(57)【要約】【課題】３色ＬＥＤ光源の使用を可能にして装置の小型化を図りつつ、３色ＬＥＤ光源からの光を集める光学レンズとして集光性に優れた光学レンズを使用することが可能な投射型表示装置を提供すること。【解決手段】投射型表示装置１は、赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤと青色ＬＥＤとを有する３色ＬＥＤ光源３と、３色ＬＥＤ光源３が出射する光の照度分布を均一化するライトパイプ４と、ライトパイプ４からの光を平行光にする光学レンズ５とを備えている。光学レンズ５は、光軸Ｌに対する角度が４０°から９０°の間である光が入射するとともに光を結像する円環状の第１入射面および第１入射面から入射した光を出射する円環状の第１出射面を有する円環状の第１レンズ要素と、光軸Ｌ方向で第１出射面に隣接する円環状の第２入射面を有する第２レンズ要素とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリーン上に映像を拡大投射する投射型表示装置において、
赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤと青色ＬＥＤとを有する３色ＬＥＤ光源と、前記３色ＬＥＤ光源が出射する光の照度分布を均一化するライトパイプと、前記ライトパイプからの光を平行光にする光学レンズと、前記光学レンズからの光を変調する光変調部を有する光変調素子とを備え、
前記光学レンズは、光軸に対する角度が所定の角度である前記光が入射するとともに前記光を結像する円環状の第１入射面および前記第１入射面から入射した前記光を出射する円環状の第１出射面を有する円環状の第１レンズ要素と、光軸方向で前記第１出射面に隣接する円環状の第２入射面を有する第２レンズ要素とを備えることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】
前記第１入射面に入射する前記光の前記光軸に対する角度は、４０°から９０°の間であることを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
【請求項３】
前記第１レンズ要素は、前記第１入射面に入射した前記光を前記第１出射面に向かって全反射する反射面を備えることを特徴とする請求項１または２記載の投射型表示装置。
【請求項４】
前記光学レンズは、前記光軸に対する角度が４０°から９０°の間である前記光が入射するとともに前記光を結像する円環状の第３入射面および前記第３入射面から入射した前記光を出射する円環状の第３出射面を有する第３レンズ要素を備え、
前記第２レンズ要素は、前記光軸方向で前記第３出射面に隣接する円環状の第４入射面を備え、
前記第３レンズ要素は、前記第１レンズ要素の径方向内側に配置されていることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項５】
前記赤色ＬＥＤと前記緑色ＬＥＤと前記青色ＬＥＤとは、共通の基板に取り付けられていることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項６】
前記ライトパイプの前記光の出射口の形状は、前記光変調部の形状の相似形であることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項７】
前記３色ＬＥＤ光源は、前記ライトパイプの内部に配置されていることを特徴とする請求項１から６いずれかに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、スクリーン上に映像を拡大投射する投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スクリーン上に所定の映像を拡大投射する投射型表示装置では、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を有するＬＥＤ光源が広く使用されている。また、投射型表示装置では、ＬＥＤ光源から出射される光をたとえば液晶パネル等の光変調素子へ集光するための集光レンズが使用されている。しかしながら、一般の集光レンズを用いた投射型表示装置では、ＬＥＤ光源から出射される光量の損失が大きい。
【０００３】
そこで、特許文献１では、この光量の損失を低減することが可能な光学レンズが提案されている。すなわち、特許文献１では、ＬＥＤ光源から出射される光を光変調素子へ効率良く集光させることができる集光性に優れた光学レンズが提案されている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開２００８／００３７１１６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、特許文献１に記載の光学レンズは集光性に優れている。一方、近年、投射型表示装置の小型化にニーズが高まっており、この小型化のニーズに応えるため、カラーホイールを使用せずに、赤、緑、青の３色のＬＥＤを有する３色ＬＥＤ光源が光源として使用される投射型表示装置もある。
【０００６】
しかしながら、３色ＬＥＤ光源を光源として用いた場合、特許文献１に記載の光学レンズと３色ＬＥＤ光源とをそのまま組み合わせて使用することができないことが本願発明者の検討によって明らかになった。この問題点を図１６に基づいて説明する。
【０００７】
図１６（Ａ）に示すように、光源として使用される３色ＬＥＤ光源２０１は、たとえば、正方形状に形成された赤色ＬＥＤ２１１と青色ＬＥＤ２１２と緑色ＬＥＤ２１３とを備え、各ＬＥＤ２１１〜２１３は、４つの発光面によって正方形が形成されるように配置されている。図１６（Ｂ）に示すように、特許文献１に記載の光学レンズ２０２と３色ＬＥＤ光源２０１とがそのまま組み合わされて使用される場合には、３色ＬＥＤ光源２０１は光学レンズ２０２に取り付けられており、３色ＬＥＤ光源２０１から出射される光は、光学レンズ２０２を通過して、液晶パネル等の光変調素子２０３へ照射される。
【０００８】
かかる構成において、たとえば、３色ＬＥＤ光源２０１上で第２象限に配置された赤色ＬＥＤ２１１が発光して３色ＬＥＤ光源２０１から赤色光が出射されると、図１６（Ｃ）に示すように、光学レンズ２０２を通過した赤色光は、光変調素子２０３の変調面２０３ａの第４象限に照射される。同様に、たとえば、３色ＬＥＤ光源２０１上で第３象限に配置された青色ＬＥＤ２１２から青色光が出射されると、光学レンズ２０２を通過した青色光は、光変調素子２０３の変調面２０３ａの第１象限に照射される。
【０００９】
このように、図１６に示す構成では、ＬＥＤ２１１〜２１３を高速で切り替えて発光させ、３色ＬＥＤ光源２０１から連続的に複数の光を出射させても、光変調素子２０３の、ＬＥＤ２１１〜２１３の配置位置に対応する部分のみに光が照射され、３色ＬＥＤ光源２０１から出射される光の見かけ上の混色が行われないことが本願発明者の検討によって明らかになった。すなわち、特許文献１に記載の光学レンズ２０２と３色ＬＥＤ光源２０１とをそのまま組み合わせて使用することができないことが本願発明者の検討によって明らかになった。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、３色ＬＥＤ光源の使用を可能にして装置の小型化を図りつつ、３色ＬＥＤ光源からの光を集める光学レンズとして集光性に優れた光学レンズを使用することが可能な投射型表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するため、本発明は、スクリーン上に映像を拡大投射する投射型表示装置において、赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤと青色ＬＥＤとを有する３色ＬＥＤ光源と、３色ＬＥＤ光源が出射する光の照度分布を均一化するライトパイプと、ライトパイプからの光を平行光にする光学レンズと、光学レンズからの光を変調する光変調部を有する光変調素子とを備え、光学レンズは、光軸に対する角度が所定の角度である光が入射するとともに光を結像する円環状の第１入射面および第１入射面から入射した光を出射する円環状の第１出射面を有する円環状の第１レンズ要素と、光軸方向で第１出射面に隣接する円環状の第２入射面を有する第２レンズ要素とを備えることを特徴とする。本発明において、第１入射面に入射する光の光軸に対する角度は、たとえば、４０°から９０°の間である。
【００１２】
本発明の投射型表示装置では、光学レンズが、光軸に対する角度がたとえば４０°から９０°の間である光が入射するとともに光を結像する円環状の第１入射面および第１入射面から入射した光を出射する円環状の第１出射面を有する円環状の第１レンズ要素と、光軸方向で第１出射面に隣接する円環状の第２入射面を有する第２レンズ要素とを備えており、特許文献１に記載の光学レンズと同様に構成されている。すなわち、本発明の投射型表示装置で使用される光学レンズは集光性に優れている。また、本発明の投射型表示装置は、３色ＬＥＤ光源が出射する光の照度分布を均一化するライトパイプを備えているため、集光性に優れた特許文献１に記載の光学レンズを使用する場合であっても、３色ＬＥＤ光源が出射する光を、その照度分布を均一化した状態で、光変調部の全面に照射することが可能になる。したがって、３色ＬＥＤ光源から連続的に複数色の光が出射される場合には、出射される光の見かけ上の混色を行うことが可能になる。また、３色ＬＥＤ光源から同時に複数色の光が出射される場合には、３色ＬＥＤ光源からの光の混色を行うことが可能になる。その結果、本発明の投射型表示装置では、３色ＬＥＤ光源の使用を可能にして装置の小型化を図りつつ、集光性に優れた光学レンズを使用することが可能になる。
【００１３】
本発明において、第１レンズ要素は、第１入射面に入射した光を第１出射面に向かって全反射する反射面を備えることが好ましい。また、本発明において、光学レンズは、光軸に対する角度が４０°から９０°の間である光が入射するとともに光を結像する円環状の第３入射面および第３入射面から入射した光を出射する円環状の第３出射面を有する第３レンズ要素を備え、第２レンズ要素は光軸方向で第３出射面に隣接する円環状の第４入射面を備え、第３レンズ要素は第１レンズ要素の径方向内側に配置されていることが好ましい。このように構成すると、光学レンズの集光性を効果的に高めることが可能になる。
【００１４】
本発明において、赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤと青色ＬＥＤとは、共通の基板に取り付けられていることが好ましい。このように構成すると、３色ＬＥＤ光源で使用される基板の数を減らして３色ＬＥＤ光源を小型化することが可能になる。
