JP5188612B2 - レンズアレイ光学系、投射光学ユニット、画像投射装置および画像表示システム - Google Patents

Description

本発明は、２次元方向に複数のレンズセルが配置されたレンズアレイを有する光学系であって、例えば、光源からの光束で画像変調素子（若しくは画像形成素子）を照明するのに用いられる光学系に関するものである。

最近では、光源からの光束を、液晶パネルなどの画像変調素子によって、画像信号に応じて変調し、該変調光を投射レンズを介してスクリーンに拡大投射するプロジェクタ（画像投射装置）が多く用いられている。このようなプロジェクタでは、スクリーンに投射された画像に明るさむらや色むらが少なく、コントラストが高いことが重要である。

プロジェクタにおいて画像変調素子を照明する照明光学系は、例えば図１１（Ａ），（Ｂ）のように構成されている。図１１（Ａ），（Ｂ）は、従来の照明光学系のＹＺ断面とＸＺ断面をそれぞれ示している。Ｚ軸は、該照明光学系の中心光軸方向に延びる軸である。

この図において、光源５０１から射出した光束は、放物面リフレクタ５０２によって略平行光に変換される。この平行光束は第１フライアイレンズ５０３によって複数の光束に分割され、かつ各分割光束は集光される。各分割光束は、第２フライアイレンズ５０４の近傍に集光され、光源像（２次光源像）を形成する。これらフライアイレンズ５０３，５０４のそれぞれを構成する複数のレンズセルは、被照明面である液晶パネルと相似の矩形レンズ面を有する。

第２フライアイレンズ５０４を射出した分割光束は、偏光変換素子５０５によって偏光方向が揃えられた後、コンデンサーレンズ５０６によって集光され、不図示の色分離および色合成を行う色分解合成系を経て、液晶パネル５０８上にて重なり合う。

但し、このような照明光学系において光の利用効率を高めようとすると、一般に光束の角度分布が大きくなる傾向がある。したがって、照明光学系内に、入射光束の角度分布に対して敏感な特性（入射角度依存特性）を有する光学素子を用いた場合に、明るさむらや色むらが発生したり、コントラストが低下したりして画質が劣化するという問題がある。入射角度依存特性を有する光学素子としては、例えば光軸に対して傾いて配置されるダイクロイック膜や偏光分離膜を有するミラーやプリズムがあり、これらは色分解や色合成を行うために用いられる。

このような画質劣化の問題に対処するため、特許文献１には、光束の角度分布に対して敏感な方向において該角度分布を小さくするよう、直交するレンズセル配列方向のうち一方向において各レンズセルを偏心させ、第２レンズアレイに入射する光束幅を狭める技術が提案されている。

また、特許文献２には、光源からの光を最大限取り込めるように、第１レンズアレイを略円形形状とし、略長方形状の第２レンズアレイに向けて光束を集光する技術が提案されている。

特開平１１−２９５６５８号公報（段落００４９〜００５３、図３〜図５等） 特開２０００−２０６４６３号公報（段落００３５〜００３６、図１３等）

しかしながら、上記特許文献１にて提案されたレンズアレイの各レンズセルは球面レンズであり、その曲率半径以上の偏心を付与することはできない。また、図１２に示すように、第１レンズアレイ６０１の各レンズセル６０１ａに大きな偏心を与えると、該レンズセル６０１ａで発生する収差（球面収差）によって第２レンズアレイ６０２の近傍にて形成される光源像が崩れ、照明効率の低下を招く。しかも、そのような大きな偏心を与えたレンズセルは、成形が難しく、実現性に乏しい。

一方、実質的に画質劣化を防ぐ効果を得るためには、第１レンズアレイに対する第２レンズアレイでのレンズセルの配列領域幅を大きく狭める必要があるが、このような解決法に関しては従来何ら提案されていない。

