JP2014109741A - 集光光学系、照明光学系および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】面光源からの光を高い収束・発散性を持つように出射できる集光光学系を提供する。
【解決手段】集光光学系は、面光源１０４から放射された光を集光する。集光光学系は、面光源１０４に近い側である物体側から、面光源１０４から遠い側である像側に順に、像側に凸面１０１ａを有し、正の焦点距離を有する第１群１０１と、一方の群が負の焦点距離を、他方の群が正の焦点距離を有し、これら負と正の焦点距離の合成焦点距離が正である第２群１０２および第３群１０３、又は、非球面を含み、正の焦点距離を有する第２群とを有する。第１群１０１の像側の凸面１０１ａから物点１０４までの距離を、凸面１０１ａの焦点距離以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ等の面光源から放射された光を集光する集光光学系に関し、例えば画像投射装置において液晶パネル等の光変調素子を照明する照明光学系に好適なものに関する。

画像投射装置の照明光学系等に用いられる集光光学系には、光源からの光を、収束・発散性高く出射することが求められる。集光光学系から出射する光の収束・発散性が低いと、その後段の光学系において光束のケラレが発生し、光の利用効率が低下する。従来の画像投射装置では、光源として高圧水銀ランプ等の点光源として扱われるものに好適な集光光学系が設計されていたが、最近ではＬＥＤ等の面光源の使用が提案されており、このような面光源に対して出射光の収束・発散性が高い集光光学系が求められている。

特許文献１には、半導体レーザ等の微小発光体からの光を集光する集光光学系が開示されている。この集光光学系は、光束の出射側から順に、両凸面の正レンズと、出射側の面が凹面である負レンズと、出射側の面が凸面である正レンズの３つのレンズ構成とすることで、球面収差を良好に補正している。また、特許文献２には、ＬＥＤ等の面光源からの光を集光する集光光学系であって、光束の出射側の面がすべて凸面である３つの正レンズにより構成されたものが開示されている。

特開平Ｈ０８−１１４７６７号公報 特開２００７−１５６２９４号公報

面光源からの光を収束・発散性高く出射するためには、集光光学系の球面収差と像面湾曲の両方が良好に補正されている必要がある。

特許文献１にて開示された集光光学系では、球面収差が補正されているため、点光源からの光を収束・発散性高く出射することはできる。しかしながら、上述した３つのレンズ構成では、像面湾曲が補正されないため、光軸以外の点からの光を収束・発散性高く出射することができず、面光源には適用できない。また、特許文献２にて開示された面光源に適用される集光光学系でも、球面収差が補正されないため、面光源からの光を収束・発散性高く光を出射することができない。

本発明では、球面収差と像面湾曲の両方が良好に補正され、面光源からの光を高い収束・発散性を持つように出射することが可能な集光光学系およびこれを用いた照明光学系、さらにこの照明光学系を用いた画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての集光光学系は、面光源から放射された光を集光する。該集光光学系は、面光源に近い側である物体側から、該面光源から遠い側である像側に順に、像側に凸面を有し、正の焦点距離を有する第１群と、一方の群が負の焦点距離を、他方の群が正の焦点距離を有し、これら負と正の焦点距離の合成焦点距離が正である第２群および第３群、又は、非球面を含み、正の焦点距離を有する第２群とを有する。そして、第１群の像側の凸面から物点までの距離が、該凸面の焦点距離以上であることを特徴とする。

なお、上記集光光学系を含み、該集光光学系からの光を被照明面に導く照明光学系や、該照明光学系と、該照明光学系からの光を変調する光変調素子とを含み、該光変調素子からの光を被投射面に投射することにより画像を表示する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、第２群と第３群または非球面を含む第２群により良好に球面収差を補正することができ、さらに、第１群と第３群または第１群と非球面を含む第２群とで像面湾曲を良好に補正することができる。このため、面光源から放射された光を高い収束・発散性を持つように出射することが可能な集光光学系を実現することができる。

本発明の実施例１である集光光学系の断面図。 実施例１の集光光学系の収差図。 本発明の実施例２である集光光学系の断面図。 実施例２の集光光学系の収差図。 本発明の実施例３である集光光学系の断面図。 実施例３の集光光学系の収差図。 本発明の実施例４である集光光学系の断面図。 実施例４の集光光学系の収差図。 本発明の実施例５である集光光学系の断面図。 実施例５の集光光学系の収差図。 各実施例の集光光学系を用いた照明光学系と、これを用いた液晶プロジェクタの構成を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である集光光学系の光学配置を示している。図１において、１０４はＬＥＤ等の面光源である。以下の説明では、集光光学系の光軸ＡＸが延びる光軸方向において、面光源１０４を物体とし、該面光源１０４に近い側を物体側、面光源１０４から遠い側を像側という。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

集光光学系は、物体側から像側に順に配置された、第１群としての正レンズ１０１と、第２群（一方の群）としての負レンズ１０２と、第３群（他方の群）として正レンズ１０３とにより構成されている。また、集光光学系は、第３群の正レンズ１０３よりも像側に、絞り１０５を有する。

