JP2008268601A - 照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】扁平な光束断面を持つ光束を出射する光源を備え、かつ、コンパクトな構成でありながら、等方的なＮＡ分布を有する照明光束が得られる照明光学系を提供する。
【解決手段】表示素子１０の画像表示面１０ａを照明するための照明光学系ＩＬ１であって、扁平な光束断面の照明光を出射するレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂと、光束断面の扁平度合いを小さくするビームエクスパンダー６Ａと、照明光を集光させる凸レンズ７Ａと、照明光の空間的なエネルギー分布を均一化するロッドインテグレータ８と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は照明光学系に関するものであり、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)やＬＣＤ(liquid crystal display)を表示素子とする画像投影装置において、その表示素子の画像表示面を照明するための照明光学系に関するものである。

面発光型の半導体レーザーアレイが、プロジェクター用の光源として注目されている。この半導体レーザーアレイの光源配列は、例えば１列又は２列×１０数列といった非常に扁平な配列であることが多いため、このようなレーザーアレイ光源で照明を行うと、照明光のＮＡ(numerical aperture)が方向により大きく異なることになる。一方、プロジェクターに用いられる投影レンズ等の光学系は、等方的なＮＡを有している。

上記のような扁平なＮＡの照明光では、光学系を小さい方のＮＡに合わせると、照明光の大きい方のＮＡ成分が伝達できなくなる。逆に、光学系を大きい方のＮＡに合わせると、光学系の大型化を招いたりして全体として効率が良くない。また、光学系を適度なＮＡ(例えばＮＡ＝０．２)で照明光の大きい方のＮＡに合わせると、照明光の小さい方向のＮＡはかなり小さくなり(例えばＮＡ＝０．０２５)、ＮＡの小さい方の解像力が得られなくなる。このように、レーザーアレイ光源を用いた場合にはＮＡ分布が扁平となることが問題となっている。

ＮＡ分布が扁平な光源を用いた照明光学系としては、特許文献１，２記載のものが挙げられる。
米国特許第６，８５６，７２７号明細書 米国特許第５，７０４，７００号明細書

特許文献１に記載されている光源はレーザーアレイ光源では無いが、扁平なＮＡ分布を等方的なＮＡ分布に補正するために、テーパーロッドが照明光学系に用いられている。しかし、インテグレータとしてのテーパーロッドは製造が困難であり、その使用はコストアップや照明光学系全体の大型化を招く原因となる。このため、一般的な四角柱形状(直方体形状等)のロッドインテグレータを用いた場合でも、高い照明効率が得られる照明光学系が求められている。

特許文献２に記載されている照明光学系では、光源としてレーザーアレイが用いられており、レーザーアレイ光源からのガウシアン分布の光束で矩形分布の均質な照明を可能とする一対のレンズアレイが用いられている。しかし、ＮＡの等方性については配慮されておらず、扁平なＮＡ分布に起因する問題点は解決されていない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、扁平な光束断面を持つ光束を出射する光源を備え、かつ、コンパクトな構成でありながら、等方的なＮＡ分布を有する照明光束が得られる照明光学系を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の照明光学系は、表示素子の画像表示面を照明するための照明光学系であって、扁平な光束断面の照明光を出射する光源と、前記光束断面の扁平度合いを小さくする第１光学部材と、前記照明光を集光又は発散させる第２光学部材と、前記第１，第２光学部材の光学作用を受けた後の照明光の空間的なエネルギー分布を均一化するロッドインテグレータと、を有することを特徴とする。

第２の発明の照明光学系は、上記第１の発明において、前記光源はレーザーアレイ光源であることを特徴とする。

第３の発明の照明光学系は、上記第１又は第２の発明において、前記第２光学部材が凸レンズであり、前記第１光学部材が照明光の光束断面の短尺方向の光束幅を拡大し、その拡大後の照明光を前記凸レンズが前記ロッドインテグレータに入射させることを特徴とする。

第４の発明の照明光学系は、上記第１又は第２の発明において、前記第２光学部材が凹レンズであり、前記第１光学部材が照明光の光束断面の長尺方向の光束幅を縮小し、その縮小後の照明光を前記凹レンズが前記ロッドインテグレータに入射させることを特徴とする。

第５の発明の照明光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記光源として、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光をそれぞれ出射する３つの光源を有し、各光源から出射した照明光を同一光路に合成する光路合成部材を更に有し、前記光路合成部材で光路合成された３つの光束が同じ発散度合い又は集光度合いで前記ロッドインテグレータに入射するように光学配置されたことを特徴とする。

