照明光学系
【課題】 光源からの光を高効率に利用し、照度の均一性が高い照明光束が得られる照明光学系が求められている。
【解決手段】 被照明面の法線方向に対する入射光線の偏差角によって変化する照明光の被照明面での強度分布において、照明光学系の光軸と偏光分離面の法線の両者に平行な断面を第１断面、照明光学系の光軸と平行で第１断面と垂直な断面を第２断面とするとき、第２断面におけるピーク値の半値となる角度幅が、第１断面におけるピーク値の半値となる角度幅よりも大きい。
【解決手段】 被照明面の法線方向に対する入射光線の偏差角によって変化する照明光の被照明面での強度分布において、照明光学系の光軸と偏光分離面の法線の両者に平行な断面を第１断面、照明光学系の光軸と平行で第１断面と垂直な断面を第２断面とするとき、第２断面におけるピーク値の半値となる角度幅が、第１断面におけるピーク値の半値となる角度幅よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射型画像表示装置に用いられる照明光学系および投射表示光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、プロジェクタ型ディスプレイ（投射型画像表示装置）は、一般に、液晶表示パネルやマイクロミラーアレイデバイスパネルを光変調素子としてスイッチングに利用して、光の透過と遮断または偏向を制御して選択された光パターンをスクリーンに投射することで、スクリーン上に映像を表示する。
【０００３】
光変調素子に液晶表示パネルやマイクロミラーアレイデバイスパネルを用いたプロジェクタにおいては、光源からの光を高効率で利用することと、スクリーン上での照度むらを低減することが重要となる。
【０００４】
改善手段としては、２枚の２次元配列されたレンズアレイから構成されるオプティカルインテグレータが知られている。オプティカルインテグレータは、光源からの光束を第１のレンズアレイによって複数の光束に分割し、第２レンズアレイによりこれらの光束を拡大しながら光変調素子の表示領域に重畳結像させるものである（特許文献１参照）。
【０００５】
この方法においては、分割後の照度むらが小さい光束を重畳するため均一性の高い照射光が得られ、スクリーン上での照度むらが大幅に改善される。また、第１レンズアレイの各開口を光変調素子の表示領域と相似の矩形とすれば、分割後の光束は表示領域にもれなく照射されるため、照射光の効率が向上し、光源からの光の利用効率を向上する。
【０００６】
また、他の改善手段としては、光源からの光をカライドスコープに導光し、光線のベクトルをミキシングすることによって、カライドスコープの光出射端面での光強度分布を均一化させ、この像を結像レンズによって光変調素子として用いているマイクロミラーアレイデバイスに共役結像させるものがある。
【０００７】
カライドスコープを用いる場合には、自然放射の光源からの光を、直線偏光状態に変換する手段を用いると、光学系が複雑になるため、一般的には実施されていない。
【０００８】
この方法においても、均一性の高い照射光が得られ、スクリーン上での照度むらが大幅に改善される。
【特許文献１】特開平１１−６４８４８号公報（図１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、２枚のレンズアレイからなるオプティカルインテグレータやカライドスコープを用いた光強度分布の均一化方法を用いる場合、光変調素子を照明する光束が大きな収束角を有する。このため、光変調パネルが反射型液晶表示パネルやマイクロミラーアレイデバイスの場合、照明光を導く光路を形成するための空間的な制限があり、ＴＩＲプリズムで導く場合には全反射最小角の制限がある。また、偏光ビームスプリッターで導く場合には、Ｓ波の反射率の入射角度依存性による制限が生じてしまうため、光変調素子への照明光束は平行光束に近いことが望まれる。
【００１０】
さらに、光変調素子が透過型液晶表示パネルであり、この透過型液晶表示パネルによってレッド、グリーン、ブルーの三原色の光の変調を行う場合、変調光をダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズムで合成する際、変調光が平行光束から逸脱するほどダイクロイック膜での反射・透過波長領域のカット波長が変化し、色のにごりや、投射画像の位置による色再現性の偏差が発生する。
【００１１】
また、光変調素子が、透過型、反射型に限らず、ツイステッドネマティック液晶（ＴＮＬＣ）である場合、この液晶表示パネルへの照明光束の入射角がパネルの法線方向から傾くほど、また液晶表示パネル面内で液晶分子のラビング方向から傾くほど、液晶表示パネルを通過することによる理想的な光波長の位相差である、０またはπからのずれが大きく生じてしまう。したがって、光変調のコントラストが低下してしまう。
【００１２】
そこで、本発明は、光源からの光を高効率に利用し、照度の均一性が高い照明光束が得られる照明光学系を提供すること、さらにはより明るく濃淡コントラストの高い投射画像が得られる投射表示光学系を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明の照明光学系は、光源からの照明光束で被照明面を照明する照明光学系であって、光源と被照明面との間に配置された偏光分離面を備えている。被照明面の法線方向に対する入射光線の偏差角によって変化する照明光の被照明面での強度分布において、照明光学系の光軸と偏光分離面の法線の両者に平行な断面を第１断面、照明光学系の光軸と平行で第１断面と垂直な断面を第２断面とするとき、第２断面におけるピーク値の半値となる角度幅が、第１断面におけるピーク値の半値となる角度幅よりも大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光源からの光を高効率に利用し、照度の均一性が高い照明光束が得られる照明光学系を実現することができる。
【００１５】
このため、これらの照明光学系を投射表示光学系の照明部として用いることにより、明るく濃淡コントラストの高い投射画像が得られる投射表示光学系を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【実施例１】
【００１７】
図１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。この図において、１００は光源となるガス励起発光源で、高圧水銀ランプやメタルハライドランプまたはクセノンランプ等が用いられる。
【００１８】
光源１００は、パラボリック反射ミラー１０１と組合せられて概ね平行な可視光ビームを生成するが、得られる平行ビームをなるべくダイバージェンス（発散角）の少ない質の高いコリメート光束にするために、ガスの電子励起領域を限定するよう放電ギャップは極力狭く設計され、点光源発光に近い光源になっている。
【００１９】
また、より点光源に近い発光源を得るために、放電ギャップに交流バイアスをかけて電極の双方向から電子放射して２点の点光源を形成するのではなく、発光効率およびエネルギー変換効率が減少するものの、直流バイアスをかけて陰極電極側に高輝度の点光源を発生させる場合もある。
【００２０】
このガス励起光源１００とパラボリック反射ミラー１０１からなるランプユニットから放射された光束のうち可視光外の紫外線は、紫外線カットフィルター１０２によってカットされる。紫外線は、レンズの材料となる光学ガラスや光学薄膜を励起したり劣化させることも長期的には発生するが、特に光変調パネルに液晶素子を用いる場合には、有機材料である液晶ポリマーが紫外線によって分解変質されるので、これを防止するのが主な目的である。
【００２１】
次に、紫外線カットフィルター１０２を通過した可視光光束は、光束の所定領域に配されたシャッフリングプリズム（光強度変換手段）１０３と反射ミラー１０４に入射し、偏向および反射される。ここで用いられているシャッフリングプリズム１０３は、対向頂角プリズムを反射ミラー１０４の反射面で折り返した形状を有しており、このシャッフリングプリズム１０３の作用については、図４を用いて後述する。
【００２２】
次に、シャッフリングプリズム１０３を通過し、反射ミラー１０４によって反射した光束は、第１シリンドリカルレンズ１０５に入射する。第１シリンドリカルレンズ１０５は、図中の水平方向においてのみ屈折力を有するもので、光束の進行方向にもう１つ配置されている第２シリンドリカルレンズ１１０と対になってビームコンプレッサを形成している。
【００２３】
したがって、第１シリンドリカルレンズ１０５に入射する光束に、図中水平方向においては光束が圧縮され、アフォーカル状態で光変調パネル１１２に導かれる。
【００２４】
第１シリンドリカルレンズ１０５を通過した光束は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６に入射する。この第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６は、図中の垂直方向においてのみ屈折力を有する複数のシリンドリカルレンズを有し、入射する光束を該シリンドリカルレンズの個数分に分割し、個々に焦線を結ばせる。その後、各分割光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ１０９によって再び所定幅に設定された平行光束に変換される。
【００２５】
ここで、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６とシリンドリカルコンデンサーレンズ１０９の主平面間隔は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の焦点距離とシリンドリカルコンデンサーレンズ１０９の焦点距離の和に設定されている。これにより、光束は上記のように平行光束に再変換される。
【００２６】
さらにシリンドリカルコンデンサーレンズ１０９は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の光軸線が各アレイの光軸線に対して偏心しているため、シリンドリカルコンデンサーレンズ１０９の焦線の位置で、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の各アレイの通過した光束を重ね合わせる。これにより、オプティカルインテグレート（光束の分割および再合成）操作が成される。
【００２７】
上記シリンドリカルコンデンサーレンズ１０９の焦線の位置が光変調パネル１１２の変調面となる。
【００２８】
また、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０７の焦線の位置は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の各シリンドリカルレンズの瞳位置に設定されている。第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０７とシリンドリカルコンデンサーレンズ１０９のタンデムレンズ構成で、シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の各シリンドリカルレンズの瞳と光変調パネル１１２の変調面が光学的に共役関係となっている。このため、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の各シリンドリカルレンズの瞳が図中の垂直方向において光変調パネル１１２の変調面に結像される。
【００２９】
ガス励起光源１００とパラボリック反射ミラー１０１からなるランプユニットから放射された光束は、完全な平行光とはならず、若干のダイバージェンスを有している。第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０７は、このダイバージェンス分の光束広がりを修正するために、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の各シリンドリカルレンズの瞳を通過した光束を確実に光変調パネル１１２の変調面に導く。
【００３０】
第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０７を通過した光束は、偏光変換素子アレイ１０８に入射する。ここで用いている偏光変換素子アレイ１０８は、一般に液晶プロジェクタで用いるＰＳ変換素子と呼ばれるものと同様であり、ランプユニットから放射した光を、偏光ビームスプリッタを重ね合わせたアレイで、片側、たとえば図中の垂直方向に平行な偏光成分に変換する。すなわち、偏光変換素子アレイ１０８は、図中垂直方向の偏光成分は偏光分離膜（図示せず）を通過させ、偏光分離膜で反射した図中の水平偏光成分はとなりの偏光ビームスプリッタアレイの偏光分離膜で再度反射させて光路をアレイのピッチ分だけシフトさせ、偏光変換素子アレイ１０８を射出する直前で半波長位相差板（図示せず）で偏光方向を９０度変換して図中の垂直方向の直線偏光として出射させる。こうして偏光変換素子アレイ１０８を通過した光束はすべて図中の垂直方向の直線偏光の光となる。
【００３１】
偏光変換素子アレイ１０８を通過した光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ１０９に入射し、上述したように、このシリンドリカルコンデンサーレンズ１０９の焦線位置にある光変調パネル１１２の変調面に図中の垂直方向で重ね合わされてインテグレートされる。
【００３２】
シリンドリカルコンデンサーレンズ１０９を通過した光束は、第２シリンドリカルレンズ１１０に入射する。上述したように、シリンドリカルレンズ１１０は図中の水平方向のみに屈折力を有するもので、第１シリンドリカルレンズ１０５と対になってビームコンプレッサを形成する。これにより、図中の水平方向において光束が圧縮され、アフォーカル状態で光変調パネル１１２に導かれる。
【００３３】
さらに、この第２シリンドリカルレンズ１１０によって、第１シリンドリカルレンズ１０５の瞳と光変調パネル１１２の変調面とが光学的に共役関係に配置されており、第１シリンドリカルレンズ１０５の瞳は図中の水平方向において光変調パネル１１２の変調面に結像される。
【００３４】
第２シリンドリカルレンズ１１０は、上記シリンドリカルアレイホモジナイザー１０７と同様に、ガス励起光源１００とパラボリック反射ミラー１０１からなるランプユニットから放射された光束のダイバージェンス分の光束広がりを修正して、第１シリンドリカルレンズ１０５の瞳を通過した光束を確実に光変調パネル１１２の変調面に導くために設けられている。
【００３５】
シリンドリカルレンズ１１０を通過した光束は、ダミー偏光ビームスプリッタ１１１に入射する。このダミーはダイクロイックプリズムまたはミラーとしてもかまわない。ただし、ダミーが偏光ビームスプリッタの場合でも、ダイクロイックプリズムの場合でも、光束の偏向方向は図中の水平方向に設定する。
【００３６】
以上のように、本実施例の照明光学系を通過した光束は、光変調パネル１１２に導かれる。本実施例の照明特性については後述する。
【実施例２】
【００３７】
図２には、本発明の実施例２である照明光学系の構成を示している。図２において、２００は光源となるガス励起発光源で、高圧水銀ランプやメタルハライドランプまたはクセノンランプ等が用いられる。光源２００はパラボリック反射ミラー２０１と組み合せられて概ね平行な可視光ビームを生成する。光源２００は、得られる平行ビームをなるべくダイバージェンス（発散角）の少ない質の高いコリメート光束にするために、ガスの電子励起領域を限定するよう放電ギャップは極力狭く設計され、点光源発光に近い光源になっている。また、より点光源に近い発光源を得るために、放電ギャップに交流バイアスをかけて電極の双方向から電子放射して２点の点光源を形成するのではなく、発光効率およびエネルギー変換効率が減少するものの、直流バイアスをかけて陰極電極側に高輝度の点光源を発生させる場合もある。
【００３８】
このガス励起光源２００とパラボリック反射ミラー２０１からなるランプユニットから放射された光束のうち可視光外の紫外線は、紫外線カットフィルター２０２によってカットされる。紫外線は、レンズの材料となる光学ガラスや光学薄膜を励起したり劣化させることも長期的には発生するが、特に光変調パネルに液晶素子を用いる場合には、有機材料である液晶ポリマーが紫外線によって分解変質するので、これを防止するのが主な目的である。
【００３９】
紫外線カットフィルター２０２を通過した可視光光束は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６に入射する。第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６は、図中の垂直方向においてのみ屈折力を有する複数のシリンドリカルレンズを有し、入射する光束を該シリンドリカルレンズの個数分に分割し、個々に焦線を結ばせる。その後、各分割光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９によって再び所定幅に設定された平行光束に変換される。
【００４０】
ここで、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６とシリンドリカルコンデンサーレンズ２０９の主平面間隔は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の焦点距離とシリンドリカルコンデンサーレンズ２０９の焦点距離の和に設定されている。これにより、光束は上記のように平行光束に再変換される。
【００４１】
さらに、シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の光軸線が各アレイの光軸線に対して偏心しているため、シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９の焦線の位置で、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の各アレイの通過した光束を重ね合わせる。これにより、オプティカルインテグレート操作がなされる。そして、シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９の焦線の位置が光変調パネル２１２の変調面となる。
【００４２】
第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６を通過した光束は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７を通過する。この第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７の焦線の位置は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の各シリンドリカルレンズの瞳位置に設定されている。第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７とシリンドリカルコンデンサーレンズ２０９のタンデムレンズ構成で、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の各シリンドリカルレンズの瞳と光変調パネル２１２の変調面とが光学的に共役関係とされている。このため、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の各シリンドリカルレンズの瞳は、図中の垂直方向において光変調パネル２１２の変調面に結像される。
【００４３】
ガス励起光源２００とパラボリック反射ミラー２０１からなるランプユニットから放射された光束は完全な平行光とはならず、ダイバージェンスを有している。このため、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７は、このダイバージェンス分の光束広がりを修正するために、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の各シリンドリカルレンズの瞳を通過した光束を確実に光変調パネル２１２の変調面に導く。
【００４４】
第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７を通過した光束は、偏光変換素子アレイ２０８に入射する。偏光変換素子アレイ２０８は、一般に液晶プロジェクタで用いられているＰＳ変換素子と呼ばれるものと同様であり、ランプユニットから放射した光を、偏光ビームスプリッタを重ね合わせたアレイで、片側、たとえば図中の垂直方向に平行な偏光成分のみに変換するものである。すなわち、図中の垂直方向の偏光成分は偏光分離膜を通過させ、偏光分離膜で反射した図中水平偏光成分はとなりの偏光ビームスプリッタアレイの偏光分離膜で再度反射して光路をアレイのピッチ分だけシフトさせ、偏光変換素子アレイを出射する直前で半波長位相差板（図示せず）で偏光方向を９０度変換して図中の垂直方向の直線偏光として出射させる。こうして、偏光変換素子アレイ２０８を通過した光束はすべて図中の垂直方向の直線偏光となる。
【００４５】
偏光変換素子アレイ２０８を通過した光束は、第１シリンドリカルレンズ２０５に入射する。第１シリンドリカルレンズ２０５は、図中の水平方向においてのみ屈折力を有するもので、光束の進行方向にもう１つ配置されている第２シリンドリカルレンズ２１０と対になってビームコンプレッサを形成している。したがって、第１シリンドリカルレンズ２０５に入射する光束は、図中の水平方向においては圧縮され、基本的にはアフォーカル状態で光変調パネル２１２に導かれる。但し、本実施例においては、ビームコンプレッサに瞳ディストーション収差を所定量だけ意図的に持たせており、この瞳ディストーション収差によって光変調パネル２１２の変調面の光強度分布を均一または任意の分布に制御している。このビームコンプレッサによる瞳ディストーション収差の作用については、図５を用いて後述する。
