JP2007079054A - 光学系および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光源からの光束を光分離面に導く場合において、光分離面での漏れ光の発生を極力少なくしながらも、光源からの光の利用効率を高める。
【解決手段】 光学系は、光源１からの光束を、該光学系の中心軸Ｃに対して傾斜した光分離面１４に導く光学系であり、該光束の一部が光分離面に到達することを制限する光束制限部材１２を有する。光束制限部材は、該中心軸を含み、該中心軸と光分離面の法線ｎとを含む第１の面に直交する第２の面に対して非対称な形状を有する。
【選択図】 図２Ｂ

Description

本発明は、画像投射装置等に用いられ、光源からの光束を光分離面に導く光学系に関する。

画像投射装置は、液晶パネル等の画像形成素子によって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して投射する。このような画像投射装置では、投射面に投射された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。

従来の画像投射装置（例えば、特許文献１参照）において、画像形成素子に照明光を導く照明光学系は、光源と、該光源から射出した光束を反射して略平行光束とする放物面リフレクタとを有する。該平行光束は、微小な球面レンズが２次元的に複数配列された第１のフライアイレンズによって分割および集光される。

これら複数の分割光束は、第１のフライアイレンズを構成する複数のレンズに対応する複数のレンズが設けられた第２のフライアイレンズの近傍に複数の２次光源像を形成する。これら第１および第２のフライアイレンズを構成するレンズは、被照明面である液晶パネルと相似な矩形形状を有する。

さらに、第２のフライアイレンズを射出した複数の分割光束は、コンデンサレンズによって集光され、色分解光学系を経て液晶パネルを重畳的に照明する。色分解光学系には、光軸に対して傾いて配置された色分離面としてのダイクロイック膜や偏光分離膜等の光学膜が用いられる。
特開２００４−１２６４９６号公報

このような画像投射装置においては、光源から射出された光の利用効率を高めるために、光源からの光束を大きな角度で集光する光学系が用いられることが多い。この場合、光学膜に入射する光束の角度分布が大きくなる。

しかしながら、上述したように、光線の入射角度によって特性が変化しやすい光学膜を色分解光学系に用いた場合に、いわゆる漏れ光（例えば、本来、光分離面で反射されるはずの光であるが、光分離面を透過してしまう光）が発生する。この結果、投射画像に色むら、明るさむらが発生したり、画像のコントラストが低下したりする。すなわち、画質の劣化が発生する。

本発明は、光源からの光束を光分離面に導く場合において、光分離面での漏れ光の発生を極力少なくしながらも、光源からの光の利用効率を高められるようにした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、該光学系の中心軸に対して傾斜した光分離面に導く光学系であり、該光束の一部が光分離面に到達することを制限する光束制限部材を有する。そして、光束制限部材は、該中心軸を含み、該中心軸と光分離面の法線とを含む第１の面に直交する第２の面に対して非対称な形状を有することを特徴とする。

本発明によれば、光束制限部材を光学系の中心軸を含む面に対して非対称形状としたので、該中心軸を挟んだ一方の領域の光束のうち光分離面で漏れ光となり易い角度成分を遮断できるとともに、他方の領域の光束を十分に光分離面に到達させることができる。したがって、光分離面での漏れ光の発生を極力少なくしながらも、光源からの光の利用効率を高めることができる。

そして、このような光学系を画像投射用の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、画像形成素子を均一な明るさで照明でき、色むらや明るさむらが少なく、高いコントラストを有する投射画像を得ることができる。

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には、本発明の実施例１である照明光学系の概略構成を示している。図１において、１は発光管、２は発光管１から発せられた光束を反射して略平行光束に変換するリフレクタである。以下、発光管１およびリフレクタ２をまとめて光源ともいう。

１３は光源（リフレクタ２）からの無偏光な照明光束を所定の偏光方向Ｓを有する直線偏光に変換する偏光変換素子である。１２は偏光変換素子１３から射出した照明光束のうち一部を遮断する光束制限部材としての絞りである。

１０は多層膜により形成された偏光分離面１４を有する偏光ビームスプリッタである。偏光分離面１４は、絞り１２を通過した照明光束のうち上記偏光方向Ｓを有する偏光光を反射し、該偏光方向Ｓに直交する偏光方向Ｐを有する偏光光を透過する。１１は偏光分離面１４で反射された照明光束により照明される画像形成素子としての反射型液晶パネルである。偏光分離面１４での照明光束の反射方向は、液晶パネル１１の短辺方向である。

