JP2003241145A - 照明光学系およびプロジェクタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インテグレータ光学系および偏光発生素子を
含む照明光学系の光の利用効率を向上させる。 【解決手段】 第１の光学手段は、略平行な光線束を、
光線束の互いに垂直な第１の方向および第２の方向の幅
のうち、第１の方向の幅のみを縮小するように集光する
とともに、第１および第２の方向に沿って複数の部分光
線束に分割する。第２の光学手段は、複数の部分光線束
の集合であって第１の方向の幅のみが縮小された集光光
を平行化する。偏光発生素子は、第２の光学手段から射
出された複数の部分光線束のそれぞれを、非偏光な光か
ら偏光方向の揃った偏光光に変換する。偏光発生素子
は、非偏光な光を２種類の直線偏光光に分離し、一方の
直線偏光光を透過するとともに他方の直線偏光光を第２
の方向に反射する偏光分離面と、偏光分離面で反射され
た直線偏光光を反射する反射面とを有する偏光変換素子
が、第２の方向に複数配列されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、所定の照明領域を
照射する照明光学系、特に、光源から射出された略平行
な光線束を複数の部分光線束に分割した後に同一の照明
領域上で重畳させる照明光学系に関するものである。ま
た、本発明は、この照明光学系を用いて均一で明るい投
写画像を表示可能なプロジェクタ（投写型表示装置）に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プロジェクタでは、照明光学系から射出
された光によって、電気光学装置の光入射面が照明領域
として照明される。電気光学装置の光入射面に入射した
光が、画像信号（画像情報）に応じて変調され、電気光
学装置から画像を表す画像光が射出される。電気光学装
置から射出された画像光の表す画像が、投写光学系を介
してスクリーン上に投写されることにより画像が表示さ
れる。電気光学装置としては、液晶パネルが多く用いら
れている。

【０００３】ところで、プロジェクタによって表示され
る画像は均一で明るいことが好ましく、これに組み込ま
れた照明装置（照明光学系）から射出された照明光の利
用効率が高いことが望ましい。液晶パネルにおける光の
利用効率を向上させるには、一般に、光入射面への光の
入射角を小さくすることにより可能である。光入射面へ
の光の入射角を小さくすることは、光源から光入射面ま
での経路の長さを大きくすることにより比較的容易に可
能となる。しかしながら、これは照明光学系のサイズを
増大させることとなるため好ましくない。本願出願人
は、この問題を解決して、照明光学系のサイズをあまり
増大させることなく、光入射面への光の入射角を小さく
する技術を、特開平１１−２１２０２３号公報により開
示している。

【０００４】図５は、従来技術を適用した照明光学系の
要部を平面的に示す概略構成図である。以下では、互い
に直交する３つの方向を便宜的にｘ方向（横方向）、ｙ
方向（縦方向）、ｚ方向（光軸と平行な方向）とする。

【０００５】この照明光学系１００は、光源２０と、第
１のレンズアレイ３０と、集光レンズ６０と、発散レン
ズ７０と、第２のレンズアレイ４０と、重畳レンズ５０
と、を備えている。各構成要素は、それぞれの中心軸が
システム光軸１００ＬＣに一致するように順に配置され
ている。この照明光学系１００は、照明領域８０を均一
に照明するためのいわゆるインテグレータ光学系を構成
している。

【０００６】光源２０は、放射状の光線を射出する略点
光源としての光源ランプ２２と、光源ランプ２２から射
出された放射光を略平行な光線束として射出するリフレ
クタ２４とを有している。光源ランプ２２としては、メ
タルハライドランプや高圧水銀放電灯などの高圧放電灯
が用いられる。リフレクタ２４としては、回転放物面形
状の反射面を有する凹面鏡が用いられる。なお、リフレ
クタとしては、回転楕円面形状の反射面を有する凹面鏡
を用いることも可能である。ただし、この場合には、リ
フレクタ２４の開口面近傍に、光源から射出される集光
光を平行光に変換する平行化レンズを設ける必要があ
る。

【０００７】インテグレータ光学系の機能は、第１のレ
ンズアレイ３０と、第２のレンズアレイ４０と、重畳レ
ンズ５０とによって実現されている。第１のレンズアレ
イ３０は、光源２０からの射出光を複数の部分光線束に
分割するとともに、各部分光線束をそれぞれ第２のレン
ズアレイ４０の近傍で集光させる機能を有している。ま
た、第２のレンズアレイ４０は、第１のレンズアレイ３
０の各小レンズ３１から射出された光の像を照明領域８
０上で結像させる機能を有している。重畳レンズ５０
は、システム光軸に平行な中心軸を有する複数の部分光
線束を照明領域８０上で重畳させる機能を有する。

【０００８】図６は、第１のレンズアレイ３０の外観を
示す斜視図である。第１のレンズアレイ３０は、略矩形
形状の輪郭を有する小レンズ３１がＭ行Ｎ列のマトリク
ス状に配列された構成を有している。なお、図６は、Ｍ
＝６，Ｎ＝４の例を示している。第２のレンズアレイ４
０（図５）は、第１のレンズアレイ３０の小レンズ３１
に対応するように、小レンズがＭ行Ｎ列のマトリクス状
に配列された構成を有している。但し、第２のレンズア
レイ４０は、後述するように第１のレンズアレイ３０に
比べて小さい。

【０００９】第１のレンズアレイ３０の各小レンズ３１
は、光源２０（図５）から射出された光線束を複数の
（すなわちＭ×Ｎ個の）部分光線束に分割し、各部分光
線束を第２のレンズアレイ４０の近傍で集光させる。各
小レンズ３１をｚ方向から見た外形形状は、通常、照明
領域８０における実際に光を照射する領域の形状とほぼ
相似形をなすように設定されている。例えば、照明領域
として液晶パネルを想定し、画像の形成領域（光入射
面）のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）が４：３で
あるならば、小レンズ３１のアスペクト比も４：３に設
定する。

