照明光学系及び画像投射装置
【課題】明るさと高コントラストを両立し、コンパクトな照明光学系を提供する。
【解決手段】照明光学系３は、光源１０からの光の照度分布を特定分布に変換するインテグレート光学系１１ａ，１１ｂと、該インテグレート光学系からの光を被照明面に向けて集光する集光光学系１３とを有する。集光光学系は、それぞれ正の光学パワーを有する第１群１３ａ及び該第１群よりも被照明面側に配置された第２群１３ｂにより構成されており、集光光学系の後側主点が、前側主点よりも光源側に位置する。
【解決手段】照明光学系３は、光源１０からの光の照度分布を特定分布に変換するインテグレート光学系１１ａ，１１ｂと、該インテグレート光学系からの光を被照明面に向けて集光する集光光学系１３とを有する。集光光学系は、それぞれ正の光学パワーを有する第１群１３ａ及び該第１群よりも被照明面側に配置された第２群１３ｂにより構成されており、集光光学系の後側主点が、前側主点よりも光源側に位置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶パネル等の空間光変調素子の照明に好適な照明光学系及びこれを備えた液晶プロジェクタ等の画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像投射装置では、光源からの光を照明光学系を介して液晶パネルやマイクロミラーアレイデバイス等の空間光変調素子に導き、該変調光変調素子によって画像変調された光をスクリーン等の被投射面に投射することで、画像を表示する。
【０００３】
このような画像投射装置の照明光学系として、特許文献１には、２つのレンズアレイを用いたインテグレート光学系を含む照明光学系が開示されている。インテグレート光学系は、光源からの光束を、第１レンズアレイを構成する複数の矩形開口を有する集光レンズによって複数の光束に分割する。そして、該複数の光束を、第１レンズアレイの複数の矩形開口にそれぞれ対応した複数の集光レンズを有する第２レンズアレイと、その後方に配置された集光レンズとによって被照射面（変調光変調素子）上に重ね合わせるように結像させる。このような光学系により、被照明面を照明する光の強度分布を均一化することができる。
【０００４】
さらに、特許文献２には、照明光学系において、波長選択性を有するダイクロイックミラーによって生じる投射画像の左右方向での色むらを抑制する方法が開示されている。この光学系では、第１及び第２レンズアレイにより構成されるインテグレート光学系からの光を空間光変調素子上に集光させる集光光学系（複数の集光レンズ）の主点が、第２レンズアレイと空間光変調素子との中間に位置する。このため、ダイクロイックミラーへの入射光束の平行度を従来よりも向上させることが可能となり、その結果、ダイクロイックミラーの角度特性の影響を緩和し、投射画像の左右方向での色むらを抑制することができる。
【０００５】
さらに、特許文献３には、照明光学系に、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという）に入射する光の拡がり角を制限するための絞りを設けることで、照明光学系のＦ値を大きくし、高いコントラストを実現する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平３−１１１８０６号公報
【特許文献２】特開２００１−３３７３９３号公報
【特許文献３】特開２００４−４５９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
画像投射装置において、明るさとコントラストはいずれも重要な性能であるが、実際には明るさと高コントラストを両立させることは難しい。明るさを向上させるためには光の利用効率を高める必要があり、これには照明光学系のＦ値を小さくする方法がある。しかし、Ｆ値を小さくするとコントラストが低下してしまう。
【０００７】
コントラストの低下は、色分離合成素子として用いられるＰＢＳへの光の入射角が大きくなることによって、ＰＢＳでの反射性能が低下することに起因する。Ｆ値を小さくして明るさを得ようとすると、ＰＢＳへの光の入射角が大きくなり、反射性能が低下する。すなわち、反射すべきではない偏光光が反射し、反射すべき偏光光が反射せずに透過してしまう。この結果、黒画像を投射する状態で、本来ＰＢＳで反射して投射光から除かれるべき光（漏れ光）がＰＢＳを透過して黒画像上に投射され、コントラストを低下させる。
【０００８】
一方、空間光変調素子にもこれと同様の角度特性がある。すなわち、Ｆ値の小さな照明光学系を用いた場合に、黒画像に投射されてしまう漏れ光を発生させる特性を有する。このため、高コントラストの投射画像を得るためには、空間光変調素子を照明する照明光束は、平行光束（テレセントリックかつ大きなＦ値）である必要がある。
【０００９】
特許文献３のように、絞りを設けることで照明光学系のＦ値を大きくし、高コントラストを実現することは可能である。しかし、絞りによる光の拡がり角の制限では、光源からの光を遮断してしまうため、光の利用効率が大きく低下する。
【００１０】
ここで、図６には、特許文献２にて開示された照明光学系を示す。該照明光学系は、第１及び第２フライアイレンズ５１ａ，５１ｂと、コンデンサレンズ５２とにより、均一な光量分布を持った照明エリアを空間光変調素子５４上に形成する。この照明光学系において、コンデンサレンズ５２の焦点位置に空間光変調素子５４を配置したときの照明エリアの大きさは、以下の式（５）で示す倍率βであり、第１フライアイレンズ５１ａを構成する各レンズセルの大きさが拡大された大きさになる。
【００１１】
倍率β＝ｆｃ／ｆｆ２ …（５）
ただし、ｆｃはコンデンサレンズ５２の焦点距離、ｆｆ２は第２フライアイレンズ５１ｂの焦点距離である。
【００１２】
つまり、第２フライアイレンズの焦点距離ｆｆ２が一定である場合、コンデンサレンズ５２の焦点距離ｆｃを大きくとることで、倍率βを大きくすることができ、照明光学系のＦ値を大きくすることが可能となる。
【００１３】
しかしながら、コンデンサレンズ５２から空間光変調素子５４に入射する光をテレセントリックな状態にするためには、空間光変調素子５４側から求めたコンデンサレンズ５２の焦点位置を、第１フライアイレンズ５１ａの集光点の近傍に設定しなければならない。
【００１４】
ここで、第１フライアイレンズ５１ａの集光点を、第２フライアイレンズ５１ｂの近傍に設けることによって照明光の利用効率を高くすることができる。この場合、コンデンサーレンズ５２は、第２フライアイレンズ５１ｂと空間光変調素子５４のほぼ中間の位置に配置されることになる。図中の５５は、コンデンサーレンズ５２の主点である。
そして、コンデンサレンズ５２の焦点距離をｆｃ、第２フライアイレンズ５１ｂと空間光変調素子５４との間の光学距離をＤaとすると、
Ｄａ≒２ｆｃ …（６）
の関係が成り立つ。
【００１５】
つまり、特許文献２で開示された方法では、高コントラストを実現するための大きなＦ値の照明光学系を構成する場合、該照明光学系の全長がきわめて大きくなるおそれがある。
【００１６】
本発明は、明るさと高コントラストを両立し、コンパクトな照明光学系及びこれを用いた画像投射装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一側面としての照明光学系は、光源からの光の照度分布を特定分布に変換するインテグレート光学系と、該インテグレート光学系からの光を被照明面に向けて集光する集光光学系とを有する。集光光学系は、それぞれ正の光学パワーを有する第１群及び該第１群よりも被照明面側に配置された第２群により構成されている。そして、集光光学系の後側主点が、前側主点よりも光源側に位置することを特徴とする。
