおり、この主要光源部１から出射される光束の光軸と垂直な断面内における光量分布としては、光軸近傍の所定範囲に光強度の弱い部分（以下、光束低密部と称する）が存在する。ここに着目し、この照明光学系は、この主要光源部１から出射された光束の中心近傍の光束低密部に、光束を補うように光束を出射する補助光源部２を備えた構成とされている。図１（ａ）において補助光源部２は半導体レーザＬＤからなるレーザ光源３１よりなり、コリメータレンズ３５により平行光束とされた補助光源部２からの光束が偏向ミラー３により偏向されて、主要光源部１から出射された光束の光束低密部に導入される。
【００２２】
主要光源部１から出射された光束の光束低密部に補助光源部２から光束を補うという構成は、単に光源部全体として光量が増加し照明光学系の明るさ向上に寄与するのみならず、光量分布においても、本来最も光強度を大きくしたい光束の中心近傍の光束低密部の光強度を増強することができることになる。また、この光束低密部に光束を補うために、例えば偏向ミラー３などの部材を配設しても、主要光源部１からの光束の光強度が弱い部分であるので、主要光源部１からの光束をほとんど遮ることなく、主要光源部１からの光束を効率よく利用することができる。また、このような構成によれば、従来一般に用いられるリフレクタを備えた光源部に対し、これを主要光源部１として、設計変更も少なくコンパクトなままで明るさを向上させることができる。
【００２３】
また、この照明光学系は、光軸と垂直断面における光量分布の均一化を図る第１インテグレータ部４として２枚のフライアイ１５、１６を備えている。図１（ａ）において、主要光源部１から出射された光束は、主要光源部側から順に第２フライアイ１５、第１フライアイ１６が配設された第１インテグレータ部４により、光量分布の均一化を図られて、照明光束として照明光学系から出射される。すなわち、第２フライアイ１５が主要光源部１からの略平行光束を第２フライアイ１５のレンズセルの数と同数の部分光束に分割し、第１フライアイ１６を構成する各レンズセル近傍に光源１１の二次光源像を形成させることにより光量分布の均一化を図る。
【００２４】
なお、本実施形態としては、上記構成に加え、さらに補助光源部２からの光束の光軸と垂直断面における光量分布の均一化を図る第２インテグレータ部５が設けられていることが好ましい。なお、以下の説明では、第１および第２インテグレータ部４、５の作用について「光量分布の均一化」と記載されている場合は、上記断面におけるものとする。
【００２５】
図１（ａ）において、補助光源部２から出射された光束は、第２インテグレータ部５としてのロッドインテグレータ３６により、光量分布の均一化を図られる。ロッドインテグレータ３６は２枚のフライアイ１５、１６の間に配設され、補助光源部２からの光束は、第２フライアイ１５を透過する際に、このフライアイ１５において補助光源部２からの光束が入射する位置に設けられた集光レンズ３７の作用により、所定の角度をもってロッドインテグレータ３６に入射される。そのため、ロッドインテグレータ３６の内壁面において複数回反射されて出射され、光量分布が均一化される。
【００２６】
以下、本発明に係る照明光学系の具体的な実施例として、実施例１〜６について説明する。なお、各実施例においては、特に記載のない限り同様の構成部分には同一の符号を付しており、既出の事項に関しては詳細な説明を省略している。
【００２７】
＜実施例１＞
本実施例に係る照明光学系の概略構成の断面図を図１（ａ）に示す。なお、図１（ａ）、および以下の図２、３（ａ）、４（ａ）、５、７（ａ）、８、１２、１３、１５、１６において、各部材はその断面形状を重点的に記載したものであって、遠方の端面の記載を省略しているものがある。
【００２８】
本実施例の構成とそれによる作用効果は上述したとおりであるが、以下、より詳細な構成について説明する。本実施例において、補助光源部２からの光束は第２フライアイ１５の前段において、偏向ミラー３により主要光源部１からの光束中に導入されている。補助光源部２の光源が半導体レーザ３１とされている場合、この光源は通常、冷却しつつ用いる必要があるため、このように主要光源部１からの光が直接当たらないところに配置し、偏向ミラー３のような導光手段により導入されることが好ましい。
【００２９】
次に、本実施例における第１インテグレータ部４のフライアイ１５、１６について説明する。図１（ｂ）は、図１（ａ）の第１フライアイ１６を被照明体側（矢印Ａ方向）から見たものを模式的に表したものである。このフライアイ１６は、矩形状の輪郭をした微小な凸レンズによるレンズセル１８が縦横に複数配列されたものであるが、中央部の、このフライアイ１６において補助光源部２からの光束が入射する位置には、レンズセル１８とは異なる形状の集光レンズ３８が設けられている。図１（ｂ）において、レンズセル１８に相当する部分をハッチングにより示している。
【００３０】
また、フライアイ１５は、フライアイ１６の各レンズセル１８に各々対応するレンズセル１７を備え、さらにフライアイ１６の集光レンズ３８に対応する集光レンズ３７を備えた形状とされている。集光レンズ３７は、光束をロッドインテグレータ３６に入射させる場合に好適な方向に屈折させる屈折力を有し、また集光レンズ３８は、ロッドインテグレータ３６から出射された光束を所望の方向に屈折させる屈折力を有している。投写型表示装置に用いる照明光学系としては、補助光源部２からの光束が主要光源部１からの光束と同様に後段のライトバルブ上に重畳されるように屈折させることが好ましい。フライアイ１５はレンズセル１７の凸面を主要光源部側に向け、フライアイ１６はレンズセル１８の凸面を被照明体側に向けるように配置されている。なお、フライアイ１５、１６は、同一形状とすることがコスト上有利である。
【００３１】
本実施例においては、補助光源部２から出射される光束は、主要光源部１から出射される光束の中心近傍の光束低密部に光束を補うように出射される光束径の小さいものであることを利用し、この補助光源部２から出射される光束の光量分布を均一化するための第２インテグレータ部５としては、ロッドインテグレータ３６を用いた簡易な構成としている。そして、このロッドインテグレータ３６の配設位置としては、２枚のフライアイ１５、１６の間とし、スペースを有効利用しコンパクトな構成を達成している。また、補助光源部２からの光束を第２フライアイ１５より主要光源部側において導入し、ロッドインテグレータ３６を２枚のフライアイ１５、１６の間に配置することにより、フライアイ１５、１６において集光レンズ３７、３８を各々一体的に形成し、コンパクトな構成を達成している。
【００３２】
なお、本実施例および以下の実施例において、ロッドインテグレータとしては、ガラス製の中実な棒状ロッドプリズムや、内面を反射コートにより鏡面とした中空プリズムや、棒状ロッドプリズムを光束入射側に配置しその光束出射側に中空プリズムを配置して両者を組み合わせた、いわゆるハイブリッド型のインテグレータを用いることができる。ロッドインテグレータに入射した光束は、棒状ロッドプリズムにおいては内壁面において複数回全反射されながら、中空プリズムにおいては内壁面の鏡面で複数回反射されながら、その光束出射端に導かれる。ロッドインテグレータから出射される光束は、ロッドインテグレータの出射端において光束密度が略均一化された光束とされている。この照明光学系を投写型表示装置に用いた場合、ロッドインテグレータの出射端と後段のライトバルブとがリレーレンズを介して互いに結像関係（共役関係）となる。
