特許 6698873 照明光学系および投射型映像表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6698873

(24)【登録日】2020年5月1日

(45)【発行日】2020年5月27日

(54)【発明の名称】照明光学系および投射型映像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G03B 21/00 20060101AFI20200518BHJP

   G02B 27/18 20060101ALI20200518BHJP

【ＦＩ】

   G03B21/00 F

   G02B27/18 Z

【請求項の数】7

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2018-555351(P2018-555351)

(86)(22)【出願日】2016年12月5日

(86)【国際出願番号】JP2016086108

(87)【国際公開番号】WO2018105021

(87)【国際公開日】20180614

【審査請求日】2019年6月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】317015179

【氏名又は名称】マクセル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】特許業務法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】神 剛志

(72)【発明者】

【氏名】金野 千明

(72)【発明者】

【氏名】島田 奈緒美

(72)【発明者】

【氏名】松尾 栄樹

(72)【発明者】

【氏名】長井 孝資

【審査官】 佐野 浩樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−８３７０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−６２５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１８４３０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１０８７０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２５３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３３８８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３１８９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１４８７９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ６／３５

２６／００−２６／０８

２７／００−２７／６４

Ｇ０２Ｆ１／００−１／１２５

１／２１−７／００

Ｇ０３Ｂ２１／００−２１／１０

２１／１２−２１／１３

２１／１３４−２１／３０

３３／００−３３／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プリズムを介して被照明体の照射面の法線に対して一定の角度で照明光束を照射する照明光学系であって、
完全拡散性を有する光源と、
前記光源からの照明光束を取り込み、所定の径を有しつつ小さいＮＡに変換するコリメータと、
前記コリメータを通過した前記照明光束の明るさを均一化するインテグレータと、
前記照明光束を集光する集光レンズと、を有し、
前記インテグレータと前記被照明体との間に、前記集光レンズおよび前記プリズムが、この順で前記照明光束が通過するよう配置され、
前記集光レンズおよび前記プリズムは、前記被照明体の照射面に対して、前記照明光束の主光線が前記被照明体の照射面の法線に対して所定の角度をもって入射するよう構成され、
前記プリズムは、前記照明光束の入射面が出射面に対して傾斜し、前記入射面に入射する主光線が前記入射面の法線に対して前記プリズムの頂点とは反対側から入射し、前記出射面から出射する主光線が前記出射面の法線に対して前記プリズムの頂点とは反対側から出射するよう構成され、前記プリズムの出射面が前記被照明体の照射面と略平行になるよう配置され、
前記集光レンズは、前記集光レンズから出射された後の各主光線が互いに略平行となるよう構成され、前記プリズムの入射面と同じ向きに回転し、さらに軸ずれして配置されるとともに、前記インテグレータの出射側光軸方向と前記プリズムの出射光軸方向は同一である、照明光学系。

【請求項2】

請求項１に記載の照明光学系において、
前記プリズムを複数枚備えた、照明光学系。

【請求項3】

請求項１または２に記載の照明光学系において、
前記プリズムの少なくとも１つの面がミラー面である、照明光学系。

【請求項4】

請求項１に記載の照明光学系において、
前記集光レンズは非球面の形状を有する、照明光学系。

【請求項5】

請求項１に記載の照明光学系において、
前記コリメータは、通過した前記照明光束によって照射する前記インテグレータの対象面における主光線の像高さの射影特性がマイナスの歪曲収差となり、また、正方向の像面湾曲を有し、周辺領域の光束の主光線の角度が光軸方向に向かって集光され、光軸付近の光束のＮＡが周辺領域の光束のＮＡと比べて大きくなるよう構成された、照明光学系。

【請求項6】

請求項５に記載の照明光学系において、
前記コリメータにおける前記射影特性はｆｓｉｎθ特性である、照明光学系。

【請求項7】

請求項１〜６のいずれか１項に記載の照明光学系を有する、投射型映像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、投射型映像表示装置の技術に関し、特に、光源からの光の利用効率を向上させる照明光学系およびこれを用いた投射型映像表示装置に適用して有効な技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

投射型映像表示装置（プロジェクタ）が広く普及しており、その中で、光源から出射された光の利用効率を向上させる、すなわち、照明光学系において、映像を表示するパネルに対して光源から出射された光を照射する際の照明効率を向上させることが検討されており、各種の手段が提案されている。

