JP4309332B2

JP4309332B2 - 投射型表示装置

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Publication number: JP4309332B2
Application number: JP2004344866A
Authority: JP
Inventors: 隆二山田; 博郷田; 勝幸竹内
Original assignee: Kyocera Corp; NEC Display Solutions Ltd
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Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2024-11-29
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Description

本発明は、フライアイレンズを含む照明光学装置およびそれを用いた投射型表示装置に関するものである。

たとえば、液晶表示装置を備えた投射型表示装置（プロジェクタ）等に適用される照明光学装置は、一対のフライアイレンズを含んで構成される。
一対のフライアイレンズを含む照明光学装置では、光源による照明光を一対のフライアイレンズにより光量分布を均一化して、たとえば空間光変調素子としての液晶表示パネル等の被照射面に照射する。

この種の照明光学装置として、たとえば照射光の方向を変えるミラーを含む装置が提案されている（たとえば特許文献１参照）。

ところで、反射型表示素子を用いた投射型表示装置には様々なサイズの画像表示素子があり、また画像表示素子の大きさに合わせて様々な光路長をもつＴＩＲプリズムや色分離合成プリズムが使用されている。
この場合、画像表示素子やプリズムの変更に合わせて照明光学系を開発するにあたり、光学素子の配置が異なるなるため、照明光学装置の筐体を個別に開発していた。そのため金型投資が膨大なり開発コストを圧迫していた。

このような課題を解決する目的として、以下に示すような投射型表示装置の設計方法が知られている。
この投射型表示装置の設計方法は、光源と、映像表示素子と、照明光学系と、投射レンズと、光学ユニット構造体を有する投射型画像表示装置において、光学ユニット構造体は光源から画像表示素子までの所定の距離を略等しく保ちながら同アスペクト比で表示サイズが異なる少なくとも２種類の画像像表示素子から選択される１種類を装着し、照明光学系は複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子を、装着した画像表示素子に対応させて、画像表示素子上の照明光学系による照射領域が画像表示の表示サイズに略合致する所定の位置に装着する。

この設計方法は、光源から画像表示素子の距離を一定に保ち、異なる大きさで同じアスペクト比の画像表示素子を使用することで、照明光学系の筐体を共通化している。
これにより、共通な光学ユニット構造体を用いて異なる表示エリアサイズの映像素子にそれぞれ対応した照明光学系・投射光学系を構成できる。
特開平７−１６１６０１号公報

しかしながら、上述した投射型表示装置の設計方法によれば、たとえば３板式ＤＭＤ（Digital Micro Mirror Device）の照明光学系の場合、画面アスペクト比が異なり、画面サイズの異なるＤＭＤを使用すると色分離合成プリズムやＴＩＲプリズムの光路長やサイズが異なるため、照明光学系筐体を共通化することができない。

本発明の目的は、画像表示素子の形状やプリズム内光路長が異なる場合においても、共通の筐体で照明光学系を収納することが可能な投射型表示装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の観点の投射型表示装置は、照明光を出射する光源と、画像表示素子と、前記光源による照明光を前記画像表示素子に照射する照明光学系と、前記画像表示素子により形成された画像を投射する投射光学系と、を有し、前記照明光学系は、互いの焦点位置に配置される第１フライアイレンズおよび第２のフライアイレンズと、第１のレンズ群と、前記第１のレンズ群と光路を折り曲げるミラーを挟んで配置される第２のレンズ群と、を有し、所定の第１の状態の照明光学系と、当該第１の状態の照明光学系と同じ焦点距離で異なるバックフォーカスを有し、かつ下記の条件式を満足する第２の状態の照明光学系とが交換可能となるように共通の筐体内に収納可能である。
ｅ１＝−（φ−φ１１−φ１２）／（φ１１×φ１２） …（１）
ｅ２＝−（φ−φ２１−φ２２）／（φ２１×φ２２） …（２）
φ１１＝（１−ｆｂ１×φ）／ｅ１ …（３）
φ２１＝（１−ｆｂ２×φ）／ｅ２ …（４）
０．９５＜ｅ１／ｅ２＜１．０５ …（５）
１．１×（１−ｅ１×φ）/φ＜ｆｂ１＜ｆ×０．９ …（６）
１．１×（１−ｅ２×φ）/φ＜ｆｂ２＜ｆ×０．９ …（７）
ここで、φは第１および第２のレンズ群（以下、「リレーレンズ系」という）全体の屈折力（焦点距離の逆数）、φ１１は第１の状態の第１のレンズ群屈折力、φ１２は第１の状態の第２のレンズ群屈折力、φ２１は第２の状態の第１のレンズ群屈折力、φ２２は第２の状態の第２のレンズ群屈折力、ｅ１は第１の状態での第１のレンズ群と第２のレンズ群の近軸的な群間隔、ｅ２は第２の状態での第１のレンズ群と第２のレンズ群の近軸的な群間隔、ｆ：リレーレンズ系全体の焦点距離、ｆｂ１：第１の状態で、無限遠光束に対するリレーレンズ系の近軸バックフォーカス、ｆｂ２は第２の状態で、無限遠光束に対するリレーレンズ系の近軸バックフォーカスをそれぞれ示している。

