(57)【要約】【課題】  照度分布の不均一を低減し、画像表示素子上の明るさの均一化を図り、かつ明るさの低下を緩和することのできる照明光学系を提供することを目的とする。【解決手段】  光源からの光で被照明面を照明する照明光学系において、光軸と略垂直な第１方向において屈折力を有し、前記第１平面に沿って配列された複数のシリンドリカルレンズを備え、前記光源からの光を複数の光束に分割する第１シリンドリカルレンズアレイと、前記第１シリンドリカルレンズアレイからの複数の光束を前記被照明面上で重ねあわせるコンデンサー光学系と、前記光軸と前記第１方向に対して略垂直な第２方向において屈折力を有し、前記光軸と前記第２方向の両者に対して略平行な所定平面内に関して光束を収束させる収束光学系と、前記収束光学系により、前記所定平面内において光束が収束される位置近傍に配置され、前記所定平面内にける角度分布を変化させる第１光学素子とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光で被照明面を照明する照明光学系において、
光軸と略垂直な第１方向において屈折力を有し、前記第１平面に沿って配列された複数のシリンドリカルレンズを備え、前記光源からの光を複数の光束に分割する第１シリンドリカルレンズアレイと、
前記第１シリンドリカルレンズアレイからの複数の光束を前記被照明面上で重ねあわせるコンデンサー光学系と、
前記光軸と前記第１方向に対して略垂直な第２方向において屈折力を有し、前記光軸と前記第２方向の両者に対して略平行な所定平面内に関して光束を収束させる収束光学系と、
前記収束光学系により、前記所定平面内において光束が収束される位置近傍に配置され、前記所定平面内にける角度分布を変化させる第１光学素子とを備えることを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記第１シリンドリカルレンズアレイと前記コンデンサー光学系との間に配置されており、前記複数の光束に対応する複数のシリンドリカルレンズを有する第２シリンドリカルレンズアレイを有することを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
【請求項３】
前記第１光学素子は、第１平面において屈折力を有し、該第１平面に垂直な第２平面においては屈折力を持たない光学素子であることを特徴とする請求項１又は２記載の照明光学系。
【請求項４】
第１の方向に配列された複数のレンズを備えた第１インテグレータと、該第１インテグレータに光を供給する光源系と、前記第１インテグレータによって分割集光された個々の光束を取り込むレンズ配列を備えた第２インテグレータと、少なくとも１つの画像表示素子を有し、該第２インテグレータから出射する複数の光束を前記少なくとも１つの画像表示素子に重畳的に照射する照明光学系において、
前記インテグレータレンズの配列方向と直交する方向に光を発散し、かつ発散した光を集束する手段を有していることを特徴とする照明光学系。
【請求項５】
光束を供給する光源系と、一方向に配列された複数のレンズを備えた第１インテグレータと、該第１インテグレータによって分割集光された個々の光束を取り込むレンズ配列を備えた第２インテグレータと少なくとも１枚の画像表示素子を有し、該第２インテグレータによって集光された個々の光束を画像表示素子に重畳的に照射する照明光学系において、インテグレータレンズの配列方向と直交する方向に光を発散し、かつ発散した光を集束する手段を有していることを特徴とする照明光学系。
【請求項６】
該第２インテグレータと画像表示素子との間に、インテグレータレンズの配列方向と直交する方向に光を発散し、かつ発散した光を集束する手段を有していることを特徴とする請求項５の照明光学系。
【請求項７】
インテグレータレンズの配列方向と直行する方向の光の集光位置近傍に、インテグレータレンズの配列方向と直交する方向に光を発散し、かつ発散した光を集束する手段を有していることを特徴とする請求項５又は６記載の照明光学系。
【請求項８】
少なくとも１つの画像表示素子と、該少なくとも１つの画像表示素子を照明する、請求項１乃至７いずれか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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源から射出された光束を液晶パネルなどを用いた画像表示素子によって変調し、変調後の光束を投射光学系を介して投射面上に拡大投射する投射型表示装置および、その照明光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶パネルなどを用いて画像情報に対応して変調された光束を投射レンズによってスクリーンなどに拡大投射する構成の投射型表示装置が注目されている。このような投射型表示装置としてはスクリーンに投射された画像が全体に渡って均一に近い明るさを有していることが重要である。
【０００３】
