JP2008257006A - 照明光学系及び画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コントラストの低下を抑えつつ光量調節が可能な照明光学系を提供する。
【解決手段】照明光学系２は、光源１からの光を複数の光束に分割するレンズアレイ１１，１２と、レンズアレイからの複数の光束をそれぞれ特定の偏光方向を有する光束に変換する複数の偏光変換素子が偏光変換素子アレイ１３と、該偏光変換素子アレイからの複数の光束を画像形成素子４上で重ね合わせる光学素子１４と、遮光部及び開口部を有する遮光部材１５とを有する。遮光部材は、開口部を通して光束を光学素子の方向に通過させる第１の状態と、該第１の状態に比べて画像形成素子に入射する光束の角度分布の幅が狭くなるように光束の一部を遮光部により遮る第２の状態とに移動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクタ等の画像投射装置に好適な照明光学系に関する。

プロジェクタでは、光源からの白色光をレンズアレイによって複数の光束に分割し、該複数の光束を偏光変換素子アレイで特定方向の偏光方向を有する光束に変換する。そして、該偏光光束をダイクロイックミラーや偏光ビームスプリッタ等により構成される色分解光学系でＲＧＢの３つの光束に分離し、該３つの色光束をそれぞれ液晶パネル等の画像形成素子に導く。この際、レンズアレイによって分割された複数の光束は、コンデンサレンズ等の光学素子によって画像形成素子（被照明面）上で互いに重なり合わせられる。これにより、各画像形成素子を均一な照度分布で照明し、３つの画像形成素子からの光を色合成光学系で合成して投射レンズによってスクリーン等の被投射面に投射したときに、むらのない画像が投射される。

このように構成されるプロジェクタでは、画像を投射する室内の明るさや投射画像のサイズ等の投射条件に応じて投射画像の明るさ（光量）を調節できる機能が求められる。このため、特許文献１には、レンズアレイと偏光変換素子アレイとの間に、遮光部と開口部が交互に形成されたすだれ状の遮光部材を配置し、該遮光部材を移動させることで光量を調整するプロジェクタが開示されている。
特開２００２−２３１０６号公報

しかしながら、特許文献１にて開示されたプロジェクタでは、画像の明るさ調節は可能であるが、明るさを低くするとコントラストの向上に有効な光も遮光してしまう。このため、画像のコントラストまで下がってしまうという問題がある。

本発明は、コントラストの低下を抑えつつ光量調節が可能な照明光学系、これを用いた光学ユニット及び画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての照明光学系は、光源からの光束で画像形成素子を照明する。該照明光学系は、光源からの光を複数の光束に分割するレンズアレイと、レンズアレイからの複数の光束をそれぞれ特定の偏光方向を有する光束に変換する複数の偏光変換素子が偏光変換素子アレイと、該偏光変換素子アレイからの複数の光束を画像形成素子上で重ね合わせる光学素子と、遮光部及び開口部を有する遮光部材とを有する。遮光部材は、開口部を通して光束を光学素子の方向に通過させる第１の状態と、該第１の状態に比べて画像形成素子に入射する光束の角度分布の幅が狭くなるように光束の一部を遮光部により遮る第２の状態とに移動することを特徴とする。

なお、上記照明光学系と、照明光学系からの光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を被投射面に投射する投射光学系とを有する光学ユニットも本発明の他の側面を構成する。また、該光学ユニットと、遮光部材を移動させる駆動機構とを有する画像投射装置も本発明の他の側面を構成する。さらに、該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画像表示システムも本発明の他の側面を構成する。

本発明によれば、移動可能な遮光部材によって光量を調節する（低下させる）場合に、画像形成素子に対して大きな入射角度を持つ光束の入射のみを制限して全体の光量を低下させる。このため、コントラストを向上又は維持しつつ投射画像の明るさを変化させることが可能な照明光学系、光学ユニット及びこれを備えた画像投射装置を実現することができる。

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１には、本発明の実施例１である照明光学系を備えたプロジェクタ（画像投射装置）の全体構成を示している。

図１において、１は光源であり、白色光を発するランプとリフレクタにより構成されている。ランプとしては、超高圧水銀ランプ等が用いられる。

２は照明光学系であり、光源１側から、第１のレンズアレイ１１と、第２のレンズアレイ１２と、偏光変換素子アレイ１３と、コンデンサレンズ１４とを有する。また、第２のレンズアレイ１２と偏光変換素子アレイ１３との間には、遮光部材（第２の遮光部材）１５が配置されている。

なお、図１及び以下の図において、光源１から射出してコンデンサレンズ１４の中心及び後述する液晶パネル４の中心を通る中心主光線の光路を照明光学系の光軸とし、ｚ軸で示す。また、偏光変換素子アレイ１３を構成する後述の複数の偏光分離膜（偏光分離素子）の配列方向をｙ軸方向とし、光軸（ｚ軸）とｙ軸に垂直な方向をｘ軸とする。

光源１から発せられた無偏光の白色光は、複数のレンズ部を有する第１のレンズアレイ１１と該第１のレンズアレイ１１の個々のレンズ部に対応するレンズ部を複数有する第２のレンズアレイ１２とによって複数の光束に分割される。第２のレンズアレイ１２から射出された複数の光束は、遮光部材（第２の遮光部材）１５の開口部を通過して偏光変換素子アレイ１３に入射する。

