JP2007057810A - プロジェクタの照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 照明効率の高いプロジェクタの照明光学系を提供する。
【解決手段】 液晶パネル１０８ａ〜１０８ｃを有するプロジェクタの照明光学系であって、光源１００からの光束の進行方向にインテグレータ１０１ａ、１０１ｂ、偏光変換素子１０２、フィールドレンズ１０３、折り返しミラー１１１が順次配置され、折り返しミラー１１１で反射された光束の進行方向にコンデンサレンズ１０６、ダイクロイックミラー１０４ａ、１０４ｂが順次配置されている。ダイクロイックミラー１０４ａで反射されたＢ光の進行方向にミラー１０５が配置されている。フィールドレンズ１０３およびコンデンサレンズ１０６により、インテグレータ１０１ｂ上に形成される光源１００の矩形像が表示パネル１０８ａ、１０８ｂ上に拡大して結像される。コンデンサレンズ１０６は、フィールドレンズ１０３の主光線を平行光線に戻すように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶プロジェクタに代表されるプロジェクタの照明光学系に関する。

液晶プロジェクタの照明光学系として、光源からの光束の光強度を均一化するインテグレータを備えるものが知られている（特許文献１、２参照）。この照明光学系の光学要素の配置は様々であるが、光学要素の代表的な配置として、光学要素をＬ字、Ｕ字、Ｓ字といった形状に配置したものが知られている。図１１、図１２、図１３に、Ｌ字配置、Ｕ字配置、Ｓ字配置の例をそれぞれ示す。

図１１に示す照明光学系は、ＲＧＢの各色光で液晶パネル１０８ａ〜１０８ｃをそれぞれ照明する３板式の液晶プロジェクタの照明光学系であって、照明光学系
照明光学系であって、光源１００、インテグレータ１０１ａ、１０１ｂ、偏光変換素子１０２、フィールドレンズ１０３、ダイクロイックミラー１０４ａ、１０４ｂ、ミラー１０５ａ〜１０５ｃ、コンデンサレンズ１０６ａ〜１０６ｃおよびリレーレンズ１０７ａ、１０７ｂを有する。

光源１００は、超高圧水銀灯などに代表されるランプおよびリフレクタを備え、ランプからの光が直接またはリフレクタで反射されて略平行光束として出射される。光源１００から出射された光束の進行方向にインテグレータ１０１ａ、１０１ｂ、偏光変換素子１０２、フィールドレンズ１０３およびダイクロイックミラー１０４ａが順次配置されている。インテグレータ１０１ａ、１０１ｂは、光源１００からの光束の光強度を均一化するものであって、マトリクス状に配置された複数のレンズセルを備える。偏光変換素子１０２は、インテグレータ１０１ａ、１０１ｂからの光束の偏光方向を揃えるものであって、偏光ビームスプリッタや位相板などより構成される。ダイクロイックミラー１０４ａは、フィールドレンズ１０３からの光束のＢ（青）光を反射し、残りのＲ（赤）光およびＧ（緑）光を透過する。

ダイクロイックミラー１０４ａで反射されたＢ光の進行方向にミラー１０５ａが配置され、このミラー１０５ａで反射された光（Ｂ光）の進行方向にコンデンサレンズ１０６ａおよび液晶パネル１０８ａが順次配置されている。

ダイクロイックミラー１０４ａを透過したＲ・Ｇ光の進行方向にダイクロイックミラー１０４ｂが配置されている。ダイクロイックミラー１０４ｂは、Ｇ光を反射し、Ｒ光を透過する。ダイクロイックミラー１０４ｂで反射された光（Ｇ光）の進行方向にコンデンサレンズ１０６ｂおよび液晶パネル１０８ｂが順次配置されている。ダイクロイックミラー１０４ｂを透過した光（Ｒ光）の進行方向にリレーレンズ１０７ａおよびミラー１０５ｂが順次配置され、このミラー１０５ｂで反射された光の進行方向にリレーレンズ１０７ｂおよびミラー１０５ｃが順次配置され、このミラー１０５ｃで反射された光の進行方向にコンデンサレンズ１０６ｃおよび液晶パネル１０８ｃが順次配置されている。

上記の照明光学系では、光源１００から出射された光束は、インテグレータ１０１ａ、１０１ｂによってその光強度が均一化され、偏光変換素子１０２によって偏光方向が揃えられた後、フィールドレンズ１０３に入射する。フィールドレンズ１０３を通過した光束は、ダイクロイックミラー１０４ａ、１０４ｂによってＲ・Ｇ・Ｂの各色光に分離される。そして、Ｒ光により液晶パネル１０８ｃが、Ｇ光により液晶パネル１０８ｂが、Ｂ光により液晶パネル１０８ａがそれぞれ照明される。

液晶パネル１０８ａ〜１０８ｃで生成されたＲ・Ｇ・Ｂ画像光は、クロスダイクロイックプリズム１０９によって色合成された後、投写レンズ１１０によってスクリーン上に投写される。