このような投射型表示装置における公知の照明光学系は、例えば図１１のようになっている。すなわち、光源から全方向に発する光束をリフレクタなどで集光して前方に射出する光源系１００と、光源系１００からの光束に基づいて複数の光源像を形成する２次元のレンズ配列からなる光学インテグレータ２００と光学インテグレータ２００からの複数の光束をそれぞれ集光して被照明面である画像表示素子４００を重畳的に照明する光学系３００を備えている。なお、図１１では、説明を容易にするため、照明光学系の機能を説明するための主要な構成要素のみを示している。
【０００４】
光源系１００は光源１０１とリフレクタ１０２とを備えており、光学インテグレータ２００は、２次元に複数のレンズ配列をもつ第１インテグレータ２０１と第２インテグレータ２０２とから構成されている。光学系３００はコンデンサレンズ３０１から構成されている。本例では光学系３００はレンズ１枚構成であるが、２枚以上のレンズで構成されている場合もある。
【０００５】
光源１０１から射出された放射状の光束は、リフレクタ１０２によって反射され略平行な光線束として射出される。第１インテグレータ２０１は光源系１００からの光束に基づいて第２インテグレータ２０２近傍に複数の光源像をつくる。一方第１インテグレータ２０１の各レンズセルは、第２インテグレータ２０２とコンデンサレンズ３０１の作用で被照明面である画像表示素子４００と共役であり、各レンズセルはコンデンサレンズ３０１によって重畳的に被照明面に結像される。
【０００６】
さらに上記の光学インテグレータとして１次元に配列されたシリンドリカルレンズアレイを用い、光線束の一断面方向の角度分布を押さえて薄膜部品に起因する色むらを低減しようとした非対称な照明光学系が、例えば特開平６−７５２００で提案されている。図１２に１次元配列の光学インテグレータの一例を断面図で示す。特開平６−７５２００には記載されていないが、画像表示素子として液晶パネルを用いる場合、一断面方向の角度分布を抑えることでコントラストのアップも図ることができる。
【０００７】
しかしながら特開平６−７５２００においては、シリンドリカルレンズアレイが屈折力を持たない断面において重畳的な照明をしていないため、画像表示素子上での照度分布が均一にならないという問題があった。
それは重畳的な照明をしない方向はランプ出射光をそのまま圧縮して画像表示素子を照明するためである。
【０００８】
一般的に投射型表示装置で使用されているランプ出射光の分布は図１４のようになっており、不均一な分布となっているため、画像表示素子上の照明分布が不均一になってしまうのである。
【０００９】
画像表示素子での照度分布を均一にする手段として、例えば特開平１１−０３８３５８に提案されているように、光源の集光部分に平板マイクロレンズアレイを配設する方法がある。
【００１０】
しかしながら、マイクロレンズの拡散効果による照度分布の均一化のために、画像表示素子に入射しない光が増大し、明るさが大幅に低下してしまうという問題があった。
【特許文献１】特開平０６−７５２００号公報
【特許文献２】特開平１１−０３８３５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで本発明は、このような照度分布の不均一を低減し、画像表示素子上の明るさの均一化を図り、かつ明るさの低下を緩和することのできる照明光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題の解決の為に、本発明の照明光学系は、光源からの光で被照明面を照明する照明光学系において、
光軸と略垂直な第１方向において屈折力を有し、前記第１平面に沿って配列された複数のシリンドリカルレンズを備え、前記光源からの光を複数の光束に分割する第１シリンドリカルレンズアレイと、前記第１シリンドリカルレンズアレイからの複数の光束を前記被照明面上で重ねあわせるコンデンサー光学系と、前記光軸と前記第１方向に対して略垂直な第２方向において屈折力を有し、前記光軸と前記第２方向の両者に対して略平行な所定平面内に関して光束を収束させる収束光学系と、前記収束光学系により、前記所定平面内において光束が収束される位置近傍に配置され、前記所定平面内にける角度分布を変化させる第１光学素子とを備えることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の投射型表示装置は、少なくとも１つの画像表示素子と、該少なくとも１つの画像表示素子を照明する、前述の照明光学系とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の照明光学系によれば、非対称な照明光学系における画像表示素子上の照度分布を均一化し、かつ明るさの低下を緩和することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本実施例の照明光学系は、光源（符号１又は符号１と２をまとめて光源と称する）からの光で被照明面（符号９、液晶パネル等の画像表示素子）を照明する照明光学系において、光