JP2003091045A - 照明光学系及び投写型表示装置 - Google Patents

照明光学系及び投写型表示装置

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JP2003091045A
JP2003091045A JP2001281489A JP2001281489A JP2003091045A JP 2003091045 A JP2003091045 A JP 2003091045A JP 2001281489 A JP2001281489 A JP 2001281489A JP 2001281489 A JP2001281489 A JP 2001281489A JP 2003091045 A JP2003091045 A JP 2003091045A
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light
illumination optical
illumination
lens
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Kuniko Kojima
邦子 小島
Shinji Okamori
伸二 岡森
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光利用効率を低減することなく、装置の用途
に応じた様々な照度分布を実現し得る投写型表示装置用
照明光学系を提供する。 【解決手段】 照明光学系は、光源ランプ１と、光源ラ
ンプ１から出射した光をミキシングする光ミキシング素
子３と、複数の画素を有するＤＭＤ素子５と、光ミキシ
ング素子３の出射端面３ａとＤＭＤ素子５の被照明面５
Ｓとを光学的共役関係にする伝達光学系４と、ＤＭＤ素
子５の前方に配置されたフィールドレンズ６とを有す
る。フィールドレンズ６の焦点距離は、照明光学系の用
途に応じて定まる照度分布が被照明面５Ｓ上で得られる
様に、変更される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、デジタル・マイ
クロミラー・デバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror
Device．以下、「ＤＭＤ」と称する．）又は反射型液晶
パネル等の反射型ライトバルブを用いた照明光学系に関
するものである。更に、本発明は、当該照明光学系を有
する投写型表示装置（例えばプロジェクタ）にも関して
いる。
【０００２】
【従来の技術】図１４は、特開２０００―２４１７５５
号公報に開示された従来の投写型表示装置に適用される
照明光学系を概略的に示す図である。図１４において、
３１は光源、３２は光源３１からの光を反射して反射光
を照明光軸に略平行な光にする放物面鏡である。又、３
３は第１レンズアレイ、３４は第１レンズアレイ３３を
構成する凸レンズ、３５は第２レンズアレイ、３６及び
３７は第２レンズアレイ３５を構成する凸レンズであ
る。更に、３８は集光レンズ、３９は被照明面である。
【０００３】光源３１から出射されて放物面鏡３２で反
射された光は略平行光となるが、光源３１が有する発光
分布や配光分布の影響に起因して、放物面鏡３２の開口
端においては、周辺部の光強度分布は中央部の光強度分
布よりも大きくなる。図１４の照明光学系は、この照明
光分布の偏りを低減すると共に、被照明面の中央部をそ
の周辺部よりも明るく照明する機能を有する。次に、図
１４の照明光学系の動作を簡単に説明する。
【０００４】先ず、第１レンズアレイ３３は、単一の焦
点距離を持つ複数の凸レンズ３４が並べられて形成され
ている。他方、第２レンズアレイ３５は、互いに異なる
２つの焦点距離を有する凸レンズ３６と凸レンズ３７と
が交互に並べられることで、形成されている。その際、
凸レンズ３６の焦点距離は、集光レンズ３８との組み合
わせを通じて第１レンズアレイ３３の対応する凸レンズ
３４を被照明面３９上に結像する様に、決定されてい
る。よって、第１レンズアレイ３３の半数の凸レンズ３
４を通った光は被照明面３９上で重畳されるため、放物
面鏡３２の開口端における光強度分布が不均一であって
も、被照明面３９においては均一な照度分布が得られ
る。
【０００５】他方、凸レンズ３７の焦点距離は凸レンズ
３６のそれより長く設定されているので、第１レンズア
レイ３３の対応する凸レンズ３４を集光レンズ３８との
組み合わせにより被照明面３９に結像することはできな
い。即ち、凸レンズ３７を通った光の被照明面３９上で
の照度分布は、中央部が周辺部よりも高い山形となる。
【０００６】以上に述べた動作により、被照明面３９上
の照度分布は、（ｉ）凸レンズ３６を通った光により形
成される均一な照度分布と、（ｉｉ）凸レンズ３７を通
った光により形成される山形の照度分布とを合わせたも
のとなる。即ち、被照明面３９上の照度分布は、被照明
面３９上の有効照明領域内で滑らかに変化し、且つ、中
央部が周辺部よりも高い分布となる。これにより、ＴＶ
画像の表示等に好ましくない均一照明を改善し得る投写
型表示装置が得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１４
に例示した上記の従来の投写型表示装置によれば、第２
レンズアレイ３５の半数を占める凸レンズ３７を通る光
は被照明面３９上に結像しないため、図示しない投写レ
ンズの瞳上に形成される光源像もまたフォーカスの外れ
た像となる。この点、光利用効率を考慮した場合には、
瞳上の光源像のフォーカスはベストであるべきである。
そのため、投写型表示装置としての観点から図１４の従
