JP2001356412A - 照明光源装置および投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 照明光源装置において、マルチレンズアレイ
の構成を複雑化せずに光利用効率の高い光学システムを
得る。 【解決手段】 白色光を放射するランプ２と反射鏡３と
からなる光源１、光源１からの光束を複数の光束に分割
する第１のマルチレンズアレイ４、および第１のマルチ
レンズアレイ４からの光束を結像させるための第２のマ
ルチレンズアレイ５を備え、第１のマルチレンズアレイ
４を構成するセルレンズの内、マルチアレイレンズの光
軸１００と隣接するセルレンズ１０４ａは、そのレンズ
中心軸が幾何学的中心に対して外側への偏心を有し、第
２のマルチレンズアレイ５の上記セルレンズ１０４ａに
対応するセルレンズ１０５ａの幾何学的中心より外側の
位置に集光するように設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ライトバルブ上
に形成された画像をスクリーン上に拡大投写する投写型
表示装置およびその光源となる照明光源装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶ライトバルブ、例えば液晶パ
ネルを用いた投写型表示装置である液晶プロジェクタに
おいて、照明光の明るさを均一にする方法としてレンズ
アレイを用いた照明光源装置により構成されたものが主
流となっている。

【０００３】図６は従来の液晶ライトバルブを用いた投
写型表示装置に使用される照明光源装置の光学系を示す
図である。図において、１は光源、２はランプ、３は反
射鏡、１０１は光源１から出射する照明光、４は多数の
セルレンズから構成された第１のマルチレンズアレイ、
５は同じく多数のセルレンズから構成された第２のマル
チレンズアレイ、７はコンデンサレンズ、９はコリメー
タレンズ、１０は液晶ライトバルブである液晶パネル、
１００は光軸である。

【０００４】次に、動作を説明する。光源１はランプ２
と反射鏡３で構成されており、ほぼ平行光束である照明
光１０１を出射する。ランプ２としては、例えばメタル
ハライドランプ、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ハ
ロゲンランプ等の白色光源が用いられるが、近年は長寿
命および短アーク長という利点により高圧水銀ランプが
主流になりつつある。反射鏡３の反射面は典型的には放
物面であり、周知のように放物面の焦点位置にランプ２
の発光中心を配置することによりほぼ平行光束の照明光
１０１が得られる。

【０００５】照明光１０１は第１のマルチレンズアレイ
４に入射し、複数の光束に分割される。分割された光束
は対応する第２のマルチレンズアレイ５に入射し、コン
デンサレンズ７により集光光束として出射される。コン
デンサレンズ７を出射した光束はコリメータレンズ９に
より光線角度が補正され、液晶パネル１０を照明する。
光束はこの液晶パネル１０に形成された画像で変調され
た後、図示しない投写レンズに入射し、投写レンズを透
過した光束は図示しないスクリーン上に投写画像として
拡大結像され鑑賞に供される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図７は従来の投写型表
示装置における照明光源装置の、主にマルチレンズアレ
イの作用を説明する図である。１０４ａ’および１０５
ａは、それぞれ光軸１００に隣接する第１および第２の
マルチレンズアレイのセルレンズ、１１１はランプ２の
取付のために反射鏡３に設けられた穴である。

【０００７】ランプ２から発せられた光束の内、ランプ
発光部の中心からの光は反射鏡２により反射されて平行
光束の照明光１０１となり、第１のマルチレンズアレイ
４に入射し複数の光束に分割されて、対応する第２のマ
ルチレンズアレイ５に向かって各光束が集光される。例
えばセルレンズ１０４ａ’に入射した光は、対応するセ
ルレンズ１０５ａ上に集光される。しかしながら、ラン
プ発光部の中心から外れた周辺からの光は、反射鏡２に
より発散光乃至収束光１０２となり、第１のマルチレン
ズアレイ４に入射し複数の光束に分割された光は、対応
する第２のマルチレンズアレイ５に向かって各々発散さ
れてしまう。従って、第２のレンズアレイ５上にはラン
プ発光部の実像、つまり光源像が形成される。

