JP6696297B2 - 投射装置 - Google Patents

Description

この発明は投射装置に関する。

画像表示素子の画像表示面に表示された画像を、照明装置からの照明光束で照射し、前記画像により変調された画像光を、投射光学系によりスクリーン等の被投射面上に前記画像の拡大像として結像投射する投射装置は種々のものが提案され、広く実施されている。

近来、投射装置の照明装置の光源として、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）、有機ＥＬ等の「固体光源」の使用が意図されている（特許文献１、２等）。
固体光源は、従来の投射装置において光源として使用されてきた「ランプ光源」に比してサイズが小さい。從って、固体光源を用いることにより照明装置を小型化でき、投射装置自体のコンパクト化も期待できる。

この発明は、照明装置の光源として固体光源を用いる新規な投射装置の実現を課題とする。

この発明の投射装置は、複数個の固体光源を有し、前記複数個の固体光源から放射される光を照明光学系により反射型の画像表示素子に導光し、前記画像表示素子の画像表示面に表示された画像を照明し、前記画像により変調された画像光を投射光学系により被投射面上に前記画像の拡大像として結像投射する投射装置であって、前記投射光学系は、屈折光学系と、１以上のミラーを有する反射光学系と、を有し、前記照明光学系は、前記固体光源の側から前記画像表示素子に向かって順に、１以上のカップリングレンズ群、インテグレータ素子、集光光学系および全反射プリズムを有し、前記画像表示素子の画像表示面に合致させた仮想平面Ａと、前記画像表示面の中心を含み、前記画像表示面の短手方向に直交する仮想平面Ｂとにより、装置領域を４つの領域に仮想的に分けた状態において、前記屈折光学系から前記反射光学系を介して前記被投射面に至る光路上で、前記反射光学系中で最も前記被投射面側に位置する最終ミラーの光線反射領域と、前記固体光源とが、前記４つの領域における同一の領域に配備され、前記複数個の固体光源の個々は、照明光学系のインテグレータ素子に至る光路上に、カップリングレンズ群を個別に有するとともに、前記個々の固体光源に共通のダイクロイック素子を有し、さらに前記複数個の固体光源のうちの１つは、該固体光源に固有のカップリングレンズ群と前記ダイクロイック素子との間に平面ミラーを有することにより、前記複数の固体光源から前記インテグレータ素子に至る光路として、カップリングレンズ群と前記平面ミラーと前記ダイクロイック素子とを介して前記インテグレータ素子に至る第１光路と、前記カップリングレンズ群と前記ダイクロイック素子とを介して前記インテグレータ素子に至る第２光路とが形成され、前記第１光路に含まれるカップリングレンズ群は、前記第２光路に含まれるカップリングレンズ群と構成が異なり、前記第１光路に含まれるカップリングレンズ群は、前記第２光路に含まれるカップリングレンズ群よりも、正屈折力のレンズが１枚以上多い。

この発明によれば、固体光源を照明装置の光源として用いる新規な投射装置を実現できる。

第１の実施の形態を説明するための図である。 第２の実施の形態を説明するための図である。 第３の実施の形態を説明するための図である。 第４の実施の形態を説明するための図である。 第５の実施の形態を説明するための図である。 第６の実施の形態を説明するための図である。

この発明の投射装置は、上述の如く「複数個の固体光源を有し、前記複数個の固体光源から放射される光を照明光学系により反射型の画像表示素子に導光し、前記画像表示素子の画像表示面に表示された画像を照明し、前記画像により変調された画像光を投射光学系により被投射面上に前記画像の拡大像として結像投射する投射装置」である。
從って、この発明の投射装置は「複数個の固体光源と、照明光学系と、画像表示素子と、投射光学系と」を有する。
固体光源と照明光学系とは「照明装置」の要部を構成する。
「固体光源」は、ＬＥＤやＬＤ、有機ＥＬ等であり、２個以上が用いられる。即ち、複数色画像やカラー画像を投射するときには「発光色が異なる２以上の固体光源」が用いられる。

「画像表示素子」は反射型で、投射されるべき画像を表示する画像表示面を有する。
「画像表示面」は長方形形状である。
反射型の画像表示素子としてはＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を例示できる。ＤＭＤは、画像表示面に「独立してミラー面の向きを変化させることができるマイクロミラーが２次元的にアレイ配列され、マイクロミラーを画素として、ミラー面の向きを変化させたマイクロミラーの２次元的な配列により、投射されるべき画像」が表示される。

このように「投射されるべき画像」が表示された画像表示面に、所定の方向から照明光を照射すると、ミラー面の向きが変化したマイクロミラーによる反射により変調された反射光束が得られる。この反射光束が、前記画像により変調された「画像光」であり、投射光学系により、スクリーン等の被投射面上に拡大画像として結像投射される。
この発明の投射装置に用いられる投射光学系は、屈折光学系と反射光学系とを有する。

