JP2002040363A - 投射型表示装置用照明光学系 - Google Patents

投射型表示装置用照明光学系

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JP2002040363A
JP2002040363A JP2000227634A JP2000227634A JP2002040363A JP 2002040363 A JP2002040363 A JP 2002040363A JP 2000227634 A JP2000227634 A JP 2000227634A JP 2000227634 A JP2000227634 A JP 2000227634A JP 2002040363 A JP2002040363 A JP 2002040363A
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optical system
lens
display device
illumination optical
projection display
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JP2000227634A
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Ryuji Yamada
隆二 山田
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Kyocera Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】リレー光学系の照度分布をより均質にし、かつ
安価に製作できる投射型表示装置用照明光学系を提供す
る。 【解決手段】 ダイクロイックミラーで光源をRGB三色に
分解する色分解手段と、光路長が長い3枚レンズ構成の
リレー光学系と、クロスダイクロイックプリズムで三色
合成する光合成手段とを有し、スクリーン上に投射する
投射型表示装置において、前記リレー光学系8,9,1
0は中央レンズ9が両面同曲率凸面であり、前記中央レ
ンズを挟んで配置される入、出力側レンズ8,10が同
形状同材料であるように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は投射型表示装置の照
明光学系に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の投射型表示装置用の照明光学系で
は、 リレー光学系は一旦形成された照明エリアの像を
リレーして、所定の位置に他の光路と同じ大きさで結像
する作用を有する。
【0003】図7は従来技術の例を示す。フライアイレ
ンズを入射瞳とし、無限遠光束を光線追跡した様子であ
る。各フライアイレンズの間隔はフライアイレンズの焦
点距離と一致するので、この構成で光線追跡を行うこと
によってフライアイレンズ・セルの重ね合わせ状態を検
証することが出来る。無収差であれば、フライアイレン
ズ・セルの像は表示素子面上で一つに重ね合わされる。
最終的にはフライアイレンズで発生する収差を含めて検
証する。
【0004】この従来技術例では、中央レンズ19は両
凸面同曲率のレンズであり、入力側レンズ18と出力側
レンズ20とはレンズ形状が異なる。図8は、 従来技
術の照明光学系を用いた場合の照度分布を示す。図9
は、 従来技術のフライアイレンズ・セル像の重ねあわ
せの状態を示す図である。図10は、従来のフライアイ
レンズ・セル光線追跡の状態を示す図である。図11
は、従来の横収差図(横軸:瞳座標、縦軸:横収差)で
ある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来は、3枚のレンズ
でリレー系を構成しているが、小型化に伴い短い光路長
で略等倍率の光学系にするために、高屈折の硝材や非球
面レンズを使用しているが、高価である上に収差補正が
良好でないために照度分布の均質性が十分ではなかっ
た。
【0006】また、図7の構成では、負の歪曲が大きい
ために、照明エリアの形が樽型になる。また横収差が大
きいために、フライアイレンズセル像の重ねあわせが悪
く、色むらの原因になっている。これを防ぐために、レ
ンズ材料の屈折率を高くして各面で発生する収差を抑制
したり、非球面レンズを使用して収差補正を行っている
が、製造コストが高くなる問題があった。
【0007】本発明の目的は、リレー光学系の照度分布
をより均質にし、かつ安価に製作できる投射型表示装置
用照明光学系を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のうち請求項1記載の発明は、ダイクロイッ
クミラーで光源をRGB三色に分解する色分解手段と、光
路長が長い3枚レンズ構成のリレー光学系と、クロスダ
イクロイックプリズムで三色合成する光合成手段とを有
し、スクリーン上に投射する投射型表示装置において、
前記リレー光学系は中央レンズが両面同曲率凸面であ
り、前記中央レンズを挟んで配置される入、出力側レン
ズが同形状同材料であるように構成したことを特徴とす
る投射型表示装置用照明光学系を提供する。
【0009】請求項2記載の発明は、請求項1記載の投
射型表示装置用照明光学系において、前記リレー光学系
