(57)【要約】【課題】変調光を立体的な構成により合成を行う場合において、各色の照明光のうち、一の光束断面の形状と他の光束断面の形状が揃った状態で各液晶パネルに入射し変調光の光束断面の形状が揃った状態で合成することができるプロジェクタを提供すること。【解決手段】第１トーリックレンズ２５ａは、Ｂ光の光束断面の形状を、複合プリズム３０への入射の際に基準平面の平行方向即ちｙ方向について所定の倍率で圧縮し、第２トーリックレンズ２５ｂは、Ｇ光及びＲ光を含む複合光ＣＬの光束断面を、ｚ方向について所定の倍率で圧縮する。これにより、Ｂ光、Ｇ光及びＲ光の光束断面の形状は、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃに設けられた被照明領域の形状に合わせて変形されたものとなる。【選択図】図１
2009116217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を均一化する第１及び第２レンズアレイと、光源光を反射及び透過の別によって第１色光と第２色光及び第３色光を含む複合光とに分離する色分離光学系とを有する照明光学系と、
前記第１から第３色光までをそれぞれ画像情報に応じて変調する３つの反射型光変調装置と、
前記第１色光を入射させる第１入射面と、前記第１色光の入射方向とは異なる方向から前記複合光を入射させる第２入射面と、前記第１色光から第３色光までを対応する前記反射型光変調装置にそれぞれ射出させるとともに前記反射型光変調装置で反射された前記第１から第３色光までをそれぞれ入射させる３つの入射出面とを有し、前記反射型光変調装置から前記３つの入射出面を経て入射した前記第１から第３色光までを合成するとともに、前記第１色光の前記第１入射面への入射方向と前記複合光の前記第２入射面への入射方向とに平行な基準平面の法線方向に射出する複合光学系と、
前記複合光学系を経た像光を投射する投射光学系と、
前記色分離光学系から前記第１入射面まで及び前記色分離光学系から前記第２入射面までの少なくともいずれか一方に配置され、前記基準平面の平行方向の倍率及び法線方向の倍率の少なくとも一方の倍率を変化させるトーリックレンズ光学系とを備えるプロジェクタ。
【請求項２】
前記照明光学系は、前記第１及び第２レンズアレイを経た光の偏光状態を揃える偏光変換素子と、前記偏光変換素子により偏光状態を揃えられた前記第２色光及び前記第３色光のうちいずれか一方の偏光状態を変換する波長選択性位相差板とを有する、請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項３】
前記複合光学系は、前記第１入射面から入射した前記第１色光を波長及び偏光状態に応じて反射及び透過させる反射透過膜と、前記第２入射面から入射した前記複合光を波長及び偏光状態に応じて反射及び透過の別によって前記第２色光と前記第３色光とに分離するとともに２つの前記入射出面から入射した前記第２色光と前記第３色光とを合成する色光分離合成膜とを有し、前記反射透過膜と前記色光分離合成膜とにより前記第１から第３色光までを合成する、請求項１及び請求項２のいずれか一項記載のプロジェクタ。
【請求項４】
前記トーリックレンズ光学系は、前記色分離光学系から前記第１入射面までに第１トーリックレンズと、前記色分離光学系から前記第２入射面までに第２トーリックレンズとを有し、前記第１トーリックレンズ及び前記第２トーリックレンズのうち一方は、曲率の大きい方向を前記基準平面の平行方向とし、他方は、曲率の大きい方向を前記基準平面の法線方向とする、請求項１から請求項３までのいずれか一項記載のプロジェクタ。
【請求項５】
前記第１トーリックレンズと前記第２トーリックレンズとは、倍率の変化の大きな方向についての曲率が一致している請求項４記載のプロジェクタ。
【請求項６】
前記第１及び第２レンズアレイは、複数の小レンズを有し、前記複数の小レンズの形状は同一の正方形である、請求項４及び請求項５記載のプロジェクタ。
【請求項７】
前記複数の小レンズは、アスペクト比についての相加平均又は相乗平均に基づいて前記第１トーリックレンズ及び前記第２トーリックレンズのそれぞれにおける前記基準平面の平行方向についての倍率と、前記基準平面の法線方向についての倍率とを平均化するサイズを有する、請求項６記載のプロジェクタ。
【請求項８】
前記照明光学系において、前記色分離光学系は前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイとの間に配置され、前記トーリックレンズ光学系は前記第２レンズアレイの後段に配置される、請求項１から請求項７までのいずれか一項記載のプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の反射型の光変調装置によって形成される変調光を合成して画像投射を行うプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の反射型の光変調装置を用いたプロジェクタとして、複合プリズムにおいて、法線方向が互いに垂直な２つの面から照明光を入射させ、法線方向が互いに垂直な残った３つの面から３つの照明光を射出させるとともに変調光を入射させることによって、３つの変調光を合成するものが知られている（特許文献１参照）。また、別の技術として、トーリックレンズを用いて照明光学系側のアスペクト比と液晶パネル側のアスペクト比とが異なる場合の調整を行うものが知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】ＷＯ２００４−６８１９７号公報