表１には、本実施例の集光光学系の数値例を示す。本実施例（数値例）の集光光学系の焦点距離は２３ｍｍであり、射出瞳径は３５ｍｍである。表１中のＳＵＲＦは面番号を示し、ｄはレンズ面間の間隔を示す。また、Ｒはレンズ面の曲率半径を示し、ｔｙｐはレンズ面の形状を示し、ＳＰＨは球面形状であることを意味する。さらに、Ｎｄとνｄはそれぞれ、レンズの材料のｄ線に対する屈折率とアッベ数を示す。なお、これらの記号の意味は、後述する他の実施例にて示す数値例の表（表２〜５）でも同じである。

以下、本実施例の集光光学系について、像側から平行光が入射して物体側に到達するとする逆光線追跡を用いて説明する。

本実施例は、面光源１０４が配置された物体側から像側に順に配置された、正群、負群および正群の３群構成を有し、このうち第２群の負レンズ１０２と第３群の正レンズ１０３とで球面収差のキャンセル効果を生じさせて、球面収差を良好に補正している。このように逆光線追跡において球面収差を良好に補正することで、面光源１０４の光軸ＡＸ上の点から放射された光を、集光光学系から高い平行度（収束性）で出射させることができる。

また、本実施例において、第２群の負レンズ１０２の負の焦点距離と第３群の正レンズ１０３の正の焦点距離との合成焦点距離は６０．１ｍｍであり、第２群と第３群との合成光学パワーが正である（すなわち、第２群と第３群の合成焦点距離が正である）。逆光線追跡において、第１群の正レンズ１０１には収束光が入射し、面光源１０４と第１群の正レンズ１０１とは近接配置される。このため、本実施例のように第１群の正レンズ１０１の像側の面（凸面）１０１ａから面光源１０４に向かう周辺画角主光線が角度を有する場合でも、メリジオナル断面での周辺画角主光線の結像点が面光源１０４よりも像側にずれる量が小さい。

また、第１群の正レンズ１０１の像側の面１０１ａを凸面とすることで、周辺画角主光線のデビエーション量が大きくなり、メリジオナル断面での周辺画角主光線は面光源１０４よりもより物体側にて結像する。

さらに、本実施例では、逆光線追跡において、第１群の正レンズ１０１の像側の凸面１０１ａから該凸面１０１ａに対する物点（つまりは面光源１０４）までの距離は、第１群の正レンズ１０１の像側の凸面１０１ａの焦点距離よりも長い。このため、第１群の正レンズ１０１の像側の凸面１０１ａにおける周辺画角主光線の光軸ＡＸからの距離（高さ）ｈは、面光源１０４の光軸ＡＸからの高さよりも大きく、周辺画角主光線のデビエーション量はさらに大きくなる。したがって、メリジオナル断面での周辺画角主光線は、より物体側に結像する。

このように本実施例では、第１群の正レンズ１０１により、メリジオナル断面での周辺画角主光線を面光源１０４よりもより物体側に結像させている。第３群の正レンズ１０３では、メリジオナル断面の周辺画角主光線が面光源１０４よりもより像側に結像する像面湾曲が発生するため、第１群の正レンズ１０１と第３群の正レンズ１０３とで像面湾曲のキャンセル効果を生じさせて像面湾曲を良好に補正している。そして、このように逆光線追跡において像面湾曲を良好に補正することで、面光源１０４の光軸外の点から放射された光を、集光光学系から高い平行度（収束性）で出射させることができる。

以上説明したように、本実施例では、逆光線追跡において集光光学系の球面収差と像面湾曲を良好に補正することで、面光源１０４から放射された光を、集光光学系から高い平行度で出射させることができる。表１の数値例では、面光源１０４の光軸ＡＸ上の点から発せられる光線の集光光学系からの光軸ＡＸに対する出射角度は、上側のマージナル光線で０．０２度、主光線で０．００度、下側のマージナル光線で０．０２度である。また、面光源１０４の上側の最大物高からの光線の集光光学系からの光軸ＡＸに対する出射角度は、上側のマージナル光線で６．２９度、主光線で６．３３度、下側のマージナル光線で６．２９度である。このように、本実施例では、面光源を用いる場合でも集光光学系から平行度が高い光束を出射させることができる。

本実施例の集光光学系に含まれるすべてのレンズは球面レンズである。すなわち、本実施例の集光光学系は、非球面レンズを用いる場合に比べて、製作が容易であり、製作コストも低い。

また、本実施例における第２群の負レンズ１０２の像側の面１０２ａは凹面である。マージナル光線が光軸ＡＸから離れているこの面１０２ａは、球面収差への寄与が大きいため、この面１０２ａを凹面とすることで、第２群の負レンズ１０２と第３群の正レンズ１０３での球面収差のキャンセル効果を生じさせやすくすることができる。

さらに、本実施例における第２群の負レンズ１０２は、像側に凹面を向けたメニスカス形状を有する。このとき、周辺画角主光線に対して、第２群の負レンズ１０２がコンセントリックに近い状態となるため、像面湾曲への影響を小さくすることができる。このため、第１群の正レンズ１０１と第３群の正レンズ１０３とにより得られる像面湾曲に対するキャンセル効果への影響が小さく、像面湾曲を良好に補正した状態を保つことができる。

