JP4817639B2 - 照明光学系及びそれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源から射出された光束を用いて被照明面を照明する照明光学系、さらにはその照明光学系を用いて被照明面（液晶パネル等の画像表示素子）を照明し、その被照明面からの光をスクリーン等の被投影面に投影する画像表示装置（液晶プロジェクター等）に関するものである。

液晶ライトバルブなどを用いて画像情報に対応して変調された光束を投射レンズによってスクリーンなどに拡大投射する構成のプロジェクターが注目されている。このようなプロジェクターとしてはスクリーンに投射された画像が全体に渡って均一に近い明るさを有していることが重要である。

このようなプロジェクターにおける公知の照明光学系は、例えば図８のようになっている。すなわち、光源１０１から射出した光束は放物面リフレクタ１０２によって略平行光となって射出される。この平行光束は、第１のフライアイレンズ（微小な球面レンズが２次元的に配列されたレンズアレイ）１０３によって分割及び集光される。各々の分割光束は第２のフライアイレンズ１０４近傍に集光され、光源の像（２次光源像）を作る。これらのフライアイレンズ１０３、１０４を構成する微小レンズは、被照明面である液晶パネルと相似の形状をした矩形レンズ形状をしている。第２のフライアイレンズ１０４を射出した分割光束はコンデンサーレンズ１０５によって集光され、不図示の色分解光学系１０６等を経て液晶パネル１０７を複数の分割光束により重畳的に照明する。なお、この図８では、説明を容易にするため、照明光学系の機能を説明するための主要な構成要素のみを示している。

しかしながら、このような照明光学系では、光利用効率を高めようとすると一般に光束の角度分布が大きくなる傾向があり、したがって、照明光学系内に角度特性の敏感な光学素子を用いたとき、特に色分解光学系等に照明光学系の光軸に対して傾いた色分離膜（ダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズム）や偏光分離膜（偏光ビームスプリッタ−等）を用いたとき、ムラ、コントラストの低下など画質の劣化が発生するという問題が生じていた。

この画質劣化を防ぐべく、光学素子の角度分布に敏感な方向においては角度分布を小さくし、角度分布に鈍感な方向においては角度分布を大きくした非対称な光学系を用いたものとして、特許文献１、２が挙げられる。

特許文献１（特開平６−７５２００号公報）では、上記の光学インテグレータとして１次元に配列されたシリンドリカルレンズアレイを用い、ダイクロイックミラーなどの角度敏感度の高い素子の折り曲げ方向にケーラー照明を用いて、色むらを低減しようとしたものである。

また、特許文献２（特開２００４−４５９０７号公報）は薄膜部品の角度敏感度の高い方向において、瞳位置に絞りをいれることで、光線束の一断面方向の角度分布を押さえてコントラストの改善を図ろうとしたものである。
特開平０６−７５２００号公報 特開２００４−４５９０７号公報

しかしながら、特許文献１（特開平６−７５２００）においては、シリンドリカルレンズアレイが屈折力を持たない断面（ケーラー照明断面）において重畳的な照明をしていないため、ライトバルブ面での照度分布が均一にならない。したがって不均一な照明分布の中から比較的フラットな分布のところだけを使わなければならず、光利用効率は低い。また光源から集光レンズまでの光束は角度分布が小さいため、その間にあるダイクロイックミラーでの画質劣化効果は低減されているが、液晶パネル直前で集光レンズによって光束を収束させるため、集光レンズの後ろにある液晶パネルやダイクロイックミラーなどの角度敏感度の高い素子による画質劣化は避けられない。さらに重畳的な照明を行っていない断面では、光源の変動（アークジャンプ、劣化等）により、光源が輝度ムラを持ったときに、ライトバルブ上の照度分布も変動し、投射画面上にもムラとなってしまう。

また、特許文献２（特開２００４−４５９０７）は、両方向の断面を重畳的な照明しているため、光源の影響は受けにくいが、絞りによって光束を制限しているため、光利用効率の大幅な低下を避けることができない。また、絞りではなく、一部のレンズ（レンズアレイとパネルとの間の光学系）の主点位置を二つの断面で異ならせることにより、２断面における角度分布を互いに異ならせる旨の記載があるが、実施例記載の方法（コリメータレンズの主点を変える）では液晶パネル面での照明領域境界が不鮮明になって明るさの低下や照度ムラを生じるか、または照明光学系のパネル側におけるテレセントリック（射出瞳がパネル面に対して十分遠方）の条件が崩れてしまうため、コントラストムラ、色むらなどを生じてしまうという問題が発生する。

本発明は、上記のような問題に対し、任意の光学部品の角度分布が敏感な断面において角度分布を小さくしながらも、ライトバルブ上の明るさが均一で、光源のムラの影響を実質的に受けない照明光学系を提供することを目的とする。

