(57)【要約】【課題】液晶パネルを用いたプロジェクタ装置の照明光学系について、画質を向上しつつ、コストを削減する。【解決手段】ランプ１２の照明光を、ロッド棒２５で複数の光源像とする。この照明光を、偏光分離プリズム４５の偏光分離面４５ｂでＳ偏光光の光束とＰ偏光光の光束とに分離し、Ｐ偏光光の光束は位相差板４７でＳ偏光光の光束に偏光する。これら光束を、第１の集光レンズ３１と第２の集光レンズ３４ｂとにより、平行な光束とするとともに、液晶パネルＬＣｂのパネル面上で重畳する。光束を液晶パネルＬＣｂのパネル面上で重畳するパワーは、第１の集光レンズ３１と第２の集光レンズ３４ｂとに分散する。【選択図】　　　　図１
2004070001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から照射された光線を、この光線を変調する変調手段に導く照明光学系であって、
前記光源から照射された光線を偏光方向に応じた複数の光束に分離し、いずれかの光束の偏光方向を変換して光線の偏光方向を揃える偏光手段と、
第１の集光レンズ及び第２の集光レンズを備え、前記偏光手段から出射された複数の光束を前記変調手段上で重畳させるとともに前記変調手段に平行光束として入射させる集光レンズ系とを具備し、
この集光レンズ系は、
前記偏光手段から出射された複数の光束を前記変調手段上で重畳させるパワーを、前記第１の集光レンズ及び前記第２の集光レンズに分散した
ことを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
第１の集光レンズに対して第２の集光レンズの屈折率を大きく設定した
ことを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
【請求項３】
第１の集光レンズに対して第２の集光レンズの屈折率を小さく設定した
ことを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
【請求項４】
光源と、
この光源から照射された光線を変調する変調手段と、
前記光源の光線を前記変調手段に導く請求項１ないし３いずれか一記載の照明光学系と、
変調手段から出射された光線を投射する投射光学系と
を具備することを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項５】
変調手段は、液晶パネルを備えた
ことを特徴とする請求項４記載のプロジェクタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、光源が照射した光線を液晶パネルに導く照明光学系及びこの照明光学系を備えたプロジェクタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、特開２００１−１７４８１１号公報に示されるように、光源が照射した光線（照明光）を照明光学系を介して液晶パネルなどの変調手段に投射し、さらに投射光学系を介してスクリーンに投射するプロジェクタ装置が知られている。そして、このような照明光学系においては、照明光をいわゆるＰＳ変換して利用する構成が知られている。すなわち、照明光のＳ偏光波とＰ偏光波とをプリズムで分離し、Ｐ偏光波を位相差板でＳ偏光波に変換した後、分離した光束を集光レンズや凹面鏡などの集光光学系で液晶パネル上に重畳させている。さらに、液晶パネルの直前には、フィールドレンズと呼ばれる集光レンズが配置され、照明光を平行な光束として液晶パネルに入射させている。しかしながら、このような構成において、照明光を効率良く利用するなどのためにＰＳ変換の機構を大型化させると、この機構から出射する照明光の光束の面積（光束幅）も大きくなる。そして、従来の構成のように、１枚の集光レンズで光束を液晶パネル上に重畳させようとすると、大型で高い屈折率すなわち大きなパワーの集光レンズを採用する必要などが生じ、高屈折率化に伴う投射画像の画質の劣化やレンズのコストの増加などが生じる問題を有している。
【０００３】
