JPH11260144A

JPH11260144A - レンズ素子とこれを用いた照明光学装置及び投写型表示装置

Info

Publication number: JPH11260144A
Application number: JP10060882A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Masumoto; 吉弘枡本; Mitsuhiro Wada; 充弘和田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】照明光の明るさむらを改善するレンズ素子を
提供する。当該レンズ素子を用いて、明るさ均一性の高
い照明光学装置と、明るく表示均一性の高い投写型表示
装置を提供する。【解決手段】入力側レンズ群と出力側レンズ群とから
なり、入力側レンズ群は光軸近傍部は負のパワー、周辺
部は略ゼロのパワーを有し、出力側レンズ群は光軸近傍
部は正のパワー、周辺部は略ゼロのパワーを有する。こ
れにより、出力光束の明るさの均一性を入力光束と比較
して改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に照明用に用い
られるレンズ素子、主に空間光変調素子を照明するため
の照明光学装置、当該照明装置と外部から映像信号が供
給されて光学像を形成する空間光変調素子と投写レンズ
を用いて大画面映像をスクリーン上に投影する投写型表
示装置、に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、大画面用の映像機器として各種の
空間光変調素子を用いた投写型表示装置が知られてい
る。これらは、例えば透過型や反射型の液晶パネルを空
間光変調素子とし、光源により液晶パネルを照明すると
共に、外部から供給される映像信号に応じた光学像を液
晶パネル上に形成し、投写レンズにより光学像をスクリ
ーン上に拡大投影するものである。

【０００３】この用途には、発光効率が高く、色再現性
に優れたランプが要望される。また、光学系全体の光利
用効率を高くするために、ランプの発光体は、その有効
サイズが小さく、見かけの輝度が十分に高いことが必要
となる。

【０００４】メタルハライドランプは、発光効率が高
く、色再現性が優れているので、この用途に広く用いら
れる。しかしながら、発光体の輝度むらと色むらが大き
く照明むらを生じやすい。発光体を小さく高輝度にする
とランプの信頼性が著しく低下し、ランプ寿命が短くな
る、という課題がある。

【０００５】キセノンランプは、色再現性に優れると共
に、発光体のサイズが小さく高輝度である反面、発光効
率はメタルハライドランプと比較して約１／３と低く、
ランプ電流が大きいので専用電源の小型化が困難であ
る。主に、業務用途の大光出力の投写型表示装置に広く
用いられている。

【０００６】投写型表示装置を構成する場合、大きい光
出力を実現し、明るい投写画像を提供することが重要で
ある。同時に、少ない消費電力で、発熱の少ない小型の
投写器を実現するには、ランプの放射する光を高い効率
で利用する光学系を実現することが大きな課題となる。

【０００７】（図１２）は、透過型の液晶パネルを用い
た投写型表示装置の基本的な構成の一例である（例え
ば、特開平３−１１１８０６号公報、特開平５−３４６
５５７号公報）。

【０００８】ランプ９０１、凹面鏡９０２、ＵＶ−ＩＲ
カットフィルタ９０３、第１レンズアレイ９０４、第２
レンズアレイ９０５、フィールドレンズ９０６、液晶パ
ネル９０７、投写レンズ９０８、から構成される。第１
レンズアレイ９０４は、複数の第１レンズ９０９を二次
元状に配列して構成する。第２レンズアレイ９０５は、
第１レンズ９０９と対を成す複数の第２レンズ９１０を
二次元状に配列して構成する。

【０００９】ランプ９０１の放射する白色光は、凹面鏡
９０２により集光されて光軸９１１に沿って進行する光
束となり、レンズアレイ９０４、９０５、フィールドレ
ンズ９０６を経て、液晶パネル９０７の表示領域を照明
する。ＵＶ−ＩＲカットフィルタ９０３は、照明光から
不要で有害な赤外光と紫外光を取り除く為に用いる。

【００１０】凹面鏡９０２は放物面鏡や楕円面鏡が広く
用いられる。反射面の発光体に対する立体角が大きいの
で、集光率を高くできる利点がある。反面、集光されて
光軸９１１に沿って進行する光束は、光軸近傍は光束密
度が高いので明るく、周辺になるほど光束密度が低いの
で暗くなる。従って、凹面鏡で集光された光は照明むら
が大きく、これをそのまま液晶パネル９０６に照射して
も、投写画像に大きな明るさむらを生じるので問題があ
る。

【００１１】第１レンズアレイ９０４と第２レンズアレ
イ９０５は、照明むらを改善するために用いる。第１レ
ンズ９０９は、凹面鏡９０２から出射する光束を、複数
の部分光束に分割し、各部分光束を収斂させて対応する
第２レンズ９１０の開口中心近傍に導く。分割後の部分
光束断面における照明むらは、分割前の光束断面におけ
る照明むらと比較して、非常に小さい。

【００１２】第２レンズ９１０は、入射する部分光束を
適当に拡大させ、各部分光束が液晶パネル９０７の表示
領域全体を照明するように、重畳形態でこれらの部分光
束を導く。この為、第２レンズ９１０の各々は適当に偏
心させるとよい。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ランプの放射する光を
凹面鏡を用いて集光すると、集光率は高くできる反面、
集光された光束の断面における照明むらが比較的大き
い。受光面上で明るさむらや色むらを生じないようにす
るために、高い集光率を維持したまま、明るさや色のむ
らの少ない照明光束を形成することが要望される。

【００１４】本発明のレンズ素子は、主に凹面鏡により
集光された光束に作用し、その照明むらを改善すること
を目的とする。

【００１５】投写型表示装置に用いる照明光学装置は、
光利用効率が高いこと、受光面（空間光変調素子）上で
の明るさと色の均一性が高いこと、が要望される。（図
１２）に示す凹面鏡と２枚のレンズアレイを組み合わせ
た従来の照明光学装置は、これらの要望を満たすもので
あるが、更に、以下に述べる課題がある。