来の投写型表示装置を検討した場合には、凸レンズ３７
を積極的に設けたことにより生じることになった上記の
フォーカス外れに起因するエネルギー損失が発生せざる
を得ないという問題点が存在する。
【０００８】本発明は上記の課題認識を踏まえて成され
たものであり、その目的とするところは、エネルギー損
失を発生させることなく光利用効率の向上を図りつつ、
照明光学系ないしは投写型表示装置の適用用途に応じて
要求される様々な照度分布を反射型ライトバルブ上で実
現することにある。即ち、光利用効率の向上を図りつ
つ、（ｉ）反射型ライトバルブの被照明面上に均一な照
度分布を実現したり、逆に、（ｉｉ）反射型ライトバル
ブの被照明面上に不均一な照度分布を実現する点に、本
発明の主目的がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る照
明光学系は、光源と、前記光源から出射した光をミキシ
ングする光ミキシング素子と、複数の画素を有する反射
型ライトバルブと、前記光ミキシング素子と前記反射型
ライトバルブとの間に配設され、前記光ミキシング素子
の出射端面と前記反射型ライトバルブの被照明面とを光
学的共役関係にする伝達光学系と、前記伝達光学系と前
記反射型ライトバルブとの間に配設されたフィールドレ
ンズとを備え、前記フィールドレンズの焦点距離は、前
記照明光学系の用途に応じて求められる照度分布が前記
被照明面上で得られる様に、設定されていることを特徴
とする。
【００１０】請求項２の発明は、請求項１記載の照明光
学系であって、前記フィールドレンズの前記焦点距離
は、照明マージンが１．０前後の範囲内の値となる様に
設定されており、前記被照明面上の被照明エリアの対角
寸法は、前記被照明面の対角寸法と前記照明マージンと
の積で与えられることを特徴とする。
【００１１】請求項３の発明は、請求項１又は２記載の
照明光学系であって、前記フィールドレンズの前記焦点
距離は、前記フィールドレンズの曲率半径又は硝材の種
類の少なくとも一方を前記照明光学系の前記用途に応じ
て求められる前記照度分布に基づいて決定することによ
り、設定されることを特徴とする。
【００１２】請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れ
かに記載の照明光学系であって、前記光ミキシング素子
の前記出射端面の形状と前記反射型ライトバルブの前記
被照明面の形状とが略相似であることを特徴とする。
【００１３】請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れ
かに記載の照明光学系であって、前記反射型ライトバル
ブの前記複数の画素の各々が、鏡面の傾角を切り替える
ことができるマイクロミラーから構成されていることを
特徴とする。
【００１４】請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れ
かに記載の照明光学系であって、前記光ミキシング素子
は、内面を反射面とする中空柱状であることを特徴とす
る。
【００１５】請求項７の発明は、請求項１乃至６の何れ
かに記載の照明光学系であって、前記光ミキシング素子
の直前又は直後の何れか一方の位置に配置されており、
前記光源から出射した前記光を通過させる回転カラーフ
ィルタを更に備えることを特徴とする。
【００１６】請求項８の発明は、請求項１乃至７の何れ
かに記載の照明光学系であって、前記フィールドレンズ
は、前記反射型ライトバルブの前記被照明面側に位置す
る平面を有する平凸レンズであることを特徴とする。
【００１７】請求項９の発明は、請求項１乃至７の何れ
かに記載の照明光学系であって、前記フィールドレンズ
の少なくとも一方の面は非球面であることを特徴とす
る。
【００１８】請求項１０の発明は、請求項１乃至７の何
れかに記載の照明光学系であって、前記フィールドレン
ズはフレネルレンズであることを特徴とする。
【００１９】請求項１１の発明に係る投写型表示装置
は、請求項１乃至１０の何れかに記載の前記照明光学系
と、スクリーンと、前記反射型ライトバルブと前記スク
リーンとの間に配設された投写レンズ系とを備えること
を特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１は、本実施
の形態に係る照明光学系の構成を概略的に示す図であ
る。
【００２１】本照明光学系は、光源ランプ１と、光源ラ
ンプ１から出射した光を通過させる回転カラーフィルタ
２と、回転カラーフィルタ２を通過した光をミキシング
する四角柱状の光ミキシング素子３と、光ミキシング素
子３から出射した光を伝達する伝達光学系４と、複数の
画素を有するＤＭＤ素子（反射型ライトバルブ）５と、
伝達光学系４とＤＭＤ素子５との間であってＤＭＤ素子
５寄りの位置に配置されたレンズ素子６とより成る。
【００２２】特に本照明光学系では、レンズ素子６の焦
点距離は、本照明光学系ないしは投写型表示装置の用途
（例えば、マルチスクリーンを照射する場合又は単一ス
クリーンを照射する場合）に応じて必要とされる照度分
布がＤＭＤ素子５上で得られる様に、決定・設定されて
いる。この様に、用途に応じてレンズ素子６の焦点距離
のみを変更するだけで、換言すれば、用途に応じてレン
ズ素子６を所望の焦点距離を有する別のレンズ素子に交
換するだけで、当該用途に応じて必要とされる照度分布
が得られるのである。レンズ素子６は、伝達光学系４の
共役関係にほぼ影響を与えないが、光軸から離れた像高
の大きな光線をＤＭＤ素子５の周辺部に向けて折り曲げ
る作用を有する。このようなレンズ素子６を一般的にフ
ィールドレンズと称する。この場合、レンズ素子６の焦
