JP4736350B2 - プロジェクタおよび表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源からの放射光によって光変調装置を照明し、光変調装置で変調された照明光を投写レンズによってスクリーン等に拡大表示するプロジェクタ、あるいは光源からの放射光によって光変調装置を照明し、画像を表示する表示装置に関し、特に、動画像を表示する場合に有用な光学系に係わる技術に関する。

プロジェクタには様々な光学構成を有するものが存在するが、光強度の大きな光束を発生させる光源と、光源からの光束を強度変調する光変調装置とを分離して備えた形態のプロジェクタが多く実用化されている。その様な形態のプロジェクタでは、光源から放射された光を強度分布が略均一な照明光に変換し、照明対象である光変調装置をムラなく照明するためのインテグレータ光学系を備えているものが殆どである（例えば、特許文献１参照）。

インテグレータ光学系を備えたプロジェクタの一構成例を図１３に示す。このプロジェクタは、光源１０、インテグレータ光学系１５、光変調装置６０、及び投写レンズ７０を備えて構成されており、インテグレータ光学系１５は第１レンズアレイ２０、第２レンズアレイ３０、重畳レンズ３５を備えている。第１レンズアレイ２０及び第２レンズアレイ３０は、何れも同数の小レンズ２１と伝達レンズ３１を平面的に配列した光学素子であり、中でも小レンズ２１は照明対象である光変調装置６０の表示領域と略相似関係にある矩形状の輪郭を成している。光源１０から放射された光束は第１レンズアレイ２０の小レンズ２１によって複数の部分光束に分割され、第２レンズアレイ３０の対応する伝達レンズ３１と重畳レンズ３５によって一ヶ所の被照明領域上で重畳結像される。したがって、光源１０からの不均一な強度分布を有する光束は、強度分布が略均一な照明光束に変換されて光変調装置６０を照明する。なお、第２レンズアレイ３０に重畳レンズ３５の機能を併せ持たせることが可能であるため、その場合には重畳レンズ３５を省略できる。

上記のような構成のプロジェクタで使用される光変調装置として液晶ライトバルブ（液晶パネル）が挙げられる。液晶ライトバルブは単位時間当たりの透過光量を制御することで強度変調を行う、いわゆるホールド型の表示素子である。そのため、動画像を表示すると画像の輪郭部に「ぼけ」が知覚されることが知られており、その改善策が検討されている。また、液晶パネル等のホールド型の表示素子を用いたいわゆる直視型等の表示装置においても、上記と同様の「ぼけ」が知覚される。

特開平３−１１１８０６号公報（第２−３図）

ホールド型の表示素子である液晶ライトバルブ（液晶パネル）における「ぼけ」を低減するためには、１）液晶材料の改良或いは駆動回路の工夫によって表示素子の応答速度を向上させる、２）照明光を間欠点灯させて表示時間を短くする、等の手段が効果的とされている。液晶ライトバルブを用いたプロジェクタおよび液晶パネルを用いた表示装置に対しても、上述した手段の導入が検討されるが、１）に対しては、液晶材料レベルでの応答性の改良には材料の特性に起因する本質的な限界があり、駆動回路の工夫では回路の複雑化を伴うため高コスト化が避けられない。また、２）に対しては、プロジェクタにおいて使用される放電ランプでは間欠点灯が本質的に不可能で、何より点灯時間、すなわち液晶ライトバルブを照明する時間の減少は明るさの低下に直接的に繋がるため、光利用効率が重視されるプロジェクタでは採用できない。以上の理由によりプロジェクタおよび表示装置に対しては有効な対策が見出されていないのが現状である。

そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光利用効率の低下を招くことなく動画像の表示性能を向上させ、高画質なプロジェクタおよび表示装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係るプロジェクタは、光源と、表示領域を有して前記光源からの光束を変調する光変調装置と、前記光源からの光束を複数の部分光束に分割すると共に所定の場所で重畳して、前記表示領域よりも小さい断面積を有する縮小光束に変換する縮小光束生成光学系と、前記複数の部分光束の光路を時間と共に異なる角度で屈折させて、重畳する前記所定の場所を時間と共に変えることにより前記縮小光束を前記光変調装置の表示領域付近で走査可能とする縮小光束走査光学系と、前記光変調装置によって形成された画像を投写する投写光学系と、を有し、前記縮小光束走査光学系は、屈折角を自在に変更可能な可変偏角プリズム装置であり、前記縮小光束の走査速度は、前記表示領域の中央部付近で速く、両端部に近づくに従い遅くなるように設定されることを特徴とする。

この様な構成に依れば、光変調装置の表示領域よりも断面積が小さい縮小光束（照明光束）によって、瞬間的な時間においては表示領域の一部分だけが照明されるが、表示領域の全域に渡って縮小光束を走査するため、ある時間範囲においては表示領域の全域が一様な強度の照明光束によって照明されることになる。人間は時間的に積分された明るさ情報を認識する視特性を有するため、この様な照明法によってスクリーン上に映し出された映像を人間は明るさムラを感じることなく認識することができる。また、光変調装置の表示領域の一部分に着目すると間欠的に照明光束が入射することになり、動画像の表示時に知覚されやすい輪郭部の「ぼけ」の発生を抑制し、鮮明な動画像として人間に認識させることができる。さらに、縮小光束をインテグレータ光学系の原理を利用して生成するため、照明光量を減少させることなく画像表示を行うことができる。したがって、ホールド型の光変調装置を用いていても、また、間欠点灯が不可能な光源を用いていても、光利用効率や明るさを低下させることなく、動画像の表示性能を向上させたプロジェクタを実現することができる。
縮小光束の走査速度に関しては、光変調装置の表示領域上の位置に応じて変化するように設定することが望ましく、更には、表示領域の中央部付近で速く、両端部に近づくに従い遅くなるように設定することができる。この様な構成に依れば、ある時間範囲においては表示領域の全域が一様な強度の照明光束によって照明されることになる。移動速度の変化の仕方は表示領域に対する縮小光束の形状、面積比等によって決定されることが望ましい。なお、一方向にのみ集光性を有するシリンドリカル状レンズを小レンズとして用いた縮小光束生成光学系の場合には、表示領域上で均一な照度分布を実現するために、上記の走査方法を採用することが必須である。

ここで、前記縮小光束走査光学系としては、屈折角を自在に変更可能な可変偏角プリズム装置を用いることができる。これにより、縮小光束生成光学系によって生成された複数の部分光束の光路を時間に応じて異なる角度で屈曲させ、重畳位置を時間に応じて自在に変えることができる。したがって、縮小光束を光変調装置の表示領域付近で走査することが可能となる。

前記光変調装置の表示領域の形状が一つの辺によって規定される正方形状である場合には、縮小光束の断面形状を前記表示領域の辺と略同じ長さの第１の辺と、その第１の辺よりも短い長さの第２の辺によって規定される長方形状とすることができる。或いは、前記光変調装置の表示領域の形状が長辺及び短辺によって規定される長方形状である場合には、縮小光束の断面形状を表示領域の長辺と略同じ長さの第１の辺と、短辺よりも短い長さの第２の辺によって規定される長方形状することができる。そして、これらの場合には、前記縮小光束走査光学系によって前記縮小光束を走査する方向を、縮小光束の第２の辺と平行な方向に設定することが望ましい。この様な構成に依れば、縮小光束走査光学系における物理的な動作距離を短くでき、また、その動作機構を簡素化でき、その実現が容易となる。

前記縮小光束生成光学系としては、複数の小レンズを平面状に配列し入射した光を集光して複数の部分光束を生成する第１レンズアレイと、その第１レンズアレイからの複数の部分光束を縮小光束走査光学系に伝達する第２レンズアレイと、その第２レンズアレイからの複数の部分光束を所定の場所で重畳する重畳レンズとを用いて構成することができる。或いは、入射端部より入射した光を反射面或いは全反射面で反射させて射出端部より射出させる管状或いは柱状の導光ロッドと、その導光ロッドからの光を集光して複数の部分光束を生成する集光レンズと、その集光レンズからの複数の部分光束を縮小光束走査光学系に伝達する伝達レンズアレイとを用いて構成することができる。レンズアレイを用いた場合には小レンズの輪郭形状によって、また、導光ロッドを用いた場合には導光ロッドの断面形状によって、縮小光束（照明光束）の断面形状を制御することができる。

また、小レンズの寸法や数、導光ロッドの断面寸法や長さによって、縮小光束（照明光束）の強度分布の均一性を制御することができる。これらによって、光変調装置の表示領域に対応した所望の縮小光束（照明光束）を生成することができるため、光利用効率の高い照明系を構築することができる。
なお、前記第１レンズアレイを用いて縮小光束生成光学系を構成する場合には、一方向にのみ集光性を有するシリンドリカル状レンズを小レンズとして用いることができる。この場合には縮小光束生成光学系を製造しやすく、低コスト化を図りやすい。