【００１８】
なお、上記照明光学系を用いた画像投射装置も本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、明るさと高コントラストを両立させながら、光源から被照明面までの照明光学系をコンパクト化することができる。したがって、該照明光学系を搭載した画像投射装置を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１には、本発明の実施例１である画像投射装置の構成を示している。画像投射装置２は、光源１０、照明光学系３、３つの空間光変調素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ及び投射光学系４により構成されている。空間光変調素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃとして、本実施例では、反射型液晶パネル（以下、ＬＣＤという）を用いている。ただし、本発明の他の実施例として、空間光変調素子は、透過型液晶パネルやマイクロミラーアレイデバイスを用いることもできる。
【００２２】
照明光学系３は、第１フライアイレンズ１１ａ、第２フライアイレンズ１１ｂ、偏光変換素子１２、第１コンデンサレンズ（第１群）１３ａ、第２コンデンサレンズ（第２群）１３ｂを有する。さらに、照明光学系３は、ダイクロイックミラー１４及び３つの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１５ａ，１５ｂ，１５ｃを有する。
【００２３】
第１フライアイレンズ１１ａ及び第２フライアイレンズ１１ｂは、インテグレート光学系を構成しており、光源１０からの光を複数の光束に分割する。第１コンデンサレンズ１３ａ及び第２コンデンサレンズ１３ｂは、集光光学系１３を構成しており、インテグレート光学系からの複数の光束をＬＣＤ（反射型液晶パネル）に導いてＬＣＤを照明する。ここで、第１コンデンサレンズ１３ａは集光光学系１３のうち第１群に相当し、第２コンデンサレンズ１３ｂは集光光学系１３のうち第１群よりも被照明面側に配置された第２群に相当する。
【００２４】
また、上述の集光光学系１３のＬＣＤ側に配置されたダイクロイックミラー１４及び３つの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、色分解光学系及び色合成光学系（色分解合成光学系）を構成する。ここで、前述の集光光学系は、インテグレート光学系と色分解合成光学系との間に配置され、屈折力を持つ複数のレンズ（回折光学素子でも良い）によって構成された光学系である、と言うことができる。
【００２５】
本実施例では、光源１０から射出して第１及び第２コンデンサレンズ１３a，１３ｂの中心を通り、さらに被照明面に配置された各ＬＣＤの中心に到達する光線の光路を該照明光学系３の光軸という。
【００２６】
光源１０から光軸に平行に射出した照明光束に対して、第１フライアイレンズ１１a及び第２フライアイレンズ１１ｂ（及び集光光学系）によって、その照度分布の均一化（特定分布への変換）が行われる。偏光変換素子１２は、照明光束を同じ偏光方向を有する光束に変換する。偏光変換素子１２からの光束は、第１コンデンサレンズ１３a及び第２コンデンサレンズ１３ｂによって集光作用を受けてダイクロイックミラー１４に入射する。
【００２７】
ダイクロイックミラー１４は、入射した白色の照明光を、赤、緑、青のうち１つの色光成分（以下、第１色光という）と２つの色光成分（以下、第２色光及び第３色光という）とに分離する。
【００２８】
ＰＢＳ１５ａは、ダイクロイックミラー１４を透過した第１色光を反射してＬＣＤ１６ａに導く。
【００２９】
ＬＣＤ（液晶ディスプレイ、液晶表示素子）１６ａ，１６ｂ，１６ｃには駆動回路３１が接続されており、該駆動回路３１には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置３２からの画像信号が入力される。駆動回路３１は、入力された画像信号に基づいて、ＬＣＤ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを駆動する。画像投射装置２と画像供給装置３２とにより、画像表示システムが構成される。
【００３０】
ＬＣＤ１６ａは、第１色光を画像変調するとともに反射する。該反射光（変調光）は、ＰＢＳ１５ａを透過してＰＢＳ１５ｃに入射する。
【００３１】
また、ダイクロイックミラー１４で反射された第２色光及び第３色光のうち、第２色光は、ＰＢＳ１５ｂで反射されてＬＣＤ１６ｂに導かれ、第３色光はＰＢＳ１５ｂを透過してＬＣＤ１６ｃに導かれる。ＬＣＤ１６ｂ，１６ｃはそれぞれ、第２色光及び第３色光を画像変調するとともに反射する。第２色光の反射光（変調光）は、ＰＢＳ１５ｂを透過してＰＢＳ１５ｃに入射し、第３色光の反射光（変調光）は、ＰＢＳ１５ｂで反射されてＰＢＳ１５ｃに入射する。
【００３２】
ＰＢＳ１５ｃは、第１色光を反射し、第２色光及び第３色光を透過することでこれらを合成し、投射光学系４に導く。投射光学系４は、該色合成光を不図示のスクリーン（被投射面）に拡大して投射する。
【００３３】
次に、図２を用いて本実施例における照明光学系の光学的な作用について説明する。図２では、３つのＰＢＳ１５ａ〜１５ｃをまとめてＰＢＳ１５として示し、３つのＬＣＤ１６ａ〜１６ｃをまとめてＬＣＤ１６として示している。
【００３４】
光源１０は、放電ランプと放物面リフレクタとにより構成され、放電ランプから発した光は放物面リフレクタによって反射及び集光される。該放物面リフレクタの焦点位置に配置された放電ランプからの光束は、放物面の対称軸（つまりは照明光学系の光軸）に平行な光束となる。なお、放電ランプは、点光源ではなく、有限の大きさを有しているので、放物面リフレクタからの光束には、放物面の対称軸に平行でない光の成分もある程度は含まれている。
【００３５】
この平行光束は、第１フライアイレンズ１１ａに入射する。第１フライアイレンズ１１ａは、それぞれ矩形形状を有し、正の屈折力（光学パワー）を有する複数のレンズセルをマトリックス状に組み合わせて構成されている。第１フライアイレンズ１１ａは、入射した光束を複数のレンズセルによって複数の光束に分割し、かつ集光する。
【００３６】
複数の分割光束は、第２フライアイレンズ１１ｂを経て、複数の光源像を偏光変換素子１２の近傍にマトリックス状に形成する。
【００３７】
偏光変換素子１２は、図示はしないが、複数列の偏光分離面と、複数列の反射面と、複数列の１／２波長板を有する。偏光変換素子１２の近傍でマトリックス状に集光した各分割光束は、その列に対応した列の偏光分離面に入射して、これを透過するＰ偏光成分とここで反射されるＳ偏光成分とに分割される。
【００３８】
さらに、該偏光分離面で反射したＳ偏光成分は、反射面で反射してＰ偏光成分と同じ方向に偏光変換素子１２から射出する。
【００３９】
一方、偏光分離面を透過したＰ偏光成分は、１／２波長板でその偏光方向が９０度回転されてＳ偏光成分となって偏光変換素子１２から射出する。こうして、偏光変換素子１２からは、同じ偏光方向を有する光束が射出する。
【００４０】
偏光変換素子１２でこのように偏光変換された複数の分割光束は、発散光束として集光光学系１３に入射し、集光光学系１３からダイクロイックミラー１４及びＰＢＳ１５、さらにはＬＣＤ１６に導かれる。
【００４１】
ここで、本実施例においては、ダイクロイックミラー１４は第２コンデンサレンズ１３ｂの後（被照明面側、つまりはＬＣＤ側）に設けられているので、ダイクロイックミラー１４に入射する光束は、既にテレセントリック状態となっている。このため、本実施例で用いるダイクロイックミラー１４には、従来のように、入射角度による特性の変化を補正するために用いられるウェッジコートを必要としない。したがって、従来のダイクロイックミラーと比較して、低コスト化を図ることができる。
