照明光学系および投射型表示装置
【課題】 より明るい画像表示が可能な照明光学系および投射型表示装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 本発明の照明光学系は、ランプの陽極と陰極とが凹面鏡の光軸に沿って並ぶ２つのランプユニットと、該２つのランプユニットの一方のユニットからの光と、他方のユニットからの光を合成する光合成部と、該光合成部からの光を集光するコンデンサーレンズと、前記光合成部と前記２つのランプユニットとの間に配置され、前記２つのランプユニットからの出射光の一部を前記ランプに戻す光束と、前記光合成部に導く光束とに分割する光再帰部を有し、前記光合成部は、前記一方のユニットの光軸上にあり且つ前記他方のユニットの光軸外にある第１反射部と、前記一方のユニットの光軸外にある第２反射部とによって、前記他方のユニットの光軸外から出射する光を反射することにより各ユニットからの光を合成する。
【解決手段】 本発明の照明光学系は、ランプの陽極と陰極とが凹面鏡の光軸に沿って並ぶ２つのランプユニットと、該２つのランプユニットの一方のユニットからの光と、他方のユニットからの光を合成する光合成部と、該光合成部からの光を集光するコンデンサーレンズと、前記光合成部と前記２つのランプユニットとの間に配置され、前記２つのランプユニットからの出射光の一部を前記ランプに戻す光束と、前記光合成部に導く光束とに分割する光再帰部を有し、前記光合成部は、前記一方のユニットの光軸上にあり且つ前記他方のユニットの光軸外にある第１反射部と、前記一方のユニットの光軸外にある第２反射部とによって、前記他方のユニットの光軸外から出射する光を反射することにより各ユニットからの光を合成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は照明光学系に関し、特に複数のランプユニットを用いて被照明面を照明する照明光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今の投射型表示装置に用いられる照明光学系には、より明るく照明するために複数のランプユニットを用いて被照明面を照明するものがある。また、複数のランプユニットを用いて投射面を照明する場合、光束径を小さくするために複数のランプユニットからの射出光を合成する技術がある。一般的なランプユニットからの射出光の光量分布は均一ではないので、複数のランプユニットからの射出光の合成を行う場合は、照度むらを抑えた状態で合成することが重要である。
【０００３】
特許文献１には、２つのランプユニットから射出される合成光の強度分布を均一にするための技術が開示されている。具体的には、大きいランプユニットの射出光の強度分布が低い中央部に、小さいランプユニットの射出光が補完されるように、各ランプとミラーを配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００４−５２４５８１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、小さいほうのランプユニットはリフレクタの光軸に近い領域のみを使用しているので、出射光の平行度が良くない。これは、光軸に近い領域のリフレクタにより反射される光の平行度は、リフレクタ周辺で反射される光に比べて低いためである。平行度が良くないと、ケラレる光が多くなってしまい、照明に利用できる光量が低下してしまうという課題があった。
【０００６】
そこで本発明は上記課題を解決するために、複数のランプユニットから射出される光の利用率を向上し、ランプ光量を有効に利用可能な照明光学系および投射型表示装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ランプの陽極と陰極とが凹面鏡の光軸に沿って並ぶ２つのランプユニットと、
該２つのランプユニットの一方のユニットからの光と、他方のユニットからの光を合成する光合成部と、該光合成部からの光を集光するコンデンサーレンズとを備え、該コンデンサーレンズにより集光された光によって画像変調素子を照明する照明光学系において、
前記光合成部と前記２つのランプユニットとの間に配置され、前記２つのランプユニットからの出射光の一部を前記ランプに戻す光束と、前記光合成部に導く光束とに分割する光再帰部を有し、
前記光合成部は、前記一方のユニットの光軸上にあり且つ前記他方のユニットの光軸外にある第１反射部と、前記一方のユニットの光軸外にある第２反射部とによって、前記他方のユニットの光軸外から出射する光を反射することにより各ユニットからの光を合成することを特徴とする照明光学系。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は複数のランプユニットを用いた照明系に適した光再帰部を用いることにより、複数のランプユニットから射出される光を有効利用し、より明るい照明が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の概略構成図
【図２】ランプユニットの射出光の説明図
【図３】ランプユニットの射出光の強度分布図
【図４】合成ミラーの正面図
【図５】合成ミラーによる合成の説明図
【図６】合成ミラーによる合成光の強度分布図
【図７】部分反射ガラスの正面図
【図８】部分反射ガラスを用いたランプユニットの光路説明図
【図９】有限の大きさを有する光源からの出射光
【図１０】部分反射ガラスを用いた場合の照度分布
【図１１】第２実施形態の概略構成図
【図１２】第２実施形態のランプユニットの光路説明図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施形態１）
図１は本発明の投射型表示装置の実施形態１の概略構成図である。１は第１ランプユニットであり、第１ランプユニットは発光部３A、陰極と陽極の間にある発光部３Aを内部に有する発光管３、発光部３Aから発せられた光を反射して特定方向へ導く放物面鏡（凹面鏡）４を有する。５は一部の領域に反射膜を有する部分反射ガラス（光再帰部）である。部分反射ガラスは第１ランプユニットと一体に設けられている。発光部３Aおよび発光管３は可視光の波長領域の光を発する光源である。発光管内部の陽極と陰極は放物面鏡の光軸に沿って並んでおり、発光部は放物面鏡の焦点近傍に配置されている。また、本明細書中では、発光部と発光管を合わせてランプと称する。ここで、放物面鏡の焦点距離をｆ（ｆ＞０）とする。もう一方のランプユニット（第２のランプユニット）に関しても第１ランプユニットと同様であり、ランプ、放物面鏡および部分反射ガラスを有している。６は第１ランプユニットと第２ランプユニット２からの出射光を合成する合成ミラーである。尚、本実施形態のランプのアーク長は１．０ｍｍである。
【００１１】
ＯＡＬ１は第１ランプユニットの光軸、ＯＡＬ２は第２ランプユニットの光軸を表す線である。Ｄは第１ランプユニットの光軸ＯＡＬ１と第２ランプユニットの光軸を表す線ＯＡＬ２との距離である。言い換えれば、Ｄは、一方のランプユニット（ここでは、第２ランプユニット）の合成ミラー６による反射光側から見たときの、各ランプユニットの光軸間の距離である。あるいは、他方のランプユニット（ここでは第１ランプユニット）の出射光の透過側から見たときの各ランプユニットの光軸間の距離である。第１ランプユニット１は光軸ＯＡＬ1が合成ミラー６に対して略４５度をなすように配置され、第２ランプユニット２も、第２ランプユニットの光軸ＯＡＬ２が合成ミラー６に対して略４５度をなすように配置される。この際、第１ランプユニット１の光軸ＯＡＬ１と第２ランプユニットの光軸ＯＡＬ２の距離Ｄが、０＜Ｄ＜４ｆを満足するように合成ミラー６または各ランプユニットを配置する。
