WO2004034143A1 - 照明装置及びそれを用いた投写型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

２つの光源部（１０１，１０２）と、ロッドインテグレータ（１）と、ロッドインテグレータ（１）から射出された光束を導くリレーレンズ系（４）とを備え、ロッドインテグレータ（１）は、入射端面（１３０Ｆ）を上底、射出端面（１３０Ｂ）を下底とする柱状光学素子であり、４面の側面のうち、一方の向かい合う側面は、平面同士が互いに平行に向かいあった部分を形成しており、他方の向かい合う側面は、入射端面（１３０Ｆ）から射出端面（１３０Ｂ）に向けて両側面が互いに離れるように、平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かいあったテーパ面を形成しており、２つの光源部（１０１，１０２）からの光は、ロッドインテグレータ（１）の入射端面（１３０Ｆ）近傍に収束照射される。

Description

明 細 書 照明装置及びそれを用いた投写型画像表示装置 技術分野

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も のである。 背景技術

従来、 大画面映像を表示する方法として、 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。 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につ いて説明する。

図 2 1は、特許文献 1に開示された従来の柱状光学素子（以下、 「ロッ ドインテグレータ」 という。） とライ トバルブとを用いた投写型画像表示 装置を示す光学系概念図である。 図中、 2はランプ、 3は楕円 面鏡、 4はリ レーレンズ系、 5はフィールドレンズ、 6は透過型ライ トバルブ、 7は投写レンズ、 1 5はガラス材料からなる口ッドィンテグレータであ る。

次に動作について説明する。 ランプ 2の発光中心は楕円凹面鏡 3の第 1焦点近傍に配置され、 ランプ 2より射出する光束は楕円凹面鏡 3で反 射された後、 楕円凹面鏡 3の第 2焦点近傍に集光される。 ロッドインテ グレータ 1 5の入射面は前記の第 2焦点近傍に配置されており、 入射し た光束は口ッドィンテグレータ 1 5の長手方向の側面で適宜全反射され 口ッドィンテグレータ 1 5より射出する。

ここで、 従来のロッドインテグレータ 1 5の基本動作を説明する。 図 2 2は、 入射した光線の動作を示す上面図であり、 図 2 3は入射した光 線の動作を示す側面図である。 図中、 角度 0で入射した光線は、 ロッド インテグレータ 1 5の長手方向の側面で適宜全反射し、 角度を保存伝達 され角度 0で射出される。 従って、 例えば楕円凹面鏡 3の集光角の最大 値が 3 0度であれば、 これに対応した最大 3 0度の光線が口ッドィンテ グレータ 1 5から射出される。

また、 入射する光線の角度が異なれば、 口ッドィンテグレータ 1 5の 長手方向の側面で適宜全反射される回数が異なり、 これらは射出面で混 合されるため、 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、 結果として口ッドィンテグレータ 1 5の射出面では均一性に優れ、 かつ所望の照明領域と略等しい形状の照明光束を得ることが可能となる _c 但し、 反射回数が多いほど均一性に優れることからロッドインテグレー タ 1 5の長さは十分にとられていることはいうまでもない。

また、 口ッドィンテグレータ 1 5から射出された光束は、 少なく とも

1枚から構成されるリレーレンズ系 4及びフィールドレンズ 5を介して 透過型ライ トバルブ 6を照明する。透過型ライ トバルブ 6は駆動回路（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。 透過型ライ トバルブ 6に表示された画像は、 投写レンズ 7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。

また、 一方でこのような投写型画像表示装置では、 投射画像の高輝度 化に対する要望が高く、 複数の光源を用いた投写型画像表示装置が開示 されている。 例えば、 特許文献 2のように複数の光源の出射光束を光フ アイバなどの光ガイ ド手段により合成する方法及び光源を所定の位置に 配置させ、 反射ミラー、 反射プリズムなどにより反射した光を合成する 方法が開示されている。

さらに、 下記特許文献 3には、 光源は前記特許文献 1と同様に 1個で あるが、 ロッドインテグレータに、 入射端面から出射端面に向かって断 面形状が連続的に増大するテーパ部を形成している。 この構成は、 テー パ部のテーパ角の制御により、 ランプからの集光光束の平行度を所望の 値にするというものである。

以上に示した従来の投写型画像表示装置の構成においては、 明るさを 向上させるために、ランプの消費電力を上げたり、点光源に近いランプ、 例えば超高圧水銀灯の電極間距離 1 . 3 m m以下のものを用いて集光率 を向上させて明るさを向上させる方法が取られている。

しかしながら、 前記のような 2つの方法を用いた場合、 同じ電極間距 離のままで消費電力を上げると光源の寿命が著しく短くなってしまう。 また、 消費電力はそのままで、 さらに電極間距離を短く した場合にも光 源の寿命は著しく短くなつてしまう。 従って、 前記特許文献 1、 3のよ うに光源が 1つである構成においては、 光源の寿命を短くすることなく 装置の明るさをさらに向上させることが課題となっている。

一方、 複数個の光源を用いることで明るさを向上させようとする前記 特許文献 2に開示された方法は、 光源と楕円凹面鏡からなる光源部から 射出される光線の集光角がそのまま射出される合成方法である。 例えば 2つの光源部からの光束を合成した場合、 集光角 1 5度程度までの楕円 凹面鏡から射出される光線は、 合成され射出される最大広がり角が 3 0 度程度になる。

このため、 反射ミラー、 反射プリズムからなる合成部後段に用いられ る集光レンズは実現可能ではあると考えられるが、 集光角 1 5度程度の 楕円凹面鏡で集光率を十分に取ろうとすると楕円凹面鏡の第 1焦点位置 と第 2焦点位置を十分に離し、 かつ楕円四面鏡自体を大きくする必要が あるため装置を小型化することができないという問題があった。

また、 現在は明るさ向上と装置の小型化を重視した集光角 3 0度程度 の楕円凹面鏡を使用するのが主流となっているが、 これを 2つ用いた場 合、 反射ミラー、 反射プリズムからなる合成部から反射される光線の集 光角に対応した最大広がり角は 6 0度程度となり、 合成部後段に用いら れる集光レンズを実現することは困難であり実用的でない。

前記特許文献 3の構成によれば、 口ッドィンテグレータのテーパ部に より、 出射端面の広がり角を制御することができる。 しかしながら、 こ の技術は光源が 1つの構成において、 ロッドインテグレータの水平、 垂 直の両方向に形成されたテーパ面により、 水平、 垂直の両方向の光束の 平行度を制御するというものである。 すなわち、 特許文献 3には、 光源 を 2つ用いた場合に、最大広がり角が大きくなることに対応した技術は、 開示されていなかった。

特許文献 1

米国特許第 6 6 3 4 7 0 4号明細書

特許文献 2

特開平 9 - 5 0 0 8 2号公報

特許文献 3

特開平 1 1一 1 4 2 7 8 0号公報 発明の開示

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、 複数の光 源部から被照射領域を高輝度かつ均一にできる照明装置、 及びこれを用 いた投写型画像表示装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、 本発明の照明装置は、 ランプ及び凹面鏡 を含む光源部と、 ロッドインテグレータと、 前記ロッドインテグレータ から射出された光束を導く リ レーレンズ系とを備えた照明装置であって、 前記ロッドインテグレータは、 入射端面を上底、 射出端面を下底とする 柱状光学素子であり、 前記射出端面の長辺方向を水平方向、 短辺方向を 垂直方向とすると、 前記柱状光学素子の前記上底及び前記下底以外の 4 面の側面のうち、 1対の向かい合う側面は、 前記入射端面から前記射出 端面に向けて両側面が互いに前記水平方向又は前記垂直方向に離れるよ うに、 平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かい合ったテーパ 面を形成しており、 前記光源部からの光は、 前記ロッドインテグレータ の入射端面近傍に収束照射され、 前記光源部は、 前記水平方向又は前記 垂直方向に 2個配置されていることを特徴とする。

次に、 本発明の投写型画像表示装置は、 ランプ及び凹面鏡を含む光源 部と、 ロッドインテグレータと、 前記ロッドインテグレータから射出さ れた光束を導く リレーレンズ系と、 前記リ レーレンズ系から導かれた光 束を変調し、 画像を形成するライ トバルブと、 前記ライ トバルブの形成 した画像を投写する投写レンズとを備えた投写型画像表示装置であって、 前記口ッドィンテグレータは、 入射端面を上底、 射出端面を下底とする 柱状光学素子であり、 前記射出端面の長辺方向を水平方向、 短辺方向を 垂直方向とすると、 前記柱状光学素子の前記上底及び前記下底以外の 4 面の側面のうち、 1対の向かい合う側面は、 前記入射端面から前記射出 端面に向けて両側面が互いに前記水平方向又は前記垂直方向に離れるよ うに、 平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かい合ったテーパ 面を形成しており、 前記光源部からの光は、 前記ロッドインテグレータ の入射端面近傍に収束照射され、 前記光源部は、 前記水平方向又は前記 垂直方向に 2個配置されていることを特徴とする。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の実施の形態 1に係る光学系概念図の上面図。

