JPH11271669A

JPH11271669A - 照明手段と当該手段を用いた照明光学装置及び投写型表示装置

Info

Publication number: JPH11271669A
Application number: JP10072169A
Authority: JP
Inventors: Yuusaku Shimaoka; 優策島岡; Yoshihiro Masumoto; 吉弘枡本; Yoshimasa Fushimi; 吉正伏見
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 1999-10-08

Abstract

(57)【要約】【課題】予め規定された領域を照明する照明手段と、
当該手段を含む照明光学装置において、安価に従来より
均一で明るくその領域を照明することを提供する。ま
た、当該照明光学装置を用いて、従来と比較して、より
明るく、より均一な明るさの投写画像を呈示できる投写
型表示装置を提供する。【解決手段】照明光学装置は、光源、少なくとも一部
を千鳥格子状に配列した第１レンズアレイ、少なくとも
一部のレンズの開口を略六角形とする第２レンズアレ
イ、を備え、第２レンズアレイの開口からはみ出す光源
の実像を少なくすることで、高い光利用効率を得る。ま
た、投写型表示装置は、当該照明光学装置と光変調素子
と投写レンズを備え、スクリーン上により均一で明るい
画像を投影する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として予め所定
の領域を照明するための照明手段と、当該手段を用いた
照明光学装置、当該照明光学装置及び空間光変調素子及
び投写レンズとを用いて大画面映像をスクリーン上に投
影する投写型表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、大画面用の映像機器として各種光
変調素子を用いた投写型表示装置が知られている。これ
らは、たとえば透過型や反射型の液晶パネルを光変調素
子とし、光源により光変調素子を照明すると共に、外部
から供給される映像信号に応じた光学像を光変調素子上
に形成し、投射レンズにより光学像をスクリーン上に拡
大投影するものである。

【０００３】（図１２）は、透過型の液晶パネルを用い
た投写型表示装置の基本的な構成の一例である。ランプ
９０１、凹面鏡９０２、UV―IRカットフィルタ９０３、
フィールドレンズ９０４、液晶パネル９０５、投写レン
ズ９０６、から構成される。

【０００４】ランプ９０１の放射する白色光は、凹面鏡
９０２により集光されて光軸９０７に沿って進行する光
束となり、フィールドレンズ９０４を経て、液晶パネル
９０５の表示領域を照明する。UV―IRカットフィルタ９
０３は、照明光から不要で有害な赤外光（ＩＲ）と紫外
光（ＵＶ）を取り除くために用いる。フィールドレンズ
９０４は、液晶パネル９０５を透過した光を、投写レン
ズ９０６の入射瞳に有効に導くために用いる。

【０００５】ランプ９０１には、色再現性と発光効率が
優れている点からメタルハライドランプが広く用いられ
る。ほかに、輝度の高い発光体を得られる点から、点灯
時の発光管内を超高圧にした水銀灯やキセノンランプが
用いられる。

【０００６】ランプから放射される光は、集光率を高く
できる点から、主に放物面鏡や楕円面鏡といった立体角
の大きい凹面鏡を用いて集光される。従って、（図１
２）に示すランプと凹面鏡を組み合わせた照明光学装置
は、この用途において一般的である。ただし、この照明
光学装置は集光率を高くできる反面、受光面における照
明むらが大きいという欠点がある。

【０００７】これに対し、２枚のレンズアレイを組み合
わせたインテグレータと呼ばれる光学素子を付加し、照
明光の均一性を改善した照明光学装置が提案されてい
る。

【０００８】例えば、特開平３−１１１８０６号公報に
開示される構成は、同一の矩形の開口を有する複数のレ
ンズを二次元状に配列してなる２枚のレンズアレイを組
み合わせている。この構成は、レンズアレイの構成が単
純で、レンズアレイを成形しやすい、コストが安い、と
いう利点がある反面、第２レンズアレイの開口上に収斂
される部分光束の一部が矩形の開口からはみ出すと、そ
の光が損失となり有効に利用できないという問題があ
る。これは、光源に用いる発光体の大きさが大きくなる
ほど、より大きな問題となる。

【０００９】照明光学系において光損失が発生すると、
投写画像が暗い、明るくするためには消費電力の大きい
ランプを用いる必要があり、発熱が大きくなる、セット
が大きくなる、といった問題を生じる。

