JP2000298310A - コリメータレンズ及びこれを用いた照明装置 - Google Patents
コリメータレンズ及びこれを用いた照明装置Info
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Abstract
行光束に変換することができるコリメータレンズを提供
すると共に、射出光を、光軸に対する大きな成分を生成
することなく幅の狭い光束にすることができるコリメー
タレンズを提供し、且つこれらのコリメータレンズを使
用する照明装置を提供することである。 【解決手段】 この発明のコリメータレンズは、入射面
或いは射出面の少なくとも一方に、光軸を中心とした複
数の同心リング領域毎に焦点距離が異なる複数のレンズ
面或いは、第1のフライアイレンズの各レンズセグメン
トに対応する負の分割レンズレンズ面を備える。またこ
の発明のコリメータレンズは、コリメータレンズの周辺
部に入射される光線をコリメータレンズの中央部へ導く
ことができる反射鏡を備える。
Description
光束へ変換するコリメータレンズ及びこのコリメータレ
ンズを使用した照明装置に係る。
し、当該空間光変調素子により変調された光をスクリー
ン上へ投射し画像を表示する投写表示装置が知られてい
る。またこの投写表示装置に使用される照明装置として
種々の照明装置が知られている。
的に示す。図6において、光源21から射出された光線
は反射鏡23で反射された後、コリメータレンズ25に
より平行光へ変換され、第1フライアイレンズ27及び
第2フライアイレンズ29からなるインテグレータ31
へ入射される。ここに前記第1及び第2のフライアイレ
ンズ27,29はそれぞれ、(図6に於いて例えば左側
から見た場合に)格子状に配置された微小なレンズセグ
メント27e及び29eから成っている。そしてこのイ
ンテグレータ31は、第1フライアイレンズ27の各レ
ンズセグメント27eによる光源21のスポット像が、
前記第2フライアイレンズ29の対応するレンズセグメ
ント29eの上に結像するように構成されている。図7
は、前記第2フライアイレンズ29のレンズセグメント
29e上に結像する光源21のスポット像32を示す。
イレンズ29から射出された光線は集光レンズ33を介
して空間光変調素子35へ照射される。前記空間光変調
素子35は、例えば液晶の複屈折を利用して入射光へ映
像信号に応じた光変調を与える素子である。この場合、
集光レンズ33からの光線が前記空間光変調素子35に
より変調・反射され、この反射光が図示しないスクリー
ン上に画像を生成する。
ータレンズ25は、その入射面・射出面が単純な球面形
状を有していた。しかしこのようなコリメータレンズ2
5及びこれを使用した照明装置には次のような種々の問
題点があった。
リメータレンズ25では、光軸O付近の領域Aにおける
射出光は比較的正確な平行光束へ変換されるが、光軸か
ら離れた領域B及びCにおける光束はコリメータレンズ
25から離れるに従って徐々に広がる傾向を有してい
た。
に、前記第1フライアイレンズ27の各レンズセグメン
ト27eの光軸をシフトする試みがなされた。しかしな
がら、前記レンズセグメント27eの光軸をシフトする
と、隣り合うレンズセグメント27eの端部に段差が生
じることとなり、第1フライアイレンズ27成形時にこ
の端部にダレが生ずるという問題があった。また前記レ
ンズセグメント27eの真球度が低下すると言う問題及
び、前記レンズセグメント27e間で曲率半径がばらつ
くなどの問題点も発生した。そしてこのような問題点は
前記照明装置に使用された場合にその照明効率が低下す
ると言う問題をもたらした。
使用した照明装置には以下の問題点もあった。
アイレンズ27へ入射する光線が、光軸Oに対して小さ
な角度を有する平行光束141である場合、前記第1フ
ライアイレンズ27の各レンズセグメント27eを通過
した光束は前記第2フライアイレンズ29のレンズセグ
メント29e表面の所定位置へ集束する。そして前記第
2フライアイレンズ29の各レンズセグメント29eか
ら射出された光束143は、集光レンズ33を介して空
