JP2007086690A - 照明光学系及び投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 表示画像におけるコントラストや色再現性の劣化、輝度ムラや色ムラを招来することなく、表示画像を見やすい輝度に調節することが可能となされた照明光学系及び投射型画像表示装置を提供する。
【解決手段】 第２フライアイインテグレータ１１３の入射側にはスライドシャッタ１５０が設けられている。このスライドシャッタはＸ軸方向にスライド自在となっており、第２インテグレータ１１３の幅を遮蔽することにより調整することができる。スライドシャッタ１５０は、第２インテグレータ１１３の平面側から距離ｄ離れて設置されるようにする。
【選択図】 図８

Description

本発明は、画像表示装置等において光源からの光束を導いて空間光変調素子等の被照明物を照明するための照明光学系及び投射型画像表示装置に関する。

従来、複数の空間光変調素子を備え、これら空間光変調素子を照明装置により照明し、各空間光変調素子を経て変調された照明光を結像させて画像表示を行う投射型画像表示装置が提案されている。このような投射型画像表示装置における照明装置は、光源と、この光源からの光束を導いて空間光変調素子を照明する照明光学系とを有して構成されている。

照明装置における光源としては、超高圧水銀ランプ等が使用されている。また、照明光学系としては、光源からの光束の輝度を均一化して空間光変調素子に導くため、一対のフライアイレンズアレイからなるフライアイインテグレータなどのインテグレータを有するものが使用されている。以下、フライアイインテグレータを、インテグレータと略記する。

このような投射型画像表示装置においては、明るい部屋において表示画像を観賞する場合には、空間光変調素子を照明する照明光を高輝度とし、一方、暗い部屋において表示画像を観賞する場合には、空間光変調素子を照明する照明光の輝度を抑えて、表示画像を見やすい輝度に調節する必要がある。

空間光変調素子を照明する照明光の輝度を調整する手段としては、従来、照明装置の光源であるランプの出力をランプ電源を介して調整することが行われている。すなわち、ランプに供給する電流量を調整することにより、ランプの出力を調整して、照明光の輝度を調整する手段である。また、ランプの出力を調整することなく、照明光の輝度を調整する手段としては、照明光学系における入射瞳を絞り、照明光学系のＦナンバを調整することが行われている。

さらに、照明光の輝度を調整することなく、表示画像の輝度を調整する手段として、空間光変調素子を経た照明光を結像させる投射光学系（投射レンズ）の可変絞りを用いて、投射光学系のＦナンバを調整することが行われている。

なお、特許文献１には、フライアイインテグレータをなすインテグレータレンズアレイのうちの一方を光軸に直交する方向に移動調整することにより、光源からの光束による空間光変調素子に対する照明効率を向上させる構成が記載されている。これは、照明光学系による照明範囲と、空間光変調素子の位置とを一致させることによって、照明効率を向上させ、照明光の輝度を高くしようとするものであって、照明光の輝度を調整する手段を提示するものではない。

また、ランプの出力を調整することなく、照明光の輝度を調整する手段としては、照明光学系における入射瞳を絞り、照明光学系のＦナンバを調整することが提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。特許文献２には、反射型液晶表示素子を用いたプロジェクタにおいて、インテグレータの周辺にインテグレータの一部を絞る「絞り」を設置することが開示されている。

さらに、第２インテグレータの近傍にシャッタを設けることが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

さらにまた、インテグレータ・ＰＢＳアレイを有する照明系の第1インテグレータの入り口、または第１インテグレータと第２インテグレータの間、または第２インテグレータとＰＢＳアレイの間にシャッタを設置することが提案されている（例えば、特許文献４参照。）。

特開平１０−１１５８０３号公報 特開平１０−３３９８５２号公報 特許第３５７８０２０号公報 特開２００３−２４１３１１公報

ところで、前述のような投射型画像表示装置において、光源（ランプ）の出力の調整により照明光の輝度を調整する場合には、光源の信頼性や寿命等に悪影響を及ぼすという問題がある。

すなわち、光源として使用される超高圧水銀ランプ等のランプにおいては、安定して発光するための温度条件やバルブ内圧条件等が設定されているが、ランプ電源を介してランプ出力を調整すると、これらの条件から逸脱してしまう虞れがある。ランプは、これら適切な温度条件やバルブ内圧条件等から逸脱した状態での使用を続けると、信頼性や寿命等が損なわれるという問題があった。

