JP5143218B2 - 照明装置及びそれを有した投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置及びそれを有した投影装置に関し、特にコンパクトかつ、均一性が高い照明を実現することができる、例えば３板式のカラー液晶プロジェクターに好適なものである。

近年、液晶プロジェクターの分野での照明装置は高輝度及び画面照度の均一性の向上のために光路中にフライアイレンズやロッドタイプのインテグレーターを用いた照明系を用いており、これの一つが例えば特開平７−９８４７９号公報等で提案されている。

図１０は従来の３板式のカラー液晶プロジェクターの照明系の要部断面図である。図１０中ＤＭ１は赤透過ダイクロイックミラーを示す。ＤＭ２は青透過ダイクロイックミラーを示す。Ｇ１、Ｇ２及びＧ３はレンズであり、３枚のレンズで青光路リレーレンズ群７６Ｂを構成している。ＲＬＣＤは赤専用の、ＧＬＣＤは緑専用の、ＢＬＣＤは青専用の、液晶表示ｄｅｖｉｃｅをそれぞれあらわす。

光源７１からの光束は、リフレクター７２で反射され、リフレクター７２から平行な光束として射出され、第１レンズアレイ７３に入射して第１レンズアレイ７３により複数の光束に分割され、この枚数の光束が第２レンズアレイ上に複数の２次光源像（光源７１の像のこと）を形成する。第２レンズアレイ７４上に形成された各２次光源像からの光束をＰＢＳ素子７５により偏光変換した後、コンデンサーレンズ７６、３色分解系（ＤＭ１・ＤＭ２）及び液晶表示装置（ＲＬＣＤ、ＧＬＣＤ、ＢＬＣＤ）直前のフィールドレンズ７６Ｒ、７６Ｇ、リレーレンズ群７６Ｂを通して第１レンズアレイ７３を構成している各ユニットレンズ光入射面や主点面と液晶表示装置との間に光学的共役関係（つまり、ユニットレンズのこの面の像が表示デバイス上に形成される）を保ち、液晶表示装置の形状にマッチした矩形形状の重畳照明を実現している。

図１０では、レンズアレイ（７３、７４）による照明系を紹介したが、ロッドインテグレーターを用いた照明系も考案されている。つまり、光源７１からの光束をロッドの光入射面に光源像を作るように集光束としてロッドに入射させ、ロッドインテグレーター側面での全反射と後段のレンズ群により、この光入射面に結像された光源像から複数の２次光源像（光源の像のこと）を形成する。その後、前記２次光源像のそれぞれからの光束をＰＢＳ素子により偏光変換した後、コンデンサーレンズ７６、３色分解系（ＤＭ１・ＤＭ２）及び液晶表示装置直前のフィールドレンズやリレーレンズ群を通してロッドインテグレーターの光射出面と液晶表示装置との間に前述の光学的共役関係を保ち、液晶表示装置の形状にマッチした矩形形状の重畳照明を実現している。

この上記２タイプの照明系に関して、色合成系にクロスダイクロイックプリズム７８を使用する場合に関しては、スクリーン面との共役面（光学的共役関係すなわち結像関係にある面）である３色の液晶表示装置面はクロスダイクロイックプリズムを挟んで投射レンズ７７からそのバックフォーカス分だけ隔てて、略同じ距離に配置しなければならない。このとき、それぞれ波長域が異なるＲ、Ｇ、Ｂ３つの色光束路のうち１つだけを図１０のように他の２つの光路に対して延長し、３枚のリレーレンズＧ１、Ｇ２、Ｇ３を用いて、第１レンズアレイ７３の共役面またはロッドインテグレーター射出面を液晶表示装置上に結像している。これにより、他色の２光路と同等の照明効果を実現している。

しかしながら、図１０に示すリレーレンズ群７６ＢのレンズＧ１、Ｇ２、Ｇ３は全て正のレンズにて構成されているため、第１レンズアレイ７３の共役面の像（結像面）は湾曲してしまう。

また、近年液晶プロジェクターの軽量化・縮小化が進むにつれ、特に前記リレーレンズ群の各レンズの屈折力を大きくしなければならず、この像面湾曲が大きくなる傾向があった。

像面が湾曲すると、図１１に示すように、特に液晶表示デバイス上の照明エリアの周辺（４隅）のみ像がぼけることにより照度むらが発生し、３色合成後にスクリーン上に投影した画像の色むらになり好ましくない。

本発明の目的は、照明エリアに照度むらが生じないか生じても問題にならない位小さな照明装置と撮影装置を提供することにある。

本願発明の照明装置は、光源からの光で複数個の２次光源を形成する第１の光学系と、前記複数個の２次光源からの複数の光束により被照明面を照明する第２の光学系とを有する照明装置であって、前記照明装置が、前記第１の光学系と前記第２の光学系との間に配置され、前記複数個の２次光源からの複数の光束を直線偏光光に変換して前記第２の光学系に導く偏光変換素子を備えており、前記第１の光学系は、第１レンズアレイと、該第１レンズアレイよりも前記被照明面側に配置された第２レンズアレイを含んでおり、前記第２の光学系は、前記第１レンズアレイの光入射面を像面が湾曲するように前記被照明面に結像させており、前記被照明面が前記湾曲した像面の近軸像面より前記光源側に位置し、且つ前記湾曲した像面の周辺像面が前記近軸像面よりも前記光源側に位置するように、前記第２の光学系が構成されていることを特徴としている。なお、本願で「面」とは、ある物体の表面（又は物体の表面を通り光学系の光軸に垂直な平面）、実態の無い面の少なくとも一つを意味する。