【０００８】第２のマルチレンズアレイ５上の光源像の
大きさは、ランプ発光部の大きさ（アーク長）で決まる
ので、光利用効率の面からアーク長の小さなランプを用
いることが望ましいが、アーク長を短くしすぎるとラン
プのスペクトル特性および寿命等に支障をきたすために
限界がある。

【０００９】また、第２のマルチレンズアレイ５上の光
源像の大きさは、ランプ発光部の中心から反射鏡２まで
の距離にも依存し、対応する第１のレンズアレイ４の各
セルレンズが光軸１００から離れて配置されているほど
相対的に小さく、逆に光軸１００に近く配置されている
ほど相対的に大きくなることが知られている。従って、
光軸１００に近いセルレンズほど第２のマルチレンズア
レイ５による光損失が発生する確率が高くなる。

【００１０】図７において、反射鏡３には、ランプ２と
の固着取付の関係で、光軸１００付近にランプ２の管球
部の大きさ程度の非反射面である穴１１１が存在する。
ランプ２から発せられた光束の内、穴１１１に照射され
た光は反射鏡３により反射されない。また、反射鏡３に
より反射された光の中でも、ランプ２に当たる光は第１
のレンズアレイ４に到達しないので、第１のマルチレン
ズアレイ４の光軸１００に隣接するセルレンズ１０４
ａ’に入射する光の内、穴１１１およびランプ２により
斜線部の光束１０３が存在しなくなり、図８（ａ）に示
すように、対応する第２のマルチレンズアレイ５のセル
レンズ１０５ａ上で光源像５０が形成される。なお、斜
線部５１は穴１１１およびランプ２の影響によりセルレ
ンズ１０５ａ上に形成されなかった光源像である。

【００１１】従って、セルレンズ１０５ａのような光軸
１００に隣接するセルレンズ上の光源像は、あたかも光
軸１００方向にシフトしたような形状となってしまう。
そして、セルレンズ１０５ａを透過しコンデンサレンズ
７およびコリメータレンズ９を介した光束は、図８
（ｂ）に示すように液晶パネル１０の表示領域の一部５
３しか照射しなくなる。

【００１２】以上のように、ランプが点光源でない場合
には、第２のマルチレンズアレイの光軸近傍のセルレン
ズに形成される光源像はセルレンズからはみ出しやすい
ので、光利用効率が低下するという問題がある。また、
反射鏡の非反射面である穴およびランプの影により光源
像の重心がセルレンズ中心からはずれてしまうので、液
晶パネルの片隅にしか照射されないという問題がある。

【００１３】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたものであり、反射鏡の非反射領域であ
る穴およびランプによる影に影響されず、光利用効率の
高い照明光源装置および投写型表示装置を提供すること
を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明に係る照明光源
装置は、白色光を放射するランプとこのランプから放射
された光を前方方向に反射させる反射鏡とからなる光
源、この光源からの光束を複数の光束に分割する第１の
マルチレンズアレイ、およびこの第１のマルチレンズア
レイからの光束を結像させるための第２のマルチレンズ
アレイを備え、上記第１のマルチレンズアレイを構成す
るセルレンズの内、上記マルチアレイレンズの光軸と隣
接するセルレンズは、そのレンズ中心軸が幾何学的中心
に対して外側への偏心を有し、上記第２のマルチレンズ
アレイの上記セルレンズに対応するセルレンズの幾何学
的中心より外側の位置に集光するように設定されている
ものである。

【００１５】また、第１のマルチレンズアレイの光軸と
隣接するセルレンズの偏心量が下記条件を満足すること
を特徴とする請求項１記載の照明光源装置。 d Ｘ＞（Ｘb ―Ｘa ）／２ ‥‥‥ （１） d Ｙ＞（Ｙb ―Ｙa ）／２ ‥‥‥ （２） ただし、光軸に垂直な面上の直交する軸をＸ、Ｙとする
とき、 d Ｘ、d Ｙ：当該セルレンズのレンズ中心軸が幾何学的
中心からＸ軸方向、Ｙ軸方向にそれぞれ偏心している量
（光軸と反対方向を正とする） Ｘa 、Ｙa ：当該セルレンズのＸ軸方向、Ｙ軸方向の幅 Ｘb 、Ｙb ：第２のマルチレンズアレイのうち当該セル
レンズに対応するセルレンズのＸ軸方向、Ｙ軸方向の幅 である。

