(57)【要約】    【課題】  発熱を抑えつつ、不要光成分を画像形成素子に入射させない照明光学系を提供する。    【解決手段】  照明光学系は、光源からの光を複数の光束に分割する第１レンズアレイ３と、該第１レンズアレイを構成する複数の第１レンズ部のそれぞれに対応した複数の第２レンズ部Ｌ１，Ｌ２を有する第２レンズアレイ４と、該第２レンズアレイからの光の偏光方向を揃える偏光変換素子５と、該偏光変換素子からの光を画像形成素子８に照射する第１の光学系６とを有する。第２レンズアレイは、互いに隣り合う第２レンズ部の間に、偏光変換素子から第１の光学系に入射した光を画像形成素子とは異なる方向に向かわせる光学面Ｐを有する。    【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を複数の光束に分割する第１レンズアレイと、
該第１レンズアレイを構成する複数の第１レンズ部のそれぞれに対応した複数の第２レンズ部を有する第２レンズアレイと、
該第２レンズアレイからの光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
該偏光変換素子からの光を画像形成素子に照射する第１の光学系とを有し、
前記第２レンズアレイは、互いに隣り合う前記第２レンズ部の間に、前記偏光変換素子から前記第１の光学系に入射した光を前記画像形成素子とは異なる方向に向かわせる光学面を有することを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記光学面は、前記第２レンズ部のレンズ面とは異なる面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記光学面は、前記第２レンズ部のレンズ面とは異なる曲率を持った面であることを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記隣り合う第２レンズ部の間に、頂角を持つ突起形状部を有し、
前記光学面は、前記突起形状部を構成する平面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
【請求項５】
前記隣り合う第２レンズ部のそれぞれの光軸を含む断面内であって、前記各光軸に略直交する方向における前記光学面が形成された領域において、前記第２レンズ部のレンズ面を延長した線の接線と前記光軸とのなす角度θに対して、前記光学面が前記光軸となす角度αは、
α＜θ
なる関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。
【請求項６】
前記頂角を２αとするとき、
９０度＜２α＜１４０度
なる関係を満たすことを特徴とする請求項５に記載の照明光学系。
【請求項７】
光源と、
請求項１から６のいずれか１つに記載の照明光学系と、
該照明光学系からの光を変調する画像形成素子と、
該画像形成素子からの光を投射する第２の光学系とを有することを特徴とする投射表示光学系。
【請求項８】
請求項７に記載の光学系を備えたことを特徴とする画像投射装置。
【請求項９】
請求項８に記載の画像投射装置と、
該画像投射装置に画像情報を供給する画像情報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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶プロジェクタ等の画像投射装置に用いられる照明光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記のような画像投射装置においては、光源からの無偏光光を所定の偏光方向を有した光に揃えて照明する偏光照明光学系が用いられている。このような偏光照明光学系としては、図８に示すように、光源１０１からの光を集光するリフレクタ１０２と、一対のレンズアレイ（第１および第２レンズアレイ）１０３，１０４と、該レンズアレイ１０３，１０４を構成するレンズ部に対応する偏光分離面を有した偏光変換素子１０５とによって構成されている。そして、所定の偏光方向を有するように揃えられた光は、集光レンズ１０６により液晶パネル等の画像形成素子１０７上に集光される。
