JP4355381B2 - 照明装置およびそれを用いた投射型表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶プロジェクター等に用いられる照明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。
【０００２】
【従来の技術】
従来、投射型表示装置の照明装置としては、図１０に示すような、発光管１と放物面鏡１９を組み合わせたものが一般的であった。
図１０において、発光管１（光源）の発光部１ｃから発せられた白色光、放物面鏡１９によりほぼ平行光に変換され、第１レンズアレイ３により、前記発光管１の光源像を第２レンズアレイ４の各々のコマの中心に結像させている。前記第１レンズアレイ３と第２レンズアレイ４の焦点距離はほぼ等しく、第１レンズアレイ３と第２レンズアレイ４の間隔は第１レンズアレイ３の焦点距離とほぼ等しい間隔を隔てて配置されている。
【０００３】
第１レンズアレイ３で集光された光束は、偏光変換素子５の偏光分離層５Ｂにて、Ｐ波とＳ波に分離され、Ｓ波は反射され、さらに隣の偏光分離層５Ｂで反射されることにより、偏光変換素子５の射出側に簾状に配置されたλ／２位相差板５Ａの間から射出される。一方、Ｐ波は偏光分離層５Ｂを透過し、λ／２位相差板５Ａを通過することにより位相変換され、Ｓ波と偏光軸の方向を揃えている。これにより偏光変換素子５から射出される光束はすべて同一方向の偏光軸を有した偏光光となる。５Ｃは簾状の遮光板である。
【０００４】
偏光変換素子５から射出された光束は第１コンデンサーレンズ６により偏向され、ＲＧＢ各色別に変調される液晶パネルよりなる画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ上に重ね合わされる。第１コンデンサーレンズ６から射出された光束はダイクロミラーＤＭ１により赤色光が反射され、残りの緑色光と青色光は透過される。ダイクロミラーＤＭ１により反射された赤色光は反射ミラーＭ１および第２コンデンサーレンズ７Ｒを介して、赤用の画像変調装置の表示部８Ｒに導かれる。ダイクロミラーＤＭ１を透過した光はダイクロミラーＤＭ２により緑と青に分離される。緑色光はダイクロミラーＤＭ２で反射され、第２コンデンサーレンズ７Ｇを介して緑用の画像変調装置の表示部８Ｇに導かれる。ダイクロミラーＤＭ２を透過した青色光は第３コンデンサーレンズ１１により集光され、反射ミラーＭ２で反射され、リレーレンズ１２により反射ミラーＭ３および第２コンデンサーレンズ７Ｂを介して青用の画像変調装置の表示部８Ｂに導かれる。図中、Ｐ１は入射側偏光板、Ｐ２は射出側偏光板を示す。第２コンデンサーレンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂは、第１コンデンサーレンズ６から射出される光束を投射レンズ１０の入射瞳に集光させるためのものである。クロスダイクロプリズム９は、色合成を行なうために、画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂと投射レンズ１０の間に配置されている。投射レンズ１０は画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂに対してテレセントリックな設計となっており、クロスダイクロプリズム９のダイクロ膜面における入射角が、ダイクロ膜のどこでも一定になるように構成されており、ダイクロ膜の入射角変化による色ムラが生じない構成となっている。画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂで各々変調された光束はクロスダイクロプリズム９で色合成され、投射レンズ１０により不図示のスクリーンに拡大投影される。
【０００５】
また、さらに照明効率を改善させるために、楕円反射鏡と凹レンズ効果を光源側のレンズアレイにもたせた一対のレンズアレイを組み合わせた光源装置を用いた液晶プロジェクタが特開平１０−１３３１４１号公報において提案されている。この特開平１０−１３３１４１号公報の図１に開示された実施例は、光源と、楕円反射鏡と、入射側に凹レンズの効果をもつ凹面が形成されている第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイにより光源部が構成されており、従来と比較してレンズアレイの小型化を実現している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１０に示すような、一般的な液晶プロジェクターにおいて、照明効率を改善するためには、第１レンズアレイ３に入射する光束の平行度を良くして、偏光変換素子５の遮光板５Ｃでのケラレを少なくすることと、偏光変換素子５から射出される光束の大きさを小さくして、投射レンズ１０の入射瞳におけるケラレを小さくすることが重要である。
【０００７】
しかしながら、光源部に放物面鏡を用いている場合、放物面鏡から射出される光束の平行度を良くするには、放物面鏡の焦点距離を長くしなければならず、結果として反射鏡での光源から発せられる光の取り込み角度を一定に定めると、放物面鏡の焦点距離の拡大比だけ放物面鏡の射出径が大きくなってしまう。逆に、放物面鏡の射出径を小さくするには、放物面鏡の焦点距離を短くしなければならず、焦点距離を短くすると、放物面鏡から射出される光束の平行度が悪くなってしまう。
このように、光源部から射出される光の平行度と射出径はトレードオフの関係にあり、光源から発せられる光の取り込み角度を十分にとりながら、平行度が良く射出径の小さい光源部を実現することは、光源部に放物面鏡を用いている場合不可能であった。
【０００８】
このような理由から、前記公報に示された従来例では、光源部に楕円鏡と凹レンズ（負レンズ）を用いて照明効率の改善を試みている。しかし、凹レンズの形状の最適化が十分とはいえず、レンズアレイの小型化はある程度実現されているが、照明効率はあまり向上しないという問題点があった。
本発明は上述した問題点を解決するために、単一の負メニスカスレンズのみを用いて、照明装置及び投射型表示装置の照明効率を改善することを課題とする。
本発明のその他の課題は、光束径を小さくすることにより、レンズアレイや偏光変換素子およびダイクロミラーを小型化することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、光源と、前記光源から発せられた光を反射する回転楕円反射鏡と、複数のレンズより構成される第１レンズアレイと、複数のレンズより構成される第２レンズアレイと、前記光源側に凸の負メニスカスレンズとを有し、前記光源側から順に、前記負メニスカスレンズ、前記第１レンズアレイ、前記第２レンズアレイが配置され、前記光源からの光で被照明面を照明する照明装置であって、
前記回転楕円反射鏡によって反射された光を前記負メニスカスレンズのみにより平行光に変換し、前記第１レンズアレイに指向することにより被照明面を照明することと、
前記負メニスカスレンズの焦点距離をｆｆ、該負メニスカスレンズと前記回転楕円反射鏡の第２焦点との間隔をＬ、前記回転楕円反射鏡の第２焦点距離をｆ２とするとき、
