(57)【要約】【課題】小型化と光利用効率の向上を実現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【解決手段】光変調素子を照明する照明光学系は、光源側に凹形状を有するメニスカスレンズを有し、拡散度の高い光源１からの光を集光する集光レンズ系２と、集光レンズ系の前記光変調素子側に配置された球面収差補正手段と、を有し、集光レンズ系の焦点距離をｆ、前記集光レンズ系の物体側主点から前記光源までの距離をＬ、集光レンズ系が光源から光を取り込む角度をθとすると、０．６＜｜ｆ／Ｌ｜＜１．４、０．９＜ｓｉｎθ≦１．０を満たす。【選択図】図１
2014085569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を変調する光変調素子を照明する照明光学系であって、
光源側に凹形状を有するメニスカスレンズを含み、光源からの光を集光する集光レンズ系と、
前記集光レンズ系の光変調素子側に配置された球面収差補正手段と、
を有し、
前記集光レンズ系の焦点距離をｆ、前記集光レンズ系の物体側主点から前記光源までの距離をＬ、前記集光レンズ系が前記光源から光を取り込む角度をθとすると、
０．６＜｜ｆ／Ｌ｜＜１．４
０．９＜ｓｉｎθ≦１．０
を満たすことを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
５ｍｍ＜ｆ＜５０ｍｍを満たす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】
前記集光レンズ系を出射した光を複数の光束に分割するフライアイレンズと、
前記フライアイレンズを出射した光の偏光方向を直線偏光に変換する偏光変換素子と、
を更に有す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】
前記集光レンズ系は、光源側から順に、前記光源側に凹メニスカス形状を有する第１球面レンズと、前記光源側に凹メニスカス形状を有する第２球面レンズと、両凸形状の第３球面レンズと、を有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項５】
前記フライアイレンズの第１レンズセルの焦点距離は、前記第１レンズセルよりも光軸に近い第２レンズセルの焦点距離よりも長いことを特徴とする請求項３項に記載の照明光学系。
【請求項６】
前記第１レンズセルの焦点距離をｆｅ、前記第２レンズセルの焦点距離をｆｃとすると、
２＜ｆｅ／ｆｃ＜１００
を満たすことを特徴とする請求項５に記載の照明光学系。
【請求項７】
前記球面収差補正手段は、前記光源側に凸形状を有するメニスカスレンズであり、その焦点距離をｆｍｅｎｉｓとすると、
５０ｍｍ＜｜ｆｍｅｎｉｓ｜＜２０００ｍｍ
を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項８】
前記光源は発光ダイオードであることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項９】
前記光源はレーザであることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項１０】
前記光源は、
前記照明光学系の光軸に直交する方向に延びる、発光アークを発生するランプ管を有する高圧水銀ランプと、
前記ランプ管に関して前記集光レンズ系と反対側に配置され、前記ランプ管からの光束をアーク位置に反射する反射鏡と、
を有することを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項１１】
前記高圧水銀ランプのランプ管のトリガー線は、前記集光レンズ系と前記反射鏡との間に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の照明光学系。
【請求項１２】
前記反射鏡はトーリック形状を有することを特徴とする請求項１０または１１に記載の照明光学系。
【請求項１３】
前記ランプ管の反射鏡側に反射防止手段を設けたことを特徴とする請求項１０乃至１２のうちいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項１４】
