JP4834255B2 - 照明光学系および投射型画像表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示素子により変調された光により形成された画像を拡大投射する投射型画像表示装置及びそれに用いる照明光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような照明光学系及び投射型画像表示装置においては、投射表示される画像の明るさを向上させ、さらに装置をコンパクト化することが求められている。
【０００３】
図６には、従来の投射型画像表示装置の構成を示している。この図において、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ又は超高圧水銀ランプ等の光源部１０１から射出された白色光束のうち一部は直接に、残りはリフレクター１０２によって反射されてフライアイレンズ１０３，１０４に入射し、複数の光束部分に分割される。そして、複数の光束部分に分割された照明光束はＰＳ変換素子１０５で偏光方向が揃えられ、さらにコンデンサーレンズ１０６およびフィールドレンズ１０７で光強度分布が略均一化された後、ＬＣＤ等の画像表示素子１０８に入射する。
【０００４】
画像表示素子１０８に入射した光は、入力信号によって画像が形成された画像表示素子
１０８によって変調され、投射レンズ１０９によって不図示のスクリーン等に投射される
。
【０００５】
ここで、投射型画像表示装置により投射表示される画像の明るさは、画像表示素子１０８に入射する照明光の入射角度と投射レンズ１０９のＦｎｏ．のバランスに大きく依存する。
【０００６】
図６に示す画像表示装置では、画像表示素子１０８への照明光の入射角度はコンデンサーレンズ１０６の径と、コンデンサーレンズ１０６から画像表示素子１０８の間隔Ｄとによってほぼ決まる。
【０００７】
装置のコンパクト化を図るために間隔Ｄを短くすると、画像表示素子１０８への照明光の入射角度が大きくなり、投射レンズ１０９の瞳内に入射できない光束が多くなってしまい、その結果、投射画像の明るさを低下させてしまう。
【０００８】
これを解決するためには、例えば特開平２０００−９８４８８号公報や特開平２０００−２４１８８２号公報にて提案されているように、コンデンサーレンズ１０６と画像表示素子１０８との間に凹レンズを配置する方法がある。これにより、画像表示素子１０８への照明光の入射角度を大きくすることなく、コンデンサーレンズと画像表示素子の間隔を詰めることができ、明るい表示画像を得ることができるとともに装置のコンパクト化を図ることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各公報にて提案されているように、コンデンサーレンズを両面凸レンズにした場合、正弦条件から外れてしまうため、図７に示すように、画像表示素子上での照明エリアで外向きのコマ収差が発生し易い。
【００１０】
この場合、像高の最も高い四隅で光量が落ちてしまうため、画像表示素子上で光の強度を均一化するには照明エリアを広げなくてはならない。したがって、実際にはスクリーン上に投影されない光束が増えて、表示画像の明るさが低下してしまうという問題がある。
【００１１】
上記の課題を解消するために、本発明では、光源からの照明光束を複数の光束部分に分割する光束分割手段および該光束分割手段により複数の光束部分に分割された照明光束を画像表示素子上で均一な光強度分布になるように照射する均一化手段を含む照明光学系であって、前記均一化手段が、前記光束分割手段側から順に、前記光束分割手段側に凸形状を有する正メニスカスレンズ、負レンズ、正レンズを有し、前記均一化手段が有するレンズのうち前記光束分割手段に最も近いレンズが、前記正メニスカスレンズであって、前記正メニスカスレンズの前記光束分割手段側の面の曲率半径をＲ１とし、前記画像表示素子側の面の曲率半径をＲ２としたときに、−２≦（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）≦−１．４８の条件を満たす形状を有することを特徴とする。
【００１２】
