(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を３色の光に分離する色光分離手段と、
前記３色の光を、与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、
Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して同一方向に出射する色光合成手段と、
前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写手段とを備える投写型表示装置に使用され、前記照明光を出射する照明光学系であって、
前記色光合成手段の前記中心軸とほぼ平行な列方向、および、前記列方向とほぼ垂直な行方向に分割された複数の部分光束を発生するとともに、前記複数の部分光束を重畳する分割重畳光学系を備え、
前記分割重畳光学系は、
同じ列方向に存在する前記部分光束のうち、一部の部分光束が照明する前記光変調手段上の照明領域が、他の部分光束が照明する照明領域から前記行方向にずれるように構成されていることを特徴とする
照明光学系。
【請求項２】
請求項１記載の照明光学系であって、
前記分割重畳光学系は、
前記列方向および行方向に配列された複数の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの前記複数の小レンズにそれぞれ対応して配置された複数の小レンズを有する第２のレンズアレイと、
を有し、
前記第２のレンズアレイの、前記列方向に沿ってほぼ並ぶ少なくとも１列の小レンズのうち少なくとも一部の小レンズは、他の小レンズの光学的中心と異なる位置に光学的中心を有するレンズであることを特徴とする
照明光学系。
【請求項３】
請求項２記載の照明光学系であって、
前記一部の小レンズは、該一部の小レンズを通過する部分光束による被照明領域上の照明領域が、前記他の小レンズを通過する部分光束による前記被照明領域上の照明領域に対して、前記行方向にずれるように、光学的中心が前記他の小レンズの光学的中心と異なる位置に配置された偏心レンズであることを特徴とする
照明光学系。
【請求項４】
請求項２または３記載の照明光学系であって、
同じ列方向に存在する前記複数の小レンズは、複数の組に組分けされ、
同一の組に含まれる小レンズはレンズ中心に対して同じ位置に光学的中心を有し、
異なる組に含まれる小レンズは、互いにレンズ中心に対して異なった位置に光学的中心を有することを特徴とする
照明光学系。
【請求項５】
請求項４記載の照明光学系であって、
前記複数の組のそれぞれの組を通過する部分光束の光量が等しくなるように、同じ列方向に存在する前記複数の小レンズを組分けすることを特徴とする
照明光学系。
【請求項６】
請求項４記載の照明光学系であって、
前記複数の組は、前記列方向に沿って区分された少なくとも２つの領域であることを特徴とする
照明光学系。
【請求項７】
請求項６記載の照明光学系であって、
前記複数の組は前記列方向に沿って区分された２つの領域であり、
前記２つの領域のうち一方の領域に含まれる複数の小レンズの光学的中心と、他方の領域に含まれる複数の小レンズの光学的中心とが、レンズ中心に対して対称な位置にあることを特徴とする
照明光学系。
【請求項８】
請求項２ないし６のいずれかに記載の照明光学系であって、
前記第２のレンズアレイの複数の小レンズのそれぞれの光学中心が、前記光源の光軸中心に相当する前記第２のレンズアレイの中心から点対称の位置に配置されていることを特徴とする
照明光学系。
【請求項９】
請求項２ないし請求項８のいずれかに記載の照明光学系であって、
前記分割重畳光学系は、さらに、
前記第１のレンズアレイおよび前記第２のレンズアレイの複数の小レンズを通過する複数の部分光束を、前記光変調手段上の照明位置でほぼ重畳結合する重畳結合レンズと、
前記第２のレンズアレイと前記重畳結合手段との間に設けられた偏光変換素子と、を備え、
前記偏光変換素子は、
互いに平行な偏光分離膜と反射膜とを複数組有し、前記第２のレンズアレイの複数の小レンズを通過した複数の部分光束をそれぞれ２種類の直線偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタアレイと、
前記偏光ビームスプリッタアレイで分離された前記２種類の直線偏光成分の偏光方向を揃える偏光変換手段と、を備えることを特徴とする
照明光学系。
【請求項１０】
照明光を出射する照明光学系と、
前記照明光を３色の光に分離する色光分離手段と、
前記３色の光を、与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、
Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して出射する色光合成手段と、
前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写手段と、を備え、
前記照明光学系は、
前記色光合成手段の前記中心軸とほぼ平行な列方向、および、前記列方向とほぼ垂直な行方向に分割された複数の部分光束を発生するとともに、前記複数の部分光束を重畳する分割重畳光学系を備え、
前記分割重畳光学系は、
同じ列方向に存在する前記部分光束のうち、一部の部分光束が照明する前記光変調手段上の照明領域が、他の部分光束が照明する照明領域から前記行方向にずれるように構成されていることを特徴とする
投写型表示装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の投写型表示装置であって、
前記分割重畳光学系は、
前記列方向および行方向に配列された複数の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの前記複数の小レンズにそれぞれ対応して配置された複数の小レンズを有する第２のレンズアレイと、
を有し、
前記第２のレンズアレイの、前記列方向に沿ってほぼ並ぶ少なくとも１列の小レンズのうち少なくとも一部の小レンズは、他の小レンズの光学的中心と異なる位置に光学的中心を有するレンズであることを特徴とする
投写型表示装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の投写型表示装置であって、
前記一部の小レンズは、該一部の小レンズを通過する部分光束による被照明領域上の照明領域が、前記他の小レンズを通過する部分光束による前記被照明領域上の照明領域に対して、前記行方向にずれるように、光学的中心が前記他の小レンズの光学的中心と異なる位置に配置された偏心レンズであることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項１３】
請求項１１または１２記載の投写型表示装置であって、
同じ列方向に存在する前記複数の小レンズは、複数の組に組分けされ、
同一の組に含まれる小レンズはレンズ中心に対して同じ位置に光学的中心を有し、
異なる組に含まれる小レンズは、互いにレンズ中心に対して異なった位置に光学的中心を有することを特徴とする
投写型表示装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の投写型表示装置であって、
前記複数の組のそれぞれの組を通過する部分光束の光量が等しくなるように、同じ列方向に存在する前記複数の小レンズを組分けすることを特徴とする
投写型表示装置。
【請求項１５】
請求項１３記載の投写型表示装置であって、
前記複数の組は、前記列方向に沿って区分された少なくとも２つの領域であることを特徴とする
投写型表示装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の投写型表示装置であって、
前記複数の組は前記列方向に沿って区分された２つの領域であり、
