JP2004061848A - 照明光学系およびプロジェクタ - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のプロジェクタの照明光学系を構成するインテグレータ光学系の光学部品を利用して、異なったアスペクト比を有する電気光学装置の照明効率を低下させることなく容易に構成する。
【解決手段】この照明光学系は、光源装置から重畳レンズの光の入射面までの光路中に設けられた第１のトロイダル面と、第１のトロイダル面から重畳レンズの光の射出面までの光路中に設けられた第２のトロイダル面とで構成され、所定の領域上を照明する光の照明領域のアスペクト比を、第１のアスペクト比から第２のアスペクト比に変換するための光学系を備える。
【選択図】 図２
【解決手段】この照明光学系は、光源装置から重畳レンズの光の入射面までの光路中に設けられた第１のトロイダル面と、第１のトロイダル面から重畳レンズの光の射出面までの光路中に設けられた第２のトロイダル面とで構成され、所定の領域上を照明する光の照明領域のアスペクト比を、第１のアスペクト比から第２のアスペクト比に変換するための光学系を備える。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この本発明は、画像を投写表示するプロジェクタに関し、特に、プロジェクタに用いられる照明光学系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、液晶ライトバルブなどの電気光学装置を照明する。そして、電気光学装置を照明した光を、画像信号（画像情報）に応じて変調し、投写光学系を介してスクリーン上に投写することにより画像表示を実現する。
【０００３】
図７は、従来のプロジェクタの光学系の要部を平面的に見た概略構成図である。尚、図７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。プロジェクタ１０００は、照明光学系１００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。
【０００４】
図８は、図７の照明光学系１００を拡大して示す説明図である。この照明光学系１００は、光源装置１２０と、２つのレンズアレイ１４０，１５０と、偏光変換光学系１６０と、重畳レンズ１７０とを備えている。各光学部品は、それぞれの中心軸がシステム光軸１０００ａｘ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、照明対象ＬＡを均一に照明するためのインテグレータ光学系を構成している。なお、図８において、照明光学系１００が照明する照明対象ＬＡは、図７の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂに対応する。
【０００５】
光源装置１２０は、ランプ（放電灯）１２２と、回転放物面形状の凹面を有するリフレクタ１２４とを備えている。ランプ１２２としては、高圧水銀放電灯や、メタルハライドランプ、ハロゲンランプ等が利用される。ランプ１２２は、リフレクタ１２４の回転放物面の焦点近傍に配置されている。ランプ１２２から射出された光は、リフレクタ１２４によって反射され、ほぼ平行な光（略並行光）に変換される。
【０００６】
なお、リフレクタとしては回転楕円面形状の反射凹面を有するリフレクタを用いるようにしてもよい。この場合に、光源装置から射出される光を略並行光とする場合には、光源装置の射出開口面近傍に平行化レンズを配置することが好ましい。
【０００７】
光源装置１２０から射出された略平行光は、第１のレンズアレイ１４０に入射する。第１のレンズアレイ１４０は、マトリクス状に配列された複数の小レンズ１４０ｓを有している。従って、第１のレンズアレイ１４０は、光源装置１２０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て射出する。
【０００８】
第２のレンズアレイ１５０は、マトリクス状に配列された複数の小レンズ１５０ｓを有しており、第１のレンズアレイ１４０とほぼ同様である。第２のレンズアレイ１５０は、第１のレンズアレイ１４０から射出された部分光線束のそれぞれの中心軸をシステム光軸１０００ａｘとほぼ平行に揃える機能を有している。また、第２のレンズアレイ１５０は、重畳レンズ１７０とともに、第１のレンズアレイ１４０の各第１の小レンズ１４０ｓの像を照明対象ＬＡ上で結像させる機能を有している。なお、照明対象ＬＡ上の照明領域は、第１のレンズアレイの第１の小レンズ１４０ｓとほぼ相似な形状となる。
【０００９】
第１のレンズアレイ１４０の各第１の小レンズ１４０ｓから射出された部分光線束は、図８に示すように、第２のレンズアレイ１５０の各第２の小レンズ１４０ｓを介して、その近傍位置、すなわち、偏光変換光学系１６０内において集光される。
【００１０】
偏光変換光学系１６０は、２つの偏光変換素子アレイ１６０Ａ，１６０Ｂとを備えている。第１および第２の偏光変換素子アレイ１６０Ａ，１６０Ｂは、システム光軸１０００ａｘに対して、対称となるように配置されている。
【００１１】
図９は、図８の偏光変換素子アレイ１６０Ａを拡大して示す説明図である。図９（Ａ）は、第１の偏光変換素子アレイ１６０Ａの斜視図を示しており、図９（Ｂ）は、＋ｙ方向から見たときの平面図を示している。偏光変換素子アレイ１６０Ａは、遮光板１６２と、偏光ビームスプリッタアレイ１６４と、偏光ビームスプリッタアレイ１６４の光射出面に選択的に配置された複数のλ／２位相差板１６６とを備えている。なお、第２の偏光変換素子アレイ１６０Ｂについても同様である。
【００１２】
偏光ビームスプリッタアレイ１６４は、図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、略平行四辺形の断面形状を有する柱状のガラス材１６４ｃが複数貼り合わされて構成されている。各ガラス材１６４ｃの界面には、偏光分離膜１６４ａと反射膜１６４ｂとが交互に形成されている。なお、偏光分離膜１６４ａとしては誘電体多層膜が用いられ、反射膜１６４ｂとしては誘電体多層膜や金属膜が用いられる。
【００１３】
遮光板１６２は、開口面１６２ａと遮光面１６２ｂとがストライプ状に配列されて構成されている。開口面１６２ａと遮光面１６２ｂは、それぞれ偏光分離膜１６４ａと反射膜１６４ｂとに対応して設けられている。また、遮光面１６２ｂは、２つの偏光変換素子アレイ１６０Ａ，１６０Ｂの間隙に対応して設けられている。これにより、第１のレンズアレイ１４０（図８）から射出された部分光線束は、開口面１６２ａを介して偏光ビームスプリッタアレイ１６４の偏光分離膜１６４ａのみに入射し、反射膜１６４ｂには入射しない。なお、遮光板１６２としては、平板状の透明体（例えばガラス板）に遮光性の膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜など）を選択的に形成したものを用いることができる。また、アルミニウム板のような遮光性の平板にストライプ状の開口部を設けたものを用いることも可能である。さらに、偏光ビームスプリッタアレイ１６４のガラス材１６４ｃに、遮光性の膜を直接形成するようにしてもよい。
【００１４】
第１のレンズアレイ１４０（図８）から射出された各部分光線束の主光線（中心軸）は、図９（Ｂ）に実線で示すように、システム光軸１０００ａｘとほぼ平行に遮光板１６２の開口面１６２ａに入射する。開口面１６２ａを通過した部分光線束は、偏光分離膜１６４ａにおいて、ｓ偏光の部分光線束とｐ偏光の部分光線束とに分離される。なお、ｓ偏光は、偏光分離膜１６４ａの入射面に垂直な偏光方向であり、ｐ偏光は、偏光分離膜１６４ａの入射面に平行な偏光方向であるとする。ｐ偏光の部分光線束は、偏光分離膜１６４ａを透過して、偏光ビームスプリッタアレイ１６４から射出される。一方、ｓ偏光の部分光線束は偏光分離膜１６４ａで反射され、反射膜１６４ｂにおいてさらに反射された後に、偏光ビームスプリッタアレイ１６４から射出される。なお、偏光ビームスプリッタアレイ１６４の光射出面において、ｐ偏光の部分光線束の主光線とｓ偏光の部分光線束の主光線とは、互いにほぼ平行となっている。
【００１５】