本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、照明光の輝度を調整する手段として、ランプの出力を調整することなく、照明光学系にシャッタを設置することにより照明光学系のＦナンバを調整し、表示画像におけるコントラストや色再現性の劣化、輝度ムラや色ムラを招来することなく、表示画像を見やすい輝度に調節することが可能となされた照明光学系及び投射型画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の１）〜５）に記載の手段よりなる。
すなわち、
１）光源からの光束が入射される第１のインテグレータレンズアレイと、この第１のインテグレータレンズアレイを経た光束が入射される第２のインテグレータレンズアレイと、偏光変換部とを備え、前記偏光変換部を経た光により被照明物を照明する照明光学系において、
前記第1のインテグレータレンズアレイと前記第２のインテグレータレンズアレイとの間に、可変絞りを備え、
前記可変絞りは、前記第２のインテグレータレンズアレイから前記第１のインテグレータレンズアレイ側に前記第２のインテグレータレンズアレイのレンズピッチの略１乃至３．５倍の距離を有して配置することを特徴とする照明光学系。
２ 光源からの光束が入射される第１のインテグレータレンズアレイと、この第１のインテグレータレンズアレイを経た光束が入射される第２のインテグレータレンズアレイと、偏光変換部とを備え、前記偏光変換部を経た光により被照明物を照明する照明光学系において、
前記第1のインテグレータレンズアレイと前記第２のインテグレータレンズアレイとの間に、可変絞りを備え、
前記可変絞りは、前記第２のインテグレータレンズアレイから前記第１のインテグレータレンズアレイ側に前記第２のインテグレータレンズアレイのレンズピッチの略１乃至３．５倍の距離を有して配置することを特徴とする照明光学系。
２）前記可変絞りは、前記第２のインテグレータレンズアレイの入射面に沿って移動操作可能となされ、前記第２のインテグレータレンズアレイのレンズピッチに対応する位置に前記可変絞りの端部が停止可能となっていることを特徴とする１）に記載の照明光学系。
３）前記可変絞りの移動方向は、前記偏光変換部のＰＢＳアレイの短冊の短辺方向であることを特徴とする１）又は２）に記載の照明光学系。
４）前記可変絞りは、熱伝導率１００（Ｗ／ｍＫ）以上であり、且つ、比熱は３００（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）以上である材料からなる１）から３）のいずれかに記載の照明光学系。
５）１）から４）のいずれかに記載の照明光学系と、色分解合成光学系と、空間光変調素子とを備えたことを特徴とする投射型画像表示装置。

本発明の照明光学系及び投射型画像表示装置によれば、インテグレータレンズアレインテグレータを備えた照明光学系において、照明領域の大きさを変化させて光束量を調整するシャッタを設置することにより表示画像を見やすい輝度に調節することが可能な照明光学系及び投射型画像表示装置を提供することができるものである。
また、照明領域の大きさを変化させて光束量を調整するシャッタを可動な構成とし、これを輝度が高い状態と輝度が低くコントラストがより高い状態とに切替可能とすることにより、表示画像を視聴に応じた輝度に調節することが可能とする照明光学系及び投射型画像表示装置を提供することができるものである。

以下、本発明に係る照明光学系及び投射型画像表示装置の発明を実施するための最良の形態につき、好ましい実施例により説明する。

まず、投射型画像表示装置の照明装置において用いられる照明光学系として一般的なインテグレータ光学系について説明する。

投射型画像表示装置の照明装置における照明光学系は、光源となるランプから出射された光束を被正面物となる空間光変調素子上に効率よく集める必要がある。そのため、このような照明光学系においては、「クリティカル照明」及び「ケラー照明」の２方式に大別される方式が使用されている。

図１は、クリティカル照明の原理を説明する斜視図である。

クリティカル照明は、図１に示すように、光源１の像をコンデンサレンズ２０によって被照明物（空間光変調素子）３０上に結像させる照明光学系である。光源１と被照明物３０とが共役の関係になる。

この照明光学系においては、光源１の像を被照明物３０上に形成するため、非常に高輝度の照明できる一方で、光源像が被照明物３０上に形成されるので、光源１における発光分布（発光体の形状）による照明ムラができやすい。