反射型液晶パネル１１は、入射した照明光束を反射するとともに画像変調し、偏光方向２３を有する画像光束を射出する。画像光束は、偏光分離面１４を透過して、不図示の投射レンズの方向２４に導かれる。

Ｃは該照明光学系の中心軸を示し、本実施例では、照明光学系の光軸ＡＸＬに一致する。中心軸Ｃについては後述する。ｎは偏光分離面１４の法線である。

図２Ａおよび図２Ｂには、上記照明光学系のより詳しい構成を示している。図２Ａおよび図２Ｂには、図１に示した照明光学系を、該照明光学系の中心軸Ｃに沿って展開した断面を示している。

ここで、本実施例では、中心軸Ｃが延びる方向、すなわち光束の進行方向をｚ方向とし、該中心軸Ｃと偏光分離面１４の法線ｎを含む断面をｘｚ断面（第１の面）とする。ｘ方向（第２の方向）は、該ｘｚ断面に平行で、かつ中心軸Ｃに直交する方向であり、液晶パネル１１の短辺方向に対応する方向である。図２Ｂには、照明光学系のｘｚ断面を示している。

また、本実施例では、ｘｚ断面および中心軸Ｃに直交する方向をｙ方向（第１の方向）とする。ｙｚ断面（第２の面）は、中心軸Ｃを含み、ｘｚ断面に直交する断面である。図２Ａには、照明光学系のyｚ断面を示している。

なお、図２Ａおよび図２Ｂでは、図１に示した偏光変換素子１３を省略している。

図２Ｂに示すｘｚ断面では、図２Ａに示すｙｚ断面に比べて、偏光分離面１４および液晶パネル１１に対する照明光束の入射角度分布は狭くなっている。

発光管１から放射状に射出した光束は、放物反射面を有するリフレクタ２によって略平行光束に変換される。この略平行光束は、図２Ａに示すように、ｙｚ断面（ｙ方向）において、ａ−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る。ａ−シリンドリカルレンズアレイ３の概略形状を図１１に示す。ａ−シリンドリカルレンズアレイ３の各シリンドリカルレンズ３ａは、各分割光束を集光し、ｂ−シリンドリカルレンズアレイ４の近傍に第１の光源像を形成する。ｂ−シリンドリカルレンズアレイ４には、ａ−シリンドリカルレンズアレイ３に形成された複数のシリンドリカルレンズのそれぞれに対応する複数のシリンドリカルレンズが形成されている。ａ−シリンドリカルレンズアレイ３は、ｂ−シリンドリカルレンズアレイ４を構成する複数のシリンドリカルレンズに対応する位置に、複数の第１の光源像を形成する。

本実施例において、ａ−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る複数の第１の光源像を図５Ａに示す。この図５Ａは、ｚ方向から見たときの第１の光源像の様子を示している。図５Ａにおいて、ｙｚ断面（ｙ方向）を一点鎖線で示す。また、ｙ方向における第１の光源像が形成される領域の幅をＷ１とする。なお、Ｗ１は、ｙｚ断面と平行な様々な断面で照明光学系を切断したときに得られる第１の光源像の幅のうち最大幅を示す。

ａ，ｂ−シリンドリカルレンズアレイ３，４は、ｙｚ断面においてのみ屈折力を有するため、該ｙｚ断面に直交するｘｚ断面においては、光束に実質的に影響を与えることはない。

ｂ−シリンドリカルレンズアレイ４から射出した照明光束は、圧縮光学系としてのアフォーカル光学系５に入射する。アフォーカル光学系５は、ｂ−シリンドリカルレンズアレイ４からの平行光束を、ｘｚ断面（ｘ方向）において、その光束径を狭めつつ、平行光束として射出させる光学系である。

アフォーカル光学系５から射出した照明光束は、ｃ−シリンドリカルレンズアレイ（第１のシリンドリカルレンズアレイ）６に入射する。ｃ−シリンドリカルレンズアレイ６は、ｘｚ断面（ｘ方向）において、照明光束を複数の光束に分割する。ｃ−シリンドリカルレンズアレイ６の各シリンドリカルレンズは、各分割光束を集光し、ｄ−シリンドリカルレンズアレイ（第２のシリンドリカルレンズアレイ）７の近傍に第２の光源像を形成する。ｄ−シリンドリカルレンズアレイ７には、ｃ−シリンドリカルレンズアレイ６に形成された複数のシリンドリカルレンズのそれぞれに対応する複数のシリンドリカルレンズが形成されている。ｃ−シリンドリカルレンズアレイ６は、ｄ−シリンドリカルレンズアレイ７を構成する複数のシリンドリカルレンズに対応する位置に、複数の第２の光源像を形成する。

