JP6881919B2 - 画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換素子を用いた画像投射装置（以下、プロジェクタという）に関する。

プロジェクタの光源として、特許文献１には、レーザダイオードからの青色光を波長変換素子（蛍光体）に照射して該青色光の一部を黄色光（緑色および赤色光）に波長変換することで、青色光と黄色光とを含む白色光を生成する構成が開示されている。この構成では、波長変換素子からの白色光を照明光として取り出す光路内に、レーザダイオードからの青色光を蛍光体に向けて反射する導光面（偏光ビームスプリッタ）を設けている。この導光面は、特定の偏光方向を有する青色光を反射し、該特定の偏光方向に直交する偏光方向を有する黄色光を透過する特性を有する。生成された白色光は照明光として液晶パネル等の光変調素子に導かれ、ここで画像光に変換された後、投射光学系によりスクリーン等の被投射面に投射される。

特許第５７７０４３３号公報

しかしながら、特許文献１にて開示された構成では、照明光の光路内に設けられた導光面が照明光のうち一定光量の青色光をも反射する。このため、コントラスト調整のために光学系の開口絞り径を変化させたり投射光学系の変倍によりそのＦナンバーが変化したりして画像光の生成に用いられる照明光の断面積が変化すると、該照明光における導光面で反射される青色光の割合が変化する。この結果、光変調素子に導かれる照明光の色が変化し、投射される画像の色も変化する。

本発明は、波長変換素子からの照明光の光路内に導光面（反射透過面）を設けつつ、照明光の断面積が変化しても照明光および投射画像の色の変化を抑制することができるようにした画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての画像投射装置は、第１の光の一部を該第１の光とは波長が異なる第２の光に変換して第１の光と第２の光とを含む照明光を生成する波長変換素子と、第１の光を反射して第２の光を透過するダイクロイック特性を有する反射透過面を含み、第１の光を反射透過面で反射させて波長変換素子に導き、照明光の一部を反射透過面に入射させながら照明光を出射させ、反射透過面と波長変換素子との間に配置された集光レンズユニットを含む照明光学系と、照明光学系からの照明光を用いて画像を表示するための、投射光学系を介して被投射面に投射される画像光を生成する画像光生成素子と、を有する。集光レンズユニットの光軸からみて、反射透過面の面積は集光レンズユニットの面積より小さく、画像光のうち被投写面に投射される光に用いられる照明光の有効領域は照明光学系または投射光学系に含まれる光制限手段によって変化する。そして、反射透過面は、照明光の有効領域の減少および増加に伴ってそれぞれ、該反射透過面における照明光の入射面積が減少および増加するように設けられており、有効領域が最も減少したときに、有効領域を通過する光に反射透過面を透過した光が含まれていることを特徴とする。

本発明によれば、波長変換素子からの照明光の光路内に反射透過面が設けられているにもかかわらず、照明光の断面積の変化に伴う照明光および投射画像の色の変化を抑制することができる。

本発明の実施例であるプロジェクタの基本構成を示す図。 実施例における非変換光と蛍光光からなる照明光のスペクトルを示す図。 実施例における光制限による光断面積の変化（ダイクロイックミラーに偏心がない場合）を示す図。 実施例における光制限による光断面積の変化（ダイクロイックミラーに偏心がある場合）を示す図。 実施例１のプロジェクタの構成を示す図。 実施例１における開口絞り面での蛍光光と非変換光の光量分布を示す図。 実施例２のプロジェクタの構成を示す図。 実施例２における開口絞り面での蛍光光と非変換光の光量分布を示す図。 実施例３のプロジェクタの構成を示す図。 実施例３の開口絞り面での蛍光光と非変換光の光量分布を示す図。 実施例３のプロジェクタの構成を示す図。 実施例３の開口絞り面での蛍光光と非変換光の光量分布を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。まず具体的な実施例の説明に先立って、本発明の実施例である画像投射装置（以下、プロジェクタという）２００の基本的な光学系の構成について図１を用いて説明する。

