JP4497507B2 - 照明光学系およびこれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光体およびリフレクタを備えた光源部を用いて被照明体を照明する照明光学系に関するもので、特に、照明光束をライトバルブにより光変調し、この投映光束によりスクリーン上に画像を拡大投映する投写型表示装置に好適な照明光学系、およびこれを用いた投写型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、投写型表示装置においては明るい場所での投写でも問題なく利用できるよう、明るい投写型表示装置の開発が進められている。明るさの向上に大きく寄与する要素として、ライトバルブと並び、照明光学系の開発が進められている。例えば、特許文献１に記載されるような、複数の光源部を備えた照明光学系により光量増加を図るという構成がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２１９９６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように明るい光源部を数多く用いた照明光学系の構成により明るさを向上させるという手法は、従来より数多く提案されている。なかでも、コスト的に有利でかつ明るい光源部としては、リフレクタを備えた光源部が多く用いられている。しかし、同程度に明るい光源部を、多数用いた照明光学系は、これらの光源部およびこれらの光源部からの光束を合成する手段を配する必要があるため、大型化を免れない。
【０００５】
照明光学系から出射される総量としての光量をできるだけ増加させることを最優先の目的とする場合はこのような構成も有効であるが、一方では、従来よりあるリフレクタを備えた光源部を改良し、構成の変更も少なく、照明光学系のサイズもコンパクトに、かつ、でき得る限り明るさ向上も図りたいという要望も存在する。従来よりあるリフレクタを備えた光源部、およびそれに対応した照明光学系や投写型表示装置の構成を少ない変更で利用することができれば、コスト的にも有利となる。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、光源とリフレクタよりなる光源部から出射される光束の光量分布に着目し、従来からあるこのタイプの光源部に対し大きな設計変更を施すことなく、コンパクトでありながら、照明効率が高く、明るく均一な照明を行ない得る照明光学系およびこれを用いた投写型表示装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の照明光学系は、発光体およびこの発光体から出射された光を被照明体側に反射するリフレクタを備えた主要光源部と、この主要光源部からの光束の光量均一化を図る主要インテグレータ部と、前記主要光源部から出射された光束の外周部の光束低密部に光束を補うように光束を出射する外周補助光源部と、この外周補助光源部からの光束の光量均一化を図る外周補助インテグレータ部とを備えた照明光学系であって、
該照明光学系の瞳面と前記主要光源部から出射された光束による照射面とが、前記照明光学系の瞳位置で光軸と直交する断面において部分的に互いに重なるよう構成され、該断面において、前記瞳面と前記照射面とが重ならない部分のうち該瞳面が該照射面より突出する部分に光束を補うように光束を出射する前記外周補助光源部を備え、
該外周補助インテグレータ部は、前記主要インテグレータ部とは別体のフライアイから構成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、上記「主要インテグレータ部」および上記「外周補助インテグレータ部」の用語は機能的に表現したものであって、実際の形態としては、これらが別体とされている場合に限られず、一体とされている場合も含まれるものとする。また、これら２つのインテグレータ部を共通化する場合も含まれる。
【００１１】
また、前記外周補助光源部が複数個の光源を備えてなることが好ましい。また、前記外周補助光源部が、前記外周部の光束低密部の、前記リフレクタの光軸に対し互いに略回転対称となる位置に光束を出射する複数個の光源を備えてなることがより好ましい。
【００１２】
また、前記リフレクタが、光軸に直交する断面において略長方形状となる光束を出射する角型リフレクタとされていてもよい。
また、前記リフレクタが放物面鏡であることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る投写型表示装置は、上記いずれかの照明光学系を備え、この照明光学系からの光束により、所定の画像情報に基づいて照明光束の光変調を行なう少なくとも１つのライトバルブを照明し、このライトバルブからの画像情報を担持した光束を、投写光学系を介し投写することを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、本発明の参考例および実施例に係る照明光学系を例として説明する。
【００１５】
＜参考例１＞
図１（ａ）は参考例１に係る照明光学系の断面図であり、図１（ｂ）はこの照明光学系を被照明体側（矢印Ａ方向）から見た図であり、図１（ｂ）のＢ断面図が図１（ａ）となる。なお、図１（ａ）、および以下の図３（ａ）、４（ａ）、６において、各部材はその断面形状を重点的に記載したものであって、遠方の端面の記載を省略しているものがある。この照明光学系は、主要光源部１、外周補助光源部８、中央補助光源部２、ならびにこれらの光源部からの光束の光量分布均一化を図る第１インテグレータ部４、第２インテグレータ部（不図示）、第３インテグレータ部５を備えている。