【００１６】また、この発明に係る投写型表示装置は、
上記照明光源装置と、マルチレンズアレイで分割された
光束を集光するコンデンサレンズと、光線の角度を補正
するコリメータレンズと、このコリメータレンズからの
出力光束を受け、電気的な変調により画像を形成するラ
イトバルブと、このライトバルブに形成された画像をス
クリーンに拡大投影する投写レンズとにより構成された
ものである。

【００１７】また、上記照明光源装置の出力光束をコン
デンサレンズで集光した後、Ｒ、Ｇ、Ｂに分け、それぞ
れをコリメータレンズおよびライトバルブを通した後、
合成するようにしたものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】実施の形態１．この発明の実施の
形態１に係る照明光源装置を図１に示す。図１は本実施
の形態の説明のために、投写型表示装置の光学系の一部
を抜き出して図示したものである。図において、１はラ
ンプ２と反射鏡３からなる光源、１０１は光源１から出
射する照明光、４は多数のセルレンズから構成された第
１のマルチレンズアレイ、５は同じく多数のセルレンズ
から構成された第２のマルチレンズアレイ、７はコンデ
ンサレンズ、９はコリメータレンズ、１０はライトバル
ブである液晶パネル、１００は光軸である。

【００１９】次に動作を説明する。光源１はランプ２と
反射鏡３で構成されており、ほぼ平行光束である照明光
１０１を出射する。ランプ２としては、近年は長寿命お
よび短アーク長という利点により高圧水銀ランプが主流
になりつつある。反射鏡３の反射面は典型的には放物面
であり、周知のように放物面の焦点位置にランプ２の発
光中心を配置することによりほぼ平行光束の照明光１０
１が得られる。

【００２０】照明光１０１は第１のマルチレンズアレイ
４に入射し、複数の光束に分割される。分割された光束
は対応する第２のマルチレンズアレイ５に入射し、コン
デンサレンズ７により集光光束として出射される。コン
デンサレンズ７を出射した光束はコリメータレンズ９に
より光線角度が補正され、液晶パネル１０を照明する。
この液晶パネル１０に達した光束は、この液晶パネル１
０に形成された画像で変調された後、図示しない投写レ
ンズに入射し、投写レンズを透過した光束は図示しない
スクリーン上に投写画像として拡大結像され鑑賞に供さ
れる。なお、第２のマルチレンズアレイ５は、対応する
第１のマルチレンズアレイ４と液晶パネル１０とを共役
関係に保つ役割を有する。

【００２１】次に、マルチレンズアレイの詳細構造およ
び作用を図２により説明する。図２において、１０４ａ
および１０５ａは、それぞれ第１および第２のマルチレ
ンズアレイ４および５を構成するセルレンズの内、光軸
１００に隣接するセルレンズである。セルレンズ１０４
ａは、図示のように、レンズ軸中心が幾何学的中心より
外側（光軸１００から離れる方向）に偏心している。

【００２２】ランプ２から発せられた光束のうち、ラン
プ発光部の中心からの光は反射鏡２により反射されて平
行光束の照明光１０１となり、第１のマルチレンズアレ
イ４に入射し、複数の光束に分割されて、対応する第２
のマルチレンズアレイ５に向かって各光束が集光され
る。つまり、セルレンズ１０４ａに入射した光は対応す
るセルレンズ１０５ａ上に集光される。しかしながら、
ランプ２は有限の大きさを有するために、ランプ発光部
の周辺からの光は反射鏡３により発散光乃至収束光１０
２となって第１のマルチレンズアレイ４に入射し、ここ
で複数の光束に分割された光は、対応する第２のマルチ
レンズアレイ５に向かって各々発散されてしまう。従っ
て、第２のレンズアレイ５上にはランプ発光部の実像、
つまり光源像が各セルレンズ上に形成される。

