JP2000162542A - 光照射装置および画像投射装置 - Google Patents

光照射装置および画像投射装置

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JP2000162542A
JP2000162542A JP10340655A JP34065598A JP2000162542A JP 2000162542 A JP2000162542 A JP 2000162542A JP 10340655 A JP10340655 A JP 10340655A JP 34065598 A JP34065598 A JP 34065598A JP 2000162542 A JP2000162542 A JP 2000162542A
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light
lens
eye lens
lens array
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Atsushi Okuyama
奥山　　敦
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    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3102—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フライアイレンズアレイに入射する照明光の
平行度が悪いとこのレンズアレイによる集光スポットが
大きくなり、偏光変換に使用できる光量の比率が低下し
てしまう。 【解決手段】 光源１からの光を複数の偏光分離部５ａ
を有する偏光変換素子５を通して射出する光照射装置に
おいて、光源側から順に、第１のフライアイレンズアレ
イ３ｂと、第２のフライアイレンズアレイ４ｂとを配置
し、第１のフライアイレンズアレイよりも光源側に負の
屈折力を有する第１のレンズ３ａを配置するとともに、
第２のフライアイレンズアレイよりも光源側に、例えば
第１のフライアイレンズアレイを構成する各レンズから
射出して第２のフライアイレンズアレイを構成する各レ
ンズの頂点を通る光束を所定の基準光軸に対して平行と
する正の屈折力を有する第２のレンズ４ａを配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、画像表示素子を均
一に照明する場合等に用いられる光照射装置に関し、さ
らに詳しくはこの光照射装置を照明系に用いた液晶プロ
ジェクター等の画像投射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、液晶表示素子に表示された画像を
拡大投影する液晶プロジェクターには、白色光源から放
射する光を反射鏡により特定の方向に集光し、フライア
イレンズインテグレーターにより液晶画像表示素子を均
一に照明する照明系が用いられる。この照明系には、特
開平８−３０４７３９号公報等にて提案されているよう
に、液晶表示素子の偏光特性に合わせて照明光の偏光方
向を揃える偏光変換素子が用いられる。
【０００３】ここで、図１２には、上記公報提案の照明
系（偏光変換系）を示している。この図に示すように、
２つのフライアイレンズアレイ１０１、１０２と偏光変
換素子１０３とを組み合わせる場合、偏光の分離は第２
のフライアイレンズアレイ１０２の近傍にできる第１の
フライアイレンズアレイ１０１の集光位置で無偏光な照
明光をＰ成分とＳ成分に分離する構成となる。つまり、
第２のフライアイレンズアレイ１０２を構成する各レン
ズのピッチの半分の領域Ｆａを透過した光だけが偏光変
換されることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１２
のような構成においては、第１のフライアイレンズアレ
イ１０１に入射する照明光の平行度が悪い（照明角αが
大きい）ときには第１のフライアイレンズアレイ１０１
による集光スポット（点像）が大きくなるために、光が
領域Ｆａの範囲よりも外側にはみだし、偏光変換に使用
できる光量の比率が低下してしまうという問題がある。
例えば、特開平１０−１３３１９８号公報にて提案され
ているような、楕円鏡と凹レンズとを組み合わせ、照明
光をより狭い領域に圧縮するような構成としたときは、
楕円形状による正のパワーと凹レンズの負のパワーによ
り、正負のテレコンバーターと同様な作用となり、放物
鏡で集光する構成に対して凹レンズを射出する照明光の
平行度が悪化する（照明角が増大する）ように変換され
てしまう。このため、これに特開平８−３０４７３９号
公報にて提案の偏光変換素子を用いたとしても、第２の
フライアイレンズアレイのレンズピッチの半分の領域Ｆ
ａを透過する光の割合が低下し、所望の光量アップが望
めないこととなる。
【０００５】また、特開平１０−１３３１４１号公報に
て提案されているように、楕円鏡と凹レンズとを組み合
わせ、偏光変換素子をフライアイレンズアレイの間に設
けた場合でも、偏光方向を揃える領域（Ｐ成分の光が透
過する領域とＳ成分の光が透過する領域）が、第２のフ
ライアイレンズアレイの近傍に、第２のフライアイレン
ズのレンズピッチの半分の領域相当として設けているた
めに、同様に偏光変換される光の比率の低下が起きてし
まう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本願第１の発明では、光源側から順に、第１のフ
