(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が略四角形のロッドインテグレータであって、反射性の内周面を備えたロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータの入射側の開口に光を供給する光源と、
前記ロッドインテグレータの出射側に配置されたカラーホイールであって、複数の原色の光の内、１つの色の光を透過し他の色の光を反射する分光透過部分を備え、各々の色の前記分光透過部分が前記ロッドインテグレータの出射側の開口を分割するように回転するカラーホイールとを有し、
前記ロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分が、前記カラーホイールで反射された光を、前記ロッドインテグレータの中心軸の方向かつ前記カラーホイールの方向に反射する鏡面である照明装置。
【請求項２】
請求項１において、前記鏡面は平面であり、その法線が前記ロッドインテグレータの前記中心軸の方向に傾いている照明装置。
【請求項３】
請求項２において、前記光源から前記ロッドインテグレータの前記中心軸に対して傾いた代表角度を持つ角度分布の光が入力されており、前記鏡面の法線は、前記中心軸に対して前記代表角度にほぼ等しい角度で傾いている照明装置。
【請求項４】
請求項２において、前記鏡面の法線は、前記中心軸に対し５度から２０度の範囲で傾いている照明装置。
【請求項５】
請求項２において、前記鏡面の法線は、前記中心軸に対して８度から１５度の範囲で傾いている照明装置。
【請求項６】
請求項１において、前記鏡面を前記ロッドインテグレータの前記中心軸に投影した長さは、０．５ｍｍ以下である照明装置。
【請求項７】
請求項１において、前記ロッドインテグレータは、前記内周面を構成する４枚の平面鏡を備えており、それら平面鏡の前記出口側の端が前記鏡面となっている照明装置。
【請求項８】
請求項１において、前記ロッドインテグレータの外端面と前記カラーホイールとのギャップが０．３ｍｍ程度である照明装置。
【請求項９】
光軸に沿って延び、周面で光を反射しながら伝達するロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータの入射側の開口に光を供給する光源と、
前記ロッドインテグレータの出射側に配置されたカラーホイールであって、複数の原色の光の内、１つの色の光を透過し他の色の光を反射する分光透過部分が前記ロッドインテグレータの出射側の開口を分割するように回転するカラーホイールとを有し、
さらに、前記ロッドインテグレータの出射側の開口に配置された光学部分を有し、
前記光学部分は、当該出射側の開口より大きく、前記カラーホイールに反射された光を捉えることができる捕捉開口と、捕捉された光を前記光軸の方向かつ前記カラーホイールの方向に反射する反射面を備える照明装置。
【請求項１０】
請求項９において、前記光学部分は、周面が反射性である照明装置。
【請求項１１】
請求項１０において、前記光学部分の周面は前記捕捉開口の方向に傾いている照明装置。
【請求項１２】
請求項９において、前記光学部分の厚みは、０．５ｍｍ以下である照明装置。
【請求項１３】
請求項９において、前記捕捉開口と前記カラーホイールとのギャップが０．３ｍｍ程度である照明装置。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれかに記載の照明装置と、この照明装置から出力された各色の光束に基づいて画像データを形成するライトバルブと、このライトバルブからの光を投影するレンズシステムとを有する画像表示装置。
【請求項１５】
断面が略四角形のロッドインテグレータであって、反射性の内周面を備えており、出射側の端面は、当該端面の内側かつ当該ロッドインテグレータの中心軸の方向に傾いた鏡面を有するロッドインテグレータ。
【請求項１６】
光軸に沿って延び、周面で光を反射しながら伝達するロッドインテグレータであって、当該ロッドインテグレータの出射側の開口に光学部分を有し、前記光学部分は、当該出射側の開口より大きく、出射側からの光を捉えることができる捕捉開口と、捕捉された光を前記出射側かつ前記光軸の方向に反射する反射面を備えるロッドインテグレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カラーリキャプチャ方式の照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１つの光源からの光を時分割して変調する光学系を備えた、いわゆる単板式のプロジェクタなどの画像表示装置は、回転式のカラーフィルタであって、白色光を選択的に透過または吸収させて原色に時分割するカラーホイール（カラーフィルタ）と、光の強度分布を均一にするインテグレータとを備えており、時分割された色の光束をマイクロミラーデバイスなどのライトバルブで変調し、スクリーンに投射してカラー画像を合成する。
