(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光学系であって、
略平行な光線束を射出する光源装置と、
前記光源装置から射出された前記光線束を複数の部分光線束に分割するための複数の小レンズを含むレンズアレイと、
前記レンズアレイから射出された前記複数の部分光線束を所定の照明領域に重畳するための重畳レンズと、
を備え、
前記重畳レンズは、入射面と射出面とのうちのいずれか一方に回転二次曲面形状の非球面を有する非球面レンズであり、
前記重畳レンズによる結像に関して前記照明領域の中心点が無限遠を共役点とすること特徴とする照明光学系。
【請求項２】
請求項１記載の照明光学系であって、
前記射出面が前記非球面であり、前記非球面は回転双曲面形状を有し、
前記入射面は、平面である、照明光学系。
【請求項３】
請求項２記載の照明光学系であって、
前記射出面の回転双曲面形状は、数式１によって表される、照明光学系。
【数１】
0003644313.tif 000008
ここで、ｎは前記重畳レンズの屈折率、ｒ，Ｚは前記非球面と光軸との交点を原点とし、前記光軸に軸対象な円柱座標系における座標値、ｃは所定の定数である。
【請求項４】
請求項１記載の照明光学系であって、
前記入射面が前記非球面であり、前記非球面は回転楕円面形状を有し、
前記射出面は、球面である、照明光学系。
【請求項５】
請求項４記載の照明光学系であって、
前記入射面の回転楕円面形状は、数式２によって表される、照明光学系。
【数２】
0003644313.tif 000009
ここで、ｎは前記重畳レンズの屈折率、ｒ，Ｚは前記非球面と光軸との交点を原点とし、前記光軸に軸対象な円柱座標系における座標値、ｃは所定の定数である。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の照明光学系であって、
前記光源装置は、
放電灯と、
前記放電灯から射出された光を反射する回転楕円面形状の反射面を有する楕円リフレクタと、
前記反射面によって反射された光を平行化するための平行化レンズと、
を備え、
前記平行化レンズは、入射面と射出面とのうちのいずれか一方に回転二次曲面形状の非球面を有する非球面レンズである、照明光学系。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の照明光学系と、
前記照明光学系が照明する前記照明領域としての光入射面を有し、前記照明光学系からの照明光を画像情報に応じて変調して変調光線束を生成する電気光学装置と、
前記変調光線束を投写する投写光学系と、
を備えることを特徴とする投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光学系、および、これを用いて画像を投写表示する投写型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投写型表示装置では、照明光学系から射出された照明光を、液晶パネルなどの変調装置を用いて画像情報に応じて変調し、変調された光をスクリーン上に投写することにより画像表示を実現している。
【０００３】
投写型表示装置においては、投写表示される画像の輝度分布はほぼ均一であることが好ましい。このため、投写型表示装置においては、照明光学系として、液晶パネルなどの画像光が形成される部分（照明領域）をほぼ均一な強度分布で照射することができるいわゆるインテグレータ光学系が用いられている。
【０００４】
図１は、投写型表示装置のインテグレータ光学系を構成する従来の照明光学系９００の要部を示す説明図である。この照明光学系９００は、光源装置９２０と、２つのレンズアレイ９４０，９５０と、重畳レンズ９７０とを備えている。各光学要素は、光源装置９２０から射出される略平行な光線束の中心軸である光源光軸９２０ａｘを基準に配置されている。
【０００５】
光源装置９２０は、光源ランプ９２２とリフレクタ９２４と平行化レンズ９２６とを備えている。光源ランプ９２２から放射状に射出された光は、リフレクタ９２４によって反射される。平行化レンズ９２６は、リフレクタ９２４から反射された光を略平行な光に変換して射出する。
【０００６】
第１のレンズアレイ９４０は、光源装置９２０から射出された略平行な光線束を複数の部分光線束に分割する機能を有している。第１のレンズアレイ９４０は、ｘｙ平面内に複数の小レンズ９４２を備えている。第１のレンズアレイ９４０の複数の小レンズ９４２は、それぞれ球面状の凸面を有する平凸レンズであり、ｚ方向から見た各小レンズ９４２の外形形状は、照明領域ＬＡの形状と相似形となる略矩形形状に設定されている。
【０００７】
第２のレンズアレイ９５０は、第１のレンズアレイ９４０の各小レンズ９４２の像を照明領域ＬＡ上に結像させる機能を有している。すなわち、図中、破線で示された光線の軌跡から分かるように、第２のレンズアレイ９５０に関して、第１のレンズアレイ９４０と照明領域ＬＡとは共役となっている。第２のレンズアレイ９５０の各小レンズ９５２は、第１のレンズアレイ９４０の各小レンズ９４２と対応して設けられている。第２のレンズアレイ９５０の複数の小レンズ９５２は、それぞれ球面状の凸面を有する平凸レンズであり、ｚ方向から見た各小レンズ９５２の外形形状は、第１のレンズアレイ９４０の小レンズ９４２とほぼ同じである。
【０００８】
重畳レンズ９７０は、球面状の凸面を有する平凸レンズである。重畳レンズ９７０は、第１のレンズアレイ９４０の各小レンズ９４２から射出され、第２のレンズアレイ９５０を通過した複数の部分光線束を照明領域ＬＡ上に重畳する機能を有している。図１に示すようなインテグレータ光学系を用いれば、光源装置９２０から射出された略平行な光線束の光の強度分布が不均一な場合でも、ほぼ均一な光の強度分布を有する光を照明領域ＬＡに照明することができる。