「屈折光学系」は、１以上のレンズ（通常は複数枚のレンズによるレンズ系）により構成される。
「反射光学系」は、屈折光学系の像側に配置される。從って、画像光は屈折光学系を通過して屈折光学系の光学作用を受けたのち反射光学系を介して被投射面に投射される。
反射光学系は「１以上のミラー」を有する。反射光学系を構成する１以上のミラーは屈折力を持たない「平面ミラー」であることもでき、１以上のミラーのうちに正の屈折力をもつ「凹面ミラー」や負の屈折力を持つ「凸面ミラー」を含むこともできる。
反射光学系を構成する１以上のミラーのうち、結像投射される画像光の光路上で最も被投射面に近い位置に配置されるものが「最終ミラー」である。

１以上の固体光源とともに、照明装置の要部を構成する「照明光学系」は、固体光源の側から画像表示素子に向かって順に「１以上のカップリングレンズ群、インテグレータ素子、集光光学系および全反射プリズム」を有する。
「カップリングレンズ群」は、固体光源から放射される光（一般に発散性である。）を以後の光学素子に適した光束形態（たとえば平行光束状や弱い発散性もしくは弱い収束性
の状態）に変換するレンズ群であり、１枚以上のレンズで構成される。カップリングレンズ群は、複数個の固体光源の「固体光源ごと」に設けられる。
「インテグレータ素子」は、カップリングレンズ群の側から入射してくる光束における光強度分布を均一化し、画像表示面が「均一な強度分布の照明光束」により照明されるようにするために用いられる光学系であり、ライトトンネルやフライアイレンズ等、従来から知られたものを適宜用いることができるが、「フライアイレンズ」は好適なもののひとつである。
「集光光学系」は、インテグレータ素子で光強度分布を均一化された光束を、画像表示面に向けて集光させ、画像表示面を照明するための光学系である。
「全反射プリズム」は、画像表示面に向かう照明光束と「画像表示面により反射された画像光」のうちの一方を透過させ、他方を全反射により反射させるプリズムである。
上記「複数個の固体光源と照明光学系により要部を構成される照明装置、画像表示素子および投射光学系」を組み付けた状態において、これら照明装置、画像表示素子、投射光学系が配置された空間領域を「装置領域」と呼ぶ。

この発明の投射装置の特徴の一端は、以下の点にある。
即ち、画像表示素子の画像表示面に合致させて仮想平面Ａと、「画像表示面の中心を含み、画像表示面の短手方向に直交する仮想平面Ｂ」とを想定する。
「仮想平面Ａ」は画像表示面を仮想的に拡張した平面である。「仮想平面Ｂ」も大きさに制限のない仮想的な平面である。
仮想平面Ａと仮想平面Ｂとは互いに直交し、これら２面の仮想平面の交線は「画像表示面の中心を通り、画像表示面の長手方向に平行である。
上述の「装置領域」において、仮想平面Ａと仮想平面Ｂを想定すると、装置領域は仮想平面Ａ、仮想平面Ｂにより「４つの領域」に分けられる。
このように仮想的に分けられた４つの領域において、最終ミラーの光線反射領域（最終ミラーの反射面のうちで、屈折光学系から入射する光束光線の全てを反射させる反射面領域）と固体光源が、共に「同じ領域」に配備されている。
以下、図面を参照して、実施の形態を具体的に説明する。
「第１の実施の形態」
図１を参照して、第１の実施の形態を説明する。
図１（ａ）に示す如くＹ方向とＺ方向を設定し、同図（ｂ）に示す如くにＸ方向を設定する。これらＸ、Ｙ、Ｚ方向は互いに直交する。因みに、これら３方向のうち図１（ａ）に示すＹ方向は鉛直方向であり、矢印の向きが「鉛直上方」である。
図１に実施の形態を示す投射装置（全体を収納するケーシング等は図示を省略されている。）は、カラー画像を投射する投射装置であり、カラー画像を構成するための赤（Ｒ）色光、緑（Ｇ）色光、青（Ｂ）色光をそれぞれ放射する固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを有している。固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、この実施の形態においてはＬＥＤが用いられている。
図１において、符号ＬＳは「屈折光学系」を示し、符号ＲＦは、屈折光学系ＬＳと共に投射光学系を構成する「反射光学系」を示している。屈折光学系ＬＳは複数枚のレンズを鏡筒に収納して構成されている。反射光学系ＲＦは、この実施の形態においては「１枚の凹面ミラー」により構成されている。反射光学系ＲＦをなす凹面ミラーは、屈折光学系ＬＳから反射光学系ＲＦを介して被投射面に至る光路上で、反射光学系中で最も被投射面側に位置するものであり「最終ミラー」である。從って、以下においてこの凹面ミラーを「最終ミラーＲＦ」とも呼ぶ。

符号Ｍ１、Ｍ２は「平面鏡」を示し、符号ＣＬＲ、ＣＬＧ、ＣＬＢは「カップリングレンズ群」を示している。カップリングレンズ群ＣＬＲは固体光源１１Ｒ用のもので、２枚のレンズにより構成されている。カップリングレンズ群ＣＬＧは固体光源１１Ｇ用のものであり、カップリングレンズ群ＣＬＢは固体光源１１Ｂ用のものである。カップリングレンズ群ＣＬＧ、ＣＬＢは共に「１枚のレンズ」により構成されている。

