JP2002062588A - 平滑化光学素子および照明光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入射光束を側面で反射することにより出射光
束の強度分布を平滑化する柱状の平滑化素子において、
出射端面のエッジの欠けや出射端面上の異物が影を形成
するのを防止し、また、出射光束のＦ数を入射光束のＦ
数よりも大きくする。 【解決手段】 平滑化素子をガラス製の充填部とこれに
連なる筒状の中空部で構成し、光束を充填部の側面で全
反射するとともに中空部の内側の側面でも反射するよう
にする。充填部の端面を入射端面、中空部の端面を出射
端面とすることで、出射端面に欠けが生じたり異物が付
着したりする可能性を皆無にする。また、反射角を入射
角よりも大きくする微細構造を側面に設けることで、出
射光束のＦ数を大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光束の強度分布を
平滑化する平滑化光学素子、および平滑化光学素子を備
えた照明光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＣＤ（Liquid Crystal Display：液晶
表示器）、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device：デジ
タルマイクロミラー素子）等の表示素子に照明光を導
き、表示素子に表示した映像によって照明光を変調し
て、変調後の光を投射光学系で投射することによりスク
リーン上に映像を表示する投射型映像表示装置がある。
投射型映像表示装置では、明るさにむらのない映像を提
供するために、強度分布が均一な光束で表示素子を照明
する必要がある。ところが、一般に、光源から射出され
る光束の強度は、中央部で高く周辺部で低くなり、均一
な分布にはならない。このため、照明光を表示素子に供
給する照明光学系には、光源からの光束の強度分布を平
滑化（均一化）するための平滑化光学系が備えられる。

【０００３】平滑化光学系にはいくつかの方式がある
が、インテグレータロッドと呼ばれるものが最も簡素な
構成であり、多用されている。インテグレータロッドは
透明な角柱状の素子で、一端面（入射端面）に収束光を
与えられ、入射した光束を側面で全反射して他端面（出
射端面）に導いて、発散光として出射させる。側面での
全反射の回数は入射端面への入射角に応じて異なり、出
射端面上のどの部位にも様々な反射回数の光が到来す
る。すなわち、出射端面では入射前の光束の中央部の光
と周辺部の光が混じり合うことになり、これにより光束
の強度分布が均一になる。

【０００４】出射端面より出射する光束に含まれる光が
インテグレータロッドの光軸（入射端面の中心と出射端
面の中心を結ぶ直線）に対して成す角は、入射前の各光
が光軸に対して成す角と等しい。したがって、出射端面
の同一点から出た光は光軸に対する角度の違いにより分
離することになり、出射端面上で均一になった強度分布
は出射端面から離れるほど不均一になってしまう。

【０００５】そこで、インテグレータロッドは、出射端
面と表示素子とを共役な関係にして、出射端面から出た
光束を表示素子を含む平面上に結像させるリレー光学系
と組み合わせて使用される。出射端面の同一点から出た
光は、光軸に対する角度にかかわらず、表示素子の同一
点に入射することになり、これにより表示素子上でも光
束の強度分布は均一になる。

【０００６】明るい映像を表示するために、インテグレ
ータロッドには強度の高い光束が与えられる。このた
め、インテグレータロッドは耐熱性に優れたガラスで作
製される。ところが、このようなガラスは機械的衝撃に
弱いため、インテグレータロッドのエッジには欠けが生
じ易い。出射端面のエッジに欠けが生じると、出射端面
と表示素子が共役な位置関係にあるため、その欠けが表
示素子上で明確な影を形成してしまう。この影は投射さ
れたスクリーン上でも明確な影となって現れることにな
る。

【０００７】この不都合を解消する方法として提案され
ている構成を図１０に示す。図１０において、７１はイ
ンテグレータロッド、７２は光源である。光源７２は、
ランプ７２ａとリフレクタ７２ｂより成る。リフレクタ
７２ｂは回転楕円面鏡であり、その第１焦点にランプ７
２ａが配置されている。インテグレータロッド７１は、
その入射端面７１ａがリフレクタ７２ｂの第２焦点上に
位置するように配置されており、光源７２からの収束光
を与えられる。

【０００８】出射端面７１ｂには出射端面７１ｂよりも
小さい開口を有するマスク７３が備えられており、出射
端面７１ｂから出る光束のうち周辺部はマスク７３によ
って遮られる。マスク７３の開口の大きさは表示素子の
大きさに対応するように設定されており、マスク７３を
通過した光束は表示素子の全面に結像する。したがっ
て、出射端面７１ｂのエッジに欠けがあっても、表示素
子上に影を形成することはない。

【０００９】ＬＣＤ、ＤＭＤ等の表示素子による照明光
の変調は、照明光のＦ数が大きいほど、すなわち照明光
が平行光線に近いほど、効率および精度がよい。また、
変調後の光束を投射するための投射光学系は、光束のＦ
数が大きいほど口径を小さくすることができる。このた
め、リレー光学系はＦ数の大きな光束を表示素子に導く
ように設定されており、リレー光学系が取り込み得る光
束のＦ数には実質的に下限が存在する。

【００１０】表示素子を明るく照明するためには、イン
テグレータロッドからの光束を表示素子のみに導き、表
示素子の傍らを通過する部分がないようにしなければな
らない。したがって、リレー光学系には、表示素子の大
きさとインテグレータロッドの出射端面の大きさの比で
定まる倍率をもたせる必要がある。しかし、取り込み得
る光束のＦ数に下限があるため、リレー光学系の倍率を
あまり自由に設定することはできず、その結果、インテ
グレータロッドの出射端面の大きさには上限が生じる。