上記（１）式の条件を満たすことにより、画像表示素子上での照明光の外向きのコマ収差の発生を抑え、像高の最も高い四隅での光量落ちを防止することが可能となる。しかも、画像表示素子上での照明エリアの全体的なぼやけおよびこれに伴う表示画像の明るさ低下を招く球面収差の発生も抑えることが可能となる。したがって、画像表示素子上での照明エリアを広げなくても照明光強度を略均一化することができ、コンパクトでありながら明るい表示画像が得られる投射型画像表示装置を実現することが可能となる。
【００１３】
なお、上記（１）式は、光源から射出された光束を複数の光束部分に分割するための光束分割手段の最も近くに配置された正レンズ（例えば、コンデンサーレンズ）の形状を示すものであり、（１）式の上限を超えると、画像表示素子上での外向きのコマ収差が発生し易く、像高の最も高い四隅での光量落ちが顕著になるため、画像表示素子上で光強度を均一化するには照明エリアを広げなくてはならない。したがって、実際にはスクリーン上等に投影されない光束が増えて、表示画像の明るさが低下してしまうことになる。
【００１４】
また、（１）式の下限を超えると、球面収差の補正を行うことが困難になり、照明エリアが全体的にぼやけ、スクリーン上等での画像の明るさが低下してしまうことになる。
【００１５】
また、上記の目的を達成するために、本発明では、光源からの照明光束を複数の光束部分に分割する光束分割手段および該光束分割手段により複数の光束部分に分割された照明光束を画像表示素子上で均一な光強度分布になるように照射する均一化手段を含む照明光学系であって、前記均一化手段から射出し、前記画像表示素子を照明する照明光に内向きのコマ収差が発生するように構成している。
【００１６】
このように構成することによって、像高の最も高い四隅での光量落ちを防止することが可能となる。しかも、画像表示素子上での照明エリアの全体的なぼやけおよびこれに伴う表示画像の明るさ低下を招く球面収差の発生も抑えることが可能となる。したがって、画像表示素子上での照明エリアを広げなくても照明光強度を略均一化することができ、コンパクトでありながら明るい表示画像が得られる投射型画像表示装置を実現することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の実施形態である投射型画像表示装置の構成を示しており、図２には、上記投射型画像表示装置にて用いられているダイクロイックミラーＤＭ１〜２およびトリミングフィルターＴＲの分光透過率を示している。これらの分光透過率は、超高圧水銀ランプを使用した場合の設計例である。但し、これらの数値はあくまでも一例に過ぎず、本発明に係る画像表示装置に用いられるダイクロイックミラーおよびトリミングフィルターはこれらの値に限定されるものではない。例えば、光源の種類に応じて種々の値を設定することができる。
【００１８】
図１において、光源部１から射出された白色照明光のうち一部は直接に、残りはリフレクター２で反射されて第１フライアイレンズ３を通過し、ミラーＭ１で反射された後、第２フライアイレンズ４、偏光変換素子５およびコンデンサーレンズ６を通過する。一般に光源部１としては、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ又は超高圧水銀ランプ等が使用される。
【００１９】
また、第１フライアイレンズ３および第２フライアイレンズ４（光束分割手段）は、光源部１からの白色照明光の光束を複数の光束部分に分割する。また、コンデンサーレンズ（正レンズ）６は、複数の光束部分に分割された白色照明光を集光する。
【００２０】
コンデンサーレンズ６から射出した白色照明光のうち青色帯域の光は、第１ダイクロイックミラー（色分解手段）ＤＭ１によって反射され、緑から赤色帯域光は透過する。
【００２１】
図２（ａ）に分光透過率を示す第１ダイクロイックミラーＤＭ１で反射された青色帯域光は、負レンズ７ａを通過し、反射ミラーＭ２によって光路を変えられ、フィールドレンズ（正レンズ）８Ｂを介して青色用の液晶画像表示素子９Ｂに入射する。
【００２２】
このとき、コンデンサーレンズ６，負レンズ７ａおよびフィールドレンズ８Ｂの各光学作用によって、青色帯域光は略均一な光強度分布で画像表示素子９Ｂ上の所定の照明エリアに照射される。
