JP2016099585A - 光学装置および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の反射型光変調素子に対する色分離と色合成を行う複数のダイクロイック面における光量低下を抑制し、各反射型変調素子から明るい光を取り出す。【解決手段】光学装置は、照明光学系３，４，６から出射した光束を複数の色光に分離して複数の反射型光変調素子７Ｒ，Ｇ，Ｂに導き、複数の反射型光変調素子により反射された複数の色光を合成する複数のダイクロイック面９ａ，９ｂを有する。反射型光変調素子の光変調面は長辺と短辺を有する。照明光学系の光軸Ｃ、複数のダイクロイック面のそれぞれの法線および複数の反射型光変調素子の光変調面のそれぞれの法線に対して平行な断面を第１の断面ＸＺとし、光軸に平行で第１の断面に対して直交する断面を第２の断面ＹＺとする。複数の反射型光変調素子の長辺が第１断面と平行になるように配置されており、かつ第１の断面でのＦナンバーが、第２の断面でのＦナンバーよりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、反射型光変調素子を含む光学装置およびこれを用いた画像投射装置に関する。

画像投射装置（プロジェクタ）は、光源から発せられた光束をインテグレータ光学系（照明光学系）で光変調素子に導き、入力映像信号に応じて光変調素子で変調された光を投射光学系を介して投射することで画像を表示する。このような画像投射装置には、光変調素子として、反射型液晶パネルやミラー型光変調素子等の反射型光変調素子が用いているものがある。

特許文献１，２には、光源からの白色光をクロスダイクロイックプリズムによりＲＧＢの３つの色光に分離して３つの反射型液晶パネルに導き、該３つの反射型液晶パネルからの３つの色光を上記プリズムで合成して投射するプロジェクタが開示されている。

また、特許文献３には、特許文献１，２のプロジェクタにおけるクロスダイクロイックプリズムを、フィリップスタイプのダイクロイックプリズムに置き替えたプロジェクタが開示されている。

特開平１０−２７４８１０号公報 特開２００２−２６８００７号公報 特開平１１−３１６３５６号公報

特許文献１，２に開示されたプロジェクタでは、光源からの光のうち偏光ビームスプリッタによって分離されたＳ偏光またはＰ偏光をダイクロイックプリズムに入射させて３つの色光に分離する。そして、３つの反射型液晶パネルで反射したＰ偏光またはＳ偏光としての３つの色光をダイクロイックプリズムで合成する。このように、ダイクロイックプリズムでは、偏光ビームスプリッタから入射する光と反射型液晶パネルから入射する光がＳ偏光とＰ偏光になる。このため、ダイクロイックプリズムに設けられる複数のダイクロイック膜は、Ｐ偏光とＳ偏光の双方に対して良好なダイクロイック特性を持つ必要がある。

しかしながら、このようなダイクロイック膜は、一般に、光線入射角度に依存してカットオフ波長が大きくシフトする特性を有する。また、偏光ビームスプリッタから光が入射するときと反射型液晶パネルからの光が入射するときとで、ダイクロイック膜に対する光線入射角度が逆になるため、カットオフ波長のシフト方向も逆になる。したがって、光源のスペクトル成分のうちダイクロイック膜のカットオフ波長近傍の光量損失が大きくなり、この結果、表示される画像（投射画像）の明るさが低下する。また、投射画像の色むらも増加させる。

これに対して特許文献３にて開示されたプロジェクタに用いられているフィリップスタイプのダイクロイックプリズムはクロスダイクロイックプリズムに比べてダイクロイック膜への光線入射角度が０度に近くなる。このため、ダイクロイック膜の入射角度依存性も低くなり、特許文献１，２のプロジェクタに比べてカットオフ波長近傍の光量損失を小さくすることができる。しかし、反射型液晶パネルに対するさらなる入射光量の増加を図るために照明光学系のＦナンバーを小さくすると、ダイクロイック膜への光の入射角度が大きくなり、この結果カットオフ波長近傍の光量損失が増大して、投射画像の明るさが低下する。

一方、特許文献２にて開示されたプロジェクタでは、反射型液晶パネルがその短辺方向が照明光学系の光軸とクロスダイクロイックプリズムのダイクロイック膜の法線とを含む断面に平行になるように配置されている。これは、ダイクロイック膜への光線入射画角を小さくして、色むらを抑制することを目的としている。しかし、このプロジェクタは、光線が非テレセントリックに反射型液晶パネルに入射する構成を有するので、照明光学系のＦナンバーで規定される最大入射角度よりも大きな入射角度でダイクロイック膜に光線が入射する。したがって、カットオフ波長近傍の光量損失が大きくなってしまう。

また、特許文献２には、上記目的のために、照明光学系に含まれる第１および第２のフライアイレンズのダイクロイック膜の膜面方向での個数を少なくし、さらに同方向においてシリンドリカルレンズ等の圧縮系を用いて光束の幅を圧縮する構成が開示されている。ところが、光束を圧縮すると光束の平行度が悪化するため、第２のフライアイレンズのレンズセル近傍に形成される光源像の大きさが圧縮方向で大きくなり、レンズセルの開口からはみ出す成分が大きくなる。この結果、特に反射型液晶パネルの短辺方向と光源像が大きくなる方向とが一致する特許文献２のプロジェクタでは光量損失が大きくなり、投射画像の明るさがより低下する。

