JPH1164788A

JPH1164788A - 照明光学装置および投影光学装置

Info

Publication number: JPH1164788A
Application number: JP9230825A
Authority: JP
Inventors: Yasumasa Sawai; 靖昌澤井
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1997-08-27
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 1999-03-05
Also published as: US6089720A

Abstract

(57)【要約】【課題】照明効率が良く、空間的にもコンパクトで効
率のよい照明光学装置を提供する。【解決手段】リフレクタ１４と、光源１２と、液晶パ
ネル４６に略相似形の複数のレンズセル２０ａ，２２ａ
が光軸直角面上に列をなしてそれぞれ配置された第１お
よび第２レンズアレイ２０，２２とを、光軸Ｚ上に互い
に所定距離離して順に並べる。リフレクタ１４は、光軸
Ｚを中心に放射状に分割され、複数の部分反射面を有す
る。各部分反射面は、光軸Ｚを中心とする回転放物面の
一部であり、各部分反射面の焦点位置に光源１２を配置
する。各部分反射面の焦点距離は、第２レンズアレイ２
２のレンズセル２２ａの開口中心から開口縁までの距離
であって、光軸Ｚと各部分反射面とを光軸直角に結ぶ方
向に平行な方向の距離に略反比例する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、照明光学装置およ
び投影光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶プロジェクターの照明光学系
として、たとえば図１に示したように、第１および第２
のレンズアレイ２０，２２からなるオプティカルインテ
グレータを用いた構成が知られている。この光学系で
は、光源１２、たとえばメタルハライドランプ１２から
出た光束は、リフレクタ１４で反射され、液晶パネル４
６へと向かう光束になる。第１レンズアレイ２０は、図
２（ａ）のように、液晶パネル４６と略相似形の開口を
有する複数のレンズセル２０ａからなっており、リフレ
クタ１４からの光束をレンズセル２０ａの数だけ分割す
る。第２レンズアレイ２２は、図２（ｂ）のように第１
レンズアレイ２０の各レンズセル２０ａに対応するレン
ズセル２２ａを有し、第１レンズアレイ２０の各レンズ
セル２０ａにより分割された光束は、対応する第２レン
ズアレイ２２の各レンズセル２２ａ上に集光される。す
なわち、光源１２と第２レンズアレイ２２は共役な関係
になる。光源１２は、光軸方向に細長い発光部を有して
いるので、第２レンズアレイ２２上には、図２（ｂ）の
ように細長い光源像１２ｓが放射状にできる。第２レン
ズアレイ２２の各レンズセル２２ａは、重ね合わせレン
ズ２３を介して、対応する第１レンズアレイ２０の各レ
ンズセル２０ａの開口を液晶パネル４６上に投影する。
光源１２の各投影像は重ね合わさり、液晶パネル４６は
均一に照明される。詳しくは、液晶パネル４６は、１枚
だけ図示しているが、３枚備える。重ね合わせレンズ２
３と液晶パネル４６との間には、不図示の色分解系を備
え、色分解系によって分解された赤、緑および青の各成
分光が、それぞれ１枚の液晶パネル４６を照明するよう
になっている。

【０００３】ところで、第２レンズアレイ２２のレンズ
セル２２ａにできる光源像１２ｓがレンズセル２２ａよ
り大きくて、レンズセル２２ａからはみ出ると、そのは
み出した分は液晶パネル４６には投影されず、したがっ
て、光量損失となる。光源像１２ｓの大きさは、リフレ
クタ１４の焦点距離に反比例するので、光源１２からの
光束を損失することなく照明光に利用しようとすると、
第２レンズアレイ２２のレンズセル２２ａの短辺方向に
光源像１２ｓが収まるようにリフレクタ１４の焦点距離
を設定するとよい。従来は、このようにしてリフレクタ
１４の焦点距離を全周に渡って同一に設定していた。

【０００４】しかし、このようにすると、特にレンズセ
ル２２ａの長辺方向については焦点距離が長くなりす
ぎ、レンズセル２２ａに対して光源像１２ｓが必要以上
に小さくなる。そのため、照明が長辺方向に不均一にな
り照明効率が悪くなる。

