JP2000214530A

JP2000214530A - 照明装置及びそれを用いた投影装置

Info

Publication number: JP2000214530A
Application number: JP11017013A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Kobayashi; 秀一小林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2000-08-04

Abstract

(57)【要約】【課題】光源からの光束の有効利用を図りつつ被照射面
を効果的に照明することができる照明装置及びそれを用
いた投影装置を得ること。【解決手段】発光体から放射された光を反射させる凹面
反射鏡と、該凹面反射鏡からの光を集光し、該発光体の
複数の２次光源を形成する略同一開口形状を有する複数
のレンズを２次元状に配列した第１レンズアレイと、該
第１レンズアレイの各レンズに対応した複数のレンズを
２次元状に配列した第２レンズアレイと、該第２レンズ
アレイからの光を集光し、被照射面を照射する集光手段
と、を有し、該第１レンズアレイの複数のレンズのうち
光軸に近いレンズの焦点距離が、光軸より遠いレンズの
焦点距離よりも短く、該第１レンズアレイと該第２レン
ズアレイの間に該第１レンズアレイによる該発光体の複
数の２次光源の形成される光軸方向の位置の差を小さく
する光路長調整手段を有すること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、照明装置及びそれ
を用いた投影装置に関し、例えば液晶プロジェクタ等の
投射型表示装置において、投射画像を明るく投影表示す
ることができるものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶のパネル等の画像情報をスクリーン
上に拡大投影するための投射型表示装置は、液晶パネル
等が矩形の形状をしている。このため、矩形の照明エリ
アを均一に照明することと、照明するための光源からの
光量（エネルギー）の損失を少なくすることが重要な課
題となっている。

【０００３】従来より用いられている照明光学装置（照
明装置）の一例として凹面鏡式の照明光学装置がある。

【０００４】図９にこのような照明光学装置の構成例を
示す。図９の照明光学装置は主としてランプ（光源）Ｐ
１０１と凹面反射鏡Ｐ１０２から構成されている。凹面
鏡Ｐ１０２は放物面鏡であり、発光体Ｐ１０３から放射
する光の大部分を反射し、光軸Ｐ１０４に平行に近い照
明光Ｐ１０５を形成して、被照明領域Ｐ１０６を照明す
る。

【０００５】ランプＰ１０１にはメタルハライドランプ
が用いられる。他に、キセノンランプ、ハロゲンランプ
等が用いられるが、これらのランプと比較して、メタル
ハライドランプは発光効率と色再現性に優れている。

【０００６】このような凹面鏡式の照明光学装置は、凹
面鏡Ｐ１０２の集光効率が高い利点がある反面、光軸Ｐ
１０４近傍の光束密度が高く、被照明領域Ｐ１０６の明
るさむらが比較的大きい。

【０００７】このときの明るさむらを改善するために、
ランプＰ１０１の発光管表面をフロスト処理する方法が
知られているが、フロスト処理された発光管は照明光を
拡散させるため、被照明領域Ｐ１０６の明るさが大きく
低下する。

【０００８】一方、照明光の明るさの向上と均一性を改
善する方法としてレンズアレイ、所謂インテグレータを
用いた構成が知られている。

【０００９】図１０に、このような照明光学装置の構成
例を示す。図１０に示す照明光学装置は、図９に示した
凹面鏡式の照明光学装置に、第１レンズアレイＰ１２
１、第２レンズアレイＰ１２２、そして第３レンズＰ１
２３を付加した構成より成っている。

【００１０】第１レンズアレイＰ１２１は、複数の第１
レンズＰ１２４を二次元状に配列して構成している。第
２レンズアレイＰ１２２も同様に、複数の第２レンズＰ
１２５を二次元状に配列して構成している。

【００１１】第１レンズアレイＰ１２１は、凹面鏡Ｐ１
０２から反射する明るさむらの大きな単一光束を集光し
て、第１レンズＰ１２４と同数の部分光束に分割し、第
２レンズアレイＰ１２２に複数の２次光源を形成する。
分割後の部分光束の明るさむらは、分割前の単一光束に
比較して小さい。各部分光束は、第２レンズアレイＰ１
２５と第３レンズＰ１２３により被照明領域Ｐ１０６上
で重畳させており、これによって、明るさが均一の高い
照明を実現している。

【００１２】一方、近年こうした２枚のレンズアレイを
用いた照明光学系に、さらに偏光変換光学系（偏光変換
手段）を組み合わせ、さらに光の利用効率を上昇させた
ものが知られている。通常、液晶プロジェクターの場
合、液晶で光を変調させることで投射する画像を生成し
ている。