本発明のプロジェクタでは、光源からの光束を少なくとも２色以上の色光に分離する色分離光学系を更に備え、縮小光束走査光学系は縮小光束生成光学系と色分離光学系との間に配置する構成を採用することができる。この様な構成に依れば、複数の光変調装置に対して一箇所の縮小光束走査光学系で色光毎の縮小光束（照明光束）を生成できるため、プロジェクタ装置の小型化と簡素化、低コスト化を実現できる。

なお、色分離光学系によって分離された色光の内、他の色光よりも光路の長い色光の光路中が存在する場合には、入射時と射出時の光束分布が略等しくなるように色光を伝達するリレー光学系をその光路中に更に備えることが望ましい。ここで、入射時と射出時の光束分布が略等しくなるとは、照明光軸に対する光束分布の対称性を意味しており、リレー光学系を光束が伝搬する間に、照明光軸に対して光束分布が３６０度の整数倍の割合で回転する場合も含まれる。この様な構成に依れば、縮小光束走査光学系から各光変調装置に至る全ての照明光路の長さが等しくないプロジェクタであっても、照明光軸と縮小光束（照明光束）の相対的な位置関係に着目した場合の、各光路における光束の伝達の仕方（具体的には光束分布の回転の有無やその程度）を全て同じにできるため、光変調装置の表示領域上での照明位置に関して色光間で相対的なずれが発生せず、高品位な投写画像を表示することができる。

また、光変調装置における画像データの書き込み方向と対応する第１の方向では比較的低速に縮小光束を走査し、また、第１の方向とは逆の第２の方向では比較的高速に縮小光束を走査するように設定することができる。光変調装置における画像データの書き込み方向とは画像の表示方向を意味し、画素がマトリックス状に配置された光変調装置では画像データが行毎に順々に書き込まれて、最終的に２次元状の画像を表示する書き込み（画像表示）形態が多く用いられる。画像データの書き込み方向と縮小光束の走査方向とが逆となる場合には、光束を走査する途中で画像データが書き換わるため、動画像を表示する場合には画質低下の原因となる。よって、第２の方向に縮小光束を走査する期間は一般的に画像データの表示には適さない。したがって、第２の方向に縮小光束を走査する場合には、走査速度を速めて走査時間を短くし、第１の方向に走査する（画像表示に適する）期間を相対的に長くすることにより、高品位な投写画像を表示することができる。なお、表示画像が静止画像の場合には第２の方向における走査速度（すなわち走査時間）を第１の方向における走査速度（すなわち走査時間）と同じとし、第２の方向に走査する期間も第１の方向に走査する期間と同様に通常の画像表示を行う期間として利用できるような設定を併用しても良い。

ここで、光変調装置における画像データの書き込み方向と縮小光束の走査方向とが一致しない期間では、光変調装置において黒表示を行うように構成することができる。画像データの書き込み方向と縮小光束の走査方向とが逆となる期間は一般的に画像データの表示に適さないため、この期間は黒表示を行えば表示画像の画質を低下させることがない。また、液晶を用いた光変調装置では通常の画像表示フレームの間に黒表示のフレーム画像を挿入することで、液晶の応答速度の遅さが原因となって次の画像表示フレームに悪影響（画像のぼけや滲み等の画質劣化）を及ぼす現象を抑えることもできる。なお、表示画像が静止画像の場合には黒表示を行わずに、第２の方向に走査する期間も第１の方向に走査する期間と同様に通常の画像表示を行う期間として利用できるような設定を併用しても良く、明るい投写画像を実現できる効果がある。

さらに、縮小光束走査光学系と光変調装置との間に遮光装置或いは光路変更装置を備えて、光変調装置における画像データの書き込み方向と縮小光束の走査方向とが一致しない期間では、遮光装置或いは光路変更装置によって縮小光束が表示領域に入射しないように構成することができる。この様な構成に依れば、光変調装置に入射する縮小光束をほぼ完全に排除できるため、光変調装置で画像データの書き込み方向と縮小光束の走査方向とが一致しない期間に光変調装置の特性によって黒表示を行えない場合であっても、表示画像の画質を低下させることがない。したがって、上記の光変調装置における黒表示に代えて、或いは黒表示と併用することで、一層高品位な投写画像を表示することができる。

縮小光束生成光学系によって複数の部分光束を表示領域と光学的に共役な位置で重畳し、重畳された光束を表示領域に伝達するように構成することができる。この様な構成に依れば、光学系の構成や配置の自由度が高められ、プロジェクタを構成しやすい。また、重畳された光束を伝達する光路中には空間を確保しやすいため、３板式プロジェクタなどの構成要素である色分離光学系などを配置しやすい。

また、前記目的を達成するために、本発明に係る表示装置は、光源と、表示領域を有して前記光源からの光束を変調する光変調装置と、前記光源からの光束を複数の部分光束に分割すると共に所定の場所で重畳して、前記表示領域よりも小さい断面積を有する縮小光束に変換する縮小光束生成光学系と、前記複数の部分光束の光路を時間と共に異なる角度で屈折させて、重畳する前記所定の場所を時間と共に変えることにより前記縮小光束を前記光変調装置の表示領域付近で走査可能とする縮小光束走査光学系と、を有し、前記縮小光束走査光学系は、屈折角を自在に変更可能な可変偏角プリズム装置であり、前記縮小光束の走査速度は、前記表示領域の中央部付近で速く、両端部に近づくに従い遅くなるように設定されることを特徴とする。

この様な構成に依れば、光変調装置の表示領域よりも断面積が小さい縮小光束（照明光束）によって、瞬間的な時間においては表示領域の一部分だけが照明されるが、表示領域の全域に渡って縮小光束を走査するため、ある時間範囲においては表示領域の全域が一様な強度の照明光束によって照明されることになる。人間は時間的に積分された明るさ情報を認識する視特性を有するため、この様な照明法によって表示面上に映し出された映像を人間は明るさムラを感じることなく認識することができる。また、光変調装置の表示領域の一部分に着目すると間欠的に照明光束が入射することになり、動画像の表示時に知覚さ
れやすい輪郭部の「ぼけ」の発生を抑制し、鮮明な動画像として人間に認識させることができる。
さらに、縮小光束をインテグレータ光学系の原理を利用して生成するため、照明光量を減少させることなく画像表示を行うことができる。したがって、ホールド型の光変調装置を用いていても、また、間欠点灯が不可能な光源を用いていても、光利用効率や明るさを低下させることなく、動画像の表示性能を向上させた表示装置を実現することができる。
縮小光束の走査速度に関しては、光変調装置の表示領域上の位置に応じて変化するように設定することが望ましく、更には、表示領域の中央部付近で速く、両端部に近づくに従い遅くなるように設定することができる。この様な構成に依れば、ある時間範囲においては表示領域の全域が一様な強度の照明光束によって照明されることになる。移動速度の変化の仕方は表示領域に対する縮小光束の形状、面積比等によって決定されることが望ましい。

前述のような本発明に係るプロジェクタおよび表示装置によれば、光変調装置の表示領域よりも断面積が小さい縮小光束によって、瞬間的な時間においては光変調装置の表示領域の一部分だけが照明されるが、縮小光束は表示領域の全域に渡って走査されるため、ある時間範囲においては表示領域の全域が一様な強度の照明光束によって照明される。これは、光変調装置の表示領域の一部分に着目すると間欠的に照明光束が入射することになり、動画像の表示時に知覚されやすい輪郭部の「ぼけ」の発生を抑制して、鮮明な動画像を表示することができる。また、縮小光束をインテグレータ光学系の原理を利用して生成するため、照明光量を減少させることがない。以上により、光利用効率や明るさを低下させることなく、動画像の表示性能を向上させたプロジェクタおよび表示装置を実現することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の内容を詳細に説明する。なお、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではない。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係るプロジェクタの概略構成を図１に示す。このプロジェクタ１は、照明光軸Ｌに沿って、光を射出する光源１０、光源からの光を複数の部分光束に分割すると共に所定の場所で重畳するインテグレータ光学系（縮小光束生成光学系）１５、インテグレータ光学系１５からの光束の進行方向を変える可変偏角プリズム装置（縮小光束走査光学系）４０、可変偏角プリズム装置４０からの光束を後述するライトバルブ６０に導く平行化レンズ５０、図示されない外部からの画像情報に基づいて光変調し光学像を形成するライトバルブ（光変調装置）６０、形成された画像を不図示の投写面上に投写表示する投写レンズ（投写光学系）７０を備えて大略構成されている。なお、平行化レンズ５０は可変偏角プリズム装置４０からの光束を効率的に投写光学系７０に導き入れる機能を有する素子であるが、本発明に不可欠な構成要素ではないため省略しても良い。

