JP4939070B2 - 照明光学系および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源からの光束を用いて被照明面を照明する照明光学系に関し、特に該照明光学系からの光によって液晶パネル等の光変調素子を照明して画像を投射する画像投射装置に好適な照明光学系に関するものである。

上記のような画像投射装置では、明るく高いコントラストを有する画像を投射できること、および投射画像が全体に渡ってほぼ均一な明るさを有することが重要である。

このような画像投射装置において、光源からの光の利用効率を高めようとすると、一般に光束の角度分布が大きくなる傾向がある。このため、光学系内に角度特性の敏感な光学素子、特に光軸に対して傾いたダイクロイック膜や偏光分離膜を有する光学素子を配置した場合に、明るさむら（色むら）やコントラストの低下など、画質の劣化が発生する。

このような画質劣化を防止するために、光学素子における角度分布に敏感な方向においては光束の角度分布を小さくし、角度分布に鈍感な方向においては光束の角度分布を大きくした非対称な光学系が提案されている。

例えば、特許文献１には、光学インテグレータとして１次元方向にシリンドリカルレンズセルが配列されたシリンドリカルレンズアレイを用いた光学系が開示されている。この光学系では、ダイクロイックミラーなどの角度敏感度の高い光学素子による光束の折り曲げ方向に対してケーラー照明を用いることで、色むらを低減している。

また、特許文献２には、薄膜光学素子の角度敏感度の高い方向において、瞳位置に絞りを配置することで、光束の一断面方向での角度分布を小さくし、コントラストの改善を図っている。
特開平０６−７５２００号公報（段落００１７〜００１８、図１等） 特開２００４−４５９０７号公報（段落００１２〜００１３、図１等）

しかしながら、特許文献１にて開示された光学系では、シリンドリカルレンズアレイが屈折力を持たない断面（ケーラー照明断面）においては重畳的な照明をしていないため、液晶パネル面での照度分布にむらが生じやすい。したがって、不均一な照明分布の中から比較的フラットな分布の領域のみをパネル照明に使用しなければなければならず、光の利用効率が低い。

また、該特許文献１にて開示された光学系では、光源から液晶パネルの直前に配置された集光レンズ（フィールドレンズ）までの光束は角度分布が小さいため、光源から集光レンズまでの間に配置されたダイクロイックミラーでの画質劣化は低減されている。しかし、液晶パネルの直前で集光レンズによって光束を収束させるため、液晶パネルや該液晶パネルよりも後方に配置されたダイクロイックミラーなどの角度敏感度の高い光学素子による画質劣化が避けられない。

さらに、重畳的な照明を行っていない断面では、光源の変動（アークジャンプ、劣化等）によって光源が輝度むらを持ったときに、液晶パネル上での照度分布も変動し、投射画像上に明るさむらとなって現れてしまう。

また、特許文献２にて開示された光学系では、直交する２断面で重畳的な照明しているため、光源の影響は受けにくいが、絞りによって光束を制限しているため、光の利用効率が大幅に低下する。

また、特許文献２には、絞りに代えて、レンズアレイと液晶パネルとの間の光学系の主点位置を２断面間で異ならせることにより、該２断面における角度分布を互いに異ならせる旨の記載がある。しかし、特許文献２の実施例に記載されたコリメータレンズの主点を変える方法では、液晶パネル面での照明領域の境界が不鮮明になり、明るさ低下や照度むらを生じる。しかも、照明光学系のパネル側でのテレセントリック条件、すなわち射出瞳がパネル面に対して十分に遠方であるとの条件が崩れてしまうため、コントラストの低下や色むらなどを生じてしまう。

本発明は、特定断面での光束の角度分布を小さくしながらも、被照明面上での明るさがほぼ均一で、光源の輝度むらの影響を受けにくく、かつ光の利用効率が高い照明光学系およびこれを備えた画像投射装置を提供することを目的の１つとする。

本発明の一側面としての照明光学系は、第１の断面において、光源からの光束を圧縮した後に複数の第１の光束に分割し、該複数の第１の光束を被照明面上で重畳する照明光学系である。そして、光源からの光束を圧縮する光学系は、光源側から順に配置された、正の屈折力を有する第１の光学素子および負の屈折力を有する第１のレンズアレイを含むアフォーカル系であり、光源からの光束を分割する光学系は、光源側から順に配置され、それぞれ複数の偏芯したレンズセルを有する第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイであり、第１の光束を重畳する光学系は、光源側から順に配置された、負の屈折力を有する第２のレンズアレイおよび正の屈折力を有する第２の光学素子を含み、前記第１および第２のレンズアレイは、互いに同符号の屈折力を有し、さらに第１および第２のレンズアレイにおけるレンズセルが形成された面が互いに同じ方向を向いていることを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも第１の断面での光束の角度分布が小さく、被照明面をほぼ均一に照明でき、かつ光の利用効率が高い照明光学系を実現することができる。そして、該照明光学系を用いて画像投射装置の光学系を構成することにより、明るく、むらがなく、かつコントラストが高い画像を投射することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１および図２には、本発明の実施例１である照明光学系の構成を図示している。該照明光学系は、光学ブロック１０を介して被照明面に配置された光変調素子としての反射型液晶パネル（但し、透過型であってもよい）１１を照明する。本実施例の照明光学系は、該液晶パネル１１によって画像変調された光束を投射して画像を表示するプロジェクタに用いられる。