λ／２位相差板１６６は、偏光ビームスプリッタアレイ１６４の光射出面のうち、偏光分離膜１６４ａを透過したｐ偏光の部分光線束の光射出面だけに形成されている。λ／２位相差板１６６は、入射する直線偏光光を、偏光方向が直交する直線偏光光に変換する機能を有している。したがって、ｐ偏光の部分光線束は、λ／２位相差板１６６によって、ｓ偏光の部分光線束に変換されて射出される。これにより、偏光変換素子アレイ１６０Ａに入射した偏りのない部分光線束（ｓ＋ｐ）は、ｓ偏光の部分光線束に変換されて射出されることとなる。なお、ｓ偏光の部分光線束の光射出面だけにλ／２位相差板１６６を配置することにより、偏光変換素子アレイ１６０Ａに入射する部分光線束をｐ偏光の部分光線束に変換して射出することもできる。
【００１６】
なお、上記偏光変換光学系１６０は、システム光軸１００ａｘに対して対称に配置された２つの偏光変換素子アレイ１６０Ａ，１６０Ｂを備える場合を示しているが、１つの偏光変換素子アレイを備えるようにしてもよい。
【００１７】
第１のレンズアレイ１４０から射出された複数の部分光線束は、上記のように、偏光変換光学系１６０によって各部分光線束ごとに２つの部分光線束に分離されるとともに、それぞれ偏光方向の揃ったほぼ１種類の直線偏光光に変換される。偏光方向の揃った複数の部分光線束は、図８に示す重畳レンズ１７０によって照明対象ＬＡ上で重畳される。このとき、照明対象ＬＡを照射する光の強度分布は、ほぼ均一となっている。
【００１８】
以上のように、照明光学系１００（図８）は、偏光方向の揃った照明光（ｓ偏光光）を射出し、図７の色光分離光学系２００を介して、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂをほぼ均一に照明する。すなわち、照明光学系１００の２つのレンズアレイ１４０，１５０と、重畳レンズ１７０とは、照明対象ＬＡ（液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを）をほぼ均一に照明するためのインテグレータ光学系を構成している。
【００１９】
図７の照明光学系１００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２００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。
【００２０】
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。
【００２１】
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２５２、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２２０，２４０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。
【００２２】
液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ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１００から射出される偏光光の偏光方向は、通常、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。
【００２３】
各液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂの光入射面側の光変調領域（「画像形成領域」あるいは「光入射領域」とも呼ぶ。）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。
【００２４】
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４１０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。
【００２５】
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光学系から射出された照明光の利用効率（照明効率）が高いことが望ましい。そこで、液晶ライトバルブにおける照明効率を向上させるには、一般に、液晶ライトバルブの光変調領域をより効率よく照明することが望まれている。
【００２６】
ここで、照明光学系による照明領域の外形形状は、第１のレンズアレイ１４０を構成する各第１の小レンズ１４０ｓの外形形状にほぼ相似となる。
【００２７】
そこで、通常、液晶ライトバルブにおける照明効率をより向上させるために、通常、第１の小レンズ１４０ｓの外形形状を、照明領域としての液晶ライトバルブの光変調領域とほぼ相似となるように設定している。具体的には、液晶ライトバルブの光変調領域のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）は４：３が一般的であるので、第１の小レンズ１４０ｓのアスペクト比も４：３に設定している。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶ライトバルブの種類として、光変調領域のアスペクト比が１６：９であるものも存在している。このアスペクト比が１６：９の液晶ライトバルブを用いてプロジェクタを構成しようとした場合に、上記プロジェクタ１０００における各光学部品、特に、インテグレータ光学系を構成する第１と第２のレンズアレイをそのまま利用した場合には、図１０に示すように、光変調領域のアスペクト比と照明領域のアスペクト比が異なるために、無駄な照明領域が発生し、照明効率の低下を招くという問題がある。
【００２９】
なお、上記問題は液晶ライトバルブを例に説明したが、プロジェクタに用いられる他の電気光学装置においても同様の問題が発生する。
【００３０】
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、従来のプロジェクタの電気光学装置とは異なったアスペクト比を有する電気光学装置を用いたプロジェクタを、従来のプロジェクタの照明光学系を構成するインテグレータ光学系の光学部品を利用して、電気光学装置の照明効率を低下させることなく容易に構成する技術を提供することを目的とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の一部を少なくとも解決するため、本発明の照明光学系は、
光源装置と、
前記光源装置から射出された光線束を複数の部分光線束に分割するために、第１のアスペクト比を有する複数の第１の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
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、
前記第１および第２のレンズアレイを介して入射する複数の部分光線束を、第２のアスペクト比を有する所定の領域上で重畳する重畳レンズと、
前記光源装置から前記重畳レンズの光の入射面までの光路中に設けられた第１のトロイダル面と、前記第１のトロイダル面から前記重畳レンズの光の射出面までの光路中に設けられた第２のトロイダル面とで構成され、前記所定の領域上を照明する光の照明領域のアスペクト比を、前記第１のアスペクト比から前記第２のアスペクト比に変換するための光学系と、を備えることを特徴とする。
【００３２】
第１のトロイダル面および第２のトロイダル面によって構成される光学系は、像面上で縦方向と横方向の倍率が異なる像を生ずる光学系である。かかる光学系は、これを有しない場合において所定の領域上で形成される第１のアスペクト比の照明領域を、第２のアスペクト比の照明領域に変換することが可能である。これにより、上記照明光学系では、第２のアスペクト比を有する所定の領域を効率よく照明することができる。従って、上記照明光学系では、第１のアスペクト比の領域を照明するための照明光学系における第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイを利用して、照明効率を低下させることなく、容易に第２のアスペクト比の領域を照明することが可能となる。
【００３３】
なお、トロイダル面は、縦方向と横方向の一方の曲率が０である場合も含む。
【００３４】