【００１３】このプロジェクターは、液晶の偏光特性を
利用して光を変調しているため、光源（ライトバルブ）
からのランダムな偏光に対し、ある方向の光以外を捨て
ていることになる。

【００１４】偏光変換光学系は、光の偏光を方向をそろ
え、光の利用効率を上げるためのものである。この偏光
変換光学系を用いた照明装置は特開平１０−３９１３６
号公報等で開示されている。

【００１５】図１１は、図１０の光学系中の第２レンズ
アレイＰ１２２の射出側に偏光変換光学系Ｐ１２７を配
置したインテグレータ光学系の配置概要を示したもので
あり、偏光変換素子Ｐ１２７以外の光学系についての光
学的配置は図１０と同様である。

【００１６】偏光変換光学系Ｐ１２７の構成について、
図１２をもとに説明する。図１２は、第２レンズアレイ
Ｐ１２２を構成するレンズＰ１２５のうちの１つのレン
ズとそれに対応する偏光変換光学系Ｐ１２７の主要部を
拡大して示したものである。

【００１７】偏光変換素子Ｐ１２７は図に示したような
積層構造を有する光学素子であり、図に示したようにレ
ンズアレイＰ１２２の各レンズ１２５より射出した光線
が入射するように、レンズアレイを構成する各レンズの
周期構造と対応させた構成となっている。

【００１８】Ｒ１１は、偏光変換光学系Ｐ１２７に入射
する光線を示したものである。Ｐ１２７Ａは、光の偏光
成分を分離するための手段（偏光面）であり、薄膜等に
より形成されている。偏光面Ｐ１２７Ａは、偏光成分の
うち、Ｐ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射するよう
な構成となっている。

【００１９】光線Ｒ１１は、光源Ｐ１０１より発光した
光であり、ランダムな偏光成分を有している。光線Ｒ１
１中のＰ偏光成分は偏光面Ｐ１２７Ａを透過し、波長板
Ｐ１２７Ｂに入射する。波長板Ｐ１２７Ｂは、光の偏光
方向を９０°回転させるような波長板であるため、波長
板Ｐ１２７Ｂより射出する光線は９０°偏ぱ面が回転す
る。

【００２０】偏光面Ｐ１２７Ａで、反射されたＳ偏光成
分は反射面Ｐ１２７Ｃで反射され、図に示したように、
偏光面Ｐ１２７Ａを透過した光線Ｒ１Ｐと異なった位置
に光線Ｒ１Ｓとして出射する。

【００２１】Ｒ１Ｐは、前述したように波長板Ｐ１２７
Ｂにより偏ぱ面を回転させられるため、光線Ｒ１Ｐと光
線Ｒ１Ｓは、偏光方向がそろっていることになる。この
ため、光の利用効率が高くなる。

【００２２】

【発明が解決しようとしている課題】図１０又は図１１
に示す照明装置では、第２レンズアレイ上で光源の大き
さが異なる。以下にこの原因について説明する。

【００２３】図１５は、従来のインテグレータ光学系を
示したものであり、第２レンズアレイＰ１２２上に光源
像ができる時の結像関係についての概略を示したもので
ある。反射鏡Ｐ１０２は、発光点を原点とする放物線で
ある。光軸Ｐ１０４をｚ軸、それと垂直方向をｙ軸とす
るとき、定数ｖを介して、ｚ²＝２・ｖ²・（ｙ＋ｖ²／２）のように表せる。

【００２４】原点Ｏから光線は、反射面Ｐ１０２で反射
され平行光となる。

【００２５】一方、放物面の焦点距離は、放物面上の位
置の関数になる。図１５で、原点Ｏと放物面Ｐ１０２上
の距離がその焦点距離となる。

【００２６】したがって、放物面上の点（Ｚｐ，ｙＰ）
（紙面内を考えている。）における焦点距離ｆｐｘｐ
は、

【００２７】

【数１】

【００２８】となる。

【００２９】したがって、放物面上の点Ｐａ，Ｐｂの位
置における焦点距離を考えると、点Ｐａの方が原点に近
いため、焦点距離が短くなる。

【００３０】ｆｐ（Ｐａ）＜ｆｐ（Ｐｂ）ｆｐ（Ｐａ）は点Ｐａの位置における焦点距離ｆｐ（Ｐｂ）は点Ｐｂの位置における焦点距離また、第１レンズアレイＰ１２１の各レンズＰ１２４の
焦点距離はすべて等しくｆａ１であるとする。光学系の
構成から、第２レンズアレイ付近に結像される場合の光
源像の倍率は、位置Ｐａ，位置Ｐｂに関し、それぞれ β（Ｐａ）＝ｆａ１／ｆｐ（Ｐａ） β（Ｐｂ）＝ｆａ１／ｆｐ（Ｐｂ） β（Ｐａ）は位置Ｐａの，β（Ｐｂ）は位置Ｐｂの倍率となり、関係式ｆｐ（Ｐａ）＜ｆｐ（Ｐｂ）より、倍率が異なり、拡大率βＰａが、点Ｐａを通る光
線の方が大きい、つまり光源像が大きく成ることがわか
る。