本実施例では、照明光学系の光軸（例えば、液晶パネル１１の中心からコンデンサーレンズ８の中心を通ってランプに向かう軸線によって定義される）をＺ軸とし、該Ｚ軸に平行な方向を光軸方向とする。

図１は、Ｚ軸を含み、かつＺ軸に対して直交する２つの面であるＹＺ面とＸＺ面のうち、液晶パネル１１のパネル面において入射光束の角度分布が広い方の断面であるＹＺ面（第２の断面）での光学構成を示す。このＹＺ面は、液晶パネル１１の長辺が延びる方向に平行な断面である。また、図２には、パネル面において入射光束の角度分布が狭い方の断面であるＸＺ面（第１の断面）での光学構成を示す。このＸＺ面は、液晶パネル１１の短辺が延びる方向に平行な断面である。

これらの図には、照明光学系の基本的な構成部品のみ示していないが、実際には、光源からの無偏光光を直線偏光光に変換する偏光変換素子、光路を折り曲げるミラー、熱線カットフィルタおよび偏光板等の各種光学素子も配置される。

図１に示すＹＺ面において、高圧水銀放電管等の発光管１から射出した光束は、放物面リフレクタ２によって平行光束に変換された射出される。発光管１およびリフレクタ２により光源ランプが構成される。

ランプからの平行光束は、図３にその斜視図を示す第３シリンドリカルレンズアレイ３によって複数の光束に分割され、各分割光束は集光される。各分割光束は、第４シリンドリカルレンズアレイ４の入射面の位置又はその近傍に向けて集光され、ここに２次光源像を形成する。

本実施例における第３シリンドリカルレンズアレイ３の作用によって形成された２次光源像の様子を図４に示す。図４は光軸方向に対して直交する面での２次光源像の強度分布を示している。図４において、ＹＺ面は、図中に一点鎖線で示した面となる。ＹＺ面において、２次光源像が形成される領域の幅をＷ１とする。

この２次光源像が形成される位置での光源像形成領域の幅Ｗ１は、ＹＺ面と平行な様々な断面で光源像形成領域を切ったときに得られる該領域の幅のうち最大のもの又はＹＺ面で切ったときに得られる幅とする。

第３および第４シリンドリカルレンズアレイ３，４は、ＹＺ面と平行な方向においてのみ屈折力を有するため、ＹＺ面に直交するＸＺ面においては光束に実質的に影響を与えない。

一方、ＸＺ面において圧縮光学系の一部を構成する正レンズ５と、第１シリンドリカルレンズアレイ６、第２シリンドリカルレンズアレイ７およびシリンドリカルレンズ９とは、ＹＺ面においては屈折力を有していない。したがって、第４シリンドリカルレンズアレイ４を射出した分割光束は、ＹＺ面においてはこれらの光学素子の影響をうけずにコンデンサーレンズ８によって集光される。なお、圧縮光学系としては、平行光束の光束径を狭めつつ平行光束として射出するアフォーカル光学系であることが望ましく、本実施例でもアフォーカル圧縮光学系を用いる。これについては後述する。

図１において、コンデンサーレンズ８から射出した複数の分割光束は、光学ブロック１０を介して反射型液晶パネル１１上で互いに重ね合わされる。これにより、ＹＺ面において、反射型液晶パネル１１に対する複数の分割光束による重畳的な照明がなされる。

ここで、光学ブロック１０は、いわゆる色分解合成光学系を示す。色分解光学系１０は、照明光学系の光軸方向に対して傾いて配置された光学膜面（多層膜面）を備えた光学素子が配置される。例えば、偏光分離膜面を備えた偏光ビームスプリッタや、ダイクロイック膜面を備えたダイクロイックミラーおよびダイクロイックプリズムである。光軸方向に対する光学膜面の傾きは４５度に設定されるのが一般的であり、４２〜４８度の範囲に設定される場合が多い。