【００１１】一方、インテグレータロッドから出射する
光束のＦ数は、インテグレータロッドに入射する前の光
束、つまり光源が射出する光束のＦ数に等しい。ところ
が、光源が射出する光束のＦ数を大きくすると、光束全
体をインテグレータロッドに入射させるためには、光源
からインテグレータロッドまでの距離を大きくする必要
が生じて、構成が大型化する。

【００１２】また、高出力の光源は、発光部が大きいた
め収束性能があまり高くなく、収束位置においても光束
径は大きい。したがって、明るい映像を表示するために
高出力の光源を使用すると、光源からの光束全体をイン
テグレータロッドに入射させることができなくなって光
量損失が生じてしまう。

【００１３】出射端面の大きさに上限があるという制約
のもとで、光源からの光束をできるだけ多くインテグレ
ータロッドに入射させる方法として、図１１に示すよう
に、インテグレータロッドを、入射端面側で幅が広く出
射端面側で幅の狭いテーパー状とすることが提案されて
いる。このようにすると、光源７２をインテグレータロ
ッド７１から大きく離間させなくてもＦ数の大きな光束
全体をインテグレータロッドに入射させることができる
し、収束性能の低い高出力の光源からの光束全体を入射
させることもできる。

【００１４】また、インテグレータロッドから出射する
光束のＦ数を光源からの光束のＦ数よりも大きくする方
法として、図１２に示すように、インテグレータロッド
を、入射端面側で幅が狭く中央部で幅の広いテーパー部
を有する形状とすることが提案されている。この構成で
は、インテグレータロッド７１に入射した光はテーパー
部の側面で全反射されるごとに光軸に対して平行に近づ
いていき、出射する光束のＦ数は大きくなる。

【００１５】明るい映像を表示するために、光源を２つ
備えることも提案されている。この構成を図１３に示
す。２つの光源７２はインテグレータロッド７１の光軸
に関して対称に配置されており、いずれも光軸に対して
斜めの方向から光束をインテグレータロッド７１に与え
る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】インテグレータロッド
の出射端面にマスクを備える図１０の構成は、出射端面
のエッジの欠けが表示素子上に影を形成するのを防止す
ることができる。しかし、インテグレータロッドから出
射する光束の一部をマスクで遮るため、光量損失が生じ
ることは避けられない。しかも、出射端面では強度分布
が均一になっているため失われる光量は多く、明るい映
像を表示するために好ましい構成とはいえない。さら
に、エッジの欠けだけでなく、出射端面に付着した埃等
の異物も表示素子上に明確な影を形成するが、図１０の
構成では異物の影を防止することはできない。

【００１７】インテグレータロッドをテーパー状にした
図１１の構成では、光源からの光束全体をインテグレー
タロッドに入射させることは可能である。しかし、光は
側面で反射させるごとに光軸に対する角度が大きくなっ
ていくから、出射する光束のＦ数は光源からの光束のＦ
数よりも小さくなり、リレー光学系に取り込まれない光
が生じる。このため、明るい映像を表示する効果は少な
い。

【００１８】図１２のテーパー部を有するインテグレー
タロッドでは、出射する光束のＦ数を光源からの光束の
Ｆ数よりも大きくすることは可能であるものの、入射端
面が小さくなるため、光源の収束性能がよくないと光量
損失が生じる。すなわち、入射端面からではなくテーパ
ー部の側面から入射する光が生じ、この光は入射時の屈
折により光軸に対する角度が大きくなって、出射後はリ
レー光学系に取り込まれなくなる。したがって、明るい
映像を表示するために高出力の光源を使用しても、その
性能を十分に生かすことができなくなる。

【００１９】図１３のように、光源を２つ備える構成
は、明るい映像を表示するのに有効である。しかし、各
光源はインテグレータロッドの光軸に対して斜めの方向
から光束を与えるため、出射する光束のＦ数が光源の離
間方向について小さくなり、リレー光学系に取り込まれ
ない光が生じる。このため、光源を１つ備える構成の２
倍の明るさの映像を表示することはできない。

【００２０】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、出射端面のエッジの欠けや出射端面に付着
した異物の影響のない平滑化素子、および出射後の光束
のＦ数を入射前の光束のＦ数よりも大きくし得る平滑化
素子を提供することを目的とする。また、照明対象面に
影を形成することのない照明光学系、および光量損失の
少ない照明光学系を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、柱状の外形を有し、一端面より入射す
る光束を側面で反射して他端面に導き、強度分布が平滑
化した光束として出射させる平滑化素子を、透光性の材
料で充たされ、側面で光を全反射する柱状の充填部と、
充填部に連なり、内側を向いた側面で光を反射する筒状
の中空部とで構成する。

【００２２】この平滑化素子は、従来のインテグレータ
ロッドと同様の充填部に、中空部を付加した構成であ
る。この平滑化素子は、光束を充填部側から入射させて
中空部側から出射させる形態で使用することができる。
この使用形態では、中空部の縁で囲まれた空気の範囲が
平滑化素子の出射端面となり、ここに異物が付着するこ
とはないし、そのエッジに欠けが生じることもない。し
たがって、出射端面から出射する光束を結像させるリレ
ー光学系と組み合わせても、結像面上に異物や欠けの影
が生じるおそれがない。逆に、光束を中空部側から入射
させて充填部側から出射させる形態で使用してもよい。

【００２３】本発明では、また、柱状の外形を有し、一
端面より入射する光束を側面で反射して他端面に導き、
強度分布が平滑化した光束として出射させる平滑化素子
において、側面の少なくとも一部が、反射角を入射角よ
りも大きくする微細構造を有するものとする。