点距離を適切な値とすることでＤＭＤ素子５を照明する
光の照度分布を、用途に応じた任意の分布とすることが
できる。しかも、レンズ素子６以外の光学部品の変更を
必要としないので、その際のエネルギー損失を格段に低
減して光利用効率の向上を図ることが出来る。この点
は、後述する通りである。
【００２３】尚、伝達光学系４とレンズ素子６とを含め
て、光学系ないしはレンズ群２０と総称する。
【００２４】光源ランプ（単に光源とも称する）１は、
発光体７と、発光体７を囲う楕円面鏡８とから構成され
る。発光体７は、楕円面鏡８の第１焦点近傍に配置され
ており、白色光または単色光を出射する。発光体７より
出射された光は、光ミキシング素子３の入射端面の位置
に該当する楕円面鏡８の第２焦点近傍に収斂される。な
お、光源ランプ１の構成としては、上記の構成例に限定
されるものではなく、例えば楕円面鏡８に代えて放物面
鏡を用いると共に、放物面鏡における反射によって略平
行化された光をコンデンサレンズを用いて光ミキシング
素子３の入射端面に収斂させる様にしても良い。
【００２５】回転カラーフィルタ２は、赤、緑、青等の
フィルタを有しており、例えば、映像信号の同期信号に
同期して回転することによって、フィールドシーケンシ
ャルで照明光線束をカラー化する。回転カラーフィルタ
２によってカラー化された光線束は、光ミキシング素子
３に導かれてＤＭＤ素子５の被照明面ないしは反射面５
Ｓに向けて進む。
【００２６】光ミキシング素子３は、光源ランプ１の集
光像が持つ輝度ムラを低減するための光強度均一化素子
である。光ミキシング素子３の構成例としては、一般的
には、ガラス又は樹脂の透明材料で作られた四角柱状の
ロッドや、表面鏡を筒状に組み合わせたパイプが知られ
ており、前者は透明材料と空気界面との全反射作用を利
用して光を複数回反射させており、後者は表面鏡の反射
作用を利用して光を複数回反射させている。この光の振
舞いは万華鏡のそれとほぼ同じ原理であり、適当な長さ
を確保すれば、光ミキシング素子３で複数回反射した光
が光ミキシング素子３の出射端面３ａの近傍に重畳照射
され、光ミキシング素子３の出射端面３ａ近傍において
は、略均一な強度分布が得られる。この略均一な強度分
布を有する光源面３ａを後述の伝達光学系４によってＤ
ＭＤ素子５へと導き、ＤＭＤ素子５を照明する。このた
めには、光ミキシング素子３の出射端面３ａの形状はＤ
ＭＤ素子５の被照明面５Ｓと相似形状であることが望ま
しい。
【００２７】伝達光学系４は、例えば、複数のレンズ
９，１０，１１，１２から構成される。伝達光学系４
は、光ミキシング素子３の出射端面３ａとＤＭＤ素子５
の被照明面５Ｓとを光学的に共役な関係とするものであ
り、出射端面３ａに形成される均一光源面の像をＤＭＤ
素子５の被照明面５Ｓの近傍に形成する作用を有する。
ここで、図２は、光ミキシング素子３、伝達光学系４、
及びＤＭＤ素子５の位置関係、並びに結像の関係を概念
的に示す図である。図２において、ｈは光ミキシング素
子３の出射端面３ａの対角寸法を、ＨはＤＭＤ素子５の
被照明面５Ｓ上における被照明エリアの対角寸法を、各
々示している。又、図２中の実線１４、１５は、光線を
模式的に示すものである。伝達光学系４の結像倍率を記
号Ｍで表すものとすると、光ミキシング素子３の出射端
面３ａの対角寸法ｈとＤＭＤ素子５の被照明エリアの対
角寸法Ｈとが、Ｍ≒Ｈ／ｈの条件を満たす様に、伝達光
学系４は設計されている。
【００２８】ＤＭＤ素子５は、画素を構成する可動式の
マイクロミラーを数十万個以上配列して成る反射型ライ
トバルブである。各マイクロミラーのチルト角度（αと
表示する）は、画像信号に基づいて制御される。制御さ
れる角度は、+αの状態と-αの状態の２値であり、各マ
イクロミラーは、一方の状態のときに入射光を投写光学
系（図示せず）に向けて反射し、他方の状態のときに入
射光を光吸収板（図示せず）に向けて反射する。即ち、
前者の場合に映像で言えば「白」表示状態が実現され、
後者の場合に「黒」表示状態が実現される。尚、本実施
の形態に係る照明光学系においては、照明の対象をＤＭ
Ｄ素子５に限る必要はなく、略平面の被照明面を有する
ライトバルブであれば、これを照明の対象として用いる
ことができる。
【００２９】ＤＭＤ素子５の詳細については、例えば
“L.H.Hornbeck,Prog.SPIE,vol.3013,pp.27-40(1997)”
を参照されたい。
【００３０】レンズ素子６は、ＤＭＤ素子５の被照明面
５Ｓに対向した平面と、伝達光学系４のレンズ１２に対
向した凸面とを有する、平凸レンズである。レンズ素子
６は、照明光線束の周辺部分に主に作用して当該周辺部
分の光線を内側に屈折させ、ＤＭＤ素子５の被照明面５
Ｓよりも外側に向かおうとする光線を内側へ屈折させる
「フィールドレンズ」として、作用している。このと
き、レンズ素子６の存在は伝達光学系４の結像性能には
殆ど影響を及ぼさない。
【００３１】ここで、図３は、ＤＭＤ素子５の被照明面
５Ｓの大きさと被照明エリアの大きさとの関係を示す図
である。図３において、被照明面５Ｓの大きさとして、
ＤＭＤ素子５の有効動作領域の対角寸法をＨＤ（一定
値）と定義すると、通常、ＤＭＤ素子５の被照明面５Ｓ
上の被照明エリアの対角寸法Ｈは、照明マージンＭＤを
考慮して、Ｈ＝ＭＤ×ＨＤとなる様に、決定される。な
お、照明マージンＭＤは、伝達光学系４の光学性能等に
より生じる最外周辺部の明るさ不足の領域を回避した
り、伝達光学系４に対するＤＭＤ素子５の配置のばらつ
きを許容する目的から、必要となるものである。
【００３２】ＤＭＤ素子５の照明マージンＭＤは、本照
明光学系ないしは投写型表示装置の用途に応じて、変更
