【手続補正書】
【提出日】平成17年2月25日(2005.2.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  液晶プロジェクタ装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】  光源からの光を分割集光することができる複数のレンズを有して形成されている第一のレンズアレーと、
前記第一のレンズアレーに形成された前記複数のレンズの焦点距離近傍に配置され、前記第一のレンズアレーに形成された複数のレンズそれぞれに対応した複数のレンズを有する第二のレンズアレーと、
前記第二のレンズアレーの前段、または後段に配置され、前記光源から出射された非偏光を一方の偏光に変換する偏光変換手段と、
前記偏光変換手段によって変換された一方の偏光に対して色分離を行なう色分離手段と、
所要の駆動信号に基づいて前記色分離手段で分離された各色光に対して空間光変調を行なう液晶パネルと、
前記液晶パネルで空間光変調された各色光を合成する色合成手段と、
前記色合成手段によって合成された光を投写することができる投写レンズを備えて構成されている液晶プロジェクタ装置において、
前記第一のレンズアレーに形成される各レンズは、座標軸における一方の軸方向のみに偏芯するように構成され、
前記第二のレンズアレーに形成される各レンズは、前記第一のレンズアレーによって前記一方の軸方向に屈折された光を前記液晶パネルに集光することができるようにされていることを特徴とする液晶プロジェクタ装置。
【請求項２】  前記偏光変換手段は、入射した光の第１の偏光を透過し第２の偏光を反射して偏光分離する偏光分離膜と、前記第２の偏光を反射して前記第１の偏光の方向に出力するミラーと、前記第１または第２の偏光のいずれかを一方の偏光に変換する波長板から構成され、前記偏光分離膜の偏光反射方向と前記光源の光軸方向で構成される平面に垂直な方向と、前記一方の軸方向が平行になるようにされていることを特徴とする請求項１に記載の液晶プロジェクタ装置。
【請求項３】  前記第二のレンズアレーは、前記第一のレンズアレーに対応する各レンズが異型で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶プロジェクタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を液晶パネルで変調して画像を形成して投写することができる液晶プロジェクタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ランプなどの光源と、空間光変調素子とされる液晶パネルを用いて、液晶プロジェクタ装置を構成する場合、ランプからの出射光を液晶パネルにたいして効率良く照明する光学系が必要とされている。以下、この光学系を照明光学系という。
【０００３】
ところで、液晶プロジェクタ装置としては、ランプから出射された白色光を、ダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムなどを用いてＲＧＢ各色光に分離し、ＲＧＢ各色に対応した３枚の液晶パネルを用いた３板式の液晶プロジェクタ装置が知られている。
【０００４】
図１１はＲＧＢ各色毎に１枚の液晶パネルを用いて構成される３板式液晶プロジェクタ装置（以下、単に液晶プロジェクタ装置という）の照明光学型の構成例を説明する平面図である。
【０００５】
この図に示されている液晶プロジェクタ装置は、ランプ４１から出射した光を、ＩＲ／ＵＶカットフィルタ４２を介して集光レンズ４３で集光したのちに色分離を行なう構成とされる。
すなわち集光レンズ４３を介した光（白色光）は、まず赤色光Ｒを透過するダイクロイックミラー４４に入射する。そしてここで赤色光Ｒが透過し緑色光Ｇ及び青色光Ｂが反射する。このダイクロイックミラー４４を透過した赤色光Ｒはミラー４５により進行方向を例えば９０゜曲げられてフィールドレンズ４６Ｒを介して液晶パネル４７Ｒに導かれる。
【０００６】
一方、ダイクロイックミラー４４で反射した緑色光Ｇ及び青色光Ｂは青色光を透過するダイクロイックミラー４８により分離されることになる。すなわち、緑色光Ｇは反射することにより進行方向を例えば９０゜曲げられて、フィールドレンズ４６Ｇを介して液晶パネル４７Ｇに導かれる。そして青色光Ｂはダイクロイックミラー４８を透過して直進し、リレーレンズ４９、ミラー５０、リレーレンズ５１、ミラー５２、フィールドレンズ４６Ｂを介して液晶パネル４７Ｂに導かれる。
【０００７】
液晶パネル４７Ｒ、４７Ｇ、４７Ｂで空間光変調されたＲＧＢ各色光は、光合成手段としてのクロスダイクロイックプリズム５３に入射して、赤色光Ｒは反射面５３ａで、また青色光Ｂは反射面５３ｂで投写レンズ５４が配置されている方向に反射される。そして緑色光Ｇは反射面５３ａ、５３ｂを透過することにより、ここで各色光が１つの光軸に合成されるようになる。
そして、投写レンズ５４によって、例えば壁などに掛けられているスクリーン５５にカラー画像が拡大投影される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このように構成された、液晶プロジェクタ装置によって形成される画像の高輝度化は、例えば液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の被照射領域に集光する光量を増やすことで実現することができる。液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のサイズを同じとした状態で輝度を上げようとすると、被照射領域に対してより大きな入射角度（画角）で光を集光する構成を採らなければならない。すなわちＦナンバが小さい照明光学系を形成することが必要とされる。
