JP2008268243A - 照明光学系および投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】均一な強度分布が得られるとともに、光量の損失が低減し光の利用効率の向上した照明が得られる照明光学系および投写型表示装置を提供する。
【解決手段】照明光学系１００は、非偏光な光を射出する光源装置１１０と、光源装置から射出された光を複数の部分光束に分割して射出する第１のレンズアレイ１２０と、第１のレンズアレイより射出された複数の部分光束を平行化して射出する第２のレンズアレイ１３０と、第２のレンズアレイ１３０から平行化されて射出された複数の部分光束を、それぞれ偏光方向の揃った一種類の直線偏光光に変換して射出する偏光変換素子１４０と、偏光変換素子より射出された複数の直線偏光光を発散して射出する第３のレンズアレイ１５０とを備え、光学装置としての液晶ライトバルブ４００の光入射面を照明領域として照明する。この照明光学系１００は、画像を投写して表示する投写型表示装置に好ましく用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源の射出光を複数の部分光束に分割した後に光学装置に重畳して照明する照明光学系に関する。また、本発明は、この照明光学系を用いた投写型表示装置に関する。

投写型表示装置では、電気光学装置を用いて、照明光学系から射出された照明光を画像情報（画像信号）に応じて変調し、変調された光線束をスクリーン上に投写して画像が表示される。このような投写型表示装置によって表示される画像は、均一で明るいことが好ましく、これに用いられる照明光学系の光の利用効率が高いことが望まれる。
照明光学系は、一般的に、光源から射出された非偏光な光（白色光）を一種類の直線偏光光に変換する偏光変換光学素子と、液晶ライトバルブなどの電気光学装置の照明領域を均一に照明するための二つのレンズアレイと、重畳レンズとを備えている。

こうした照明光学系として、光射出量を多くすることにより、光の利用効率が高く、明るい画像を表示するために、放射状の光を射出する光源ランプおよび光源ランプから射出された光を反射するために設けられた回転楕円体の凹面を有する凹面鏡を備え、集光光を射出する光源と、集光光を略平行に変換する機能を有する平行化レンズと、平行化レンズの入射面側または射出面側に配置された第１のレンズアレイと、平行化レンズの射出面側に配置された第２のレンズアレイを備えた照明光学系および投写型表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１９３９２６号公報

しかしながら、上記のように、二つのレンズアレイと、光源から射出された非偏光な光を一種類の直線偏光光に変換する偏光変換光学素子とを含み構成された照明光学系において、偏光変換光学素子には入射した偏光光を分離する機能を有する偏光分離膜が形成されている。この偏光分離膜は、一般的に誘電体多層膜よりなり、誘電体多層膜に対して所定の角度以外の入射角度をもって入射した光は、分光特性が劣る。
従来の照明光学系においては、偏光分離膜（誘電体多層膜）に入射する光の大部分が、所定の角度以外の入射角度をもって入射しているために、光の利用効率の低下を招いているという課題を有している。また、より低消費電力で利用することが可能な環境配慮型の照明光学系および投写型表示装置が求められている。

そこで本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、均一な強度分布が得られるとともに、光量の損失が低減し光の利用効率の向上した照明が得られる照明光学系および投写型表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の照明光学系は、光学装置の光入射面を照明領域として照明する照明光学系であって、非偏光な光を射出する光源と、前記光源から射出された光を複数の部分光束に分割して射出する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイより射出された複数の部分光束を平行化して射出する第２のレンズアレイと、前記第２のレンズアレイより平行化されて射出された複数の部分光束を、それぞれ偏光方向の揃った一種類の直線偏光光に変換して射出する偏光変換素子と、前記偏光変換素子より射出された複数の直線偏光光を発散して射出する第３のレンズアレイと、を備えたことを特徴とする。

これによれば、光学装置の光入射面を照明領域として照明する照明光学系が、非偏光な光を射出する光源と、光源から射出された光を複数の部分光束に分割して射出する第１のレンズアレイと、第１のレンズアレイより射出された複数の部分光束を平行化して射出する第２のレンズアレイと、第２のレンズアレイより平行化されて射出された複数の部分光束をそれぞれ偏光方向の揃った一種類の直線偏光光に変換して射出する偏光変換素子と、偏光変換素子より射出された複数の直線偏光光を発散して射出する第３のレンズアレイとを備えることにより、光源から射出され、第１のレンズアレイにおいて複数の部分光線束に分割された光線束を、第２のレンズアレイによって平行化された後に偏光変換素子に入射される。よって、光学装置の光入射面を照明する光は、均一な強度分布が得られるとともに、光量の損失が低減した輝度の高い照明が得られる。すなわち、光の利用効率が向上した照明光学系が得られる。

本発明に係る照明光学系において、前記第１のレンズアレイは、光源から射出された光の光軸に略直交する面内にマトリックス状に配列された複数の凸レンズを有し、前記第２のレンズアレイは、前記第１のレンズアレイに対向する面側に、前記第１のレンズアレイの複数の凸レンズに対応してマトリックス状に配列された複数の凹レンズを有し、前記第３のレンズアレイは、前記第２のレンズアレイに対向する面側に、前記第２のレンズアレイの複数の凹レンズに対応してマトリックス状に配列された複数の凹レンズを有することが好ましい。

