JP5268428B2 - 照明光学系及び画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、プロジェクタ等の画像投射装置に用いられる照明光学系に関する。

画像投射装置では、光源からの照明光によって液晶パネル等の画像表示素子を照明する照明光学系を有し、画像表示素子で変調された光を投射光学系を介してスクリーン上に拡大投射する。

従来の画像投射装置では、画像表示素子に向かう照明光のうち該画像表示素子に対する入射角度が大きい成分をカットしたり画像表示素子に入射させたりすることで、投射画像のコントラストを可変としている。

例えば、特許文献１には、開口サイズが可変である開口絞りを有する照明光学系が開示されている。この可変開口絞りは、２枚のフライアイレンズのうち光源から遠い側のフライアイレンズ（第２のフライアイレンズ）の近傍に配置され、４枚の遮光板を移動させることによって第２のフライアイレンズへの照明光の入射領域を変化させる。これにより、照明光学系のＦナンバーを変化させて投射画像のコントラストを変化させる。
特開２００５−０１７５００号公報

しかしながら、特許文献１にて開示された可変開口絞りを用いてコントラストを変更可能とする方法では、コントラストを大きく上げる際に照明光のうちかなり多くの部分をカットする必要がある。この結果、投射画像のコントラストは上がるが、輝度が大きく低下する。

本発明は、投射画像の輝度を大きく低下させることなく、コントラストを可変とすることができる照明光学系及びこれを用いた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、照明光学系を介して画像表示素子に導き、該画像表示素子からの光束を被投射面に投射する画像投射装置の前記照明光学系であって、前記光源からの光束を複数の光束に分割し、該複数の光束に複数の光源像を形成させる光束分割手段と、前記光束分割手段からの複数の光束を前記画像表示素子上において重畳させる集光手段と、前記集光手段よりも光源側に配置され、前記光束を圧縮する光束制御光学系を有し、前記光束制御光学系は、２つ以上の光学素子を含み、該２つ以上の光学素子のうち少なくとも２つの光学素子を光軸方向に移動させることで前記光束の圧縮率を変更することを特徴とする。
また、本発明の他の側面としての照明光学系は、光源からの光束を、照明光学系を介して画像表示素子に導き、該画像表示素子からの光束を被投射面に投射する画像投射装置の前記照明光学系であって、前記光源からの光束が入射するロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータからの光束を前記画像表示素子上に集光する集光手段と、前記集光手段よりも光源側に配置され、前記光束を圧縮する光束制御光学系を有し、前記光束制御光学系は、２つ以上の光学素子を含み、該２つ以上の光学素子のうち少なくとも２つの光学素子を光軸方向に移動させることで前記光束の圧縮率を変更することを特徴とする。

なお、上記照明光学系を含む画像投射装置も本発明の他の一側面を構成する。

本発明では、照明光学系における光束の圧縮率を変化させることで投射画像のコントラストを可変とする。これにより、コントラストを高くしても、照明光束が大きくカットされることはないので、投射画像の輝度の低下を少なくすることができる。したがって、投射画像のコントラストが可変でありながらも、明るく、かつ高いコントラストを有する画像をも投射可能な画像投射装置を実現することができる。

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２１の（Ａ），（Ｂ）には、後述する本発明の各実施例である照明光学系が用いられる液晶プロジェクタ（画像投射装置）の光学構成を示している。なお、（Ａ）と（Ｂ）は該光学構成を互いに異なる方向から見た図である。

同図において、４１は連続スペクトルで無偏光光（非偏光光）の白色光を発光する放電発光管（以下、単に発光管という）である。４２は発光管４１からの光を所定の方向に集光する放物面を有するリフレクタである。発光管４１とリフレクタ４２により光源ランプ１が構成される。リフレクタ４２から射出する光束の大部分は、平行光束である。

１００は各実施例の照明光学系であり、光源ランプ１からの照明光束を、後述する色分解合成光学系を介して、後述する画像表示素子に導く。照明光学系１００の具体的な構成については後述する。照明光学系１００は、光源ランプ１からの無偏光光を特定の偏光方向を有する直線偏光（ここでは、Ｓ偏光）に変換する偏光変換素子を含む。この偏光変換素子については、後述する。

４７はランプ１からの光軸を、ほぼ９０度（より詳しくは８８度）折り曲げるための反射ミラーである。

５８は青（Ｂ：例えば４３０〜４９５ｎｍ）と赤（Ｒ：例えば５９０〜６５０ｎｍ）の波長領域の光を反射し、緑（Ｇ：例えば５０５〜５８０ｎｍ）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り付けたＧ用の入射側偏光板であり、Ｐ偏光光のみを透過する。６０は多層膜により構成された偏光分離面においてＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第１偏光ビームスプリッタである。

