JP2007078951A - 光学系および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 第１および第２レンズアレイを有する光学系において、光の利用効率をより高くする。
【解決手段】 光学系は、光源からの光束を複数に分割して集光する複数の第１レンズセル１０３ａを有する第１レンズアレイ１０３と、該第１レンズアレイにより分割された複数の光束に対応する複数の第２レンズセル１０４ａを有する第２レンズアレイ１０４とを有する。該複数の第１レンズセル１０３ａのうち少なくとも１つの第１レンズセルによる集光位置を、該第１レンズセルの光軸を含み互いに直交する２つの断面において互いに異ならせている。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、光源からの光束を複数のレンズセルにより分割して集光する第１のレンズアレイと、該第１のレンズアレイに対応する複数のレンズセルを有する第２レンズアレイとを有する光学系に関する。また、本発明は、液晶パネル等の画像形成素子を照明するのに好適な光学系および該光学系を有する画像投射装置に関する。

液晶パネルなどの画像形成素子により画像変調された光束を投射レンズによってスクリーン等の投射面に拡大投射するプロジェクタ（画像投射装置）には、低消費電力で明るい画像を提示できることが重要である。

このようなプロジェクタに従来用いられている照明光学系は、例えば図６Ａおよび図６Ｂのように構成されている。図６Ａおよび図６Ｂにおいて、光源１から射出した光束は、放物面リフレクタ２によって略平行光束に変換されて射出される。この平行光束は、第１フライアイレンズ（小さな球面レンズが２次元的に配列されたレンズアレイ）３によって分割され、各分割光束は集光される。各分割光束は第２フライアイレンズ４の近傍に集光され、２次光源像を形成する。

これらのフライアイレンズ３，４を構成する各小レンズは、被照明面である液晶パネルと相似形状をした矩形レンズ形状を有する。

第２フライアイレンズ４を射出した複数の分割光束は、偏光変換素子５によって偏光方向が揃えられた後、コンデンサーレンズ６によって集光され、不図示の色分解合成系を経て液晶パネル７を重畳的に照明する。

低消費電力で明るいプロジェクタを達成するためには、照明光学系において、光源からの光束を効率良く液晶パネル面に転送することが重要である。この光束の転送効率を一般に照明効率と呼ぶ。

上記のようなフライアイレンズ３，４を用いた照明光学系においては、第２フライアイレンズ４の各小レンズおよび偏光変換素子５における光束通過の効率が照明効率に最も影響する。

これは、２次光源像を形成した光束のうち、第２フライアイレンズ４や偏光変換素子５の有効領域に入射しない成分はパネル面に到達できないからである。

図７には、このことを概念的に示している。図７では、一定の大きさを有する２次光源像に対して、第２フライアイレンズ４を構成するレンズセルの有効領域（開口）と偏光変換素子５の有効領域（入射開口）とを光軸方向に重ねて示している。

図７において、第２フライアイレンズ４の小レンズの有効領域からはみ出した光束成分は、最終的に液晶パネルに入射しない。したがって、照明効率が低下する。また、偏光変換素子５の有効領域に入射しない光束成分は、偏光変換後の有効な直線偏光にならず、その結果、液晶パネルに到達する前に不図示の偏光板によって吸収される。したがって、照明効率が低下する。なお、図６Ａ，６Ｂおよび図７に示すように、偏光変換素子５における有効入射領域外の部分に、アルミ板などで遮光部を設ける場合もあるが、この遮光部によって光束の一部が遮断されることによっても、同様に照明効率が低下する。

このような照明効率の低下、つまりは光束のロスは、２次光源像が大きい照明光学系、例えばＦナンバーの暗い（パネル面への集光角が小さい）照明光学系や、被照明面である液晶パネルが小型である場合等でより大きくなる。

これを改善するために、特許文献１には、第１フライアイレンズの各小レンズを偏心させることによって２次光源像の重心位置を移動させ、偏光変換素子での光束ロスを低減させる方法が開示されている。