【００１５】
本発明において、ライトパイプの光の出射口の形状は、光変調部の形状の相似形であることが好ましい。このように構成すると、３色ＬＥＤ光源から出射される光をより効率的に、光変調素子へ集光させることができる。また、本発明において、３色ＬＥＤ光源は、ライトパイプの内部に配置されていることが好ましい。このように構成すると、３色ＬＥＤ光源から出射される光の漏れを防止して、３色ＬＥＤ光源から出射される光をより効率的に光変調素子へ集光させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明の投射型表示装置では、３色ＬＥＤ光源の使用を可能にして装置の小型化を図りつつ、３色ＬＥＤ光源からの光を集める光学レンズとして集光性に優れた光学レンズを使用することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
（投射型表示装置の概略構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかる投射型表示装置１の概略構成を説明するための模式図である。図２は、図１のＥ−Ｅ方向からＬＥＤ光源３を示す図である。図３は、図１に示すライトパイプ４の機能を説明するための図である。
【００１９】
本形態の投射型表示装置１は、反射型の光変調素子である微小ミラー型表示素子２を利用して、スクリーン（図示省略）上に所定の映像を拡大投射する小型の表示装置である。この投射型表示装置１は、図１に示すように、微小ミラー型表示素子２の他に、ＬＥＤ光源３と、ライトパイプ４と、光学レンズ５と、リレーレンズ６と、ＲＴＩＲプリズム（Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｔｏｔａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ（内部全反射）プリズム）７と、投射レンズ８とを備えている。
【００２０】
なお、本明細書において、「微小ミラー型表示素子」とは、シリコン基板上に数μｍ角程度の微小ミラー（反射鏡）を多数並べた光変調素子であって、微小ミラーの傾きを静電引力を利用して変えることにより、光源からの光をスクリーン方向に反射させるかどうかを制御する光変調素子のことをいう。この微小ミラー型表示素子は、一般にテキサスインスツルメンツ社の商品名であるＤＭＤと称される素子と同様の機能を備えている。
【００２１】
微小ミラー型表示素子２は、ＬＥＤ光源３からの光を変調して反射する複数の反射鏡（図示省略）と、反射鏡を駆動制御するための制御回路（図示省略）とを備えている。本形態では、複数の反射鏡によって光学レンズ５からの光を変調する光変調部としての光変調面２ａが構成されている。光変調面２ａは、図３（Ｃ）に示すように、横長の長方形状に形成されている。
【００２２】
ＬＥＤ光源３は、図２に示すように、１個の赤色ＬＥＤ１１と、１個の青色ＬＥＤ１２と、２個の緑色ＬＥＤ１３とを備えている。すなわち、本形態のＬＥＤ光源３は、３色ＬＥＤ光源である。各ＬＥＤ１１〜１３は、図２に示すように、その発光面が正方形状となるように形成されている。また、各ＬＥＤ１１〜１３は、共通の基板１４に固定されている。具体的には、４個のＬＥＤ１１〜１３の発光面によって正方形状の発光面が構成されるように、各ＬＥＤ１１〜１３が基板１４に固定されている。
【００２３】
ライトパイプ４は四角筒状に形成されている。このライトパイプ４の一端面（図１の左端面）には、ＬＥＤ光源３が取り付けられている。具体的には、各ＬＥＤ１１〜１３からの光がライトパイプ４の内部を通過するように、ライトパイプ４の一端面にＬＥＤ光源３が取り付けられている。また、各ＬＥＤ１１〜１３がライトパイプ４の内部に配置されるように、ライトパイプ４にＬＥＤ光源３が取り付けられている。ライトパイプ４の内面には反射面が形成されている。また、ライトパイプ４の他端面（図１の右端面）に形成される光の出射口の形状は、光変調面２ａの形状の相似形となっている。すなわち、ライトパイプ４の光の出射口は、横長の長方形状に形成されている。
【００２４】
なお、ライトパイプ４は四角筒以外の多角筒状、円筒状あるいは楕円筒状等の他の形状に形成されても良い。また、ライトパイプ４の一端面に形成される光の入射口の形状は、ＬＥＤ光源３の発光面の形状の相似形（すなわち、正方形状）であっても良いし、光変調面２ａの形状の相似形（すなわち、横長の長方形状）であっても良い。すなわち、ライトパイプ４の光の入射口の形状と、光の出射口の形状とは異なっていても良いし、同じであっても良い。
【００２５】
光学レンズ５は、ライトパイプ４の他端側に取り付けられている。この光学レンズ５は、光の屈折と反射とを利用して、ライトパイプ４からの光を平行光にする。光学レンズ５の詳細な構成については後述する。
【００２６】
リレーレンズ６は、光軸Ｌ方向において、光学レンズ５とＲＴＩＲプリズム７との間に配置されている。ＲＴＩＲプリズム７には、微小ミラー型表示素子２が固定されている。投射レンズ８は、微小ミラー型表示素子２の反射鏡とスクリーンとを光学的に共役な関係にする機能を果たしており、微小ミラー型表示素子２の反射鏡に形成された映像をスクリーンに拡大投射する。
【００２７】
本形態では、上述のように、ライトパイプ４の内面には反射面が形成されており、ライトパイプ４は、ＬＥＤ光源３が出射する光の照度分布を均一化する。すなわち、たとえば、赤色ＬＥＤ１１が発光してＬＥＤ光源３から赤色光が出射されると、光学レンズ５を通過した赤色光は、ライトパイプ４の作用で、図３（Ｃ）に示すように、光変調面２ａの全面に照射される。同様に、青色ＬＥＤ１２あるいは緑色ＬＥＤ１３が発光してＬＥＤ光源３から青色光あるいは緑色光が出射されると、光学レンズ５を通過した青色光あるいは緑色光は、ライトパイプ４の作用で、光変調面２ａの全面に照射される。
【００２８】
そのため、ＬＥＤ１１〜１３が高速で順次発光して、ＬＥＤ光源３から連続的に複数色の光が出射される場合には、ライトパイプ４の作用で、ＬＥＤ光源３から連続的に出射される光の見かけ上の混色が行われる。また、ＬＥＤ光源３から同時に複数色の光が出射される場合には、ライトパイプ４の作用で、ＬＥＤ光源３からの光の混色が行われる。
【００２９】
また、本形態では、上述のように、ライトパイプ４の光の出射口は、横長の長方形状に形成されている。そのため、正方形状の発光面を有するＬＥＤ１１〜１３から出射される光は、ライトパイプ４を通過すると横長の長方形状に変わる。すなわち、正方形状の発光面を有するＬＥＤ１１〜１３から出射される光は、ライトパイプ４の作用で、微小ミラー型表示素子２の光変調面２ａのアスペクト比に応じた形状に変わる。
【００３０】
以上のように構成された投射型表示装置１では、ＬＥＤ光源３から出射された光は、ライトパイプ４で照度分布が均一な照明光となり、かつ、光学レンズ５で平行光となって、その後、リレーレンズ６を透過する。リレーレンズ６を透過した照明光は、ＲＴＩＲプリズム７を透過し、微小ミラー型表示素子２に入射する。微小ミラー型表示素子２に入射した照明光は変調され、投射レンズ８に向かうように、あるいは、投射レンズ８から外れた位置に向かうように反射される。また、反射光のうちの結像光は、ＲＴＩＲプリズム７の内部で全反射され、投射レンズ８によって、スクリーンに拡大投射される。
【００３１】
（光学レンズの構成）
図４は、図１に示す光学レンズ５の斜視図である。図５は、図４に示す光学レンズ５の光軸Ｌを含む軸方向断面を示す断面図である。図６は、図５に示す結像チャンネルＢの構成を説明するための図である。なお、以下の説明では、図５の上側を「上」側とし、図５の下側を「下」側とする。
【００３２】
以下、光学レンズ５の詳細な構成を説明する。ここで、本形態の光学レンズ５は、アップストリーム社（フィンランド）の商品である「Ｐｈｏｔｏｎ  Ｖａｃｕｕｍ」と同一に構成され、同一の機能を備えている。また、光学レンズ５の基本的な考え方は、上述の特許文献１に詳細に記載された公知の技術であるため、本明細書では光学レンズ５の基本的な考え方の詳細な説明は省略する。また、光学レンズ５の構成は、上述の特許文献１に詳述されており、特許文献１を参酌することで、光学レンズ５をより具体的に特定することができる。
【００３３】
なお、図６において、表面Ｓは、ＬＥＤ光源３の中心を中心とする半径Ｒの半球面である。また、平面Ｕは、ＬＥＤ光源３の発光面に平行で、かつ、ＬＥＤ光源３から距離ｈだけ離れた平面である。距離ｈは、半径Ｒ以上となっている。また、平面Ｕは、光軸Ｌを中心とする半径Ｒの円形平面である。
【００３４】
光学レンズ５は、図５に示すように、第１レンズ要素１５と第２レンズ要素１６と第３レンズ要素１７と第４レンズ要素１８とから構成されている。第１から第４レンズ要素１５〜１８は、環状オレフィン共重合体、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）あるいはポリスチレン（ＰＳ）等の樹脂で形成されている。また、第１から第４レンズ要素１５〜１８は、射出成型によって形成されている。なお、第１から第４レンズ要素１５〜１８は、ガラスで形成されても良い。
【００３５】
第１レンズ要素１５、第２レンズ要素１６および第３レンズ要素１７は、光軸Ｌを中心とする略円環状に形成されている。第３レンズ要素１７は、第１レンズ要素１５の上端側の内周側に配置されている。第２レンズ要素１６は、第１レンズ要素１５および第３レンズ要素１７の上側に配置されている。第４レンズ要素１８は、光軸Ｌを中心とするフレネルレンズである。この第４レンズ要素１８は、第１から第３レンズ要素１５〜１７の内周側に配置され、第１から第３レンズ要素１５〜１７によって囲まれている。
【００３６】
第１レンズ要素１５は、ＬＥＤ光源３から出射されライトパイプ４を通過した光が入射する円環状の入射面Ｔ１０１と、入射した光を全反射する円環状の反射面Ｍ１０１と、反射面Ｍ１０１で反射された光を出射する円環状の出射面Ｔ１０２とを備えている。
【００３７】
図５に示すように、第１レンズ要素１５の下端側の内周面が入射面Ｔ１０１となっている。入射面Ｔ１０１は、曲面状に形成されており、入射する光が屈折する屈折面となっている。また、第１レンズ要素１５の下端側の外周面の内側が反射面Ｍ１０１となっている。光軸Ｌを含む軸方向断面では、反射面Ｍ１０１は直線状になっている。さらに、第１レンズ要素１５の上端面が出射面Ｔ１０２となっている。出射面Ｔ１０２は、曲面状に形成されており、出射される光が屈折する屈折面となっている。
【００３８】