ここで、前記第１のトロイダル面は、前記第１のトロイダル面を有するトーリックレンズを前記光源装置から前記重畳レンズの光の入射面までの光路中に備えることにより容易に構成することができる。
【００３５】
また、前記第１のトロイダル面は、前記第１のレンズアレイにおける前記複数の第１の小レンズが形成されている面とは反対の面に形成されることによっても容易に構成することができる。
【００３６】
あるいは、前記第１のトロイダル面は、前記第２のレンズアレイにおける前記複数の第２の小レンズが形成されている面とは反対の面に形成されることによっても容易に構成することができる。
【００３７】
特に、第１のレンズアレイまたは第２のレンズアレイに第１のトロイダル面を形成する場合には、第１のレンズアレイまたは第２のレンズアレイの若干の設計変更を伴うものの、新たに設計をやり直す場合に比べてはるかに容易である。また、部品点数の増加も伴わないという利点もある。
【００３８】
また、第２のトロイダル面は、前記重畳レンズの光の入射面に形成されるようにしてもよい。
【００３９】
こうすれば、第２のトロイダル面を、部品を増やすことなく容易に構成することができる。
【００４０】
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、
前記所定の領域として、前記第２のアスペクト比の光変調領域を有し、前記光変調領域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。
【００４１】
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、電気光学装置の第２のアスペクト比を有する光変調領域を効率よく照明することができる。これにより、照明光学系の照明光を効率よく利用することができ、明るい投写画像を実現することが可能である。
【００４２】
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、前記所定の領域として、前記第２のアスペクト比の光変調領域を有し、前記光変調領域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。
【００４３】
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、明るいカラー画像を投写表示することができる。
【００４４】
【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。
【００４５】
図１は、本発明の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１０００Ａは、従来例のプロジェクタ１０００の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを、アスペクト比が１６：９である液晶ライトバルブ３００Ｒ’，３００Ｇ’，３００Ｂ’に置き換えて、照明光学系１００を照明光学系１００Ａに置き換えた点に特徴を有している。他の点は、従来例のプロジェクタ１０００と同じである。以下の説明では、照明光学系１００Ａについて説明する。
【００４６】
図２は、照明光学系１００Ａを拡大して示す説明図である。この照明光学系１００Ａは、従来の照明光学系１００の重畳レンズ１７０を重畳レンズ１７０Ａに置き換え、偏光変換光学系１６０と重畳レンズ１７０Ａとの間の光路中に、トーリックレンズ１８０を備えている点に特徴を有している。このトーリックレンズ１８０は、入射面１８２が平面で、射出面１８４が凹状の第１のトロイダル面を有している。また、重畳レンズ１７０Ａは、入射面１７２が、トーリックレンズ１８０の凹状の第１のトロイダル面と相補的な特性を示す凸状の第２のトロイダル面を有し、射出面１７４が重畳機能をなす凸面（「重畳レンズ面」とも呼ぶ。）を有している。なお、トーリックレンズ１８０の射出面１８４を第１のトロイダル面１８４と呼ぶこともある。重畳レンズ１７０Ａの入射面１７２を第２のトロイダル面１７２と呼び、射出面１７４を重畳レンズ面１７４と呼ぶこともある。
【００４７】
図３は、トーリックレンズ１８０の第１のトロイダル面１８４および重畳レンズ１７０Ａの第２のトロイダル面１７２の機能について示す説明図である。なお、説明を容易にするため、重畳レンズ１７０Ａを第２のトロイダル面１７２に相当する平凸レンズと、重畳レンズ面１８４に相当する平凸レンズとに分けて示している。
【００４８】
図３（Ａ）に示すように、従来の照明光学系１００のように、第１および第２のトロイダル面が設けられていない場合において、第１のレンズアレイ１４０の各第１の小レンズ１４０ｓから射出される部分光線束が照明するｘ方向の照明サイズをＤａとする。図３（Ｂ）に示すように、トーリックレンズ１８０の第１のトロイダル面１８４は光を発散する機能を有しているので、各第１の小レンズ１４０ｓから射出される部分光線束が照明するｘ方向の照明サイズＤａ’は、照明サイズＤａよりも大きくすることができる。また、ｙ方向の照明サイズも、ｘ方向の照明サイズと同様に大きくすることができる。
【００４９】
ここで、トロイダル面は、ｘ方向とｙ方向の曲率が異なる円環面を有しているので、ｘ方向およびｙ方向の曲率を変化させることによりｘ方向とｙ方向の照明サイズを変化させることが可能である。従って、本実施例の照明光学系１００Ａでは、トーリックレンズ１８０の第１のトロイダル面１８４および重畳レンズ１７０Ａの第２のトロイダル面１７２を調整することにより、従来例における照明光学系１００における４：３の第１のアスペクト比を有する従来の照明領域の形状を、１６：９の第２のアスペクト比を有する照明領域の形状となるように変換することが可能である。
【００５０】
さらに、重畳レンズ１７０Ａのトロイダル面１７２は以下に示すように設定されている。
【００５１】
トーリックレンズ１８０に入射する部分光線束の中心軸（主光線）は、システム光軸１０００ａｘ上に一致していない場合には、トーリックレンズ１８０のトロイダル面１８４によって拡散されるので、システム光軸１０００ａｘに対して平行でなく傾斜することになる。ここで、重畳レンズ面１７４は、平行光を、照明対象、すなわち、液晶ライトバルブの光変調領域の中心（システム光軸１０００ａｘ上の点）で集光するように設定されている。トーリックレンズ１８０から、射出される各部分光線束の中心軸は、システム光軸１０００ａｘに対して傾斜しているので、仮にトロイダル面を有しない従来の重畳レンズ１７０と同様な重畳レンズに入射した場合には、液晶ライトバルブの光変調領域の中心で重畳されないことになる。そこで、重畳レンズ１７０Ａのトロイダル面１７２は、このような各部分光線束の中心軸のずれを補正するような形状および特性を有するように設定されている。
【００５２】
以上説明したように、本実施例のプロジェクタ１０００Ａは、４：３のアスペクト比を有する液晶ライトバルブを用いた従来のプロジェクタ１０００における光学部品、特に照明光学系１００の第１および第２のレンズアレイ１４０，１５０をそのまま利用して、１６：９のアスペクト比を有する液晶ライトバルブを用いたプロジェクタを、照明効率を低下させることなく容易に構成することが可能である。
【００５３】
ここで、トーリックレンズ１８０の第１のトロイダル面１８４と、重畳レンズ１７０Ａの第２のトロイダル面１７２とに対応する２つのトーリックレンズを、重畳レンズの射出面側に配置することも考えられるが、このように配置した場合、トロイダル面の曲率が大きくなり、レンズが厚くなる。上記実施例のように配置すれば、トロイダル面の曲率を小さくすることができるため、レンズを薄くすることができ、レンズが軽くなり、レンズを製造しやすいという有利な点がある。
【００５４】
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。
【００５５】
（１）上記実施例では、照明光学系１００Ａの重畳レンズとして、入射面１７２にトロイダル面を有し、射出面１７４に重畳レンズ面１７４を有するように一体形成された重畳レンズ１７０Ａを備える場合を例に示しているが、トーリックレンズ１８０のトロイダル面１８４によって、上述したように発生する光の中心軸の傾斜を補正して、システム光軸１０００ａｘに平行に戻すような特性を有するトロイダル面を有するトーリックレンズと、従来例の重畳レンズ１７０のような通常の重畳レンズとを２つ配置するようにしてもよい。
