CN1310060C - 照明光学系统和图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可以高效率地利用来自光源的光获得高照度均匀性的照明光束的照明光学系以及投射显示光学系。该照明光学系以近于远心的照明光束照明被照明面。进而，照明光学系操作照明光束，可以在随对应被照明面的法线方向的入射光线的偏差角变化的、照明光的被照明面的强度分布中，使被照明面的相互正交的2个轴向方向的各个方向作为峰值的一半值的角度宽度之比具有2∶1以上的纵横尺寸比。

Description

照明光学系统和图像显示装置

技术领域

本发明涉及在投射型图像显示装置中使用的照明光学系以及投射显示光学系。

背景技术

以往，投影仪型显示器(投射型图像显示装置)一般是将液晶显示面板或微镜阵列器件面板作为光调制元件利用于开关，通过控制光的透过和遮挡或者偏转方向将所选择的光图案投射到屏幕上在屏幕上显示图像。

在光调制元件方面使用了液晶显示面板或微镜阵列器件面板的投影仪中，有效地利用来自光源的光和降低屏幕上的照度不均匀至关重要。

作为改善手段，众所周知的有由2片二维排列的透镜阵列构成的光学积分器。光学积分器是通过第1透镜阵列将来自光源的光束分割成多个光束，通过第2透镜阵列边放大这些光束边在光调制元件的显示区域进行重叠成像的装置(特开H11-64848号公报)。

在该方法中，由于重叠分割后的照度不均匀性小的光束能够得到高均匀性的照射光，故可以大幅度地改善屏幕上的照度不均匀。此外，如果使第1透镜阵列的各个开口做成与光调制元件的显示区域相似的矩形，则由于分割后的光束可以无泄露地照射显示区域，故可以提高照射光的效率，进而提高来自光源的光的利用效率。

此外，作为其他的改善手段，还有通过将来自光源的光引导到有色显示器，混合光线的矢量，使有色显示器的光出射端面的光强分布均匀化，进而利用成像透镜将该像共轭成像在作为光调制元件使用的微镜阵列器件上的方法。

在使用有色显示器时，如果使用将来自自然辐射的光源的光变换成线偏振光状态的装置，则由于光学系变得复杂而一般难以实施。

在该方法中，也可以得到高均匀性的照射光，大幅度地改善屏幕上的照度不均匀。

但是，在使用了由2片透镜阵列构成的光学积分器或有色显示器的光强分布的均匀化方法时，照射光调制元件的光束具有较大的收敛角。因此，在光调制面板为反射型液晶显示面板或微镜阵列器件时，存在用于形成引导照明光的光路的空间上的限制，在利用TIR棱镜进行引导时，存在最小全反射角的限制。此外，在利用偏振光光束分离器进行引导时，由于产生了由S波的反射率的入射角度依存性导致的限制，希望对光调制元件的照明光束能够近似为平行光束。

进而，在光调制元件为透过型液晶显示面板且通过该透过型液晶显示面板进行红、绿、兰三原色的光的调制时，在利用二向色反射镜或者二向色棱镜合成调制光之际，调制光越从平行光束偏移，在二向色膜的反射·透过波长区域的截止波长越发生改变，产生由颜色的混浊或图像投射的位置导致的彩色再现性的偏差。

此外，光调制元件不仅限于透过型·反射型，作为扭曲向列液晶(TNLC)的情况，对该液晶显示面板的照明光束的入射角相对面板的法线方向倾斜的越厉害，或者相对液晶显示面板内液晶分子的摩擦方向倾斜的越厉害，则产生的与作为由通过液晶显示面板导致的理想的光波长的相位差的0或者π的偏离越大。因而，光调制的对比度低下。

发明内容

本发明之目的是提供高效率地利用来自光源的光并可以得到高照度均匀性的照明光束的照明光学系乃至于提供可以得到更明亮的高浓淡对比度的投射图像的投射显示光学系以及投射型图像显示装置。

为达成上述目的，本发明的第1实施形态是用近似(这里是包含若干的发散以及收敛成分的意思)远心的照明光束照射被照明面的照明光学系，光学地操作照明光束，可以在随对应被照明面的法线方向的入射光线的偏差角而变化的照明光的被照明面的强度分布中，在被照明面的相互正交的2轴方向的各个方向使作为峰值的一半值的角度宽度之比具有2∶1以上的纵横尺寸比。

此外，本发明的第2实施形态是光学地操作作为近似(这里是包含若干的发散以及收敛成分的意思)平行光束入射的照明光束的照明光学系，具有光学积分器和光强变换元件。这里，上述光学积分器对近似正交于上述照明方向的行进方向的截面上的第1轴向方向进行光束的分割以及再合成操作。另外，光强变换元件在相对于上述截面上的上述第1轴向方向正交的第2轴向方向进行光强分布的变换操作。

进而，本发明第3实施形态的投射显示光学系具有上述照明光学系、利用二维排列的像素群调制从上述照明光学系出射的光束的空间光调制元件和将利用上述空间光调制元件调制的光束投射到被投射面上的投射透镜。

依据本发明的一个方面，提供一种利用来自光源的光来照明被照明面的照明光学系统，其特征在于，上述照明光学系统包括：第一光学系统，在包含上述被照明面的法线的第一平面上具有光功率且将上述来自光源的光引导至上述被照明面；和光学面，该光学面相对上述被照明面的法线倾斜并使上述来自光源的光的至少一部分反射，其中上述第一光学系统包括：具有多个透镜的光学积分器，所述多个透镜在上述第一平面上的光功率和在包含上述法线并与上述第一平面相垂直的第二平面上的光功率彼此不同；和会聚透镜，该会聚透镜在上述第一平面上具有光功率且将从上述光学积分器射出的光束引导至上述被照明面，其中上述照明光学系统在表示上述来自光源的光相对于上述被照明面的入射角度和光强的关系的光强分布中，上述第一平面内的光强为峰值的一半时的入射角度大于上述第二平面内的光强为峰值的一半时的入射角度，以及上述光学面的法线平行于上述第二平面，但不平行于上述第一平面。

依据本发明的另一个方面，提供一种图像显示装置，包括至少一个光调制元件、利用来自光源的光来照明上述至少一个光调制元件的照明光学系统、以及投射来自上述至少一个光调制元件的光的投射光学系统，其特征在于，上述照明光学系统包括：第一光学系统，在包含上述至少一个光调制元件的法线的第一平面上具有光功率且将上述来自光源的光引导至上述光调制元件；和光学面，该光学面相对上述光调制元件的法线倾斜并使上述来自光源的光的至少一部分反射，其中上述第一光学系统包括：具有多个透镜的光学积分器，所述多个透镜在上述第一平面上的光功率和在包含上述法线并与上述第一平面相垂直的第二平面上的光功率彼此不同；和会聚透镜，该会聚透镜在上述第一平面上具有光功率且将从上述光学积分器射出的光束引导至上述光调制元件，其中上述照明光学系统在表示上述来自光源的光相对于上述光调制元件的入射角度和光强的关系的光强分布中，上述第一平面内的上述光强为峰值的一半时的入射角度大于上述第二平面内的上述光强为峰值的一半时的入射角度，以及上述光学面的法线平行于上述第二平面，但不平行于上述第一平面。

通过参照附图的下面的具体实施例的说明，可以明确本发明的特征。

附图说明

图1是作为本发明第1实施形态的照明光学系的概略构成图；

图2是作为本发明第2实施形态的照明光学系的概略构成图；

图3所示是说明可以组入上述第1以及第2实施形态的照明光学系的光学积分器的功能的概略图；

图4所示是说明可以组入上述第1实施形态的光强变换光学元件的功能的概略图；

图5所示是说明可以组入上述第2实施形态的光强变换光学元件的功能的概略图；

图6所示是说明通过上述第1实施形态的照明光学系生成近似均匀的光强分布的过程图；

图7所示是说明通过上述第1实施形态的照明光学系生成近似均匀的光强分布的过程图；

图8所示是说明通过上述第2实施形态的照明光学系生成近似均匀的光强分布的过程图；

图9所示是说明通过上述第2实施形态的照明光学系生成近似均匀的光强分布的过程图；

图10所示是利用上述第1以及第2实施形态的照明光学系的对光调制面板的光照射角度分布图；

图11所示是利用使用了以往的二维光学积分器的照明光学系的对光调制面板的光照射角度分布图；

图12所示是作为本发明第3实施形态的投射型图像显示装置的构成概略图；

图13所示是作为本发明第4实施形态的投射型图像显示装置的构成概略图；

图14所示是作为本发明第5实施形态的投射型图像显示装置的构成概略图；

图15所示是作为本发明第6实施形态的投射型图像显示装置的构成概略图。

具体实施方式

(第1实施形态)