上記課題の解決の為に、本発明の照明光学系は、光源側から順に、光軸と平行な第１平面において、光源からの光束を分割する第１前側光学素子アレイと、前記第１前側光学素子アレイからの光束を受ける第１後側光学素子アレイと、前記光軸と平行でかつ前記第１平面と垂直な第２平面において、前記光源からの光束を分割する第２前側光学素子アレイと、前記第２前側光学素子アレイからの光束を受ける第２後側光学素子アレイを有し、第１後側光学素子アレイと第２前側光学素子アレイとの間、あるいは第２後側光学素子アレイと被照明面側との間に配置された偏光変換素子を有し、前記第１前側光学素子アレイは、分割した光束により第１光源像領域内に複数の第１光源像を形成し、前記第２前側光学素子アレイは、分割した光束により第２光源像領域内に複数の第２光源像を形成し、前記複数の第２光源像からの光束を前記被照明面に導く照明光学系であって、前記第１平面内における前記第１光源像領域の幅が、前記第２平面内における前記第２光源像領域の幅よりも広いことを特徴とする。

また、本発明の画像表示装置は、少なくとも１つの液晶表示素子（３つの液晶表示素子でも構わない）と、前記光源からの光で前記少なくとも１つの液晶表示素子を照明する、前述の照明光学系とを有することを特徴としている。

本発明によれば、光の利用効率が高く、且つ被照明面を略均一に照明することができる照明光学系、またその照明光学系を用いた画像表示装置を提供することができる。

本発明の実施形態について、以下に図面を用いて具体的に述べる。

（実施例１）
図１に、第１実施例の照明光学系の構成を図示している。ここでは、画像表示素子として反射型液晶パネルを用いたプロジェクターの照明光学系（透過型液晶パネルを用いても構わない）に、本実施例の照明光学系を適用した場合について記載している。

ここで、照明光学系の光軸方向をＺ軸とし、図１（Ａ）はパネル面入射光束の角度分布が広い断面（第１断面、ＹＺ平面）を、図１（Ｂ）には角度分布の狭い断面（第２断面、ＸＺ断面）を示している。これらの図には、説明を容易にするためプロジェクター光学系の基本的な構成部品のみしか描いていないが、勿論他に、無偏光光を直線偏光光に変換する偏光変換素子がアレイ状に配置された偏光変換素子アレイや、光路折り曲げミラーや、熱線カットフィルタや、偏光板等を有する構成としても構わない。

光源（ランプの発光部）１から全方向に射出した光束は放物面リフレクタ２によって略平行光となって射出される。この平行光束は、第１のシリンドリカルレンズアレイ（光学素子アレイ、このシリンドリカルレンズアレイの斜視図を図２に示す。）３によって複数の部分光束に分割され、その各々の部分光束が集光される。各々の分割光束は第２のシリンドリカルレンズアレイ４近傍に集光され、各々の部分光束が各々光源像（２次光源像）を形成する。本実施例において、前述の第１のシリンドリカルレンズアレイの作用による光源像を図３（Ａ）に示す。この図３（Ａ）は光軸に垂直な面における光源像の様子を示しており、この図３（Ａ）において第１断面は図中に示したように直線状に記載することができる。このとき、第１断面（内方向）における、光源像が形成される領域の幅をＷ１とする。この光源像形成位置（本実施例においては、第１断面に屈折力を有する第２のシリンドリカルレンズの位置、好ましくは入射位置）における光源像形成領域の幅Ｗ１は、第１断面と平行な様々な断面で光源像形成領域を切ったときに得られる光源像形成領域の幅のうち、最大の幅を示すもの（もしくは光軸を含む第１断面で切ったときに得られる幅）とする。ここで、Ｗ１の境界に関しては、光源像形成領域内の最大の輝度を持つ点の輝度に対して１／２（１／１０としても構わない）の輝度を持つ位置のうち最も端部に位置する２つの位置を結ぶ距離とすることが望ましい（勿論光源像が形成される領域の最も端部に位置する２つの位置を結ぶ距離としても構わないし、また、最も一端側に位置する帯状の光源像の輝度中心と最も他端側に位置する帯状の光源像の輝度中心とを結ぶ距離であっても良い）。これは後述するＷ２に関しても同様とする。

これらのシリンドリカルレンズアレイ３、４は、第１断面においてのみ屈折力を有しているため、第１断面と垂直な第２断面においては、光束に実質的に影響を与えることはない。一方、アフォーカル光学系（光束圧縮手段、ここでは平行光を光束径を狭めつつ平行光として出射させる光学系であることが望ましい）５、第３のシリンドリカルレンズアレイ６、第４のシリンドリカルレンズアレイ７、およびシリンドリカルレンズ９は第１断面において屈折力を有していない。したがって、第２のシリンドリカルレンズアレイ４を射出した分割光束は、第１断面においては、第２断面にしか屈折力（光学的パワー）を持たない上述の光学素子の影響をうけず、コンデンサーレンズ８によって集光され、色分解光学系１０を経て、反射型液晶パネル１１を重畳的に照明する。ここで、色分解光学系１０は、照明光学系の光軸に対して傾けて（照明光学系の光軸と偏光ビームスプリッタ−の光軸とが４５度、４２〜４８度の範囲内をなすように傾けて）配置された偏光ビームスプリッタ−を有するように構成されている。勿論、その他にダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムを有する構成としても構わない。尚、ここで言う偏光ビームスプリッターとは、可視光領域内の少なくとも１部の波長領域内（好ましくは少なくとも１０ｎｍ以上の波長領域内）の光に対して、偏光分離特性（所定の角度で入射する光に対して、一方の偏光方向の光を８０％以上反射し、それと垂直な他方の偏光方向の光を８０％以上透過するような特性）を有する光学素子のことであり、必ずしも可視光領域全域の光に対して偏光分離特性を有する光学素子である必要は無い。