前記２つの領域のうち一方の領域に含まれる複数の小レンズの光学的中心と、他方の領域に含まれる複数の小レンズの光学的中心とが、レンズ中心に対して対称な位置にあることを特徴とする
投写型表示装置。
【請求項１７】
請求項１１ないし請求項１５のいずれかに記載の投写型表示装置であって、
前記第２のレンズアレイの複数の小レンズのそれぞれの光学中心が、前記光源の光軸中心に相当する前記第２のレンズアレイの中心から点対称の位置に配置されていることを特徴とする
投写型表示装置。
【請求項１８】
請求項１１ないし請求項１７のいずれかに記載の投写型表示装置であって、
前記分割重畳光学系は、さらに、
前記第１のレンズアレイおよび前記第２のレンズアレイの複数の小レンズを通過する複数の部分光束を、前記光変調手段上の照明位置でほぼ重畳結合する重畳結合レンズと、
前記第２のレンズアレイと前記重畳結合手段との間に設けられた偏光変換素子と、を備え、
前記偏光変換素子は、
互いに平行な偏光分離膜と反射膜とを複数組有し、前記第２のレンズアレイの複数の小レンズを通過した複数の部分光束をそれぞれ２種類の直線偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタアレイと、
前記偏光ビームスプリッタアレイで分離された前記２種類の直線偏光成分の偏光方向を揃える偏光変換手段と、を備えることを特徴とする
投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、色光合成手段を備えた投写型表示装置およびそのための照明光学系に関するものである。
背景技術
カラー画像を投写スクリーンに投写する投写型表示装置には、クロスダイクロイックプリズムが用いられていることが多い。例えば透過型の液晶プロジェクタでは、クロスダイクロイックプリズムは、赤、緑、青の３色の光を合成して同一の方向に出射する色光合成手段として利用される。また、反射型の液晶プロジェクタでは、クロスダイクロイックプリズムは、白色光を赤、緑、青の３色の光に分離する色光分離手段として利用されると共に、変調された３色の光を再度合成して同一の方向に出射する色光合成手段としても利用される。クロスダイクロイックプリズムを用いた投写型表示装置としては、例えば特開平１−３０２３８５号公報に記載されたものが知られている。
図１７は、投写型表示装置の要部を示す概念図である。この投写型表示装置は、３つの液晶ライトバルブ４２，４４，４６と、クロスダイクロイックプリズム４８と、投写レンズ系５０とを備えている。クロスダイクロイックプリズム４８は、３つの液晶ライトバルブ４２，４４，４６で変調された赤、緑、青の３色の光を合成して、投写レンズ系５０の方向に出射する。投写レンズ系５０は、合成された光を投写スクリーン５２上に結像させる。
図１８は、クロスダイクロイックプリズム４８の一部を分解した斜視図である。クロスダイクロイックプリズム４８は、４つの直角プリズムの互いの直角面を、光学接着剤で貼り合わせることによって作製されている。
図１９は、クロスダイクロイックプリズム４８を利用した場合の問題点を示す説明図である。図１９（Ａ）に示すように、クロスダイクロイックプリズム４８は、４つの直角プリズムの直角面で形成されるＸ字状の界面において、略Ｘ字状に配置された赤色光反射膜６０Ｒと青色光反射膜６０Ｂとを有している。しかし、４つの直角プリズムの隙間には光学接着剤層６２が形成されているので、反射膜６０Ｒ，６０Ｂも、クロスダイクロイックプリズム４８の中心軸４８ａの部分において隙間を有している。
クロスダイクロイックプリズム４８の中心軸４８ａを通る光が投写スクリーン５２上に投影されると、中心軸４８ａに起因する暗線が画像中に形成されることがある。図１９（Ｂ）は、このような暗線ＤＬの一例を示している。この暗線ＤＬは、他の部分とは異なる色がついた、やや暗い線状の領域であり、投写された画像のほぼ中心に形成される。この暗線ＤＬは、中心軸４８ａ付近の反射膜の間隙において光線が散乱されることや、赤色光や青色光が反射されないことに起因していると考えられる。なお、この問題は、赤色反射膜、青色反射膜等の選択反射膜がそれぞれ形成された２種類のダイクロイックミラーをＸ字状に交差させたクロスダイクロイックミラーにおいても同様に発生する。この場合にも、ミラーの中心軸に起因する暗線が画像中に形成されることとなる。
このように、従来の投写型表示装置では、クロスダイクロイックプリズム４８やクロスダイクロイックミラーの中心軸によって、投写される画像のほぼ中心に暗線が形成されてしまうことがあるという問題があった。
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、クロスダイクロイックプリズムやクロスダイクロイックミラー等、Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備えた光学手段の中心軸に起因する暗線を目立たなくすることのできる技術を提供することを目的とする。
発明の開示
（課題を解決するための原理の説明）
はじめに、課題を解決するための原理を、具体的な例に基づき、図１ないし図４を用いて説明する。図面では、光の進行方向をｚ方向、光の進行方向（ｚ方向）からみて３時の方向をｘ方向、１２時の方向をｙ方向として統一してある。また、下記説明に置いて、便宜的に、ｘ方向は行方向、ｙ方向は列方向を表すものとする。なお、下記の原理は、説明を容易にするために具体的な例に基づいて説明を行っているが、本発明はそのような具体的な構成に限定されるものではない。
投写型表示装置において、光源からの光を複数の部分光束に分割して照明光の面内照度むらを低減する技術として、ＷＯ９４／２２０４２号公報に記載されたような、複数の小レンズを有する２つのレンズアレイを用いた照明光学系（インテグレータ光学系という）が知られている。
図１は、クロスダイクロイックプリズムを用いた投写型表示装置にインテグレータ光学系を採用した場合の、暗線発生原理を説明する図である。図１（Ａ−１），（Ｂ−１）は、ｘ方向の位置が互いに異なる小レンズ１０、すなわち、異なる列方向に存在する小レンズ１０を通過した光束（図中実線で示す）、および、その中心光軸（図中細かい点線で示す）の追跡図、図１（Ａ−２），（Ｂ−２）はスクリーン７上の暗線ＤＬａ、ＤＬｂの形成位置を示す図である。
光源（図示省略）から出射された光束は、それぞれ複数の小レンズ１０を有する第１、第２のレンズアレイ１，２によって複数の部分光束に分割される。第１、第２のレンズアレイ１，２に設けられた各小レンズ１０を通過した光束は、平行化レンズ１５によって、各部分光束の中心軸に平行な光束に変換される。平行化レンズ１５を通過した部分光束は液晶ライトバルブ３上で重畳され、その所定領域を均一に照明する。なお、図１においては１枚の液晶ライトバルブ３のみが図示されているが、他の２枚の液晶ライトバルブにおいてもインテグレータ光学系の原理、暗線の発生原理は同様である。
図２は第１と第２のレンズアレイ１，２の外観を示す斜視図である。第１と第２のレンズアレイ１，２は、それぞれ略矩形状の輪郭を有する小レンズ１０がＭ行Ｎ列のマトリクス状に配置された構成を有している。この例では、Ｍ＝１０，Ｎ＝８であり、図１（Ａ−１）には２列目の小レンズ１０を通過した部分光束の追跡図、図１（Ｂ−１）には７列目の小レンズ１０を通過した部分光束の追跡図が示されていることになる。
液晶ライトバルブ３上に重畳された光束は、液晶ライトバルブ３で画像情報に応じた変調を受けた後、クロスダイクロイックプリズム４に入射する。クロスダイクロイックプリズム４から出射された光束は、投写レンズ系６を介してスクリーン７上に投影される。
図１（Ａ−１），（Ｂ−１）にそれぞれ荒い点線で示すように、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５（図中ｙ方向に沿っている）部分を通過する光も、それぞれスクリーン７上のＰａ，Ｐｂの位置に投影されることとなる。ところが、従来技術において述べたように、この中心軸５付近の反射膜の間隙において光線が散乱されたり、反射されるべき光が反射されなかったりするため、中心軸５付近を通過する光の光量が減少してしまう。よって、図１（Ａ−２），（Ｂ−２）に示すように、投写スクリーン７上に周囲よりも輝度の低い部分、すなわち、暗線ＤＬａ，ＤＬｂが形成されてしまうのである。