される。例えば、本照明光学系を用いて複数のスクリー
ンを並べ合わせたマルチスクリーンを構成する場合に
は、各スクリーンの境界（目地）の不自然さを避けるた
めに、十分に均一な照明が要求される。従って、ＤＭＤ
素子５上での照度分布は均一でなければならない。この
とき、照明マージンＭＤを例えば１．０９という様にあ
る程度大きく設定し、被照明エリアの対角寸法ＨをＤＭ
Ｄ素子５の被照明面５Ｓの対角寸法ＨＤよりも大きく設
定するのが望ましい。
【００３３】これに対して、投写光を単一スクリーンへ
照射する用途の場合には、照明マージンＭＤは小さくて
良く、例えば照明マージンＭＤを１．００に設定すれば
良い。これは、画面の中心照度が高いほど人間の目は画
面全体を明るく感じ、このとき周辺部の照度の低下はあ
る程度まで許容されることがわかっているためである。
このとき、画面周辺部に到達していた光を画面中心部に
向けることができれば、照明光線束全体としての損失を
避けながら、単一スクリーンに好ましい照度分布を実現
することができる。この役割を担っているのが、既述し
たフィールドレンズ６である。
【００３４】本実施の形態の照明光学系では、伝達光学
系４からの照明光線束を、フィールドレンズとしてのレ
ンズ素子６により、集光気味にＤＭＤ素子５へと導いて
いる。具体的な照明マージンＭＤの変更・設定の方法と
しては、レンズ素子６の屈折力（焦点距離の逆数で与え
られる）を変えることで、従って、レンズ素子６の焦点
距離を変えることで、光線束の集光の様態を変えて、被
照明エリアの大きさ（対角寸法Ｈ）と照明光線束の分布
の様態とを変化させている。
【００３５】図４は、レンズ素子６の屈折力（ないしは
焦点距離）の違いにより、被照明面５Ｓに到達する光線
の光路が異なる様子を模式的に示すものである。図４に
おいて、点線で示した光線１７は、実線で示した光線１
６の場合と比較して、レンズ素子６の屈折力が大きい
（すなわち焦点距離が小さい）場合の振舞いである。
【００３６】図５の（Ａ）及び（Ｂ）は、レンズ素子６
の屈折力を変更した場合における、ＤＭＤ素子５上の被
照明エリアの対角寸法ＨとＤＭＤ素子５上の照度分布と
を示す図である。ここで、図５の（Ａ）は、照明マージ
ンＭＤを１．０５に設定した場合の図である。このと
き、被照明エリアの対角寸法Ｈは、Ｈ＝１．０５×ＨＤ
となり、ＤＭＤ素子５の被照明面５Ｓの対角寸法ＨＤよ
りも大きくなる。図５の（Ａ）の照度分布からも明らか
な様に、ＤＭＤ素子５の被照明面５Ｓ上で十分に均一な
照明を実現することができる。
【００３７】他方、図５の（Ｂ）は、照明マージンＭＤ
を例えば０．９５に設定した場合の図である。このと
き、被照明エリアの対角寸法Ｈは、Ｈ＝０．９５×ＨＤ
となり、ＤＭＤ素子５の被照明面５Ｓの対角寸法Ｈより
も小さくなる。この場合の被照明面５Ｓ上での照度分布
の図は、被照明面５Ｓの周辺部を暗くする反面、中心部
の明るさを向上させる効果を示している。尚、図５の
（Ｂ）におけるレンズ素子６の焦点距離は、図５の
（Ａ）の場合のレンズ素子６の焦点距離よりも小さい。
【００３８】次に、本実施の形態におけるレンズ素子６
の第１の数値実施例を検討する。第１の数値実施例及び
後述する数値実施例においては、ＦＮＯを光学系２０の
Ｆナンバーに、Ｍを光学系２０の結像倍率に、ＨＤをＤ
ＭＤ素子５の対角寸法に、ＭＤを照明マージンに、Ｈを
Ｈ＝ＭＤ×ＨＤの式より決定される被照明エリアの対角
寸法に、それぞれ定義する。更に、Ｒはレンズ素子６の
第１面（凸面）の曲率半径を、Ｔはレンズ素子６の厚み
を、ｆはレンズ素子６の焦点距離を、各々示すものとす
る。更に、ｎｄはレンズ素子６を構成する硝材のｄ線に
対する屈折率を、ｖｄはレンズ素子６を構成する硝材の
アッベ数を、各々示している。以下に、第１の数値実施
例の結果（シミュレーション）を、表１に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】表１におけるＰｄｍｄは、光源ランプ１か
らの出射光線束を１とした場合における、ＤＭＤ素子５
へ到達し且つ有効角度に含まれる光の割合を示してお
り、この値が１に近いほど照明効率は高い。なお、有効
角度とは光学系２０のＦナンバーより決定されるもので
あり、有効角度をθとして表すと、有効角度は次の
（１）式より算出される。
【００４１】
【数１】
【００４２】第１数値実施例の場合、ＦＮＯ＝２．５よ
り、ＤＭＤ素子５上の有効角度θは、±１１．５４°と
なる。
【００４３】又、表１におけるＣｄｍｄは、ＤＭＤ素子
５の被照明面５Ｓの中心部の明るさを示すものである。
なお、中心部の明るさＣｄｍｄについては、表１の第１
の数値実施例のＣｄｍｄを１とした上で、その相対値で
示すこととする。
【００４４】又、表１におけるＵｄｍｄは、ＤＭＤ素子
５の被照明面５Ｓ上の照度分布の均一性の度合いを示す
ものである。この均一性Ｕｄｍｄは、シミュレーション
時にＤＭＤ素子５の被照明面５Ｓを図６に示す様に５×
５分割にした上で、計算した結果得られる照度分布を基
に、次の（２）式を用いて算出される。尚、（２）式中
のＥｄｍｄ１〜Ｅｄｍｄ４は、図６に示す様に、ＤＭＤ
素子５の被照明面５Ｓの周辺部の照度を示すものであ
る。
【００４５】
【数２】
【００４６】表１に示した仕様のレンズ素子６を用い
て、照明光学系の照明シミュレーションを行った結果
を、図７に示す。図７において、縦軸は照度（相対
値）、横軸は像高である。ここで、像高とは、被照明面
５Ｓの中心（光軸）から画面周辺部に向かって対角線上
にとった距離である。図７は、被照明エリアにおける照
度分布の断面図である。図７から明らかな様に、照明マ
ージンＭＤを１．０９と大きく設定したため、ＤＭＤ素