図 2は、 本発明の一実施形態に係る口ッドィンテグレータの斜視図。 図 3 Aは、本発明の一実施形態に係る口ッドィンテグレータの上面図。 図 3 Bは、本発明の一実施形態に係る口ッドィンテグレータの側面図。 図 4は、 本発明の一実施形態に係るロッドィンテグレータの上面図。 図 5は、 本発明の一実施形態に係る口ッドィンテグレータの側面図。 図 6は、 本発明の一実施形態に係る口ッドインテグレータの寸法 Hの 決定を説明する図。

図 7は、 本発明の実施の形態 2に係る光学系概念図の上面図。

図 8は、 本発明の実施の形態 2に係る光学系概念図の側面図。

図 9は、 本発明の実施の形態 3に係る光学系概念図の上面図。

図 1 0 Aは、本発明の実施の形態 3に係る光源部及び合成部の詳細図。 図 1 0 Bは、 本発明の実施の形態 3に係る口ッドィンテグレータの入 射端部の拡大図。

図 1 1は、 本発明の実施の形態 4に係る光学系概念図の上面図。

図 1 2は、 本発明の実施の形態 4に係る光源部及び合成部の詳細図。 図 1 3は、 本発明の一実施の形態に係るミラーの配置を示し斜視図。 図 1 4 Aは、 本棻明の実施の形態 5に係る投射型画像表示装置の上面 図。

図 1 4 Bは、 図 1 4 Aの側面図。

図 1 5は、 本発明の実施の形態 5に係る口ッドィンテグレータの斜視 図。

図 1 6 Aは、 本発明の実施の形態 5に係る口ッドィンテグレータの上 面図。

図 1 6 Bは、 図 1 6 Aに示した口ッドィンテグレータの側面図及び左 右の側面図。

図 1 7は、 本発明の実施の形態 5に係るロッドインテグレータの入射 した光線の動作を示す上面図。

図 1 8は、 本発明の実施の形態 5に係る口ッドィンテグレータの入射 した光線の動作を示す側面図。

図 1 9は、 本発明の実施の形態 6に係る光学系概念図の上面図。 図 2 0は、 集光効率と入射角との関係を示す図。

図 2 1は、 従来の投写型画像表示装置の一例の光学系概念図。

図 2 2は、 従来の口ッドィンテグレータの一例の上面図。

図 2 3は、 従来のロッドインテグレータの一例の側面図。 発明を実施するための最良の形態

本発明の照明装置又は投写型画像表示装置によれば、 ロッドインテグ レータの一対のテーパ面により、 射出端面における光の広がり角を制御 でき、 2個以上の光源部を用いた場合、 入射端面における光の広がり角 が水平方向と垂直方向とで異なっていても、 射出端面における光の広が り角を水平方向と垂直方向とで略同一にできる。 このため、 高輝度かつ 均一な光を得ることができる。 また、 装置の小型化を実現することがで きる。

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、 前記柱状 光学素子の上底及び下底以外の 4面の側面のうち、 一方の向かい合う側 面は、 平面同士が互いに平行に向かいあった部分を形成しており、 他方 の向かい合う側面は、 前記入射端面から前記射出端面に向けて両側面が 互いに離れるように、 平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向か いあつたテーパ面を形成していることが好ましい。 この構成によれば、 平面同士が平行に向かいあった側面を反射する光は、 入射端面における 光の広がり角と射出端面における光の広がり角とが同じになり、 テーパ 面を反射する光は、 入射端面における光の広がり角と射出端面における 光の広がり角とが異なることになる。 このことにより、 合計 2個の光源 部を用いた場合、 入射端面において光の広がり角が水平方向と垂直方向 とで異なっていても、 射出端面における光の広がり角を水平方向と垂直 方向とで略同一にできる。

また、 前記 2個の光源部に並列に、 さらに 2個の光源部が配置されて おり、 前記柱状光学素子の上底及び下底以外の 4面の側面のうち、 2対 の向かい合う側面はいずれも、 前記入射端面から前記射出端面に向けて 両側面が互いに離れるように、 平面同士が互いに所定の角度の傾きをも つて向かいあったテーパ面を形成していることが好ましい。 この構成に よれば、 合計 4個の光源部を用いた場合、 射出端面における光の広がり 角を水平方向と垂直方向とで略同一にでき、 射出端面における光の広が り角を入射端面における光の広がり角より小さくできる。 このため、 特 に高輝度な光を望む場合に有利である。

また、 前記 2個の光源部を、 それぞれ第 1の光源部、 第 2の光源部と すると、 前記第 1の光源部からの光を前記口ッドィンテグレータの入射 端面に導く第 1の反射手段と、 前記第 2の光源部からの光を前記ロッド ィンテグレータの入射端面に導く第 2の反射手段とをさらに備えたこと が好ましい。 この構成によれば、 第 1、 第 2の反射手段を備えているの で、 2つの光源部の配置の自由度を高めることができる。

また、 前記口ッドィンテグレータの前記射出端面から射出される光の 広がり角度は、 水平方向の最大値と垂直方向の最大値とが略同一である ことが好ましい。 この構成によれば、 高輝度かつ均一な光を得るのによ り有利である。

また、 前記一対の互いに平行な平面の法線方向を第 1の方向、 前記口 ッドィンテグレータの中心線と直交し、 かつ前記第 1の方向と直交する 方向を第 2の方向とすると、 前記ロッドインテグレータの前記入射端面 に入る光の広がり角度は、 第 1の方向の最大値に比べ、 第 2の方向の最 大値が大きくなるように、 前記 2つの光源部は配置されており、 第 2の 方向の最大値に対応した光は、 前記ロッドインテグレータの前記テーパ 面で反射され、 第 1の方向の最大値に対応した光は、 前記ロッ ドインテ グレータの互いに平行な平面で反射され、 前記射出端面における光の広 がり角度は、 第 1の方向の最大値が、 前記入射端面における第 1の方向 の最大値と略同一であり、 第 2の方向の最大値が、 前記入射端面におけ る第 2の方向の最大値より小さくなつていることが好ましい。 この構成 によれば、 口ッドィンテグレータの平行面を用いて入射端面における垂 直方向の光の広がり角と略同一にしつつ、 ロッドインテグレータのテ一 パ面を用いて射出端面における水平方向の光の広がり角を、 入射端面に おける水平方向の光の広がり角と異なるように制御することができる。 また、 前記第 1の光源部の射出方向に前記第 2の光源部があるように 向かい合って配置されていることが好ましい。

また、 さらに投写レンズを備えており、 前記 2つの光源部の凹面鏡の 光軸と前記投写レンズの光軸とが垂直であることが好ましい。 この構成 によれば、 光源部の光軸は設置調整角が変化しても傾かないようにする ことができ、 光源の寿命を損ねる可能性が少なく、 信頼性を高めること ができる。

また、 前記第 1の光源部及び前記第 2の光源部は、 前記第 1の光源部 の凹面鏡の光軸と前記第 2の光源部の凹面鏡の光軸とが、 前記口ッドィ ンテグレータの中心線と交差しないように配置されていることが好まし い。 この構成によれば、 反射手段を設けたことにより、 光線の使用でき ない部分が生じることを防止できる。 また、 前記第 1、 及び第 2の反射手段は、 誘電体材料をコーティング した反射ミラー又はプリズムで構成されていることが好ましい。

また、 前記ロッドインテグレータの中心線と前記凹面鏡の頂点を通る 前記凹面鏡の光軸とがなす角度を入射角とし、 前記凹面鏡の有効開口の 最外周部から射出した光束が、 前記入射端面において前記ロッドインテ グレータの中心線となす角度を最大角とし、 前記最大角と前記入射角と の差を集光角とすると、 前記入射角は前記集光角より小さいことが好ま しい。 この構成によれば、 装置の明るさを向上させることができる。 また、 前記入射角の前記集光角に対する比率が、 6 0 %以上 8 0 %以 下の範囲であることが好ましい。 この構成によれば、 集光効率がより良 好になる。

また、 前記本発明の投写型画像表示装置においては、 前記ロッドイン テグレータから射出される光束を、 前記口ッドィンテグレータの中心線 を中心に、 前記ライ トバルブの配置に合わせて回転させて前記ライ トバ ルブに導く光回転手段を備えたことが好ましい。 この構成によれば、 光 回転手段を備えているので、 ライ トバルブの光利用効率を向上させるこ とができる。

(実施の形態 1 )

