(57)【要約】【課題】コストの増加を抑えつつ、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度を確保し易くした照明装置及び投写型画像表示装置を提供する。【解決手段】複数色の発光素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂと、複数色の各発光素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂから射出される光束を集光し、複数のレンズ２１、２２、２３、２４で構成した集光レンズ系と、集光レンズ系を構成するレンズ２１、２２、２３、２４間にダイクロイックミラー３、４を配置した色合成光学系と、集光レンズ系の後段に配置され、第１のレンズアレー５と第２のレンズアレー６とで構成されたインテグレータ光学系と、インテグレータ光学系の後段に配置されたフィールドレンズ７、８とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数色の発光素子と、
前記複数色の各発光素子から射出される光束を集光し、複数のレンズで構成した集光レンズ系と、
前記集光レンズ系を構成するレンズ間にダイクロイックミラーを配置した色合成光学系と、
前記集光レンズ系の後段に配置され、第１のレンズアレーと第２のレンズアレーとで構成されたインテグレータ光学系と、
前記インテグレータ光学系の後段に配置されたフィールドレンズとを備えていることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記複数色の発光素子として、赤色、青色、緑色の半導体発光素子を配置している請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記複数色の発光素子は、赤色、青色、緑色の発光素子であり、
前記色合成光学系は、前記発光素子側から順に、第１のダイクロイックミラーと第２のダイクロイックミラーとで構成されており、
前記第１のダイクロイックミラーは、前記赤色の発光素子から射出される赤色の光を反射させ、かつ前記緑色の発光素子から射出される緑色の光を透過する分光特性であり、
前記第２のダイクロイックミラーは、前記青色の発光素子から射出される青色の光を反射させ、かつ前記第１のダイクロイックミラーで色合成された緑色と赤色の光を透過する分光特性である請求項１に記載の照明装置。
【請求項４】
前記複数色の発光素子は、赤色、青色、緑色の発光素子であり、
前記色合成光学系は、第１のダイクロイックミラーと第２のダイクロイックミラーとで構成され、
前記第１のダイクロイックミラーと第２のダイクロイックミラーとがＸ字状に交差して配置され、
前記第１のダイクロイックミラーは、前記赤色の発光素子から射出される赤色の光を反射させ、かつ前記緑色と前記青色の発光素子から射出される緑色と青色の光を透過する分光特性であり、
前記第２のダイクロイックミラーは、前記青色の発光素子から射出される青色の光を反射させ、かつ前記緑色と前記赤色の発光素子から射出される緑色と赤色の光を透過する分光特性である請求項１に記載の照明装置。
【請求項５】
前記第１のダイクロイックミラー及び第２のダイクロイックミラーの少なくともいずれかは、面内の一方向に光学膜厚を変化させている請求項３又は４に記載の照明装置。
【請求項６】
前記発光素子と前記ダイクロイックミラーの間に配置された集光レンズの少なくとも１つの面が非球面形状である請求項１に記載の照明装置。
【請求項７】
前記発光素子は、発光ダイオード素子、エレクトロルミネセンス素子、又は半導体レーザ素子である請求項１から６のいずれかに記載の照明装置。
【請求項８】
複数色の発光素子と、
前記複数色の各発光素子から射出される光束を集光し、複数のレンズで構成した集光レンズ系と、
前記集光レンズ系を構成するレンズ間にダイクロイックミラーを配置した色合成光学系と、
前記集光レンズ系の後段に配置され、第１のレンズアレーと第２のレンズアレーとで構成されたインテグレータ光学系と、
前記インテグレータ光学系の後段に配置されたフィールドレンズと、
前記フィールドレンズから導かれた光束を変調し、画像を形成するライトバルブと、
投写レンズとを備えていることを特徴とする投写型画像表示装置。
【請求項９】
前記複数色の発光素子として、赤色、青色、緑色の半導体発光素子を配置している請求項８に記載の投写型画像表示装置。
【請求項１０】
前記複数色の発光素子は、赤色、青色、緑色の発光素子であり、