の各レンズの屈折率Ndが次の式を満足することを特徴と
する。1.5 < Nd < 1.65請求項3記載の発明は、請
求項1記載の投射型表示装置用照明光学系において、前
記リレー光学系の入力側レンズと出力側レンズが対称に
配置されることを特徴とする。
【0010】請求項4記載の発明は、請求項3記載の投
射型表示装置用照明光学系において、前記リレー光学系
の入力側レンズと出力側レンズは曲率半径が大きい方を
中央レンズ側に配置したことを特徴とする。
【0011】請求項5記載の発明は、請求項1記載の投
射型表示装置用照明光学系において、前記リレー光学系
の入、出力側レンズの焦点距離をf1、中央レンズの焦
点距離をf2とした場合に次の式を満足することを特徴
とする。0.7 < f2/f1 < 1.0請求項6記載の発
明は、請求項1記載の投射型表示装置用照明光学系にお
いて、前記リレー光学系の入、出力側レンズから中央レ
ンズまでの近軸的間隔が入、出力側レンズの焦点距離に
略等しく、かつ入力側レンズとフィールドレンズの間隔
がフィールドレンズの焦点距離に略等しいことを特徴と
する。上記の構成によれば、リレー系を対称構成とし、
各レンズの焦点距離、配置、形状を適切に設定すること
により、高屈折率材料や非球面レンズを使用することな
く照度分布が均質な照明光学系を実現するものである。
ここで、均一照明を実現する手段としては、下記である
ことが必要である。 フライアイレンズの各セル内の照度分布が均質とみな
セル程度にフライアイレンズを分割する。 フライアイレンズ・セル像の歪曲が少なく、表示素子
と相似形である。 フライアイレンズ・セル像が表示素子上で互いにずれ
ること無く一致する。 表示素子に入射する光線の角度分布が均質である。 の条件をみたすことにより、均質照度分布のフライア
イレンズ・セル像が分割数だけ重ね合わされるため、表
示素子面上の照度分布が均質になる。の条件を満たさ
ないと、画面内で結像倍率が異なり、部分的にセル像が
圧縮、伸張されるため光線密度の差が生じ、照度分布の
むらになる。正の歪曲の場合には伸張されるため照度が
低下し、負の歪曲の場合には圧縮されるので照度が上昇
する。の条件を満たすには、リレーレンズ゛系の横収
差を極力抑える必要がある。横収差が大きいと、入射瞳
面座標によって結像面入射位置がことなる。フライアイ
レンズはリレー系の入射瞳を分割しているので、セルに
よって結像位置が異なってしまう。の条件を満たすに
はリレー系各像高の主光線角度が光軸平行で一様である
必要がある。射出瞳位置が無限遠で歪曲が0であれば、
これを実現することが出来る。請求項1は〜を実現
するための基本構成である。請求項2の範囲を超える
と、収差補正上有利となるが材料コストが高くなる傾向
にある。請求項3の配置をとらないと画面周辺部の主光
線角度が大きくなり周辺照度が低下する。請求項4の条
件を満足しない場合、負の歪曲が大きく発生する。請求
項5の式の下限を下回ると出力側レンズから表示素子ま
でのバックフォーカスを確保することが困難になる。上
限を上回ると逆にバックフォーカスがながくなり光学系
小型化の妨げになる。請求項6の条件を満たすことによ
って、フィールドレンズによる像を略等倍率で表示素子
上に写像することが出来る。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
投射型表示装置用照明光学系の実施の形態について説明
する。図1は本発明の照明光学系を使用した投射表示装
置の構成を示す構成図である。図2は本発明の照明光学
系の構成を示す構成図である。図3は本発明の照明光学
系を使用した表示素子面上の照度分布図である。図4は
フライアイレンズ・セル像の重ねあわせの状態を示す図
である。
【0013】図において、1はリフレクタ、2,3はフ
ライアイレンズ、4は偏光変換素子、5はフィールドレ
ンズ、6,7はコンデンサレンズ、8は入力側レンズ、
9は中間レンズ、10は出力側レンズ、11はコールド
ミラー、12はダイクロイックミラー、13は全反射ミ
ラー、14は液晶、15はクロスプリズムである。ここ
で、投射型表示装置用照明光学系であるリレー系は、入
力側レンズ8と中間レンズ9と出力側レンズ10とから
構成され、低屈折率かつ安価な硝材でリレー系を構成
し、非球面レンズは使用せず、すべての像高で主光線角
度を光軸平行にし、照明NA分布を均一にするように構成
した。また、ディストーションを補正し、照射エリアと
表示素子を相似形にするようにし、レンズ構成は3枚と
するが、そのうち2枚を共通化するようにした。
【0014】
【実施例】本実施例では、図2に示すように従来例に比
して、各像高(Y10.0等)で歪曲は3%以下、主光
線角度は1.5°以下に抑えている。本発明による照度分
布を図3に示す。図4はフライアイレンズ・セル像の重
ねあわせの状態を示している。セルは、中心、上端、右
端で比較を行った。改善前はセル像の位置、形がばらば
らであったのに対して、本発明による実施例ではセル像
の位置、形のずれが小さくなっていることが分かる。こ
れにより色むらの少ない照明系が実現可能となった。
【0015】両面同曲率のレンズの前後に同形状、同材
料のレンズを対称に配置することにより、コストを下げ
ると同時に、低歪によって照明エリアの形状、主光線角
度の均質性を向上させて照明NA分布、横収差を補正しフ