図３には、偏光変換素子アレイ１３の構造を示す。偏光変換素子アレイ１３は、第２のレンズアレイ１２の複数のレンズ部列（ｙ方向でのレンズ部の列）に対応した複数の入射開口部２０５と、複数の偏光分離膜２０２と、複数の反射膜２０３と、射出面に配置された複数のλ／２板２０１とを有する。偏光分離膜２０２、反射膜２０３及びλ／２板２０１は、偏光変換素子として機能する。このため、偏光変換素子アレイ１３は、複数の偏光変換素子がｙ方向（第１の方向）に複数配列された構造を有すると言える。

また、入射開口部２０５の間には、固定遮光部材（第１の遮光部材）２０４が設けられている。偏光分離膜２０２と反射膜２０３とは交互に配置されている。偏光分離膜２０２は、入射開口部２０５からの光束の進行方向に対して４５°の傾きを有する。また、反射膜２０３は、偏光分離膜２０２と平行に設けられている。

光源１からの無偏光のうち固定遮光部材２０４で遮られなかった白色光は、入射開口部２０５から偏光変換素子アレイ１３に入射する。入射した無偏光光のうちＳ偏光成分は、偏光分離膜２０２によって反射され、Ｐ偏光成分はこれを透過する。偏光分離膜２０２によって反射されたＳ偏光成分は、反射膜２０３によって反射されてλ／２板２０１に入射し、ここで偏光方向を９０°回転させられてＰ偏光光に変換される。そして、偏光変換素子アレイ１３から射出する。偏光分離膜２０２を透過したＰ偏光成分は、そのまま偏光変換素子アレイ１３から射出する。こうして、偏光変換素子アレイ１３からは、Ｐ偏光光（特定の偏光方向を有する光）のみが射出される。

なお、図２に示した偏光変換素子アレイ１３では、λ／２板２０１に、偏光分離膜２０２によって反射されたＳ偏光成分をＰ偏光成分に変換する機能を持たせているが、偏光分離膜２０２を透過したＰ偏光成分をＳ偏光成分に変換する機能を持たせてもよい。この場合、偏光変換素子アレイ１３からはＳ偏光光のみが射出される。

偏光変換素子アレイ１３から射出した複数の光束（Ｐ偏光光）は、コンデンサレンズ１４及び偏光ビームスプリッタ３を介して、照明光学系の被照明面に配置された反射型液晶パネル（画像形成素子）４に至る。このとき、複数の光束は、図２に示すように、コンデンサレンズ１４の集光作用を受けて液晶パネル４の画像形成面上（画像形成素子上）で重ね合わせられる。これにより、液晶パネル４上にほぼ均一な照度分布を有する照明エリアが形成される。言い換えれば、液晶パネル４は、その中心部から周辺部までほぼ均一な光量分布の光で照明される。

偏光ビームスプリッタ３は、Ｐ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する偏光分離膜３ａを有する。このため、コンデンサレンズ１４からの光束（Ｐ偏光光）は偏光ビームスプリッタ３を透過して液晶パネル４に至る。

液晶パネル４には、これを駆動する駆動回路Ｄが接続されている。駆動回路Ｄには、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置Ｐからの画像情報が入力される。駆動回路Ｄは、その画像情報に応じて液晶パネル４を駆動し、原画を形成させる。プロジェクタと画像供給装置Ｐにより画像表示システムが構成される。

液晶パネル４で原画に応じた画像変調を受けてＳ偏光光となり、かつ反射した光（画像光）は、偏光ビームスプリッタ３で反射して投射レンズ（投射光学系）５に向かう。投射レンズ５は、入射した画像光を不図示のスクリーンや壁面等の被投射面に投射される。

なお、照明光学系２や投射レンズ５、及びその両者の間に配置された光学系により、プロジェクタ用の光学ユニットが構成される。

図１には、１つの偏光ビームスプリッタ３と液晶パネル４しか示していないが、実施例には、複数の偏光ビームスプリッタやダイクロイック素子等を用いて色分解合成光学系と、ＲＧＢの３色に対応した３つの液晶パネルが設けられる。色分解合成光学系は、コンデンサレンズ１４からの白色光をＲＧＢの３色の光に分離してこれらをＲＧＢの液晶パネルに導く。各色の複数の光束は、前述したように各液晶パネル上で重ね合わせられる。そして、３つの液晶パネルでの画像変調により生成された３色の画像光は、色分解合成光学系で合成され、投射レンズ（投射光学系）５により被投射面に投射される。これにより、フルカラーの被投射面上に投射画像が得られる。

ここで、遮光部材１５は、第２のレンズアレイ１２と偏光変換素子アレイ１３との間でｙ軸方向に移動可能である。１６は遮光部材１５を移動させる駆動機構である。駆動機構１６は、明るさ調節スイッチ等の操作部材１７からの信号を受けて動作し、遮光部材１５をｙ軸方向に移動させる。遮光部材１５の移動により、第２のレンズアレイ１２から偏光変換素子アレイ１３に入射する光束がほとんど遮られない状態（第１の状態、第１のモード）と、該光束の一部が遮られる状態（第２の状態、第２のモード）とに切り換わる。これにより、液晶パネル４を照明する光量、つまりは投射画像の明るさが変化する。

