(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
収斂光束を平行光束へ変換するコリメータレンズにおいて、前記コリメータレンズは、所定の曲率半径を有する入射面と、この入射面よりも小さい曲率半径を有する射出面を備えた凹レンズからなり、前記射出面の外周部に、所定の角度で傾斜したリング状の縁取り部を有すると共に、前記入射面の光軸上に円錐状の窪みを備え、かつ、前記リング状縁取り部側面及び前記円錐状窪み側面にそれぞれ反射手段を備えたことを特徴とするコリメータレンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、収斂光束を平行光束へ変換するコリメータレンズに係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、空間光変調素子へ光束を照射し、当該空間光変調素子により変調された光をスクリーン上へ投射し画像を表示する投写表示装置が知られている。またこの投写表示装置に使用される照明装置として種々の照明装置が知られている。
【０００３】
図６は、このような照明装置の一例を模式的に示す。図６において、光源２１から射出された光線は反射鏡２３で反射された後、コリメータレンズ２５により平行光へ変換され、第１フライアイレンズ２７及び第２フライアイレンズ２９からなるインテグレータ３１へ入射される。ここに前記第１及び第２のフライアイレンズ２７，２９はそれぞれ、（図６に於いて例えば左側から見た場合に）格子状に配置された微小なレンズセグメント２７ｅ及び２９ｅから成っている。そしてこのインテグレータ３１は、第１フライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅによる光源２１のスポット像が、前記第２フライアイレンズ２９の対応するレンズセグメント２９ｅの上に結像するように構成されている。図７は、前記第２フライアイレンズ２９のレンズセグメント２９ｅ上に結像する光源２１のスポット像３２を示す。
【０００４】
再び図６を参照すると、前記第２フライアイレンズ２９から射出された光線は集光レンズ３３を介して空間光変調素子３５へ照射される。前記空間光変調素子３５は、例えば液晶の複屈折を利用して入射光へ映像信号に応じた光変調を与える素子である。この場合、集光レンズ３３からの光線が前記空間光変調素子３５により変調・反射され、この反射光が図示しないスクリーン上に画像を生成する。
【０００５】
ところで図６に示すように、従来のコリメータレンズ２５は、その入射面・射出面が単純な球面形状を有していた。しかしこのようなコリメータレンズ２５及びこれを使用した照明装置には次のような種々の問題点があった。
【０００６】
第１に、図８に示すように、前記従来のコリメータレンズ２５では、光軸Ｏ付近の領域Ａにおける射出光は比較的正確な平行光束へ変換されるが、光軸から離れた領域Ｂ及びＣにおける光束はコリメータレンズ２５から離れるに従って徐々に広がる傾向を有していた。
【０００７】
このような光束の広がりを補正するために、前記第１フライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅの光軸をシフトする試みがなされた。しかしながら、前記レンズセグメント２７ｅの光軸をシフトすると、隣り合うレンズセグメント２７ｅの端部に段差が生じることとなり、第１フライアイレンズ２７成形時にこの端部にダレが生ずるという問題があった。また前記レンズセグメント２７ｅの真球度が低下すると言う問題及び、前記レンズセグメント２７ｅ間で曲率半径がばらつくなどの問題点も発生した。そしてこのような問題点は前記照明装置に使用された場合にその照明効率が低下すると言う問題をもたらした。
【０００８】
また前記コリメータレンズ２５及びこれを使用した照明装置には以下の問題点もあった。
【０００９】
