(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光束を入射され、該光束の密度を均一化し、密度が均一化された該光束をリレーレンズを介して被照明体に射出するインテグレータにおいて、
光束入射側に位置し、一端に入射した光源からの光束を側面において全反射させながら他端に導く、中実な棒状の第１部材と、
この第１部材の光束射出側に位置し、一端に入射した該第１部材からの光束を鏡面反射させながら他端に導き、この他端から外部へ射出させる中空の第２部材を備え、
前記第２部材の長さをＬ、前記リレーレンズのインテグレータ側のＦ数をＦＲ、前記第２部材の光軸と直交する矩形断面の長辺の長さをδ、インテグレータの全長をＬＷとしたとき、下記条件式（１）を満足することを特徴とするハイブリッドインテグレータ。
ＦＲ×δ≦Ｌ≦ＬＷ/２                （１）
【請求項２】
光源と、この光源から射出された光束を入射される請求項１に記載されたハイブリッドインテグレータと、このハイブリッドインテグレータの後段に配置されたリレーレンズとからなることを特徴とする照明光学系。
【請求項３】
光源と、この光源から射出された光束を入射される請求項１に記載されたハイブリッドインテグレータと、このハイブリッドインテグレータの後段に配置されたリレーレンズと、このリレーレンズについて前記ハイブリッドインテグレータの光射出端と共役位置関係に配置された素子面を有する画像表示素子と、この画像表示素子により光変調され、画像情報を担持した前記光束をスクリーン上に投写する投映レンズとを備えたことを特徴とする投写型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光束に対し、光軸と垂直な面内における光束密度の均一化を図りうるハイブリッドインテグレータ、照明光学系およびこれを用いた投写型画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば投射型ビデオプロジェクタ装置等においては、液晶パネル等の画像表示素子を均一に照明するため、照明用光源と画像表示素子との間に光束密度均一化手段を設ける構成とされているものが多い。
【０００３】
この光束密度均一化手段の代表的なものとしてロッドインテグレータが知られている。従来のロッドインテグレータは、例えば特開平9-33881号公報や特開平11-326727号公報に記載されたものが知られており、これらは例えば図６に示すようなガラス製の中実な棒状ロッドプリズム１００として形成されている。このロッドプリズム１００は、光源部から入射された光ビームを内壁面において複数回全反射させながら、その光射出端に導くようになっており、これによりその光射出端では光軸と直交する平面内において光束密度が略均一とされるようになっている。この後、光束密度が均一化された照明光はリレーレンズ等を介して、例えば液晶パネル等の画像表示素子にバックライト光として照射され、これにより画像情報を担持した光束は投写レンズによりスクリーン上に照射される。
【０００４】
ところで、このような照明光学系においては、ロッドプリズム１００の光射出端と画像表示素子の素子面とが光学的に共役関係を有するように構成され、ロッドプリズム１００の光射出端のキズや塵埃が画像表示素子の素子面上に結像されてしまう。この光射出端上でのキズや塵埃の像が画像表示素子で表示された画像に重畳され、スクリーン上に例えば５０倍程度以上に拡大されて投写される。上記ロッドプリズム１００の光射出端上でのキズや塵埃を完全に排除することは困難なことから、このようなロッドプリズム１００を用いた場合にはスクリーン上での画質の劣化が避けられないという問題があった。そして、この問題をある程度改善するために製造工程での上記光射出端の管理等を厳しくした場合には製造コストの上昇を招いてしまう。
【０００５】
このような問題を解決するために、図７に示すような内面を鏡面とした中空プリズム１０５が知られている。すなわち、この中空プリズム１０５は例えば４枚の長方形状のガラス板材の一面に反射コートを施し、この反射コート面が内側となるようにして断面矩形の箱体状に接着組立てすることにより形成されている。この中空プリズム１０５では光源側から入射した光束がプリズム内壁面の鏡面で複数回反射されて光射出端まで導かれるが、この光射出端には、前述したロッドプリズム１００のようにキズや塵埃付着の原因となる端面が存在しないのでこの光射出端位置と共役関係にある画像表示素子の素子面上にキズや塵埃の像が形成されることがない。
【０００６】