これによれば、マトリックス状に配列された複数の凸レンズを有する第１のレンズアレイから射出される光を、第１のレンズアレイに対向する面側に第１のレンズアレイの複数の凸レンズに対応してマトリックス状に配列された複数の凹レンズを有する第２のレンズアレイが配置されることにより、第２のレンズアレイに入射した光を平行化して偏光変換素子に射出することができる。そして、偏光変換素子において偏光方向の揃った一種類の直線偏光光に変換された後に、第２のレンズアレイの複数の凹レンズに対応してマトリックス状に配列された複数の凹レンズを有する第３のレンズアレイにおいて直線偏光光を発散して射出されることにより、光学装置の光入射面を照明する光は、均一な強度分布が得られるとともに、光量の損失が低減した輝度の高い照明が得られる。

また、本発明に係る照明光学系において、前記第２のレンズアレイの凹レンズの曲率、前記第１のレンズアレイの凸レンズの曲率および前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイの位置関係は、下記の一般式（１）に従って決定されるのが好ましい。
Ｒ＝（ｎ−１）×（ｒ／（ｎ−１）−Ｌ）…（１）
但し、一般式（１）中、Ｒは第２のレンズアレイの凹レンズの曲率、ｒは第１のレンズアレイの凸レンズの曲率を表し、Ｌは第１のレンズアレイの凸レンズの主平面と第２のレンズアレイの凹レンズの主平面との距離を表す。ｎはｄ線（波長５８７．５ｎｍ）における第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイの屈折率を表す。

これによれば、照明光学系を構成する第２のレンズアレイの凹レンズの曲率Ｒ、第１のレンズアレイの凸レンズの曲率ｒおよび第１のレンズアレイの凸レンズの主平面と第２のレンズアレイの凹レンズの主平面との距離Ｌとの関係が上記一般式（１）に従って決定されることにより、第１のレンズアレイから射出された複数の部分光束を、第２のレンズアレイにおいて平行化して射出することができる。

また、本発明に係る照明光学系において、前記第２のレンズアレイは、マトリックス状に配列された複数の凹レンズを有する面の他方の面が平坦面で構成され、前記平坦面上に、ストライプ状に配列された複数の領域の遮光膜が、他方の面の凹レンズの境界線の一方向に沿って形成されるのが好ましい。

これによれば、第２のレンズアレイの平坦面上に、ストライプ状に配列された複数の領域の遮光膜が、他方の面の凹レンズの境界線の一方向に沿って設けられることにより、第２のレンズアレイにおいて平行化されずに迷走する迷光および不要な拡散光などを遮蔽して、平行化された光のみを偏光変換素子に射出することができる。したがって、迷光および不要な拡散光などによる直線偏光性の低下を防止し、直線偏光光量のより均一な照明を可能とする照明光学系が得られる。

本発明の投写型表示装置は、画像を投写して表示する投写型表示装置であって、上述したような照明光学系と、前記照明光学系からの射出光を３色の色光に分離する色光分離光学系と、前記色光分離光学系により分離された３色の色光をそれぞれ変調する電気光学装置と、前記電気光学装置から射出された３色の変調光を合成する色光合成光学系と、前記色光合成光学系により合成された変調光線束を投写面上に投写する投写光学系と、を備えたことを特徴とする。
かかる投写型表示装置は、上述したような照明光学系を用いているため、光の利用効率が向上した投写型表示装置が得られる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各図面は、いずれも模式図であり、説明の便宜のために各構成要素の寸法や比率を実際のものとは異ならせてある。

図１は、本発明の照明光学系の概略構成を示す模式断面図である。
照明光学系１００は、光源としての光源装置１１０、第１のレンズアレイ１２０、第２のレンズアレイ１３０、偏光変換素子１４０、第３のレンズアレイ１５０、重畳レンズ１６０を備えている。これらの各光学部品は、光源装置１１０から射出される光線束の中心軸（主光線）であるシステム光軸１００ａに沿って、この順に配置されている。この照明光学系１００は、所定の光学装置、例えば液晶ライトバルブ４００の光入射面を照明領域として照明する機能を有する。

なお、図１を含む以後の各図面において、互いに直交する３つの方向をｘ，ｙ，ｚ軸方向と表す。システム光軸１００ａに沿う方向（平行な方向）をｚ軸方向とし、ｚ軸に対する１２時方向をｙ軸方向（縦方向）、ｚ軸に対する３時方向をｘ軸方向（横方向）と表す。

光源としての光源装置１１０は、ランプ１１１と、回転放物面形状の凹面を有するリフレクタ１１２とを備えている。なお、ランプ１１１としては、ハロゲンランプ、メタルハライドランプおよび高圧水銀ランプなどを用いることができる。
ランプ１１１から射出された非偏光な光（白色光）は、リフレクタ１１２によって反射されてシステム光軸１００ａに略平行な光線束として第１のレンズアレイ１２０に向かって射出される。

次に第１のレンズアレイ１２０および第２のレンズアレイ１３０について説明する。
図２（ａ）は第１のレンズアレイ１２０の正面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図３（ａ）は第２のレンズアレイ１３０の正面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。