【0003】

照明光学系における光の利用効率（以下では単に「効率」と記載する場合がある）を向上させる技術に関連するものとして、例えば、特開２０１２−１５５３４４号公報（特許文献１）には、フィールドレンズとコンデンサレンズとによって、第１のインテグレータの各レンズセルを通過した光束を複数の表示パネルに略平行に入射させ、かつ複数の表示パネル上に重畳させるよう構成された照明光学系が記載されている。この構成の場合、フィールドレンズおよびコンデンサレンズとして合成焦点距離が短いものを使用することにより、これらの間隔を短くすることができ、第１のインテグレータの焦点距離が短い光学系を実現することが可能となる。よって、第２のインテグレータ上に形成する光源のアーク像を小さくすることが可能となり、偏光変換素子の各偏光変換部の有効開口から外れる光の量を低減することができ、照明効率が向上するとされる。

【0004】

また、特開２００６−３１８９２２号公報（特許文献２）には、拡散放射特性を有するＬＥＤ（Light Emitting Diode）と、入射端面から取り込んだＬＥＤからの光の一部または全部を反射面で反射することにより出射端面に導光する導光ロッドやテーパーロッドと、これらの出射端面からの射出光の配光角度強度を所定の照射領域内の位置強度に変換する照明レンズとから構成される照明装置が記載されている。これにより、ＬＥＤのような微小面光源を用いて、効率が良くかつ所望の平行性を有する均一照明を実現することができるとされる。

【0005】

また、国際公開第２００８／０６９１４３号（特許文献３）には、光源とコリメータレンズを有する照明装置が記載されている。ここでは、光源から放出された光束はコリメータレンズの球面に略垂直に入射し、このうちの光軸との成す角が小さい光線は第１の楕円面に入射、屈折される。当該第１の楕円面は、その第１焦点に位置する光源から発散する光束を平行光束に変換する。また、光軸との成す角が大きい光線は第２の楕円面に入射し、当該第２の楕円面により全反射される。当該第２の楕円面は、その第１焦点に位置する光源から発散する光束を第２焦点に集光する光束に変換する。また、第３の楕円面は、その第２焦点に集光する光束を平行光束に変換する。これらにより、光源から発せられた光束はコリメータレンズにより略平行光に変換され、指向性が高く高効率であり、かつ光量分布の均一性が高い照明装置を実現することができるとされる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２−１５５３４４号公報

【特許文献2】特開２００６−３１８９２２号公報

【特許文献3】国際公開第２００８／０６９１４３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

近年、プロジェクタにおいては、パネル（映像表示素子）として、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いたＤＬＰ（Digital Light Processing、登録商標）プロジェクタが普及してきている。ＤＭＤパネルを用いる場合、光束をパネルに対して垂直に入射させるのではなく、その仕様に応じてパネルの法線に対して一定の角度を持って入射させなければならない場合がある。この場合、照明効率を向上させるためには、一定の角度空間（すなわち、開口数ＮＡ（Numerical Aperture））の光束をパネルの一点に可能な限り収差なく結像させる必要がある。この点、従来技術ではこのような課題については考慮されていない。

【0008】

そこで本発明の目的は、映像表示素子に対して一定の角度を持って照射する照明光学系において、光源から出射され、インテグレータ等の光学素子を通過した光束を、一定の角度空間の光束として、映像表示素子上の一点に可能な限り収差無く結像させる照明光学系およびこれを用いた投射型映像表示装置を提供することにある。

【0009】

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

【0011】

本発明の代表的な実施の形態による照明光学系は、完全拡散性を有する光源と、前記光源からの照明光束を取り込み、所定の径を有しつつ小さいＮＡに変換するコリメータと、前記コリメータを通過した前記照明光束の明るさを均一化するインテグレータと、前記照明光束を集光する集光レンズと、を有し、プリズムを介して被照明体の照射面の法線に対して一定の角度で前記照明光束を照射する照明光学系であって、以下の特徴を有するものである。

【0012】

すなわち、前記インテグレータと前記被照明体との間に、前記集光レンズおよび前記プリズムが、この順で前記照明光束が通過するよう配置される。そして、前記集光レンズおよび前記プリズムは、前記被照明体の照射面に対して、前記照明光束の主光線が前記被照明体の照射面の法線に対して所定の角度をもって入射するよう構成される。

【0013】

また、前記プリズムは、前記照明光束の入射面が出射面に対して傾斜し、前記入射面に入射する主光線が前記入射面の法線に対して前記プリズムの頂点とは反対側から入射し、前記出射面から出射する主光線が前記出射面の法線に対して前記プリズムの頂点とは反対側から出射するよう構成され、前記プリズムの出射面が前記被照明体の照射面と略平行になるよう配置される。また、前記集光レンズは、前記集光レンズから出射された後の各主光線が互いに略平行となるよう構成され、前記プリズムの入射面と同じ向きに回転し、さらに軸ずれして配置される。