【００２３】そこで、光軸に近いセルレンズ１０４ａの
レンズ軸中心を幾何学的中心より外側に偏心させる。す
ると、セルレンズ１０４ａに入射した光束は、対応する
セルレンズ１０５ａの中心ではなく光軸１００からより
離れた位置に集光され、セルレンズ１０５ａ上の光源像
がずれて形成される。ところが、セルレンズ１０４ａに
入射される光束は、セルレンズ１０５ａの中央に光源像
３０として形成させる。これは、光源１が反射鏡３の非
反射領域である穴１１１およびランプ２の影により非照
射領域を有しており、また、セルレンズ１０５ａに集光
される光源像の重心がセルレンズ１０５ａの中心から偏
心しているために、この偏心により図３（ａ）に示すよ
うに光源像の重心位置を移動させるからである。そし
て、セルレンズ１０５ａを透過しコンデンサレンズ７お
よびコリメータレンズ９を介した光束は、図３（ｂ）に
３３で示すように液晶パネル１０の表示領域のほぼ中央
付近を照射する。

【００２４】以上により、第１のマルチレンズアレイの
内、光軸近傍のセルレンズについて外側に偏心を与える
ことにより、反射鏡の非反射領域の穴およびランプの影
による影響を最小限に抑えることができるので、マルチ
レンズアレイの構成を複雑にせずに安価で光効率の高い
照明光源装置を実現することができる。

【００２５】実施の形態２．なお、図１および図２示し
た実施の形態１では、第１のマルチレンズアレイ４と第
２のマルチレンズアレイ５のサイズが同じ、つまり対応
する各レンズのセルサイズが同じである場合について説
明を行ったが、セルレンズ１０４ａの偏心量は下記条件
を満足していれば、セルサイズが同じでなくもよい。 d Ｘ＞（Ｘb ―Ｘa ）／２ ‥‥‥ （１） d Ｙ＞（Ｙb ―Ｙa ）／２ ‥‥‥ （２） ただし、光軸に垂直な面上の直交する軸をＸ、Ｙとする
とき、 d Ｘ、d Ｙ：当該セルレンズのレンズ中心軸が幾何学的
中心からＸ軸方向、Ｙ軸方向にそれぞれ偏心している量
（光軸と反対方向を正とする） Ｘa 、Ｙa ：当該セルレンズのＸ軸方向、Ｙ軸方向の幅 Ｘb 、Ｙb ：第２のマルチレンズアレイのうち当該セル
レンズに対応するセルレンズのＸ軸方向、Ｙ軸方向の幅 である。

【００２６】図４は、対応する各マルチレンズアレイの
セルレンズサイズが同じでない場合のセルレンズ１０４
ａの偏心についての説明図である。第２のマルチレンズ
アレイ５のセルレンズの内、光軸１００に隣接するセル
レンズ１０５ａ面上に集光される光源像の重心をセルレ
ンズ１０５ａの中心に配置するためには、光源像をセル
レンズ１０５ａの中心より光軸１００からより離れた位
置に結像させる必要がある。従って、第１のマルチレン
ズアレイ４のセルレンズの内、光軸１００に隣接するセ
ルレンズ１０４ａの光学的中心位置を座標（Ｘb ／２、
Ｙb ／２）より光軸１００からより離れた位置に設定す
ればよい。つまり、セルレンズ１０４ａの幾何学的中心
位置が座標（Ｘa ／２、Ｙa ／２）であるので、セルレ
ンズ１０４ａの偏心量に言い換えれば、式（１）、
（２）を満足すればよいことになる。

【００２７】以上により、第１のマルチレンズアレイ４
と第２のマルチレンズアレイ５のセルレンズサイズが異
なっていても、式（１）（２）の条件を満足すれば、反
射鏡の非反射領域の穴およびランプの影による影響を最
小限にすることが可能となる。