【００４２】
また、本実施例の照明光学系３において、光源側に配置される第１コンデンサレンズ１３aの焦点距離（第１群の焦点距離）をＦ１とし、第２コンデンサレンズ１３ｂの焦点距離（第２群の焦点距離）をＦ２とする。また、集光光学系１３の焦点距離をＦｃとし、該集光光学系１３の最終光学面（最も被照明面側の光学面）である第２コンデンサレンズ１３ｂの被照明面側の面からＬＣＤ１６までの光学距離（光学光路長）をＢｋとする。このとき、照明光学系３は、
１．３＜Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＜４ …（１）
１．３＜Ｆ１／Ｆ２＜４ …（２）
なる２つの条件を満足することが望ましい。
【００４３】
これら条件（１）及び条件（２）を満足することで、図２に示すように、集光光学系１３の後側主点ＲＰＰが、その前側主点ＦＰＰよりも光源側に位置することになる。これにより、後側主点ＲＰＰが前側主点ＦＰＰよりも被照明面側に位置する場合に比べて、被照射面への照度むらを大きくすること無く集光光学系を短縮する（照明光学系を小型化する）ことができる。尚、ここで前とは、光源側、つまり光入射側のことであり、後とは、ＬＣＤ（被照明面）側、つまり光出射側のことである。
【００４４】
Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）及びＦ１／Ｆ２の値がそれぞれ条件（１）及び条件（２）の下限値を下回った場合、集光光学系１３の最終光学面からＬＣＤ１６間の光学距離を十分に確保することができなくなる。このため、ダイクロイックミラー１４を第１コンデンサレンズ１３aと第２コンデンサレンズ１３ｂとの間に配置しなければならなくなる。この場合、ダイクロイックミラー１４に入射する光束はテレセントリックではなくなるため、投射画像において左右方向に色むらが発生する可能性がある。
【００４５】
また、Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）及びＦ１／Ｆ２の値がそれぞれ条件（１）及び条件（２）の上限値を上回る場合、照明光学系３のＦ値を大きくして高コントラストな画像を得ようとすると、照明光学系３の全長が長くなりすぎて装置が大型化するおそれがある。
【００４６】
したがって、条件（１）及び条件（２）を満足するようにＦｃ，Ｆ１，Ｆ２，Ｂｋの値を設定することにより、高コントラストでコンパクトな照明光学系及びこれを備えた画像投射装置を実現することができる。
【００４７】
ただし、条件（１），（２）を満足しない場合であっても、集光光学系１３の後側主点ＲＰＰが前側主点ＦＰＰよりも光源側に位置することにより、集光光学系を短縮する（（照明光学系を小型化する）効果を得ることはできる。
【００４８】
さらに、条件（１），（２）を満足した上で、ＬＣＤ１６（矩形の被照明領域）の対角長をＤｐとするとき、集光光学系１３の焦点距離Ｆｃは、
３＜Ｆｃ／Ｄｐ＜１５ …（３）
なる条件を満足することがより好ましい。
【００４９】
Ｆｃ／Ｄｐの値が条件（３）の下限値を下回った場合、照明光学系３のＦ値を大きくすることが難しく、投射画像のコントラストが低下してしまう可能性がある。また、Ｆｃ／Ｄｐの値が条件（３）の上限値を上回った場合、照明光学系３の全長が長くなってしまうおそれがある。
【００５０】
さらに好ましくは、第２フライアイレンズ１１ｂの焦点距離をｆｆ２とするとき、
２＜Ｆｃ／ｆｆ２＜５．５ …（４）
なる条件を満足するとよい。
【００５１】
Ｆｃ／ｆｆ２の値が条件（４）の下限値を下回った場合、照明光学系３のＦ値を大きくすることが難しくなり、投射画像のコントラストが低下してしまう可能性がある。また、Ｆｃ／ｆｆ２の値が条件（４）の上限値を上回った場合は、照明光学系３の全長が長くなってしまうおそれがある。
【００５２】
したがって、条件（１），（２）に加えて、条件（３），（４）のうち少なくとも一方を満足するようにＦｃ，Ｆ１，Ｆ２，Ｂｋ，ｆｆ２の値を設定することにより、高コントラストでコンパクトな照明光学系及び画像投射装置をより確実に実現することができる。
【００５３】
以下、実施例１の数値例について説明する。ここでは、空間光変調素子の画面サイズが０．７インチ（対角長Ｄｐ＝１７．７８ｍｍ）であるときの例を示す。
（数値例１）
表１には、図２に示した照明光学系の第１コンデンサレンズ１３ａ及び第２コンデンサレンズ１３ｂのレンズデータを示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
面１，２はそれぞれ、第１コンデンサレンズ１３ａの光源側及び被照明面側の面である。面３，４はそれぞれ、第２コンデンサレンズ１３ｂの光源側及び被照明面側の面である。これについては、後述する他の数値例でも同じである。
【００５６】
また、第２フライアイレンズ１１ｂの焦点距離ｆｆ２、第２コンデンサレンズ１３ｂの最終光学面から空間光変調素子１６（被照明面）までの光学距離Ｂｋはそれぞれ、
ｆｆ２＝３８．７３ ｍｍ
Ｂｋ ＝６５．４ ｍｍ
である。
【００５７】
さらに、集光光学系１３の全体での焦点距離Ｆｃ、第１コンデンサレンズ１３ａの焦点距離Ｆ１、第２コンデンサレンズ１３ｂの焦点距離Ｆ２はそれぞれ、
Ｆｃ＝１０８．２ ｍｍ
Ｆ１＝２９１．１２ ｍｍ
Ｆ２＝１１６．８７ ｍｍ
である。
【００５８】
したがって、
Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＝２．５２８
Ｆ１／Ｆ２ ＝２．４９
Ｆｃ／Ｄｐ ＝６．０８
Ｆｃ／ｆｆ２＝２．７９
である。これらはそれぞれ、条件（１）〜（４）を満足している。
【実施例２】
【００５９】
図３には、本発明の実施例２である照明光学系の構成を示している。図２と同じ符号を付した構成要素の作用は、実施例１と同様であるので、ここではその説明は省略する。
（数値例２）
表２には、図３に示した照明光学系の第１コンデンサレンズ（第１群）１３ａ及び第２コンデンサレンズ（第２群）１３ｂのレンズデータを示す。
【００６０】
ここでは、空間光変調素子の画面サイズが、０．７インチ（対角長Ｄｐ＝１７．７８ｍｍ）であるときの例を示す。
【００６１】
【表２】
【００６２】
第２フライアイレンズ１１ｂの焦点距離ｆｆ２、第２コンデンサレンズ１３ｂの最終光学面から空間光変調素子１６（被照明面）までの光学距離Ｂｋはそれぞれ、
ｆｆ２＝３８．７３ ｍｍ
Ｂｋ ＝６５．４ ｍｍ
である。
【００６３】
集光光学系１３の全体での焦点距離Ｆｃ、第１コンデンサレンズ１３ａの焦点距離Ｆ１、第２コンデンサレンズ１３ｂの焦点距離Ｆ２はそれぞれ、
Ｆｃ＝９１．７４ ｍｍ
Ｆ１＝３４１．６３ ｍｍ
Ｆ２＝９７．４４ ｍｍ
である。
【００６４】
したがって、
Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＝３．４８
Ｆ１／Ｆ２ ＝３．５０
Ｆｃ／Ｄｐ ＝５．１６
Ｆｃ／ｆｆ２＝ ２．３７
である。これらはそれぞれ、条件（１）〜（４）を満足している。
【実施例３】
【００６５】
図４には、本発明の実施例３である照明光学系の構成を示している。図２と同じ符号を付した構成要素の作用は、実施例１と同様であるので、ここではその説明は省略する。
（数値例２）
表３には、図４に示した照明光学系の第１コンデンサレンズ（第１群）１３ａ及び第２コンデンサレンズ（第２群）１３ｂのレンズデータを示す。
【００６６】
ここでは、空間光変調素子の画面サイズが、０．７インチ（対角長Ｄｐ＝１７．７８ｍｍ）であるときの例を示す。