被投射面に画像を投射して表示する投射型表示装置であって、
画像信号に応じて入射光を変調する光変調素子と、
前記光変調素子を照明する請求項１乃至１３のうちいずれか１項に記載の照明光学系と、を有することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１５】
前記光変調素子からの光を被投射面に投射する投射光学系を有することを特徴とする請求項１４に記載の投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光学系および投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の液晶プロジェクタの光源は、ランプ管が光軸に平行に延びる高圧水銀ランプからの光を放物面リフレクタによって平行化して射出していたが、リフレクタで反射した光の一部がランプで遮光されることによって光利用効率が低下するという問題があった。そこで、最近では、発光ダイオードやレーザなどの拡散度の高い光源を使用したり、高圧水銀ランプのランプ管を光軸に垂直に配置したりすることが提案されている。このため、高いＮＡで光源からの光を効果的に取り込む照明光学系を構成することが重要となる。
【０００３】
特許文献１は、光源から取り込んだ拡散光束を非球面レンズによって平行にすることを提案している。また、特許文献２は、光源から取りこんだ光束を２枚のフレネルレンズで集光してすることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０８５７１号公報
【特許文献２】特開平０５−２７３６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
液晶プロジェクタなどの投射型表示装置では、小型化と光利用効率の向上が重要である。特許文献１のように光源からの光束を非球面レンズによって平行化すると後段の光学系を小型にすることが困難になる。この点、特許文献２は、光束を集束している点では小型化に有利であるが、拡散度の高い光源からの光を取り込むためにはかなり大型のフレネルレンズが必要となり、結局小型化には寄与しない。一方、光利用効率を高めるには特許文献２のような集束系よりも特許文献１のように（近軸において）光束を平行化するタンデム系の方が有利である。
【０００６】
例えば、一対のフライアイレンズと、その直後に配置された偏光変換素子アレイを使用する液晶プロジェクタを考える。偏光変換素子アレイは微小な偏光ビームスプリッタを等ピッチ配列し、１ピッチおきに二分の一波長板を貼り付けたもので、非偏光である光源光束を１方向の直線偏光に変換する。偏光変換素子は１ピッチおきの有効光領域に、光源側から見て第２フライアイレンズ近傍に形成される光源像を取り込まれなければ正しく偏光変換ができず、光利用効率が低下する。第２フライアイレンズは個々のレンズセルが第１フライアイレンズの各レンズセルと１対１に対応し、対応しているレンズセルからはみ出した光源像は光損失となる。このため、第２フライアイレンズの近傍に形成される光源像はより小さいスポットであることが光利用効率の向上につながる。
【０００７】
特許文献１、２の光学系をそれぞれ第１フライアイレンズの前段に設けることを考える。特許文献１の方法では、光源から取り込む光束の角度に応じて第１フライアイレンズ以降が大型化してしまうという問題が発生する。例えば、光源からの光束の取り込み角度が４５°の系に対して６５°の系では約３０％の大型化してしまう。また、特許文献２の方法では、フレネルレンズと第１フライアイレンズの合成レンズの像側主点位置が第１フライアイレンズ単体よりも光源側にずれて、近軸倍率が大きくなり、光源像が大きくなって光利用効率が低下してしまう。
【０００８】
本発明は、小型化と光利用効率の向上を実現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例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の照明光学系は、入射光を変調する光変調素子を照明する照明光学系であって、光源側に凹形状を有するメニスカスレンズを含み、光源からの光を集光する集光レンズ系と、前記集光レンズ系の光変調素子側に配置された球面収差補正手段と、を有し、前記集光レンズ系の焦点距離をｆ、前記集光レンズ系の物体側主点から前記光源までの距離をＬ、前記集光レンズ系が前記光源から光を取り込む角度をθとすると、
