JP5213360B2 - 照明光学系及び画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射型画像形成素子を用いた画像投射装置の光学系に関する。

反射型液晶パネル等の反射型画像形成素子を用いた画像投射装置において、投射画像のコントラストを向上させるために、光学系における直交する２断面間で、画像形成素子を照明する光束の収束角度を異ならせる技術が、特許文献１にて開示されている。

この技術では、照明光を反射型画像形成素子に導き、反射型画像表示素子からの投射光の偏光状態を検光するために用いられる偏光ビームスプリッタの偏光分離膜において、照明光又は投射光を９０度曲げる方向（特定方向）の光束の収束角度を小さくする。これにより、偏光分離膜の特性の角度変動を小さく抑え、偏光分離膜でのいわゆる漏れ光量を少なくすることで、投射画像のコントラストを向上させる。

但し、上記特定方向の照明光又は投射光の収束角度を小さくし過ぎると、投射光量が減少し、投射画像が暗くなる。特許文献１にて開示された技術では、照明光束を、互いに直交する２方向の開口幅が異なる開口絞りを用いて制限している。しかし、この方法では、光束の収束角度を小さくするために絞り開口の幅を狭くしなければならず、光量の低下が著しい。

また、特許文献２では、シリンドリカルレンズなどのレンズ作用によって光束の収束角度を小さくする方法が示唆されている。このような光学系は、特許文献３などにも開示されている。

具体的には、照明光学系のうち特定方向にのみ正の光学パワー（φ＋）を有するレンズと、負の光学パワー（φ−）を有するレンズを設けてアフォーカル系を構成する。このようなアフォーカル系を構成することにより、光束を｜φ−／φ＋｜に圧縮することができ、この圧縮された光束をレンズで集光することによって、照明光束の収束角度を特定方向においてのみ小さくすることができる。
特開２０００−２０６４６３号公報（段落００１２〜００２４等） 特開２００１−８３６０４号公報（段落００３６等） 特開２０００−１３７２９０公報（段落００２４等）

上記特許文献３にて開示された光学系では、光束を圧縮するので光量の損失がないようにも考えられる。しかし、実際の照明光束は平行光束だけでなく様々な角度の光線を含むので、上記｜φ−／φ＋｜の比に反比例して照明光束の角度成分が増大する。そして、照明光束の角度の増大は、画像形成素子を重畳的に照明するための複数の光束を生成するためのレンズアレイや、光源からの無偏光光を所定の直線偏光に変換する偏光変換素子での効率低下を引き起こす。したがって、実際には光量の低下が発生する。

本発明は、光量の低下を抑えながらもコントラストを向上させることができる画像投射用光学系及びこれを有する画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての照明光学系は、光源からの光束を反射型画像形成素子に向けて収束させる集光光学系と、該集光光学系からの第１偏光方向を持つ入射光束を透過して反射型画像形成素子に導き、該反射型画像形成素子からの射出光束のうち、第１偏光方向と直交する第２偏光方向を持つ光を投射光学系に導く偏光分離面とを有する。偏光分離面の法線と反射型画像形成素子の入射出面の法線とに平行な第１断面において、集光光学系は、上記射出光束の重心を通る光線の偏光分離面への入射角度が、上記入射光束の重心を通る光線の偏光分離面への入射角度よりも大きくなるように、一部が他の部分に対して偏心した構成及び該入射出面の法線に対して傾いた構成のうち一方を有し、集光光学系は、光源からの光束を複数の光束に分割するレンズアレイと、レンズアレイからの無偏光光を特定の偏光方向を有する直線偏光光に変換する偏光変換素子と、偏光変換素子からの複数の光束を反射型画像形成素子上で重ね合わせるコンデンサレンズと、光源とコンデンサレンズとの間に、第１断面と第１断面と直交し反射型画像形成素子の入射出面の法線と平行な第２断面とで光学パワーが異なり、第１断面における光束径が、第２断面における光束径よりも狭い光束を出射させる複数の光学素子を有することを特徴とする。

なお、上記画像投射用光学系を有する画像投射装置、さらに該画像投射装置とこれに画像情報を供給する画像供給装置とを有する画像表示システムも本発明の他の側面を構成する。

本発明によれば、反射型画像表示素子を照明する光束の角度強度分布の重心を第１断面内において偏らせることにより、光量の低下を抑えながらも偏光分離面での漏れ光量を減少させることができる。したがって、明るくコントラストの高い画像を投射することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

図１および図２には、本発明の実施例１である画像投射用光学系の構成を示している。本実施例では、コンデンサレンズ６の光軸をＯｃとする。この光軸Ｏｃは、コンデンサレンズ６の中心と反射型液晶パネル８の入射出面（以下、パネル面という）の中心を通る軸（光軸）でもある。また、光源ランプＬＰからの光束がコンデンサレンズ６および偏光ビームスプリッタ７を介して液晶パネル８に向かって進む上記光軸Ｏｃに沿った方向を、光の進行方向（Ｚ軸方向）ともいう。

図１は、コンデンサレンズ６の光軸Ｏｃを含み、かつ互いに直交する２つの面である第１断面であるｘｚ面と第２断面であるｙｚ面のうち、液晶パネル８の短辺が延びる方向に平行な断面であるｘｚ面での光学構成を示す。なお、第１断面としてのｘｚ面は、偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａの法線と液晶パネル８のパネル面（入射出面）８ａの法線とに平行な断面でもある。

また、図２には、液晶パネル８の長辺が延びる方向に平行な第２断面としてのｙｚ断面での光学構成を示す。これらｘｚ断面およびｙｚ断面の意味は、後述する以下の実施例でも同じである。

