照明装置、非球面レンズの設計方法、非球面レンズ及びプロジェクタ

【課題】敢えて液晶パネルでの光像に収差が生じるように光学系を構成することによって、理想結像系を構成した場合よりも照明効率を向上させることができる照明装置、当該照明装置に用いられる非球面レンズの設計方法、その非球面レンズ及び当該照明装置を搭載したプロジェクタを提供すること。
【解決手段】光源３から射出された光は、第１光学系５で平行光にされ、非球面レンズ６により液晶装置７の画素領域７ａで平行光の像にコマ収差や球面収差が生じるように結像される。このように画素領域７ａに敢えて収差が生じるように結像することで、理想結像系により結像した場合に比べて画素領域７ａでの照明効率を高くすることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源から射出される光を照射面に収束させる非球面レンズ、この非球面レンズの設計方法、照射面に光を照射する照明装置及び当該照明装置を搭載したプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
光変調装置として液晶パネルを用いた直視型表示装置や投写型表示装置（プロジェクタ）においては、液晶パネルに光を照射する光源が必要となる。当該光源の一例として、例えば発光ダイオード等の光源から射出される光を平行化し、この平行光を液晶パネルに向けて収束させることで、当該液晶パネルに光を照射する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のような構成を採用した場合、光学系の設計によっては、液晶パネルに形成される像に収差が発生し、例えば光源として照射される光がぼやけてしまうため照明効率が低下する。照明効率が低下すると、例えばスクリーン等に投射される画像、動画等のコントラストが悪くなってしまう。したがって、より収差が少ない光学系の設計が必要となる。
【０００３】
光学系は収差を少なくすればするほど理想結像系に近づいていく。収差の影響を考慮する必要の無い理想結像系では、結局当該光学系の倍率により照明効率が決まることになる。したがって、照明効率を向上させようとする場合、光学系を理想結像系に近づけて当該光学系の倍率を最適にすればよい。
【特許文献１】特開平１０−２６９８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の設計では、照明効率は、光学系を理想結像系とし倍率を最適にした場合の照明効率以上にはならないため、そのときの照明効率の値が照明効率向上の限界となってしまう。
【０００５】
この課題を解決するため、本発明の目的は、敢えて液晶パネルでの光像に収差が生じるように光学系を構成することによって、理想結像系を構成した場合よりも照明効率を向上させることができる照明装置、当該照明装置に用いられる非球面レンズの設計方法、その非球面レンズ及び当該照明装置を搭載したプロジェクタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明者は、平行化された光を照射面に収束する際に照射面の所定の領域に敢えて収差を発生させるように光学系を設計した場合、理想結像系に設計した場合に比べて照射面での照明効率が高くなることを発見した。
【０００７】
ここで、非球面レンズの面は、例えばＹＺ平面内の曲線をＺ軸回りに回転させて形成される非球面と考えることができる。ＹＺ平面内の曲線の式は、
【数１】

【０００８】
で表される。ｈはｘとｙの自乗平方和√（ｘ^２＋ｙ^２）であり、ｘ、ｙ及びｚはＸＹＺ空間の座標を表す変数である。また、Ｃ、ｋ、ａ_１、ａ_２、ａ_３、ａ_４は非球面係数である。低次の非球面係数（例えばＣ、ｋ、ａ_１、ａ_２）は非球面レンズの光軸付近の形状に寄与し、高次の非球面係数（例えばａ_３、ａ_４）は非球面レンズの周縁部の形状に寄与している。従って、[数１]の高次の非球面係数を適宜設定することで非球面レンズの周縁部の形状を設計することができ、低次の非球面係数を適宜設定することで非球面レンズの光軸付近の形状を設計することができる。
【０００９】
かかる観点から、本発明に係る照明装置は、照射面に照射する光を射出する光源と、前記光源と前記照射面との間に設けられ、前記光源から射出された光を平行光にする第１の光学系と、前記第１の光学系と前記照射面との間に設けられ、前記照射面の所定の領域で前記平行光の像に収差が生じるように前記平行光を前記照射面に収束させる第２の光学系とを具備することを特徴とする。