【００１６】第１に複雑な形状のレンズアレイを２枚用
いるので、レンズアレイが作りにくく、コストが高いと
いう課題がある。

【００１７】また、（図１２）を参照し、液晶パネル９
０７を照明する光の照射角は、投写レンズ９０８の集光
角と同じかそれ以下でないといけない。従って、第２レ
ンズアレイ９１０の有効開口の大きさは、投写レンズの
集光角に見合った大きさであることが要望される。

【００１８】一方、第２レンズ９１０の開口上には、対
応する第１レンズ９０９によりランプ９０１の発光体の
実像９２２が形成される。その様子を模式的に（図１
３）に示す。第２レンズ９１０の開口が、そこに形成さ
れる発光体の実像９２２に比べて小さい場合、開口から
はみ出した光は損失となり利用されないので問題があ
る。発光体の実像に対して十分に大きな開口を与える
と、第２レンズアレイ９１０の有効開口が大きくなり、
投写レンズ９０８で集光できない照射角の光が、液晶パ
ネル９０７を照明することになるので問題がある。

【００１９】これらの問題は、ランプ９０１の形成する
発光体が十分に小さければ問題の程度は小さいが、実際
にこの用途に用いられるメタルハライドランプやキセノ
ンランプの発光体は、ある程度の大きさを有するので問
題がある。

【００２０】ここで、投写レンズの瞳利用率を定義す
る。（図１３）に示した第２レンズアレイ９０５の有効
開口に相当する正円領域９２１は、投写レンズ９０８の
入射瞳に写像される。従って、発光体の実像９２２の大
きさと分布は、投写レンズ９０８の入射瞳上におけるも
のと一致する。ここで、入射瞳の有効領域９２１の面積
をＳＰ、発光体の実像９２２の見かけの面積の総和をＳ
Ｌ、とし、瞳利用率をＳＬ／ＳＰで表す。

【００２１】瞳利用率が１００％であれば、限られた投
写レンズの入射瞳が全域に渡って光り、投写画像の明る
さに寄与するので好ましい。しかしながら、（図１２）
に示した構成では、明るさの均一性を改善するために２
枚のレンズアレイ９０４、９０５を用いるので、投写レ
ンズ９０８の入射瞳上には、（図１３）に示したような
離散的な複数の発光体の実像９２２が形成されるので、
瞳利用率を高くすることが難しいので問題がある。

【００２２】また、実像９２２の大きさは、実像を形成
する第１レンズ９０９の開口における光束密度が高いほ
ど大きく、光束密度が低いほど小さいことが知られてい
る。従って、明るさむらの大きい光束を第１レンズアレ
イ９０４に入射させると、複数の実像９２２の大きさ
は、光軸近傍に位置するものほど大きく、光軸から離れ
て位置するものほど小さくなる。この場合、最も大きな
実像に合わせて第２レンズ９１０の開口を決めると、周
辺部に位置する第２レンズの開口ほど有効に利用されな
いので、瞳利用率を高くすることがより困難となる。

【００２３】投写レンズの集光角と、空間光変調素子の
表示領域のサイズが決まっている場合、より明るい投写
型表示装置を構成するには、より大きい発光体から放射
されるより多くの光を利用できる光学系を構成すること
が重要である。この場合、どれだけの光を利用できるか
は、瞳利用率をどれだけ高くできるかによって決まる。

【００２４】本発明の照明光学装置は、上記観点から、
投写型表示装置に用いる場合に適した、効率が高く、明
るさむらの少ない照明光束を形成することを目的とす
る。

【００２５】また、本発明の照明光学装置を用れば、瞳
利用率を高くできないという課題を解決し、小型で光利
用効率が高く、明るく表示むらの少ない投写画像を提示
する投写型表示装置を実現できる。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明のレンズ素子は、光軸に沿っておよそ平行に
進行する入力光束に作用して光軸に沿っておよそ平行に
進行する出力光束を出射するレンズ素子であって、入射
側から順に入力側レンズ群と出力側レンズ群とからな
り、入力側レンズ群は有効開口円の光軸近傍部について
負のパワーを有すると共に周辺部について略ゼロのパワ
ーを有し、出力側レンズ群は有効開口円の光軸近傍部に
ついて正のパワーを有するとともに周辺部について略ゼ
ロのパワーを有し、出力光束の明るさの均一性を入力光
束と比較して改善する。

【００２７】上記問題点を解決するために本発明の他の
レンズ素子は、略一点から放射される光に作用して光軸
に沿っておよそ平行に進行する出力光束を形成するレン
ズ素子であって、入射側から順に入力側レンズ群と出力
側レンズ群とからなり、入力側レンズ群は有効開口円の
光軸近傍部について略ゼロのパワーを有すると共に周辺
部について正のパワーを有し、出力側レンズ群は有効開
口円の光軸近傍部について正のパワーを有するとともに
周辺部について略ゼロのパワーを有し、明るさの均一性
の高い出力光束を形成する。

【００２８】上記問題点を解決するために本発明の照明
光学装置は、光軸に沿っておよそ平行に進行する光束に
よって所定領域を照明する照明光学装置であって、発光
体と、発光体の放射する光を集光して光軸に沿っておよ
そ平行に進行する光束を形成する集光手段と、集光手段
から出射する光束が入射する入力側レンズ群と、入力側
レンズ群から出射する光束が入射する出力側レンズ群と
を備え、入力側レンズ群は有効開口円の光軸近傍部につ
いて負のパワーを有すると共に周辺部について略ゼロの
パワーを有し、出力側レンズ群は有効開口円の光軸近傍
部について正のパワーを有するとともに周辺部について
略ゼロのパワーを有し、明るさの均一性の高い照明光束
を形成する。