【００１６】
主要光源部１は、光源１１の発光点が放物面鏡よりなるリフレクタ１２の焦点に配置されてなり、光源１１から出射された光を被照明体側に反射するリフレクタ１２の開口部からは、略平行な光束が出射される。この光源１１は、発光分布が小さく発光効率の高いものが望ましく、現在では、超高圧水銀灯、メタルハライドランプ、キセノンランプなどの発光管等からなることが一般的である。
【００１７】
この主要光源部１から出射される光束の、光軸と垂直な断面内における光量分布としては、所定範囲に光強度の弱い部分（以下、光束低密部と称する）が存在する。図２はこの光束低密部を説明するための図である。光源１０１から放射された白色光は、放物面リフレクタ１０４により反射されて、放物面リフレクタ１０４の光軸Ｘに略平行な光束となって光源部から出射される。図示のとおり、この出射光束の光量分布は一様ではなく、光軸Ｘの近傍および外周部に光束低密部が存在する。
【００１８】
外周部の光束低密部は、発光点１０８から放射された光を放物面リフレクタ１０４により反射する場合に原理的に生じるもので、光軸Ｘに近い部分での反射光量が大きく、周辺に向かうにしたがって反射光量が小さくなっていくことにより生じる。光軸近傍の光束低密部は、実際の光源１０１が点光源でなく、例えばリフレクタ１０４の後部に配置された発光管等であるという構造上の理由により生じる。リフレクタ後部に設けられた孔部のために光が反射されない、または発光体そのものの大きさが原因となって光が遮られるためである。発光管を配置するためにリフレクタ最後部に鏡面化されていない範囲があり、この直径をＣとすると、光源部から出射される光束の光軸近傍となる中央部に、少なくとも、図２においては光軸に直交する面内で直径Ｃの範囲に、光がほとんど通過しない空間が存在することになる。
【００１９】
また、放物面リフレクタ１０４から出射される平行光束のさらに外周部も光強度は必ずしも０とはならず、弱い光強度ではあるが、漏れ光等により光が存在する。本発明において「光束低密部」とは、これらをも含む光強度の弱い部分のことである。
【００２０】
本発明に係る照明光学系は、リフレクタ１０４のような凹面鏡リフレクタを備えたこのような光源部から出射される光束の、外周部および中心近傍に存在する光束低密部に着目し、この光源部（主要光源部１）から出射された光束の、外周部の光束低密部に光束を補うように光束を出射する外周補助光源部８、および、中心近傍の光束低密部に光束を補うように光束を出射する中央補助光源部２を備えた構成とされている。
【００２１】
図１（ａ）の断面図に示すとおり、中央補助光源部２は半導体レーザＬＤからなるレーザ光源３１よりなり、コリメータレンズ３５により平行光束とされた中央補助光源部２からの光束が偏向ミラー３により偏向されて、主要光源部１から出射された光束の中心近傍の光束低密部に導入される。
【００２２】
外周補助光源部８は、図１（ｂ）に示すとおり、半導体レーザＬＤからなる２つのレーザ光源５２ａ、５２ｂよりなる。光源５２ａ、５２ｂからの光束は、コリメータレンズ５３ａ、５３ｂにより平行光束とされ、図示されない偏向ミラーによりそれぞれ偏向されて、主要光源部１から出射された光束の外周部の光束低密部の、リフレクタ１２の光軸に対し互いに略回転対称となる位置に導入される。レーザ光源５２ａ、５２ｂおよびこれらの光源からの光束の光路上の部材は、図１（ａ）におけるレーザ光源３１およびこの光源からの光束の光路上の部材と略同様であって、互いに平行で、図１（ａ）において紙面手前方向と奥行方向にこれらと重なり合うように配されている。
【００２３】
主要光源部１から出射された光束の光束低密部に補助光源部２、８から光束を補うという構成は、光源部全体として光量が増加し照明光学系の明るさを向上させることができる。外周補助光源部８と中央補助光源部２とは、両者を設置することにより一層の光量増加を図ることができるものである。しかし、リフレクタを備えた主要光源部からの光束に対して、外周補助光源部８のみ、または中央補助光源部２のみを配した照明光学系においても、相応の光量増加が可能である。
【００２４】
また、外周補助光源部８は、従来一般に用いられるリフレクタを備えた光源部に対し、これを主要光源部１として、その外周部に補助光源部８を追加設置するだけでもよく、設計変更も少なくコンパクトなままで明るさを向上させることができる。また、この外周部の光束低密部に光束を補うために、例えば偏向ミラーなどの部材を配設しても、主要光源部１からの光束の光強度が弱い部分であるので、主要光源部１からの光束を遮ることが少なく、主要光源部１からの光束を効率よく利用することができる。主要光源部１からの光束を若干遮光する場合にも、外周補助光源部８からそれ以上の光量が補われることにより、照明光学系全体としての明るさを向上させることが可能である。
【００２５】
なお、外周補助光源部８は、放物面リフレクタ１０４から出射される平行光束中の外周部の光束低密部、この平行光束のさらに外周部の光束低密部、およびこの両者に光束を補うように光束を出射するものとすることができる。
【００２６】
外周補助光源部８としては、少なくとも１つの光源を備えることにより照明光学系の光量増加が可能であるが、複数個の光源を備えることにより、より明るさを増すことができる。さらに望ましくは、図示の照明光学系のように、複数個の光源からの光束が、リフレクタ１２の光軸に対し互いに略回転対称となるような位置に導入されることが好ましい。それにより照度分布の均一性を保つことができ、さらに投写型表示装置の照明光学系として用いた場合には、後段の投写光学系のレンズによるケラレが生じたとしてもその悪影響を防止し、色分解ダイクロイックミラーの特性による色ムラを制御することができる。