しかし、液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に対する光の入射角度（以下、光の入射角度を単に入射角度という）を大きくすると、以下に示すような問題が生じる。
【０００９】
１．色分離、合成を行なう場合の問題。
ランプ４１からの光に対して色分離／合成を行なうダイクロイックミラー４４、４８やダイクロイックプリズム５３は入射角度依存性があるため、その原理上入射角度によって波長特性に対する反射／透過特性が変化する。すなわち、液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に対する入射角度を大きくするとこのような特性変化が現れる。
【００１０】
図１２（ａ）（ｂ）は一般的なダイクロイックミラーの特性を示す図であり、図１２（ａ）は短波長側反射型ダイクロイックミラーの波長特性、図１２（ｂ）は長波長側反射型ダイクロイックミラーの波長特性を示している。なお、これらの図は、例えば４５°の入射角度で光が入射した場合に効率良く色分離を行なうことができるように設定されている例を示している。
これらの図に示されているように、４５°入射（実線）の場合と、この４５°の入射角度よりも大きい５０°入射（破線）の場合、或いは４５°の入射角度よりも小さい４０°入射の場合では、反射と透過によって入射した光を分離する波長の境目が異なる。これは、ダイクロイックミラーに形成される光学薄膜が、光の干渉現象を利用して色分離／合成を行なっているためである。したがって、例えば図１３に示されているように、ダイクロイックミラーに対して同じ波長の光λ１が入射する場合でも、その光学薄膜に予め設定されている入射角度とは異なる角度で入射した場合、実効的な波長がλａ、λｂとして示されているように変化する。このため、光の干渉現象を利用して色分離／合成を行なうダイクロイックミラーなどでは、本質的に入射角度依存を有する。
なお、この他にも光の干渉現象を利用した光学薄膜としては、後述する偏光分離薄膜や、その他にも高反射ミラーなどが挙げられる。
【００１１】
ここで、図１４にしたがい、図１１に示した液晶プロジェクタ装置のダイクロイックミラー４４に入射した後に液晶パネル４７Ｒに入射する光を例に挙げて説明する。
液晶パネル４７Ｒに入射する光は、例えばランプ４１の特性などから完全な平行光ではなく、略平行光として若干の拡がりを持っているので、図１４（ａ）に示されているように例えば４５°＋θ、また図１４（ｂ）に示されているように例えば４５°−θでダイクロイックミラー４４に入射する。なお、θは光軸Ｏａと入射光の主光線Ｐｒによって形成される角度である。すなわち、ダイクロイックミラー４４では光軸Ｏａと主光線Ｐｒが平行になっていない。このため、同図（ａ）（ｂ）に示すように液晶パネル４７Ｒの両端部分では、それぞれダイクロイックミラー４４に異なる角度で入射した光束が入射することになる。
【００１２】
したがって、各液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に対して供給される各色光の色特性が、その両端部分、すなわち右側（図面上では上方）と左側（図面上では下方）で変ってくる。このため、各液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に入射する光はそれぞれ、規定されているＲ、Ｇ、Ｂ各色光に分離されていないことになり、これらの光が空間光変調されてスクリーンに投写された場合、色むらが生じる。
【００１３】
また、高輝度化を図るために、液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に対する光の入射角度φが大きくするように構成する場合にも同様の問題が生じる。
図１４（ａ）において、液晶パネル４７Ｒの左側に入射する光束の最大角度は４５＋θ＋φ、また図１４（ｂ）において、液晶パネルの右側に入射する最小角度は４５−θ−φとされる。このため、入射角度φが大きくなった場合、液晶パネル４７Ｒの左側、右側に入射する光の角度差が大きくなり、スクリーン５３に投写される画像の色むらが大きくなる。
【００１４】
また入射角度が大きくなるに連れてダイクロイックミラー４４の分離／合成波長帯域が広くなり、液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）にそれぞれに入射される波長帯域が重なってしまうようになる。
図１５は、図１４（ａ）（ｂ）に示したダイクロイックミラー４４に入射する光束の入射角度分布を説明する摸式図である。
図示されているように、光軸Ｏａと主光線Ｐｒが傾きθを有している場合、ダイクロイックミラー４４に対する入射角度４５＋θと入射角度４５−θで入射された光の、液晶パネル４７Ｒに対する入射角度φが一致しないことがわかる。すなわち、この図でそれぞれの傾き角度θによる光が重なっていない部分（φｒ）が色むらにつながっている。つまり、傾きθと入射角度φを小さくすることができるほど、液晶パネル４７Ｒにおける上下の波長帯域が小さくなり、色むらを抑制することができるようになる。
【００１５】
また、傾きθを「０」として主光線Ｐｒが光軸０ａを平行にすることで色むらの抑制を実現することができるが、図１１に示した液晶プロジェクタ装置では、２枚のダイクロイックミラー４４、４８を用いているので、２箇所において平行を保つことは困難である。
【００１６】
さらに、液晶パネルに対する入射光量を増加させるために、液晶パネルに対する入射角度φを大きく設定すると、光路の断面が必然的に大きくなる。さらに、ある程度入射角度φを大きく設定した状態で、主光線Ｐｒと光軸Ｏａを平行にした場合は、さらに、光路の断面が大きくなる。