【特許文献２】特開２００４−６１８４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載のように、複合プリズムの互いに垂直な３つの面から各色の照明光を各液晶パネルに射出し各液晶パネルからの各色の変調光を入射させて合成を行う場合、同一の光源から光を分離して複合プリズムに２方向から入射させ上記３つの面から各色光の照明光を各液晶パネルに射出させると、入射する３つの照明光の光束断面のうちいずれかの光束断面の形状の縦横の方向が、他の光束断面の形状の縦横の方向と各色の液晶パネルを基準とした場合に入れ違いとなり、３つの光束断面の形状が合わないものとなる。より具体的には、一般にプロジェクタの投射において、投射画像の形状は、横長の矩形（例えば横と縦の比率が１６：９）であり、光変調装置によって形成される変調光の光束断面は、これに相似な矩形であるが、上記のような場合、光変調装置に入射する各色の照明光のうち１つの光束断面の形状が、他の光束断面の形状に対して縦横の比が逆転した縦長の矩形（例えば横と縦の比率が９：１６）になってしまう。
【０００４】
そこで、本発明は、変調光を立体的な構成により合成を行う場合において、各色の照明光のうち、一の光束断面の形状と他の光束断面の形状が揃った状態で各液晶パネルに入射し変調光の光束断面の形状が揃った状態で合成することができるプロジェクタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明に係るプロジェクタは、（ａ１）光源からの光を均一化する第１及び第２レンズアレイと、（ａ２）光源光を反射及び透過の別によって第１色光と第２色光及び第３色光を含む複合光とに分離する色分離光学系とを有する（ａ）照明光学系と、（ｂ）第１から第３色光までをそれぞれ画像情報に応じて変調する３つの反射型光変調装置と、（ｃ１）第１色光を入射させる第１入射面と、（ｃ２）第１色光の入射方向とは異なる方向から複合光を入射させる第２入射面と、（ｃ３）第１色光から第３色光までを対応する反射型光変調装置にそれぞれ射出させるとともに反射型光変調装置で反射された第１から第３色光までをそれぞれ入射させる３つの入射出面とを有し、（ｃ）反射型光変調装置から３つの入射出面を経て入射した第１から第３色光までを合成するとともに、第１色光の第１入射面への入射方向と複合光の第２入射面への入射方向とに平行な基準平面の法線方向に射出する複合光学系と、（ｄ）複合光学系を経た像光を投射する投射光学系と、（ｅ）色分離光学系から第１入射面まで及び色分離光学系から第２入射面までの少なくともいずれか一方に配置され、基準平面の平行方向の倍率及び法線方向の倍率の少なくとも一方の倍率を変化させるトーリックレンズ光学系とを備える。ここで、「基準平面の平行方向」とは、基準平面に対して平行なすべての方向のうちのいずれかの方向を意味し、通常、対象となる光の光軸の方向に対して垂直な方向をいう。また、「トーリックレンズ光学系」には、基準平面についての平行方向及び法線方向のうちのいずれか一方のみにパワーを有するシリンドリカルレンズも含むものとする。
【０００６】
上記プロジェクタでは、トーリックレンズ光学系により、第１色光の光束断面と複合光の光束断面とを異なる倍率で変化させるので、変調光を立体的な構成により合成を行う場合において、照明光の光束断面の形状を調整することができる。これにより、各色の照明光及び変調光の光束断面の形状が揃った状態で変調光の合成を行うことができる。
【０００７】
また、本発明の具体的な態様として、照明光学系が、（ａ）第１及び第２レンズアレイを経た光の偏光状態を揃える偏光変換素子と、（ｂ）偏光変換素子により偏光状態を揃えられた第２色光及び第３色光のうちいずれか一方の偏光状態を変換する波長選択性位相差板とを有する。この場合、偏光変換素子により各色光の偏光状態が揃えられた後、波長選択性位相差板により第２色光と第３色光との偏光状態が異なるものとなることで、複合光学系において偏光状態の差を利用して第２色光と第３色光とが分離される。
【０００８】
また、本発明の具体的な態様として、複合光学系が、（ａ）第１入射面から入射した第１色光を波長及び偏光状態に応じて反射及び透過させる反射透過膜と、（ｂ）第２入射面から入射した複合光を波長及び偏光状態に応じて反射及び透過の別によって第２色光と第３色光とに分離するとともに２つの入射出面から入射した第２色光と第３色光とを合成する色光分離合成膜とを有し、（ｃ）反射透過膜と色光分離合成膜とにより第１から第３色光までを合成する。この場合、例えば反射透過膜での透過（又は反射）により第１色光を対応する入射出面に導き、色光分離合成膜での反射及び透過により第２色光と第３色光とを分離するとともにそれぞれに対応する入射出面に導くことができる。また、この複合光学系は、反射透過膜と色光分離合成膜とにより、反射型の光変調装置で反射され逆行して各光入射面から入射してきた各色光を合成できる。
【０００９】
また、本発明の具体的な態様として、トーリックレンズ光学系が、色分離光学系から第１入射面までに第１トーリックレンズと、色分離光学系から第２入射面までに第２トーリックレンズとを有し、第１トーリックレンズ及び第２トーリックレンズのうち一方は、曲率の大きい方向を基準平面の平行方向とし、他方は、曲率の大きい方向を基準平面の法線方向とする。この場合、第１入射面に入射する第１色光の光束断面と第１入射面に入射する複合光の光束断面とについて縦方向と横方向とで逆の効果を有する変形ができる。
【００１０】
また、本発明の具体的な態様として、第１トーリックレンズと第２トーリックレンズとは、倍率の変化の大きな方向についての曲率が一致している。これにより、第１及び第２トーリックレンズに同一形状のレンズを用いることが可能になる。
【００１１】