【０００３】
この従来のシステム（光学系）のプロジェクタでは、カラーフィルタの後方に、内周が反射面となった筒型あるいは棒状のロッドインテグレータを配置しており、フィルタで白色光を色分離する際に、フィルタを通らない光は利用されない。これが、光の利用効率の低下の大きな要因となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これに対して、カラーリキャプチャ方式が提案されている。図９に示したプロジェクタ１は、カラーリキャプチャ方式の照明装置１００と、照明装置１００から色分離されて出力された各色の光束７２Ｒ〜７２Ｂを伝達するリレーレンズ４９と、このレンズ４９からの光束７２Ｒ〜７２Ｂを画像データにより変調するマイクロミラーデバイス５０と、このミラーデバイス５０から出力される表示光７４をスクリーン５８に投射してカラー画像を形成する投射レンズ５２とを備えている。
【０００５】
カラーリキャプチャ方式の照明装置１００は、キセノンランプなどから白色の光７１を出力する光源部１２と、反射性の内周面２４を備えた角柱状のインテグレータとなるロッドインテグレータ１２０と、白色の入射光７１を時分割するカラーホイール４０とを備えており、これらが順番に配置されている。照明装置１００の光源部１２から照射された白色の光束７１は、ロッドインテグレータ１２０で、ライトバルブ５０の形状に合わせて強度分布が均一化され、カラーホイール４０から時間および空間的に色分割された状態で出力される。すなわち、カラーホイール４０は、特定の色を透過し他の色の光を反射する分光透過性のダイクロイック膜（ミラー）４１Ｒ、４１Ｇおよび４１Ｂが螺旋状などの適当な形状に組み合わされている。このため、カラーホイール４０では、各色のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂで色分離が行われ、所定の色の光が出力されると共に、ダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂを透過しない光はロッドインテグレータ１２０の側に反射される。
【０００６】
この照明装置１００では、カラーホイール４０を透過しなかった光は、捨てられずに反射されて、ロッドインテグレータ１２０に戻され、ロッドインテグレータ内を伝播して、再びカラーホイール４０に出力される。そのときに異なる色のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂに当たると、それを透過して出力される可能性があり、カラーホイール４０を透過しない光を再利用できるようになっている。このため、光のロスが減り、従来のカラー表示方法に比べて、光の利用効率を向上させることができるので、明るいカラー表示が実現できる。
【０００７】
しかしながら、このカラーリキャプチャ方式の照明装置であっても光の利用効率は１００パーセントにはならず、ある程度の光はロスとなり使用されない。したがって、カラーリキャプチャ方式の照明装置の光の利用効率をさらに向上できる可能性がある。たとえば、図１０に示すように、ロッドインテグレータ１２０の出射側の出口２３と、カラーホイール４０は、カラーホイール４０が旋回するために適当な間隔を設けて配置されている。このため、出射側の出口２３の端でカラーホイール４０に照射され、カラーホイール４０を透過せずに反射された光７１は、ロッドインテグレータ１２０の出射側２０ｂの外端面１３１に当たり、ロッドインテグレータ１２０内へ戻らずロスとなる。
【０００８】
したがって、光の利用効率を向上させるには、ロッドインテグレータ１２０とカラーホイール４０との隙間をできるだけ小さくすることにより、外端面１３１にカラーホイール４０から反射された光が当らないようにすることが望ましい。しかしながら、カラーホイール４０は回転駆動する面ぶれの可能性があり、それに対処するためのクリアランスも必要である。したがって、組み立て精度を考慮すると、カラーホイールとロッドインテグレータを密着させることは不可能であり、外端面に反射された光のロスを低減することはできない。
【０００９】
そこで、本発明では、カラーリキャプチャ方式を用いた照明装置において、ロッドインテグレータとカラーホイールとの隙間をある程度確保しても、より光の利用効率を向上することができる照明装置およびロッドインテグレータを提供することを目的としている。そして、本発明の照明装置を使用することにより、さらに明るく、高画質なカラー画像を表示できる画像表示装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、ロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分が、カラーホイールで反射された光を、ロッドインテグレータの中心軸の方向に反射する鏡面である照明装置として提供する。出射側の開口の外周部分をロッドインテグレータの光軸方向に向けることで、出射側の外端面に当っても、それがロスにならないようにすることにより、ロッドインテグレータをカラーホイールに密着させなくても光の利用効率を向上できる。
