JP2000047115A - フライアイインテグレータ，それを用いた照明装置並びに投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 無駄な照明をすることなく、さらに高輝度照
明を達成できるフライアイインテグレータ，それを用い
た照明装置並びに投射型表示装置を提供する。 【解決手段】 複数のレンズ２ａを平面的に配置した第
１レンズ板２と、複数のレンズ３ａを平面的に配置した
第２レンズ板３とから構成されるフライアイインテグレ
ータにおいて、前記第１レンズ板２の各レンズ２ａは、
隣接レンズ２ａとの境界部２ｂが滑らかに接続されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のレンズを平
面的に配置した第１レンズ板と、複数のレンズを平面的
に配置した第２レンズ板とから構成されるフライアイイ
ンテグレータ，それを用いた照明装置並びに投射型表示
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、液晶ライトバルブ等の矩形照
明領域を均一に照明する方法として２枚のレンズ板、い
わゆるフライアイインテグレータを使用した照明装置な
らびにそれを用いた投射型表示装置が知られている。

【０００３】さらに、これらインテグレータとさらなる
照明効率を向上させた照明装置として前記フライアイイ
ンテグレータの射出面に複数の偏光ビームスプリッタを
接合させた偏光ビームスプリッタアレイと当該アレイの
所定位置に１／２波長板を貼り付けた構造の偏光装置を
使用した投射型表示装置の開示が特開平８−３０４７３
９号公報にある。

【０００４】図４に上記公報の実施例１の偏光装置なら
びに投射型表示装置の構成図として上記公報の図１とし
て記載されたものを示す。但し、符号等は一部変更して
いる。

【０００５】本図を用いて従来の投射型表示装置用の偏
光装置を説明する。光源ランプ２０１と放物凹面鏡２０
２から光源部２０３が構成され、この光源部２０３から
射出された略平行光束の光源光は、集光レンズ３０１が
平面的に配置された第１のレンズ板３に入射する。この
第１のレンズ板３００の斜視構成図を図５に示す。この
図に記載のように、この第１のレンズ板３００は集光レ
ンズ３０１を４×５個配列して構成したものである。

【０００６】各集光レンズ３０１によって決定される開
口に入射した前記光源光は、当該各集光レンズ３０１の
焦点の位置に集光される。この焦点の位置には、第２の
レンズ板４００の偏光分離プリズムアレイ４２０が配置
されている。この第２のレンズ板４００は、前記第１の
レンズ板３００とともにフライアイインテグレータを構
成する集光レンズアレイ４１０と、偏光ビームスプリッ
タ４２１，４２２を複数個偏光分離膜４２３，４２４が
同じ方向に向くように配置接合した偏光分離プリズムア
レイ４２０と、そのプリズムアレイ４２０の所定の射出
側に配置したλ／２位相差膜４３１と、射出側に配置し
たレンズ４４０とから構成されている。

【０００７】前述のように第１のレンズ板３００の内の
１つの集光レンズ３０１によって決定される開口に入射
した光源光は、当該レンズ３０１に対応する第２のレン
ズ板４００の集光レンズアレイ４１０の集光レンズ４１
１に入射し、通過した光は射出面に配置された前記偏光
プリズムアレイ４２０の１つの偏光ビームスプリッタ４
２１に入射し、当該偏光ビームスプリッタ４２１の偏光
分離部４２３によって、透過して進行射出するＰ偏光
と、反射されて隣接する偏光ビームスプリッタ４２２に
入射するＳ偏光とに分離される。Ｐ偏光は射出面に配置
したλ／２位相差膜４３１を経由することによりＳ偏光
に変換されて射出側レンズ４４０を経由して照明領域全
体をＳ偏光にて照明する。

【０００８】隣接偏光ビームスプリッタ４２２に入射し
たＳ偏光は当該偏光ビームスプリッタ偏光分離部４２４
にて反射されて進行方向を変換してＳ偏光で射出されレ
ンズ４４０を経由して照明領域をＳ偏光にて照明する。