【発明の効果】

【0014】

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

【0015】

すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、映像表示素子に対して一定の角度を持って照射する照明光学系において、光源から出射され、インテグレータ等の光学素子を通過した光束を、一定の角度空間の光束として、映像表示素子上の一点に可能な限り収差無く結像させることで、光の利用効率を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１における投射型映像表示装置の外観について例を示した図である。

【図2】本発明の実施の形態１における投射光学系の構成について例を示した断面図である。

【図3】本発明の実施の形態１における投射型映像表示装置の内部構造について例を示した上面図である。

【図4】本発明の実施の形態１における投射型映像表示装置の照明光学系および投射光学系の構造について例を示した上面図である。

【図5】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１である照明光学系の論理的な構成について例を示した図である。

【図6】本発明の実施の形態１におけるインテグレータの構成例について概要を示した図である。

【図7】本発明の実施の形態１におけるＤＭＤパネルと入射光の関係を説明する図である。

【図8】映像表示素子の表示面における光強度の分布状況について例を示した図である。

【図9】本発明の実施の形態１におけるプリズムの偏角を説明する図である。

【図10】本発明の実施の形態１におけるプリズムを展開した仮想プリズムと、集光レンズおよびＤＭＤパネルの構成について例を示した図である。

【図11】本発明の実施の形態１における集光レンズおよび仮想プリズムを介した光線の状況について例を示した図である。

【図12】本発明の実施の形態１における展開した後段のプリズムと、集光レンズおよびＤＭＤパネルの構成について例を示した図である。

【図13】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態２である照明光学系のコリメータの論理的な構成と光線の状況の例について概要を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。一方で、ある図において符号を付して説明した部位について、他の図の説明の際に再度の図示はしないが同一の符号を付して言及する場合がある。

【0018】

（実施の形態１）
＜投射型映像表示装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１における投射型映像表示装置（プロジェクタ）の外観について例を示した図である。図１（ａ）は、投射型映像表示装置１の正面図であり、図１（ｂ）は側面図である。

【0019】

投射型映像表示装置１は、例えば、略平箱状の外形形状の筐体２を有する。この形状により、使用状態として、例えば、机やテーブルの表面に立てた状態で使用する場合（机やテーブルの表面に映像が投射される場合）をも考慮して、その背面側を底面として直立させることが可能である。なお、筐体２に着脱が可能、または筐体２に内蔵されて取り出しが可能な図示しないスタンド等の手段を有していてもよい。

【0020】

筐体２の上面には、開閉可能なミラーカバー３が形成されている。ミラーカバー３の内側には、凸形状で回転非対称に形成された反射ミラー（自由曲面ミラー）３１が取り付けられている。また、筐体２の上側の略中央部に形成された凸状部の内部には、投射レンズ系５２が配置され、投射光を外部に導くための開口部が形成されている。なお、図中では、投射レンズ系５２の一部のみが当該開口部を介して示されている。また、筐体２の上部には、図示しないレンズ調整機構によりレンズ位置を変えて投射映像のフォーカス状態を調整するための、いわゆるフォーカス調整用リング６の一部（筐体２から外部に突出した上端部）を示している。

【0021】

図２は、本実施の形態における投射光学系５の構成について例を示した断面図である。例えば、図示しない照明光学系において、ＬＥＤや半導体レーザ等からなる光源からの光を、外部からの映像信号（例えば、携帯端末やタブレット端末、ＰＣ（Personal Computer）等からの映像信号）に応じて、ＤＭＤパネル４８等の映像表示素子に入射させて変調する。そして、得られた映像をＴＩＲ（Total Internal Reflection：内部全反射）プリズム５１で合成し、複数のレンズからなる投射レンズ系５２を介して反射ミラー３１に投射して反射させて拡大投射する。

【0022】

なお、投射レンズ系５２は、映像の拡大投射に伴う各種の歪み、例えば、斜め入射による歪みや台形歪みなどを補正するために必要な、回転対称でない自由曲面形状のレンズ等を含めて、各種のレンズを含んで構成されている。また、投射レンズ系５２は、投射レンズベース５３上に移動可能なように搭載されており、レンズ調整機構５４により、図中の上下方向に投射レンズの一部のレンズまたはレンズ群を移動させることでフォーカス性能を調整することが可能である。

【0023】

また、図示しない照明光学系からＤＭＤパネル４８（映像表示素子）に照射され、ＤＭＤパネル４８により変調された映像光は、図中の破線で示すように投射レンズ系５２により拡大されて反射ミラー３１に投射され、その表面で反射されて、例えば、図示しないスクリーンや壁面、机、テーブル等の表面に投射される。図中では、その上限光と下限光がそれぞれ矢印により示されている。