図２は、ケラー照明の原理を説明する斜視図である。

ケラー照明は、図２に示すように、光源１と被照明物３０の間に、開口絞りとしてのリレーレンズ４０を配置し、被照明物３０に開口絞りの像を結像させる照明光学系である。光源１とリレーレンズ４０とが共役の関係になり、また、コンデンサレンズ２０と被照明物３０とが共役の関係になる。この照明光学系は、前述のクリティカル照明の問題点を解決するために考えられた照明光学系といえる。

ケラー照明における被照明物３０上における照明光は、比較的均一な照度分布となる。ただし、被照明物３０が矩形である場合には、開口絞りとしてのリレーレンズ４０が円形であると、この開口絞りの像が結像されるため、照明効率が悪くなる。また、光源として放電ランプ（ＨＩＤランプ）を用いる場合には、ランプバルブ内のガスの対流及び輝点の変化が、被照明物３０上において揺らぎとして現れてしまうという問題がある。

本発明に係る照明光学系は、ケラー照明を発展させたもので、被照明物３０上における輝度の揺らぎを解消するため、照明領域と相似形の矩形レンズ（セル）を５０個乃至１００個マトリクス状に配列させた一対のインテグレータレンズアレイを用いて、擬似的に多数個のケラー照明系を被照明物３０上で重ね合わせるようにしたインテグレータ照明光学系である。

図３は、本発明に係る照明光学系の原理を説明する斜視図である。

本発明に係る照明光学系は、図３に示すように、光源１側に配置されこの光源１からの光束が入射される第１のインテグレータレンズアレイ５０と、この第１のインテグレータレンズアレイ５０を経た光束が入射される第２のインテグレータレンズアレイ６０とを備えている。第２のインテグレータレンズアレイ６０を構成する各セル（矩形レンズ）は、ケラー照明における開ロ絞り（リレーレンズ４０）に相当し、光源１と共役の関係になる。また、第１のインテグレータレンズアレイ５０を構成する各セル（矩形レンズ）は、被照明物３０と共役の関係になる。すなわち、第１のインテグレータレンズアレイ５０の各セルの第２のインテグレータレンズアレイ６０の各セルによる共役像が、被照明物３０上における照明エリアということになる。これら第１のインテグレータレンズアレイ５０の各セルの像は、重畳レンズであるコンデンサレンズ７０により、被照明物３０上にいて重ね合わされる。そのため、被照明物３０上においては、照度分布が均一で、かつ、高効率の照明が行われる。

ここで、第２のインテグレータレンズアレイ６０がこの照明光学系における開口絞りにあたることから、照明光学系のＦナンバは、第２のインテグレータレンズアレイ６０の各セルの口径と、コンデンサレンズ７０の焦点距離ｆとによって決定される。また、第２のインテグレータレンズアレイ６０は、共役関係にある第１のインテグレータレンズアレイ５０と被照明物３０との間で開口絞りになっている。そのため、開口絞りの像は、光源１の像になっている。

図４は、第２のインテグレータレンズアレイ６０上に形成される光源像を示す側面図である。

前述のように、本発明に係る照明光学系は、インテグレータ光学系であって、ケラー照明の集合体といえる。１組のケラー照明に関して考えると、図４中の（ａ）に示すように、第１のインテグレータレンズアレイ５０上のレンズ面Ａは、共役な関係にある被照明物３０上の照明エリアＡ´に拡大結像されることになる。このとき、光源１からの光が照明に使用される効率を考えると、光源１からの光線が、レンズ面Ａにより、開口絞りである第２のインテグレータレンズアレイ６０のレンズＢ上に集光されるときが、最も高効率になる。

一方、被照明物３０上の照明領域は、レンズ面Ａと共役な関係にあるので、図４中の（ｂ）に示すように、レンズ面Ａを被照明物３０上に結像する光学系の焦点距離ｆとすると、照明領域Ａ´の倍率βは、ニュー卜ンの公式により、以下のような関係にある。
β＝Ａ´／Ａ＝Ｓ´／Ｓ
ただし、Ｓは、レンズ面ＡからレンズＢまでの距離であり、Ｓ´は、レンズＢから照明領域Ａ´（被照明物３）までの距離である。ここで、Ｓ及びＳ´は、それぞれレンズ面ＡからレンズＢの物体側主面までの距離及びレンズＢの像側主面から照明領域Ａ´までの距離である。