一方、第２断面における光束の挙動（変化）について説明する。第２断面においては、リフレクタ２から略平行光として射出された光束は、第１、２シリンドリカルレンズアレイ３、４の影響を受けずアフォーカル光学系５に到達する。アフォーカル光学系５は、入射した平行光束を圧縮し、第２断面における光束径を縮小した状態で再び平行光束として射出する。図１（Ｂ）にはアフォーカル光学系５を凸レンズと凹レンズの組み合わせとして描いているが、アフォーカル系を構成してさえいれば、凸レンズと凸レンズの組み合わせでもよいし、勿論２枚構成に限られるものでもない。また、アフォーカル系はレンズによる組み合わせでなくとも実現可能なのは容易に想起できる。例えば、リフレクタ２が第一断面では放物面リフレクタ（光源からの光束を略平行光として出射する）、第二断面では楕円リフレクタ（光源からの光束を収斂光束として出射する）の形状を有する所謂自由曲面リフレクタの場合、楕円リフレクタと凹レンズ（凸レンズ）の組み合わせによってもアフォーカル系を構成することは可能である。また、リフレクタ２が通常の楕円リフレクタの形状であっても、そこから出射する収斂光を平行光に変換する位置を、第１断面と第２断面とで互いに異なる位置にすることにより、第１断面における光束径と第２断面における光束径とを互いに異ならしめることができる。

アフォーカル光学系５を出射して圧縮された平行光束は、第３のシリンドリカルレンズアレイ６によって分割され、第４のシリンドリカルレンズアレイ７の近傍に各分割光束が集光され、光源像が形成される。本実施例における、第２断面方向に屈折力を有する第３シリンドリカルレンズにより形成される光源像を図３（Ｂ）に示す。この図３（Ｂ）は照明光学系の光軸に対して垂直な面における光源像について図示しており、この図３（Ｂ）内での第２断面の一例は図３（Ｂ）内に示した第２断面（一例）のように直線で表すことができる。このとき、この断面内方向での幅をＷ２とする。

この図３（Ｂ）と図３（Ａ）とを比較すれば分かるように、第１断面での光源像幅Ｗ１にくらべ第２断面の光源像幅Ｗ２は狭いことが分かる。このＷ１とＷ２の大小関係（比）がそのまま偏光ビームスプリッタでの角度分布の大小関係（比）となるため、Ｗ１＞Ｗ２と言う関係、好ましくはＷ２／Ｗ１が０．８より小さく０．１より大きい、より好ましくは０．６より小さい、さらには０．３より大きいような構成とすることが望ましい。ここで、この条件式において、上限値を上回ると、コントラストを高めるなどの効果が十分に得られず、光源の輝度ムラがあまり改善されないまま液晶パネル等の被照明面上にも現れてしまう。また逆に下限値を下回ると、第３シリンドリカルレンズ６の任意のレンズセルで分割集光される光束が第４シリンドリカルレンズアレイ７において、対応するレンズセルに入射せず異なるレンズセルに入射する割合が増えてしまう。対応セルに入射しなかった一部の光束は被照明面で有効な領域から外れた位置に到達するため有効光束とならない。つまり、光の利用効率が低下してしまう。前述の下限値を下回ってしまった場合、被照明面に到達しない光の割合が急激に増えてしまい、プロジェクターとしての明るさが大幅に減少してしまうため好ましくない。ここで、Ｗ１とＷ２は、それぞれ第２シリンドリカルレンズに入射する入射光束の第１断面における光束径、第４シリンドリカルレンズに入射する入射光束の第２断面における光束径としても構わない。

第４のシリンドリカルレンズアレイ７から射出した分割光束はコンデンサーレンズ８、シリンドリカルレンズ９によって集光され、偏光ビームスプリッター等を有する色分解光学系１０を経て、重畳的に反射型液晶パネル１１を照明する。コンデンサーレンズ８は球面レンズであり、第１断面と第２断面の両方に同じ屈折力を有する（勿論、このコンデンサーレンズ８は、第１断面にのみ屈折力を有するレンズと、第２断面にのみ屈折力を有するレンズと言う２つのレンズと置き換えても構わない）。

図１では第１断面に比べ、シリンドリカルレンズアレイの位置がパネル側に近い第２断面の方が、分割光束を集光する屈折力が強い必要があり、したがってシリンドリカルレンズ１０によって第２断面の集光レンズとしての屈折力を追加している。もちろん実際にはそれぞれの断面に個々のシリンドリカルレンズを用いても良いし、第１断面と第２断面で異なる屈折力を有するトロイダルレンズを用いても同等の効果がある。また、第４のシリンドリカルレンズアレイ８の裏面には負の屈折力が与えられているが、これは第３、４シリンドリカルレンズアレイ７、８が同じピッチのレンズアレイである場合に必要なものであり、同様の機能はシリンドリカルレンズアレイの各シリンドリカルレンズに偏心を与えることでも実現できるし、またシリンドリカルレンズアレイのピッチを第３シリンドリカルレンズアレイ７と第４シリンドリカルレンズアレイ８とで互いに異ならせることによっても可能である。