また、符号ＤＦは「ダイクロイック素子」を示している。

符号ＩＮＴは「インテグレータ素子」、符号Ｌ１、Ｌ２はレンズを示す。レンズＬ１、Ｌ２は、平面鏡Ｍ２とともに「集光光学系」を構成する。レンズＬ１は以下において「コンデンサレンズＬ１」とも言い、レンズＬ２は以下において「フィールドレンズＬ２」とも言う。
インテグレータ素子ＩＮＴは、この実施の形態においては「微小なレンズをアレイ配列した周知のフライアイレンズ」が用いられている。以下においてインテグレータ素子ＩＮＴを「フライアイレンズＩＮＴ」とも言う。
符号ＰＬは「全反射プリズム」を示し、符号１００は「画像表示素子」を示す。画像表示素子１００は、この実施の形態においては「ＤＭＤ」であり、以下において「ＤＭＤ１００」とも言う。

從って、図示の如く「照明光学系」は、固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの側からＤＭＤ１００に向かって順に、カップリングレンズ群ＣＬＲ、ＣＬＧ、ＣＬＢ、インテグレータ素子ＩＮＴ、集光光学系Ｌ１、Ｍ２、Ｌ２および全反射プリズムＰＬを有する。
画像の投射プロセスを簡単に説明する。
図１（ｂ）を参照すると、固体光源１１Ｒから放射される発散性の「赤色光」は、カップリングレンズ群ＣＬＲ（この例では２枚のレンズにより構成されている。）を透過し、カップリングレンズ群ＣＬＲのレンズ作用を受けて光束形態を変換される。
説明中の例では、カップリングレンズ群ＣＬＲのレンズ作用は「コリメート作用」であり、カップリングレンズ群ＣＬＲを透過した赤色光は平行光束となる。この平行光束は平面鏡Ｍ１によりＺ方向の正の向きに反射され、ダイクロイック素子ＤＦに入射する。ダイクロイック素子ＤＦは、２枚のダイクロイックフィルタを直交させて交叉させたものであり、これら２枚のダイクロイックフィルタは共に「赤色光」を透過させる光学特性を有する。従って、赤色光はダイクロイック素子ＤＦを透過してフライアイレンズＩＮＴに入射し、フライアイレンズＩＮＴにより光束断面上における光強度分布を均一化されて、集光光学系のコンデンサレンズＬ１に入射する。
図１（ａ）に示すように、コンデンサレンズＬ１を透過した赤色光は平面鏡Ｍ２により反射され、集光光学系のフィールドレンズＬ２を介して全反射プリズムＰＬに入射し、全反射プリズムＰＬを透過してＤＭＤ１００の画像表示面を「均一な強度分布の赤色照明光束」として照明する。
ＤＭＤ１００の画像表示面は「長方形形状」をなしており、その短手方向（短辺方向）をＺ方向に向け、長手方向（長辺方向）はＸ方向に向けている。画像表示面を照明した赤色照明光束は「傾けられたマイクロミラーの２次元的な配列として画像表示面に表示された赤色画像成分」により反射され、赤色画像成分に応じて変調された画像光となって全反射プリズムＰＬに入射し、全反射されると投射光学系の屈折光学系ＬＳに入射する。
屈折光学系ＬＳを透過した画像光は、反射光学系ＲＦに入射して反射され、図示を省略されたスクリーン等の被投射面に「赤色画像成分の拡大像」を結像投射する。
この「赤色画像成分の結像プロセス」が実行される間、固体光源１１Ｇ、１１Ｂは発光していない。

続いて、固体光源１１Ｒが消灯し、代わって、固体光源１１Ｇが発光し、ＤＭＤ１００の画像表示面には「緑色画像成分」が表示される。
固体光源１１Ｇから放射された緑色光は、図１（ｂ）に示すようにカップリングレンズ群ＣＬＧ（この例では１枚のレンズにより構成されている。）を透過し、カップリングレンズ群ＣＬＧのレンズ作用（コリメート作用）を受けて平行光束となる。この平行光束はダイクロイック素子ＤＦに入射する。ダイクロイック素子を構成する２枚のダイクロイックフィルタの１枚は、緑色光を透過させ、他の１枚は反射させる。
從って、緑色光はダイクロイック素子ＤＦによりＺ方向へ反射されてフライアイレンズＩＮＴに入射する。フライアイレンズＩＮＴ以降は上述の赤色光の場合と同様であり、被投射面上に「緑色画像成分の拡大像」が結像投射される。
続いて、固体光源１１Ｇが消灯し、固体光源１１Ｂが発光し、ＤＭＤ１００の画像表示面には「青色画像成分」が表示される。
固体光源１１Ｂから放射された青色光は、図１（ｂ）に示すようにカップリングレンズ群ＣＬＢ（この例では１枚のレンズにより構成されている。）を透過し、カップリングレンズ群ＣＬＢのレンズ作用（コリメート作用）を受けて平行光束となる。この平行光束は
ダイクロイック素子ＤＦに入射する。ダイクロイック素子を構成する２枚のダイクロイックフィルタの１枚は青色光を透過させ、他の１枚は反射させる。
從って、青色光はダイクロイック素子ＤＦによりＺ方向へ反射されてフライアイレンズＩＮＴに入射する。フライアイレンズＩＮＴ以降は上述の赤色光の場合と同様であり、被投射面上に「青色画像成分の拡大像」が結像投射される。
このように、３原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の画像成分の拡大像が、被投射面上に順次サイクリックに結像投射されることにより、カラー画像の拡大投射が行われる。
なお、この拡大投射においては、画像表示面からの画像光が屈折光学系ＬＳにより、最終ミラーＲＦの手前側で中間像ＩＭを結像する。最終ミラーＲＦは、この中間像を物体として被投射面上に拡大画像を結像する。