偏光ビームスプリッタ（偏光分離膜）は、可視光領域内の少なくとも一部の波長域（例えば、１０ｎｍ以上の幅を有する波長域）の光に対して偏光方向による分離特性を有する。一般的には、特定の角度で入射する光のうち第１の偏光方向の光を８０％以上反射し、第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向の光を８０％以上透過する。

図２に示すＸＺ面においては、ランプから平行光束として射出された光束は、第３および第４シリンドリカルレンズアレイ３，４の影響を受けずに、アフォーカル圧縮光学系の一部である正レンズ５を介して、第１シリンドリカルレンズアレイ６に到達する。図６には、第１シリンドリカルレンズアレイ６の斜視図を示す。

図６に示すように、第１シリンドリカルレンズアレイ６の片面は、ＸＺ面内でのみ凹形状を有する凹面上に複数のシリンドリカルレンズセル６ａが形成されたような形状を有する。すなわち、この第１シリンドリカルレンズアレイ６は、負レンズの機能とレンズアレイとしての機能（光束分割機能）とを併せ持つ光学素子である。この複数のシリンドリカルレンズセル６ａが形成された側の面を第１シリンドリカルレンズアレイ６のレンズセル形成面という。

ここで、「負レンズの機能」とは、このシリンドリカルレンズアレイの各レンズセルの中心に入射する光束に対して負レンズと同じ特性を示すという意味である。別の言い方をすれば、各レンズセルの中心に対して、各レンズセルの曲率の中心（各レンズセルの光軸）が外側（照明光学系の光軸に対して外側）にシフトするように、シリンドリカルレンズアレイを構成している。このように構成すれば、各レンズセルの中心に入射する光に対して、シリンドリカルレンズアレイは負レンズとして機能する。

また、シリンドリカルレンズアレイの各レンズセルは、入射光を部分光束に分割する機能（光束分割機能）を持たせるために、正の屈折力を有している。

図７には、第１シリンドリカルレンズアレイ６の側面図を示す。第１シリンドリカルレンズアレイ６は、各シリンドリカルレンズセル６ａの中心６ｂから該レンズセル６ａの頂点６ｃを偏芯させることで、全体として負レンズの役割を果たしている。

アフォーカル圧縮光学系は、光源側から順に、正レンズ５と、第１シリンドリカルレンズアレイ６とで構成されている。ランプからの平行光束は、このアフォーカル圧縮光学系によって圧縮されるとともに、第１シリンドリカルレンズアレイ６によって複数の光束に分割される。各分割光束は、第２シリンドリカルレンズアレイ７の入射面の位置又はその近傍に向けて集光され、ここに２次光源像を形成する。

図５には、本実施例における第１シリンドリカルレンズアレイ６の作用によって形成された２次光源像の様子を示す。図５は光軸方向に対して直交する面での２次光源像の強度分布を示している。図５において、ＸＺ面は、図中に一点鎖線で示した面となる。ＸＺ面において、２次光源像が形成される領域の幅をＷ２とする。

図４と図５を比較すれば分かるように、ＹＺ面での光源像形成領域の幅Ｗ１に比べてＸＺ面での光源像形成領域の幅Ｗ２が狭い。このＷ１とＷ２の大小関係（比）がそのまま偏光ビームスプリッタでの角度分布の大小関係（比）となる。このため、
Ｗ２＜Ｗ１
好ましくは、
・ １＜Ｗ２／Ｗ１＜０．８ …（１）
という条件を満足することが望ましい。

この条件式（１）において、Ｗ２／Ｗ１が上限値を上回ると、コントラストを高めるなどの効果が十分に得られない。また、Ｗ２／Ｗ１が下限値を下回ると、第１シリンドリカルレンズアレイ６の任意のレンズセル６ａで分割集光される光束が第２シリンドリカルレンズアレイ７の対応するレンズセルに入射せず、対応しないレンズセルに入射する割合が増えてしまう。この対応するレンズセルに入射しなかった光束は、被照明面での有効領域（液晶パネルでの光変調領域）から外れた位置に到達するため、照明光束として有効な光束とならない。そして、被照明面の有効領域に到達しない光束の割合が増えると、投射画像の明るさが大幅に減少してしまう。このように条件式（１）の下限値を下回ると、光の利用効率が低下するため、好ましくない。

ここで、Ｗ１とＷ２はそれぞれ、第４シリンドリカルレンズアレイ４に入射する光束のＹＺ面における光束径、および第２シリンドリカルレンズアレイ７に入射する光束のＸＺ面における光束径としてもよい。

