JP5247867B2 - 照明光学系およびそれを用いた投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源手段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に関する。さらにはその照明光学系を用いて被照明面に設けた液晶パネル等の画像表示素子を照明し、画像表示素子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。

近年、液晶ライトバルブなどの画像表示素子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種々と提案されている。このようなプロジェクターはスクリーンに投射された画像が画面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。

図９は、従来のプロジェクターにおける照明光学系Ｅａの要部概略図である。図９において、光源手段１０１から射出した光束は放物面より成るリフレクタ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によって分割されて、各々集光される。

各々の分割され集光された分割光束（例として３つの光束１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃを示している。）は第２のフライアイレンズ１０４の近傍に集光され、光源手段１０１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１０７に設けた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を射出した複数の分割光束１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃはコンデンサーレンズ１０５によって集光され、色分解光学系１０６等を経て画像表示素子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９では、説明を容易にするため、照明光学系Ｅａ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。

このような照明光学系では、光の利用効率を高めようとすると一般に被照射面１０７に入射する光束の角度分布が大きくなる傾向がある。このため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には、種々と問題が生じてくる。例えば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）を用いるときがある。このときは被照射面１０７面上に明るさや色等のムラ及びコントラストが低下し、画質が劣化してくる。

この画質の劣化を防ぐべく、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照明光学系が知られている（特許文献１、２）。

特許文献１では照明光学系に光学インテグレータを用いている。こ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ている。そしてダイクロイックミラーなどの角度敏感度の高い光学素子の折り曲げ方向の照明にケーラー照明を用いて、被照射面上の色むらを低減している。

また、特許文献２は薄膜部品の角度敏感度の高い方向の断面内において、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小さくして、投射画像のコントラストの改善を図っている。

特開平０６−７５２００号公報 特開２００４−４５９０７号公報

特許文献１の照明光学系においては、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。このため、ライトバルブ面（液晶パネル、被照射面）での照度分布にムラが生じやすい。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、光の利用効率は低い。

また光源手段から集光レンズまでの光束は角度分布が小さい。このため、その間にあるダイクロイックミラーでの画質劣化の効果は低減されている。しかしながらライトバルブ面の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ライトバルブやダイクロイックミラーなどの角度敏感度の高い光学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、光源手段の変動（アークジャンプ、劣化等）により、発光分布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くる。

特許文献２の画像表示装置は、互いに直交する両方向の断面を重畳的な照明しているため、光源手段の発光分布の影響は受けにくい。しかしながら絞りによって光束を制限しているため、光の利用効率が大幅に低下してくる。

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ている。しかしながら、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。または照明光学系の液晶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、コントラストのムラ、色むらなどを生じてしまう。

本発明は、任意の光学素子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、画像表示素子上の明るさが均一で、光源手段の発光分布のムラの影響を実質的に受けず、且つ光の利用効率の高い照明光学系の提供を目的とする。

