(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、円形ビーム形状を矩形ビーム形状に変換するビーム形状変換機能と同時に、映像表示素子における一様な光量分布を実現した投射型表示装置を提供することである。【解決手段】  リフレクタで反射した光を一定の式で定義されるように形成した回転非対称素子を透過することにより、映像表示素子における一様な光量分布を実現する。【選択図】図１
2007232810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束を出射する発光部と、
前記発光部からの光束を反射するリフレクタと、
Z=C・(X2+Y2)／{1+√[1-(1+K)C2・(X2+Y2)]}+Σ[Ai・Xm・Yn]
Ｃ＝１／Ｒ
の式で定義される形状であって、前記リフレクタからの光束を矩形形状に変換する回転非対称素子と、
前記回転非対称レンズの光束から映像信号に応じた光学像を形成する映像表示素子と、
前記映像表示素子からの光束を投射する投射レンズとを有することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】
請求項１記載の投射型表示装置であって、
前記発光部から出射し、前記リフレクタで反射して、前記映像表示素子に照射する光束を、前記発光部からの光束の前記リフレクタでの交点と前記発光部の光軸を含む平面に投影した場合に、
前記光束は、前記リフレクタと前記映像表示素子との間で、前記光軸と交わることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項３】
請求項１から２記載の投射型表示装置であって、
前記回転非対称素子からの光束の映像表示素子での軌跡は、前記映像表示素子の中心側は粗、前記映像表示素子の周辺側は密であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項４】
請求項１から３記載の投射型表示装置であって、
前記リフレクタは、
Z=C・(X2+Y2)／{1+√[1-(1+K)C2・(X2+Y2)]}+Σ[Ai・Xm・Yn]
Ｃ＝１／Ｒ
の式で定義される形状であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項５】
請求項１から４記載の投射型表示装置であって、
前記発光部からの光束を反射し、前記リフレクタに対して反対側に配置され、半球面で形成される補助リフレクタを有することを特徴とする投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像表示素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する投射型表示装置、例えば、液晶プロジェクタや、反射式映像表示プロジェクタ、投射型リアプロジェクションテレビ等の投射型表示装置に係わり、円形のビーム形状を、矩形なビーム形状に変換する作用を有するビーム形状変換技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、矩形のフィールドレンズを照明する自由形状反射器を有する投影装置の構成が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−５８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以下、特許文献１が有する課題について説明する。
【０００５】
図２５は、特許文献１の図１，図３に記載のリフレクタの要部構成を示した図である。図２５（１）は光軸に対する半径方向のマッピングを説明する光線図で、図２５（２）は光軸を回転軸とする回転方向のマッピングを説明する交点軌跡の図である。
【０００６】
図２５においては、発光部１の発光位置の違いにより、リフレクタ２の同じ位置（点Ｐ１）で反射する光束が、映像表示素子６に到達する光線位置が異なり、その広がりを利用するため、レンズアレイ無しで、ビーム形状変換機能を実現している。図２５（２）における矢印６５１の長さが、この広がりを表現している。また、発光部１から出射する光束は、光軸（Ｚ軸）に対して回転対称に存在しており、矢印６５１が角度βで回転している状況に対応する。
【０００７】