このように、複数の反射型光変調素子に対する色分離と色合成を行うダイクロイックプリズムを用いる従来のプロジェクタにおいて、色むらの低減については考慮されているものの、明るさの低下に対する対策がなされていないか不十分である。

本発明は、複数の反射型光変調素子に対する色分離と色合成を行う複数のダイクロイック面における光量低下を抑制し、各反射型変調素子から明るい光を取り出せるようにした光学装置、さらにはより明るい投射画像を提示できるようにした画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての光学装置は、光源からの光束を集光する照明光学系と、複数の反射型光変調素子と、照明光学系から出射した光束を複数の色光に分離して該複数の色光を複数の反射型光変調素子に導き、該複数の反射型光変調素子により反射された複数の色光を合成する複数のダイクロイック面とを有する。複数の反射型光変調素子の光変調面はそれぞれ、長辺と短辺を有する。照明光学系の光軸、複数のダイクロイック面のそれぞれの法線および複数の反射型光変調素子の光変調面のそれぞれの法線に対して平行な断面を第１の断面とし、該光軸に対して平行で第１の断面に対して直交する断面を第２の断面とするとき、複数の反射型光変調素子がそれぞれ、その長辺が第１断面と平行になるように配置されており、かつ第１の断面でのＦナンバーが、第２の断面でのＦナンバーよりも大きいことを特徴とする。

なお、上記光学装置を有し、複数のダイクロイック面で合成された光を投射光学系により投射して画像を表示する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、複数の反射型光変調素子に対する色分離と色合成を行う複数のダイクロイック面における光量低下を抑制することができ、各反射型変調素子からより明るい光を取り出すことができる光学装置を実現することができる。そして、この光学装置を用いた画像投射装置によれば、より明るい投射画像を提示することができる。

本発明の実施例１であるプロジェクタ光学ユニットの構成を示すＸＺ断面図およびＹＺ断面図。 実施例１にて用いられるダイクロイック膜の特性を示す図。 上記ダイクロイック膜への光線入射角度と光量との関係を示す図。 実施例１における２次光源像とフライアイレンズのレンズセルの開口形状との関係を示す図。 実施例１の光学ユニットにおける明るさの改善効果を説明する図。 本発明の実施例２であるプロジェクタ光学ユニットの構成を示すＸＺ断面図およびＹＺ断面図。 本発明の実施例３であるプロジェクタ光学ユニットの構成を示すＸＺ断面図およびＹＺ断面図。 実施例３における２次光源像とロッドインテグレータの入射面形状との関係を示す図。 本発明の実施例４であるプロジェクタ光学ユニットの構成を示すＸＺ断面図およびＹＺ断面図。 Ｆナンバーの定義に関する図。

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であるプロジェクタ光学ユニット（光学装置）の構成を示す。このプロジェクタ光学ユニットは、光源１および投射光学系ＰＬとともに、プロジェクタ（画像投射装置）に対して光学エンジン部として組み込まれる。なお、投射光学系ＰＬは光学ユニットの一部であってもよいし、光学ユニットに対して着脱（交換）が可能なものであってもよい。

光源１から発せられた光束は、放物面リフレクタ２によって集光されて平行光束として第１のフライアイレンズ３に入射する。光源１としては、超高圧水銀ランプやキセノンランプが用いられる。また、光源１として、ＬＥＤを用いてもよい。

放物面リフレクタ２から第１のフライアイレンズ３に入射した光束は、該第１のフライアイレンズ３の複数のレンズセルに入射して複数の光束に分割される。該複数の光束は、第２のフライアイレンズ４における第１のフライアイレンズ３の複数のレンズセルに対応して設けられた複数のレンズセルにそれぞれ入射するとともに、該第２のフライアイレンズ４の近傍に集光されて複数の２次光源像５を形成する。第２のフライアイレンズ４を出射した複数の光束は、コンデンサレンズ６により集光され、後述する偏光ビームスプリッタ８とクロスダイクロイックプリズム９を介して複数（３つ）の反射型液晶パネル７Ｒ，７Ｇ，７Ｂのそれぞれのパネル面（変調面）上で重畳される。これにより、各反射型液晶パネルのパネル面が均一に照明される。

コンデンサレンズ６から出射した光束は偏光ビームスプリッタ８に入射し、その偏光分離面８ａを透過したＰ偏光成分のみがクロスダイクロイックプリズム９に入射する。クロスダイクロイックプリズム９に入射した光（Ｐ偏光）は、クロスダイクロイックプリズム９内にて互いに交差するように配置された複数（２つ）のダイクロイック面９ａ，９ｂによって赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の３つの色光に分離される。そして、それぞれの色光に対応した反射型液晶パネル７Ｒ，７Ｇ，７Ｂに入射する。

反射型光変調素子である各反射型液晶パネルでは、その画素ごとに液晶の向きがプロジェクタへの入力画像信号に応じて制御されることで、画素ごとに入射した偏光光の偏光方向を変化させる（すなわち変調する）ことができる。３つの反射型液晶パネル７Ｒ，７Ｇ，７Ｂで変調され、かつ反射された３つの色光はクロスダイクロイックプリズム９のダイクロイック面９ａによって合成される。この際、Ｐ偏光成分は光源１側に戻り、Ｓ偏光成分が偏光ビームスプリッタ８に画像光として出射する。偏光ビームスプリッタ８に入射した画像光は、その偏光分離面８ａで反射されて投射光学系ＰＬに入射し、投射光学系ＰＬから不図示のスクリーン等の被投射面に投射される。これにより、ＲＧＢフルカラーの投射画像が表示される。