高圧水銀放電管等からなる発光管１から放射された白色の照明光束は、リフレクタ２で集光されて第１のレンズアレイ３に入射する。発光管１とリフレクタ２とにより光源ランプＬＰが構成される。第１のレンズアレイ３に入射した光束は、該第１のレンズアレイ３を形成する複数のレンズセルによって複数の光束に分割される。各分割光束は、第２のレンズアレイ４の入射面の位置又はその近傍に向けて集光され、ここに２次光源像を形成する。第２のレンズアレイ４を射出した複数の分割光束は、偏光変換素子５に入射する。

偏光変換素子５は、図２に示すように、複数の偏光分離膜５ａと複数の反射膜５ｂと複数の１／２位相差板５ｃとにより構成されている。偏光変換素子５に入射した無偏光光のうちＰ偏光（第１偏光方向を持つ光）は、偏光分離膜５ａを透過してそのまま偏光変換素子５から射出する。一方、Ｓ偏光（第２偏光方向を持つ光）は、偏光分離膜５ａで反射され、さらに反射膜５ｂで反射された後、１／２位相差板５ｃによってその偏光方向が９０度回転されてＰ偏光となる。そして、偏光変換素子５から射出する。これにより、偏光変換素子５に入射した無偏光光がＰ偏光（特定）の偏光方向を有する直線偏光光に変換される。

偏光変換素子５から射出した複数の分割光束は、コンデンサレンズ６によって集光され、反射型液晶パネル８上で重ね合わされる。これにより、液晶パネル８上に均一な分布の照明領域が形成される。このように光源ランプＬＰからの照明光束を液晶パネル８に導く光学系（本実施例では、第１のレンズアレイ３からコンデンサレンズ６又は偏光ビームスプリッタ７）までを集光光学系としての照明光学系という。

図１および図２には、照明光が偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面（多層膜）７ａを透過して反射型液晶パネル８に到達する構成を示している。このような構成は、照明光に含まれる偏光変換素子５で揃えられた偏光成分とは異なる偏光成分をカットするのに優れている。

反射型画像形成素子としての反射型液晶パネル８には、駆動回路８０が接続され、駆動回路８０には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置８１が接続されている。駆動回路８０は、画像供給装置８１から入力された画像（映像）情報に基づいて反射型液晶パネル８を駆動し、これに原画を形成させる。これにより、反射型液晶パネル８に入射した光は、反射されるとともに原画に応じて変調（画像変調）される。このことは、後述する他の実施例でも同じである。本実施例の画像投射光学系は、プロジェクタ（画像投射装置）に搭載される。プロジェクタと画像供給装置８１により画像表示システムが構成される。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

反射型液晶パネル８で画像変調された投射光は、偏光ビームスプリッタ７に再び入射し、その偏光分離面７ａで反射して偏光状態が検光される。

このとき、偏光ビームスプリッタ７と反射型液晶パネル８との間に設けられた１／４位相差９は、投射光の進行方向と偏光方向との幾何学的な傾きを補正している。これにより、反射型液晶パネル８が黒を表示する状態での偏光ビームスプリッタ７（偏光分離面７ａ）での漏れ光を抑制する。

偏光分離面７ａで反射して偏光ビームスプリッタ７から射出した光は、偏光板１０でさらに検光される。そして、偏光板１０を透過した光は、投射レンズ１１によって不図示のスクリーン等の被投射面に投射される。

このように構成された光学系では、光源ランプＬＰから投射レンズ１１に向かう光路が、偏光ビームスプリッタ７（偏光分離面７ａ）で折り曲げられる。この光路が折れ曲がる方向が第１の方向としてのｘ方向であり、該ｘ方向および液晶パネル８の入射出面、すなわち受光面としてのパネル面８ａの法線に直交する方向がｙ方向である。

図３には、偏光変換素子５における照明光の強度分布を示す。リフレクタ２で反射された放射された照明光は、第１のレンズアレイ３により分割され、さらに偏光変換素子５で分割される。このため、偏光変換素子５では、放射状に光源像群が分布した光強度分布が得られる。

本実施例では、図１および図２に示すように、偏光変換素子５に隣接する位置に、図４に示す開口絞り１２を設け、照明光束の一部をカットしている。これは、偏光ビームスプリッタ７で検光されたときに漏れ光となることが多い角度成分の光が反射型液晶パネル８に入射しないように制限するためである。

そして、本実施例では、図１に示すように、光源ランプＬＰ（リフレクタ２）から偏光変換素子５および開口絞り１２に至る光学系部分を、コンデンサレンズ６および偏光ビームスプリッタ７（偏光分離面７ａ）以降の光学系部分（反射型液晶パネル８を含む）に対してｘ方向に所定量Δだけシフト、すなわち偏心させている。これにより、偏光変換素子５においては、図５に示すように、照明光束の強度分布の重心Ｃをコンデンサレンズ６の光軸Ｏｃからｘ方向に所定量Δだけずらすことができる。この偏心により、開口絞り１２の開口は、コンデンサレンズ６の光軸Ｏｃに対してｘ方向に偏った形状を有することになる。

ここで、シフト、すなわち偏心のさせ方について簡単に説明する。以下に行う説明は、偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａの法線と反射型液晶パネル８の入射出面（パネル面）の法線とに平行な断面（第１断面）においての説明である。