【０００３】
ここで、画像投射装置に用いられる光源は、高圧水銀ランプなどのアーク光源である。このため、点光源とはならず、ある程度の大きさを有した光源となる。このとき、光源からの光を効率良く偏光照明光学系に導くために、放物面形状などに形成されたリフレクタを用いると、光源からの光は該光源の大きさに応じた広がりを有する光束として照明光学系に導かれる。
【０００４】
図９に示すように、偏光変換素子１０５をレンズアレイ１０３のレンズ部の集光位置に配置し、レンズアレイ１０３での光束の広がり角を２ωとし、レンズアレイ１０３，１０４の各レンズ部の焦点距離をｆｆとすると、偏光変換素子での光束の広がり角φは、
φ＝２×ｆｆ×ｔａｎω  …（１）
となる。このとき、偏光変換素子の偏光分離面の幅Ａは、レンズアレイ１０３，１０４のレンズ部の幅Ｌの半分である。レンズ部の幅Ｌと画像形成素子の画像形成領域の幅Ｍ（図８参照）とが、レンズアレイ１０４の焦点距離ｆｆと集光レンズ１０６の焦点距離ｆｃとを用いて、
Ｍ／Ｌ＝ｆｃ／ｆｆ
と表される。これにより、偏光分離面の幅Ａは、
Ａ＝Ｌ／２＝（Ｍ／２）×（ｆｆ／ｆｃ）  …（２）
の関係にある。
【０００５】
光源からの光を効率良く利用するためには、
Ａ＞φ
であることが望ましい。
【０００６】
式（１）により、レンズアレイ１０３での光束の所定の広がり角（半角）ωにおいて、偏光変換素子での光束の広がり角φをより小さくするためには、レンズ部の焦点距離ｆｆを小さくしなければならないが、焦点距離ｆｆが小さくなると、式（２）により幅Ａも小さくなる。
【０００７】
したがって、偏光分離面の幅Ａと偏光変換素子での光束の広がり角φとの関係は、照明光学系の光学配置と光源の大きさとによって決まることになる。通常は、光源の大きさが大きいので、広がり角φを幅Ａよりも小さくすることはできない。
【０００８】
このため、レンズアレイで１０３で集光された光のうち、偏光分離面の幅Ａの外側に集光された光は、偏光変換素子で揃えられる偏光方向とは直交する偏光方向を持つ光成分として画像形成素子を照明することになる。そして、この光成分は不要な光であるので、従来は、図１０に示すように、偏光分離面の幅Ａ以外の部分を遮光板Ｂなどで遮光し、必要のない偏光成分をカットしている（特許文献１参照）。
【０００９】
また、このような遮光板がない場合でも、偏光変換素子以降に配置された偏光板によって不要光成分がカットされる。
【特許文献１】図１０が示されている公報があれば、教えてください。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、近年では、投射画像の明るさをより明るくするために、光源の発光光量が増加する傾向にある。この場合に、図１０に示すように不要な光を遮光板や偏光板でカットすると、カットする光量が増加することになり、該遮光板や偏光板での発熱量が多くなり、遮光板の温度上昇や偏光板の熱変形を招くという問題がある。
【００１１】
本発明は、発熱を抑えつつ、不要光成分が画像形成素子に入射しないようにすることができる照明光学系およびこれを用いた投射表示光学系、画像投射装置を提供することを目的の１つとしている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