反射型液晶パネルで７Ｒ，７Ｇ，７Ｂに入射したＰ偏光である３つの色光がすべて変調されずにＰ偏光のまま反射した場合は黒画像が表示され、３つの色光がすべてＳ偏光に変調された場合は白画像が表示される。

第１のフライアイレンズ３、第２のフライアイレンズ４およびコンデンサレンズ６により、光束の分割と集光を行うインテグレータ光学系としての照明光学系が構成され、コンデンサレンズ６の光軸を照明光学系の光軸Ｃという。そして、図１（ａ），（ｂ）では照明光学系の光軸Ｃが延びる方向である光軸方向をＺ方向とし、該光軸Ｃに直交し、かつ互いに直交する２方向をＸ方向とＹ方向とする。図１（ａ）は、照明光学系の光軸と、ダイクロイック面９ａ，９ｂのそれぞれの法線と、反射型液晶パネル７Ｒ，７Ｇ，７Ｂのパネル面のそれぞれの法線に対して平行なＸＺ断面（第１の断面）を示している。また、図１（ｂ）は、光軸Ｃに対して平行でＸＺ断面に対して直交するＹＺ断面（第２の断面）を示している。

図２には、クロスダイクロイックプリズム９に含まれる２つのダイクロイック膜（９ａ，９ｂ）の特性を示している。２つのダイクロイック膜は、光軸Ｃに対してそれぞれ４５度面の角度をなし、かつ互いに９０度の角度をなすように交差するＲ反射膜（９ａ）とＢ反射膜（９ｂ）である。Ｒ反射膜は、約５９０ｎｍのカットオフ波長を有し、そのカットオフ波長より長波長成分（Ｒ光）は反射し、短波長成分は透過する特性を有する。Ｂ反射膜は、約５００ｎｍのカットオフ波長を有し、該カットオフ波長より長波長成分は透過し、短波長成分（Ｂ光）は反射する特性を有する。これらＲ反射膜およびＢ反射膜の双方を透過した光がＧ光となる。

また、これら２つのダイクロイック膜は、カットオフ周波数が、膜面への光線入射角度が４５度のときを中心として光線入射角度が大きくなると長波長側に移動し、光線入射角度が小さくなると短波長側に移動する特性も有する。

図３を用いて、ダイクロイック膜における光線入射角度に応じたカットオフ波長のシフトによる明るさへの影響を説明する。図３（ａ）に示すように、反射型液晶パネル７Ｇに向かってダイクロイック膜９ｂに対して入射角５５度で入射した光は、反射型液晶パネル７Ｇで反射してダイクロイック膜９ｂに入射角３５度で入射する。また、図３（ｃ）に示すように、反射型液晶パネル７Ｇに向かってダイクロイック膜９ｂに対して入射角３５度で入射した光は、反射型液晶パネル７Ｇで反射してダイクロイック膜９ｂに対して入射角５５度で入射する。

一方、図３（ｃ）に示すように、反射型液晶パネル７Ｇに向かってダイクロイック膜９ｂに対して入射角４５度で入射した光は、反射型液晶パネル７Ｇで反射してダイクロイック膜９ｂに入射角４５度で入射する。

反射型液晶パネル７Ｇに向かってダイクロイック膜９ｂ入射するときと反射型液晶パネル７Ｇで反射してダイクロイック膜９ｂに入射するときの特性（反射率）を掛け合わせた特性が、ダイクロイック膜９ｂにおけるトータルの特性となる。なお、これらのことはダイクロイック膜９ａについても同じである。

図３（ａ）〜（ｃ）の比較から、ダイクロイック膜９ｂに対する入射角が３５度および５５度の場合は、入射角が４５度の場合よりもカットオフ波長近傍における損失が大きいことが分かる。最終的には、入射角４５度を中心として照明光学系のＦナンバーで決まる光線の広がり角度を考慮することでトータルの光量損失を計算することができる。ダイクロイック膜９ａ，９ｂに対する全体の光線入射角度を小さくすることで、これらダイクロイック膜９ａ，９ｂにおける光量損失を小さくできることは明らかである。

本実施例にいう「Ｆナンバー」は、ＸＺ断面でのＦナンバーとＹＺ断面でのＦナンバーとがある。ＸＺ断面とＹＺ断面でのＦナンバーは、ＸＺ断面とＹＺ断面のそれぞれにおいて、照明光学系の内部にて第２のフライアイレンズ４の近傍に形成される２次光源像５の輝度分布の最大有効幅Ｄ（Ｄ１，Ｄ２）でコンデンサレンズ６の焦点距離ｆを除した値である。すなわち、
ＸＺ断面でのＦナンバー：Ｆ＝ｆ／Ｄ１ （１）
ＹＺ断面でのＦナンバー：Ｆ＝ｆ／Ｄ２ （２）
である。２次光源像の輝度分布の最大有効幅（最大有効径）Ｄとは、図１０に示すように、２次光源像の輝度断面の包絡線Ｅにおける半値幅、すなわち最大輝度Ｉの１／２の輝度が得られる幅を意味する。

ＸＺ断面とＹＺ断面のそれぞれにおいて、θをダイクロイック膜および反射型液晶パネルに向かう光束のうち最も外側の光線が光軸Ｃに対してなす角度とすると、
Ｆ＝１／（２ｔａｎθ） （３）
と表わすこともできる。つまり、θが小さくなるほどＦナンバーは大きくなる。