【０００５】また、リフレクタ１４は、その焦点距離に
比例してそのサイズが大きくなるので、第２レンズアレ
イ２２のレンズセル２２ａの長辺方向に対してリフレク
タ１４は必要以上に大きくなってしまう。そのため、空
間的にも効率が悪くなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
解決すべき技術的課題は、照明効率が良く、空間的にも
コンパクトで効率のよい照明光学装置を提供することで
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用・効果】上記の
技術的課題を解決するため、本発明は、以下の構成の照
明光学装置を提供する。

【０００８】この照明光学装置は、リフレクタと、光源
と、照明対象に略相似形の複数のレンズセルが光軸直角
面上に列をなしてそれぞれ配置された第１および第２レ
ンズアレイとが、光軸上に互いに所定距離離して順に並
べられ、上記リフレクタで反射した上記光源からの放射
光が上記第１レンズアレイの上記各レンズセルにより分
割されて上記第２レンズアレイの対応する上記各レンズ
セル上に集光し、上記第２レンズアレイの上記各レンズ
セルから出射して上記照明対象を略均一に照明するタイ
プのものである。上記リフレクタは、光軸を中心に放射
状に分割された複数の部分反射面を有する。上記各部分
反射面は、光軸を中心とする回転放物面又は２つの焦点
が一致する回転楕円面の一部である。上記各部分反射面
の焦点位置に上記光源が配置される。上記各部分反射面
の焦点距離は、上記第２レンズアレイの上記レンズセル
の開口中心から開口縁までの距離であって、光軸と上記
各部分反射面とを光軸直角に結ぶ方向に平行な方向の距
離に略反比例する。

【０００９】上記構成において、光源からの放射光は、
リフレクタの部分反射面で反射され、光軸に略平行な光
束となって出射し、第１レンズアレイの各レンズセルに
よって、対応する第２レンズアレイのレンズセルの中心
に集光する。つまり、光源像の中心はレンズセルの中心
に一致する。光源像の大きさはリフレクタの焦点距離に
反比例するので、光源像の中心からの任意の光軸直角方
向の光源像の大きさは、その方向に平行に光軸とリフレ
クタの部分反射面とを結んだときの部分反射面の焦点距
離に反比例する。この部分反射面の焦点距離は、光源像
の大きさを求める方向に、第２レンズアレイのレンズセ
ルの開口中心から開口縁を結んだときの距離に略反比例
するので、光源像の大きさは、光源像の大きさを求める
方向に第２レンズアレイのレンズセルの開口中心から開
口縁を結んだときの距離に略比例する。したがって、光
軸直角にどの方向についても、光源像が第２レンズアレ
イのレンズセル内に略一杯に収まるようにすることがで
きる。また、リフレクタを全周に渡って必要な大きさに
することができる。

【００１０】したがって、照明効率が良く、空間的にも
コンパクトで効率のよい照明光学装置を構成することが
できる。

【００１１】好ましくは、上記光源およびリフレクタを
２組備え、それぞれの出射光束を上記第１レンズアレイ
に並列に照射する。

【００１２】上記構成によれば、各リフレクタで取り込
まれる光源からの光束が増えるので、より効率よく照明
することができる。

【００１３】また、本発明は、上記各構成の照明光学装
置により照明される透過型の液晶パネルを備えた投影装
置を提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の各実施形態について説明する。

【００１５】まず、第１実施形態の液晶プロジェクタ１
０について説明する。液晶プロジェクタ１０は、既に説
明した従来例と同様に、図１に示した構成の光学系を有
する。以下では、相違点を中心に説明する。

【００１６】液晶プロジェクタ１０は、従来例の装置と
異なり、リフレクタ１４の反射面が光軸Ｚを中心に放射
状に分割されている。分割された各部分反射面は、光軸
Ｚを中心とする回転放物面又は２つの焦点が一致する回
転楕円面の一部であり、各反射面の焦点位置に光源１２
が配置されるようになっている。詳しくは、リフレクタ
１４を光軸方向から見たとき、リフレクタ１４の形状
は、図４において太線で示したようになり、細線で示し
た理想焦点距離に対応して、放射状に分割されている。
細線で示した理想焦点距離は、光源像がレンズセル２２
ａに一杯に収まるようになるためのリフレクタ１２の反
射面の焦点距離を表わしたものであり、光軸（図形の中
心）と細線上の点とを結ぶ線分の方向に配置されたリフ
レクタ１２の反射面の焦点距離を、その線分の長さによ
って表わしている。

