(57)【要約】【課題】ロッドインテグレータを備えたプロジェクタにおいて、光の利用効率を容易に向上させる。【解決手段】集光光を射出する光源装置と、光入射面が前記集光光の集束位置近傍に配置され、前記光源装置から射出された光の照度分布を均一化して光射出面から射出するためのロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータから射出される光が入射し、該光を、与えられた画像信号に応じて反射して画像を表す画像光として射出する反射型光変調装置と、前記ロッドインテグレータから射出される光を、前記反射型光変調装置に導くためのリレー光学系とを備える。前記ロッドインテグレータは、前記ロッドインテグレータの光射出面から射出される光の前記光射出面に垂直な中心軸に対する最大傾斜角を、前記光源装置から射出される集光光の前記光入射面に垂直な中心軸に対する最大傾斜角よりも小さくするための傾斜角変更部を備える。【選択図】　　　　図１
2004038086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を投写するプロジェクタであって、
集光光を射出する光源装置と、
光入射面が前記集光光の集束位置近傍に配置され、前記光源装置から射出された光の照度分布を均一化して光射出面から射出するためのロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータから射出される光が入射し、該光を、与えられた画像信号に応じて反射して画像を表す画像光として射出する反射型光変調装置と、前記ロッドインテグレータから射出される光を、前記反射型光変調装置に導くためのリレー光学系と、を備え、
前記ロッドインテグレータは、前記ロッドインテグレータの光射出面から射出される光の前記光射出面に垂直な中心軸に対する最大傾斜角を、前記光源装置から射出される集光光の前記光入射面に垂直な中心軸に対する最大傾斜角よりも小さくするための傾斜角変更部を備えることを特徴とする、
プロジェクタ。
【請求項２】
前記傾斜角変更部は凹レンズによって構成される請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項３】
請求項２記載のプロジェクタであって、
前記ロッドインテグレータは、内部が中空で、両端部に、それぞれ前記光入射面に相当する入射開口面と前記光射出面に相当する射出開口面を有し、前記内部の内側面に反射面を有している柱状の中空ロッドであって、入射開口面から入射した光を前記内側面で反射させながら前記射出開口面へ導き、該射出開口面から射出される光の照度分布をほぼ均一化する中空ロッドを含み、前記入射開口面を有する端部に前記凹レンズが設けられている、プロジェクタ。
【請求項４】
請求項２記載のプロジェクタであって、
前記ロッドインテグレータは、内部全体が透光性部材で形成された柱状のロッドであって、前記ロッドの光入射面から入射した光を、内部の媒質と外部の媒質との屈折率の差による内部全反射により光射出面へ導き、該光射出面から射出される光の照度分布をほぼ均一化するロッドを含み、前記ロッドの光入射面近傍に前記凹レンズが設けられている、プロジェクタ。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載のプロジェクタであって、
さらに、前記ロッドインテグレータの光射出面に近接して配置され、所望の色光を透過し他の色光を反射する反射型色フィルタが、前記ロッドインテグレータから射出された光を複数の色光に区分して透過するようにスパイラル状に複数形成され、前記ロッドインテグレータの光射出面から射出される光の中心軸に略平行な回転軸を中心に回転することにより、透過する光に含まれる複数の色光の区分領域が循環的に変化するように構成されているカラーホイールを備えており、前記凹レンズの凹面は、前記光源装置から射出される集光光の中心軸を略中心とする部分に設けられており、
前記ロッドインテグレータは、さらに、前記凹レンズの近傍に設けられた反射ミラーであって、前記凹レンズの凹面に対応する部分に開口を有し、該開口の外周側に、前記カラーホイールで反射され、前記ロッドインテグレータ内を前記光射出面側から前記光入射面側に戻る光を反射する反射面を有する反射ミラーを備える、プロジェクタ。
【請求項６】
前記反射ミラーは、前記凹レンズの前記射出開口面側を向く面上に形成される請求項５記載のプロジェクタ。
【請求項７】
所定の領域を照明する照明光学系であって、
集光光を射出する光源装置と、
光入射面が前記集光光の集束位置近傍に配置され、前記光源装置から射出された光の照度分布を均一化して光射出面から射出するためのロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータの光射出面から射出される光を前記所定の領域に導くためのリレー光学系と、を備え、
前記ロッドインテグレータは、前記ロッドインテグレータの光射出面から射出される光の前記光射出面に垂直な中心軸に対する最大傾斜角を、前記光源装置から射出される集光光の前記光入射面に垂直な中心軸に対する最大傾斜角よりも小さくするための傾斜角変更部を備えることを特徴とする、
照明光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、画像を投写表示するプロジェクタ（投写型表示装置）に関し、特に、光の照度分布を均一にすることが可能なロッドインテグレータを備えたプロジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プロジェクタでは、光源装置（照明光学系）から射出された光（照明光）によって、光変調装置（電気光学装置とも呼ぶ。）の光入射面（光照射面とも呼ぶ。）が照明される。光変調装置の光入射面から入射した光は、画像信号（画像情報）に応じて変調され、光変調装置から画像を表す画像光として射出される。そして、光変調装置から射出された画像光を、投写光学系を介してスクリーン上に投写することにより画像が表示される。
