照明光学装置およびそれを用いた投写装置

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【発明の名称】	照明光学装置およびそれを用いた投写装置
【発明者】	【氏名】宮垣一也
【要約】	【課題】多点灯式の照明光学系をコンパクトに構成するとともに、光利用率を高くでき、被照射部の照度分布を良好にできる。【解決手段】リフレクタ付きランプ１２１ａ～１２１ｄをアレイ状に配列させ、ランプ１２１ａからの光をレンズ１２２を介して被照射部１２３の一部を照射させ、同じようにランプ１２１ｂ～ｄからの光をレンズ１２２を介して被照射部１２３の他の一部に照射させる。各ランプ１２１ａ～１２１ｄからの照度分布が被照射部１２３でピーク位置が異なりながら重ね合わされる。重ね合わされた光強度分布の総和は、擬似的に照度の均一化を図ることができる。なお、レンズ１２２を複数のレンズアレイで構成することもでき、さらに、リフレクタ付きランプアレイの光軸を被照射部に向けて配置することにより、レンズを省略することもできる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】２個以上の光源と、少なくとも１枚のレンズで構成され、各光源がそれぞれ上記レンズを経て被照射部の一部分を照射することにより、全ての光源が該被照射部の全体を照射することを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】２個以上の光源と、少なくとも１枚のレンズアレイから構成され、各光源からの光を、上記１枚のレンズアレイの対応するアレイを経て被照射部を照射し、該被照射部で位置をずらして照射させることを特徴とする照明光学装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の照明光学装置において、前記光源がアレイ状に配列され、かつ光源の個数と同じ数のリフレクタがアレイ状に配列され、リフレクタ付き光源からの各光束を被照射部でずらして照射させることにより総和の強度分布にすることを特徴とする照明光学装置。
【請求項４】請求項３に記載の照明光学装置において、前記アレイ状に配列されたリフレクタは、回転放物体形状であることを特徴とする照明光学装置。
【請求項５】請求項１～４のいずれか１つに記載の照明光学装置において、前記光源としては、アークランプを用いたことを特徴とする照明光学装置。
【請求項６】リフレクタ付きアークランプを２個以上、アレイ状に配置し、各々のリフレクタ付きランプの軸方向が被照射部に向って集束する方向に配置されたことを特徴とする照明光学装置。
【請求項７】２個以上のリフレクタ付き光源がアレイ状に配列され、該リフレクタは各々回転楕円体の形状であり、各光源は対応するリフレクタの第１焦点近傍に配置され、各第２焦点にレンズアレイの各アレイが配置されることを特徴とする照明光学装置。
【請求項８】光源、該光源から被照射部に照射する照明光学系、該照明光学系から出力した光を青、緑、赤の各色に分離した後、それぞれ光強度変調して色合成素子で反射する画像形成手段、および投写光学系で構成される投写型ディスプレイ装置において、前記光源および照明光学系として請求項１から請求項７までのいずれか１つに記載の照明光学装置を用いたことを特徴とする投写装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、多点灯式の照明光学系において、被照射部の照度分布が良好で、かつ光学系がコンパクトに構成できる照明光学系およびそれを用いた投写装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、複数のランプを用いた光学系において、液晶パネル類の映像を拡大投写する液晶プロジェクション装置や、液晶パネルを用いる投写型表示装置が知られている。例えば、特開平１１－１１９１４９号公報に記載の液晶プロジエクション装置では、複数の発光管を放射面または楕円面の凹面鏡にアライメント固着して光学系を構成する。発光部は、凹面鏡の第一焦点位置近傍に固着されている。反射光は、先ず三角柱からなる２つの第一のプリズムで照明光が内側に届折され、第一のプリズムを出た光は第二のプリズムを一面に持ち他面に複数のレンズ群を持つ第一フライアイレンズ内を通過する。