また、本実施例における第１群の正レンズ１０１は、像側に凸面を向けたメニスカス形状を有する。第１群の正レンズ１０１の光学パワーは、全系のパワー配置から決まるが、第１群の正レンズ１０１をメニスカス形状にすることで、像側の凸面１０１ａの曲率を大きくすることができ、該凸面１０１ａでの周辺画角主光線のデビエーション量をより大きくすることができる。このデビエーション量を大きくすることで、メリジオナル断面での結像位置をより物体側に配置し、第１群の正レンズ１０１の像面湾曲補正に対する寄与度を高めることができる。

さらに、本実施例における第３群の正レンズ１０３の像側の面１０３ａは凸面であり、かつ物体側の面１０３ｂよりも大きな曲率を有する。これにより、第３群の正レンズ１０３の主平面は、物体側に向かって湾曲し、このことは、集光光学系全系の主平面が、物体側に向かって湾曲することに寄与する。集光光学系の主平面が物体側に向かって湾曲することで、面光源１０４からの光の取込角度を大きくすることができ、面光源１０４との結合効率が高い集光光学系を実現できる。

図２には、本実施例の集光光学系の球面収差と像面湾曲の縦収差図を示す。なお、ΔＭはメリジオナル断面での像面湾曲を、ΔＳはサジタル断面での像面湾曲を示す。このことは、後述する他の実施例の縦収差図でも同じである。図２から分かるように、本実施例では、球面収差および像面湾曲が共に良好に補正されており、面光源を用いる場合であっても平行度の高い光を出射することができる集光光学系を達成している。

図３には、本発明の実施例２である集光光学系の光学配置を示している。図３において、２０４はＬＥＤ等の面光源である。集光光学系は、物体側から像側に順に配置された、第１群としての正レンズ２０１と、第２群（一方の群）としての負レンズ２０２と、第３群（他方の群）として正レンズ２０３とにより構成されている。第２群の負レンズ２０２は、正レンズ２０６と負レンズ２０７との接合レンズである。また、集光光学系は、第３群の正レンズ２０３よりも像側に、絞り２０５を有する。

表２には、本実施例の集光光学系の数値例を示す。本実施例（数値例）の集光光学系の焦点距離は２３ｍｍであり、射出瞳径は３５ｍｍである。

以下、本実施例の集光光学系について、実施例１と同様に逆光線追跡を用いて説明する。 本実施例は、面光源２０４が配置された物体側から像側に順に配置された、正群、負群および正群の３群構成を有し、このうち第２群の負レンズ２０２と第３群の正レンズ２０３とで球面収差のキャンセル効果を生じさせて、球面収差を良好に補正している。球面収差を良好に補正することで、面光源２０４の光軸ＡＸ上の点から放射された光を、集光光学系から高い平行度で出射させることができる。

また、本実施例において、第２群の負レンズ１０２の負の焦点距離と第３群の正レンズ１０３の正の焦点距離との合成焦点距離は５７．５ｍｍであり、第２群と第３群との合成光学パワーが正である（すなわち、第２群と第３群の合成焦点距離が正である）。逆光線追跡において、第１群の正レンズ２０１には収束光が入射し、面光源２０４と第１群の正レンズ２０１とは近接配置される。このため、本実施例のように第１群の正レンズ２０１の像側の面（凸面）２０１ａから面光源２０４に向かう周辺画角主光線が角度を有する場合でも、メリジオナル断面での周辺画角主光線の結像点が面光源２０４よりも像側にずれる量が小さい。

また、第１群の正レンズ２０１の像側の面２０１ａを凸面とすることで、周辺画角主光線のデビエーション量が大きくなり、メリジオナル断面での周辺画角主光線は面光源２０４よりもより物体側にて結像する。

さらに、本実施例では、逆光線追跡において、第１群の正レンズ２０１の像側の凸面２０１ａから該凸面２０１ａに対する物点までの距離は、第１群の正レンズ２０１の像側の凸面２０１ａの焦点距離よりも長い。このため、第１群の正レンズ２０１の像側の凸面２０１ａにおける周辺画角主光線の光軸ＡＸからの距離（高さ）ｈは、面光源２０４の光軸ＡＸからの高さよりも大きく、周辺画角主光線のデビエーション量はさらに大きくなる。したがって、メリジオナル断面での周辺画角主光線は、より物体側に結像する。

このように本実施例では、第１群の正レンズ２０１により、メリジオナル断面での周辺画角主光線を面光源２０４よりもより物体側に結像させている。第３群の正レンズ２０３では、メリジオナル断面の周辺画角主光線が面光源２０４よりもより像側に結像する像面湾曲が発生するため、第１群の正レンズ２０１と第３群の正レンズ１０３とで像面湾曲のキャンセル効果を生じさせて像面湾曲を良好に補正している。そして、このように逆光線追跡において像面湾曲を良好に補正することで、面光源２０４の光軸外の点から放射された光を、集光光学系から高い平行度で出射させることができる。

以上説明したように、本実施例では、逆光線追跡において集光光学系の球面収差と像面湾曲を良好に補正することで、面光源２０４から放射された光を、集光光学系から高い平行度で出射させることができる。表２の数値例では、面光源２０４の光軸ＡＸ上の点から発せられる光線の集光光学系からの光軸ＡＸに対する出射角度は、上側のマージナル光線で０．０２度、主光線で０．００度、下側のマージナル光線で０．０２度である。また、面光源２０４の上側の最大物高からの光線の集光光学系からの光軸ＡＸに対する出射角度は、上側のマージナル光線で６．３１度、主光線で６．３５度、下側のマージナル光線で６．３１度である。このように、本実施例では、面光源を用いる場合でも集光光学系から平行度が高い光束を出射させることができる。