０．５＜−ｆｆ／ｆ２＜０．８
０．５＜Ｌ／ｆ２＜０．８
を満足することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態において、前記反射鏡は回転楕円面であり、以下の条件式を満足することを特徴としている。
０．０３＜ｆ１／ｆ２＜０．０７ （１）
（ここで、ｆ１は楕円反射鏡の第１焦点距離、ｆ２は楕円反射鏡の第２焦点距離である）
条件式（１）は、本発明に好ましく用いられる楕円反射鏡の第１焦点距離ｆ１と第２焦点距離ｆ２の比について限定したもので、条件式（１）の下限値未満の領域では、第２焦点距離ｆ２が大きくなり過ぎるので第２レンズアレイ上での光源像が大型化してくる。
条件式（１）の上限値を超える領域では、ｆ２が短くなりすぎるため、負レンズが楕円反射鏡と干渉してしまうので良くない。
【００１２】
また、前記負レンズは負メニスカスレンズであり、以下の条件式を満足することを特徴としている。
０．５＜−ｆｆ／ｆ２＜０．８ （２）
０．５＜Ｌ／ｆ２＜０．８ （３）
（ここで、ｆｆは負メニスカスレンズの焦点距離、Ｌは負メニスカスレンズと楕円反射鏡の第２焦点との間隔である）
条件式（２）は、本発明に好ましく用いられる負メニスカスレンズの焦点距離ｆｆと楕円鏡の第２焦点距離ｆ２の比について限定したもので、条件式（２）の下限値未満の領域では、光源部の光束の射出径が小さくなるが、光束の平行度が悪くなり過ぎるので照明効率が低下してくる。条件式（２）の上限値を超える領域では、光源部の光束の射出径が大きくなり過ぎ投射レンズの入射瞳でのケラレが大きくなり照明効率が低下してくる。
【００１３】
条件式（３）は、本発明に好ましく用いられる負メニスカスレンズと楕円反射鏡の第２焦点との間隔Ｌと楕円反射鏡の第２焦点距離ｆ２の比について限定したもので、条件式（３）の下限値未満の領域では、光源部の光束の射出径が小さくなるが、光束の平行度が悪くなり過ぎるので照明効率が低下してくる。条件式（３）の上限値を超える領域では、光源部の光束の射出径が大きくなり過ぎ投射レンズの入射瞳でのケラレが大きくなり照明効率が低下してくる。
基本的に負メニスカスレンズは楕円反射鏡の第２焦点から負メニスカスレンズの焦点距離とほぼ等しい距離だけ離れて配置すれば、負メニスカスレンズから射出される光束は平行になる。
【００１４】
この負メニスカスレンズは、さらに以下の条件式を満足することが好ましい。
−４＜ＳＦ＜−１．５ （４）
但し、ＳＦ＝（Ｒ２＋Ｒ１）／（Ｒ２−Ｒ１）
（ここで、Ｒ１は負メニスカスレンズの光源側の曲率半径、Ｒ２は負メニスカスレンズの画像表示装置側の曲率半径である）
条件式（４）は本発明に好ましく用いられる負メニスカスレンズの形状について限定したもので、条件式（４）の下限値未満の領域では、第１レンズアレイ側のレンズ面の曲率半径が小さくなり過ぎ、レンズ周辺で全反射による光量損失が生じてくる。条件式（４）の上限値を超える領域では、負メニスカスレンズの屈折作用面の第１レンズアレイ側への湾曲量が小さくなり、光源部から射出される光束の射出径が大きくなってしまうので、投射レンズでのケラレが大きくなり照明効率が低下してくる。
【００１５】
さらに、前記負メニスカスレンズは少なくとも１面の非球面を含むことが好ましい。
【００１６】
【実施例】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
（第１実施例）
図１は本発明の第１実施例に係る投射型表示装置の光学断面図を示す。以下の説明において光源（発光管）の発光部の大きさは１．５ｍｍ程度と仮定している。
【００１７】
発光管１（光源）の発光部１ｃから発せられた白色光は、楕円反射鏡２におり不図示の第２焦点に向けて集光され、平行平面板１４を通過し、光源側に凸の負メニスカスレンズ１３によりほぼ平行な光束に変換される。この光束が第１レンズアレイ３に入射されることにより、前記発光管１の光源像が第２レンズアレイ４の各々のコマの中心に結像される。平行平面板１４は発光管の爆発時の安全を確保するために反射鏡２の前面に配置されている。前記第１レンズアレイ３と第２レンズアレイ４の焦点距離はほぼ等しく、第１レンズアレイ３と第２レンズアレイ４の間隔は第１レンズアレイ３の焦点距離とほぼ等しい間隔を隔てて配置されている。第１レンズアレイ３で集光された光束は、偏光変換素子５の偏光分離層５Ｂにて、Ｐ波とＳ波に分離され、Ｐ波は偏光分離層５Ｂを透過し、Ｓ波は反射され、Ｐ波はλ／２位相差板５Ａにより位相変換され、Ｓ波と偏光軸の方向を揃えている。これにより偏光変換素子５から射出される光束はすべて同一方向の偏光軸を有した偏光光となる。５Ｃは簾状の遮光板である。
ここで、上記第１レンズアレイ及び第２レンズアレイとしては、例えば少なくとも１つのフライアイレンズまたはレンチキュラーレンズを有するものが用いられる。
【００１８】
さらに、偏光変換素子５から射出された光束は第１コンデンサーレンズ６により偏向され、ＲＧＢ各色別に変調される液晶パネル（画像変調素子）よりなる画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ上に重ね合わされる。第１コンデンサーレンズ６から射出された光束はダイクロミラーＤＭ１により赤色光が反射され、残りの緑色光と青色光は透過される。ダイクロミラーＤＭ１により反射された赤色光は反射ミラーＭ１および第２コンデンサーレンズ７Ｒを介して、赤用の画像変調装置の表示部８Ｒに導かれる。ダイクロミラーＤＭ１を透過した光はダイクロミラーＤＭ２により緑と青に分離される。緑色光はダイクロミラーＤＭ２で反射され、第２コンデンサーレンズ７Ｇを介して緑用の画像変調装置の表示部８Ｇに導かれる。
【００１９】
ダイクロミラーＤＭ２を透過した青色光は第３コンデンサーレンズ１１により集光され、反射ミラーＭ２で反射され、リレーレンズ１２により反射ミラーＭ３および第２コンデンサーレンズ７Ｂを介して青用の画像変調装置の表示部８Ｂに導かれる。図中、Ｐ１は入射側偏光板、Ｐ２は射出側偏光板を示す。第２コンデンサーレンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂは、第１コンデンサーレンズから射出される光束を投射レンズ１０の入射瞳に集光させるためのものである。クロスダイクロプリズム９は、色合成を行なうために、画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂと投射レンズ１０の間に配置されている。投射レンズ１０は画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂに対してテレセントリックな設計となっており、クロスダイクロプリズム９のダイクロ膜面における入射角が、ダイクロ膜のどこでも一定になるように構成されており、ダイクロ膜の入射角変化による色ムラが生じない構成となっている。画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂで各々変調された光束はクロスダイクロプリズム９で色合成され、投射レンズ１０により不図示のスクリーンに拡大投影される。