好適には、前記光源側から順に、照明光の光路に沿って、前記第１のフライアイレンズ、第２のフライアイレンズ、第１のレンズ群、ミラー、および第２のレンズ群が配置されている。

好適には、前記第１および第２の状態において、前記第１のフライアイレンズ、第２のフライアイレンズ、第１のレンズ群の入射面、ミラーが折り返し作用を受けていない同一光軸上において光源側から順に配置され、第１の状態におけるミラーから第２のレンズ群の光入射面までの距離ｄ１と、第２の状態におけるミラーから第２のレンズ群の光入射面までの距離ｄ２が略等しく設定されている

好適には、前記第２のレンズ群の照明光が出射する側にプリズムが配置される。

好適には、前記照明光学系を収納する筐体を備え、前記照明光学系が筐体の所定の長さ方向に配置され、前記第１の状態の照明光学系と前記第２の照明光学系とが交換可能である。

好適には、前記第１のレンズ群および第２のレンズ群はリレーレンズ系を形成し、前記第１および第２のフライアイレンズと前記リレーレンズ系の焦点距離の比率が前記第１の状態と前記第２の状態とで一定に保持されている。

本発明によれば、画像表示素子の形状やプリズム内光路長が異なる場合においても、共通の筐体で照明光学系を収納することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に関連付けて説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係る投射型表示装置の第１の状態の構成と第２の状態の構成を並列に記載した光学系の第１の実施形態を示す図であって、図１（Ａ）が第１の状態の構成を、図１（Ｂ）が第２の状態の構成をそれぞれ示している。
なお、本実施形態において、距離、長さ、間隔等の単位はｍｍである。

本実施形態の投射型表示装置１００は、基本的に、光源１０１、アパーチャ１０２、コリメータレンズ１０３、第１のフライアイレンズ１０４、第２のフライアイレンズ１０５、第１のリレーレンズ群（第１のレンズ群という場合もある）１０６、折り返しミラー１０７、第２のリレーレンズ群（第２のレンズ群という場合もある）１０８、ＴＩＲプリズム１０９、色分離合成プリズム１１０、および反射型画像表示素子１１１を有している。
そして、本実施形態の第１の状態における投射型表示装置１００−１は、光源１０１−１、アパーチャ１０２−１、コリメータレンズ１０３−１、第１のフライアイレンズ１０４−１、第２のフライアイレンズ１０５−１、第１のリレーレンズ群（第１のレンズ群という場合もある）１０６−１、折り返しミラー１０７−１、第２のリレーレンズ群（第２のレンズ群という場合もある）１０８−１、ＴＩＲプリズム１０９−１、色分離合成プリズム１１０−１、および反射型画像表示素子１１１−１を有している。
同様に、本実施形態の第２の状態における投射型表示装置１００−２は、光源１０１−２、アパーチャ１０２−２、コリメータレンズ１０３−２、第１のフライアイレンズ１０４−２、第２のフライアイレンズ１０５−２、第１のリレーレンズ群１０６−２、折り返しミラー１０７−２、第２のリレーレンズ群１０８−２、ＴＩＲプリズム１０９−２、色分離合成プリズム１１０−２、および反射型画像表示素子１１１−２を有している。

本実施形態の第１および第２の状態の投射型表示装置１００−１，１００−２において、第１のフライアイレンズ１０４（−１，−２）と第２のフライアレイレンズ１０５）−１、−２）は互いの焦点位置に配置される。
また、本実施形態の第１および第２の状態の投射型表示装置１００−１，１００−２において、光路を折り曲げるミラー１０７（−１，−２）を挟んで第１のリレーレンズ群１０６（−１，−２）と第２のリレーレンズ群１０８（−１，−２）が配置される。

そして、本実施形態の投射型表示装置は、画像表示素子形状やプリズム内の光路長が異なる場合においてもレンズの筐体を共通化することができるように、上述したように、第１のフライアイレンズと第２のフライアイレンズを互いの焦点位置に配置するとともに、同じ焦点距離、異なるバックフォーカスのリレーレンズ系を同じ配置にしている。