即ち、図９に示すように、前記第１フライアイレンズ２７へ入射する光線が、光軸Ｏに対して小さな角度を有する平行光束１４１である場合、前記第１フライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅを通過した光束は前記第２フライアイレンズ２９のレンズセグメント２９ｅ表面の所定位置へ集束する。そして前記第２フライアイレンズ２９の各レンズセグメント２９ｅから射出された光束１４３は、集光レンズ３３を介して空間光変調素子３５上へ正しく集束する。即ち、前記第１フライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅの像が、前記空間光変調素子３５上に、当該空間光変調素子３５の形状とほぼ相似形に結像される。ところで、前記光源２１からの光線を有効に利用するためには、前記インテグレータ３１の口径を前記光源２１の反射鏡２３の口径に合わせて大きくするのが望ましい。ところが、前記インテグレータ３１の口径サイズを大きくすると、図９に示すように、前記インテグレータ３１の外周部レンズセグメント２７ｅ，２９ｅを通過した光線１４５は前記空間光変調素子３５へ大きな入射角度θをもって入射することとなる。しかし、前記空間光変調素子３５が液晶の複屈折を利用して入射光へ映像信号に応じた光変調を与える素子である場合、前記入射光１４５の入射角度θが大きくなると、投写表示装置のコントラストが劣化するという問題があった。
【００１０】
従って、前記空間光変調素子３５の寸法に比べて所定比率以上に大きな寸法或いは口径を有するインテグレータ３１は、たとえその入射光が平行光束であっても、前記空間光変調素子３５への照明光束が光軸Ｏに対して大きな角度を有する成分を含むこととなり、投写表示装置のコントラストを劣化させるという問題があった。
【００１１】
また、前記空間光変調素子３５の寸法に応じて前記インテグレータ３１の寸法を小さく設定する場合は以下のような問題が有った。即ち、前記光源２１から射出された光線を有効に利用しようとして、前記コリメータレンズ２５から前記インテグレータ３１へ収斂光束あるいは平行光束を入射させると、図９に示すように、前記第１フライアイレンズ２７へ入射する光線の中に光軸Ｏに対して大きな角度を有する光線１４７及び１４９が含まれ、前記第１フライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅから前記第２フライアイレンズ２９の各レンズセグメント２９ｅへの集光性が低下し、光利用率が低下する問題があった。すなわち、前述の如く、前記第１フライアイレンズ２７の１つのレンズセグメント２７ｅによる光源２１のスポット像は、前記第２フライアイレンズ２９の１つのレンズセグメント２９ｅの上に結像されなければならないが、図９に示すように、前記光軸Ｏに対して大きな角度を有する光線１４７及び１４９では、前記第１フライアイレンズ２７の１つのレンズセグメント２７ｅによる光源のスポット像が前記第２フライアイレンズ２９の１つのレンズセグメント２９ｅの寸法よりも大きくなり複数のレンズセグメント２９ｅの上に結像されることとなる（図７は、前記第２フライアイレンズ２９上で前記レンズセグメント２９ｅの寸法より大きく結像された光源のスポット像３２’を示す）。このため、前記第２フライアイレンズ２９のレンズセグメント２９ｅから射出された光線が、前記空間変調素子３５から上下又は左右方向にずれた領域に収斂し光利用率が低下することとなる。
【００１２】
再び図６を参照するに、前記従来の照明装置においてはさらに次の問題があった。すなわち、前記光源２１は一対の電極３７とこれに挟まれる発光部３９とを備える。この発光部３９から射出された光線が前記反射鏡２３により図６に於いて左方向へ反射・射出される。前記光源２１からの射出光束は、前記反射鏡２３の焦点Ｆに対する発光部３９の位置関係により収斂光束あるいは平行光束あるいは発散光束となる。例えば前記発光部３９を、前記反射鏡２３の焦点Ｆの射出側前方位置（図６に於ける番号３９´の位置）に置いた場合、前記射出光束は図６において破線で表わした収斂光束となる。この発光部３９の位置を焦点Ｆの位置に近づけると、射出光成分は次第に主光線に平行な成分が増大し平行光束となる。しかし、この構成においては、前記電極３７及び、反射鏡２３の後部に設けた前記電極３７を通すための開口部（図示せず）により、前記射出光の強度分布はその光軸に対応する中心部に暗部を有する。図１０は前記射出平行光束４０の中心に発生する暗部４１を示す。従ってこの暗部４１の発生により光利用率が低下する問題が有った。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、前記問題点を解決することであり、射出光を光軸からの距離に関わらず正確に平行光束に変換することができるコリメータレンズを提供することである。