【００１１】
すなわち、本発明においては、断面が略四角形のロッドインテグレータであって、反射性の内周面を備え、出射側の開口の外周部分が、当該ロッドインテグレータの中心軸の方向に傾いた鏡面になっているロッドインテグレータを提供する。したがって、本発明の照明装置は、反射性の内周面を備えた断面が略四角形のロッドインテグレータと、ロッドインテグレータの入射側の開口に光を供給する光源と、ロッドインテグレータの出射側に配置されたカラーホイールであって、複数の原色の光の内、１つの色の光を透過し他の色の光を反射する分光透過部分を備え、各々の色の分光透過部分がロッドインテグレータの出射側の開口を分割するように回転するカラーホイールとを有する照明装置であって、ロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分が、カラーホイールで反射された光をロッドインテグレータの中心軸の方向に反射する鏡面となっている。
【００１２】
カラーホイールと対面するロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分、たとえば、厚みのある鏡面を組み合わせたロッドインテグレータであれば、その外端面を傾斜した鏡面とする。この外周部分に設けられた鏡面を、ロッドインテグレータの中心軸の方向、すなわち光軸方向に向けることで、カラーホイールに反射して出射側の開口の外周部分に当った光は、ロッドインテグレータから外の方向に反射されずに、再びロッドインテグレータの中心軸の方向に反射される。したがって、ロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分から反射された光は、ロッドインテグレータの出射側の開口に面したカラーホイールに当り、カラーホイールを透過できる色の光であれば、カラーホイールを透過して出力され、カラーホイールを透過できない色の光であれば、カラーホイールで反射されてロッドインテグレータ内に戻される。このため、ロッドインテグレータの出射側の外端面に反射された光もロスにならないので、ある程度、カラーホイールで反射された光がロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分に当ることが容認できる。したがって、ロッドインテグレータとカラーホイールのギャップをある程度確保した状態で光の利用効率を向上することができ、カラーホイールの取り付け誤差や、モータの軸精度に起因する面ぶれによる変動も加味した、実用に即したカラーリキャプチャ方式の照明装置であって、光の利用効率がさらに向上された照明装置を本発明により提供できる。
【００１３】
この効果は次のように理解することも可能である。カラーホイールから反射した光をロッドインテグレータに効率良く再捕捉しようとすると、出射側の開口を広げることが望ましい。しかしながら、再補足しようとして出射側の開口を広げれば、カラーホイールに照射される面積も広がるから再補足できない光量は削減されない。したがって、カラーホイールに照射される光束の面積を広げずに、再補足する面積だけを広げることができれば、光の利用効率をさらに向上することができる。そのために、上記では、出射側の開口の外周部分だけを広げることにより、ロッドインテグレータの長さに比べると充分に薄い捕捉用の光学部分を形成し、カラーホイールに出射される光束の面積を広げずに、カラーホイールで反射された光を捕捉する面積だけを広げていると云える。
【００１４】
すなわち、光軸に沿って延び、周面で光を反射しながら伝達するロッドインテグレータであって、当該ロッドインテグレータの出射側の開口に、当該ロッドインテグレータの長さに対して充分に薄い光学部分を設け、この光学部分で、当該出射側の開口より大きく、出射側からの光を捉えることができる捕捉開口を形成し、捕捉された光を光軸の方向に変えれば良い。したがって、本発明には、光軸に沿って延び、周面で光を反射しながら伝達するロッドインテグレータと、ロッドインテグレータの入射側の開口に光を供給する光源と、ロッドインテグレータの出射側に配置されたカラーホイールであって、複数の原色の光の内、１つの色の光を透過し他の色の光を反射する分光透過部分がロッドインテグレータの出射側の開口を分割するように回転するカラーホイールとを有し、さらに、ロッドインテグレータの出射側の開口に配置された、当該ロッドインテグレータの長さに対して充分に薄い光学部分であって、当該出射側の開口より大きく、カラーホイールに反射された光を捉えることができる捕捉開口を備え、捕捉された光を光軸の方向に変える光学部分を有する照明装置も含まれる。また、そのようなロッドインテグレータ自身も含まれる。
【００１５】