本実施例の集光光学系に含まれるすべてのレンズは球面レンズである。すなわち、本実施例の集光光学系は、非球面レンズを用いる場合に比べて、製作が容易であり、製作コストも低い。

また、本実施例における第２群の負レンズ２０２の像側の面２０２ａは凹面である。マージナル光線が光軸ＡＸから離れているこの面２０２ａは、球面収差への寄与が大きいため、この面２０２ａを凹面とすることで、第２群の負レンズ２０２と第３群の正レンズ２０３での球面収差のキャンセル効果を生じさせやすくすることができる。

さらに、本実施例における第２群の負レンズ２０２は、像側に凹面を向けたメニスカス形状を有する。このとき、周辺画角主光線に対して、第２群の負レンズ２０２がコンセントリックに近い状態となるため、像面湾曲への影響を小さくすることができる。このため、第１群の正レンズ２０１と第３群の正レンズ２０３とにより得られる像面湾曲に対するキャンセル効果への影響が小さく、像面湾曲を良好に補正した状態を保つことができる。

また、本実施例における第１群の正レンズ２０１は、像側に凸面を向けたメニスカス形状を有する。第１群の正レンズ２０１の光学パワーは、全系のパワー配置から決まるが、第１群の正レンズ２０１をメニスカス形状にすることで、像側の凸面２０１ａの曲率を大きくすることができ、該凸面２０１ａでの周辺画角主光線のデビエーション量をより大きくすることができる。このデビエーション量を大きくすることで、メリジオナル断面での結像位置をより物体側に配置し、第１群の正レンズ２０１の像面湾曲補正に対する寄与度を高めることができる。

さらに、本実施例における第３群の正レンズ２０３の像側の面２０３ａは凸面であり、かつ物体側の面２０３ｂよりも大きな曲率を有する。これにより、第３群の正レンズ２０３の主平面は、物体側に向かって湾曲し、このことは、集光光学系全系の主平面が、物体側に向かって湾曲することに寄与する。集光光学系の主平面が物体側に向かって湾曲することで、面光源２０４からの光の取込角度を大きくすることができ、面光源２０４との結合効率が高い集光光学系を実現できる。

図４には、本実施例の集光光学系の球面収差と像面湾曲の縦収差図を示す。図４から分かるように、本実施例では、球面収差および像面湾曲が共に良好に補正されており、面光源を用いる場合であっても平行度の高い光を出射することができる集光光学系を達成している。

なお、本実施例では、第２群を正レンズ２０６と負レンズ２０７との接合レンズとして構成したが、これらを接合せずに近接させて配置してもよい。

図５には、本発明の実施例３である集光光学系の光学配置を示している。図５において、３０４はＬＥＤ等の面光源である。

集光光学系は、物体側から像側に順に配置された、第１群としての正レンズ３０１と、第２群（一方の群）としての負レンズ３０２と、第３群（他方の群）として正レンズ３０３とにより構成されている。また、集光光学系は、第３群の正レンズ３０３よりも像側に、絞り３０５を有する。

表３には、本実施例の集光光学系の数値例を示す。本実施例（数値例）における集光光学系の焦点距離は２３ｍｍであり、射出瞳径は３５ｍｍである。

以下、本実施例の集光光学系について、像側から平行光が入射して物体側に到達するとする逆光線追跡を用いて説明する。

本実施例は、面光源３０４が配置された物体側から像側に順に配置された、正群、負群および正群の３群構成を有し、このうち第２群の負レンズ３０２と第３群の正レンズ３０３とで球面収差のキャンセル効果を生じさせて、球面収差を良好に補正している。このように逆光線追跡において球面収差を良好に補正することで、面光源３０４の光軸ＡＸ上の点から放射された光を、集光光学系から高い平行度で出射させることができる。

また、本実施例において、第２群の負レンズ３０２の負の焦点距離と第３群の正レンズ３０３の正の焦点距離との合成焦点距離は６６．２ｍｍであり、第２群と第３群との合成光学パワーが正である（すなわち、第２群と第３群の合成焦点距離が正である）。逆光線追跡において、第１群の正レンズ３０１には収束光が入射し、面光源３０４と第１群の正レンズ３０１とは近接配置される。このため、本実施例のように第１群の正レンズ３０１の像側の面（凸面）３０１ａから面光源３０４に向かう周辺画角主光線が角度を有する場合でも、メリジオナル断面での周辺画角主光線の結像点が面光源３０４よりも像側にずれる量が小さい。

また、第１群の正レンズ３０１の像側の面３０１ａを凸面とすることで、周辺画角主光線のデビエーション量が大きくなり、メリジオナル断面での周辺画角主光線は面光源３０４よりもより物体側にて結像する。