【００１２】
７は第１フライアイレンズ、８は第２フライアイレンズ、９は非偏光光を直線偏光光に変換する偏光変換素子、１０はコンデンサーレンズである。第１フライアイレンズ７および第２フライアイレンズ８はレンズが２次元に配列されたレンズアレイである。部分反射ガラス５、合成ミラー６、第１フライアイレンズ７、第２フライアイレンズ８、偏光変換素子９、コンデンサーレンズ１０を合わせて照明光学系とする。ＯＡは照明光学系の光軸である。１１は偏光ビームスプリッター、１２は液晶表示素子（画像変調素子）、１３は投射レンズ（投射光学系）である。Ｐ偏光、Ｓ偏光は偏光ビームスプリッターの入射面を基準に規定している。
【００１３】
ここで、合成ミラー６を出射した後の合成光について説明する。合成ミラー６を出射した合成光は、第１フライアイレンズ７によって分割および集光され、各々の分割光束は第２フライアイレンズ８近傍に集光される。第２フライアイレンズ８の近傍に集光された分割光束は偏光変換素子９へと入射し、それぞれ直線偏光に変換される。偏光変換素子９により直線偏光に変換された分割光束はコンデンサーレンズ１０によって集光され、偏光ビームスプリッター１１を透過して液晶表示素子１２を照明する。全白表示の場合、液晶表示素子１２に入射したＰ偏光はＳ偏光に変調され、変調されたＳ偏光は偏光ビームスプリッター１１の偏光分離面で反射される。反射された光は投射レンズ１３へ至り、スクリーンなどの投射面に画像が拡大投影される。全黒表示の場合、液晶表示素子１２に入射したＰ偏光光は変調されずに反射され、反射された光は偏光ビームスプリッター１１の偏光分離膜を透過して光源側に戻される。上述した照明光学系はケーラー照明を行っており、発光部３Ａと第２フライアイレンズ８は互いに共役な場所に配置されており、第１フライアイレンズ７と液晶表示素子１２も互いに共役な場所に配置されている。
【００１４】
図２は、第１ランプユニット１の拡大図である。３、３Ａ、４に関しては既に説明したので説明は割愛する。３Bは発光管３を保持するための放物面鏡１８の根元側に空けられた穴である。今後、この３Ｂを根元開口部と称する。この根元開口部３Bがあるため、ランプユニットの出射側の開口面における照度分布は同心円状となる。このランプユニットの開口面における照度分布および光量分布について図３を用いて説明する。
【００１５】
図３（A）はランプユニットの開口面における照度分布をグレースケールで示した画像である。図３（A）より、ランプユニットから出射される光の照度分布は円環状の分布になっていることが分かる。最も照度分布が高い部分は、中心から２ｆの距離にある。
【００１６】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ断面における光量分布である。このＡ断面とは図１でいえば、第１ランプユニット１の光軸ＯＡＬ１および第２ランプユニットの光軸ＯＡＬ２を通る平面である。言い換えれば、Ａ断面はランプユニットの開口面において、ランプユニットの光軸に交わる線上の光量分布である。図３（Ｂ）のグラフの横軸は位置、縦軸は明るさを示す。この縦軸の明るさは最も明るい部分を１としたときの明るさの比率を表している。この光量分布のグラフより、Ａ断面の光量はランプユニットの光軸付近が非常に低く、ランプユニットの光軸から半径２ｆ離れた位置付近の光量が最も多いことが分かる。今後、この光量分布が高い部分を今後、ピークと呼ぶことにする。前述したとおり、ランプユニットの光軸付近の光量が低い要因は、発光管を配置するための放物面鏡の根元開口部３B（図２）、あるいは、発光管３（図２）そのものが出射光の遮光部になるためである。
【００１７】
次に、各ランプユニットから射出された光を合成する合成ミラー６の形状について図４を用いて説明する。図４は合成ミラー６の正面図である。図４の合成ミラー６は、図１の矢印で示したＺ方向から見たときの図である。本実施形態における合成ミラー６は、１枚のガラス板からなり反射部と透過部を有している。図の斜線部が反射部、斜線部以外の部分が透過部である。一点鎖線で示したＢ断面は、第１ランプユニット１の光軸ＯＡＬ１（図１）および第２ランプユニットの光軸ＯＡＬ２（図１）を通る平面が合成ミラー６を横切る断面である。合成ミラー６はB断面に沿って一端から他端へ向かって順に、この図の場合は紙面右側から左側へ向かって、第１透過部Ｔ１と、第１反射部Ｒ１と、第２透過部Ｔ２と、第２反射部Ｒ２を有している。第１反射部R１は第１ランプユニット１の光軸ＯＡＬ１上（図１）にあり、第２透過部Ｔ２は第２ランプユニット２の光軸ＯＡＬ２上（図１）にある。尚、合成ミラー６の第１透過部Ｔ１、第１反射部Ｒ１、第２透過部Ｔ２、第２反射部Ｒ２の形状は図３で示した形状に限られない。第１反射部Ｒ１または第２透過部Ｔ２を出射光の照度分布の円環状形状に合わせて半円状にしてもよい。あるいは、第１反射部Ｒ１および第２透過部Ｔ２はその一辺を共有している必要性はなく、離れて存在していてもよい。
【００１８】
では、上述した合成ミラー６を用いることによってどのような作用があるのかということについて、図５を用いて説明する。既出の構成については同じ符号を付しているので説明は割愛する。ここでの説明をし易くするために、図５の合成ミラー６は図４のＢ断面に沿った断面を図示しており、合成ミラー６の黒い色の部分は反射部、点線で表した部分は透過部である。既に述べたが、合成ミラー６（光合成部）はその一端から他端に向かって順に、第１透過部Ｔ１、第１反射部Ｒ１、第２透過部Ｔ２、第２反射部Ｒ２を有している。実線の矢印、４１、４２は第１ランプユニット１の２つのピークに対応する光であり、破線の矢印、４３、４４は第２ランプユニットの２つのピークに対応する光である。
【００１９】
合成ミラー６の反射部に着目すると、第１反射部Ｒ１は、第１ランプユニット１の光軸上にあり且つ第２ランプユニットの光軸外にある。第２反射部Ｒ２は第１ランプユニット２の光軸外にある。この第１反射部Ｒ１と第２反射部Ｒ２により第２ランプユニットの光軸外から出射される光を反射して、第１ランプユニット１から出射された光と合成する。
【００２０】
上述した内容を、図３（Ａ）、（Ｂ）で説明した各ランプユニットの出射光の光量分布に基づいて説明する。第１ランプユニット１の出射光の光量分布のピークを紙面上から下へ向かって順に第１ピーク４１、第２ピーク４２とする。第２ランプユニットの紙面左から右へ向かって順に第３ピーク４３、第４ピーク４４とする。まず、合成ミラー６の第１透過部Ｔ１は第１ランプユニット１の第１ピーク４１に対応する光を透過する。第２のランプユニット２の光軸上にある第２透過部Ｒ２は第１ランプユニット１の第２ピーク４２に対応する光を透過する。第２ランプユニットの第３ピーク４３に対応する光は第２反射部Ｒ２によって反射される。第２ランプユニットの第４ピーク４４に対応する光は、第１ランプユニット１の光軸上にある第１反射部Ｒ１によって反射される。つまり図１の観測面Ａで見たとき、各ランプユニットの合成光は紙面上から順に第１ピーク４１、第４ピーク４４、第２ピーク４２、第３ピーク４３と並ぶように合成される。ここでいう観測面Ａとは、合成ミラー６の出射面直後に位置し、第１ランプユニット１の光軸と第２ランプユニットの光軸を含む平面に垂直な面であって、且つ液晶表示素子に平行な面のことを言う。尚、合成ミラー６の第１透過部Ｔ１および第２透過部Ｔ２は、光が透過する作用があれば透明なガラス板であってもよいし、開口であってもよい。