【００２０】
図１の実施例においては、光源部に楕円鏡と光源側に凸の負メニスカスレンズを組み合わせることにより、照明効率の改善を実現している。
次に、図２〜５を参照しながら、本実施例の照明装置が従来の照明装置に対し原理的にどのような点が改善されているかについて説明する。
【００２１】
まず、図２および図３を用いて楕円反射鏡が放物面鏡に対して照明効率が良い理由について述べる。
図２は、本実施例で用いられた反射鏡を示すもので、第１焦点から楕円の反射面と光軸との交点までの距離が１０ｍｍ、第２焦点から楕円の反射面と光軸との交点までの距離が２００ｍｍ、反射鏡の穴径がΦ１０ｍｍ、反射鏡の有口径がΦ８０ｍｍである楕円反射鏡の断面図と、第１焦点Ｆ１から発せられる光の反射鏡による取り込み角度を示す。
【００２２】
図３は、図１０に示すような従来例で用いられる反射鏡２の一例を示すもので、焦点距離７ｍｍ、反射鏡の穴径がΦ１０ｍｍ、反射鏡の有口径がΦ８０ｍｍの放物面反射鏡の断面図と、第１焦点Ｆ１Ｐから発せられる光の反射鏡による取り込み角度を示す。また、反射鏡の中心部と周辺部の実焦点距離の違いを示している。図３に示すように中心と周辺では実焦点距離が大きく異なる。この場合の実焦点距離とは任意の光路の焦点と反射点の距離を示している。図３の例では、実焦点距離が、中心（光軸）から５ｍｍ強の位置で８．１９ｍｍ、光軸から３３．７９ｍｍの位置で４７．７９ｍｍである。
【００２３】
図２と図３の比較により、同程度の大きさの反射鏡であれば、楕円反射鏡の方が、反射鏡の光の取り込み角度が大きいことがわかる。これは、焦点から反射面までの距離を楕円鏡の方が大きくできるので、反射鏡の穴が同じ大きさならば、穴によるケラレが楕円の方が小さくなるためである。実測値は、放物面反射鏡の取り込み角度１０２．１１１°に対し、楕円反射鏡の取り込み角度は１１２．０６２°であって、これにより、楕円反射鏡の方が、光の取り込み角度が約１０％増加することがわかる。
【００２４】
図４および図５は、楕円反射鏡と凹レンズを組み合わせた照明装置を構成する場合に、凹レンズを光源側に凸の負メニスカスにするとなぜ照明効率が改善されるのかについて説明を行なった原理説明図である。
【００２５】
図４では、第１焦点Ｆ１から楕円の反射面と光軸との交点までの距離が１０ｍｍ、第２焦点から楕円の反射面と光軸との交点までの距離が２００ｍｍ、反射鏡の穴径がΦ１０ｍｍ、反射鏡の有口径がΦ８０ｍｍの図２に示したものと同じ楕円反射鏡と、焦点距離が−１４０ｍｍの負レンズを組み合わせた照明光学系の光路図を示す。ここで屈折作用面とは、負メニスカスレンズの入射光線と射出光線の交点を結んだ面を意味する。例えば両凹レンズのように、屈折作用面Ｃが光軸に対し垂直である場合には、反射鏡の周辺の光束（ａ光路）の実焦点距離圧縮率１４０／１５２．６１＝０．９１７が、反射鏡の中心付近の光束（ｂ光路）の実焦点距離圧縮率１４０／１９８．２１＝０．７０６に比べて大きく、負レンズによる光束の圧縮が周辺ほど弱くなっている。これは、楕円鏡の周辺の実作用点が反射鏡の周辺にいくほど第２焦点Ｆ２側に大きく移動してしまい、負レンズの屈折作用面Ｃと接近してしまうことが原因である。このため、楕円と負レンズを用いているにもかかわらず、第１レンズアレイ側に４５度の角度で射出される光線の光軸からの距離は３４．３ｍｍと、図３に示した放物面鏡の第１レンズアレイ側に４５度の角度で射出される光線の光軸からの距離３３．７９ｍｍよりむしろ大きくなっている。ここで負レンズの位置を第２焦点Ｆ２側に移動し、負レンズの焦点距離を短くすれば、光束の射出径は小さくできるが、中心部の楕円鏡と負レンズの実合成焦点距離が図３に示した放物面鏡より短くなってしまうので、平行度が悪化してしまい前記偏光変換素子の遮光板でのケラレが増加してしまう。
【００２６】
これに対し、本実施例の原理図である図５に示すように、図１の実施例のように負レンズを第１焦点側（光源側）に凸の負メニスカスレンズで構成して、負レンズの屈折作用面ＣＣを第２焦点Ｆ２側に湾曲させるとともに周辺部の部分的実焦点距離を強めることにより、反射鏡の周辺の光束（ａａ光路）の実焦点距離圧縮率１２５．５７／１５２．６１＝０．８２３を、反射鏡の中心付近の光束（ｂ光路）の実焦点距離圧縮率１３９．５８／１９８．２１＝０．７０４にかなり近づけることができる。これにより負レンズによる楕円反射鏡周辺部の光束圧縮率を従来より高めることができ、結果として光源部から射出される光束径を小さくでき、照明効率を改善することができる。図５の負レンズの屈折作用面の曲率半径は４０ｍｍである。
【００２７】
本実施例では、楕円反射鏡と負レンズを組み合わせて光源部から射出される光束径を圧縮する場合に、負レンズの屈折作用面を楕円反射鏡の第２焦点側に湾曲させ、かつ周辺部の部分的実焦点距離を中心より短くすることにより楕円反射鏡の周辺部から射出される光束の圧縮率を従来例より高め、光源部から射出される光束径の小型化を実現し、投射レンズでの入射瞳でのケラレを少なくして、照明効率の改善を実現している。
【００２８】
図４および図５に示すように、楕円反射鏡の中心部の光路ｂとｂｂの実合成焦点距離ｆｂとｆｂｂは８．２０７ｍｍと８．１８３ｍｍでほとんど変わらないが、楕円反射鏡の周辺部の光路ａとａａの実合成焦点距離ｆａとｆａａはａ光路が４８．５１ｍｍ、ａａ光路が４３．５１ｍｍとａａ光路の方が短くなっている。このように、本実施例では中心部の実合成焦点距離はほとんど変えずに周辺部ほど実合成焦点距離を短くすることができる。
【００２９】
この結果、第１レンズアレイ側に４５度の角度で射出される光線の光軸からの距離を図４の３４．３ｍｍから図５の３０．７６ｍｍに圧縮することができた。
【００３０】
図５の本実施例の原理図では、図３の放物面鏡と比較して、光束の取り込み角度が約１０％増加し、光束の射出径が約１０％縮小しており、全体として大幅な照明効率の改善が実現できた。
【００３１】
（第２実施例）
図６は本発明の第２の実施例に係る投射型表示装置の光学断面図を示す。楕円鏡２を延長して、負レンズ１５を保持することにより、メカ部品点数の削減を実現するとともに、発光管の爆発時の安全性を確保している。負レンズ１５の形状および配置位置は第１実施例と異なり、負レンズの第１レンズアレイ３側のレンズ面の曲率半径をより小さくするとともに、非球面を用いて、負メニスカスレンズの第１レンズアレイ側のレンズ面で発生する球面収差を小さくし、照明効率のさらなる改善を実現している。なお非球面効果を反射鏡２側にもたせて非球面反射鏡とし、負メニスカスレンズを球面としても良い。また、負レンズ１５の表面には光量損失を防ぐための増透コートや、赤外および紫外光をカットするコートをつけることが光量アップや部品点数の削減の点から望ましい。
【００３２】
（第３実施例）
図７は本発明の第３の実施例に係る投射型表示装置の光学断面図を示す。負レンズ１６の画像変調装置側のレンズ面の曲率半径を第２実施例よりさらに小さくし、照明効率のさらなる改善を実現したものである。負レンズ１６にも第１レンズアレイ側のレンズ面に非球面を用いている。