まず、集光光学系（照明光学系）は、偏光分離面７ａを介して液晶パネル８の入出射面８ａ上の同一の入射点に向かって収束する照明光束の収束角度方向での強度分布の重心Ｃを該入射点における入出射面８ａの法線に対して偏らせる。集光光学系は、このような偏心した構成及び入射出面８ａの法線に対して傾いた構成のうち一方を採用している。

ここで、前述の強度分布の重心Ｃを通る光線の、液晶パネル８に到達する前に偏光分離面７ａに対して入射する入射角度よりも、液晶パネル８で反射された後に偏光分離面７ａに対して入射する入射角度の方が大きくなるように集光光学系を構成する。

尚、ここで言う強度分布の重心Ｃを通る光線とは、前述の同一の入射点に入射する光束のうち照明光学系（集光光学系）の瞳位置での重心を通る光線のことである。

このように構成すると、液晶パネル８で反射されて偏光分離面７ａに入射する光線の入射角度を大きくすることができ、画像光となる光束の光量を多くすることができる。言い換えれば、偏光分離面７ａでのＳ偏光の反射率を向上させることができる。

偏光変換素子５における照明光の強度分布と反射型液晶パネル８に向かって収束する光束の角度強度分布との関係について説明する。反射型液晶パネル８は、コンデンサレンズ６の焦点位置近傍に設けられているので、コンデンサレンズ６に入射する照明光束と反射型液晶パネル８に向かって集光する照明光束との関係は図６に示すようになる。図６には、ｘｚ断面を示している。

図６において、コンデンサレンズ６に、該コンデンサレンズ６の光軸Ｏｃに対して平行に入射する光束ａは、反射型液晶パネル８のパネル面８ａの中心８ｏに向かって、コンデンサレンズ６の光軸Ｏｃに対して角度θをなすように集光する。この角度θと照明光学系との関係は、平行光束の幅をＱとし、コンデンサレンズ６の焦点距離をｆｃとすると、
θ＝ｔａｎ^−１（Ｑ／２ｆｃ）
により表される。

また、コンデンサレンズ６に角度βで入射する光束ｂは、反射型液晶パネル８における中心８ｏからずれた位置８ｐに、光束ａと同じ角度θをなすように集光する。

ここで、中心８ｏから位置８ｐまでのｘ方向距離ｐは、
ｐ＝ｆｃ×ｔａｎ（β）
で表される。

このことから、偏光変換素子５上の強度分布はコンデンサレンズ６によって集光されることにより、パネル面８ａ上の任意の点（同一の入射点）に向かって集光する光束の角度強度分布に置き換えられる。ここにいう「角度強度分布」は、パネル面８ａ上の任意の点に向かって集光する光束の収束角度方向での強度分布を意味する。また、後述するその重心とは、該強度分布において最も強度が高い収束角度方向での位置を意味する。

さらに、「角度強度分布」とは、角度に関する強度分布であり、角度を横軸に、強度を縦軸にとった時の強度分布のことである。具体的には、ある点に入射する光束の、入射角度に関する強度分布のことを意味しており、後述する「重心」とは、その角度に関する強度分布の重心（を通る光線）のことである。

ここで、偏光変換素子５がコンデンサレンズ６の入射側の焦点位置近傍に設けられることで、照明光束はテレセントリックな状態となっている。このため、偏光変換素子５の近傍における光束の制限（開口絞り１２）や、光学素子（レンズアレイ３，４および偏光変換素子５）の偏心が、反射型液晶パネル８上に集光する照明光束の角度強度分布の制御に有効となる。

図６に示すコンデンサレンズ６に入射する光束の幅Ｑは、偏光変換素子５から照明光束が透過して射出する範囲と考えることができるので、図５においては、Ｑｘがｘ方向での光束幅、Ｑｙがｙ方向での光束幅である。

図５において、
Ｑｘ＜Ｑｙ
である。このため、ｘ方向での照明光束の収束角度をθｘ（＝θ１）とし、ｙ方向での照明光束の収束角度をθｙ（＝θ２）とすると、
θｘ＜θｙ
となる。しかも、ｘ方向での照明光束の収束角度はｘ方向に偏った状態となり、これにより、パネル面８ａの任意の点に向かって集光する光束の角度強度分布の重心（以下、角度強度重心という）もｘ方向に偏る。言い換えれば、該光束の角度強度重心から上記任意の点に向う方向（以下、重心方向という）が、該任意の点でのパネル面８ａの法線方向に対して傾く。

ここで、上記重心方向とパネル面８ａの法線方向のなす角（以下、重心方向の傾き角という）をαとすると、αは、
１°≦ α ≦３° …（１）
の範囲に設定するのが望ましい。この条件式の下限値よりαが小さいと、収束する光束における角度強度重心を偏らせる効果が得られにくくなる可能性が生じる。また、上限値よりもαが大きいと、偏光ビームスプリッタ７での検光性能が低下し、高コントラストが望めなくなる可能性が生じる。

さらに、前述したように、
θｘ＜θｙ …（２）
であると、偏光ビームスプリッタ７における光漏れ特性（光漏れ量）を最小な状態に合わせることができる。この場合のθｘとθｙとの比率は、
０．６ ＜ θｘ／θｙ ＜ ０．９ …（３）
であることが望ましい。該比率が下限値より小さいと、光量の損失が大きくなり、投射画像が暗くなってしまう可能性が生じる。また、該比率が上限値より大きいと、角度強度重心の偏る方向が検光における漏れ光量を多くする方向になるため、コントラストが向上せず、角度強度重心を偏らせる効果が得られにくくなってしまう可能性が生じる。

なお、これらの条件（１）〜（３）は、満足すべきことが好ましい条件であり、必ずしも満足する必要はない。また、上記（１）〜（３）の条件式は、後述する他の実施例でも満足するとよい。