間光変調素子35上へ正しく集束する。即ち、前記第1
フライアイレンズ27の各レンズセグメント27eの像
が、前記空間光変調素子35上に、当該空間光変調素子
35の形状とほぼ相似形に結像される。ところで、前記
光源21からの光線を有効に利用するためには、前記イ
ンテグレータ31の口径を前記光源21の反射鏡23の
口径に合わせて大きくするのが望ましい。ところが、前
記インテグレータ31の口径サイズを大きくすると、図
9に示すように、前記インテグレータ31の外周部レン
ズセグメント27e,29eを通過した光線145は前
記空間光変調素子35へ大きな入射角度θをもって入射
することとなる。しかし、前記空間光変調素子35が液
晶の複屈折を利用して入射光へ映像信号に応じた光変調
を与える素子である場合、前記入射光145の入射角度
θが大きくなると、投写表示装置のコントラストが劣化
するという問題があった。
比べて所定比率以上に大きな寸法或いは口径を有するイ
ンテグレータ31は、たとえその入射光が平行光束であ
っても、前記空間光変調素子35への照明光束が光軸O
に対して大きな角度を有する成分を含むこととなり、投
写表示装置のコントラストを劣化させるという問題があ
った。
じて前記インテグレータ31の寸法を小さく設定する場
合は以下のような問題が有った。即ち、前記光源21か
ら射出された光線を有効に利用しようとして、前記コリ
メータレンズ25から前記インテグレータ31へ収斂光
束あるいは平行光束を入射させると、図9に示すよう
に、前記第1フライアイレンズ27へ入射する光線の中
に光軸Oに対して大きな角度を有する光線147及び1
49が含まれ、前記第1フライアイレンズ27の各レン
ズセグメント27eから前記第2フライアイレンズ29
の各レンズセグメント29eへの集光性が低下し、光利
用率が低下する問題があった。すなわち、前述の如く、
前記第1フライアイレンズ27の1つのレンズセグメン
ト27eによる光源21のスポット像は、前記第2フラ
イアイレンズ29の1つのレンズセグメント29eの上
に結像されなければならないが、図9に示すように、前
記光軸Oに対して大きな角度を有する光線147及び1
49では、前記第1フライアイレンズ27の1つのレン
ズセグメント27eによる光源のスポット像が前記第2
フライアイレンズ29の1つのレンズセグメント29e
の寸法よりも大きくなり複数のレンズセグメント29e
の上に結像されることとなる(図7は、前記第2フライ
アイレンズ29上で前記レンズセグメント29eの寸法
より大きく結像された光源のスポット像32’を示
す)。このため、前記第2フライアイレンズ29のレン
ズセグメント29eから射出された光線が、前記空間変
調素子35から上下又は左右方向にずれた領域に収斂し
光利用率が低下することとなる。
置においてはさらに次の問題があった。すなわち、前記
光源21は一対の電極37とこれに挟まれる発光部39
とを備える。この発光部39から射出された光線が前記
反射鏡23により図6に於いて左方向へ反射・射出され
る。前記光源21からの射出光束は、前記反射鏡23の
焦点Fに対する発光部39の位置関係により収斂光束あ
るいは平行光束あるいは発散光束となる。例えば前記発
光部39を、前記反射鏡23の焦点Fの射出側前方位置
(図6に於ける番号39´の位置)に置いた場合、前記
射出光束は図6において破線で表わした収斂光束とな
る。この発光部39の位置を焦点Fの位置に近づける
と、射出光成分は次第に主光線に平行な成分が増大し平
行光束となる。しかし、この構成においては、前記電極
37及び、反射鏡23の後部に設けた前記電極37を通
すための開口部(図示せず)により、前記射出光の強度
分布はその光軸に対応する中心部に暗部を有する。図1
0は前記射出平行光束40の中心に発生する暗部41を
示す。従ってこの暗部41の発生により光利用率が低下
する問題が有った。
点を解決することであり、射出光を光軸からの距離に関
わらず正確に平行光束に変換することができるコリメー
タレンズを提供することである。
置における射出光も正確な平行光にすることができるコ
リメータレンズを提供することである。
光軸に対する大きな角度成分を生成することなく幅の狭