【０００９】このように、第１のレンズ板３００と第２
のレンズ板４００を使用することにより、第１のレンズ
板３００の集光レンズ３０１の数だけ照明領域に対して
同じ振動方向を有する直線偏光光（上記説明ではＳ偏
光）にて照明できることから、均一性が優れ、且つ高輝
度な照明が達成できるとしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】最近、投射型表示装置
においては高輝度投射が必要になってきており、特に大
画面においてはその必要があるが、そのために、上記投
射型表示装置においては効率のよい光学設計がなされ、
照明領域への照明はその外周部に無駄な照明をしないよ
うに当該領域ぎりぎりに照明されるのが通常である。

【００１１】しかし、そうした場合スクリーン上の投射
像の上下左右の端に直線の暗線が投射されることがあっ
た。本発明者らは、投射型表示装置を研究し、前記暗線
は前記第１のレンズ板３００の集光レンズ３０１の隣接
の集光レンズ３０１との境界直線部３０１ａが投射さ
れ、当該境界直線部３０１ａが暗線として投射されてい
ることを見い出した。

【００１２】この画面端に出現する前記暗線を除去させ
るには、前記照明領域に対して大なる面積にて照明すれ
ばよいが、そうすることは前記照明領域に対する照明輝
度を減少させることになり、上記要求を満たすことがで
きない。

【００１３】本発明者らは、無駄な照明をすることな
く、さらに高輝度照明を達成するために、前記フライア
イインテグレータの第１レンズ板を構成するレンズ形状
を工夫することにより本発明を達成することができた。

【００１４】

【課題を解決するための手段】かかる課題を達成するた
め、請求項１に記載の本発明のフライアイインテグレー
タとしての構成は、複数のレンズを平面的に配置した第
１レンズ板と、複数のレンズを平面的に配置した第２レ
ンズ板とから構成されるフライアイインテグレータにお
いて、前記第１レンズ板の各レンズは、隣接レンズとの
境界部が滑らかに接続されているフライアイインテグレ
ータとするものである。

【００１５】請求項２に記載の本発明のフライアイイン
テグレータとしての構成は、複数のレンズを平面的に配
置した第１レンズ板と、複数のレンズを平面的に配置し
た第２レンズ板とから構成されるフライアイインテグレ
ータにおいて、前記第１レンズ板の各レンズの表面形状
は、レンズ周辺部では表面形状の外側に向かって曲率が
滑らかに大となるように変化し、隣接レンズとの境界部
では当該曲率が無限大となるような形状に形成されてい
るフライアイインテグレータとするものである。

【００１６】請求項３に記載の本発明の照明装置として
の構成は、光源と、前記光源を射出した光源光を分割す
る同じ開口形状を有する複数のレンズから構成される第
１レンズ板と、前記第１レンズ板のレンズの焦点位置に
配置される複数のレンズから構成される第２レンズ板
と、から構成される照明装置において、前記第１レンズ
板の各レンズの表面形状は、レンズ周辺部では表面形状
の外側に向かって曲率が滑らかに大となるように変化
し、隣接レンズとの境界部では当該曲率が無限大となる
ような形状に形成されている照明装置とするものであ
る。

【００１７】請求項４に記載の本発明の投射型表示装置
としての構成は、光源と、前記光源を射出した光源光を
分割する同じ開口形状を有する複数のレンズから構成さ
れる第１レンズ板と、前記第１レンズ板のレンズの焦点
位置に配置される複数のレンズから構成される第２レン
ズ板と、前記第２レンズ板から射出された光を赤、緑、
青の光に分解する色分解光学系と、前記色分解による各
色光を入射して変調して射出する各色光ごとに配置した
ライトバルブと、前記各色光ライトバルブからの変調光
を色合成する合成光学系と、前記合成光学系を射出した
光を投射する投射光学系と、を有する投射型表示装置に
おいて、前記第１レンズ板の各レンズの表面形状が、レ
ンズ周辺部では表面形状の外側に向かって曲率が滑らか
に大となるように変化し、隣接レンズとの境界部では当
該曲率が無限大となるような形状に形成されている投射
型表示装置とするものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて説明する。