図７には、偏光ビームスプリッタ７と偏光板１０とによる光（投射光）の検光性能を示す。図７中のｘ軸およびｙ軸はそれぞれ。図１のｘ方向および図２のｙ方向に対応する。

偏光ビームスプリッタ７に設けられた偏光分離膜７ａを構成する多層薄膜は、そこへの入射角度に応じて特性（角度特性：反射率特性や透過率特性）が変化する。図７は、反射型液晶パネル８に入射する角度を０度（図中のｘ軸とｙ軸との交点）としたときの偏光分離面７ａの２次元角度特性を表しており、０度に近いほど漏れ光が少なく、周辺に向かって漏れ光が増加することを表している。

発明者らの検討によると、この角度特性は中心（０度）に対して対称ではなく、ｘ方向での角度特性がｙ方向に比べて悪い。言い換えれば、角度特性は、ｘ方向において非対称である。

この場合において、本実施例では、前述したように、偏光変換素子５の近傍に開口絞り１２を設ける。さらに、リフレクタ２から偏光変換素子５に至る光学系部分を、コンデンサレンズ６以降の光学系部分に対して所定量Δだけ偏心させて、角度強度重心Ｃをコンデンサレンズの光軸Ｏｃ上からｘ方向にずらす。これにより、重心方向をパネル面８ａの法線方向に対して傾けた状態となり、図７に示した検光特性に照明光学系からの光束の強度分布を合わせることができる。なお、パネル面８ａ上の任意の点での法線は、コンデンサレンズ６の光軸Ｏｃに対して平行である。

以上により、従来例で示した絞りだけでコントラストを向上させようとする構成に比べて、光量の損失が少なくなる。

ここで、上記角度強度分布は、偏光変換素子５上の照明光の強度分布から導くことができるが、偏光変換素子５上の強度分布は、該偏光変換素子５を透過する光束の空中での強度分布であるので、該分布を確認し難い場合がある。このような場合には、図８に示すように、投射レンズ１１を外して偏光板１０からの光をそのままスクリーン１４に導くことで、同様な強度分布を得ることができる。このような場合には、図８に示すように、投射レンズ１１を外して偏光板１０からの光をそのままスクリーン１４に導くことで、偏光変換素子５上と同様な強度分布を得ることができる。

このときの液晶パネルに対して垂直に反射した光線に対応する位置を基準に分布を調べることにより照明光束の偏りを求めることができる。１５は光路を折り返すためのミラーである。

図９および図１０には、本発明の実施例２である画像投射光学系の構成を示している。本実施例では、実施例１における照明光学系に、アナモフィックな光束圧縮系を設けたものに相当する。本実施例において、実施例１と共通する構成要素には実施例１と同符号を付す。

本実施例では、光源ランプＬＰと第１のレンズアレイ３との間に、ランプ側から順に、凸シリンダーレンズ２１と凹シリンダーレンズ２２とを配置している。凸シリンダーレンズ２１は、ｘ方向に正の屈折力を有し、ｙ方向に屈折力を持たないトーリックレンズである。また、凹シリンダーレンズ２２は、ｘ方向に負の屈折力を有し、ｙ方向に屈折力を持たないトーリックレンズである。

図９は、ｘｚ断面であって、凸シリンダーレンズ２１と凹シリンダーレンズ２２とにより光束を圧縮する断面を示す。図１０は、ｙｚ断面であって、両シリンダーレンズ２１，２２による屈折作用を受けない断面を示す。

本実施例では、光源ランプＬＰの発光管１から放射された白色の照明光束は、リフレクタ２で平行光束とされ、凸シリンダーレンズ２１に入射する。該凸シリンダーレンズ２１に入射した平行光束は、図９の断面において収束され、その後凹シリンダーレンズ２２に入射する。凹シリンダーレンズ２２に入射した収束光束は、凹シリンダーレンズ２２が凸シリンダーレンズ２１とほぼアフォーカルな状態を生成するように屈折力が設定されることで、再度平行光束に変換されて（すなわち圧縮されて）、第１のレンズアレイ３に入射する。

第１のレンズアレイ３に入射した光束は、該第１のレンズアレイ３を形成する複数のレンズセルによって複数の光束に分割され、第２のレンズアレイ４を透過して偏光変換素子５に入射する。

偏光変換素子５に入射した無偏光光は、実施例１で説明したように所定の偏光方向を有する直線偏光に変換される。

そして、偏光変換素子５から射出した複数の光束は、コンデンサレンズ６によって集光され、反射型液晶パネル８上で重ね合わされる。

本実施例でも、実施例１と同様に、照明光束は偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａを透過して反射型液晶パネル８に到達する。

反射型液晶パネル８で画像変調された光は、偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａで反射されて偏光状態が検光される。１／４位相差板９の役割は実施例１と同様である。

偏光ビームスプリッタ７で反射されて射出した光は、偏光板１０でさらに検光される。そして、偏光板１０を透過した光は投射レンズ１１によりスクリーン（不図示）に投射される。

図１１には、偏光変換素子における光の強度分布を示す。リフレクタ２から放射された光束（図９，１０に「ｌ」で示す）は、凸凹のシリンダーレンズ２１，２２で圧縮され、第１のレンズアレイ３により複数に分割され、さらに偏光変換素子５で分割される。このため、偏光変換素子５では、扁平な光源像群が分布した強度分布が得られる。

