JP4789488B2 - 光学系および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像投射装置に用いられる光学系に関するものであり、特に、光源からの放射光によって液晶表示素子を照明し、該液晶表示素子上の原画を拡大投射する液晶プロジェクタ等の光学系に関するものである。

液晶パネル等を画像形成素子として用いるプロジェクタにおいては、光源からの光を高効率で利用すること、スクリーン上での照度むらを低減することと、さらに高コントラスト比で表示することが重要であり、これらを改善する方法が従来多く提案されている。

例えば、２枚の２次元配列されたレンズアレイから構成されるオプティカルインテグレータが知られている。このインテグレータは、光源からの光束を第１のレンズアレイによって複数の光束に分割し、第２レンズアレイによりこれらの光束を拡大しながら液晶パネルの表示領域に重畳結像させることによって、均一性の高い照明光を得ることができる（特許文献１参照）。

また、プロジェクタ内での色分解や色合成に用いられるダイクロイックミラー等の偏向素子や偏光ビームスプリッタ等の偏光分離素子の入射角依存特性および液晶パネルの入射角依存特性のそれぞれに対して、コントラスト劣化を起す方向においては略平行ビームで光を伝播させ、これと直交する方向においてオプティカルインテグレートを行って照明の均一性を実現する方法も提案されている（特許文献２，３）。

一方、プロジェクタにおいては、単に明るい映像を表示することだけが良いとされるものではなく、暗い環境にて表示する場合に明るすぎない画像を表示して、観察者に眩しさを感じさせないことも要求される。つまり、高コントラスト特性を保ったまま又はコントラスト特性を向上させながら、使用環境の明るさに応じて表示画像の明るさを抑える機能が必要となる。

この要求される機能に対して、２枚の２次元配列されたレンズアレイから構成されるオプティカルインテグレータを照明系に用い、照明光束を可変的に遮ることによって、コントラスト特性を向上させながら表示画像の明るさを抑える方法が特許文献４にて提案されている。
特開平３−１１１８０６号公報（５頁右上欄１４行〜同頁右下欄４行、図５等） 特開２００４−２４５９７７号公報（段落００１５〜００３３、図１等） 特開２００４−２７１８８７号公報（段落００２２〜００８６、図１等） 特開２００４−１５１６７４号公報（段落００１２〜００１５、図１，２等）

しかしながら、特許文献２，３において提案されているように、オプティカルインテグレータと光強度分布の変換操作を行う光強度分布変換手段とを２次元軸方向において独立に制御する照明光学系において、単に特許文献４にて提案されているように照明光束を可変的に遮る手段を用いると、不都合がある。

すなわち、上記照明光学系は、照明光束に関して２軸方向に異なる光伝播方法を採用している系であるため、液晶パネルへの均一照明のバランスが崩れ、表示画像の均一性が保たれないおそれがある。

本発明は、オプティカルインテグレータと光強度分布変換手段とを有する光学系において、コントラスト特性をさらに向上させ、かつ表示画像の明るさの均一性を損なうことなく使用環境の明るさに応じた画像を表示できるようにすることを目的の１つとしている。

一つの側面としての本発明の光学系は、画像形成素子を照明光束により照明し、該画像形成素子により形成された原画の像を投射する光学系であって、光源から略平行光束として入射した前記照明光束の進行方向に直交する２次元断面内における第１軸方向において、該照明光束の分割および再合成を行うオプティカルインテグレータと、前記２次元断面内における前記第１軸方向に略直交する第２軸方向において、前記照明光束の光強度分布の変換作用を有する光強度分布変換手段と、前記第２軸方向の光路中に設けられ、該第２軸方向の開口サイズが可変で、前記第１軸方向の開口サイズが不変である光束制限手段を有し、前記光強度分布変換手段は、２つの正レンズユニットにより構成され、光束幅の変換作用を有し、
前記光束制限手段は、前記２つの正レンズユニットの間に設けられている。

