JP3635979B2 - 照明光学系および投写型表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光学系、および、これを用いて画像を投写表示する投写型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投写型表示装置では、照明光学系から射出された照明光を、液晶パネルなどを用いて画像情報（画像信号）に応じて変調し、変調された照明光をスクリーン上に投写することにより画像表示を実現している。
【０００３】
投写型表示装置においては、投写表示される画像の輝度分布はほぼ均一であることが好ましい。このため、投写型表示装置においては、照明光学系として、液晶パネルなどの画像光が形成される部分（照明領域）をほぼ均一な強度分布で照射することができるいわゆるインテグレータ光学系が用いられる。
【０００４】
図１０は、投写型表示装置のインテグレータ光学系を構成する従来の照明光学系９００を示す説明図である。この照明光学系９００は、光源装置２０と、第１のレンズアレイ９４０と、第２のレンズアレイ９５０と、重畳レンズ７０と、を備えている。各光学要素は、光源装置２０から射出される略平行な光線束の光軸である光源光軸２０ａｘを基準に配置されている。
【０００５】
光源装置２０は、光源ランプ２２とリフレクタ２４と平行化レンズ３０とを備えており、光源ランプ２２から放射状に射出された光線を略平行な光線束に変換して射出する機能を有している。
【０００６】
第１のレンズアレイ９４０は、光源装置２０から射出された略平行な光線束を複数の部分光線束に分割する機能を有している。図１１は、第１のレンズアレイ９４０を図１０のｚ方向から見た平面図である。第１のレンズアレイ９４０は、照明光学系９００において、中心点Ｐ１が照明光学系の光源光軸２０ａｘ（図１０）と一致するように配置されている。第１のレンズアレイ９４０は、複数の第１の小レンズ９４２を備えている。第１の小レンズ９４２のそれぞれは、同じ形状を有する平凸レンズ（図１０）であり、ｚ方向から見た外形形状は、照明領域ＬＡの形状と相似形となる略矩形形状に設定されている。
【０００７】
第２のレンズアレイ９５０は、第１のレンズアレイ９４０の第１の小レンズ９４２の像を被照明面上に結像する機能を有している。第２のレンズアレイ９５０は、第１のレンズアレイ９４０と対応して設けられており、ｚ方向から見た第２のレンズアレイ９５０の第２の小レンズ９５２の外形形状は、図１１に示す第１のレンズアレイ４０の第１の小レンズ９４２とほぼ同じである。
【０００８】
重畳レンズ７０は、球面状の凸面を有する平凸レンズである。重畳レンズ７０は、第１のレンズアレイ９４０の第１の小レンズ９４２のそれぞれから射出された複数の部分光線束を被照明面上に重畳して照射する機能を有している。なお、本明細書において、「被照明面」とは、照明光学系９００によって照明すべき所望の領域である照明領域ＬＡを含む面を意味している。図１０に示すようなインテグレータ光学系を用いれば、光源装置２０から射出された略平行な光線束の光の強度分布が不均一な場合でも、照明領域ＬＡにおいて、ほぼ均一な光の強度分布を有する光照射領域を形成することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、球面状の凸面を有する重畳レンズ７０は、周知のように、球面収差を有している。重畳レンズ７０による収差は、光源光軸２０ａｘから離れるほど大きくなる。すなわち、図１０に示すように、第１のレンズアレイ９４０の外周側に配置された第１の小レンズ９４２から射出される部分光線束が被照明面において形成する光照射領域の大きさは、の第１のレンズアレイ９４０の中央側に配置された第１の小レンズ９４２から射出される部分光線束が被照明面において形成する光照射領域の大きさよりも、大きくなっている。このとき、図１０に示すように、外周側の第１の小レンズ９４２から射出された部分光線束の光照射領域は被照明面においてボケてしまい、照明領域ＬＡ以外の不必要な領域も照射することとなり、光源装置から射出された光を有効に利用できないという問題がある。なお、このような問題は、照明光学系を小型化するほど、換言すれば、重畳レンズ７０と照明領域ＬＡとの距離Ｌ（すなわち、重畳レンズ７０の焦点距離ｆ）を小さく設定するほど顕著になる。
【００１０】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、照明光学系において、光源装置から射出された光を有効に利用することができる技術を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の装置は、照明光学系であって、
略平行な光線束を射出する光源装置と、
前記光線束を複数の部分光線束に分割するための複数の第１の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイから射出された前記複数の部分光線束のそれぞれを被照明面上に重畳して照射させるための重畳レンズと、
を備え、
前記被照明面において、前記複数の第１の小レンズから射出される複数の部分光線束によって形成される光照射領域のそれぞれが所定の誤差範囲内でほぼ同じ大きさとなるように、前記第１のレンズアレイの外周側に配置される前記小レンズの大きさが、前記第１のレンズアレイの中央側に配置される前記小レンズの大きさよりも小さくされていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の照明光学系においては、第１のレンズアレイの第１の小レンズの大きさが調整されているため、各部分光線束が形成する被照明面上の光照射領域の大きさを所定の誤差範囲内でほぼ同じ程度とすることができ、この結果、光源装置から射出された光を有効に利用することが可能となる。
【００１３】
上記照明光学系において、
前記複数の第１の小レンズの形状は、それぞれ、前記光線束の中心軸方向から見たときに相似形になっていることが好ましい。
【００１４】
こうすれば、各部分光線束が形成する被照明面上の光照射領域の大きさを所定の誤差範囲内でほぼ同じ程度とすることが容易となる。
【００１５】
上記照明光学系において、
前記第１のレンズアレイは、中央側に配置された比較的大きな第１種の小レンズと、最外周に配置された比較的小さな第２種の小レンズとの、２種類の小レンズで構成されているようにしてもよい。
【００１６】
このように、第１のレンズアレイを２種類の第１の小レンズによって構成すれば、各部分光線束によって形成される光照射領域の大きさを所定の誤差範囲内でほぼ同じ程度とすることができる第１のレンズアレイを比較的容易に得ることが可能となる。
【００１７】
上記照明光学系において、
前記複数の第１の小レンズのそれぞれは、前記中心軸方向から見たときに略矩形であり、
前記第１のレンズアレイの最外周に配置される第１の小レンズは、前記第１のレンズアレイの中央側に配置される第１の小レンズに対して、一辺につき約１〜約１０％小さくなっていることが好ましい。
【００１８】
こうすれば、各部分光線束によって形成される光照射領域の大きさを、効率よく調整することが可能である。
【００１９】
さらに、上記照明光学系において、
前記第１のレンズアレイの複数の第１の小レンズのそれぞれに対応する複数の第２の小レンズを有する第２のレンズアレイを備え、
前記複数の第２の小レンズのうち、前記第１のレンズアレイの前記外周側に配置されるレンズから射出された光を受ける小レンズは、偏心レンズであるようにしてもよい。
【００２０】
このような第２のレンズアレイを用いれば、各部分光線束によって形成される光照射領域の位置を一致させることが可能となる。
【００２１】
本発明の第２の装置は、投写型表示装置であって、
本発明の第１の装置である上記のいずれかの照明光学系と、
前記照明光学系が照明する被照明面としての光入射面を有し、前記照明光学系からの入射光を画像情報に応じて変調する電気光学装置と、
前記電気光学装置で得られる変調光線束を投写する投写光学系と、を備えることを特徴とする。
【００２２】
本発明の投写型表示装置においては、本発明の第１の装置である照明光学系が用いられている。したがって、この投写型表示装置においては、照明光学系における光の利用効率が高いため、投写表示される画像の明るさを向上させることが可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
Ａ．照明光学系の第１実施例：
図１は、本発明を適用した照明光学系の一例を示す説明図である。なお、図１は、照明光学系１００の要部を平面的に見た概略構成図である。図１の照明光学系１００は、光源装置２０と、第１のレンズアレイ４０と、第２のレンズアレイ５０と、重畳レンズ７０と、を備えている。なお、この照明光学系１００は、図１０の従来の照明光学系９００の第１および第２のレンズアレイ９４０，９５０が変更されたものである。各光学要素は、光源光軸２０ａｘ（光源装置２０から射出される光線束の中心軸）を基準として配置されている。すなわち、第１のレンズアレイ４０、第２のレンズアレイ５０、重畳レンズ７０は、その中心が光源光軸２０ａｘとほぼ一致するように、かつ、光源光軸２０ａｘに対してほぼ垂直となるように、配置されている。
【００２４】
光源装置２０は、光源ランプ２２とリフレクタ２４と平行化レンズ３０とを備えている。リフレクタ２４は、光源光軸２０ａｘに軸対称な回転楕円体の凹面（回転楕円面）２４Ｒを有する楕円リフレクタである。回転楕円体は、例えば、ガラスセラミックスを用いて形成されている。回転楕円面２４Ｒ上には誘電体多層膜が形成されており、回転楕円面２４Ｒが反射鏡として機能する。なお、回転楕円面２４Ｒ上には、アルミニウム膜や銀膜などの金属反射膜を形成するようにしてもよい。
【００２５】
光源ランプ２２は、放射状に光を射出する。光源ランプ２２の中心２２ｃは、楕円リフレクタ２４の光源光軸２０ａｘ上における２つの焦点のうち、楕円リフレクタ２４により近い方の焦点（第１焦点）の位置に配置されている。ここで、「光源ランプの中心」とは、光源ランプ２２のアークの中心２２ｃを意味している。光源ランプ２２から射出された放射光は、楕円リフレクタ２４によって反射され、反射光は楕円リフレクタ２４の他方の焦点（第２焦点）に向かう。なお、光源ランプ２２としては、メタルハライドランプや高圧水銀灯などの高圧放電灯が用いられる。
【００２６】
平行化レンズ３０は、楕円リフレクタ２４によって反射された反射光をほぼ平行な光に変換する機能を有している。これにより、光源装置２０から射出される光線束は、略平行な光となって射出される。なお、光源装置２０から射出される略平行な光線束の中心は、光源光軸２０ａｘと一致している。
【００２７】
上記のように、本実施例においては、略平行な光線束を射出する光源装置２０として、楕円リフレクタ２４と平行化レンズ３０とを備えるものを利用しているが、これに代えて、回転放物面形状の凹面を有する放物面リフレクタを備える光源装置を用いるようにしてもよい。本発明における光源装置としては、略平行な光線束を射出するものであればよい。
【００２８】
第１のレンズアレイ４０（図１）は、光源装置２０から射出される光線束を複数の部分光線束に分割して射出する機能を有している。図２は、図１のレンズアレイ４０を示す説明図である。図２は、図１の第１のレンズアレイ４０をｚ方向から見たときの平面図を示している。照明光学系１００（図１）において、第１のレンズアレイ４０は、その中心点Ｐ２が照明光学系１００の光源光軸２０ａｘと一致するように配置される。なお、図１の平面図では、中心点Ｐ２を通るｘｚ平面で切断した際の断面が示されている。
【００２９】
第１のレンズアレイ４０は、中央側に比較的大きな第１種の小レンズ４２ｃを備えており、その外周側に、比較的小さな第２種の小レンズ４２ａを備えている。中央側の第１種の小レンズ４２ｃのそれぞれは、ほぼ同じ形状を有する平凸レンズ（図１）であり、ｚ方向から見た外形形状は、照明領域ＬＡの形状とほぼ相似形となるように設定されている。例えば、被照明面として液晶パネルの光入射面を想定し、画像の有効表示領域（照明領域ＬＡ）のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）が４：３であるならば、第１の小レンズ４２ｃのアスペクト比も４：３に設定する。また、外周側の第２種の小レンズ４２ａのそれぞれも、ほぼ同じ形状を有する平凸レンズ（図１）であり、ｚ方向から見た外形形状は、照明領域ＬＡの形状とほぼ相似形をなすように設定されている。なお、図２においては、説明の便宜上、第１種の小レンズ４２ｃと第２種の小レンズ４２ａとの大きさが、かなり異なるように描かれているが、後述するように、実際には、第２種の小レンズ４２ａの大きさは、第１種の小レンズ４２ｃとの大きさに対し、一辺につき約１〜約１０％程度小さいのみである。