【0024】

また、本実施の形態では、筐体２の高さをできるだけ低くして小型化を図るため、反射ミラー３１と投射レンズ系５２とを含む投射光学系５を、平面上に（具体的には、筐体２の底部に設けられた投射レンズベース５３上に）、その表面と略平行になるように配置する。一般的に、所定の投射距離においてより大きな投射映像を得るためには、例えば、投射レンズ系５２を底面に対して傾斜させた状態（スクリーン等に対して垂直とせず傾けた状態）で配置し、他方、反射ミラー３１での映像光の拡散角度（例えば、図中の上限光と下限光がなす角度）を大きくすることが考えられる。しかし、この場合、投射レンズ系５２を傾斜して配置することで筐体２の高さが増大してしまい、小型化という観点ではデメリットとなる。

【0025】

図３は、本実施の形態における投射型映像表示装置１の内部構造について例を示した上面図である。また、図４は、本実施の形態における投射型映像表示装置１の照明光学系４および投射光学系５の構造について例を示した上面図である。

【0026】

図３では、筐体２の上部のケースを外した状態を示している。図３において、反射ミラー３１や投射レンズ系５２を含む投射光学系５は、筐体２のほぼ中央部に図中の垂直方向に沿って配置されている。また、投射レンズ系５２を中心に、その一方の側（図中の左側）には電源ユニット７や、放熱のための複数台（図中の例では２台）の軸流ファン８1が配置されている。また、投射レンズ系５２の他方の側（図中の右側）には、放熱のためのシロッコファン８２が配置されている。

【0027】

図３、図４に示すように、シロッコファン８２の一部は放熱用フィンと略一体化されており、光源を構成するＬＥＤ照明ユニット４１における緑色（Ｇ）光発光用のＬＥＤ４２Ｇで発生した熱は、ヒートパイプ８３Ｇを介して放熱用フィンまで伝搬される。同様に、赤色（Ｒ）光発光用のＬＥＤ４２Ｒで発生した熱は、ヒートパイプ８３Ｒを介して、青色（Ｂ）光発光用のＬＥＤ４２Ｂで発生した熱は、ヒートパイプ８３Ｂを介して、それぞれ放熱フィンまで伝搬される。そして、シロッコファン８２により発生した冷却風により冷却されて、筐体２に設けられた排気口から放熱される。なお、ＤＭＤパネル４８は、冷却用のヒートシンク８４により冷却される。

【0028】

＜照明光学系の構成＞
図５は、本実施の形態である照明光学系４の論理的な構成について例を示した図である。図５（ａ）は論理的な構成における上面図を示し、そのＡ−Ａ’断面を図５（ｂ）に示している。なお、図５における上面と、上記の図２〜図４に示した実装例における上面とは必ずしも一致しなくてもよい。

【0029】

本実施の形態の照明光学系４は、一般的なプロジェクタ等で用いられる照明光学系と概ね同様の構成要素と配置からなる。ここでは、ＬＥＤ照明ユニット４１を構成するＬＥＤ４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂ（以下ではこれらをＬＥＤ４２と総称する場合がある）と、これらの光源から出射された光をそれぞれ平行化する１つ以上のレンズ等からなるコリメータ４３Ｒ、４３Ｇ、４３Ｂ（以下ではこれらをコリメータ４３と総称する場合がある）、および平行化した光束を合成するダイクロイックミラー４４、合成光を均一化する１つ以上のレンズ等からなるインテグレータ４５等の光学素子を有する。

【0030】

そして、インテグレータ４５を通過した光束を、一定の角度を持ってＤＭＤパネル４８に照射するため、インテグレータ４５とＤＭＤパネル４８との間に集光レンズ４６および少なくとも２枚のプリズム４７を有する。すなわち、図６の右側の図に示したインテグレータ４５の正面図におけるレンズアレイの各セル４５ａの光学像（照明領域）が、集光レンズ４６（およびプリズム４７）によってＤＭＤパネル４８上に重畳される。図６の例では、７×７＝４９個のセル４５ａの光学像がＤＭＤパネル４８上に重畳される。

【0031】

なお、「一定の角度を持ってＤＭＤパネル４８に照射する」とは、図７に示すように、照明光束の主光線（ＤＭＤパネル４８の各点を照射する光束に着目した場合の光束の中心光線）を、ＤＭＤパネル４８の照射面の法線に対して、ＤＭＤパネル４８の仕様に応じて角度をもって入射させることをいう。所定の角度をもって入射した入射光は、ＤＭＤパネル４８の表面に形成されたマイクロミラーにより、図示するようにＤＭＤパネル４８の略法線方向に反射して出射光となる。