具体的には、光路長の異なるプリズムに対応するために、同じ焦点距離でバックフォーカスの異なる二つの第１および第２のリレーレンズ群を実現するときに、それぞれのレンズ群が下記の条件式を満たすように構成される。

（数１）
ｅ１＝−（φ−φ１１−φ１２）／（φ１１×φ１２） …（１）
ｅ２＝−（φ−φ２１−φ２２）／（φ２１×φ２２） …（２）
φ１１＝（１−ｆｂ１×φ）／ｅ１ …（３）
φ２１＝（１−ｆｂ２×φ）／ｅ２ …（４）
０．９５＜ｅ１／ｅ２＜１．０５ …（５）
１．１×（１−ｅ１×φ）/φ＜ｆｂ＜ｆ×０．９ …（６）

ここで、φはリレーレンズ系全体の屈折力（焦点距離の逆数）、φ１１は第１の状態の第１のレンズ群屈折力、φ１２は第１の状態の第２のレンズ群屈折力、φ２１は第２の状態の第１のレンズ群屈折力、φ２２は第２の状態の第２のレンズ群屈折力、ｅ１は第１の状態での第１のレンズ群と第２のレンズ群の近軸的な群間隔、ｅ２は第２の状態での第１のレンズ群と第２のレンズ群の近軸的な群間隔、ｆｂ１：第１の状態で、無限遠光束に対するリレーレンズ系の近軸バックフォーカス、ｆｂ２は第２の状態で、無限遠光束に対するリレーレンズ系の近軸バックフォーカスをそれぞれ示している。

これにより、所定の第１の状態に対し、条件式を満足する第２の状態に変更することが可能である。
以上の条件を満足することにより、本実施形態の投射型表示装置においては、各光学素子の形状は変更されても共通の筐体で光学素子を配置できる光学系を提供している。

上記の条件式（１）〜（５）は、二つの異なるリレーレンズ系が同じ焦点距離を有し、かつ異なるバックフォーカスを有する場合に、第１のレンズ群と第の２レンズ群の近軸関係を示している。
式（１）〜（４）は一般的な近軸式であり、式（５）は第１の状態と第２の状態で第１のレンズ群と第２のレンズ群の間隔が大きく変化せず筐体が共通化できる条件を示している。
これにより、焦点距離を維持した状態でバックフォーカスだけを変更できるためプリズムの光路長の変更に対応することができる。

式（６）は第１のレンズ群と第２のレンズ群の屈折力が適切に配分され、リレーレンズ系として良好な結像性能を有するための条件である。
バックフォーカスが式（６）の下限を下回ると第２のレンズ群の屈折力が弱くなり、屈折力が第１群に片寄り収差補正上好ましくない。また、バックフォーカスが上限を超えると第１のレンズ群の屈折力が弱くなり、第２のレンズ群に屈折力が片寄り同様に好ましくない。

画像表示素子サイズが変更される場合に、フライアイレンズの配置を一定に保つためには、２枚のフライアイレンズは、同一形状、同一材料であり互いの略焦点位置に配置され、画像表示素子の変更に伴いセル形状だけが変更される、という条件を満足することが必要である。
照明光学系の照明領域は、第１のフライアイレンズのレンズセル開口形状が第２フライアイレンズとリレーレンズ系によって画像表示素子上に拡大投影されることで形成される。拡大の倍率は第２フライアイレンズの焦点距離とリレーレンズ系の焦点距離の比率で決まることから、フライアイレンズとリレーレンズ系の焦点距離を一定に保つことによって、拡大倍率を一定に保つことができる。倍率を一定に保つことによって、画像表示素子のサイズ変更に対しては、フライアイレンズセルの開口形状を変更することによって対応することが可能になる。
リレーレンズ系焦点距離を一定にすることで、互いの配置は画像表示素子の形状やリレーレンズ系のバックフォーカスとは無関係に、互いの配置を常に一定にすることができる。

以上のように、２枚のフライアイレンズを互いの焦点位置に配置し、リレーレンズ群のパワー配置が条件式（１）〜（６）を満たすようにすれば、共通の筐体で画像表示素子サイズやプリズム光路長の変更に対応することが可能になる。
以下に、図１の各部の具体的な構成および機能、並びに、条件式の具体的な値に基づく評価、考察について順を追って説明する。

なお、図１において、画像表示素子１１１（−１，−２）は、ＤＭＤなどの反射型画像表示素子であり画像表示領域がそれぞれ異なる。また、ＴＩＲプリズム１０９（−１，−２）と色分離合成プリズム１１０（−１，−２）は、それぞれ光路長が異なる。

