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発明の名称 レンズアレイ光学系、投射光学ユニットおよび画像投射装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−3744(P2007−3744A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−182786(P2005−182786)
出願日 平成17年6月23日(2005.6.23)
代理人 【識別番号】100110412
【弁理士】
【氏名又は名称】藤元 亮輔
発明者 猪子 和宏 / 児玉 浩幸
要約 課題
レンズアレイの成形が比較的容易でありながらも、光束の角度分布を十分小さくし、光の利用効率も高い光学系を提供する。

解決手段
レンズアレイ光学系は、光束を複数に分割し、それぞれ該分割光束を集光する複数の第1レンズセル103aが、該光学系の中心光軸方向に略直交し、かつ互いに略直交する第1の方向Xおよび第2の方向Yに配列された第1レンズアレイ103と、各第1レンズセルからの分割光束が入射する第2レンズセル104aが第1および第2の方向にそれぞれ複数配列された第2レンズアレイ104とを有する。第1レンズセルの配列領域の幅W1に対する第2レンズセルの配列領域の幅W2の比が第1の方向と第2の方向とで互いに異なる。第1および第2レンズアレイのうち少なくとも一方は、トーリック面を有するレンズセルを含む。
特許請求の範囲
【請求項1】
光束を複数に分割し、それぞれ該分割光束を集光する複数の第1レンズセルが、該光学系の中心光軸方向に略直交し、かつ互いに略直交する第1の方向および第2の方向に配列された第1レンズアレイと、
前記各第1レンズセルからの前記分割光束が入射する第2レンズセルが前記第1および第2の方向にそれぞれ複数配列された第2レンズアレイとを有し、
前記第1レンズセルの配列領域の幅に対する前記第2レンズセルの配列領域の幅の比が前記第1の方向と前記第2の方向とで互いに異なり、
前記第1および第2レンズアレイのうち少なくとも一方が、トーリック面を有するレンズセルを含むことを特徴とするレンズアレイ光学系。
【請求項2】
前記第1の方向での前記比が前記第2の方向での前記比よりも小さく、
前記トーリック面は、前記中心光軸方向および前記第1の方向に平行な第1の断面での曲率半径が、前記中心光軸方向および前記第2の方向に平行な第2の断面での曲率半径より大きいことを特徴とする請求項1に記載のレンズアレイ光学系。
【請求項3】
前記第1および第2レンズアレイのうち少なくとも1つが、前記第1の方向において、前記トーリック面を有するレンズセルを複数有し、
該トーリック面を有する複数のレンズセルにおいて、該光学系の中心光軸から離れたレンズセルほど、該トーリック面の前記第1の断面での曲率半径が大きいことを特徴とする請求項1又は2に記載のレンズアレイ光学系。
【請求項4】
光束を複数に分割し、それぞれ該分割光束を集光する複数の第1レンズセルが、該光学系の中心光軸方向に略直交し、かつ互いに略直交する第1の方向および第2の方向に配列された第1レンズアレイと、
前記各第1レンズセルからの前記分割光束が入射する第2レンズセルが前記第1および第2の方向にそれぞれ複数配列された第2レンズアレイとを有し、
前記第1レンズセルの配列領域の幅に対する前記第2レンズセルの配列領域の幅の比が前記第2の方向よりも前記第1の方向で小さく、
前記第1および第2レンズアレイのうち少なくとも一方が、前記中心光軸方向および前記第1の方向に平行な第1の断面において非球面であるレンズセルを含むことを特徴とするレンズアレイ光学系。
【請求項5】
光束を複数に分割し、それぞれ該分割光束を集光する複数の第1レンズセルが、該光学系の中心光軸方向に略直交し、かつ互いに略直交する第1の方向および第2の方向に配列された第1レンズアレイと、
前記各第1レンズセルからの前記分割光束が入射する第2レンズセルが前記第1および第2の方向にそれぞれ複数配列された第2レンズアレイとを有し、
前記第1レンズセルの配列領域の幅に対する前記第2レンズセルの配列領域の幅の比が前記第1の方向と前記第2の方向とで互いに異なり、
前記第1レンズセルから前記第2レンズセルまでの光路中に該第1および第2レンズセルとは異なるレンズ面を有することを特徴とするレンズアレイ光学系。
【請求項6】
前記第1および第2レンズアレイのそれぞれに前記レンズ面が形成されており、
該2つのレンズ面によりアフォーカル系が構成されていることを特徴とする請求項5に記載のレンズアレイ光学系。
【請求項7】
光束を複数に分割し、それぞれ該分割光束を集光する複数の第1レンズセルが、該光学系の中心光軸方向に略直交し、かつ互いに略直交する第1の方向および第2の方向に配列された第1レンズアレイと、