【００５６】
（２）上記実施例では、トーリックレンズ１８０を偏光変換光学系１６０と重畳レンズ１７０Ａとの間の光路中に配置した場合を例に説明しているが、光源装置１２０と偏光変換光学系１６０との間の光路中にトーリックレンズ１８０を配置することも可能である。
【００５７】
図４は、変形例としての照明光学系１００Ｂを示す説明図である。この照明光学系１００Ｂは、トーリックレンズ１８０を第１のレンズアレイ１４０と、第２のレンズアレイ１５０との間の光路中に配置した例を示している。この照明光学系１００Ｂを用いても、実施例と同様に、４：３のアスペクト比を有する液晶ライトバルブを用いた従来のプロジェクタ１０００の光学部品、特に照明光学系１００の第１および第２のレンズアレイ１４０，１５０をそのまま利用して、１６：９のアスペクト比を有する液晶ライトバルブを用いたプロジェクタを、照明効率を低下させることなく容易に構成することが可能である。ただし、トーリックレンズ１８０のトロイダル面１８４および重畳レンズ１７０Ａのトロイダル面１７２の形状や特性は、トーリックレンズ１８０の配置位置の変更に伴って、適宜変更する必要があり、以下の変形例においても同様である。
【００５８】
なお、この変形例の照明光学系１００Ｂでは、トーリックレンズ１８０を、第１のレンズアレイ１４０と第２のレンズアレイ１５０との間に配置する場合を例に説明しているが、光源装置１２０と第１のレンズアレイ１４０との間、あるいは、第２のレンズアレイ１５０と偏光変換光学系１６０との間に配置するようにしてもよい。
【００５９】
図５は、別の変形例としての照明光学系１００Ｃを示す説明図である。この照明光学系１００Ｃは、変形例の照明光学系１００Ｂにおける第１のレンズアレイ１４０とトーリックレンズ１８０とを一体形成し、一体形成されたレンズアレイ１４０Ｃの第１の小レンズ１４０ｓの形成面を光の入射面側とし、トロイダル面１４４を光の射出面側として配置した例を示している。
【００６０】
この照明光学系１００Ｃでは、第１のレンズアレイ１４０をそのまま利用することができない。しかしながら、第１のレンズアレイ１４０Ｃは、第１のレンズアレイ１４０におけ第１の小レンズ１４０ｓが形成されている面とは反対の平らな面をトロイダル面とすることにより容易に構成できるので、１６：９のアスペクト比を有する小レンズによるレンズアレイを新たに設計して製造する場合に比べて容易に設計して製造することが可能である。
【００６１】
図６は、さらに別の変形例としての照明光学系１００Ｄを示す説明図である。この照明光学系１００Ｄは、照明光学系１００Ｂにおける第２のレンズアレイ１５０とトーリックレンズ１８０とを一体形成し、一体形成されたレンズアレイ１５０Ｄの第２の小レンズ１５０ｓの形成面を光の射出面側とし、トロイダル面１５２を光の入射面側として配置した例を示している。
【００６２】
この照明光学系１００Ｄにおいては、第２のレンズアレイ１５０をそのまま利用することができない。しかしながら、照明光学系１００Ｃと同様に、第２のレンズアレイ１５０Ｄは、第２のレンズアレイ１５０における第２の小レンズ１５０ｓが形成されている面とは反対の平らな面をトロイダル面とすることにより容易に構成できるので、１６：９のアスペクト比を有する小レンズによるレンズアレイを新たに設計して製造する場合に比べて容易に設計して製造することが可能である。
【００６３】
なお、上記変形例１００Ｃおよび１００Ｄのように、第１のレンズアレイ１４０または第２のレンズアレイ１５０と、トーリックレンズ１８０とを一体形成するのではなく、第１のレンズアレイ１４０または第２のレンズアレイ１５０の平らな面とトーリックレンズ１８０の平らな面とを光学接着剤によって貼り合わせるようにしてもよい。
【００６４】
（３）上記実施例および各変形例の照明光学系における各レンズの向きは、それぞれ別々に反対向きに配置するようにしてもよい。
【００６５】
（４）上記実施例および各変形例では、第１のアスペクト比アが４：３で第２のアスペクト比が１６：９である場合を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、種々の異なった第１のアスペクト比と第２のアスペクト比に対して、本発明を適用することが可能である。
【００６６】
（５）上記実施例では、透過型の液晶ライトバルブを用いたプロジェクタを例に説明しているが、反射型の液晶ライトバルブを用いた場合にも本発明を適用することが可能である。
【００６７】
また、液晶ライトバルブを用いたプロジェクタだけでなく、他の電気光学装置、例えば、ＤＭＤ（ディジタル・マイクロミラー・デバイス：ＴＩ社の商標）を用いたプロジェクタ等にも本発明を適用することが可能である。
【００６８】
（６）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本発明を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の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２】照明光学系１００Ａを拡大して示す説明図である。
【図３】トーリックレンズ１８０の第１のトロイダル面１８４および重畳レンズ１７０Ａの第２のトロイダル面１７２の機能について示す説明図である。
【図４】変形例としての照明光学系１００Ｂを示す説明図である。
【図５】別の変形例としての照明光学系１００Ｃを示す説明図である。
【図６】さらに別の変形例としての照明光学系１００Ｄを示す説明図である。
【図７】従来の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８】図７の照明光学系１００を拡大して示す説明図である。
【図９】図８の偏光変換素子アレイ１６０Ａを拡大して示す説明図である。
【図１０】４：３のアスペクト比を有する照明領域と、１６：９のアスペクト比を有する液晶ライトバルブの光変調領域との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１０００…プロジェクタ
１０００Ａ…プロジェクタ
１０００ａｘ…システム光軸
１００…照明光学系
１００Ａ…照明光学系
１００Ｂ…照明光学系
１００Ｃ…照明光学系
１００Ｄ…照明光学系
１２０…光源装置
１２２…ランプ（放電灯）
１２４…リフレクタ
１４０…第１のレンズアレイ
１４０ｓ…第１の小レンズ
１４０Ｃ…レンズアレイ
１４４…トロイダル面
１５０…第２のレンズアレイ
１５０ｓ…小レンズ
１５０Ｄ…第２のレンズアレイ
１５２…トロイダル面
１６０…偏光変換光学系
１６０Ａ…偏光変換素子アレイ
１６２…遮光板
１６２ａ…開口面
１６２ｂ…遮光面
１６４…偏光ビームスプリッタアレイ
１６４ａ…偏光分離膜
１６４ｂ…反射膜
１６４ｃ…ガラス材
１６６…λ／２位相差板
１７０…重畳レンズ
１７０Ａ…重畳レンズ
１７２…入射面（トロイダル面）
１７４…射出面（重畳レンズ面）
１８０…トーリックレンズ
１８２…入射面
１８４…射出面（トロイダル面）
３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…液晶ライトバルブ
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
４１０…誘電体多層膜
４２０…誘電体多層膜
５００…投写レンズ（投写光学系）
【発明の属する技術分野】
この本発明は、画像を投写表示するプロジェクタに関し、特に、プロジェクタに用いられる照明光学系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、液晶ライトバルブなどの電気光学装置を照明する。そして、電気光学装置を照明した光を、画像信号（画像情報）に応じて変調し、投写光学系を介してスクリーン上に投写することにより画像表示を実現する。
【０００３】
図７は、従来のプロジェクタの光学系の要部を平面的に見た概略構成図である。尚、図７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。プロジェクタ１０００は、照明光学系１００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。