【００２３】
画像表示素子９Ｂは、不図示の駆動回路からの駆動信号に応じて駆動され、液晶画像を形成し、入射した青色帯域光を変調する。なお、駆動回路は、不図示のパーソナルコンピュータ、ビデオ、テレビ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置から入力された画像信号に応じた駆動信号を画像表示素子９Ｂに入力する。
【００２４】
変調された青色帯域光は、ダイクロイックプリズム１０に入射し、このダイクロイックプリズム１０内で光路を変えられて投射レンズ１１に入射する。
【００２５】
ここで、ダイクロイックプリズム（色合成手段）１０は、４つのプリズム型素子を組み合わせて一体化されたものであり、所定のプリズム型素子間には分光透過率特性が異なるダイクロイック膜が形成されている。
【００２６】
一方、第１ダイクロイックミラーＤＭ１を透過した緑〜赤色帯域光は、負レンズ７ｂを通過し、図２（ｂ）に分光透過率を示す第２ダイクロイックミラー（色分解手段）ＤＭ２に入射する。図２（ｂ）より、第２ダイクロイックミラーＤＭ２は緑色帯域光Ｇを反射する特性を有しているため、ここで緑色帯域光は反射され、その光路を変えられ、フィールドレンズ（正レンズ）８Ｇを介して緑色用の画像表示素子９Ｇに入射する。
【００２７】
このとき、コンデンサーレンズ６，負レンズ７ｂおよびフィールドレンズ８Ｇの各光学作用によって、緑色帯域光は略均一な光強度分布で画像表示素子９Ｇ上の所定の照明エリアに照射される。
【００２８】
画像表示素子９Ｇは、不図示の駆動回路からの駆動信号に応じて駆動され、液晶画像を形成し、入射した緑色帯域光を変調する。なお、駆動回路は、上述した画像情報供給装置から入力された画像信号に応じた駆動信号を画像表示素子９Ｇに入力する。
【００２９】
変調された緑色帯域光は、ダイクロイックプリズム１０に入射し、このダイクロイックプリズム１０内で光路を変えられて投射レンズ１１に入射する。
【００３０】
また、第２ダイクロイックミラーＤＭ２を透過した赤色帯域光は、図２（ｃ）に分光透過率を示すトリミングフィルターＴＲ、凹面ミラーＭ３，Ｍ４，Ｍ５を介して赤色用の画像表示素子９Ｒに入射する。
【００３１】
画像表示素子９Ｒは、不図示の駆動回路からの駆動信号に応じて駆動され、液晶画像を形成し、入射した赤色帯域光を変調する。なお、駆動回路は、上述した画像情報供給装置から入力された画像信号に応じた駆動信号を画像表示素子９Ｒに入力する。
【００３２】
このとき、コンデンサーレンズ６およびミラーＭ３〜Ｍ５の各光学作用によって、赤色帯域光は略均一な光強度分布で画像表示素子９Ｒ上の所定の照明エリアに照射される。
【００３３】
変調された赤色帯域光は、ダイクロイックプリズム１０に入射し、ダイクロイックプリズム１０で光路を変えられて投射レンズ１１に入射する。
【００３４】
なお、光源部１から、青および緑色帯域光の光路におけるフィールドレンズ８Ｂ，８Ｇまでおよび赤色帯域光の光路におけるミラーＭ５までが請求の範囲にいう照明光学系に相当し、コンデンサーレンズ６と、青・緑色帯域光の光路における負レンズ７ａ，７ｂおよびフィールドレンズ８Ｂ，８Ｇと、赤色帯域光の光路におけるミラーＭ３〜Ｍ５が請求の範囲にいう均一化手段に相当する。
【００３５】
こうしてダイクロイックプリズム１０に入射した青，緑および赤色帯域光は、ダイクロイックプリズム１０内で光路を変えられるとともに色合成され、この色合成されたカラー画像光は投射レンズ（投射光学系）１１によって不図示のスクリーン等に拡大投射される。これにより、カラー画像が表示される。
【００３６】
図３には、表示画像の明るさを最も左右する緑色帯域光の照明光路において、フライアイレンズ３，４に最も近いコンデンサーレンズ６から画像表示素子９Ｇの画像表示面までの展開図を示している。
【００３７】
また、以下に示す数値実施例１には、コンデンサーレンズ６の入射面から画像表示素子９Ｇの画像表示面までのｉ番目の面の曲率半径ｒｉと、間隔（空気換算値）ｄｉと、各光学要素の材料の屈折率ｎｉおよびアッベ数νｉを示している。
なお、ｆは焦点距離、fno はＦナンバー、ωは半画角を示している。
