(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、収差による影響をより低減し、より狭い余裕照明領域で、均一な照度で被照明面を照明することが可能な照明光学系を提供することである。【解決手段】  照明光学系が、光源側から順に、光源からの光束を複数の光束に分割する複数のレンズセルを有する第１フライアイレンズ１を備える。さらに、照明光学系が、第１フライアイレンズ１の複数のレンズセルに対応する複数のレンズセルを有する第２フライアイレンズ２と、第２フライアイレンズ２の複数のレンズセルからの光束を液晶パネル８に重ね合わせるためのコンデンサーレンズ系９と、を備える。コンデンサーレンズ系９は、光源側から順に、正屈折力の第１コンデンサーレンズ４と、負屈折力で液晶パネル８側に凸面を向けた負メニスカス形状の第２コンデンサーレンズ５と、正屈折力の第３コンデンサーレンズ６と、を含む。【選択図】  図２
2015145974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光束を利用して被照明面を照明する照明光学系であって、
前記光源側から順に、
前記光源からの光束を複数の光束に分割する複数のレンズセルを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの複数のレンズセルに対応する複数のレンズセルを有する第２のレンズアレイと、
前記第２のレンズアレイの前記複数のレンズセルからの光束を前記被照明面に重ね合わせるためのコンデンサーレンズ系と、を備え、
前記コンデンサーレンズ系は、
前記光源側から順に、
正屈折力の第１コンデンサーレンズと、
負屈折力で前記被照明面側に凸面を向けた負メニスカス形状の第２コンデンサーレンズと、
正屈折力の第３コンデンサーレンズと、を含むことを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記第１コンデンサーレンズと前記第２コンデンサーレンズは組み合わせると正屈折力
となる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】
前記第１コンデンサーレンズと前記第２コンデンサーレンズとの合成焦点距離をｆ１２とし、
前記第３コンデンサーレンズの焦点距離をｆ３とするとき、
１．０＜ｆ１２／ｆ３＜５．０
を満たす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】
前記第１コンデンサーレンズと前記第２コンデンサーレンズとがマージナルコンタクトをしていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項５】
前記第１コンデンサーレンズと前記第２コンデンサーレンズとが接合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項６】
前記第１コンデンサーレンズの前記被照明面側の面の曲率半径をＲ１とし、
前記第２コンデンサーレンズの前記光源側の面の曲率半径をＲ２とし、
シェイプファクターをＳＦ＝（Ｒ２＋Ｒ１）／（Ｒ２−Ｒ１）としたとき、
ＳＦ＜−１０
を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項７】
前記第１コンデンサーレンズと前記第２コンデンサーレンズのアッベ数をそれぞれν１、ν２とするとき、
ν１−ν２＞１０
を満たすことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項８】
前記第１コンデンサーレンズが前記被照明面側に凸面を向けたメニスカスレンズであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項９】
光変調素子と、
光源装置からの光を前記光変調素子に導くための照明光学系と、を備える投射型表示装置であって、
前記照明光学系は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明光学系であ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、照明光学系に関するものである。特に、プロジェクターなどの投射型表示装置に用いられる照明光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶パネルを搭載した、いわゆる液晶プロジェクターにおいては、光源からの光束の光量をあまり損失せずに液晶パネルに導くことが求められている。すなわち、光利用効率の高い照明光学系が求められている。
【０００３】
光利用効率の高い照明光学系として、特許文献１がある。
【０００４】
特許文献１では、フライアイレンズを用いたインテグレータ光学系と偏光変換光学系を組み合わせることで、光利用効率を高めた照明光学系の構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３０４７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、液晶プロジェクターにおいては液晶パネルの有効表示領域よりも広い範囲を照明可能なように、照明光学系を設計する。液晶パネルの有効表示領域とほぼ同じ面積を照明しようとすると、製造誤差などによる照明領域のわずかな位置ずれであっても、液晶パネルの有効表示領域の全体を均一に照明することが困難になるためである。
【０００７】
液晶パネルの有効表示領域外の照明領域である余裕照明領域は、最終的にはスクリーン上に到達しないために、その全ての光量が損失となってしまう。したがって、余裕照明領域は縮小させることが望ましい。
【０００８】
前述の特許文献１に記載の照明光学系は、コンデンサーレンズが正屈折力のレンズ１枚の構成である。このため、収差を充分に補正できず、液晶パネル面上での結像性能が低下し、液晶パネルを均一な照度で照明するのが困難になるおそれがあった。