【００２９】上記問題点を解決するために本発明の他の
照明光学装置は、光軸に沿っておよそ平行に進行する光
束によって所定領域を照明する照明光学装置であって、
発光体と、発光体の放射する光を集光すると共に略一点
に収斂せしめて二次発光体を形成する集光手段と、二次
発光体から出射する光が入射する入力側レンズ群と、入
力側レンズ群から出射する光束が入射する出力側レンズ
群とを備え、入力側レンズ群は有効開口円の光軸近傍部
について略ゼロのパワーを有すると共に周辺部について
正のパワーを有し、出力側レンズ群は有効開口円の光軸
近傍部について正のパワーを有するとともに周辺部につ
いて略ゼロのパワーを有し、明るさの均一性の高い照明
光束を形成する。

【００３０】上記課題を解決するために本発明の投写型
表示装置は、発光体と、発光体の放射する光を集光して
光軸に沿っておよそ平行に進行する光束を形成する集光
手段と、集光手段から出射する光束が入射する入力側レ
ンズ群と、入力側レンズ群から出射する光束が入射する
出力側レンズ群と、出力側レンズ群から出射する光によ
り照明される空間光変調素子と、空間光変調素子上の光
学像をスクリーン上に投影する投写レンズとを備え、入
力側レンズ群は有効開口円の光軸近傍部について負のパ
ワーを有すると共に周辺部について略ゼロのパワーを有
し、出力側レンズ群は有効開口円の光軸近傍部について
正のパワーを有するとともに周辺部について略ゼロのパ
ワーを有し、明るさの均一性の高い照明光束を空間光変
調素子に照射する。

【００３１】複数の第１レンズを二次元状に配列してな
る第１レンズアレイと、複数の第２レンズを二次元状に
配列してなる第２レンズアレイとを備え、第１レンズア
レイは出力側レンズ群から出射する光束を複数の第１レ
ンズに応じた複数の部分光束に分割すると共に当該部分
光束を対応する第２レンズの開口上に収斂せしめ、第２
レンズアレイは第２レンズを通過する当該部分光束を重
畳形態で空間光変調素子上に到達せしめると、更に良
い。

【００３２】上記課題を解決するために本発明の投写型
表示装置は、発光体と、発光体のの放射する光を集光す
ると共に略一点に収斂せしめて二次発光体を形成する集
光手段と、二次発光体から出射する光が入射する入力側
レンズ群と、入力側レンズ群から出射する光束が入射す
る出力側レンズ群と、出力側レンズ群から出射する光に
より照明される空間光変調素子と、空間光変調素子上の
光学像をスクリーン上に投影する投写レンズとを備え、
入力側レンズ群は有効開口円の光軸近傍部について略ゼ
ロのパワーを有すると共に周辺部について正のパワーを
有し、出力側レンズ群は有効開口円の光軸近傍部につい
て正のパワーを有するとともに周辺部について略ゼロの
パワーを有し、明るさの均一性の高い照明光束を空間光
変調素子に照射する。

【００３３】複数の第１レンズを二次元状に配列してな
る第１レンズアレイと、複数の第２レンズを二次元状に
配列してなる第２レンズアレイとを備え、第１レンズア
レイは出力側レンズ群から出射する光束を複数の第１レ
ンズに応じた複数の部分光束に分割すると共に当該部分
光束を対応する第２レンズの開口上に収斂せしめ、第２
レンズアレイは第２レンズを通過する当該部分光束を重
畳形態で空間光変調素子上に到達せしめると更に良い。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明のレンズ素子と、当
該レンズ素子を用いた照明光学装置および投写型表示装
置について、具体的な実施形態を図面を参照して述べ
る。

【００３５】（レンズ素子の実施の形態１）（図１）
は、本発明のレンズ素子の基本的な構成の一例を示す。
入力側レンズ１０１と出力側レンズ１０２の２つのレン
ズから構成され、光軸１０３とおよそ平行に進行する入
力光束１０４に作用して、光軸１０３とおよそ平行に進
行する出力光束１０５を出射せしめる。

【００３６】入力側レンズ１０１は、非球面形状の入射
面と平面形状の出射面から構成され、光軸１０３に回転
対称なレンズ形状である。入力側レンズ１０１は、光軸
１０３の近傍について負のパワーを有し、光軸１０３の
近傍に入射する光を緩やかに発散させる。同時に、入力
光束１０４の有効な光束断面の周辺部に作用する開口周
辺部について、およそゼロのパワーを有し、周辺部を通
過する光束をおよそそのまま直進させる。

【００３７】一方、出力側レンズ１０２は、平面形状の
入射面と非球面形状の出射面から構成され、光軸１０３
に回転対称なレンズ形状である。出力側レンズ１０２
は、光軸１０３の近傍について正のパワーを有し、この
部分に入射した光を光軸１０３とおよそ平行に進行する
光にせしめて、これらを出射させる。同時に、開口周辺
部についておよそゼロのパワーを有し、入力側レンズ１
０１の周辺部をおよそ直進して進行する光を、同様にお
よそ直進して進行せしめる。

【００３８】上記構成に依れば、光軸１０３の近傍を通
過する光束は、入力光束１０４における通過断面積に対
して、出力光束１０５における通過断面積が拡大され
る。これとは反対に、光軸１０３から離れて周辺部を通
過する光束は、入力光束１０４における通過断面積に対
して、出力光束１０５における通過断面積が縮小され
る。

【００３９】従って、明るさむらの大きい光束があり、
光軸１０３の近傍ほど光束密度が高いので受光面照度が
高く、周辺ほど光束密度が低いので受光面照度が低い場
合に、このような光束を入力として（図１）に示すレン
ズ素子を作用させると、光軸近傍の光束密度の高い領域
は通過面積を拡大させることで光束密度を低下させる。
光軸から離れた周辺部の光束密度の低い領域は通過面積
を縮小させることで光束密度を向上させる。この作用に
より、出力光束１０５の断面の明るさ分布は、入力光束
１０４の断面の明るさ分布と比較して、均一性が向上す
る。