第６の発明の照明光学系は、上記第５の発明において、前記各光源から前記ロッドインテグレータまでの光路長が等しいことを特徴とする。

第７の発明の画像投影装置は、上記第１〜第６のいずれか１つの発明に係る照明光学系を備えたことを特徴とする。

第１の発明によれば、第１光学部材で照明光の光束断面の扁平度合いが小さくなるように(つまり扁平率がゼロに近づくように)改善されるため、扁平なＮＡ分布は等方的なＮＡ分布に変換される。扁平な光束断面を持つ光束を出射する光源を備え、かつ、コンパクトな構成でありながら、等方的なＮＡ分布を有する照明光束が得られるので、高い照明効率と高い解像力を保持しつつ均一な照度分布を得ることができる。また、第２光学部材で照明光が集光又は発散されるため、ロッドインテグレータに対してより角度を持って照明光が入射することになる。その結果、ロッドインテグレータ内での反射回数が増えて、均一な照度分布がより得やすくなる。したがって、第１，第２光学部材とロッドインテグレータとの組合せにより、等方的なＮＡ分布を有する照明光束で均質な照明を実現することができる。

上記特徴的な照明光学系を、第７の発明のように画像投影装置(リアプロジェクター，フロントプロジェクター等)に用いれば、例えば、レーザーアレイ光源に特有の扁平なＮＡ分布に起因する問題点を解消して、画像投影装置のコンパクト化，低コスト化，高輝度化，高性能化，高機能化等に大きく寄与することができる。なお、本発明に係る照明光学系が適用される装置は画像投影装置に限らない。等方的なＮＡ分布の照明光を必要とする装置であれば適用可能である。

第３の発明によれば、第１光学部材が照明光の光束断面の短尺方向の光束幅を拡大する構成になっているため、例えば、構成の簡単な２つのプリズムの組み合わせから成るビームエクスパンダーを第１光学部材として使用することができる。さらに、第２光学部材として凸レンズを用いた構成になっているため、第１，第２光学部材の位置合わせ，組み立て等を容易に行うことができる。

第４の発明によれば、第１光学部材が照明光の光束断面の長尺方向の光束幅を縮小する構成になっているため、よりコンパクトな部品を第１光学部材や第２光学部材に使用することが可能となる。さらに、第２光学部材として凹レンズを用いた構成になっているため、第１，第２光学部材のレイアウトもコンパクトにすることができる。

第５の発明によれば、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光をそれぞれ出射する３つの光源を有し、各光源から出射した照明光を光路合成部材で同一光路に合成する構成になっているので、フルカラー対応の照明が可能である。さらに、光路合成部材で光路合成された３つの光束が同じ発散度合い又は集光度合いでロッドインテグレータに入射するように光学配置されているため、色ムラの発生を抑えることができる。したがって、各色光で略等しい均一な照度分布での照明を、より確実に達成することができる。

さらに第６の発明のように、各光源からロッドインテグレータまでの光路長が等しい光学配置を採用すれば、色ムラの発生防止を簡単な構成で行うことができる。例えば、レーザー光源のように点光源に近く、同じ微小角度の発散角を持って発光する光源装置を用いると、光路長の差がそのまま光学部品での光束幅の差になる。したがって、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ光源からロッドインテグレータまでの光路長が異なれば、光束幅の差が発散角度の差となるため、色ごとに生じるＮＡの差により色ムラが生じることになる。Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ光源からロッドインテグレータまでの光路長が等しい光学配置を採用することにより、このような色ムラが生じる危険性を排除することができる。

以下、本発明に係る照明光学系とそれを用いた画像投影装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。また、各実施の形態では、扁平な光束断面の照明光を出射する光源としてレーザーアレイ光源を例に挙げているが、光源はレーザーアレイ光源に限らない。

《第１の実施の形態(図１)》
図１(Ａ)に、第１の実施の形態に係る照明光学系ＩＬ１を備えた画像投影装置の主要な光学配置を上面側から示す。この画像投影装置は、表示素子１０と、その画像表示面１０ａを照明するための照明光学系ＩＬ１と、画像表示面１０ａに表示される画像をスクリーン(不図示)に対して拡大投影するための投影光学系ＰＯと、を備えている。照明光学系ＩＬ１は、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ；反射ミラー３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ；ダイクロイックミラー４Ｒ，４Ｇ；第１プリズム６１と第２プリズム６２から成るビームエクスパンダー６Ａ；凸レンズ７Ａ；ロッドインテグレータ８；リレー光学系９等で構成されており、ロッドインテグレータ８よりも後の光学構成、つまり、リレー光学系９，表示素子１０，ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズム１１，及び投影レンズ１２は、放電ランプを用いた一般的な画像投影装置と同様の構成になっている。

レーザーアレイ光源１Ｒからは赤色(Ｒ)の照明光が出射され、レーザーアレイ光源１Ｇからは緑色(Ｇ)の照明光が出射され、レーザーアレイ光源１Ｂからは青色(Ｂ)の照明光が出射される。つまり、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光をそれぞれ出射する３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂが順次点滅し、表示素子１０が照明光の色に応じた画像を画像表示面１０ａに表示することにより、カラー画像の表示が行われる。