ここで、レンズ面Ａは、レンズではあるが光束を集光するためのレンズであり、レンズ面Ａの照明領域Ａ´に対する結像関係には何も寄与しない。そして、レンズＡ面とレンズＢとの間隔（第１のインテグレータレンズアレイ５０と第２のインテグレータレンズアレイ６０との間隔）を変えると、前記の式において、Ｓを変化させることになる。そして、Ｓを小さくすると、結像倍率βは大きくなり、逆に、Ｓを大きくすると、結像倍率βは小さくなる。

図５は、本実施例に適用される照明光学系の構成を説明するための側面図である。

この照明光学系においては、光源１ａとして、超高圧水銀ランプ等の放電ランプ等を用い、このランプから出射された光束を放物面リフレクタ１ｂによって略平行光として、第１のインテグレータレンズアレイ２５に入射させる。第１のインテグレータレンズアレイ２５を透過した光束は、第２のインテグレータレンズアレイ２６の相対する各セルに集光される。

そして、第２のインテグレータレンズアレイ２６を透過した光束は、ＰＢＳアレイ２９に入射される。このＰＢＳアレイ２９は、ＰＳ合成プリズムであり、第２のインテグレータレンズアレイ２６を透過した無偏光光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、λ／２板（二分の一波長板）によりＳ偏光成分をＰ偏光成分に変換（あるいは、Ｐ偏光成分をＳ偏光成分に変換）することにより、照明光の偏光方向を一定の方向に揃える光学素子である。

ＰＢＳアレイ２９を透過した光束は、重畳レンズであるコンデンサレンズ２７により、被照明物７，１１，１３となる空間光変調素子上の照明領域に集光される。照明領域に集光された光束の形状は、第１のインテグレータレンズアレイ２５の各セルに相似形の結像であり、すべてのセルの像が重ね合わせられたものである。照明領域における集光の状態によって、画像表示装置における表示画像の明るさと面内輝度の均一性が決まる。

なお、この照明光学系を有する照明装置を用いて、画像表示装置を構成するには、照明装置によって照明される空間光変調素子の像を、図示しない投射光学系（投射レンズ）により、スクリーン上に拡大して結像させる。このとき、空間光変調素子が偏光変調を行う空間光変調素子である場合には、空間光変調素子を経た照明光のうち、偏光変調された成分と偏光変調されていない成分とを、偏光ビームスプリッタのような偏光分離素子によって分離させ、偏光変調された成分のみを投射光学系に導くようにする。

さらに、カラー画像を表示する画像表示装置を構成するには、光源からの光束をダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムのような分光素子によって色分解し、Ｒ（赤色）用の照明光学系及び空間光変調素子、Ｇ（緑色）用の照明光学系及び空間光変調素子、Ｂ（青色）用の照明光学系及び空間光変調素子のそれぞれに単色光を入射させ、各空間光変調素子を経て変調された光束をダイクロイックプリズムのような分光素子によって色合成して、投射光学系に導くようにする。そして、投射光学系により、各空間光変調素子の像をスクリーン上に拡大して結像させる。

図６は、本実施例に適用される投射型画像表示装置の構成を示す図である。

この投射型画像表示装置においては、図６に示すように、可視光帯域の光を含んで発光する光源１から発せられた光束は、照明光学系２によって、照度を均一化され、第１の波長選択性波長板３を経て、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４に入射される。第１の波長選択性波長板３においては、Ｇ（緑色）光が第１の偏光ビームスプリッタ４の偏光反射面４ａに対するＰ偏光となされ、Ｒ（赤色）光及びＧ（青色）光が第１の偏光ビームスプリッタ４の偏光反射面４ａに対するＳ偏光となされる。第１の偏光ビームスプリッタ４の偏光反射面４ａにおいては、Ｇ光が透過し、Ｒ光及びＢ光が反射される。

