JPWO2002069018A1 - 照明光学系及びそれを用いたプロジェクタ - Google Patents

Abstract

プロジェクタの設計変更を容易に行うことのできる技術を提供する。プロジェクタは、照明光学系と、光変調装置と、投写光学系と、照明光学系から投写光学系までの光路に配置される複数の光学部品を搭載する基枠と、を備えている。照明光学系３００は、光源２０と、レンズアレイ３２０と、重畳レンズ系３７０と、を備えている。なお、基枠は、重畳レンズ系３７０を位置決めするための位置決め部を含んでいる。重畳レンズ系３７０は、少なくとも２つのレンズ３７１，３７２を含んでいる。光源に最も近い位置には、主として照明光学系のＦナンバを決定するための第１のレンズ３７１が設けられており、光源に最も遠い位置には、主として照明光学系の倍率を決定するための第２のレンズ３７２が設けられている。

Description

技術分野
本発明は、照明光学系およびこれを用いたプロジェクタに関する。
背景技術
図１１は、従来のプロジェクタを示す概略説明図である。このプロジェクタは、照明光学系５２０と、色光分離光学系５３０と、リレー光学系５４０と、３つの液晶パネル５５０Ｒ，５５０Ｇ，５５０Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５６０と、投写光学系５７０と、を備えている。
照明光学系５２０は、光源ユニット５１０と、第１および第２のレンズアレイ５２１，５２２と、偏光変換素子５２３と、重畳レンズ５２４と、を備えている。第１のレンズアレイ５２１は、複数の小レンズを含んでおり、光源ユニット５１０からの光を複数の光線束に分割する。第２のレンズアレイ５２２および重畳レンズ５２４は、第１のレンズアレイの各小レンズの像を、液晶パネル上に結像させる。また、重畳レンズ５２４は、各光線束を液晶パネル５５０Ｒ，５５０Ｇ，５５０Ｂ上に重畳させる。なお、偏光変換素子５２３によって、照明光学系５２０から射出される光の偏光方向は、一種類の偏光方向に揃えられている。
照明光学系５２０から射出された光Ｗは、色光分離光学系５３０において、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３つの色光に分離される。各色光Ｒ，Ｇ，Ｂは、それぞれ、平行化レンズ５３４，５３５，５３６を介して、３つの液晶パネル５５０Ｒ，５５０Ｇ，５５０Ｂに入射する。なお、青色光Ｂは、リレー光学系５４０を通って液晶パネル５５０Ｂに入射する。液晶パネル５５０Ｒ，５５０Ｇ，５５０Ｂは、与えられた画像情報に従って、各色光Ｒ，Ｇ，Ｂを変調する。変調された各色光は、クロスダイクロイックプリズム５６０によって合成され、合成光は、投写光学系５７０によってスクリーン上に投写される。
プロジェクタは、上記の各光学部品を塔載するための基枠（図示せず）を備えている。そして、各光学部品は、基枠に設けられた凹部や凸部などの位置決め部によって、位置決めされている。
ところで、上記のようなプロジェクタでは、機種に応じて、光学系や基枠が変更されている。例えば、機種に応じて、投写光学系や液晶パネルなどが変更され、この変更に伴い、照明光学系も変更される。そして、プロジェクタの光学系の変更に伴い、基枠も変更される。すなわち、従来では、光学系の異なる機種毎に、専用の基枠が準備されていた。このため、従来では、プロジェクタの設計変更に手間が掛かるという問題があった。なお、この問題は、プロジェクタに限らず、照明光学系を備える装置に共通する。
発明の開示
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、プロジェクタなどの照明光学系を備える装置の設計変更を容易に行うことのできる技術を提供することを目的とする。
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の装置は、所定の照明領域を照明するための照明光学系であって、光源と、複数の小レンズを含み、前記光源から射出された光を複数の光線束に分割するためのレンズアレイと、前記複数の光線束を前記所定の照明領域上に重畳させるための重畳レンズ系と、少なくとも前記レンズアレイから前記重畳レンズ系までの光路に配置される複数の光学部品を搭載するための基枠であって、少なくとも前記重畳レンズ系を位置決めするための位置決め部を含む前記基枠と、を備え、前記重畳レンズ系は、少なくとも２つのレンズを含み、前記光源に最も近い位置には、主として前記照明光学系のＦナンバを決定するための第１のレンズが設けられており、前記光源に最も遠い位置には、主として前記照明光学系の倍率を決定するための第２のレンズが設けられていることを特徴とする。
この照明光学系では、重畳レンズ系を構成する各レンズを交換することにより、重畳レンズ系の配置を変更することなく、照明光学系のＦナンバや倍率を変更することができる。したがって、異なる機種間で、共通の基枠を用いることができ、この結果、照明光学系の設計変更を容易に行うことが可能となる。また、プロジェクタなどの装置がこの照明光学系を備える場合には、機種に応じた装置の設計変更を容易に行うことが可能となる。
上記の装置において、前記重畳レンズ系は、２つのレンズで構成されていることが好ましい。
こうすれば、重畳レンズ系の構造が簡単になるので、重畳レンズ系の設計変更が容易となる。なお、重畳レンズ系は、３つ以上のレンズを組み合わせて構成することもできる。
上記の装置において、前記２つのレンズの間には、光の進行方向を屈曲させるためのミラーが配置されていてもよい。
こうすれば、この照明光学系を備えるプロジェクタなどの装置を、コンパクトに構成にすることができる。
上記の装置において、前記重畳レンズ系を構成する各レンズは、弾性部材を用いて、前記基枠に取り付けられているようにしてもよい。