本発明に係る照明光学系の代表的な構成は、光源からの光束を複数の光束に分割し、該分割された光束を画像表示素子に重畳する照明光学系において、前記照明光学系の光軸と平行な第１断面において、前記光源からの光束を分割し、該分割された光束を用いて第１光源像領域内に複数の第１光源像を形成する第１光束分割手段と、前記光軸と平行でかつ前記第１断面と垂直な第２断面において、前記光源からの光束を分割し、該分割された光束を用いて第２光源像領域内に複数の第２光源像を形成する第２光束分割手段と、前記第２光束分割手段の前記光源側に配置され、入射した光束の幅を狭めて射出させる圧縮光学系と、前記第２光束分割手段と前記画像表示素子との間に配置された光束重畳手段と、前記光束重畳手段と前記画像表示素子との間に配置された偏光分離面を有する光学素子と、を有し、前記偏光分離面の法線と前記第２断面は平行であり、前記第２断面において前記複数の第２光源像が形成される領域の幅が、前記第１断面において前記複数の第１光源像が形成される領域の幅よりも小さく、前記圧縮光学系は、前記光源側から前記画像表示素子側へ順に、正の屈折力の光学素子と、負の屈折力を有する光学素子を含んでおり、該負の屈折力を有する光学素子の該画像表示素子側の面は凹形状であることを特徴としている。
また、本発明に係る照明光学系の他の代表的な構成は、光源からの光束を複数の光束に分割し、該分割された光束を画像表示素子に重畳する照明光学系において、前記照明光学系の光軸と平行な第１断面において、前記光源からの光束を分割し、該分割された光束を用いて第１光源像領域内に複数の第１光源像を形成する第１のシリンドリカルレンズアレイと、前記光軸と平行でかつ前記第１断面と垂直な第２断面において、前記光源からの光束を分割し、該分割された光束を用いて第２光源像領域内に複数の第２光源像を形成する第２のシリンドリカルレンズアレイと、前記第１のシリンドリカルレンズアレイと前記第２のシリンドリカルレンズアレイとの間に配置され、前記第２断面において正の屈折力を有する光学素子と、前記第２のシリンドリカルレンズアレイと前記画像表示素子との間に配置され、前記第１のシリンドリカルレンズアレイ及び前記第２のシリンドリカルレンズアレイにより分割された各光束を前記画像表示素子に重畳する光束重畳手段と、前記光束重畳手段と前記画像表示素子との間に配置され、偏光分離面を有する偏光ビームスプリッターと、を有し、前記偏光分離面の法線と前記第２断面は平行であり、前記第２断面において前記複数の第２光源像が形成される領域の幅が、前記第１断面において前記複数の第１光源像が形成される領域の幅よりも小さく、前記第２のシリンドリカルレンズアレイは、前記第２断面において負の屈折力を有し、前記画像表示素子側の面は凹形状であることを特徴としている。

本発明によれば、被照明面を略均一に照明することができ、且つ光の利用効率が高い照明光学系、またその照明光学系を用いた投射型表示装置を得ることができる。

本発明の実施例１の要部概略図 本発明の実施例１に使用のシリンドリカルレンズアレイの斜視図 本発明の実施例１における光源像形成領域を示す説明図 本発明の実施例１におけるアフォーカル光学系（圧縮光学系）の概略図 本発明の実施例２の要部概略図 本発明の実施例２で使用のシリンドリカルレンズアレイ５ｃの斜視図 本発明の実施例２で使用のシリンドリカルレンズアレイ５ｃの拡大図 本発明の実施例３の要部概略図 従来のプロジェクタの構成を示す概略図

以下、本発明の照明光学系及びそれを用いる投射型表示装置の実施例について述べる。

［実施例１］
図１は、本発明の照明光学系Ｅａの実施例１の要部概略図である。図１は、画像表示素子として反射型の液晶パネル（尚反射型の液晶パネルに限らず透過型でも良い。）を用いたプロジェクターに、実施例１の照明光学系Ｅａを適用した場合を示している。

ここで、照明光学系Ｅａの光軸Ｌａ方向をＺ軸とする。

Ｚ軸に直交する紙面内をＹ軸、Ｙ軸に直交する（紙面と垂直する）方向をＸ軸とする。

図１（Ａ）は液晶パネル面１１への入射光束の角度分布が広い断面（第１断面、ＹＺ面）を示している。

又、図１（Ｂ）には角度分布の狭い断面（第２断面、ＸＺ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に用いられる光学系の基本的な構成部品のみを示している。

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、そして偏光板等を有する構成であっても良い。

光源手段（ランプの発光部）１から全方向に射出した光束は放物面より成るリフレクタ２によって略平行光となって射出する。

この平行光束は、第１のシリンドリカルレンズアレイ（第１光束分割手段）（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は第１光源像領域内に集光する。各々の分割された光束は第２のシリンドリカルレンズアレイ４又はその近傍に集光され、各々の部分光束が各々光源像（第１光源像）（２次光源像）１ａを形成する。

実施例１において、第１のシリンドリカルレンズアレイ３の作用により形成される光源像１ａを図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）は光軸Ｌａに垂直な面における光源像の強度分布を示しており、この図３（Ａ）において第１断面（ＹＺ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（ＹＺ面）における、光源像１ａが形成される領域の幅をＷ１とする。