しかし、マッピングの図２５（２）から明らかなように、映像表示素子６を照射する光束の広がりを示す矢印６５１の長さは、角度βに応じて異なっており、一様な光量分布を得るのは困難である。
【０００８】
さらに、発光部１から出射する光束からは、リフレクタ２の異なる位置（点Ｐ２）でも同様の議論が考えられる。即ち、図２５の映像表示素子６における矢印６５１は、リフレクタ２の異なる点（点Ｐ２）に置き換えても存在するものであって、一様な光量分布の議論においては、それらの矢印も考慮した設計・評価が必要である。
【０００９】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたもので、円形ビーム形状を矩形ビーム形状に変換するビーム形状変換機能を有すると共に、映像表示素子における一様な光量分布を実現する照明光学装置及びこれを用いた投射型表示装置を提供することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は、リフレクタで反射した光を一定の式で定義されるように形成した回転非対称素子を透過することにより、映像表示素子における一様な光量分布を実現する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、円形ビーム形状を矩形ビーム形状に変換し、且つ、映像表示素子における一様な光量分布を低コストで実現できる照明光学装置及びそれを用いた投射型表示装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、最良の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度説明したものについてはその説明を省略する。
【００１３】
以下、図１から図５を用いて、ビーム形状変換機能を有する照明光学装置について説明する。
【００１４】
図１は、照明光学装置を示す図、図２は、同一象限マッピング方式を示す照明光学装置を示す図、図３は、マッピング方式における角度定義のための発光部の配向分布の説明図、図４は、マッピング方式の比較説明図、図５は、自由曲面の説明図である。
【００１５】
先に、図５を用いて本発明に係わる自由曲面形状について説明する。
【００１６】
本発明で具体的に用いる自由曲面形状は、図５の上図に示すように、光軸を直交座標のＺ軸とし、頂点を座標原点に定め、図５の下図に記載の数１で表現される。
（数１）
Z=C・(X2+Y2)／{1+√[1-(1+K)C2・(X2+Y2)]}+Σ[Ai・Xm・Yn]  …（数１）
但し、Ｃは曲率、Ｋはコーニック定数（円錐定数）、Ａｉは定数である。
【００１７】
数１において、Σの項を除いた最初の項はコーニック面であり、一般的な回転対称な非球面の式でのコーニック面と同じである。そして、Σの項は、Ｘ軸とＹ軸に関する多項式の項である。例えば、Ａｉ・Ｘｍ・Ｙｎは、ｍとｎを自然数（ｍとｎが同時に０である場合を除く）として、Ｘｍ・Ｙｎの次数の項の係数がＡｉであることを意味する。即ち、回転対称なコーニック面に、回転非対称なＸとＹの多項式が付加された形状である。なお、Ｋは円錐定数であり、Ｃは曲率である。曲率Ｃは曲率半径Ｒの逆数である。
【００１８】
以下、図１から順に説明する。
【００１９】
まず、図１を用いて本発明による照明光学装置について説明する。
【００２０】
図１（１）は光軸を含む本発明による照明光学装置の断面図、図１（２）は発光部からリフレクタに入射する光束の入射点（つまりリフレクタからの出射点）と映像表示素子への入射点との対応を示す斜視図である。
【００２１】
図１（１）に示すように、本発明による照明光学装置は、ライトバルブである映像表示素子６と、例えば放電ランプである発光部１と、発光部１からの光を反射させるリフレクタと、リフレクタと連携して、光束の断面形状を矩形形状にビーム形状変換する自由曲面レンズ４と、リフレクタと自由曲面レンズ４とでビーム形状変換された矩形光束を映像表示素子６に導光して照射するレンズ５と、を含んで形成されている。ここでは、リフレクタは発光部１の前面側に設けられた補助用の補助リフレクタ３と発光部１の背面側に設けられたメインのリフレクタ２とからなる。また、レンズ５は、第１レンズ５ａと第２レンズ５ｂと第３レンズ５ｃとからなる。
【００２２】