ライアイレンズアレイと、第２のフライアイレンズアレ
イとを配置し、第１のフライアイレンズアレイよりも光
源側に負の屈折力を有する第１のレンズを配置するとと
もに、第２のフライアイレンズアレイよりも光源側に、
例えば第１のフライアイレンズアレイを構成する各レン
ズから射出して第２のフライアイレンズアレイを構成す
る各レンズの頂点を通る光束を所定の基準光軸に対して
平行とする正の屈折力を有する第２のレンズを配置して
いる。
【０００７】また、本願第２の発明では、光源側から順
に、第１のフライアイレンズアレイと、第２のフライア
イレンズアレイとを配置し、第１のフライアイレンズア
レイよりも光源側に負の屈折力を有する第１のレンズを
配置するとともに、第２のフライアイレンズアレイを構
成する各レンズに、第１のフライアイレンズアレイを構
成する各レンズから射出してこれら各レンズの頂点を通
る光束を所定の基準光軸に対して平行とする正の屈折力
を持たせている。
【０００８】このような構成によれば、まず、負の屈折
力を有する第１のレンズの作用により、第１のフライア
イレンズアレイを構成する個々のレンズの頂点を透過す
る光線（個々のレンズの主光線）が任意の基準光軸（例
えば、反射鏡の光軸）に対して発散するように設定され
る。このため、第１のフライアイレンズアレイにより照
明光を第２のフライアイレンズアレイの近傍に集光する
ときに、それぞれの集光点のピッチが第１のフライアイ
レンズアレイのレンズピッチよりも大きくなる。したが
って、例えば第２のフライアイレンズアレイのレンズピ
ッチの半分の領域を開口部とし、開口部から入射した光
束をＰ成分とＳ成分に分離する微小な偏光分離部を複数
有するとともに、射出面に位相板を設けて一方または両
方の偏光方向を変換することにより偏光方向を揃える偏
光変換素子を用いる場合に、この偏光変換素子に入射す
る光の入射時の損失を少なくすることができる。
【０００９】また、第２のフライアイレンズアレイより
も光源側に設けた正の屈折力を有する第２のレンズの作
用又はレンズアレイを構成する各レンズを偏心させる等
して正の屈折力を持たせた第２フライアイレンズアレイ
の作用により、第１のフライアイレンズアレイを発散方
向に射出して第２のレンズアレイを構成する各レンズの
頂点を透過する光線（個々のレンズの主光線）が、基準
光軸（例えば、反射鏡の光軸）に対してほぼ平行（テレ
セントリック）になる。これにより、偏光変換素子の各
偏光分離部に対して光束が４５度で入射するように設定
することができ、偏光分離膜の入射角度特性による光量
の損失をなくすることができるようになる。
【００１０】なお、上記第１の発明においては、光源側
から順に、負の屈折力を有する第１のレンズと、第１の
フライアイレンズアレイと、正の屈折力を有する第２の
レンズと、第２のフライアイレンズアレイと、偏光変換
素子とを配置してもよい。この場合、第２のフライレン
ズアレイを構成する各レンズのピッチを、第１のフライ
レンズアレイを構成する各レンズのピッチよりも大きく
したり、偏光変換素子の各偏光分離部のピッチを第１の
フライレンズアレイを構成する各レンズのピッチよりも
大きくするのが望ましい。
【００１１】また、上記第１の発明においては、光源側
から順に、負の屈折力を有する第１のレンズと、第１の
フライアイレンズアレイと、偏光変換素子と、正の屈折
力を有する第２のレンズと、第２のフライアイレンズア
レイとを配置してもよい。この場合、第２のフライレン
ズアレイを構成する各レンズのピッチを、第１のフライ
レンズアレイを構成する各レンズのピッチよりも大きく
するのが望ましい。
【００１２】また、上記第１の発明においては、光源側
から順に、負の屈折力を有する第１のレンズと、第１の
フライアイレンズアレイと、正の屈折力を有する第２の
レンズと、偏光変換素子と、第２のフライアイレンズア
レイとを配置してもよい。この場合、偏光変換素子の各
偏光分離部のピッチを、第１のフライレンズアレイを構
成する各レンズのピッチよりも大きくするのが望まし
い。
【００１３】以上の発明において、第１のレンズと第１
のフライアイレンズアレイ又は第２のレンズと第２のフ
ライアイレンズアレイとを別々に構成してもよいし、こ
れらが互いに隣接するよう一体成形してもよい。但し、
第１のレンズと第１のフライアイレンズアレイとを別々
に構成した場合は、第１のレンズの屈折率を高く（望ま
しくは、１．７以上に）して負のレンズの曲率半径が大
きくなるようにした方が照明装置をコンパクトにするこ
とができる。
【００１４】また、第１のフライアイレンズアレイの作
用により集光される集光点を第２のフライアイレンズア
レイの近傍に設けることにより、偏光変換素子における
光のケラレが減少する。さらに、第２のフライアイレン
ズアレイの第１のフライアイレンズアレイ側の焦点位置
を第１のフライアイレンズアレイの近傍に設けることに
より、第１のフライアイレンズアレイによる収斂光束を
効率よく画像表示素子上に重ねあわせることができるよ
うになる。
【００１５】本発明においてこのような条件を満たすた
めには、第１のフライアイレンズアレイの個々のレンズ
の焦点距離よりも、第２のフライレンズアレイの個々の
レンズの焦点距離を短くする必要がある。
【００１６】さらに、本願第３の発明では、光源からの
光を複数の偏光素子を配列した偏光素子アレイを介して
被照射物体に照射する光照射装置において、フライアイ
レンズに発散光を照射することで該フライアイレンズに
よりそのレンズの配列周期よりも配列周期が大なる複数