０．６＜｜ｆ／Ｌ｜＜１．４
０．９＜ｓｉｎθ≦１．０
を満たすことを特徴とする
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、小型化と光利用効率の向上を実現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ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の光源と照明光学系の光路図である。（実施例１）
【図２】本発明の光源と照明光学系の光路図である。（実施例２）
【図３】本発明の光源と照明光学系の光路図である。（実施例３）
【図４】本発明を適用した投射型表示装置の概略構成図である。（実施例１、２、３）
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本実施形態に適用可能な投射型表示装置に適用可能な照明光学系について説明する。ここでは、投射型表示装置の一例としての液晶プロジェクタについて説明する。液晶プロジェクタは、画像信号に従って入射光を変調する液晶パネル（光変調素子）を駆動し、光源からの光を利用して画像を不図示の被投射面（スクリーンなど）に投射（拡大投影）する液晶表示装置である。
【実施例１】
【００１３】
以下、図１を参照して、実施例１の光源と照明光学系について説明する。図１は、光源１Ａから第２フライアイレンズ４Ａまでの照明光学系の光路図である。光源１Ａは、例えば、発光ダイオードやレーザであり、光源１Ａから発した光束は拡散光である。光源１Ａの直後には照明光学系が配置されている。照明光学系は、光源１Ａからの光を集光する集光レンズ系２、集光レンズ系２を経た光を均一にするための２つのフライアイレンズ（第１フライアイレンズ３Ａ、第２フライアイレンズ４Ａ）を有するが、他の光学要素を含んでもよい。第１フライアイレンズ３Ａは、集光レンズ系２を出射した光を複数の光束に分割する機能をもつ。
【００１４】
集光レンズ系２はＮＡ＝０．９５で光源からの光を取り込むように設計されている。物体側の取り込み角はＮＡ＝ｓｉｎθで表わされ、図１に示すθが大きい角度であるほど光束の取り込みが良好になる。有効に光を利用するためには０．９＜ｓｉｎθ≦１．０、さらには０．９３＜ｓｉｎθが好ましい。
【００１５】
本実施例の集光レンズ系２Ａは３枚の球面レンズから構成されている。即ち、集光レンズ系２Ａは、光源側から光路に沿って順に、光源側に凹メニスカス形状を有する第１球面レンズ２０と、光源側に凹メニスカス形状を有する第２球面レンズ２２と、両凸形状の第３球面レンズ２４を有する。これらのレンズ形状は数値実施例１に示す通りである。第３球面レンズ２３によって屈折される最外光線が光軸となす角度θ１は、１０度＜θ１＜３０度である。本明細書において、最外光線とは、第１フライアイレンズ３Ａよりも光源側に配置されたレンズのコバ部によりけられる光束のうち、最も外側を通過する光線のことである。
【００１６】
但し、集光レンズ系２Ａは本実施例の構成に限定されず、光源側に凹形状を有するメニスカスレンズを少なくとも一つ有すれば足り、そのメニスカスレンズは球面レンズではなく非球面レンズでもよい。レンズ枚数も３枚に限定されない。メニスカスレンズを使用することによってフレネルレンズよりも照明光学系を小型にすることができる。
【００１７】
集光レンズ系２としての焦点距離ｆは２２．３ｍｍである。本実施例では、５ｍｍ＜ｆ＜５０ｍｍを満たすことが好ましい。上限を超えると系が大型になり、下限を超えると実現が困難になる。
【００１８】
物体側主点はレンズの第１面から像側に１３．６ｍｍの位置にあり、光源１から物体側主点までの距離Ｌは２３．６ｍｍになる。つまり、光源１は集光レンズ系２の物体側焦点位置近傍に配置されている。光源が物体側焦点近傍にあることを限定するために、０．６＜｜ｆ／Ｌ｜＜１．４、好ましくは、０．８＜｜ｆ／Ｌ｜＜１．２、更に好ましくは、０．９＜｜ｆ／Ｌ｜＜１．１を満たす。