ここで、暗線と、第１と第２のレンズアレイ１，２との関係を説明する。図１（Ａ−１）を一部拡大して示してある図３（Ａ）から解るように、液晶ライトバルブ３によって形成された像は、投写レンズ系６によって反転され、かつ拡大されて投写スクリーン７上に投影される。なお、図３（Ｂ）は、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面における断面図である。図３（Ａ），（Ｂ）において、ｒ１は、部分光束をクロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面で切断したときの、部分光束の断面８の一方の端１１から中心軸５までの距離を示し、ｒ２は、部分光束の断面８の他方の端１２から中心軸５までの距離を示す。部分光束の断面８の像は、投写レンズ系６によって反転され、かつ拡大されて投写スクリーン７上に投影されるので、投写スクリーン７上における投写領域９の一方の端１３から暗線ＤＬａまでの距離Ｒ２と投写領域９の他方の端から暗線ＤＬａまでの距離Ｒ１との比は、距離ｒ２と距離ｒ１との比に等しい。すなわち、暗線ＤＬａが形成される位置は、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面における部分光束の断面８が、中心軸５に対してどのような位置に存在するかに依存しているのである。
ここで、図１（Ａ−１）と（Ｂ−１）とを比較すれば解るように、図１（Ａ−１）と（Ｂ−１）とでは、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面におけるそれぞれの部分光束の断面の位置が異なっている。従って、暗線ＤＬａとＤＬｂとはそれぞれ異なる位置に形成されることとなる。同様に、第１と第２のレンズアレイ１，２のうち、２列目、７列目以外の列に存在する小レンズ１０を通過した部分光束の、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面における断面の位置もそれぞれ異なるため、投写スクリーン７上には、第１と第２のレンズアレイ１，２の列数だけ、すなわち、Ｎ本の暗線が形成されることになるのである。
なお、第１と第２のレンズアレイ１，２の同じ列方向位置に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束は、図４に示したように、投写スクリーン７上のほぼ等しい位置に暗線ＤＬｃを形成する。従って、Ｎ本の暗線のそれぞれは、第１と第２のレンズアレイ１，２の同じ列方向位置に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束が重なり合って形成されており、その暗度は、それぞれの小レンズによって形成される暗線の暗度の総和にほぼ等しい。
以上をまとめると、以下の原理が導き出せる。
（第１の原理）
まず、第１に、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５に対する部分光束の中心軸の位置が異なれば暗線の形成される位置も異なる。第１と第２のレンズアレイ１，２の異なる列を通過する部分光束は、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５に対する位置が互いに異なるので、異なる位置に暗線を形成する。
（第２の原理）
第２に、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面における部分光束の断面の位置が異なるのは、クロスダイクロイックプリズム４に入射する部分光束の角度が異なるからである（図１参照）。第１と第２のレンズアレイ１，２の異なる列を通過する部分光束は、クロスダイクロイックプリズム４に対して異なる角度で入射するので、中心軸５における部分光束の位置が異なる。
従って、クロスダイクロイックプリズム４に入射する部分光束の角度が異なれば、あるいは、液晶ライトバルブ３上に重畳される部分光束の角度が異なれば、暗線の形成される位置も異なることになる。
（結論）
先に述べた通り、第１と第２のレンズアレイ１，２の同じ列方向位置に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束が、投写スクリーン７上のほぼ等しい位置にそれぞれ暗線を形成することにより、その暗線の暗度は、それぞれの小レンズによって形成される暗線の暗度の総和にほぼ等しい。従って、このＭ個の小レンズを通過する部分光束のそれぞれにより形成される暗線が、投写スクリーン７上の異なる位置に形成されるようにすれば良い。すなわち、このようにすれば、暗線の数は増加するものの、１本あたりの暗線の暗度を減少させることが可能となるため、結果として暗線が非常に目立ちにくくなる。なお、Ｍ個の小レンズを通過する暗線のすべてが異なる位置に形成されるようにする必要はなく、一部が異なる位置に形成されるようにするだけでも十分である。
なお、暗線を異なる位置に形成させることは、先に述べた第１の原理、第２の原理のいずれかにより可能である。
すなわち、第１の原理に基づけば、同じ列方向位置に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束のうち、一部について、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５に対する部分光束の中心軸の位置を他と変化させれば良い。
さらに、第２の原理に基づけば、同じ列方向位置に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束のうち、一部について、液晶ライトバルブ３上に重畳される部分光束の角度、あるいはクロスダイクロイックプリズム４に入射する部分光束の角度を他と変化させれば良い。
本発明は、上記のような原理を追求することによって、前に述べたような従来技術における課題を解決することができたのである。以下に、その手段、および、作用・効果について述べる。
（課題を解決するための手段およびその作用・効果）
本発明の照明光学系は、
照明光を３色の光に分離する色光分離手段と、
前記３色の光を、与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、
Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して同一方向に出射する色光合成手段と、
前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写手段とを備える投写型表示装置に使用され、前記照明光を出射する照明光学系であって、
前記色光合成手段の前記中心軸とほぼ平行な列方向、および、前記列方向とほぼ垂直な行方向に分割された複数の部分光束を発生するとともに、前記複数の部分光束を重畳する分割重畳光学系を備え、
前記分割重畳光学系は、
同じ列方向に存在する前記部分光束のうち、一部の部分光束が照明する前記光変調手段上の照明領域が、他の部分光束が照明する照明領域から前記行方向にずれるように構成されていることを特徴とする。
一つの部分光束は、色光合成手段の中心軸を投写面上に投影して中心軸に相当する暗線を形成し、一列の複数の部分光束は、通常、色光合成手段の中心軸を投写面上のほぼ同じ位置に投影して暗線を形成する。上記構成によれば、一部の部分光束が照明する光変調手段上の照明領域が、他の部分光束が照明する照明領域から行方向（中心軸にほぼ平行な列方向とほぼ垂直な方向）にずれる。この結果、第１の原理に基づいて、色光合成手段の中心軸に対する一部の部分光束の中心光路の位置を他の部分光束の中心光路の位置からずらすことができ、それぞれの部分光束は異なった位置に暗線を形成する。したがって、投写される画像に形成される暗線を目立ちにくくすることが可能である。