【００３０】
第２のレンズアレイ５０（図１）は、第１のレンズアレイ４０の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃの像を被照明面上に結像する機能を有している。第２のレンズアレイ５０は、第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃのそれぞれに対応する複数の第２の小レンズ５２ａ，５２ｃを有している。ｚ方向から見た第２のレンズアレイ５０の複数の第２の小レンズ５２ａ，５２ｃの外形形状は、図２に示す第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃの外形形状とほぼ同じである。なお、第２のレンズアレイ５０としては、第１のレンズアレイ４０と同じものを利用することができる。
【００３１】
図１の第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃによって射出された複数の部分光線束のそれぞれは、第２のレンズアレイ５０の複数の第２の小レンズ５２ａ，５２ｃを介して、重畳レンズ７０に入射する。重畳レンズ７０は、入射した複数の部分光線束を被照明面上に重畳して照射する。なお、本実施例の重畳レンズ７０では、図１に示すように、平凸レンズが用いられているが、両凸レンズを用いるようにしてもよい。上記の説明から分かるように、本実施例の第１および第２のレンズアレイ４０，５０と重畳レンズ７０とは、インテグレータ光学系を構成する。これにより、光源装置２０から射出された光線束の断面内の光の強度分布が不均一である場合にも、照明領域ＬＡにおいて、強度分布がほぼ均一な光を照射することが可能となる。
【００３２】
ところで、前述したように、従来の照明光学系９００では、図１０に示すように、重畳レンズ７０の収差に起因して、第１のレンズアレイ９４０の各小レンズ９４２から射出された部分光線束は、被照明面上において照明領域ＬＡ以外の不必要な領域も照射してしまっている。すなわち、重畳レンズ７０の収差は、通過する光線束にボケを生じさせ、被照明面において各部分光線束によって形成される光照射領域を大きくしてしまう。この傾向は、重畳レンズ７０と照明領域ＬＡとの距離Ｌ（すなわち、重畳レンズ７０の焦点距離ｆ）を小さくするほど、また、重畳レンズ７０の中心（光源光軸２０ａｘ）から離れるほど、大きくなる。したがって、図１０に示すように、重畳レンズ７０と照明領域ＬＡとの距離Ｌを比較的小さく設定する場合には、光源装置２０から射出された光を効率よく照明領域ＬＡに入射させることが困難となる。
【００３３】
図１に示す本発明を適用した照明光学系１００では、図２において説明したように、第１のレンズアレイ４０の複数の小レンズの形状を工夫することによって、このような重畳レンズ７０の収差による光の利用効率の低下を防止している。すなわち、照明光学系１００の第１のレンズアレイ４０においては、重畳レンズ７０の収差が比較的大きな光源光軸２０ａｘから離れた外周側における小レンズ４２ａの大きさは、重畳レンズ７０の収差が比較的小さな光源光軸２０ａｘ側（中央側）における小レンズ４２ｃの大きさよりも、小さく設定されている。このとき、外周側の小レンズ４２ａから射出される部分光線束の断面積は、光源光軸２０ａｘ側（中央側）の小レンズ４２ｃから射出される部分光線束の断面積よりも小さくなる。しかしながら、外周側の小レンズ４２ａから射出された部分光線束は重畳レンズ７０の収差の影響を受け、一方、中央側の小レンズ４２ｃから射出された部分光線束は重畳レンズ７０の収差の影響をあまり受けない。したがって、第１のレンズアレイ４０の外周側の小レンズ４２ａから射出される部分光線束によって形成される光照射領域と、中央側の小レンズ４２ｃから射出される部分光線束によって形成される光照射領域とを、ほぼ同じ大きさとなるようにすることが可能である。
【００３４】
図３は、図１の照明光学系１００によって被照明面上に形成される光照射領域を示す説明図である。なお、斜線を付した領域は、図１の照明領域ＬＡである。図３に示すように、第１のレンズアレイ４０の中央側の１つの小レンズ４２ｃから射出された部分光線束は、照明領域ＬＡを含む光照射領域Ｓｃを形成する。このとき、第１のレンズアレイ４０の最外周の１つの小レンズ４２ａから射出された部分光線束は、光照射領域Ｓａを形成する。このように、第１のレンズアレイの小レンズの大きさを調整することによって、２つの部分光線束によって形成される光照射領域Ｓｃ，Ｓａを、ほぼ同じ大きさとすることが可能である。このようにすれば、重畳レンズ７０の収差に関わらず、図１の光源装置２０から射出された光を効率よく照明領域ＬＡに入射させて利用することが可能となる。
【００３５】
なお、図１の照明光学系１００においては、第１のレンズアレイ４０は、図２に示すように、中央側に配置された第１種の大きさを有する小レンズ４２ｃと、最外周に配置された第２種の大きさを有する小レンズ４２ａとの、２種類の第１の小レンズによって構成されているが、第１のレンズアレイ４０に含まれる複数の小レンズの構成はこれに限られない。例えば、第１のレンズアレイ４０の中央から離れるにつれて、多段階で小さくなるようにしてもよい。また、図２に示すレンズアレイ４０においては、中央側の第１種の小レンズ４２ｃと、最外周に配置された第２種の小レンズ４２ａとは、ほぼ相似形となっているがこれに限られない。例えば、重畳レンズ７０のｘ方向の収差とｙ方向の収差とが異なるような場合には、収差の相違に基づいて、中心点Ｐ２からｘ方向に離れた位置の小レンズとｙ方向に離れた位置の小レンズとのアスペクト比（縦横比）が異なるように設定してもよい。
【００３６】
すなわち、一般に、第１のレンズアレイの複数の第１の小レンズのそれぞれは、被照明面において、複数の第１の小レンズから射出される複数の部分光線束によって形成される光照射領域のそれぞれが所定の誤差範囲内でほぼ同じ大きさとなるように、第１のレンズアレイの中央から周辺に向かって単調に小さくなっていればよい。なお、本実施例においては、各光照射領域の大きさは、第１のレンズアレイの中央側に配置された第１の小レンズ４２ｃから射出される部分光線束によって形成される光照射領域の大きさを基準として調整されている。例えば、光源光軸２０ａｘから離れた位置（外周側）に配置された第１の小レンズから射出される部分光線束によって形成される光照射領域の大きさが、基準の光照射領域の大きさに対し、光照射領域の一辺につき約５％程度の誤差範囲内に収まるように設定されることが好ましい。
【００３７】
Ｂ．照明光学系の第２実施例：
図１に示す照明光学系１００を用いれば、重畳レンズ７０による収差に関わらず、光源装置から射出された光を有効に利用することができるが、重畳レンズによる収差が補正されているわけではない。すなわち、図１に示すように、第１のレンズアレイ４０の外周側の小レンズ４２ａから射出された部分光線束の中心軸は、第２のレンズアレイ５０と重畳レンズ７０とを介して被照明面に到達したとき、光源光軸２０ａｘ上に存在しない。このため、図３に示すように、第１のレンズアレイ４０の中央側の小レンズ４２ｃから射出された部分光線束が形成する光照射領域Ｓｃの位置と、外周側の小レンズ４２ａから射出された部分光線束が形成する光照射領域Ｓａの位置とは、あまり正確に一致しない場合がある。このような場合には、照明領域ＬＡにおける光の強度分布が十分に均一とならない可能性がある。
【００３８】
図４は、重畳レンズ７０による収差を補正した照明光学系１１０を示す説明図である。図４に示す照明光学系１１０においては、図１の第２のレンズアレイ５０に代えて、第２のレンズアレイ５５が備えられている。その他の構成部分については、第１の実施形態にかかる照明光学系１００と同じである。本実施形態において、照明光学系１００と同様の構成部分については、図１、図２で用いたのと同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
第２のレンズアレイ５５は、第１のレンズアレイ４０と対応して設けられており、ｚ方向から見た第２のレンズアレイ５５の各第２の小レンズ５７ａ，５７ｃの外形形状は、図２に示す第１のレンズアレイ４０の各第１の小レンズ４２ａ，４２ｃとほぼ同じである。ただし、第１のレンズアレイ４０ではレンズの光軸がレンズの幾何学的中心軸と一致する小レンズ４２ａ，４２ｃが用いられているのに対し、第２のレンズアレイ５５においては、重畳レンズ７０による収差が比較的大きくなる光源光軸２０ａｘから離れた位置（外周側）に配置された第２の小レンズ５７ａとして、レンズの光軸がレンズの幾何学的中心軸と一致しない偏心レンズが用いられている。小レンズ５７ｃは、第１のレンズアレイ４０の小レンズ４２ａ，４２ｃと同様、レンズの光軸と幾何学的中心軸とが一致したレンズである。このとき、図４に示すように、第２のレンズアレイ５５の各小レンズ５７ａ，５７ｃから射出された部分光線束の中心軸は、重畳レンズ７０を介して被照明面に到達したときに、光源光軸２０ａｘ上に存在することとなる。
【００４０】
図５は、図４の照明光学系１１０によって被照明面上に形成される光照射領域を示す説明図である。なお、斜線を付した領域は、図４の照明領域ＬＡである。図５に示すように、第１のレンズアレイ４０の中央側の１つの小レンズ４２ｃから射出された部分光線束は、照明領域ＬＡを含む光照射領域Ｓｃを形成する。このとき、第１のレンズアレイ４０の最外周の１つの小レンズ４２ａから射出された部分光線束も、光照射領域Ｓｃと同じ光照射領域Ｓａを形成する。このように、第１のレンズアレイの小レンズ４２ａから射出された光を受ける第２のレンズアレイの小レンズ５７ａとして偏心レンズを用いることによって、２つの部分光線束によって形成される光照射領域Ｓｃ，Ｓａを、ほぼ同じ大きさとするとともに、第１のレンズアレイの中央側の小レンズ４２ｃから射出された部分光線束によって形成される光照射領域Ｓｃの位置と、最外周の小レンズ４２ａから射出された部分光線束によって形成される光照射領域Ｓａの位置とを、ほぼ一致させることができる。このようにすれば、照明領域ＬＡにおける光の強度分布をかなり均一にすることが可能となる。
【００４１】
なお、図４の第２のレンズアレイ５５においては、最外周の小レンズ５７ａのみが偏心レンズとされており、中央側の他の小レンズ５７ｃは偏心レンズとされていないが、他の小レンズも偏心レンズとしてもよい。また、第１のレンズアレイ４０の小レンズの大きさを多段階に設定する場合などには、これに応じて第２のレンズアレイ５５の最外周の小レンズ以外の小レンズを偏心レンズとし、当該偏心レンズの偏心の度合い（レンズ光軸とレンズの幾何学的中心軸とのずれの大きさ）を多段階に設定するようにしてもよい。一般に、第２のレンズアレイの複数の第２の小レンズの偏心の度合いは、第１のレンズアレイの複数の第１の小レンズから射出される部分光線束が、被照明面においてほぼ同じ位置を照射するように設定されていればよい。
【００４２】
以上、説明したように、本実施例の照明光学系１００，１１０においては、第１のレンズアレイ４０の最外周の第１の小レンズ４２ａの大きさを、中央側の第１の小レンズ４２ｃの大きさよりも小さくすることによって、各第１の小レンズから射出された部分光線束によって形成される光照射領域の大きさが、ほぼ同じ大きさとなるように調整されている。したがって、この部分光線束を照明領域ＬＡに入射させれば、光源装置から射出された光を有効に利用することが可能となる。
【００４３】
Ｃ．投写型表示装置およびその照明光学系：