前記色合成光学系は、前記発光素子側から順に、第１のダイクロイックミラーと第２のダイクロイックミラーとで構成されており、
前記第１のダイクロイックミラーは、前記赤色の発光素子から射出される赤色の光を反射させ、かつ前記緑色の発光素子から射出される緑色の光を透過する分光特性であり、
前記第２のダイクロイックミラーは、前記青色の発光素子から射出される青色の光を反射させ、かつ前記第１のダイクロイックミラーで色合成された緑色と赤色の光を透過する分光特性である請求項８に記載の投写型画像表示装置。
【請求項１１】
前記複数色の発光素子は、赤色、青色、緑色の発光素子であり、
前記色合成光学系は、第１のダイクロイックミラーと第２のダイクロイックミラーとで構成され、
前記第１のダイクロイックミラーと第２のダイクロイックミラーとがＸ字状に交差して配置され、
前記第１のダイクロイックミラーは、前記赤色の発光素子から射出される赤色の光を反射させ、かつ前記緑色と前記青色の発光素子から射出される緑色と青色の光を透過する分光特性であり、
前記第２のダイクロイックミラーは、前記青色の発光素子から射出される青色の光を反射させ、かつ前記緑色と前記赤色の発光素子から射出される緑色と赤色の光を透過する分光特性である請求項８に記載の投写型画像表示装置。
【請求項１２】
前記第１のダイクロイックミラー及び第２のダイクロイックミラーの少なくともいずれかは、面内の一方向に光学膜厚を変化させている請求項１０又は１１に記載の投写型画像表示装置。
【請求項１３】
前記発光素子と前記ダイクロイックミラーの間に配置された集光レンズの少なくとも１つの面が非球面形状である請求項８に記載の投写型画像表示装置。
【請求項１４】
前記発光素子は、発光ダイオード素子、エレクトロルミネセンス素子、又は半導体レーザ素子である請求項８から１３のいずれかに記載の投写型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置及びそれを用いた投写型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大画面映像を表示する装置として、映像信号に応じた画像を表示する小型のライトバルブを照明し、その画像を投写レンズにより拡大投写する投写型画像表示装置が知られている。
【０００３】
投写型画像表示装置の照明光源は、超高圧水銀灯から半導体発光素子である発光ダイオード、レーザが使用されるようになっている。また、ライトバルブには、透過型又は反射型の液晶パネルを用いたものや、微細なミラーの集合体であるデジタルミラーデバイスを用いたものがあり、これらを用いた投写型画像表示装置が実用化されている。以下、従来の投写型画像表示装置の一例について説明する。
【０００４】
図１０は、特許文献１に記載された半導体発光素子を光源として用いた投写型画像表示装置の概略構成図である。１Ｇは緑色半導体発光素子、１Ｒは赤色半導体発光素子、１Ｂは青色半導体発光素子である。
【０００５】
２０はコリメータレンズであり、各色の半導体発光素子から射出される光を略平行光化する。３０は色合成プリズムである。５は第１レンズアレー、６は第２レンズアレーである。第１レンズアレー５及び第２レンズアレー６で形成される構成は、レンズアレー型インテグレータと呼ばれる。
【０００６】
７は第１フィールドレンズ、８は第２フィールドレンズ、９は反射型ライトバルブ、１０は全反射プリズム、１１は投写レンズである。
【０００７】
次に、動作について説明する。各色の半導体発光素子１Ｇ、１Ｒ、１Ｂから射出した緑、赤、青の各光束は、コリメータレンズ２０により略平行光化され、合成プリズム３０に入射する。
【０００８】
色合成プリズム３０で色合成された各色の光束は、第１レンズアレー５に入射し、第２レンズアレー６上には半導体発光素子の光源像ができる。第２レンズアレー６は、第１レンズアレー５から入射した光束を第１レンズアレー５と光学的に共役に配置された反射型ライトバルブ９に、第１フィールドレンズ７及び第２フィールドレンズ８を介在して照明する。
【０００９】
反射型ライトバルブ９により、光学像を形成する変調光が射出される。反射型ライトバルブ９は、微細なミラーの集合体であるデジタルミラーデバイスからなり、駆動回路（図示せず）から出力される電気信号によって画像を表示する。反射型ライトバルブ９に表示された画像は、全反射プリズム１０及び投写レンズ１１を介して拡大投写されスクリーン（図示せず）に投写される。