さて、図１（ａ）において、符号ＳＡは「仮想平面Ａ」、符号ＳＢは「仮想平面Ｂ」を示す。從って、以下、図１（ａ）に符号ＳＡ、ＳＢで示す平面を単に「仮想平面Ａ、仮想平面Ｂ」と呼ぶ。
仮想平面Ａは、図示の如く「画像表示素子（ＭＤＭ１００）の画像表示面に合致」している。仮想平面Ｂは、画像表示面の中心を含み、画像表示面の短手方向（Ｚ方向）に直交する。即ち、仮想平面Ｂは、図１に示すＸ、Ｙ、Ｚ座標においてＸＹ面に平行な平面であり、図１（ａ）に示す如く「画像表示面の中心」を含む。
なお、後述の説明のように、仮想平面Ａと仮想平面Ｂとに直交し、画像表示素子（ＤＭＤ１００）の画像表示面の中心を含む仮想的な平面を「仮想平面Ｃ」と呼ぶ。仮想平面Ｃは図１（ａ）において「図面で示された面」であり、ＹＺ平面に平行である。

図１（ａ）は、投射装置の「装置領域」を表しており、この装置領域は、仮想平面Ａと仮想平面Ｂとにより図の如く４つの領域、即ち、領域（Ｉ）、領域（ＩＩ）、領域（ＩＩＩ）及び領域（ＩＶ）に「仮想的」に分けられる。
そして、屈折光学系ＳＬから反射光学系ＲＦを介して被投射面に至る光路上で、反射光学系中で最も被投射面側に位置する最終ミラーＲＦの光線反射領域と、固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂが、同一の領域（ＩＩＩ）に配備されている。

また、反射光学系は凹面ミラーＲＦを有し、屈折光学系ＬＳにより、画像表示素子１００の画像表示面に表示された画像の中間像ＩＭを凹面ミラーＲＦの物体側に１回形成し、凹面ミラーＲＦを有する反射光学系により、中間像ＩＭの拡大像が被投射面に結像投射される。

なお、固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、図１の位置関係でなくても問題ない。
２枚のレンズで構成されたカップリングレンズ群ＣＬＲの、１枚のレンズを平面鏡Ｍ１とダイクロイック素子ＤＦとの間に配置するような構成でもよく、このようなレンズ配置は固体光源１１Ｒの光利用効率を上げる方法として有効である。
投射装置を、図１の如く構成することにより、投射装置のコンパクト化が可能になる。 即ち、照明装置の光源として用いられる固体光源が「小さ」く、カップリングレンズ群やコンデンサレンズＬ１等のレンズ径も小さくできるので、固体光源やカップリングレンズ群、インテグレート素子、コンデンサレンズ等を屈折光学系ＬＳに近接させて配置することが可能であり、特に図のＹ方向におけるコンパクト化の効果が大きい。
また、インテグレータ素子としてフライアイレンズＩＮＴを用いているが、例えば「インテグレータ素子としてライトトンネルを用いる場合」と比較すると、フライアイレンズＩＮＴは光軸方向に薄いので「固体光源から集光光学系に至る光路長」を短かくでき、図のＺ方向におけるコンパクト化の効果がある。

コンデンサレンズＬ１、平面鏡Ｍ２、フィールドレンズＬ２により構成される「集光光学系」の機能は、フライアイレンズＩＮＴにより「複数の光線束に分割」された光を、ＤＭＤ１００の画像表示面上で「１つの光線束」に収束させる機能である。

集光光学系の屈折力は、フライアイレンズＩＮＴのサイズ（図１のフライアイレンズＩＮＴの中心を通る光線に直交する方向のサイズ）と「ＤＭＤ１００の画像表示面におけるマイクロミラーの傾き角度」で決定される。