再び、図２において、コンデンサレンズ１４から偏光ビームスプリッタ３を介して液晶パネル４上で重ね合わせられる複数の光束は、液晶パネル４に対しては複数の角度範囲から入射する光束である。これは、偏光ビームスプリッタ３及び液晶パネル４に入射する光束に入射角度分布があることを意味する。偏光ビームスプリッタ３（偏光分離膜３ａ）及び液晶パネル４はともに入射角度依存特性を有する。すなわち、偏光分離膜３ａの法線方向に対する入射角度が４５°に近い光束及び液晶パネル４の受光面に対する入射角度（法線に対する角度）が小さい光束の光量が多いほど、投射画像のコントラストが向上する。以下、上述の液晶パネル４の受光面に対する入射角度が小さい光束のことを小入射角度光束と称する。

したがって、遮光部材１５によって光量調節を行う場合（特に光量を下げる場合）でも、上記小入射角度光束の光量をできるだけ下げずに全体としての光量を変化させることが好ましい。言い換えれば、暗くする場合は、明るい場合に比べて、液晶パネル４（被照明面）に入射する光束の角度分布の幅が狭くなるように全体光量を下げることが好ましい。

そこで、本実施例では、以下のような遮光部材（以下、可動遮光部材という）１５を用いる。

まず、本実施例では、偏光変換素子アレイ１３の入射面のうち偏光分離膜２０２に対応した入射開口部２０５以外の部分を遮光する固定遮光部材（第１の遮光部材）２０４を配置している。これにより、上述した特定の偏光方向を持つ光に変換できない光を遮断している。

ここで、図４に固定遮光部材２０４のｘｙ平面図を示す。固定遮光部材２０４は、ｘ方向に延びる帯状に形成された複数の遮光部２０４ａと、同様にｘ方向に延びる帯状に形成された複数の開口部２０４ｂとを有する。遮光部２０４ａと開口部２０４ｂは、ｙ方向（第１の方向）において交互に形成されている。固定遮光部材２０４は、開口部２０４ｂが偏光変換素子アレイ１３の入射開口部２０５及び偏光分離膜２０２の前面に位置するように偏光変換素子アレイ１３に対して固定される。

一方、図５には、可動遮光部材１５のｘｙ平面図を示す。可動遮光部材１５は、その基本とする形状は固定遮光部材２０４と同じであり、ｘ方向に延びる帯状に形成された複数の遮光部１５ａと、同様にｘ方向に延びる帯状に形成された複数の開口部１５ｂとを有する。遮光部１５ａと開口部１５ｂは、ｙ方向において交互に形成されている。遮光部１５ａ及び開口部１５ｂのｙ方向の幅も、固定遮光部材２０４の遮光部２０４ａと開口部２０４ｂの同方向の幅と同じである。

ただし、可動遮光部材１５は、上述した基本形状に、光軸から離れた領域を通過しようとする光を光軸に近い領域を通過しようとする光よりもより多く遮るように、ひし形（図４に点線で示す）の開口部を追加した形状を有する。言い換えれば、照明光学系の中心側の光束よりも周辺側の光束を多く遮るように遮光部５ａ及び開口部５ｂの形状を、固定遮光部材２０４の遮光部２０４ａと開口部２０４ｂの形状と異ならせている。

この結果、可動遮光部材１５は、ｙ方向において間に開口部５ｂが形成された複数の遮光部５ａを有し、かつｙ方向に対して直交するｘ方向（第２の方向）において各遮光部５ａの間に開口部５ｂが形成された形状を有する。なお、可動遮光部材の遮光部及び開口部の形状が、固定遮光部材２０４の遮光部２０４ａと開口部２０４ｂの形状と異なる点は、後述する他の実施例でも同じである。

このような形状に形成された可動遮光部材１５を、上述した駆動機構１６によって、偏光変換素子アレイ１３に設けられた固定遮光部材１５に対してｙ方向に移動させることで、光量調節を行う。

図６は、図１のプロジェクタにより、同じ投射距離及び同じ画像サイズで最も明るい画像を投射する状態（第１の状態）での可動遮光部材１５と固定遮光部材２０４との相対位置関係（相対的な位置関係）を示すｘｙ平面図である。このとき、可動遮光部材１５の遮光部１５ａは固定遮光部材２０４の遮光部２０４ａと重なる（つまりは、遮光部同士が重なる）。また、可動遮光部材１５の開口部１５ｂは固定遮光部材２０４の開口部２０４ｂと重なる（つまりは、開口部同士が重なる）。このため、可動遮光部材１５を設けていない場合と同じ光量の光（第２のレンズアレイ１２からの複数の光束の一部）が固定遮光部材２０４の開口部２０４ｂを通って偏光変換素子アレイ１３の偏光分離膜２０２に入射する。すなわち、上記光を光学素子としてのコンデンサレンズの方向に通過させる。