【００２１】
上述した作用について図６を用いてもう少し詳しく説明する。観測面Ａ（図５）における合成光の照度分布を表す画像を図６（Ａ）、その断面イの光量分布は図６（Ｂ）のようになる。これより、合成ミラー６はランプユニットから出射される光の光量分布を考慮した反射部を有することで、明るい部分を照明光学系の光軸ＯＡの近傍に寄せて合成していることが分かる。断面イは、図１において第１及び第２ランプユニットの光軸を含む平面である。
【００２２】
参考として、第１のランプユニット１のみで照明した場合の合成ミラー通過後の観測面Ａにおける照度分布を表す画像を図６（Ｃ）に示す。図６（Ｃ）の断面イの光量分布を図６（Ｄ）に示した。同様に、第２のランプユニット２のみで照明した場合の合成ミラー通過後の照度分布を表す画像を図６（Ｅ）に示す。図６（Ｅ）の断面イの光量分布を図６（Ｆ）に示した。図６（Ａ）から（Ｆ）より、各反射部が光量の多い部分がうまく反射させ、各ランプユニットからの光を合成していることが分かる。
【００２３】
図4で示した形状の合成ミラー６と、その合成ミラーに対して各ランプユニットを適切に配置することで、各ランプユニットの光軸外の出射光の明るい部分が照明光学系の光軸近傍に寄るように合成することが可能となる。明るい部分が照明光学系の光軸近傍に寄れば、合成光をコンデンサーレンズ１０（図１）で集光して液晶表示素子１２（図１）を照明する場合に、液晶表示素子１２に対して斜めから入射する光の割合を低減させることができる。斜めから入射する光の割合を低減することで、画像変調素子としての液晶表示素子がより多くの光を適切な偏光状態に変調することができるので、画像のコントラストを高くすることができる。
【００２４】
冒頭に述べたように凹面鏡が焦点距離ｆの放物面鏡のとき、２つのランプユニットの互いの光軸間の距離Ｄは、０＜Ｄ＜４ｆとすることが望ましい。これは０＜Ｄ＜４ｆのとき、各ランプユニットの出射光のピークに対応する光を重ね合わせることができるからである。より好ましくはｆ≦Ｄ≦３ｆの範囲とすることである。こうすることで、一方のランプユニットの光軸近傍の光量の低い部分に、他方のランプユニットの光量が多い部分が来るように合成することが可能なので、液晶表示素子やその他の被照明面を均一に照明することが可能となる。尚、本実施形態では各ランプユニットの光軸ＯＡＬ１およびＯＡＬ２を含む平面と偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線が平行であるが、各ランプユニットの光軸を含む平面と偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線が非平行であってもよい。
【００２５】
以上、合成ミラー６を用いて各ランプユニットから出射される光を合成する方法について説明した。しかし、図５で示した合成ミラー６を用いた場合、第１ランプユニット１から射出された光のうち、第２反射部Ｒ２の部分に入射する光は合成ミラー６の第２反射部Ｒ２で紙面上方向に反射され、合成光として利用されない。また、第２ランプユニットから射出された光のうち、第１透過部Ｔ１に入射した光は、合成ミラー６を透過し、紙面上方向に抜けてしまうので合成光に利用されない。そこで、この合成光に利用されない光を光源側に戻す作用をもつ反射領域を有する部分反射ガラス５（光再帰部）をランプユニット１と合成ミラー６の間に配置する。
【００２６】
図７は部分反射ガラス５を合成ミラー６側から見た時の正面図である。図の斜線部２４Ａ、２４Ｂは反射領域、斜線以外の領域２５は透過領域である。本実施形態の部分反射ガラスは板状のガラスを用いており、反射領域には反射膜が蒸着されている。この反射領域である２４Ａ、２４Ｂは、合成ミラー６により合成光として利用されない光束が入射する部分に形成されている。合成光に利用されない部分とは、ランプユニット１に着目すれば、観測面Ａ（図５）から見た時に、第１ランプユニットから射出される光束が通る領域のうち、第２反射部Ｒ２と重なる部分（図７の２４Ａ）と、光軸を含む光軸周辺の円形領域（図７の２４Ｂ）である。ランプユニット２に着目すれば、観測面Ｂ（図５）から見たときに、第２ランプユニットから射出される光束が通る領域のうち、第１透過部Ｔ１が重なる部分と、光軸を含む光軸周辺の円形領域である。光軸周辺の領域（２４Ｂ）に反射領域を有することにより、わずかではあるが光源から出射された光を光源側に再帰させることができ、光量が増加する。この部分反射ガラス５は、部分反射ガラス５の中心とランプユニットの光軸が一致するように配置される。尚、部分反射ガラスは円形でなくともよい。
【００２７】
図８は部分反射ガラスの作用の説明図である。光源部３Ａから出射された光は光軸近傍で反射されたのち、ほぼ平行光となり部分反射ガラス５に入射する。部分反射ガラスの入射面側には図７に示した反射領域が設けられているので、その領域に入射した光は入射方向に反射され、放物面鏡を再び反射し、光源側へ戻される。光源側に戻された光は、今度は放物面鏡の周辺部に向かって射出される。そして、放物面鏡の周辺部で反射され略平行光となって射出され、射出された光は透過領域を介し、そのまま合成ミラー６へ入射する。言い換えれば、部分反射ガラス５（光再帰部）は、合成ミラー６（光合成部）と２つのランプユニットとの間に配置され、２つのランプユニットからの出射光の一部を前記ランプに戻す光束と、合成ミラーに導く光束とに分割する。つまり、図７に示した反射領域を有する部分反射ガラス５を放物面鏡４の開口面と合成ミラーの間に配置する。これにより、ランプから射出されたにも関わらず、合成ミラー６により液晶表示素子側に導かれない光（合成光として利用されない光）を光源側に再帰させることが可能なので、光利用効率を向上させることができる。
【００２８】
本発明では光を再帰するため、合成ミラー６の形状を鑑みて、部分反射ガラス５の中央部と対角方向の一部に反射膜を蒸着している（図７）。これにより、合成ミラー６での損失を極力抑えて２つのランプユニットから射出された光を合成できるので、光量損失が抑えられより被照明面を明るく照明することが可能となる。本実施形態では部分反射ガラス５はランプユニットに一体に設けられている。これは、ランプユニットから離れた位置に光再帰部を設けた場合にくらべ、ランプユニットにより近い位置に光を再帰させるための反射膜を設けたほうが、光利用効率が上がるからである。好ましい配置位置について具体的に述べると、ランプユニットの開口面からの距離をＬ（ｍｍ）とするとき、０＜Ｌ＜２５であることが好ましい。これは以下の理由に基づく。
【００２９】