各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの光源配列は、いずれも扁平になっている(例えば１列又は２列×１０数列)。このため、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。そして、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、各照明光の光束断面の長尺方向が略一直線状になるように配列されており、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂには共通のヒートシンク２が取り付けられている。図１(Ｃ)に、冷却ポンプ１３，液冷パイプ２ａ及びヒートシンク２を図１(Ａ)における矢印Ｄ２方向(つまり、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂが設けられている側の反対側)から見た状態で示す。

図１(Ａ)，(Ｃ)に示すように、ヒートシンク２の側面側には冷却ポンプ１３が配置されており、冷却ポンプ１３から液冷パイプ２ａに冷却液を流してヒートシンク２から熱を奪うことにより、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを冷却する構成になっている。図１(Ｃ)から分かるように、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの配列方向に沿って冷却液が流れるように、液冷パイプ２ａが配置されている。この冷却構成は、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを一直線状に配列することによって採用可能となる。つまり、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂのレイアウトを一直線状にすることにより、共通の冷却機構を使用することが可能となり、冷却箇所も一箇所で済み、非常に効率良く冷却することが可能となる。特に半導体レーザーやＬＥＤ(light emitting diode)等の光源を扱う場合には、その冷却が発光量にも影響を及ぼすため、照明光学系において上記レイアウトは重要なポイントとなる。

また図１(Ａ)に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ駆動を行うための端子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂは、同一平面・同一方向に配置されており、制御基板(不図示)との接続が行い易いようになっている。半導体レーザーやＬＥＤ等の光源を扱う場合には、大きな電流を流すことになるため、効率，安全性等の観点からも、上記レイアウトでレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを配列することは重要である。

レーザーアレイ光源１Ｒから出射したＲの照明光は、２枚の反射ミラー３Ｒで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｒで反射される。ダイクロイックミラー４ＲはＲの照明光を反射し、Ｇ，Ｂの照明光を透過するので、Ｒの照明光はダイクロイックミラー４Ｒで反射されることにより、Ｇ，Ｂの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＲの照明光は、ビームエクスパンダー６Ａに入射する。

レーザーアレイ光源１Ｇから出射したＧの照明光は、２枚の反射ミラー３Ｇで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｇで反射される。ダイクロイックミラー４ＧはＧの照明光を反射し、Ｂの照明光を透過するので、Ｇの照明光はダイクロイックミラー４Ｇで反射されることにより、Ｂの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＧの照明光は、ダイクロイックミラー４Ｒを透過し、ビームエクスパンダー６Ａに入射する。

レーザーアレイ光源１Ｂから出射したＢの照明光は、反射ミラー３Ｂで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｇ，４Ｒを順に透過することにより、Ｒ，Ｇの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＢの照明光は、ビームエクスパンダー６Ａに入射する。

上記のように、５枚の反射ミラー３Ｒ，３Ｇ，３Ｂと２種類のダイクロイックミラー４Ｒ，４Ｇによって、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照明光が同一の光路に合成される。この光路合成(つまり色合成)により、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照明光は、同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ８までの光路長が互いに等しくなる。その結果、光路合成後の同一面における光束断面が略等しくなる。これについては後で詳しく説明する。

光路合成後のＲ，Ｇ，Ｂの各照明光は、第１プリズム６１と第２プリズム６２から成るビームエクスパンダー６Ａでビーム整形され、凸レンズ７Ａで集光された後、ロッドインテグレータ８に入射する。前述したように、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。その照明光に関して、主要な光学配置を上面側から示している図１(Ａ)では、ビームエクスパンダー６Ａ，凸レンズ７Ａ及びロッドインテグレータ８は光束幅の大きい方から見た状態で示されている。図１(Ｂ)に、ビームエクスパンダー６Ａ，凸レンズ７Ａ及びロッドインテグレータ８を、図１(Ａ)における矢印Ｄ１方向(つまり光束幅の小さい方)から見た状態で示す。

第１プリズム６１と第２プリズム６２は、照明光の光束断面の短尺方向の光束幅を拡大して、光束断面の扁平度合いが小さくなるように(つまり扁平率がゼロに近づくように)配置されている。１つのプリズムのみでもビームエクスパンダーとしての機能は得られるが、プリズムを２つ使用することによって、照明光束Ｐの進行方向を入射側と出射側とで同一にすることができ、扁平率の変化の度合いを大きくすることができる。また、照明光がロッドインテグレータ８へ入射する前にビーム整形を行う構成には、レイアウトの自由度が向上するというメリットもある。