図６は、本発明を適用した投写型表示装置の要部を平面的に見た概略構成図である。投写型表示装置１０００は、照明光学系１２０と、色光分離光学系２００と、リレー光学系２２０と、３枚の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム３２０と、投写光学系３４０とを備えている。照明光学系１１０から射出された光は、色光分離光学系２００において赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色光に分離される。分離された各色光は、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂにおいて画像情報に対応して変調される。変調された各色光は、クロスダイクロイックプリズム３２０で合成され、投写光学系３４０によってスクリーンＳＣ上に画像が投写表示されることとなる。
【００４４】
図７は、図６の照明光学系１２０を模式的に示す説明図である。この照明光学系１２０は、図１の照明光学系１００に、偏光発生光学系６０が追加されたものである。各光学要素は、照明光学系１２０のシステム光軸１２０ａｘに沿って配置されている。ただし、光源装置２０と第１のレンズアレイ４０と第２のレンズアレイ５０とは、光源光軸２０ａｘを基準として配置されている。また、偏光発生光学系６０と重畳レンズ７０とは、システム光軸１２０ａｘを基準として配置されている。なお、光源光軸２０ａｘは、システム光軸１２０ａｘから図中ｘ方向に所定のずれ量Ｄｐだけほぼ平行にずれている。このずれ量Ｄｐについては後述する。
【００４５】
光源装置２０から射出された略平行な光線束は、第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃによって分割される。第１のレンズアレイ４０から射出される複数の部分光線束は、図７に示すように、第２のレンズアレイ５０を介して、その近傍位置、すなわち、偏光発生光学系６０内において集光される。
【００４６】
図８は、偏光発生光学系６０を示す説明図である。図８（Ａ）は、偏光発生光学系６０の斜視図を示している。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す偏光発生光学系６０の平面図の一部を示している。偏光発生光学系６０は、遮光板６２と、偏光ビームスプリッタアレイ６４と、選択位相差板６６とを備えている。
【００４７】
偏光ビームスプリッタアレイ６４は、図８（Ａ）に示すように、略平行四辺形の断面を有する柱状の透光性板材６４ｃが複数貼り合わされて構成されている。各透光性板材６４ｃの界面には、偏光分離膜６４ａと反射膜６４ｂとが交互に形成されている。なお、偏光分離膜６４ａとしては、誘電体多層膜が用いられる。また、反射膜６４ｂとしては、誘電体多層膜やアルミニウム膜などの金属膜が用いられる。
【００４８】
遮光板６２は、遮光面６２ｂと開口面６２ａとがストライプ状に配列されて構成されている。遮光板６２は、遮光面６２ｂに入射する光線束を遮り、開口面６２ａに入射する光線束を通過させる機能を有している。遮光面６２ｂと開口面６２ａとは、第２のレンズアレイ５０（図７）から射出された部分光線束が偏光ビームスプリッタアレイ６４の偏光分離膜６４ａのみに入射し、反射膜６４ｂには入射しないように配列されている。具体的には、図８（Ｂ）に示すように、遮光板６２の開口面６２ａの中心は、偏光ビームスプリッタアレイ６４の偏光分離膜６４ａの中心とほぼ一致するように配置されている。また、開口面６２ａのｘ方向の開口幅は、偏光分離膜６４ａのｘ方向の大きさＷｐとほぼ等しく設定されている。このとき、遮光板６２の開口面６２ａを通過した光線束は、そのほとんど全てが偏光分離膜６４ａのみに入射し、反射膜６４ｂには入射しないこととなる。なお、遮光板６２としては、平板状の透明体（例えばガラス板）に遮光性の膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜など）を部分的に形成したものを用いることができる。また、アルミニウム板のような遮光性の平板に開口部を設けたものなどを用いてもよい。
【００４９】
第２のレンズアレイ５０（図７）から射出された各部分光線束は、図８（Ｂ）に実線で示すように、その主光線（中心軸）がシステム光軸１２０ａｘにほぼ平行な状態で、遮光板６２の開口面６２ａに入射する。開口面６２ａを通過した部分光線束は、偏光分離膜６４ａに入射する。偏光分離膜６４ａは、入射した部分光線束をｓ偏光の部分光線束とｐ偏光の部分光線束とに分離する。このとき、ｐ偏光の部分光線束は偏光分離膜６４ａを透過し、ｓ偏光の部分光線束は偏光分離膜６４ａで反射される。偏光分離膜６４ａで反射されたｓ偏光の部分光線束は、反射膜６４ｂに向かい、反射膜６４ｂにおいてさらに反射される。このとき、偏光分離膜６４ａを透過したｐ偏光の部分光線束と、反射膜６４ｂで反射されたｓ偏光の部分光線束とは、互いにほぼ平行な状態となっている。
【００５０】
選択位相差板６６は、開口層６６ａとλ／２位相差層６６ｂとによって構成されている。本実施例においては、開口層６６ａは、λ／２位相差層６６ｂが形成されていない部分である。開口層６６ａは、入射する直線偏光光をそのまま透過する機能を有している。一方、λ／２位相差層６６ｂは、入射する直線偏光光を、偏光方向が直交する直線偏光光に変換する機能を有している。本実施例においては、図８（Ｂ）に示すように、偏光分離膜６４ａを透過したｐ偏光の部分光線束は、λ／２位相差層６６ｂに入射する。したがって、ｐ偏光の部分光線束は、λ／２位相差層６６ｂにおいて、ｓ偏光の部分光線束に変換されて射出される。一方、反射膜６４ｂで反射されたｓ偏光の部分光線束は、開口層６６ａに入射するので、ｓ偏光の部分光線束のまま射出される。すなわち、偏光発生光学系６０に入射した非偏光な部分光線束は、そのほとんどがｓ偏光の部分光線束に変換されて射出されることとなる。なお、反射膜６４ｂで反射されるｓ偏光の部分光線束の射出面だけにλ／２位相差層６６ｂを配置することにより、偏光発生光学系６０に入射するほとんどの部分光線束をｐ偏光の部分光線束に変換して射出することもできる。
【００５１】
図８（Ｂ）から分かるように、偏光発生光学系６０から射出する２つのｓ偏光光の中心は、入射する非偏光な光（ｓ偏光光＋ｐ偏光光）の中心よりもｘ方向にずれている。このずれ量は、λ／２位相差層６６ｂの幅Ｗｐ（すなわち、偏光分離膜６４ａのｘ方向の大きさ）の半分に等しい。このため、図７に示すように、光源光軸２０ａｘとシステム光軸１２０ａｘとは、Ｗｐ／２に等しい距離Ｄｐだけずれた位置に設定されている。
【００５２】
第２のレンズアレイ５０から射出された複数の部分光線束は、上記のように、偏光発生光学系６０によって各部分光線束ごとに２つの部分光線束に分離されるとともに、それぞれ偏光方向の揃ったほぼ１種類の直線偏光光に変換される。偏光方向のほぼ揃った複数の部分光線束は、図７の重畳レンズ７０によって被照明面上に重畳して照射されることとなる。図６の投写型表示装置１０００においては、照明光学系１２０は、偏光方向の揃えられた複数の部分光線束を液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ上に重畳して照射することとなる。
【００５３】
なお、偏光発生光学系６０は、図７に示す第１のレンズアレイ４０の複数の小レンズ４２ａ，４２ｃに対応するように設けられていることが好ましい。４すなわち、第１のレンズ４０の小レンズ４２ａ、４２ｃの大きさにあわせて、透光性板材６４の厚みを変化させ、偏光分離膜６４ａの中心がなるべく小レンズ４２ａの光軸の位置と一致するようにすることが好ましい。このように偏光発生光学系６０を第１のレンズアレイ４０の複数の小レンズ４２ａ，４２ｃに対応させることにより、光の利用効率をより向上させることが可能となるからである。しかしながら、第１のレンズアレイ４０の第１種の大きさを有する小レンズ４２ｃと第２種の大きさを有する小レンズ４２ａとの大きさは、先に図２を用いて説明したように、図示の便宜上、かなり異なるように描かれているが、実際には、数パーセント程度異なるのみである。したがって、透光性板材６４の厚みをこのように変化させなくても、実用上、特に問題はない。
【００５４】
図６の色光分離光学系２００は、２枚のダイクロイックミラー２０２，２０４と、反射ミラー２０８とを備えており、照明光学系１２０から射出される光線束を、赤、緑、青の３色の色光に分離する機能を有する。第１のダイクロイックミラー２０２は、照明光学系１２０から射出された光の赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射する。第１のダイクロイックミラー２０２を透過した赤色光Ｒは、反射ミラー２０８で反射されて、クロスダイクロイックプリズム３２０へ向けて射出される。色光分離光学系２００から射出された赤色光Ｒは、フィールドレンズ２３２を通って赤色光用の液晶ライトバルブ３００Ｒに達する。このフィールドレンズ２３２は、照明光学系１２０から射出された各部分光線束をシステム光軸１２０ａｘに対して平行な光線束に変換する機能を有している。なお、他の液晶ライトバルブの前に設けられたフィールドレンズ２３４，２３０も同様である。
【００５５】
第１のダイクロイックミラー２０２で反射された青色光Ｂと緑色光Ｇのうち、緑色光Ｇは第２のダイクロイックミラー２０４によって反射されて、色光分離光学系２００からクロスダイクロイックプリズム３２０へ向けて射出される。色光分離光学系２００から射出された緑色光Ｇは、フィールドレンズ２３４を通って緑色光用の液晶ライトバルブ３００Ｇに達する。一方、第２のダイクロイックミラー２０４を透過した青色光Ｂは、色光分離光学系２００から射出されて、リレー光学系２２０に入射する。
【００５６】
リレー光学系２２０に入射した青色光Ｂは、リレー光学系２２０に備えられる入射側レンズ２２２、リレーレンズ２２６および反射ミラー２２４，２２８および射出側レンズ（フィールドレンズ）２３０を通って青色光用の液晶ライトバルブ３００Ｂに達する。なお、青色光Ｂにリレー光学系２２０が用いられているのは、青色光Ｂの光路の長さが他の色光の光路の長さよりも大きいためであり、リレー光学系２２０を用いることにより入射側レンズ２２２に入射した青色光Ｂをそのまま、射出側レンズ２３０に伝えることができる。
【００５７】
３枚の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂは、与えられた画像情報（画像信号）に従って、３色の色光をそれぞれ変調して画像を形成する光変調手段としての機能を有する。本実施例の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂは、それぞれ、本発明における電気光学装置に相当する液晶パネルと、その光入射面側および光射出面側に配置された偏光板とによって構成されている。液晶パネルの各光入射面側に配置されている偏光板は、照明光の偏光度を高めるためのものであり、照明光学系１２０から射出される直線偏光光の偏光方向が、偏光板の透過軸方向と一致するように配置されている。各液晶ライトバルブに入射する各部分光線束は、液晶パネルの光入射面において、後述するような光照射領域を形成する。なお、液晶パネルの光入射面は、図７の照明領域ＬＡを含む被照明面に相当する。
【００５８】
クロスダイクロイックプリズム３２０は、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを通って変調された３色の色光を合成してカラー画像を形成する色光合成光学系としての機能を有する。なお、クロスダイクロイックプリズム３２０には、赤色光反射ダイクロイック面３２１と、青色光反射ダイクロイック面３２２とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。赤色光反射ダイクロイック面３２１には、赤色光を反射する誘電体多層膜が形成されている。青色光反射ダイクロイック面３２２には、青色光を反射する誘電体多層膜が形成されている。これらの赤色光反射ダイクロイック面３２１と青色光反射ダイクロイック面３２２によって３つの色光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。
【００５９】
クロスダイクロイックプリズム３２０で生成された合成光は、投写光学系３４０の方向に射出される。投写光学系３４０は、クロスダイクロイックプリズム３２０から射出された合成光を投写して、スクリーンＳＣ上にカラー画像を表示する。なお、投写光学系３４０としてはテレセントリックレンズを用いることができる。