【００１０】第１のレンズアレイ３０と第２のレンズア
レイ４０との間に配置されている集光レンズ６０と発散
レンズ７０とは、入射光線束の光線束の大きさ（縦方向
および横方向の幅）よりも小さな光線束の大きさを有す
る射出光線束に変換する機能（アフォーカル光学系の機
能）を構成している。発散レンズ７０からの射出光線束
の角度は集光レンズ６０の入射光線束の角度と同じであ
り、光線束の大きさのみが縮小される。したがって、光
源２０から射出された光線束は、第１のレンズアレイ３
０で複数の部分光線束に分割された後、集光レンズ６０
および発散レンズ７０によって、光線束全体の光線束の
大きさが縮小されて第２のレンズアレイ４０から射出さ
れる。そして、第２のレンズアレイ４０から射出された
複数の部分光線束は、重畳レンズ５０によって照明領域
８０上で重畳される。この結果、照明領域８０はほぼ均
一に照明されることになる。なお、集光レンズ６０は、
第１のレンズアレイ３０の光入射面側に配置することも
可能である。また、第１のレンズアレイ３０と集光レン
ズ６０とを光学的に一体化することも可能である。さら
に、発散レンズ７０も第２のレンズアレイ４０の光射出
面側に配置することも可能である。また、第２のレンズ
アレイ４０と発散レンズ７０とを光学的に一体化するこ
とも可能である。なお、「光学的に一体化」とは、複数
の光学要素を光学接着剤で張り合わせて一体成形するこ
とや、複数の光学要素の機能を併せ持つ光学要素を形成
することが含まれる。

【００１１】ここで、第１のレンズアレイ３０の最も外
側の小レンズ３１を通過する部分光線束ＳＬが、第２の
レンズアレイ４０および重畳レンズ５０を介して照明領
域８０を照射するときの中心光線（中心光路）の入射角
をθ１とする。

【００１２】一方、図５の破線は、アフォーカル光学系
を有しないと仮定した場合に使用される第２のレンズア
レイ４０’と、重畳レンズ５０’と、これらを通過する
部分光線束ＳＬ’の光路とを示している。この第２のレ
ンズアレイ４０’は、第１のレンズアレイ３０と同じ大
きさである。なお、第２のレンズアレイ４０’と重畳レ
ンズ５０’とは、図を見やすくするために、z方向に少
しずらして図示してあるが、実際には、第２のレンズア
レイ４０および重畳レンズ５０と同じz方向位置に配置
されているものとする。この時、第１のレンズアレイ３
０の一番外側の小レンズ３１から射出した部分光線束Ｓ
Ｌ’が、第２のレンズアレイ４０’を通過して照明領域
８０に照射されるときの中心光線の入射角をθ２とす
る。

【００１３】第２のレンズアレイ４０に入射する複数の
部分光線束は、集光レンズ６０および発散レンズ７０に
よって構成されたアフォーカル光学系によって全体とし
ての光線束の大きさが縮小される。たとえば、第１のレ
ンズアレイ３０の一番外側の小レンズ３１から射出され
る部分光線束ＳＬにおける中心光線のシステム光軸１０
０ＬＣに対する間隔は、Ｗ１からＷ２に縮小される。こ
の結果、第１のレンズアレイ３０の小レンズ３１から射
出される部分光線束ＳＬにおける中心光線の入射角θ１
は、アフォーカル光学系を有しない場合に同じ第１のレ
ンズアレイ３０の小レンズ３１から射出される部分光線
束ＳＬ’の中心光線の入射角θ２よりも小さくなる。従
って、液晶パネルのような電気光学装置の光入射面を照
明領域とするような場合において、装置の大型化を招く
ことなく、電気光学装置における光の利用効率を向上さ
せて、照明領域を有効に照射する光の効率を向上させる
ことができる。

【００１４】ところで、電気光学装置として用いられる
液晶ライトバルブには、通常、液晶パネルの光入射面お
よび光射出面側に、所定の偏光方向の偏光光のみを透過
する偏光板が設けられる。このため、液晶パネルの光入
射面を照明領域として照射する光の利用効率を考慮すれ
ば、照明光学系から射出される光は、上記偏光板を透過
可能な偏光光のみとすることが好ましい。そこで、この
ような場合には、上記照明光学系に、非偏光な光を偏光
方向の揃った偏光光に変換する偏光発生素子を組み込だ
照明光学系が利用される。

【００１５】図７は、偏光発生素子を備える照明光学系
の要部を平面的に示す概略構成図である。この照明光学
系１００Ａは、図５に示した照明光学系１００とほぼ同
じ構成である。異なるのは、第２のレンズアレイ４０と
重畳レンズ５０との間に偏光発生素子１８０を備えてい
る点である。なお、図に示す光線束は、図をわかりやす
くするために、第１のレンズアレイ３０の一番外側の小
レンズ３１から射出した部分光線束ＳＬの中心光線のみ
が示されている。

【００１６】この照明光学系１００Ａにおいても、光源
２０から射出された光線束は、第１のレンズアレイ３０
で複数の部分光線束に分割された後、集光レンズ６０お
よび発散レンズ７０によって、光線束の全体としての大
きさが縮小されて第２のレンズアレイ４０から射出され
る。そして、第２のレンズアレイ４０から射出された複
数の部分光線束は、それぞれ偏光発生素子１８０によっ
て偏光方向の揃ったほぼ１種類の偏光光線束に変換され
る。偏光方向のほぼ揃った複数の部分光線束は、重畳レ
ンズ５０によって照明領域８０上で重畳される。従っ
て、照明光学系１００Ａも、前述した照明光学系１００
と同様に照明領域８０を照明する。