照明光束Ｐは、ビームエクスパンダー６Ａで小さい方の光束幅が大きい方の光束幅と同程度まで拡大された後、ロッドインテグレータ８の入射端面近傍で結像するように凸レンズ７Ａで集光される。凸レンズ７Ａを用いることにより、ビームエクスパンダー６Ａ及び凸レンズ７Ａの位置合わせ，組み立て等を容易に行うことができる。ただし、凸レンズ７Ａの代わりに凹レンズを用いてもよく、大きい方の光束幅を狭めるように第１プリズム６１と第２プリズム６２を配置してもよい。照明光の光束断面の長尺方向の光束幅を縮小する構成の方が、よりコンパクトな部品の使用が可能になり、レイアウトもコンパクトにすることが可能になる。

凸レンズ７Ａで集光されたＲ，Ｇ，Ｂの各照明光は、ロッドインテグレータ８を通ることによって光強度が均一化される。ここで想定しているロッドインテグレータ８は、４枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段である。入射端面から入射してきた照明光は、ロッドインテグレータ８の側面(すなわち内壁面)で何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、照明光の空間的なエネルギー分布が均一化されて出射端面から出射する。ロッドインテグレータ８の入射端面と出射端面の形状は、表示素子１０の画像表示面１０ａと略相似の四角形になっており、また、ロッドインテグレータ８の出射端面は表示素子１０の画像表示面１０ａに対して共役になっている。したがって、上記ミキシング効果により出射端面での輝度分布が均一化されることにより、表示素子１０は効率良く均一に照明されることになる。

なお、ロッドインテグレータ８は中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。また、表示素子１０の画像表示面１０ａの形状と適合するならば、その側面についても４面に限らない。つまり、断面形状は長方形等の四辺形に限らない。したがって、用いるロッドインテグレータ８としては、複数枚の反射ミラーを組み合わせて成る中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。

この照明光学系ＩＬ１では、図１(Ａ)，(Ｂ)から分かるように、凸レンズ７Ａで照明光束Ｐに角度をつけることによりロッドインテグレータ８内で反射しやすくしている。このように、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの照明光が凸レンズ７Ａで集光する(あるいは凹レンズで発散する)構成にすれば、ロッドインテグレータ８に対してより角度を持って入射すること(つまり、入射端面に対する入射角度が大きいこと)になるため、ロッドインテグレータ８内での反射回数が多くなり、均一な照度分布がより得やすくなる。

光束断面が扁平な形状の照明光をビーム整形せずに凸レンズ７Ａで集光させた場合には、図３に示すように、光束幅Ｓ１と光束幅Ｓ２との差によって光束の屈折角度Ｕ１，Ｕ２が異なってしまう。つまり、光束幅の大きい方Ｓ１に比べると、光束幅の小さい方Ｓ２ではロッドインテグレータ８に対してあまり角度がつかなくなる。このため、ロッドインテグレータ８内では、その方向の反射回数が少なくなり、均一な照度分布や等方的なＮＡ分布が得にくくなる。

この照明光学系ＩＬ１では上記問題点を解消するため、光束断面の扁平度合いを小さくする光学部材として、照明光の光束断面の短尺方向の光束幅を拡大するビームエクスパンダー６Ａを有している。ビームエクスパンダー６Ａで照明光の光束断面の扁平度合いが小さくなるように(つまり扁平率がゼロに近づくように)改善されるため、扁平なＮＡ分布は等方的なＮＡ分布に変換される。つまり、ビームエクスパンダー６Ａで光束幅が等方的に補正されることにより、凸レンズ７Ａを経た照明光は等方的なＮＡ分布を持つことになる。レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを備え、かつ、コンパクトな構成でありながら、等方的なＮＡ分布を有する照明光束Ｐが得られるので、高い照明効率と高い解像力を保持しつつ均一な照度分布を得ることができる。また、凸レンズ７Ａで照明光が集光されるため、ロッドインテグレータ８に対してより角度を持って照明光が入射することになる。その結果、ロッドインテグレータ８内での反射回数が増えて、均一な照度分布がより得やすくなる。したがって、ビームエクスパンダー６Ａ，凸レンズ７Ａ及びロッドインテグレータ８の組合せにより、ロッドインテグレータ８の出射端面でのＮＡ分布及び輝度分布は均一になり、結果として、等方的なＮＡ分布を有する照明光束Ｐで均質な照明を実現することができる。

この照明光学系ＩＬ１を画像投影装置(リアプロジェクター，フロントプロジェクター等)が備えることにより、レーザーアレイ光源に特有の扁平なＮＡ分布に起因する問題点を解消して、画像投影装置のコンパクト化，低コスト化，高輝度化，高性能化，高機能化等に大きく寄与することができる。なお、この照明光学系ＩＬ１が適用される装置は画像投影装置に限らない。等方的なＮＡ分布の照明光を必要とする装置であれば適用可能である。