このように決定される「屈折力」を、コンデンサレンズＬ１のみで実現することも可能であるが、図１の実施の形態のように、コンデンサレンズＬ１とフィールドレンズＬ２に屈折力を配分することで、コンデンサレンズＬ１の屈折力を弱く設定することが可能となる。コンデンサレンズＬ１の屈折力を弱く設定できると、コンデンサレンズＬ１から全反射プリズムＰＬまでの光路長を長く設定できるので、平面鏡Ｍ２の配置レイアウトが容易になる。

図１の実施の形態では、固体光源１１Ｇ、１１ＢからフライアイレンズＩＮＴに至る光路長は同一であり、カップリングレンズＣＬＧ、ＣＬＢも同じ構成のものを１枚用いている。しかし、固体光源１１ＲからフライアイレンズＩＮＴに至る光路長は、固体光源１１Ｇ、１１Ｂからの光路長に対して長めである。

上述の如く、カップリングレンズ群の光学作用は「コリメート作用」で、固体光源からの発散光束を平行光束に変換する。しかし実際に変換された光束は厳密な平行光束ではなく、弱いながらも発散性となっている。固体光源１１ＲからフライアイレンズＩＮＴに至る距離は、固体光源１１Ｇ、１１Ｂからの光路長に比して長い。從って、固体光源１１Ｒに対しても、固体光源１１Ｇ、１１Ｂに対するのと同じ１枚構成のカップリングを用いると、固体光源１１Ｒからの赤色光がフライアイレンズＩＮＴの入射面に入射するときの光束径は、固体光源１１Ｇ、１１Ｂからの緑色光、青色光の光束径よりも大きくなる。

フライアイレンズＩＮＴに入射する光束の光束径は「固体光源の全てに対して同一」であることが好ましい。この観点から、図１の実施の形態では、固体光源１１Ｒからの赤色光束に対しても、青色光束や緑色光束と同じ光束径となるように、カップリングレンズ群ＣＬＲとして「２枚のレンズを有する構成」とした。このようにするほかに、カップリングレンズ群ＣＬＲに「非球面レンズ」を用いて、カップリングレンズ群ＣＬＧ、ＣＬＢと同等の光学機能を実現することもできる。

「第２の実施の形態」
図２を参照して第２の実施の形態を説明する。繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものについては、図１におけると同一の符号を付してある。
図２に示す実施の形態が、図１に示す形態と異なる点は、固体光源１１Ｒの位置と、カップリングレンズ群ＣＬＲの構成である。
第２の実施の形態では、固体光源１１Ｒは、コンデンサレンズＬ１の光軸上に配置されており、フライアイレンズＩＮＴまでの光路長は、固体光源１１Ｇ、１１ＢからフライアイレンズＩＮＴまでの光路長と等しい。從って、この実施の形態では、カップリングレン
ズ群ＣＬＲとして、カップリングレンズＣＬＧ、ＣＬＢと同一の１枚構成のものが用いられている。
即ち、第２の実施の形態は、全ての固体光源に対して同一のカップリングレンズ群を用いることができるメリットがある。
第２の実施形態は「全ての固体光源に対して同一のカップリングレンズ群を用いる」点において、この発明の撮像装置の「参考例」と称するべきものであるが、混同の恐れはないと思われるので、以下においても「第２の実施形態」と称する。

「第３の実施の形態」
図３を参照して第３の実施の形態を説明する。繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものについては、図１におけると同一の符号を付してある。
図３に示す実施の形態が、図１に示す形態と異なる点は、固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの位置と、カップリングレンズ群ＣＬＲ、ＣＬＧ、ＣＬＢの構成、および「ダイクロイック素子」の構成である。
第３の実施の形態では、固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの位置は、ＸＺ面内において、屈折光学系ＬＳの片側に揃えられている。ダイクロイック素子は２枚のダイクロイックフィルタＤＦＧ、ＤＦＢにより構成されている。ダイクロイックフィルタＤＦＧは、固体光源１１Ｇからの緑色光を反射させ、固体光源１１Ｒからの赤色光を透過させる。ダイクロイックフィルタＤＦＢは、固体光源１１Ｂからの青色光を反射し、固体光源１１Ｒからの赤色光、固体光源１１Ｇからの緑色光は透過させる。

固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの配置を図３の如くにすると、フライアイレンズＩＮＴまでの光路長は「固体光源ごとに異なった」ものとなるので、カップリングレンズ群ＣＬＲ、ＣＬＧ、ＣＬＢの光学機能を同じにするために、カップリングレンズ群ＣＬＢ、カップリングレンズ群ＣＬＧは２枚のレンズで構成し、光路長の長いカップリングレンズＣＬＲは３枚のレンズで構成している。
カップリングレンズＣＬＲを構成する３枚のレンズのうちの１枚は、平面鏡Ｍ１とダイクロイックフィルタＤＦＧとの間に配置されている。このようにすれば、固体光源１１Ｒと平面鏡の間に余裕をもって２枚のレンズを配置できる。