本願発明の別側面の照明装置は、光源からの光で複数個の２次光源を形成する第１の光学系と、前記光源側から順に、コンデンサーレンズと、前記第１の光学系からの光束を互いに波長域が異なる３つの光束に分解する色分解系と、フィールドレンズとを含む第２の光学系とを備え、前記複数個の２次光源から発する複数の光束を用いて前記３つの光束に対応する３つの被照明面を重畳照明する照明装置であって、前記照明装置が、前記第１の光学系と前記第２の光学系との間に配置され、前記複数個の２次光源からの複数の光束を直線偏光光に変換して前記第２の光学系に導く偏光変換素子を備えており、前記第１の光学系は、第１レンズアレイと、該第１レンズアレイよりも前記被照明面側に配置された第２レンズアレイを含んでおり、前記第２の光学系は、前記３つの光束のうちの１つの光束の光路上において、前記コンデンサーレンズと前記フィールドレンズとの間に配置されたリレーレンズ系を含んでおり、前記第２の光学系は、前記リレーレンズ系が配置された光路上において、前記第１レンズアレイの光入射面を像面が湾曲するように前記被照明面に結像させており、前記リレーレンズ系が配置された光路上において、前記被照明面が前記湾曲した像面の近軸像面より前記光源側に位置し、且つ前記湾曲した像面の周辺像面が前記近軸像面よりも前記光源側に位置するように、前記第２の光学系が構成されていることを特徴としている。

本願発明は更に、前記第２の光学系がダイクロイックミラーを備えており、前記偏光変換素子から出射する直線偏光光は、前記ダイクロイックミラーに対してＳ偏光であることを特徴としている。

本願発明は更に、前記３つの光束が赤、緑、青色光であって、該照明装置が、赤、緑、青色光のそれぞれの光路上の前記第２の光学系と前記被照明面との間に配置された赤、緑、青のトリミングフィルターを備えることを特徴としている。

本願発明は更に、前記リレーレンズ系の内最も前記光源側に配置された第１レンズ群から被照明面までの距離をＯＡＬ及び前記被照明面の長手断面の長さをＬとしたとき、
５．０＜ＯＡＬ／Ｌ＜６．０
を満足することを特徴としている。

前記リレーレンズ系は非球面レンズを少なくとも一枚有することを特徴としている。

本願発明は更に、前記リレーレンズ系が、第１レンズと第２レンズとを含んでおり、前記第１レンズが、前記複数個の２次光源像の像を前記第２レンズの位置に結んでいることを特徴としている。

本願発明は更に、前記第２レンズの前記被照明面側の面が非球面であることを特徴としている。

本願発明は更に、前記リレーレンズ系の最終レンズ面から前記被照明面までの空気換算距離をＩＭＤ、及び被照明面の長手断面の長さをＬとしたとき、
ＩＭＤ／Ｌ＞０．３
を満足することを特徴としている。

本願発明は更に、前記被照明面に対して前記光源の像の位置は無限遠方にあることを特徴としている。

本願発明は更に、前記リレーレンズ系は前記光源側から順に第１レンズ群Ｇ１、前記第１レンズ群Ｇ１から大きな空気間隔を経て第２レンズ群Ｇ２、そして第３レンズ群Ｇ３であり、該第１レンズ群Ｇ１及び第３レンズ群Ｇ３の屈折力をそれぞれＰＷ１及びＰＷ３としたとき
０．９＜ＰＷ１／ＰＷ３＜１．３
を満足することを特徴としている。

本願発明は更に、前記リレー光学系が配置されている光路が、前記３つの光束のうちの青色光の光路であることを特徴としている。

本願発明の別側面の照明装置は、光源からの光で複数個の２次光源を形成する第１の光学系と、前記複数個の２次光源からの複数の光束により被照明面を照明する第２の光学系とを有する照明装置であって、前記第１の光学系は、ロッドインテグレーターを含んでおり、前記第２の光学系は、前記ロッドインテグレーターの光射出面を像面が湾曲するように前記被照明面に結像させており、前記被照明面が前記湾曲した像面の近軸像面より前記光源側に位置し、且つ前記湾曲した像面の周辺像面が前記近軸像面よりも前記光源側に位置するように、前記第２の光学系が構成されていることを特徴としている。