光源１０は、放射状に光線を射出する光源ランプ１１と、光源ランプ１１から放射された光線を一方向に向けて射出する放物面リフレクタ１２とを備えている。光源ランプ１１としては高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、ＬＥＤ、ＦＥＤなどを使用できる。また、新たな光学素子の追加やインテグレータ光学系１５の光学特性によっては、放物面リフレクタ１２に換えて楕円面リフレクタや球面リフレクタなどを使用できる。

インテグレータ光学系１５は、第１レンズアレイ２０、第２レンズアレイ３０及び重畳レンズ３５を備えており、光源１０からの不均一な強度分布を有する光束を強度分布が略均一な光束に変換する機能を有する。この機能自体は従来のインテグレータ光学系と同様である。従来のインテグレータ光学系に対して最も異なる点は、従来のインテグレータ光学系では第１レンズアレイ２０を構成する小レンズの輪郭形状は照明対象であるライトバルブ６０の表示領域と略相似関係となるように設定されるが、本発明のインテグレータ光学系１５ではライトバルブ６０の表示領域とは必ずしも相似関係にある必要はなく、後述する特定の関係を満たすような輪郭形状に設定されることである。

第１レンズアレイ２０は、その外観を図２に示すように、矩形状の輪郭を有する小レンズ２１を平面状に配列した光学素子であり、各小レンズの輪郭形状はライトバルブ６０の表示領域の形状に対して、後述する関係に設定されている。第２レンズアレイ３０は第１レンズアレイ２０と類似の構造を有しており、第１レンズアレイ２０を構成する小レンズ２１と同数の伝達レンズ３１を平面状に配列した光学素子である。但し、第１レンズアレイの場合とは異なり、伝達レンズ３１の輪郭形状とライトバルブ６０の表示領域の形状との間には特定の関係は存在せず、対応する小レンズ２１からの光束を効率よく重畳レンズ３５に伝達できる形状に設定される。

第１レンズアレイ２０は、光源１０からの光束を複数の部分光束に分割及び集光し、第２レンズアレイ３０の対応する各伝達レンズ３１に導き入れる。第２レンズアレイ３０は、第１レンズアレイ２０からの部分光束を重畳レンズ３５を経てライトバルブ６０付近に伝達する。重畳レンズ３５に入射した各部分光束は照明光軸Ｌとの位置（距離）関係に応じて主光線の進行方向を曲げられ、照明対象であるライトバルブ６０の表示領域上（或いは、それと光学的に等価（共役）な場所上）で重畳され、強度分布が略均一な照明光束となって表示領域を照明する（以下では、重畳により生成された照明光束を縮小光束と呼ぶ場合がある）。

小レンズ２１の輪郭形状とライトバルブ６０の表示領域の形状との関係について、図３を用いて説明する。部分光束の重畳により生成された縮小光束６５の断面形状は小レンズ２１の輪郭形状と略相似関係にあるため、小レンズ２１の輪郭形状によって生成する縮小光束６５の断面形状を制御できる。後述するように、本発明ではライトバルブ６０の表示領域６１よりも面積的に狭い断面積を有する縮小光束６５を生成し、その縮小光束６５を少なくとも一次元方向に走査することで、時間軸方向に積分すればライトバルブ６０の表示領域の全域に渡る照明を実現する。したがって、本実施例においては、（ａ）に示す表示領域６１の外形形状が長辺：短辺＝４：３の矩形状であるライトバルブ６０に対して、（ｂ）に示す小レンズ２１の輪郭形状は長辺：短辺＝４：１．５の矩形状に設定される。

これにより、（ｃ）に示す縮小光束６５の断面形状も長辺：短辺＝４：１．５の矩形状となり、ライトバルブ６０の表示領域６１に対して短辺方向に１／２倍縮小された光束形状となる（縮小光束の長辺方向の寸法は表示領域の長辺方向の寸法に略等しい）。同時に、表示領域６１と略等しい寸法形状の照明光束を生成する場合と比べて、インテグレータ光学系の原理により縮小光束では単位面積当たりの照明光量（すなわち照度）は２倍となる。

なお、長辺：短辺＝４：３の矩形状の表示領域に対して、短辺方向の寸法のみを縮小して長辺：短辺＝４：１．５の矩形状の縮小光束を生成しているが、縮小の方向や縮小の度合いはこれに限定されず、長辺の方向に、或いは、長辺と短辺の２つの方向に縮小しても良い。但し、後述する可変偏角プリズム装置４０における偏角の範囲を狭くできること、及び、縮小光束６５の走査方向を一方向とすることで偏角のための回動機構を実現しやすくできることなどの点を考慮すれば、ライトバルブ６０の表示領域６１の短辺方向に沿ってのみ、光束径を縮小することで縮小光束を生成することが望ましい。
また、動画像の表示時に知覚されやすい輪郭部の「ぼけ」の発生を効果的に抑制できる観点から、縮小光束６５の走査方向における幅を狭くすることが望ましい。さらに、ライトバルブ６０における画像表示の形態（画像データの書き込み方法）に合わせて縮小光束６５を生成することが望ましく、例えば、画像データが行毎に一方向に向かって順々に書き込まれて、最終的に２次元状の画像を表示する書き込み（画像表示）形態の場合には、行の並ぶ方向に対して幅の狭い縮小光束６５を生成し、同方向に縮小光束６５を走査することが望ましい。

重畳レンズ３５は、各部分光束の主光線の進行方向を重畳レンズ３５の光軸上の一箇所に向け、その場所で各部分光束を重畳させる機能を有し、重畳レンズ３５の光軸が照明光軸Ｌ上に位置するように配置される。したがって、第２レンズアレイ３０から射出された各部分光束はライトバルブ６０の表示領域６１付近で重畳され縮小光束６５を形成する。

重畳レンズ３５の射出側には、各部分光束の光路（進行方向）を屈曲可能な可変偏角プリズム装置４０が配置されている。この可変偏角プリズム装置４０の構成および機能について、図４を用いて説明する。可変偏角プリズム装置４０は、ガラス等の２枚の透明基板４１，４２をポリエチレン等で作られた伸縮性を有する蛇腹４３で連結して形成した閉空間に、シリコンオイル等の透明液体４４を封入し、２つの透明基板４１，４２の一方或いは両方に図示されない回動機構を備えて、透明基板間の相対的な傾き関係を変化可能とした光学素子である。この種の光学素子は公知の技術であり、例えば特開平５−１３４２８６号公報にて開示されている。なお、２枚の透明基板４１，４２の内で、少なくとも一方の部材の少なくとも外側の面には反射防止膜を設けることが望ましい。

図４（ｂ）に示す可変偏角プリズム装置４０では、２枚の透明基板４１，４２は平行な状態にあるため、可変偏角プリズム装置４０を通過する光線４５の入射角度と射出角度は等しく、光線４５の光路は実質的に変化しない。一方、外部からの制御信号によって図示しない回動機構を回転させることにより、図４（ａ）や（ｃ）のごとく、２枚の透明基板４１，４２を互いに非平行な状態にすることができる。この状態においては、可変偏角プリズム装置４０は、例えば三角プリズムと同様に光を屈曲させる機能を有するため、図４（ａ）の状態では光線４５の光路は＋Ｙ方向に、図４（ｃ）の状態では−Ｙ方向にそれぞれ折り曲がる（偏角する）。この回動の動作は高速で行い得るため、可変偏角プリズム装置４０を通過する光の光路をリアルタイムで変化させることが可能である。以下では、説明を容易にする目的で、図４（ａ）の様に２枚の透明基板４１，４２間の距離が＋Ｙ方向に向かうほど拡がっている状態を「上開き状態」、図４（ｃ）の様にその逆の状態を「下開き状態」、図４（ｂ）の様に２枚の透明基板４１，４２が平行である状態を「平行状態」とそれぞれ呼称する。

この可変偏角プリズム装置４０の状態と縮小光束６５の表示領域６１上における位置との関係について、図５（プロジェクタ１の一部分のみを示している）を用いて説明する。可変偏角プリズム装置４０が「上開き状態」にある（ａ）の場合には縮小光束６５は表示領域６１の上側（Ｙ方向）の１／２を、また「平行状態」にある（ｂ）の場合には表示領域６１の中央の１／２を、さらに「下開き状態」にある（ｃ）の場合には表示領域６１の下側（Ｙ方向）の１／２を各々照明する。可変偏角プリズム装置４０は（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）→・・・という具合に高速、且つ連続的にその頂角（２枚の透明基板４１，４２の交角）を変えるように構成されているため、縮小光束も高速、且つ連続的に移動するように表示領域６１上を照明する。