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画像表示素子（画像形成素子又は空間光変調素子）としての赤用反射型液晶パネル、緑用反射型液晶パネル及び青用反射型液晶パネルである。６２Ｒ，６２Ｇ，６２Ｂはそれぞれ、赤用１／４波長板、緑用１／４波長板及び青用１／４波長板である。

６４ａはＲ光の色純度を高めるためにオレンジ光を光源ランプ１に戻すトリミングフィルタである。６４ｂは透明基板に偏光素子を貼り付けたＲＢ用入射側偏光板であり、Ｐ偏光のみを透過する。

６５はＲ光の偏光方向を９０度変換し、Ｂ光の偏光方向は変換しない色選択性位相差板である。６６は偏光分離面においてＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第２偏光ビームスプリッタである。

６８ＢはＢ用射出側偏光板（偏光素子）であり、Ｂ光のうちＳ偏光成分のみを整流する。６８ＧはＧ光のうちＳ偏光成分のみを透過させるＧ用出側偏光板である。６９はＲ光及びＢ光を透過し、Ｇ光を反射するダイクロイックプリズムである。

以上のダイクロイックミラー５８〜ダイクロイックプリズム６９により、色分解合成光学系が構成される。

本実施例において、照明光学系１００に含まれる偏光変換素子は、無偏光光のうちＰ偏光成分をＳ偏光成分に変換し、Ｓ偏光成分をそのまま通過することで、Ｓ偏光を射出する。ここでいうＰ偏光とＳ偏光は、偏光変換素子における光の偏光方向を基準として述べている。一方、ダイクロイックミラー５８に入射する光は、第１及び第２偏光ビームスプリッタ６０，６６での偏光方向を基準として考え、Ｐ偏光光であるとする。すなわち、本実施例では、偏光変換素子から射出された光をＳ偏光とするが、同じＳ偏光がダイクロイックミラー５８に入射する場合はＰ偏光として定義する。

次に、光学的な作用について説明する。ここでは、白表示状態での光学的作用について説明する。

発光管４１から発した光はリフレクタ４２により所定の方向に集光される。リフレクタ４２は放物面形状の凹面鏡を有し、放物面の焦点位置からの光は該放物面の対称軸に平行な光束となる。但し、発光管４１からの光源は理想的な点光源ではなく、有限の大きさを有しているので、集光する光束には放物面の対称軸に平行でない光の成分も多く含まれている。これらの光束は、照明光学系１００及び反射ミラー４７を介してダイクロイックミラー５８に入射する。ダイクロイックミラー５８に入射する光は、照明光学系１００に含まれる偏光変換素子（これについては後述する）によってＳ偏光とされている。

以下、ダイクロイックミラー５８を透過したＧ光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光は、入射側偏光板５９に入射する。Ｇ光はダイクロイックミラー５８によって分解された後もＰ偏光（偏光変換素子を基準とする場合はＳ偏光）となっている。そして、Ｇ光は入射側偏光板５９から射出した後、第１偏光ビームスプリッタ６０に対してＰ偏光として入射し、その偏光分離面を透過してＧ用反射型液晶パネル６１Ｇへと至る。

ここで、該プロジェクタのインターフェース２５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８０が接続されている。制御基板１１は、インターフェース２５を介して画像供給装置８０から入力された画像情報に基づいて、反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂを駆動し、これらに各色用の原画を形成させる。これにより、各反射型液晶パネルに入射した光は、反射されるとともに原画に応じて変調（画像変調）される。画像供給装置８０とプロジェクタとにより画像表示システムが構成される。

Ｇ用反射型液晶パネル６１Ｇにおいては、Ｇ光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧ光のうちＰ偏光成分は、再び第１偏光ビームスプリッタ６０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Ｇ光のうちＳ偏光成分は、第１偏光ビームスプリッタ６０の偏光分離面で反射され、投射光としてダイクロイックプリズム６９に向かう。

このとき、すべての偏光成分をＰ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１偏光ビームスプリッタ６０とＧ用反射型液晶パネル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偏光ビームスプリッタ６０とＧ用反射型液晶パネル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偏光ビームスプリッタ６０から射出したＧ光は、ダイクロイックプリズム６９に対してＳ偏光として入射し、該ダイクロイックプリズム６９のダイクロイック膜面で反射して投射レンズ５へと至る。

一方、ダイクロイックミラー５８で反射したＲ光とＢ光は、トリミングフィルタ６４ａに入射する。Ｒ光とＢ光はダイクロイックミラー５８によって分解された後もＰ偏光となっている。そして、Ｒ光とＢ光は、トリミングフィルタ６４ａでオレンジ光成分がカットされた後、入射側偏光板６４ｂを透過し、色選択性位相差板６５に入射する。