そして、直角プリズムのガラス板により反射され、それぞれ第二のフライアイレンズに照射される。第二のフライアイレンズには、第一のフライアイレンズの２倍のレンズ数が備えられ、かつＰ波をＳ波に成分に変換する位相差板が各レンズの交互に複数枚貼り付けられている。その後、複数のミラー類により赤青緑に色分解し、３枚の液晶パネルに入射され、Ｘプリズムにより合成された後、投写レンズに入射される。また、例えば特開平８－３６１８０号公報に記載の投写型表示装置では、メタルハライドランプ，放物面鏡からなる集光光学系から出射された光束を、光伝達光学系が液晶パネルに導き、液晶パネル上の光学像を投写レンズがスクリーン上に拡大投影して、大画面映像を表示する。光伝達光学系は、第一レンズと第二レンズ、ビーム合成レンズ、第三レンズから構成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前述のような従来の液晶プロジェクション装置では、複数のランプとフライアイインテグレータを用いた構成により、多点灯式ランプのプロジェクタの小型化を提案している。しかしながら、上記従来例では、主に多点灯式ランプの小型化を主眼としたプロジェクタ光学系であって、特にプロジェクタ光学系全体としては小型とは言えない、という問題点があった。すなわち、多点灯による光源部の体積増加分は、プロジェクタ光学系の体積増加分にほぼ等しいためである。また、前述のような従来の投射型表示装置では、複数のランプと光伝達光学系により、多点灯式ランプの投写型表示装置をコンパクトで、かつ安価に実現することを提案している。しかしながら、上記従来例では、主に多点灯式ランプをコンパクトにしただけであって、特に投射型表示装置全体としてはコンパクトになったとは言えない、という問題点があった。この場合にも、多点灯による光源部の体積増加分は、光伝達光学系の体積増加分にほぼ等しくなる。
【０００４】そこで、本発明の目的は、これら従来の課題を解決し、フライアイインテグレータ部分の空間をなくし、多点灯式のランプを用いるにもかかわらず、光学長の短いコンパクトな照明光学系およびそれを用いた投射装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明の照明光学系では、■２個以上の光源と、少なくとも１枚のレンズから構成されることを特徴としている。
■２個以上の光源と、少なくとも１枚のレンズアレイから構成されることも特徴としている。
■上記■，■において、光源がアレイ状に配列され、かつ光源の個数と同じ数のリフレクタがアレイ状に配列されたことも特徴としている。
■上記■において、レフレクタアレイは回転放物体形状であることも特徴としている。
■上記■～■において、光源としてアークランプを用いたことも特徴としている。
■リフレクタ付きアークランプを２個以上アレイ状に配置し、各々のリフレクタ付ランプの軸方向が照射部に向って集束する方向に配置されたことも特徴としている。
■２個以上のリフレクタ付き光源がアレイ状に配列し、リフレクタは各々回転楕円体の形状であり、光源は対応するリフレクタの第一焦点近傍に配置され、各第二焦点にレンズアレイの各アレイが配置されることも特徴としている。
■本発明の投写型ディスプレイ装置では、光源、照明光学系、画像形成手段、投写光学系で構成される投写型ディスプレイ装置において、光源および照明光学系として、上記■～■に記載の照明光学系のいずれかを用いることを特徴としている。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を、図面により詳細に説明する。前述のように、従来の多点灯式ランプのプロジェクタでは、複数のランプとフライアイインテグレータを用いた構成であり、特にフライアイインテグレータの部分で大きな空間が生じていたため、小型化ができなかった。フライアイインテグレータの部分は、フライアイレンズを組み合わせたもので、例えば液晶素子のような被照射部に均一な照射を行っていた。本発明においては、このフライアイインテグレータの部分の空間を縮小して小型化を達成する。縮小の方向はフライアイインテグレータの部分の空間における光軸方向であり、光源の照射分布特性を利用し、リフレクタ付きランプを用いることで、フライアイレンズの役割を光源に兼用させたり、あるいは第２フライアイレンズだけで第１のフライアイレンズの機能も兼用させることによって、空間を縮小させる。