第２シリンドリカルレンズアレイ７から射出した分割光束は、シリンドリカルレンズ９によって集光され、偏光ビームスプリッタ等を含む色分解光学系１０を経て、反射型液晶パネル１１上で重ね合わされる。これにより、ＸＺ面において、反射型液晶パネル１１に対する複数の分割光束による重畳的な照明がなされる。

第２シリンドリカルレンズアレイ７は、図６および図７に示した第１シリンドリカルレンズアレイ６と同様に、その片面において、ＸＺ面内でのみ凹形状を有する凹面上に複数のシリンドリカルレンズセル（図９の７ａ参照）が配列されたような形状を有する。該第２シリンドリカルレンズアレイ７も、各シリンドリカルレンズセルの中心から該レンズセルの頂点を偏芯させることで、全体として負レンズの役割を果たしている。すなわち、第２シリンドリカルレンズアレイ７も、負レンズの機能とレンズアレイとしての機能とを併せ持つ光学素子である。この複数のシリンドリカルレンズセルが形成された側の面を第２シリンドリカルレンズアレイ７のレンズセル形成面という。

第２シリンドリカルレンズアレイ７の負レンズ作用と、正レンズであるシリンドリカルレンズ９とにより、レトロフォーカスタイプの重畳光学系が構成される。重畳光学系をレトロフォーカスタイプとすることで、バックフォーカスが長くなり、色分解光学系１０が配置しやすくなる。

なお、本実施例では、コンデンサーレンズ８はＸＺ面では屈折力を有していないため、光束に実質的に影響を与えない。但し、コンデンサーレンズ８を球面レンズとし、該コンデンサーレンズ８を含めて重畳光学系を構成してもよい。

本実施例では、第１および第２シリンドリカルレンズアレイ６，７のレンズセル形成面はともに被照明面側、すなわち液晶パネル１１側を向いている。以下、図８〜１０を用いて、この技術的理由について詳しく説明する。

図８には、従来のレンズアレイを用いた照明光学系の概略図を示す。レンズアレイＡ５１およびレンズアレイＢ５２で光束を分割し、これら分割光束をコンデンサーレンズ５３で重畳して液晶パネル５４を照明する。この場合、レンズアレイＡ５３の各レンズセルが、照明光束を液晶パネル上５４に重ね合わせるように作用している。

ここで、レンズアレイＡ５３のセルピッチをａ、コンデンサーレンズ５３の焦点距離をｆ、レンズアレイＡ５３とレンズセルＢ５４の対応レンズセル面間の距離をｄ、液晶パネル５４の大きさ（高さ）をＢとすると、
Ｂ＝ａ×（ｆ／ｄ） …（２）
の関係式がほぼ成り立つ。

この式（２）から、レンズセル面間距離ｄが長くなれば照明領域が狭くなり、短くなれば照明領域が広くなることが分かる。

本実施例の図６に示す形状を有し、負レンズの機能を併せ持つ第１および第２シリンドリカルレンズアレイ６，７では、シリンドリカルレンズアレイの中心から見て外側のレンズセルほど厚みが増加する。このような形状の
レンズアレイで光束分割を行う場合、図９に示すように、第１および第２シリンドリカルレンズアレイ６，７のレンズセル形成面を同じ方向に向けた方がよい。これは、第１および第２シリンドリカルレンズアレイ６，７における複数の対応レンズセルにおいて、レンズセル面間距離ｄの差を小さくすることができるからである。

図１０に示すように、両シリンドリカルレンズアレイのレンズセル形成面が互いに反対方向を向いている場合は、複数の対応レンズセルにおけるレンズセル面間距離ｄの差が大きくなる。このため、中心のレンズセルに比べて、外側のレンズセルが形成する照明領域が狭くなり、液晶パネル上での全照明領域の大きさが不足したり、外側のレンズセルが形成する照明領域が広くなることによる光量の低下を招いたりしてしまう。

以上の構成により、図１および図２に示すように、照明光学系のうち屈折力を有する最後の光学素子を通過した後の照明光束の角度分布を、ＸＺ面においてＹＺ面よりも狭めている。

反射型液晶パネル１１の前に配置されている色分解光学系１０に含まれる偏光ビームスプリッタは、ＸＺ面において入射光束の一部の光路を折り曲げている。一般的な誘電体多層膜を偏光分離膜として有する偏光ビームスプリッタは、ブリュースター角におけるＰ偏光とＳ偏光に対する反射率の違いを利用して偏光分離を行う。このため、ブリュースター角から外れた光線ほど偏光分離が不十分になる。つまり、広い角度分布を持った照明光束を偏光分離膜に入射させると、透過すべき偏光光を反射したり、反射すべき偏光光を透過したりしてしまう。これにより、所望の偏光光とは異なる偏光光（漏れ光）が液晶パネル等に入射してしまい、画像のコントラストを低下させる。