い光束にすることができるコリメータレンズを提供する
ことである。
ラストを低下させることなく光源からの光束を有効に利
用することができるコリメータレンズを提供することで
ある。
ータレンズを用いた照明装置を提供することである。
のこの発明のコリメータレンズ或いはこれを用いた照明
装置は、以下の通りである。
射射出する反射鏡と、この反射鏡から射出された光束を
平行光へ変換するコリメータレンズと、を少なくとも備
えた照明装置において、前記コリメータレンズは、光軸
を中心とする複数の同心リング領域を備え、各同心リン
グ領域の焦点距離は光軸から離れるほど負の度合いが弱
いことを特徴とする照明装置。
射射出する反射鏡と、この反射鏡から射出された光束を
平行光へ変換するコリメータレンズと、第1及び第2の
フライアイレンズを有する照明装置において、前記コリ
メータレンズは、前記第1のフライアイレンズの各レン
ズセグメントに対応する凹面の分割レンズアレイを備え
ることを特徴とする照明装置。
射射出する反射鏡と、この反射鏡から射出された光束を
平行光へ変換するコリメータレンズと、第1及び第2の
フライアイレンズを有する照明装置において、前記コリ
メータレンズの入射面は光軸を中心とする同心円で分割
された複数の分割入射面を有し、前記各分割入射面は光
軸から離れるほど負の度合いが弱く、かつ、前記コリメ
ータレンズの射出面は前記第1のフライアイレンズのレ
ンズセグメントに対応する凹面のアレイ状分割射出面を
有することを特徴とする照明装置。
レンズにおいて、前記コリメータレンズは、所定の曲率
半径を有する入射面と、この入射面よりも小さい曲率半
径を有する射出面を備えた凹レンズからなり、前記射出
面の外周部に、所定の角度で傾斜したリング状の縁取り
部を有すると共に、前記入射面の光軸上に円錐状の窪み
を備え、かつ、前記リング状縁取り部側面及び前記円錐
状窪み側面にそれぞれ反射手段を備えたことを特徴とす
るコリメータレンズ。
の発明の実施形態を説明する。
れを用いた照明装置の第1の実施形態の模式図である。
ータレンズ43では、光軸Oを中心とする複数の同心リ
ング領域43a、43b、43c毎に、入射面45が焦
点距離の異なる分割入射面45a,45b,45cに分
割されている。ここに中心領域43aの入射面45a
は、負の度を有する(即ち曲率の中心が図1に於いてレ
ンズ43の右側に有る)。これに対して中間領域43b
の入射面45bは平面であり零の曲率を有する。また外
側領域43cにおける入射面45cは、射出面47と同
じ曲率半径を有する。尚、このコリメータレンズ43の
射出面47は全レンズ平面において同一の曲率半径を有
し、且つ、負の度合いを有する(すなわち曲率の中心が
図1においてレンズ43の左側にある)曲面に設計され
ている。この射出面47は平面であってもよい。
タレンズ43は、光軸から離れるほど負の度合いが弱く
なる。従って、光軸Oから離れるに従って射出光の光束
が広がる傾向を防止することができ、全ての領域におい
て光軸と平行な射出光束を得ることができる。
45c及び射出面47の曲率半径の値は、前記第2フラ
イアイレンズ29上での光源のスポット像32(図7)
が各レンズセグメント29eの中心を通るように決定さ
れる。
Oを中心とする同心円で3個の領域45a、45b、4
5cに分割したが、同心円により入射面45を2個ある
いは4個以上の領域に分割することもできる。さらに入
射面45ではなく射出面47を複数の同心円領域に分割
することもできる。また、同心円領域は、近似的に面全
体が非球面形状であっても良い。
ズ及びこれを用いた照明装置の第2の実施形態を示す。
なお、図3は、図2の矢印IIIに沿って見たコリメータ
レンズの正面図である。
タレンズ49は、前記第1のフライアイレンズ27の各
レンズセグメント27eに対応する負の(すなわち曲率
の中心が図2においてコリメータレンズ49の左側にあ
る)分割レンズアレイ49eを備える。より詳細には、
前記コリメータレンズ49は、その射出面53が、前記
第1のフライアイレンズ27に対応する複数のアレイ状
分割射出面53eに分割されることにより、前記負の分