図９に発光部から射出された光線を示す。光源が理想的な点光源であれば、光源から出射された光線は凹面鏡（放物面鏡）で反射され、平行光となって射出される。しかしながら実際は、発光部１６は、発光管内部の２つの向かい合う電極間において発光するため、有限の大きさを有している。放物面鏡１８の光軸２０の方向に、発光部１６は所定の長さを有しているため、発光部の出射側の点から発せられ、放物面鏡１８で反射する光線２３は光軸に近い側に反射する。発光部の出射側から遠い点で発せられた光線は放物面鏡１８で反射された後、光軸から離れる方向に導かれる（光線２１）。このため、ランプの開口面からの距離が遠くなるほど、光は発散してしまい中央部の暗い部分と環状の明るい部分の境が曖昧になり、合成ミラー６を用いた方式において、光量損失が増大する。そこで、前述したようにできるだけ部分反射ガラスをランプユニットから近い位置に配置することにより、出射光を効率よく再帰させることができる。
【００３０】
尚、実施形態１の反射部材は透明ガラスに反射膜を蒸着させ、部分反射ガラス５を形成する形態する場合について説明したが、これに限られず、反射部材に透過部の役割をする穴（開口）を空け、再帰ミラーとしても良い。また、第１、第２ランプユニット両方に部分反射ミラーを設けても良いし、片方だけに設けても照明に利用できる光量は向上する。
【００３１】
本発明の効果を、反射領域を蒸着したガラスと反射領域を蒸着していないガラスについて比較した結果、その光量は蒸着しない場合に比べおよそ１０％向上した。図１０は部分反射ガラス５を用いた時の、合成ミラー６に関する有効光束を部分反射ガラス５まで逆光線追跡したときの画像である。図６（Ｃ）に比べて輝度が上がっていることが確認できる。
【００３２】
（実施形態２）
図１１は本発明の第２実施形態の構成図である。ランプユニット以外の構成は実施形態１と同一であるので説明を省略する。２６は第１のランプユニット、２７は第２のランプユニットである。第１のランプユニット２６は、発光管２８、楕円形状のリフレクタである楕円鏡２９(凹面鏡)、平面側に反射膜（再帰ミラー）が蒸着されている凹レンズ３０で構成されている。第２のランプユニットについても同様の構成である。反射鏡を楕円形状のリフレクタと凹レンズ３０を組み合わせることで、略平行な光が凹レンズから出射される。
【００３３】
図１２は第１のランプユニット２６の拡大図である。また、反射領域は凹レンズ３０の出射側から見た正面図は図７と同じである。図の斜線部２４と斜線以外の領域２５はそれぞれ、反射領域と透過領域を示している。凹レンズ３０は、片側の平面に、図７に示したのと同様の反射膜を蒸着しており、透過領域においては何も蒸着しないことにより光再帰部の役割を果たす。図１１に示すように、凹レンズ３０の平面側の所定領域に蒸着された反射膜によって、ランプから発せられた光軸近傍の光４０は、再び発光部３９に戻り、楕円鏡２９の外側で反射して出射する。これによって、再帰光（凹レンズの反射領域で反射された後、リフレクタを再度反射した光）は合成ミラー３１の有効な領域に入射するために、光量損失がごく僅かである。言い換えれば、合成ミラー３１の有効な範囲以外に反射領域を設け、合成ミラー３１により液晶表示素子側に導かれない光を、ランプに戻している。これにより、２つのランプユニットから射出された光束を無駄なく利用して、より明るい照明をすることが可能となった。
【００３４】
尚、実施形態１、実施形態２はともに部分反射ガラス５、凹レンズ３０はランプユニットと一体である形態について説明したが、別体であってもよい。また、インテグレータとしてフライアイレンズを用いたが、ロッドインテグレータを用いた照明光学系にも本発明は適用可能である。その場合、合成ミラーによって合成された光を集光し、ロッドインテグレータへと入射すればよい。また、液晶表示素子としてマイクロミラーデバイスを用いた装置の照明に本発明を適用した場合においても、利用できる光量を向上させることが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１、２ ランプユニット
３Ａ 発光部
３ 発光管
４ 放物面鏡
５ 部分反射ガラス
６ 合成ミラー
７ 第１フライアイレンズ
８ 第２フライアイレンズ
９ 偏光変換素子
１０ コンデンサーレンズ
１２ 液晶表示素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は照明光学系に関し、特に複数のランプユニットを用いて被照明面を照明する照明光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今の投射型表示装置に用いられる照明光学系には、より明るく照明するために複数のランプユニットを用いて被照明面を照明するものがある。また、複数のランプユニットを用いて投射面を照明する場合、光束径を小さくするために複数のランプユニットからの射出光を合成する技術がある。一般的なランプユニットからの射出光の光量分布は均一ではないので、複数のランプユニットからの射出光の合成を行う場合は、照度むらを抑えた状態で合成することが重要である。
【０００３】
特許文献１には、２つのランプユニットから射出される合成光の強度分布を均一にするための技術が開示されている。具体的には、大きいランプユニットの射出光の強度分布が低い中央部に、小さいランプユニットの射出光が補完されるように、各ランプとミラーを配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００４−５２４５８１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、小さいほうのランプユニットはリフレクタの光軸に近い領域のみを使用しているので、出射光の平行度が良くない。これは、光軸に近い領域のリフレクタにより反射される光の平行度は、リフレクタ周辺で反射される光に比べて低いためである。平行度が良くないと、ケラレる光が多くなってしまい、照明に利用できる光量が低下してしまうという課題があった。
【０００６】
そこで本発明は上記課題を解決するために、複数のランプユニットから射出される光の利用率を向上し、ランプ光量を有効に利用可能な照明光学系および投射型表示装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ランプの陽極と陰極とが凹面鏡の光軸に沿って並ぶ２つのランプユニットと、
該２つのランプユニットの一方のユニットからの光と、他方のユニットからの光を合成する光合成部と、該光合成部からの光を集光するコンデンサーレンズとを備え、該コンデンサーレンズにより集光された光によって画像変調素子を照明する照明光学系において、
前記光合成部と前記２つのランプユニットとの間に配置され、前記２つのランプユニットからの出射光の一部を前記ランプに戻す光束と、前記光合成部に導く光束とに分割する光再帰部を有し、
前記光合成部は、前記一方のユニットの光軸上にあり且つ前記他方のユニットの光軸外にある第１反射部と、前記一方のユニットの光軸外にある第２反射部とによって、前記他方のユニットの光軸外から出射する光を反射することにより各ユニットからの光を合成することを特徴とする照明光学系。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は複数のランプユニットを用いた照明系に適した光再帰部を用いることにより、複数のランプユニットから射出される光を有効利用し、より明るい照明が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の概略構成図