この実施例においては、第１断面においてはリフレクタから出射した光束の光束径は圧縮せず、第２断面においてはリフレクタから出射した光束の光束径を圧縮することにより、第１断面における光源像形成領域の幅と第２断面における光源像形成領域の幅とを異ならせていたが、これはこの限りではない。例えば、第１断面においても第２断面においても光束径を圧縮しても構わないし、一方において光束径を圧縮し他方において光束径を拡大しても構わないし、勿論両者における光束径を共に拡大しても構わないし、またリフレクタの形状（リフレクタから出射する光束の第１断面での光束径と第２断面での光束径とが互いに異なるような形状）次第では、第１、２断面両者において光束の圧縮、拡大作用を持つ光学系を用いなくても構わない。光源像形成領域の幅が第１断面と第２断面とで互いに異なり、尚且つ角度分布に敏感な断面（照明光学系中に配置された偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線と照明光学系の光軸の両者に対して平行な断面、ここでは第２断面）における光源像形成領域の幅Ｗ２が、その断面と垂直で角度分布に鈍感な断面（照明光学系の光軸に対して平行）における光源像形成領域の幅Ｗ１とが、前述のような条件を満たすような構成であれば、他のどのような構成を用いても構わない。

以上の構成により、図１に示すごとく、第１断面に対して第２断面の反射型液晶パネル（被照明面）１１に入射する（照明光学系のうちパワーを有する最後の光学素子を通過した後の）照明光束の角度分布を狭めている。反射型液晶パネル１１の前に置かれている色分解光学系１０内に配置された偏光ビームスプリッターは、第２断面内において、一部の光束の光路を折り曲げている。一般的な誘電体多層膜の偏光ビームスプリッターは、ブリュースター角におけるｐ偏光とｓ偏光の反射率の違いを利用して偏光分離を行うため、ブリュースター角から外れた光線ほど偏光分離が不十分になる。そのため広い角度分布を持った照明光学系を用いた場合には、透過すべき偏光光を反射したり、反射すべき偏光光を透過したりしてしまうため、所望の偏光光とは異なる偏光状態の光（漏れ光）が液晶パネル等に入射してしまい、画像のコントラストを落とすこととなる。しかしながら、本実施例による照明光学系では、角度分布に対して敏感な断面における角度分布を、角度分布に対して鈍感な断面における角度分布よりも小さくする構成としたため、角度分布に敏感な断面における漏れ光の発生量を抑えることができ、高いコントラストの画像を得ることができる。

また、前述のＷ１、Ｗ２に関しては以下のように置き換えて上述の条件式を満たすように構成しても構わない。第１断面内において、光源からの光束を複数の部分光束に分割し、それぞれの部分光束を集光する第１シリンドリカルレンズアレイ（第１前側光学素子アレイ）３と、前述の複数の部分光束の集光位置近傍に配置され、複数の部分光束各々に対応する複数の光学素子を反射型液晶パネル等の被照明面に導く第２シリンドリカルレンズアレイ４（第１後側光学素子アレイ）と、第２断面内において、光源からの光束を複数の部分光束に分割し、それぞれの部分光束を集光する第３シリンドリカルレンズアレイ（第２前側光学素子アレイ）６と、前述の複数の部分光束の集光位置近傍に配置され、複数の部分光束各々に対応する複数の光学素子を反射型液晶パネル等の被照明面に導く第４シリンドリカルレンズアレイ７（第１後側光学素子アレイ）と、を持っている照明光学系において、第２シリンドリカルレンズアレイ（第１後側光学素子アレイ）４の第１断面内の幅（第２シリンドリカルレンズが有する複数のシリンドリカルレンズの一端から他端までの距離、もしくはその複数のシリンドリカルレンズのうち最も一端側に配置されたシリンドリカルレンズの頂点位置、頂点面から、最も他端側に配置されたシリンドリカルレンズの頂点位置、頂点面までの距離）をＷ１、第４シリンドリカルレンズアレイ（第２後側光学素子アレイ）７の第２断面内の幅（第４シリンドリカルレンズが有する複数のシリンドリカルレンズの一端から他端までの距離、もしくはその複数のシリンドリカルレンズのうち最も一端側に配置されたシリンドリカルレンズの頂点位置、頂点面から、最も他端側に配置されたシリンドリカルレンズの頂点位置、頂点面までの距離）をＷ２として、前述のような条件式を設定しても構わない。

また、第１、２シリンドリカルレンズアレイの第１断面内において配列されたシリンドリカルレンズの数は、第３、４シリンドリカルレンズアレイの第２断面内において配列されたシリンドリカルレンズの数の１．３倍以上（好ましくは１．６倍以上）３倍以下（好ましくは２．５倍以下）であることが望ましい。

また第２断面においては、パネル入射前の光束径が細い構成となっているため（角度分布が小さい、各光束の拡がり角が小さい）、偏光ビームスプリッター自体を小さくすることができ、照明光学系全体の小型化に寄与している。