【０００９】
収差を充分に補正せずに、液晶パネルを均一な照度で照明するには、広い領域を照明すれば良い。しかしながら、この方法では、余裕照明領域が拡大してしまい、損失となる光量が増加してしまうおそれがある。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、収差による影響をより低減し、より狭い余裕照明領域で、均一な照度で被照明面を照明することが可能な照明光学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の照明光学系は、
光源からの光束を利用して被照明面を照明する照明光学系であって、
前記光源側から順に、
前記光源からの光束を複数の光束に分割する複数のレンズセルを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの複数のレンズセルに対応する複数のレンズセルを有する第２のレンズアレイと、
前記第２のレンズアレイの前記複数のレンズセルからの光束を前記被照明面に重ね合わせるためのコンデンサーレンズ系と、を備え、
前記コンデンサーレンズ系は、
前記光源側から順に、
正屈折力の第１コンデンサーレンズと、
負屈折力で前記被照明面側に凸面を向けた負メニスカス形状の第２コンデンサーレンズと、
正屈折力の第３コンデンサーレンズと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、収差による影響をより低減し、より狭い余裕照明領域で、均一な照度で被照明面を照明することが可能な照明光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例で示す照明光学系を搭載可能な投射型表示装置の構成説明図
【図２】本発明の第１実施例で示す照明光学系の構成説明図
【図３】本発明の第１実施例での照明領域端部の照度分布断面を示したグラフ
【図４】本発明の第２実施例で示す照明光学系の構成説明図
【図５】本発明の比較例で示す照明光学系の構成説明図
【図６】本発明の比較例での照明領域端部の照度分布断面を示したグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の形状それらの相対配置などは、この発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。すなわち、構成部品の形状などは、この発明の範囲を以下の実施の形態に限定する趣旨で規定されたものではない。
【００１５】
〔投射型表示装置構成の説明〕
まず、図１を用いて、本発明の実施例で示す照明光学系を搭載可能な投射型表示装置４０００の構成について説明する。
【００１６】
投射型表示装置４０００は、光源装置１０００と、照明光学系２０００と、色分離合成光学系３０００と、投射光学系１８０と、を備える。
【００１７】
光源１０から全方向に射出した光束は放物面鏡２０によって平行光束となって射出される。ここでは、もちろん、完全な平行光束である必要はなく、使用に耐える範囲で若干発散していても収束していても構わない。
【００１８】
放物面鏡２０からの平行光束は、照明光学系２０００によって、液晶パネル（光変調素子）９０Ｒ、９０Ｇ、９０Ｂを重畳的に照明する。本実施例においては、液晶パネル９０Ｒ、９０Ｇ、９０Ｂは反射型液晶パネルである。
【００１９】
照明光学系２０００は、後述の本発明の実施例として示す照明光学系である。
【００２０】
ダイクロイックミラー７０は入射光のうち、波長が４００ｎｍ〜５００ｎｍの青色光（以後、Ｂ）と、波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの赤色光（以後、Ｒ）を反射する。一方、ダイクロイックミラー７０は、波長が５００ｎｍ〜６００ｎｍの緑色光（以後、Ｇ）を透過する。８０はＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第１ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）であり、偏光分離面８０ａを有する。
【００２１】
１００Ｒ、１００Ｇ、１００Ｂはそれぞれ、Ｒ、Ｇ、Ｂ用の１／４波長板である。
【００２２】
１４０はＳ偏光光を透過し、Ｐ偏光光を吸収するＧ用の出射側偏光板である。なお、本発明の実施例で用いる偏光板は、不要な偏光光を反射するようにしてもよい。
【００２３】
１１０はＰ偏光光を透過する入射側偏光板であり、１２０はＲの偏光方向を９０度変換し、Ｂの偏光方向は変換しない色選択性位相差板である。
【００２４】
１３０はＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第２のＰＢＳであり、偏光分離面１３０ａを有する。１５０はＢ用の出射側偏光板であり、ＢのＳ偏光光のみを透過し、Ｐ偏光光を吸収する。また、Ｒは偏光方向に関係なく透過する。
【００２５】
１６０は１／２波長板である。
【００２６】
合成プリズム１７０の偏光分離面１７０ａは、Ｂ及びＧではダイクロイックミラー、ＲのではＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射するＰＢＳの分光特性をもつ。
【００２７】
以上のダイクロイックミラー７０から合成プリズム１７０に至る部材により、色分解合成光学系２０００が構成されている。
【００２８】
次に、照明光学系を通過した後の光学的な作用を説明する。まず、Ｇの光路について説明する。ダイクロイックミラー７０を透過したＧは第１のＰＢＳ８０に入射し、偏光分離面８０ａでＰ偏光光が透過し、Ｇ用の反射型液晶パネル９０Ｇへと至る。Ｇ用の反射型液晶パネル９０Ｇにおいては、Ｇが画像変調されて反射される。画像変調されたＧの反射光のうちＰ偏光成分は、再び第１のＰＢＳ８０の偏光分離面８０ａを透過し、光源１０側に戻され、投射光から除去される。