の光源像を形成し、該複数個の光源像を形成する光束を
前記第１のフライアイレンズのレンズの配列よりも偏光
素子の配列周期が大なる偏光素子アレイに指向するよう
にしている。
【００１７】また、本願第４の発明では、光源からの光
を複数の偏光素子を配列した偏光素子アレイを介して被
照射物体に照射する光照射装置において、第１のフライ
アイレンズに発散光を照射することで該第１のフライア
イレンズによりそのレンズの配列周期よりもレンズの配
列周期が大なる複数の光源像を形成し、該複数個の光源
像を形成する光束を前記第１のフライアイレンズのレン
ズの配列周期よりもレンズの配列周期が大なる第２のフ
ライアイレンズを介して、前記第１のフライアイレンズ
のレンズの配列周期よりも偏光素子の配列周期が大なる
偏光素子アレイに指向するようにしている。
【００１８】また、本願第５の発明では、光源からの光
を複数の偏光素子を配列した偏光素子アレイ介して被照
射物体に照射する光照射装置において、第１のフライア
イレンズに発散光を照射することで該第１のフライアイ
レンズによりそのレンズの配列周期よりも配列周期が大
なる複数の光源像を形成し、該複数個の光源像を形成す
る光束を例えばコリメータレンズで平行光に変換した後
で前記第１のフライアイレンズのレンズの配列周期より
も偏光素子の配列周期が大なる偏光素子アレイに指向す
るようにしている。
【００１９】なお、上記第５の発明では、偏光素子アレ
イからの光を受ける、第１のフライアイレンズのレンズ
の配列周期よりもレンズの配列周期が大なる第２のフラ
イアイレンズを設けるようにしてもよい。
【００２０】また、本願第６の発明では、光源からの光
を複数の偏光素子を配列した偏光素子アレイを介して被
照射物体に照射する光照射装置において、第１のフライ
アイレンズに発散光を照射することで該第１のフライア
イレンズによりそのレンズの配列周期よりも配列周期が
大なる複数の光源像を形成し、該複数個の光源像を形成
する光束を例えばコリメータレンズで平行光に変換した
後又は変換する前に、前記第１のフライアイレンズのレ
ンズの配列周期よりもレンズの配列周期が大なる第２フ
ライアイレンズを通して、前記第１のフライアイレンズ
のレンズの配列周期よりも偏光素子の配列周期が大なる
偏光素子アレイ指向するようにしている。
【００２１】なお、上記第３から第６の発明において
は、偏光素子に、偏光分離膜および１／２波長板のうち
少なくとも一方を設けるようにしてもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１には、本発
明の第１実施形態である光照射装置（照明系）を示して
いる。１は白色光源であり、２は楕円体形状をしたリフ
レクター（反射部材）である。光源１側から順に、３は
第１レンズアレイであり、光源１側に面して凹面形状を
した第１のレンズ部３ａと、光源１側とは反対側に面し
た複数のレンズが組み合わさってできた第１のフライア
イレンズアレイ部３ｂとを有するよう一体成形されてい
る。
【００２３】４は第２レンズアレイであり、光源１（第
１レンズアレイ３）側に面して凸面形状をした第２のレ
ンズ部４ａと、光源１（第１レンズアレイ３）側とは反
対側に面した複数のレンズが組み合わさってできた第２
のフライアイレンズアレイ部４ｂとを有するよう一体成
形されている。
【００２４】５は偏光変換素子であり、５ａは複数の偏
光分離膜、５ｂは複数の反射面、５ｃは複数の１／２波
長板である。また、６は集光レンズ、７はコンデンサー
レンズ、８は画像投射装置に設けられる液晶画像表示素
子である。
【００２５】なお、図１では、光源１から液晶画像表示
素子８までの光路をストレートに示しているが、実際に
画像投射装置に組み込まれる場合には、図２に示すよう
に、集光レンズ６とコンデンサーレンズ７Ｒ，７Ｇ，７
Ｂの間にダイクロミラー等からなる色分解系９が配置さ
れる。光源１からの白色光は色分解系９によりＲＧＢの
３つの色光に分離され、ＲＧＢの画像を表示するそれぞ
れの液晶画像表示素子８Ｒ，８Ｇ，８Ｂを透過する。そ
して、ダイクロミラー等からなる色合成系１０で１つの
光路に合成され、さらに投射レンズ１１によりＲＧＢの
画像が合成されて不図示のスクリーン上に拡大投影され
る。このような画像投射装置は、いわゆる３板式の液晶
プロジェクター等として使用される。
【００２６】次に、図１を用いて光学的な作用を説明す
る。白色光源１はリフレクター２の第１焦点ｒｆ１の位
置に配置されている。白色光源１から放射される光はリ
フレクター２のミラー面に設けられたコールドミラーに
よりリフレクター２の第２焦点ｒｆ２方向に反射され、
第１レンズアレイ３の第１のレンズ部３ａの凹面に収斂
光束として入射し、第１のレンズ部３ａの作用により発
散光束に変換される。さらに、第１のフライアイレンズ
アレイ部３ｂにより複数の収斂光束に分割され、第１の
フライアイレンズアレイ部３ｂのピッチ（Ｐ）よりも広
いピッチ（Ｐ‘）で集光される（Ｐ’＞Ｐ）。
【００２７】第１レンズアレイ３で分割された光束は、
第１のフライアイレンズアレイ部３ｂに対して広い間隔
Ｐ′をあけて配置された第２レンズアレイ４の第２レン
ズ部４ａの凸面に入射し、第１レンズアレイ３で分割さ
れた光束の中心光線が、リフレクター２の光軸（基準光
軸）に対してほぼ平行（テレセントリック）になるよう
に屈折して第２のフライアイレンズアレイ部４ｂを透過
する。
【００２８】第２のフライアイレンズアレイ部４ｂは第
１のフライアイレンズアレイ部３ｂに対するフィールド