本実施例においては第２断面において屈折力を有するアフォーカル系５、第３、４シリンドリカルレンズアレイ６、７、コンデンサーレンズ８、シリンドリカルレンズ９を第２シリンドリカルレンズアレイ４の後ろ側（液晶パネル側）に配置しているが、この限りではない。つまり、第２シリンドリカルレンズアレイ４（第１シリンドリカルレンズアレイ３）より前側（光源側）に、アフォーカル系５や、第３、４シリンドリカルレンズアレイ６、７やシリンドリカルレンズ９等を配置しても構わない（一部でも全部でも可）。つまり、第１断面と第２断面が屈折力として独立していれば、物理的に干渉するなどの問題がなければどのように配置してもよい。

また、プロジェクターでは、光の利用効率を上げるために偏光変換素子（偏光ビームスプリッターアレイ）をレンズアレイの近傍に配置する場合がある。本実施例には、図示されていないが、第２シリンドリカルレンズアレイ４の後ろ側、または第４シリンドリカルレンズアレイ７の後ろ側に置くことが望ましい。特に７の後に置いた場合は、従来に比べ素子を小型化することができ、装置の小型化や簡略化、さらに装置全体のコストを抑えることができるというメリットがある。

このような本願実施例によれば、角度分布の異なる二つの断面を有した照明光学系を実現することができ、角度特性が敏感な光学素子を用いた光学系においても、性能の劣化を抑えることができる。特にプロジェクターにおいては高いコントラストの映像を実現することができる。

（参考例）
本発明の参考例として図４に示す。この例は第一断面と第二断面においてレンズアレイを共通化した例である。本例のレンズアレイ１３、１４は球面レンズの２次元配列となっており所謂フライアイレンズとなっている。

第２断面において、レンズアレイ１３、１４の光源側には凸凹シリンドリカルレンズの組み合わせによるアフォーカル系で光束圧縮が行われている。これに伴い本例のレンズアレイ１３、１４は第一断面と第二断面で辺の長さ（入射する光束の第１断面方向の幅と第２断面方向の幅）が異なっており、第１断面内の幅（第１断面方向の辺の長さ）が第２断面内の幅（第２断面方向の辺の長さ）よりも大きくなっている。レンズアレイ１３によって分割集光された光束は、レンズアレイ１４近傍に光源像群を形成する。その光源像群のイメージ（光軸と垂直な平面におけるイメージ）を図７に示す。勿論光源像の数はこの図７の記載に限定されるものではなく、２次元的に複数の光源像が形成されていれば足りる。ここで、この複数の光源像が形成される光源像形成領域に関しても、実施例１において記載したＷ１とＷ２との関係が成り立つ。ここで、光源像形成領域の第１断面内における幅Ｗ１とは、複数の光源像が形成されている光源像形成領域を第１断面に平行な複数の断面で切った時（第１断面に平行な複数の断面における）の光源像形成領域の幅（複数の光源像のうち最も一端側の光源像の最も一端側の部分から最も他端側の光源像の最も他端側の部分までの距離、もしくは最も一端側の光源像の輝度重心から最も他端側の光源像の輝度重心までの距離、もしくは半値幅、すなわち最も一端側の光源像の最大輝度に対して半分の輝度を示す位置と最も他端側の光源像の最大輝度に対して半分の輝度を示す位置との距離のうちの最大値とするのが望ましい）のうち、最大のものを意味し、第２断面内における幅Ｗ２も同様の距離を意味するものとする。このように本参考例においてもＷ１とＷ２は互いに異なっており（非対称）、実施例１と同等の効果が得られる。この参考例の実施例１と異なる点はフライアイレンズを用いることによって、第１実施例における第１断面に屈折力を有する第１（第２）シリンドリカルレンズアレイと第２断面に屈折力を有する第３（第４）シリンドリカルレンズアレイとの光学部材の共通化を行っている点である。これによって部品点数を減少させることできるため、照明光学系の構成が簡略化されると共に、歩留まりの向上やコストの低下と言った効果が得られる。

ただし、レンズアレイ１３のレンズセルと被照明面が共役な結像関係になるためにレンズセルの形状は液晶パネルのアスペクト比に準じる必要がある。そのため、第２断面で光束圧縮を行う場合、レンズセル自体の形状を細めることはできず、第２断面におけるレンズセルの数を減少させる必要がある。レンズセルの数が減ると被照明面のムラの改善効果が弱まってしまう可能性があるため、光束圧縮にも限度があり、実施例１に比べると設計の自由度は少なくなる。従って、実施例１に記載した、Ｗ１、Ｗ２の条件式を満たすように構成することが望ましい。また、ここでレンズアレイ１３、１４は、第２断面内において屈折力を有するレンズセルを第２断面方向に少なくとも３つ以上配置するように構成することが望ましく、また、第１断面内において屈折力を有するレンズセルを第２断面方向に配置されたレンズセルの数の１．３倍以上（好ましくは１．６倍以上）３倍以下（好ましくは２．５倍以下）であることが望ましい。