第１の偏光ビームスプリッタ４を透過したＧ光は、第２の偏光ビームスプリッタ５も透過して、波長板６を透過して、Ｇ用反射型空間光変調素子７に入射する。

一方、第１の偏光ビームスプリッタ４において反射されたＲ光及びＧ光は、第２の波長選択性波長板８を経て、第３の偏光ビームスプリッタ９に入射される。第２の波長選択性波長板８においては、Ｒ光が第３の偏光ビームスプリッタ９の偏光反射面９ａに対するＰ偏光となされ、Ｂ光が第３の偏光ビームスプリッタ９の偏光反射面９ａに対するＳ偏光となされる。第３の偏光ビームスプリッタ９の偏光反射面９ａにおいては、Ｒ光が透過し、Ｂ光が反射される。

第３の偏光ビームスプリッタ９を透過したＲ光は、波長板１０を透過して、Ｒ用反射型空間光変調素子１１に入射する。また、第３の偏光ビームスプリッタ９において反射されたＢ光は、波長板１２を透過して、Ｂ用反射型空間光変調素子１３に入射する。

Ｇ用、Ｒ用及びＢ用反射型空間光変調素子７，１１，１３においては、入射された光束は、これら反射型空間光変調素子７，１１，１３に供給されている各色に対応した画像信号に応じて偏光変調されて反射される。

Ｇ用反射型空間光変調素子７において偏光変調された反射光は、第２の偏光ビームスプリッタ５の偏光反射面５ａにおいて反射され、第４の偏光ビームスプリッタ１４に入射する。Ｒ用反射型空間光変調素子１１において偏光変調された反射光は、第３の偏光ビームスプリッタ９の偏光反射面９ａにおいて反射され、第３の波長選択性波長板１５を透過して、第４の偏光ビームスプリッタ１４に入射する。また、Ｂ用反射型空間光変調素子１３において偏光変調された反射光は、第３の偏光ビームスプリッタ９の偏光反射面９ａを透過し、第３の波長選択性波長板１５を透過して、第４の偏光ビームスプリッタ１４に入射する。

第３の波長選択性波長板１５においては、透過するＲ光及びＢ光のうち、Ｒ光のみについて、偏光方向を９０°回転させる。

第４の偏光ビームスプリッタ１４においては、偏光反射面１４ａに対して、Ｇ光がＳ偏光となっており、Ｒ光及びＢ光がＰ偏光となっている。従って、この第４の偏光ビームスプリッタ１４においては、Ｇ光が偏光反射面１４ａにより反射され、Ｒ光及びＢ光が偏光反射面１４ａを透過することにより、これらＧ光、Ｒ光及びＢ光が合成される。

このように合成されたＧ光、Ｒ光及びＢ光は、第４の波長選択性波長板１６を経て、投射レンズ１７に入射される。第４の波長選択性波長板１６においては、透過するＧ光、Ｒ光及びＢ光のうち、Ｇ光のみについて、偏光方向を９０°回転させる。この第４の波長選択性波長板１６を透過した光束においては、Ｇ光、Ｒ光及びＢ光の偏光方向が全て揃った状態となっている。

そして、投射レンズ１７は、入射光を図示しないスクリーン上に投射して結像させ、画像表示を行う。

この画像表示装置において、Ｇ用、Ｒ用及びＢ用反射型空間光変調素子７，１１，１３と第２及び第３の偏光ビームスプリッタ５，９との間に配置されている波長板６，１０，１２は、それぞれの透過光の波長を基準とした１／４波長板となっている。これら波長板６，１０，１２は、透過光についての位相特性を補正することによって、各偏光ビームスプリッタの偏光反射面に斜め光成分が入射した場合に生ずる直線偏光からのずれを補正し、透過光をこの偏光反射面に対する直線偏光とし、また、反射型空間光変調素子をなす液晶のプレチルトの補正も同時に行っている。

図７は、本実施例に適用される照明光学系の構成を示す図である。

ランプ１から出た光は、フィルター３１にて赤外線・紫外線が除去され、第１インテグレータ２５に入射する。第１インテグレータ２５により複数の矩形の中間光束に分割された光は第２インテグレータ２６の対応するレンズアレイに向かって射出する。第２インテグレータ２６の光出口には偏光変換部であるＰＢＳアレイ２９が有り、偏光が揃った光に変換される。出射光はコンデンサレンズ２７を経て、色分解合成系部に入射する。ＰＢＳアレイ２９は、断面が平行四辺形の形状をした長方形の短冊状の入射口を有したＰＢＳの集合である。