また、他の側面としての本発明の光学系は、画像形成素子を照明光束により照明する光学系であって、光源から略平行光束として入射した前記照明光束の進行方向に直交する２次元断面内における第１軸方向において、該照明光束の分割および再合成を行うオプティカルインテグレータと、前記２次元断面内における前記第１軸方向に略直交する第２軸方向において、前記照明光束の光強度分布の変換作用を有する光強度分布変換手段と、前記第２軸方向の光路中に設けられ、該第２軸方向の開口サイズが可変で、前記第１軸方向の開口サイズが不変である光束制限手段を有し、前記光強度分布変換手段は、２つの正レンズユニットにより構成され、光束幅の変換作用を有し、前記光束制限手段は、前記２つの正レンズユニットの間に設けられている。

本発明によれば、オプティカルインテグレータと光強度分布変換手段とを有する光学系において、第２軸方向の光路中に設けられた光束制限手段によって該第２軸方向の開口サイズのみ可変とすることで、表示画像の明るさの均一性を損なったりコントラスト比を低下させたりすることなく、表示画像の明るさを任意に設定することができる。特に、表示画像の明るさを抑える場合においても、表示画像の明るさの均一性を損なうことがなく、またコントラスト比をより向上させることができる。

以下、本発明の光学系について図面を参照しながら説明する。

図１〜図３には、本発明の実施例１である照明光学系の構成を示している。図１は、該照明光学系の主要な構成を示す斜視図である。図２は、図１に示した照明光学系の上面図、図３は図１に示した照明光学系の側面図である。

これらの図において、１は照明光学系である。１００は光源である放電ガス励起発光ランプ（以下、光源ランプという）であり、超高圧水銀ランプやメタルハライドランプ、クセノンランプ等が用いられる。該光源ランプ１００から出射した光は、パラボリック反射ミラー（放物面鏡）１０１によって反射され、略平行な可視光ビームを形成する。但し、実際の光源は有限サイズの発光分布を有する（光源の発光領域は有限の大きさを持つ）。

そこで、本実施例では、なるべくダイバージェンス（発散角）の少ない（小さい）質の高いコリメート光束（平行光束）を得るために、ガスの電子励起領域を限定し、放電ギャップを極力狭くして、点光源に近い光源としている（つまり、光源ランプの発光領域をできるだけ小さくしている）。さらに、放電ギャップに交流電圧をかけて電極の双方向から電子を放射させることにより、発光領域を陰極電極側と陽極電極側との両方に形成し、実質的な発光領域の大きさが大きくなることを防ぐ（光源ランプの発光領域の大きさをより小さくする）ために、放電ギャップに直流電圧をかけることにより、陰極電極側に高輝度の点光源を発生させる直流電圧印加型を採用している。

この光源ランプ１００とパラボリック反射ミラー１０１からなるランプユニットから放射された略平行光束は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０２に入射する。第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０２の光入射側の表面には、紫外線反射膜が成膜されており、可視光外の紫外線をカットする。紫外線は、レンズの材料となる光学ガラスや光学薄膜を励起したり劣化させたりする上に、光変調素子としての画像形成素子に液晶素子を用いる場合に、有機材料である液晶ポリマーを分解変質する可能性がある。前述の紫外線反射膜は、このような光学ガラスや光学薄膜の劣化や、液晶ポリマーの分解変質等を防止するために設けられている。

