JP2011043634A - 照明光学系および投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高コントラストな画像表示が可能な照明光学系および投射型表示装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 被照明面を照明する照明光学系および投射型表示装置が、ランプの陽極と陰極とが凹面鏡の光軸に沿って並ぶ２つのランプユニットと、その２つのランプユニットの一方のユニットからの光と他方のユニットからの光とを合成する光合成部と、その光合成部からの光を集光するコンデンサーレンズとを有している。その光合成部は、一方のユニットの光軸上にあり且つ他方のユニットの光軸外にある第１反射部と、一方のユニットの光軸外にある第２反射部とによって、他方のユニットの光軸外から出射する光を反射することにより各ユニットからの光を合成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は照明光学系に関し、特に複数のランプユニットを用いて被照明面を照明する照明光学系に関するものである。

昨今の投射型表示装置に用いられる照明光学系には、より明るく照明するために複数のランプユニットからの光を用いて被照明面を照明するものがある。その一方で、投射型表示装置自体を小型化することも重要であるため、複数のランプユニットから出射される出射光の幅を小さくする提案がなされている。

特許文献１に記載の発明は２個のランプユニットからの光を合成する照明光学系に関し、光源ランプとリフレクタを備えたランプユニットの出射光の光量分布曲線において、ランプ光軸を含む中心部分の光量が多いことに着目している。具体的には、２つのランプユニットの光軸を含む中心部分の出射光を複数枚の反射ミラーを用いて取り出し、１つのランプユニットの開口の縁の直径と略同一幅の合成光を形成している。

特登録第３９９２０５３号

しかしながら特許文献１に開示されている発明では、明るい部分の光が合成光の外側に来るように反射しているので、合成光の外側の光量が多くなってしまう。その合成光をフライアイレンズ、コンデンサーレンズなどを介して集光し、被照明面である画像変調素子を照明しようとすると、画像変調素子に対して入射する光のうち入射角度の大きい光の割合が増えてしまう。その結果、画像のコントラストが低下してしまう。

そこで本発明は、画像変調素子に対して入射する光のうち入射角度が大きい光の割合を抑えることにより、明るく、高コントラストな画像表示が可能な照明光学系および投射型表示装置を提供することを課題とする。

ランプの陽極と陰極とが凹面鏡の光軸に沿って並ぶ２つのランプユニットと、該２つのランプユニットの一方のユニットからの光と、他方のユニットからの光を合成する光合成部と、該光合成部からの光を集光するコンデンサーレンズと、該コンデンサーレンズにより集光された光によって画像変調素子を照明する照明光学系において、前記光合成部は、前記一方のユニットの光軸上にあり且つ前記他方のユニットの光軸外にある第１反射部と、前記一方のユニットの光軸外にある第２反射部とによって、前記他方のユニットの光軸外から出射する光を反射することにより各ユニットからの光を合成することを特徴とする。

本発明は複数のランプユニットから出射される光を合成する際に、各ランプユニットの出射光の明るい部分が照明光学系の光軸近傍に寄るように合成する光合成部を用いることで、明るく、高コントラストな画像を表示することが可能となった。

第１実施形態の構成を示した図 ランプユニットの開口面における照度分布について示した図 第１実施形態の合成ミラー形状を示した図 光合成部の作用について示した図 合成ミラー通過後の照度分布について示した図 画像表示範囲の対角長とコントラストの関係を示したグラフ 第１実施形態を変形した形態の構成を示した図 第２実施形態の構成を示した図 第３実施形態の構成を示した図 ランプユニットから液晶表示素子までの基本構成 第２フライアイレンズと偏光変換素子の概略図 画像表示範囲の対角長とスクリーン上での明るさの関係を示したグラフ

（実施形態１）
本発明の実施形態１の構成について図１を用いて説明する。

１Ａは陰極と陽極を有する発光部、２Ａは発光部１Ａを内部に有する発光管、３Ａは発光部から発せられた光を反射して特定方向へ導く放物面鏡（凹面鏡）である。発光部１Ａは、可視光の波長領域の光を発する光源である。発光管内部の陽極と陰極は放物面鏡の光軸に沿って並んでいる。３Ａは焦点距離がｆ（ただし、０＜ｆ）の放物面鏡である。発光部１Ａは放物面鏡の焦点近傍に配置されている。発光部１Ａ、発光管２Ａ、放物面鏡３Ａを合わせて第１ランプユニット１００Ａが構成される。もう一方のランプユニットに関しても同様に、１Ｂは陰極と陽極を有する発光部、２Ｂは発光部１Ｂを内部に有する発光管、３Ｂは放物面鏡（凹面鏡）であり、１Ｂ、２Ｂ、３Ｂを合わせて第２ランプユニット１００Ｂが構成される。

４は第１ランプユニット１００Ａおよび第２ランプユニット１００Ｂからの出射光を合成する合成ミラー（光合成部）である。

１２Ａは合成ミラー４によって反射された第１ランプユニット１００Ａの光軸を表す線であり、１２Ｂは第２ランプユニット１００Ｂの光軸である。Ｄは第１ランプユニットの光軸を表す線１２Ａと第２ランプユニットの光軸１２Ｂとの距離である。言い換えれば、Ｄは一方のランプユニットの合成ミラー４による反射光側から見たときの、各ランプユニットの光軸間の距離のことである。あるいは、他方のランプユニットの出射光の透過側から見たときの各ランプユニットの光軸間の距離のことである。

