JP2002014299A - 照明装置および投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軸外収差、特に歪曲と倍率色収差を良好に補
正し、照明の寸法マージンを抑えて光の利用効率を高め
た安価な照明装置および投写型表示装置を提供する。 【解決手段】 正の屈折力を有するメニスカスレンズを
含む第１レンズ群４６と、負の屈折力を有する第１のレ
ンズ手段と正の屈折力を有する第２のレンズ手段を含む
第２レンズ群４７と、被照明面５直前の面が平面である
レンズ手段４５を備え、テレセントリックな状態で照明
光束を出射するとともに、軸外収差を良好に補正し光利
用効率を高めた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、照明光学系、およ
びこの照明光学系を用いた投写型表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】（背景）近年、大画面の画像表示装置と
してプロジェクタ装置（投写型表示装置）が注目されて
いる。小型で高精細・高輝度のＣＲＴを用いたＣＲＴプ
ロジェクタ装置、液晶パネルを用いた液晶プロジェクタ
装置、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏ
ｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いたＤＭＤプロジェクタ装置等
が製品化されている。

【０００３】また、映画やＴＶプログラムといったＡＶ
ソースに対応するだけでなく、コンピュータ画像を投写
するデータプロジェクタと呼ばれるカテゴリが急速に市
場を拡大しており、投写画面の明るさやコントラスト向
上、高解像度化、明るさの均一性向上などの著しい性能
改善が行われている。

【０００４】特に液晶や、ＤＭＤ等のライトバルブを用
いたプロジェクタ装置は明るさと解像度の向上を独立し
て行うことができる点でＣＲＴプロジェクタ装置より優
れており、プロジェクションテレビ（リア投写型プロジ
ェクタ）への適用も増えている。

【０００５】従来のライトバルブ照明光学系は、光源と
投写レンズの射出瞳を共役関係とするレンズ系の光路中
にライトバルブを配置してこれを照明する、一種のケー
ラー照明法にもとづいたものが殆どであった。

【０００６】しかしながら、近年は照明均一性を向上さ
せるためにフライアイインテグレータ照明法や、ロッド
インテグレータ照明法が多用され、照明光学系に対して
より高いレベルの結像性能と、複雑な構成の光学系が要
求されるようになっている。

【０００７】（従来の技術）図６は日本特許第２９３９
２３７号公報に開示された従来の反射型プロジェクタで
ある。図において、１１０は光を生成して出射するラン
プハウスであり、ランプ１１１および反射鏡１１３より
構成される。

【０００８】１２０はランプハウス１１０から出射した
光を波長によって選択的に透過させるカラーホイールで
あり、カラーフィルタ１２１を有し、駆動部１２３によ
りカラーフィルタ１２１が回転する構成となっている。
１３０はランプハウス１１０側から入射した光を発散／
収束または乱反射させて均一光にする光混合手段、１４
０は入射光を収束させて平行光にするリレイレンズユニ
ット、１５０は画像生成手段１６０から反射されて再入
射した光を反射させる臨界角プリズム、１７０は入射し
た光がスクリーンに向かうように拡大透過させる投写レ
ンズユニットである。

【０００９】光混合手段１３０の具体的な例として、図
ではスクランブラ１３５が配置されている。ランプ１１
１から出射した光が収束される点には、光路に対して垂
直な入射面１３５ａが配置され、同じく光路に対して垂
直な出射面１３５ｂと４つの側面とから直方体（立方体
であってもよい）を形成している。すなわち、出射面１
３５ｂの縦横比は画像生成手段１６０を構成するＦＬＣ
Ｄ１６３（ＦＬＣＤ：Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌ
ｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ、強誘電
体液晶表示素子）の縦横比に対応した長方形となる。ス
クランブラ１３５によってランプハウス１１０からの不
均一光は、混合されて均一な光となり出射面１３５ｂか
ら出射される。リレイレンズユニット１４０は、この均
一光を発散させる収束レンズ１４１と、入射する発散光
を収束させ平行光にするコリメータレンズ１４３から構
成されており、この平行光によりＦＬＣＤ１６３を照明
している。

【００１０】この構成においては、ＦＬＣＤ１６３によ
って画像生成手段１６０が構成されているため、このＦ
ＬＣＤ１６３の前後に偏光子１６１とアナライザ１６５
が設けられている。

【００１１】この従来例の構成に拠れば、臨界角プリズ
ムを採用して光の進行経路を変換させることによって偏
光ビームスプリッタの採用を排除するとともに、長い光
学長を必要とすることなく光学系の光軸整列が容易にな
る反射型プロジェクタを提供することが可能である。ま
た、スクランブラ１３５のような光混合手段を用いた、
いわゆるロッドインテグレータ照明法に拠れば、光学系
の構成が簡素化され、コストパフォーマンスに優れた照
明光学系ならびにプロジェクタ装置を提供可能である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、スクランブ
ラ１３５を用いてランプハウス１１０からの不均一光を
均一化し、照明効率を向上させる場合には、出射面１３
５ｂと照明されるべきＦＬＣＤ１６３がほぼ共役な関係
となるように、リレイレンズユニット１４０を構成すべ
きである。プロジェクタ装置の照明光学系に求められる
結像性能は一般的な写真レンズやプロジェクタの投写光
学系の性能と比べて低いレベルにあるため、本従来例に
おいてもリレイレンズユニット１４０を構成する収束レ
ンズ１４１、ならびにコリメータレンズ１４３につい
て、具体的なレンズユニットとしての具体的な開示はな
い。

【００１３】しかしながら、高効率のプロジェクタ装置
を得るためには、 ライトバルブを効率良く照明するための照明光学系の
設計、特に、被照明領域に対する照明マージン（被照射
領域に対する照射エネルギの損失の割合、あるいは照射
光の大きさよりもたらされる利用されない光の割合）を
最小にすること（すなわち、光の利用効率の向上）。 被照明領域内における照射光強度の均一性を向上させ
ること。が重要である。