本発明は、レンズアレイの成形が容易でありながらも、光束の角度分布を十分小さくし、光の利用効率も高い光学系を提供することを目的の１つとしている。

本発明の一側面としてのレンズアレイ光学系は、光束を複数に分割し、それぞれ該分割光束を集光する複数の第１レンズセルが、該光学系の中心光軸方向に略直交し、かつ互いに略直交する第１の方向および第２の方向に配列された第１レンズアレイと、各第１レンズセルからの分割光束が入射する第２レンズセルが第１および第２の方向にそれぞれ複数配列された第２レンズアレイとを有し、第１レンズセルの配列領域の幅に対する第２レンズセルの配列領域の幅の比が第１の方向と第２の方向とで互いに異なる。そして、第１および第２レンズアレイのうち少なくとも１つが、第１の方向において、トーリック面を有するレンズセルを複数有し、第１の方向及び光軸と平行な第１の断面において、該トーリック面を有する複数のレンズセルのうち光軸から遠いレンズセルの曲率半径と光軸から近いレンズセルの曲率半径とが互いに異なることを特徴とする。

本発明によれば、トーリック面や非球面、又はレンズセルとは別のレンズ面を用いて収差を軽減することができるので、光束の角度分布を十分小さくしながらも、光の利用効率が高く、レンズアレイの成形も容易である光学系を実現することができる。

そして、例えば本発明の光学系を画像投射装置の投射光学ユニットに用いれば、明るく良好な画質を有する投射画像を得ることができる。

（Ａ），（Ｂ）は本発明の実施例１である照明光学系の構成を示す断面図。 実施例１における光束圧縮比を説明する図。 実施例１における第１レンズアレイの斜視図。 実施例１における第２レンズアレイの斜視図。 実施例１における第１および第２レンズアレイの拡大図。 実施例１による光源像の例を示した図。 偏心量の制約条件を説明する図。 本発明の実施例２である照明光学系の第１および第２レンズアレイの拡大図。 （Ａ），（Ｂ）は本発明の実施例３である照明光学系の構成を示す断面図。 （Ａ），（Ｂ）は本発明の実施例４である照明光学系の構成を示す断面図。 本発明の実施例５であるプロジェクタの光学系全体の構成を示す断面図。 （Ａ），（Ｂ）は従来の照明光学系の構成を示す断面図。 従来の照明光学系の第１および第２レンズアレイの拡大図。

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。

図１（Ａ），（Ｂ）には、本発明の実施例１である照明光学系の構成を示している。ここでは、画像変調素子（又は画像形成素子）として反射型液晶パネルを用いたプロジェクタの照明光学系を示している。なお、本発明は、透過型液晶パネルを用いたプロジェクタの照明光学系にも適用することができる。

図１（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、上記照明光学系の中心光軸（該光学系の中心を通る光軸）ＡＸＬに沿って延びる軸をＺ軸とした場合において、光束の角度分布が広い断面（ＹＺ断面：第２の断面）と、角度分布の狭い断面（ＸＺ断面：第１の断面）とを示している。なお、図１（Ａ），（Ｂ）には、説明を容易にするため、照明光学系の基本的な構成部品のみを示している。実際には、照明光学系内には、光路を折り曲げるミラーや、熱線カットフィルタや、偏光板等の光学部品も配置される。また、液晶パネルは１枚でもよいし、複数枚用いてもよい。

図１（Ａ），（Ｂ）において、光源（放電管）１０１から全方向に射出した光束は、放物面リフレクタ１０２によって略平行光とされる。この平行光束は、第１レンズアレイ１０３によって複数の光束に分割され、各分割光束は第２レンズアレイ１０４又は偏光変換素子１０５の近傍に集光され、複数の光源像（２次光源像）を形成する。偏光変換素子１０５は、ＹＺ断面において中心光軸方向に対して４５°傾いた複数の偏光分離膜、複数の反射面および複数の１／２波長板がＹ方向に配列された素子であり、入射した無偏光光の偏光方向を１つの方向に揃えて射出する。これについては後の実施例にて詳しく説明する。

第１レンズアレイ１０３は、その入射側に第１レンズセル１０３ａがＸ方向（第１の方向）およびＹ方向（第２の方向）に複数配列されて構成されている。ここで、第１レンズセルが配列される方向（第１の方向及び第２の方向、或いはＸ方向及びＹ方向）は直交していることが望ましいが、略直交していればよく、７０〜１１０度、より好ましくは８０〜１００度、さらに好ましくは８５〜９５度を成していればよい。

また、第２レンズアレイ１０４は、その射出側に、個々の第１レンズセル１０３ａに対応する第２レンズセル１０４ａがＸ方向およびＹ方向に複数配列されて構成されている。ここで、第２レンズセルが配列される方向に関しても第１レンズアレイと同様に、第２レンズアレイの配列方向は略直交していることが望ましい。