光源系１００は、レーザダイオード（ＬＤ）光源１、コリメータレンズ２、ダイクロイックミラー３、集光レンズユニット４および蛍光体ユニット５を有する。ＬＤ光源１は青色レーザ光（以下、青色光という）を発する。コリメータレンズ２は、ＬＤ光源１からの発散光である青色光を平行光に変換する正レンズである。ＬＤ光源１から発せられた青色光は、コリメータレンズ２により平行光に変換され、ダイクロイックミラー３の反射透過面に入射する。反射透過面は青色光を反射して黄色光（緑色および赤色光）を透過する特性を有する。ダイクロイックミラー３の反射透過面にて反射されたＬＤ光源１からの青色光は、後述する照明光学系２００の一部でもある集光レンズユニット４により集光されて蛍光体ユニット５に向う。

ダイクロイックミラー３は、ガラス基板の表面の全体または一部にダイクロイックコートを塗布することで構成されている。反射透過面は、このダイクロイックミラー３のうちダイクロイックコートが塗布された領域である。本実施例では、ガラス基板の表面全体にダイクロイックコートが塗布されたダイクロイックミラー３を用いており、ダイクロイックミラー３を反射透過面と同義とする。

集光レンズユニット４は、正のパワーを持ったレンズ群により構成され、ダイクロイックミラー３からの青色光を蛍光体５に向けて集光するとともに、蛍光体５から発せられた後述する照明光を集光して平行光に変換する。

波長変換素子としての蛍光体ユニット５は、蛍光体を含む波長変換層と、該波長変換層を保持する基板とを有する。波長変換層は、ここに入射した励起光としての青色光（第１の光）の一部を蛍光体により波長変換して該青色光より長い波長の蛍光光である黄色光（第２の光）を発する。また、黄色光は蛍光体から直接または基板に設けられた反射膜によって反射されて蛍光体ユニット５から集光レンズユニット４の方向に出射する。また、波長変換層において蛍光光に波長変換されなかった非変換光としての青色光は、波長変換層に含まれる拡散体により拡散反射されたり基板の反射膜によって反射されたりして青色光のまま蛍光体ユニット５から集光レンズユニット４の方向に出射する。こうして蛍光体ユニット５から黄色光（赤色および緑色光）と青色光とが含まれる白色光としての照明光が出射する。

集光レンズユニット４の光軸ＡＸＬが延びる方向である光軸方向から見たとき、ダイクロイックミラー３を光軸ＡＸＬに直交する面に投影したときの面積は、集光レンズユニット４およびそこからの照明光の断面（光軸ＡＸＬに直交する断面）の面積よりも小さい。このため、集光レンズユニット４により平行光に変換された照明光は、その一部をダイクロイックミラー３に入射させながら後述する第１のフライアイレンズ６ａに向かう。

以下の説明において、ダイクロイックミラー３を集光レンズユニット４の光軸ＡＸＬに直交する面に投影した面を、ダイクロイックミラー３の光軸方向射影面といい、その面積をダイクロイックミラー３の光軸方向射影面積という。また、以下の説明において、照明光、蛍光光および非変換光の断面およびその面積とは、光軸ＡＸＬに直交するそれらの断面および断面積を意味する。

ダイクロイックミラー３に入射した照明光のうち黄色光は、該ダイクロイックミラー３を透過して照明光学系２００の第１のフライアイレンズ６ａに入射する。一方、ダイクロイックミラー３に入射した照明光のうち青色光はダイクロイックミラー３で反射されてコリメータレンズ２およびＬＤ光源１の方向に戻る。このため、第１のフライアイレンズ６ａに向かう照明光の断面のうちダイクロイックミラー３の光軸方向射影面での青色光の光量は、該ダイクロイックミラー３の光軸方向射影面以外の領域に比べて低く（ほぼ０に）なる。照明光のうちダイクロイックミラー３で反射される青色光を考慮して第１のフライアイレンズ６ａに入射する照明光が白色光になるように蛍光体ユニット５から出射する黄色光と青色光の割合が設定される。また、照明光のうちダイクロイックミラーで反射されてＬＤ光源１側に戻される青色光はロスになるため、ダイクロイックミラー３の光軸方向射影面積はできるだけ小さい方が望ましい。