【００１０】これに対し、特開平５−３４６５５７号公
報に開示される構成は、開口を適切に異ならせた複数の
レンズを組み合わせたレンズアレイを用いている。これ
は、開口からはみ出して損失となる光を低減させ、効率
の高い照明を実現できる利点がある。反面、このような
レンズアレイは、レンズアレイの構成が複雑で成形がし
にくい、成型用の型が複雑でコストが高い、レンズアレ
イが高い、レンズアレイを小さくすると成形が困難、と
いった問題がある。この結果、コストが高く量産性の低
い投写型表示装置になる、投写型表示装置に用いる光学
系の小型化が困難、といった問題を生じる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】光変調素子を照明する
手段と、照明する光学装置には、光損失を低減して光利
用効率を高くする、明るさむらや色むらの少ない均一性
の高い照明を実現する、作りやすく安価な部品を用い
て、高い量産性と安いコストを実現する、という課題が
ある。

【００１２】特に、明るさの均一性を改善する方法とし
て知られるレンズアレイを用いた照明光学装置において
は、レンズアレイのレンズの開口をはみ出して通過する
光成分が発生しやすく、光利用効率が低下するといった
問題がある。光損失を改善するために、レンズアレイの
開口形状を複雑にすると、レンズアレイが成形しにく
い、量産しにくい、コストが高い、レンズアレイの小型
化が困難、といった課題がある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の照明手段は、予め規定された領域を照明す
る手段であって、光源と、複数の第１レンズを配列して
なる第１レンズアレイと、複数の第２レンズを配列して
なる第２レンズアレイとを備え、第１レンズアレイは光
源から出射する光束を分割して複数の部分光束を形成
し、第１レンズの各々は対応する部分光束の各々を対応
する第２レンズの開口上に収斂せしめ、第２レンズの各
々は対応する第１レンズの各開口と規定領域を略共役と
せしめ、第１レンズアレイによって分割された各部分光
束の断面を規定領域に重畳形態で導いて照明し、複数の
第１レンズの少なくとも一部は千鳥格子状に配列し、複
数の第２レンズの少なくとも一部はその開口を略六角形
状とするとよい。

【００１４】上記問題点を解決するために本発明の照明
光学装置は、予め規定された領域を照明する光学装置で
あって、光源と、複数の第１レンズを配列してなる第１
レンズアレイと、複数の第２レンズを配列してなる第２
レンズアレイとを備え、第１レンズアレイは光源から出
射する光束を分割して複数の部分光束を形成し、第１レ
ンズの各々は対応する部分光束の各々を対応する第２レ
ンズの開口上に収斂せしめ、第２レンズの各々は対応す
る第１レンズの各開口と照明される規定領域を略共役と
せしめ、第１レンズアレイによって分割された各部分光
束の断面を規定領域に重畳形態で導いて照明し、複数の
第１レンズの少なくとも一部は千鳥格子状に配列し、複
数の第２レンズの少なくとも一部はその開口を略六角形
状とするとよい。

【００１５】上記問題点を解決するために本発明の投写
型表示装置は、光源と、複数の第１レンズを配列してな
る第１レンズアレイと、複数の第２レンズを配列してな
る第２レンズアレイと、空間的に光を変調して光学像を
形成する光変調素子と、光学像をスクリーン上に投影す
る投写レンズとを備え、第１レンズアレイは光源から出
射する光束を分割して複数の部分光束を形成し、第１レ
ンズの各々は対応する部分光束の各々を対応する第２レ
ンズの開口上に収斂せしめ、第２レンズの各々は対応す
る第１レンズの各開口と光変調素子の表示領域を略共役
とせしめ、第１レンズアレイによって分割された各部分
光束の断面を表示領域に重畳形態で導いて照明し、複数
の第１レンズの少なくとも一部は千鳥格子状に配列し、
複数の第２レンズの少なくとも一部はそのレンズの開口
を略六角形状とするとよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の照明手段と当該手
段を用いた照明光学装置、投写型表示装置、について、
図面を参照しながら、具体的な実施の形態を述べる。

【００１７】（照明手段と照明光学装置の実施の形態）
（図１）は、本発明の照明手段と照明光学装置の実施す
べき構成の一例を示す。ランプ１０１、放物面鏡１０
２、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ１０３、第１レンズアレ
イ１０４、第２レンズアレイ１０５、補助レンズ１２
１、受光面１０８、から構成される。第１レンズアレイ
１０４は、複数の第１レンズ１０９を二次元状に配列し
たもので、その構成の一例を（図２）に示す。また、第
２レンズアレイ１０５は、複数の第２レンズ１１０を二
次元状に配列したもので、その構成の一例を（図３）に
示す。