そして、第１レンズセル１０３ａは、中心光軸ＡＸＬ上のレンズセルを除き、Ｘ方向において中心光軸ＡＸＬに向かう方向に偏心している。ここにいう偏心とは、レンズセルのレンズ面頂点が、該レンズセルが形成された領域の中心からシフトしていることをいう。また、中心光軸ＡＸＬから離れた第１レンズセル１０３ａほど偏心量が大きくなっている。これにより、第１レンズアレイ１０３を通過する光束の幅は、ＸＺ断面において、中心光軸ＡＸＬに向かう方向に全体として圧縮される。

勿論、中心光軸ＡＸＬから近いレンズセル（あまり大きく偏心させる必要が無いレンズセル、中心光軸周りのレンズセル）に関しては、レンズセルが形成された領域の中心と、そのレンズセルの光軸とが一致する（略一致する）ように構成しても構わない。しかし、中心光軸から離れたレンズセル（中心光軸と接していない、中心光軸からレンズセルの幅以上に離れているレンズセル）に関しては、レンズセルを偏心させて配置する必要がある。

一方、第２レンズセル１０４ａは、中心光軸ＡＸＬ上のレンズセルを除き、Ｘ方向において中心光軸ＡＸＬから離れる方向に偏心している。また、中心光軸ＡＸＬから離れた第２レンズセル１０４ａほど偏心量が大きくなっている。これにより、第１レンズアレイ１０３で圧縮方向に傾けられた分割光束の進行方向が、再び中心光軸ＡＸＬに沿う方向に戻される。

ところで、球面レンズセルによって構成されたレンズアレイにおいて各レンズセルを偏心させる場合、図６に示す制約条件、すなわち
ｄｘ≦Ｒ−Ｐｘ／２ …（１）
を満たさなければ形状が成り立たない。この制約条件を満たしていない場合は、レンズセル６０３ａのレンズ面形状が半球を超えてしまうためである。ここで、ｄｘは球面の中心軸に対するレンズセルの偏心量であり、Ｒは該球面の曲率半径である。また、Ｐｘは偏心方向での該レンズセルの形成領域である。

したがって、大きく偏心を行う場合には、レンズセル６０３ａの曲率半径Ｒを大きくするために、レンズセル６０３ａの分割数を少なくし、レンズセル６０３ａの焦点距離を伸ばす必要がある。

しかしながら、レンズセルの分割数を減らすと、照明光学系の本来の目的である明るさ分布の均一さが損なわれるばかりか、第１レンズアレイと第２レンズアレイの間隔が増大し、光学系全体の大型化を招く。また、仮に、図６の制約条件を満たす曲率半径とすることができても、ある程度余裕をもって制約条件を満たしていなければ、半球に近い厚肉のレンズとなって、形状的に製造が困難となる。しかも、収差が増加して光源像の形状が崩れ、光の利用効率が大幅に低下する。

このような問題に対し、本実施例では、第１および第２レンズアレイ１０３，１０４の各レンズセル１０３ａ，１０４ａを、その曲率半径がＸＺ断面とＹＺ断面とで異なる所謂トーリックレンズ（トーリック面）としている。具体的には、複数の第１レンズセル１０３ａは、ＹＺ断面においては同じ曲率半径を有しているが、ＸＺ断面においては、ＹＺ断面での曲率半径より大きな曲率半径を有する。しかも、中心光軸ＡＸＬから離れた第１レンズセル１０３ａほどＸＺ断面での曲率半径が大きくなっている。図４には、ＸＺ断面において、中心光軸ＡＸＬから離れた第１レンズセル１０３ａほど曲率半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が順に大きくなっている様子を模式的に示している。換言すれば、図４のＸＺ断面において、中心光軸ＡＸＬから遠い周辺レンズセルの曲率半径（例えば、Ｒ２、Ｒ３）が、該周辺レンズセルに比べて中心光軸ＡＸＬに近い近軸レンズセルの曲率半径（例えば、Ｒ１）より大きい。