また、本発明の具体的な態様として、第１及び第２レンズアレイが、複数の小レンズを有し、複数の小レンズの形状は同一の正方形である。この場合、小レンズのサイズを適宜調整することで、例えば第１色光に対応する第１トーリックレンズには基準平面に対して垂直方向にのみ曲率を与え、第２及び第３色光に対応する第２トーリックレンズには基準平面の平行方向にのみ曲率を与えることで、矩形の各光束断面の形状を揃えることが可能となる。従って、第１及び第２トーリックレンズとしてシリンドリカルレンズを用いることができる。
【００１２】
また、本発明の具体的な態様として、複数の小レンズが、アスペクト比についての相加平均又は相乗平均に基づいて第１トーリックレンズ及び第２トーリックレンズのそれぞれにおける基準平面の平行方向についての倍率と、基準平面の法線方向についての倍率とを平均化するサイズを有する。この場合、基準平面の平行方向と法線方向とについて必要となる光束断面の伸張又は圧縮の倍率を比較的小さな範囲とすることができ、光束断面の形状の変形による歪を抑えることができる。
【００１３】
また、本発明の具体的な態様として、照明光学系において、色分離光学系が第１レンズアレイと第２レンズアレイとの間に配置され、トーリックレンズ光学系が第２レンズアレイの後段に配置される。この場合、トーリックレンズ光学系と第２レンズアレイとを一体的に形成させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態に係るプロジェクタの構造等について説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係るプロジェクタの構造を説明するための概念図である。また、図２（ａ）及び２（ｂ）は、プロジェクタのｘｙ平面に沿った光路の展開図である。本実施形態におけるプロジェクタ１００は、システム光軸ＯＡに沿って、光源装置１０と、照明光学系２０と、複合光学系である複合プリズム３０と、光変調部４０と、投射光学系である投射レンズ６０とを備える。
【００１６】
以下、特に記述する場合を除いて、図１により上記プロジェクタ１００の構造等について説明する。プロジェクタ１００において、光源装置１０は、発光管１１と、リフレクタ１２とを備え、照明光学系２０等を介して光変調部４０の各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃを照明するための照明光となるべき光源光を発生する。
【００１７】
照明光学系２０は、光を分割して重畳することで均一化するためのインテグレータ光学系を構成する第１及び第２レンズアレイ２１、２２と、光の偏光状態を揃える偏光変換素子２３と、入射する光の波長帯領域に応じて反射及び透過を行う色分離光学系であるダイクロイックミラー２４と、ダイクロイックミラー２４により分離された２光束の光束断面を直交する２方向に関して異なる倍率で変化させるトーリックレンズ光学系としての第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂと、第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂを経たそれぞれの光を重畳させる重畳レンズ２６ａ、２６ｂと、特定の波長帯領域の光のみについて位相差を発生させる波長選択性位相差板２７とを備え、これらにより均一化された２系統の照明光を形成する。照明光学系２０において、第１及び第２レンズアレイ２１、２２は、それぞれマトリクス状に配置された矩形の複数の小レンズからなり、第１レンズアレイ２１を構成する小レンズによって光を分割して個別に集光し、第２レンズアレイ２２を構成する小レンズによって第１レンズアレイ２１からの分割光束の主光線をシステム光軸に平行となるようにして射出させる。偏光変換素子２３は、ＰＢＳ、ミラー、位相差板等を一組の要素とするアレイで形成されており、第１レンズアレイ２１により分割された各部分光束の偏光方向を一方向の直線偏光（ここではＳ偏光）に揃える役割を有する。色分離光学系であるダイクロイックミラー２４は、偏光変換素子２３を経た赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）の３色を含む光について、３色のうち第１色光であるＢ光を反射し、第２色光及び第３色光であるＧ光及びＲ光を含む複合光ＣＬを透過させる。第１トーリックレンズ２５ａは、ダイクロイックミラー２４で反射されたＢ光の光束断面の形状を、ｘｙ平面である基準平面の平行方向及び法線方向即ちＢ光の光束断面の横方向あるいは縦方向について所定の倍率で変化させることにより、後段の青色の光変調装置である第１の液晶パネル４０ａに設けた被照明領域におけるＢ光の光束断面の形状を相対的に縦長に調整する。一方、第２トーリックレンズ２５ｂは、ダイクロイックミラー２４を透過した複合光ＣＬの光束断面の形状をｘｙ平面である基準平面の平行方向及び法線方向即ち複合光ＣＬの光束断面の横方向あるいは縦方向について所定の倍率で変化させることにより、後段の赤色及び緑色の光変調装置である第２及び第３の液晶パネル４０ｂ、４０ｃに設けた被照明領域におけるＧ光及びＲ光の光束断面の形状を相対的に横長に調整する。重畳レンズ２６ａ、２６ｂは、それぞれ第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂを経た照明光を全体として適宜収束させる。つまり、第１の重畳レンズ２６ａは、Ｂ光を第１の液晶パネル４０ａに設けた被照明領域に対する重畳照明を可能にし、第２の重畳レンズ２６ｂは、複合光ＣＬを第２及び第３の液晶パネル４０ｂ、４０ｃに設けた被照明領域に対する重畳照明を可能にする。波長選択性位相差板２７は、複合光ＣＬに含まれるＲ光及びＧ光のうち、Ｇ光のみ半波長の位相差を与えるものである。従って、偏光変換素子２３によりＳ偏光となっていたＧ光は、波長選択性位相差板２７によってＰ偏光に変換される。一方、Ｒ光についてはＳ偏光のままである。なお、反射ミラー２８は、第１の重畳レンズ２６ａから射出されたＢ光を複合プリズム３０側に折り曲げ、反射ミラー２９は、第２の重畳レンズ２６ｂから射出された複合光ＣＬを複合プリズム３０側に折り曲げる。