【００１４】前者は主に伝達光学系の色収差に関わる
問題である。ＲＧＢ各単色光の像、すなわち、被照射領
域における照明光束の面積の大きさや照射される位置が
異なると、ＲＧＢ各単色光の全てが重なって白色となる
ところ以外の領域はカラー画像の正常な表示ができない
ため、実質的に損失となる。

【００１５】特に、一枚のライトバルブによりカラー表
示を行う単板式プロジェクタ装置の場合は、ＲＧＢ各色
光の光路を共通とするため、各色光別に収差補正が可能
な複数板式プロジェクタ装置に比べて色収差の除去（補
正）には注意が必要である。

【００１６】一方、後者は十分な光束の混ぜ合わせ
と、これを伝達する光学系の結像性能に拠る。スクラン
ブラ１３５によって光束分布の均一化がなされるが、こ
れを伝達する光学系の色収差や歪曲収差等の軸外収差が
大きいと照明光束の明るさの均一性を損なったり、照明
マージンが必要以上に大きくなることによって照明効率
が低下するといった不具合をもたらすことになる。

【００１７】さらに、色合成、色分解、偏光分離、ある
いは光束の偏向など、レンズ要素以外の光学要素（光学
素子）が複雑に組み合わされる場合には、これらの光学
要素による影響を含めた詳細な収差補正なしには適当な
照明光学系を得ることができない。

【００１８】本発明の目的は、光源からの光が持つ強度
の不均一性を軽減して照明光束の明るさの均一性を向上
するとともに、照明の照明マージンを低減して光の利用
効率を高めた照明光学系および該照明光学系を搭載した
プロジェクタ装置を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る照明装置
は、光源からの出射光を集束する集束手段と、該集束手
段による前記出射光の集束位置の近傍に光入射部が位置
し、該光入射部より入射した入射光を伝搬して光出射部
より出射する柱状光学手段と、前記柱状光学手段からの
出射光を受ける正の屈折力を有する第１レンズ群、前記
第１レンズ群からの出射光を受ける正の屈折力を有する
第２レンズ群、および、前記第２レンズ群からの出射光
を受ける正の屈折力を有する第３レンズ群の前記各レン
ズ群が前記柱状光学手段の側から前記被照明面の側に向
かって順次配列されることによって構成され、下記の
（１）および（２）の関係を満足し、かつ前記柱状光学
手段の前記光出射部および前記被照明面を共役関係とす
る伝達光学手段とを備えることを特徴とする。ここに、 ０．３７＜ｆ１／ｆ０＜０．６２ （１） νｐ／νｎ＞１．９９ （２） 但し、 ｆ０：伝達光学手段の焦点距離 ｆ１：第１レンズ群の焦点距離 νｐ：第２レンズ群内の正レンズの平均アッベ数 νｎ：第２レンズ群内の負レンズの平均アッベ数

【００２０】また、第２レンズ群は、柱状光学手段側に
凸であって負の屈折力を有するメニスカスレンズ、およ
び両凸レンズを含み、前記それぞれのレンズが前記柱状
光学手段の側から被照明面の側に向かって順に配列され
ていることを特徴とする。

【００２１】また、第１乃至第３レンズ群の各群を構成
する各レンズの内、第２レンズ群に含まれる負の屈折力
を有するメニスカスレンズの硝材が前記各レンズの他の
レンズの硝材と異なっており、かつ前記他のレンズの硝
材が同一種であることを特徴とする。

【００２２】また、第２レンズ群と第３レンズ群との間
に光路偏向手段をさらに含む。

【００２３】また、柱状光学手段は、中空の形状をな
し、内面を反射面とすることを特徴とする。

【００２４】本発明に係る投写型表示装置は、光源と、
該光源からの出射光を集束する集束手段と、該集束手段
による前記出射光の集束位置の近傍に光入射部が位置
し、該光入射部より入射した入射光を伝搬して光出射部
より出射する柱状光学手段と、前記柱状光学手段からの
出射光を受ける正の屈折力を有する第１レンズ群、前記
第１レンズ群からの出射光を受ける正の屈折力を有する
第２レンズ群、および、前記第２レンズ群からの出射光
を受ける正の屈折力を有する第３レンズ群の前記各レン
ズ群が前記柱状光学手段の側から前記被照明面の側に向
かって順次配列されることによって構成され、下記の
（１）および（２）の関係を満足し、かつ前記柱状光学
手段の前記光出射部および前記被照明面を共役関係とす
る伝達光学手段と、該伝達光学手段からの出射光が入射
され、該出射光の入射方向とは異なる方向に偏向する光
路偏向手段と、前記被照射面の位置に配設され、前記光
路偏向手段により偏向された前記伝達光学手段からの出
射光を受けて当該出射光を２次元的に変調して得られる
変調光を生成する光変調手段と、該光変調手段によって
生成された前記変調光を投写する投写手段とを備える。
ここに、 ０．３７＜ｆ１／ｆ０＜０．６２ （１） νｐ／νｎ＞１．９９ （２） 但し、 ｆ０：伝達光学手段の焦点距離 ｆ１：第１レンズ群の焦点距離 νｐ：第２レンズ群内の正レンズの平均アッベ数 νｎ：第２レンズ群内の負レンズの平均アッベ数

【００２５】また、第２レンズ群と第３レンズ群との間
に光路偏向手段をさらに含む。

【００２６】また、柱状光学手段の光入射部または光出
射部のいずれかの近傍にカラーフィルタを配設したこと
を特徴とする。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を示す
図面を参照して具体的に説明する。