光学部分は、ホログラムミラーやフレネルミラーのように厚さがなくて光の反射方向を変えられるものを利用できる。また、周面が全反射面となった薄いガラス板をガラスロッドレンズタイプのロッドインテグレータと組み合わせることも可能である。また、薄いスカート状で内面がミラーとなった光学部分を設けても良い。
【００１６】
そして、本発明のロッドインテグレータを有する照明装置と、この照明装置から出力された各色の光束に基づいて画像データを形成するライトバルブと、このライトバルブからの光を投影するレンズシステムとを有するプロジェクタなどの画像表示装置においては、さらに、明るく、高品質なカラー画像を出力することが可能となる。
【００１７】
ロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分に備えられた鏡面は、曲面であっても良いが、その平面状の鏡面でも良く、平面鏡であれば経済的である。さらに、光源がランプとリフレクタを備えたものである場合は、ロッドインテグレータの中心軸に対して傾いた代表角度を持つ角度分布の光がロッドインテグレータに入力されるので、ロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分の鏡面の法線を中心軸に対して代表角度にほぼ等しい角度で傾けることにより、カラーホイールから反射された光に対する鏡面の有効面積を最も大きくすることができる。したがって、ロッドインテグレータの外端面に設ける、傾いた鏡面の面積が最も小さくなり、光のロスを効率良く防止することができる。
【００１８】
このため、リフレクタを備えた光源から入射される光の強度分布で高い強度を示す角度は５度〜２０度程度の範囲になるので、ロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分の傾いた鏡面の法線は中心軸に対し５度から２０度の範囲で傾いていることが望ましい。さらに、８度〜１５度の角度の範囲でピークを持つので、出射側の開口の外周部分の傾いた鏡面の法線は中心軸に対して８度から１５度の範囲で傾けることがさらに好ましい。
【００１９】
また、ロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分の鏡面をロッドインテグレータの中心軸に投影した長さは、０．５ｍｍ以下とすることが望ましい。ロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分の傾いた鏡面の面積を大きくすると、中心軸に平行な反射面を備えたロッドインテグレータ自体の端がカラーホイールから離れることになり、カラーホイールで反射された光がロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分にも反射しないでロスとなる可能性が増加する。すなわち、出射光束の面積自体が広がる可能性がある。したがって、光学部分の厚みは０．５ｍｍ以下とすることが望ましい。さらに、鏡面をロッドインテグレータの中心軸に投影した長さを、０．１ｍｍ程度、すなわち、光学部分の厚みを０．１ｍｍ程度に縮めることにより、いっそうロスの少ない照明装置を提供できる。
【００２０】
ロッドインテグレータは、ロッドレンズで構成することも可能である。また、ロッドインテグレータは、内周面を構成する４枚の平面鏡を組み合わせることにより組み立てることが可能であり、それら平面鏡の出口側の端を上記の傾いた鏡面とすることにより、上記の作用および効果を備えたロッドインテグレータおよび照明装置を提供できる。
【００２１】
ロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分の縁を傾けることで、出射側の開口の外周部分からのロスを防止できるので、カラーホイールとのギャップを確保することができる。本願の発明者らのシミュレーションによると、殆ど光をロスしないで０．３ｍｍ程度のギャップを確保することが可能であり、カラーホイールのクリアランスを十分に確保しながら、光のロスのさらに少ない、光の利用効率のさらに高いカラーリキャプチャ式の照明装置を提供することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明に係る照明装置１０を用いたプロジェクタ１の概略構成を示してある。本例のプロジェクタ１も、カラーリキャプチャ方式の照明装置１０と、照明装置１０から色分離されて出力された各色の光束７２Ｒ（赤色）、７２Ｇ（緑色）および７２Ｂ（青色）を伝達するリレーレンズ４９と、このレンズ４９からの光束７２Ｒ〜７２Ｂを画像データにより変調するマイクロミラーデバイス５０と、このミラーデバイス５０から出力される表示光７４をスクリーン５８に投射してカラー画像を形成する投射レンズ５２とを備えている。
【００２３】