このように、可変偏角プリズム装置４０を用いることによって、重畳レンズ３５から射出された各部分光束の光路を屈折により曲げ、それらの重畳位置を（少なくともＹ方向に沿った方向内では）自在に変えることができる。したがって、この様な操作を時間の経過と共に連続的に行えば、縮小光束６５をライトバルブ６０の表示領域６１付近で走査させることが可能となる。また、表示領域の一部分に着目すると間欠的に照明光束（縮小光束）が入射することになる。
なお、照明光束の移動速度はライトバルブ６０における画像表示速度に対応させることが望ましいが、これに限定されない。例えば、ライトバルブ６０の画像表示速度（フレーム周波数）が６０Ｈｚである場合には、１／６０秒の時間に縮小光束６５が（ａ）→（ｂ）→（ｃ）と移動する様に可変偏角プリズム装置４０の頂角（２枚の透明基板４１，４２の交角）の変化の仕方（変化の速度）を設定することが望ましい。

ここで、可変偏角プリズム装置４０は、縮小光束６５を照明する位置に応じて、その頂角の変化の仕方（変化の速度）を変えるように設定される。これにより、例えば図６に示すように、縮小光束６５は表示領域６１上の位置に応じて異なる速度で移動する。したがって、時間軸方向に積分すれば、ライトバルブ６０の表示領域６１上では略均一な照度分布が実現されることになる。この移動の仕方はライトバルブの表示領域に対する縮小光束の形状、面積比等によって決定される。換言すれば、表示領域上で略均一な照度分布が実現されるように、移動速度の変化の仕方を設定することが望ましい。

再び図１に基づいて説明する。ライトバルブ６０の表示領域に入射した照明光束は、図示されない外部からの画像情報に基づいて光変調され、画像情報を含んだ変調光束として射出される。画像情報を含んだ変調光束は投写レンズ７０によって不図示のスクリーン上に投写され、スクリーン上に画像を形成する。

以上のように、本発明のプロジェクタ１は、ライトバルブ６０の表示領域６１に比べて面積的に狭い縮小光束（照明光束）６５を生成し、その縮小光束を表示領域の全域に渡って走査する可変偏角プリズム装置４０を有する縮小光束走査光学系を備えている。これにより、瞬間的な時間においてはライトバルブの表示領域の一部分だけが強度分布が略均一な照明光束（縮小光束）によって照明されるが、縮小光束は表示領域の全域に渡って走査されるため、ある時間範囲においては表示領域の全域が略均一な強度分布の照明光束によって照明される。人間は時間的に積分された明るさ情報を認識する視特性を有するため、この様な照明法によってスクリーン上に映し出された映像に対しては、明るさムラを感じることがない。

また、ライトバルブの表示領域の一部分に着目すると間欠的に照明光束が入射することになり、この照明方法は「発明が解決しようとする課題」の項で述べた「照明光の間欠点灯」に相当する。可変偏角プリズム装置４０の頂角の変化の仕方（変化の速度）、すなわち、縮小光束６５の走査速度をライトバルブの画像表示速度（フレーム周波数）に対応させれば、照明光束が入射した微少時間だけ瞬間的に表示画像を見ることになり、したがって、光変調装置がホールド型の表示素子であっても、また、間欠点灯が不可能な放電ランプ等を光源として用いた場合であっても、動画像の表示時に知覚されやすい輪郭部の「ぼけ」の発生を抑制して、鮮明な動画像を表示することができる。

さらに、ライトバルブの表示領域に対して断面積の小さい縮小光束をインテグレータ光学系の原理を利用して生成するため、表示領域の大きさに対応した矩形状の照明光束を生成する場合と比べて、縮小光束の単位面積当たりの照明光量（すなわち照度）は、表示領域の面積に対する縮小光束の断面積の割合に逆比例して多くなっている。その縮小光束を表示領域の全域に渡って走査する形態としているため、時間軸方向に積分すれば、照明光量を減少させることなく、従来のインテグレータ光学系のみを備えた場合と同様の明るさを実現することができる。

さらにまた、長辺：短辺＝４：３の矩形状の表示領域に対して、短辺方向の寸法のみを縮小して長辺：短辺＝４：１．５の矩形状の縮小光束を生成しているため、可変偏角プリズム装置４０の頂角（２枚の透明基板４１，４２の交角）の可変範囲を狭くでき、その回動機構の実現が容易である。

以上により、光利用効率や明るさを低下させることなく、動画像の表示性能を向上させたプロジェクタを実現することができる。

なお、上記の小レンズ２１の輪郭形状（長辺と短辺の比や矩形状である点）は本実施形態に限定されるものではない。例えば、小レンズの輪郭形状は矩形状に限定されない。但し、小レンズの輪郭形状を互いに重なり合うことなく並置配列した場合に、ライトバルブ６０の表示領域６１を隙間無く埋め尽くせられる形状であることが望ましい。

また、照明光束（縮小光束）の走査の仕方（方向や速度）は、ライトバルブへの画像データの書き込みの仕方に対応させても良く、その場合には、動画像の表示時に知覚されやすい輪郭部の「ぼけ」の発生を一層効果的に抑制できる。例えば、図４の右側の図で、画像データがライトバルブの上方から下方（Ｙ方向の＋側から−側へ）に向かって書き込まれる場合には、（ａ）→（ｂ）→（ｃ）の区間では照明光束（縮小光束）を書き込み速度に合わせて比較的低速で移動させ、（ｃ）→（ｂ）→（ａ）の区間では書き込みの帰線時間に合わせて比較的高速で移動させるという走査方法を採用できる。この様な走査方法について、更に詳しく説明する。

液晶パネルのように画素がマトリックス状に配置されたライトバルブ（光変調装置）では画像データが行毎に一方向に向かって順々に書き込まれて、最終的に２次元状の画像を表示する書き込み（画像表示）形態が多く用いられる。一方、先に図４を用いて説明したように照明光束（縮小光束）は表示領域６１上を往復運動する。したがって、ライトバルブ６０の表示領域上では画像データの書き込み方向と照明光束の走査方向とが一致する場合（図４の（ａ）→（ｂ）→（ｃ）の期間に相当し、この場合の照明光束の走査方向を順方向と呼称する。）と、書き込み方向に対して走査方向が逆となる場合（図４の（ｃ）→（ｂ）→（ａ）の期間に相当し、この場合の照明光束の走査方向を逆方向と呼称する。）が存在する。照明光束が逆方向の走査となる場合には、走査の途中で画像データが書き換わるため、静止画像を表示する場合には問題とならないが、動画像を表示する場合には動画像の輪郭部が二重に表示されるなどの画質低下を生じる。したがって、逆方向となる期間（図４の（ｃ）→（ｂ）→（ａ）の期間）は、動画像の表示には適さないと言える。

この点を考慮すると、例えば図１４に示す様に、順方向（第１の方向）では画像データの書き込み速度に合わせて照明光束の走査速度を比較的低速とし、逆方向（第２の方向）では比較的高速とする（換言すれば、照明光束の平均的な走査速度は順方向（第１の方向）よりも逆方向（第２の方向）の方が速い。）ことで、順方向走査期間に比して逆方向走査期間を短くし、画像表示に適さない期間を相対的に短くすることが望ましい。
また、上述の書き込み形態を採用するライトバルブの多くでは、ある画像フレームの最下段の行に画像データを書き込んだ後、ＣＲＴディスプレイにおける走査線の帰線期間に対応する時間をおいて、次の画像フレームの最上段の行に画像データを書き込む方法を採用している。すなわち、ある画像フレームのデータを書き終えてから、次の画像フレームのデータを書き始めるまでに画像データが書き換えられない期間が存在する。したがって、この画像データが書き換えられない期間に照明光束を逆方向に走査する設定とすれば、明るく高品位な投写画像を表示することができる。

上述した逆方向の走査期間では、ライトバルブ（光変調装置）で黒表示を行うように設定すれば、表示画像の画質を低下させることがない。ノーマリー白の表示モードを有する液晶パネルや液晶ライトバルブをライトバルブとして用いた場合には、黒表示を行う場合の応答速度が非常に速いため、極短い時間で黒表示を行うことができる。したがって、図１４の順方向走査期間では通常の画像表示を行い、逆方向走査期間では黒表示を行う設定とすれば、逆方向走査期間内に画像データが書き換わらないため、画質低下を招くことなく高品位な投写画像を表示することができる。また、黒表示を行うことは一つ前の画像フレームの表示状態を強制的にリセットすることになるため、液晶の応答速度の遅さが原因となって次の画像フレームの表示に悪影響（画像のぼけや滲み等の画質劣化）を及ぼす現象を抑えることもでき、高品位な投写画像を表示する上でも効果的である。なお、ライトバルブ（光変調装置）で黒表示を行う期間は、照明光束の逆方向の走査期間に必ずしも限定されない。