【００２８】（投写型表示装置）これまで述べてきたよ
うに、プロジェクタ装置は、例えば外部より入力される
映像信号の情報に対応するようにライトバルブを駆動す
るための電気信号を発生する信号生成部と、後に詳述す
るような柱状光学素子を用いた照明光学系と、この照明
光学系と整合性の高い投写光学系から投写される光束を
受けて、その面上に映像を映し出すためのスクリーン手
段とを備えている。

【００２９】実施の形態１． （照明光学系の構成について）図１は、本発明の実施の
一形態に関わる照明光学系の構成を示す概略図である。
図において、１は光源、１１はリフレクタ、２はコン
デンサレンズ系、３は柱状光学素子、４はリレーレンズ
系であり、第１のレンズ４１と第２のレンズ４２で構成
される第１レンズ群４６、第３のレンズ４３と第４のレ
ンズ４４で構成される第２レンズ群４７、第５のレンズ
４５により構成される第３レンズ群４８の合わせて３群
からなるレンズ系で構成されている。また、５は被照明
面であり、６４は、この照明光学系の光軸である（後
に、照明光軸とも称す）。

【００３０】まず、光源１側から被照明面５へ向かって
順に、それぞれの構成要素の動作を説明する。光源１は
白色光や単色光などを出射する発光体よりなり、光源１
から放出された光はリフレクタ１１によって所定の方法
による光束の収斂、あるいは略平行化が行われる。

【００３１】前者はリフレクタ１１として回転楕円鏡を
用い、その第１焦点近傍に光源１を配置する方法が、ま
た後者はリフレクタ１１として回転放物面鏡を用い、そ
の焦点位置近傍に光源１を配置する方法がよく知られて
いる。

【００３２】図１に例示したリフレクタ１１は回転放物
面鏡であり、これにより略平行化された光束はコンデン
サレンズ系２によって収斂されて柱状光学手段としての
柱状光学素子３に導かれる。

【００３３】ここにおける集束手段はリフレクタ１１お
よびコンデンサレンズ系２が相当する。この集光手段に
よって、光源１の出射光は集束され（光源の像を生成す
る）、この集束位置近傍に柱状光学素子３の入射端面
（光入射部）を位置させる。

【００３４】柱状光学素子３はリフレクタ１１とコンデ
ンサレンズ系２によって集束された光源１の像が持つ像
内の輝度ムラを低減する均一化素子として機能し（入射
した入射光を伝搬することによって均一化を行う）、そ
の出射端面の近傍において被照射面５を照射する照明光
源となる均一光源面を形成する。

【００３５】このため、柱状光学素子３の出射端面の形
状は基本的に被照明面５と相似形状であることが望まし
い。伝達光学手段としてのリレーレンズ系４は、照明効
率を向上させるために、この柱状光学素子３の出射端面
（光出射部）と被照明面５とを共役とする結像関係を満
足するように構成される。

【００３６】リレーレンズ系４の結像作用により、柱状
光学素子３の出射端面の近傍に形成される像内の輝度ム
ラの低減した均一性の高い２次的な光源面は被照明面５
近傍において再び結像し、これを照明する。

【００３７】このとき照明光束の主光線６は光軸に対し
て略平行として被照明面５へ入射する。つまり、照明光
束はテレセントリックな状態で被照明面５を照明する。
このため、２次的な光源面の輝度ムラの低減した光強度
分布を保って光を効率よく伝達することができ、均一性
が高く高効率な照明を行うことができる。

【００３８】リレーレンズ系４は光源１側より順に、光
源１側に凹面を向けた正のメニスカスレンズ４１、両凸
レンズ４２、光源１側に凸面を向けた負のメニスカスレ
ンズ４３、両凸レンズ４４、被照明面５側に平面を向け
た平凸レンズ４５から構成され、正のメニスカスレンズ
４１と両凸レンズ４２は第１レンズ群４６を、負のメニ
スカスレンズ４３と両凸レンズ４４は第２レンズ群４７
を、平凸レンズ４５は第３レンズ群４８を形成してい
る。

【００３９】すなわち、第１乃至第３の各レンズ群４
６、４７、４８は、柱状光学素子３の側から被照射面５
の側に向かって順次配列されている。また、第２レンズ
群４７は、柱状光学素子３の側に凸であって負の屈折力
を有するメニスカスレンズ４３、および両凸４４を含ん
でおり、それぞれのレンズについても柱状光学素子３の
側から被照射面５の側に向かって順次配列されている。

【００４０】また、後に詳述するように、第１乃至第３
の各レンズ群４６、４７、４８を構成する各レンズの
内、第２レンズ群４７に含まれる負の屈折力を有するメ
ニスカスレンズ４３の硝材と、それ以外のレンズの硝材
とが異なっている（但し、メニスカスレンズ４３以外の
レンズの硝材は同一の種類のものが使用される）。

【００４１】ここで、第１レンズ群４６と第２レンズ群
４７は共に正の屈折力を有している。また、この場合、
第３レンズ群４８も正の屈折力を有するが、このリレー
レンズ系４における最終のレンズ群となり、リレーレン
ズ系４後段の被照明面５（後述するが、プリズムを経由
して被照明面５に至る場合もある）への光の伝搬を考慮
して、上述の平凸レンズ４５ならば、その平面を被照射
面５に向けてある（すなわち、被照射面５の直前の面が
平面である）。なお、以下では、正の屈折力を有するレ
ンズを単に”正レンズ”、負の屈折力を有するレンズを
単に”負レンズ”と称する場合もある。

【００４２】本実施の形態では、屈折力の小さい第５の
レンズ４５により被照明面５へ入射する照明光束の主光
線６を略平行光としテレセントリック照明を実現してい
るが、正の屈折力を有するレンズのみでは軸外収差、特
に歪曲収差と色収差が補正できないため、第２レンズ群
４７内に負の屈折力を有するレンズ（図１に示した例で
は、第３のレンズ４３（負のメニスカスレンズ））を配
置することによって第５のレンズ４５の軸外収差を良好
に補正している。