図１６（ａ）は主光線Ｐｒが光軸０ａと平行ではない、図１５に示した場合に相当する光路を示す摸式図である。これに対して図１６（ｂ）は主光線Ｐｒと光軸０ａが平行である場合の例とされ、色むらを解消した状態に相当する。これらの図を比較して解るように、入射角度φが同等であった場合でも主光線Ｐｒと光軸Ｏａを平行とした場合、光路の断面が大きくなる。したがって、この光を全て利用する場合、各種レンズ、ミラー、プリズムなどの光学部品も大型化する必要が有り、コストアップ、装置自体の大型化といった問題が生じてくる。
【００１７】
このため、例えば装置自体の小型化を図る場合、ダイクロイックミラーの入射角依存性やその他照明光学系の光学設計などの条件により、投写される画像において色むらが目立たないようにすることは困難であった。
なお、液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に空間光変調されたＲＧＢ各色光をダイクロイックプリズム５３において色合成を行なう場合にも、主光線と光軸が平行でない場合は同様の問題が生じることになる。
【００１８】
２．偏光を用いる光学部品の場合。
例えば、偏光ビームスプリッタなどとされる偏光変換素子により、光の利用効率の向上を図ることが知られている。
図１７は、１枚の反射型液晶パネルを用いた単板式液晶プロジェクタ装置の基本構造を説明する図である。
ランプ６０から出射した光は集光レンズ６１で集光され、偏光ビームスプリッタ６２に入射する。偏光ビームスプリッタ６２はその偏光分離面において光の偏光成分とされる例えばＰ偏光波（またはＳ偏光波）を透過して、Ｓ偏光波（またはＰ偏光波）を反射するようにされている。したがって、偏光ビームスプリッタ６２を例えば透過したＳ偏光波が反射型液晶パネル６３に入射する。
【００１９】
反射型液晶パネル６３は、図示されていない経路から供給される所要の駆動信号に基づいて、偏光ビームスプリッタ６２からのＰ偏光波が照射される被照射領域において選択的に光空間変調を行なう。つまり、前記駆動信号によって駆動される画素に相当する領域で光空間変調された光がＰ偏光波の画像光として出射され、偏光ビームスプリッタ６２に供給される。ここで、画像光は偏光ビームスプリッタ６２の偏光分離面で反射されて投写レンズ６４に導かれ、例えば壁などに掛けられているスクリーン６５に拡大投影される。
スクリーン６５上に拡大投影される画像において良好なコントラストを得るためには、偏光ビームスプリッタ６２におけるＰ偏光波の透過とＳ偏光波の反射の比（消光比という）の高さが要求される。
【００２０】
ところで、偏光ビームスプリッタ６２においてもダイクロイックミラーと同様に、各偏光の透過率、反射率は偏光分離面に対する光の入射角度に依存している。
図１８に偏光分離面の一般的な波長特性を示す。
この図に示す例は、偏光分離面に対する入射角度θ１が例えば４５°となるように設定されているものとする。例えば入射角度θ１が４５°からはずれると、Ｐ偏光波については透過率が下がり（反射率が上がり）、またＳ偏光波については透過率が上がる（反射率が下がる）。つまり、非偏光をＳ偏光波とＰ偏光波に分離する偏光ビームスプリッタの性能が低下していることになる。
【００２１】
例えば図１９（ａ）に示されているように、主光線Ｐｒと光軸Ｏａが平行とされていない場合、偏光分離膜６２ａに入射する光の角度が異なるようになり、偏光分離膜６２ａを通過して、液晶パネル６３に到達する光の量が被照明領域内で均等ではなくなる。これにより、液晶パネル６３、スクリーン６５上で輝度むらが発生する。このため、一般的には、図１９（ｂ）に示されているように、主光線Ｐｒと光軸Ｏａを平行にして、液晶パネル６３、スクリーン６５上において輝度の均一化を図る必要がある。
【００２２】
しかし、先述したように液晶プロジェクタ装置の輝度を上げるために、液晶パネル６３に対する入射角度θ１を大きくしなければならない。この場合、偏光分離膜６２ａに対する光の入射角度は４５−θ１°乃至４５＋θ１°となる。これにより、図１８で説明したように透過特性が変化し、入射角度θ１が大きくなるほど、本来透過するはずのＰ偏光波が反射し、反射するはずのＳ偏光波は透過するようになってしまう。
特に、図１７に示したような反射型液晶プロジェクタ装置では、照明光学系を設計する段階で、偏光ビームスプリッタ６２の特性によって液晶パネル６３に対する入射角度θ１が決定される場合があり、これにより当該装置の輝度が決定されてしまう。したがって、照明光学型の設計状態によってスクリーン６５上における輝度の劣化、コントラストの減少が生じる。
【００２３】
上述したように、薄膜における光の干渉を利用した光学素子（ダイクロイックミラー、偏光ビームスプリッタなど）においては、光を光軸に対して傾斜させた状態で入射させると、このときの入射角度による波長特性が問題になることがある。
このため、例えばマルチレンズアレーなどの光学素子を用いて液晶パネルに対する入射角度を小さくすることが知られている。このマルチレンズアレーは液晶パネルの被照明領域における輝度の均一化を図る光学素子とされ、その形状から例えばフライアイレンズとも呼ばれている。
【００２４】
図２０はマルチレンズアレーの構成例を示す図であり、図２０（ａ）は正面図、図２０（ｂ）は側面図、図２０（ｃ）は下方から示す図である。
マルチレンズアレー７０は、図２０（ａ）に示す正面から見た形状が、照明対象とされる液晶パネルの被照明領域に相似形とされる複数のレンズ７１（例えば２４個）が例えば正方配列されている。
【００２５】
図２０に示すマルチレンズアレー７０を一対組み合わせるとともに、集光レンズを組み合わせて構成した照明光学系の例を図２１に示す。なお、図２１において図示していないランプ側に配置される第一のマルチレンズアレー７０に沿え字『ａ』、液晶パネル側に配置される第二のマルチレンズアレーに沿え字『ｂ』を付して示している。