【００４０】（図２）を用いて、本発明のレンズ素子の
実施形態１について、具備すべきその作用を補足する。
以下に述べる内容は、本発明のレンズ素子の面形状を具
体的に設計する場合に、基本となる考え方の概略であ
る。（図２）は、光軸１０３に沿って進行する光束の断
面を模式的に表し、（図２）（ａ）は入力光束１０４の
断面、（図２）（ｂ）は出力光束１０５の断面である。

【００４１】例えば、入力光束の断面を、４本の破線で
示した同心円により、５つの領域１１０Ａ、１１１Ａ、
１１２Ａ、１１３Ａ、１１４Ａに分割する。各領域の面
積を、それぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５とする。
これらの５つの領域に対応させて、出力光束の断面を同
様に５つの領域１１０Ｂ、１１１Ｂ、１１２Ｂ、１１３
Ｂ、１１４Ｂに分割し、各領域の面積を、ＳＳ１、ＳＳ
２、ＳＳ３、ＳＳ４、ＳＳ５とする。

【００４２】本発明のレンズ素子は、入力光束の領域１
１０Ａを通過する光は、およそ出力光束の領域１１０Ｂ
から出射するように構成する。領域１１１Ａと１１１
Ｂ、１１２Ａと１１２Ｂ、１１３Ａと１１３Ｂ、１１４
Ａと１１４Ｂ、の各領域についても同様である。同時
に、各領域の面積について、例えば、ＳＳ１＞＞Ｓ１、
ＳＳ２＞Ｓ２、ＳＳ３≒Ｓ３、ＳＳ４＜Ｓ４、ＳＳ５＜
＜Ｓ５、となるように構成する。更に、入力光束１０４
と出力光束１０５の有効光束径はほぼ同じとし、入力光
束１０４のうち光軸１０３と平行に進行する光線は、出
力光束１０５のなかで光軸１０３と平行に出射させる。

【００４３】上記構成によれば、領域１１０Ａを通過す
る光束はその光束密度が低くなって、領域１１０Ｂから
出射する。領域１１１Ｂから出射する光束についても同
様で、これらの領域を通過する光束は、入力光束と出力
光束で、受光面における明るさ（照度）は低下する。領
域１１２Ａを通過して領域１１２Ｂから出射する光束に
ついては、光束密度がおよそ維持されるので、受光面に
おける明るさは変わらない。

【００４４】一方、領域１１３Ａを通過して領域１１３
Ｂから出射する光束は、光束密度が高くなり、入力光束
と出力光束で、受光面における明るさは向上する。領域
１１３Ｂから出射する光束についても同様である。これ
らの作用の結果、入力光束の明るさむらは補正されて、
明るさの均一性の改善された出力光束を得ることができ
る。

【００４５】上記手順は、光束の断面を５分割した場合
について本発明のレンズ素子を構成する考え方を示した
が、断面を分割する個数は、説明を容易にするために便
宜上用いたものに過ぎない。５分割した上記手順に沿っ
てレンズ素子を実際に構成しても本発明の効果は十分に
得られるし、分割数を更に多くして実際の設計を進めて
も、明るさの均一性を向上させるという本発明のレンズ
素子の効果について、より十分な結果を得ることができ
る。

【００４６】また、（図１）は、２枚のレンズを用いた
場合について本発明のレンズ素子の構成の一例を示した
が、本発明の効果は特にこれに限定されない。本発明の
レンズ素子は、少なくとも入力側のレンズ群と出力側の
レンズ群からなる２群から構成し、入力側のレンズ群に
ついて、入力側レンズ１０１を用いて述べた作用を果た
すように構成するとよい。同時に、出力側のレンズ群に
ついて、出力側レンズ１０２を用いて述べた作用を果た
すように構成するとよい。

【００４７】このために、入力側レンズ群は、光軸近傍
部について負パワーを有し、周辺部についておよそゼロ
のパワーを有すればよい。また、出力側レンズ群は、光
軸近傍部について正パワーを有し、周辺部についておよ
そゼロのパワーを有すればよい。

【００４８】（レンズ素子の実施の形態２）（図３）
は、本発明のレンズ素子の基本的な構成の他の一例を示
す。入力側レンズ１５１と出力側レンズ１５２の２つの
レンズから構成され、光軸１５３上の一点１５６から発
散する入力光束１５４に作用して、光軸１５３とおよそ
平行に進行する出力光束１５５を出射させる。

【００４９】入力側レンズ１５１は、非球面形状の入射
面と出射面から構成され、光軸１５３に回転対称なレン
ズ形状である。入力側レンズ１５１は、光軸１５３の近
傍についておよそゼロのパワーを有し、光軸１５３の近
傍に入射する光に対し進行方位をあまり変えることなく
そのまま進行させる。一方、光軸１５３から離れて入力
側レンズ１５１の開口周辺部に入射する光に対して、正
のパワーを有し、これらの光を屈折させて、およそ光軸
１５３と平行に進行する光として出射させる。

【００５０】出力側レンズ１５２は、平面形状の入射面
と非球面形状の出射面から構成され、光軸１５３に回転
対称なレンズ形状である。出力側レンズ１５２は、光軸
１５３の近傍について正のパワーを有し、この部分に入
射した光を光軸１５３とおよそ平行に進行する光とし
て、これらを出射させる。同時に、開口周辺部について
およそゼロのパワーを有し、入力側レンズ１５１の周辺
部から出射して、およそ光軸１５３と平行に進行する光
を、そのまま出射させる。