【００１０】
ここで「所定の領域」とは、照射面のうち特に光を照射する必要性が高い領域のことである。例えば液晶パネルに光を照射する場合には、「照射面」とは当該液晶パネルの光照射側の表面であり、「所定の領域」とは液晶パネルの画素が形成された画素領域である。
【００１１】
照射面の所定の領域には、許容角度以下の角度で光を照射しなければ照明効率が向上しない。本発明によれば、光源から射出された光は、第１の光学系で平行光にされ、第２の光学系により照射面の所定の領域で平行光の像に収差が生じるように結像される。照射面の所定の領域に敢えて収差を発生させるように結像することで、照射面の所定の領域に照射される光の角度を小さくすることができる。したがって、理想結像系により結像した場合に比べて、許容角度以下で所定の領域に照射される光が多くなるので、照射面の所定の領域での照明効率を高くすることができる。
【００１２】
また、前記第２の光学系が、前記収差が前記所定の領域よりも広い範囲に生じるように前記平行光を収束させることが可能であることが好ましい。これにより、照射面の所定の領域に対して照明マージンを十分にとることができるので、例えば液晶パネルに光を照射する場合には、総ての画素に漏れの無いように光を当てることができる。
【００１３】
また、前記収差が、負の球面収差及び内向性のコマ収差のうち少なくとも一方であることが好ましい。負の球面収差及び内向性のコマ収差は、ともに照射面に広がるように形成されるので、照射面の所定の領域に満遍なく光を当てることができる。
【００１４】
また、前記第２の光学系が、少なくとも光軸周辺部の主平面が傾くように設計されたレンズであることが好ましい。第２の光学系をこのようなレンズで構成することで、当該レンズの光軸周辺部を通過する光は照射面の所定の領域に少なくとも内向性のコマ収差を形成することになる。このように敢えてコマ収差を形成することで、当該所定の領域での照明効率が向上する。
【００１５】
また、前記第１及び第２の光学系を含めた光学系が、テレセントリック光学系であることが好ましい。これにより、第２の光学系によって照射面の所定の領域に収束される平行光の主光線の角度を小さくすることができるので、照明効率を一層向上させることができる。
【００１６】
本発明の別の観点に係る非球面レンズの設計方法は、光源から射出され平行化された光を照射面に収束させる非球面レンズの設計方法であって、前記照射面の所定の領域で、収束させた前記平行光の像に収差が生じるように、非球面の形状を設計することを特徴とする。
【００１７】
本発明のように非球面の形状を設計することで、照射面の所定の領域に収差が発生するように結像できる非球面レンズを得ることができる。具体的には、上記[数１]の高次の非球面係数を適宜設定することで非球面レンズの周縁部の形状を設計し、低次の非球面係数を適宜設定することで非球面レンズの光軸付近の形状を設計する。
【００１８】
また、前記非球面レンズの設計方法は、所定の近軸倍率、許容角度及び焦点距離を有する球面レンズを形成するステップと、前記照射面の所定の領域で、収束させた前記平行光の像に収差が生じるように、前記球面レンズを変形するステップとを具備することが好ましい。非球面レンズの近軸倍率、許容角度、焦点距離に関しては球面レンズの値を基準として設計することとしたので、当該非球面レンズの近軸倍率、許容角度、焦点距離を一から設計しなくても、精密な値を得ることができる。
【００１９】
また、前記球面レンズを変形するステップが、前記球面レンズの主平面が傾くように前記球面レンズを変形するステップと、前記変形した球面レンズの周縁部の主平面の傾きを戻すように前記球面レンズを変形するステップとを有することが好ましい。これにより、非球面レンズの主平面の傾き過ぎを抑止し、コマ収差が照射面の所定の領域の範囲を超えて形成されるのを防ぐことができ、照射面の所定の領域に好ましい範囲でコマ収差を発生させることができる。
【００２０】
本発明の別の観点に係る非球面レンズは、上記の非球面レンズの設計方法により設計されたことを特徴とする。これにより、照射面の所定の領域に収差を発生させ、理想結像系に比べて照射面での照明効率が高くなるように平行光を収束させる非球面レンズを得ることができる。