図１の詳細な説明の前に、説明の都合上、直交座標系を導入する。図１（２）に示すように、光軸１０００をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する面内でＸ軸とＹ軸を定める。便宜上、矩形形状の映像表示素子６の長辺に平行な方向をＸ軸方向とし、短辺に平行な方向をＹ軸方向とする。なお、Ｘ軸とＹ軸とで形成されるＸＹ面は、Ｚ軸の正側から負側を見たときの面で表すものとする。また、象限の考えを導入する。ＸＹ平面をＸ軸とＹ軸で４領域に分割し、正のＸ軸と正のＹ軸とで囲まれた領域を第１象限、正のＹ軸に対する第１象限の対称な領域を第２象限（負のＸ軸と正のＹ軸とで囲まれた領域）、正のＸ軸に対する第１象限の対称な領域を第４象限（正のＸ軸と負のＹ軸とで囲まれた領域）、第１象限の点対称な領域を第３象限（負のＸ軸と負のＹ軸とで囲まれた領域）とする。これは数学的な象限に等しい。なお、映像表示素子におけるＸ軸に平行な方向を水平方向、Ｙ軸に平行な方向を垂直方向ともいう。
【００２３】
発光部１から出射した光束の一部は、リフレクタ２で反射する。発光部１から出射した光束の別の一部は、球面形状の一部からなる補助リフレクタ３で反射し、元の出射位置に戻されたあとで、今度は、リフレクタ２で反射する。従って、発光部１とリフレクタ２と補助リフレクタ３のユニットで考えると、発光部１から出射した光束がリフレクタ２で反射する光路について考慮すれば良いこととなる。なお、必ずしも、補助リフレクタ３は配置する必要はなく、補助リフレクタ３の配向分布の範囲も、直接、リフレクタ２で反射してもよい。
【００２４】
リフレクタ２は、回転非対称な自由曲面形状を有する自由曲面リフレクタであり、光束に対して回転非対称な反射作用を有している。そして、リフレクタ２で反射して回転非対称な反射作用を受けた光束は、回転非対称な自由曲面形状を有する自由曲面レンズ４で、さらに、回転非対称な屈折作用を受ける。その結果、円形光束が矩形光束に変換される（詳細は後述する）。自由曲面レンズ４を出射した矩形ビーム形状の光束は、光軸１０００と交差し、回転対称な第１レンズ５ａ、第２レンズ５ｂ、第３レンズ５ｃで屈折作用を受けて、映像表示素子６に照射される。
【００２５】
なお、ここでいう「光軸と交差」とは、リフレクタ２で反射されて自由曲面レンズ４に入射し、自由曲面レンズ４で屈折作用を受けて第１レンズ５ａに向かう光束が、発光部１からの出射光束のリフレクタ２での交点と光軸１０００とで形成される平面に投影された場合に、光軸を越えて光軸で分割された逆側の領域に至るという意味である。
【００２６】
即ち、発光部１から出射した光束で、例えば、リフレクタ２の点Ａ（図の座標系ではＸＹ平面の第１象限の点）で反射した光束は、光軸１０００に対して点対称な方向の映像表示素子６の点Ｂ（図の座標系ではＸＹ平面の第３象限）に到達するマッピング方式である。リフレクタ２の形状は、回転非対称な自由曲面であることが望ましい。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、リフレクタ２を回転対称な自由曲面形状とした場合、自由曲面レンズ４を複数枚で形成して、リフレクタ２に付与された回転非対称分を補うようにしても良い。
【００２７】
図２は、図１と同様に形成された照明光学装置に、図２５で先述した特許文献１で用いられている光束のマッピング方式を適用したものである。図２において、点Ａと点Ｂがともに、図の座標系ではＸＹ平面の第１象限となっていることが大きな違いである。この作用の違いについては、後で説明する。
【００２８】
図３は、発光部１を光軸上に配置した状態における、発光部１の配向分布を記述するパラメータ（角度α、β）を説明するための図である。通常は、発光部１の長手方向を、リフレクタ２側の光軸方向に合わせて配置するので、図３の光軸１０００からの角度αに対しては、ある範囲でのみ、出射光束が存在する。例えば、４５度から１３５度の範囲であるが、これは、発光部１での電極の影等による結果である。また、図３の光軸１０００を回転中心としたＸＹ面内の正のＸ軸とのなす角度βに対しては、３６０度の方向に出射光束が存在する。角度βは図１ではＸ軸・Ｙ軸に相当するので、マッピング方式に関しては、角度αの方向で２通り、Ｘ軸の方向で２通り、Ｙ軸の方向で２通り、計８通りのマッピング方式が考えられる。
【００２９】
図４は、マッピング方式の比較説明図である。
【００３０】