前述した特許文献２にて開示された構成では、非テレセントリックな照明光学系からの光線がダイクロイック膜に入射するので、反射型液晶パネルに入射する主光線がパネル面の法線に対してなす角度が画角に応じて大きくなる。最大画角での主光線とパネル面の法線とが成す角度をφとする。このとき、反射型液晶パネルに向かってダイクロイック膜に入射するときと反射型液晶パネルで反射してダイクロイック膜に入射するときとの光線入射角度の差は、Ｆナンバーに対応する入射角度差２θに対して２φだけ大きくなる。したがって、ダイクロイック膜における光量損失の低減の観点で好ましくない。

本実施例では、まず、第２のフライアイレンズ４からコンデンサレンズ６までの光軸方向での間隔を、コンデンサレンズ６の焦点距離とほぼ同じに設定することで、照明光学系を反射型液晶パネル側（反射型光変調素子側）にテレセントリックな光学系とする。これにより、照明光学系からの光束を、ダイクロイック膜および各反射型液晶パネルに対してテレセントリックな状態で光束を導いている。光束がテレセントリックな状態とは、反射型液晶パネルの各画角に入射する光束の主光線が平行であることを意味する。なお、ここにいう主光線が「平行」とは、反射型液晶パネルのパネル面の法線に対して、該パネルの各画角に入射する主光線がなす角度が±５°以内であることを意味する。

上述したテレセントリックな状態の光線は、ダイクロイック膜に対して、Ｆナンバーに対応する最大入射角度差である２θ程度で入射する。これにより、ダイクロイック膜に対して余分な入射角度で入射する光線の増加を回避することができ、ダイクロイック膜における光量の損失を低減することができる。また、反射型液晶パネルに対する光線入射角度分布が全画角にわたってほぼ等しくなるので、色むらも低減することができる。

また、本実施例では、第１および第２のフライアイレンズ３，４として、図１（ａ）に示すＸＺ面においてそれぞれのレンズセルがそのレンズセルの中心に対して光軸Ｃに対して近づく方向または離れる方向に偏心した偏心フライアイレンズを用いている。より詳しくは、ＸＺ面において、第１のフライアイレンズ３は全体として正のパワーを有する偏心フライアイレンズであり、第２のフライアイレンズ４は全体として負のパワーを有する偏心フライアイレンズである。これにより、リフレクタ２から出射した平行光束の幅を圧縮している。この圧縮により、２次光源像５の輝度分布におけるＹＺ断面での最大有効幅Ｄ２よりもＸＺ断面での最大有効幅Ｄ１を小さくしている。したがって、上記（１）式より、ＸＺ断面でのＦナンバーがＹＺ断面でのＦナンバーよりも大きい、すなわちダイクロイック膜に対するＸＺ断面での光線入射角度をＹＺ断面での光線入射角度よりも小さくしている。これにより、ダイクロイック膜におけるカットオフ波長のシフトの幅を少なくし、光量損失および色むらを低減させることができる。

一方、照明光学系においてＦナンバーを大きくすると光の利用効率が低下する。しかし、本実施例では、ＸＺ断面に対して反射型液晶パネルのパネル面の長辺を平行としているので、ＸＺ断面のＦナンバーを大きくした場合の光利用効率の低下を抑えている。以下、その理由を説明する。

図１（ａ），（ｂ）に示したように、インテグレータ光学系としての照明光学系において、第１のフライアイレンズ３の複数のレンズセルよって光束が複数に分割され、個々のレンズセルに対応する複数の２次光源像５が第２のフライアイレンズ４の近傍で形成される。第１のフライアイレンズ４のあるレンズセル（以下、第１のレンズセルという）を通過した光束のうち該第１のレンズセルに対応する第２のフライアイレンズ５のレンズセル（以下、第２のレンズセルという）を通過した光束はパネル面に到達する。しかし、第２のフライアイレンズ５において第２のレンズセルに隣接するレンズセルを通過した第１のレンズセルからの光束はパネル面の有効領域外に導かれるため、照明光学系における損失となる。したがって、第２のフライアイレンズ４を構成する各レンズセルの開口内を通過する光束量をいかに多くするかが照明光学系における光利用効率を高める上で重要となる。このとき、２次光源像５および第２のフライアイレンズ４のレンズセルの開口形状との関係が光利用効率に影響する。

図４には、光軸方向から見た２次光源像５と第２のフライアイレンズ４のレンズセルの開口形状との関係を示している。図４（ａ）に示すように、個々の光源像５は光源１における放電アークの形状を反映して長方形状（ロッド形状）を有する一方、それぞれの光源像を形成する光束が反射した放物面リフレクタ２の反射面の位置に対応した「傾き」を有する。これは、光軸Ｃからの高さに応じてリフレクタ２の反射面が放電アークに対向する角度が変化するためである。このため、図４（ａ）に示すように、複数の光源像５は照明光学系の光軸Ｃを中心とした放射状の分布を有する。

図４（ｂ）には、上述した特許文献２にて開示された構成を用いた場合における放射状に分布する光源像５′と第２のレンズレンズセル４′のレンズセルの開口形状との関係を示している。第２のフライアイレンズ５のレンズセルの開口形状は、パネル面と同じ長方形である。