本願発明の別側面の照明装置は、光源からの光で複数個の２次光源を形成する第１の光学系と、前記光源側から順に、コンデンサーレンズと、前記第１の光学系からの光束を互いに波長域が異なる３つの光束に分解する色分解系と、フィールドレンズとを含む第２の光学系とを備え、前記複数個の２次光源から発する複数の光束を用いて前記３つの光束に対応する３つの被照明面を重畳照明する照明装置であって、前記第１の光学系は、ロッドインテグレーターを含んでおり、前記第２の光学系は、前記３つの光束のうちの１つの光束の光路上において、前記コンデンサーレンズと前記フィールドレンズとの間に配置されたリレーレンズ系を含んでおり、前記第２の光学系は、前記リレーレンズ系が配置された光路上において、前記ロッドインテグレーターの光射出面を像面が湾曲するように前記被照明面に結像させており、前記リレーレンズ系が配置された光路上において、前記被照明面が前記湾曲した像面の近軸像面より前記光源側に位置し、且つ前記湾曲した像面の周辺像面が前記近軸像面よりも前記光源側に位置するように、前記第２の光学系が構成されていることを特徴としている。

本願発明は更に、前記第２の光学系がダイクロイックミラーを備えており、前記偏光変換素子から出射する直線偏光光は、前記ダイクロイックミラーに対してＳ偏光であることを特徴としている。

本願発明は更に、前記３つの光束が赤、緑、青色光であって、該照明装置が、赤、緑、青色光のそれぞれの光路上の前記第２の光学系と前記被照明面との間に配置された赤、緑、青のトリミングフィルターを備えることを特徴としている。

本願発明は更に、前記リレーレンズ系の内最も前記光源側に配置された第１レンズ群から被照明面までの距離をＯＡＬ及び前記被照明面の長手断面の長さをＬとしたとき、
５．０＜ＯＡＬ／Ｌ＜６．０
を満足することを特徴としている。

前記リレーレンズ系は非球面レンズを少なくとも一枚有することを特徴としている。

本願発明は、更に、前記リレーレンズ系が、第１レンズと第２レンズとを含んでおり、前記第１レンズが、前記複数個の２次光源像の像を前記第２レンズの位置に結んでいることを特徴としている。

本願発明は、更に、前記第２レンズの前記被照明面側の面が非球面であることを特徴としている。

前記リレーレンズ系の最終レンズ面から前記被照明面までの空気換算距離をＩＭＤ、及び被照明面の長手断面の長さをＬとしたとき、
ＩＭＤ／Ｌ＞０．３
を満足することを特徴としている。

前記被照明面に対して前記光源の像の位置は無限遠方にあることを特徴としている。

前記リレーレンズ系は前記光源側から順に第１レンズ群Ｇ１、前記第１レンズ群Ｇ１から大きな空気間隔を経て第２レンズ群Ｇ２、そして第３レンズ群Ｇ３であり、該第１レンズ群Ｇ１及び第３レンズ群Ｇ３の屈折力をそれぞれＰＷ１及びＰＷ３としたとき
０．９＜ＰＷ１／ＰＷ３＜１．３
を満足することを特徴としている。

本願発明は更に、前記リレー光学系が配置されている光路が、前記３つの光束のうちの青色光の光路であることを特徴としている。

本願発明の投影装置は、少なくとも１つの液晶表示素子と、光源からの光で少なくとも１つの液晶表示素子を照明する上述の照明装置と、少なくとも１つの液晶表示素子が形成する画像を投影する投影光学系と、を有することを特徴としている。

本願発明の別側面の投影装置は、前記３つの光束に対応する３つの液晶表示素子と、光源からの光で３つの液晶表示素子を照明する上述の照明装置と、３つの液晶表示素子が形成する画像を投影する投影光学系と、を有することを特徴としている。

以上、本発明によれば、照明光学系に像面湾曲があっても照明エリアでの照度ムラを改善できる照明装置及び投影装置が提供できる。

本発明の実施形態１の要部概略図。 図１の一部分の拡大説明図。 本発明の実施形態１の一部分の変更例。 本発明に係るリレーレンズ系の数値実施例１のレンズ断面図。 本発明に係るリレーレンズ系の数値実施例２のレンズ断面図。 本発明に係るリレーレンズ系の数値実施例３のレンズ断面図。 本発明の実施形態１における被照射面上の照度分布の説明図。 本発明の実施形態２における被照射面上の照度分布の説明図。 本発明の実施形態３における被照射面上の照度分布の説明図。 従来の３板方式の液晶プロジェクターの要部概略図。 従来の３板方式の液晶プロジェクターにおける被照射面上の照度分布の説明図。

図１は本発明の実施形態１の投影装置の要部概略図である。図１は３板式のカラー液晶プロジェクターを示している。

図１の投影装置は図１０の投影装置と基本構成は同じであるがリレーレンズ系の構成が大きく異なっている。図１０での説明と一部重複するが順次説明する。

図１中、１はメタルハライドランプ等の白色光源である。２は反射面が放物面から成るリフレクターである放物ミラーであり、光源１からの光束を反射して平行光に変換し、この平行光を第１レンズアレイ３に入射させている。第１レンズアレイ３は、正の屈折力の複数のレンズを有するフライアイレンズ板である。