图1中给出了作为本发明第1实施形态的照明光学系的构成。在该图中，100是作为光源的气体激发光源，可以使用高压水银灯、金属卤化物灯或氙灯等。

光源100与抛物面反射镜101组合产生大致平行的可见光光束，但为了使得到的平行光束确实地成为扩散(发散角)小的高质量的平行光束，需要尽可能狭窄地设计放电间隙，以限定气体的电子激发区域，使之成为接近于点光源发光的光源。

此外，为了得到更接近于点光源的光源，有时并不是对放电间隙施加交流偏压从电极的两个方向发射电子形成2点的点光源，而是减少发光效率以及能量转换效率并施加直流偏压使之在阴极电极侧产生高亮度的点光源。

从由该气体激发光源100和抛物面反射镜101构成的灯单元发射出来的光束中的可见光以外的紫外线被紫外线截止滤光片102滤除。紫外线也会因激发构成透镜材料的光学玻璃或光学薄膜使之劣化而长期地产生，特别是在光调制面板使用液晶元件时，由于作为有机材料的液晶聚合物因紫外线照射而分解变质，故防止这一现象是主要目的。

其次，通过了紫外线截止滤光片102的可见光光束入射到配置在光束的规定区域的、作为光强变换元件的重排棱镜103和反射镜104，被偏转方向以及反射。这里使用的重排棱镜103具有在反射镜104的反射面折返了相对置顶角棱镜的形状，至于该重排棱镜103的作用，我们将使用图4后述。

接着，通过重排棱镜103并被反射镜104反射了的光束入射到第1柱状透镜105。由于该第1柱状透镜105只在图中的水平方向具有光焦度，故与在光束的行进方向配置的另一个第2柱状透镜110成对地形成光束压缩器。

因而，入射到第1柱状透镜105的光束在图中水平方向受到压缩，以无焦状态被导向光调制面板112。

通过了第1柱状透镜105的光束入射到第1柱状阵列均匀化器106。该第1柱状阵列均匀化器106由只在图中的垂直方向具有光焦度的透镜阵列构成。并且，第1柱状阵列均匀化器106将入射的光束分割成阵列的个数数目，在一个个地结成了焦线后，再通过柱状聚光透镜109变换成被设定为规定了宽度的平行光束。

这里，第1柱状阵列均匀化器106和柱状聚光透镜109的主平面间隔设定为第1柱状阵列均匀化器106的焦距与柱状聚光透镜109的焦距之和。由此，光束可如上述那样地被再变换成平行光束。

进而，由于第1柱状阵列均匀化器106的光轴线相对于各个阵列的光轴线偏心，故柱状聚光透镜109在柱状聚光透镜109的焦线位置使通过了第1柱状阵列均匀化器106的各个阵列的光束重合。由此，可以达成光学积分(光束的分割以及再合成)操作。上述柱状聚光透镜109的焦线位置成为光调制面板(空间光调制元件)112的调制面。

另外，第2柱状阵列均匀化器107的焦线位置被设定在第1柱状阵列均匀化器106的各个阵列的出瞳位置。并且以第2柱状阵列均匀化器107和柱状聚光透镜109的串联透镜构成，形成第1柱状阵列均匀化器106的各个阵列的出瞳与光调制面板112的调制面光学地共轭的关系。为此，第1柱状阵列均匀化器106的各个阵列的出瞳在图中的垂直方向成像在光调制面板112的调制面上。

从由气体激发光源100和抛物面反射镜101构成的灯单元发出的光束不能成为完全的平行光，而是具有若干的扩散。第2柱状阵列均匀化器107为了修正该扩散程度的光束发散，要确实地将通过了第1柱状阵列均匀化器106的各个阵列的出瞳的光束引导到光调制面板112的调制面上。

通过了第2柱状阵列均匀化器107的光束入射到偏振光变换元件阵列108。这里所使用的偏振光变换元件阵列108与在一般的液晶投影仪中使用的被称为PS变换元件的元件相同，通过重合了偏振光光束分离器的阵列，将灯单元发出的光在单侧、例如图中的垂直方向变换成平行的偏振光成分。

即，偏振光变换元件阵列108使图中垂直方向的偏振光成分通过偏振光分离膜(没有图示)，在偏振光分离膜处反射了的图中的水平偏振光成分在相邻的偏振光光束分离器阵列的偏振光分离膜处再次反射并使光路只偏离阵列的间隔程度，在从偏振光变换元件阵列108出射之前通过半波长相位差板(没有图示)变换90度的偏振方向，作为图中的垂直方向的线偏振光出射。这样一来，通过了偏振光变换元件阵列108的光束全部成为了图中的垂直方向的线偏振光的光。

通过了偏振光变换元件阵列108的光束入射到柱状聚光透镜109，如上述那样，在图中的垂直方向重合于位于该柱状聚光透镜109的焦线位置的光调制面板112的调制面并进行积分。

通过了柱状聚光透镜109的光束入射到第2柱状透镜110。如上述那样，柱状透镜110是只在图中的水平方向具有光焦度的透镜，与第1柱状透镜105成对构形成光束压缩器。由此，在图中的水平方向光束被压缩，以无焦状态被导向光调制面板112。

进而，通过利用该第2柱状透镜110，光学共轭关系地配置第1柱状透镜105的出瞳和光调制面板112的调制面，可以使第1柱状透镜105的出瞳在图中的水平方向成像在光调制面板112的调制面上。

第2柱状透镜110的设置与上述的柱状阵列均匀化器107作用同样，也是用于修正从由气体激发光源100和抛物面反射镜101构成的灯单元发出的光束的扩散程度的光束发散，确实地将通过了第1柱状透镜105的出瞳的光束引导到光调制面板112的调制面上。

通过了柱状透镜110的光束入射到等效偏振光光束分离器111。该等效偏振光光束分离器可以使用二向色棱镜或者反射镜。但是，无论在等效偏振光光束分离器使用偏振光光束分离器时还是使用二向色棱镜时，光束的偏振方向均设定为图中的水平方向。

如以上这样，通过了本实施形态的照明光学系的光束被导向光调制面板112。关于本实施形态的照明特性将后述。

(第2实施形态)

图2中给出了作为本发明第2实施形态的照明光学系的构成。在该图中，200是作为光源的气体激发光源，可以使用高压水银灯、金属卤化物灯或氙灯等。光源200与抛物面反射镜201组合产生大致平行的可见光光束。为了使得到的平行光束确实地成为扩散(发散角)小的高质量的平行光束，光源200需要尽可能狭窄地设计放电间隙，以限定气体的电子激发区域，使之成为接近于点光源发光的光源。

此外，为了得到更接近于点光源的光源，有时并不是对放电间隙施加交流偏压从电极的两个方向发射电子形成2点的点光源，而是减少发光效率以及能量转换效率并施加直流偏压使之在阴极电极侧产生高亮度的点光源。

从由该气体激发光源200和抛物面反射镜201构成的灯单元发射出来的光束中的可见光以外的紫外线被紫外线截止滤光片202滤除。紫外线也会因激发构成透镜材料的光学玻璃或光学薄膜使之劣化而长期地产生，特别是在光调制面板使用液晶元件时，由于作为有机材料的液晶聚合物会因紫外线而分解变质，因此，防止这一现象将是主要目的。

通过了紫外线截止滤光片202的可见光光束入射到第1柱状阵列均匀化器206。第1柱状阵列均匀化器206只在图中的垂直方向具有光焦度。并且，第1柱状阵列均匀化器206将入射的光束分割成阵列个数的数目，在一个个地结成了焦线后，再通过柱状聚光透镜209变换成被设定为规定了宽度的平行光束。