光源１０１（−１，−２）は、たとえばハロゲンランプ、メタルハライドランプや回転楕円リフレクタを含んで構成され、白色光の照明光を出射する。
アパーチャ１０２（−１，−２）は、矩形開口を有し、光源１０１による照明光のうちの不要な光束を遮断する。図には示していないが、光源１０１の回転楕円体リフクレタからの収斂光がアパーチャ１０２に入射する。
コリメータレンズ１０３（−１，−２）は、アパーチャ１０２に入射した収斂光を平行光束に変換して第１のフライアイレンズ１０４に出射する。
なお、上記の回転楕円体リフクレタ、アパーチャ１０２、コリメータレンズ１０３からなる構成を、回転放物面リフレクタの光源によっても構成することができる。

第１のフライアイレンズ１０４（−１，−２）および第２のフライアイレンズ１０５（−１，−２）は、材質、厚さ、レンズセル面形状を同じにすることで同一の焦点距離を有し、互いの焦点位置に配置することで、第１の状態と第２の状態で同じ位置関係を保っている。
また、レンズセル開口形状を画像表示素子形状と略相似形状にすることで異なるサイズの画像表示素子に対応している。

第１のレンズ群１０６（−１，−２）と第２のレンズ群１０８（−１，−２）はリレーレンズ系を形成し、それぞれ第１のレンズ群１０６（−１，−２）と第２のレンズ群１０８（−１，−２）がミラー１０７（−１，−２）を挟んで配置されている。
リレーレンズ全体の焦点距離は、第１の状態と第２の状態で等しく、バックフォーカスはそれぞれのプリズムの光路長に合わせて異なっている。

図１中の破線は、各光学素子が第１の状態と第２の状態で同じ配置になっていることを示している。
図１に示すように、第１のフライアイレンズ１０４（−１，−２）と、第２のフライアイレンズ１０５（−１，−２）、リレーレンズ系の第１のレンズ群１０６（−１，−２）の入射面、ミラー１０７（−１，−２）が折り返し作用を受けていない同一光軸上においてコリメータレンズ１０３（−１，−２）側から順番に配置されている。
そして、第１の状態におけるミラー１０７−１から第２のリレーレンズ群１０８−１の光入射面までの間隔（距離）ｄ１と、第２の状態におけるミラー１０８−２から第２のリレーレンズ群１０８−２の光入射面までの間隔（距離）ｄ２を共通に（等しく；ｄ１≒ｄ２）することで筐体共通化を図っている。
また、同一集光角のランプを用いれば、アパ−チャ１０２、コリメータレンズ１０３についても図１に示すごとく配置を同一にすることができる。

以下に示す表１は、本第１の実施形態の近軸配置の上記式（１）〜（６）の条件式における各パラメータの具体的な値の一例を示している。この例は、条件式を満足する例である。

表１に示すように、第１の状態（状態１）における各パラメータは次のように設定されている。
リレー系全体の屈折力φの逆数（１／φ）が“１６２．０”、第１のレンズ群１０６−１の屈折力の逆数（１／φ１１）が“２６５．０７”、第１のレンズ群１０６−１と第２のレンズ群１０８−１の近軸的な群間隔ｅ１が“１０９．７７”、第２のレンズ群１０８−１の屈折力の逆数（１／φ１２）が“２４４．２１”、無限遠光束に対するリレーレンズ系の近軸バックフォーカスｆｂ１が“９４．９３”にそれぞれ設定されている。

同様に、第２の状態（状態２）における各パラメータは次のように設定されている。
リレー系全体の屈折力φの逆数（１／φ）が“１６２．０”、第１のレンズ群１０６−２の屈折力の逆数（１／φ２１）が“４８２．１”、第１のレンズ群１０６−２と第２のレンズ群１０８−２の近軸的な群間隔ｅ２が“１０５．２９”、第２のレンズ群１０８−２の屈折力の逆数（１／φ２２）が“１９０．７１”、無限遠光束に対するリレーレンズ系の近軸バックフォーカスｆｂ２が“１２６．６２”にそれぞれ設定されている。

表１のように各パラメータが設定されている第１の実施形態の投射型表示装置１００における“ｅ１／ｅ２”が“１．０４”であり、条件式（５）で規定する範囲にあり、条件を満足している。
また、バックフォーカスｆｂの最大値Ｆｂｍａｘが“１４５．８（１６２×０．９）”、第１の状態におけるバックフォーカスｆｂの最小値Ｆｂｍｉｎ１が“５７．４５”、第２の状態におけるバックフォーカスｆｂの最小値Ｆｂｍｉｎ２が“６２．３８”となり、条件式（６）で規定する範囲にあり、条件を満足している。