【００２４】光は微細構造を有する側面で反射されるご
とに、平滑化素子の光軸に対して平行に近づいていく。
したがって、テーパー状の外形とすることなく、出射す
る光束のＦ数を入射する光束のＦ数よりも大きくするこ
とができる。

【００２５】前記目的を達成するために、本発明ではま
た、充填部と中空部とを備える上記の平滑化素子と、平
滑化素子の一端面近傍を収束位置とする光束を平滑化素
子に与える光源と、平滑化素子の他端面から出射する光
束を平面上に結像させるリレー光学系とで照明光学系を
構成する。平滑化素子は充填部が光源側に位置するよう
に配置することも、中空部が光源側に位置するように配
置することもできる。

【００２６】充填部が光源側に、中空部がリレー光学系
側に位置するように平滑化素子を配置すると、光束を充
填部側から平滑化素子に入射させて中空部側から出射さ
せる形態となり、照明対象面である平面に平滑化素子の
出射端面のエッジの欠けや異物の影のない照明光を導く
ことができる。

【００２７】この配置では、平滑化素子の全長をＬ0、
平滑化素子の中空部の長さをＬ1、平滑化素子の充填部
の幅をｄ、平滑化素子の充填部の屈折率をｎ、光源が平
滑化素子に与える光束のＦ数をＦ1で表すとき、式１〜
式３の関係を満たすようにするとよい。 ｄ・（４・ｎ²・Ｆ1²−１）^1/2≦Ｌ0≦１０・ｄ・（４・ｎ²・Ｆ1²−１）^1/2 …式１ （１／４）・ｄ・（４・ｎ²・Ｆ1²−１）^1/2≦Ｌ1≦（１／２）・Ｌ0 …式２ ０．８≦Ｆ1≦２．０ …式３

【００２８】式１は、光源からの光束の最外部の光が、
平滑化素子の側面で１回以上かつ１０回以下反射される
ことを保証する。式２は、中空部がある程度以上の長さ
を有するが、平滑化素子の全長の半分以下であることを
規定する。式３は、一般的な光源からの光束のＦ数の範
囲を示す。これらの式を満たすことで、光束の強度分布
の平滑化と照明対象面に影を生じさせないことを実現し
つつ、中空部の側面での不完全な反射による光量損失を
抑えることができる。

【００２９】平滑化素子の側面の少なくとも一部が、反
射角を入射角よりも大きくする微細構造を有する構成と
するとよい。光源からの光束のＦ数が小さくても、平滑
化素子を出射した光束のＦ数を大きくすることができ
て、光束全体をリレー光学系に取り込ませることが容易
になる。反射角を入射角よりも大きくする微細構造とし
ては、例えば回折格子がある。

【００３０】平滑化素子の微細構造を有する側面は、充
填部の側面であってもよいし、中空部の側面であっても
よい。

【００３１】前記目的を達成するために、本発明ではさ
らに、側面の少なくとも一部が反射角を入射角よりも大
きくする微細構造を有する前述の平滑化素子と、平滑化
素子の一端面近傍を収束位置とする光束を平滑化素子に
与える光源と、平滑化素子の他端面から出射する光束を
平面上に結像させるリレー光学系とで照明光学系を構成
する。

【００３２】この照明光学系では、平滑化素子から出射
する光束のＦ数を光源からの光束のＦ数よりも大きくす
ることができて、光束全体をリレー光学系に取り込ませ
ることが容易になる。また、リレー光学系の倍率を高め
て、平滑化素子の出射端面と入射端面とを大きくするこ
とが可能になり、光源として収束性能の低い高出力のも
のを使用しても、その光源からの光束全体を容易に平滑
化素子に入射させることができる。

【００３３】ここで、平滑化素子の全長をＬ0、平滑化
素子の側面の微細構造を有する部位の長さをＬ2、平滑
化素子の幅をｄ、平滑化素子の屈折率をｎ、光源が平滑
化素子に与える光束のＦ数をＦ1、リレー光学系が取り
込み得る光束の最小のＦ数をＦ2で表すとき、式４〜式
６の関係を満たすようにするとよい。 ｄ・（４・ｎ²・Ｆ2²−１）^1/2≦Ｌ0≦１０・ｄ・（４・ｎ²・Ｆ2²−１）^1/2 …式４ （１／４）・ｄ・（４・ｎ²・Ｆ1²−１）^1/2≦Ｌ2≦Ｌ0 …式５ ０．８≦Ｆ2≦２．０ …式６

【００３４】式４は、リレー光学系が取り込む光束の最
外部の光が、平滑化素子の側面で１回以上かつ１０回以
下反射されたものであることを保証する。式５は、側面
の微細構造を有する部位の長さが、光源からの光束の最
外部の光を１回反射する長さの１／４以上であることを
規定する。また、式６は一般的なリレー光学系が取り込
み得る光束のＦ数の範囲を示す。これらの式を満たすこ
とで、光束の強度分布を平滑化しつつ、光束全体をリレ
ー光学系に入射させることを実現することができる。

【００３５】平滑化素子の側面が反射角を入射角よりも
大きくする微細構造を有する照明光学系では、光源を２
つ以上備えて、各光源が平滑化素子の一端面の中心と他
端面の中心を結ぶ直線に対して斜めの方向から、平滑化
素子に光束を与える構成としてもよい。光源が平滑化素
子の光軸に対して斜め方向から光束を与えると、そのＦ
数は小さくなるが、平滑化素子は微細構造によりＦ数を
大きくすることができるから、光束全体をリレー光学系
に取り込ませることが可能である。