【０００３】
光変調装置としては、変調した画像光が反射光として光入射面から射出するタイプの反射型光変調装置と、変調した画像光が透過光として光入射面と反対側の光射出面から射出するタイプの透過型光変調装置とがある。反射型光変調装置の例としては、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ、ＴＩ社の商標）のようなマイクロミラー型光変調装置（反射方向制御型光変調装置）や、反射型液晶パネル等があげられる。透過型光変調装置の例としては、透過型液晶パネルがあげられる。なお、ＤＭＤは、液晶パネルに比べて光照射面に照射された光の利用効率が高い。
【０００４】
１つの光変調装置を利用するプロジェクタ（「単板式プロジェクタ」とも呼ばれる。）では、例えば、次のようにしてカラー表示を実現することができる。すなわち、照明光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色に対応する３つの色フィルタを有するカラーホイールに入射させて、照明光に含まれるＲＧＢ３原色の光を順に循環的に透過して射出させる。光変調装置の光入射面には、カラーホイールから射出された３原色の光が順に照射される。光変調装置では、光入射面から順に入射する光を、その光の色に対応する色信号に基づいて変調することにより、それぞれの色信号に対応する色成分の画像光を生成する。生成された各色の画像光の表す画像（以下、「色成分画像」とも呼ぶ。）を順に投写する。順に投写された３つの色成分画像は、人間の目の残像効果によって合成されて１つのカラー画像として見えることになる。
【０００５】
なお、このように、ＲＧＢ３原色の光に対応する色成分画像を順に表示させることによるカラー画像の表示を、「時分割表示」あるいは「フィールドシーケンシャル表示」とも呼ぶ。
【０００６】
ここで、上記フィールドシーケンシャル表示の場合、カラーホイールを透過できない色の光が無駄となる。例えば、Ｒ光が透過されるときにはＧ光及びＢ光が、Ｇ光が透過されるときにはＢ光及びＲ光が、Ｂ光が透過されるときにはＲ光及びＧ光が無駄になる。このため、光源装置から射出された光が照明光として十分に利用されず利用効率の点で問題がある。
【０００７】
このような問題を解決して光の利用効率を向上させる方法が、ＳＯＣＩＥＴＹ　ＦＯＲ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　ＤＩＳＰＬＡＹ　２００１　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ　ＤＩＧＥＳＴ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ　ＰＡＰＥＲＳ・Ｖｏｌｕｍｅ　ＸＸＸＩＩ（ｐａｇｅ　１０７６　）に記載されたＳｅｑｕｅｎｔｉａｌ　Ｃｏｌｏｒ　Ｒｅｃａｐｔｕｒｅａｎｄ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ：　Ａ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｓｃｒｏｌｌｉｎｇ　Ｃｏｌｏｒ（Ｄ．　Ｓｃｏｔｔ　Ｄｅｗａｌｄ，　Ｓｔｅｖｅｎ　Ｍ．　Ｐｅｎｎ，　ａｎｄ　Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｄａｖｉｓ）で提案されている。
【０００８】
図６は、上記文献において説明されているＳＣＲ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　Ｃｏｌｏｒ　Ｒｅｃａｐｔｕｒｅ）技術を用いたプロジェクタの要部を示す概略平面図である。このプロジェクタ１０００（以下、「ＳＣＲプロジェクタ」と呼ぶ。）は、光源装置１００と、ＳＣＲ用のロッドインテグレータ２００（以下、「ＳＣＲインテグレータ」と呼ぶ。）と、ＳＣＲ用のカラーホイール３００（以下、「ＳＣＲホイール」と呼ぶ。）と、リレー光学系４００と、反射ミラー５００と、フィールドレンズ６００と、ＤＭＤ７００と、投写レンズ（投写光学系）８００とを、システム光軸１０００ａｘに沿って順に配置して構成されている。
【０００９】
光源装置１００は、回転楕円面形状の反射面を有する楕円リフレクタ１１０と、メタルハライドランプや高圧水銀灯などの高圧放電灯が利用される光源ランプ１２０とで構成される。なお、光源装置１００の中心軸１００ａｘおよびＳＣＲインテグレータ２００の中心軸２００ａｘは、システム光軸１０００ａｘに一致するように配置されている。光源ランプ１２０は、楕円リフレクタ１１０の第１焦点Ｆ１に配置され、光源装置１００から射出される光は、楕円リフレクタ１１０の第２焦点Ｆ２で集束する集光光となる。ＳＣＲインテグレータ２００は、その光入射面２０２の中心（中心軸２００ａｘ上の点）が楕円リフレクタ１１０の第２焦点Ｆ２となるように配置される。このような構成とすることにより、光源装置１００から射出された集光光を、ＳＣＲインテグレータ２００の光入射面２０２から内部に効率よく入射するようにすることができる。なお、光源装置としては、回転放物面形状の反射面を有するリフレクタを有するものを用いるようにしてもよい。ただし、この場合、射出される光が略平行な光となるため、光を集光するためにレンズを用いる必要がある。
【００１０】
ＳＣＲインテグレータ２００の光入射面２０２から内部に入射した光は、内部で反射しながら光射出面２０４から射出される。ＳＣＲインテグレータ２００は、内部で反射を繰り返すことにより、光入射面２０２から入射した光の照度分布が一様でない場合においても、照度分布が一様な光に変換して光射出面から射出する機能を有している。