【００２７】
さらに、近年、投写型表示装置の薄型化（リフレクタ光軸を水平配置した場合の高さ方向の小型化）を目的として多く用いられている、出射断面が矩形状の角型リフレクタを用いた場合にも、外周補助光源部８により光量増加を図ることができる。このようなリフレクタは、所定のアスペクト比を有する長方形状の出射断面形状を有するので、照明光学系の瞳位置近傍でも長方形状の光束断面となる。他方、照明光学系の瞳は光軸と直交する断面において円形である。この円直径が長方形形状の短辺と等しいかそれよりも小さい場合には、瞳全体を光束が通過することになるが、これでは瞳の外を通る光束が無駄になってしまう。したがって実際には、瞳の一部に光束が通過しない部分が存在することを容認し、より多くの照明光束が瞳を通過するように構成されることになる。本発明によれば、この、瞳内でありながら主要光源部１からの光束が通過しない部分に光束を補うように、外周補助光源部８を配設することにより、照明光学系全体としての明るさを向上させることができる。
【００２８】
なお、上述した角型リフレクタ以外の要因により、瞳内でありながらその外周部に主要光源部１からの光束が通過しない部分が生じる場合にも、この部分に光束を補うように外周補助光源部８を配設することにより、同様の明るさ向上効果を得ることができる。このような部分とは、照明光学系の瞳面と主要光源部から出射された光束による照射面とが、照明光学系の瞳位置で光軸と直交する断面において部分的に互いに重なるよう構成された照明光学系に関し、上記断面において、上記瞳面と上記照射面とが重ならない部分のうち瞳面が照射面より突出する部分である、と規定することもできる。
【００２９】
また、中央補助光源部２も、従来一般に用いられるリフレクタを備えた光源部に対し、これを主要光源部１として、設計変更も少なくコンパクトなままで明るさを向上させることができるものである。主要光源部１から出射された光束の中心近傍の光束低密部に中央補助光源部２から光束を補うという構成は、単に光源部全体として光量が増加し照明光学系の明るさ向上に寄与するのみならず、光量分布においても、本来最も光強度を大きくしたい光束の中心近傍の光束低密部の光強度を増強することができることになる。また、この光束低密部に光束を補うために、例えば偏向ミラー３などの部材を配設しても、主要光源部１からの光束の光強度が弱い部分であるので、主要光源部１からの光束をほとんど遮ることなく、主要光源部１からの光束を効率よく利用することができる。
【００３０】
なお、中央補助光源部２および外周補助光源部８の光源が半導体レーザ３１、５２ａ、５２ｂとされている場合には、この光源は通常、冷却しつつ用いる必要がある。そのため、主要光源部１からの光が直接当たらないところに配置することが好ましく、必要に応じて偏向ミラー３のような導光手段により導入されることが好ましい。
【００３１】
また、この照明光学系は上記構成に加え、主要光源部１からの光束の光軸と垂直な断面における光量分布の均一化を図る第１インテグレータ部４、外周補助光源部８からの光束の光軸と垂直な断面における光量分布の均一化を図る第２インテグレータ部（不図示）、および中央補助光源部２からの光束の光軸と垂直な断面における光量分布の均一化を図る第３インテグレータ部５を備えている。なお、以下の説明では、第１〜第３インテグレータ部の作用について「光量分布の均一化」と記載されている場合は、上記断面におけるものとする。
【００３２】
図１（ａ）に示すとおり、主要光源部１から出射された光束は、主要光源部側から順に第２フライアイ１５、第１フライアイ１６が配設された第１インテグレータ部４により、光量分布の均一化を図られて、照明光束として照明光学系から出射される。すなわち、第２フライアイ１５が主要光源部１からの略平行光束を第２フライアイ１５のレンズセルの数と同数の部分光束に分割し、第１フライアイ１６を構成する各レンズセル近傍に光源１１の二次光源像を形成させることにより光量分布の均一化を図る。図１（ｂ）に示すとおり、フライアイ１６は、矩形状の輪郭をした微小な凸レンズによるレンズセル１８が縦横に複数配列されたものである。図１（ｂ）において、レンズセル１８に相当する部分をハッチングにより示している。また、フライアイ１５は、フライアイ１６の各レンズセル１８に各々対応するレンズセル１７を備えた形状とされている。第２フライアイ１５はレンズセル１７の凸面を主要光源部側に向け、第１フライアイ１６はレンズセル１８の凸面を被照明体側に向けるように配置されている。
【００３３】
なお、フライアイ１５、１６の中央部の、中央補助光源部２からの光束が入射する位置には、レンズセル１７、１８とは異なる形状の集光レンズ３７、３８が設けられている。また、不図示であるが、フライアイ１５の延長面上の外周補助光源部８からの光束が入射する位置には、それぞれ集光レンズが設けられている。さらに、フライアイ１６の延長面上の外周補助光源部８からの光束が入射する位置には、それぞれ集光レンズ５５ａ、５５ｂが設けられている。外周補助光源部８からの光束の光路上のレンズは、上記フライアイ１５の延長面上のレンズは集光レンズ３７と、また、集光レンズ５５ａ、５５ｂは集光レンズ３８と同形状のレンズとされていてもよい。集光レンズ３７を備えたフライアイ１５、および、集光レンズ３８を備えたフライアイ１６は、同一形状とすることがコスト上有利である。なお、外周補助光源部８からの光束が入射する位置に設けられる集光レンズは、第１フライアイ１６または第２フライアイ１５と隣接して配置させてもよいし、これらと一体的に形成することもできる。