図８は、図７の第１インテグレータからＰＢＳアレイまでを説明するため拡大した図である。本実施例においては、第１、第２インテグレータは、ともに同一構造である。各セルの光軸中心はセルの幾何学的中心に一致しており、偏芯はしていない。セルは、Ｘ軸方向６分割（ピッチ６．３mm）、Ｙ軸方向１０分割（ピッチ３．７３mm）の６０セルであり、個々のセルは格子状に配置されている（デルタ配置ではない）。

第２フライアイインテグレータ２６の入射側にはスライドシャッタ１５０が設けられている。このスライドシャッタ１５０はＸ軸方向にスライド自在となっており、第２インテグレータ２６の幅を遮蔽することにより調整することができる。スライドシャッタ１５０は、第２インテグレータ２６の平面側から距離ｄ離れて設置される。

スライドシャッタ１５０の制御は、ＣＰＵからＤ／Ａコンバータを通じてスライドシャッタを駆動するモータ（図示せず）に３種類の電圧（開・中・閉モード）を与えることで行われる。
３つのモードは以下の通りである。
開モード セル全開………明るさ最明、コントラスト標準
中モード Ｘ軸最外周セル遮蔽………明るさ中間、コントラスト高
閉モード Ｘ軸２列セル遮蔽………明るさ最暗、コントラスト最大
スライドシャッタ１５０が開モードの状態では、スライドシャッタ１５０は、全開である（開度最大と表現する）。図８では、一番上と下の一点鎖線の外側にスライドシャッタが開いている。
中モードでは、Ｘ軸の上下げの最外周のセルが遮蔽される。このとき、明るさは中間状態、コントラストは高となる。閉モードでは、Ｘ軸の上下２列のセルが遮蔽される。このときは、明るさ最暗、コントラスト最大となる。

スライドシャッタでインテグレータのセルを外側から閉じていくと、コントラストが増大する。その理由は以下である。第２インテグレータから射出した光は、最終的に空間光変調素子に入射する。インテグレータの中心から出た光（すなわち、光軸中心の光）はそのまま空間光変調素子の中心に向かって（すなわち入射角零度で）入射する。前記した色分解合成系の偏光ビームスプリッタに対しては４５度の角度で入射する。一方、インテグレータの中心からずれたセルからの射出光は、光軸と角度をなして空間光変調素子に入射する。前記した色分解合成系の偏光ビームスプリッタに対しては４５度から外れた角度で入射する。ところで、空間光変調素子や、偏光ビームスプリッタは、零度入射または、４５度入射が最大の特性となるように設計されている。従って、その最適角度からずれた状態では、空間光変調素子の偏光変調特性、偏光ビームスプリッタの偏光分離特性が相対的に悪い。
以上により、スライドシャッタでインテグレータのセルを外側から閉じていくと、コントラストの悪い光の成分が閉じられるので、コントラストが向上する。透過型液晶プロジェクタにおいても、事情は同様である。

スライドシャッタは通常カメラレンズ系でよく用いられている円形の絞りではなく、一方向のみに開閉するものである。ここではＹ方向、即ち、偏光ビームスプリッタ２１のスプリッタ面の法線ｎと、第２フライアイインテグレータ２６から偏光ビームスプリッタ４へと入射される光線の光軸とで作る主入射面と平行な方向の幅方向のみに光線を絞る。

次にスライドシャッタ１５０のモード位置精度（スライドシャッタのＸ軸方向の開閉位置およびその開閉位置精度）、および設置場所（Ｚ軸方向）について説明する。まず、スライドシャッタ１５０のモード位置精度について説明する。
図８で示したように、第１インテグレータから射出した光は、対応する第２インテグレータに向かって入射する。インテグレータの役割は、第１インテグレータで入射光を矩形の光に分割し、その光を第２インテグレータとその出射側にあるコンデンサレンズによって、空間光変調素子上に照射するためである。そして、個々のセルの光分布を合成（本願では、６０個の光分布）することで空間光変調素子面上の照度を均一化しているのである。