子５の照明領域（対角線ＨＤで与えれる領域）では十分
に均一な照明が得られている。なお、本数値実施例にお
いて、レンズ素子６の焦点距離ｆと、ＤＭＤ素子５の対
角寸法ＨＤとの比である、ｆ／ＨＤは６．３７５とな
る。
【００４７】次に、本実施の形態におけるレンズ素子６
の第２の数値実施例を検討する。この場合のレンズ素子
６等の仕様及び計算結果を、表２に示す。
【００４８】
【表２】
【００４９】表２では、照明マージンＭＤを１．０５に
設定している。被照明エリアの対角寸法Ｈは、Ｈ＝ＭＤ
×ＨＤの式で以て決定されると共に、光学系２０の結像
倍率Ｍと光ミキシング素子３の出射端面３ａの対角寸法
ｈとの関係式、即ち、Ｍ≒Ｈ／ｈの関係式を満足する様
に、決定される。ここで、ＤＭＤ素子５の対角寸法ＨＤ
と光ミキシング素子３の出射端面３ａの対角寸法ｈとを
一定値に設定すると、被照明エリアの対角寸法Ｈと光学
系２０の結像倍率Ｍとは、照明マージンＭＤの値と連動
して変化することになる。
【００５０】表２におけるレンズ素子６の数値実施例に
おいては、照明マージンＭＤの値を１．０５に設定して
おり、それは上記第１数値実施例の照明マージンＭＤの
値の約０．９６倍に相当する。従って、第２の数値実施
例における被照明エリアの対角寸法Ｈと光学系２０の結
像倍率Ｍとを、それぞれ上記第１の数値実施例における
対応する値の約０．９６倍に設定すれば良い。即ち、レ
ンズ素子６の焦点距離ｆを第１の数値実施例の場合の焦
点距離の約０．９６倍に近い値で設計すると、良好な結
像特性を保ちつつ、照明効率の良い結果が得られる。
又、被照明エリアの対角寸法Ｈを小さくする効果と共
に、ＤＭＤ素子５への有効な角度成分を持つ到達光の光
量Ｐｄｍｄおよび中心部の明るさＣｄｍｄを増加させる
効果も得られる。この時、ＤＭＤ素子５上の均一性Ｕｄ
ｍｄが劣化することが理解される。
【００５１】尚、表２におけるレンズ素子６の厚みＴお
よび硝材の種類は、表１の数値実施例の場合と同一であ
り、レンズ素子６の曲率半径Ｒのみを変更することでレ
ンズ素子６の焦点距離の変更に対応している。これによ
り、第１の数値実施例において用いていたレンズ素子６
のみを曲率半径Ｒの異なる別のレンズ素子６に交換する
だけで、均一性Ｕｄｍｄが第１の数値実施例の場合より
も劣化した照度分布をＤＭＤ素子５の被照明面５Ｓ上に
容易に実現する事が出来、その際、レンズ素子６を除い
た他の光学部品並びに各光学部品を保持する機構部材な
どの全てをそのまま共用することが可能となる。
【００５２】図８は、表２に示した仕様のレンズ素子６
を用いた場合の被照明面５Ｓ上の照度分布シミュレーシ
ョン結果を示す。図７の結果と比較して、均一性Ｕｄｍ
ｄの値を、９７．９２％から９５．１９％にまで劣化さ
せて、有効な角度成分を持つ到達光の光量Ｐｄｍｄを
０．５９から０．６２へと増加させ、中心部の明るさＣ
ｄｍｄも１．０６倍に増加させる効果が得られる。な
お、本数値実施例において、レンズ素子６の焦点距離ｆ
と、ＤＭＤ素子５の対角寸法ＨＤとの比である、ｆ／Ｈ
Ｄは６．１０５となる。
【００５３】本実施の形態におけるレンズ素子６の第３
の数値実施例を、次の表３に示す。
【００５４】
【表３】
【００５５】第３の数値実施例は、照明マージンＭＤを
１．００に設定したものであり、この場合の照明マージ
ンＭＤは第１の数値実施例の照明マージンＭＤの約０．
９２倍となる。よって、第３の数値実施例における被照
明エリアの対角寸法Ｈと光学系２０の結像倍率Ｍとを、
それぞれ第１の数値実施例の対応する値の約０．９２倍
に設定すれば良い。即ち、この場合のレンズ素子６の焦
点距離ｆを第１の数値実施例における焦点距離の約０．
９２倍に近い値に設計すると、良好な結像特性を保ちつ
つ、照明効率の良い結果が得られる。本数値実施例にお
いても、レンズ素子６については、その厚みＴとその硝
材の種類は共に第１及び第２の数値実施例の場合と同様
にしているため、第２の数値実施例において用いていた
レンズ素子６のみを曲率半径Ｒの異なる別のレンズ素子
６に交換するだけで、第２の数値実施例の場合よりもよ
り一層劣化した均一性Ｕｄｍｄを有する照度分布を実現
することが出来、その際、レンズ素子６を除いた照明光
学系内の他の光学部品の全て及び各光学部品を保持する
機構部材などを共用することが可能である。
【００５６】尚、表３のレンズ素子６の曲率半径Ｒ及び
焦点距離ｆは、第１及び第２の数値実施例のレンズ素子
６の曲率半径Ｒ及び焦点距離ｆよりも更に小さくなって
おり、被照明エリアの対角寸法Ｈを更に小さくする効果
と共に、ＤＭＤ素子５への有効な角度成分を持つ到達光
の光量Ｐｄｍｄ及び中心部の明るさＣｄｍｄを増加させ
る効果も得られる。
【００５７】表３に示した仕様のレンズ素子６を用いた
場合における被照明面５Ｓ上の照度分布シミュレーショ
ン結果を、図９に示す。図８の場合と比較して、均一性
Ｕｄｍｄについては８２．９２％と更に劣るが、ＤＭＤ
素子５への有効な角度成分を持つ到達光の光量Ｐｄｍｄ
は０．６３となり、中心部の明るさも第１の数値実施例
の１．１２倍になり、光量Ｐｄｍｄ及び中心部の明るさ
は共に増加する効果が得られる。なお、本数値実施例に
おいて、レンズ素子６の焦点距離ｆと、ＤＭＤ素子５の
対角寸法ＨＤとの比である、ｆ／ＨＤは５．８１０とな
る。
【００５８】本実施の形態におけるレンズ素子６の第４
の数値実施例を、表４に示す。
【００５９】
【表４】
【００６０】第４の数値実施例は、照明マージンＭＤを
０．９５に設定した場合であり、当該照明マージンＭＤ
は、第１数値実施例の照明マージンＭＤの約０．８７倍
となる。よって、第４の数値実施例における、被照明エ
リアの対角寸法Ｈと光学系２０の結像倍率Ｍとを、それ