本実施例において、ｃ−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る複数の第２の光源像を図５Ｂに示す。この図５Ｂは、ｚ方向から見たときの第２の光源像の様子を示している。図５Ｂにおいて、ｘｚ断面（ｘ方向）を一点鎖線で示す。また、ｘ方向における第２の光源像が形成される領域の幅をＷ２とする。なお、Ｗ２は、ｘｚ断面と平行な様々な断面で照明光学系を切断したときに得られる第２の光源像の幅のうち最大幅を示す。

８はｘｚ断面およびｙｚ断面において等しい屈折力を有するコンデンサレンズである。また、９はｘｚ断面においてのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズである。

アフォーカル光学系５と、ｃ，ｄ−シリンドリカルレンズアレイ６，７と、シリンドリカルレンズ９は、ｙｚ断面において屈折力を有していない。したがって、ｂ−シリンドリカルレンズアレイ４を射出した複数の分割光束は、ｙｚ断面においてはこれら光学素子の影響を受けず、コンデンサレンズ８によって集光され、偏光ビームスプリッタ１０を経て、反射型液晶パネル１１を重畳的に照明する。

一方、ｄ−シリンドリカルレンズアレイ７を射出した複数の分割光束は、ｘｚ断面においてコンデンサレンズ８およびシリンドリカルレンズ９の集光作用を受け、偏光ビームスプリッタ１０を経て、反射型液晶パネル１１を重畳的に照明する。

なお、本実施例では、ａ〜ｄ−シリンドリカルレンズアレイ３，４，６，７が奇数個のシリンドリカルレンズを有する。このため、照明光束のうち、ａ〜ｄ−シリンドリカルレンズアレイ６，７の中央のシリンドリカルレンズを通り、さらにコンデンサレンズ８の中心（光軸）を通って液晶パネル１１の有効画像形成領域の中心に垂直に入射する光線が存在する。この中心光線が辿る光路が、照明光学系の中心軸Ｃに一致し、かつ照明光学系の光軸ＡＸＬでもある。

また、ａ，ｂ−シリンドリカルレンズアレイ３，４又はｃ，ｄ−シリンドリカルレンズアレイ６，７が偶数個のシリンドリカルレンズを有する場合には、上記中心光線が存在しない。すなわち、中心光線が通るべき光路上に、シリンドリカルレンズ間の境界が存在することになる。この場合には、コンデンサレンズ８の中心（光軸）から液晶パネル１１の有効画像形成領域の中心に垂直に交わる仮想線が、照明光学系の中心軸Ｃとなる。

なお、ｘ方向は、ａ，ｂ−シリンドリカルレンズアレイ３，４を構成するシリンドリカルレンズの母線が延びる方向であり、ｘｚ断面は、中心軸Ｃを含み、該シリンドリカルレンズの母線方向に平行な面であると言える。

また、ｙ方向は、ｃ，ｄ−シリンドリカルレンズアレイ６，７を構成するシリンドリカルレンズの母線が延びる方向であり、ｙｚ断面は、中心軸Ｃを含み、該シリンドリカルレンズの母線方向に平行な面であると言える。

本実施例では、図２Ｂに示すｘｚ断面における光源から絞り１２を経て偏光分離面１４に至るまでの領域のうち、中心軸Ｃを境とし、中心軸Ｃと偏光分離面１４とが鈍角α（一般には１３５°）をなす側の領域を第１の領域Ａという。また、中心軸Ｃと偏光分離面１４とが鋭角（一般には４５°）をなす側の領域を第２の領域Ｂという
そして、本実施例では、ｃ，ｄ−シリンドリカルレンズアレイ６，７の間に、絞り１２が配置されている。

次に、本実施例における絞り１２の形状について、図３を用いて説明する。図３には、絞り１２をｚ方向から見た様子を示している。絞り１２の開口（絞り開口）１２ａは、ｘ方向の開口幅がｙ方向の開口幅よりも狭い６角形状に形成されている。すなわち、ｘ方向およびｙ方向において、絞り１２における絞り開口１２ａに対する遮光部分の面積割合が、中心軸Ｃから離れるほど大きくなっている。