【００１７】すなわち、第２レンズアレイ２２のレンズ
セル２２ａが、図３（ａ）に示すように、水平方向（Ｘ
軸方向）の開口を基準として鉛直方向（Ｙ軸方向）の開
口がそのｋ倍である矩形形状を有するとき、理想焦点距
離は、図３（ｂ）において実線で示すようになる。すな
わち、光学系としては、リフレクタ１２は、その焦点距
離に等しい焦点距離を有する凸レンズと等価であるの
で、第２レンズアレイ２２の位置に結像する光源像の大
きさは、リフレクタ１２の焦点距離に反比例する。した
がって、光源１２から任意方向にあるリフレクタ１２の
反射面の焦点距離ｆに対して、そのリフレクタ１２の反
射面で反射された光束が結像する方向に第２レンズアレ
イ２２のレンズセル２２ａの開口中心から開口縁までの
距離がＡ／ｆ（Ａは比例定数）であれば、比例定数Ａを
適当に選択することによって、光源像がレンズセル２２
ａに一杯に収まるようになる。

【００１８】図３は、簡単のために比定数Ａを１として
示したものである。図３（ｂ）に示したように、Ｘ軸に
対する角度θにおけるリフレクタ１２の反射面の理想焦
点距離をｆとし、図３（ａ）に示したように、矩形レン
ズセル２２ａの開口中心から開口縁までの距離を１／ｆ
とする。たとえば、図３（ａ）において、‘Ｙ＝Ｋ’の
とき、（１／ｆ）ｓｉｎθ＝Ｋ（１）である。一方、図３（ｂ）において、ｆ＝（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2 （２）ｓｉｎθ＝Ｙ／（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2 （３）なる関係があるので、（１）式に（２）、（３）式を代
入して整理すると、図３（ｂ）に示したように、Ｘ²＋（Ｙ−１／２ｋ）²＝（１／２ｋ）² （４）となる。同様に、図３（ａ）に示した‘Ｘ＝１’に対応
して、図３（ｂ）に示したように、（Ｘ−１／２）²＋Ｙ²＝（１／２）² （５）となる。

【００１９】したがって、図３（ａ）の矩形レンズセル
２２ａに対応するリフレクタ１２の理想焦点距離は、図
３（ｂ）において実線で示したようになる。

【００２０】ところで、リフレクタ１２の反射面は、そ
の焦点距離に比例してサイズが大きくなり、光軸直角方
向の大きさが決まる。リフレクタ１２の反射面の焦点距
離が理想焦点距離より小さいと、光源像が大きくなって
レンズセル２２ａからはみ出し、照明損失となる。一
方、リフレクタ１２の反射面の焦点距離が理想焦点距離
より大きいと、光源像は小さくなってレンズセル２２ａ
内に小さめに結像するだけであり、光束の損失は生じな
い。そこで、リフレクタ１４の分割された各反射面が理
想焦点距離と等しいか多少大きい焦点距離を持つよう
に、リフレクタ１２を光軸を中心に放射状に分割すれ
ば、光源像を、レンズセル２２ａ内からはみ出すことな
く、どの方向にもできるだけ大きく結像させることがで
きる。このようにして、リフレクタ１２の反射面を分割
している。

【００２１】液晶パネル４６の縦横比が３：４のとき、
第２レンズアレイ２２のレンズセル２２ａの開口も約
３：４になる。このとき、第２レンズアレイ２２のレン
ズセル２２ａに光源像１２ｓが効率よく収まるリフレク
タ１４の理想焦点距離は、図４（ａ）において細線で示
すようになり、これに対応させて円周を４分割してリフ
レクタ１４を構成したときの形状を太線で示している。