【特許文献１】特開２００４−７００１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上に示した従来の投写型画像表示装置は、例えば反射型ライトバルブのサイズを対角１７．８ｍｍ相当とすると、照明系のＦナンバーが１．７相当では、色合成プリズム３０のサイズが５０角から６０角程度になるため、色合成プリズム３０そのもののコストが高くなってしまう問題があった。
【００１１】
色合成プリズム３０のサイズが大きくなった場合、コリメータレンズ２０は、色合成プリズム３０を包括する外径で、集光する角度を大きくするために焦点距離の短いものが必要になる。この場合、コリメータレンズ２０の倒れや、コリメータレンズ２０の光軸と、第１、第２レンズアレー５、６から投写レンズまでの光軸とのずれ等を防止するには、機構的な保持精度が厳しくなる。
【００１２】
また、コリメータレンズ２０の面に非球面形状を用いて収差補正しても１枚では、周辺部に収差が残ることになる。このため、この構成は結果として発光素子と共役になる第２レンズアレー６上の光源像がぼけてしまい、良好な集光効率が取れなくなり現実的でない。
【００１３】
ここで、図１１は、図１０に示した色合成方式の投写型画像表示装置において、コリメータレンズ２０と色合成プリズム３０とに倒れが生じた場合を示している。この場合は、第１レンズアレー５に倒れた光線が入射することになる。また、第１レンズアレー５までに光学部材が介在していないため、各色での角度調整をすることができず、その結果、３色の合成光の第１レンズアレー５への入射位置ずれが発生する。さらに、それに応じて第２レンズアレー６上での光源像の位置がずれるために色ムラが大きくなる。
【００１４】
すなわち、図１０に示したような投写型画像表示装置は、小型のサイズでは採用し易いが、大型のサイズでは色合成プリズム３０が急激に高コストになるとともに、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度が厳しくなるという問題があった。
【００１５】
本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、コストの増加を抑えつつ、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度を確保し易い照明装置及び投写型画像表示装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明の照明装置は、複数色の発光素子と、前記複数色の各発光素子から射出される光束を集光し、複数のレンズで構成した集光レンズ系と、前記集光レンズ系を構成するレンズ間にダイクロイックミラーを配置した色合成光学系と、前記集光レンズ系の後段に配置され、第１のレンズアレーと第２のレンズアレーとで構成されたインテグレータ光学系と、前記インテグレータ光学系の後段に配置されたフィールドレンズとを備えていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の投写型画像表示装置は、複数色の発光素子と、前記複数色の各発光素子から射出される光束を集光し、複数のレンズで構成した集光レンズ系と、前記集光レンズ系を構成するレンズ間にダイクロイックミラーを配置した色合成光学系と、前記集光レンズ系の後段に配置され、第１のレンズアレーと第２のレンズアレーとで構成されたインテグレータ光学系と、前記インテグレータ光学系の後段に配置されたフィールドレンズと、前記フィールドレンズから導かれた光束を変調し、画像を形成するライトバルブと、投写レンズとを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、コストの増加を抑えつつ、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度を確保し易くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、色合成プリズムを用いることなく、ダイクロイックミラーにより色合成光学系を構成し、集光レンズ系を複数枚のレンズで構成している。このことにより、コストの増加を抑えつつ、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度を確保し易くすることができる。
【００２０】
前記本発明の照明装置又は投写型画像表示装置においては、前記複数色の発光素子として、赤色、青色、緑色の半導体発光素子を配置していることが好ましい。
【００２１】