１つの観点としての本発明の照明光学系は、光源からの光を複数の光束に分割する第１レンズアレイと、該第１レンズアレイを構成する複数の第１レンズ部のそれぞれに対応した複数の第２レンズ部を有する第２レンズアレイと、該第２レンズアレイからの光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、該偏光変換素子からの光を画像形成素子に照射する第１の光学系とを有する。そして、第２レンズアレイは、互いに隣り合う第２レンズ部の間に、偏光変換素子から第１の光学系に入射した光を画像形成素子（の画像形成領域）とは異なる方向に向かわせる光学面を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来のような遮光板での発熱や偏光板の熱変形を生じることなく、不要光成分（偏光変換素子で揃えられる偏光方向とは異なる偏光方向を有した光成分）の画像形成素子への入射を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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、本実施例における不要光成分の画像形成素子への入射を回避する基本的な方法について図６および図７を用いて説明する。
【００１５】
図７には、本発明の実施例である照明光学系の基本的構成を示している。１０１は光源、１０２はリフレクタ、１０３は複数の第１レンズ部からなる第１レンズアレイである。１０４は従来と同様に、第１レンズアレイ１０３を構成する複数の第１レンズ部のそれぞれに対応した複数の第２レンズ部のみからなる第２レンズアレイである。１０６はコンデンサーレンズ、１０７は画像形成素子である。なお、第２レンズアレイ１０４とコンデンサーレンズ１０６との間には、実際には偏光変換素子が配置されるが、図７では省略している。
【００１６】
本実施例では、図７における第２レンズアレイ１０４に代えて、図６に示すように、第２レンズアレイにおける互いに隣り合う第２レンズ部Ｌ１，Ｌ２の列の間に、頂角２αをなす２つの平面としての光学面Ｐ１，Ｐ２を持つプリズム形状の列（以下、プリズム部という）Ｐを設けた第２レンズアレイ１０４’を用いる。該プリズム部Ｐの光学面Ｐ１，Ｐ２により、不要光成分を、それ以降の光学系（コンデンサーレンズ１０６）を介して画像形成素子１０７、より厳密には画像形成素子１０７における画像形成領域とは異なる方向に向かうように屈折させる。これにより、不要光成分が画像形成素子（画像形成領域）１０７に入射することを防ぐ。そして、不要光成分を発散させながら画像投射装置内で吸収する構成とすることにより、該不要光成分によって局所的に熱を発生することも防ぐことができる。
【００１７】
ここで、図６には、第２レンズアレイ１０４’の一部であって、互いに隣り合うレンズ部Ｌ１，Ｌ２のそれぞれの光軸Ｌａ１，Ｌａ２を含む断面を示している。なお、光軸Ｌａ１とＬａ２は互いに略平行である。そして、各光軸に略直交する方向、すなわち図６の上下方向におけるプリズム部Ｐが形成された領域のうち、例えば光学面Ｐ２が形成された領域を、光軸に平行に引いた２本の太点線間の領域Ａ２とするとき、該領域Ａ２内でレンズ部Ｌ１のレンズ面Ｓを延長した曲線（図中に点線で示す）の接線と光軸（つまりは上記太点線）とのなす角度θに対して、光学面Ｐ２が光軸（上記太点線）となす角度αは、
α＜θ  …（３）
なる関係を満たすのが望ましい。なお、図６には、光学面Ｐ２のレンズ部Ｌ２側の端位置での接線と光軸とのなす角度θを示しているが、上記式（３）の関係は、領域Ａ２のいずれの位置での上記接線と光軸とのなす角度に対しても言える。さらに、光学面Ｐ１についても同様である。
【００１８】
図７に示すように、第２レンズ部のみで構成された第２レンズアレイ１０４において、第１レンズアレイ１０３の第１レンズ部から、該第１レンズ部に対応しない第２レンズ部（つまりは、該第１レンズ部に対応する第２レンズ部の隣の第２レンズ部）に光が入射した場合を考えると、該隣の第２レンズ部は、画像形成素子を丁度１つ分ずらした位置に該第１レンズ部からの光を集光する作用を有する。このため、本実施例では、図６に示すように、第２レンズ部Ｌ１，Ｌ２のレンズ面Ｓの形状よりも屈折量が大きくなるような形状の光学面Ｐ１，Ｐ２を設けることで、確実に不要光成分を画像形成素子の外側に向かわせることができる。
【００１９】