【００１４】
この発明の他の目的は、光軸から離れた位置における射出光も正確な平行光にすることができるコリメータレンズを提供することである。
【００１５】
この発明のさらに他の目的は、射出光を、光軸に対する大きな角度成分を生成することなく幅の狭い光束にすることができるコリメータレンズを提供することである。
【００１６】
この発明の更に他の目的は、画像のコントラストを低下させることなく光源からの光束を有効に利用することができるコリメータレンズを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためのこの発明のコリメータレンズは、以下の通りである。
【００１８】
収斂光束を平行光束へ変換するコリメータレンズにおいて、前記コリメータレンズは、所定の曲率半径を有する入射面と、この入射面よりも小さい曲率半径を有する射出面を備えた凹レンズからなり、前記射出面の外周部に、所定の角度で傾斜したリング状の縁取り部を有すると共に、前記入射面の光軸上に円錐状の窪みを備え、かつ、前記リング状縁取り部側面及び前記円錐状窪み側面にそれぞれ反射手段を備えたことを特徴とするコリメータレンズ。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図５を参照してこの発明の実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明のコリメータレンズ及びこれを用いた照明装置の第１の実施形態の模式図である。
【００２１】
図１に示すように、この実施形態のコリメータレンズ４３では、光軸Ｏを中心とする複数の同心リング領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃ毎に、入射面４５が焦点距離の異なる分割入射面４５ａ，４５ｂ，４５ｃに分割されている。ここに中心領域４３ａの入射面４５ａは、負の度を有する（即ち曲率の中心が図１に於いてレンズ４３の右側に有る）。これに対して中間領域４３ｂの入射面４５ｂは平面であり零の曲率を有する。また外側領域４３ｃにおける入射面４５ｃは、射出面４７と同じ曲率半径を有する。尚、このコリメータレンズ４３の射出面４７は全レンズ平面において同一の曲率半径を有し、且つ、負の度合いを有する（すなわち曲率の中心が図１においてレンズ４３の左側にある）曲面に設計されている。この射出面４７は平面であってもよい。
【００２２】
このように構成することにより、コリメータレンズ４３は、光軸から離れるほど負の度合いが弱くなる。従って、光軸Ｏから離れるに従って射出光の光束が広がる傾向を防止することができ、全ての領域において光軸と平行な射出光束を得ることができる。
【００２３】
なお前記において、前記入射面４５ａ及び４５ｃ及び射出面４７の曲率半径の値は、前記第２フライアイレンズ２９上での光源のスポット像３２（図７）が各レンズセグメント２９ｅの中心を通るように決定される。
【００２４】
尚、この実施形態では入射面４５を、光軸Ｏを中心とする同心円で３個の領域４５ａ、４５ｂ、４５ｃに分割したが、同心円により入射面４５を２個あるいは４個以上の領域に分割することもできる。さらに入射面４５ではなく射出面４７を複数の同心円領域に分割することもできる。また、同心円領域は、近似的に面全体が非球面形状であっても良い。
【００２５】
図２及び図３は、本発明のコリメータレンズ及びこれを用いた照明装置の第２の実施形態を示す。なお、図３は、図２の矢印IIIに沿って見たコリメータレンズの正面図である。
【００２６】
図２及び図３に示すように、このコリメータレンズ４９は、前記第１のフライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅに対応する負の（すなわち曲率の中心が図２においてコリメータレンズ４９の左側にある）分割レンズアレイ４９ｅを備える。より詳細には、前記コリメータレンズ４９は、その射出面５３が、前記第１のフライアイレンズ２７に対応する複数のアレイ状分割射出面５３ｅに分割されることにより、前記負の分割レンズアレイ４９ｅを有する。