さらに、縮小光束走査光学系である可変偏角プリズム装置４０と光変調装置であるライトバルブ６０との間の光路上に遮光装置や光路変更装置を配置し、上述した逆方向の走査期間では、可変偏角プリズム装置４０からの照明光束（縮小光束）がライトバルブ６０の表示領域６１に入射しないように構成しても良い。遮光装置としてはシャッターのように機械的に遮光を行う装置や液晶パネルのように電気光学的に遮光を行う装置などを使用できる。また、光路変更装置としてはＰＤＬＣ（高分子分散型液晶）パネルや回折状態を能動的に切り替えられる電場切替式のＨＯＥ（ホログラム光学装置）などを使用できる。
この様な構成に依れば、ライトバルブ６０に入射する照明光束（縮小光束）を遮光できるため、逆方向走査期間内に画像データが書き換わらないため、画質低下を招くことなく高品位な投写画像を表示することができる。勿論、上記のライトバルブ６０での黒表示を行う構成と併用すれば、確実な遮光状態を得られるため、一層高品位な投写画像を表示することができる。なお、遮光装置や光路変更装置で照明光束を表示領域に入射させないようにする期間は、照明光束の逆方向の走査期間に必ずしも限定されない。

なお、光源ランプ１１の中には一定の時間間隔で大きな駆動電圧をパルス状に印可して、発光状態を安定化しているものがある。パルス状の大きな駆動電圧の印加によって瞬間的に光源ランプ１１が高輝度化されるため、フリッカーの原因となっている。したがって、この種の光源ランプを用いる場合には、上述した逆方向の走査期間や、さらにはライトバルブ６０で黒表示を行う、或いは遮光装置や光路変更装置で照明光束を遮光する期間に合わせて、大きな駆動電圧を印可するように設定すれば、フリッカーを抑えて高品位な投写画像を表示することができる。

また、ライトバルブ６０への画像データの書き込み（画像表示）と照明光束（縮小光束）の走査のタイミングは、ライトバルブ６０への画像データの書き込みが十分に行われた後に、換言すれば次の画像フレームの画像データが書き込まれる直前に、照明光束（縮小光束）を走査するように設定することが望ましい。特に、液晶パネルや液晶ライトバルブ等のように表示に際しての応答速度が比較的遅いライトバルブを用いる場合には、照明光束の走査期間の終わりが次の画像フレームの書き出しと部分的に重なるようなタイミングであっても良い。この様なタイミングで照明光束を走査すれば、階調性や色表現性などの所望の表示状態を実現しやすい。

〔変形例１〕
第１実施形態の小レンズ２１は２次元方向に集光性を有する集光素子を用いていたが、シリンドリカルレンズのように１次元方向にのみ集光性を有する集光素子を用いることもできる。この場合、シリンドリカルレンズの集光性を有する方向を可変偏角プリズム装置４０によって光路を屈曲させる方向と直交する方向に設定することが望ましい。小レンズ２１をシリンドリカルレンズとした場合には、集光性を有しない方向に拡がる光は第２レンズアレイ３０に対する入射効率がやや低下するため、照明光束（縮小光束）の強度分布の均一化はその方向においては十分に達成されない場合がある。しかし、その強度分布の均一性が不十分である方向に沿って縮小光束を走査すれば、走査の速度を位置に応じて変えることによって、時間軸方向に積分することでライトバルブ６０の表示領域６１上では２次元方向に略均一な照度分布を実現することができる。小レンズ２１をシリンドリカルレンズとすれば、第１レンズアレイ２０を製造しやすく、低コスト化を図れるメリットがある。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態に係るプロジェクタの概略構成を図７に示す。第１実施形態のプロジェクタ１との主な相違点は、複数の部分光束を生成するインテグレータ光学系（縮小光束生成光学系）として、プロジェクタ１ではレンズアレイを用いていたが、このプロジェクタ２では導光ロッドと集光レンズを用いていることである。したがって、本実施形態を含めて以降の説明では、既に説明した実施形態と同一の構成については、同一の符号を付し、共通する機能や作用の説明を省略または簡略化する。

プロジェクタ２では縮小光束生成光学系として入射端面２２ａが狭い導光ロッド２２を用いるため、光源１０のリフレクタとして楕円面リフレクタ１２ａを用いて、光源１０からの光を集光した状態で導光ロッド２２に入射させている。導光ロッド２２は透明な柱状の導光体（例えばガラス棒）であり、入射端面２２ａから入射した光をその入射角度に応じて複数の部分光束に分割し、射出端面２２ｂから射出する。なお、導光ロッド２２に代えて、内側に反射面を有する管状の導光管（例えば、複数の反射ミラーを内側に向けて管状に配置した万華鏡）を用いることもできる。

集光レンズ２３は射出端面２２ｂから射出した複数の部分光束を集光し、第２レンズアレイ３０ａの対応する各伝達レンズ３１に導き入れる。本実施形態の第２レンズアレイ３０ａは第１実施形態の第２レンズアレイ３０と類似の構成及び機能を有するが、集光レンズ２３からの複数の部分光束は異なる角度で第２レンズアレイ３０ａに入射するため、部分光束毎にレンズ特性を変えた伝達レンズ３１を用いて構成することが望ましい。具体的には、伝達レンズ３１の一部或いは全部を偏心レンズとすることが望ましい。

第２レンズアレイ３０ａ以降の構成及び光束に対する作用についてはプロジェクタ１の場合と同様である。すなわち、導光ロッド２２と集光レンズ２３で入射角度に応じて空間的に分離された複数の部分光束は、第２レンズアレイ３０ａ、重畳レンズ３５、可変偏角プリズム装置４０を経てライトバルブ６０の表示領域６１上で重畳され、強度分布が略均一な照明光束（縮小光束６５）となって表示領域を照明する。

導光ロッド２２の射出端面２２ｂの形状とライトバルブ６０の表示領域６１の形状との関係は、第１実施形態における小レンズ２１と表示領域６１との関係と同じである。したがって、射出端面２２ｂの形状によって生成する縮小光束６５の断面形状を制御できる。第１実施形態の小レンズ２１と同様に、表示領域６１の外形形状が長辺：短辺＝４：３の矩形状であるライトバルブ６０に対して、射出端面２２ｂの形状は長辺：短辺＝４：１．５の矩形状に設定される。これにより、縮小光束６５の断面形状も長辺：短辺＝４：１．５の矩形状となり、ライトバルブ６０の表示領域６１に対して短辺方向に１／２倍縮小された光束形状となる（縮小光束の長辺方向の寸法は表示領域の長辺方向の寸法に略等しい）。同時に、表示領域６１と略等しい寸法形状の照明光束を生成する場合と比べて、縮小光束では単位面積当たりの照明光量（すなわち照度）は２倍となっている。
なお、入射端面２２ａの寸法形状は射出端面２２ｂと同じである必要はなく、光源１０からの光束を効率よく取り込めるような寸法形状、例えば正方形状に設定することが望ましい。具体的には、対向する少なくとも一対の全反射面或いは反射ミラー面の間隔が、入射端面２２ａから射出端面２２ｂに至るにつれて次第に狭くなる（或いは広くなる）、いわゆるテーパー形状（或いは逆テーパー形状）を有する導光ロッド２２或いは導光管を用いることが望ましい。

以上のような構成によっても、第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。さらに、導光ロッドを縮小光束生成光学系として用いた場合には、比較的少ない数の部分光束の発生によって強度分布の均一性に優れた照明光束（縮小光束）を得られるため、可変偏角プリズム装置４０を小型化しやすいメリットがある。

〔変形例２〕
第１実施形態及び第２実施形態ではインテグレータ光学系（縮小光束生成光学系）からの複数の部分光束を照明対象であるライトバルブ６０上で直接重畳して照明光束（縮小光束）を得ていたが、図１５に示すように、ライトバルブ６０と光学的に共役な関係にある中間レンズ１１０上で一旦重畳して照明光束を生成した後、リレーレンズ１２０を備えたリレー光学系でその照明光束を最終的にライトバルブ６０上に伝達する構成としても良い。この場合、中間レンズ１１０やリレーレンズ１２０は可変偏角プリズム装置４０によって部分光束の射出方向が変化しても、部分光束を損失することなく取り込める大きさに設定される。勿論、第２実施形態で説明したインテグレータ光学系として導光ロッドを用いた場合にも、上述の構成を採用できることは言うまでもない。

この様な構成を採用すれば、光学系の構成や配置の自由度を高められるためプロジェクタを構成しやすい。例えば、リレー光学系の光路中には空間的に余裕があるため色分離光学系などを配置しやすく、３板式プロジェクタを構成する場合には都合がよい。なお、リレー光学系の部分には光伝達に際して伝達する光束の断面寸法を変える変倍のリレー光学系を用いても良い。例えば、ライトバルブ６０上で最終的に生成する照明光束（縮小光束）よりも大きめの断面寸法を有する照明光束（縮小光束）を一旦中間レンズ１１０上で生成しておき、変倍のリレー光学系によって照明光束の断面寸法を縮小する構成とすれば、光伝達効率を高めやすい。

また、変倍のリレー光学系ではリレーレンズ１２０が中間レンズ１１０と平行化レンズ５０との略中間位置からどちらか一方側に偏在するため、他の光学部品を配置するためのより大きな空間を確保しやすい等の利点がある。さらに、図１５では第２レンズアレイ３０と中間レンズ１１０との間に配置されている可変偏角プリズム装置４０を、中間レンズ１１０とリレーレンズ１２０との間や、或いはリレーレンズ１２０と平行化レンズ５０との間などに配置しても良く、光学部品の配置の自由度が高く、光学系を構成し易い。