【００２９】
一方、画像変調されたＧの反射光のうちＳ偏光成分は、第１のＰＢＳ８０の偏光分離面８０ａで反射される。反射されたＧのＳ偏光成分は、Ｓ偏光光を透過する出射側偏光板１４０を透過し、投射光として合成プリズム１７０に向かう。そして、合成プリズム１７０で反射されて、投射レンズ１８０へと至る。このとき、すべての偏光成分をＰ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１のＰＢＳ８０とＧ用の反射型液晶パネル９０Ｇとの間に設けられた１／４波長板１００Ｇは、次のような作用を有する。
【００３０】
１／４波長板１００Ｇの遅相軸または進相軸が、第１のＰＢＳ８０への入射光軸（Ｚ軸）と反射光軸（Ｙ軸）を含む平面（ＹＺ面）に垂直又は略垂直な方向（Ｘ方向）となるよう１／４波長板１００Ｇを配置している。言い換えれば、１／４波長板１００Ｇの遅相軸または進相軸が、第１のＰＢＳの偏光分離面８０ａの法線とＧ用の反射型液晶パネル９０Ｇの法線とに平行な平面（ＹＺ面）に対して、垂直又は略垂直な方向に配置されている。これにより、第１のＰＢＳ８０とＧ用の反射型液晶パネル９０Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えている。ＹＺ面は、第１のＰＢＳの偏光分離面８０ａの法線とＧ用の反射型液晶パネル９Ｇの法線を含む面、と言い換えてもよい。
【００３１】
一方、ダイクロイックミラー７０を反射したＲとＢは、Ｐ偏光光を透過する入射側偏光板１１０に入射する。そしてＲとＢは、入射側偏光板１１０から出射した後、色選択性位相差板１２０に入射する。色選択性位相差板１２０は、Ｒのみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＲはＳ偏光光として、ＢはＰ偏光光として第２のＰＢＳ１３０に入射する。Ｓ偏光光として第２のＰＢＳ１３０に入射したＲは、第２のＰＢＳ１３０の偏光分離面１３０ａで反射され、Ｒ用の反射型液晶パネル９０Ｒへと至る。
【００３２】
また、Ｐ偏光光として第２のＰＢＳ１３０に入射したＢは、第２のＰＢＳ１３０の偏光分離面１３０ａを透過してＢ用の反射型液晶パネル９０Ｂへと至る。
【００３３】
Ｒ用の反射型液晶パネル９０Ｒに入射したＲは、画像変調されて反射される。画像変調されたＲの反射光のうちＳ偏光成分は、再び第２のＰＢＳ１３０の偏光分離面１３０ａで反射されて光源１側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＲの反射光のうちＰ偏光成分は第２のＰＢＳ１３０の偏光分離面１３０ａを透過して投射光として出射側出側偏光板１５０に向かう。
【００３４】
また、Ｂ用の反射型液晶パネル９０Ｂに入射したＢは画像変調されて反射される。画像変調されたＢの反射光のうちＰ偏光成分は、再び第２のＰＢＳ１３０の偏光分離面１３０ａを透過して光源１０側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＢの反射光のうちＳ偏光成分は第２のＰＢＳ１３０の偏光分離面１３０ａで反射して投射光として出射出側偏光板１５０に向かう。
【００３５】
このとき、第２のＰＢＳ１３０とＲ用、Ｂ用の反射型液晶パネル９０Ｒ、９０Ｂの間に設けられた１／４波長板１００Ｒ、１００Ｂの遅相軸をＧ用の場合と同じようにしている。つまり、１／４波長板１００Ｒ、１００Ｂの遅相軸または進相軸が、図１のＹＺ平面に対して垂直または略垂直になるように、１／４波長板１００Ｒ、１００Ｂを配置している。
【００３６】
これにより、Ｒ、Ｂそれぞれの黒表示時の黒をより黒くさせることができ、その結果、投射画像のコントラストを向上させることができる。こうして１つの光束に合成され、第２のＰＢＳ１３０から出射したＲとＢは、ＲはＰ偏光、ＢはＳ偏光でＢ用の出射出側偏光板１５０を透過して、１／２波長板１６０に入射する。
【００３７】
１／２波長板１６０の遅相軸または進相軸は、第２のＰＢＳ１３０への入射光軸（Ｙ軸）と反射光軸（Ｚ軸）を含む平面（ＹＺ面）に垂直又は略垂直（垂直方向に対し±５度以内）な方向になるように配置されている。１／２波長板１６０を透過したＲ、Ｂは合成プリズム１７０に入射し、そして、ＲとＢの投射光は合成プリズム１７０を透過し、Ｇと合成されて投射レンズ１８０に至る。そして、合成されたＲ、Ｇ、Ｂの画像情報を含む投射光は、投射レンズ１８０によってスクリーンなどの被投射面に拡大投影される。
【００３８】
以上説明した光路は反射型液晶パネルが白表示の場合である為、以下に反射型液晶パネルが黒表示の場合での光路を説明する。まず、Ｇの光路について説明する。
【００３９】
ダイクロイックミラー７０を透過したＧのＰ偏光は第１のＰＢＳ８０に入射して偏光分離面８０ａで透過し、Ｇ用の反射型液晶パネル９０Ｇへと至る。しかし、反射型液晶パネル９０Ｇが黒表示の為、Ｇは画像変調されないまま反射される。従って、反射型液晶パネル９０Ｇで反射された後もＧはＰ偏光光のままである為、再び第１のＰＢＳ８の偏光分離面８０ａで透過し、光源１側に戻され、投射光から除去される。
【００４０】
次に、ＲとＢの光路について説明する。ダイクロイックミラー７を反射したＲとＢは、Ｐ偏光光を透過する入射側偏光板１１に入射する。そしてＲとＢは、入射側偏光板１１０から出射した後、色選択性位相差板１２０に入射する。色選択性位相差板１２０は、Ｒのみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＲはＳ偏光として、ＢはＳ偏光として第２のＰＢＳ１３０に入射する。
【００４１】
Ｓ偏光として第２のＰＢＳ１３０に入射したＲは、第２のＰＢＳ１３０の偏光分離面１３０ａで反射され、Ｒ用の反射型液晶パネル９０Ｒへと至る。また、Ｐ偏光として第２のＰＢＳ１３０に入射したＢは、第２のＰＢＳ１３０の偏光分離面１３０ａを透過してＢ用の反射型液晶パネル９０Ｂへと至る。