図６が、第２レンズアレイ１０４のうち図７における全系の光軸Ｌａよりも上側の部分を示しているとすると、この図において、プリズム部Ｐがないとした場合にレンズ部Ｌ２に入射するはずの光線Ｒ２は、プリズム部Ｐの光学面Ｐ２で大きくレンズ部Ｌ１側に屈折する。また、同様に、プリズム部Ｐがないとした場合にレンズ部Ｌ１に入射するはずの光線Ｒ１は、プリズム部Ｐの光学面Ｐ１で大きくレンズ部Ｌ２側に屈折する。光線Ｒ２の屈折方向は、コンデンサーレンズ１０６に入射した後、画像形成素子の外側に向かう方向である。
【００２０】
この場合、光線Ｒ１は画像形成素子の内側に向かうことになるが、光線Ｒ１の光量は光線Ｒ２の光量より小さいので（…理由がうまく書けないので、補充お願いします）、たとえ光線Ｒ１が画像形成素子に入射してもその影響は少なく、問題はない。
【００２１】
ここで、プリズム部Ｐの頂角２αは、
９０度＜２α＜１４０度  …（４）
であることが望ましい。条件式（４）の上限より頂角が大きくなると、光の発散効果が減少し、画像形成素子に到達する光が生じてくる。一方、条件式（４）の下限より頂角が小さくなると、プリズム部Ｐの光源側への突出量が大きくなり、第２レンズアレイをガラスモールドで成形するのが困難となる。
【実施例１】
【００２２】
図１には、本発明の実施例１である画像投射装置に用いられる、照明光学系を含む投射表示光学系の概略構成を示している。図１において、１は高圧水銀ランプなどからなる光源、２は光源１から光を所定の方向に放射するためのリフレクタである。３は複数の第１レンズ部を有し、光源１（リフレクタ２）からの光を複数の光束に分割する第１レンズアレイである。
【００２３】
４は第１レンズアレイ３を構成する複数の第１レンズ部のそれぞれに対応した複数の第２レンズ部を有する第２レンズアレイである。
【００２４】
５は偏光変換素子であり、偏光分離膜５ａと反射膜５ｂと１／２位相差板５ｃとを有して構成されている。第２フライアイレンズ４から射出した複数の光束は、偏光変換素子５において各光束に対応した偏光分離膜５ａでＰ偏光とＳ偏光とに分離される。このうちＰ偏光は、１／２位相差板５ｃによりＳ偏光と同方向の偏光成分に変換され、Ｓ偏光は反射膜５ｂにより反射される。これにより、第２フライアイレンズ４から射出した複数の光束は、所定の偏光方向を有する光として偏光変換素子５から同一方向に射出される。
【００２５】
６はコンデンサーレンズ、７はフィールドレンズ、８は液晶パネル等の画像表示素子である。偏光変換素子５から射出した複数の光束は、第２フライアイレンズ４、コンデンサーレンズ６およびフィールドレンズ７の作用によって画像形成素子８の画像形成領域上に重ね合わされる。これにより、画像形成領域は、均一な照明強度で照明される。
【００２６】
画像形成素子８には、駆動回路１５が接続されており、該駆動回路１５は、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオデッキ、テレビチューナ等の画像情報供給装置１６から入力された画像信号に基づいて液晶表示素子に原画を形成させる。これにより、液晶表示素子に入射した照明光は変調されて画像光になる。このことは、図示しないが、他の実施例でも同様である。
【００２７】
１０は投射レンズであり、画像形成素子８から射出された画像光をスクリーン等の投射面Ｅに投射する。
【００２８】
以下、第２レンズアレイ４について詳しく説明する。第２レンズアレイ４は、複数の第２レンズ部と、隣り合う第２レンズ部間に形成されたプリズム部とを有する。具体的には、図２に拡大して示すように、レンズ面Ｓをそれぞれ有する第２レンズ部Ｌ１〜Ｌ３と、頂角２αをなす２つの平面（光学面）Ｐ１，Ｐ２を有するプリズム部Ｐとが、第２レンズ部Ｌ１〜Ｌ３の光軸Ｌａ１，Ｌａ２，Ｌａ３に略直交する方向、すなわち図中の上下方向に交互に形成されている。ここで、第２レンズ部とは、レンズ面Ｓを入射面とし、該レンズ面Ｓとは反対側の面（第２レンズアレイ４の偏光変換素子側の面）を射出面とするブロックをいう。
【００２９】
プリズム部Ｐの頂角２αは、該プリズム部Ｐの頂点を通り、光軸に平行な直線によって２等分される。そして、図中のαとθの関係および頂角２αの範囲については、図６を用いて説明した条件式（３），（４）を満たす。
【００３０】