この光源像１ａの形成位置は実施例１においては、第１断面（ＹＺ面）に屈折力を有する第２のシリンドリカルレンズ４の位置、好ましくは入射位置である。光源像１ａの形成領域の幅Ｗ１は、第１断面（ＹＺ面）と平行な様々な断面で光源像１ａの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である。又は、光軸Ｌａを含む第１断面で切ったときに得られる幅である。

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（ＸＺ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、および第５のシリンドリカルレンズ９は第２断面（ＸＺ面）においてのみ屈折力を有している。これらの部材は、第１断面（ＹＺ面）において屈折力を有していない。

尚、アフォーカル系５（光束圧縮手段）は、平行光をその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。

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、分割された光束は、第１
断面においては、第２断面にしか屈折力を持たない上述の光学素子の影響をうけない。こ
のため分割された各光束は、第１断面にのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズである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、反射型の液晶パネル１１を重畳的に照明する。

尚、８〜９は、光束重畳手段の一要素を構成している。

ここで、色分解光学系１０は、照明光学系Ｅａの光軸Ｌａに対して傾けて（照明光学系Ｅａの光軸Ｌａと偏光ビームスプリッタ−１０ａ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ー１０ａを有している。

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、偏光分離特性を有する光学素子である。

例えば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である。

尚、偏光分離特性は、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。

次に図１（Ｂ）を用いて、第２断面（ＸＺ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の影響を受けず光束圧縮作用のある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、光源手段１側から順に正レンズ５ａ、負レンズ５ｂで構成されており、負レンズ５ｂの液晶パネル１１側の面は凹形状である。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（第２光束分割手段）６によって分割される。そして第４のシリンドリカルレンズアレイ７の近傍（第２光源像領域内）に各分割光束が集光され、光源像（２次光源像）１ｂが形成される。実施例１における、第２断面に屈折力を有する第３シリンドリカルレンズ６により形成される光源像１ｂを図３（Ｂ）に示す。この図３（Ｂ）は照明光学系Ｅａの光軸Ｌａに対して垂直な面における光源像について図示している。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。この幅Ｗ１と幅Ｗ２の大小関係（比）がそのまま色分解光学系１０内の偏光ビームスプリッタ１０ａでの角度分布の大小関係（比）となる。このためＷ１＞Ｗ２となる関係、好ましくはＷ２／Ｗ１が０．８より小さく０．１より大きくなる構成（０．１＜Ｗ２／Ｗ１＜０．８）を満足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ない。

また逆に下限値を下回ると、第３シリンドリカルレンズアレイ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１１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１１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、幅Ｗ１と幅Ｗ２は、それぞれ第２シリンドリカルレンズ４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７に入射する入射光束の第２断面における光束径に相当する。

第４のシリンドリカルレンズアレイ７から射出し、分割された光束は、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１０ａ等を有する色分解光学系１０を経て、重畳的に反射型の液晶パネル１１を照明する。

実施例１ではコンデンサーレンズ８は第２断面では屈折力を有していない。このため、光束に実質的に影響を与えることはないが、コンデンサーレンズ８を球面レンズにし、コンデンサーレンズ８とシリンドリカルレンズ９とで分割した光束を集光しても良い。

又、コンデンサーレンズ８は、負レンズを含めた複数枚で構成した集光系でも良い。

実施例１において負レンズ５ｂの画像表示素子１１側の面は凹形状である。図４を用い、このときの凹形状とすることの技術的内容について説明する。

第２断面において光束圧縮系５が正、負レンズより成るアフォーカル系であるとする。このとき、アフォーカル系の負レンズ５ｂが、光源手段１側に凹面を向けていると、画像表示素子１１側に凹面を向いている場合に比べ周辺部の圧縮が小さく、パネルに入射する光の角度が大きくなる。このため、画像のコントラスト等の低下につながる。