本例のカラーリキャプチャ方式の照明装置１０も、キセノンランプなどから白色の光７１を出力する光源部１２と、反射性の内周面２４を備えた角柱状のインテグレータとなるロッドインテグレータ２０と、白色の入射光７１を時分割するカラーホイール４０とを備えており、これらが順番に配置されている。したがって、本例の照明装置１０においても、光源部１２から照射された白色の光束７１は、ロッドインテグレータ２０で、ライトバルブ５０の形状に合わせて強度分布が均一化され、カラーホイール４０から時間および空間的に色分割された状態で出力される。すなわち、カラーホイール４０は、特定の色を透過し他の色の光を反射する分光透過性のダイクロイック膜（ミラー）４１Ｒ、４１Ｇおよび４１Ｂが螺旋状などの適当な形状に組み合わされているので、各色光７２Ｒ〜７３Ｂが時間および空間的に分離されて出力される。
【００２４】
図２〜図４に、本例のロッドインテグレータ２０の概略構成を示してある。本例のロッドインテグレータ２０は、内周面２４が反射面となった全体が角柱状で中空のインテグレータあり、入射側２０ａには、図３に示すように中心軸８０を中心とする円形の開口２２が設けられている。入射側２０ａの内、円形の開口２２を除く部分は、ロッドインテグレータ２０の内側に向いた面（内端面）２９が反射面となり、カラーホイール４０で反射されてロッドインテグレータ２０に戻された光を再度、カラーホイール４０の方向にリキャプチャするリキャプチャミラー２９として機能する。
【００２５】
ロッドインテグレータ２０の出射側２０ｂは、図４に示すように、ロッドインテグレータ２０の断面と同じ四角形の開口２３となっている。本例のロッドインテグレータ２０は、内周面２４を形成する４枚の平面鏡３９ａ、３９ｂ、３９ｃおよび３９ｄが、内周面２４の断面が長方形をなすように組み合わされて形成されている。これらの平面鏡３９ａ〜３９ｄの出射側２０ｂの外端面３１は基本的には内周面２４と直角になっているが、その内側の部分はロッドインテグレータ２０の中心軸８０の方向に傾いた鏡面３２となっている。したがって、ロッドインテグレータ２０の出射側２０ｂは、外周方向にスカート状に鏡面が広がった構成となっている。
【００２６】
ロッドインテグレータ２０の出口側の斜めの鏡面３２は、ガラスをプレス技術により成形し、その際に上述したようにテーパ状に加工することも可能である。あるいは、アルミニウムなどの高反射率を備えた金属を、ダイヤモンドを用いて鏡面切削して、形成することもできる。また、内側に傾斜した鏡面３２を備えたアダプタを形成しておき、図１０に示したロッドインテグレータ１２０の出口側に装着することによっても出口側の内側に斜めになった鏡面３２を備えたロッドインテグレータ２０を提供することができる。そして、ロッドインテグレータ２０の出射側の開口２３の直後に、微小なギャップＷを開けて、回転式のカラーホイール４０が開口２３と対面するように配置されている。
【００２７】
本例の照明装置１０の光源部１２は、ランプ１３とリフレクタ１４の組合せでランプ１３から出力された光を、ロッドインテグレータ２０の入力側の開口２２に導いている。したがって、光源部１２からは図５に示すように中心軸８０に対して角度θ１の方向に強い分布を持った光７１が、ロッドインテグレータ２０に入力される。このため、図２に示すように、ロッドインテグレータ２０の中心軸８０に対して角度θ１の強い分布を持った光束７１がロッドインテグレータ２０に入射されると、ロッドインテグレータ２１の内周面２４で反射されて出口側２０ｂの開口２３に至り、面しているカラーホイール４０に照射される。カラーホイール４０の緑色の光を透過するダイクロイック膜４１Ｇの部分に照射された光は、緑色の光７２Ｇのみがカラーホイール４０を透過してライトバルブ５０の側に出力され、その他の色の光はロッドインテグレータ２０の側に戻される。そして、ロッドインテグレータ２０の内部で反射されて再びカラーホイール４０に照射されたときに、緑色の色以外の光を透過するダイクロイック膜４１Ｒあるいは４１Ｂに照射されると、赤色の光あるいは青色の光が出力され、残りの色の光は再びロッドインテグレータ２０に戻される。
【００２８】
このような入射光７１のうち、図２に示した状態では出力側の開口２３の上端に位置するダイクロイック膜４１Ｒに照射された光に着目すると、本例のロッドインテグレータ２０では、ダイクロイック膜４１Ｒで反射された光、たとえば、緑色の光７１Ｇは、ロッドインテグレータ２０の端面３１の内側に傾斜した反射面３２に至る。反射面３２は、法線３３が光軸８０の方向に向くように傾斜しているので、反射面３２に当った光７１Ｇは、ほぼ同じ経路を通ってカラーホイール４０の方向に反射される。そのとき、カラーホイール４０が動いて、ダイクロイック膜４１Ｇに反射面３２で反射された光７１Ｇが照射されれば、カラーホイール４０を透過してライトバルブ５０の側に出力される。一方、反射面３２で反射された光７１Ｇが照射された場所が、緑色の光を反射するダイクロイック膜４１Ｒまたは４１Ｂであれば、カラーホイール４０で反射された光７１Ｇは再びロッドインテグレータ２０の内部に導かれる。したがって、上記と同様に、ロッドインテグレータ２０で多重反射してカラーホイール４０に再び照射されたときにダイクロイック膜４１Ｇに当ればライトバルブ５０に出力される。