照明光学系２００は、上述した集光レンズユニット４、第１のフライアイレンズ６ａ、第２のフライアイレンズ６ｂ、偏光変換素子７およびコンデンサレンズ８を有する。集光レンズユニット４の光軸ＡＸＬは、照明光学系２００の光軸でもある。

第１のフライアイレンズ６ａは、複数のレンズセルを有し、入射した照明光を複数の光束に分割し、各分割光束に第２のフライアイレンズ６ｂの近傍に光源像を形成させる。第２のフライアイレンズ６ｂも、第１のフライアイレンズ６ａの複数のレンズセルに対応する複数のレンズセルを有する。

第２のフライアイレンズ６ｂの後段に設けられた偏光変換素子７は、それぞれ複数の偏光ビームスプリッタとλ／２板とにより構成され、入射した無偏光光である照明光（分割光束）を特定の偏光方向を有する直線偏光に変換する。本実施例では、照明光をｓ偏光に変換する。

偏光変換素子７からの照明光は、コンデンサレンズ８により集光され、画像光生成素子（光変調素子）としての３つの液晶パネル１４（１４ｒ，１４ｇ，１４ｂ）上にて重ね合わせられる。これにより各液晶パネル１４が均一に照明される。本実施例では、画像光生成素子である液晶パネル１４として反射型液晶パネルを用いる。ただし、画像光生成素子として透過型液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス（ＤМＤ）を用いてもよい。

コンデンサレンズ８で集光された照明光（ｓ偏光）は、色分解合成系３００に入射する。色分解合成系３００において、照明光はまず偏光板９に入射してその偏光度が高められた後、ダイクロイックミラー１０に入射する。ダイクロイックミラー１０は、緑色光を反射してマゼンタ光（青色および赤色光）を透過させる特性を有し、偏光板９からの白色光を緑色光とマゼンタ光に分離する。位相差板１２は、赤色光の偏光方向を９０度回転させてｐ偏光とし、青色光をそのままｓ偏光として透過させる。
偏光ビームスプリッタ１１（１１ａ，１１ｂ）は、ｓ偏光を反射してｐ偏光光を透過する特性を有し、各色光をその偏光方向に応じて反射または透過することで各色光に対応する液晶パネル１４（１４ｒ，１４ｇ，１４ｂ）に導く。具体的には、偏光ビームスプリッタ１１ａは、ダイクロイックミラー１０で反射された緑色光（ｓ偏光）を反射して緑用液晶パネル１４ｇに導く。また、偏光ビームスプリッタ１１ｂは、位相差板１２からの青色光（ｓ偏光）を透過して青色用液晶パネル１４ｂに導き、赤色光（ｐ偏光）を反射して赤色用液晶パネル１４ｒに導く。

１／４λ板１３ｒ，１３ｇ，１３ｂは、各液晶パネルとの間での各色光の往復において各色光に１／２λの位相差を与えることで検光効果を高める。駆動回路１７は、プロジェクタの外部から入力された画像信号に応じて各液晶パネル１４を駆動する。これにより、各液晶パネル１４は、入射した各色光を変調してその偏光方向を変換した画像光を生成して反射する。緑色の画像光（ｐ偏光）は偏光ビームスプリッタ１１ａにより透過されてダイクロイックプリズム１５に導かれる。青色の画像光（ｐ偏光）および赤色の画像光（ｓ偏光）はそれぞれ、偏光ビームスプリッタ１１ｂにより透過および反射されてダイクロイックプリズム１５に導かれる。

ダイクロイックプリズム１５は、緑色光を反射してマゼンタ色光を透過する特性を有し、緑色の画像光と青色および赤色の画像光を合成して投射レンズ（投射光学系）４００に導く。

投射レンズ４００は、上記のように色合成された画像光をスクリーン等の被投射面１８に拡大投射する。ことによりカラー画像としての投射画像が表示される。

次に、上述した光学系において、投射画像のサイズ変更のための投射レンズ４００の変倍やコントラスト調整のための開口絞りの開口径の変更による照明光（つまりは投射画像）の色の変化について説明する。照明光のうち蛍光光としての黄色光と非変換光としての青色光との割合は、波長変換層における拡散体の量によって励起光としての青色光の拡散量を変更することで調整することができる。図２に照明光のスペクトルを示す。