【００１７】なお、光源２０と、第１のレンズアレイ３
０と、集光レンズ６０と、発散レンズ７０と、第２のレ
ンズアレイ４０とは、それらの光軸２０ＬＣがシステム
光軸１００ＬＣに対して後述する一定の距離Ｄｐだけｘ
方向に平行移動した状態となるように配置されている。

【００１８】図８は、偏光発生素子１８０の構成を示す
説明図である。図８（Ａ）は、偏光発生素子１８０の斜
視図である。この偏光発生素子１８０は、遮光板１２０
と、偏光ビームスプリッタアレイ１４０と、選択位相差
板１６０とを備えている。偏光ビームスプリッタアレイ
１４０は、それぞれ断面が平行四辺形の柱状の複数の透
光性板材１４３が、交互に貼り合わされた形状を有して
いる。透光性板材１４３の界面には、偏光分離膜１４４
と反射膜１４５とが交互に形成されている。１組の偏光
分離膜１４４と反射膜とで構成されるブロックが１つの
偏光変換素子（偏光ビームスプリッタ）に相当する。な
お、この偏光ビームスプリッタアレイ１４０は、偏光分
離膜１４４と反射膜１４５が交互に配置されるように、
これらの膜が形成された複数枚の板ガラスを貼り合わせ
て、所定の角度で斜めに切断することによって作製され
る。偏光分離膜１４４は誘電体多層膜で、また、反射膜
１４５は誘電体多層膜或いはアルミニウム膜で形成する
ことができる。

【００１９】遮光板１２０は、この図に示すように、複
数の遮光面１２２と複数の開口面１２３とがストライプ
状に配列して構成されたものである。遮光板１２０の遮
光面１２２に入射した光線束は遮られ、開口面１２３に
入射した光線束は遮光板１２０をそのまま通過する。従
って、遮光板１２０は、遮光板１２０上の位置に応じて
透過する光線束を制御する機能を有しており、遮光面１
２２と開口面１２３の配列の仕方は、第２のレンズアレ
イ４０から射出された部分光線束が偏光ビームスプリッ
タアレイ１４０の偏光分離膜１４４にのみ入射し、反射
膜１４５には入射しないように設定されている。すなわ
ち、遮光板１２０のそれぞれの開口面１２３の中心と偏
光ビームスプリッタアレイ１４０の偏光分離膜１４４の
中心がほぼ一致するように配置され、また、開口面１２
３の開口横幅（ｘ方向の開口幅）は偏光分離膜１４４の
ｘ方向の幅Ｗｐにほぼ等しい大きさに設定されている。
その結果、偏光分離膜１４４を経ずして反射膜１４５に
直接入射する部分光線束は、予め遮光板１２０の遮光面
１２２で遮られるためほとんど存在せず、遮光板１２０
の開口面１２３を通過した光線束はそのほとんど全てが
偏光分離膜１４４のみに入射することになる。遮光板１
２０としては、本例のように平板状の透明体（例えばガ
ラス板）に遮光性の膜（例えばクロム膜、アルミニウム
膜、及び、誘電体多層膜）を部分的に形成したものや、
或いは、例えばアルミニウム板のような遮光性の平板に
開口部を設けたもの等を使用できる。

【００２０】なお、第１のレンズアレイ３０の各小レン
ズ３１の特性は、分割した部分光線束が遮光板１２０の
開口面１２３を通過するように、部分光線束の集光像が
開口面１２３よりも小さくなるように設定されることが
好ましい。

【００２１】図８（Ｂ）は偏光発生素子１８０の機能を
示す説明図である。第２のレンズアレイ４０から射出さ
れた光線束は、その主光線（中心光線）がシステム光軸
１００ＬＣに略平行に遮光板１２０の開口面１２３を通
過して、偏光分離膜１４４でｓ偏光光とｐ偏光光とに分
離される。ｐ偏光光は、偏光分離膜１４４をそのまま透
過する。一方、ｓ偏光光は、ｓ偏光光の偏光分離膜１４
４で反射され、さらに反射膜１４５で反射されて、偏光
分離膜１４４をそのまま通過したｐ偏光光と略平行な状
態で射出される。選択位相差板１６０の、偏光分離膜１
４４を透過する光の射出面部分にはλ／２位相差層１６
２が形成されており、反射膜１４５で反射された光の射
出面部分にはλ／２位相差層が形成されていない開口層
１６３を有している。従って、偏光分離膜１４４を透過
したｐ偏光光は、λ／２位相差層１４６によってｓ偏光
光に変換されて射出する。この結果、偏光発生素子１８
０に入射した非偏光な光線束は、ほとんどがｓ偏光光に
変換されて射出する。もちろん反射膜１４５で反射され
る光の射出面部分だけに選択位相差板１６０のλ／２位
相差層１６２を形成することにより、ほとんどの光線束
をｐ偏光光に変換して射出することもできる。

【００２２】なお、図８（Ｂ）から解るように、偏光発
生素子１８０から射出する２つのｓ偏光光の中心（２つ
のｓ偏光光の中央）は、入射する光線束（ｓ偏光光＋ｐ
偏光光）の中心よりもｘ方向にずれている。このずれ量
は、λ／２位相差層１６２の幅Ｗｐ（すなわち偏光分離
膜１４４のｘ方向の幅）の半分に等しい。このため、図
７に示すように、光源２０の光軸２０ＬＣは、偏光発生
素子１８０以降のシステム光軸１００ＬＣから、Ｗｐ／
２に等しい距離Ｄｐだけずれた位置に設定されている。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】図９は、図７の照明光
学系における問題点を示す説明図である。図９（Ａ）
は、集光レンズ６０および発散レンズ７０によるアフォ
ーカル光学系を有しないと仮定した場合に、第２のレン
ズアレイ４０’の近傍で集光される複数の部分光線束に
よる集光像（クロスハッチングで示されている図形）を
模式的に示している。図９（Ｂ）は、アフォーカル光学
系を有している場合に、第２のレンズアレイ４０の近傍
で集光される複数の部分光線束による集光像（クロスハ
ッチングで示されている図形）を模式的に示している。

