(57)【要約】【課題】赤、緑、青の各光源からの照射光を、ダイクロイックプリズムを使用して同一光軸上に揃え、ライトバルブを照射して得た映像をスクリーン上に拡大投影する場合、スクリーン上に充分な投写光束を供給するのが難しかった。【解決手段】光源として赤、緑、青の各発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂに、更に青緑の発光ダイオード１１ＢＧを加え、これら３色以上の光源の光路を同一光軸上に揃えることが可能で、且つ、全反射を利用することで反射／透過効率の優れた波長合成プリズム２３，３２を配設する。【選択図】　　　　図５
2004070018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出力される光束をライトバルブに照射し、該ライトバルブによって形成された画像を、投写レンズによってスクリーンに投写する投写装置の照明光学系構造であって、
それぞれ赤、緑、青を中心波長として発光する各第１の光源と、
前記各第１の光源の色の各中心波長と異なる中心波長の色を発光する第２の光源と、
前記各第１の光源と前記第２の光源とからそれぞれ出力される光束を入力し、略同一光軸上で出力する波長合成手段と
を有することを特徴とする投写装置の照明光学系構造。
【請求項２】
光源から出力される光束をライトバルブに照射し、該ライトバルブによって形成された画像を、投写レンズによってスクリーンに投写する投写装置の照明光学系構造であって、
それぞれ赤、緑、青を中心波長として発光する各光源と、
少なくとも１つの前記光源から入力した光束を一旦全反射させた後誘電体多層膜で反射し、他の光源から入力して該誘電体多層膜を透過する波長の異なる光束と略同一光軸上で出力するように構成した波長合成プリズムと
を有することを特徴とする投写装置の照明光学系構造。
【請求項３】
光源から出力される光束をライトバルブに照射し、該ライトバルブによって形成された画像を、投写レンズによってスクリーンに投写する投写装置の照明光学系構造であって、
それぞれ赤、緑、青緑、青を中心波長として発光する各光源と、
少なくとも１つの前記光源から入力した光束を一旦全反射させた後誘電体多層膜で反射し、他の光源から入力して該誘電体多層膜を透過する波長の異なる光束と略同一光軸上で出力するように構成した波長合成プリズム手段と
を有することを特徴とする投写装置の照明光学系構造。
【請求項４】
前記光源の発光波長の中心値が、青色において４７０±２０ｎｍ、緑色において５３０±２０ｎｍ、青緑色においては５００±２０ｎｍの各範囲内にあることを特徴とする請求項３記載の投写装置の照明光学系構造。
【請求項５】
前記光源が、発光ダイオード及び／又は半導体レーザで構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造。
【請求項６】
前記各色の光源を順次発光させるように駆動することを特徴とする請求項５記載の投写装置の照明光学系構造。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造と、
前記同一光軸上に出力される光束を照射することによって投写画像を形成するライトバルブと、
前記投写画像をスクリーンに投写する投写レンズと
を有することを特徴とする投写装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリーンに画像を投写する投写装置の構成に関し、特にライトバルブを照明する照明光学系の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、特開平１０−２６９８０２に記載された開示内容を説明するための照明装置１００の概略構成図である。
【０００３】
同図中、１０１Ｒは赤色の光束を出射する発光ダイオード、１０２Ｒは発光ダイオード１０１Ｒから出射される赤光束の照度分布を一様にするカレイドスコープ、１０３Ｒはリレーレンズ、１０４Ｒはフィールドレンズ、１０５Ｒはライトバルブである。同様に１０１Ｇ，１０１Ｂはそれぞれ緑色、青色の光束を出射する発光ダイオード、１０２Ｇ，１０２Ｂは各発光ダイオード１０１Ｇ，１０１Ｂから各々出射される緑、青光束の照度分布を一様にするカレイドスコープ、１０３Ｇ，１０３Ｂはリレーレンズ、そして１０４Ｇ、１０４Ｂはフィールドレンズ、１０５Ｇ，１０５Ｂはライトバルブである。１０６は３色の光束を合成するダイクロイックプリズム、１０７は投写レンズ、１０８はスクリーンである。
【０００４】
尚、図中の符号の大文字の添え字Ｒ，Ｇ，Ｂは、それぞれが赤、緑、青の光束にかかわる素子であることを示している。以後同様の用法で、符号に大文字の添え字Ｒ，Ｇ，Ｂを用いる。
【０００５】
次に、上記従来例の動作について説明する。各発光ダイオード１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂから出射した赤、緑、青の各光束は、それぞれカレイドスコープ１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂに入射し、その内部で全反射を繰り返すことによって、出射端面ではその照度分布が一様化された光となる。そして、リレーレンズ１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂ、フィールドレンズ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂを経て、各ライトバルブ１０５Ｒ，１０５Ｇ，１０５Ｂをそれぞれ照明する。