また、第２フライアイレンズの中央のレンズをトーリックレンズとして、輝度むらや色むらを低減し、パネル面での明るさの均一化を図った照明光学系が、特許文献２に開示されている。
特開平１１−１８３８４８号公報（段落００３７〜００４１、図６） 特開平１０−２０３９９号公報（段落００１６）

しかしながら、最近では、プロジェクタに対してより高輝度化の要望が強い。したがって、より高出力の光源を使用する傾向がある。この結果、２次光源像が形成される位置の近傍は非常に高温となり、薄膜やフィルムなどを用いて構成されている偏光変換素子の冷却が不可欠となる。このため、第２フライアイレンズと偏光変換素子との間に冷却風を通すための一定以上の間隔を空ける必要がある。
したがって、第２フライアイレンズと偏光変換素子との間の距離が離れてしまい、第１レンズアレイによる２次光源の形成位置（集光位置）を第２フライアイレンズの近傍とすれば偏光変換素子での光束ロスが増加する。また、２次光源像の形成位置を偏光変換素子の近傍とすれば、第２フライアイレンズでの光束ロスが増加する。

この場合に、特許文献１にて開示された方法を採用しても、光束ロスを十分に低減することは難しい。また、特許文献２にて開示されたようにトーリックレンズを中央部に用いるだけでは、光束ロスを低減することができない。

本発明は、第１および第２レンズアレイを有する光学系であって、光の利用効率をより高くすることができる光学系を提供することを目的の１つとしている。

本発明の一側面としての光学系は、光源からの光束を複数に分割して集光する複数の第１レンズセルを有する第１レンズアレイと、該第１レンズアレイにより分割された複数の光束に対応する複数の第２レンズセルを有する第２レンズアレイとを有する。そして、該複数の第１レンズセルのうち少なくとも１つの第１レンズセルによる集光位置を、該第１レンズセルの光軸を含み互いに直交する２つの断面において互いに異ならせたことを特徴とする。

また、本発明の他の側面としての光学系は、光源からの光束を複数に分割して集光する複数の第１レンズセルを有する第１レンズアレイと、該第１レンズアレイにより分割された複数の光束に対応する複数の第２レンズセルを有する第２レンズアレイとを有する。そして、該複数の第１レンズセルのうち少なくとも１つの第１レンズセルの焦点距離を、該第１レンズセルの光軸を含み互いに直交する２つの断面において互いに異ならせたことを特徴とする。

本発明によれば、第１レンズアレイにより形成される２次光源像の形状を最適化して、光の利用効率が高い光学系を実現できる。そして、このような光学系を、画像形成素子を照明する光学系として用いることにより、より明るい画像を投射可能な画像投射光学系又は画像投射装置を提供することができる。

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。

図１Ａおよび図１Ｂには、本発明の実施例１である照明光学系の構成を示している。この照明光学系は、後の実施例２で説明するプロジェクタ（画像投射装置）に用いられるものである。

図１Ａおよび図１Ｂにおいて、１０１は光源としての発光管、１０２は放物面リフレクタである。１０３は第１フライアイレンズであり、複数の第１レンズセル１０３ａが２次元方向に配列されて構成されている。本実施例では、各第１レンズセル１０３ａをトーリックレンズにより構成している。これについては後に詳しく説明する。

１０４は第２フライアイレンズであり、第１フライアイレンズ１０３の複数の第１レンズセル１０３ａに対応する複数の第２レンズセル１０４ａが２次元方向に配列されて構成されている。本実施例では、各第２レンズセル１０４ａを球面レンズにより構成している。

１０５は偏光変換素子である。偏光変換素子１０５は、図１Ａに示すように、偏光分離面１０５ａ、１／２波長板１０５ｂおよび反射面１０５ｃを有している。

なお、図１Ａおよび図１Ｂには示していないが、偏光変換素子１０５から射出された光束の進行方向に離れた位置には、コンデンサーレンズが配置されている。

ここでは、照明光学系の光軸、すなわち第１および第２フライアイレンズ１０３，１０４の中央のレンズセル１０３ａ，１０４ａの中心を通って、さらにコンデンサーレンズの中心を通る光線の進む光路をＺ軸とし、このＺ軸が延びる方向をＺ方向とする。また、偏光変換素子１０５の偏光分離面１０５ａが複数配列された方向をＹ方向とし、照明光学系のＹＺ断面での構成を図１Ａに示す。さらに、Ｚ方向およびＹ方向に直交する方向をＸ方向とし、照明光学系のＹＺ断面に直交するＸＺ断面での構成を図１Ｂに示している。