ライアイレンズ・セル像の重ねあわせを改善した。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、従来技術と比較して、
照度分布の形状に歪曲がなく、なおかつ分布が均質であ
る。また、セル像の位置、形のずれが小さくなっている
ので、これにより色むらの少ない照明系が実現可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の照明光学系を使用した投射表示装置の
構成を示す構成図である。
【図2】本発明の照明光学系の構成を示す構成図であ
る。
【図3】本発明の照明光学系を使用した表示素子面上の
照度分布図である。
【図4】本発明のフライアイレンズ・セル像の重ねあわ
せの状態を示す図である。
【図5】本発明のフライアイレンズ・セル光線追跡の状
態を示す図である。
【図6】本発明の横収差図(横軸:瞳座標、縦軸:横収
差)である。
【図7】従来の照明光学系の構成を示す構成図である。
【図8】従来の照明光学系を使用した表示素子面上の照
度分布図である。
【図9】従来のフライアイレンズ・セル像の重ねあわせ
の状態を示す図である。
【図10】従来のフライアイレンズ・セル光線追跡の状
態を示す図である。
【図11】従来の横収差図(横軸:瞳座標、縦軸:横収
差)である。
【符号の説明】
1 リフレクタ 2、3 フライアイレンズ 4 偏光変換素子 5 フィールドレンズ 6、7 コンデンサレンズ 8 入力側レンズ 9 中間レンズ 10 出力側レンズ 11 コールドミラー 12 ダイクロイックミラー 13 全反射ミラー 14 液晶 15 クロスプリズム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G03B 33/12 G09F 9/00 360D 5G435 G09F 9/00 360 H04N 5/74 A H04N 5/74 9/31 C 9/31 G02F 1/1335 530 Fターム(参考) 2H087 KA06 KA07 LA27 PA03 PA17 PB03 QA02 QA07 QA14 QA21 QA25 QA34 QA41 QA45 2H088 EA14 EA15 HA13 HA24 MA04 MA20 2H091 FA05X FA05Z FA14X FA14Z FA26Z LA12 LA18 MA07 5C058 AA06 BA06 BA23 BA35 EA01 EA02 EA12 EA26 5C060 BA04 BA09 BB13 BC05 BD02 DA05 GA02 GB06 HC05 HC09 HC12 HC22 HC24 JA11 JA19 5G435 AA01 AA17 BB03 BB12 BB15 BB17 CC12 DD05 DD06 GG04 GG23 LL15

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ダイクロイックミラーで光源をRGB三色に
    分解する色分解手段と、光路長が長い3枚レンズ構成の
    リレー光学系と、クロスダイクロイックプリズムで三色
    合成する光合成手段とを有し、スクリーン上に投射する
    投射型表示装置において、 前記リレー光学系は、中央レンズが両面同曲率凸面であ
    り、前記中央レンズを挟んで配置される入、出力側レン
    ズが同形状同材料であるように構成したことを特徴とす
    る投射型表示装置用照明光学系。
  2. 【請求項2】請求項1記載の投射型表示装置用照明光学
    系において、 前記リレー光学系の各レンズの屈折率Ndが次の式を満足
    することを特徴とする投射型表示装置用照明光学系。 1.5 < Nd < 1.65
  3. 【請求項3】請求項1記載の投射型表示装置用照明光学
    系において、 前記リレー光学系の入力側レンズと出力側レンズが対称
    に配置されることを特徴とする投射型表示装置用照明光
    学系。
  4. 【請求項4】請求項3記載の投射型表示装置用照明光学
    系において、 前記リレー光学系の入力側レンズと出力側レンズは曲率
    半径が大きい方を中央レンズ側に配置したことを特徴と
    する投射型表示装置用照明光学系。
  5. 【請求項5】請求項1記載の投射型表示装置用照明光学
    系において、 前記リレー光学系の入、出力側レンズの焦点距離をf
    1、中央レンズの焦点距離をf2とした場合に次の式を
    満足することを特徴とする投射型表示装置用照明光学
    系。 0.7 < f2/f1 < 1.0
  6. 【請求項6】請求項1記載の投射型表示装置用照明光学
    系において、 前記リレー光学系の入、出力側レンズから中央レンズま
    での近軸的間隔が入、出力側レンズの焦点距離に略等し
    く、かつ入力側レンズとフィールドレンズの間隔がフィ
    ールドレンズの焦点距離に略等しいことを特徴とする投
    射型表示装置用照明光学系。
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JP2005115061A (ja) * 2003-10-08 2005-04-28 Seiko Epson Corp プロジェクタ
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