【００５１】上記構成に依れば、光軸１５３の近傍を通
過する光束は、入力側レンズ１５１における通過断面積
に対して、出力側レンズ１５２における通過断面積が拡
大される。これとは反対に、光軸１５３から離れて周辺
部を通過する光束は、入力側レンズ１５１における通過
断面積に対して、出力側レンズ１５２における通過断面
積が縮小される。

【００５２】従って、この場合も、上記本発明のレンズ
素子の実施の形態１と同様に、明るさむらの改善された
出力光束１５５を得ることができる。

【００５３】（図３）は、２枚のレンズを用いた場合に
ついて本発明のレンズ素子の構成の他の一例を示した
が、本発明の効果は特にこれに限定されない。少なくと
も入力側のレンズ群と出力側のレンズ群からなる２群か
ら構成し、入力側のレンズ群について、入力側レンズ１
５１を用いて述べた作用を果たすように構成するとよ
い。出力側レンズ１５２についても同様である。

【００５４】このために、入力側レンズ群は、光軸近傍
部についておよそゼロのパワーを有し、周辺部について
正のパワーを有すればよい。また、出力側レンズ群は、
光軸近傍部について正パワーを有し、周辺部についてお
よそゼロのパワーを有すればよい。

【００５５】（照明光学装置の実施の形態１）（図４）
は、本発明の照明光学装置の基本的な構成の一例を示
す。発光体２０２、放物面鏡２０１、入力側レンズ１０
１、出力側レンズ１０２、から構成される。入力側レン
ズ１０１と出力側レンズ１０２から構成されるレンズ素
子２０６は、（図１）を用いて述べた本発明のレンズ素
子の実施の形態１と、同様に構成している。

【００５６】発光体２０２は、例えば放電ランプの電極
間に形成されるアークに相当する。もしくは、ハロゲン
ランプなどのフィラメントに相当する。もしくは、ＬＥ
Ｄといった電気ルミネッセンスで形成してもよい。これ
らの発光体は、その有効領域の重心を放物面鏡２０１の
焦点近傍に配置する。放物面鏡２０１は、発光体２０２
の放射する光を集光して、光軸２０５に沿っておよそ平
行に進行する光束を形成する。

【００５７】放物面鏡２０１は、その有効反射面が発光
体２０２に対して張る立体角が大きいので、集光率が高
くできる利点がある。一方、集光されて出射する平行光
束は、光軸近傍ほど光束の密度が高く、光軸から離れる
ほど光束の密度が低い。従って、明るさむらの大きい照
明光束を出力する。

【００５８】これに対し、入力側レンズ１０１と出力側
レンズ１０２からなるレンズ素子２０６は、（図１）を
用いて述べた作用と効果により、入射する光束の密度を
より均一とし、明るさむらの改善された光束２０４を出
力する。

【００５９】上記構成により、本発明の照明光学装置
は、従来の放物面鏡のみを用いて照明する場合に比較し
て、明るさむらの改善された照明を得られる利点があ
る。

【００６０】（照明光学装置の実施の形態２）（図５）
は、本発明の照明光学装置の基本的な構成の他の一例を
示す。発光体２５２、楕円面鏡２５１、入力側レンズ１
５１、出力側レンズ１５２、から構成される。入力側レ
ンズ１５１と出力側レンズ１５２から構成されるレンズ
素子２５６は、（図２）を用いて述べた本発明のレンズ
素子の実施の形態２と、同様に構成している。

【００６１】発光体２５２は、有効領域の重心を楕円面
鏡２５１の第１焦点近傍に配置する。楕円面鏡２５１
は、発光体２５２の放射する光を集光して、その光を第
２焦点２５７の近傍に収斂せしめる。第２焦点２５７の
近傍には、スポット状の発光面が形成され、レンズ素子
２５６は、この発光面から出射する光を集光して、光軸
２５５とおよそ平行に進行する光束２５４を形成する。

【００６２】以下、（図６）を用いて、本発明の照明光
学装置の作用と効果を補足する。（図６）は、（図５）
に示した照明光学装置において、説明に用いる光線のみ
を記載した線図である。

【００６３】以下の説明において、光軸２５５上を通過
する光線３００、光軸近傍を通過する光線３０１、楕円
面鏡２５１の開口最周辺とレンズ素子２５６の最周辺を
通過する光線３０３、光線３０３の内側を通過する光線
３０２、の４つの光線を考える。

【００６４】上記光線のうち、光線３０１、３０２、３
０３の３本について、２つの角αとθ、１つの高さｈを
定義する。楕円ミラー内において、発光体２５２から出
射する光と光軸のなす角をαとし、光線３０１、３０
２、３０３について、α１、α２、α３とする。但し、
角αについてはその絶対値に着目し、その方向（符号）
は特に意味を持たない。（図６）中には、便宜上、α１
と、α２及びα３を、光軸２５５を挟んで反対側に記載
したが、この系は光軸２５５を中心として回転対称なの
で、いずれも正の角度成分と考えるとよい。

【００６５】同様に、第２焦点２５７を通過して入力側
レンズ１５１に進行する光について、光軸２５５となす
角をθとする。光線３０１、３０２、３０３について、
θ１、θ２、θ３とする。但し、角θについても、角α
と同様の理由からいずれも正の角度成分と考えるとよ
い。

【００６６】出力側レンズ１５２から出射する光につい
て、これらは光軸２５５と平行に進行するので、光軸か
らの高さｈを定義する。光線３０１、３０２、３０３に
ついて、ｈ１、ｈ２、ｈ３とする。この高さｈについて
も、同様の理由から、その絶対値のみに着目し、いずれ
も正の値と考える。