図４において、矢印２０１は、角度βを一定として、角度αの絶対値を増加させる方向に振った場合におけるリフレクタ２での光束の交点軌跡（光軸側から光軸から遠ざかる方向に向かう交点の軌跡）をＸＹ面上に投影して示したものである。以下、該ＸＹ面を説明の都合上「リフレクタ面」と呼ぶものとする。また、ライトバルブである映像表示素子６上の矢印６０１は、上記矢印２０１に対応する交点軌跡である。すなわち、図４は、リフレクタ面の矢印２０１と映像表示素子面（ライトバルブ面）の矢印６０１との対応関係（つまりマッピング）を示すものである。
【００３１】
図４で、例えば、♯１は、リフレクタ２での交点の座標の符号と、映像表示素子６での交点の座標が同符号であり、また、リフレクタ２で光軸に近い点が、映像表示素子６で光軸に近い点にマッピングされており、図２でも説明した従来例でのマッピング方式に該当する。
【００３２】
一方、♯４は、リフレクタ２での交点の座標の符号と、映像表示素子６での交点の座標が異なる符号であり、また、リフレクタ２で光軸に近い点が、映像表示素子６で光軸に近い点にマッピングされており、図１で説明した本発明によるマッピング方式に該当する。これら８通りのマッピング方式の比較検討を行った結果、♯４のマッピング方式が一番、マッピングの性能が良いことが分かった。
【００３３】
この理由としては、光束屈折作用と、ビーム形状変換機能の関係が上げられる。そもそも、光束の屈折する角度は、光束が屈折する光束の高さと、その面のパワー（屈折力）の積となるので、光束が光軸に近い場合はその屈折作用が小さくなる。しかしながら、ビーム形状変換機能においては、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なる回転非対称な反射／屈折作用が必要とされている。そこで、リフレクタ２での交点の座標の符号と、映像表示素子６での交点の座標が異なる符号、即ち、光軸の反対側を光束が通過することにより、光束高さの高低を大きくできるので、回転非対称な制御に適しているものと考えられる。
【００３４】
なお、光束が光軸に対して回転対称な通常の光学系においては、そもそも光軸に近い光束は収差が小さく、光束高さの大きな光束の収差補正を行うことで、光学性能を改善できる訳だが、本発明でのビーム形状変換機能は、収差レベルの話ではなく、積極的に、光束の位置を制御する（ずらす）ことが目的であり、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なる回転非対称な反射／屈折作用は不可欠である。
【００３５】
また、このマッピング方式は、発光部１の大きさが、点発光部ではなく、有限の大きさを持っていることに対する改善効果も有しているが、その効果については、具体的な実施例の説明の中で後述する。
【００３６】
次に、図６から図９を用いて、本発明による一様な光量分布を実現するためのマッピング方式の詳細について説明する。
【００３７】
図６は連続性を無視したマッピング方式の説明図、図７は連続性を考慮したマッピング方式の説明図、図８は連続性と一様性を考慮したマッピング方式の説明図、図９は半径方向のマッピング方式の説明図である。なお、図６と図７では、本発明と従来技術との対比をわかり易くするため、リフレクタ２の第１象限で反射した光束は、映像表示素子６の第１象限に入射するものとして説明する。
【００３８】
図６（１）は、リフレクタ面における交点軌跡を矢印で表したものであり、図６（２）は、上記交点軌跡に対応した光束が映像表示素子面（ライトバルブ面）に入射する交点軌跡を矢印で表したものである。
【００３９】
リフレクタ面では、（１）図に示すように、角度βをパラメータとして複数の交点軌跡が考慮されている。その内の任意の交点軌跡を示すのに、光軸側（内側）の端点ａｉと光軸から離れた側（外側）の端点Ａｉとを用いて、矢印「ａｉ→Ａｉ」と表現する。
【００４０】
また同様に、ライトバルブ面では、（２）図に示すように、リフレクタ面の内側の端点ａｉに対応する光軸との交点を通るＸ軸側の点（内側の点）を符号ｂｉで示し、リフレクタ面の外側の端点Ａｉに対応する周辺側（外側）の点を符号Ｂｉで示す。そして、矢印「ａｉ→Ａｉ」に対応する交点軌跡を矢印「ｂｉ→Ｂｉ」と表現する。
【００４１】
図６（１）から明らかなように、リフレクタ面の矢印「ａ１→Ａ１」と矢印「ａ２→Ａ２」は同じ光量を有している。従って、対応した矢印「ｂ１→Ｂ１」と矢印「ｂ２→Ｂ２」を同じ長さで均等に配置することが、一様な光量分布にとっての十分条件となる。
【００４２】