一方、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー（第１シリンドリカルレンズアレイ）１０２は、図１および図３における上下方向（第１軸方向：以下、垂直方向という。また、図１における左右方向および図２における上下方向を第２軸方向、或いは水平方向という。）においてのみ屈折力を有する。第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０２に入射した光束は、該第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０２のアレイ個数分に分割される。これら複数の分割光束は、個々のシリンドリカルレンズの焦線位置（焦線位置とは、シリンドリカルレンズの配列方向とシリンドリカルレンズの光学面の法線とを含む平面内において、シリンドリカルレンズに入射した平行光が集光する位置のことであり、シリンドリカルレンズの場合は点ではなく、線として形成される。通常のレンズにおける焦点位置と同じ意味である。）に集光した後、シリンドリカルコンデンサーレンズ１０７によって再び所定幅を有する複数の略平行光束に変換される。ここで、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０２とシリンドリカルコンデンサーレンズ１０７（これらと第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０３によりオプティカルインテグレータが構成される）の主平面との間隔は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０２の焦点距離とシリンドリカルコンデンサーレンズ１０７の焦点距離との和と略一致するように設定されている。これにより、上記のようなシリンドリカルコンデンサーレンズ１０７による平行光束への再変換が行われる。

さらに、シリンドリカルコンデンサーレンズ１０７の光軸線（ここで言う光軸線とは、シリンドリカルコンデンサーレンズの光学面の面対称の中心を光軸面とするとき、その光軸面とシリンドリカルコンデンサーレンズの光学面とが交わる線のことを言う。また、ここでの「光軸線」は「光軸面」と置き換えても構わない。）は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０２の各アレイの光軸線（光軸面）に対して偏心しているため、シリンドリカルコンデンサーレンズ１０７の射出側焦線の位置で、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０２の各アレイを通過した光束が重なり合う。これにより、オプティカルインテグレート（光束の分割および再合成、又は光束の分割及びその分割された光束の重ね合わせ）操作が行われる。

このように構成した上で、シリンドリカルコンデンサーレンズ１０７の焦線の位置に、液晶パネル２の変調面を配置すれば、液晶パネル２の変調面上における光照度の均一性を向上させることができる。

第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０２を通過した光束は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー（第２シリンドリカルレンズアレイ）１０３を通過する。第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０２の焦線の位置は第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０３の各アレイの瞳位置にほぼ設定されており、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０３とシリンドリカルコンデンサーレンズ１０７とのタンデムレンズ構成によって、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０２の各アレイの瞳と液晶パネル２の変調面とが光学的共役関係となっている。これにより、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０２の各アレイの瞳は、垂直方向において液晶パネル２の変調面に結像される。

第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０３を設けた理由について説明する。光源ランプ１００とパラボリック反射ミラー１０１からなるランプユニットから放射された光束は、ガス励起による発光源が有限なサイズの発光分布を有することによって、理想的な平行光束とはならず、ダイバージェンス（発散角）を有している。このダイバージェンス分の光束の広がりを修正し（光束の広がりを減少させ）、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０２の各アレイの瞳を通過した光束を確実に液晶パネル２の変調面に導くため、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０３が設けられている。

第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０３を通過した複数の光束は、偏光変換素子アレイ１０４に入射する。偏光変換素子アレイ１０４は、ランプユニットから放射した光を、偏光ビームスプリッタを多段に並べた偏光ビームスプリッタアレイにより、所定方向、本実施例では垂直方向の偏光に変換する。

該多段に並べられた偏光ビームスプリッタアレイの偏光分離膜において、ここに入射したＰ偏光（垂直方向の偏光成分）は該偏光分離膜を透過する。一方、Ｓ偏光（水平方向の偏光成分）は、該偏光分離膜で反射し、さらに隣の偏光ビームスプリッタアレイの偏光分離膜で再度反射する。これにより、該Ｓ偏光の光路は、アレイのピッチ分だけシフトする。そして、偏光変換素子アレイ１０４から射出する直前に、半波長位相差板でその偏光方向が９０度変換され、垂直方向の直線偏光（Ｐ偏光）となって偏光変換素子アレイ１０４から射出する。このように、偏光変換素子アレイ１０４は、入射した無偏光光を、Ｐ偏光に揃えて射出する。