【００３３】
＜実施例２＞
本実施例に係る照明光学系の概略構成の断面図を図２に示す。本実施例は、実施例１と同様の主要光源部１、補助光源部２、第１インテグレータ部４、第２インテグレータ部５、およびコリメータレンズ３５を備えた構成とされている。しかし、本実施例において偏向ミラー３は、主要光源部１からの光束を偏向させるものとされている点が実施例１と異なっている。偏向ミラー３の光軸近傍の、主要光源部からの光束の光束低密部が照射される部分が空間とされて、この空間を通して補助光源部からの光束が上記光束低密部に導入される。本実施例のように、偏向ミラー３が、主要光源部１からの光束を偏向させるものとされている場合であっても、補助光源部２から出射された光束が、主要光源部１から出射された光束の中心近傍の光束低密部に位置するように導入されるので、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
【００３４】
＜実施例３＞
本実施例に係る照明光学系の概略構成の断面図を図３（ａ）に示す。本実施例の主要光源部１は、実施例１と同様のものである。
【００３５】
本実施例の補助光源部２は、この補助光源部２から出射される光束は出射された状態で光量分布が略均一となっているような光源とされている。例えば、レーザ光源３２を用いることができる。このような光源を備えた補助光源部２からの光束はインテグレータにより光量均一化を図る必要がないので、本実施例においては、補助光源部２からの光束の光量均一化を図る手段は省略され、より簡易な構成とされている。
【００３６】
本実施例の第１インテグレータ部４は、実施例１と同様に２枚のフライアイ１５、１６よりなる。図３（ｂ）は、図３（ａ）の第１フライアイ１６を被照明体側（矢印Ｂ方向）から見たものを模式的に表したものである。このフライアイ１６は、実施例１と同様に、矩形状の輪郭をした微小な凸レンズによるレンズセル１８が縦横に複数配列されたものであり、中央部の、このフライアイ１６において補助光源部２からの光束が入射する位置には、実施例１と異なりレンズセル１８と同形状の集光レンズ３８が設けられている。図３（ｂ）において、レンズセル１８と同形状のレンズに相当する部分をハッチングにより示している。
【００３７】
また、フライアイ１５は、フライアイ１６の各レンズセル１８に各々対応するレンズセル１７を備え、さらにフライアイ１６の集光レンズ３８に対応する集光レンズ３７を備えた形状とされている。集光レンズ３７は、補助光源部２からの光束に対し、主要光源部１からの平行光束と同様の方向に屈折させる屈折力を有し、第１フライアイ近傍に二次光源像を結像させることができる。また、集光レンズ３８は、集光レンズ３７により集光された補助光源部２からの光束に対し、第２フライアイ１５により各部分光束に分割された主要光源部１からの光束と同様の方向に屈折させる屈折力を有している。投写型表示装置に用いる照明光学系としては、補助光源部２からの光束が主要光源部１からの光束と同様に後段のライトバルブ上に重畳されるように屈折させることが好ましい。実施例１と同様に、フライアイ１５はレンズセル１７の凸面を主要光源部側に向け、フライアイ１６はレンズセル１８の凸面を被照明体側に向けるように配置されている。なお、フライアイ１５、１６は、同一形状とすることがコスト上有利である。
【００３８】
本実施例においては、補助光源部２からの光量分布の均一な光束を、コリメータレンズ３５および偏向ミラー３を介し、第２フライアイ１５より主要光源部側において導入している。そのため、フライアイ１５においてレンズセル１７と同形状の集光レンズ３７を一体的に形成し、フライアイ１６においてレンズセル１８と同形状の集光レンズ３８を一体的に形成し、コンパクトな構成を達成している。
【００３９】
＜実施例４＞
本実施例に係る照明光学系の概略構成の断面図を図４（ａ）に示す。本実施例の主要光源部１は、実施例１と同様のものである。
【００４０】
本実施例の補助光源部２は、放物面鏡よりなるリフレクタ３４の焦点位置に光源３３が配された構成とされている。本発明に係る照明光学系の補助光源部２は、レーザ光源に限られるものではなく、本実施例のようにリフレクタ３４を用いたものであってもよい。この場合は、補助光源部２として低コストで光量の大きいものとすることができる。本実施例において、補助光源部２から出射された光束は、光量分布の不均一な略平行光とされている。
【００４１】
本実施例の第１インテグレータ部は、実施例１と同様に２枚のフライアイ１５、１６よりなる。図４（ｂ）は、図４（ａ）の第１フライアイ１６を被照明体側（矢印Ｃ方向）から見たものを模式的に表したものである。このフライアイ１６は、実施例１と同様に、矩形状の輪郭をした微小な凸レンズによるレンズセル１８が縦横に複数配列されたものであり、中央部の、このフライアイ１６において補助光源部２からの光束が入射する位置には、実施例１と異なり、後述する第２インテグレータ部を構成するフライアイ４１、４２が設けられている。また、フライアイ１５は、フライアイ１６の各レンズセル１８に各々対応するレンズセル１７を備えている。実施例１と同様に、フライアイ１５はレンズセル１７の凸面を主要光源部側に向け、フライアイ１６はレンズセル１８の凸面を被照明体側に向けるように配置されている。
【００４２】
本実施例においては、補助光源部２から出射された光束は、偏向ミラー３を介し主要光源部１から出射された光束の中心近傍の光束低密部に位置するように、２枚のフライアイ１５、１６の間において導入される。そのため、第２フライアイ１５の中央部の、主要光源部１から出射された光束の中心近傍の光束低密部に対応する部分には、特にレンズを配設する必要はない。
【００４３】
また、補助光源部２から出射された光束が２枚のフライアイ１５、１６の間において導入される構成とされているので、偏向ミラー３等の主要光源部１からの光束中に挿入する部材が、主要光源部１からの光を遮りにくく、光利用効率を向上させることができる。両フライアイ１５、１６の近傍において、特に第１フライアイ１６の近傍では、主要光源部１からの光が第２フライアイ１５により各部分光束として集光されている。このため、この集光された各部分光束を遮らないように、いわば各部分光束の隙間に部材を配設することができ、補助光源部２からの光を偏向させる偏向ミラー３を支持固定するための部材を、このように配設することができる。本実施例と異なり、第２フライアイ１５の前段に偏向ミラー３を配置し、補助光源部２からの光を導入しようとする構成においては、偏向ミラー３の支持固定部材が主要光源部１からの光を遮ることが避けられない。
【００４４】
前述の通り、本実施例において補助光源部２から出射された光束は、光量分布の不均一な略平行光とされている。そこで、補助光源部２からの光束の光量均一化を図るために２面のフライアイ４１、４２を有する第２インテグレータ部が設けられている。本実施例においては、第１フライアイ１６の中央部の、このフライアイ１６において補助光源部２からの光束が入射する位置に、第１フライアイ１６の両面に、このフライアイ４１、４２が形成されている。