【００１８】
複合プリズム３０は、４つの角錐プリズムを貼り合わせて構成される立方体形状をなしており、第１入射面３１ａからＢ光を入射させ、第２入射面３１ｂから複合光ＣＬを入射させる。
【００１９】
図３は、複合プリズム３０及び光変調部４０について拡大した斜視図である。以下、図３を用いて複合プリズム３０の構造について詳しく説明する。まず、複合プリズム３０は、外形を構成する立方体の８つの頂点３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ、３０ｇ、３０ｈのうち、頂点３０ａ、３０ｂ、３０ｇ、３０ｈを含む平面と、頂点３０ｂ、３０ｃ、３０ｅ、３０ｈを含む平面とによって切り出される４つの角錐プリズムを張り合わせたものである。複合プリズム３０は、頂点３０ａ、３０ｂ、３０ｇ、３０ｈを含む平面について貼り合わせた界面に、第１入射面３１ａから入射するＢ光のみを偏光状態に応じて透過又は反射させる波長選択性偏光分離素子３２ａを形成しており、頂点３０ｂ、３０ｃ、３０ｅ、３０ｈを含む平面について貼り合わせた界面に、第２入射面３１ｂから入射する複合光ＣＬを偏光状態に応じて透過又は反射させることで、複合光ＣＬをＧ光とＲ光とに分離するワイヤグリッド型の偏光分離素子３２ｂを形成している。さらに、複合プリズム３０は、法線方向が互いに直交する３つの入射出面３３ａ、３３ｂ、３３ｃを側面及び底面に有している。第１の入射出面３３ａは、第１の液晶パネル４０ａに対向しており、第２の入射出面３３ｂは、第２の液晶パネル４０ｂに対向しており、第３の入射出面３３ｃは、第３の液晶パネル４０ｃに対向している。
【００２０】
以下、図３において各色光の光路を辿ることにより、複合プリズム３０による各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃの照明について説明する。複合プリズム３０において、上記のような構造により、まず、第１入射面３１ａに即ちｘ方向正の向きで入射したＳ偏光であるＢ光は、波長選択性偏光分離素子３２ａを透過して第１の入射出面３３ａに導かれ、第１の入射出面３３ａから射出されて第１の液晶パネル４０ａの被照明領域を照明する。次に、第２入射面３１ｂに即ちｙ方向正の向きで入射したＧ光及びＲ光を含む複合光ＣＬは、偏光分離素子３２ｂにおいて、偏光状態に応じて透過及び反射により色成分ごとに分離される。より具体的には、複合光ＣＬの成分のうち、Ｐ偏光であるＧ光は、偏光分離素子３２ｂを透過して第２の入射出面３３ｂから射出されて第２の液晶パネル４０ｂの被照明領域を照明する。一方、複合光ＣＬの成分のうち、Ｓ偏光であるＲ光は、偏光分離素子３２ｂで反射され第３の入射出面３３ｃから射出されて第３の液晶パネル４０ｃの被照明領域を照明する。以上のように、偏光分離素子３２ｂは、複合光ＣＬをＧ光及びＢ光に分離するとともに、分離したＧ光及びＢ光をそれぞれ対応する第２及び第３の入射出面３３ｂ、３３ｃに導く機能を有する。
【００２１】
光変調部４０は、いずれも非発光の光変調装置である液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃを有する。液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、入射光の偏光方向を入力信号に応じて画素単位で変化させる反射型光変調装置である。各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、入射した照明光の偏光方向の空間的強度分布を変調する。つまり、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃにそれぞれ入射したＢ光、Ｇ光及びＲ光の３色の光は、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃで反射される際に、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃに電気的信号として入力された駆動信号或いは画像信号（画像情報）に応じて、画素単位で偏光状態を調節される。各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、例えば垂直配向型の液晶層を反射基板と透明板との間に挟んだ構造を有し、液晶層に対して電圧を印加することにより、透明板側から入射して反射基板で反射される照明光の偏光方向の変調を行なう。なお、変調光の偏光成分は、Ｓ偏光のみを含む状態からＰ偏光とＳ偏光とを含む状態に変化しているが、ここで、画像形成に必要となる成分のうち、Ｂ光については、波長選択性偏光分離素子３２ａを基準としてＳ偏光となった状態、Ｒ光については、偏光分離素子３２ｂを基準としてＰ偏光となった状態、Ｇ光については、偏光分離素子３２ｂを基準としてＳ偏光となった状態で各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃから射出される設計となっている。また、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃの入射出面３３ａ、３３ｂ、３３ｃに対向する表面上の領域である被照明領域の形状は、後に詳述するが、被照明領域内に形成されるアスペクト比１６：９の有効画素領域に合わせて略１６：９の矩形形状となっている。
【００２２】