ここで、本実施例の数値例について説明する。第２レンズアレイ４のレンズ面Ｓの曲率半径は１２．７ｍｍであり、第２レンズ部間の間隔Ｈは４．５ｍｍである。また、レンズ面Ｓ間の幅Ｋは２．２５ｍｍであり、隣り合うレンズ面Ｓ間にプリズム部Ｐを形成している。このとき、プリズム部Ｐの頂角２αは１２６度であり、式（４）を満たす。
【００３１】
また、上下方向におけるプリズム部Ｐが形成された領域において、レンズ面Ｓを隣のレンズ面側の端位置、すなわち光軸からの距離Ｊ＝３．３７５ｍｍの位置まで延長したとき（例えば、レンズ部Ｌ１のレンズ面Ｓを隣のレンズ部Ｌ２側のプリズム部Ｐの端位置まで延長したとき）の該延長曲線の接線が光軸に対してなす角度θは、１０５．４°であり、
α＝６３°＜θ＝１０５．４°
となる。すなわち、式（４）を満たす。
【実施例２】
【００３２】
図３には、本発明の実施例２である照明光学系の概略構成を示している。図３において、１は光源、２はリフレクタ、３は第１レンズアレイ、２４は第２レンズアレイ、５は偏光変換素子、６はコンデンサーレンズ、７はフィールドレンズ、８は画像形成素子である。１０は投射レンズである。なお、第２レンズアレイ２４以外の構成要素の機能については実施例１と同様である。
【００３３】
実施例１では、第２レンズアレイ４における第１レンズアレイ側の面にプリズム部Ｐを設けた場合について説明したが、本実施例では、第２レンズアレイ２４における第１レンズアレイ側とは反対側、すなわち偏光変換素子側の面であって隣り合う第２レンズ部の間にプリズム部Ｐを設けている。
【００３４】
本実施例における第２レンズアレイ２４を用いることにより、実施例１と同様の作用効果が得られる。なお、プリズム部Ｐにおけるαとθとの関係および頂角（２α）の大きさは、式（３），（４）を満たす。
【実施例３】
【００３５】
図４および図５には、本発明の実施例３である照明光学系の概略構成を示している。図４において、１は光源、２はリフレクタ、３３は第１レンズアレイ、３４は第２レンズアレイ、３５は偏光変換素子である。これら光源１〜偏光変換素子３５までの各構成要素の機能は、実施例１と同様である。
【００３６】
３６は第１シリンドリカルレンズ、３７はコンデンサーレンズ、３８は第２シリンドリカルレンズ、３９は偏光ビームスプリッタ、４０は画像形成素子である。１０は画像形成素子４０で変調された光（画像光）をスクリーン等の被投射面Ｅに投射する投射レンズである。
【００３７】
本実施例では、画像形成素子４０として、反射型液晶パネル等の反射型画像形成素子を用いており、このため、画像表示素子４０の前には、偏光ビームスプリッタ３９を配置している。偏光ビームスプリッタ３９は、第２シリンドリカルレンズ３８からの照明光（例えば、Ｓ偏光）を透過し、画像形成素子４０からの画像光（例えば、Ｐ偏光）を反射する偏光分離面を有する。この作用により、照明光を画像形成素子４０に導き、画像光を投射レンズ１０に導く。
【００３８】
図５には、図４に示した照明光学系を、光軸Ｌａを含む図４の紙面に対して垂直な方向に断面した様子を示している。
【００３９】
図４および図５において、第１レンズアレイ３３および第２のレンズアレイ３４は、複数のシリンドリカルレンズ部を図５の紙面内方向（上下方向）に配列して形成されている。
【００４０】
また、第１シリンドリカルレンズ３６と第２シリンドリカルレンズ３７は、図４の紙面内方向においてのみ屈折力を有し、第１シリンドリカルレンズ３６と第２のシリンドリカルレンズ３８とコンデンサーレンズ３７の作用により光源１からの光束を図４の紙面内方向において収束させ、該光束の断面形状を画像形成素子４０の被照射面（画像形成領域）の形状に合わせ、画像形成素子４０上に集光する。
【００４１】
図５に示す断面内において、光源１からの光束は、第１レンズアレイ３３に入射し、該第１レンズアレイ３３で集光されて第２レンズアレイ３４に入射する。そして、第２レンズアレイ３４の出射面又はその近傍に複数の２次光源像を形成する。
【００４２】