色選択性位相差板６５は、Ｒ光の偏光方向のみを９０度回転させる作用を有し、これによりＲ光はＳ偏光として、Ｂ光はＰ偏光として第２偏光ビームスプリッタ６６に入射する。

Ｓ偏光として第２偏光ビームスプリッタ６６に入射したＲ光は、該第２偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射され、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒへと至る。また、Ｐ偏光として第２偏光ビームスプリッタ６６に入射したＢ光は、該第２偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過してＢ用反射型液晶パネル６１Ｂへと至る。

Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒに入射したＲ光は、画像変調されて反射される。画像変調されたＲ光のうちＳ偏光成分は、再び第２偏光ビームスプリッタ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光のうちＰ偏光成分は、第２偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過して、投射光としてダイクロイックプリズム６９に向かう。

また、Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｂに入射したＢ光は、画像変調されて反射される。画像変調されたＢ光のうちＰ偏光成分は、再び第２偏光ビームスプリッタ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光のうちＳ偏光成分は、第２偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射して、投射光としてダイクロイックプリズム６９に向かう。

このとき、第２偏光ビームスプリッタ６６とＲ用，Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｂとの間に設けられた１／４波長板６２Ｒ，６２Ｂの遅相軸を調整することにより、Ｇ光の場合と同じように、Ｒ，Ｂ光それぞれの黒表示状態で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て第２偏光ビームスプリッタ６６から射出したＲ光とＢ光は、射出側偏光板６８Ｂで検光されてダイクロイックプリズム６９に入射する。また、Ｒ光はＰ偏光のまま射出側偏光板６８Ｂを透過して、ダイクロイックプリズム６９に入射する。

射出側偏光板６８Ｂで検光されることにより、Ｂ光は、該Ｂ光が第２偏光ビームスプリッタ６６、Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｂ及び１／４波長板６２Ｂを通ることによって生じた無効な成分がカットされた光となる。

そして、ダイクロイックプリズム６９に入射したＲ光とＢ光は、ダイクロイック膜面を透過して、該ダイクロイック膜面にて反射したＧ光と合成されて投射レンズ５に至る。

そして、合成されたＲ，Ｇ，Ｂ光は、投射レンズ５によってスクリーンなどの被投射面に拡大投射される。

図１には、本発明の実施例１である照明光学系１００のＸＺ断面を示す。図中の１０１は光源であり、図２１中の発光管４１に相当する。１０２は放物面リフレクタであり、図２１中のリフレクタ４２に相当する。

１０３，１０４，１０５はそれぞれ光学素子としての第１のレンズ、第２のレンズ、第３のレンズであり、これら第１〜第３のレンズ１０３〜１０５により光束制御光学系が構成される。

１０６は光束分割手段としての第１のフライアイレンズ（レンズアレイ）であり、複数のレンズセルが２次元方向に配列されて構成されている。この第１のフライアイレンズ１０６は、光源からの光束を複数の光束に分割（光束分割）すると共に、後述する第２のフライアイレンズ１０７や偏光変換素子１０８の近くに光源像（二次光源像）を形成する。１０７は第２のフライアイレンズ（レンズアレイ）であり、複数のレンズセルが２次元方向に配列されて構成されている。

１０８は偏光変換素子である。１０９は集光手段としてのコンデンサーレンズである。前述した第１〜第３のレンズ１０３〜１０５は、コンデンサーレンズ１０９よりも光源側に配置されている。１１０は液晶パネル（画像表示素子）であり、図２１中の反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂに相当する。Ｏ_１は照明光学系１００の光軸を示す。

図２には、偏光変換素子１０８の構造（ＸＺ断面）を示している。偏光変換素子１０８は、複数の偏光分離面３１と、複数の反射面３２と、複数の１／２波長板３３と、複数の遮光板３４と、複数の第１透光性部材３５と、複数の第２透光性部材３６とを有する。

第１透光性部材３５及び第２透光性部材３６は、偏光分離面３１と反射面３２との間に交互に配置されている。遮光板３４は、第１の透光性部材３５の入射面に貼り付けられている。１／２波長板３３は、第２の透光性部材３６の射出面に貼り付けられている。

光源１０１からの光束であって第１のフライアイレンズ１０６により分割され、第２のフライアイレンズ１０７を通過した複数の光束は、第１のフライアイレンズ１０６のレンズセル列に対応した列の第２透光性部材３６に入射する。図２には、該複数の光束のうち１つの光束Ｒ３１を示している。