【００３１】以上が、第２レンズアレイに形成される第
２光源の大きさが異なる主たる要因である。

【００３２】図１３は図１０において、第２レンズアレ
イ１２２付近に形成される光源像の概要を示したもので
ある。図１３の１３５は縦８，横６の４８のレンズより
成る第２レンズアレイの各レンズＰ１２５に入射する光
源像の大きさを斜線で示している。

【００３３】図に示したように、光軸Ｐ１０４に近いほ
ど、光源像が拡大し、第２レンズアレイ１２２の１つの
レンズＰ１２５の開口よりも光源像が大きくなってい
る。

【００３４】このため、開口から外れた光が損失とな
り、光が有効に利用されていないといった課題を生じて
いる。

【００３５】また、前述したように現在インテグレータ
光学系に偏光変換光学系を組み合わせてさらに光量をあ
げる試みがされている。

【００３６】図１２において、Ｒ３，Ｒ２は、第１レン
ズアレイＰ１２１からの光線を示している。前述したよ
うに第２レンズアレイＰ１２２の付近Ｏで、光源Ｐ１０
３の実像を複数形成している。

【００３７】光線Ｒ２，Ｒ３は第２レンズアレイＰ１２
２を透過し、偏光変換光学系Ｐ１２７に入射するが、偏
光変換光学系の構成から偏光変換機能を有しているのは
領域Ａ１となる。つまり、領域Ａ１の部分以外の領域Ａ
２の位置に入射する光線（図１２の斜線部）は、損失と
なってしまう。

【００３８】つまり、第２レンズアレイＰ１２２のレン
ズＰ１２５の開口よりも偏光変換機能を有する開口Ａ１
の方が小さくなっていることがわかる。

【００３９】図１４は、第２レンズアレイ１２２上に形
成される光源像の大きさと、第２レンズアレイの開口お
よび偏光変換光学系の有効部の対応関係を示したもので
ある。Ｐ１３５は光源像、斜線部は偏光変換光学系の非
有効部を示している。

【００４０】この図で示したように第２レンズアレイＰ
１２２の点Ｏ付近に形成される光源の像は中心付近で、
より拡大されるため、偏光変換光学系の非有効部に入射
する割合が大きくなり、偏光変換を行うことで全体とし
て光の利用効率は高くなるものの、第２レンズアレイ上
で損失があるという課題を有する。

【００４１】本発明は、光軸近傍の第２レンズアレイ付
近に形成される光源像の大きさを揃えることで、第２レ
ンズアレイ部での光の損失を減じること、および偏光変
換光学系を利用した場合での損失をさらに減じ、全体と
しての光の利用効率をあげることができる照明装置及び
それを用いた投影装置の提供を目的とする。

【００４２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の照明装
置は、発光体と、該発光体から放射された光を反射させ
る凹面反射鏡と、該凹面反射鏡からの光を集光し、該発
光体の複数の２次光源を形成する略同一開口形状を有す
る複数のレンズを２次元状に配列した第１レンズアレイ
と、該第１レンズアレイの各レンズに対応した複数のレ
ンズを２次元状に配列した第２レンズアレイと、該第２
レンズアレイからの光を集光し、被照射面を照射する集
光手段と、を有する照明装置において、該第１レンズア
レイを構成する複数のレンズのうち光軸に近い第１ａレ
ンズ群の焦点距離が、光軸より遠い第１ｂレンズ群の焦
点距離よりも短く、該第１レンズアレイと該第２レンズ
アレイの間に該第１レンズアレイによる該発光体の複数
の２次光源の形成される光軸方向の位置の差を小さくす
る光路長調整手段を有することを特徴としている。

【００４３】請求項２の発明の照明装置は、請求項１の
発明において、前記第１ａレンズ群と第１ｂレンズ群に
より形成される前記発光体の２次光源像が略光軸方向の
等しい位置に形成されることを特徴としている。

【００４４】請求項３の発明の照明装置は、請求項１又
は請求項２の発明において、前記凹面反射鏡は、前記発
光体からの光束を反射し、平行光としていることを特徴
としている。

【００４５】請求項４の発明の照明装置は、請求項１，
２又は請求項３の発明において、前記第１レンズアレイ
の複数のレンズは略同一平面状に配置されていることを
特徴としている。