【００４６】
第１シリンドリカルレンズ２０５を通過した光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９に入射し、上述したようにこのシリンドリカルコンデンサーレンズ２０９によって、シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９の焦線位置にある光変調パネル２１２の変調面に図中の垂直方向で重ね合わされてインテグレートされる。
【００４７】
シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９を通過した光束は、第２シリンドリカルレンズ２１０に入射する。上述したように、第２シリンドリカルレンズ２１０は図中の水平方向のみに屈折力を有するもので、第１シリンドリカルレンズ２０５と対になってビームコンプレッサを形成している。これにより、図中の水平方向において光束が圧縮され、アフォーカル状態で光変調パネル２１２に導かれる。
【００４８】
さらに、この第２シリンドリカルレンズ２１０によって、第１シリンドリカルレンズ２０５の瞳と光変調パネル２１２の変調面とが概ね光学的な共役関係（ビームコンプレッサに収差を意図的に持たせているために光学的共役関係は精度的に粗くなる）に配置されている。このため、第１シリンドリカルレンズ２０５の瞳は、図中の水平方向において光変調パネル２１２の変調面に結像される。
【００４９】
第２シリンドリカルレンズ２１０は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７の役割と同様に、ガス励起光源２００とパラボリック反射ミラー２０１からなるランプユニットから放射された光束のダイバージェンス分の光束広がりを修正して、第１シリンドリカルレンズ２０５の瞳を通過した光束を確実に光変調パネル２１２の変調面に導くために配置されている。
【００５０】
シリンドリカルレンズ２１０を通過した光束は、ダミー偏光ビームスプリッタ２１１に入射する。このダミーはダイクロイックプリズム又はミラーとしてもかまわない。但し、ダミーが偏光ビームスプリッタの場合でも、ダイクロイックプリズムの場合でも、光束の偏向方向は図中の水平方向に設定する。
【００５１】
以上のように、本実施例の照明光学系を通過した光束は、光変調パネル２１２に導かれる。本実施例の照明特性については後述する。
【００５２】
（オプティカルインテグレータについて）
次に、上記実施例１，２の照明光学系に用いられているオプティカルインテグレータについて、図３を用いて説明する。
【００５３】
図３中に配置されている各オプティクスにおいて、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６は実施例１では第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６に、実施例２では第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６に相当する。また、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７は、実施例１では第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０７に、実施例２では第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７に相当する。
【００５４】
さらに、シリンドリカルコンデンサーレンズ３０９は、実施例１ではシリンドリカルコンデンサーレンズ１０９に、実施例２ではシリンドリカルコンデンサーレンズ２０９に相当する。
【００５５】
これら、第１および第２シリンドリカルアレイホモジナイザーとシリンドリカルコンデンサーレンズによってオプティカルインテグレータが構成される。
【００５６】
なお、図３中の光変調パネル３１２は、実施例１では光変調パネル１１２に、実施例２では光変調パネル２１２に相当する。
【００５７】
第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６に導かれ、オプティカルインテグレート方向に略コリメートされた、図３に矢印で示す光束は、各シリンドリカルレンズの瞳によって図中の縦方向に分割され、各焦線上に集光する。第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の焦線の位置は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７の瞳位置の近傍にあり、矢印で示される入射光束が完全にコリメート光である理想的な光束である場合に、この光束が第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７によってほとんど屈折力を受けないように配されている。
【００５８】
第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７を通過した各光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ３０９に導かれる。各光束の光軸はシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の光軸からシフトしているため、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳によって分割された各光束の光軸はシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の焦線の位置にて集合することとなる。
【００５９】
また、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６とシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の主平面距離は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の焦点距離とシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の焦点距離の和の距離に設定されているので、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳によって分割された各光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ３０９を通過することで、図の断面方向に対して平行光となる。
【００６０】
また、平行光の幅は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の焦点距離に対するシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の焦点距離の比で拡大されるよう設定されている。
【００６１】
一方、光変調パネル３１２の光変調面は、シリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の焦線の位置に配置されている。これにより、光変調パネル３１２の変調面でオプティカルインテグレート操作が行われ、照明光学系に入射した光束は、入射時の光強度分布に関わらず、略均一な光強度分布に変換されて光変調パネル３１２の変調面に照射される。
【００６２】
次に、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７の機能について説明する。図３中に矢印で示される入射光束は完全にコリメートされたものではない。特に、レーザではなく、ガス励起発光の光源を用いている本実施例においては、励起発光領域は小さくても０．１ｍｍオーダーの有限領域を有しているため、コリメートレンズやパラボリック反射ミラーを用いても、完全なコリメートビームを得ることは不可能であり、上記入射光束にはダイバージェンス（発散角）が必ず含まれる。
【００６３】
このダイバージェンス誤差による光変調パネル３１２の照明領域の外形ボケを補正するために、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７が設けられている。
【００６４】
図３を用いて説明すると、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳で分割された光束は、その瞳の全域からダイバージェンス成分を有しているため、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳像を、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７とシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の再合成系によって、光変調パネル３１２の変調面に投影結像させている。
【００６５】
第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７の各シリンドリカルレンズの光入射側の焦線の位置は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳位置に設定されている。第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳で分割された光束のダイバージェンス成分は、図３中に細かい点線で示されており、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳で分割された光束は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７を通過することで図中の断面方向において平行光に変換され、さらにシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９によってこのシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の焦線面に集光する。
【００６６】
つまり、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各アレイの瞳像は、光変調パネル３１２の変調面にオプティカルインテグレートされた状態で重ね合わさって結像する。このことにより、光変調パネル３１２の変調面は、図３の断面方向において、エッジの鋭く立った光強度分布で照明される。
【００６７】
（シャッフリングプリズムについて）
次に、上記実施例１の照明光学系に組み込まれている、光強度変換オプティクスとしてのシャッフリングプリズムについて、図４を用いて説明する。
【００６８】
図４中に配されている各オプティクスについて、シャッフリングプリズム３０３は、実施例１のシャッフリングプリズム１０３に相当する。また、第１シリンドリカルレンズ３０５は実施例１の第１シリンドリカルレンズ１０５に相当し、第２シリンドリカルレンズ３１０は実施例１の第２シリンドリカルレンズ１１０に相当する。なお、光変調パネル３１２は、実施例１の光変調パネル１１２に相当する。
【００６９】
略コリメートされた、図４に矢印で示す光束の一部がシャッフリングプリズム３０３を通過する。シャッフリングプリズム３０３は、対向する各面が互いに平行となるように配置された構造を有し、平行平板の合成形態とみることができるものである。図４中に粗い点線は、紙面に対して垂直方向でシャッフリングプリズム３０３の上下を通過する光束を示しており、細かい点線はシャッフリングプリズム３０３の内部を通過する光束を示している。
【００７０】
シャッフリングプリズム３０３に入射した光束は、対向する平行面によって図４中の上下方向にシフトし、矢印で示されている入射光束の図４中の紙面断面方向において、中心から上側半分の光束は、上端の光束が中心に変位する。このようにシャッフリングプリズム３０３の厚みが設定されている。
【００７１】
すなわち、入射光束の上半分の光束はシフトして下半分の光束に、入射光束の下半分の光束はシフトして上半分の光束に入れ換えられたかたちで射出する。言い換えると、図中の矢印で示される入射光束は、シャッフリングプリズム３０３を通過する部分においてのみ、中央部と端部とが反転し、かつ図の紙面中において上下が反転した光束として射出する。
【００７２】
シャッフリングプリズム３０３から射出した光束は、第１シリンドリカルレンズ３０５に導かれる。この第１シリンドリカルレンズ３０５と次に配置されている第２シリンドリカルレンズ３１０とでアフォーカルな凸凸ペアのビームコンプレッサが形成されている。
【００７３】
ビームコンプレス倍率は、入射光束の幅が光変調パネル３１２の有効幅にほぼ一致するように設定されている。
【００７４】
第１シリンドリカルレンズ３０５と第２シリンドリカルレンズ３１０の主平面間隔は、第１シリンドリカルレンズ３０５の焦点距離と第２シリンドリカルレンズ３０５の焦点距離の和の距離に設定されている。このため、図４中の紙面断面において、略平行光として入射した光束は、コンプレス倍率の逆数分だけ角倍率が与えられた略平行光として射出され、光変調パネル３１２に照射される。
【００７５】
一方、第２シリンドリカルレンズ３１０はまた別の機能をも有している。図４中に矢印で示した入射光束は完全にコリメートされたものではない。特にレーザではなく、ガス励起発光の光源を用いている本実施例においては、励起発光領域は小さくても０．１ｍｍオーダーの有限領域を有しているため、コリメートレンズやパラボリック反射ミラーを用いても、完全なコリメートビームを得ることは不可能で、上記入射光束にはダイバージェンス（発散角）が必ず含まれる。
【００７６】
このダイバージェンス誤差による光変調パネル３１２の照明領域の外形ボケを補正する機能を第２シリンドリカルレンズ３１０は有している。
【００７７】
第１シリンドリカルレンズ３０５は、その瞳の全域からダイバージェンス成分を有した光束を通過させるため、この第１シリンドリカルレンズ３０５の瞳像を、第２シリンドリカルレンズ３１０によって、光変調パネル３１２の変調面に投影結像させている。
【００７８】
第２シリンドリカルレンズ３１０の光入射側の結像共役線の位置は第１シリンドリカルレンズ３０５の瞳位置に、第２シリンドリカルレンズ３１０の光射出側の結像共役線の位置は光変調パネル３１２の変調面に設定されている。第１シリンドリカルレンズ３０５の瞳光束のダイバージェンス成分は、図４中に細かい点線で示される光束であり、第１シリンドリカルレンズ３０５の瞳で分割された各光束は、第２シリンドリカルレンズ３１０を通過することで図４中の断面方向において光変調パネル３１２の変調面に集光することとなる。
【００７９】
つまり、第２シリンドリカルレンズ３１０の瞳像が、光変調パネル３１２の変調面に転送結像される。
【００８０】
ここで、光変調パネルが、このシャッフリングプリズムと図３で説明したオプティカルインテグレータとの組み合わせによって、どのような光強度分布で照明されるかを図６および図７を用いて説明する。
【００８１】
図６および図７には、実施例１の照明光学系による光変調パネル上での光強度分布の形成プロセスを示している。図６（ａ）および図７（ａ）は、ガス励起光源とパラボリック反射ミラーからなるランプユニットから放射された光束の断面プロファイルを示しており、図６（ａ）においては明るい部分ほど光強度が高いことを示している。また、図７（ａ）において、実線のグラフは図６（ａ）における縦（Ｙ）方向の中心（０ｍｍ）における横（Ｘ）方向断面での光強度分布を、点線のグラフは図６（ａ）における横（Ｘ）方向の中心（０ｍｍ）における縦（Ｙ）方向断面での光強度分布をそれぞれ示している。
【００８２】
図６（ａ）および図７（ａ）に示す光束の光強度分布は、シャッフリングプリズムと反射ミラーとによって、光束の中央部分においてその中心部と端部の分布が反転し、かつ左右の分布も反転されて、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示す光束の断面プロファイルに変換される。図６（ｂ）において横線で区切られた領域は、オプティカルインテグレータによって分割積分される領域であり、最終的に図６（ｃ）および図７（ｃ）に示す光変調パネルの変調面での光強度分布が得られる。
【００８３】
図６（ｃ）および図７（ｃ）から分かるように、光変調パネルの変調面に入射する照明光束の光強度分布は、強度が高く、かつほぼフラット（均一）な分布となっている。
【００８４】
ただし、当然のことながら、シャッフリングプリズムのオプティカルインテグレート方向での厚みや配置数や光束シフト移動量などを所定値に設計することによって、光変調パネルの変調面での光線密度分布は目的に合わせて変えることが可能である。したがって、光変調パネルの変調面に入射する照明光束の光強度分布は、光強度変換オプティクスの作用する方向に対して、意図的に所定の分布を持たせることができる。
【００８５】
次に、上記実施例２の照明光学系に組み込まれている光強度分布を変換するオプティクスについて、図５を用いて説明する。
【００８６】
図５中の各オプティクスにおいて、第１シリンドリカルレンズ４０５は実施例２の第１シリンドリカルレンズ２０５に相当し、第２シリンドリカルレンズ４１０は実施例２の第２シリンドリカルレンズ２１０に相当する。なお、光変調パネル４１２は実施例２の光変調パネル２１２に相当する。
【００８７】
略コリメートされた、図５に矢印で示す光束は第１シリンドリカルレンズ４０５に入射する。この第１シリンドリカルレンズ４０５と次に配されている第２シリンドリカルレンズ４１０とで、アフォーカルな凸凸ペアのビームコンプレッサが形成されており、ビームコンプレス倍率は入射光束の幅が光変調パネル４１２の有効幅にほぼ一致するように設定されている。
【００８８】
第１シリンドリカルレンズ４０５と第２シリンドリカルレンズ４１０の主平面間隔は、第１シリンドリカルレンズ４０５の焦点距離と第２シリンドリカルレンズ４０５の焦点距離の和の距離に設定されている。このため、図５中の紙面断面において、略平行光として入射した光束はコンプレス倍率の逆数分だけ角倍率が与えられた略平行光で射出し、光変調パネル４１２に照射される。
【００８９】
一方、第２シリンドリカルレンズ４１０はまた別の機能をも有している。図５中に矢印で示した入射光束は完全にコリメートされたものではない。特にレーザではなく、ガス励起発光の光源を用いている本実施例においては、励起発光領域は小さくても０．１ｍｍオーダーの有限領域を有しているため、コリメートレンズやパラボリック反射ミラーを用いても、完全なコリメートビームを得ることは不可能で、上記入射光束にはダイバージェンス（発散角）が必ず含まれる。
【００９０】
このダイバージェンス誤差による光変調パネル４１２の照明領域の外形ボケを補正する機能を第２シリンドリカルレンズ４１０は有する。
【００９１】
第１シリンドリカルレンズ４０５は、その瞳の全域からダイバージェンス成分を有している光束を通過させるため、この第１シリンドリカルレンズ４０５の瞳像を第２シリンドリカルレンズ４１０によって、光変調パネル４１２の変調面に投影結像させている。
【００９２】
第２シリンドリカルレンズ４１０の光入射側の結像共役線の位置は第１シリンドリカルレンズ４０５の瞳位置に、第２シリンドリカルレンズ４１０の光射出側の結像共役線の位置は光変調パネル４１２の変調面に設定されている。第１シリンドリカルレンズ４０５の瞳光束のダイバージェンス成分は、図５中に細かい点線で示され、第１シリンドリカルレンズ４０５の瞳で分割された各光束は第２シリンドリカルレンズ４１０を通過することで図中断面方向において光変調パネル４１２の変調面に集光する。つまり、第２シリンドリカルレンズ４１０の瞳像が光変調パネル４１２の変調面に転送結像される。
【００９３】
さらに、第１シリンドリカルレンズ４０５と第２シリンドリカルレンズ４１０で構成されるビームコンプレッサは、アフォーカル光学系であり、このビームコンプレッサによる瞳転送の収差として、アフォーカルでの球面収差とも称される、瞳ディストーション収差が意図的に付与されている。第１シリンドリカルレンズ４０５と第２シリンドリカルレンズ４１０のシリンドリカル面の曲率は小さく、光軸からずれるにつれて収差が付与されるように設計されている。図５中に粗い点線で示すように、光軸近傍の光線は、第２シリンドリカルレンズ４１０を通過した後、図５の紙面断面において、若干の発散光束に変換される。
【００９４】
一方、光軸から離れた瞳外側の光線は、第２シリンドリカルレンズ４１０を通過した後、図５の紙面断面において、若干の収束光束に変換されている。このように発散収束の変化が滑らかに連続的に付与されているため、図５の紙面断面における光変調パネル４１２の変調面において、中央部の光線密度が薄くなり、端部の光線密度が濃くなり、光変調パネル４１２の変調面を照明する光強度分布は、ガス励起光源とパラボリック反射ミラーからなるランプユニットからの矢印で示される入射光束の光強度分布に、上述した光線密度分布がかけ合わされた分布となる。
【００９５】
ここで、光変調パネルが、この光強度変換オプティクスと図３で説明したオプティカルインテグレータとの組み合わせによって、どのような光強度分布で照明されるかを図８および図９を用いて説明する。
【００９６】
図８および図９には、実施例２の照明光学系による光変調パネル上での光強度分布の形成プロセスを示している。図８（ａ）および図９（ａ）は、ガス励起光源とパラボリック反射ミラーからなるランプユニットから放射された光束の断面プロファイルを示しており、図８（ａ）においては明るい部分ほど光強度が高いことを示している。また、図９（ａ）において、実線のグラフは図８（ａ）における縦（Ｙ）方向の中心（０ｍｍ）における横（Ｘ）方向断面での光強度分布を、点線のグラフは図８（ａ）における横（Ｘ）方向の中心（０ｍｍ）における縦（Ｙ）方向断面での光強度分布をそれぞれ示している。
【００９７】