発光管１０１から発せられた光束は、放物面リフレクタ１０２によって略平行光束に変換されて射出される。この平行光束は、第１フライアイレンズ１０３によって分割され、各分割光束は集光されて２次光源像を形成するとともに、第２フライアイレンズ１０４に入射する。

なお、各フライアイレンズ１０３，１０４を構成する各レンズセル１０３ａ，１０４ａは、照明対象物（被照明面）である液晶パネル（図１Ａ，１Ｂでは図示せず）と相似形状をした矩形レンズ形状を有する。

第２フライアイレンズ１０４から射出した複数の分割光束は、各光束の列に対応した入射開口を通って偏光分離面１０５ａに入射する。各入射開口のＹ方向両側には、遮光板１０５ｄが配置されている。偏光分離面１０５ａでは、透過するＰ偏光成分と反射するＳ偏光成分とに分割される。反射したＳ偏光成分は反射面１０５ｃで反射し、Ｐ偏光成分と同じ方向に射出する。一方、透過したＰ偏光成分の光は、１／２波長板１０５ｃを透過してＳ偏光に変換される。これにより、偏光方向が揃った光が偏光変換素子１０５から射出する。

偏光変換素子１０５から射出した複数の分割光束は、コンデンサーレンズによって集光され、不図示の色分解合成系を経て液晶パネルを重畳的に照明する。

ここで、光源として高出力発光管１を使用する際には、第２フライアイレンズ１０４と偏光変換素子１０５との間に、冷却風ＣＡを通すための所定幅の間隔を空けることが必要である。この場合に、第１フライアイレンズ１０３（各第１レンズセル１０３ａ）による分割光束の集光位置を、ＹＺ断面およびＸＺ断面の双方において偏光変換素子１０５の近傍にすると、第２フライアイレンズ１０４の第２レンズセル１０４ａの開口（有効領域）に入射できない光束が増加する。また、両断面において、集光位置を第２フライアイレンズ１０４の近傍にすれば、偏光変換素子１０５の遮光板１０５ｄでカットされる光束が増加する。

このため、本実施例では、第１フライアイレンズ１０３の各第１レンズセル１０３ａを図２に示すように形状設定をしている。図２において、Ｃは第１レンズセル１０３ａの光軸（中心軸）を示している。図２における中央の図は、第１レンズセル１０３ａの光軸方向視での形状を示しており、前述したように矩形形状である。また、図２の右側の図は、該第１レンズセル１０３ａのＹＺ断面の形状を、下側の図はＸＺ断面の形状をそれぞれ示している。

ここで、第１レンズセル１０３ａは、ＹＺ断面での曲率半径ＲｙがＸＺ断面での曲率半径Ｒｘよりも大きいトーリックレンズとして形成されている。このため、該第１レンズセル１０３ａによるＹＺ断面での集光位置（２次光源像の形成位置）は、ＸＺ断面での集光位置よりもＺ＋方向にずれる。言い換えれば、第１レンズセル１０３ａのＹＺ断面での焦点距離が、ＸＺ断面での焦点距離よりも長い。

そして、本実施例では、ＸＺ断面での第１レンズセル１０３ａによる集光位置が第２フライアイレンズ１０４の近傍になるように第１レンズセル１０３ａのＸＺ断面での焦点距離を設定している。また、ＹＺ断面での第１レンズセル１０３ａによる集光位置が、ＸＺ断面における集光位置よりも偏光変換素子１０５に近い位置（Ｚ＋方向の位置）となるように、第１レンズセル１０３ａのＹＺ断面での焦点距離を設定している。偏光変換素子１０５に近い位置には、偏光変換素子１０５の内部（例えば、偏光変換素子１０５の入射開口から偏光分離面１０５ａまでの間）の位置を含む。