図２（ａ），（ｂ）において、第１のレンズアレイ１２０は、略矩形状の外形形状の板状部材であり、一方の面が平坦面１２１で構成され、平坦面１２１の他方の面内にマトリックス状（ｘ−ｙ軸方向）に配列された複数の凸レンズ１２２を有している。

凸レンズ１２２は、同一の略矩形状の輪郭内に、隣接する２つの凸レンズ１２２の境界線１２２ａに段差を極力生じさせないように、各凸レンズ１２２のレンズ面同士が連続するように接続されて、例えば、横方向（ｘ軸方向）に５列、縦方向（ｙ軸方向）に５行のマトリックス状に配列されている。

また、各凸レンズ１２２の略矩形状の輪郭は、液晶ライトバルブ４００の光入射面の照明領域と略相似形となるように設定されている。例えば、液晶ライトバルブ４００の画像形成領域のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）が４：３であるならば、各凸レンズ１２２のアスペクト比も４：３に設定される。また、各凸レンズ１２２のレンズ面は、曲率ｒの凸面よりなる。

このように構成された第１のレンズアレイ１２０は、凸レンズ１２２がマトリックス状に配列された面を、第２のレンズアレイ１３０側または光源装置１１０に向けて、システム光軸１００ａに略直交するように配置される。本実施形態においては、第１のレンズアレイ１２０が第２のレンズアレイ１３０側に向けて配置される。
この第１のレンズアレイ１２０は、光源装置１１０から射出された光線束を複数の部分光線束に分割して第２のレンズアレイ１３０に向かって射出する機能を有している。また、第１のレンズアレイ１２０より射出される各部分光線束は、第２のレンズアレイ１３０の近傍で集光される。

第２のレンズアレイ１３０は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、第１のレンズアレイ１２０と同様に略矩形状の外形形状の板状部材であり、一方の面が平坦面１３１で構成され、平坦面１３１の他方の面内にマトリックス状（ｘ−ｙ軸方向）に配列された複数の凹レンズ１３２を有している。

各凹レンズ１３２はシンドリカルレンズであり、第１のレンズアレイ１２０に形成された凸レンズ１２２に対応した略矩形状の輪郭内に、隣接する２つの凹レンズ１３２の境界線１３２ａに段差を極力生じさせないように、各凹レンズ１３２のレンズ面同士が連続するように接続されて、横方向（ｘ軸方向）に５列、縦方向（ｙ軸方向）に５行のマトリックス状に配列されている。なお、各凹レンズ１３２のレンズ面は、曲率Ｒの凹面よりなる。

このように構成された第２のレンズアレイ１３０は、凹レンズ１３２がマトリックス状に配列された面を第１のレンズアレイ１２０側に向けて、システム光軸１００ａに略直交するようにして、しかも各凹レンズ１３２が第１のレンズアレイ１２０の各凸レンズ１２２に対応するように配置されている。

この第２のレンズアレイ１３０は、第１のレンズアレイ１２０（各凸レンズ１２２）から射出されたそれぞれの部分光線束の中心軸を、システム光軸１００ａに略平行に揃える機能を有している。そして、第２のレンズアレイ１３０の各凹レンズ１３２において平行に揃えられた部分光線束は、偏光変換素子１４０に向かって射出される。

なお、第１のレンズアレイ１２０および第２のレンズアレイ１３０は、いずれも透光性を有する白板ガラス、ＢＫ７、ＳＫ１０などのガラス素材（硝材）よりなり、ガラス素材が加熱されて軟化した平板プリフォーム、あるいはガラス素材の溶融ガラス塊をモールドプレス成形するなどの加工方法によって作製される。

また、第１のレンズアレイ１２０の凸レンズ１２２の曲率ｒ、第２のレンズアレイ１３０の凹レンズ１３２の曲率Ｒおよび第１のレンズアレイ１２０と第２のレンズアレイ１３０の位置関係は、下記の一般式（１）に従って決定される。
Ｒ＝（ｎ−１）×（ｒ／（ｎ−１）−Ｌ）…（１）
但し、一般式（１）中、Ｌは、第１のレンズアレイ１２０の凸レンズ１２２の主平面と第２のレンズアレイ１３０の凹レンズ１３２の主平面との距離を表す（図１参照）。ｎは、ｄ線（波長５８７．５ｎｍ）における第１のレンズアレイ１２０および第２のレンズアレイ１３０の屈折率を表す。

一般式（１）に基づく凸レンズ１２２の曲率ｒおよび凹レンズ１３２の曲率Ｒの計算結果の一例を表１（［表−ａ］および［表−ｂ］）に示す。なお、［表−ａ］はレンズアレイの材質が白板ガラスまたはＢＫ７の場合の一般式（１）に基づく計算結果であり、［表−ｂ］はレンズアレイの材質がＢＫ１０の場合の一般式（１）に基づく計算結果である。