レンズの働きをし、第１のフライアイレンズアレイ部３
ｂで集光するさまざまな角度の収斂光束をそれぞれテレ
セントリックにする作用を持つ。なお、第１のフライア
イレンズアレイ部３ｂの集光点は、第２レンズアレイ４
の近傍であれば前後どちら側にあってもよい。
【００２９】第２のフライアイレンズアレイ部４ｂを透
過した光は偏光変換素子５の偏光分離膜５ａに対応する
開口部に入射する。そして、偏光分離膜５ａにて、透過
光成分（Ｐ成分）の光と反射光成分（Ｓ成分）とに分離
される。Ｓ成分の光は反射ミラー５ｂで反射されて射出
し、Ｐ成分の光は出射面に設けられた１／２波長板５ｃ
により偏光方向をＳ成分と同じ方向に変換されて射出さ
れる。こうして偏光変換素子５から射出された光は全て
Ｓ成分となるように変換される。
【００３０】偏光変換素子８を射出した光束は、集光レ
ンズ６、コンデンサーレンズ７からなるリレー光学系に
より液晶画像表示素子８上にて重ね合わされて液晶画像
表示素子８を均一に照明する。
【００３１】このように楕円鏡と凹レンズにより光源か
らの光を集光する場合は、一般に、光束の第１のフライ
アイレンズアレイ部に対する平行度が悪くなり、特に第
１のフライアイレンズアレイ部の中心部を通る光束の偏
光変換素子の開口部での損失が増大する傾向にある。こ
れに対し、本実施形態では、第１のレンズ部３ａによる
集光点が第１のフライアイレンズアレイ部３ａのレンズ
ピッチよりも離れてできるように第１のレンズ部３ａの
負の屈折力を設定することで、集光点に対する偏光変換
素子８の開口部を大きくとることができ、開口部におけ
る損失を低減することができる。
【００３２】なお、偏光分離膜５ａは光束の入射角度に
よって特性が変化するので、偏光分離膜５ａでの損失を
少なくするためには偏光分離膜５ａに入射する光束を同
じ条件にすることが望ましい。このため、第２のフライ
アイレンズアレイ部４ｂよりも光源側には凸面を有する
第２のレンズ部４ａが必要となる。
【００３３】本実施形態では、第１レンズアレイ３にお
いて、凹面形状の第１のレンズ部３ａとフライアイレン
ズアレイ部３ｂとを一体成形した場合について説明した
が、図３に示すように、負の屈折力を持つレンズ３ａ′
と一方の面が平面であるフライアイレンズアレイ３ｂ′
とを隣接して配置する構成でもよいし、図４に示すよう
に、負の屈折力を持つレンズ３ａ′と一方の面が平面で
あるフライアイレンズアレイ３ｂ′とを接合して構成し
てもよい。
【００３４】また、第２レンズアレイに関しても、図５
に示すように正の屈折力を持つレンズ４ａ′と一方の面
が平面であるフライアイレンズアレイ４ｂ′とを隣接し
て配置する構成でもよいし、図６に示すように正の屈折
力を持つレンズ４ａ′と一方の面が平面であるフライア
イレンズアレイ４ｂ′とを接合して構成してもよい。さ
らに、図７に示すように、フライアイレンズアレイを構
成する個々のレンズを偏心させて凸面形状のレンズと同
等な作用を持たせた構成でもよい。
【００３５】次に図８を用いて光学的な関係を説明す
る。楕円形状をしたリフレクター２の第１焦点の位置を
ｒｆ１、第２の焦点位置をｒｆ２とする。このとき第１
レンズアレイ３の凹面形状の第１のレンズ部３ａからリ
フレクター２の第２焦点ｒｆ２までの距離をｓ、第１の
レンズ部３ａの焦点距離をｆ１とすると、｜ｆ１｜＜｜
ｓ｜となるように形状を決めることで第１のフライアイ
レンズアレイ部３ｂのレンズピッチよりも広いピッチで
集光点を作ることができる。
【００３６】また、本実施形態のように光源１からの光
を集光するリフレクター２の形状を楕円体形状とするこ
とにより、第１レンズアレイ３によって光源光束を狭い
範囲に集光した後で第２レンズアレイ４の近傍に集光す
るので、第２レンズアレイ４を従来以上に大きくする必
要がなく、コンパクトな光照射装置（照明系）を実現す
ることができる。このような構成にすれば、液晶画像表
示素子８に対する照明光の角度を小さく保つことができ
る。このため、画素毎に集光レンズを設けて画素間の遮
光部による光の損失を低減し、光の利用効率を向上する
ように構成された液晶画像表示素子を画像表示素子８と
して用いる場合に適する照明系を実現することができ
る。
【００３７】（第２実施形態）図９には、本発明の第２
実施形態である光照射装置（照明系）を示している。２
１は白色光源で、２２は楕円体形状をしたリフレクター
である。
【００３８】光源２１側から順に、２３は第１レンズア
レイであり、光源側に面して凹面形状をした第１のレン
ズ部２３ａと、光源側とは反対側に面した複数のレンズ
が組み合わさってできた第１のフライアイレンズアレイ
部２３ｂとを有するよう一体成形されている。
【００３９】２４は正レンズ（第２のレンズ）である。
２５は偏光変換素子であり、２５ａは複数の偏光分離
膜、２５ｂは複数の反射面、２５ｃは複数の１／２波長
板である。
【００４０】２６は光源側（偏光変換素子２５側）に面
した複数のレンズ２６ａが組み合わさってできた第２の
フライアイレンズアレイである。２７は集光レンズ、２
８はコンデンサーレンズ、２９は画像投射装置に設けら
れる液晶画像表示素子である。
【００４１】図９を用いて光学的な作用を説明する。白
色光源２１はリフレクター２２の第１焦点の位置に配置
されている。白色光源２１から放射される光はリフレク
ター２２のミラー面に設けられたコールドミラーにより
リフレクター２２の第２焦点方向に反射され、第１レン
ズアレイ２３の第１のレンズ部２３ａの凹面に収斂光と
して入射して発散光に変換され、さらに第１のフライア