図２（Ａ），（Ｂ）は、本第１の実施形態に係るリレーレンズ系の保持部材を示す構成図であり、円筒の断面を示している。図２（Ａ）が第１の状態に対応し、図２（Ｂ）が第２の状態に対応している。

保持部材２００は、所定の角度に折れ曲がった筒状に形成されており、ミラー１０７が取り付けされる屈曲部分２０１は、所定の角度で切断されている。
第１のリレーレンズ群１０６と第２リレーレンズ群１０８はそれぞれミラー１０７を挟んでフライアイレンズ側とＴＩＲプリズム側から組み込む構造になっている。
具体的には、屈曲した保持部材２００の一端側（フライアイレンズ側）の開口部２０２に第１のリレーレンズ群１０６が組み込まれ、他端側（ＴＩＲプリズム側）の開口部２０３に第２のリレーレンズ群１０８が組み込まれている。

このような構造をとることにより、本第１の実施形態に係る投射型表示装置１００においては、第１のリレーレンズ群１０６の射出面頂点と第２のリレーレンズ群１０８の入射頂点間隔が共通になっており、これにより、共通の筐体でリレーレンズを組み込むことが可能になる。
曲率の差により筐体のレンズ保持面から面頂点までの高さにわずかなずれが生じるが、簡単なスペ−サによって補正することができ、またレンズ面高さを考慮してスペ−サの不要な設計を行うことも可能である。

図３（Ａ），（Ｂ）は、本第１の実施形態における第１の状態および第２の状態のリレーレンズ系の光路図である。
図からわかるように、本第１の実施形態の投射型表示装置１００においては、平行光が画像表示素子１１１−１，１１１−２上で結像している。

図４（Ａ），（Ｂ）は、第１フライアイレンズが第２フライアイレンズの焦点位置に配置されることによる光束の状態を示す図である。
図４（Ａ），（Ｂ）からわかるように、本第１の実施形態の投射型表示装置１００は、第１フライアイレンズ１０４−１，１０４−２が第２フライアイレンズ１０５−１，１０５−２の焦点位置に配置されることにより、第１フライアイレンズ表面から射出した光束が平行になる。

図５（Ａ），（Ｂ）は、図３（Ａ），（Ｂ）および図４（Ａ），（Ｂ）を統合した図であって、第１のフライアイレンズ表面が第２フライアイレンズとリレーレンズにより画像表示素子１１１−１，１１１−２上に結像される様子を、中心のレンズセルと周辺レンズセルについて示している。

図６は、第１の実施形態の第１の状態の光路における画像表示素子の照明状態を示す図である。
図７は、第１の実施形態の第２の状態の光路における画像表示素子の照明状態を示す図である。
図６および図７より、本第１の実施形態の投射型表示装置１００においては、異なる大きさの画像表示素子を共通の筐体で正確に照明していることが分かる。

表２は第１の実施形態の第１の状態の光学データを示し、表３は同じく第２の状態の光学データを示している。
表２および表３に示すように、第１の実施形態の投射型表示装置１００は、フライアイレンズの配置は同じであるが、レンズセルの大きさを変更することで、異なる大きさの画像表示素子に対応している。

＜第２実施形態＞
図８は、本発明に係る投射型表示装置の第１の状態の構成と第２の状態の構成を並列に記載した光学系の第２の実施形態を示す図であって、図８（Ａ）が第１の状態の構成を、図８（Ｂ）が第２の状態の構成をそれぞれ示している。

本第２の実施形態の投射型表示装置１００Ａは、基本的な構成は第１の実施形態の投射型表示装置１００と同様の構成を有する。
第２の実施形態の投射型表示装置１００Ａが第１の実施形態と異なる点は、第１の実施形態の構成とリレーレンズの焦点距離、レンズ群の間隔を、上記条件式（１）〜（６）を満たす範囲で、筐体の共通化が可能であることを示している。

以下に示す表４は、本第２の実施形態の近軸配置の上記式（１）〜（６）の条件式における各パラメータの具体的な値の一例を示している。この例は、条件式を満足する例である。

表４に示すように、第１の状態（状態１）における各パラメータは次のように設定されている。
リレー系全体の屈折力φの逆数（１／φ）が“２００．０”、第１のレンズ群１０６−１の屈折力の逆数（１／φ１１）が“２３４．２３”、第１のレンズ群１０６−１と第２のレンズ群１０８−１の近軸的な群間隔ｅ１が“１１７．６７”、第２のレンズ群１０８−１の屈折力の逆数（１／φ１２）が“６８２．４０”、無限遠光束に対するリレーレンズ系の近軸バックフォーカスｆｂ１が“９３．００”にそれぞれ設定されている。