【００３３】
（第４実施例）
図８は本発明の第４の実施例に係る投射型表示装置の光学断面図を示す。楕円反射鏡１７の第２焦点距離を実施例１、２および３より短くすることにより、小型化を実現している。また負レンズ１６を発光管の爆発時の安全を確保する保護ガラスとしての機能も兼ねさせている。負レンズ１６にも第１レンズアレイ側のレンズ面に非球面を用いている。
【００３４】
（第５実施例）
図９は本発明の第５の実施例に係る投射型表示装置の光学断面図を示す。楕円反射鏡１８の第２焦点距離を実施例１、２および３より長くすることにより、光源部からの射出径の縮小を図り、さらなる効率改善を実現している。本実施例は発光部の大きさが特に小さい場合に適している。
【００３５】
（数値実施例）
光源部の数値実施例を以下に示す。
Ｒ１：負レンズの光源側のレンズ面の曲率半径
Ｒ２：負レンズの画像変調装置側のレンズ面の曲率半径
Ｄ：負レンズの中心厚
Ｎ：負レンズのｄ線における屈折率
Ｋ：円錐定数
【００３６】
数値実施例１（図１の光源部に対応）
楕円鏡Ｆ１：１０ｍｍ、Ｆ２：２００ｍｍ
凹レンズＲ１：１３３．１５６ｍｍ、Ｒ２：４７．４２７ｍｍ、Ｄ：４ｍｍ、Ｎ：１．５１６３３
楕円鏡の反射面の頂点と凹レンズＲ１の間隔：７２ｍｍ（厚さ４ｍｍの板ガラス１４を含む、板ガラスの屈折率は１．５１６３３）
【００３７】
数値実施例２（図６の光源部に対応）
楕円鏡Ｆ１：１０ｍｍ、Ｆ２：２００ｍｍ
凹レンズＲ１：９５．２ｍｍ、Ｒ２：４０ｍｍ、Ｄ：２ｍｍ、Ｋ：Ｒ２非球面係数（Ｋ＝−０．５）、Ｎ：１．５１６３３
楕円鏡の反射面の頂点と凹レンズＲ１の間隔：７２ｍｍ
【００３８】
数値実施例３（図７の光源部に対応）
楕円鏡Ｆ１：１０ｍｍ、Ｆ２：２００ｍｍ
凹レンズＲ１：７１ｍｍ、Ｒ２：３５ｍｍ、Ｄ：２ｍｍ、Ｋ：Ｒ２非球面係数（Ｋ＝−０．５）、Ｎ：１．５１６３３
楕円鏡の反射面の頂点と凹レンズＲ１の間隔７２ｍｍ
【００３９】
数値実施例４（図８の光源部に対応）
楕円鏡Ｆ１：１０ｍｍ、Ｆ２：１８０ｍｍ
凹レンズＲ１：７１ｍｍ、Ｒ２：３５ｍｍ、Ｄ：２ｍｍ、Ｋ：Ｒ２非球面係数（Ｋ＝−０．５）、Ｎ：１．５１６３３
楕円鏡の反射面の頂点と凹レンズＲ１の間隔：５２ｍｍ
【００４０】
数値実施例５（図６の光源部に対応）
楕円鏡Ｆ１：１０ｍｍ、Ｆ２：２３０ｍｍ
凹レンズＲ１：９５．２ｍｍ、Ｒ２：４０ｍｍ、Ｄ：２ｍｍ、Ｋ：Ｒ２非球面係数（Ｋ＝−０．５）、Ｎ：１．５１６３３
楕円鏡の反射面の頂点と凹レンズＲ１の間隔：１００ｍｍ
【００４１】
各条件式の値は下記のとおりである。
【００４２】
【表１】
【００４３】
図１１に本発明数値実施例２の第２レンズアレイ面のスポットダイヤグラムを示す。図１２には比較として、図３（従来例）に示した放物面鏡を図１０の液晶プロジェクター（従来例）に組み込んだときの第２レンズアレイ面でのスポットダイヤグラムを示す。図中、４は第２レンズアレイ、５Ｃは偏光変換素子の遮光板を示す。図１２から分かるように、放物面鏡は周辺部ほど実焦点距離が長くなるので、周辺部ほどレンズアレイの一コマの大きさに対して第１レンズアレイの光源像の大きさが小さくなり余裕が生じてくるので、周辺部は第１レンズアレイの平行度が多少悪くなっても、偏光変換素子でのケラレは生じないことが理解できる。
本発明では、光源部の光学系の中心部の実合成焦点距離を短くせずに周辺部の実合成焦点距離のみを短くできるので、中心部の平行度を悪化させずに、光源部から射出する光束径を小さくすることができたのが、図１１と図１２の比較でよく理解できる。
図１１において、光束径が小さくなっているにもかかわらず、周辺部の光源像は遮光板５Ｃにほとんど当たらず照明効率が良好なことが理解できる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は単一の負メニスカスレンズのみで、照明装置及び投射型表示装置の照明効率の改善が実現できる。
本発明のその他の効果は、負メニスカスレンズから射出される光束径を小さくできるので、レンズアレイや偏光変換素子およびダイクロミラーの小型化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係る投射型表示装置の光学断面図である。
【図２】 本発明の実施例に使用される楕円鏡の光学断面図である。
【図３】 従来例の放物面鏡の断面図である。
【図４】 楕円鏡と両凹レンズとの組み合わせの構成原理図である。
【図５】 本発明の実施例に係る楕円鏡と負レンズの構成原理図である。
【図６】 本発明の第２実施例に係る投射型表示装置の光学断面図である。
【図７】 本発明の第３実施例に係る投射型表示装置の光学断面図である。
【図８】 本発明の第４実施例に係る投射型表示装置の光学断面図である。
【図９】 本発明の第５実施例に係る投射型表示装置の光学断面図である。
【図１０】 従来例の投射型表示装置の光学断面図である。
【図１１】 図６の装置の第２レンズアレイ面のスポットダイヤグラムである。
【図１２】 従来例の第２レンズアレイ面のスポットダイヤグラムである。
【符号の説明】
１：発光管、２，１７，１８：楕円反射鏡、３：第１レンズアレイ、４：第２レンズアレイ、５：偏光変換素子、５Ａ：λ／２位相差板、５Ｂ：偏光分離層、５Ｃ：遮光板、６：第１コンデンサーレンズ、７Ｒ：赤用第２コンデンサーレンズ、７Ｇ：緑用第２コンデンサーレンズ、７Ｂ：青用第２コンデンサーレンズ、８Ｒ：赤用液晶パネル、８Ｇ：緑用液晶パネル、８Ｂ：青用液晶パネル、９：クロスダイクロプリズム、１０：投射レンズ、１１：第３コンデンサーレンズ、１２：リレーレンズ、１３，１５，１６：負メニスカスレンズ、１４：平行平面板、Ｐ１：入射側偏光板、Ｐ２：射出側偏光板、ＤＭ１，ＤＭ２：ダイクロミラー、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３：反射ミラー。
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶プロジェクター等に用いられる照明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。
【０００２】
【従来の技術】
従来、投射型表示装置の照明装置としては、図１０に示すような、発光管１と放物面鏡１９を組み合わせたものが一般的であった。
図１０において、発光管１（光源）の発光部１ｃから発せられた白色光、放物面鏡１９によりほぼ平行光に変換され、第１レンズアレイ３により、前記発光管１の光源像を第２レンズアレイ４の各々のコマの中心に結像させている。前記第１レンズアレイ３と第２レンズアレイ４の焦点距離はほぼ等しく、第１レンズアレイ３と第２レンズアレイ４の間隔は第１レンズアレイ３の焦点距離とほぼ等しい間隔を隔てて配置されている。
【０００３】
第１レンズアレイ３で集光された光束は、偏光変換素子５の偏光分離層５Ｂにて、Ｐ波とＳ波に分離され、Ｓ波は反射され、さらに隣の偏光分離層５Ｂで反射されることにより、偏光変換素子５の射出側に簾状に配置されたλ／２位相差板５Ａの間から射出される。一方、Ｐ波は偏光分離層５Ｂを透過し、λ／２位相差板５Ａを通過することにより位相変換され、Ｓ波と偏光軸の方向を揃えている。これにより偏光変換素子５から射出される光束はすべて同一方向の偏光軸を有した偏光光となる。５Ｃは簾状の遮光板である。