４は第２レンズアレイであり、第１レンズアレイ３の個々のレンズに対応した正の屈折力を有するレンズを複数個有するフライアイレンズである。第２レンズアレイ４上には第１レンズアレイ３によって複数の２次光源像が形成されている。

７は偏光変換素子アレイ（ＰＢＳ素子）であり、図２に示す構成を有し、偏光変換素子毎に入射する無偏光（ランダム偏光）の光を特定の方向に偏光した直線偏光光として射出させている。各偏光変換素子から射出する偏光光の偏光方向は、図２が示す通り、互いに一致していて、ダイクロイックミラーＤＭ１、ＤＭ２の反射面に対してＳ偏光となっている。

８はコンデンサーレンズであり、正の屈折力を有している。５はミラーである。

ＤＭ１は赤の光透過、緑と青の各光反射のダイクロイックミラー、ＤＭ２は青の光透過、緑の光反射のダイクロイックミラーである。６はミラーである。

１０はリレーレンズ系であり、同図では３つのレンズ群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３より成る場合を示している。各レンズ群は１枚又は複数のレンズをもつ。

１１，１２はミラーである。ＲＦは赤のトリミングフィルター、ＧＦは緑のトリミングフィルター、ＢＦは青のトリミングフィルターである。

ＲＬＣＤは赤専用、ＧＬＣＤは緑専用、ＢＬＣＤは青専用の液晶表示素子（ＬＣＤ）である。

１３は色合成手段であるクロスダイクロイックプリズムであり、内部にダイクロイック反射面１３ａ，１３ｂを有し、３つの液晶表示素子ＲＬＣＤ，ＧＬＣＤ，ＢＬＣＤからの各色の画像光を合成して射出面１３ｃより射出し、光学系１４に入射させる。

１４は投射レンズであり、色合成手段１３で合成された液晶表示装置ＲＬＣＤ，ＧＬＣＤ，ＢＬＣＤに表示された各色光の画像をスクリーン面上に拡大投影している。

図１の偏光変換素子アレイ７の構成について図２を用いて説明する。偏光変換素子アレイ７は、第２レンズアレイ４の個々のレンズに対応させて偏光変換素子を並べたものであり、各素子は偏光分離面７ａと、偏光分離面７ａで反射したＳ偏光光の光路を９０°折り曲げる反射面７ｂと、偏光分離面７ａを透過したＰ偏光光の光路に設けられた２分の１波長板（λ／２板）７ｃを有している。なお、偏光分離面７ので反射したＳ偏光光の光路に２分の１波長板を設けることもできる。

各偏光変換素子に入射した光束は、偏光分離面７ａにより偏光方向が互いに直交しているＳ偏光光とＰ偏光光の光に分離され（・，←→）、このうち偏光分離面７ａで反射したＳ偏光光（・）は、反射面７ｂで反射する。偏光分離面７ａを透過したＰ偏光光（←→）は、２分の１波長板７ｃを透過し、１／２波長板によりＳ偏光光と同じ偏光方向の光（・）に変換される。従って、偏光変換素子アレイ７より互いに偏光方向が同じＳ偏光である複数の光束が射出する。

偏光変換素子アレイ７からの複数の光束のうち一部はコンデンサーレンズ８とフィールドレンズ９とにより液晶表示装置ＲＬＣＤ，ＧＬＣＤを複数の光束で重畳照明している。

又、他の一部はコンデンサーレンズ８とリレーレンズ系１０とにより液晶表示装置ＢＬＣＤ上を複数の光束で重畳照明している。

本実施形態１においては、コンデンサレンズ８から出てダイクロイックミラーＤＭ１，ＤＭ２により赤，緑の及び青の３つの色光に分離された当該３つの光束の各光路のうち他の２光路よりも光路が長い青色光の光路にそれぞれ正の屈折力の少なくとも３つのレンズ群より成るリレーレンズ系１０を設け、前記リレーレンズ系１０によりつくられる図４で示す第１レンズアレイ３の光入射面又はその近傍の面の共役面ＯＢＪまたは後述するロッドインテグレーター光出射面又はその近傍の面の共役面の近軸像面ＯＢＪ′が青色専用の液晶表示装置ＢＬＣＤの光入射面と一致しない構成になっている。尚、共役面とは結像面である。

この構成により、画面にて周辺のみの像面のぼけがなくなり中心に対する周辺での照度落ちがなくなるためＢＬＣＤを均一な照度分布で照明でき、スクリーン上でのカラー画像の色むらの発生を防ぐことができる。

また、リレーレンズ系１０による像面湾曲は光源２側に凹であり画面周辺像面は前記近軸像面に対して光源１側に倒れるため、ここでは液晶表示装置ＢＬＣＤを近軸像面位置から光源１側にずらすとよい。