また圧縮比を同程度にするため、凹面の位置を画像表示素子１１側に移動すると、平行度が悪化してくる。この結果第３シリンドリカルレンズアレイ６の任意のレンズセルで分割され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１１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ず、光の利用効率が低下してしまう。

実施例１では負レンズ５ｂの光源手段１側の面は平面になっているが、凸形状でも凹形状でも良い。凹形状の場合、両レンズ面が凹形状になるが、画像表示素子１１側に光源手段側に比べて強い屈折力の凹面を持たせれば同様の効果が得られる。

両レンズ面が凹面のとき、画像表示素子側の面が光源手段側に比べて強い屈折力の凹形状であっても、ある程度の効果が得られる。

実施例１では、第１断面に対して第２断面での反射型の液晶パネル（被照明面）１１に入射する（照明光学系Ｅａ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。

反射型の液晶パネル１１の前（光入射側）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１０ａ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を利用した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。

このため、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。

実施例１による照明光学系では、角度分布に対して敏感な断面（図１（ｂ）に示す偏光分離面の法線と平行な第２断面）における角度分布を、角度分布に対して鈍感な断面（第１断面）における角度分布よりも小さくしている。これによって、角度分布に敏感な断面（第２断面）における漏れ光の発生量を抑え、高いコントラストの画像を得ることができ、また高い光の利用効率が得られる。

この実施例１においては、第１断面においてはリフレクタ２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１から出射した光束の光束径を圧縮している。これにより、第１断面における光源像の形成領域の幅Ｗ１と第２断面における光源像の形成領域の幅Ｗ２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良い。

又、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良い。又両者における光束径を共に拡大しても構わない。

また楕円リフレクタ２を用いて光束径の圧縮を行っても良い。又光源像の形成領域の幅が第１断面と第２断面とで互いに異なっていれば良い。尚且つ角度分布に敏感な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における光源像形成領域の幅Ｗ１に対し、小さくなる構成であれば、他のどのような構成を用いても良い。

ここで敏感な断面とは、照明光学系Ｅａ中に配置された偏光ビームスプリッター１０ａの偏光分離面の法線と照明光学系Ｅａの光軸Ｌａの両者に対して平行な断面、ここでは第２断面である。

又、鈍感な断面とは、第２断面に垂直な第１断面である。

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。

実施例１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（光出射側）、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。

特に第４シリンドリカルレンズ７の後に置いた場合は、従来に比べ光学素子を小型化することができ、装置の小型化や簡略化を図ることができるという特長がある。

［実施例２］
図５は、本発明の照明光学系Ｅａの実施例２の要部概略図である。

実施例２は、実施例１に比べて圧縮光学系５の負レンズ５ｂと第３のシリンドリカルレンズアレイ６を一部品（一体化）にしたものであり、第5シリンドリカルレンズアレイ５ｃがその部品に相当する。第5シリンドリカルレンズアレイ５ｃの斜視図を図６に示す。

又、拡大図を図７に示す。第5シリンドリカルレンズ５ｃは凹面の上にレンズアレイが形成されているような形状より成っている。光学作用は図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、実施例１の圧縮光学系５の負レンズ５ｂと第３のシリンドリカルレンズ６を併せ持った働きをしている。

第5シリンドリカルレンズ５ｃは、レンズアレイを構成する各々のレンズの中心（セル中心）とレンズの頂点を偏芯させることで負レンズの役割を果たしている。この場合、レンズアレイ面が圧縮光学系５の負レンズの役割をしているため、レンズアレイ面が画像表示素子１１側を向いている。その他の光学素子は実施例１と同一である。負レンズと光束分割の役割を行うのが、ひとつの部品で且つひとつの面であるため、部品点数を減少させることでき、照明光学系の構成が簡略化されると共に、歩留まりの向上と言った効果が得られる。

［実施例３］
図８は本発明の照明光学系を用いた画像表示装置（プロジェクター）の実施例３の要部概略図である。

図８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である。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る。発光管４１とリフレクタ４２によりランプ（光源手段）４０を形成する。このランプ４０からの光を前述の実施例１、２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）６１Ｒ、６１Ｇ、６１Ｂに導いている。