図８（ａ）および図９（ａ）に示す光束の光強度分布は、図８（ａ）にて横線で区切られた領域ごとにオプティカルインテグレータによって分割積分され、図８（ｂ）に示す、上述したビームコンプレッサーの瞳ディストーション収差による光変調パネルの変調面での光線密度分布が、光強度変換オプティクスの方向にかけ合わされて、図８（ｃ）および図９（ｃ）に示す光変調パネルの変調面での光強度分布が得られる。
【００９８】
図８（ｃ）および図９（ｃ）から分かるように、光変調パネルの変調面に入射する照明光束の光強度分布は、強度が高く、かつほぼフラット（均一）な分布となっている。
【００９９】
ただし、当然のことながら、ビームコンプレッサの瞳ディストーション収差を所定値に設計することによって、光変調パネルの変調面での光線密度分布は目的に合わせてかえることが可能である。したがって、光変調パネルの変調面に入射する照明光束の光強度分布は、光強度変換オプティクスの作用する方向に対して、意図的に所定の分布を持たせることができるものである。
【０１００】
次に、以上説明してきた照明光学系によって得られる特性について、図１０および図１１を用いて説明する。
【０１０１】
図１１は、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによりオプティカルインテグレート操作された照明光束の光変調パネルの変調面等の被照明面への光線入射角度分布を示している。図１１（ａ）において、外周が方位角３６０度方向で、放射軸が被照明面の法線（垂直入射軸）に対する仰角を示している。この図の場合、外周が２０度の仰角で示されている。また、図１１（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、図１１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面およびＣ−Ｃ断面での光強度分布を示している。
【０１０２】
一方、図１０は本実施例の照明光学系によって得られる照明光束の光変調パネルの変調面等の被照明面への光線入射角度分布を示している。図１０（ａ）において、外周が方位角３６０度方向で、放射軸が被照明面のへの光線入射角度分布を示している。この図の場合、外周が２０度ごとの仰角で示されている。また、図１０（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、図１０（ａ）におけるＢ−Ｂ断面およびＣ−Ｃ断面での光強度分布を示している。
【０１０３】
図１０（ａ）と図１１（ａ）との比較から分かるように、被照明面に対して照射される光束は、被照明面において略均一な光強度分布が両者共に得られるが、光束の入射角度特性においては大きな違いが生じる。
【０１０４】
すなわち、図１１（ａ）に示すように、２次元フライアイレンズアレイのペアによりオプティカルインテグレート操作された照明光束は、被照明面に対して方位角的に２軸対称な光線分布となる。
【０１０５】
これに対し、本実施例の場合、図１０（ａ）に示すように、図中の縦方向のオプティカルインテグレート方向（Ｂ−Ｂ方向）においては同様の仰角を有するが、光強度変換オプティクスの作用する方向（Ｃ−Ｃ方向）においては、オプティカルインテグレートによる光束の重ね合わせ操作を伴わないため、ランプユニットから放射された光束のダイバージェンス角度に対して、ビームコンプレッサのコンプレス倍率による角倍率に依存する仰角を有することとなる。したがって、被照明面へ光線入射角度は、光強度変換オプティクスの作用する方向において非常に小さく抑えることが可能となる。
【０１０６】
具体的には、被照明面の法線方向に対する入射光線の偏差角によって変化する照明光の被照明面での強度分布において、被照明面における互いに直交する２軸（Ｂ−Ｂ軸およびＣ−Ｃ軸）方向のそれぞれでピーク値Ｐの半値（１／２Ｐ）となる角度幅の比α：βが、２：１以上のアスペクト比を有する照明方法を用いているものである。
【０１０７】
より詳細には、Ｂ−Ｂ軸におけるピーク値の半値となる角度幅が、Ｃ−Ｃ軸におけるピーク値の半値となる角度幅の２倍以上である。また、Ｂ−Ｂ軸方向におけるピーク値の半値となる角度幅の最大値が、Ｃ−Ｃ軸方向におけるピーク値の半値となる角度幅の最大値の２倍以上であるようにしてもよい。
【０１０８】
以下、このような特性によって、この照明光学系を用いた投射型画像表示装置の性能がどのような影響（利点）を受けるかについて説明する。
【実施例３】
【０１０９】
図１２には、本発明の実施例３である投射型画像表示装置の全光学系を示している。
【０１１０】
この図において、１は上記実施例１，２で説明した照明光学系を模式的に示したものである。なお、照明光学系１内の左側の図は、右側に示した照明光学系１を矢印Ｄ方向から見た図である。
【０１１１】
２は反射型液晶変調パネル（以下、液晶変調パネルという）である。３は光変調パネルドライバであり、不図示のパーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置からの外部ビデオ入力信号を液晶変調パネル２を駆動する駆動信号に変換する。液晶変調パネル２は入力された駆動信号に応じた原画を液晶により形成し、液晶変調パネル２に入射した照明光束を変調する。
【０１１２】
１０は偏光ビームスプリッタであり、照明光学系１からの照明光であって、図の紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光を偏光分離面で反射（Ｓ偏光を反射）し、液晶変調パネル２に導く。
【０１１３】
液晶変調パネル２に入射した照明光（図の紙面に垂直な方向の直線偏光）は、液晶変調パネル２に配列された画素の変調状態に応じて偏光の位相差が付与され、図の紙面に水平な方向の成分は偏光ビームスプリッタ１０の偏光分離面をＰ偏光で通過し、紙面に垂直な方向の成分は偏光ビームスプリッタ１０の偏光分離面をＳ偏光で反射して照明光学系１の方向へ戻る。
【０１１４】
偏光ビームスプリッタ１０の偏光分離面をＰ偏光で通過した成分は、そのまま投射レンズ４の入射瞳によって捕らえられる。液晶変調パネル２の変調面と光拡散スクリーン５の拡散面とが投射レンズ４によって光学的に共役に関係付けられているため、液晶変調パネル２の変調面に形成された原画の像（ビデオ信号に対応した画像）が光拡散スクリーン５に投射表示される。
【０１１５】
ここで、偏光ビームスプリッタ１０は、マックニール型の一般的に用いる偏光ビームスプリッタであり、ブリュースター角を用いたＳ偏光とＰ偏光の偏光分離面を有する。この偏光ビームスプリッタ１０では、光線の入射角の、偏光分離面に対して４５度からの偏差量が増大していくと、急激にＳ偏光とＰ偏光の分離精度が劣化する。実際にＳ偏光とＰ偏光の分離精度が５０対１程度に保てるのは、４５度からの偏差量が±３度程度である。
【０１１６】
このため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを照明光学系に用いると、図１１（ａ）に示したような入射角度分布の光束が偏光ビームスプリッタ１０に入射するため、光線の入射角が偏光分離面に対して４５度からの偏差量が±３度以上になる光束のうちＰ偏光がある比率で反射し、Ｓ偏光がある比率で透過するという不具合が発生する。
【０１１７】
したがって、液晶変調パネル２に配列された画素の変調状態に応じて偏光の位相差が付与されるが、スクリーンで黒の表示をするために図１２の紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光（変調光）を液晶変調パネル２が射出しても、偏光ビームスプリッタ１０の偏光分離面に対して４５度から３度以上傾いた光束においては、Ｓ偏光がある比率で透過してしまい、投射レンズ４を介して光拡散スクリーン５に転送されてしまい、黒がグレーとなって、照度コントラストが劣化してしまう。
【０１１８】
液晶変調パネル２の偏光変調特性に関しても、液晶変調パネル２としてツイステッドネマティック液晶を用いている場合には、液晶変調パネル２に方位角が斜め４５度方向から入射する光に対して偏光位相差変調を精度良くできないという特性を根本的に有しているため、略軸対称な方位角から照明を行う従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータの場合には、液晶の偏光変調が不充分となり、上記偏光ビームスプリッタ１０の入射角依存特性の場合と同様に、黒がグレーの表示となり、照度コントラストが劣化してしまう。
【０１１９】
これに対し、本実施例の投射型画像表示装置では、実施例１，２の照明光学系１を用いることにより、図１０（ａ）に示したような入射角度分布の光束が得られるため、偏光ビームスプリッタ１０への入射においては、光線入射角が偏光分離面に対して４５度からの偏差量が±３〜４度以内程度に収まるため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いた場合に生ずる、偏光分離が液晶変調パネルの画素の変調状態に対応しない偏光分離エラーによる照度コントラストの劣化がほとんど解消される。
【０１２０】
また、液晶変調パネル２に関しても、液晶の偏光変調が不充分となる方位角からの照明光束成分がほぼ皆無となるため、上記偏光ビームスプリッタ１０の入射角依存特性の場合と同様に、照度コントラストの劣化がほとんど解消される。
【実施例４】
【０１２１】
図１３には、本発明の実施例４である投射型画像表示装置の全光学系を示している。
【０１２２】
この図において、１は上記実施例１，２で説明した照明光学系を模式的に示したものである。なお、照明光学系１内の左側の図は、右側に示した照明光学系１を矢印Ｄ方向から見た図である。なお、本実施例では、偏光変換素子アレイ１０８，２０８を照明光学系１に含んでいる必要はない。
２Ｍはミラーアレイ光偏向変調パネル（以下、ミラー変調パネルという）である。３は光変調パネルドライバであり、不図示のパーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置からの外部ビデオ入力信号をミラー変調パネル２Ｍを駆動する駆動信号に変換する。ミラー変調パネル２Ｍは入力された駆動信号に応じて各マイクロミラー画素を偏向駆動し、ミラー変調パネル２Ｍに入射した照明光束を偏向変調する。
【０１２３】
１１は全反射チルトプリズムであり、照明光学系１からの照明光を全反射面を介して反射し、ミラー変調パネル２Ｍをその法線に対して斜めから照明する。このときミラー変調パネル２Ｍ内に配されているマイクロミラー画素は、ミラー変調パネル２Ｍの法線と照明光の光軸とを含む面内で偏向する。
【０１２４】
ミラー変調パネル２Ｍに入射した照明光は、ミラー変調パネル２Ｍの各マイクロミラー画素の変調状態に応じて反射方向が制御され、黒変調時には投射レンズ４の瞳領域以外に反射光を導くように偏向変調され、白変調時には投射レンズ４の瞳領域内に反射光を導くように偏向変調される。また、白変調時には、全反射チルトプリズム１１の全反射面に対して入射角が垂直方向に偏向されているため、全反射面を通過し、エアーギャップを介して配置された光路長補正のプリズム１２を通過して、そのまま投射レンズ４の入射瞳によって捕らえられる。
【０１２５】
ミラー変調パネル２Ｍの変調面と光拡散スクリーン５の拡散面とが投射レンズ４によって光学的に共役に関係付けられているため、変調光は光拡散スクリーン５に投射されて、ビデオ信号に対応した画像が光拡散スクリーン５に表示される。
【０１２６】
ここで、全反射チルトプリズム１１の全反射面は、照明光束の収束角が小さいほど、ミラー変調パネル２Ｍに対して垂直に近い光束で照明することが可能となる。また、照明光束の収束角が小さいほど、ミラー変調パネル２Ｍのマイクロミラー画素の偏向角度を小さくして変調が可能となるため、デバイス的にも、光学系全体の配置制限や、大きさ的にもラチチュードが広く設計できる。このため、装置自体を低コストで製造することができる。
【０１２７】
したがって、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを照明光学系に用いると、図１１（ａ）に示したような入射角度分布の光束が照明収束角となるために上記のメリットが得られにくい。
【０１２８】
これに対し、実施例１，２の照明光学系１を用いることによって、図１０（ａ）に示したような入射角度分布の光束が得られるため、上記メリットを得ることができる。
【実施例５】
【０１２９】
図１４には、本発明の実施例５である投射型画像表示装置の全光学系を示している。
【０１３０】
この図において、１は上記実施例１，２で説明した照明光学系を模式的に示したものである。なお、照明光学系１内の左側の図は、右側に示した照明光学系１を矢印Ｄ方向から見た図である。
【０１３１】
２Ｒ，２Ｇ，２Ｂはそれぞれ、レッド用、グリーン用およびブルー用の透過型液晶変調パネル（以下、液晶変調パネルという）である。３は光変調パネルドライバであり、不図示のパーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置からの外部ビデオ入力信号を液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを駆動するための駆動信号に変換する。液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは入力された駆動信号に応じた原画を液晶により形成し、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに入射した照明光束を変調する。
【０１３２】
２０は照明光学系１からの図の紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光としての照明光のうち、レッド色光成分を反射し、シアン色光成分を透過するレッド分離ダイクロイックミラーである。レッド分離ダイクロイックミラー２０によって反射されたレッド色光成分は、ミラー２２によってレッド用液晶変調パネル２Ｒに導かれる。
【０１３３】
一方、レッド分離ダイクロイックミラー２０を透過したシアン色光成分のうちイエロー光成分であるグリーン色光成分は、イエロー分離ダイクロイックミラー２１によって反射され、グリーン用液晶変調パネル２Ｇに導かれる。
【０１３４】
そして、イエロー分離ダイクロイックミラー２１を透過したブルー色光成分は、２つのミラー２３，２４によってブルー用液晶変調パネル２Ｂに導かれる。なお、グリーン分離ダイクロイックミラー２１を透過したブルー色光成分の光路には、光路長を延長するために、フーリエ変換レンズ２５，２６によるキャッツアイ光学系で瞳をブルー用液晶変調パネル２Ｂに転送するように構成されている。
【０１３５】
こうして各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは、対応する色光成分で照明される。
【０１３６】
各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに入射した各色照明光（図の紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光）は、各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに配列された画素の変調状態に応じて偏光の位相差が付与される。
【０１３７】
各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂから射出した変調光は、色合成プリズムとしてのクロスダイクロイックプリズム１３の各色光成分の入射面に貼りつけられた検光子（図示せず）に入射する。ここでは、図の紙面に垂直な方向に偏光した変調光成分は検光子を透過し、紙面の水平方向に偏光した変調光成分は検光子に吸収されて熱として消失する。
【０１３８】
そして、各検光子を透過した各色変調光成分（図の紙面に対して垂直な方向に偏光した変調光成分）はクロスダイクロイックプリズム１３に入射する。
【０１３９】
クロスダイクロイックプリズム１３はＳ偏光に対して、レッド色光を反射し、グリーン色およびブルー色光を透過するレッド反射ダイクロイック膜とブルー色光を反射してグリーン色とレッド色光を透過するブルー反射ダイクロイック膜とをクロス状に配したものである。
【０１４０】
このクロスダイクロイックプリズム１３を用いることによって、レッド色の画像光（変調光）はレッド反射用ダイクロイック膜で反射して投射レンズ４の方向に向かい、ブルー色の画像光はブルー反射用ダイクロイック膜で反射して投射レンズ４の方向に向かう。また、グリーン色の画像光は、両ダイクロイック膜を透過して投射レンズ４の方向に向かう。
【０１４１】
なお、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは、各パネルの所定の画素が相対的に精度良く光拡散スクリーン５上で重なるように調整又はメカ的若しくは電気的に補償されている。
【０１４２】
クロスダイクロイックプリズム１３によって合成された各色光成分は、投射レンズ４の入射瞳によって捕らえられる。各液晶変調パネル２Ｇの変調面と光拡散スクリーン５の拡散面とは、投射レンズ４によって光学的に共役に関係付けられている。このため、クロスダイクロイックプリズム１３によって合成された各色光成分は光拡散スクリーン５に転送され、これによりビデオ信号に対応する画像が光拡散スクリーン５に投射表示される。
【０１４３】
なお、色合成プリズムとしては、上述したクロスダイクロイックプリズム１３以外に、３Ｐ（ピース）プリズムや４Ｐプリズムを用いてもかまわない。
【０１４４】
ここで、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを照明する側に用いられているダイクロイックミラー２０，２１や、変調光を色合成するクロスダイクロイックプリズム１３内に配されているダイクロイック膜は、光線の入射角の、ダイクロイック膜に対して４５度からの偏差量が増大していくと、分離波長が鈍角側では短波長側に、鋭角側では長波長側にシフトする特性を持っている。
【０１４５】
このため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアーによるオプティカルインテグレータを照明光学系に用いると、図１１（ａ）に示したような入射角度分布の光束がダイクロイック膜に入射するため、光線の入射角がダイクロイック膜に対して４５度からずれるに従い、波長帯域が異なる光束が混在することとなる。この場合、ランプユニットが黒体輻射のようななだらかな放射エネルギー波長分布特性を有しているのであれば、ダイクロイック膜に入射する角度が４５度を中心に対称となるため、平均カット波長は変化しないこととなるが、ガス励起発光を用いた電子励起放射のランプユニットを用いる場合は、放射エネルギー波長分布として輝線が主体となる波長スペクトル分布を有するため、平均カット波長は重心で変化することとなる。
【０１４６】
したがって、ダイクロイック膜による色合成が適切に行われず、投射画像の色再現性が不自然となる。
【０１４７】
また、透過型液晶変調素子である液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの偏光変調特性に関しても、液晶変調素子としてツイステッドネマティック液晶を用いている場合には、透過型液晶の方位角が斜め４５度方向から入射する光に対して、偏光位相差変調の精度を良くすることができない特性を根本的に有しているため、略軸対称な方位角から照明を行う従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いる場合には、液晶の偏光変調が不充分となる。これにより、黒がグレーの表示となり、照度コントラストが劣化する。
【０１４８】
これに対して、上記実施例１，２の照明光学系１を用いることによって、図１０（ａ）に示したような入射角度分布の光束が得られ、ダイクロイック膜への入射においては、光線入射角のダイクロイック膜に対して４５度からの偏差量が±３〜４度以内程度に収まるため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いた場合に生ずる、ダイクロイック膜の平均カット波長が重心で変化することによる不適切な色合成がほとんど解消される。
【０１４９】
また、各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの偏光変調特性に関しても、液晶の偏光変調が不充分となる方位角からの照明光束成分がほぼ皆無となるため、照度コントラストの劣化がほとんど解消される。
【実施例６】
【０１５０】
図１５には、本発明の実施例６である投射型画像表示装置の全光学系を示している。
【０１５１】
この図において、１は上記実施例１，２で説明した照明光学系を模式的に示したものである。なお、照明光学系１内の左側の図は、右側に示した照明光学系１を矢印Ｄ方向から見た図である。
【０１５２】
２Ｒ，２Ｇ，２Ｂはそれぞれ、レッド用、グリーン用およびブルー用の反射型液晶変調パネル（以下、液晶変調パネルという）である。３は光変調パネルドライバであり、不図示のパーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置からの外部ビデオ入力信号を液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを駆動するための駆動信号に変換する。液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは入力された駆動信号に応じた原画を液晶により形成し、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに入射した照明光束を反射するとともに変調する。
【０１５３】
照明光学系１からの図の紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光としての照明光は、マゼンタ色光成分を反射し、グリーン色光成分を透過するマゼンタ分離ダイクロイックミラー３０によってまずマゼンタ色光成分が反射される。