図２１（ａ）に示されているように、ランプから出射した光は、第一のマルチレンズアレー７０ａにおけるレンズ７１、７１、７１・・・において一旦光源像として結像し、第二のマルチレンズアレー７０ｂで拡散されて集光レンズ７２、フィールドレンズ７３を介して液晶パネル７４の被照明領域を照明することができるようにされている。
第二マルチレンズアレー７０ｂでは、第一のマルチレンズアレー７０ａによって分割された複数の光源像が、図２１（ｂ）に示されているように集光され、このように集光された光が、液晶パネル７４上でが合成されるようにして照明されるので、ほぼ均一の輝度を得ることが可能とされる。
【００２６】
ところで、図２１に示した一対のマルチレンズアレー７０ａ、７０ｂでは、前段（ランプ側）に配置されるマルチレンズアレー７０ａによって光が集光されるので、マルチレンズアレー７０ｂにおいて光が当たらない間隙部分が生じるようになる。そこで、このような間隙部分を狭くしていくことにより、液晶パネル７４に入射する光の角度を小さくすることが行なわれている。
【００２７】
図２２は、このような一対のマルチレンズアレーの構成例を説明する図であり、図２２（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ第一マルチレンズアレーの正面、側面、下面、また図２２（ｄ）（ｅ）（ｆ）はそれぞれ、第二マルチレンズアレーの正面、側面、下面を示している。
【００２８】
図２２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されている第一マルチレンズアレー７５に形成されるレンズ７５ａ、７５ａ、７５ａ・・・は、通過した光が第一マルチレンズアレー７５その中心部分（光軸）に向かって屈折するように偏芯した形状とされ、そのレンズが配置されている位置よりも中心部分に近い位置で集光することができるようにされている。
図２２（ｄ）（ｅ）（ｆ）に示されている第二マルチレンズアレー７６に形成されるレンズ７６ａ、７６ａ、７６ａ・・・は、第一マルチレンズアレー７５のレンズ７５ａ、７５ａ、７５ａ・・・にそれぞれ対応して形成されており、その集光点の大きさに応じた小型形状とされている。さらに、レンズ７６ａ、７６ａ、７６ａ・・・は、レンズ７５ａ、７５ａ、７５ａとは逆方向に偏芯させている。
【００２９】
このような第一マルチレンズアレー７６、第二マルチレンズアレー７７を用いた照明光学系を図２３に示す。
図２３（ａ）に示されているように、ランプから出射した光は、第一のマルチレンズアレー７５におけるレンズ７５ａ、７５ａ、７５ａ・・・において一旦光源像として結像し、この光源像を第一マルチレンズアレー７５の中心部分側に屈折させながら第二マルチレンズアレー７６のレンズ７６ａ、７６ａ、７６ａ・・・に集光する。
第二マルチレンズアレー７６では、第一のマルチレンズアレー７５によって分割された複数の光源像が、図２３（ｂ）に示されているように集光され、このように集光された光が、液晶パネル７４上でが合成されるようにして照明されるので、ほぼ均一の輝度を得ることが可能とされる。この場合、図２１（ｂ）に示したマルチレンズアレー７０ｂの場合よりも光源像が密集していることがわかる。
さらに、レンズ７６ａ、７６ａ、７６ａ・・・は、レンズ７５ａ、７５ａ、７５ａ・・・と逆側に偏芯しているので、液晶パネル７４に入射する角度は小さくなる。
なお、このようなマルチレンズアレー７５、７６を縮小投影マルチレンズアレーという。
【００３０】
このような縮小投影マルチレンズアレーを用いることにより、同じ光量で液晶パネル７４に対する光の入射角度を小さくすることができる。これにより、図２３における図示は省略しているが、色分離／合成部分における色むらを低減することができ、さらに照明光学系を小型化することができる。
【００３１】
また、縮小投影マルチレンズアレーとしては、例えば図２４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されているように、例えばレンズ７７ａ、７７ｂ、７７ｃによってくさび型状を形成する第一マルチレンズアレー７７、及び図２４（ｄ）（ｅ）（ｆ）に示されているように、レンズ７８ａ、７８ｂ、７８ｃによって形成される同じくくさび型の第二マルチレンズアレー７８を用いても同様の効果を得ることができる。
【００３２】
ところで、液晶パネルを用いる照明光学系の場合、先に、図１７で説明したように、Ｐ偏光波または  Ｓ偏光波のいずれか一方の偏光を選択して利用することになる。つまり、ランプからの出射光は非偏光とされているので、他方の偏光を捨ててしまうことになる。
そこで、本来捨てられる他方の偏光の偏光方向を回転させて一方の偏光に変換する偏光変換素子を用いることにより光の利用効率を向上した照明光学系を構成することができる。また、この偏光変換素子とマルチレンズアレーを組み合わせて利用することで、さらに利用効率を向上することが可能になる。
【００３３】
図２５は偏光変換素子の構成例を説明する斜視図であり、光の入射側から示している。
偏光変換素子８３は、断面が台形状とされている短冊状のＰＢＳ素子８４ａ乃至８４ｈを張り合わせて外観が形成されている。このうち、ＰＢＳ素子８４ａ、８４ｃ、８４ｅ、８４ｇが非偏光の入射面を形成する。各ＰＢＳ素子８４（ａ〜ｈ）の間には、偏光を分離するＰＢＳ膜８５ａ乃至８５ｄ、ミラー８６ａ乃至８６ｅが形成されている。なお、ミラー８６ａ乃至８６ｅをＰＢＳ膜で形成してもよい。
ＰＢＳ素子８４ａ、８４ｃ、８４ｅ、８４ｇの出射側には、それぞれ１／２波長板８７ａ、８７ｂ、８７ｃ、８７ｄが貼り付けられている。
【００３４】
図２６は、偏光変換素子８３の一部を側面から示し、分離される偏光の光路を説明する図である。
ＰＢＳ素子８４ａから入射した非偏光（黒塗り矢印）はＰＢＳ膜８５ａでＰ偏光波とＳ偏光波に分離されるが、ここでＰ偏光波（白抜き矢印）はＰＢＳ膜８５ａを透過してＰＢＳ素子８４ｂの出射面から出射する。また、Ｓ偏光波（斜線矢印）はＰＢＳ膜８５ａで反射し、さらにミラー８６ａに反射される。そして、１／２λ板８７ａを通過することでＰ偏光波に変換される。