上記、照明光学系において、
前記分割重畳光学系は、
前記列方向および行方向に配列された複数の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの前記複数の小レンズにそれぞれ対応して配置された複数の小レンズを有する第２のレンズアレイと、
を有し、
前記第２のレンズアレイの、前記列方向に沿ってほぼ並ぶ少なくとも１列の小レンズのうち少なくとも一部の小レンズは、他の小レンズの光学的中心と異なる位置に光学的中心を有するレンズ（偏心レンズ）であることが好ましい。
上記構成にすれば、少なくとも一列の複数の小レンズのうち、一部の部分光束が通過する一部の小レンズの光学的中心を他の小レンズの光学的中心の位置と異なった位置に有するレンズとすることにより、一部の部分光束の光路を他の部分光束の光路からずらすようにすることができる。したがって、上記第１の原理に基づき、これらの複数の部分光束によって色光合成手段の中心軸がほぼ同じ位置に投影されるのを防止できる。この結果、投写される画像に形成される暗線を目立ちにくくすることが可能である。
また、上記照明光学系において、
前記一部の小レンズは、該一部の小レンズを通過する部分光束による被照明領域上の照明領域が、前記他の小レンズを通過する部分光束による前記被照明領域上の照明領域に対して、前記行方向にずれるように、光学的中心が前記他の小レンズの光学的中心と異なる位置に配置された偏心レンズであることが好ましい。
このようにすれば、一部の小レンズを通過する部分光束の光路が他の小レンズを通過する部分光束の光路からずれるので、上記第１の原理に基づき、これらの複数の部分光束によって色光合成手段の中心軸がほぼ同じ位置に投影されるのを防止できる。この結果、投写される画像に形成される暗線を目立ちにくくすることが可能である。
また、上記照明光学系の各場合において、
同じ列方向に存在する前記複数の小レンズは、複数の組に組分けされ、
同一の組に含まれる小レンズはレンズ中心に対して同じ位置に光学的中心を有し、
異なる組に含まれる小レンズは、互いにレンズ中心に対して異なった位置に光学的中心を有することが好ましい。
このようにすれば、複数の組ごとに小レンズを通過する部分光束の光路が異なるため、投影される色光合成手段の中心軸に相当する暗線は複数の組毎に形成され、色光合成手段の中心軸がほぼ同じ位置に投影されるのを防止できる。
さらに、前記複数の組のそれぞれの組を通過する部分光束の光量が等しくなるように、同じ列方向に存在する前記複数の小レンズを組分けすることが好ましい。
それぞれの組を通過する部分光束の光量が異なると、それぞれの組を通過する部分光束によって投影される色光合成手段の中心軸に相当する暗線の暗度もそれぞれ異なる。これらの暗線を目立たなくすることが本発明の目的であるが、人間は相対的な比較による光の識別能力が比較的高いため、暗線の暗度が異なることはあまり好ましくない。したがって、それぞれの組を通過する部分光束の光量が等しければ、それぞれの組を通過する部分光束による暗線の暗度を等しくすることができる。
なお、前記複数の組は、前記列方向に沿って区分された少なくとも２つの領域としてもよい。このようにすれば、簡単な構成で色光合成手段の中心軸がほぼ同じ位置に投影されるのを防止できる。
このとき、前記複数の組は前記列方向に沿って区分された２つの領域であり、
前記２つの領域のうち一方の領域に含まれる複数の小レンズの光学的中心と、他方の領域に含まれる複数の小レンズの光学的中心とが、レンズ中心に対して対称な位置にあることが好ましい。
このようにすれば、一方の領域に含まれる小レンズと同じ小レンズを上下逆向きに配置することにより他方の領域を構成することができるため、第２のレンズアレイを一種類の小レンズで構成できる。
また、上記照明光学系の各場合において、
前記第２のレンズアレイの複数の小レンズのそれぞれの光学中心が、前記光源の光軸中心に相当する前記第２のレンズアレイの中心から点対称の位置に配置されていることが好ましい。
投写型表示装置に用いられる光源は、一般的に光軸中心の光量が最も大きく、光軸中心から離れるにしたがって小さくなる傾向にある。このような光源を投写型表示装置に用いた場合、上記のようにすれば、第２のレンズアレイの複数の小レンズを通過する部分光束によって投影される色光合成手段の中心軸に相当する複数の暗線の暗度をすべて等しくすることができる。
また、上記照明光学系の各場合において、
前記分割重畳光学系は、さらに、
前記第１のレンズアレイおよび前記第２のレンズアレイの複数の小レンズを通過する複数の部分光束を、前記光変調手段上の照明位置でほぼ重畳結合する重畳結合レンズと、
前記第２のレンズアレイと前記重畳結合手段との間に設けられた偏光変換素子と、を備え、
前記偏光変換素子は、
互いに平行な偏光分離膜と反射膜とを複数組有し、前記第２のレンズアレイの複数の小レンズを通過した複数の部分光束をそれぞれ２種類の直線偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタアレイと、
前記偏光ビームスプリッタアレイで分離された前記２種類の直線偏光成分の偏光方向を揃える偏光変換手段と、を備えるようにしてもよい。
このようにすれば、ランダムな偏光光を有する照明光を一種類の直線偏光光に変換して利用できるので、光の利用効率を高めることができる。
本発明の投写型表示装置は、
上記照明光学系のいずれかと、
前記照明光を３色の光に分離する色光分離手段と、
前記３色の光を、与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、
Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して出射する色光合成手段と、
前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写手段と、を備え、
前記照明光学系は、
前記色光合成手段の前記中心軸とほぼ平行な列方向、および、前記列方向とほぼ垂直な行方向に分割された複数の部分光束を発生するとともに、前記複数の部分光束を重畳する分割重畳光学系を備え、
前記分割重畳光学系は、
同じ列方向に存在する前記部分光束のうち、一部の部分光束が照明する前記光変調手段上の照明領域が、他の部分光束が照明する照明領域から前記行方向にずれるように構成されていることを特徴とする。
上記照明光学系のいずれかを投写型表示装置に用いることによって、上記各照明光学系と同様に、投写された画像に形成される暗線を目立たなくすることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、クロスダイクロイックプリズムを用いた投写型表示装置にインテグレータ光学系を採用した場合の、暗線発生原理を説明する図。
図２は、第１と第２のレンズアレイ１，２の外観を示す斜視図である。
図３は、図１（Ａ−１）の一部拡大図、及び、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面における断面図である。
図４は、２つのレンズアレイ１，２のＮ列目の小レンズを通過した部分光束が投写スクリーン７上に投写される様子を示す概念図である。
図５は、この発明の第１実施例としての投写型表示装置の要部を示す概略平面図である。
図６は、第１のレンズアレイ１２０の外観を示す斜視図である。
図７は、第１実施例における第２のレンズアレイ１３０を示す説明図である。
図８は、第２のレンズアレイ１３０の機能を示す説明図である。
図９は、液晶ライトバルブ２５２上に第１、第２のレンズアレイ１２０、１３０による部分光束が重畳される様子を示す概念図である。