【００３６】この場合、平滑化素子の側面には、平滑化
素子の一端面の中心と他端面の中心を結ぶ直線と光源と
を含む平面に対して垂直な平面が含まれており、この平
面のみが微細構造を有する構成としてもよい。Ｆ数の小
さい方向だけに微細構造を設けることになり、平滑化素
子の作製が容易になる。

【００３７】また、少なくとも１対の光源が、平滑化素
子の一端面の中心と他端面の中心を結ぶ直線に関して互
いに逆の方向から、平滑化素子に光束を与える構成とす
ることもできる。すなわち、対を成す光源を、平滑化素
子の光軸を含む平面上に、かつ光軸に関して反対側に配
置することができる。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の平滑化光学素子お
よび照明光学系の実施形態について、図面を参照しなが
ら説明する。第１の実施形態の照明光学系１の要部を図
１に示す。照明光学系１は、平滑化素子１１、光源１
２、およびリレー光学系（不図示）を備えている。光源
１２は、ランプ１２ａとリフレクタ１２ｂより成る。リ
フレクタ１２ｂは回転楕円面鏡であり、その第１焦点に
ランプ１２ａが配置されている。

【００３９】平滑化素子１１は、断面が長方形の四角柱
状であり、充填部１１ｆと中空部１１ｅより成る。充填
部１１ｆは透明なガラス製であり、ガラス材料で充たさ
れている。中空部１１ｅもガラス製であるが、内部はガ
ラス材料で充たされておらず、筒状である。充填部１１
ｆと中空部１１ｅは連続しており、中空部１１ｅの内側
の側面１１ｃ’は、充填部１１ｆの側面１１ｃの延長上
にある。中空部１１ｅの側面１１ｃ’の全体には反射膜
が設けられている。

【００４０】充填部１１ｆの２つの端面１１ａ、１１ｂ
は側面１１ｃに対して垂直である。端面１１ａの中心と
端面１１ｂの中心を結ぶ直線を平滑化素子１１の光軸Ａ
ｘという。平滑化素子１１は、光軸Ａｘがリフレクタ１
２ｂの光軸（回転軸）に一致し、かつ、充填部１１の端
面１１ａがリフレクタ１２ｂの第２焦点上に位置するよ
うに配置されている。充填部１１ｆの端面１１ａが平滑
化素子１１の入射端面であり、中空部１１ｅの端部の縁
で囲まれた空気のみが存在する面１１ｄが平滑化素子１
１の出射端面である。

【００４１】ランプ１２ａが発した光はリフレクタ１２
ｂによって反射され、充填部１１ｆの端面１１ａの中心
を収束位置とする収束光束となって、充填部１１ｆに入
射する。端面１１ａより充填部１１ｆに入射した光束に
含まれる光は、側面１１ｃで全反射されながら端面１１
ｂに達し、これを透過して中空部１１ｅに入る。中空部
１１ｅに入った光は、側面１１ｃ’で反射されながら中
空部１１の端面１１ｄに達し、平滑化素子１１より発散
光束として出射する。

【００４２】端面１１ｄのどの部位にも側面１１ｃ、１
１ｃ’による反射の回数が異なる様々な光が達して、強
度分布が不均一であった光源１２からの光束は、端面１
１ｄ上では強度分布が平滑化された光束となる。端面１
１ｄより出射した光束は、不図示のリレー光学系によっ
て、端面１１ｄと共役な平面上に結像させられる。この
平面が照明対象面であり、照明対象面は、端面１１ｄと
相似形でリレー光学系の倍率に応じた大きさの範囲を均
一に照明されることになる。

【００４３】充填部１１ｆのエッジには欠けが生じ易い
が、たとえ端面１１ｂのエッジに欠けがあったとして
も、端面１１ｂは照明対象面と共役ではないから、照明
対象面に欠けの影は現れない。また、端面１１ｂに埃等
の異物が付着しても、同じ理由で、照明対象面に異物の
影は現れない。出射端面１１ｄには空気が存在するのみ
で、ここに異物が付着したり欠けが生じたりすることは
ないから、照明対象面に影が形成される可能性はない。

【００４４】平滑化素子１１は、次の式１〜式３の関係
を満たすように設定するのが好ましい。 ｄ・（４・ｎ²・Ｆ1²−１）^1/2≦Ｌ0≦１０・ｄ・（４・ｎ²・Ｆ1²−１）^1/2 …式１（再掲） （１／４）・ｄ・（４・ｎ²・Ｆ1²−１）^1/2≦Ｌ1≦（１／２）・Ｌ0 …式２（再掲） ０．８≦Ｆ1≦２．０ …式３（再掲）

【００４５】ここで、Ｌ0は充填部１１ｆと中空部１１
ｅを含む平滑化素子１１の全長、Ｌ1は中空部１１ｅの
長さ、ｄは充填部１１ｆの幅（太さ）、ｎは充填部１１
ｆの屈折率、Ｆ1は光源１２が平滑化素子１１に与える
光束のＦ数である。

【００４６】式１は平滑化素子１１の全長を規定するも
のである。光源１２からの光束の最外部の光が１回も反
射されないほど短ければ、平滑化素子１１は強度分布を
平滑化する機能を発揮できない。ｄ・（４・ｎ²・Ｆ1²−
１）^1/2は、光源１２からの光束の最外部の光が、端面
１１ａのエッジ付近に入射して、反対側の側面１１ｃに
達するまでの光軸Ａｘ方向の距離である。したがって、
左の不等号は、光源１２からの光束の最外部の光が、端
面１１ａのどこに入射しても側面１１ｃ、１１ｃ’によ
って少なくとも１回反射されることを示す。これにより
平滑化機能が確保される。一方、最外部の光が１０回も
反射されるほど長ければ、強度分布は十分に均一になる
から、平滑化素子１１をそれ以上長くすることに意味は
ない。右の不等号は反射回数を１０以下に抑えることを
示す。