最初に図 1を用いて実施の形態 1に係る投写型画像表示装置の構成及 び動作について説明する。 図 1は、 実施の形態 1に係る光学系概念図の 上面図である。

図 1に示すように、 本実施の形態に係る投写型画像表示装置は、 2つ の光源部 1 0 1、 1 0 2と、 ロッドインテグレータ 1と、 ロッドインテ グレータ 1から射出された光束を導く リレーレンズ系 4と、 フィールド レンズ 5と、 リ レーレンズ系 4から導かれた光束を変調し、 画像を形成 する透過型ライ トバルブ 6と、 ライ トパルプ 6の形成した画像を投写す る投写レンズ 7とを備えている。

なお、 図 1は、 投写型画像表示装置の例で図示しているが、 光束の進 行順に 2つの光源部 1 0 1、 1 0 2からリレーレンズ系 4までの構成は、 照明装置でもあり、この照明装置を独立して用いることもできる。また、 この照明装置にはさらに投写レンズを追加してもよい。 このことは、 以 下の実施の形態においても同様である。

光源部 1 0 1と 1 0 2とは同じ構成であり、 それぞれ光源 2と、 光源 2からの光を集光する集光光学系である凹面鏡 3とを備えている。 光源 2としては、 超高圧水銀ランプ、 メタルハイ ド口ランプ、 キセノンラン プ、ハロゲンランプ等の白色ランプを用いることができる。凹面鏡 3は、 本図の例では楕円凹面鏡である。 また、 ロッドインテグレータ 1は耐熱 性の良好なガラス材料で形成している。

図 2はロッドインテグレータ 1の斜視図であり、 図 3 Aは上面図、 図 3 Bは、 側面図、 及び左右の側面図である。 図 2に示すように、 ロッド インテグレータ 1は入射端面 1 3 0 Fを上底とし、 射出端面 1 3 0 Bを 下底とし、 4面の側面 （1 30 T、 1 3 0U、 1 3 0 L、 1 3 0 R) を 備えた柱状光学素子である。 互いに向かい合う側面のうち、 一方の側面 1 3 0 T及び 1 3 0 Uは平行な平面である （図 3 B参照）。 また、 他方の 向かい合う側面 1 3 0 L及び 1 3 O Rは、 入射端面 1 3 0 Fから射出端 面 1 3 0 Bに向けて、 両側面 1 3 0 L及び 1 3 0 Rが互いに離れるよう に、 平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かいあっている （図 3 A参照）。

なお、本実施の形態において、 「水平方向」 とは、 射出端面 1 30 Bの 長辺方向 （図 2の矢印 a方向） のことであり、 「垂直方向」 とは、 射出端 面 1 3 0 Bの短辺方向（図 2の矢印 b方向）のことである。 このことは、 以下の実施の形態においても同様である。 すなわち、 ロッ ドインテグレータ 1を垂直方向について見ると、 一対 の側面 1 3 0 T、 1 3 0 Uが互いに平行に形成されているが、 水平方向 について見ると、 一対の側面 1 3 0 R、 1 3 0 Lが、 入射端面 1 3 0 F から射出端面 1 3 0 Bに向けて広がるようにテーパ状に配置されている。 図 1において、 ランプ 2と凹面鏡 3とを含む一対の光源部 1 0 1及び 光源部 1 0 2の 2個の光源部が、 水平方向 （矢印 a方向） に配置されて いる。また、光源部 1 0 1及ぴ光源部 1 0 2の各ランプ 2の発光中心は、 凹面鏡 3の第 1焦点近傍に配置されている。

各光源部 1 0 1、 光源部 1 0 2は入射端面 1 3 0 Fに対して入射角 Θ で配置されており、 各ランプ 2より射出した光束は、 凹面鏡 3で反射さ れた後、 入射端面 1 3 O F近傍、 すなわち凹面鏡 3の第 2焦点近傍に収 束照射される。 ここで、 入射角とは、 ロッドインテグレータの中心線 1 0 3と凹面鏡 3の頂点 3 aを通る凹面鏡 3の光軸とがなす角度のことで ある。 図 1の例では、 角度 0が入射角に相当する。

なお、 入射端面 1 3 O Fとランプ 2との間に凹面鏡 3とは別に反射面 を設けた場合、 凹面鏡 3の頂点 3 aと交わる光線とは、 中心線 1 0 3と 入射端面 1 3 0 Fとの交点を通り、 反射面を介して凹面鏡 3の頂点 3 a と交わる光線のことである。

前記のように、 口ッドィンテグレータ 1の入射端面 1 3 0 Fは、 凹面 鏡 3の第 2焦点近傍に配置されており、 入射した光束はロッドインテグ レータ 1の垂直方向及び水平方向の側面で適宜全反射され口ッドィンテ グレータ 1の射出面 1 3 0 Bより射出する。

次に、 ロッドインテグレータ 1の基本動作を説明する。 図 4は、 入射 した光線の動作を示す口ッドィンテグレータ 1の上面図であり、 図 5は 入射した光線の動作を示すロッドインテグレータ 1の側面図である。 図 4の図示は、最大角（2 0 )で入射端面 1 3 0 Fに入射した光線が、 口ッドィンテグレータ 1内で反射され、 射出端面 1 3 0 Bから射出する 様子を示している。 ここで、 最大角とは、 ロッドインテグレータ 1の入 射端面 1 3 0 Fに入射する光のうち、 光源 1つ分に対応した最大角のこ とである。

より具体的には、 凹面鏡 3の有効開口 （図 1の有効径 R) の最外周部 から射出した光束が、 入射端面 1 3 0 Fにおいて口ッドィンテグレータ 1の中心線 1 0 3となす角度のことである。 図 1の例では、 角度 0Mが 最大角に相当する。

また、 集光角というときは、 最大角から入射角を引いた角度のことを いう。

最大角を Θ MAX, 入射角を 0 E、集光角を Θ cとして、 以上の関係を整 理すると下記式 （1) のようになる。

式 （ 1 ) Θ MAX- θ E + Θ c

図 1の例では、 入射角 θ Eと集光角 Θ cとがいずれも Θであり、 最大 角 0 MAX は 2 0 となる。 図 4に示したように、 最大角 2 Θで入射した光 線は、 口ッドィンテグレータ 1の一対のテーパ面で適宜全反射されるこ とにより、 最大角 2 Θ とは異なる角度 Θ ' で射出端面 1 3 0 Bから射出 されることになる。

一方、 図 5において、 角度 Θ で入射した光線は、 口ッドィンテグレー タ 1の 1対の互いに平行な側面間で適宜全反射するので、 角度は保存伝 達され、 入射時と同じ角度 6〃で射出されることになる。

図 2、 3において、 例えば、 ロッドインテグレータ 1の射出面の水平 有効寸法を 7. 6 mm、 テーパ角を約 1. 6.3 7 3 4度、 長さを 5 6. 1 8 6 24 mm, 長手方向の側面での反射回数を 5回とし、 ロッドイン テグレータ 1の硝子材料に耐熱性、 光学特性の良好な石英 （屈折率 n d を 1. 4 5 8 74) を用いた場合、 図 4において、 最大角である 2 6が 6 0度で入射した光は、 約 3 0度で射出させることができる。 また、 図 5において、 3 0度で入射した光は、 角度を保存伝達され 3 0度で射出 されることになる。

より具体的には、 前記のように各凹面鏡 3の入射角が 3 0度である場 合、 各凹面鏡 3の最大角は、 前記式 （1 ) によれば、 6 0度となる。 図 1の構成のように、 2つの凹面鏡 3を水平方向に配置した場合は、 最大 1 2 0度の光が口ッドィンテグレータ 1の入射端面 1 3 0 Fに入射する ことになるが、 射出端面 1 0 3 Bの最大射出角度は約 6 0度に制御する ことが可能となる。

一方、 垂直方向についてみると、 凹面鏡 3を 2つ配置した場合であつ ても、 入射する光の入射端面における角度の最大値は、 凹面鏡 3がーつ の場合と変わりなく、 この最大値は 6 0度であり、 平行面間で反射しな がら角度が保存伝達され 6 0度で射出されることになる。

このことにより、 ロッドインテグレータ 1へ入射する光の入射端面 1 3 0 Fにおける角度の最大値が水平方向において 1 2 0度、 垂直方向に おいて 6 0度であつたとしても、 射出端面 1 3 0 Bでの射出角は、 水平 方向及び垂直方向ともに約 6 0度にすることが可能となる。

すなわち、 入射端面 1 3 0 Fに入射する光束の広がり角度は、 水平方 向の最大値が、 垂直方向の最大値より大きくなつていても、 射出端面 1 3 0 Bから射出される光束の広がり角度は、 水平方向の最大値と垂直方 向の最大値とを略同一にすることが可能となる。

また、 ロ ッ ドインテグレータ 1の射出部近傍に少なく とも赤、 青、 緑 の 3原色を透過させるダイクロイツクフィルターからなり、 かつ回転す ることにより白色光を時分割で色分解するカラーホイール （図 1には図 示せず） を配置させることでカラー表示も可能とすることができる。 尚、 前記カラーホイールは、 構成するダイクロイツクミラーにコーテ ィングされる薄膜の特性上、 入射角 3 0度程度に対応する仕様のものが 主流であり、 この場合この 3 0度が凹面鏡 3の入射角の所望の角度であ る。

