(57)【要約】【課題】  汎用の計測装置によって作業性よくランプ装置の調整が可能であるにも拘わらず、光源光の効率的な利用を可能にする照明装置を提供すること。【解決手段】  光源装置２１において、第１フライアイ光学系２１ｃの入射面２１ｈを所定曲率の凹面にしているので、第１フライアイ光学系２１ｃに入射して入射面２１ｈを通過した光束は光軸に平行な平行光束となり、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに入射する照明光を正確に重ね合わせることができるとともに、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに入射する各部分光束の入射角を所定の角度範囲内に収めることができるので、照明光の利用効率を高めることができる。【選択図】  図１
2005084325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源光を発生する発光部と、
前記発光部からの光源光の光束をコリメートするための回転放物面ミラーと、
前記回転放物面ミラーを経た光源光を波面分割して複数の２次光源を形成する２次光源形成手段と、
前記複数の２次光源からの光を重畳して所定面に投射する重畳光学系と、
光源光に所定の発散成分を付与する負のパワーのレンズ手段と
を備える照明装置。
【請求項２】
前記発光部は、前記回転放物面ミラーの焦点位置から前記２次光源形成手段の反対側である後方に微小な所定の位置ズレ量だけ変位した位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
前記レンズ手段は、前記所定の位置ズレ量を補償するような負のパワーを有することを特徴とする請求項２記載の照明装置。
【請求項４】
前記発光部に関する前記所定の位置ズレ量の変位は、積分球を利用しての前記回転放物面ミラーに対する前記発光部のアライメントに際して発生することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項記載の照明装置。
【請求項５】
前記レンズ手段は、前記光源から前記２次光源形成手段にかけての光路上に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項記載の照明装置。
【請求項６】
前記レンズ手段は、前記２次光源形成手段の前段に配置された凹レンズであることを特徴とする請求項５記載の照明装置。
【請求項７】
前記２次光源形成手段は、分割レンズ面を対向させた一対のフライアイレンズからなり、前記レンズ手段は、一対のフライアイレンズのうち前記凹面ミラー側のフライアイレンズの入射面として形成された凹面であることを特徴とする請求項５記載の照明装置。
【請求項８】
前記２次光源形成手段を経た光源光を各色の照明光に分割する色分割光学系をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項記載の照明装置。
【請求項９】
請求項１から請求項７のいずれか一項記載の照明装置と、
前記照明装置から射出された照明光によって照明される空間光変調装置と、
前記空間光変調装置からの像光を投射する投射光学系と
を備えるプロジェクタ。
【請求項１０】
請求項８記載の照明装置と、
前記色分割光学系から射出された各色の照明光によって照明される各色ごとの複数の空間光変調装置と、
前記複数の空間光変調装置からの各色の像光を合成して射出する光合成部材と、
前記光合成部材を経て合成された像光を投射する投射光学系と
を備えるプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶ライトバルブその他の空間光変調装置を照明するのに好適な照明装置、及び、かかる照明装置を組み込んだプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶プロジェクタ用の照明装置として、ランプ及び放物面鏡からなるランプ装置からの光束を複数の部分光束に分割するとともに照明領域上で重畳させるための分割重畳手段を備えるものが存在するが、このような照明装置において、例えば分割重畳手段に光束の幅を絞るアフォーカル光学系を組み込むことができ、この場合、照明領域上に入射する各部分光束の入射角を小さくして照明光の利用効率を高めることができる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２１２０２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のような照明装置では、光源光の効率的な利用の観点から放物面鏡の焦点位置にランプの発光点を精密にアライメントすることが必要になるが、このようなアライメントは実際上困難である。すなわち、放物面鏡の焦点にランプの発光点を配置する場合、ランプ装置の数ｍ先に積分球を設置し、この積分球で検出される光量が最大となるように放物面鏡の焦点にランプの発光点を移動させてアライメントを行う方法があるが、ランプの発光点が本来のベストポジションである放物面鏡の焦点よりも数１００μｍだけ後方すなわち放物面鏡の軸心側にシフトして設定されてしまうという問題がある。
【０００４】