また、複数の第２レンズセル１０３ａも、ＹＺ断面においては同じ曲率半径を有しているが、ＸＺ断面においては、ＹＺ断面での曲率半径より大きな曲率半径を有する。しかも、中心光軸ＡＸＬから離れた第２レンズセル１０４ａほどＸＺ断面での曲率半径が大きくなっている。図４には、ＸＺ断面において、中心光軸ＡＸＬから離れた第２レンズセル１０４ａほど曲率半径Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６が順に大きくなっている様子を模式的に示している。換言すれば、図４のＸＺ断面において、中心光軸ＡＸＬから遠い周辺レンズセルの曲率半径（例えば、Ｒ５、Ｒ６）が、該周辺レンズセルに比べて中心光軸ＡＸＬに近い近軸レンズセルの曲率半径（例えば、Ｒ４）より大きい。

これにより、第１および第２レンズアレイ１０３，１０４はそれぞれ、ＸＺ断面において図６の制約条件を余裕を持って満たすことができ、成形上好ましい形状でありながらも大きな偏心を持つことができる。しかも、球面レンズアレイと比べて、収差が大幅に少ない、絞られた光源像を形成することができる。

なお、中心光軸ＡＸＬ上のレンズセルおよびその近傍のレンズセルについては、偏心量が０か又は少ないため、球面レンズで構成することも可能である。

また、偏心を付与する際には、成形上の問題から、レンズセル間の境界部で段差を極力減らすことが好ましい。段差が大きい場合、境界部で光束がけられてしまうからである。このため、レンズセルごとに頂点の高さを調節して、段差を減らすことが好ましい。段差をほぼ無くした第１および第２レンズアレイ１０３，１０４をそれぞれ、図３Ａ，３Ｂに示す。この結果、図２に示すように、Ｘ方向において、第１レンズアレイ１０３の有効レンズセル配列領域の幅Ｗ１に対する第２レンズアレイ１０４の有効レンズセル配列領域幅Ｗ２の比（これを光束圧縮比と呼ぶことにする）は、
Ｗ２／Ｗ１＜０.７ …（２）
を満たすことができる。また、この比は、
Ｗ２／Ｗ１＜０.６ …（２）´
を満足することが望ましい。

この光束圧縮比は、そのままＸＺ断面での光束の角度分布の圧縮比を示しており、ＹＺ断面に対して大幅に角度分布を小さくすることができる。すなわち、Ｘ方向での光束圧縮比を、Ｙ方向での光束圧縮比よりも大幅に大きくすることができる。なお、本実施例におけるＹＺ断面での光束圧縮比は１である。

本実施例において、第１レンズアレイ１０３の作用により形成される光源像の分布の例、ここでは液晶パネルを照明する光束の角度分布を図５に示す。

図１（Ａ），（Ｂ）において、偏光変換素子１０５を通過した各分割光束は、コンデンサーレンズ１０６によって集光され、偏光ビームスプリッタ１０７の偏光分離面１０７ａを透過した後、液晶パネル１０８を均一に照明する。

液晶パネル１０８で偏光方向が変更されて反射した光束は、偏光ビームスプリッタ１０７に再び入射し、偏光分離面１０７ａで反射して投射レンズ（図示せず）に導かれ、スクリーン（図示せず）上に投影される。このとき、偏光ビームスプリッタ１０７は中心光軸ＡＸＬ（Ｚ軸）と偏光分離面１０７ａの法線とを含む面がＸＺ断面に一致するように配置されている。

一般的な誘電体多層膜を偏光分離面に有する偏光ビームスプリッタは、入射光線と偏光分離面の法線とを含む面（入射面）内の入射光線角度に対して非常に敏感な特性を有する。これは、原理的に、ブリュースター角におけるＰ偏光（入射面内で振動する直線偏光）とＳ偏光（入射面に対して垂直に振動する直線偏光）と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ためである。このため、このＸＺ断面において入射光束が広い角度分布を持つ場合には、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。したがって、所望の偏光光とは異なる偏光状態の光（漏れ光）が液晶パネルに入射してしまい、画像のコントラストを著しく低下させる。

これに対し、本実施例の照明光学系によれば、ＸＺ断面において大幅な光束幅圧縮を行い、第２レンズアレイ１０４近傍に形成される光源像の幅を絞ることで、ＸＺ断面における光束の角度分布を狭めている。これにより、漏れ光の発生量を抑えることができ、高いコントラストの投射画像を得ることができる。また、ＸＺ断面における光束の幅が細くなるため、偏光ビームスプリッタを小型化できるメリットもある。