また、前記複数色の発光素子は、赤色、青色、緑色の発光素子であり、前記色合成光学系は、前記発光素子側から順に、第１のダイクロイックミラーと第２のダイクロイックミラーとで構成されており、前記第１のダイクロイックミラーは、前記赤色の発光素子から射出される赤色の光を反射させ、かつ前記緑色の発光素子から射出される緑色の光を透過する分光特性であり、前記第２のダイクロイックミラーは、前記青色の発光素子から射出される青色の光を反射させ、かつ前記第１のダイクロイックミラーで色合成された緑色と赤色の光を透過する分光特性であることが好ましい。
【００２２】
この構成によれば、光軸から離れた周辺部において入射角の変化量の少ない第２ダイクロイックミラーの分光特性を、重なる波長帯域がある緑光及び青光のうち、緑光を透過させ青光を反射させる特性にしたことにより、色、輝度のばらつきを小さくし、色ムラ、輝度ムラを抑えることができる。
【００２３】
また、前記複数色の発光素子は、赤色、青色、緑色の発光素子であり、前記色合成光学系は、第１のダイクロイックミラーと第２のダイクロイックミラーとで構成され、前記第１のダイクロイックミラーと第２のダイクロイックミラーとがＸ字状に交差して配置され、前記第１のダイクロイックミラーは、前記赤色の発光素子から射出される赤色の光を反射させ、かつ前記緑色と前記青色の発光素子から射出される緑色と青色の光を透過する分光特性であり、前記第２のダイクロイックミラーは、前記青色の発光素子から射出される青色の光を反射させ、かつ前記緑色と前記赤色の発光素子から射出される緑色と赤色の光を透過する分光特性であることが好ましい。この構成によれば、第１のダイクロイックミラーの光軸上と周辺部とでの入射角変化が少なくなるので、色、輝度のばらつきが小さくなり、色ムラ、輝度ムラの発生防止にも有利になる。
【００２４】
また、前記第１のダイクロイックミラー及び第２のダイクロイックミラーの少なくともいずれかは、面内の一方向に光学膜厚を変化させていることが好ましい。この構成によれば、ダイクロイックミラーへの入射角が光軸上から周辺部にかけて一様に変化しても、色ムラ、輝度ムラを防止することができる。
【００２５】
また、前記発光素子と前記ダイクロイックミラーの間に配置された集光レンズの少なくとも１つの面が非球面形状であることが好ましい。この構成によれば、収差補正が容易になる。
【００２６】
また、前記発光素子は、発光ダイオード素子、エレクトロルミネセンス素子、又は半導体レーザ素子であることが好ましい。
【００２７】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る投写型画像表示装置の光学系概念図である。１Ｇは緑色半導体発光素子、１Ｒは赤色半導体発光素子、１Ｂは青色半導体発光素子である。半導体発光素子としては、例えば発光ダイオード素子、エレクトロルミネセンス素子、半導体レーザ素子が挙げられる。
【００２９】
２１−２４は、各色の半導体発光素子から射出される光を、後述する第１レンズアレー５前段で略平行光化する集光レンズ系である。２１は第１集光レンズ、２２は第２集光レンズ、２３は第３集光レンズ、２４は第４集光レンズである。３は第１ダイクロイックミラー、４は第２ダイクロイックミラーである。
【００３０】
５は第１レンズアレー、６は第２レンズアレーであり、第１レンズアレー５と第２レンズアレー６とで形成される構成は、レンズアレー型インテグレータと呼ばれる。７は第１フィールドレンズ，８は第２フィールドレンズ、９は反射型ライトバルブ、１０は全反射プリズム、１１は投写レンズ、１３は全反射ミラーである。
【００３１】
図１において、第１集光レンズ２１と第２集光レンズ２２は、半導体発光素子１Ｇと第１ダイクロイックミラー３との間、半導体発光素子１Ｒと第１ダイクロイックミラー３との間、及び半導体発光素子１Ｂと全反射ミラー１３との間に配置されている。
【００３２】
第３集光レンズ２３は、第１ダイクロイックミラー３と第２ダイクロイックミラー４との間、及び全反射ミラー１３と第２ダイクロイックミラー４との間に配置されている。
【００３３】
なお、図１の例では、小型化のために、半導体発光素子１Ｂを集光する第２集光レンズ２２と第３集光レンズ２３の間に、全反射ミラー１３を配置しているが、これを省いた構成であってもよい。
【００３４】
図２は、第１ダイクロイックミラー３の分光特性を示している。図２に示したように、第１ダイクロイックミラー３は、緑を透過させ、赤を反射する特性を有している。
【００３５】