図７は、図１のプロジェクタにより、図６の状態に比べて暗い画像（最も暗い画像）を投射する状態（第２の状態）での可動遮光部材１５と固定遮光部材２０４との相対位置を示すｘｙ平面図である。このとき、可動遮光部材１５の遮光部１５ａは固定遮光部材２０４の開口部２０４ａのうち光軸から離れた領域と重なる（該領域を覆う）。具体的には、図ではｙ方向に３段形成されている固定遮光部材２０４の開口部２０４ａのうち、中段の開口部２０４ａはそのｘ方向両端部のみが遮光部１５ａと重なる。一方、上下の段の開口部２０４ａはそのｘ方向中央領域以外の領域（周辺側の領域）が遮光部１５ａと重なる。つまり、図５に点線で示した可動遮光部材１５のひし形の開口部が固定遮光部材２０４の帯状の遮光部２０４ａによって３分割されたような形状の開口部が形成される。

これにより、光軸に近い中央側では図６の状態とほぼ同じ光量の光が通過するが、光軸から離れた周辺側では図６の状態より多くの光量の光がカットされる。

偏光変換素子アレイ１３及びその直前に配置された可動遮光部材１５は、投射レンズ５の入射瞳とほぼ共役に位置に配置されているので、光軸から離れた周辺側の領域の光を遮ることは液晶パネル４への入射角度を制限することになる。このことは、液晶パネル４（及び偏光ビームスプリッタ３）の入射角度特性上不利となる方向からの光の入射のみを制限することになる。したがって、投射画像の明るさを低下させながらコントラストの向上（又は維持）を図ることができる。

図２１には、図６の状態と図７の状態での液晶パネル４に入射する光束の角度分布の模式図を示す。図中のＡで示す曲線が図６の状態での角度分布を示し、Ｂで示す曲線が図７の状態での角度分布を示す。

Ｂの角度分布は、Ａの角度分布に対して狭い。言い換えれば、液晶パネル４の法線方向（０）付近の角度で入射する光（小入射角度光束）の光量はほとんど変わらないが、法線方向に対して大きい角度で入射する光の光量は大幅（ほぼ０）に低下している。つまり、コントラストの向上に寄与する小入射角度光束の入射光量を落とさずに全体の入射光量を落としている。

特許文献１にて開示された遮光部材を用いた場合は、小入射角度光束の光量落ちが大きく、光量が低下するとともにコントラストも低下する。

また、本実施例においては、前述したように、偏光変換素子アレイ１３の近傍は、投射レンズの入射瞳とほぼ共役な関係にあるため、光量調節を行った結果、照明むらを引き起こすおそれはない。

なお、本実施例では、可動遮光部材１５の基本形状に追加する開口部の形状をひし形とした場合について説明したが、これ以外の形状の開口部を追加してもよい。例えば、図８に示す可動遮光部材３１５のように、楕円形状の開口部を追加してもよい。要するに、コントラストの向上に寄与する中央側の光量を落とさずに、入射角度特性上不利な周辺側の光量をカットする形状であればよい。

図９には、本発明の実施例２である照明光学系に用いられる、実施例１の可動遮光部材１５と同様の機能を持つ可動遮光部材４１５のｘｙ平面図を示している。なお、本実施例の照明光学系も、実施例１で図１を用いて説明したプロジェクタに用いられる。このため、実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付す。

実施例１の可動遮光部材１５は複数の遮光部１５ａ及び開口部１５ｂが一体となってｙ方向へ移動する。これに対し、本実施例の可動遮光部材４１５は、それぞれ遮光部４１５ａを有する２つの部品としての可動遮光部材４１５Ａ，４１５Ｂが、互いに独立にｙ方向に移動する。可動遮光部材４１５（４１５Ａ，４１５Ｂ）は、その基本形状は実施例１の可動遮光部材１５と同じであるが、ｙ方向の中央で２つの部品に分離されている。

図１０は、図１のプロジェクタにより、同じ投射距離及び同じ画像サイズで最も明るい画像を投射する状態（第１の状態）での可動遮光部材４１５Ａ，４１５Ｂと固定遮光部材２０４との相対位置関係（相対的な位置関係）を示すｘｙ平面図である。このとき、可動遮光部材４１５Ａ，４１５ｂの遮光部４１５ａは固定遮光部材２０４の遮光部２０４ａと重なり、可動遮光部材４１５Ａ，４１５Ｂの開口部４１５ｂは固定遮光部材２０４の開口部２０４ｂと重なる。このため、可動遮光部材４１５を設けていない場合と同じ光量の光（第２のレンズアレイ１２からの複数の光束の一部）が固定遮光部材２０４の開口部２０４ｂを通って偏光変換素子アレイ１３の偏光分離膜２０２に入射する。

図１１は、図１のプロジェクタにより、図１０の状態に比べて若干暗い画像を投射する状態（第２の状態）での可動遮光部材４１５Ａ，４１５Ｂと固定遮光部材２０４との相対位置を示すｘｙ平面図である。可動遮光部材４１５Ａ，４１５Ｂは、図１０の状態に比べて、ｙ方向にて互いに近づく方向に移動している。

このとき、可動遮光部材４１５Ａ，４１５Ｂの遮光部４１５ａは固定遮光部材２０４の開口部２０４ａのうち光軸から離れた領域の一部と重なる。具体的には、図ではｙ方向に３段形成されている固定遮光部材２０４の開口部２０４ａのうち、中段の開口部２０４ａは遮光部４１５ａと重ならない。一方、上下の段の開口部２０４ａはそのｘ方向中央領域以外の領域（周辺側の領域）の一部が遮光部４１５ａと重なる。

