JP2001125196A - 照明装置及び投射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】投射装置の反射鏡を放物鏡とし、放物鏡の出射
側に設けられたアフォーカルコンバーター系によって、
投射レンズの光量損失を減少させることができ、ランプ
の交換によっても安定して光量アップが可能となる照明
装置及び投射装置を提供する。 【解決手段】照明装置や投射装置において、光源と該光
源からの光を集光する集光素子とを備える光源手段と、
該装置からの光のうちの中心部の光束を伸長し且つ周辺
部の光束を圧縮する光学系とを有し、投射レンズの光量
損失を減少させることができ、ランプの交換によっても
安定して光量アップが可能となるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パソコンの画像
や、ＴＶ・映画等の画像をスクリーン等に投影するため
の照明装置や投射装置に関し、特に、投射装置の光源の
射出側に設けられたレンズ系によって、投射レンズの光
量損失を減少させることができ、大幅な光量アップが可
能となるようにした照明装置や投射装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、光源からの光を放物鏡で集光し、
その光束を画像表示素子に導き、投射レンズを介して拡
大投影する投射装置においては、光源からの光を集光す
るために、光源などのランプを放物鏡の焦点の位置に配
置し、放物鏡から平行光束として放射する構成となって
いた。このような従来の画像投射装置の構成を図１１に
示す。同図において、１は放電ランプなどの光源、２は
放物鏡である。３はインテグレーターで、レンズアレイ
３１と３２から成っている。また、４は無偏光光を特定
の偏光方向にそろえる偏光変換素子で、偏光分離面４
１、反射面４２、１／２波長板４３から成っている。５
は集光レンズ、６Ｒ，６Ｇ，６ＢはＲＧＢ各色の画像を
表示する画像表示素子、７，８は色分解系を構成してい
るダイクロミラーである。９はＢの照明光を画像表示素
子に導くリレー系で、リレーレンズ９１，９２とミラー
９３，９４から成っている。１０，１１はミラー、１２
Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂは照明光を投射レンズに伝達するコ
ンデンサーレンズ、１３はＲＧＢの光を一つに合成する
色合成プリズム、１４は投射レンズである。

【０００３】従来の画像投射装置においては、上記構成
により、光源からの光を放物鏡で集光し、インテグレー
ター３で均一化した照明光束を偏光変換素子４で特定の
偏光方向に揃えた後、ミラー１０，１１、ダイクロミラ
ー７，８、リレー系９等を介して画像表示素子６Ｒ，６
Ｇ，６Ｂに導き、色合成プリズム１３で一つの光に合成
して、投射レンズを介して拡大投影する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】光源から放射される光
をより効率的に照明に使用するためには、反射鏡が大き
いほどよい。しかし、画像表示素子に対する照明系のＦ
ｎｏは図１２のようにインテグレーターのレンズアレイ
の大きさＬｐとレンズアレイから画像表示素子までの距
離Ｌ１で Ｆｎｏ＝Ｌ１／Ｌｐ と決定される。ただし、図１２は矩形のレンズアレイの
辺方向の断面図であるので、実際は対角方向の寸法で決
まる。この照明光を効率よくスクリーンに投影するため
には、この照明系のＦｎｏと同等かより明るいＦｎｏの
投射レンズが必要となる。また、近年液晶プロジェクタ
ーにみられるように画像表示の各画素にマイクロレンズ
を設け、画像表示素子の画素での損失を低減する構成で
は、さらにマイクロレンズのＦｎｏと照明系のＦｎｏを
あわせたＦｎｏと同等かより明るいＦｎｏの投射レンズ
が必要となる。よって反射鏡で反射した光をスクリーン
まで伝達するためには照明系のＦｎｏを大きくする必要
がある。これを実現する方法として、図１４に示すよう
に非球面の反射鏡２０１と非球面レンズ２００を用いる
方法が特開平０７−１７４９７４号公報に開示されてい
る。ここでは、非球面レンズ２０２を通過した光束が、
すべて光軸２０３に対してθ度以内の角度となるように
リフレクタ２０１及び非球面レンズ２０２の形状を決定
するとされている。このようなリフレクタ及び非球面レ
ンズの構成による系を通過した光束は、角度分布が均一
となっているので、インテグレータ照明系の第２のレン
ズ板上にできる光源像は、レンズアレイ２０４内で中心
部の光源像と周辺部の光源像の大きさが、ほぼ同じにな
って中心部での光量損失がなくなるとしている。