図１２に示すＵ字配置の照明光学系も、３板式の液晶プロジェクタの照明光学系であるが、フィールドレンズ１０３とダイクロイックミラー１０４ａの間に折り返しミラー１１１が配置されている点が、図１１に示す光学系と異なる。フィールドレンズ１０３からの光束が折り返しミラー１１１で略９０度反射されてダイクロイックミラー１０４ａに入射するようになっており、各光学要素はＵ字状に配置されている。

図１３に示すＳ字配置の照明光学系も、３板式の液晶プロジェクタのものであるが、図１２に示す光学系と比較すると、ダイクロイックミラー１０４ａ、１０４ｂ、ミラー１０５ａ〜１０５ｃ、コンデンサレンズ１０６ａ〜１０６ｃおよびリレーレンズ１０７ａ、１０７ｂの部分が左右逆の配置になっている。この光学系では、ダイクロイックミラー１０４ａが折り返しミラー１１１からの光束のＲ・Ｇ光を反射し、残りのＢ光を透過する。ダイクロイックミラー１０４ａを透過したＢ光の進行方向にミラー１０５ａが配置され、このミラー１０５ａで反射されたＢ光がコンデンサレンズ１０６ａを介して液晶パネル１０８ａに照射される。ダイクロイックミラー１０４ｂは、Ｒ・Ｇ光の進行方向に配置されており、Ｇ光を反射し、Ｒ光を透過する。ダイクロイックミラー１０４ｂで反射されたＧ光は、コンデンサレンズ１０６ｂを介して液晶パネル１０８ｂに照射される。ダイクロイックミラー１０４ｂを透過したＲ光は、リレーレンズ１０７ａ、ミラー１０５ｂ、リレーレンズ１０７ｂ、ミラー１０５ｃ、コンデンサレンズ１０６ｃを順次通過して液晶パネル１０８ｃに照射される。
特開２００１−２２８４４０号公報 特開２００４−０４５９０７号公報

偏光変換素子は、インテグレータの各レンズセル光軸上近傍に投影される光源のアーク像の間隔に対応して設けられた複数の偏光変換部を有し、各偏光変換部にて、レンズセルからの光束の偏光方向が揃えるようになっている。このような偏光変換素子では、入射する光のうち、各偏光変換部の有効開口（偏光変換が可能な範囲を規定した開口）から外れた光は、偏光変換に寄与しないため、その分だけ、偏光変換効率が低下することになる。

光源側に配置された第１のインテグレータの各レンズセルを通過した光束を液晶パネル面上に重畳させる照明光学系において、偏光変換効率の向上を図るためには、第２のインテグレータ上に形成される光源のアーク像の大きさを可能な限り小さくして、偏光変換素子の有効開口から外れる光の量を低減する必要がある。しかし、上述したＬ字配置、Ｕ字配置、Ｓ字配置の各照明光学系においては、フィールドレンズおよびコンデンサレンズの合成焦点距離が長いため、必然的に第１のインテグレータの焦点距離が長くなる。このため、光源のアークの大きさと第２のインテグレータ上に結像するアーク像の大きさの比（倍率）が大きくなって、第２のインテグレータ上に結像するアーク像が大きくなってしまう。特に、フィールドレンズとコンデンサレンズの間に折り返しミラーを含むＵ字配置やＳ字配置の照明光学系では、どうしてもフィールドレンズおよびコンデンサレンズの合成焦点距離がＬ字配置のものより長くなるため、偏光変換効率が悪いものになってしまう。

なお、フィールドレンズとコンデンサレンズの間に新たなレンズを挿入することで、フィールドレンズおよびコンデンサレンズの合成焦点距離を短くし、第２のインテグレータ上に形成されるアーク像を小さくすることが可能である。しかし、この場合は、新たなレンズを追加する分だけ、透過率が低下し、コストも高くなる。

本発明の目的は、上記問題を解決し、照明効率の高いプロジェクタの照明光学系を提供することにある。

上記目的を達成するため、第１の発明の照明光学系は、
光源と、複数の表示パネルを有するプロジェクタの照明光学系であって、
前記光源から出射された光束を複数の部分光束に分割するとともに、該複数の部分光束をそれぞれ集光させる複数のレンズセルを備えた第１のインテグレータと、
前記複数の部分光束が入射する複数のレンズセルを備えた第２のインテグレータと、
前記第２のインテグレータの各レンズセルを通過した光束の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
前記偏光変換素子からの光束を波長が異なる複数の色光に分離する色分離手段と、を有し、
前記偏光変換素子と前記分離手段の間には、前記第１のインテグレータの各レンズセルを通過した光束を前記複数の表示パネル上に重畳させるフィールドレンズと、コンデンサレンズと、が配置され
前記コンデンサレンズは、前記色分離手段側に配置されており、前記フィールドレンズを通過した光束の主光線を互いに略平行にするように構成されている、
ことを特徴とする。