【００１８】（図２）は、照明すべき規定領域と相似の
開口形状を有する第１レンズ１０９を、３０個配列した
場合について示している。３０個の第１レンズ１０９
は、すべて同じ開口形状であり、これらを千鳥格子状に
配列したことを特徴とする。千鳥格子状とは、例えば、
矩形の開口の高さ方向に配列した第１レンズについて、
互いに水平方向の開口長の１／２ずつ水平方向にずらし
て配列している状態を示す。これは、垂直方向に開口長
の１／２ずつをずらして配列しても同様である。

【００１９】また、（図２）に示す第１レンズアレイ１
０４に対応させて構成した、第２レンズアレイ１０５の
構成を（図３）に示す。各々が六角形の開口形状を有す
る３０個の第２レンズ１１０を、二次元に配列して構成
している。（図２）の第１レンズ１０９の重心１０９Ａ
と、（図３）の第２レンズ１１０の重心１１０Ａは、対
応するレンズの対について同じ位置である。

【００２０】（図４）を参照し、（図１）に示す照明光
学装置の作用を述べる。ランプ１０１の形成する発光体
１０６から放射される光は、放物面鏡１０２により集光
されて光軸１０７に沿っておよそ平行に進行する光束と
なる。これを１１１で示す。単一光束１１１は、第１レ
ンズアレイ１０４により複数の部分光束に分割される。
第１レンズ１０９の各々の焦点距離は、焦点が対応する
第２レンズ１１０の重心１１０Ａとおよそ一致するよう
に選ばれ、第１レンズ１０９に入射した各部分光束は、
対応する第２レンズ１１０の開口上に収斂する。この結
果、第２レンズアレイ１０５の開口上には、第１レンズ
１０９の個数に見合った発光体１０６の複数の実像が形
成される。

【００２１】複数の第２レンズ１１０の各々は、これを
通過する光束を拡大させ、受光面１０８上に導く。受光
面１０８と第１レンズ１０９の開口の各々は、第２レン
ズ１１０の各々と補助レンズ１２１によって互いに共役
の関係となる。従って、第１レンズ１０９の開口形状を
受光面の形状と相似とすれば、受光面の形状に見合った
断面の光束を導くことができる。補助レンズ１２１を付
加することで、第２レンズアレイ１０５から出射する複
数の部分光束は、重畳形態で受光面上に導かれる。もし
くは、補助レンズ１２１を用いずに、第２レンズ１１０
の各々を適切に偏心させても、各部分光束を受光面状に
重畳できる。

【００２２】本発明の照明手段と照明光学装置は、（図
２）に示した構成の第１レンズアレイ１０４、（図３）
に示した構成の第２レンズアレイ１０５を用いること
で、以下に述べる作用と効果を得る。

【００２３】まず、従来の照明光学装置における問題を
述べる。従来の投写型表示装置に照明光学装置を用いた
場合、照明すべき規定領域に、例えば、光変調素子とし
て一般的に用いられる液晶パネルを用いたとき、その液
晶パネルと相似の垂直方向に対して水平方向が長い矩形
の開口形状を有する第１レンズを配列する。また、第２
レンズは第１レンズアレイの各レンズの重心と一致させ
るために、第１レンズと同形状、同配列であることが一
般的である。

【００２４】この場合、（図５）の従来の第２レンズア
レイ１５１上には、レンズアレイの中心１５２から放射
状に、複数の発光体の実像１５３が形成されるため、水
平方向には比較的十分な開口が提供されたとしても、垂
直方向には、十分な開口が提供されない。開口からはみ
出した実像の一部は、そこを通過する光について損失と
なって利用されない。

【００２５】（図５）は、アスペクト比が４：３の表示
領域を照明する場合について述べたが、アスペクト比が
１６：９のワイド画像に対応した表示領域を照明する場
合には、より顕著な問題となる。

【００２６】これに対し、本発明の第２レンズアレイ１
５４上には、（図６）に示すように発光体の実像が形成
される。第１レンズアレイを千鳥格子状に配列し、第２
レンズアレイ１５４の各レンズの開口形状を略六角形と
するので、放射状に形成される発光体の実像に対し、各
レンズの第２レンズアレイ内での位置に関わらず、従来
の構成と比較して、より最適な開口の形状を提供でき
る。水平方向、垂直方向、斜め方向、に拡がった各々の
発光体の実像に対し、六角形の開口形状は、いずれにも
同程度に十分な開口を提供できる。また、このように六
角形の開口形状の第２レンズをアレイ状に、稠密させて
組み合わせるには、第１レンズアレイを千鳥格子状に配
列することが必要である。