また、ｘ方向において、絞り開口１２ａの中心ＡＣは、照明光学系の中心軸Ｃに対して前述した第１の領域Ａ側にシフトしている（シフト量をｔで示す）。言い換えれば、絞り１２は、ｘ方向においてｙｚ断面に対して非対称な形状を有する。さらに具体的には、図３において、絞り開口１２ａの第１の領域Ａ側の内端部から照明光学系の中心軸Ｃまでの距離ａと、絞り開口１２ａの第２の領域Ｂ側の内端部から中心軸Ｃまでの距離ｂとの間には、
ａ＞ｂ
の関係がある。

このため、偏光分離面１４に入射する光線の角度分布が、ｘ方向に関して非対称になる。これにより、図４に示すように、絞り１２を設けた照明光学系の瞳Ｐ２の中心Ｐ２Ｃは、絞り１２を設けない照明光学系の瞳Ｐ１の中心Ｐ１Ｃに対して、上記シフト量ｔだけずれる。

言い換えれば、絞り１２がないとした場合に第２の領域Ｂにて中心軸Ｃに対して大きな角度で偏光分離面１４に向かうこととなる光線は、絞り１２によって遮断される。一方、第１の領域Ａにて該遮断される光線と同じ角度を持つ光線は、絞り開口１２ａを通過して、偏光分離面１４に到達する。図５Ｂに示す第２の光源像では、第２の領域Ｂ側の最も外側（上側）の斜線部分Ｄがカットされた形状になっている。

このため、シフト量ｔを第２の領域Ｂを通過する光束のうち偏光分離面１４で漏れ光となり易い成分のみを遮断するように設定すれば、偏光分離面１４での漏れ光の発生を少なくしつつ、液晶パネル１１の照明光量をほとんど低下させないようにすることができる。したがって、コントラストが高く、明るい投射画像を得ることができる。

ここで、シフト量ｔは、以下の条件を満足することが望ましい。

ｐ／３０≦ｔ≦ｐ／５ …（１）
但し、ｐはｄ−シリンドリカルレンズアレイ（第２のシリンドリカルレンズアレイ）７のレンズピッチである。

シフト量ｔが（１）式の下限値を下回ると、偏光分離面１４で漏れ光となり易い光束成分を十分に遮断することができない。また、シフト量ｔが（１）式の上限値を上回ると、偏光分離面１４で漏れ光となり易くない光束成分まで遮断してしまい、光の利用効率が低下するため、好ましくない。また、下限値は、より好ましくはｐ／２５、さらに好ましくはｐ／２０とすると尚好ましい。また、上限値は、より好ましくはｐ／８、さらに好ましくはｐ／１０とすると尚良い。

尚、本実施例においては、ｐ＝３．０ｍｍ（２．５〜３．５ｍｍの範囲内であることが望ましい）であり、ｔは、０．２ｍｍ（０．１６ｍｍ〜０．２５ｍｍの範囲内であることが望ましい）である。
また、本実施例では、図５Ａと図５Ｂとを比較すれば分かるように、ｘｚ断面での第２の光源像の幅Ｗ２は、ｙｚ断面での第１の光源像の幅Ｗ１に比べて狭い。Ｗ１とＷ２の大小関係（比）はそのまま偏光ビームスプリッタ１０（偏光分離面１４）に入射する光束の角度分布の大小関係となる。このため、
Ｗ１＞Ｗ２
の関係、より好ましくは、
０．１＜Ｗ２／Ｗ１＜０．８
の関係にあることが望ましい。

なお、本実施例では、ｃ，ｄ−シリンドリカルレンズアレイ６，７の間に絞り１２を配置した場合について説明したが、他の位置に配置してもよい。例えば、絞り１２をｄ−シリンドリカルレンズアレイ７よりも偏光ビームスプリッタ１０側に配置してもよい。少なくとも、ａ−シリンドリカルレンズアレイ３によって形成される第１の光源像に比べて、ｃ−シリンドリカルレンズアレイ６によって形成される第２の光源像に近い位置に絞りを配置することが望ましい。これにより、偏光分離面１４で漏れ光となり易い光束を確実に遮断することができる。

また、照明光学系の中心軸Ｃは、実際には、光源から偏光変換素子１３までの光源側光学系部分の中心軸に対して、偏光変換素子１３よりも偏光ビームスプリッタ１０側の光学系部分の中心軸がy方向にずれている。これは、偏光変換素子１３の内部で、偏光分離膜により光束の一部をy方向に反射させ、さらにｚ方向に反射面で反射させて射出することによる。