〔第３実施形態〕
上記の各実施形態ではライトバルブ（光変調装置）を一つだけ用いて構成したプロジェクタの例を示したが、以下の各実施形態では三原色の色光毎にライトバルブを備えたプロジェクタへの適用例を示す。なお、本発明では、縮小光束をライトバルブの表示領域の全域に渡って走査する照明方法を用いているため、色毎に分離された各々の照明光束によって対応するライトバルブを照明する多板式のプロジェクタにこの照明方法を適用する場合には、複数のライトバルブ間で相対的に同じ表示領域を照明できる構成を有する必要がある。

本発明の第３実施形態に係るプロジェクタの概略構成を図８に示す。（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。このプロジェクタ３は、三原色光を含む白色光を射出する光源１０、第１レンズアレイ２０、第２レンズアレイ３０、重畳レンズ３５、可変偏角プリズム装置４０、色分離光学系である色分離ダイクロイックプリズム８０、６枚の折り返しミラー９１〜９６、３つの平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒ、色光毎の３つのライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ、色合成光学系である色合成ダイクロイックプリズム８５、投写レンズ７０を備えて大略構成される。なお、色分離ダイクロイックプリズム８０及び色合成ダイクロイックプリズム８５は、入射した光をその波長域に応じて分離或いは合成する公知の光学素子であり、ダイクロイック膜をＸ字状に配置した構造を有する。

光源１０から可変偏角プリズム装置４０に至る構成及びそれらの機能は第１実施形態のプロジェクタ１と同じである。光源１０からの白色光は、第１レンズアレイ２０、第２レンズアレイ３０、重畳レンズ３５、可変偏角プリズム装置４０を経て、色分離ダイクロイックプリズム８０に入射し、光の波長域に応じて青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）、赤色光（Ｒ）に分離され、色分離ダイクロイックプリズム８０から各々異なる方向に射出される。色分離ダイクロイックプリズム８０から射出された赤色光は、一対の折り返しミラー９１，９２によって光路を上方（Ｙ方向）に平行移動されると共に進行方向を１８０度転換され、平行化レンズ５０Ｒを経て赤色光変調用ライトバルブ６０Ｒに入射する。他の緑色光と青色光も同様の過程を経て各々対応するライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇに入射する。各々のライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒでは、図示されない外部からの画像情報に基づいて光を変調し、画像情報を含んだ変調光束を生成する。
３つの色光間の光路の長さを略等しくするために、色合成ダイクロイックプリズム８５は色分離ダイクロイックプリズム８０のＹ方向の直上に配置される。各色の変調光束は色合成ダイクロイックプリズム８５で一つに合成され、照明光束が色分離ダイクロイックプリズム８０に入射した方向とは逆の方向（−Ｚ方向）に射出される。色合成ダイクロイックプリズム８５から射出された画像情報を含んだ変調光束は投写レンズ７０によって不図示のスクリーン上に投写され、スクリーン上にカラー画像を形成する。

ここで、各ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの表示領域６１の外形形状は長辺：短辺＝４：３の矩形状に設定されており、一方、第１レンズアレイ２０の小レンズ２１の輪郭形状は長辺：短辺＝４：１．５の矩形状に設定されている。
すなわち、縮小光束の断面形状は短辺方向に１／２倍縮小された形状となる（縮小光束の長辺方向の寸法は表示領域の長辺方向の寸法に略等しい）。したがって、色分離ダイクロイックプリズム８０で分離された赤色の波長成分を有する照明光束（縮小光束）は、赤色光変調用ライトバルブ６０Ｒの表示領域の１／２の部分を照明する。同様に、緑色の波長成分を有する照明光束（縮小光束）は、緑色光変調用ライトバルブ６０Ｇの表示領域の１／２の部分を、青色の波長成分を有する照明光束（縮小光束）は、青色光変調用ライトバルブ６０Ｂの表示領域の１／２の部分を、各々照明する。なお、可変偏角プリズム装置４０は図８の（ｂ）に示すように、ＹＺ平面内において２つの透明基板４１，４２間の相対的な傾き関係を変化可能なように構成されている。

このプロジェクタ３では、可変偏角プリズム装置４０から各ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに至る３つの光路の長さが等しく、また、照明光軸と照明光束（縮小光束）の相対的な位置関係に着目すれば、各光路における光束の伝達の仕方（具体的には光束分布の回転の有無やその程度）が全て同じである。この様な構成のプロジェクタに依れば、色毎に分離された照明光束（縮小光束）がライトバルブを照明する場合に、３つのライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ間で各照明光束は対応するライトバルブの相対的に同じ位置を照明することができ、ライトバルブ上での照明位置に関して色光間で相対的なずれが発生しない。例えば、可変偏角プリズム装置４０が＋Ｙ方向に「上開き状態」の状態では、色光毎の照明光束（縮小光束）も対応するライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの表示領域の何れもＹ方向で下側（−Ｙ方向側）を照明し、「下開き状態」の状態では何れもＹ方向で上側（＋Ｙ方向側）を照明する。したがって、３板式のプロジェクタに対しても本発明を適用でき、第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

〔第４実施形態〕
本発明の第４実施形態に係るプロジェクタの概略構成を図９に示す。このプロジェクタ４は、上述のプロジェクタ３に対して白色光から３つの色光を分離する色分離光学系の構成が異なっている。また、可変偏角プリズム装置４０から各ライトバルブに至る３つの照明光路の内で、一つの光路の長さが他の２つの光路よりも長いという特徴を有しており、よって、光路の長さを光学的に補正して他の光路と合わせるためのリレー光学系を備えている。

このプロジェクタ４は、光源１０、第１レンズアレイ２０、第２レンズアレイ３０、重畳レンズ３５、可変偏角プリズム装置４０、色分離光学系である２枚のダイクロイックミラー８１，８２、リレー光学系１００、赤色光の光路を曲げる折り返しミラー９７、２つの平行化レンズ５０Ｇ，５０Ｒ、３枚のライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ、色合成光学系であるダイクロイックプリズム８５、投写レンズ７０を備えて大略構成される。

光源１０から可変偏角プリズム装置４０に至る構成及びそれらの機能は第１実施形態のプロジェクタ１と同じである。光源１０からの白色光は、第１レンズアレイ２０、第２レンズアレイ３０、重畳レンズ３５、可変偏角プリズム装置４０を経て、赤色光分離ダイクロイックミラー８１に入射し、光の波長域に応じて赤色光分離ダイクロイックミラー８１を透過する赤色光（Ｒ）と反射する青色光（Ｂ）及び緑色光（Ｇ）に分離される。赤色光分離ダイクロイックミラー８１を透過した赤色光は、折り返しミラー９７と平行化レンズ５０Ｒを経て赤色光変調用ライトバルブ６０Ｒに入射する。一方、赤色光分離ダイクロイックミラー８１を反射した青色光と緑色光は、緑色光分離ダイクロイックミラー８２に入射し、光の波長域に応じて緑色光分離ダイクロイックミラー８２を透過する青色光と反射する緑色光に分離される。緑色光分離ダイクロイックミラー８２を反射した緑色光は、平行化レンズ５０Ｇを経て緑色光変調用ライトバルブ６０Ｇに入射する。
緑色光分離ダイクロイックミラー８２を透過した青色光はリレー光学系１００によって伝達され青色光変調用ライトバルブ６０Ｂに入射する。各々のライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒでは、図示されない外部からの画像情報に基づいて光を変調し、画像情報を含んだ変調光束を生成する。各色の変調光束は色合成ダイクロイックプリズム８５で一つに合成され、投写レンズ７０によって不図示のスクリーン上に投写され、スクリーン上にカラー画像を形成する。

ここで、各ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの表示領域６１の外形形状、及び、第１レンズアレイ２０の小レンズ２１の輪郭形状は、第１実施形態のプロジェクタ１と同じである。したがって、赤色の波長成分を有する照明光束（縮小光束）は赤色光変調用ライトバルブ６０Ｒの表示領域の１／２の部分を、緑色の波長成分を有する照明光束（縮小光束）は緑色光変調用ライトバルブ６０Ｇの表示領域の１／２の部分を、青色の波長成分を有する照明光束（縮小光束）は青色光変調用ライトバルブ６０Ｂの表示領域の１／２の部分を、各々照明する。なお、可変偏角プリズム装置４０はＹＺ平面内において２つの透明基板４１，４２間の相対的な傾き関係を変化可能なように構成されている。