【００２７】
ここに、前記各分割射出面５３ｅの偏心量（即ち各分割射出面５３ｅに於ける光軸のシフト量）は射出光が光軸Ｏに対して平行になるように決定する。即ち、前記コリメータレンズ４９からの射出光の光束が、光軸Ｏからの距離に関わらず光軸Ｏに対して平行となる様に決定する。また、各分割射出面５３ｅの曲率は、前記光源のスポット像３２（図７）が前記第２フライアイレンズ２９上で各レンズエレメント２９ｅの中心に位置し且つ最小寸法になるように決定する。
【００２８】
この第２の実施形態のコリメータレンズ４９の入射面５１は平面で有っても、曲率が有ってもどちらでも良い。
【００２９】
また、前記において、コリメータレンズ４９の分割射出面５３ｅの数は、前記第１、第２フライアイレンズ２７，２９の分割数と異なっても良い。また、このコリメータレンズ４９の形状は、前記第１フライアイレンズ２７の形状と異なっても良い。
【００３０】
図４は、この発明のコリメータレンズ及びこれを用いた照明装置の第３の実施形態の模式図である。
【００３１】
図４に示すように、このコリメータレンズ５５の入射面５７は、前記第１の実施形態のコリメータレンズ４３と同様に、３つの同心円で分割入射面５７ａ，５７ｂ，５７ｃに分割されている。ここに分割入射面５７ａは負の度を有する（すなわち曲率の中心が図４においてコリメータレンズ５５の右側にある）曲面であり、分割入射面５７ｂは平面であり、分割入射面５７ｃは正の度を有する曲面である。
【００３２】
一方、このコリメータレンズ５５の射出面５９は、前記第２の実施形態のコリメータレンズ４９と同様に、前記第１フライアイレンズ２７のレンズセグメント２７ｅに対応する複数のアレイ状分割射出面５９ｅに分割されている。但しこのコリメータレンズ５５では各射出面５９ｅの光軸は偏心量は零であり各射出面５９ｅの中心に設けられている。これは、このコリメータレンズ５５では、入射面５７を複数の入射面５７ａ，５７ｂ，５７ｃへ分割することにより射出光の光束を光軸Ｏからの距離に関わらず光軸に対して平行にすることが出来るからである。
【００３３】
また、前記各射出面５９ｅの曲率は、前記第２実施形態の場合と同様に、光源２１のスポット像３２（図７）が前記第２フライアイレンズ２９上で各レンズエレメント２９ｅの中心に位置し且つ最小寸法になるように決定する。
【００３４】
従って、この第３の実施形態のコリメータレンズ５５においても、前記第１フライアイレンズ２７からの射出光の、前記第２フライアイレンズ２９のレンズエレメント２９ｅ上への集光特性を改善することができる。
【００３５】
尚、前記第１乃至第３の実施形態において、コリメータレンズ４３、５５の分割入射面４５ａ，４５ｂ，４５ｃ、５７ａ、５７ｂ、５７ｃの曲面或いはコリメータレンズ４９、５５の分割射出面５３ｅ、５９ｅの曲面は球面あるいは非球面の何れでも良い。
【００３６】
以上説明したように、第１乃至第３の実施形態のコリメータレンズにおいては、コリメータレンズの入射面或いは射出面を複数の領域に分割することにより、コリメータレンズを複数の領域へ分割する。そしてこれにより、従来インテグレータ（或いはフライアイレンズ）に持たせていた補正機能をコリメータレンズに持たせることが可能となり、照明効率の改善及び量産性の向上が達成される。
【００３７】
図５は、この発明のコリメータレンズの第４の実施形態を示す。
【００３８】
図５に示すように、この実施形態のコリメータレンズ６１は、曲率半径の大きい球面状の入射面６２と、これよりも曲率半径の小さい球面状の射出面６３を備えた凹レンズからなる。
【００３９】
このコリメターレンズ６１には更に、前記射出面６３の外周部に、光軸Ｏに対して所定角度だけ傾斜したリング状縁取り部６５が形成されている。また、前記入射面６２の光軸Ｏの近傍に円錐状の窪み６７が形成されている。そして、前記リング状縁取り部６５のリング状側面には反射面をレンズ媒質側に向けたリング状反射鏡６９が設けてあり、前記円錐状窪み部分６７の円錐状側面には反射面をレンズ媒質側に向けた円錐状反射鏡７１が設けてある。なお、前記円錐状反射鏡７１の形状は、その円錐形の底面積が図１０に示した暗部４１の断面積に対応するように設定されている。