前記各第1レンズセルからの前記分割光束が入射する第2レンズセルが前記第1および第2の方向にそれぞれ複数配列された第2レンズアレイとを有し、
前記第1レンズセルの配列領域の幅に対する前記第2レンズセルの配列領域の幅の比が前記第1の方向と前記第2の方向とで互いに異なり、
前記第1レンズアレイにおける前記第1レンズセルが形成された面と、前記第2レンズアレイにおける前記第2レンズセルが形成された面との間に配置された、アフォーカル系を有することを特徴とするレンズアレイ光学系。
【請求項8】
以下の条件を満足することを特徴とする請求項1から7のいずれか1つに記載のレンズアレイ光学系。
W2/W1<0.7
ここで、W1は前記第1の方向における前記第1レンズセルの配列領域の幅であり、W2は前記第1の方向における前記第2レンズセルの配列領域の幅である。
【請求項9】
前記複数の第1レンズセルのうち少なくとも1つおよび前記複数の第2レンズセルのうち少なくとも1つが、前記第1の方向に偏心していることを特徴とする請求項1から8のいずれか1つに記載のレンズアレイ光学系。
【請求項10】
光源からの光で画像形成素子を照明する照明光学系と、
前記画像形成素子からの光束を投射する投射光学系とを有し、
前記照明光学系が、請求項1から9のいずれか1つに記載のレンズアレイ光学系を含むことを特徴とする投射光学ユニット。
【請求項11】
画像形成素子と、
光源からの光で前記画像形成素子を照明する照明光学系と、
前記画像形成素子からの光束を投射する投射光学系とを有し、
前記照明光学系が、請求項1から9のいずれか1つに記載のレンズアレイ光学系を含むことを特徴とする画像投射装置。
【請求項12】
請求項11に記載の画像投射装置と、
該画像投射装置に画像信号を供給する画像供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。

発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、2次元方向に複数のレンズセルが配置されたレンズアレイを有する光学系であって、例えば、光源からの光束で画像変調素子(若しくは画像形成素子)を照明するのに用いられる光学系に関するものである。
【背景技術】
【0002】
最近では、光源からの光束を、液晶パネルなどの画像変調素子によって、画像信号に応じて変調し、該変調光を投射レンズを介してスクリーンに拡大投射するプロジェクタ(画像投射装置)が多く用いられている。このようなプロジェクタでは、スクリーンに投射された画像に明るさむらや色むらが少なく、コントラストが高いことが重要である。
【0003】
プロジェクタにおいて画像変調素子を照明する照明光学系は、例えば図11(A),(B)のように構成されている。図11(A),(B)は、従来の照明光学系のYZ断面とXZ断面をそれぞれ示している。Z軸は、該照明光学系の中心光軸方向に延びる軸である。
【0004】
この図において、光源501から射出した光束は、放物面リフレクタ502によって略平行光に変換される。この平行光束は第1フライアイレンズ503によって複数の光束に分割され、かつ各分割光束は集光される。各分割光束は、第2フライアイレンズ504の近傍に集光され、光源像(2次光源像)を形成する。これらフライアイレンズ503,504のそれぞれを構成する複数のレンズセルは、被照明面である液晶パネルと相似の矩形レンズ面を有する。
【0005】
第2フライアイレンズ504を射出した分割光束は、偏光変換素子505によって偏光方向が揃えられた後、コンデンサーレンズ506によって集光され、不図示の色分離および色合成を行う色分解合成系を経て、液晶パネル508上にて重なり合う。
但し、このような照明光学系において光の利用効率を高めようとすると、一般に光束の角度分布が大きくなる傾向がある。したがって、照明光学系内に、入射光束の角度分布に対して敏感な特性(入射角度依存特性)を有する光学素子を用いた場合に、明るさむらや色むらが発生したり、コントラストが低下したりして画質が劣化するという問題がある。入射角度依存特性を有する光学素子としては、例えば光軸に対して傾いて配置されるダイクロイック膜や偏光分離膜を有するミラーやプリズムがあり、これらは色分解や色合成を行うために用いられる。
【0006】
このような画質劣化の問題に対処するため、特許文献1には、光束の角度分布に対して敏感な方向において該角度分布を小さくするよう、直交するレンズセル配列方向のうち一方向において各レンズセルを偏心させ、第2レンズアレイに入射する光束幅を狭める技術が提案されている。
【0007】
また、特許文献2には、光源からの光を最大限取り込めるように、第1レンズアレイを略円形形状とし、略長方形状の第2レンズアレイに向けて光束を集光する技術が提案されている。
【特許文献1】特開平11−295658号公報(段落0049〜0053、図3〜図5等)