【０００７】（第１の実施例）図８は、本発明の第１の実施例を示す照明光学系の断面構造図（請求項１に対応）である。また、図９は、光源の照度分布を示す特性曲線図である。図８に示すように、本実施例では、２個以上の光源９１～９３と少なくとも１枚のレンズ９４で照明光学系を構成する。９５は、例えば液晶素子等の被照射部である。各光源９１～９３は、それぞれ液晶素子等の被照射部９５の一部分を照射し、複数個の光源９１～９３により被照射部９５の全体を照明する。光源９１～９３からの出射光がレンズ９４を介して液晶素子等の被照射部９５を照射するので、光源の数は２個以上であれば、多ければ多いほど本発明の効果が顕著となる。各光源の照射分布は、図９に示すような特性曲線を持っている。相対位置（横軸）に対する相対光強度（縦軸）はかなり急峻な山形曲線を形成しているが、各光源からの照射を位置をずらして重畳させることにより、総合曲線は例えば図１２のようになるため、被照射部９５では照射のほぼ均一化が図れる。すなわち、光源９１からの光はレンズ９４を経て被照射部９５の上方を照射し、同じようにして光源９２からの光は被照射部９５の中央を照射し、光源９３からの光は被照射部９５の下方を照射する。このように、被照射部９５で位置をずらして重ね合わせることによって、照度分布が均一化していくことになる。
【０００８】図１３は、平面状に配列された光源アレイから照射された場合の被照射部の照度分布を示す立体図であって、この分布図は本発明者がシミュレーションを行って確認したものである。濃い黒部分が０．０１６～０．０１８の照度、次に濃い黒部分が０．０１４～０．０１６の照度、次に濃い黒部分が０．０１２～０．０１４の照度、以下、順次薄くなるに従って照度が低くなる。図１２は図１３の断面を示しているが、この場合、両図の目盛が一致していない。図１に示すように、多点灯式の光源であっても、また照明系が簡素化していても、被照射部９５を擬似的に均一照明することができるため、コンパクトな照明光源となる。
【０００９】（第２の実施例）図１０は、本発明の第２の実施例を示す照明光学系の断面構造図（請求項２に対応）である。図１０では、２個以上の光源１１１～１１３と少なくとも１枚のレンズアレイ１１４で照明系を構成する。光源１１１～１１３からの光は、それぞれレンズアレイ１１４の対応するアレイ１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃを経て被照射部１１５を照射する。レンズアレイ１１４の各アレイ１１４ａ～１１４ｃによって光源１１１～１１３からの光束を被照射部１１５の一部へ照射させている。各光源１１１～１１３からの出射光は、前述と同じように図９に示すような強度分布であったとしても、複数の光源からの光束を被照射部１１５で位置をずらして照射させることによって、擬似的に照度均一化を図ることができる。また、レンズアレイ１１４の各アレイ１１４ａ～１１４ｃの位置によりレンズ形状を変えることによって、被照射部１１５での照度の均一性を高めることができる。すなわち、図８の場合には、１枚のレンズ９４の形状と各光源９１～９３の出射特性により、被照射部９５における図１２の総合的光強度の特性は決定されてしまうが、図１０の場合には、各アレイ１１４ａ～１１４ｃの１枚ずつ形状を変えて設計することにより、被照射部１１５における図１２の総合的光強度の特性をより均一化することが可能である。
【００１０】（第３の実施例）図１１は、本発明の第３の実施例を示す照明光学系の断面構造図（請求項３に対応）である。図１１においては、１枚のレンズ１２２と複数個のリフレクタ付きランプ１２１ａ～１２１ｄで照明光学系を構成する。リフレクタ付きランプ１２１ａ～１２１ｄは、アレイ状に配列される。丸く記された部分がランプである。ランプ１２１ａ～１２１ｄからの各光は、レンズ１２２を経て被照射部１２３の一部を照射する。リフレクタ付きランプ１２１ａ～１２１ｄの出射光強度分布が図９のような特性を持っている場合、各々のランプ１２１ａ～１２１ｄからの強度分布が被照射部１２３でピーク位置が異なりながら重ね合わされる。以下、この重ね合わされる様子を、図１２で説明する。