割レンズアレイ49eを有する。
(即ち各分割射出面53eに於ける光軸のシフト量)は
射出光が光軸Oに対して平行になるように決定する。即
ち、前記コリメータレンズ49からの射出光の光束が、
光軸Oからの距離に関わらず光軸Oに対して平行となる
様に決定する。また、各分割射出面53eの曲率は、前
記光源のスポット像32(図7)が前記第2フライアイ
レンズ29上で各レンズエレメント29eの中心に位置
し且つ最小寸法になるように決定する。
9の入射面51は平面で有っても、曲率が有ってもどち
らでも良い。
9の分割射出面53eの数は、前記第1、第2フライア
イレンズ27,29の分割数と異なっても良い。また、
このコリメータレンズ49の形状は、前記第1フライア
イレンズ27の形状と異なっても良い。
これを用いた照明装置の第3の実施形態の模式図であ
る。
55の入射面57は、前記第1の実施形態のコリメータ
レンズ43と同様に、3つの同心円で分割入射面57
a,57b,57cに分割されている。ここに分割入射
面57aは負の度を有する(すなわち曲率の中心が図4
においてコリメータレンズ55の右側にある)曲面であ
り、分割入射面57bは平面であり、分割入射面57c
は正の度を有する曲面である。
59は、前記第2の実施形態のコリメータレンズ49と
同様に、前記第1フライアイレンズ27のレンズセグメ
ント27eに対応する複数のアレイ状分割射出面59e
に分割されている。但しこのコリメータレンズ55では
各射出面59eの光軸は偏心量は零であり各射出面59
eの中心に設けられている。これは、このコリメータレ
ンズ55では、入射面57を複数の入射面57a,57
b,57cへ分割することにより射出光の光束を光軸O
からの距離に関わらず光軸に対して平行にすることが出
来るからである。
第2実施形態の場合と同様に、光源21のスポット像3
2(図7)が前記第2フライアイレンズ29上で各レン
ズエレメント29eの中心に位置し且つ最小寸法になる
ように決定する。
レンズ55においても、前記第1フライアイレンズ27
からの射出光の、前記第2フライアイレンズ29のレン
ズエレメント29e上への集光特性を改善することがで
きる。
て、コリメータレンズ43、55の分割入射面45a,
45b,45c、57a、57b、57cの曲面或いは
コリメータレンズ49、55の分割射出面53e、59
eの曲面は球面あるいは非球面の何れでも良い。
形態のコリメータレンズにおいては、コリメータレンズ
の入射面或いは射出面を複数の領域に分割することによ
り、コリメータレンズを複数の領域へ分割する。そして
これにより、従来インテグレータ(或いはフライアイレ
ンズ)に持たせていた補正機能をコリメータレンズに持
たせることが可能となり、照明効率の改善及び量産性の
向上が達成される。
4の実施形態を示す。
ータレンズ61は、曲率半径の大きい球面状の入射面6
2と、これよりも曲率半径の小さい球面状の射出面63
を備えた凹レンズからなる。
射出面63の外周部に、光軸Oに対して所定角度だけ傾
斜したリング状縁取り部65が形成されている。また、
前記入射面62の光軸Oの近傍に円錐状の窪み67が形
成されている。そして、前記リング状縁取り部65のリ
ング状側面には反射面をレンズ媒質側に向けたリング状
反射鏡69が設けてあり、前記円錐状窪み部分67の円
錐状側面には反射面をレンズ媒質側に向けた円錐状反射
鏡71が設けてある。なお、前記円錐状反射鏡71の形
状は、その円錐形の底面積が図10に示した暗部41の
断面積に対応するように設定されている。
る。
の周辺部に入射した光線は、レンズ内部に進入した後、
前記リング状縁取り部65に設けた前記リング状反射鏡
69へ入射し、このリング状反射鏡69により反射され
た後、レンズ61中心方向に向かう。そして前記レンズ
中心付近で前記入射面62により全反射された後、前記
円錐状窪み部分67の円錐状側面に設けた前記円錐状反
射鏡71へ向かい、この反射鏡71で反射された後、前
記射出面63から光軸Oに沿って射出される。ここに、
前記したように、前記円錐状反射鏡71の底面積は、前
記平行光束中心部の暗部41に相当する大きさに形成さ