このようにランプの発光点が微小シフトする理由は、計測に際してランプ装置から有限距離の位置に積分球を設置することに起因するが、ランプ装置のランプ位置の調整用に使用する計測用暗室は、様々な制約からあまり広くすることができない。また、ランプ装置と積分球との間に調整用の光学系を設けることも可能であるが、ランプ装置の後段に配置するインテグレータの仕様や、放物面鏡のサイズ若しくは焦点距離に応じて調整用の光学系を適切なものに交換しなければならず、計測装置の汎用性が損なわれ、或いは計測手順が煩雑なものとなる。
【０００５】
そこで、本発明は、汎用の計測装置によって作業性よくランプ装置の調整が可能であるにも拘わらず、光源光の効率的な利用を可能にする照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の照明装置は、（ａ）光源光を発生する発光部と、（ｂ）発光部からの光源光の光束をコリメートするための回転放物面ミラーと、（ｃ）回転放物面ミラーを経た光源光を波面分割して複数の２次光源を形成する２次光源形成手段と、（ｄ）複数の２次光源からの光を重畳して所定面に投射する重畳光学系と、（ｅ）光源光に所定の発散成分を付与する負のパワーのレンズ手段とを備える。
【０００７】
上記照明装置では、負のパワーのレンズ手段が光源光に所定の発散成分を付与するので、発光部や回転放物面ミラーの配置関係等に起因して、回転放物面ミラーを経た光源光が所定以上に収束する場合であっても、そのような光源光の収束をレンズ手段によってキャンセルすることができ、照明領域上において光源光の効率的な利用を達成することができる。なお、発光部と回転放物面ミラーとをアライメントする際に、例えば計測装置に起因して発光部が本来のベストポジションから２次光源形成手段の反対側に所定のシフト量だけ変位すると、これに対応して回転放物面ミラーを経た光源光がわずかに収束することになる。
【０００８】
本発明の具体的態様では、発光部が、回転放物面ミラーの焦点位置から２次光源形成手段の反対側である後方に微小な所定の位置ズレ量だけ変位した位置に配置されている。この場合、回転放物面ミラーを経た光源光がわずかに収束するが、このような変位や収束をレンズ手段によって相殺して効率的な照明を行うことができる。
【０００９】
また、本発明の別の具体的態様では、レンズ手段が、所定の位置ズレ量を補償するような負のパワーを有する。この場合、レンズ手段の付加によって、回転放物面ミラーを経た光源光を、完全な平行光束であると同様に扱うことができる。
【００１０】
また、本発明の別の具体的態様では、発光部に関する所定の位置ズレ量の変位が、積分球を利用しての回転放物面ミラーに対する発光部のアライメントに際して発生する。この場合、積分球を利用して、照明装置のアライメントを迅速かつ高い再現性を有するものとできる。しかも、レンズ手段の存在によって、照明装置のアライメント誤差を許容しつつ、光源光の効率的な利用を達成することができる。
【００１１】
また、本発明の別の具体的態様では、レンズ手段が、光源から２次光源形成手段にかけての光路上に配置されている。この場合、レンズ手段の配置精度があまり要求されず、後段の２次光源形成手段等の仕様への影響も少ないので、レンズ手段の組み込みが容易となって高精度の照明装置を提供することができる。
【００１２】
また、本発明の別の具体的態様では、レンズ手段が、２次光源形成手段の前段に配置された凹レンズである。この場合、簡易にレンズ手段を組み込むことができる。
【００１３】
また、本発明の別の具体的態様では、２次光源形成手段が、分割レンズ面を対向させた一対のフライアイレンズからなり、レンズ手段が、一対のフライアイレンズのうち、凹面ミラー側のフライアイレンズの入射面として形成された凹面である。この場合、２次光源形成手段を流用して光学部品点数の増加を防止できる。
【００１４】
また、本発明の別の具体的態様では、２次光源形成手段を経た光源光を各色の照明光に分割する色分割光学系をさらに備える。この場合、各色に対応するカラー光源を提供することができる。
【００１５】
また、本発明に係る第１のプロジェクタは、（ａ）上述の照明装置と、（ｂ）照明装置から射出された照明光によって照明される空間光変調装置と、（ｃ）空間光変調装置からの像光を投射する投射光学系とを備える。
【００１６】
上記第１のプロジェクタでは、上述のような特徴を有する本発明の照明装置を用いているので、光源光を効率的に利用して空間光変調装置を照明することができ、高輝度で高画質の画像を投射することができる。
【００１７】
また、本発明に係る第２のプロジェクタは、（ａ）上述の照明装置と、（ｂ）色分割光学系から射出された各色の照明光によって照明される各色ごとの複数の空間光変調装置と、（ｃ）複数の空間光変調装置からの各色の像光を合成して射出する光合成部材と、（ｄ）光合成部材を経て合成された像光を投射する投射光学系とを備える。
【００１８】
上記第２のプロジェクタでは、上述のような特徴を有する本発明の照明装置を用いているので、光源光を効率的に利用して空間光変調装置を照明することができ、高輝度で高画質のカラー画像を投射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係るプロジェクタについて図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