第２透光性部材３６に入射した光束Ｒ３１は、偏光分離面３１に入射し、これを透過するＰ偏光成分Ｒ３２とここで反射されるＳ偏光成分Ｒ３３とに分割される。偏光分離面３１で反射されたＳ偏光成分Ｒ３３は、さらに反射面３２で反射されて、射出面から射出する。一方、偏光分離面３１を透過したＰ偏光成分Ｒ３２は、１／２波長板３３により偏光方向を９０°回転させられてＳ偏光成分となり、射出面から射出する。こうして、光源１０１からの無偏光光が同じ偏光方向を有するＳ偏光に変換される。すなわち、偏光変換素子１０８からは、Ｓ偏光としての複数の光束が射出される。

光束制御光学系の第１のレンズ１０３は、正のパワー（焦点距離の逆数であり、屈折力ともいう）を有し、第２のレンズ１０４及び第３のレンズ１０５はともに負のパワーを有する。これにより、光束制御光学系は、平行光束としての入射光束を、その光束幅よりも小さな光束幅を有する平行光束としての射出光束に変換する、つまりは圧縮するアフォーカル光学系を構成する。

第２のレンズ１０４及び第３のレンズ１０５は、射出光束の光束幅を変化させるために、すなわち入射光束に対する射出光束の圧縮率を変化させるために光軸Ｏ_１が延びる方向（以下、単に光軸方向という）に移動する（光軸方向位置が変化する）。第１のレンズ１０３は、固定されている（光軸方向位置が変化しない）。

放物面リフレクタ１０２によって光軸Ｏ_１に平行な光束に変換された光源１０１からの光束（平行光束）は、光束制御光学系に入射する。前述したように光束制御光学系は、光源側から順に、正、負、負のパワーを有するレンズ１０３〜１０５により構成されているため、光束制御光学系に入射した平行光束は、その光束幅が圧縮された平行光束として射出される。

光束制御光学系から射出された平行光束は、第１のフライアイレンズ１０６に含まれる複数のレンズセルによって複数の光束に分割される。また、第１のフライアイレンズ１０６は、その複数のレンズセルが有する正のパワーによって、該複数の光束に、第２のフライアイレンズ１０７と偏光変換素子１０８の近傍にて複数の二次光源像を形成させる。

ここで、第２のレンズ１０４及び第３のレンズ１０５が光軸方向に移動しても（光軸方向位置が変化しても）、複数の二次光源像が形成される光軸方向位置（及び光軸直交面内での位置）は変化しない。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

複数の二次光源像を形成した複数の光束は、偏光変換素子１０８を経てＳ偏光に変換された後、コンデンサーレンズ１０９に入射する。コンデンサーレンズ１０９は、複数の光束を液晶パネル１０の受光面上（すなわち、画像表示素子上）で重畳させ、均一な照明エリアを形成する。

ここで、光束制御光学系における光束の圧縮率αを以下のように定義する。

α＝Ｂ／Ａ
ただし、Ａは光束制御光学系への入射光束の光束幅（光束径）であり、Ｂは光束制御光学系からの射出光束の光束幅（光束径）である。

図３には、α＝０．８５の場合での照明光学系１００のＸＺ断面を示す。図４には、α＝０．７５の場合での照明光学系１００のＸＺ断面を示す。さらに、図５には、α＝０．６５での場合の照明光学系１００のＸＺ断面を示す。これらの図から分かるように、第２のレンズ１０４及び第３のレンズ１０５を光軸方向に移動させることにより、圧縮率αが変化する。

なお、図３〜図５に示す状態へと変化して圧縮率が大きくなる（αの数値としては小さくなる）につれて、第２のレンズ１０４は光源側に凸の軌跡で移動し、第３のレンズ１０５は液晶パネル側に単調に移動する。

液晶パネル１１０に入射する光束の入射角度が小さいほど、投射画像のコントラストは高くなる。このため、コンデンサーレンズ１０９の焦点距離が一定であれば、コンデンサーレンズ１０９に入射する光束径が小さくなるほど、液晶パネル１１０に入射する入射角度が小さくなり、投射画像のコントラストは高くなる。つまり、光束制御光学系における光束の圧縮率を大きくするほど、コントラストを高くすることができる。

このように、本実施例では、投射画像のコントラストを変化させるために、光束制御光学系での光束の圧縮率を変更する。このため、コントラストを上げたとき、コントラストの高い投射画像の中心部に光を集めることができる。したがって、コントラストのアップ率に対する投射画像の輝度の低下を少なくすることができる。