このときの各集光位置での光源像と偏光変換素子１０５の入射開口（有効領域）および第２フライアイレンズ１０４を構成する第２レンズセル１０４ａの開口（有効領域）との関係を図３Ａに概念的に示す。

図３Ａに示すように、偏光変換素子１０５の入射開口は、遮光板１０５ｄによって仕切られたＹ方向での開口幅が、Ｘ方向の開口幅よりも狭い。しかし、前述した第１レンズセル１０３ａの形状設定により、２次光源像はＹ方向に圧縮された形状に形成される。このため、第１レンズセル１０３ａから第２レンズセル１０４ａを介して偏光変換素子１０５に向かう光束は、ほとんど遮られることなく偏光変換素子１０５の入射開口に入射することができる。つまり、偏光変換素子１０５での光束ロスを少なくすることができる。

また、図３Ｂに示すように、第２レンズセル１０４ａの開口は、液晶パネル面の形状に合わせて、Ｘ方向での開口幅が、Ｙ方向の開口幅よりも狭い。しかし、前述した第１レンズセル１０３ａの形状設定により、２次光源像は第２レンズセル１０４ａの開口に収まるように形成される。このため、第２レンズセル１０４ａでの光束ロスを少なくすることができる。

このように、本実施例では、偏光変換素子１０５や第２フライアイレンズ１０４での光束ロスを低減するように、第１フライアイレンズ１０３を構成する各第１レンズセル１０３ａによって形成される２次光源像の形状を最適化している。したがって、光の利用効率が従来に比べてより高い照明光学系を実現できる。

ここで、第１レンズセル１０３ａのＹＺ断面での焦点距離ｆｙとＸＺ断面での焦点距離ｆｘとが以下の式（１）を満たすように曲率半径Ｒｘ，Ｒｙを設定するのが望ましい。

Ｌ／２＜｜ｆｘ−ｆｙ｜＜２Ｌ …（１）
但し、Ｌは、図４に示すように、各第２レンズセル１０４ａのレンズ面頂点と偏光変換素子１０５の入射開口との間の距離である。

｜ｆｘ−ｆｙ｜が（１）式の下限値を下回ると、焦点距離の差が小さすぎて上記効果がほとんど見込めなくなり、好ましくない。また、｜ｆｘ−ｆｙ｜が（１）式の下限値を上回ると、焦点距離の差が大きすぎて２次光源像の最適な形状から外れてしまうため、好ましくない。

なお、本実施例では、第２フライアイレンズ１０４の各第２レンズセル１０４ａが偏光変換素子１０５側に凸の形状を有する場合について説明したが、第２レンズセルが第１フライアイレンズ１０３側に凸の形状を有するようにしてもよい。

また、本実施例では、第１フライアイレンズ１０３を構成するすべての第１レンズセル１０３ａをトーリックレンズとした場合について説明したが、本発明では、複数の第１レンズセルのうち少なくとも１つがトーリックレンズである場合を含む。

また、本実施例では、第１および第２レンズアレイとして、第１および第２フライアイレンズ１０３，１０４を用いた場合について説明したが、本発明は、第１および第２レンズアレイのうち少なくとも一方がフライアイレンズである照明光学系に適用できる。例えば、一方のレンズアレイを、Ｙ方向を母線方向とするシリンドリカルレンズセルを複数有するシリンドリカルレンズアレイとＸ方向を母線方向とするシリンドリカルレンズセルを複数有するシリンドリカルレンズアレイとを組み合わせて構成してもよい。

図５には、実施例１にて説明した照明光学系を用いたプロジェクタの構成例を示している。

本実施例のプロジェクタは、光源ユニット１００と、照明光学系αと、色分解合成光学系βと、反射型液晶パネル（液晶パネル）６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂと、投射レンズ７０とにより構成される。これら光源ユニット４０、照明光学系α、色分解合成光学系β、反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂおよび投射レンズ７０により画像投射光学系が構成される。