【0032】

＜光の利用効率の向上＞
ここで、一般的に、照明光学系４において光の利用効率を向上させる、すなわち、光源であるＬＥＤ４２から出射された光をできるだけ損失させずに被照明体であるＤＭＤパネル４８に照射するための基本的な手法は、ＬＥＤ４２からＤＭＤパネル４８までの間で、以下の式で示されるＥｔｅｎｄｕｅと呼ばれる量のマッチングを行うことである。

【0033】

Ｅｔｅｎｄｕｅ＝π×（光源の発光面積）×（光源から発散する光の立体角）
＝π×（光源の発光面積）×（ＮＡ）^２
（ＮＡ＝ｓｉｎθ、θは光軸の中心からの光の角度）
例えば、光源側のＥｔｅｎｄｕｅに対して被照明体のＥｔｅｎｄｕｅが非常に小さい場合、もしくは非常に大きい場合等、光源側と被照明体側のＥｔｅｎｄｕｅの差が大きい場合は、一般的に、照明光学系の設計の内容が効率に及ぼす影響は相対的に小さくなる（すなわち、設計でカバーできる余地が小さい）。一方で、光源側と被照明体側のＥｔｅｎｄｕｅが同程度の場合は、効率を上げるには照明光学系の設計を注意深く行う必要がある。

【0034】

ＬＥＤを光源とする場合、光量を上げるためには放熱の関係でダイのサイズを大きくする必要がある。一方で、ＤＭＤパネルを被照明体とする場合、サイズが小さい方がコストを低減させることができる。このため、両者のＥｔｅｎｄｕｅは同程度の大きさとなる傾向にある。したがって、本実施の形態のように光源にＬＥＤ４２を用い、被照明体としてＤＭＤパネル４８を用いる場合には、照明光学系４の設計を注意深く行う必要がある。

【0035】

本実施の形態の照明光学系４は、図５に示したように、光源側から順に、
（１）完全拡散性を有する光源（図５の例ではＬＥＤ４２）
（２）光源からの光束を取り込み、所定の径を有しつつ小さいＮＡに
変換するコリメータ（図５の例ではコリメータ４３）
（３）被照明体（図５の例ではＤＭＤパネル４８）上の光束の均一性を
実現するためのインテグレータ（図５の例ではインテグレータ４５）
（４）被照明体に集光するための集光レンズ（図５の例では集光レンズ４６）
の各光学要素を含む基本構成を有している。

【0036】

効率を向上させる場合、上記の各段階の構成において、それぞれＥｔｅｎｄｕｅの損失が少なくなるように設計することが重要である。例えば、光源と被照明体のＥｔｅｎｄｕｅが略等しい場合は、光源から被照明体に至る上記の（１）〜（４）の各段階のＥｔｅｎｄｕｅが略等しくなるように照明光学系４を設計する必要がある。途中の光学要素でＥｔｅｎｄｕｅが増加すると、増加したＥｔｅｎｄｕｅを効率を低下させずに減少させることはできないため、被照明体のＥｔｅｎｄｕｅとのマッチングができずに効率が低下してしまう。なお、光源のＥｔｅｎｄｕｅより被照明体のＥｔｅｎｄｕｅの方が大きい場合は、上記の（１）〜（４）の各段階のＥｔｅｎｄｕｅが略等しくなるか、単調増加するように照明光学系４を設計する。

【0037】

本実施の形態では、上記の（１）〜（４）の各段階のうち、（４）の集光レンズにおいてＥｔｅｎｄｕｅの損失を低減して効率を向上させるように設計を行うものである。なお、上記の（１）〜（４）の各段階での設計内容について、これらの間、および照明光学系４におけるその他の各種の設計内容との間で、パラメータ的には相互に影響を及ぼし合う場合がある。したがって、整合性を維持しつつ全体として最適化する必要があるが、本実施の形態における（４）の集光レンズの設計内容は、他の項目の設計内容とは独立して考えることができる。

【0038】

＜集光レンズ周辺の設計条件＞
本実施の形態では、光源からの光の利用効率を向上させるため、集光レンズ４６について、前段のインテグレータ４５から出射した光束が、小さい収差でＤＭＤパネル４８相当面に集光するための設計を行う際の条件を規定している。

【0039】

光の利用効率を決定する大きな要素の一つとして、ＤＭＤパネル４８の周囲にどの程度の調整余裕量を確保するかという点がある。例えば、長さで１割の余裕量を確保すると、実際にＤＭＤパネル４８を照射する効率は、（１．１）^２＝１．２１となり、約２０％の効率低下となる。これに加えてさらに収差も大きい場合、照明の境界領域がぼやけてしまう場合がある。