【０１５４】
反射されたマゼンタ色光成分は、ブルー色光の偏光にπの位相差を与えるブルークロスカラー偏光子３４に入射する。これにより、図の紙面に平行な方向に偏光した直線偏光であるブルー色光成分と、紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光であるレッド色光成分とが生成される。
【０１５５】
これらブルー色光成分とレッド色光成分は、偏光ビームスプリッタ３３に入射し、Ｐ偏光であるブルー色光成分は偏光分離膜を透過してブルー用液晶変調パネル２Ｂに導かれる。また、Ｓ偏光であるレッド色光成分は偏光分離膜で反射してレッド用液晶変調パネル２Ｒに導かれる。
【０１５６】
一方、マゼンタ分離ダイクロイックミラー３０を透過したグリーン色光成分は、光路長を補正するためのダミーガラス３６を通過して偏光ビームスプリッタ３１に入射する。
【０１５７】
偏光ビームスプリッタ３１に入射したＳ偏光であるグリーン色光成分は、偏光ビームスプリッタ３１の偏光分離膜で反射して、グリーン用液晶変調パネル２Ｇに導かれる。
【０１５８】
こうして各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは、対応する色光成分で照明される。
【０１５９】
各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに入射した各色照明光（図の紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光）は、各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに配列された画素の変調状態に応じて偏光の位相差が付与される。
【０１６０】
各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂから射出した変調光のうち照明光と同じ方向の偏光成分は、照明光路とは逆の順番で光路を辿ってランプユニット側に戻り、照明光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する成分に関しては以下のようにして投射レンズ４に至る。
【０１６１】
すなわち、レッド用液晶変調パネル２Ｒによる変調光は、偏光方向が図の紙面に平行なＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタ３３の偏光分離膜を透過する。次に、レッド色の偏光にπの位相差を与えるレッドクロスカラー偏光子３５を通過して、図の紙面に垂直な方向に偏光している直線偏光としてのレッド色光成分に変換される。
【０１６２】
そして、Ｓ偏光となったレッド色光成分は、偏光ビームスプリッタ３２に入射し、偏光分離膜で反射して投射レンズ４に向かう。
【０１６３】
また、ブルー用液晶変調パネル２Ｂによる変調光は、偏光方向が図の紙面に垂直なＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ３３の偏光分離膜で反射して、レッドクロスカラー偏光子３５をこの偏光子３５の作用を受けずに透過して、偏光ビームスプリッタ３２に入射する。
【０１６４】
Ｓ偏光であるブルー色光成分は、偏光ビームスプリッタ３２の偏光分離膜で反射して、投射レンズ４の方向に向かう。
【０１６５】
さらに、グリーン用液晶変調パネル２Ｇによる変調光は、偏光方向が図の紙面に平行なＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタ３１の偏光分離膜を透過して、光路長を補正するためのダミーガラス３７を透過し、偏光ビームスプリッタ３２に入射する。Ｐ偏光であるグリーン色光成分は、偏光ビームスプリッタ３２の偏光分離膜を透過して、投射レンズ４の方向に向かう。
【０１６６】
なお、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは、各パネルの所定の画素が相対的に精度良く光拡散スクリーン５上で重なるように調整又はメカ的若しくは電気的に補償されている。
【０１６７】
偏光ビームスプリッタ３２によって合成された各色光成分は、投射レンズ４の入射瞳によって捕らえられる。各液晶変調パネル２Ｇの変調面と光拡散スクリーン５の拡散面とは、投射レンズ４によって光学的に共役に関係付けられている。このため、偏光ビームスプリッタ３２によって合成された各色光成分は、光拡散スクリーン５に転送され、これによりビデオ信号に対応する画像が光拡散スクリーン５に投射表示される。
【０１６８】
ここで、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを照明する光路に用いられているダイクロイックミラー３０のダイクロイック膜は、光線の入射角のダイクロイック膜に対して４５度からの偏差量が増大していくと、分離波長が鈍角側では短波長側に、鋭角側では長波長側にシフトする特性を持っている。
【０１６９】
このため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアーによるオプティカルインテグレータを照明光学系に用いると、図１１（ａ）に示したような入射角度分布の光束がダイクロイック膜に入射するため、光線入射角がダイクロイック膜に対して４５度からずれるに従い、波長帯域が異なった光束が混在することとなる。
【０１７０】
ここで、光源であるランプユニットが黒体輻射のようななだらかな放射エネルギー波長分布特性を有しているのであれば、ダイクロイック膜に入射する角度が４５度に対して対称となるため、平均カット波長は変化しない。しかし、本実施例のように、ガス励起発光を用いた電子励起放射のランプユニットにおいては、放射エネルギー波長分布は、輝線が主体となる波長スペクトル分布を有するため、平均カット波長は重心で変化することとなる。したがって、ダイクロイック膜による色分離が不適切となって、投射画像の色再現性が不自然となる不具合が生じてしまう。
【０１７１】
また、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを照明する光路や、色合成光路に用いられている偏光ビームスプリッタ３１，３２，３３は、マックニール型の一般的な偏光ビームスプリッタであり、ブリュースター角を用いたＳ偏光とＰ偏光の偏光分離面を有するため、光線入射角の偏光分離面に対して４５度からの偏差量が増大していくと、急激にＳ偏光とＰ偏光の分離精度が劣化する。
【０１７２】
実際に、Ｓ偏光とＰ偏光の分離精度が５０対１程度に保てるのは、４５度からの偏差量が±３度程度である。このため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いると、図１１（ａ）に示したような入射角度分布の光束が偏光ビームスプリッタ３１，３２に入射し、また、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂでそれぞれ反射偏光変調を受けてから偏光ビームスプリッタ３１，３２，３３に入射するため、光線入射角の偏光分離面に対して４５度からの偏差量が±３度以上になる光束のうちＰ偏光がある比率で反射し、Ｓ偏光がある比率で透過するという不具合が発生する。
【０１７３】
したがって、反射型液晶表示素子からなる各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに入射した照明光は、各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに配列された画素の変調状態に応じて偏光の位相差が付与されるが、各色で黒の表示をするために位相差を変化させない光を各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂが変調しても、偏光ビームスプリッタ３１〜３３の偏光分離面に対して４５度から３度以上傾いた光束においては、Ｓ偏光がある比率で透過し、かつＰ偏光がある比率で反射して、投射レンズ４を介して光拡散スクリーン５に転送されてしまい、黒がグレーとなって照度コントラストが劣化する。
【０１７４】
また、各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの偏光変調特性に関しても、液晶変調パネルとしてツイステッドネマティック液晶を用いている場合には、反射型液晶変調パネルの方位角が斜め４５度方向から照明入射される光に対して、偏光位相差変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂが精度良く変調できないという特性を根本的に有しているため、略軸対称な方位角から照明を行う従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いる場合には、液晶の偏光変調が不充分となり、上記偏光ビームスプリッタ３１〜３３の入射角依存特性の場合と同様に、黒がグレーの表示となり、照度コントラストが劣化する。
【０１７５】
これらの不具合に対して、本実施例の照明光学系１を用いることによって、図１０（ａ）に示したような入射角度分布の光束が得られるため、ダイクロイックミラー３０への入射においては、光線入射角のダイクロイック膜に対して４５度からの偏差量が±３〜４度以内程度に収まるため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いた場合に生ずる、ダイクロイック膜による色分離において、平均カット波長が重心で変化することによる不適切な色合成がなされ、投射画像の色再現性が不自然となることがほとんど解消される。
【０１７６】
また、偏光ビームスプリッタ３１〜３３への入射においては、光線入射角の偏光分離面に対して４５度からの偏差量が±３〜４度以内程度に収まるため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いた場合に生ずる、液晶変調パネルに配された画素の変調状態に応じない偏光波分離エラーによる照度コントラストの劣化がほとんど解消される。
【０１７７】
また、反射型液晶変調パネルの入射角に依存する偏光位相差変調の不具合に関しても、液晶の偏光変調が不充分となる方位角からの照明光束成分がほぼ皆無となるため、照度コントラストの劣化がほとんど解消される。
【０１７８】
また、上記各実施例の投射型画像表示装置においては、投射レンズ４に関しての利点も生ずる。すなわち、液晶変調パネルの長辺方向に偏光分離方向を設定したり、波長分離方向を設定したりすることで、投射レンズ４の投射画角が大きくなる方向に、図１０（ａ）に示した横方向の照明角度分布が狭い方向を設定することが可能となるため、投射レンズ４のビネッテイングと呼ばれる開口喰が発生する方向に通過する光束の幅が狭くなる。つまり、投射レンズ４の瞳開口喰による光束のけられを軽減する効果があり、光拡散スクリーン５に投影した画像領域の端部における光量減少を防止して、均一な光強度分布の投射画像を得ることができる。
【０１７９】
なお、上記実施例４〜６では、反射型のスクリーンを用いて画像表示システムを構成したが、スクリーンは反射型であっても透過型であってもよい。特に、所定の拡散性を有するものを用いれば、スクリーン５を直視して画像を認識する投射型画像表示装置として機能するものである。
【０１８０】
さらに、以上説明した各実施例は、以下に示す各発明を実施した場合の例でもあり、下記の各発明は上記各実施例に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【０１８１】
〔発明１〕 概ねテレセントリックな照明光束で被照明面を照明する照明光学系であって、前記被照明面の法線方向に対する入射光線の偏差角によって変化する照明光の前記被照明面での強度分布において、前記被照明面における第１の軸方向におけるピーク値の半値となる角度幅（の最大値）が、前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向におけるピーク値の半値となる角度幅（の最大値）の２倍以上であることを特徴とする照明光学系。
【０１８２】
〔発明２〕 概ね平行光束として入射した照明光束を光学的に操作する照明光学系であって、前記照明光束の進行方向に略直交する断面上での第１の軸方向について、光束の分割および再合成操作を行うオプティカルインテグレータと、前記断面上での前記第１の軸方向に対して直交する第２の軸方向について、光強度分布の変換操作を行う光強度変換手段とを有することを特徴とする照明光学系。
【０１８３】
〔発明３〕 前記照明光束は、有限外形を有し、かつ略ガウシアンプロファイル強度分布を有することを特徴とする発明２に記載の照明光学系。
【０１８４】
〔発明４〕 前記照明光束の進行方向に略直交する断面の外形が略矩形である光束を生成し、この略矩形の領域において略均一な光強度分布を生成することを特徴とする発明２に記載の照明光学系。
【０１８５】
〔発明５〕 前記照明光束の進行方向に略直交する断面の外形が略矩形である光束を生成し、この略矩形の領域において前記光強度変換手段によって光強度分布に滑らかな変化を持たせることを特徴とする発明２に記載の照明光学系。
【０１８６】
〔発明６〕 前記光強度変換手段によって得られる光強度分布が、前記略矩形の領域の中心から離れるに従って光強度が高くなる分布を持つことを特徴とする発明５に記載の照明光学系。
【０１８７】
〔発明７〕 前記略矩形の領域の中心から離れるに従って光強度が高くなる分布が、この照明光学系から射出した光束を被投射面に投射する投射レンズの開口喰による光転送効率の減衰を補正する分布であることを特徴とする発明６に記載の照明光学系。
【０１８８】
〔発明８〕 前記オプティカルインテグレータによるインテグレート方向の光路中に、光束を所定の偏光方向を有する直線偏光に変換する偏光変換素子が設けられていることを特徴とする発明２に記載の照明光学系。
【０１８９】
〔発明９〕 前記光強度変換手段は、入射した光束の一部に対して中央と端部とを反転するシャッフリング操作を行うことを特徴とする発明２に記載の照明光学系。
【０１９０】
〔発明１０〕 前記光強度変換手段は、入射した光束の所定の一次元方向に対して瞳にディストーション収差を付与するアフォーカル光学系であることを特徴とする発明２に記載の照明光学系。
【０１９１】
〔発明１１〕 発明１に記載の照明光学系と、この照明光学系から射出した光束を、２次元配列された画素群により変調する空間光変調素子と、この空間光変調素子により変調された光束を被投射面に投射する投射レンズとを有することを特徴とする投射表示光学系。
【０１９２】
〔発明１２〕 前記空間光変調素子がマイクロミラーアレイデバイス又は反射型液晶変調素子であることを特徴とする発明１１に記載の投射表示光学系。
【０１９３】
〔発明１３〕 前記空間光変調素子が反射型液晶変調素子であり、前記照明光学系から前記反射型液晶変調素子までの光路中に少なくとも１つの偏光分離手段が配置されており、この偏光分離手段による分離面内方向に対して垂直な方向が、前記被照明面における互いに直交する２軸方向のうち前記光強度分布のピーク値の半値となる角度幅が大きい方向に一致していることを特徴とする発明１１に記載の投射表示光学系。
【０１９４】
〔発明１４〕 前記空間光変調素子が反射型液晶変調素子であり、前記照明光学系から前記反射型液晶変調素子までの光路中に少なくとも１つ以上の波長選択性偏向素子が配置されており、この偏向素子による偏向面内方向に対して垂直な方向が、前記被照明面における互いに直交する２軸方向のうち前記光強度分布のピーク値の半値となる角度幅が大きい方向に一致していることを特徴とする発明１１に記載の投射表示光学系。
【０１９５】
〔発明１５〕 前記空間光変調素子が複数の透過型液晶変調素子であり、前記複数の透過型液晶変調素子から前記投射レンズまでの光路中に、前記各液晶変調素子によって変調された光束を合成する波長選択性又は偏光方向選択性の偏向素子が配置されており、この偏向素子による偏向面内方向に対して垂直な方向が、前記被照明面における互いに直交する２軸方向のうち前記光強度分布のピーク値の半値となる角度幅が大きい方向に一致していることを特徴とする発明１１に記載の投射表示光学系。
【０１９６】
〔発明１６〕 発明２から１０のいずれか１項に記載の照明光学系と、この照明光学系から射出した光束を、２次元配列された画素群により変調する空間光変調素子と、この空間光変調素子により変調された光束を被投射面に投射する投射レンズとを有することを特徴とする投射表示光学系。
【０１９７】
〔発明１７〕 前記空間光変調素子がマイクロミラーアレイデバイス又は反射型液晶変調素子であることを特徴とする発明１６に記載の投射表示光学系。
【０１９８】
〔発明１８〕 前記空間光変調素子が反射型液晶変調素子であり、前記照明光学系から前記反射型液晶変調素子までの光路中に少なくとも１つの偏光分離手段が配置されており、この偏光分離手段による分離面内方向に対して垂直な方向が、前記オプティカルインテグレータによる光束の分割および再合成操作を行う方向に一致していることを特徴とする発明１６に記載の投射表示光学系。
【０１９９】
〔発明１９〕 前記空間光変調素子が反射型液晶変調素子であり、前記照明光学系から前記反射型液晶変調素子までの光路中に少なくとも１つ以上の波長選択性偏向素子が配置されており、この偏向素子による偏向面内方向に対して垂直な方向が、前記オプティカルインテグレータによる光束の分割および再合成操作を行う方向に一致していることを特徴とする発明１６に記載の投射表示光学系。
【０２００】
〔発明２０〕 前記空間光変調素子が複数の透過型液晶変調素子であり、前記複数の透過型液晶変調素子から前記投射レンズまでの光路中に、前記各液晶変調素子によって変調された光束を合成する波長選択性又は偏光方向選択性の偏向素子が配置されており、この偏向素子による偏向面内方向に対して垂直な方向が、前記オプティカルインテグレータによる光束の分割および再合成操作を行う方向に一致していることを特徴とする発明１６に記載の投射表示光学系。
【０２０１】
〔発明２１〕 発明１１から２０のいずれか１項に記載の投射表示光学系を備えたことを特徴とする投射型画像表示装置。
【０２０２】
〔発明２２〕 発明２１に記載の投射型画像表示装置と、前記被投射面を形成するスクリーンとを有し、前記スクリーンでの所定の指向性を有した拡散反射光又は拡散透過光によって投射画像を観察させることを特徴とする画像表示システム。
【図面の簡単な説明】
【０２０３】
【図１】本発明の実施例１である照明光学系の概略構成図。
【図２】本発明の実施例２である照明光学系の概略構成図。
【図３】上記実施例１，２の照明光学系に組み込まれるオプティカルインテグレータの機能を説明する概略図。
【図４】上記実施例１の照明光学系に組み込まれる光強度変換オプティクスの機能を説明する概略図。
【図５】上記実施例２の照明光学系に組み込まれる光強度変換オプティクスの機能を説明する概略図。
【図６】上記実施例１の照明光学系により略均一な光強度分布を生成する過程を説明する図。
【図７】上記実施例１の照明光学系により略均一な光強度分布を生成する過程を説明する図。
【図８】上記実施例２の照明光学系により略均一な光強度分布を生成する過程を説明する図。
【図９】上記実施例２の照明光学系により略均一な光強度分布を生成する過程を説明する図。
【図１０】上記実施例１，２の照明光学系による光変調パネルへの光照射角度分布を示す図。
【図１１】従来の２次元オプティカルインテグレータを用いた照明光学系による光変調パネルへの光照射角度分布を示す図。
【図１２】本発明の実施例３である投射型画像表示装置の構成を示す概略図。
【図１３】本発明の実施例４である投射型画像表示装置の構成を示す概略図。
【図１４】本発明の実施例５である投射型画像表示装置の構成を示す概略図。
【図１５】本発明の実施例６である投射型画像表示装置の構成を示す概略図。
【符号の説明】
【０２０４】
１ 照明光学系
２，２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ 液晶変調パネル
３ 光変調パネルドライバ
４ 投射レンズ
５ 光拡散スクリーン
１０ 偏光ビームスプリッタ
１１ 全反射チルトプリズム
１３ クロスダイクロイックプリズム
２０，２１ ダイクロイックミラー，
２２，２３，２４ ミラー
２５，２６ フーリエ変換レンズ
２７，２８，２９ 検光子
３０ ダイクロイックミラー
３１〜３３ 偏光ビームスプリッタ
３４ ブルークロスカラー偏光子
３５ レッドクロスカラー偏光子
３６，３７ ダミーガラス
１００，２００ ガス励起発光源
１０１，２０１ パラボリック反射ミラー
１０２，２０２ 紫外線カットフィルター
１０３ シャッフリングプリズム
１０４ 反射ミラー
１０５，２０５，３０５，４０５ 第１シリンドリカルレンズ
１０６，２０６，３０６ 第１シリンドリカルアレイホモジナイザー
１０７，２０７，３０７ 第２シリンドリカルアレイホモジナイザー
１０８，２０８ 偏光変換素子アレイ
１０９，２０９，３０９ シリンドリカルコンデンサーレンズ
１１０，２１０，３１０，４１０ 第２シリンドリカルレンズ
１１１ ダミー偏光ビームスプリッタ
１１２，２１２，３１２，４１２ 光変調パネル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射型画像表示装置に用いられる照明光学系および投射表示光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、プロジェクタ型ディスプレイ（投射型画像表示装置）は、一般に、液晶表示パネルやマイクロミラーアレイデバイスパネルを光変調素子としてスイッチングに利用して、光の透過と遮断または偏向を制御して選択された光パターンをスクリーンに投射することで、スクリーン上に映像を表示する。
【０００３】
光変調素子に液晶表示パネルやマイクロミラーアレイデバイスパネルを用いたプロジェクタにおいては、光源からの光を高効率で利用することと、スクリーン上での照度むらを低減することが重要となる。
【０００４】