【００１９】
光源１は集光レンズ系２の近軸上の物体側焦点位置近傍に設置されているため、集光レンズ系２を射出する光束のうち、光軸近傍はほぼ平行光となって第１フライアイレンズ３に入射する。第１フライアイレンズ３の光軸近傍のレンズセルはその焦点距離がほぼ第１フライアイレンズ〜第２フライアイレンズ４の間隔距離に一致しており、第２フライアイレンズ近傍に光源像を結ぶようになっている。近軸的には、第１フライアイレンズ３に入射する光束はほぼ平行光であるので、光源像に集光する光線角度も大きくすることができ、光源像の倍率は小さくなる。一般的な光源は、光軸近傍の光強度が強いため、光軸近傍の光源像を小さくすること（近軸倍率を小さくすること）は光利用効率を大きく改善することになる。
【００２０】
一方、周辺部の光束も集光レンズ系２によって第１フライアイレンズ３Ａに向けて射出されるが、集光レンズ系２とすることで適度な球面収差を発生する。すなわち、光軸近傍の光束のように平行光にならず、一点鎖線で示す光軸に向かって集光する。この結果、第１フライアイレンズ３Ａおよび第２フライアイレンズ４Ａ、その後の光学系（不図示）も小型化することができる。周辺部の光束は集光して第１フライアイレンズ３Ａに入射した後、第２フライアイレンズ４Ａに結像する。
【００２１】
但し、このままでは周辺部の光束が第２フライアイレンズ４Ａのレンズセルからずれてしまうので集光レンズ系２の後段（光変調素子側）に光軸から離れた領域の球面収差を補正する球面収差補正手段を設けている。
【００２２】
本実施例では、球面収差補正手段を第１フライアイレンズ３に設けている。即ち、第１フライアイレンズ３の周辺部の第１レンズセルの焦点距離は、第１レンズセルよりも光軸に近い第２レンズセルの焦点距離よりも長く設定されている。あるいは、第１レンズセルのパワー（または曲率半径）を小さくしている。周辺部のレンズセル焦点距離をｆｅ、中心部のレンズセルの焦点距離をｆｃとすると、２＜ｆｅ／ｆｃ、好ましくは、３＜ｆｅ／ｆｃ、更に好ましくは、１０＜ｆｅ／ｆｃを満たす。上限は、例えば、１００である。
【００２３】
以上、本実施例によれば、光軸近傍の光源像は小さいため光利用効率が高く、かつ球面収差によって周辺光束を集光しているので後段の素子の小型化も達成できる。
（数値実施例１）
単位  
f=22.3 mm   NA=sinθ=0.95  L=23.6mm   f/L=0.945
曲率半径      面間隔      屈折率
Obj        ∞          10.0
1        -23.91         9.0       1.834
2        -18.68         0.3
3        -49.59        12.0       1.773
4        -29.18         0.3
5        110.00        12.0       1.773
6       -110.00          
【実施例２】
【００２４】
以下、図２を参照して、実施例２の光源と照明光学系について説明する。図２は、光源１Ａから第２フライアイレンズ４Ｂまでを記載したものである。実施例２が実施例１と異なるのは、集光レンズ系２と第１フライアイレンズ３Ｂの間に球面収差補正手段としての球面収差補正素子５が配置され、第１フライアイレンズ３Ｂは周辺部の第１レンズセルと光軸近傍の第２レンズセルの焦点距離の差が小さい点である。第２フライアイレンズ４Ｂは第２フライアイレンズ４Ａと同様である。
【００２５】
球面収差補正素子５は、屈折力が弱く（あるいはパワーがゼロで）光源側に凸形状を有するメニスカスレンズとして構成されている。このメニスカスレンズは焦点距離が−２７５．５ｍｍと近軸屈折力が弱いために集光レンズ系２射出後の光束のうち光軸近傍の光束についてはほとんど影響を与えない。
【００２６】