ランプアレイを図１１に示すように４個のリフレクタ付きランプ１２１ａ～１２１ｄで構成した場合、ランプ１２１ａからの光束は被照射部１２３で強度分布は１３１ａ（破線）となる。同様にして、ランプ１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄからは被照射部１２３でそれぞれ１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄ（それぞれ破線）の強度分布となる。これら４つの光強度分布の総和は、曲線１３０（実線）で示されている。このように、被照射部１２３でランプからの光束はずらして照射することにより、擬似的に照度の均一化を図っている。
【００１１】（第４の実施例）図１、図３および図４は、本発明の第４の実施例を示すリフレクタ付きランプアレイの全体斜視図ならびにその断面構造図（請求項４，５に対応）である。図１の１１ａ～１１ｄはリフレクタアレイであり、１２ａ～１２ｄはランプアレイであり、１３ａ～１３ｄはランプの軸である。この場合、ランプの軸１３ａ～１３ｄはいずれも水平方向に向けて配列されている。ここで、図３は、図１の左（外）側から見たリフレクタ付きランプの配列であり、図４は、図１の右（内）側から見たリフレクタ付きランプの配列である。ここで、実線は見える形状物体で、破線は見えない形状物体を示している。また、各リフレクタの焦点位置にランプ１０ａ～１０ｄが設置されている。
【００１２】図５は、第４の実施例を示すパラボラリフレクタ付きランプアレイを用いた照明光学系の断面構造図である。図５は、ｙｚ面の断面図である。５１はリフレクタ、５２はランプ、５３はコンデンサレンズ、５４は被照射部である。リフレクタ付きランプはｘ方向（紙面に垂直方向）に３列、ｙ方向に４列で、合計１２個のランプアレイを構成している。ランプ（リフレクタ）の配置はｘ方向、ｙ方向ともに１０ｍｍ間隔としている。つまり、リフレクタ全体の大きさは、ｘ方向では１０×３＝３０ｍｍ，ｙ方向では１０×４＝４０ｍｍであるため、３０×４０＝１２００ｍｍ²である。コンデンサレンズ５３は平凸レンズであり、曲面の曲率半径は９０ｍｍである。リフレクタは回転放物体の形状であり、この回転放物体を下式（１）で表したとき、ｚ＝ａｒ²，ｒ＝√（ｘ²＋ｙ²）・・・・・・・・・・・・（１）
上式（１）の２次係数ａを０．１としている。ランプはショートアークランプ（例えば、キセノンランプ、メタルハライドランプ等）で、アーク電極間距離は１．３ｍｍである。なお、図５では図示されていないが、アーク電極間距離はランプ５２の球内に存在する両電極の間隔の距離である。なお、本実施例による被照射部５４の照度分布は、前述と同様に図１３で示される。本構成によれば、簡素な構造により被照射部５４の照度分布を均一化させることができる。
【００１３】（第５の実施例）図１４は、本発明の第５の実施例を示す照明光学系の断面構造図であり、図２は、リフレクタ付きアークランプアレイの部分の拡大断面図（請求項６に対応）である。図１４において、２１ａ～２１ｄはリフレクタアレイ、２２ａ～２２ｄはアークランプアレイ、２３ａ～２３ｄはランプから照射される光、１５２は被照射部である。リフレクタ付きアークランプアレイ部分は、図２に示すように、リフレクタ２１ａ～２１ｄは回転放物体の形状であり、アークランプ２２ａ～２２ｄからの光は２３ａ～２３ｄに示すように、平行ではなく、被照射部１５２の中央に向っている。このように、リフレクタ付きアークランプアレイからの光が被照射部１５２に照射される。各ランプアレイ２２ａ～２２ｄの軸方向が被照射部１５２に向って集束する方向に傾いているため、図１４では、４個のランプからの出射光が被照射部１５２に集まる。被照射部１５２の大きさに合わせて各ランプの軸を設定すれば、所望の領域を擬似的に均一照明できる。なお、図１４では、４個のランプアレイとしているが、アレイの数は２次元的に配列し、ランプの総数が多いほど均一照明し易くなる。これは、前述のように、均一化のために各ランプの位置や照射方向等の部品を調整し易いという理由によるものである。本実施例では、図５に示したコンデンサレンズが必ずしも必要ではない。このため、照明光学系の部品点数を減らすことができ、さらにコンパクトになる。