【図２】ランプユニットの射出光の説明図
【図３】ランプユニットの射出光の強度分布図
【図４】合成ミラーの正面図
【図５】合成ミラーによる合成の説明図
【図６】合成ミラーによる合成光の強度分布図
【図７】部分反射ガラスの正面図
【図８】部分反射ガラスを用いたランプユニットの光路説明図
【図９】有限の大きさを有する光源からの出射光
【図１０】部分反射ガラスを用いた場合の照度分布
【図１１】第２実施形態の概略構成図
【図１２】第２実施形態のランプユニットの光路説明図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施形態１）
図１は本発明の投射型表示装置の実施形態１の概略構成図である。１は第１ランプユニットであり、第１ランプユニットは発光部３A、陰極と陽極の間にある発光部３Aを内部に有する発光管３、発光部３Aから発せられた光を反射して特定方向へ導く放物面鏡（凹面鏡）４を有する。５は一部の領域に反射膜を有する部分反射ガラス（光再帰部）である。部分反射ガラスは第１ランプユニットと一体に設けられている。発光部３Aおよび発光管３は可視光の波長領域の光を発する光源である。発光管内部の陽極と陰極は放物面鏡の光軸に沿って並んでおり、発光部は放物面鏡の焦点近傍に配置されている。また、本明細書中では、発光部と発光管を合わせてランプと称する。ここで、放物面鏡の焦点距離をｆ（ｆ＞０）とする。もう一方のランプユニット（第２のランプユニット）に関しても第１ランプユニットと同様であり、ランプ、放物面鏡および部分反射ガラスを有している。６は第１ランプユニットと第２ランプユニット２からの出射光を合成する合成ミラーである。尚、本実施形態のランプのアーク長は１．０ｍｍである。
【００１１】
ＯＡＬ１は第１ランプユニットの光軸、ＯＡＬ２は第２ランプユニットの光軸を表す線である。Ｄは第１ランプユニットの光軸ＯＡＬ１と第２ランプユニットの光軸を表す線ＯＡＬ２との距離である。言い換えれば、Ｄは、一方のランプユニット（ここでは、第２ランプユニット）の合成ミラー６による反射光側から見たときの、各ランプユニットの光軸間の距離である。あるいは、他方のランプユニット（ここでは第１ランプユニット）の出射光の透過側から見たときの各ランプユニットの光軸間の距離である。第１ランプユニット１は光軸ＯＡＬ1が合成ミラー６に対して略４５度をなすように配置され、第２ランプユニット２も、第２ランプユニットの光軸ＯＡＬ２が合成ミラー６に対して略４５度をなすように配置される。この際、第１ランプユニット１の光軸ＯＡＬ１と第２ランプユニットの光軸ＯＡＬ２の距離Ｄが、０＜Ｄ＜４ｆを満足するように合成ミラー６または各ランプユニットを配置する。
【００１２】
７は第１フライアイレンズ、８は第２フライアイレンズ、９は非偏光光を直線偏光光に変換する偏光変換素子、１０はコンデンサーレンズである。第１フライアイレンズ７および第２フライアイレンズ８はレンズが２次元に配列されたレンズアレイである。部分反射ガラス５、合成ミラー６、第１フライアイレンズ７、第２フライアイレンズ８、偏光変換素子９、コンデンサーレンズ１０を合わせて照明光学系とする。ＯＡは照明光学系の光軸である。１１は偏光ビームスプリッター、１２は液晶表示素子（画像変調素子）、１３は投射レンズ（投射光学系）である。Ｐ偏光、Ｓ偏光は偏光ビームスプリッターの入射面を基準に規定している。
【００１３】
ここで、合成ミラー６を出射した後の合成光について説明する。合成ミラー６を出射した合成光は、第１フライアイレンズ７によって分割および集光され、各々の分割光束は第２フライアイレンズ８近傍に集光される。第２フライアイレンズ８の近傍に集光された分割光束は偏光変換素子９へと入射し、それぞれ直線偏光に変換される。偏光変換素子９により直線偏光に変換された分割光束はコンデンサーレンズ１０によって集光され、偏光ビームスプリッター１１を透過して液晶表示素子１２を照明する。全白表示の場合、液晶表示素子１２に入射したＰ偏光はＳ偏光に変調され、変調されたＳ偏光は偏光ビームスプリッター１１の偏光分離面で反射される。反射された光は投射レンズ１３へ至り、スクリーンなどの投射面に画像が拡大投影される。全黒表示の場合、液晶表示素子１２に入射したＰ偏光光は変調されずに反射され、反射された光は偏光ビームスプリッター１１の偏光分離膜を透過して光源側に戻される。上述した照明光学系はケーラー照明を行っており、発光部３Ａと第２フライアイレンズ８は互いに共役な場所に配置されており、第１フライアイレンズ７と液晶表示素子１２も互いに共役な場所に配置されている。
【００１４】
図２は、第１ランプユニット１の拡大図である。３、３Ａ、４に関しては既に説明したので説明は割愛する。３Bは発光管３を保持するための放物面鏡１８の根元側に空けられた穴である。今後、この３Ｂを根元開口部と称する。この根元開口部３Bがあるため、ランプユニットの出射側の開口面における照度分布は同心円状となる。このランプユニットの開口面における照度分布および光量分布について図３を用いて説明する。
【００１５】
図３（A）はランプユニットの開口面における照度分布をグレースケールで示した画像である。図３（A）より、ランプユニットから出射される光の照度分布は円環状の分布になっていることが分かる。最も照度分布が高い部分は、中心から２ｆの距離にある。
【００１６】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ断面における光量分布である。このＡ断面とは図１でいえば、第１ランプユニット１の光軸ＯＡＬ１および第２ランプユニットの光軸ＯＡＬ２を通る平面である。言い換えれば、Ａ断面はランプユニットの開口面において、ランプユニットの光軸に交わる線上の光量分布である。図３（Ｂ）のグラフの横軸は位置、縦軸は明るさを示す。この縦軸の明るさは最も明るい部分を１としたときの明るさの比率を表している。この光量分布のグラフより、Ａ断面の光量はランプユニットの光軸付近が非常に低く、ランプユニットの光軸から半径２ｆ離れた位置付近の光量が最も多いことが分かる。今後、この光量分布が高い部分を今後、ピークと呼ぶことにする。前述したとおり、ランプユニットの光軸付近の光量が低い要因は、発光管を配置するための放物面鏡の根元開口部３B（図２）、あるいは、発光管３（図２）そのものが出射光の遮光部になるためである。
【００１７】
次に、各ランプユニットから射出された光を合成する合成ミラー６の形状について図４を用いて説明する。図４は合成ミラー６の正面図である。図４の合成ミラー６は、図１の矢印で示したＺ方向から見たときの図である。本実施形態における合成ミラー６は、１枚のガラス板からなり反射部と透過部を有している。図の斜線部が反射部、斜線部以外の部分が透過部である。一点鎖線で示したＢ断面は、第１ランプユニット１の光軸ＯＡＬ１（図１）および第２ランプユニットの光軸ＯＡＬ２（図１）を通る平面が合成ミラー６を横切る断面である。合成ミラー６はB断面に沿って一端から他端へ向かって順に、この図の場合は紙面右側から左側へ向かって、第１透過部Ｔ１と、第１反射部Ｒ１と、第２透過部Ｔ２と、第２反射部Ｒ２を有している。第１反射部R１は第１ランプユニット１の光軸ＯＡＬ１上（図１）にあり、第２透過部Ｔ２は第２ランプユニット２の光軸ＯＡＬ２上（図１）にある。尚、合成ミラー６の第１透過部Ｔ１、第１反射部Ｒ１、第２透過部Ｔ２、第２反射部Ｒ２の形状は図３で示した形状に限られない。第１反射部Ｒ１または第２透過部Ｔ２を出射光の照度分布の円環状形状に合わせて半円状にしてもよい。あるいは、第１反射部Ｒ１および第２透過部Ｔ２はその一辺を共有している必要性はなく、離れて存在していてもよい。