本発明の第２の照明光学系は、
光源と、複数の表示パネルを有するプロジェクタの照明光学系であって、
前記光源から出射された光束を複数の部分光束に分割するとともに、該複数の部分光束をそれぞれ集光させる複数のレンズセルを備えた第１のインテグレータと、
前記複数の部分光束が入射する複数のレンズセルを備えた第２のインテグレータと、
前記第２のインテグレータの各レンズセルを通過した光束の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
前記偏光変換素子からの光束の、第１の色光を反射し、該第１の色光とは波長領域の異なる第２および第３の色光を透過する第１のダイクロイックミラーと、
前記第１のダイクロイックミラーを透過した光束の、前記第２の色光を反射し、前記第３の色光を透過する第２のダイクロイックミラーと、
前記第１のダイクロイックミラーで反射された前記第１の色光を反射する反射ミラーと、
前記偏光変換素子と前記第１のダイクロイックミラーの間に配置されたフィールドレンズと、
前記第１のダイクロイックミラーと前記第２の反射ミラーの間に配置され、前記フィールドレンズを通過した光束の主光線を互いに略平行にする第１のコンデンサレンズと、
前記第１および第２のダイクロイックミラーの間に配置され、前記フィールドレンズを通過した光束の主光線を互いに略平行にする第２のコンデンサレンズと、を備え、
前記フィールドレンズは、前記第１のインテグレータの各レンズセルを通過した光束を前記複数の表示パネル上に重畳させている、ことを特徴とする。

上述した本発明の第１および第２の照明光学系はいずれも、フィールドレンズとコンデンサレンズとによって、第１のインテグレータの各レンズセルを通過した光束を複数の表示パネルに略平行に入射させ、かつ、複数の表示パネル上に重畳させるようになっている。この構成の場合、フィールドレンズおよびコンデンサレンズの間隔（各レンズ中心を通る光線上における間隔）は、そのフィールドレンズおよびコンデンサレンズの合成焦点距離に等しくなる。本発明の第１および第２の照明光学系は、図１１〜図１３に示した従来の照明光学系に比べて、フィールドレンズおよびコンデンサレンズとして合成焦点距離が短いものを使用することによりこれらの間隔を短くすることができる。フィールドレンズおよびコンデンサレンズの合成焦点距離を短くすることで、第１のインテグレータの焦点距離の短い光学系を実現することが可能であることから、本発明の第１および第２の照明光学系は、従来の照明光学系に比べて、フィールドレンズおよびコンデンサレンズの合成焦点距離が短い分、第２のインテグレータ上に形成する光源のアーク像を小さくすることが可能である。

本発明によれば、従来の照明光学系に比べて、第１のインテグレータの各レンズセルによって第２のインテグレータ上に形成される光源のアーク像を小さくすることができ、偏光変換素子の各偏光変換部の有効開口から外れる光の量を低減することができるので、照明効率が向上する、という効果がある。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

まず、本発明の原理について説明する。図２は、本発明のプロジェクタの照明光学系の光学要素配置を説明するための図である。

図２を参照すると、本発明のプロジェクタの照明光学系は、液晶パネルＬＣＤを照明する光学系であって、光源側からインテグレータＩＴ１、ＩＴ２、偏光変換素子ＰＢＳ、フィールドレンズＦＬ、コンデンサレンズＣＬが順次配置されており、インテグレータＩＴ１によってインテグレータＩＴ２上に形成された光源のアーク像（矩形像）を、フィールドレンズＦＬおよびコンデンサレンズＣＬにより拡大させながら液晶パネルＬＣＤ上に結像するように構成されている。インテグレータＩＴ１と液晶パネルＬＣＤの間には、以下の式１、２のような結像倍率関係が成り立つ。

ここで、ＭはＩＴ１とＬＣＤの横倍率、ｌ_IT1はＩＴ１を構成するレンズセルの大きさ（外径）、ｌ_LCDはＬＣＤの長辺の長さ、ｆ_IT1はＩＴ１のレンズセルの焦点距離、ｆ_FL・CLはＦＬ・ＣＬ合成焦点距離である。式２から、図１２に示したＵ字配置や図１３に示したＳ字配置のように、ＦＬ・ＣＬ合成焦点距離ｆ_FL・CLが比較的長い光学系の場合は、ＩＴ１の焦点距離ｆ_IT1も比較的に長くなることがわかる。

図３は、アーク像の形成を説明するための図である。インテグレータＩＴ１によってインテグレータＩＴ２上に光源のアーク像が形成される。このＩＴ２上に形成されたアーク像の大きさは、以下の式３で与えられる。

ここで、ｌ_arcはＩＴ２上に形成するアーク像の有効口径、ｌ_LAMPは光源アークの有効口径、ＮＡは光源の開口数、ＮＡ‘はＩＴ１の開口数である。ＩＴ１の開口数ＮＡ‘は、以下の式４で表すことができる。

ここで、θ_iはＩＴ１の集光角である。

式３に式４を代入すると、

を得る。

また、ＩＴ１の集光角θ_iは、以下の式６で表すことができる。

式５に式６を代入すると、

を得る。さらに、式７に式１および式２を代入すると、

を得る。この式８から、Ｕ字配置やＳ字配置のようなＦＬ・ＣＬ合成焦点距離ｆ_FL・_CLが比較的に長い光学系の場合は、アーク像ｌ_arcが大きくなることがわかる。

図４は、ＦＬとＣＬの間隔と、ＦＬ・ＣＬ合成焦点距離ｆ_FL・_CLとの関係を説明するための図である。ＦＬ・ＣＬ合成焦点距離ｆ_FL・_CLは、以下の式９により与えられる。