改善手段としては、２枚の２次元配列されたレンズアレイから構成されるオプティカルインテグレータが知られている。オプティカルインテグレータは、光源からの光束を第１のレンズアレイによって複数の光束に分割し、第２レンズアレイによりこれらの光束を拡大しながら光変調素子の表示領域に重畳結像させるものである（特許文献１参照）。
【０００５】
この方法においては、分割後の照度むらが小さい光束を重畳するため均一性の高い照射光が得られ、スクリーン上での照度むらが大幅に改善される。また、第１レンズアレイの各開口を光変調素子の表示領域と相似の矩形とすれば、分割後の光束は表示領域にもれなく照射されるため、照射光の効率が向上し、光源からの光の利用効率を向上する。
【０００６】
また、他の改善手段としては、光源からの光をカライドスコープに導光し、光線のベクトルをミキシングすることによって、カライドスコープの光出射端面での光強度分布を均一化させ、この像を結像レンズによって光変調素子として用いているマイクロミラーアレイデバイスに共役結像させるものがある。
【０００７】
カライドスコープを用いる場合には、自然放射の光源からの光を、直線偏光状態に変換する手段を用いると、光学系が複雑になるため、一般的には実施されていない。
【０００８】
この方法においても、均一性の高い照射光が得られ、スクリーン上での照度むらが大幅に改善される。
【特許文献１】特開平１１−６４８４８号公報（図１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、２枚のレンズアレイからなるオプティカルインテグレータやカライドスコープを用いた光強度分布の均一化方法を用いる場合、光変調素子を照明する光束が大きな収束角を有する。このため、光変調パネルが反射型液晶表示パネルやマイクロミラーアレイデバイスの場合、照明光を導く光路を形成するための空間的な制限があり、ＴＩＲプリズムで導く場合には全反射最小角の制限がある。また、偏光ビームスプリッターで導く場合には、Ｓ波の反射率の入射角度依存性による制限が生じてしまうため、光変調素子への照明光束は平行光束に近いことが望まれる。
【００１０】
さらに、光変調素子が透過型液晶表示パネルであり、この透過型液晶表示パネルによってレッド、グリーン、ブルーの三原色の光の変調を行う場合、変調光をダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズムで合成する際、変調光が平行光束から逸脱するほどダイクロイック膜での反射・透過波長領域のカット波長が変化し、色のにごりや、投射画像の位置による色再現性の偏差が発生する。
【００１１】
また、光変調素子が、透過型、反射型に限らず、ツイステッドネマティック液晶（ＴＮＬＣ）である場合、この液晶表示パネルへの照明光束の入射角がパネルの法線方向から傾くほど、また液晶表示パネル面内で液晶分子のラビング方向から傾くほど、液晶表示パネルを通過することによる理想的な光波長の位相差である、０またはπからのずれが大きく生じてしまう。したがって、光変調のコントラストが低下してしまう。
【００１２】
そこで、本発明は、光源からの光を高効率に利用し、照度の均一性が高い照明光束が得られる照明光学系を提供すること、さらにはより明るく濃淡コントラストの高い投射画像が得られる投射表示光学系を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明の照明光学系は、光源からの照明光束で被照明面を照明する照明光学系であって、光源と被照明面との間に配置された偏光分離面を備えている。被照明面の法線方向に対する入射光線の偏差角によって変化する照明光の被照明面での強度分布において、照明光学系の光軸と偏光分離面の法線の両者に平行な断面を第１断面、照明光学系の光軸と平行で第１断面と垂直な断面を第２断面とするとき、第２断面におけるピーク値の半値となる角度幅が、第１断面におけるピーク値の半値となる角度幅よりも大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光源からの光を高効率に利用し、照度の均一性が高い照明光束が得られる照明光学系を実現することができる。
【００１５】
このため、これらの照明光学系を投射表示光学系の照明部として用いることにより、明るく濃淡コントラストの高い投射画像が得られる投射表示光学系を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【実施例１】
【００１７】
図１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。この図において、１００は光源となるガス励起発光源で、高圧水銀ランプやメタルハライドランプまたはクセノンランプ等が用いられる。
【００１８】
光源１００は、パラボリック反射ミラー１０１と組合せられて概ね平行な可視光ビームを生成するが、得られる平行ビームをなるべくダイバージェンス（発散角）の少ない質の高いコリメート光束にするために、ガスの電子励起領域を限定するよう放電ギャップは極力狭く設計され、点光源発光に近い光源になっている。
【００１９】
また、より点光源に近い発光源を得るために、放電ギャップに交流バイアスをかけて電極の双方向から電子放射して２点の点光源を形成するのではなく、発光効率およびエネルギー変換効率が減少するものの、直流バイアスをかけて陰極電極側に高輝度の点光源を発生させる場合もある。
【００２０】
このガス励起光源１００とパラボリック反射ミラー１０１からなるランプユニットから放射された光束のうち可視光外の紫外線は、紫外線カットフィルター１０２によってカットされる。紫外線は、レンズの材料となる光学ガラスや光学薄膜を励起したり劣化させることも長期的には発生するが、特に光変調パネルに液晶素子を用いる場合には、有機材料である液晶ポリマーが紫外線によって分解変質されるので、これを防止するのが主な目的である。
【００２１】
次に、紫外線カットフィルター１０２を通過した可視光光束は、光束の所定領域に配されたシャッフリングプリズム（光強度変換手段）１０３と反射ミラー１０４に入射し、偏向および反射される。ここで用いられているシャッフリングプリズム１０３は、対向頂角プリズムを反射ミラー１０４の反射面で折り返した形状を有しており、このシャッフリングプリズム１０３の作用については、図４を用いて後述する。
【００２２】
次に、シャッフリングプリズム１０３を通過し、反射ミラー１０４によって反射した光束は、第１シリンドリカルレンズ１０５に入射する。第１シリンドリカルレンズ１０５は、図中の水平方向においてのみ屈折力を有するもので、光束の進行方向にもう１つ配置されている第２シリンドリカルレンズ１１０と対になってビームコンプレッサを形成している。
【００２３】
したがって、第１シリンドリカルレンズ１０５に入射する光束に、図中水平方向においては光束が圧縮され、アフォーカル状態で光変調パネル１１２に導かれる。
【００２４】
第１シリンドリカルレンズ１０５を通過した光束は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６に入射する。この第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６は、図中の垂直方向においてのみ屈折力を有する複数のシリンドリカルレンズを有し、入射する光束を該シリンドリカルレンズの個数分に分割し、個々に焦線を結ばせる。その後、各分割光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ１０９によって再び所定幅に設定された平行光束に変換される。
【００２５】
ここで、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６とシリンドリカルコンデンサーレンズ１０９の主平面間隔は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の焦点距離とシリンドリカルコンデンサーレンズ１０９の焦点距離の和に設定されている。これにより、光束は上記のように平行光束に再変換される。
【００２６】
さらにシリンドリカルコンデンサーレンズ１０９は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の光軸線が各アレイの光軸線に対して偏心しているため、シリンドリカルコンデンサーレンズ１０９の焦線の位置で、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の各アレイの通過した光束を重ね合わせる。これにより、オプティカルインテグレート（光束の分割および再合成）操作が成される。
【００２７】
上記シリンドリカルコンデンサーレンズ１０９の焦線の位置が光変調パネル１１２の変調面となる。
【００２８】
また、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０７の焦線の位置は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の各シリンドリカルレンズの瞳位置に設定されている。第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０７とシリンドリカルコンデンサーレンズ１０９のタンデムレンズ構成で、シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の各シリンドリカルレンズの瞳と光変調パネル１１２の変調面が光学的に共役関係となっている。このため、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の各シリンドリカルレンズの瞳が図中の垂直方向において光変調パネル１１２の変調面に結像される。
【００２９】
ガス励起光源１００とパラボリック反射ミラー１０１からなるランプユニットから放射された光束は、完全な平行光とはならず、若干のダイバージェンスを有している。第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０７は、このダイバージェンス分の光束広がりを修正するために、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６の各シリンドリカルレンズの瞳を通過した光束を確実に光変調パネル１１２の変調面に導く。
【００３０】
第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０７を通過した光束は、偏光変換素子アレイ１０８に入射する。ここで用いている偏光変換素子アレイ１０８は、一般に液晶プロジェクタで用いるＰＳ変換素子と呼ばれるものと同様であり、ランプユニットから放射した光を、偏光ビームスプリッタを重ね合わせたアレイで、片側、たとえば図中の垂直方向に平行な偏光成分に変換する。すなわち、偏光変換素子アレイ１０８は、図中垂直方向の偏光成分は偏光分離膜（図示せず）を通過させ、偏光分離膜で反射した図中の水平偏光成分はとなりの偏光ビームスプリッタアレイの偏光分離膜で再度反射させて光路をアレイのピッチ分だけシフトさせ、偏光変換素子アレイ１０８を射出する直前で半波長位相差板（図示せず）で偏光方向を９０度変換して図中の垂直方向の直線偏光として出射させる。こうして偏光変換素子アレイ１０８を通過した光束はすべて図中の垂直方向の直線偏光の光となる。
【００３１】
偏光変換素子アレイ１０８を通過した光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ１０９に入射し、上述したように、このシリンドリカルコンデンサーレンズ１０９の焦線位置にある光変調パネル１１２の変調面に図中の垂直方向で重ね合わされてインテグレートされる。
【００３２】
シリンドリカルコンデンサーレンズ１０９を通過した光束は、第２シリンドリカルレンズ１１０に入射する。上述したように、シリンドリカルレンズ１１０は図中の水平方向のみに屈折力を有するもので、第１シリンドリカルレンズ１０５と対になってビームコンプレッサを形成する。これにより、図中の水平方向において光束が圧縮され、アフォーカル状態で光変調パネル１１２に導かれる。
【００３３】
さらに、この第２シリンドリカルレンズ１１０によって、第１シリンドリカルレンズ１０５の瞳と光変調パネル１１２の変調面とが光学的に共役関係に配置されており、第１シリンドリカルレンズ１０５の瞳は図中の水平方向において光変調パネル１１２の変調面に結像される。
【００３４】
第２シリンドリカルレンズ１１０は、上記シリンドリカルアレイホモジナイザー１０７と同様に、ガス励起光源１００とパラボリック反射ミラー１０１からなるランプユニットから放射された光束のダイバージェンス分の光束広がりを修正して、第１シリンドリカルレンズ１０５の瞳を通過した光束を確実に光変調パネル１１２の変調面に導くために設けられている。
【００３５】
シリンドリカルレンズ１１０を通過した光束は、ダミー偏光ビームスプリッタ１１１に入射する。このダミーはダイクロイックプリズムまたはミラーとしてもかまわない。ただし、ダミーが偏光ビームスプリッタの場合でも、ダイクロイックプリズムの場合でも、光束の偏向方向は図中の水平方向に設定する。
【００３６】
以上のように、本実施例の照明光学系を通過した光束は、光変調パネル１１２に導かれる。本実施例の照明特性については後述する。
【実施例２】
【００３７】
図２には、本発明の実施例２である照明光学系の構成を示している。図２において、２００は光源となるガス励起発光源で、高圧水銀ランプやメタルハライドランプまたはクセノンランプ等が用いられる。光源２００はパラボリック反射ミラー２０１と組み合せられて概ね平行な可視光ビームを生成する。光源２００は、得られる平行ビームをなるべくダイバージェンス（発散角）の少ない質の高いコリメート光束にするために、ガスの電子励起領域を限定するよう放電ギャップは極力狭く設計され、点光源発光に近い光源になっている。また、より点光源に近い発光源を得るために、放電ギャップに交流バイアスをかけて電極の双方向から電子放射して２点の点光源を形成するのではなく、発光効率およびエネルギー変換効率が減少するものの、直流バイアスをかけて陰極電極側に高輝度の点光源を発生させる場合もある。
【００３８】
このガス励起光源２００とパラボリック反射ミラー２０１からなるランプユニットから放射された光束のうち可視光外の紫外線は、紫外線カットフィルター２０２によってカットされる。紫外線は、レンズの材料となる光学ガラスや光学薄膜を励起したり劣化させることも長期的には発生するが、特に光変調パネルに液晶素子を用いる場合には、有機材料である液晶ポリマーが紫外線によって分解変質するので、これを防止するのが主な目的である。
【００３９】
紫外線カットフィルター２０２を通過した可視光光束は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６に入射する。第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６は、図中の垂直方向においてのみ屈折力を有する複数のシリンドリカルレンズを有し、入射する光束を該シリンドリカルレンズの個数分に分割し、個々に焦線を結ばせる。その後、各分割光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９によって再び所定幅に設定された平行光束に変換される。
【００４０】
ここで、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６とシリンドリカルコンデンサーレンズ２０９の主平面間隔は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の焦点距離とシリンドリカルコンデンサーレンズ２０９の焦点距離の和に設定されている。これにより、光束は上記のように平行光束に再変換される。
【００４１】
さらに、シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の光軸線が各アレイの光軸線に対して偏心しているため、シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９の焦線の位置で、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の各アレイの通過した光束を重ね合わせる。これにより、オプティカルインテグレート操作がなされる。そして、シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９の焦線の位置が光変調パネル２１２の変調面となる。
【００４２】
第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６を通過した光束は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７を通過する。この第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７の焦線の位置は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の各シリンドリカルレンズの瞳位置に設定されている。第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７とシリンドリカルコンデンサーレンズ２０９のタンデムレンズ構成で、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の各シリンドリカルレンズの瞳と光変調パネル２１２の変調面とが光学的に共役関係とされている。このため、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の各シリンドリカルレンズの瞳は、図中の垂直方向において光変調パネル２１２の変調面に結像される。
【００４３】
ガス励起光源２００とパラボリック反射ミラー２０１からなるランプユニットから放射された光束は完全な平行光とはならず、ダイバージェンスを有している。このため、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７は、このダイバージェンス分の光束広がりを修正するために、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６の各シリンドリカルレンズの瞳を通過した光束を確実に光変調パネル２１２の変調面に導く。
【００４４】
第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７を通過した光束は、偏光変換素子アレイ２０８に入射する。偏光変換素子アレイ２０８は、一般に液晶プロジェクタで用いられているＰＳ変換素子と呼ばれるものと同様であり、ランプユニットから放射した光を、偏光ビームスプリッタを重ね合わせたアレイで、片側、たとえば図中の垂直方向に平行な偏光成分のみに変換するものである。すなわち、図中の垂直方向の偏光成分は偏光分離膜を通過させ、偏光分離膜で反射した図中水平偏光成分はとなりの偏光ビームスプリッタアレイの偏光分離膜で再度反射して光路をアレイのピッチ分だけシフトさせ、偏光変換素子アレイを出射する直前で半波長位相差板（図示せず）で偏光方向を９０度変換して図中の垂直方向の直線偏光として出射させる。こうして、偏光変換素子アレイ２０８を通過した光束はすべて図中の垂直方向の直線偏光となる。
【００４５】
偏光変換素子アレイ２０８を通過した光束は、第１シリンドリカルレンズ２０５に入射する。第１シリンドリカルレンズ２０５は、図中の水平方向においてのみ屈折力を有するもので、光束の進行方向にもう１つ配置されている第２シリンドリカルレンズ２１０と対になってビームコンプレッサを形成している。したがって、第１シリンドリカルレンズ２０５に入射する光束は、図中の水平方向においては圧縮され、基本的にはアフォーカル状態で光変調パネル２１２に導かれる。但し、本実施例においては、ビームコンプレッサに瞳ディストーション収差を所定量だけ意図的に持たせており、この瞳ディストーション収差によって光変調パネル２１２の変調面の光強度分布を均一または任意の分布に制御している。このビームコンプレッサによる瞳ディストーション収差の作用については、図５を用いて後述する。
【００４６】
第１シリンドリカルレンズ２０５を通過した光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９に入射し、上述したようにこのシリンドリカルコンデンサーレンズ２０９によって、シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９の焦線位置にある光変調パネル２１２の変調面に図中の垂直方向で重ね合わされてインテグレートされる。
【００４７】
シリンドリカルコンデンサーレンズ２０９を通過した光束は、第２シリンドリカルレンズ２１０に入射する。上述したように、第２シリンドリカルレンズ２１０は図中の水平方向のみに屈折力を有するもので、第１シリンドリカルレンズ２０５と対になってビームコンプレッサを形成している。これにより、図中の水平方向において光束が圧縮され、アフォーカル状態で光変調パネル２１２に導かれる。
【００４８】
さらに、この第２シリンドリカルレンズ２１０によって、第１シリンドリカルレンズ２０５の瞳と光変調パネル２１２の変調面とが概ね光学的な共役関係（ビームコンプレッサに収差を意図的に持たせているために光学的共役関係は精度的に粗くなる）に配置されている。このため、第１シリンドリカルレンズ２０５の瞳は、図中の水平方向において光変調パネル２１２の変調面に結像される。
【００４９】
第２シリンドリカルレンズ２１０は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７の役割と同様に、ガス励起光源２００とパラボリック反射ミラー２０１からなるランプユニットから放射された光束のダイバージェンス分の光束広がりを修正して、第１シリンドリカルレンズ２０５の瞳を通過した光束を確実に光変調パネル２１２の変調面に導くために配置されている。