前記リレーレンズ系１０の内最も光源１に配置されたレンズ群Ｇ１から液晶表示装置ＢＬＣＤまでの距離をＯＡＬおよび液晶表示装置ＢＬＣＤの長手断面の長さをＬとすると、以下の条件式を満足する構成になっている。
５．０＜ＯＡＬ／Ｌ＜６．０…（１）
上記条件式（１）の上限を越えると液晶プロジェクターセットが大きくなり好ましくない。また、下限を越えるとリレーレンズ系１０を構成する各レンズ群の屈折力が大きくなり収差補正が困難になる。

特に各レンズ群の屈折力が大きすぎるとペッツヴァール和が大きくならざるを得ず像面が非常に大きく湾曲したり、また後に述べるような歪曲収差補正が困難になる。また、収差補正のため、前記リレーレンズ系１０の内の少なくとも１枚のレンズは非球面レンズで構成するのがいい。

特に液晶表示装置での基本結像性能を改善するためにレンズ群Ｇ２に非球面を採用することにより特に球面収差を良好に補正することができる。また、レンズ群Ｇ１またはレンズ群３に非球面を採用すれば、歪曲収差および投射レンズとの瞳整合性が良好に取れ光利用効率を上げることができる。

前記リレーレンズ系に関して、前記第１レンズアレイ３の共役面ＯＢＪまたはロッドインテグレーターの光出射面（又はその近傍の面）の共役面からの光に対してリレーレンズ系１０の最終面から液晶表示装置ＢＬＣＤ面までの空気換算距離をＩＭＤ、液晶表示装置ＢＬＣＤの長手断面の長さをＬとすると、以下の式を満足する構成としている。
ＩＭＤ／Ｌ＞０．３…（２）
上記条件式（２）の下限を越えるとリレーレンズ系１０に関してバックフォーカスが足りなくなり偏光板およびフィルター等の素子を配置するスペースがなくなるため好ましくない。

本実施形態１や後述する変形例、他の実施形態においては、各液晶表示装置の共入射面に対して光源１の像の位置は無限遠方に設定している。これにより投射レンズ１４の瞳位置との整合性がとれ光利用効率が上がる。また、各液晶表示装置に関して良好なコントラストを得るために必要である。また、高輝度化の手段としてのマイクロレンズアレイを液晶表示装置に搭載した照明系では、十分なテレセントリック性が必須なので、このような構成が好ましい。

本実施形態のリレーレンズ系１０は、光源１側から液晶表示装置ＢＬＣＤ側にかけて順にレンズ群Ｇ１、前記レンズ群Ｇ１から大きな空気間隔を経てレンズ群Ｇ２、レンズ群Ｇ３をもつが、レンズ群Ｇ１およびレンズ群Ｇ３の屈折力をそれぞれＰＷ１およびＰＷ３とすると、以下の条件式を満足する構成となっている。
０．９＜ＰＷ１／ＰＷ３＜１．３…（３）
上記条件式（３）の範囲内からどちらに外れても歪曲収差が補正困難となり好ましくない。特に上限値を越えるとレンズ群Ｇ１の屈折力が大きくなり共役面の像が糸巻き型に歪曲し、逆に下限値を越えると、共役面の像が樽型に歪曲し、どちらの場合も、光利用効率が低下する。

図３は、上記実施形態１の光源１からコンデンサーレンズ８までの光学系の変形例の、要部概略図である。

図３において、１は光源としての白色光源であり、例えばメタルハライドランプ等より成っている。

２はリフレクターであり、楕円鏡より成り、その第１焦点に配置した白色光源１から発した光束を集光して、その第２焦点に光源１の像を形成している。

２３はロッドインテグレーター（ガラスロッド）であり、断面形状が多角形をしており、光入射面２３ａはリフレクター２の第２焦点又はその近傍に位置している。なお、インテグレーター２３には、ここに示す中実のロッドに限らず内面に反射面をもつ中空のロッド、カレイドスコープも使える。

ロッドインテグレーター２３は光源１の輝度ムラを低減するものであり、その光入射面２３ａより入射した光束を側面での多重の全反射によって実質的に複数の光束に分割して、複数の光源像（虚像）からの複数の光束を光射出面２３ｂより射出している。

２４はレンズ群であり、ロッドインテグレーター２３の光射出面２３ｂからの光束を集光して複数の２次光源像２４ａを形成して複数２次光源像２４ａからの光束を偏光変換素子２５に入射させている。

偏光変換素子２５は、入射光のうちＰ偏光光を透過させ、Ｓ偏光光を反射させる偏光分離面２５ａと、偏光分離面２５ａを通過したＰ偏光光を反射する反射面２５ｂ、そして偏光分離面２５ａは反射面２５ｂで反射したＰ偏光光の光路（又は分離面２５ａで反射したＳ偏光の光路）に配置した１／２波長板２５ｃとを有している。

レンズ群２４はロッドインテグレーター２３の光入射面２３ａに形成された光源像よりの像である複数の２次光源像２４ａを形成している。偏光変換素子２５は入射する無偏光光束を、所定の偏光方向（ここではＳ偏光）に偏光面が揃った光束に変換して、コンデンサーレンズ８に入射させている。レンズ群２４と素子２５とコンデンサーレンズ８はロッドインテグレーター２３の光射出面２３ｂからの複数の光束を集光して図１に示すダイクロミラーＤＭ１，ＤＭ２等を介して３つの各色専用の液晶表示装置の面上に重ね合わせている。