このように、偏光変換素子８３は入射した非偏光を、例えばＰ偏光波に変換して出射側から出射する。
なお、この図ではＰＢＳ素子８４ａに入射した非偏光についてのみ説明したが、ＰＢＳ素子８４ｂ、８４ｅ、８４ｇについても同様である。
【００３５】
図２７はこの偏光変換素子８３を一対のマルチレンズアレーの後段に配置した例を説明する図である。
図示していないランプ９０から出射された非偏光は、第一マルチレンズアレー９１で集光されたのち、第二マルチレンズアレー９２を介して偏光変換素子８３に入射する。偏光変換素子８３において、ＰＢＳ素子８４ａ乃至８４ｈの短手方向の幅は例えばマルチレンズアレー９２におけるレンズ９２ａ、９２ａ、９２ａ、９２ａのピッチの１／２となるように形成されている。そして、配置状態としては、各レンズ９２ａとＰＢＳ素子８４ａ、８４ｃ、８４ｅ、８４ｇが対向するようにされる。これにより、各レンズ９２ａから出射する非偏光がＰＢＳ素子８４ａ、８４ｃ、８４ｅ、８４ｇに入射することができるようになる。
【００３６】
ＰＢＳ素子８４ａ、８４ｃ、８４ｅ、８４ｇに入射した非偏光は、図２６で説明したようにしてＰ偏光波に変換されて出射される。そして偏光変換素子８３から出射されたＰ偏光波は集光レンズ７２、フィールドレンズ７３を介して液晶パネル７４に入射する。
【００３７】
しかし、マルチレンズアレーと偏光変換素子８３を用いるためには、第二マルチレンズアレーの光の集光点において光が当たらない、すなわち上述した間隙部分が必要になる。したがって、縮小投影マルチレンズアレーは光の利用効率には優れているが、図２３（ｂ）に示されているように集光点の間隙が小さいために、偏光変換素子８３と組み合わせても、Ｐ偏光波とＳ偏光波を分離スペースを得ることができず、第二マルチレンズアレーから出射した光がＰＢＳ素子８４ａ、８４ｃ、８４ｅ、８４ｇに効率良く入射することができないという問題があった。
【００３８】
このため、偏光変換を行なう場合は、縮小投影マルチレンズアレーを利用することができないので、液晶パネルに対する入射角度を小さくすることが困難である。すなわち、偏光変換素子と縮小投影マルチレンズアレーを同時に用いて輝度の向上を図ることができないという問題があった。
【００３９】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような問題点を解決するために、光源からの光を分割集光することができる複数のレンズを有して形成されている第一のレンズアレーと、前記第一のレンズアレーに形成された前記複数のレンズの焦点距離近傍に配置され、前記第一のレンズアレーに形成された複数のレンズそれぞれに対応した複数のレンズを有する第二のレンズアレーと、前記第二のレンズアレーの前段、または後段に配置され、前記光源から出射された非偏光を一方の偏光に変換する偏光変換手段と、前記偏光変換手段によって変換された一方の偏光に対して色分離を行なう色分離手段と、所要の駆動信号に基づいて前記色分離手段で分離された各色光に対して空間光変調を行なう液晶パネルと、前記液晶パネルで空間光変調された各色光を合成する色合成手段と、前記色合成手段によって合成された光を投写することができる投写レンズを備えて構成されている液晶プロジェクタ装置において、前記第一のレンズアレーに形成される各レンズは、座標軸における一方の軸方向のみに偏芯するように構成され、前記第二のレンズアレーに形成される各レンズは、前記第一のレンズアレーによって前記一方の軸方向に屈折された光を前記液晶パネルに集光することができるように構成する。
【００４０】
本発明は、座標軸における一方の軸方向のみに偏芯したレンズを備えた第一マルチレンズアレーと、この第一マルチレンズアレーの各レンズによって前記一方の軸方向に屈折された光を集光することができるレンズによって構成されている第二マルチレンズアレーを備えることにより、色分離／合成や偏光分離を行なう光学薄膜に対する入射角度を補正することができるので、前記光学薄膜の入射角度に依存する特性を補正することができる。
これにより、色むら、輝度むらを抑制して良好な画像を形成することができるようになる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本実施の形態の３板式液晶プロジェクタ装置（以下、単に液晶プロジェクタ装置という）の構成例を説明する図である。
【００４２】
この図に示されている液晶プロジェクタ装置は、ランプ１から出射された光の光源像は、第一のマルチレンズアレー２を形成する各レンズ２ａ、２ａ、２ａ・・・において、一旦光源像として結像し、この光源像を例えばＸ軸方向にのみ屈折させ第二マルチレンズアレー３のレンズ３ａ、３ａ、３ａ・・・に集光する。なお、この図に示す座標系として、光軸をＺ軸、例えば光軸に垂直な軸をＹ軸、例えば光軸に水平な軸をＸ軸としている。
【００４３】
第二マルチレンズアレー３では、第一のマルチレンズアレー２によって分割された複数の光源像が集光され、後述する液晶パネル９（Ｒ、Ｇ、Ｂ）上で合成されるようにして照明される。第二マルチレンズアレー３から出射した光、すなわち非偏光波は偏光変換素子４によって例えばＰ偏光波に偏光される。この偏光変換素子４は、先に図２５、図２６で説明した構成と同様とされている。
【００４４】
偏光変換素子４によって例えばＰ偏光波に偏光された光（白色光）は、集光レンズ５を介して、まず赤色光Ｒを透過するダイクロイックミラー６に入射する。そしてここで赤色光Ｒが透過し緑色光Ｇ及び青色光Ｂが反射する。このダイクロイックミラー６を透過した赤色光Ｒはミラー７により進行方向を例えば９０゜曲げられてフィールドレンズ８Ｒを介して液晶パネル９Ｒに導かれる。
【００４５】