図５において、１０１は連続スペクトルで白色光を発光する超高圧水銀ランプ等の発光管、１０２は発光管１０１からの光を反射して所定の方向に集光するリフレクタである。発光管１０１とリフレクタ１０２により光源ユニット１００が構成される。ＡＸＬは照明光学系α、色分解合成光学系βおよび投射レンズ７０の光軸であり、光源ユニット１００からの光の進行方向を示す。

１０３は図５の紙面（ＹＺ断面）とこれに直交する断面のそれぞれにおいて屈折力を有する複数の第１レンズセルにより構成された第１フライアイレンズである。１０４は第１フライアイレンズ１０３の個々の第１レンズセルに対応した複数の第２レンズセルを有する第２フライアイレンズである。

１０８は紫外線吸収フィルタ、１０５は無偏光光を所定の偏光方向の光に揃える偏光変換素子である。

１０９は光軸ＡＸＬを９０度方向変換するミラーである。１０６はコンデンサーレンズである。以上により照明光学系αが構成される。

５８は青（Ｂ）と赤（Ｒ）の波長領域の光を反射し、緑（Ｇ）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緑用の入射側偏光板であり、Ｓ偏光光のみを透過する。６０はＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第１の偏光ビームスプリッターであり、一対の三角柱形状のガラスブロックの間に偏光分離面（偏光分離膜）を有する。

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赤用の反射型液晶パネル、緑用の反射型液晶パネルおよび青用の反射型液晶パネルである。これら液晶パネルは、画像形成素子や画像変調素子等とも称される。該液晶パネル６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂには、これらを駆動する駆動回路１１０が接続されており、該駆動回路１１０には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤー、ビデオデッキ、テレビチューナー等の画像情報供給装置１２０が接続されている。駆動回路１１０は、画像情報供給装置１２０からの映像（画像）情報を受け、該映像情報に応じて液晶パネル６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂに原画像を形成させる。

６２Ｒ，６２Ｇ，６２Ｂはそれぞれ、赤用の１／４波長板、緑用の１／４波長板、青用の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緑および青用の入射側偏光板であり、Ｓ偏光のみを透過する。

６５は青光の偏光方向を９０度変換し、赤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Ｐ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第２の偏光ビームスプリッターであり、一対の三角柱形状のガラスブロックの間に偏光分離面（偏光分離膜）を有する。６７は赤光の偏光方向を９０度変換し、青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は赤および青用の射出側偏光板（偏光素子）であり、Ｓ偏光光のみを透過する。６９はＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する色合成光学部材としての第３の偏光ビームスプリッターであり、一対の三角柱形状のガラスブロックの間に偏光分離面（偏光分離膜）を有する。

以上説明した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ー６９により色分解合成光学系βが構成される。

次に、上記画像表示光学系の光学的な作用について説明する。発光管１０１から発した光はリフレクタ１０２で反射されて所定の方向に集光される。リフレクタ１０２は放物面形状を有しており、放物面の焦点位置からの光は放物面の対称軸に略平行な光束となる。但し、発光管１０１からの光源は理想的な点光源ではなく有限の大きさを有しているので、集光する光束には放物面の対称軸に平行でない光の成分も多く含まれている。これらの光束は、第１フライアイレンズ１０３に入射する。

第１フライアイレンズ１０３に入射した光束は、複数の第１レンズセルに応じた複数の光束に分割および集光される。そして、該複数の光束は、紫外線吸収フィルタ１０８を通過し、ＹＺ断面では偏光変換素子１０５の近傍し、ＸＺ断面では第２フライアイレンズ１０４の近傍に２次光源像を形成する。

偏光変換素子１０５により偏光方向が揃えられて射出された複数の光束（Ｓ偏光）は、ミラー１０９にて９０度反射され、コンデンサーレンズ１０６によって相互に重ね合わされ、均一な明るさの照明エリアを形成する。この照明エリアに反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂが配置される。

偏光変換素子１０５によりＳ偏光とされた光は、ダイクロイックミラー５８に入射する。ダイクロイックミラー５８は、青（４３０〜４９５ｎｍ）と赤（５９０〜６５０ｎｍ）の光は反射し、緑（５０５〜５８０ｎｍ）の光は透過する。