あるいは、上記の装置において、前記重畳レンズ系を構成する複数のレンズのうち、少なくとも１つのレンズは、弾性部材を用いて、前記基枠に取り付けられているようにしてもよい。
こうすれば、レンズの着脱を容易に行うことができる。
また、上記の装置において、前記重畳レンズ系を構成する複数のレンズのうち、少なくとも１つのレンズは、前記レンズを保持するための保持枠を介して、前記基枠に取り付けられているようにしてもよい。
こうすれば、レンズを容易に基枠に取り付けることができる。
上記の装置において、前記保持枠と前記基枠とには、前記保持枠を前記基枠に案内するための第１の案内部と第２の案内部とがそれぞれ設けられており、前記２つの案内部の間には、所定の間隙が形成されており、前記保持枠の光軸に直交する方向の位置は、前記所定の間隙内において、調整されており、前記保持枠の前記光軸の方向の位置は、前記位置決め部によって、決定されていることが好ましい。
こうすれば、重畳レンズ系を構成するレンズの光軸に直交する方向の位置を調整することができるため、所定の照明領域と照明光学系の照射領域とが上下方向または左右方向にずれるような場合に、照明光学系の照射領域を液晶パネルの有効表示領域に整合させることができる。
上記の装置において、前記保持枠を介して前記基枠に取り付けられる前記少なくとも１つのレンズは、前記第２のレンズを含むことが好ましい。
光源に最も遠い位置に設けられた第２のレンズは、照明光学系の照射領域の形成位置を最終的に決定する機能を有している。したがって、上記のようにすれば、照明光学系の照射領域を所定の照明領域に比較的容易に整合させることができる。
上記の装置において、前記レンズアレイと前記重畳レンズ系との間には、前記照明光学系から射出された光の偏光方向を揃えるための偏光変換素子が配置されていてもよい。
こうすれば、照明光学系から射出される光の偏光方向を揃えることができる。プロジェクタがこの照明光学系を備える場合には、光を有効に利用することができる。
本発明の第２の装置は、プロジェクタであって、照明光学系と、前記照明光学系から与えられた光を画像情報に従って変調するための光変調装置と、前記変調された光を投写する投写光学系と、前記照明光学系から前記投写光学系までの光路に配置される複数の光学部品を搭載する基枠と、を備え、前記照明光学系は、光源と、複数の小レンズを含み、前記光源から射出された光を複数の光線束に分割するためのレンズアレイと、前記複数の光線束を前記光変調装置上に重畳させるための重畳レンズ系と、を備え、前記基枠は、少なくとも前記重畳レンズ系を位置決めするための位置決め部を含み、前記重畳レンズ系は、少なくとも２つのレンズを含み、前記光源に最も近い位置には、主として前記照明光学系のＦナンバを決定するための第１のレンズが設けられており、前記光源に最も遠い位置には、主として前記照明光学系の倍率を決定するための第２のレンズが設けられていることを特徴とする。
このプロジェクタは、本発明の第１の装置である照明光学系を備えている。したがって、機種に応じたプロジェクタの設計変更を容易に行うことが可能となる。
なお、前記光変調装置は、液晶パネルであってもよい。
本発明の第３の装置は、所定の照明領域を照明するための照明光学系であって、光源と、複数の小レンズを含み、前記光源から射出された光を複数の光線束に分割するためのレンズアレイと、前記複数の光線束を前記所定の照明領域上に重畳させるための重畳レンズ系と、を備え、前記重畳レンズ系は、複数のレンズを含み、前記複数のレンズは、異なる焦点距離を有するレンズと交換可能に配置されていることを特徴とする。
この照明光学系では、本発明の第１の装置と同様に、重畳レンズ系を構成する各レンズが交換可能に配置されているため、機種に応じた照明光学系の設計変更を容易に行うことが可能となる。また、プロジェクタなどの装置がこの照明光学系を備える場合には、機種に応じた装置の設計変更を容易に行うことが可能となる。
発明を実施するための最良の形態
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．プロジェクタの全体構成：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、本発明を適用したプロジェクタ（投写型表示装置）を示す説明図である。プロジェクタは、照明光学系３００と、色光分離光学系３８０と、リレー光学系３９０と、３つの液晶パネル４１０Ｒ，４１０Ｇ，４１０Ｂと、クロスダイクロイックプリズム４２０と、投写光学系４０と、を備えている。
図２は、図１に示す照明光学系３００を拡大して示す説明図である。照明光学系３００は、光源ユニット２０と、第１および第２のレンズアレイ３２０，３４０と、遮光板３５０と、偏光変換素子アレイ３６０と、重畳レンズ系３７０と、を備えている。
光源ユニット２０は、光源ランプ２１０と凹面鏡２１２とを備えている。光源ランプ２１０から放射状に射出された光（放射光）は、凹面鏡２１２によって反射される。反射光は、略平行な光線束として、第１のレンズアレイ３２０に向けて射出される。なお、光源ランプ２１０としては、ハロゲンランプや、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプを用いることができる。また、凹面鏡２１２としては、放物面鏡を用いることができる。
第１のレンズアレイ３２０は、光源ユニット２０から射出された略平行な光線束を複数の部分光線束に分割する機能を有している。図３は、第１のレンズアレイ３２０の外観を示す説明図である。図３（Ａ）は正面図であり、図３（Ｂ）は側面図である。第１のレンズアレイ３２０は、縦方向に２×Ｎ列（ここではＮ＝４）、横方向にＭ行（ここではＭ＝１０）のマトリックス状に配列された複数の矩形の小レンズ３２１を有している。各小レンズ３２１を光の進行方向から見たときの外形形状は、照明領域（被照明体）としての液晶パネル４１０Ｒ，４１０Ｇ，４１０Ｂの外形形状とほぼ相似になっている。例えば、液晶パネルの有効表示領域（画像形成領域）のアスペクト比（横と縦との寸法比）が４：３の場合には、各小レンズ３２１のアスペクト比も４：３に設定される。