【００１１】
図７は、ＳＣＲインテグレータ２００を示す説明図である。図７（Ｂ）はＳＣＲインテグレータ２００の平面図を示し、図７（Ａ）は光入射面２０２側の側面図を示し、図７（Ｃ）は光射出面２０４側の側面図を示している。ＳＣＲインテグレータ２００は、光入射面２０２および光射出面２０４が略矩形状の輪郭を有する四角柱状の透光性ロッドである。
【００１２】
このＳＣＲインテグレータ２００は、内部全体が透光性部材で形成されており、光入射面２０２から入射した光を、ロッド側面の境界における媒質の屈折率の差による内部全反射により光射出面２０４へ導き、光射出面２０４から射出される光の照度分布をほぼ均一化する機能を有している。
【００１３】
光射出面２０４の輪郭形状は、通常、ＤＭＤ７００の光入射面を照明する光の照明効率を考慮して、この光入射面に相似な形状とされる。例えば、ＤＭＤ７００の光入射面のアスペクト比（縦横比）は、約４：３あるいは約１６：９であるので、光射出面２０４の輪郭形状も同様に約４：３あるいは約１６：９となるように構成されている。
【００１４】
なお、ＳＣＲインテグレータとしては、ライトトンネルとも呼ばれる内側面が反射面で覆われた中空のロッドインテグレータを用いることも可能である。すなわち、このＳＣＲインテグレータとしては、少なくとも、光入射面から入射した光の照度分布が一様でない場合においても、その光を反射させながら光射出面に導き、光の照度分布が一様な光に変換して光射出面から射出する機能を有しているロッドインテグレータであればよい。
【００１５】
ＳＣＲインテグレータ２００の光入射面２０２の外側には、光入射面２０２と接する側を反射面とする反射ミラー２０６が形成されている。この反射ミラー２０６には、光入射面２０２に垂直な中心軸２００ａｘを中心とする円系の開口部２０６ａが形成されている。開口部２０６ａを通過する光のみが光入射面２０２からＳＣＲインテグレータ２００の内部に入射可能である。
【００１６】
開口部２０６ａの大きさは、光源装置１００からＳＣＲインテグレータ２００内に入射させる光の入射効率と、後述する反射ミラー２０６における光の反射効率とを考慮して適宜設定される。通常、開口部２０６ａの開口径は、反射ミラー２０６の長手方向の大きさに対して１／３程度の大きさに設定される。
【００１７】
反射ミラー２０６は、開口部２０６ａに対応する部分を除く光入射面２０２上にアルミニウム膜、銀膜等を形成することにより形成される。また、誘電体多層膜（コールドミラー等）を蒸着することによっても形成可能である。また、ＥＳＲフィルム（３Ｍ社製）を貼り付けることによっても形成可能である。なお、平板状の透明体（例えばガラス板）にアルミニウム膜、銀膜、誘電体多層膜、ＥＳＲフィルム等を選択的に形成したものを、光入射面２０２に近接配置したり、貼り合わせたりすることも可能である。
【００１８】
図６のＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出された光は、ＳＣＲホイール３００に入射する。
【００１９】
図８は、ＳＣＲホイール３００を示す説明図である。ＳＣＲホイール３００は、回転軸３２０を中心に図示しないモータによって回転可能に構成された円板状のフィルタ面３１０を有している。フィルタ面３１０には、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）それぞれの色フィルタの境界線（図中実線で示す曲線）が、フィルタ面３１０上における回転軸３２０上の中心点を中心にアルキメデスのスパイラルを形成するように配列形成されている。Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの色フィルタは、それぞれ対応する色光を透過し、他の色光を反射するフィルタである。これらの色フィルタは、それぞれ対応するダイクロイック膜をフィルタ面３１０上にコーティングすることにより形成される。
【００２０】
ＳＣＲホイール３００は、フィルタ面３１０がＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４に平行に近接配置される。
【００２１】
ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出される光は、図８に破線で示したように、ある時間タイミングにおいて複数の色フィルタに入射し、それぞれ対応する色光のみを透過し、他の色光を反射する。
【００２２】
図９は、ＳＣＲホイール３００で反射された光について示す説明図である。例えば、ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出されてＳＣＲホイール３００のフィルタ面３１０上に形成されたＲ光透過フィルタ３１０Ｒに入射した光のうち、Ｒ光は透過され、Ｇ光およびＢ光は反射されて光射出面２０４からＳＣＲインテグレータ２００の内部に再び入射する。
【００２３】
この反射されたＧ光およびＢ光（以下、「ＧＢ光」と呼ぶ。）は、ＳＣＲインテグレータ２００の内部で反射を繰り返しながら光入射面２０２の方向へ戻る。光入射面２０２上には、反射ミラー２０６が形成されているので、光入射面２０２に到達したＧＢ光は、反射ミラー２０６の開口部２０６ａを通過する一部のＧＢ光を除いて反射ミラー２０６で反射される。
【００２４】