次に、緑光（以下、Ｇ光という）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光は入射側偏光板５９に入射する。なお、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ー６０に対してＳ偏光として入射し、該第１の偏光ビームスプリッター６０の偏光分離面で反射され、Ｇ用の反射型液晶パネル６１Ｇへと至る。

Ｇ用の反射型液晶パネル６１Ｇにおいては、Ｇ光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧ光（反射光）のうちＳ偏光成分は、再び第１の偏光ビームスプリッター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ー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ー６９に向かう。

ここで、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ー６０とＧ用の反射型液晶パネル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ー６０とＧ用の反射型液晶パネル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ー６０から射出したＧ光は、第３の偏光ビームスプリッター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ー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を反射した赤と青の光（以下、それぞれＲ光、Ｂ光という）は、入射側偏光板６４に入射する。なお、Ｒ光とＢ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ー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ー６６に入射したＲ光は、第２の偏光ビームスプリッター６６の偏光分離面で反射され、Ｒ用の反射型液晶パネル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ー６６に入射したＢ光は、第２の偏光ビームスプリッター６６の偏光分離面を透過してＢ用の反射型液晶パネル６１Ｂへと至る。

Ｒ用の反射型液晶パネル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（反射光）のうちＳ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッター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ー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用の反射型液晶パネル６１Ｂに入射したＢの光は画像変調されて反射される。画像変調されたＢ光（反射光）のうちＰ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッター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の反射光のうちＳ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター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ー６６とＲ用，Ｂ用の反射型液晶パネル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光の場合と同じようにＲ，Ｂ光の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ー６６から射出したＲとＢの投射光のうちＲ光は、第２の色選択性位相板６７によって偏光方向が９０度回転されてＳ偏光成分となり、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ー６９に入射する。

また、Ｂ光はＳ偏光のまま第２の色選択性位相板６７を透過し、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ー６９に入射する。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ー６６とＲ用，Ｂ用の反射型液晶パネル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ー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ー６９の偏光分離面で反射し、前述した該偏光分離面にて反射したＧ光と合成されて投射レンズ７０に至る。これにより、合成されたＲ，Ｇ，Ｂの投射光は、投射レンズ７０によってスクリーンや壁面などの投射面に拡大投影される。

以上説明した光路は、反射型液晶パネルが白表示状態の場合であるため、以下に反射型液晶パネルが黒表示状態の場合での光学的作用について説明する。

まず、Ｇ光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（Ｓ偏光）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ー６０に入射してその偏光分離面で反射され、Ｇ用の反射型液晶パネル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。したがって、反射型液晶パネル６１Ｇで反射された後もＧ光はＳ偏光光のままであり、再び第１の偏光ビームスプリッター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光とＢ光の光路について説明する。ダイクロイックミラー５８を反射したＲ光とＢ光（Ｓ偏光）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光のみその偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＢ光はＰ偏光光として、Ｒ光はＳ偏光光として第２の偏光ビームスプリッター６６に入射する。

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

ここで、Ｒ用の反射型液晶パネル６１Ｒは黒表示状態であるため、Ｒ用の反射型液晶パネル６１Ｒに入射したＲ光は画像変調されないまま反射される。したがって、Ｒ用の反射型液晶パネル６１Ｒで反射された後もＲ光はＳ偏光光のままであり、再び第１の偏光ビームスプリッター６０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。すなわち、被投射面上で黒表示となる。

一方、Ｂ用の反射型液晶パネル６１Ｂに入射したＢ光は、Ｂ用の反射型液晶パネル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。したがって、Ｂ用の反射型液晶パネル６１Ｂで反射された後もＢ光はＰ偏光光のままであり、再び第１の偏光ビームスプリッター６０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。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本実施例では、反射型液晶パネルを用いた画像投射装置について説明したが、本発明は、透過型液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイスを用いた画像投射装置にも適用することができる。