第２のレンズアレイ３４０（図２）は、重畳レンズ系３７０と共に、第１のレンズアレイの各小レンズの像を液晶パネル上に結像させる機能を有している。第２のレンズアレイ３４０は、第１のレンズアレイ３２０とほぼ同じであり、第１のレンズアレイ３２０を構成する小レンズ数と同数の小レンズ３４１を有している。なお、第１および第２のレンズアレイ３２０，３４０は、インテグレータレンズとも呼ばれる。
偏光変換素子アレイ３６０（図２）は、２つの部分偏光変換素子アレイ３６１，３６２を備えている。２つの部分偏光変換素子アレイ（以下、単に「部分素子アレイ」とも呼ぶ）は、光軸を挟んで対称に配置されている。なお、以下では、第１の部分素子アレイ３６１に注目して説明するが、第２の部分素子アレイ３６２についても同様である。
図４は、第１の部分偏光変換素子アレイ３６１の外観を示す斜視図である。第１の部分素子アレイ３６１は、偏光ビームスプリッタアレイ３６３と、偏光ビームスプリッタアレイ３６３の光射出面に選択的に配置されたλ／２位相差板３６４（λは光の波長）と、を備えている。偏光ビームスプリッタアレイ３６３は、平行四辺形の断面を有する柱状の透光性部材３６５が複数貼り合わされて、形成されている。各透光性部材３６５の界面には、偏光分離膜３６６と反射膜３６７とが交互に形成されている。λ／２位相差板３６４は、偏光分離膜３６６に対応する領域に、選択的に貼り付けられる。
部分素子アレイ３６１は、入射した偏りのない光を１種類の直線偏光光（ｓ偏光光またはｐ偏光光）に変換して射出する機能を有している。図５は、図４に示す第１の部分偏光変換素子アレイ３６１の一部を拡大して示す説明図である。部分素子アレイ３６１の光入射面に入射したｓ偏光成分とｐ偏光成分とを含む偏りのない光（ランダムな偏光方向を有する光）は、偏光分離膜３６６によって、ｓ偏光光とｐ偏光光とに分離される。ｓ偏光光は、偏光分離膜３６６によって反射され、さらに反射膜３６７によって反射された後に、射出される。一方、ｐ偏光光は、偏光分離膜３６６を透過し、λ／２位相差板３６４によって、ｓ偏光光に変換された後に、射出される。したがって、部分素子アレイ３６１からは、ｓ偏光光のみが射出される。なお、部分素子アレイ３６１からｐ偏光光のみを射出させる場合には、λ／２位相差板３６４を、反射膜３６７に対応する領域に選択的に配置すればよい。なお、λ／２位相差板に代えて、λ／４位相差板を用いて、偏光方向を揃えるようにしてもよい。また、所望の位相差板を、ｐ偏光光の射出面とｓ偏光光の射出面との双方に設けて、偏光方向を揃えるようにしてもよい。
なお、図４に示すように、隣り合う１組の偏光分離膜３６６および反射膜３６７と、１つのλ／２位相差板３６４と、を含むブロックは、１つの偏光変換素子３６８とみなすことができる。第１の部分偏光変換素子アレイ３６１は、この偏光変換素子３６８が光の進行方向に直交する方向に複数配列されて構成されている。
遮光板３５０（図２）は、偏光変換素子アレイ３６０の入射面のうち、偏光分離膜３６６に対応する領域のみに光を入射させる機能を有している。図６は、遮光板３５０を示す正面図である。遮光板３５０は、略矩形の板状体に複数の開口部３５１が設けられて構成されている。
重畳レンズ系３７０（図２）は、所定の間隔で配置された２つのレンズ３７１，３７２を含んでおり、偏光変換素子アレイ３６０から射出された複数の部分光線束を、液晶パネル４１０Ｒ，４１０Ｇ，４１０Ｂ上に重畳させる機能を有している。なお、本実施例の照明光学系３００では、図１に示すように、第１のレンズ３７１と第２のレンズ３７２との間には、ミラー３７９が配置されている。ミラー３７９は、第１のレンズ３７１から射出された光を、ほぼ直角に屈曲させて、色光分離光学系３８０の方向に導く。このように、ミラー３７９を用いることにより、プロジェクタをコンパクトに構成することができる。なお、光の進行方向を曲げる必要がない場合には、ミラー３７９は省略される。
上記のように、光源ユニット２０から射出された略平行な光線束は、第１のレンズアレイ３２０によって、複数の部分光線束２０２に分割される。そして、各部分光線束２０２は、第２のレンズアレイ３４０を介して、偏光変換素子アレイ３６０の偏光分離膜３６６の近傍において集光される。偏光変換素子アレイ３６０に入射した複数の部分光線束は、１種類の直線偏光光に変換されて射出される。そして、偏光変換素子アレイ３６０から射出された複数の部分光線束は、重畳レンズ系３７０によって、液晶パネル４１０Ｒ，４１０Ｇ，４１０Ｂ上に重畳される。なお、本実施例では、照明光学系から射出される光は、１種類の偏光方向に揃えられているため、液晶パネルにおいて、光を有効に利用することが可能となっている。
色光分離光学系３８０（図１）は、２つのダイクロイックミラー３８２，３８６と、反射ミラー３８４と、を備えており、照明光学系３００から射出された光を、赤，緑，青の３つの色光に分離する機能を有している。第１のダイクロイックミラー３８２は、照明光学系３００から射出される光のうち、赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射させる。第１のダイクロイックミラー３８２を透過した赤色光は、反射ミラー３８４で反射され、平行化レンズ４００を通って赤色光用の液晶パネル４１０Ｒに達する。平行化レンズ４００は、照明光学系３００から射出された各部分光線束を、その主光線（中心の光線）に対して平行な部分光線束に変換する機能を有する。なお、他の液晶パネル４１０Ｇ，４１０Ｂの光入射面側に設けられた平行化レンズ４０２，４０４についても同様である。