ここで、リフレクタ２の点ａ１と点ａ２は隣接した点であり、製造が難しい非連続面を使用しないためには、対応した映像表示素子６の点ｂ１と点ｂ２も隣接することが必要である。内側の点列については、点ｂ６と点ｂ７の隣接配置と、点ｂ１２と点ｂ１の隣接配置も可能であるが、外側の点列については、点Ｂ６と点Ｂ７の隣接配置と、点Ｂ１２と点Ｂ１の隣接配置が不可能となっている。
【００４３】
一様な光量分布を考慮せずに、連続性のみを考慮するのであれば、先述した図２５（２）のようなマッピングでも十分であるが、本発明でのビーム形状変換機能と一様な光量分布を同時に実現した本発明について説明する。
【００４４】
図７は、隣接配置の条件を満たすための本発明の連続性を考慮したマッピング方式の説明図である。図７において、外側の点列である点Ｂ６と点Ｂ７の隣接配置と、点Ｂ１２と点Ｂ１の隣接配置を可能としている。また、映像表示素子６での内側の点列を、映像表示素子６の光軸中心からずらすことで、各矢印の長さを同じ程度とし、一様な光量分布を達成することが可能となった。先述した図２５の従来例では、映像表示素子６での内側の点列は映像表示素子６の中心位置に集まっており、矩形ビーム形状は得られるが、中央部が明るくなり、一様な光量分布を得ることができない。
【００４５】
また、図７は従来例との比較で連続性に着目した説明を行ったが、図８に示した様に、本発明のマッピング方式では、リフレクタ２でのＸＹ座標の符号と、映像表示素子６でのＸＹ座標の符号を異符号としているので、例えば、図７の点ｂ１と点ｂ７の置換、点Ｂ１と点Ｂ７の置換を行っている。
【００４６】
連続性と光量（矢印の長さ）に関する説明を行ったが、一様な光量分布の実現のためには、半径方向の分布も制御する必要がある。
【００４７】
図９は、本発明による映像表示素子６における光束の交点の軌跡を表した説明図である。
【００４８】
なお、図８から明らかなように、角度αを固定して、角度βを変えてライトバルブ面で交点軌跡を求めると、図９のように、角度αをパラメータとして、複数の楕円形状の交点軌跡が得られる。この内の最も内側の楕円を符号６１で示し、最も外側の楕円を符号６２で示す。
【００４９】
図９（１）は、本発明による半径方向の点列分布を示すものである。同図から明らかなように、本発明では、半径方向にすなわち角度βを固定して角度αを可変した（振った）場合に、映像表示素子６での点列の軌跡が、映像表示素子６の内側で粗、外側で密な点列の軌跡となるようにしている。
【００５０】
図９（２）は、本発明と対比するための半径方向の点列分布を示す。この点列分布は、半径方向にすなわち角度βを固定して角度αを可変した（振った）場合に、映像表示素子６での点列の軌跡が、等間隔な軌跡となるようにしたものである。
【００５１】
図９（１）の点列分布を用いた理由は、上記した図９の内側の楕円６１と、外側の楕円６２を考えると理解できる。
【００５２】
発光部１の配向分布から、内側の楕円６１と、外側の楕円６２の光量が等しい場合、図９（２）の等間隔配置では、内側の楕円６１より外側の楕円６２の方が大きくなるので、内側より外側の単位面積あたりの光量が小さくなってしまう。そこで、図９（１）のように、内側から外側に連なる楕円の位置を、内側で粗に、外側で密に配置することで、半径方向についても考慮した一様な光量分布を実現できる。
【００５３】
次に、具体的な実施例について説明する。
【実施例１】
【００５４】
図１０から図１６を用いて、実施例１について具体的に説明する。
【００５５】
図１０は、実施例１のレンズを示す図、図１１は、実施例１のレンズデータ図、図１２は、実施例１のマッピング図、図１３は、実施例１の映像表示素子でのラスタ性能図、図１４は、実施例１の回転非対称な光学素子（レンズ）の断面図、図１５は、実施例１の発光部位置の違いによる映像表示素子での光束追跡のマッピング図、図１６は、実施例１の発光部の大きさによる光束広がりの光束追跡図である。
【００５６】
模式図である図１に対して、図１０では、補助リフレクタ３の表示を省略した点と、発光部である管球の破裂した際の保護ガラス７を配置した点が異なるが、基本的な機能は図１と同じなのでその説明は省略する。なお、発光部１はアーク長１ｍｍで太さもあるものとする。また、図１１の係数は、図５で説明した自由曲面形状の係数である。
【００５７】
図１２のマッピング図は、発光部１の中心位置から出射する光束に対するものである。図１２（１）は、自由曲面形状であるリフレクタ２における光束の交点のＸＹ座標、図１２（２）は映像表示素子６における光束の交点のＸＹ座標、図１２（３）は映像表示素子６における光束の目標としたＸＹ座標である。