【００５０】
シリンドリカルレンズ２１０を通過した光束は、ダミー偏光ビームスプリッタ２１１に入射する。このダミーはダイクロイックプリズム又はミラーとしてもかまわない。但し、ダミーが偏光ビームスプリッタの場合でも、ダイクロイックプリズムの場合でも、光束の偏向方向は図中の水平方向に設定する。
【００５１】
以上のように、本実施例の照明光学系を通過した光束は、光変調パネル２１２に導かれる。本実施例の照明特性については後述する。
【００５２】
（オプティカルインテグレータについて）
次に、上記実施例１，２の照明光学系に用いられているオプティカルインテグレータについて、図３を用いて説明する。
【００５３】
図３中に配置されている各オプティクスにおいて、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６は実施例１では第１シリンドリカルアレイホモジナイザー１０６に、実施例２では第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２０６に相当する。また、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７は、実施例１では第２シリンドリカルアレイホモジナイザー１０７に、実施例２では第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２０７に相当する。
【００５４】
さらに、シリンドリカルコンデンサーレンズ３０９は、実施例１ではシリンドリカルコンデンサーレンズ１０９に、実施例２ではシリンドリカルコンデンサーレンズ２０９に相当する。
【００５５】
これら、第１および第２シリンドリカルアレイホモジナイザーとシリンドリカルコンデンサーレンズによってオプティカルインテグレータが構成される。
【００５６】
なお、図３中の光変調パネル３１２は、実施例１では光変調パネル１１２に、実施例２では光変調パネル２１２に相当する。
【００５７】
第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６に導かれ、オプティカルインテグレート方向に略コリメートされた、図３に矢印で示す光束は、各シリンドリカルレンズの瞳によって図中の縦方向に分割され、各焦線上に集光する。第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の焦線の位置は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７の瞳位置の近傍にあり、矢印で示される入射光束が完全にコリメート光である理想的な光束である場合に、この光束が第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７によってほとんど屈折力を受けないように配されている。
【００５８】
第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７を通過した各光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ３０９に導かれる。各光束の光軸はシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の光軸からシフトしているため、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳によって分割された各光束の光軸はシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の焦線の位置にて集合することとなる。
【００５９】
また、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６とシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の主平面距離は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の焦点距離とシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の焦点距離の和の距離に設定されているので、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳によって分割された各光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ３０９を通過することで、図の断面方向に対して平行光となる。
【００６０】
また、平行光の幅は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の焦点距離に対するシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の焦点距離の比で拡大されるよう設定されている。
【００６１】
一方、光変調パネル３１２の光変調面は、シリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の焦線の位置に配置されている。これにより、光変調パネル３１２の変調面でオプティカルインテグレート操作が行われ、照明光学系に入射した光束は、入射時の光強度分布に関わらず、略均一な光強度分布に変換されて光変調パネル３１２の変調面に照射される。
【００６２】
次に、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７の機能について説明する。図３中に矢印で示される入射光束は完全にコリメートされたものではない。特に、レーザではなく、ガス励起発光の光源を用いている本実施例においては、励起発光領域は小さくても０．１ｍｍオーダーの有限領域を有しているため、コリメートレンズやパラボリック反射ミラーを用いても、完全なコリメートビームを得ることは不可能であり、上記入射光束にはダイバージェンス（発散角）が必ず含まれる。
【００６３】
このダイバージェンス誤差による光変調パネル３１２の照明領域の外形ボケを補正するために、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７が設けられている。
【００６４】
図３を用いて説明すると、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳で分割された光束は、その瞳の全域からダイバージェンス成分を有しているため、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳像を、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７とシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の再合成系によって、光変調パネル３１２の変調面に投影結像させている。
【００６５】
第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７の各シリンドリカルレンズの光入射側の焦線の位置は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳位置に設定されている。第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳で分割された光束のダイバージェンス成分は、図３中に細かい点線で示されており、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各シリンドリカルレンズの瞳で分割された光束は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー３０７を通過することで図中の断面方向において平行光に変換され、さらにシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９によってこのシリンドリカルコンデンサーレンズ３０９の焦線面に集光する。
【００６６】
つまり、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー３０６の各アレイの瞳像は、光変調パネル３１２の変調面にオプティカルインテグレートされた状態で重ね合わさって結像する。このことにより、光変調パネル３１２の変調面は、図３の断面方向において、エッジの鋭く立った光強度分布で照明される。
【００６７】
（シャッフリングプリズムについて）
次に、上記実施例１の照明光学系に組み込まれている、光強度変換オプティクスとしてのシャッフリングプリズムについて、図４を用いて説明する。
【００６８】
図４中に配されている各オプティクスについて、シャッフリングプリズム３０３は、実施例１のシャッフリングプリズム１０３に相当する。また、第１シリンドリカルレンズ３０５は実施例１の第１シリンドリカルレンズ１０５に相当し、第２シリンドリカルレンズ３１０は実施例１の第２シリンドリカルレンズ１１０に相当する。なお、光変調パネル３１２は、実施例１の光変調パネル１１２に相当する。
【００６９】
略コリメートされた、図４に矢印で示す光束の一部がシャッフリングプリズム３０３を通過する。シャッフリングプリズム３０３は、対向する各面が互いに平行となるように配置された構造を有し、平行平板の合成形態とみることができるものである。図４中に粗い点線は、紙面に対して垂直方向でシャッフリングプリズム３０３の上下を通過する光束を示しており、細かい点線はシャッフリングプリズム３０３の内部を通過する光束を示している。
【００７０】
シャッフリングプリズム３０３に入射した光束は、対向する平行面によって図４中の上下方向にシフトし、矢印で示されている入射光束の図４中の紙面断面方向において、中心から上側半分の光束は、上端の光束が中心に変位する。このようにシャッフリングプリズム３０３の厚みが設定されている。
【００７１】
すなわち、入射光束の上半分の光束はシフトして下半分の光束に、入射光束の下半分の光束はシフトして上半分の光束に入れ換えられたかたちで射出する。言い換えると、図中の矢印で示される入射光束は、シャッフリングプリズム３０３を通過する部分においてのみ、中央部と端部とが反転し、かつ図の紙面中において上下が反転した光束として射出する。
【００７２】
シャッフリングプリズム３０３から射出した光束は、第１シリンドリカルレンズ３０５に導かれる。この第１シリンドリカルレンズ３０５と次に配置されている第２シリンドリカルレンズ３１０とでアフォーカルな凸凸ペアのビームコンプレッサが形成されている。
【００７３】
ビームコンプレス倍率は、入射光束の幅が光変調パネル３１２の有効幅にほぼ一致するように設定されている。
【００７４】
第１シリンドリカルレンズ３０５と第２シリンドリカルレンズ３１０の主平面間隔は、第１シリンドリカルレンズ３０５の焦点距離と第２シリンドリカルレンズ３０５の焦点距離の和の距離に設定されている。このため、図４中の紙面断面において、略平行光として入射した光束は、コンプレス倍率の逆数分だけ角倍率が与えられた略平行光として射出され、光変調パネル３１２に照射される。
【００７５】
一方、第２シリンドリカルレンズ３１０はまた別の機能をも有している。図４中に矢印で示した入射光束は完全にコリメートされたものではない。特にレーザではなく、ガス励起発光の光源を用いている本実施例においては、励起発光領域は小さくても０．１ｍｍオーダーの有限領域を有しているため、コリメートレンズやパラボリック反射ミラーを用いても、完全なコリメートビームを得ることは不可能で、上記入射光束にはダイバージェンス（発散角）が必ず含まれる。
【００７６】
このダイバージェンス誤差による光変調パネル３１２の照明領域の外形ボケを補正する機能を第２シリンドリカルレンズ３１０は有している。
【００７７】
第１シリンドリカルレンズ３０５は、その瞳の全域からダイバージェンス成分を有した光束を通過させるため、この第１シリンドリカルレンズ３０５の瞳像を、第２シリンドリカルレンズ３１０によって、光変調パネル３１２の変調面に投影結像させている。
【００７８】
第２シリンドリカルレンズ３１０の光入射側の結像共役線の位置は第１シリンドリカルレンズ３０５の瞳位置に、第２シリンドリカルレンズ３１０の光射出側の結像共役線の位置は光変調パネル３１２の変調面に設定されている。第１シリンドリカルレンズ３０５の瞳光束のダイバージェンス成分は、図４中に細かい点線で示される光束であり、第１シリンドリカルレンズ３０５の瞳で分割された各光束は、第２シリンドリカルレンズ３１０を通過することで図４中の断面方向において光変調パネル３１２の変調面に集光することとなる。
【００７９】
つまり、第２シリンドリカルレンズ３１０の瞳像が、光変調パネル３１２の変調面に転送結像される。
【００８０】
ここで、光変調パネルが、このシャッフリングプリズムと図３で説明したオプティカルインテグレータとの組み合わせによって、どのような光強度分布で照明されるかを図６および図７を用いて説明する。
【００８１】
図６および図７には、実施例１の照明光学系による光変調パネル上での光強度分布の形成プロセスを示している。図６（ａ）および図７（ａ）は、ガス励起光源とパラボリック反射ミラーからなるランプユニットから放射された光束の断面プロファイルを示しており、図６（ａ）においては明るい部分ほど光強度が高いことを示している。また、図７（ａ）において、実線のグラフは図６（ａ）における縦（Ｙ）方向の中心（０ｍｍ）における横（Ｘ）方向断面での光強度分布を、点線のグラフは図６（ａ）における横（Ｘ）方向の中心（０ｍｍ）における縦（Ｙ）方向断面での光強度分布をそれぞれ示している。
【００８２】
図６（ａ）および図７（ａ）に示す光束の光強度分布は、シャッフリングプリズムと反射ミラーとによって、光束の中央部分においてその中心部と端部の分布が反転し、かつ左右の分布も反転されて、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示す光束の断面プロファイルに変換される。図６（ｂ）において横線で区切られた領域は、オプティカルインテグレータによって分割積分される領域であり、最終的に図６（ｃ）および図７（ｃ）に示す光変調パネルの変調面での光強度分布が得られる。
【００８３】
図６（ｃ）および図７（ｃ）から分かるように、光変調パネルの変調面に入射する照明光束の光強度分布は、強度が高く、かつほぼフラット（均一）な分布となっている。
【００８４】
ただし、当然のことながら、シャッフリングプリズムのオプティカルインテグレート方向での厚みや配置数や光束シフト移動量などを所定値に設計することによって、光変調パネルの変調面での光線密度分布は目的に合わせて変えることが可能である。したがって、光変調パネルの変調面に入射する照明光束の光強度分布は、光強度変換オプティクスの作用する方向に対して、意図的に所定の分布を持たせることができる。
【００８５】
次に、上記実施例２の照明光学系に組み込まれている光強度分布を変換するオプティクスについて、図５を用いて説明する。
【００８６】
図５中の各オプティクスにおいて、第１シリンドリカルレンズ４０５は実施例２の第１シリンドリカルレンズ２０５に相当し、第２シリンドリカルレンズ４１０は実施例２の第２シリンドリカルレンズ２１０に相当する。なお、光変調パネル４１２は実施例２の光変調パネル２１２に相当する。
【００８７】
略コリメートされた、図５に矢印で示す光束は第１シリンドリカルレンズ４０５に入射する。この第１シリンドリカルレンズ４０５と次に配されている第２シリンドリカルレンズ４１０とで、アフォーカルな凸凸ペアのビームコンプレッサが形成されており、ビームコンプレス倍率は入射光束の幅が光変調パネル４１２の有効幅にほぼ一致するように設定されている。
【００８８】
第１シリンドリカルレンズ４０５と第２シリンドリカルレンズ４１０の主平面間隔は、第１シリンドリカルレンズ４０５の焦点距離と第２シリンドリカルレンズ４０５の焦点距離の和の距離に設定されている。このため、図５中の紙面断面において、略平行光として入射した光束はコンプレス倍率の逆数分だけ角倍率が与えられた略平行光で射出し、光変調パネル４１２に照射される。
【００８９】
一方、第２シリンドリカルレンズ４１０はまた別の機能をも有している。図５中に矢印で示した入射光束は完全にコリメートされたものではない。特にレーザではなく、ガス励起発光の光源を用いている本実施例においては、励起発光領域は小さくても０．１ｍｍオーダーの有限領域を有しているため、コリメートレンズやパラボリック反射ミラーを用いても、完全なコリメートビームを得ることは不可能で、上記入射光束にはダイバージェンス（発散角）が必ず含まれる。
【００９０】
このダイバージェンス誤差による光変調パネル４１２の照明領域の外形ボケを補正する機能を第２シリンドリカルレンズ４１０は有する。
【００９１】
第１シリンドリカルレンズ４０５は、その瞳の全域からダイバージェンス成分を有している光束を通過させるため、この第１シリンドリカルレンズ４０５の瞳像を第２シリンドリカルレンズ４１０によって、光変調パネル４１２の変調面に投影結像させている。
【００９２】
第２シリンドリカルレンズ４１０の光入射側の結像共役線の位置は第１シリンドリカルレンズ４０５の瞳位置に、第２シリンドリカルレンズ４１０の光射出側の結像共役線の位置は光変調パネル４１２の変調面に設定されている。第１シリンドリカルレンズ４０５の瞳光束のダイバージェンス成分は、図５中に細かい点線で示され、第１シリンドリカルレンズ４０５の瞳で分割された各光束は第２シリンドリカルレンズ４１０を通過することで図中断面方向において光変調パネル４１２の変調面に集光する。つまり、第２シリンドリカルレンズ４１０の瞳像が光変調パネル４１２の変調面に転送結像される。
【００９３】
さらに、第１シリンドリカルレンズ４０５と第２シリンドリカルレンズ４１０で構成されるビームコンプレッサは、アフォーカル光学系であり、このビームコンプレッサによる瞳転送の収差として、アフォーカルでの球面収差とも称される、瞳ディストーション収差が意図的に付与されている。第１シリンドリカルレンズ４０５と第２シリンドリカルレンズ４１０のシリンドリカル面の曲率は小さく、光軸からずれるにつれて収差が付与されるように設計されている。図５中に粗い点線で示すように、光軸近傍の光線は、第２シリンドリカルレンズ４１０を通過した後、図５の紙面断面において、若干の発散光束に変換される。
【００９４】
一方、光軸から離れた瞳外側の光線は、第２シリンドリカルレンズ４１０を通過した後、図５の紙面断面において、若干の収束光束に変換されている。このように発散収束の変化が滑らかに連続的に付与されているため、図５の紙面断面における光変調パネル４１２の変調面において、中央部の光線密度が薄くなり、端部の光線密度が濃くなり、光変調パネル４１２の変調面を照明する光強度分布は、ガス励起光源とパラボリック反射ミラーからなるランプユニットからの矢印で示される入射光束の光強度分布に、上述した光線密度分布がかけ合わされた分布となる。
【００９５】
ここで、光変調パネルが、この光強度変換オプティクスと図３で説明したオプティカルインテグレータとの組み合わせによって、どのような光強度分布で照明されるかを図８および図９を用いて説明する。
【００９６】
図８および図９には、実施例２の照明光学系による光変調パネル上での光強度分布の形成プロセスを示している。図８（ａ）および図９（ａ）は、ガス励起光源とパラボリック反射ミラーからなるランプユニットから放射された光束の断面プロファイルを示しており、図８（ａ）においては明るい部分ほど光強度が高いことを示している。また、図９（ａ）において、実線のグラフは図８（ａ）における縦（Ｙ）方向の中心（０ｍｍ）における横（Ｘ）方向断面での光強度分布を、点線のグラフは図８（ａ）における横（Ｘ）方向の中心（０ｍｍ）における縦（Ｙ）方向断面での光強度分布をそれぞれ示している。
【００９７】
図８（ａ）および図９（ａ）に示す光束の光強度分布は、図８（ａ）にて横線で区切られた領域ごとにオプティカルインテグレータによって分割積分され、図８（ｂ）に示す、上述したビームコンプレッサーの瞳ディストーション収差による光変調パネルの変調面での光線密度分布が、光強度変換オプティクスの方向にかけ合わされて、図８（ｃ）および図９（ｃ）に示す光変調パネルの変調面での光強度分布が得られる。
【００９８】
図８（ｃ）および図９（ｃ）から分かるように、光変調パネルの変調面に入射する照明光束の光強度分布は、強度が高く、かつほぼフラット（均一）な分布となっている。
【００９９】
ただし、当然のことながら、ビームコンプレッサの瞳ディストーション収差を所定値に設計することによって、光変調パネルの変調面での光線密度分布は目的に合わせてかえることが可能である。したがって、光変調パネルの変調面に入射する照明光束の光強度分布は、光強度変換オプティクスの作用する方向に対して、意図的に所定の分布を持たせることができるものである。
【０１００】
次に、以上説明してきた照明光学系によって得られる特性について、図１０および図１１を用いて説明する。
【０１０１】
図１１は、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによりオプティカルインテグレート操作された照明光束の光変調パネルの変調面等の被照明面への光線入射角度分布を示している。図１１（ａ）において、外周が方位角３６０度方向で、放射軸が被照明面の法線（垂直入射軸）に対する仰角を示している。この図の場合、外周が２０度の仰角で示されている。また、図１１（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、図１１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面およびＣ−Ｃ断面での光強度分布を示している。
【０１０２】