ここで、例えば図３に示されるように、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃの配置について、第１の液晶パネル４０ａは、長手方向をｚ方向としているのに対して、第２及び第３の液晶パネル４０ｂ、４０ｃは、いずれも長手方向をｘ方向としている。つまり、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃにおける有効画素領域は、Ｂ光に対応する第１の液晶パネル４０ａについては、ｘｙ平面に垂直な方向即ち基準平面の法線方向（具体的にはｚ方向）を長手方向としてアスペクト比が１６：９の矩形となっており、Ｇ光及びＲ光に対応する第２及び第３の液晶パネル４０ｂ、４０ｃは、ｘｙ平面に平行な方向即ち基準平面の平行方向（具体的にはｘ方向）を長手方向としてアスペクト比が１６：９の矩形となっている。
【００２３】
各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃで変調された各色の変調光は、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃから複合プリズム３０の各入射出面３３ａ、３３ｂ、３３ｃにそれぞれ入射する。
【００２４】
複合プリズム３０において、まず、第１の液晶パネル４０ａからのＢ光については、第１の入射出面３３ａから入射すると、画像形成に必要となるＳ偏光成分のみが波長選択性偏光分離素子３２ａで反射され、これによりＢ光の変調光が形成される。このように、波長選択性偏光分離素子３２ａにおいて、Ｂ光はその偏光状態に応じて反射又は透過する。つまり、この場合、波長選択性偏光分離素子３２ａは、Ｂ光の反射透過膜として機能する。波長選択性偏光分離素子３２ａで反射されたＢ光は投射レンズ６０に面する射出面５４から射出される。
【００２５】
次に、第２の液晶パネル４０ｂからのＧ光については、画像形成に必要となるＳ偏光成分のみが偏光分離素子３２ｂで反射され、これによりＧ光の変調光が形成される。また、第３の液晶パネル４０ｃからのＲ光については、画像形成に必要となるＰ偏光成分のみが、偏光分離素子３２ｂを透過し、これによりＲ光の変調光が形成される。このように、偏光分離素子３２ｂにおいてＧ光による変調光とＲ光による変調光とがそれぞれ選択的に反射及び透過するとともに、偏光分離素子３２ｂによってＧ光とＲ光とが合成される。偏光分離素子３２ｂは照明光としてのＧ光及びＲ光を分離するとともに変調光となるＧ光及びＲ光を合成する色光分離合成膜として機能する。偏光分離素子３２ｂで反射されたＧ光及び偏光分離素子３２ｂを透過したＲ光はいずれも射出面５４から射出される。
【００２６】
以上のようにして、複合プリズム３０は、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃから射出され互いに法線が直交する３つの入射出面３３ａ、３３ｂ、３３ｃを経て入射した３色の変調光を、波長選択性偏光分離素子３２ａ及び偏光分離素子３２ｂによって合成した合成光を、射出面５４から射出する。
【００２７】
図１に戻って、投射レンズ６０は、複合プリズム３０を経て形成された合成光による画像光を所望の拡大率で拡大してスクリーン（不図示）上にカラーの画像を投射する。
【００２８】
以下、光変調部４０の各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃの配置と複合プリズム３０での変調光の合成との関係について詳しく説明する。上述のように、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃにおける有効画素領域は、いずれも横と縦との比率即ちアスペクト比が１６：９の矩形となっており、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃの被照明領域の形状もこれに比例させるべく略１６：９となっている。ここで、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃの配置は、複合プリズム３０の合成において矛盾が生じないようなものとなっている。より具体的には、図２（ａ）及び図３に示すように、第１の液晶パネル４０ａは、長手方向をｚ方向としている。この場合、第１の液晶パネル４０ａから射出されたＢ光は、第１の入射出面３３ａから複合プリズム３０に入射し、波長選択性偏光分離素子３２ａで反射され、射出面５４から射出される。従って、射出面５４から射出されるＢ光の光束断面ＢＳａの形状は、ｘ方向を長手方向とする矩形となっている。これに対して、図２（ａ）、２（ｂ）及び図３に示すように、液晶パネル４０ｂ、４０ｃは、長手方向をｘ方向としている。この場合、まず、第２の液晶パネル４０ｂから射出されたＧ光は、第２の入射出面３３ｂから複合プリズム３０に入射し、偏光分離素子３２ｂで反射され、射出面５４から射出される。従って、射出面５４から射出されるＧ光の光束断面ＢＳｂの形状も、ｘ方向を長手方向とする矩形となっている。また、第３の液晶パネル４０ｃから射出されたＲ光は、第３の入射出面３３ｃから複合プリズム３０に入射し、偏光分離素子３２ｂを透過して、射出面５４から射出される。従って、射出面５４から射出されるＲ光の光束断面ＢＳｃの形状も、ｘ方向を長手方向とする矩形となっている。従って、Ｂ光、Ｇ光及びＲ光のいずれの変調光も同一の断面形状となって合成される。この場合において、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃの被照明領域を効率よく照明するためには照明光の各光束断面の形状について、第１の液晶パネル４０ａに入射するＢ光の光束断面の形状は、基準平面の法線方向であるｚ方向を長手方向とする矩形であることが望ましく、第２及び第３の液晶パネル４０ｂ、４０ｃに入射するＧ光及びＲ光即ち複合光ＣＬの光束断面の形状は、基準平面の平行方向であるｘ方向を長手方向とする矩形であることが望ましい。従って、図２（ａ）の第１トーリックレンズ２５ａによりＢ光の光束断面の形状の調整がなされ、図２（ｂ）の第２トーリックレンズ２５ｂによりＧ光及びＲ光即ち複合光ＣＬの光束断面の形状の調整がなされる。