図１０は、小レンズ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃを通過する部分光束が、クロスダイクロイックプリズム２６０を通過する様子を示す説明図である。
図１１は、第２のレンズアレイ１３０の各行の小レンズの光軸と各小レンズを通過する部分光束の光量との関係について示す説明図である。
図１２は、図７に示すレンズアレイとは異なる構成を有する第２のレンズアレイ１３０’の外観を示す斜視図である。
図１３は、第２実施例としての投写型表示装置の要部を示す概略平面図である。
図１４は、偏光変換素子１４０の構成を示す説明図である。
図１５は、第２実施例における第２のレンズアレイ１３０の機能を示す説明図である。
図１６は、第２実施例における第２のレンズアレイ１３０の機能を示す説明図である。
図１７は、投写型表示装置の要部を示す概念図である。
図１８は、クロスダイクロイックプリズム４８の一部を分解した斜視図である。
図１９は、クロスダイクロイックプリズム４８を利用した場合の問題点を示す説明図である。
発明を実施するための最良の形態
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。なお、以下の説明では、光の進行方向をｚ方向、光の進行方向（ｚ方向）からみて３時の方向をｘ方向、１２時の方向をｙ方向とする。
Ａ．第１実施例：
図５は、この発明の第１実施例としての投写型表示装置の要部を示す概略平面図である。この投写型表示装置は、照明光学系１００と、ダイクロイックミラー２１０，２１２と、反射ミラー２１８，２２２，２２４と、入射側レンズ２３０と、リレーレンズ２３２と、３枚のフィールドレンズ２４０，２４２，２４４と、３枚の液晶ライトバルブ（液晶パネル）２５０，２５２，２５４と、クロスダイクロイックプリズム２６０と、投写レンズ系２７０とを備えている。
照明光学系１００は、ほぼ平行な光束を出射する光源１１０と、第１のレンズアレイ１２０と、第２のレンズアレイ１３０と、重畳レンズ１５０と、反射ミラー１６０とを備えている。照明光学系１００は、被照明領域である３枚の液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４をほぼ均一に照明するためのインテグレータ光学系である。
光源１１０は、放射状の光線を出射する放射光源としての光源ランプ１１２と、光源ランプ１１２から出射された放射光をほぼ平行な光線束として出射する凹面鏡１１４とを有している。凹面鏡１１４としては、放射面鏡を用いることが好ましい。
図６は、第１のレンズアレイ１２０の外観を示す斜視図である。第１のレンズアレイ１２０は略矩形状の輪郭を有する小レンズ１２２がＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。この例では、Ｍ＝６，Ｎ＝４である。第２のレンズアレイ１３０は、基本的には第１のレンズアレイ１２０の小レンズ１２２に対応するように、小レンズがＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。なお、第２のレンズアレイ１３０の詳細については後述する。各小レンズ１２２は、光源１１０（図５）から出射された光束を複数の（すなわちＭ×Ｎ個の）部分光束に分割し、各部分光束を第２のレンズアレイ１３０の近傍で集光させる。各小レンズ１２２をｚ方向から見た外形形状は、液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４の表示領域の形状とほぼ相似形をなすように設定されている。この実施例では、小レンズ１２２のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）は４：３に設定されている。
図５に示す投写型表示装置において、光源１１０から出射された平行光束は、インテグレータ光学系を構成する第１と第２のレンズアレイ１２０，１３０によって、複数の部分光束に分割される。第１のレンズアレイ１２０の各小レンズ１２２から出射された部分光束は、小レンズ１２２の集光作用によって第２のレンズアレイ１３０の対応する各小レンズ１３２内で光源１１０の光源像が結像されるように集光される。すなわち、第１のレンズアレイ１２０の小レンズ１２２の数だけ、対応する第２のレンズアレイ１３０の小レンズ１３２内に２次光源像が形成される。
重畳レンズ１５０は、第２のレンズアレイ１３０の各小レンズ１３２から出射された部分光束を重畳させて、被照明領域である液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４に集光させる重畳光学系としての機能を有する。なお、この重畳レンズ１５０の機能と、第２のレンズアレイ１３０の各小レンズの機能とを有する１枚のレンズアレイを２枚のレンズ１３０，１５０の代わりに使用することも可能である。また、反射ミラー１６０は、重畳レンズ１５０から出射された光束をダイクロイックミラー２１０の方向に反射する機能を有するが、装置の構成によっては、必ずしも必要とされるものではない。上記の結果、各液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４は、ほぼ均一に照明される。
２枚のダイクロイックミラー２１０，２１２は、重畳レンズ１５０で集光された白色光を、赤、緑、青の３色の色光に分離する色光分離手段としての機能を有する。第１のダイクロイックミラー２１０は、照明光学系１００から出射された白色光束の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。第１のダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光は、反射ミラー２１８で反射され、フィールドレンズ２４０を通って赤光用の液晶ライトバルブ２５０に達する。このフィールドレンズ２４０は、第２のレンズアレイ１３０出射された各部分光束をその中心軸に対して平行な光束に変換する。他の液晶ライトバルブの前に設けられたフィールドレンズ２４２，２４４も同様である。第１のダイクロイックミラー２１０で反射された青色光と緑色光のうちで、緑色光は第２のダイクロイックミラー２１２によって反射され、フィールドレンズ２４２を通って緑光用の液晶ライトバルブ２５２に達する。一方、青色光は、第２のダイクロイックミラー２１２を透過し、入射側レンズ２３０、リレーレンズ２３２および反射ミラー２２２，２２４を備えたリレーレンズ系を通り、さらにフィールドレンズ２４４を通って青色光用の液晶ライトバルブ２５４に達する。なお、青色光にリレーレンズ系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、光の利用効率の低下を防止するためである。すなわち、入射側レンズ２３０に入射した部分光束をそのまま、出射側レンズ２４４に伝えるためである。
３枚の液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４は、与えられた画像情報（画像信号）に従って、３色の色光をそれぞれ変調して画像を形成する光変調手段としての機能を有する。クロスダイクロイックプリズム２６０は、３色の色光を合成してカラー画像を形成する色光合成手段としての機能を有する。なお、クロスダイクロイックプリズム２６０の構成は、図１８および図１９で説明したものと同じである。すなわち、クロスダイクロイックプリズム２６０には、赤光を反射する誘電体多層膜と、青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つの色光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。クロスダイクロイックプリズム２６０で生成された合成光は、投写レンズ系２７０の方向に出射される。投写レンズ系２７０は、この合成光を投写スクリーン３００上に投写して、カラー画像を表示する投写光学系としての機能を有する。