这里，第1柱状阵列均匀化器206和柱状聚光透镜209的主平面间隔设定为第1柱状阵列均匀化器206的焦距与柱状聚光透镜209的焦距之和。由此，光束可如上述那样地被再变换成平行光束。

进而，由于第1柱状阵列均匀化器206的光轴线相对于各个阵列的光轴线偏心，故柱状聚光透镜209在柱状聚光透镜209的焦线位置使通过了第1柱状阵列均匀化器206的各个阵列的光束重合。由此，可以进行光学积分操作。并且，上述柱状聚光透镜209的焦线位置构成光调制面板212的调制面。

通过了第1柱状阵列均匀化器206的光束通过第2柱状阵列均匀化器207。该第2柱状阵列均匀化器207的焦线位置被设定在第1柱状阵列均匀化器206的各个阵列的出瞳位置。并且以第2柱状阵列均匀化器207和柱状聚光透镜209的串联透镜构成，形成第1柱状阵列均匀化器206的各个阵列的出瞳与光调制面板212的调制面光学地共轭的关系。为此，第1柱状阵列均匀化器206的各个阵列的出瞳在图中的垂直方向成像在光调制面板212的调制面上。

从由气体激发光源200和抛物面反射镜201构成的灯单元发出的光束不能成为完全的平行光，而是具有若干的扩散。为此，第2柱状阵列均匀化器207为了修正该扩散程度的光束发散，要确实地将通过了第1柱状阵列均匀化器206的各个阵列的出瞳的光束引导到光调制面板212的调制面上。

通过了第2柱状阵列均匀化器207的光束入射到偏振光变换元件阵列208。这里所使用的偏振光变换元件阵列208与在一般的液晶投影仪中使用的被称为PS变换元件的元件相同，是通过重合了偏振光光束分离器的阵列，只将灯单元发出的光在单侧、例如图中的垂直方向变换成平行的偏振光成分的元件。即，偏振光变换元件阵列208使图中垂直方向的偏振光成分通过偏振光分离膜，在偏振光分离膜处反射了的图中的水平偏振光成分在相邻的偏振光光束分离器阵列的偏振光分离膜处再次反射并使光路只偏离阵列的间隔程度，在出射于偏振光变换元件阵列208之前通过半波长相位差板(没有图示)变换90度偏振方向，作为图中的垂直方向的线偏振光出射。这样一来，通过了偏振光变换元件阵列208的光束全部成为了图中的垂直方向的线偏振光。

通过了偏振光变换元件阵列208的光束入射到第1柱状透镜205。第1柱状透镜205是只在图中的水平方向具有光焦度的透镜，与配置在光束行进方向的另一个第2柱状透镜210成对形成光束压缩器。因而，入射到第1柱状透镜205的光束在图中的水平方向被压缩，基本上以无焦状态被导向光调制面板212。

但是，在本实施形态中，有意识地使光束压缩器具有规定量的出瞳失真(畸变)像差，利用该出瞳失真像差均匀地或者任意分布地控制光调制面板212的调制面的光强分布。关于利用该光束压缩器的出瞳失真像差的作用我们将使用图5后述。

通过了第1柱状透镜205的光束入射到柱状聚光透镜209，如上述这样，利用该柱状聚光透镜209，在图中的垂直方向重合位于柱状聚光透镜209的焦线位置的光调制面板212的调制面并进行积分。

通过了柱状聚光透镜209的光束入射到第2柱状透镜210。如上述那样，柱状透镜210是只在图中的水平方向具有光焦度的透镜，与第1柱状透镜205成对形成光束压缩器。由此，在图中的水平方向光束被压缩，以无焦状态被导向光调制面板212。

进而，利用该第2柱状透镜210，可以近似光学共轭关系地(由于有意地使光束压缩器具有了像差，故光学共轭关系在精度上变粗)配置第1柱状透镜205的出瞳和光调制面板212的调制面。因此，可以使第1柱状透镜205的出瞳在图中的水平方向成像在光调制面板212的调制面上。

第2柱状透镜210的设置与上述的柱状阵列均匀化器207作用同样，也是用于修正从由气体激发光源200和抛物面反射镜201构成的灯单元发出的光束的扩散程度的光束发散，以确实地将通过了第1柱状透镜205的出瞳的光束引导到光调制面板212的调制面上。

通过了柱状透镜210的光束入射到等效偏振光光束分离器211。该等效偏振光光束分离器使用二向色棱镜或者反射镜均可。但是，无论在等效偏振光光束分离器使用偏振光光束分离器时还是使用二向色棱镜时，光束的偏振方向均设定为图中的水平方向。

如以上这样，通过了本实施形态的照明光学系的光束被导向光调制面板212。关于本实施形态的照明特性将后述。

(关于光学积分器)

下面，使用图3对在上述第1以及第2实施形态的照明光学系中使用的光学积分器进行说明。

在配置在图3中的各个光学元件中，第1柱状阵列均匀化器306在第1实施形态中相当于第1柱状阵列均匀化器106，在第2实施形态中相当于第1柱状阵列均匀化器206。此外，第2柱状阵列均匀化器307在第1实施形态中相当于第2柱状阵列均匀化器107，在第2实施形态中相当于第2柱状阵列均匀化器207。

进而，柱状聚光透镜309在第1实施形态中相当于柱状聚光透镜109，在第2实施形态中相当于柱状聚光透镜209。

通过这些第1以及第2柱状阵列均匀化器306、307和柱状聚光透镜309，可以构成光学积分器。

这里，图3中的光调制面板312在第1实施形态中相当于光调制面板112，在第2实施形态中相当于光调制面板212。

图3中用箭头给出的被导向第1柱状阵列均匀化器306并近似平行于光学积分方向的光束，被各个阵列透镜的出瞳分割成图中的纵方向并会聚在各个焦线上。第1柱状阵列均匀化器306的焦线的位置处于第2柱状阵列均匀化器307的出瞳位置的附近，配置在当箭头给出的入射光束是作为平行光的完全理想的光束时，该光束因第2柱状阵列均匀化器307而几乎不受到光焦度的位置上。

通过了第2柱状阵列均匀化器307的各个光束被导向柱状聚光透镜309.由于各个光束的光轴偏离开柱状聚光透镜309的光轴，故被第1柱状阵列均匀化器306的各个阵列的出瞳而分割了的各个光束的光轴在柱状聚光透镜309的焦线位置形成了会聚。

此外，第1柱状阵列均匀化器306和柱状聚光透镜309的主平面距离被设定为第1柱状阵列均匀化器306的焦距与柱状聚光透镜309的焦距之和的距离。由此，通过使被第1柱状阵列均匀化器306的各个阵列的出瞳分割的各个光束通过柱状聚光透镜309，可以使之相对于图的截面方向成为平行光。

另外，平行光的宽度的设定是按相对第1柱状阵列均匀化器306的焦距的柱状聚光透镜309的焦距之比进行放大。

另一方面，光调制面板312的光调制面配置在柱状聚光透镜309的焦线位置。由此，在光调制面板312的调制面可以进行光学积分操作，入射到照明光学系的光束与入射时的光强分布无关地被变换成近似均匀的光强分布照射在光调制面板312的调制面上。

下面，对第2柱状阵列均匀化器307的功能进行说明。图3中用箭头给出的入射光束并不是完全平行了的光束。特别地，在不是使用激光器，而是使用气体激发发光的光源的本实施形态中，即便激发发光区域再小也有0.1mm量级的有限区域。由此，即便是使用平行光透镜或者抛物面反射镜，也不可能获得完全的平行光光束，在上述入射光束中肯定包含着扩散(发散角)。

为了校正由该扩散误差造成的光调制面板312的照明区域的外形模糊，设置了第2柱状阵列均匀化器307。

如果使用图3进行说明，则由于被第1柱状阵列均匀化器306的各阵列的出瞳而分割了的光束具有来自该出瞳全域的扩散成分，故通过第2柱状阵列均匀化器307和柱状聚光透镜309的再合成系统，可以使第1柱状阵列均匀化器306的各阵列的出瞳像投影成像在光调制面板312的调制面上。