従って、実施例１と同様に、光軸近傍の光束は小さい近軸倍率で第２フライアイレンズ４Ｂ近傍に集光し、高い光利用効率を得ることができる。一方、周辺部の光束は、集光レンズ系２の球面収差によって光軸方向に集光してくるが、メニスカスレンズは強い曲率を有しているために周辺部の光束については強い負の球面収差を発生させ、球面収差を補正する。その結果、周辺の光束は集光された後に略平行光化され、第１フライアイレンズ３Ｂに入射する。第１フライアイレンズ３Ｂは、各セルが第２フライアイレンズ４Ｂ近傍に光源像を形成する。
【００２７】
本実施例では、第１フライアイレンズ３Ｂに入射する前に収差補正がなされているので、中心セルと周辺セルで焦点距離の差は少ない。本実施例のレンズ構成を、球面収差補正素子５も含めて数値実施例２に記載する。球面収差補正素子５は、近軸屈折力をｆｍｅｎｉｓとすると、５０ｍｍ＜｜ｆｍｅｎｉｓ｜、好ましくは、１００ｍｍ＜｜ｆｍｅｎｉｓ｜、更に好ましくは、２００ｍｍ＜｜ｆｍｅｎｉｓ｜を満たす。上限は、例えば、２０００ｍｍである。本実施例でも、光源像を拡大して光利用効率が落ちるのを防ぐとともに小型化を達成することができる。
（数値実施例２）
単位 mm
集光レンズ系（第１面〜第６面）
f=22.3mm   NA=sinθ=0.95  L=23.6mm   f/L=0.945
球面収差補正レンズ：fmenis=-876 mm
曲率半径      面間隔      屈折率
Obj        ∞         10.0
1        -23.91         9.0       1.834
2        -18.68         0.3
3        -49.59        12.0       1.773
4        -29.18         0.3
5        110.00        12.0       1.773
6       -110.00         0.3
7         31.74        12.0       1.487
8         22.50          
【実施例３】
【００２８】
以下、図３を参照して、実施例３の光源と照明光学系について説明する。図３は、光源１Ｂである高圧水銀ランプから第２フライアイレンズ４Ａまでを記載したものである。光軸方向をｚ方向として、高圧水銀ランプの長手方向をｙ方向、ｙｚ面に垂直な方向をｘ方向と定義する。図３（ａ）はｙｚ断面を示し、図３（ｂ）はｘｚ断面を示している。
【００２９】
高圧水銀ランプは一対の電極と封入された気体およびガラス管によって構成されている。一対の電極の間に高電圧をかけることで発光アークが形成される。本実施例では光軸に直交するｙ方向に延びるようにランプ管１１が配置されており、従来のようにランプ管１１は光軸方向に延びていない。
【００３０】
ランプ管１１から射出される光束のうち、光軸（ｚ＋）方向に射出する光については第一実施例と同様に、集光レンズ系２が集光して第１フライアイレンズ３Ａに導く。一方、集光レンズ系２と逆側（ｚ−方向）にも光束は射出されるが、これについては集光レンズ系２の反対側に配置された再帰反射鏡１２がその光束を反射する。
【００３１】
再帰反射鏡１２はランプ管１１のガラス管形状を考慮してその収差をキャンセルするようにＸＺ断面とＹＺ断面で異なる形状をした所謂トーリック形状を有する。ランプ管１１から射出して再帰反射鏡１２で反射した光束は元のアーク位置にほぼ無収差で戻る。その後はｚ＋方向の光束と同様、集光レンズ系２に導かれる。なお、再帰反射鏡１２を経る光束は、ランプ管のガラスを通過する回数が多くなるため、ランプ管１１の少なくとも再帰反射鏡側の表面に反射防止膜などの反射防止手段を設けている。
【００３２】
本実施例は高ＮＡの集光レンズ系とリフレクタを用いているためＹＺ断面に関してはほぼすべての光束を取り込むことができる。しかし、ＸＺ断面についてはどんなにＮＡを上げてもＸ方向に射出される光は有効に光軸方向に導くことができない。したがってこの再帰反射鏡１２と集光レンズ系２のＸＺ断面の境界部分については、隙間が必ず発生する。
【００３３】
そこで、本実施例では、ランプ管１１のトリガー線１３がこの隙間を向くようにランプ管１１の方向を図３のように決めている。トリガー線１３は高圧水銀ランプを起動するときに必要な電圧をかける導線であり、この部分は光を透過せず光を損失する。本実施例ではこれを再帰反射鏡１２と集光レンズ系２の境界に配置することで、光損失を最小限にとどめている。