【００４５】
図４（ｂ）には、第１フライアイ１６の被照明体側に形成された、補助光源部２に対応する第１フライアイ４２が示されている。このフライアイ４２は、レンズセル１７、１８とは異なる大きさの矩形状の輪郭をした微小な凸レンズによるレンズセル４９が、縦横に複数配列されてなる。また、図４（ａ）に示されるように、第１フライアイ１６の補助光源部側の面には、各レンズセル４９に各々対応するレンズセル４８を備えた、補助光源部２に対応する第２フライアイ４１が形成されている。補助光源部２からの平行光束は、第１フライアイ１６の補助光源部側に形成された、補助光源部２に対応する第２フライアイ４１により、各部分光束に分割されて集光され、さらに第１フライアイ１６の被照明体側に形成された、補助光源部２に対応する第１フライアイ４２により所望の方向に屈折されて出射される。投写型表示装置に用いる照明光学系としては、補助光源部２からの光束が主要光源部１からの光束と同様に後段のライトバルブ上に重畳されるよう屈折されることが好ましい。
【００４６】
このように本実施例は、補助光源部２から出射された光の光量分布を均一化する第２インテグレータ部の２面のフライアイ４１、４２が、第１インテグレータ部のフライアイ１６と同一部材上に形成されていることにより、部材数を低減し簡易でコンパクトな構成を達成している。なお、本発明においては、本実施例のように同一部材の両面にフライアイが設けられている場合であっても、第２フライアイにより各部分光束に分割されて第１フライアイ近傍に二次光源像を形成するという、「２面のフライアイを有する」構成を、「２枚のフライアイを有する」ことと同等とみなすことができる。
【００４７】
本実施例の変更例として、補助光源部２からの光束を、第２フライアイ１５よりも前段において主要光源部１からの光束の光束低密部に導入するように構成し、第２フライアイ１５の中央部の補助光源部２からの光束が通過する位置に、フライアイ１５と同一部材上に補助光源部２に対応する第２フライアイ４１を形成してもよい。このように、第２インテグレータ部の２面のフライアイ４１、４２のうち、少なくとも一方のフライアイが、第１インテグレータ部の２枚のフライアイ１５、１６のうち少なくとも一方のフライアイと同一部材上に形成されていることにより、部材数を低減し簡易でコンパクトな構成とすることができる。
【００４８】
また、本実施例の変更例として、補助光源部２が楕円面鏡よりなるリフレクタを用いたものとされるように構成することも可能である。
【００４９】
＜実施例５＞
本実施例に係る照明光学系の概略構成の断面図を図５に示す。本実施例の主要光源部１およびレーザ光源３１よりなる補助光源部２は、実施例１と同様のものである。また、第１インテグレータ部としてのフライアイ１５、１６の構成も、第２フライアイ１５の中央部の主要光源部１からの光束の光束低密部に対応する部分、および、第１フライアイ１６の中央部の補助光源部２からの光束が入射される部分を除き、実施例１と同様のものである。
【００５０】
本実施例においては、補助光源部２から出射された光束が偏向ミラーにより主要光源部１からの光束中に導入されるのではなく、補助光源部２が第１インテグレータ部としての２枚のフライアイ１５、１６の間に配されている。主要光源部１から出射される光束の中心近傍の光束低密部に、補助光源部２を配設しているので、主要光源部１から出射される光の利用効率を悪化させる虞はない。
【００５１】
本実施例は、実施例４と同様に、補助光源部２からの光束の光量均一化を図るために２枚のフライアイ４１、４２を有する第２インテグレータ部が設けられた構成とされている。本実施例においては、補助光源部２から出射された光束がコリメータレンズ３５により平行光束とされた後、補助光源部２に対応する第２のフライアイ４１により各部分光束に分割されて集光され、さらに第１フライアイ１６の被照明体側の面に形成された、補助光源部２に対応する第１のフライアイ４２により所望の方向に屈折されて出射される。投写型表示装置に用いる照明光学系としては、補助光源部２からの光束が主要光源部１からの光束と同様に後段のライトバルブ上に重畳されるように屈折されることが好ましい。
【００５２】
２枚のフライアイ４１、４２の形状は実施例４と同様に、フライアイ１５、１６のレンズセルとは異なる大きさの矩形状の輪郭をした微小な凸レンズによるレンズセル４８、４９が縦横に複数配列されてなり、２枚のフライアイ４１、４２のレンズセル４８、４９は互いに１対１に対応している。本実施例においても、フライアイ４２が、フライアイ１６と同一部材上に形成されていることにより、部材数を低減し簡易でコンパクトな構成とすることができる。
【００５３】
ところで、投写型表示装置に用いる照明光学系としては、例えば装置のライトバルブが液晶パネルとされている場合など、照明光学系から出射される光は偏光方向が揃えられた略平行光とされていることが好ましい場合がある。そこで本実施例は、第１および第２インテグレータ部の後段に、ランダムな偏光を発生する主要光源部１からの光束を直線偏光に変換するための第１偏光変換光学系６、および、ランダムな偏光を発生する補助光源部２からの光束を、第１偏光変換光学系６により直線偏光に変換された主要光源部１からの光束と略一致する偏光方向となるような、直線偏光に変換する第２偏光変換光学系７を備えた照明光学系とされている。
【００５４】
図６（ａ）は、本実施例において一体的に形成された第１および第２偏光変換光学系６、７を被照明体側から見た図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の側面図である。この第１偏光変換光学系６は、第１インテグレータ部から出射された主要光源部１からの光束の偏光方向を揃えるもので、従来よく知られた、偏光ビームスプリッタアレイ、およびこのアレイの光出射面側に配設され複数のλ／２位相膜２１がストライプ状に配設されたλ／２位相板からなるものである。図６（ａ）において、ハッチング部分はλ／２位相膜２１が配された部分である。
【００５５】
偏光ビームスプリッタアレイはその内部に、偏光分離膜１９と反射膜２０とが、光軸に対して略４５度の角度を有するように交互に形成されている。ランダムな偏光である主要光源部１からの光束は、フライアイ１６の対応するレンズセルから入射され、偏光分離膜１９により偏光方向の異なるＰ偏光とＳ偏光の２種類の偏光に分離される。一方の偏光は偏光分離膜１９を透過しプリズム面２２から出射される。他方の偏光は偏光分離膜１９と隣接する反射膜２０とで反射されて、最終的には、偏光ビームスプリッタアレイを直進透過した光束とほぼ平行な角度で偏光ビームスプリッタアレイより出射され、λ／２位相膜２１を通過する際に、偏光面の回転作用により偏光ビームスプリッタアレイを直進透過した光束と略一致する偏光方向に変換されて出射される。
【００５６】
また、第２偏光変換光学系７は、第１偏光変換光学系６の中央部の、補助光源部２から出射される光束が通過する位置に形成されている。第２偏光変換光学系７は、サイズは異なるものの第１偏光変換光学系６と略同様の構成で、内部に偏光分離膜４３と反射膜４４とが形成された偏光ビームスプリッタアレイと、複数のλ／２位相膜４５がストライプ状に配設されたλ／２位相板とからなる。プリズム面４６から出射される光束と、λ／２位相膜４５を通過し偏光方向が変換されて出射される光束とは、第１偏光変換光学系６により直線偏光に変換された主要光源部１の光束と、略一致する偏光方向とされて出射される。