さらに、 入射する光線の角度が異なれば、 ロッドインテグレータ 1の 垂直方向及び水平方向の一対のそれぞれの側面で適宜全反射される回数 が異なり、 射出面で混合されるため、 入射面では不均一な照度分布であ つても射出面で重畳され、 結果として口ッドィンテグレータ 1の射出端 面 1 3 0 Bでは均一性に優れ、 かつ所望の照明領域とほぼ等しい形状の 照明光束を得ることが可能となる。

但し、 反射回数が多いほど均一性に優れることが一般的であるが、 テ ーパ角と入射光線の反射回数により最大の射出角が決まることを考慮し て、 口ッドィンテグレータ 1の形状を決める必要があることはいうまで もない。

次に、 図 6を用いて口ッドィンテグレータ 1の形状の決定について説 明する。 図 6は、 ロッドインテグレータ 1の上面図である。 ロッドイン テグレータ 1の形状を決定するには、 詳細は数式を参照しながら順次説 明するが、 入射端面 1 3 0 Fに入射する光のうち、 最大角で入射する光 線のテーパ面 1 3 0 R、 1 3 0 Lでの反射回数 （以下、 「反射回数」 とい う） を決定し、 テーパ角 θ T、 入射端面 1 3 0 Fにおける水平方向の寸 法 L ' を導出することが必要となる。

さらに、 射出端面 1 3 0 Βの水平方向の寸法 L、 光源の最大角 Θ ΜΑΧ、 口ッドィンテグレータ 1の屈折率 n dの値が必要となるが、 これらは定 数である。すなわち、寸法 Lはライ トバルブの形状等に応じて決定され、 最大角 6 MAX は、 各光源部の入射角に応じて決定され、 屈折率 n dは口 ッドインテグレータを構成する材料から決定されるためである。 また、 射出角 0 Eの値も必要となるが、 この値は、 最大角 0 MAX に応じて決定 する要求値であり、 これも定数である。

図 6において、 最大角 0MAX (度） で入射端面 1 3 0 Fに入射した光の うち、 屈折直後の射出角を ^ MAX (度） とすると、 スネルの法則より、 下記の式 （2) が成り立つ。

式 （2) 1 X s i η Θ MAX= n d X s i n Θ ' MAX

また、 最大角 Θ で入射端面 1 3 0 Fに入射した光のうち、 射出端 面 1 3 0 Βでの屈折直前の射出角を 0 ' Ε (度） とし、 射出端面 1 3 0 Βでの屈折直後の射出角を ·0 Ε (度） とすると、 同様にスネルの法則よ り、 下記の式 （3) が成り立つ。

式 （3) l X s i n 9 E = n d X s ΐ η θ ' Ε

また、図 6のように、反射面 1 3 0 R、 1 3 0 Lの法線を基準として、 初期入射角 0 R 1 (度） を設定すると、 0 R 1は下記の式 （4) で表わ される。

式 （4) Θ R 1 = 9 0 - ( Θ ' MAX— θ T)

また、図 6のように、反射面 1 3 0 R、 1 3 0 Lの法線を基準として、 反射回数 n (n = 2 , 3， 4 ···) での入射角 0 R n (度） を設定すると、 0 R nは下記の式 （5) で表わされる。

式 （5) 0 R n= 0 R l + 2 X 0 TX (n - l )

式 （4)、 (5) より、 6 R 1を消去すると、 下記の式 （6) が得られ る。

式 （6) Θ R n = 9 0 - ( Θ ' MAX- θ Τ) + 2 Χ Θ ΤΧ (η— 1) 一方、射出端面 1 3 O Bでの屈折前の射出角 θ' Εは、 下記の式（7) で表される。

式 （7) Θ ' E= 9 O - 0 R n- 0 T

式 （7) を変形すると、 下記の式 （8) が得られる。

式 （8) 0 R n= 9 O— E 式 （6)、 （8) の 0 Rn同士は等しいので、 下記式 （9) が得られ、 Θ Tを求めることができる。

式 （ 9 ) θ T = ( θ ' MAX— Θ ' E) / 2 n

一方、 入射端面 1 3 0 Fの水平方向の寸法 L' (mm) は、 公知であ る照明光学系の前後で照明領域の面積と照明光の立体角の積が一定であ ることと同様に考えて、 口ッドィンテグレータ 1の射出面の面積と照明 光の射出角の積と、 透過型ライ トバルブ 6の面積と照明光の立体角の積 が等しくなっていることから、 下記のように表される。

π X L' X V Xsin Θ MAXXsin Θ V= π X L X V Xsin Θ EXsin θ V ただし、 V (mm)は口ッドィンテグレータの垂直方向の寸法であり、 θν (度） は垂直方向の入射最大角、 L (mm) は射出端面 1 3 O Bの水 平方向の寸法である。

この関係により、 L' は下記の式 （1 0) により決定される。

式 （1 0) L' = L X s i η Θ E/ s i η θ MAX

このように、テーパ角 θ Τ、入射端面 1 3 0 Fの水平方向の寸法 L' が 決定されることにより、ロッドィンテグレータ 1の長手方向の寸法 H(m m) は、 下記の式 （1 1) で決定されることになる。

式 （ 1 1) H= (L— L' ) / 2 t a η θ T

以上のように、 寸法 L、 反射回数 n、 最大角 0MAX、 射出角 0 Eを決め れば、 寸法 L' 、 テーパ角 0 T、 長手方向の寸法 Ηを導出することがで き、 ロッ ドインテグレータ 1の形状を決定することができる。

なお、 前記のようにロッドインテグレータ 1の形状は、 前記各式に所 定の数値を代入して理論値を算出することができる。 しかしながら、 凹 面鏡 3の楕円形状、 ランプ 2の管球形状、 ランプの配光特性、 アークの 強度分布を考慮すると、 寸法 Ηの理論値に対して調整が必要な場合もあ る。 また、 算出値に対しては、 許容範囲があり、 前記式 （9) の θ τ (度） は、 下記の範囲であることが好ましい。

[( Θ ' MAX- Θ ¹ ) /2 η] - 1≤ θ Τ≤ [( θ ' MAX- θ ' ) / 2 η ] + 1

また、 '(度） の算出値に対して、 + 5' (分） 以内一 5' (分） 以上の範囲内であればより好ましい。 このような範囲内であれば、 研磨 公差内で作成が可能である。

以下、 前記各式を用いた算出例について説明する。 例えば、 現在は明 るさ向上と装置の小型化を重視した集光角 （入射角) 3 0度程度の楕円 凹面鏡を使用するのが主流となっている。 このことから、 算出例に係る 口ッドィンテグレータ 1は、 この楕円凹面鏡を 2つ用いたものとする。 この場合、 前記式 （1) より、 最大角 Θ MAX は、 6 0度となる。 射出角 θ Eの要求値を 3 0度とすると、 前記式 （2) 〜 （9) より、 テーパ角 6 Tは 1. 6 3 7 34度と求められる。

一方、 ライ トバルブの大きさに応じて射出端面 1 3 0 Bの水平方向の 側面の寸法 Lを 7 · 6 mmとすると、 式 （1 0) より入射端面 1 3 0 B の寸法 L' は 4. 3 8 7 8 6 mmと決定することができる。

また、 式 （1 1) より、 寸法 Hは 5 6. 1 8 6 24 9 Ommと決定.す ることができる。

ただし、 反射回数は 5回とし、 ロッドインテグレータ 1の屈折率 n d は 1. 4 5 8 74として計算した。

なお、 反射回数 n、 最大角 0MAX を変化させた場合のテーパ角 0 T、 寸法 L' 、 寸法 Ηの変化については、 以下の各表に示した。 表 1は ΘΜΑΧ と反射回数 ηからテーパ角 θ Τを計算した結果であり、 表 2は ΘΜΑΧ と 射出端面寸法 Lから入射端面 1 3 0 Fの寸法 L' を計算した結果であり、 表 3は計算したテーパ角 θ Τ、 射出端面 1 3 0 Βの寸法 L及び入射端面 1 3 OFの寸法 L' を用いて、 反射回数 η、 最大角 0MAXを変化させて、 寸法 Ηを計算した結果である。

ただし、 ロッドインテグレータ 1の n dは 1. 4 5 8 74、 射出端面 1 3 0 Bでの射出角 θ Eは 3 0度として計算している。

(表 1 )

(表 2)

(表 3)

このようにして決定された口ッドィンテグレータ 1から射出された光 束は、 少なく とも 1枚から構成されるリレーレンズ系 4及ぴフィールド レンズ 5を介して透過型ライ トバルブ 6を照明する。