しかし、特許文献２の構成では、本実施例のＸＺ断面に相当する第１の断面内においてシリンダーレンズを用いて光束を圧縮している。この結果、第２のフライアイレンズ５′のレンズセルの近傍に形成される２次光源像５′の大きさが圧縮方向である第１の断面内で大きくなり、レンズセルの開口からはみ出す成分が多くなる。特に、レンズセルの開口形状の長辺方向に対して長手方向が大きく傾いている２次光源像５′における大きな部分（図中に○で示す）が該レンズセルの開口からはみ出すため、光利用効率が大幅に低下する。

一方、特許文献２の構成において、シリンダーレンズを用いずに本実施例のような偏心フライアイレンズを用いて光束を圧縮する場合には、光束の平行度が維持されるために図４（ｃ）に示すように２次光源像５が大きくなることはない。しかし、第２のフライアイレンズ４のレンズセルの開口の短辺方向の幅が小さくなる。したがって、レンズセルの開口形状がその長辺が短辺に比べて極端に長いアスペクト比の長方形状となり、この場合も光利用効率の低下が発生する。つまり、光束の圧縮にシリンダーレンズを用いる場合と偏心フライアイレンズを用いる場合とで、光源像が大きくなるかレンズセルの開口が小さくなるかが異なるものの、光量損失が大きく、光利用効率が低下する点では同じである。特許文献２の構成においてこのような光量損失が発生する原因は、パネル面とフライアイレンズのレンズセルの形状とが相似関係になることと、パネル面の短辺が第１の断面（本実施例にいうＸＺ面）に平行になっているためである。

一方、本実施例では、前述したように、ＸＺ面において第１のフライアイレンズ３を全体として正のパワーを有する偏心フライアイレンズとし、第２のフライアイレンズ４を全体として負のパワーを有する偏心フライアイレンズとしている。このため、第１のフライアイレンズ３のレンズセルがパネル面と相似な長方形の開口形状を有するのに対して、第２のフライアイレンズ４のレンズセルは、パネル面に比べて図４（ｄ）に示すように長辺方向の幅が短縮された正方形状の開口形状を有する。したがって、特許文献２にて開示された構成のようにレンズセルの開口に対する２次光源像の大きなはみ出しが生じず、ＸＺ断面において光束を圧縮してＦナンバーを大きくしているのにもかかわらず、光量損失を低減することができる。

つまり、放物面リフレクタ２の使用により放射状に分布する２次光源像５に対してレンズセルの開口面積を最小としつつ最大の光利用効率を得るには、第２のフライアイレンズ４のレンズセルの開口形状を正方形またはパネル面よりも正方形に近い形状にするとよい。本実施例では、反射型液晶パネルを、そのパネル面の長辺がＸＺ断面に平行になるように配置することによって、ＸＺ断面における光束の圧縮に対するレンズセルの開口形状のマージンを大きくすることができるので、このような効果を得ることができる。

そして、ダイクロイック面９ａ，９ｂにおける光量損失の低減効果とＸＺ断面にてＹＺ断面よりも大きくしたＦナンバーによる光利用効率の低下抑制効果とを掛け合わせることで、最終的な光利用効率が求められる。図５には、その試算（シミュレーション）結果を示す。ここでは、光源１として超高圧水銀ランプを用い、その放電アーク長を１．１ｍｍとした場合と０．９ｍｍとした場合の試算結果をそれぞれ図５（ａ），（ｂ）に示している。これらの図から分かるように、ＸＺ断面におけるＦナンバーを大きくするほど第２のフライアイレンズ４における光利用効率は低下するが、ダイクロイック面９ａ，９ｂにおける光量損失量は少なくなって光利用効率は向上する。これらを掛け合わせると、ＸＺ断面でのＦナンバーを大きくするほど、最終的な光利用効率（ＴＯＴＡＬ）が大きくなる。

なお、図５（ｂ）に示した放電アーク長が０．９ｍｍと短い場合の方が図５（ａ）に示した放電アーク長が１．１ｍｍと長い場合よりもＦナンバーを大きくしたときの光利用効率の低下の度合いが小さく、より大きなＦナンバーにおいて光利用効率の最大値がある。したがって、ダイクロイック面に対する入射角度をより小さくして色むらをより低減することが可能となり、またクロスダイクロイックプリズムのサイズも小さくすることができるのでプロジェクタ光学ユニット、さらにはプロジェクタの小型化にも有利である。このことから、本実施例の構成を採用する場合には、放電アーク長等の発光領域の小さな光源を用いることが望ましい。

以上説明したように、本実施例によれば、従来の構成に比べて、より明るくかつ色むらも少ない投射画像を提示するプロジェクタ光学ユニットおよびプロジェクタを実現することができる。

図６には、本発明の実施例２のプロジェクタ光学ユニットの構成を示す。実施例１とは、リフレクタ１１および照明光学系の第１のフライアイレンズ１２と第２のフライアイレンズ１３が異なるのみであるので、他の構成要素の説明は省略する。

本実施例では、第２の断面でのＹＺ断面において、第１のフライアイレンズ１２を全体として負のパワーを有する偏心フライアイレンズとし、第２のフライアイレンズ１３を全体として正のパワーを有する偏心フライアイレンズとしている。これにより、リフレクタ１１から出射される平行光束の幅を拡大し、２次光源像の輝度分布におけるＹＺ断面での最大有効幅Ｄ２を、第１の断面であるＸＺ断面での最大有効幅Ｄ１よりも大きくしている。したがって、実施例１と同様に、ＹＺ断面でのＦナンバーよりもＸＺ断面でのＦナンバーが大きくなっている。つまり、ＸＺ面におけるダイクロイック膜（９ａ，９ｂ）に対する光線入射角度を変えずにダイクロイック膜における光量損失の増加を防ぎつつ、ＹＺ断面のＦナンバーＸＺ断面でのＦナンバーよりも小さくして全体の光利用効率の向上を図っている。