一方、ダイクロイックミラー６で反射した緑色光Ｇ及び青色光Ｂは青色光を透過するダイクロイックミラー１０により分離されることになる。すなわち、緑色光Ｇは反射することにより進行方向を例えば９０゜曲げられて、フィールドレンズ８Ｇを介して液晶パネル９Ｇに導かれる。そして青色光Ｂはダイクロイックミラー１０を透過して直進し、リレーレンズ１１、ミラー１２、反転用リレーレンズ１３、ミラー１４、フィールドレンズ８Ｂを介して液晶パネル９Ｂに導かれる。
【００４６】
液晶パネル９（Ｒ、Ｇ、Ｂ）で空間光変調された各色光は、光合成手段としてのクロスダイクロイックプリズム１５に入射して、赤色光Ｒは反射面１５ａで、また青色光Ｂは反射面１５ｂで投射レンズ１６の方向に反射される。そして緑色光Ｇは反射面１５ａ、１５ｂを透過することにより、ここで各色光が１つの光軸に合成されるようになる。
そして、投写レンズ１６によって、例えば壁などに掛けられているスクリーン（図示せず）にカラー画像が拡大投影される。
【００４７】
図２（ａ）（ｂ）は図１に示した液晶プロジェクタ装置の照明光学系において、本発明の構成に関わる要部を説明する展開図である。なおこれらの図に示されている座標は図１に示す座標と一致している。
例えば色分離／合成や偏光分離など、光の干渉を利用した薄膜素子を光軸Ｏａに対して、すべてＹ軸方向またはＸ軸方向のいずれかの軸方向に平行になるように配置する。図２においては、ダイクロイックミラー６、１０はＹ軸方向と平行となる配置である。また、図２には示していないがダイクロイックプリズム１５の反斜面１５ａ、１５ｂについてもＹ軸方向と平行になるように配置されている。すなわち、入射角度依存性を有している薄膜は、同じ軸方向（例えばＹ軸方向）について平行となるように配置する。以降、この軸を『薄膜回転軸』という。
【００４８】
ここで、図３にしたがい、第一マルチレンズアレー２及び第二マルチレンズアレー３の構成を説明する。なお、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ第一マルチレンズアレー２の正面、側面、下面、また図３（ｄ）（ｅ）（ｆ）はそれぞれ、第二マルチレンズアレー３の正面、側面、下面を示している。
【００４９】
第一マルチレンズアレー２を構成しているレンズ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを、本発明では、一方の軸方向とされる例えばＸ軸方向に偏芯させた形状とされている。また、同様に第二マルチレンズアレー３を構成しているレンズ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄも、例えばＸ軸方向に偏芯させた形状とされている。さらに、第二のマルチレンズアレー３はＸ軸方向に偏芯した第一マルチレンズアレー２のレンズ２ａに結像される光源像を集光することができる、すなわちその出射領域に対応した、Ｙ軸方向が長くＸ軸方向が短い縦長の外形で形成される。
これらのマルチレンズアレーを片側縮小投影マルチレンズアレーという。これらのマルチレンズアレー２、３によって縮小される方向は、前記薄膜回転軸とは異なる軸方向とされる、Ｘ軸方向となる。
【００５０】
第二マルチレンズアレー３の後段には、図２に示されているように偏光変換素子４が配置される。偏光分離を行なう方向、すなわち、ＰＢＳ膜４ａにおいてＳ偏光波が反射される方向を、薄膜回転軸の方向（Ｙ軸方向）と平行となるように配置する。
片側縮小投影マルチレンズアレーでは、Ｘ軸方向に関しては偏芯を行なって縮小投影を行なうが、Ｙ軸方向は縮小投影を行なわない。このため、第二マルチレンズアレー３の集光点は、Ｘ軸方向は縮小投影によって間隙部分が減って密集するようになるが、Ｙ軸方向に対しては間隙を維持した状態とされる。
【００５１】
また、液晶パネル９に対する入射角度についても、図２（ａ）に示すＹ軸方向と図２（ｂ）に示すＸ軸方向を比較して解るように、Ｘ軸方向に入射する角度が小さくなっている。
【００５２】
図４に第二マルチレンズアレー３における集光の状態を摸式的に示す。
この図に示すように、第一のマルチレンズアレー２によってＸ軸方向のみに縮小が行なわれているので、Ｘ軸方向に対しては間隙が狭くなり各レンズ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに対して集光される（実線丸）。また、Ｙ軸方向には縮小が行なわれないので間隙が形成される（破線丸）。したがって、偏光変換を行なうスペースを確保することができ、偏光変換素子４に対して効率良く光を供給することができるようになる。
【００５３】
このように、本発明は第一のマルチレンズアレー２及び第二マルチレンズアレー３を用いて片側縮小を行なっているので、光軸Ｏａに対して所定の角度で配置された平面への入射角度がＸ軸方向とＹ軸方向で異なる。
そこで、図５（ａ）（ｂ）に示されているようにＹ軸方向を中心として例えば４５°回転した薄膜とされるダイクロイックミラー６に対する入射角度もＸ軸方向、Ｙ軸方向で異なるようになる。ダイクロイックミラー６に入射する光は、Ｘ軸、Ｙ軸ともに光軸Ｏａと液晶パネル９に対する入射角度φ、広がり角度θｘ＝θｙとする。また、光軸Ｏａに対して傾斜した状態とされているダイクロイックミラー６に対する入射角度は、ダイクロイックミラー６の法線ベクトルと入射光の作る角度とされる。このため、Ｘ軸方向に角度θｘを有している光が入射した場合は４５＋θｘ±φ°となる。
しかし、図５（ａ）に示されているようにＹ軸方向に広がり角度θｙを有した光が入射した場合、ダイクロイックミラー６に対する入射角度は（４５＋θｘ±φ）°とはならない。つまり、Ｙ軸方向に関してはダイクロイックミラーに対する入射位置が変っても、入射角度は４５°からほぼ変化しない。
【００５４】