【００４６】請求項５の発明の照明装置は、請求項１，
２，３又は請求項４の発明において、前記集光手段は前
記第１レンズアレイの各レンズに対応した複数のレンズ
を２次元状に配列した第３レンズアレイを有しているこ
とを特徴としている。

【００４７】請求項６の発明の照明装置は、請求項５の
発明において、前記第１レンズアレイと前記集光手段と
の間の光路中に偏光変換手段を有することを特徴として
いる。

【００４８】請求項７の発明の照明装置は、請求項６の
発明において、前光路長調整手段は前記第１レンズアレ
イあるいは第２レンズアレイの一方、あるいは双方に接
合されているか、あるいは該第１レンズアレイあるいは
該第２レンズアレイと一体的に作られていることを特徴
としている。

【００４９】請求項８の発明の照明装置は、請求項６又
は請求項７の発明において、前記偏光変換手段は複数の
偏光変換素子より成る偏光変換素子を有し、前記集光手
段は該複数の偏光変換素子からの光束を前記被照射面上
に互いに重ね合わせて照射していることを特徴としてい
る。

【００５０】請求項９の発明の投影装置は、請求項１〜
８のいずれか１項の照明装置により照明される画像情報
を投影光学系により投影することを特徴としている。

【００５１】

【発明の実施の形態】図１〜図６は本発明の照明装置を
用いた投影装置の実施形態１の説明図である。図１は本
発明の照明装置を用いた投影装置の実施形態１の槻要の
説明をするためのものであり、光軸１０４を含む断面を
示している。

【００５２】図中１０１は光源であり、１０２は放物面
の凹面反射鏡であり、光源１０１の発光体は放物面１０
２の焦点面付近におかれている。１２１は第１レンズア
レイであり、第２レンズアレイ１２２上に光源１０１の
実像（２次光源）を形成する。第１・第２レンズアレイ
１２１，１２２とも、それぞれレンズ１２４，レンズ１
２５のように複数のレンズが２次元に配置された構造を
有するものである。

【００５３】１２７は、偏光変換光学系であり、複数の
偏光変換素子を有する偏光変換素子アレイより成り、入
射光を所定の方向に偏光した直線偏光に射出する。１２
３は第１レンズアレイ１２１により矩形に分割された光
源像を被照射面１０６上で重ねるための集光手段であ
る。

【００５４】本実施形態においては、第１レンズアレイ
１２１を構成する複数のレンズ１２４は、ある平面上に
配置されているものの、光軸１０４に近い位置にあるレ
ンズ１２４ａの焦点距離ｆ（１２４ａ）は、その周辺の
レンズ１２４ｂの焦点距離ｆ（１２４ｂ）よりも焦点距
離が短くなっている。

【００５５】第２レンズアレイ１２２の片側（被照射面
１０６側）には複数のレンズ１２５より成るレンズ部１
２２Ｂが形成されている。又、逆の光源１０１側には光
路調整部１２６が形成されいる。光路調整郡１２６は第
１レンズアレイ１２１の各レンズ１２４の焦点距離に対
応して付加される部分であり、第１レンズアレイ１２１
により形成される光源像の形成される光軸方向の位置の
変化を小さくするようになっている。

【００５６】第２レンズアレイ１２２の射出側には、図
１２に示すのと同様の偏光変換光学系１２７が配置さ
れ、また、集光手段１２３の光源１０１側には第１・第
２レンズアレイ１２１，１２２に対応するような第３レ
ンズアレイ部１２３Ａが形成されている。

【００５７】集光手段１２３の第３レンズアレイ部１２
３Ａのない側（被照射面１０６側）には、被照射面１０
６に対して分割された光源像を重ねるための光学面（レ
ンズ面）１２３Ｂが形成されている。

【００５８】ＰＬは投影光学系であり、被照射面１０６
に配置した画像情報（液晶パネル等）をスクリーンＳ面
上に投影している。

【００５９】本実施形態の照明光学系の各要素の配置に
ついて以下に説明する。図２は、図１の光学系の配置を
簡単に示したものである。本図では、説明を簡単にする
ため、放物面の凹面反射鏡（以下「放物面」ともい
う。）１０２に対して、反射する位置が異なる点Ｐａ，
Ｐｂの２点の光路に関して説明する。

【００６０】前述したように、放物面においては、反射
する位置により焦点距離が異なり、点Ｐａ，Ｐｂの２点
の焦点距離をｆ（Ｐａ），ｆ（Ｐｂ）とするとｆ（Ｐａ）＜ｆ（Ｐｂ）となる。