透過型ライ トバルブ 6は駆動回路 （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。透過型ライ トバルブ 6に表示された画像は、 投写レンズ 7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。

本実施の形態によれば、 射出端面 1 3 0 Bにおける垂直方向の光の広 がり角を、 入射端面 1 3 0 Fにおける垂直方向の光の広がり角と略同一 にしつつ（図 5参照）、射出端面 1 3 0 Bにおける水平方向の光の広がり 角を、 入射端面 1 3 0 Fにおける水平方向の光の広がり角 （最大角） と 異なるように制御することができる （図 4参照）。

このことにより、例えば入射端面 1 3 0 Fにおいて最大角が 6 0度（図 4の 2 Θ ) ,中心線 1 0 3に対する垂直方向の広がり角が 3 0度（図 5の Θ " ) である光について、 射出端面 1 3 0 Bにおける水平方向の光の広 がり角 （図 4の 0 ' ) と、 垂直方向の光の広がり角 （図 4の 0〃 ） とを 同じ 3 0度にすることができる。

したがって、 光源を 2個用いた場合には、 射出端面 1 3 0 Bから射出 される光の広がり角度は、 水平方向の最大値と垂直方向の最大値とが同 じ 6 0度となり、 高輝度かつ均一な光を得ることができることになる。 輝度に関しては、 1つの光源部で実現される場合の輝度に比べ 1 . 7〜 1 . 8倍程度にすることが可能となる。 また、 1つの光源部を交互に使 用することにより、各光源部の光源が切れるまでの時間が長くなるので、 光源が 1つである装置と比べ、 光源寿命を 2倍程度にすることも可能と なる。

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 の進行順に光源 2からリレーレンズ系 4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。

(実施の形態 2 )

図 7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。 図 7に示 した構成は、 図 1に示した構成に比べ、 2つの光源部 1 0 1、 1 0 2の 配置が異なっており、 第 1の反射手段 4 8、 第 2の反射手段 4 9が設け られている。 . 本実施の形態では、 第 1の反射手段、 第 2の反射手段として、 合成用 プリズム 4 8、 4 9を用いている。 この合成用プリズム 4 8、 4 9は、 耐熱性の良好なガラス材料で形成しており、 反射面には反射率の良好な 誘電体多層膜をコーティングしている。 '

また、誘電体多層膜をコーティングした反射ミラーでもよい。ただし、 アルミ又は銀を蒸着したプリズムや反射ミラーを用いる場合には、 合成 部の全段に紫外線を除去するフィルターを挿入する必要がある。

第 1の反射手段 4 8は、 光源部 1 0 2からの光を口ッドィンテグレー タ 1の入射端面 1 3 0 Fに導くものであり、 第 2の反射手段 4 9は、 光 源部 1 0 1からの光をロッドィンテグレータ 1の入射端面 1 3 0 Fに導 く ものである。 第 1の反射手段 4 8、 第 2の反射手段 4 9は、 上面から 見た場合、 ロッドインテグレータ 1の入射端面 1 3 0 Fと反対側に開口 した略くの字型 （入射端面 1 3 0 F側から見て略 V字型） になるように 配置されている。 このような配置とすることにより、 第 1の反射手段 4 8、 第 2の反射手段 4 9の反射面の傾斜角度を、 最大角の 1 / 2の角度 にしている。

本実施の形態は、 第 1の反射手段 4 8と第 2の反射手段 4 9を用いる ことで、 光源部 1 0 1、 1 0 2の配置の自由度は高くなり、 図 7の例で は、 光源部 1 0 1と光源部 1 0 2とは、 水平方向において互いに向かい 合うように配置されている。 すなわち、 光源 2同士、 凹面鏡 3同士は、 水平方向において互いに向かい合つている。 各光源 2より射出する光束 は、 各凹面鏡 3で反射された後、 それぞれ、 第 1の反射手段 4 8、 第 2 の反射手段 4 9で反射される。 この反射光は、 ロッドインテグレータ 1 の中心線 1 0 3に対し互いに等しい角度 0で入射端面 1 3 0 F近傍、 す なわち凹面鏡 3の第 2焦点近傍に収束照射される。

図 8は、本実施の形態に係る光学系概念図の側面図である。点線部は、 スクリーン （図示せず） 位置に対応させて仰角方向の設置調整角 9を調 整した状態を示す。 通常、 光源は光軸方向に傾けると熱等の影響により その寿命を短くすることとなる。 本実施の形態では、 2つの光源部 1 0 1、 1 0 2の各凹面鏡 3の光軸と投写レンズ 7の光軸とが垂直になるよ うに配置されているため、 光源部の光軸は設置調整角 9が変化しても傾 かないことになる。

このように、 本実施の形態によれば、 光源 2及ぴ凹面鏡 3は、 その光 軸を中心に設置調整角 9の角度分だけ回転しても、 光軸の位置は変化せ ず、 水平点灯が継続され仕様に変化が生じない。 このため、 装置そのも のを傾けて設置しても、 光源の寿命を損ねる可能性が少なく、 信頼性の 高い装置することができる。

(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。 ただし、 光源部 1 0 1、 1 0 2の図示はより具体的なものとし、 凹面鏡 3は断面 状態で図示した （以下の各図も同じ）。

図 9に示した構成は、図 1に示した構成に比べ、 2つの光源部 1 0 1、 1 0 2の配置が異なっており、合成用ミラー 6 1 (第 1の反射手段）、合 成用ミラー 6 2 (第 2の反射手段） が設けられている。 合成用ミラー 6 1、 6 2は、例えば誘電体多層膜をコーティングした反射ミラーである。 また、 ロッドインテグレータ 1自体の構成は、 実施の形態 1と同様で あるが、 本実施の形態でロッドインテグレータ 1は、 実施の形態 1の配 置に対して、中心軸 1 Q 3回りに 9 0度回転した状態で配置されている。

したがって、実施の形態 3においても、 「垂直方向」、 「水平方向」の定 義を実施の形態 1で説明した定義を用いれば、 図 9の紙面に水平な方向 が 「垂直方向」、 紙面に垂直な方向が 「水平方向」 となる。

光源 2同士、 凹面鏡 3同士は、 垂直方向において互いに向かい合って いる。 また、 合成用ミラー 6 1、 6 2の反射面は、 それぞれランプ 2と 向かい合つている。 また、 合成用ミラー 6 1、 6 2の反射面は、 それぞ れ垂直方向において 4 5度傾いて配置されており、 合成用ミラー 6 1と 合成用ミラー 6 2とでは傾き方向が逆になつている。 このことにより、 各ランプ 2からの光束は、 合成用ミラー 6 1の反射面、 及び合成用ミラ 一 6 2の反射面によって 9 0度折り曲げられ、 口ッドィンテグレータ 1 の入射端面 1 3 0 Fに導かれることになる。

また、 合成用ミラー 6 1の反射面は、 水平方向において凹面鏡 3の集 光角の 1 / 2である 1 5度傾いて（図 9の矢印 c方向）配置されており、 合成用ミラー 6 2の反射面は、 水平方向において凹面鏡 3の集光角の 1 / 2である 1 5度傾いて （図 9の矢印 d方向） 配置されている。

ここで、 図 1 0 Aは、 図 9に示した装置をロッドインテグレータ 1の 射出端面 1 3 0 B側から見た図を示している。 本図に示したように、 光 源部 1 0 1及び光源部 1 0 2は、 光源部 1 0 1の凹面鏡 3の光軸と光源 部 1 0 2の凹面鏡 3の光軸とが、 ロッ ドインテグレータ 1の中心線 1 0 3と交差しないように配置されている。 すなわち、 両光軸は互いに平行 になるように離れており、 両光軸はいずれも口ッドィンテグレータ 1の 中心線 1 0 3と交差していない。 このような光源部 1 0 1、 1 0 2の配 置に、 合成用ミラー 6 1、 6 2の配置を対応させている。

図 1 0 Bは、 ロッドィンテグレータ 1の入射端面 1 3 0 F近傍の側面 図を示している。 また、 図 1 3は、 合成用ミラー 6 1、 6 2の配置の一 例の斜視図であり、 合成用ミラー 6 1、 6 2の配置の理解を容易にする ため図示したものである。 これらの各図により、 光源部 1 0 1、 1 0 2 からの光束は、 合成用ミラー 6 1、 6 2の傾斜面で反射することが分か る。

前記のような合成用ミラー 6 1、 6 2の反射面の傾き、 及び合成用ミ ラー 6 1、 6 2、 左右 2つのランプ 2の水平方向のずれにより、 ランプ 2からの光は、 合成用ミラー 6 1、 6 2で反射されて、 中心線 1 0 3に 対し互いに等しい入射角 0 (3 0度） で入射端面 1 3 O F近傍、 すなわ ち 面鏡 3の第 2焦点近傍に収束照射されることになる。