これにより、光軸に近い中央側では図１０の状態とほぼ同じ光量の光が通過するが、光軸から離れた周辺側では図１０の状態より若干多くの光量の光がカットされる。

図１２は、図１のプロジェクタにより、図１１の状態に比べてより暗い画像（最も暗い画像）を投射する状態（第２の状態）での可動遮光部材４１５Ａ，４１５Ｂと固定遮光部材２０４との相対位置を示すｘｙ平面図である。可動遮光部材４１５Ａ，４１５Ｂは、図１１の状態に比べて、ｙ方向にて互いにさらに近づく方向に移動している。この状態は、実施例１で図７に示した状態と同じである。つまり、可動遮光部材４１５Ａ，４１５Ｂの遮光部４１５ａは固定遮光部材２０４の開口部２０４ａのうち光軸から離れた領域と重なる。具体的には、図ではｙ方向に３段形成されている固定遮光部材２０４の開口部２０４ａのうち、中段の開口部２０４ａはそのｘ方向両端部が遮光部４１５ａと重なる。一方、上下の段の開口部２０４ａはそのｘ方向中央領域以外の領域（周辺側の領域）が遮光部４１５ａと重なる。

これにより、光軸に近い中央側では図１０及び図１１の状態とほぼ同じ光量の光が通過するが、光軸から離れた周辺側では図１１の状態よりも多くの光量の光がカットされる。

図１１及び図１２の状態では、実施例１の図７の状態と同様に、液晶パネル４への入射する光束の角度分布は、図１０の状態のそれよりも狭くなる。つまり、液晶パネル４（及び偏光ビームスプリッタ３）の入射角度特性上不利となる方向からの光の入射のみが制限され、小入射角度光束の光量はほとんど変わらない。このため、投射画像の明るさを低下させながらコントラストの向上（又は維持）を図ることができる。

図１３には、本発明の実施例３である照明光学系に用いられる、実施例１の可動遮光部材１５と同様の機能を持つ可動遮光部材５１５のｘｙ平面図を示している。なお、本実施例の照明光学系も、実施例１で図１を用いて説明したプロジェクタに用いられる。このため、実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付す。

本実施例の可動遮光部材５１５も、実施例２と同様に、それぞれ遮光部５１５ａを有する６つの部品としての可動遮光部材５１５Ａ，５１５Ｂ，５１５Ｃ，５１５Ｄ，５１５Ｅ，５１５Ｆが、互いに独立にｙ方向に移動する。可動遮光部材５１５（５１５Ａ〜５１５Ｆ）は、その基本形状は実施例１の可動遮光部材１５と同じであるが、ｙ方向で３つに、ｘ方向で２つに分離されている。

図１４は、図１のプロジェクタにより、同じ投射距離及び同じ画像サイズで最も明るい画像を投射する状態（第１の状態）での可動遮光部材５１５Ａ〜５１５Ｆと固定遮光部材２０４との相対位置関係（相対的な位置関係）を示すｘｙ平面図である。このとき、可動遮光部材５１５Ａ〜５１５Ｆの遮光部５１５ａは固定遮光部材２０４の遮光部２０４ａと重なり、可動遮光部材５１５Ａ〜５１５Ｆの開口部（ただし、ｙ方向における開口部）４１５ｂは固定遮光部材２０４の開口部２０４ｂと重なる。このため、可動遮光部材５１５を設けていない場合と同じ光量の光（第２のレンズアレイ１２からの複数の光束の一部）が固定遮光部材２０４の開口部２０４ｂを通って偏光変換素子アレイ１３の偏光分離膜２０２に入射する。

図１５は、図１のプロジェクタにより、図１４の状態に比べて若干暗い画像を投射する状態（第２の状態）での可動遮光部材５１５Ａ〜５１５Ｆと固定遮光部材２０４との相対位置を示すｘｙ平面図である。６つの可動遮光部材５１５Ａ〜５１５Ｆのうち可動遮光部材５１５Ｂの遮光部５１５ａは、固定遮光部材２０４の３段の開口部２０４ａのうち上段の開口部２０４ａにおける光軸から離れた右上の領域と重なっている。一方、可動遮光部材５１５Ｄ，５１５Ｆの遮光部５１５ａは、固定遮光部材２０４の中段及び下段の遮光部５１５ａと重なって、中段及び下段の開口部２０４ｂには重ならない。

また、可動遮光部材５１５Ｅの遮光部５１５ａは、固定遮光部材２０４の３段の開口部２０４ａのうち下段の開口部２０４ａにおける光軸から離れた左下の領域と重なっている。一方、可動遮光部材５１５Ａ，５１５Ｃの遮光部５１５ａは、固定遮光部材２０４の上段及び中段の遮光部５１５ａと重なって、上段及び中段の開口部２０４ｂには重ならない。