【０００６】
これらの照明光は各々ライトバルブ１０５Ｒ，１０５Ｇ，１０５Ｂによって空間的に変調され、ダイクロイックプリズム１０６により、同一光軸上に出力されて画像化される。その後、投写レンズ１０７によってスクリーン１０８上にその画像が拡大投影される。
【０００７】
図８は、典型的なダイクロイックプリズム１０６の働きを説明するための図で、同図（ａ）がダイクロイックプリズム１０６とその入出力光の光路関係を示す外形斜視図であり、同図（ｂ）がダイクロイックプリズム１０６の分光特性を示す分光特性グラフである。この分光特性グラフの横軸には入射光の波長をとり、縦軸には入射光と透過光の比率である透過率をとっている。尚、この図８は、トリケップス社のプロジェクションテレビの設計、ＩＳＢＮ４−８８６５７−１０７−４の１８５ページを参照している。
【０００８】
このダイクロイックプリズム１０６を使用する図７に示す従来例では、自然光のためにＳ偏光成分とＰ偏光成分とを等量放射する発光ダイオードからの照明光を有効に利用できない。例えば、発光ダイオード１０１Ｇが放射する５３０ｎｍの緑色の光束の、Ｐ偏光成分はダイクロイックプリズム１０６を９０％以上透過できるが、Ｓ偏光成分は３０から４０％しか透過できず、Ｓ偏光成分の残りの６０から７０％の光は利用できないことになる。
【０００９】
更に、青色光のＳ偏光における分光特性をみると、波長５８０ｎｍから５２０ｎｍへと約６０ｎｍの変化において反射率が略１０％から９０％に変化している。このように波長に対する分離特性が急峻でないことは、例えば、中心波長４７０ｎｍと５３０ｎｍの間に中心波長５００ｎｍの光を同一光軸上に合成することによって、照明装置の光束を増大させることが難しいことを意味する。
【００１０】
一方、図９は、後述する本発明の効果を明確にするための参考例（従って従来例ではない）としての投写装置２００の構成を示す構成図である。この投写装置２００は、上記した図７の従来例において、照度分布の一様化のために使用されたカレイドスコープ１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂの替わりにレンズアレーを使ったインテグレータを使い、ライトバルブ１０５として１個のデジタルマイクロミラー素子を使用している。この場合、光源からの光束がどの程度スクリーンに投写されるかを見積もった。
【００１１】
図９において、１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂは、各々光源としての発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから放射された赤、緑、青の出射光束を略平行光化するコリメータレンズ、５０は第１レンズアレー、５１は第２レンズアレー、５６は第１レンズアレー５０と第２レンズアレー５１によって構成されるインテグレータ、５２は重ね合わせレンズ、５３はコンデンサレンズ、５４は全反射プリズム、５５はデジタルマイクロミラーアレーによるライトバルブである。５７の投写レンズ、５８のスクリーンは前記した図７で示した投写レンズ１０７、スクリーン１０８と同じものである。
【００１２】
この投写装置２００の場合、ライトバルブ５５が１個であるため、上記発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは順次点灯され、１個の発光ダイオードが点灯している間、他の２個は消灯するように駆動されることになる。即ち、赤色の像、緑色の像、及び青色の像が１秒間に数十回以上の速さで繰り返しスクリーン上に投影され、人間の目によって加法混色される。
【００１３】
図１０は、以上の構成によるこの投写装置２００において、光源である発光ダイオードからスクリーンに至る光路で光束を減少させる要因、それぞれの要因での効率、最終的なスクリーンまでの光束利用効率をまとめたグラフである。
【００１４】
この図１０のグラフを参照して光束利用効率に言及しながら、投写装置２００の動作について説明する。
【００１５】
発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから各々放射された赤、緑、青の出射光は、各コリメータレンズ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂによって略平行光化される。これらコリメータレンズ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂの各開口数は、ｓｉｎ６０度＝０．８６６とし、発光ダイオードからの放射光の配光分布が発光ダイオードの発光面に立てた垂線からの余弦に比例するものと仮定すれば、発光ダイオードから放射される光束の７５％を上記コリメータレンズによって前方に取り出すことができる。
【００１６】