本実施例では、光束制御光学系を３つのレンズ１０３〜１０５により構成し、第１〜第３のレンズ１０３〜１０５に正、負、負のパワーを付与した場合について説明した。ただし、光束制御光学系は、２つ以上の光学素子によって構成することが可能である。２つ以上（例えば、４つ）の光学素子のうち少なくとも１つの正のパワーを有する光学素子と少なくとも１つの負のパワーを有する光学素子（すなわち、少なくとも２つの光学素子）がそれぞれ光軸方向に移動すればよい。

また、本実施例では、放物面リフレクタ１０２と第１のレンズ１０３を用いる場合について説明したが、これらに代えて、楕円リフレクタを用いても（楕円リフレクタで光束を圧縮しても）よい。

図６及び図７にはそれぞれ、本発明の実施例２である照明光学系１００のＸＺ断面及びＹＺ断面を示す。

図中の１５１は光源であり、図２１中の発光管４１に相当する。１５２は放物面リフレクタであり、図２１中のリフレクタ４２に相当する。

１５３，１５４はそれぞれ光学素子としての第１のレンズ及び第２のレンズである。第１及び第２のレンズ１５３，１５４と後述する第１のフライアイレンズによって第１の光束制御光学系が構成される。また、第１及び第２のレンズ１５３，１５４と後述する第２のフライアイレンズによって第２の光束制御光学系が構成される。

１５５は第１のフライアイレンズ（レンズアレイ、光学素子）であり、複数のレンズセルが２次元方向に配列されて構成されている。１５６は第２のフライアイレンズ（レンズアレイ、光学素子）であり、複数のレンズセルが２次元方向に配列されて構成されている。第１及び第２のフライアイレンズ１５５，１５６は、光束分割手段を構成するとともに、前述したように、第１及び第２の光束制御光学系の一部を構成する。

１５７は偏光変換素子であり、実施例１の偏光変換素子１０８と同様の構造を有する。１５８は集光手段としてのコンデンサーレンズである。前述した第１及び第２のレンズ１５３，１５４は、コンデンサーレンズ１５８よりも光源側に配置されている。

１５９は液晶パネル（画像表示素子）であり、図２１中の反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂに相当する。Ｏ_２は照明光学系１００の光軸を示す。

第１のフライアイレンズ１５５は、図８に示すように、各レンズセルの頂点がＸ方向外側に偏心している。このため、第１のフライアイレンズ１５５は、図６に示すＸＺ断面において、全体として負のパワーを発生するシリンダーレンズ効果を有する。

また、第２のフライアイレンズ１５６は、図９に示すように、各レンズセルの頂点がＹ方向外側に偏心している。このため、第２のフライアイレンズ１５６は、図７に示すＹＺ断面において、全体として負のパワーを発生するシリンダーレンズ効果を有する。

第１のレンズ１５３は正のパワーを有し、第２のレンズ１５４は負のパワーを有する。

ＸＺ断面では、正のパワーを有する第１のレンズ１５３と、負のパワーを有する第２のレンズ１５４と、シリンダーレンズ効果（負のパワー）を有する第１のフライアイレンズ１５５とによって第１の光束制御光学系が構成される。第１の光束制御光学系は、ＸＺ断面において、平行光束としての入射光束を、その光束幅よりも小さな光束幅を有する平行光束としての射出光束に変換する、つまりは圧縮するアフォーカル光学系である。

また、ＹＺ断面では、正のパワーを有する第１のレンズ１５３と、負のパワーを有する第２のレンズ１５４と、シリンダーレンズ効果（正のパワー）を有する第２のフライアイレンズ１５６とによって第２の光束制御光学系が構成される。第２の光束制御光学系は、ＹＺ断面において、平行光束としての入射光束を、その光束幅よりも小さな光束幅を有する平行光束としての射出光束に変換する、つまりは圧縮するアフォーカル光学系である。

第１のレンズ１５３及び第２のレンズ１５４は、射出光束の光束幅を変化させるために、すなわち入射光束に対する射出光束の圧縮率を変化させるために、光軸方向に移動する。なお、第１及び第２のフライアイレンズ１５６，１５７は固定されている。

ＸＺ断面及びＹＺ断面での光束の圧縮率β，γをそれぞれ、以下のように定義する。

β＝Ｄ／Ｃ
γ＝Ｆ／Ｅ
ただし、Ｃは第１の光束制御光学系への入射光束の光束幅（光束径）であり、Ｄは第１の光束制御光学系からの射出光束の光束幅（光束径）である。また、Ｅは第２の光束制御光学系への入射光束の光束幅（光束径）であり、Ｆは第２の光束制御光学系からの射出光束の光束幅（光束径）である。