これにより、光軸に近い中央側では図１４の状態とほぼ同じ光量の光が通過するが、光軸から離れた周辺側では図１４の状態より多くの光量の光がカットされる。

図１６は、図１のプロジェクタにより、図１５の状態に比べてより暗い画像（最も暗い画像）を投射する状態（第２の状態）での可動遮光部材５１５Ａ〜５１５Ｆと固定遮光部材２０４との相対位置を示すｘｙ平面図である。この状態は、実施例１で図７に示した状態と同じである。

つまり、固定遮光部材２０４の中段の開口部２０４ａはそのｘ方向両端部が可動遮光部材５１５Ｃ，Ｄの遮光部５１５ａと重なる。また、上下の段の開口部２０４ａはそのｘ方向中央領域以外の領域（周辺側の領域）が可動遮光部材５１５Ａ，５１５Ｂ，５１５Ｅ，５１５Ｆの遮光部５１５ａと重なる。

これにより、光軸に近い中央側では図１４及び図１５の状態とほぼ同じ光量の光が通過するが、光軸から離れた周辺側では図１５の状態よりも多くの光量の光がカットされる。

図１５及び図１６の状態では、液晶パネル４への入射する光束の角度分布は、図１４の状態のそれよりも狭くなる。つまり、液晶パネル４（及び偏光ビームスプリッタ３）の入射角度特性上不利となる方向からの光の入射のみが制限され、小入射角度光束の光量はほとんど変わらない。このため、投射画像の明るさを低下させながらコントラストの向上（又は維持）を図ることができる。

しかも、本実施例では、６つの可動遮光部材の移動を独立に制御することで、開口の形状の自由度が増す。このため、光量調節とコントラスト向上とのバランスを選択することができる。なお、図１５及び図１６に示した状態は例に過ぎず、６つの可動遮光部材のいずれの遮光部５１５ａをどの開口部２０４ａに重ねるかは任意に選択可能である。

尚、図１４の状態から図１５の状態に移行する際には、可動遮光部材５１５Ｂ及び５１５Ｅのみが動いて他の可動遮光部材は動かない（可動遮光部材５１５Ｂ及び５１５Ｅが他の可動遮光部材に対して相対的に移動する）。また、図１４の状態から図１６の状態に移行する際には、すべての可動遮光部材５１５Ａ〜Ｆが同じ制御信号に基づいて同じ量の移動を行う。

図１７には、本発明の実施例４である照明光学系に用いられる、実施例１の可動遮光部材１５と同様の機能を持つ可動遮光部材６１５のｘｙ平面図を示している。なお、本実施例の照明光学系も、実施例１で図１を用いて説明したプロジェクタに用いられる。このため、実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付す。

遮光部材６１５は、図１９及び図２０から分かるように、同一形状を有する２つの可動遮光部材６１５Ａ，６１５Ｂにより構成されており、それぞれを固定可動部材２０４に対して光軸回りで回転させることで遮光面積を変化させる。

図１８は、図１のプロジェクタにより、同じ投射距離及び同じ画像サイズで最も明るい画像を投射する状態（第１の状態）での可動遮光部材６１５Ａ，６１５Ｂと固定遮光部材２０４との相対位置関係（相対的な位置関係）を示すｘｙ平面図である。このとき、可動遮光部材６１５Ａ，６１５Ｂの遮光部６１５ａは固定遮光部材２０４の遮光部２０４ａと重なり、可動遮光部材６１５Ａ，６１５Ｂの開口部６１５ｂは固定遮光部材２０４の開口部２０４ｂと重なる。このため、可動遮光部材６１５を設けていない場合と同じ光量の光（第２のレンズアレイ１２からの複数の光束の一部）が固定遮光部材２０４の開口部２０４ｂを通って偏光変換素子アレイ１３の偏光分離膜２０２に入射する。

図１９は、図１のプロジェクタにより、図１８の状態に比べて若干暗い画像を投射する状態（第２の状態）での可動遮光部材６１５Ａ，６１５Ｂと固定遮光部材２０４との相対位置を示すｘｙ平面図である。可動遮光部材６１５Ａ，６１５Ｂはそれぞれ、固定遮光部材２０４に対して互いに反対方向（時計回り方向及び反時計回り方向）に若干の角度だけ回転している。可動遮光部材６１５Ａ，６１５Ｂの遮光部６１５ａと固定遮光部材２０４の遮光部２０４ａとが回転方向にずれている。

これにより、光軸に近い中央側では図１８の状態とほぼ同じ光量の光が通過するが、光軸から離れた周辺側では図１８の状態より多くの光量の光がカットされる。

図２０は、図１のプロジェクタにより、図１９の状態に比べてより暗い画像（最も暗い画像）を投射する状態（第２の状態）での可動遮光部材６１５Ａ，６１５Ｂと固定遮光部材２０４との相対位置を示すｘｙ平面図である。この状態では、可動遮光部材６１５Ａ，６１５Ｂはそれぞれ、固定遮光部材２０４に対して互いに反対方向（時計回り方向及び反時計回り方向）に、図１９の状態より大きく回転している。可動遮光部材６１５Ａ，６１５Ｂの遮光部６１５ａと固定遮光部材２０４の遮光部２０４ａとが、図１９の状態より大きく回転方向にずれている。