この点、特開２０００−１００４７号公報に示されるように、複数の集光レンズにより、照明光を液晶パネルに重畳させる構成が知られている。しかしながらこの構成では、液晶パネルのスクリーン側に配置されるダイクロイック面での色光の合成の特性を確保するため、液晶パネルのスクリーン側に光束を平行にするフィールドレンズが配置されており、集光レンズと合わせて、レンズの枚数が増加し、コストの増加などが生じる問題を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、ＰＳ変換などした照明光の光束を１枚の集光レンズで液晶パネル上に重畳させようとすると、大型で高い屈折率すなわち大きなパワーの集光レンズを採用する必要などが生じ、高屈折率化に伴う投射画像の画質の劣化やレンズのコストの増加などが生じる問題を有している。また、特開２０００−１００４７号公報に示されるように、複数の集光レンズにより、照明光を液晶パネルに重畳させる構成では、これら集光レンズと液晶パネルのスクリーン側に配置されたフィールドレンズとを合わせてレンズの枚数が増加し、コストの増加などが生じる問題を有している。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、光線を有効に利用できるとともに、コストを低減できる照明光学系及びプロジェクタ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の照明光学系は、光源から照射された光線を、この光線を変調する変調手段に導く照明光学系であって、前記光源から照射された光線を偏光方向に応じた複数の光束に分離し、いずれかの光束の偏光方向を変換して光線の偏光方向を揃える偏光手段と、第１の集光レンズ及び第２の集光レンズを備え、前記偏光手段から出射された複数の光束を前記変調手段上で重畳させるとともに前記変調手段に平行光束として入射させる集光レンズ系とを具備し、この集光レンズ系は、前記偏光手段から出射された複数の光束を前記変調手段上で重畳させるパワーを、前記第１の集光レンズ及び前記第２の集光レンズに分散したものである。
【０００７】
そして、この構成では、偏光手段から出射された複数の光束を変調手段上で重畳させるパワーを、集光レンズ系を構成する第１の集光レンズ及び第２の集光レンズに分散したため、１枚のレンズに高い屈折率を設定する必要がなく、製造コストが低減されるとともに、高い屈折率を設定することによる画像の劣化が抑制される。さらに、集光レンズ系は、光線を変調手段に平行光束として入射させるため、光束を平行にするための別個のフィールドレンズは不要であり、構成が簡略化され、製造コストが低減される。
【０００８】
請求項２記載の照明光学系は、請求項１記載の照明光学系において、第１の集光レンズに対して第２の集光レンズの屈折率を大きく設定したものである。
【０００９】
そして、この構成では、他の構成に較べ、比較的コントラストは低くなるものの、明るい投影像が容易に実現される。
【００１０】
請求項３記載の照明光学系は、請求項１記載の照明光学系において、第１の集光レンズに対して第２の集光レンズの屈折率を小さく設定したものである。
【００１１】
そして、この構成では、他の構成に較べ、比較的暗くなるものの、コントラストの高い投影像が容易に実現される。
【００１２】
請求項４記載のプロジェクタ装置は、光源と、この光源から照射された光線を変調する変調手段と、前記光源の光線を前記変調手段に導く請求項１ないし３いずれか一記載の照明光学系と、変調手段から出射された光線を投射する投射光学系とを具備するものである。
【００１３】
そして、この構成では、請求項１ないし３いずれか一記載の照明光学系を備えたため、製造コストが低減されるとともに、画像の劣化が抑制される。
【００１４】
請求項５記載のプロジェクタ装置は、請求項４記載のプロジェクタ装置において、変調手段は、液晶パネルを備えたものである。
【００１５】
そして、この構成では、光線は偏光が揃えられ、かつ、平行光束として液晶パネル入射されるため、液晶パネルが効率良く利用される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の照明光学系及びプロジェクタ装置の一実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
図１及び図２において、１１はプロジェクタ装置で、このプロジェクタ装置１１は、光源としてのランプ１２、表示機構１４、ランプ１２の光線を表示機構１４に導く照明光学系１５、及び表示機構１４で変調された光線をスクリーンに投射する投射光学系１６などを備えている。また、図示しないが、このプロジェクタ装置１１は、筐体、制御手段、操作部、表示部、電源装置などを備えている。
【００１８】