同様に、第２の状態（状態２）における各パラメータは次のように設定されている。
リレー系全体の屈折力φの逆数（１／φ）が“２００．０”、第１のレンズ群１０６−２の屈折力の逆数（１／φ２１）が“３４２．４７”、第１のレンズ群１０６−２と第２のレンズ群１０８−２の近軸的な群間隔ｅ２が“１２０．５８”、第２のレンズ群１０８−２の屈折力の逆数（１／φ２２）が“３１１．３７”、無限遠光束に対するリレーレンズ系の近軸バックフォーカスｆｂ２が“１２６．６”にそれぞれ設定されている。

表４のように各パラメータが設定されている第２の実施形態の投射型表示装置１００Ａにおける“ｅ１／ｅ２”が“０．９７６”であり、条件式（５）で規定する範囲にあり、条件を満足している。
また、バックフォーカスｆｂの最大値Ｆｂｍａｘが“１８０（２００×０．９）”、第１の状態におけるバックフォーカスｆｂの最小値Ｆｂｍｉｎ１が“９０．５６”、第２の状態におけるバックフォーカスｆｂの最小値Ｆｂｍｉｎ２が“８７．３６”となり、条件式（６）で規定する範囲にあり、条件を満足している。

表５は第２の実施形態の第１の状態の光学データを示し、表６は同じく第２の状態の光学データを示している。
表５および表６に示すように、第２の実施形態の投射型表示装置１００Ａは、フライアイレンズの配置は同じであるが、レンズセルの大きさを変更することで、異なる大きさの画像表示素子に対応している。

図９は、第２の実施形態の第１の状態の光路における画像表示素子の照明状態を示す図である。
図１０は、第２の実施形態の第２の状態の光路における画像表示素子の照明状態を示す図である。
図９および図１０より、本第２の実施形態の投射型表示装置１００Ａにおいては、異なる大きさの画像表示素子の領域を均等に（共通の筐体で正確に）照明していることが分かる。

＜第３実施形態＞
図１１は、本発明に係る投射型表示装置の第１の状態の構成と第２の状態の構成を並列に記載した光学系の第３の実施形態を示す図であって、図１１（Ａ）が第１の状態の構成を、図１１（Ｂ）が第２の状態の構成をそれぞれ示している。

本第３の実施形態の投射型表示装置１００Ｂは、基本的な構成は第１および第２の実施形態の投射型表示装置１００，１００Ａと同様の構成を有する。
第３の実施形態の投射型表示装置１００Ｂが第１および第２の実施形態と異なる点は、上記条件式（５）を満足しておらず、筐体を共通化することができないことを示し、第１および第２の実施形態に対する比較例として示している。

以下に示す表７は、本第３の実施形態の近軸配置の上記式（１）〜（６）の条件式における各パラメータの具体的な値の一例を示している。この例は、条件式を満足していない例である。

表７に示すように、第１の状態（状態１）における各パラメータは次のように設定されている。
リレー系全体の屈折力φの逆数（１／φ）が“２００．０”、第１のレンズ群１０６−１の屈折力の逆数（１／φ１１）が“２１５．１７”、第１のレンズ群１０６−１と第２のレンズ群１０８−１の近軸的な群間隔ｅ１が“１０３．１８”、第２のレンズ群１０８−１の屈折力の逆数（１／φ１２）が“１４６９．９３”、無限遠光束に対するリレーレンズ系の近軸バックフォーカスｆｂ１が“９３．００”にそれぞれ設定されている。

表７のように各パラメータが設定されている第３の実施形態の投射型表示装置１００Ｂにおける“ｅ１／ｅ２”が“０．８５６”であり、条件式（５）で規定する範囲の下限値０．９５より小さい値であり、条件式（５）を満足していない。
また、バックフォーカスｆｂの最大値Ｆｂｍａｘが“１８０（２００×０．９）”、第１の状態におけるバックフォーカスｆｂの最小値Ｆｂｍｉｎ１が“１０６．５”、第２の状態におけるバックフォーカスｆｂの最小値Ｆｂｍｉｎ２が“８７．３６”となり、条件式（６）で規定する範囲を満足していない。

表８は第２の実施形態の第１の状態の光学データを示し、表９は同じく第２の状態の光学データを示している。

上述したように、本第３の実施形態の投射型表示装置１００Ｂは、条件式（５）の下限値な超えた場合の例であり、第１のレンズ群１０６と第２のレンズ群１０８の間隔が１０ｍｍ変化していることがわかる。この場合、筐体を共通化することができない。