この場合において、本実施例では、光源ランプＬＰ（リフレクタ２）から偏光変換素子５に至る光学系部分を、コンデンサレンズ６および偏光ビームスプリッタ７（偏光分離面７ａ）以降の光学系部分に対してｘ方向に所定量Δだけシフト（偏心）させている。これにより、照明光束の強度分布の重心Ｃをコンデンサレンズ６の光軸Ｏｃからｘ方向に所定量Δだけずらすことができる。

そして、これにより、パネル面８ａ上の任意の点に向かって収束する光束は、偏光変換素子５での強度分布を角度分布に置き換えた状態で集光する。このため、パネル面８ａの任意の点に向かって収束する光束の角度強度重心Ｃを、該任意点におけるパネル面８ａの法線に対してｘ方向に偏らせる（重心方向をパネル面８ａの法線に対して傾ける）ことができる。

以上のように、本実施例では、凸凹のシリンダーレンズ２１，２２で照明光の角度強度分布を扁平にする。さらに、リフレクタ２から偏光変換素子５に至る光学系部分を、コンデンサレンズ６以降の光学系部分に対して所定量Δだけシフトさせて、角度強度重心Ｃをコンデンサレンズの光軸Ｏｃ上からｘ方向にずらす。これにより、図７に示した検光特性に照明光学系からの光束の強度分布を合わせることができ、従来例で示した凸凹のシリンダーレンズだけでコントラストを上げようとする構成よりも光量の損失を少なくすることができる。しかも、ｘ方向において光束を圧縮することにより、さらに光量の損失を少なくするように角度強度重心を偏らせることができる。

ここで、シフト、すなわち偏心のさせ方について簡単に説明する。以下の説明は、偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａの法線と反射型液晶パネル８の入射出面（パネル面）８ａの法線とに平行な断面（第１断面）においての説明である。尚、この断面は、この実施例２における圧縮する方向と平行である。

まず、集光光学系（照明光学系）は、偏光分離面７ａを介して液晶パネル８の入出射面８ａ上の同一の入射点に向かって収束する光束の収束角度方向での強度分布の重心Ｃを入射点における入出射面８ａの法線に対して偏らせる。集光光学系は、このような偏心した構成及び入射出面８ａの法線に対して傾いた構成のうち一方を採用している。

ここで、前述の強度分布の重心Ｃを通る光線の、液晶パネル８に到達する前に偏光分離面７ａに対して入射する入射角度よりも、液晶パネル８で反射された後に偏光分離面７ａに対して入射する入射角度の方が大きくなるように集光光学系を構成する。尚、ここで言う強度分布の重心を通る光線とは、前述の同一の入射点に入射する光束のうち照明光学系（集光光学系）の瞳位置での重心を通る光線のことである。

このように構成すると、液晶パネルで反射されて偏光分離面に入射する光線の入射角度を大きくすることができ、画像光となる光束の光量を多くすることができる。言い換えれば、偏光分離面７ａでのＳ偏光の反射率を向上させることができる。

以下、本実施例に関する発明者らによる具体的な検討結果について説明する。ここでは、図９および図１０に示すように、比較的小さい反射型液晶パネルを用いた明るさを優先した構成と、図１２および図１３に示すように、比較的大きな反射型液晶パネルを用いたコントラストを優先した構成とを検討した。図１２および図１３に示す構成要素は、図９および図１０に示す構成要素と同じである。

上記２つの構成は、コンデンサレンズ６の焦点距離と、第１および第２のレンズアレイ３，４の個々のレンズセルの大きさにおいて異なる。コンデンサレンズ６の焦点距離を変えることで、反射型液晶パネル８上に収束する光束の角度を変えて、明るさ優先の状態とコントラスト優先の状態を制御している。また、コンデンサレンズ６の焦点距離と第１および第２のレンズアレイ３，４の個々のレンズセルの大きさを変えることで、反射型液晶パネル８の大きさに応じた均一照明領域の大きさを制御している。

図９および図１０に示す構成では、
ｆｃ＝６７ｍｍ
Δ ＝１．５ｍｍ
Ｑ ＝２１ｍｍ
で、良好なコントラストとなり α＝１．２８°であった。

また、図１２および図１３に示す構成では、
ｆｃ＝１３４ｍｍ
Δ ＝３．５ｍｍ
Ｑ ＝２８．４
で、良好なコントラストとなり α＝１．５０°であった。

このように、本実施例は、照明光学系の構成が実施例１と大きく異なるが、コントラストに関係するのは図７に示した検光性能であるので、重心方向の傾き角αは実施例１で説明した条件式（１）を満たすことが望ましい。

図１４および図１５には、本発明の実施例３である画像投射光学系の構成を示す。本実施例は、実施例２の変形例であり、本実施例において、実施例２と共通する構成要素には実施例２と同符号を付す。

本実施例では、実施例２の構成に、偏光変換素子５に隣接する位置に開口絞り３１を設けている。

図１４は、ｘｚ断面であって、凸シリンダーレンズ２１と凹シリンダーレンズ２２とにより光束を圧縮する断面を示す。図１５は、ｙｚ断面であって、両シリンダーレンズ２１，２２による屈折作用を受けない断面を示す。

発光管１から放射された白色の照明光束は、リフレクタ２で平行光束とされ、凸シリンダーレンズ２１に入射する。該凸シリンダーレンズ２１に入射した平行光束は、図１４の断面において収束され、その後凹シリンダーレンズ２２に入射する。凹シリンダーレンズ２２に入射した収束光束は、凹シリンダーレンズ２２が凸シリンダーレンズ２１とほぼアフォーカルな状態を生成するように屈折力が設定されることで、再度平行光束に変換されて（圧縮されて）、第１のレンズアレイ３に入射する。