この場合、光源側中心軸に対するビームスプリッタ側中心軸、つまりはコンデンサレンズ８の光軸のずれ方向と同じ方向に、該ビームスプリッタ側中心軸に対して絞り１２の開口中心Ｃをｔだけずらせばよい。これにより、照明光学系（ビームスプリッタ１０側の光学系部分）の本来の瞳Ｐ１と、絞り１２を設けたことによって形成される瞳Ｐ２との関係は、図４と同様になる。
また、中心軸は、偏光変換素子１３より後段に回転対称、或いはｘ方向及びｙ方向に屈折力を有するレンズを配置する場合には、そのレンズの光軸を通る光線の光路のことである。また、光源のリフレクタ２の中心軸を通る光線の光路としても構わない。また、液晶パネルの中心に対して垂直に入射する光線の光路としても構わない。尚、これらの光線は実際には存在しないかもしれないが、このような光線があった場合にその光線が辿る光路と考えれば良い。

図６には、本発明の実施例２の照明光学系における絞り２２の形状を示す。本実施例では、照明光学系の中心軸Ｃを含むｙｚ断面を境に、ｙ方向に長い底辺を有する二等辺三角形と、同じくｙ方向に長い底辺を有する台形とを組み合わせた形状を有する。

本実施例でも、ｘ方向およびｙ方向において、絞り２２における絞り開口２２ａに対する遮光部分の面積割合が、中心軸Ｃから離れるほど大きくなっている。

また、ｘ方向において、絞り開口２２ａの中心ＡＣは、照明光学系の中心軸Ｃに対して、実施例１で説明した第１の領域Ａ側にシフトしている（シフト量ｔ）。言い換えれば、絞り２２は、ｘ方向においてｙｚ断面に対して非対称な形状を有する。そして、実施例１と同様に、
ａ＞ｂ
の関係がある。本実施例の絞り２２を、実施例１の絞り１２に代えて用いた場合でも、実施例１と同様の効果を得ることができる。

図７には、本発明の実施例３の照明光学系における絞り３２の形状を示す。本実施例の絞り３２は、実施例１、２と同様に、
ａ＞ｂ
の関係を有するとともに、第１の領域Ａ側の絞り開口端が開放された（つまりは、絞り開口端がない）形状を有する。また、ｙ方向の絞り開口端が凹凸形状に形成されている。なお、本実施例では、ｘ方向において、絞り開口３２ａに対する遮光部分の面積割合が、中心軸Ｃから離れるほど大きくなっている。

照明光学系の光学特性によっては、このような複雑な形状の絞り３２を設けることで、液晶パネル１１の照明を最適化することができる。もちろん、本実施例の絞り３２でも、実施例１と同様の効果を得ることができる。

図８には、本発明の実施例４の照明光学系における絞り４２の形状を示す。本実施例の絞り４２は、実施例３の絞り３２における第１の領域Ａ側の絞り開口端を閉じた形状を有する。

本実施例でも、
ａ＞ｂ
の関係を有する。また、ｘ方向において、絞り開口４２ａに対する遮光部分の面積割合が、中心軸Ｃから離れるほど大きくなっている。本実施例の絞り４２でも、実施例１と同様の効果を得ることができる。

図９には、本発明の実施例５である照明光学系における絞りの周辺の構成を示している。本実施例では、絞り１２（実施例２〜４の絞り２２，３２，４１でもよい）を、光学フィルタ１５に一体的に設け、シリンドリカルレンズアレイ６、７の間に配置している。さらに、本実施例では、該光学フィルタ１５と絞り１２を、照明光束の光路の内外にｘ方向に移動可能としている。この移動は、不図示のスイッチ操作に応じて動作するアクチュエータの駆動力を用いて行われる。

光学フィルタ１５は、光源からの照明光束のうち、所定波長域の光（例えば、略５７０〜５９０ｎｍのオレンジ色の光）を低減させ、投射画像の色再現性を向上させる。いわゆるシネマモードでの画像投射に良く用いられる。

このような構成とすることにより、光学フィルタ１５および絞り１２を用いる投射モードと、これらを用いない投射モードとを使用者が任意に選択することができる。もちろん、光学フィルタ１５と絞り１２とを別体として設け、それぞれを独立に光路の内外に移動可能としてもよい。