第３レンズ要素１７は、第１レンズ要素１５と同様に、ＬＥＤ光源３から出射されライトパイプ４を通過した光が入射する円環状の入射面Ｔ１０３と、入射した光を全反射する円環状の反射面Ｍ１０２と、反射面Ｍ１０２で反射された光を出射する円環状の出射面Ｔ１０４とを備えている。
【００３９】
図５に示すように、第３レンズ要素１７の下端側の内周面が入射面Ｔ１０３となっている。入射面Ｔ１０３は、曲面状に形成されており、入射する光が屈折する屈折面となっている。また、第３レンズ要素１７の下端側の外周面の内側が反射面Ｍ１０２となっている。光軸Ｌを含む軸方向断面では、反射面Ｍ１０２は直線状になっている。さらに、第３レンズ要素１７の上端面が出射面Ｔ１０４となっている。出射面Ｔ１０４は、曲面状に形成されており、出射される光が屈折する屈折面となっている。
【００４０】
第２レンズ要素１６は、出射面Ｔ１０２、Ｔ１０４からの光が入射する円環状の入射面Ｔ１０５、Ｔ１０６と、第２レンズ要素１６を通過した光が出射される円環状の出射面Ｔ１０７、Ｔ１０８とを備えている。入射面Ｔ１０５、Ｔ１０６は、光軸Ｌ方向で出射面Ｔ１０２、Ｔ１０４に隣接配置されている。この入射面Ｔ１０５、Ｔ１０６は、曲面状に形成されており、入射する光が屈折する屈折面となっている。また、出射面Ｔ１０７、Ｔ１０８は、曲面状に形成されており、出射される光が屈折する屈折面となっている。なお、この第２レンズ要素１６は、入射された光を反射する反射面を備えていない。また、出射面Ｔ１０２、Ｔ１０４と入射面Ｔ１０５、Ｔ１０６との間には、所定の隙間が形成されているが、この隙間に所定の材料が充填されても良い。
【００４１】
図６に示す光の軌跡からわかるように、第２レンズ要素１６の径方向外側部分と第１レンズ要素１５とは、光学的に直列配置されており、第２レンズ要素１６の径方向外側部分と第１レンズ要素１５とによって、結像チャンネルＢが構成されている。入射面Ｔ１０１には、ＬＥＤ光源３から入射される光の入射瞳が形成され、出射面Ｔ１０７には、入射面Ｔ１０１に入射する光の射出瞳が形成されている。同様に、第２レンズ要素１６の径方向内側部分と第３レンズ要素１７とは、光学的に直列配置されており、第３レンズ要素１７と第２レンズ要素１６の径方向内側部分とによって、結像チャンネルＡが構成されている。また、入射面Ｔ１０３には、ＬＥＤ光源３から入射される光の入射瞳が形成され、出射面Ｔ１０８には、入射面Ｔ１０３に入射する光の射出瞳が形成されている。
【００４２】
このように、本形態の光学レンズ５は、光軸Ｌを中心に配置される第４レンズ要素１８（フレネルレンズ）と、２個の結像チャンネルＡ、Ｂとから構成されている。
【００４３】
第１レンズ要素１５の入射面Ｔ１０１および第３レンズ要素１７の入射面Ｔ１０３には、ＬＥＤ光源３が出射する光のうち、たとえば、光軸Ｌに対する角度θが約４０°以上となる光が入射する。また、第４レンズ要素１８には、ＬＥＤ光源３が出射する光のうち、光軸Ｌに対する角度θが約４０°より小さくなる光が入射する。なお、第３レンズ要素１７は、第１レンズ要素１５の内周側に配置されており、入射面Ｔ１０３に入射する光の角度θは、入射面Ｔ１０１に入射する光の角度θよりも小さくなる。
【００４４】
入射面Ｔ１０１、Ｔ１０５および出射面Ｔ１０２、Ｔ１０７は、円環状の表面であり、光軸Ｌを含む軸方向断面に直交する接線方向において結像能力を有しないが、光軸Ｌを含む軸方向断面においては結像能力を有する。光軸Ｌを含む任意の軸方向断面において、入射面Ｔ１０１は、ＬＥＤ光源３からの光を、反射面Ｍ１０１を介して、概ね出射面Ｔ１０２と入射面Ｔ１０５との間にある中間像に結像する。出射面Ｔ１０２と入射面Ｔ１０５とは、入射面Ｔ１０１上の像を出射面Ｔ１０７上に結像する。また、出射面Ｔ１０７は中間像を無限遠に結像し、矩形のテレセントリック照明パターンを形成する。換言すると、光軸Ｌを含む任意の断面において、所望の変換が行われる。
【００４５】
同様に、入射面Ｔ１０３、Ｔ１０６および出射面Ｔ１０４、Ｔ１０８は、円環状の表面であり、光軸Ｌを含む軸方向断面に直交する接線方向において結像能力を有しないが、光軸Ｌを含む軸方向断面においては結像能力を有する。光軸Ｌを含む任意の軸方向断面において、入射面Ｔ１０３は、ＬＥＤ光源３からの光を、反射面Ｍ１０２を介して、概ね出射面Ｔ１０４と入射面Ｔ１０６との間にある中間像に結像する。出射面Ｔ１０４と入射面Ｔ１０６とは、入射面Ｔ１０３上の像を出射面Ｔ１０８上に結像する。また、出射面Ｔ１０８は中間像を無限遠に結像し、矩形のテレセントリック照明パターンを形成する。換言すると、光軸Ｌを含む任意の断面において、所望の変換が行われる。
【００４６】
なお、本形態では、入射面Ｔ１０１、Ｔ１０３、Ｔ１０５、Ｔ１０６および出射面Ｔ１０２、Ｔ１０４、Ｔ１０７、Ｔ１０８を非球面として結像チャンネルＡ、Ｂの幾何学的形状を最適化しているので、所望の変換を非常に正確に実施することができる。
【００４７】
ここで、接線方向では、角倍率は、光軸Ｌからの入射面Ｔ１０１（またはＴ１０３）の距離と光軸Ｌからの出射面Ｔ１０７（またはＴ１０８）との距離によって定められる。これは、第１から第３レンズ要素１５〜１７が光軸Ｌを中心とする円環状であるためであり、これによって、光の歪みは不変である。歪みは、光軸Ｌからの光の距離と、その光の接線方向の成分との積である。本形態では、入射面Ｔ１０１と出射面Ｔ１０７とが光軸Ｌから平均で同じ距離だけ離れているため、出射面Ｔ１０７における接線方向の成分は、入射面Ｔ１０１における接線方向の成分と同じである。同様に、本形態では、入射面Ｔ１０３と出射面Ｔ１０８とが光軸Ｌから平均で同じ距離だけ離れているため、出射面Ｔ１０８における接線方向の成分は、入射面Ｔ１０３における接線方向の成分と同じである。
【００４８】
なお、反射面Ｍ１０１、Ｍ１０２を入射面Ｔ１０１、Ｔ１０３と出射面Ｔ１０２、Ｔ１０４との間に設けずに、入射面Ｔ１０５、Ｔ１０６と出射面Ｔ１０７、Ｔ１０８との間に設けることも可能である。また、出射面Ｔ１０２、Ｔ１０４と入射面Ｔ１０５、Ｔ１０６との間に反射面Ｍ１０１、Ｍ１０２を設けることも可能である。
【００４９】
また、第２レンズ要素１６は、第１レンズ要素１５および第３レンズ要素１７からの光が入射される１個のレンズ要素であるが、第２レンズ要素１６に代えて、第１レンズ要素１５からの光が入射されるレンズ要素と、第３レンズ要素１７からの光が入射される別個のレンズ要素とを配置しても良い。また、第１から第４レンズ要素１５〜１８を一体的構造としても良い。
【００５０】
（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、光学レンズ５は、光軸Ｌに対する角度θがたとえば４０°以上の光が入射するとともに光を結像する入射面Ｔ１０１および入射面Ｔ１０１から入射した光を出射する出射面Ｔ１０２を有する第１レンズ要素１５と、光軸Ｌ方向で出射面Ｔ１０１に隣接する入射面Ｔ１０５を有する第２レンズ要素１６とを備えており、特許文献１に記載の光学レンズと同様に構成されている。すなわち、本形態の光学レンズ５は集光性に優れている。また、投射型表示装置１は、ライトパイプ４を備えているため、集光性に優れた光学レンズ５を使用する場合であっても、ＬＥＤ光源３が出射する光を、その照度分布を均一化した状態で、光変調面２ａの全面に照射することができる。したがって、上述のように、ＬＥＤ光源３から連続的に複数色の光が出射される場合には、ライトパイプ４の作用で、出射される光の見かけ上の混色を行うことができ、また、ＬＥＤ光源３から同時に複数色の光が出射される場合には、ＬＥＤ光源３からの光の混色を行うことができる。その結果、本形態では、３色ＬＥＤ光源であるＬＥＤ光源３の使用を可能にして投射型表示装置１の小型化を図りつつ、集光性に優れた光学レンズ５を使用することができる。
【００５１】
本形態では、第１レンズ要素１５は、入射面Ｔ１０１に入射した光を出射面Ｔ１０２に向かって反射する反射面Ｍ１０１を備えている。また、本形態では、光学レンズ５は、入射面Ｔ１０３および出射面Ｔ１０４を有する第３レンズ要素１７を備え、第２レンズ要素１６は、光軸Ｌ方向で出射面Ｔ１０４に隣接する入射面Ｔ１０６を備えている。また、第３レンズ要素１７は、第１レンズ要素１５の径方向内側に配置されている。そのため、光学レンズ５の集光性を効果的に高めることができる。
【００５２】
本形態では、赤色ＬＥＤ１１と青色ＬＥＤ１２と緑色ＬＥＤ１３とが共通の基板１４に取り付けられている。そのため、ＬＥＤ光源３で使用される基板１４の数を減らしてＬＥＤ光源３を小型化することが可能になる。
【００５３】
本形態では、ライトパイプ４の光の出射口の形状は、光変調面２ａの形状の相似形となっている。そのため、ＬＥＤ光源３から出射される光をより効率的に微小ミラー型表示素子２へ集光させることができる。また、本形態では、ＬＥＤ光源３が、ライトパイプ４の内部に配置されているため、ＬＥＤ光源３から出射される光の漏れを防止して、ＬＥＤ光源３から出射される光をより効率的に微小ミラー型表示素子２へ集光させることができる。
【００５４】
（結像チャンネルの変形例）
上述した形態では、結像チャンネルＡ、Ｂに、光軸Ｌに対する角度θが比較的大きな光が入射している。この他にもたとえば、光軸Ｌに対する角度θが小さい光軸Ｌ近くの光が入射するように結像チャンネルが構成されても良い。ＬＥＤ光源３から平面Ｕまでの距離ｈが表面Ｓの半径Ｒよりも大幅に大きい場合、フレネルレンズの中心を光軸Ｌの近くで使用することが難しい場合がある。これは、開口角度の要件がレンズ表面の位置の要件に一致しないためである。この場合には、図７に示すように、反射面を有しない結像チャンネルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを用いることが可能である。
【００５５】
図７に示すレンズ要素１９、２０は、光軸Ｌを中心とする略円板状に形成されている。この２個のレンズ要素１９、２０は、反射面を有しない４つの結像チャンネルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを構成している。レンズ要素１９、２０には、光軸Ｌに対する角度θが比較的小さな光が入射するため、反射面は必要ない。このように、上述した形態の第４レンズ要素１８に代えて、結像チャンネルＡ〜Ｄを構成するレンズ要素１９、２０を用いても良い。
【００５６】
上述した形態では、第２レンズ要素１６に所定の機能を備える入射面Ｔ１０５と出射面Ｔ１０７とが形成されている。この他にもたとえば、第１レンズ要素１５の出射面Ｔ１０２の曲率半径を小さくして、入射面Ｔ１０５の機能を出射面Ｔ１０２に持たせても良い。この場合には、第１レンズ要素１５の上側には、たとえば、出射面Ｔ１０７の機能と同等の機能を有するトロイダルレンズが配置される。
【００５７】