【００６１】第２レンズアレイ１２２上に形成される光
源像の大きさは、点Ｐａ，Ｐｂを通る光線が通過する第
１レンズアレイ１２２のレンズ１２４ａ，１２４ｂの、
焦点距離ｆ（１２４ａ），ｆ（１２４ｂ）と、光路上、
放物面像の焦点距離ｆ（Ｐａ），ｆ（Ｐｂ）により決定
される。このときそれぞれの倍率をβ（Ｐａ），β（Ｐ
ｂ）とすれば、 β（Ｐａ）＝ｆ（１２４ａ）／ｆ（Ｐａ） β（Ｐｂ）＝ｆ（１２４ｂ）／ｆ（Ｐｂ）となる。

【００６２】本実施形態ではレンズ１２４ａとレンズ１
２４ｂの焦点距離ｆ（１２４ａ），ｆ（１２４ｂ）をｆ（１２４ａ）＜ｆ（１２４ｂ）となるように設定している。このためβ（Ｐａ），β
（Ｐｂ）の差が小さくなる。

【００６３】光源１０１からの光の利用効率を高めるた
めに偏光変換素子１２７を組み込んでいる。偏光変換素
子１２７を組み込むため第２レンズアレイ１２２からの
射出位置をそろえている。

【００６４】焦点距離が短いレンズ１２４ａでは、光源
１０１の結像位置が第１レンズアレイ１２１から近い位
置に結像するため、第２レンズアレイ１２２の片側の光
路中に光路調整部１２６を形成した。この光路調整部１
２６は、屈折率が空気よりも高いガラス，プラスチック
等の光学媒質により形成されており、この結果、光路長
を調整することが可能となり、第２レンズアレイ１２２
からの射出位置をそろえている。

【００６５】媒質の屈折率がＮで、光路長調整手段の幾
何学的な長さがｄの場合、ｄ（Ｎ−１）だけ光路長を調
整することができる。

【００６６】ここで、第１レンズアレイ１２１を構成す
る複数のレンズ１２４のうち、もっとも焦点距離の長い
レンズの焦点距離をｆ１ｂとし、焦点距離が短い部分の
焦点距離をｆ１ａ、光路調整手段の長さをｄとするとｆ１ｂ＝（Ｎ−１）ｄ＋ｆ１ａが成立するようにしている。

【００６７】このとき、第１レンズアレイ１２１と第２
レンズアレイ１２２が略１平面状に並び、光軸方向に対
して、２次光源像の形成される位置が等しくなる。

【００６８】第２レンズアレイの１２２のレンズ１２５
は、第２レンズアレイ１２２より射出する光束の平行度
を増すような役割も有しているため、第１レンズアレイ
１２１のレンズのうち焦点距離を短く設定した位置のレ
ンズ１２４ａに対応した第２レンズアレイ１２２のレン
ズは焦点距離を同様に短くすると効果的である。

【００６９】一方、被照射面１０６は矩形形状の照明エ
リアである。このため、第１レンズアレイ１２１の各レ
ンズ１２４の有効面積形状と被照射面１０６の照明エリ
アは相似関係が成り立つことが必要である。

【００７０】つまり、第１レンズアレイ１２１の各レン
ズ１２４と照明エリア１０６には共役関係が必要とな
る。このため、点Ｐａ，Ｐｂの光路上で、共役関係を成
立させるため、集光レンズ１２３の片側には第１レンズ
アレイ１２１，第２レンズアレイ１２２の各々の光路に
対応した屈折力を有する第３レンズアレイ１２３ａが形
成されている。

【００７１】ここで、数値的な一例を挙げる。図３に示
すように、光軸方向にｚ軸をとり、それと垂直にｙ軸を
とる。この時、原点Ｐｏを焦点とした場合を考える。簡
単のため、光軸を含む断面内のみを考える。放物線はｙ²＝２ｖ²ｚ＋ｖ⁴ で与えられる。今、ｚ軸と放物線が交わる点Ｐ１と、原
点Ｐｏまでの距離を７ｍｍとすると、ｖ²＝７ｍｍとなる。

【００７２】また、この断面中の第１レンズアレイの１
つの高さが図４に示したように６．７ｍｍであったとす
ると、光軸に一番近い第１レンズアレイのレンズは図４
の１３０ａになり、その中心と光軸までの距離は５．３
７５ｍｍとなる。

【００７３】同様に、この第１レンズアレイ上で、光軸
よりもっとも離れているレンズ１３０ｂの中心までの距
離は４２．０５ｍｍとなる。

【００７４】この、それぞれの高さにおいて、放物面鏡
の焦点距離を計算すると、ｆ１＝８．０３２ｍｍ（ｙ＝５．３７５）ｆ２＝７０．１５ｍｍ（ｙ＝４２．０５）となる。

【００７５】第１レンズアレイの焦点距離ｆ_array1が仮
にｆ_array1＝４８．５ｍｍとすると、その倍率はそれぞ
れβ１＝６．０５３、β２＝０．６９となる。