【００４３】また、メニスカスレンズ４３の入射面に絞
り７を設け、この絞り７近傍に光源１の像を形成するリ
レーレンズ系４とすることにより歪曲収差を良好に補正
している。

【００４４】なお、柱状光学素子３の出射端面が照明光
源（２次的な光源面）となるため、照明の効率を向上さ
せる（すなわち、照明マージンを下げる）ためには、柱
状光学素子３の端面形状を規定する比較的大きな像高
（光軸から離れた位置における像高）での収差、すなわ
ち軸外収差（ここでは、例えば、歪曲収差や軸外におけ
る色収差）を優先的に補正する必要がある。

【００４５】この軸外収差の補正の結果、本実施の形態
では被照明面５とほぼ相似な形状である照明光源の照明
マージンを低減させ、光の利用効率を向上させている。

【００４６】さらに、軸外の色収差を補正することによ
り、照明に不適切な、ＲＧＢ各色光の照明光束が重なら
ないために生じる色づいた照射領域を低減することがで
き、被照射面５の前面に亙って（投写される画面の中心
から角まで）高品質の白色ならびに各ＲＧＢ単色光の照
明を可能としている。

【００４７】ここで、リレーレンズ系４の全系の焦点距
離をｆ０、第１レンズ群４６の焦点距離をｆ１としたと
き、本実施の形態における第１レンズ群４６の焦点距離
ｆ１は、 ０．３７＜ｆ１／ｆ０＜０．６２ （１） の条件を満たすように構成する。

【００４８】この条件式（１）の上限を超えると、第２
レンズ群４７の屈折力が大きくなり、歪曲収差が増大す
る。また、リレーレンズ系４の各レンズ群を構成する各
レンズの主点間隔が大きくなるためリレーレンズ系４の
全長が必要以上に大きくなる。一方、条件式（１）の下
限を下回ると、リレーレンズ系４の有効径が増大するこ
ととなるため、省スペース性やコストの点で不利とな
る。

【００４９】また、リレーレンズ系４の第２レンズ群４
７の焦点距離をｆ２、第３レンズ群４８の焦点距離をｆ
３としたとき、前記式（１）を満たす条件のもとでｆ２
ならびにｆ３はそれぞれ、 １．０３＜ｆ２／ｆ０＜１．７１ （２） １．７０＜ｆ３／ｆ０＜２．７４ （３） の条件を満たすように構成する。

【００５０】ｆ２／ｆ０ならびにｆ３／ｆ０は、前記条
件式（１）に相当するｆ１／ｆ０とほぼ同様の挙動を示
す。条件式（２）および（３）の範囲の妥当性は、定性
的には条件式（１）の上下限を決めた同様の理由による
ものである。

【００５１】また、第２レンズ群４７を構成する正レン
ズおよび負レンズの材質の平均アッベ数をそれぞれν
ｐ、νｎとすると、本実施の形態では νｐ／νｎ ＞１．９９ （４） の条件を満たすように構成する。

【００５２】この条件式（４）を満たす材料で第２レン
ズ群４７を構成すれば、倍率に起因する色収差を良好に
補正することが可能である。よって、柱状光学素子３の
出射端面の像を被照明面５上に効率よく伝達することが
でき、照明領域の周辺部での色づきを抑え、照明の照明
マージンを低減することによって光の利用効率を向上さ
せている。

【００５３】下記、数値例１は実施の形態１における柱
状光学素子３の出射端面である光源面から被照明面５ま
でのデータである。本データにおいて、ｆ０は全系の焦
点距離、ＦＮＯはＦナンバー、ＲＥＤは近軸倍率を示し
ている。

【００５４】また、表中２行目において、左から順にｉ
は物体側からの順序を示し、Ｒｉは第ｉ面の曲率半径、
Ｄｉは第ｉ面から第ｉ＋１面までの間隔、ｎｄはｄ線に
対する屈折率、νｄはアッベ数を示している。なお、Ｒ
＝∞は平面を表すものとする。

【００５５】

【表１】

【００５６】数値例１の条件式（１）、（４）に相当す
る数式の値はそれぞれ ｆ１／ｆ０ ＝ ０．３８ νｐ／νｎ ＝ ２．３３ であり、いずれも先の条件を満たしている。また、条件
式（２）、（３）に相当する数式の値はそれぞれ ｆ２／ｆ０ ＝ １．０４ ｆ３／ｆ０ ＝ １．７２ であり、これらの数値もともに先の条件を満たしてい
る。

【００５７】また、数値例１ではリレーレンズ系４を構
成する合計５枚のレンズのうち、負のメニスカスレンズ
４３（数値例１における、ｎｄ＝１．７５５２のものは
ＨＯＹＡのＥ−ＦＤ４）を除く４枚は全て同一の安価な
硝材（数値例１における、ｎｄ＝１．５１６８のものは
ＨＯＹＡのＢＳＣ７）を用いているだけでなく、全ての
光作用面を球面にて構成することで製造コストを抑えて
いる。

【００５８】さて、下記数値例２および３は数値例１と
ほぼ同様の構成からなるリレーレンズ系４の設計例であ
る。これら２例とも、負のメニスカスレンズ４３（数値
例２における、ｎｄ＝１．７１７４のものはＨＯＹＡの
Ｅ−ＦＤ１、また、数値例３における、ｎｄ＝１．６７
２７のものはＨＯＹＡのＥ−ＦＤ５）を除く４枚は全て
同一の安価な硝材（数値例２および３における、ｎｄ＝
１．５１６８のものはＨＯＹＡのＢＳＣ７）を用いてお
り、同様のコスト低減効果を得ることができる。

【００５９】なお、レンズ枚数を減らし、非球面レンズ
を採用することにより同等の光学性能を維持することも
勿論可能であるが、この場合はレンズ枚数低減の効果
や、有効径等の条件を考慮すると第１レンズ群４６への
導入が効果的であると考えられる。