第１のレンズアレイ３に入射した光束は、該第１のレンズアレイ３を形成する複数のレンズセルによって複数の光束に分割され、第２のレンズアレイ４を透過して偏光変換素子５に入射する。

偏光変換素子５に入射した無偏光光は、実施例１，２で説明したように所定の偏光方向を有する直線偏光に変換される。

そして、偏光変換素子５から射出した複数の光束は、コンデンサレンズ６によって集光され、反射型液晶パネル８上で重ね合わされる。

本実施例でも、実施例１，２と同様に、照明光束は偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａを透過して反射型液晶パネル８に到達する。

反射型液晶パネル８で画像変調された光は、偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａで反射されて偏光状態が検光される。１／４位相差板９の役割は実施例１と同様である。

偏光ビームスプリッタ７で反射されて射出した光は、偏光板１０でさらに検光される。そして、偏光板１０を透過した光は投射レンズ１１によりスクリーン（不図示）に投射される。

偏光変換素子５における光の強度分布は、実施例２の図１１で説明したものと同じであり、扁平な光源像群の分布を有する強度分布となる。

本実施例では、偏光変換素子５に隣接する位置に開口絞り３１を設け、図１６に示すように、照明光束の一部をカットしている。

そして、この場合において、本実施例では、光源ランプＬＰ（リフレクタ２）から偏光変換素子５および開口絞り３１に至る光学系部分を、コンデンサレンズ６以降の光学系部分に対して、図１４に示すようにｘ方向に所定量Δだけシフト（偏心）させている。これにより、図１６に示すように、偏光変換素子５における照明光束の強度分布の重心Ｃをコンデンサレンズ６の光軸Ｏｃからｘ方向にずらすことができる。

反射型液晶パネル８（パネル面８ａ）の任意の点に向かって収束する光束は、偏光変換素子５での強度分布を角度分布に置き換えた状態で収束する。このため、反射型液晶パネル８に向かって収束する光束の重心方向は、パネル面８ａの法線に対してｘ方向に傾く。

このように、本実施例では、凸凹のシリンダーレンズ２１，２２によって照明光束の角度強度分布を扁平にする。さらに、偏光変換素子の近傍に開口絞り３１を設けた上で、リフレクタ２から偏光変換素子５に至る光学系部分をコンデンサレンズ６以降の光学系部分に対して所定量Δだけｘ方向にシフトさせる。

これにより、パネル面８ａの任意の点に向かって収束する光束の角度強度重心Ｃを、該任意点におけるパネル面８ａの法線に対してｘ方向に偏らせる（重心方向をパネル面８ａの法線に対して傾ける）ことができる。このため、図７に示した検光特性に照明光学系からの光束の強度分布を合わせることができる。

図１７および図１８には、本発明の実施例４である画像投射光学系の構成を示す。本実施例において、実施例２と共通する構成要素には実施例２と同符号を付す。

本実施例では、光源ランプＬＰ側から順に、ｘ方向およびｙ方向に正の屈折力（すなわち光学パワー）を有する凸レンズ４１と、複数のレンズセルを有し、ｙ方向にて負の屈折力を有する凹シリンダーレンズ面を有する第１のレンズアレイ４２とを備えている。さらに、複数のレンズセルを有し、かつｘ方向に負の屈折力を有する凹シリンダーレンズ面を有する第２のレンズアレイ４３を備えている。

図１７は、ｘｚ断面であって、第２のレンズアレイ４３の凹シリンダーレンズ面が負の屈折力を有する断面を示す。図１８は、ｙｚ断面であって、第１のレンズアレイ４２の凹シリンダーレンズ面が負の屈折力を有する断面を示す。

光源ランプＬＰの発光管１から放射された白色の照明光束は、リフレクタ２で平行光束とされ、凸レンズ４１に入射する。該凸レンズ４１に入射した平行光束は、図１７および図１８の断面においてそれぞれ収束される。その後、図１７の断面では、該収束光束は、第１のレンズアレイ４２をそのまま通過して第２のレンズアレイ４３の凹シリンダーレンズ面に入射する。

この凹シリンダーレンズ面に入射した収束光束は、凹シリンダーレンズ面が凸レンズ４１とほぼアフォーカルな状態を生成するように屈折力が設定されることで、再度平行光束に変換される（圧縮される）。一方、図１８の断面では、凸レンズ４１からの収束光束は、第１のレンズアレイ４２の凹シリンダーレンズ面に入射する。この凹シリンダーレンズ面に入射した収束光束は、該凹シリンダーレンズ面が凸レンズ４１とほぼアフォーカルな状態を生成するように屈折力が設定されることにより、再度平行光束に変換される（圧縮される）。

また、凸レンズ４１からの光束は、第１のレンズアレイ４２の複数のレンズセルによって複数の光束に分割され、第２のレンズアレイ４３を透過して偏光変換素子５に入射する。

偏光変換素子５に入射した無偏光光は、実施例１，２で説明したように所定の偏光方向を有する直線偏光に変換される。

そして、偏光変換素子５から射出した複数の光束は、コンデンサレンズ６によって集光され、反射型液晶パネル８上で重ね合わされる。

本実施例でも、実施例１〜３と同様に、照明光束は偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａを透過して反射型液晶パネル８に到達する。

反射型液晶パネル８で画像変調された光は、偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面７ａで反射されて偏光状態が検光される。１／４位相差板９の役割は実施例１と同様である。