図６は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の光軸Ｏａとの角度と、ダイクロイックミラー６に対する入射角度をグラフで示す図である。この図に示すグラフから解るように、薄膜回転軸の方向に広がり角度θｙとされる光が入射しても、実際にダイクロイックミラー６との角度は、広がり角度θｙの影響を殆ど受けない。薄膜回転軸と直交する軸（Ｘ軸）の方向角度は、ダイクロイックミラー６の角度依存性を受けてしまうので、大きな入射角度を形成することはできない。
【００５５】
つまり、Ｘ軸方向については、液晶パネルに対する入射角度が小さくなるように縮小投影を行ない、Ｙ軸方向については偏光変換を行なうことで、輝度の効率を向上することができる。Ｙ軸方向については偏光変換素子４で偏光変換を行なうため、縮小投影を行なうことができず、入射角度が大きくなるが、ダイクロイックミラー６に入射する角度に与える影響は非常に小さいので無視することができる。
【００５６】
液晶パネルに対する入射角度は、従来では図７（ａ）に示されているようにＸ軸方向、Ｙ軸方向をともに縮小することで、ほぼ円に近い領域とされていたが、本発明では図７（ｂ）に示されているようにＸ軸方向を縮小してＹ軸方向を拡大して、Ｙ軸方向に縦長の楕円状の領域を照明することができるようにしている。
これにより、Ｙ軸方向の入射角度を大きくすることができ高輝度化を実現することができ、さらに、Ｘ軸方向に関しては、縮小された状態とすることができるので、ダイクロイックミラー６などの薄膜光学素子の入射角度依存性による色むら、輝度むらの影響を抑制することができる。
【００５７】
以下、本実施の形態の変形例を説明する。
図８は偏光ビームスプリッタ及び反射型の液晶パネルを用いた反射型液晶プロジェクタ装置の構成例を示す図である。なお、ランプ１乃至集光レンズ５に至る経路を構成する光学部品は図１で説明した構成と同様とされる。また、偏光ビームスプリッタ２５、反射型液晶パネル２６、及び投写レンズ２０は、図１７で説明した偏光ビームスプリッタ６２、反射型液晶パネル６３、及び投写レンズ６４に対応している。そして、偏光ビームスプリッタ６２においては、反射型液晶パネル２６で空間光変調されて供給されるＳ偏光波はＹ軸方向に対して反射され投写レンズ６４に供給されるようになる。
【００５８】
集光レンズ５で集光された光は偏光ビームスプリッタ２５に入射して、ここで例えばＰ偏光波が透過して反射型の液晶パネル２６に入射するようにされる。このとき、偏光ビームスプリッタ２５の偏光分離面の回転軸がＸ軸方向と平行になるように配置し、第一マルチレンズアレー２、第二マルチレンズアレー３における、縮小投影をＹ軸方向、偏光変換素子４の偏光分離方向（例えばＳ波の反射方向）がＹ軸方向となるようにする。
この場合、偏光ビームスプリッタ２５の反射または透過特性は、例えば集光レンズ５から供給される光のＸ軸方向の入射角度に対して依存するものではない。したがって、偏光ビームスプリッタ２５に対するＸ軸方向の入射角度は大きく、Ｙ軸方向の入射角度を小さく（縮小投影）することで、偏光透過分離特性の入射角度依存性の影響を抑えて、高輝度化を図ることができる。
【００５９】
なお、図８に示す例では、１枚の反射型液晶パネル２６を用いた単板式の構成を例に上げて説明したが、ＲＧＢ各色に対応した３枚の液晶パネルを備えて構成するようにしても良い。この場合、偏光ビームスプリッタと各液晶パネルの間の所要の位置に例えば２枚のダイクロイックミラーを配置することになるが、ダイクロイックミラーの配置方向としては、偏光ビームスプリッタ２５の偏光分離面と同様に、色分離／合成を行なう薄膜面をＸ軸方向と平行になるように配置する。これにより、ダイクロイックミラーにおいても片側縮小マルチレンズアレー（２、３）の作用によって、入射角度に依存されない効率の良い色分離／合成を行なうことができうようになる。
【００６０】
ところで、プロジェクタ装置などで使用されるランプとしては、例えば電極とされているアーク間で放電（アーク放電）を行ない、この放電によって光源としての光を得るものである。このため、アーク配置間隔に応じて光源が点状態とすることができず、ある程度の大きさを有することになり、すなわち、光はほぼ放射状に出力されるので、平行光を得ることができない。したがって、例えば放物面鏡などによって構成されるリフレクタを用いて集光を行なった場合でも、平行光を形成することは難しく、ある程度の拡がりを有した光束とされる。
【００６１】
このため、例えば図１、図８に示した第一マルチレンズアレー２によって集光、されて、第二マルチレンズアレー３に形成される光源像は、１点に集まらずある大きさを有するようになる。また、例えば図９に示すように、ランプ３０のアーク３１形状やリフレクタ３２の形状などの構成上の問題により、リフレクタ３２の開口におけるアーク３１付近（中心部分）と、外周部分では出射角度が異なるようになる場合がある。
【００６２】
この場合、第一マルチレンズアレー２によって第二マルチレンズアレー３の各レンズ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに集光される光の像は、例えば図９（ｂ）に示されているように、その中心部分が大きくなり、外側に行くに連れて小さくなる。そこで、この集光像の大きさに対応させて、各レンズの開口面積が異なる異型マルチレンズアレーを形成する。
【００６３】
図１０は、このような一対のマルチレンズアレーの構成例を説明する図であり、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ第一マルチレンズアレー２の正面、側面、下面、また図１０（ｄ）（ｅ）（ｆ）はそれぞれ、第二マルチレンズアレーとされる異型マルチレンズアレーの正面、側面、下面を示している。なお、第一マルチレンズアレー２に関しては図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した構成と同様であるが、異型マルチレンズアレーと比較するために示している。