【００６７】同様に、従来の構成の一例を（図７）に示
し、対比することで本発明の作用、効果をより明確に述
べる。（図７）は、（図６）と同じ発光体２５２、楕円
面鏡２５１を用いて、第２焦点２５７近傍に発光スポッ
トを形成したもので、従来は、これを適当な集光レンズ
３６０を用いて集光し、光軸２５５に沿っておよそ平行
に進行する光束を形成していた。集光レンズ３６０は、
その焦点と楕円面鏡の第２焦点２５７を一致させ、適当
な円錐係数を与えた非球面形状を用いて、球面収差を解
消させることが一般に広く知られている。このような集
光レンズを用いれば。一点２５７から放射される光は、
光軸２５５と平行に進行する光となって、出射する。

【００６８】（図７）においても、（図６）と同様に４
本の光線を定義する。光軸２５５上を通過する光線３５
０、光軸近傍を通過する光線３５１、楕円面鏡２５１の
開口最周辺と集光レンズ３６０の最周辺を通過する光線
３５３、光線３５３の内側を通過する光線３５２、の４
つの光線を考える。

【００６９】更に、光線３５１、３５２、３５３につい
て、角α１’、α２’、α３’と、角θ１’、θ２’、
θ３’と、高さｈ１、ｈ２、ｈ３、の各々を、（図６）
と同様に図中に記し、定義する。

【００７０】（図６）の本発明の照明光学装置の構成
と、（図７）の従来の構成において、各高さｈ１、ｈ
２、ｈ３は、同じ高さとなるように、各々の光線３０
１、３０２、３０３、３５１、３５２、３５３、を定義
する。両方の構成について、出射光束の光軸近傍の明る
さと、光束周辺部の明るさを考える。光軸近傍につい
て、高さｈ１で定義される正円の面積をＳ１とする。光
束周辺部について、高さｈ２とｈ３に挟まれる輪帯の面
積をＳ２とする。

【００７１】（図６）において面積Ｓ１を照明する光
は、光線３００と３０１に挟まれた領域を通過する光線
群であり、これは角α１と角θ１に含まれる光線群であ
る。（図７）において面積Ｓ１を照明する光は、光線３
５０と３５１に挟まれた領域を通過する光線群であり、
これは角α１’と角θ１’に含まれる光線群である。同
様に、（図６）において面積Ｓ２を照明する光は、光線
３０２と３０３に挟まれた領域を通過する光線群であ
り、これは、角α２からα３の領域、角θ２からθ３の
領域、に含まれる。（図７）において面積Ｓ２を照明す
る光は、光線３５２と３５３に挟まれた領域を通過する
光線群であり、これは、角α２’からα３’の領域、角
θ２’からθ３’の領域、に含まれる。

【００７２】（図７）を参照し、まず、従来の構成での
問題点を述べる。出射光束の断面（受光面）上におい
て。上記面積は、Ｓ１＜＜Ｓ２である。これは、ｈ１と
（ｈ３−ｈ２）が同じ高さである場合に、明らかであ
る。従って、これらの２つの領域Ｓ１とＳ２を同じ明る
さで照明する場合、その面積に応じてより多くの光線を
Ｓ２側に導く必要がある。

【００７３】これに対し、これらの面積Ｓ１とＳ２に導
かれる光は、楕円面鏡２５１における角αによって決ま
る。例えば、面積Ｓ１に供給される光は、光線３５０と
光線３５１に挟まれた範囲なので、角α１’に含まれる
光線群となる。面積Ｓ２に供給される光は、光線３５２
と３５３に挟まれた範囲なので、角（α３’−α２’）
に含まれる光線群となる。

【００７４】ここで（図７）に示す従来の構成では、α
１’＞（α３’−α２’）となることは明らかであり、
光軸近傍のより小さい面積Ｓ１に、より多くの光線群が
集光されて導かれる。従って、光軸近傍は光束密度が高
いので明るく、光束近傍は光束密度が低いの暗くなる。
明るさむらが大きい。

【００７５】これに対し（図６）に示す本発明の照明光
学装置では、上記問題点が改善されている。高さｈ１、
ｈ２、ｈ３は（図６）と（図７）で共通なので、面積Ｓ
１、Ｓ２、についても同じであり、α１’＞α１、（α
３’−α２’）＜（α３−α２）である。従って、本発
明のレンズ素子を用いて（図５）に示す照明光学装置を
構成すれば、光軸近傍に到達する光線は、楕円面鏡２５
１における集光範囲α１が小さくなり、その明るさを低
下させる。一方、光束周辺部に到達する光線は、楕円面
鏡２５１における集光範囲（α３−α２）が大きくな
り、その明るさを向上させる。これにより、出射光束に
おける明るさむらを改善できる。

【００７６】上記作用は、本発明のレンズ素子２５６
と、従来の集光レンズ３６０の比較としてとらえると、
θ１’＞θ１、（θ３’−θ２’）＞（θ３−θ２）と
なるように、本発明のレンズ素子２５６は構成される。

【００７７】（投写型表示装置の実施の形態１）（図
８）は、本発明の投写型表示装置の基本的な構成の一例
を示す。ランプ４０１、放物面鏡２０１、ＵＶ−ＩＲカ
ットフィルタ４０２、入力側レンズ１０１、出力側レン
ズ１０２、フィールドレンズ４０３、透過型の液晶パネ
ル４０４、投写レンズ４０５、から構成される。入力側
レンズ１０１と出力側レンズ１０２は、便宜上、円盤上
のレンズに置き換えて記載しているが、これらのレンズ
群からなるレンズ素子２０６と、放物面鏡２０１を組み
合わせた照明光学装置の構成、作用、効果は、（図
１）、（図４）を用いて述べた上記各実施の形態と同じ
である。