図１は、第１実施形態のプロジェクタの光学系を説明する図である。このプロジェクタ１０は、光源光を発生する光源装置２１と、光源装置２１からの光源光をＲＧＢの３色に分割する色分割光学系２３と、色分割光学系２３から射出された各色の照明光によって照明される光変調部２５と、光変調部２５からの各色の像光を合成する光合成部材であるクロスダイクロイックプリズム２７と、クロスダイクロイックプリズム２７を経た像光をスクリーン（不図示）に投射するための投射光学系である投射レンズ２９とを備える。
【００２１】
光源装置２１は、光源ランプ２１ａと、回転放物面ミラー２１ｂと、インテグレータとしての一対のフライアイ光学系２１ｃ，２１ｄと、偏光変換部材２１ｅと、重畳レンズ２１ｆとを備える。ここで、光源ランプ２１ａは、例えば高圧水銀ランプからなる発光部であり、光源光である白色光を発生する。また、回転放物面ミラー２１ｂは、光源ランプ２１ａから射出した光源光をほぼ平行な光束にコリメートする。また、一対のフライアイ光学系２１ｃ，２１ｄは、マトリックス状に配置された複数の要素レンズからなる分割レンズ面を対向配置した２次光源形成手段であり、これらの要素レンズによって光源ランプ２１ａからの光源光を波面分割して個別に集光・発散させる。偏光変換部材２１ｅは、第２フライアイ光学系２１ｄから射出した光源光を例えば図１の紙面に垂直なＳ偏光成分のみに変換して次段光学系に供給する。重畳レンズ２１ｆは、凸レンズからなる重畳光学系であり、偏光変換部材２１ｅを経た照明光を全体として適宜収束させて、各色の空間光変調装置に形成された各照明領域に対する重畳照明を可能にする。つまり、両フライアイ光学系２１ｃ，２１ｄと重畳レンズ２１ｆとを経た照明光は、以下に詳述する色分割光学系２３を経て、光変調部２５を構成する各色の空間光変調装置である各色の液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃの表示領域を均一に重畳照明する。
【００２２】
色分割光学系２３は、第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂと、３つのフィールドレンズ２３ｆ〜２３ｈと、反射ミラー２３ｉ〜２３ｋとを備え、光源装置２１とともに照明装置を構成する。第１ダイクロイックミラー２３ａは、ＲＧＢの３色のうちＲ光を反射しＧ光及びＢ光を透過させる。また、第２ダイクロイックミラー２３ｂは、ＧＢの２色のうちＧ光を反射しＢ光を透過させる。この色分割光学系２３において、第１ダイクロイックミラー２３ａで反射されたＲ光は、Ｓ偏光のまま、反射ミラー２３ｉを経て入射角度を調節するためのフィールドレンズ２３ｆに入射する。また、第１ダイクロイックミラー２３ａを通過して第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射されたＧ光は、λ／２位相差板２３ｄを経てＳ偏光からＰ偏光に変換されてフィールドレンズ２３ｇに入射する。さらに、第２ダイクロイックミラー２３ｂを通過したＢ光は、Ｓ偏光のまま、光路差を補償するためのリレーレンズＬＬ１，ＬＬ２及び反射ミラー２３ｊ，２３ｋを経て入射角度を調節するためのフィールドレンズ２３ｈに入射する。
【００２３】
光変調部２５は、３つの液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃと、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃを挟むように配置される３組の偏光フィルタ２５ｅ〜２５ｇとを備える。第１ダイクロイックミラー２３ａで反射されたＲ光は、フィールドレンズ２３ｆを介して液晶ライトバルブ２５ａに入射する。第１ダイクロイックミラー２３ａを透過して第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射されたＧ光は、λ／２位相差板２３ｄ及びフィールドレンズ２３ｇを介して液晶ライトバルブ２５ｂに入射する。第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂの双方を透過したＢ光は、中間を省略するがフィールドレンズ２３ｈを介して液晶ライトバルブ２５ｃに入射する。各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃは、入射した照明光の空間的強度分布を変調する非発光型の空間光変調装置であり、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃにそれぞれ入射した３色の光は、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに電気的信号として入力された駆動信号或いは画像信号に応じて２次元的に変調される。その際、偏光フィルタ２５ｅ〜２５ｇによって、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに入射する照明光の偏光方向が調整されるとともに、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃから射出される変調光から所定の偏光方向の変調光が取り出される。