しかしながら、このような中空プリズム１０５では上述したロッドプリズム１００の側面における全反射とは異なり、反射コートにより鏡面とされた内壁面における反射によっており、このような内壁面における反射コートは反射率を１００％とすることが難しいため、この内壁面で複数回反射を繰返した場合には内面反射損失が大きなものとなり、光射出端に到達した光の光量が大幅に低下してしまう。
そこで、本願発明者が特願2001-243198号明細書において開示しているような、棒状ロッドプリズム１００を光束入射側に配置し、その光束射出側に中空プリズム１０５を配置して両者を組み合わせた、いわゆるハイブリッド型のインテグレータを用いることが望ましい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このハイブリッド型のインテグレータによれば、光射出端と共役な位置関係にある画像表示素子の素子面上に、ロッドプリズム１００のみを用いたインテグレータからなる従来技術において問題となっていたキズや塵埃の像が形成されるおそれを回避でき、また、側壁面での光束反射効率が略１００％となるロッドプリズム１００が用いられているので中空プリズム１０５のみを用いた従来技術に比べて光量の減衰を抑制することができる。
【０００８】
しかしながら、実際には、上述した、キズや塵埃の像が形成されるおそれを確実に回避するためには、ロッドプリズム１００の光射出端が画像表示素子の素子面に対して共役関係から大きく外れる程度にインテグレータ（中空プリズム１０５）の光射出端から離れていることが必要となり、中空プリズム１０５の全長は大きいほうがよい。一方、内面反射損失を小さくするためには中空プリズム１０５の全長はできるだけ小さくすることが望まれる。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、ロッドプリズムと中空プリズムの両者を組み合わせた、いわゆるハイブリッド型インテグレータにおいて、被照明体上にキズや塵埃の像が形成されるおそれを確実に回避しつつ中空プリズムの内面反射損失をできるだけ小さくし得るハイブリッドインテグレータ、照明光学系および投写型画像表示装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るハイブリッドインテグレータは、光源からの光束を入射され、該光束の密度を均一化し、密度が均一化された該光束をリレーレンズを介して被照明体に射出するインテグレータにおいて、
光束入射側に位置し、一端に入射した光源からの光束を側面において全反射させながら他端に導く、中実な棒状の第１部材と、
この第１部材の光束射出側に位置し、一端に入射した該第１部材からの光束を鏡面反射させながら他端に導き、この他端から外部へ射出させる中空の第２部材を備え、
前記第２部材の長さをＬ、前記リレーレンズのインテグレータ側のＦ数をＦＲ、前記第２部材の光軸と直交する矩形断面の長辺の長さをδ、インテグレータの全長をＬＷとしたとき、下記条件式（１）を満足することを特徴とするものである。
ＦＲ×δ≦Ｌ≦ＬＷ/２                （１）
【００１１】
また、本発明に係る照明光学系は、光源と、この光源から射出された光束を入射される前記ハイブリッドインテグレータと、このハイブリッドインテグレータの後段に配置されたリレーレンズとからなることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明に係る投写型画像表示装置は、光源と、この光源から射出された光束を入射される前記ハイブリッドインテグレータと、このハイブリッドインテグレータの後段に配置されたリレーレンズと、このリレーレンズについて前記ハイブリッドインテグレータの光射出端と共役位置関係に配置された素子面を有する画像表示素子と、この画像表示素子により光変調され、画像情報を担持した前記光束をスクリーン上に投写する投映レンズとを備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係るハイブリッドインテグレータ、照明光学系および投写型画像表示装置について図面を用いて説明する。
図１には本発明の実施形態に係る投写型画像表示装置が示されている。
【００１４】
この投写型画像表示装置は、図の左方向に不図示の光源を備えており、さらにコンデンサレンズ２１、およびこのコンデンサレンズ２１によって光源からの光束が光入射端１４に集光されるハイブリッドインテグレータ１１を備えている。このハイブリッドインテグレータ１１は入射側インテグレータ（ロッドプリズム）１２と射出側インテグレータ（中空プリズム）１３の両者を互いに密に配置してなり、光軸の垂直断面における光束密度の均一化を図るものである。また、ハイブリッドインテグレータ１１、画像表示素子（液晶表示素子、ＤＭＤ等）２３、およびハイブリッドインテグレータ１１の光射出端１６と画像表示素子２３の素子面を互いに結像関係（共役関係）とするリレーレンズ２２を備えている。この結像関係は、図１において光射出端１６から画像表示素子の素子面２３に至る太い実線をもって示されている。さらに、画像表示素子２３により光変調され、画像情報を担持した前記光束をスクリーン２５上に拡大投写する投映レンズ２４を備えている。なお、不図示の光源、コンデンサーレンズ２１、ハイブリッドインテグレータ１１およびリレーレンズ２２によって照明光学系が構成される。