偏光ビームスプリッタ７で反射されて射出した光は、偏光板１０でさらに検光される。そして、偏光板１０を透過した光は投射レンズ１１によりスクリーン（不図示）に投射される。

図１９には、本実施例における偏光変換素子５での光の強度分布を示す。凸レンズ４１で収束された光束は、第１のレンズアレイ４２により複数に分割され、第１および第２のレンズアレイ４２，４３で平行光束に変換され、さらに偏光変換素子５で分割される。このため、偏光変換素子５での光強度分布は、扁平な光源像群が分布したものとなる。

本実施例でも、光源ランプＬＰ（リフレクタ２）から偏光変換素子５に至る光学系部分を、図１７に示すように、コンデンサレンズ６および偏光ビームスプリッタ７（偏光分離面７ａ）以降の光学系部分（反射型液晶パネル８を含む）に対してｘ方向に所定量Δだけシフト（偏心）させている。

これにより、偏光変換素子５での照明光束の強度分布の重心Ｃを、コンデンサレンズ６の光軸Ｏｃからｘ方向にずらすことができる。

反射型液晶パネル８（パネル面８ａ）の任意の点に向かって収束する光束は、偏光変換素子５での強度分布を角度分布に置き換えた状態で収束する。このため、反射型液晶パネル８に向かって収束する光束の重心方向は、パネル面８ａの法線に対してｘ方向に傾く。

このように、本実施例では、凸レンズ４１と第１および第２のレンズアレイ４２，４３に一体に設けた凹シリンダーレンズ面によって照明光束の角度強度分布を扁平にしている。さらに、リフレクタ２から偏光変換素子５に至る光学系部分をコンデンサレンズ６以降の光学系部分に対して所定量Δだけｘ方向にシフトさせている。これにより、パネル面８ａの任意の点に向かって収束する光束の角度強度重心Ｃを、該任意点におけるパネル面８ａの法線に対してｘ方向に偏らせる（重心方向をパネル面８ａの法線に対して傾ける）ことができる。このため、図７に示した検光特性に照明光学系からの光束の強度分布を合わせることができる。

なお、本実施例では、各レンズアレイにおいて複数のレンズセルと凹シリンダーレンズ面とを互いに異なる面に設けているが、図２０に示すように、これらを同一面に設けたレンズアレイ１４２を用いてもよい。具体的には、レンズアレイの各レンズセル面の中心が凹面Ｓ上に位置するようにすればよい。

また、本実施例では、放物面を有するリフレクタ２を用い、凸レンズ４１により照明光束を集光しているが、リフレクタ２を楕円形状として凸レンズ４１をなくすることも可能である。

図２１には、本発明の実施例５である画像投射光学系のｘｚ断面での構成を示す。本実施例は、実施例２の変形例であり、照明光学系にアナモフィックな光束圧縮系を設けている。なお、実施例２と共通する構成要素には実施例２と同じ符号を付している。

本実施例は、図２１の断面において、照明光学系（ここでは、光源ランプＬＰからコンデンサレンズ６）全体を反射型液晶パネル８（パネル面８ａ）の法線Ｎに対して、ｘ方向に角度θ傾けている点で実施例２と異なる。これにより、パネル面８ａの任意の点に向かって収束する光束の角度強度重心を、パネル面８ａの法線Ｎに対してｘ方向に偏らせる（重心方向を傾ける）ことができる。このため、上記各実施例と同様に、図７に示した検光特性に照明光学系からの光束の強度分布を合わせることができる。

上記各実施例では、光源からの照明光束が偏光ビームスプリッタ（偏光分離面）を透過して反射型液晶パネルに導かれ、該パネルからの反射光束（投射光）が偏光ビームスプリッタで反射されて投射レンズに導かれる場合について説明した。しかし、本発明では、照明光束が偏光ビームスプリッタで反射して反射型液晶パネルに導かれ、該パネルからの反射光束が偏光ビームスプリッタ７を透過して投射レンズに導かれる構成（図２２参照）を採用することもできる。また、各実施例に示した偏光板を、照明光学系側と投射レンズ側の両方に設けてもよい。

さらに、各実施例では、反射型液晶パネルを１つのみ設けた場合について説明したが、本発明では、図２２に示すように３つの反射型液晶パネルを設けてもよい。

図２２には、実施例２の画像投射光学系に３つの反射型液晶パネルを設けた場合の構成例を示す。コンデンサレンズ６よりも投射レンズ１１側において、７１はＧ（緑）光を透過してＲ（赤）光およびＢ（青）光を反射するダイクロイックミラーである。７２，７３，７４はそれぞれＧ、Ｒ、Ｂ用の反射型液晶パネルである。７５，７６，７７はそれぞれ、Ｇ、Ｒ，Ｂの１／４位相差板であり、実施例１，２で説明した１／４位相差板９に相当する。

８１は第１の偏光ビームスプリッタであり、Ｒ光をその偏光方向によってＲ用パネル７３に向けて反射し、Ｂ光をその偏光方向によってＢ用パネル７４に向けて透過させるとともに、該パネル７３，７４で反射したＲ光およびＢ光を合成する。８２は第２の偏光ビームスプリッタであり、Ｇ光をＧ用パネル７２に向けて透過し、Ｇ用パネル７２からの反射Ｇ光を反射する。

７８は第１の偏光板、７９は第２の偏光板である。８０はＲ光の偏光方向を９０度回転させ、Ｂ光の偏光方向を変換しない色選択性位相差板である。８４は第３の偏光板で、８５は第４の偏光板である。

８３は色合成プリズムであり、第１の偏光ビームスプリッタ８１からのＲ光およびＢ光を透過し、第２の偏光ビームスプリッタ８２からのＧ光を反射することでこれら３色の光を合成し、投射レンズ１１に導く。