【特許文献2】特開2000−206463号公報(段落0035〜0036、図13等)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、上記特許文献1にて提案されたレンズアレイの各レンズセルは球面レンズであり、その曲率半径以上の偏心を付与することはできない。また、図12に示すように、第1レンズアレイ601の各レンズセル601aに大きな偏心を与えると、該レンズセル601aで発生する収差(球面収差)によって第2レンズアレイ602の近傍にて形成される光源像が崩れ、照明効率の低下を招く。しかも、そのような大きな偏心を与えたレンズセルは、成形が難しく、実現性に乏しい。
【0009】
一方、実質的に画質劣化を防ぐ効果を得るためには、第1レンズアレイに対する第2レンズアレイでのレンズセルの配列領域幅を大きく狭める必要があるが、このような解決法に関しては従来何ら提案されていない。
【0010】
本発明は、レンズアレイの成形が容易でありながらも、光束の角度分布を十分小さくし、光の利用効率も高い光学系を提供することを目的の1つとしている。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の一側面としてのレンズアレイ光学系は、光束を複数に分割し、それぞれ該分割光束を集光する複数の第1レンズセルが、該光学系の中心光軸方向に略直交し、かつ互いに略直交する第1の方向および第2の方向に配列された第1レンズアレイと、各第1レンズセルからの分割光束が入射する第2レンズセルが第1および第2の方向にそれぞれ複数配列された第2レンズアレイとを有し、第1レンズセルの配列領域の幅に対する第2レンズセルの配列領域の幅の比が第1の方向と第2の方向とで互いに異なる。そして、第1および第2レンズアレイのうち少なくとも一方が、トーリック面を有するレンズセルを含むことを特徴とする。
【0012】
また、本発明の他の側面としてのレンズアレイ光学系は、光束を複数に分割し、それぞれ該分割光束を集光する複数の第1レンズセルが、該光学系の中心光軸方向に略直交し、かつ互いに略直交する第1の方向および第2の方向に配列された第1レンズアレイと、各第1レンズセルからの分割光束が入射する第2レンズセルが第1および第2の方向にそれぞれ複数配列された第2レンズアレイとを有し、第1レンズセルの配列領域の幅に対する第2レンズセルの配列領域の幅の比が第2の方向よりも第1の方向で小さい。そして、第1および第2レンズアレイのうち少なくとも一方が、中心光軸方向および第1の方向に平行な第1の断面において非球面であるレンズセルを含むことを特徴とする。
【0013】
さらに、本発明の他の側面としてのレンズアレイ光学系は、光束を複数に分割し、それぞれ該分割光束を集光する複数の第1レンズセルが、該光学系の中心光軸方向に直交し、かつ互いに直交する第1の方向および第2の方向に配列された第1レンズアレイと、各第1レンズセルからの前記分割光束が入射する第2レンズセルが第1および第2の方向にそれぞれ複数配列された第2レンズアレイとを有し、第1レンズセルの配列領域の幅に対する第2レンズセルの配列領域の幅の比が前記第1の方向と前記第2の方向とで互いに異なる。そして、第1レンズセルから第2レンズセルまでの光路中に該第1および第2レンズセルとは異なるレンズ面を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、トーリック面や非球面、又はレンズセルとは別のレンズ面を用いて収差を軽減することができるので、光束の角度分布を十分小さくしながらも、光の利用効率が高く、レンズアレイの成形も容易である光学系を実現することができる。
【0015】
そして、例えば本発明の光学系を画像投射装置の投射光学ユニットに用いれば、明るく良好な画質を有する投射画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例1】
【0017】
図1(A),(B)には、本発明の実施例1である照明光学系の構成を示している。ここでは、画像変調素子(又は画像形成素子)として反射型液晶パネルを用いたプロジェクタの照明光学系を示している。なお、本発明は、透過型液晶パネルを用いたプロジェクタの照明光学系にも適用することができる。
【0018】
図1(A),(B)はそれぞれ、上記照明光学系の中心光軸(該光学系の中心を通る光軸)AXLに沿って延びる軸をZ軸とした場合において、光束の角度分布が広い断面(YZ断面:第2の断面)と、角度分布の狭い断面(XZ断面:第1の断面)とを示している。なお、図1(A),(B)には、説明を容易にするため、照明光学系の基本的な構成部品のみを示している。実際には、照明光学系内には、光路を折り曲げるミラーや、熱線カットフィルタや、偏光板等の光学部品も配置される。また、液晶パネルは1枚でもよいし、複数枚用いてもよい。
【0019】