【００２１】
本発明の別の観点に係るプロジェクタは、上記の照明装置を搭載したことを特徴とする。これにより、照明効率が高く、コントラストの高いプロジェクタを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
[第１実施形態]
本発明の第１実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本実施形態におけるプロジェクタの構成を概略的に示す図である。
プロジェクタ１は、単板式の液晶プロジェクタとして構成されており、光源３、ロッドインテグレータ４、第１光学系５及び非球面レンズ６が設けられた照明装置２と、変調素子としての液晶装置７と、図示しないスクリーンに画像などを投射する投射光学系１００とを有する。
【００２３】
照明装置２は、液晶装置７に光を照射することで、当該液晶装置７の光源としての役割を果たしている。液晶装置７は、例えば赤色、緑色、青色の３色の画素が形成された画素領域７ａを有し、図示しない駆動部から入力される画像信号に基づいて照射された光を変調する。
【００２４】
光源３には例えば発光ダイオード等が用いられ、当該発光ダイオードからの光を外部に射出するほぼ正方形に形成された光射出面３ａが設けられる。光源３は、光射出面３ａがロッドインテグレータ４の光入射面４ａと対向するように当該ロッドインテグレータ４に取り付けられる。
【００２５】
ロッドインテグレータ４は、光入射面４ａから入射した光の照度分布を均一化して光射出面４ｂから射出するものであり、例えばガラスや樹脂などの光透過性を有する材料で中空な四角柱形状に形成されている。ロッドインテグレータ４の内側には、反射面４ｃが各側面に設けられる。反射面４ｃは、光入射面４ａから光射出面４ｂにかけて光透過部分（中空部分）の断面積が次第に広がるように設けられる（図中破線部）。
【００２６】
光入射面４ａの形状は光源３の光射出面３ａの形状と一致するようにほぼ正方形になっている。光射出面４ｂ形状は液晶装置７の画素領域７ａの形状と一致するように形成される。例えば画素領域７ａが（短辺の長さ）：（長辺の長さ）＝３：４の長方形であれば、光射出面４ｂも同様に短辺と長辺との長さの比が３：４の横長の長方形に形成される。ロッドインテグレータ４に入射した光は、反射面４ｃで反射を繰り返しながら光射出面４ｂに導かれ、照度分布が均一化された状態で射出されるようになっている。
【００２７】
第１光学系５は、複数、例えば２つのメニスレンズ５ａ、５ｂと、コリメータレンズ５ｃとを有する。メニスレンズ５ａ、５ｃは、ロッドインテグレータ４から射出された光を拡散する。コリメータレンズ５ｃは、当該拡散された光を平行化して平行光にする。メニスレンズ５ａ、５ｂ及びコリメータレンズ５ｃは、例えばガラスやアクリル等の透明な材料で形成される。
【００２８】
非球面レンズ６は、例えばガラスやアクリル等の透明な材料で形成され、コリメータレンズ５ｃで平行化された平行光を液晶装置７の画素領域７ａに向けて収束する。図２は、非球面レンズの概略を示す図である。非球面レンズ６の光軸付近６ｂでは、レンズ主平面６ａがコリメータレンズ５ｃからの平行光の進む方向に対して例えば角度αだけ傾くように設計される。また、周縁部６ｃでは、主平面６ｄはコリメータレンズ５ｃからの平行光の進む方向に対してほぼ垂直になるように設計される。
【００２９】
ここで、非球面レンズ６の非球面６ｅは、例えばＹＺ平面内の曲線をＺ軸回りに回転させて形成される非球面と考えることができる。ＹＺ平面内の曲線の式は、
【数２】

【００３０】
で表される。ｈはｘとｙの自乗平方和√（ｘ^２＋ｙ^２）であり、ｘ、ｙ及びｚはＸＹＺ空間の座標を表す変数である。Ｃ、ｋ、ａ_１、ａ_２、ａ_３、ａ_４は非球面係数である。低次の非球面係数（例えばＣ、ｋ、ａ_１、ａ_２）は非球面レンズの光軸付近６ｂの形状に寄与し、高次の非球面係数（例えばａ_３、ａ_４）は非球面レンズの周縁部６ｃの形状に寄与している。
【００３１】
図３は、非球面レンズ６を透過した光の進路を示した図である。図４は、画素領域７ａ上に形成されるスポットダイアグラムを示した図である。
光源３から射出された光は、第１光学系で拡散され、平行化される。この平行光が非球面レンズ６の光軸付近６ａを通過する場合、光路Ｌ１のように進み（図３（ａ））、画素領域７ａの周縁部で内向性のコマ収差８を生じる（図４（ａ））。