【００７６】ここで、光路長調節の部材の材質の屈折率
を１．６とし、その長さを３０ｍｍとすると図５の様な
配置で第２レンズアレイ上の焦点位置がはぼそろうこと
になる。

【００７７】この時、光軸近傍における焦点距離は、ｆ１＝ｆ_array1・（１．６）・３０（ｍｍ）となり、ｆ１＝３０ｍｍとなる。この時、第２レンズア
レイ上の結像倍率は３．７３５となる。

【００７８】この結果として、第２レンズアレイ上の光
源の倍率差が小さくなり光源の利用効率が上昇する。こ
のとき、第２レンズアレイ、および第３レンズアレイの
屈折力を調整することが必要である。

【００７９】図５には、本実施形態を適用した場合の第
２レンズアレイ上の光源像の大きさを示したものであ
り、図１３，図１４と比べて、光軸に近い部分の光源像
が小さくなっている様子が分かる。

【００８０】本実施形態では、第１レンズアレイを構成
するレンズ中、光軸に近いレンズの焦点距離を短くする
ように構成したが、その短くする手段については、レン
ズ面の曲率を変えてもよいし、レンズアレイ中に屈折率
分布を持たせるなどしても同様の効果が得られる。

【００８１】また、光路調整手段については、第２レン
ズアレイと一体的に形成した場合を示したが、第１レン
ズアレイと第２レンズアレイの間に位置すれば別体であ
っても同様の効果が得られる。しかしながら、第２レン
ズアレイ上に光源の実像が形成されることから第２レン
ズアレイに近いほど光量の損失を減らすことができる。

【００８２】本実施形態では、図１に示したように光路
長調整手段１２６を各レンズアレイに取り付けたが、光
源像の倍率差を小さくし、光軸に近い部分の倍率を小さ
くするという目的のため、光軸付近の第２レンズアレイ
にのみ形成し、光路長調整手段の取り付けられたレンズ
アレイに対応する第１レンズアレイの焦点距離を短くす
るだけでも効果がある。

【００８３】また、光路長調整手段は、透過率の高い光
学材料、例えばガラス等が望ましい。また、屈折率の高
い材料の方が同じ長さにおける調整量を大きくすること
ができる。

【００８４】また、図１では、集光レンズ１２３と第３
のレンズアレイ１２３Ａがそれぞれ片側ごとに形成され
る様な構成としたが、第３レンズアレイと集光レンズ１
２３の機能を一体的にして図６のように構成することも
可能である。

【００８５】また本実施形態では、照明エリア１０６に
透過型の液晶パネルなどの光変調手段をおき、投射レン
ズＰＬによりそのパネルの画像を投射することで、光の
利用効率の高い投射型表示装置を実現している。

【００８６】以上のように本実施形態では、第１レンズ
アレイを構成する光軸に近いレンズの焦点距離が、周辺
に位置するレンズの焦点距離よりも短くして、光軸近傍
における光源に対する倍率の差を小さくするようにして
いる。

【００８７】また、光路長調整手段を第１レンズアレイ
と第２レンズアレイの間に配置して、第１レンズアレイ
を該平面的に配置することが出来るようにしており、又
第２レンズアレイの射出位置を揃えている。

【００８８】さらに第３レンズに第１レンズアレイと第
２レンズアレイに対応した複数の領域に分割されたレン
ズ面を有するようにして、第１レンズアレイ上の開口に
対する照明エリアの倍率を揃えている。

【００８９】図７は本発明の実施形態２の要部概略図で
ある。図７において、図１で示した要素と同一要素には
同符号を付している。

【００９０】本実施形態２において、第１レンズアレイ
１２１上に配置されたレンズのうち光軸１０４に近い側
のレンズ１２４ａ，１２４ｂ，１２４ｃの順に焦点距離
が短くなっていて、周辺に位置するレンズ１２４ｃの焦
点距離が最も長くなっている。１２７は偏光変換光学系
であり、図１２と同様の構成をしており、この偏光変換
光学系への入射位置をそろえるように光路調整手段１２
６ａ，１２６ｂが第１レンズアレイ１２１と第２レンズ
アレイ１２２の間に配置されている。

【００９１】本実施形態においても、光軸に近い第１レ
ンズアレイ１２１のレンズ１２４ａの焦点距離が短いた
め、第２レンズアレイ１２２付近に形成される光源像の
倍率が、第１レンズアレイのすべてのレンズの焦点距離
を同じにした場合よりも小さくできるため、光量損失を
少なくすることができる。