［表−ａ］および［表−ｂ］において、第１のレンズアレイ１２０をＭＬ−Ａと表し、第２のレンズアレイ１３０をＭＬ−Ｂと表す。また、各表に示す値は、距離Ｌ（第１のレンズアレイ１２０の凸レンズ１２２の主平面と第２のレンズアレイ１３０の凹レンズ１３２の主平面との距離）が１５ｍｍの場合の各レンズの曲率を単位ｍｍで示す。さらに白板ガラスおよびＢＫ７のｄ線（波長：５８７．５６ｎｍ）における屈折率は、１．５１６８であり、ＢＫ１０のｄ線（波長：５８７．５６ｎｍ）における屈折率は、１．６２２８である。

このように、第２のレンズアレイ１３０の凹レンズ１３２の曲率Ｒ、第１のレンズアレイ１２０の凸レンズ１２２の曲率ｒおよび第１のレンズアレイ１２０の凸レンズ１２２の主平面と第２のレンズアレイ１３０の凹レンズ１３２の主平面との距離Ｌとの関係が、前記一般式（１）に従って決定されることにより、第１のレンズアレイ１２０から射出された複数の部分光束を、第２のレンズアレイ１３０において平行化して射出することができる。

次に、偏光変換素子１４０について説明する。
図４（ａ）は偏光変換素子１４０の部分斜視図であり、図４（ｂ）は偏光変換素子１４０の作用を示す部分断面図である。

先ず、偏光変換素子１４０の構成について説明する。
図４（ａ）および図４（ｂ）において、偏光変換素子１４０は、偏光ビームスプリッタアレイ１４１と、偏光ビームスプリッタアレイ１４１の光入射面側に選択的に配置された複数の遮光板１４２と、偏光ビームスプリッタアレイ１４１の光射出面側に選択的に配置された複数のλ／２位相差板１４３とを備えている。この偏光変換素子１４０は、光入射面および光射出面がシステム光軸１００ａに略直交するように配置され（図１参照）、第２のレンズアレイ１３０より入射した複数の部分光線束を、１種類の直線偏光光（ｓ偏光光やｐ偏光光）に変換して射出する機能を有する。なお、本実施形態の偏光変換素子１４０は、ｓ偏光光に変換する機能を有する。

偏光ビームスプリッタアレイ１４１は、ｘ−ｚ軸方向において略平行四辺形の断面形状を有し、ｙ軸方向に延伸する柱状のガラス材１４１ａが複数貼り合わされて構成されている（但し、両側最端部は除く）。
複数貼り合わされて構成されたそれぞれのガラス材１４１ａの略平行四辺形の断面形状は、ｘ軸方向に相対する２辺が光入射面および光射出面に対して４５°の角度、すなわちシステム光軸１００ａに対して角度４５°傾いた形状を成している。また、各ガラス材１４１ａの界面には、図中に実線で示す偏光分離膜１４１ｂと破線で示す反射膜１４１ｃとが交互に形成されている。

偏光分離膜１４１ｂは、入射した光線束をｓ偏光の部分光線束とｐ偏光の部分光線束とに分離する機能を有する。一方、反射膜１４１ｃは、反射膜１４１ｃに入射した光線束を反射する機能を有する。偏光分離膜１４１ｂは誘電体多層膜で形成され、反射膜１４１ｃは誘電体多層膜または金属膜で形成されている。

遮光板１４２は、各ガラス材１４１ａの界面に形成された反射膜１４１ｃと偏光分離膜１４１ｂとの間を遮蔽するようにして、柱状のガラス材１４１ａの光入射面側にストライプ状に配列して設けられている。遮光板１４２は、例えば、クロムやアルミニウムなどの金属膜、あるいは誘電体多層膜で形成されている。
同様に、λ／２位相差板１４３は、断面形状が略平行四辺形の各ガラス材１４１ａの遮光板１４２が設けられた面（平行四辺形の辺）に対向する光射出面側の面に貼着され、ストライプ状に配列して設けられている。

したがって、遮光板１４２が設けられたガラス材１４１ａのシステム光軸１００ａに沿う光射出面側には、開口部１４１ｅが位置して開口状態にある。また、光入射面側の遮光板１４２が設けられたガラス材１４１ａのｚ軸方向に位置するガラス材１４１ａの光入射面側には開口部１４１ｄが位置して開口状態にあり、開口部１４１ｄのシステム光軸１００ａに沿う光射出面側には、λ／２位相差板１４３が位置している。

そして、偏光変換素子１４０は、各ガラス材１４１ａの入射面側の各開口部１４１ｄのｘ軸方向における略中心と、第２のレンズアレイ１３０の各凹レンズ１３２の曲率中心とを結ぶ線が、システム光軸１００ａと略平行となる位置に配置されている（図１参照）。

次に、このように構成された偏光変換素子１４０の動作について説明する。偏光変換素子１４０は、入射する直線偏光光を、偏光方向が直交する直線偏光光に変換する機能を有している。

図４（ｂ）において、第２のレンズアレイ１３０より射出されたシステム光軸１００ａに略平行に揃えられた複数の部分光線束（ｓ偏光とｐ偏光）が、偏光変換素子１４０に入射する。略平行に揃えられた複数の部分光線束は、それぞれが対応する偏光ビームスプリッタアレイ１４１の開口部１４１ｄからガラス材１４１ａに入射する。この入射の際に、迷走する迷光や不要な拡散光は、遮光板１４２に遮光される。