【００４２】
ここでＲ用の反射型液晶パネル９０Ｒは黒表示の為、Ｒ用の反射型液晶パネル９０Ｒに入射したＲは画像変調されないまま反射される。従って、Ｒ用の反射型液晶パネル９０Ｒで反射された後もＲはＳ偏光光のままである。この為、再び第２のＰＢＳ１３０の偏光分離面１３０ａで反射し、色選択性位相差板１２０により、Ｐ偏光に変換され、入射側偏光板１１０を通過して光源１０側に戻され、投射光から除去される為、黒表示となる。
【００４３】
一方、Ｂ用の反射型液晶パネル９０Ｂに入射したＢはＢ用の反射型液晶パネル９０Ｂが黒表示の為、画像変調されないまま反射される。従って、Ｂ用の反射型液晶パネル９０Ｂで反射された後もＢはＰ偏光光のままである。この為、再び第２のＰＢＳ１３０の偏光分離面１３０ａを透過し、色選択性位相差板１２０と、入射側偏光板１１０を透過して光源１０側に戻されて投射光から除去される。
【００４４】
〔第１実施例〕
図２は、本発明の第１実施例で示す照明光学系の構成を説明する図である。
【００４５】
本実施例で示す照明光学系は、第１フライアイレンズ（第１レンズアレイ）１、第２フライアイレンズ（第２レンズアレイ）２を備える。さらに、本実施例で示す照明光学系は、偏光変換素子３、第１コンデンサーレンズ４、第２コンデンサーレンズ５、第３コンデンサーレンズ６を備える。さらに、本実施例で示す照明光学系は、色分離合成系７、液晶パネル８を備える。
【００４６】
光源（不図示）から射出された平行光束が、液晶パネル８に導かれるまでを図２を用いて説明する。なお、図２では、第１フライアイレンズ１及び第２フライアイレンズ２のうち、光線追跡を行っている光線が入射しているレンズセルのみを便宜的に図示してある。
【００４７】
光源（不図示）から射出された平行光束は、まず第１フライアイレンズ１に入射する。第１フライアイレンズ１及び第２フライアイレンズ２は、複数の矩形レンズセルが２次元的に配列されたレンズアレイである。第２レンズアレイは、第１レンズアレイが有する複数のレンズセルに対応したレンズセルを有する。すなわち、第１フライアイレンズ１及び第２フライアイレンズの各レンズセルは相似形の形状となっており、さらに、液晶パネル８の有効領域の形状とも相似の関係になっている。
【００４８】
光源からの平行光束は、第１フライアイレンズ１及び第２フライアイレンズ２の複数の矩形レンズセルによって分割される。分割された光束は、後述のコンデンサーレンズ系９によって、液晶パネル８面（被照明面）上に重ね合わさるように導かれる。
【００４９】
第２フライアイレンズからの光束は、偏光変換素子３に入射する。偏光変換素子３は、非偏光状態で入射した第２フライアイレンズからの光束を、特性の方向の直線偏光に統一する機能を有する。
【００５０】
偏光変換素子３からの光束は、コンデンサーレンズ系９に入射する。本実施例におけるコンデンサーレンズ系９は、第１コンデンサーレンズ４と、第２コンデンサーレンズ５と、第３コンデンサーレンズ６の合計３枚で構成されている。第１コンデンサーレンズ４は正屈折力であり、具体的には、液晶パネル８面側（被照明面側）に凸面を向けたメニスカスレンズである。第２コンデンサーレンズ５は、負屈折力で液晶パネル８面側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。第３コンデンサーレンズ６は、正屈折力で両凸形状のレンズである。また、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５は組み合わせると正屈折力となる。本実施例で示すコンデンサーレンズ系９の構成によって得られる効果は、後述のとおりである。
【００５１】
コンデンサーレンズ系９から射出された複数の分割光束は、色分離合成系７を透過し、液晶パネル８上で重ね合わされる。これにより、液晶パネル８は均一な分布を有する照明光束によって照明される。色分離合成系７は、液晶パネル８が反射型液晶パネルの場合には、ＰＢＳなどが配置される。
【００５２】
次に、本実施例におけるコンデンサーレンズ系９の構成について説明する。本実施例の数値実施例を表１に記載する。表中、面番号は光源側より順に各レンズの面に付した番号で、ｒは曲率半径、ｄは次の面との物理的間隔、ｎｄはガラス材料のｄ線での屈折率、νｄはガラス材料のアッベ数を示している。有効径はその面において光線が通過する有効領域を直径で示している。ここで、アッベ数νｄは、ｇ線（波長４３５．８ｎｍ）、Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ）、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する材料の屈折率をそれぞれＮｇ、ＮＦ、ＮＣ、Ｎｄとするとき、
νｄ＝（Ｎｄ−１）／（ＮＦ−ＮＣ）
で定義されるものである。
【００５３】
表１において、第１面〜第４面が、第１フライアイレンズ１及び第２フライアイレンズ２を示しており、第５面及び第６面が偏光変換素子３を示している。
【００５４】
第７面〜１２面はコンデンサーレンズ系９を示しており、第１３面〜第１８面は、色分離合成系７を示しており、第１９面及び第２０面は液晶パネル８を示している。
【００５５】
（表１）
面番号     r         d     nd    vd   有効径
1      ∞       2.80  1.474  65.6
2    -27.030   54.57
3     27.030    2.80  1.474  65.6
4      ∞       4.00
5      ∞       4.65  1.516  64.1   41.5
6      ∞      10.00                41.5
7   -285.664    8.00  1.487  70.2   43.1