なお、このように、入射光束の角度分布が広いと偏光分離等の所望の作用が十分に得られない断面を、本実施例では角度分布に対して敏感な断面という。また、入射光束の角度分布が広くても所望の作用が十分に得られる断面を、角度分布に対して鈍感な断面という。

これに対し、本実施例では、光束の角度分布に対して敏感な断面（ＸＺ面）における角度分布を、角度分布に対して鈍感な断面（ＹＺ面）における角度分布よりも小さくしている。このため、光束の角度分布に敏感な断面における漏れ光の発生量を抑え、この結果、高いコントラストの画像を得ることができる。しかも、光の利用効率も高い。

なお、本実施例では、第２断面においてはランプからの光束の径を圧縮せず、第１断面において光束径を圧縮することにより、第１および第２断面で光源像形成領域の幅を異ならせた。しかし、本発明はこのような構成に限られない。例えば、第１断面と第２断面の両方において光束径を圧縮してもよい。また、一方の断面において光束径を圧縮し、他方の断面において光束径を拡大してもよい。さらに、第１および第２断面の両方において光束径を拡大してもよい。また、放物面リフレクタ２に代えて楕円リフレクタを用いることにより、光束径の圧縮を行ってもよい。すなわち、光源像形成領域の幅が第１断面と第２断面とで互いに異なり、かつ光束の角度分布により敏感な断面での光源像形成領域の幅が角度分布により鈍感な断面における光源像形成領域の幅に対して小さくなる構成であれば、どのような構成を用いてもよい。

また、プロジェクタでは、光の利用効率を上げるために偏光変換素子（偏光ビームスプリッタをアレイ状に構成した素子）を、レンズアレイの近くに配置する場合がある。本実施例では、図示していないが、第４シリンドリカルレンズアレイ４の後側又は第２シリンドリカルレンズアレイ７の後側に配置することが望ましい。特に圧縮後の光束が通る第２シリンドリカルレンズアレイ７の後側に偏光変換素子を配置した場合は、従来に比べて偏光変換素子を小型化することができる。これにより、光学系全体およびプロジェクタの小型化やコストダウンを図ることができる。

なお、本実施例では、第１および第２シリンドリカルレンズアレイ６，７のレンズセル形成面をともに被照明面側に向けた場合について説明したが、これらをともに光源側に向けてもよい。

また、本実施例では、各断面（ＸＺ面、ＹＺ面）ごとに、その断面内でパワーを有するシリンドリカルレンズアレイを２つずつ設けた場合について説明したが、３つ以上設けてもよい。

図１１には、本発明の実施例２である照明光学系を示す。実施例１で説明した一対のレンズアレイのレンズセル面を同一方向に向ける構成は、実施例１のように第１断面と第２断面とで光学系の構成が異なる場合だけでなく、第１断面と第２断面とで光学系の構成が同じ場合にも有効である。すなわち、図１１に示す光学系の構成は、第１断面と第２断面とで共通である。

発光管２１から射出した光束は、楕円面リフレクタ２２によって集束する光束となって射出される。発光管２１とリフレクタ２２により光源ランプが構成される。

ランプからの光束は、第１レンズアレイ２３によって中心光束が平行に進む複数の光束に分割され、各分割光束は第２レンズアレイ２４の入射面又はその近傍に向かって集光される。第１および第２レンズアレイ２３，２４のそれぞれの片面は、第１および第２断面において凹形状を有する凹面上に複数のレンズセル２３ａ，２４ａが形成されたような形状を有する。各レンズアレイにおいて、レンズセルは２次元方向に配置されている。第１レンズアレイ２３から射出した各分割光束は、第２レンズアレイ２４の入射面又はその近傍に２次光源像を形成する。

本実施例では、楕円リフレクタ２２と第１レンズアレイ２３の負レンズの機能によって圧縮光学系が構成されている。これにより、ランプから第１および第２レンズアレイ２３，２４までの部分の小型化が図られている。

第２レンズアレイ２４から射出した複数の分割光束は、コンデンサーレンズ２５によって集光され、偏光ビームスプリッタ等を含む色分解光学系２６を経て重畳的に反射型液晶パネル２７を照明する。

第２レンズアレイ２４も、前述したように第１レンズアレイ２３と同様の形状を有し、負レンズの機能とレンズアレイの機能とを併せ持つ。

本実施例では、第２レンズアレイ２４の負レンズの機能とコンデンサーレンズ２５の正レンズとしての機能とにより、レトロフォーカスタイプの重畳光学系が構成されている。実施例１と同様に、重畳光学系をレトロフォーカスタイプにすることで、バックフォーカスが長くなり、色分解光学系２６が配置しやすくなる。