【００２７】上記構成により、本発明の照明光学装置
は、従来の構成と比較し、第２レンズの開口を通過せず
に、損失となる光を抑制できる。これにより、光利用効
率の高い照明光学装置を実現できるので、大きな効果を
得る。

【００２８】（投写型表示装置の実施の形態）（図７）
は、本発明の投写型表示装置の実施すべき構成の一例を
示す。（図７）に示すように、上記照明光学装置２０４
と、フィールドレンズ２０１、液晶パネル２０２、投写
レンズ２０３を用いて、投写型表示装置を構成する。

【００２９】この場合、本発明の照明光学装置２０４に
より、受光部である液晶パネル２０２は、従来の照明光
学装置と比較して、より均一に、より高い光利用効率
で、より明るく照明される。これにより、従来と比較し
て、より明るく、より均一な明るさの投写画像を呈示で
きる。投写型表示装置の光利用効率が高ければ、同じ明
るさを得るには、より消費電力の小さいランプを利用で
きる。ランプの電力が小さければ、セットにおける発熱
が少なく、より小型の投写器を実現できる。

【００３０】（その他の実施の形態）上記した本発明の
照明手段と、当該手段を用いた照明光学装置、投写型表
示装置、におけるレンズアレイの構成についてのその他
の実施例を示す。

【００３１】（図８）は、レンズアレイのレンズ数を、
第１レンズアレイ、第２レンズアレイ共に１４とした場
合の一例を、第１レンズアレイ３０１を（図８ａ）に、
第２レンズアレイ３０２（図８ｂ）に示す。このとき、
第１レンズ３０３、第２レンズ３０４において、上記本
発明の構成に従って、第１レンズは千鳥格子状に配列
し、第２レンズの開口は略六角形状である。

【００３２】レンズアレイのレンズ数を少なくすると、
レンズ数が多い場合と比較して、レンズアレイの構成が
単純で、レンズアレイを成形しやすい、コストが安い、
という利点がある。反面、レンズ数が多い場合と比較し
て、一般に、明るさの均一性の程度が低下し、光利用効
率も低くなる。これに対し、種々の設計事例を検討した
結果、少なくともレンズ数が１４個以上あれば、第２レ
ンズの開口からはみ出して損失となる光を低減させると
共に、光利用効率が高く、充分に明るさの均一性の高い
照明を実現できることがわかった。

【００３３】（図９）は、レンズ数を５０個とした場合
の、第１レンズアレイ３１１、第２レンズアレイ３１
２、の構成の一例である。同じく、（図１０）は、、レ
ンズ数を５９個とした場合の第１レンズアレイ３２１、
第２レンズアレイ３２２、の構成の一例である。

【００３４】（図９）及び（図１０）に述べた構成のレ
ンズアレイを用いれば、レンズ数が十分に大きいので極
めて明るさの均一性の高い照明を実現できる。同時に、
第２レンズの開口を六角形とすることで、開口からはみ
出して損失となる光を大幅に低減させ、極めて効率の高
い照明を実現できる。更に、本発明の構成のレンズアレ
イは、レンズの開口が全て同じで配列が規則的なので、
レンズ数が多いにも関わらずレンズアレイの構成が比較
的単純であり、成形しやすい。従って、あまりコストを
高くすることなく、性能の優れた照明光学装置、投写型
表示装置を構成できる。

【００３５】（図１１）は、レンズ数を１０８個とした
場合の、第１レンズアレイ３３１、第２レンズアレイ３
３２、の構成の一例を示す。この場合、光利用効率、明
るさの均一性、ともに極めて良好な照明光学装置を形成
できる。また、このようにレンズ数が多い場合であって
も、本発明の構成に従ったレンズアレイは、規則的な手
順に従って成型用金型を成形できるので、実用的なコス
トでレンズアレイを生産できる利点がある。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明の照明手段ないし照
明光学装置は、従来のレンズアレイを用いた光学系の構
成を大きく変更することなく、第１レンズアレイ、第２
レンズアレイを適切な形状に変更することによって、光
学系全体の光利用効率を高くすることができる。

【００３７】従って、本発明の照明手段ないし、照明光
学装置を用いて投写型表示装置を構成すれば、従来の光
学系の構成をあまり変更せず、光利用効率が高く、光量
の低下が少ない、光学系を提供できる。これにより、明
るさの均一性が高く、明るい投写画像をスクリーン上に
呈示できるので、極めて大きな効果を得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の照明光学装置の一実施の形態を示す略
構成図