第１のダイクロイックミラー３８２で反射された青色光成分および緑色光成分を含む光のうち、第２のダイクロイックミラー３８６によって反射された緑色光は、平行化レンズ４０２を通って緑色光用の液晶パネル４１０Ｇに達する。一方、第２のダイクロイックミラー３８６を透過した青色光は、リレー光学系３９０、すなわち、入射側レンズ３９２と第１の反射ミラー３９４とリレーレンズ３９６と第２の反射ミラー３９８とを通り、さらに平行化レンズ４０４を通って青色光用の液晶パネル４１０Ｂに達する。なお、リレー光学系は、光の拡散等に起因する青色光の利用効率の低下を防止するために設けられている。
３つの液晶パネル４１０Ｒ，４１０Ｇ，４１０Ｂは、与えられた画像情報（画像信号）に従って、光を変調する機能を有する光変調装置（光変調素子）である。３つの液晶パネルに入射した各色光は、与えられた画像情報に従って変調されて、各色の画像を形成する。なお、各液晶パネルの光入射面側および光射出面側には、図示しない偏光板が設けられている。液晶パネルと２つの偏光板との組は、液晶ライトバルブと呼ばれている。
３つの液晶パネル４１０Ｒ，４１０Ｇ，４１０Ｂから射出された３色の変調光は、クロスダイクロイックプリズム４２０に入射する。クロスダイクロイックプリズム４２０は、３色の変調光を合成して、カラー画像を表す合成光を生成する。すなわち、クロスダイクロイックプリズム４２０は、色光合成プリズムとして機能する。合成光は、投写光学系４０の入射瞳の方向に射出される。
投写光学系４０は、複数のレンズを含む組立体である。投写光学系４０は、クロスダイクロイックプリズム４２０で得られた合成光をスクリーン上に投写する。これにより、スクリーン上にカラー画像が表示される。
上記のように、プロジェクタは、複数の光学部品（光学素子）を備えている。そして、プロジェクタは、複数の光学部品を搭載するための基枠（「ライトガイド」とも呼ばれている）を備えている。各光学部品は、基枠に設けられた凹部や凸部などの位置決め部によって、位置決めされている。なお、基枠については、さらに後述する。
Ａ−２．照明光学系の設計：
前述のように、プロジェクタでは、機種に応じて、光学系が変更されている。例えば、機種に応じて、投写光学系や液晶パネルなどが変更されており、この変更に伴い、照明光学系のＦナンバや倍率などが変更されている。そして、従来では、プロジェクタの光学系の変更に伴い、基枠も変更されている。すなわち、従来では、光学系の異なる機種毎に、専用の基枠が準備されていた。このように専用の基枠が必要となるのは、図１１に示すように、従来のプロジェクタでは、重畳レンズ系が１つの重畳レンズ５２４のみで構成されているからである。すなわち、照明光学系のＦナンバや倍率などを変更する場合には、重畳レンズ５２４の曲率を変更するとともに、その配置を変更する必要がある。しかしながら、既に多くの光学部品の配置が決定された基枠において、重畳レンズ５２４の配置を、他の光学部品と干渉することなく変更するのは困難である。このように、従来のプロジェクタでは、設計変更の自由度は極めて低い。
そこで、本実施例のプロジェクタでは、重畳レンズ系を２つのレンズ３７１，３７２で構成することにより、設計変更の自由度を向上させている。具体的には、重畳レンズ系を構成する各レンズの位置を変更せずに、照明光学系のＦナンバや倍率などの変更を可能としている。このため、異なる機種間で共通の基枠を利用することができ、この結果、プロジェクタの設計変更を容易に行うことが可能となる。
図７は、重畳レンズ系３７０の機能を模式的に示す説明図である。図示するように、重畳レンズ系３７０を構成する２つのレンズは、所定の距離Ｄを隔てて設けられている。
照明光学系３００のＦナンバは、ほぼｆ０／（２・ｄ）で表される。ここで、「ｆ０」は、重畳レンズ系３７０の主点（第２主点）Ｈから像側焦点（液晶パネル４１０Ｒ，４１０Ｇ，４１０Ｂ）までの距離である。「２・ｄ」は、光線束の寸法（幅）であり、光源ユニット２０によって決定される。すなわち、２つのレンズ３７１，３７２で構成される重畳レンズ系３７０は、２つのレンズ間に設けられた１つの焦点距離ｆ０を有する仮想レンズ（コンデンサレンズ）と等価である。
例えば、第２のレンズ３７２の表面を曲率がゼロの平面と想定すれば、仮想レンズの位置は、第１のレンズ３７１の位置となる。このとき、照明光学系のＦナンバは、ほぼｆ１／（２・ｄ）で表される。なお、「ｆ１」は、第１のレンズ３７１から液晶パネル４１０Ｒ，４１０Ｇ，４１０Ｂまでの距離であり、この想定例における第１のレンズ３７１の焦点距離である。逆に、第１のレンズ３７１の表面を曲率がゼロの平面と想定すれば、仮想レンズの位置は、第２のレンズ３７２の位置となる。このとき、照明光学系のＦナンバは、ほぼｆ２／（２・ｄ）で表される。なお、「ｆ２」は、第２のレンズ３７２から液晶パネル４１０Ｒ，４１０Ｇ，４１０Ｂまでの距離であり、この想定例における第２のレンズ３７２の焦点距離である。
上記の説明から分かるように、２つのレンズ３７１，３７２の表面の曲率を変更することにより、仮想レンズの位置を、２つのレンズ３７１，３７２の間の所望の位置に設定することができる。換言すれば、２つのレンズ３７１，３７２の焦点距離を変更することにより、２つのレンズの配置を変更することなく、照明光学系３００のＦナンバを所望の値に設定することが可能となる。なお、負のレンズを採用する場合には、仮想レンズの位置を、２つのレンズの外側の位置に設定することも可能である。
以下では、機種に応じて、投写光学系や液晶パネルが変更される場合について説明する。