一方、図１０は本実施例の照明光学系によって得られる照明光束の光変調パネルの変調面等の被照明面への光線入射角度分布を示している。図１０（ａ）において、外周が方位角３６０度方向で、放射軸が被照明面のへの光線入射角度分布を示している。この図の場合、外周が２０度ごとの仰角で示されている。また、図１０（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、図１０（ａ）におけるＢ−Ｂ断面およびＣ−Ｃ断面での光強度分布を示している。
【０１０３】
図１０（ａ）と図１１（ａ）との比較から分かるように、被照明面に対して照射される光束は、被照明面において略均一な光強度分布が両者共に得られるが、光束の入射角度特性においては大きな違いが生じる。
【０１０４】
すなわち、図１１（ａ）に示すように、２次元フライアイレンズアレイのペアによりオプティカルインテグレート操作された照明光束は、被照明面に対して方位角的に２軸対称な光線分布となる。
【０１０５】
これに対し、本実施例の場合、図１０（ａ）に示すように、図中の縦方向のオプティカルインテグレート方向（Ｂ−Ｂ方向）においては同様の仰角を有するが、光強度変換オプティクスの作用する方向（Ｃ−Ｃ方向）においては、オプティカルインテグレートによる光束の重ね合わせ操作を伴わないため、ランプユニットから放射された光束のダイバージェンス角度に対して、ビームコンプレッサのコンプレス倍率による角倍率に依存する仰角を有することとなる。したがって、被照明面へ光線入射角度は、光強度変換オプティクスの作用する方向において非常に小さく抑えることが可能となる。
【０１０６】
具体的には、被照明面の法線方向に対する入射光線の偏差角によって変化する照明光の被照明面での強度分布において、被照明面における互いに直交する２軸（Ｂ−Ｂ軸およびＣ−Ｃ軸）方向のそれぞれでピーク値Ｐの半値（１／２Ｐ）となる角度幅の比α：βが、２：１以上のアスペクト比を有する照明方法を用いているものである。
【０１０７】
より詳細には、Ｂ−Ｂ軸におけるピーク値の半値となる角度幅が、Ｃ−Ｃ軸におけるピーク値の半値となる角度幅の２倍以上である。また、Ｂ−Ｂ軸方向におけるピーク値の半値となる角度幅の最大値が、Ｃ−Ｃ軸方向におけるピーク値の半値となる角度幅の最大値の２倍以上であるようにしてもよい。
【０１０８】
以下、このような特性によって、この照明光学系を用いた投射型画像表示装置の性能がどのような影響（利点）を受けるかについて説明する。
【実施例３】
【０１０９】
図１２には、本発明の実施例３である投射型画像表示装置の全光学系を示している。
【０１１０】
この図において、１は上記実施例１，２で説明した照明光学系を模式的に示したものである。なお、照明光学系１内の左側の図は、右側に示した照明光学系１を矢印Ｄ方向から見た図である。
【０１１１】
２は反射型液晶変調パネル（以下、液晶変調パネルという）である。３は光変調パネルドライバであり、不図示のパーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置からの外部ビデオ入力信号を液晶変調パネル２を駆動する駆動信号に変換する。液晶変調パネル２は入力された駆動信号に応じた原画を液晶により形成し、液晶変調パネル２に入射した照明光束を変調する。
【０１１２】
１０は偏光ビームスプリッタであり、照明光学系１からの照明光であって、図の紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光を偏光分離面で反射（Ｓ偏光を反射）し、液晶変調パネル２に導く。
【０１１３】
液晶変調パネル２に入射した照明光（図の紙面に垂直な方向の直線偏光）は、液晶変調パネル２に配列された画素の変調状態に応じて偏光の位相差が付与され、図の紙面に水平な方向の成分は偏光ビームスプリッタ１０の偏光分離面をＰ偏光で通過し、紙面に垂直な方向の成分は偏光ビームスプリッタ１０の偏光分離面をＳ偏光で反射して照明光学系１の方向へ戻る。
【０１１４】
偏光ビームスプリッタ１０の偏光分離面をＰ偏光で通過した成分は、そのまま投射レンズ４の入射瞳によって捕らえられる。液晶変調パネル２の変調面と光拡散スクリーン５の拡散面とが投射レンズ４によって光学的に共役に関係付けられているため、液晶変調パネル２の変調面に形成された原画の像（ビデオ信号に対応した画像）が光拡散スクリーン５に投射表示される。
【０１１５】
ここで、偏光ビームスプリッタ１０は、マックニール型の一般的に用いる偏光ビームスプリッタであり、ブリュースター角を用いたＳ偏光とＰ偏光の偏光分離面を有する。この偏光ビームスプリッタ１０では、光線の入射角の、偏光分離面に対して４５度からの偏差量が増大していくと、急激にＳ偏光とＰ偏光の分離精度が劣化する。実際にＳ偏光とＰ偏光の分離精度が５０対１程度に保てるのは、４５度からの偏差量が±３度程度である。
【０１１６】
このため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを照明光学系に用いると、図１１（ａ）に示したような入射角度分布の光束が偏光ビームスプリッタ１０に入射するため、光線の入射角が偏光分離面に対して４５度からの偏差量が±３度以上になる光束のうちＰ偏光がある比率で反射し、Ｓ偏光がある比率で透過するという不具合が発生する。
【０１１７】
したがって、液晶変調パネル２に配列された画素の変調状態に応じて偏光の位相差が付与されるが、スクリーンで黒の表示をするために図１２の紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光（変調光）を液晶変調パネル２が射出しても、偏光ビームスプリッタ１０の偏光分離面に対して４５度から３度以上傾いた光束においては、Ｓ偏光がある比率で透過してしまい、投射レンズ４を介して光拡散スクリーン５に転送されてしまい、黒がグレーとなって、照度コントラストが劣化してしまう。
【０１１８】
液晶変調パネル２の偏光変調特性に関しても、液晶変調パネル２としてツイステッドネマティック液晶を用いている場合には、液晶変調パネル２に方位角が斜め４５度方向から入射する光に対して偏光位相差変調を精度良くできないという特性を根本的に有しているため、略軸対称な方位角から照明を行う従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータの場合には、液晶の偏光変調が不充分となり、上記偏光ビームスプリッタ１０の入射角依存特性の場合と同様に、黒がグレーの表示となり、照度コントラストが劣化してしまう。
【０１１９】
これに対し、本実施例の投射型画像表示装置では、実施例１，２の照明光学系１を用いることにより、図１０（ａ）に示したような入射角度分布の光束が得られるため、偏光ビームスプリッタ１０への入射においては、光線入射角が偏光分離面に対して４５度からの偏差量が±３〜４度以内程度に収まるため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いた場合に生ずる、偏光分離が液晶変調パネルの画素の変調状態に対応しない偏光分離エラーによる照度コントラストの劣化がほとんど解消される。
【０１２０】
また、液晶変調パネル２に関しても、液晶の偏光変調が不充分となる方位角からの照明光束成分がほぼ皆無となるため、上記偏光ビームスプリッタ１０の入射角依存特性の場合と同様に、照度コントラストの劣化がほとんど解消される。
【実施例４】
【０１２１】
図１３には、本発明の実施例４である投射型画像表示装置の全光学系を示している。
【０１２２】
この図において、１は上記実施例１，２で説明した照明光学系を模式的に示したものである。なお、照明光学系１内の左側の図は、右側に示した照明光学系１を矢印Ｄ方向から見た図である。なお、本実施例では、偏光変換素子アレイ１０８，２０８を照明光学系１に含んでいる必要はない。
２Ｍはミラーアレイ光偏向変調パネル（以下、ミラー変調パネルという）である。３は光変調パネルドライバであり、不図示のパーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置からの外部ビデオ入力信号をミラー変調パネル２Ｍを駆動する駆動信号に変換する。ミラー変調パネル２Ｍは入力された駆動信号に応じて各マイクロミラー画素を偏向駆動し、ミラー変調パネル２Ｍに入射した照明光束を偏向変調する。
【０１２３】
１１は全反射チルトプリズムであり、照明光学系１からの照明光を全反射面を介して反射し、ミラー変調パネル２Ｍをその法線に対して斜めから照明する。このときミラー変調パネル２Ｍ内に配されているマイクロミラー画素は、ミラー変調パネル２Ｍの法線と照明光の光軸とを含む面内で偏向する。
【０１２４】
ミラー変調パネル２Ｍに入射した照明光は、ミラー変調パネル２Ｍの各マイクロミラー画素の変調状態に応じて反射方向が制御され、黒変調時には投射レンズ４の瞳領域以外に反射光を導くように偏向変調され、白変調時には投射レンズ４の瞳領域内に反射光を導くように偏向変調される。また、白変調時には、全反射チルトプリズム１１の全反射面に対して入射角が垂直方向に偏向されているため、全反射面を通過し、エアーギャップを介して配置された光路長補正のプリズム１２を通過して、そのまま投射レンズ４の入射瞳によって捕らえられる。
【０１２５】
ミラー変調パネル２Ｍの変調面と光拡散スクリーン５の拡散面とが投射レンズ４によって光学的に共役に関係付けられているため、変調光は光拡散スクリーン５に投射されて、ビデオ信号に対応した画像が光拡散スクリーン５に表示される。
【０１２６】
ここで、全反射チルトプリズム１１の全反射面は、照明光束の収束角が小さいほど、ミラー変調パネル２Ｍに対して垂直に近い光束で照明することが可能となる。また、照明光束の収束角が小さいほど、ミラー変調パネル２Ｍのマイクロミラー画素の偏向角度を小さくして変調が可能となるため、デバイス的にも、光学系全体の配置制限や、大きさ的にもラチチュードが広く設計できる。このため、装置自体を低コストで製造することができる。
【０１２７】
したがって、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを照明光学系に用いると、図１１（ａ）に示したような入射角度分布の光束が照明収束角となるために上記のメリットが得られにくい。
【０１２８】
これに対し、実施例１，２の照明光学系１を用いることによって、図１０（ａ）に示したような入射角度分布の光束が得られるため、上記メリットを得ることができる。
【実施例５】
【０１２９】
図１４には、本発明の実施例５である投射型画像表示装置の全光学系を示している。
【０１３０】
この図において、１は上記実施例１，２で説明した照明光学系を模式的に示したものである。なお、照明光学系１内の左側の図は、右側に示した照明光学系１を矢印Ｄ方向から見た図である。
【０１３１】
２Ｒ，２Ｇ，２Ｂはそれぞれ、レッド用、グリーン用およびブルー用の透過型液晶変調パネル（以下、液晶変調パネルという）である。３は光変調パネルドライバであり、不図示のパーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置からの外部ビデオ入力信号を液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを駆動するための駆動信号に変換する。液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは入力された駆動信号に応じた原画を液晶により形成し、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに入射した照明光束を変調する。
【０１３２】
２０は照明光学系１からの図の紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光としての照明光のうち、レッド色光成分を反射し、シアン色光成分を透過するレッド分離ダイクロイックミラーである。レッド分離ダイクロイックミラー２０によって反射されたレッド色光成分は、ミラー２２によってレッド用液晶変調パネル２Ｒに導かれる。
【０１３３】
一方、レッド分離ダイクロイックミラー２０を透過したシアン色光成分のうちイエロー光成分であるグリーン色光成分は、イエロー分離ダイクロイックミラー２１によって反射され、グリーン用液晶変調パネル２Ｇに導かれる。
【０１３４】
そして、イエロー分離ダイクロイックミラー２１を透過したブルー色光成分は、２つのミラー２３，２４によってブルー用液晶変調パネル２Ｂに導かれる。なお、グリーン分離ダイクロイックミラー２１を透過したブルー色光成分の光路には、光路長を延長するために、フーリエ変換レンズ２５，２６によるキャッツアイ光学系で瞳をブルー用液晶変調パネル２Ｂに転送するように構成されている。
【０１３５】
こうして各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは、対応する色光成分で照明される。
【０１３６】
各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに入射した各色照明光（図の紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光）は、各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに配列された画素の変調状態に応じて偏光の位相差が付与される。
【０１３７】
各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂから射出した変調光は、色合成プリズムとしてのクロスダイクロイックプリズム１３の各色光成分の入射面に貼りつけられた検光子（図示せず）に入射する。ここでは、図の紙面に垂直な方向に偏光した変調光成分は検光子を透過し、紙面の水平方向に偏光した変調光成分は検光子に吸収されて熱として消失する。
【０１３８】
そして、各検光子を透過した各色変調光成分（図の紙面に対して垂直な方向に偏光した変調光成分）はクロスダイクロイックプリズム１３に入射する。
【０１３９】
クロスダイクロイックプリズム１３はＳ偏光に対して、レッド色光を反射し、グリーン色およびブルー色光を透過するレッド反射ダイクロイック膜とブルー色光を反射してグリーン色とレッド色光を透過するブルー反射ダイクロイック膜とをクロス状に配したものである。
【０１４０】
このクロスダイクロイックプリズム１３を用いることによって、レッド色の画像光（変調光）はレッド反射用ダイクロイック膜で反射して投射レンズ４の方向に向かい、ブルー色の画像光はブルー反射用ダイクロイック膜で反射して投射レンズ４の方向に向かう。また、グリーン色の画像光は、両ダイクロイック膜を透過して投射レンズ４の方向に向かう。
【０１４１】
なお、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは、各パネルの所定の画素が相対的に精度良く光拡散スクリーン５上で重なるように調整又はメカ的若しくは電気的に補償されている。
【０１４２】
クロスダイクロイックプリズム１３によって合成された各色光成分は、投射レンズ４の入射瞳によって捕らえられる。各液晶変調パネル２Ｇの変調面と光拡散スクリーン５の拡散面とは、投射レンズ４によって光学的に共役に関係付けられている。このため、クロスダイクロイックプリズム１３によって合成された各色光成分は光拡散スクリーン５に転送され、これによりビデオ信号に対応する画像が光拡散スクリーン５に投射表示される。
【０１４３】
なお、色合成プリズムとしては、上述したクロスダイクロイックプリズム１３以外に、３Ｐ（ピース）プリズムや４Ｐプリズムを用いてもかまわない。
【０１４４】
ここで、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを照明する側に用いられているダイクロイックミラー２０，２１や、変調光を色合成するクロスダイクロイックプリズム１３内に配されているダイクロイック膜は、光線の入射角の、ダイクロイック膜に対して４５度からの偏差量が増大していくと、分離波長が鈍角側では短波長側に、鋭角側では長波長側にシフトする特性を持っている。
【０１４５】
このため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアーによるオプティカルインテグレータを照明光学系に用いると、図１１（ａ）に示したような入射角度分布の光束がダイクロイック膜に入射するため、光線の入射角がダイクロイック膜に対して４５度からずれるに従い、波長帯域が異なる光束が混在することとなる。この場合、ランプユニットが黒体輻射のようななだらかな放射エネルギー波長分布特性を有しているのであれば、ダイクロイック膜に入射する角度が４５度を中心に対称となるため、平均カット波長は変化しないこととなるが、ガス励起発光を用いた電子励起放射のランプユニットを用いる場合は、放射エネルギー波長分布として輝線が主体となる波長スペクトル分布を有するため、平均カット波長は重心で変化することとなる。
【０１４６】
したがって、ダイクロイック膜による色合成が適切に行われず、投射画像の色再現性が不自然となる。
【０１４７】
また、透過型液晶変調素子である液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの偏光変調特性に関しても、液晶変調素子としてツイステッドネマティック液晶を用いている場合には、透過型液晶の方位角が斜め４５度方向から入射する光に対して、偏光位相差変調の精度を良くすることができない特性を根本的に有しているため、略軸対称な方位角から照明を行う従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いる場合には、液晶の偏光変調が不充分となる。これにより、黒がグレーの表示となり、照度コントラストが劣化する。
【０１４８】
これに対して、上記実施例１，２の照明光学系１を用いることによって、図１０（ａ）に示したような入射角度分布の光束が得られ、ダイクロイック膜への入射においては、光線入射角のダイクロイック膜に対して４５度からの偏差量が±３〜４度以内程度に収まるため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いた場合に生ずる、ダイクロイック膜の平均カット波長が重心で変化することによる不適切な色合成がほとんど解消される。
【０１４９】
また、各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの偏光変調特性に関しても、液晶の偏光変調が不充分となる方位角からの照明光束成分がほぼ皆無となるため、照度コントラストの劣化がほとんど解消される。
【実施例６】
【０１５０】
図１５には、本発明の実施例６である投射型画像表示装置の全光学系を示している。
【０１５１】
この図において、１は上記実施例１，２で説明した照明光学系を模式的に示したものである。なお、照明光学系１内の左側の図は、右側に示した照明光学系１を矢印Ｄ方向から見た図である。
【０１５２】
２Ｒ，２Ｇ，２Ｂはそれぞれ、レッド用、グリーン用およびブルー用の反射型液晶変調パネル（以下、液晶変調パネルという）である。３は光変調パネルドライバであり、不図示のパーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置からの外部ビデオ入力信号を液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを駆動するための駆動信号に変換する。液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは入力された駆動信号に応じた原画を液晶により形成し、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに入射した照明光束を反射するとともに変調する。
【０１５３】
照明光学系１からの図の紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光としての照明光は、マゼンタ色光成分を反射し、グリーン色光成分を透過するマゼンタ分離ダイクロイックミラー３０によってまずマゼンタ色光成分が反射される。
【０１５４】
反射されたマゼンタ色光成分は、ブルー色光の偏光にπの位相差を与えるブルークロスカラー偏光子３４に入射する。これにより、図の紙面に平行な方向に偏光した直線偏光であるブルー色光成分と、紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光であるレッド色光成分とが生成される。
【０１５５】
これらブルー色光成分とレッド色光成分は、偏光ビームスプリッタ３３に入射し、Ｐ偏光であるブルー色光成分は偏光分離膜を透過してブルー用液晶変調パネル２Ｂに導かれる。また、Ｓ偏光であるレッド色光成分は偏光分離膜で反射してレッド用液晶変調パネル２Ｒに導かれる。
【０１５６】
一方、マゼンタ分離ダイクロイックミラー３０を透過したグリーン色光成分は、光路長を補正するためのダミーガラス３６を通過して偏光ビームスプリッタ３１に入射する。
【０１５７】
偏光ビームスプリッタ３１に入射したＳ偏光であるグリーン色光成分は、偏光ビームスプリッタ３１の偏光分離膜で反射して、グリーン用液晶変調パネル２Ｇに導かれる。
【０１５８】
こうして各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは、対応する色光成分で照明される。
【０１５９】
各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに入射した各色照明光（図の紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光）は、各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに配列された画素の変調状態に応じて偏光の位相差が付与される。
【０１６０】
各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂから射出した変調光のうち照明光と同じ方向の偏光成分は、照明光路とは逆の順番で光路を辿ってランプユニット側に戻り、照明光の偏光方向に対して直交する偏光方向を有する成分に関しては以下のようにして投射レンズ４に至る。