【０００９】
なお、重畳レンズ９７０のパワーが比較的大きい場合（重畳レンズの焦点距離Ｌが比較的小さい場合）には、球面収差が発生するため、第１のレンズアレイ９４０の各小レンズ９４２の中心を通過した光が照明領域ＬＡの中心点ＬＡｃにうまく集光しない場合がある。このため、重畳レンズ９７０のパワーが比較的大きい場合には、第２のレンズアレイ９５０として、小レンズ９５２を偏心させたものが利用されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、第２のレンズアレイ９５０は、第１のレンズアレイ９４０の像を、照明領域ＬＡ上に結像させる。したがって、第１のレンズアレイ９４０上にゴミが付着している場合には、ゴミの像が照明領域ＬＡ上に結像されてしまう。また、照明光学系９００を投写型表示装置に適用する場合には、照明領域ＬＡに対応する液晶パネル上にゴミの像が結像されるので、スクリーン上に表示される画像内にもゴミの像が含まれることとなり、画像の質が悪くなってしまう。このような問題は、第１のレンズアレイ９４０の表面に形成された反射防止膜の一部が剥がれてしまっている場合や、第１のレンズアレイ９４０の各小レンズの境界が不均一な形状となっている場合などにも同様に生じる。
【００１１】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、第１のレンズアレイの像を照明領域上に結像しないようにするための技術を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の装置は、照明光学系であって、
略平行な光線束を射出する光源装置と、
前記光源装置から射出された前記光線束を複数の部分光線束に分割するための複数の小レンズを含むレンズアレイと、
前記レンズアレイから射出された前記複数の部分光線束を所定の照明領域に重畳するための重畳レンズと、
を備え、
前記重畳レンズによる結像に関して前記照明領域の中心点が無限遠を共役点とすること特徴とする。
【００１３】
本発明の照明光学系では、重畳レンズによる結像に関して前記照明領域の中心点が無限遠を共役点としてので、レンズアレイと照明領域とが共役とならない。従って、このような照明光学系を用いれば、レンズアレイの像を照明領域上に結像させずに、照明領域を照明することが可能となり、スクリーン上にレンズアレイに付着したゴミの像などが結像するのを防ぐことができる。よって、質の高い画像を得ることが可能となる。
【００１４】
上記照明光学系において、
前記重畳レンズは、入射面と射出面とのうちのいずれか一方に回転二次曲面形状の非球面を有する非球面レンズであることが好ましい。
【００１５】
前述のように、従来の照明光学系においては、重畳レンズのパワーが比較的大きい場合には、第２のレンズアレイの小レンズを偏心させることによって、照明領域上にうまく部分光線束を重畳させている。しかし、本発明の照明光学系においては、従来の照明光学系における第２のレンズアレイは省略されている。そこで、本発明の照明光学系では、重畳レンズとして非球面レンズを用いることとしている。こうすれば、重畳レンズのパワーが比較的大きい場合にも、レンズアレイの各小レンズを通過した各部分光線束をうまく照明領域上に重畳させることが可能である。
【００１６】
上記照明光学系において、
前記射出面が前記非球面であり、前記非球面は回転双曲面形状を有することが好ましい。
【００１７】
こうすれば、重畳レンズのパワーが比較的大きい場合にも、球面収差をかなり小さくすることができるので、レンズアレイからの部分光線束をうまく照明領域上に重畳させることが可能である。
【００１８】
上記照明光学系において、
前記入射面は平面であり、
前記射出面の回転双曲面形状は、数式３によって表される、照明光学系。
【数３】
0003644313.tif 000002
ここで、ｎは前記重畳レンズの屈折率、ｒ，Ｚは前記非球面と光軸との交点を原点とし、前記光軸に軸対象な円柱座標系における座標値、ｃは所定の定数である。
【００１９】
こうすれば、非球面の形状を容易に決定することができる。また、この重畳レンズでは、入射面が平面となっているため、比較的容易に製造できるという利点がある。
【００２０】
あるいは、上記照明光学系において、
前記入射面が前記非球面であり、前記非球面は回転楕円面形状を有するようにしてもよい。
【００２１】
このようにしても、重畳レンズの射出面を非球面とする場合と同様に、レンズアレイからの部分光線束をうまく照明領域上に重畳させることが可能である。
【００２２】
上記照明光学系において、
前記射出面は照明領域ＬＡの中心点ＬＡｃを曲率中心とする球面であり、
前記入射面の回転楕円面形状は、数式４によって表される、照明光学系。
【数４】
0003644313.tif 000003
ここで、ｎは前記重畳レンズの屈折率、ｒ，Ｚは前記非球面と光軸との交点を原点とし、前記光軸に軸対象な円柱座標系における座標値、ｃは所定の定数である。
【００２３】
こうすれば、非球面の形状を容易に決定することができる。
【００２４】
上記照明光学系において、
前記光源装置は、
放電灯と、
前記放電灯から射出された光を反射する回転楕円面形状の反射面を有する楕円リフレクタと、
前記反射面によって反射された光を平行化するための平行化レンズと、
を備え、
前記平行化レンズは、入射面と射出面とのうちのいずれか一方に回転二次曲面形状の非球面を有する非球面レンズであるようにしてもよい。
【００２５】
このような光源装置を用いれば、かなり平行度の高い光線束を射出することが可能となる。
【００２６】
本発明の第２の装置は、投写型表示装置であって、
上述のいずれかの照明光学系と、
前記照明光学系が照明する前記照明領域としての光入射面を有し、前記照明光学系からの照明光を画像情報に応じて変調して変調光線束を生成する電気光学装置と、