図２において、蛍光光のスペクトルのピークの高さをＰ１とし、非変換光（励起光）のスペクトルのピークの高さをＰ２とする。励起光の拡散量を変更することでＰ２を調整することができ、Ｐ２を大きくすると励起光のうち蛍光光に変換される量が減ってＰ１が小さくなり、Ｐ２を小さくすると励起光のうち蛍光光に変換される量が増えてＰ１が大きくなる。これらの関係は、色度図上でほぼ線形に変化する。この線形を示す直線の傾きと切片は蛍光体の種類によって決まる。そして、例えばこの直線上の点で黒体軌跡に最も近い点を選ぶことで、適切な色度の白色（ホワイトバランス）を設定することができる。このときの適切な色度の白色を定めた状態を標準状態とすると、標準状態でのＰ１とＰ２の比率が決まる。

ここで、蛍光光と非変換光のそれぞれの断面での強度分布がほぼ一様であるとし、標準状態での蛍光光の断面積をＡ０とし、非変換光の断面積をＢ０とする。また、後述する光制限手段による照明光の断面積の変化（以下、光制限という）に応じて変化（減少）した蛍光光の断面積をＡ１とし、非変換光の断面積をＢ１とする。このとき、光制限に応じて断面積が減少した後の蛍光光および非変換光のスペクトルのピークは、それぞれの標準状態でのスペクトルのピークに変化前後の断面積の比を乗じた、
Ａ１／Ａ０×Ｐ１
Ｂ１／Ｂ０×Ｐ２
となる。

標準状態に対する光制限による減少後（以下、光制限状態ともいう）の蛍光光および非変換光の断面積が互いに同じであれば、照明光および投射画像の色は変わらない。蛍光光および非変換光の断面積のそれぞれの減少の割合を断面積減少率というとき、図３から、蛍光光および非変換光の断面積減少率はそれぞれ、
（Ａ０−Ａ１）／Ａ０
（Ｂ０−Ｂ１）／Ｂ０
である。

ダイクロイックミラー３の光軸方向射影面積をＣとすると、
Ａ０−Ｃ＝Ｂ０
の関係があるので、
（Ｂ０−Ｂ１）／Ｂ０＝（Ａ０−Ｃ−Ｂ１）／（Ａ０−Ｃ）
となる。

光制限状態では、蛍光光と非変換光とで共通する光路のうち外縁側の領域（以下、光制限領域という）が空間的に遮蔽される。このときに遮蔽されない中心側の領域がダイクロイックミラー３の光軸方向射影面を完全に含む場合は、図３から、
Ｃ＝Ａ１−Ｂ１
となるため、
（Ｂ０−Ｂ１）／Ｂ０＝（Ａ０−Ａ１）／（Ａ０−Ｃ） …（１）
となる。つまり、蛍光光と非変換光の分子が共通であるのに対して、非変換光の分母が小さいため、断面積減少率としては非変換光の方が多くなる。

例えば、Ａ０＝１００，Ｂ０＝９０，Ａ１＝８０，Ｃ＝Ａ０−Ｂ０＝Ａ１−Ｂ１＝１０である場合において、標準状態での蛍光光と非変換光の断面積（言い換えれば光量）の割合が１００：９０であるときに照明光が適切な白色を示すとする。このとき、標準状態に対する光制限状態での蛍光光と非変換光の断面積の減少量はともに２０（Ａ１＝８０，Ｂ１＝７０）となる。しかし、蛍光光は標準状態での断面積Ａ０＝１００からの減少であるので２０％の減少となるのに対して、非変換光は標準状態の断面積Ｂ０＝９０からの減少であるので２０／９０＝２２．２％の減少となる。すなわち、非変換光である青色光が蛍光光である黄色光より多く減少し、この結果、照明光の色が変化して黄色みを帯びる。