【００６７】
【表３】
【００６８】
第２フライアイレンズ１１ｂの焦点距離ｆｆ２、第２コンデンサレンズ１３ｂの最終光学面から空間光変調素子１６（被照明面）までの光学距離Ｂｋはそれぞれ、
ｆｆ２＝３８．７３ ｍｍ
Ｂｋ ＝６５．４ ｍｍ
である。
【００６９】
集光光学系１３の全体での焦点距離Ｆｃ、第１コンデンサレンズ１３ａの焦点距離Ｆ１、第２コンデンサレンズ１３ｂの焦点距離Ｆ２はそれぞれ、
Ｆｃ＝２０７．２５ ｍｍ
Ｆ１＝２９４．７５ ｍｍ
Ｆ２＝２２２．２５ ｍｍ
である。
【００７０】
したがって、
Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＝１．４６
Ｆ１／Ｆ２ ＝１．３３
Ｆｃ／Ｄｐ ＝１１．６６
Ｆｃ／ｆｆ２＝５．３５
である。これらはそれぞれ、条件（１）〜（４）を満足している。
【実施例４】
【００７１】
図５には、本発明の実施例４である照明光学系の構成を示している。図２と同じ符号を付した構成要素の作用は、実施例１と同様であるので、ここではその説明は省略する。本実施例では、集光光学系１３が、第１群としての第１コンデンサレンズ１３ａと、第２群としての第２コンデンサレンズ１３ｂ及び第３コンデンサレンズ１３ｃとにより構成されている。第３コンデンサレンズ１３ｃも、第１及び第２コンデンサレンズ１３ａ，１３ｂと同様に、正の屈折力を有する。
（数値例４）
表４には、図５に示した照明光学系の第１コンデンサレンズ１３ａ、第２コンデンサレンズ１３ｂ及び第３コンデンサレンズ１３ｃのレンズデータを示す。
【００７２】
ここでは、空間光変調素子の画面サイズが、０．７インチ（対角長Ｄｐ＝１７．７８ｍｍ）であるときの例を示す。
【００７３】
【表４】
【００７４】
面５，６はそれぞれ、第３コンデンサレンズ１３ｃの光源側及び被照明面側の面である。
【００７５】
第２フライアイレンズ１１ｂの焦点距離ｆｆ２、第３コンデンサレンズ１３ｃの最終光学面から空間光変調素子１６（被照明面）までの光学距離Ｂｋはそれぞれ、
ｆｆ２＝３８．７３ ｍｍ
Ｂｋ ＝ ６５．４ ｍｍ
である。
【００７６】
集光光学系１３の全体での焦点距離Ｆｃ、第１コンデンサレンズ１３ａの焦点距離Ｆ１、第２及び第３コンデンサレンズ１３ｂ，１３ｃの合成焦点距離Ｆ２はそれぞれ、
Ｆｃ＝１０８．０１ ｍｍ
Ｆ１＝２９１．１２ ｍｍ
Ｆ２＝１１５．１２ ｍｍ
である。
【００７７】
したがって、
Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＝ ２．５３
Ｆ１／Ｆ２ ＝ ２．５３
Ｆｃ／Ｄｐ ＝ ６．０７
Ｆｃ／ｆｆ２ ＝ ２．７９
である。これらはそれぞれ、条件（１）〜（４）を満足している。
【００７８】
上述の実施例１〜３においては、集光光学系の第１群を第１コンデンサレンズにより構成し、第２群を第２コンデンサレンズにより構成した。また、実施例４においては、第１群を第１コンデンサレンズにより構成し、第２群を第２及び第３コンデンサレンズにより構成した。ここで、集光光学系の第１群と第２群とは、この集光光学系１３の中の最も大きな空気間隔（屈折面同士の距離）を隔てた光源側を第１群、ＬＣＤ（被照明面）側を第２群とする。また、この集光光学系の構成は、上述の実施例１〜４に限定されず、例えば第１群を２枚のレンズ、第２群を１枚のレンズで構成しても構わない。また、集光光学系を４枚以上で構成しても構わない。勿論その他の構成としても構わない。
【００７９】
上記４つの実施例（数値例）における条件（１）〜（４）とＦｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ），Ｆ１／Ｆ２，Ｆｃ／Ｄｐ，Ｆｃ／ｆｆ２の値を表５にまとめて示す。
【００８０】
【表５】
【００８１】
ここで、上述の条件式（１）〜（４）は、その中の１つ以上を満足していると、本実施例の効果をより一層際立たせることができるが、これらの条件式を満足することは、本実施例にとって必須ではない。
【００８２】
また、条件式（１）〜（４）は、以下のような上限値、下限値の範囲内に入ると尚好ましい。
【００８３】
１．４＜Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＜３．５５ …（１ａ）
１．３１＜Ｆ１／Ｆ２＜３．６５ …（２ａ）
5．０＜Ｆｃ／Ｄｐ＜１２．０ …（３ａ）
２．２＜Ｆｃ／ｆｆ２＜５．４５ …（４ａ）
尚、これらの条件式（１ａ）の上限値及び下限値の両方又は一方を、条件式（１）の上限値及び下限値の両方又は一方と置き換えても良い。条件式（２ａ）〜（４ａ）に関しても同様である。
【００８４】
上記各実施例では、空間光変調素子として、反射型液晶パネルを用いているが、本発明の他の実施例には、透過型液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いることもできる。
【００８５】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の実施例１である画像投射装置の概略図。
【図２】実施例１における照明光学系の構成を示す図。
【図３】本発明の実施例２である照明光学系の構成を示す図。
【図４】本発明の実施例３である照明光学系の構成を示す図。
【図５】本発明の実施例４である照明光学系の構成を示す図。
【図６】従来の照明光学系の構成を示す図。
【符号の説明】
【００８７】
２ 画像投射装置
３ 照明光学系
４ 投射光学系
１０ 光源
１１ａ，１１ｂ フライアイレンズ
１２ 偏光変換素子
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ コンデンサレンズ
１４ ダイクロイックミラー
１５ 偏光ビームスプリッタ
１６ 空間光変調素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶パネル等の空間光変調素子の照明に好適な照明光学系及びこれを備えた液晶プロジェクタ等の画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像投射装置では、光源からの光を照明光学系を介して液晶パネルやマイクロミラーアレイデバイス等の空間光変調素子に導き、該変調光変調素子によって画像変調された光をスクリーン等の被投射面に投射することで、画像を表示する。
【０００３】
このような画像投射装置の照明光学系として、特許文献１には、２つのレンズアレイを用いたインテグレート光学系を含む照明光学系が開示されている。インテグレート光学系は、光源からの光束を、第１レンズアレイを構成する複数の矩形開口を有する集光レンズによって複数の光束に分割する。そして、該複数の光束を、第１レンズアレイの複数の矩形開口にそれぞれ対応した複数の集光レンズを有する第２レンズアレイと、その後方に配置された集光レンズとによって被照射面（変調光変調素子）上に重ね合わせるように結像させる。このような光学系により、被照明面を照明する光の強度分布を均一化することができる。
【０００４】
さらに、特許文献２には、照明光学系において、波長選択性を有するダイクロイックミラーによって生じる投射画像の左右方向での色むらを抑制する方法が開示されている。この光学系では、第１及び第２レンズアレイにより構成されるインテグレート光学系からの光を空間光変調素子上に集光させる集光光学系（複数の集光レンズ）の主点が、第２レンズアレイと空間光変調素子との中間に位置する。このため、ダイクロイックミラーへの入射光束の平行度を従来よりも向上させることが可能となり、その結果、ダイクロイックミラーの角度特性の影響を緩和し、投射画像の左右方向での色むらを抑制することができる。