図３は、本実施の形態に係る集光光学系の光路概念図を示している。図３から分るように、緑色半導体発光素子１Ｇからの光は、第１集光レンズ２１から第４集光レンズ２４を経て、第１レンズアレー５前段で略平行光化されることになる。このことは、赤色半導体発光素子１Ｒ、青色半導体発光素子１Ｂからの光についても同様である。
【００３６】
図４は、本実施の形態に係る第１ダイクロイックミラー３への光線入射角光路図を示している。図４に示したように、第１ダイクロイックミラー３への光線入射角は、光軸上では４５度であるが、第３集光レンズ２３に近づく方向（Ｒ方向）に離れた周辺部のＡ点においては４５度＋α、第３集光レンズ２３から遠ざかる方向（Ｌ方向）に離れた周辺部のＢ点においては４５度−αである。
【００３７】
ここで、第１ダイクロイックミラー３の光学膜厚が均一であるとすると、光線入射角が４５度の光軸上では、図２の分光特性を示すが、Ｒ方向に離れ入射角が大きくなるにつれて、図２の分光特性は短波長側にずれることになる。このため、Ｒ方向に離れた周辺部のＡ点においては、緑の一部が反射し緑の透過が不十分になることが起こり得る。
【００３８】
また、Ｌ方向に離れ入射角が小さくなるにつれて、図２の分光特性は長波長側にずれることになる。このため、Ｌ方向に離れた周辺部のＢ点においては、赤の一部が透過し赤の反射が不十分になることが起こり得る。
【００３９】
本実施の形態に係る第１ダイクロイックミラー３は、面内の一方向に光学膜厚を変化させている。すなわち、光軸から周辺部側に離れるにつれて変化する入射角度に応じて光学膜厚が変化していることになる。このことにより、入射角度が４５度とは異なる周辺部の分光特性を、入射角度４５度の光軸上の分光特性にできる限り近づけるようにしている。すなわち、第１ダイクロイックミラー３は、光軸上の分光特性と周辺部の分光特性とが、いずれも図２に示したものと同じになるようにしている。
【００４０】
このように構成することにより、ダイクロイックミラー３への入射角が光軸上から周辺部にかけて一様に変化しても、それに合わせて光学膜厚を変化させているので、色ムラ、輝度ムラを防止することができる。
【００４１】
第２ダイクロイックミラー４は、第３集光レンズ２３と第４集光レンズ２４との間に配置されている。図５は、第２ダイクロイックミラー４の分光特性を示している。図５に示したように、第２ダイクロイックミラー４は、緑及び赤を透過させ、青を反射する特性を有している。
【００４２】
図６は、第２ダイクロイックミラー４への光線入射角光路図を示している。図６に示したように、第２ダイクロイックミラー４への光線入射角は、光軸上では４５度であるが、第３集光レンズ２３に近づく方向（Ｒ方向）に離れた周辺部のＣ点においては４５度−β、第３集光レンズ２３から遠ざかる方向（Ｌ方向）に離れた周辺部のＤ点においては４５度＋βである。
【００４３】
本実施の形態に係る第２ダイクロイックミラー４は、第１ダイクロイックミラー３と同様に、面内の一方向に光学膜厚を変化させており、光軸から周辺部側に離れるにつれて変化する入射角度に応じて光学膜厚が変化している。このことにより、入射角度が４５度とは異なる周辺部の分光特性を、入射角度４５度の光軸上の分光特性にできる限り近づけるようにしている。すなわち、第２ダイクロイックミラー４は、光軸上の分光特性と周辺部の分光特性とが、いずれも図５に示したものと同じになるようにしている。
【００４４】
ここで、前記のように第２ダイクロイックミラー３、４は、面内の一方向に光学膜厚を変化させることにより、光軸上の分光特性と光軸から離れた位置における分光特性とのずれを補正している。この補正量は、１ｎｍ／１ｍｍ程度以下になることが望ましい。この程度の補正量であれば、製造が容易である。
【００４５】
補正量が１ｎｍ／１ｍｍのときは、光軸から周辺側に１ｍｍ離れた位置における分光特性が、光軸上の分光特性に比べ波長１ｎｍ分ずれたものであるとときに、この波長１ｎｍ分のずれを補正し、光軸から１ｍｍ離れた位置における分光特性を光軸上の分光特性と同じにすることができる。
【００４６】
なお、第２ダイクロイックミラー４に入射する光束は、第３集光レンズ２３を経たものである。一方、第１ダイクロイックミラー３に入射する光束は、第３集光レンズ２３に入射する前の光束である。このため、第２ダイクロイックミラー４に入射する光束は、第１ダイクロイックミラー３に入射する光束に比べ平行光に近いことになる。
【００４７】
したがって、光軸から離れた位置での入射角の変化量は、第１ダイクロイックミラー３より第２ダイクロイックミラー４のほうが小さいことになる。このため、光学膜厚の変化量も、第２ダイクロイックミラー４のほうが小さいことになる。