第2柱状阵列均匀化器307的各阵列的光入射侧的焦线位置被设定在第1柱状阵列均匀化器306的各个阵列的出瞳位置上。被第1柱状阵列均匀化器306的各阵列的出瞳而分割了的光束的扩散成分在图3中用细虚线给出。通过使被第1柱状阵列均匀化器306的各阵列的出瞳而分割了的光束通过第2柱状阵列均匀化器307，可以在图中的截面方向将之变换成平行光，进而，利用柱状聚光透镜309将之会聚在该柱状聚光透镜309的焦线面上。

即，第1柱状阵列均匀化器306的各阵列的出瞳像以在光调制面板312的调制面进行了光学积分的状态重合成像。由此，光调制面板312的调制面可以在图3的截面方向以边缘锐利的光强分布进行照明。

(关于重排棱镜)

以下使用图4对组入到上述第1实施形态的照明光学系的、作为光强变换元件的重排棱镜进行说明。

关于配置在图4中的各个光学元件，重排棱镜303相当于第1实施形态的重排棱镜103。此外，第1柱状透镜305相当于第1实施形态中的第1柱状透镜105，第2柱状透镜310相当于第1实施形态中的柱状透镜110。这里，光调制面板312相当于第1实施形态中的光调制面板112。

近于平行了的、图4中用箭头给出的光束的一部分通过重排棱镜303。重排棱镜303具有使相对置的各面相互成为平行地进行了配置的构造，可以看成是平行平板的合成形态的元件。图4中粗虚线表示在相对于纸面垂直方向通过重排棱镜303的上下的光束，细虚线表示通过重排棱镜303的内部的光束。

入射到重排棱镜303光束经过相对置的平行面偏移到图4中的上下方向。在箭头给出的入射光束的图4中的纸面截面方向，从中心开始的上侧半边的光束，其上端的光束移动到中心。这样，可以设定重排棱镜303的厚度。

即，入射光束的上半边的光束偏移并以被替换成下半边的光束形式出射，入射光束的下半边的光束偏移并以被替换成上半边的光束的形式出射。换言之，就是图中的用箭头给出的入射光束只在通过重排棱镜303的部分中央部和端部反转，且作为图的纸面中上下反转了的光束出射。

从重排棱镜303出射的光束被导向第1柱状透镜305。利用该第1柱状透镜305和其次配置的第2柱状透镜310可以形成无焦的凹凸对的光束压缩器。

光束压缩器的倍率设定为使入射光束的宽度大致一致于光调制面板312的有效宽度。

第1柱状透镜305和第2柱状透镜310的主平面间隔被设定为第1柱状透镜305的焦距与柱状透镜310的焦距之和的距离。由此，在图4中的纸面截面，作为近似平行光入射的光束可以作为以压缩器倍率的倒数赋予了角倍率的近似平行光出射，照射在光调制面板312上。

另一方面，第2柱状透镜310还具有另外的功能。图4中用箭头给出的入射光束并不是被完全平行了的光束。特别地，由于在不是使用激光器而是使用气体激发发光的光源的本实施形态中，即便激发发光区域再小也有0.1mm量级的有限区域，故即便是使用平行光透镜或者抛物面反射镜，也不可能获得完全的平行光光束，在上述入射光束中肯定包含着扩散(发散角)。

第2柱状透镜310具有校正由该扩散误差造成的光调制面板312的照明区域的外形模糊的功能。

由于第1柱状透镜305使具有来自该出瞳全域的扩散成分的光束通过，故利用第2柱状透镜310使该第1柱状透镜305的出瞳像投影成像在光调制面板312的调制面上。

第2柱状透镜310的光入射侧的成像共轭线的位置设定在第1柱状透镜305的出瞳位置，第2柱状透镜310的光出射侧的成像共轭线的位置设定在光调制面板312的调制面。第1柱状透镜305的出瞳光束的扩散成分为图4中用细虚线给出的光束，通过使被第1柱状透镜305的出瞳分割了的各个光束通过第2柱状透镜310，可以在图4中的截面方向形成在光调制面板312的调制面的会聚。

即，第2柱状透镜310的出瞳像被转送成像在光调制面板312的调制面上。

在此，我们使用图6以及图7说明光调制面板利用该重排棱镜303和用图3说明过的光学积分器的组合，以怎样的光强分布进行照明。

在图6以及图7中，我们给出了利用第1实施形态的照明光学系在光调制面板上的光强分布的形成过程。图6(A)以及图7(A)给出的是从由气体激发光源和抛物面反射镜构成的灯单元发射出来的光束的截面剖面，在图6(A)中，越明亮的部分表示光强越强。此外，图7(A)中，实线曲线表示图6(A)中的在纵(Y)方向的中心(0mm)的横(X)方向截面的光强分布，虚线曲线表示图6(A)中的在横(X)方向的中心(0mm)的纵(Y)方向截面的光强分布。

经过重排棱镜和反射镜，图6(A)以及图7(A)给出的光束的光强分布在光束的中央部分其中央部和端部的分布反转，且左右的分布也反转，变换成为图6(B)以及图7(B)给出的光束的截面剖面。

图6(B)中，用横线划分了的区域是利用光学积分器进行分割积分的区域，最终得到图6(C)以及图7(C)所示的光调制面板的调制面的光强分布。

如由图6(C)以及图7(C)可知的那样，入射到光调制面板的调制面的照明光束的光强分布为强度大且近于扁平(均匀)的分布。

这里，通过将重排棱镜的光学积分方向的厚度、配置数或光束偏移量等设计为规定值，当然也可以根据目的改变光调制面板的调制面的光线密度分布。因而，可以有意地使入射到光调制面板的调制面的照明光束的光强分布相对于光强变换元件进行作用的方向具有规定的分布。

下面，我们使用图5对变换组入上述第2实施形态的照明光学系的光强分布进行说明。

在图5的各个光学元件中，第1柱状透镜405相当于第2实施形态中的第1柱状透镜205，第2柱状透镜410相当于第2实施形态中的第2柱状透镜210。这里，光调制面板412在第2实施形态中相当于光调制面板212。

近似平行了的、图5中用箭头给出的光束入射到第1柱状透镜405。利用该第1柱状透镜405和其次配置的第2柱状透镜410可以形成无焦的凹凸对的光束压缩器，光束压缩器的倍率被设定为使入射光束的宽度近似一致于光调制面板412的有效宽度。

第1柱状透镜405和第2柱状透镜410的主平面间隔被设定为第1柱状透镜405的焦距与柱状透镜410的焦距之和的距离。由此，在图5中的纸面截面，作为近似平行光入射的光束可以作为以压缩器倍率的倒数赋予了角倍率的近似平行光出射，照射在光调制面板412上。

另一方面，第2柱状透镜410还具有另外的功能。图5中用箭头给出的入射光束并不是被完全平行了的光束。特别地，由于在不是使用激光器而是使用气体激发发光的光源的本实施形态中，即便激发发光区域再小也有0.1mm量级的有限区域，故即便是使用平行光透镜或者抛物面反射镜，也不可能获得完全的平行光光束，在上述入射光束中肯定包含着扩散(发散角)。

第2柱状透镜410具有校正由该扩散误差造成的光调制面板412的照明区域的外形模糊的功能。

由于第1柱状透镜405使具有来自该出瞳全域的扩散成分的光束通过，故利用第2柱状透镜410使该第1柱状透镜405的出瞳像投影成像在光调制面板412的调制面上。

第2柱状透镜410的光入射侧的成像共轭线的位置设定在第1柱状透镜405的出瞳位置，第2柱状透镜410的光出射侧的成像共轭线的位置设定在光调制面板412的调制面。第1柱状透镜405的出瞳光束的扩散成分为图5中用细虚线给出的光束，通过使被第1柱状透镜405的出瞳分割了的各个光束通过第2柱状透镜410，可以在图5中的截面方向实现在光调制面板412的调制面会聚。即，第2柱状透镜410的出瞳像被传送成像在光调制面板412的调制面上。