上記各実施例によれば、反射型画像形成素子を照明する光束の角度強度分布の重心を第１断面内において偏らせることにより、光量の低下を抑えながらも偏光分離面での漏れ光量を減少させることができる。したがって、明るくコントラストの高い画像を投射することができる。

なお、上記各実施例では、反射型液晶パネルを用いた場合について説明したが、本発明は、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）等、他の反射型画像形成素子を用いた光学系にも適用することができる。

本発明の実施例１である画像投射光学系のｘｚ断面を示す図。 実施例１の画像投射光学系のｙｚ断面を示す図。 実施例１における偏光変換素子での光強度分布を示す図。 実施例１における開口絞りの効果を説明する図。 実施例１における照明光束の状態を説明する図。 実施例１における照明光束の収束角度を説明する図。 実施例１〜５における投射光に対する検光性能を説明する図。 実施例１において照明光束の強度分布を確認する方法を説明する図。 本発明の実施例２である画像投射光学系のｘｚ断面を示す図。 実施例２の画像投射光学系のｙｚ断面を示す図。 実施例２における偏光変換素子での光強度分布を示す図。 実施例２の変形例のｘｚ断面を示す図。 図１２の画像投射光学系のｙｚ断面を示す図。 本発明の実施例３である画像投射光学系のｘｚ断面を示す図。 実施例３の画像投射光学系のｙｚ断面を示す図。 実施例３における偏光変換素子での光強度分布を示す図。 本発明の実施例４である画像投射光学系のｘｚ断面を示す図。 実施例４の画像投射光学系のｙｚ断面を示す図。 実施例４における偏光変換素子での光強度分布を示す図。 実施例４のレンズアレイの変形例を説明する図。 本発明の実施例５である画像投射光学系のｘｚ断面を示す図。 本発明の実施例６である画像投射光学系のｘｚ断面を示す図。

符号の説明

１ 光源（発光管）
２ リフレクタ
３，４２ 第１のレンズアレイ
４，４３ 第２のレンズアレイ
５ 偏光変換素子
６ コンデンサレンズ
７ 偏光ビームスプリッタ
８ 反射型液晶パネル
９ １／４位相板
１０ 偏光板
１１ 投射レンズ
１２，３１ 開口絞り
２１ 凸シリンダーレンズ
２２ 凹シリンダーレンズ
４１ 凸レンズ

Claims (10)

1. 光源からの光束を反射型画像形成素子に向けて収束させる集光光学系と、
   前記集光光学系からの第１偏光方向を持つ入射光束を透過して前記反射型画像形成素子に導き、該反射型画像形成素子からの射出光束のうち、前記第１偏光方向と直交する第２偏光方向を持つ光を投射光学系に導く偏光分離面とを有し、
   前記偏光分離面の法線と前記反射型画像形成素子の入射出面の法線とに平行な第１断面において、
   前記集光光学系は、前記射出光束の重心を通る光線の前記偏光分離面への入射角度が、前記入射光束の重心を通る光線の前記偏光分離面への入射角度よりも大きくなるように、一部が他の部分に対して偏心した構成及び前記入射出面の法線に対して傾いた構成のうち一方を有し、
   前記集光光学系は、前記光源からの光束を複数の光束に分割するレンズアレイと、
   前記レンズアレイからの無偏光光を特定の偏光方向を有する直線偏光光に変換する偏光変換素子と、
   前記偏光変換素子からの複数の光束を前記反射型画像形成素子上で重ね合わせるコンデンサレンズと、
   前記光源と前記コンデンサレンズとの間に、前記第１断面と前記第１断面と直交し前記反射型画像形成素子の入射出面の法線と平行な第２断面とで光学パワーが異なり、前記第１断面における光束径が、前記第２断面における光束径よりも狭い光束を出射させる複数の光学素子を有することを特徴とする照明光学系。
2. 前記反射型画像形成素子は、緑の波長帯域の光が入射する反射型画像形成素子であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記集光光学系は、前記偏光分離面を界面としたとき、前記偏光分離面へＰ偏光光を入射させ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. 前記レンズアレイおよび前記偏光変換素子が、前記コンデンサレンズ、前記偏光分離面および前記反射型画像形成素子に対して、前記第１断面において偏心した構成及び前記入射出面の法線に対して傾いた構成のうち一方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つに記載の照明光学系。
5. 以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の照明光学系。
   １°≦α≦３°
   但し、前記入射光束が前記反射型画像形成素子において集光する点を入射点とするとき、αは、該入射点に向かって集光する前記入射光束の前記重心を通る光線と、該入射点を通る前記入射出面の法線とのなす角度である。
6. 以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の照明光学系。
   θ１＜θ２
   但し、前記入射光束が前記反射型画像形成素子において集光する点を入射点とするとき、θ１は前記入射点に向かって収束する前記入射光束の、前記第１断面における収束角度であり、θ２は該入射光束の、前記第２断面における収束角度である。
7. さらに以下の条件を満足することを特徴とする請求項６に記載の照明光学系。
   ０．６＜θ１／θ２＜０．９
8. 前記集光光学系は、前記光源と前記コンデンサレンズとの間に開口絞りを有し、
   該開口絞りは、前記コンデンサレンズの光軸に対して前記第１断面において偏心していることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の照明光学系。
9. 請求項１から８のいずれか１つに記載の照明光学系を有する画像投射装置。
10. 請求項９に記載の画像投射装置と、
    該画像投射装置に画像情報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。