8    -40.871    0.51                43.5
9    -38.617    2.20  1.603  38.0   43.5
10    -59.844   70.04                44.7
11    168.487    5.40  1.487  70.2   42.2
12   -106.903   41.20                42.0
13      ∞       2.00  1.516  64.0   26.5
14      ∞       5.00                26.5
15      ∞      19.50  1.805  25.4   24.5
16      ∞       3.10                24.5
17      ∞       1.32  1.516  64.0   19.0
18      ∞       2.08                19.0
19      ∞       0.70  1.516  64.0   18.5
20      ∞       0.00                18.5
【００５６】
ここで、例えば、液晶パネル８上に歪曲収差や球面収差が生じることにより、結像性能が低下する状態を考える。この状態では、液晶パネル８が均一な照度で照明されず、スクリーンなどに投影される画像の照度が均一でなくなってしまうおそれがある。
【００５７】
また、光は波長（色）によって屈折率が異なるために、青色光は赤色光や緑色光と比較して、より光軸に近づく方向に屈折しやすい。その結果、波長によって光軸と交わる位置が異なり、いわゆる軸上色収差が生じてしまい、投射される画像の色のバランスが悪化してしまうおそれがある。
【００５８】
そこで、本発明の実施例においては、コンデンサーレンズ系９は、正屈折力の第１コンデンサーレンズ４と、負屈折力で液晶パネル８面側に凸面を向けた負メニスカス形状の第２コンデンサーレンズ５と、正屈折力の第３コンデンサーレンズ６と、を含むように構成されている。照明光学系をこのように構成することで、以下に述べるように、収差による影響をより低減し、より狭い余裕照明領域で、均一な照度で照明可能な照明光学系を提供することができる。
【００５９】
まず、正屈折力の第１コンデンサーレンズ４と、負屈折力の第２コンデンサーレンズ５による収差補正の効果が挙げられる。すなわち、第１コンデンサーレンズ４と逆の屈折力をもつ第２コンデンサーレンズ５が、第１コンデンサーレンズ４による収差と逆向きの収差を発生させることで、収差を補正している。
【００６０】
さらに、第２コンデンサーレンズ５が、液晶パネル８面側に凸面を向けた負メニスカス形状であることによる収差補正の効果も挙げられる。すなわち、本実施例においては、第２コンデンサーレンズ５の第９面を凹面にしている。これにより、主光線を光軸から離れる方向に屈折させることで意図的に収差を大きくし、青色光の光軸に近づく方向の屈折を相殺することで、軸上色収差を補正することが可能となる。さらに、第２コンデンサーレンズ５の第１０面（液晶パネル８側の面）は凸面とすることで、第２コンデンサーレンズ５からの光束を光軸に近づく方向に屈折させ、第３コンデンサーレンズ６へ導くことが可能となる。このような効果を得るために、本実施例において、第２コンデンサーレンズ５は、メニスカス形状となっている。
【００６１】
仮に、第２コンデンサーレンズ５が両凹形状のレンズだった場合に、本実施例と同様に、光軸に近づく方向に屈折しやすい青色光による色収差を補正することを考える。この場合に、青色光の光軸に近づく方向への屈折を相殺するために、主光線をより強く光軸から離れる方向に屈折させる。すると、第２コンデンサーレンズ５からの光が光軸から離れる方向に屈折しながら、第３コンデンサーレンズ６に導かれてしまう。その結果、第３コンデンサーレンズ６を、本実施例と比較して大口径にする必要が生じ、照明光学系及びこれを搭載する投射型表示装置全体が大型化してしまう恐れがある。
【００６２】
従って、本実施例においては、前述のように、第２コンデンサーレンズ５がメニスカス形状となっている。
【００６３】
また、第３コンデンサーレンズ６が正屈折力を持つことで、第２フライアイレンズの複数のレンズセルからの複数の光束を、液晶パネル８面上に集光させることが可能となる。
【００６４】
以上が、本発明の実施例で示す構成の照明光学系によって得られる効果である。
【００６５】
本発明の実施例では、上述の効果をより強くするため、あるいは、その他の効果を得るために、次に述べる構成も持つ。ただし、本発明は、次に述べる構成の全てを持つ照明光学系に限定されるものではない。
【００６６】
本実施例では、さらに、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５は組み合わせると正屈折力となる。
【００６７】
仮に、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５は組み合わせると負屈折力になる場合を想定する。この場合、コンデンサーレンズ系９が全体として正屈折力を持つために、第３コンデンサーレンズ６は、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５は組み合わせると正屈折力になる場合と比較して、より強い正屈折力を持つ必要がある。
【００６８】
一般に、屈折力を強くする、すなわち、焦点距離を短くするためには、レンズを厚くする、屈折率を高める、曲率半径を大きくするなどの方法が挙げられる。しかし、レンズが厚くなると、コンデンサーレンズ系９及び照明光学系全体が大型化してしまうため、好ましくない。また、一般に屈折率の高いレンズはコストが高く、曲率半径を大きくすると、収差への影響が大きくなってしまうおそれがあるため、好ましくない。