また、第１レンズ要素１５および第２レンズ要素１６に代えて、入射面Ｔ１０１の機能と同等の機能を有するトロイダルレンズと、出射面Ｔ１０７の機能と同等の機能を有するトロイダルレンズと、出射面Ｔ１０２および入射面Ｔ１０５の機能と同等の機能を有するトロイダルレンズと、反射面Ｍ１０１の機能と同等の機能を有する反射部材とが配置されても良い。
【００５８】
上述した形態では、入射面Ｔ１０１、Ｔ１０５および出射面Ｔ１０２、Ｔ１０７は曲面状に形成されているが、入射面Ｔ１０１、Ｔ１０５および出射面Ｔ１０２、Ｔ１０７は平面状に形成されても良い。この場合には、入射面Ｔ１０１、Ｔ１０５および出射面Ｔ１０２、Ｔ１０７の表面に回折格子等の微小光学素子を形成すれば良い。
【００５９】
（光学レンズの変形例）
上述した形態では、光学レンズ５は、光軸Ｌを中心に配置される第４レンズ要素１８（フレネルレンズ）と、２個の結像チャンネルＡ、Ｂとから構成されている。この他にもたとえば、図８に示すように、光学レンズ１０５は、光軸Ｌを中心に配置されるフレネルレンズと、フレネルレンズの外側に配置される屈折反射構造と、屈折反射構造の外側に配置される３個の結像チャンネルＡ、Ｂ、Ｃとから構成されても良い。図８に示す例では、フレネルレンズ部分１１８ａと、曲面状の形成された入射面Ｔ１１１および反射面Ｍ１１１を有する屈折反射構造部分１１８ｂと、結像チャンネルＡ〜Ｃの上側部分１１８ｃとが一体化されて、第４レンズ要素１１８が構成されている。また、光学レンズ１０５では、中心側の結像チャンネルＡの下側部分は、別個の第５レンズ要素１１９によって構成されている。この第５レンズ要素１１９は、曲面状に形成された入射面Ｔ１１２および出射面Ｔ１１３と、反射面Ｍ１１２とを備えている。なお、図８に示す例では、結像チャンネルＡ〜Ｃの上側部分１１８ｃが上述した形態の第２レンズ要素１６の機能を果たしている。
【００６０】
また、図９に示すように、光学レンズ１２５は、光軸Ｌを中心に配置されるフレネルレンズ部１２８ａおよびフレネルレンズ部１２８ａの外側に配置される屈折反射構造部分１２８ｂを有する第４レンズ要素１２８と、フレネルレンズ部１２８ａよりも外側に配置される３個の結像チャンネルＡ、ｂ、Ｃの上側部分を構成する第２レンズ要素１２６とを備えるものであっても良い。この光学レンズ１２５では、中央の結像チャンネルＡの下方部分が屈折反射構造部分１２８ｂとなっており、屈折反射構造部分１２８ｂは反射面Ｍ１１３を備えている。図９に示す例では、反射面Ｍ１０１、Ｍ１０２、Ｍ１１３は、湾曲面状に形成されており、第１レンズ要素１５、第３レンズ要素１７および屈折反射構造部分１２８ｂと第２レンズ要素１２６との間に位置する中間像に、各結像チャンネルａ、Ｂ、ｃの入射瞳を結像する役割の一部を担っている。
【００６１】
また、図１０に示すように、光学レンズ１３５は、中心側に配置され反射面を有しない３個の結像チャンネルＤ、Ｅ、Ｆと、反射面Ｍ１０１、Ｍ１０２あるいはＭ１１３を有し外側に配置される３個の結像チャンネルＡ、Ｂ、ｃを備えていても良い。この光学レンズ１３５では、第３レンズ要素１７の入射面ｔ１０３に入射する全ての光は、第３レンズ要素１７を通過し、第３レンズ要素１７の出射面ｔ１０４を通じて第２レンズ要素１３６の入射面ｔ１０６に方向転換される。第４レンズ要素１３８は、凸レンズ部分１３８ａと、結像チャンネルＤ〜Ｅの下側部分１３８ｃとが一体化されて構成されている。
【００６２】
図１１（Ａ）は、図１０に示す中央の結像チャンネルＤを通過する光の軌跡を示す概念図である。光学レンズ１３５の結像チャンネルＤは、図１１（Ａ）に示すように、２個の入射面Ｔ１１５、Ｔ１１７と２個の出射面Ｔ１１６、Ｔ１１８とを備えている。入射面Ｔ１１５、Ｔ１１７、出射面Ｔ１１６、Ｔ１１８は、光軸Ｌ方向の無限遠にＬＥＤ光源３の鏡像を概ね形成し、接線方向の無限遠にＬＥＤ光源３の非鏡像を概ね形成する。入射面Ｔ１１５は、ＬＥＤ光源３を中間像２０４に概ね結像する。中間像２０４は、出射面Ｔ１１８によって無限遠に概ね結像される。入射面Ｔ１１７および出射面Ｔ１１６は、結像チャンネルＤの入射瞳２０２を結像チャンネルＤの射出瞳２０８内に概ね結像する。入射面Ｔ１１５、Ｔ１１７および出射面Ｔ１１６、Ｔ１１８は、非球面状に形成されている。
【００６３】
図１１（Ｂ）は、図１０に示す最も外側の結像チャンネルＣを通過する光の軌跡を示す概念図である。光学レンズ１３５の結像チャンネルＣは、図１１（Ｂ）に示すように、２個の入射面Ｔ１０１、Ｔ１０５と２個の出射面Ｔ１０２、Ｔ１０７とを備えている。入射面Ｔ１０１、Ｔ１０５、出射面Ｔ１０２、Ｔ１０７は、光軸Ｌ方向の無限遠にＬＥＤ光源３の鏡像を概ね形成する。入射面Ｔ１０１および反射面Ｍ１０１は、ＬＥＤ光源３を中間像２１４に概ね結像する。中間像２１４は、出射面Ｔ１０７によって無限遠に概ね結像される。出射面Ｔ１０２および入射面Ｔ１０５は、結像チャンネルＣの入射瞳２１２を結像チャンネルＣの射出瞳２１８に概ね結像する。反射面Ｍ１０１は、内部全反射によって光を反射する。入射面Ｔ１０１、Ｔ１０５、出射面Ｔ１０２、Ｔ１０７および反射面Ｍ１０１は、非球面状に形成されている。
【００６４】
また、図１２に示すように、光学レンズ１４５は、半球状に形成された第６レンズ要素１５０を備えていても良い。この場合には、入射面Ｔ１０１、Ｔ１０３の機能を第６レンズ要素１５０の外側の表面１５０ａに部分的にまたは完全に組み込んでも良い。なお、図１２に示す例では、第６レンズ要素１５０に面する第１レンズ要素１５の表面および第３レンズ要素１７の表面は、図５に示す第１レンズ要素１５の表面および第３レンズ要素１７の表面よりも平坦になっている。
【００６５】
また、図１３に示すように、光学レンズ１５５は、中心側に配置され反射面を有しない２個の結像チャンネルＣ、Ｄと、反射面Ｍ１０１あるいはＭ１１４を有し外側に配置される２個の結像チャンネルＡ、Ｂとを備えていても良い。この場合には、光軸Ｌを中心とする凸レンズ部分１５８ａと結像チャンネルＡ〜Ｄの上側部分１５８ｂとからレンズ要素１５８が構成され、光軸Ｌを中心とする凸レンズ部分１５９ａと結像チャンネルＡ、Ｃ、Ｄの下側部分１５９ｂとからレンズ要素１５９が構成されている。また、光学レンズ１５５は、第１レンズ要素１５およびレンズ要素１５８、１５９の３個のレンズ要素によって構成されている。なお、図１３に示す例では、結像チャンネルＡ〜Ｄの上側部分１５８ｂが上述した形態の第２レンズ要素１６の機能を果たしている。また、結像チャンネルＡ、Ｃ、Ｄの下側部分１５９ｂの一部は、上述した形態の第３レンズ要素１７の機能を果たしている。
【００６６】
以上、光学レンズの変形例をいくつか説明したが、結像チャンネルの数は、任意に設定することが可能である。この結像チャンネルの数を適切に設定し、かつ、入射面、出射面および反射面を非球面に形成することで、概ね正確な結像機能を得ることができる。
【００６７】
（投射型表示装置の変形例）
上述した形態では、投射型表示装置１は、微小ミラー型表示素子２を利用して、スクリーン上に所定の映像を拡大投射している。この他にもたとえば、投射型表示装置１は、図１４に示すように、光変調素子としての反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ）１０２を利用して、スクリーン上に所定の映像を拡大投射しても良い。また、投射型表示装置１は、図１５に示すように、光変調素子としての透過型液晶パネル（ＬＣＤ）１０３を利用して、スクリーン上に所定の映像を拡大投射しても良い。これらの場合には、投射型表示装置１は、反射型液晶パネル１０２や透過型液晶パネル１０３に入射される光の偏向方向を揃える偏光板および位相差板等を備えている。
【００６８】
（他の実施の形態）
上述した形態では、円筒状に形成されたライトパイプ４の一端面にＬＥＤ光源３が取り付けられており、ライトパイプ４への光の入射口は１個となっている。この他にもたとえば、光の入射口が２個となるように略Ｙ形状にライトパイプが形成されても良い。この場合には、各入射口に、ＬＥＤが固定された基板が配置される。また、上述した形態では、ＬＥＤ光源３は、４個のＬＥＤ１１〜１３を備えているが、ＬＥＤ光源３は、たとえば６個のＬＥＤ１１〜１３を備えていても良い。
【００６９】
（光学レンズについて）
以下、本発明の実施の形態にかかる光学レンズについて、さらに説明する。なお、以下の記載は、特許文献１に記載された内容に基づいている。
【００７０】
本発明の実施の形態にかかる光学レンズは、以下の特徴を有する。
（１）集光効率が良い。すなわち、この光学レンズを用いると、照明効率を８０％以上とすることができる（スペクトル透過効率）。
（２）光学レンズから出射される光は、均一かつ矩形であり、フライアイレンズのような別個のビームホモジナイザ構成要素が不要である。
（３）光源が高屈折率の材料によって包含されている場合であっても、光源を中心とした半球全体から集光することが可能である。
（４）光学レンズは、光源の形状を使用することによってビーム成形も行う。すなわち照明光の形状が光源の形状となる。
（５）光学レンズから出射される光のエテンデュは、光源の元のエテンデュの１４０％未満に保つことができ、さらには光源の元のエテンデュの１０５％未満に保つことができる。
（６）光学レンズのサイズは非常にコンパクトである。
（７）光学レンズは円形の外側形状を有しており、小型の投射型表示装置の投影レンズとの良好な瞳整合が可能である。これによって、投射型表示装置の全体のサイズを小さくすることができる。
（８）光学レンズから出射される光を真にテレセントリックとすることができる。すなわち、投射型表示装置において、照明光の効率を高めることができる。
（９）光学レンズが形成する均一なテレセントリック光は、多種多様な光学構成および光学用途において使用することができる。
（１０）光学レンズの構成要素は、射出成形で大量生産することができる。この場合の金型は、たとえば、ダイアモンド旋削または精密ＮＣ切削で製作することができる。
（１１）光学レンズは、小型の投射型表示装置だけでなく、たとえば、カメラのフラッシュ、顕微鏡またはヘッドアップディスプレイ等の様々な用途で使用することができる。
【００７１】
平面的な物体が、この物体から距離Ｌ１の所にある同一平面の像に結像される結像器を考慮する。光軸は、物体の中心点および像の中心点を接続し、物体面および像面に対して垂直である。結像の倍率Ｍは、像の高さと物体の高さとの比である。結像器は、光軸の近くで、物体を像に結像する１つまたは複数のレンズを備えている。このレンズは、光軸に対して比較的小さな角度で入射する光に対して作用する。このようなレンズは、従来のレンズ設計原理を用いて設計することができる。たとえば、このようなレンズとして、ｆ＝ＭＬ１／（Ｍ＋１）２の焦点距離を有し、物体からＲ＝Ｌ１／（Ｍ＋１）の距離に位置する非球面レンズを使用することができる。これは従来技術である。