＜第４実施形態＞
第４の実施形態としてレンズ頂点間隔を一定としてバックフォーカスを変化させてリレーレンズ系を設計した場合に、条件式（６）の値の変化について調べる。

図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、焦点距離２００ｍｍで配置を一定にしてバックフォーカスを変動させた場合の光路図である。図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）においては、ミラーによる折り曲げを省略し、プリズム光路を空気換算し図示している。

この場合、図１２（Ａ）に示すように、焦点距離に対してバックフォーカスを短くすると第２のレンズ群１０８の屈折力が弱くなり、屈折力が第１のレンズ群１０６に片寄る。絞りに近い第１のレンズ群１０６に屈折力が集中するため、像面湾曲が発生し、照明エリアの矩形境界線がディフォーカスし好ましくない。
逆に、図１２（Ｃ）に示すように、バックフォーカスが焦点距離に近くなると、第２のレンズ群１０８に屈折力が集中する。この場合、絞りに近い位置にある第１のレンズ群１０６の屈折力が弱いために球面収差が発生し、照明エリア境界線が全体的にボケて幅が広くなり好ましくない。これはボケが広い場合は、境界線が鮮鋭な場合に比べて、有効な領域を確保するために照明エリアを広くとる必要があるからである。
以上の理由により条件式（６）を満足する必要がある。

図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のパワー配置を表１０に示す。合わせてバツクフォーカス条件式の値を示す。
表１０において、ａは図１２（Ａ）に対応し、ｂは図１２（Ｂ）に対応し、ｃは図１２（Ｃ）に対応している。
表１０に示すように、ａ，ｃは条件式を満たしていない。

表１１に、図１２（Ａ）の構成の光学データを示す。同様に、表１２に図１２（Ｂ）の構成の光学データを示し、表１３に図１２（Ｃ）の構成の光学データを示す。

図１３（Ａ）、（Ｂ）は図１２（Ａ）の構成に対応したリレーレンズ系の収差図であって、（Ａ）が球面収差を、（Ｂ）が像面湾曲を示している。
図１４（Ａ）、（Ｂ）は図１２（Ｂ）の構成に対応したリレーレンズ系の収差図であって、（Ａ）が球面収差を、（Ｂ）が像面湾曲を示している。
図１５（Ａ）、（Ｂ）は図１２（Ｃ）の構成に対応したリレーレンズ系の収差図であって、（Ａ）が球面収差を、（Ｂ）が像面湾曲を示している。

図１３〜図１５の収差図は、第２のフライアイレンズ表面位置を開口絞りに設定し、無限遠光束に対する収差として評価している。これは第１のフライアイレンズ１０５が第２のフライアイレンズ１０６の光源側焦点位置に配置され、第１のフライアイレンズ表面の結像性能を評価することに相当する。
条件式（６）を満たしていない図１２（Ａ），（Ｃ）の構成における収差が多く発生していることを示している。
この観点からも条件式（６）を満足することが必要であることがわかる。

以上説明したように、本実施形態によれば、画像表示素子１１１（−１，−２）と、光源による照明光を画像表示素子に照射する照明光学系と、画像表示素子により形成された画像を投射する投射光学系と、を有し、照明光学系は、互いの焦点位置に配置される第１フライアイレンズ１０４（−１，−２）および第２のフライアイレンズ１０５（−１，−２）と、光路を折り曲げるミラー１０７（−１、−２）を挟んで配置される第１のレンズ群１０６（−１，−２）と第２のレンズ群１０８（−１、−２）と、を有し、第１および第２のレンズ群は、同じ焦点距離で異なるバックフォーカスを有し、（１）〜（６）の条件式を満足することから、画像表示素子サイズやプリズム光路長が変わっても共通の筐体にレンズを組み込むことができ、開発、製品コストを安価にすることが可能になる。

本発明に係る投射型表示装置の第１の状態の構成と第２の状態の構成を並列に記載した光学系の第１の実施形態を示す図である。本第１の実施形態に係るリレーレンズ系の保持部材を示す構成図である。本第１の実施形態における第１の状態および第２の状態のリレーレンズ系の光路図である。第１フライアイレンズが第２フライアイレンズの焦点位置に配置されることによる光束の状態を示す図である。図３および図４を統合した図である。第１の実施形態の第１の状態の光路における画像表示素子の照明状態を示す図である。第１の実施形態の第１の状態の光路における画像表示素子の照明状態を示す図である。本発明に係る投射型表示装置の第１の状態の構成と第２の状態の構成を並列に記載した光学系の第２の実施形態を示す図である。第２の実施形態の第１の状態の光路における画像表示素子の照明状態を示す図である。第２の実施形態の第２の状態の光路における画像表示素子の照明状態を示す図である。本発明に係る投射型表示装置の第１の状態の構成と第２の状態の構成を並列に記載した光学系の第３の実施形態を示す図である。（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、焦点距離２００ｍｍで配置を一定にしてバックフォーカスを変動させた場合の光路図である。図１２（Ａ）の構成に対応したリレーレンズ系の収差図である。図１２（Ｂ）の構成に対応したリレーレンズ系の収差図である。図１２（Ｃ）の構成に対応したリレーレンズ系の収差図である。