【０００４】
図８は、図７の照明光学系１００を拡大して示す説明図である。この照明光学系１００は、光源装置１２０と、２つのレンズアレイ１４０，１５０と、偏光変換光学系１６０と、重畳レンズ１７０とを備えている。各光学部品は、それぞれの中心軸がシステム光軸１０００ａｘ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、照明対象ＬＡを均一に照明するためのインテグレータ光学系を構成している。なお、図８において、照明光学系１００が照明する照明対象ＬＡは、図７の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂに対応する。
【０００５】
光源装置１２０は、ランプ（放電灯）１２２と、回転放物面形状の凹面を有するリフレクタ１２４とを備えている。ランプ１２２としては、高圧水銀放電灯や、メタルハライドランプ、ハロゲンランプ等が利用される。ランプ１２２は、リフレクタ１２４の回転放物面の焦点近傍に配置されている。ランプ１２２から射出された光は、リフレクタ１２４によって反射され、ほぼ平行な光（略並行光）に変換される。
【０００６】
なお、リフレクタとしては回転楕円面形状の反射凹面を有するリフレクタを用いるようにしてもよい。この場合に、光源装置から射出される光を略並行光とする場合には、光源装置の射出開口面近傍に平行化レンズを配置することが好ましい。
【０００７】
光源装置１２０から射出された略平行光は、第１のレンズアレイ１４０に入射する。第１のレンズアレイ１４０は、マトリクス状に配列された複数の小レンズ１４０ｓを有している。従って、第１のレンズアレイ１４０は、光源装置１２０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て射出する。
【０００８】
第２のレンズアレイ１５０は、マトリクス状に配列された複数の小レンズ１５０ｓを有しており、第１のレンズアレイ１４０とほぼ同様である。第２のレンズアレイ１５０は、第１のレンズアレイ１４０から射出された部分光線束のそれぞれの中心軸をシステム光軸１０００ａｘとほぼ平行に揃える機能を有している。また、第２のレンズアレイ１５０は、重畳レンズ１７０とともに、第１のレンズアレイ１４０の各第１の小レンズ１４０ｓの像を照明対象ＬＡ上で結像させる機能を有している。なお、照明対象ＬＡ上の照明領域は、第１のレンズアレイの第１の小レンズ１４０ｓとほぼ相似な形状となる。
【０００９】
第１のレンズアレイ１４０の各第１の小レンズ１４０ｓから射出された部分光線束は、図８に示すように、第２のレンズアレイ１５０の各第２の小レンズ１４０ｓを介して、その近傍位置、すなわち、偏光変換光学系１６０内において集光される。
【００１０】
偏光変換光学系１６０は、２つの偏光変換素子アレイ１６０Ａ，１６０Ｂとを備えている。第１および第２の偏光変換素子アレイ１６０Ａ，１６０Ｂは、システム光軸１０００ａｘに対して、対称となるように配置されている。
【００１１】
図９は、図８の偏光変換素子アレイ１６０Ａを拡大して示す説明図である。図９（Ａ）は、第１の偏光変換素子アレイ１６０Ａの斜視図を示しており、図９（Ｂ）は、＋ｙ方向から見たときの平面図を示している。偏光変換素子アレイ１６０Ａは、遮光板１６２と、偏光ビームスプリッタアレイ１６４と、偏光ビームスプリッタアレイ１６４の光射出面に選択的に配置された複数のλ／２位相差板１６６とを備えている。なお、第２の偏光変換素子アレイ１６０Ｂについても同様である。
【００１２】
偏光ビームスプリッタアレイ１６４は、図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、略平行四辺形の断面形状を有する柱状のガラス材１６４ｃが複数貼り合わされて構成されている。各ガラス材１６４ｃの界面には、偏光分離膜１６４ａと反射膜１６４ｂとが交互に形成されている。なお、偏光分離膜１６４ａとしては誘電体多層膜が用いられ、反射膜１６４ｂとしては誘電体多層膜や金属膜が用いられる。
【００１３】
遮光板１６２は、開口面１６２ａと遮光面１６２ｂとがストライプ状に配列されて構成されている。開口面１６２ａと遮光面１６２ｂは、それぞれ偏光分離膜１６４ａと反射膜１６４ｂとに対応して設けられている。また、遮光面１６２ｂは、２つの偏光変換素子アレイ１６０Ａ，１６０Ｂの間隙に対応して設けられている。これにより、第１のレンズアレイ１４０（図８）から射出された部分光線束は、開口面１６２ａを介して偏光ビームスプリッタアレイ１６４の偏光分離膜１６４ａのみに入射し、反射膜１６４ｂには入射しない。なお、遮光板１６２としては、平板状の透明体（例えばガラス板）に遮光性の膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜など）を選択的に形成したものを用いることができる。また、アルミニウム板のような遮光性の平板にストライプ状の開口部を設けたものを用いることも可能である。さらに、偏光ビームスプリッタアレイ１６４のガラス材１６４ｃに、遮光性の膜を直接形成するようにしてもよい。
【００１４】
第１のレンズアレイ１４０（図８）から射出された各部分光線束の主光線（中心軸）は、図９（Ｂ）に実線で示すように、システム光軸１０００ａｘとほぼ平行に遮光板１６２の開口面１６２ａに入射する。開口面１６２ａを通過した部分光線束は、偏光分離膜１６４ａにおいて、ｓ偏光の部分光線束とｐ偏光の部分光線束とに分離される。なお、ｓ偏光は、偏光分離膜１６４ａの入射面に垂直な偏光方向であり、ｐ偏光は、偏光分離膜１６４ａの入射面に平行な偏光方向であるとする。ｐ偏光の部分光線束は、偏光分離膜１６４ａを透過して、偏光ビームスプリッタアレイ１６４から射出される。一方、ｓ偏光の部分光線束は偏光分離膜１６４ａで反射され、反射膜１６４ｂにおいてさらに反射された後に、偏光ビームスプリッタアレイ１６４から射出される。なお、偏光ビームスプリッタアレイ１６４の光射出面において、ｐ偏光の部分光線束の主光線とｓ偏光の部分光線束の主光線とは、互いにほぼ平行となっている。
【００１５】
λ／２位相差板１６６は、偏光ビームスプリッタアレイ１６４の光射出面のうち、偏光分離膜１６４ａを透過したｐ偏光の部分光線束の光射出面だけに形成されている。λ／２位相差板１６６は、入射する直線偏光光を、偏光方向が直交する直線偏光光に変換する機能を有している。したがって、ｐ偏光の部分光線束は、λ／２位相差板１６６によって、ｓ偏光の部分光線束に変換されて射出される。これにより、偏光変換素子アレイ１６０Ａに入射した偏りのない部分光線束（ｓ＋ｐ）は、ｓ偏光の部分光線束に変換されて射出されることとなる。なお、ｓ偏光の部分光線束の光射出面だけにλ／２位相差板１６６を配置することにより、偏光変換素子アレイ１６０Ａに入射する部分光線束をｐ偏光の部分光線束に変換して射出することもできる。
【００１６】
なお、上記偏光変換光学系１６０は、システム光軸１００ａｘに対して対称に配置された２つの偏光変換素子アレイ１６０Ａ，１６０Ｂを備える場合を示しているが、１つの偏光変換素子アレイを備えるようにしてもよい。
【００１７】
第１のレンズアレイ１４０から射出された複数の部分光線束は、上記のように、偏光変換光学系１６０によって各部分光線束ごとに２つの部分光線束に分離されるとともに、それぞれ偏光方向の揃ったほぼ１種類の直線偏光光に変換される。偏光方向の揃った複数の部分光線束は、図８に示す重畳レンズ１７０によって照明対象ＬＡ上で重畳される。このとき、照明対象ＬＡを照射する光の強度分布は、ほぼ均一となっている。
【００１８】
以上のように、照明光学系１００（図８）は、偏光方向の揃った照明光（ｓ偏光光）を射出し、図７の色光分離光学系２００を介して、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂをほぼ均一に照明する。すなわち、照明光学系１００の２つのレンズアレイ１４０，１５０と、重畳レンズ１７０とは、照明対象ＬＡ（液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを）をほぼ均一に照明するためのインテグレータ光学系を構成している。