イレンズアレイ部２３ｂにより複数の収斂光に分割され
て第１のフライアイレンズアレイ２３ｂのレンズピッチ
よりも広いピッチで集光される。
【００４２】第１レンズアレイ２３で分割された光束
は、正レンズ２４に入射し、第１レンズアレイ２３で分
割された光束の中心光線がリフレクター２２の光軸（基
準光軸）にほぼテレセントリックになるように屈折す
る。そして、偏光変換素子２５の偏光分離膜２５ａに対
応する開口部に入射し、偏光分離膜２５ａにて、透過光
成分（Ｐ成分）の光と反射光成分（Ｓ成分）とに分離さ
れる。Ｓ成分の光は反射ミラー２５ｂで反射されて射出
し、Ｐ成分の光は出射面に設けられた１／２波長板２５
ｃにより偏光方向をＳ成分と同じ方向に変換されて射出
される。こうして偏光変換素子２５から射出された光は
全てＳ成分となるように変換される。
【００４３】偏光変換素子２５を射出した光束は、第１
レンズアレイ２３で分割された光束の数の２倍となり、
レンズ数が第１のフライアイレンズアレイ部３ｂの２倍
形成されている第２のフライアイレンズアレイ２６を透
過する。第２のフライアイレンズアレイ２６はフライア
イレンズアレイ２３ｂに対するフィールドレンズの働き
をし、第１のフライアイレンズアレイ部２３ｂにより集
光されるさまざまな角度の収斂光束をそれぞれテレセン
トリックにする作用を持つ。第１のフライアイレンズア
レイ部２３ｂの集光点は、偏光変換素子２５と第２のフ
ライアイレンズアレイ２６との間に設定するのがよい。
【００４４】第２のフライアイレンズアレイ２６を透過
した光は集光レンズ２７、コンデンサーレンズ２８から
なるリレー光学系により液晶画像表示素子８上で重ね合
わされて、液晶画像表示素子８を均一に照明する。
【００４５】なお、本実施形態では、第１レンズアレイ
２３において、凹面形状の第１のレンズ部２３ａとフラ
イアイレンズアレイ部２３ｂとを一体成形した場合につ
いて説明したが、負の屈折力を持つレンズと一方の面が
平面であるフライアイレンズアレイとを隣接して配置す
る構成でもよいし、負の屈折力を持つレンズと一方の面
が平面であるフライアイレンズアレイとを接合して構成
してもよい。
【００４６】（第３実施形態）図１０には、本発明の第
３実施形態である光照射装置（照明系）を示している。
３１は白色光源で、３２は放物形状をしたリフレクター
である。
【００４７】光源３１側から順に、３３は正レンズであ
る。３４は第１レンズアレイで、光源側に面して凹面形
状をした第１のレンズ部３４ａと、光源側とは反対側に
面した複数のレンズが組合わさってできた第１のフライ
アイレンズアレイ部３４ｂとを有するように一体成形さ
れている。
【００４８】３５は第２レンズアレイであり、光源３１
（第１レンズアレイ３４）側に面して凸面形状をした第
２のレンズ部３５ａと、光源３１側とは反対側に面した
複数のレンズが組み合わさってできた第２のフライアイ
レンズアレイ部３５ｂとを有するよう一体成形されてい
る。
【００４９】３６は偏光変換素子であり、３６ａは複数
の偏光分離膜、３６ｂは複数の反射面、３６ｃは複数の
１／２波長板である。また、３７は集光レンズ、３８は
コンデンサーレンズ、３９は画像投射装置に設けられる
液晶画像表示素子である。
【００５０】なお、本実施形態においては、第１実施形
態における楕円体形状のリフレクター２の作用を放物形
状をしたリフレクター３２と正レンズ３３で構成してい
ること以外、光学的な作用は第１実施形態と同じであ
る。
【００５１】このように放物形状のリフレクター３２と
正レンズ３３とに光源３１からの光を集光する作用を分
割することにより、例えば液晶画像表示素子の大きさが
異なる等によって照明系の構成が異なるときでも、光源
３１とリフレクター３２からなる光源ユニットを共通化
し、正レンズ３３の屈折力を適当に調整することで、本
実施形態の照明系の構成を実現することが可能となる。
これにより、照明系毎に別々の光源ユニットを作る必要
が無くなり、コストを低減することができるようにな
る。
【００５２】また、本実施形態では、第１レンズアレイ
３４において、凹面形状の第１のレンズ部３４ａとフラ
イアイレンズアレイ部３４ｂとを一体成形した場合につ
いて説明したが、負の屈折力を持つレンズと一方の面が
平面であるフライアイレンズアレイとを隣接して配置す
る構成でもよいし、負の屈折力を持つレンズと一方の面
が平面であるフライアイレンズアレイとを接合して構成
してもよい。
【００５３】また、第２レンズアレイ３５に関しても、
正の屈折力を持つレンズと一方の面が平面であるフライ
アイレンズアレイとを隣接して配置する構成でもよい
し、正の屈折力を持つレンズと一方の面が平面であるフ
ライアイレンズアレイとを接合して構成してもよい。さ
らに、フライアイレンズアレイを構成する個々のレンズ
を偏心させて凸面形状のレンズと同等な作用を持たせた
構成でもよい。
【００５４】（第４実施形態）図１１には、本発明の第
４実施形態である光照射装置（照明系）を示している。
４１は白色光源で、４２は放物形状をしたリフレクター
である。
【００５５】光源４１側から順に、４３は第１レンズア
レイで、光源側に面して凹面形状をした第１のレンズ部
４３ａと、光源側とは反対側に面した複数のレンズが組
合わさってできた第１のフライアイレンズアレイ部４３
ｂとを有するように一体成形されている。
【００５６】４４は第２レンズアレイであり、光源（第
１レンズアレイ４３）側に面して凸面形状をした第２の
レンズ部４４ａと、光源側とは反対側に面した複数のレ