【００２９】
図４は、第１レンズアレイ２１の一例を示す正面図である。上述のように、第１レンズアレイ２１は、マトリクス状に配置された複数の小レンズＥＬからなる。特に、ここでは図のように、各小レンズＥＬは正方形であり、縦横８×８の合計６４個配置されている。図５（ａ）は、第１の液晶パネル４０ａの被照明領域について示す図であり、図５（ｂ）は、第２及び第３の液晶パネル４０ｂ、４０ｃの被照明領域について示す図である。なお、図５（ｂ）中のｘ、ｙ及びｚの方向は、第２の液晶パネル４０ｂの方向を示している。図５（ａ）において、被照明領域である有効画素領域ＥＤは、９：１６のアスペクト比を有する縦長の矩形となっており、図５（ｂ）において、被照明領域である有効画素領域ＥＤは、１６：９のアスペクト比を有する横長の矩形となっている。有効画素領域ＥＤを含むパネル表面ＰＳにおいて、各色光の照明光の光束断面の領域である照明領域ＬＤは、少なくとも有効画素領域ＥＤを覆う必要がある。しかしながら、例えば図２（ａ）及び２（ｂ）のプロジェクタ１００において、第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂを用いることなく重畳レンズ２６ａ、２６ｂを経て各色光が各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃの有効画素領域ＥＤを照明する場合、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃに入射する照明光の光束断面の形状は、例えば図５（ａ）の仮想領域ＶＤに示すような複数の小レンズＥＬに略比例する正方形となり、有効画素領域ＥＤの形状に合わない。つまり、仮想領域ＶＤにより有効画素領域ＥＤを覆うために、例えば仮想領域ＶＤの縦方向の長さを有効画素領域ＥＤの長さよりわずかに大きくなるように光学的な設計をすると、仮想領域ＶＤは、縦方向については適した寸法となるが、横方向についてはパネル表面ＰＳからはみ出してしまう。この結果、有効画素領域ＥＤ外の領域を照明する無駄な光が多く生じてしまう。これに対し、本実施形態では、例えば図２（ａ）に示す第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂにより光の光束断面を縦方向又は横方向に関して変形している。ここでは、以上の目的から明らかなように、第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂとしてシリンドリカルレンズを用いることになる。
【００３０】
まず、第１トーリックレンズ２５ａについては、基準平面の平行方向即ちｙ方向について曲率を有し、基準平面の法線方向即ちｚ方向については圧縮も伸張も行わない構成としている。より具体的には、図２（ａ）に示す第１トーリックレンズ２５ａは、Ｂ光の光束断面について、複合プリズム３０への入射の際に基準平面の平行方向即ちｙ方向について９／１６倍の倍率で圧縮し、基準平面の法線方向即ちｚ方向については変形させずそのまま、つまり圧縮も伸張も行わない１倍となるように形状を変形させている。これにより、図５（ａ）に示すように、パネル表面ＰＳ上でのＢ光の照明領域ＬＤが、略９：１６のアスペクト比を有する縦長の矩形となった状態で有効画素領域ＥＤを覆うことができる。
【００３１】
次に、第２トーリックレンズ２５ｂについては、基準平面の法線方向即ちｚ方向について曲率を有し、基準平面の平行方向即ちｘ方向については圧縮も伸張も行わない構成としている。より具体的には、図２（ｂ）に示す第２トーリックレンズ２５ｂは、Ｇ光及びＲ光を含む複合光ＣＬの光束断面について、複合プリズム３０への入射の際に基準平面の法線方向即ちｚ方向について９／１６倍の倍率で圧縮し、基準平面の平行方向即ちｘ方向については変形させずそのまま、つまり圧縮も伸張も行わない１倍となるように形状を変形させている。これにより、図５（ｂ）に示すように、パネル表面ＰＳにおけるＧ光あるいはＲ光の照明領域ＬＤが、略１６：９のアスペクト比を有する横長の矩形となった状態で有効画素領域ＥＤを覆うことができる。
【００３２】
以上により、Ｂ光の光束断面の形状は、複合プリズム３０への入射において、ｚ方向とｙ方向との比が１６：９となり、複合光ＣＬの光束断面の形状は、複合プリズム３０への入射において、ｘ方向とｚ方向との比が１６：９となる。従って、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃに設けられた被照明領域の形状に合わせて変形されたものにできる。なお、上記実施形態では、光学的な設計が第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂを用いない場合における仮想領域ＶＤの周の一辺の長さが有効画素領域ＥＤの長手方向の長さに合わせたものとなっているため、第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂにより基準平面の平行方向又は法線方向のいずれか一方のみについて変形をすることで、パネル表面ＰＳ上での各色光の光束断面による領域である照明領域ＬＤが無駄となる光を抑制する所望の形状になっている。
【００３３】