なお、本実施例では、第１および第２レンズアレイ１０３，１０４の双方においてレンズセルをトーリックレンズとした場合について説明したが、いずれか一方のレンズアレイのレンズセルのみをトーリックレンズとしてもよい。

図７には、本発明の実施例２である照明光学系のうち第１レンズアレイ２０３における中心光軸ＡＸＬから最も離れた第１レンズセル２０３ａのＸＺ断面での形状を模式的に示している。なお、本実施例では、照明光学系の全体を図示しないが、その構成は、基本的に実施例１の照明光学系と同様である。また、本実施例でも、（２）式を満足している。

但し、本実施例では、中心光軸ＡＸＬから最も離れた第１レンズセル２０３ａのＸＺ断面での形状を非球面ＡＳとしている。この図において、Ｃは非球面ＡＳと同じ頂点を有し、ある点を曲率中心とした球面を示している。

このように、ＸＺ断面での第１レンズセル２０３ａの形状を非球面ＡＳとすることで、球面Ｃを有する場合には大きく発生する球面収差を良好に補正（軽減）することができ、ＸＺ断面において大幅な光束幅圧縮を行いながら、第２レンズアレイ２０４の近傍に、形状の崩れていない光源像を形成することができる。したがって、実施例１と同様に、ＸＺ断面における光束の角度分布を狭めて漏れ光の発生量を抑えることができ、高いコントラストの投射画像を得ることができる。

特に、本実施例は、第１および第２レンズアレイ２０３，２０４の間隔が短く、球面レンズでは収差が除去しきれないような場合に有効である。

なお、本実施例において、図示しないが、第１レンズアレイ２０３における中心光軸ＡＸＬから最も離れた第１レンズセル２０３ａ以外の第１レンズセルや第２レンズアレイ２０４の第２レンズセルは、球面およびトーリック面のいずれでもよく、またＸＺ断面において非球面としてもよい。

図８（Ａ），（Ｂ）には、本発明の実施例３である照明光学系の構成を示している。本実施例でも、画像変調素子（又は画像形成素子）として反射型液晶パネル３０８を用いたプロジェクタの照明光学系を示している。また、図８（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、ＹＺ断面とＸＺ断面とを示している。

本実施例の照明光学系の構成部品は、実施例１と同様に、光源３０１，放物面リフレクタ３０２，第１レンズアレイ３０３，第２レンズアレイ３０４，偏光変換素子３０５，偏光ビームスプリッタ３０７である。

但し、本実施例では、ＸＺ断面での光束圧縮比Ｗ２／Ｗ１を１より大きく設定し、第２レンズアレイ３０４における第２レンズセル３０４ａの配列領域の幅を、第１レンズアレイ３０３における第１レンズセル３０３ａの配列領域の幅よりも広げている。一方、ＹＺ断面での光束圧縮比は１である。

本実施例でも、実施例１と同様に、第１および第２レンズアレイ３０３，３０４のそれぞれのレンズセル３０３ａ，３０４ａは偏心し、かつＸＺ断面とＹＺ断面で異なる曲率半径を有したトーリックレンズとなっている。トーリック面の曲率半径は、ＸＺ断面の方がＹＺ断面よりも大きく、ＸＺ断面での収差を軽減している。

但し、実施例１とは異なり、第１レンズアレイ３０３の第１レンズセル３０３ａは、Ｘ方向において中心光軸ＡＸＬから離れる方向に偏心し、第２レンズアレイ３０４の第２レンズセル３０４ａは、Ｘ方向において中心光軸ＡＸＬに向かう方向に偏心している。

これにより、ＸＺ断面の角度分布は広がるが、第２レンズアレイ３０４の近傍に形成される複数の光源像に対する第２レンズセル３０４ａのピッチも広くなるので、照明効率の改善を図ることができる。

図９（Ａ），（Ｂ）には、本発明の実施例４である照明光学系の構成を示している。本実施例でも、画像変調素子（又は画像形成素子）として反射型液晶パネル４０８を用いたプロジェクタの照明光学系を示している。また、図９（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、光束の角度分布が広い断面（ＹＺ断面）と、角度分布の狭い断面（ＸＺ断面）とを示している。なお、ＹＺ断面での光束圧縮比は１である。

本実施例の照明光学系の構成部品は、実施例１と同様に、光源４０１，放物面リフレクタ４０２，第１レンズアレイ４０３，第２レンズアレイ４０４，偏光変換素子４０５，偏光ビームスプリッタ４０７である。また、本実施例でも、（２）式を満足している。