本例の変形版として光束圧縮をレンズアレイ１３、１４の間で行う可能性もある。具体的には一方の面（光源側の面）にフライアイレンズ面、他方の面（被照明面側の面）に凸レンズ面を備えた第１光学素子２３と、一方の面（光源側の面）に凹レンズ面と、他方の面（被照明面側の面）に備えた第２光学素子２４とを有する構成を図６に示す。このように構成すれば、さらに部品点数を減じることができ、より低コストなプロジェクターを提供することできる。このとき、第１光学素子、第２光学素子に関しては、面の順番を逆にしても構わない。さらに、このときのアフォーカルの構成も、凸レンズ面と凹レンズ面との組合わせに限られず、凸レンズ面と凸レンズ面や、楕円形状の反射面と凹レンズ面等の組合わせとしても構わない。

（実施例２）
図５は、上述の実施例１、及び参考例の照明光学系１００を用いて構成した画像表示装置（プロジェクター）を示した図である。

図５において、４１は連続スペクトルで白色光を発光する発光管、４２は発光管４１からの光を所定の方向に集光するリフレクタであり、発光管４１とリフレクタ４２によりランプ４０を形成する。このランプ４０からの光を前述の実施例１、及び参考例に記載の照明光学系１００を用いて液晶表示素子（反射型液晶パネル等）に導いている。詳細には以下に述べる。

図５中の５８は青（Ｂ）と赤（Ｒ）の波長領域の光を反射し、緑（Ｇ）の波長領域の光を透過するダイクロイックミラーであり、５９は透明基板に偏光素子を貼着したＧ用の入射側偏光板であり、Ｓ偏光光のみを透過する。６０はＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第１の偏光ビームスプリッターであり、偏光分離面を有する。

６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂはそれぞれ入射した光を反射するとともに画像変調する赤用の反射型液晶表示素子、緑用の反射型液晶表示素子、青用の反射型液晶表示素子である。６２Ｒ，６２Ｇ，６２Ｂはそれぞれ、赤用の１／４波長板、緑用の１／４波長板、青用の１／４波長板である。６４は透明基板に偏光素子を貼着したＲＢ用の入射側偏光板であり、Ｓ偏光のみを透過する。６５はＢの光の偏光方向を９０度変換し、Ｒの光の偏光方向は変換しない第１の色選択性位相差板である。６６はＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第２の偏光ビームスプリッターであり、偏光分離面を有する。６７はＲの光の偏光方向を９０度変換し、Ｂの光の偏光方向は変換しない第２の色選択性位相差板である。

６８はＲＢ用の出射側偏光板（偏光素子）であり、Ｓ偏光のみを透過する。６９はＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第３の偏光ビームスプリッター（色合成手段）であり、偏光分離面を有する。

以上のダイクロイックミラー５８から第３の偏光ビームスプリッター６９により、色分解合成光学系２００が構成される。

７０は投射レンズ光学系であり、上記照明光学系，色分解合成光学系および投射レンズ光学系により画像表示光学系が構成される。

次に、照明光学系を通過した後の光学的な作用を説明する。まず、Ｇの光路について説明する。

ダイクロイックミラー５８を透過したＧの光は入射側偏光板５９に入射する。尚、Ｇの光はダイクロイックミラー５８によって分解された後もＳ偏光となっている。そしてＧの光は、入射側偏光板５９から出射した後、第１の偏光ビームスプリッター６０に対してＳ偏光として入射して偏光分離面で反射され、Ｇ用の反射型液晶表示素子６１Ｇへと至る。Ｇ用の反射型液晶表示素子６１Ｇにおいては、Ｇの光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧの反射光のうちＳ偏光成分は、再び第１の偏光ビームスプリッター６０の偏光分離面で反射し、光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＧの反射光のうちＰ偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッター６０の偏光分離面を透過し、投射光として第３の偏光ビームスプリッター６９に向かう。このとき、すべての偏光成分をＳ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１の偏光ビームスプリッター６０とＧ用の反射型液晶表示素子６１Ｇとの間に設けられた１／４波長板６２Ｇの遅相軸を所定の方向に調整することにより、第１の偏光ビームスプリッター６０とＧ用の反射型液晶表示素子６１Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えることができる。第１の偏光ビームスプリッター６０から出射したＧの光は、第３の偏光ビームスプリッター６９に対してＰ偏光として入射し、第３の偏光ビームスプリッター６９の偏光分離面を透過して投射レンズ７０へと至る。

一方、ダイクロイックミラー５８を反射したＲとＢの光は、入射側偏光板６４に入射する。尚、ＲとＢの光はダイクロイックミラー５８によって分解された後もＳ偏光となっている。そしてＲとＢの光は、入射側偏光板６４から出射した後、第１の色選択性位相差板６５に入射する。第１の色選択性位相差板６５は、Ｂの光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＢの光はＰ偏光として、Ｒの光はＳ偏光として第２の偏光ビームスプリッター６６に入射する。Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッター６６に入射したＲの光は、第２の偏光ビームスプリッター６６の偏光分離面で反射され、Ｒ用の反射型液晶表示素子６１Ｒへと至る。また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッター６６に入射したＢの光は、第２の偏光ビームスプリッター６６の偏光分離面を透過してＢ用の反射型液晶表示素子６１Ｂへと至る。