【００５７】
本実施例において、第１偏光変換光学系６は、中央部の第２偏光変換光学系７の形成を容易にするために、図６紙面上下方向に２つの部材に分割され、２つの部材は内部の偏光分離膜１９と反射膜２０とが、光軸に対し対称となるように配設されている。
【００５８】
このように、補助光源部２の光源がランダムな偏光を発生するものとされている場合は、後段にこの光源からの光の偏光方向を揃えるための第２偏光変換光学系７を配設することが好ましい。照明光束が、第１および第２偏光変換光学系６、７により略一致する偏光方向となるように変換されて出射される照明光学系によれば、装置のライトバルブが液晶パネルとされた投写型表示装置に用いる照明光学系としても、照明効率の高いものとすることができる。
【００５９】
なお、実施例４および本実施例のように、補助光源部２からの光束の光量均一化を図るために２枚のフライアイ４１、４２を有する第２インテグレータ部が設けられた構成において、補助光源部２の光源が偏光方向の揃えられた光束を出射するものとされている場合には、第２偏光変換光学系は不要となる。すなわち、主要光源部１の光源はランダムな偏光を発生し、この光束が第１偏光変換光学系６により直線偏光に変換されて被照明体の照明を行い、補助光源部２は、第１偏光変換光学系６により直線偏光に変換された主要光源部１からの光束と略一致する偏光方向となるような、偏光方向が揃えられた光束を出射し、この光束は偏光変換をされずに被照明体の照明を行うように構成することにより、構成の簡易化を図ることができる。
【００６０】
また、本実施例の変更例として、補助光源部２およびコリメータレンズ３５が、第２フライアイ１５の主要光源部側に配設され、第２フライアイ１５の中央部に補助光源部２に対応する第２のフライアイ４１を形成することも可能である。本実施例においても、この変更例においても、偏向ミラーを配設しこれにより補助光源部２からの光束を導入するようにしてもよい。
【００６１】
＜実施例６＞
本実施例に係る照明光学系の概略構成の断面図を図７（ａ）に示す。本実施例の照明光学系は、実施例５と同様に、第１偏光変換光学系および第２偏光変換光学系７を備えた照明光学系とされている。第１偏光変換光学系は、後述するとおり、複屈折回折型偏光分離板２６、および、複数のλ／２位相膜２１がストライプ状に配設されたλ／２位相板よりなる。
【００６２】
なお、偏光変換光学系以外の構成は、第２インテグレータ部がロッドインテグレータ３６とされた実施例１のものと略同様であり、補助光源部２からの光束が、第１フライアイ１６と第２フライアイ１５との間に配された偏向ミラー３により導入されている点が異なっている。また、このため本実施例では、集光レンズ３７は、実施例１のように第２フライアイ１５の中央部に形成されるのではなく、単体のレンズとされ、ロッドインテグレータ３６に入射させる場合に好適な方向に屈折させる屈折力を有している。補助光源部２からの光束がフライアイ１５の後段において主要光源部１からの光束に導入される場合にも、主要光源部１から出射される光束の中心近傍の光束低密部に導入されるので、主要光源部１から出射される光の利用効率を悪化させる虞はない。
【００６３】
本実施例の第１偏光変換光学系は、複屈折回折型偏光分離板２６、および、複数のλ／２位相膜２１がストライプ状に配設されたλ／２位相板よりなり、ランダムな偏光を発生する主要光源部１からの光束を直線偏光に変換する。主要光源部１からの光束は、複屈折回折型偏光分離板２６を通過することにより、偏光方向に応じて互いに異なる２方向に偏向されて分離される。図７（ａ）において、一方の偏光光束を実線で、他方の偏光光束を点線で示す。図示のとおり、互いに異なる２方向に偏向された偏光光束は、第２フライアイ１５の作用により第１フライアイ１６上にフライアイ分割数の２倍の光源像を形成する。これらの光源像のうち、いずれか一方の偏光方向を有する光束による光源像付近に、偏光方向を変換するλ／２位相膜２１を配置することにより、主要光源部１から出射される光束を直線偏光に変換する。図７（ａ）では、λ／２位相膜２１が点線で示された偏光光束の偏光方向を変換させ得る位置に配されるように、λ／２位相板が第１フライアイ１６の主要光源部側の平面に付設されている。
【００６４】
本実施例の第２偏光変換光学系７は、プリズムよりなるブロック状の偏光変換システムであり、ランダムな偏光を発生する補助光源部２からの光束を、第１偏光変換光学系により直線偏光に変換された主要光源部１からの光束と略一致する偏光方向となるような、直線偏光に変換する。このプリズムは、内部に偏光分離膜４３が形成された四角柱状のプリズムと、斜辺に反射膜４４が形成された二等辺三角柱状プリズムとを、偏光分離膜４３と反射膜４４とが平行かつ光軸に対して略４５度の角度をなすように、接合したものである。
【００６５】
ランダムな偏光である補助光源部２からの光束は、ロッドインテグレータ３６から、集光レンズ３８を介し、偏光変換光学系７に入射される。この光束はプリズム内部の偏光分離膜４３により偏光方向の異なる２種類の偏光に分離される。一方の偏光は偏光分離膜４３を直進透過しプリズムの光束出射面４６から出射される。他方の偏光は偏光分離膜４３と反射膜４４とで反射されて、最終的には、偏光分離膜４３を直進透過した光束とほぼ平行な角度でプリズムの光束出射面より出射され、この光束出射面に形成されたλ／２位相膜４５を通過する際に、偏光面の回転作用により偏光分離膜４３を直進透過した光束と略一致する偏光方向に変換されて出射される。偏光分離膜４３の分離特性およびλ／２位相膜４５の配設位置を適宜設定することにより、補助光源部２からの光束を、第１偏光変換光学系により直線偏光に変換された主要光源部１からの光束と略一致する偏光方向となるような、直線偏光に変換することができる。なお、図７（ｂ）は、図７（ａ）のフライアイ１６および第２偏光変換光学系７を被照明体側から見たものを模式的に表したものである。図７（ｂ）において、第２偏光変換光学系７に相当する部分をハッチングにより示している。
【００６６】
このように、補助光源部２の光源がランダムな偏光を発生するものとされている場合は、後段にこの光源からの光の偏光方向を揃えるための第２偏光変換光学系７を配設することが好ましい。照明光束が、第１および第２偏光変換光学系により略一致する偏光方向となるように変換されて出射される照明光学系によれば、装置のライトバルブが液晶パネルとされた投写型表示装置に用いる照明光学系としても、照明効率の高いものとすることができる。
【００６７】
なお、本実施例においても実施例５と同様に、補助光源部２の光源が偏光方向の揃えられた光束を出射するものとされている場合には、第２偏光変換光学系は不要となる。このような光源を用いて、構成の簡易化を図ることができる。
【００６８】
＜実施例７＞
本実施例に係る照明光学系の概略構成の断面図を図８に示す。本実施例の照明光学系の構成は実施例１のものと共通するところが多いが、相違点としては、第１および第２インテグレータ部の後段に偏光変換光学系６が配されている点と、補助光源部２からの光束が、第１フライアイ１６と第２フライアイ１５との間に配された偏向ミラー３により導入されている点がある。この相違点について説明する。