【０００５】しかしながら、上記の従来例においては、
反射鏡と非球面レンズの組み合わせにより見かけの光源
サイズを小さくし、照明系のＦｎｏを大きくしようとし
ているが、光源であるランプには寿命があり、装置とし
て必ずランプを交換する必要がある。そのとき、従来例
のような構成では、ランプと反射鏡を交換したときのラ
ンプと反射鏡の位置と非球面レンズの位置の再現性が高
い精度で必要となる。これらの位置関係がくずれてしま
うとレンズアレイ上にできる光源像がレンズアレイのレ
ンズからずれてしまい、光量を損失してしまう問題があ
る。また、これを防ぐために反射鏡と非球面レンズを一
体構造とし交換する構造にしてしまうと交換ランプのコ
ストが増大してしまうという別の問題があった。

【０００６】そこで、本発明は、投射装置の反射鏡を放
物鏡とし、放物鏡の出射側に設けられたアフォーカルコ
ンバーター系によって、投射レンズの光量損失を減少さ
せることができ、ランプの交換によっても安定して光量
アップが可能となる照明装置及び投射装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するため、つぎの１〜９のように構成した照明装置及
び投射装置を提供する。 １．光源と該光源からの光を集光する集光素子とを備え
る光源装置と、該装置からの光のうちの中心部の光束を
伸長し且つ周辺部の光束を圧縮する光学系と、を有する
ことを特徴とする照明装置。 ２．ランプと該ランプからの光を反射してほぼ平行な光
に変換する放物鏡とを備えるランプユニットと、該ラン
プユニットからの平行光のうちの中心部の光束を発散さ
せ且つ周辺部の光束を収斂させる第１の非球面レンズ及
び該第１の非球面レンズからの前記中心部の光束と前記
周辺部の光束のそれぞれを平行光束にする第２の非球面
レンズを備えるアフォーカル光学系と、を有することを
特徴とする照明装置。 ３．前記光学系からの光で照明される少なくとも１群の
フライアイレンズまたは少なくとも１群のレンチキュラ
ーレンズと、該少なくとも１群のフライアイレンズまた
はレンチキュラーレンズからの複数の光束を被照明面上
に重ね合わせる集光光学系を有することを特徴とする上
記１または上記２の照明装置。 ４．前記少なくとも１群のフライアイレンズまたはレン
チキュラーレンズからの複数の光束で照明される偏光変
換光学系を有し、該光学系により該複数の光束のそれぞ
れを直線偏光光に変換することを特徴とする上記３に記
載の照明装置。 ５．前記ランプユニットや前記光源装置は取り外し可能
であることを特徴とする上記１〜５のいずれかに記載の
照明装置。 ６．前記第１の非球面レンズが、が、レンズの中心部で
は発散作用を、周辺部では収束作用を有するレンズで構
成され、前記第２の非球面レンズが、レンズの中心部で
は収束作用を、周辺部では発散作用を有するレンズで構
成されていることを特徴とする上記２〜５のいずれかに
記載の照明装置。 ７．前記第１の非球面レンズが、レンズ中心部から周辺
部に向かって凹面形状から凸面形状に変化する非球面を
有する非球面レンズであり、前記第２の非球面レンズ
が、レンズ中心部から周辺部に向かって凸面形状から凹
面形状に変化する非球面を有する非球面レンズであるこ
とを特徴とする上記６に記載の照明装置。 ８．前記非球面形状を、次式（１）の光軸方向ｚと光軸
からの高さｈの関数で表し、次式（２）を満足する高さ
ｈｈを非球面の変曲点とした場合における第１のレンズ
の変曲点をｈｈ１、第２のレンズの変曲点をｈｈ２とし
たとき、前記非球面形状が、次式（３）を満足すること
を特徴とする上記７に記載の照明装置。 ｚ＝Ｓ（ｈ）……（１） ｄｚ／ｄｈ＝ｄＳ（ｈ）／ｄｈ＝０……（２） ０．９＜ｈｈ２／ｈｈ１＜１．１ ……（３） ９．上記１〜８のいずれかに記載の照明装置により一つ
または複数の画像表示素子を照明し、該画像表示素子か
らの画像光を投射光学系により投射することを特徴とす
る投射装置。