【図２】第１レンズアレイの構成の一例を示す略構成図

【図３】第２レンズアレイの構成の一例を示す略構成図

【図４】本発明の照明光学装置の作用を説明する略模式
図

【図５】従来のレンズアレイの効果を説明する略模式図

【図６】本発明のレンズアレイの一例の効果を説明する
略模式図

【図７】本発明の投写型表示装置の一実施の形態を示す
略構成図

【図８】第１レンズアレイ第２レンズアレイの構成の一
例を示す略構成図

【図９】第１レンズアレイ第２レンズアレイの構成の一
例を示す略構成図

【図１０】第１レンズアレイ第２レンズアレイの構成の
一例を示す略構成図

【図１１】第１レンズアレイ第２レンズアレイの構成の
一例を示す略構成図

【図１２】従来の投写型表示装置の一実施の形態を示す
略構成図

【符号の説明】

１０１ランプ１０２放物面鏡１０３ＵＶ−ＩＲカットフィルタ１０４，３０１，３１１，３２１，３３１本発明の第
１レンズアレイの一例１０５，３０２，３１２，３２２，３３２本発明の第
２レンズアレイの一例１０６発光体１０８受光面１０９，１０９Ａ，３０３，３１３，３２３，３３３
本発明の第１レンズの一例１１０，１１０Ａ，３０４，３１４，３２４，３３４
本発明の第２レンズの一例１２１補助レンズ１５１従来の第２レンズアレイの一例１５２レンズアレイの中心１５３発光体の実像１５４本発明の第２レンズアレイの一例２０１フィールドレンズ２０２液晶パネル２０３投写レンズ２０４本発明の照明光学装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】予め規定された領域を照明する照明手段
であって、光源と、複数の第１レンズを配列してなる第
１レンズアレイと、複数の第２レンズを配列してなる第
２レンズアレイとを備え、前記第１レンズアレイは前記
光源から出射する光束を分割して複数の部分光束を形成
し、前記第１レンズの各々は対応する前記部分光束の各
々を対応する前記第２レンズの開口上に収斂せしめ、前
記第２レンズの各々は対応する前記第１レンズの各開口
と照明される前記規定領域を略共役とせしめ、前記第１
レンズアレイによって分割された各部分光束の断面を前
記規定領域に重畳形態で導いて照明し、前記複数の第１
レンズの少なくとも一部は千鳥格子状に配列し、前記複
数の第２レンズの少なくとも一部はその開口を略六角形
状とすることを特徴とする照明手段。
【請求項２】予め規定された領域を照明する照明光学
装置であって、光源と、複数の第１レンズを配列してな
る第１レンズアレイと、複数の第２レンズを配列してな
る第２レンズアレイとを備え、前記第１レンズアレイは
前記光源から出射する光束を分割して複数の部分光束を
形成し、前記第１レンズの各々は対応する前記部分光束
の各々を対応する前記第２レンズの開口上に収斂せし
め、前記第２レンズの各々は対応する前記第１レンズの
各開口と照明される前記規定領域を略共役とせしめ、前
記第１レンズアレイによって分割された各部分光束の断
面を前記規定領域に重畳形態で導いて照明し、前記複数
の第１レンズの少なくとも一部は千鳥格子状に配列し、
前記複数の第２レンズの少なくとも一部はその開口を略
六角形状とすることを特徴とする照明光学装置。
【請求項３】光源と、複数の第１レンズを配列してな
る第１レンズアレイと、複数の第２レンズを配列してな
る第２レンズアレイと、空間的に光を変調して光学像を
形成する光変調素子と、前記光学像をスクリーン上に投
影する投写レンズとを備え、前記第１レンズアレイは前
記光源から出射する光束を分割して複数の部分光束を形
成し、前記第１レンズの各々は対応する前記部分光束の
各々を対応する前記第２レンズの開口上に収斂せしめ、
前記第２レンズの各々は対応する前記第１レンズの各開
口と前記光変調素子の表示領域を略共役とせしめ、前記
第１レンズアレイによって分割された各部分光束の断面
を前記表示領域に重畳形態で導いて照明し、前記複数の
第１レンズの少なくとも一部は千鳥格子状に配列し、前
記複数の第２レンズの少なくとも一部はそのレンズの開
口を略六角形状とすることを特徴とする投写型表示装
置。