【００２９】
このように、本例のロッドインテグレータ２０を採用した照明装置１０においては、カラーホイール４０に反射されて、ロッドインテグレータ２０の出射側の開口２３の端面３１に当った光であっても、ロッドインテグレータ２０の外側に反射されることはなく、ロッドインテグレータ２０の内側、すなわち、光軸（中心軸）８０の方向に反射される。したがって、外端面３１で反射されてロスとなる光量は非常に小さい。特に本例の外端面３１の内側すなわち出射側の開口の外周部分の鏡面３２は、その法線３３が中心軸８０に対して角度θ２だけ傾いている。このため、ロッドインテグレータ２０に入力される光７１の内、最も強度の高い角度θ１の成分がカラーホイール４０で反射されて外端面の傾斜した鏡面３２に至ったときに、鏡面３２に対して垂直に入射する状況となり、鏡面３２の法線方向、すなわち、中心軸８０の方向に確実に反射される。
【００３０】
そして、最も強度の高い角度θ１に隣接する入射光束７１の光量の殆どの成分も、鏡面３２により中心軸８０の方向に反射される。したがって、傾斜した反射面３２に照射された光で、中心軸８０から離れた方向に反射されてロスとなる成分を最小にすることができ、照明装置１０における光の利用効率を最も高くすることができる。
【００３１】
このように、光のロスを最小にするには、鏡面３２の傾き角度θ２は、光源１２から出力される光の角度分布の代表角度θ１に一致していることが望ましい。光源１２から出力される光の角度分布は、光源部１２の部品や組立て公差などにより必ずしも一定ではないが、出力光（ロッドインテグレータ２０に対する入力光）７１の角度分布の中心軸８０に対する代表角度θ１は、８度から１５度の範囲の範囲である。したがって、鏡面３２の法線３３の中心軸８０に対する角度も８度から１５度の範囲にすることが望ましく、たとえば、鏡面３２の法線３３と中心軸８０とを角度θ２を１２度に設定することができる。光源部１２のランプ１３の種類やリフレクタ１４の種類の組合せが変わることにより、出力される光の角度分布はさらに大きく変わるが、出力される光７１の角度分布はある程度限られており、殆どの光源部では、出力される光の代表角度となる、最も強度の高い分布の角度θ１は中心軸８０に対し５度から２０度の範囲に入る。したがって、ロッドインテグレータ２０の出力側の鏡面３２の法線３３の角度θ２も、中心軸８０に対し５度から２０度の範囲で傾けることが望ましい。したがって、本例のように、鏡面３２の角度θ２を１２度に設定したロッドインテグレータ２０は、殆どの種類の光源に対して光の利用効率を向上できるものである。
【００３２】
このように、ロッドインテグレータ２０の出力側２０ｂの外端面３１の内側すなわち出射側の開口の外周部分を斜めの鏡面３２とすることにより、カラーホイール４０から外端面３１に向けて反射された光を中心方向に反射することにより光の利用効率を向上できる。その反面、ロッドインテグレータ２０の出力側に斜めの鏡面３２を形成することにより、光軸８０と平行なロッドインテグレータの内周面２４は出力側２０ｂの端から後退することになり、内周面２４とカラーホイール４０との間が開く。したがって、出力側２０ｂの近傍の内周面２４により中心軸８０に向かって反射されてカラーホイール４０に向かう光線が、内周面２４に反射されずにカラーホイール４０に向かい、カラーホイール４０によりロッドインテグレータ２０の外側へ向けて反射される可能性がある。あるいは、斜めの鏡面３２に当たっても中心軸８０の方向には反射されない可能性もあり、これらの光線はロスになる可能性がある。このため、ロッドインテグレータ２０の出力側２０ｂの斜めの鏡面３２の面積はできるだけ小さいことが望ましい。
【００３３】
図６に、ロッドインテグレータ２０の出力側２０ｂに中心軸８０に投影した長さＬが０．１ｍｍとなる斜めの鏡面３２を設けた照明装置１０からの出力される光量と、図１０を参照しながら説明したロッドインテグレータ１２０の出力側２０ｂに斜めの鏡面が設けられていない照明装置１００から出力される光量が、ロッドインテグレータ２０または１２０の出力側２０ｂとカラーホイール４０との隙間Ｗにより変化する様子をシミュレーションした結果を示してある。本図からわかるように、ロッドインテグレータ２０の出力側に斜めの鏡面３２を設けた照明装置１０では、ロッドインテグレータ２０とカラーホイール４０とのギャップＷが大きくなっても出力される光量は大きくは減少しない。したがって、ロッドインテグレータ２０の出力側に内側に斜めになった反射面３２を設けることにより光の利用効率が向上していることが分かる。そして、傾斜した反射面３２の面積は、中心軸８０に投影した長さＬが０．１ｍｍ程度で十分な効果が得られる。
【００３４】