【００２８】実施の形態３．上記実施の形態１では、液
晶パネルが１枚の照明光源装置について説明したが、本
実施の形態３は、図５に示すように、複数の液晶パネル
を用いた投写型表示装置を構成したものである。図にお
いて、１０Ｒ、１０Ｇ、１０ＢはＲ、Ｇ、Ｂの三原色に
対応した３枚の液晶パネル（ライトバルブ）、１８ａ、
１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは反射ミラー、８ａ、８ｂは特
定波長を反射する第１、第２のダイクロイックミラー、
１９ａ、１９ｂは第１、第２のリレーレンズ、９Ｒ、９
Ｇ、９ＢはＲ、Ｇ、Ｂ各色に対応したコリメータレン
ズ、１１はダイクロイックプリズム、１２は投写レン
ズ、１３はスクリーン、１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂ
はＲ、Ｇ、Ｂ各色の波長帯域をもつ照明光である。

【００２９】ランプ２と反射鏡３で構成されている光源
１は、ほぼ平行光束である照明光１０１を出射する。照
明光１０１は第１のマルチレンズアレイ４に入射し、複
数の光束に分割される。分割された光束は対応する第２
のマルチレンズアレイ５に入射し、コンデンサレンズ７
により集光光束として出射される。コンデンサレンズ７
を出射した光束は、反射ミラー１８ａによって光路を折
り曲げられて第１のダイクロイックミラー８ａに入射す
る。

【００３０】第１のダイクロイックミラー８ａは、赤の
波長領域を透過し、緑と青の波長領域を反射する特性を
有しており、照明光１０１Ｒは反射ミラー１８ｂの方向
に、照明光１０１Ｇ、１０１Ｂは第２のダイクロイック
ミラー８ｂの方向に出射される。照明光１０１Ｒは反射
ミラー１８ｂおよびコリメータレンズ９Ｒを介して液晶
パネル１０Ｒを照明する。

【００３１】第２のダイクロイックミラー８ｂは青の波
長領域を透過し、緑の波長領域を反射する特性を有して
いるので、照明光１０１Ｇは第２のダイクロイックミラ
ー８ｂによって光路を折り曲げられ、コリメータレンズ
９Ｇを介して液晶パネル１０Ｇを照明する。

【００３２】また、照明光１０１Ｂは第２のダイクロイ
ックミラー８ｂを透過した後、第１のリレーレンズ１９
ａおよび反射ミラー１８ｃ、第２のリレーレンズ１９
ｂ、反射ミラー１８ｄ、コリメータレンズ９Ｂを介して
液晶パネル１０Ｂを照明する。

【００３３】各光束は、各液晶パネル１０Ｒ、１０Ｇ、
１０Ｂに形成された画像で変調された後、ダイクロイッ
クプリズム１１により合成されて再度白色光となり、投
写レンズ１２を介してスクリーン１３上に投写画像とし
て拡大結像される。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、この発明の照明光源装置
は、第１のマルチレンズアレイのセルレンズの内、光軸
と隣接するセルレンズの中心軸が外向きの偏心を有し、
かつ対応する第２のマルチレンズアレイのセルレンズの
幾何学的中心より光軸から一層離れた位置に集光するよ
うに偏心量を設定することにより、マルチレンズを複雑
化することなく反射鏡の非反射領域である穴およびラン
プの影による影響を最小限にし、光利用効率を向上させ
ることが可能となる。

【００３５】また、光学系に配されるレンズを、式
（１）、（２）で示した条件を満たすようにすることに
より、第１のマルチレンズアレイと第２のマルチレンズ
アレイのセルレンズサイズが異なる場合でも、光利用効
率を向上させることが可能となる。

【００３６】また、この発明の投写型表示装置は、上記
構成の照明光源装置を有することにより光学系全体の光
利用効率向上を実現し、投写型表示装置の光出力を高め
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１に係る照明光源装置
の光学系を示す図である。