【００７２】
本発明の実施の形態にかかる結像チャンネルは、光軸からより大きい角度で光を集めて処理する。この結像チャンネルは、より小さい角度で動作する従来のレンズを補足する。本発明の実施の形態にかかる光学レンズは、１個または複数の結像チャンネルを備えている。
【００７３】
光軸からの角度が比較的大きい光も結像させるためには、図１７に示すように、均一な光を放射する円形領域を得るようにＬＥＤの放射パターンを変更する必要がある。設計上の重要な検討事項は、照明のエテンデュ、すなわちΩＡがＬＥＤの元のエテンデュに可能な限り近いということである。
【００７４】
本発明の実施の形態にかかる光学レンズは、以下に記載される発見に基づいている。図１８は、数学的な解を公式化する際に使用されるいつかのディメンジョンとパラメータとを示している。ｚ軸を光軸Ｌとする。ｘｙ平面における円形座標（ｚ軸に対して垂直）は、半径ｒおよび角度αによって定義される。光軸Ｌに対する角度はθによって表される。矩形のランバート光源２２（たとえばＬＥＤチップ）を仮定し、ランバート光源２２をｘｙ平面に置き、その中心点が原点に位置するようにする。ランバート光源２２の下には反射面が存在し、ランバート光源２２の上方の上側半球に向かう光のみを集める必要があると仮定する。ここで、原点に中心を有し、半径Ｒの表面Ｓ（２４）を有する半球を形成する。ｘｙ平面に対して平行な半径Ｒの円形領域Ｕ（２６）が存在し、円形領域Ｕ（２６）は、原点から少なくともＲの距離に位置するｚ軸上に中心を有している（図１８では、距離はＲであるが、Ｒよりも長くすることができる）。ここで、円形領域Ｕ内部の任意の小さな領域要素ｄＵ（２８）を考える。領域要素ｄＵ（２８）は、円形座標値α１、α２、ｒ１およびｒ２によって定義される。ここで、領域要素ｄＵ（２８）を、ｚ軸に沿って半球Ｓの表面に投影し、別の表面要素ｄＳ（２９）を定義する。
【００７５】
ここで、表面要素ｄＳ（２９）に到達する光を、表面要素ｄＵ（２８）の内部で均一に変換すると仮定する。この変換を表面Ｕ（２６）全体にわたって行うと、ランバート光源２２から半球へ到達する全ての光が領域Ｕ（２６）上に変換される。同時に所望の照明、すなわち領域Ｕ（２６）全体にわたる均一な矩形の同様な照明パターンが得られる。その領域Ｕ（２６）にわたる光は、ランバート光源２２と同じエテンデュを有する。
【００７６】
光軸Ｌの近く、すなわち角度θがゼロに近い場合には、所望の変換は本質的に行われ、さらなる光学素子は必要ない。すなわち、角度θが小さい場合、解決策は簡単であり、レンズ表面が良好な変換を行う。たとえば、ｎ＝１．５の屈折率を有する材料内にＬＥＤが包含されている場合、湾曲の半径が概ねＲ／２であり、かつ湾曲の中心が光軸Ｌに位置するとともにランバート光源２２から概ねＲ／２の距離に位置するレンズ表面が所望の光出力パターンを形成する。これは、図１９において、光軸Ｌの最も近くにある２つの投影に示される。レンズ表面の正確な形状は、光学設計ソフトウェアを使用して設計することができる。レンズ表面が１つのみの表面で形成される場合には、レンズ表面の最良の形状は通常、非球面である。
【００７７】
しかし、図１９からわかるように、角度θが増大すると、レンズ表面３０はランバート光源２２により近くなる。そのため、この角度θから放出される光の光錐体３２は、光軸Ｌにより近い小さい角度θから放出される光に対応する光円錐３４よりも大きくなる。その結果、照明（すなわち照明の強度）はもはや均一でない。さらに、より大きい角度θから生じる光錐体３２の投影は、歪められ、理想的な矩形からさらに遠ざかる。最終的に、大きな角度θになると（たとえば、角度θが約４５°に近づくと）、光はレンズ表面３０から内部全反射（ＴＩＲ３６）されるようになる。上述のように、レンズは角度θが小さな場合に良好に動作する。
【００７８】
良好な近似を行うことができる最大角度θは、図２０に示すようなフレネルレンズ構造３８を使用することで、たとえば、約４０°まで拡張することができる。フレネルレンズ構造３８は、照明の均一性および像の歪みを改善することができるという利点を有する。フレネルレンズ構造３８の欠点は、光を損失する可能性があること、および、表面の方向に一貫性がなくエテンデュが増加することである。
【００７９】
当然のことであるが、１つだけではなく、幾つかの光学表面、たとえば図２１に示すように２つ以上のレンズを使用することができる。しかし、これらの解決策は、角度θが増大して光軸Ｌから離れる場合、上述したような同様の問題を有するようになる。
【００８０】
上述のレンズまたはフレネルレンズ構造３８を使用することができない中間の角度θの（たとえば４５°近く）付近では、所望の変換はたとえば、たとえば図２２に示すような、第１の屈折表面３０２、反射面３０４および第２の屈折面３０６を含む反射屈折構造によって近似することができる。反射面３０４は、ＴＩＲベースの表面またはミラーコーティングされた表面のいずれかとすることができる。
【００８１】
より大きい角度θの場合、変換は、これらの教示による「結像チャンネル」を形成する１つまたは複数の構造を使用することによって行うことができる。そのような結像チャンネルは、円筒状に対称であり、たとえば、上述した図６に示される。
【００８２】
反射面を有する結像チャンネルは、フレネルレンズが光軸の近くで光源の鏡像を形成するように、光源の鏡像を形成する。接線方向では、光源の鏡像のみが結像チャンネル内で形成される。一方、反射面を有しない結像チャンネルは、光軸を含む軸方向断面において、鏡像ではない光源の像を形成する。そのため、反射面を有しない結像チャンネルは、光源が概ね軸対称でない限り光源の像を形成しない。したがって、反射面を有しない結像チャンネルは、特に概ね軸対称である光源を使用する場合に適している。ただし、たとえば、照明の目的で光源の像を平滑化するために、一定量の非結像が望ましい場合には、反射面を有しない結像チャンネルを矩形の光源のような非軸対称の光源とともに使用しても良い。反射面を有する結像チャンネルと反射面を有しない結像チャンネルとの両方を使用する場合には、半径方向において光源の鏡像および非鏡像の両方が形成される。これらの像は、射出瞳を越えて、像面において互いに重なって存在する。このような光学レンズは、光源の直接結像によって得られる照明よりもさらに均一な照明を光源から生成するのに使用することができる。
【００８３】
図２３に示すように、ＬＥＤ光源３からの光は、光軸Ｌに概ね平行な平均方向に方向転換される。また、ＬＥＤ光源３からの光は、光の出力平面７０２上の模式的な光錐体５９に示すように、概ね直線的で均一な光に変換される。直線的で均一な角度分布パターンは、角度θｘおよびθｙで定義される。θｘおよびθｙは、ｘ方向あるいはｙ方向において直線的な光錐体５９の半分の開口角度を意味する。なお、ＬＥＤ光源３が矩形ではなく、たとえば、円形または三角形である場合には、光錐体５９は、ＬＥＤ光源３の形状に対応する形状を有する。
【００８４】
光学レンズ５は、空間的に円形の出力光放射領域を有する。この領域によって、投影レンズ８との良好な瞳整合が保証される。光学レンズ５から出射される光出力の直径をＤとする。光錐体５９は、図２４に示すように、角度αによって定義される。光学レンズ５等の設計によって、直径Ｄおよび錐体５９の角度αの調整が可能になる。所定サイズのＬＥＤ光源３の場合、直径Ｄは、エテンデュの法則に従って互いに対して反比例する（米国特許第７，０５９，７２８号参照）。
【００８５】
光学チャンネルと光学レンズ５全体とが、テレセントリック出力用に設計される場合、光錐体５９は、出力平面７０２に対して垂直であり、この場合には、リレーレンズが必要になる。また、光学チャンネルおよび光学レンズ５は、非テレセントリック照明用に設計することもでき、その場合には、特別なレンズは必要ない。なお、リレーレンズの機能は、光学チャンネルの最上部に組み込んでも良い。
【００８６】
光学レンズ５からの光が光軸Ｌに向かって傾くように、あるいは、光軸Ｌから離れるように、出射面Ｔ１０７を形成しても良い。ある用途では、この傾斜を半径の関数としてわずかに変えることが望ましい場合がある。これは、レンズ要素の設計を変更することによっても実施可能である。たとえば、角度αを、出力平面７０２の中心から縁に向かって移動するにつれて徐々に減少させることができ、Ｆナンバーが非常に小さい場合に有利になる。
【００８７】
光源は均一ではないが均一な像が形成されることを望む場合、結像チャンネルの出力の異なるゾーンに異なる角倍率を設定することによって、照明をより均一にする平滑化効果を持たせることができる。また、結像チャンネルの出力の異なるゾーンにおいて光の形状を異なるようにすることができ、これは、照明を平滑化するためにも使用することができる。なお、照明の平滑化には、エテンデュの増大または損失の増大および正確な結像機能からの逸脱という不利益を伴う。
【００８８】
照明を平滑化する１つの方法は、半径方向および接線方向における倍率の差を光学レンズの特定のゾーンまたは全てのゾーンに組み込むことである。これは、接線方向において所望の量だけ、かつ、所望のゾーンにおいてのみ像を平滑化する。これも、エテンデュまたは損失の増大という不利益を伴う。接線方向の倍率は、結像チャンネルの入射瞳および射出瞳の光軸Ｌからの距離を調整すること、すなわち、等しい半径の法則から意図的に逸脱することによって調整することができる。半径方向の倍率は、結像チャンネルの軸方向断面の２Ｄ光学システムの倍率を調整することで調整することができる。
【００８９】
結像チャンネルは、均一な強度分布と鋭利な縁とを有する矩形の照明を生成する能力を有する。この矩形の照明は、望ましい照明形状でないこともあり、矩形の照明の中心においてより明るい領域を有するとともに、縁においてより暗い領域を有することが望ましいこともある。しかし、ある用途では、矩形の照明の中心はより暗く、縁はより明るい。これらの特性を有する照明は、上述の平滑化および調整の手法を使用することで実現することができる。照明を平滑化する別の方法として、上述のように、同じ光学レンズ内に鏡映チャンネルと非鏡映チャンネルとを形成する方法が挙げられる。
【００９０】
光学レンズの円形出力にわたる矩形の放射パターンのサイズを変えることができる。たとえば、小型の投影用途では、円の中心から縁に向かうにつれて放射パターンのサイズをわずかに減少させることが望ましい場合がある。このオプションは、円形領域の半径を表面Ｓの半径Ｒよりもわずかに長くし、かつ、それに従って変換を変更することで実現することができる。
【００９１】