この場合、 入射端面 1 3 O Fには、 各凹面鏡 3からそれぞれ最大角 2 Θ (6 0度） の光が入射し、 最大 1 20度の光がロッドインテグレータ 1の入射端面 1 3 0 Fに入射することになる。 本実施の形態は、 ロッド ィンテグレータ 1のテーパ面は水平方向に配置されているので、 最大 1 20度の光はテーパ面で反射し、 前記実施の形態 1と同様に、 射出端面 1 0 3 Bの最大射出角度を約 6 0度に制御することが可能となる。

また、 本実施の形態は、 前記のように、 光源部 1 0 1、 1 0 2を、 光 源部 1 0 1の凹面鏡 3の光軸と光源部 1 0 2の凹面鏡 3の光軸とが、 口 ッドィンテグレータ 1の中心線 1 0 3と交差しないように配置し、 これ に対応させて合成用ミラー 6 1、 6 2を配置している。このことにより、 前記実施の形態 2の合成用プリズムで生ずる光線の使用できない部分 (図 7の斜線部） が解消され、 さらに高輝度かつ均一な画像が得られる 装置を実現することができる。

また、 2つの光源部の各凹面鏡の光軸と投写レンズ 7の光軸とが垂直 になるように配置することで、 装置そのものを傾けて設置しても、 光源 の破裂の危険性が少なく、 信頼性の高い実現できることは、 前記実施の 形態 2と同様である。

(実施の形態 4 )

図 1 1は、 実施の形態 4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。 図 1 2 は、 図 1 1に示した装置を口ッドィンテグレータ 1の射出端面 1 3 0 B 側から見た図を示している。 図 1 1、 1 2に示したように、 光束の進行 順に、 光源 2からロッドインテグレータ 1までの構成は、 前記実施の形 態 4と同様である。

図 1 1に示したように、 口ッドィンテグレータ 1から射出された光束 は、 カラーホイール 1 1、 少なく とも 1枚から構成されるリレーレンズ 系 4、 全反射ミラー 1 2、 フィールドレンズ 5、 及び全反射プリズム 1 3を経て反射型ライ トバルブ 1 4を照明する。ライ トバルブ 1 4により、 光学像を形成する変調光が射出される。ライ トバルブ 1 4からの光束は、 全反射プリズム 1 3を経て投写レンズ 7に至り、 投写レンズ 7は、 ライ トバルブ 1 4の形成した光学像を投写することになる。

口ッドィンテグレータ 1の射出端面 1 3 0 B近傍に配置されたカラー ホイール 1 1は、 カラー表示を可能にさせるものである。 カラーホイ一 ル 1 1は、 少なく とも赤、 青、 緑の 3原色を透過させるダイクロイツク フィルターからなり、 かつ回転することにより白色光を時分割で色分解 することができる。 カラーホイール 1 1は、 構成するダイクロイツクミ ラーにコーティングされる薄膜の特性上、 入射角 3 0度程度に対応する 仕様のものが主流であり、 この場合この 3 0度が入射角の所望の角度で ある。

全反射ミラー 1 2及び全反射プリズム 1 3は光回転手段を構成してお り、 ロッ ドインテグレータ 1から射出される光束を、 ロッ ドインテグレ ータの中心線 1 0 3の方向から見た場合に、 中心線 1 0 3を中心として 回転させるように配置されている。 この回転角度は、 反射型ライ トバル ブ 1 4の配置に合わせて決定され、 本図の例では 9 0度である。

この構成により、 ロッドィンテグレータ 1の射出面 1 3 0 Bから射出 される照明光は、 9 0度回転した状態で反射型ライ トバルブ 1 4を照明 することになる。 回転角度は、 全反射を利用して反射型ライ トバルブ 1 4に光束を導く全反射プリズム 1 3の空気との界面の角度と、 全反射ミ ラー 1 2の角度を所望の角度にすることにより調整することができる。 このように光回転手段を設けたのは、 集光効率をさらに向上させるた めである。 例えば、 反射型ライ トバルブ 1 4の面積が十分な場合、 つま りロッドィンテグレータ 1の射出面の短辺寸法が十分な長さをとること が可能である場合には問題にならないが、 セットのサイズを小型化する ためにライ トバルブのサイズも小型化され、 例えば対角寸法 1 7 . 7 8 m mの反射型ライ トバルブを.使用し、 照明光の集光角を Fナンバー 2に 相当させた場合、 ロッドインテグレータ 1の射出面の短辺寸法は、 約 6 m mにする必要がある。 この場合、 射出面の短辺寸法の約 6 m mを基準 にテーパ角を付けることにより、 さらに入射面の寸法が短くなり集光効 率が減少する。

この問題を解決するために、 ロッドインテグレータ 1の長辺寸法側に テーパ角を備えて集光効率を向上させ、 かつ全反射ミラー 1 2と全反射 プリズム 1 3で照明光を、 反射型ライ トバルブの配置に合わせて回転さ せた構成をとることにより、 反射型ライ トバルブの光利用効率を最大に し、 さらに高輝度かつ均一化させた照明装置を実現することができ、 前 記照明装置を備えた投写型画像表示装置を実現することができる。

但し、 照明光学系の前後で照明領域の面積と照明光の立体角の積が一 定であることは公知であるが、 口ッドィンテグレータ 1の射出面の面積 と照明光の射出角の積と、 反射型ライ トバルブ 1 4の面積と照明光の立 体角の積が等しくなっていることはいうまでもない。

また、 図 1 2に示したように、 前記実施の形態 3と同様に、 光源部 1 0 1、 1 0 2を、 光源部 1 0 1の囬面鏡 3の光軸と光源部 1 0 2の凹面 鏡 3の光軸とが、 口ッドィンテグレータ 1の中心線 1 0 3と交差しない ように配置し、 これに対応させて合成用ミラー 6 1、 6 2を配置してい る。 このことにより、 より高輝度かつ均一な画像を実現することができ る。

ここで、 本実施の形態のように、 ロッドインテグレータを、 中心線 1 0 3を中心として回転させて配置した場合は、 この回転角度に応じて、 左右 2つのランプ 2の配置も変化することになる。この場合であっても、 図 1 2に示した光源部 1 0 1、 1 0 2と合成用ミラー 6 1、 6 2との間 の位置関係を維持したまま、 これらを中心線 1 0 3を中心として回転さ せて配置すれば、 前記のような回転した口ッドィンテグレータの配置に も対応できることになる。

また、 反射型ライ トバルブ 1 4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 1 4に表示された 画像は、 全反射プリズム 1 3及び投写レンズ 7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。

(実施の形態 5 )

前記各実施の形態は、 光源部が 2個の実施の形態であるが、 実施の形 態 5は光源部が 4個の例である。 図 1 4Aは、 実施の形態 6に係る投写 型画像表示装置光の上面図であり、 図 1 4 Bは側面図である。

本実施の形態に係る投写型画像表示装置は、 4つの光源部 20 1— 2 04と、 ロッドインテグレータ 20と、 ロッドインテグレータ 20から 射出された光束を導く リ レーレンズ系 4と、 フィールドレンズ 5と、 リ レーレンズ系 4から導かれた光束を変調し、 画像を形成する透過型ライ トバルブ 6と、 ライ トバルブ 6の形成した画像を投写する投写レンズ 7 とを えている。 20 6は、ロッドィンテグレータ 20の中心線である。 各光源部 20 1— 204は同じ構成であり、 それぞれ光源 200と、 光源 2からの光を集光する集光光学系である凹面鏡 20 5とを備えてい る。 図 1の構成に比べ光源部の数が異なるが、 各光源部の構成は図 1の 光源部と同様である。

図 1 5はロッドィンテグレータ 20の斜視図であり、 図 1 6 Aは上面 図、 図 1 6 Bは、 側面図、 及び左右の側面図である。 図 1 5に示すよう に、 ロッドインテグレータ 20は入射端面 2 30 Fを上底とし、 射出端 面 2 3 0 Bを下底とし、 4面の側面 （2 3 0 T、 2 3 0 U、 2 3 0 L、

2 3 O R) を備えた柱状光学素子である。

前記実施の形態の図 2に示した口ッドィンテグレータ 1は、 互いに向 かい合う 2対の側面のうち、 テーパ面が形成されているのは、 1対の両 側面 1 3 0 L及ぴ 1 3 0 Rだけであるのに対して、 本実施の形態では、 2対の側面の双方にテーパ面が形成されている。

すなわち、 向かい合う側面 2 3 0 L及び 2 3 0 Rは、 入射端面 1 3 0 Fから射出端面 1 3 0 Bに向けて、 両側面 2 30 L及び 2 3 0 Rが互い に離れるように、 平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かいあ つており （図 1 6 A参照）、 このことは、 向かい合う側面 2 3 0 T及び 2