【００３４】
中央補助光源部２から出射された光束は、第３インテグレータ部５としてのロッドインテグレータ３６により、光量分布の均一化を図られる。ロッドインテグレータ３６は２枚のフライアイ１５、１６の間に配設され、中央補助光源部２からの光束は、第２フライアイ１５を透過する際に、集光レンズ３７の作用により所定の角度をもってロッドインテグレータ３６に入射される。そのため、ロッドインテグレータ３６の内壁面において複数回反射されて出射され、光量分布が均一化される。
【００３５】
また、外周補助光源部８から出射された光束は、図示されない第２インテグレータ部としてのロッドインテグレータにより、光量分布の均一化を図られる。第２インテグレータ部としてのロッドインテグレータは、不図示であるが第３インテグレータ部５のロッドインテグレータ３６と略同様であって、図１（ａ）においてロッドインテグレータ３６と互いに平行に、紙面手前方向と奥行方向にロッドインテグレータ３６と重なり合うように配されている。外周補助光源部８からの光束は、第２フライアイ１５の延長面上の外周補助光源部８からの光束が入射する位置に設けられた集光レンズの作用により、所定の角度をもってこれらのロッドインテグレータに入射される。そのため、各ロッドインテグレータの内壁面において複数回反射されて出射され、光量分布が均一化される。
【００３６】
なお、参考例１および以下の説明において、ロッドインテグレータとしては、ガラス製の中実な棒状ロッドプリズムや、内面を反射コートにより鏡面とした中空プリズムや、棒状ロッドプリズムを光束入射側に配置しその光束出射側に中空プリズムを配置して両者を組み合わせた、いわゆるハイブリッド型のインテグレータを用いることができる。ロッドインテグレータに入射した光束は、棒状ロッドプリズムにおいては内壁面において複数回全反射されながら、中空プリズムにおいては内壁面の鏡面で複数回反射されながら、その光束出射端に導かれる。ロッドインテグレータから出射される光束は、ロッドインテグレータの出射端において光束密度が略均一化された光束とされている。投写型表示装置のインテグレータ部として用いる場合には、ロッドインテグレータの出射端と後段のライトバルブとがリレーレンズを介して互いに結像関係（共役関係）となるように構成される。
【００３７】
第２インテグレータ部および第３インテグレータ部５から出射された光束は、フライアイ１６上の集光レンズ３８およびその延長面上の集光レンズ５５ａ、５５ｂにより所望の方向に屈折せしめられる。投写型表示装置に用いる照明光学系としては、外周補助光源部８および中央補助光源部２からの光束が、主要光源部１からの光束と同様に後段のライトバルブ上に重畳されるように屈折させることが好ましい。
【００３８】
参考例１においては、外周補助光源部８および中央補助光源部２から出射される光束は、主要光源部１から出射される光束の光束低密部に光束を補うように出射される光束径の小さいものであることを利用し、これら補助光源部８、２から出射される光束の光量分布を均一化するための第２および第３インテグレータ部としては、ロッドインテグレータを用いた簡易な構成としている。そして、このロッドインテグレータの配設位置としては、２枚のフライアイ１５、１６の間とし、スペースを有効利用しコンパクトな構成を達成している。
【００３９】
なお、本発明において、外周補助光源部８または中央補助光源部２から出射される光束が出射された状態で光量分布が略均一となっているような光源とされている場合、例えば、このようなレーザ光源を用いた場合には、外周補助光源部８または中央補助光源部２からの光束はインテグレータにより光量均一化を図る必要がないので、光量均一化を図る手段を省略し、より簡易な構成とすることができる。
【００４０】
また、中央補助光源部２が複数の光源からなるように構成し、これら複数の光源からの光束を合成させて主要光源部１からの光束の中心近傍の光束低密部に光束を補うように、この光束中に導入するようにしてもよい。
【００４１】
以下、本発明に係る照明光学系の実施例２および参考例３について説明する。なお、各実施例および参考例においては、特に記載のない限り参考例１と同様の構成部分には同一の符号を付しており、既出の事項に関しては詳細な説明を省略している。
【００４２】
＜実施例２＞
本実施例に係る照明光学系の概略構成の断面図を図３（ａ）に示す。また、図３（ｂ）はこの照明光学系を被照明体側（矢印Ａ方向）から見た図であり、図３（ｂ）のＢ断面が図３（ａ）となる。この照明光学系は、参考例１と異なり中央補助光源部は配されていないが、外周補助光源部８により明るくコンパクトな照明光学系とされている。
【００４３】
本実施例の主要光源部１の構成は参考例１と同様である。第１インテグレータ部も参考例１と同様に２枚のフライアイ１５、１６よりなるが、本実施例では中央補助光源部は配されていないので、フライアイ１５、１６の中央部にもレンズセル１７、１８が形成されている。
【００４４】