また、この平行光が非球面レンズ６の周縁部６ｂを通過する場合、光路Ｌ２のように進み（図３（ｂ））、画素領域７ａの中央付近で負の球面収差９を生じる（図４（ｂ））。
【００３２】
図５は、非球面レンズ６の球面収差９を表すグラフである。原点が非球面レンズ６の光心の位置、縦軸が開口数、横軸が光の進行する方向における変位である。このグラフから、画素領域７ａの中央付近のみならずコマ収差８が形成される画素領域７ａの周縁部でも球面収差９が発生していることがわかる。
このように、画素領域７ａ上には、画素領域７ａをカバーするようにコマ収差８及び球面収差９が形成される。
【００３３】
次に、非球面レンズ６の設計の手順について説明する。図６は、当該設計手順を示すフローチャートである。
非球面レンズ６は、球面レンズ１０から形成され、球面レンズ１０の基本構成の設計（ステップ６０１）、球面レンズ系１０の形成（ステップ６０２）、球面レンズ１０の変形１（ステップ６０３）、球面レンズ１０の変形２（ステップ６０４）の手順を経て設計が行われる。以下、各手順について説明する。
【００３４】
ステップ６０１では、図７に示すように、非球面レンズ６のもとになる球面レンズ１０の基本構成の設計を行う。近軸倍率ｍ_１、許容角度θ_１、焦点距離ｆ_１をそれぞれ設定し、当該設定どおりの球面レンズを１０形成する。
【００３５】
ステップ６０２では、当該球面レンズ１０を用いた光学系を形成する。このとき、図８に示すように、当該光学系が理想結像系に近くなるように、例えば光源３、第１光学系５及び球面レンズ１０を、第１光学系のコリメータレンズ５ｃ（近軸倍率ｍ_２、許容角度θ_２、焦点距離ｆ_２）と球面レンズ１０との距離を（ｆ_１＋ｆ_２）となるように配置する。
【００３６】
ステップ６０３では、主に低次の非球面係数を設定して、球面レンズ１０を変形してコマ収差８を発生させるようにする。具体的には、球面レンズ１０の光軸付近６ｂの球面を変形する。コマ収差は、光が光学系の光軸に対して傾いて入射した場合に発生するものである。従って、例えば図９に示すように、第１光学系５からの平行光に対して主平面６ａが傾くように球面レンズ１０を変形する。また、実際に光源３から光を射出させてコマ収差８が発生したかどうかを確認しながら球面レンズ１０の変形を行い、コマ収差８が発生したことを確認したら、次のステップに移る。
【００３７】
ステップ６０４では、主に高次の非球面係数を設定し、ステップ６０３において変形された球面レンズ１０を微調整しながら変形する。具体的には、光源３から光を射出させてコマ収差８が適切な位置及び範囲に発生しているかどうかの確認をし、同時に、高次の非球面係数を調節して主光線の角度が許容角度θ_３以内に収まるようにする。必要に応じて、例えば変形された球面レンズ１０の周縁部６ｃの主平面６ｄの傾きを調節することでコマ収差８が大きく発生し過ぎないようにする。図１０に示すようにコマ収差８が適切な位置及び範囲に発生していること及び主光線の角度が許容角度θ_３以内に収まっていることが確認されたら、設計を終了する。
【００３８】
本実施形態によれば、光源３から射出された光は、第１光学系５で平行光にされ、非球面レンズ６により液晶装置７の画素領域７ａに平行光の像にコマ収差８や球面収差９が生じるように結像される。このように、画素領域７ａに敢えて収差を発生させるように結像することで、当該画素領域７ａに照射される光の角度（光軸に対する角度）を小さくすることができる。したがって、理想結像系により結像した場合に比べて、許容角度以下で画素領域７ａに照射される光が多くなるので、当該画素領域７ａでの照明効率を高くすることができる。
【００３９】
また、このような照明装置を搭載したことにより、照明効率が高く、コントラストの高いプロジェクタ１を得ることができる。
また、非球面レンズ６の近軸倍率、許容角度、焦点距離に関しては球面レンズの近軸倍率ｍ_１、許容角度θ_１、焦点距離ｆ_１を基準として設計することとしたので、当該非球面レンズ６についての近軸倍率、許容角度、焦点距離を一から設計しなくても、精密な値を得ることができる。
【００４０】
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