【００１９】図１乃至図３には、この発明の実施の形態
を示す。図１はフルカラー投射型表示装置を示す構成図
である。

【００２０】図１中符号１は、ランプ１ａならびに楕円
鏡等の凹面鏡１ｂから構成される光源で、この光源１か
ら射出された光源光は、当該光源光を略平行光束に変換
する図示しない整形光学系を経て、第１レンズ板２に入
射される。この第１レンズ板２ならびに第２レンズ板３
で、いわゆるフライアイインテグレータが構成されてお
り、第１レンズ２はその光源側に配置されている。

【００２１】この第１レンズ板２の形状を示す斜視構成
図を図２に示す。本図は第１レンズ板２の射出面から見
た斜視構成図を示している。当該第１レンズ板２は、射
出面側から見てレンズ２ａを４×５の計２０個を平面的
に配置したものである。後述の本発明の内容から、当該
各レンズ２ａ間の境界部２ｂは明確ではないが、設計上
は各レンズ形状は、被照明物たるライトバルブ１７Ｂ，
１７Ｇ，１７Ｒの外形形状（長方形）と相似形状を有す
る外形形状（開口部形状）を呈し、これら各レンズ２ａ
が上記の配列にて平面的に配列した構成となっている。

【００２２】本発明は、第１レンズ板２のレンズ２ａの
表面の形状にその特徴を有する。図３にその表面形状が
理解しやすいように、厚みにて切断したそのレンズ板２
を構成するレンズ２ａの断面形状を示す。

【００２３】従来例においては同様な断面図を説明する
と、図４中、第１のレンズ板３００を構成する各レンズ
３０１は、そのレンズ表面形状が球面形状であって、各
レンズ３０１とも球状の一部を当該レンズに採用したも
のであって、隣接のレンズ３０１とは、不連続にて隣接
している。そして、各レンズ３０１の境界直線部３０１
ａは、第１のレンズ板３００のレンズ３０１の開口部形
状（外形形状）である長方形形状を有する境界形状を有
している。また、その境界直線部３０１ａにおいては、
隣接のレンズ３０１とはその断面形状において単純な球
状と球状の境界形状のみならず、隣接レンズ３０１間に
段差を有する場合もある。この不連続性が上記のように
境界直線部３０１ａの直線形状を形成することとなり、
当該境界直線部３０１ａが集光レンズアレイ４１０のレ
ンズ４１１によってライトバルブ５００上に結像され、
ライトバルブ５００上の直線形状の当該結像部が投射レ
ンズによってスクリーン上に投射されてしまっていたの
である。

【００２４】図３は、図２の第１レンズ板２の斜視構成
図のＡ−Ａ線に沿う断面図であって、当該レンズ板２の
厚み方向に沿って切断した図である。各レンズ２ａは隣
接するレンズ２ａとの境界部２ｂが連続的に接続され、
レンズ２ａは断面形状としてそれぞれ、レンズ周辺部で
は表面形状の外側に向かって曲率が滑らかに大となるよ
うに変化し、隣接レンズ２ａとの境界部２ｂでは当該曲
率が無限大となるような形状に形成されていることをそ
の特徴としている。

【００２５】なお、本実施の形態における第１レンズ板
２の光源光入射面は平面であって、射出面側に複数の表
面形状としてレンズ周辺部では表面形状の外側に向かっ
て曲率が滑らかに大となるようなレンズ２ａを形成した
構成となっている。