【００３８】
〈数値実施例１〉
ｆ＝137.20 fno ＝1 ：2.5 2ω＝7.4 °

ｒ１＝ 49.748 ｄ１＝ 8.45 ｎ１＝1.713 ν１＝53.87
ｒ２＝319.65 ｄ２＝51.4
ｒ３＝−27.165 ｄ３＝ 1.30 ｎ２＝1.516 ν２＝64.14
ｒ４＝226.60 ｄ４＝33.15
ｒ５＝ 36.474 ｄ５＝ 3.6 ｎ３＝1.516 ν３＝64.14
ｒ６＝∞ ｄ６＝ 6
ｒ７＝∞
本数値実施例１において、コンデンサーレンズ６の形状は、Ｒ１を光源部１側（光束分割手段側）の面の曲率半径とし、Ｒ２を画像表示素子９Ｇ側の面の曲率半径としたとき、
（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）
＝（49.748＋319.65）／（49.748−319.65）
＝−１．３７
になっており、（１）式を満たしている。
【００３９】
図４には、上記数値実施例１における画像表示素子９Ｇ（画像表示面）上での照明エリアの四隅のスポット分布（光強度分布）を示している。この図４から分かるように、照明エリアの四隅において外向きのコマ収差の発生が抑えられている。ここで、照明エリアの四隅において内向きのコマ収差を発生させるように構成しても構わない。
【００４０】
このため、画像表示素子９Ｇへの照明エリアを広げることなく均一な強度分布で照明光（緑色帯域光）を照射することができ、表示画像の明るさ低下を防ぐことができる。
【００４１】
次に、数値実施例１とレンズ配置は同じで焦点距離の異なる数値実施例２を示す。
【００４２】
〈数値実施例２〉
ｆ＝120.07 fno ＝1 ：2.2 2ω＝8.4 °
ｒ１＝ 50.966 ｄ１＝ 8.45 ｎ１＝1.713 ν１＝53.87
ｒ２＝263.51 ｄ２＝51.4
ｒ３＝−38.020 ｄ３＝ 1.30 ｎ２＝1.516 ν２＝64.14
ｒ４＝∞ ｄ４＝33.15
ｒ５＝ 37.86 ｄ５＝ 3.6 ｎ３＝1.516 ν３＝64.14
ｒ６＝∞ ｄ６＝6
ｒ７＝∞

本数値実施例２において、コンデンサーレンズ６の形状は、Ｒ１を光源部１側の面の曲率半径とし、Ｒ２を画像表示素子９Ｇ側の面の曲率半径としたとき、
（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）
＝（50.966＋263.51）／（50.966−263.51）
＝−１．４８になっており、（１）式を満たしている。
【００４３】
図５には、上記数値実施例２における画像表示素子９Ｇ（画像表示面）上での照明エリアの四隅のスポット分布（光強度分布）を示している。この図５から分かるように、照明エリアの四隅において外向きのコマ収差の発生が抑えられている。ここで、照明エリアの四隅において意図的に内向きのコマ収差を発生させるように構成しても構わない。
【００４４】
このため、画像表示素子９Ｇへの照明エリアを広げることなく均一な強度分布で照明光（緑色帯域光）を照射することができ、表示画像の明るさ低下を防ぐことができる。
【００４５】
なお、本実施形態では、最も光路長の長い赤色帯域光の光路に３つの凹面ミラーを用いた場合について説明したが、本発明に係る画像表示装置においてミラーの個数や形状はこれに限られるものではなく、凸面鏡や平面ミラーを組み合わせた系を用いてもよい。また、レンズとミラーとを組み合わせた系を用いてもよい。
【００４６】
さらに、本実施形態では、画像表示素子を３色用に３つ用いたいわゆる３板式の画像表示装置について説明したが、本発明の画像表示装置における画像表示素子の個数はこれに限られるものではなく、例えば、１つの画像表示素子のみを用いた単板式の画像表示装置にも本発明を適用することができる。
【００４７】
また、本実施形態では、ダイクロイックプリズムとしていわゆる４Ｐプリズムを用いた場合について説明したが、３Ｐプリズムやクロスダイクロイックプリズムを用いてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、上記（１）式の条件を満たすことにより、画像表示素子上での照明光における外向きのコマ収差の発生を抑えるため、像高の最も高い四隅での光量落ちを防止することができる。また、画像表示素子上での照明光に内向きのコマ収差を発生させても、画像表示素子の四隅での光量落ちを防止することができる。