【００２４】図７の第２のレンズアレイ４０に入射する
光線束全体の大きさは、集光レンズ６０および発散レン
ズ７０によるアフォーカル光学系によって、第１のレン
ズアレイ３０に入射する光線束全体の大きさに対して縮
小される。このため、図９（Ｂ）に示すように、第２の
レンズアレイ４０の近傍で集光される複数の部分光線束
による集光像の間隔Ｗｓｐは、図９（Ａ）に示すよう
に、アフォーカル光学系を有しないと仮定した場合の間
隔Ｗｓｐ’に比べて小さくなる。これにより、偏光発生
素子１８０の偏光分離膜１４４および反射膜１４５のｘ
方向の幅Ｗｐ（≒２・Ｗｓｐ）は、アフォーカル光学系
を有していない場合の偏光発生素子１８０’の幅Ｗｐ’
に比べて小さくなる。

【００２５】また、複数の部分光線束による集光像は光
源ランプ２２の光源像に相当するが、これらの集光像
は、光源ランプ２２が理想的な点光源でなく、第１のレ
ンズアレイ３０を構成する各小レンズ３１の焦点距離
と、光源２０のリフレクタ２４の焦点距離による結象倍
率で決定される有限の大きさを持つこととなる。そし
て、集光像の大きさは、アフォーカル光学系を有してい
る場合と有していない場合とで、光源２０および第１の
レンズアレイ３０が同じであるならばほぼ同じである。

【００２６】したがって、偏光分離膜１４４および反射
膜１４５のｘ方向の幅Ｗｐが集光像のｘ方向の幅よりも
小さくなると、偏光分離膜１４４に対応する位置に遮光
面１２２を有する遮光板１２０で遮光されて偏光分離膜
１４４に入射されない光の割合、すなわち、光の利用効
率が低下することになる。したがって、光の入射角を小
さくすることにより照明領域における光の利用効率を向
上させたとしても、偏光発生素子における光の利用効率
が低下することになり、結果として、照明光学系が照明
領域を有効に照明する光の効率が低下するという問題が
ある。

【００２７】この発明は、従来技術における上述の課題
を解決するためになされたものであり、インテグレータ
光学系および偏光発生素子を含む照明光学系による照明
領域における光の利用効率を、偏光発生素子における光
の利用効率を低下させることなく向上させる技術を提供
することを目的とする。

【００２８】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
述の課題を解決するため、本発明の照明光学系は、所定
の照明領域に光を照射する照明光学系であって、光源と
前記光源から射出された略平行な光線束を、該光線束の
互いに垂直な第１の方向および第２の方向の幅のうち、
前記第１の方向の幅のみを縮小するように集光するとと
もに、前記第１および第２の方向に沿って複数の部分光
線束に分割する機能を有する第１の光学手段と、前記複
数の部分光線束の集合であって、前記第１の方向の幅の
みが縮小された集光光を平行化する平行化機能を有する
第２の光学手段と、前記第２の光学手段から射出される
複数の部分光線束のそれぞれを、非偏光な光から偏光方
向の揃った偏光光に変換する偏光発生素子と、前記偏光
発生素子から射出される複数の部分光線束を、前記所定
の照明領域上でほぼ重畳させる重畳手段と、を備え、前
記偏光発生素子は、入射する非偏光な光を２種類の直線
偏光光に分離し、分離された一方の直線偏光光を透過す
るとともに他方の直線偏光光を前記第２の方向に反射す
る偏光分離面と、前記偏光分離面で反射された直線偏光
光を反射する反射面とを有する偏光変換素子が、前記第
２の方向に複数配列されていることを特徴とする。

【００２９】上記照明光学系から射出される光線束は、
偏光発生素子の偏光変換素子が配列されている第２の方
向の幅は縮小されず、第２の方向に垂直な第１の方向の
幅のみが縮小される。したがって、偏光発生素子の偏光
分離面および反射面それぞれの第２の方向の幅を、従来
の技術における偏光発生素子の偏光分離面および反射面
それぞれの第２の方向の幅のように小さくする必要がな
い。これにより、従来の技術で問題であった偏光発生素
子における光の利用効率の低下を抑制することが可能で
ある。また、照明光学系から射出される光線束の第１の
方向の幅が縮小されるので、少なくとも第１の方向に沿
った光の照明領域における光の入射角を小さくすること
ができる。これにより、照明領域における光の利用効率
も、照明光学系から射出される光線束の大きさを縮小さ
せない場合に比べて向上させることが可能である。

【００３０】ここで、前記第１の光学手段は、凸面が前
記第１の方向に沿って曲率を有するシリンドリカル凸レ
ンズと、前記第１および第２の方向に沿って複数の第１
の小レンズを有する第１のレンズアレイとを含み、前記
第２の光学手段は、前記シリンドリカル凸レンズの凸面
に対応する凹面を有し、該凹面が前記第１の方向に沿っ
て曲率を有するシリンドリカル凹レンズと、前記第１の
光学手段から射出された複数の部分光線束が入射し、前
記複数の第１の小レンズに対応する複数の第２の小レン
ズを有する第２のレンズアレイとを含むように構成する
ことができる。