ところで、レーザー光源のように点光源に近く指向性のある光源から、図４に示すように、同じ微小角度Δの発散角を持って発光した光束は、その光路長Ｔ１，Ｔ２の差がそのまま光学部品(ここでは凸レンズ７Ａ)での光束幅の差になる。このため、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの光路長Ｔ１，Ｔ２が異なれば、凸レンズ７Ａでの光束幅の差異の比率が比較的大きくなり、凸レンズ７Ａで色ごとの発散角度Ｖ１，Ｖ２に大きな差異が発生する。したがって、色ごとにＮＡの差異が生じて色ムラが生じることになる。図１に示す照明光学系ＩＬ１では、光路合成されたＲ，Ｇ，Ｂの３つの光束が同じ発散度合いでロッドインテグレータ８に入射するように光学配置されているため、上記のような色ムラが生じる危険性は排除される。そして、色ムラの発生が抑えられることにより、各色光で略等しい均一な照度分布での照明をより確実に達成することが可能となる。また、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからロッドインテグレータ８までの光路長が等しい光学配置を採用することにより、色ムラの発生防止をより簡単な構成で行うことが可能となる。

図１(Ａ)に示すように、ロッドインテグレータ８から出射した照明光は、照明用のリレー光学系９を通ってＴＩＲプリズム１１に入射する。ＴＩＲプリズム１１に入射した照明光は、ＴＩＲプリズム１１のエアギャップ面１１ａで全反射した後、表示素子１０の画像表示面１０ａを均一に照明する。このときリレー光学系９は、照明光をリレーしてロッドインテグレータ８の出射端面を表示素子１０の画像表示面１０ａ上で結像させる。つまり、表示素子１０の画像表示面１０ａ上にはロッドインテグレータ８の出射端面の像が形成されることになる。

表示素子１０の画像表示面１０ａでは、照明光の強度変調により２次元画像が形成される。ここでは、表示素子１０としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを想定している。ただし、使用される表示素子１０はこれに限らず、投影光学系ＰＯに適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子１０としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態(例えば±１２°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが、ＴＩＲプリズム１１のエアギャップ面１１ａを全反射無しに透過し、投影レンズ１２に入射してスクリーン上に投射される。一方、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射した光は、ＴＩＲプリズム１１の照明光の進入側とは反対側に大きく偏向されるため、投影レンズ１２には入射しない。このようにして、投影光学系ＰＯを構成する投影レンズ１２のパワーにより、画像表示面１０ａの表示画像がスクリーン上に拡大投影される。

《第２の実施の形態(図２)》
図２(Ａ)に、第２の実施の形態に係る照明光学系ＩＬ２を備えた画像投影装置の主要な光学配置を上面側から示す。この画像投影装置は、表示素子１０と、その画像表示面１０ａを照明するための照明光学系ＩＬ２と、画像表示面１０ａに表示される画像をスクリーン(不図示)に対して拡大投影するための投影光学系ＰＯと、を備えている。照明光学系ＩＬ２は、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ；反射ミラー３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ；ダイクロイックミラー４Ｒ，４Ｇ；シリンドリカルレンズ６Ｂ；凹レンズ７Ｂ；ロッドインテグレータ８；リレー光学系９等で構成されており、ロッドインテグレータ８よりも後の光学構成、つまり、リレー光学系９，表示素子１０，ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズム１１，及び投影レンズ１２は、放電ランプを用いた一般的な画像投影装置と同様の構成になっている。

レーザーアレイ光源１Ｒからは赤色(Ｒ)の照明光が出射され、レーザーアレイ光源１Ｇからは緑色(Ｇ)の照明光が出射され、レーザーアレイ光源１Ｂからは青色(Ｂ)の照明光が出射される。つまり、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光をそれぞれ出射する３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂが順次点滅し、表示素子１０が照明光の色に応じた画像を画像表示面１０ａに表示することにより、カラー画像の表示が行われる。

各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの光源配列は、いずれも扁平になっている(例えば１列又は２列×１０数列)。このため、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。そして、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、各照明光の光束断面の長尺方向が略一直線状になるように配列されており、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂには共通のヒートシンク２が取り付けられている。図２(Ｃ)に、冷却ポンプ１３，液冷パイプ２ａ及びヒートシンク２を図２(Ａ)における矢印Ｄ２方向(つまり、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂが設けられている側の反対側)から見た状態で示す。