【００１５】
図２は、上述したハイブリッドインテグレータを示す概略斜視図である。このハイブリッドインテグレータ１１は前述したように、中実のガラス製ロッドプリズム１２と内面に反射コートが施された中空プリズム１３を組み合わせて構成されたものである。すなわち、ロッドプリズム１２は断面矩形状の棒状のガラスロッドからなり、一方中空プリズム１３は一面に反射コートが施された４枚のガラス板を反射コート面が内側となるようにして断面矩形の箱状に接着形成されたものであり、ロッドプリズム１２の一方の端部が中空プリズム１３内に若干挿入されるように構成されている。
【００１６】
なお、上記態様に替えてロッドプリズム１２と中空プリズム１３の端面を互いに密着するように構成することも可能である。
【００１７】
このように構成されたハイブリッドインテグレータ１１においては、図３に示すように光源から出力された光束が光源側に配されたロッドプリズム１２の光入射端１４に入射する。この光束は、ロッドプリズム１２の光入射端１４に様々な角度で入射するから、ロッドプリズム１２の内壁面１５への入射角度および反射角度も様々であり（ただしガラスと空気の界面で全反射がおきる入射角度とされている）、このロッドプリズム１２から射出された光束は中空プリズム１３に入射し、中空プリズム１３の内壁の反射面１７において、ロッドプリズム１２の側面における反射と同様にして反射され中空プリズム１３の光射出端１６から外部に射出される。このハイブリッドインテグレータ１１は、内壁面における反射態様が様々とされているため光束が光射出端１６から射出される際には、光軸の垂直断面における光束密度の均一化が図られる。なお、図４には中空プリズム１３の光射出端１６の形状が示されている。なお、δは矩形端面の長辺の長さである。
【００１８】
このように構成された結果、ハイブリッドインテグレータ１１においては、光射出端１６が中空とされているので、リレーレンズ２２に対して、この光射出端１６と共役な位置関係にある画像表示素子２３の素子面上に、従来技術におけるキズや塵埃の像が形成されない状態となしうる。また、側壁面１２での光束反射効率が略１００％となるロッドプリズム１２の長さがハイブリッドインテグレータ１１の全長のうち大きな割合を占めているので中空プリズム１３のみを用いた従来技術に比べて光量の減衰を抑制することができることになる。
【００１９】
しかしながら、中空プリズム１３の長さ（ロッドプリズム１２の光射出端から中空プリズム１３の光射出端１６までの距離；以下同じ）はできるだけ短くすることが望ましい一方で、ロッドプリズム１２の光射出端上のキズや塵埃等の影響が画像表示素子２３の素子面上に及ばない程度の長さを確保する必要があることから、実際には、中空プリズム１３の長さとして、上記相反する２つの要求を満足する適切な値を設定しなければ、このハイブリッドインテグレータ１１の満足な効果を得ることができないことになる。
【００２０】
そこで、本実施形態においては、下記条件式（１）を満足するように中空プリズム１３の長さＬを設定している。
ＦＲ×δ≦Ｌ≦ＬＷ/２                （１）
ただし、リレーレンズ２２のインテグレータ側のＦ数をＦＲ、中空プリズム１３の光軸と直交する矩形断面の長辺の長さをδ、インテグレータの全長をＬＷとする。
この条件式（１）の下限を越えてＬが短くなると、スクリーン２５上で観測されるロッドプリズム１２の光射出端１６上の欠陥（キズや塵埃）が目立つようになる。
【００２１】
また、条件式（１）の上限を越えてＬが長くなると、中空プリズム１３の長さがロッドプリズム１２の長さを上回ることになり、光量の減衰抑制効果が半減してしまい望ましくない。
【００２２】
すなわち、実施形態に係るハイブリッドインテグレータによれば、中空プリズム１３の長さを条件式（１）を満足するような値に設定しているので、ロッドプリズム１２の光射出端１６上の点Ａに欠陥（キズや塵埃）が存在したとしても、ここから発せられた光線は、点線で示される光線軌跡から明らかなように光軸上の点Ａ´に結像する。その後この光線束は広がりながら画像表示素子２３の素子面上に達する。図示するように、この素子面上では結像状態とはなっていない。すなわち、ロッドプリズム１２の光射出端１６上に存在する欠陥等による局所的照度低下等は画像表示素子２３の素子面６、さらにはスクリーン２５上に及ばないことになる。