図１０及び図１１には、β＝０．８５，γ＝０．７の場合での照明光学系１００のＸＺ断面及びＹＺ断面を示す。図１２及び図１３には、β＝０．７６，γ＝０．６２の場合での照明光学系１００のＸＺ断面及びＹＺ断面を示す。

これらの図から分かるように、第１のレンズ１５３及び第２のレンズ１５４を光軸方向に移動させることにより、圧縮率β，γが変化する。

なお、図１０，１１から図１２，１３に示す状態へと変化して圧縮率が大きくなる（β，γの数値としては小さくなる）につれて、第１及び第２のレンズ１５３，１５４はそれぞれ、光源側に単調に移動する。

また、本実施例では、以下の関係が成立している。

β／γ＝一定
したがって、ＹＺ断面において液晶パネル１５９に入射する光束の角度分布は、ＸＺ断面において液晶パネル１５９に入射する光束の角度分布より小さくなる。このため、色分解合成光学系に、入射角度依存性を有する偏光分離面（偏光ビームスプリッタ）やダイクロイック面（ダイクロイックプリズム）が含まれる場合には、高い光利用効率を実現しつつ、投射画像のコントラストを変化させることができる。

また、本実施例では、実施例１に比べて、レンズの枚数が少ないため、照明効率のアップとコストダウンを図ることができる。

また、本実施例では、光束制御光学系を、正，負の第１及び第２のレンズ１５３，１５４と負のシリンダーレンズ効果を有するフライアイレンズ１５６又は１５７の３つの光学素子により構成した。しかし、光束制御光学系は、少なくとも２つの光軸方向に移動可能な光学素子を含む２つ以上の光学素子により構成することができる。２つ以上（例えば、４つ）の光学素子のうち、フライアイレンズを除く少なくとも１つの正のパワーを有する光学素子と少なくとも１つの負のパワーを有する光学素子（すなわち、少なくとも２つの光学素子）がそれぞれ光軸方向に移動すればよい。

図１４には、本発明の実施例３である照明光学系１００のＸＺ断面を示す。本実施例は、実施例１の照明光学系１００における第１及び第２のフライアイレンズ１０６，１０７の間であって第２のフライアイレンズ１０７の近くに、可変開口絞り１７１を追加した構成を有する。可変開口絞り１７１以外の構成要素については、実施例１と同符号を付して説明に代える。

可変開口絞り１７１の構成を図１５に示す。１７２は遮光手段としての２枚の遮光板である。２枚の遮光板１７２をＹ方向における互いに反対側に移動させることで、可変開口絞り７１の開口の大きさを変化させ、圧縮された光束のうちカットする光束の量を一定量に維持する。

図１５の（ａ）には、光束制御光学系における光束の圧縮率がα＝０．８５の場合での可変開口絞り１７１の状態を示している。図１５の（ｂ）には、α＝０．７５の場合での可変開口絞り１７１の状態を示している。図１５の（ｃ）には、α＝０．６５の場合での可変開口絞り１７１の状態を示している。

これらの図から分かるように、圧縮率αの変化に連動させて遮光板１７２を移動させることで、可変開口絞り１７１の開口の大きさを変え、カットする光束の量を増減させる。具体的には、図１５の（ａ）〜（ｃ）に示す状態へと変化して圧縮率が大きくなる（αの数値としては小さくなる）につれて、可変開口絞り１７１の開口を小さくし、カットする光束の量を一定に維持する。ここで、可変開口絞り１７１によってカットされる光束の量は、特許文献１にて開示された可変開口絞りでカットされる光束の量よりも少ない。このため、投射画像の輝度を大きく低下させることなく、実施例１に比べて、よりコントラストを高くすることができる。

なお、図１５に示した可変開口絞り１７１（遮光板１７２）の形状は例に過ぎず、他の形状を採用してもよい。

また、可変開口絞り１７１を配置する位置は、図１４に示した位置でなくてもよく、例えば、第３のレンズ１０５と第１のフライアイレンズ１０６との間に配置してもよい。

図１６には、本発明の実施例４である照明光学系１００のＸＺ断面を示す。本実施例は、実施例１の照明光学系１００における第２のレンズ１０４と第３のレンズ１０５との間に、開口絞り１９１を追加した構成を有する。開口絞り１９１以外の構成要素については、実施例１と同符号を付して説明に代える。

開口絞り１９１は、光軸方向に移動可能に設けられている。開口絞り１９１の形状を、図１７に示す。１９２は遮光手段である遮光板であり、その中央には、菱形の開口１９２ａが形成されている。

図１６には、光束制御光学系における光束の圧縮比がα＝０．７５の場合での開口絞り１９１の位置を示している。また、図１８には、α＝０．６５の場合での照明光学系１００のＸＺ断面及び開口絞り１９１の位置を示している。