さて、図５に示す第１実施例の投写型表示装置は、第２のレンズアレイ１３０に特徴がある。図７は、第１実施例における第２のレンズアレイ１３０を示す説明図である。この第２のレンズアレイ１３０は、その小レンズ１３２の光軸の位置が異なった３種類の小レンズ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃを用いて、行毎に異なった構成を有している。図７（Ａ）において、各小レンズの表面に描かれた十字は、各小レンズの光軸の位置、すなわち光学的中心を示している。第２のレンズアレイ１３０の第２、５行目を構成する小レンズ１３２ａの光軸の位置は、レンズの中心にある。また、第３、６行目を構成する小レンズ１３２ｂの光軸の位置は、レンズ中心に対して＋ｘ方向にずれている。第１、４行目を構成する小レンズ１３２ｃの光軸の位置は、レンズ中心に対して−ｘ方向にずれている。図７（Ｂ）は、小レンズ１３２ｂ，１３２ｃのような光軸の位置のずれた小レンズ（偏心レンズ）の構造例を示している。小レンズ１３２ｂ，１３２ｃは、図に示すように、球面レンズを所定の位置でカットすることにより、カット後のレンズ中心に対して光軸がずれたレンズと等価な構造を有する偏心レンズである。
図８は、第２のレンズアレイ１３０の機能を示す説明図である。図８（Ａ）は第２のレンズアレイ１３０の上から第２行目における平面図、図８（Ｂ）は第２のレンズアレイ１３０の上から第３行目における平面図、図８（Ｃ）は第２のレンズアレイ１３０の上から第４行目における平面図を示している。なお、簡単のため、光源部１１０から液晶ライトバルブ２５２までの光路上の主要部のみを示している。また、第１、第２のレンズアレイ１２０，１３０の第２列目（図６、図７）に着目して説明する。
図８（Ａ）において、光源部１１０から出射された平行光は、第１のレンズアレイ１２０の小レンズ１２２によって部分光束に分割され、第２のレンズアレイ１３０の小レンズ１３２ａの内部で光源像が結像するように集光される。さらに、小レンズ１３２ａから出射された部分光束は、重畳レンズ１５０によって液晶ライトバルブ２５２の光の入射面である被照明領域２５２ａを照明する。ここで、小レンズ１３２ａは光軸の位置がレンズ中心にあり（図７）、小レンズ１３２ａから出射される部分光束は、その中心軸２５６ｃｌが被照明領域２５２ａの中心を通過するように照明領域２５６ｌａを照明する。一方、図８（Ｂ）において、第２のレンズアレイ１３０の２列目の小レンズ１３２ｂから出射した部分光束は、図８（Ａ）と同様に、被照明領域２５２ａを照明する。ところが、小レンズ１３２ｂの光軸の位置が＋ｘ方向にずれているので（図７）、小レンズ１３２ｂから出射される部分光束は、その中心軸２５７ｃｌが被照明領域２５２ａの中心に対して＋ｘ方向にずれて通過するように、照明領域２５６ｌａから＋ｘ方向にずれた照明領域２５７ｌａを照明する。また、図８（Ｃ）においても、第２のレンズアレイ１３０の２列目の小レンズ１３２ｃから出射した部分光束は、図８（Ａ），（Ｂ）と同様に、被照明領域２５２ａを照明する。ところが、小レンズ１３２ｃの光軸の位置が−ｘ方向にずれているので（図７）、小レンズ１３２ｃから出射される部分光束は、その中心軸２５８ｃｌが被照明領域２５２ａの中心に対して−ｘ方向にずれて通過するように、照明領域２５６ｌａから−ｘ方向にずれた照明領域２５８ｌａを照明する。なお、第２のレンズアレイ１３０の第５、第６、第１行目における部分光束の光路も、それぞれ図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）と同じである。すなわち、図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示したように、同じ列方向に配列されたレンズアレイを通過する部分光束は、第２のレンズアレイの３種類の小レンズ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃおよび重畳レンズ１５０によって、それぞれ異なった３種類の照明領域２５６ｌａ，２５７ｌａ，２５８ｌａで重畳されて被照明領域２５２ａを照明し、それぞれの中心軸２５６ｃｌ，２５７ｃｌ，２５８ｃｌも被照明領域２５２ａの中心に対してそれぞれ異なった位置を通過することになる。
図９は、液晶ライトバルブ２５２上に第１、第２のレンズアレイ１２０、１３０による部分光束が重畳される様子を示す概念図である。なお、この図は、液晶ライトバルブ２５２を重畳レンズ１５０側から見た図であり、小レンズ１３２ａを通過する部分光束による照明領域２５６ｌａを実線で示し、小レンズ１３２ｂを通過する部分光束による照明領域２５７ｌａを点線で示し、小レンズ１３２ｃを通過する部分光束による照明領域２５８ｌａを一点鎖線で示している。また、照明領域２５６ｌａ，２５７ｌａ，２５８ｌａのｙ方向のずれについては、それぞれの位置の相違を明確にするためにずらして描かれているだけであり、実際はほとんどずれが無い。図から解るように、照明領域２５６ｌａに対して照明領域２５７ｌａは＋ｘ方向に、照明領域２５８ｌａは−ｘ方向にそれぞれずれている。ここで、照明領域２５６ｌａ，２５７ｌａ，２５８ｌａのｘ方向の位置がずれると、液晶ライトバルブ２５２の両端部に照明むらが生じるが、実際には投写に用いられる有効な領域２５３が液晶ライトバルブ２５２の外形よりもひとまわり小さく設定されており、他の部分は投写されないため問題ない。
図１０は、小レンズ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃを通過する部分光束が、クロスダイクロイックプリズム２６０を通過する様子を示す説明図である。なお、説明を理解し易くするため、説明に必要のない部分は省略または簡略化している。第２のレンズアレイ１３０の第２行第２列目の小レンズ１３２ａを通過した部分光束の中心軸２５６ｃｌと、第３行第２列目の小レンズ１３２ｂを通過した部分光束の中心軸２５７ｃｌと、第４行第２列目の小レンズ１３２ｃを通過した部分光束の中心軸２５８ｃｌとは、クロスダイクロイックプリズム２６０の中心軸２６２に対して異なる位置をそれぞれ通過する。先に、第１の原理として述べたように、クロスダイクロイックプリズム２６０内を通過する部分光束の中心軸の、クロスダイクロイックプリズム２６０の中心軸２６２に対する位置が異なれば暗線の形成される位置も異なることになる。よって、同じ列方向に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束のそれぞれにより形成される暗線が１ヶ所に集中することがなく、暗線を目立ちにくくすることが可能となる。
次に、第２のレンズアレイ１３０において光軸の位置の異なるレンズの配置方法について説明する。図１１は、第２のレンズアレイ１３０の各行の小レンズの光軸の位置と各小レンズを通過する部分光束の光量との関係について示す説明図である。図１１（Ａ）は、光源部１１０から出射される光量の分布について示している。また、図１１（Ｂ）は、光源部１１０側から第２のレンズアレイ１３０をみた正面図を示している。図１１（Ａ）に示すように、光源部１１０は、一般的にランプ光源１１２の光軸中心近傍が最も明るく、光軸中心から離れるに従って暗くなる。すなわち、第２のレンズアレイ１３０の各小レンズを通過する部分光束の明るさは、図１１（Ｂ）に示すように、行方向に着目し第２、５行目の明るさを中ぐらいと仮定すると、第３、４行目の明るさは大きく、第１、６行目の小さくなる。
ところで、すでに説明したように、第２のレンズアレイ１３０の同じ列方向に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束は、同じ位置に光軸を有する小レンズ毎に、本実施例では、小レンズ１３２ｃによる第１行と第４行の組、小レンズ１３２ａによる第２行と第５行の組、小レンズ１３２ｂによる第３行と第６行の組毎に、スクリーン上の同じ位置に暗線を形成する。それぞれの組を通過する部分光束の光量が異なると、形成された３本の暗線の暗度もそれぞれ異なることになる。人間は相対的な比較による光の識別能力が比較的高いため、複数の暗線の暗度が互いに異なると、暗線が目立ちやすくなる傾向にある。