また、第１および第２レンズアレイ２３，２４のレンズアレイ形成面を同一方向に向けることで、実施例１と同様に、複数の対応レンズセルにおけるレンズセル面間距離の差を小さくすることができ、照明領域での明るさの均一化と明るさの向上を図っている。

なお、本実施例においては、第１および第２レンズアレイ２３，２４に負レンズの機能を持たせたが、本発明はこれに限らない。例えば、両レンズアレイの片面を、凸面上に複数のレンズセルが配置された形状とし、該レンズアレイに正レンズの機能を持たせてもよい。この場合、例えば、楕円リフレクタと第１レンズアレイとにより正、正の屈折力構成の圧縮光学系を構成し、第２レンズアレイがコンデンサーレンズの正屈折力のすべて又は一部を受け持つ構成を採ることができる。

図１２には、上記実施例１で説明した照明光学系を用いた液晶プロジェクタ（画像投射装置）の構成を示している。図１２は、実施例１でいうＸＺ面を含む断面での構成を示している。

同図において、４１は連続スペクトルで白色光を発光する発光管、４２は発光管４１からの光を所定の方向に集光するリフレクタである。発光管４１とリフレクタ４２により光源ランプ４０が構成される。

１００は実施例１で説明した照明光学系である。

５８は青（Ｂ：４３０〜４９５ｎｍ）と赤（Ｒ：５９０〜６５０ｎｍ）の波長領域の光を反射し、緑（Ｇ：５０５〜５８０ｎｍ）の波長領域の光を透過するダイクロイックミラーである。５９は透明基板に偏光素子を貼り付けたＧ用の入射側偏光板であり、Ｓ偏光光のみを透過する。６０は多層膜により構成された偏光分離面においてＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第１偏光ビームスプリッタである。

６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂはそれぞれ、入射した光を反射するとともに画像変調する光変調素子（若しくは画像形成素子）としての赤用反射型液晶パネル、緑用反射型液晶パネルおよび青用反射型液晶パネルである。６２Ｒ，６２Ｇ，６２Ｂはそれぞれ、赤用１／４波長板、緑用１／４波長板および青用１／４波長板である。

６４は透明基板に偏光素子を貼り付けたＲＢ用入射側偏光板であり、Ｓ偏光のみを透過する。

６５はＢ光の偏光方向を９０度変換し、Ｒ光の偏光方向は変換しない第１の色選択性位相差板である。６６は偏光分離面においてＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第２偏光ビームスプリッタである。６７はＲ光の偏光方向を９０度変換し、Ｂ光の偏光方向は変換しない第２の色選択性位相差板である。

６８はＲＢ用の射出側偏光板（偏光素子）であり、Ｓ偏光のみを透過する。６９は偏光分離面においてＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第３の偏光ビームスプリッタである。

以上のダイクロイックミラー５８から第３の偏光ビームスプリッタ６９までの光学素子により、色分解合成光学系２００が構成される。

７０は投射レンズであり、上記照明光学系１００、色分解合成光学系２００および投射レンズ７０により画像表示光学系が構成される。

次に、照明光学系１００を通過した後の光学的な作用を説明する。まず、Ｇの光路について説明する。

ダイクロイックミラー５８を透過したＧの光は入射側偏光板５９に入射する。Ｇ光はダイクロイックミラー５８によって分解された後もＳ偏光となっている。そして、Ｇ光は、入射側偏光板５９から射出した後、第１の偏光ビームスプリッタ６０に対してＳ偏光として入射し、その偏光分離面で反射され、Ｇ用反射型液晶パネル６１Ｇへと至る。

該プロジェクタの液晶駆動回路２５０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３００が接続されている。液晶駆動回路２５０は、画像供給装置３００から入力された画像（映像）情報に基づいて各反射型液晶パネルを駆動し、これらに各色用の原画を形成させる。これにより、各反射型液晶パネルに入射した光は、反射されるとともに原画に応じて変調（画像変調）される。

画像変調されたＧ光のうちＳ偏光成分は、再び第１の偏光ビームスプリッタ６０の偏光分離面で反射し、光源側に戻されて投射光から除去される。一方、画像変調されたＧ光のうちＰ偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ６０の偏光分離面を透過し、投射光として第３の偏光ビームスプリッタ６９に向かう。このとき、すべての偏光成分をＳ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１の偏光ビームスプリッタ６０とＧ用反射型液晶パネル６１Ｇとの間に設けられた１／４波長板６２Ｇの遅相軸を所定の方向に調整する。これにより、第１の偏光ビームスプリッタ６０とＧ用反射型液晶パネル６１Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えることができる。