【００７８】ランプ４０１は、メタルハライドランプで
あり、外部から電力が供給されてアーク放電により発光
体２０２を形成する。発光体２０２の放射する光は、有
害な紫外光と赤外光が除去され、本発明のレンズ素子に
より、明るさの均一性の高い照明光となり、液晶パネル
４０４の表示領域を照明する。液晶パネル４０４には、
外部から映像信号が供給されて画像が形成され、これは
投写レンズ４０５によりスクリーン（図示せず）上に拡
大投写される。

【００７９】上記構成に依れば、本発明の投写型表示装
置は、放物面鏡により高い効率で集光された光が、明る
さむらの高い照明光となって、液晶パネルを照明するの
で、明るく、表示均一性の高い画像を得られる利点があ
る。

【００８０】（投写型表示装置の実施の形態２）（図
９）は、本発明の投写型表示装置の基本的な構成の他の
一例を示す。これは、ランプ４５１、楕円面鏡２５１、
ＵＶ−ＩＲカットフィルタ４０２、入力側レンズ１５
１、出力側レンズ１５２、フィールドレンズ４０３、透
過型の液晶パネル４０４、投写レンズ４０５、から構成
される。入力側レンズ１５１と出力側レンズ１５２は、
便宜上、円盤上のレンズに置き換えて記載しているが、
これらのレンズ群からなるレンズ素子２５６と、楕円面
鏡２５１を組み合わせた照明光学装置の構成、作用、効
果は、（図３）、（図５）を用いて述べた上記各実施の
形態と同じである。

【００８１】上記構成に依れば、本発明の投写型表示装
置は、楕円面鏡により高い効率で集光された光が、明る
さむらの高い照明光となって、液晶パネルを照明するの
で、明るく、表示均一性の高い画像を得られる利点があ
る。

【００８２】また、楕円面鏡を用いて、あらかじめ照明
光を一点に収斂させると、照明光の照射角を制限した
り、照明光の波長帯域を制御しやすい、という利点があ
る。

【００８３】（投写型表示装置の実施の形態３）（図１
０）は、本発明の投写型表示装置の基本的な構成の更に
他の一例を示す。これは、（図８）で述べた本発明の投
写型表示装置の実施の形態１に、レンズアレイ５０１、
５０２を挿入したものである。レンズアレイ５０１は、
液晶パネル４０４の表示領域と相似形状の開口を有する
複数の第１レンズ５０３を二次元状に配列したもので、
これを第１レンズアレイとする。同様に、レンズアレイ
５０２は、第１レンズ５０３と一対の第２レンズ５０４
を配列したもので、これを第２レンズアレイとする。

【００８４】レンズ素子２０６の作用と効果は、（図１
０）に示すように、一対のレンズアレイ５０１、５０
２、と組み合わされると、更に大きな効果を得る。（図
１１）は、この効果を述べるために、第２レンズアレイ
５０２上に形成される発光体２０２の複数の実像の一例
を模式的に表す。（図１１）は、第１レンズアレイ５０
１、第２レンズアレイ５０２として、アスペクト比が
４：３の開口を有する６４個の第１レンズ５０３、第２
レンズ５０４、を、正円を近似するように二次元状に配
列した場合について示している。

【００８５】第１レンズアレイ５０１は、入射光束を第
１レンズ５０３の個数に見合った複数の部分光束に分割
し、これらを対応する第２レンズ５０４の開口上に収斂
させる。従って、第２レンズアレイ５０２の開口上に
は、部分光束の数に見合った個数の発光体２０２の実像
５０５が、二次元状に配列される。この場合、対応する
第２レンズ５０４の開口に対し実像５０５が大きくなる
と、開口からはみ出した光は損失となるので問題とな
る。

【００８６】これに対し、本発明のレンズ素子２０６
は、放物面鏡２０１から出射する照明光の明るさむらを
改善し、明るさの均一性の良好な光束を第１レンズアレ
イ５０１に入射させる。第１レンズアレイ５０１には、
光束密度の比較的均一な光束が入射するので、この場
合、第２レンズアレイ５０２の開口上に形成される実像
５０５は、（図１１）に示すようにその大きさが、比較
的揃った状態となる。従って、複数の第２レンズ５０４
として、各々を同じ開口形状と大きさとして配列して
も、各々のレンズがその開口を有効に利用できる。

【００８７】上記構成に依れば、結果として、投写レン
ズ４０５の瞳利用率を改善できる。限られた投写レンズ
の集光範囲をより有効に利用し、より効率が高く、より
明るい投写型表示装置を実現できるので、極めて大きな
効果を得る。

【００８８】

【発明の効果】以上、本発明によれば、効率が高く、明
るさむらの少ない照明光束を形成することができる。ま
た、本発明の照明光学装置を用れば、小型で光利用効率
が高く、明るく表示むらの少ない投写画像を提示する投
写型表示装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレンズ素子の一実施例を示す略構成図