ここで、ｆ_FLはフィールドレンズの焦点距離、ｆ_CLはコンデンサレンズの焦点距離、ｄはＦＬとＣＬの間隔（レンズ中心間の距離）である。

ＣＬがＦＬの主光線を平行光にするように構成した光学系において、ＦＬ−ＣＬ間隔ｄは、以下の式で表すことができる。

式１０を式９に代入すると、

を得る。式１１から、ＦＬ−ＣＬ間隔ｄとＦＬ・ＣＬ合成焦点距離ｆ_FL・_CLは等しい関係にあるので、ＦＬ−ＣＬ間隔ｄを短くすることにより、ＩＴ２上に形成されるアーク像ｌ_arcを小さくすることができることが分かる。この知見によれば、Ｕ字配置やＳ字配置といったＦＬ・ＣＬ合成焦点距離ｆ_FL・_CLが比較的に長い光学系においても、ＣＬがＦＬの主光線を略平行光にするように構成されていれば、ＦＬ−ＣＬ間隔ｄを短くすることで、ＦＬ・ＣＬ合成焦点距離ｆ_FL・_CLをより短いものとし、アーク像ｌ_arcを小さくすることができる。アーク像ｌ_arcを小さくすることで、偏光変換効率が向上し、照明効率が向上する。

なお、ＦＬ−ＣＬ間隔ｄを短くした場合は、ＦＬ・ＣＬ合成焦点距離ｆ_FL・_CLとＦＬおよびＣＬの主点位置が変化するため、焦点位置が移動してＬＣＤ上にフォーカスが合わなくなってしまう。そこで、ＦＬ−ＣＬ間隔ｄを変化させた場合は、ＦＬの焦点距離ｆ_FLとＣＬの焦点距離ｆ_CLも同時に調整してＬＣＤ上にフォーカスを合わせる必要がある。

ＦＬ−ＣＬ間隔ｄを変化させた場合におけるＦＬの焦点距離ｆ_FLとＣＬの焦点距離ｆ_CLは、以下のようにして求めることができる。

変化後のＦＬとＣＬの間隔をＬとした場合、間隔Ｌは以下の式１２で与えられる。

式１１を式１２に代入すると、

を得る。したがって、ＦＬとＣＬの間隔をΔｄだけ短くした場合は、

の関係式を満たすよう、ＦＬの焦点距離ｆ_FLとＣＬの焦点距離ｆ_CLを定める。

また、偏光変換素子ＰＢＳでは、入射する光のうち、各偏光変換部の有効開口から外れた光は、偏光変換に寄与しない。偏光変換効率を向上するためには、インテグレータＩＴ１の各レンズセルによってインテグレータＩＴ２上に形成される光源のアーク像（矩形像）の大きさが、偏光変換素子の各偏光変換部の有効開口の範囲内に収まるように、ＦＬ−ＣＬ間隔ｄを設定することが望ましい。以下に、ＦＬ−ＣＬ間隔ｄの望ましい範囲を説明する。

偏光変換素子ＰＢＳの開口ピッチ（偏光変換部の有効開口に同じ）をｌ_PBSとした場合、

が成り立てば、計算上、インテグレータＩＴ２上に形成される光源のアーク像（矩形像）の大きさは、偏光変換素子の各偏光変換部の有効開口の範囲内に収まることになり、偏光変換効率のロスをなくすことができる。

ここで、式１６に式８を代入すると、

を得る。ＦＬ−ＣＬ間隔ｄが式１７の条件を満たすように光学系を設計すれば、インテグレータＩＴ２上に結像するアーク像の大きさが、偏光変換素子ＰＢＳの有効開口の大きさ以下になるので、偏光変換効率のロスを低減することができる。なお、ＦＬ−ＣＬ間隔ｄの下限は、設計に応じて適宜設定することが可能である。

本発明では、以上説明した原理を利用し、Ｕ字配置やＳ字配置などの光学系において、ＣＬがＦＬの主光線を平行光にするように構成した場合は、ＦＬ−ＣＬ間隔ｄとＦＬ・ＣＬ合成焦点距離ｆ_FL・_CLは等しい関係にある、という知見に基づき、ＦＬ−ＣＬ間隔ｄを短くすることで、ＦＬ・ＣＬ合成焦点距離ｆ_FL・_CLのより短い光学系を実現する。こうして実現された光学系によれば、ＩＴ２上に形成されるアーク像ｌ_arcを小さくすることができるため、照明効率を向上させることができる。