これらの図から分かるように、圧縮率αの変化に連動させて開口絞り１９１を光軸方向に移動させることで、カットする光束の量を増減させる。具体的には、図１６に示す状態から図１８に示す状態へと変化して圧縮率が大きくなる（αの数値としては小さくなる）につれて、開口絞り１９１を光源側に移動させ、カットする光束の量を一定に維持する。

本実施例でも、開口絞り１９１によってカットされる光束の量は、特許文献１にて開示された可変開口絞りでカットされる光束の量よりも少ない。このため、投射画像の輝度を大きく低下させることなく、実施例１に比べて、よりコントラストを高くすることができる。

なお、図１７に示した開口絞り１９１（遮光板１９２）の形状は例に過ぎず、他の形状を採用してもよい。

また、開口絞り１９１を配置する位置は、図１６及び図１８に示した位置でなくてもよく、例えば、第１のレンズ１０３と第２のレンズ１０４との間に配置してもよい。

図１９及び図２０にはそれぞれ、本発明の実施例５である照明光学系１００のＸＺ断面を示す。

図中の２０１は光源であり、図２１中の発光管４１に相当する。２０２は放物面リフレクタであり、図２１中のリフレクタ４２に相当する。

２０３，２０４，２０５はそれぞれ光学素子としての第１のレンズ、第２のレンズ、第３のレンズであり、これら第１〜第３のレンズ２０３〜２０５により光束制御光学系が構成される。

２０６は光源からの光束が入射するロッドインテグレータであり、２０７は第１のフィールドレンズ、２０８は第２のフィールドレンズ、２０９は第３のフィールドレンズである。２１０は偏光変換素子であり、２１１はロッドインテグレータからの光束を液晶パネル上に集光する集光手段としてのコンデンサーレンズである。前述した第１〜第３のレンズ２０３〜２０５は、コンデンサーレンズ２１１よりも光源側に配置されている。２１２は液晶パネル（画像表示素子）であり、図２１中の反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂに相当する。Ｏ_３は照明光学系１００の光軸を示す。

第１のレンズ２０３は正のパワーを有し、第２のレンズ２０４は負のパワーを有する。また、第３のレンズ２０５は正のパワーを有する。

第２のレンズ２０４及び第３のレンズ２０５は、図１９及び図２０にそれぞれφ１，φ２（＜φ１）で示すロッドインテグレータ２０６に入射する光束の分布角度を変化させるように光軸方向に移動する。具体的には、ロッドインテグレータ２０６に入射する光束の分布角度が小さくなるにつれて、第２及び第３のレンズ２０４，２０５はそれぞれ、光源側に単調に移動する。第１のレンズ２０３は固定されている。

このように、ロッドインテグレータ２０６に入射する光束の分布角度を変えることで、照明光学系１００のＦナンバーを変化させ、投射画像のコントラストを可変とすることができる。

なお、上述した実施例１〜４では、入射した平行光束の径（幅）を狭めて再び平行光束として射出させることを光束の圧縮と称したが、本実施例では、そのような光束の圧縮は行わない。しかしながら、第１のレンズ２０３に入射する光束に比べて、第３のレンズ２０５から射出してロッドインテグレータ２０６に向かう光束の径は小さくなっているので、これも本発明にいう光束の圧縮に含める。そして、ロッドインテグレータ２０６に入射する光束の分布角度を増減させることは、光束の圧縮率を変更することに相当する。

本実施例では、光束制御光学系を３つのレンズ２０３〜２０５により構成し、第１〜第３のレンズ２０３〜２０５に正、負、正のパワーを付与した場合について説明した。ただし、光束制御光学系は、２つ以上の光学素子によって構成することが可能である。２つ以上（例えば、４つ）の光学素子のうち少なくとも１つの正のパワーを有する光学素子と少なくとも１つの負のパワーを有する光学素子（すなわち、少なくとも２つの光学素子）がそれぞれ光軸方向に移動すればよい。

また、本実施例では、放物面リフレクタ２０２と第１のレンズ２０３を用いる場合について説明したが、これらに代えて、楕円リフレクタを用いてもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