ンズが組み合わさってできた第２のフライアイレンズア
レイ部４４ｂとを有するよう一体成形されている。
【００５７】４５は偏光変換素子であり、４５ａは複数
の偏光分離膜、４５ｂは複数の反射面、４５ｃは複数の
１／２波長板である。また、４６は集光レンズ、４７は
コンデンサーレンズ、４８は画像投射装置に設けられる
液晶画像表示素子である。
【００５８】本実施形態では、光源４１からの光をリフ
レクター４２によりほぼ平行な光束として集光し、それ
を第１レンズアレイ４３の凹面形状の第１のレンズ部４
３ａで発散光に変換し、さらに第１のフライアイレンズ
アレイ部４３ｂにより複数の収斂光に分割して、第１の
フライアイレンズアレイ部４３ｂのレンズピッチよりも
広いピッチで集光することにより第１実施形態と同様の
効果を実現している。光源４１から放射される光をより
効率よく集光するためには、リフレクター４２を大きく
することが望ましいが、その反面、照明系が大きくなっ
てしまう。特に画像表示面積が小さい液晶画像表示素子
を用いて装置を小型化しようとする場合には、小型化に
有利な放物形状をしたリフレクターを用いるのが望まし
い。この場合でも、第１レンズアレイ４３に発散作用を
する形状または素子を設けることにより、第１のフライ
アイレンズアレイ部４３ｂによる集光点のピッチを、第
１のフライアイレンズアレイ部４３ｂのレンズピッチよ
りも広く設定することが可能となり、同様の効果を得る
ことができる。
【００５９】また、本実施形態では、第１レンズアレイ
４３において、凹面形状の第１のレンズ部４３ａとフラ
イアイレンズアレイ部４３ｂとを一体成形した場合につ
いて説明したが、負の屈折力を持つレンズと一方の面が
平面であるフライアイレンズアレイとを隣接して配置す
る構成でもよいし、負の屈折力を持つレンズと一方の面
が平面であるフライアイレンズアレイとを接合して構成
してもよい。
【００６０】また、第２レンズアレイ４４に関しても、
正の屈折力を持つレンズと一方の面が平面であるフライ
アイレンズアレイとを隣接して配置する構成でもよい
し、正の屈折力を持つレンズと一方の面が平面であるフ
ライアイレンズアレイとを接合して構成してもよい。さ
らに、フライアイレンズアレイを構成する個々のレンズ
を偏心させて凸面形状のレンズと同等な作用を持たせた
構成でもよい。
【００６１】さらに、上記各実施形態では、光源として
白色光源を用いた場合について説明したが、他の光源を
用いることも可能である。
【００６２】また、上記各実施形態では、液晶画像表示
素子の照明系として用いられる場合について説明した
が、本発明の光照射装置は、対象物を均一に照明するこ
とが必要な他の用途にも用いることができる。
【００６３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１のフライアイレンズアレイにより光源光を第２のフ
ライアイレンズアレイの近傍に集光するときに、それぞ
れの集光点のピッチを第１のフライアイレンズアレイの
レンズピッチよりも大きくすることができる。したがっ
て、例えば第２のフライアイレンズアレイのレンズピッ
チの半分の領域を開口部とした偏光変換素子又は変更素
子アレイに入射する光の入射時の損失を少なくすること
ができる。
【００６４】しかも、第１のフライアイレンズアレイを
発散方向に射出して第２のレンズアレイを構成する各レ
ンズの頂点を透過する光線を、光軸に対してほぼ平行
（テレセントリック）にすることができる。このため、
偏光変換素子の各偏光分離部や偏光素子アレイの各偏光
素子に対して光束を一定の角度（例えば、４５度）で入
射させることができ、偏光変換素子や変更素子アレイに
おける入射角度特性による光量の損失をなくすることが
できる。
【００６５】したがって、フライアイレンズアレイと偏
光変換素子等を用いた光照射装置において、光の損失を
低減することができ、小型でありながら従来よりも明る
い照明等を可能とすることができる。
【００６６】そして、このような光照射装置を画像投射
装置の照明系として用いれば、小型でかつ明るい画像の
投影が可能な画像投射装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である光照射装置の構成
図。
【図２】上記光照射装置を組み込んだ液晶プロジェクタ
ーのレイアウト図。
【図３】上記光照射装置に用いられるレンズアレイの構
成例を示す説明図。
【図４】上記光照射装置に用いられるレンズアレイの構
成例を示す説明図。
【図５】上記光照射装置に用いられるレンズアレイの構
成例を示す説明図。
【図６】上記光照射装置に用いられるレンズアレイの構
成例を示す説明図。
【図７】上記光照射装置に用いられるレンズアレイの構
成例を示す説明図。
【図８】上記光照射装置における光学的関係の説明図。
【図９】本発明の第２実施形態である光照射装置の構成
図。
【図１０】本発明の第３実施形態である光照射装置の構
成図。
【図１１】本発明の第４実施形態である光照射装置の構
成図。
【図１２】従来の光照射装置の構成図。
【符号の説明】
１，２１，３１，４１ 白色光源 ２，２２，３２，４２ リフレクター ３，２３，３４，４３ 第１レンズアレイ ３ａ，２３ａ，３４ａ，４３ａ 第１のレンズ部 ３ｂ，２３ｂ，３４ｂ，４３ｂ 第１のフライアイレン
ズアレイ部 ４，２４，３５，４４ 第２レンズアレイ ４ａ，２４ａ，３５ａ，４４ａ 第２のレンズ部 ４ｂ，２４ｂ，３５ｂ，４４ｂ 第２のフライアイレン