【００６９】
本実施例では、補助光源部２からの光束が第１フライアイ１６と第２フライアイ１５との間に配された偏向ミラー３により導入されているので、集光レンズ３７は、実施例１のように第２フライアイ１５の中央部に形成されるのではなく、単体のレンズとされ、ロッドインテグレータ３６に入射させる場合に好適な方向に屈折させる屈折力を有している。
【００７０】
また、本実施例の偏光変換光学系６は、従来よく知られた、偏光ビームスプリッタアレイ、およびこのアレイの光出射面側に配設され複数のλ／２位相膜２１がストライプ状に配設されたλ／２位相板からなるものである。本実施例では、実施例５および６と異なり、主要光源部１からの光束の偏光方向を揃える第１偏光変換光学系とは別に、補助光源部２からの光束の偏光方向を揃えるための第２偏光変換光学系を備えることなく、従来一般の偏光変換光学系を利用することにより低コスト化を図ることができる。
【００７１】
このような偏光変換光学系６を用いた場合、補助光源部２のレーザ光源３１としては、ランダムな偏光を発生するものも、偏光方向が揃えられた光束を出射する偏光特性が良好なものも、いずれを用いることも可能である。前者の光源の場合、補助光源部２からの光束は、対応する偏光変換光学系６のλ／２位相膜２１およびプリズム面２２の双方から、偏光変換光学系６により直線偏光に変換された主要光源部１からの光束と略一致する偏光方向とされて出射される。いわば、偏光変換光学系６が、補助光源部２からの光束の偏光方向を揃えるという実施例５および６における第２偏光変換光学系７の役割をも、果たしていることになる。
【００７２】
後者の光源の場合、補助光源部２からの光束は、対応する偏光変換光学系６のλ／２位相膜２１およびプリズム面２２のいずれかから出射された光束のみが、偏光変換光学系６により直線偏光に変換された主要光源部１の光束と略一致する偏光方向とされて、出射される。
【００７３】
また、補助光源部２のレーザ光源３１が、偏光方向が揃えられた光束を出射する偏光特性が良好なものとされている場合には、偏光変換光学系６を図９〜１１に示すように変更することが可能である。図９〜１１において、（ａ）は偏光変換光学系６を被照明体側から見た図であり、（ｂ）はその偏光変換光学系６の側面図である。各（ａ）図において、ハッチング部分はλ／２位相膜２１が配された部分である。
【００７４】
図９に示す偏光変換光学系６は、内部に偏光分離膜１９と反射膜２０とが、光軸に対して略４５度の角度を有するように交互に形成された偏光ビームスプリッタアレイと、複数のλ／２位相膜２１がストライプ状に配設されたλ／２位相板とからなり、この位相板は中央部の、補助光源部２からの光束が通過する部分だけλ／２位相膜２１が削除されている。レーザ光源３１からの光束が偏光分離膜１９を透過する偏光特性を有するものとされているならば、この光束はほとんどがプリズム面２２から出射される。そして、偏光分離膜１９の分離効率によってある程度の光束が反射されたとしても、反射膜２０で反射され出射される光束も、この部分だけλ／２位相膜２１が削除されているので、プリズム面２２から出射された光束と略一致する偏光方向のまま、プリズム面２５から出射されることになる。すなわち、中央部の所定位置のλ／２位相膜２１だけが削除されたλ／２位相板を偏光ビームスプリッタアレイに接着するという、低コストな手法を用いることにより、補助光源部２からの光利用効率を高くすることができる。
【００７５】
このように、補助光源部２の光源が、偏光が揃えられたものとされている場合は、この光束をさらに偏光変換する必要性はないが、この光束が、主要光源部１からの光を偏光変換する偏光変換光学系６を介して照明光学系から出射されても不都合ではない。
【００７６】
図１０および図１１は、補助光源部２のレーザ光源３１が、偏光方向が揃えられた光束を出射する偏光特性が良好なものとされていることから、偏光変換光学系６においてこの光束が通過する部分を空間とし、偏光変換光学系６のプリズムを透過させずに光量を最大限利用しようとするものである。偏光変換光学系６の中央部にこの空間を形成するために、例えば、図１０に示すように、同形状の２つの偏光変換光学系６ａ（一方を実線で示し、他方を点線で示している）を組み合わせる構成とすることで、製造コストを低減することができる。また、図１１に示すように、同形状の２つの偏光変換光学系６ｂと同形状の２つの偏光変換光学系６ｃ（いずれも一方を実線で示し、他方を点線で示している）という４つの部材を組み合わせる構成としても、製造コストを低減することができる。なお、偏光変換光学系６の中央部に空間を形成する方法としては、上記のものに限られない。
【００７７】
本実施例のように照明光束が、偏光変換光学系６により略一致する偏光方向となるように変換されて出射される照明光学系によれば、装置のライトバルブが液晶パネルとされた投写型表示装置に用いる照明光学系としても、照明効率の高いものとすることができる。
【００７８】
＜実施例８＞
本実施例に係る照明光学系の概略構成の断面図を図１２に示す。本実施例の特徴は、補助光源部が複数の光源からなることにある。その他の構成は既に説明した実施例と略同様のものである。例えば、主要光源部１は実施例１と同様である。また、第１インテグレータ部は２枚のフライアイ１５、１６により構成され、第２インテグレータ部はロッドインテグレータ３６により構成されており、実施例６と略同様の構成とされている。偏向変換光学系６は実施例７の変更例として図９に示した、中央部のみλ／２位相膜が削除されたものと同様である。
【００７９】
本実施例の照明光学系は、補助光源部として、分光分布が同様な２つの光源３１ａ、３１ｂを備えている。これらの光源３１ａ、３１ｂからの光束は、コリメータレンズ３５ａ、３５ｂ、および両光束を反射させ合成させる偏向ミラー３を介し、主要光源部１から出射された光束の中心近傍の光束低密部に光束を補うようにこの光束中に導入される。その後、光源３１ａ、３１ｂからの光束は、レンズ３７を介し、第２インテグレータ部としてのロッドインテグレータ３６に入射されて光量分布の均一化を図られ、レンズ３８を介して偏向変換光学系６に入射される。なお、レンズ３８は実施例７のものと異なり、第１フライアイ１６のレンズセルとは別のレンズとされ、第１フライアイ１６において補助光源部からの光束が通過する位置に設けられた空間部に配設されているが、その作用は実施例６のものと同様である。
【００８０】
本実施例においては、偏向変換光学系６は、図９に示した中央部のみλ／２位相膜が削除されたものを用いている。したがって、補助光源部の光源３１ａ、３１ｂは、偏向変換光学系６により直線偏光に変換された主要光源部１からの光束と略一致する偏光方向となるような、偏光方向が揃えられた光束を出射するものであることが好ましい。この場合、偏向変換光学系６からは、補助光源部２からの光束も、直線偏光に変換された主要光源部１からの光束と略一致する偏光方向とされた照明光束として出射され、照明効率を良好とすることができる。しかし、補助光源部が複数の光源からなる構成において、必ずしも上述のように偏光方向が揃えられた光束を出射する光源としなければならないわけではない。また、偏光変換光学系６の構成としても、光源特性やその他の構成に応じて適宜選択することができる。