【図２】本発明のレンズ素子の作用を説明する略模式図

【図３】本発明のレンズ素子の他の一実施例を示す略構
成図

【図４】本発明の照明光学装置の一実施例を示す略構成
図

【図５】本発明の照明光学装置の他の一実施例を示す略
構成図

【図６】本発明の照明光学装置の作用を説明する略線図

【図７】従来の照明光学装置の作用を説明する略線図

【図８】本発明の投写型表示装置の一実施例を示す略構
成図

【図９】本発明の投写型表示装置の他の一実施例を示す
略構成図

【図１０】本発明の投写型表示装置の更に他の一実施例
を示す略構成図

【図１１】本発明の第２レンズアレイ上の発光体の実像
を示す略模式図

【図１２】従来の投写型表示装置の一実施例を示す略構
成図

【図１３】従来の第２レンズアレイ上の発光体の実像を
示す略模式図

【符号の説明】

１０１，１５１入力側レンズ１０２，１５２出力側レンズ２０１放物面鏡２５１楕円面鏡２０２，２５２発光体２０６，２５６レンズ素子４０１，４５１ランプ４０２ＵＶ−ＩＲカットフィルタ４０３フィールドレンズ４０４液晶パネル４０５投写レンズ５０１第１レンズアレイ５０２第２レンズアレイ５０３第１レンズ５０４第２レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光軸に沿っておよそ平行に進行する入力
光束に作用して光軸に沿っておよそ平行に進行する出力
光束を出射するレンズ素子であって、入射側から順に入
力側レンズ群と出力側レンズ群とからなり、前記入力側
レンズ群は有効開口円の光軸近傍部について負のパワー
を有すると共に周辺部について略ゼロのパワーを有し、
前記出力側レンズ群は有効開口円の光軸近傍部について
正のパワーを有するとともに周辺部について略ゼロのパ
ワーを有し、出力光束の明るさの均一性を入力光束と比
較して改善することを特徴とするレンズ素子。
【請求項２】略一点から放射される光に作用して光軸
に沿っておよそ平行に進行する出力光束を形成するレン
ズ素子であって、入射側から順に入力側レンズ群と出力
側レンズ群とからなり、前記入力側レンズ群は有効開口
円の光軸近傍部について略ゼロのパワーを有すると共に
周辺部について正のパワーを有し、前記出力側レンズ群
は有効開口円の光軸近傍部について正のパワーを有する
とともに周辺部について略ゼロのパワーを有し、明るさ
の均一性の高い出力光束を形成することを特徴とするレ
ンズ素子。
【請求項３】光軸に沿っておよそ平行に進行する光束
によって所定領域を照明する照明光学装置であって、発
光体と、前記発光体の放射する光を集光して光軸に沿っ
ておよそ平行に進行する光束を形成する集光手段と、前
記集光手段から出射する光束が入射する入力側レンズ群
と、前記入力側レンズ群から出射する光束が入射する出
力側レンズ群とを備え、前記入力側レンズ群は有効開口
円の光軸近傍部について負のパワーを有すると共に周辺
部について略ゼロのパワーを有し、前記出力側レンズ群
は有効開口円の光軸近傍部について正のパワーを有する
とともに周辺部について略ゼロのパワーを有し、明るさ
の均一性の高い照明光束を形成することを特徴とする照
明光学装置。
【請求項４】光軸に沿っておよそ平行に進行する光束
によって所定領域を照明する照明光学装置であって、発
光体と、前記発光体の放射する光を集光すると共に略一
点に収斂せしめて二次発光体を形成する集光手段と、前
記二次発光体から出射する光が入射する入力側レンズ群
と、前記入力側レンズ群から出射する光束が入射する出
力側レンズ群とを備え、前記入力側レンズ群は有効開口
円の光軸近傍部について略ゼロのパワーを有すると共に
周辺部について正のパワーを有し、前記出力側レンズ群
は有効開口円の光軸近傍部について正のパワーを有する
とともに周辺部について略ゼロのパワーを有し、明るさ
の均一性の高い照明光束を形成することを特徴とする照
明光学装置。
【請求項５】発光体と、前記発光体の放射する光を集
光して光軸に沿っておよそ平行に進行する光束を形成す
る集光手段と、前記集光手段から出射する光束が入射す
る入力側レンズ群と、前記入力側レンズ群から出射する
光束が入射する出力側レンズ群と、前記出力側レンズ群
から出射する光により照明される空間光変調素子と、前
記空間光変調素子上の光学像をスクリーン上に投影する
投写レンズとを備え、前記入力側レンズ群は有効開口円
の光軸近傍部について負のパワーを有すると共に周辺部
について略ゼロのパワーを有し、前記出力側レンズ群は
有効開口円の光軸近傍部について正のパワーを有すると
ともに周辺部について略ゼロのパワーを有し、明るさの
均一性の高い照明光束を前記空間光変調素子に照射する
ことを特徴とする投写型表示装置。
【請求項６】複数の第１レンズを二次元状に配列して
なる第１レンズアレイと、複数の第２レンズを二次元状
に配列してなる第２レンズアレイとを備え、前記第１レ
ンズアレイは出力側レンズ群から出射する光束を前記複
数の第１レンズに応じた複数の部分光束に分割すると共
に当該部分光束を対応する前記第２レンズの開口上に収
斂せしめ、前記第２レンズアレイは前記第２レンズを通
過する当該部分光束を重畳形態で空間光変調素子上に到
達せしめることを特徴とする請求項５記載の投写型表示
装置。
【請求項７】発光体と、前記発光体の放射する光を集
光すると共に略一点に収斂せしめて二次発光体を形成す
る集光手段と、前記二次発光体から出射する光が入射す
る入力側レンズ群と、前記入力側レンズ群から出射する
光束が入射する出力側レンズ群と、前記出力側レンズ群
から出射する光により照明される空間光変調素子と、前
記空間光変調素子上の光学像をスクリーン上に投影する
投写レンズとを備え、前記入力側レンズ群は有効開口円
の光軸近傍部について略ゼロのパワーを有すると共に周
辺部について正のパワーを有し、前記出力側レンズ群は
有効開口円の光軸近傍部について正のパワーを有すると
ともに周辺部について略ゼロのパワーを有し、明るさの
均一性の高い照明光束を前記空間光変調素子に照射する
ことを特徴とする投写型表示装置。
【請求項８】複数の第１レンズを二次元状に配列して
なる第１レンズアレイと、複数の第２レンズを二次元状
に配列してなる第２レンズアレイとを備え、前記第１レ
ンズアレイは出力側レンズ群から出射する光束を前記複
数の第１レンズに応じた複数の部分光束に分割すると共
に当該部分光束を対応する前記第２レンズの開口上に収
斂せしめ、前記第２レンズアレイは前記第２レンズを通
過する当該部分光束を重畳形態で空間光変調素子上に到
達せしめることを特徴とする請求項５記載の投写型表示
装置。