ズアレイ部 ５，２５，３６，４５ 偏光変換素子 ６，２６，３７，４６ 集光レンズ ７，２７，３８，４７ コンデンサーレンズ ８，２８，３９，４８ 液晶画像表示素子

Claims (31)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源側から順に、第１のフライアイレン
    ズアレイと、第２のフライアイレンズアレイとを配置
    し、 前記第１のフライアイレンズアレイよりも光源側に負の
    屈折力を有する第１のレンズを配置するとともに、前記
    第２のフライアイレンズアレイよりも光源側に正の屈折
    力を有する第２のレンズを配置したことを特徴とする光
    照射装置。
  2. 【請求項２】 前記第２のレンズが、前記第１のフライ
    アイレンズアレイを構成する各レンズから射出して第２
    のフライアイレンズアレイを構成する各レンズの頂点を
    通る光線を光軸に対して平行とする正の屈折力を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
  3. 【請求項３】 光源からの光束を複数の偏光分離部を有
    する偏光変換素子を通して射出する光照射装置におい
    て、 光源側から順に、第１のフライアイレンズアレイと、第
    ２のフライアイレンズアレイとを配置し、 前記第１のフライアイレンズアレイよりも光源側に負の
    屈折力を有する第１のレンズを配置するとともに、前記
    第２のフライアイレンズアレイよりも光源側に正の屈折
    力を有する第２のレンズを配置したことを特徴とする光
    照射装置。
  4. 【請求項４】 前記第２のレンズが、前記第１のフライ
    アイレンズアレイを構成する各レンズから射出して第２
    のフライアイレンズアレイを構成する各レンズの頂点を
    通る光線を光軸に対して平行とする正の屈折力を有する
    ことを特徴とする請求項３に記載の光照射装置。
  5. 【請求項５】 光源側から順に、 負の屈折力を有する第１のレンズと、 第１のフライアイレンズアレイと、 正の屈折力を有する第２のレンズと、 第２のフライアイレンズアレイと、 前記偏光変換素子とを配置したことを特徴とする請求項
    ３又は４に記載の光照射装置。
  6. 【請求項６】 前記第２のフライレンズアレイを構成す
    る各レンズのピッチが前記第１のフライレンズアレイを
    構成する各レンズのピッチよりも大きいことを特徴とす
    る請求項５に記載の光照射装置。
  7. 【請求項７】 前記偏光変換素子の各偏光分離部のピッ
    チが前記第１のフライレンズアレイを構成する各レンズ
    のピッチよりも大きいことを特徴とする請求項５又は６
    に記載の光照射装置。
  8. 【請求項８】 光源側から順に、 負の屈折力を有する第１のレンズと、 第１のフライアイレンズアレイと、 前記偏光変換素子と、 正の屈折力を有する第２のレンズと、 第２のフライアイレンズアレイとを配置したことを特徴
    とする請求項３又は４に記載の光照射装置。
  9. 【請求項９】 前記第２のフライレンズアレイを構成す
    る各レンズのピッチが前記第１のフライレンズアレイを
    構成する各レンズのピッチよりも大きいことを特徴とす
    る請求項８に記載の光照射装置。
  10. 【請求項１０】 光源側から順に、 負の屈折力を有する第１のレンズと、 第１のフライアイレンズアレイと、 正の屈折力を有する第２のレンズと、 前記偏光変換素子と、 第２のフライアイレンズアレイとを配置したことを特徴
    とする請求項３又は４に記載の光照射装置。
  11. 【請求項１１】 前記偏光変換素子の各偏光分離部のピ
    ッチが前記第１のフライレンズアレイを構成する各レン
    ズのピッチよりも大きいことを特徴とする請求項１０に
    記載の光照射装置。
  12. 【請求項１２】 前記複数の偏光分離部がそれぞれ、偏
    光分離プリズムにより構成されていることを特徴とする
    請求項３から１１のいずれかに記載の光照射装置。
  13. 【請求項１３】 光源側から順に、第１のフライアイレ
    ンズアレイと、第２のフライアイレンズアレイとを配置
    し、 前記第１のフライアイレンズアレイよりも光源側に負の
    屈折力を有する第１のレンズを配置するとともに、前記
    第２のフライアイレンズアレイを構成する各レンズに、
    前記第１のフライアイレンズアレイを構成する各レンズ
    から射出してこれら各レンズの頂点を通る光線を光軸に
    対して平行とする正の屈折力を持たせたことを特徴とす
    る光照射装置。
  14. 【請求項１４】 光源からの光を複数の偏光分離部を有
    する偏光変換素子を通して射出する光照射装置におい
    て、 光源側から順に、第１のフライアイレンズアレイと、第
    ２のフライアイレンズアレイとを配置し、 前記第１のフライアイレンズアレイよりも光源側に負の
    屈折力を有する第１のレンズを配置するとともに、前記
    第２のフライアイレンズアレイを構成する各レンズに、
    前記第１のフライアイレンズアレイを構成する各レンズ
    から射出してこれら各レンズの頂点を通る光線を光軸に
    対して平行とする正の屈折力を持たせたことを特徴とす
    る光照射装置。
  15. 【請求項１５】 前記複数の偏光分離部がそれぞれ、偏
    光分離プリズムにより構成されていることを特徴とする
    請求項１４に記載の光照射装置。