【００５８】
図１２（１）に示すように、実施例１では、図３で説明した角度αを４５度から９０度の範囲で８分割し、角度βを０度から３６０度の範囲で４０分割（対称性から、βを０度から９０度の範囲で１０分割）した、計３２０点（対称性で８０点の４倍）の光束について表している。図１２（２）から明らかなように、図６から図９で説明した方法で定めた目標座標と、同じ交点座標を実現している様子がわかる。
【００５９】
すなわち、実施例１による照明光学装置は、円形光束を矩形光束に変換して、映像表示素子６を良好に矩形ビーム形状に照射していることがわかる。これにより、光の利用効率が向上する。
【００６０】
図１３に、映像表示素子６における照射光量のラスタ性能を示す。図１３（１）は等高線表示、図１３（２）は映像表示素子６の上端・中央・下端における水平方向（Ｘ軸に平行な方向）の光量分布図であり、図１３（３）は映像表示素子６の左端・中央・右端における垂直方向（Ｙ軸に平行な方向）の光量分布図である。図１３から明らかなように、インテグレータとしてのマルチレンズアレイを用いていないが、一様な光量分布を実現していることが分かる。
【００６１】
なお、図１４に、回転非対称な自由曲面形状を有するリフレクタ２と自由曲面レンズ４のＹＸ断面とＸＺ断面を示したが、ＹＺ断面とＸＺ断面で形状の異なる回転非対称な自由曲面形状であることが分かる。また、自由曲面レンズ４のＹＺ断面とＸＺ断面の形状は大きく異なっているが、リフレクタ２の断面形状はＹＺ断面とＸＺ断面の形状の違いが小さい。しかし、リフレクタ２での形状の違いは小さい、即ち、反射面の勾配の差が小さくとも、遠く離れた場所でのＸＹ座標の位置ずれは大きくなる。
【００６２】
以上の説明で用いた図１２の実施例１のマッピング図は、図１１に示した発光部位置（発光部１の中心位置）から出射した光束に関するマッピングであるので、図１５に光束の出射位置を変えた場合での映像表示素子６でのマッピング図を示す。なお、実施例１では、発光部１としてアーク長１ｍｍで太さもある発光部モデルを使用してラスタ性能の計算評価を実施しており、図１５において、発光位置の位置の違いを含めた総合的な計算評価を示している。すなわち、発光位置として、発光部１のリフレクタ側端、発光部１の中心、および発光部１のリフレクタから遠い側端の３カ所を用いている。
【００６３】
図１５（２）は、発光位置を発光部１の中心位置とした場合におけるマッピング図であり、先の図１２（２）と同じである。また、図１５（１）は、発光位置を発光部１のリフレクタ側端とした場合におけるマッピング図、図１５（３）は、発光位置を発光部１のもう一方側端とした場合におけるマッピング図である。この図より、リフレクタ２から遠い側端でのマッピング図（（３）図）は、設計中心位置でのマッピング図（（２）図）と同等である。一方、リフレクタ２側端でのマッピング図（（１）図）は設計中心位置でのマッピング図とは見た目が違うが、映像表示素子６を覆っていることは確認できる。
【００６４】
すなわち、発光部１が有限の大きさを有していても、実施例１による照明光学装置は、円形光束を矩形光束に変換するビーム形状変換機能を有するとともに、映像表示素子上で一様な光量分布を実現しているといえる。
【００６５】
図１６を用いて、リフレクタ２でのＸＹ座標と、映像表示素子６でのＸＹ座標との対応関係の違いによる、従来のマッピング方式と発明のマッピング方式の違いについて、ここで、実際の光束追跡した結果をもとに説明する。
【００６６】
図１６（１）が図２５の従来例に相当するが、リフレクタ２を放物面リフレクタとして、実施例１にあわせて、リフレクタ２から同じ距離に、発光部１（発光中心位置：距離６．５ｍｍ）と映像表示素子６（距離２２０．０９６ｍｍ）を配置した。図１６（１）で、発光中心位置から光軸に直交する方向に出射した光束（実線）は映像表示素子６の１３．００ｍｍの位置に到達し、発光中心位置から０．５ｍｍリフレクタ２側とは逆側に離れた位置から光軸に直交する方向に出射した光束（破線）は映像表示素子６の５．５９ｍｍの位置にする。従って、光束の広がりは、５．５９−１３．００＝−７．４１ｍｍとなる。一方、図１６（２）の実施例１では、発光中心位置から光軸に直交する方向に出射した光束（実線）は映像表示素子６の−１１．３９ｍｍの位置に到達し、発光中心位置から０．５ｍｍリフレクタ２側とは逆側に離れた位置から光軸に直交する方向に出射した光束（破線）は映像表示素子６の−１０．５４ｍｍの位置にする。従って、光束の広がりは、−１０．５４−（−１１．３９）＝−０．８５ｍｍとなる。