3 0 Uについても同様である （図 1 6 B参照）。 前記のように、 ロッドインテグレータ 1の入射端面 2 3 0 Fは、 凹面 鏡 2 0 5の第 2焦点近傍に配置されており、 入射した光束はロッドイン テグレータ 2 0の垂直方向及ぴ水平方向の側面で適宜全反射されロッド ィンテグレータ 2 0の射出面 2 3 0 Bより射出する。

図 1 4 Aにおいて、 一対の光源部 2 0 1と光源部 2 0 2の 2個の光源 部が、 水平方向 （矢印 a方向） に配置されている。 この場合、 紙面の裏 側については、 一対の光源部 2 0 3と光源部 2 0 4の 2個の光源部が、 同様に配置されている。 また、 図 1 4 Bにおいて、 一対の光源部 2 0 1 と光源部 2 0 3の 2個の光源部が、 垂直方向 （矢印 b方向） に配置され ている。 この場合、 紙面の裏側については、 一対の光源部 2 0 2と光源 部 2 0 4の 2個の光源部が、 同様に配置されている。

本実施の形態では、 光源部の個数は 4個であるが、 水平方向に配置さ れているのは 2個であり、 垂直方向に配置されているのも 2個である。 すなわち、 本実施の形態 6の光源部の構成は、 水平方向又は垂直方向 に 2個の光源部が配置された光源部に並列に、 さらに 2個の光源部が配 置されていることになる。 本実施の形態 6では、 2対のテーパ面のそれ ぞれに対応するように光源部を設けているので、 光源部の個数が合計 4 個になっている。

次に、 ロッドインテグレータ 2 0の基本動作を説明する。 図 1 7は入 射した光線の動作を示すロッ ドインテグレータ 2 0の上面図であり、 図 1 8は入射した光線の動作を示す口ッドィンテグレータ 2 0の側面図で ある。

図 1 7の図示は、 最大角 （2 0 ) で入射端面 2 3 0 Fに入射した光線 力 S、 ロッドインテグレータ 2 0内で反射され、 射出端面 2 3 0 Bから射 出する様子を示している。 図 1 7に示したように、 最大角 2 Θで入射し た光線は、 ロッドインテグレータ 2 0の一対のテーパ面 2 3 0 L、 2 3 0 Rで適宜全反射されることにより、 最大角 2 Θ とは異なる角度 Θ ' で 射出端面 1 3 O Bから射出されることになる。

このことは、 図 1 8においても同様であり、 最大角 2 Θで入射した光 線は、 ロッ ドインテグレータ 2 0の 1対のテーパ面 2 3 0 T、 2 3 0 U で適宜全反射されることにより、 最大角 2 Θとは異なる角度 で射出 端面 1 3 0 Bから射出されることになる。

すなわち、 本実施の形態によれば、 水平方向に 2 0で入射端面 2 3 0 Fに入射した光線、 垂直方向に 2 Θで入射端面 2 3 0 Fに入射した光線 のいずれについても、 射出端面 1 3 0 Bにおいて角度 Θ ' で射出される ことになる。

本実施形態は、 光源部の数が合計 4個と多く、 前記のように、 水平方 向、 垂直方向の双方において、 射出端面における光の広がり角を入射端 面における光の広がり角より小さくできるので、 より高輝度な光を望む 場合に有利である。

(実施の形態 6 )

前記実施の形態 1は、 口ッドィンテグレータ 1に入射する光の入射角 と集光角とが同じである例で説明したが、 本実施の形態 6は、 入射角が 集光角より小さい実施の形態である。

図 1 9は、 実施の形態 6に係る光学系概念図の上面図を示している。 本図の構成は、 入射角と集光角との関係を除けば、 実施の形態 1の図 1 に示した構成と同様の構成であるので、 図 1と同一符号を用いて、 各部 の説明は省略する。

図 1 9において、 は入射角、 0 cは集光角である。 本図の構成で は、 入射角 θ Eは集光角 0 cより小さくなっている。

本実施の形態では、 図 4において、 入射端面 1 3 0 Fにおける 2 0が θ E + Θ cとなるが、 射出端面 1 3 0 Bにおいては、 入射端面 1 3 0 F とは異なる角度 となることは、 実施の形態 1と同様である。 また、 図 5に示したように、 入射角 0〃 が保存伝達されて射出されることも同 様である。

例えば、 最大角である 6 E+ 0 Cが 5 1度 （0 E = 2 1度） で入射し た光を、 射出角 0 ' を約 3 0度にして射出させることができる。 この場 合、 ロッ ドインテグレータ 1の射出面の水平有効寸法は 7. 5mm、 テ 一パ角は約 1. 5 1 84 8度、 長さは 5 0. 448 5 mm、 長手方向の 側面での反射回数は 4回とし、 口ッドィンテグレータ 1の硝子材料に耐 熱性、 光学特性の良好な石英 （屈折率 n d = l . 4 5 8 5 9) とした。 また、 図 5における入射角 θ〃 が.3 0度である場合は、 角度は保存伝達 され 3 0度で射出されることになる。

以下の表 4に、 入射角を変化させた場合のテーパ角 θ Τ、 入射面寸法 L'、ロッドィンテグレータ長さ Μ及び集光効率の最大値を 1に規格化し た計算値を示している。 伹し、 前記ロッドインテグレータ射出面の有効 寸法は、 水平有効寸法 7. 5 (mm), 垂直有効寸法 5. 8 (mm) であ り、集光効率の計算値には、ほぼ理想的なリ レーレンズ系を用いている。 また、 反射回数 （n) を 3、 4、 5回とした。

表 4の例では、 集光角 ø cは 3 0度に固定し、 入射角 θ Eを 1 5度か ら 3度ずつ増加させ 3 0度まで変.化させている。 入射角 θ Eが 3 0度の 場合を除き、 入射角が集光角より小さい関係になっている。 表 4中の E は、 集光効率である。 集光効率とは、 光源及びレンズ、 ミラー等の光学 デバイスをモデル化し、 光源から射出される所望の光線が投写されるス クリーンに、 どれだけの光線が到達するかを照明光学系評価用シュミレ ーシヨ ンソフ トを使用して計算したものである。 表 4に示した値は、 口 ッドインテグレータの各々の反射回数毎に、 最大値を 1として規格化し ている。 (表 4 )

この表 4の数値を用い集光効率と入射角との関係を図示したのが、 図 2 0である。 横軸 6は入射角であり、 縦軸 Eは集光効率である。

図 1 9において、 横軸 0 = 3 0度のときは、 集光角はこれと同じ 3 0 度であるが、 これ以外では入射角 0は集光角より小さくなつている。 図 2 0から分るように、 集光効率は入射角と集光角とが等しい横軸 Θ = 3 0度のときに最も小さくなつており、 集光角の 7 0 %を入射角とした 0 = 2 1度のときに最大値になっている。

すなわち、表 4、図 2 0によれば、集光角より入射角を小さくすると、 装置の明るさを向上させることが可能となることが分る。 この場合、 集 光効率は、 入射角 0の集光角に対する比率が 6 0 % ( 0 = 1 8度） 以上 8 0 % ( 0 = 2 4度） 以下の範囲で、 特に良好な値を示している。

なお、 光源 2個の場合で説明したが、 本実施の形態を前記実施の形態 5のような光源 4個の構成に適用

また、 前記各実施の形態のうち、 ロッドインテグレータ 1の一対の向 かい合う側面が互いに平行な平面であり、 他方の一対の向かい合う側面 が所定の角度の傾きをもって向かい合う平面である構成において、 口ッ ドィンテグレータ 1は一対の向かい合う側面は少なく とも一部に互いに 平行な平面を有し、 他方の一対の向かい合う側面は少なく とも一部に所 定の角度の傾きをもって向かい合う平面を有するものであってもよい。 それは、 一対の互いに所定の角度の傾きをもって向かい合う平面間を光 束が反射することで、 射出角を所望の角度に狭め、 かつ均一な照明が可 能だからである。 この点は実施の形態 1から 5についても同様である。 また、 口ッドィンテグレータ 1の射出端面 1 3 0 Bは、 製造上、 研磨 'する必要がある。 ところがこの研磨工程で口ッドィンテグレータ 1の端 部、 すなわち射出端面 1 3 0 Bの 4辺のエッジや四隅のコーナが欠ける ことがある。 この欠けの大きさは 0 . 1 m m以上になることもある。 射出端面 1 3 0 Bでの欠けは、 均一照射に悪影響を及ぼし、 照射にむ らをつくることになる。

そこで、 射出端面 1 3 0 Bの 4辺のエッジ長さを所望の基準長さしに 対して、 余裕寸法を付加した長さ L 1に基いて、 ロッドインテグレータ の形状を決定することが好ましい。 このことにより、 射出端面 1 3 0 B の 4辺のエツジゃ四隅のコーナが欠けによる影響が均一照射に悪く作用 することを防止できる。 余裕寸法は、 例えば 0 . 2 m m以内の範囲内で ある。 このことは、 実施の形態 1から 5についても同様である。