反射ミラー２０６で反射されたＧＢ光はＳＣＲインテグレータ２００の内部を反射しながら光射出面２０４の方向へ進み、光射出面２０４から射出されて、再度ＳＣＲホイール３００に入射する。再度ＳＣＲホイール３００に入射したＧＢ光が、透過可能な色フィルタ、例えば、Ｇ光ならばＧ光透過フィルタ３１０Ｇ、Ｂ光ならばＢ光透過フィルタ３１０Ｂに入射した場合には、ＳＣＲホイール３００を通過して照明光として利用可能となる、一方、再度ＳＣＲホイール３００に入射したＧＢ光は、透過不可のフィルタ、すなわち、Ｒ光透過フィルタ３１０Ｒに入射した場合には、再び反射されて、透過可能なフィルタに入射して有効な光として利用されるまでＳＣＲインテグレータ２００内を繰り返し往復することになる。
【００２５】
なお、上述の説明は最初にＲ光フィルタ３１０Ｒに入射する光の場合を例に説明しているが、他のＧ光透過フィルタ３１０ＧあるいはＢ光透過フィルタ３１０Ｂに最初に入射する光においても同様である。
【００２６】
以上説明したように、ＳＣＲプロジェクタ１０００では、ＳＣＲホイール３００で反射されて有効に利用されなかった光を再利用することが可能となる。従って、フィールドシーケンシャル表示において発生していたカラーホイールによる光の無駄を抑制して、光源装置１００から射出された光を効率良く利用することが可能である。なお、このように光を再利用する技術を、「ＳＣＲ技術」と呼んでいる。
【００２７】
図６のリレー光学系４００は、ＳＣＲホイール３００を通過したＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４における光の像を、ＤＭＤ７００の光入射面７０２を少なくとも含む領域上で所定の結像倍率で結像する機能を有しており、少なくとも１以上のレンズにより構成することができる。
【００２８】
ここで、ＳＣＲホイール３００のフィルタ面３１０はＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４に近接配置されているので、リレー光学系４００は、ＳＣＲホイール３００を通過した光の像を所定の結像倍率で結像すると考えてもよい。なお、照明領域として結像される像（以下、「照明領域の像」とも呼ぶ。）の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）ＤＡは、ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）をＤＩとし、結像倍率をｋｓとすると、以下の式で表される。
【００２９】
ＤＡ＝ＤＩ・ｋｓ　…（１）
【００３０】
なお、所定の結像倍率ｋｓは、ＤＭＤ７００の光照射面を効率よく照明するように、照明領域の像の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）ＤＡが光入射面７０２の大きさにほぼ等しくなるように設定される。通常、結像倍率ｋｓは、約１．５倍〜約２．５倍の範囲で設定される。
【００３１】
反射ミラー５００は、リレー光学系４００から射出された光がフィールドレンズ６００を介してＤＭＤ７００に入射するように反射する。
【００３２】
ＤＭＤ７００は、光入射面７０２から入射する光を、与えられた画像信号（画像情報）に応じて各画素に対応するマイクロミラーで反射することにより、画像を表す画像光を投写レンズ８００の方向に射出する機能を有する反射方向制御型光変調装置（マイクロミラー型光変調装置）である。ＤＭＤ７００の光入射面７０２から射出される画像光は、フィールドレンズ６００及び投写レンズ８００を介して投写される。これにより、画像光の表す画像が投写表示される。
【００３３】
なお、反射ミラー５００からＤＭＤ７００までのシステム光軸１０００ａｘは、ＤＭＤ７００の上述の反射方向を制御する機能上の制約のために、ＤＭＤ７００から投写レンズ８００までのシステム光軸１０００ａｘに対して所定の傾きを有することが要求される。このため、反射ミラー５００は、リレー光学系４００から射出される光の中心軸を反射して、ＤＭＤ７００から投写レンズ８００までのシステム光軸１０００ａｘに対して所定の傾きを有するように配置されている。ただし、反射ミラー５００は、光源装置１００からリレー光学系４００までの光学系の配置によっては、省略することも可能である。また、反射ミラー５００は、必ずしも１枚である必要はなく、複数枚の反射ミラーを組み合わせて構成することも可能である。
【００３４】
ここで、「ＤＭＤ７００の光入射面７０２」は、照射された光を画像光として利用可能な領域、すなわち、上述の各画素に対応するマイクロミラーが形成されている領域を示す。
【００３５】
また、「所定の傾き」は、利用するデバイスに応じて適宜決定されものであり、以下の説明では特に問題ではないため、説明を省略する。
【００３６】
ところで、図１０は、ＤＭＤ７００の光入射面７０２を少なくとも含む領域上で結像される光の像を模式的に示す説明図である。ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出される光は、図８に破線で示したように、あるタイミングにおいて複数の色フィルタに入射する。従って、ＳＣＲホイール３００を通過して結像される光の像は、図１０に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂの複数の色光の領域に区分される。また、ＳＣＲホイール３００の回転に応じて、各色フィルタの境界は放射方向に移動するので、これに応じて、ＳＣＲホイール３００を通過した結像される光の像において、Ｒ，Ｇ，Ｂの複数の色光に区分されている領域のパターンは、例えば、図１０（Ａ）および（Ｂ）に示すように、例えば、表示タイミングＴ＝０における状態から、表示タイミングＴ＝１における状態へと変化する。なお、表示タイミングとは、表示画像のデータを更新する単位時間を示している。
【００３７】