【００６４】
異型マルチレンズアレー３３を形成する各レンズのＹ軸方向の長さは、図１０（ｅ）に例えばレンズ３３ａ、３３ａ、３３ａ、３３ａとして示されているように同等である。つまり、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されてる第一マルチレンズアレー２と同等とされる。
また、異型マルチレンズアレー３３はＸ軸方向に関しては縮小投影を行なうので、例えばレンズ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄとして示されているように、外側のレンズ３３ａ、３３ｄは内側のレンズ３３ｂ、３３ｃよりも小さく形成する。すなわち、レンズの偏芯を行なう方向と同じ方向に対して、その集光面積に応じてレンズの面積を変更する。
これにより、第一マルチレンズアレー２で結像されて、第二マルチレンズアレー（異型マルチレンズアレー３３）に集光する光を効率良く取り込むことができ、画像を形成することができる光の量を増加することができるようになる。
【００６５】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明は、例えばＹ軸方向またはＸ軸方向のいずれか一方を縮小することができるマルチレンズアレーを備えることにより、例えば色分離／合成、偏光変換などを行なう光学薄膜に対する入射角度特性に依存されることなく輝度を向上することができる。
また、偏光変換および縮小投影することができる一対のマルチレンズアレーを併用することが可能になる。これにより、同じ光量の光源を利用した場合でも画像の色むら、輝度むらを抑制するとともにコントラストの向上を図ることができる。
さらに、前記光学薄膜に光を入射させる場合、その主光線と光軸を平行に近づける必要がないので、照明光学型の小型化を実現することができる。したがって、各光学部品を小型化することができるので、低コスト化及び軽量化を実現することができる。
また、第二マルチレンズアレーに形成される各レンズを異形開口で形成することにより、ランプの特性によって異なる角度で出射される光を有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施の形態の液晶プロジェクタ装置の照明光学系の構成例を説明する図である。
【図２】
本実施の形態の照明光学系の要部を示す展開図である。
【図３】
本実施の形態の片側縮小投影マルチレンズアレーを説明する図である。
【図４】
第２マルチレンズアレーによる集光状態を説明する摸式図。
【図５】
Ｘ軸方向とＹ軸方向で所定の角度を持つ光が光軸に対して４５°で配置されたダイクロイックミラーに対する入射角度を説明する図である。
【図６】
ダイクロイックミラーに対するＸ軸方向、Ｙ軸方向の入射角度を説明する図である。
【図７】
本発明と従来例における液晶パネルに対する入射角度の違いを説明する図である。
【図８】
本発明の変形例としての反射型液晶プロジェクターの構成例を示す。
【図９】
ランプのアーク放電による出力光分布を説明する図である。
【図１０】
片側縮小投影・異型開口マルチレンズアレーの構成を説明する。
【図１１】
従来の３板式液晶プロジェクタ装置の照明光学系の構成例を説明する。
【図１２】
ダイクロイックミラーの入射角度に依存する透過率の波長特性である。
【図１３】
光が薄膜に入射する際の実効的な波長を説明する図である。
【図１４】
ダイクロイックミラーに入射する光の入射角度を説明する図である。
【図１５】
液晶パネルの端部に入射する光のダイクロイックミラーに対する入射角度分布を説明する図である。
【図１６】
主光線と光軸の関係を説明する図である。
【図１７】
従来の反射型液晶プロジェクタの照明光学系の構成例を説明する図である。
【図１８】
偏光変換素子の入射角度に応じた透過率（反射率）を説明する図である。
【図１９】
偏光変換素子の入射する光と光軸の関係を説明する図である。
【図２０】
従来のマルチレンズアレイの構成を説明する図である。
【図２１】
図２０に示したマルチレンズアレーを用いた照明光学系の構成例を示す図である。
【図２２】
縮小投影マルチレンズアレイの構成を説明する図である。
【図２３】
縮小投影マルチレンズアレイをくさび型の断面形状で形成した例を示す図である。
【図２４】
縮小投影マルチレンズアレーを用いた照明光学系の構成例を示す図である。
【図２５】
偏光変換素子の構成例を説明する図である。
【図２６】
図２５に示す偏光変換素子において行なわれる偏光変換の概要を説明する図である。
【図２７】
従来例としての、偏光変換素子とマルチレンズアレーを併用した照明光学系の構成例を説明する図である。
【符号の説明】
１，３０  ランプ、２  第一マルチレンズアレー、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，３ａ，３ｂ，３ｃ  レンズ、３  第二マルチレンズアレー、４  偏光変換素子、６，１０  ダイクロイックミラー、９  液晶パネル、３１  アーク、３２  リフレクタ
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
1999295658.tif 000001
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
1999295658.tif 000002
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２５】
1999295658.tif 000003
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２６】
1999295658.tif 000004