そして、それぞれの開口部１４１ｄよりガラス材１４１ａに入射した部分光線束は、偏光分離膜１４１ｂにおいて、ｓ偏光の部分光線束とｐ偏光の部分光線束とに分離される。
偏光分離膜１４１ｂにおいて分離されたｓ偏光およびｐ偏光の部分光線束の内、ｓ偏光の部分光線束は、偏光分離膜１４１ｂで反射膜１４１ｃに向かって反射され、反射膜１４１ｃにおいてさらに反射された後に、偏光変換素子１４０からシステム光軸１００ａと略平行方向に射出される。

一方、ｐ偏光の部分光線束は、システム光軸１００ａに略平行に偏光分離膜１４１ｂを透過してλ／２位相差板１４３に入射する。そして、λ／２位相差板１４３に入射したｐ偏光の部分光線束は、λ／２位相差板１４３によって、ｓ偏光の部分光線束に変換されて、偏光変換素子１４０からシステム光軸１００ａと略平行方向に射出される。
すなわち、偏光変換素子１４０に入射した複数の部分光線束（ｓ偏光とｐ偏光）は、各偏光光ごとに２つの部分光線束に分離されるとともに、それぞれ偏光方向の揃ったほぼ１種類の直線偏光光（ｓ偏光光）に変換されて射出される。しかもシステム光軸１００ａに略平行に揃ったｓ偏光の直線偏光光が射出される。

このように第２のレンズアレイ１３０より射出されたシステム光軸１００ａに略平行に揃えられた複数の部分光線束（直線偏光光）は、偏光変換素子１４０の偏光分離膜１４１ｂに対して４５°の入射角度で入射して、ｓ偏光およびｐ偏光に分離される。よって、誘電体多層膜よりなる偏光分離膜１４１ｂの分光特性による光量の損失を低減することができる。これに対して、従来の一般的な偏光変換素子アレイは、４５°の角度に設けられた偏光分離膜に対して４５°を含むランダムな入射角度をもって入射するために、偏光分離膜の分光特性による光量の損失が多い。

偏光変換素子１４０を透過したｓ偏光およびｐ偏光の透過率特性を、図５および図６に示す。
図５は、偏光分離膜１４１ｂにおいて分離（反射）されたｓ偏光光の透過率特性を示すグラフであり、図６は、偏光分離膜１４１ｂにおいて分離（透過）されたｐ偏光光の透過率特性を示すグラフである。なお、各透過率特性は、偏光変換素子１４０（偏光ビームスプリッタアレイ１４１の偏光分離膜１４１ｂ）にシステム光軸１００ａに対して平行に入射した光線束と、システム光軸１００ａに対して±５°の角度傾いて入射した光線束における特性を示す。

図５および図６に示す各グラフにおいて、横軸は可視光の波長領域（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）の内の４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲における波長を示し、縦軸は透過率（％）を示す。また、透過率特性は、偏光変換素子１４０にシステム光軸１００ａに対して平行に入射する光線束を実線で示し、システム光軸１００ａに対して＋５°の角度傾いて入射した光線束を破線、システム光軸１００ａに対して−５°の角度傾いて入射した光線束を一点鎖線で示す。

このシステム光軸１００ａに対する±５°の角度は、システム光軸１００ａに直交して配置された偏光変換素子１４０および第２のレンズアレイ１３０の組み込みによる傾きバラツキや、ガラス材１４１ａの反射膜１４１ｃおよび偏光分離膜１４１ｂが設けられた平行四辺形の辺の傾きバラツキなどの各種バラツキを考慮した値である。

図５において、偏光分離膜１４１ｂにおいて分離（反射）されたｓ偏光光の透過率特性は、システム光軸１００ａに対して平行に入射する光線束（実線）と、±５°の角度傾いて入射した光線束（破線および一点鎖線）とは、ほぼ同じ透過率曲線を示し、しかも短い波長から長い波長の波長域において高透過率で透過する。
一方、図６に示す偏光分離膜１４１ｂにおいて分離されたｐ偏光光の透過率特性は、平行に入射する光線束（実線）に比べて、システム光軸１００ａに対して±５°の角度傾いて入射した光線束（破線および一点鎖線）、特に一点鎖線で示す−５°傾いた光線束の値が、短い波長から長い波長の波長域において５％〜１５％程度低く、しかも透過率の変動幅が大きい。

しかし、これらのｓ偏光光およびｐ偏光光の透過率特性は、いずれも一般的な従来の偏光変換素子アレイに比べて５％〜８％程度高い値である。
このようにして、偏光変換素子１４０においてｓ偏光に偏光方向が揃えられた複数の直線偏光光よりなる部分光線束は、第３のレンズアレイ１５０に向かって射出される。

第３のレンズアレイ１５０は、第１のレンズアレイ１２０および第２のレンズアレイ１３０と同様に、透光性を有する白板ガラス、ＢＫ７、ＳＫ１０などのガラス素材（硝材）よりなり、第２のレンズアレイ１３０と略相似形をなしている。すなわち、略矩形状の外形形状の板状部材の一方の面が平坦面で構成され、平坦面の他方の面内にマトリックス状に配列された複数の凹レンズを有している（図１参照）。