各コリメータレンズ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂによって略平行光化された３色の照明光は、ダイクロイックプリズム１０６に入射し、透過／反射によって同一光軸上に揃えられる。ダイクロイックプリズム１０６の分光特性から、赤色（中心波長６３０ｎｍ）でのＰ偏光反射率は５０％、Ｓ偏光反射率は９８％と見積もられるので、その平均反射率は７４％と仮定できる。
【００１７】
同様にして、緑色（中心波長５３０ｎｍ）でのＰ偏光透過率は９８％、Ｓ偏光透過率は５０％と見積もられるので、その平均透過率は７４％と仮定できる。更に、青色（中心波長４７０ｎｍ）でのＰ偏光反射率は５０％、Ｓ偏光反射率は９８％と見積もられるので、その平均反射率は７４％と仮定できる。
【００１８】
次に、各コリメータレンズ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂから投写レンズ５７に至る各光路における光の利用効率を６７±２０％と仮定する。これは、各発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの発光面積や配光分布、ライトバルブ５５であるデジタルマイクロミラーアレーの面積、及び投写レンズ５７の開口数等で決まる数値であり、各発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの発光面積が小さく、逆にライトバルブ５５を構成するデジタルマイクロミラーアレーの面積が大きくなれば１００％に近づく値である。
【００１９】
また、デジタルマイクロミラーアレーの有効反射率を６４％とし、有効面積より大きくデジタルマイクロミラーアレーを照射することによる照射マージンに起因するロスを１６％、全反射型プリズム５４での透過率を９０％、コリメータレンズ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂの入射面からコンデンサレンズ５３の出射面までのガラス空気境界面１２面と投写レンズ（１０枚と仮定）のガラス空気境界面２０面での損失（１面当たり０．５％と仮定）を考慮した透過率を８５．１％としたとき、上記３要因での有効利用率は６４．３％（０．８４×０．９×０．８５１×１００）とすることができる。
【００２０】
従って、図１０に示すように、各発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂが放射する光束のうち、スクリーン５８まで到達する光束の割合は
０．７５×０．７４×（０．６７±０．２０）×０．６４×０．６４３
＝０．１５３±０．０４６
即ち、１５．３±４．６％程度となり、かなり小さい値となる。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、図７に示す従来の投写装置１００における照明光学系は、構造が簡単ではあるが、ダイクロイックプリズムを使用して各色の照明光を同一光軸上に合成するため、３色以上の光を効率よく合成することが困難であるという課題があった。これは、ダイクロイックプリズムの分光特性が入射光の偏光方向に大きく依存すること、又入射角度に大きく依存すること、そして波長分離特性が悪いことによる。
【００２２】
また、図９に示す参考例による投写装置２００の説明で明らかなように、ダイクロイックプリズムを使用した投写装置では、光源の光束利用効率が低くなってしまう問題があった。
【００２３】
本発明の目的は、これらの問題点を解消し、光源の光束利用効率あげると共に、３色以上の照明光をも同一光軸上に揃えることができ、ライトバルブへの照明光束を増大できる投写装置の照明光学系構造及び投写装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の投写装置の照明光学系構造は、光源から出力される光束をライトバルブに照射し、該ライトバルブによって形成された画像を、投写レンズによってスクリーンに投写する投写装置の照明光学系構造であって、
それぞれ赤、緑、青を中心波長として発光する各第１の光源と、前記各第１の光源の色の各中心波長と異なる中心波長の色を発光する第２の光源と、前記各第１の光源と前記第２の光源とからそれぞれ出力される光束を入力し、略同一光軸上で出力する波長合成手段と
を有することを特徴とする。
【００２５】
請求項２の投写装置の照明光学系構造は、光源から出力される光束をライトバルブに照射し、該ライトバルブによって形成された画像を、投写レンズによってスクリーンに投写する投写装置の照明光学系構造であって、
それぞれ赤、緑、青を中心波長として発光する各光源と、少なくとも１つの前記光源から入力した光束を一旦全反射させた後誘電体多層膜で反射し、他の光源から入力して該誘電体多層膜を透過する波長の異なる光束と略同一光軸上で出力するように構成した波長合成プリズムと
を有することを特徴とする。
【００２６】
請求項３の投写装置の照明光学系構造は、光源から出力される光束をライトバルブに照射し、該ライトバルブによって形成された画像を、投写レンズによってスクリーンに投写する投写装置の照明光学系構造であって、
それぞれ赤、緑、青緑、青を中心波長として発光する各光源と、少なくとも１つの前記光源から入力した光束を一旦全反射させた後誘電体多層膜で反射し、他の光源から入力して該誘電体多層膜を透過する波長の異なる光束と略同一光軸上で出力するように構成した波長合成プリズムと