図２(Ａ)，(Ｃ)に示すように、ヒートシンク２の側面側には冷却ポンプ１３が配置されており、冷却ポンプ１３から液冷パイプ２ａに冷却液を流してヒートシンク２から熱を奪うことにより、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを冷却する構成になっている。図２(Ｃ)から分かるように、３つのレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの配列方向に沿って冷却液が流れるように、液冷パイプ２ａが配置されている。この冷却構成は、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを一直線状に配列することによって採用可能となる。つまり、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂのレイアウトを一直線状にすることにより、共通の冷却機構を使用することが可能となり、冷却箇所も一箇所で済み、非常に効率良く冷却することが可能となる。特に半導体レーザーやＬＥＤ(light emitting diode)等の光源を扱う場合には、その冷却が発光量にも影響を及ぼすため、照明光学系において上記レイアウトは重要なポイントとなる。

また図２(Ａ)に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ駆動を行うための端子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂは、同一平面・同一方向に配置されており、制御基板(不図示)との接続が行い易いようになっている。半導体レーザーやＬＥＤ等の光源を扱う場合には、大きな電流を流すことになるため、効率，安全性等の観点からも、上記レイアウトでレーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを配列することは重要である。

レーザーアレイ光源１Ｒから出射したＲの照明光は、２枚の反射ミラー３Ｒで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｒで反射される。ダイクロイックミラー４ＲはＲの照明光を反射し、Ｇ，Ｂの照明光を透過するので、Ｒの照明光はダイクロイックミラー４Ｒで反射されることにより、Ｇ，Ｂの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＲの照明光は、シリンドリカルレンズ６Ｂに入射する。

レーザーアレイ光源１Ｇから出射したＧの照明光は、２枚の反射ミラー３Ｇで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｇで反射される。ダイクロイックミラー４ＧはＧの照明光を反射し、Ｂの照明光を透過するので、Ｇの照明光はダイクロイックミラー４Ｇで反射されることにより、Ｂの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＧの照明光は、ダイクロイックミラー４Ｒを透過し、シリンドリカルレンズ６Ｂに入射する。

レーザーアレイ光源１Ｂから出射したＢの照明光は、反射ミラー３Ｂで反射された後、ダイクロイックミラー４Ｇ，４Ｒを順に透過することにより、Ｒ，Ｇの照明光と同一の光軸に光路合成される。光路合成後のＢの照明光は、シリンドリカルレンズ６Ｂに入射する。

上記のように、５枚の反射ミラー３Ｒ，３Ｇ，３Ｂと２種類のダイクロイックミラー４Ｒ，４Ｇによって、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照明光が同一の光路に合成される。この光路合成(つまり色合成)により、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照明光は、同軸になるとともに各発光面からロッドインテグレータ８までの光路長が互いに等しくなる。その結果、光路合成後の同一面における光束断面が略等しくなる。これについては後で詳しく説明する。

光路合成後のＲ，Ｇ，Ｂの各照明光は、シリンドリカルレンズ６Ｂでビーム整形され、凹レンズ７Ｂで発散された後、ロッドインテグレータ８に入射する。前述したように、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される照明光は、いずれも扁平な光束断面を有している。その照明光に関して、主要な光学配置を上面側から示している図２(Ａ)では、シリンドリカルレンズ６Ｂ，凹レンズ７Ｂ及びロッドインテグレータ８は光束幅の大きい方から見た状態で示されている。図２(Ｂ)に、シリンドリカルレンズ６Ｂ，凹レンズ７Ｂ及びロッドインテグレータ８を、図２(Ａ)における矢印Ｄ１方向(つまり光束幅の小さい方)から見た状態で示す。

シリンドリカルレンズ６Ｂは、照明光の光束断面の長尺方向の光束幅を縮小して、光束断面の扁平度合いが小さくなるように(つまり扁平率がゼロに近づくように)配置されたアフォーカル系である。このように照明光の光束断面の長尺方向の光束幅を縮小することにより、シリンドリカルレンズ６Ｂや凹レンズ７Ｂとしてコンパクトな部品の使用が可能になる。また、照明光がロッドインテグレータ８へ入射する前にビーム整形を行う構成には、レイアウトの自由度が向上するというメリットがある。

照明光束Ｐは、シリンドリカルレンズ６Ｂで大きい方の光束幅が小さい方の光束幅と同程度まで縮小された後、凹レンズ７Ｂで発散される。凹レンズ７Ｂを用いることにより、シリンドリカルレンズ６Ｂ及び凹レンズ７Ｂのレイアウトをコンパクトにすることが可能になる。凹レンズ７Ｂの代わりに凸レンズを用いてもよく、シリンドリカルレンズ６Ｂの代わりに小さい方の光束幅を拡げるようなシリンドリカルレンズを用いてもよいが、本実施の形態の構成の方が、よりコンパクトな部品の使用が可能であり、レイアウトもコンパクトにすることが可能である。またコンパクト化等の観点から、シリンドリカルレンズ６Ｂと凹レンズ７Ｂを、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ側に凸のシリンドリカル面と、ロッドインテグレータ８側に凹のトロイダル面と、を持つ一体ものの部品に置換えた構成等にしてもよい。