これにより、光軸に近い中央側では図１８及び図１９の状態とほぼ同じ光量の光が通過するが、光軸から離れた周辺側では図１９の状態よりも多くの光量の光がカットされる。

図１９及び図２０の状態では、液晶パネル４への入射する光束の角度分布は、図１８の状態のそれよりも狭くなる。つまり、液晶パネル４（及び偏光ビームスプリッタ３）の入射角度特性上不利となる方向からの光の入射のみが制限され、小入射角度光束の光量はほとんど変わらない。このため、投射画像の明るさを低下させながらコントラストの向上（又は維持）を図ることができる。

なお、本実施例では、互いに同一形状の２つの可動遮光部材６１５Ａ，６１５Ｂを用いているが、互いに異なる形状の２つの可動遮光部材を光軸回りで回転させるようにしてもよい。また、回転させる可動遮光部材の数を３つ以上としてもよい。

図２２には、本発明の実施例５である照明光学系に用いられる、実施例１の可動遮光部材１５と同様の機能を持つ可動遮光部材７１５のｘｙ平面図を示している。なお、本実施例の照明光学系も、実施例１で図１を用いて説明したプロジェクタに用いられる。このため、実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付す。

本実施例の可動遮光部材７１５の基本形状は、固定遮光部材２０４と同じである。ただし、実施例１の可動遮光部材１５の形状とは以下のように相違する。

まず、実施例１の可動遮光部材１５では、ｙ方向の３段の遮光部１５ａが全てｘ方向にて分離されている（ｘ方向の２つの遮光部１５ａの間に開口部が形成されている）。これに対し、本実施例の可動遮光部材７１５は、中段の遮光部７１５ａは実施例１と同様にｘ方向にて分離されているが、上段及び下段の遮光部７１５ａは、ｘ方向には連続している（分離されていない）。ただし、上段及び下段の遮光部７１５ａは、ｘ方向において、ｙ方向の幅が変化する形状を有する。具体的には、上段及び下段の遮光部７１５ａは、そのｘ方向両端側の部分は固定遮光部材２０４の遮光部２０４ａと同じ幅を有するが、ｘ方向中央部では、光軸に近い側の部分が光軸から離れるように凹形状を有する。

図２３は、図１のプロジェクタにより、同じ投射距離及び同じ画像サイズで最も明るい画像を投射する状態（第１の状態）での可動遮光部材７１５と固定遮光部材２０４との相対位置関係（相対的な位置関係）を示すｘｙ平面図である。このとき、可動遮光部材７１５の遮光部７１５ａは固定遮光部材２０４の遮光部２０４ａと重なり、可動遮光部材７１５の開口部７１５ｂは固定遮光部材２０４の開口部２０４ｂと重なる。このため、可動遮光部材７１５を設けていない場合と同じ光量の光（第２のレンズアレイ１２からの複数の光束の一部）が固定遮光部材２０４の開口部２０４ｂを通って偏光変換素子アレイ１３の偏光分離膜２０２に入射する。

図２４は、図１のプロジェクタにより、図２３の状態に比べて暗い画像（最も暗い画像）を投射する状態（第２の状態）での可動遮光部材７１５と固定遮光部材２０４との相対位置を示すｘｙ平面図である。このとき、可動遮光部材７１５の上段の遮光部７１５ａは、固定遮光部材２０４の上段の開口部２０４ａのうちｘ方向中央領域以外の領域（周辺側の領域）の全てと該中央領域の上部と重なる。また、可動遮光部材７１５の下段の遮光部７１５ａは、固定遮光部材２０４の上段の開口部２０４ａのうちｘ方向中央領域以外の領域（周辺側の領域）の全てと該中央領域の下部と重なる。

これにより、光軸に近い中央側では図２３の状態とほぼ同じ光量の光が通過するが、光軸から離れた周辺側では図２３の状態より多くの光量の光がカットされる。

図２４の状態では、液晶パネル４への入射する光束の角度分布は、図２３の状態のそれよりも狭くなる。つまり、液晶パネル４（及び偏光ビームスプリッタ３）の入射角度特性上不利となる方向からの光の入射のみが制限され、小入射角度光束の光量はほとんど変わらない。このため、投射画像の明るさを低下させながらコントラストの向上（又は維持）を図ることができる。

なお、実施例１〜５においては、偏光変換素子アレイ１３の前部（光源側）に固定遮光部材２０４が設けられている場合について説明した。しかし、他の実施例として、固定遮光部材２０４に代えて、可動遮光部材１５，３１５，４１５，５１５，６１５，７１５とは別の可動式の遮光部材を設けて、可動遮光部材１５〜７１５と独立に移動させるよいにしてもよい。また、偏光変換素子アレイ１３よりも後方（パネル側）に所定の偏光方向を有する光以外の光を検光する素子を設けておけば、固定遮光部材をなくすことも可能である。

また、実施例１〜５では、反射型液晶パネルを用いたプロジェクタについて説明したが、他の実施例として、透過型液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いたプロジェクタに実施例１〜５の可動遮光部材を用いてもよい。