【0040】

図８は、映像表示素子の表示面における光強度の分布状況について例を示した図である。例えば、上述の図６の例で示したように、インテグレータ４５におけるレンズアレイの各セル４５ａの光学像（照明領域）は、集光レンズ４６（およびプリズム４７）によってＤＭＤパネル４８上に重畳されるが、その重畳の精度が悪くなると、図８の例に示すように、映像表示素子（ＤＭＤパネル４８）に照射される照明領域の境界がぼやけてしまう。

【0041】

図８の上段の図では、映像表示素子の有効表示幅（例えば、下段の図に示したＤＭＤパネル４８の表示面４８ａの幅）に対する理想的な光強度の分布を実線で示している。なお、図８の例では、映像表示素子（ＤＭＤパネル４８）の幅方向について示しているが、高さ方向についても同様である。理想的な光強度の分布では、表示素子の有効表示幅より少し外側の領域までは均一な光強度である一方、当該領域の外側では光強度がほぼゼロとなる。すなわち、照明領域の境界では傾斜が急峻な分布となる。

【0042】

一方、照明領域の境界での光強度の分布がぼやけて傾斜が急峻ではなくなると、表示素子の有効表示幅の端部付近での光強度が下がってしまうとともに、有効表示幅より外側の領域を照射する（映像表示素子に入射しない）無駄な光が増え、光の利用効率が落ちてしまう。そして、これを回避して映像表示素子の有効表示幅内では均一な光強度の分布とするためには、さらに調整余裕量を確保して、光強度の分布がぼやける（傾斜する）領域を有効表示幅よりも外側にすることが必要となり、より一層の効率低下につながる。

【0043】

そこで、本実施の形態では、集光レンズ４６における収差発生を抑制し、照射領域の境界付近において光強度の分布がぼやけることを防ぐように設計する。

【0044】

設計を行う際に基本となる条件は、図５に示すように、
・条件１：インテグレータ４５とＤＭＤパネル４８との間に、
集光レンズ４６とプリズム４７がこの順で配置される。

【0045】

・条件２：プリズム４７は少なくとも２枚備える。

【0046】

・条件３：ＤＭＤパネル４８に対して、照明光束の主光線がＤＭＤ
パネル４８の法線に対して角度をもって入射する（図７参照）。

【0047】

（当該条件はＤＭＤパネル４８の仕様に基づく）
・条件４：プリズム４７の（少なくとも）１つの面がミラー面である。

【0048】

（プリズム４７に対する光束の入射角度に応じて屈折が全反射
とならない場合にのみ当該条件を満たすようにすればよい）
である。

【0049】

条件２において、プリズム４７を１枚の構成とすることも可能であるが、この場合、設計の自由度が少なく収差補正の難易度が高くなってしまう場合がある。そこで、本実施の形態では、プリズム４７を少なくとも２枚備える構成とする。これにより、前段の集光レンズ４６の偏心と、プリズム４７の特定形状の組み合わせにより、照明光束の結像特性を改善することが可能となる。具体的には、後述するように、展開したプリズム形状が楔形となるようにし、偏心させた集光レンズ４６と組み合わせると効果的である。

【0050】

本実施の形態では、上記の条件１〜条件４の基本条件を満たした上で、プリズム４７における光の屈折を最小偏角（偏角とは図９に示すようにプリズムへの入射光と出射光がなす角である）に近付けるよう設計することで、収差を低減し、効率低下を防止する。

【0051】

図１０は、本実施の形態におけるプリズム４７を展開した仮想プリズムと、集光レンズ４６およびＤＭＤパネル４８の構成について例を示した図である。また、図１１は、集光レンズ４６および仮想プリズム４７ｖを介した光線の状況について例を示した図である。図１０では、２枚のプリズム（プリズム４７ａ、４７ｂ）のうちプリズム４７ａを展開（第１展開、第２展開）したものとプリズム４７ｂとから、等価な楔形の仮想プリズム４７ｖ（展開プリズム）を得た状態を示している。

【0052】

仮想プリズム４７ｖのような楔形プリズムを光が通過して屈折する場合、入射光と出射光の角度が等しくなるときに収差の発生が最小となる。したがって、図１１に示すように、
・条件５：プリズム（仮想プリズム４７ｖ）の入射面は出射面に対して
傾斜している。

【0053】

・条件６：プリズム（仮想プリズム４７ｖ）の入射面に入射する主光線は、
入射面の法線に対してプリズム頂点とは反対側から入射する。

【0054】

・条件７：プリズム（仮想プリズム４７ｖ）の出射面から出射する主光線
は、出射面の法線に対してプリズム頂点とは反対側から出射
する。
の各条件を満たした上で設計することで、偏角を小さくして収差を低減し、効率低下を防止することができる。