【００３１】こうすれば、第１の光学要素と第２の光学
要素の機能を容易に実現することが可能である。

【００３２】なお、前記第１の光学手段は、前記シリン
ドリカル凸レンズと前記第１のレンズアレイとが光学的
に一体に構成された光学要素であってもよい。

【００３３】また、前記第２の光学手段は、前記シリン
ドリカル凹レンズと前記第２のレンズアレイとが一体的
に形成された光学要素であってもよい。

【００３４】複数の光学要素が一体的に構成された光学
要素は、各光学要素の界面で発生する光の損失を防止し
て、光の利用効率を向上させることができる。

【００３５】ここで、「光学的に一体に構成する」と
は、各光学要素が互いに密着していることや、複数の機
能を併せ持つ一つの光学要素であることを意味する。た
とえば、各光学要素を接着剤で貼り合わせることによ
り、あるいは、一体形成することによって、光学的に一
体に構成することができる。また、第１の光学手段は、
シリンドリカル凸レンズの機能と、第１のレンズアレイ
の機能とを併せ持つ複数の偏心レンズで構成された偏心
レンズアレイとして形成することもできる。第２の光学
手段は、シリンドリカル凹レンズの機能と、第２のレン
ズアレイの機能とを併せ持つ複数の偏心レンズで構成さ
れた偏心レンズアレイとして形成することもできる。

【００３６】本発明の上記各照明光学系は、プロジェク
タの照明光学系として利用することができる。すなわ
ち、本発明の第１のプロジェクタは、上記いずれかの照
明光学系と、前記所定の照明領域としての光入射面を有
し、前記光入射面に入射した光を画像信号に応じて変調
し、画像を表す画像光を生成する電気光学装置と、前記
電気光学装置で得られる画像光の表す画像を投写する投
写光学系と、を備えるようにすることができる。

【００３７】上記第１のプロジェクタは、上記照明光学
系を適用しているので、照明光学系から射出される光の
照明領域における利用効率を向上させることができ、投
写画像の明るさを向上させることができる。

【００３８】また、本発明の照明光学系はインテグレー
タ光学系を有しているので、光源から射出された光線束
の照度分布が一様でない場合でも、明るさが均一で明る
さや色むらの無い照明光を得ることが可能となるため、
投写面全体に渡って明るさが均一で明るさや色むらの無
い投写画像を得ることができる。

【００３９】第２のプロジェクタは、上記いずれかの照
明光学系と、前記照明光学系から射出された光を複数の
色光に分離する色光分離光学系と、前記所定の照明領域
としての光入射面を有し、前記光入射面に入射した各色
光を画像信号に応じて変調し、各色の画像を表す画像光
を生成する複数の電気光学装置と、前記複数の電気光学
装置で生成された前記各色の画像光を合成する色光合成
光学系とを備え、前記色光合成光学系によって得られた
合成光が前記投写光学系を介して投写されるようにする
ことができる。

【００４０】上記第２のプロジェクタによれば、上記第
１のプロジェクタと同様に、明るく均一でむらの無いカ
ラー画像を投写表示することができる。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を説明する。尚、以下の実施例においては、互いに
直交する３つの方向を便宜的にｘ方向（横方向）、ｙ方
向（縦方向）、ｚ方向（光軸と平行な方向）とする。

【００４２】Ａ．照明光学系：図１は、本発明の一実施
例としての照明光学系の要部を示す概略平面図および概
略側面図である。この照明光学系１００Ｂは、光源２０
と、シリンドリカル凸レンズ６０Ｂと、第１のレンズア
レイ３０と、シリンドリカル凹レンズ７０Ｂと、第２の
レンズアレイ４０Ｂと、２つの偏光発生素子１８０Ａ，
１８０Ｂと、重畳レンズ５０Ｂとを備えている。各構成
要素は、システム光軸１００ＬＣに沿って順に配置され
ている。この照明光学系１００Ｂにおいて、従来の照明
光学系１００，１００Ａと同じ構成要素には同じ符号が
付されており、それらは基本的に同じ機能および作用を
有しているので、以下では、それらの詳細な説明は原則
として省略する。なお、照明領域８０を照射する光の経
路をわかりやすくするため、図には、第１のレンズアレ
イ３０で分割された複数の部分光線束のうち、最外周の
小レンズ３１で分割された部分光線束の中心光線のみを
実線で示している。

【００４３】シリンドリカル凸レンズ６０Ｂは、光入射
面（光源２０側）のｙ方向にのみ曲率を有する凸レンズ
であり、光源２０から射出された略平行な光のｘ方向お
よびｙ方向の幅のうち、ｙ方向の幅のみを縮小するよう
に集光する機能を有している。

【００４４】第１のレンズアレイ３０は、上述したよう
に、シリンドリカル凸レンズ６０Ｂから射出された光を
複数の部分光線束に分割するとともに、それぞれの部分
光線束を第２のレンズアレイ４０Ｂの近傍において集束
するように集光する。ただし、照明光学系１００Ｂにお
いて、第１のレンズアレイ３０の各小レンズ３１は、光
射出面（第２のレンズアレイ４０Ｂ側）に曲面（凸面）
を有するように配置されている。

【００４５】なお、シリンドリカル凸レンズ６０Ｂと第
１のレンズアレイ３０とは光学接着剤で貼り合わせるこ
とにより、光学的に一体形成されている。

【００４６】シリンドリカル凹レンズ７０Ｂは、光入射
面（光源２０側）のｙ方向にのみ曲率を有する凹レンズ
であり、シリンドリカル凸レンズ６０Ｂによってｙ方向
にのみ集光される光を平行化する機能を有している。

【００４７】第２のレンズアレイ４０Ｂは、図５または
図７の第２のレンズアレイ４０と同様に、第１のレンズ
アレイ３０の各小レンズ３１から射出された光（部分光
線束）を照明領域８０に照射する機能を有している。た
だし、第２のレンズアレイ４０Ｂの各小レンズ４１Ｂ
は、シリンドリカル凸レンズ６０Ｂによって縮小された
ｙ方向の幅に応じて、第２のレンズアレイ４０の各小レ
ンズ４１よりもｙ方向の大きさが小さくなっている。ま
た、第２のレンズアレイ４０Ｂの各小レンズ４１Ｂは、
光射出面（偏光発生素子１８０Ａ，１８０Ｂ側）に曲面
を有するように配置されている。