また、上述のように各色光の光束断面の変形を行う場合、第１トーリックレンズ２５ａについては、基準平面の平行方向（ｚ方向及びＢ光の光軸方向の双方に対して垂直な方向）について曲率を有し、第２トーリックレンズ２５ｂについては、基準平面の法線方向即ちｚ方向について曲率を有しており、特に、圧縮する際の倍率はともに９／１６倍である。また、第１トーリックレンズ２５ａでは、基準平面の法線方向即ちｚ方向、第２トーリックレンズ２５ｂでは、基準平面の平行方向（ｚ方向及び複合光ＣＬの光軸方向の双方に対して垂直な方向）については圧縮も伸張も行わない。従って、第１トーリックレンズ２５ａと第２トーリックレンズ２５ｂとは、基準平面の平行方向と法線方向とについて入れ違っているが、曲率が一致しているので、第１トーリックレンズ２５ａと第２トーリックレンズ２５ｂとに同一形状のレンズを用いることができる。
【００３４】
図６（ａ）及び６（ｂ）は、図４の第１レンズアレイ２１を用いた変形例について説明するための図である。本変形例では、図２等に示す第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂによる伸張及び圧縮を双方とも行う。つまり、光束断面の形状の縮小及び拡大を組み合わせるものとし、照明領域ＬＤの横と縦との比が１６：９であることを前提として、パネル表面ＰＳ上に形成される仮想領域ＶＤの一辺の長さが１２．５：１２．５となるように、図４の各小レンズＥＬのサイズが設計されている。つまり、仮想領域ＶＤの一辺のサイズが照明領域ＬＤの横のサイズと縦のサイズの中間の値（ここでは相加平均）となっている。この場合、図２（ａ）及び２（ｂ）の第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂは、それぞれ基準平面の平行方向及び法線方向についての圧縮・伸張の度合いについて一方に大きな負担がかからないように平均化され、バランスのとれたものとなる。つまり、より具体的には、圧縮する側の倍率を１８／２５倍、伸張する側の倍率を３２／２５倍とすることができる。これにより、いずれの倍率の変化についても変化量が１倍に近い値で光束断面の形状の変形させることができ、光束断面の形状の変形による歪を抑えることができる。なお、仮想領域ＶＤの一辺の長さについては、照明領域ＬＤの横のサイズと縦のサイズの中間の値であれば相加平均以外のものも可能であり、例えば１６と９との相乗平均を用いて、１２：１２としてもよい。この場合、第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂによる圧縮の倍率が３／４倍となり伸張の倍率が４／３倍となり、丁度互いの倍率が逆数になる。また、この場合、光束断面形状の面積について、仮想領域ＶＤの面積と照明領域ＬＤの面積とが等しくなる。つまり、光束断面形状の面積が第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂによる圧縮及び伸張の前後で不変となる。
【００３５】
図７は、第１レンズアレイ２１の他の一例についての正面図である。本変形例の第１レンズアレイ２１では、各小レンズＥＬの形状が各小レンズＥＬの横と縦との比が１６：９の横長の矩形となっている。この場合、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃのうち、液晶パネル４０ｂ、４０ｃの被照明領域の形状と小レンズＥＬの形状とが予め相似となっている。本変形例の第１レンズアレイ２１を用いた場合、図１のダイクロイックミラー２４において分離されたＢ光の光束断面の形状は、第１トーリックレンズ２５ａにより１６：９の横長の矩形から９：１６の縦長の矩形に変形される。一方、複合光ＣＬの光束断面の形状は、特段変形させる必要がない。従って、この場合、第２トーリックレンズ２５ｂを省略することが可能である。また、逆に、液晶パネル４０ａの被照明領域の形状と小レンズＥＬの形状とを予め相似とし、図１のダイクロイックミラー２４において分離された複合光ＣＬの光束断面の形状を変形するものとしてもよい。この場合、第１トーリックレンズ２５ａを省略することが可能となる。
【００３６】
〔第２実施形態〕
図８は、第２実施形態に係るプロジェクタの構造を説明するための概念図である。本実施形態に係るプロジェクタは、照明光学系の構造の一部分を除いて、第１実施形態と同様であるから、照明光学系の重畳レンズ及び波長選択位相差板より後段の構造については、説明及び図示を省略する。
【００３７】
本実施形態に係るプロジェクタにおいて、照明光学系１２０は、インテグレータ光学系を構成する第１レンズアレイ１２１及び複数の第２レンズアレイ１２２ａ、１２２ｂと、光の偏光方向を揃える第１及び第２偏光変換素子１２３ａ、１２３ｂと、入射する光の波長帯領域に応じて反射及び透過を行う色分離光学系であるダイクロイックミラー１２４と、ダイクロイックミラー１２４により分離されたそれぞれの光の光束断面を所定の倍率で変化させるトーリックレンズ光学系である第１及び第２トーリックレンズ１２５ａ、１２５ｂと、第１及び第２トーリックレンズ１２５ａ、１２５ｂを経たそれぞれの光を重畳させる重畳レンズ１２６ａ、１２６ｂと、特定の波長帯領域の光のみについて位相差を発生させる波長選択性位相差板１２７と、反射ミラー２８、２９（図１参照）とを備える。なお、第１実施形態と同名のもので、特に説明をしないものについてはその機能は同様である。照明光学系１２０において、ダイクロイックミラー１２４は、第１レンズアレイ１２１と、第２レンズアレイ１２２ａ、１２２ｂとの間に配置されている。つまり、光源装置１０より発生した光源光は、ダイクロイックミラー１２４での透過及び反射により、Ｇ光及びＲ光を含む複合光ＣＬとＢ光とに分離される。ダイクロイックミラー１２４で反射されたＢ光は、一方の第２レンズアレイ１２２ａに入射し、ダイクロイックミラー１２４を透過した複合光ＣＬは、他方の第２レンズアレイ１２２ｂに入射する。第２レンズアレイ１２２ａに入射したＢ光は、第１トーリックレンズ１２５ａにより光束断面の形状が適宜変形され、さらに偏光変換素子１２３ａ及び重畳レンズ１２６ａを経て射出され、図１の反射ミラー２８により複合プリズム３０側に折り曲げられる。