本発明の実施例１である照明光学系の構成を示すＸＺ断面図。 実施例１の照明光学系に用いられている偏光変換素子の構造を示すＸＺ断面図。 実施例１の照明光学系のα＝０．８５での構成を示すＸＺ断面図。 実施例１の照明光学系のα＝０．７５での構成を示すＸＺ断面図。 実施例１の照明光学系のα＝０．６５での構成を示すＸＺ断面図。 本発明の実施例２である照明光学系の構成を示すＸＺ断面。 実施例２の照明光学系の構成を示すＹＺ断面。 実施例２の照明光学系に用いられる第１のフライアイレンズの斜視図。 実施例２の照明光学系に用いられる第２のフライアイレンズの斜視図。 実施例２の照明光学系のβ＝０．８５、γ＝０．７０での構成を示すＸＺ断面図。 実施例２の照明光学系のβ＝０．８５、γ＝０．７０での構成を示すＹＺ断面図。 実施例２の照明光学系のβ＝０．７６、γ＝０．６２での構成を示すＸＺ断面図。 実施例２の照明光学系のβ＝０．７６、γ＝０．６２での構成を示すＹＺ断面図。 本発明の実施例３である照明光学系の構成を示すＸＺ断面図。 実施例３の照明光学系に用いられる可変開口絞りの形状を示す図。 本発明の実施例４である照明光学系のα＝０．７５での構成を示すＸＺ断面図。 実施例４の照明光学系に用いられる開口絞りの形状を示す図。 実施例４の照明光学系のα＝０．６５での構成を示すＸＺ断面図。 本発明の実施例５である照明光学系（φ１）の構成を示すＸＺ断面図。 実施例５の照明光学系（φ２）の構成を示すＸＺ断面図。 実施例１〜５の照明光学系を用いた液晶プロジェクタの光学構成を示す図。

符号の説明

１０１，１５１，２０１ 光源
１０２，１５２，２０２ 放物面リフレクタ−
１０３，１５３，２０３ 第１のレンズ
１０４，１５４，２０４ 第２のレンズ
１０５，２０５ 第３のレンズ
１０６，１５５ 第１のフライアイレンズ
１０７，１５６ 第２のフライアイレンズ
１０８，１５７，２１０ 偏光変換素子
１０９，１５８，２１１ コンデンサーレンズ
１１０，１５９，２１２ 液晶パネル
３１ 偏光分離面
３２ 反射面
３３ １／２波長板
３４ 遮光板
３５ 第１透過性部材
３６ 第２の透過性部材
１７１ 可変開口絞り
１７２，１９２ 遮光板
１９１ 開口絞り
２０６ ロッドインテグレータ

Claims (9)

1. 光源からの光束を、照明光学系を介して画像表示素子に導き、該画像表示素子からの光束を被投射面に投射する画像投射装置の前記照明光学系であって、
   前記光源からの光束を複数の光束に分割し、該複数の光束に複数の光源像を形成させる光束分割手段と、
   前記光束分割手段からの複数の光束を前記画像表示素子上において重畳させる集光手段と、
   前記集光手段よりも光源側に配置され、前記光束を圧縮する光束制御光学系を有し、
   前記光束制御光学系は、２つ以上の光学素子を含み、該２つ以上の光学素子のうち少なくとも２つの光学素子を光軸方向に移動させることで前記光束の圧縮率を変更することを特徴とする照明光学系。
2. 前記光束分割手段は、複数のレンズセルを含むレンズアレイにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 光源からの光束を、照明光学系を介して画像表示素子に導き、該画像表示素子からの光束を被投射面に投射する画像投射装置の前記照明光学系であって、
   前記光源からの光束が入射するロッドインテグレータと、
   前記ロッドインテグレータからの光束を前記画像表示素子上に集光する集光手段と、
   前記集光手段よりも光源側に配置され、前記光束を圧縮する光束制御光学系を有し、
   前記光束制御光学系は、２つ以上の光学素子を含み、該２つ以上の光学素子のうち少なくとも２つの光学素子を光軸方向に移動させることで前記光束の圧縮率を変更することを特徴とする照明光学系。
4. 前記光束制御光学系は、３つ以上の光学素子を含み、該３つ以上の光学素子のうち少なくとも２つの光学素子を光軸方向に移動させることで前記圧縮率を変更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. 前記少なくとも２つの光学素子は、前記複数の光源像が形成される光軸方向位置を変化させないように移動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。
6. 前記少なくとも２つの光学素子の光軸方向への移動に応じて移動する遮光手段を有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。
7. 前記光源からの無偏光光を特定の偏光方向を有する直線偏光に変換する偏光変換素子を有し、
   前記光束制御光学系は、前記偏光変換素子よりも光源側に設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の照明光学系。
8. 光源と、
   請求項１から７のいずれか１つに記載の照明光学系と、
   前記照明光学系からの光束が導かれる画像表示素子を有することを特徴とする画像投射装置。
9. 前記画像表示素子からの光束を被投射面に投射する投射光学系を有することを特徴とする請求項８に記載の画像投射装置。