但し、本実施例では、各レンズアレイの各レンズセルは、球面レンズで構成されている。また、第１レンズアレイ３の射出側（第１レンズセル４０３ａが形成された側とは反対側）および第２レンズアレイ４０４における入射側（第２レンズセル４０４ａが形成された側とは反対側）には、ＸＺ断面においてのみ曲率半径を有する所謂シリンドリカルレンズ面４０３ｂ，４０４ｂが形成されている。第１レンズアレイ４０３のシリンドリカルレンズ面４０３ｂは凸レンズ面、第２レンズアレイ４０４のシリンドリカルレンズ面４０４ｂは凹レンズ面である。これにより、アフォーカル系が構成され、ＸＺ断面において平行光束を圧縮する効果を生んでいる。また、収差を軽減する効果も持たせている。このシリンドリカル面は別部品として存在してもよい。また先の実施例などにある偏心と併用することで、効果を高めることも可能である。

また、第１レンズアレイ４０３のシリンドリカルレンズ面４０３ｂ又は第２レンズアレイ４０４のシリンドリカルレンズ面４０４ｂのうち少なくとも一方を、ＸＺ断面において非球面とし、実施例２と同様に、球面収差を軽減するようにしてもよい。また、この２つのシリンドリカルレンズ面は、トーリックレンズ面としても構わない。

なお、本実施例では、第１レンズアレイ４０３と第２レンズアレイ４０４の両方にレンズセルとは別のレンズ面を形成した場合について説明したが、いずれか一方にのみシリンドリカルレンズ面、トーリックレンズ面および非球面レンズ面等の別のレンズ面を形成してもよい。

図１０には、上記実施例１にて説明した照明光学系を含む投射光学ユニットの光学全系の構成例を示している。図１０では、実施例１で説明した第１および第２レンズアレイ１０３，１０４以外の構成要素については新たな符号を付して説明する。なお、本実施例における第１および第２レンズアレイ１０３，１０４を実施例２〜４で説明した第１および第２レンズアレイに置き換えてもよい。

１は連続スペクトルで白色光を発光する光源、２は光源１からの光を所定の方向に集光するリフレクタである。１０３，１０４は実施例１にて説明した第１および第２レンズアレイである。

４は無偏光光を所定の偏光光に揃える偏光変換素子、５ａはミラー、５ｂはコンデンサーレンズである。

６は青（Ｂ）と赤（Ｒ）の波長領域の光を透過し、緑（Ｇ）の波長領域の光を反射するダイクロイックミラーである。７はＧ光とＲ光の中間の波長領域の光を一部カットするカラーフィルタである。８ａ，８ｂはともに、Ｂ光の偏光方向を９０度変換し、Ｒ光の偏光方向は変換しない第１の色選択性位相差板および第２の色選択性位相差板である。

９ａ，９ｂは第１の１／２波長板および第２の１／２波長板である。１０ａ，１０ｂ，１０ｃはＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第１の偏光ビームスプリッタ、第２の偏光ビームスプリッタおよび第３の偏光ビームスプリッタである。

１１ｒ，１１ｇ，１１ｂはそれぞれ、原画を形成し、入射した光を反射するとともに画像変調する赤用反射型液晶パネル、緑用反射型液晶パネルおよび青用反射型液晶パネルである。ここで、これら液晶パネル１１ｒ，１１ｇ，１１ｂには駆動回路２０が接続され、駆動回路２０には、パーソナルコンピュータ、カメラ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオデッキ、放送受信器等の画像情報供給装置３０からの画像情報が供給される。駆動回路２０は、入力された画像情報に基づいて液晶パネル１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを駆動し、画像情報に対応した各色用の原画を形成させる。

１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ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。なお、ダイクロイックミラー６から第３の偏光ビームスプリッタ１０ｃまでの光路を構成する光学系は、後述するように光の色分離と色合成とを行う色分離合成光学系である。１３は投射レンズである。

次に、光学的な作用を説明する。光源１から発した光はリフレクタ２により所定の方向に集光される。リフレクタ２は放物面形状を有しており、放物面の焦点位置からの光は放物面の対称軸に平行な光束となる。この平行光束は第１レンズアレイ１０３により複数の光束に分割され、かつ集光され、第２レンズアレイ１０４の近傍に複数の光源像を形成して、偏光変換素子４に至る。