同様に、第２レンズアレイ１２２ｂに入射した複合光ＣＬは、第２トーリックレンズ１２５ｂにより光束断面の形状が適宜変形されさらに偏光変換素子１２３ｂ及び重畳レンズ１２６ｂを経て射出され図１の反射ミラー２９により複合プリズム３０側に折り曲げられる。ここで、各第２レンズアレイ１２２ａ、１２２ｂ後段に配置される第１及び第２トーリックレンズ１２５ａ、１２５ｂは、それぞれ第２レンズアレイ１２２ａ、１２２ｂと一体的に形成されている。つまり、この場合、例えば第２レンズアレイ１２２ａと第１トーリックレンズ１２５ａとを一体の部材として１つの金型から作ることができる。本実施形態においても、第１実施形態と同様の光束断面を有するＢ光及び複合光ＣＬの照明光を得ることができる。
【００３８】
なお、この発明は、上記第１及び第２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。
【００３９】
まず、第１実施形態では、第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂは、ダイクロイックミラー２４の後段に配置されており、第２実施形態では、第１及び第２トーリックレンズ１２５ａ、１２５ｂは、第２レンズアレイ１２２ａ、１２２ｂの後段に配置されており、それぞれ第２レンズアレイ１２２ａ、１２２ｂと一体的に形成されている。しかし、本発明における第１及び第２トーリックレンズの配置箇所はこれに限らず、例えば、図１において、第１トーリックレンズ２５ａは、Ｂ光の光路上色分離光学系であるダイクロイックミラー２４から第１入射面３１ａまでのいずれかの位置、第２トーリックレンズ２５ｂは、ダイクロイックミラー２４から第２入射面３１ｂまでのいずれかの位置に配置することが可能である。
【００４０】
また、第１実施形態では、第１及び第２トーリックレンズ２５ａ、２５ｂによる光束断面の圧縮・伸張は、上述の例に限らず、この他にも例えば、光束断面の面積を基準平面の平行方向及び法線方向についてともに伸張して拡大させることや、逆に両方向とも縮小させることも可能である。また、第１トーリックレンズ２５ａに対応するＢ光の光束断面の面積を縮小させ、第２トーリックレンズ２５ｂに対応するＧ光及びＲ光の光束断面の面積を拡大させることも可能である。
【００４１】
また、第１実施形態では、複合プリズム３０において、色光分離合成膜としてワイヤグリッド型の偏光分離膜３２ｂを用いているが、偏光分離膜３２ｂは、さらに波長選択性偏光分離素子の性質を有するものであってもよい。
【００４２】
また、第１実施形態では、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃのうち、第１の液晶パネル４０ａに比較的エネルギーの高いＢ光を対応させているが、各液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃのいずれにどの色光を照明させるかは適宜変更可能である。
【００４３】
また、第１実施形態において、反射型光変調装置として、液晶パネル４０ａ、４０ｂ、４０ｃを用いているが、反射型光変調装置は液晶パネルに限らず他の光変調装置を用いてもよい。
【００４４】
また、第１及び第２実施形態において、光源装置１０では、発光管１１に用いるランプとして高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等種々のものが考えられる。
【００４５】
また、プロジェクタとしては、投射面を観察する方向から画像投射を行う前面プロジェクタと、投射面を観察する方向とは反対側から画像投射を行う背面プロジェクタとがあるが、図１に示すプロジェクタの構成は、いずれにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１実施形態に係るプロジェクタについての概念図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、プロジェクタの側面からの展開図である。
【図３】複合光学系及び反射型光変調装置について拡大した斜視図である。
【図４】第１レンズアレイの一例を示す正面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、被照明領域について説明する概念図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、被照明領域について説明する別の概念図である。
【図７】第１レンズアレイの他の一例を示す正面図である。
【図８】第２実施形態に係るプロジェクタについて説明するための概念図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…光源装置、  ２０、１２０…照明光学系、  ２１、１２１…第１レンズアレイ、  ２２、１２２ａ、１２２ｂ…第２レンズアレイ、  ２３、１２３ａ、１２３ｂ…偏光変換素子、  ２４、１２４…ダイクロイックミラー、  ２５ａ、２５ｂ、１２５ａ、１２５ｂ…第１トーリックレンズ、第２トーリックレンズ、  ２６ａ、２６ｂ、１２６ａ、１２６ｂ…重畳レンズ、  ２７、１２７…波長選択性位相差板、  ３０…複合プリズム、  ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ…液晶パネル、  ６０…投射レンズ、  １００…プロジェクタ
【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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