従って、第１インテグレータの出射光は対応する第２インテグレータの各レンズに入射するから、対応しない他の第２インテグレータには入射しない。すなわち、このような光は、図８の一点鎖線と交差しない。ここで、図８に引いた一点鎖線とは、第１・第２インテグレータの境界（稜線）を結んだ線である。
その結果、一点鎖線で示す位置にシャッタの端部があるときは、セルの光を「きれいに」（隠す必要のあるセルのみを隠して、隠す必要のない光は全く隠さない）隠すことが可能である。
一方、一点鎖線で示す位置にシャッタの端部がないときは、中途半端にセルを隠すため、空間光変調素子上の照度均一性は劣化する。

従って、理論的には、一点鎖線で示す位置にシャッタの端部があるときは、シャッタをＺ軸上の任意の位置に設置しても、空間光変調素子上の照度均一性は満足する。
しかしながら、実際には、シャッタの設置誤差、移動・停止させたときの駆動誤差、熱膨張、経時変化等の要因により、必ず誤差が生ずる。

いま、スライドシャッタが閉モードから、Δｘだけ開いた状態を考え、そのときの空間光変調素子上の照度均一性を計算したものである。図９、１０、１１は、Δｘが、それぞれ、＋０．５ｍｍ、＋１．０ｍｍ、+１．５ｍｍとしたときの空間光変調素子上の照度分布を求めたものである。Δｘが正とは、シャッタがより開く方向を示す。それぞれの図の横軸は空間光変調素子上の場所を示し、縦軸は相対照度を示す。各々の照度分布の最大照度を１００％で規格化している。Δｘが正の方向にシフトすると、第１インテグレータのエレメントの周辺の光が漏れるため、空間光変調素子上でみると周辺が明るくなる。逆に、Δｘが負の場合は、空間光変調素子上では周辺が暗くなる。
Δｘ＝０ｍｍ（図中、稜線と記載）では、照度分布はほぼ均一である。いま、この状態を基準とする。

図９（Δｘ＝０．５ｍｍ）では、ｄ＝０〜４０ｍｍで、基準に対する照度変動が約１０％以下となる。図１０（Δｘ＝１．０ｍｍ）では、ｄ＝０〜３０ｍｍで基準に対する照度変動が約１０％以下となる。図１１（Δｘ＝１．５ｍｍ）では、ｄ＝０〜２０ｍｍで基準に対する照度変動が約１０％以下となる。

上述の結果をまとめたものが表１である。

表１より、ｄ＝６．３〜２２ｍｍ（１ピッチ〜３．５ピッチ）に設定すると冷却条件を満足し、且つ、空間光変調素子上の照度分布の均一性も満足する。

スライドシャッタを第１インテグレータ近傍に設置すると、誤差が出た時には、個々のセルの光分布が直接ケラれるため、空間光変調素子上の照度均一性が劣化しやすい。一方、第２インテグレータの近傍では、空間光変調素子上の照度均一性は劣化しにくい。すなわち、第１インテグレータの出射光は、第１インテグレータのセルレンズによって、第２インテグレータの対応するセルの中心に向かって出射する。それは、ＰＢＳアレイの機能からの要請でもある。
ＰＢＳアレイの光入射側は、インテグレータのエレメントの２倍のエレメントからなり（ピッチが１／２）、セルの中心に対応するＰＢＳアレイのエレメントからのみ光が入射し、その間のエレメントは無効領域である。

ゆえに、第２インテグレータに重ねてスライドシャッタが設置されることが望ましいようにも思える。しかし、光源を有する投射型画像表示装置においては、第２インテグレータとＰＢＳアレイは、冷却することが必要である。一番冷却が必要な部位はＰＢＳアレイの波長板であるが、第２インテグレータとＰＢＳアレイは隣接しているため両者ともに冷却することが望ましい。
また、スライドシャッタ自体が遮蔽時には光を受けて温度上昇するため、冷却が望ましく、かつ、温度上昇したスライドシャッタと「第２インテグレータとＰＢＳアレイ」は熱伝導を遮断する必要がある。さらに、スライドシャッタの可動部は、精密光学部品と離して設置することが信頼性の面からも望ましい。このような要求により実施例のように、距離ｄを設定している。
さらに、距離ｄを設定することにより、スライドシャッタが交換可能であり投射型画像表示装置のサービス性が向上する。