【００６０】

【表２】

【００６１】数値例２の条件式（１）、（４）に相当す
る数式の値はそれぞれ ｆ１／ｆ０ ＝ ０．５８２ νｐ／νｎ ＝ ２．１７６ であり、いずれも先の条件を満たしている。

【００６２】また、条件式（２）、（３）に相当する数
式の値はそれぞれ ｆ２／ｆ０ ＝ １．６５５ ｆ３／ｆ０ ＝ ２．６３６ であり、これらの数値もともに先の条件を満たしてい
る。

【００６３】

【表３】

【００６４】数値実施例３の条件式（１）、（４）に相
当する数式の値はそれぞれ ｆ１／ｆ０ ＝ ０．６１７ νｐ／νｎ ＝ １．９９４ であり、いずれも先の条件を満たしている。

【００６５】また、条件式（２）、（３）に相当する数
式の値はそれぞれ ｆ２／ｆ０ ＝ １．７０５ ｆ３／ｆ０ ＝ ２．７３６ であり、これらの数値もともに先の条件を満たしてい
る。

【００６６】これら、具体的な数値例によって例示され
るように、先の条件式（１）乃至（３）の各条件を満足
するような本実施の形態の照明光学系によれば、柱状光
学素子３の出射端面に形成される２次的な光源面の品質
がよい、すなわち被照射面における光の強度分布の均一
性が保たれた照明光学系を実現することができる。もち
ろん、このような照明光学系を用いた投写型表示装置に
おいては、投写画像の明るさが均一なものが得られる。

【００６７】ここで、光源１から柱状光学素子３までの
系について説明する。図１に示す光源１は、白色光や単
色光などを出射する発光体よりなり、例えばメタルハラ
イドランプ、超高圧水銀ランプ等、実効的な発光体（発
光する部分）の寸法が小さく発光効率の高いものが好ま
しい。

【００６８】これは光源１から発散した光をリフレクタ
１１によって集束する場合に、光源１の寸法が小さい方
がリフレクタ１１による平行化が行いやすく、後段のコ
ンデンサレンズ２による柱状光学素子３の入射端面にお
ける集光がよりよく行われるためであり、集光効率を高
めることができるからである。

【００６９】本実施の形態では、リフレクタ１１の内面
形状を回転２次曲面のひとつである回転放物面とし、こ
の放物面の焦点近傍に位置されるように光源１の配置を
行った。

【００７０】リフレクタ１１で略平行化された光束は、
コンデンサレンズ系２によって収斂されて光源１の像を
形成する。この光源１の像の大きさと角度分布（光軸の
周りの配光分布）は、コンデンサレンズ系２の設定によ
って所定の値に近づけることが可能である。

【００７１】本実施の形態では、電極ギャップ長が約
１．３ｍｍの放電ランプを光源１とし、焦点距離７．５
ｍｍの放物面からなるリフレクタ１１を用い、コンデン
サレンズ系２により、実効的な直径が４ｍｍ程度の光源
１の像を形成している。

【００７２】勿論、リフレクタ１１を回転楕円鏡とし、
コンデンサレンズ系２を用いない集光光学系を構成する
ことも好適である（この場合、リフレクタ１１が集束手
段となる）。いずれにしても、後段の柱状光学素子３お
よびリレーレンズ系４によって被照射面５にもたらされ
る光源１の像における光の均一性や照射マージン等を勘
案して構成することが重要である。

【００７３】柱状光学素子３は、リレーレンズ系４の結
像倍率と被照明面５の大きさから出射端面の寸法を決め
ることができる。この場合、リレーレンズ系４の結像性
能を活かすために、被照明面５の形状とほぼ相似な形状
とすることが望ましい。

【００７４】図２は柱状光学素子３をガラスロッド３０
で形成した例を示す断面図である。図において３１は入
射端面、３２は入射端面３１と同一形状の出射端面、６
０は入射光線、６１は出射光線、６２は柱状光学素子３
の光軸である（照明光学系に組み込まれるときには図１
に示す照明光軸６４と一致する）。

【００７５】入射端面３１は光源１の像が形成される位
置に配置すると最も伝達効率が高くなるが、入射光のエ
ネルギー密度が大きいために耐熱性を高めることが重要
である。

【００７６】柱状光学素子３内部に進入した光線６３
は、ガラスロッド３０の側壁面と空気との界面で生じる
全反射作用によって効率よく伝達されるとともに、全反
射の繰り返しにより入射端面３１において生じていた入
射光の強度分布の不均一性が解消され、適当な長さに設
定すれば非常に均一性の高い光源面を出射端面３２に形
成することができる（この形成された光源面が２次的な
光源面となる）。

【００７７】柱状光学素子３を構成する全ての面（特に
全反射を生じる側壁面）の平面度、入射端面３１、出射
端面３２ならびに側面の平行度等は一般的な平面ガラス
部材の公差でも光源１の像（２次的な光源面）の形成に
は問題がない場合が多い。なお、入射端面３１と出射端
面３２の形状や寸法を変えるといった変形例も勿論可能
である。

【００７８】柱状光学素子３の変形例を断面図として図
３に示す。図において、３３は中空ロッド、３４は基
材、３５は反射材であり、４つの平面から中空の柱状素
子を形成したものである（勿論、中空の柱状素子として
は、入射側が円形であり、出射側が四辺形の開口を有し
ていてもよく、必ずしも中空の柱状素子を形成するのは
４つの平面に限られないが、ここでは簡単のため４つの
平面で形成されるものとして説明する）。

【００７９】反射部材３５が中空の内面に配置されてお
り、入射端面から進入した光は反射部材３５による反射
を繰り返して進行し、前述のガラスロッドの場合と同様
の均一な強度分布を有する光源面を出射開口近傍に形成
する。