を有することを特徴とする。
【００２７】
請求項４の投写装置の照明光学系構造は、請求項３記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記光源の発光波長の中心値が、青色において４７０±２０ｎｍ、緑色において５３０±２０ｎｍ、青緑色においては５００±２０ｎｍの各範囲内にあることを特徴とする。
また、請求項５の投写装置の照明光学系構造は、請求項１乃至４の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記光源が、発光ダイオード及び／又は半導体レーザで構成されていることを特徴とする。
また、請求項６の投写装置の照明光学系構造は、請求項５記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記各色の光源を順次発光させるように駆動することを特徴とする。
【００２８】
請求項７の投写装置は、
請求項１乃至６の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造と、前記同一光軸上に出力される光束を照射することによって投写画像を形成するライトバルブと、前記投写画像をスクリーンに投写する投写レンズと
を有することを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明による照明光学系構造を有する実施の形態１の投写装置１の要部構成を示す要部構成図である。
【００３０】
この投写装置１が前記した図９に参考例として示す投写装置２００と主に異なる点は、第２の緑色の光を発生する発光ダイオード１１ＳＧを追加した点と、ダイクロイックプリズム１０６に替えて波長合成器２を配設した点である。従って、本実施の形態１の投写装置１が前記した図９に参考例として示した投写装置２００と共通する部分には同符号を付し、異なる点を重点的に説明する。
【００３１】
図１において、１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは、それぞれが、赤色、緑色、青色の光を放射する第１の光源としての発光ダイオードであり、１１ＳＧは発光ダイオード１１Ｇと発光中心波長が異なる第２の緑色の光を放射する第２の光源としての発光ダイオードである。１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂ，１９ＳＧはコリメータレンズ、２６は波長合成手段としての波長合成器である。５０〜５８は、順に第１レンズアレー、第２レンズアレー、重ね合わせレンズ、コンデンサレンズ、全反射プリズム、ライトバルブ、インテグレータ、投写レンズそしてスクリーンであり、前記した図９に参考例とて示す投写装置２００と同じものを採用している。
【００３２】
また、以上の構成の投写装置１のうち、全反射プリズム５４、ライトバルブ５５、投写レンズ５４、及びスクリーン５５を除いた光学系が照明光学系に相当する。
【００３３】
次に、以上の構成による本実施の形態１の投写装置１の動作について説明する。各発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ、１１ＳＧから放射された光は、それぞれがコリメータレンズ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂ，１９ＳＧで概略平行光化され、波長合成器２に入射される。波長合成器２では、入射した各光束を略同一光軸上に揃えて出力する。
【００３４】
ここで、波長合成器２は、例えばダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズム等の誘電体多層膜の分光反射特性を用いた素子、或いは干渉フィルタ等の波長合成素子の組み合わせで構成され、緑色の発光ダイオード１１Ｇと第２の緑色の発光ダイオード１１ＳＧとの場合には、発光の中心波長が異なることを利用し、これ等を同一光軸上に合成することができる。
【００３５】
以上のように、同一光軸上に揃えられた３色の光束は、第１レンズアレー５０と第２レンズアレー５１によって構成されるインテグレータ５６に入射し、重ね合わせレンズ５２、コンデンサレンズ５３、全反射プリズム５４を経て、ライトバルブ５５を照明する。この照明光はライトバルブ５５によって空間的に変調され、投写レンズ５７によってスクリーン５８上に拡大投影される。
【００３６】
また、本実施の形態では、ライトバルブ５５が１つの構成であるため、各発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ，１１ＳＧは順に点灯され、１つの発光ダイオードが点灯している間、他の発光ダイオードは消灯するように発光駆動される。即ち、赤色の像、緑色の像、青色の像が１秒間に数十回以上の速さで繰り返しスクリーン上に投影され、人間の目によって加法混色されるのは、前記した図９の投写装置２００と同じである。
【００３７】
図１における重ね合わせレンズ５２の働きは、第２レンズアレー５１上に形成される複数の２次光源から放射される光束の主光線をライトバルブ５５に向けることにあり、コンデンサレンズ５３の働きは、ライトバルブ５５を照明する光束の主光線をライトバルブに略垂直に入射させることにある。