【０００４】
偏光変換素子５から射出された光束は第１コンデンサーレンズ６により偏向され、ＲＧＢ各色別に変調される液晶パネルよりなる画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ上に重ね合わされる。第１コンデンサーレンズ６から射出された光束はダイクロミラーＤＭ１により赤色光が反射され、残りの緑色光と青色光は透過される。ダイクロミラーＤＭ１により反射された赤色光は反射ミラーＭ１および第２コンデンサーレンズ７Ｒを介して、赤用の画像変調装置の表示部８Ｒに導かれる。ダイクロミラーＤＭ１を透過した光はダイクロミラーＤＭ２により緑と青に分離される。緑色光はダイクロミラーＤＭ２で反射され、第２コンデンサーレンズ７Ｇを介して緑用の画像変調装置の表示部８Ｇに導かれる。ダイクロミラーＤＭ２を透過した青色光は第３コンデンサーレンズ１１により集光され、反射ミラーＭ２で反射され、リレーレンズ１２により反射ミラーＭ３および第２コンデンサーレンズ７Ｂを介して青用の画像変調装置の表示部８Ｂに導かれる。図中、Ｐ１は入射側偏光板、Ｐ２は射出側偏光板を示す。第２コンデンサーレンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂは、第１コンデンサーレンズ６から射出される光束を投射レンズ１０の入射瞳に集光させるためのものである。クロスダイクロプリズム９は、色合成を行なうために、画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂと投射レンズ１０の間に配置されている。投射レンズ１０は画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂに対してテレセントリックな設計となっており、クロスダイクロプリズム９のダイクロ膜面における入射角が、ダイクロ膜のどこでも一定になるように構成されており、ダイクロ膜の入射角変化による色ムラが生じない構成となっている。画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂで各々変調された光束はクロスダイクロプリズム９で色合成され、投射レンズ１０により不図示のスクリーンに拡大投影される。
【０００５】
また、さらに照明効率を改善させるために、楕円反射鏡と凹レンズ効果を光源側のレンズアレイにもたせた一対のレンズアレイを組み合わせた光源装置を用いた液晶プロジェクタが特開平１０−１３３１４１号公報において提案されている。この特開平１０−１３３１４１号公報の図１に開示された実施例は、光源と、楕円反射鏡と、入射側に凹レンズの効果をもつ凹面が形成されている第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイにより光源部が構成されており、従来と比較してレンズアレイの小型化を実現している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１０に示すような、一般的な液晶プロジェクターにおいて、照明効率を改善するためには、第１レンズアレイ３に入射する光束の平行度を良くして、偏光変換素子５の遮光板５Ｃでのケラレを少なくすることと、偏光変換素子５から射出される光束の大きさを小さくして、投射レンズ１０の入射瞳におけるケラレを小さくすることが重要である。
【０００７】
しかしながら、光源部に放物面鏡を用いている場合、放物面鏡から射出される光束の平行度を良くするには、放物面鏡の焦点距離を長くしなければならず、結果として反射鏡での光源から発せられる光の取り込み角度を一定に定めると、放物面鏡の焦点距離の拡大比だけ放物面鏡の射出径が大きくなってしまう。逆に、放物面鏡の射出径を小さくするには、放物面鏡の焦点距離を短くしなければならず、焦点距離を短くすると、放物面鏡から射出される光束の平行度が悪くなってしまう。
このように、光源部から射出される光の平行度と射出径はトレードオフの関係にあり、光源から発せられる光の取り込み角度を十分にとりながら、平行度が良く射出径の小さい光源部を実現することは、光源部に放物面鏡を用いている場合不可能であった。
【０００８】
このような理由から、前記公報に示された従来例では、光源部に楕円鏡と凹レンズ（負レンズ）を用いて照明効率の改善を試みている。しかし、凹レンズの形状の最適化が十分とはいえず、レンズアレイの小型化はある程度実現されているが、照明効率はあまり向上しないという問題点があった。
本発明は上述した問題点を解決するために、単一の負メニスカスレンズのみを用いて、照明装置及び投射型表示装置の照明効率を改善することを課題とする。
本発明のその他の課題は、光束径を小さくすることにより、レンズアレイや偏光変換素子およびダイクロミラーを小型化することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、光源と、前記光源から発せられた光を反射する回転楕円反射鏡と、複数のレンズより構成される第１レンズアレイと、複数のレンズより構成される第２レンズアレイと、前記光源側に凸の負メニスカスレンズとを有し、前記光源側から順に、前記負メニスカスレンズ、前記第１レンズアレイ、前記第２レンズアレイが配置され、前記光源からの光で被照明面を照明する照明装置であって、
前記回転楕円反射鏡によって反射された光を前記負メニスカスレンズのみにより平行光に変換し、前記第１レンズアレイに指向することにより被照明面を照明することと、
前記負メニスカスレンズの焦点距離をｆｆ、該負メニスカスレンズと前記回転楕円反射鏡の第２焦点との間隔をＬ、前記回転楕円反射鏡の第２焦点距離をｆ２とするとき、
０．５＜−ｆｆ／ｆ２＜０．８
０．５＜Ｌ／ｆ２＜０．８
を満足することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態において、前記反射鏡は回転楕円面であり、以下の条件式を満足することを特徴としている。
０．０３＜ｆ１／ｆ２＜０．０７ （１）
（ここで、ｆ１は楕円反射鏡の第１焦点距離、ｆ２は楕円反射鏡の第２焦点距離である）
条件式（１）は、本発明に好ましく用いられる楕円反射鏡の第１焦点距離ｆ１と第２焦点距離ｆ２の比について限定したもので、条件式（１）の下限値未満の領域では、第２焦点距離ｆ２が大きくなり過ぎるので第２レンズアレイ上での光源像が大型化してくる。
条件式（１）の上限値を超える領域では、ｆ２が短くなりすぎるため、負レンズが楕円反射鏡と干渉してしまうので良くない。
【００１２】
また、前記負レンズは負メニスカスレンズであり、以下の条件式を満足することを特徴としている。
０．５＜−ｆｆ／ｆ２＜０．８ （２）
０．５＜Ｌ／ｆ２＜０．８ （３）
（ここで、ｆｆは負メニスカスレンズの焦点距離、Ｌは負メニスカスレンズと楕円反射鏡の第２焦点との間隔である）