実施例１では、第２のフライアイレンズ４のレンズセルの開口形状をその長辺方向に短縮することで正方形として光利用効率の低下を抑えた。これに対して、本実施例では、レンズセルの開口形状をその短辺方向に拡大することで該レンズセルに正方形の開口形状を与えて光利用効率の向上を図っている。仮に、レンズセルの開口形状をその長辺方向に拡大した場合には、レンズセルの長方形開口の長辺方向に対してロッド形状の２次光源像の長手方向が大きく傾いた箇所での２次光源像のはみ出しが改善されないため、光利用効率の向上度合いは小さい。これに対して、本実施例では、レンズセルの開口形状が正方形であるので、レンズセルの長方形開口の長辺方向に対してロッド形状の２次光源像の長手方向が大きく傾いた箇所における２次光源像のはみ出しを効率良く少なくすることができる。このため、光利用効率の大きな向上を図ることができる。

なお、本実施例では、ＹＺ断面での２次光源像５の最大有効幅Ｄ２を大きしたことでこの断面でのＦナンバーが小さくしている。このようにＦナンバーを小さくするとこれに合わせて投射光学系ＰＬのＦナンバーを小さくする必要があるが、この場合に投射光学系ＰＬの大型化や解像性能の低下といった問題が発生するおそれがある。この点、本実施例では、リフレクタ１１として、その口径が小さいものを使用することで、第１のフライアイレンズ１２の外形寸法を小さくしており、結果的に２次光源像５の輝度分布の最大有効幅を実施例１とほぼ同じとして、上記問題の発生を抑制している。したがって、本実施例によれば、実施例１と同様の効果に加えて、口径の小さなリフレクタを用いることで照明光学系の小型化を図ることができるという効果が得られる。

図７には、本発明の実施例３であるプロジェクタ光学ユニットの構成を示している。本実施例は、照明光学系において、第１および第２のフライアイレンズに代えてロッドインテグレータ１５を用いた点で実施例１，２と異なる。

ロッドインテグレータ１５は、ガラスを材料として形成され、光軸Ｃに直交する断面が長方形状である光学素子である。ロッドインテグレータ１５にその入射面１５ａから入射した光は、その内部で全反射を繰り返し、出射面１５ｂにて均一な照度分布を形成する。反射型液晶パネル７Ｒ，７Ｇ，７Ｂのパネル面を均一に照明するために設けられている点では実施例１，２における第１および第２のフライアイレンズと同じである。ロッドインテグレータ１５の出射面１５ｂが第１のフライアイレンズに相当し、入射面１５ａが第２のフライアイレンズに相当する。また、ロッドインテグレータ１５は、その入射面１５ａから出射面１５ｂに向かって光軸Ｃに対して直交する断面の大きさが変化（増加）するテーパ形状を有するロッドインテグレータを用いている。

なお、ロッドインテグレータ１５として、その側面に誘電体多層膜や金属膜の蒸着により形成された反射ミラーが設けられた中空タイプのロッドインテグレータを用いてもよい。

光源１から出射した光束は楕円リフレクタ１４によって集光されてロッドインテグレータ１５の入射面１５ａの近傍に２次光源像１６を形成し、ロッドインテグレータ１５内に入射する。ロッドインテグレータ１５の出射面１５ｂは、各反射型液晶パネルのパネル面の形状と相似な長方形状を有する。ロッドインテグレータ１５の出射面１５ｂから出射した光束は、リレーレンズ系１７によって各反射型液晶パネルのパネル面上に集光される。この際、偏光ビームスプリッタ８を通過してクロスダイクロイックプリズム９で色分離されることは実施例１，２と同じである。本実施例でも、実施例１と同様に、各反射型液晶パネルは、そのパネル面の長辺が第１の断面であるＸＺ断面に平行になるように配置されている。したがって、ロッドインテグレータ１５の出射面１５ｂの長辺もＸＺ断面に平行になっている。

また、リレーレンズ系１７の中間位置にも光源像（以下、３次光源像という）１８が形成される。３次光源像１８は、第１および第２のフライアイレンズを用いた実施例１，２の照明光学系において第２のフライアイレンズの近傍に形成される２次光源像に相当するものである。本実施例にいうＸＺ断面とＹＺ断面でのＦナンバーは、ＸＺ断面とＹＺ断面のそれぞれにおいて、３次光源像１８の輝度分布の最大有効幅Ｄ１，Ｄ２でリレーレンズ系１７のうち、コンデンサレンズとして機能する最も液晶パネル側のレンズの焦点距離ｆを除した値（（１），（２）式参照）である。このため、３次光源像１８の輝度断面の最大有効幅が大きいほどＦナンバーが小さく、つまりは光線の反射型液晶パネルへの入射角度が大きくなる。

ただし、リレーレンズ系１７のうち、コンデンサレンズとして機能するレンズが複数ある場合には、最も液晶パネル側のレンズだけではなく、コンデンサレンズとして機能する複数のレンズ全体の焦点距離をｆとしてＦナンバーを求める。