【００３８】
尚、上述の説明では、３色の発光ダイオードが順次点灯するように説明したが、上記した４つの発光ダイオードを順次点灯させるように構成してもよい。また本実施の形態では緑色を、２つの異なる中心波長で発光する光源（発光ダイオード）で構成したが、複数であればよく、また緑色に限定されるものではない。
【００３９】
以上のように、実施の形態１の投写装置によれば、従来の３原色である、赤色の発光ダイオード１１Ｒ、緑色の発光ダイオード１１Ｇ、青色の発光ダイオード１１Ｂに加え、第２の緑色の発光ダイオード１１ＳＧを加えることができるので、光源の総放射量を増大でき、これによってスクリーン上の投射光束を増大させることができる。
【００４０】
実施の形態２．
図２は、本発明による照明光学系構造を有する実施の形態２の投写装置２１の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【００４１】
この投写装置２１が図１に示す前記した実施の形態１の投写装置１と主に異なる点は、それぞれ複数の発光ダイオードとコリメータレンズとがユニットになった赤色光源部２２Ｒ、緑色光源部２２Ｇ、青色光源部２２Ｂと、波長合成プリズム２３を配設している点である。従って、本実施の形態２の投写装置２１が実施の形態１の投写装置１と共通する部分には同符号を付し、異なる点を重点的に説明する。
【００４２】
図２において、２２Ｒは、赤色で発光する複数の発光ダイオード１１Ｒとこの発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数のコリメータレンズ１９Ｒから構成されている赤色光源部、２２Ｇは、同様に緑色で発光する複数の発光ダイオード１１Ｇと複数のコリメータレンズ１９Ｇから構成されている緑色光源部、２２Ｂは、同様に青色で発光する複数の発光ダイオード１１Ｂと複数のコリメータレンズ１９Ｂから構成されている青色光源部である。
尚、各光源部において同色で発光する複数の発光ダイオードは、ここではそれぞれ１つの光源に相当するものとする。
【００４３】
２３は３角プリズム３個から構成され、波長合成プリズム手段に相当する波長合成プリズム、５０〜５８は、順に第１レンズアレー、第２レンズアレー、重ね合わせレンズ、コンデンサレンズ、全反射プリズム、ライトバルブ、インテグレータ、投写レンズそしてスクリーンであり、前記した図９に参考例とて示す投写装置２００と同じものを採用している。また、以上の構成の投写装置２１のうち、全反射プリズム５４、ライトバルブ５５、投写レンズ５４、及びスクリーン５５を除いた光学系が照明光学系に相当する。
【００４４】
次に、本実施の形態２の投写装置２１の動作について説明する。
【００４５】
図３は、図２中に示された波長合成プリズム２３の働きを説明するための図で、同図（ａ）は、波長合成プリズム２３とその入出力光の光路関係を示す断面図であり、同図（ｂ）は、波長合成プリズム２３の色合成特性を示す色合成特性グラフである。この色合成特性グラフの横軸には入射光の波長をとり、縦軸には波長合成プリズム２３の反射率をとっている。
ここで、注意すべき点は、誘電体多層膜への入射角が小さいため、Ｓ偏光とＰ偏光の間の特性差が非常に小さいことである。
【００４６】
波長合成プリズム２３は、３個の３角プリズム２３ａ，２３ｂ，２３ｃから構成されており、２つの３角プリズムの面２３ｆ、２３ｇには誘電体多層膜が形成されている。また、波長合成プリズム２３においては、３角プリズム２３ａと２３ｂの間、及び３角プリズム２３ｂと２３ｃの間には、それぞれ数十μｍの空隙が置かれている。そして、この波長合成プリズム２３には、略平行光化された各光源部２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂからの出射光が入射する。
【００４７】
図３（ｂ）の色合成特性グラフにおいて、測定曲線２６は、誘電体多層膜が形成された面２３ｆの光反射特性を示し、この特性からこの面２３ｆでは、赤色の波長領域の光が反射されることが理解される。一方、測定曲線２７は、誘電体多層膜が形成された面２３ｇの光反射特性を示し、この特性からこの接合面２３ｇでは、青色の波長領域の光が反射されることが理解できる。更にこれらの特性から各面２３ｆ、２３ｇでは、波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍ辺りの緑系の波長領域の光を共に透過することが理解される。
【００４８】
従って、図３（ａ）に示すように、３角プリズム２３ｂの下方から入射する赤色の光束は、先ず３角プリズム２３ｂの右側の空隙との界面に達するが、入射角が大きいため全反射され、３角プリズム２３ｂの左側の面に達する。この面２３ｆには、前記したように赤色の波長領域を反射する誘電体多層膜が形成されているので、赤色の光束は反射され、再び、３角プリズム２３ｂの右側の空隙との海面に達する。
【００４９】
しかし、今度は入射角が小さいためここを通過し、３角プリズム２３ｃに向かう。ところが３角プリズム２３ｃの左側の面２３ｇに形成された誘電体多層膜は、前記した測定曲線２７（同図（ｂ））に示すように赤色の波長領域の光を透過するので、上記赤色光束は３角プリズム２３ｃを通り、外部（図３（ａ）では右方向）に取り出される。
【００５０】
