JPH09222581A - 照明光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用する発光源，集光手段，フライアイレン
ズの各レンズ構成に起因して生じていた発光源からの光
の集光効率の低下をなくし、また、被照射面での面分布
を調整し得るようにした照明光学装置を提供する。 【解決手段】 発光源１からの放射光は、集光手段２に
より単一の方向に指向され、被照射面の形状に合わせた
ほぼ同一の開口形状を有する複数のレンズを組み合わせ
た入射側フライアイレンズ３に入射する。入射側フライ
アイレンズ３は、光束を複数の部分光束に分割して対を
なす出射側フライアイレンズ４の開口部付近で収束させ
るが、その開口形状は、収束分布に合せて効率よく光を
取り込むような形状にする。入射側フライアイの各レン
ズによる分割光束は、それぞれ被照射面全域を照明す
る。出射，入射側のフライアイレンズの形状を、片側を
球面、もう片側を各レンズで入射軸に対し異なる傾きの
平面として、一様で明るい照明を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、照明光学装置に関
し、より詳細には、液晶素子等のライトバルブを用いた
投射型表示装置に適用し得る当該装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１２及び図１３は、従来使用されてい
るフライアイレンズを用いた照明システムの一例とその
レンズの構成を概略的に示す図である。また、図１４
は、特開平５−３４６５５７号公報に開示されているも
のであり、この照明システムを用い、三枚のライトバル
ブに色分離するために色分離ミラーを用いた従来の投射
型表示装置の一例を示す図である。図１２に示される従
来使用されているフライアイレンズ照明系において、発
光源１から発せられた光は、反射鏡２によって反射さ
れ、前方にほぼ平行光を出射し、入射側フライアイレン
ズ３に入射される。入射側フライアイレンズ３は、光源
１側からみた正面図を概略的に示す図１３（Ａ）に示す
ように、照射面５と相似形の形状を持ったレンズが複数
個組み合わさった構造をしている。入射側フライアイレ
ンズ３のそれぞれのレンズに入射した光は、それぞれに
対応する出射側フライアイレンズ４（図１３（Ｂ）の被
照射面５側からみた図に示されるように、通常入射側フ
ライアイレンズと同様な形状を持つ）に集光され、スポ
ット像が形成される。ここに、対応するレンズとは、図
１３でａ−ａ′，ｂ−ｂ′，ｃ−ｃ′等の対応関係を指
す。入射側フライアイレンズ３によるスポット像は、そ
の後、出射側フライアイレンズ４により入射側フライア
イレンズ３の個々のレンズが被照射面５に結像される。
この結像照明は、個々のレンズそれぞれが被照射面５の
全面を照射するために照射面５での照度，色度のむらの
ない良好な照射特性を得ることが出来る。