【００２４】
クロスダイクロイックプリズム２７は、光合成部材であり、Ｒ光反射用の誘電体多層膜２７ａとＢ光反射用の誘電体多層膜２７ｂとを直交させた状態で内蔵するものであり、液晶ライトバルブ２５ａからのＲ光を誘電体多層膜２７ａで反射して進行方向右側に射出させ、液晶ライトバルブ２５ｂからのＧ光を誘電体多層膜２７ａ，２７ｂを介して直進・射出させ、液晶ライトバルブ２５ｃからのＢ光を誘電体多層膜２７ｂで反射して進行方向左側に射出させる。このようにして、クロスダイクロイックプリズム２７で重ね合わされた合成光はスクリーンに所望のサイズの画像を投射するための投射レンズ２９に入射する。
【００２５】
図２は、図１のプロジェクタ１０における光源装置２１の機能を主に説明する図である。この場合、光源ランプ２１ａは、回転放物面ミラー２１ｂの正規の焦点位置でなく、フライアイ光学系２１ｃ，２１ｄの反対側である後方に微小な位置ズレ量だけオフセットして、光軸方向にずれた焦点位置に配置されている。この結果、光源ランプ２１ａから射出して回転放物面ミラー２１ｂで反射された光源光は、正確な平行光束とならず、フライアイ光学系２１ｃ，２１ｄの方向である前方側に向けてわずかに収束する。しかしながら、第１フライアイ光学系２１ｃには、その光源ランプ２１ａ側にレンズ手段である凹面の入射面２１ｈが形成されており、第１フライアイ光学系２１ｃに入射して入射面２１ｈを通過した光束は光軸に平行な平行光束となる。つまり、第１フライアイ光学系２１ｃの入射面２１ｈが平坦面である旧来型のフライアイ光学系に対して光軸に平行な光束が入射した場合と同様の結果になるので、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに入射する照明光を正確に重ね合わせることができるとともに、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに入射する各部分光束の入射角を所定の角度範囲内に収めることができるので、照明光の利用効率を高め明るい光源を提供することができる。
【００２６】
図３は、回転放物面ミラー２１ｂに対する光源ランプ２１ａのアライメントを説明する図である。予め、回転放物面ミラー２１ｂに光源ランプ２１ａを仮止めした状態で、回転放物面ミラー２１ｂを計測用のホルダ（不図示）に固定する。この際、回転放物面ミラー２１ｂの正面には、数ｍ離れて積分球４０が設置されている。この積分球４０には、光源ランプ２１ａからの光を集める入射窓４１が形成されており、球内には、入射窓４１からの光入射強度を検出する光センサ４３が設けられている。光センサ４３はパワーメータ４５に接続されており、検出光の強度を可視的に表示する。計測に際しては、光源ランプ２１ａを発光させて、対面する積分球４０にて光源光の強度を検出する。この際、回転放物面ミラー２１ｂに対して光源ランプ２１ａを光軸ＯＡ方向に微小変位させつつパワーメータ４５の出力を監視することにより、パワーメータ４５の出力が最大となるような光源ランプ２１ａの位置を検出して、このような最大出力位置において、光源ランプ２１ａを回転放物面ミラー２１ｂに対して本格的に固定する。
【００２７】
この場合、光源ランプ２１ａ及び回転放物面ミラー２１ｂから有限の距離に積分球４０を設置するので、光源ランプ２１ａの発光点が本来のベストポジションである回転放物面ミラー２１ｂの正規の焦点位置よりもシフト量ｓだけ回転放物面ミラー２１ｂの奥側すなわち後方にシフトして設定されてしまう。このようなシフト量ｓは、通常数１００μｍ程度であるが、回転放物面ミラー２１ｂから積分球４０までの距離や回転放物面ミラー２１ｂの焦点距離に応じて変動する。ここで、回転放物面ミラー２１ｂから積分球４０までの距離を一定に保っておけば、回転放物面ミラー２１ｂの焦点距離等の仕様に応じてシフト量ｓが一定値に定まり、光源ランプ２１ａの位置決めが一定方向にオフセットして安定した状態となる。このように光源ランプ２１ａがシフト量ｓだけ後方にオフセットした状態（ずれた焦点位置に配置された状態）で固定されると、光源ランプ２１ａから射出して回転放物面ミラー２１ｂで反射された光源光は、フライアイ光学系２１ｃ，２１ｄの方向である前方側に向けてわずかに収束する。このような光源光の収束は、シフト量ｓに対応する負のパワーを有するレンズ等によって解消することができる。具体的には、図２に示すように、第１フライアイ光学系２１ｃの入射面２１ｈを所定曲率の凹面にして、第１フライアイ光学系２１ｃに入射して入射面２１ｈを通過した光束を光軸に平行な平行光束とする。第１フライアイ光学系２１ｃの入射面２１ｈの曲率は、光源ランプ２１ａのシフト量ｓから簡単に計算することができ、回転放物面ミラー２１ｂの焦点距離をｆとし、第１フライアイ光学系２１ｃの光学材料の屈折率をｎとした場合、入射面２１ｈの曲率半径Ｒは、
Ｒ＝（ｎ−１）×ｆ２／ｓ
で与えられる。具体的な装置では、例えばｓ＝０．１８ｍｍであるとき、入射面２１ｈの曲率半径Ｒが、
７００＜Ｒ＜１３００ｍｍ
の範囲であれば、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに照明光を効率的に入射させることができ、照明光の利用効率を高めることができ、プロジェクタの輝度を高めることができる。