前記変調光線束を投写する投写光学系と、
を備えることが好ましい。
【００２７】
このように、上述の照明光学系を投写型表示装置に適用すれば、レンズアレイの像は電気光学装置の照明領域上に結像されないので、投写表示される画像の質を向上させることが可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
Ａ．照明光学系：
図２は、本発明を適用した照明光学系１００を示す説明図である。照明光学系１００は、光源装置１２０と、レンズアレイ１４０と、重畳レンズ１７０とを備えている。照明光学系１００の各光学要素１２０，１４０，１７０は、光源装置１２０から射出される略平行な光線束の中心軸である光源光軸１２０ａｘを基準に配置されている。図示するように、照明光学系１００では、図１の従来の照明光学系９００に用いられていた２つのレンズアレイ９４０，９５０のうち、第２のレンズアレイ９５０が省略されている。
【００２９】
光源装置１２０は、放電灯１２２とリフレクタ１２４と、平行化レンズ１２６とを備えている。リフレクタ１２４は、光源光軸１２０ａｘに軸対称な回転楕円体からなる反射面１２４Ｒを有する楕円リフレクタである。回転楕円体は、例えば、ガラスを用いて形成されている。反射面には誘電体多層膜が形成されている。なお、反射面１２４Ｒには、アルミニウム膜や銀膜などの金属反射膜を形成するようにしてもよい。
【００３０】
放電灯１２２は、放射状に光を射出する。放電灯１２２の中心１２２ｃは、楕円リフレクタ１２４の光源光軸１２０ａｘ上における２つの焦点のうち、楕円リフレクタ１２４により近い方の焦点（第１焦点）の位置に配置されている。ここで、放電灯の中心とは、放電灯の電極間に生じるアークの中心を意味している。放電灯１２２から射出された放射光は、楕円リフレクタ１２４によって反射され、反射光は楕円リフレクタ１２４の他方の焦点（第２焦点）に向かう。放電灯１２２としては、メタルハライドランプや高圧水銀灯などが用いられる。
【００３１】
平行化レンズ１２６は、楕円リフレクタ１２４によって反射された反射光をほぼ平行な光に変換する機能を有している。図２に示す平行化レンズ１２６は、入射面１２６ｉが平面であり、射出面１２６ｏが非球面形状の凹面となっている。このような非球面レンズを平行化レンズ１２６として用いることによって、光源装置１２０は、かなり平行度の高い光線束を射出することができる。なお、光源装置１２０については、さらに後述する。
【００３２】
図２のレンズアレイ１４０は、平行化レンズ１２６から射出された略平行な光線束を複数の部分光線束に分割する機能を有している。レンズアレイ１４０は、複数の小レンズ１４２がｘｙ平面内にマトリクス状に配列された構成を有している。レンズアレイ１４０の複数の小レンズ１４２は、それぞれ球面状の凸面を有する平凸レンズであり、各小レンズ１４２をｚ方向から見た外形形状は、通常、照明領域ＬＡの形状とほぼ相似形となるように設定される。例えば、照明領域ＬＡとして液晶パネルを想定し、液晶パネルの有効表示領域のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）が４：３であるならば、小レンズ１４２のアスペクト比も４：３に設定する。なお、レンズアレイ１４０の各小レンズ１４２によって分割された複数の部分光線束は、図２に示すように、重畳レンズ１７０付近で一旦集光される。
【００３３】
重畳レンズ１７０は、レンズアレイ１４０によって分割された複数の部分光線束を照明領域ＬＡ上に重畳させる機能を有している。これにより、照明領域ＬＡに照射される光の強度分布をほぼ均一にすることが可能である。この説明から分かるように、光源装置１２０と、レンズアレイ１４０と、重畳レンズ１７０とは、いわゆるインテグレータ光学系を構成している。
【００３４】
本実施例の重畳レンズ１７０としては、非球面レンズが用いられている。重畳レンズ１７０は、入射面１７０ｉが平面であり、射出面１７０ｏが非球面形状の凸面となっている。なお、非球面形状の凸面を有する重畳レンズ１７０に代えて、球面状の凸面を有する従来の重畳レンズ９７０（図１）を用いるようにしてもよい。ただし、重畳レンズのパワーが比較的大きい場合、換言すれば、重畳レンズの焦点距離Ｌが比較的小さい場合に、球面状の凸面を有する重畳レンズを用いると球面収差が発生してしまう。すなわち、光源光軸１２０ａｘ近傍を通る平行光は、球面状の凸面を有する重畳レンズを通過した後に、照明領域ＬＡの中心点ＬＡｃに集光するが、光源光軸１２０ａｘから離れた位置を通る平行光は照明領域ＬＡの中心点ＬＡｃから−ｚ方向にずれた位置で集光する。このような場合には、複数の部分光線束を照明領域ＬＡ上にうまく重畳させることができないという問題がある。この問題を回避するために、従来の照明光学系９００（図１）では、第２のレンズアレイ９４０の周辺部に配置された小レンズとして偏心レンズを用いていた。しかし、本実施例の照明光学系１００（図２）では、前述のように、第２のレンズアレイ９４０が省略されている。このため、本実施例においては、重畳レンズ１７０のパワーが比較的大きい場合には、重畳レンズ１７０として非球面レンズを用いることとしている。このような重畳レンズ１７０を用いることにより、レンズアレイ１４０で分割された各部分光線束を照明領域ＬＡ上にうまく重畳させることが可能となる。
【００３５】
図３は、レンズアレイ１４０と重畳レンズ１７０と照明領域ＬＡとの関係を示す説明図である。なお、図３では、レンズアレイ１４０の各小レンズ１４２の中心を通る光線の軌跡のみが図示されている。図示するように、レンズアレイ１４０の各小レンズ１４２の中心を通る光は、重畳レンズ１７０の入射面１７０ｉに垂直に入射するので、入射光は重畳レンズ１７０内を直進する。重畳レンズ１７０の射出面１７０ｏに到達した光は、射出面１７０ｏにおいて屈折し、照明領域ＬＡの中心点ＬＡｃに向かって進む。