そして、表示機構１４は、変調手段としての透過型あるいは反射型の表示デバイスである単数あるいは複数、本実施の形態では３枚の透過型の液晶パネルＬＣｒ，ＬＣｇ，ＬＣｂを備えている。また、各液晶パネルＬＣｒ，ＬＣｇ，ＬＣｂの光源側には、偏光板２１ｒ，２１ｇ，２１ｂが配置され、各液晶パネルＬＣｒ，ＬＣｇ，ＬＣｂのスクリーン側には、フィルタ２２ｒ、偏光板２２ｇ、及びフィルタ２２ｂが配置されている。
【００１９】
照明光学系１５は、リフレクタ２４、ロッド棒２５、集光レンズ２６、偏光手段３０、集光レンズ系を構成する第１の集光レンズ３１、第１の全反射鏡３２、第１のダイクロイックミラー３３、集光レンズ系を構成する一対の第２の集光レンズ３４ｂ，３４ｒｇ、第２の全反射鏡３５、第２のダイクロイックミラー３６、第１のリレーレンズ３７、第３の全反射鏡３８、第２のリレーレンズ３９、第４の全反射鏡４１、第３のリレーレンズ４２などを備えている。
【００２０】
そして、リフレクタ２４は、ランプ１２に取り付けられた回転楕円体であるいわゆる楕円リフレクタで、この回転楕円体の一方の焦点（第１焦点位置）に、ランプ１２が配置されている。そこで、このランプ１２が照射した白色の光線すなわち照明光は、リフレクタ２４で前方に反射され、回転楕円体の他方の焦点（第２焦点位置）に、集光する。
【００２１】
そして、この第２焦点位置には、ロッド棒（ロッドガラス）２５の入射端面２５ａが配置されている。このロッド棒２５は、截頭四角錐状をなし、図３（ａ）に示すように、矩形状の入射端面２５ａと、図３（ｂ）に示すように、この入射端面２５ａより面積の大きい矩形状の出射端面２５ｂとを備えている。そして、入射端面２５ａから入射した照明光は、照度分布の均一化を図るため、出射端面２５ｂから複数の光源像として出射される。
【００２２】
そして、このロッド棒２５から出射された照明光は、集光レンズ２６により、平行（テレセントリック）光束とされる。そして、この集光レンズ２６は、照明光が偏光手段３０を構成する偏光分離プリズム（ＰＢＳプリズム、偏光ビームスプリッタ）４５の入射端面４５ａに全て入射するように設計されている。
【００２３】
そして、この偏光分離プリズム４５は、入射端面４５ａに対して４５°の角度で配置された偏光分離面４５ｂを備えいるとともに、この偏光分離面４５ｂと平行に、全反射面４５ｃを備えている。そこで、入射端面４５ａから入射した照明光のＳ偏光光は、偏光分離面４５ｂを透過して直進し、第１の出射端面４５ｄから出射され、第１の集光レンズ３１に入射する。一方、照明光のＰ偏光光は、偏光分離面４５ｂで反射され、本実施の形態では上方に向かい、さらに、全反射面４５ｃで反射されて、第２の出射端面４５ｅからＳ偏光光と平行に出射される。さらに、このＰ偏光光は、偏光手段３０を構成する位相差板４７でＳ偏光光に偏光された後、第１の集光レンズ３１に入射する。
【００２４】
なお、偏光分離面４５ｂは、入射角により偏光分離特性が変化する角度依存性を有するが、この偏光分離面４５ｂに入射する照明光は、集光レンズ２６により、平行光束とされているため、角度依存性による影響は低減されＰＳ偏光光の反射・透過作用が効率的に行われる。
【００２５】
また、第１の集光レンズ３１は、偏光分離面４５ｂを透過した下段の照明光と、位相差板４７で変換された上段の照明光とが入射するように、図４に示すように、円盤状のレンズの両側を切除したような縦長の形状に設定されている。すなわち、第１の集光レンズ３１は、偏光分離プリズム４５から出射される偏光光の光束が全て入射できる口径に設定されている。
【００２６】
なお、本実施の形態では、偏光分離プリズム４５から出射する照明光が上下２段の縦長になっているため、第１の集光レンズ３１も縦長の形状となっているが、例えば、偏光分離面４５ｂで照明光を水平方向に分離する場合には、第１の集光レンズ３１は横長に形成される。
【００２７】