偏光変換素子アレイ１０４を射出した複数の光束は、第１シリンドリカルレンズ１０５に入射する。第１シリンドリカルレンズ１０５は、水平方向においてのみ屈折力を有し、光束の進行方向先方に配置されている第２シリンドリカルレンズ１０８と対となってビームコンプレッサ（光強度分布変換手段）を形成している。ここでは、第１シリンドリカルレンズ１０５及び第２シリンドリカルレンズ１０８は水平方向に関してのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズとしているが、その限りではなく、両者又はいずれか一方が垂直方向に関しても屈折力を有するトーリックレンズとしても構わない。したがって、第１シリンドリカルレンズ１０５に入射する光束は、水平方向においては圧縮されて略アフォーカル状態で液晶パネル２に導かれる。このビームコンプレッサには、瞳ディストーション収差が所定量意図的に設けられており、この瞳ディストーション収差によって、液晶パネル２の変調面における光強度分布が略均一になるように制御される。

ここで、ビームコンプレッサ内の光束は、上記瞳ディストーション収差が設けられていることと、ランプユニットから放射される光束が、ガス励起による有限なサイズの発光分布を有する光源から発せられることから、理想的な平行光束にならない特性を持っている。特に、図２において、ビームコンプレッサを形成している第１シリンドリカルレンズ１０５と第２シリンドリカルレンズ１０８との共有焦線位置又はその近傍に配置された光束制限ユニット（光束制限手段）１０６のスリット開口を通過する光束は、垂直方向に延びる線状の光束にはならず、有限の水平方向幅を有する光束となる。なお、光束制限ユニット１０６について（特に開口の内側に向かう縁部の形状について）は後述する。

第１シリンドリカルレンズ１０５を通過した複数の光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ１０７に入射し、該シリンドリカルコンデンサーレンズ１０７の焦線位置に配置された液晶パネル２の変調面上において垂直方向にて重ね合わされる。すなわち、オプティカルインテグレートが行われる。

シリンドリカルコンデンサーレンズ１０７を通過した光束は、第２シリンドリカルレンズ１０８に入射する。第２シリンドリカルレンズ１０８は水平方向のみに屈折力を有し、前述したように第１シリンドリカルレンズ１０５と対になってビームコンプレッサを形成している。この第２シリンドリカルレンズ１０８によって水平方向において光束が圧縮され、略アフォーカル状態で液晶パネル２に導かれる。

さらに、この第２シリンドリカルレンズ１０８によって、第１シリンドリカルレンズ１０５の瞳近傍と液晶パネル２の変調面とが略光学的共役関係になるように配置されている（但し、収差を意図的に持たせるために光学的共役精度的には粗くなる）。これにより、第１シリンドリカルレンズ１０５の瞳は、水平方向において液晶パネル２の変調面上に結像される。

第２シリンドリカルレンズ１０８を設けた理由は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０３を設けた理由と同様である。すなわち、放電ガス励起式の光源ランプ１００とパラボリック反射ミラー１０１からなるランプユニットから放射された光束のダイバージェンス分を修正するために、第１シリンドリカルレンズ１０５の瞳を通過した光束を確実に液晶パネル２の変調面に導くためである。

第２シリンドリカルレンズ１０８を通過した光束は、偏光ビームスプリッタ１０９に入射する。この偏光ビームスプリッタ１０９の位置に実際に偏光分離作用を持った偏光ビームスプリッタを配置することもでき、この場合、該偏光ビームスプリッタの偏向方向は水平方向に設定される。以上が、光源ランプ１００からの照明光を、液晶パネル２に導く照明光学系の基本構成である。

次に、光束制限ユニット１０６について説明する。該光束制限ユニット１０６は、図１および図２に示すように、図中の矢印方向に遮光部材を駆動してスリット状の開口（以下、スリット開口という）の水平方向の幅を変化させることができる。但し、垂直方向の開口幅は、所定の開放寸法のまま不変である。遮光部材の開口側の端部、つまりはスリット開口縁部の形状は、図１に示すような単純な平行直線形状でもよいが、図４に示す開口の内側に向かって凸の形状の非平行形状１０６Ａや、図５に示す波形状のような曲線形状１０６Ｂである方がより好ましい。