この長さＬは、できるだけ小さい方が望ましいが、小さすぎると、上述したような傾斜した反射面３２による効果が得られない。一方、長さＬが大きくなると、逆に、光のロスが増大する可能性がある。このシミュレーション結果から分かるように長さＬは０．１ｍｍ程度でも効果がある。長さＬが大きくなると、カラーホイール４０で反射された光の利用効率が向上するが、それと同時にロッドインテグレータ２０の内面２４を反射してカラーホイール４０に照射される光量が減少し、照明装置１０としての光の利用効率は低くなる。
【００３５】
本願の発明者らの検討によると、反射性の斜面３２を中心軸８０に投影した長さＬが０．５ｍｍ程度までは傾斜した反射面３２の効果が得られるが、それ以上に長さＬが大きくなると、内周面２４の面積が減ってロスが大きくなり、照明装置１０から出力される光量が減る可能性がある。したがって、ロッドインテグレータ２０の出力側２０ｂの傾いた鏡面３２を中心軸８０に投影した長さＬは０．１〜０．５ｍｍ程度の範囲内であることが望ましい。
【００３６】
また、図６から分かるように、ロッドインテグレータ２０の出口側に内側に傾斜した鏡面３２を設けることにより、ロッドインテグレータ２０とカラーホイール４０とのギャップＷが０．３ｍｍ程度までは照明装置１０から出力される光量がほとんど変わらない。これに対し、図１０に示したロッドインテグレータ１２０の出力側に傾斜した鏡面がない照明装置１００であると、ギャップＷが０．１ｍｍ程度から出力される光量が大きく減少する。したがって、図１０に示した照明装置１００であるとロッドインテグレータ１２０とカラーホイール４０とのギャップＷを、０．１ｍｍ程度あるいはそれ以下にした場合の光量を、本例の照明装置１０であるとギャップＷが０．３ｍｍ程度あるいはそれ以上で確保することができる。これは、ロッドインテグレータ２０の出口側に反射光を捕捉する大きな面を鏡面３２で形成することにより、ギャップＷをある程度まで大きくしても、ギャップＷが小さいときと同様にカラーホイールからの反射光を捉えてリサイクル効率を維持できることを意味する。すなわち、ロッドインテグレータ２０の出力側２０ｂに傾斜した鏡面３２を設けることにより、ロッドインテグレータ２０の外端面３１におけるロスを大幅に改善することができ、それが光量の低下がそれほど起きない範囲で利用できるギャップＷの値が大きく広がる結果として得られている。
【００３７】
カラーホイール４０は回転駆動される光学製品であり、カラーホイール４０の組み立て誤差、製品公差や、面ぶれを吸収するためにある程度のギャップＷが必要になるが、本例の照明装置１０であれば、ギャップＷが０．３ｍｍ程度という製品を組み立てる上でリーズナブルな現実的な精度にすることができる。これに対し、出力側に傾斜した鏡面のないロッドインテグレータを採用した照明装置１００においては、本例の照明装置１０と同じ光量を得ようとするとギャップＷを０．１ｍｍ以下に収める必要が生じ、公差などを考慮すると非現実的な値となる。
【００３８】
このように、本例の照明装置１０はロッドインテグレータ２０の出射側２０ｂの端の内側を光軸８０の方向に傾斜した鏡面３２とすることにより、カラーリキャプチャ方式の照明装置１０の光の利用効率をさらに向上することができる。したがって、本例の照明装置が高いので、コンパクトで高出力な照明装置として提供することが可能である。さらに、本例の照明装置１０を採用した、図１に示したプロジェクタ１をはじめとする投影型あるいは直視型の表示装置や、プリンタなどを含めた映像表示装置であって、コンパクトで明るく、鮮明な画像を表示することができる画像表示装置を提供することができる。画像表示装置１で利用される光はＲＧＢ系の３原色の光に限らず、カラーホイール４１で分光透過される光であれば、光の色は問わずに本発明を適用できることはもちろんである。
【００３９】
本例の照明装置１０は、図１に示したような、マイクロミラーを駆動するミラーデバイス５０などの反射側の映像デバイスをライトバルブとして使用できる。反射型のライトバルブは高速駆動が可能で高コントラストであるので、コンパクトで鮮明な画像を表示するプロジェクタに適している。他の反射型の映像デバイスとしては、波長レベルのスイッチング素子の動きでエバネセント光を利用してオンオフするエバネセントデバイスがある。そして、本発明の照明装置１０を用いた映像表示装置のライトバルブとして利用できる。また、透過型の映像デバイスを本発明の照明装置１０と組み合わせて使用することも可能であり、投下型の映像デバイスとしては信頼性の高いＬＣＤがある。
【００４０】
なお、上記では、ロッドインテグレータ２０の内側の断面形状が長手方向にそって変化しないストレートな構造のロッドインテグレータ２０を例に説明しているが、これに限らず、ロッドインテグレータ２０の内側の断面形状が入射側２０ａよりも出射側が広くなった２段あるいは多段構造のものであっても良い。
【００４１】