【００２６】この第１レンズ板２は通常プラスチック、
又はガラスから形成され、射出成形法にて作製される。

【００２７】図１に戻って、第１レンズ板２に入射した
光源光は、当該レンズ板２を構成する上記レンズ２ａの
焦点位置に配置したレンズ３ａが平面的に配置された第
２レンズ板３に入射され、各レンズ３ａ上の略中央部に
輝点を構成する。

【００２８】第２レンズ板３上の輝点から射出された光
は、この第２レンズ板３の射出面の近傍に配置された複
数の偏光ビームスプリッタ５から構成された偏光ビーム
スプリッタアレイ（ＰＣＳ）４と、その所定射出面に配
置した１／２波長位相板６とからなる偏光装置に入射さ
れてすべてＳ偏光に変換される。

【００２９】射出されたＳ偏光はフィールドレンズ７を
経由してＢ光反射ダイクロイックミラー１１と、Ｇ光・
Ｒ光反射ダイクロイックミラー１０とがＸ型に配置され
たクロスダイクロイックミラー９に入射され、Ｂ光と、
Ｇ光及びＲ光の混合光とに色分解される。

【００３０】Ｂ光反射ダイクロイックミラー１１に反射
されて進行するＢ光は、折曲げミラー１２、フィールド
レンズ１３Ｂを経てＢ光用偏光ビームスプリッタ１４Ｂ
に入射される。

【００３１】一方、Ｇ光・Ｒ光反射ダイクロイックミラ
ー１０にて反射されたＲ光，Ｇ光混合光は、折曲げミラ
ー１５を経てＧ光反射ダイクロイックミラー１６に入射
されて、Ｇ光とＲ光とに色分解される。色分解されたＧ
光はフィールドレンズ１３Ｇを経てＧ光用偏光ビームス
プリッタ１４Ｇへ、Ｒ光はフィールドレンズ１３Ｒを経
てＲ光用偏光ビームスプリッタ１４Ｒへ入射される。

【００３２】各色光用偏光ビームスプリッタ１４Ｂ，１
４Ｇ，１４Ｒに入射した光は、Ｓ偏光であるために各偏
光ビームスプリッタ１４Ｂ，１４Ｇ，１４Ｒの偏光分離
部によって反射されて射出され、射出面近傍に配置した
反射型ライトバルブ１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒに照明光と
して入射される。

【００３３】本発明にて採用した反射型ライトバルブ１
７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒは電気書き込み式反射型液晶ライ
トバルブであって、各色光の色信号によって入射光を変
調して反射する構成を有しており、当該変調光（Ｐ偏
光）と非変調光（Ｓ偏光）の混合光を反射射出する。

【００３４】前記各ライトバルブ１７Ｂ，１７Ｇ，１７
Ｒの射出光は、各色用偏光ビームスプリッタ１４Ｂ，１
４Ｇ，１４Ｒにそれぞれ入射し、偏光分離部によって変
調光のみを当該偏光ビームスプリッタ１４Ｂ，１４Ｇ，
１４Ｒの透過光として検光する。なお、非変調光はＳ偏
光であるので偏光分離部を反射して光軸を変えて偏光ビ
ームスプリッタ１４Ｂ，１４Ｇ，１４Ｒを射出し、廃棄
される。

【００３５】各色光用偏光ビームスプリッタ１４Ｂ，１
４Ｇ，１４Ｒを透過光として検光された変調光は、色合
成光学系を構成するクロスダイクロイックプリズム１８
にそれぞれの入射面から入射される。

【００３６】クロスダイクロイックプリズム１８は、断
面形状が正方形の正方柱プリズム中にＢ光反射ダイクロ
イック膜１８ＢとＲ光反射ダイクロイック膜１８ＲがＸ
型に配置されるように構成されたプリズムであって、入
射したＲ光ならびにＢ光変調光は、Ｒ光反射ダイクロイ
ック膜１８Ｒ、Ｂ光反射ダイクロイック膜１８Ｂに反射
されて光軸を同じ方向に変え、さらに入射Ｇ光変調光は
当該プリズム１８をそのまま進行して、前記Ｒ光、Ｂ光
と同じ方向に進行、射出され、色合成が達成される。