【００１８】
では、上述した合成ミラー６を用いることによってどのような作用があるのかということについて、図５を用いて説明する。既出の構成については同じ符号を付しているので説明は割愛する。ここでの説明をし易くするために、図５の合成ミラー６は図４のＢ断面に沿った断面を図示しており、合成ミラー６の黒い色の部分は反射部、点線で表した部分は透過部である。既に述べたが、合成ミラー６（光合成部）はその一端から他端に向かって順に、第１透過部Ｔ１、第１反射部Ｒ１、第２透過部Ｔ２、第２反射部Ｒ２を有している。実線の矢印、４１、４２は第１ランプユニット１の２つのピークに対応する光であり、破線の矢印、４３、４４は第２ランプユニットの２つのピークに対応する光である。
【００１９】
合成ミラー６の反射部に着目すると、第１反射部Ｒ１は、第１ランプユニット１の光軸上にあり且つ第２ランプユニットの光軸外にある。第２反射部Ｒ２は第１ランプユニット２の光軸外にある。この第１反射部Ｒ１と第２反射部Ｒ２により第２ランプユニットの光軸外から出射される光を反射して、第１ランプユニット１から出射された光と合成する。
【００２０】
上述した内容を、図３（Ａ）、（Ｂ）で説明した各ランプユニットの出射光の光量分布に基づいて説明する。第１ランプユニット１の出射光の光量分布のピークを紙面上から下へ向かって順に第１ピーク４１、第２ピーク４２とする。第２ランプユニットの紙面左から右へ向かって順に第３ピーク４３、第４ピーク４４とする。まず、合成ミラー６の第１透過部Ｔ１は第１ランプユニット１の第１ピーク４１に対応する光を透過する。第２のランプユニット２の光軸上にある第２透過部Ｒ２は第１ランプユニット１の第２ピーク４２に対応する光を透過する。第２ランプユニットの第３ピーク４３に対応する光は第２反射部Ｒ２によって反射される。第２ランプユニットの第４ピーク４４に対応する光は、第１ランプユニット１の光軸上にある第１反射部Ｒ１によって反射される。つまり図１の観測面Ａで見たとき、各ランプユニットの合成光は紙面上から順に第１ピーク４１、第４ピーク４４、第２ピーク４２、第３ピーク４３と並ぶように合成される。ここでいう観測面Ａとは、合成ミラー６の出射面直後に位置し、第１ランプユニット１の光軸と第２ランプユニットの光軸を含む平面に垂直な面であって、且つ液晶表示素子に平行な面のことを言う。尚、合成ミラー６の第１透過部Ｔ１および第２透過部Ｔ２は、光が透過する作用があれば透明なガラス板であってもよいし、開口であってもよい。
【００２１】
上述した作用について図６を用いてもう少し詳しく説明する。観測面Ａ（図５）における合成光の照度分布を表す画像を図６（Ａ）、その断面イの光量分布は図６（Ｂ）のようになる。これより、合成ミラー６はランプユニットから出射される光の光量分布を考慮した反射部を有することで、明るい部分を照明光学系の光軸ＯＡの近傍に寄せて合成していることが分かる。断面イは、図１において第１及び第２ランプユニットの光軸を含む平面である。
【００２２】
参考として、第１のランプユニット１のみで照明した場合の合成ミラー通過後の観測面Ａにおける照度分布を表す画像を図６（Ｃ）に示す。図６（Ｃ）の断面イの光量分布を図６（Ｄ）に示した。同様に、第２のランプユニット２のみで照明した場合の合成ミラー通過後の照度分布を表す画像を図６（Ｅ）に示す。図６（Ｅ）の断面イの光量分布を図６（Ｆ）に示した。図６（Ａ）から（Ｆ）より、各反射部が光量の多い部分がうまく反射させ、各ランプユニットからの光を合成していることが分かる。
【００２３】
図4で示した形状の合成ミラー６と、その合成ミラーに対して各ランプユニットを適切に配置することで、各ランプユニットの光軸外の出射光の明るい部分が照明光学系の光軸近傍に寄るように合成することが可能となる。明るい部分が照明光学系の光軸近傍に寄れば、合成光をコンデンサーレンズ１０（図１）で集光して液晶表示素子１２（図１）を照明する場合に、液晶表示素子１２に対して斜めから入射する光の割合を低減させることができる。斜めから入射する光の割合を低減することで、画像変調素子としての液晶表示素子がより多くの光を適切な偏光状態に変調することができるので、画像のコントラストを高くすることができる。
【００２４】
冒頭に述べたように凹面鏡が焦点距離ｆの放物面鏡のとき、２つのランプユニットの互いの光軸間の距離Ｄは、０＜Ｄ＜４ｆとすることが望ましい。これは０＜Ｄ＜４ｆのとき、各ランプユニットの出射光のピークに対応する光を重ね合わせることができるからである。より好ましくはｆ≦Ｄ≦３ｆの範囲とすることである。こうすることで、一方のランプユニットの光軸近傍の光量の低い部分に、他方のランプユニットの光量が多い部分が来るように合成することが可能なので、液晶表示素子やその他の被照明面を均一に照明することが可能となる。尚、本実施形態では各ランプユニットの光軸ＯＡＬ１およびＯＡＬ２を含む平面と偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線が平行であるが、各ランプユニットの光軸を含む平面と偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線が非平行であってもよい。
【００２５】
以上、合成ミラー６を用いて各ランプユニットから出射される光を合成する方法について説明した。しかし、図５で示した合成ミラー６を用いた場合、第１ランプユニット１から射出された光のうち、第２反射部Ｒ２の部分に入射する光は合成ミラー６の第２反射部Ｒ２で紙面上方向に反射され、合成光として利用されない。また、第２ランプユニットから射出された光のうち、第１透過部Ｔ１に入射した光は、合成ミラー６を透過し、紙面上方向に抜けてしまうので合成光に利用されない。そこで、この合成光に利用されない光を光源側に戻す作用をもつ反射領域を有する部分反射ガラス５（光再帰部）をランプユニット１と合成ミラー６の間に配置する。
【００２６】
図７は部分反射ガラス５を合成ミラー６側から見た時の正面図である。図の斜線部２４Ａ、２４Ｂは反射領域、斜線以外の領域２５は透過領域である。本実施形態の部分反射ガラスは板状のガラスを用いており、反射領域には反射膜が蒸着されている。この反射領域である２４Ａ、２４Ｂは、合成ミラー６により合成光として利用されない光束が入射する部分に形成されている。合成光に利用されない部分とは、ランプユニット１に着目すれば、観測面Ａ（図５）から見た時に、第１ランプユニットから射出される光束が通る領域のうち、第２反射部Ｒ２と重なる部分（図７の２４Ａ）と、光軸を含む光軸周辺の円形領域（図７の２４Ｂ）である。ランプユニット２に着目すれば、観測面Ｂ（図５）から見たときに、第２ランプユニットから射出される光束が通る領域のうち、第１透過部Ｔ１が重なる部分と、光軸を含む光軸周辺の円形領域である。光軸周辺の領域（２４Ｂ）に反射領域を有することにより、わずかではあるが光源から出射された光を光源側に再帰させることができ、光量が増加する。この部分反射ガラス５は、部分反射ガラス５の中心とランプユニットの光軸が一致するように配置される。尚、部分反射ガラスは円形でなくともよい。