【００９２】また、照明エリア１０６と、第１レンズア
レイ１２１の各開口は共役関係を成り立たせることが必
要となる。第２レンズアレイ１２２の光軸付近のレンズ
１２５ａとその周辺のレンズ１２５ｂと焦点距離が異な
るため、開口の投影倍率が異なってくる。このため、集
光レンズ１２３の片面に、この投影倍率が一定に成るよ
うな第３レンズアレイ部１２３ａを形成した。

【００９３】以上により、光量損失の少ない照明光学系
が実現している。

【００９４】また、第２レンズアレイ１２２の各レンズ
は、第１のレンズアレイ１２１の開口を照明エリア１０
６に投影する役割を有する一方で、第１レンズアレイ１
２１により集光された光源像の平行度を増すための役割
を有している。

【００９５】従って、第１レンズアレイ１２１中の焦点
距離の短いレンズ部分については、光源像の発散角が大
きくなるため、第２レンズアレイ１２２も第１レンズア
レイ１２１の焦点距離の分布に応じて、焦点距離を変え
ることが必要になる。

【００９６】また、本実施形態には、偏光変換光学系を
配置したが、第１レンズアレイと放物面鏡の共役におけ
る倍率、特に、光軸近傍の倍率が周辺に比べて大きくな
ることを避けることが本発明により実現することができ
る。これは偏光変換光学系を配置した場合、特に効果が
あるが、偏光変換光学系の有無については限定するもの
ではない。

【００９７】図８は本発明の実施形態３の要部概略図で
ある。図８において図１，図７で示した要素と同一要素
には同符号を付している。

【００９８】本実施形態は、第１レンズアレイ１２１と
第２レンズアレイ１２２の間に反射部材１３３を有する
場合の光学系である。光学的な配置に関しては実施形態
１、２と同様である。

【００９９】本実施形態に関して、光路調整手段１３２
は、３角プリズム形より成り、反射部材１３３上に形成
されている。

【０１００】本実施形態においても第１レンズアレイ１
２１の光軸１０４近傍のレンズ１２４ａの焦点距離はそ
のそとがわのレンズ１２４ｂの焦点距離よりも短くなっ
ている。光路調整手段１３２は、この焦点距離の短くな
った光路の焦点位置をずらすためのものである。

【０１０１】光路調整手段１３２の材質の屈折率は、そ
れの周囲の光路の屈折率よりも高いものであることが必
要である。これにより、第２レンズアレイ１２２付近に
形成される光源像の倍率差がなくなり、特に、光軸近傍
における倍率を小さくすることができ、光の損失を少な
くすることができる。

【０１０２】本実施形態においては、偏光変換光学系を
反射部材１３３上に形成してもよい。この場合、光の利
用効率が上昇する。

【０１０３】また、実施形態１，２と同様に照明エリア
１０６には、第１レンズアレイ１２１の開口の形状が投
影される。このため、本実施形態では、第１レンズアレ
イ１２１の各開口は、同形状であるため、開口と照明エ
リア間の倍率関係をそろえなければならない。このため
に集光レンズ１２３の片面に第３のレンズアレイ部１２
３ａを形成した。

【０１０４】また本実施形態では、反射部材１３３上に
も偏光変換光学系を形成したが、実施形態１，２と同様
に第２レンズアレイ部１２２と集光レンズ１２３の間に
配置しても同様の効果が得られる。

【０１０５】また、照明エリア１０６に対する光の利用
効率をあげ、光の平行度をあげる目的で、フィールドレ
ンズ１３１を配置している。

【０１０６】本発明の照明装置においては、第１レンズ
アレイ１２１の光軸近傍のレンズの焦点距離を周辺のレ
ンズに比べて短くすることことで、光源像の倍率関係を
適切に設定することができ、かつ第２レンズアレイ１２
２に入射する位置の変化も少なくなるように構成した。

【０１０７】このレンズアレイ中の焦点距離を短くする
レンズの位置については、実施形態内に限定するもので
はない。光源像の倍率が高くなるのは、放物面鏡の焦点
距離が短い部分、つまり光軸近傍であるので、光紬近傍
のレンズのみ焦点距離を短くして、その部分の光路に光
路長調整手段を配置すれば同様の効果が得られる。

【０１０８】また、図５に示したように、光源は有限な
大きさをしており、第２レンズアレイ上の光源像も方向
性を有する分布を持つ。これは、放物面と光源の発光体
が回転対称であり、第２レンズアレイが回転対称でない
ためで有り、この相対関係を考慮することが必要にな
る。