また、図３（ａ）に示すように、３角プリズム２３ｃの上方から入射する青色の光束は、先ず３角プリズム２３ｃの界面に達するが、入射角が大きいために全反射され、３角プリズム２３ｃの左側の面２３ｇに達する。この面２３ｇには、前記したように青色の波長領域を反射する誘電体多層膜が形成されているので、青色の光束は反射され、再び、３角プリズム２３ｃの右側の界面に達する。しかし、今度は入射角が小さいためここを透過し、外部（図３（ａ）では右方向）に取り出される。
【００５１】
更に、図３（ａ）に示すように、３角プリズム２３ａの左方向から入射する緑色の光束は、まず３角プリズム２３ａと２３ｂの接合面２３ｆに達するが、前記したようにこの接合面２３ｆには、緑色より波長が長い赤色の波長領域を反射する誘電体多層膜が形成されているので、緑色の光束はここを通過して３角プリズム２３ｂ内に入射して３角プリズム２３ｃに向かう。更に、３角プリズム２３ｂと２３ｃの接合面２３ｇには緑色より波長が短い青色の波長領域を反射する誘電体多層膜が形成されているので、緑の光束はこの誘電体多層膜を透過して３角プリズム２３ｃを通り、外部（図３（ａ）では右方向）に取り出される。
【００５２】
以上のようにして、略同一光軸上に出力さる各色の光束は、図２に示すように、第１レンズアレー５０と第２レンズアレー５１によって構成されるインテグレータ５６に入射し、重ね合わせレンズ５２、コンデンサレンズ５３、全反射型プリズム５４を経て、ライトバルブ５５を照射する。この照明光はライトバルブによって空間的に変調され、投写レンズ５７によってスクリーン５８上に拡大投影される。
【００５３】
また、本実施の形態ではライトバルブ５５が１つの構成であるため、各発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは順に点灯され、１つの発光ダイオードが点灯している間、他の発光ダイオードは消灯することになる。即ち、赤色の像、緑色の像、青色の像が１秒間に数十回以上の速さで繰り返しスクリーン上に投影され、人間の目によって加法混色されるのは、前記した図９の投写装置２００と同じである。
【００５４】
図２における重ね合わせレンズ５２の働きは、第２レンズアレー５１上に形成される複数の２次光源から放射される光束の主光線をライトバルブ５５に向けることにあり、コンデンサレンズ５３の働きは、ライトバルブ５５を照明する光束の主光線をライトバルブに略垂直に入射させることにある。
【００５５】
図４は、以上の構成による投写装置２１において、各光源部２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂの光源である発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂからスクリーン５８に至る光路で光束を減少させる要因、それぞれの要因での効率、最終的なスクリーンまでの光束利用効率をまとめたグラフである。
【００５６】
この図４のグラフを参照して光束利用効率に言及しながら、投写装置２１の動作について説明する。
【００５７】
各光源部２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂを構成するそれぞれの発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから放射された赤、緑、青の出射光は、各コリメータレンズ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂによって略平行光化されて、それぞれが各光源部の出力光として出力される。このとき、前記した参考例（図９）と同じく、これら各コリメータレンズ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂの開口数をｓｉｎ６０度＝０．８６６とし、発光ダイオードからの放射光の配光分布が発光ダイオードの発光面に立てた垂線からの余弦に比例するものと仮定すれば、発光ダイオードから放射される光束の７５％を、上記コリメータレンズによって前方に、即ち各光源部２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂから出射すことができる。
【００５８】
この各光源部２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂからの３色の出射光は、波長合成プリズム２３に入射し、透過反射によって略同一光軸上に揃えられる。波長合成プリズム２３の分光特性から、赤色（中心波長６３０ｎｍ）でのＳ偏光、Ｐ偏光の各反射率は９８％と見積もられるので、その平均反射率は９８％と仮定できる。
【００５９】
また、緑色（中心波長５３０ｎｍ）でのＳ偏光透過率は９８％、Ｐ偏光透過率も９８％と見積もられるので、その平均透過率は９８％と仮定できる。更に青色（中心波長４７０ｎｍ）でのＳ偏光、Ｐ偏光の各反射率は９８％と見積もられるので、その平均反射率は９８％と仮定できる。
【００６０】