光学レンズ５から出射される光の形状は、ＬＥＤ光源３のｘｙ形状に一致する。これは、矩形状のＬＥＤ光源３を使用することで矩形状の照明が形成されることを意味する（すなわち、光学レンズ５の入射瞳が半球全体を覆うように、ＬＥＤ光源３は結像される）。光学レンズ５は、ＬＥＤ光源３の形状を照明される平面に結像するので、結像チャンネルおよびレンズ要素は、ＬＥＤ光源３によって定義される任意の形状の照明を形成するように設計することができる（たとえば、円形、楕円形、三角形、矩形、正方形等）。
【００９２】
光学レンズ５は、必ずしも、ＬＥＤ光源３から全ての光を集める必要はない。たとえば、ＬＥＤ光源３の最も明るい領域から光の一部のみを集めても良い。また、光学レンズ５が半球全体を集光しない方が良い場合もある。たとえば、光学エンジンの残りの部分がそのような大きいエテンデュを扱えない場合、この考え方で半球の所望の部分のみを集光することができる。たとえば、光軸Ｌに対する傾きが０°〜７０°の間の光のみを集めたり、０°〜８０°の間の光のみを集めることができる。たとえば、光軸Ｌに対する傾きが０°〜５０°の間の光のみを集光する場合には、光軸Ｌの近くにフレネルレンズを配置し、フレネルレンズを囲むように反射面を有する１個の結像チャンネルを配置すれば良い。また、光軸Ｌに対する傾きが４５°〜９０°の光のみを集光する場合には、中央レンズまたはフレネル部品を使用せずに、たとえば、反射面を有する３個の結像チャンネルを配置すれば良い。
【００９３】
光学レンズを用いて、半球よりも大きい立体角で放射される光を集めることもできる。本明細書で定義される結像チャンネルを使用することによって、光軸Ｌに対する傾きが０°〜約１３５°の光を集光することができる。たとえば、図２５に示す構成を用いて、光軸Ｌに対する傾きが０°〜約１３５°の光を集光することが可能である。ただし、結像の正確さは、光軸Ｌに対する光の傾きが９０°を超えて増加するにつれて低下する。これは、接線方向の倍率が良好な結像特性に必要とされる倍率から減少し始めるためである。しかし、光軸Ｌに対する傾きが４０°〜１４０°（特に、４５°〜１３５°）の光を結像する他の手法は見られない。光軸Ｌに対する傾きが９０°を超える光の結像は、ＬＥＤ光源３が１よりも大きい屈折率、たとえば１．５に近い屈折率を有する材料によって包含されている場合に実施することができる。
【００９４】
結像チャンネルは、３６０°全体にわたって円筒状に対称である必要はない。たとえば、図２６に示すように、結像チャンネルは、光軸Ｌを中心とする９０°の扇形であっても良い。また、結像チャンネルは、２つ以上の非円筒状に対称なレンズ要素で構成されても良い。たとえば、光軸Ｌに直交する結像チャンネルの断面が、滑らかな円ではなく、多角形状であっても良い。
【００９５】
ＬＥＤ光源３が空気によって囲まれる場合、概ね半球のレンズ（通常は、非球面レンズ）をＬＥＤ光源３の近くに配置することで、必要とされる結像チャンネルの数を減らすことができる。この場合には、図２７に示すように、ＬＥＤ光源３とドーム型レンズ５０との間に小さな空隙１３０２が形成される。この場合には、１個または２個の結像チャンネルと、第４レンズ要素１８とによって、半球のほぼ全体へ放射される光を結像することができ、光学レンズの構成が簡素化される。
【００９６】
結像チャンネルは、以下のように記載することができる。光軸Ｌを含む結像チャンネルのあらゆる軸方向断面は２Ｄ光学システムを含む。この２Ｄ光学システムの光軸は、軸方向断面における結像チャンネルの光軸である。これは、光軸Ｌとは異なる。軸方向断面における結像チャンネルの光軸は、結像チャンネルの入射瞳および射出瞳の間で光軸Ｌに交差しない。結像チャンネルの入射瞳は、その結像チャンネルの２Ｄ光学システムの入射瞳であり、これは通常、概ね結像チャンネルの入射面にある。結像チャンネルの射出瞳は、その結像チャンネルの２Ｄ光学システムの射出瞳であり、これは通常、概ね結像チャンネルの出射面にある。
【００９７】
結像チャンネルの軸方向断面は、一体化することができる３つの機能部分を有する。これらの３つの機能は、以下の順序で物体を結像する。
（１）（軸方向断面において）物体を中間像に結像する。
（２）（軸方向断面おいて）結像チャンネルの入射瞳を結像チャンネルの射出瞳内に結像する。
（３）（軸方向断面において）中間像を像に結像する。
これらの３つの機能の全ては、円環状のレンズ要素によって具現化される。通常、機能（１）および（２）は、任意の軸方向断面における２Ｄ断面が正の光パワーを有するレンズ要素によって具現化される。機能（３）は、正の光パワー、負の光パワーまたはゼロの光パワーのいずれかを有する（通常は正のパワーを有する）レンズ要素によって具現化される。それぞれの機能は、幾つかの光学表面、屈折表面、反射表面または回折表面として具現化することができる。これらの表面はともに一体化することもできる。通常、少なくとも１つの非球面表面を結像チャンネル毎に使用することで最良の結果が達成される。
【００９８】
結像チャンネルは、円筒状に対称であり、その目的は、物体から像を概ね形成することである。当然のことながら、結像チャンネルに属する実体部分は、円筒状に対称ではない他の部分を物理的に含んでも良い。結像チャンネルの、結像機能を実施するこれらの部分は、概ね円筒状に対称であり、結像機能を実施しない他の部分は、円筒状に対称である必要はない。
【００９９】
図２８に、軸方向断面１８０２と、軸方向断面１８０２に関連する軸方向ベクトル１８０４と、半径方向ベクトル１８０６と、接線方向ベクトル１８０８とを示す。結像チャンネルの動作は、この座標定義を使用することによって説明することができる。
【０１００】
結像チャンネルを横切る任意の軸断面では、結像チャンネルは、２次元の光線ガイドシステム１８１０を定義する。結像チャンネルは、２つのシステム１８１０および１８１２も定義することができる。２つのシステム１８１０および１８１２は、図２８に示すに軸１８１４に対して対称なシステムである。結像チャンネルが、軸１８１４を中心にして１８０°を超えて円筒状に対称である場合に、この対称なシステムが生じる。以下の説明では、これらの２次元の光線ガイドシステムのうちの１つ、たとえば、図２８の右側のシステム１８１０のみを参照する。２次元の光線ガイドシステムは光軸１８１６を有する。光軸１８１６は、結像チャンネルの回転軸１８１４と同じではなく、大きく異なる。すなわち、２次元光学システムの光軸は、個々の軸方向断面ごとに異なる。
【０１０１】
子午光線とは、軸方向断面に沿って物体から生じる光線を意味する。通常、光学システムは、入射瞳および射出瞳を有する。同様に、２次元の光線ガイドシステムのそれぞれは、同じ軸方向断面上に、入射瞳および射出瞳を有する。入射瞳は、実の開口または仮想の開口とすることができる。この開口は、物体の断面からその開口に向かう子午光線が２次元光学システムを通じてガイドされるように定義される。射出瞳は、光線光学に対する同様の類推によって定義される。
【０１０２】
結像チャンネルの特徴は、軸方向断面の２次元の光線ガイドシステムによって、物体からの子午光線を、同じ軸方向断面上の中間像に結像し、その中間像はさらに像に結像される点である。また、結像チャンネルは、物体の中間像が結像チャンネルの軸１８１４を横切らないということを特徴とする。すなわち、個々の軸方向断面の中間像は、軸１８１４で互いを横切らない。また、個々の軸方向断面は軸１８１４上でのみ交差する。そのため、個々の軸方向断面の中間像はいかなる場所においても互いを横切ることはない。
【０１０３】
これは、たとえば、ＴＩＲコリメータまたは高ＮＡ対物レンズのような既存のコリメーションデバイス、ビーム成形デバイスあるいは結像デバイスの教示とは異なる。それらのデバイスは、中間像および像を形成しないか、または中間像を形成する場合であっても、個々の軸方向断面の中間像は同じ位置において互いを横切る。これは、たとえば、個々の軸方向断面の２次元の光線ガイドシステムの光軸がデバイスの軸と概ね一致する場合に生じる可能性がある。
【０１０４】
上述の結像構成によれば、結像チャンネルは、任意の軸方向断面において物体の像を形成する。いかなる軸方向断面においても伝播しない光線、すなわち、いわゆるスキュー光線に関してはどうであろうか。円筒状に対称な光線ガイドシステムを通じてスキュー光線を正確に追跡することは、たとえば、Ａ．Ｓ．Ｇｌａｓｓｎｅｒによる著書「Ａｎ  Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｔｏ  Ｒａｙ  Ｔｒａｃｉｎｇ」（Ｍｏｒｇａｎ  Ｋａｕｆｍａｎｎ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，９ｔｈ  ｅｄｉｔｉｏｎ，２００２）の第３章において教示されている。スキュー光線路が通常の（ｒ，ｚ）座標系（すなわち、ｒによって表される水平軸が回転軸からの距離であり、垂直軸がｚ座標である）で示される場合、その光線路は、通常の直線の区間ではなく２次曲線の区間に従う。本発明の重要な発見は、軸方向断面の２次元の光線ガイドシステムの入射瞳の中心からの物体点の距離が、同じ軸方向断面からの物体点の距離よりも概ね長いように結像チャンネルが構成される場合に、結像チャンネルを通じてスキュー光線の半径方向の成分を計算するとき、スキュー光線を概ね子午光線として扱うことができると点である。したがって、個々の軸方向断面に対する接線方向に沿ってその軸方向断面の入射瞳に入射するスキュー光線を投影し、それによって子午光線を得る場合、得られた子午光線を２次元の光線ガイドシステムを通じて追跡することができ、それによって、射出瞳におけるその子午光線の半径方向の成分を得ることができる。ここで、射出瞳におけるその子午光線の半径方向の成分の大きさは、スキュー光線の、射出瞳における半径方向の成分の大きさと概ね同じである。この近似の精度は、上述の寸法の比によって決まる。たとえば、入射瞳からの物体の距離がその物体の最大幅よりも概ね３倍だけ長い場合、良質な照明による像に関して十分に良好な近似が得られる。したがって、あらゆる射出瞳上のあらゆる光線、すなわち子午光線およびスキュー光線の両方の半径方向の成分は、既知であり、結像チャンネルの放射形状によって定義される。
【０１０５】
個々の２次元の光線ガイドシステムにおいて、結像チャンネルが物体の中間像を形成し、その中間像をさらに像に結像するという構成から、結像チャンネルは、個々の軸方向断面において入射瞳を射出瞳に概ね結像することがわかる。結像チャンネルの（全）入射瞳は、ある２次元の光線ガイドシステムのある入射瞳に属する全ての点から成る。同様に、結像チャンネルの（全）射出瞳は、ある２次元の光線ガイドシステムのある射出瞳に属する全ての点から成る。ここで、（全）入射瞳上の全ての点は、（全）射出瞳上の或る特定の点に概ねマッピングされる。換言すると、入射瞳は、射出瞳に概ね結像される。
【０１０６】