このため、第２ダイクロイックミラー４については、必ずしも前記のような面内の一方向に光学膜厚を変化させたミラーを用いなくてもよい場合もある。
【００４８】
図７は、半導体発光素子の分光強度グラフを示している。図７から分るように、半導体発光素子１Ｇと半導体発光素子１Ｂの波長帯域で重なる帯域があるが、第１ダイクロイックミラー３の分光特性を図２に示すような特性にした具体的な理由について次に説明する。
【００４９】
集光レンズ系の各レンズ間では、発光素子から射出される光線の主光線がダイクロイックミラーに入射する角度は、光軸から周辺部にかけて変化する。入射角が変化すると光軸で設定したダイクロイックミラーの分光特性がその量に応じて波長シフトする。つまり、発光素子に近い側のダイクロイックミラーでは入射角変化量が大きいために、波長シフト量も多くなる。
【００５０】
本実施の形態では、発光素子に近い第１ダイクロイックミラー３の光軸から周辺部での入射角の変化量が、第２ダイクロイックミラー４よりも大きいので、その入射角の変化量に応じて光学膜厚量を変化させる量も、第１ダイクロイックミラー３の方が大きくなる。また、一般的に膜厚の変化量が大きいほど製造時の制御が難しくなり、ばらつきが大きくなる。
【００５１】
さらに、ダイクロイックミラー製造時の波長公差及び面内のばらつきを完全に抑えることは不可能であるため、このばらつきによる波長シフト量が、入射角変化量に応じて製造した膜厚量のばらつきによる波長シフト量に上積みされる。
【００５２】
つまり、入射角変化量の大きい光路で、波長帯域で重なりをもつ青光、緑光を色合成した時、合成された光線の青光と緑光の強度に偏りが生じ、合成した色及び輝度のばらつきが大きくなる。つまり、図７に示すように重なる波長帯域がある発光ダイオードの緑光と青光を入射角変化の大きい光路で色合成すると色、輝度のばらつきが大きくなり、かつ色むら、輝度むらの原因となる。
【００５３】
一方、図７の緑光と赤光の波長帯域間の６００ｎｍ付近では２色とも分光強度がほとんどない。入射角度の変化量が大きいことによる膜厚量のばらつきがあっても、前記分光強度の小さい帯域付近で色合成するように構成することで色、輝度のばらつきを小さくし、かつ色むら、輝度むらを抑えることができる。
【００５４】
したがって、入射角の変化量の少ない第２ダイクロイックミラー４に半導体発光素子１Ｇからの射出光を透過させ、半導体発光素子１Ｂからの射出光を反射させる特性にしている。
【００５５】
また、第１集光レンズ２１及び第２集光レンズ２２は、少なくともどちらかの面に非球面の形状を備えた１枚の非球面レンズで構成することもできる。このことにより、収差補正が容易になる。また、集光レンズの枚数は、図１の例に限るものではないが、第１レンズアレー５の前段で略平行光にする必要がある。
【００５６】
ここで、本実施の形態は、集光レンズ系を複数枚のレンズで構成し、各レンズの焦点距離を長くすることにより、色ムラ及び輝度ムラに敏感にならないようにし、部品精度及び保持精度を確保し易くしている。
【００５７】
図１０に示した従来例は、半導体発光素子からの射出光をコリメートする短い焦点距離の単レンズ（コリメータレンズ２０）の後段に色合成プリズム３０を配置した構成である。この構成では、色合成プリズム３０が大型部品であることと、コリメータレンズ２０の焦点距離が短いことから、部品精度及び保持精度の確保が困難になり、色ムラ、輝度ムラが発生し易くなる。
【００５８】
また、本実施の形態によれば、第１ダイクロイックミラー３の配置角度を微調整することにより、色ムラ、輝度ムラをさらに良好にすることもできる。同様に半導体発光素子１Ｂからの光路上の全反射ミラー１３の配置角度を微調整することにより、色ムラ、輝度ムラをさらに良好にすることもできる。
【００５９】
すなわち、本実施の形態は、大型部品である色合成プリズムを用いることなく、ダイクロイックミラーにより色合成光学系を構成し、集光レンズ系を複数枚のレンズで構成している。このことにより、コストの増加を抑えつつ、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度を確保し易くしている。
【００６０】
次に、本実施の形態の動作を図１を参照しながら説明する。各色の半導体発光素子１Ｇ、１Ｒから射出した緑、赤の各光束は、第１集光レンズ２１と第２集光レンズ２２により集光され、第１ダイクロイックミラー３に入射する。第１ダイクロイックミラー３により、半導体発光素子１Ｇから射出される緑光と、半導体発光素子１Ｒから射出される赤光とが色合成され、第３集光レンズ２３を介して第２ダイクロイックミラー４に入射する。