【００４８】なお、シリンドリカル凹レンズ７０Ｂと第
２のレンズアレイ４０Ｂとは光学接着剤で貼り合わせる
ことにより、光学的に一体形成されている。

【００４９】２つの偏光発生素子１８０Ａ、１８０Ｂ
は、システム光軸１００ＬＣに対して、対称となるよう
に配置されている。これらの偏光発生素子１８０Ａ，１
８０Ｂは、偏光分離膜１４４と反射膜１４５がｘ方向に
沿って交互に２列配置されている構成を有している点を
除いて、図８の偏光発生素子１８０と全く同じである。
一方の偏光発生素子１８０Ａは、第２のレンズアレイ４
０Ｂから射出される光のうち、システム光軸１００ＬＣ
を中心として−ｘ方向側の光に対応し、他方の偏光発生
素子１８０Ｂは、＋ｘ方向側の光に対応しており、どち
らも入射する非偏光な光を偏光方向の揃った偏光光に変
換する機能を有している。

【００５０】重畳レンズ５０Ｂは、図５または図７の重
畳レンズ５０と同様に、偏光発生素子１８０Ａ，１８０
Ｂから射出された複数の部分光線束を照明領域８０上で
重畳させる機能を有している。ただし、重畳レンズ５０
Ｂは、ｙ方向の周辺部は不要であるので、上下の不要部
分がカットされている。なお、必ずしもこの不要部分を
カットする必要はない。

【００５１】図１（Ａ）の概略平面図に示すように、本
実施例の照明光学系１００Ｂにおいて、光源２０から射
出された略平行な光線束のｘ方向、すなわち、偏光発生
素子１８０Ａ，１８０Ｂにおいて偏光分離膜１４４と反
射膜１４５とが交互に配列される方向の幅は縮小されな
い。したがって、発明の課題で説明したように、光源か
ら射出された略平行な光線束の幅のうち、偏光分離膜と
反射膜とが交互に配列される方向（ｘ方向）の幅を縮小
することにより発生する、偏光発生素子における光の利
用効率の低下を防止することができる。

【００５２】また、図１（Ｂ）の概略側面図に示すよう
に、光源２０から射出された略平行な光線束の幅のｘ方
向に垂直なｙ方向、すなわち、偏光分離膜１４４または
反射膜１４５に沿った長手方向の幅は縮小されている。
このため、縮小されたｙ方向に沿った光の入射角は、破
線で示すように縮小されない場合の光の入射角に比べて
照明領域８０への入射角を小さくすることができる。し
かも、偏光分離膜１４４は、ｙ方向に沿って長い領域を
有している。このため、図９（Ｂ）の複数の集光像にお
いて、ｙ方向に並ぶ集光像の間隔が狭くなっても、偏光
分離膜１４４に入射されなくなることはなく、偏光発生
素子における光の利用効率の低下を招くこともない。

【００５３】以上説明したように本実施例の照明光学系
１００Ｂにおいては、従来の照明光学系で問題となって
いた偏光発生素子における光の利用効率の低下を招くこ
となく、照明光学系が照明領域を有効に照明する光の効
率を向上させることが可能である。

【００５４】なお、上記説明からわかるように、シリン
ドリカル凸レンズ６０Ｂと第１のレンズアレイ３０とが
本実施例における本発明の第１の光学手段に相当し、シ
リンドリカル凹レンズ７０Ｂと第２のレンズアレイ４０
Ｂとが本実施例における本発明の第２の光学手段に相当
する。ただし、必ずしも第２のレンズアレイ４０Ｂは必
要ではなく、第２のレンズアレイが省略可能である場合
には、シリンドリカル凹レンズ７０Ｂが本発明の第２の
光学手段に相当する。

【００５５】なお、上述したように、シリンドリカル凸
レンズ６０Ｂと第１のレンズアレイ３０は光学接着剤で
貼り合わせることにより、光学的に一体形成されている
が、射出成型等によって１つの光学要素として一体形成
するようにしてもよい。また、図２に示すように、シリ
ンドリカル凸レンズ６０Ｂと第１のレンズアレイ３０に
代えて、シリンドリカル凸レンズ６０Ｂと第１のレンズ
アレイ３０の機能を併せ持つように光学的に一体形成さ
れた偏心レンズアレイ３０Ｃを利用することも可能であ
る。

【００５６】また、シリンドリカル凹レンズ７０Ｂと第
２のレンズアレイ４０Ｂも光学接着剤で貼り合わせるこ
とにより、光学的に一体形成されているが、射出成型等
によって１つの光学要素として一体形成するようにして
もよい。また、図３に示すように、シリンドリカル凹レ
ンズ７０Ｂと第２のレンズアレイ４０Ｂに代えて、シリ
ンドリカル凹レンズ７０Ｂと第２のレンズアレイ４０Ｂ
の機能を併せ持つように光学的に一体形成された偏心レ
ンズアレイ４０Ｃを利用することも可能である。

【００５７】なお、必ずしもこれらの光学要素は光学的
に一体形成されている必要はないが、光学的な損失を考
慮すると、光学的に一体形成するほうが好ましく、２つ
の光学要素を光学接着剤で張り合わせて用いるよりも、
射出成型等によって形成された１つの光学要素を用い、
あるいは、偏心レンズアレイを用いるほうが有利であ
る。

【００５８】なお、シリンドリカル凸レンズ６０Ｂと第
１のレンズアレイ３０の配置関係やレンズの曲面の向き
は、図１および図２に示したものに限定されるものでは
なく、全く逆にすることも可能である。

【００５９】また、シリンドリカル凹レンズ７０Ｂと第
２のレンズアレイ４０Ｂの配置関係やレンズの曲面の向
きも、図１および図３に示したものに限定されるもので
なく、全く逆にすることも可能である。