【0055】

なお、ＤＭＤパネル４８から後段の投射光学系５の投射レンズ系５２を照射する際の収差を最小とするため、図１１に示すように、
・条件８：プリズム（仮想プリズム４７ｖ）の出射面とＤＭＤパネル４８
は略平行に配置される
の条件も満たすようにする。

【0056】

なお、この条件の前提として、後段のプリズム４７ｂを展開すると、プリズム４７ｂの出射面と後段の投射光学系５の投射レンズ系５２との間が平行平面板と同じ状態になるものとする。図１２は、本実施の形態における展開したプリズム４７ｂと、集光レンズ４６およびＤＭＤパネル４８の構成について例を示した図である。ここで、図示するように後段のプリズム４７ｂを展開すると、上記の前提条件は、プリズム４７ｂの出射面（Ｐ４−Ｐ５面）と、展開後のプリズム４７ｂの投射レンズ系５２に対向する面（Ｐ５’−Ｐ６’面）とが平行になる、すなわち、Ｐ４の角度とＰ６の角度が等しい、ということを意味する。

【0057】

本実施の形態では、さらに、図１１に示すように、
・条件９：集光レンズ４６から出射された後の主光線は互いに略平行で
ある。
の条件を満たした上で設計することで、ＤＭＤパネル４８を照射する主光線の光路を揃えて同じ角度で入射させ、収差を低減させることができる。

【0058】

図７に示したように、ＤＭＤパネル４８の仕様に基づいて、ＤＭＤパネル４８に対して光を傾けて入射させる必要がある（条件３）。しかし、光を傾けて入射させるだけでは、収差（コマ収差、非点収差、像面湾曲、台形歪み等）が発生し、効率が低下してしまう。そこで、本実施の形態ではさらに、図１０に示すように、集光レンズ４６において、
・条件１０：集光レンズ４６はプリズム（仮想プリズム４７ｖ）の入射面
と同じ向きに回転して（傾けて）配置される。

【0059】

・条件１１：集光レンズ４６は軸ずれして配置される。
の各条件を満たした上で設計する。これにより、インテグレータ４５からＤＭＤパネル４８までの間の収差を低減して効率低下を防止することができる。

【0060】

また、上述したような多くの収差を制御するため、集光レンズ４６の形状について設計する際に、球面を偏心させるだけでは設計の自由度が不足する場合がある。そこで本実施の形態では、さらに、
・条件１２：集光レンズ４６は非球面の形状を有する。
の条件に従うようにしてもよい。これにより、収差を制御するための設計の自由度をさらに高めてより一層の収差低減を図ることができる。集光レンズ４６の非球面化に加えて、もしくはこれに代えて、複数枚のレンズを用いる構成として設計の自由度を高めるようにしてもよい。

【0061】

以上に説明したように、本実施の形態の照明光学系４によれば、集光レンズ４６（およびプリズム４７、ＤＭＤパネル４８）において、上記の条件１〜条件１１（さらに条件１２を加えてもよい）を満たした上で設計を行うことで、Ｅｔｅｎｄｕｅの損失を低減して光の利用効率を向上させることができる。すなわち、集光レンズ４６において、前段のインテグレータ４５から出射した光束を、小さい収差でＤＭＤパネル４８に集光させることができる。

【0062】

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２である照明光学系は、上述の実施の形態１における投射型映像表示装置１の照明光学系４と同様の構成において、上記の図５で示した光源から被照明体までの（１）〜（４）の各段階の光学要素のうち、（２）のコリメータ４３においてＥｔｅｎｄｕｅの損失を低減して光の利用効率を向上させるように設計を行うものである。なお、上述の実施の形態１の集光レンズ４６の場合と同様に、本実施の形態における（２）のコリメータ４３の設計内容は、他の項目の設計内容とは独立して考えることができる。

【0063】

＜コリメータの設計条件＞
本実施の形態では、コリメータ４３について、前段の光源であるＬＥＤ４２からの光束を、Ｅｔｅｎｄｕｅの損失なく所定の径まで拡大し、後段の均一化手段であるインテグレータ４５に入射させるための設計を行う際の条件を規定している。換言すれば、コリメータ４３が照明の対象面（例えば、光源に近い方のインテグレータ４５）において最大の効率を得るために、照明の対象面の全面で均一かつ有効なＮＡの範囲の光束を形成するための設計を行う際の条件を規定している。