このように構成された第３のレンズアレイ１５０は、凹レンズがマトリックス状に配列された面を偏光変換素子１４０側に向けて、システム光軸１００ａに略直交して、しかも各凹レンズが、偏光変換素子１４０の光射出面側に設けられた一つのλ／２位相差板１４３および一つの開口部１４１ｅを包含して対向する位置に配置されている。

この第３のレンズアレイ１５０は、偏光変換素子１４０においてｓ偏光に偏光方向が揃えられ、システム光軸１００ａに平行な複数の直線偏光光よりなる部分光線束を、各凹レンズにより発散して重畳レンズ１６０に向かって射出する機能を有する。
そして、第３のレンズアレイ１５０より発散されて射出された複数の直線偏光光よりなる部分光線束は、重畳レンズ１６０に入射する。重畳レンズ１６０では、入射した複数の直線偏光光よりなるそれぞれの部分光線束の主光線が屈折されて、光学装置としての液晶ライトバルブ４００の光入射面を照明領域として重畳される。

この重畳によって液晶ライトバルブ４００の光入射面を照明する光は、均一な強度分布が得られる。また、照明光学系１００は、光源装置１１０から射出され、第１のレンズアレイ１２０において複数の部分光線束に分割された光線束を、複数の凸レンズ１２２を備えた第２のレンズアレイ１３０によってシステム光軸１００ａと略平行に揃えた後に偏光変換素子１４０に入射されることにより、光量の損失を低減し、輝度の高い照明が得られる。すなわち、光の利用効率を向上することができる。

また、照明光学系を構成する第２のレンズアレイの凹レンズの曲率Ｒ、第１のレンズアレイの凸レンズの曲率ｒおよび第１のレンズアレイの凸レンズの主平面と第２のレンズアレイの凹レンズの主平面との距離Ｌとの関係が前述の一般式（１）に従って決定されることにより、第１のレンズアレイから射出された複数の部分光束を、第２のレンズアレイにおいて平行化して射出することができる。

なお、以上に説明した照明光学系１００において、照明光学系１００を構成する第２のレンズアレイ１３０は、第２のレンズアレイ１３０に代えて、以下に示す第２のレンズアレイ１３０Ｂを用いることができる。第２のレンズアレイ１３０Ｂは、第２のレンズアレイ１３０（図３参照）に遮光膜を設けた以外は、第２のレンズアレイ１３０と同じであり、同一部分には同一符号を付して、その説明は省略する。

図７（ａ）は変形例の第２のレンズアレイの正面図であり、図７（ｂ）は変形例の第２のレンズアレイの断面図である。
図７（ａ），（ｂ）において、第２のレンズアレイ１３０Ｂは、略矩形状の外形形状の板状部材であり、一方の面が平坦面１３１で構成され、平坦面１３１の他方の面内にマトリックス状（ｘ−ｙ軸方向）に配列された複数の凹レンズ１３２を有している。

平坦面１３１には、他方の面に設けられた複数の凹レンズ１３２の境界線１３２ａの一方向に沿う領域に、遮光膜１３３が形成されている。境界線１３２ａは、互いに隣接する凹レンズ１３２の境界線および矩形状の周縁側に位置する凹レンズ１３２の外周輪郭線が含まれる。また、境界線１３２ａに沿う領域は、各境界線１３２ａを略中心線とする幅αの領域である。幅αの値は、前記偏光変換素子１４０（偏光ビームスプリッタアレイ１４１）の光入射面側にストライプ状に配列して設けられた遮光板１４２の幅程度が好ましい。
遮光膜１３３は、例えば、クロムやアルミニウムなどの金属膜、あるいは誘電体多層膜で形成される。

このように第２のレンズアレイ１３０Ｂの平坦面１３１上に、他方の面に設けられた複数の凹レンズ１３２の境界線１３２ａの一方向に沿う領域の遮光膜１３３が設けられることにより、第２のレンズアレイ１３０Ｂにおいて平行化されずに迷走する迷光、および不要な拡散光を遮蔽して、平行化された光のみを偏光変換素子１４０に射出することができる。したがって、迷光および不要な拡散光などによる直線偏光性の低下を防止し、直線偏光光量のより均一な照明を可能とする照明光学系１００が得られる。
また、遮光膜１３３を設けることにより、第２のレンズアレイは遮光板１４２の機能も有して、前記偏光変換素子１４０の遮光板１４２を省略することも可能である。

また、以上に説明した照明光学系１００において、偏光変換素子１４０の光入射面側にストライプ状に配列して設けられた遮光板１４２は、クロムやアルミニウムなどの金属膜、あるいは誘電体多層膜で形成された場合ので説明したが、遮光板１４２に代えて特開２０００−７５２４５号公報の図６に示されるような、ストライプ状の開口部を設けた略矩形状の板状体を用いてもよい。例えば、板状体は、ストライプ状の開口部が加工されたアルミニウムやステンレスなどの金属板の表面に、黒染め処理あるいは黒色塗装されて用いることができる。

さらに、開口部が加工された板状体を用いる場合には、図示しないが、板状体に形成された各開口部に、開口部の開口形状の縦方向に第１のレンズアレイ１２０の凸レンズに対応した５つの凹レンズが一体に形成されたレンズアレイ片を、嵌め込んで固定したレンズアレイ付遮光板を、第２のレンズアレイ１３０に代えて用いることもできる。