リレー光学系１００は、入射側レンズ５１、リレーレンズ５２，５４、中間レンズ５３、平行化レンズ５０Ｂ、折り返しミラー９５，９６を備えて構成され、入射側レンズ５１に入射した光束分布を維持した状態で（正確には照明光軸を中心に光束分布を３６０度回転させて）平行化レンズ５０Ｂから射出し、入射側レンズ５１と平行化レンズ５０Ｂとの間の物理的距離を光学的に（ゼロに）補償する機能を有している。一般的なリレー光学系では一箇所のリレーレンズによる光の伝達に伴って光束分布は１８０度回転するため、このリレー光学系ではリレーレンズを直列的に２箇所に用いることで光束分布を３６０度回転させ、光束分布の反転を実質的に防いでいる。これにより、可変偏角プリズム装置４０から各ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに至る３つの光路の光学的な長さを等しくでき、また、照明光軸と照明光束（縮小光束）の相対的な位置関係に着目すれば、各光路における光束の伝達の仕方（具体的には光束分布の回転の有無やその程度）を全て同じにできる。

この様な構成のプロジェクタに依れば、色毎に分離された照明光束（縮小光束）がライトバルブを照明する場合に、３つのライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ間で各照明光束は対応するライトバルブの相対的に同じ位置を照明することができ、ライトバルブ上での照明位置に関して色光間で相対的なずれが発生しない。例えば、可変偏角プリズム装置４０が＋Ｙ方向に「上開き状態」の状態では、色光毎の照明光束（縮小光束）も対応するライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの表示領域の何れもＹ方向で上側（＋Ｙ方向側）を照明し、「下開き状態」の状態では何れもＹ方向で下側（−Ｙ方向側）を照明する。したがって、可変偏角プリズム装置から各ライトバルブに至る全ての照明光路の長さが等しくないプロジェクタであっても、少なくとも２箇所にリレーレンズを備えたリレー光学系の導入によって、光路の光学的な補償を行うことで本発明を適用でき、第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。さらに、プロジェクタ４では全ての光学要素を同一平面上に配置できるため、薄型のプロジェクタ装置を構成しやすい特徴がある。

なお、光束分布を３６０度のｎ倍（ｎは整数）回転させるリレー光学系としては、上述のリレー光学系１００以外にも、例えば図１０に示す構成のリレー光学系を用いても良い（図はリレー光学系の部分のみを示している）。図１０の（ａ）に示すリレー光学系１００Ａは、先のリレー光学系１００におけるリレーレンズ５２，５４と折り返しミラー９５，９６とを各々一つの凹面リレーミラー５２Ａ，５４Ａで代替したものである。また、図１０の（ｂ）に示すリレー光学系１００Ｂは、先のリレー光学系１００における入射側レンズ５１と平行化レンズ５０Ｂを偏心レンズとし、リレーレンズ５２，５４と折り返しミラー９５，９６と中間レンズ５３とを一つの凹面リレーミラー５３Ｂで代替したものであり、リレー光学系１００Ａと共に使用部品数の削減による光学装置の低コスト化と小型化を期待できる。いずれのリレー光学系１００Ａ，１００Ｂを備えたプロジェクタにおいても、本発明の構成を適用することが可能である。

〔第５実施形態〕
本発明の第５実施形態に係るプロジェクタの概略構成を図１１に示す。このプロジェクタ５は上述のプロジェクタ３やプロジェクタ４とは異なり、互いに異なる波長域の光を発する独立した３つの光源と照明系を備えている。そのため、色分離光学系を必要とせず、投写画像の色純度を高めやすい特徴がある。ＬＥＤやＦＥＤ等の小型化が可能な光源を用いた場合に採用しやすい光学構成である。

このプロジェクタ５は、青色光を射出する光源１０Ｂ、緑色光を射出する光源１０Ｇ、赤色光を射出する光源１０Ｒ、第１レンズアレイ２０Ｂ，２０Ｇ，２０Ｒ、第２レンズアレイ３０Ｂ，３０Ｇ，３０Ｒ、重畳レンズ３５Ｂ，３５Ｇ，３５Ｒ、可変偏角プリズム装置４０Ｂ，４０Ｇ，４０Ｒ、平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒ、ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ、色合成光学系であるダイクロイックプリズム８５、投写レンズ７０を備えて大略構成される。

色光毎の光源１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒから可変偏角プリズム装置４０Ｂ，４０Ｇ，４０Ｒに至る構成及びそれらの機能は第３実施形態のプロジェクタ３と同じである。光源１０Ｒからの赤色光は、第１レンズアレイ２０Ｒ、第２レンズアレイ３０Ｒ、重畳レンズ３５Ｒ、可変偏角プリズム装置４０Ｒ、平行化レンズ５０Ｒを経て赤色光変調用ライトバルブ６０Ｒに入射する。同様に、光源１０Ｇからの緑色光及び光源１０Ｂからの青色光も対応するライトバルブ６０Ｇ，６０Ｂに入射する。各々のライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒでは、図示されない外部からの画像情報に基づいて光を変調し、画像情報を含んだ変調光束を生成する。各色の変調光束は色合成ダイクロイックプリズム８５で一つに合成され、投写レンズ７０によって不図示のスクリーン上に投写され、スクリーン上にカラー画像を形成する。

ここで、各ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの表示領域６１の外形形状、及び、第１レンズアレイ２０の小レンズ２１の輪郭形状は、第３実施形態のプロジェクタ３と同じである。したがって、赤色の波長成分を有する照明光束（縮小光束）は赤色光変調用ライトバルブ６０Ｒの表示領域の１／２の部分を、緑色の波長成分を有する照明光束（縮小光束）は緑色光変調用ライトバルブ６０Ｇの表示領域の１／２の部分を、青色の波長成分を有する照明光束（縮小光束）は青色光変調用ライトバルブ６０Ｂの表示領域の１／２の部分を、各々照明する。

可変偏角プリズム装置４０Ｂ，４０Ｇ，４０Ｒは、頂角（２枚の透明基板４１，４２の交角）の変化の仕方（変化の速度）を互いに同期しながら、ＹＺ平面内において２つの透明基板４１，４２間の相対的な傾き関係を可変する。これにより、各色の照明光束（縮小光束）がライトバルブを照明する場合に、３つのライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ間で各照明光束は対応するライトバルブの相対的に同じ位置を照明することができ、ライトバルブ上での照明位置に関して色光間で相対的なずれが発生しない。例えば、可変偏角プリズム装置４０Ｂ，４０Ｇ，４０Ｒが＋Ｙ方向に「上開き状態」の状態では、色光毎の照明光束（縮小光束）も対応するライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの表示領域の何れもＹ方向で上側（＋Ｙ方向側）を照明し、「下開き状態」の状態では何れもＹ方向で下側（−Ｙ方向側）を照明する。

さらに、可変偏角プリズム装置４０Ｂ，４０Ｇ，４０Ｒは、可変偏角プリズム装置を構成する部材（例えば、透明基板４１，４２や透明液体４４など）の屈折率が波長依存性を有するため、対応する色光の波長に合わせて、頂角（２枚の透明基板４１，４２の交角）の大きさやその変化の仕方が各々最適化されている。
これによって、波長が異なる色光間においても、部分光束の屈曲の度合いを常に一致させられるため、各ライトバルブ上での照明位置に関して色光間での相対的なずれの発生を一層低減することができ、照明効率の向上を実現できる。なお、上記の最適化は可変偏角プリズム装置とライトバルブ間に存在する光学素子（例えば平行化レンズ）の光学特性を考慮して行っても良い。勿論、可変偏角プリズム装置を構成する部材の屈折率の波長依存性に依っては、３光路に配置される可変偏角プリズム装置を同一の物としても良い。

したがって、色毎に光源及び照明系を独立して備えたプロジェクタであっても、全ての可変偏角プリズム装置を互いに同期させながら駆動させることによって、第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

〔第６実施形態〕
本発明の第６実施形態に係る表示装置の概略構成を図１２に示す。ここでいう表示装置としては、例えば直視型の表示装置等が適用される。この表示装置６は、光を射出する光源１０、光源からの光を複数の部分光束に分割すると共に所定の場所で重畳するインテグレータ光学系（縮小光束生成光学系）１５、インテグレータ光学系１５からの光束の進行方向を変える可変偏角プリズム装置（縮小光束走査光学系）４０、可変偏角プリズム装置４０からの光束を後述する光変調装置６２に導く平行化レンズ５０、図示されない外部からの画像情報に基づいて光変調し光学像を形成する光変調装置６２を備えて大略構成されている。