【０１０９】しかしながら、光軸近傍に限れば、この相
対関係の影響は小さいため、倍率関係を適切にすれば十
分効果が得られる。

【０１１０】また、以上の各実施形態では、照明装置に
より液晶パネルなどの光変調素子を照明し、その画像を
投射レンズによりスクリーンに投射するように構成し
て、明るい投射型表示装置を実現している。

【０１１１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば光
量損失の少ない照明装置及びそれを用いた投影装置を実
現することができる。

【０１１２】特に本発明によれば以上のように、光源か
らの光束で被照射面に設けた液晶パネル等から成る画像
表示装置を照明する際に、光源から被照射面に至る光路
中に設ける各要素を適切に設定することによって被照射
面を光束の有効利用を図りつつ、効率的に証明すること
ができる液晶プロジェクター等に好適な照明意装置及び
それを用いた投影装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の要部概略図

【図２】図１の一部分の光路説明図

【図３】図１の一部分の拡大説明図

【図４】図１の一部分の拡大説明図

【図５】図１の一部分の拡大説明図

【図６】図１の一部分の変形例の説明図

【図７】本発明の実施形態２の要部概略図

【図８】本発明の実施形態３の要部概略図

【図９】従来の照明装置の光源付近の説明図

【図１０】従来の照明装置の要部概略図

【図１１】従来の照明装置の要部概略図

【図１２】図１１の一部分の拡大説明図

【図１３】従来の照明装置における２次光源の説明図

【図１４】従来の照明装置における２次光源の説明図

【図１５】従来の照明装置の一部分の光路説明図

【符号の説明】Ｐ１０１光源像Ｐ１０２凹面反射鏡Ｐ１０３発光体Ｐ１０４光軸Ｐ１０５光線Ｐ１０６照明エリアＰ１２１第１レンズアレイＰ１２２第２レンズアレイＰ１２３集光レンズＰ１２４第１レンズアレイを構成するレンズＰ１２５第２レンズアレイを構成するレンズＰ１２７偏光変換光学系１０１光源像１０２凹面反射鏡１０３発光体１０４光軸１０５光線１０６照明エリア１２１第１レンズアレイ１２２第２レンズアレイ１２３集光レンズ１２４第１レンズアレイを構成するレンズ１２５第２レンズアレイを構成するレンズ１２７偏光変換光学系１３２光路長調整手段１３３反射部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光体と、該発光体から放射された光を
反射させる凹面反射鏡と、該凹面反射鏡からの光を集光
し、該発光体の複数の２次光源を形成する略同一開口形
状を有する複数のレンズを２次元状に配列した第１レン
ズアレイと、該第１レンズアレイの各レンズに対応した
複数のレンズを２次元状に配列した第２レンズアレイ
と、該第２レンズアレイからの光を集光し、被照射面を
照射する集光手段と、を有する照明装置において、該第
１レンズアレイを構成する複数のレンズのうち光軸に近
い第１ａレンズ群の焦点距離が、光軸より遠い第１ｂレ
ンズ群の焦点距離よりも短く、該第１レンズアレイと該
第２レンズアレイの間に該第１レンズアレイによる該発
光体の複数の２次光源の形成される光軸方向の位置の差
を小さくする光路長調整手段を有することを特徴とする
照明装置。
【請求項２】前記第１ａレンズ群と第１ｂレンズ群に
より形成される前記発光体の２次光源像が略光軸方向の
等しい位置に形成されることを特徴とする請求項１の照
明装置。
【請求項３】前記凹面反射鏡は、前記発光体からの光
束を反射し、平行光としていることを特徴とする請求項
１又は２の照明装置。
【請求項４】前記第１レンズアレイの複数のレンズは
略同一平面状に配置されていることを特徴とする請求項
１，２又は３の照明装置。
【請求項５】前記集光手段は前記第１レンズアレイの
各レンズに対応した複数のレンズを２次元状に配列した
第３レンズアレイを有していることを特徴とする請求項
１，２，３又は４の照明装置。
【請求項６】前記第１レンズアレイと前記集光手段と
の間の光路中に偏光変換手段を有することを特徴とする
請求項５の照明装置。
【請求項７】前記光路長調整手段は前記第１レンズア
レイあるいは第２レンズアレイの一方、あるいは双方に
接合されているか、あるいは該第１レンズアレイあるい
は該第２レンズアレイと一体的に作られていることを特
徴とする請求項６の照明装置。
【請求項８】前記偏光変換手段は複数の偏光変換素子
より成る偏光変換素子アレイを有し、前記集光手段は該
複数の偏光変換素子からの光束を前記被照射面上に互い
に重ね合わせて照射していることを特徴とする請求項６
又は７の照明装置。
【請求項９】請求項１〜８のいずれか１項の照明装置
により照明される画像情報を投影光学系により投影する
ことを特徴とする投影装置。