本発明の実施例１である照明光学系の構成を示すＹＺ断面図。 実施例１の照明光学系の構成を示すＸＺ断面図。 実施例１の第２フライアイレンズを構成するレンズセルの３面図。 実施例１における２次光源像と偏光変換素子の入射開口との関係を示した概念図。 実施例１における２次光源像と第２フライアイレンズの開口との関係を示した概念図。 実施例１における第２フライアイレンズと偏光変換素子との距離を示す図。 本発明の実施例２である画像投射装置の構成を示すＹＺ断面図。 従来の照明光学系のＹＺ断面図。 従来の照明光学系のＸＺ断面図。 従来の照明光学系における２次光源像と偏光変換素子の入射開口および第２フライアイレンズの開口との関係を示した概念図。

符号の説明

１０１ 発光管
１０２ リフレクタ
１０３ 第１フライアイレンズ
１０４ 第２フライアイレンズ
１０５ 偏光変換素子
１０６ コンデンサーレンズ
６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂ 液晶パネル

Claims (11)

1. 光源からの光束を複数に分割して集光する複数の第１レンズセルを有する第１レンズアレイと、
   該第１レンズアレイにより分割された複数の光束に対応する複数の第２レンズセルを有する第２レンズアレイとを有し、
   前記複数の第１レンズセルのうち少なくとも１つの第１レンズセルによる集光位置が、該第１レンズセルの光軸を含み互いに直交する２つの断面において互いに異なることを特徴とする光学系。
2. 前記第２レンズアレイから射出した無偏光の光束を所定の偏光方向の光束に変換する偏光変換素子を有し、
   該偏光変換素子における前記２つの断面のうち第１断面での入射開口幅が第２断面での入射開口幅よりも狭く、
   前記少なくとも１つの第１レンズセルによる前記第１断面での集光位置が、前記第２断面での集光位置よりも前記偏光変換素子に近い位置にあることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記第１断面での集光位置が、前記偏光変換素子の内部にあることを特徴とする請求項２に記載の光学系。
4. 光源からの光束を複数に分割して集光する複数の第１レンズセルを有する第１レンズアレイと、
   該第１レンズアレイにより分割された複数の光束に対応する複数の第２レンズセルを有する第２レンズアレイとを有し、
   前記複数の第１レンズセルのうち少なくとも１つの第１レンズセルの焦点距離が、該第１レンズセルの光軸を含み互いに直交する２つの断面において互いに異なることを特徴とする光学系。
5. 前記第２レンズアレイから射出した無偏光の光束を所定の偏光方向の光束に変換する偏光変換素子を有し、
   該偏光変換素子における前記２つの断面のうち第１断面での入射開口幅が第２断面での入射開口幅よりも狭く、
   前記少なくとも１つの第１レンズセルの前記第１断面での焦点距離が、前記第２断面での焦点距離よりも長いことを特徴とする請求項４に記載の光学系。
6. 前記第２レンズアレイから射出した無偏光の光束を所定の偏光方向の光束に変換する偏光変換素子を有し、以下の条件を満足することを特徴とする請求項４又は５に記載の光学系。
   Ｌ／２＜｜ｆｘ−ｆｙ｜＜２Ｌ
   但し、Ｌは前記各第２レンズセルのレンズ面頂点と前記偏光変換素子との間の距離、ｆｘは前記２つの断面のうち第１断面での前記少なくとも１つの第１レンズセルの焦点距離、ｆｙは前記２つの断面のうち第２断面での該第１レンズセルの焦点距離である。
7. 前記少なくとも１つの第１レンズセルがトーリックレンズであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の光学系。
8. 前記第１レンズアレイおよび前記第２レンズアレイのうち少なくとも一方において、複数のレンズセルが２次元方向に配列されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の光学系。
9. 請求項１から８のいずれか１つに記載の光学系と、
   該光学系からの光束により照明される画像形成素子と、
   該画像形成素子からの光束を投射面に投射する光学系とを有することを特徴とする画像投射光学系。
10. 請求項９に記載の画像投射光学系を有することを特徴とする画像投射装置。
11. 請求項１０に記載の画像投射装置と、
    該画像投射装置に画像情報を供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。