【００６０】
図９は、各液晶ライトバルブ３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂを構成する液晶パネル３０１において形成される光照射領域を示す説明図である。液晶パネル３０１は、その内側に、画像光が形成される有効表示領域ＥＡを含んでいる。なお、この有効表示領域ＥＡが図７の照明領域ＬＡに対応する。有効表示領域ＥＡは、画像を表す画像情報（画像信号）が供給される画素領域を示しており、この領域内の画素（液晶セル）が画像情報に従って駆動されることにより、入射する光線束を変調することができる。液晶パネル３０１の有効表示領域ＥＡが０．９インチサイズの場合を想定すると、有効表示領域ＥＡの大きさは、図示するように、約１８．４ｍｍ×約１３．８ｍｍとなる。この大きさの有効表示領域ＥＡに対しては、複数の部分光線束によって形成される光照射領域の大きさは、図９の領域ＳＰＡ１程度になることが好ましい。領域ＳＰＡ１は、有効表示領域ＥＡの縦横方向にそれぞれ約０．７５ｍｍずつ大きな領域である。
【００６１】
投写型表示装置１０００において、図８に示す従来の照明光学系９００を用いる場合には、重畳レンズ７０から射出された複数の部分光線束によって形成される光照射領域は、液晶パネル３０１よりもかなり大きくなってしまい、有効表示領域ＥＡの縦横方向にそれぞれ約１．５ｍｍずつ大きな領域ＳＰＡ２程度となる。しかし、本発明を適用した照明光学系１２０を利用する場合には、前述したように、第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃの大きさが調整されているので、各部分光線束によって形成される光照射領域の大きさが所定の誤差範囲内でほぼ同じ大きさとなっている。したがって、複数の部分光線束によって形成される光照射領域の大きさを、ほぼ領域ＳＰＡ１の大きさとすることが可能である。なお、第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃの大きさは、重畳レンズ７０のＦナンバに応じて調整することができる。
【００６２】
照明光学系１２０の重畳レンズ７０のＦナンバ（（重畳レンズの焦点距離ｆ）／（重畳レンズの入射瞳の径））が比較的小さい場合には、図７の第１のレンズアレイ４０の最外周の第１の小レンズ４２ａは、中央側の第１の小レンズ４２ｃに対し、略矩形の外形形状の一辺について数パーセント程度小さく設定することが好ましい。一方、重畳レンズ７０のＦナンバが比較的大きい場合には、重畳レンズ７０による収差が小さくなるので、外周側の第１の小レンズ４２ａは、中央側の第１の小レンズ４２ｃとほぼ同じ大きさに設定すればよい。具体的には、重畳レンズ７０のＦナンバが約２．０である場合には、最外周の小レンズ４２ａは、中央側の小レンズ４２ｃに対し、略矩形の外形形状の一辺について約５％程度小さくすることが好ましい。また、Ｆナンバが３．０程度である場合には、最外周の小レンズ４２ａは、中央側の小レンズ４２ｃに対し、略矩形の外形形状の一辺について約３％程度小さくすることが好ましい。なお、Ｆナンバが約４．０以上である場合には、最外周の小レンズ４２ａと中央側の小レンズ４２ｃとの大きさは、ほぼ同じに設定すればよい。一般に、重畳レンズのＦナンバが比較的小さく、また、実用的な範囲である約２〜約５の範囲において、第１のレンズアレイの外周側に配置される小レンズは、中央側の小レンズに対して、一辺につき約１〜約１０％程度小さくなっていることが好ましい。このような第１のレンズアレイを用いれば、第１のレンズアレイから射出される各部分光線束によって形成される光照射領域の大きさを所定の誤差範囲内でほぼ同じ大きさとすることができる。また、このとき、各部分光線束を効率よく有効表示領域ＥＡに入射させることができるので、照明光学系１２０から射出された光を有効に利用することが可能となるとともに、投写表示される画像の明るさを向上させることが可能となる。
【００６３】
なお、本実施例の投写型表示装置１０００においては、図１に示す照明光学系１００に偏光発生光学系６０を追加した照明光学系１２０が用いられているが、これに代えて、図４に示す照明光学系１１０に偏光発生光学系６０を追加したものを用いてもよい。この場合には、第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズから射出された複数の部分光線束の中心軸を、液晶パネル３０１の有効表示領域ＥＡの中心においてほぼ一致させることができるので、より強度分布が均一な照明光によって、有効表示領域ＥＡを照射することが可能である。また、照明光学系１００、１１０を偏光発生光学系６０と組み合わせることなく用いても、同様の効果を得ることが可能である。
【００６４】
また、本実施例の投写型表示装置１０００における３つのフィールドレンズ２３２，２３４，２３０は、照明光学系１２０から射出された各部分光線束をシステム光軸１２０ａｘに対して平行な光に変換して液晶パネルの有効表示領域ＥＡに入射させるものである。したがって、投写型表示装置１０００においては、照明光学系１２０（図７）にフィールドレンズ２３２，２３４，２３０を含めたものを、照明光学系と呼ぶことができる。しかしながら、本発明の照明光学系としては、射出された光が被照明面に達するまでに、少なくとも、光源装置と、第１のレンズアレイと、重畳レンズとを備えていればよい。
【００６５】
以上、説明したように、上記実施例の照明光学系では、第１のレンズアレイの外周側に配置される前記小レンズの大きさが、第１のレンズアレイの中央側に配置される前記小レンズの大きさよりも小さくなっている。このため、第１のレンズアレイの中央側に配置された第１の小レンズと、中央から離れた外周側に配置された第１の小レンズとによって形成される光照射領域が所定の誤差範囲内でほぼ同じ大きさとなるようにすることが可能である。これにより、光源装置から射出された光を、効率よく照明領域に入射させることができるので、照明光学系１２０および投写型表示装置１０００において、光源装置から射出された光の利用効率を向上させることが可能となる。
【００６６】
なお、本発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６７】
（１）上記投写型表示装置においては、透過型の投写型表示装置に本発明の照明光学系を適用した場合を例に説明しているが、本発明は反射型の投写型表示装置にも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、透過型液晶パネル等のように光変調手段としての電気光学装置が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、反射型液晶パネルのように光変調手段としての電気光学装置が光を反射するタイプであることを意味している。なお、反射型の投写型表示装置では、クロスダイクロイックプリズムは、光を赤、緑、青の３色の光に分離する色光分離手段として利用されると共に、変調された３色の光を再度合成して同一の方向に射出する色光合成手段としても利用されることがある。反射型の投写型表示装置にこの発明を適用した場合にも、透過型の投写型表示装置とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００６８】
（２）また、上記実施例においては、カラー画像を表示する投写型表示装置１０００を例に説明しているが、モノクロ画像を表示する投写型表示装置に本発明の照明光学系を適用することも可能である。この場合にも、上記投写型表示装置と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
（３）上記実施例において、投写型表示装置１０００は、電気光学装置として液晶パネルを用いた例を示しているが、これに限られない。電気光学装置としては、一般に、入射光を画像情報に応じて変調するものであればよく、マイクロミラー型光変調装置などを利用してもよい。マイクロミラー型光変調装置としては、例えば、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）（ＴＩ社の商標）を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した照明光学系の一例を示す説明図である。
【図２】図１のレンズアレイ４０を示す説明図である。
【図３】図１の照明光学系１００によって被照明面上に形成される光照射領域を示す説明図である。
【図４】重畳レンズ７０による収差を補正した照明光学系１１０を示す説明図である。
【図５】図４の照明光学系１１０によって被照明面上に形成される光照射領域を示す説明図である。
【図６】本発明を適用した投写型表示装置の要部を平面的に見た概略構成図である。
【図７】図６の照明光学系１２０を模式的に示す説明図である。
【図８】偏光発生光学系６０を示す説明図である。
【図９】各液晶ライトバルブ３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂを構成する液晶パネル３０１における光照射領域を示す説明図である。
【図１０】投写型表示装置のインテグレータ光学系を構成する従来の照明光学系９００を示す説明図である。
【図１１】第１のレンズアレイ９４０を図１０のｚ方向から見た平面図である。
【符号の説明】
２０…光源装置
２０ａｘ…光源光軸
２２…光源ランプ
２２ｃ…光源ランプの中心
２４…楕円リフレクタ
２４Ｒ…回転楕円面
３０…平行化レンズ
４０…第１のレンズアレイ
４２ａ，４２ｃ…第１の小レンズ
５０，５５…第２のレンズアレイ
５２ａ，５２ｃ…第２の小レンズ
５７ａ，５７ｃ…第２の小レンズ
６０…偏光発生光学系
６２…遮光板
６２ａ…開口面
６２ｂ…遮光面
６４…偏光ビームスプリッタアレイ
６４ａ…偏光分離膜
６４ｂ…反射膜
６４ｃ…透光性板材
６６…選択位相差板
６６ａ…開口層
７０…重畳レンズ
１００，１１０，１２０…照明光学系
１０００…投写型表示装置
１２０ａｘ…システム光軸
２００…色光分離光学系
２０２，２０４…ダイクロイックミラー
２０８…反射ミラー
２２０…リレー光学系
２２２…入射側レンズ
２２４，２２８…反射ミラー
２２６…リレーレンズ
２３０…射出側レンズ
２３２，２３４，２３０…フィールドレンズ
３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…液晶ライトバルブ
３０１…液晶パネル
３２０…クロスダイクロイックプリズム
３２１…赤色光反射ダイクロイック面
３２２…青色光反射ダイクロイック面
３４０…投写光学系
９００…照明光学系
９４０…第１のレンズアレイ
９４２…第１の小レンズ
９５０…第２のレンズアレイ
９５２…第２の小レンズ
ＥＡ…有効表示領域
ＬＡ…照明領域
Ｐ１…中心点
Ｐ２…中心点
ＳＣ…スクリーン
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光学系、および、これを用いて画像を投写表示する投写型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投写型表示装置では、照明光学系から射出された照明光を、液晶パネルなどを用いて画像情報（画像信号）に応じて変調し、変調された照明光をスクリーン上に投写することにより画像表示を実現している。
【０００３】
投写型表示装置においては、投写表示される画像の輝度分布はほぼ均一であることが好ましい。このため、投写型表示装置においては、照明光学系として、液晶パネルなどの画像光が形成される部分（照明領域）をほぼ均一な強度分布で照射することができるいわゆるインテグレータ光学系が用いられる。
【０００４】
図１０は、投写型表示装置のインテグレータ光学系を構成する従来の照明光学系９００を示す説明図である。この照明光学系９００は、光源装置２０と、第１のレンズアレイ９４０と、第２のレンズアレイ９５０と、重畳レンズ７０と、を備えている。各光学要素は、光源装置２０から射出される略平行な光線束の光軸である光源光軸２０ａｘを基準に配置されている。
【０００５】