なお、図１０に示すように、絞り１２′をｙ方向に分割可能に形成し、両分割部分がｙ方向両側に移動するようにしてもよい。これにより、絞り１２′をｙ方向に移動させて照明光束の光路の内外に移動させる必要がある場合に、駆動量を小さくすることができる。

また、以上の実施例では、光分離面として、偏光方向によって光を分離する偏光分離面を例に説明したが、本発明は、光を波長によって分離するダイクロイック面（膜）等、他の光分離機能を有する面（膜）に導く光学系においても適用することができる。

さらに、上記各実施例では、反射型液晶パネルを照明する照明光学系について説明したが、本発明は、透過型液晶パネル等、他の画像形成素子を照明する場合にも適用することができる。

次に、実施例１〜５で説明した照明光学系を適用した画像投射光学系および画像投射装置の全体構成例について、図１２を用いて説明する。なお、以下に説明する構成要素に括弧付きで示した符号は、実施例１で説明した構成要素に付された符号である。また、図１２は、上記各実施例におけるｘｚ断面を示している。このため、実施例１等で説明した光学素子のうちｘｚ断面において光学作用を持たない光学素子については図示を省略している。

本実施例の画像投射装置は、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、画像形成素子としての反射型液晶表示素子（液晶パネル１１）１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂと、投射レンズ１１３とにより構成される。これら光源ユニット１００、照明光学系α、色分解合成光学系β、反射型液晶表示素子１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂおよび投射レンズ１１３により画像投射系が構成される。

１０１は連続スペクトルで白色光を発光する発光管（１）であり、１０２は発光管１０１からの光を所定の方向に集光するリフレクタ（２）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１５０の光軸（すなわち、中心軸Ｃ）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１の紙面に平行な方向において屈折力を有する複数のシリンドリカルレンズにより構成された第１のシリンドリカルレンズアレイ（３）であり、１０４は第１のシリンドリカルレンズアレイ１０３の個々のレンズに対応した複数のシリンドリカルレンズを有する第２のシリンドリカルレンズアレイ（４）である。

１２は実施例１で説明した絞りであり、実施例２〜５にて説明した絞り１２，１２′，２２〜４２を用いることも可能である。

１０５は無偏光光を所定の偏光光に揃える偏光変換素子（１３）、１１５はミラー、１１６はコンデンサレンズ（８）である（シリンドリカルレンズ９は図示を省略している）。

１０６はダイクロイックミラーであり、青（Ｂ：４３０〜４９５ｎｍ）と赤（Ｒ：５９０〜６５０ｎｍ）の光を反射し、緑（Ｇ：５０５〜５８０ｎｍ）の光を反射する。１０７はＧ光とＲ光の中間の波長領域の光を一部カットするカラーフィルタである。１０８ａ，１０８ｂはともに、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および第２の色選択性位相差板である。

１０９ａ，１０９ｂは第１の１／２波長板および第２の１／２波長板である。１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃはＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第１の偏光ビームスプリッタ、第２の偏光ビームスプリッタおよび第３の偏光ビームスプリッタ（１０）である。各偏光ビームスプリッタは、偏光分離面（１４）を有する。

１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂはそれぞれ、原画を形成し、入射した光を反射するとともに画像変調する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。ここで、これら液晶パネル１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂには駆動回路１２０が接続され、駆動回路１２０には、パーソナルコンピュータ、カメラ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオデッキ、放送受信器等の画像情報供給装置１３０からの画像情報が供給される。駆動回路１２０は、入力された画像情報に基づいて液晶パネル１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂを駆動し、画像情報に対応した各色用の原画を形成させる。

１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂ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。なお、ダイクロイックミラー１０６から第３の偏光ビームスプリッタ１１０ｃまでの光路を構成する光学系は、光の色分離と色合成とを行う色分離合成光学系βである。１１３は投射レンズである。

次に、光学的な作用を説明する。発光管１０１から発した光はリフレクタ１０２により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平行な光束となる。この平行光束は第１のシリンドリカルレンズアレイ１０３により複数の光束に分割され、かつ集光され、第２のシリンドリカルレンズアレイ１０４の近傍に複数の光源像を形成して、偏光変換素子１０５に至る。