尚、図１の第１レンズアレイ３は図３のロッドインテグレーター２３の光射出面２３ｂに相当し、図１の第２レンズアレイ４面上の複数の２次光源像は図３のレンズ群２４による複数２次光源像２４ａに相当している。

以上説明した各実施形態に用いるリレーレンズ系１０の数値例を示す。

図４〜図６は本発明に用いるリレーレンズ系１０の数値実施例１〜３のレンズ断面図である。まず、図４の数値実施例１について説明する。

本実施形態のリレーレンズ系１０は図１〜３で示すような３板方式のカラー液晶プロジェクター用である。ＯＢＪは第２レンズアレイ４とコンデンサーレンズ８による第１レンズアレイ３の光入射面又はその近傍の面の共役面（第１レンズアレイ共役面）、Ｇ１はリレーレンズ群中の最も光源側に配置されたレンズ、Ｇ２はこのレンズＧ１から大きな空気間隔を経て配置したレンズ、さらにＧ３は最も液晶表示装置側に配置されたレンズＧ３としている。Ｐは偏光板ガラス、ＢＰは液晶表示装置ＢＬＣＤ上の基板ガラスを、ＤＳは青色専用の液晶表示装置ＢＬＣＤの表示面を表している。

レンズＧ１は第２レンズアレイ４上に形成された複数のアーク像（複数の２次光源像）からの光束をレンズＧ２の瞳面上に結像させる働きをしている。またレンズＧ２は第１レンズアレイ共役面ＯＢＪからの光束を液晶表示装置ＬＣＤの表示面付近に結像し、共役面ＯＢＪの湾曲した像を作っている。

本実施形態ではこのレンズＧ２の液晶表示装置ＢＬＣＤ側の面Ｇ２ｂに非球面を採用して像面での球面収差の補正を良好におこなっている。また、レンズＧ３はレンズＧ２の瞳面に形成された光源像（複数のアーク像）を投射レンズ１４の絞り面である瞳面に結像する働きをしている。

以上のレンズＧ１，レンズＧ２およびレンズＧ３には光利用効率を上げるためにそれぞれ反射防止コートを施している。また各々の大きな屈折力から発生するペッツヴァール和の増大はレンズＧ１およびレンズＧ３の材質の屈折率を大きくすることにより回避している。

また、このリレーレンズ系１０により瞳位置は無限遠方に設定されており、光利用効率を上げるとともにマイクロレンズアレイを搭載した液晶表示装置にも本照明系が使用できるような設定になっている。またリレーレンズ系１０のバックフォーカスはレンズＧ３の最終面から液晶表示装置ＢＬＣＤまで約１２ｍｍに設けられており、この間に偏光板（ガラスＰ）が配置されている。

また、偏光板ガラスの裏側にトリミングフィルタとしてのダイクロイックフィルターを蒸着しておいてもよい。このフィルターは、液晶表示装置に入射する不要な波長領域をカットすることにより単色での色純度を大幅に改善するものである。

本実施形態によれば液晶表示素子ＢＬＣＤに対して図７に示すような高い均一照明を実現でき、スクリーン上でのカラー画像の色むらをおさえることが可能となる。

次に図５にリレーレンズ系１０の数値実施例２のレンズ断面図を示す。

本実施例のリレーレンズ系１０は図１〜３で示すような３板方式のカラー液晶プロジェクター用である。ＯＢＪは第２レンズアレイ４とコンデンサーレンズ８による第１レンズアレイ３共役面、Ｇ１はリレーレンズ系１０中の最も光源１側に配置されたレンズ、Ｇ２はレンズＧ１から大きな空気間隔を経て配置されたレンズ、Ｇ３は最も液晶表示装置ＢＬＣＤ側に配置されたレンズである。

Ｐは偏光板ガラス、ＢＰは液晶表示装置上の基板ガラスを、ＤＳは液晶表示装置の表示面を表している。

レンズＧ１は第２レンズアレイ４上に形成された複数のアーク像（複数の２次光源像）からの光束をレンズＧ２の瞳面上に結像させる働きをしている。またレンズＧ２は第１レンズアレイ共役面ＯＢＪからの光束を液晶表示装置ＬＣＤの表示面付近に結像し、共役面ＯＢＪの湾曲した像を作っている。

本実施例ではこのレンズＧ２の液晶表示装置ＢＬＣＤ側の面に非球面を採用して像面での球面収差の補正を良好におこなっている。また、レンズＧ３はレンズＧ２の瞳面に形成された光源像（複数のアーク像）を投射レンズ１４の絞り面である瞳面に結像する働きをしている。

以上のレンズＧ１，レンズＧ２およびレンズＧ３には光利用効率を上げるためにそれぞれ反射防止コートを施している。また各々の大きな屈折力から発生するペッツヴァール和の増大はレンズＧ１およびレンズＧ３の屈折率を大きくすることにより回避している。また、このリレーレンズ系１０により瞳位置は無限遠方に設定されており、光利用効率を上げるとともにマイクロレンズアレイを搭載した液晶表示装置にも本照明系が使用できるような設定になっている。