（ａ）機種に応じて、投写光学系４０のＦナンバが変更される場合には、照明光学系３００のＦナンバも変更する必要がある。すなわち、投写光学系４０のＦナンバは、照明光学系３００のＦナンバとほぼ同じか、または、それ以下に設定される。このとき、投写光学系４０は、照明光学系３００とほぼ同等以上の明るさを有する。
投写光学系４０のＦナンバを小さく変更する場合には、照明光学系３００のＦナンバも小さく変更される。具体的には、重畳レンズ系３７０を構成する第１のレンズ３７１の焦点距離が比較的大きな値に設定される。なお、第２のレンズ３７２の焦点距離は、比較的小さな値に設定されることが好ましい。このとき、仮想レンズの位置は、液晶パネルに比較的近い位置に設定され、照明光学系のＦナンバを小さく設定することができる。
なお、レンズの焦点距離は、レンズの屈折率や曲率を変更することによって、調整可能である。例えば、レンズの焦点距離を比較的小さく設定する場合には、レンズの屈折率を大きくするか、レンズの曲率（＝１／半径）を大きくすればよい。
（ｂ）機種に応じて、液晶パネル４１０Ｒ，４１０Ｇ，４１０Ｂの構成が変更される場合には、照明光学系３００のＦナンバを変更する必要がある。液晶パネルは、光の通過量を大きくするために、内部にマイクロレンズを備えている場合がある。
液晶パネルがマイクロレンズを備えている場合には、照明光学系３００のＦナンバは比較的大きく設定される。具体的には、第１のレンズ３７１の焦点距離が比較的小さな値に設定される。なお、第２のレンズ３７２の焦点距離は、第１のレンズ３７１の焦点距離より大きな値に設定されることが好ましい。このとき、仮想レンズの位置は、液晶パネルから比較的遠い位置に設定され、照明光学系のＦナンバを大きく設定することができる。この結果、照明光学系の明るさを抑えることができるとともに、マイクロレンズにおいて光の拡散が生じないようにすることができる。
一方、液晶パネルがマクロレンズを備えていない場合には、照明光学系３００のＦナンバは比較的小さく設定される。具体的には、第１のレンズ３７１の焦点距離が比較的大きな値に設定される。なお、第２のレンズ３７２の焦点距離は、第１のレンズ３７１の焦点距離より小さな値に設定されることが好ましい。このとき、仮想レンズの位置は、液晶パネルに比較的近い位置に設定され、照明光学系のＦナンバを小さく設定することができる。この結果、液晶パネルは、照明光を有効に利用することができる。
（ｃ）機種に応じて、液晶パネルのサイズが変更される場合には、照明光学系３００の倍率を変更する必要がある。ここで、照明光学系３００の倍率とは、第１のレンズアレイ３２０の各小レンズ３２１のサイズに対する、液晶パネル４１０Ｒ，４１０Ｇ，４１０Ｂのサイズの比を意味している。倍率は、第１のレンズアレイ３２０の各小レンズ３２１の焦点距離をｆａとすると、ほぼｆ０／ｆａで表される。
液晶パネルのサイズを大きく変更する場合には、照明光学系３００の倍率も大きく変更される。具体的には、第２のレンズ３７２の焦点距離が比較的大きな値に設定される。なお、第１のレンズ３７１の焦点距離は、比較的小さな値に設定されることが好ましい。一方、液晶パネルのサイズを小さく変更する場合には、照明光学系３００の倍率も小さく変更される。具体的には、第２のレンズ３７２の焦点距離が比較的小さな値に設定される。なお、第１のレンズ３７１の焦点距離は、比較的大きな値に設定されることが好ましい。
なお、機種に応じて液晶パネルのサイズを変更する場合には、重畳レンズ系３７０を構成する各レンズの焦点距離を変更すると共に、第１のレンズアレイ３２０の各小レンズ３２１のサイズや焦点距離を変更することによって、照明光学系の倍率を変更するようにしてもよい。
このように、照明光学系３００のＦナンバを変更する場合には、主として、光源ユニット２０に比較的近い位置に設けられた第１のレンズ３７１の焦点距離が変更される。また、照明光学系３００の倍率を変更する場合には、主として、光源ユニット２０に比較的遠い位置に設けられた第２のレンズ３７２の焦点距離が変更される。これは、第１のレンズ３７１は、第２のレンズ３７２よりも照明光学系３００のＦナンバを変更する能力が高く、第２のレンズ３７２は、第１のレンズ３７１よりも照明光学系３００の倍率を変更する能力が高いためである。換言すれば、光源ユニット２０に比較的近い位置に設けられる第１のレンズ３７１は、主として照明光学系のＦナンバを決定する機能を有しており、比較的遠い位置に設けられる第２のレンズ３７２は、主として照明光学系の倍率を決定する機能を有する。
図８は、基枠に重畳レンズ系３７０が搭載されたときの様子を示す説明図である。図示するように、本実施例では、プロジェクタの筐体内部において、重畳レンズ系３７０を構成する２つのレンズ３７１，３７２は、基枠１００に対して着脱可能に固定されている。具体的には、基枠１００には、２つのレンズ３７１，３７２を位置決めするための位置決め部として、２つの溝１１０，１３０と２つの立壁１２０，１４０とが設けられている。なお、２つの溝１１０，１３０の間の距離、および、２つの立壁１２０，１４０の間の距離は、所定の距離Ｄ（図７）に設定されている。第１のレンズ３７１は、立壁１２０と第１のレンズ３７１とを挟持する弾性クリップ１６０によって固定されている。同様に、第２のレンズ３７２は、立壁１４０と第２のレンズ３７２とを挟持する弾性クリップ１７０によって固定されている。なお、立壁１２０，１４０には、光を通過させるための開口１２１，１４１がそれぞれ形成されている。
このように、重畳レンズ系３７０を構成する各レンズ３７１，３７２を、弾性部材の弾性力を利用して、基枠１００に着脱可能に搭載することにより、各レンズ３７１，３７２を、異なる焦点距離を有する（異なる曲率を有する）レンズと容易に交換することができる。