【００８０】一般に、全反射を利用するロッドタイプの
ものに比べて、反射部材を用いる場合は当該反射部材に
おける損失があるため効率が劣るが、アルミ材の表面を
アルマイト処理した基材に高純度のアルミを真空蒸着
し、更にその上に保護層としてのＳｉＯ₂膜やＴｉＯ₂膜
等を蒸着形成したようなものを用いると良好な反射特
性、耐熱性、耐候性を有するものを得ることができる。
このような材料としては、例えば、アラノッド社（ドイ
ツ）製のＭＩＲＯ（ミロ）が好適である。

【００８１】このような中空ロッド３３によれば、中空
ロッド３３の入射側の開口位置（すなわち、空間）にコ
ンデンサレンズ系２による集光点（すなわち、エネルギ
ー密度が高い）を形成することが可能であるので、その
位置における光の損失を生じず、中空ロッド全体を放熱
効果の高い金属を用いて作製可能であるため、当該中空
ロッドの冷却を容易にできる。

【００８２】また、外壁面を保持のために用いても内面
の反射性能にほとんど影響を与えることがないので、簡
便な方法による保持が可能でありコスト面でも有利であ
る。さらに部材（例えば、板状の部材）の折り曲げ加工
のみで成形できるので製造も容易である。

【００８３】以上、本実施の形態である照明光学系につ
いて説明したが、適当な位置、例えばリレーレンズ系４
内の第２レンズ群４７（第４のレンズ４４）と第３レン
ズ群４８（第５のレンズ４５）の間に光路偏向手段とし
ての反射ミラー（折り曲げミラー）を追加配置して全系
の光路を折り曲げ、照明装置としてコンパクトに構成す
ることは勿論可能である。

【００８４】図４は、光路偏向手段としての反射ミラー
４９を追加して光路を折り曲げ全系をコンパクトにした
構成例である。このように、本実施の形態の目的から逸
脱せず、その効果を享受できる範囲内での変形例は問題
がなく、これによって本発明の権利範囲を制限するもの
ではない。

【００８５】実施の形態２． （プロジェクタ装置の光学系）図５は、本発明に係る実
施の形態２である単板式プロジェクタ装置の光学系を示
す図である。図において、５０は反射型ライトバルブで
あり、例えば、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ
社のＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ
Ｄｅｖｉｃｅ）等のスクリーン上の画素に対応する微
小な可動ミラーがマトリクス状に配列されて構成された
光学素子が代表的なものである。

【００８６】８０はＲＧＢの光学フィルタ領域が回転に
より順次切り替わる回転カラーフィルタ（カラーホイー
ルと称する場合もある）、８１はプリズム、８２は投写
手段としての投写レンズ、９はスクリーンである。その
他の符号は図１に示されたものと同様であるのでその説
明を省略する。

【００８７】図中、１００は実施の形態１において説明
した照明光学系であり、その他の要素がプロジェクタ装
置を構成するにあたり新しく付加される要素となる。光
源１から反射型ライトバルブ５０までの動作は実施の形
態１において説明した内容と同様である。

【００８８】照明光学系１００の光路内、反射型ライト
バルブ５０の直前にプリズム８１が配置されているが、
このプリズム８１は、照明光軸６４に対して垂直な光入
射面と、反射型ライトバルブ５０の光学面（例えば、反
射型ライトバルブ５０を構成するミラー面に変移が与え
られていない状態における主面）に対して平行な光出射
面を有すると共に、照明光の偏向（反射型ライトバルブ
５０方向への折り曲げ）をその内部の全反射作用を利用
して行うものである。

【００８９】なお、プリズム８１の詳細については、例
えば、米国特許第５，６０４，６２４号公報や、本出願
人による特願平１１−２７８４９０号、特願平１１−２
９７８７９号を参照されたい。

【００９０】プリズム８１は照明光学系の照明性能と、
投写レンズ８２の投写性能を両立させるとともに、照明
光軸６４と投写光軸６５を分離することによって反射型
ライトバルブ５０前後の光学系の物理的な干渉を回避す
る働きがある（光路分離作用と称す）。

【００９１】また、回転カラーフィルタ８０は、例え
ば、映像信号の同期信号に同期して回転カラーフィルタ
８０を回転することによってフィールドシーケンシャル
でカラー化を行うための光学装置であり、前述のＤＭＤ
と組み合わせて投写型表示装置を構成する場合が多い。
なお、投写レンズ８２から出射した光はスクリーン９上
に拡大投写されて、大画面の映像を提供することができ
る（すなわち、以下に述べる光変調手段としての反射型
ライトバルブ５０によって生成された変調光を投写す
る）。

【００９２】光変調手段としての反射型ライトバルブ５
０として、ＤＭＤは、入射光の反射方向を微小ミラー
（マイクロミラー）の傾きを変えることによって選択
し、入射光束に画像情報に基づく２次元的な変調を与え
る働きがあり、これにより照明された光は投写される画
素に対応する変調光となる。この光の選択作用はプリズ
ム８１の光路分離作用と整合性が高く、したがって非常
に小さなスペースでプロジェクタ装置を構成することを
可能にしている。

【００９３】なお、反射型ライトバルブ５０は、実施の
形態１における被照射面５の位置に配設される（この実
施の形態においてはプリズム８１を介して反射型ライト
バルブ５０への照明がなされる）。

【００９４】照明光学系１００は、実施の形態１におい
て説明した通り、非常に効率良く、かつ均一な照明を行
うことができるため、本実施の形態におけるプロジェク
タ装置に適用することによって非常に光利用効率が高
く、コンパクトで安価な光学システムを構成し、かつ明
るい投写画像を最終的に得ることが可能となる。これは
フロント投写、リア投写といった投写方式に係わらず得
ることができる。