なお、第１のシリンドリカルレンズアレイ１０３から射出した光束の一部は、絞り１２によって遮断される。

偏光変換素子１０５は、入射側から順に、偏光分離面と反射面と１／２波長板とを有している。偏光変換素子１０５に入射したマトリクスの各列の集光光束は、その列に対応した列の偏光分離面に入射し、これを透過するＰ偏光成分と反射するＳ偏光成分とに分割される。反射されたＳ偏光成分は、反射面で反射し、Ｐ偏光成分と同じ方向に出射する。一方、透過したＰ偏光成分は、１／２波長板を透過する際にＳ偏光成分と同じ偏光成分に変換され、偏光方向が揃った光（ここでは、Ｓ偏光とする）として射出する。偏光変換された複数の光束は偏光変換素子の近傍で集光した後、発散光束としてミラー１１５を介してコンデンサレンズ１１６に至る。

コンデンサレンズ１１６の集光作用により、複数の光束は第１および第２のシリンドリカルレンズアレイ１０３，１０４における個々のシリンドリカルレンズの形状に対応する像が形成される位置で重なり合い、矩形の均一な照明エリアを形成する。コンデンサレンズ１１６から射出した光束は、ダイクロイックミラー１０６に入射する。ダイクロイックミラー１０６は、ＢとＲの光を透過し、Ｇの光を反射する。

図１において、偏光変換素子１０４から射出したＳ偏光は、ダイクロイックミラー１０６に対してもＳ偏光である。

Ｇ光の光路において、ダイクロイックミラー１０６を反射した光は、カラーフィルタ１０７に入射する。カラーフィルタ１０７は、ＧとＲの中間の波長領域にあたる黄色の光を反射するダイクロイックフィルタであり、これにより黄色の光が除去される。緑色に黄色成分が多いと、黄緑色になってしまうので、カラーフィルタ１０７により黄色成分を除去する方が色再現上望ましい。また、カラーフィルタ１０７は、黄色の光を吸収する特性を有していてもよい。

こうして色を調整されたＧ光は、第１の偏光ビームスプリッタ１１０ａ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１１１ｇへと至る。Ｇ用反射型液晶パネル１１１ｇにおいて、Ｇ光が画像変調されて反射される。変調および反射された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１１０ａの偏光分離面で反射され、光源側に戻されて投射光から除去される。

一方、変調および反射されたＧ光のうちＰ偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ１１０ａの偏光分離面を透過して投射光となる。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１１０ａとＧ用反射型液晶パネル１１１ｇの間に設けられた１／４波長板１１２ｇの複屈折主軸の１つである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１１０ａとＧ用反射型液晶パネル１１１ｇ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１１０ａを透過したＰ偏光としてのＧ光は、第１の１／２波長板１０９ａによりその偏光方向を９０度回転され、第３の偏光ビームスプリッタ１１０ｃにＳ偏光として入射する。こうして第３の偏光ビームスプリッタ１１０ｃに入射したＧ光は、その偏光分離面で反射されて、投射レンズ１１３へと至る。

一方、ダイクロイックミラー１０６を透過したＲ，Ｂ光は、第１の色選択性位相差板１０８ａに入射する。第１の色選択性位相差板１０８ａは、Ｂ光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っている。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１１０ｂに入射する。そして、Ｂ光は、第２の偏光ビームスプリッタ１１０ｂの偏光分離面を透過し、１／４波長板１１２ｂを介してＢ用反射型液晶パネル１１１ｂに至る。また、Ｒ光は該偏光分離面で反射され、１／４波長板１１２ｒを介してＲ用反射型液晶パネル１１１ｒに至る。

Ｂ用反射型液晶パネル１１１ｂにおいて、Ｂ光は画像変調されて反射される。変調されたＢ光のうちＰ偏光成分は再び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。変調されたＢ光のうちＳ偏光成分は、偏光分離面で反射されて投射光となる。

同様に、Ｒ用反射型液晶パネル１１１ｒにおいて、Ｒ光が画像変調されて反射される。変調されたＲ光のうちＳ偏光成分は、再び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。また、変調されたＲ光のうちＰ偏光成分は、偏光分離面を透過して投射光となる。これにより、ＢとＲの投射光は一つの光束に合成される。

こうして合成されたＢとＲの投射光は、第２の色選択性位相差板１０８ｂに入射する。第２の色選択性位相差板１０８ｂは、第１の色選択性位相差板１０８ａと同じものであり、Ｂ光の偏光方向のみを９０度回転させる。これにより、Ｒ光およびＢ光はともにＰ偏光として第３の偏光ビームスプリッタ１１０ｃに入射し、その偏光分離面を透過することでＧの投射光と合成されて投射レンズ１１３へと至る。そして、投射レンズ１１３によりスクリーンなどの投射面に投射される。