また、コンデンサレンズとして機能するレンズとは、最もパネル側に形成される光源像とパネルとの間に位置し、最もパネル側に形成される光源像をパネル面上に集光させる１枚のレンズあるいは複数のレンズからなるレンズ群を示す。

本実施例では、前述したようにテーパ形状のロッドインテグレータ１５を用いている。ロッドインテグレータ１５は、その入射出面１５ａ，１５ｂ以外の４つの側面のうちＸＺ断面内で互いに向かい合う２つの側面は、出射面１５ｂから入射面ａに向かって互いに近づくように形成されている。これにより、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ａの形状を正方形としている。

ロッドインテグレータ１５に入射した光束が上記のようなテーパを有する側面（テーパ面）で反射すると、光軸Ｃに対して光線がなす角度が反射前に比べて小さくなる。テーパ面での反射を繰り返すことで、最終的に出射面１５ｂから出射する光線のＸＺ断面での広がり角度を小さくすることができる。これにより、ＸＺ断面での３次光源像１８の輝度断面の最大有効幅Ｄ１を小さくすることができ、ＸＺ断面でのＦナンバーをＹＺ断面のＦナンバーよりも大きくすることができる。したがって、ダイクロイック膜（９ａ，９ｂ）に対する光線入射角度を小さくすることができ、ダイクロイック膜における光量損失を低減することができる。

ここで、図８には、２次光源像１６とのロッドインテグレータ１５の入射面１５ａの開口形状との関係を示している。２次光源像１６は、光源１の放電アークに対して３６０°全方位から対向する楕円リフレクタ１４によってロッドインテグレータ１５の入射面１５ａの近傍に形成される。このため、２次光源像１６の形状は、図８（ａ）に示すようなほぼ円形（中心対称）となる。一般にロッドインテグレータの入射面の面積が小さくなると、その入射面の近傍に形成される光源像に対するケラレが生じて光利用効率が低下する。しかし、本実施例では、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ａの面積を出射面１５ｂに比べて小さくしているにもかかわらず、入射面１５ａを図８（ｂ）に示すように出射面１５ｂの長辺方向に沿って狭めて正方形状としている。このため、光源像の大きなケラレが生じることがなく、光利用効率の大幅な低下を防いでいる。つまり、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ａの形状が正方形状であることは、実施例１で説明した第２のフライアイレンズのレンズセルの開口形状と同様に、光利用効率の観点で都合がよい。

逆に図８（ｃ）に示すように、ロッドインテグレータ１５に、その入射面１５ａ′が出射面１５ｂの短辺方向に沿って狭くなるようなテーパ形状を与えた場合、入射面１５ａ′の形状は長辺が短辺より極端に長いアスペクト比の長方形状になる。このような長方形状は円形の２次光源像１６とのマッチングが悪いため、同じ面積の正方形に比べて光利用効率が大幅に低下する。このような差が生じる理由は、実施例１，２と同様に、反射型液晶パネルのパネル面の長辺をＸＺ断面に平行に配置したことに起因する。

以上のことから、本実施例では、ＸＺ断面におけるＦナンバーをＹＺ断面でのＦナンバーより大きくして、ダイクロイック膜における光量損失を低減しつつ、反射型液晶パネルのパネル面の長辺をＸＺ断面に平行としている。これにより、ロッドインテグレータ１５をＸＺ断面においてテーパ形状を有する形状に形成し、その入射面１５ａの面積を小さくしても２次光源像１６のケラレの発生を抑えて、光利用効率の低下を防止している。

なお、本実施例では、ロッドインテグレータ１５を、ＸＺ断面において向かい合う２つの側面が入射面１５ａに向かって互いに近づくテーパ形状に形成した。しかし、ＹＺ断面において向かい合う２つの側面を入射面に向かって互いに離れるテーパ形状とすることで、ロッドインテグレータの入射面を正方形状としてもよい。この場合、実施例１，２のようにＸＺ断面のＦナンバーはそのままでＹＺ断面のＦナンバーが小さくなるが、楕円リフレクタ１４の焦点距離を本実施例で用いたものよりも長くすることで、ロッドインテグレータに入射する光線の入射角度を小さくすることができる。これにより、３次光源像の輝度断面の最大有効幅を本実施例と同様の幅とすることができ、全体としてのＦナンバーを実施例１と同様にすることができる。

図９には、本発明の実施例４であるプロジェクタ光学ユニットの構成を示している。図９の上側の図は、照明光学系（照明光学系内部のコンデンサーレンズ等）の光軸を含み、Ｘ方向及びＺ方向に平行なＸＺ断面での断面図であり、図９の下側の図は、同じく照明光学系の光軸を含むＹＺ断面図である。本実施例は、実施例３の構成に対して、反射型液晶パネルに代えてミラー型光変調素子２１を用いている点と、これに対応して偏光ビームスプリッタに代えて全反射プリズム１９を用いている点とで異なる。ここで、全反射プリズム１９、クロスダイクロイックプリズム２０およびミラー型光変調素子２１については、図９の上側の図においては分かり易くするために、簡略化（正確なＸＺ断面図ではなくＸＺ断面に対して斜めに傾いた断面図に）している。