【００８１】
なお、本実施例では補助光源部として２つの光源を用いているが、２つ以上の光源を用いることも可能である。補助光源部として複数の光源を備えていることにより、主要光源部１の光束低密部に補う光量を増加させることができる。
【００８２】
＜実施例９＞
本実施例に係る照明光学系の概略構成の断面図を図１３に示す。本実施例は、補助光源部を構成する複数の光源が、分光分布が異なる２種類の光源３１ａ、３１ｂからなる点が実施例８と異なり、その他の点では実施例８と同様である。
【００８３】
本実施例では、分光分布が異なる２種類の光源３１ａ、３１ｂを用いているので、これらの光源３１ａ、３１ｂから出射された光束を合成する手段としてクロスプリズム７が配されている。光源３１ａ、３１ｂからの光束は、コリメータレンズ３５ａ、３５ｂを介し、クロスプリズム７内のダイクロイック膜５１ａ、５１ｂにより反射されて偏向され、主要光源部１から出射された光束の中心近傍の光束低密部に光束を補うようにこの光束中に導入される。その後、光源３１ａ、３１ｂからの光束は、レンズ３７を介し、第２インテグレータ部としてのロッドインテグレータ３６に入射されて光量分布の均一化を図られ、レンズ３８を介して偏向変換光学系６に入射される。
【００８４】
本実施例においても実施例８と同様に、補助光源部の光源３１ａ、３１ｂは、偏向変換光学系６により直線偏光に変換された主要光源部１からの光束と略一致する偏光方向となるような、偏光方向が揃えられた光束を出射するものであることが好ましい。この場合、偏向変換光学系６からは、補助光源部２からの光束も、直線偏光に変換された主要光源部１からの光束と略一致する偏光方向とされた照明光束として出射され、照明効率を良好とすることができる。補助光源部が分光分布が異なる光源からなる構成において、実施例８と同様に、必ずしも上述のように偏光方向が揃えられた光束を出射する光源としなければならないわけではない。また、偏光変換光学系６の構成としても、光源特性やその他の構成に応じて適宜選択することができる。
【００８５】
なお、本実施例では補助光源部として２つの光源を用いているが、２つ以上の光源を用いることも可能である。補助光源部として複数の光源を備えていることにより、主要光源部１の光束低密部に補う光量を増加させることができる。また、本実施例ではクロスプリズム７により補助光源部の光束の合成を行なうことにより、実施例８の偏向ミラー３を配置する場合に比べ、主要光源部１からの光束を遮光する範囲が小さい。
【００８６】
さらに、補助光源部として分光分布が異なる少なくとも２種類の光源を用いた照明光学系は、カラー投写型表示装置の照明光学系として用いられた場合に有用である。例えば、３原色光のうちの異なる２色光を、一方を光源３１ａから、他方を光源３１ｂから出射させて合成し、主要光源部１からの光束低密部に光束を補うように構成することができる。
【００８７】
以上、本発明に係る照明光学系の具体的な実施例として、実施例１〜９について説明した。各実施例とも、主要光源部１から出射された光束の光束低密部に補助光源部２から光束を補うという構成とされているので、明るくコンパクトな照明光学系とされており、第１インテグレータ部として２枚のフライアイを備えているので、光量分布の均一化された照明光束を出射することができる。
【００８８】
ところで、本発明に係る照明光学系の主要光源部に用いられる光源としては、例えば超高圧水銀灯、メタルハライドランプ、キセノンランプなどがあるが、これらの光源は各々種類により固有の分光分布を有しており、可視光領域において一様な光量分布を持っているわけではない。本発明に係る照明光学系の主用途である投写型表示装置に関しては、明るさの要望以外に、色再現性が良い画像が要求されるが、色再現性を良好とするためには、この光源の分光分布のばらつきが問題となる場合がある。光源によっては、色再現性を良好とするために必要な波長域の光量が不足していたり、また、不必要な波長域の光量が過剰であったりするためである。
【００８９】
例えば、図１４は超高圧水銀灯の可視領域における波長の分光分布を示す図であり、縦軸が光強度を示すものである。図示のとおりこの光源では、３原色光のうち赤色波長域が、他の色成分に対応する波長域に比べ光量が少なく、その一方、黄色波長域に光強度のピークを有するため、そのままの光源光を使用すると、全体として黄色味を帯びたカラー画像が形成されてしまう。そのため、従来、装置の色再現性を良好とする方策としては、光源から出射された光のうち５８０ｎｍ近辺の波長域の光を取り除いて照明を行っていたが、その分の光量損失は明るさ向上の要望とは反するものとなってしまう。
【００９０】
本発明に係る照明光学系によれば、主要光源部から出射された光束の中心近傍の光束低密部に光束を補うように光束を出射する補助光源部を備え、主要光源部から出射される光束の分光分布において増加させたい波長域に強度ピークを有する光束を前記補助光源部から出射させるように構成することができる。例えば、主要光源部の発光体が上記超高圧水銀灯とされた場合に、補助光源部から、赤色波長域に強度ピークを有する光束を出射させる構成とすることである。この補助光源部の光源としては、例えば、安価で小型な赤色半導体レーザを用いることができる。このような構成によれば、照明光束全体として赤色波長域の光強度が増加し、従来は色再現性に悪影響を及ぼしていた超高圧水銀灯からの５８０ｎｍ近辺の光も、排除することなく利用できるようになる。この、これまで排除していた光量は、超高圧水銀灯の全光量の２０％にも相当し、これ程の光量が増加する効果は高い。
【００９１】
主要光源部から出射される光束の分光分布において増加させたい波長域に強度ピークを有する光束を、補助光源部から出射させるように構成することにより、単に補助光源部からの光量分が増加するのみならず、色再現性のためにこれまで排除していた主要光源部からの光束も色再現性の低下を招くことなく取り込むことができ、明るく色再現性の良いコンパクトな照明光学系を得ることができる。なお、補助光源部から出射させる光束の強度ピークは赤色波長域に限られるものではなく、主要光源部の光源の分光分布に応じその波長域を適宜設定することができる。
【００９２】
本発明の照明光学系としては、上述したものに限られるものではなく種々の態様の変更が可能である。例えば、実施例１〜９中に用いられた主要光源部、補助光源部、偏向手段、第１インテグレータ部、第２インテグレータ部、偏光変換光学系等をそれぞれ取出して組合わせた構成としてもよい。また、上記各実施例は、実施例２と同様に、偏向ミラーが主要光源部からの光束を偏向させるものとされ、この偏向ミラーの、主要光源部からの光束の光束低密部が照射される部分が空間とされて、この空間を通して補助光源部からの光束が上記光束低密部に導入されるような構成に変更することができる。
【００９３】
また、補助光源部からの光束を、主要光源部からの光束中に導入する位置としては、第１および第２インテグレータ部の前段、後段、また第１インテグレータ部を構成する２枚のフライアイの中間も含め、いずれとされていてもよい。また、補助光源部からの光束を主要光源部からの光束の光束低密部中に導入するための偏向ミラーは、必須ではない。実施例５として示したような、光束低密部に補助光源部を配設する構成がいずれの場合にも可能である。