本発明の実施例１である照明光学系の概略構成を示す斜視図。 実施例１の照明光学系のｙｚ断面図。 実施例１の照明光学系のｘｚ断面図。 実施例１の照明光学系に用いられる絞りの正面図。 実施例１の照明光学系の瞳を説明する図。 実施例１の照明光学系により形成される第１の光源像を示す図。 実施例１の照明光学系により形成される第２の光源像を示す図。 本発明の実施例２である照明光学系に用いられる絞りの正面図。 本発明の実施例３である照明光学系に用いられる絞りの正面図。 本発明の実施例４である照明光学系に用いられる絞りの正面図。 本発明の実施例５である照明光学系に用いられる絞りの正面図。 実施例５の絞りの変形例を示す正面図。 実施例１の照明光学系に用いられるシリンドリカルレンズアレイを示す斜視図。 本発明の実施例６である画像投射装置の構成を示す図。

符号の説明

１ 発光管
２ リフレクタ
３，４，６，７ シリンドリカルレンズアレイ
８ コンデンサレンズ
９ シリンドリカルレンズ
１０ 偏光ビームスプリッタ
１１ 液晶パネル
１２，１２′，２２，３２，４２ 絞り
１４ 偏光分離面
ＡＣ 絞り開口の中心
Ｃ 照明光学系の中心軸

Claims (13)

1. 光源からの光束を、該光学系の中心軸に対して傾斜した光分離面に導く光学系であって、
   前記光束の一部が前記光分離面に到達することを制限する光束制限部材を有し、
   該光束制限部材は、前記中心軸を含み、該中心軸と前記光分離面の法線とを含む第１の面に直交する第２の面に対して非対称な形状を有することを特徴とする光学系。
2. 前記第１の面に平行な方向において、前記光束制限部材に形成された光通過開口の中心が、前記中心軸に対してずれていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記光束制限部材から前記光分離面までの領域であって、前記中心軸を境とした該中心軸と前記光分離面とが鈍角をなす側の領域を第１の領域とするとき、
   前記光通過開口の中心が前記中心軸に対して前記第１の領域内にずれていることを特徴とする請求項２に記載の光学系。
4. 該光学系は、前記第１の面に平行な方向において、前記光源からの光束を複数に分割する第１のレンズアレイと、該第１のレンズアレイを構成する複数のレンズに対応する複数のレンズを有する第２のレンズアレイとを有し、
   以下の条件を満足することを特徴とする請求項２又は３に記載の光学系。
   ｐ／３０≦ｔ≦ｐ／５
   但し、ｔは前記光通過開口の中心の前記中心軸に対するずれ量であり、ｐは前記第２のレンズアレイのレンズピッチである。
5. 前記光束制限部材における光通過開口に対する遮光部分の割合が、前記中心軸から離れるほど大きくなっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光学系。
6. 前記光束制限部材は、前記光源からの光束の光路の内外に移動可能であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の光学系。
7. 該光学系は、光学フィルタを有し、
   前記光束制限部材は、前記光学フィルタに一体的に設けられてい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. 該光学系は、
   前記光源からの光束を、前記第１の断面および前記中心軸に平行な方向に直交する第１の方向において複数の光束に分割し、該複数の分割光束のそれぞれに第１の光源像を形成させる第１の光学系と、
   前記光源からの光束を、前記第１の方向および前記中心軸に平行な方向に直交する第２の方向において複数の光束に分割し、該複数の分割光束のそれぞれに第２の光源像を形成させる第２の光学系と、
   前記複数の第２の光源像からの光束を集光する集光光学系とを有し、
   前記第１の方向における前記第１の光源像の幅が、前記第２の方向における前記第２の光源像の幅よりも広い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. 前記光束制限部材は、前記第１の光源像よりも前記第２の光源像に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の光学系。
10. 前記第２の光学系は、複数のシリンドリカルレンズにより構成される第１のシリンドリカルレンズアレイと、該第１のシリンドリカルレンズアレイの各シリンドリカルレンズに対応する複数のシリンドリカルレンズを有する第２のシリンドリカルレンズアレイとを有し、
    前記光源から前記第２のシリンドリカルレンズアレイとの間に、前記第２の方向における前記光源からの光束の幅を圧縮する圧縮光学系が配置されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の光学系。
11. 請求項１から１０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。
12. 請求項１１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。
13. 請求項１２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。