【００２２】図４（ａ）に示したリフレクタ１４に対応
して、第１レンズアレイ２０の開口を分割してレンズセ
ル２０ａを配列した例を、図６（ａ）に示す。このよう
に配列することによって、色分解系における色ムラ発生
を低減することができる。このとき、リフレクタ１４の
部分反射面は、図７（ａ）の断面図に示すように同一焦
点１４ｓをもち、出射端面１４ｔが同一面で揃えられて
いる。リフレクタ１４の部分反射面は、放物面でも楕円
面でもよいが、楕円面のときは、楕円面の２つの焦点と
も一致している必要がある。

【００２３】次に、第２実施形態の液晶プロジェクタ１
０ａについて説明する。

【００２４】液晶プロジェクタ１０ａは、図５の構成図
に示すように、オプティカルインテグレータと偏光ビー
ムスプリッタとを組み合わせて照明光を偏光変換する効
率のよい照明光学装置を備えている。

【００２５】詳しくは、メタルハライドランプ１２から
発せられた光は、リフレクタ１４ａによって反射され、
ＵＶ-ＩＲカットフィルタ１６によって照明光として不
必要かつ有害な紫外線と近赤外線がカットされた後、第
１レンズアレイ２０に入射する。第１レンズアレイ２０
を透過した光束は、収束しながら、偏光分離プリズム１
８に入射する。偏光分離プリズム１８は、直角プリズム
の直角に対向する面に平行平板が接合され、両者の接合
面１８ａに偏光分離膜が形成されてなる。偏光分離プリ
ズム１８に入射した光束は、Ｓ偏光とＰ偏光とに分けら
れて、偏光分離プリズム１８から出射する。すなわち、
Ｓ偏光は、接合面１８ａの偏光分離膜によって反射され
て偏光分離プリズム１８から出射し、第２レンズアレイ
２２’近傍に焦点を結ぶ。一方、Ｐ偏光は、接合面１８
ａの偏光分離膜を透過し、平行平板の裏面１８ｂで全反
射し、再び接合面１８ａの偏光分離膜を透過した後に偏
光分離プリズム１８から出射し、第２レンズアレイ２
２’近傍に焦点を結ぶ。平行平板は、Ｐ偏光とＳ偏光と
を第１レンズアレイ２０のレンズセル２０ａの横幅の１
／２だけ平行にシフトさせる。第２レンズアレイ２２’
は、レンズセル２２ａ’が光軸に垂直な面に並列的に並
んだ略板状のレンズである。各レンズセル２２ａ’の横
方向の大きさは第１レンズセル２０のレンズセル２０ａ
の１／２であり、レンズセル２２ａ’は、横方向には第
１レンズアレイ２０のレンズセル２０ａの２倍の個数が
並んでいる。各レンズセル２２ａ’は、それぞれ、第１
レンズアレイ２０の対応するレンズセル２０ａを液晶パ
ネル４６，５６上に結像するようなパワーを持ってい
る。第２レンズアレイ２２’には、１列おきに１／２波
長板２２ｓが接合されており、偏光分離プリズム１８か
ら出射したＰ偏光がＳ偏光に変換されるようになってい
る。このようにしてすべてＳ偏光となって第２レンズア
レイ２２’を透過した光は、重ね合わせレンズ２３に入
射する。

【００２６】重ね合わせレンズ２３を射出した光束は、
赤、緑、青の３成分Ｒ，Ｇ，Ｂに分解されて各液晶パネ
ル４６，５６，６６を照明する。すなわち、重ね合わせ
レンズ２３を出射した光束は、赤透過ダイクロイックミ
ラー２４を透過し、反射ミラー２６で反射して赤用液晶
パネル４６に達する赤成分Ｒと、赤透過ダイクロイック
ミラー２４で反射した後、緑透過ダイクロイックミラー
２８で反射して緑用液晶パネル５６に達する緑成分Ｇ
と、赤透過ダイクロイックミラー２４で反射した後、緑
透過ダイクロイックミラー２８を透過し、反射ミラー３
２，３６で反射されて青用液晶パネル６６に達する青成
分Ｂとに分解される。各液晶パネル４６，５６，６６の
光源１２側には、それぞれ、フィールドレンズ４２，５
２，６２が配置されている。赤および緑用のフィールド
レンズ４２，５２は、第２レンズアレイ２２近傍の２次
光源像を、投影レンズ８０の瞳近傍に結像する。緑透過
ダイクロイックミラー２８を透過した青色光Ｂは、コン
デンサレンズ３０に入射し、リレーレンズ３４近傍に焦
点を結び、青用液晶パネル６６近傍に結像する。青用の
フィールドレンズ６２は、レリーズレンズ３４近傍の光
源像を投影レンズ８０の瞳近傍に結像する。赤、緑およ
び青用液晶パネル４６，５６，６６で変調を受けた各成
分光Ｒ，Ｇ，Ｂは、クロスダイクロイックプリズム７０
で合成され、投影レンズ８０によってスクリーンに投影
される。