偏光変換素子４は、入射側から順に、偏光分離面と反射面と１／２波長板とを有している。偏光変換素子４に入射したマトリクスの各列の集光光束は、その列に対応した列の偏光分離面に入射し、これを透過するＰ偏光成分と反射するＳ偏光成分とに分割される。反射されたＳ偏光成分は、反射面で反射し、Ｐ偏光成分と同じ方向に出射する。一方、透過したＰ偏光成分は、１／２波長板を透過する際にＳ偏光成分と同じ偏光成分に変換され、偏光方向（図中には、Ｓ偏光を・で示す）が揃った光として射出する。偏光変換された複数の光束は偏光変換素子の近傍で集光した後、発散光束としてミラー５ａを介してコンデンサーレンズ５ｂに至る。

コンデンサーレンズ５ｂの集光作用により、複数の光束は第１および第２レンズアレイ１０３，１０４における個々のレンズセルの形状の像が形成される位置で重なり合い、矩形の均一な照明エリアを形成する。コンデンサーレンズ５ｂから射出した光束は、ダイクロイックミラー６に入射する。ダイクロイックミラー６は、ＢとＲの光を透過し、Ｇの光を反射する。

図１０において、偏光変換素子４から射出したＳ偏光は、ダイクロイックミラー６に対してもＳ偏光（・）である。

Ｇ光の光路において、ダイクロイックミラー６を反射した光は、カラーフィルタ７に入射する。カラーフィルタ７は、ＧとＲの中間の波長領域にあたる黄色の光を反射するダイクロイックフィルタであり、これにより黄色の光が除去される。緑色に黄色成分が多いと、黄緑色になってしまうので、カラーフィルタ７により黄色成分を除去する方が色再現上望ましい。また、カラーフィルタ７は、黄色の光を吸収する特性を有していてもよい。

こうして色を調整されたＧ光は、第１の偏光ビームスプリッタ１０ａに対してＳ偏光（・）として入射し、偏光分離面で反射され、Ｇ用反射型液晶パネル１１ｇへと至る。Ｇ用反射型液晶パネル１１ｇにおいて、Ｇ光が画像変調されて反射される。変調および反射されたＧ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１０ａの偏光分離面で反射され、光源側に戻されて投射光から除去される。

一方、変調および反射されたＧ光のうちＰ偏光成分（図中には、Ｐ偏光を｜で示す）は、第１の偏光ビームスプリッタ１０ａの偏光分離面を透過して投射光となる。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１０ａとＧ用反射型液晶パネル１１ｇの間に設けられた１／４波長板１２ｇの複屈折主軸の１つである遅相軸を所定の方向に調整し、第１の偏光ビームスプリッタ１０ａとＧ用反射型液晶パネル１１ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えている。

第１の偏光ビームスプリッタ１０ａを透過したＰ偏光としてのＧ光（｜）は、第１の１／２波長板９ａによりその偏光方向を９０度回転され、第３の偏光ビームスプリッタ１０ｃにＳ偏光（・）として入射する。こうして第３の偏光ビームスプリッタ１０ｃに入射したＧ光は、その偏光分離面で反射されて、投射レンズ１３へと至る。

一方、ダイクロイックミラー６を透過したＲ，Ｂ光は、第１の色選択性位相差板８ａに入射する。第１の色選択性位相差板８ａは、Ｂ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光はＰ偏光（｜）として、Ｒ光はＳ偏光（・）として第２の偏光ビームスプリッタ１０ｂに入射する。そして、Ｂ光は、第２の偏光ビームスプリッタ１０ｂの偏光分離面を透過し、１／４波長板１２ｂを介してＢ用反射型液晶パネル１１ｂに至る。また、Ｒ光は該偏光分離面で反射され、１／４波長板１２ｒを介してＲ用反射型液晶パネル１１ｒに至る。

Ｂ用反射型液晶パネル１１ｂにおいて、Ｂ光は画像変調されて反射される。変調されたＢ光のうちＰ偏光成分（｜）は再び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。変調されたＢ光のうちＳ偏光成分（・）は、偏光分離面で反射されて投射光となる。