【００６９】
そこで、本実施例では、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５は組み合わせると正屈折力となる。これにより、第３コンデンサーレンズ６の屈折力をより小さくし、照明光学系の大型化の抑制、コストの低減、収差の影響をより低減することが可能となる。
【００７０】
本実施例では、さらに、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５との合成焦点距離をｆ１２とし、第３コンデンサーレンズの焦点距離をｆ３とするとき、
１．０＜ｆ１２／ｆ３＜５．０
を満たす。
【００７１】
さらに、
１．１＜ｆ１２／ｆ３＜４．０
とするとより好ましい。
【００７２】
なお、本実施例においては、
ｆ１２／ｆ３＝１．５３０
となるよう、コンデンサーレンズ系９の各レンズの屈折力のバランスがとられている。
【００７３】
上述の条件式を満たすようにコンデンサーレンズ系９を構成することで、収差による影響をより低減することが可能となる。
【００７４】
本実施例では、さらに、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５とがマージナルコンタクトをしている。
【００７５】
ここで、一般に、レンズ同士をレンズの外周部で直接接触させて、その状態を保持することで、光学系全体の長さを短縮したり、組立の精度を向上させたりする方式が利用されている。この方式をマージナルコンタクトと呼ぶ。
【００７６】
第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５は、マージナルコンタクトになっており、両レンズの空隙には空気レンズ４５が存在している。ここで、空気レンズとは、２枚のレンズ間の空隙を、空気と同じ屈折率が１のガラスを用いたレンズとして捉えて設計された空隙である。
【００７７】
空気レンズ４５は負屈折力となっており、負屈折力を持つ第２コンデンサーレンズ５と合わせて、全系の球面収差補正を行い、結像性能を改善することが可能となる。
【００７８】
すなわち、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５とがマージナルコンタクトをしていることにより、球面収差をより補正し、より狭い余裕照明領域とすることが可能となる。
【００７９】
本実施例では、さらに、第１コンデンサーレンズ４の液晶パネル８面（被照明面）側の面の曲率半径をＲ１とし、第２コンデンサーレンズ５の光源側の面の曲率半径をＲ２とし、シェイプファクターＳＦをＳＦ＝（Ｒ２＋Ｒ１）／（Ｒ２−Ｒ１）としたとき、
ＳＦ＜−１０
を満たす。
【００８０】
さらに、
ＳＦ＜−２５
と設定するとより好ましい。ただし、本実施例において、Ｒ１及びＲ２は負の値であり、曲率半径を大きくするとは、曲率半径の絶対値を大きくすることを意味するものとする。
【００８１】
なお、本実施においては、ＳＦ＝−３５となっており、前述のＳＦに関する条件式を満たすように、コンデンサーレンズ系９が構成されている。
【００８２】
一般に、レンズの形状を示す値として、レンズの像面側の曲率半径と物体面側の曲率半径とで定義されるＳＦ（シェイプファクター）と呼ばれる値が用いられている。
【００８３】
ここで、屈折力はレンズの像面側及び物体側の媒質の屈折率と、レンズの曲率半径から定義されるものである。また、空気レンズ４５のＳＦは、ＳＦの定義式から、空気レンズ４５の形状を示すものである。しかし、空気レンズ４５のＳＦはそれだけではなく、第８面及び第９面の曲率半径の関係、すなわち、第８面及び第９面の屈折力の関係を表す値とも考えられる。
【００８４】
例えば、第９面の曲率半径Ｒ９を大きくすることで、ＳＦが上述の条件式を満たさない場合を想定する。第９面の曲率半径Ｒ９を大きくすると、第２コンデンサーレンズ５の負屈折力が減少してしまう。このため、第２コンデンサーレンズ５が、収差補正を適正に行えなくなるおそれがある。その結果、照明光学系全体では、収差が増大してしまうおそれがある。
【００８５】
このため、ＳＦが上述の範囲を満たさない場合は好ましくない。
【００８６】
本実施においては、ＳＦ＝−３５となっており、前述のＳＦに関する条件式を満たす。すなわち、第８面及び第９面の屈折力のバランスが適正になるように、コンデンサーレンズ系９が構成されている。これにより、収差による影響をより低減することができる。
【００８７】
本実施例では、さらに、前記第１コンデンサーレンズと前記第２コンデンサーレンズのアッベ数をそれぞれν１、ν２とするとき、
ν１−ν２＞１０
を満たす。
【００８８】
さらに、
４５＞ν１−ν２＞２５
であることがより好ましい。
【００８９】
なお、本実施においては、ν１−ν２＝３２．２となっており、上述の条件式を満たすように、コンデンサーレンズ系９が構成されている。
【００９０】
前述のように、第１コンデンサーレンズ４、第２コンデンサーレンズ５、第３コンデンサーレンズ６の屈折力のバランスを適正に設定することで、歪曲収差を補正することができる。しかし、歪曲収差を補正したとしても、波長（色）ごとによる屈折率の違いなどによって色収差が生じてしまう。
【００９１】
そこで、本実施例においては、第２コンデンサーレンズ５に高分散の硝種を用いている。これにより、第２コンデンサーレンズ５が、低分散の第１コンデンサーレンズ４と組み合わさることで色収差を相殺し、照明光学系全体の色収差補正を行う効果がある。
【００９２】
本実施例において色収差を適正に補正するために、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５との分散の関係を、上述のように、アッベ数を用いて定義している。
【００９３】
下限値を満たせない場合には、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５との分散のバランスが取れなくなり、色収差の補正が不充分となるおそれがある。