本実施例の外周補助光源部８は、リフレクタ１２の光軸に対し互いに略回転対称となるように配設された２つの光源を備え、放物面鏡よりなるリフレクタ５７ａ、５７ｂの焦点位置に各々光源５６ａ、５６ｂが配された構成とされている。本発明に係る照明光学系の外周補助光源部８は、レーザ光源に限られるものではなく、本実施例のような凹面鏡リフレクタを用いたものであってもよい。この場合は、外周補助光源部８として低コストで光量の大きいものとすることができる。この外周補助光源部８から出射された光束は光量分布の不均一な略平行光とされているので、光量均一化を図るために光源ごとにフライアイによる第２インテグレータ部９が設けられている。光源側より順に、外周補助光源部８に対応する第２フライアイ５８ａ、５８ｂ、および外周補助光源部８に対応する第１フライアイ５９ａ、５９ｂであり、これらはフライアイ１６の略延長上となる両面の、外周補助光源部８からの光束が入射する位置に設けられている。
【００４５】
図３（ｂ）には、第１フライアイ１６の被照明体側の外周部に形成された、外周補助光源部８に対応する第１フライアイ５９ａ、５９ｂが示されている。このフライアイ５９ａ、５９ｂは、レンズセル１８とは異なる大きさの矩形状の輪郭をした微小な凸レンズによるレンズセル４９が、縦横に複数配列されてなる。また、図３（ａ）に示されるように、この第１フライアイ５９ａ、５９ｂの外周補助光源部側の面には、各レンズセル４９に各々対応するレンズセル４８を備えた、外周補助光源部８に対応する第２フライアイ５８が形成されている。外周補助光源部８からの略平行光束は、対応する第２フライアイ５８ａ、５８ｂにより各部分光束に分割されて集光され、さらに、対応する第１フライアイ５９ａ、５９ｂにより所望の方向に屈折されて出射される。投写型表示装置に用いる照明光学系としては、外周補助光源部８からの光束が、主要光源部１からの光束と同様に後段のライトバルブ上に重畳されるよう屈折されることが好ましい。
【００４６】
なお、第２インテグレータ部９の２面のフライアイ５８ａ、５８ｂ、５９ａ、５９ｂは、第１インテグレータ部のフライアイ１６の延長上に一体的に形成してもよい。また、第２インテグレータ部９として、本実施例のように一部材の一方の面が第１フライアイ、他方の面が第２フライアイとして作用するものだけでなく、第１フライアイと第２フライアイとが別部材とされた、２枚構成のフライアイを用いることも可能である。この場合、少なくとも一方のフライアイを、第１インテグレータ部の２枚のフライアイ１５、１６のうち少なくとも一方のフライアイと同一部材上に形成し、部材数を低減し簡易でコンパクトな構成とすることができる。
【００４７】
また、本実施例の変更例として、外周補助光源部８に楕円面鏡よりなるリフレクタを用いることも可能である。この場合、第２インテグレータ部９としてロッドインテグレータを用いてもよい。
【００４８】
＜参考例３＞
参考例３に係る照明光学系の概略構成の断面図を図４（ａ）に示す。また、図４（ｂ）はこの照明光学系を被照明体側（矢印Ａ方向）から見た図であり、図４（ｂ）のＢ断面が図４（ａ）となる。この照明光学系も、外周補助光源部８により明るくコンパクトな照明光学系とされている。
【００４９】
参考例３の主要光源部１の構成は参考例１と同様である。また、第１インテグレータ部の２枚のフライアイ１５、１６は実施例２と同様である。また、この参考例３は、第１インテグレータ部の後段に、ランダムな偏光を発生する主要光源部１からの光束を直線偏光に変換するための偏光変換光学系６を備えた照明光学系とされている。投写型表示装置に用いる照明光学系としては、例えば装置のライトバルブが液晶パネルとされている場合など、照明光学系から出射される光は偏光方向が揃えられた略平行光とされていることが好ましい場合があるので、この参考例３によりこのような態様の一例を示す。
【００５０】
偏光変換光学系６は、第１インテグレータ部から出射された主要光源部１からの光束の偏光方向を揃えるもので、従来よく知られた、偏光ビームスプリッタアレイ、およびこのアレイの光出射面側に配設され複数のλ／２位相膜２１がストライプ状に配設されたλ／２位相板からなるものである。
【００５１】
偏光ビームスプリッタアレイはその内部に、偏光分離膜１９と反射膜２０とが、光軸に対して略４５度の角度を有するように交互に形成されている。ランダムな偏光である主要光源部１からの光束は、フライアイ１６の対応するレンズセルから入射され、偏光分離膜１９により偏光方向の異なるＰ偏光とＳ偏光の２種類の偏光に分離される。一方の偏光は偏光分離膜１９を透過しプリズム面２２から出射される。他方の偏光は偏光分離膜１９および隣接する反射膜２０で反射されて、最終的には、偏光ビームスプリッタアレイを直進透過した光束とほぼ平行な角度で偏光ビームスプリッタアレイより出射され、λ／２位相膜２１を通過する際に、偏光面の回転作用により偏光ビームスプリッタアレイを直進透過した光束と略一致する偏光方向に変換されて出射される。なお、図４（ｂ）において、ハッチング部分はλ／２位相膜２１が配された部分である。
【００５２】
この参考例３の外周補助光源部８は、リフレクタ１２の光軸に対し互いに略回転対称となるように配設された、半導体レーザＬＤからなる４つのレーザ光源５２ａ〜ｄ（光源５２ｂ、５２ｄは不図示）よりなる。ここでは、光源５２ａからの光束に関して説明するが、光源５２ｂ〜ｄに関してもそれぞれ同様である。光源５２ａからの光束は、集光レンズ４７ａの作用により、所定の角度をもって第２インテグレータ部９としてのロッドインテグレータ５４ａに入射される。そのため、ロッドインテグレータ５４ａの内壁面において複数回反射されて出射され、光束出射端において光量分布が均一化された状態で出射され、集光レンズ５５ａにより所望の方向に屈折せしめられる。投写型表示装置に用いる照明光学系としては、外周補助光源部８からの光束が、主要光源部１からの光束と同様に後段のライトバルブ上に重畳されるように屈折させることが好ましい。
【００５３】