これは、単純な平行直線形状の開口縁部によって光束が直線的にカットされると、液晶パネル２を照明する光束の強度分布に部分的な段差を生じ易くなるためである。

これに対し、本実施例の照明光学系は、垂直方向にオプティカルインテグレート作用を有するため、該インテグレート前において図４又は図５に示す開口形状（１０６Ａ，１０６Ｂ）を有する光束制限ユニット１０６によってその水平方向幅を制御された複数の光束をインテグレートすることによって、液晶パネル２を照明する光束の強度分布に部分的な段差が生じることを抑制することができる。なお、図４および図５に示した形状は例にすぎず、本発明における光束制限手段における開口縁部の形状はこれに限られない。例えば、複数の直線によって形成される鋸歯形状や矩形歯形状、開口の内側に向かって凸の半円形状でもよいし、勿論楕円形状でも良い。

光束制限ユニット１０６は、照明光学系における光束の進行方向において、ビームコンプレッサを構成する、それぞれ正の屈折力を有する第１シリンドリカルレンズ１０５と第２シリンドリカルレンズ１０８の間の共有焦線位置又はその近傍に配置される。この位置での光束は、前述したように、ビームコンプレッサの瞳ディストーション収差と、ランプユニットから放射される光束が理想的な平行光とはならないこととによって、光束が水平方向において有限な幅を有している。このため、光束制限ユニット１０６のスリット開口幅が無限に狭い状態であるとすると、アフォーカル特性を有するビームコンプレッサから厳密な平行光だけが射出することとなる。

すなわち、この場合の光束制限ユニット１０６は、レーザ光のコリメート光だけを抽出するために一般的に用いられるスペーシャルフィルタと同様な役割を果たすことになる。つまり、液晶パネル２を照明する光束は、光束制限ユニット１０６のスリット開口幅を狭くするほど、平行光に近づくこととなる。

一方、液晶パネル２のコントラスト特性は、拡大表示用として現在製作されているプロジェクタ用液晶パネルとしては、ＴＮモード動作、ＶＡＮモード動作タイプがあり、いずれも変調面に対して垂直に入射する照明光に対して最大のコントラスト値を示し、入射光が垂直から傾くほどコントラスト値は低下する特性を有する。このため、光束制限ユニット１０６のスリット開口幅を狭くするほど、表示画像の明るさが減少し、コントラスト値が向上することになる。

さらに、表示画像の明るさの均一性に関しては、光束制限ユニット１０６の位置をビームコンプレッサの共有焦線位置から僅かにずらし、ビームコンプレッサの瞳ディストーション量を適宜設定することによって、光束制限ユニット１０６の開口幅制御によって表示画像の明るさを変化させても、その均一性を保つことができる。

例えば、図６に設計例（実験例）を示す。この設計例は、光束制限ユニット１０６の開口縁部の形状として図４に示した形状１０６Ａを用いた例である。図６（ａ），（ｂ）は、液晶パネル２を照明する照明光の光量分布を示すものであり、白が明るく、黒が暗いことを示す。液晶パネル２の照明光量を最大、すなわち光束制限ユニット１０６のスリット開口が全開の状態を（ａ）に示しており、照明光量を略半減させることを目標にスリット開口幅を狭くした状態を（ｂ）に示している。（ａ），（ｂ）ともに、光量（強度）の均一性は良好であり、スリット開口幅の変化によって全体の光量だけが変化していることが分かる。