従って、ある表示タイミングにおいて、ＤＭＤ７００の各画素には、その画素に照射されている光の色に応じた色成分画像に相当する画像信号を供給する必要がある。照明される光の色のパターンは、例えば、ＳＣＲホイールの回転に応じて変化するようにＳＣＲホイール３００上に設けられた図示しない基準点の位置に応じて一義的に決定することが可能である。図示しない画像処理回路では、この基準点の位置を観測することにより対応する光の色のパターン情報を求めて、このパターン情報に応じて各画素の画像信号を生成して、ＤＭＤ７００に供給する。
【００３８】
以上のようにして、ＳＣＲプロジェクタ１０００では、各画素に、照射される光の色に応じた色成分画像を表示する。そして、表示された各画素の色成分画像が人間の目の残像効果によって合成されて１つのカラー画像として見えることになる。
【００３９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳＣＲインテグレータ２００の光入射面２０２近傍で結像される光源ランプ１２０のアーク像（以下、「２次光源像」と呼ぶ）の大きさは、以下のように決定される。すなわち、光源ランプ１２０のアーク像の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）をＤｓとし、２次光源像の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）をＤｉとし、楕円リフレクタ１１０の第１および第２焦点距離をｆ１，ｆ２とすると、２次光源像の大きさＤｉは、以下の式で表される。
【００４０】
Ｄｉ＝Ｄｓ・ｆ２／ｆ１　…（２）
【００４１】
このアーク像の大きさＤｓは、有限の大きさを有しているため、上記（２）式からわかるように、２次光源像の大きさも有限の大きさを有している。このため、反射ミラー２０６の開口部２０６ａの大きさよりも２次光源像の大きさＤｉの方が大きくなる場合もある。
【００４２】
光源装置１００から射出された集光光を効率よく利用するためには、２次光源像の大きさＤｉが反射ミラー２０６の開口部２０６ａの大きさよりも小さくなるようにすることが好ましい。上記（２）式からわかるように、２次光源像の大きさを小さくするのは、第１焦点距離ｆ１を大きくする、または、第２焦点距離ｆ２を小さくすることにより可能である。しかしながら、このように単純に２次光源像を小さくしただけでは、以下の問題点がある。
【００４３】
図１１は、２次光源像を小さくした場合の問題点について示す説明図である。図１１（Ａ）は、ＳＣＲプロジェクタ１０００の照明光学系部分を拡大してい示している。図１１（Ａ）に示すように、光源装置１００の楕円リフレクタ１１０の第１焦点距離をｆ１、第２焦点距離をｆ２とする。２次光源像の大きさＤｉは、上記（２）式で表される。また、光源装置１００から射出された集光光の中心軸１００ａｘ（光源装置１００の中心軸）に対する最大傾斜角（以下、単に「入射角」と呼ぶ。）をθｉとし、ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出される光の、中心軸１００ａｘに対する最大傾斜角（以下、単に「射出角」と呼ぶ。）をθｏとする。射出角θｏはほぼ入射角θｉに等しくなる。なお、ＳＣＲインテグレータ２００の中心軸２００ａｘ（光入射面２０２および光射出面２０４に垂直な中心軸）は、光源装置１００の中心軸１００ａｘに一致している。
【００４４】
図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）における光源装置１００を、光源装置１００の楕円リフレクタ１１０よりも短い第２焦点距離ｆ２’（＜ｆ２）を有する楕円リフレクタ１１０’を有する光源装置１００’に置き換えた場合を示している。
【００４５】
図１１（Ｂ）の場合における２次光源像の大きさＤｉ’は以下の式で表される。
【００４６】
Ｄｉ’＝Ｄｓ・ｆ２’／ｆ１　…（３）
【００４７】
また、光源装置１００’から射出された集光光の入射角をθｉ’とし、ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出される光の射出角をθｏ’とする。射出角θｏ’はほぼ入射角θｉ’に等しくなる。
【００４８】
図１１（Ｂ）の場合、上記（２）式および（３）式を比較すればわかるように、ｆ２’＜ｆ２によりＤｉ’＜Ｄｉとなって、２次光源像の大きさを小さくすることは可能である。
【００４９】
しかしながら、図１１（Ｂ）における楕円リフレクタ１１０’の開口面の大きさが図１１（Ａ）における楕円リフレクタ１１０の開口面の大きさに等しいとすると、θｉ’＞θｉとなり、これに応じてθｏ’＞θｏとなる。このため、ＳＣＲインテグレータ２００から射出される光を効率よく利用するためには、図１１（Ｂ）におけるリレー光学系４００’の大きさＬｄ’（レンズ口径）は、図１１（Ａ）におけるリレー光学系４００のレンズ口径Ｌｄに比べて大きくする必要がある。すなわち、単純に２次光源像の大きさを小さくする場合には、レンズ口径が大きなリレー光学系が必要となる。しかしながら、レンズ口径が大きなリレー光学系には、収差等の問題や製造コストの問題が発生する場合がある。
【００５０】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、光の照度分布を均一にすることが可能なロッドインテグレータを備えたプロジェクタにおいて、光の利用効率を容易に向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。
【００５１】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明は、画像を投写するプロジェクタであって、
集光光を射出する光源装置と、