【０００８】

【発明の実施の形態】上記構成によれば、具体的には、
例えば、光源からの光を集光した放物鏡の射出側に非球
面を有する第１、第２のレンズからなるアフォーカルコ
ンバーター系を設けることにより、放物鏡からの光束を
圧縮し、放物鏡の系よりも光束の系を小さくし、画像表
示素子における照明系のＦｎｏが大きく（暗く）なるよ
うに変換することができ、投射レンズのＦｎｏを明るく
することなく、投射レンズにおける効率をアップするこ
とが可能となる。その際、アフォーカルコンバーター系
は径の中心付近においては負正の屈折力を有する組み合
わせで光束を伸長し、周辺部においては正負の屈折力を
有する組み合わせで光束を圧縮するように、アフォーカ
ルコンバーターを構成するレンズの非球面形状を決定す
ることにより、図１３に示すように光軸近傍の光束の平
行度を改善しつつ（ω′＜ω）光束全体を圧縮し、中心
部の光源像を従来よりも小さくすることができ、偏光変
換素子４を構成する偏光ビームスプリッターＰＳの入射
開口部Ｐでの損失を低減することができる。このよう
に、光束を変換する光学系をアフォーカル系とし、反射
鏡を放物鏡とすることにより反射鏡と光学系の位置ずれ
は照明光束の分布のわずかなずれでしかなく、光量アッ
プにはなんら影響を与えない。さらには、通常ランプの
陰となって光がこない部分に光束を広げることができる
ため、投射レンズにおける光の効率がさらにアップす
る。ここで、非球面の形状をレンズの径方向ｈと光軸方
向ｚの座標系で表し、この形状をｈで微分した値が０と
なる変曲点の位置ｈｈとするとき、第１のレンズの変曲
点ｈｈ１、第２のレンズの変曲点ｈｈ２とすると、 ０．９＜ｈｈ２／ｈｈ１＜１．１ となるように形状を設定することにより、より一層、変
曲部分での照明光の平行度の悪化を防ぐことが可能とな
る。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。 ［実施例１］放物鏡の焦点の位置に光源を置いたときに
放物鏡から放射する光は平行光束に変換されるが、光束
の強度分布は中心部が高く周辺部が低くなっている。こ
れは図８に示すように焦点位置Ｐから反射面Ｍまでの距
離が周辺部の方が長くなるためである。そこで、焦点位
置から放射する光線が放物鏡で反射し放射されるときの
光軸からの高さｈを光源から放射する光線と光軸のなす
角度θで表すと図１０のようなグラフとなる。（図１０
は焦点距離が６．５ｍｍのときのグラフである。） このグラフで曲線の傾斜が小さい（角度θが小さい）部
分が光線の密度が高く、傾斜が大きい部分が光線の密度
が低くなっていることを表している。光線の密度が高い
ところが、光源に広がりがあるときには光束の平行度が
悪くなっている。この曲線において光束を圧縮するため
には角度θの大きいところでのｈを小くし、かつ、中心
部での平行度を悪化させないためには角度θが小さいと
ころで曲線の傾斜が大きくなるように曲線の形状を変換
しなければならない。図１は、第１の変換例で、図１０
に示した曲線がｋ０で、角度θが７５度と８０度のとき
の曲線ｋ０上の点を通過する直線がｋ１で、変換後の曲
線がｋである。このときｋは角度θの関数として ｈ（θ）_ｋ＝Ｃ｛ｈ（θ）_ｋ１−ｈ（θ）_ｋ０｝＋ｈ（θ）_ｋ０…（１） として表され、この図１では Ｃ＝０．７ である。このような変換を実現するコンバーターレンズ
のデーターを表１に、その断面図を図２に示す。ここ
で、ｄは面ｒｉと面ｒｉ＋１の間隔、ｎ、νは面ｒｉに
おける屈折率とアッベ数Ｃ₁〜₁₀は非球面係数である。