【００２７】
図８は部分反射ガラスの作用の説明図である。光源部３Ａから出射された光は光軸近傍で反射されたのち、ほぼ平行光となり部分反射ガラス５に入射する。部分反射ガラスの入射面側には図７に示した反射領域が設けられているので、その領域に入射した光は入射方向に反射され、放物面鏡を再び反射し、光源側へ戻される。光源側に戻された光は、今度は放物面鏡の周辺部に向かって射出される。そして、放物面鏡の周辺部で反射され略平行光となって射出され、射出された光は透過領域を介し、そのまま合成ミラー６へ入射する。言い換えれば、部分反射ガラス５（光再帰部）は、合成ミラー６（光合成部）と２つのランプユニットとの間に配置され、２つのランプユニットからの出射光の一部を前記ランプに戻す光束と、合成ミラーに導く光束とに分割する。つまり、図７に示した反射領域を有する部分反射ガラス５を放物面鏡４の開口面と合成ミラーの間に配置する。これにより、ランプから射出されたにも関わらず、合成ミラー６により液晶表示素子側に導かれない光（合成光として利用されない光）を光源側に再帰させることが可能なので、光利用効率を向上させることができる。
【００２８】
本発明では光を再帰するため、合成ミラー６の形状を鑑みて、部分反射ガラス５の中央部と対角方向の一部に反射膜を蒸着している（図７）。これにより、合成ミラー６での損失を極力抑えて２つのランプユニットから射出された光を合成できるので、光量損失が抑えられより被照明面を明るく照明することが可能となる。本実施形態では部分反射ガラス５はランプユニットに一体に設けられている。これは、ランプユニットから離れた位置に光再帰部を設けた場合にくらべ、ランプユニットにより近い位置に光を再帰させるための反射膜を設けたほうが、光利用効率が上がるからである。好ましい配置位置について具体的に述べると、ランプユニットの開口面からの距離をＬ（ｍｍ）とするとき、０＜Ｌ＜２５であることが好ましい。これは以下の理由に基づく。
【００２９】
図９に発光部から射出された光線を示す。光源が理想的な点光源であれば、光源から出射された光線は凹面鏡（放物面鏡）で反射され、平行光となって射出される。しかしながら実際は、発光部１６は、発光管内部の２つの向かい合う電極間において発光するため、有限の大きさを有している。放物面鏡１８の光軸２０の方向に、発光部１６は所定の長さを有しているため、発光部の出射側の点から発せられ、放物面鏡１８で反射する光線２３は光軸に近い側に反射する。発光部の出射側から遠い点で発せられた光線は放物面鏡１８で反射された後、光軸から離れる方向に導かれる（光線２１）。このため、ランプの開口面からの距離が遠くなるほど、光は発散してしまい中央部の暗い部分と環状の明るい部分の境が曖昧になり、合成ミラー６を用いた方式において、光量損失が増大する。そこで、前述したようにできるだけ部分反射ガラスをランプユニットから近い位置に配置することにより、出射光を効率よく再帰させることができる。
【００３０】
尚、実施形態１の反射部材は透明ガラスに反射膜を蒸着させ、部分反射ガラス５を形成する形態する場合について説明したが、これに限られず、反射部材に透過部の役割をする穴（開口）を空け、再帰ミラーとしても良い。また、第１、第２ランプユニット両方に部分反射ミラーを設けても良いし、片方だけに設けても照明に利用できる光量は向上する。
【００３１】
本発明の効果を、反射領域を蒸着したガラスと反射領域を蒸着していないガラスについて比較した結果、その光量は蒸着しない場合に比べおよそ１０％向上した。図１０は部分反射ガラス５を用いた時の、合成ミラー６に関する有効光束を部分反射ガラス５まで逆光線追跡したときの画像である。図６（Ｃ）に比べて輝度が上がっていることが確認できる。
【００３２】
（実施形態２）
図１１は本発明の第２実施形態の構成図である。ランプユニット以外の構成は実施形態１と同一であるので説明を省略する。２６は第１のランプユニット、２７は第２のランプユニットである。第１のランプユニット２６は、発光管２８、楕円形状のリフレクタである楕円鏡２９(凹面鏡)、平面側に反射膜（再帰ミラー）が蒸着されている凹レンズ３０で構成されている。第２のランプユニットについても同様の構成である。反射鏡を楕円形状のリフレクタと凹レンズ３０を組み合わせることで、略平行な光が凹レンズから出射される。
【００３３】
図１２は第１のランプユニット２６の拡大図である。また、反射領域は凹レンズ３０の出射側から見た正面図は図７と同じである。図の斜線部２４と斜線以外の領域２５はそれぞれ、反射領域と透過領域を示している。凹レンズ３０は、片側の平面に、図７に示したのと同様の反射膜を蒸着しており、透過領域においては何も蒸着しないことにより光再帰部の役割を果たす。図１１に示すように、凹レンズ３０の平面側の所定領域に蒸着された反射膜によって、ランプから発せられた光軸近傍の光４０は、再び発光部３９に戻り、楕円鏡２９の外側で反射して出射する。これによって、再帰光（凹レンズの反射領域で反射された後、リフレクタを再度反射した光）は合成ミラー３１の有効な領域に入射するために、光量損失がごく僅かである。言い換えれば、合成ミラー３１の有効な範囲以外に反射領域を設け、合成ミラー３１により液晶表示素子側に導かれない光を、ランプに戻している。これにより、２つのランプユニットから射出された光束を無駄なく利用して、より明るい照明をすることが可能となった。
【００３４】
尚、実施形態１、実施形態２はともに部分反射ガラス５、凹レンズ３０はランプユニットと一体である形態について説明したが、別体であってもよい。また、インテグレータとしてフライアイレンズを用いたが、ロッドインテグレータを用いた照明光学系にも本発明は適用可能である。その場合、合成ミラーによって合成された光を集光し、ロッドインテグレータへと入射すればよい。また、液晶表示素子としてマイクロミラーデバイスを用いた装置の照明に本発明を適用した場合においても、利用できる光量を向上させることが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１、２ ランプユニット
３Ａ 発光部
３ 発光管
４ 放物面鏡
５ 部分反射ガラス
６ 合成ミラー
７ 第１フライアイレンズ
８ 第２フライアイレンズ
９ 偏光変換素子
１０ コンデンサーレンズ
１２ 液晶表示素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランプの陽極と陰極とが凹面鏡の光軸に沿って並ぶ２つのランプユニットと、
該２つのランプユニットの一方のユニットからの光と、他方のユニットからの光を合成する光合成部と、該光合成部からの光を集光するコンデンサーレンズとを備え、該コンデンサーレンズにより集光された光によって画像変調素子を照明する照明光学系において、
前記光合成部と前記２つのランプユニットとの間に配置され、前記２つのランプユニットからの出射光の一部を前記ランプに戻す光束と、前記光合成部に導く光束とに分割する光再帰部を有し、
前記光合成部は、前記一方のユニットの光軸上にあり且つ前記他方のユニットの光軸外にある第１反射部と、前記一方のユニットの光軸外にある第２反射部とによって、前記他方のユニットの光軸外から出射する光を反射することにより各ユニットからの光を合成することを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記２つのランプユニットをそれぞれ第１ランプユニット、第２ランプユニットとし、