以上説明したように、本実施例のプロジェクタは、照明光学系３００と、照明光学系から与えられた光を画像情報に従って変調するための液晶パネル４１０Ｒ，４１０Ｇ，４１０Ｂと、変調された光を投写する投写光学系４０と、照明光学系から投写光学系までの光路に配置されるに複数の光学部品を搭載する基枠１００と、を備えている。そして、照明光学系３００は、光源ユニット２０と、複数の小レンズ３２１を含み、光源ユニットから射出された光を複数の光線束に分割するための第１のレンズアレイ３２０と、複数の光線束を液晶パネル上に重畳させるための重畳レンズ系３７０と、を備えている。基枠１００は、重畳レンズ系を位置決めするための溝１１０，１３０や立壁１２０，１４０などの位置決め部を備えている。重畳レンズ系３７０は、２つのレンズ３７１，３７２で構成されており、光源ユニット２０に比較的近い位置には、主として照明光学系のＦナンバを決定する第１のレンズ３７１が設けられており、光源ユニット２０に比較的遠い位置には、主として照明光学系の倍率を決定する第２のレンズ３７２が設けられている。
なお、本実施例では、基枠１００は、照明光学系から投写光学系までの光路に配置される複数の光学部品を搭載しているが、これに代えて、照明光学系のみを搭載する部分基枠を用いるようにしてもよい。この場合には、部分基枠は、少なくとも第１のレンズアレイから重畳レンズ系までの光路に配置される複数の光学部品を搭載する。そして、部分基枠は、さらに、全体基枠に搭載される。
上記のようなプロジェクタでは、投写光学系や液晶パネルの変更に応じて、重畳レンズ系を構成する各レンズの焦点距離を変更することにより、重畳レンズ系３７０の配置を変更することなく、照明光学系３００のＦナンバや倍率を変更することができる。したがって、異なる機種間で、共通の基枠を用いることができ、この結果、プロジェクタの設計変更を容易に行うことができる。また、照明光学系の変更に伴い、プロジェクタ全体の光学系のサイズが変更されずに済むという利点もある。
なお、従来のプロジェクタでは、重畳レンズ系は、１つのレンズだけで構成されている。このような場合には、レンズの厚みは大きくなる傾向がある。レンズの厚みが大きい場合には、収差によって、表示される画像にズレが生じる場合がある。しかしながら、本実施例では、重畳レンズ系は、比較的薄い２つのレンズで構成されるので、収差を小さくして、表示画像のズレを低減させることが可能となる。
また、液晶パネルの有効表示領域の全域を照射するように照明光学系の倍率が決定されていたにも関わらず、実際には、その有効表示領域の全域が照射されずに、いわゆる表示影が発生してしまう場合がある。このような場合には、照明光学系のＦナンバを変更することにより、照明光学系の倍率を変更して、液晶パネルの有効表示領域の全域に光が照射されるように調整することもできる。すなわち、照明光学系のＦナンバを変更することにより、照明光学系の倍率を、実質的に変更することができる。
Ｂ．第２実施例：
図９は、第２実施例における重畳レンズ系３７０Ａを示す説明図である。この重畳レンズ系３７０Ａは、３つのレンズで構成されている。具体的には、第１実施例の２つのレンズ３７１，３７２の間に、第３のレンズ（凹レンズ）３７３が追加されている。このように、３つ以上のレンズで重畳レンズ系３７０Ａを構成することも可能である。一般には、重畳レンズ系は、少なくとも２つのレンズを含んでいればよい。なお、第１実施例のように、重畳レンズ系を２つのレンズで構成すれば、構造が簡単になるので、重畳レンズ系の設計変更を容易に行うことができるという利点がある。
重畳レンズ系が３つ以上のレンズで構成される場合にも、光源ユニットに最も近い位置には、主として照明光学系のＦナンバを決定する第１のレンズが設けられ、光源ユニットに最も遠い位置には、主として照明光学系の倍率を決定する第２のレンズが設けられることが好ましい。
また、重畳レンズ系を構成する各レンズは、交換を容易に行うことができるように、基枠に対して着脱可能に設けられていることが好ましい。
Ｃ．第３実施例：
第１実施例では、重畳レンズ系３７０を構成する各レンズ３７１，３７２は、基枠１００に直接搭載されているが、これに代えて、保持枠を介して搭載されるようにしてもよい。
図１０は、保持枠を用いて第２のレンズ３７２を基枠に搭載する様子を示す説明図である。図示するように、第２のレンズ３７２は、保持枠７０によって保持されている。具体的には、第２のレンズ３７２は、その周縁が保持枠７０内に嵌め込まれており、その底部がクリップ７９でとめられている。
保持枠７０の両側面には、保持枠７０を基枠１００Ａに案内するための係合部（第１の案内部）７１がそれぞれ設けられている。これに対して、基枠１００Ａには、保持枠７０の２つの係合部７１と係合する２つの被係合部（第２の案内部）１０１が形成されている。なお、被係合部１０１は、上方へ開口したスリット状に形成されている。係合部７１は、上方から被係合部１０１内に挿入され、係合部７１と被係合部１０１との間には、遊び（間隙）が形成されている。具体的には、係合部７１と被係合部１０１との間には、上下方向および左右方向（すなわち、光軸と直交する方向）において、遊びが形成されている。一方、係合部７１と被係合部１０１との間には、前後方向（すなわち、光軸方向）における遊びは設けられていない。なお、遊びの寸法は、左右方向で±１ｍｍ〜±２ｍｍに設定されていることが望ましい。
また、保持枠７０の下面には、２つの円柱状の凸部７２が設けられている。これに対して、基枠１００Ａの底面には、保持枠７０の２つの凸部７２と係合する２つの長孔１０２が形成されている。なお、長孔１０２の短辺は、光軸方向に設定されており、長辺は光軸と直交する方向に設定されている。そして、長孔１０２の短辺の寸法は、円柱状の凸部７２の直径寸法とほぼ等しく設定されている。
保持枠７０の上面には、治具による保持枠の取り扱いを可能とする２つの孔７３が形成されている。２つの孔７３には、治具を構成する一対の爪９０の先端部がそれぞれ挿入される。治具は、一対の爪９０の先端部を開いたり閉じたりすることにより、保持枠７０を掴んだり離したりすることができる。