また、ＦＬ−ＣＬ間隔ｄが式１７の条件を満たすように照明光学系を設計する。これにより、より偏光変換効率の高い照明光学系を実現することができる。

以下に、本発明の実施の形態として、上述した原理を適用し、ＦＬ−ＣＬ間隔ｄを短くしてＩＴ２上に形成されるアーク像ｌ_arcを小さくしたＵ字配置の光学系を挙げる。

（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態である液晶プロジェクタの照明光学系の構成を示す。図１を参照すると、本実施形態の照明光学系は、図１２に示した光学系において、コンデンサレンズ１０６ａ、１０６ｂを削除し、ダイクロイックミラー１０４ａと折り返しミラー１１１との間にコンデンサレンズ１０６を配置したものであって、インテグレータ１０１ａによって分割された光源１００からの光束を、フィールドレンズ１０３により液晶パネル１０８ａ、１０８ｂ上に重畳かつ照射するように構成されている。また、光源１００のアーク像は、インテグレータ１０１ａによってインテグレータ１０１ｂ上およびその近傍に形成される。

コンデンサレンズ１０６は、偏光変換素子１０２と折り返しミラー１１１の間に配置されたフィールドレンズ１０３を通過した光束の主光線を互いに略平行にするように構成されており、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１０６の間隔は、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１０６の合成焦点距離と等しい関係にある。したがって、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１０６の間隔を小さくすることで、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１０６の合成焦点距離が短い光学系を提供することができる。

本実施形態の照明光学系では、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１０６の間隔は、図１２に示したＵ字配置の光学系におけるフィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１０６ａ（またはコンデンサレンズ１０６ｂ）の間隔よりも小さくなっているので、フィールドレンズとコンデンサレンズの合成焦点距離は図１２に示した光学系よりも小さくなる。よって、図１２に示した光学系に比べて、インテグレータ１０１ｂ上およびその近傍に形成されるアーク像を小さくすることができ、その分、偏光変換素子１０２におけるケラレの量が低減されて、偏光変換効率が向上する。

また、本実施形態の照明光学系では、図１２に示した光学系に比べて、コンデンサレンズの数が少ない分、コストを下げることができる。

なお、リレーレンズ１０７ａ、１０７ｂを有する光路においては、他の光路よりもインテグレータ１０１ａから液晶パネル１０８ｃまでの光路長が長いので、その補正をする必要がある。そのため、リレーレンズ１０７ａ、１０７ｂ、コンデンサレンズ１０７ｃで光路長の補正を行っている。具体的には、リレーレンズ１０７ａ、とリレーレンズ１０７ｂで像を一度反転させ、その反転した像をコンデンサレンズ１０７ｃでその主光線が略平行になるようにして液晶パネル１０８ｃに照射している。

また、本実施形態において、より偏光変換効率の高い照明光学系を実現するために、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１０６の間隔は、上述の式１７を満たすように設定することが望ましい。

（第２の実施形態）
図５に、本発明の第２の実施形態である液晶プロジェクタの照明光学系の構成を示す。図５を参照すると、本実施形態の照明光学系は、図１２に示した照明光学系において、コンデンサレンズ１０６ａ、１０６ｂを削除し、ダイクロイックミラー１０４ａとミラー１０５ａの間にコンデンサレンズ１１６ａを、ダイクロイックミラー１０４ａ、１０４ｂの間にコンデンサレンズ１１６ｂをそれぞれ配置したものであって、インテグレータ１０１ａによって分割された光源１００からの光束は、フィールドレンズ１０３およびコンデンサレンズ１１６ａ、１１６ｂを通過し、液晶パネル１０８ａ、１０８ｂ上に重畳かつ照射するように構成されている。

コンデンサレンズ１１６ａ、１１６ｂのそれぞれは、偏光変換素子１０２と折り返しミラー１１１の間に配置されたフィールドレンズ１０３を通過した光束の主光線を互いに略平行にするように構成されている。フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１１６ａの間隔は、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１１６ａの合成焦点距離と等しい関係にあるので、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１１６ａの間隔を小さくすることで、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１１６ａの合成焦点距離が短い光学系を提供することができる。同様に、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１１６ｂの間隔は、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１１６ｂの合成焦点距離と等しい関係にあるので、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１１６ｂの間隔を小さくすることで、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１１６ｂの合成焦点距離が短い光学系を提供することができる。

本実施形態の照明光学系では、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１１６ａ、１１６ｂとの各間隔はいずれも、図１２に示したＵ字配置の光学系におけるフィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１０６ａ、１０６ｂとの各間隔よりも小さくなっているので、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１１６ａの合成焦点距離およびフィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１１６ｂの合成焦点距離はいずれも、図１２に示した光学系の場合よりも小さくなる。このように、本実施形態においても、フィールドレンズとコンデンサレンズの間隔を小さくして、フィールドレンズとコンデンサレンズの合成焦点距離を小さくした配置とされているので、インテグレータ１０１ｂ上に形成されるアーク像を小さくすることができ、その分、偏光変換素子１０２におけるケラレの量が低減されて、偏光変換効率が向上する。

本実施形態においても、より偏光変換効率の高い照明光学系を実現するために、フィールドレンズ１０３とコンデンサレンズ１１６ａ、１１６ｂとの各間隔は、上述の式１７を満たすように設定することが望ましい。