第３の実施の形態では、３つの固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂが全て、Ｘ方向において「屈折光学系ＬＳの片側」に揃えられているので、図１（ｂ）や図２の光源配置に比して、投射光学のサイズを「Ｘ方向においてコンパクト化」できるメリットがある。

「第４の実施の形態」
図４を参照して第４の実施の形態を説明する。繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものについては、図１におけると同一の符号を付してある。
第４の実施の形態は、「反射光学系」を平面ミラーＲＦ１と凹面ミラーＲＦ２とで構成し、凹面ミラーＲＦ２を「最終ミラー」とした構成である。中間像ＩＭは、屈折光学系ＬＳと平面ミラーＲＦ１との間に結像する。
「固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの配置」は、図１の配置と同様である。
屈折光学系ＬＳから射出した画像光の光束は、屈折光学系ＬＳから離れるほど光束径が拡大するので、図６の配置では、平面ミラーＲＦ１よりも最終ミラーである凹面ミラーＲＦ２の方が「サイズが大きく」なる。
從って、このような構成で、図のＹＺ面内での投射装置の薄型化には、サイズの大きい凹面ミラーＲＦ２と固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを、同一の領域（ＩＩＩ）に配置することが最も好ましい。このようなレイアウトは、ＤＭＤ１００と屈折光学系ＬＳおよび全反射プリズムＰＬの位置関係を調節することで可能となる．
「第５の実施の形態」
図５を参照して、第５の実施の形態を説明する。繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものについては、図１におけると同一の符号を付してある。
第５の実施の形態では、「反射光学系」が１枚の凸面ミラーＲＦＮで構成されている。

「固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの配置」は、図１の配置と同様である。
この実施の形態では「最終ミラー」である凸面ミラーＲＦＮが「実像を結像する機能」を持たないので、屈折光学系ＬＳは「中間像」を結像しない。
第５の実施の形態の場合にも、固体光源と最終ミラーＲＦＮとが同一の領域（ＩＩＩ）に位置するレイアウトにより、投射装置の薄型化や小型化を実現できる。

「第６の実施の形態」
図６を参照して、第６の実施の形態を説明する。繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものについては、図１におけると同一の符号を付してある。
第６の実施の形態では、「反射光学系」が１枚の平面ミラーＲＦ０で構成されている。

「固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの配置」は、図１の配置と同様である。
この実施の形態では、「最終ミラー」である平面ミラーＲＦ０が実像を結像する機能を持たないので、屈折光学系ＬＳは「中間像」を結像しない。
第６の実施の形態の場合にも、固体光源と最終ミラーＲＦ０とが同一の領域（ＩＩＩ）に位置するレイアウトにより、投射装置の薄型化や小型化を実現できる。

上に説明した第４、第５、第６の各実施の形態において、「固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの配置」の配置を図１の配置と同様であるとした。しかし、これに限らず、図２や図３に示す固体光源の配置と同様の配置とすることも勿論できる。
上記の如く、この発明の投射装置では、投射装置の薄型化や小型化の実現が可能であるが、これは、固体光源を用いることと、固体光源と最終ミラーを「仮想平面Ａ、仮想平面Ｂにより仮想的に４分割された装置領域における同じ領域」に配置することにより実現される。

固体光源は小さく「それに付帯するカップリングレンズ群等の光学素子」も小型化できるため、固体光源やカップリングレンズ群等の光学素子を、屈折光学系に近接させて配置させることができ、このことが投射光学系を小型化するうえで大きな役割を担っている。

また、固体光源は、従来、光源として用いられてきた「ランプ光源」に比して、発熱量がずっと小さいので、固体光源を屈折光学系や反射光学系に近接させても、固体光源の発熱による熱が投射光学系に与える影響は実際上無視できる場合が多い。
とは言え、固体光源の発熱による熱の影響は回避できるに越したことはない。この観点から、固体光源の配置態位として、上に図１、図２、図３に示した３種類の配置態位を見ると、図２に示す配置態位では、固体光源１１Ｒが、Ｙ方向（鉛直方向）において屈折光学系ＬＳの直下にあり、また、最終ミラーＲＦにも近い。固体光源１１Ｒが発熱するとその熱により周囲の空気が加熱されて温度上昇し、鉛直上方へ対流して屈折光学系ＬＳを加熱することが考えられ、この場合は、固体光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを「ある程度」屈折光学系から離して熱の影響を回避するのがよい。

一方、図１や図３の「固体光源の配置」では、何れの固体光源も、屈折光学系ＬＳの直下に無く、最終ミラーからも離れているので、上記の如き「熱の問題」は有効に回避されている。なお、図２の如き、固体光源の配置の場合でも、冷却手段による冷却風等により固体光源の冷却を図ることにより、上記熱の影響を有効に回避できる。