【００６０】Ｂ．プロジェクタ：図４は、本発明の照明
光学系を用いたプロジェクタの要部を平面的に見た概略
構成図である。プロジェクタ１０００は、照明光学系１
００Ｂと、色光分離光学系２００と、３つの液晶ライト
バルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと、クロスダイク
ロイックプリズム４００と、投写レンズ（投写光学系）
５００とを備えている。

【００６１】照明光学系１００Ｂから射出された光は、
色光分離光学系２００において赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青
（Ｂ）の３色の色光に分離される。色光分離光学系２０
０は、２枚のダイクロイックミラー２２０，２４０と、
リレー光学系２５０とを備えている。照明光学系１００
Ｂから射出された光は、反射ミラー２１０によって第１
のダイクロイックミラー２２０に向けて反射される。こ
の反射ミラー２１０は必ずしも必要なものではなく、照
明光学系１００Ｂの配置の仕方によって省略可能であ
る。

【００６２】第１のダイクロイックミラー２２０は、赤
色光成分を反射するとともに、緑色光成分および青色光
成分を透過する。第１のダイクロイックミラー２２０で
反射された赤色光は、さらに、反射ミラー２３０で反射
され、フィールドレンズ２６２を介して赤色光用の液晶
ライトバルブ３００Ｒの光入射面に照射される。このフ
ィールドレンズ２６２は、照明光学系１００Ｂから射出
された各部分光線束をその中心光線(主光線)に対してほ
ぼ平行な光線束に変換する機能を有している。なお、他
の液晶ライトバルブ３００Ｇ，３００Ｂの前に設けられ
たフィールドレンズ２６４，２６０も同様である。

【００６３】第１のダイクロイックミラー２２０を透過
した緑色光と青色光のうちで、緑色光は第２のダイクロ
イックミラー２４０によって反射され、フィールドレン
ズ２６４を介して緑色光用の液晶ライトバルブ３００Ｇ
の光入射面に照射される。一方、青色光は、第２のダイ
クロイックミラー２４０を透過し、入射側レンズ２５
２、リレーレンズ２５６、射出側レンズ（フィールドレ
ンズ）２６０、および反射ミラー２５４，２５８を有す
るリレー光学系２５０を介して、青色光用の液晶ライト
バルブ３００Ｂの光入射面に照射される。青色光にリレ
ー光学系２５０が用いられているのは、青色光の経路が
他の色光の経路よりも長いため、光の利用効率の低下を
防止するためである。すなわち、入射側レンズ２５２に
入射した光の像をそのまま、射出側レンズ２６０に伝え
るためである。なお、２枚のダイクロイックミラー２２
０，２４０は、それぞれガラス板等の透明板に対応する
誘電体多層膜をコーティングすることにより形成され
る。

【００６４】色光分離光学系２００で分離された各色光
は、対応する各色光用の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３
００Ｇ，３００Ｂの光入射面上に照射される。なお、各
色光用の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００
Ｂの光入射面が、照明光学系１００Ｂが照明する照明領
域８０に相当する。

【００６５】液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３
００Ｂは、液晶パネルと、その光入射面側および光射出
面側に配置された偏光板とによって構成されている。照
明光学系１００Ｂから射出される偏光光の偏光方向は、
液晶ライトバルブの光入射面側に配置された偏光板が透
過可能な方向に設定される。

【００６６】各液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，
３００Ｂの光入射面に入射した光は、画像信号に応じて
変調される。各液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，
３００Ｂには、液晶パネルに画像信号を供給して駆動さ
せるための図示しない駆動部が接続されている。各液晶
ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂにおいて画
像信号に応じて変調された変調光線束は、各色の画像を
あらわす画像光として射出される。なお、各液晶ライト
バルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂが本発明における
電気光学装置に相当する。

【００６７】各液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，
３００Ｂから射出された各色の画像光は、クロスダイク
ロイックプリズム４００に入射される。クロスダイクロ
イックプリズム４００は、３色の画像光を合成する色光
合成光学系としての機能を有する。クロスダイクロイッ
クプリズム４００には、赤光を反射する誘電体多層膜４
１０と、青光を反射する誘電体多層膜４２０とが、４つ
の直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。３
色の画像光は、これらの誘電体多層膜によって合成され
て、投写レンズ５００に向けて射出される。クロスダイ
クロイックプリズム４００から射出された３色の画像光
の合成光は、投写レンズ５００によってスクリーン上に
投写される。これにより、スクリーン上にカラー画像が
表示されることとなる。

【００６８】このプロジェクタ１０００は、照明光学系
１００Ｂを用いることによって、上記照明光学系の実施
例において説明したように液晶ライトバルブ３００Ｒ，
３００Ｇ，３００Ｂの光入射面に入射する光線束の入射
角を小さくすることができるので、液晶ライトバルブ３
００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂにおいて効率よく利用する
ことができる。また、照明光学系１００Ｂの後段に配置
された色光分離光学系２００等を構成するレンズや投写
レンズ５００等の光学要素に入射する光線束の入射角も
小さくすることができるので、各光学要素における光の
利用効率を向上させることもできる。これにより、より
明るく均一でむらの無い投写画像を実現することができ
る。

【００６９】Ｃ．変形例：なお、本発明は上記の実施例
や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々の態様において実施することが可
能であり、例えば次のような変形も可能である。

【００７０】上記実施例では、透過型のプロジェクタに
本発明の照明光学系を適用した場合の例について説明し
たが、本発明は反射型のプロジェクタにも適用すること
が可能である。ここで、「透過型」とは、液晶ライトバ
ルブ等の電気光学装置が光を透過するタイプであること
を意味しており、「反射型」とは、電気光学装置が光を
反射するタイプであることを意味している。反射型のプ
ロジェクタにこの発明を適用した場合にも、透過型のプ
ロジェクタとほぼ同様な効果を得ることができる。