【００４０】
前記第４実施形態の作用は以下の通りである。
【００４１】
図５に示すように、コリメータレンズ６１の周辺部に入射した光線は、レンズ内部に進入した後、前記リング状縁取り部６５に設けた前記リング状反射鏡６９へ入射し、このリング状反射鏡６９により反射された後、レンズ６１中心方向に向かう。そして前記レンズ中心付近で前記入射面６２により全反射された後、前記円錐状窪み部分６７の円錐状側面に設けた前記円錐状反射鏡７１へ向かい、この反射鏡７１で反射された後、前記射出面６３から光軸Ｏに沿って射出される。ここに、前記したように、前記円錐状反射鏡７１の底面積は、前記平行光束中心部の暗部４１に相当する大きさに形成されている。従って、前記円錐状反射鏡７１の円錐側面で反射された光線は前記暗部４１を補償する。これにより前記コリメータレンズ６１からの射出光は光束全体にわたって均一な照度分布を有する事となる。
【００４２】
また、前記コリメータレンズ６１からの射出光の直径ｗ１は、前記コリメータレンズ６１の周辺部へ入射された光線が射出光から除去されるから、入射光束の直径ｗ２よりも小さくなる。従って、このコリメータレンズ６１によれば、前記第１フライアイレンズ２７の寸法を小さくしても、この第１フライアイレンズインテグレータ２７へ入射される光線は光軸Ｏに対して小さな角度を有する光線のみからなる。従ってまた、前記第１フライアイレンズ２７の各レンズセグメント２７ｅからの光線を前記第２フライアイレンズ２９の各レンズセグメント２９ｅへ正確に集光することができ、光利用率を最大にすることができる。
【００４３】
このように、この第４の実施態様のコリメータレンズによれば、光軸に対して大きく傾斜した光線を射出光束中に生成することなく光束半径を縮小することができ、且つ、均一な照度分布の平行光束を得ることができる。
【００４４】
尚、前記反射鏡の形状は楕円面あるいは放物面あるいは球面あるいはその他複雑な非球面形状であっても、収斂光束を発生するような光源の配置、反射鏡の形状であればどのようなものでも良い。
【００４５】
またコリメータレンズの同心リング状の球面形状を反射鏡に持たせることもできる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の第１の側面によるコリメータレンズによれば、インテグレータ或いはフライアイレンズの成形性が改善され量産性を向上させ且つコストダウンを図ることができる。
【００４７】
またこの発明の第２の側面によれば、射出光束中に、その主光線に対して大きく傾いた光線の生成することなく光束を縮小できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態のコリメータレンズ及びこのコリメータレンズを用いた照明装置の説明図である。
【図２】この発明の第２の実施形態のコリメータレンズ及びこのコリメータレンズを用いた照明装置の説明図である。
【図３】図２の矢印IIIに沿って見たコリメータレンズの正面図である。
【図４】この発明の第３の実施形態のコリメータレンズ及びこのコリメータレンズを用いた照明装置の説明図である。
【図５】この発明の第４の実施形態のコリメータレンズの断面図である。
【図６】投写表示装置に使用される従来の照明装置の構成を示す模式図である。
【図７】図６の照明装置に設けた第１、第２のフライアイレンズの作用を表す説明図である。
【図８】従来のコリメータレンズ及びこのコリメータレンズを用いた照明装置の作用を表わす説明図である。
【図９】前記コリメータレンズを用いた照明装置の作用を表わす他の説明図である。
【図１０】従来の照明装置における反射鏡からの光束の光強度分布を表わす説明図である。
【符号の説明】
２１：光源
２３：反射鏡
２５、４３、４９、５５、６１：コリメータレンズ
２７：第１フライアイレンズ
２９：第２フライアイレンズ
３３：集光レンズ
３５：空間光変調素子
６９：リング状反射鏡
７１：円錐状反射鏡
【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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