【0064】

図１３は、本発明の実施の形態２である照明光学系４のコリメータ４３の論理的な構成と光線の状況の例について概要を示した図である。図１３（ａ）の例では、光源のＬＥＤ４２から出射された主光線について、光軸付近の光束と周辺光束（外側の光束）、およびこれらの間の中間光束が、それぞれコリメータ４３（図中では前段の第１コリメータ４３ａおよび後段の第２コリメータ４３ｂ）およびダイクロイックミラー４４を通る状況を示している。また、図１３（ｂ）の例では、光軸付近の光束と周辺光束、および中間光束についての集光状況をそれぞれ示している。

【0065】

本実施の形態では、光源であるＬＥＤ４２から光軸に対して大きな角度で出射される光束（周辺光束）を有効に利用して効率を向上させるため、図１３（ａ）に示すように、
・条件２１：照明の対象面における主光線の像高さはｆｓｉｎθ特性を
有する。
の条件を満たした上でコリメータ４３を設計する。このように、主光線の像高さが照明の対象面の周辺付近で圧縮されるような射影特性をとることで、光軸から９０°近い角度の光束まで取り込むことが可能である。なお、像高さはｆｓｉｎθに限定されるものではなく、大きなマイナスの歪曲収差を持つような設計とすることで同様の効果を得ることができる。

【0066】

ここで、上記の条件２１を満たすことで大きな角度の光束を取り込んだとしても、周辺光束については、ＮＡの広がりによって損失が生じる場合がある。そこで、本実施の形態では、この損失を低減させるため、さらに、図１３（ｂ）に示すように、
・条件２２：メリディオナル面での像面湾曲が正方向である。
の条件を満たした上でコリメータ４３を設計する。これにより、外側の光束ほど集光点までの距離（焦点距離）が長くなるため、周辺光束のＮＡを小さくすることができる。したがって、後段のインテグレータ４５に入射する際の損失を少なくすることができる。

【0067】

上記の条件２２に加えて、さらに周辺光束での損失を低減させるため、図１３（ａ）に示すように、
・条件２３：周辺光束の主光線角度は光軸方向に向かって集光される。
の条件を満たした上でコリメータ４３を設計する。上記の条件２２を満たしていることで周辺光束のＮＡは小さくなっているため、周辺光束の主光線の角度を制御しても損失は小さい。したがって、このような設計を行うことが可能である。

【0068】

また、本実施の形態では、上記の条件２２に関連して、図１３（ｂ）に示すように、
・条件２４：光軸（付近）の光束のＮＡが周辺と比べて大きい
（焦点距離が短い）。
の条件を満たした上でコリメータ４３を設計する。

【0069】

基本的なＥｔｅｎｄｕｅの考え方からすると、コリメータ４３から出射された光束が、光軸から周辺まで同じＮＡとなるよう制御することが望ましい。しかしながら、このように構成した場合、上述したように、周辺光束において損失が発生し得る。したがって、本実施の形態のように、あえて光軸付近の光束のＮＡを大きくする一方、周辺光束でＮＡを小さくし、かつ正の像面湾曲を持たせることで、損失の低減と効率の向上の両立を図ることができる。なお、光軸付近の大きなＮＡを有する光束の一部は、周辺の光束の小さいＮＡを補完する役割も有する。

【0070】

上述したように、条件２１〜条件２４の各条件は相互に関連しており、これらの条件を総合的に適用することで、照明の対象面の全面で均一かつ有効な範囲のＮＡを有する照明光束を得るコリメータ４３を設計することができる。

【0071】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、上記の実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0072】

本発明は、光源からの光の利用効率を向上させる照明光学系およびこれを用いた投射型映像表示装置に利用可能である。

【符号の説明】

【0073】

１…投射型映像表示装置、２…筐体、３…ミラーカバー、４…照明光学系、５…投射光学系、６…フォーカス調整用リング、７…電源ユニット、
３１…反射ミラー、
４１…ＬＥＤ照明ユニット、４２、４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂ…ＬＥＤ、４３、４３Ｒ、４３Ｇ、４３Ｂ…コリメータ、４３ａ…第１コリメータ、４３ｂ…第２コリメータ、４４…ダイクロイックミラー、４５…インテグレータ、４５ａ…セル、４６…集光レンズ、４７、４７ａ、４７ｂ…プリズム、４７ｖ…仮想プリズム、４８…ＤＭＤパネル、４８ａ…表示面、
５１…ＴＩＲプリズム、５２…投射レンズ系、５３…投射レンズベース、５４…レンズ調整機構、
８１…軸流ファン、８２…シロッコファン、８３Ｒ、８３Ｇ、８３Ｂ…ヒートパイプ、８４…ヒートシンク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】