条件式（２）は、本発明に好ましく用いられる負メニスカスレンズの焦点距離ｆｆと楕円鏡の第２焦点距離ｆ２の比について限定したもので、条件式（２）の下限値未満の領域では、光源部の光束の射出径が小さくなるが、光束の平行度が悪くなり過ぎるので照明効率が低下してくる。条件式（２）の上限値を超える領域では、光源部の光束の射出径が大きくなり過ぎ投射レンズの入射瞳でのケラレが大きくなり照明効率が低下してくる。
【００１３】
条件式（３）は、本発明に好ましく用いられる負メニスカスレンズと楕円反射鏡の第２焦点との間隔Ｌと楕円反射鏡の第２焦点距離ｆ２の比について限定したもので、条件式（３）の下限値未満の領域では、光源部の光束の射出径が小さくなるが、光束の平行度が悪くなり過ぎるので照明効率が低下してくる。条件式（３）の上限値を超える領域では、光源部の光束の射出径が大きくなり過ぎ投射レンズの入射瞳でのケラレが大きくなり照明効率が低下してくる。
基本的に負メニスカスレンズは楕円反射鏡の第２焦点から負メニスカスレンズの焦点距離とほぼ等しい距離だけ離れて配置すれば、負メニスカスレンズから射出される光束は平行になる。
【００１４】
この負メニスカスレンズは、さらに以下の条件式を満足することが好ましい。
−４＜ＳＦ＜−１．５ （４）
但し、ＳＦ＝（Ｒ２＋Ｒ１）／（Ｒ２−Ｒ１）
（ここで、Ｒ１は負メニスカスレンズの光源側の曲率半径、Ｒ２は負メニスカスレンズの画像表示装置側の曲率半径である）
条件式（４）は本発明に好ましく用いられる負メニスカスレンズの形状について限定したもので、条件式（４）の下限値未満の領域では、第１レンズアレイ側のレンズ面の曲率半径が小さくなり過ぎ、レンズ周辺で全反射による光量損失が生じてくる。条件式（４）の上限値を超える領域では、負メニスカスレンズの屈折作用面の第１レンズアレイ側への湾曲量が小さくなり、光源部から射出される光束の射出径が大きくなってしまうので、投射レンズでのケラレが大きくなり照明効率が低下してくる。
【００１５】
さらに、前記負メニスカスレンズは少なくとも１面の非球面を含むことが好ましい。
【００１６】
【実施例】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
（第１実施例）
図１は本発明の第１実施例に係る投射型表示装置の光学断面図を示す。以下の説明において光源（発光管）の発光部の大きさは１．５ｍｍ程度と仮定している。
【００１７】
発光管１（光源）の発光部１ｃから発せられた白色光は、楕円反射鏡２におり不図示の第２焦点に向けて集光され、平行平面板１４を通過し、光源側に凸の負メニスカスレンズ１３によりほぼ平行な光束に変換される。この光束が第１レンズアレイ３に入射されることにより、前記発光管１の光源像が第２レンズアレイ４の各々のコマの中心に結像される。平行平面板１４は発光管の爆発時の安全を確保するために反射鏡２の前面に配置されている。前記第１レンズアレイ３と第２レンズアレイ４の焦点距離はほぼ等しく、第１レンズアレイ３と第２レンズアレイ４の間隔は第１レンズアレイ３の焦点距離とほぼ等しい間隔を隔てて配置されている。第１レンズアレイ３で集光された光束は、偏光変換素子５の偏光分離層５Ｂにて、Ｐ波とＳ波に分離され、Ｐ波は偏光分離層５Ｂを透過し、Ｓ波は反射され、Ｐ波はλ／２位相差板５Ａにより位相変換され、Ｓ波と偏光軸の方向を揃えている。これにより偏光変換素子５から射出される光束はすべて同一方向の偏光軸を有した偏光光となる。５Ｃは簾状の遮光板である。
ここで、上記第１レンズアレイ及び第２レンズアレイとしては、例えば少なくとも１つのフライアイレンズまたはレンチキュラーレンズを有するものが用いられる。
【００１８】
さらに、偏光変換素子５から射出された光束は第１コンデンサーレンズ６により偏向され、ＲＧＢ各色別に変調される液晶パネル（画像変調素子）よりなる画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ上に重ね合わされる。第１コンデンサーレンズ６から射出された光束はダイクロミラーＤＭ１により赤色光が反射され、残りの緑色光と青色光は透過される。ダイクロミラーＤＭ１により反射された赤色光は反射ミラーＭ１および第２コンデンサーレンズ７Ｒを介して、赤用の画像変調装置の表示部８Ｒに導かれる。ダイクロミラーＤＭ１を透過した光はダイクロミラーＤＭ２により緑と青に分離される。緑色光はダイクロミラーＤＭ２で反射され、第２コンデンサーレンズ７Ｇを介して緑用の画像変調装置の表示部８Ｇに導かれる。
【００１９】
ダイクロミラーＤＭ２を透過した青色光は第３コンデンサーレンズ１１により集光され、反射ミラーＭ２で反射され、リレーレンズ１２により反射ミラーＭ３および第２コンデンサーレンズ７Ｂを介して青用の画像変調装置の表示部８Ｂに導かれる。図中、Ｐ１は入射側偏光板、Ｐ２は射出側偏光板を示す。第２コンデンサーレンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂは、第１コンデンサーレンズから射出される光束を投射レンズ１０の入射瞳に集光させるためのものである。クロスダイクロプリズム９は、色合成を行なうために、画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂと投射レンズ１０の間に配置されている。投射レンズ１０は画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂに対してテレセントリックな設計となっており、クロスダイクロプリズム９のダイクロ膜面における入射角が、ダイクロ膜のどこでも一定になるように構成されており、ダイクロ膜の入射角変化による色ムラが生じない構成となっている。画像変調装置の表示部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂで各々変調された光束はクロスダイクロプリズム９で色合成され、投射レンズ１０により不図示のスクリーンに拡大投影される。
【００２０】
図１の実施例においては、光源部に楕円鏡と光源側に凸の負メニスカスレンズを組み合わせることにより、照明効率の改善を実現している。
次に、図２〜５を参照しながら、本実施例の照明装置が従来の照明装置に対し原理的にどのような点が改善されているかについて説明する。
【００２１】
まず、図２および図３を用いて楕円反射鏡が放物面鏡に対して照明効率が良い理由について述べる。
図２は、本実施例で用いられた反射鏡を示すもので、第１焦点から楕円の反射面と光軸との交点までの距離が１０ｍｍ、第２焦点から楕円の反射面と光軸との交点までの距離が２００ｍｍ、反射鏡の穴径がΦ１０ｍｍ、反射鏡の有口径がΦ８０ｍｍである楕円反射鏡の断面図と、第１焦点Ｆ１から発せられる光の反射鏡による取り込み角度を示す。
【００２２】
図３は、図１０に示すような従来例で用いられる反射鏡２の一例を示すもので、焦点距離７ｍｍ、反射鏡の穴径がΦ１０ｍｍ、反射鏡の有口径がΦ８０ｍｍの放物面反射鏡の断面図と、第１焦点Ｆ１Ｐから発せられる光の反射鏡による取り込み角度を示す。また、反射鏡の中心部と周辺部の実焦点距離の違いを示している。図３に示すように中心と周辺では実焦点距離が大きく異なる。この場合の実焦点距離とは任意の光路の焦点と反射点の距離を示している。図３の例では、実焦点距離が、中心（光軸）から５ｍｍ強の位置で８．１９ｍｍ、光軸から３３．７９ｍｍの位置で４７．７９ｍｍである。