【図２】 実施の形態１におけるマルチレンズアレイの
動作を説明する図である。

【図３】 実施の形態１において、第２のマルチレンズ
アレイのうち光軸隣接セルレンズにおける集光分布と対
応する液晶パネル面上での照度分布を説明する図であ
る。

【図４】 この発明の実施の形態２に係る照明光源装置
の第１のマルチレンズアレイのうち光軸隣接セルレンズ
の偏心量を説明する図である。

【図５】 この発明の実施の形態３に係る投写型表示装
置の光学系を示す図である。

【図６】 従来の照明光源装置の光学系を示す図であ
る。

【図７】 従来の照明光源装置の光学系におけるマルチ
レンズアレイの動作を説明する図である。

【図８】 従来の照明光源装置の光学系において、第２
のマルチレンズアレイのうち光軸隣接セルレンズにおけ
る集光分布と対応する液晶パネル面上での照度分布を説
明する図である。

【符号の説明】

１ 光源、 ２ 反射鏡、３
ランプ、 ４ 第１のマルチレン
ズアレイ、５ 第２のマルチレンズアレイ、 ７ コ
ンデンサレンズ、８ａ 第１のダイクロイックミラー、
８ｂ 第２のダイクロイックミラー、９ コリメータレ
ンズ、 ９Ｒ コリメータレンズ、９Ｇ コ
リメータレンズ、 ９Ｂ コリメータレンズ、
１０ 液晶パネル、 １０Ｒ 液晶パネ
ル、１０Ｇ 液晶パネル、 １０Ｂ 液晶
パネル、１１ ダイクロイックプリズム、 １２ 投
写レンズ、１３ スクリーン、 １８ａ
反射ミラー、１８ｂ 反射ミラー、 １
８ｃ 反射ミラー、１８ｄ 反射ミラー、
１９ａ リレーレンズ、１９ｂ リレーレンズ、
１００ 光軸、１００Ｒ 光軸、
１００Ｇ 光軸、１００Ｂ 光軸、
１０１ 照明光、１０４ａ セルレンズ
１０５ａ セルレンズ、１１１ 反射鏡の穴。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 白色光を放射するランプとこのランプか
   ら放射された光を前方方向に反射させる反射鏡とからな
   る光源、この光源からの光束を複数の光束に分割する第
   １のマルチレンズアレイ、およびこの第１のマルチレン
   ズアレイからの光束を結像させるための第２のマルチレ
   ンズアレイを備え、上記第１のマルチレンズアレイを構
   成するセルレンズの内、上記マルチアレイレンズの光軸
   と隣接するセルレンズは、そのレンズ中心軸が幾何学的
   中心に対して外側への偏心を有し、上記第２のマルチレ
   ンズアレイの上記セルレンズに対応するセルレンズの幾
   何学的中心より外側の位置に集光するように設定されて
   いることを特徴とする照明光源装置。
2. 【請求項２】 第１のマルチレンズアレイの光軸と隣接
   するセルレンズの偏心量が下記条件を満足することを特
   徴とする請求項１記載の照明光源装置。 d Ｘ＞（Ｘb ―Ｘa ）／２ ‥‥‥ （１） d Ｙ＞（Ｙb ―Ｙa ）／２ ‥‥‥ （２） ただし、光軸に垂直な面上の直交する軸をＸ、Ｙとする
   とき、 d Ｘ、d Ｙ：当該セルレンズのレンズ中心軸が幾何学的
   中心からＸ軸方向、Ｙ軸方向にそれぞれ偏心している量
   （光軸と反対方向を正とする） Ｘa 、Ｙa ：当該セルレンズのＸ軸方向、Ｙ軸方向の幅 Ｘb 、Ｙb ：第２のマルチレンズアレイのうち当該セル
   レンズに対応するセルレンズのＸ軸方向、Ｙ軸方向の幅 である。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の照明光
   源装置と、マルチレンズアレイで分割された光束を集光
   するコンデンサレンズと、光線の角度を補正するコリメ
   ータレンズと、このコリメータレンズからの出力光束を
   受け、電気的な変調により画像を形成するライトバルブ
   と、このライトバルブに形成された画像をスクリーンに
   拡大投影する投写レンズとにより構成されたことを特徴
   とする投写型表示装置。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２に記載の照明光
   源装置の出力光束をコンデンサレンズで集光した後、
   Ｒ、Ｇ、Ｂに分け、それぞれをコリメータレンズおよび
   ライトバルブを通した後、合成するようにしたことを特
   徴とする請求項３記載の投写型表示装置。