スキュー光線の場合の結像機能を完全にするために、結像チャンネルの接線方向においても結像を行う必要がある。これは、回転対称な光線ガイドシステムのスキュー不変特性（ｓｋｅｗ  ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ  ｐｒｏｐｅｒｔｙ）を使用することによって実施される（たとえば、Ｒｏｌａｎｄ  Ｗｉｎｓｔｏｎによる著書「Ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃｓ」（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ  ２００５）の第１０章を参照）。
【０１０７】
光線のスキュー不変量（または歪み）は、以下の式によって定義される。
【数１】
2009288611.tif 000003
式中、
【数２】
2009288611.tif 000004
は、回転対称の軸に沿って方向付けられる単位ベクトルであり、
【数３】
2009288611.tif 000005
は、光線が伝播する材料によって決まる定数（すなわち、光学的放射における屈折率）に等しい大きさのベクトルであり、光線の伝播方向に沿って方向付けられ、
【数４】
2009288611.tif 000006
は、回転軸を光線に接続する任意のベクトルである。図２９に示すように、スキュー不変性は、光線のスキュー不変量が任意の回転対称の光線ガイドシステムにおいて一定に保たれることを示す。
【０１０８】
結像チャンネルの射出瞳における任意の光線を観察する。図２９に示すように、軸方向、半径方向および接線方向における光線成分を
【数５】
2009288611.tif 000007
とする。軸方向に沿う単位ベクトルを
【数６】
2009288611.tif 000008
とする。光軸と光線とを接続するベクトルを
【数７】
2009288611.tif 000009
とする。ここで、光線のスキュー不変量は、
【数８】
2009288611.tif 000010
である。式中、ｒは、射出瞳における回転軸からの光線の距離であり、ｋｔは、射出瞳における光線の接線方向の成分の大きさである。
【数９】
2009288611.tif 000011
および
【数１０】
2009288611.tif 000012
であるため、単純化が可能である。同じ計算は、入射開口における光線の場合にも行うことができる。したがって、関係式
【数１１】
2009288611.tif 000013
によって、射出瞳における光線の接線方向の成分は、入射瞳における対応する光線の接線方向の成分に関連することになる。式中、ｋ’ｔおよびｒ’は、結像チャンネルの入射瞳における光線に関連する。したがって、入射瞳から射出瞳へのマッピングを調整することによって、スキュー光線の接線方向の成分を調整することができる。特に、その方法によって、接線方向の結像を半径方向の結像に一致させることができ、したがって、結像チャンネルの結像機能はスキュー光線の場合も完全になる。
【０１０９】
本発明の特徴の一つは、入射瞳および射出瞳における対応する点が回転軸に対して概ね同じ距離を有しているように、入射瞳を射出瞳にマッピングする点にある。結像チャンネルをそのように構成することで、物体から放出される光線を、その物体を中心とした半球全体（またはそれを越えた所に）に結像することができる。
【０１１０】
結像チャンネルは、半径方向および接線方向において異なる結像特性を有するように設計することができる。結像の程度は、半径方向および接線方向において別個に調整することができる。結像チャンネルは、回転軸に対して０°〜１３５°の角度を形成する方向から物体を概ね結像することができる。これは、結像チャンネルでは、従来よりも、レンズ要素の構成の自由度を大きくすることが可能だからである。
【０１１１】
結像チャンネルでは、最低でも３箇所において光線をガイドする必要がある。結像チャンネルがこれらの３箇所に延在する場合には、１個のレンズ要素によって結像チャンネルを構成することも可能である。
【０１１２】
結像チャンネルが、軸方向断面において、１つの中間像を形成する代わりに、互いに共役でありかつ物体および像の共役である２つ以上の連続する中間像を形成する場合にも、本発明の教示は有効である。これによって、光線路を構成する方法の自由度がさらに大きくなる。この方法によって、結像チャンネルごとに高いＮＡを有する相対的に長い結像チャンネルを有することができる。
【０１１３】
結像チャンネルは、軸を中心にして概ね円筒状に対称である少なくとも３個の光線ガイド構成要素を備えている。そのような光線ガイド構成要素は、任意の概ね円筒状に対称な構造とすることができる。この構造は、複数の光線のうちの少なくとも幾つかの光線の方向を変えることによって光線をガイドする。そのような光線ガイド構成要素は、光線の方向ベクトルの、構成要素の回転軸に垂直または平行な成分（すなわち、構成要素の半径方向の断面平面上にある成分）のみを変化させる。また、そのような光線ガイド構成要素は、光線の方向ベクトルの残りの成分（すなわち、構成要素の回転軸に対する接線方向のベクトル）をほとんど変化させない。
【０１１４】
結像チャンネルでは、入射瞳は、物理的に可能な入射瞳の一部と定義される。物体は、上述したように任意の光線源、または当該光線源の一部、または像、または当該像の虚像と定義することができる。
【０１１５】
図３０は、ランバート光源２００２を、ランバート光源２００２の上方にある照明瞳２００４とともに示す図である。ランバート光源２００２は、光を大きな開口角度、たとえば、半球全体の中へ放射する。照明瞳におけるあらゆる点は、無限遠に光源の像を生成する光の角度分布を有する。像は、無限遠以外のある距離にも生成することができるが、ここでは、テレセントリック出力を例にする。照明瞳の幅および角張った開口角度は、エテンデュの法則によって関係付けられる。これは、高ＮＡ結像の目標であり、理想的な照明システムの目標でもある。
【０１１６】
図３０は、光源２００２から生じる光線（２０００、２０１０、２０１２、２０１４、２０１６）と、照明瞳２００４における対応する光線（２０１８、２０２０、２０２２、２０２４、２０２６、２０２８）とをさらに示している。ここで、問題は、全ての光線が同時にかつ３Ｄで、照明瞳２００４における対応する光線にガイドされる（例示的な光線路が破線で図示される）ような光学システムを設計および生成する方法である。従来の解決策、たとえば高ＮＡレンズシステムは、同じレンズ構成要素によって全ての光線を処理することでこの問題を解決しようと試みる。これは、使用可能な幾何学的形状に幾つかの制限をもたらし、したがって、従来のシステムは、光源が１よりも高い屈折率を有する材料内にある場合に、上述のシステムを良好に実現することができない。中央領域を良好に動作させるのは、従来から簡単であるが、中央領域を良好に動作させ、かつ同時に、側方放射される光を適切に処理することははるかに困難である。
【０１１７】
上述の結像チャンネルは、この問題に対して現実的な解決策を提供する。同じ光学表面を有する全ての光線をガイドする必要はない。光線の連続する流れは、ある表面Ｓ（概ね、上述の半球であり、設計の最適化に従って半球とは異なることもできる）において、いくつかの円筒状に対称な「結像チャンネル」に分割される。ここで、各結像チャンネルは、光線が必要とされる位置および方向に送られるように別個に設計することができる。ここで、光学システムは、光源の上方の異なる頂角（シータ）に関して異なっていても良い。これによって、設計の自由度がはるかに高まり、所望の変換を行う本発明の結像チャンネルを使用することができる。そして、結像チャンネルからの光は、表面Ｕ上で組み合わされて、一体的な光となる。光のエテンデュを維持するため、あらゆる結像チャンネルの軸方向断面の２Ｄ光学システムの入射瞳および射出瞳は、連続表面を形成する必要がある。これに加えて、結像チャンネルからの出力光の方向は、角度分布が照明器の出力平面全体にわたって滑らかでもあるように調整する必要がある。図３１は、結像チャンネルの例示的な光線路を示す概略図である。
【０１１８】
以上の説明から把握することができる技術的思想を以下に記載する。
（１）回転軸を定義するとともに、該回転軸に対して４０°〜１４０°の間の角度で入射瞳上に入射する放射を結像するようになっているトロイダル入射瞳を有する第１のトロイダル光線ガイドであって、前記入射瞳に対向する第１の結像表面を有する、第１のトロイダル光線ガイドと、同様に前記回転軸を定義するとともに、前記第１の結像表面に隣接する第２の結像表面を有する第２の光線ガイドとを備える装置。
（２）前記角度は４５°〜１３５°の間にある装置。
（３）前記回転軸の外側にある前記第１のトロイダル光線ガイドの表面は、反射表面を含む装置。
（４）前記トロイダル入射瞳は第１の入射瞳を含み、前記第１の結像表面は、前記第２の結像表面の第１の部分に隣接し、前記装置は、前記回転軸を定義するとともに、該回転軸に対して４０°〜１４０°の間の角度で前記入射瞳上に入射する放射を結像するようになっている第２のトロイダル入射瞳を有する第３のトロイダル光線ガイドであって、前記第２の入射瞳に対向する第３の結像表面を有し、前記第１のトロイダル光線ガイドの内側に配置される、第３のトロイダル光線ガイドをさらに備える装置。
（５）光源であって、該光源から直接放出される光が前記回転軸に対して４０°〜１４０°の間の角度で前記入射瞳上に入射するように、前記回転軸に沿って配置される、光源をさらに備え、前記回転軸は、前記装置のシステム光軸を含む装置。
（６）前記第１の入射瞳は、前記光源から該第１の入射瞳上に入射する概ね全ての光を、前記第１のトロイダル光線ガイドを通じて前記第１の結像表面にガイドするようになっており、前記第２の入射瞳は、前記光源から該第２の入射瞳上に入射する概ね全ての光を、前記第３のトロイダル光線ガイドを通じて前記第３の結像表面にガイドするようになっている装置。
（７）前記第１のトロイダル光線ガイドおよび前記第２のトロイダル光線ガイドは、約１．３〜約１．７の間の屈折率を有する同じ光学材料から成る装置。
（８）前記同じ光学材料は、環状オレフィン共重合体、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネートおよびポリスチレンから成る群から選択される装置。
（９）光源であって、該光源から直接放出される光が前記回転軸に対して４０°〜１４０°の間の角度で前記入射瞳上に入射するように、前記回転軸に沿って配置される、光源をさらに備え、前記回転軸は、前記装置のシステム光軸を含む装置。
（１０）前記光源は、反射表面と、前記入射瞳に面する概ね半球のドームとの間に配置される装置。