図1(A),(B)において、光源(放電管)101から全方向に射出した光束は、放物面リフレクタ102によって略平行光とされる。この平行光束は、第1レンズアレイ103によって複数の光束に分割され、各分割光束は第2レンズアレイ104又は偏光変換素子105の近傍に集光され、複数の光源像(2次光源像)を形成する。偏光変換素子105は、YZ断面において中心光軸方向に対して45°傾いた複数の偏光分離膜、複数の反射面および複数の1/2波長板がY方向に配列された素子であり、入射した無偏光光の偏光方向を1つの方向に揃えて射出する。これについては後の実施例にて詳しく説明する。
【0020】
第1レンズアレイ103は、その入射側に第1レンズセル103aがX方向(第1の方向)およびY方向(第2の方向)に複数配列されて構成されている。ここで、第1レンズセルが配列される方向(第1の方向及び第2の方向、或いはX方向及びY方向)は直交していることが望ましいが、略直交していればよく、70〜110度、より好ましくは80〜100度、さらに好ましくは85〜95度を成していればよい。
【0021】
また、第2レンズアレイ104は、その射出側に、個々の第1レンズセル103aに対応する第2レンズセル104aがX方向およびY方向に複数配列されて構成されている。ここで、第2レンズセルが配列される方向に関しても第1レンズアレイと同様に、第2レンズアレイの配列方向は略直交していることが望ましい。
【0022】
そして、第1レンズセル103aは、中心光軸AXL上のレンズセルを除き、X方向において中心光軸AXLに向かう方向に偏心している。ここにいう偏心とは、レンズセルのレンズ面頂点が、該レンズセルが形成された領域の中心からシフトしていることをいう。また、中心光軸AXLから離れた第1レンズセル103aほど偏心量が大きくなっている。これにより、第1レンズアレイ103を通過する光束の幅は、XZ断面において、中心光軸AXLに向かう方向に全体として圧縮される。
【0023】
勿論、中心光軸AXLから近いレンズセル(あまり大きく偏心させる必要が無いレンズセル、中心光軸周りのレンズセル)に関しては、レンズセルが形成された領域の中心と、そのレンズセルの光軸とが一致する(略一致する)ように構成しても構わない。しかし、中心光軸から離れたレンズセル(中心光軸と接していない、中心光軸からレンズセルの幅以上に離れているレンズセル)に関しては、レンズセルを偏心させて配置する必要がある。
【0024】
一方、第2レンズセル104aは、中心光軸AXL上のレンズセルを除き、X方向において中心光軸AXLから離れる方向に偏心している。また、中心光軸AXLから離れた第2レンズセル104aほど偏心量が大きくなっている。これにより、第1レンズアレイ103で圧縮方向に傾けられた分割光束の進行方向が、再び中心光軸AXLに沿う方向に戻される。
【0025】
ところで、球面レンズセルによって構成されたレンズアレイにおいて各レンズセルを偏心させる場合、図6に示す制約条件、すなわち
dx≦R−Px/2 …(1)
を満たさなければ形状が成り立たない。この制約条件を満たしていない場合は、レンズセル603aのレンズ面形状が半球を超えてしまうためである。ここで、dxは球面の中心軸に対するレンズセルの偏心量であり、Rは該球面の曲率半径である。また、Pxは偏心方向での該レンズセルの形成領域である。
【0026】
したがって、大きく偏心を行う場合には、レンズセル603aの曲率半径Rを大きくするために、レンズセル603aの分割数を少なくし、レンズセル603aの焦点距離を伸ばす必要がある。
【0027】
しかしながら、レンズセルの分割数を減らすと、照明光学系の本来の目的である明るさ分布の均一さが損なわれるばかりか、第1レンズアレイと第2レンズアレイの間隔が増大し、光学系全体の大型化を招く。また、仮に、図6の制約条件を満たす曲率半径とすることができても、ある程度余裕をもって制約条件を満たしていなければ、半球に近い厚肉のレンズとなって、形状的に製造が困難となる。しかも、収差が増加して光源像の形状が崩れ、光の利用効率が大幅に低下する。
【0028】
このような問題に対し、本実施例では、第1および第2レンズアレイ103,104の各レンズセル103a,104aを、その曲率半径がXZ断面とYZ断面とで異なる所謂トーリックレンズ(トーリック面)としている。具体的には、複数の第1レンズセル103aは、YZ断面においては同じ曲率半径を有しているが、XZ断面においては、YZ断面での曲率半径より大きな曲率半径を有する。しかも、中心光軸AXLから離れた第1レンズセル103aほどYZ断面での曲率半径が大きくなっている。図4には、XZ断面において、中心光軸AXLから離れた第1レンズセル103aほど曲率半径R1,R2,R3が順に大きくなっている様子を模式的に示している。
【0029】