次に、各コリメータレンズ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂから投写レンズ５７に至る各光路における光の利用効率を６７±２０％と仮定する。これは、各発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの発光面積や配光分布、ライトバルブ５５であるデジタルマイクロミラーアレーの面積、及び投写レンズ５７の開口数等で決まる数値であり、各発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの発光面積が小さく、逆にライトバルブ５５を構成するデジタルマイクロミラーアレーの面積が大きくなれば１００％に近づく値である。
【００６１】
また、デジタルマイクロミラーアレーの有効反射率を６４％とし、有効面積より大きくデジタルマイクロミラーアレーを照射することによる照射マージンに起因するロスを１６％、全反射型プリズム５４での透過率を９０％、コリメータレンズ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂの入射面からコンデンサレンズ５３の出射面までのガラス空気境界面１２面と投写レンズ（１０枚と仮定）のガラス空気境界面２０面での損失（１面当たり０．５％と仮定）を考慮した透過率を８５．１％とすれば、上記３要因の有効利用率は６４．３％（０．８４×０．９×０．８５１×１００）とすることができる。
【００６２】
従って、図２に示すように、各発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂが放射する光束のうち、スクリーン５８まで到達する光束の割合は
０．７５×０．９８×（０．６７±０．２０）×０．６４×０．６４３
＝０．２０３±０．０６０
即ち、２０．３±６．０％程度となり、前記した図９の参考例での見積もり値に比べて約１．３から１．４倍となる。
【００６３】
以上のように、本実施の形態２の投写装置２１によれば、波長合成手段としてダイクロイックプリズムを用いた従来の投写装置にくらべ、光源の光の利用効率を大幅に改善することができる。
【００６４】
実施の形態３．
図５は、本発明による照明光学系構造を有する実施の形態３の投写装置３１の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【００６５】
この投写装置３１が、前記した図２に示す実施の形態２の投写装置２１と主に異なる点は、更に青緑色光源部２２ＢＧとこれに伴う第２の波長合成プリズム３２が追加された点である。従って、本実施の形態３の投写装置３１が、前記した実施の形態２の投写装置２１と共通する部分には同符号を付し、異なる点を重点的に説明する。
【００６６】
図５において、２２ＢＧは、他の光源部と同様に、青緑色で発光する複数の発光ダイオード１１ＢＧとこの発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数のコリメータレンズ１９ＢＧとから構成されている青緑色光源部であり、３２は、緑色の光源部２２Ｇからの放射光と青緑色の光源部２２ＢＧからの放射光をそれぞれ入射し、同一光軸上でこれらを出射する第２の波長合成プリズムである。
【００６７】
以上の構成が追加された本実施の形態３の投写装置３１の動作について説明する。
【００６８】
先ず、第２の波長合成プリズム３２は、２個の３角プリズムから構成されており、図面右側の３角プリズムの左側面３２ａには、青色波長領域の光は透過し、且つ青緑色波長領域の光は反射する誘電体多層膜が形成されている。また、これら２つの３角プリズムの間には空隙が介在している。尚この第２の波長合成プリズム３２と前記した波長合成プリズム２３とが波長合成プリズム手段に相当する。
【００６９】
この第２波長合成プリズム３２には、略平行光化された光源部２２Ｂ，２２ＢＧからの出射光が入射する。図２、図３で説明したのと同様に、青緑色の光源部２２ＢＧからの光は、第２の波長合成プリズム３２内の３角プリズムの空気境界面で全反射後、左側面３２ａに形成された青緑色の波長領域を反射する誘電体多層膜によって反射される。一方、緑色の光源部２２Ｇからの光は、この誘電体多層膜を透過する。従って、これらの２つの入射光の光束は、第２の波長合成プリズムによって同一光軸上で出力され、次の波長合成プリズム２３に向かい、これを透過する。
【００７０】
波長合成プリズム２３，３２の分光特性（約２０ｎｍの遮断特性）を考慮すると、光源部２２Ｂの中心波長は４７０±２０ｎｍ、光源部２２Ｇの中心波長は５３０±２０ｎｍ、光源部２２ＢＧの中心波長は５００±２０ｎｍが望ましい。また、光源部２２Ｒの中心波長は６３０±２０ｎｍである。この設定によって、図６に示すように、ＮＴＳＣ方式での色再現範囲がほぼ実現できる。
【００７１】
また、各光源部の点灯順序としては、１番目に光源部２２Ｒ、２番目に光源部２２Ｂ、３番目に光源部２２Ｇと２２ＢＧを同時に、というのが適当である。その理由は、効率よく緑色光と青緑色光を合成することで、可視領域の光束の６５から８０％を占める必要のある緑色波長域の光束をより増加できるからである。
【００７２】
以上のように、実施の形態３の投写装置によれば、実施の形態２と同様の効果が得られる他、更にスクリーン上の投写映像を明るくすることができる。
【００７３】
尚、前記した実施の形態では、光源として発光ダイオードを想定して説明したが、これに限定されるものではなく、他に半導体レーザ、もしくはこれらのアレイを用いてもよい。