上記（１）式において、Ｂ０，Ａ０，Ｃ，Ａ１は定数であるが、Ｂ１は光制限状態での蛍光光の断面積Ａ１からダイクロイックミラー３の光軸方向射影面積Ｃを差し引くことで得られる。このため、ダイクロイックミラー３の位置の選択によりＢ１の値を変化させることができる。すなわち、光制限領域がダイクロイックミラー３の光軸方向射影面のうち少なくとも一部に重なる（光軸方向射影面と共通部分を有する）ようにダイクロイックミラー３を配置した場合は、αを０以上１未満の数として、
Ｂ１＝Ａ１−（１−α）Ｃ
表せる。この場合、（１）式は、
（Ｂ０−Ｂ１）／Ｂ０＝（Ａ０−Ａ１−αＣ）／（Ａ０−Ｃ）
となり、分母が小さくなるのに対して分子も上記共通部分の面積だけ小さくなる。これにより、上記共通部分を持たない場合に比べて、非変換光の断面積減少率と蛍光光の断面積減少率とのかい離を小さくすることができ、光制限による照明光および投射画像の色の変化を小さくすることができる。

ただし、ダイクロイックミラー３（の光軸方向射影面）が照明光学系２００の光軸ＡＸＬ上に位置する場合に上記共通部分を設けるためには光制限領域を十分大きくする必要がある。これに対して、光制限領域は本来、変倍やコントラスト向上等の一定の効果を得るために必要な領域として設けられるべきであり、光制限領域を大きくするにも限界がある。

このため、本実施例では、図４に示すようにダイクロイックミラー３を照明光学系２００の光軸ＡＸＬに対して偏心した位置に配置する。より詳細には、照明光の断面においてダイクロイックミラー３の光軸方向射影面の重心が照明光学系２００の光軸ＡＸＬに対して偏心して位置するようにダイクロイックミラー３を配置する。

光軸ＡＸＬに対するダイクロイックミラー３の偏心量は、以下のように設定される。偏心量は、照明光のうち光制限領域より内側の有効領域（被投射面に投射される画像光の生成に用いられる照明光）の断面積の減少および増加に伴ってそれぞれ、ダイクロイックミラー３における照明光の入射面積が減少および増加するように設定される。さらに言えば、有効領域の断面積の減少および増加のそれぞれと常に同時に、ダイクロイックミラー３における照明光の入射面積が減少および増加する偏心量に設定される。照明光の入射面積が減少および増加することは、照明光のうちダイクロイックミラー３で反射される非変換光の光量が減少および増加することに相当する。これにより、光制限領域の面積を大きくしなくても、光制限による非変換光の断面積減少率と蛍光光の断面積減少率とのかい離を小さくすることができ、光制限に伴う照明光および投射画像の色の変化を小さくすることができる。

ただし、ダイクロイックミラー３の偏心量をダイクロイックミラー３が照明光の断面から完全に外れるほど大きくすると、ＬＤ光源１の位置を照明光学系２００からその光軸ＡＸＬに直交する方向に遠ざける必要がある。この結果、光学系全体が大型化するため、好ましくない。

以上の構成により、光制限に伴う照明光および投射画像の色の変化を小さくすることができる。以下、具体的な実施例について説明する。

実施例１として、光制限手段が投射レンズ４００のＦナンバーである場合について図５を用いて説明する。投射レンズ４００が変倍可能なズームレンズであると、変倍により投射レンズ４００のＦナンバーが変化する場合が多い。この場合、ワイド端からテレ端への変倍によって投射レンズ４００内の絞り（投射レンズ絞り）２０よりも前側のレンズ群１９の焦点距離が長くなるように該レンズ群１９と投射レンズ絞り２０の位置が移動する。なお、図５では、レンズ群１９を１つのレンズで示しているが、実際には複数のレンズで構成されている。なお、液晶パネル１４を含む上述した色分離合成系３００では、光制限による照明光や画像光（投射画像）の色の変化はほとんどないと考えられるので、図５では液晶パネル１４のみを示している。

投射レンズ絞り２０の開口径が変わらずに該投射レンズ絞り２０の位置が移動すると、液晶パネル１４から出射した光軸ＡＸＬに対する角度が大きい光は投射レンズ絞り２０で遮断される。つまり、液晶パネル１４に入射する照明光の有効領域の径が小さくなる。角度が大きい光は第１のフライアイレンズ６ａに入射する照明光のうち第１のフライアイレンズ６ａの中心（光軸ＡＸＬ）から離れた位置のレンズセルに入射する光に由来する。光軸ＡＸＬに対する角度が小さい中心部の光は変倍によって変わることなく常に投射レンズ絞り２０を通過する。