また、複数の第2レンズセル103aも、YZ断面においては同じ曲率半径を有しているが、XZ断面においては、YZ断面での曲率半径より大きな曲率半径を有する。しかも、中心光軸AXLから離れた第2レンズセル104aほどYZ断面での曲率半径が大きくなっている。図4には、XZ断面において、中心光軸AXLから離れた第2レンズセル104aほど曲率半径R4,R5,R6が順に大きくなっている様子を模式的に示している。
【0030】
これにより、第1および第2レンズアレイ103,104はそれぞれ、XZ断面において図6の制約条件を余裕を持って満たすことができ、成形上好ましい形状でありながらも大きな偏心を持つことができる。しかも、球面レンズアレイと比べて、収差が大幅に少ない、絞られた光源像を形成することができる。
【0031】
なお、中心光軸AXL上のレンズセルおよびその近傍のレンズセルについては、偏心量が0か又は少ないため、球面レンズで構成することも可能である。
【0032】
また、偏心を付与する際には、成形上の問題から、レンズセル間の境界部で段差を極力減らすことが好ましい。段差が大きい場合、境界部で光束がけられてしまうからである。このため、レンズセルごとに頂点の高さを調節して、段差を減らすことが好ましい。段差をほぼ無くした第1および第2レンズアレイ103,104をそれぞれ、図3A,3Bに示す。この結果、図2に示すように、X方向において、第1レンズアレイ103の有効レンズセル配列領域の幅W1に対する第2レンズアレイ104の有効レンズセル配列領域幅W2の比(これを光束圧縮比と呼ぶことにする)は、
W2/W1<0.7 …(2)
を満たすことができる。また、この比は、
W2/W1<0.6 …(2)´
を満足することが望ましい。
【0033】
この光束圧縮比は、そのままXZ断面での光束の角度分布の圧縮比を示しており、YZ断面に対して大幅に角度分布を小さくすることができる。すなわち、X方向での光束圧縮比を、Y方向での光束圧縮比よりも大幅に大きくすることができる。なお、本実施例におけるYZ断面での光束圧縮比は1である。
【0034】
本実施例において、第1レンズアレイ103の作用により形成される光源像の分布の例、ここでは液晶パネルを照明する光束の角度分布を図5に示す。
【0035】
図1(A),(B)において、偏光変換素子105を通過した各分割光束は、コンデンサーレンズ106によって集光され、偏光ビームスプリッタ107の偏光分離面107aを透過した後、液晶パネル108を均一に照明する。
【0036】
液晶パネル108で偏光方向が変更されて反射した光束は、偏光ビームスプリッタ107に再び入射し、偏光分離面107aで反射して投射レンズ(図示せず)に導かれ、スクリーン(図示せず)上に投影される。このとき、偏光ビームスプリッタ107は中心光軸AXL(Z軸)と偏光分離面107aの法線とを含む面がXZ断面に一致するように配置されている。
【0037】
一般的な誘電体多層膜を偏光分離面に有する偏光ビームスプリッタは、入射光線と偏光分離面の法線とを含む面(入射面)内の入射光線角度に対して非常に敏感な特性を有する。これは、原理的に、ブリュースター角におけるP偏光(入射面内で振動する直線偏光)とS偏光(入射面に対して垂直に振動する直線偏光)との反射率の違いを利用して偏光分離を行うため、ブリュースター角から外れた光線ほど偏光分離が不十分になるためである。このため、このXZ断面において入射光束が広い角度分布を持つ場合には、透過すべき偏光光を反射したり、反射すべき偏光光を透過したりしてしまう。したがって、所望の偏光光とは異なる偏光状態の光(漏れ光)が液晶パネルに入射してしまい、画像のコントラストを著しく低下させる。
【0038】
これに対し、本実施例の照明光学系によれば、XZ断面において大幅な光束幅圧縮を行い、第2レンズアレイ104近傍に形成される光源像の幅を絞ることで、XZ断面における光束の角度分布を狭めている。これにより、漏れ光の発生量を抑えることができ、高いコントラストの投射画像を得ることができる。また、XZ断面における光束の幅が細くなるため、偏光ビームスプリッタを小型化できるメリットもある。
【0039】
なお、本実施例では、第1および第2レンズアレイ103,104の双方においてレンズセルをトーリックレンズとした場合について説明したが、いずれか一方のレンズアレイのレンズセルのみをトーリックレンズとしてもよい。
【実施例2】
【0040】
図7には、本発明の実施例2である照明光学系のうち第1レンズアレイ203における中心光軸AXLから最も離れた第1レンズセル203aのXZ断面での形状を模式的に示している。なお、本実施例では、照明光学系の全体を図示しないが、その構成は、基本的に実施例1の照明光学系と同様である。また、本実施例でも、(2)式を満足している。
【0041】
但し、本実施例では、中心光軸AXLから最も離れた第1レンズセル203aのXZ断面での形状を非球面ASとしている。この図において、Cは非球面ASと同じ頂点を有し、ある点を曲率中心とした球面を示している。
【0042】