（１１）前記ドームおよび前記入射瞳のうちの少なくとも１つは、第４の結像表面を含む装置。
（１２）前記第４の結像表面および前記第１の結像表面は、前記システム光軸に垂直でありかつ前記第１の結像表面に隣接する平面において、前記光源から中間像を形成するようになっている装置。
（１３）前記第２のトロイダル光線ガイドは、前記第２の結像表面に対向して配置される射出瞳を含み、該射出瞳は第５の結像表面を含む装置。
（１４）前記第１のトロイダル光線ガイドは、前記光源から前記入射瞳に入射する概ね全ての光を前記第１の結像表面に方向転換させるようになっている装置。
（１５）前記第１のトロイダル光線ガイドおよび前記第２のトロイダル光線ガイドは、前記光源からの概ね均一な円形照明を、前記射出瞳において概ね均一な直線照明に変換するようになっている装置。
（１６）前記回転軸の中心に配置されるフレネルレンズをさらに備える装置。
（１７）前記フレネルレンズの外側部分は、前記第２の結像表面に隣接している装置。
（１８）前記第２の光線ガイドはトロイダル光線ガイドである装置。
（１９）軸を中心にして概ね円筒状に対称の少なくとも１つの光線ガイドを備える装置であって、前記少なくとも１つの光線ガイドは、点ではない物体から該少なくとも１つの光線ガイドの入射瞳に向かって放出される光線の少なくとも一部を像に概ね結像するように構成されており、前記軸および前記入射瞳の一部を含むそれぞれの個々の断面平面では、前記少なくとも１つの光線ガイドは、前記点ではない物体から前記個々の断面平面に沿って、該個々の断面平面上にありかつ前記軸の片側にある前記入射瞳の一部に向かって放出される光線の個々のサブセットを、前記個々の断面平面上の中間像に結像するとともに、前記光線の前記少なくとも一部を、前記中間像から前記断面平面上の断面像にさらに概ね結像するように構成されており、前記断面像は、前記個々の断面平面における前記像の断面に概ね一致し、その結果、２つの異なる個々の断面平面の２つの前記中間像は互いを横切らない装置。
（２０）前記少なくとも１つの光線ガイドは、前記入射瞳の前記断面と、前記個々の断面平面の、前記軸に対して前記入射瞳の前記断面と同じ半分の部分上にある前記少なくとも１つの光線ガイド構成要素の前記射出瞳の断面との間の軸を、前記光線の個々のサブセットの光線が横切らないように構成されている装置。
（２１）前記少なくとも１つの光線ガイドは、前記軸によって境界を定められる前記断面の半分の平面のそれぞれの上で前記入射瞳を前記射出瞳に概ね結像するように構成されている装置。
（２２）前記少なくとも１つの光線ガイドは、前記点ではない物体から該少なくとも１つの光線ガイドの前記入射瞳に向かって放出される概ね全ての光線を像に概ね結像するように構成されている装置。
（２３）前記少なくとも１つの光線ガイドは、前記入射瞳および前記射出瞳における共役点が、概ね同じ距離だけ前記軸から離れているように構成されている装置。
（２４）前記少なくとも１つの光線ガイドは、前記点ではない物体から像に概ね結像される任意の点が該像上にスポットを形成し、その際、該像の二乗平均平方根スポットサイズが該像の平均直径よりもはるかに小さくなるように構成されている装置。
（２５）前記二乗平均平方根スポットサイズは、前記像の前記平均直径の４分の１よりも小さい装置。
（２６）前記少なくとも１つの光線ガイドは、前記点ではない物体から前記入射瞳までの平均距離が、前記点ではない物体から前記軸までの平均距離よりもはるかに長いように構成されている装置。
（２７）前記点ではない物体から前記入射瞳までの前記平均距離は、前記点ではない物体から前記軸までの前記平均距離の少なくとも３倍長い装置。
（２８）前記光線は、紫外線波長と赤外線波長との間の電磁放射の光線である装置。
（２９）前記電磁放射の光線は、発光ダイオードから放射される光線である装置。
（３０）システムを形成する、像の照明構成要素である装置。
（３１）前記少なくとも１つの光線ガイドは、前記入射瞳と、前記点ではない物体の平均点に最も近い前記軸上の点との間の少なくとも１本の線が、前記軸との間で３５°よりも大きい角度を形成するように構成されている装置。
（３２）前記少なくとも１つの光線ガイドは、前記入射瞳と、前記点ではない物体の平均点に最も近い前記軸上の点との間のあらゆる線が、前記軸との間で３０°よりも大きい角度を形成するように構成されている装置。
（３３）前記少なくとも１つの光線ガイドは、少なくとも３つの別個の位置において光線毎に、該光線の前記少なくとも一部の伝播方向を連続して変えるように構成されている装置。
（３４）前記少なくとも１つの光線ガイドは、わずか５つの別個の位置において光線毎に、該光線の前記少なくとも一部の伝播方向を連続して変えるように構成されている装置。
（３５）前記少なくとも１つの光線ガイドは、前記入射瞳が、前記点ではない物体の平均点に最も近い前記軸上の点を中心にして少なくとも０．１ステラジアンの立体角を包含するように構成されている装置。
（３６）回転軸を中心にして概ね円筒状に対称の少なくとも１つの光線ガイド構成要素を備える装置であって、前記少なくとも１つの光線ガイド構成要素は、点ではない物体から該少なくとも１つの光線ガイド構成要素の入射瞳に向かって放出される光線の少なくとも一部を像に概ね結像するように構成されており、前記少なくとも１つの光線ガイド構成要素は、前記入射瞳を、該少なくとも１つの光線ガイド構成要素の射出瞳内に概ね結像し、その結果、前記入射瞳上の各点が、前記射出瞳上の前記回転軸の方向に概ね沿って前記点の投影に概ね結像されるように構成されており、前記少なくとも１つの光線ガイド構成要素は、前記物体から概ね同じ距離において前記入射瞳の概ね全ての点を有するように構成されており、前記少なくとも１つの光線ガイド構成要素は、前記入射瞳から前記射出瞳内に結像される任意の子午光線の経路が、前記入射瞳と前記射出瞳との間の前記回転軸を横切らないように構成されている装置。
（３７）前記少なくとも１つの光線ガイド構成要素は、前記射出瞳の直径よりも短い長さを前記軸に沿って有するように構成されている装置。
（３８）前記少なくとも１つの光線ガイド構成要素は、前記入射瞳が、前記点ではない物体の平均点に最も近い前記軸上の点を中心にして少なくとも３ステラジアンの立体角を包含するように構成されている装置。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の実施の形態にかかる投射型表示装置の概略構成を説明するための模式図である。
【図２】図１のＥ−Ｅ方向からＬＥＤ光源を示す図である。
【図３】図１に示すライトパイプの機能を説明するための図である。
【図４】図１に示す光学レンズの斜視図である。
【図５】図４に示す光学レンズの光軸を含む軸方向断面を示す断面図である。
【図６】図５に示す結像チャンネルの構成を説明するための図である。
【図７】本発明の他の実施の形態にかかる結像チャンネルを示す図である。
【図８】本発明の他の実施の形態にかかる光学レンズを示す図である。
【図９】本発明の他の実施の形態にかかる光学レンズを示す図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態にかかる光学レンズを示す図である。
【図１１】（Ａ）は図１０に示す中央の結像チャンネルを通過する光の軌跡を示す概念図であり、（Ｂ）は図１０に示す最も外側の結像チャンネルを通過する光の軌跡を示す概念図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態にかかる光学レンズを示す図である。
【図１３】本発明の他の実施の形態にかかる光学レンズを示す図である。
【図１４】本発明の他の実施の形態にかかる投射型表示装置の概略構成を説明するための模式図である。
【図１５】本発明の他の実施の形態にかかる投射型表示装置の概略構成を説明するための模式図である。
【図１６】従来技術の問題点を説明するための図である。
【図１７】本発明の実施の形態にかかる光学レンズの原理を説明するための図である。
【図１８】本発明の実施の形態にかかる光学レンズの原理を説明するための図である。
【図１９】本発明の実施の形態にかかる光学レンズの原理を説明するための図である。
【図２０】本発明の実施の形態にかかる光学レンズの原理を説明するための図である。
【図２１】本発明の実施の形態にかかる光学レンズの原理を説明するための図である。
【図２２】本発明の実施の形態にかかる光学レンズの原理を説明するための図である。
【図２３】本発明の実施の形態にかかる光学レンズの射出瞳における光の分布パターンを説明するための図である。
【図２４】図２３に示す光錐体を示す図である。
【図２５】本発明の実施の形態にかかる光学レンズの一例を示す図である。
【図２６】本発明の実施の形態にかかる光学レンズの一例を示す図である。
【図２７】本発明の実施の形態にかかる光学レンズの一例を示す図である。
【図２８】本発明の実施の形態にかかる光源および光学レンズの軸方向断面を示す断面図である。
【図２９】本発明の実施の形態にかかる光学レンズでの光線のスキュー不変性を説明するための図である。
【図３０】本発明の実施の形態にかかるランバート光源を照明瞳とともに示す図である。
【図３１】本発明の実施の形態にかかる結像チャンネルの例示的な光線路を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１  投射型表示装置
２  微小ミラー型表示素子（光変調素子）
２ａ  光変調面（光変調部）
３  ＬＥＤ光源（３色ＬＥＤ光源）
４  ライトパイプ
５  光学レンズ
１１  赤色ＬＥＤ
１２  青色ＬＥＤ
１３  緑色ＬＥＤ
１４  基板
１５  第１レンズ要素
１６、１２６、１３６  第２レンズ要素
１７  第３レンズ要素
１０２  反射型液晶パネル（光変調素子）
１０３  透過型液晶パネル（光変調素子）
１１８ｃ、１５８ｂ  結像チャンネルの上側部分（第２レンズ要素）
１５９ｂ  結像チャンネルの下側部分（第３レンズ要素）
Ｌ  光軸
Ｍ１０１  反射面
Ｔ１０１  入射面（第１入射面）
Ｔ１０２  出射面（第１出射面）
Ｔ１０３  入射面（第３入射面）
Ｔ１０４  出射面（第３出射面）
Ｔ１０５  入射面（第２入射面）
Ｔ１０６  入射面（第４入射面）
【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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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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