Ｒ用の反射型液晶表示素子６１Ｒに入射したＲの光は画像変調されて反射される。画像変調されたＲの反射光のうちＳ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッター６６の偏光分離面で反射されて光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＲの反射光のうちＰ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター６６の偏光分離面を透過して投射光として第２の色選択性位相板６７に向かう。

また、Ｂ用の反射型液晶表示素子６１Ｂに入射したＢの光は画像変調されて反射される。画像変調されたＢの反射光のうちＰ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッター６６の偏光分離面を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＢの反射光のうちＳ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター６６の偏光分離面で反射して投射光として第２の色選択性位相板６７に向かう。

このとき、第２の偏光ビームスプリッター６６とＲ用，Ｂ用の反射型液晶表示素子６１Ｒ，６１Ｂの間に設けられた１／４波長板６２Ｒ，６２Ｂの遅相軸を調整することにより、Ｇの場合と同じようにＲ，Ｂそれぞれの黒の表示の調整を行うことができる。

こうして１つの光束に合成され、第２の偏光ビームスプリッター６６から出射したＲとＢの投射光のうちＲの光は、第２の色選択性位相板６７によって偏光方向が９０度回転されてＳ偏光成分となり、さらに出射側偏光板６８で検光されて第３の偏光ビームスプリッター６９に入射する。また、Ｂの光はＳ偏光のまま第２の色選択性位相板６７をそのまま透過し、さらに出射側偏光板６８で検光されて第３の偏光ビームスプリッター６９に入射する。尚、出射側偏光板６８で検光されることにより、ＲとＢの投射光は第２の偏光ビームスプリッター６６とＲ用，Ｂ用の反射型液晶表示素子６１Ｒ，６１Ｂ、１／４波長板６２Ｒ、６２Ｂを通ることによって生じた無効な成分をカットされた光となる。

そして、第３の偏光ビームスプリッター６９に入射したＲとＢの投射光は第３の偏光ビームスプリッター６９の偏光分離面を反射し、前述した該偏光分離面にて反射したＧの光と合成されて投射レンズ７０に至る。

そして、合成されたＲ，Ｇ，Ｂの投射光は、投射レンズ７０によってスクリーンなどの被投射面に拡大投影される。

以上説明した光路は反射型液晶表示素子が白表示の場合である為、以下に反射型液晶表示素子が黒表示の場合での光路を説明する。

まず、Ｇの光路について説明する。

ダイクロイックミラー５８を透過したＧの光のＳ偏光光は入射側偏光板５９に入射し、その後、第１の偏光ビームスプリッター６０に入射して偏光分離面で反射され、Ｇ用の反射型液晶表示素子６１Ｇへと至る。しかし、反射型液晶表示素子６１Ｇが黒表示の為、Ｇの光は画像変調されないまま反射される。従って、反射型液晶表示素子６１Ｇで反射された後もＧの光はＳ偏光光のままである為、再び第１の偏光ビームスプリッター６０の偏光分離面で反射し、入射側偏光板５９を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。

次に、ＲとＢの光路について説明する。

ダイクロイックミラー５８を反射したＲとＢの光のＳ偏光光は、入射側偏光板６４に入射する。そしてＲとＢの光は、入射側偏光板６４から出射した後、第１の色選択性位相差板６５に入射する。第１の色選択性位相差板６５は、Ｂの光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＢの光はＰ偏光として、Ｒの光はＳ偏光として第２の偏光ビームスプリッター６６に入射する。Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッター６６に入射したＲの光は、第２の偏光ビームスプリッター６６の偏光分離面で反射され、Ｒ用の反射型液晶表示素子６１Ｒへと至る。また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッター６６に入射したＢの光は、第２の偏光ビームスプリッター６６の偏光分離面を透過してＢ用の反射型液晶表示素子６１Ｂへと至る。ここでＲ用の反射型液晶表示素子６１Ｒは黒表示の為、Ｒ用の反射型液晶表示素子６１Ｒに入射したＲの光は画像変調されないまま反射される。従って、Ｒ用の反射型液晶表示素子６１Ｒで反射された後もＲの光はＳ偏光光のままである為、再び第１の偏光ビームスプリッター６０の偏光分離面で反射し、入射側偏光板６４を通過して光源側に戻され、投射光から除去される為、黒表示となる。一方、Ｂ用の反射型液晶表示素子６１Ｂに入射したＢの光はＢ用の反射型液晶表示素子６１Ｂが黒表示の為、画像変調されないまま反射される。従って、Ｂ用の反射型液晶表示素子６１Ｂで反射された後もＢの光はＰ偏光光のままである為、再び第１の偏光ビームスプリッター６０の偏光分離面を透過し、第１の色選択性位相差板６５により、Ｓ偏光に変換され、入射側偏光板６４を透過して光源側に戻されて投射光から除去される。