これら複数の２次光源像からの光束（複数の光束）は、偏光変換素子３５で偏光方向が所定方向に揃えられた後、コンデンサーレンズ３７により画像形成素子４０上に重畳的に照射される。このとき、第２レンズアレイ３４においてシリンドリカルレンズ部（第２レンズ部）の間に形成された、実施例１と同様のプリズム部Ｐによって、不要光成分を画像形成素子４０とは異なる方向に屈折させる。なお、本実施例の第２レンズアレイ３４では、第１レンズアレイ側にシリンドリカルレンズ部のレンズ面Ｓが形成され、偏光変換素子側にプリズム部Ｐが設けられている。また、プリズム部Ｐにおけるαとθとの関係および頂角（２α）の大きさは、式（３），（４）を満たす。
【００４３】
なお、上記各実施例では、頂角を有するプリズム部を第２レンズアレイに設けた場合について説明したが、図１１（Ａ）に示すように、隣り合う第２レンズ部Ｌ１，Ｌ２の間に、球面状又は曲面状の光学面Ｃ１を持つ突起部を設けてプリズム部Ｐと同様の機能を持たせてもよい。さらに、図１１（Ｂ）に示すように、隣り合う第２レンズ部Ｌ１，Ｌ２の間に、凹球面状又は凹曲面状の光学面や凹Ｖ形状の光学面を形成する溝部Ｃ２，Ｃ３を設けてプリズム部Ｐと同様の機能を持たせてもよい。
【００４４】
また、上記各実施例では、１つの画像形成素子を用いた画像投射装置の例を示したが、実施例１，２のコンデンサーレンズとフィールドレンズの間にダイクロイックミラーなどの色分解系を設けることにより、Ｒ，Ｇ，Ｂに対応した３つの画像形成素子を用いた画像投射装置を構成することができる。また、実施例３の第１シリンドリカルレンズと画像形成素子との間にダイクロイックミラーなどの色分解系を設けることによっても、Ｒ，Ｇ，Ｂに対応した３つの画像形成素子を用いた画像投射装置を構成することができる。
【００４５】
そして、これらいずれの画像投射装置でも、プリズム部を有した第２レンズアレイを適用することができる。特に、実施例３においては、画像形成素子を反射型とし、第２シリンドリカルレンズと画像形成素子との間にダイクロイックミラーや波長選択性位相変換素子と偏光ビームスプリッタとを組み合わせた色分解系を配置することにより、高精細なカラー画像を投射可能な画像投射装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例１である照明光学系および投射表示光学系の概略構成を示す断面図。
【図２】実施例１の照明光学系に用いられる第２レンズアレイの部分拡大図。
【図３】本発明の実施例２である照明光学系および投射表示光学系の概略構成を示す断面図。
【図４】本発明の実施例３である照明光学系および投射表示光学系の概略構成を示す断面図。
【図５】実施例３の照明光学系および投射表示光学系の概略構成を示す断面図。
【図６】実施例のプリズム部の構成および作用を説明する図。
【図７】第２レンズアレイの作用を説明する断面図。
【図８】従来の照明光学系および投射表示光学系の概略構成を示す断面図。
【図９】従来の第２レンズアレイと偏光変換素子との関係を示す断面図。
【図１０】偏光変換素子に遮光板を設けた従来例を示す断面図。
【図１１】（Ａ），（Ｂ）は実施例の第２レンズアレイの変形例を示す部分拡大図。
【符号の説明】
【００４７】
１  光源
２  リフレクタ
３，３５  第１レンズアレイ
４，３４  第２レンズアレイ
５，３５  偏光変換素子
６，３７  コンデンサーレンズ
７  フィールドレンズ
８，４０  画像形成素子
１０  投射レンズ
３６  第１シリンドリカルレンズ
３８  第２シリンドリカルレンズ
３９  偏光ビームスプリッタ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３  第２レンズ部
Ｓ  レンズ面
Ｐ  プリズム部
Ｐ１，Ｐ２，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３  光学面
【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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