本発明の実施例１である照明光学系を用いたプロジェクタの構成を示す平面図。 実施例１の照明光学系において画像形成素子を照明する光線の模式図。 実施例１の照明光学系に用いられている偏光変換素子アレイの構造を示す断面図。 実施例１における偏光変換素子アレイに設けられた固定遮光部材を示す正面図。 実施例１における可動遮光部材を示す正面図。 実施例１における可動遮光部材と固定遮光部材の相対位置（第１の状態）を示す正面図。 実施例１における可動遮光部材と固定遮光部材の相対位置（第２の状態）を示す正面図。 実施例１の変形例としての可動遮光部材を示す正面図。 本発明の実施例２における可動遮光部材を示す正面図。 実施例２における可動遮光部材と固定遮光部材の相対位置（第１の状態）を示す正面図。 実施例２における可動遮光部材と固定遮光部材の相対位置（第２の状態）を示す正面図。 実施例２における可動遮光部材と固定遮光部材の相対位置（別の第２の状態）を示す正面図。 本発明の実施例３における可動遮光部材を示す正面図。 実施例３における可動遮光部材と固定遮光部材の相対位置（第１の状態）を示す正面図。 実施例３における可動遮光部材と固定遮光部材の相対位置（第２の状態）を示す正面図。 実施例３における可動遮光部材と固定遮光部材の相対位置（別の第２の状態）を示す正面図。 本発明の実施例４における可動遮光部材を示す正面図。 実施例４における可動遮光部材と固定遮光部材の相対位置（第１の状態）を示す正面図。 実施例４における可動遮光部材と固定遮光部材の相対位置（第２の状態）を示す正面図。 実施例４における可動遮光部材と固定遮光部材の相対位置（別の第２の状態）を示す正面図。 実施例における第１及び第２の状態での液晶パネルへの入射角度分布を示す図。 本発明の実施例５における可動遮光部材を示す正面図。 実施例５における可動遮光部材と固定遮光部材の相対位置（第１の状態）を示す正面図。 実施例５における可動遮光部材と固定遮光部材の相対位置（第２の状態）を示す正面図。

符号の説明

１ 光源
２ 照明光学系
３ 偏光ビームスプリッタ
４ 反射型液晶パネル
５ 投射レンズ（投射光学系）
１１ 第１のレンズアレイ
１２ 第２のレンズアレイ
１３ 偏光変換素子アレイ
１４ コンデンサレンズ
１５，３１５，４１５，５１５，６１５，７１５ 可動遮光部材
２０１ λ／２板
２０２ 偏光分離膜
２０３ 反射膜
２０４ 固定遮光部材

Claims (11)

1. 光源からの光束で画像形成素子を照明する照明光学系であって、
   前記光源からの光を複数の光束に分割するレンズアレイと、
   前記レンズアレイからの複数の光束をそれぞれ特定の偏光方向を有する光束に変換する複数の偏光変換素子が配列された偏光変換素子アレイと、
   該偏光変換素子アレイからの複数の光束を前記画像形成素子上で重ね合わせる光学素子と、
   遮光部及び開口部を有する遮光部材とを有し、
   前記遮光部材は、前記開口部を通して前記光束を前記光学素子の方向に通過させる第１のモードと、該第１の状態に比べて前記画像形成素子に入射する光束の角度分布の幅が狭くなるように前記光束の一部を前記遮光部により遮る第２のモードとを有することを特徴とする照明光学系。
2. 前記遮光部材は、前記第２の状態において、前記第１の状態に比べて前記光束のうち該照明光学系の中心側の光束よりも周辺側の光束を多く遮ることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記偏光変換素子アレイにおいて前記複数の偏光変換素子が第１の方向に配列されており、
   前記第１の方向に複数の遮光部と複数の開口部とが交互に形成された第１の遮光部材と、
   前記遮光部材としての第２の遮光部材とを有しており、
   前記第２の遮光部材を前記第1の遮光部材に対して移動させることによって、前記第1のモードと前記第２のモードとを切り換え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. 前記第２の遮光部材の遮光部及び開口部はそれぞれ、前記第１の遮光部材の遮光部及び開口部とは異なる形状を有することを特徴とする請求項３に記載の照明光学系。
5. 前記第２の遮光部材は、前記第１の方向において間に前記開口部が形成された複数の前記遮光部を有し、該第１の方向に対して直交する第２の方向において前記各遮光部の間に前記開口部が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。
6. 前記第２の遮光部材は、前記第１の方向において間に前記開口部が形成された複数の前記遮光部を有しており、
   前記第２の方向の互いに異なる２つの位置において、該複数の遮光部のうち少なくとも１つの遮光部の幅が互いに異なることを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。
7. 前記第２の遮光部材は、それぞれ前記遮光部を有する複数の部品により構成され、該複数の部品は互いに相対的に移動することを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。
8. 前記第１のモードにおいて、前記第１及び前記第２の遮光部材の前記遮光部同士及び前記開口部同士が重なり、前記第２のモードにおいて前記第２の遮光部材の遮光部の少なくとも一部が前記第１の遮光部材の開口部の少なくとも一部に重なることを特徴とする請求項３から７のいずれか１つに記載の照明光学系。
9. 請求項１から８のいずれか１つに記載の照明光学系と、
   前記照明光学系からの光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を被投射面に投射する投射光学系とを有する光学ユニット。
10. 請求項９に記載の光学ユニットと、
    前記第１及び第２の遮光部材を独立に移動させる駆動機構と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供給装置とを有することを特徴する画像表示システム。