このように、XZ断面での第1レンズセル203aの形状を非球面ASとすることで、球面Cを有する場合には大きく発生する球面収差を良好に補正(軽減)することができ、XZ断面において大幅な光束幅圧縮を行いながら、第2レンズアレイ204の近傍に、形状の崩れていない光源像を形成することができる。したがって、実施例1と同様に、XZ断面における光束の角度分布を狭めて漏れ光の発生量を抑えることができ、高いコントラストの投射画像を得ることができる。
【0043】
特に、本実施例は、第1および第2レンズアレイ203,204の間隔が短く、球面レンズでは収差が除去しきれないような場合に有効である。
【0044】
なお、本実施例において、図示しないが、第1レンズアレイ203における中心光軸AXLから最も離れた第1レンズセル203a以外の第1レンズセルや第2レンズアレイ204の第2レンズセルは、球面およびトーリック面のいずれでもよく、またXZ断面において非球面としてもよい。
【実施例3】
【0045】
図8(A),(B)には、本発明の実施例3である照明光学系の構成を示している。本実施例でも、画像変調素子(又は画像形成素子)として反射型液晶パネル308を用いたプロジェクタの照明光学系を示している。また、図8(A),(B)はそれぞれ、YZ断面とXZ断面とを示している。
【0046】
本実施例の照明光学系の構成部品は、実施例1と同様に、光源301,放物面リフレクタ302,第1レンズアレイ303,第2レンズアレイ304,偏光変換素子305,偏光ビームスプリッタ307である。
【0047】
但し、本実施例では、XZ断面での光束圧縮比W2/W1を1より大きく設定し、第2レンズアレイ304における第2レンズセル304aの配列領域の幅を、第1レンズアレイ303における第1レンズセル303aの配列領域の幅よりも広げている。一方、YZ断面での光束圧縮比は1である。
【0048】
本実施例でも、実施例1と同様に、第1および第2レンズアレイ303,304のそれぞれのレンズセル303a,304aは偏心し、かつXZ断面とYZ断面で異なる曲率半径を有したトーリックレンズとなっている。トーリック面の曲率半径は、XZ断面の方がYZ断面よりも大きく、XZ断面での収差を軽減している。
【0049】
但し、実施例1とは異なり、第1レンズアレイ303の第1レンズセル303aは、X方向において中心光軸AXLから離れる方向に偏心し、第2レンズアレイ304の第2レンズセル304aは、X方向において中心光軸AXLに向かう方向に偏心している。
【0050】
これにより、XZ断面の角度分布は広がるが、第2レンズアレイ304の近傍に形成される複数の光源像に対する第2レンズセル304aのピッチも広くなるので、照明効率の改善を図ることができる。
【実施例4】
【0051】
図9(A),(B)には、本発明の実施例4である照明光学系の構成を示している。本実施例でも、画像変調素子(又は画像形成素子)として反射型液晶パネル408を用いたプロジェクタの照明光学系を示している。また、図9(A),(B)はそれぞれ、光束の角度分布が広い断面(YZ断面)と、角度分布の狭い断面(XZ断面)とを示している。なお、YZ断面での光束圧縮比は1である。
【0052】
本実施例の照明光学系の構成部品は、実施例1と同様に、光源401,放物面リフレクタ402,第1レンズアレイ403,第2レンズアレイ404,偏光変換素子405,偏光ビームスプリッタ407である。また、本実施例でも、(2)式を満足している。
【0053】
但し、本実施例では、各レンズアレイの各レンズセルは、球面レンズで構成されている。また、第1レンズアレイ3の射出側(第1レンズセル403aが形成された側とは反対側)および第2レンズアレイ404における入射側(第2レンズセル404aが形成された側とは反対側)には、XZ断面においてのみ曲率半径を有する所謂シリンドリカルレンズ面403b,404bが形成されている。第1レンズアレイ403のシリンドリカルレンズ面403bは凸レンズ面、第2レンズアレイ404のシリンドリカルレンズ面404bは凹レンズ面である。これにより、アフォーカル系が構成され、XZ断面において平行光束を圧縮する効果を生んでいる。また、収差を軽減する効果も持たせている。このシリンドリカル面は別部品として存在してもよい。また先の実施例などにある偏心と併用することで、効果を高めることも可能である。
【0054】
また、第1レンズアレイ403のシリンドリカルレンズ面403b又は第2レンズアレイ404のシリンドリカルレンズ面404bのうち少なくとも一方を、XZ断面において非球面とし、実施例2と同様に、球面収差を軽減するようにしてもよい。また、この2つのシリンドリカルレンズ面は、トーリックレンズ面としても構わない。
【0055】
なお、本実施例では、第1レンズアレイ403と第2レンズアレイ404の両方にレンズセルとは別のレンズ面を形成した場合について説明したが、いずれか一方にのみシリンドリカルレンズ面、トーリックレンズ面および非球面レンズ面等の別のレンズ面を形成してもよい。