【００３６】
照明光学系１００においては、重畳レンズ１７０の結像に関して、照明領域ＬＡの中心点ＬＡｃが、無限遠を共役点としている。従って、従来の照明光学系９００（図１）と異なり、レンズアレイ１４０と照明領域ＬＡとは、いずれの結像要素に関しても共役となっていない。このため、レンズアレイ１４０に付着したゴミ等の像が照明領域ＬＡ上に結像されてしまうという問題を回避することができる。
【００３７】
ところで、重畳レンズ１７０の射出面１７０ｏの非球面は、次の数式５をほぼ満足する形状となるように設定されている。
【００３８】
【数５】
0003644313.tif 000004
【００３９】
ここで、ｒ，Ｚは、図３に示すように、重畳レンズ１７０の射出面１７０ｏ（非球面）と光源光軸１２０ａｘとの交点を原点Ｌ０とし、光源光軸１２０ａｘに軸対象なｒθＺ円柱座標系における座標値である。なお、図３において、Ｚ方向は、−ｚ方向を正としている。ｒは、原点Ｌ０からの光源光軸１２０ａｘに直交する方向への距離を示している。θは、所定のｒ方向からの角度であるが、数式５から分かるように、非球面の形状は角度θに依存しない。
【００４０】
また、数式５中、近軸曲率ｃは、重畳レンズ１７０に入射した平行光を、球面状の凸面を有する平凸レンズを用いて照明領域ＬＡの中心点ＬＡｃに集光すると仮定した場合の、当該球面の曲率を示している。なお、近軸領域（光源光軸１２０ａｘ付近の領域）では、この曲率ｃを有する平凸レンズを用いることにより、平凸レンズに入射した平行光を照明領域の中心点ＬＡｃに集光することができる。
【００４１】
Ｋは、円錐定数と呼ばれる値である。この円錐定数Ｋの値によって、非球面は特定の形状に決定される。具体的には、円錐定数Ｋの値がＫ＜−１である場合には、非球面は回転双曲面形状となる。また、円錐定数Ｋの値が、−１＜Ｋ＜０である場合には非球面は回転楕円面形状となり、Ｋ＝−１である場合には非球面は回転放物面形状となる。
【００４２】
数式５の左辺第３項は、一般非球面項と呼ばれる距離ｒに依存する関数であるが、十分に小さな値であるため、本実施例では無視することとしている。
【００４３】
重畳レンズ１７０の非球面の回転二次曲面形状は、数式５の左辺第３項を無視した数式６に基づき決定される。
【００４４】
【数６】
0003644313.tif 000005
【００４５】
ここで、ｎは重畳レンズ１７０の屈折率を示している。
【００４６】
重畳レンズ１７０の屈折率ｎは、通常１．５〜１．９程度であるため、円錐定数Ｋは、Ｋ＜−１となる。したがって、重畳レンズ１７０の射出面１７０ｏの非球面形状は、回転双曲面形状となる。このように設計された重畳レンズ１７０の射出面１７０ｏは、図３に示す２点ＦＳｈ１，ＦＳｈ２を焦点とする回転双曲面となっている。なお、焦点ＦＳｈ２は、照明領域ＬＡの中心点ＬＡｃと一致している。また、図３中、２つの直線Ｐ，Ｑは、図示する２つの双曲線ＬＨ１，ＬＨ２の漸近線を示している。
【００４７】
このような非球面レンズを重畳レンズ１７０として用いれば、重畳レンズ１７０のパワーが比較的大きい場合にも、レンズアレイ１４０から射出された各部分光線束をうまく照明領域ＬＡ上に重畳させることが可能である。
【００４８】
図４は、重畳レンズの変形例を示す説明図である。図４では、図３と同様に、レンズアレイ１４０と重畳レンズ１７２と照明領域ＬＡとの関係が示されている。この重畳レンズ１７２としては、図３の重畳レンズ１７０と同様に非球面レンズが用いられているが、その外形形状が異なっている。すなわち、この重畳レンズ１７２は、入射面１７２ｉが非球面形状の凸面となっており、射出面１７２ｏが球面状の凹面となっている。レンズアレイ１４０の各小レンズ１４２の中心を通る光は、重畳レンズ１７２の入射面１７２ｉにおいて屈折し、重畳レンズ１７２内を照明領域ＬＡの中心点ＬＡｃに向かって進む。射出面１７２ｏは、図４に示すように、照明領域ＬＡの中心点ＬＡｃを中心とする球面となっている。このとき、入射面１７２ｉで屈折した光は、射出面１７２ｏに垂直に入射するので、そのまま照明領域ＬＡの中心点ＬＡｃに向かって進むこととなる。
【００４９】
この重畳レンズ１７２の入射面１７２ｉの非球面は、図３の重畳レンズ１７０と同様に、次の数式７をほぼ満足する形状となるように設定されている。
【００５０】
【数７】
0003644313.tif 000006
【００５１】
なお、Ｚ方向は、図４に示すように、＋ｚ方向を正としている。
【００５２】
重畳レンズ１７２の屈折率ｎは、上記のように通常１．５〜１．９程度であるため、円錐定数Ｋは、−１＜Ｋ＜０となる。したがって、重畳レンズ１７２の入射面１７２ｉの非球面形状は、回転楕円面形状となる。このように設計された重畳レンズ１７２の入射面１７２ｉは、図４に示す２点ＦＳｅ１，ＦＳｅ２を焦点とする回転楕円面となっている。なお、焦点ＦＳｅ２は、照明領域ＬＡの中心点ＬＡｃと一致している。
【００５３】
このような非球面レンズを重畳レンズ１７２として用いても、図３の重畳レンズ１７０と同様の効果を得ることができる。すなわち、重畳レンズ１７２のパワーが比較的大きい場合にも、レンズアレイ１４０から射出された各部分光線束をうまく照明領域ＬＡ上に重畳させることが可能である。ただし、図３の重畳レンズ１７０では、入射面１７０ｉが平面となっているため、重畳レンズの製造が比較的容易であるという利点がある。
【００５４】
また、図２の照明光学系１００に、この重畳レンズ１７２を適用した場合にも、同様の効果を得ることができる。すなわち、レンズアレイ１４０と照明領域ＬＡとは、いずれの結像要素に関しても共役となっていないため、レンズアレイ１４０に付着したゴミ等の像が照明領域ＬＡ上に結像されてしまうという問題を回避することが可能である。