図示されていないがレーザ光源５２ｂ、５２ｄおよびこれらの光源からの光束の光路上の部材は、図４（ａ）における、レーザ光源５２ａおよびこの光源からの光束の光路上の部材と略同様であって、互いに平行に配されており、各光源５２ｂ、５２ｄからの光束が図４（ｂ）に示された集光レンズ５５ｂ、５５ｄに各々入射されるような位置に、紙面手前方向と奥行方向に配されている。
【００５４】
なお、外周補助光源部８の光源５２ａ〜ｄが偏光方向の揃えられた光束を出射するものとされている場合には、この光源からの光の偏光方向を揃えるための偏光変換光学系を配設する必要はなく、構成の簡易化を図ることができる。すなわち、主要光源部１の光源はランダムな偏光を発生し、この光束が偏光変換光学系６により直線偏光に変換されて被照明体の照明を行い、外周補助光源部８は、偏光変換光学系６により直線偏光に変換された主要光源部１からの光束と略一致する偏光方向となるような、偏光方向が揃えられた光束を出射し、この光束は偏光変換をされずに被照明体の照明を行うように構成すればよい。
【００５５】
また、外周補助光源部８の光源５２ａ〜ｄがランダムな偏光を発生するものとされている場合は、この光源からの光の偏光方向を、直線偏光に変換された主要光源部１からの光束と略一致する偏光方向となるように揃えるための偏光変換光学系を、後段に適宜配設することが好ましい。
【００５６】
なお、参考例３においても、外周補助光源部８からの光束が入射する位置に設けられる集光レンズ４７ａ〜ｄ、５５ａ〜ｄは、第１フライアイ１６または第２フライアイ１５と隣接して配置させてもよいし、これらと一体的に形成することもできる。
【００５７】
以上、本発明に係る照明光学系の具体的な例として、参考例１、３および実施例２について説明した。各参考例および実施例とも、主要光源部１から出射された光束の外周部の光束低密部に外周補助光源部から光束を補い、主要光源部と外周補助光源部からの各々の光束の光量分布を均一化させ得る構成とされているので、明るく均一な照明を行ない得るコンパクトな照明光学系とされている。
【００５８】
ところで、本発明に係る照明光学系の主要光源部に用いられる光源としては、例えば超高圧水銀灯、メタルハライドランプ、キセノンランプなどがあるが、これらの光源は各々種類により固有の分光分布を有しており、可視光領域において一様な光量分布を持っているわけではない。本発明に係る照明光学系の主用途である投写型表示装置に関しては、明るさの要望以外に、色再現性が良い画像が要求されるが、色再現性を良好とするためには、この光源の分光分布のばらつきが問題となる場合がある。光源によっては、色再現性を良好とするために必要な波長域の光量が不足していたり、また、不必要な波長域の光量が過剰であったりするためである。
【００５９】
例えば、図５は超高圧水銀灯の可視領域における波長の分光分布を示す図であり、縦軸が光強度を示すものである。図示のとおりこの光源では、３原色光のうち赤色波長域が、他の色成分に対応する波長域に比べ光量が少なく、その一方、黄色波長域に光強度のピークを有するため、そのままの光源光を使用すると、全体として黄色味を帯びたカラー画像が形成されてしまう。そのため、従来、装置の色再現性を良好とする方策としては、光源から出射された光のうち５８０ｎｍ近辺の波長域の光を取り除いて照明を行っていたが、その分の光量損失は明るさ向上の要望とは反するものとなってしまう。
【００６０】
本発明に係る照明光学系によれば、主要光源部から出射された光束の外周部の光束低密部に光束を補うように光束を出射する外周補助光源部を備え、外周補助光源部の光源のうち少なくとも１つの光源から、主要光源部から出射される光束の分光分布において増加させたい波長域に強度ピークを有する光束を出射させるように構成することができる。例えば、主要光源部の発光体が上記超高圧水銀灯とされた場合に、外周補助光源部の光源のうち少なくとも１つの光源から、赤色波長域に強度ピークを有する光束を出射させる構成とすることである。この光源としては、例えば、安価で小型な赤色半導体レーザを用いることができる。このような構成によれば、照明光束全体として赤色波長域の光強度が増加し、従来は色再現性に悪影響を及ぼしていた超高圧水銀灯からの５８０ｎｍ近辺の光も、排除することなく利用できるようになる。この、これまで排除していた光量は、超高圧水銀灯の全光量の２０％にも相当し、これ程の光量が増加する効果は高い。
【００６１】
主要光源部から出射される光束の分光分布において増加させたい波長域に強度ピークを有する光束を、外周補助光源部から出射させるように構成することにより、単に外周補助光源部からの光量分が増加するのみならず、色再現性のためにこれまで排除していた主要光源部からの光束も色再現性の低下を招くことなく取り込むことができ、明るく色再現性の良いコンパクトな照明光学系を得ることができる。なお、外周補助光源部から出射させる光束の強度ピークは赤色波長域に限られるものではなく、主要光源部の光源の分光分布に応じその波長域を適宜設定することができる。
【００６２】
また、中央補助光源部の光源についても、外周補助光源部の光源と同様に、増加させたい波長域に強度ピークを有する光束を出射させるように構成してもよい。また、外周補助光源部および中央補助光源部を構成する各光源の波長域は、全てを同一とする必要はなく、これらの光源のうちの少なくとも１つが、他の光源と異なる波長域に強度ピークを有する光束を出射する構成としてもよい。
【００６３】