上述の実施形態ではプロジェクタに関して説明したが、本発明をこのような表示装置に適用しても、上述の実施形態に記載のプロジェクタと同様の効果を得ることができる。

〔その他の変形例〕
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すような変形をも含むものである。上記の第１〜第６実施形態におけるプロジェクタや表示装置では、縮小光束走査光学系である可変偏角プリズム装置４０を重畳レンズ３５の射出側に配置していたが、第２レンズアレイ３０、３０ａと重畳レンズ３５との間に配置しても同様の効果を得ることができる。また、重畳レンズ３５の機能を第２レンズアレイ３０に合わせ持たせられ、インテグレータ光学系１５から重畳レンズ３５を省略することができる。その様なインテグレータ光学系１５であっても同様の効果を得ることができる。
さらに、上記のプロジェクタや表示装置は何れも透過型の光変調装置を用いた透過型プロジェクタや透過型表示装置であったが、反射型の光変調装置を用いた反射型プロジェクタや反射型表示装置に対しても本発明を適用できる。また、上記実施形態におけるプロジェクタおよび表示装置における光変調装置として透過型の液晶パネル、反射型の液晶パネル、複数の微小ミラーを平面上に配列させたマイクロミラーアレイなどを用いることができる。

その他、本発明の実施に際しての具体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としても良い。

本発明の第１実施形態に係るプロジェクタ１の概略構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における第１レンズアレイの外観を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態におけるライトバルブの表示領域の形状、小レンズの輪郭形状、縮小光束の断面形状を説明するための図であり、（ａ）はライトバルブの表示領域の形状、（ｂ）は小レンズの輪郭形状、（ｃ）は縮小光束の断面形状を示している。 可変偏角プリズム装置の概略構成および機能を説明するための図である。 本発明の第１実施形態における可変偏角プリズム装置の状態（左図）と縮小光束のライトバルブの表示領域上における位置（右図）との関係を説明するための図であり、（ａ）は可変偏角プリズム装置が上開き状態にある場合、（ｂ）は同平行状態にある場合、（ｃ）は同下開き状態にある場合を示している。 本発明の第１実施形態における縮小光束の表示領域上の位置による移動速度の変化の様子を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るプロジェクタ２の概略構成を示す模式図である。 本発明の第３実施形態に係るプロジェクタ３の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の第４実施形態に係るプロジェクタ４の概略構成を示す模式図である。 本発明の第４実施形態におけるリレー光学系の他の構成例を示す模式図であり、（ａ）は２つの凹面リレーミラーを備えた構成例、（ｂ）は一つの凹面リレーミラーを備えた構成例を示す。 本発明の第５実施形態に係るプロジェクタ５の概略構成を示す模式図である。 本発明の第６実施形態に係る表示装置６の概略構成を示す模式図である。 従来のプロジェクタの概略構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態で、照明光束（縮小光束）の表示領域上における走査速度の変化の様子を示す図である。 複数の部分光束をライトバルブ以外の位置で一旦重畳する場合の光学構成を示す模式図である。

符号の説明

１、２、３、４、５ プロジェクタ
６ 表示装置
１０、１０Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒ 光源
１５ インテグレータ光学系（縮小光束生成光学系）
２０、２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒ 第１レンズアレイ
２１ 小レンズ
２２ 導光ロッド
２３ 集光レンズ
３０、３０ａ、３０Ｂ、３０Ｇ、３０Ｒ 第２レンズアレイ
３１ 伝達レンズ
３５、３５Ｂ、３５Ｇ、３５Ｒ 重畳レンズ
４０、４０Ｂ、４０Ｇ、４０Ｒ 可変偏角プリズム装置（縮小光束走査光学系）４１、４２ 透明基板
４３ 蛇腹
４４ 透明液体
５０、５０Ｂ、５０Ｇ、５０Ｒ 平行化レンズ
５１ 入射側レンズ
５２、５４、１２０ リレーレンズ
５３、１１０ 中間レンズ
６０、６０Ｂ、６０Ｇ、６０Ｒ ライトバルブ（光変調装置）
６１ 表示領域
６２ 光変調装置
６５ 照明光束（縮小光束）
７０ 投写レンズ（投写光学系）
８０ 色分離ダイクロイックプリズム
８１ 赤色光分離ダイクロイックミラー
８２ 緑色光分離ダイクロイックミラー
８５ 色合成ダイクロイックプリズム
１００、１００Ａ、１００Ｂ リレー光学系

Claims (13)

1. 光源と、
   表示領域を有して前記光源からの光束を変調する光変調装置と、
   前記光源からの光束を複数の部分光束に分割すると共に所定の場所で重畳して、前記表示領域よりも小さい断面積を有する縮小光束に変換する縮小光束生成光学系と、
   前記複数の部分光束の光路を時間と共に異なる角度で屈折させて、重畳する前記所定の場所を時間と共に変えることにより前記縮小光束を前記光変調装置の表示領域付近で走査可能とする縮小光束走査光学系と、
   前記光変調装置によって形成された画像を投写する投写光学系と、を有し、
   前記縮小光束走査光学系は、屈折角を自在に変更可能な可変偏角プリズム装置であり、
   前記縮小光束の走査速度は、前記表示領域の中央部付近で速く、両端部に近づくに従い遅くなるように設定されることを特徴とするプロジェクタ。
2. 請求項１において、
   前記表示領域は一つの辺によって規定される正方形状をなしており、前記縮小光束の断面形状は前記表示領域の辺と略同じ長さの第１の辺と、該第１の辺よりも短い長さの第２の辺によって規定される長方形状であることを特徴とするプロジェクタ。
3. 請求項１において、
   前記表示領域は長辺及び短辺によって規定される長方形状をなしており、前記縮小光束の断面形状は、前記表示領域の長辺と略同じ長さの第１の辺と、短辺よりも短い長さの第２の辺によって規定される長方形状であることを特徴とするプロジェクタ。
4. 請求項２または請求項３において、
   前記縮小光束走査光学系によって前記縮小光束を走査する方向は、前記縮小光束の第２の辺と平行な方向であることを特徴とするプロジェクタ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかにおいて、
   前記縮小光束生成光学系は、複数の小レンズを平面状に配列し入射した光を集光して前記複数の部分光束を生成する第１レンズアレイと、該第１レンズアレイからの前記複数の部分光束を前記縮小光束走査光学系に伝達する第２レンズアレイと、該第２レンズアレイからの前記複数の部分光束を所定の場所で重畳する重畳レンズと、を備えることを特徴とするプロジェクタ。
6. 請求項５において、
   前記小レンズは、一方向にのみ集光性を有するシリンドリカル状レンズであることを特徴とするプロジェクタ。
7. 請求項１乃至請求項４のいずれかにおいて、
   前記縮小光束生成光学系は、入射端部より入射した光を反射面或いは全反射面で反射させて射出端部より射出させる管状或いは柱状の導光ロッドと、該導光ロッドからの光を集光して前記複数の部分光束を生成する集光レンズと、該集光レンズからの前記複数の部分光束を前記縮小光束走査光学系に伝達する伝達レンズアレイと、該伝達レンズアレイからの前記複数の部分光束を所定の場所で重畳する重畳レンズと、を備えることを特徴とするプロジェクタ。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかにおいて、
   前記光源からの光束を少なくとも２色以上の色光に分離する色分離光学系を更に備え、前記縮小光束走査光学系は前記縮小光束生成光学系と前記色分離光学系との間に配置され
   ることを特徴とするプロジェクタ。
9. 請求項８において、
   前記色分離光学系によって分離された色光の内、他の色光よりも光路の長い色光の光路中には、入射時と射出時の光束分布が略等しくなるように色光を伝達するリレー光学系を更に備えることを特徴とするプロジェクタ。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれかにおいて、
    前記光変調装置における画像データの書き込み方向と前記縮小光束の走査方向とが一致しない期間では、前記光変調装置において黒表示を行うように設定されることを特徴とするプロジェクタ。
11. 請求項１乃至請求項９のいずれかにおいて、
    さらに、前記縮小光束走査光学系と前記光変調装置との間に遮光装置或いは光路変更装置を備え、
    前記光変調装置における画像データの書き込み方向と前記縮小光束の走査方向とが一致しない期間では、該遮光装置或いは該光路変更装置によって前記縮小光束が前記表示領域に入射しないように設定されることを特徴とするプロジェクタ。
12. 請求項１乃至請求項９のいずれかにおいて、
    前記縮小光束生成光学系によって前記複数の部分光束を前記表示領域と光学的に共役な位置で重畳し、該重畳された光束を前記表示領域に伝達するように構成されることを特徴とするプロジェクタ。
13. 光源と、
    表示領域を有して前記光源からの光束を変調する光変調装置と、
    前記光源からの光束を複数の部分光束に分割すると共に所定の場所で重畳して、前記表示領域よりも小さい断面積を有する縮小光束に変換する縮小光束生成光学系と、
    前記複数の部分光束の光路を時間と共に異なる角度で屈折させて、重畳する前記所定の場所を時間と共に変えることにより前記縮小光束を前記光変調装置の表示領域付近で走査可能とする縮小光束走査光学系と、を有し、
    前記縮小光束走査光学系は、屈折角を自在に変更可能な可変偏角プリズム装置であり、
    前記縮小光束の走査速度は、前記表示領域の中央部付近で速く、両端部に近づくに従い遅くなるように設定されることを特徴とする表示装置。

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