【０１６１】
すなわち、レッド用液晶変調パネル２Ｒによる変調光は、偏光方向が図の紙面に平行なＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタ３３の偏光分離膜を透過する。次に、レッド色の偏光にπの位相差を与えるレッドクロスカラー偏光子３５を通過して、図の紙面に垂直な方向に偏光している直線偏光としてのレッド色光成分に変換される。
【０１６２】
そして、Ｓ偏光となったレッド色光成分は、偏光ビームスプリッタ３２に入射し、偏光分離膜で反射して投射レンズ４に向かう。
【０１６３】
また、ブルー用液晶変調パネル２Ｂによる変調光は、偏光方向が図の紙面に垂直なＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ３３の偏光分離膜で反射して、レッドクロスカラー偏光子３５をこの偏光子３５の作用を受けずに透過して、偏光ビームスプリッタ３２に入射する。
【０１６４】
Ｓ偏光であるブルー色光成分は、偏光ビームスプリッタ３２の偏光分離膜で反射して、投射レンズ４の方向に向かう。
【０１６５】
さらに、グリーン用液晶変調パネル２Ｇによる変調光は、偏光方向が図の紙面に平行なＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタ３１の偏光分離膜を透過して、光路長を補正するためのダミーガラス３７を透過し、偏光ビームスプリッタ３２に入射する。Ｐ偏光であるグリーン色光成分は、偏光ビームスプリッタ３２の偏光分離膜を透過して、投射レンズ４の方向に向かう。
【０１６６】
なお、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは、各パネルの所定の画素が相対的に精度良く光拡散スクリーン５上で重なるように調整又はメカ的若しくは電気的に補償されている。
【０１６７】
偏光ビームスプリッタ３２によって合成された各色光成分は、投射レンズ４の入射瞳によって捕らえられる。各液晶変調パネル２Ｇの変調面と光拡散スクリーン５の拡散面とは、投射レンズ４によって光学的に共役に関係付けられている。このため、偏光ビームスプリッタ３２によって合成された各色光成分は、光拡散スクリーン５に転送され、これによりビデオ信号に対応する画像が光拡散スクリーン５に投射表示される。
【０１６８】
ここで、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを照明する光路に用いられているダイクロイックミラー３０のダイクロイック膜は、光線の入射角のダイクロイック膜に対して４５度からの偏差量が増大していくと、分離波長が鈍角側では短波長側に、鋭角側では長波長側にシフトする特性を持っている。
【０１６９】
このため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアーによるオプティカルインテグレータを照明光学系に用いると、図１１（ａ）に示したような入射角度分布の光束がダイクロイック膜に入射するため、光線入射角がダイクロイック膜に対して４５度からずれるに従い、波長帯域が異なった光束が混在することとなる。
【０１７０】
ここで、光源であるランプユニットが黒体輻射のようななだらかな放射エネルギー波長分布特性を有しているのであれば、ダイクロイック膜に入射する角度が４５度に対して対称となるため、平均カット波長は変化しない。しかし、本実施例のように、ガス励起発光を用いた電子励起放射のランプユニットにおいては、放射エネルギー波長分布は、輝線が主体となる波長スペクトル分布を有するため、平均カット波長は重心で変化することとなる。したがって、ダイクロイック膜による色分離が不適切となって、投射画像の色再現性が不自然となる不具合が生じてしまう。
【０１７１】
また、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを照明する光路や、色合成光路に用いられている偏光ビームスプリッタ３１，３２，３３は、マックニール型の一般的な偏光ビームスプリッタであり、ブリュースター角を用いたＳ偏光とＰ偏光の偏光分離面を有するため、光線入射角の偏光分離面に対して４５度からの偏差量が増大していくと、急激にＳ偏光とＰ偏光の分離精度が劣化する。
【０１７２】
実際に、Ｓ偏光とＰ偏光の分離精度が５０対１程度に保てるのは、４５度からの偏差量が±３度程度である。このため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いると、図１１（ａ）に示したような入射角度分布の光束が偏光ビームスプリッタ３１，３２に入射し、また、液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂでそれぞれ反射偏光変調を受けてから偏光ビームスプリッタ３１，３２，３３に入射するため、光線入射角の偏光分離面に対して４５度からの偏差量が±３度以上になる光束のうちＰ偏光がある比率で反射し、Ｓ偏光がある比率で透過するという不具合が発生する。
【０１７３】
したがって、反射型液晶表示素子からなる各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに入射した照明光は、各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに配列された画素の変調状態に応じて偏光の位相差が付与されるが、各色で黒の表示をするために位相差を変化させない光を各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂが変調しても、偏光ビームスプリッタ３１〜３３の偏光分離面に対して４５度から３度以上傾いた光束においては、Ｓ偏光がある比率で透過し、かつＰ偏光がある比率で反射して、投射レンズ４を介して光拡散スクリーン５に転送されてしまい、黒がグレーとなって照度コントラストが劣化する。
【０１７４】
また、各液晶変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの偏光変調特性に関しても、液晶変調パネルとしてツイステッドネマティック液晶を用いている場合には、反射型液晶変調パネルの方位角が斜め４５度方向から照明入射される光に対して、偏光位相差変調パネル２Ｒ，２Ｇ，２Ｂが精度良く変調できないという特性を根本的に有しているため、略軸対称な方位角から照明を行う従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いる場合には、液晶の偏光変調が不充分となり、上記偏光ビームスプリッタ３１〜３３の入射角依存特性の場合と同様に、黒がグレーの表示となり、照度コントラストが劣化する。
【０１７５】
これらの不具合に対して、本実施例の照明光学系１を用いることによって、図１０（ａ）に示したような入射角度分布の光束が得られるため、ダイクロイックミラー３０への入射においては、光線入射角のダイクロイック膜に対して４５度からの偏差量が±３〜４度以内程度に収まるため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いた場合に生ずる、ダイクロイック膜による色分離において、平均カット波長が重心で変化することによる不適切な色合成がなされ、投射画像の色再現性が不自然となることがほとんど解消される。
【０１７６】
また、偏光ビームスプリッタ３１〜３３への入射においては、光線入射角の偏光分離面に対して４５度からの偏差量が±３〜４度以内程度に収まるため、従来の２次元フライアイレンズアレイのペアによるオプティカルインテグレータを用いた場合に生ずる、液晶変調パネルに配された画素の変調状態に応じない偏光波分離エラーによる照度コントラストの劣化がほとんど解消される。
【０１７７】
また、反射型液晶変調パネルの入射角に依存する偏光位相差変調の不具合に関しても、液晶の偏光変調が不充分となる方位角からの照明光束成分がほぼ皆無となるため、照度コントラストの劣化がほとんど解消される。
【０１７８】
また、上記各実施例の投射型画像表示装置においては、投射レンズ４に関しての利点も生ずる。すなわち、液晶変調パネルの長辺方向に偏光分離方向を設定したり、波長分離方向を設定したりすることで、投射レンズ４の投射画角が大きくなる方向に、図１０（ａ）に示した横方向の照明角度分布が狭い方向を設定することが可能となるため、投射レンズ４のビネッテイングと呼ばれる開口喰が発生する方向に通過する光束の幅が狭くなる。つまり、投射レンズ４の瞳開口喰による光束のけられを軽減する効果があり、光拡散スクリーン５に投影した画像領域の端部における光量減少を防止して、均一な光強度分布の投射画像を得ることができる。
【０１７９】
なお、上記実施例４〜６では、反射型のスクリーンを用いて画像表示システムを構成したが、スクリーンは反射型であっても透過型であってもよい。特に、所定の拡散性を有するものを用いれば、スクリーン５を直視して画像を認識する投射型画像表示装置として機能するものである。
【０１８０】
さらに、以上説明した各実施例は、以下に示す各発明を実施した場合の例でもあり、下記の各発明は上記各実施例に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【０１８１】
〔発明１〕 概ねテレセントリックな照明光束で被照明面を照明する照明光学系であって、前記被照明面の法線方向に対する入射光線の偏差角によって変化する照明光の前記被照明面での強度分布において、前記被照明面における第１の軸方向におけるピーク値の半値となる角度幅（の最大値）が、前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向におけるピーク値の半値となる角度幅（の最大値）の２倍以上であることを特徴とする照明光学系。
【０１８２】
〔発明２〕 概ね平行光束として入射した照明光束を光学的に操作する照明光学系であって、前記照明光束の進行方向に略直交する断面上での第１の軸方向について、光束の分割および再合成操作を行うオプティカルインテグレータと、前記断面上での前記第１の軸方向に対して直交する第２の軸方向について、光強度分布の変換操作を行う光強度変換手段とを有することを特徴とする照明光学系。
【０１８３】
〔発明３〕 前記照明光束は、有限外形を有し、かつ略ガウシアンプロファイル強度分布を有することを特徴とする発明２に記載の照明光学系。
【０１８４】
〔発明４〕 前記照明光束の進行方向に略直交する断面の外形が略矩形である光束を生成し、この略矩形の領域において略均一な光強度分布を生成することを特徴とする発明２に記載の照明光学系。
【０１８５】
〔発明５〕 前記照明光束の進行方向に略直交する断面の外形が略矩形である光束を生成し、この略矩形の領域において前記光強度変換手段によって光強度分布に滑らかな変化を持たせることを特徴とする発明２に記載の照明光学系。
【０１８６】
〔発明６〕 前記光強度変換手段によって得られる光強度分布が、前記略矩形の領域の中心から離れるに従って光強度が高くなる分布を持つことを特徴とする発明５に記載の照明光学系。
【０１８７】
〔発明７〕 前記略矩形の領域の中心から離れるに従って光強度が高くなる分布が、この照明光学系から射出した光束を被投射面に投射する投射レンズの開口喰による光転送効率の減衰を補正する分布であることを特徴とする発明６に記載の照明光学系。
【０１８８】
〔発明８〕 前記オプティカルインテグレータによるインテグレート方向の光路中に、光束を所定の偏光方向を有する直線偏光に変換する偏光変換素子が設けられていることを特徴とする発明２に記載の照明光学系。
【０１８９】
〔発明９〕 前記光強度変換手段は、入射した光束の一部に対して中央と端部とを反転するシャッフリング操作を行うことを特徴とする発明２に記載の照明光学系。
【０１９０】
〔発明１０〕 前記光強度変換手段は、入射した光束の所定の一次元方向に対して瞳にディストーション収差を付与するアフォーカル光学系であることを特徴とする発明２に記載の照明光学系。
【０１９１】
〔発明１１〕 発明１に記載の照明光学系と、この照明光学系から射出した光束を、２次元配列された画素群により変調する空間光変調素子と、この空間光変調素子により変調された光束を被投射面に投射する投射レンズとを有することを特徴とする投射表示光学系。
【０１９２】
〔発明１２〕 前記空間光変調素子がマイクロミラーアレイデバイス又は反射型液晶変調素子であることを特徴とする発明１１に記載の投射表示光学系。
【０１９３】
〔発明１３〕 前記空間光変調素子が反射型液晶変調素子であり、前記照明光学系から前記反射型液晶変調素子までの光路中に少なくとも１つの偏光分離手段が配置されており、この偏光分離手段による分離面内方向に対して垂直な方向が、前記被照明面における互いに直交する２軸方向のうち前記光強度分布のピーク値の半値となる角度幅が大きい方向に一致していることを特徴とする発明１１に記載の投射表示光学系。
【０１９４】
〔発明１４〕 前記空間光変調素子が反射型液晶変調素子であり、前記照明光学系から前記反射型液晶変調素子までの光路中に少なくとも１つ以上の波長選択性偏向素子が配置されており、この偏向素子による偏向面内方向に対して垂直な方向が、前記被照明面における互いに直交する２軸方向のうち前記光強度分布のピーク値の半値となる角度幅が大きい方向に一致していることを特徴とする発明１１に記載の投射表示光学系。
【０１９５】
〔発明１５〕 前記空間光変調素子が複数の透過型液晶変調素子であり、前記複数の透過型液晶変調素子から前記投射レンズまでの光路中に、前記各液晶変調素子によって変調された光束を合成する波長選択性又は偏光方向選択性の偏向素子が配置されており、この偏向素子による偏向面内方向に対して垂直な方向が、前記被照明面における互いに直交する２軸方向のうち前記光強度分布のピーク値の半値となる角度幅が大きい方向に一致していることを特徴とする発明１１に記載の投射表示光学系。
【０１９６】
〔発明１６〕 発明２から１０のいずれか１項に記載の照明光学系と、この照明光学系から射出した光束を、２次元配列された画素群により変調する空間光変調素子と、この空間光変調素子により変調された光束を被投射面に投射する投射レンズとを有することを特徴とする投射表示光学系。
【０１９７】
〔発明１７〕 前記空間光変調素子がマイクロミラーアレイデバイス又は反射型液晶変調素子であることを特徴とする発明１６に記載の投射表示光学系。
【０１９８】
〔発明１８〕 前記空間光変調素子が反射型液晶変調素子であり、前記照明光学系から前記反射型液晶変調素子までの光路中に少なくとも１つの偏光分離手段が配置されており、この偏光分離手段による分離面内方向に対して垂直な方向が、前記オプティカルインテグレータによる光束の分割および再合成操作を行う方向に一致していることを特徴とする発明１６に記載の投射表示光学系。
【０１９９】
〔発明１９〕 前記空間光変調素子が反射型液晶変調素子であり、前記照明光学系から前記反射型液晶変調素子までの光路中に少なくとも１つ以上の波長選択性偏向素子が配置されており、この偏向素子による偏向面内方向に対して垂直な方向が、前記オプティカルインテグレータによる光束の分割および再合成操作を行う方向に一致していることを特徴とする発明１６に記載の投射表示光学系。
【０２００】
〔発明２０〕 前記空間光変調素子が複数の透過型液晶変調素子であり、前記複数の透過型液晶変調素子から前記投射レンズまでの光路中に、前記各液晶変調素子によって変調された光束を合成する波長選択性又は偏光方向選択性の偏向素子が配置されており、この偏向素子による偏向面内方向に対して垂直な方向が、前記オプティカルインテグレータによる光束の分割および再合成操作を行う方向に一致していることを特徴とする発明１６に記載の投射表示光学系。
【０２０１】
〔発明２１〕 発明１１から２０のいずれか１項に記載の投射表示光学系を備えたことを特徴とする投射型画像表示装置。
【０２０２】
〔発明２２〕 発明２１に記載の投射型画像表示装置と、前記被投射面を形成するスクリーンとを有し、前記スクリーンでの所定の指向性を有した拡散反射光又は拡散透過光によって投射画像を観察させることを特徴とする画像表示システム。
【図面の簡単な説明】
【０２０３】
【図１】本発明の実施例１である照明光学系の概略構成図。
【図２】本発明の実施例２である照明光学系の概略構成図。
【図３】上記実施例１，２の照明光学系に組み込まれるオプティカルインテグレータの機能を説明する概略図。
【図４】上記実施例１の照明光学系に組み込まれる光強度変換オプティクスの機能を説明する概略図。
【図５】上記実施例２の照明光学系に組み込まれる光強度変換オプティクスの機能を説明する概略図。
【図６】上記実施例１の照明光学系により略均一な光強度分布を生成する過程を説明する図。
【図７】上記実施例１の照明光学系により略均一な光強度分布を生成する過程を説明する図。
【図８】上記実施例２の照明光学系により略均一な光強度分布を生成する過程を説明する図。
【図９】上記実施例２の照明光学系により略均一な光強度分布を生成する過程を説明する図。
【図１０】上記実施例１，２の照明光学系による光変調パネルへの光照射角度分布を示す図。
【図１１】従来の２次元オプティカルインテグレータを用いた照明光学系による光変調パネルへの光照射角度分布を示す図。
【図１２】本発明の実施例３である投射型画像表示装置の構成を示す概略図。
【図１３】本発明の実施例４である投射型画像表示装置の構成を示す概略図。
【図１４】本発明の実施例５である投射型画像表示装置の構成を示す概略図。
【図１５】本発明の実施例６である投射型画像表示装置の構成を示す概略図。
【符号の説明】
【０２０４】
１ 照明光学系
２，２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ 液晶変調パネル
３ 光変調パネルドライバ
４ 投射レンズ
５ 光拡散スクリーン
１０ 偏光ビームスプリッタ
１１ 全反射チルトプリズム
１３ クロスダイクロイックプリズム
２０，２１ ダイクロイックミラー，
２２，２３，２４ ミラー
２５，２６ フーリエ変換レンズ
２７，２８，２９ 検光子
３０ ダイクロイックミラー
３１〜３３ 偏光ビームスプリッタ
３４ ブルークロスカラー偏光子
３５ レッドクロスカラー偏光子
３６，３７ ダミーガラス
１００，２００ ガス励起発光源
１０１，２０１ パラボリック反射ミラー
１０２，２０２ 紫外線カットフィルター
１０３ シャッフリングプリズム
１０４ 反射ミラー
１０５，２０５，３０５，４０５ 第１シリンドリカルレンズ
１０６，２０６，３０６ 第１シリンドリカルアレイホモジナイザー
１０７，２０７，３０７ 第２シリンドリカルアレイホモジナイザー
１０８，２０８ 偏光変換素子アレイ
１０９，２０９，３０９ シリンドリカルコンデンサーレンズ
１１０，２１０，３１０，４１０ 第２シリンドリカルレンズ
１１１ ダミー偏光ビームスプリッタ
１１２，２１２，３１２，４１２ 光変調パネル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの照明光束で被照明面を照明する照明光学系であって、
前記光源と前記被照明面との間に配置された偏光分離面を備えており、
前記被照明面の法線方向に対する入射光線の偏差角によって変化する照明光の前記被照明面での強度分布において、前記照明光学系の光軸と前記偏光分離面の法線の両者に平行な断面を第１断面、前記照明光学系の光軸と平行で前記第１断面と垂直な断面を第２断面とするとき、前記第２断面におけるピーク値の半値となる角度幅が、前記第１断面におけるピーク値の半値となる角度幅よりも大きいことを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
空間光変調素子と、
光源からの照明光束を用いて前記空間光変調素子を照明する、請求項１に記載の照明光学系と、
前記空間光変調素子により変調された光束を被投射面に投射する投射レンズとを有することを特徴とする投射表示光学系。
【請求項１】
光源からの照明光束で被照明面を照明する照明光学系であって、
前記光源と前記被照明面との間に配置された偏光分離面を備えており、
前記被照明面の法線方向に対する入射光線の偏差角によって変化する照明光の前記被照明面での強度分布において、前記照明光学系の光軸と前記偏光分離面の法線の両者に平行な断面を第１断面、前記照明光学系の光軸と平行で前記第１断面と垂直な断面を第２断面とするとき、前記第２断面におけるピーク値の半値となる角度幅が、前記第１断面におけるピーク値の半値となる角度幅よりも大きいことを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
空間光変調素子と、
光源からの照明光束を用いて前記空間光変調素子を照明する、請求項１に記載の照明光学系と、
前記空間光変調素子により変調された光束を被投射面に投射する投射レンズとを有することを特徴とする投射表示光学系。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００８−１５２２８６（Ｐ２００８−１５２２８６Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３６７４３（Ｐ２００８−３６７４３）
【出願日】平成２０年２月１８日（２００８．２．１８）
【分割の表示】特願２００３−３４４２２（Ｐ２００３−３４４２２）の分割
【原出願日】平成１５年２月１２日（２００３．２．１２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１８日（２００８．２．１８）
【分割の表示】特願２００３−３４４２２（Ｐ２００３−３４４２２）の分割
【原出願日】平成１５年２月１２日（２００３．２．１２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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