シャッタを閉じているときに照明光が照射され、温度が上昇する。照明光はインテグレータと光源特性を反映して、インテグレータの形状を反映したスポット状の不均一性および中心が強い。そのような光を受けた場合でも、製品寿命（例えば８年以上）の長時間にわたって、迅速応答するシャッタ性能を確保することが欠かせない。そのためには、受けた熱による温度上昇の少ない、かつ、局所的に温度上昇した場合においても熱伝導によって熱が逃げることが好ましい。

表２は、シャッタ材質をSUS304とアルミ合金（JIS5052）にした場合における、シャッタ部等の温度上昇（Δｔ）を測定した結果である。ここで、左右のシャッタを「シャッタＲ」、「シャッタＬ」と表記し、シャッタを収納する部分（光は当たらない部分）を筐体部と表記する。また、ランプは１１０Wの超高圧水銀ランプを使用した。その結果、SUS304では、１２０度前後の温度上昇が見られたのに対し、アルミ合金においては、温度上昇が約３分の1と非常に低い値であった。

表３は、各種材料の熱的特性を比較した表である。アルミはＳＵＳの３分の１の重さ、厚み３倍で同程度の重量になるが、その場合に、比熱がおよそSUSの２倍大きく、かつ、熱伝導率が一桁大きい。
ここで、物体に与えられた熱量と温度上昇の関係は以下で与えられる。
Ｑ＝ＣΔＴ
ｃ＝Ｃ／m
Ｑ＝c mΔＴ
Ｃ：熱容量
Ｑ ：物体に与えた熱量
ｃ：比熱
ｍ：質量
である。

照明装置の照明光学系として使用されるクリティカル照明の原理を説明する斜視図である。 照明装置の照明光学系として使用されるケラー照明の原理を説明する斜視図である。 発明に係る照明光学系の原理を説明する斜視図である。 前記照明光学系において、第２のインテグレータレンズアレイ上に形成される光源像を示す側面図である。 前記照明光学系の実施例における構成を説明するための側面図である。 本実施例に適用される投射型画像表示装置の構成を示す図である。 本実施例に適用される照明光学系の構成を示す図である。 図７の第１インテグレータからＰＢＳアレイまでを説明するため拡大した図である。 スライドシャッタがΔｘだけ開いたときの空間光変調素子上の照度均一性を計算した図である。 スライドシャッタがΔｘだけ開いたときの空間光変調素子上の照度均一性を計算した図である。 スライドシャッタがΔｘだけ開いたときの空間光変調素子上の照度均一性を計算した図である。

符号の説明

１…光源
４，５，９，１４…偏光ビームスプリッタ
７，１１，１３…空間光変調素子
２５…第１インテグレータ
２６…第２インテグレータ
２９…ＰＢＳアレイ
２７…コンデンサレンズ
１５０…スライドシャッタ

Claims (5)

1. 光源からの光束が入射される第１のインテグレータレンズアレイと、この第１のインテグレータレンズアレイを経た光束が入射される第２のインテグレータレンズアレイと、偏光変換部とを備え、前記偏光変換部を経た光により被照明物を照明する照明光学系において、
   前記第1のインテグレータレンズアレイと前記第２のインテグレータレンズアレイとの間に、可変絞りを備え、
   前記可変絞りは、前記第２のインテグレータレンズアレイから前記第１のインテグレータレンズアレイ側に前記第２のインテグレータレンズアレイのレンズピッチの略１乃至３．５倍の距離を有して配置することを特徴とする照明光学系。
2. 前記可変絞りは、前記第２のインテグレータレンズアレイの入射面に沿って移動操作可能となされ、前記第２のインテグレータレンズアレイのレンズピッチに対応する位置に前記可変絞りの端部が停止可能となっ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. 前記可変絞りの移動方向は、前記偏光変換部のＰＢＳアレイの短冊の短辺方向であ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. 前記可変絞りは、熱伝導率１００（Ｗ／ｍＫ）以上であり、且つ、比熱は３００（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）以上である材料からなる請求項１から３のいずれかに記載の照明光学系。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の照明光学系と、色分解合成光学系と、空間光変調素子とを備えたことを特徴とする投射型画像表示装置。
   
   
   

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