図１ないし図６に即して説明した第１ないし第６の実施の形態の投射装置は、１以上の固体光源（１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ）から放射される光を照明光学系により反射型の画像表示素子（１００）に導光し、画像表示素子の画像表示面に表示された画像を照明し、前記画像により変調された画像光を投射光学系により被投射面上に前記画像の拡大像として結像投射する投射装置であり、投射光学系は、屈折光学系（ＬＳ）と、1以上のミラーを有する反射光学系（ＲＦ）と、を有し、照明光学系は、固体光源（１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ）の側から前記画像表示素子（１００）に向かって順に、カップリングレンズ群（ＣＬＲ、ＣＬＧ、ＣＬＢ）、インテグレータ素子（ＩＮＴ）、集光光学系（Ｌ１、Ｍ１、Ｌ２）および全反射プリズム（ＰＬ）を有し、画像表示素子（１００）の画像表示面に合致させた仮想平面Ａ（ＳＡ）と、画像表示面の中心を含み、画像表示面の短手方向に直交する仮想平面Ｂ（ＳＢ）とにより、装置領域を４つの領域に仮想的に分けた状態において、屈折光学系（ＬＳ）から反射光学系（ＲＦ、ＲＦ１、ＲＦ２、ＲＦＮ、ＲＦ０）を介して被投射面（１００）に至る光路上で、前記反射光学系中で最も前記被投射面側に位置する最終ミラー（ＲＦ、ＲＦ２、ＲＦＮ、ＲＦ０）の光線反射領域と、固体光源（１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ）とが、前記４つの領域における同一の領域（ＩＩＩ）に配備されている。

また、第１及び第４の実施の形態の投射装置は、反射光学系が凹面ミラー（ＲＦ、ＲＦ２）を有し、屈折光学系（ＬＳ）により、画像表示素子（１００）の画像表示面に表示された画像の中間像（ＩＭ）を、凹面ミラー（ＲＦ、ＲＦ２）の物体側に１回形成し、前記凹面ミラーを有する反射光学系により、中間像（ＩＭ）の拡大像を被投射面に結像投射する。

第４の実施形態の投射装置はまた、反射光学系が有する凹面ミラー（ＲＦ２）が反射光学系の最終ミラーであり、該最終ミラーと屈折光学系（ＬＳ）との間に平面ミラー（ＲＦ１）が配置されている。

第１ないし第６の実施の形態の投射装置では、インテグレータ素子ＩＮＴが、小レンズをアレイ状に配列したフライアイレンズである。
このように、インテグレータ素子としてフライアイレンズを用いることにより、固体光源から集光光学系までの光路長を短縮できる。また、反射光学系と固体光源の距離を大きくとることができ、固体光源で発熱する熱の反射光学系への影響を軽減できる。

第１ないし第６の実施の形態の投射装置はまた、仮想平面Ａ（ＳＡ）と仮想平面Ｂ（ＳＢ）に直交し、画像表示素子の画像表示面の中心を含む「仮想平面Ｃ」上において、インテグレータ素子（ＩＮＴ）から射出した光の進行方向を、集光光学系内部の折返しミラー（Ｍ２）による反射によって屈曲させたのち、全反射プリズム（ＰＬ）での反射によって光路を再度屈曲させ、光の進行方向を略１８０度反転する。

このような構成により、投射装置の薄型化のみならず「屈折光学系の光軸方向（Ｚ方向）における小型化」も可能となる。

第１ないし第６の実施の形態の投射装置はまた、複数個の固体光源（１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ）を有し、カップリングレンズ系（ＣＬＲ、ＣＬＧ、ＣＬＢ）とインテグレータ素子（ＩＮＴ）との間に、ダイクロイック素子（ＤＦ、ＤＦＧ、ＤＦＢ）が配置されており、ダイクロイック素子（ＤＦ、ＤＦＧ、ＤＦＢ）は、屈折光学系（ＳＬ）の鉛直方向直下に配置されている。

ダイクロイック素子を屈折光学系の鉛直方向直下におくことにより、第１、第３の実施の形態のように、固体光源を「屈折光学系の直下からずらして配置」することが可能となり、固体光源で発生する熱の屈折光学系への影響を有効に軽減できる。

第１、第３〜第６の実施の形態の投射装置では、複数個の固体光源（１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ）の個々は、照明光学系のインテグレータ素子（ＩＮＴ）に至る光路上に、カップリングレンズ群（ＣＬＲ、ＣＬＧ、ＣＬＢ）を個別に有するとともに、個々の固体光源に共通のダイクロイック素子（ＤＦ、ＤＦＢ）を有し、さらに固体光源のうちの１つ（１１Ｒ）は、該固体光源に固有のカップリングレンズ群（ＣＬＲ）と前記ダイクロイック素子（ＤＦＢ）との間に平面ミラー（Ｍ１）を有することにより、複数の固体光源からインテグレータに至る光路として、カップリングレンズ群と平面ミラー（Ｍ１）とダイクロイック素子（ＤＦＢ）とを介してインテグレータ素子に至る第１光路と、カップリングレンズ群とダイクロイック素子とを介してインテグレータ素子に至る第２光路とが形成され、第１光路に含まれるカップリングレンズ群（ＣＬＲ）は、第２光路に含まれるカップリングレンズ群（ＣＬＧ、ＣＬＢ）と構成が異なり、第１光路に含まれるカップリングレンズ群（ＣＬＲ）は、第２光路に含まれるカップリングレンズ群よりも、正屈折力のレンズが１枚以上多い。