【００７４】
また、前記した実施の形態では、光源から放射された光をコリメータレンズで略平行光としたが、これに限定されるものではなく、楕円反射面を有する楕円反射鏡等に反射させて、平行光を得るように構成してもよいなど、種々の態様をとり得るものである。
【００７５】
また、前記した実施の形態の説明において、「上」、「下」、「左」、「右」といった言葉を使用したが、これらは便宜上であって、証明光学系構造を配置する状態における絶対的な位置関係を限定するものではない。
【００７６】
【発明の効果】
請求項１の照明光学系構造によれば、赤、緑、青の３原色以外の光源を加えることができるため、光源の総放射光束を増大でき、これによってスクリーン上に充分な投写光束を供給できる。
【００７７】
請求項２の照明光学系構造によれば、その波長合成プリズムにおいて、赤色光束と青色光束の誘電体多層膜への入射角度を１０度程度に小さくできるので、誘電体多層膜への入射角が４５度の場合に比べ、分光特性の偏光方向の依存を極めて小さくすることができる。更に、波長の分離特性がよりシャープに、例えば、波長分離間隔を約２０ｎｍにできるので、各色の発光ダイオードの発振波長拡がりがある場合にも波長拡がりによる重なりが少なくなり、光源の発生光束の損失を少なくできる。従って、波長合成プリズムが、偏光方向によらず、反射効率或いは透過効率に優れ、光源の光の利用効率を上げることができる。
【００７８】
請求項３、４の照明光学系構造によれば、請求項２と同様の効果が得られるのに加え、ＮＴＳＣ方式での色再現範囲がほぼ実現でき、スクリーン上の投写映像を明るくすることができる。
【００７９】
請求項５、６の照明光学系構造によれば、各色の光源として発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子を採用し、更にこれらを、必要な時間に必要な色の光束のみが得られるように発光駆動するため、光源の効率を上げると共に、照明光学系の信頼性を高めることができる。
【００８０】
請求項７の投写装置によれば、利用効率に優れ、また十分な光量の照明光を供給する照明光学系によってライトバルブを照明することによって、スクリーンに所望の明るさの映像を投写することが可能な投写装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による照明光学系構造を有する実施の形態１の投写装置１の要部構成を示す要部構成図である。
【図２】本発明による照明光学系構造を有する実施の形態２の投写装置２１の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【図３】波長合成プリズム２３の働きを説明するための図で、（ａ）は波長合成プリズム２３とその入出力光の光路関係を示す断面図であり、（ｂ）は波長合成プリズム２３の色合成特性を示す色合成特性グラフである。
【図４】投写装置２１において、各発光ダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから最終的なスクリーンまでの光束利用効率をまとめたグラフである。
【図５】本発明による照明光学系構造を有する実施の形態３の投写装置３１の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【図６】実施の形態３の投写装置３１の動作の説明に供する図である。
【図７】特開平１０−２６９８０２に記載された開示内容を説明するための照明装置１００の概略構成図である。
【図８】クロイックプリズム１０６の働きを説明するための図で、（ａ）がクロイックプリズム１０６とその入出力光の光路関係を示す外形斜視図であり、（ｂ）がクロイックプリズム１０６の分光特性を示す分光特性グラフである。
【図９】本発明の効果を明確にするための参考例（従って従来例ではない）としての投写装置２００の構成を示す構成図である。
【図１０】図９において、光源である発光ダイオードから最終的なスクリーンまでの光束利用効率をまとめたグラフである。
【符号の説明】
１　投写装置、　２　波長合成器、　１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ，１１ＢＧ，１１ＳＧ　発光ダイオード、　１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂ、１９ＢＧ，１９ＳＧ　コリメータレンズ、　２１　投写装置、　２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ，２２ＢＧ　光源部、　２３　波長合成プリズム、　２６，２７　測定曲線、　３１　投写装置、　３２　第２の波長合成プリズム、　３２ａ　左側面、　５０　第１レンズアレー、　５１　第２レンズアレー、　５２　重ね合わせレンズ、　５３　コンデンサレンズ、　５４　全反射プリズム、　５５　ライトバルブ　デジタルマイクロミラーアレー、　５６　インテグレータ、　５７　投写レンズ、　５８　スクリーン、　１００　投写装置、　２００　投写装置。
【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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