前記第１および第２ランプユニットの光軸を含む断面において、前記第１ランプユニット１の開口面における前記第１ランプユニットの光軸に交わる線上の光量分布の２つのピークを第１ピークと第２ピーク、前記第２ランプユニットの開口面における前記第２ランプユニットの光軸に交わる線上の光量分布の２つのピークを第３ピークと第４ピークとすると、
前記光合成部は一端から他端に向かって順に、
前記第１ピークに対応する光を透過する第１透過部と、
前記第１ランプユニット１の光軸上に前記第４ピークに対応する光を反射する前記第１反射部と、
前記第２ランプユニットの光軸上に前記第２ピークに対応する光を透過する第２透過部と、
前記第３ピークに対応する光を反射する前記第２反射部と
を有し、
前記光再帰部は、前記第１ランプユニットから射出し、前記第２反射部により反射される光束および、前記第２ランプユニットから射出し、前記第１透過部を透過する光束を反射することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記光再帰部は反射領域を有し、
前記反射領域には反射膜が蒸着されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記光再帰部の反射領域は、前記第１ランプユニットから射出された光のうち、前記第１および第２反射部に入射する光束を反射することを特徴とする請求項３に記載の照明光学系。
【請求項５】
前記凹面鏡は放物面鏡であり、前記光再帰部は板状のガラスであることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項６】
前記凹面鏡は楕円鏡であり、前記光再帰部は凹レンズであることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項７】
前記凹レンズの片側は平面であり、該平面の側に前記光再帰部の反射領域が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の照明光学系。
【請求項８】
前記コンデンサーレンズと前記画像変調素子との間に偏光ビームスプリッターを有することを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項９】
画像変調素子と、
前記画像変調素子を照明する請求項１乃至８いずれか１項に記載の照明光学系と、
前記照明光学系からの光を投射する投射光学系とを有することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１０】
前記画像変調素子は液晶表示素子またはマイクロミラーデバイスであることを特徴とする請求項９に記載の投射型表示装置。
【請求項１】
ランプの陽極と陰極とが凹面鏡の光軸に沿って並ぶ２つのランプユニットと、
該２つのランプユニットの一方のユニットからの光と、他方のユニットからの光を合成する光合成部と、該光合成部からの光を集光するコンデンサーレンズとを備え、該コンデンサーレンズにより集光された光によって画像変調素子を照明する照明光学系において、
前記光合成部と前記２つのランプユニットとの間に配置され、前記２つのランプユニットからの出射光の一部を前記ランプに戻す光束と、前記光合成部に導く光束とに分割する光再帰部を有し、
前記光合成部は、前記一方のユニットの光軸上にあり且つ前記他方のユニットの光軸外にある第１反射部と、前記一方のユニットの光軸外にある第２反射部とによって、前記他方のユニットの光軸外から出射する光を反射することにより各ユニットからの光を合成することを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記２つのランプユニットをそれぞれ第１ランプユニット、第２ランプユニットとし、
前記第１および第２ランプユニットの光軸を含む断面において、前記第１ランプユニット１の開口面における前記第１ランプユニットの光軸に交わる線上の光量分布の２つのピークを第１ピークと第２ピーク、前記第２ランプユニットの開口面における前記第２ランプユニットの光軸に交わる線上の光量分布の２つのピークを第３ピークと第４ピークとすると、
前記光合成部は一端から他端に向かって順に、
前記第１ピークに対応する光を透過する第１透過部と、
前記第１ランプユニット１の光軸上に前記第４ピークに対応する光を反射する前記第１反射部と、
前記第２ランプユニットの光軸上に前記第２ピークに対応する光を透過する第２透過部と、
前記第３ピークに対応する光を反射する前記第２反射部と
を有し、
前記光再帰部は、前記第１ランプユニットから射出し、前記第２反射部により反射される光束および、前記第２ランプユニットから射出し、前記第１透過部を透過する光束を反射することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記光再帰部は反射領域を有し、
前記反射領域には反射膜が蒸着されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記光再帰部の反射領域は、前記第１ランプユニットから射出された光のうち、前記第１および第２反射部に入射する光束を反射することを特徴とする請求項３に記載の照明光学系。
【請求項５】
前記凹面鏡は放物面鏡であり、前記光再帰部は板状のガラスであることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項６】
前記凹面鏡は楕円鏡であり、前記光再帰部は凹レンズであることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項７】
前記凹レンズの片側は平面であり、該平面の側に前記光再帰部の反射領域が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の照明光学系。
【請求項８】
前記コンデンサーレンズと前記画像変調素子との間に偏光ビームスプリッターを有することを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項９】
画像変調素子と、
前記画像変調素子を照明する請求項１乃至８いずれか１項に記載の照明光学系と、
前記照明光学系からの光を投射する投射光学系とを有することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１０】
前記画像変調素子は液晶表示素子またはマイクロミラーデバイスであることを特徴とする請求項９に記載の投射型表示装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１２８４９０（Ｐ２０１１−１２８４９０Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８８８１３（Ｐ２００９−２８８８１３）
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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