そして、第１の集光レンズ３１から出射した照明光は、平面状の第１の全反射鏡３２で反射された後、光軸に対して４５°に配置された第１のダイクロイックミラー３３に入射する。ここで、照明光の青色成分光は第１のダイクロイックミラー３３を透過し、他の赤色成分光及び緑色成分光は、側方に反射される。そして、第１のダイクロイックミラー３３を透過した青色成分光は、第２の集光レンズ３４ｂを介し、さらに、第２の全反射鏡３５で反射され、偏光板２１ｂを介して、青色成分光に対応する液晶パネルＬＣｂのパネル面に導かれる。一方、第１のダイクロイックミラー３３で反射された照明光は、第２の集光レンズ３４ｒｇを介して第２のダイクロイックミラー３６に入射する。ここで、照明光の赤色成分光は、第２のダイクロイックミラー３６を透過し、他の緑色成分光は、側方に反射される。そして、第２のダイクロイックミラー３６を透過した赤色成分光は、第１のリレーレンズ３７、第３の全反射鏡３８、第２のリレーレンズ３９、第４の全反射鏡４１、及び第３のリレーレンズ４２を介し、さらに、偏光板２１ｒを介して、赤色成分光に対応する液晶パネルＬＣｒのパネル面に導かれる。また、第２のダイクロイックミラー３６で反射された緑色成分光は、偏光板２１ｇを介して、緑色成分光に対応する液晶パネルＬＣｇのパネル面に導かれる。
【００２８】
ここで、照明光は、２枚の集光レンズ３１，３４ｂあるいは２枚の集光レンズ３１，３４ｒｇを介して液晶パネルＬＣｒ，ＬＣｇ，ＬＣｂに導かれることにより、２枚の集光レンズ３１，３４ｂ，３４ｒｇに分散された集光力により、ロッド棒２５から出射された複数の光源像が、液晶パネルＬＣｒ，ＬＣｇ，ＬＣｂのパネル面上で重畳され、かつ、平行光束として液晶パネルＬＣｒ，ＬＣｇ，ＬＣｂに入射するようになっている。
【００２９】
そして、各液晶パネルＬＣｒ，ＬＣｇ，ＬＣｂに入射された各色光は、各液晶パネルＬＣｒ，ＬＣｇ，ＬＣｂにより、画素単位で画像信号に応じた光変調が与えられ、さらに、赤色成分光は、赤色成分光を透過し他の色光を吸収するフィルタ２２ｒを透過し、緑色成分光は、偏光板２２ｇを透過し、青色成分光は、青色成分光を透過し他の色光を吸収するフィルタ２２ｂを透過して、投射光学系１６に出射される。
【００３０】
また、投射光学系１６は、図２に示すように、クロスプリズム５１と、投射レンズ５３となどを備えている。
【００３１】
そして、クロスプリズム５１は、ダイクロイックプリズムなどとも呼ばれるもので、赤反射ダイクロイック面Ｄｒと、青反射ダイクロイック面Ｄｂとが互いに直交するように配置されている。そこで、液晶パネルＬＣｒで変調された赤色成分光は、赤反射ダイクロイック面Ｄｒで反射され、液晶パネルＬＣｂで変調された青色成分光は、青反射ダイクロイック面Ｄｂで反射され、液晶パネルＬＣｇで反射された緑色成分光は、これらダイクロイック面Ｄｒ，Ｄｂを透過して、各色光が合成される。そして、合成された光線は、投射レンズ５３を介して拡大して投射され、スクリーン上でカラー画像を構成する。
【００３２】
このように、本実施の形態によれば、２枚の集光レンズ３１，３４ｂあるいは３１，３４ｒｇに、集光レンズとしてのパワーを分散させたため、効率良く照明光を液晶パネルＬＣｒ，ＬＣｇ，ＬＣｂに入射させることができ、製造コストを低減しつつ、画像の劣化を抑制し、画質を向上できる。
【００３３】
すなわち、偏光分離プリズムから出射した照明光を、偏光分離プリズムの直後に配置した集光レンズあるいは凹面鏡などの集光光学系により、液晶パネル面に光束が集光すなわち重畳するようにし、さらに、この照明光を液晶パネルの直前に配置したフィールドレンズにより、平行光束として液晶パネル面に入射させるようにした構成においては、大きな幅の光束を一枚の集光レンズだけで液晶パネルに集光すなわち重畳させるには、高屈折率すなわち大きなパワーの集光レンズを採用するなど、レンズのコスト面や高屈折率化にともなう投射画像の劣化などを生じるおそれがあるが、本実施の形態では、ランプ１２の照明光を平行なＳ偏光光の光束とＰ偏光光の光束とに分離し、一方の偏光光を位相差板により変換することにより、照明光の偏光方向を揃える偏光分離プリズム４５を用い、この偏光分離プリズム４５から出射する照明光の光束幅が大きくなり、ランプ１２の照明光を全て取り込めるように縦方向に大型化した第１の集光レンズ３１を用いる場合にも、２枚の集光レンズ３１，３４ｂあるいは３１，３４ｒｇに集光レンズとしてのパワーを分散させたため、１枚のレンズに高い屈折率を設定する必要がなく、製造コストを低減できるとともに、高い屈折率を設定することによる画像の劣化を抑制できる。
【００３４】
また、クロスプリズム５１での色光の合成の特性は、ダイクロイック面Ｄｒ，Ｄｂに入射する光の入射角に依存するが、２枚の集光レンズ３１，３４ｂあるいは３１，３４ｒｇに、重畳レンズとフィールドレンズとの機能を有させることができるため、すなわち、２枚の集光レンズ３１，３４ｂあるいは３１，３４ｒｇを用いて照明光を各液晶パネルＬＣｒ，ＬＣｇ，ＬＣｂに集光させるようにした結果、各液晶パネルＬＣｒ，ＬＣｇ，ＬＣｂにフィールドレンズを備えなくとも、液晶パネルＬＣｒ，ＬＣｇ，ＬＣｂに平行光束を入射させることができ、製造コストを低減しつつ、クロスプリズム５１における色光の合成特性を確保することができる。