また、上記では中空のロッドインテグレータの例を示したが、ガラスロッドレンズタイプのインテグレータであっても良い。図７に示した照明装置１０は、ロッドレンズタイプのインテグレータ９０を備えており、その内周面２４は入射光７１に対して全反射面となっている。ロッドレンズ９０の外周面を金属や半透過性の膜などでコーティングし、内周面２４を反射面とすることも可能である。そして、入射側２０ａには光軸８０を中心とする開口２２を形成するように周囲が反射面２９で覆われており、この面２９がリキャプチャ面となる。ロッドレンズ９０の出射側２０ｂには、スカート状の光学部分９５が取り付けられており、その内面がテーパミラー３２となりカラーホイール４１から反射した光をロッドレンズ９０の中心軸（光軸）８０の方向に反射する。このテーパミラー３２の部分９５は、ロッドレンズ９０の長さに対して非常に薄く、上述したように０．５ｍｍ程度以下、望ましくは０．１ｍｍ程度である。したがって、ロッドレンズ９０から出射された光束の面積をほとんど広げずにカラーホイール４１に照射することができ、その一方で、カラーホイール４１から反射された光はテーパミラー３２で捕捉してロッドレンズ９０に戻すか、あるいはカラーホイール４１の方向に反射することができる。
【００４２】
図８に示した照明装置１０では、ロッドレンズタイプのインテグレータ９０の出射側２０ｂに、出射側の開口２３よりも大きな面積で薄い板状の光学素子９６を貼り付けてある。もちろん、一体で成形することも可能である。板状の光学素子９６の周面９７はロッドレンズの周面２４と同様に全反射面として機能する。また、光学素子９６のカラーホイール４１と反対側の面のロッドレンズ９０から張り出した面９８には金属あるいは半透過膜などが施されて反射性になっている。このロッドレンズ９０では、出射側の光学素子９６のカラーホイール４１と対向した面９９が反射光を捕捉する面となる。そして、光学素子９６が０．１ｍｍ程度と薄いので、ロッドレンズ９０の出射側の開口２３から出射された光束はほとんど広がらずにカラーホイール４１に照射され、反射された光は出射側の開口２３より大きな面積の捕捉開口９９で捕捉され、ロッドインテグレータ９０に戻される。したがって、カラーホイール４１との間にある程度のギャップＷを設けても、カラーホイール４１から反射された光の多くを捕捉開口９９で捕捉することが可能であり、リサイクル効率をさらに向上することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の照明装置は、ロッドインテグレータの出射側の開口の外周部分を中心軸方向に傾斜した鏡面とすることにより、カラーホイールで反射された光をロッドインテグレータの方向により確実に戻すことができる。したがって、ロッドインテグレータとカラーホイールとの境界部分における光のロスを大幅に低減することが可能となり、ロッドインテグレータとカラーホイールとの間に現実的な値のギャップを設定し、光の利用効率の高い照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るカラーリキャプチャ方式の照明装置を用いたプロジェクタの概要を示す図である。
【図２】図１に示すロッドインテグレータの長手方向の断面を示し、幾つかの光線の光路を例示する図である。
【図３】図１に示すロッドインテグレータの入射側の面を示す図である。
【図４】図１に示すロッドインテグレータの出射側の面を示す図である。
【図５】図１に示す照明装置における光源の配光分布を示す図である。
【図６】ロッドインテグレータとカラーホイールとのギャップの値を変化させたときに、照明装置から出力される光量の変化を示すグラフである。
【図７】本発明の照明装置の異なる例を示す図である。
【図８】本発明の照明装置のさらに異なる例を示す図である。
【図９】カラーリキャプチャ方式の一例として、照明装置を用いたプロジェクタの概略構成を示す図である。
【図１０】出力側の外端面が内周面と直交したロッドインテグレータにおける光線の一例を示す図である。
【符号の説明】
１    プロジェクタ
１０、１００    照明装置
１２    光源部、１３    ランプ、１４    リフレクタ
２０、９０、１２０    ロッドインテグレータ
２０ａ    入射側
２０ｂ    出射側
２２    入射側の開口
２３    出口側の開口
２４    内周面
２９    内端面（リキャプチャ面）
３１    出射側の外端面
３２    出射側の開口の外周部分の傾斜した鏡面
４０    カラーホイール
４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂ    各色のダイクロイック膜
５０    ライトバルブ（マイクロミラーデバイス）
５２    投射レンズ
５８    スクリーン
７１    入射光
７２    各色の出射光
８０    光軸
９６    光学素子
９７    周面
９９    捕捉開口
【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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