軸と略垂直な第１方向（図１中のＹ方向）において屈折力を有し、前記第１平面に沿って配列された複数のシリンドリカルレンズを備え、前記光源からの光を複数の光束に分割する第１シリンドリカルレンズアレイ（図１中の符号４）と、前記第１シリンドリカルレンズアレイからの複数の光束を前記被照明面上で重ねあわせるコンデンサー光学系（図１中の符号７）と、前記光軸と前記第１方向に対して略垂直な第２方向において屈折力を有し、前記光軸と前記第２方向の両者に対して略平行な所定平面内（図１中のＸＺ平面）に関して光束を収束させる収束光学系（図１中の符号５、又はそれと関連する符号７、８を含めても構わない）と、前記収束光学系により、前記所定平面内において光束が収束される位置近傍に配置され、前記所定平面内にける角度分布を変化させる第１光学素子（図１中の符号６）とを備えることを特徴としている。
【００１６】
ここで、本実施例では、さらに、前記第１シリンドリカルレンズアレイと前記コンデンサー光学系との間に配置されており、前記複数の光束に対応する複数のシリンドリカルレンズを有する第２シリンドリカルレンズアレイ（図１中の符号４）を有する構成としている。
【００１７】
さらに、前述の第１光学素子は、ある第１平面（図１においてはＸＺ平面）において屈折力を有し、該第１平面に垂直な第２平面（図１においてはＹＺ平面）においては屈折力を持たない光学素子であるように構成している。
【００１８】
また、別の観点から見た本実施例の照明光学系は、光束を供給する光源系（図１中の符号１、又は符号１及び２）と、一方向に配列された複数のレンズを備えた第１インテグレータ（図１中の符号３）と、該第１インテグレータによって分割集光された個々の光束を取り込むレンズ配列を備えた第２インテグレータ（図１中の符号４）と少なくとも１枚の画像表示素子（図１中の符号９）を有し、該第２インテグレータによって集光された個々の光束を画像表示素子に重畳的に照射する照明光学系において、インテグレータレンズの配列方向（図１中のＹ方向）と直交する方向（図１中のＸ方向）に光を発散し、かつ発散した光を集束する手段を有していることで画像表示素子上での照度分布を均一化し、かつ明るさの低下を緩和することができる。この構成によれば、従来の非対称照明光学系で生じていた画像表示素子上の明るさ分布のムラを低減し、より均一な分布を得ることが出来る。従来の非対称照明光学系では、図１３に示されるような明るさの分布を持つのが一般的である。これは先述のとおり、ランプの発光分布が図１４のように不均一であること、また図１２（ろ）に示す断面のレンズ系の収差が原因である。この不均一な照度分布はインテグレータレンズの配列方向と直交する方向に光を発散する手段を用いることで、全体としてなだらかな分布にすることが可能である。また、この発散した光を集束する手段を有することで、光の発散による明るさの低下を緩和することができる。
【００１９】
以下に本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明を行う。
【００２０】
図１は本発明の第１の実施例である照明光学系であり、その曲率半径ｒ、間隔ｄ、屈折率ｎ、アッベ数νを数値実施例１に掲載する。この実施例はｘｚ断面（Ａ）とｙｚ断面（Ｂ）でレンズの作用が異なるので、それぞれ説明する。ｘｚ断面において、光源１から射出された白色光は、リフレクタ２で反射し、第１インテグレータ３に向かう。ｘｚ断面では第１インテグレータ３、第２インテグレータ４は屈折力は持っておらず、ただのガラスブロックとして扱うことができる。その後、第１の光束圧縮レンズ５、光の発散と発散した光を集束する機能を持った光学素子６、コンデンサーレンズ７、第２の光束圧縮レンズ８を介して、画像表示素子９に入射する。第１の光束圧縮レンズ５、コンデンサーレンズ７、第２の光束圧縮レンズ８は平行光を一定の瞳倍率で圧縮して射出する略アフォーカル系を構成するよう配置されている。
【００２１】
一方、ｙｚ断面では光源１から射出された白色光は、リフレクタ２で反射し、第１インテグレータ３、第２インテグレータ４を通過する。その後、コンデンサーレンズ８を介して、画像表示素子９に入射する。
【００２２】
ｙｚ断面では、第１の光束圧縮レンズ５、光の発散と発散した光を集束する機能を持った光学素子６と第２の光束圧縮レンズ８は屈折力は持っておらず、ただのガラスブロックと扱うことができる。第１インテグレータ３は光源１からの光束に基づいて第２インテグレータ４近傍に複数の光源像をつくる。一方第１インテグレータ３の各レンズセルは、第２インテグレータ４とコンデンサレンズ７の作用で、被照明面である画像表示素子９と共役であり、各レンズセルはコンデンサレンズ７によって重畳的に被照明面に結像される。
【００２３】