【００２８】
以下、本実施形態に係るプロジェクタ１０の動作について説明する。光源装置２１からの光源光は、色分割光学系２３に設けた第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂによって色分割され、対応する液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに照明光としてそれぞれ入射する。各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃは、外部からの画像信号によって変調されて２次元的屈折率分布を有しており、照明光を２次元空間的に画素単位で変調する。このように、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃで変調された照明光すなわち像光は、クロスダイクロイックプリズム２７で合成された後投射レンズ２９に入射する。投射レンズ２９に入射した像光は、不図示のスクリーンに投影される。この際、光源装置２１において、第１フライアイ光学系２１ｃの入射面２１ｈを所定曲率の凹面にしているので、第１フライアイ光学系２１ｃに入射して入射面２１ｈを通過した光束は光軸に平行な平行光束となり、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに入射する照明光を正確に重ね合わせることができるとともに、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに入射する各部分光束の入射角を所定の角度範囲内に収めることができるので、照明光の利用効率を高めることができる。
【００２９】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係るプロジェクタについて図面を参照しつつ説明する。第２実施形態のプロジェクタは、第１実施形態に係るプロジェクタを一部変更したものであり、同一部分については同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００３０】
図４は、第２実施形態のプロジェクタを説明する図である。このプロジェクタは、図２に示す第１フライアイ光学系２１ｃに代えて、入射面１２１ｈが平坦面である通常の第１フライアイ光学系１２１ｃと、レンズ手段である凹レンズ１２１ｉとを配置している。第２実施形態の場合、第１フライアイ光学系２１ｃの前段に光源ランプ２１ａの正規焦点位置からの位置ズレ量を補正する凹レンズ１２１ｉを貼り付けているので、第１フライアイ光学系１２１ｃに入射する光束は光軸に対して精密に平行な平行光束となり、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに入射する照明光を正確に重ね合わせることができるとともに、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに入射する各部分光束の入射角を所定の角度範囲内に収めることができるので、照明光の利用効率を高めることができる。
【００３１】
以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、回転放物面ミラー２１ｂから第１フライアイ光学系２１ｃ，１２１ｃにかけての光路上に光源光の光束を微小角発散させるレンズ手段２１ｈ，２１ｉを配置しているが、これらに代えて、第１フライアイ光学系２１ｃ，１２１ｃから重畳レンズ２１ｆにかけて凹レンズ等からなるレンズ手段を配置することもできる。
【００３２】
また、第１フライアイ光学系２１ｃ，１２１ｃと第２フライアイ光学系２１ｄとの間に光源光の光束幅を絞るアフォーカル光学系を組み込むことができ、この場合、液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに入射する各部分光束の入射角を小さくして照明光の利用効率をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１実施形態のプロジェクタの光学系を説明する図である。
【図２】光源装置の機能を主に説明する図である。
【図３】光源ランプのアライメントを説明する図である。
【図４】第２実施形態のプロジェクタの光学系を説明する図である。
【符号の説明】
【００３４】
２１  光源装置、    ２１ａ  光源ランプ、    ２１ｂ  回転放物面ミラー、    ２１ｃ，２１ｄ  フライアイ光学系、    ２１ｅ  偏光変換部材、    ２１ｈ  入射面、    ２３  色分割光学系、    ２３ａ  第１ダイクロイックミラー、    ２３ｂ  第２ダイクロイックミラー、    ２３ｄ  （λ／２）板、    ２５  光変調部、    ２５ａ〜２５ｃ  液晶ライトバルブ、    ２７  クロスダイクロイックプリズム、    ２９  投射レンズ
【図１】
2005084325.tif 000003
【図２】
2005084325.tif 000004
【図３】
2005084325.tif 000005
【図４】
2005084325.tif 000006