光源装置２０は、光源ランプ２２とリフレクタ２４と平行化レンズ３０とを備えており、光源ランプ２２から放射状に射出された光線を略平行な光線束に変換して射出する機能を有している。
【０００６】
第１のレンズアレイ９４０は、光源装置２０から射出された略平行な光線束を複数の部分光線束に分割する機能を有している。図１１は、第１のレンズアレイ９４０を図１０のｚ方向から見た平面図である。第１のレンズアレイ９４０は、照明光学系９００において、中心点Ｐ１が照明光学系の光源光軸２０ａｘ（図１０）と一致するように配置されている。第１のレンズアレイ９４０は、複数の第１の小レンズ９４２を備えている。第１の小レンズ９４２のそれぞれは、同じ形状を有する平凸レンズ（図１０）であり、ｚ方向から見た外形形状は、照明領域ＬＡの形状と相似形となる略矩形形状に設定されている。
【０００７】
第２のレンズアレイ９５０は、第１のレンズアレイ９４０の第１の小レンズ９４２の像を被照明面上に結像する機能を有している。第２のレンズアレイ９５０は、第１のレンズアレイ９４０と対応して設けられており、ｚ方向から見た第２のレンズアレイ９５０の第２の小レンズ９５２の外形形状は、図１１に示す第１のレンズアレイ４０の第１の小レンズ９４２とほぼ同じである。
【０００８】
重畳レンズ７０は、球面状の凸面を有する平凸レンズである。重畳レンズ７０は、第１のレンズアレイ９４０の第１の小レンズ９４２のそれぞれから射出された複数の部分光線束を被照明面上に重畳して照射する機能を有している。なお、本明細書において、「被照明面」とは、照明光学系９００によって照明すべき所望の領域である照明領域ＬＡを含む面を意味している。図１０に示すようなインテグレータ光学系を用いれば、光源装置２０から射出された略平行な光線束の光の強度分布が不均一な場合でも、照明領域ＬＡにおいて、ほぼ均一な光の強度分布を有する光照射領域を形成することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、球面状の凸面を有する重畳レンズ７０は、周知のように、球面収差を有している。重畳レンズ７０による収差は、光源光軸２０ａｘから離れるほど大きくなる。すなわち、図１０に示すように、第１のレンズアレイ９４０の外周側に配置された第１の小レンズ９４２から射出される部分光線束が被照明面において形成する光照射領域の大きさは、の第１のレンズアレイ９４０の中央側に配置された第１の小レンズ９４２から射出される部分光線束が被照明面において形成する光照射領域の大きさよりも、大きくなっている。このとき、図１０に示すように、外周側の第１の小レンズ９４２から射出された部分光線束の光照射領域は被照明面においてボケてしまい、照明領域ＬＡ以外の不必要な領域も照射することとなり、光源装置から射出された光を有効に利用できないという問題がある。なお、このような問題は、照明光学系を小型化するほど、換言すれば、重畳レンズ７０と照明領域ＬＡとの距離Ｌ（すなわち、重畳レンズ７０の焦点距離ｆ）を小さく設定するほど顕著になる。
【００１０】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、照明光学系において、光源装置から射出された光を有効に利用することができる技術を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の装置は、照明光学系であって、
略平行な光線束を射出する光源装置と、
前記光線束を複数の部分光線束に分割するための複数の第１の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイから射出された前記複数の部分光線束のそれぞれを被照明面上に重畳して照射させるための重畳レンズと、
を備え、
前記被照明面において、前記複数の第１の小レンズから射出される複数の部分光線束によって形成される光照射領域のそれぞれが所定の誤差範囲内でほぼ同じ大きさとなるように、前記第１のレンズアレイの外周側に配置される前記小レンズの大きさが、前記第１のレンズアレイの中央側に配置される前記小レンズの大きさよりも小さくされていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の照明光学系においては、第１のレンズアレイの第１の小レンズの大きさが調整されているため、各部分光線束が形成する被照明面上の光照射領域の大きさを所定の誤差範囲内でほぼ同じ程度とすることができ、この結果、光源装置から射出された光を有効に利用することが可能となる。
【００１３】
上記照明光学系において、
前記複数の第１の小レンズの形状は、それぞれ、前記光線束の中心軸方向から見たときに相似形になっていることが好ましい。
【００１４】
こうすれば、各部分光線束が形成する被照明面上の光照射領域の大きさを所定の誤差範囲内でほぼ同じ程度とすることが容易となる。
【００１５】
上記照明光学系において、
前記第１のレンズアレイは、中央側に配置された比較的大きな第１種の小レンズと、最外周に配置された比較的小さな第２種の小レンズとの、２種類の小レンズで構成されているようにしてもよい。
【００１６】
このように、第１のレンズアレイを２種類の第１の小レンズによって構成すれば、各部分光線束によって形成される光照射領域の大きさを所定の誤差範囲内でほぼ同じ程度とすることができる第１のレンズアレイを比較的容易に得ることが可能となる。
【００１７】
上記照明光学系において、
前記複数の第１の小レンズのそれぞれは、前記中心軸方向から見たときに略矩形であり、
前記第１のレンズアレイの最外周に配置される第１の小レンズは、前記第１のレンズアレイの中央側に配置される第１の小レンズに対して、一辺につき約１〜約１０％小さくなっていることが好ましい。
【００１８】
こうすれば、各部分光線束によって形成される光照射領域の大きさを、効率よく調整することが可能である。
【００１９】
さらに、上記照明光学系において、
前記第１のレンズアレイの複数の第１の小レンズのそれぞれに対応する複数の第２の小レンズを有する第２のレンズアレイを備え、
前記複数の第２の小レンズのうち、前記第１のレンズアレイの前記外周側に配置されるレンズから射出された光を受ける小レンズは、偏心レンズであるようにしてもよい。
【００２０】
このような第２のレンズアレイを用いれば、各部分光線束によって形成される光照射領域の位置を一致させることが可能となる。
【００２１】
本発明の第２の装置は、投写型表示装置であって、
本発明の第１の装置である上記のいずれかの照明光学系と、
前記照明光学系が照明する被照明面としての光入射面を有し、前記照明光学系からの入射光を画像情報に応じて変調する電気光学装置と、
前記電気光学装置で得られる変調光線束を投写する投写光学系と、を備えることを特徴とする。
【００２２】
本発明の投写型表示装置においては、本発明の第１の装置である照明光学系が用いられている。したがって、この投写型表示装置においては、照明光学系における光の利用効率が高いため、投写表示される画像の明るさを向上させることが可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
Ａ．照明光学系の第１実施例：
図１は、本発明を適用した照明光学系の一例を示す説明図である。なお、図１は、照明光学系１００の要部を平面的に見た概略構成図である。図１の照明光学系１００は、光源装置２０と、第１のレンズアレイ４０と、第２のレンズアレイ５０と、重畳レンズ７０と、を備えている。なお、この照明光学系１００は、図１０の従来の照明光学系９００の第１および第２のレンズアレイ９４０，９５０が変更されたものである。各光学要素は、光源光軸２０ａｘ（光源装置２０から射出される光線束の中心軸）を基準として配置されている。すなわち、第１のレンズアレイ４０、第２のレンズアレイ５０、重畳レンズ７０は、その中心が光源光軸２０ａｘとほぼ一致するように、かつ、光源光軸２０ａｘに対してほぼ垂直となるように、配置されている。
【００２４】
光源装置２０は、光源ランプ２２とリフレクタ２４と平行化レンズ３０とを備えている。リフレクタ２４は、光源光軸２０ａｘに軸対称な回転楕円体の凹面（回転楕円面）２４Ｒを有する楕円リフレクタである。回転楕円体は、例えば、ガラスセラミックスを用いて形成されている。回転楕円面２４Ｒ上には誘電体多層膜が形成されており、回転楕円面２４Ｒが反射鏡として機能する。なお、回転楕円面２４Ｒ上には、アルミニウム膜や銀膜などの金属反射膜を形成するようにしてもよい。
【００２５】
光源ランプ２２は、放射状に光を射出する。光源ランプ２２の中心２２ｃは、楕円リフレクタ２４の光源光軸２０ａｘ上における２つの焦点のうち、楕円リフレクタ２４により近い方の焦点（第１焦点）の位置に配置されている。ここで、「光源ランプの中心」とは、光源ランプ２２のアークの中心２２ｃを意味している。光源ランプ２２から射出された放射光は、楕円リフレクタ２４によって反射され、反射光は楕円リフレクタ２４の他方の焦点（第２焦点）に向かう。なお、光源ランプ２２としては、メタルハライドランプや高圧水銀灯などの高圧放電灯が用いられる。
【００２６】
平行化レンズ３０は、楕円リフレクタ２４によって反射された反射光をほぼ平行な光に変換する機能を有している。これにより、光源装置２０から射出される光線束は、略平行な光となって射出される。なお、光源装置２０から射出される略平行な光線束の中心は、光源光軸２０ａｘと一致している。
【００２７】
上記のように、本実施例においては、略平行な光線束を射出する光源装置２０として、楕円リフレクタ２４と平行化レンズ３０とを備えるものを利用しているが、これに代えて、回転放物面形状の凹面を有する放物面リフレクタを備える光源装置を用いるようにしてもよい。本発明における光源装置としては、略平行な光線束を射出するものであればよい。
【００２８】
第１のレンズアレイ４０（図１）は、光源装置２０から射出される光線束を複数の部分光線束に分割して射出する機能を有している。図２は、図１のレンズアレイ４０を示す説明図である。図２は、図１の第１のレンズアレイ４０をｚ方向から見たときの平面図を示している。照明光学系１００（図１）において、第１のレンズアレイ４０は、その中心点Ｐ２が照明光学系１００の光源光軸２０ａｘと一致するように配置される。なお、図１の平面図では、中心点Ｐ２を通るｘｚ平面で切断した際の断面が示されている。
【００２９】
第１のレンズアレイ４０は、中央側に比較的大きな第１種の小レンズ４２ｃを備えており、その外周側に、比較的小さな第２種の小レンズ４２ａを備えている。中央側の第１種の小レンズ４２ｃのそれぞれは、ほぼ同じ形状を有する平凸レンズ（図１）であり、ｚ方向から見た外形形状は、照明領域ＬＡの形状とほぼ相似形となるように設定されている。例えば、被照明面として液晶パネルの光入射面を想定し、画像の有効表示領域（照明領域ＬＡ）のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）が４：３であるならば、第１の小レンズ４２ｃのアスペクト比も４：３に設定する。また、外周側の第２種の小レンズ４２ａのそれぞれも、ほぼ同じ形状を有する平凸レンズ（図１）であり、ｚ方向から見た外形形状は、照明領域ＬＡの形状とほぼ相似形をなすように設定されている。なお、図２においては、説明の便宜上、第１種の小レンズ４２ｃと第２種の小レンズ４２ａとの大きさが、かなり異なるように描かれているが、後述するように、実際には、第２種の小レンズ４２ａの大きさは、第１種の小レンズ４２ｃとの大きさに対し、一辺につき約１〜約１０％程度小さいのみである。
【００３０】
第２のレンズアレイ５０（図１）は、第１のレンズアレイ４０の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃの像を被照明面上に結像する機能を有している。第２のレンズアレイ５０は、第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃのそれぞれに対応する複数の第２の小レンズ５２ａ，５２ｃを有している。ｚ方向から見た第２のレンズアレイ５０の複数の第２の小レンズ５２ａ，５２ｃの外形形状は、図２に示す第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃの外形形状とほぼ同じである。なお、第２のレンズアレイ５０としては、第１のレンズアレイ４０と同じものを利用することができる。