【０００５】
さらに、特許文献３には、照明光学系に、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという）に入射する光の拡がり角を制限するための絞りを設けることで、照明光学系のＦ値を大きくし、高いコントラストを実現する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平３−１１１８０６号公報
【特許文献２】特開２００１−３３７３９３号公報
【特許文献３】特開２００４−４５９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
画像投射装置において、明るさとコントラストはいずれも重要な性能であるが、実際には明るさと高コントラストを両立させることは難しい。明るさを向上させるためには光の利用効率を高める必要があり、これには照明光学系のＦ値を小さくする方法がある。しかし、Ｆ値を小さくするとコントラストが低下してしまう。
【０００７】
コントラストの低下は、色分離合成素子として用いられるＰＢＳへの光の入射角が大きくなることによって、ＰＢＳでの反射性能が低下することに起因する。Ｆ値を小さくして明るさを得ようとすると、ＰＢＳへの光の入射角が大きくなり、反射性能が低下する。すなわち、反射すべきではない偏光光が反射し、反射すべき偏光光が反射せずに透過してしまう。この結果、黒画像を投射する状態で、本来ＰＢＳで反射して投射光から除かれるべき光（漏れ光）がＰＢＳを透過して黒画像上に投射され、コントラストを低下させる。
【０００８】
一方、空間光変調素子にもこれと同様の角度特性がある。すなわち、Ｆ値の小さな照明光学系を用いた場合に、黒画像に投射されてしまう漏れ光を発生させる特性を有する。このため、高コントラストの投射画像を得るためには、空間光変調素子を照明する照明光束は、平行光束（テレセントリックかつ大きなＦ値）である必要がある。
【０００９】
特許文献３のように、絞りを設けることで照明光学系のＦ値を大きくし、高コントラストを実現することは可能である。しかし、絞りによる光の拡がり角の制限では、光源からの光を遮断してしまうため、光の利用効率が大きく低下する。
【００１０】
ここで、図６には、特許文献２にて開示された照明光学系を示す。該照明光学系は、第１及び第２フライアイレンズ５１ａ，５１ｂと、コンデンサレンズ５２とにより、均一な光量分布を持った照明エリアを空間光変調素子５４上に形成する。この照明光学系において、コンデンサレンズ５２の焦点位置に空間光変調素子５４を配置したときの照明エリアの大きさは、以下の式（５）で示す倍率βであり、第１フライアイレンズ５１ａを構成する各レンズセルの大きさが拡大された大きさになる。
【００１１】
倍率β＝ｆｃ／ｆｆ２ …（５）
ただし、ｆｃはコンデンサレンズ５２の焦点距離、ｆｆ２は第２フライアイレンズ５１ｂの焦点距離である。
【００１２】
つまり、第２フライアイレンズの焦点距離ｆｆ２が一定である場合、コンデンサレンズ５２の焦点距離ｆｃを大きくとることで、倍率βを大きくすることができ、照明光学系のＦ値を大きくすることが可能となる。
【００１３】
しかしながら、コンデンサレンズ５２から空間光変調素子５４に入射する光をテレセントリックな状態にするためには、空間光変調素子５４側から求めたコンデンサレンズ５２の焦点位置を、第１フライアイレンズ５１ａの集光点の近傍に設定しなければならない。
【００１４】
ここで、第１フライアイレンズ５１ａの集光点を、第２フライアイレンズ５１ｂの近傍に設けることによって照明光の利用効率を高くすることができる。この場合、コンデンサーレンズ５２は、第２フライアイレンズ５１ｂと空間光変調素子５４のほぼ中間の位置に配置されることになる。図中の５５は、コンデンサーレンズ５２の主点である。
そして、コンデンサレンズ５２の焦点距離をｆｃ、第２フライアイレンズ５１ｂと空間光変調素子５４との間の光学距離をＤaとすると、
Ｄａ≒２ｆｃ …（６）
の関係が成り立つ。
【００１５】
つまり、特許文献２で開示された方法では、高コントラストを実現するための大きなＦ値の照明光学系を構成する場合、該照明光学系の全長がきわめて大きくなるおそれがある。
【００１６】
本発明は、明るさと高コントラストを両立し、コンパクトな照明光学系及びこれを用いた画像投射装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一側面としての照明光学系は、光源からの光の照度分布を特定分布に変換するインテグレート光学系と、該インテグレート光学系からの光を被照明面に向けて集光する集光光学系とを有する。集光光学系は、それぞれ正の光学パワーを有する第１群及び該第１群よりも被照明面側に配置された第２群により構成されている。そして、集光光学系の後側主点が、前側主点よりも光源側に位置することを特徴とする。
【００１８】
なお、上記照明光学系を用いた画像投射装置も本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、明るさと高コントラストを両立させながら、光源から被照明面までの照明光学系をコンパクト化することができる。したがって、該照明光学系を搭載した画像投射装置を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１には、本発明の実施例１である画像投射装置の構成を示している。画像投射装置２は、光源１０、照明光学系３、３つの空間光変調素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ及び投射光学系４により構成されている。空間光変調素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃとして、本実施例では、反射型液晶パネル（以下、ＬＣＤという）を用いている。ただし、本発明の他の実施例として、空間光変調素子は、透過型液晶パネルやマイクロミラーアレイデバイスを用いることもできる。
【００２２】
照明光学系３は、第１フライアイレンズ１１ａ、第２フライアイレンズ１１ｂ、偏光変換素子１２、第１コンデンサレンズ（第１群）１３ａ、第２コンデンサレンズ（第２群）１３ｂを有する。さらに、照明光学系３は、ダイクロイックミラー１４及び３つの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１５ａ，１５ｂ，１５ｃを有する。
【００２３】
第１フライアイレンズ１１ａ及び第２フライアイレンズ１１ｂは、インテグレート光学系を構成しており、光源１０からの光を複数の光束に分割する。第１コンデンサレンズ１３ａ及び第２コンデンサレンズ１３ｂは、集光光学系１３を構成しており、インテグレート光学系からの複数の光束をＬＣＤ（反射型液晶パネル）に導いてＬＣＤを照明する。ここで、第１コンデンサレンズ１３ａは集光光学系１３のうち第１群に相当し、第２コンデンサレンズ１３ｂは集光光学系１３のうち第１群よりも被照明面側に配置された第２群に相当する。
【００２４】
また、上述の集光光学系１３のＬＣＤ側に配置されたダイクロイックミラー１４及び３つの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、色分解光学系及び色合成光学系（色分解合成光学系）を構成する。ここで、前述の集光光学系は、インテグレート光学系と色分解合成光学系との間に配置され、屈折力を持つ複数のレンズ（回折光学素子でも良い）によって構成された光学系である、と言うことができる。
【００２５】
本実施例では、光源１０から射出して第１及び第２コンデンサレンズ１３a，１３ｂの中心を通り、さらに被照明面に配置された各ＬＣＤの中心に到達する光線の光路を該照明光学系３の光軸という。