【００６１】
一方、半導体発光素子１Ｂからの射出光は、第１集光レンズ２１と第２集光レンズ２２により集光され、全反射ミラー１３と第３集光レンズ２３を介して第２ダイクロイックミラー４に入射する。第２ダイクロイックミラー４により、緑、赤、青が色合成され、第４集光レンズ２４で略平行光化される。
【００６２】
色合成された各色の光束は、第１レンズアレー５に入射し、第２レンズアレー６上には半導体発光素子の光源像が分割して形成される。第２レンズアレー６は、第１レンズアレー５から入射した光束を第１レンズアレー５と光学的に共役に配置された反射型ライトバルブ９に、第１フィールドレンズ７及び第２フィールドレンズ８を介在して照明する。
【００６３】
第２レンズアレー６から射出する分割された光線の一つ一つが不均一な照度分布であっても、被照射面すなわち反射型ライトバルブ９上で重畳され、結果として均一性に優れた照明光束を得ることが可能となる。
【００６４】
反射型ライトバルブ９により、光学像を形成する変調光が射出される。反射型ライトバルブ９からの光束は、全反射プリズム１０を経て投写レンズ１１に至ることになる。そして、投写レンズ１１は、反射型ライトバルブ９の形成した光学像を投写することになる。
【００６５】
また、反射型ライトバルブ９は、微細なミラーの集合体であるデジタルミラーデバイスからなり、駆動回路（図示せず）から出力される電気信号によって画像を表示する。反射型ライトバルブ９に表示された画像は、全反射プリズム１０及び投写レンズ１１を介して拡大投写されスクリーン（図示せず）に投写されることになる。
【００６６】
なお、本実施の形態では投写型画像表示装置の例で説明したが、光の進行順に各色の半導体発光素子から第２フィールドレンズまでの構成を少なくとも備えた装置を照明装置として用いれば、高輝度かつ均一な光を照射できる照明装置を実現できる。このことは以下の実施の形態においても同様である。
【００６７】
（実施の形態２）
図８は、実施の形態２に係る投写型画像表示装置の光学系概念図である。図１に示した投写型画像表示装置と同一構成のものは、同一番号を付してその詳細な説明は省略する。
【００６８】
図８に示すように、本実施の形態では、図１に示した構成の第１ダイクロイックミラー３の位置を第２ダイクロイックミラー４と同じ位置に配置し、さらに両ミラー３、４を交差させてＸ字になるように配置している。この構成によれば、第１ダイクロイックミラー３には、第３集光レンズ２３を経た光束が入射するので、第１ダイクロイックミラー３の周辺部の入射角変化が少なくなる。このため、光学膜厚の変化量を少なくでき、色ムラ、輝度ムラの発生防止に有利になる。
【００６９】
第１ダイクロイックミラー３の分光特性は、前記のように図２に示しており、実施の形態１と同様に、半導体発光素子１Ｇから射出した緑の光束を透過し、半導体発光素子１Ｒから射出した赤の光束を反射する特性である。実施の形態２では、さらに半導体発光素子１Ｂから射出した青の光束を透過することになる。
【００７０】
また、第２ダイクロイックミラー４の分光特性は、前記のように図５に示しており、実施の形態１と同様に、半導体発光素子１Ｇから射出した緑の光束を透過し、半導体発光素子１Ｂから射出した青の光束を反射する特性である。実施の形態２では、さらに半導体発光素子１Ｒから射出した赤の光束を透過することになる。
【００７１】
また、第１ダイクロイックミラー３は、第２ダイクロイックミラー４の位置で周辺部へ入射する角度に合わせて光軸上の入射角４５度での分光特性（図２）と同じになるように光軸から周辺部にかけて光学膜厚を変化させてある。第２ダイクロイックミラー４についても、実施の形態１と同様に、光軸上の分光特性と周辺部の分光特性とが、いずれも図５に示したものと同じになるように光学膜厚を変化させてもよい。
【００７２】
このように構成することにより、ダイクロイックミラーへの入射角が光軸上から周辺部にかけて一様に変化しても、それに合わせて光学膜厚を変化させておくことにより、色ムラ、輝度ムラの発生を防止することができる。
【００７３】
また、第１ダイクロイックミラー３と第２ダイクロイックミラー４とをＸ字に配置するには、いずれか一方のミラーを２分割し、分割部分にもう一方のミラーを交差させるように配置することになる。この構成では、交差部に空気界面が形成され、交差部の奥行き方向（図８の紙面に垂直方向）に光の通らない部分ができる。この場合、光束の均一性が低下することになる。