本実施例では、ダイクロイックミラー３を、その光軸方向投影面が第１のフライアイレンズ６ａの中心から最も離れたレンズセルに重なるように光軸ＡＸＬに対して偏心させる。これにより、ワイド端とテレ端との間での変倍に伴う照明光および投射画像の色の変化を小さくすることができる。

図６には、本実施例におけるワイド端およびテレ端での非変換光および蛍光光における第１のフライアイレンズ６ａの光軸に直交する断面とダイクロイックミラー３の光軸方向投影面３ａとの関係を示す。投射レンズ絞り２０の開口（光通過開口）の形状は円形または円形に近い多角形状であり、光軸ＡＸＬを中心とした回転対称形状である。すなわち蛍光光および非変換光はともに円形または多角形状の断面で示される有効領域Ｅを有する。ただし、蛍光光は有効領域Ｅにおいて均一な光量分布を有する一方、非変換光はダイクロイックミラー３の光軸方向投影面３ａにおいて光量がほぼ０になっている。蛍光光および非変換光の断面積がそれぞれ最大となるワイド端では、非変換光の有効領域Ｅ内にダイクロイックミラー３の光軸方向投影面３ａの全体が包含されている。つまり、ダイクロイックミラー３の全体に照明光の非変換光が入射する。

ワイド端からテレ端への変倍により光制限領域Ｌが生じることにより、蛍光光および非変換光の有効領域Ｅがともに減少する。このとき、光制限領域はダイクロイックミラー３の光軸方向射影面３ａと共通部分を有するため、ダイクロイックミラー３の光軸方向投影面３ａのうち照明光の非変換光が入射する面積（非変換光入射面積）も減少する。したがって、ワイド端からテレ端への変倍に伴う照明光および投射画像の色の変化を小さくすることができる。

実施例２として、光制限手段が投射レンズ４００に設けられた可変絞り２１である場合について図７を用いて説明する。可変絞り２１は、投射レンズ４００の変倍を行わなくてもその開口径（光通過開口の大きさ）を変更することができる。本実施例は、例えば、結像性能等を優先した単焦点レンズとしての投射レンズに可変絞りを設けた場合を想定している。この場合、可変絞り２１の開口径を絞ることによって被写界深度を高めることができるため、曲面スクリーン等に画像を投射する際に各点でピントを合わせることができる。また、実施例１では被投射面のコントラストを下げる要因となる光を色分離合成系３００に入る前に排除していた。これに対して、投射レンズ４００内の可変絞り２１の開口径を光軸ＡＸＬを中心として絞ることで、変調された光を排除することができ、コントラストを向上させることができる。

図８には、本実施例における可変絞り２１の全開状態と絞り込み状態での非変換光および蛍光光における第１のフライアイレンズ６ａの光軸に直交する断面とダイクロイックミラー３の光軸方向投影面との関係を示す。可変絞り２１の開口形状は円形または円形に近い多角形状であり、光軸ＡＸＬを中心とした回転対称形状である。すなわち蛍光光および非変換光はともに円形または多角形状の断面で示される有効領域Ｅを有する。ただし、蛍光光は有効領域Ｅにおいて均一な光量分布を有する一方、非変換光はダイクロイックミラー３の光軸方向投影面３ａにおいて光量がほぼ０になっている。蛍光光および非変換光の断面積がそれぞれ最大となる可変絞り２１の全開状態では、非変換光の有効領域Ｅ内にダイクロイックミラー３の光軸方向投影面３ａの全体が包含されている。

可変絞り２１が絞り込まれると光制限領域Ｌが生じることにより、蛍光光および非変換光の有効領域Ｅが減少する。このとき、光制限領域がダイクロイックミラー３の光軸方向射影面３ａと共通部分を有するため、ダイクロイックミラー３の光軸方向投影面３ａのうち照明光の非変換光が入射する非変換光入射面積も減少する。したがって、可変絞り２１の絞り込みに伴う照明光および投射画像の色の変化を小さくすることができる。