【００９４】
また、主要光源部は、各実施例に図示された発光管を備えた構成だけでなく、図１９に示された電極を配設する構成のものとされていてもよい。また、補助光源部は、リフレクタを備えた構成やレーザ光源を用いることができ、さらに、光量分光の均一な光源としたり、偏光特性の良好な光源とすることができる。補助光源部は、照明光学系の光量増加、光量分布の均一化、色再現性の適正化（所定の色味を強くしたい、弱くしたい等の場合を含む）等の所期の目的を達成し得るものとすることが好ましい。また、各フライアイのレンズセルや、主要光源部および補助光源部からの光束の光路中に配される各レンズの形状は、適宜設定することができる。
【００９５】
なお、付言すれば、本発明に係る照明光学系は、従来多数提案されている、単に総量としての光量を増加させるために複数の光源を備えた照明光学系とは、その目的も作用効果も異なるものである。従来の複数光源を備えた照明光学系は、本発明の主要光源部に相当するような大きさの光源部を複数個配設することにより、総量としての光量を増加させることを目的としている。これらは、本発明のような、リフレクタを備えた光源部から出射された光束の光束低密部に別の光源から光束を補う、という発想を有するものではない。
【００９６】
また、前述の投写型表示装置の色再現性の問題を解決するべく、発光分布の異なる光源部を複数使用した照明光学系も既に提案されている（例えば特開２００１−１６６３８３号公報参照）。しかしこの場合も、上記複数光源を備えた照明光学系と同様に、本発明のような、リフレクタを備えた光源部から出射された光束の光束低密部に別の光源から光束を補う、という発想を有するものではない。本発明に係る照明光学系によれば、この従来例よりも格段にコンパクトな照明光学系により、高い色再現性を達成することができる。
【００９７】
次に、本発明に係る投写型表示装置の具体的な実施例として、実施例１０および実施例１１について説明する。
【００９８】
＜実施例１０＞
本実施例に係る投写型表示装置の概略構成を図１５に示す。この装置は、本発明に係る照明光学系を代表したものとしての、上記実施例１に係る照明光学系を用いた装置とされている。なお、この照明光学系の偏光変換光学系６は、実施例７（図８）に示された、従来よく知られたものとされている。
【００９９】
この装置は、照明光学系からの照明光束により、所定の画像情報に基づいて照明光束の光変調を行なう透過型画像表示素子よりなるライトバルブを照明し、このライトバルブからの画像情報を担持した光束を、投写光学系６７を介し投写するものである。照明光束は、第１および第２インテグレータ部４、５により光量分布が均一化され、偏光変換光学系６により偏光方向が揃えられた状態で、本発明の照明光学系から出射される。そしてこの照明光束は、以下に示すとおり、３原色光に分解され、各色光用の透過型画像表示素子である液晶パネル６４ａ〜ｃにより光変調されて、これらの投映光束が合成された後、投写光学系６７により投写されて、スクリーン（不図示）上にフルカラー画像が結像される。なお、以下に示す第１〜第３色光成分とは、青色、緑色、赤色の３原色光を任意の順に対応させることができる。
【０１００】
すなわち、照明光学系から出射された照明光束は、ダイクロイックミラー６２ａ、６２ｂにより色光分解され、それぞれ第１〜第３色光成分用の画像が表示される液晶パネル６４ａ〜ｃに照射される。ダイクロイックミラー６２ａは、照明光束を第１色光成分光束と第２、第３色光成分の合成光束とに分離し、ダイクロイックミラー６２ｂは、ダイクロイックミラー６２ａにより分離された第２、第３色光成分の合成光束を、第２色光成分と第３色光成分とに分離するものである。照明光束の光路上には、偏向のための全反射ミラー６３ａ〜ｄと、集光レンズ６１ａ〜ｆとが配され、液晶パネル６４ａ〜ｃ上には、第１インテグレータ部４のフライアイから出射された各部分光束、および第２インテグレータ部５から出射された補助光源部２からの光束が重畳される。液晶パネル６４ａ〜ｃを透過し、所定の画像情報に基づいて光変調された投映光束である第１〜第３色光成分光束は、内部に、第１色光成分を反射するダイクロイック膜６５ａと第３色光成分を反射するダイクロイック膜６５ｂとを有する、クロスプリズム６６により合成される。
【０１０１】
本実施例によれば、本発明に係る照明光学系を備えていることにより、コンパクトでありながら、照明効率が高く明るく均一な照明を行ない得る投写型表示装置を得ることができる。
【０１０２】
また、前述したとおり、本発明に係る照明光学系は、主要光源部１から出射される光束の分光分布において増加させたい波長域に強度ピークを有する光束を、補助光源部２から出射させるように構成することができる。例えばこの場合のように、補助光源部２からの光束が白色光でなく特定の波長域に光強度が偏っている場合には、補助光源部２からの光束は、照明光束を色光分解し各色光ごとに各々ライトバルブにより画像情報を担持させた後に色合成を行なう構成の装置の、複数のライトバルブのうち一部のライトバルブのみを照明するように構成してもよい。例えば、主要光源部１が白色光を出射し、補助光源部２の光源が赤色半導体レーザとされている場合、補助光源部２からの光は赤色成分用のライトバルブのみを照明するように構成されていてもよい。
【０１０３】
＜実施例１１＞
本実施例に係る投写型表示装置の概略構成を図１６に示す。この装置は、照明光学系からの照明光束により、所定の画像情報に基づいて照明光束の光変調を行なう反射型画像表示素子よりなるライトバルブを照明し、このライトバルブからの画像情報を担持した光束を、投写光学系８８を介し投写するものである。この装置は、本発明に係る照明光学系を代表したものとしての、上記実施例３に係る照明光学系を用いた装置とされている。
【０１０４】
照明光束は、第１インテグレータ部４により光量分布が均一化され、偏光変換光学系６により偏光方向が揃えられた状態で、本発明の照明光学系から出射される。そしてこの照明光束は、集光レンズ８１ａ、８１ｂおよび偏向のための全反射ミラー８２を介し、以下に示すとおり、カラークワッド８９に入射され、このカラークワッド８９において３原色光に分解され、各色光用の画像表示素子である反射型液晶パネル（以下、ＬＣＯＳと称する）８５ａ〜ｃにより光変調されて、これらの投映光束が合成された後カラークワッド８９から出射され、投写光学系８８により投写されて、スクリーン（不図示）上にフルカラー画像が結像される。なお、以下に示す第１〜第３色光成分とは、青色、緑色、赤色の３原色光を任意の順に対応させることができる。
【０１０５】
カラークワッド８９は、内部の偏光分離膜８４ａ〜ｄがＸ字型になるように配列された第１〜第４ＰＢＳ８３ａ〜ｄ、第１〜第３色光成分に各々対応する第１〜第３ＬＣＯＳ８５ａ〜ｃ、第１〜第４特定波長偏光変換素子８６ａ〜ｄ、および第１〜第２偏光板８７ａ、８７ｂを備えてなる。偏光板８７ａは入射する照明光束の偏光方向を揃え（以下の説明においては、この偏光方向をＳ偏光とする。）、偏光板８７ｂは投映光束の偏光方向をＰ偏光に揃えるために配され、投写画像のコントラスト向上を図る。また、特定波長偏光変換素子８６ａ〜ｄは、所定の色光を所定角度だけ回転させＳ偏光をＰ偏光に変換する素子である。特定波長偏光変換素子８６ａ、８６ｄは、第１の色光をＳ偏光からＰ偏光に変換し、特定波長偏光変換素子８６ｂ、８６ｃは、第３の色光をＳ偏光からＰ偏光に変換する。