【００１０】

【表１】 表１においてレンズの形状を表す関数は、図９のような
座標系において以下の関数式で表している。 ｚ＝Ｃ₁ｈ＋Ｃ₂ｈ² ＋Ｃ₃ｈ³ ＋Ｃ₄ｈ⁴ ＋Ｃ₅ｈ⁵＋Ｃ₆ｈ⁶
＋Ｃ₇ｈ⁷＋Ｃ₈ｈ⁸＋Ｃ₉ｈ ⁹＋Ｃ₁₀ｈ¹⁰ （ｈ＞０，ｚ軸のまわりに回転させた形状） また、図２においては光線の圧縮伸張がわかりやすいよ
うに等間隔の光線が入射したときの光線トレース図とし
て表している。これによれば周辺部の光線高が光軸に接
近し、光束径が８０％程度小さくなり、さらに中心部で
は光線の間隔が広がって平行度がよくなり、光軸部分の
遮光される部分（図中では斜線部）が縮小していること
がわかる。このようなコンバーターレンズを従来例の図
１１に示すような投射装置の反射鏡とインテグレーター
との間に設けた構成を図３に示す。１５は非球面レンズ
１５１、１５２からなるコンバーターで、このコンバー
ター以外の構成要素は図１１と同じ符号で表している。

【００１１】このときの変曲点の位置は 第１のレンズ ｈｈ１＝１０．０９ 第２のレンズ ｈｈ２＝９．９９ で、その比は ｈｈ１／ｈｈ２＝１．０１ である。

【００１２】［実施例２］つぎにコンバーターレンズの
別の実施例を示す。図４はこの実施例における光線の変
換を表す図で、ｋ０は図１０の曲線を表し、ｋ１´は角
度θが５０度と１００度のときの曲線ｋ０上の点を透過
する直線で、先にしめした式（１）でＣ＝１とし、目標
の曲線を直線ｋ１´としている。このときのコンバータ
ーレンズのデーターを表２に、レンズの断面図を図５に
示す。

【００１３】

【表２】 このときの変曲点の位置は 第１のレンズ ｈｈ１１＝６．５９とｈｈ１２＝１５．７８ 第２のレンズ ｈｈ２１＝６．７９とｈｈ２２＝１５．５８ で、その比は ｈｈ１１／ｈｈ２１＝０．９７ ｈｈ１２／ｈｈ２２＝１．０１ である。

【００１４】［実施例３］つぎにコンバーターレンズの
さらに別の実施例を示す。図６はこの実施例における光
線の変換を表す図で、ｋ０は図１０の曲線を表し、ｋ１
´´は角度θが４０度と１１５度のときの曲線ｋ０上の
点を透過する直線で、先にしめした式（１）でＣ＝１．
２とし、目標の曲線を ｈ（θ）_ｋ＝Ｃ｛ｈ（θ）_ｋ１´´−ｈ（θ）_ｋ０｝＋
ｈ（θ）_ｋ０ としている。このときのコンバーターレンズのデーター
を表３に、レンズの断面図を図７に示す。

【００１５】

【表３】 このときの変曲点の位置は 第１のレンズ ｈｈ１１＝４．７９とｈｈ１２＝２０．４８ 第２のレンズ ｈｈ２１＝４．７９とｈｈ２２＝２０．４８ で、その比は ｈｈ１１／ｈｈ２１＝１．００ ｈｈ１２／ｈｈ２２＝１．００ である。上記実施例においては、コンバーターレンズは
屈折系のレンズで表しているが、本発明においては、屈
折面を回折作用を有する回折面に置き換えて実現しても
よい。また、変換を表す式は式（１）に限られるもので
はなく同様な効果が得られるものであればどのような形
式でもよい。

【００１６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、投射装置の反射鏡を放物鏡とし、放物鏡の出射側に
設けられたアフォーカルコンバーター系によって、投射
レンズの光量損失を減少させることができ、ランプの交
換によっても安定して光量アップが可能となる照明装置
及び投射装置を実現することができる。また、本発明に
よれば、光束を変換する光学系をアフォーカル系とし、
反射鏡を放物鏡とすることにより反射鏡と光学系の位置
ずれは照明光束の分布のわずかなずれでしかなく、光量
アップにはなんら影響を与えない照明装置及び投射装置
を実現することができる。また、本発明によれば、光源
の射出側に設けた第１のレンズと第２のレンズとで、レ
ンズの中心付近においては光束を伸長し、周辺部におい
ては光束を圧縮するように構成することによって、照明
光束の中心部の平行度を悪化させることなく照明系の光
束径を小さくし、照明系のＦｎｏを大きく（暗く）なる
ように変換することができ、投射レンズによる光量損失
を減少させることが可能となり、特に、画像表示素子に
画像を形成する画素にマイクロレンズを配置した液晶パ
ネルを用いた投影装置において大幅な光量アップが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における第１のコンバーター
の変換作用を表す図。