【実施例5】
【0056】
図10には、上記実施例1にて説明した照明光学系を含む投射光学ユニットの光学全系の構成例を示している。図10では、実施例1で説明した第1および第2レンズアレイ103,104以外の構成要素については新たな符号を付して説明する。なお、本実施例における第1および第2レンズアレイ103,104を実施例2〜4で説明した第1および第2レンズアレイに置き換えてもよい。
【0057】
1は連続スペクトルで白色光を発光する光源、2は光源1からの光を所定の方向に集光するリフレクタである。103,104は実施例1にて説明した第1および第2レンズアレイである。
【0058】
4は無偏光光を所定の偏光光に揃える偏光変換素子、5aはミラー、5bはコンデンサーレンズである。
【0059】
6は青(B)と赤(R)の波長領域の光を透過し、緑(G)の波長領域の光を反射するダイクロイックミラーである。7はG光とR光の中間の波長領域の光を一部カットするカラーフィルタである。8a,8bはともに、B光の偏光方向を90度変換し、R光の偏光方向は変換しない第1の色選択性位相差板および第2の色選択性位相差板である。
【0060】
9a,9bは第1の1/2波長板および第2の1/2波長板である。10a,10b,10cはP偏光を透過し、S偏光を反射する第1の偏光ビームスプリッタ、第2の偏光ビームスプリッタおよび第3の偏光ビームスプリッタである。
【0061】
11r,11g,11bはそれぞれ、原画を形成し、入射した光を反射するとともに画像変調する赤用反射型液晶パネル、緑用反射型液晶パネルおよび青用反射型液晶パネルである。ここで、これら液晶パネル11r,11g,11bには駆動回路20が接続され、駆動回路20には、パーソナルコンピュータ、カメラ、DVDプレーヤ、ビデオデッキ、放送受信器等の画像情報供給装置30からの画像情報が供給される。駆動回路20は、入力された画像情報に基づいて液晶パネル11r,11g,11bを駆動し、画像情報に対応した各色用の原画を形成させる。
【0062】
12r,12g,12bはそれぞれ、赤用の1/4波長板、緑用の1/4波長板、青用の1/4波長板である。なお、ダイクロイックミラー6から第3の偏光ビームスプリッタ10cまでの光路を構成する光学系は、後述するように光の色分離と色合成とを行う色分離合成光学系である。13は投射レンズである。
【0063】
次に、光学的な作用を説明する。光源1から発した光はリフレクタ2により所定の方向に集光される。リフレクタ2は放物面形状を有しており、放物面の焦点位置からの光は放物面の対称軸に平行な光束となる。この平行光束は第1レンズアレイ103により複数の光束に分割され、かつ集光され、第2レンズアレイ104の近傍に複数の光源像を形成して、偏光変換素子4に至る。
【0064】
偏光変換素子4は、入射側から順に、偏光分離面と反射面と1/2波長板とを有している。偏光変換素子4に入射したマトリクスの各列の集光光束は、その列に対応した列の偏光分離面に入射し、これを透過するP偏光成分と反射するS偏光成分とに分割される。反射されたS偏光成分は、反射面で反射し、P偏光成分と同じ方向に出射する。一方、透過したP偏光成分は、1/2波長板を透過する際にS偏光成分と同じ偏光成分に変換され、偏光方向(図中には、S偏光を・で示す)が揃った光として射出する。偏光変換された複数の光束は偏光変換素子の近傍で集光した後、発散光束としてミラー5aを介してコンデンサーレンズ5bに至る。
【0065】
コンデンサーレンズ5bの集光作用により、複数の光束は第1および第2レンズアレイ103,104における個々のレンズセルの形状の像が形成される位置で重なり合い、矩形の均一な照明エリアを形成する。コンデンサーレンズ5bから射出した光束は、ダイクロイックミラー6に入射する。ダイクロイックミラー6は、BとRの光を透過し、Gの光を反射する。
【0066】
図10において、偏光変換素子4から射出したS偏光は、ダイクロイックミラー6に対してもS偏光(・)である。
【0067】
G光の光路において、ダイクロイックミラー6を反射した光は、カラーフィルタ7に入射する。カラーフィルタ7は、GとRの中間の波長領域にあたる黄色の光を反射するダイクロイックフィルタであり、これにより黄色の光が除去される。緑色に黄色成分が多いと、黄緑色になってしまうので、カラーフィルタ7により黄色成分を除去する方が色再現上望ましい。また、カラーフィルタ7は、黄色の光を吸収する特性を有していてもよい。
【0068】
こうして色を調整されたG光は、第1の偏光ビームスプリッタ10aに対してS偏光(・)として入射し、偏光分離面で反射され、G用反射型液晶パネル11gへと至る。G用反射型液晶パネル11gにおいて、G光が画像変調されて反射される。変調および反射されたG光のうちS偏光成分(・)は、再び第1の偏光ビームスプリッタ10aの偏光分離面で反射され、光源側に戻されて投射光から除去される。