ぞれ第１の数値実施例の対応する値の約０．８７倍に設
定すれば良い。即ち、この場合のレンズ素子６の焦点距
離ｆを第１の数値実施例の焦点距離の約０．８７倍に近
い値に設計すると、良好な結像特性を保ちつつ、照明効
率の良い結果が得られる。本数値実施例においても、レ
ンズ素子６については、その厚みＴとその硝材の種類と
を共に第１から第３数値実施例の場合と同様にしている
ため、第３の数値実施例において用いていたレンズ素子
６のみを曲率半径Ｒの異なる別のレンズ素子６に交換す
るだけで、第３の数値実施例の場合よりもより一層劣化
した均一性Ｕｄｍｄを有する照度分布を実現することが
出来、その際、レンズ素子６を除いた照明光学系内の他
の光学部品の全て及び各光学部品を保持する機構部材な
どを共用することが可能である。
【００６１】尚、表４のレンズ素子６の曲率半径Ｒ及び
焦点距離ｆは、第１乃至第３数値実施例のレンズ素子６
の曲率半径Ｒ及び焦点距離ｆよりも更に小さくなってお
り、被照明エリアの対角寸法Ｈをより一層小さくする効
果と共に、ＤＭＤ素子５への有効な角度成分を持つ到達
光の光量Ｐｄｍｄ及び中心部の明るさＣｄｍｄを共に増
加させる効果も得られる。
【００６２】表４に示した仕様のレンズ素子６を用いた
場合における被照明面５Ｓ上の照度分布シミュレーショ
ン結果を、図１０に示す。図９の場合と比較して、均一
性Ｕｄｍｄは６７．６３％と更に劣化するが、ＤＭＤ素
子５への有効な角度成分を持つ到達光の光量Ｐｄｍｄは
同等であり、中心部の明るさＣｄｍｄは第１の数値実施
例の場合の１．２２倍となっており、更に増加する効果
が見られる。なお、本数値実施例において、レンズ素子
６の焦点距離ｆと、ＤＭＤ素子５の対角寸法ＨＤとの比
である、ｆ／ＨＤは５．５１７となる。
【００６３】以上、４つの数値実施例の検討を通じて、
本実施の形態に係る照明均一性の制御の作用・効果を記
載した。ここに述べた様に、レンズ素子６の仕様変更
（焦点距離の変更）だけで、マルチスクリーンに好適な
明るさの均一性が高い状態を実現したり、単一スクリー
ンの表示に適した画面中央部が相対的に明るい状態を実
現することができる。このとき、レンズ素子６の焦点距
離ｆと、ＤＭＤ素子５の対角寸法ＨＤとの比は、５．５
１７〜６．３７５である。実際の投写型表示装置におい
て評価したところ、上記の値は５．５〜６．５の範囲で
望ましい画像の均一性が得られた。勿論、本実施の形態
はここに示した数値実施例に限定されるものではなく、
同様の効果を呈するレンズ素子６の仕様についても、そ
れが本発明に含まれることは言うまでもない。
【００６４】（変形例）本実施の形態においては、レン
ズ素子６の曲率半径Ｒを変更することによって同素子６
の焦点距離ｆを変更する方法を記載したが、焦点距離ｆ
の変更方法としてはこれに限定される訳ではなく、例え
ば、レンズ素子６の硝材の種類の変更によっても同素子
６の焦点距離ｆを変更することが出来る。要は、曲率半
径Ｒ及び硝材の種類の少なくとも一方の変更を以て、レ
ンズ素子６の焦点距離ｆを変更すれば良い。但し、レン
ズ素子６の厚みＴを変更する方法は回避すべきである。
何故ならば、この場合には、レンズ素子６と共に他の光
学部品の仕様もまた変更せざるを得なくなるからであ
る。
【００６５】又、本実施の形態においては、光ミキシン
グ素子３を四角柱状に構成していたが、薄板状の反射部
材を折り曲げ加工により中空柱状に成形したもので光ミ
キシング素子３を構成しても良い。光ミキシング素子３
を中空柱状のもので構成した場合には、エネルギー密度
の高い集光点を空間に形成できるため、冷却を容易に行
うことができると共に、外壁面を保持のために用いても
内面の反射性能に影響を与えないため、保持方法をも容
易化することができる結果、安価に装置を構成すること
ができる。
【００６６】又、本実施の形態においては、回転カラー
フィルタ２を光ミキシング素子３の直前に配置している
が、光ミキシング素子３の直後に回転カラーフィルタ２
を配置しても良い。どちらに配置した場合においても、
回転カラーフィルタ２を通過する光線束の径を小さくす
ることができるため、光利用効率の高い装置をコンパク
トに構成することが可能となる。
【００６７】又、本実施の形態においては、レンズ素子
６をＤＭＤ素子５側に平面を向けた平凸レンズとしてい
るが、少なくともどちらか一方の面を非球面化しても良
い。すなわち、伝達光学系４側を非球面化し、ＤＭＤ素
子５側を平面又は球面で公正したり、ＤＭＤ素子５側を
非球面化し、伝達光学系４側を平面又は球面で構成して
も良い。さらに、伝達光学系４側およびＤＭＤ素子５側
の両方を非球面で構成しても良い（図１１のレンズ素子
６Ａは伝達光学系４側を非球面化し、ＤＭＤ素子５側を
平面で構成した例）。非球面レンズは、（３）式の様に
表現される。
【００６８】
【数３】
【００６９】ここで、Ｚは光軸方向の距離、Ｙは光軸に
垂直な方向への距離、ｃは中心曲率、Ａは非球面多項式
の４次の係数、Ｂは６次係数、Ｃは８次の係数、Ｄは１
０次の係数、Ｋはコーニック定数を示している。
【００７０】更に、レンズ素子６をＤＭＤ素子５側に平
面を向けたフレネルレンズで構成しても良い（図１２の
レンズ素子６Ｂ）。あるいは、伝達光学系４側に平面を
向けたフレネルレンズでレンズ素子６を構成しても良
い。
【００７１】レンズ素子６を非球面レンズ又はフレネル
レンズで構成する場合には、設計上のパラメータの選択
幅が広がり収差補正が容易になるだけでなく、レンズ素
子６の厚みを抑えて軽量な装置を構成することができる
という利点がある。
【００７２】（実施の形態２）図１３は、本発明に係る
投写型表示装置の一例である単板式プロジェクタ装置