さらに、本実施例では、逆光線追跡において、第１群の正レンズ３０１の像側の凸面３０１ａから該凸面３０１ａに対する物点（つまりは面光源３０４）までの距離は、第１群の正レンズ３０１の像側の凸面３０１ａの焦点距離よりも長い。このため、第１群の正レンズ３０１の像側の凸面３０１ａにおける周辺画角主光線の光軸ＡＸからの距離（高さ）ｈは、面光源３０４の光軸ＡＸからの高さよりも大きく、周辺画角主光線のデビエーション量はさらに大きくなる。したがって、メリジオナル断面での周辺画角主光線は、より物体側に結像する。

このように本実施例では、第１群の正レンズ３０１により、メリジオナル断面での周辺画角主光線を面光源３０４よりもより物体側に結像させている。第３群の正レンズ３０３では、メリジオナル断面の周辺画角主光線が面光源３０４よりもより像側に結像する像面湾曲が発生するため、第１群の正レンズ３０１と第３群の正レンズ３０３とで像面湾曲のキャンセル効果を生じさせて像面湾曲を良好に補正している。そして、このように逆光線追跡において像面湾曲を良好に補正することで、面光源３０４の光軸外の点から放射された光を、集光光学系から高い平行度で出射させることができる。

以上説明したように、本実施例では、逆光線追跡において集光光学系の球面収差と像面湾曲を良好に補正することで、面光源３０４から放射された光を、集光光学系から高い平行度で出射させることができる。表３の数値例では、面光源３０４の光軸ＡＸ上の点から発せられる光線の集光光学系からの光軸ＡＸに対する出射角度は、上側のマージナル光線で０．００度、主光線で０．００度、下側のマージナル光線で０．００度である。また、面光源３０４の上側の最大物高からの光線の集光光学系からの光軸ＡＸに対する出射角度は、上側のマージナル光線で６．４７度、主光線で６．５１度、下側のマージナル光線で６．４７度である。このように、本実施例では、面光源を用いる場合でも集光光学系から平行度が高い光束を出射させることができる。

本実施例の集光光学系に含まれるすべてのレンズは球面レンズである。すなわち、本実施例の集光光学系は、非球面レンズを用いる場合に比べて、製作が容易であり、製作コストも低い。

また、本実施例における第２群の負レンズ３０２の像側の面３０２ａは凹面である。マージナル光線が光軸ＡＸから離れているこの面３０２ａは、球面収差への寄与が大きいため、この面３０２ａを凹面とすることで、第２群の負レンズ３０２と第３群の正レンズ３０３での球面収差のキャンセル効果を生じさせやすくすることができる。

また、本実施例における第１群の正レンズ３０１は、像側に凸面を向けたメニスカス形状を有する。第１群の正レンズ３０１の光学パワーは、全系のパワー配置から決まるが、第１群の正レンズ３０１をメニスカス形状にすることで、像側の凸面３０１ａの曲率を大きくすることができ、該凸面３０１ａでの周辺画角主光線のデビエーション量をより大きくすることができる。このデビエーション量を大きくすることで、メリジオナル断面での結像位置をより物体側に配置し、第１群の正レンズ３０１の像面湾曲補正に対する寄与度を高めることができる。

さらに、本実施例における第３群の正レンズ３０３の像側の面３０３ａは凸面であり、かつ物体側の面３０３ｂよりも大きな曲率を有する。これにより、第３群の正レンズ３０３の主平面は、物体側に向かって湾曲し、このことは、集光光学系全系の主平面が、物体側に向かって湾曲することに寄与する。集光光学系の主平面が物体側に向かって湾曲することで、面光源３０４からの光の取込角度を大きくすることができ、面光源３０４との結合効率が高い集光光学系を実現できる。

図６には、本実施例の集光光学系の球面収差と像面湾曲の縦収差図を示す。図６から分かるように、本実施例では、球面収差および像面湾曲が共に良好に補正されており、面光源を用いる場合であっても平行度の高い光を出射することができる集光光学系を達成している。

図７には、本発明の実施例４である集光光学系の光学配置を示している。図７において、４０４はＬＥＤ等の面光源である。集光光学系は、物体側から像側に順に配置された、第１群としての正レンズ４０１と、第２群（一方の群）としての負レンズ４０２と、第３群（他方の群）として正レンズ４０３とにより構成されている。また、集光光学系は、第３群の正レンズ４０３よりも像側に、絞り４０５を有する。

表４には、本実施例の集光光学系の数値例を示す。本実施例（数値例）の集光光学系の焦点距離は２３ｍｍであり、射出瞳径は３５ｍｍである。

以下、本実施例の集光光学系について、像側から平行光が入射して物体側に到達するとする逆光線追跡を用いて説明する。

本実施例は、面光源４０４が配置された物体側から像側に順に配置された、正群、負群および正群の３群構成を有し、このうち第２群の負レンズ４０２と第３群の正レンズ４０３とで球面収差のキャンセル効果を生じさせて、球面収差を良好に補正している。このように逆光線追跡において球面収差を良好に補正することで、面光源４０４の光軸ＡＸ上の点から放射された光を、集光光学系から高い平行度で出射させることができる。