（実施例）
図６に、図５に示した照明光学系における光学要素の設計データを示す。この設計データは、既存の光学シミュレーションソフトを用いて計算したものである。図６中、「ＩＴ１」はインテグレータ１０１ａ、「ＩＴ２」はインテグレータ１０１ｂ、「ＰＢＳ」は偏光変換素子１０２、「ＦＬ」はフィールドレンズ１０３、「ＣＬ」はコンデンサレンズ１１６ａ（または１１６ｂ）、「ＬＣＤ」は液晶パネル１０８ａ（または１０８ｂ）にそれぞれ対応する。「Ｒａｄｉｕｓ」欄には、配置されている光学要素（ＩＴ１、ＩＴ２、ＰＢＳ、ＦＬ、ＣＬ、ＬＣＤ）のそれぞれの面の曲率半径がｍｍ値で示されている。この「Ｒａｄｉｕｓ」欄中の「∞」は平面を示す。「Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ」欄には、光学要素の厚み又は間隔がｍｍ値で示されている。「Ｉｎｄｅｘ」欄には、光学要素の屈折率が示されている。なお、光学要素の間隔は直線距離換算値である。

本実施例の照明光学系では、インテグレータＩＴ１は、入射面（各レンズセルの入射面）の曲率半径が１４．９ｍｍ、出射面が平面、厚さが３．１６ｍｍ、屈折率が１．４７４とされている。インテグレータＩＴ１とインテグレータＩＴ２の間隔は２６．９ｍｍである。

インテグレータＩＴ２は、入射面が平面、出射面（各レンズセルの出射面）の曲率半径が１４．９ｍｍ、厚さが３．１６ｍｍ、屈折率が１．４７４とされている。インテグレータＩＴ２と偏光変換素子ＰＢＳの間隔は２．４４ｍｍである。ここで、図６中で曲率半径にマイナス符号がついているのは、光の進行方向に向かって凸になっていることを示している。

偏光変換素子ＰＢＳは、入出射面がともに平面、厚さが４ｍｍ、屈折率が１．５２３とされている。偏光変換素子ＰＢＳとフィールドレンズ（ＦＬ）の間隔は２ｍｍである。よって、偏光変換部（偏光変換素子ＰＢＳ）の有効開口ｌ_PBSは４ｍｍとなる。

フィールドレンズ（ＦＬ）は、入射面の曲率半径が２５７ｍｍ、出射面が平面、厚さが５ｍｍ、屈折率が１．６２４とされている。フィールドレンズ（ＦＬ）とコンデンサレンズ（ＣＬ）の間隔は１５８．３ｍｍである。

コンデンサレンズ（ＣＬ）は、入射面の曲率半径が１０１ｍｍ、出射面が平面、厚さが７ｍｍ、屈折率が１．６２４とされている。コンデンサレンズ（ＣＬ）と液晶パネル（ＬＣＤ）との間隔は９２．７ｍｍである。

液晶パネル（ＬＣＤ）は、大きさが１インチのＸＧＡパネル（４：３）であり、その長辺の長さは２０．３２ｍｍである（大きさは不図示）。

光源アークの有効口径（ｌ_LAMP）は１．１ｍｍ、光源の開口数（ＮＡ）は０．７６６である（不図示）。

（比較例）
図７に、図１２に示したＵ字配置の照明光学系における光学要素の設計データを示す。この設計データも、既存の光学シミュレーションソフトを用いて計算したものである。図７中、「ＩＴ１」はインテグレータ１０１ａ、「ＩＴ２」はインテグレータ１０１ｂ、「ＰＢＳ」は偏光変換素子１０２、「ＦＬ」はフィールドレンズ１０３、「ＣＬ」はコンデンサレンズ１０６ａ（または１０６ｂ）、「ＬＣＤ」は液晶パネル１０８ａ（または１０８ｂ）にそれぞれ対応する。「Ｒａｄｉｕｓ」欄には、配置されている光学要素（ＩＴ１、ＩＴ２、ＰＢＳ、ＦＬ、ＣＬ、ＬＣＤ）のそれぞれの面の曲率半径がｍｍ値で示されている。この「Ｒａｄｉｕｓ」欄中の「∞」は平面を示す。「Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ」欄には、光学要素の厚み又は間隔がｍｍ値で示されている。「Ｉｎｄｅｘ」欄には、光学要素の屈折率が示されている。なお、光学要素の間隔は直線距離換算値である。

本比較例の照明光学系では、インテグレータＩＴ１は、入射面（各レンズセルの入射面）の曲率半径が２２．８ｍｍ、出射面が平面、厚さが３．１６ｍｍ、屈折率が１．４７４とされている。インテグレータＩＴ１とインテグレータＩＴ２の間隔は４３．６ｍｍである。

インテグレータＩＴ２は、入射面が平面、出射面（各レンズセルの出射面）の曲率半径が２２．８ｍｍ、厚さが３．１６ｍｍ、屈折率が１．４７４とされている。インテグレータＩＴ２と偏光変換素子ＰＢＳの間隔は２．４４ｍｍである。

ここで、図７中で曲率半径にマイナス符号がついているのは、光の進行方向に向かって凸になっていることを示しており、先の実施例と同じ定義である。

偏光変換素子ＰＢＳは、入出射面がともに平面、厚さが４ｍｍ、屈折率が１．５２３とされている。偏光変換素子ＰＢＳとフィールドレンズ（ＦＬ）の間隔は２ｍｍである。よって、偏光変換部（偏光変換素子ＰＢＳ）の有効開口ｌ_PBSは、４ｍｍとなる。