【０００３】入射側及び出射側フライアイレンズ３，４
は、図１５に示すように、通常その光の主光線が各レン
ズの中央を通過し、被照射面５の中央に到達するように
設計する必要があり、その手段として各レンズの軸をず
らせて（レンズを偏芯させて）光を制御している。この
様な場合、レンズの偏芯量△Ｘが曲率半径ｒより大きく
なるようなレンズの焦点距離，主光線の曲げ量であった
場合は、現実にはレンズを作ることが出来なくなる。ま
た、△Ｘ＜ｒの場合には、レンズの偏芯によりレンズを
作ることは出来るが、レンズの周辺部のレンズ面傾きが
非常に大きくなるため、結像照明部での収差が大きくな
り、集光効率を低下させる要因となっている。従来の例
では、このようなフライアイレンズ照明系を三枚のライ
トバルブに色分離するための色分離ミラーを用いた投射
型表示装置に使用する場合、通常、図１４に示すような
構成としている。図１４において、発光源１より出射さ
れた光は、入射側フライアイレンズ３，出射側フライア
イレンズ４を通過し、色分離ミラー１０〜１２によって
三原色に分離され、コンデンサーレンズ１６〜１８を透
過し、ライトバルブ１９〜２１に結像照明される。その
後は、色合成ミラー１３〜１５によって白色に合成さ
れ、投射レンズ２２によって投影される。このような構
成によって投射型表示装置にフライアイレンズ照明系を
備えることにより、フライアイレンズ照明系の特徴であ
る照度，色度のむらのない良好な投影装置を得ることが
出来る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したようなフライ
アイレンズを用いた従来の集光光学システムでは、出射
側フライアイレンズ近傍で収束する光束の形状は、発光
源と集光手段により決定され、その形状は、出射側の各
レンズごとに異なったものとなるため、従来のような入
射側フライアイレンズと同様な形状を持つレンズでは、
レンズによっては十分にその光束を取り込めない状態と
なるし、また、あるレンズでは、集光した光束に対し、
必要以上に大きな開口を持つこととなる。このように、
全体として、集光効率の低下がもたらせられる。また、
従来技術では、入射側及び出射側フライアイレンズでの
光の主光線の制御を各レンズを偏芯させて行っていたた
め、主光線の曲がり角度およびレンズの焦点距離等によ
っては、レンズの球面の偏芯のみでの対応では、不可能
となる。また、偏芯で対応可能な範疇であっても、偏芯
にて対応すると、レンズ周辺部での傾きが非常に大きく
なり、出射側フライアイレンズ近傍での光束の収差が大
きくなり、集光率が低下する。また、上記の集光システ
ムでは、その特徴として被照射面での照度の面分布の均
一性が非常に高いことが上げられるが、逆に、その面分
布を自由に制御することが出来ない（例えば、中央部分
の照度を高く周辺部分の照度を低くするようなことは出
来ない）等の問題がある。本発明は、上記したところの
従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、フライアイ
レンズを用いた当該照明光学装置において、使用する発
光源，集光手段及びフライアイレンズの各レンズ構成に
起因して生じていた発光源からの光の集光効率の低下を
なくすようにし、また、被照射面での面分布を調整し得
るようにした当該装置を提供することをその課題とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、発光
源と、該発光源の放射光を単一の方向に指向された光束
に変換する集光手段と、ほぼ同一の開口形状を有する複
数のレンズを組み合わせた入射側レンズ（以下「入射側
フライアイレンズ」と記載する）と、前記入射側フライ
アイレンズと対をなす複数のレンズを組み合わせた出射
側レンズ（以下「出射側フライアイレンズ」と記載す
る）を備え、前記入射側フライアイレンズは、前記集光
手段を出射した光束を複数の部分光束に分割するととも
に、対をなす出射側フライアイレンズの開口部付近で光
束を収束せしめ、前記出射側フライアイレンズは、これ
と対をなす入射側フライアイレンズの前記開口形状を被
照射面に結像照射させる照明光学装置において、前記出
射側フライアイレンズの開口形状を該レンズの開口部付
近に収束した前記入射側フライアイレンズによる各部分
光束の分布形状に相似の形状とし、最小のレンズサイズ
で収束した光束を最も効率良く取り込むことを可能とす
るものである。

【０００６】請求項２の発明は、発光源と、該発光源の
放射光を単一の方向に指向された光束に変換する集光手
段と、ほぼ同一の開口形状を有する複数のレンズを組み
合わせた入射側レンズ（以下「入射側フライアイレン
ズ」と記載する）と、前記入射側フライアイレンズと対
をなす複数のレンズを組み合わせた出射側レンズ（以下
「出射側フライアイレンズ」と記載する）を備え、前記
入射側フライアイレンズは、前記集光手段を出射した光
束を複数の部分光束に分割するとともに、対をなす出射
側フライアイレンズの開口部付近で光束を収束せしめ、
前記出射側フライアイレンズは、これと対をなす入射側
フライアイレンズの前記開口形状を被照射面に結像照射
させる照明光学装置において、前記出射側及び前記入射
側の各フライアイレンズの形状を片側面を球面状とし、
もう片側面を各要素レンズで入射軸に対し異なる傾きを
持った平面をなすように構成し、各要素レンズでの結像
の収差及び集光率を改善することを可能とするものであ
る。