以上が、反射型液晶表示素子（反射型液晶パネル）を使用した投射型画像表示装置での光学構成である。

この実施例２においては、色分解合成系２００において、波長選択性位相差板等を用いたが、この色分解合成系２００内に配置された偏光ビームスプリッターが、可視領域内の特定の波長領域に対して偏光ビームスプリッターとして機能し、他の波長領域に対しては偏光方向に関わらず透過或いは反射するような特性を有する偏光分離膜を有する構成とすれば、波長選択性位相差板は不要となることも考えられる。また、色分解合成系２００と投射レンズ７０との間に１／４位相差板を配置して、投射レンズ７０内のレンズ面で反射されて戻って来た光が再反射されて再びスクリーン方向（被投射面の方向）に戻るのを防ぐように構成しても構わない。

また、この実施例２においては、液晶表示素子が３枚ある実施例を示したが、この数は３枚に限らず、２枚でも４枚でも構わないし、勿論１枚でも構わない。

本発明の第１の実施例に係る照明光学系を示す図である。 本発明の第１の実施例に係るシリンドリカルレンズアレイを示す図である。 本発明の第１の実施例に係る光源像形成領域を示す図である。 本発明の参考例に係る照明光学系を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る画像表示装置（プロジェクタ）を示す図である。 本発明の参考例の変形例の照明光学系を示す図である。 本発明の参考例に係る光源像のイメージ図である。 従来のプロジェクタの構成を示す図である。

１ 光源
２ リフレクタ
３ 第１シリンドリカルレンズアレイ
４ 第２シリンドリカルレンズアレイ
５ アフォーカル光学系
６ 第３シリンドリカルレンズアレイ
７ 第４シリンドリカルレンズアレイ
８ コンデンサーレンズ
９ シリンドリカルレンズ
１０ 色分解光学系
１１ 液晶パネル

Claims (12)

1. 光源側から順に、
   光軸と平行な第１平面において、光源からの光束を分割する第１前側光学素子アレイと、
   前記第１前側光学素子アレイからの光束を受ける第１後側光学素子アレイと、
   前記光軸と平行でかつ前記第１平面と垂直な第２平面において、前記光源からの光束を分割する第２前側光学素子アレイと、
   前記第２前側光学素子アレイからの光束を受ける第２後側光学素子アレイを有し、
   第１後側光学素子アレイと第２前側光学素子アレイとの間、あるいは第２後側光学素子アレイと被照明面側との間に配置された偏光変換素子を有し、
   前記第１前側光学素子アレイは、分割した光束により第１光源像領域内に複数の第１光源像を形成し、
   前記第２前側光学素子アレイは、分割した光束により第２光源像領域内に複数の第２光源像を形成し、
   前記複数の第２光源像からの光束を前記被照明面に導く照明光学系であって、
   前記第１平面内における前記第１光源像領域の幅が、前記第２平面内における前記第２光源像領域の幅よりも広いことを特徴とする照明光学系。
2. 前記第１平面内における前記第１光源像領域の幅Ｗ１と前記第２平面内における前記第２光源像領域の幅Ｗ２が
   Ｗ２／Ｗ１＜０．８
   という条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記光源と前記第２後側光学素子アレイとの間に配置され、
   前記第２平面内における前記光源からの光束の光束幅を圧縮する圧縮手段
   を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
4. 前記第１前側光学素子アレイ、前記第１後側光学素子アレイ、前記第２前側光学素子アレイ、前記第２後側光学素子アレイを構成する光学素子が、シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の照明光学系。
5. 前記照明光学系は、該照明光学系の光軸に対して傾けて配置された偏光分離面を有しており、
   前記偏光分離面の法線と前記第２平面とが実質的に平行であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の照明光学系。
6. 前記第１前側光学素子アレイ、及び前記第１後側光学素子アレイのシリンドリカルレンズは、前記第１平面内において屈折力を有し、
   前記第２前側光学素子アレイ、及び前記第２後側光学素子アレイのシリンドリカルレンズは、前記第２平面内において屈折力を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の照明光学系。
7. 前記第１後側光学素子アレイに入射する入射光束の前記第１平面方向の光束径が、前記第２後側光学素子アレイに入射する入射光束の前記第２平面方向の光束径よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項に記載の照明光学系。
8. 前記第１前側光学素子アレイを構成し、前記第１平面内に配列された複数のレンズの数が、前記第２前側光学素子アレイを構成し、前記第２平面内に配列された複数のレンズの数よりも多いことを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載の照明光学系。
9. 前記第２後側光学素子アレイから出射した複数の部分光束を被照明面上に重畳する重畳光学素子と、
   前記第１平面内における屈折力配置と、前記光軸を含んで前記第１平面と垂直な第２平面内における屈折力配置とが互いに異なっており、前記光源からの光束の前記第１平面内における幅を圧縮する圧縮手段を有することを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項に記載の照明光学系。
10. 前記被照明面を照明する光束の前記第１平面内における角度分布が、前記被照明面を照明する光束の前記第２平面内における角度分布と異なることを特徴とした請求項１乃至９いずれか１項に記載の照明光学系。
11. 前記被照明面に入射する光束の、前記第１平面内における拡がり角が、前記被照明面に入射する光束の、前記第２平面内における拡がり角よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至１０いずれか１項に記載の照明光学系。
12. 少なくとも１つの液晶表示素子と、
    前記光源からの光で前記少なくとも１つの液晶表示素子を照明する、請求項１乃至１１いずれかに１項に記載の照明光学系を有することを特徴とする画像表示装置。

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