【００３１】
図１の第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃによって射出された複数の部分光線束のそれぞれは、第２のレンズアレイ５０の複数の第２の小レンズ５２ａ，５２ｃを介して、重畳レンズ７０に入射する。重畳レンズ７０は、入射した複数の部分光線束を被照明面上に重畳して照射する。なお、本実施例の重畳レンズ７０では、図１に示すように、平凸レンズが用いられているが、両凸レンズを用いるようにしてもよい。上記の説明から分かるように、本実施例の第１および第２のレンズアレイ４０，５０と重畳レンズ７０とは、インテグレータ光学系を構成する。これにより、光源装置２０から射出された光線束の断面内の光の強度分布が不均一である場合にも、照明領域ＬＡにおいて、強度分布がほぼ均一な光を照射することが可能となる。
【００３２】
ところで、前述したように、従来の照明光学系９００では、図１０に示すように、重畳レンズ７０の収差に起因して、第１のレンズアレイ９４０の各小レンズ９４２から射出された部分光線束は、被照明面上において照明領域ＬＡ以外の不必要な領域も照射してしまっている。すなわち、重畳レンズ７０の収差は、通過する光線束にボケを生じさせ、被照明面において各部分光線束によって形成される光照射領域を大きくしてしまう。この傾向は、重畳レンズ７０と照明領域ＬＡとの距離Ｌ（すなわち、重畳レンズ７０の焦点距離ｆ）を小さくするほど、また、重畳レンズ７０の中心（光源光軸２０ａｘ）から離れるほど、大きくなる。したがって、図１０に示すように、重畳レンズ７０と照明領域ＬＡとの距離Ｌを比較的小さく設定する場合には、光源装置２０から射出された光を効率よく照明領域ＬＡに入射させることが困難となる。
【００３３】
図１に示す本発明を適用した照明光学系１００では、図２において説明したように、第１のレンズアレイ４０の複数の小レンズの形状を工夫することによって、このような重畳レンズ７０の収差による光の利用効率の低下を防止している。すなわち、照明光学系１００の第１のレンズアレイ４０においては、重畳レンズ７０の収差が比較的大きな光源光軸２０ａｘから離れた外周側における小レンズ４２ａの大きさは、重畳レンズ７０の収差が比較的小さな光源光軸２０ａｘ側（中央側）における小レンズ４２ｃの大きさよりも、小さく設定されている。このとき、外周側の小レンズ４２ａから射出される部分光線束の断面積は、光源光軸２０ａｘ側（中央側）の小レンズ４２ｃから射出される部分光線束の断面積よりも小さくなる。しかしながら、外周側の小レンズ４２ａから射出された部分光線束は重畳レンズ７０の収差の影響を受け、一方、中央側の小レンズ４２ｃから射出された部分光線束は重畳レンズ７０の収差の影響をあまり受けない。したがって、第１のレンズアレイ４０の外周側の小レンズ４２ａから射出される部分光線束によって形成される光照射領域と、中央側の小レンズ４２ｃから射出される部分光線束によって形成される光照射領域とを、ほぼ同じ大きさとなるようにすることが可能である。
【００３４】
図３は、図１の照明光学系１００によって被照明面上に形成される光照射領域を示す説明図である。なお、斜線を付した領域は、図１の照明領域ＬＡである。図３に示すように、第１のレンズアレイ４０の中央側の１つの小レンズ４２ｃから射出された部分光線束は、照明領域ＬＡを含む光照射領域Ｓｃを形成する。このとき、第１のレンズアレイ４０の最外周の１つの小レンズ４２ａから射出された部分光線束は、光照射領域Ｓａを形成する。このように、第１のレンズアレイの小レンズの大きさを調整することによって、２つの部分光線束によって形成される光照射領域Ｓｃ，Ｓａを、ほぼ同じ大きさとすることが可能である。このようにすれば、重畳レンズ７０の収差に関わらず、図１の光源装置２０から射出された光を効率よく照明領域ＬＡに入射させて利用することが可能となる。
【００３５】
なお、図１の照明光学系１００においては、第１のレンズアレイ４０は、図２に示すように、中央側に配置された第１種の大きさを有する小レンズ４２ｃと、最外周に配置された第２種の大きさを有する小レンズ４２ａとの、２種類の第１の小レンズによって構成されているが、第１のレンズアレイ４０に含まれる複数の小レンズの構成はこれに限られない。例えば、第１のレンズアレイ４０の中央から離れるにつれて、多段階で小さくなるようにしてもよい。また、図２に示すレンズアレイ４０においては、中央側の第１種の小レンズ４２ｃと、最外周に配置された第２種の小レンズ４２ａとは、ほぼ相似形となっているがこれに限られない。例えば、重畳レンズ７０のｘ方向の収差とｙ方向の収差とが異なるような場合には、収差の相違に基づいて、中心点Ｐ２からｘ方向に離れた位置の小レンズとｙ方向に離れた位置の小レンズとのアスペクト比（縦横比）が異なるように設定してもよい。
【００３６】
すなわち、一般に、第１のレンズアレイの複数の第１の小レンズのそれぞれは、被照明面において、複数の第１の小レンズから射出される複数の部分光線束によって形成される光照射領域のそれぞれが所定の誤差範囲内でほぼ同じ大きさとなるように、第１のレンズアレイの中央から周辺に向かって単調に小さくなっていればよい。なお、本実施例においては、各光照射領域の大きさは、第１のレンズアレイの中央側に配置された第１の小レンズ４２ｃから射出される部分光線束によって形成される光照射領域の大きさを基準として調整されている。例えば、光源光軸２０ａｘから離れた位置（外周側）に配置された第１の小レンズから射出される部分光線束によって形成される光照射領域の大きさが、基準の光照射領域の大きさに対し、光照射領域の一辺につき約５％程度の誤差範囲内に収まるように設定されることが好ましい。
【００３７】
Ｂ．照明光学系の第２実施例：
図１に示す照明光学系１００を用いれば、重畳レンズ７０による収差に関わらず、光源装置から射出された光を有効に利用することができるが、重畳レンズによる収差が補正されているわけではない。すなわち、図１に示すように、第１のレンズアレイ４０の外周側の小レンズ４２ａから射出された部分光線束の中心軸は、第２のレンズアレイ５０と重畳レンズ７０とを介して被照明面に到達したとき、光源光軸２０ａｘ上に存在しない。このため、図３に示すように、第１のレンズアレイ４０の中央側の小レンズ４２ｃから射出された部分光線束が形成する光照射領域Ｓｃの位置と、外周側の小レンズ４２ａから射出された部分光線束が形成する光照射領域Ｓａの位置とは、あまり正確に一致しない場合がある。このような場合には、照明領域ＬＡにおける光の強度分布が十分に均一とならない可能性がある。
【００３８】
図４は、重畳レンズ７０による収差を補正した照明光学系１１０を示す説明図である。図４に示す照明光学系１１０においては、図１の第２のレンズアレイ５０に代えて、第２のレンズアレイ５５が備えられている。その他の構成部分については、第１の実施形態にかかる照明光学系１００と同じである。本実施形態において、照明光学系１００と同様の構成部分については、図１、図２で用いたのと同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
第２のレンズアレイ５５は、第１のレンズアレイ４０と対応して設けられており、ｚ方向から見た第２のレンズアレイ５５の各第２の小レンズ５７ａ，５７ｃの外形形状は、図２に示す第１のレンズアレイ４０の各第１の小レンズ４２ａ，４２ｃとほぼ同じである。ただし、第１のレンズアレイ４０ではレンズの光軸がレンズの幾何学的中心軸と一致する小レンズ４２ａ，４２ｃが用いられているのに対し、第２のレンズアレイ５５においては、重畳レンズ７０による収差が比較的大きくなる光源光軸２０ａｘから離れた位置（外周側）に配置された第２の小レンズ５７ａとして、レンズの光軸がレンズの幾何学的中心軸と一致しない偏心レンズが用いられている。小レンズ５７ｃは、第１のレンズアレイ４０の小レンズ４２ａ，４２ｃと同様、レンズの光軸と幾何学的中心軸とが一致したレンズである。このとき、図４に示すように、第２のレンズアレイ５５の各小レンズ５７ａ，５７ｃから射出された部分光線束の中心軸は、重畳レンズ７０を介して被照明面に到達したときに、光源光軸２０ａｘ上に存在することとなる。
【００４０】
図５は、図４の照明光学系１１０によって被照明面上に形成される光照射領域を示す説明図である。なお、斜線を付した領域は、図４の照明領域ＬＡである。図５に示すように、第１のレンズアレイ４０の中央側の１つの小レンズ４２ｃから射出された部分光線束は、照明領域ＬＡを含む光照射領域Ｓｃを形成する。このとき、第１のレンズアレイ４０の最外周の１つの小レンズ４２ａから射出された部分光線束も、光照射領域Ｓｃと同じ光照射領域Ｓａを形成する。このように、第１のレンズアレイの小レンズ４２ａから射出された光を受ける第２のレンズアレイの小レンズ５７ａとして偏心レンズを用いることによって、２つの部分光線束によって形成される光照射領域Ｓｃ，Ｓａを、ほぼ同じ大きさとするとともに、第１のレンズアレイの中央側の小レンズ４２ｃから射出された部分光線束によって形成される光照射領域Ｓｃの位置と、最外周の小レンズ４２ａから射出された部分光線束によって形成される光照射領域Ｓａの位置とを、ほぼ一致させることができる。このようにすれば、照明領域ＬＡにおける光の強度分布をかなり均一にすることが可能となる。
【００４１】
なお、図４の第２のレンズアレイ５５においては、最外周の小レンズ５７ａのみが偏心レンズとされており、中央側の他の小レンズ５７ｃは偏心レンズとされていないが、他の小レンズも偏心レンズとしてもよい。また、第１のレンズアレイ４０の小レンズの大きさを多段階に設定する場合などには、これに応じて第２のレンズアレイ５５の最外周の小レンズ以外の小レンズを偏心レンズとし、当該偏心レンズの偏心の度合い（レンズ光軸とレンズの幾何学的中心軸とのずれの大きさ）を多段階に設定するようにしてもよい。一般に、第２のレンズアレイの複数の第２の小レンズの偏心の度合いは、第１のレンズアレイの複数の第１の小レンズから射出される部分光線束が、被照明面においてほぼ同じ位置を照射するように設定されていればよい。
【００４２】
以上、説明したように、本実施例の照明光学系１００，１１０においては、第１のレンズアレイ４０の最外周の第１の小レンズ４２ａの大きさを、中央側の第１の小レンズ４２ｃの大きさよりも小さくすることによって、各第１の小レンズから射出された部分光線束によって形成される光照射領域の大きさが、ほぼ同じ大きさとなるように調整されている。したがって、この部分光線束を照明領域ＬＡに入射させれば、光源装置から射出された光を有効に利用することが可能となる。
【００４３】
Ｃ．投写型表示装置およびその照明光学系：
図６は、本発明を適用した投写型表示装置の要部を平面的に見た概略構成図である。投写型表示装置１０００は、照明光学系１２０と、色光分離光学系２００と、リレー光学系２２０と、３枚の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム３２０と、投写光学系３４０とを備えている。照明光学系１１０から射出された光は、色光分離光学系２００において赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色光に分離される。分離された各色光は、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂにおいて画像情報に対応して変調される。変調された各色光は、クロスダイクロイックプリズム３２０で合成され、投写光学系３４０によってスクリーンＳＣ上に画像が投写表示されることとなる。
【００４４】
図７は、図６の照明光学系１２０を模式的に示す説明図である。この照明光学系１２０は、図１の照明光学系１００に、偏光発生光学系６０が追加されたものである。各光学要素は、照明光学系１２０のシステム光軸１２０ａｘに沿って配置されている。ただし、光源装置２０と第１のレンズアレイ４０と第２のレンズアレイ５０とは、光源光軸２０ａｘを基準として配置されている。また、偏光発生光学系６０と重畳レンズ７０とは、システム光軸１２０ａｘを基準として配置されている。なお、光源光軸２０ａｘは、システム光軸１２０ａｘから図中ｘ方向に所定のずれ量Ｄｐだけほぼ平行にずれている。このずれ量Ｄｐについては後述する。