进而，由第1柱状透镜405和第2柱状透镜410构成的光束压缩器是无焦光学系，作为利用该光束压缩器的出瞳传送的像差，被有意地赋予了被称为无焦下的球差的、出瞳失真像差。第1柱状透镜405和第2柱状透镜410的柱面的曲率设计的较小，以便能够随着偏离光轴而赋予像差。如图5中用粗虚线给出的那样，光轴附近的光线通过了第2柱状透镜410后，在图5的纸面截面被变换成有若干发散的光束。

另一方面，偏离了光轴的出瞳外侧的光线通过了第2柱状透镜410后，在图5的纸面截面被变换成有若干收敛的光束。这样，由于是平滑连续地赋予发散收敛的变化，故在图5的纸面截面的光调制面板412的调制面处，中央部的光线密度变疏，端部的光线密度变密，照明光调制面板412的调制面的光强分布为在来自由气体激发光源和抛物面反射镜构成的灯单元的、用箭头给出的入射光束的光强分布上施加重合了上述的光线密度分布的分布。

在此，我们使用图8以及图9说明光调制面板利用该光强变换元件和用图3说明过的光学积分器的组合，是以怎样的光强分布进行照明的。

在图8以及图9中，我们给出了利用第2实施形态的照明光学系的在光调制面板上的光强分布的形成过程。图8(A)以及图9(A)给出的是从由气体激发光源和抛物面反射镜构成的灯单元发射出来的光束的截面剖面图，在图8(A)中，越明亮的部分表示光强越强。此外，图9(A)中，实线曲线表示图8(A)中的在纵(Y)方向的中心(0mm)的横(X)方向截面的光强分布，虚线曲线表示图8(A)中的在横(X)方向的中心(0mm)的纵(Y)方向截面的光强分布。

图8(A)以及图9(A)给出的光束的光强分布被光学积分器逐个图8(A)中用横线划分了的区域地进行了分割积分。进而，图8(B)所示的、由上述的光束压缩器的出瞳失真像差造成的在光调制面板的调制面的光线密度分布被施加重合到光强变换元件的方向，得到用图8(C)以及图9(C)给出的在光调制面板的调制面的光强分布。

如由图8(C)以及图9(C)可知的那样，入射到光调制面板的调制面的照明光束的光强分布为强度大且近于扁平(均匀)的分布。

这里，通过将光束压缩器的出瞳失真像差设计为规定值，当然也可以根据目的改变光调制面板的调制面的光线密度分布。因而，可以有意地使入射到光调制面板的调制面的照明光束的光强分布相对于光强变换元件进行作用的方向具有规定的分布。

下面，使用图10以及图11对利用以上说明过的照明光学系获得的特性进行说明。

图11所示是以往的由二维复眼透镜阵列对来进行了光学积分操作的照明光束的对光调制面板的调制面等被照明面的光线入射角度分布。图11(A)给出的是在外周为方位角360度方向、出射轴相对于被照明面的法线(垂直入射轴)的仰角。该图的情况是以20度的仰角给出的外周。此外，图11(B)、(C)分别表示在图11(A)的B-B截面以及C-C截面的光强分布。

另一方面，图10所示是利用本实施形态的照明光学系得到的照明光束的对光调制面板的调制面等被照明面的光线入射角度分布。图10(A)给出的是在外周为方位角360度方向、出射轴相对于被照明面的光线入射角度分布。该图的情况是以外周各20度的仰角给出的。此外，图10(B)、(C)分别表示在图10(A)的B-B截面以及C-C截面的光强分布。

如通过图10(A)和图11(A)的比较可知的那样，虽然两者相对于被照明面照射的光束在被照明面均可以得到近于均匀的光强分布，但在光束的入射角度特性方面则产生了很大的差异。

即，如图11(A)所示的那样，由二维复眼透镜阵列对来进行了光学积分操作的照明光束相对于被照明面为以方位角的方式2轴对称的光线分布。

相对于此，本实施形态的情况如图10(A)所示的那样，虽然在图中的纵方向的光学积分方向(B-B方向)具有同样的光线入射仰角，但在光强变换元件进行作用的方向(C-C方向)，由于没有伴随通过光学积分的光束的重合操作，故相对于从灯单元发出的光束的扩散角度，将成为具有依存于根据光束压缩器的压缩倍率的角倍率的仰角的情况。因而，可以在光强变换元件进行作用的方向非常小地抑制被照明面的光线入射角度。

具体言之就是，在随相对被照明面的法线方向的入射光线的偏差角变化的照明光的被照明面的强度分布中，使用的方法是在被照明面的相互正交的2轴(B-B轴以及C-C轴)方向的各自方向上作为峰值P的一半值(1/2P)的角度宽度之比α∶β具有2∶1或2∶1以上的纵横尺寸比的照明方法。

更为详细地说，就是作为B-B轴的峰值的一半值的角度宽度是作为C-C轴的峰值的一半值的角度宽度的2倍或2倍以上。此外，也可以认为作为B-B轴的峰值的一半值的角度宽度的最大值是作为C-C轴的峰值的一半值的角度宽度的最大值的2倍或2倍以上。

下面，作为第3～第6实施形态，我们利用这样的特性对使用了该照明光学系的投射型图像显示装置的性能受到怎样的影响(优点)进行说明。

(第3实施形态)

图12所示是作为本发明第3实施形态的投射型图像显示装置的投射显示光学系的整个系统。

该图中，1是原理地给出了在第1以及第2实施形态说明过的照明光学系的构成。这里，照明光学系1内的左侧的图是从箭头D方向观看右侧所示的照明光学系1时的图。

2是反射型液晶调制面板(以下称之为液晶调制面板)。3是光调制面板驱动器，用于将来自没有图示的个人计算机、电视机、录像机、DVD播放器等图像信息供给装置的外部视频输入信号变换成驱动液晶调制面板2的驱动信号。液晶调制面板2通过液晶形成对应了输入的驱动信号的原图像并调制入射到液晶调制面板2的照明光。

10是偏振光光束分离器，用偏振光分离面反射(反射S偏振光)作为来自照明光学系1的照明光的、在垂直于图的纸面的方向偏振的直线偏振光，进而将之导向液晶调制面板2。

入射到液晶调制面板2的照明光(垂直于图的纸面的方向的直线偏振光)被对应于排列在液晶调制面板2上的像素的调制状态赋予偏振光的相位差，图的纸面中水平方向的成分以P偏振光通过偏振光光束分离器10的偏振光分离面，垂直于纸面的方向的成分以S偏振光反射于偏振光光束分离器10的偏振光分离面，返回到照明光学系1的方向。

以P偏振光通过了偏振光光束分离器10的偏振光分离面的成分原样不变地被投射透镜4的入瞳捕获。由于液晶调制面板2的调制面和光扩散屏幕5的扩散面被投射透镜4光学地、共轭地施加了关系，故形成于液晶调制面板2的调制面的原图像的像(对应了视频信号的图像)被投射显示在光扩散屏幕5上。

这里，偏振光光束分离器10是马可尼型的、一般使用的偏振光光束分离器，具有使用了布儒斯特角的S偏振光和P偏振光的偏振光分离面。在该偏振光光束分离器10中，如果光线的入射角的、相对于偏振光分离面离开45度的偏差量增大，则会急剧劣化S偏振光和P偏振光的分离精度。实际上，保证S偏振光和P偏振光的分离精度在50对1的程度的离开45度的偏差量为±3度的程度。

因此，如果在照明光学系中使用以往的利用二维复眼阵列透镜的对的光学积分器，则因图11(A)所示那样的入射角度分布的光束入射到偏振光光束分离器10，故在光线的入射角相对于偏振光分离面偏离45度的偏差量达到±3度以上的光束中，会产生P偏振光以某一比率反射、S偏振光以某一比率透过之类的不合适的情况。