【０００７】請求項３の発明は、発光源と、該発光源の
放射光を単一の方向に指向された光束に変換する集光手
段と、ほぼ同一の開口形状を有する複数のレンズを組み
合わせた入射側レンズ（以下「入射側フライアイレン
ズ」と記載する）と、前記入射側フライアイレンズと対
をなす複数のレンズを組み合わせた出射側レンズ（以下
「出射側フライアイレンズ」と記載する）を備え、前記
入射側フライアイレンズは、前記集光手段を出射した光
束を複数の部分光束に分割するとともに、対をなす出射
側フライアイレンズの開口部付近で光束を収束せしめ、
前記出射側フライアイレンズは、これと対をなす入射側
フライアイレンズの前記開口形状を被照射面に結像照射
させる照明光学装置において、前記入射側フライアイレ
ンズの要素レンズの少なくとも１個の開口形状は、被照
射面にちょうど結像する形状とし、その他の要素レンズ
の開口形状を被照射面にちょうど結像する形状より小さ
な形状とし、被照射面の中央部での照度を高く、周辺部
を低くするように面分布を調整することを可能とするも
のである。

【０００８】請求項４の発明は、上記請求項３の発明に
おいて、被照射面にちょうど結像する開口形状とした前
記要素レンズは、該要素レンズに対応する出射側フライ
アイレンズの開口部付近で光束を収束せしめるととも
に、前記出射側フライアイレンズによって被照射面に結
像照射させるようにし、被照射面にちょうど結像する開
口形状より小さな形状とした前記要素レンズでは、入射
側の該要素レンズ及び対応する出射側フライアイレンズ
による結像点を多少ずらすようにし、照度の面分布をな
だらかな変化をもつようにすることを可能とするもので
ある。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の照明光学装置の実施形態
の構成は、基本的に、従来の照明系と同じで図１２の構
成を採用するが、フライアイレンズの形状にその特徴点
がある。図１及び図２は、本発明において、レンズ形状
の最適化を行って得られる当該レンズの実施形態を示す
ものである。図１は、入射側フライアイレンズ３の光源
側からみた正面図を示すもので、開口の形状について
は、照射面と相似形の形状を持ったレンズが複数個組み
合わさったものである（従来の技術で説明したものと同
じ）。これに対し、出射側フライアイレンズ４の形状
は、図２に示すようにそれぞれの開口が異形形状を持
ち、入射側フライアイレンズ３を通って出射側フライア
イレンズ４近傍で収束する各光束の形状に相似する形状
として、光束を効率よく取り込む様になっている。この
入出射側の二つのレンズ３，４におけるそれぞれのレン
ズの対応関係については、図１及び図２において、ａ−
ａ′，ｂ−ｂ′，ｃ−ｃ′…ｊ−ｊ′が対応することに
なる。

【００１０】この形状について説明をすると、発光源１
より出た光は、単一の方向に指向された光束に変換する
反射鏡２を通してフライアイレンズ３，４に入射する
が、発光源１と反射鏡２の特徴により、図３の上部（リ
フレクター出射角度特性）に示されるような入射光束の
光となる。そして、出射側フライアイレンズ４近傍で収
束する光束の形状は、個々のレンズによって様々に異な
ってしまう。図３の下部にこの収束光束の形状の例が示
されている。このような特性を持つ光束に対し、従来の
様な入射側フライアイレンズ３と同様な形状を持つ出射
側フライアイレンズ４であると、この出射側フライアイ
レンズ４での収束した光束の取り込みは、図４に示すよ
うになる。この例では、中央部の２個のレンズは光束を
完全に取り込むことが出来ず、取り込めない部分の光束
は有効に使われることはない。これに対し、その他のレ
ンズでは、レンズの開口の大きさに対し、収束した光束
が小さいため、まだ取り込みに十分な余裕がある。

【００１１】図３の下部に示されるような状態の光束を
最も有効に取り込むための形状としては、図５に示すよ
うに、収束光束の形状を最も無駄なく取り込むように、
出射側フライアイレンズ４の形状を、レンズ近傍で収束
する光束の形状の小さいものに対応するレンズを、大き
いものに対応するレンズの隙間に入れていくように配置
をすることによって得られる。このとき、投射レンズ
（図示せず）などの取り込みを考慮して光束の集光する
外側の範囲を円形にすることにより、被照射面以降に考
えられる集光効率を上げることが出来る。このような配
置をとった出射側フライアイレンズ４の設計例が図２と
なり、そのレンズでの収束光束の取り込みを示したもの
を図５に示す。このように、個々のレンズをそれぞれ異
なった（方形，多角形でない）鋭角の角を持った形状に
し、配置を設計することにより、出射側フライアイレン
ズ４近傍に収束した光束を、必要最小限の大きさのレン
ズで最も効率の良いレンズで構成することが出来る。