【００３５】
次に、本発明の第１の実施の形態の照明光学系のレンズ構成及び全体のレンズ構成を表１及び表２に示す。
【００３６】
なお、以下の表２及び表４中、ｒ１〜ｒ１４は、ランプ１２側からの光学面番号で、図１の記載に対応する。また、ガラス材料の欄は、当該光学面のスクリーン側の部材の材質を示し、「ＡＩＲ」は、当該光学面のスクリーン側が空間であることを示している。また、図２に示すように、ランプ１２からリフレクタ２４の後端面までの寸法Ｌ１は８ｍｍ、このリフレクタ２４の後端面からロッド棒２５の入射端面２５ａまでの寸法Ｌ２は６４ｍｍ、平面正方形状をなすクロスプリズム５１の一辺の寸法Ｌ３は２０ｍｍとなっている。
【００３７】
そして、これら表１及び表２構成のように、第１の集光レンズ３１の屈折率よりも、第２の集光レンズ３４ｂ，３４ｒｇの屈折率を大きくすることにより、他の構成に較べ、コントラストは低くなるものの、明るい投射像を実現できる。
【００３８】
【表１】
2004070001.tif 000003
【００３９】
【表２】
2004070001.tif 000004
【００４０】
次に、本発明の第２の実施の形態の照明光学系のレンズ構成及び全体のレンズ構成を表３及び表４に示す。
【００４１】
そして、これら表３及び表４構成のように、第１の集光レンズ３１の屈折率よりも、第２の集光レンズ３４ｂ，３４ｒｇの屈折率を小さくすることにより、他の構成に較べ、明るさが暗くなるものの、コントラストの高い投射像を実現できる。
【００４２】
【表３】
2004070001.tif 000005
【００４３】
【表４】
2004070001.tif 000006
【００４４】
【発明の効果】
請求項１記載の照明光学系によれば、偏光手段から出射された複数の光束を変調手段上で重畳させるパワーを、集光レンズ系を構成する第１の集光レンズ及び第２の集光レンズに分散したため、１枚のレンズに高い屈折率を設定する必要がなく、製造コストを低減できるとともに、高い屈折率を設定することによる画像の劣化を抑制できる。さらに、集光レンズ系は、光線を変調手段に平行光束として入射させるため、光束を平行にするための別個のフィールドレンズは不要であり、構成を簡略化し、製造コストを低減できる。
【００４５】
請求項２記載の照明光学系によれば、請求項１記載の効果に加え、第１の集光レンズに対して第２の集光レンズの屈折率を大きく設定したため、他の構成に較べ、比較的コントラストは低くなるものの、明るい投影像を容易に実現できる。
【００４６】
請求項３記載の照明光学系によれば、請求項１記載の効果に加え、第１の集光レンズに対して第２の集光レンズの屈折率を小さく設定したため、他の構成に較べ、比較的暗くなるものの、コントラストの高い投影像を容易に実現できる。
【００４７】
請求項４記載のプロジェクタ装置によれば、請求項１ないし３いずれか一記載の照明光学系を備えたため、製造コストを低減できるとともに、画像の劣化を抑制できる。
【００４８】
請求項５記載のプロジェクタ装置によれば、請求項４記載の効果に加え、光線は偏光が揃えられ、かつ、平行光束として液晶パネル入射されるため、液晶パネルを効率良く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の照明光学系及びプロジェクタ装置の一実施の形態を示す説明図である。
（ａ）は照明光学系を直管形として示した側面図
（ｂ）は（ａ）の一部の平面図
【図２】同上プロジェクタ装置の一部の平面図である。
【図３】同上プロジェクタ装置のロッド棒の説明図である。
（ａ）は入射側の端面図
（ｂ）は出射側の端面図
【図４】同上プロジェクタ装置の第１の集光レンズの正面図である。
【符号の説明】
１１　　プロジェクタ装置
１２　　光源としてのランプ
１５　　照明光学系
１６　　投射光学系
３０　　偏光手段
３１　　集光レンズ系を構成する第１の集光レンズ
３４ｂ，３４ｒｇ　　集光レンズ系を構成する第２の集光レンズ
ＬＣｒ，ＬＣｇ，ＬＣｂ　　変調手段としての液晶パネル
【図１】
2004070001.tif 000007
【図２】
2004070001.tif 000008
【図３】
2004070001.tif 000009
【図４】
2004070001.tif 000010