【００４５】
光源装置２０から射出された略平行な光線束は、第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃによって分割される。第１のレンズアレイ４０から射出される複数の部分光線束は、図７に示すように、第２のレンズアレイ５０を介して、その近傍位置、すなわち、偏光発生光学系６０内において集光される。
【００４６】
図８は、偏光発生光学系６０を示す説明図である。図８（Ａ）は、偏光発生光学系６０の斜視図を示している。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す偏光発生光学系６０の平面図の一部を示している。偏光発生光学系６０は、遮光板６２と、偏光ビームスプリッタアレイ６４と、選択位相差板６６とを備えている。
【００４７】
偏光ビームスプリッタアレイ６４は、図８（Ａ）に示すように、略平行四辺形の断面を有する柱状の透光性板材６４ｃが複数貼り合わされて構成されている。各透光性板材６４ｃの界面には、偏光分離膜６４ａと反射膜６４ｂとが交互に形成されている。なお、偏光分離膜６４ａとしては、誘電体多層膜が用いられる。また、反射膜６４ｂとしては、誘電体多層膜やアルミニウム膜などの金属膜が用いられる。
【００４８】
遮光板６２は、遮光面６２ｂと開口面６２ａとがストライプ状に配列されて構成されている。遮光板６２は、遮光面６２ｂに入射する光線束を遮り、開口面６２ａに入射する光線束を通過させる機能を有している。遮光面６２ｂと開口面６２ａとは、第２のレンズアレイ５０（図７）から射出された部分光線束が偏光ビームスプリッタアレイ６４の偏光分離膜６４ａのみに入射し、反射膜６４ｂには入射しないように配列されている。具体的には、図８（Ｂ）に示すように、遮光板６２の開口面６２ａの中心は、偏光ビームスプリッタアレイ６４の偏光分離膜６４ａの中心とほぼ一致するように配置されている。また、開口面６２ａのｘ方向の開口幅は、偏光分離膜６４ａのｘ方向の大きさＷｐとほぼ等しく設定されている。このとき、遮光板６２の開口面６２ａを通過した光線束は、そのほとんど全てが偏光分離膜６４ａのみに入射し、反射膜６４ｂには入射しないこととなる。なお、遮光板６２としては、平板状の透明体（例えばガラス板）に遮光性の膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜など）を部分的に形成したものを用いることができる。また、アルミニウム板のような遮光性の平板に開口部を設けたものなどを用いてもよい。
【００４９】
第２のレンズアレイ５０（図７）から射出された各部分光線束は、図８（Ｂ）に実線で示すように、その主光線（中心軸）がシステム光軸１２０ａｘにほぼ平行な状態で、遮光板６２の開口面６２ａに入射する。開口面６２ａを通過した部分光線束は、偏光分離膜６４ａに入射する。偏光分離膜６４ａは、入射した部分光線束をｓ偏光の部分光線束とｐ偏光の部分光線束とに分離する。このとき、ｐ偏光の部分光線束は偏光分離膜６４ａを透過し、ｓ偏光の部分光線束は偏光分離膜６４ａで反射される。偏光分離膜６４ａで反射されたｓ偏光の部分光線束は、反射膜６４ｂに向かい、反射膜６４ｂにおいてさらに反射される。このとき、偏光分離膜６４ａを透過したｐ偏光の部分光線束と、反射膜６４ｂで反射されたｓ偏光の部分光線束とは、互いにほぼ平行な状態となっている。
【００５０】
選択位相差板６６は、開口層６６ａとλ／２位相差層６６ｂとによって構成されている。本実施例においては、開口層６６ａは、λ／２位相差層６６ｂが形成されていない部分である。開口層６６ａは、入射する直線偏光光をそのまま透過する機能を有している。一方、λ／２位相差層６６ｂは、入射する直線偏光光を、偏光方向が直交する直線偏光光に変換する機能を有している。本実施例においては、図８（Ｂ）に示すように、偏光分離膜６４ａを透過したｐ偏光の部分光線束は、λ／２位相差層６６ｂに入射する。したがって、ｐ偏光の部分光線束は、λ／２位相差層６６ｂにおいて、ｓ偏光の部分光線束に変換されて射出される。一方、反射膜６４ｂで反射されたｓ偏光の部分光線束は、開口層６６ａに入射するので、ｓ偏光の部分光線束のまま射出される。すなわち、偏光発生光学系６０に入射した非偏光な部分光線束は、そのほとんどがｓ偏光の部分光線束に変換されて射出されることとなる。なお、反射膜６４ｂで反射されるｓ偏光の部分光線束の射出面だけにλ／２位相差層６６ｂを配置することにより、偏光発生光学系６０に入射するほとんどの部分光線束をｐ偏光の部分光線束に変換して射出することもできる。
【００５１】
図８（Ｂ）から分かるように、偏光発生光学系６０から射出する２つのｓ偏光光の中心は、入射する非偏光な光（ｓ偏光光＋ｐ偏光光）の中心よりもｘ方向にずれている。このずれ量は、λ／２位相差層６６ｂの幅Ｗｐ（すなわち、偏光分離膜６４ａのｘ方向の大きさ）の半分に等しい。このため、図７に示すように、光源光軸２０ａｘとシステム光軸１２０ａｘとは、Ｗｐ／２に等しい距離Ｄｐだけずれた位置に設定されている。
【００５２】
第２のレンズアレイ５０から射出された複数の部分光線束は、上記のように、偏光発生光学系６０によって各部分光線束ごとに２つの部分光線束に分離されるとともに、それぞれ偏光方向の揃ったほぼ１種類の直線偏光光に変換される。偏光方向のほぼ揃った複数の部分光線束は、図７の重畳レンズ７０によって被照明面上に重畳して照射されることとなる。図６の投写型表示装置１０００においては、照明光学系１２０は、偏光方向の揃えられた複数の部分光線束を液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ上に重畳して照射することとなる。
【００５３】
なお、偏光発生光学系６０は、図７に示す第１のレンズアレイ４０の複数の小レンズ４２ａ，４２ｃに対応するように設けられていることが好ましい。４すなわち、第１のレンズ４０の小レンズ４２ａ、４２ｃの大きさにあわせて、透光性板材６４の厚みを変化させ、偏光分離膜６４ａの中心がなるべく小レンズ４２ａの光軸の位置と一致するようにすることが好ましい。このように偏光発生光学系６０を第１のレンズアレイ４０の複数の小レンズ４２ａ，４２ｃに対応させることにより、光の利用効率をより向上させることが可能となるからである。しかしながら、第１のレンズアレイ４０の第１種の大きさを有する小レンズ４２ｃと第２種の大きさを有する小レンズ４２ａとの大きさは、先に図２を用いて説明したように、図示の便宜上、かなり異なるように描かれているが、実際には、数パーセント程度異なるのみである。したがって、透光性板材６４の厚みをこのように変化させなくても、実用上、特に問題はない。
【００５４】
図６の色光分離光学系２００は、２枚のダイクロイックミラー２０２，２０４と、反射ミラー２０８とを備えており、照明光学系１２０から射出される光線束を、赤、緑、青の３色の色光に分離する機能を有する。第１のダイクロイックミラー２０２は、照明光学系１２０から射出された光の赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射する。第１のダイクロイックミラー２０２を透過した赤色光Ｒは、反射ミラー２０８で反射されて、クロスダイクロイックプリズム３２０へ向けて射出される。色光分離光学系２００から射出された赤色光Ｒは、フィールドレンズ２３２を通って赤色光用の液晶ライトバルブ３００Ｒに達する。このフィールドレンズ２３２は、照明光学系１２０から射出された各部分光線束をシステム光軸１２０ａｘに対して平行な光線束に変換する機能を有している。なお、他の液晶ライトバルブの前に設けられたフィールドレンズ２３４，２３０も同様である。
【００５５】
第１のダイクロイックミラー２０２で反射された青色光Ｂと緑色光Ｇのうち、緑色光Ｇは第２のダイクロイックミラー２０４によって反射されて、色光分離光学系２００からクロスダイクロイックプリズム３２０へ向けて射出される。色光分離光学系２００から射出された緑色光Ｇは、フィールドレンズ２３４を通って緑色光用の液晶ライトバルブ３００Ｇに達する。一方、第２のダイクロイックミラー２０４を透過した青色光Ｂは、色光分離光学系２００から射出されて、リレー光学系２２０に入射する。
【００５６】
リレー光学系２２０に入射した青色光Ｂは、リレー光学系２２０に備えられる入射側レンズ２２２、リレーレンズ２２６および反射ミラー２２４，２２８および射出側レンズ（フィールドレンズ）２３０を通って青色光用の液晶ライトバルブ３００Ｂに達する。なお、青色光Ｂにリレー光学系２２０が用いられているのは、青色光Ｂの光路の長さが他の色光の光路の長さよりも大きいためであり、リレー光学系２２０を用いることにより入射側レンズ２２２に入射した青色光Ｂをそのまま、射出側レンズ２３０に伝えることができる。
【００５７】
３枚の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂは、与えられた画像情報（画像信号）に従って、３色の色光をそれぞれ変調して画像を形成する光変調手段としての機能を有する。本実施例の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂは、それぞれ、本発明における電気光学装置に相当する液晶パネルと、その光入射面側および光射出面側に配置された偏光板とによって構成されている。液晶パネルの各光入射面側に配置されている偏光板は、照明光の偏光度を高めるためのものであり、照明光学系１２０から射出される直線偏光光の偏光方向が、偏光板の透過軸方向と一致するように配置されている。各液晶ライトバルブに入射する各部分光線束は、液晶パネルの光入射面において、後述するような光照射領域を形成する。なお、液晶パネルの光入射面は、図７の照明領域ＬＡを含む被照明面に相当する。
【００５８】
クロスダイクロイックプリズム３２０は、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを通って変調された３色の色光を合成してカラー画像を形成する色光合成光学系としての機能を有する。なお、クロスダイクロイックプリズム３２０には、赤色光反射ダイクロイック面３２１と、青色光反射ダイクロイック面３２２とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。赤色光反射ダイクロイック面３２１には、赤色光を反射する誘電体多層膜が形成されている。青色光反射ダイクロイック面３２２には、青色光を反射する誘電体多層膜が形成されている。これらの赤色光反射ダイクロイック面３２１と青色光反射ダイクロイック面３２２によって３つの色光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。
【００５９】
クロスダイクロイックプリズム３２０で生成された合成光は、投写光学系３４０の方向に射出される。投写光学系３４０は、クロスダイクロイックプリズム３２０から射出された合成光を投写して、スクリーンＳＣ上にカラー画像を表示する。なお、投写光学系３４０としてはテレセントリックレンズを用いることができる。
【００６０】
図９は、各液晶ライトバルブ３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂを構成する液晶パネル３０１において形成される光照射領域を示す説明図である。液晶パネル３０１は、その内側に、画像光が形成される有効表示領域ＥＡを含んでいる。なお、この有効表示領域ＥＡが図７の照明領域ＬＡに対応する。有効表示領域ＥＡは、画像を表す画像情報（画像信号）が供給される画素領域を示しており、この領域内の画素（液晶セル）が画像情報に従って駆動されることにより、入射する光線束を変調することができる。液晶パネル３０１の有効表示領域ＥＡが０．９インチサイズの場合を想定すると、有効表示領域ＥＡの大きさは、図示するように、約１８．４ｍｍ×約１３．８ｍｍとなる。この大きさの有効表示領域ＥＡに対しては、複数の部分光線束によって形成される光照射領域の大きさは、図９の領域ＳＰＡ１程度になることが好ましい。領域ＳＰＡ１は、有効表示領域ＥＡの縦横方向にそれぞれ約０．７５ｍｍずつ大きな領域である。
【００６１】