【００１９】
図７の照明光学系１００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２００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。
【００２０】
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。
【００２１】
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２５２、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２２０，２４０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。
【００２２】
液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ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１００から射出される偏光光の偏光方向は、通常、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。
【００２３】
各液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂの光入射面側の光変調領域（「画像形成領域」あるいは「光入射領域」とも呼ぶ。）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。
【００２４】
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４１０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。
【００２５】
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光学系から射出された照明光の利用効率（照明効率）が高いことが望ましい。そこで、液晶ライトバルブにおける照明効率を向上させるには、一般に、液晶ライトバルブの光変調領域をより効率よく照明することが望まれている。
【００２６】
ここで、照明光学系による照明領域の外形形状は、第１のレンズアレイ１４０を構成する各第１の小レンズ１４０ｓの外形形状にほぼ相似となる。
【００２７】
そこで、通常、液晶ライトバルブにおける照明効率をより向上させるために、通常、第１の小レンズ１４０ｓの外形形状を、照明領域としての液晶ライトバルブの光変調領域とほぼ相似となるように設定している。具体的には、液晶ライトバルブの光変調領域のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）は４：３が一般的であるので、第１の小レンズ１４０ｓのアスペクト比も４：３に設定している。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶ライトバルブの種類として、光変調領域のアスペクト比が１６：９であるものも存在している。このアスペクト比が１６：９の液晶ライトバルブを用いてプロジェクタを構成しようとした場合に、上記プロジェクタ１０００における各光学部品、特に、インテグレータ光学系を構成する第１と第２のレンズアレイをそのまま利用した場合には、図１０に示すように、光変調領域のアスペクト比と照明領域のアスペクト比が異なるために、無駄な照明領域が発生し、照明効率の低下を招くという問題がある。
【００２９】
なお、上記問題は液晶ライトバルブを例に説明したが、プロジェクタに用いられる他の電気光学装置においても同様の問題が発生する。
【００３０】
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、従来のプロジェクタの電気光学装置とは異なったアスペクト比を有する電気光学装置を用いたプロジェクタを、従来のプロジェクタの照明光学系を構成するインテグレータ光学系の光学部品を利用して、電気光学装置の照明効率を低下させることなく容易に構成する技術を提供することを目的とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の一部を少なくとも解決するため、本発明の照明光学系は、
光源装置と、
前記光源装置から射出された光線束を複数の部分光線束に分割するために、第１のアスペクト比を有する複数の第１の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
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、
前記第１および第２のレンズアレイを介して入射する複数の部分光線束を、第２のアスペクト比を有する所定の領域上で重畳する重畳レンズと、
前記光源装置から前記重畳レンズの光の入射面までの光路中に設けられた第１のトロイダル面と、前記第１のトロイダル面から前記重畳レンズの光の射出面までの光路中に設けられた第２のトロイダル面とで構成され、前記所定の領域上を照明する光の照明領域のアスペクト比を、前記第１のアスペクト比から前記第２のアスペクト比に変換するための光学系と、を備えることを特徴とする。
【００３２】
第１のトロイダル面および第２のトロイダル面によって構成される光学系は、像面上で縦方向と横方向の倍率が異なる像を生ずる光学系である。かかる光学系は、これを有しない場合において所定の領域上で形成される第１のアスペクト比の照明領域を、第２のアスペクト比の照明領域に変換することが可能である。これにより、上記照明光学系では、第２のアスペクト比を有する所定の領域を効率よく照明することができる。従って、上記照明光学系では、第１のアスペクト比の領域を照明するための照明光学系における第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイを利用して、照明効率を低下させることなく、容易に第２のアスペクト比の領域を照明することが可能となる。
【００３３】
なお、トロイダル面は、縦方向と横方向の一方の曲率が０である場合も含む。
【００３４】
ここで、前記第１のトロイダル面は、前記第１のトロイダル面を有するトーリックレンズを前記光源装置から前記重畳レンズの光の入射面までの光路中に備えることにより容易に構成することができる。
【００３５】
また、前記第１のトロイダル面は、前記第１のレンズアレイにおける前記複数の第１の小レンズが形成されている面とは反対の面に形成されることによっても容易に構成することができる。
【００３６】
あるいは、前記第１のトロイダル面は、前記第２のレンズアレイにおける前記複数の第２の小レンズが形成されている面とは反対の面に形成されることによっても容易に構成することができる。
【００３７】
特に、第１のレンズアレイまたは第２のレンズアレイに第１のトロイダル面を形成する場合には、第１のレンズアレイまたは第２のレンズアレイの若干の設計変更を伴うものの、新たに設計をやり直す場合に比べてはるかに容易である。また、部品点数の増加も伴わないという利点もある。
【００３８】
また、第２のトロイダル面は、前記重畳レンズの光の入射面に形成されるようにしてもよい。
【００３９】
こうすれば、第２のトロイダル面を、部品を増やすことなく容易に構成することができる。
【００４０】
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、
前記所定の領域として、前記第２のアスペクト比の光変調領域を有し、前記光変調領域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。
【００４１】
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、電気光学装置の第２のアスペクト比を有する光変調領域を効率よく照明することができる。これにより、照明光学系の照明光を効率よく利用することができ、明るい投写画像を実現することが可能である。
【００４２】