また、 前記各実施の形態において、 ロッドインテグレータは、 ガラス 材料の例で説明したが、 4つの内壁面をミラーで形成し、 内側が空洞に なっている柱状光学素子としてもよい。 この構成においても、 入射した 光束は、 内壁面のミラーで適宜全反射されて射出することになる。 産業上の利用可能性

以上のように、 本発明によれば、 射出端面における水平方向の光の広 がり角を、 入射端面における水平方向の光の広がり角と異なるように制 御することができるので、 高輝度かつ均一な光を得ることができる。 こ のため、 本発明は、 ロッドインテグレータを備えた照明装置や投写型画 像表示装置に有用である。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . ランプ及び凹面鏡を含む光源部と、

口ッドィンテグレータと、

前記口ッドィンテグレータから射出された光束を導く リレーレンズ系 とを備えた照明装置であって、

前記ロッドインテグレータは、 入射端面を上底、 射出端面を下底とす る柱状光学素子であり、

前記射出端面の長辺方向を水平方向、 短辺方向を垂直方向とすると、 前記柱状光学素子の前記上底及び前記下底以外の 4面の側面のうち、 1対の向かい合う側面は、 前記入射端面から前記射出端面に向けて両側 面が互いに前記水平方向又は前記垂直方向に離れるように、 平面同士が 互いに所定の角度の傾きをもって向かい合ったテーパ面を形成しており、 前記光源部からの光は、 前記口ッドィンテグレータの入射端面近傍に 収束照射され、

前記光源部は、 前記水平方向又は前記垂直方向に 2個配置されている ことを特徴とする照明装置。

2 . 前記柱状光学素子の上底及び下底以外の 4面の側面のうち、 一方の 向かい合う側面は、 平面同士が互いに平行に向かいあった部分を形成し ており、 他方の向かい合う側面は、 前記入射端面から前記射出端面に向 けて両側面が互いに離れるように、 平面同士が互いに所定の角度の傾き をもって向かいあったテーパ面を形成している請求項 1に記載の照明装

3 .前記 2個の光源部に並列に、さらに 2個の光源部が配置されており、 前記柱状光学素子の上底及び下底以外の 4面の側面のうち、 2対の向か い合う側面はいずれも、 前記入射端面から前記射出端面に向けて両側面 が互いに離れるように、 平面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向 かいあったテーパ面を形成している請求項 1に記載の照明装置。

4 . 前記 2個の光源部を、 それぞれ第 1の光源部、 第 2の光源部とする と、 前記第 1の光源部からの光を前記口ッドィンテグレータの入射端面 に導く第 1の反射手段と、 前記第 2の光源部からの光を前記ロッドイン テグレータの入射端面に導く第 2の反射手段とをさらに備えた請求項 1 に記載の照明装置。

5 . 前記口ッドィンテグレータの前記射出端面から射出される光の広が り角度は、 水平方向の最大値と垂直方向の最大値とが略同一である請求 項 1に記載の照明装置。

6 . 前記一対の互いに平行な平面の法線方向を第 1の方向、 前記ロッド ィンテグレータの中心線と直交し、 かつ前記第 1の方向と直交する方向 を第 2の方向とすると、

前記口ッドィンテグレータの前記入射端面に入る光の広がり角度は、 第 1の方向の最大値に比べ、 第 2の方向の最大値が大きくなるように、 前記 2つの光源部は配置されており、

第 2の方向の最大値に対応した光は、 前記口ッドィンテグレータの前 記テーパ面で反射され、 第 1の方向の最大値に対応した光は、 前記ロッ ドィンテグレータの互いに平行な平面で反射され、

前記射出端面における光の広がり角度は、 第 1の方向の最大値が、 前 記入射端面における第 1の方向の最大値と略同一であり、 第 2の方向の 最大値が、 前記入射端面における第 2の方向の最大値より小さくなって いる請求項 2に記載の照明装置。

7 . 前記第 1の光源部の射出方向に前記第 2の光源部があるように向か い合って配置されている請求項 4に記載の照明装置。

8 . さらに投写レンズを備えており、 前記 2つの光源部の凹面鏡の光軸 と前記投写レンズの光軸とが垂直である請求項 7に記載の照明装置。

9 . 前記第 1の光源部及び前記第 2の光源部は、 前記第 1の光源部の凹 面鏡の光軸と前記第 2の光源部の凹面鏡の光軸とが、 前記ロッドインテ グレータの中心線と交差しないように配置されている請求項 7に記載の 照明装置。

1 0 . 前記ロッドインテグレータの中心線と前記凹面鏡の頂点を通る前 記凹面鏡の光軸とがなす角度を入射角とし、

前記凹面鏡の有効開口の最外周部から射出した光束が、 前記入射端面 において前記口ッドィンテグレータの中心線となす角度を最大角とし、 前記最大角と前記入射角との差を集光角とすると、

前記入射角は前記集光角より小さい請求項 1に記載の照明装置。

1 1 .前記入射角の前記集光角に対する比率が、 6 0 %以上 8 0 %以下の 範囲である請求項 1 0に記載の証明装置。

1 2 . ランプ及び凹面鏡を含む光源部と、

ロッドインテグレータと、

前記口ッドィンテグレータから射出された光束を導く リレーレンズ系 と、

前記リ レーレンズ系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、

前記ライ トバルブの形成した画像を投写する投写レンズとを備えた投 写型画像表示装置であって、

前記ロッドインテグレータは、 入射端面を上底、 射出端面を下底とす る柱状光学素子であり、

前記射出端面の長辺方向を水平方向、 短辺方向を垂直方向とすると、 前記柱状光学素子の前記上底及び前記下底以外の 4面の側面のうち、 1対の向かい合う側面は、 前記入射端面から前記射出端面に向けて両側 面が互いに前記水平方向又は前記垂直方向に離れるように、 平面同士が 互いに所定の角度の傾きをもって向かい合ったテーパ面を形成しており、 前記光源部からの光は、 前記口ッドィンテグレータの入射端面近傍に 収束照射され、

前記光源部は、 前記水平方向又は前記垂直方向に 2個配置されている ことを特徴とする投写型画像表示装置。

1 3 . 前記柱状光学素子の上底及び下底以外の 4面の側面のうち、 一方 の向かい合う側面は、 平面同士が互いに平行に向かいあった部分を形成 しており、 他方の向かい合う側面は、 前記入射端面から前記射出端面に 向けて両側面が互いに離れるように、 平面同士が互いに所定の角度の傾 きをもって向かいあったテーパ面を形成している請求項 1 2に記載の投 写型画像表示装置。

1 4 . 前記 2個の光源部に並列に、 さらに 2個の光源部が配置されてお り、 前記光源部の個数の合計が 4個であり、 前記柱状光学素子の上底及 ぴ下底以外の 4面の側面のうち、 2対の向かい合う側面はいずれも、 前 記入射端面から前記射出端面に向けて両側面が互いに離れるように、 平 面同士が互いに所定の角度の傾きをもって向かいあったテーパ面を形成 している請求項 1 2に記載の投写型画像表示装置。

1 5 . 前記 2個の光源部を、 それぞれ第 1の光源部、 第 2の光源部とす ると、 前記第 1の光源部からの光を前記ロッドインテグレータの入射端 面に導く第 1の反射手段と、 前記第 2の光源部からの光を前記口ッドィ ンテグレータの入射端面に導く第 2の反射手段とをさらに備えた請求項 1 2に記載の照明装置。

1 6 . 前記第 1の光源部の射出方向に前記第 2の光源部があるように向 かい合って配置されている請求項 1 5に記載の投写型画像表示装置。

1 7 . さらに投写レンズを備えており、 前記 2つの光源部の凹面鏡の光 軸と前記投写レンズの光軸とが垂直である請求項 1 6に記載の投写型画 像表示装置。

1 8 . 前記第 1の光源部及び前記第 2の光源部は、 前記第 1の光源部の 凹面鏡の光軸と前記第 2の光源部の囬面鏡の光軸とが、 前記ロッドイン テグレータの中心線と交差しないように配置されている請求項 1 6に記 載の投写型画像表示装置。

1 9 . 前記ロッドインテグレータの中心線と前記凹面鏡の頂点を通る前 記凹面鏡の光軸とがなす角度を入射角とし、

前記凹面鏡の有効開口の最外周部から射出した光束が、 前記入射端面 においてなす角度を最大角とし、

前記最大角と前記入射角との差を集光角とすると、

前記入射角は前記集光角より小さい請求項 1 2に記載の投写型画像表 示装置。

2 0 . 前記ロッドインテグレータから射出される光束を、 前記ロッドィ ンテグレータの中心線を中心に、 前記ライ トバルブの配置に合わせて回 転させて前記ライ トバルブに導く光回転手段を備えた請求項 1 2に の投写型画像表示装置。