(57)【要約】【課題】小型で単純な構造の照明光学系を提供する。【解決手段】光を発生する光源部（１）と、前記光源部（１）からの光束の面内照度ムラを均一化するインテグレータ部（４）と、画像を表示する反射型表示素子（１０）と、前記インテグレータ（４）からの出射光束を前記反射型表示素子面に導き照明する光学系とを備え、前記光学系は、光軸を略水平に配置された前記インテグレータ（４）からの出射光束を集光する第１レンズ系（５）と、前記第１レンズ系（５）からの光束を反射し、所定の角度方向に折り曲げる第１ミラー（６）と、前記第１ミラー（６）からの光束を集光する第２レンズ系（７）と、第２レンズ系（７）からの光束を前記反射型表示素子（１０）に所定の角度で入射させる第２ミラー（８）と、第２ミラー（８）からの光束を反射型表示素子（１０）に集光する第３レンズ系（９）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発生する光源部と、
前記光源部からの光束の面内照度ムラを均一化するインテグレータ部と、
画像を表示する反射型表示素子と、
前記インテグレータからの出射光束を前記反射型表示素子面に導き照明する光学系とを備え、前記光学系は、
光軸を略水平に配置された前記インテグレータからの出射光束を集光する第１レンズ系と、
前記第１レンズ系からの光束を反射し、所定の角度方向に折り曲げる第１ミラーと、
前記第１ミラーからの光束を集光する第２レンズ系と、
前記第２レンズ系からの光束を前記反射型表示素子に所定の角度で入射させる第２ミラーと、
前記第２ミラーからの光束を反射型表示素子に集光する第３レンズ系とを備えることを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記第３レンズからの出射光束の主光線は、前記反射型表示素子に向けて集束していることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
【請求項３】
前記第１乃至第３レンズ系のレンズのうちの少なくとも１枚は非球面レンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記第２ミラーは、照明領域を調整する調節機構を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学系と、照明光を投射する投射レンズとを備えることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項６】
前記投射レンズの光軸と前記光源の光軸は略平行になっていることを特徴とする請求項５記載の投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光学系及びそれを用いる投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、反射型の画像表示素子を用いたプロジェクタが各社から製品化されている。反射型画像表示素子を用いたプロジェクタには、１枚の反射型画像表示素子を用いた単板式プロジェクタと、２枚ないし３枚の画像表示素子を用いた２板式、ないし３板式プロジェクタがある。
【０００３】
これらの中で最もコンパクトなタイプは、単板式プロジェクタであるが、この単板式プロジェクタの中で最も現在一般的な物の一つに、テキサスインスツルメンツ社の開発したＭＥＭＳ技術を用いて作成した反射型表示素子であるＤｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ（商標）(以下、ＤＭＤ（商標）という)を使用したＤｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（商標）方式(以下、ＤＬＰ（商標）方式という)プロジェクタと呼ばれるものがある。
【０００４】
ここでＤＭＤの動作原理を説明する。ＤＭＤは、図５に示すように、ＤＭＤ部１０にヒンジで回転可能に軸支された角１３．７μｍあるいは角１６．２μｍのマイクロミラー１０１、１０２を縦横に必要な解像度の数だけ並び備え、この微小なマイクロミラー１０１、１０２を水平位置から±１２°(または±１０°)の２値の角度で揺動させる。このマイクロミラーが＋１２度でホールドされている場合は、入射光束はマイクロミラー１０１で反射され投射レンズ１１に取り込まれ、スクリーン（図示せず）上に投影され白表示となる。しかしながら−１２度の場合には入射光束はマイクロミラー１０２の角度でホールドされているため、投射レンズ外に反射され光吸収板１２に吸収される。このときスクリーン上には光は投影されないため黒表示となる。
【０００５】
したがって、マイクロミラー１０１、１０２を高速動作させ、投射レンズ１１に光を入射させる回数を変えることにより、投射レンズ１１に入る光の積分量に応じてスクリーン上を見る人の目の中で明るさが時間積分されるため、画素があたかも所定の明るさで光っているように見え、階調のある画像を形成することができる。
【０００６】
また、図５から分かるように、ＤＭＤには照明光を斜めから入射する必要がある。
単板式ＤＬＰ方式のプロジェクタの照明光学系の１つに、ＤＭＤ面を照明する光束の主光線が集束しながら入射するノンテレセントリック照明光学系がある。
【０００７】