【００５５】
なお、以上の説明からも分かるように、本発明における重畳レンズとしては、一般に、入射面と射出面とのうちのいずれか一方に回転二次曲面形状の非球面を有する非球面レンズであることが好ましい。
【００５６】
Ｂ．光源装置１２０の詳細：
図５は、図２の光源装置１２０を示す説明図である。図５では、光源装置１２０における楕円リフレクタの反射面１２４Ｒと平行化レンズ１２６との関係が示されている。なお、放電灯の図示は省略されており、放電灯の中心１２２ｃのみが図示されている。放電灯の中心１２２ｃは、前述のように、反射面１２４Ｒの第１焦点ＦＲ１に配置されている。第１焦点ＦＲ１から射出された光は、反射面１２４Ｒで反射されると、反射面１２４Ｒの第２焦点ＦＲ２に向かう。反射面１２４Ｒで反射され、集光しつつ進む光は、平行化レンズ１２６に入射する。
【００５７】
平行化レンズ１２６は、図５に示すように、入射面１２６ｉが平面であり、射出面１２６ｏが回転楕円面形状の非球面となっている。射出面１２６ｏの非球面形状は、重畳レンズ１７０，１７２（図３，図４）の非球面形状を表す数式６，数式７と同様に、次の数式８をほぼ満足する形状となるように設定されている。
【００５８】
【数８】
0003644313.tif 000007
【００５９】
数式８中、ｒP ，ＺP ，ＫP ，ｃP は、数式６，数式７と同様であるため、詳細な説明は省略する。なお、ＺP 方向は、＋ｚ方向を正としている。
【００６０】
ところで、図５に示すように、平行化レンズ１２６を通過する光は、射出面１２６ｏの非球面のみでなく、入射面１２６ｉの平面においても屈折作用を受ける。このため、円錐定数ＫP の値は、重畳レンズ１７０，１７２の円錐定数Ｋ（数式６，数式７）と同様に屈折率ｎのみで容易に決定することができない。そこで、平行化レンズ１２６の円錐定数ＫP は、次のような方法によって決定されている。
【００６１】
まず、楕円リフレクタ１２４の反射面１２４Ｒの形状を設定する。これにより、反射面１２４Ｒからの反射光が向かう第２焦点ＦＲ２の位置が決まる。また、平行化レンズ１２６に関して、入射面１２６ｉの曲率と、屈折率ｎP と、中心部の厚みとを設定する。なお、平行化レンズ１２６の入射面１２６ｉを図５に示すように平面とする場合には、入射面１２６ｉの曲率は０と設定すればよい。次に、平行化レンズ１２６を設置する位置、換言すれば、楕円リフレクタ１２４と平行化レンズ１２６との位置関係を設定し、平行化レンズ１２６に関して設定された上記の種々の値を用いて近軸曲率ｃP の値を求める。近軸曲率ｃP は、平行化レンズ１２６の射出面１２６ｏが球面状の凹面を有すると仮定した場合に、近軸領域の光を平行光に変換することができるような曲率である。
【００６２】
次に、円錐定数ＫP を求める。円錐定数ＫP は、その値（設定値）を変更しながら、繰り返し数式８を用いてシミュレーションを行うことによって求められる。具体的には、平行化レンズ１２６から射出される光線束を収差のない理想レンズで集光したときに、集光点での光スポット径が最も小さくなるときの設定値を円錐定数ＫP の値として決定すればよい。
【００６３】
上記のように決定された射出面１２６ｏは、回転楕円面形状を有しており、図５中、２点Ｆｅ１、Ｆｅ２を焦点とする。このとき、反射面１２４Ｒから第２焦点ＦＲ２に向かって進む光は、平行化レンズ１２６の入射面１２６ｉにおいて屈折し、射出面１２６ｏの回転楕円面の第２焦点Ｆｅ２に向かって進む。射出面１２６ｏに到達した光は、射出面１２６ｏにおいて再度屈折し、光源光軸１２０ａｘに平行な光となって射出される。このように設計された平行化レンズ１２６を備える光源装置１２０を用いれば、かなり平行度の高い光線束を射出することが可能である。
【００６４】
ところで、図５の光源装置１２０では、平行化レンズ１２６の非球面の第２焦点Ｆｅ２が楕円リフレクタの反射面１２４Ｒの第２焦点ＦＲ２と一致していない。これは、上記のように、反射面１２４Ｒから第２焦点ＦＲ２に向かう光が、平行化レンズ１２６の入射面１２６ｉで屈折作用を受けるためである。仮に、平行化レンズ１２６の入射面１２６ｉを、反射面１２４Ｒの第２焦点ＦＲ２を中心とする球面とすれば、反射面１２４Ｒから第２焦点ＦＲ２に向かう光は、平行化レンズの非球面のみで屈折作用を受けることとなる。したがって、平行化レンズ１２６の入射面１２６ｉを球面とすれば、非球面の第２焦点Ｆｅ２と楕円リフレクタの反射面１２４Ｒの第２焦点ＦＲ２とを一致させることが可能である。このとき、数式８の円錐定数ＫP は、−１／ｎP2に設定すればよい。このような平行化レンズを用いれば、より平行度の高い光線束を射出することが可能である。ただし、図５に示すように入射面が平面となっている平行化レンズ１２６を用いれば、平行化レンズの製造が容易であるという利点がある。
【００６５】
なお、照明光学系１００に用いられる光源装置としては、図５に示す光源装置１２０に限られない。例えば、入射面を回転双曲面形状の非球面（凹面）とし、射出面を平面とする平行化レンズを光源装置に適用した場合にも、かなり平行度の高い光線束を射出することが可能である。なお、この場合にも、上記と同様の数式８を用いて非球面形状を決定することができる。このとき、円錐定数ＫP は、−ｎP2に設定すればよい。このように、本発明における光源装置としては、楕円リフレクタと、入射面と射出面とのうちのいずれか一方に回転二次曲面形状の非球面を有する非球面レンズとを用いることが好ましい。
【００６６】
また、照明光学系１００に用いられる光源装置としては、回転放物面形状の反射面を有する放物面リフレクタを用いてもよい。この場合にも、平行度の高い光線束を射出することが可能である。以上の説明からも分かるように、本発明における光源装置としては、一般に略平行な光線束を射出するものであればよい。