【００３７】前記合成光は投射光学系を構成する投射レ
ンズ１９に入射され、図示しないスクリーン上にフルカ
ラー像として投射されるのである。

【００３８】さて、本発明においては前記のように第１
レンズ板２として図２ならびに図３に示すように各レン
ズ２ａの境界部２ｂが滑らかに接続されているために、
その境界部２ｂに直線不連続線を構成することがない。

【００３９】第１レンズ板２のレンズ２ａは、対応する
第２レンズ板３のレンズ３ａに対して、被照明物たるラ
イトバルブ１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒと共役の関係にある
ために、レンズ２ａの外形形状は、ライトバルブ１７
Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒの外形と相似形状となっている。前
述のように第１レンズ板２のレンズ２ａは、レンズ周辺
部では表面形状の外側に向かって曲率が滑らかに大とな
るように変化し、隣接レンズ２ａとの境界部２ｂでは当
該曲率が無限大となるような形状に形成されているため
に当該レンズ２ａの境界部２ｂの位置は外見的に不明確
となっている。

【００４０】レンズ２ａの全体が対応するレンズ３ａに
よってライトバルブ１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒ上に照明さ
れるわけであるが、照明効率を考えると第２レンズ板３
のレンズ３ａならびにフィールドレンズ１３Ｂ，１３
Ｇ，１３Ｒ等の光学設計の照明効率は無駄のない設計が
なされる。照明領域を被照明物より大きくすれば、照明
輝度が悪くなってしまうからである。しかし、光学部品
の取り付け等には誤差が存在するために、その照明位置
にズレが生じることとなるが、本発明の実施の形態にお
ける第１レンズ板２を使用すれば隣接レンズ２ａとの境
界部２ｂには明確な不連続部が存在しないために、前記
誤差を有して取り付けてもライトバルブ１７Ｂ，１７
Ｇ，１７Ｒ上に従来例のように直線暗部を照明してしま
うことはない。このために、ライトバルブ１７Ｂ，１７
Ｇ，１７Ｒからの射出光を色合成して投射レンズ１９で
スクリーン上に投射する構成の投射型表示装置におい
て、スクリーン上の両脇近傍に直線暗部が投射されるこ
ともない。

【００４１】また、本発明においては、第１レンズ板２
のレンズ２ａは、その断面形状として前記のように、レ
ンズ周辺部では表面形状の外側に向かって曲率が滑らか
に大となるように変化し、隣接レンズ２ａとの境界部２
ｂでは当該曲率が無限大となるような形状に形成されて
いるために、当該レンズ２ａがその断面形状として球状
を有している従来例と比較して、入射光源光に対して、
第２レンズ板３のレンズ３ａへの結像に対して球面収差
が小さくなるという効果を有する。これは、第２レンズ
板３上に形成される輝点を点光源により近づけることが
できることを意味し、ライトバルブ１７Ｂ，１７Ｇ，１
７Ｒへのより高輝度の照明が達成できる効果を有するこ
ととなる。

【００４２】なお、図１に示す投射型表示装置において
は、第１レンズ板２の配置として、レンズ２ａは光源１
から見て射出方向に配置され、当該レンズ板２の入射面
は平面を構成する方式であるが、光源１からみて、入射
面にレンズ２ａのレンズ面を配置し、射出側に平面を配
置する構成としても良い。

【００４３】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１に記
載された発明によれば、フライアイインテグレータを構
成する第１レンズ板の各レンズの境界部を滑らかに接続
する構成とすることにより、スクリーンに投射する投射
像として高輝度化を達成できるだけでなく、投射像の端
部に直線暗部を投射してしまう欠点をなくすことができ
る。