因而，虽然对应排列在液晶调制面板2上的像素的调制状态被赋予了偏振光的相位差，但因为是使屏幕出现黑显示，故即使由液晶调制面板2出射在垂直于图12的纸面的方向偏振的直线偏振光(调制光)，在相对于偏振光光束分离器10的偏振光分离面偏离45度倾斜了3度或3度以上的光束中，S偏振光也会以某一比率透过，并经由投射透镜4传送到光扩散屏幕5上，因而黑将成为灰，劣化了照度对比度。

关于液晶调制面板2的偏振光调制特性，由于在作为液晶调制面板2使用扭曲向列液晶时，根本上具有在液晶调制面板2上方位角倾斜，相对于从45度方向入射的光不能精度良好地进行偏振光相位差调制之类的特性，故在使用从近似轴对称的方位角进行照明的、以往的利用二维复眼透镜阵列的对的光学积分器时，液晶的偏振光调制将变得不充分，与上述偏振光光束分离器10的入射角依存特性的情况同样地，黑色将成为灰色的显示，照度对比度劣化。

相对于此，由于在本实施形态的投射型图像显示装置中，通过使用第1以及第2实施形态的照明光学系1，可以得到图10(A)所示那样的入射角度分布的光束，故在对偏振光光束分离器10的入射中，因为光线入射角相对于偏振光分离面偏离45度的偏差量收敛在±3～4度或以内的程度，所以，可以近于全部地消除在使用了通过以往的二维复眼透镜阵列的对的光学积分器时产生的、因偏振光分离没有对应液晶调制面板的像素的调制状态的偏振光分离误差导致的照度对比度的劣化。

此外，关于液晶调制面板2，由于可以做到几乎没有来自液晶的偏振光调制不充分的方位角的照明光束成分，故与上述偏振光光束分离器10的入射角依存特性的情况同样地，可以近乎全部地消除照度对比度的劣化。

(第4实施形态)

图13所示是作为本发明第4实施形态的投射型图像显示装置的投射显示光学系的整个系统。

该图中，1是原理地给出了在第1以及第2实施形态说明过的照明光学系的构成。这里，照明光学系1内的左侧的图是从箭头D方向观看右侧所示的照明光学系1时的图。在本实施形态中，照明光学系1中不需要包含偏振光变换元件阵列108、208。

2M是反射镜阵列光偏振调制面板(以下称之为反射镜调制面板)。3是光调制面板驱动器，用于将来自没有图示的个人计算机、电视机、录像机、DVD播放器等图像信息供给装置的外部视频输入信号变换成驱动反射镜调制面板2M的驱动信号。反射镜调制面板2M对应输入的驱动信号偏振驱动各个微镜像素，进而偏振调制入射到反射镜调制面板2M的照明光束。

11是全反射倾斜棱镜，其经由全反射面反射来自照明光学系1的照明光，从相对于其法线倾斜方向照明反射镜调制面板2M。此时，排列在反射镜调制面板2M内的微镜像素在包含反射镜调制面板2M的法线和照明光的光轴的面内进行偏振。

入射到反射镜调制面板2M的照明光对应反射镜调制面板2M上的各个微镜像素的调制状态控制反射方向。具体言之就是，在黑色调制时进行偏振调制，以便能够将反射光导向投射透镜4的出瞳区域以外，在白色调制时进行偏振调制，以便能够将反射光导向投射透镜4的出瞳区域以内。此外，在白色调制时，由于相对于全反射倾斜棱镜11的全反射面入射角偏向于垂直方向，故照明光可以通过全反射面、通过经由空气间隙配置的校正光路长度的棱镜12原样不变地被投射透镜4的入瞳捕获。

由于反射镜调制面板2M的调制面和光扩散屏幕5被投射透镜4光学地、共轭地施加了关系，故调制光被投射到光扩散屏幕5上，可以在光扩散屏幕5上显示对应了视频信号的图像。

这里，照明光束的收敛角越小，全反射倾斜棱镜11的全反射面越能够相对于反射镜调制面板2M以近于垂直的光束进行照明。此外，由于照明光束的收敛角越小，越能够减小反射镜调制面板2M的微镜像素的偏振角度并进行调制，故可以在器件方面、光学系整体的配置限制或大小方面较宽地设计范围。因此，可以低成本地制造装置自体。

因而，如果在照明光学系中使用以往的利用二维复眼透镜阵列的对的光学积分器，则为了使图11(A)所示那样的入射角度分布的光束达到照明收敛角，将难以获得上述的优点。

与之相反，由于通过使用第1以及第2实施形态的照明光学系1，可以得到图10(A)所示那样的入射角度分布的光束，故可以获得上述优点。

(第5实施形态)

图14所示是作为本发明第5实施形态的投射型图像显示装置的投射显示光学系的整个系统。

该图中，1是原理地给出了在第1以及第2实施形态说明过的照明光学系的构成。这里，照明光学系1内的左侧的图是从箭头D方向观看右侧所示的照明光学系1时的图。

2R、2G、2B分别是红用、绿用以及兰用的透过型液晶调制面板(下面称之为液晶调制面板)。3是光调制面板驱动器，用于将来自没有图示的个人计算机、电视机、录像机、DVD播放器等图像信息供给装置的外部视频输入信号变换成驱动液晶调制面板2R、2G、2B的驱动信号。液晶调制面板2R、2G、2B通过液晶形成对应了输入的驱动信号的原图像并调制入射到液晶调制面板2R、2G、2B的照明光束。

20是在作为来自照明光学系1的、垂直于图的纸面的方向偏振的直线偏振光的照明光中反射红色光成分、透过氰(绿以及兰)色光成分的红色分离二向色反射镜。被红色分离二向色反射镜20反射的红色光成分被反射镜22导向红色用液晶调制面板2R。

另一方面，透过了红色分离二向色反射镜20的氰色光成分中作为黄光成分的绿色光成分被黄色分离二向色反射镜21反射，导向绿色用液晶调制面板2G。

进而，透过了黄色分离二向色反射镜21的兰色光成分被2个反射镜23、24导向兰色用液晶调制面板2B。这里，在透过了黄色分离二向色反射镜21的兰色光成分的光路中，为了延长光路长度，利用由傅立叶变换透镜25、26组成的猫眼光学系进行构成，以便能够将出瞳传送到兰色用液晶调制面板2B。

这样，各液晶调制面板2R、2G、2B可以用对应的色光成分进行照明。

入射到各液晶调制面板2R、2G、2B的各彩色照明光(在垂直于图的纸面的方向偏振的直线偏振光)对应于排列在各液晶调制面板2R、2G、2B上的像素的调制状态被赋予了偏振光的相位差。

从各液晶调制面板2R、2G、2B出射的调制光入射到粘贴在作为彩色合成棱镜的交叉二向色棱镜13的各种色光成分的入射面上的检光元件(没有图示)。这里，在垂直于图的纸面的方向偏振的调制光成分透过检光元件，在纸面的水平方向偏振的调制光成分被检光元件吸收并以热的形式消失。

进而，透过了各个检光元件的各种彩色调制光成分(相对于图的纸面在垂直的方向偏振的调制光成分)入射到交叉二向色棱镜13。

交叉二向色棱镜13是相对于S偏振光交叉地配置了反射红色光、透过绿色光以及兰色光的红色反射二向色膜和反射兰色光、透过绿色光和红色光的兰色反射二向色膜的棱镜。

通过使用该交叉二向色棱镜13，红色的图像光(调制光)在红色反射二向色膜处反射朝向投射透镜4的方向，兰色的图像光在兰色反射二向色膜处反射朝向投射透镜4的方向。此外，绿色的图像光则透过两个二向色膜朝向投射透镜4的方向。

这里，液晶调制面板2R、2G、2B进行调整以及机械地或电气地补偿，以便能够精度相对良好地在光扩散屏幕5上重叠各面板的规定的像素。

被交叉二向色棱镜13合成了的各种色光成分被投射透镜4的入瞳捕获。各液晶调制面板2G的调制面和光扩散屏幕5的扩散面被投射透镜4光学地、共轭地施加了关系。因此，被交叉二向色棱镜13合成了的各种色光成分被传送到光扩散屏幕5，由此在光扩散屏幕5上投射显示对应视频信号的图像。