フィールドレンズ（ＦＬ）は、入射面の曲率半径が１６３ｍｍ、出射面が平面、厚さが５ｍｍ、屈折率が１．６２４とされている。フィールドレンズ（ＦＬ）とコンデンサレンズ（ＣＬ）の間隔は２４４ｍｍである。

コンデンサレンズ（ＣＬ）は、入射面の曲率半径が１５４．３ｍｍ、出射面が平面、厚さが７ｍｍ、屈折率が１．６２４とされている。コンデンサレンズ（ＣＬ）と液晶パネル（ＬＣＤ）との間隔は６．９ｍｍである。

液晶パネル（ＬＣＤ）は、大きさが１インチのＸＧＡパネル（４：３）であり、その長辺の長さは２０．３２ｍｍである（大きさは不図示）。

光源アークの有効口径（ｌ_LAMP）は１．１ｍｍ、光源の開口数（ＮＡ）は０．７６６である（不図示）。

ここで、式１７より、ＦＬ−ＣＬ間隔の限界値を求めると１９０．８ｍｍとなる。上記の比較例の照明光学系では、ＦＬ−ＣＬ間隔が２４４ｍｍであるのに対し、上記の実施例の照明光学系ではＦＬ−ＣＬ間隔は１５８．３であり、これは比較例よりも短い。また、実施例では、式１７の条件を満たしており、インテグレータＩＴ２上に結像するアーク像の大きさが、偏光変換素子ＰＢＳの有効開口の大きさ以下になり、偏光変換効率のロスを低減することが期待できる。

図８に、図６に示した設計データに基づく照明光学系におけるＩＴ２上に形成されるアーク像を模式的に示し、図９に、図７に示した設計データに基づく照明光学系におけるＩＴ２上に形成されるアーク像を模式的に示す。

図８および図９に示すように、ＩＴ１の各レンズセルによってＩＴ２上に形成されるアーク像は、ＩＴ２の中心部から外周方向に放射状に広がったものとなる。偏光変換素子ＰＢＳでは、各偏光変換部が各レンズセルによって形成されたアーク像の間隔に対応して配置されており、アーク像の大きさが偏光変換部の有効開口より大きくなると、偏光変換効率の低下を招く。図８に示した各アーク像の大きさは、図９に示したものに比べて小さいことから、図６に示した設計データに基づく照明光学系は、図７に示した設計データに基づく照明光学系に比べて偏光変換効率が高いことが分かる。

図１０に、実施例（図６）の照明光学系の各光学要素における照明効率と従来例（図７）の照明光学系の各光学要素における照明効率の差を示す。この数値が正の場合に実施例が従来例よりも、その分照明効率が改善していることを示している。図１０から分かるように、実施例の照明光学系は、従来例の照明光学系に比べて、偏光変換素子ＰＢＳにて、照明効率が約８ポイント向上し、最終的に、約１３ポイントの照明効率向上を実現した。ここで、照明効率が１３ポイント向上とは、例えば、照明効率が６０％から７３％になることを意味する。

以上、Ｕ字配置の照明光学系を例に本発明の実施形態を説明したが、本発明はＵ字配置に限定されるものではない。例えば、図１３に示したＳ字配置の照明光学系において、図１や図５に示したようなフィールドレンズおよびコンデンサレンズの配置を適用することで、第１および第２の実施形態の照明光学系と同等の効果を奏する。同様に、図１１に示したＬ字配置の照明光学系においても、図１や図５に示したようなフィールドレンズおよびコンデンサレンズの配置を適用することで、第１および第２の実施形態の照明光学系と同等の効果を奏する。

なお、以上説明した照明光学系において、ダイクロイックミラー１０４ａ、１０４ｂによって分離される光路をどの色成分の光路にするかは、設計に応じて適宜決定することができる。

本発明の第１の実施形態である液晶プロジェクタの照明光学系の構成を示す模式図である。 本発明のプロジェクタの照明光学系の光学要素配置の原理説明図である。 インテグレータによるアーク像の形成を説明するための図である。 フィールドレンズとコンデンサレンズの間隔と、フィールドレンズとコンデンサレンズの合成焦点距離との関係を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態である液晶プロジェクタの照明光学系の構成を示す模式図である。 本発明の一実施例である照明光学系の設計データを示す図である。 比較例である照明光学系の設計データを示す図である。 図６に示す設計データに基づく照明光学系におけるインテグレータ上に形成されるアーク像を示す模式図である。 図７に示す設計データに基づく照明光学系におけるインテグレータ上に形成されるアーク像を示す模式図である。 実施例の照明光学系と従来例の照明光学系の照明効率の差を示した図である。 従来のＬ字配置の照明光学系の構成を示す模式図である。 従来のＵ字配置の照明光学系の構成を示す模式図である。 従来のＳ字配置の照明光学系の構成を示す模式図である。