【００４７】式２は中空部１１ｅの長さを規定する。中
空部１１があまり短ければ、充填部１１ｆの端面１１ｂ
が照明対象面と共役な位置に近くなり、エッジの欠けや
異物の影が照明対象面に現れ易くなる。中空部１１ｅの
長さが、最外部の光が少なくとも１回反射される距離の
１／４以上であれば、そのような事態は生じない。左の
不等号はこれを下限として定めたものものである。中空
部１１ｅの側面１１ｃ’に設けられている反射膜は、高
い反射率を有するように設定されているが、光を全反射
する充填部１１ｆの側面１１ｃほど反射率は高くない。
したがって、中空部１１ｅが長くなるほど光量損失が大
きくなる。右側の不等式は、これを避けるために、中空
部１１ｅの長さを平滑化素子１１の全長の半分以下に制
限することを示す。

【００４８】式３は一般的な光源が射出する光束のＦ数
の範囲を示す。したがって、光源１２として特殊なもの
を使用しない限り、平滑化素子１１が式１〜式３の関係
を満たす照明光学系１は、強度分布を平滑化することと
照明対象面に影を形成しないことを両立させつつ、平滑
化素子１１内での光量損失をきわめて低く抑えることが
できる。

【００４９】第２の実施形態の照明光学系２の要部を図
２に示す。この照明光学系２は、上記の照明光学系１の
平滑化素子１１に代えて、平滑化素子２１を備えたもの
である。平滑化素子２１は、平滑化素子１１と同様に充
填部２１ｆと中空部２１ｅより成るが、向きを逆にして
配置されており、中空部２１ｅの端部の縁で囲まれた端
面２１ｄがリフレクタ１２ｂの第２焦点上に位置する。
また、中空部２１ｅの側面２１ｃ’の全体には、反射膜
が設けられているだけでなく、反射角を入射角よりも大
きくする微細構造が形成されている。この微細構造は、
バイナリ型、ブレーズ型等の回折格子である。

【００５０】端面２１ｄより中空部２１ｅに入射した光
束に含まれる光は、側面２１ｃ’で反射され、その微細
構造によって、光軸Ａｘに対して平行に近づけられる。
この光は端面２１ｂから充填部２１ｆに入射し、側面２
１ｃで全反射されて端面２１ａに達する。端面２１ａ上
での光束の強度分布は平滑化される。側面２１ｃ’で反
射されたことにより、端面２１ａから出射する光束のＦ
数は、端面２１ｄに入射する前の光束のＦ数よりも大き
くなっている。したがって、リレー光学系としては、照
明光学系１のリレー光学系よりも、取り込み得る最小の
Ｆ数が小さいものを使用することができる。

【００５１】第３の実施形態の照明光学系３の要部を図
３に示す。この照明光学系３は、リレー光学系の倍率を
照明光学系２よりも高くするとともに、平滑化素子２１
に代えて、充填部３１ｆと中空部３１ｅの幅を広くした
平滑化素子３１を備えたものである。中空部３１ｅの側
面３１ｃ’に反射角を入射角よりも大きくする微細構造
が形成されていることは同様である。

【００５２】微細構造により端面３１ａから出射する光
束のＦ数を大きくすることができるため、照射対象面へ
の光束のＦ数を保ったままでリレー光学系の倍率を高く
することが可能になっている。その結果、平滑化素子３
１の幅を広くして、出射端面３１ａと共に入射端面３１
ｄを大きくすることも可能になっている。

【００５３】入射端面３１ｄの大きい平滑化素子３１を
備える照明光学系３では、光源１２として収束性能が低
く収束位置での光束径の大きい高出力のものを使用して
も、その光束全体を平滑化素子３１に入射させることが
できる。したがって、広い範囲を明るく照明することが
可能である。

【００５４】第４の実施形態の照明光学系４の要部を図
４に示す。この照明光学系４は、第２の実施形態の照明
光学系２に光源１２を１つ追加したものである。図４に
おいて（ａ）、（ｂ）は直交する２方向についての断面
図である。

【００５５】２つの光源１２は同一の構成であり、平滑
化素子２１の光軸Ａｘに関して対象に配置されている。
したがって、光源１２は光軸Ａｘに対して斜めの方向か
ら、光束を平滑化素子２１に与える。平滑化素子２１
は、４つの側面１１ｃのうち対向する１組が、光軸Ａｘ
とランプ１２ａを含む平面に対して垂直になり、他の１
組が平行になるように配置されている。

【００５６】この構成では、平滑化素子２１に入射する
光源から光束のＦ数は、光源１２の離間方向（図４のＸ
方向）について、これと直交する方向（図４のＹ方向）
の半分以下になる。しかし、中空部２１ｅの側面２１
ｃ’に形成された微細構造によって出射する光束のＦ数
を大きくすることができるため、出射する光束の全体を
リレー光学系に取り込ませることが可能である。したが
って、光量損失はなく、光源１２を２つ備えることの効
果が少しも減じることはない。

【００５７】なお、この構成では、反射角を入射角より
も大きくする微細構造を、中空部２１ｅの４つの側面２
１ｃ’全てに設ける必要はなく、光源１２からの光束の
Ｆ数が小さい方向（Ｘ方向）に対して垂直な側面のみに
設ければよい。そのようにすると、平滑化素子２１の作
製が容易になる上、出射する光束のＦ数を直交する２方
向について同程度にすることができる。