これは、図２に示すように、楕円リフレクター２の一方の焦点部に白色光を発する超高圧水源ランプ等からなるランプを配置した光源部１と、楕円リフレクター２のもう一方の焦点部に集光されたランプの２次光源像を取り込んで内面反射を繰り返すことにより、射出面における面内の輝度ムラを低減させる効果を持つロッドインテグレータ４と、このロッドインテグレータ４の入射面近傍に配置され、円板の中心から所定の角度で赤、青、緑の光を透過するダイクロイックコートを３分割して蒸着した円板形のガラス板をモータで回転させることにより、光源部からの白色光を光の３原色である赤、青、緑に時分割するカラーホイール３と、ロッドインテグレータ４の出射側端面を画像表示素子面８に結像し、主光線を集束させながらＤＭＤ部１０を照明し、且つ光束の主光線を集光させ光束を投射レンズ９のリア絞り面でほぼ主光線が一致するよう集光させる役割をするノンテレセントリック照明光学系５、７及び９を持ち、微細なマイクロミラーの角度を２値の間で高速揺動することにより階調を表現して画像を形成するＤＭＤ部１０と、このＤＭＤ部１０に表示される画像をスクリーン面（図示せず）に拡大する投射レンズ１１とから構成されたタイプが知られている。
【０００８】
ここでＤＭＤ部１０は、前記カラーホイール３により時分割された赤、青、緑の光に対応した画像を表示する。この画像表示は、高速で行われるので、人間の目の残像現象が脳で合成され、１つの画像として知覚されることとなる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−０４５７１８号明細書
【特許文献２】特開２００２−２８７０８１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながらノンテレセントリック照明光学系でＤＭＤを照明した場合、集束しながら斜め入射をするため、第８図に示すように照明領域に歪が生じる。
【００１１】
この課題を解決するため、特許文献１では、図３に示すように照明光学系からＤＭＤに入射する照明光の主光線が平行に入るようにし、アフォーカル系にすることにより照明領域の歪を解決している。ただしＤＭＤ反射後の光束の主光線も平行に出てくるため投射レンズは大型化するため小型化には向いていない。
【００１２】
また、特許文献２では、図４に示すようにロッドインテグレータの出射面の開口形状を、ＤＭＤの表示面の形状と略相似な矩形サイズの従来の形状４１に対して、ＤＭＤ内のマイクロミラーの回転方向に対して略ｃｏｓθだけ圧縮した形状４２にすることにより、ＤＭＤ面の照明領域の歪を補正している。これは、今までの照明光学系を変えずにロッドインテグレータのみを変更することで、照明領域の歪補正が可能であり、小型には有利であるが、ロッドインテグレータを斜めに傾いた形で接合し作成することになるため、光学素子の製造工程が複雑となり、コスト増加につながる可能性がある。
【００１３】
本発明は、従来の照明光学系では照明領域の歪を補正するために光学系の大型化やロッドインテグレータの形状の複雑化を招いていたというという問題を解決するものであり、小型で単純な構造の照明光学系を提供することを目的とする。本発明は、このような照明光学系を用いる投射型表示装置も提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の照明光学系は、光を発生する光源部と、前記光源部からの光束の面内照度ムラを均一化するインテグレータ部と、画像を表示する反射型表示素子と、前記インテグレータからの出射光束を前記反射型表示素子面に導き照明する光学系とを備え、前記光学系は、光軸を略水平に配置された前記インテグレータからの出射光束を集光する第１レンズ系と、前記第１レンズ系からの光束を反射し、所定の角度方向に折り曲げる第１ミラーと、前記第１ミラーからの光束を集光する第２レンズ系と、第２レンズ系からの光束を前記反射型表示素子に所定の角度で入射させる第２ミラーと、第２ミラーからの光束を反射型表示素子に集光する第３レンズ系とを備えることを特徴とする。第１ミラー、第２ミラーをそれぞれ第１レンズ系と第２レンズ系の間、第２レンズ系と第３レンズ系の間に配置することで、光路を反対方向に折り返すことによって光学系をコンパクトに折りたたむことができ、小型化が可能になる。また、第１ミラー及び第２ミラーにより、反射型光学素子面上で発生する照明光の歪をそれぞれ打ち消しあうことによる歪補正も行うことができる。
【００１５】
好適には、前記第３レンズからの出射光束の主光線が、前記反射型表示素子に向けて集束するように構成する。
【００１６】
前記第１乃至第３レンズ系のレンズのうちの少なくとも１枚を非球面レンズとしてもよい。このようにすれば、照明光学系の収差低減を行い結像性能を上げることができる。
前記第２ミラーは、照明領域を調整する調節機構を有してもよい。
本発明の投射型表示装置は、上記本発明の照明光学系と、照明光を投射する投射レンズとを備えることを特徴とする。
好適には、前記投射レンズの光軸と前記光源の光軸が略平行になるように構成する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、小型で単純な構造の照明光学系が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の照明光学系の要部を示した概略図である。本発明の照明光学系は、光軸を略水平に配置した楕円リフレクター２の一方の焦点部に白色光を発する超高圧水源ランプ等からなるランプを配置した光源部１と、楕円リフレクター２のもう一方の焦点部に集光されたランプの２次光源像を取り込んで内面反射を繰り返すことにより、射出面における面内の輝度ムラを低減させる効果を持つロッドインテグレータ４と、このロッドインテグレータ４の入射面近傍に配置され、円板の中心から所定の角度で赤、青、緑の光を透過するダイクロイックコートを３分割して蒸着した円板形のガラス板をモータで回転させることにより、光源部からの白色光を光の３原色である赤、青、緑に時分割するカラーホイール３と、ロッドインテグレータ４の光の輝度ムラが低減された出射側端面を画像表示素子面１０に結像する作用を持つ複数のレンズ系及びミラーとを備える。