保持枠７０が治具によって基枠１００Ａに搭載されると、保持枠７０の係合部７１が基枠１００Ａの被係合部１０１に係合し、保持枠７０の凸部７２が基枠１００Ａの長孔１０２に係合する。このとき、保持枠７０（第２のレンズ３７２）は、基枠１００Ａに対して、光軸方向と直交する方向に遊びの寸法だけ移動であり、光軸方向への移動は抑制される。そして、保持枠７０を光軸方向と直交する方向に移動させることによって、第２のレンズの位置調整が行われる。なお、この位置調整作業は、例えば、治具を三次元方向へ移動させる移動装置を操作することによって行われる。
第２のレンズの位置調整が終了すると、保持枠７０は、基枠１００Ａに固定される。具体的には、係合部７１の側面（被係合部１０１と近接する側面）には、接着剤が充填される凹部７５が形成されており、凹部７５に接着剤を充填することにより、係合部７１と被係合部１０１とが接着固定される。
以上説明したように、本実施例では、第２のレンズ３７２は、保持枠７０を介して、基枠に取り付けられている。このようにすれば、重畳レンズ系を構成する各レンズを容易に基枠に取り付けることができる。
また、本実施例では、保持枠７０と基枠１００Ａとには、保持枠を基枠に案内するための２つの係合部７１と２つの被係合部１０１とがそれぞれ設けられており、係合部７１と被係合部１０１との間には、所定の間隙（遊び）が形成されている。そして、保持枠７０の光軸に直交する方向の位置は、所定の間隙内において、調整されており、保持枠７０の光軸方向の位置は、２つの被係合部１０１と２つの長孔１０２とによって決定されている。
このような構成を採用すれば、重畳レンズ系３７０を構成するレンズ３７２の光軸に直交する方向の位置を調整することができるため、液晶パネルの有効表示領域と照明光学系の照射領域とが上下方向または左右方向にずれるような場合に、照明光学系の照射領域を液晶パネルの有効表示領域に整合させることができ、この結果、光の利用効率を向上させることが可能となる。
なお、本実施例では、保持枠７０は、重畳レンズ系３７０を構成する第２のレンズ３７２に適用されているが、同様に、第１のレンズ３７１に適用されていてもよい。また、第１のレンズ３７１は、第１実施例と同様に、弾性部材を用いて、基枠１００に直接搭載されていてもよい。一般に、保持枠は、少なくとも光源に最も遠い位置に設けられた第２のレンズ３７２に適用されることが好ましい。これは、光源に最も遠い位置に設けられた第２のレンズ３７２は、照明光学系の照射領域の形成位置を最終的に決定する機能を有しているためである。こうすれば、上記の照明光学系の照射領域を液晶パネルの有効表示領域に比較的容易に整合させることができる。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
（１）上記実施例では、色光合成光学系として、４つの三角柱状の直角プリズムの接着面に沿って、２種類の色選択面が形成されたダイクロイックプリズムが用いられているが、これに代えて、１種類の色選択面が形成されたダイクロイックプリズムや、偏光ビームスプリッタなどを、複数組み合わせて用いるようにしてもよい。また、略六面体の透光性の箱の中に光選択面を設け、箱の中に液体を充填することにより、ダイクロイックプリズムを形成するようにしてもよい。
（２）上記実施例では、透過型の液晶パネルを用いたプロジェクタに、本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、反射型の液晶パネルを用いたプロジェクタにも適用可能である。また、液晶パネルに代えて、マイクロミラー型の光変調装置を用いるようにしてもよい。一般に、光変調装置は、照明光学系から与えられた光を画像情報に従って変調するものであればよい。
（３）上記実施例では、カラー画像を表示するプロジェクタに本発明を適用した場合を例に説明しているが、本発明は、モノクロ画像を表示するプロジェクタにも適用可能である。
（４）プロジェクタとしては、投写像を観察する方向から投写を行う前面投写型表示装置と、投写像を観察する方向とは反対側から投写を行う背面投写型表示装置とがあるが、本発明は、いずれにも適用可能である。
産業上の利用可能性
この発明は、照明光学系およびこれを用いたプロジェクタなどの種々の装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明を適用したプロジェクタ（投写型表示装置）を示す説明図である。
図２は、図１に示す照明光学系３００を拡大して示す説明図である。
図３は、第１のレンズアレイ３２０の外観を示す説明図である。
図４は、第１の部分偏光変換素子アレイ３６１の外観を示す斜視図である。
図５は、図４に示す第１の部分偏光変換素子アレイ３６１の一部を拡大して示す説明図である。
図６は、遮光板３５０を示す正面図である。
図７は、重畳レンズ系３７０の機能を模式的に示す説明図である。
図８は、基枠に重畳レンズ系３７０が搭載されたときの様子を示す説明図である。
図９は、第２実施例における重畳レンズ系３７０Ａを示す説明図である。
図１０は、保持枠を用いて第２のレンズ３７２を基枠に搭載する様子を示す説明図である。
図１１は、従来のプロジェクタを示す概略説明図である。

Claims (20)

1. 所定の照明領域を照明するための照明光学系であって、
   光源と、
   複数の小レンズを含み、前記光源から射出された光を複数の光線束に分割するためのレンズアレイと、
   前記複数の光線束を前記所定の照明領域上に重畳させるための重畳レンズ系と、
   少なくとも前記レンズアレイから前記重畳レンズ系までの光路に配置される複数の光学部品を搭載するための基枠であって、少なくとも前記重畳レンズ系を位置決めするための位置決め部を含む前記基枠と、