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、前記所定の領域として、前記第２のアスペクト比の光変調領域を有し、前記光変調領域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。
【００４３】
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、明るいカラー画像を投写表示することができる。
【００４４】
【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。
【００４５】
図１は、本発明の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１０００Ａは、従来例のプロジェクタ１０００の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを、アスペクト比が１６：９である液晶ライトバルブ３００Ｒ’，３００Ｇ’，３００Ｂ’に置き換えて、照明光学系１００を照明光学系１００Ａに置き換えた点に特徴を有している。他の点は、従来例のプロジェクタ１０００と同じである。以下の説明では、照明光学系１００Ａについて説明する。
【００４６】
図２は、照明光学系１００Ａを拡大して示す説明図である。この照明光学系１００Ａは、従来の照明光学系１００の重畳レンズ１７０を重畳レンズ１７０Ａに置き換え、偏光変換光学系１６０と重畳レンズ１７０Ａとの間の光路中に、トーリックレンズ１８０を備えている点に特徴を有している。このトーリックレンズ１８０は、入射面１８２が平面で、射出面１８４が凹状の第１のトロイダル面を有している。また、重畳レンズ１７０Ａは、入射面１７２が、トーリックレンズ１８０の凹状の第１のトロイダル面と相補的な特性を示す凸状の第２のトロイダル面を有し、射出面１７４が重畳機能をなす凸面（「重畳レンズ面」とも呼ぶ。）を有している。なお、トーリックレンズ１８０の射出面１８４を第１のトロイダル面１８４と呼ぶこともある。重畳レンズ１７０Ａの入射面１７２を第２のトロイダル面１７２と呼び、射出面１７４を重畳レンズ面１７４と呼ぶこともある。
【００４７】
図３は、トーリックレンズ１８０の第１のトロイダル面１８４および重畳レンズ１７０Ａの第２のトロイダル面１７２の機能について示す説明図である。なお、説明を容易にするため、重畳レンズ１７０Ａを第２のトロイダル面１７２に相当する平凸レンズと、重畳レンズ面１８４に相当する平凸レンズとに分けて示している。
【００４８】
図３（Ａ）に示すように、従来の照明光学系１００のように、第１および第２のトロイダル面が設けられていない場合において、第１のレンズアレイ１４０の各第１の小レンズ１４０ｓから射出される部分光線束が照明するｘ方向の照明サイズをＤａとする。図３（Ｂ）に示すように、トーリックレンズ１８０の第１のトロイダル面１８４は光を発散する機能を有しているので、各第１の小レンズ１４０ｓから射出される部分光線束が照明するｘ方向の照明サイズＤａ’は、照明サイズＤａよりも大きくすることができる。また、ｙ方向の照明サイズも、ｘ方向の照明サイズと同様に大きくすることができる。
【００４９】
ここで、トロイダル面は、ｘ方向とｙ方向の曲率が異なる円環面を有しているので、ｘ方向およびｙ方向の曲率を変化させることによりｘ方向とｙ方向の照明サイズを変化させることが可能である。従って、本実施例の照明光学系１００Ａでは、トーリックレンズ１８０の第１のトロイダル面１８４および重畳レンズ１７０Ａの第２のトロイダル面１７２を調整することにより、従来例における照明光学系１００における４：３の第１のアスペクト比を有する従来の照明領域の形状を、１６：９の第２のアスペクト比を有する照明領域の形状となるように変換することが可能である。
【００５０】
さらに、重畳レンズ１７０Ａのトロイダル面１７２は以下に示すように設定されている。
【００５１】
トーリックレンズ１８０に入射する部分光線束の中心軸（主光線）は、システム光軸１０００ａｘ上に一致していない場合には、トーリックレンズ１８０のトロイダル面１８４によって拡散されるので、システム光軸１０００ａｘに対して平行でなく傾斜することになる。ここで、重畳レンズ面１７４は、平行光を、照明対象、すなわち、液晶ライトバルブの光変調領域の中心（システム光軸１０００ａｘ上の点）で集光するように設定されている。トーリックレンズ１８０から、射出される各部分光線束の中心軸は、システム光軸１０００ａｘに対して傾斜しているので、仮にトロイダル面を有しない従来の重畳レンズ１７０と同様な重畳レンズに入射した場合には、液晶ライトバルブの光変調領域の中心で重畳されないことになる。そこで、重畳レンズ１７０Ａのトロイダル面１７２は、このような各部分光線束の中心軸のずれを補正するような形状および特性を有するように設定されている。
【００５２】
以上説明したように、本実施例のプロジェクタ１０００Ａは、４：３のアスペクト比を有する液晶ライトバルブを用いた従来のプロジェクタ１０００における光学部品、特に照明光学系１００の第１および第２のレンズアレイ１４０，１５０をそのまま利用して、１６：９のアスペクト比を有する液晶ライトバルブを用いたプロジェクタを、照明効率を低下させることなく容易に構成することが可能である。
【００５３】
ここで、トーリックレンズ１８０の第１のトロイダル面１８４と、重畳レンズ１７０Ａの第２のトロイダル面１７２とに対応する２つのトーリックレンズを、重畳レンズの射出面側に配置することも考えられるが、このように配置した場合、トロイダル面の曲率が大きくなり、レンズが厚くなる。上記実施例のように配置すれば、トロイダル面の曲率を小さくすることができるため、レンズを薄くすることができ、レンズが軽くなり、レンズを製造しやすいという有利な点がある。
【００５４】
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。
【００５５】
（１）上記実施例では、照明光学系１００Ａの重畳レンズとして、入射面１７２にトロイダル面を有し、射出面１７４に重畳レンズ面１７４を有するように一体形成された重畳レンズ１７０Ａを備える場合を例に示しているが、トーリックレンズ１８０のトロイダル面１８４によって、上述したように発生する光の中心軸の傾斜を補正して、システム光軸１０００ａｘに平行に戻すような特性を有するトロイダル面を有するトーリックレンズと、従来例の重畳レンズ１７０のような通常の重畳レンズとを２つ配置するようにしてもよい。
【００５６】
（２）上記実施例では、トーリックレンズ１８０を偏光変換光学系１６０と重畳レンズ１７０Ａとの間の光路中に配置した場合を例に説明しているが、光源装置１２０と偏光変換光学系１６０との間の光路中にトーリックレンズ１８０を配置することも可能である。
【００５７】
図４は、変形例としての照明光学系１００Ｂを示す説明図である。この照明光学系１００Ｂは、トーリックレンズ１８０を第１のレンズアレイ１４０と、第２のレンズアレイ１５０との間の光路中に配置した例を示している。この照明光学系１００Ｂを用いても、実施例と同様に、４：３のアスペクト比を有する液晶ライトバルブを用いた従来のプロジェクタ１０００の光学部品、特に照明光学系１００の第１および第２のレンズアレイ１４０，１５０をそのまま利用して、１６：９のアスペクト比を有する液晶ライトバルブを用いたプロジェクタを、照明効率を低下させることなく容易に構成することが可能である。ただし、トーリックレンズ１８０のトロイダル面１８４および重畳レンズ１７０Ａのトロイダル面１７２の形状や特性は、トーリックレンズ１８０の配置位置の変更に伴って、適宜変更する必要があり、以下の変形例においても同様である。
【００５８】
なお、この変形例の照明光学系１００Ｂでは、トーリックレンズ１８０を、第１のレンズアレイ１４０と第２のレンズアレイ１５０との間に配置する場合を例に説明しているが、光源装置１２０と第１のレンズアレイ１４０との間、あるいは、第２のレンズアレイ１５０と偏光変換光学系１６０との間に配置するようにしてもよい。
【００５９】
図５は、別の変形例としての照明光学系１００Ｃを示す説明図である。この照明光学系１００Ｃは、変形例の照明光学系１００Ｂにおける第１のレンズアレイ１４０とトーリックレンズ１８０とを一体形成し、一体形成されたレンズアレイ１４０Ｃの第１の小レンズ１４０ｓの形成面を光の入射面側とし、トロイダル面１４４を光の射出面側として配置した例を示している。