また、この設計手法を逆手に利用して、表示画像を明るくしたい場合にはある所望の照度分布が得られるように設計し、表示画像を暗くしたい場合には、異なるある所望の照度分布が得られるように設計することも可能である。このため、表示拡散スクリーンに特性に応じて、かつ表示画像を鑑賞する人が認識する均一性まで考慮して、表示画像の照度分布を設定することも可能となる。例えば、画面中央部が周辺部に比べて明るく又は暗くなるように照度分布を設定することも可能である。

本実施例では、第１シリンドリカルレンズ１０５及び第２シリンドリカルレンズ１０８は水平方向に関してのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズとし、シリンドリカルコンデンサーレンズ１０７は垂直方向に関してのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズとしているが、その限りではない。例えば、第１シリンドリカルレンズ１０５及び第２シリンドリカルレンズ１０８の両者又はいずれか一方に垂直方向に関しても屈折力を有するトーリックレンズとし、その垂直方向の屈折力で以ってシリンドリカルコンデンサーレンズ１０７の効果を代用することにより、シリンドリカルコンデンサーレンズ１０７を省略しても構わない。

図７には、上述した実施例１の照明光学系１を用いた液晶プロジェクタ（画像投射装置）の実施例を示している。図７は該プロジェクタの全光学系の断面図であり、図中の枠内に示す照明光学系１は、一点鎖線の右側に上面図を、左側に側面図を示している。

３は、本プロジェクタの動作全体を制御するコントローラ（制御手段）であり、液晶パネル２（２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ）を駆動するドライバーを内蔵している。該ドライバーは、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤー、ＴＶチューナー等の画像供給装置２００からのビデオ入力信号（画像信号）を各色用の液晶パネル駆動信号に変換し、該駆動信号を反射型液晶素子からなるレッド用液晶パネル２Ｒ、グリーン用液晶パネル２Ｇおよびブルー用液晶パネル２Ｇに出力する。これにより、各液晶パネルには原画が形成される。

照明光学系１から射出された、図７の紙面に垂直な方向の直線偏光である照明光のうち、マゼンタ色成分は、マゼンタ色成分を反射しグリーン色成分を透過するダイクロイックミラー３０によって反射され、ブルークロスカラー偏光子３４に入射する。ブルークロスカラー偏光子３４は、ブルー色成分の偏光に半波長のリタデーションを与える作用を有する。マゼンタ色成分がこのブルークロスカラー偏光子３４を通過することにより、紙面に平行な方向の直線偏光であるブルー色成分と、紙面に垂直な方向の直線偏光であるレッド色成分とが作成される。

該ブルー色成分は、第１偏光ビームスプリッタ３３にＰ偏光として入射し、その偏光分離膜を透過してブルー用液晶パネル２Ｂに導かれる。また、レッド色成分は、第１偏光ビームスプリッタ３３にＳ偏光として入射し、その偏光分離膜で反射して、レッド用液晶パネル２Ｒに導かれる。

一方、ダイクロイックミラー３０を透過したグリーン色成分は、光路長を補正するためのダミーガラス３６を通過し、次にＳ偏光として第２偏光ビームスプリッタ３１に入射する。このグリーン色成分は、第２偏光ビームスプリッタ３１の偏光分離膜で反射して、グリーン用液晶パネル２Ｇに導かれる。

このようにして、レッド用液晶パネル２Ｒ、グリーン用液晶パネル２Ｇおよびブルー用液晶パネル２Ｇが照明される。そして、各液晶パネルに入射した光は、各液晶パネルにより原画に応じて変調されて（各画素の変調状態に応じて偏光のリタデーションが付与されて）、反射される。