ミラー型光変調素子は、その光変調面としての平面上にそれぞれが画素に相当する複数の微小なミラーがマトリクス状に配置されて構成されている。個々の微小ミラーは、その駆動部に対する電圧の印加と不印加によってＯＮ位置とＯＦＦ位置の２つの傾き位置に向きが変えられる。ＯＮ位置の微小ミラーに入射した光は該ミラーで反射されて投射光学系に導かれ、ＯＦＦ位置の微小ミラーに入射した光は投射光学系には導かれない。

このようにして光を変調するミラー型光変調素子に対しては、入射光と反射光の偏光状態は無関係であるため、ダイクロイック膜には無偏光光に対応した膜特性が必要になる。したがって、反射型液晶パネルを使用した構成と同様の課題が生じる。この場合、入射光路と反射光路は光路が異なるので光路切り替え素子として偏光ビームスプリッタの代わりに全反射プリズム１９を用いている。

本実施例では実施例３と同様にテーパ形状のロッドインテグレータを用いることでＸＺ断面におけるＦナンバーを大きくすることでダイクロイック面に対する光線入射角度を小さくして光量損失を低減している。また同様に、ミラー型光変調素子の長辺方向をＸＺ断面と対応させることでＦナンバーを大きくした際の効率低下を低減している。

なお、ミラー型光変調素子に光線が入射する際とこの光線が反射する際には光路が切り替わり、その分光線のなす角度が大きくなる。このため、図９に示すように、ＹＺ断面に全反射プリズムの光路切り替え面を配置すると、ダイクロイック膜における光線入射角度の増大を防ぐことができ、光利用効率の観点で都合が良い。これにより、ミラー型光変調素子を用いた場合でも明るい画像を投射できる画像投射装置を実現することができる。

以上説明した実施例１〜４では、クロスダイクロイックプリズム９を用いたが、ダイクロイックプリズムとして、特許文献２にて開示されているようなフィリップスタイプのダイクロイックプリズムを用いてもよい。ここで述べているフィリップスタイプのダイクロイックプリズムとは、プリズム内でＲ反射膜とＢ反射膜等のような色分離合成面が交差しないプリズム（色分離合成プリズム）のことであり、上述の実施例１〜４のいずれにも採用可能である。

さらに、実施例１，２ではリフレクタとして放物面リフレクタ２，１１を用いたが、これに代えて楕円リフレクタと凹レンズの組み合わせを用いてもよい。同様に、実施例３では楕円リフレクタ１４を用いたが、これに代えて放物面リフレクタと凸レンズの組み合わせを用いてもよい。

なお、上述の実施例１から３において、２次光源像５あるいは３次光源像１８が形成される位置に偏光変換素子アレイを設けてもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１ 光源
３，１２ 第１のフライアイレンズ
４，１３ 第２のフライアイレンズ
６ コンデンサレンズ
７ 反射型液晶パネル
９、２０ クロスダイクロイックプリズム
１９ 全反射プリズム
２１ ミラー型光変調素子
Ｃ 照明光学系の光軸
ＸＺ断面 第１の断面
ＹＺ断面 第２の断面

Claims (10)

1. 光源からの光束を集光する照明光学系と、
   複数の反射型光変調素子と、
   前記照明光学系から出射した光束を複数の色光に分離して該複数の色光を前記複数の反射型光変調素子に導き、該複数の反射型光変調素子により反射された複数の色光を合成する複数のダイクロイック面とを有し、
   前記複数の反射型光変調素子の光変調面はそれぞれ、長辺と短辺を有し、
   前記照明光学系の光軸、前記複数のダイクロイック面のそれぞれの法線および前記複数の反射型光変調素子の光変調面のそれぞれの法線に対して平行な断面を第１の断面とし、前記光軸に対して平行で該第１の断面に対して直交する断面を第２の断面とするとき、
   前記複数の反射型光変調素子がそれぞれ、前記長辺が前記第１断面と平行になるように配置されており、
   前記第１の断面でのＦナンバーが、前記第２の断面でのＦナンバーよりも大きいことを特徴とする光学装置。
2. 前記照明光学系は、その内部で光源像を形成した光束をコンデンサレンズにより前記反射型光変調素子に向けて集光する光学系であり、
   前記第１および第２の断面での前記Ｆナンバーはそれぞれ、前記第１および第２の断面において、前記光源像の輝度分布の最大有効幅で前記コンデンサレンズの焦点距離を除した値であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記照明光学系は、前記反射型光変調素子側においてテレセントリックであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記複数のダイクロイック面は、互いに交差するように配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光学装置。
5. 前記複数のダイクロイック面は、互いに交差しないように配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光学装置。
6. 前記照明光学系は、
   複数のレンズセルを有する第１のフライアイレンズと、
   前記第１のフライアイレンズの複数のレンズセルに対応する複数のレンズセルを含む第２のフライアイレンズとを有し、
   前記第１および第２のフライアイレンズはそれぞれ、前記レンズセルがそのレンズセルの中心に対して前記光軸に対して近づく方向または離れる方向に偏心した偏心フライアイレンズであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学装置。
7. 前記照明光学系は、
   入射面から出射面に向かって前記光軸に対して直交する断面の大きさが変化する形状を有するロッドインテグレータを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学装置。
8. 前記反射型光変調素子は、反射型液晶パネルであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光学装置。
9. 前記反射型光変調素子は、複数のミラーの向きを可変としたミラー型光変調素子であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光学装置。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置を有し、
    前記複数のダイクロイック面で合成された光を投射光学系により投射して画像を表示することを特徴とする画像投射装置。