【００９５】勿論、この場合の照明光学系１００の構成
は図１に例示したものに限られることはなく、実施の形
態１で図４を参照しながら説明したように、反射ミラー
等を照明光学系１００の内部に追加配置することによっ
て照明光学系１００を折り曲げ、コンパクトに配置する
ことによって小形、軽量のプロジェクタ装置を実現する
ことも可能である。

【００９６】なお、回転カラーフィルタ８０はこれを透
過する光束径が小さいほど、装置の増大化を抑えること
ができるため、照明光学系１００の中でも光束径が小さ
い位置に配置することが望ましく、具体的には、図５に
示すように柱状光学素子３の直前、あるいは直後に配置
することが望ましい（光入射部または光出射部のいずれ
かの近傍に配設される）。

【００９７】カラー化については、回転カラーフィルタ
８０を用いなければならないということはなく、照明光
学系１００と整合が高く、高効率のプロジェクタ装置を
提供できるカラー化手段であれば、これを光学系の一部
に配置することは全く問題がなく可能である。

【００９８】以上、本発明に関して上記２つの実施の形
態について説明した。本発明はこれら２つの実施の形態
に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱せず、
その要旨を変更しない範囲において様々な変形例が可能
であることも勿論である。

【００９９】

【発明の効果】本発明は、以上に説明したように構成さ
れているので、以下に示すような効果を奏する。

【０１００】本発明に係る照明装置は、光源からの出射
光を集束する集束手段と、該集束手段による前記出射光
の集束位置の近傍に光入射部が位置し、該光入射部より
入射した入射光を伝搬して光出射部より出射する柱状光
学手段と、前記柱状光学手段からの出射光を受ける正の
屈折力を有する第１レンズ群、前記第１レンズ群からの
出射光を受ける正の屈折力を有する第２レンズ群、およ
び、前記第２レンズ群からの出射光を受ける正の屈折力
を有する第３レンズ群の前記各レンズ群が前記柱状光学
手段の側から前記被照明面の側に向かって順次配列され
ることによって構成され、下記の（１）および（２）の
関係を満足し、かつ前記柱状光学手段の前記光出射部お
よび前記被照明面を共役関係とする伝達光学手段とを備
えることを特徴とするので、光の利用効率が高い照明装
置を得ることができる。ここに、 ０．３７＜ｆ１／ｆ０＜０．６２ （１） νｐ／νｎ＞１．９９ （２） 但し、 ｆ０：伝達光学手段の焦点距離 ｆ１：第１レンズ群の焦点距離 νｐ：第２レンズ群内の正レンズの平均アッベ数 νｎ：第２レンズ群内の負レンズの平均アッベ数

【０１０１】また、第２レンズ群は、柱状光学手段側に
凸であって負の屈折力を有するメニスカスレンズ、およ
び両凸レンズを含み、前記それぞれのレンズが前記柱状
光学手段の側から被照明面の側に向かって順に配列され
ていることを特徴とするので、軸外収差を良好に補正す
ることができ、光の利用効率が高い照明装置を得ること
ができる。

【０１０２】また、第１乃至第３レンズ群の各群を構成
する各レンズの内、第２レンズ群に含まれる負の屈折力
を有するメニスカスレンズの硝材が前記各レンズの他の
レンズの硝材と異なっており、かつ前記他のレンズの硝
材が同一種であることを特徴とするので、光学性能を低
下させずに安価な照明装置を得ることができる。

【０１０３】また、第２レンズ群と第３レンズ群との間
に光路偏向手段をさらに含むので、コンパクトな照明装
置を得ることができる。

【０１０４】また、柱状光学手段は、中空の形状をな
し、内面を反射面とすることを特徴とするので、柱状光
学手段の放熱、ならびに保持を容易に行うことができ安
価な照明装置を得ることができる。

【０１０５】本発明に係る投写型表示装置は、光源と、
該光源からの出射光を集束する集束手段と、該集束手段
による前記出射光の集束位置の近傍に光入射部が位置
し、該光入射部より入射した入射光を伝搬して光出射部
より出射する柱状光学手段と、前記柱状光学手段からの
出射光を受ける正の屈折力を有する第１レンズ群、前記
第１レンズ群からの出射光を受ける正の屈折力を有する
第２レンズ群、および、前記第２レンズ群からの出射光
を受ける正の屈折力を有する第３レンズ群の前記各レン
ズ群が前記柱状光学手段の側から前記被照明面の側に向
かって順次配列されることによって構成され、下記の
（１）および（２）の関係を満足し、かつ前記柱状光学
手段の前記光出射部および前記被照明面を共役関係とす
る伝達光学手段と、該伝達光学手段からの出射光が入射
され、該出射光の入射方向とは異なる方向に偏向する光
路偏向手段と、前記被照射面の位置に配設され、前記光
路偏向手段により偏向された前記伝達光学手段からの出
射光を受けて当該出射光を２次元的に変調して得られる
変調光を生成する光変調手段と、該光変調手段によって
生成された前記変調光を投写する投写手段とを備えるの
で、光の利用効率が高く明るい投写型表示装置を実現す
ることができる。ここに、 ０．３７＜ｆ１／ｆ０＜０．６２ （１） νｐ／νｎ＞１．９９ （２） 但し、 ｆ０：伝達光学手段の焦点距離 ｆ１：第１レンズ群の焦点距離 νｐ：第２レンズ群内の正レンズの平均アッベ数 νｎ：第２レンズ群内の負レンズの平均アッベ数

【０１０６】また、第２レンズ群と第３レンズ群との間
に光路偏向手段をさらに含むので、コンパクトな投写型
表示装置を実現することができる。

【０１０７】また、柱状光学手段の光入射部または光出
射部のいずれかの近傍にカラーフィルタを配設したこと
を特徴とするので、カラーフィルタが小型のものを用い
ることができコンパクトな投写型表示装置を実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態１に係る照明装置の構成を示す概
略図である。