这里，作为彩色合成棱镜，除了上述的交叉二向色棱镜13以外，也可以使用3P(块)棱镜或4P棱镜。

在此，如果在照明液晶调制面板2R、2G、2B侧使用的二向色反射镜20、21或配置在彩色合成调制光的交叉二向色棱镜13内的二向色膜相对于光线的入射角的、相对于二向色膜离开45度的偏差量增大，则分离波长具有在钝角侧偏移到短波长侧、在锐角侧偏移到长波长侧的特性。

由此，如果在照明光学系中使用以往的利用二维复眼透镜阵列的对的光学积分器，则由于图11(A)所示那样的入射角度分布的光束入射到二向色膜，故随着光线的入射角相对于二向色膜偏离45度，将会混杂波段不同的光束。此时，如果灯单元是具有黑体辐射那样的平稳的辐射能波长分布特性的光源，则入射到二向色膜的角度为以45度为中心对称，故其平均截止波长不产生变化，而在使用采用了气体激发发光的电子激发辐射的灯单元时，由于作为辐射能波长分布具有辐射线为主体的波长光谱分布，故平均截止波长将在重心产生变化。

因而，不适当地进行利用二向色膜的色彩合成其投射图像的色彩再现性将变得不自然。

此外，关于作为透过型液晶调制元件的液晶调制面板2R、2G、2B的偏振光调制特性，在作为液晶调制元件使用扭曲向列液晶时，由于透过型液晶的方位角倾斜，相对于从45度方向入射的光，根本上具有不能良好地保证偏振光相位差调制的精度的特性，故在使用从近似轴对称的方位角进行照明的、以往的利用二维复眼透镜阵列的对的光学积分器时，液晶的偏振光调制也将不充分。因此，黑色将成为灰色的显示，劣化了照明对比度。

相对于此，通过使用上述第1以及第2实施形态的照明光学系1，可以得到图10(A)所示那样的入射角度分布的光束，故在对二向色膜的入射中，因为光线入射角的相对于二向色膜偏离45度的偏差量收敛在±3～4度或以内的程度，所以，可以近于全部地消除在使用了通过以往的二维复眼透镜阵列的对的光学积分器时产生的、因二向色膜的平均截止波长在重心变化造成的不合适的色彩合成。

此外，关于液晶调制面板2R、2G、2B的偏振光调制特性，由于可以做到几乎没有来自液晶的偏振光调制不充分的方位角的照明光束成分，故可以近乎全部地消除照度对比度的劣化。

(第6实施形态)

图15所示是作为本发明第6实施形态的投射型图像显示装置的投射显示光学系的整个系统。

该图中，1是原理地给出了在第1以及第2实施形态说明过的照明光学系的构成。这里，照明光学系1内的左侧的图是从箭头D方向观看右侧所示的照明光学系1时的图。

2R、2G、2B分别是红用、绿用以及兰用的透过型液晶调制面板(以下称之为液晶调制面板)。3是光调制面板驱动器，用于将来自没有图示的个人计算机、电视机、录像机、DVD播放器等图像信息供给装置的外部视频输入信号变换成驱动液晶调制面板2R、2G、2B的驱动信号。液晶调制面板2R、2G、2B通过液晶形成对应了输入的驱动信号的原图像，并在反射入射到液晶调制面板2R、2G、2B的照明光束的同时对其进行调制。

在来自照明光学系1的、作为在垂直于图的纸面的方向偏振的直线偏振光的照明光束中，品红色光成分被反射品红(红色以及兰色)色光成分、透过兰色光成分的品红分离二向色反射镜30反射。

反射了的品红色光成分入射到对兰色光的偏振光赋予π相位差的兰色交叉彩色偏光元件34。由此，可以生成作为在平行于图的纸面的方向偏振的直线偏振光的兰色光成分和作为在垂直于纸面的方向偏振的红色光成分。

这些兰色光成分和红色光成分入射到偏振光光束分离器33，作为P偏振光的兰色光成分透过偏振光分离膜导向兰色用液晶调制面板2B。而作为S偏振光的红色光成分则在偏振光分离膜处反射并导向红色用液晶调制面板2R。

另一方面，透过了品红分离二向色反射镜30的绿色光成分通过用于校正光路长度的伪玻璃36，入射到偏振光光束分离器31。

入射到偏振光光束分离器31的作为S偏振光的绿色光成分在偏振光光束分离器31的偏振光分离膜处反射，导向绿色用液晶调制面板2G。

这样，各液晶调制面板2R、2G、2B可以用对应的色光成分进行照明。

入射到各液晶调制面板2R、2G、2B的各彩色照明光(在垂直于图的纸面的方向偏振的直线偏振光)对应于排列在各液晶调制面板2R、2G、2B上的像素的调制状态被赋予了偏振光的相位差。

从各液晶调制面板2R、2G、2B出射的调制光中，与照明光相同方向的偏振光成分以与照明光路相反的顺序追寻光路返回灯单元侧，关于具有相对于照明光的偏振光方向正交的偏振光方向的成分则通过以下这样的做法到达投射透镜4。

即，受到红色用液晶调制面板2R调制的调制光成为偏振光方向平行于图的纸面的P偏振光，透过偏振光光束分离器33的偏振光分离膜。而后，通过对红色的偏振光赋予了π相位差的红色交叉彩色偏光元件35，被变换成作为在垂直于图的纸面的方向偏振的直线偏振光的红色光成分。

进而，成为了S偏振光的红色光成分入射到偏振光光束分离器32，在偏振光分离膜处反射朝向投射透镜4。

另外，受到兰色用液晶调制面板2B调制的调制光成为偏振光方向垂直于图的纸面的S偏振光，在偏振光光束分离器33的偏振光分离膜处反射，不受红色交叉彩色偏光元件35的作用地透过该偏光元件35，入射到偏振光光束分离器32。

作为S偏振光的兰色光成分在偏振光光束分离器32的偏振光分离膜处反射，朝向投射透镜4的方向。

进而，受到绿色用液晶调制面板2G调制的调制光成为偏振光方向平行于图的纸面的P偏振光，透过偏振光光束分离器31的偏振光分离膜，透过用于校正光路长度的等效玻璃37，入射到偏振光光束分离器32。作为P偏振光的绿色光成分透过偏振光光束分离器32的偏振光分离膜，朝向投射透镜4的方向。

这里，液晶调制面板2R、2G、2B进行调整以及机械地或电气地补偿，以便能够精度相对良好地在光扩散屏幕5上重叠各面板的规定的像素。

被偏振光光束分离器32合成了的各种色光成分被投射透镜4的入瞳捕获。各液晶调制面板2的调制面和光扩散屏幕5的扩散面被投射透镜4光学地、共轭地施加了关系。因此，被偏振光光束分离器32合成了的各种色光成分被传送到光扩散屏幕5，由此在光扩散屏幕5上投射显示对应了视频信号的图像。

这里，如果在照明液晶调制面板2R、2G、2B的光路中使用的二向色反射镜30的二向色膜其光线的入射角的、相对于二向色膜离开45度的偏差量增大，则分离波长具有在钝角侧偏移到短波长侧、在锐角侧偏移到长波长侧的特性。

由此，如果在照明光学系中使用以往的利用二维复眼透镜阵列的对的光学积分器，则由于图11(A)所示那样的入射角度分布的光束入射到二向色膜，故随着光线入射角相对于二向色膜偏离45度，将会混杂波段不同的光束。

这里，如果作为光源的灯单元是具有黑体辐射那样的平稳的辐射能波长分布特性的光源，则入射到二向色膜的角度相对于45度对称，故其平均截止波长不产生变化。但是，如本实施形态这样，在采用了气体激发发光的电子激发辐射的灯单元中，由于辐射能波长分布具有辐射线为主体的波长光谱分布，故平均截止波长将在重心产生变化。因而，利用二向色膜的色彩合成将不合适，产生投射图像的色彩再现性变得不自然的现象。

此外，由于照明液晶调制面板2R、2G、2B的光路或在彩色合成光路中使用的偏振光光束分离器31、32、33是马可尼尔型的一般的偏振光光束分离器，具有使用了布儒斯特角的S偏振光和P偏振光的偏振光分离面，故如果光线入射角的、相对于偏振光分离面离开45度的偏差量增大，则会急剧劣化S偏振光和P偏振光的分离精度。