【００６７】
Ｃ．投写型表示装置：
図６は、本発明の照明光学系を適用した投写型表示装置を示す説明図である。投写型表示装置１０００は、照明光学系１００’と、色光分離光学系２００と、リレー光学系２２０と、３枚の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム３２０と、投写レンズ３４０とを備えている。
【００６８】
照明光学系１００’（図６）から射出された光は、色光分離光学系２００において赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色光に分離される。分離された各色光は、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂにおいて画像情報に応じて変調される。変調された各色光は、クロスダイクロイックプリズム３２０で合成され、投写レンズ３４０によってスクリーンＳＣ上に画像が投写表示されることとなる。
【００６９】
図７は、図６の照明光学系１００’を拡大して示す説明図である。この照明光学系１００’は、図２に示す照明光学系１００とほぼ同様であるが、照明光学系１００に偏光発生光学系６０が追加されている。なお、図７においては、図２の光学要素と同じものには同じ符号が付されている。
【００７０】
照明光学系１００’では、光源装置１２０とレンズアレイ１４０とは、光源光軸１２０ａｘを基準として配置されており、偏光発生光学系６０と重畳レンズ１７０とは、システム光軸１００’ａｘを基準として配置されている。システム光軸１００’ａｘは、偏光発生光学系６０より後段の光学素子から射出される光線束の中心軸であり、システム光軸１００’ａｘと光源光軸１２０ａｘとは、ｘ方向に所定のずれ量Ｄｐだけほぼ平行にずれている。このずれ量Ｄｐについては後述する。
【００７１】
光源装置１２０から射出された略平行な光線束は、レンズアレイ１４０の各小レンズ１４２によって複数の部分光線束に分割される。各小レンズ１４２から射出された各部分光線束は、図７に示すように、偏光発生光学系６０内において集光される。
【００７２】
図８は、偏光発生光学系６０を示す説明図である。図８（Ａ）は、偏光発生光学系６０の斜視図を示しており、図８（Ｂ）は、＋ｙ方向から見たときの平面図の一部を示している。偏光発生光学系６０は、遮光板６２と、偏光ビームスプリッタアレイ６４と、選択位相差板６６とを備えている。
【００７３】
偏光ビームスプリッタアレイ６４は、図８（Ａ）に示すように、略平行四辺形の断面を有する柱状の透光性板材６４ｃが複数貼り合わされて構成されている。各透光性板材６４ｃの界面には、偏光分離膜６４ａと反射膜６４ｂとが交互に形成されている。なお、偏光分離膜６４ａとしては、誘電体多層膜が用いられる。また、反射膜６４ｂとしては、誘電体多層膜や金属膜が用いられる。
【００７４】
遮光板６２は、遮光面６２ｂと開口面６２ａとがストライプ状に配列されて構成されている。遮光板６２は、遮光面６２ｂに入射する光線束を遮り、開口面６２ａに入射する光線束を通過させる機能を有している。遮光面６２ｂと開口面６２ａとは、レンズアレイ１４０（図７）から射出された部分光線束が偏光ビームスプリッタアレイ６４の偏光分離膜６４ａのみに入射し、反射膜６４ｂには入射しないように配列されている。具体的には、図８（Ｂ）に示すように、遮光板６２の開口面６２ａの中心は、偏光ビームスプリッタアレイ６４の偏光分離膜６４ａの中心とほぼ一致するように配置されている。また、開口面６２ａのｘ方向の開口幅Ｗｐは、偏光分離膜６４ａのｘ方向の大きさとほぼ等しく設定されている。このとき、遮光板６２の開口面６２ａを通過した光線束は、そのほとんど全てが偏光分離膜６４ａのみに入射し、反射膜６４ｂには入射しないこととなる。なお、遮光板６２としては、平板状の透明体（例えばガラス板）に遮光性の膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜など）を部分的に形成したものを用いることができる。また、アルミニウム板のような遮光性の平板に開口部を設けたものを用いてもよい。
【００７５】
レンズアレイ１４０（図７）から射出された各部分光線束は、図８（Ｂ）に実線で示すように、その主光線（中心軸）が光源光軸１２０ａｘにほぼ平行に遮光板６２の開口面６２ａに入射する。開口面６２ａを通過した部分光線束は、偏光分離膜６４ａに入射する。偏光分離膜６４ａは、入射した部分光線束をｓ偏光の部分光線束とｐ偏光の部分光線束とに分離する。このとき、ｐ偏光の部分光線束は偏光分離膜６４ａを透過し、ｓ偏光の部分光線束は偏光分離膜６４ａで反射される。偏光分離膜６４ａで反射されたｓ偏光の部分光線束は、反射膜６４ｂに向かい、反射膜６４ｂにおいてさらに反射される。このとき、偏光分離膜６４ａを透過したｐ偏光の部分光線束と、反射膜６４ｂで反射されたｓ偏光の部分光線束とは、互いにほぼ平行となっている。
【００７６】
選択位相差板６６は、開口層６６ａとλ／２位相差層６６ｂとによって構成されている。なお、開口層６６ａは、λ／２位相差層６６ｂが形成されていない部分である。開口層６６ａは、入射する直線偏光光をそのまま透過する機能を有している。一方、λ／２位相差層６６ｂは、入射する直線偏光光を、偏光方向が直交する直線偏光光に変換する偏光変換素子としての機能を有している。本実施例においては、図８（Ｂ）に示すように、偏光分離膜６４ａを透過したｐ偏光の部分光線束は、λ／２位相差層６６ｂに入射する。したがって、ｐ偏光の部分光線束は、λ／２位相差層６６ｂにおいて、ｓ偏光の部分光線束に変換されて射出される。一方、反射膜６４ｂで反射されたｓ偏光の部分光線束は、開口層６６ａに入射するので、ｓ偏光の部分光線束のまま射出される。すなわち、偏光発生光学系６０に入射した非偏光の部分光線束は、ｓ偏光の部分光線束に変換されて射出されることとなる。なお、反射膜６４ｂで反射されるｓ偏光の部分光線束の射出面だけにλ／２位相差層６６ｂを配置することにより、偏光発生光学系６０に入射する部分光線束をｐ偏光の部分光線束に変換して射出することもできる。選択位相差板６６としては、開口層６６ａの部分に何も設けず、単に、λ／２位相差層６６ｂをｐ偏光の部分光線束またはｓ偏光の部分光線束の射出面に貼りつけるようなものであってもよい。