（反射型ライトバルブの数が１個の装置）の光学系を示
す図である。図１３において、５１はプリズム、５２は
投写光学系としての投写レンズ系、５３はスクリーンで
ある。その他の符号は図１に示されたものと同様である
ので、その説明を省略する。
【００７３】図１３中、１００は実施の形態１において
記載した照明光学系であり、その他の構成要素が本プロ
ジェクタ装置を構成するにあたり新しく付加される要素
である。光源１からＤＭＤ素子５までの動作は、実施の
形態１において説明した内容と同様である。
【００７４】照明光学系１００の光路内であって、ＤＭ
Ｄ素子５とレンズ素子６との間には、プリズム５１が配
置されている。このプリズム５１は、（１）照明光軸５
４に対して垂直な光入射面（第１外面）５１ＯＳ１と、
（２）ＤＭＤ素子５の光学面（ＤＭＤ素子５を構成する
全てのマイクロミラーの面に変位が与えられていない状
態における主面）に対して平行であり、且つ、投写光軸
５５に垂直な第２外面５１ＯＳ２と、（３）ＤＭＤ素子
５の光学面に対して平行であり、投写光軸５５に垂直で
あると共に、第２外面５１ＯＳ２に対向する光出射面
（第３外面５１ＯＳ３）と、（４）その面上に配設され
た光吸収板（図示せず）を有する第４外面５１ＯＳ４
と、（５）光入射面５１ＯＳ１より入射した照明光線束
を全反射すると共に、第２外面５１ＯＳ２を透過した照
明光線束の内でＯＮ信号（白表示信号）が印加されるＤ
ＭＤ素子５のマイクロミラーの面に入射した光線が当該
マイクロミラーの面で反射されることによって得られる
ＯＮ反射光（投写光）のみを第３外面５１ＯＳ３へ向け
て透過させる作用を有する内面５１ＩＳ１とを、備えて
いる。このため、プリズム５１は、照明光線の偏向（Ｄ
ＭＤ素子５方向への折り曲げ）をその内面５１ＩＳ１の
全反射作用を利用して行う。
【００７５】プリズム５１は、照明光学系１００の光学
性能と、投写レンズ系５２の投写性能とを両立させると
共に、照明光軸５４と投写光軸５５とを分離することに
よってＤＭＤ素子５の前後の光学系同士の物理的な干渉
を回避する働きを有する（光路分離作用と称す）。
【００７６】照明光学系１００は、実施の形態１におい
て記載した通り、本装置の用途に応じてレンズ素子６の
焦点距離のみを変更するだけで、光利用効率を低下させ
ることなく、（ｉ）被照明面上の均一な照度分布を実現
したり、あるいは、（ｉｉ）中央部の照度が周辺部のそ
れとは異なる状態を呈する不均一な照度分布を実現する
ことが出来る。即ち、照明光学系１００は、本装置の用
途に応じて求められる照度分布を臨機応変に作り出すこ
とが出来るのである。そのため、照明光学系１００を本
実施の形態のプロジェクタ装置に適用することによっ
て、目的に応じたスクリーン５３上の照度分布を光利用
効率を向上させつつ実現し得る光学システムを、コンパ
クト且つ安価に構成することができる。この様な光学シ
ステムについては、フロント投写、リア投写といった投
写方式に係わらず、これを構成することができる。
【００７７】勿論、この場合の照明光学系１００の構成
は、図１や図１１や図１２に例示したものに限られるわ
けではなく、例えば、反射ミラー等を照明光学系１００
の内部に追加することによって照明光学系１００の光路
を折り曲げて、構成部品をコンパクトに配置することに
より、小型、軽量のプロジェクタ装置を実現することも
可能である。
【００７８】尚、プリズム５１は構成上必ずしも必要な
部品ではないことを、付言しておく。
【００７９】（付記）以上、本発明に関して上記２つの
実施の形態について説明した。本発明は上記２つの実施
の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱
せず、その要旨を変更しない範囲において様々な変形例
が可能であることは勿論である。
【００８０】
【発明の効果】請求項１、２及び１１の発明によれば、
反射型ライトバルブの前方に配置されたフィールドレン
ズの焦点距離の変更のみだけで、光利用効率を低減させ
ることなく、照明光学系の用途に応じて要求される様々
な照度分布を反射型ライトバルブ上に容易に実現するこ
とができると言う効果が得られる。
【００８１】請求項３の発明によれば、フィールドレン
ズ以外の光学部品及びこれらの光学部品を保持する機構
部材を変更することなく、フィールドレンズの交換のみ
で、反射型ライトバルブ上に異なる照度分布を実現する
ことができると言う効果が得られる。
【００８２】請求項４の発明によれば、光ミキシング素
子の設計が行い易いと共に、光損失を抑えることができ
ると言う効果が得られる。
【００８３】請求項５の発明によれば、ローコストで光
利用効率の良い装置を提供することができると言う効果
が得られる。
【００８４】請求項６の発明によれば、光ミキシング素
子の冷却及び保持方法を簡便化することができると言う
効果が得られる。
【００８５】請求項７の発明によれば、コンパクトで光
利用効率の高い装置を提供することができると言う効果
が得られる。
【００８６】請求項８の発明によれば、フィールドレン
ズと反射型ライトバルブとの相対位置の設定が容易にな
ると言う効果が得られる。
【００８７】請求項９及び１０の発明によれば、歪曲収
差をはじめ、コマ収差、非点収差等、高次の軸外収差を
補正して良好な結像特性を実現できると言う効果が得ら
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１に係る照明光学系の構成を示す
図である。
【図２】 実施の形態１の光ミキシング素子、伝達光学
系、及びＤＭＤ素子の関係を示す図である。
【図３】 実施の形態１における被照明エリアの大きさ
を示す図である。