【００５８】第５の実施形態の照明光学系５の要部を図
５に示す。この照明光学系５は、照明光学系４に光源１
２をさらに２つ追加したものである。図５において
（ａ）、（ｂ）は直交する２方向についての断面図であ
る。

【００５９】追加した２つの光源１２は他の２つの光源
１２を平滑化素子２１の光軸Ａｘに関して９０°回転し
た位置に配置されている。反射角を入射角よりも大きく
する微細構造は４つの側面２１ｃ’全てに設けられてい
る。照明光学系５においても、平滑化素子２１から出射
する光束全体をリレー光学系に取り込ませることが可能
であり、光量損失はない。

【００６０】第６の実施形態の照明光学系６の要部を図
６に示す。この照明光学系６は、第４の実施形態の照明
光学系４の平滑化素子２１に代えて、別の平滑化素子４
１を備えたものである。平滑化素子４１は、ガラス製の
充填部のみを有し、その側面４１ｃの一部４１ｐに反射
角を入射角よりも大きくする微細構造が形成されてい
る。微細構造が形成されているのは、光源１２の離間方
向に対して垂直な２つの側面だけである。

【００６１】照明光学系６も、微細構造によって平滑化
素子４１から出射する光束のＦ数を大きくすることがで
きる。このため、出射する光束全体をリレー光学系に取
り込ませることが可能であり、光量損失はない。

【００６２】平滑化素子４１は、次の式４〜式６の関係
を満たすように設定するのが好ましい。 ｄ・（４・ｎ²・Ｆ2²−１）^1/2≦Ｌ0≦１０・ｄ・（４・ｎ²・Ｆ2²−１）^1/2 …式４（再掲） （１／４）・ｄ・（４・ｎ²・Ｆ1²−１）^1/2≦Ｌ2≦Ｌ0 …式５（再掲） ０．８≦Ｆ2≦２．０ …式６（再掲）

【００６３】ここで、Ｌ2は側面４１ｃの微細構造を有
する部位４１ｐの長さ、Ｆ2はリレー光学系が取り込み
得る光束の最小のＦ数である。また、Ｌ0、ｄ、ｎはそ
れぞれ、前述のように、平滑化素子４１の全長、幅、屈
折率である。なお、Ｆ1は２つの光源１２が平滑化素子
４１に与える光束全体のＦ数である。

【００６４】式４は、平滑化素子４１の全長を規定する
ものであり、リレー光学系に取り込まれる光束の最外部
の光が側面４１ｃで１回以上かつ１０回以下反射された
ものであることを示す。式５は、側面４１ｃの微細構造
を有する部位４１ｐの長さが、光源１２からの光束の最
外部の光を少なくとも１回反射する長さの１／４以上で
あることを規定する。また、式６は一般的なリレー光学
系が取り込み得る光束のＦ数の範囲を示す。これらの式
を満たすことで、光束の強度分布を平滑化しつつ、光束
全体をリレー光学系に取り込ませることを実現すること
ができる。

【００６５】なお、ここでは、入射端面４１ａに近い部
位に微細構造を設けているが、微細構造は、入射端面４
１ａから出射端面４１ｂまでの間のどこに設けてもよ
い。また、式５の右の等号が示すように、入射端面４１
ａから出射端面４１ｂに至る全範囲にわたって微細構造
を設けるようにしてもよい。

【００６６】第７の実施形態の照明光学系７の要部を図
７に示す。この照明光学系７は、第４の実施形態の照明
光学系４の平滑化素子２１の向きを逆にして、充填部２
１ｆの端面２１ａが光源１２の第２焦点上に位置するよ
うにしたものである。微細構造は、中空部２１ｅの４つ
の側面２１ｃ’のうち、２つの光源１２の離間方向（Ｘ
方向）に対して垂直な側面のみに設けられている。

【００６７】照明光学系７は、２つの光源１２からの光
束を全てリレー光学系に取り込ませることができるとい
う照明光学系４の特長に加えて、充填部２１ｆの端面２
１ｂの異物やそのエッジの欠けの影が照射対象面に形成
されないという照明光学系１の特長も備えることにな
る。

【００６８】第８の実施形態である投射型映像表示装置
８の構成を図８に示す。映像表示装置８は、第７の実施
形態の照明光学系７、平面ミラー５１、２つのプリズム
５２、５３、表示素子５４、および投射光学系５５より
成る。照明光学系７には、平滑化素子２１、光源１２の
ほか、リレー光学系１３を成す２つの凸レンズ１３ａ、
１３ｂが含まれている。

【００６９】ミラー５１は、レンズ１３ａ、１３ｂの間
で、平滑化素子２１からの光束を反射して、その光路を
折曲げる。ミラー５１は全体構成を小型化するために備
えられたもので、省略することも可能である。

【００７０】表示素子５４は角度可変の微小なミラー素
片が２次元に多数配列されたＤＭＤである。各ミラー素
片は、その角度に応じて、照明光を所定の２方向のいず
れかに択一的に反射する。個々のミラー素片を画素とし
て、各ミラー素片の角度を映像を表す信号に応じて制御
することにより、ＤＭＤ上に映像が表示される。照明光
は２方向に反射されることにより変調され、一方の反射
光が映像を表す光となり、他方の反射光は不要光とな
る。