また、本実施例において、第２群の負レンズ４０２の負の焦点距離と第３群の正レンズ４０３の正の焦点距離との合成焦点距離は６６．１ｍｍであり、第２群と第３群との合成光学パワーが正である（すなわち、第２群と第３群の合成焦点距離が正である）。逆光線追跡において、第１群の正レンズ４０１には収束光が入射し、面光源４０４と第１群の正レンズ４０１とは近接配置される。このため、本実施例のように第１群の正レンズ４０１の像側の面（凸面）４０１ａから面光源４０４に向かう周辺画角主光線が角度を有する場合でも、メリジオナル断面での周辺画角主光線の結像点が面光源４０４よりも像側にずれる量が小さい。

また、第１群の正レンズ４０１の像側の面４０１ａを凸面とすることで、周辺画角主光線のデビエーション量が大きくなり、メリジオナル断面での周辺画角主光線は面光源４０４よりもより物体側にて結像する。

さらに、本実施例では、逆光線追跡において、第１群の正レンズ４０１の像側の凸面４０１ａから該凸面４０１ａに対する物点（つまりは面光源４０４）までの距離は、第１群の正レンズ４０１の像側の凸面４０１ａの焦点距離よりも長い。このため、第１群の正レンズ４０１の像側の凸面４０１ａにおける周辺画角主光線の光軸ＡＸからの距離（高さ）ｈは、面光源４０４の光軸ＡＸからの高さよりも大きく、周辺画角主光線のデビエーション量はさらに大きくなる。したがって、メリジオナル断面での周辺画角主光線は、より物体側に結像する。

このように本実施例では、第１群の正レンズ４０１により、メリジオナル断面での周辺画角主光線を面光源４０４よりもより物体側に結像させている。第３群の正レンズ４０３では、メリジオナル断面の周辺画角主光線が面光源４０４よりもより像側に結像する像面湾曲が発生するため、第１群の正レンズ４０１と第３群の正レンズ４０３とで像面湾曲のキャンセル効果を生じさせて像面湾曲を良好に補正している。そして、このように逆光線追跡において像面湾曲を良好に補正することで、面光源４０４の光軸外の点から放射された光を、集光光学系から高い平行度で出射させることができる。

以上の説明したように、本実施例では、逆光線追跡において集光光学系の球面収差と像面湾曲を良好に補正することで、面光源４０４から放射された光を、集光光学系から高い平行度で出射させることができる。表４の数値例では、面光源４０４の光軸ＡＸ上の点から発せられる光線の集光光学系からの光軸ＡＸに対する出射角度は、上側のマージナル光線で０．００度、主光線で０．００度、下側のマージナル光線で０．００度である。また、面光源４０４の上側の最大物高からの光線の集光光学系からの光軸ＡＸに対する出射角度は、上側のマージナル光線で６．４８度、主光線で６．５３度、下側のマージナル光線で６．４８度である。このように、本実施例では、面光源を用いる場合でも集光光学系から平行度が高い光束を出射させることができる。

本実施例の集光光学系に含まれるすべてのレンズは球面レンズである。すなわち、本実施例の集光光学系は、非球面レンズを用いる場合に比べて、製作が容易であり、製作コストも低い。

また、本実施例における第２群の負レンズ４０２の像側の面４０２ａは凹面である。マージナル光線が光軸ＡＸから離れているこの面４０２ａは、球面収差への寄与が大きいため、この面４０２ａを凹面とすることで、第２群の負レンズ４０２と第３群の正レンズ４０３での球面収差のキャンセル効果を生じさせやすくすることができる。

また、本実施例における第１群の正レンズ４０１は、像側に凸面を向けたメニスカス形状を有する。第１群の正レンズ４０１の光学パワーは、全系のパワー配置から決まるが、第１群の正レンズ４０１をメニスカス形状にすることで、像側の凸面４０１ａの曲率を大きくすることができ、該凸面４０１ａでの周辺画角主光線のデビエーション量をより大きくすることができる。このデビエーション量を大きくすることで、メリジオナル断面での結像位置をより物体側に配置し、第１群の正レンズ４０１の像面湾曲補正に対する寄与度を高めることができる。

さらに、本実施例における第３群の正レンズ４０３の像側の面４０３ａは凸面であり、かつ物体側の面４０３ｂよりも大きな曲率を有する。これにより、第３群の正レンズ４０３の主平面は、物体側に向かって湾曲し、このことは、集光光学系全系の主平面が、物体側に向かって湾曲することに寄与する。集光光学系の主平面が物体側に向かって湾曲することで、面光源４０４からの光の取込角度を大きくすることができ、面光源４０４との結合効率が高い集光光学系を実現できる。

図８には、本実施例の集光光学系の球面収差と像面湾曲の縦収差図を示す。図８から分かるように、本実施例では、球面収差および像面湾曲が共に良好に補正されており、面光源を用いる場合であっても平行度の高い光を出射することができる集光光学系を達成している。

なお、上記実施例１〜４においては、負の焦点距離を有する第２群と正の焦点距離を有する第３群とを組み合わせる場合について説明した。しかし、正の焦点距離を有する第２群（他方の群）と負の焦点距離を有する第３群（一方の群）とを組み合わせて、これらの合成焦点距離を正としてもよい。

図９には、本発明の実施例５である集光光学系の光学配置を示している。実施例１〜４では、いずれも球面レンズにより構成された第１群、第２群および第３群を有する集光光学系について説明したが、非球面レンズを用いることで、実施例１〜４の第２群と第３群に相当する第２群を構成してもよい。