第１の偏光ビームスプリッタ６０から射出したＧ光は、第３の偏光ビームスプリッタ６９に対してＰ偏光として入射し、第３の偏光ビームスプリッタ６９の偏光分離面を透過して投射レンズ７０へと至る。

一方、ダイクロイックミラー５８を反射したＲとＢの光は、入射側偏光板６４に入射する。ＲとＢの光はダイクロイックミラー５８によって分解された後もＳ偏光となっている。そして、Ｒ光とＢ光は、入射側偏光板６４から射出した後、第１の色選択性位相差板６５に入射する。第１の色選択性位相差板６５は、Ｂ光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＢの光はＰ偏光として、Ｒ光はＳ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射する。Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射したＲ光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射され、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒへと至る。

また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射したＢ光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過してＢ用反射型液晶パネル６１Ｂへと至る。

Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒに入射したＲ光は画像変調されて反射される。画像変調されたＲ光のうちＳ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射されて光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＲ光のうちＰ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過して投射光として第２の色選択性位相板６７に向かう。

また、Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｂに入射したＢ光は画像変調されて反射される。画像変調されたＢ光のうちＰ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＢ光のうちＳ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射して投射光として第２の色選択性位相板６７に向かう。

このとき、第２の偏光ビームスプリッタ６６とＲ用およびＢ用反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｂの間に設けられた１／４波長板６２Ｒ，６２Ｂの遅相軸を調整することにより、Ｇの場合と同じようにＲ，Ｂそれぞれの黒の表示の調整を行うことができる。

こうして１つの光束に合成され、第２の偏光ビームスプリッタ６６から射出したＲ光とＢ光のうちＲ光は、第２の色選択性位相板６７によってその偏光方向が９０度回転されてＳ偏光成分となる。さらに、Ｒ光は、射出側偏光板６８で検光されて第３の偏光ビームスプリッタ６９に入射する。また、Ｂの光はＳ偏光のまま第２の色選択性位相板６７をそのまま透過し、さらに射出側偏光板６８で検光されて第３の偏光ビームスプリッタ６９に入射する。尚、射出側偏光板６８で検光されることにより、ＲとＢの投射光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６とＲ用およびＢ用反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｂ、１／４波長板６２Ｒ、６２Ｂを通ることによって生じた無効な成分をカットされた光となる。

そして、第３の偏光ビームスプリッタ６９に入射したＲとＢの投射光は第３の偏光ビームスプリッタ６９の偏光分離面で反射し、Ｇ光と合成されて投射レンズ７０に至る。

合成されたＲ，Ｇ，Ｂの投射光（カラー画像）は、投射レンズ７０によってスクリーンなどの被投射面に拡大投射される。

以上説明した光路は反射型液晶パネルが白表示の場合である為、以下に反射型液晶パネルが黒表示の場合での光路を説明する。

まず、Ｇの光路について説明する。ダイクロイックミラー５８を透過したＧ光のＳ偏光光は、入射側偏光板５９に入射し、その後、第１の偏光ビームスプリッタ６０に入射して偏光分離面で反射され、Ｇ用反射型液晶パネル６１Ｇへと至る。しかし、反射型液晶パネル６１Ｇが黒表示状態であるため、Ｇ光は画像変調されないまま反射される。従って、反射型液晶パネル６１Ｇで反射された後もＧ光はＳ偏光光のままである。このため、再び第１の偏光ビームスプリッタ６０の偏光分離面で反射し、入射側偏光板５９を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。

次に、ＲとＢの光路について説明する。ダイクロイックミラー５８で反射したＲとＢの光のＳ偏光光は、入射側偏光板６４に入射する。そして、Ｒ光とＢ光は、入射側偏光板６４から射出した後、第１の色選択性位相差板６５に入射する。第１の色選択性位相差板６５は、Ｂ光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＢ光はＰ偏光として、Ｒ光はＳ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射する。

Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射したＲ光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射され、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒへと至る。また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ６６に入射したＢ光は、第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過してＢ用反射型液晶パネル６１Ｂへと至る。ここで、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒは黒表示状態であるため、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒに入射したＲ光は画像変調されないまま反射される。従って、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒで反射された後もＲ光はＳ偏光光のままである。このため、再び第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射し、入射側偏光板６４を通過して光源側に戻され、投射光から除去される。これにより、黒表示が行われる。

一方、Ｂ用の反射型液晶パネル６１Ｂに入射したＢ光は、Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｂが黒表示状態であるため、画像変調されないまま反射される。従って、Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｂで反射された後も、Ｂ光はＰ偏光光のままである。このため、再び第２の偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過し、第１の色選択性位相差板６５によりＳ偏光に変換され、入射側偏光板６４を透過して光源側に戻されて投射光から除去される。