【００６０】
この照明光学系１００Ｃでは、第１のレンズアレイ１４０をそのまま利用することができない。しかしながら、第１のレンズアレイ１４０Ｃは、第１のレンズアレイ１４０におけ第１の小レンズ１４０ｓが形成されている面とは反対の平らな面をトロイダル面とすることにより容易に構成できるので、１６：９のアスペクト比を有する小レンズによるレンズアレイを新たに設計して製造する場合に比べて容易に設計して製造することが可能である。
【００６１】
図６は、さらに別の変形例としての照明光学系１００Ｄを示す説明図である。この照明光学系１００Ｄは、照明光学系１００Ｂにおける第２のレンズアレイ１５０とトーリックレンズ１８０とを一体形成し、一体形成されたレンズアレイ１５０Ｄの第２の小レンズ１５０ｓの形成面を光の射出面側とし、トロイダル面１５２を光の入射面側として配置した例を示している。
【００６２】
この照明光学系１００Ｄにおいては、第２のレンズアレイ１５０をそのまま利用することができない。しかしながら、照明光学系１００Ｃと同様に、第２のレンズアレイ１５０Ｄは、第２のレンズアレイ１５０における第２の小レンズ１５０ｓが形成されている面とは反対の平らな面をトロイダル面とすることにより容易に構成できるので、１６：９のアスペクト比を有する小レンズによるレンズアレイを新たに設計して製造する場合に比べて容易に設計して製造することが可能である。
【００６３】
なお、上記変形例１００Ｃおよび１００Ｄのように、第１のレンズアレイ１４０または第２のレンズアレイ１５０と、トーリックレンズ１８０とを一体形成するのではなく、第１のレンズアレイ１４０または第２のレンズアレイ１５０の平らな面とトーリックレンズ１８０の平らな面とを光学接着剤によって貼り合わせるようにしてもよい。
【００６４】
（３）上記実施例および各変形例の照明光学系における各レンズの向きは、それぞれ別々に反対向きに配置するようにしてもよい。
【００６５】
（４）上記実施例および各変形例では、第１のアスペクト比アが４：３で第２のアスペクト比が１６：９である場合を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、種々の異なった第１のアスペクト比と第２のアスペクト比に対して、本発明を適用することが可能である。
【００６６】
（５）上記実施例では、透過型の液晶ライトバルブを用いたプロジェクタを例に説明しているが、反射型の液晶ライトバルブを用いた場合にも本発明を適用することが可能である。
【００６７】
また、液晶ライトバルブを用いたプロジェクタだけでなく、他の電気光学装置、例えば、ＤＭＤ（ディジタル・マイクロミラー・デバイス：ＴＩ社の商標）を用いたプロジェクタ等にも本発明を適用することが可能である。
【００６８】
（６）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本発明を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の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２】照明光学系１００Ａを拡大して示す説明図である。
【図３】トーリックレンズ１８０の第１のトロイダル面１８４および重畳レンズ１７０Ａの第２のトロイダル面１７２の機能について示す説明図である。
【図４】変形例としての照明光学系１００Ｂを示す説明図である。
【図５】別の変形例としての照明光学系１００Ｃを示す説明図である。
【図６】さらに別の変形例としての照明光学系１００Ｄを示す説明図である。
【図７】従来の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８】図７の照明光学系１００を拡大して示す説明図である。
【図９】図８の偏光変換素子アレイ１６０Ａを拡大して示す説明図である。
【図１０】４：３のアスペクト比を有する照明領域と、１６：９のアスペクト比を有する液晶ライトバルブの光変調領域との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１０００…プロジェクタ
１０００Ａ…プロジェクタ
１０００ａｘ…システム光軸
１００…照明光学系
１００Ａ…照明光学系
１００Ｂ…照明光学系
１００Ｃ…照明光学系
１００Ｄ…照明光学系
１２０…光源装置
１２２…ランプ（放電灯）
１２４…リフレクタ
１４０…第１のレンズアレイ
１４０ｓ…第１の小レンズ
１４０Ｃ…レンズアレイ
１４４…トロイダル面
１５０…第２のレンズアレイ
１５０ｓ…小レンズ
１５０Ｄ…第２のレンズアレイ
１５２…トロイダル面
１６０…偏光変換光学系
１６０Ａ…偏光変換素子アレイ
１６２…遮光板
１６２ａ…開口面
１６２ｂ…遮光面
１６４…偏光ビームスプリッタアレイ
１６４ａ…偏光分離膜
１６４ｂ…反射膜
１６４ｃ…ガラス材
１６６…λ／２位相差板
１７０…重畳レンズ
１７０Ａ…重畳レンズ
１７２…入射面（トロイダル面）
１７４…射出面（重畳レンズ面）
１８０…トーリックレンズ
１８２…入射面
１８４…射出面（トロイダル面）
３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…液晶ライトバルブ
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
４１０…誘電体多層膜
４２０…誘電体多層膜
５００…投写レンズ（投写光学系）
Claims (6)
- 照明光学系であって、
光源装置と、
前記光源装置から射出された光線束を複数の部分光線束に分割するために、第１のアスペクト比を有する複数の第１の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
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、
前記第１および第２のレンズアレイを介して入射する複数の部分光線束を、第２のアスペクト比を有する所定の領域上で重畳する重畳レンズと、
前記光源装置から前記重畳レンズの光の入射面までの光路中に設けられた第１のトロイダル面と、前記第１のトロイダル面から前記重畳レンズの光の射出面までの光路中に設けられた第２のトロイダル面とで構成され、前記所定の領域上を照明する光の照明領域のアスペクト比を、前記第１のアスペクト比から前記第２のアスペクト比に変換するための光学系と、を備える、
照明光学系。 - 前記第１のトロイダル面を有するトーリックレンズを前記光源装置から前記重畳レンズの光の入射面までの光路中に備える請求項１記載の照明光学系。
- 前記第１のトロイダル面は、前記第１のレンズアレイにおける前記複数の第１の小レンズが形成されている面とは反対の面に形成されている、請求項１記載の照明光学系。
- 前記第１のトロイダル面は、前記第２のレンズアレイにおける前記複数の第２の小レンズが形成されている面とは反対の面に形成されている、請求項１記載の照明光学系。
- 前記第２のトロイダル面は、前記重畳レンズにおける光の入射面に形成されている、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。
- 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５のいずれかに記載の照明光学系と、
前記所定の領域として、前記第２のアスペクト比の光変調領域を有し、前記光変調領域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。
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|---|---|---|---|---|
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-
2002
- 2002-07-29 JP JP2002219874A patent/JP2004061848A/ja not_active Withdrawn
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