光入射面が前記集光光の集束位置近傍に配置され、前記光源装置から射出された光の照度分布を均一化して光射出面から射出するためのロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータから射出される光が入射し、該光を、与えられた画像信号に応じて反射して画像を表す画像光として射出する反射型光変調装置と、前記ロッドインテグレータから射出される光を、前記反射型光変調装置に導くためのリレー光学系と、を備え、
前記ロッドインテグレータは、前記ロッドインテグレータの光射出面から射出される光の前記光射出面に垂直な中心軸に対する最大傾斜角を、前記光源装置から射出される集光光の前記光入射面に垂直な中心軸に対する最大傾斜角よりも小さくするための傾斜角変更部を備えることを特徴とする。
【００５２】
本発明のプロジェクタでは、ロッドインテグレータの光射出面から射出される光の光射出面に垂直な中心軸に対する最大傾斜角を、光源装置から射出される集光光の光入射面に垂直な中心軸に対する最大傾斜角よりも小さくすることができるので、従来例で説明したように、リレー光学系のレンズ口径を大きくすることなく、光源ランプのアークの像を小さくすることができる。これにより、光源装置から射出される光の利用効率を容易に向上させることが可能である。
【００５３】
ここで、前記傾斜角変更部は凹レンズによって容易に構成することができる。
【００５４】
なお、前記ロッドインテグレータは、内部が中空で、両端部に、それぞれ前記光入射面に相当する入射開口面と前記光射出面に相当する射出開口面を有し、前記内部の内側面に反射面を有している柱状の中空ロッドであって、入射開口面から入射した光を前記内側面で反射させながら前記射出開口面へ導き、該射出開口面から射出される光の照度分布をほぼ均一化する中空ロッドを含み、前記入射開口面を有する端部に前記凹レンズが設けられていることが好ましい。
【００５５】
あるいは、前記ロッドインテグレータは、内部全体が透光性部材で形成された柱状のロッドであって、前記ロッドの光入射面から入射した光を、内部の媒質と外部の媒質との屈折率の差による内部全反射により光射出面へ導き、該光射出面から射出される光の照度分布をほぼ均一化するロッドを含み、前記ロッドの光入射面近傍に前記凹レンズが設けられているものも好ましい。
【００５６】
上記どちらのロッドインテグレータであっても、ロッドインテグレータの光射出面から射出される光の最大傾斜角を、前記光源装置から射出される集光光の最大傾斜角よりも小さくすることが容易である。
【００５７】
なお、上記プロジェクタにおいて、
さらに、前記ロッドインテグレータの光射出面に近接して配置され、所望の色光を透過し他の色光を反射する反射型色フィルタが、前記ロッドインテグレータから射出された光を複数の色光に区分して透過するようにスパイラル状に複数形成され、前記ロッドインテグレータの光射出面から射出される光の中心軸に略平行な回転軸を中心に回転することにより、透過する光に含まれる複数の色光の区分領域が循環的に変化するように構成されているカラーホイールを備えており、前記凹レンズの凹面は、前記光源装置から射出される集光光の中心軸を略中心とする部分に設けられており、
前記ロッドインテグレータは、さらに、前記凹レンズの近傍に設けられた反射ミラーであって、前記凹レンズの凹面に対応する部分に開口を有し、該開口の外周側に、前記カラーホイールで反射され、前記ロッドインテグレータ内を前記光射出面側から前記光入射面側に戻る光を反射する反射面を有する反射ミラーを備えることも可能である。
【００５８】
上記構成にすれば、ＳＣＲ技術を利用したプロジェクタにおいて本発明を適用することが可能となる。
【００５９】
なお、前記反射ミラーは、前記凹レンズの前記射出開口面側を向く面上に形成されることが好ましい。
【００６０】
こうすれば、反射ミラーが凹レンズの前記射出開口面側を向く面上に形成されない場合に比べて、ロッドインテグレータにおける光の損失を抑制することが可能である。
【００６１】
また、本発明は、所定の領域を照明する照明光学系であって、
集光光を射出する光源装置と、
光入射面が前記集光光の集束位置近傍に配置され、前記光源装置から射出された光の照度分布を均一化して光射出面から射出するためのロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータの光射出面から射出される光を前記所定の領域に導くためのリレー光学系と、を備え、
前記ロッドインテグレータは、前記ロッドインテグレータの光射出面から射出される光の前記光射出面に垂直な中心軸に対する最大傾斜角を、前記光源装置から射出される集光光の前記光入射面に垂直な中心軸に対する最大傾斜角よりも小さくするための傾斜角変更部を備えることを特徴とする。
【００６２】
上記発明の照明光学系を、プロジェクタに適用すれば、上記発明のプロジェクタを構成することが可能である。
【００６３】
【発明の実施の形態】
Ａ．実施例：
図１は、本発明の実施例に係るＳＣＲプロジェクタを示す概略平面図である。このＳＣＲプロジェクタ１０００Ａは、従来例で説明したＳＣＲプロジェクタ１０００（図６）のＳＣＲインテグレータ２００をＳＣＲインテグレータ２００Ａに置き換えた点、および、光源装置１００を光源装置１００’（図１１）に相当する光源装置１００Ａに置き換えた点を除いて同じ構成を有している。なお、反射ミラー５００を除く各構成要素１００Ａ，２００Ａ，３００，４００，６００，７００，８００は、ＳＣＲプロジェクタに最低限必要な構成要素を示しており、各構成要素間に反射ミラーやレンズ等の種々の光学要素を適宜配置することが可能である。各構成要素の機能は従来例と全く同じであるので、以下では、ＳＣＲインテグレータ２００Ａについて特に説明を加える。
【００６４】
図２は、ＳＣＲインテグレータ２００Ａを示す説明図である。図２（Ａ）の斜視図に示すように、ＳＣＲインテグレータ２００Ａは、内部が中空で、両端部が開口されており、両端部の輪郭が略矩形状を有する柱状の中空ロッド２１０を有している。