本実施例よりも光源像の位置が短い場合は、特にマイクロレンズアレイを搭載した液晶表示装置に本照明系を適用することは好ましくない。またリレーレンズ系１０のバックフォーカスはレンズＧ３の最終面から液晶表示装置ＢＬＣＤまで約１０ｍｍ設けられており、この間に偏光板ガラスＰが配置されている。

本実施例ではバックフォーカスを図４の数値実施例１に比べて少々短く設定しその分レンズＧ１とレンズＧ３の間の長さを長くすることができるような設定になっている。

また、偏光板ガラスＰの裏側にトリミングフィルタとしてのダイクロイックフィルターを蒸着しておいてもよい。このフィルターは、液晶表示装置に入射する不要な波長領域をカットすることにより単色での色純度を大幅に改善することが可能となる。

本実施例によれば液晶表示素子ＢＬＣＤに対し図８に示すような高い均一照明を実現でき、スクリーン上でのカラー画像の色むらを大きくおさえることが可能となる。

図６はリレーレンズ系１０の数値実施例３のレンズ断面図である。

本数値実施例のリレーレンズ系の基本構成は、図４，図５の数値実施例１，２と同様である。従って詳しい説明は省略する。本実施例によれば液晶表示装置ＢＬＣＤに対し図９に示すような高い均一照明を実現でき、スクリーン上でのカラー画像の色むらをおさえることが可能となる。

本発明は単板方式の液晶プロジェクターにおいてもそのまま適用することができる。このときの光路はリレーレンズ系を含む光路であっても良く、又含まない光路を用いても良い。基本構成は図１〜図３等と同様である。

上記数値実施例１，２，３のレンズデータを示す。ｒｉは光源側から第ｉ番目に位置するレンズ面の曲率半径であり、ｄｉは同じく第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面間の距離、ｎｄｉは第ｉ番目のレンズを構成するガラスのｄ線に対する屈折率、νｄｉは同じく第ｉ番目のレンズを構成するガラスのアッベ数を表す。

非球面形状は、光軸方向にＸ軸をとり、光軸と垂直方向にＨ軸をとり、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを各々非球面係数としたとき

なる式で表している。又「ｅ−０Ｘ」は１０−ｘを意味している。

１ 光源
２ リフレクター
３ 第１レンズアレイ
４ 第２レンズアレイ
５，６ ミラー
７，２５ 偏光変換素子
８ コンデンサーレンズ
９ フィールドレンズ
１０ リレーレンズ系
１１，１２ ミラー
１３ クロスダイクロイックプリズム
１４ 投影光学系
２３ ロッドインテグレーター
２４ レンズ群
ＬＣＤ 液晶表示装置

Claims (12)