上記実施形態では、非球面レンズ６は液晶装置７の画素領域７ａをカバーするように平行光を収束するように説明したが、例えば図１１に示すように、画素領域７ａの範囲よりも広い範囲に平行光を収束させることが可能である。これにより、画素領域７ａに対して照明マージンｔ_１、ｔ_２を十分にとることができるので、画素領域７ａの総ての画素に漏れの無いように光を当てることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るプロジェクタの構成の概略を示す図である。
【図２】本実施形態に係る非球面レンズの構成の概略を示す図である。
【図３】本実施形態に係る非球面レンズを透過した光の進路を示した図である。
【図４】非球面レンズにより収束した光のスポットダイアグラムである。
【図５】非球面レンズの球面収差を表すグラフである
【図６】本実施形態に係る非球面レンズの設計工程を示すフローチャートである。
【図７】非球面レンズの設計工程の一例を示す図である。
【図８】非球面レンズの設計工程の一例を示す図である。
【図９】非球面レンズの設計工程の一例を示す図である。
【図１０】非球面レンズの設計工程の一例を示す図である。
【図１１】本発明に係るプロジェクタの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…プロジェクタ２…照明装置３…光源５…第１光学系５ｃ…コリメータレンズ６…非球面レンズ６ａ…光軸付近６ｂ…周縁部７…液晶装置７ａ…画素領域８…コマ収差９…球面収差１０…球面レンズ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射面に照射する光を射出する光源と、
前記光源と前記照射面との間に設けられ、前記光源から射出された光を平行光にする第１の光学系と、
前記第１の光学系と前記照射面との間に設けられ、前記照射面の所定の領域で前記平行光の像に収差が生じるように前記平行光を前記照射面に収束させる第２の光学系と
を具備することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記第２の光学系が、前記収差が前記所定の領域よりも広い範囲に生じるように前記平行光を収束させることが可能であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記収差が、負の球面収差及び内向性のコマ収差のうち少なくとも一方であることを特徴とする請求項１乃至請求項２のうちいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項４】
前記第２の光学系が、少なくとも光軸周辺部の主平面が傾くように設計されたレンズであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の光学系を含めた光学系が、テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項６】
光源から射出され平行化された光を照射面に収束させる非球面レンズの設計方法であって、
前記照射面の所定の領域で、収束させた前記平行光の像に収差が生じるように、非球面の形状を設計することを特徴とする非球面レンズの設計方法。
【請求項７】
前記非球面レンズの設計方法が、
所定の近軸倍率、許容角度及び焦点距離を有する球面レンズを形成するステップと、
前記照射面の所定の領域で、収束させた前記平行光の像に収差が生じるように、前記球面レンズを変形させるステップと
を具備することを特徴とする請求項６に記載の非球面レンズの設計方法。
【請求項８】
前記球面レンズを変形させるステップが、
前記球面レンズの主平面が傾くように前記球面レンズを変形させるステップと、
前記変形した球面レンズの周縁部の主平面の傾きを戻すように前記球面レンズを変形させるステップと
を有することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の非球面レンズの設計方法。
【請求項９】
請求項６乃至請求項８のうちいずれか一項に記載の非球面レンズの設計方法により設計されたことを特徴とする非球面レンズ。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項５のうちいずれか一項に記載の照明装置を搭載したことを特徴とするプロジェクタ。

【図１】