符号の説明

１００ 光源
１０１ａ、１０１ｂ インテグレータ
１０２ 偏光変換素子
１０３ フィールドレンズ
１０４ａ、１０４ｂ ダイクロイックミラー
１０５ａ〜１０５ｃ ミラー
１０６、１０６ｃ コンデンサレンズ
１０７ａ、１０７ｂ リレーレンズ
１０８ａ〜１０８ｃ 液晶パネル
１０９ クロスダイクロイックプリズム
１１０ 投写レンズ
１１１ 折り返しミラー

Claims (7)

1. 光源と、複数の表示パネルを有するプロジェクタの照明光学系であって、
   前記光源から出射された光束を複数の部分光束に分割するとともに、該複数の部分光束をそれぞれ集光させる複数のレンズセルを備えた第１のインテグレータと、
   前記複数の部分光束が入射する複数のレンズセルを備えた第２のインテグレータと、
   前記第２のインテグレータの各レンズセルを通過した光束の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
   前記偏光変換素子からの光束を波長が異なる複数の色光に分離する色分離手段と、を有し、
   前記偏光変換素子と前記分離手段の間には、前記第１のインテグレータの各レンズセルを通過した光束を前記複数の表示パネル上に重畳させるフィールドレンズと、コンデンサレンズと、が配置され
   前記コンデンサレンズは、前記色分離手段側に配置されており、前記フィールドレンズを通過した光束の主光線を互いに略平行にするように構成されている、プロジェクタの照明光学系。
2. 前記フィールドレンズと前記コンデンサレンズの間に配置され、前記フィールドレンズからの光束を前記コンデンサレンズの方向に反射するミラーをさらに有する、請求項１に記載のプロジェクタの照明光学系。
3. 前記偏光変換素子は、前記第２のインテグレータ上に形成される前記光源のアーク像の間隔に対応して配置される複数の偏光変換部を備え、
   前記第１のインテグレータの各レンズセルによって前記第２のインテグレータ上に形成される前記光源のアーク像の有効口径をｌ_arc、前記光源のアークの有効口径をｌ_LAMP、前記光源の開口数をＮＡ、前記複数の表示パネルの長辺の長さをｌ_LCD、前記複数の偏光変換部のそれぞれの有効開口をｌ_PBS、前記コンデンサレンズと前記フィールドレンズの光軸上における間隔をｄとするとき、該間隔ｄが、
   

   

   の条件を満たすように設定される、請求項１または２に記載のプロジェクタの照明光学系。
4. 光源と、複数の表示パネルを有するプロジェクタの照明光学系であって、
   前記光源から出射された光束を複数の部分光束に分割するとともに、該複数の部分光束をそれぞれ集光させる複数のレンズセルを備えた第１のインテグレータと、
   前記複数の部分光束が入射する複数のレンズセルを備えた第２のインテグレータと、
   前記第２のインテグレータの各レンズセルを通過した光束の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
   前記偏光変換素子からの光束の、第１の色光を反射し、該第１の色光とは波長領域の異なる第２および第３の色光を透過する第１のダイクロイックミラーと、
   前記第１のダイクロイックミラーを透過した光束の、前記第２の色光を反射し、前記第３の色光を透過する第２のダイクロイックミラーと、
   前記第１のダイクロイックミラーで反射された前記第１の色光を反射する反射ミラーと、
   前記偏光変換素子と前記第１のダイクロイックミラーの間に配置されたフィールドレンズと、
   前記第１のダイクロイックミラーと前記第２の反射ミラーの間に配置され、前記フィールドレンズを通過した光束の主光線を互いに略平行にする第１のコンデンサレンズと、
   前記第１および第２のダイクロイックミラーの間に配置され、前記フィールドレンズを通過した光束の主光線を互いに略平行にする第２のコンデンサレンズと、を備え、
   前記フィールドレンズは、前記第１のインテグレータの各レンズセルを通過した光束を前記複数の表示パネル上に重畳させるように構成されている、プロジェクタの照明光学系。
5. 前記フィールドレンズと前記第１のダイクロイックミラーの間に配置され、前記フィールドレンズからの光束を前記第１のダイクロイックミラーの方向に反射するミラーをさらに有する、請求項４に記載のプロジェクタの照明光学系。
6. 前記偏光変換素子は、前記第２のインテグレータ上に形成される前記光源のアーク像の間隔に対応して配置される複数の偏光変換部を備え、
   前記第１のインテグレータの各レンズセルによって前記第２のインテグレータ上に形成される前記光源のアーク像の有効口径をｌ_arc、前記光源のアークの有効口径をｌ_LAMP、前記光源の開口数をＮＡ、前記複数の表示パネルの長辺の長さをｌ_LCD、前記複数の偏光変換部のそれぞれの有効開口をｌ_PBS、前記フィールドレンズおよび第１のコンデンサレンズの間隔および前記フィールドレンズおよび第２のコンデンサレンズの光軸上における間隔をｄとするとき、該間隔ｄが
   

   

   の条件を満たすように設定される、請求項４または５に記載のプロジェクタの照明光学系。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学系と、
   前記照明光学系からの光束で照明される複数の表示パネルとを有するプロジェクタ。

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