以上に述べた照明光学系１００を画像表示装置に応用することにより、光の利用効率が向上した画像表示装置を得ることが可能である。
以下、照明光学系１００を画像表示装置の一例として、画像を投写して表示する投写型表示装置（液晶プロジェクタ）に適用した応用例を説明する。

図８は、照明光学系１００が組み込まれた液晶プロジェクタの光学系の概略構成を示す模式図である。
図８において、液晶プロジェクタ１は、上記に説明した照明光学系１００と、色光分離光学系２００と、リレー光学系２１０とを備え、さらに、３枚のフィールドレンズ３０１，３０２，３０３と、光学装置としての液晶ライトバルブ４００（４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ）と、クロスダイクロイックプリズム５００と、投写レンズ６００と、を含み構成されている。
これらの液晶プロジェクタ１を構成する光学系の各要素は、いずれも図示しない上筐体と下筐体との間に案内、保持され、さらに上下の外装ケースなどに収容される。

色光分離光学系２００は、ダイクロイックミラー２０１，２０２、反射ミラー２０３を備え、照明光学系１００から射出される光束を、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色光に分離する機能を有している。
リレー光学系２１０は、集光レンズ２１１、リレーレンズ２１３、反射ミラー２１２，２１４を備え、色光分離光学系２００において分離された青色光を、青色光用の液晶ライトバルブ４００Ｂに導く機能を有する。

また、照明光学系１００と色光分離光学系２００との間には、照明光学系１００から射出された光束を色光分離光学系２００の方向に導くための反射ミラー１０４を備えている。この反射ミラー１０４は、光学系の構成によっては、必ずしも必要ではない。例えば、照明光学系１００のシステム光軸１００ａ上に、ダイクロイックミラー２０１および反射ミラー２０３が配置された場合が例示される。

このように構成された液晶プロジェクタ１は、前述の照明光学系１００によって一種類の偏光方向に揃えられた直線偏光光が、重畳レンズ１６０から反射ミラー１０４に向かって射出される。
重畳レンズ１６０から射出された直線偏光光は、反射ミラー１０４によって、色光分離光学系２００の方向に導かれ、色光分離光学系２００、リレー光学系２１０および３枚のフィールドレンズ３０１，３０２，３０３を介して、液晶ライトバルブ４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの照明領域を照明する。以後、直線偏光光を光と表す。

色光分離光学系２００では、重畳レンズ１６０から射出された光が、ダイクロイックミラー２０１に入射する。ダイクロイックミラー２０１は、重畳レンズ１６０から射出される光のうち赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射する。
ダイクロイックミラー２０１を透過した赤色光は、反射ミラー２０３で反射され、フィールドレンズ３０１を通って赤色光用の液晶ライトバルブ４００Ｒに達する。このフィールドレンズ３０１は、重畳レンズ１６０から射出された光をその中心軸（主光線）に対して平行な光束に変換する。他の液晶ライトバルブ４００Ｇ，４００Ｂの前に設けられたフィールドレンズ３０２，３０３も同様に作用する。

さらに、ダイクロイックミラー２０１で反射された青色光と緑色光のうち、緑色光はダイクロイックミラー２０２によって反射され、フィールドレンズ３０２を通って緑色光用の液晶ライトバルブ４００Ｇに達する。一方、青色光は、ダイクロイックミラー２０２を透過し、リレー光学系２１０、すなわち、集光レンズ２１１、反射ミラー２１２、リレーレンズ２１３、および反射ミラー２１４を通り、さらにフィールドレンズ３０３を通って青色光用の液晶ライトバルブ４００Ｂに達する。

なお、青色光にリレー光学系２１０が用いられているのは、青色光の光路の長さが他の色光の光路の長さよりも長いため、光の拡散などによる光の利用効率の低下を防止するためである。すなわち、集光レンズ２１１に入射した部分光束をそのまま、フィールドレンズ３０３に伝えるためである。

３つの液晶ライトバルブ４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、入射した光を、与えられた画像情報（画像信号）に従って変調する電気光学装置としての機能を有している。これにより、３つの液晶ライトバルブ４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂに入射した各色光は、与えられた画像情報に従って変調されて各色光の画像を形成する。
なお、３つの液晶ライトバルブ４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの光入射面側と光出射面側には、偏光板（図示せず）が設けられている。

３つの液晶ライトバルブ４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂから射出された３色の変調光は、クロスダイクロイックプリズム５００に入射する。クロスダイクロイックプリズム５００は、３色の変調光を合成してカラー画像を形成する色光合成光学系としての機能を有している。クロスダイクロイックプリズム５００には、赤色光を反射する誘電体多層膜と、青色光を反射する誘電体多層膜とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって３色の変調光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。

このクロスダイクロイックプリズム５００で生成された合成光は、投写レンズ６００の方向に射出される。投写レンズ６００は、この合成光をスクリーンＳＣ上に投写する機能を有し、スクリーンＳＣ上にカラー画像を表示する。

以上のように、照明光学系１００を液晶プロジェクタ１に用いることにより、液晶ライトバルブ４００（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の照明領域を照射する光量の損失を低減し、輝度の高い照明が得られる。したがって、スクリーンＳＣ上により明るい画像を投写表示することが可能となる。