  16. 【請求項１６】 前記第１のレンズと、前記第１のフラ
    イアイレンズアレイとが一体成形されていることを特徴
    とする請求項１から１５のいずれかに記載の光照射装
    置。
  17. 【請求項１７】 前記第２のレンズと、前記第２のフラ
    イアイレンズアレイとが一体成形されていることを特徴
    とする請求項１から９のいずれかに記載の光照射装置。
  18. 【請求項１８】 前記第１のフライアイレンズアレイの
    材料の光屈折率と前記第１のレンズの材料の光屈折率と
    が異なることを特徴とする請求項１から１７のいずれか
    に記載の光照射装置。
  19. 【請求項１９】 前記第１のレンズの材料の光屈折率が
    １．７以上であることを特徴とする請求項１８に記載の
    光照射装置。
  20. 【請求項２０】 前記第１のフライレンズアレイを構成
    する各レンズの焦点距離が、前記第２のフライレンズア
    レイを構成する各レンズの焦点距離よりも短いことを特
    徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の光照射装
    置。
  21. 【請求項２１】 前記光源が白色光源であることを特徴
    とする請求項１から２０のいずれかに記載の光照射装
    置。
  22. 【請求項２２】 光源からの光を集光して前記第１のレ
    ンズに入射させる反射部材を有することを特徴とする請
    求項１から２１のいずれかに記載の光照射装置。
  23. 【請求項２３】 前記反射部材が、光源からの光を反射
    して前記第１レンズに収斂光束を当てる楕円鏡であるこ
    とを特徴とする請求項２２に記載の光照射装置。
  24. 【請求項２４】 光源からの光を複数の偏光素子を配列
    した偏光素子アレイを介して被照射物体に照射する光照
    射装置において、 フライアイレンズに発散光を照射することで該フライア
    イレンズによりそのレンズの配列周期よりも配列周期が
    大なる複数の光源像を形成し、該複数個の光源像を形成
    する光束を前記第１のフライアイレンズのレンズの配列
    よりも偏光素子の配列周期が大なる偏光素子アレイに指
    向することを特徴とする光照射装置。
  25. 【請求項２５】 光源からの光を複数の偏光素子を配列
    した偏光素子アレイを介して被照射物体に照射する光照
    射装置において、 第１のフライアイレンズに発散光を照射することで該第
    １のフライアイレンズによりそのレンズの配列周期より
    も配列周期が大なる複数の光源像を形成し、該複数個の
    光源像を形成する光束を前記第１のフライアイレンズの
    レンズの配列周期よりもレンズの配列周期が大なる第２
    のフライアイレンズを介して、前記第１のフライアイレ
    ンズのレンズの配列周期よりも偏光素子の配列周期が大
    なる偏光素子アレイに指向することを特徴とする光照射
    装置。
  26. 【請求項２６】 光源からの光を複数の偏光素子を配列
    した偏光素子アレイ介して被照射物体に照射する光照射
    装置において、 第１のフライアイレンズに発散光を照射することで該第
    １のフライアイレンズによりそのレンズの配列周期より
    も配列周期が大なる複数の光源像を形成し、該複数個の
    光源像を形成する光束を例えばコリメータレンズで平行
    光に変換した後で前記第１のフライアイレンズのレンズ
    の配列周期よりも偏光素子の配列周期が大なる偏光素子
    アレイに指向することを特徴とする光照射装置。
  27. 【請求項２７】 前記偏光素子アレイからの光を受け
    る、前記第１のフライアイレンズのレンズの配列周期よ
    りもレンズの配列周期が大なる第２のフライアイレンズ
    を有することを特徴とする請求項２６に記載の光照射装
    置。
  28. 【請求項２８】 光源からの光を複数の偏光素子を配列
    した偏光素子アレイを介して被照射物体に照射する光照
    射装置において、 第１のフライアイレンズに発散光を照射することで該第
    １のフライアイレンズによりそのレンズの配列周期より
    も配列周期が大なる複数の光源像を形成し、該複数個の
    光源像を形成する光束を例えばコリメータレンズで平行
    光に変換した後又は変換する前に、前記第１のフライア
    イレンズのレンズの配列周期よりもレンズの配列周期が
    大なる第２フライアイレンズを通して、前記第１のフラ
    イアイレンズのレンズの配列周期よりも偏光素子の配列
    周期が大なる偏光素子アレイに指向することを特徴とす
    る光照射装置。
  29. 【請求項２９】 前記偏光素子は、偏光分離膜および１
    ／２波長板のうち少なくとも一方を備えることを特徴と
    する請求項２４から２８のいずれかに記載の光照射装
    置。
  30. 【請求項３０】 請求項１から２９のいずれかに記載の
    光照射装置を射出した光により画像表示素子を照明し
    て、この画像表示素子に表示された画像を投影すること
    を特徴とする画像投射装置。
  31. 【請求項３１】 前記画像表示素子が、液晶画像表示素
    子であることを特徴とする請求項３０に記載の画像投射
    装置。
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