【００２３】
ここで上記条件式（１）において最小値をＦＲ×δとしたのは以下の理由による。
すなわち、リレーレンズ２２の倍率をβ、リレーレンズ２２の有効径をＥ、中空プリズム１３の光射出端１６の一辺の長さをε、リレーレンズ２２の実効Ｆ数をＦｅｆｆ、リレーレンズ２２の無限遠におけるＦ数をＦｉｎｆとしたとき、ＦｅｆｆとＦｉｎｆとの関係は下式（２）によって表される。
Ｆｅｆｆ＝ｆ×（１−β）／Ｅ＝（１−β）×Ｆｉｎｆ      （２）
【００２４】
また、図５に示すように、点Ａからリレーレンズ２２に入射する最外角光線と、光軸Ｘと、中空プリズム１３の光射出端またはリレーレンズ２２によって形成される２つの三角形は互いに相似であり、下式（３）が得られる。
（Ｅ／２）：（１−β）×ｆ＝（ε／２）：Ｌ            （３）
【００２５】
したがって、光射出端の点Ａのキズ等がリレーレンズ２２によって点Ａ´に結像されるための中空プリズム１３の長さＬは下式（４）で表される。
Ｌ＝（（１−β）×ｆ／Ｅ）×ε＝Ｆｅｆｆ×ε          （４）
ここで、Ｆｅｆｆをリレーレンズ２２のインテグレータ側のＦ数であるＦＲと置き換え、さらにεは中空プリズム１３の光軸と直交する矩形断面の長辺の長さδとすることが適当であることから、上述した条件式（１）における最小値ＦＲ×δが得られる。
【００２６】
ここで、本実施形態においては、インテグレータの全長ＬＷが５０ｍｍ、中空プリズム１３の長さＬが１０ｍｍ、リレーレンズ２２のインテグレータ側のＦ数（ＦＲ）が１．２、中空プリズム１３の光軸と直交する矩形断面の長辺の長さδが８ｍｍとなるように設定されている。
これによれば、ＦＲ×δが９．６ｍｍとなるから、上記条件式（１）は満足されていることになる。
【００２７】
なお、本実施形態のものでは、中空プリズム１３の光軸と直交する矩形断面の短辺の長さが略４ｍｍとなるように設定されており、そのアスペクト比から明らかなように横長ワイドタイプの画面に対応するように構成されたものである。しかし、長辺の長さに対応する短辺の長さは、いかようにも変更可能であり、長辺の長さと短辺の長さを等しくした正方形状のものとすることも可能である。
【００２８】
さらに、本発明に係るハイブリッドインテグレータ、照明光学系および投写型画像表示装置としては、上記実施形態のものに対し種々の態様の変更が可能であり、例えばロッドプリズム１２の長さ、中空プリズム１３の長さ等は上記条件式（１）を満足する範囲において適宜変更可能である。
さらに、上記ハイブリッドインテグレータを搭載する照明光学系は投写型画像表示装置のほか、均一な照明光が必要な種々の装置に適応可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のハイブリッドインテグレータ、照明光学系および投写型画像表示装置によれば、中空プリズムの長さを所定の条件式を満足するような値に設定している。これにより、ロッドプリズムの光射出端上の点に欠陥（キズや塵埃）が存在したとしても、ここから発せられた光線が被照明体上で結像状態に近い状態となることを回避することができるので、被照明体上の画質が劣化するおそれを確実に防止することができる。
【００３０】
また、中空プリズムの長さをロッドプリズムの長さよりも小さくすることで光量の減衰効果を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るハイブリッドインテグレータを含む投写型画像表示装置
【図２】図１に示すハイブリッドインテグレータを拡大して示す斜視図
【図３】図１に示すハイブリッドインテグレータの作用を示す概略図
【図４】図１に示すハイブリッドインテグレータの光射出端を示す概略図
【図５】図１に示すハイブリッドインテグレータに係る条件式を説明するための概略図
【図６】ロッドプリズムのみからなるインテグレータを示す概略図
【図７】中空プリズムのみからなるインテグレータを示す概略図
【符号の説明】
１１        ハイブリッドインテグレータ
１２、１００    ロッドプリズム
１３、１０５    中空プリズム
１４        光入射端
１５        内壁面
１６        光射出端
１７        反射面
２１        コンデンサレンズ
２２        リレーレンズ
２３        画像表示素子
２４        投映レンズ
２５        スクリーン
【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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