【００２６】
光源１０から光軸に平行に射出した照明光束に対して、第１フライアイレンズ１１a及び第２フライアイレンズ１１ｂ（及び集光光学系）によって、その照度分布の均一化（特定分布への変換）が行われる。偏光変換素子１２は、照明光束を同じ偏光方向を有する光束に変換する。偏光変換素子１２からの光束は、第１コンデンサレンズ１３a及び第２コンデンサレンズ１３ｂによって集光作用を受けてダイクロイックミラー１４に入射する。
【００２７】
ダイクロイックミラー１４は、入射した白色の照明光を、赤、緑、青のうち１つの色光成分（以下、第１色光という）と２つの色光成分（以下、第２色光及び第３色光という）とに分離する。
【００２８】
ＰＢＳ１５ａは、ダイクロイックミラー１４を透過した第１色光を反射してＬＣＤ１６ａに導く。
【００２９】
ＬＣＤ（液晶ディスプレイ、液晶表示素子）１６ａ，１６ｂ，１６ｃには駆動回路３１が接続されており、該駆動回路３１には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置３２からの画像信号が入力される。駆動回路３１は、入力された画像信号に基づいて、ＬＣＤ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを駆動する。画像投射装置２と画像供給装置３２とにより、画像表示システムが構成される。
【００３０】
ＬＣＤ１６ａは、第１色光を画像変調するとともに反射する。該反射光（変調光）は、ＰＢＳ１５ａを透過してＰＢＳ１５ｃに入射する。
【００３１】
また、ダイクロイックミラー１４で反射された第２色光及び第３色光のうち、第２色光は、ＰＢＳ１５ｂで反射されてＬＣＤ１６ｂに導かれ、第３色光はＰＢＳ１５ｂを透過してＬＣＤ１６ｃに導かれる。ＬＣＤ１６ｂ，１６ｃはそれぞれ、第２色光及び第３色光を画像変調するとともに反射する。第２色光の反射光（変調光）は、ＰＢＳ１５ｂを透過してＰＢＳ１５ｃに入射し、第３色光の反射光（変調光）は、ＰＢＳ１５ｂで反射されてＰＢＳ１５ｃに入射する。
【００３２】
ＰＢＳ１５ｃは、第１色光を反射し、第２色光及び第３色光を透過することでこれらを合成し、投射光学系４に導く。投射光学系４は、該色合成光を不図示のスクリーン（被投射面）に拡大して投射する。
【００３３】
次に、図２を用いて本実施例における照明光学系の光学的な作用について説明する。図２では、３つのＰＢＳ１５ａ〜１５ｃをまとめてＰＢＳ１５として示し、３つのＬＣＤ１６ａ〜１６ｃをまとめてＬＣＤ１６として示している。
【００３４】
光源１０は、放電ランプと放物面リフレクタとにより構成され、放電ランプから発した光は放物面リフレクタによって反射及び集光される。該放物面リフレクタの焦点位置に配置された放電ランプからの光束は、放物面の対称軸（つまりは照明光学系の光軸）に平行な光束となる。なお、放電ランプは、点光源ではなく、有限の大きさを有しているので、放物面リフレクタからの光束には、放物面の対称軸に平行でない光の成分もある程度は含まれている。
【００３５】
この平行光束は、第１フライアイレンズ１１ａに入射する。第１フライアイレンズ１１ａは、それぞれ矩形形状を有し、正の屈折力（光学パワー）を有する複数のレンズセルをマトリックス状に組み合わせて構成されている。第１フライアイレンズ１１ａは、入射した光束を複数のレンズセルによって複数の光束に分割し、かつ集光する。
【００３６】
複数の分割光束は、第２フライアイレンズ１１ｂを経て、複数の光源像を偏光変換素子１２の近傍にマトリックス状に形成する。
【００３７】
偏光変換素子１２は、図示はしないが、複数列の偏光分離面と、複数列の反射面と、複数列の１／２波長板を有する。偏光変換素子１２の近傍でマトリックス状に集光した各分割光束は、その列に対応した列の偏光分離面に入射して、これを透過するＰ偏光成分とここで反射されるＳ偏光成分とに分割される。
【００３８】
さらに、該偏光分離面で反射したＳ偏光成分は、反射面で反射してＰ偏光成分と同じ方向に偏光変換素子１２から射出する。
【００３９】
一方、偏光分離面を透過したＰ偏光成分は、１／２波長板でその偏光方向が９０度回転されてＳ偏光成分となって偏光変換素子１２から射出する。こうして、偏光変換素子１２からは、同じ偏光方向を有する光束が射出する。
【００４０】
偏光変換素子１２でこのように偏光変換された複数の分割光束は、発散光束として集光光学系１３に入射し、集光光学系１３からダイクロイックミラー１４及びＰＢＳ１５、さらにはＬＣＤ１６に導かれる。
【００４１】
ここで、本実施例においては、ダイクロイックミラー１４は第２コンデンサレンズ１３ｂの後（被照明面側、つまりはＬＣＤ側）に設けられているので、ダイクロイックミラー１４に入射する光束は、既にテレセントリック状態となっている。このため、本実施例で用いるダイクロイックミラー１４には、従来のように、入射角度による特性の変化を補正するために用いられるウェッジコートを必要としない。したがって、従来のダイクロイックミラーと比較して、低コスト化を図ることができる。
【００４２】
また、本実施例の照明光学系３において、光源側に配置される第１コンデンサレンズ１３aの焦点距離（第１群の焦点距離）をＦ１とし、第２コンデンサレンズ１３ｂの焦点距離（第２群の焦点距離）をＦ２とする。また、集光光学系１３の焦点距離をＦｃとし、該集光光学系１３の最終光学面（最も被照明面側の光学面）である第２コンデンサレンズ１３ｂの被照明面側の面からＬＣＤ１６までの光学距離（光学光路長）をＢｋとする。このとき、照明光学系３は、
１．３＜Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＜４ …（１）
１．３＜Ｆ１／Ｆ２＜４ …（２）
なる２つの条件を満足することが望ましい。
【００４３】
これら条件（１）及び条件（２）を満足することで、図２に示すように、集光光学系１３の後側主点ＲＰＰが、その前側主点ＦＰＰよりも光源側に位置することになる。これにより、後側主点ＲＰＰが前側主点ＦＰＰよりも被照明面側に位置する場合に比べて、被照射面への照度むらを大きくすること無く集光光学系を短縮する（照明光学系を小型化する）ことができる。尚、ここで前とは、光源側、つまり光入射側のことであり、後とは、ＬＣＤ（被照明面）側、つまり光出射側のことである。
【００４４】
Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）及びＦ１／Ｆ２の値がそれぞれ条件（１）及び条件（２）の下限値を下回った場合、集光光学系１３の最終光学面からＬＣＤ１６間の光学距離を十分に確保することができなくなる。このため、ダイクロイックミラー１４を第１コンデンサレンズ１３aと第２コンデンサレンズ１３ｂとの間に配置しなければならなくなる。この場合、ダイクロイックミラー１４に入射する光束はテレセントリックではなくなるため、投射画像において左右方向に色むらが発生する可能性がある。
【００４５】
また、Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）及びＦ１／Ｆ２の値がそれぞれ条件（１）及び条件（２）の上限値を上回る場合、照明光学系３のＦ値を大きくして高コントラストな画像を得ようとすると、照明光学系３の全長が長くなりすぎて装置が大型化するおそれがある。
【００４６】
したがって、条件（１）及び条件（２）を満足するようにＦｃ，Ｆ１，Ｆ２，Ｂｋの値を設定することにより、高コントラストでコンパクトな照明光学系及びこれを備えた画像投射装置を実現することができる。
【００４７】
ただし、条件（１），（２）を満足しない場合であっても、集光光学系１３の後側主点ＲＰＰが前側主点ＦＰＰよりも光源側に位置することにより、集光光学系を短縮する（（照明光学系を小型化する）効果を得ることはできる。