【００７７】
図８（Ｂ）から分かるように、偏光発生光学系６０から射出する２つのｓ偏光光の中心は、入射する非偏光の光（ｓ偏光光＋ｐ偏光光）の中心よりも＋ｘ方向にずれている。このずれ量は、λ／２位相差層６６ｂの幅Ｗｐ（すなわち、偏光分離膜６４ａのｘ方向の大きさ）の半分に等しい。このため、図７に示すように、光源光軸１２０ａｘとシステム光軸１００’ａｘとは、Ｗｐ／２に等しい距離Ｄｐだけずれている。
【００７８】
レンズアレイ１４０から射出された複数の部分光線束は、上記のように、偏光発生光学系６０によって各部分光線束ごとに２つの部分光線束に分離されるとともに、それぞれ偏光方向の揃ったほぼ１種類の直線偏光光に変換される。偏光方向の揃った複数の部分光線束は、図７に示す重畳レンズ１７０によって照明領域ＬＡ上で重畳されることとなる。
【００７９】
照明光学系１００’（図６）は、偏光方向の揃えられた直線偏光光（ｓ偏光光）の照明光を射出し、色光分離光学系２００やリレー光学系２２０を介して、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを照明する。投写型表示装置において、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂが、図７の照明領域ＬＡに対応する。
【００８０】
色光分離光学系２００は、２枚のダイクロイックミラー２０２，２０４と、反射ミラー２０８とを備えており、照明光学系１００’から射出される光線束を、赤、緑、青の３色の色光に分離する機能を有する。第１のダイクロイックミラー２０２は、照明光学系１００’から射出された光の赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射する。第１のダイクロイックミラー２０２を透過した赤色光Ｒは、反射ミラー２０８で反射されて、クロスダイクロイックプリズム３２０へ向けて射出される。色光分離光学系２００から射出された赤色光Ｒは、フィールドレンズ２３２を通って赤色光用の液晶ライトバルブ３００Ｒに達する。このフィールドレンズ２３２は、照明光学系１００’から射出された各部分光線束をその中心軸に対して平行な光線束に変換する機能を有している。なお、他の液晶ライトバルブ３００Ｇ，３００Ｂの光入射面側に設けられたフィールドレンズ２３４，２３０についても同様である。
【００８１】
第１のダイクロイックミラー２０２で反射された青色光Ｂと緑色光Ｇのうち、緑色光Ｇは第２のダイクロイックミラー２０４によって反射されて、色光分離光学系２００からクロスダイクロイックプリズム３２０へ向けて射出される。色光分離光学系２００から射出された緑色光Ｇは、フィールドレンズ２３４を通って緑色光用の液晶ライトバルブ３００Ｇに達する。一方、第２のダイクロイックミラー２０４を透過した青色光Ｂは、色光分離光学系２００から射出されて、リレー光学系２２０に入射する。
【００８２】
リレー光学系２２０に入射した青色光Ｂは、リレー光学系２２０に備えられる入射側レンズ２２２、リレーレンズ２２６および反射ミラー２２４，２２８および射出側レンズ（フィールドレンズ）２３０を通って青色光用の液晶ライトバルブ３００Ｂに達する。なお、青色光Ｂにリレー光学系２２０が用いられているのは、青色光Ｂの光路の長さが他の色光Ｒ，Ｇの光路の長さよりも大きいためであり、リレー光学系２２０を用いることにより入射側レンズ２２２に入射した青色光Ｂをそのまま、射出側レンズ２３０に伝えることができる。
【００８３】
３枚の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂは、与えられた画像情報（画像信号）に従って、入射した３色の色光をそれぞれ変調して変調光線束を生成する。本実施例の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂは、それぞれ、本発明における電気光学装置に相当する液晶パネルと、その光入射面側および光射出面側に配置された偏光板とによって構成されている。液晶パネルの光入射面側に配置された偏光板は、照明光の偏光度を高めるためのものであり、照明光学系１００’から射出される直線偏光光の偏光方向が、偏光板の透過軸方向と一致するように配置されている。
【００８４】
クロスダイクロイックプリズム３２０は、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを通って変調された３色の色光（変調光線束）を合成してカラー画像を表す合成光を生成する。クロスダイクロイックプリズム３２０には、赤色光反射ダイクロイック面３２１と、青色光反射ダイクロイック面３２２とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。赤色光反射ダイクロイック面３２１には、赤色光を反射する誘電体多層膜が形成されており、青色光反射ダイクロイック面３２２には、青色光を反射する誘電体多層膜が形成されている。これらの赤色光反射ダイクロイック面３２１と青色光反射ダイクロイック面３２２によって３つの色光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が生成される。
【００８５】