以上の実施形態において、照明光学系１００を透過型の液晶パネルを備えた液晶プロジェクタ１に適用した場合で説明したが、透過型の液晶パネルに代えて、反射型の液晶パネルを備えた液晶プロジェクタであってもよい。さらに、液晶パネルに代えて、マイクロミラー型光変調装置を備えるようにしてもよい。すなわち、照明光学系１００からの光を画像情報に応じて変調する電気光学装置であればこれに限定されない。

本発明の照明光学系の概略構成を示す模式断面図。 （ａ）は第１のレンズアレイの正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ面における断面図。 （ａ）は第２のレンズアレイの正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ面における断面図。 （ａ）は偏光変換素子の部分斜視図であり、（ｂ）は偏光変換素子の作用を示す部分断面図。 偏光分離膜において分離されたｓ偏光光の透過率特性を示すグラフ。 偏光分離膜において分離されたｐ偏光光の透過率特性を示すグラフ。 （ａ）は変形例の第２のレンズアレイの正面図、（ｂ）は変形例の第２のレンズアレイの断面図。 本発明の照明光学系が組み込まれた液晶プロジェクタの光学系を示す概略構成図。

符号の説明

１…液晶プロジェクタ、１００…照明光学系、１００ａ…システム光軸、１１０…光源としての光源装置、１２０…第１のレンズアレイ、１２２…凸レンズ、１３０，１３０Ｂ…第２のレンズアレイ、１３１…平坦面、１３２…凹レンズ、１３２ａ…境界線、１３３…遮光膜、１４０…偏光変換素子、１４１…偏光ビームスプリッタアレイ、１４１ａ…ガラス材、１４１ｂ…偏光分離膜、１４１ｃ…反射膜、１４１ｄ，１４１ｅ…開口部、１４２…遮光板、１４３…λ／２位相差板、１５０…第３のレンズアレイ、１６０…重畳レンズ、２００…色光分離光学系、２０１，２０２…ダイクロイックミラー、２１０…リレー光学系、２１１…集光レンズ、２０３，２１２，２１４…反射ミラー、２１３…リレーレンズ、３０１，３０２，３０３…フィールドレンズ、４００，４００Ｂ，４００Ｇ，４００Ｒ…液晶ライトバルブ、５００…クロスダイクロイックプリズム、６００…投写レンズ。

Claims (5)

1. 光学装置の光入射面を照明領域として照明する照明光学系であって、
   非偏光な光を射出する光源と、
   前記光源から射出された光を複数の部分光束に分割して射出する第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイより射出された複数の部分光束を平行化して射出する第２のレンズアレイと、
   前記第２のレンズアレイより平行化されて射出された複数の部分光束をそれぞれ偏光方向の揃った一種類の直線偏光光に変換して射出する偏光変換素子と、
   前記偏光変換素子より射出された複数の直線偏光光を発散して射出する第３のレンズアレイと、
   を備えたことを特徴とする照明光学系。
2. 請求項１に記載の照明光学系において、
   前記第１のレンズアレイは、光源から射出された光の光軸に略直交する面内にマトリックス状に配列された複数の凸レンズを有し、
   前記第２のレンズアレイは、前記第１のレンズアレイに対向する面側に、前記第１のレンズアレイの複数の凸レンズに対応してマトリックス状に配列された複数の凹レンズを有し、
   前記第３のレンズアレイは、前記第２のレンズアレイに対向する面側に、前記第２のレンズアレイの複数の凹レンズに対応してマトリックス状に配列された複数の凹レンズを有することを特徴とする照明光学系。
3. 請求項２に記載の照明光学系において、
   前記第２のレンズアレイの凹レンズの曲率、前記第１のレンズアレイの凸レンズの曲率および前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイの位置関係は、下記の一般式（１）に従って決定される照明光学系。
   Ｒ＝（ｎ−１）×（ｒ／（ｎ−１）−Ｌ）…（１）
   但し、一般式（１）中、Ｒは第２のレンズアレイの凹レンズの曲率、ｒは第１のレンズアレイの凸レンズの曲率を表し、Ｌは第１のレンズアレイの凸レンズの主平面と第２のレンズアレイの凹レンズの主平面との距離を表す。ｎはｄ線（波長５８７．５ｎｍ）における第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイの屈折率を表す。
4. 請求項２または３に記載の照明光学系において、
   前記第２のレンズアレイは、マトリックス状に配列された複数の凹レンズを有する面の他方の面が平坦面で構成され、
   前記平坦面上に、ストライプ状に配列された複数の領域の遮光膜が、他方の面の凹レンズの境界線の一方向に沿って形成されたことを特徴とする照明光学系。
5. 画像を投写して表示する投写型表示装置であって、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明光学系と、
   前記照明光学系からの射出光を３色の色光に分離する色光分離光学系と、
   前記色光分離光学系により分離された３色の色光をそれぞれ変調する電気光学装置と、
   前記電気光学装置から射出された３色の変調光を合成する色光合成光学系と、
   前記色光合成光学系により合成された変調光線束を投写面上に投写する投写光学系と、
   を備えたことを特徴とする投写型表示装置。

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