光学素子６はインテグレータレンズの配列方向と直行する方向の光の集光位置近傍である第１の光束圧縮レンズ５の焦点位置近傍に配置されており、ｘｚ断面図の拡大図を図２に示す。光学素子６は両面（６Ａ、６Ｂ）ともインテグレータレンズの配列方向と直行する方向に屈折力を持ったシリンダレンズで、６Ａ側の面はレンズアレイの構成になっている。６Ａ側の面が光を発散させ、画像表示素子９での照度分布を均一化する機能を有しており、図３、４で詳しく説明する。図３Ａは光学素子６が配置されているｘｚ断面、図３Ｂは光学素子６が配置されていないｘｚ断面での光路図、図４Ａは光学素子６が配置されている場合の光学素子６の各レンズ開口部を通過する光の画像表示素子９での照度分布、図４Ｂは光学素子６が配置されていない場合の図４Ａに対応する開口部を通過する光の画像表示素子９での照度分布を表している。
【００２４】
尚、図４のａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは光学素子６の各レンズａ〜ｅに、Ｔｏｔａｌはすべての全開口を通過した光の分布である。また、図３の光学素子６の６Ａ面側は図１とは異なるが、これはわかりやすく図示しているだけであり、本発明の原理は同じである。
【００２５】
図３のＡ、Ｂを見るとＡでは光学素子６によって光が屈折し、画像表示素子９に入射する位置がＢと異なることがわかる。このように各レンズの開口部を通る光の画像表示素子への入射位置をかえることで均一な照度分布を実現することができる。図４のＡ、Ｂでその様子がわかる。図４Ｂのａ、ｂ、ｄ、ｅの面中心部の明るさのピークやｂ、ｄの面両端部近傍の明るさのピークがなだらかになったり、ｃの両端部での光量落ちなどで均一な照度分布になっている。また、第１の光束圧縮レンズ５、コンデンサーレンズ７、第２の光束圧縮レンズ８は平行光を一定の瞳倍率で圧縮して射出する略アフォーカル系で光学素子６は第１の光束圧縮レンズ５の焦点位置近傍であり、かつコンデンサーレンズ７と第２の光束圧縮レンズ８の合成系の焦点位置近傍に配置されているため、画像表示素子９に入射する光の角度は光軸と垂直な面のどの位置から光が発せられているかで決まる。この場合、光は光学素子６で屈折し角度は変わるが、光が発せられる位置は変わらないため、画像表示素子９に入射する光の角度は変化せず、画像表示素子として液晶パネルを用いた場合に、光学素子６によってコントラストが低下することはない。
【００２６】
光学素子６の６Ｂ側の面の効果について、図５を用いて説明する。図５のように６Ａ面を設定したことでで、６Ａ面を通った光のうち、発散によってコンデンサーレンズ７、第２の光束圧縮レンズ８で拾いきれなくなる光が存在する。そのような光を画像表示素子の方向に寄せるために６Ｂ面にパワーを持たせる。この場合、この６Ｂ面を設置したことで、例えば図６のように逆に画像表示素子の外側に向かってしまう光も存在する。しかしながら、画像表示素子外側に多く光が集まり、またこの６Ｂ面による屈折作用の大きい光軸外側を通過する図４Ａのｂは６Ｂ面を設置することで図７のように移動する。図７のように画像表示素子の外側に向かってしまう光も存在するが、内側に入ってくる光量が多いため、トータルとして光量を上げることができ、光の発散による明るさの低下を緩和することができる。
【００２７】
本実施例では光学素子６は、１部品で構成されているがこの限りではなく、図８のように発散機能と、集束機能は別部材でも良い。また発散機能をレンズアレイではなく、図９のようなシート状の拡散板でもよい。
【００２８】
また、本実施例の照明光学系に図１０のように投射レンズ１０を配置して、投射型表示装置として使用できる。図１０では画像表示素子は１枚であるがこの限りではなく、色分解・合成素子を配置して複数枚の画像表示素子を使用しても良い。
【００２９】
【表１】
2006113241.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施例である照明光学系の構成図
【図２】光学素子６の拡大図
【図３】光学素子６が配置されている場合とされていない場合の光路図
【図４】光学素子６が配置されている場合とされていない場合での光学素子６の各レンズ開口を通る光の画像表示素子上の照度分布
【図５】光学素子６の６Ｂ面の作用を示す図
【図６】光学素子６の６Ｂ面の作用によって画像表示素子外に向かう光の例
【図７】光学素子６の６Ｂ面の作用による図４Ａのｂの分布を変化を示す図
【図８】光学素子６の別の実施系
【図９】光学素子６の別の実施系
【図１０】第１実施例である照明光学系を用いた投射型表示装置
【図１１】従来の２次元フライアイを用いた照明光学系の断面図
【図１２】従来の非対称照明光学系（１次元フライアイを用いた光学系）の断面図
【図１３】従来の非対称照明光学系による被照明面の明るさ分布の模式図
【図１４】ランプ出射面の光量分布
【符号の説明】
【００３１】
１  光源
２  リフレクタ
３  第１インテグレータ
４  第２インテグレータ
５  第１の光束圧縮レンズ
６  光学素子
７  コンデンサーレンズ
８  第２の光束圧縮レンズ
９  画像表示素子
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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