【００７１】２つのプリズム５２、５３は、照明光学系
７からの光を表示素子５４に導くとともに、表示素子５
４からの映像を表す反射光を投射光学系５５に導く。プ
リズム５２、５３は各々の対向する面５２ａ、５３ａが
間に微小な間隙を形成するように配置されており、照明
光学系７からの光を面５２ａで全反射することにより表
示素子５４に導き、表示素子５４からの反射光を面５２
ａを透過させることにより投射光学系５５に導く。

【００７２】投射光学系５５は、プリズム５２、５３を
透過した表示素子５５からの映像を表す反射光を、図外
のスクリーンに向けて投射し、スクリーン上に結像させ
る。プリズム５２、５３は表示素子５４からの不要光も
透過させるが、不要光は投射光学系５５には向かわず、
捨てられる。

【００７３】映像表示装置８でカラー映像を表示する場
合、赤色光、緑色光、青色光を選択的に透過させるカラ
ーフィルターを備えたカラーホイールを、平滑化素子２
１の入射端面または出射端面近傍に配置して、表示素子
５４を照明する光を切り換えるようにする。また、表示
素子５４には、映像の赤色成分、緑色成分、青色成分の
うち照明光に応じたものを、照明光の切り換えに同期し
て表示させるようにする。

【００７４】平滑化素子２１の出射端面２１ｄと表示素
子５４はリレー光学系１３により共役な位置関係にあ
り、表示素子５４は出射端面２１ｄにおける強度分布と
同じ均一な強度分布の光束で、影なく照明される。しか
も、照明光学系７は光源１２を２つ備えており、表示素
子５４は明るく照明される。また、照明光のＦ数が大き
いため、映像を表す光と不要光は確実に分離され、表示
素子による変調の精度は高い。さらに、投射光学系５５
に導かれる光束のＦ数も大きいから、投射光学系５５と
しては口径の小さな小型のものを用いることができる。
このように、映像表示装置８は、小型の構成ながら、明
るく質の高い映像を提供することが可能である。

【００７５】第９の実施形態である投射型映像表示装置
９の構成を図９に示す。映像表示装置９は、第７の実施
形態の照明光学系７、偏光分離（ＰＢＳ）プリズム５
６、表示素子５７、および投射光学系５５より成る。

【００７６】表示素子５７は反射型のＬＣＤであり、照
明光として与えられる直線偏光を、液晶層に表示した映
像によって部分的に９０°回転させることにより、変調
する。

【００７７】ＰＢＳプリズム５６は２つの三角プリズム
を接合して作製されており、接合面にＰＢＳ膜５６ａが
設けられている。ＰＢＳ膜５６ａは、Ｓ偏光として入射
する偏光成分を反射し、Ｐ偏光として入射する偏光成分
を透過させるように設定されている。ＰＢＳプリズム５
６は、照明光学系７からの無偏光の光のうち、ＰＢＳ膜
５６ａに対してＳ偏光となる直線偏光を反射して表示素
子５７に導くとともに、表示素子５７によって反射され
た光のうち、ＰＢＳ膜５６ａに対してＰ偏光となる直線
偏光を透過させて投射光学系５５に導く。

【００７８】投射光学系５５は、ＰＢＳプリズム５６を
透過した表示素子５７からの映像を表す反射光を、図外
のスクリーンに向けて投射し、スクリーン上に結像させ
る。映像表示装置９でも、前述のようにしてカラー映像
を表示することができる。小型の構成ながら、明るく質
の高い映像を提供することができることは、映像表示装
置８と同様である。

【００７９】なお、第８、第９の実施形態では照明光学
系７を備える構成を例として掲げたが、照明光学系１〜
６のいずれを備えてもよいことは言うまでもない。ま
た、ここでは表示素子として反射型のものを使用してい
るが、透過型のＬＣＤを使用することもできる。その場
合、照明光学系と投射光学系の間にＬＣＤを配置し、照
明光学系とＬＣＤの間およびＬＣＤと投射光学系の間
に、偏光板を配置すればよい。

【００８０】

【発明の効果】充填部と中空部とを備える本発明の平滑
化素子では、光束を充填部側から入射させて中空部側か
ら出射させる形態で使用することにより、出射端面のエ
ッジに欠けが生じたり出射端面に異物が付着したりする
恐れがなくなり、強度分布が均一なだけでなく、欠けや
異物の影響のない光束を提供することができる。また、
中空部の側面に所定の機能をもたせることも可能であ
り、光束を中空部側から入射させて充填部側から出射さ
せる形態で使用するときでも有用である。

【００８１】側面の少なくとも一部が反射角を入射角よ
りも大きくする微細構造を有する本発明の平滑化素子で
は、入射した光束に含まれる光を光軸に対して平行に近
づけることが可能であり、入射端面と出射端面が同じ大
きさであっても、出射後の光束のＦ数を入射前の光束の
Ｆ数よりも大きくすることができる。

【００８２】このような特長を有する平滑化素子と、光
源と、リレー光学系とを備える本発明の照明光学系は、
照明対象面に影のない光束を導いたり、Ｆ数の大きな光
束を導いたりすることができる。したがって、投射型映
像表示装置の表示素子の照明に適する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。