1. 光源からの光で複数個の２次光源を形成する第１の光学系と、前記複数個の２次光源からの複数の光束により被照明面を照明する第２の光学系とを有する照明装置であって、
   前記第１の光学系は、ロッドインテグレーターを含んでおり、
   前記第２の光学系は、前記ロッドインテグレーターの光射出面を像面が湾曲するように前記被照明面に結像させており、
   前記被照明面が前記湾曲した像面の近軸像面より前記光源側に位置し、且つ前記湾曲した像面の周辺像面が前記近軸像面よりも前記光源側に位置するように、前記第２の光学系が構成されていることを特徴とする照明装置。
2. 光源からの光で複数個の２次光源を形成する第１の光学系と、前記光源側から順に、コンデンサーレンズと、前記第１の光学系からの光束を互いに波長域が異なる３つの光束に分解する色分解系と、フィールドレンズとを含む第２の光学系とを備え、前記複数個の２次光源から発する複数の光束を用いて前記３つの光束に対応する３つの被照明面を重畳照明する照明装置であって、
   前記第１の光学系は、ロッドインテグレーターを含んでおり、
   前記第２の光学系は、前記３つの光束のうちの１つの光束の光路上において、前記コンデンサーレンズと前記フィールドレンズとの間に配置されたリレーレンズ系を含んでおり、
   前記第２の光学系は、前記リレーレンズ系が配置された光路上において、前記ロッドインテグレーターの光射出面を像面が湾曲するように前記被照明面に結像させており、
   前記リレーレンズ系が配置された光路上において、前記被照明面が前記湾曲した像面の近軸像面より前記光源側に位置し、且つ前記湾曲した像面の周辺像面が前記近軸像面よりも前記光源側に位置するように、前記第２の光学系が構成されていることを特徴とする照明装置。
3. 前記リレーレンズ系の内最も前記光源側に配置された第１レンズ群から被照明面までの距離をＯＡＬ及び前記被照明面の長手断面の長さをＬとしたとき、
   ５．０＜ＯＡＬ／Ｌ＜６．０
   を満足することを特徴とする請求項２記載の照明装置。
4. 前記リレーレンズ系の最終レンズ面から前記被照明面までの空気換算距離をＩＭＤ、及び被照明面の長手断面の長さをＬとしたとき、
   ＩＭＤ／Ｌ＞０．３
   を満足することを特徴とする請求項２記載の照明装置。
5. 前記リレーレンズ系が、前記光源側から順に、第１レンズ群Ｇ１、前記第１レンズ群Ｇ１から空気間隔を隔てて第２レンズ群Ｇ２、そして前記第２レンズ群Ｇ２から空気間隔を隔てて第３レンズ群Ｇ３より構成されており、該第１レンズ群Ｇ１及び第３レンズ群Ｇ３の屈折力をそれぞれＰＷ１及びＰＷ３としたとき
   ０．９＜ＰＷ１／ＰＷ３＜１．３
   を満足することを特徴とする請求項２乃至４いずれか１項に記載の照明装置。
6. 光源からの光で複数個の２次光源を形成する第１の光学系と、前記複数個の２次光源からの複数の光束により被照明面を照明する第２の光学系とを有する照明装置であって、
   前記照明装置が、前記第１の光学系と前記第２の光学系との間に配置され、前記複数個の２次光源からの複数の光束を直線偏光光に変換して前記第２の光学系に導く偏光変換素子を備えており、
   前記第１の光学系は、第１レンズアレイと、該第１レンズアレイよりも前記被照明面側に配置された第２レンズアレイを含んでおり、
   前記第２の光学系は、前記第１レンズアレイの光入射面を像面が湾曲するように前記被照明面に結像させており、
   前記被照明面が前記湾曲した像面の近軸像面より前記光源側に位置し、且つ前記湾曲した像面の周辺像面が前記近軸像面よりも前記光源側に位置するように、前記第２の光学系が構成されていることを特徴とする照明装置。
7. 光源からの光で複数個の２次光源を形成する第１の光学系と、前記光源側から順に、コンデンサーレンズと、前記第１の光学系からの光束を互いに波長域が異なる３つの光束に分解する色分解系と、フィールドレンズとを含む第２の光学系とを備え、前記複数個の２次光源から発する複数の光束を用いて前記３つの光束に対応する３つの被照明面を重畳照明する照明装置であって、
   前記照明装置が、前記第１の光学系と前記第２の光学系との間に配置され、前記複数個の２次光源からの複数の光束を直線偏光光に変換して前記第２の光学系に導く偏光変換素子を備えており、
   前記第１の光学系は、第１レンズアレイと、該第１レンズアレイよりも前記被照明面側に配置された第２レンズアレイを含んでおり、
   前記第２の光学系は、前記３つの光束のうちの１つの光束の光路上において、前記コンデンサーレンズと前記フィールドレンズとの間に配置されたリレーレンズ系を含んでおり、
   前記第２の光学系は、前記リレーレンズ系が配置された光路上において、前記第１レンズアレイの光入射面を像面が湾曲するように前記被照明面に結像させており、
   前記リレーレンズ系が配置された光路上において、前記被照明面が前記湾曲した像面の近軸像面より前記光源側に位置し、且つ前記湾曲した像面の周辺像面が前記近軸像面よりも前記光源側に位置するように、前記第２の光学系が構成されていることを特徴とする照明装置。
8. 前記リレーレンズ系の内最も前記光源側に配置された第１レンズ群から被照明面までの距離をＯＡＬ及び前記被照明面の長手断面の長さをＬとしたとき、
   ５．０＜ＯＡＬ／Ｌ＜６．０
   を満足することを特徴とする請求項７記載の照明装置。
9. 前記リレーレンズ系の最終レンズ面から前記被照明面までの空気換算距離をＩＭＤ、及び被照明面の長手断面の長さをＬとしたとき、
   ＩＭＤ／Ｌ＞０．３
   を満足することを特徴とする請求項７記載の照明装置。
10. 前記リレーレンズ系が、前記光源側から順に、第１レンズ群Ｇ１、前記第１レンズ群Ｇ１から空気間隔を隔てて第２レンズ群Ｇ２、そして前記第２レンズ群Ｇ２から空気間隔を隔てて第３レンズ群Ｇ３より構成されており、該第１レンズ群Ｇ１及び第３レンズ群Ｇ３の屈折力をそれぞれＰＷ１及びＰＷ３としたとき
    ０．９＜ＰＷ１／ＰＷ３＜１．３
    を満足することを特徴とする請求項７乃至９いずれか１項に記載の照明装置。
11. 前記第２の光学系がダイクロイックミラーを備えており、前記偏光変換素子から出射する直線偏光光は、前記ダイクロイックミラーに対してＳ偏光であることを特徴とする請求項６乃至１０いずれか１項に記載の照明装置。
12. 少なくとも１つの液晶表示素子と、光源からの光で前記少なくとも１つの液晶表示素子を照明する、請求項１乃至１１に記載の照明装置と、該少なくとも１つの液晶表示素子が形成する画像を投影する投影光学系と、を有することを特徴とする投影装置。

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