【００４４】請求項２乃至４の何れかに記載された発明
によれば、上記効果に加え、各レンズの表面形状は、レ
ンズ周辺部では表面形状の外側に向かって曲率が滑らか
に大となるように変化し、隣接レンズとの境界部では当
該曲率が無限大となるような形状に形成されているた
め、高輝度の照明が達成できる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる投射型表示装置の
全体構成図。

【図２】本発明の実施の形態にかかる第１レンズ板の斜
視構成図。

【図３】本発明の実施の形態にかかる図２のＡ−Ａ線に
沿う断面図。

【図４】従来の第１レンズ板を使用した照明装置の構成
図。

【図５】従来の第１レンズ板を示す斜視構成図。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 第１レンズ板 ２ａ 第１レンズ板を構成するレンズ ３ 第２レンズ板 ３ａ 第２レンズ板を構成するレンズ ４ 偏光ビームスプリッタアレイ ５ 偏光ビームスプリッタ ６ １／２波長位相板 ７ フィールドレンズ ９ クロスダイクロイックミラー（色分解光学系） １０ Ｂ光反射ダイクロイックミラー（色分解光学系） １１ Ｒ・Ｇ光反射ダイクロイックミラー（色分解光学
系） １２，１５ 折曲げミラー １６ Ｒ光反射ダイクロイックミラー（色分解光学系） １３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ フィールドレンズ １４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂ 偏光ビームスプリッタ １７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂ 反射型ライトバルブ １８ クロスダイクロイックプリズム（合成光学系） １８Ｒ Ｒ光反射ダイクロイック膜（合成光学系） １８Ｂ Ｂ光反射ダイクロイック膜（合成光学系） １９ 投射レンズ（投射光学系）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のレンズを平面的に配置した第１レン
   ズ板と、複数のレンズを平面的に配置した第２レンズ板
   とから構成されるフライアイインテグレータにおいて、 前記第１レンズ板の各レンズは、隣接レンズとの境界部
   が滑らかに接続されていることを特徴とするフライアイ
   インテグレータ。
2. 【請求項２】複数のレンズを平面的に配置した第１レン
   ズ板と、複数のレンズを平面的に配置した第２レンズ板
   とから構成されるフライアイインテグレータにおいて、 前記第１レンズ板の各レンズの表面形状は、レンズ周辺
   部では表面形状の外側に向かって曲率が滑らかに大とな
   るように変化し、隣接レンズとの境界部では当該曲率が
   無限大となるような形状に形成されていることを特徴と
   するフライアイインテグレータ。
3. 【請求項３】光源と、 前記光源を射出した光源光を分割する同じ開口形状を有
   する複数のレンズから構成される第１レンズ板と、 前記第１レンズ板のレンズの焦点位置に配置される複数
   のレンズから構成される第２レンズ板と、から構成され
   る照明装置において、 前記第１レンズ板の各レンズの表面形状は、レンズ周辺
   部では表面形状の外側に向かって曲率が滑らかに大とな
   るように変化し、隣接レンズとの境界部では当該曲率が
   無限大となるような形状に形成されていることを特徴と
   する照明装置。
4. 【請求項４】光源と、 前記光源を射出した光源光を分割する同じ開口形状を有
   する複数のレンズから構成される第１レンズ板と、 前記第１レンズ板のレンズの焦点位置に配置される複数
   のレンズから構成される第２レンズ板と、 前記第２レンズ板から射出された光を赤、緑、青の光に
   分解する色分解光学系と、 前記色分解による各色光を入射して変調して射出する各
   色光ごとに配置したライトバルブと、 前記各色光ライトバルブからの変調光を色合成する合成
   光学系と、 前記合成光学系を射出した光を投射する投射光学系と、 を有する投射型表示装置において、 前記第１レンズ板の各レンズの表面形状が、レンズ周辺
   部では表面形状の外側に向かって曲率が滑らかに大とな
   るように変化し、隣接レンズとの境界部では当該曲率が
   無限大となるような形状に形成されていることを特徴と
   する投射型表示装置。