【００９４】
例えば、軸上色収差の補正が不充分になってしまうと、コンデンサーレンズ系９の光軸において、青色光は、緑色光や赤色光よりも、光源側に近い位置で光軸と交わる。すると、液晶パネル８面上では、色ごとに照明領域の広さが異なってしまう。それに対して、液晶パネル８の有効表示領域の広さは一定であるため、軸上色収差の補正が不充分の場合には、色ごとに、余裕照明領域が異なってしまう。すなわち、色によっては、他の色よりも余裕照明領域が広く、より多くの光量を損失してしまうおそれがある。
【００９５】
従って、下限値を満たさないことは、色収差の補正が不充分になるために、好ましくない。
【００９６】
一方、例えば、アッベ数ν２を小さくすることで、第２コンデンサーレンズ５の分散を高くした結果、上限値を超えた場合は、色収差の補正は行うことは可能である。しかし、一般にレンズの分散を高めるために、ハロゲン原子といった原子屈折の大きい原子を添加すると、レンズの透過率が悪化し、光の利用効率が低下する。このため、上限値を超えることも好ましくない。
【００９７】
このように、本実施例においては、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５との分散のバランスを適正にすることで、収差による影響をより低減することが可能となる。
【００９８】
本実施例では、さらに、第１コンデンサーレンズ４が液晶パネル８面側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズである。
【００９９】
これは、仮に第１コンデンサーレンズ４が両凸形状の正屈折力のレンズだった場合には、光軸に近づく方向に屈折しやすい青色光による色収差が増大する恐れがあるためである。また、この場合に収差を補正しようとすると、第１コンデンサーレンズ４による主光線の光軸に近づく方向の屈折を相殺するために、第２コンデンサーレンズ５の第９面の屈折力をより強くする必要が生じる。
【０１００】
前述のように、レンズの屈折力を強くしようとすると、レンズを厚くする、屈折率を強くする、曲率半径を大きくするなどの方法が挙げられるが、各方法は前述の理由により、それぞれ好ましくない。
【０１０１】
そこで、本実施例においては、第１コンデンサーレンズ４を液晶パネル８面側に凸面を向けたメニスカス形状とする。これにより、照明光学系の大型化、コストの増大、色収差の増大を抑制することが可能となる。
【０１０２】
図３は、上述のように収差を補正することが可能な本実施例の構成を用いたときの、液晶パネル８上の照明領域端部における照度分布断面を示したものである。横軸は液晶パネル８面（被照射面）上のミリメートル単位の位置、縦軸は照度を示す。また、領域ＰＡは液晶パネル８の有効表示領域の端部、領域ＬＡ１は本実施例における照明領域端部を示す。ここで、照明領域と、照明されていない領域の境界は、厳密に照度が０となる必要はなく、照度の計測誤差や、照明光学系の組立誤差などを考慮して、照度がほぼ０であれば良い。
【０１０３】
図３に示すように、本実施例においては、液晶パネル８面を、均一な照度で照明できていることがわかる。ここでは、もちろん、完全に均一な照度である必要はなく、使用に耐える範囲でほぼ均一であれば良い。
【０１０４】
また、本実施例においては、後述の比較例と比較して、領域ＰＡと領域ＬＡ１の差分である余裕照明領域ＡＡ１をより小さくすることが可能になっていることがわかる。また、図３から、本実施例においては後述の比較例と比較して、照度が均一な領域から、照明されていない領域へより急激に移行する、いわゆるダレが減少していることがわかる。
【０１０５】
このように、本実施例においては、前述のコンデンサーレンズ系９の構成によって、収差を適正に補正し、余裕照明領域をより縮小させることが可能となる。
【０１０６】
〔第２実施例〕
図４は、本発明の第２実施例で示す光源装置の構成を説明する図である。本実施例の数値実施例を表２に記載する。
【０１０７】
本実施例と、前述の第１実施例との違いは、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５とが接合している点である。
【０１０８】
表２において、第１面〜第６面及び第１０面〜第１７面は表１と同様の光学素子を示す。一方、第７面〜第９面は第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５が接合したレンズを示す。
【０１０９】
（表２）
面番号     r         d     nd    vd   有効径
1      ∞       2.80  1.474  65.6
2    -14.000   26.70
3     14.000    2.80  1.474  65.6
4      ∞       4.00
5      ∞       4.40  1.516  64.1   39.0
6      ∞       4.00                39.0
7      ∞       8.00  1.620  60.2   41.0
8    -42.160    2.00  1.698  30.1   41.0
9   -134.994   54.90                41.0
10     57.632    6.00  1.772  49.5   46.0
11    295.339   43.00                46.0
12      ∞       0.70  1.516  64.0   26.0
13      ∞       2.00                26.0
14      ∞      22.00  1.594  67.4   26.0