【００６７】
通常、図２５の従来例のような構成では、映像表示素子６の位置がリフレクタから離れるにつれて、光束の広がり（実線と破線の広がり）が大きくなるが、実施例１では光束の広がりが小さくなっている。この理由は、リフレクタ２で反射した後の破線は、実線に比べて光軸側に曲げられているが、後続のレンズ５では、破線の光束高さが実線の光束高さより大きいので、破線に対する屈折力が実線より大きくなるためである。即ち、今度は、逆方向に、破線の光束が実線より大きく曲げられ、その結果、映像表示素子６での破線の位置が実線の位置に近づいたためである。
【００６８】
即ち、実施例１の方式では、映像表示素子６をリフレクタ２から離した位置に配置することが可能であり、映像表示素子６が１個の単板方式以外にも適用できる。何故なら、映像表示素子６を３個用いる３板方式では、色分離のためのダイクロイックミラ−配置のための空間が必要ともなるからである。
【００６９】
以上述べたように、実施例１の照明光学装置は、円形ビーム形状を矩形ビーム形状に変換するビーム形状変換機能を備えるとともに、価格の高いマルチレンズアレイなどのインテグレータや、プリズムアレイなどの光束分割手段を用いることなく、簡単に、光量分布の一様化を図ることができる。従って、コストの低減を図ることができる。
【００７０】
また、この照明光学装置を、映像表示素子を駆動する図示しない駆動回路、該駆動回路で駆動されて映像表示素子上に形成された光学像を拡大して投射する投射レンズ（図示せず）、前記駆動回路や発光部に電力を供給する図示しない電源回路など、とともに図示しない筐体に搭載した投射型表示装置に適用すれば、一様な光量分布を低コストで実現できる投射型表示装置を提供することができる。
【実施例２】
【００７１】
次に、図１７から図２０を用いて、実施例２について具体的に説明する。
【００７２】
図１７は、実施例２のレンズを示す図、図１８は、実施例２のレンズデータ図、図１９は、実施例２のマッピング図、図２０は、実施例２の映像表示素子でのラスタ性能図である。
【００７３】
模式図である図１に対して、図１７では、補助リフレクタ３の表示を省略した点と、保護ガラス７を配置して点が異なるが、基本的な機能は図１と同じなのでその説明は省略する。なお、図１８の係数は、図５で説明した自由曲面形状の係数である。
【００７４】
図１９のマッピング図は、発光部１の中心位置から出射する光束に対するものである。図１９（１）は、自由曲面形状であるリフレクタ２における光束の交点のＸＹ座標、図１９（２）は映像表示素子６における光束の交点のＸＹ座標、図１９（３）は映像表示素子６における光束の目標としたＸＹ座標である。
【００７５】
図１９（１）に示すように、実施例２では、図３で説明した角度αを４５度から９０度の範囲で８分割し、角度βを０度から３６０度の範囲で４０分割（対称性から、角度βを０度から９０度の範囲で１０分割）した、計３２０点（対称性で８０点の４倍）の光束についての表している。図１９（２）から明らかなように、図６から図９で説明した方法で定めた目標座標と、同じ交点座標を実現している様子がわかる。
【００７６】
すなわち、実施例２による照明光学装置は、円形光束を矩形光束に変換して、映像表示素子６を良好に矩形ビーム形状に照射していることがわかる。これにより、光の利用効率が向上する。
【００７７】
図２０に、映像表示素子６における照射光量のラスタ性能を示す。図２０（１）は等高線表示、図２０（２）は映像表示素子６の上端・中央・下端における水平方向の光量分布図であり、図２０（３）は映像表示素子６の左端・中央・右端における垂直方向の光量分布図である。
【００７８】
図２０から明らかなように、価格の高いインテグレータとしてのマルチレンズアレイや、プリズムアレイなどの光束分割手段を用いていないが、簡単に、一様な光量分布を実現していることが分かる。従って、コストの低減を図ることができる。
【実施例３】
【００７９】
次に、図２１から図２４を用いて、実施例３について具体的に説明する。
【００８０】
図２１は、実施例３のレンズを示す図、図２２は、実施例３のレンズデータ図、図２３は、実施例３のマッピング図、図２４は、実施例３の映像表示素子でのラスタ性能図である。