本発明の照明光学系としては、上述したものに限られるものではなく種々の態様の変更が可能である。例えば、主要光源部において、光源からの光を反射させ前方に出射させる凹面鏡リフレクタとして、楕円面鏡を用いることができる。楕円面鏡よりなるリフレクタの第１焦点に光源を配置した場合、リフレクタの開口部から出射される光束は楕円面鏡の第２焦点に収束されるが、放物面リフレクタの場合と同様の理由により、この第２焦点を中心とした所定角度範囲に、外周光束低密部および中央光束低密部が存在することになる。したがって、外周補助光源部および中央補助光源部を配設して、放物面リフレクタの場合と同様の作用効果を得ることができる。
【００６４】
また、主要光源部の光源としては、参考例１、３および実施例２の説明として挙げた発光管タイプのものだけでなく、多くはキセノンランプとして用いられる、リフレクタの後部に陽極が配置されリフレクタの光出射側から陰極が配置されるタイプとされていてもよい。
【００６５】
また、主要光源部からの光束の光量均一化を図る第１インテグレータ部は２枚のフライアイによるものに限られず、例えば、ロッドインテグレータを用いることができる。
【００６６】
また、外周補助光源部および中央補助光源部は、照明光学系の光量増加、光量分布の均一化、色再現性の適正化（所定の色味を強くしたい、弱くしたい等の場合を含む）等の所期の目的を達成し得る光量を発生させるものとすることが好ましい。
【００６７】
また、各フライアイのレンズセルや、各光源部からの光束の光路中に配される各レンズの形状は、適宜設定することができる。外周および中央補助光源部からの光束の光路中の集光レンズが、フライアイのレンズセルと同形状とされていてもよい。
【００６８】
なお、付言すれば、本発明に係る照明光学系は、従来多数提案されている、単に総量としての光量を増加させるために複数の光源を備えた照明光学系とは、その目的も作用効果も異なるものである。従来の複数光源を備えた照明光学系は、本発明の主要光源部に相当するような大きさの光源部を複数個配設することにより、総量としての光量を増加させることを目的としている。これらは、本発明のような、リフレクタを備えた光源部から出射された光束の光束低密部に別の光源から光束を補う、という発想を有するものではない。
【００６９】
また、前述の投写型表示装置の色再現性の問題を解決するべく、２原色光を発生させる補助光源を備えた照明光学系も既に提案されている（例えば特開２００２−１７４８５４号公報参照）。しかしこの照明光学系においては、補助光源からの光束は白色光源の光量分布の均一化を図るマルチレンズアレイの一部（望ましくはそのマルチレンズアレイ中の１レンズセル）に入射する構成とされている。本発明に係る照明光学系は、補助光源からの光束に対し各々適当な第２インテグレータ部を備え、外周補助光源部からの光束も光量分布均一化を図り得る構成とされている。
【００７０】
次に、本発明に係る投写型表示装置の具体的な実施例として、実施例４について説明する。実施例４においても、特に記載のない限り参考例１、３および実施例２と同様の構成部分には同一の符号を付しており、既出の事項に関しては詳細な説明を省略している。
【００７１】
＜実施例４＞
本実施例に係る投写型表示装置の概略構成を図６に示す。この装置は、上記参考例１に係る照明光学系を用いた装置とされている。なお、この照明光学系の偏光変換光学系６は、参考例３と同様の従来よく知られたものとされている。
【００７２】
この装置は、照明光学系からの照明光束により、所定の画像情報に基づいて照明光束の光変調を行なう透過型画像表示素子よりなるライトバルブを照明し、このライトバルブからの画像情報を担持した光束を、投写光学系６７を介し投写するものである。照明光束は、第１インテグレータ部４、第２インテグレータ部および第３インテグレータ部５により光量分布が均一化され、偏光変換光学系６により偏光方向が揃えられた状態で、本発明の照明光学系から出射される。そしてこの照明光束は、以下に示すとおり、３原色光に分解され、各色光用の透過型画像表示素子である液晶パネル６４ａ〜ｃにより光変調されて、これらの投映光束が合成された後、投写光学系６７により投写されて、スクリーン（不図示）上にフルカラー画像が結像される。なお、以下に示す第１〜第３色光成分とは、青色、緑色、赤色の３原色光を任意の順に対応させることができる。
【００７３】
すなわち、照明光学系から出射された照明光束は、ダイクロイックミラー６２ａ、６２ｂにより色光分解され、それぞれ第１〜第３色光成分用の画像が表示される液晶パネル６４ａ〜ｃに照射される。ダイクロイックミラー６２ａは、照明光束を第１色光成分光束と第２、第３色光成分の合成光束とに分離し、ダイクロイックミラー６２ｂは、ダイクロイックミラー６２ａにより分離された第２、第３色光成分の合成光束を、第２色光成分と第３色光成分とに分離するものである。照明光束の光路上には、偏向のための全反射ミラー６３〜ｄと、集光レンズ６１ａ〜ｆとが配され、液晶パネル６４ａ〜ｃ上には、主要光源部１、外周補助光源部、および中央補助光源部２からの光束が重畳される。液晶パネル６４ａ〜ｃを透過し、所定の画像情報に基づいて光変調された投映光束である第１〜第３色光成分光束は、第１色光成分を反射するダイクロイック膜６５ａと第３色光成分を反射するダイクロイック膜６５ｂとを内部に有する、クロスプリズム６６により合成される。
【００７４】
本実施例によれば、コンパクトでありながら、照明効率が高く明るく均一な照明を行ない得る投写型表示装置を得ることができる。
【００７５】
なお、本発明の投写型表示装置としてはこの実施例のものに限られず、種々の態様の変更が可能である。例えば、本発明の投写型表示装置としては、本発明の実施例２の照明光学系を用いることができる。