凹レンズ７Ｂで発散されたＲ，Ｇ，Ｂの各照明光は、ロッドインテグレータ８を通ることによって光強度が均一化される。ここで想定しているロッドインテグレータ８は、４枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段である。入射端面から入射してきた照明光は、ロッドインテグレータ８の側面(すなわち内壁面)で何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、照明光の空間的なエネルギー分布が均一化されて出射端面から出射する。ロッドインテグレータ８の入射端面と出射端面の形状は、表示素子１０の画像表示面１０ａと略相似の四角形になっており、また、ロッドインテグレータ８の出射端面は表示素子１０の画像表示面１０ａに対して共役になっている。したがって、上記ミキシング効果により出射端面での輝度分布が均一化されることにより、表示素子１０は効率良く均一に照明されることになる。

なお、ロッドインテグレータ８は中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。また、表示素子１０の画像表示面１０ａの形状と適合するならば、その側面についても４面に限らない。つまり、断面形状は長方形等の四辺形に限らない。したがって、用いるロッドインテグレータ８としては、複数枚の反射ミラーを組み合わせて成る中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。

この照明光学系ＩＬ２では、図２(Ａ)，(Ｂ)から分かるように、凹レンズ７Ｂで照明光束Ｐに角度をつけることによりロッドインテグレータ８内で反射しやすくしている。このように、レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの照明光が凹レンズ７Ｂで発散する(あるいは凸レンズで集光する)構成にすれば、ロッドインテグレータ８に対してより角度を持って入射すること(つまり、入射端面に対する入射角度が大きいこと)になるため、ロッドインテグレータ８内での反射回数が多くなり、均一な照度分布がより得やすくなる。

光束断面が扁平な形状の照明光をビーム整形せずに凹レンズ７Ｂで発散させた場合には、光束幅の差によって光束の屈折角度が異なってしまう。つまり、光束幅の大きい方に比べると、光束幅の小さい方ではロッドインテグレータ８に対してあまり角度がつかなくなる。このため、ロッドインテグレータ８内では、その方向の反射回数が少なくなり、均一な照度分布や等方的なＮＡ分布が得にくくなる。

この照明光学系ＩＬ２では上記問題点を解消するため、光束断面の扁平度合いを小さくする光学部材として、照明光の光束断面の長尺方向の光束幅を縮小するシリンドリカルレンズ６Ｂを有している。シリンドリカルレンズ６Ｂで照明光の光束断面の扁平度合いが小さくなるように(つまり扁平率がゼロに近づくように)改善されるため、扁平なＮＡ分布は等方的なＮＡ分布に変換される。つまり、シリンドリカルレンズ６Ｂで光束幅が等方的に補正されることにより、凹レンズ７Ｂを経た照明光は等方的なＮＡ分布を持つことになる。レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを備え、かつ、コンパクトな構成でありながら、等方的なＮＡ分布を有する照明光束Ｐが得られるので、高い照明効率と高い解像力を保持しつつ均一な照度分布を得ることができる。また、凹レンズ７Ｂで照明光が発散されるため、ロッドインテグレータ８に対してより角度を持って照明光が入射することになる。その結果、ロッドインテグレータ８内での反射回数が増えて、均一な照度分布がより得やすくなる。したがって、シリンドリカルレンズ６Ｂ，凹レンズ７Ｂ及びロッドインテグレータ８の組合せにより、ロッドインテグレータ８の出射端面でのＮＡ分布及び輝度分布は均一になり、結果として、等方的なＮＡ分布を有する照明光束Ｐで均質な照明を実現することができる。

この照明光学系ＩＬ２を画像投影装置(リアプロジェクター，フロントプロジェクター等)が備えることにより、レーザーアレイ光源に特有の扁平なＮＡ分布に起因する問題点を解消して、画像投影装置のコンパクト化，低コスト化，高輝度化，高性能化，高機能化等に大きく寄与することができる。なお、この照明光学系ＩＬ２が適用される装置は画像投影装置に限らない。等方的なＮＡ分布の照明光を必要とする装置であれば適用可能である。

ところで、レーザー光源のように点光源に近く指向性のある光源から、同じ微小角度の発散角を持って発光した光束は、その光路長の差がそのまま光学部品(ここではシリンドリカルレンズ６Ｂや凹レンズ７Ｂ)での光束幅の差になる。このため、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの光路長が異なれば、シリンドリカルレンズ６Ｂや凹レンズ７Ｂでの光束幅の差異の比率が比較的大きくなり、シリンドリカルレンズ６Ｂや凹レンズ７Ｂで色ごとの発散角度に大きな差異が発生する。したがって、色ごとにＮＡの差異が生じて色ムラが生じることになる。図２に示す照明光学系ＩＬ２では、光路合成されたＲ，Ｇ，Ｂの３つの光束が同じ発散度合いでロッドインテグレータ８に入射するように光学配置されているため、上記のような色ムラが生じる危険性は排除される。そして、色ムラの発生が抑えられることにより、各色光で略等しい均一な照度分布での照明をより確実に達成することが可能となる。また、各レーザーアレイ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからロッドインテグレータ８までの光路長が等しい光学配置を採用することにより、色ムラの発生防止をより簡単な構成で行うことが可能となる。