本実施例においては、色分解合成系２００において、波長選択性位相差板を用いたが、これをなくしてもよい。この場合、色分解合成系２００内に配置された偏光ビームスプリッタが、可視領域内の特定の波長領域に対して偏光ビームスプリッタとして機能し、他の波長領域に対しては偏光方向に関わらず透過又は反射する特性を有する偏光分離膜を持つ構成とすればよい。

また、色分解合成系２００と投射レンズ７０との間に１／４位相差板を配置して、投射レンズ７０内のレンズ面で反射されて戻ってきた光が再反射されて、再びスクリーン方向に戻るのを防ぐようにしてもよい。

さらに、本実施例では、液晶パネルを３枚用いた場合について説明したが、本発明においては、１枚、２枚又は４枚以上を用いてもよい。

本発明の実施例１である照明光学系の構成（第２断面）を示す図。 実施例１の照明光学系の構成（第１断面）を示す図。 実施例１の照明光学系のシリンドリカルレンズアレイを示す図。 実施例１のシリンドリカルレンズアレイによる光源像形成領域を示す図。 実施例１におけるシリンドリカルレンズアレイによる光源像形成領域を示す図。 実施例１におけるシリンドリカルレンズアレイの斜視図。 実施例１におけるシリンドリカルレンズアレイの側面図。 レンズアレイを用いた一般的な照明光学系の概略図。 レンズアレイの向きが同じ方向である場合の効果を示す図。 レンズアレイの向きが逆方向である場合の欠点を示す図。 本発明の実施例である照明光学系の構成（第１，２断面）を示す図。 本発明の実施例３であるプロジェクタの構成を示す図。

符号の説明

１、２１、４１ 発光管
２、２２、４２ リフレクタ
３ 第３シリンドリカルレンズアレイ
４ 第４シリンドリカルレンズアレイ
５ 正レンズ
６ 第１シリンドリカルレンズアレイ
７ 第２シリンドリカルレンズアレイ
８ コンデンサーレンズ
９ シリンドリカルレンズ
１０、２６、２００ 色分解合成光学系
１１、２７、６１Ｒ、６１Ｇ、６１Ｂ 反射型液晶パネル
２３ 第１のレンズアレイ
２４ 第２のレンズアレイ
２５ コンデンサーレンズ
１００ 照明光学系

Claims (8)

1. 第１の断面において、光源からの光束を圧縮した後に複数の第１の光束に分割し、該複数の第１の光束を被照明面上で重畳する照明光学系であって、
   前記光源からの光束を圧縮する光学系は、光源側から順に配置された、正の屈折力を有する第１の光学素子および負の屈折力を有する第１のレンズアレイを含むアフォーカル系であり、
   前記光源からの光束を分割する光学系は、光源側から順に配置され、それぞれ複数の偏芯したレンズセルを有する前記第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイであり、
   前記第１の光束を重畳する光学系は、光源側から順に配置された、負の屈折力を有する前記第２のレンズアレイおよび正の屈折力を有する第２の光学素子を含み、
   前記第１および第２のレンズアレイは、互いに同符号の屈折力を有し、
   前記第１および第２のレンズアレイにおける前記レンズセルが形成された面が互いに同じ方向を向いていることを特徴とする照明光学系。
2. 前記第１および第２のレンズアレイにおける前記レンズセルが形成された面が前記被照明面の方向を向いていることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記第１の断面に直交する第２の断面において、該照明光学系は、
   光源側から順に配置され、前記光源からの光束を複数の第２の光束に分割する第３および第４のレンズアレイと、
   該複数の第２の光束を前記被照明面上で重畳する正の屈折力を有する第３の光学素子とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
4. 前記第１および第２のレンズアレイにおいて、前記各レンズセルは正の屈折力を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の照明光学系。
5. 前記第１の断面において前記第１のレンズアレイに入射する光束の幅が、前記第２の断面において前記第３のレンズアレイに入射する光束の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の照明光学系。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載の照明光学系と、
   該照明光学系からの光束により照明される光変調素子と、
   該光変調素子からの光束を投射する投射光学系とを有することを特徴とする光学系。
7. 前記照明光学系と前記光変調素子との間に、光学膜を有する光学素子が配置され、
   前記第１の断面は、前記照明光学系の光軸方向と前記光学膜の法線が延びる方向とに平行な面であることを特徴とする請求項６に記載の光学系。
8. 請求項６又は７に記載の光学系を有することを特徴とする画像投射装置。