【００６５】
中空の内側面全体には反射ミラーが形成されている。この反射ミーは、アルミニウム膜、銀膜等により形成される。また、誘電体多層膜（コールドミラー等）を蒸着することによっても形成可能である。また、ＥＳＲフィルム（３Ｍ社製）を貼り付けることによっても形成可能である。
【００６６】
この中空ロッド２１０は、一方の端部の開口面から入射した光を、内側面で反射させながら他方の端部の開口面に導き、他方の端部の開口面から射出される光の照度分布をほぼ均一化する機能を有している。この中空ロッド２１０は、従来例におけるＳＣＲインテグレータ２００（図６）に含まれている透光性ロッドと同様の機能を有している。
【００６７】
中空ロッド２１０の開口された一方の端部が光入射面２１２に相当し、他方の端部が光射出面２１４に相当する。光入射面２１２に相当する一方の端部には、図２（Ｂ）に示すように、凹レンズ２２０がはめ込まれている。
【００６８】
凹レンズ２２０において、中空ロッド２１０から外側を向く一方の面２２２には凹面２２２ａが形成されており、内側を向く他方の面２２４には反射ミラー２３０が形成されている。この反射ミラー２３０は、従来例のＳＣＲインテグレータ２００（図７）における反射ミラー２０６に相当する。凹面２２２ａは、凹レンズ２２０の一方の面２２２において、光入射面２１２および光射出面２１４に垂直なＳＣＲインテグレータ２００Ａの中心軸２００Ａａｘを中心とする一部分に形成されている。反射ミラー２３０において、凹レンズ２２０の凹面２２２ａに対応する部分には、反射ミラー２０６の開口部２０６ａと同様に、図示しない開口部が形成されている。なお、反射ミラー２３０が形成されている面において、反射ミラー２３０の開口部に対応する部分に凹面を形成するようにしてもよい。また、反射ミラー２３０を、凹面２２２ａが形成されている側の面２２２に形成するようにしてもよい。
【００６９】
図３は、ＳＣＲインテグレータ２００Ａの機能を示す説明図である。光源装置１００Ａから射出される集光光は、上記課題で説明した光源装置１００’を用いた場合（図１１）と同様に、光源装置１００を用いた場合の入射角θｉよりも大きな入射角θｉ’で、凹レンズ２２０の凹面２２２ａを介してＳＣＲインテグレータ２００Ａの内部に入射する。
【００７０】
凹レンズ２２０は、光を発散させる働き、すなわち、いわゆる負のレンズパワーを有しているので、凹レンズ２２０を介して内部に入射される光の最大傾斜角θｐ（以下、「内部入射角」と呼ぶ。）を入射角θｉ’よりも小さくすることができる。従って、凹レンズの特性を適切に選択することにより、内部入射角θｐを、従来例のＳＣＲプロジェクタ１０００のように光源装置１００を用いた場合における入射角θｉ（図１１）にほぼ等しくすることが可能である。一般に、中空ロッド２１０への入射角と射出角は等しいので、本例における射出角θｏ’を、従来例のＳＣＲプロジェクタ１０００における入射角θｉにほぼ等しくすることができ、また、射出角θｏ（図１１）にほぼ等しくできる。従って、課題で説明したように、２次光源像の大きさを小さくするために、レンズ口径の大きなリレー光学系を用いる必要がない。さらに、内部入射角θｐを入射角θｉよりも小さくするようにすれば、より小さなレンズ口径のリレー光学系を利用することができ、装置の小型化を図ることも可能となる。なお、この凹レンズ２２０が本発明の傾斜角変更部に相当する。
【００７１】
また、光源装置１００Ａは、従来例の光源装置１００の楕円リフレクタ１１０の第２焦点距離ｆ２よりも短い第２焦点距離ｆ２’を有する楕円リフレクタ１１０’を用いて構成されているので、ＳＣＲインテグレータ２００Ａの光入射面近傍で結像される２次光源像の大きさＤｉ’を、従来例の光源装置１００における２次光源像の大きさＤｉよりも小さくすることができる。これにより、ＳＣＲインテグレータ２００Ａに入射する光の効率を向上させることが可能である。
【００７２】
以上説明したように、本実施例のプロジェクタ１０００Ａでは、ＳＣＲインテグレータ２００Ａを用いることにより、従来例のプロジェクタ１０００のリレー光学系４００をそのまま利用することができるので、課題で説明したレンズ口径の大きなリレー光学系を用いる必要があるという問題を解決して、光の利用効率を容易に向上させることが可能となる。そして、均一でより明るい画像の投写表示を容易に実現することができる。
【００７３】
Ｂ．変形例：
なお、本発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７４】
Ｂ１．変形例１：
図４は、変形例としてのＳＣＲインテグレータ２００Ｂを示す概略斜視図である。
【００７５】
このＳＣＲインテグレータ２００Ｂは、実施例におけるＳＣＲインテグレータ２００Ａ（図２）のような中空ロッド２１０ではなく、従来例におけるＳＣＲインテグレータ２００のような内部全体が透光性部材で形成されたロッド２１０Ｂ（透光性ロッド）の光入射面２１２Ｂ上に、傾斜角変更部としての凹レンズ２２０（図２）を反射ミラー２３０が形成されている面で貼り合わせた構成を有している。
【００７６】
本変形例のＳＣＲインテグレータ２００Ｂを、実施例のＳＣＲインテグレータ２００Ａと置き換えても、実施例と同様の作用・効果を得ることができる。
【００７７】
Ｂ２．変形例２：
図５は、他の変形例としてのＳＣＲインテグレータ２００Ｃを示す説明図である。
【００７８】
このＳＣＲインテグレータ２００Ｃは、図５（Ａ）の概略斜視図に示すように、透光性ロッド２１０Ｃの光入射面２１２Ｃ上に、反射ミラー２０６に相当する反射ミラー２３０Ｃが形成された構成を有している。このＳＣＲインテグレータ２００Ｃの構成は、従来例のＳＣＲインテグレータ２００（図２）と基本的に同様な構成を有しているが、以下に示す点を除いてでＳＣＲインテグレータ２００と異なっている。