【００１４】（第６の実施例）図６は、本発明の第６の実施例を示す照明光学系の断面構造図（請求項７に対応）である。図６において、６１はリフレクタ、６２は光源、６３はレンズ、６４はコンデンサレンズ、６５は被照射部である。２個以上のリフレクタ付き光源６２がアレイ状に配列されており、リフレクタ６１の形状は全て回転楕円体である。各回転楕円体リフレクタの第１焦点に光源（例えば、アークランプ）を置く。そして、第２焦点には、レンズ６３を配置する。光源６２のアレイ数に合わせて、４個のレンズアレイ６３を設ける。図６では、レンズアレイ６３の直後にコンデンサレンズ６４を配置しているが、このコンデンサレンズ６４は必ずしも必要ではない。各光源（例えば、アークランプ）からの光は、第２焦点近傍で光源の像（アーク像）を形成する。レンズアレイ６３の各アレイが、この像を被照射部６５に導く。レンズアレイ６３、コンデンサアレイ６４の組み合わせにより、被照射部６５の照度分布は図１２のようにすることができる。
【００１５】（第７の実施例）図７は、本発明の第７の実施例を示す照明光学系およびそれを用いた投写装置の構造図（請求項８に対応）である。照明光学系８１は、本発明の第１～第６の実施例のいずれかの照明光学系である。照明光学系８１から照射される光は、ダイクロイックミラー８２ａで可視のうち青色の光のみを分離させる。すなわち、可視光の中で短波長である青色の波長の反射率は高く、緑色や赤色の透過率が高い分光特性によって、青色の光を分離させる。分離された青色光はミラー８３で反射され、ライトバルブ（例えば、液晶素子）８５で画素毎に光強度変調を受ける。液晶素子８５を透過した光は、色合成素子８７で反射され、投写レンズ８８を介してスクリーンに投影される。一方、ダイクロイックミラー８２ａを透過した光は、次のダイクロイックミラー８２ｂによって緑色の光が反射され、赤色光は透過する。ダイクロイックミラー８２ｂで反射された緑色光はライトバルブ（例えば、液晶素子）８４に入射し、画素毎に光強度変調される。ライトバルブ８４を通過した緑色光は色合成素子８７を透過し、投写レンズ８８を介してスクリーンに投影される。
【００１６】ダイクロイックミラー８２ｂを透過した赤色光は、２枚のミラー８３で光路を曲げられ、ライトバルブ（例えば、液晶素子）８６に入射し、画素毎に光強度変調される。ライトバルブ８６を透過した光は色合成素子８７で反射され、投写レンズ８８を介してスクリーンに投影される。色合成素子８７としては、例えばダイクロイックプリズムと呼ばれる，４個のプリズムで構成され接着される面にダイクロイックコーティングが施されたものを用いることができる。図７の照明光学系８１に第１の実施例から第６の実施例までのいずれかの照明光学系を用いることによって、多点灯式の投写型ディスプレイが構成される。しかも、本構成では、従来のインテグレータ光学系（フライアイレンズ系）を用いることなく、光軸方向にコンパクトな照明光学系を構成することができ、多点灯式投写型ディスプレイとしても小型化が実現できる。また、本実施例は、多点灯式本来の効果を備えている。すなわち、１本のランプが切れた場合でもスクリーン上では真っ暗になることはない。さらに、従来の高輝度ランプを用いなくても、多点灯式であるため、低出力ランプを複数個用いて、総合的に低消費電力にもかかわらず明るさを従来と同様ないしそれ以上にすることが可能である。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、多点灯式の照明光学系をコンパクトに構成できるとともに、ランプの擬似点光源性を生かせるので、ランプ管の軸方向が被照射部に向って集束するように配置することで、光利用効率が高くなる。さらに、多点灯式の照明光学系であるため、１本のランプが切れてもスクリーンが真っ暗にならず、低出力のランプを複数個用いることにより総合的に低消費電力にかかわらず明るさを従来と同等ないしそれ以上にすることが可能である。

【出願人】	【識別番号】０００００６７４７【氏名又は名称】株式会社リコー
【出願日】	平成１１年７月２８日（１９９９．７．２８）
【代理人】	【識別番号】１０００７７２７４【弁理士】【氏名又は名称】磯村雅俊（外１名）
【公開番号】	特開２００１－４３７０１（Ｐ２００１－４３７０１Ａ）
【公開日】	平成１３年２月１６日（２００１．２．１６）
【出願番号】	特願平１１－２１３３９４