【００７１】また、上記実施例では、カラー画像を表示
するプロジェクタを例に説明しているが、モノクロ画像
を表示するプロジェクタに適用することも可能である。
この場合にも、上記プロジェクタと同様な効果を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての照明光学系の要部を
示す概略平面図および概略側面図である。

【図２】シリンドリカル凸レンズ６０Ｂと第１のレンズ
アレイ３０の変形例を示す説明図である。

【図３】シリンドリカル凹レンズ７０Ｂと第２のレンズ
アレイ４０Ｂの変形例を示す説明図である。

【図４】本発明の照明光学系を用いたプロジェクタの要
部を平面的に見た概略構成図である。

【図５】従来技術を適用した照明光学系の要部を平面的
に示す概略構成図である。

【図６】第１のレンズアレイ３０の外観を示す斜視図で
ある。

【図７】偏光発生素子を備える照明光学系の要部を平面
的に示す概略構成図である。

【図８】偏光発生素子１８０の構成を示す説明図であ
る。

【図９】図７の照明光学系における問題点を示す説明図
である。

【符号の説明】

２０…光源 ２２…光源ランプ ２４…リフレクタ ３０…第１のレンズアレイ ３１…小レンズ ３０Ｃ…偏心レンズアレイ ４０…第２のレンズアレイ ４１…小レンズ ４０Ｂ…第２のレンズアレイ ４１Ｂ…小レンズ ４０Ｃ…偏心レンズアレイ ５０…重畳レンズ ５０Ｂ…重畳レンズ ６０…集光レンズ ６０Ｂ…シリンドリカル凸レンズ ７０…発散レンズ ７０Ｂ…シリンドリカル凹レンズ ８０…照明領域 １００…照明光学系 １００Ａ…照明光学系 １００Ｂ…照明光学系 １００ＬＣ…システム光軸 １２０…遮光板 １２２…遮光面 １２３…開口面 １４０…偏光ビームスプリッタアレイ １４４…偏光分離膜 １４５…反射膜 １６０…選択位相差板 １６２…λ／２位相差層 １６３…開口層 １８０…偏光発生素子 １８０Ａ，１８０Ｂ…偏光発生素子 １０００…プロジェクタ ２００…色光分離光学系 ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…液晶ライトバルブ ４００…クロスダイクロイックプリズム ５００…投写レンズ（投写光学系）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H052 BA02 BA03 BA07 BA09 BA11 2H088 EA14 HA16 HA17 HA18 HA20 HA21 HA25 HA28 MA06 MA20 2H091 FA10Z FA11Z FA12Z FA17Z FD06 LA18 MA07 2H099 AA12 BA09 BA17 CA08 CA11

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の照明領域に光を照射する照明光学
   系であって、 光源と前記光源から射出された略平行な光線束を、該光
   線束の互いに垂直な第１の方向および第２の方向の幅の
   うち、前記第１の方向の幅のみを縮小するように集光す
   るとともに、前記第１および第２の方向に沿って複数の
   部分光線束に分割する機能を有する第１の光学手段と、 前記複数の部分光線束の集合であって、前記第１の方向
   の幅のみが縮小された集光光を平行化する平行化機能を
   有する第２の光学手段と、 前記第２の光学手段から射出される複数の部分光線束の
   それぞれを、非偏光な光から偏光方向の揃った偏光光に
   変換する偏光発生素子と、 前記偏光発生素子から射出される複数の部分光線束を、
   前記所定の照明領域上でほぼ重畳させる重畳手段と、を
   備え、 前記偏光発生素子は、入射する非偏光な光を２種類の直
   線偏光光に分離し、分離された一方の直線偏光光を透過
   するとともに他方の直線偏光光を前記第２の方向に反射
   する偏光分離面と、前記偏光分離面で反射された直線偏
   光光を反射する反射面とを有する偏光変換素子が、前記
   第２の方向に複数配列されている、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、 前記第１の光学手段は、凸面が前記第１の方向に沿って
   曲率を有するシリンドリカル凸レンズと、前記第１およ
   び第２の方向に沿って複数の第１の小レンズを有する第
   １のレンズアレイとを含み、 前記第２の光学手段は、前記シリンドリカル凸レンズの
   凸面に対応する凹面を有し、該凹面が前記第１の方向に
   沿って曲率を有するシリンドリカル凹レンズと、前記第
   １の光学手段から射出された複数の部分光線束が入射
   し、前記複数の第１の小レンズに対応する複数の第２の
   小レンズを有する第２のレンズアレイとを含む、照明光
   学系。
3. 【請求項３】 請求項２記載の照明光学系であって、 前記第１の光学手段は、前記シリンドリカル凸レンズと
   前記第１のレンズアレイとが光学的に一体に構成された
   光学要素である、照明光学系。
4. 【請求項４】 請求項２または請求項３記載の照明光学
   系であって、 前記第２の光学手段は、前記シリンドリカル凹レンズと
   前記第２のレンズアレイとが一体的に形成された光学要
   素である、照明光学系。
5. 【請求項５】 画像を投写するプロジェクタであって、 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の照明光学系
   と、 前記所定の照明領域としての光入射面を有し、前記光入
   射面に入射した光を画像信号に応じて変調し、画像を表
   す画像光を生成する電気光学装置と、 前記電気光学装置で得られる画像光の表す画像を投写す
   る投写光学系と、を備える、プロジェクタ。
6. 【請求項６】 画像を投写するプロジェクタであって、 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の照明光学系
   と、 前記照明光学系から射出された光を複数の色光に分離す
   る色光分離光学系と、 前記所定の照明領域としての光入射面を有し、前記光入
   射面に入射した各色光を画像信号に応じて変調し、各色
   の画像を表す画像光を生成する複数の電気光学装置と、 前記複数の電気光学装置で生成された前記各色の画像光
   を合成する色光合成光学系とを備え、 前記色光合成光学系によって得られた合成光が前記投写
   光学系を介して投写される、プロジェクタ。