【００３４】
第２フライアイレンズ４の直後には、不図示の偏光変換素子アレイ、コンデンサーレンズ、液晶パネルが配置されている。偏光変換素子アレイは微小な偏光ビームスプリッタを等ピッチ配列し、１ピッチおきに二分の一波長板を貼り付けたもので、第２フライアイレンズ４を出射した非偏光光の偏光方向を一方向の直線偏光に変換する。第２フライアイレンズおよび偏光変換素子アレイを経た光束はコンデンサーレンズによって液晶パネルに重畳結像される。
【実施例４】
【００３５】
図４に、実施例１から実施例３で説明した光源と照明光学系を使用したプロジェクタ（投射型表示装置）の概略構成図を示す。
【００３６】
光源部１０は、実施例１から実施例３で説明した光源と照明光学系である。図中の一点鎖線は、光源部１０の光軸１０ａである。
【００３７】
光源部１０を出射した光は、ダイクロイックミラー５８に入射する。ダイクロイックミラー５８は、入射した光を、赤の波長帯域と青の波長帯域を含む第１の波長帯域の光と、緑の波長帯域の第２の波長帯域の光とに分離する。
【００３８】
ダイクロイックミラー５８により分離された緑の波長帯域の光は、偏光板５９を通り、第１の偏光ビームスプリッタ６０により反射され、１／４λ板６２Ｇを通り、液晶パネル６１Ｇに入射する。
【００３９】
液晶パネル６１Ｇに入射した光のうち、液晶パネル６１Ｇにより偏光方向が変えられた画像光（被投射面に投射される光）は、再び偏光ビームスプリッタ６０に入射する。そして、画像光は、偏光ビームスプリッタ６０を透過して、合成プリズム６９も透過して、投射レンズ７０に向かう。非画像光は、偏光ビームスプリッタ６０により反射されて光源側に戻される。
【００４０】
ダイクロイックミラー５８によって分離された第１の波長帯域の光は、偏光板６４を通り、波長選択性位相差板６５に入射する。波長選択性位相差板６５によって、青の波長帯域の光のみが、その偏光方向を９０°回転される。
【００４１】
偏光方向が回転された青の波長帯域の光は、偏光ビームスプリッタ６６を透過して、１／４λ板６２Ｂを通り、液晶パネル６１Ｂに入射する。
【００４２】
液晶パネル６１Ｂに入射した光のうち、画像光は、偏光ビームスプリッタ６０により反射されて、波長選択性位相差板６７を通過し、合成プリズム６９によって反射され、投射レンズ７０に向かう。非画像光は、偏光ビームスプリッタ６６を透過して光源側に戻される。
【００４３】
一方、ダイクロイックミラー５８によって分離されたのちに、波長選択性位相差板６５により偏光方向を変換されることなく通過した赤の波長帯域の光は、偏光ビームスプリッタ６６により反射されて、液晶パネル６１Ｒに入射する。液晶パネル６１Ｒに入射した光のうち、画像光は、偏光ビームスプリッタ６６を透過して、波長選択性位相差板６８によって、その偏光方向が９０°変換されたのち、合成プリズム６９に入射する。そして、合成プリズム６９より反射されて、投射レンズ７０に向かう。非画像光は、偏光ビームスプリッタ６６により反射されて光源側に戻される。
【００４４】
合成プリズム６９によって合成された青、緑、赤の波長帯域の画像光は、被投射面に投射され、被投射面上に画像が形成される。
【００４５】
なお、本実施例のプロジェクタは、光路折り曲げミラーや、熱線カットフィルタや、偏光板等を有してもよいし、液晶パネルを複数、有していてもよい。
【００４６】
また、本発明は、透過型の液晶パネルや、ＤＬＰや、マイクロミラーデバイスなどその他の表示素子を用いたプロジェクタにも適用可能である。また、液晶プロジェクタは、光変調素子からの光を被投射面に投射する投射光学系が、プロジェクタ本体に交換可能に設けられる形態であってもよい。
【００４７】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００４８】
２…集光レンズ系、３…第１フライアイレンズ（球面収差補正手段）、５…球面収差補正素子（球面収差補正手段）
【図１】
2014085569.tif 000003
【図２】
2014085569.tif 000004
【図３】
2014085569.tif 000005
【図４】
2014085569.tif 000006