【００４８】
さらに、条件（１），（２）を満足した上で、ＬＣＤ１６（矩形の被照明領域）の対角長をＤｐとするとき、集光光学系１３の焦点距離Ｆｃは、
３＜Ｆｃ／Ｄｐ＜１５ …（３）
なる条件を満足することがより好ましい。
【００４９】
Ｆｃ／Ｄｐの値が条件（３）の下限値を下回った場合、照明光学系３のＦ値を大きくすることが難しく、投射画像のコントラストが低下してしまう可能性がある。また、Ｆｃ／Ｄｐの値が条件（３）の上限値を上回った場合、照明光学系３の全長が長くなってしまうおそれがある。
【００５０】
さらに好ましくは、第２フライアイレンズ１１ｂの焦点距離をｆｆ２とするとき、
２＜Ｆｃ／ｆｆ２＜５．５ …（４）
なる条件を満足するとよい。
【００５１】
Ｆｃ／ｆｆ２の値が条件（４）の下限値を下回った場合、照明光学系３のＦ値を大きくすることが難しくなり、投射画像のコントラストが低下してしまう可能性がある。また、Ｆｃ／ｆｆ２の値が条件（４）の上限値を上回った場合は、照明光学系３の全長が長くなってしまうおそれがある。
【００５２】
したがって、条件（１），（２）に加えて、条件（３），（４）のうち少なくとも一方を満足するようにＦｃ，Ｆ１，Ｆ２，Ｂｋ，ｆｆ２の値を設定することにより、高コントラストでコンパクトな照明光学系及び画像投射装置をより確実に実現することができる。
【００５３】
以下、実施例１の数値例について説明する。ここでは、空間光変調素子の画面サイズが０．７インチ（対角長Ｄｐ＝１７．７８ｍｍ）であるときの例を示す。
（数値例１）
表１には、図２に示した照明光学系の第１コンデンサレンズ１３ａ及び第２コンデンサレンズ１３ｂのレンズデータを示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
面１，２はそれぞれ、第１コンデンサレンズ１３ａの光源側及び被照明面側の面である。面３，４はそれぞれ、第２コンデンサレンズ１３ｂの光源側及び被照明面側の面である。これについては、後述する他の数値例でも同じである。
【００５６】
また、第２フライアイレンズ１１ｂの焦点距離ｆｆ２、第２コンデンサレンズ１３ｂの最終光学面から空間光変調素子１６（被照明面）までの光学距離Ｂｋはそれぞれ、
ｆｆ２＝３８．７３ ｍｍ
Ｂｋ ＝６５．４ ｍｍ
である。
【００５７】
さらに、集光光学系１３の全体での焦点距離Ｆｃ、第１コンデンサレンズ１３ａの焦点距離Ｆ１、第２コンデンサレンズ１３ｂの焦点距離Ｆ２はそれぞれ、
Ｆｃ＝１０８．２ ｍｍ
Ｆ１＝２９１．１２ ｍｍ
Ｆ２＝１１６．８７ ｍｍ
である。
【００５８】
したがって、
Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＝２．５２８
Ｆ１／Ｆ２ ＝２．４９
Ｆｃ／Ｄｐ ＝６．０８
Ｆｃ／ｆｆ２＝２．７９
である。これらはそれぞれ、条件（１）〜（４）を満足している。
【実施例２】
【００５９】
図３には、本発明の実施例２である照明光学系の構成を示している。図２と同じ符号を付した構成要素の作用は、実施例１と同様であるので、ここではその説明は省略する。
（数値例２）
表２には、図３に示した照明光学系の第１コンデンサレンズ（第１群）１３ａ及び第２コンデンサレンズ（第２群）１３ｂのレンズデータを示す。
【００６０】
ここでは、空間光変調素子の画面サイズが、０．７インチ（対角長Ｄｐ＝１７．７８ｍｍ）であるときの例を示す。
【００６１】
【表２】
【００６２】
第２フライアイレンズ１１ｂの焦点距離ｆｆ２、第２コンデンサレンズ１３ｂの最終光学面から空間光変調素子１６（被照明面）までの光学距離Ｂｋはそれぞれ、
ｆｆ２＝３８．７３ ｍｍ
Ｂｋ ＝６５．４ ｍｍ
である。
【００６３】
集光光学系１３の全体での焦点距離Ｆｃ、第１コンデンサレンズ１３ａの焦点距離Ｆ１、第２コンデンサレンズ１３ｂの焦点距離Ｆ２はそれぞれ、
Ｆｃ＝９１．７４ ｍｍ
Ｆ１＝３４１．６３ ｍｍ
Ｆ２＝９７．４４ ｍｍ
である。
【００６４】
したがって、
Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＝３．４８
Ｆ１／Ｆ２ ＝３．５０
Ｆｃ／Ｄｐ ＝５．１６
Ｆｃ／ｆｆ２＝ ２．３７
である。これらはそれぞれ、条件（１）〜（４）を満足している。
【実施例３】
【００６５】
図４には、本発明の実施例３である照明光学系の構成を示している。図２と同じ符号を付した構成要素の作用は、実施例１と同様であるので、ここではその説明は省略する。
（数値例２）
表３には、図４に示した照明光学系の第１コンデンサレンズ（第１群）１３ａ及び第２コンデンサレンズ（第２群）１３ｂのレンズデータを示す。
【００６６】
ここでは、空間光変調素子の画面サイズが、０．７インチ（対角長Ｄｐ＝１７．７８ｍｍ）であるときの例を示す。
【００６７】
【表３】
【００６８】
第２フライアイレンズ１１ｂの焦点距離ｆｆ２、第２コンデンサレンズ１３ｂの最終光学面から空間光変調素子１６（被照明面）までの光学距離Ｂｋはそれぞれ、
ｆｆ２＝３８．７３ ｍｍ
Ｂｋ ＝６５．４ ｍｍ
である。
【００６９】
集光光学系１３の全体での焦点距離Ｆｃ、第１コンデンサレンズ１３ａの焦点距離Ｆ１、第２コンデンサレンズ１３ｂの焦点距離Ｆ２はそれぞれ、
Ｆｃ＝２０７．２５ ｍｍ
Ｆ１＝２９４．７５ ｍｍ
Ｆ２＝２２２．２５ ｍｍ
である。
【００７０】
したがって、
Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＝１．４６
Ｆ１／Ｆ２ ＝１．３３
Ｆｃ／Ｄｐ ＝１１．６６
Ｆｃ／ｆｆ２＝５．３５
である。これらはそれぞれ、条件（１）〜（４）を満足している。
【実施例４】
【００７１】
図５には、本発明の実施例４である照明光学系の構成を示している。図２と同じ符号を付した構成要素の作用は、実施例１と同様であるので、ここではその説明は省略する。本実施例では、集光光学系１３が、第１群としての第１コンデンサレンズ１３ａと、第２群としての第２コンデンサレンズ１３ｂ及び第３コンデンサレンズ１３ｃとにより構成されている。第３コンデンサレンズ１３ｃも、第１及び第２コンデンサレンズ１３ａ，１３ｂと同様に、正の屈折力を有する。
（数値例４）
表４には、図５に示した照明光学系の第１コンデンサレンズ１３ａ、第２コンデンサレンズ１３ｂ及び第３コンデンサレンズ１３ｃのレンズデータを示す。
【００７２】
ここでは、空間光変調素子の画面サイズが、０．７インチ（対角長Ｄｐ＝１７．７８ｍｍ）であるときの例を示す。
【００７３】
【表４】
【００７４】
面５，６はそれぞれ、第３コンデンサレンズ１３ｃの光源側及び被照明面側の面である。
【００７５】
第２フライアイレンズ１１ｂの焦点距離ｆｆ２、第３コンデンサレンズ１３ｃの最終光学面から空間光変調素子１６（被照明面）までの光学距離Ｂｋはそれぞれ、
ｆｆ２＝３８．７３ ｍｍ
Ｂｋ ＝ ６５．４ ｍｍ
である。
【００７６】
集光光学系１３の全体での焦点距離Ｆｃ、第１コンデンサレンズ１３ａの焦点距離Ｆ１、第２及び第３コンデンサレンズ１３ｂ，１３ｃの合成焦点距離Ｆ２はそれぞれ、
Ｆｃ＝１０８．０１ ｍｍ
Ｆ１＝２９１．１２ ｍｍ
Ｆ２＝１１５．１２ ｍｍ
である。
【００７７】
したがって、
Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＝ ２．５３
Ｆ１／Ｆ２ ＝ ２．５３
Ｆｃ／Ｄｐ ＝ ６．０７
Ｆｃ／ｆｆ２ ＝ ２．７９
である。これらはそれぞれ、条件（１）〜（４）を満足している。
【００７８】