図８において、５８は青色（Ｂ）と赤色（Ｒ）の波長領域の光を反射し、緑色（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る。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６０ａ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Ｒ用とＢ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６６ａ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Ｒ用とＢ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６９ａ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は投射レンズである。上記照明光学系１００，色分解合成光学系２００および投射レンズ７０により画像表示光学系が構成されている。

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６０ａ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６０ａで反射し、光源４０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６０ａ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。これにより第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６９ａ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６６ａ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６６ａ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４０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６６ａ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６６ａを透過して光源４０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の遅相軸を調整している。これにより、Ｇの場合と同じようにＲ，Ｂ光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偏光成分となる。さらにＲの光は出射側偏光板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６９ａを反射し、前述した該偏光分離面６９ａにて透過した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６０ａ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６０ａで反射し、入射側偏光板５９を透過して光源４０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６６ａ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６６ａ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。この為、再び第１の偏光ビームスプリッター６０の偏光分離面６０ａで反射し、入射側偏光板６４を通過して光源４０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。この為、再び第１の偏光ビームスプリッター６０の偏光分離面６０ａ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４０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３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。

しかしながら、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するのを用いても良い。このときは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。

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良い。

また、この実施例３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、勿論１枚でも良い。

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（圧縮光学系）
５ａ 正レンズ
５ｂ 負レンズ
５ｃ 第５シリンドリカルレンズアレイ
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 画像表示素子
４０ ランプ
４１ 発光管
４２ リフレクタ
５８ ダイクロイックミラー
５９、６４ 入射側偏光板
６１ 画像表示素子
６２ １/４波長板
６０、６６、６９ 偏光ビームスプリッタ−
６５、６７ 色選択性位相差板
６８ 出射側偏光板
７０ 投射レンズ
１００ 照明光学系
２００ 色分解合成光学系

Claims (15)