【００１２】次に、図６に、出射側及び入射側フライア
イレンズ３，４の形状を、片側を球面、または球面を基
本とした非球面形状とし、もう片側をそれぞれのレンズ
で異なる入射軸に対する傾きを持った平面（プリズム形
状）で構成した照明光学装置の例を示す。レンズの偏芯
に相当する光の主光線を曲げる作用を、球面形状とした
反対側のレンズ面をそれぞれのレンズで異なる入射軸に
対する傾きを持った平面（プリズム形状）で構成する
と、球面側の形状は偏芯がなくなるか、または、偏芯を
最小限に押さえることが出来る。上記の発明内容を盛り
込んだ設計例による出射側フライアイレンズ４の斜視図
を図７に示す。

【００１３】次に、図８〜図１１は、被照射面での照度
分布を変えるようにした発明の実施形態とその説明図を
示す。まず、図８は、入射側フライアイレンズのレンズ
形状の一例を示すものである。この例では、入射側フラ
イアイレンズ３の形状を、中心部の４個については、図
９で示すように、被照射面５全域を結像照射するような
形状としている。その他のレンズについては、前記レン
ズの大きさに対して徐々に小さい形状を持ったものとし
ている。これにより、形状の小さいレンズは、被照射面
５の全域を照射せずに、図９に示すように、被照射面５
の中心部を中心とした小さな範囲を照射することとな
る。これにより、被照射面５での照度分布は、図１０に
示すように、中心が照度が高く、周辺部は照度の低い分
布を得ることが出来る。この状態では、被照射面５の照
度分布は階段状の分布となるが、これに加え、被照射面
５にちょうど結像する形状としたレンズに対応するレン
ズでは、入射側フライアイレンズ３は集光手段から出射
した単一の方向に指向された光束を、対応する出射側フ
ライアイレンズ４の開口部付近で光束を最も収束せし
め、出射側フライアイレンズ４は、これと対をなす入射
側フライアイレンズ３の形状を被照射面５に結像照射さ
せる様にレンズの焦点距離を設定し、被照射面５にちょ
うど結像する形状より小さな形状としたレンズでは、そ
の入射側及び出射側フライアイレンズ４の焦点距離を上
記の結像を多少ずらすようにした（デフォーカスした）
場合、この階段状が弱められて、図１１に示すように連
続的な分布を得ることが出来る。

【００１４】

【発明の効果】 請求項１の効果：発光源及び集光手段により決まる収束
光照射分布に合わせて、効率良く光を取り込むように入
射及び出射側フライアイレンズのレンズ形状を設計する
ことにより、集光効率の高く、コンパクトな照射光学装
置を提供することが出来る。 請求項２の効果：入射及び出射側フライアイレンズにお
いて、球面形状の反対側の面の各レンズ要素にプリズム
構造を持たすことにより、レンズの偏芯構造だけでは実
現できなかった条件でのレンズ構成を可能にする。ま
た、偏芯構造だけで実現できる条件であっても、従来の
方式に比べ、レンズ周辺部でのレンズ面傾きを最小限に
押さえることが出来、収差の少ない良好な照明系を得る
ことが出来る。 請求項３及び４の効果：入射側フライアイレンズの各レ
ンズ形状の中の一部のものを小さくし、被照射面に照射
することにより、被照射面の照度分布を変化させること
が出来る。この効果としては、映像表示装置において
は、人間の注目が集中する画面中央部の明るさを高く
し、良質な画像を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】入射側フライアイレンズ３の光源側からみた正
面図を示す図である。