上述の実施例１〜３においては、集光光学系の第１群を第１コンデンサレンズにより構成し、第２群を第２コンデンサレンズにより構成した。また、実施例４においては、第１群を第１コンデンサレンズにより構成し、第２群を第２及び第３コンデンサレンズにより構成した。ここで、集光光学系の第１群と第２群とは、この集光光学系１３の中の最も大きな空気間隔（屈折面同士の距離）を隔てた光源側を第１群、ＬＣＤ（被照明面）側を第２群とする。また、この集光光学系の構成は、上述の実施例１〜４に限定されず、例えば第１群を２枚のレンズ、第２群を１枚のレンズで構成しても構わない。また、集光光学系を４枚以上で構成しても構わない。勿論その他の構成としても構わない。
【００７９】
上記４つの実施例（数値例）における条件（１）〜（４）とＦｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ），Ｆ１／Ｆ２，Ｆｃ／Ｄｐ，Ｆｃ／ｆｆ２の値を表５にまとめて示す。
【００８０】
【表５】
【００８１】
ここで、上述の条件式（１）〜（４）は、その中の１つ以上を満足していると、本実施例の効果をより一層際立たせることができるが、これらの条件式を満足することは、本実施例にとって必須ではない。
【００８２】
また、条件式（１）〜（４）は、以下のような上限値、下限値の範囲内に入ると尚好ましい。
【００８３】
１．４＜Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＜３．５５ …（１ａ）
１．３１＜Ｆ１／Ｆ２＜３．６５ …（２ａ）
5．０＜Ｆｃ／Ｄｐ＜１２．０ …（３ａ）
２．２＜Ｆｃ／ｆｆ２＜５．４５ …（４ａ）
尚、これらの条件式（１ａ）の上限値及び下限値の両方又は一方を、条件式（１）の上限値及び下限値の両方又は一方と置き換えても良い。条件式（２ａ）〜（４ａ）に関しても同様である。
【００８４】
上記各実施例では、空間光変調素子として、反射型液晶パネルを用いているが、本発明の他の実施例には、透過型液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いることもできる。
【００８５】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の実施例１である画像投射装置の概略図。
【図２】実施例１における照明光学系の構成を示す図。
【図３】本発明の実施例２である照明光学系の構成を示す図。
【図４】本発明の実施例３である照明光学系の構成を示す図。
【図５】本発明の実施例４である照明光学系の構成を示す図。
【図６】従来の照明光学系の構成を示す図。
【符号の説明】
【００８７】
２ 画像投射装置
３ 照明光学系
４ 投射光学系
１０ 光源
１１ａ，１１ｂ フライアイレンズ
１２ 偏光変換素子
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ コンデンサレンズ
１４ ダイクロイックミラー
１５ 偏光ビームスプリッタ
１６ 空間光変調素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を複数の光束に分割するインテグレート光学系と、該インテグレート光学系からの複数の光束を被照明面に向けて集光する集光光学系とを有し、
前記集光光学系は、それぞれ正の光学パワーを有する第１群及び該第１群よりも前記被照明面側に配置された第２群により構成されており、
前記集光光学系の後側主点が、前側主点よりも前記光源側に位置することを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
１．３＜Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＜４
１．３＜Ｆ１／Ｆ２＜４
ただし、Ｆ１は前記第１群の焦点距離、Ｆ２は前記第２群の焦点距離、Ｆｃは前記集光光学系の焦点距離、Ｂｋは前記複数の集光光学系のうち最も前記被照明面側の光学面から前記被照明面までの光学距離である。
【請求項３】
以下の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
３＜Ｆｃ／Ｄｐ＜１５
ただし、Ｄｐは前記被照明面における矩形の被照明領域の対角長である。
【請求項４】
以下の条件を満足することを特徴とする請求項２又は３に記載の照明光学系。
２＜Ｂｋ／Ｄｐ
ただし、Ｄｐは前記被照明面における矩形の被照明領域の対角長である。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の照明光学系と、
前記集光光学系と前記被照明面との間に配置され、前記光源からの光を複数の色光成分に分解する色分解光学系と、
前記複数の色光成分をそれぞれ変調する複数の空間光変調素子と、
該複数の空間光変調素子からの色光成分を合成する色合成光学系と、
該色合成光学系からの光を被投射面に投射する投射光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。
【請求項１】
光源からの光を複数の光束に分割するインテグレート光学系と、該インテグレート光学系からの複数の光束を被照明面に向けて集光する集光光学系とを有し、
前記集光光学系は、それぞれ正の光学パワーを有する第１群及び該第１群よりも前記被照明面側に配置された第２群により構成されており、
前記集光光学系の後側主点が、前側主点よりも前記光源側に位置することを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
１．３＜Ｆｃ／（Ｆｃ−Ｂｋ）＜４
１．３＜Ｆ１／Ｆ２＜４
ただし、Ｆ１は前記第１群の焦点距離、Ｆ２は前記第２群の焦点距離、Ｆｃは前記集光光学系の焦点距離、Ｂｋは前記複数の集光光学系のうち最も前記被照明面側の光学面から前記被照明面までの光学距離である。
【請求項３】
以下の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
３＜Ｆｃ／Ｄｐ＜１５
ただし、Ｄｐは前記被照明面における矩形の被照明領域の対角長である。
【請求項４】
以下の条件を満足することを特徴とする請求項２又は３に記載の照明光学系。
２＜Ｂｋ／Ｄｐ
ただし、Ｄｐは前記被照明面における矩形の被照明領域の対角長である。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の照明光学系と、
前記集光光学系と前記被照明面との間に配置され、前記光源からの光を複数の色光成分に分解する色分解光学系と、
前記複数の色光成分をそれぞれ変調する複数の空間光変調素子と、
該複数の空間光変調素子からの色光成分を合成する色合成光学系と、
該色合成光学系からの光を被投射面に投射する投射光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。
【図２】
【図３】
【図５】
【図１】
【図４】
【図６】
【図３】
【図５】
【図１】
【図４】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１９２８９１（Ｐ２００９−１９２８９１Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３４２６６（Ｐ２００８−３４２６６）
【出願日】平成２０年２月１５日（２００８．２．１５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１５日（２００８．２．１５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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