投写型表示装置１０００において、図８に示す従来の照明光学系９００を用いる場合には、重畳レンズ７０から射出された複数の部分光線束によって形成される光照射領域は、液晶パネル３０１よりもかなり大きくなってしまい、有効表示領域ＥＡの縦横方向にそれぞれ約１．５ｍｍずつ大きな領域ＳＰＡ２程度となる。しかし、本発明を適用した照明光学系１２０を利用する場合には、前述したように、第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃの大きさが調整されているので、各部分光線束によって形成される光照射領域の大きさが所定の誤差範囲内でほぼ同じ大きさとなっている。したがって、複数の部分光線束によって形成される光照射領域の大きさを、ほぼ領域ＳＰＡ１の大きさとすることが可能である。なお、第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズ４２ａ，４２ｃの大きさは、重畳レンズ７０のＦナンバに応じて調整することができる。
【００６２】
照明光学系１２０の重畳レンズ７０のＦナンバ（（重畳レンズの焦点距離ｆ）／（重畳レンズの入射瞳の径））が比較的小さい場合には、図７の第１のレンズアレイ４０の最外周の第１の小レンズ４２ａは、中央側の第１の小レンズ４２ｃに対し、略矩形の外形形状の一辺について数パーセント程度小さく設定することが好ましい。一方、重畳レンズ７０のＦナンバが比較的大きい場合には、重畳レンズ７０による収差が小さくなるので、外周側の第１の小レンズ４２ａは、中央側の第１の小レンズ４２ｃとほぼ同じ大きさに設定すればよい。具体的には、重畳レンズ７０のＦナンバが約２．０である場合には、最外周の小レンズ４２ａは、中央側の小レンズ４２ｃに対し、略矩形の外形形状の一辺について約５％程度小さくすることが好ましい。また、Ｆナンバが３．０程度である場合には、最外周の小レンズ４２ａは、中央側の小レンズ４２ｃに対し、略矩形の外形形状の一辺について約３％程度小さくすることが好ましい。なお、Ｆナンバが約４．０以上である場合には、最外周の小レンズ４２ａと中央側の小レンズ４２ｃとの大きさは、ほぼ同じに設定すればよい。一般に、重畳レンズのＦナンバが比較的小さく、また、実用的な範囲である約２〜約５の範囲において、第１のレンズアレイの外周側に配置される小レンズは、中央側の小レンズに対して、一辺につき約１〜約１０％程度小さくなっていることが好ましい。このような第１のレンズアレイを用いれば、第１のレンズアレイから射出される各部分光線束によって形成される光照射領域の大きさを所定の誤差範囲内でほぼ同じ大きさとすることができる。また、このとき、各部分光線束を効率よく有効表示領域ＥＡに入射させることができるので、照明光学系１２０から射出された光を有効に利用することが可能となるとともに、投写表示される画像の明るさを向上させることが可能となる。
【００６３】
なお、本実施例の投写型表示装置１０００においては、図１に示す照明光学系１００に偏光発生光学系６０を追加した照明光学系１２０が用いられているが、これに代えて、図４に示す照明光学系１１０に偏光発生光学系６０を追加したものを用いてもよい。この場合には、第１のレンズアレイ４０の複数の第１の小レンズから射出された複数の部分光線束の中心軸を、液晶パネル３０１の有効表示領域ＥＡの中心においてほぼ一致させることができるので、より強度分布が均一な照明光によって、有効表示領域ＥＡを照射することが可能である。また、照明光学系１００、１１０を偏光発生光学系６０と組み合わせることなく用いても、同様の効果を得ることが可能である。
【００６４】
また、本実施例の投写型表示装置１０００における３つのフィールドレンズ２３２，２３４，２３０は、照明光学系１２０から射出された各部分光線束をシステム光軸１２０ａｘに対して平行な光に変換して液晶パネルの有効表示領域ＥＡに入射させるものである。したがって、投写型表示装置１０００においては、照明光学系１２０（図７）にフィールドレンズ２３２，２３４，２３０を含めたものを、照明光学系と呼ぶことができる。しかしながら、本発明の照明光学系としては、射出された光が被照明面に達するまでに、少なくとも、光源装置と、第１のレンズアレイと、重畳レンズとを備えていればよい。
【００６５】
以上、説明したように、上記実施例の照明光学系では、第１のレンズアレイの外周側に配置される前記小レンズの大きさが、第１のレンズアレイの中央側に配置される前記小レンズの大きさよりも小さくなっている。このため、第１のレンズアレイの中央側に配置された第１の小レンズと、中央から離れた外周側に配置された第１の小レンズとによって形成される光照射領域が所定の誤差範囲内でほぼ同じ大きさとなるようにすることが可能である。これにより、光源装置から射出された光を、効率よく照明領域に入射させることができるので、照明光学系１２０および投写型表示装置１０００において、光源装置から射出された光の利用効率を向上させることが可能となる。
【００６６】
なお、本発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６７】
（１）上記投写型表示装置においては、透過型の投写型表示装置に本発明の照明光学系を適用した場合を例に説明しているが、本発明は反射型の投写型表示装置にも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、透過型液晶パネル等のように光変調手段としての電気光学装置が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、反射型液晶パネルのように光変調手段としての電気光学装置が光を反射するタイプであることを意味している。なお、反射型の投写型表示装置では、クロスダイクロイックプリズムは、光を赤、緑、青の３色の光に分離する色光分離手段として利用されると共に、変調された３色の光を再度合成して同一の方向に射出する色光合成手段としても利用されることがある。反射型の投写型表示装置にこの発明を適用した場合にも、透過型の投写型表示装置とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００６８】
（２）また、上記実施例においては、カラー画像を表示する投写型表示装置１０００を例に説明しているが、モノクロ画像を表示する投写型表示装置に本発明の照明光学系を適用することも可能である。この場合にも、上記投写型表示装置と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
（３）上記実施例において、投写型表示装置１０００は、電気光学装置として液晶パネルを用いた例を示しているが、これに限られない。電気光学装置としては、一般に、入射光を画像情報に応じて変調するものであればよく、マイクロミラー型光変調装置などを利用してもよい。マイクロミラー型光変調装置としては、例えば、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）（ＴＩ社の商標）を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した照明光学系の一例を示す説明図である。
【図２】図１のレンズアレイ４０を示す説明図である。
【図３】図１の照明光学系１００によって被照明面上に形成される光照射領域を示す説明図である。
【図４】重畳レンズ７０による収差を補正した照明光学系１１０を示す説明図である。
【図５】図４の照明光学系１１０によって被照明面上に形成される光照射領域を示す説明図である。
【図６】本発明を適用した投写型表示装置の要部を平面的に見た概略構成図である。
【図７】図６の照明光学系１２０を模式的に示す説明図である。
【図８】偏光発生光学系６０を示す説明図である。
【図９】各液晶ライトバルブ３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂを構成する液晶パネル３０１における光照射領域を示す説明図である。
【図１０】投写型表示装置のインテグレータ光学系を構成する従来の照明光学系９００を示す説明図である。
【図１１】第１のレンズアレイ９４０を図１０のｚ方向から見た平面図である。
【符号の説明】
２０…光源装置
２０ａｘ…光源光軸
２２…光源ランプ
２２ｃ…光源ランプの中心
２４…楕円リフレクタ
２４Ｒ…回転楕円面
３０…平行化レンズ
４０…第１のレンズアレイ
４２ａ，４２ｃ…第１の小レンズ
５０，５５…第２のレンズアレイ
５２ａ，５２ｃ…第２の小レンズ
５７ａ，５７ｃ…第２の小レンズ
６０…偏光発生光学系
６２…遮光板
６２ａ…開口面
６２ｂ…遮光面
６４…偏光ビームスプリッタアレイ
６４ａ…偏光分離膜
６４ｂ…反射膜
６４ｃ…透光性板材
６６…選択位相差板
６６ａ…開口層
７０…重畳レンズ
１００，１１０，１２０…照明光学系
１０００…投写型表示装置
１２０ａｘ…システム光軸
２００…色光分離光学系
２０２，２０４…ダイクロイックミラー
２０８…反射ミラー
２２０…リレー光学系
２２２…入射側レンズ
２２４，２２８…反射ミラー
２２６…リレーレンズ
２３０…射出側レンズ
２３２，２３４，２３０…フィールドレンズ
３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…液晶ライトバルブ
３０１…液晶パネル
３２０…クロスダイクロイックプリズム
３２１…赤色光反射ダイクロイック面
３２２…青色光反射ダイクロイック面
３４０…投写光学系
９００…照明光学系
９４０…第１のレンズアレイ
９４２…第１の小レンズ
９５０…第２のレンズアレイ
９５２…第２の小レンズ
ＥＡ…有効表示領域
ＬＡ…照明領域
Ｐ１…中心点
Ｐ２…中心点
ＳＣ…スクリーン
Claims (6)
- 被照明面上に、ほぼ均一な光の強度分布を有する光照射領域を形成する照明光学系であって、
略平行な光線束を射出する光源装置と、
前記光線束を複数の部分光線束に分割するための複数の第１の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイから射出された前記複数の部分光線束のそれぞれを前記被照明面上に重畳して照射させるための重畳レンズと、
を備え、
前記被照明面において、前記複数の第１の小レンズから射出される複数の部分光線束によって形成される光照射領域のそれぞれが所定の誤差範囲内でほぼ同じ大きさとなるように、前記第１のレンズアレイの外周側に配置される前記小レンズの大きさが、前記第１のレンズアレイの中央側に配置される前記小レンズの大きさよりも小さくされていることを特徴とする照明光学系。 - 請求項１記載の照明光学系であって、
前記複数の第１の小レンズの形状は、それぞれ、前記光線束の中心軸方向から見たときに相似形になっている、照明光学系。 - 請求項１または２記載の照明光学系であって、
前記第１のレンズアレイは、中央側に配置された比較的大きな第１種の小レンズと、最外周に配置された比較的小さな第２種の小レンズとの、２種類の小レンズで構成されている、照明光学系。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の照明光学系であって、
前記複数の第１の小レンズのそれぞれは、前記中心軸方向から見たときに略矩形であり、
前記第１のレンズアレイの最外周に配置される第１の小レンズは、前記第１のレンズアレイの中央側に配置される第１の小レンズに対して、一辺につき約１〜約１０％小さくなっている、照明光学系。 - 請求項１ないし４のいずれかに記載の照明光学系であって、さらに、
前記第１のレンズアレイの複数の第１の小レンズのそれぞれに対応する複数の第２の小レンズを有する第２のレンズアレイを備え、
前記複数の第２の小レンズのうち、前記第１のレンズアレイの前記外周側に配置されるレンズから射出された光を受ける小レンズは、偏心レンズである、照明光学系。 - 投写型表示装置であって、
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の照明光学系と、
前記照明光学系が照明する被照明面としての光入射面を有し、前記照明光学系からの入射光を画像情報に応じて変調する電気光学装置と、
前記電気光学装置で得られる変調光線束を投写する投写光学系と、を備えることを特徴とする投写型表示装置。
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