【０１０６】
これらの作用により、第１の色光はＰＢＳ８３ａ、８３ｂを透過して第１の色光を光変調させるＬＣＯＳ８５ａを照射し、第２の色光はＰＢＳ８３ａ、８３ｃの各々の内部で反射されて第２の色光を光変調させるＬＣＯＳ８５ｂを照射し、第３の色光はＰＢＳ８３ａ内部で反射され、ＰＢＳ８３ｃを透過して第３の色光を光変調させるＬＣＯＳ８５ｃを照射する。そして、第１の色光は第１のＬＣＯＳ８５ａのＯＮに対応する投映光束がＳ偏光に変換されて反射され、ＰＢＳ８３ｂ、８３ｄの内部で反射され、第２の色光は第２のＬＣＯＳ８５ｂのＯＮに対応する投映光束がＰ偏光に変換されて反射され、ＰＢＳ８３ｃ、８３ｄを透過し、第３の色光は第３のＬＣＯＳ８５ｃのＯＮに対応する投映光束がＳ偏光に変換されて反射され、ＰＢＳ８３ｃ内部で反射され、ＰＢＳ８３ｄを透過して、３色光成分が合成されてカラークワッド８９から出射される。
【０１０７】
本実施例によれば、本発明に係る照明光学系を備えていることにより、コンパクトでありながら、照明効率が高く明るく均一な照明を行ない得る投写型表示装置を得ることができる。また、実施例１０と同様に、本実施例においても、補助光源部２からの光束が白色光でなく特定の波長域に光強度が偏っている場合には、補助光源部２からの光束は、照明光束を色光分解し各色光ごとに各々ライトバルブにより画像情報を担持させた後に色合成を行なう構成の装置の、複数のライトバルブのうち一部のライトバルブのみを照明するように構成してもよい。
【０１０８】
なお、本発明の投写型表示装置としては上述した実施例のものに限られず、種々の態様の変更が可能である。例えば、本発明の投写型表示装置としては、本発明の照明光学系を任意に用いることができる。第２インテグレータ部がフライアイであるか、ロッドインテグレータであるか、あるいは設けられていないかによって、後段の装置構成が限定されるものではない。ただし、これらの組み合わせは任意であるが装置全体としての整合性は必要である。
【０１０９】
また、本発明の投写型表示装置においてライトバルブは実施例のものに限られない。例えば、ライトバルブとしてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた装置構成とすることも可能である。この場合にも、本発明に係る照明光学系を備えることにより、コンパクトでありながら、照明効率が高く明るく均一な照明を行ない得る投写型表示装置を得ることができる。
【０１１０】
また、本発明の投写型表示装置は必ずしもカラー画像表示装置に限られず、モノクロ画像表示装置とされていてもよい。
【０１１１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る照明光学系およびこれを用いた投写型表示装置によれば、光源とリフレクタよりなる主要光源部から出射された光束の、中心近傍の光束低密部に光束を補うように光束を出射する補助光源部を備え、２枚のフライアイを有する第１インテグレータ部が設けられていることにより、コンパクトでありながら、照明効率が高く、明るく均一な照明を行ない得る照明光学系およびこれを用いた投写型表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る照明光学系の概略構成図
【図２】本発明の実施例２に係る照明光学系の概略構成図
【図３】本発明の実施例３に係る照明光学系の概略構成図
【図４】本発明の実施例４に係る照明光学系の概略構成図
【図５】本発明の実施例５に係る照明光学系の概略構成図
【図６】図５の第１および第２偏光変換光学系の概略構成図
【図７】本発明の実施例６に係る照明光学系の概略構成図
【図８】本発明の実施例７に係る照明光学系の概略構成図
【図９】図８の偏光変換光学系の第１変更例の概略構成図
【図１０】図８の偏光変換光学系の第２変更例の概略構成図
【図１１】図８の偏光変換光学系の第３変更例の概略構成図
【図１２】本発明の実施例８に係る照明光学系の概略構成図
【図１３】本発明の実施例９に係る照明光学系の概略構成図
【図１４】超高圧水銀灯の可視領域における波長の分光分布図
【図１５】本発明の実施例１０に係る照明光学系の概略構成図
【図１６】本発明の実施例１１に係る照明光学系の概略構成図
【図１７】リフレクタを備えた第１の従来の光源部の概略構成図
【図１８】リフレクタを備えた第２の従来の光源部の概略構成図
【図１９】リフレクタを備えた第３の従来の光源部の概略構成図
【符号の説明】
１    主要光源部
２    補助光源部
３    偏向ミラー
４    第１インテグレータ部
５    第２インテグレータ部
６    偏光変換光学系
７、６６    クロスプリズム
１１、３３    光源
１２、３４、１０４    放物面リフレクタ
１５    第２フライアイ
１６    第１フライアイ
１７、１８、４８、４９    レンズセル
１９、４３、８４    偏光分離膜
２０、４４    反射膜
２１、４５    λ／２位相膜
２２、２５、４６    プリズム面
２６    複屈折回折型偏光分離板
３１、３２    半導体レーザ
３５    コリメータレンズ
３６    ロッドインテグレータ
３７、３８、６１、８１    集光レンズ
４１    補助光源部に対応する第２フライアイ
４２    補助光源部に対応する第１フライアイ
５１、６５    ダイクロイック膜
６２    ダイクロイックミラー
６３、８２    全反射ミラー
６４    透過型液晶パネル
６７、８８    投写光学系
８３    ＰＢＳ
８５    反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ）
８６    特定波長偏光変換素子
８７    偏光板
８９    カラークワッド
１０１    発光管
１０２    陰極
１０３    陽極
１０５    楕円面リフレクタ
１０６    透明部材
１０７    棒状保持部材
【図１】
2004157405.tif 000003
【図２】
2004157405.tif 000004
【図３】
2004157405.tif 000005
【図４】
2004157405.tif 000006
【図５】
2004157405.tif 000007
【図６】
2004157405.tif 000008
【図７】
2004157405.tif 000009
【図８】
2004157405.tif 000010
【図９】
2004157405.tif 000011
【図１０】
2004157405.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2004157405.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2004157405.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2004157405.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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