【0069】
一方、変調および反射されたG光のうちP偏光成分(図中には、P偏光を|で示す)は、第1の偏光ビームスプリッタ10aの偏光分離面を透過して投射光となる。このとき、すべての偏光成分をS偏光に変換した状態(黒を表示した状態)において第1の偏光ビームスプリッタ10aとG用反射型液晶パネル11gの間に設けられた1/4波長板12gの複屈折主軸の1つである遅相軸を所定の方向に調整し、第1の偏光ビームスプリッタ10aとG用反射型液晶パネル11gで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えている。
【0070】
第1の偏光ビームスプリッタ10aを透過したP偏光としてのG光(|)は、第1の1/2波長板9aによりその偏光方向を90度回転され、第3の偏光ビームスプリッタ10cにS偏光(・)として入射する。こうして第3の偏光ビームスプリッタ10cに入射したG光は、その偏光分離面で反射されて、投射レンズ13へと至る。
【0071】
一方、ダイクロイックミラー6を透過したR,B光は、第1の色選択性位相差板8aに入射する。第1の色選択性位相差板8aは、B光のみ偏光方向を90度回転する作用を持っており、これによりB光はP偏光(|)として、R光はS偏光(・)として第2の偏光ビームスプリッタ10bに入射する。そして、B光は、第2の偏光ビームスプリッタ10bの偏光分離面を透過し、1/4波長板12bを介してB用反射型液晶パネル11bに至る。また、R光は該偏光分離面で反射され、1/4波長板12rを介してR用反射型液晶パネル11rに至る。
【0072】
B用反射型液晶パネル11bにおいて、B光は画像変調されて反射される。変調されたB光のうちP偏光成分(|)は再び偏光分離面を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。変調されたB光のうちS偏光成分(・)は、偏光分離面で反射されて投射光となる。
【0073】
同様に、R用反射型液晶パネル11rにおいて、R光が画像変調されて反射される。変調されたR光のうちS偏光成分(・)は、再び偏光分離面で反射されて光源側に戻され、投射光から除去される。また、変調されたR光のうちP偏光成分(|)は、偏光分離面を透過して投射光となる。これにより、BとRの投射光は一つの光束に合成される。
【0074】
こうして合成されたBとRの投射光は、第2の色選択性位相差板8bに入射する。第2の色選択性位相差板8bは、第1の色選択性位相差板8aと同じものであり、B光の偏光方向のみを90度回転させる。これにより、R光およびB光はともにP偏光(|)として第3の偏光ビームスプリッタ10cに入射し、その偏光分離面を透過することでGの投射光と合成されて投射レンズ13へと至る。そして、投射レンズ13によりスクリーンなどの投射面に投射される。
【0075】
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、請求項に示された内容の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0076】
【図1】(A),(B)は本発明の実施例1である照明光学系の構成を示す断面図。
【図2】実施例1における光束圧縮比を説明する図。
【図3A】実施例1における第1レンズアレイの斜視図。
【図3B】実施例1における第2レンズアレイの斜視図。
【図4】実施例1における第1および第2レンズアレイの拡大図。
【図5】実施例1による光源像の例を示した図。
【図6】偏心量の制約条件を説明する図。
【図7】本発明の実施例2である照明光学系の第1および第2レンズアレイの拡大図。
【図8】(A),(B)は本発明の実施例3である照明光学系の構成を示す断面図。
【図9】(A),(B)は本発明の実施例4である照明光学系の構成を示す断面図。
【図10】本発明の実施例5であるプロジェクタの光学系全体の構成を示す断面図。
【図11】(A),(B)は従来の照明光学系の構成を示す断面図。
【図12】従来の照明光学系の第1および第2レンズアレイの拡大図。
【符号の説明】
【0077】
101,201,301,401 光源
102,202,302,402 リフレクタ
103,203,303,403 第1レンズアレイ
103a,203a,303a,403a 第1レンズセル
104,204,304,404 第2レンズアレイ
104a,204a,304a,404a 第2レンズセル
105,205,305,405 偏光変換素子
106,206,306,406 コンデンサーレンズ
107,207,307,407 偏光ビームスプリッタ
108,208,307,407 液晶パネル
403b,404b シリンドリカルレンズ面




 

 


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