各液晶パネルで変調および反射された光のうち、照明光と同じ方向の偏光成分は、概ね照明光路を略引き返す光路を辿って光源ランプ側に戻る。

また、紙面に平行な方向の偏光成分であるレッド用液晶パネル２Ｒによる変調光は、Ｐ偏光として第１偏光ビームスプリッタ３３の偏光分離膜を透過し、次にレッド色の偏光に半波長のリタデーションを与えるレッドクロスカラー偏光子３５を通過して、紙面に垂直な方向の直線偏光となり、Ｓ偏光として第３偏光ビームスプリッタ３２に入射する。
また、紙面に垂直な方向の偏光成分であるブルー用液晶パネル２Ｂによる変調光は、Ｓ偏光として第１偏光ビームスプリッタ３３の偏光分離膜で反射し、次にレッドクロスカラー偏光子３５をそのまま通過して、Ｓ偏光として第３の偏光ビームスプリッタ３２に入射する。

さらに、紙面に平行な方向の偏光成分であるグリーン用液晶パネル２Ｇによる変調光は、Ｐ偏光として第２偏光ビームスプリッタ３１の偏光分離膜を透過し、光路長を補正するためのダミーガラス３７を通過して第３偏光ビームスプリッタ３２に入射する。

第３偏光ビームスプリッタ３２に入射したＳ偏光としてのレッド色成分およびブルー色成分は、その偏光分離膜で反射して投射レンズ４に向かい、Ｐ偏光としてのグリーン色成分は該偏光分離膜を透過して投影レンズ４に向かう。こうして色合成された変調光は、投射レンズ４の入射瞳によって捕えられ、光拡散スクリーン５に転送される。これにより、ビデオ信号（原画）に応じた画像が光拡散スクリーン５に表示される。

なお、各液晶パネルの変調面と光拡散スクリーン５の光拡散面とは、投射レンズ４によって光学的共役関係に配されている。また、３つの液晶パネルは、対応する画素の像が光拡散スクリーン５上で所定精度で重なるようにメカ的または電気的に調整されている。

以上のように構成されたプロジェクタにおいて、照明光学系１内に設けられた光束制限ユニット１０６は、該ユニットに設けられた不図示のアクチュエータ（モータ又は電磁ソレノイド等）によって、連続的に又は段階的にスリット開口幅が変化するように駆動される。

アクチュエータの制御は、コントローラ３によって行われる。ここで、本実施例のプロジェクタは、スリット開口幅の制御モードとして、操作パネル９からの使用者の操作に応じた信号に基づいてスリット開口幅を制御するモードを有する。また、外部の明るさを検出する照度センサー１０からの出力信号に基づいてスリット開口幅を制御するモードも有する。このモードでは、外部の明るさが明るいときは、暗いときに比べて、スリット開口幅を小さくするように制御する。

さらに、コントローラ３の内部又は外部に、入力される画像信号のバッファメモリー（図示せず）を設け、表示前の画像シーンの輝度信号レベルを検出し、該検出結果に応じてスリット開口幅を制御するモードを備えてもよい。このモードでは、輝度レベルが高いときは、低いときに比べて、スリット開口幅を小さくするように制御する。

これらの開口幅制御により、使用者の意図に応じた又は表示状況や画像の種類に応じて自動的に表示画像の明るさを調節することができる。

以上説明したように、上記実施例によれば、第２軸方向である水平方向の光束幅を制限する光束制限ユニット１０６を、２つの正シリンドリカルレンズ１０５，１０６の間にあるこれらレンズの共有焦点位置又はその近傍に配置し、該光束制限ユニット１０６のスリット開口幅を変化させることによって、表示画像の明るさを任意に設定することができ、しかも、明るさを減少させても、表示画像の明るさの均一性を損なうことがなく、コントラスト比をより向上させることができるプロジェクタを実現可能である。

また、上記実施例では、いわゆるフロントプロジェクションタイプのプロジェクタについて説明したが、本発明は、いわゆるリアプロジェクションタイプのプロジェクタにも適用することができる。また上記実施例では、画像形成素子として液晶パネルを用いた場合について説明したが、本発明は他の画像形成素子を用いたプロジェクタにも適用可能である。