そこで、第２レンズアレイの同じ列方向に並ぶＭ個の小レンズのうち、その光軸の位置が同じ小レンズを一つの組とし、それぞれの組を通過する部分光束の光量が等しくなるように各小レンズの光軸の位置を決めれば、それぞれの組を通過する部分光束による３本の暗線の暗度をほぼ等しくすることができる。
したがって、本実施例では、図１１（Ｂ）に示すように、第１行目と第４行目を、第２行目と第５行目を、第３行目と第６行目をそれぞれ組として、それぞれの組のレンズの光軸をレンズの中心に対して−ｘ方向、中心、＋ｘ方向の３位置に配置し、同じ列方向に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束のそれぞれにより形成される暗線が３ヶ所に分離し、かつ同程度の暗度で形成されるため、暗線を目立ちにくくすることが可能となる。
なお、各小レンズ１３２ｂ、１３２ｃの光軸の位置のずらし量については、第２のレンズアレイ１３０や、重畳レンズ１５０、フィールドレンズ２４０，２４２，２４４、液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４、クロスダイクロイックプリズム２６０の中心軸２６２等の幾何学的な関係から計算によって求めることができる。また、実験的に求めることもできる。このとき、各小レンズ１３２ｂ、１３２ｃ、すなわち光軸の位置がレンズ中心からずれている小レンズの光軸の位置は、これらの小レンズを通過する部分光束による暗線が、第２行目および第５行目の小レンズ１３２ａ、すなわち光軸の位置がレンズ中心にある小レンズを通過する部分光束によって発生する暗線の間隔の中間に発生するようにずれていることが好ましい。特に、光軸の位置がレンズ中心にある小レンズ（小レンズ１３２ａ）を通過する部分光束によって発生する暗線の間隔の中間に、光軸の位置がレンズ中心からずれている小レンズ（小レンズ１３２ｂ、１３２ｃ）を通過する部分光束による暗線が発生するようにずれていることが好ましい。こうすれば、発生する暗線が重ならないように、暗線の間隔を最も広い間隔とすることができる。
本実施例では、行毎にレンズの光軸の位置を変えて配置しているが、同じ列方向に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束のそれぞれにより形成される暗線が１ヶ所に集中しないようにすることができればよく、これに限定されるものではない。
図１２は、図７に示すレンズアレイとは異なる構成を有する第２のレンズアレイ１３０’を示している。第２のレンズアレイ１３０’は、Ｍ行の小レンズを行の中心で上部と下部の２つの領域に区分けし、上部は光軸がレンズの中心から−ｘ方向にずれた位置にある小レンズ１３２’ｃで構成され、下部は光軸がレンズの中心から＋ｘ方向にずれた位置にある小レンズ１３２’ｂで構成されている。このような第２のレンズアレイ１３０’を図５に示す照明光学系１００に適用し、投写型表示装置に使用しても、同じ列方向に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束により形成される暗線が２ヶ所に分離して形成されるため、第２のレンズアレイ１３０を適用した場合に比べて暗線の分離数が少なくなるが、同様に暗線を目立ちにくくすることが可能となる。また、この場合には、異なった位置に光軸を有する小レンズが第２のレンズアレイ１３０’の上下行方向で２つの領域で区分けされているだけであるため、第２のレンズアレイ１３０に比べて容易に第２のレンズアレイ１３０’を構成することが可能である。
Ｂ．第２実施例：
図１３は、この発明による第２実施例の投写型表示装置を示す図である。第２実施例は、第１実施例の第２のレンズアレイ１３０と重畳レンズ１５０との間に偏光変換素子１４０を設けた照明光学系１００’を用いた点が異なっている。他の構成要素は、第１実施例と同じである。また、照明光学系１００’から出射される照明光が所定の偏光光である点に違いがあるが、装置としての基本的な機能は同じである。なお、第２のレンズアレイ１３０は、第１実施例と同様に、図１２に示す第２のレンズアレイ１３０’であってもよい。以下では、第１実施例と異なる機能について説明する。
図１４は、偏光変換素子１４０（図１３）の構成を示す説明図である。この偏光変換素子１４０は、偏光ビームスプリッタアレイ１４１と、選択位相差板１４２とを備えている。偏光ビームスプリッタアレイ１４１は、それぞれ断面が平行四辺形の柱状の複数の透光性板材１４３が、交互に貼り合わされた形状を有している。透光性板材１４３の界面には、偏光分離膜１４４と反射膜１４５とが交互に形成されている。なお、この偏光ビームスプリッタアレイ１４１は、偏光分離膜１４４と反射膜１４５が交互に配置されるように、これらの膜が形成された複数枚の板ガラスを貼り合わせて、所定の角度で斜めに切断することによって作製される。
第１と第２のレンズアレイ１２０，１３０を通過したランダムな偏光方向を有する光は、偏光分離膜１４４でｓ偏光光とｐ偏光光とに分離される。ｐ偏光光は、偏光分離膜１４４をそのまま透過する。一方、ｓ偏光光は、ｓ偏光光の偏光分離膜１４４への入射点における垂線に対して、入射光線および反射光線と垂線とのなす角度が対称となるように反射される（反射の法則）。偏光分離膜１４４で反射されたｓ偏光光は、さらに反射膜１４５で反射の法則に従って反射されて、偏光分離膜１４４をそのまま通過したｐ偏光光とほぼ平行な状態で出射される。選択位相差板１４２は、偏光分離膜１４４を通過する光の出射面部分にはλ／２位相差層１４６が形成されており、反射膜１４５で反射された光の出射面部分にはλ／２位相差層が形成されていない光学素子である。従って、偏光分離膜１４４を透過したｐ偏光光は、λ／２位相差層１４６によってｓ偏光光に変換されて出射する。この結果、偏光変換素子１４０に入射したランダムな偏光方向を有する光束は、ほとんどがｓ偏光光に変換されて出射する。もちろん反射膜１４５で反射される光の出射面部分にだけ選択位相差板１４２のλ／２位相差層１４６を形成することにより、ｐ偏光光に変換して出射することもできる。
なお、図１４（Ａ）から解るように、偏光変換素子１４０の一ヶ所の偏光分離膜１４４から出射するｓ偏光光の中心の位置（２つのｓ偏光光をひとまとまりの光束とみなした場合の中心の位置）は、入射するランダムな光束（ｓ偏光光＋ｐ偏光光）の中心よりもｘ方向にずれている。このずれ量は、λ／２位相差層１４６の幅Ｗｐ（すなわち偏光分離膜１４４のｘ方向の幅）の半分に等しい。このため、図１３に示すように、光源１１０の光軸（２点鎖線で示す）は、偏光変換素子１４０以降のシステム光軸（一点鎖線で示す）から、Ｗｐ／２に等しい距離Ｌだけずれた位置に設定されている。
また、第１の実施例において（図５）、第１のレンズアレイ１２０の小レンズ１２２によって集光される部分光束は、第２のレンズアレイ１３０の対応する小レンズ１３２内で光源１１０の光源像が結像されるように集光されていたが、第２実施例では、偏光変換素子１４０において第２のレンズアレイ１３０から出射された各部分光束を有効に利用するために、偏光変換素子１４０の偏光分離膜１４４（図１４）の近傍で光源像が結像されるようにすることが好ましい。