なお、本実施例と実施例１とを組み合わせて、ズームレンズとしての投射レンズに可変絞り２１を設けてもよい。

実施例３として、光制限手段が照明光学系２００に設けられた可変絞り（シャッター）２２である場合について図９を用いて説明する。本実施例は、コントラストの向上のために照明光学系２００に可変絞り２２が設けられた場合を想定している。プロジェクタにおけるコントラスト低下の要因の１つとして、色分離合成系における不要光の発生がある。色分離合成系に用いられる偏光ビームスプリッタにおいて、その偏光分離面の設計に用いられる主光線の偏光分離面への入射角度に対して入射角度が大きくずれた軸外光線が透過または反射すべき偏光分離面で反射または透過して被投射面に不要光として投射される。これにより、コントラストが低下する。このため、偏光分離面に大きな入射角度で入射する軸外光線を取り除くために照明光学系２００に可変絞り２２が設けられる。

図９において、第１のフライアイレンズ６ａが、第２のフライアイレンズ６ｂとコンデンサレンズ８を介して液晶パネル１４と共役な関係を有する。コンデンサレンズ８の直前で可変絞り２２により軸外光線を制限することで被照明面である液晶パネル１４の明るさを制御することができる。本実施例では、偏光変換素子７とコンデンサレンズ８と間に可変絞り２２を設けている。

図１０には、本実施例における可変絞り２１の全開状態と絞り込み状態での非変換光および蛍光光における第１のフライアイレンズ６ａの光軸に直交する断面とダイクロイックミラー３の光軸方向投影面との関係を示す。可変絞り２２の開口（光通過開口）の形状は、第１および第２のフライアイレンズ６ａ，６ｂを通過した複数の分割光束が被照射面にて重ね合わされたときに明るさむらが少なくなるように必要がある。このため、実施例２で説明した投射レンズ４００内の可変絞り２１のような円形またはこれに近い多角形状ではなく、各フライアイレンズのレンズセルごとに光を段階的に遮蔽できるように階段状の開口形状を設定する。すなわち蛍光光および非変換光はともに可変絞り２２の開口形状に対応する断面で示される有効領域Ｅを有する。

蛍光光は有効領域Ｅにおいて均一な光量分布を有するが、非変換光はダイクロイックミラー３の光軸方向投影面３ａにおいて光量がほぼ０になっている。蛍光光および非変換光の断面積がそれぞれ最大となる可変絞り２２の全開状態では、非変換光の有効領域Ｅ内にダイクロイックミラー３の光軸方向投影面３ａの全体が包含されている。

可変絞り２２が絞り込まれると光制限領域Ｌが生じることにより、蛍光光および非変換光の有効領域Ｅが減少する。このとき、光制限領域がダイクロイックミラー３の光軸方向射影面３ａと共通部分を有するため、ダイクロイックミラー３の光軸方向投影面３ａのうち照明光の非変換光が入射する非変換光入射面積も減少する。したがって、可変絞り２２の絞り込みに伴う照明光および投射画像の色の変化を小さくすることができる。

実施例４として、それぞれ複数（例えば２つ）の蛍光体ユニット５ａ，５ｂ、ダイクロイックミラー３−１，３−２および不図示のＬＤ光源が設けられた多灯式のプロジェクタについて図１１および図１２を用いて説明する。図１１に示すように、本実施例では、実施例３と同様に、照明光学系２００に可変絞り（シャッター）２２が設けられている。

蛍光体ユニットにおいて蛍光体に高いエネルギの励起光が集中することにより、熱による蛍光体の劣化や波長変換の飽和による変換効率の低下が生じる。このため、ＬＤ光源と蛍光体ユニットを複数用意し、これら複数の蛍光体ユニットのそれぞれからの照明光を合成して液晶パネルを照明する。本実施例では、第１のフライアイレンズ６ａの前に、複数の蛍光体ユニット５ａ，５ｂからの照明光をそれぞれ集光するレンズ２４ａ，２４ｂと、該集光された照明光を反射する反射面２５ａ，２５ｂとを設けている。さらに、これら照明光を平行光化して第１のフライアイレンズ６ａに入射させるレンズ２６を設けている。