図２(Ａ)に示すように、ロッドインテグレータ８から出射した照明光は、照明用のリレー光学系９を通ってＴＩＲプリズム１１に入射する。ＴＩＲプリズム１１に入射した照明光は、ＴＩＲプリズム１１のエアギャップ面１１ａで全反射した後、表示素子１０の画像表示面１０ａを均一に照明する。このときリレー光学系９は、照明光をリレーしてロッドインテグレータ８の出射端面を表示素子１０の画像表示面１０ａ上で結像させる。つまり、表示素子１０の画像表示面１０ａ上にはロッドインテグレータ８の出射端面の像が形成されることになる。

表示素子１０の画像表示面１０ａでは、照明光の強度変調により２次元画像が形成される。ここでは、表示素子１０としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを想定している。ただし、使用される表示素子１０はこれに限らず、投影光学系ＰＯに適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子１０としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合には、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態(例えば±１２°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが、ＴＩＲプリズム１１のエアギャップ面１１ａを全反射無しに透過し、投影レンズ１２に入射してスクリーン上に投射される。一方、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射した光は、ＴＩＲプリズム１１の照明光の進入側とは反対側に大きく偏向されるため、投影レンズ１２には入射しない。このようにして、投影光学系ＰＯを構成する投影レンズ１２のパワーにより、画像表示面１０ａの表示画像がスクリーン上に拡大投影される。

第１の実施の形態に係る画像投影装置を示す概略構成図。 第２の実施の形態に係る画像投影装置を示す概略構成図。 ロッドインテグレータに対する光束幅の差によって生じる屈折角度の差を説明するための光路図。 ロッドインテグレータまでの光路長及び光束幅の差によって生じる屈折角度の差を説明するための光路図。

符号の説明

ＩＬ１，ＩＬ２ 照明光学系
ＰＯ 投影光学系
１Ｒ 赤色発光のレーザーアレイ光源
１Ｇ 緑色発光のレーザーアレイ光源
１Ｂ 青色発光のレーザーアレイ光源
３Ｒ Ｒ用の反射ミラー
３Ｇ Ｇ用の反射ミラー
３Ｂ Ｂ用の反射ミラー
４Ｒ Ｒ反射用のダイクロイックミラー(光路合成部材)
４Ｇ Ｇ反射用のダイクロイックミラー(光路合成部材)
６Ａ ビームエクスパンダー(第１光学部材)
６１ 第１プリズム
６２ 第２プリズム
６Ｂ シリンドリカルレンズ(第１光学部材)
７Ａ 凸レンズ(第２光学部材)
７Ｂ 凹レンズ(第２光学部材)
８ ロッドインテグレータ
１０ 表示素子
１０ａ 画像表示面
１２ 投影レンズ(投影光学系)
Ｐ 照明光束

Claims (7)

1. 表示素子の画像表示面を照明するための照明光学系であって、扁平な光束断面の照明光を出射する光源と、前記光束断面の扁平度合いを小さくする第１光学部材と、前記照明光を集光又は発散させる第２光学部材と、前記第１，第２光学部材の光学作用を受けた後の照明光の空間的なエネルギー分布を均一化するロッドインテグレータと、を有することを特徴とする照明光学系。
2. 前記光源はレーザーアレイ光源であることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
3. 前記第２光学部材が凸レンズであり、前記第１光学部材が照明光の光束断面の短尺方向の光束幅を拡大し、その拡大後の照明光を前記凸レンズが前記ロッドインテグレータに入射させることを特徴とする請求項１又は２記載の照明光学系。
4. 前記第２光学部材が凹レンズであり、前記第１光学部材が照明光の光束断面の長尺方向の光束幅を縮小し、その縮小後の照明光を前記凹レンズが前記ロッドインテグレータに入射させることを特徴とする請求項１又は２記載の照明光学系。
5. 前記光源として、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光をそれぞれ出射する３つの光源を有し、各光源から出射した照明光を同一光路に合成する光路合成部材を更に有し、前記光路合成部材で光路合成された３つの光束が同じ発散度合い又は集光度合いで前記ロッドインテグレータに入射するように光学配置されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明光学系。
6. 前記各光源から前記ロッドインテグレータまでの光路長が等しいことを特徴とする請求項５記載の照明光学系。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の照明光学系を備えたことを特徴とする画像投影装置。

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