【００７６】
また、本発明の投写型表示装置においてライトバルブは実施例のものに限られない。例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）や、反射型画像表示素子よりなるライトバルブを備えた投写型表示装置にも、本発明の照明光学系を適用することができる。また、本発明の投写型表示装置は必ずしもカラー画像表示装置に限られず、モノクロ画像表示装置とされていてもよい。
【００７７】
また、前述したとおり、本発明に係る照明光学系は、主要光源部から出射される光束の分光分布において増加させたい波長域に強度ピークを有する光束を、外周補助光源部および／または中央補助光源部を構成する複数の光源のうち少なくとも１つの光源から出射させるように構成することができる。例えばこの場合のように、補助光源部を構成する光源のうち少なくとも１つの光源からの光束が、白色光でなく特定の波長域に光強度が偏っている場合には、補助光源部を構成する複数の光源のうち少なくとも１つの光源からの光束は、照明光束を色光分解し各色光ごとに各々ライトバルブにより画像情報を担持させた後に色合成を行なう構成の装置の、複数のライトバルブのうち一部のライトバルブのみを照明するように構成してもよい。例えば、主要光源部が白色光を出射し、補助光源部のうち少なくとも１つの光源が赤色半導体レーザとされている場合、この光源からの光は赤色成分用のライトバルブのみを照明するように構成されていてもよい。
【００７８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る照明光学系およびこれを用いた投写型表示装置によれば、光源とリフレクタよりなる主要光源部から出射された光束の、外周部の光束低密部に光束を補うように光束を出射する外周補助光源部を備え、主要光源部と外周補助光源部からの各々の光束の光量分布を均一化させ得る構成とされていることにより、コンパクトでありながら、照明効率が高く、明るく均一な照明を行ない得る照明光学系およびこれを用いた投写型表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例１に係る照明光学系の概略構成図
【図２】 放物面リフレクタによる反射光の強度分布を示す図
【図３】 本発明の実施例２に係る照明光学系の概略構成図
【図４】 本発明の参考例３に係る照明光学系の概略構成図
【図５】 超高圧水銀灯の可視領域における波長の分光分布図
【図６】 本発明の実施例４に係る投写型表示装置の概略構成図
【符号の説明】
１ 主要光源部
２ 中央補助光源部
３ 偏向ミラー
４ 第１インテグレータ部
５ 第３インテグレータ部
６ 偏光変換光学系
７、６６ クロスプリズム
８ 外周補助光源部
９ 第２インテグレータ部
１１、５６ 光源
１２、５７、１０４ 放物面リフレクタ
１５ 第２フライアイ
１６ 第１フライアイ
１７、１８、４８、４９ レンズセル
１９ 偏光分離膜
２０ 反射膜
２１ λ／２位相膜
２２ プリズム面
３１、５２ 半導体レーザ
３５、５３ コリメータレンズ
３６ ロッドインテグレータ
３７、３８、４７、５５、６１ 集光レンズ
５８ 外周補助光源部に対応する第２フライアイ
５９ 外周補助光源部に対応する第１フライアイ
６２ ダイクロイックミラー
６３ 全反射ミラー
６４ 透過型液晶パネル
６５ ダイクロイック膜
６７ 投写光学系
１０１ 発光管
１０８ 発光点

Claims (6)

1. 発光体およびこの発光体から出射された光を被照明体側に反射するリフレクタを備えた主要光源部と、この主要光源部からの光束の光量均一化を図る主要インテグレータ部と、前記主要光源部から出射された光束の外周部の光束低密部に光束を補うように光束を出射する外周補助光源部と、この外周補助光源部からの光束の光量均一化を図る外周補助インテグレータ部とを備えた照明光学系であって、
   該照明光学系の瞳面と前記主要光源部から出射された光束による照射面とが、前記照明光学系の瞳位置で光軸と直交する断面において部分的に互いに重なるよう構成され、該断面において、前記瞳面と前記照射面とが重ならない部分のうち該瞳面が該照射面より突出する部分に光束を補うように光束を出射する前記外周補助光源部を備え、
   該外周補助インテグレータ部は、前記主要インテグレータ部とは別体のフライアイから構成されていることを特徴とする照明光学系。
2. 前記外周補助光源部が複数個の光源を備えてなることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
3. 前記外周補助光源部が、前記外周部の光束低密部の、前記リフレクタの光軸に対し互いに略回転対称となる位置に光束を出射する複数個の光源を備えてなることを特徴とする請求項２記載の照明光学系。
4. 前記リフレクタが、光軸に直交する断面において略長方形状となる光束を出射する角型リフレクタとされていることを特徴とする請求項３記載の照明光学系。
5. 前記リフレクタが放物面鏡であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の照明光学系。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１項記載の照明光学系を備え、この照明光学系からの光束により、所定の画像情報に基づいて照明光束の光変調を行なう少なくとも１つのライトバルブを照明し、このライトバルブからの画像情報を担持した光束を、投写光学系を介し投写することを特徴とする投写型表示装置。

Images