図９において、５０４はＬＥＤ等の面光源である。集光光学系は、物体側から像側に順に配置された、第１群としての正レンズ５０１と、第２群としての正レンズ５０２とにより構成されている。また、集光光学系は、第２群の正レンズ５０２よりも像側に、絞り５０５を有する。

表５には、本実施例の集光光学系の数値例を示す。本実施例（数値例）の集光光学系の焦点距離は２３ｍｍであり、射出瞳径は３５ｍｍである。また、ｔｙｐのＡＳＰが付された第２群の正レンズ５０２の物体側の凹面５０２ａおよび像側の凸面５０２ｂは、非球面である。非球面の形状は、以下の式（１）で表わされる。ただし、ｚは半径ｒの位置でのサグ量であり、Ａ，Ｂは表中に示す非球面係数（Ｅ−Ｘは、×１０^−Ｘを意味する）である。

第１群の正レンズ５０１は、実施例１〜４と同様に、正の焦点距離を有する。また、第２群の正レンズ５０２は、その非球面（５０２ａ，５０３ｂ）によって、球面収差を良好に補正している。

一方、本実施例では、逆光線追跡において、第１群の正レンズ５０１には収束光が入射し、面光源５０４と第１群の正レンズ５０１とは近接配置される。このため、本実施例のように第１群の正レンズ５０１の像側の面（凸面）５０１ａから面光源５０４に向かう周辺画角主光線が角度を有する場合でも、メリジオナル断面での周辺画角主光線の結像点が面光源５０４よりも像側にずれる量が小さい。

また、第１群の正レンズ５０１の像側の面５０１ａを凸面とすることで、周辺画角主光線のデビエーション量が大きくなり、メリジオナル断面での周辺画角主光線は面光源５０４よりもより物体側にて結像する。

さらに、本実施例では、第２群の正レンズ５０２は、実施例１〜４における第２群と第３群が有する正の合成焦点距離に相当する正の焦点距離を有する。そして、本実施例でも、逆光線追跡において、第１群の正レンズ５０１の像側の凸面５０１ａから該凸面５０１ａに対する物点（つまりは面光源５０４）までの距離は、第１群の正レンズ５０１の像側の凸面５０１ａの焦点距離よりも長い。このため、第１群の正レンズ５０１の像側の凸面５０１ａにおける周辺画角主光線の光軸ＡＸからの距離（高さ）ｈは、面光源５０４の光軸ＡＸからの高さよりも大きく、周辺画角主光線のデビエーション量はさらに大きくなる。したがって、メリジオナル断面での周辺画角主光線は、より物体側に結像する。

このように本実施例では、第１群の正レンズ５０１により、メリジオナル断面での周辺画角主光線を面光源５０４よりもより物体側に結像させている。これにより、第２群の正レンズ５０２で発生した像面湾曲を、第１群の正レンズ５０１によりキャンセルし、像面湾曲を良好に補正している。

そして、以上のように逆光線追跡において球面収差と像面湾曲とを良好に補正することで、面光源５０４から放射された光を、集光光学系から高い平行度で出射させることができる。

以上説明したように、上記各実施例では、第２群と第３群の組み合わせまたは非球面を含む第２群により集光光学系の球面収差を良好に補正することができる。また、第２群と第３群の合成焦点距離または非球面を含む第２群の焦点距離を正とし、第１群の像側の面を凸面とし、第１群の像側の面から物点までの距離を第１群の像側の面の焦点距離以上としている。これにより、第１群と第３群または第１群と非球面を含む第２群との組み合わせにより像面湾曲を良好に補正することができる。このように集光光学系の球面収差と像面湾曲を良好に補正することで、面光源から放射された光を集光光学系から高い収束・発散性を持つように出射させることができる。

なお、上記各実施例では、第１群の凸面から物点までの距離が、該凸面の焦点距離より長い場合について説明した。しかし、第１群の凸面から物点までの距離が該凸面の焦点距離と等しい場合も含めて、該凸面の焦点距離以上であればよい。

以下、上記実施例１〜５にて説明した内容に対応して、さらに集光光学系が満足した方が好ましい条件について説明する。

まず、実施例１〜４における第２群と第３群の合成焦点距離または実施例５における非球面を含む第２群の焦点距離が、集光光学系の全系の焦点距離の２倍以上であることが好ましい。

第２群と第３群の合成焦点距離または非球面を含む第２群の焦点距離が長い、すなわち光学パワーが小さいことで、第１群の焦点距離が短く、すなわち光学パワーが大きくなり、面光源と第１群とを近接配置することができる。これにより、各実施例にて説明したように、第１群の正レンズの像側の面（凸面）から面光源に向かう周辺画角主光線が角度を有する場合でも、メリジオナル断面での周辺画角主光線の結像点が面光源よりも像側にずれる量を小さくすることができる。