同様に、Ｒ用反射型液晶パネル１１ｒにおいて、Ｒ光が画像変調されて反射される。変調されたＲ光のうちＳ偏光成分（・）は、再び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。また、変調されたＲ光のうちＰ偏光成分（｜）は、偏光分離面を透過して投射光となる。これにより、ＢとＲの投射光は一つの光束に合成される。

こうして合成されたＢとＲの投射光は、第２の色選択性位相差板８ｂに入射する。第２の色選択性位相差板８ｂは、第１の色選択性位相差板８ａと同じものであり、Ｂ光の偏光方向のみを９０度回転させる。これにより、Ｒ光およびＢ光はともにＰ偏光（｜）として第３の偏光ビームスプリッタ１０ｃに入射し、その偏光分離面を透過することでＧの投射光と合成されて投射レンズ１３へと至る。そして、投射レンズ１３によりスクリーンなどの投射面に投射される。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、請求項に示された内容の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０１，２０１，３０１，４０１ 光源
１０２，２０２，３０２，４０２ リフレクタ
１０３，２０３，３０３，４０３ 第１レンズアレイ
１０３ａ，２０３ａ，３０３ａ，４０３ａ 第１レンズセル
１０４，２０４，３０４，４０４ 第２レンズアレイ
１０４ａ，２０４ａ，３０４ａ，４０４ａ 第２レンズセル
１０５，２０５，３０５，４０５ 偏光変換素子
１０６，２０６，３０６，４０６ コンデンサーレンズ
１０７，２０７，３０７，４０７ 偏光ビームスプリッタ
１０８，２０８，３０７，４０７ 液晶パネル
４０３ｂ，４０４ｂ シリンドリカルレンズ面

Claims (8)

1. 光束を複数に分割し、それぞれ該分割光束を集光する複数の第１レンズセルが、光学系の中心光軸方向に略直交し、かつ互いに略直交する第１の方向および第２の方向に配列された第１レンズアレイと、
   前記各第１レンズセルからの前記分割光束が入射する第２レンズセルが前記第１および第２の方向にそれぞれ複数配列された第２レンズアレイとを有し、
   前記第１レンズセルの配列領域の幅に対する前記第２レンズセルの配列領域の幅の比が前記第１の方向と前記第２の方向とで互いに異なり、
   前記第１および第２レンズアレイのうち少なくとも１つが、前記第１の方向において、トーリック面を有するレンズセルを複数有し、
   前記第１の方向及び光軸と平行な第１の断面において、該トーリック面を有する複数のレンズセルのうち前記光軸から遠いレンズセルの曲率半径と前記光軸から近いレンズセルの曲率半径とが互いに異なることを特徴とするレンズアレイ光学系。
2. 前記第１の方向及び光軸と平行な第１の断面において、該トーリック面を有する複数のレンズセルのうち前記光軸から遠い周辺レンズセルの曲率半径が、前記周辺レンズセルに比べて前記光軸に近い近軸レンズセルの曲率半径より大きいことを特徴とする請求項１に記載のレンズアレイ光学系。
3. 前記第１の方向での前記比が前記第２の方向での前記比よりも小さく、
   前記トーリック面は、前記第１の方向及び光軸と平行な第１の断面での曲率半径が、前記第２の方向及び光軸と平行な第２の断面での曲率半径より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズアレイ光学系。
4. 以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレンズアレイ光学系。
   Ｗ２／Ｗ１＜０.７
   ここで、Ｗ１は前記第１の方向における前記第１レンズセルの配列領域の幅であり、Ｗ２は前記第１の方向における前記第２レンズセルの配列領域の幅である。
5. 前記複数の第１レンズセルのうち少なくとも１つおよび前記複数の第２レンズセルのうち少なくとも１つが、前記第１の方向に偏心していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のレンズアレイ光学系。
6. 光源からの光で画像形成素子を照明する照明光学系と、
   前記画像形成素子からの光束を投射する投射光学系とを有し、
   前記照明光学系が、請求項１から５のいずれか１つに記載のレンズアレイ光学系を含むことを特徴とする投射光学ユニット。
7. 画像形成素子と、
   光源からの光で前記画像形成素子を照明する照明光学系と、
   前記画像形成素子からの光束を投射する投射光学系とを有し、
   前記照明光学系が、請求項１から５のいずれか１つに記載のレンズアレイ光学系を含むことを特徴とする画像投射装置。
8. 請求項７に記載の画像投射装置と、
   該画像投射装置に画像信号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。