【図２】出射側フライアイレンズの異形形状をもつ開口
を示す図である。

【図３】照明装置の各部における光束の照度分布を概略
的に示す図である。

【図４】従来における出射側フライアイレンズの開口形
状と光束の照度分布の関係を説明するための図である。

【図５】本発明における出射側フライアイレンズの開口
形状と光束の照度分布の関係を説明するための図であ
る。

【図６】片側をそれぞれのレンズで異なる入射軸に対す
る傾きを持った平面（プリズム形状）で構成した照明光
学装置を示す図である。

【図７】図６で用いる出射側フライアイレンズの斜視図
を示すものである。

【図８】入射側フライアイレンズのレンズ形状の一例を
示す図である。

【図９】被照射面で一様な照度分布にならないようにし
た照明光学装置を示す図である。

【図１０】図９の装置による被照射面での照度分布を示
す図である。

【図１１】図１０と同様の図で、レンズをデフォーカス
した場合の照度分布を示す図である。

【図１２】従来使用されているフライアイレンズを用い
た照明システムの一例を示す図である。

【図１３】従来使用されているフライアイレンズの構成
を概略的に示す図である。

【図１４】フライアイレンズを用いた照明システムを用
い、三枚のライトバルブに色分離するために色分離ミラ
ーを用いた従来の投射型表示装置の一例を示す図であ
る。

【図１５】従来のフライアイレンズ照明系の動作を説明
するための図である。

【符号の説明】

１…発光源、２…反射鏡、３…入射側フライアイレン
ズ、４…出射側フライアイレンズ、５…被照射面、１０
〜１２…色分離ミラー、１３〜１５…色合成ミラー、１
６〜１８…コンデンサーレンズ、１９〜２１…ライトバ
ルブ、２２…投射レンズ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光源と、該発光源の放射光を単一の方
   向に指向された光束に変換する集光手段と、ほぼ同一の
   開口形状を有する複数のレンズを組み合わせた入射側レ
   ンズと、前記入射側レンズと対をなす複数のレンズを組
   み合わせた出射側レンズを備え、前記入射側レンズは、
   前記集光手段を出射した光束を複数の部分光束に分割す
   るとともに、対をなす出射側レンズの開口部付近で光束
   を収束せしめ、前記出射側レンズは、これと対をなす入
   射側レンズの前記開口形状を被照射面に結像照射させる
   照明光学装置において、前記出射側レンズの開口形状を
   該レンズの開口部付近に収束した前記入射側レンズによ
   る各部分光束の分布形状に相似の形状としたことを特徴
   とする照明光学装置。
2. 【請求項２】 発光源と、該発光源の放射光を単一の方
   向に指向された光束に変換する集光手段と、ほぼ同一の
   開口形状を有する複数のレンズを組み合わせた入射側レ
   ンズと、前記入射側レンズと対をなす複数のレンズを組
   み合わせた出射側レンズを備え、前記入射側レンズは、
   前記集光手段を出射した光束を複数の部分光束に分割す
   るとともに、対をなす出射側レンズの開口部付近で光束
   を収束せしめ、前記出射側レンズは、これと対をなす入
   射側レンズの前記開口形状を被照射面に結像照射させる
   照明光学装置において、前記出射側及び前記入射側の各
   レンズの形状を片側面を球面状とし、もう片側面を各要
   素レンズで入射軸に対し異なる傾きを持った平面をなす
   ように構成したことを特徴とする照明光学装置。
3. 【請求項３】 発光源と、該発光源の放射光を単一の方
   向に指向された光束に変換する集光手段と、ほぼ同一の
   開口形状を有する複数のレンズを組み合わせた入射側レ
   ンズと、前記入射側レンズと対をなす複数のレンズを組
   み合わせた出射側レンズを備え、前記入射側レンズは、
   前記集光手段を出射した光束を複数の部分光束に分割す
   るとともに、対をなす出射側レンズの開口部付近で光束
   を収束せしめ、前記出射側レンズは、これと対をなす入
   射側レンズの前記開口形状を被照射面に結像照射させる
   照明光学装置において、前記入射側レンズの要素レンズ
   の少なくとも１個の開口形状は、被照射面にちょうど結
   像する形状とし、その他の要素レンズの開口形状を被照
   射面にちょうど結像する形状より小さな形状とすること
   を特徴とする照明光学装置。
4. 【請求項４】 被照射面にちょうど結像する開口形状と
   した前記要素レンズは、該要素レンズに対応する出射側
   レンズの開口部付近で光束を収束せしめるとともに、前
   記出射側レンズによって被照射面に結像照射させるよう
   にし、被照射面にちょうど結像する開口形状より小さな
   形状とした前記要素レンズでは、入射側の該要素レンズ
   及び対応する出射側レンズによる結像点を多少ずらすよ
   うにしたことを特徴とする請求項３記載の照明光学装
   置。