さらに、上記実施例では、照明光学系内に光束制限ユニット１０６を設けた場合について説明したが、同様の構成を有する光束制限ユニットを、照明光学系内ではなく、スクリーンに対して画像形成素子の原画を投射する投射レンズ内に設けることもできる。

本発明の実施例１である液晶プロジェクタ用の照明光学系の構成を示す斜視図。 実施例１の照明光学系の上面断面図。 実施例１の照明光学系の側面断面図 実施例１の照明光学系内に配置された光束制限ユニットの開口縁部の形状を示す図。 実施例１の照明光学系内に配置された光束制限ユニットの開口縁部の形状を示す図。 実施例１の照明光学系の効果を確認した実験結果を示す図。 本発明の実施例２である液晶プロジェクタの構成を示す断面図。

符号の説明

１ 照明光学系
２，２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ 液晶パネル
３ コントローラ
４ 投射レンズ
１００ 光源ランプ
１０１ パラボリック反射ミラー
１０２ 第１シリンドリカルアレイホモジナイザー
１０３ 第２シリンドリカルアレイホモジナイザー
１０４ 偏光変換素子アレイ
１０５ 第１シリンドリカルレンズ
１０６ 光束制限ユニット
１０７ シリンドリカルコンデンサーレンズ
１０８ 第２シリンドリカルレンズ
１０９ 偏光ビームスプリッタ

Claims (10)

1. 画像形成素子を照明光束により照明し、該画像形成素子により形成された原画の像を投射する光学系であって、
   光源から略平行光束として入射した前記照明光束の進行方向に直交する２次元断面内における第１軸方向において、該照明光束の分割および再合成を行うオプティカルインテグレータと、
   前記２次元断面内における前記第１軸方向に略直交する第２軸方向において、前記照明光束の光強度分布の変換作用を有する光強度分布変換手段と、
   前記第２軸方向の光路中に設けられ、該第２軸方向の開口サイズが可変で、前記第１軸方向の開口サイズが不変である光束制限手段を有し、
   前記光強度分布変換手段は、２つの正レンズユニットにより構成され、光束幅の変換作用を有し、
   前記光束制限手段は、前記２つの正レンズユニットの間に設けられている、
   ことを特徴とする光学系。
2. 画像形成素子を照明光束により照明する光学系であって、
   光源から略平行光束として入射した前記照明光束の進行方向に直交する２次元断面内における第１軸方向において、該照明光束の分割および再合成を行うオプティカルインテグレータと、
   前記２次元断面内における前記第１軸方向に略直交する第２軸方向において、前記照明光束の光強度分布の変換作用を有する光強度分布変換手段と、
   前記第２軸方向の光路中に設けられ、該第２軸方向の開口サイズが可変で、前記第１軸方向の開口サイズが不変である光束制限手段を有し、
   前記光強度分布変換手段は、２つの正レンズユニットにより構成され、光束幅の変換作用を有し、
   前記光束制限手段は、前記２つの正レンズユニットの間に設けられている、
   ことを特徴とする光学系。
3. 前記光束制限手段は、前記第１軸方向において前記光学系の光軸から距離が遠くなるにつれて、前記第２軸方向における開口部の幅が大きくなる部分を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
4. 前記光束制限手段における開口縁部は、非平行形状を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光学系。
5. 前記光束制限手段における開口縁部は、曲線形状を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光学系。
6. 前記画像形成素子は、液晶素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の光学系。
7. 前記画像形成素子と、
   請求項１から６のいずれか１つに記載の光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。
8. 操作部材からの操作信号、入力された画像信号の種類および入力された画像の明暗シーン情報の少なくとも１つに基づいて前記光束制限手段の動作を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項７に記載の画像投射装置。
9. 外部の明るさを検出する検出手段と、
   該検出手段の検出結果に基づいて前記光束制限手段の動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項７に記載の画像投射装置。
10. 請求項７から９のいずれか１つに記載の画像投射装置と、
    該画像投射装置に画像信号を供給する画像供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。