1. 光源からの光束を複数の光束に分割し、該分割された光束を画像表示素子に重畳する照明光学系において、
   前記照明光学系の光軸と平行な第１断面において、前記光源からの光束を分割し、該分割された光束を用いて第１光源像領域内に複数の第１光源像を形成する第１光束分割手段と、
   前記光軸と平行でかつ前記第１断面と垂直な第２断面において、前記光源からの光束を分割し、該分割された光束を用いて第２光源像領域内に複数の第２光源像を形成する第２光束分割手段と、
   前記第２光束分割手段の前記光源側に配置され、入射した光束の幅を狭めて射出させる圧縮光学系と、
   前記第２光束分割手段と前記画像表示素子との間に配置された光束重畳手段と、
   前記光束重畳手段と前記画像表示素子との間に配置された偏光分離面を有する光学素子と、
   を有し、
   前記偏光分離面の法線と前記第２断面は平行であり、
   前記第２断面において前記複数の第２光源像が形成される領域の幅が、前記第１断面において前記複数の第１光源像が形成される領域の幅よりも小さく、
   前記圧縮光学系は、前記光源側から前記画像表示素子側へ順に、正の屈折力の光学素子と、負の屈折力を有する光学素子を含んでおり、該負の屈折力を有する光学素子の該画像表示素子側の面は凹形状であることを特徴とする照明光学系。
2. 前記第１光束分割手段と前記圧縮光学系との間、又は、前記第２光束分割手段と前記光束重畳手段との間に配置された偏光変換素子を有することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記画像表示素子は、反射型の液晶パネルであり、
   前記偏光分離面を有する光学素子は、前記反射型の液晶パネルにより反射された光のうち、第１の偏光成分を前記光束重畳手段側へ戻し、前記第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を前記光束重畳手段側とは異なる方向へ射出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. 前記光束重畳手段は、前記第１光束分割手段により分割された各光束を、前記画像表示素子に重畳することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学系。
5. 前記第１光束分割手段は、前記第１断面において屈折力を有するレンズアレイを含んでいることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学系。
6. 前記第２光束分割手段は、前記第２断面において屈折力を有するレンズアレイを含んでいることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明光学系。
7. 前記第１光束分割手段は、前記第１断面においてのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズが、前記光軸に垂直に配列された第１のシリンドリカルレンズアレイであり、
   前記第２光束分割手段は、前記第２断面においてのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズが、前記光軸に垂直に配列された第３のシリンドリカルレンズアレイであり、
   前記第１のシリンドリカルレンズアレイの前記画像表示素子側に配置され、前記第１断面においてのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズが前記光軸に垂直に配列された第２のシリンドリカルレンズアレイと、
   前記第３のシリンドリカルレンズアレイの前記画像表示素子側に配置され、前記第２断面においてのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズが前記光軸に垂直に配列された第４のシリンドリカルレンズアレイと、
   を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学系。
8. 前記光束重畳手段として、
   前記第１断面においてのみ屈折力を有し、前記第１のシリンドリカルレンズアレイにより分割された各光束を前記画像表示素子に重畳させる第１のシリンドリカルレンズと、
   前記第２断面においてのみ屈折力を有し、前記第３のシリンドリカルレンズアレイにより分割された各光束を、前記画像表示素子に重畳させる第２のシリンドリカルレンズと、を有することを特徴とする請求項７に記載の照明光学系。
9. 前記第２光束分割手段に入射する光束の前記第２断面での幅が、前記第１光束分割手段に入射する光束の第１断面での幅より小さいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明光学系。
10. 前記第１光束分割手段に入射する光束の前記第１断面での幅をＷ１、前記第２光束分割手段に入射する光束の前記第２断面での幅をＷ２とするとき、
    ０．１＜Ｗ２／Ｗ１＜０．８
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の照明光学系。
11. 前記圧縮光学系を構成する前記負の屈折力を有する光学素子は、前記第２光束分割手段の作用を兼ねていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の照明光学系。
12. 前記圧縮光学系を構成する前記正の屈折力の光学素子は、前記第２断面においてのみ正の屈折力を有しており、前記圧縮光学系を構成する前記負の屈折力を有する光学素子は、前記第２断面においてのみ屈折力を有しており、
    前記第２断面において、前記正の屈折力の光学素子と前記負の屈折力の光学素子とは、アフォーカル系を構成することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の照明光学系。
13. 光源からの光束を複数の光束に分割し、該分割された光束を画像表示素子に重畳する照明光学系において、
    前記照明光学系の光軸と平行な第１断面において、前記光源からの光束を分割し、該分割された光束を用いて第１光源像領域内に複数の第１光源像を形成する第１のシリンドリカルレンズアレイと、
    前記光軸と平行でかつ前記第１断面と垂直な第２断面において、前記光源からの光束を分割し、該分割された光束を用いて第２光源像領域内に複数の第２光源像を形成する第２のシリンドリカルレンズアレイと、
    前記第１のシリンドリカルレンズアレイと前記第２のシリンドリカルレンズアレイとの間に配置され、前記第２断面において正の屈折力を有する光学素子と、
    前記第２のシリンドリカルレンズアレイと前記画像表示素子との間に配置され、前記第１のシリンドリカルレンズアレイ及び前記第２のシリンドリカルレンズアレイにより分割された各光束を前記画像表示素子に重畳する光束重畳手段と、
    前記光束重畳手段と前記画像表示素子との間に配置され、偏光分離面を有する偏光ビームスプリッターと、
    を有し、
    前記偏光分離面の法線と前記第２断面は平行であり、
    前記第２断面において前記複数の第２光源像が形成される領域の幅が、前記第１断面において前記複数の第１光源像が形成される領域の幅よりも小さく、
    前記第２のシリンドリカルレンズアレイは、前記第２断面において負の屈折力を有し、前記画像表示素子側の面は凹形状であることを特徴とする照明光学系。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の照明光学系と、画像表示素子と、該画像表示素子の画像を投影する投射レンズを有することを特徴とする投射型表示装置。
15. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の照明光学系と、画像表示素子と、を有することを特徴とする投射型表示装置。