【図２】 実施の形態１に係る柱状光学素子を説明する
概略図である。

【図３】 実施の形態１に係る柱状光学素子の変形例を
説明する概略図である。

【図４】 実施の形態１に係る照明装置の構成を示す概
略図である。

【図５】 実施の形態２に係る投写型表示装置の構成を
示す概略図である。

【図６】 従来の照明装置の概略図である。

【符号の説明】

１ 光源、１１ リフレクタ、２ コンデンサレンズ
系、３ 柱状光学素子、４ リレーレンズ系、５ 被照
明面、６ 主光線、７ 絞り、４６ 第１レンズ群、４
７ 第２レンズ群、４８ 第３レンズ群、５０ 反射型
ライトバルブ、１００ 照明光学系、８０ 回転カラー
フィルタ、８１ プリズム、８２ 投射レンズ。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年４月２４日（２００１．４．２
４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】符号の説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【符号の説明】 １ 光源、１１ リフレクタ、２ コンデンサレンズ
系、３ 柱状光学素子、４ リレーレンズ系、５ 被照
明面、６ 主光線、７ 絞り、４６ 第１レンズ群、４
７ 第２レンズ群、４８ 第３レンズ群、５０ 反射型
ライトバルブ、１００ 照明光学系、８０ 回転カラー
フィルタ、８１ プリズム、８２ 投射レンズ、６４
光軸（照明光軸）。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇多小路 雄 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 鹿間 信介 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2H087 KA06 LA27 PA05 PA17 PB05 QA03 QA05 QA12 QA21 QA26 QA33 QA41 QA46

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの出射光を集束する集束手段
   と、 該集束手段による前記出射光の集束位置の近傍に光入射
   部が位置し、該光入射部より入射した入射光を伝搬して
   光出射部より出射する柱状光学手段と、 前記柱状光学手段からの出射光を受ける正の屈折力を有
   する第１レンズ群、 前記第１レンズ群からの出射光を受ける正の屈折力を有
   する第２レンズ群、 および、前記第２レンズ群からの出射光を受ける正の屈
   折力を有する第３レンズ群の前記各レンズ群が前記柱状
   光学手段の側から前記被照明面の側に向かって順次配列
   されることによって構成され、下記の（１）および
   （２）の関係を満足し、かつ前記柱状光学手段の前記光
   出射部および前記被照明面を共役関係とする伝達光学手
   段とを備えることを特徴とする照明装置。ここに、 ０．３７＜ｆ１／ｆ０＜０．６２ （１） νｐ／νｎ＞１．９９ （２） 但し、 ｆ０：伝達光学手段の焦点距離 ｆ１：第１レンズ群の焦点距離 νｐ：第２レンズ群内の正レンズの平均アッベ数 νｎ：第２レンズ群内の負レンズの平均アッベ数
2. 【請求項２】 第２レンズ群は、柱状光学手段側に凸で
   あって負の屈折力を有するメニスカスレンズ、および両
   凸レンズを含み、前記それぞれのレンズが前記柱状光学
   手段の側から被照明面の側に向かって順に配列されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 【請求項３】 第１乃至第３レンズ群の各群を構成する
   各レンズの内、第２レンズ群に含まれる負の屈折力を有
   するメニスカスレンズの硝材が前記各レンズの他のレン
   ズの硝材と異なっており、かつ前記他のレンズの硝材が
   同一種であることを特徴とする請求項２に記載の照明装
   置。
4. 【請求項４】 第２レンズ群と第３レンズ群との間に光
   路偏向手段をさらに含む請求項１乃至３のいずれかに記
   載の照明装置。
5. 【請求項５】 柱状光学手段は、中空の形状をなし、内
   面を反射面とすることを特徴とする請求項１に記載の照
   明装置。
6. 【請求項６】 光源と、 該光源からの出射光を集束する集束手段と、 該集束手段による前記出射光の集束位置の近傍に光入射
   部が位置し、該光入射部より入射した入射光を伝搬して
   光出射部より出射する柱状光学手段と、 前記柱状光学手段からの出射光を受ける正の屈折力を有
   する第１レンズ群、前記第１レンズ群からの出射光を受
   ける正の屈折力を有する第２レンズ群、および、前記第
   ２レンズ群からの出射光を受ける正の屈折力を有する第
   ３レンズ群の前記各レンズ群が前記柱状光学手段の側か
   ら前記被照明面の側に向かって順次配列されることによ
   って構成され、下記の（１）および（２）の関係を満足
   し、かつ前記柱状光学手段の前記光出射部および前記被
   照明面を共役関係とする伝達光学手段と、 該伝達光学手段からの出射光が入射され、該出射光の入
   射方向とは異なる方向に偏向する光路偏向手段と、 前記被照射面の位置に配設され、前記光路偏向手段によ
   り偏向された前記伝達光学手段からの出射光を受けて当
   該出射光を２次元的に変調して得られる変調光を生成す
   る光変調手段と、 該光変調手段によって生成された前記変調光を投写する
   投写手段とを備える投写型表示装置。ここに、 ０．３７＜ｆ１／ｆ０＜０．６２ （１） νｐ／νｎ＞１．９９ （２） 但し、 ｆ０：伝達光学手段の焦点距離 ｆ１：第１レンズ群の焦点距離 νｐ：第２レンズ群内の正レンズの平均アッベ数 νｎ：第２レンズ群内の負レンズの平均アッベ数
7. 【請求項７】 第２レンズ群と第３レンズ群との間に光
   路偏向手段をさらに含む請求項６に記載の投写型表示装
   置。
8. 【請求項８】 柱状光学手段の光入射部または光出射部
   のいずれかの近傍にカラーフィルタを配設したことを特
   徴とする請求項６に記載の投写型表示装置。