図１５、図１６は、第２実施例における第２のレンズアレイ１３０（図７）の機能を示す説明図である。図１５は、第２のレンズアレイ１３０の第２行目第１列の小レンズ１３２ａを通過する部分光束の光路を示しており、図１６は第２のレンズアレイ１３０の第４行目第１列の小レンズ１３２ｃを通過する部分光束の光路を示している。図１５において、図示しない第１のレンズアレイ１２０の第２行第１列の小レンズ１２２から出射され、その中心軸３５６ｃｌがシステム光軸に平行な部分光束３５６は、小レンズ１２２の集光作用によって偏光分離膜１４４上に集光される。偏光分離膜１４４をそのまま透過した部分光束３５６ａは、重畳レンズ１５０の集光作用によって液晶ライトバルブ２５２の光の入射面である被照明領域２５２ａを照明する。また、偏光分離膜１４４で反射され、さらに反射膜１４５で反射された部分光束３５６ｂも、同様に被照明領域２５２ａを照明する。ここで、小レンズ１３２ａは光軸の位置がレンズ中心にあり（図７）、小レンズ１３２ａから出射される部分光束は、その中心軸３５６ｃｌが、システム光軸に平行に偏光変換素子１４０に入射され、偏光変換素子１４０から出射される２つの部分光束３５６ａ，３５６ｂは、それらの中心軸３５６ｃｌａ，３５６ｃｌｂが被照明領域２５２ａの中心を通過するように照明領域３５６ｌａを照明する。
図１６において、図１５と同様に、第１のレンズアレイ１２０の第４行第１列の小レンズ１２２から出射されその中心軸３５８ｃｌがシステム光軸に平行な部分光束３５８は、小レンズ１２２の集光作用によって偏光分離膜１４４上に集光される。偏光分離膜１４４をそのまま通過した部分光束３５８ａは、重畳レンズ１５０の集光作用によって被照明領域２５２ａを照明する。また、偏光分離膜１４４で反射され、さらに反射膜１４５で反射された部分光束３５８ｂも、同様に被照明領域２５２ａを照明する。ここで、小レンズ１３２ｃは光軸の位置がレンズ中心から−ｘ方向にずれているため（図７）、小レンズ１３２ｃから出射される部分光束は、その中心軸３５８ｃｌが、光の進行方向に対してシステム光軸から離れていく方向に傾いて偏光変換素子１４０に入射され、偏光変換素子１４０から出射される２つの部分光束３５８ａ，３５８ｂは、それらの中心軸３５８ｃｌａ，３５８ｃｌｂが被照明領域２５２ａの中心よりも−ｘ方向にずれて被照明領域２５２ａ通過するように照明領域３５８ｌａを照明する。
したがって、第２実施例においても、第１実施例と同様に、液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４における、第２のレンズアレイの同じ列方向の小レンズから出射される部分光束による照明位置（重畳結合位置）を、光軸の位置が異なる小レンズ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ毎にずらすことができる。よって、同じ列方向に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束のそれぞれにより形成される暗線が１ヶ所に集中することがなく、暗線を目立ちにくくすることが可能となる。
なお、液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４は、その入射面に偏光板を配置していることが一般的である。したがって、液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４で変調される光束は所定の偏光光のみであり、その他の偏光光は無駄な光束として損失される。したがって、第２実施例では、偏光変換素子１４０から出射される光束を、液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４で利用される所定の偏光光と同じ偏光光とすれば、第１実施例に比べて投写型表示装置としての光の利用効率を高くすることができる。
ところで、第２実施例においても、第１実施例と同様に、各小レンズ１３２ｂ、１３２ｃの光軸の位置のずらし量を、第２のレンズアレイ１３０や、偏光変換素子１４０、重畳レンズ１５０、フィールドレンズ２４０，２４２，２４４、液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４、クロスダイクロイックプリズム２６０の中心軸２６２等の幾何学的な関係から計算によって求めることができる。また、実験的に求めることもできる。ただし、第２実施例においては、第２のレンズアレイを通過した部分光束は、偏光変換素子１４０によって、行方向に間隔Ｗｐだけずれた部分光束（図１４）も発生し、部分光束の行方向の間隔は、第１実施例の１／２となる。したがって、各小レンズ１３２ｂ、１３２ｃ、すなわち光軸の位置がレンズ中心からずれている小レンズの光軸の位置は、このような１／２間隔で発生する第２行目および第５行目の小レンズ１３２ａ、すなわち光軸の位置がレンズ中心にある小レンズを通過する部分光束によって発生する暗線の間隔の中間に、光軸の位置がレンズ中心からずれている小レンズ（小レンズ１３２ｂ、１３２ｃ）を通過する部分光束による暗線が発生するようにずれていることが好ましい。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
第２のレンズアレイは、光学的中心（光軸）の位置が、各行毎に、または、複数の組毎に、行方向のすべて異なった位置にずれていてもよい。また、１つの行または１つの組のみが、行方向の異なった位置にずれていてもよい。さらに、上記実施例では、光源からの光束をマトリクス状の複数の光束に分割していたが、本発明は、少なくともほぼ１列に並ぶ複数の光束に分割する場合にも適用することができる。つまり、第２のレンズアレイの、所定の列方向に沿ってほぼ並ぶ少なくとも１列の小レンズのうち少なくとも一部の小レンズは、他の小レンズの光学的中心と異なる位置に光学的中心を有するレンズであればよい。このとき、一部の小レンズを通過した部分光束による被照明領域上の照明位置（照明領域）が他の小レンズを通過した部分光束による照明位置とは異なることになる。これによって、クロスダイクロイックプリズムの中心軸に対する部分光束の位置が、少なくとも一部の小レンズを通過した部分光束と他の小レンズを通過した部分光束とで異なることになって暗線の発生位置を分離することができる。したがって、クロスダイクロイックプリズムに起因して発生する暗線を目立ちにくくすることができる。
すなわち、投写型表示装置は、色光合成手段の中心軸に相当する方向にほぼ沿って分割された少なくとも一例の複数の部分光束を発生するとともに、光変調手段上で複数の部分光束をほぼ重畳する分割重畳光学系を備えていればよい。そして、この分割重畳光学系は、一列の部分光束のうち一部の部分光束の照明する光変調手段上の照明領域が、他の部分光束の照明する照明領域から色光合成手段の中心軸に相当する方向とは異なる方向にずれるように、一部の部分光束の光路を他の部分光束の光路からずらす照明位置変更手段を備えていればよい。
上記各実施例では、透過型の投写型表示装置に本発明を適用した場合の例について説明したが本発明は、反射型の投写型表示装置にも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、液晶ライトバルブ等の光変調手段が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、光変調手段が光を反射するタイプであることを意味している。反射型の投写型表示装置では、クロスダイクロイックプリズムは、白色光を赤、緑、青の３色の光に分離する色光分離手段として利用されると共に、変調された３色の光を再度合成して同一の方向に出射する色光合成手段としても利用される。反射型の投写型表示装置にこの発明を適用した場合にも、透過型の投写型表示装置とほぼ同様な効果を得ることができる。
産業上の利用可能性
この発明にかかる照明光学系は、種々の投写型表示装置に適用可能である。また、この発明による投写型表示装置は、例えばコンピュータから出力された画像やビデオレコーダから出力された画像をスクリーン上に投写して表示するために適用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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