   を備え、
   前記重畳レンズ系は、少なくとも２つのレンズを含み、前記光源に最も近い位置には、主として前記照明光学系のＦナンバを決定するための第１のレンズが設けられており、前記光源に最も遠い位置には、主として前記照明光学系の倍率を決定するための第２のレンズが設けられていることを特徴とする照明光学系。
2. 請求項１記載の照明光学系であって、
   前記重畳レンズ系は、２つのレンズで構成されている、照明光学系。
3. 請求項２記載の照明光学系であって、
   前記２つのレンズの間には、光の進行方向を屈曲させるためのミラーが配置されている、照明光学系。
4. 請求項１記載の照明光学系であって、
   前記重畳レンズ系を構成する各レンズは、弾性部材を用いて、前記基枠に取り付けられている、照明光学系。
5. 請求項１記載の照明光学系であって、
   前記重畳レンズ系を構成する複数のレンズのうち、少なくとも１つのレンズは、弾性部材を用いて、前記基枠に取り付けられている、照明光学系。
6. 請求項１記載の照明光学系であって、
   前記重畳レンズ系を構成する複数のレンズのうち、少なくとも１つのレンズは、前記レンズを保持するための保持枠を介して、前記基枠に取り付けられている、照明光学系。
7. 請求項６記載の照明光学系であって、
   前記保持枠と前記基枠とには、前記保持枠を前記基枠に案内するための第１の案内部と第２の案内部とがそれぞれ設けられており、
   前記２つの案内部の間には、所定の間隙が形成されており、
   前記保持枠の光軸に直交する方向の位置は、前記所定の間隙内において、調整されており、前記保持枠の前記光軸の方向の位置は、前記位置決め部によって、決定されている、照明光学系。
8. 請求項７記載の照明光学系であって、
   前記保持枠を介して前記基枠に取り付けられる前記少なくとも１つのレンズは、前記第２のレンズを含む、照明光学系。
9. 請求項１記載の照明光学系であって、
   前記レンズアレイと前記重畳レンズ系との間には、前記照明光学系から射出された光の偏光方向を揃えるための偏光変換素子が配置されている、照明光学系。
10. プロジェクタであって、
    照明光学系と、
    前記照明光学系から与えられた光を画像情報に従って変調するための光変調装置と、
    前記変調された光を投写する投写光学系と、
    前記照明光学系から前記投写光学系までの光路に配置される複数の光学部品を搭載する基枠と、
    を備え、
    前記照明光学系は、
    光源と、
    複数の小レンズを含み、前記光源から射出された光を複数の光線束に分割するためのレンズアレイと、
    前記複数の光線束を前記光変調装置上に重畳させるための重畳レンズ系と、
    を備え、
    前記基枠は、少なくとも前記重畳レンズ系を位置決めするための位置決め部を含み、
    前記重畳レンズ系は、少なくとも２つのレンズを含み、前記光源に最も近い位置には、主として前記照明光学系のＦナンバを決定するための第１のレンズが設けられており、前記光源に最も遠い位置には、主として前記照明光学系の倍率を決定するための第２のレンズが設けられていることを特徴とするプロジェクタ。
11. 請求項１０記載のプロジェクタであって、
    前記重畳レンズ系は、２つのレンズで構成されている、プロジェクタ。
12. 請求項１１記載のプロジェクタであって、
    前記２つのレンズの間には、光の進行方向を屈曲させるためのミラーが配置されている、プロジェクタ。
13. 請求項１２記載のプロジェクタであって、
    前記重畳レンズ系を構成する各レンズは、弾性部材を用いて、前記基枠に取り付けられている、プロジェクタ。
14. 請求項１０記載のプロジェクタであって、
    前記重畳レンズ系を構成する複数のレンズのうち、少なくとも１つのレンズは、弾性部材を用いて、前記基枠に取り付けられている、プロジェクタ。
15. 請求項１０記載のプロジェクタであって、
    前記重畳レンズ系を構成する複数のレンズのうち、少なくとも１つのレンズは、前記レンズを保持するための保持枠を介して、前記基枠に取り付けられている、プロジェクタ。
16. 請求項１５記載のプロジェクタであって、
    前記保持枠と前記基枠とには、前記保持枠を前記基枠に案内するための第１の案内部と第２の案内部とがそれぞれ設けられており、
    前記２つの案内部の間には、所定の間隙が形成されており、
    前記保持枠の光軸に直交する方向の位置は、前記所定の間隙内において、調整されており、前記保持枠の前記光軸の方向の位置は、前記位置決め部によって、決定されている、プロジェクタ。
17. 請求項１６記載のプロジェクタであって、
    前記保持枠を介して前記基枠に取り付けられる前記少なくとも１つのレンズは、前記第２のレンズを含む、プロジェクタ。
18. 請求項１０記載のプロジェクタであって、
    前記レンズアレイと前記重畳レンズ系との間には、前記照明光学系から射出される光の偏光方向を揃えるための偏光変換素子が配置されている、プロジェクタ。
19. 請求項１０記載のプロジェクタであって、
    前記光変調装置は、液晶パネルである、プロジェクタ。
20. 所定の照明領域を照明するための照明光学系であって、
    光源と、
    複数の小レンズを含み、前記光源から射出された光を複数の光線束に分割するためのレンズアレイと、
    前記複数の光線束を前記所定の照明領域上に重畳させるための重畳レンズ系と、
    を備え、
    前記重畳レンズ系は、複数のレンズを含み、
    前記複数のレンズは、異なる焦点距離を有するレンズと交換可能に配置されていることを特徴とする照明光学系。

Images