实际上，保证S偏振光和P偏振光的分离精度在50对1的程度的离开45度的偏差量为±3度的程度。因此，如果在照明光学系中使用以往的利用二维复眼阵列透镜的对的光学积分器，则因图11(A)所示那样的入射角度分布的光束入射到偏振光光束分离器31、32，以及在液晶调制面板2R、2G、2B分别受到反射偏振调制后，入射到偏振光光束分离器31、32、33，故在光线入射角的相对于偏振光分离面偏离45度的偏差量达到±3度或以上的光束中，会产生P偏振光以某一比率反射、S偏振光以某一比率透过之类的不合适的现象。

因而，入射到由反射型液晶显示元件构成的各液晶调制面板2R、2G、2B的照明光被对应于排列在各液晶调制面板2R、2G、2B上的像素的调制状态赋予了偏振光的相位差。但是，由于是用各种颜色进行黑色的显示，故即使各液晶调制面板2R、2G、2B调制没有使相位差变化的光，在相对于偏振光光束分离器31～33的偏振光分离面偏离45度倾斜了3度或3度以上的光束中，S偏振光也会以某一比率透过且P偏振光以某一比率反射，并经由投射透镜4传送到光扩散屏幕5上，因而黑将成为灰，劣化了照度对比度。

此外，关于各液晶调制面板2R、2G、2B的偏振光调制特性，由于在作为液晶调制面板使用扭曲向列液晶时，相对于反射型液晶调制面板的方位角倾斜并从45度方向照明入射的光，各液晶调制面板2R、2G、2B在根本上具有不能精度良好地进行调制之类的特性。因而，在使用从近似轴对称的方位角进行照明的、以往的利用二维复眼透镜阵列的对的光学积分器时，液晶的偏振光调制会变得不充分，与上述偏振光光束分离器31～33的入射角依存特性的情况同样地，黑成为了灰的显示，劣化了照度对比度。

与这些不合适的情况相反，由于通过使用本实施形态的照明光学系1，可以得到图10(A)所示那样的入射角度分布的光束，故在对二向色反射镜30的入射中，光线入射角的相对于二向色膜偏离45度的偏差量收敛在±3～4度或以内的程度。为此，可以近于全部地消除在使用了以往的利用二维复眼透镜阵列的对的光学积分器时产生的、通过二向色膜的色分离中因平均截止波长在重心变化造成的不合适的色彩合成以及投射图像的彩色再现性不自然的现象。

此外，在对偏振光光束分离器31～33的入射中，光线入射角相对于偏振光分离面偏离45度的偏差量收敛在±3～4度或以内的程度。因此，可以近于全部地消除在使用了以往的利用二维复眼透镜阵列的对的光学积分器时产生的、因偏振光分离没有对应排列在液晶调制面板上的像素的调制状态的偏振光分离误差导致的照度对比度的劣化。

另外，关于依存于反射型液晶调制面板的入射角的偏振光相位差调制的不合适问题，由于可以做到几乎没有来自液晶的偏振光调制不充分的方位角的照明光束成分，故可以近乎全部地消除照度对比度的劣化。

再有，在上述各个实施形态的投射型图像显示装置中，还具有关于投射透镜4的有利点。即，由于通过在液晶调制面板的长边方向设定偏振光分离方向、或者设定波长分离方向，可以实现在投射透镜4的投射视场角变大的方向设定图10(A)所示的横方向的照明角度分布狭小的方向，故在产生投射透镜4的被称之为晕映的开口食(aperture eclipse)的方向，通过的光束的宽度变窄。即，具有减轻由投射透镜4的出瞳开口食导致的光束的遮挡的效果，可以防止投影到光扩散屏幕5的图像区域的端部的光量减少，获得光强分布均匀的投射图像。

这里，在上述第4～第6实施形态中，是使用反射型的屏幕构成了图像显示系统，但屏幕既可以是反射型的，也可以是透过型的。特别地，如果使用具有规定的扩散性的屏幕的话，则其就是作为直视屏幕5认知图像的投射型图像显示装置工作的屏幕。

如以上说明过的那样，利用上述各实施形态，可以高效率地利用来自光源的光，实现可以获得高照度均匀性的照明光束的照明光学系。

因此，通过将这些照明光学系作为投射显示光学系的照明部使用，可以实现能够获得明亮且浓淡对比度高的投射图像的投射显示光学系以及投射型图像显示装置。

Claims (8)

1.一种利用来自光源的光来照明被照明面的照明光学系统，其特征在于，上述照明光学系统包括：

第一光学系统，在包含上述被照明面的法线的第一平面上具有光功率且将上述来自光源的光引导至上述被照明面；和

光学面，该光学面相对上述被照明面的法线倾斜并使上述来自光源的光的至少一部分反射，

其中上述第一光学系统包括：

具有多个透镜的光学积分器，所述多个透镜在上述第一平面上的光功率和在包含上述法线并与上述第一平面相垂直的第二平面上的光功率彼此不同；和

会聚透镜，该会聚透镜在上述第一平面上具有光功率且将从上述光学积分器射出的光束引导至上述被照明面，

其中上述照明光学系统在表示上述来自光源的光相对于上述被照明面的入射角度和光强的关系的光强分布中，上述第一平面内的光强为峰值的一半时的入射角度大于上述第二平面内的光强为峰值的一半时的入射角度，以及

上述光学面的法线平行于上述第二平面，但不平行于上述第一平面。

2.如权利要求1所述的照明光学系统，其特征在于，在表示上述照明光束相对于上述被照明面的入射角度和光强的关系的光强分布中，上述第一平面内的上述光强为峰值的一半时的入射角度等于或大于上述第二平面内的上述光强为峰值的一半时的入射角度的2倍。

3.如权利要求1所述的照明光学系统，其特征在于，

上述照明光学系统还包括：在上述第二平面上具有光功率且将上述来自光源的光引导至上述被照明面的第二光学系统，

上述第二光学系统包含无焦光学系统。

4.如权利要求1所述的照明光学系统，其特征在于，

上述照明光学系统还包括：包含偏振光分离面的偏振光光束分离元件，

上述光学面为上述偏振光分离面。

5.如权利要求1所述的照明光学系统，其特征在于，

上述照明光学系统还包括：光强变换元件，该光强变换元件在上述第二平面进行使入射光束的中央部和端部反转的重排操作。

6.如权利要求1所述的照明光学系统，其特征在于，

上述光学积分器包含两个仅在上述第一平面内具有折射力的柱状阵列。

7.一种图像显示装置，包括至少一个光调制元件、利用来自光源的光来照明上述至少一个光调制元件的照明光学系统、以及投射来自上述至少一个光调制元件的光的投射光学系统，其特征在于，

上述照明光学系统包括：

第一光学系统，在包含上述至少一个光调制元件的法线的第一平面上具有光功率且将上述来自光源的光引导至上述光调制元件；和

光学面，该光学面相对上述光调制元件的法线倾斜并使上述来自光源的光的至少一部分反射，

其中上述第一光学系统包括：

具有多个透镜的光学积分器，所述多个透镜在上述第一平面上的光功率和在包含上述法线并与上述第一平面相垂直的第二平面上的光功率彼此不同；和

会聚透镜，该会聚透镜在上述第一平面上具有光功率且将从上述光学积分器射出的光束引导至上述光调制元件，

其中上述照明光学系统在表示上述来自光源的光相对于上述光调制元件的入射角度和光强的关系的光强分布中，上述第一平面内的上述光强为峰值的一半时的入射角度大于上述第二平面内的上述光强为峰值的一半时的入射角度，以及

上述光学面的法线平行于上述第二平面，但不平行于上述第一平面。

8.如权利要求7所述的图像显示装置，其特征在于，在表示上述来自光源的光相对于上述光调制元件的入射角度和光强的关系的光强分布中，上述第一平面内的上述光强为峰值的一半时的入射角度等于或大于上述第二平面内的上述光强为峰值的一半时的入射角度的2倍。

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