15      ∞       2.00                26.0
16      ∞       0.70  1.516  64.0   18.0
17      ∞       0.00                18.0
【０１１０】
前述の第１実施例においては、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズとが、外周部で接触して保持されている。
【０１１１】
一方、本実施例においては、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５とが接合されている。これにより、光軸のずれといった組立時の誤差の発生をより抑制することが可能となる。
【０１１２】
本実施例においては、
ｆ１２／ｆ３＝３．３２１
となるように、コンデンサーレンズ系９の各レンズの屈折力のバランスがとられている。
【０１１３】
また、本実施例のように、第１コンデンサーレンズ４と第２コンデンサーレンズ５が接合している場合には、ＳＦ＝−∞となり、前述のＳＦの条件式を満たす。
【０１１４】
さらに、本実施においては、ν１−ν２＝３０．１となっており、前述の条件式を満たすように、コンデンサーレンズ系９が構成されている。
【０１１５】
このように、本実施例は前述の第１実施例と同様に、各条件式を満たすように、コンデンサーレンズ系９が構成されている。
【０１１６】
このように、本実施例においても、前述の第１実施例と同様に、収差による影響をより低減し、より狭い余裕照明領域で、均一な照度で照明することが可能な照明光学系を提供することができる。
【０１１７】
〔比較例〕
図５は、比較例で示す光源装置の構成を説明する図である。
【０１１８】
本比較例と、前述の本発明の実施例との違いは、コンデンサーレンズ系９の構成である。本比較例においては、コンデンサーレンズ系９が２枚のレンズから構成されているのに対して、本発明の実施例においては、コンデンサーレンズ系９が３枚のレンズを含んでいる。具体的には、本比較例でのコンデンサーレンズ系９は、偏光変換素子３側から順に、両凸の球面レンズ９ａと、液晶パネル８側に凹の正メニスカスレンズ９ｂから構成されている。
【０１１９】
図６は、本比較例における照明領域端部における照度分布断面を示す図である。
【０１２０】
前述の本発明の実施例においては、３枚のレンズを含むコンデンサーレンズ系９によって、球面収差、歪曲収差及び色収差を補正している。これに対して、本比較例は、本発明の実施例と比較して、レンズが２枚であるために、各収差を充分に補正できないおそれがある。
【０１２１】
また、図６においては、照明領域端部に近づくにつれて、徐々に照度が低下しており、言い換えれば、照度分布にいわゆるダレが生じている。この結果、図６においては、図３と比較して、照度が一定の領域がより小さくなってしまっている。すなわち、本比較例においては、液晶パネル８の有効表示領域の全体を、均一な照度で照明できていないことがわかる。また、図６より図３の方が、照明領域ＬＡ２が小さく、本発明の実施例に示す構成によって、余裕照明領域ＡＡ２をより縮小することが可能となっていることがわかる。
【０１２２】
〔他の実施形態〕
前述した実施例では、本発明の実施例で示す照明光学系を搭載可能な投射型表示装置の構成として、反射型液晶プロジェクターの構成を例示した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。投射型表示装置であれば、例えば、透過型液晶パネルを用いたプロジェクターなどであっても良い。さらに、本発明の実施例で示す照明光学系を搭載可能であれば、例えば、半導体露光装置や液晶露光装置などであっても良い。
【０１２３】
また、前述した実施例では、本発明の実施例で示す照明光学系を搭載可能な投射型表示装置の構成として、投射レンズが設置された構成を例示した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。投射型表示装置であれば、例えば、着脱可能な投射レンズを用いる構成などでも良い。
【０１２４】
また、前述した実施例では、水銀ランプと放物面鏡を備える光源装置を搭載した投射型表示装置の構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の実施例で示す照明光学系を搭載可能であれば、例えば、レーザーダイオード、ＬＥＤなどを備える光源装置であっても良い。
【０１２５】
また、前述した実施例では、複数のフライアイレンズを備える照明光学系の構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。照明光学系であれば、例えば、複数のシリンダーレンズが配列されたシリンダーレンズアレイを複数備える構成などの照明光学系であっても良い。
【０１２６】
また、前述した実施例では、コンデンサーレンズ系が合計３枚のレンズからなる構成を例示した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。余裕照明領域をより縮小させることが可能な照明光学系であれば、例えば、コンデンサーレンズ系が３枚よりも多い枚数のレンズなどで構成されていても良い。
【符号の説明】
【０１２７】
１  第１フライアイレンズ（第１レンズアレイ）
２  第２フライアイレンズ（第２レンズアレイ）
４  第１コンデンサーレンズ
５  第２コンデンサーレンズ
６  第３コンデンサーレンズ
【図１】
2015145974.tif 000003
【図２】
2015145974.tif 000004
【図３】
2015145974.tif 000005
【図４】
2015145974.tif 000006
【図５】
2015145974.tif 000007
【図６】
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