符号の説明

１００，１００Ａ，１００Ｂ…投射型表示装置、１０１…光源、１０２…アパーチャ、１０３…コリメータレンズ、１０４…第１のフライアイレンズ、１０５…第２のフライアイレンズ、１０６…第１のリレーレンズ群（第１のレンズ群）、１０７…折り返しミラー、１０８…第２のリレーレンズ群（第２のレンズ群）、１０９…ＴＩＲプリズム、１１０…色分離合成プリズム、１１１…反射型画像表示素子。

Claims

照明光を出射する光源と、
画像表示素子と、
前記光源による照明光を前記画像表示素子に照射する照明光学系と、
前記画像表示素子により形成された画像を投射する投射光学系と、を有し、
前記照明光学系は、
互いの焦点位置に配置される第１フライアイレンズおよび第２のフライアイレンズと、
第１のレンズ群と、
前記第１のレンズ群と光路を折り曲げるミラーを挟んで配置される第２のレンズ群と、を有し、
所定の第１の状態の照明光学系と、当該第１の状態の照明光学系と同じ焦点距離で異なるバックフォーカスを有し、かつ下記の条件式を満足する第２の状態の照明光学系とが交換可能となるように共通の筐体内に収納可能である投射型表示装置。
ｅ１＝−（φ−φ１１−φ１２）／（φ１１×φ１２） …（１）
ｅ２＝−（φ−φ２１−φ２２）／（φ２１×φ２２） …（２）
φ１１＝（１−ｆｂ１×φ）／ｅ１ …（３）
φ２１＝（１−ｆｂ２×φ）／ｅ２ …（４）
０．９５＜ｅ１／ｅ２＜１．０５ …（５）
１．１×（１−ｅ１×φ）/φ＜ｆｂ１＜ｆ×０．９ …（６）
１．１×（１−ｅ２×φ）/φ＜ｆｂ２＜ｆ×０．９ …（７）
ここで、φは第１および第２のレンズ群（以下、「リレーレンズ系」という）全体の屈折力（焦点距離の逆数）、φ１１は第１の状態の第１のレンズ群屈折力、φ１２は第１の状態の第２のレンズ群屈折力、φ２１は第２の状態の第１のレンズ群屈折力、φ２２は第２の状態の第２のレンズ群屈折力、ｅ１は第１の状態での第１のレンズ群と第２のレンズ群の近軸的な群間隔、ｅ２は第２の状態での第１のレンズ群と第２のレンズ群の近軸的な群間隔、ｆ：リレーレンズ系全体の焦点距離、ｆｂ１：第１の状態で、無限遠光束に対するリレーレンズ系の近軸バックフォーカス、ｆｂ２は第２の状態で、無限遠光束に対するリレーレンズ系の近軸バックフォーカスをそれぞれ示している。
前記光源側から順に、照明光の光路に沿って、前記第１のフライアイレンズ、第２のフライアイレンズ、第１のレンズ群、ミラー、および第２のレンズ群が配置されている
請求項１に記載の投射型表示装置。
前記第１および第２の状態において、前記第１のフライアイレンズ、第２のフライアイレンズ、第１のレンズ群の入射面、ミラーが折り返し作用を受けていない同一光軸上において光源側から順に配置され、
第１の状態におけるミラーから第２のレンズ群の光入射面までの距離ｄ１と、第２の状態におけるミラーから第２のレンズ群の光入射面までの距離ｄ２が略等しく設定されている
請求項２に記載の投射型表示装置。
前記第２のレンズ群の照明光が出射する側にプリズムが配置される
請求項１乃至３のいずれかに記載の投射型表示装置。
前記第１のレンズ群および第２のレンズ群はリレーレンズ系を形成し、
前記第１および第２のフライアイレンズと前記リレーレンズ系の焦点距離の比率が前記第１の状態と前記第２の状態とで一定に保持されている
請求項１乃至４のいずれかに記載の投射型表示装置。