【００２３】
図２と図３の比較により、同程度の大きさの反射鏡であれば、楕円反射鏡の方が、反射鏡の光の取り込み角度が大きいことがわかる。これは、焦点から反射面までの距離を楕円鏡の方が大きくできるので、反射鏡の穴が同じ大きさならば、穴によるケラレが楕円の方が小さくなるためである。実測値は、放物面反射鏡の取り込み角度１０２．１１１°に対し、楕円反射鏡の取り込み角度は１１２．０６２°であって、これにより、楕円反射鏡の方が、光の取り込み角度が約１０％増加することがわかる。
【００２４】
図４および図５は、楕円反射鏡と凹レンズを組み合わせた照明装置を構成する場合に、凹レンズを光源側に凸の負メニスカスにするとなぜ照明効率が改善されるのかについて説明を行なった原理説明図である。
【００２５】
図４では、第１焦点Ｆ１から楕円の反射面と光軸との交点までの距離が１０ｍｍ、第２焦点から楕円の反射面と光軸との交点までの距離が２００ｍｍ、反射鏡の穴径がΦ１０ｍｍ、反射鏡の有口径がΦ８０ｍｍの図２に示したものと同じ楕円反射鏡と、焦点距離が−１４０ｍｍの負レンズを組み合わせた照明光学系の光路図を示す。ここで屈折作用面とは、負メニスカスレンズの入射光線と射出光線の交点を結んだ面を意味する。例えば両凹レンズのように、屈折作用面Ｃが光軸に対し垂直である場合には、反射鏡の周辺の光束（ａ光路）の実焦点距離圧縮率１４０／１５２．６１＝０．９１７が、反射鏡の中心付近の光束（ｂ光路）の実焦点距離圧縮率１４０／１９８．２１＝０．７０６に比べて大きく、負レンズによる光束の圧縮が周辺ほど弱くなっている。これは、楕円鏡の周辺の実作用点が反射鏡の周辺にいくほど第２焦点Ｆ２側に大きく移動してしまい、負レンズの屈折作用面Ｃと接近してしまうことが原因である。このため、楕円と負レンズを用いているにもかかわらず、第１レンズアレイ側に４５度の角度で射出される光線の光軸からの距離は３４．３ｍｍと、図３に示した放物面鏡の第１レンズアレイ側に４５度の角度で射出される光線の光軸からの距離３３．７９ｍｍよりむしろ大きくなっている。ここで負レンズの位置を第２焦点Ｆ２側に移動し、負レンズの焦点距離を短くすれば、光束の射出径は小さくできるが、中心部の楕円鏡と負レンズの実合成焦点距離が図３に示した放物面鏡より短くなってしまうので、平行度が悪化してしまい前記偏光変換素子の遮光板でのケラレが増加してしまう。
【００２６】
これに対し、本実施例の原理図である図５に示すように、図１の実施例のように負レンズを第１焦点側（光源側）に凸の負メニスカスレンズで構成して、負レンズの屈折作用面ＣＣを第２焦点Ｆ２側に湾曲させるとともに周辺部の部分的実焦点距離を強めることにより、反射鏡の周辺の光束（ａａ光路）の実焦点距離圧縮率１２５．５７／１５２．６１＝０．８２３を、反射鏡の中心付近の光束（ｂ光路）の実焦点距離圧縮率１３９．５８／１９８．２１＝０．７０４にかなり近づけることができる。これにより負レンズによる楕円反射鏡周辺部の光束圧縮率を従来より高めることができ、結果として光源部から射出される光束径を小さくでき、照明効率を改善することができる。図５の負レンズの屈折作用面の曲率半径は４０ｍｍである。
【００２７】
本実施例では、楕円反射鏡と負レンズを組み合わせて光源部から射出される光束径を圧縮する場合に、負レンズの屈折作用面を楕円反射鏡の第２焦点側に湾曲させ、かつ周辺部の部分的実焦点距離を中心より短くすることにより楕円反射鏡の周辺部から射出される光束の圧縮率を従来例より高め、光源部から射出される光束径の小型化を実現し、投射レンズでの入射瞳でのケラレを少なくして、照明効率の改善を実現している。
【００２８】
図４および図５に示すように、楕円反射鏡の中心部の光路ｂとｂｂの実合成焦点距離ｆｂとｆｂｂは８．２０７ｍｍと８．１８３ｍｍでほとんど変わらないが、楕円反射鏡の周辺部の光路ａとａａの実合成焦点距離ｆａとｆａａはａ光路が４８．５１ｍｍ、ａａ光路が４３．５１ｍｍとａａ光路の方が短くなっている。このように、本実施例では中心部の実合成焦点距離はほとんど変えずに周辺部ほど実合成焦点距離を短くすることができる。
【００２９】
この結果、第１レンズアレイ側に４５度の角度で射出される光線の光軸からの距離を図４の３４．３ｍｍから図５の３０．７６ｍｍに圧縮することができた。
【００３０】
図５の本実施例の原理図では、図３の放物面鏡と比較して、光束の取り込み角度が約１０％増加し、光束の射出径が約１０％縮小しており、全体として大幅な照明効率の改善が実現できた。
【００３１】
（第２実施例）
図６は本発明の第２の実施例に係る投射型表示装置の光学断面図を示す。楕円鏡２を延長して、負レンズ１５を保持することにより、メカ部品点数の削減を実現するとともに、発光管の爆発時の安全性を確保している。負レンズ１５の形状および配置位置は第１実施例と異なり、負レンズの第１レンズアレイ３側のレンズ面の曲率半径をより小さくするとともに、非球面を用いて、負メニスカスレンズの第１レンズアレイ側のレンズ面で発生する球面収差を小さくし、照明効率のさらなる改善を実現している。なお非球面効果を反射鏡２側にもたせて非球面反射鏡とし、負メニスカスレンズを球面としても良い。また、負レンズ１５の表面には光量損失を防ぐための増透コートや、赤外および紫外光をカットするコートをつけることが光量アップや部品点数の削減の点から望ましい。
【００３２】
（第３実施例）
図７は本発明の第３の実施例に係る投射型表示装置の光学断面図を示す。負レンズ１６の画像変調装置側のレンズ面の曲率半径を第２実施例よりさらに小さくし、照明効率のさらなる改善を実現したものである。負レンズ１６にも第１レンズアレイ側のレンズ面に非球面を用いている。
【００３３】
（第４実施例）
図８は本発明の第４の実施例に係る投射型表示装置の光学断面図を示す。楕円反射鏡１７の第２焦点距離を実施例１、２および３より短くすることにより、小型化を実現している。また負レンズ１６を発光管の爆発時の安全を確保する保護ガラスとしての機能も兼ねさせている。負レンズ１６にも第１レンズアレイ側のレンズ面に非球面を用いている。
【００３４】
（第５実施例）
図９は本発明の第５の実施例に係る投射型表示装置の光学断面図を示す。楕円反射鏡１８の第２焦点距離を実施例１、２および３より長くすることにより、光源部からの射出径の縮小を図り、さらなる効率改善を実現している。本実施例は発光部の大きさが特に小さい場合に適している。
【００３５】
（数値実施例）
光源部の数値実施例を以下に示す。
Ｒ１：負レンズの光源側のレンズ面の曲率半径
Ｒ２：負レンズの画像変調装置側のレンズ面の曲率半径
Ｄ：負レンズの中心厚
Ｎ：負レンズのｄ線における屈折率
Ｋ：円錐定数
【００３６】
数値実施例１（図１の光源部に対応）
楕円鏡Ｆ１：１０ｍｍ、Ｆ２：２００ｍｍ
凹レンズＲ１：１３３．１５６ｍｍ、Ｒ２：４７．４２７ｍｍ、Ｄ：４ｍｍ、Ｎ：１．５１６３３
楕円鏡の反射面の頂点と凹レンズＲ１の間隔：７２ｍｍ（厚さ４ｍｍの板ガラス１４を含む、板ガラスの屈折率は１．５１６３３）