【図２】 第２の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。

【図３】 第３の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。

【図４】 第４の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。

【図５】 第５の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。

【図６】 第６の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。

【図７】 第７の実施形態の照明光学系の要部の概略構
成を示す断面図。

【図８】 第８の実施形態の投射型映像表示装置の概略
構成を示す断面図。

【図９】 第９の実施形態の投射型映像表示装置の概略
構成を示す断面図。

【図１０】 インテグレータロッドを備える従来の照明
光学系の要部の概略構成を示す断面図。

【図１１】 インテグレータロッドを備える従来の他の
照明光学系の要部の概略構成を示す断面図。

【図１２】 インテグレータロッドを備える従来のさら
に他の照明光学系の要部の概略構成を示す断面図。

【図１３】 インテグレータロッドを備える従来のさら
に他の照明光学系の要部の概略構成を示す断面図。

【符号の説明】

１〜７ 照明光学系 ８、９ 投射型映像表示装置 １１、２１、３１、４１ 平滑化素子 １１ｆ、２１ｆ、３１ｆ 充填部 １１ｅ、２１ｅ、３１ｅ 中空部 １１ａ、２１ａ、３１ａ 充填部端面 １１ｂ、２１ｂ、３１ｂ 充填部端面 １１ｃ、２１ｃ、３１ｃ、４１ｃ 充填部側面 １１ｃ’、２１ｃ’、３１ｃ’ 中空部側面 １１ｄ、２１ｄ、３１ｄ 中空部端面 １２ 光源 １２ａ ランプ １２ｂ リフレクタ １３ リレー光学系 １３ａ、１３ｂ 凸レンズ ５１ ミラー ５２、５３ プリズム ５４ ＤＭＤ（表示素子） ５５ 投射光学系 ５６ ＰＢＳプリズム ５６ａ ＰＢＳ膜 ５７ ＬＣＤ（表示素子）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高本 勝裕 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 大利 祐一郎 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 2H038 AA54 BA07 BA08 2H052 BA02 BA03 BA07 BA09 BA14

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柱状の外形を有し、一端面より入射する
   光束を側面で反射して他端面に導き、強度分布が平滑化
   した光束として出射させる平滑化素子において、 透光性の材料で充たされ、側面で光を全反射する柱状の
   充填部と、 充填部に連なり、内側を向いた側面で光を反射する筒状
   の中空部とを備えることを特徴とする平滑化素子。
2. 【請求項２】 柱状の外形を有し、一端面より入射する
   光束を側面で反射して他端面に導き、強度分布が平滑化
   した光束として出射させる平滑化素子において、 側面の少なくとも一部が、反射角を入射角よりも大きく
   する微細構造を有することを特徴とする平滑化素子。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の平滑化素子と、 平滑化素子の一端面近傍を収束位置とする光束を平滑化
   素子に与える光源と、 平滑化素子の他端面から出射する光束を平面上に結像さ
   せるリレー光学系とを備えることを特徴とする照明光学
   系。
4. 【請求項４】 平滑化素子は、充填部が光源側に、中空
   部がリレー光学系側に位置するように配置されており、 平滑化素子の全長をＬ0、平滑化素子の中空部の長さを
   Ｌ1、平滑化素子の充填部の幅をｄ、平滑化素子の充填
   部の屈折率をｎ、光源が平滑化素子に与える光束のＦ数
   をＦ1で表すとき、 ｄ・（４・ｎ²・Ｆ1²−１）^1/2≦Ｌ0≦１０・ｄ・（４・ｎ²・
   Ｆ1²−１）^1/2 （１／４）・ｄ・（４・ｎ²・Ｆ1²−１）^1/2≦Ｌ1≦（１／
   ２）・Ｌ0 ０．８≦Ｆ1≦２．０ の関係を満たすことを特徴とする請求項３に記載の照明
   光学系。
5. 【請求項５】 平滑化素子の側面の少なくとも一部が、
   反射角を入射角よりも大きくする微細構造を有すること
   を特徴とする請求項３または請求項４に記載の照明光学
   系。
6. 【請求項６】 平滑化素子の微細構造を有する側面が、
   中空部の側面であることを特徴とする請求項５に記載の
   照明光学系。
7. 【請求項７】 請求項２に記載の平滑化素子と、 平滑化素子の一端面近傍を収束位置とする光束を平滑化
   素子に与える光源と、 平滑化素子の他端面から出射する光束を平面上に結像さ
   せるリレー光学系とを備えることを特徴とする照明光学
   系。
8. 【請求項８】 平滑化素子の全長をＬ0、平滑化素子の
   側面の微細構造を有する部位の長さをＬ2、平滑化素子
   の幅をｄ、平滑化素子の屈折率をｎ、光源が平滑化素子
   に与える光束のＦ数をＦ1、リレー光学系が取り込み得
   る光束の最小のＦ数をＦ2で表すとき、 ｄ・（４・ｎ²・Ｆ2²−１）^1/2≦Ｌ0≦１０・ｄ・（４・ｎ²・
   Ｆ2²−１）^1/2 （１／４）・ｄ・（４・ｎ²・Ｆ1²−１）^1/2≦Ｌ2≦Ｌ0 ０．８≦Ｆ2≦２．０ の関係を満たすことを特徴とする請求項７に記載の照明
   光学系。
9. 【請求項９】 光源を２つ以上備え、各光源が平滑化素
   子の一端面の中心と他端面の中心を結ぶ直線に対して斜
   めの方向から、平滑化素子に光束を与えることを特徴と
   する請求項５ないし請求項８のいずれか１項に記載の照
   明光学系。
10. 【請求項１０】 平滑化素子の側面には、平滑化素子の
    一端面の中心と他端面の中心を結ぶ直線と光源とを含む
    平面に対して垂直な平面が含まれており、この平面のみ
    が微細構造を有することを特徴とする請求項９に記載の
    照明光学系。
11. 【請求項１１】 少なくとも１対の光源が、平滑化素子
    の一端面の中心と他端面の中心を結ぶ直線に関して互い
    に逆の方向から、平滑化素子に光束を与えることを特徴
    とする請求項９または請求項１０に記載の照明光学系。