れている。従って、前記円錐状反射鏡71の円錐側面で
反射された光線は前記暗部41を補償する。これにより
前記コリメータレンズ61からの射出光は光束全体にわ
たって均一な照度分布を有する事となる。
出光の直径w1は、前記コリメータレンズ61の周辺部
へ入射された光線が射出光から除去されるから、入射光
束の直径w2よりも小さくなる。従って、このコリメー
タレンズ61によれば、前記第1フライアイレンズ27
の寸法を小さくしても、この第1フライアイレンズイン
テグレータ27へ入射される光線は光軸Oに対して小さ
な角度を有する光線のみからなる。従ってまた、前記第
1フライアイレンズ27の各レンズセグメント27eか
らの光線を前記第2フライアイレンズ29の各レンズセ
グメント29eへ正確に集光することができ、光利用率
を最大にすることができる。
ータレンズによれば、光軸に対して大きく傾斜した光線
を射出光束中に生成することなく光束半径を縮小するこ
とができ、且つ、均一な照度分布の平行光束を得ること
ができる。
物面あるいは球面あるいはその他複雑な非球面形状であ
っても、収斂光束を発生するような光源の配置、反射鏡
の形状であればどのようなものでも良い。
面形状を反射鏡に持たせることもできる。
側面によれば、コリメータレンズ及び照明装置によれ
ば、インテグレータ或いはフライアイレンズの成形性が
改善され量産性を向上させ且つコストダウンを図ること
ができる。特に、量産性が高く且つ効率の高い照明装置
を製造することができる。
光束中に、その主光線に対して大きく傾いた光線の生成
することなく光束を縮小できる。
及びこのコリメータレンズを用いた照明装置の説明図で
ある。
及びこのコリメータレンズを用いた照明装置の説明図で
ある。
の正面図である。
及びこのコリメータレンズを用いた照明装置の説明図で
ある。
の断面図である。
成を示す模式図である。
イレンズの作用を表す説明図である。
ンズを用いた照明装置の作用を表わす説明図である。
を表わす他の説明図である。
光強度分布を表わす説明図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 光源と、この光源から放射される光束を
反射射出する反射鏡と、この反射鏡から射出された光束
を平行光へ変換するコリメータレンズと、を少なくとも
備えた照明装置において、前記コリメータレンズは、光
軸を中心とする複数の同心リング領域を備え、各同心リ
ング領域の焦点距離は光軸から離れるほど負の度合いが
弱いことを特徴とする照明装置。 - 【請求項2】 光源と、この光源から放射される光束を
反射射出する反射鏡と、この反射鏡から射出された光束
を平行光へ変換するコリメータレンズと、第1及び第2
のフライアイレンズを有する照明装置において、前記コ
リメータレンズは、前記第1のフライアイレンズの各レ
ンズセグメントに対応する凹面の分割レンズアレイを備
えることを特徴とする照明装置。 - 【請求項3】 光源と、この光源から放射される光束を
反射射出する反射鏡と、この反射鏡から射出された光束
を平行光へ変換するコリメータレンズと、第1及び第2
のフライアイレンズを有する照明装置において、前記コ
リメータレンズの入射面は光軸を中心とする同心円で分
割された複数の分割入射面を有し、前記各分割入射面は
光軸から離れるほど負の度合いが弱く、かつ、前記コリ
メータレンズの射出面は前記第1のフライアイレンズの
レンズセグメントに対応する凹面のアレイ状分割射出面
を有することを特徴とする照明装置。 - 【請求項4】 収斂光束を平行光束へ変換するコリメー
タレンズにおいて、前記コリメータレンズは、所定の曲
率半径を有する入射面と、この入射面よりも小さい曲率
半径を有する射出面を備えた凹レンズからなり、前記射
出面の外周部に、所定の角度で傾斜したリング状の縁取
り部を有すると共に、前記入射面の光軸上に円錐状の窪
みを備え、かつ、前記リング状縁取り部側面及び前記円
錐状窪み側面にそれぞれ反射手段を備えたことを特徴と
するコリメータレンズ。
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