【００７４】
しかしながら、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、第１レンズアレー５及び第２レンズアレー６で構成されるレンズアレー型インテグレータを備えている。このため、前記の通り、第２レンズアレー６から射出する分割された光線の一つ一つが不均一な照度分布であっても、反射型ライトバルブ９上で重畳され、結果として均一性に優れた照明光束を得ることができる。
【００７５】
なお、図８の例では、小型化のために、半導体発光素子１Ｂ、１Ｒを集光する第２集光レンズ２２と第３集光レンズ２３の間に、全反射ミラー１３を配置しているが、これを省いた構成であってもよい。
【００７６】
また、第１集光レンズ２１及び第２集光レンズ２２は、少なくとも１つの面に非球面を備えた非球面レンズ１枚で構成し、第３及び第４集光レンズ２３、２４の焦点距離を変化させ、第１レンズアレー５の前段に略平行光化するようにすることで配置面積を小さくし、小型化することもできる。
【００７７】
（実施の形態３）
図９は、実施の形態３に係る投写型画像表示装置の光学系概念図を示している。図１に示した実施の形態１に係る投写型画像表示装置と同一構成のものは、同一番号を付してその詳細な説明は省略する。
【００７８】
本実施の形態では、各半導体発光素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂと第１集光レンズ２１の間にテーパ型ロッドインテグレータ１２を備えている。テーパ型ロッドインテグレータ１２は、入射する光線の角度が異なれば、テーパ型ロッドインテグレータ１２の側面で適宜全反射される回数が異なり、反射光は射出面で混合されることになる。このため、入射面では不均一な照度分布であっても、射出面で重畳され、射出面では均一性に優れた矩形形状の照明光束を得ることが可能となる。
【００７９】
さらに入射する光束の最大角に対応した射出時の光束の最大角度を、テーパ角により制御できる。このため、半導体発光素子から射出される光の集光効率が良好となり、高輝度かつ均一な光を得ることができる。
【００８０】
また、テーパ型ロッドインテグレータ１２は、半導体発光素子と密着して構成されていることが好ましい。この構成によれば、さらに集光効率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上のように、本発明によれば、コストの増加を抑えつつ、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度を確保し易くでき、色均一性及び輝度均一性の良好な照明装置や投写型画像表示装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る投写型画像表示装置の光学系概念図。
【図２】本発明の一実施形態に係る第１ダイクロイックミラーの分光特性を示す図。
【図３】本発明の一実施の形態に係る集光光学系の光路概念図。
【図４】本発明の一実施の形態に係る第１ダイクロイックミラー３への光線入射角光路図。
【図５】本発明の一実施の形態に係る第２ダイクロイックミラー４の分光特性を示す図。
【図６】本発明の一実施形態に係る第２ダイクロイックミラー４への光線入射角光路図。
【図７】半導体発光素子の分光強度を示す図。
【図８】本発明の実施の形態２に係る投写型画像表示装置の光学系概念図。
【図９】本発明の実施の形態３に係る投写型画像表示装置の光学系概念図。
【図１０】従来の投写型画像表示装置の一例の光学系概念図。
【図１１】従来の色合成方式の一例の光路概念図。
【符号の説明】
【００８３】
１Ｒ  赤色半導体発光素子
１Ｇ  緑色半導体発光素子
１Ｂ  青色半導体発光素子
３  第１ダイクロイックミラー
４  第２ダイクロイックミラー
５  第１レンズアレー
６  第２レンズアレー
７  第１フィールドレンズ
８  第２フィールドレンズ
９  反射型ライトバルブ
１０  全反射プリズム
１１  投写レンズ
１２  テーパロッドインテグレータ
１３  全反射ミラー
２０  コリメータレンズ
２１  第１集光レンズ
２２  第２集光レンズ
２３  第３集光レンズ
２４  第４集光レンズ
【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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