【図４】 実施の形態１におけるレンズ素子による光線
の振る舞いを模式的に示す図である。
【図５】 実施の形態１におけるレンズ素子の焦点距離
の変更の効果を示す図である。
【図６】 実施の形態１における被照明面の均一性の算
出方法を示す図である。
【図７】 実施の形態１における被照明面上の照度分布
を示す図である。
【図８】 実施の形態１における被照明面上の照度分布
を示す図である。
【図９】 実施の形態１における被照明面上の照度分布
を示す図である。
【図１０】 実施の形態１における被照明面上の照度分
布を示す図である。
【図１１】 実施の形態１の変形例に係る照明光学系の
構成を示す図である。
【図１２】 実施の形態１の変形例に係る照明光学系の
構成を示す図である。
【図１３】 実施の形態２に係る投写型表示装置の構成
を示す図である。
【図１４】 従来の投写型表示装置の要部を概略的に示
す図である。
【符号の説明】
１ 光源ランプ、２ 回転カラーフィルタ、３ 光ミキ
シング素子、４ 伝達光学系、５ ＤＭＤ素子、５Ｓ
被照明面、６ レンズ素子、７ 発光体、８楕円面鏡、
９，１０，１１，１２ レンズ、１３，１４，１５ 照
明光線束、５１ プリズム、５２ 投写レンズ系、５３
スクリーン。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｎ 9/31 Ｈ０４Ｎ 9/31 Ｃ Ｆターム(参考） 2H052 BA02 BA03 BA09 BA14 5C058 AB06 BA06 EA01 EA02 EA03 EA11 EA12 EA13 EA27 5C060 AA07 BA03 BA09 BB13 BC01 EA01 GA01 GA02 GB05 HC07 HC08 HC10 HC17 JA11 JB06

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 照明光学系であって、 光源と、 前記光源から出射した光をミキシングする光ミキシング
    素子と、 複数の画素を有する反射型ライトバルブと、 前記光ミキシング素子と前記反射型ライトバルブとの間
    に配設され、前記光ミキシング素子の出射端面と前記反
    射型ライトバルブの被照明面とを光学的共役関係にする
    伝達光学系と、 前記伝達光学系と前記反射型ライトバルブとの間に配設
    されたフィールドレンズとを備え、 前記フィールドレンズの焦点距離は、前記照明光学系の
    用途に応じて求められる照度分布が前記被照明面上で得
    られる様に、設定されていることを特徴とする、照明光
    学系。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の照明光学系であって、 前記フィールドレンズの前記焦点距離は、照明マージン
    が１．０前後の範囲内の値となる様に設定されており、 前記被照明面上の被照明エリアの対角寸法は、前記被照
    明面の対角寸法と前記照明マージンとの積で与えられる
    ことを特徴とする、照明光学系。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の照明光学系であっ
    て、 前記フィールドレンズの前記焦点距離は、前記フィール
    ドレンズの曲率半径又は硝材の種類の少なくとも一方を
    前記照明光学系の前記用途に応じて求められる前記照度
    分布に基づいて決定することにより、設定されることを
    特徴とする、照明光学系。
  4. 【請求項４】 請求項１乃至３の何れかに記載の照明光
    学系であって、 前記光ミキシング素子の前記出射端面の形状と前記反射
    型ライトバルブの前記被照明面の形状とが略相似である
    ことを特徴とする、照明光学系。
  5. 【請求項５】 請求項１乃至４の何れかに記載の照明光
    学系であって、 前記反射型ライトバルブの前記複数の画素の各々が、鏡
    面の傾角を切り替えることができるマイクロミラーから
    構成されていることを特徴とする、照明光学系。
  6. 【請求項６】 請求項１乃至５の何れかに記載の照明光
    学系であって、 前記光ミキシング素子は、内面を反射面とする中空柱状
    であることを特徴とする、照明光学系。
  7. 【請求項７】 請求項１乃至６の何れかに記載の照明光
    学系であって、 前記光ミキシング素子の直前又は直後の何れか一方の位
    置に配置されており、前記光源から出射した前記光を通
    過させる回転カラーフィルタを更に備えることを特徴と
    する、照明光学系。
  8. 【請求項８】 請求項１乃至７の何れかに記載の照明光
    学系であって、 前記フィールドレンズは、前記反射型ライトバルブの前
    記被照明面側に位置する平面を有する平凸レンズである
    ことを特徴とする、照明光学系。
  9. 【請求項９】 請求項１乃至７の何れかに記載の照明光
    学系であって、 前記フィールドレンズの少なくとも一方の面は非球面で
    あることを特徴とする、照明光学系。
  10. 【請求項１０】 請求項１乃至７の何れかに記載の照明
    光学系であって、 前記フィールドレンズはフレネルレンズであることを特
    徴とする、照明光学系。
  11. 【請求項１１】 請求項１乃至１０の何れかに記載の前
    記照明光学系と、 スクリーンと、 前記反射型ライトバルブと前記スクリーンとの間に配設
    された投写レンズ系とを備えることを特徴とする、投写
    型表示装置。
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