【００２７】この液晶プロジェクタ１０ａは、偏光変換
光学系とオプティカルインテグレータとが一体化された
ものであり、高効率で均一性の高い照明が得られる。ま
た、第２レンズアレイおよび１／２波長板の耐久性を向
上し、照明効率を落とさずに２次光源像の密度を小さく
できる。

【００２８】この液晶プロジェクタ１０ａの第２レンズ
アレイ２２’のレンズセル２２ａ’の開口は、図２
（ｃ）に示すように、Ｐ偏光用とＳ偏光用とに２分割さ
れる。そのため、液晶パネル４６，５６，６６の縦横比
が３：４のとき、第２レンズアレイ２２’の各レンズセ
ル２２ａ’の縦横比は約３：２となり、このときのリフ
レクタ１４ａの理想焦点距離は、図４（ｂ）において細
線で示すようになる。リフレクタ１４ａは、これに対応
させて円周方向に４分割し、実線で示す形状に構成して
いる。図６（ｂ）は、図４（ｂ）のリフレクタ１４ａに
対応して第１レンズアレイ２０の開口を分割してレンズ
セル２０ａを配列した例である。

【００２９】上記第１および第２実施形態では、液晶パ
ネル４６，５６，６６の縦横比が３：４のときについて
説明したが、液晶パネル４６，５６，６６の縦横比が
９：１６であるときには、図４（ｃ）および（ｄ）に示
すようにリフレクタ１４を構成することができる。図４
（ｃ）は、第１実施形態と同様に偏光変換を用いない場
合のリフレクタ１４’を示し、図４（ｄ）は、第２実施
形態と同様に偏光変換を用いた場合のリフレクタ１４
ａ’を示している。

【００３０】また、図４（ａ）〜（ｄ）のリフレクタ１
４，１４ａ，１４’，１４ａ’をさらに多分割した場合
のリフレクタ１５，１５ａ，１５’，１５ａ’のそれぞ
れの例を、図４（ａ’）〜（ｄ’）に示す。

【００３１】さらに、図６（ｃ）は、リフレクタ１４”
からの光束が、光軸方向から見たとき全体として円形と
なるように構成した場合を示す。この場合のリフレクタ
１４”の曲面は、図７（ｂ）に示したように、光軸Ｚ方
向の長さが異なる。このように構成すると、分割した一
方の部分反射面で取り込まれる光源からの光束が増える
ため、より効率よく液晶パネルを照明できる。

【００３２】次に、２本の光源ランプ１２ａ，１２ｂを
用いる第３実施形態の液晶プロジェクタ１０ｂについて
説明する。

【００３３】液晶プロジェクタ１０ｂは、図８の構成図
に示すように、２本の光源ランプ１２ａ，１２ｂを用い
るようにリフレクタ１４ｂを構成し、また、これに対応
して第１および第２レンズアレイ２０”、２２”のレン
ズセル２０ａ，２２ａを配列する以外は、大略、図５に
示した装置１０ａと同様に構成される。

【００３４】詳しくは、この液晶プロジェクタ１０ｂで
は、リフレクタ１４ｂの形状と、第１レンズアレイ２
０”のレンズセル２０ａの配列とは、図９に示したよう
に構成する。図示したように、この液晶プロジェクタ１
０ｂは、２本の光源ランプ１２ａ，１２ｂを縦に並べて
も横に並べても、リフレクタ１４ｂが大型化することは
なく、スペース効率を落とさずに照明できる。しかも、
光源ランプ１２ａ，１２ｂを２本を用いて非常に明るい
照明が得られ、偏光分離プリズム１８の代わりに反射ミ
ラー１９を用い、構成を簡単にすることができる。リフ
レクタ１４ｂの部分反射面は、すべて放物面で構成する
と、２つの光源１２ａ，１２ｂをうまく合成することが
できる。