また、第１光路において、第２光路に含まれるカップリングレンズ群よりも１枚以上多い正屈折力のレンズは、平面ミラー（Ｍ１）とダイクロイック素子（ＤＦＢ）との間の光路上に配置されている。

このように、固体光源からインテグレータ素子に至る光路長の大小に応じて、カップリングレンズの構成を異ならせることにより、インテグレータ素子に入射する光束の光束径を揃えることができる。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ 固体光源
ＣＬＲ、ＣＬＧ、ＣＬＢ カップリングレンズ群
ＤＦ ダイクロイック素子
ＩＮＴ インテグレータ素子
Ｌ１、Ｌ２ レンズ
Ｍ１ 平面鏡
ＰＬ 全反射プリズム
１００ 画像表示素子
ＬＳ 屈折光学系
ＲＦ 反射光学系（最終ミラー）
ＳＡ 仮想平面Ａ
ＳＢ 仮想平面Ｂ
（Ｉ）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）、（ＩＶ） 仮想平面Ａ、Ｂで分割された領域

特開２００６−２８５０４３号公報 特開２０１４−１６０２３３号公報

Claims (7)

1. 複数個の固体光源を有し、前記複数個の固体光源から放射される光を照明光学系により反射型の画像表示素子に導光し、前記画像表示素子の画像表示面に表示された画像を照明し、前記画像により変調された画像光を投射光学系により被投射面上に前記画像の拡大像として結像投射する投射装置であって、
   前記投射光学系は、屈折光学系と、１以上のミラーを有する反射光学系と、を有し、
   前記照明光学系は、前記固体光源の側から前記画像表示素子に向かって順に、１以上のカップリングレンズ群、インテグレータ素子、集光光学系および全反射プリズムを有し、
   前記画像表示素子の画像表示面に合致させた仮想平面Ａと、前記画像表示面の中心を含み、前記画像表示面の短手方向に直交する仮想平面Ｂとにより、装置領域を４つの領域に仮想的に分けた状態において、
   前記屈折光学系から前記反射光学系を介して前記被投射面に至る光路上で、前記反射光学系中で最も前記被投射面側に位置する最終ミラーの光線反射領域と、前記固体光源とが、前記４つの領域における同一の領域に配備され、
   前記複数個の固体光源の個々は、照明光学系のインテグレータ素子に至る光路上に、カップリングレンズ群を個別に有するとともに、前記個々の固体光源に共通のダイクロイック素子を有し、
   さらに前記複数個の固体光源のうちの１つは、該固体光源に固有のカップリングレンズ群と前記ダイクロイック素子との間に平面ミラーを有することにより、
   前記複数の固体光源から前記インテグレータ素子に至る光路として、カップリングレンズ群と前記平面ミラーと前記ダイクロイック素子とを介して前記インテグレータ素子に至る第１光路と、前記カップリングレンズ群と前記ダイクロイック素子とを介して前記インテグレータ素子に至る第２光路とが形成され、
   前記第１光路に含まれるカップリングレンズ群は、前記第２光路に含まれるカップリングレンズ群と構成が異なり、前記第１光路に含まれるカップリングレンズ群は、前記第２光路に含まれるカップリングレンズ群よりも、正屈折力のレンズが１枚以上多いことを特徴とする投射装置。
2. 請求項１記載の投射装置であって、
   反射光学系は、凹面ミラーを有し、
   屈折光学系により、画像表示素子の画像表示面に表示された画像の中間像を、前記凹面ミラーの物体側に１回形成し、前記凹面ミラーを有する前記反射光学系により、前記中間像の拡大像を被投射面に結像投射する投射装置。
3. 請求項２記載の投射装置であって、
   反射光学系が有する凹面ミラーは、前記反射光学系の最終ミラーであり、該最終ミラーと屈折光学系との間に平面ミラーが配置されている投射装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の投射装置であって、
   インテグレータ素子が、小レンズをアレイ状に配列したフライアイレンズである投射装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の投射装置であって、
   仮想平面Ａと仮想平面Ｂに直交し、画像表示素子の画像表示面の中心を含む仮想平面Ｃ上において、インテグレータ素子から射出した光の進行方向を、集光光学系内部の折返しミラーによる反射によって屈曲させたのち、全反射プリズムでの反射によって光路を再度屈曲させ、光の進行方向を略１８０度反転することを特徴とする投射装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の投射装置であって、
   ダイクロイック素子は、屈折光学系の鉛直方向直下に配置されている投射装置。
7. 請求項１ないし６の何れか１項に記載の投射装置であって、
   第１光路の、第２光路に含まれるカップリングレンズ群よりも１枚以上多い正屈折力のレンズは、平面ミラーとダイクロイック素子との間の光路上に配置される投射装置。

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