【００４９】
しかも、画像表示素子上での照明エリアの全体的なぼやけおよびこれに伴う表示画像の明るさ低下を招く球面収差の発生も抑えることができる。
【００５０】
したがって、画像表示素子上での照明エリアを広げなくても照明光強度を略均一化することができ、コンパクトでありながら明るい表示画像が得られる投射型画像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】本発明の実施形態である投射型画像表示装置の光学系を示す断面図。
【図２】上記投射型画像表示装置に用いられるダイクロイックミラーおよびトリミングフィルターの分光透過率特性を示す概略図。
【図３】上記投射型画像表示装置における緑色帯域光の光路のコンデンサーレンズから画像表示素子の画像表示面までの展開図。
【図４】上記投射型画像表示装置の数値実施例１における照明エリアの四隅のスポット分布図。
【図５】上記投射型画像表示装置の数値実施例２における照明エリアの四隅のスポット分布図。
【図６】従来の投影型画像表示装置の光路の展開図。
【図７】従来の投射型画像表示装置の照明光学系に両面凸のコンデンサーレンズを用いた場合の照明エリアの四隅のスポット分布図。
【符号の説明】
１ 光源部
２ リフレクター
３ 第１フライアイレンズ
４ 第２フライアイレンズ
５ 偏光変換素子
６ コンデンサーレンズ
７ａ，７ｂ 負レンズ
８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ フィールドレンズ
９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ 画像表示素子
１０ ダイクロイックプリズム
１１ 投射レンズ
Ｍ１，Ｍ２ 反射ミラー
Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５ 凹面ミラー
ＤＭ１，ＤＭ２ ダイクロイックミラー
ＴＲ トリミングフィルター
１０１ 光源
１０２ リフレクター
１０３，１０４ フライアイレンズ
１０５ 偏光変換素子
１０６ コンデンサーレンズ
１０７ フィールドレンズ
１０８ 画像表示素子
１０９ 投射レンズ

Claims (4)

1. 光源からの照明光束を複数の光束部分に分割する光束分割手段および該光束分割手段により複数の光束部分に分割された照明光束を画像表示素子上で均一な光強度分布になるように照射する均一化手段を含む照明光学系であって、
   前記均一化手段が、前記光束分割手段側から順に、前記光束分割手段側に凸形状を有する正メニスカスレンズ、負レンズ、正レンズを有し、
   前記均一化手段が有するレンズのうち前記光束分割手段に最も近いレンズが、前記正メニスカスレンズであって、前記正メニスカスレンズの前記光束分割手段側の面の曲率半径をＲ１とし、前記画像表示素子側の面の曲率半径をＲ２としたときに、
   −２≦（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）≦−１．４８
   の条件を満たす形状を有することを特徴とする照明光学系。
2. 請求項１に記載の照明光学系と、この照明光学系により照明光束が導かれる画像表示素子と、この画像表示素子により変調された画像光を投射する投射光学系を有することを特徴とする投射型画像表示装置。
3. 前記照明光学系は、前記光束分割手段により複数の光束部分に分割された照明光束を複数の色光束に分解する色分解手段を含み、これら色光束を色ごとに設けられた複数の画像表示素子に照射するとともに、これら画像表示素子により変調された複数の色光束を合成する色合成手段を有することを特徴とする請求項２に記載の投射型画像表示装置。
4. 前記色合成手段が、３つ以上のプリズム型素子を組み合わせて構成されるダイクロイックプリズムを用いて構成されていることを特徴とする請求項３に記載の投射型画像表示装置。

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