【００３５】以上説明したように、上記の各液晶プロジ
ェクタ１０，１０ａ、１０ｂは、照明効率がよく、空間
的にもコンパクトで効率がよい照明装置を備えている。
すなわち、リフレクタ１２は、必要以上に大きくなら
ず、装置の小型化、薄型化により、軽量化、ポータブル
性の向上、コストダウンを図ることができる。

【００３６】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではなく、その他種々の態様で実施可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例および本発明の第１実施形態の照明光
学系の構成図である。

【図２】レンズセルの配列図である。

【図３】レンズセルとリフレクタの理想焦点距離との
説明図である。

【図４】リフレクタを光軸方向から見た図である。

【図５】第２実施形態の液晶プロジェクタの構成図で
ある。

【図６】リフレクタとレンズセルとの配置関係図であ
る。

【図７】リフレクタの反射面の光軸方向断面図であ
る。

【図８】第３実施形態の液晶プロジェクタの構成図で
ある。

【図９】リフレクタとレンズセルとの配置関係図であ
る。

【符号の説明】

１０，１０ａ，１０ｂ液晶プロジェクタ１２，１２ａ，１２ｂメタルハライドランプ（光源）１２ｓ，１２ｓ’ 光源像１４，１４’，１４”，１４ａ，１４ａ’，１４ｂリ
フレクタ１４ｓ焦点１４ｔ端面１５，１５’，１５ａ，１５ａ’ リフレクタ１６ＵＶ-ＩＲカットフィルター１８偏光分離プリズム１８ａ接合面１８ｂ裏面１９反射ミラー２０，２０” 第１レンズアレイ２０ａレンズセル２２，２２’，２２” 第２レンズアレイ２２ａ，２２ａ’ レンズセル２２ｓ１／２波長板２３重ね合わせレンズ２４赤透過ダイクロイックミラー２６反射ミラー２８緑反射ダイクロイックミラー３０コンデンサレンズ３２反射ミラー３４リレーレンズ３６反射ミラー４２フィールドレンズ４６液晶パネル５２フィールドレンズ５６液晶パネル６２フィールドレンズ６６液晶パネル７０クロスダイクロイックプリズム８０投影レンズＲ，Ｇ，Ｂ成分光Ｓ，Ｐ偏光成分Ｘ，Ｙ光軸直角軸Ｚ光軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】リフレクタと、光源と、照明対象に略相
似形の複数のレンズセルが光軸直角面上に列をなしてそ
れぞれ配置された第１および第２レンズアレイとが、光
軸上に互いに所定距離離して順に並べられ、上記リフレ
クタで反射した上記光源からの放射光が上記第１レンズ
アレイの上記各レンズセルにより分割されて上記第２レ
ンズアレイの対応する上記各レンズセル上に集光し、上
記第２レンズアレイの上記各レンズセルから出射して上
記照明対象を略均一に照明する照明装置において、上記リフレクタは、光軸を中心に放射状に分割された複
数の部分反射面を有し、上記各部分反射面は、光軸を中
心とする回転放物面又は２つの焦点が一致する回転楕円
面の一部であり、上記各部分反射面の焦点位置に上記光
源が配置され、上記各部分反射面の焦点距離は、上記第
２レンズアレイの上記レンズセルの開口中心から開口縁
までの距離であって、光軸と上記各部分反射面とを光軸
直角に結ぶ方向に平行な方向の距離に略反比例すること
を特徴とする、照明光学装置。
【請求項２】上記光源およびリフレクタを２組備え、
それぞれの出射光束を上記第１レンズアレイに並列に照
射することを特徴とする、請求項１記載の照明光学装
置。
【請求項３】請求項１又は２記載の上記照明装置によ
り照明される透過型の液晶パネルを備えたことを特徴と
する、投影光学装置。