図１２には、本実施例における可変絞り２２の全開状態と絞り込み状態での非変換光および蛍光光における第１のフライアイレンズ６ａの光軸に直交する断面とダイクロイックミラー３の光軸方向投影面との関係を示す。実施例３と同様に、蛍光光は有効領域Ｅにおいて均一な光量分布を有するが、非変換光は２つのダイクロイックミラー３−１，３−２の光軸方向投影面３−１ａ，３−２ａにおいて光量がほぼ０になっている。蛍光光および非変換光の断面積がそれぞれ最大となる可変絞り２２の全開状態では、非変換光の有効領域Ｅ内にダイクロイックミラー３−１，３−２の光軸方向投影面３−１ａ，３−２ａの全体が包含されている。なお、図ではダイクロイックミラー３−１，３−２の光軸方向投影面３−１ａ，３−２ａが光軸の位置を通る面に関して左右対称な関係に位置するが、これ以外の関係に位置していてもよい。

可変絞り２２が絞り込まれると光制限領域Ｌが生じることにより、蛍光光および非変換光の有効領域Ｅが減少する。このとき、光制限領域がダイクロイックミラー３−１，３−２の光軸方向射影面３−１ａ，３−１ｂと共通部分を有するため、ダイクロイックミラー３−１，３−２の光軸方向投影面３−１ａ，３−２ａのうち照明光の非変換光が入射する非変換光入射面積も減少する。したがって、多点灯式のプロジェクタにおいても、可変絞り２２の絞り込みに伴う照明光および投射画像の色の変化を小さくすることができる。

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。

３ ダイクロイックミラー（反射透過面）
５ 蛍光体ユニット（波長変換素子）
１４ 液晶パネル（画像光生成素子）
２０ 開口絞り
２１，２２ 可変絞り ２００ 照明光学系
３００ 色分離合成系
４００ 投射光学系

Claims (7)

1. 第１の光の一部を該第１の光とは波長が異なる第２の光に変換して前記第１の光と前記第２の光とを含む照明光を生成する波長変換素子と、
   前記第１の光を反射して前記第２の光を透過するダイクロイック特性を有する反射透過面を含み、前記第１の光を前記反射透過面で反射させて前記波長変換素子に導き、前記照明光の一部を前記反射透過面に入射させながら前記照明光を出射させ、前記反射透過面と前記波長変換素子との間に配置された集光レンズユニットを含む照明光学系と、
   前記照明光学系からの前記照明光を用いて投射画像を表示するための、投射光学系を介して被投射面に投射される画像光を生成する画像光生成素子と、を有し、
   前記集光レンズユニットの光軸からみて、前記反射透過面の面積は、前記集光レンズユニットの面積より小さく、
   前記画像光のうち前記被投写面に投射される光に用いられる前記照明光の有効領域は、前記照明光学系または前記投射光学系に含まれる光制限手段によって変化し、
   前記反射透過面は、前記照明光の前記有効領域の減少および増加に伴ってそれぞれ、該反射透過面における前記照明光の入射面積が減少および増加するように設けられ、
   前記有効領域が最も減少したときに、前記有効領域を通過する光に前記反射透過面を透過した光が含まれていることを特徴とする画像投射装置。
2. 前記照明光の前記有効領域の減少および増加に伴ってそれぞれ、前記入射面積が常に同時に減少および増加することを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
3. 前記反射透過面における前記入射面積の減少および増加に伴ってそれぞれ、前記照明光のうち該反射透過面で反射する前記第１の光の光量が減少および増加することを特徴とする請求項１または２に記載の画像投射装置。
4. 前記照明光学系は光軸を有し、
   前記反射透過面は、前記光軸に対して偏心した位置に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の画像投射装置。
5. 前記反射透過面は、前記照明光の前記有効領域が最大であるときに該反射透過面の全体に前記照明光が入射するように前記光軸に対して偏心していることを特徴する請求項４に記載の画像投射装置。
6. 前記光制限手段は、前記投射光学系に含まれており、該投射光学系の変倍により前記照明光の前記有効領域を変化させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の画像投射装置。
7. 前記光制限手段は、前記照明光学系または前記投射光学系に含まれ、光通過開口の面積が可変である可変絞りであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の画像投射装置。

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