【００７９】
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に一点鎖線で示すようにＳＣＲインテグレータ２００Ｃを切断し、矢印Ａ方向に向いて見た概略切断面を示している。この概略切断面に示すように、透光性ロッド２１０Ｃは、屈折率ｎ２の透光性部材で形成され、両面が凹面形状を有する部分２１０Ｃａ（以下、「凹面形状部分」と呼ぶ。）と、凹面形状部分２１０Ｃａを挟み、屈折率ｎ１の透光性部材で形成された２つの部分２１０Ｃｂ，２１０Ｃｃで、凹面に対応する面が凹面の曲率にほぼ等しい凸面を有している部分（以下、「凸面形状部分」と呼ぶ。）とが互いに貼り合わされた構成を有している。
【００８０】
凹面形状部分２１０Ｃａの屈折率ｎ２は、２つの凸面形状部分２１０Ｃｂ，２１０Ｃｃの屈折率ｎ１よりも大きい。これにより、凹面形状部分２１０Ｃａは凹レンズとして機能し、この凹面形状部分２１０Ｃａに入射して射出される光の最大傾斜角θ２は、入射する光の最大傾斜角θ１よりも小さくすることができる。この凹面形状部分２１０Ｃａが本発明の傾斜角変更部に相当する。
【００８１】
従って、本変形例のＳＣＲインテグレータ２００Ｃも、実施例におけるＳＣＲインテグレータ２００Ａや変形例のＳＣＲインテグレータ２００Ｂと同様であり、実施例のＳＣＲインテグレータ２００Ａと置き換えても、同様の作用・効果を得ることができる。
【００８２】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例および変形例１では、光入射面側に凹レンズが形成されている構成を示しているが、光射出面側に凹レンズが形成されている構成とすることも可能である。なお、この場合には、凹レンズの面上に形成されている反射ミラーを光入射面上に形成する必要がある。
【００８３】
Ｂ４．変形例４：
上記実施例では、反射型光変調装置としてＤＭＤを備えているプロジェクタを例に説明しているが、例えば、１つの反射型液晶パネルを備えるプロジェクタにも本発明を適用することが可能であり、種々の反射型変調装置を利用したプロジェクタにも本発明を適用することが可能である。
【００８４】
Ｂ５．変形例５：
上記実施例では、ＳＣＲ技術を利用したプロジェクタを例に説明しているが、これを利用しないプロジェクタにも本発明を適用することが可能である。ＳＣＲ技術を用いないプロジェクタの場合には、実施例や変形例におけるＳＣＲインテグレータの光入射面側に形成されている反射ミラーを省略することができる。また、凹レンズとしては、凹面が形成されている面の一部分ではなく前面に凹面が形成されてものを用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るＳＣＲプロジェクタを示す概略平面図である。
【図２】ＳＣＲインテグレータ２００Ａを示す説明図である。
【図３】ＳＣＲインテグレータ２００Ａの機能を示す説明図である。
【図４】変形例としてのＳＣＲインテグレータ２００Ｂを示す概略斜視図である。
【図５】他の変形例としてのＳＣＲインテグレータ２００Ｃを示す説明図である。
【図６】ＳＣＲ技術を用いたプロジェクタの要部を示す概略平面図である。
【図７】ＳＣＲインテグレータ２００を示す説明図である。
【図８】ＳＣＲホイール３００を示す説明図である。
【図９】ＳＣＲホイール３００で反射された光について示す説明図である。
【図１０】ＤＭＤ７００の光入射面７０２を少なくとも含む領域上で結像される光の像を模式的に示す説明図である。
【図１１】２次光源像を小さくした場合の問題点について示す説明図である。
【符号の説明】
１０００…プロジェクタ（ＳＣＲプロジェクタ）
１０００Ａ…プロジェクタ（ＳＣＲプロジェクタ）
１０００ａｘ…システム光軸
１００…光源装置
１００’…光源装置
１００Ａ…光源装置
１００ａｘ…中心軸
１１０…楕円リフレクタ
１２０…光源ランプ
１１０’…楕円リフレクタ
２００…ロッドインテグレータ（ＳＣＲインテグレータ）
２００ａｘ…中心軸
２０２…光入射面
２０４…光射出面
２０６…反射ミラー
２００Ａ…ロッドインテグレータ（ＳＣＲインテグレータ）
２００Ａａｘ…中心軸
２１０…中空ロッド
２１２…光入射面
２１４…光射出面
２２０…凹レンズ
２２２，２２４…面
２２２ａ…凹面
２３０…反射ミラー
２００Ｂ…ロッドインテグレ−タ（ＳＣＲインテグレータ）
２１０Ｂ…透光性ロッド
２１２Ｂ…光入射面
２１４Ｂ…光射出面
２００Ｃ…ロッドインテグレ−タ（ＳＣＲインテグレータ）
２００Ｃａｘ…中心軸
２１０Ｃ…透光性ロッド
２１２Ｃ…光入射面
２１４Ｃ…光射出面
２１０Ｃａ…凹面形状部
２１０Ｃｂ、２１０Ｃｃ…凸面形状部
２３０Ｃ…反射ミラー
３００…ＳＣＲホイール（ＳＣＲ用のカラーホイール）
３１０…フィルタ面
３１０Ｒ…Ｒ光透過フィルタ
３１０Ｇ…Ｇ光透過フィルタ
３１０Ｂ…Ｂ光透過フィルタ
３２０…回転軸
４００…リレー光学系
４００ａｘ…中心軸
５００…反射ミラー
６００…フィールドレンズ
６００ａｘ…中心軸
７００…ＤＭＤ
７００ａｘ…中心軸
７０２…光入射面
８００…投写レンズ（投写光学系）
【図１】
2004038086.tif 000003
【図２】
2004038086.tif 000004
【図３】
2004038086.tif 000005
【図４】
2004038086.tif 000006
【図５】
2004038086.tif 000007
【図６】
2004038086.tif 000008
【図７】
2004038086.tif 000009
【図８】
2004038086.tif 000010
【図９】
2004038086.tif 000011
【図１０】
2004038086.tif 000012
【図１１】
2004038086.tif 000013