【図２】本発明の実施例１における第１のコンバーター
の断面図。

【図３】本発明の実施例１におけるコンバーターを組み
込んだ投射装置の図。

【図４】本発明の実施例２における第２のコンバーター
の変換作用を表す図。

【図５】本発明の実施例２における第２のコンバーター
の断面図。

【図６】本発明の実施例３における第３のコンバーター
の変換作用を表す図。

【図７】本発明の実施例３における第３のコンバーター
の断面図。

【図８】反射鏡での光線の状態を説明する図。

【図９】非球面の形状を表す座標系の説明図。

【図１０】反射鏡における光線の角度と高さの関係を表
した図。

【図１１】従来例の画像投射装置の構成を示す図。

【図１２】インテグレーターの作用を説明する図。

【図１３】照明光の平行度と２次光源の大きさを説明す
る図。

【図１４】従来例を説明する図。

【符号の説明】

１：光源 ２：放物鏡 ３：インテグレーター ４：偏光変換素子 ５：集光レンズ ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ：画像表示素子 ７，８：ダイクロミラー ９：リレー系 １０，１１：ミラー １２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ：コンデンサーレンズ １３：色合成プリズム １４：投射レンズ １５：コンバーター

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と該光源からの光を集光する集光素子
   とを備える光源手段と、該装置からの光のうちの中心部
   の光束を伸長し且つ周辺部の光束を圧縮する光学系と、 を有することを特徴とする照明装置。
2. 【請求項２】ランプと該ランプからの光を反射してほぼ
   平行な光に変換する放物鏡とを備えるランプユニット
   と、 該ランプユニットからの平行光のうちの中心部の光束を
   発散させ且つ周辺部の光束を収斂させる第１の非球面レ
   ンズ及び該第１の非球面レンズからの前記中心部の光束
   と前記周辺部の光束のそれぞれを平行光束にする第２の
   非球面レンズを備えるアフォーカル光学系と、 を有することを特徴とする照明装置。
3. 【請求項３】前記光学系からの光で照明される少なくと
   も１群のフライアイレンズまたは少なくとも１群のレン
   チキュラーレンズと、該少なくとも１群のフライアイレ
   ンズまたはレンチキュラーレンズからの複数の光束を被
   照明面上に重ね合わせる集光光学系を有することを特徴
   とする請求項１または請求項２の照明装置。
4. 【請求項４】前記少なくとも１群のフライアイレンズま
   たはレンチキュラーレンズからの複数の光束で照明され
   る偏光変換光学系を有し、該光学系により該複数の光束
   のそれぞれを直線偏光光に変換することを特徴とする請
   求項３に記載の照明装置。
5. 【請求項５】前記ランプユニットや前記光源手段は取り
   外し可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
   か１項に記載の照明装置。
6. 【請求項６】前記第１の非球面レンズが、レンズの中心
   部では発散作用を、周辺部では収束作用を有するレンズ
   で構成され、 前記第２の非球面レンズが、レンズの中心部では収束作
   用を、周辺部では発散作用を有するレンズで構成されて
   いることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記
   載の照明装置。
7. 【請求項７】前記第１の非球面レンズが、レンズ中心部
   から周辺部に向かって凹面形状から凸面形状に変化する
   非球面を有する非球面レンズであり、前記第２の非球面
   レンズが、レンズ中心部から周辺部に向かって凸面形状
   から凹面形状に変化する非球面を有する非球面レンズで
   あることを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
8. 【請求項８】前記非球面形状を、次式（１）の光軸方向
   ｚと光軸からの高さｈの関数で表し、 次式（２）を満足する高さｈｈを非球面の変曲点とした
   場合における第１のレンズの変曲点をｈｈ１、第２のレ
   ンズの変曲点をｈｈ２としたとき、 前記非球面形状が、次式（３）を満足することを特徴と
   する請求項７に記載の照明装置。 ｚ＝Ｓ（ｈ）……（１） ｄｚ／ｄｈ＝ｄＳ（ｈ）／ｄｈ＝０……（２） ０．９＜ｈｈ２／ｈｈ１＜１．１ ……（３）
9. 【請求項９】請求項１〜８のいずれか１項に記載の照明
   装置により一つまたは複数の画像表示素子を照明し、該
   画像表示素子からの画像光を投射光学系により投射する
   ことを特徴とする投射装置。