【００１９】
前記複数のレンズ系及びミラーは、ロッドインテグレータ４からの出射光を集光する作用を持つ第１レンズ５と、第１レンズ５の焦点近傍に配置され、第１レンズ５からの光束を所定の角度方向（図示した例では略垂直上方）に反射させる第１ミラー６と、第１ミラー６からの反射光を集光する機能を持つ第２レンズ７と、第２レンズ７からの光を反射型表示素子１０に所望の角度で入射させる役割を持つ第２ミラー８と、第２ミラー８からの反射光束の発散する主光線を反射型表示素子１０に向けて集光させ、且つ反射型表示素子１０からの反射光の主光線を投射レンズ１１の入射瞳面で一致させる作用をもつ第３レンズ９とにより構成される。本発明の照明光学系は、反射型表示素子１０側に非テレセントリックな光学系であり、かつ図１に示すように縦型に構成されている。
【００２０】
第１ミラー６、第２ミラー８をそれぞれ第１レンズ５と第２レンズ７の間、第２レンズ７と第３レンズ９の間に配置し、第１図に示すように光路を反対方向に折り返すことにより、反射型光学素子１１面上で発生する照明光の歪をそれぞれ打ち消しあうことによる歪補正と、光源１の光軸と投射レンズ１１の光軸とを略平行に配置することが同時に達成できる。これにより光学系をコンパクトに折りたたむことができるため小型化が可能となっている。
【００２１】
前述の通り反射型表示素子１０にＤＭＤが使用されている場合、斜めから光束を入射させることになるが、本照明光学系のように非テレセントリック光学系である場合、主光線が集光して反射型表示素子に入射するため、照明領域に歪が発生する。
【００２２】
比較例としてミラーを配置していないときの照明光学系を図６に、他の比較例として第２レンズ７と第３レンズ９の間に第２ミラー８を追加したときの照明光学系を図７に、更に第１レンズと第２レンズの間に第１ミラー６を追加したときの照明光学系が図１に示す本発明の縦型照明光学系である。
【００２３】
これら図６、図７、図１に示す照明光学系の照明領域の歪をそれぞれ図８に示す。これによると、本発明のミラーを２枚使用したときの縦型照明光学系が最も照明領域の歪が改善されているため、照明面積を小さくできていることが分かる、照明光の光利用効率が高く、なお且つ反射型光学素子面内の明るさムラが低減できていることが分かる。そのため、本発明の構成の縦型照明光学系を用いることにより、光学系の大型化やロッドインテグレータの形状の複雑化を招く事なしに、照明領域の歪を改善できることが分かる。
【００２４】
上記例では、レンズを各１枚で構成したが、照明光学系の収差低減を行い結像性能を上げるために各レンズを複数枚で構成しレンズ系とする、或いは非球面化することも可能である。
【００２５】
ここで光学系の製造バラツキを補正するため照明領域を調整する必要があるが、この調整は面積の大きい第２ミラー８で行うのが良い。これにより、照明光を微調整することが可能となり、生産効率をあげることができる。
【００２６】
本発明の光学系の構成のように、投射レンズと反対方向に光源を配置することにより、光源からの輻射熱の影響が投射光に影響し画像にゆらぎを引き起こすような現象が発生しないという利点もある。
【００２７】
また、投射型表示装置を縦型に配置することにより、机上などセッティングする面への投映面積が小さくてすみ、持ち運びし易いという利点も兼ね備える。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、照明光学系及びそれを用いる投射型表示装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の照明光学系の構成を示す概略図である。
【図２】従来のノンテレセントリック照明光学系の構成を示す概略図である。
【図３】従来のアフォーカル系の照明光学系の構成を示す概略図である。
【図４】従来のロッドインテグレータの形状の改良を示す概略図である。
【図５】ＤＭＤの動作原理図である。
【図６】ミラーを配置していない本発明の照明光学系の比較例の構成を示す概略図である。
【図７】第２ミラーのみを配置した本発明の照明光学系の比較例の構成を示す概略図である。
【図８】反射型表示素子面での照明領域の歪を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  光源
２  楕円リフレクター
３  カラーホイール
４  ロッドインテグレータ
５  第１レンズ
６  第１ミラー
７  第２レンズ
８  第２ミラー
９  第３レンズ
１０  反射型表示素子
１１  投射レンズ
１２  光吸収板
１０１、１０２  マイクロミラー
【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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