【００８１】
模式図である図１に対して、図２１では、補助リフレクタ３の表示を省略した点と、保護ガラス７を配置して点が異なるが、基本的な機能は図１と同じなのでその説明は省略する。なお、図２２の係数は、図５で説明した自由曲面形状の係数である。
【００８２】
図２３のマッピング図は、発光部１の中心位置から出射する光束に対するものである。図２３（１）は、自由曲面形状であるリフレクタ２における光束の交点のＸＹ座標、図２３（２）は映像表示素子６における光束の交点のＸＹ座標、図２３（３）は映像表示素子６における光束の目標としたＸＹ座標である。
【００８３】
図２３（１）に示すように、実施例３では、図３で説明した角度αを４５度から９０度の範囲で８分割し、角度βを０度から３６０度の範囲で４０分割（対称性から、角度βを０度から９０度の範囲で１０分割）した、計３２０点（対称性で８０点の４倍）の光束についての表している。図２３（２）から明らかなように、図６から図９で説明した方法で定めた目標座標と、同じ交点座標を実現している様子がわかる。
【００８４】
すなわち、実施例３による照明光学装置は、円形光束を矩形光束に変換して、映像表示素子６を良好に矩形ビーム形状に照射していることがわかる。これにより、光の利用効率が向上する。
【００８５】
図２４に、映像表示素子６における照射光量のラスタ性能を示す。図２４（１）は等高線表示、図２４（２）は映像表示素子６の上端・中央・下端における水平方向の光量分布図であり、図２４（３）は映像表示素子６の左端・中央・右端における垂直方向の光量分布図である。
【００８６】
図２４から明らかなように、価格の高いインテグレータとしてのマルチレンズアレイや、プリズムアレイなどの光束分割手段を用いていないが、簡単に、一様な光量分布を実現していることが分かる。従って、コストの低減を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、円形ビーム形状を矩形ビーム形状に変換するビーム形状変換機能と同時に、映像表示素子における一様な光量分布を実現した照明光学装置、及びこれを用いた投射型表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の照明光学装置を示す図である。
【図２】同一象限マッピング方式を示す照明光学装置を示す図である。
【図３】発光部の配向分布の説明図である。
【図４】マッピング方式の組合せの説明図である。
【図５】自由曲面の説明図である。
【図６】連続性を無視したマッピング方式の説明図である。
【図７】連続性を考慮したマッピング方式の説明図である。
【図８】連続性と一様性を考慮したマッピング方式の説明図である。
【図９】半径方向のマッピング方式の説明図である。
【図１０】実施例１を示す図である。
【図１１】実施例１のレンズデータ図である。
【図１２】実施例１の光線追跡のマッピング図である。
【図１３】実施例１の映像表示素子でのラスタ性能図である。
【図１４】実施例１の回転非対称な光学素子の断面図である。
【図１５】実施例１の発光部位置の違いによる映像表示素子での光線追跡のマッピング図である。
【図１６】実施例１の発光部の大きさによる光束広がりの光線追跡図である。
【図１７】実施例２を示す図である。
【図１８】実施例２のレンズデータ図である。
【図１９】実施例２の光線追跡のマッピング図である。
【図２０】実施例２の映像表示素子でのラスタ性能図である。
【図２１】実施例３を示す図である。
【図２２】実施例３のレンズデータ図である。
【図２３】実施例３の光線追跡のマッピング図である。
【図２４】実施例３の映像表示素子でのラスタ性能図である。
【図２５】特許文献１のビーム形状変換機能の説明図である。
【符号の説明】
【００８９】
１…発光部、２…リフレクタ、３…補助リフレクタ、４…自由曲面レンズ、５ａ…第１レンズ、５ｂ…第２レンズ、５ｃ…第３レンズ、６…映像表示素子、７…保護ガラス、３１…レンズ、３２…レンズ、６１，６２…楕円、１００，１０１…円形ビーム形状、１０２，１０３…矩形ビーム形状、２０１，６０１，６５１…矢印、１０００…光軸。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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