【００３７】
数値実施例２（図６の光源部に対応）
楕円鏡Ｆ１：１０ｍｍ、Ｆ２：２００ｍｍ
凹レンズＲ１：９５．２ｍｍ、Ｒ２：４０ｍｍ、Ｄ：２ｍｍ、Ｋ：Ｒ２非球面係数（Ｋ＝−０．５）、Ｎ：１．５１６３３
楕円鏡の反射面の頂点と凹レンズＲ１の間隔：７２ｍｍ
【００３８】
数値実施例３（図７の光源部に対応）
楕円鏡Ｆ１：１０ｍｍ、Ｆ２：２００ｍｍ
凹レンズＲ１：７１ｍｍ、Ｒ２：３５ｍｍ、Ｄ：２ｍｍ、Ｋ：Ｒ２非球面係数（Ｋ＝−０．５）、Ｎ：１．５１６３３
楕円鏡の反射面の頂点と凹レンズＲ１の間隔７２ｍｍ
【００３９】
数値実施例４（図８の光源部に対応）
楕円鏡Ｆ１：１０ｍｍ、Ｆ２：１８０ｍｍ
凹レンズＲ１：７１ｍｍ、Ｒ２：３５ｍｍ、Ｄ：２ｍｍ、Ｋ：Ｒ２非球面係数（Ｋ＝−０．５）、Ｎ：１．５１６３３
楕円鏡の反射面の頂点と凹レンズＲ１の間隔：５２ｍｍ
【００４０】
数値実施例５（図６の光源部に対応）
楕円鏡Ｆ１：１０ｍｍ、Ｆ２：２３０ｍｍ
凹レンズＲ１：９５．２ｍｍ、Ｒ２：４０ｍｍ、Ｄ：２ｍｍ、Ｋ：Ｒ２非球面係数（Ｋ＝−０．５）、Ｎ：１．５１６３３
楕円鏡の反射面の頂点と凹レンズＲ１の間隔：１００ｍｍ
【００４１】
各条件式の値は下記のとおりである。
【００４２】
【表１】
図１１に本発明数値実施例２の第２レンズアレイ面のスポットダイヤグラムを示す。図１２には比較として、図３（従来例）に示した放物面鏡を図１０の液晶プロジェクター（従来例）に組み込んだときの第２レンズアレイ面でのスポットダイヤグラムを示す。図中、４は第２レンズアレイ、５Ｃは偏光変換素子の遮光板を示す。図１２から分かるように、放物面鏡は周辺部ほど実焦点距離が長くなるので、周辺部ほどレンズアレイの一コマの大きさに対して第１レンズアレイの光源像の大きさが小さくなり余裕が生じてくるので、周辺部は第１レンズアレイの平行度が多少悪くなっても、偏光変換素子でのケラレは生じないことが理解できる。
本発明では、光源部の光学系の中心部の実合成焦点距離を短くせずに周辺部の実合成焦点距離のみを短くできるので、中心部の平行度を悪化させずに、光源部から射出する光束径を小さくすることができたのが、図１１と図１２の比較でよく理解できる。
図１１において、光束径が小さくなっているにもかかわらず、周辺部の光源像は遮光板５Ｃにほとんど当たらず照明効率が良好なことが理解できる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は単一の負メニスカスレンズのみで、照明装置及び投射型表示装置の照明効率の改善が実現できる。
本発明のその他の効果は、負メニスカスレンズから射出される光束径を小さくできるので、レンズアレイや偏光変換素子およびダイクロミラーの小型化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係る投射型表示装置の光学断面図である。
【図２】 本発明の実施例に使用される楕円鏡の光学断面図である。
【図３】 従来例の放物面鏡の断面図である。
【図４】 楕円鏡と両凹レンズとの組み合わせの構成原理図である。
【図５】 本発明の実施例に係る楕円鏡と負レンズの構成原理図である。
【図６】 本発明の第２実施例に係る投射型表示装置の光学断面図である。
【図７】 本発明の第３実施例に係る投射型表示装置の光学断面図である。
【図８】 本発明の第４実施例に係る投射型表示装置の光学断面図である。
【図９】 本発明の第５実施例に係る投射型表示装置の光学断面図である。
【図１０】 従来例の投射型表示装置の光学断面図である。
【図１１】 図６の装置の第２レンズアレイ面のスポットダイヤグラムである。
【図１２】 従来例の第２レンズアレイ面のスポットダイヤグラムである。
【符号の説明】
１：発光管、２，１７，１８：楕円反射鏡、３：第１レンズアレイ、４：第２レンズアレイ、５：偏光変換素子、５Ａ：λ／２位相差板、５Ｂ：偏光分離層、５Ｃ：遮光板、６：第１コンデンサーレンズ、７Ｒ：赤用第２コンデンサーレンズ、７Ｇ：緑用第２コンデンサーレンズ、７Ｂ：青用第２コンデンサーレンズ、８Ｒ：赤用液晶パネル、８Ｇ：緑用液晶パネル、８Ｂ：青用液晶パネル、９：クロスダイクロプリズム、１０：投射レンズ、１１：第３コンデンサーレンズ、１２：リレーレンズ、１３，１５，１６：負メニスカスレンズ、１４：平行平面板、Ｐ１：入射側偏光板、Ｐ２：射出側偏光板、ＤＭ１，ＤＭ２：ダイクロミラー、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３：反射ミラー。
Claims (8)
- 光源と、
前記光源から発せられた光を反射する回転楕円反射鏡と、
複数のレンズより構成される第１レンズアレイと、
複数のレンズより構成される第２レンズアレイと、
前記光源側に凸の負メニスカスレンズとを有し、
前記光源側から順に、前記負メニスカスレンズ、前記第１レンズアレイ、前記第２レンズアレイが配置され、
前記光源からの光で被照明面を照明する照明装置であって、
前記回転楕円反射鏡によって反射された光を前記負メニスカスレンズのみにより平行光に変換し、前記第１レンズアレイに指向することにより被照明面を照明することと、
前記負メニスカスレンズの焦点距離をｆｆ、該負メニスカスレンズと前記回転楕円反射鏡の第２焦点との間隔をＬ、前記回転楕円反射鏡の第２焦点距離をｆ２とするとき、
０．５＜−ｆｆ／ｆ２＜０．８
０．５＜Ｌ／ｆ２＜０．８
を満足することを特徴とする照明装置。 - 前記負メニスカスレンズの光源側の曲率半径をＲ１、該負メニスカスレンズの被照明面側の曲率半径をＲ２、ＳＦ＝（Ｒ２＋Ｒ１）／（Ｒ２−Ｒ１）とするとき、
−４＜ＳＦ＜−１．５
を満足することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。 - 前記回転楕円反射鏡の第１焦点距離及び第２焦点距離を、それぞれｆ１及びｆ２とするとき、
０．０３＜ｆ１／ｆ２＜０．０７
を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。 - 前記負メニスカスレンズが少なくとも１面の非球面を含むことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の照明装置。
- 前記第１及び第２レンズアレイは、少なくともフライアイレンズまたはレンチキュラーレンズを有することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の照明装置。
- 前記第２レンズアレイの被照明面側に偏光変換素子を有することを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の照明装置。
- 請求項１乃至６いずれかに記載の照明装置と、前記照明装置によって照明される画像変調素子とを有することを特徴とする投射型表示装置。
- 前記画像変調素子で変調された光束を拡大投影する投射レンズを備えることを特徴とする請求項７に記載の投射型表示装置。
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