クロスダイクロイックプリズム３２０で生成された合成光は、投写レンズ３４０の方向に射出される。投写レンズ３４０は、クロスダイクロイックプリズム３２０から射出された合成光を投写して、スクリーンＳＣ上にカラー画像を表示する。なお、投写レンズ３４０としてはテレセントリックレンズを用いることができる。
【００８６】
以上説明したように、この投写型表示装置１０００では、図７に示す照明光学系１００’が用いられている。照明光学系１００’では、従来の照明光学系９００（図１）における第２のレンズアレイが省略されているため、レンズアレイ１４０と照明領域ＬＡとは、いずれの結像要素に関しても共役となっていない。このため、レンズアレイ１４０に付着したゴミ等の像が照明領域ＬＡに対応する液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ上に結像されない。これにより、スクリーンＳＣ上に投写表示される画像にゴミ等の像が含まれることを回避できるので、表示される画像の質を向上させることが可能となる。
【００８７】
なお、投写型表示装置１０００において、照明光学系１００’に代えて、図２の照明光学系１００を用いてもよい。すなわち、偏光発生光学系６０を備えない照明光学系１００を投写型表示装置１０００に適用することも可能である。ただし、図７の照明光学系１００’を用いれば、偏光発生光学系６０から射出された所定の直線偏光光を液晶ライトバルブに入射させることができるので、光の利用効率を向上させることができるという利点がある。
【００８８】
なお、本発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８９】
（１）上記投写型表示装置は、透過型の投写型表示装置に本発明の照明光学系を適用した場合を例に説明しているが、本発明は反射型の投写型表示装置にも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、透過型液晶パネル等のように光変調手段としての電気光学装置が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、反射型液晶パネルのように光変調手段としての電気光学装置が光を反射するタイプであることを意味している。反射型の投写型表示装置にこの発明を適用した場合にも、透過型の投写型表示装置とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００９０】
（２）また、上記実施例においては、カラー画像を表示する投写型表示装置１０００を例に説明しているが、モノクロ画像を表示する投写型表示装置に本発明の照明光学系を適用することも可能である。この場合にも、上記投写型表示装置と同様の効果を得ることができる。
【００９１】
（３）上記実施例において、投写型表示装置１０００は、電気光学装置として液晶パネルを用いた例を示しているが、これに限られない。電気光学装置としては、一般に、入射光を画像情報に応じて変調するものであればよく、マイクロミラー型光変調装置などを利用してもよい。なお、マイクロミラー型光変調装置としては、例えば、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）（ＴＩ社の商標）を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】投写型表示装置のインテグレータ光学系を構成する従来の照明光学系９００の要部を示す説明図である。
【図２】本発明を適用した照明光学系１００を示す説明図である。
【図３】レンズアレイ１４０と重畳レンズ１７０と照明領域ＬＡとの関係を示す説明図である。
【図４】重畳レンズの変形例を示す説明図である。
【図５】図２の光源装置１２０を示す説明図である。
【図６】本発明の照明光学系を適用した投写型表示装置を示す説明図である。
【図７】図６の照明光学系１００’を拡大して示す説明図である。
【図８】偏光発生光学系６０を示す説明図である。
【符号の説明】
６０…偏光発生光学系
６２…遮光板
６２ａ…開口面
６２ｂ…遮光面
６４…偏光ビームスプリッタアレイ
６４ａ…偏光分離膜
６４ｂ…反射膜
６４ｃ…各透光性板材
６４ｃ…透光性板材
６６…選択位相差板
６６ａ…開口層
６６ｂ…λ／２位相差層
１００…照明光学系
１００’…照明光学系
１００’ａｘ…システム光軸
１２０…光源装置
１２０ａｘ…光源光軸
１２２…放電灯
１２２ｃ…放電灯の中心
１２４…楕円リフレクタ
１２４Ｒ…反射面
１２６…平行化レンズ
１２６ｉ…平行化レンズの入射面
１２６ｏ…平行化レンズの射出面
１４０…レンズアレイ
１４２…小レンズ
１７０，１７２…重畳レンズ
１７０ｉ，１７２ｉ…重畳レンズの入射面
１７０ｏ，１７２ｏ…重畳レンズの射出面
２００…色光分離光学系
２０２，２０４…ダイクロイックミラー
２０８…反射ミラー
２２０…リレー光学系
２２２…入射側レンズ
２２４，２２８…反射ミラー
２２６…リレーレンズ
２３０，２３２，２３４…フィールドレンズ
３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…液晶ライトバルブ
３２０…クロスダイクロイックプリズム
３２１…赤色光反射ダイクロイック面
３２２…青色光反射ダイクロイック面
３４０…投写レンズ
９００…照明光学系
９２０…光源装置
９２０ａｘ…光源光軸
９２２…光源ランプ
９２４…リフレクタ
９２６…平行化レンズ
９４０…第１のレンズアレイ
９４２…小レンズ
９５０…第２のレンズアレイ
９５２…小レンズ
９７０…重畳レンズ
１０００…投写型表示装置
ＬＡ…照明領域
ＬＡｃ…照明領域の中心点
ＳＣ…スクリーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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