また、同様の理由から、第１群の焦点距離が、集光光学系の全系の焦点距離の１．５倍以下である（つまり第１群の焦点距離が短い）ことが好ましい。

さらに、第１群の像側の面（凸面）から第３群の像側の面（出射面）または非球面を含む第２群の像側の面（出射面）までの距離が、第１群の像側の凸面の焦点距離以上であることが好ましい。すなわち、第１群と第２および第３群（または非球面を含む第２群）とが離れて、周辺画角主光線の第１群の像側の面でのヒットポイントが、面光源の高さよりも大きくなることが好ましい。これにより、各実施例で説明したように、第１群の正レンズの像側の凸面における周辺画角主光線の光軸ＡＸからの距離（高さ）ｈが、面光源の光軸からの高さよりも大きく、周辺画角主光線のデビエーション量がさらに大きくなる。このため、メリジオナル断面での周辺画角主光線をより物体側に結像させることができる。

表６には、ここで説明した条件に関する各実施例（各数値例）の値を示している。なお、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３はそれぞれ、第１群、第２群および第３群の意味であるが、実施例５に関しては「Ｇ２・Ｇ３」は「Ｇ２」と読み替え、「Ｇ３の出射面」は「Ｇ２の出射面」と読み替える。

図１１には、上記各実施例にて説明した集光光学系を用いた照明光学系を含む画像投射装置としての液晶プロジェクタの構成を示している。

１０は照明光学系であり、実施例１〜５の面光源１０４〜５０４および集光光学系に相当する面光源１１および集光光学系１２を含む。また、照明光学系１０は、集光光学系１２から出射した平行光束を複数の光束に分割する光束分割系１３を含む。光束分割系１３は、２つのフライアイレンズにより構成されている。また、照明光学系１０は、光束分割系１３からの光束（無偏光光）を、所定の偏光方向を有する直線偏光光に変換する偏光変換素子１４と、光束分割系１３で分割された複数の光束を被照明面にて重畳させるコンデンサレンズ１５とを含む。

１６は偏光ビームスプリッタであり、照明光学系１０からの光束（直線偏光光）を反射または透過して、被照明面に配置された光変調素子としての反射型液晶パネル１７に導く。また、偏光ビームスプリッタ１６は、反射型液晶パネル１７で入力画像信号に応じて変調され、かつ反射された光束（以下、画像光という）を透過または反射して導光素子１８に導く。１９は導光素子１８からの画像光を、スクリーン等の被投射面に投射する投射光学系（投射レンズ）である。

照明光学系１０内の集光光学系１２として、各実施例にて説明した集光光学系を用いることで、光束分割系１３による光束の分割や偏光変換素子１４による偏光変換を良好に行うことができ、反射型液晶パネル１７を均一に、かつ明るく照明することができる。そして、これにより、明るさむらがなく高いコントラストを有する明るい画像を表示することができる。

なお、各実施例で説明した集光光学系を、光変調素子として透過型液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイスを用いた画像投射装置の照明光学系に用いこともできる。また、各実施例で説明した集光光学系を、画像投射装置の照明光学系以外の光学系や装置に用いてもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

ＬＥＤ等の面光源に好適な集光光学系や画像投射装置を提供できる。

１０１，２０１，３０１，４０１ 第１群
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２ 第２群
１０３，２０３，３０３，４０３ 第３群
１０４，２０４，３０４，４０４，５０４ 面光源

Claims (12)

1. 面光源から放射された光を集光する集光光学系であって、
   前記面光源に近い側である物体側から、該面光源から遠い側である像側に順に、
   前記像側に凸面を有し、正の焦点距離を有する第１群と、
   一方の群が負の焦点距離を、他方の群が正の焦点距離を有し、これら負と正の焦点距離の合成焦点距離が正である第２群および第３群、又は、非球面を含み、正の焦点距離を有する第２群とを有し、
   前記第１群の前記像側の凸面から物点までの距離が、該像側の凸面の焦点距離以上であることを特徴とする集光光学系。
2. 前記第１群の前記正の焦点距離が、該集光光学系の全系の焦点距離の１．５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の集光光学系。
3. 前記第３群を有しており、
   前記第２および第３群の前記正の合成焦点距離が、該集光光学系の全系の焦点距離の２倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の集光光学系。
4. 前記非球面を含む前記第２群を有しており、
   該第２群の前記正の焦点距離が、該集光光学系の全系の焦点距離の２倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の集光光学系。
5. 前記第３群を有しており、
   前記第１群の前記像側の凸面から前記第３群の前記像側の面までの距離が、前記第１群の前記像側の凸面の焦点距離以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の集光光学系。
6. 前記非球面を含む前記第２群を有しており、
   前記第１群の前記像側の凸面から前記第２群の前記像側の面までの距離が、前記第１群の前記像側の凸面の焦点距離以上であることを特徴とする請求項１、２または４に記載の集光光学系。
7. 前記第２群の前記像側の面が、凹面であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の集光光学系。
8. 前記第３群を有しており、
   前記第３群の前記像側の面が、該第３群の前記物体側の面よりも曲率が大きい凸面であることを特徴とする請求項１、２、３または５に記載の集光光学系。
9. 前記第２群に含まれるレンズがメニスカス形状を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の集光光学系。
10. 前記第１群に含まれるレンズがメニスカス形状を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の集光光学系。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の集光光学系を含み、
    該集光光学系からの光を被照明面に導くことを特徴とする照明光学系。
12. 請求項１１に記載の照明光学系と、
    該照明光学系からの光を変調する光変調素子とを含み、
    該光変調素子からの光を被投射面に投射することにより画像を表示することを特徴とする画像投射装置。