第１ランプユニットは、第１ランプユニットの光軸が合成ミラー４に対して略４５度をなすように配置され、第２ランプユニット１００Ｂも、第２ランプユニットの光軸が合成ミラー４に対して略４５度をなすように配置される。この際、第１ランプユニットの光軸１２Ａと第２ランプユニットの光軸１２Ｂの距離Ｄが０＜Ｄ＜４ｆを満足するように合成ミラー４を配置する。この理由については後述する。

５は第１フライアイレンズ、６は第２フライアイレンズ、７は非偏光光を直線偏光光に変換する偏光変換素子、８はコンデンサーレンズである。第１フライアイレンズ５および第２フライアイレンズ６は微小な球面レンズが２次元的に配列されたレンズアレイである。

合成ミラー４、第１フライアイレンズ５、第２フライアイレンズ６、偏光変換素子７、コンデンサーレンズ８を合わせて照明光学系２００とする。１３は照明光学系２００の光軸を表す。９は偏光ビームスプリッター、１０は液晶表示素子（画像変調素子）、１１は投写レンズである。

合成ミラー４を出射した合成光は、第１フライアイレンズ５によって分割および集光され、各々の分割光束は第２フライアイレンズ６近傍に集光される。第２フライアイレンズ６の近傍に集光された分割光束は偏光変換素子７へと入射し、それぞれ直線偏光光に変換される。偏光変換素子７により変換された分割光束はコンデンサーレンズ８によって集光され、偏光ビームスプリッター９を透過して液晶表示素子１０上で重畳される。全白表示の場合、液晶表示素子１０に入射したＰ偏光光はＳ偏光光に変調され、変調されたＳ偏光光は偏光ビームスプリッター９の偏光分離面で反射される。反射された光は投射レンズ１１（投射光学系）へ至り、スクリーンなどの被投射面に画像が拡大投影される。

上述した照明光学系はケーラー照明を行っており、発光部１Ａ、１Ｂと第２フライアイレンズ６は互いに共役な場所に配置されており、第１フライアイレンズ５と液晶表示素子１０も互いに共役な場所に配置されている。

次に、各ランプユニットから出射される光の照度分布について説明する。

第１ランプユニット１００Ａと第２ランプユニット１００Ｂの開口面における照度分布について図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を用いて説明する。

図２（Ａ）は、第１ランプユニット１００Ａまたは第２ランプユニット１００Ｂの出射光について示した図である。図１で示した各ランプユニットの符号と同じ部分についての説明は割愛する。放物面鏡３Ａ、３Ｂの焦点近傍にある発光部１Ａ、１Ｂから出射された光は、放物面鏡で反射され略平行光となって放物面鏡の開口面へ出射される。図中の矢印は発光部から出射される光のうち、ランプユニットの光軸との距離が２ｆの位置で放物面鏡によって反射された光線を図示したものである。言い換えれば、ランプユニットの光軸に対し発光部から９０°の方向に出射する光線である。

図２（Ｂ）はランプユニットの開口面における照度分布をグレースケールで示した画像である。ランプユニットから出射される光の照度分布は円環状の分布になっていることが分かる。

図２（Ｃ）は図２（Ｂ）の断面Ａにおける光量分布である。この断面Ａとは図１でいえば、第１ランプユニットの光軸１２Ａと第２ランプユニットの光軸１２Ｂを通る平面と同じである。図２（Ｃ）のグラフの横軸は位置、縦軸は明るさを示す。この縦軸の明るさは最も明るい部分を１としたときの明るさの比率を表している。この光量分布のグラフより、断面Ａの光量はランプユニットの光軸付近が非常に低く、ランプユニットの光軸から半径２ｆ離れた位置付近の光量が最も多いことが分かる。今後、この光量分布が高い部分をピークと呼ぶことにする。図２（Ａ）の矢印は、このピークに対応する光を図示したものである。

ランプユニットの光軸付近の光量が低い要因は、発光管２Ａ、２Ｂを配置するための放物面鏡の穴、あるいは、発光管そのものが出射光の遮光部になるためである。

尚、図２（Ｃ）で示した光量分布が得られるのは断面Ａに限られず、ランプユニットの開口面において、そのランプユニットの光軸と交わる線上の断面とすれば同じような光量分布が得られる。

次に、各ランプユニットから出射された光を合成する合成ミラー４の形状について図３を用いて説明する。

図３に合成ミラー４を図１の矢印で示したＺ方向から見たときの図を示した。

本実施例における合成ミラー４は、１枚のガラス板からなり反射部と透過部を有している。濃い色で示した部分が反射部、白い色で示した部分が透過部である。

ここで、第１ランプユニットの光軸１２Ａ（図１）および第２ランプユニットの光軸１２Ｂ（図１）を通る平面が、合成ミラー４を横切る線を線Ｂとする。

合成ミラー４は線Ｂに沿って一端から他端へ向かって順に、この図の場合は紙面右側から左側へ向かって、第１透過部３１Ａと、第１反射部３１Ｂと、第２透過部３２Ａと、第２反射部３２Ｂを有している。第１反射部３１Ｂは第１ランプユニット１００Ａの光軸１２Ａ上（図１）にあり、第２透過部３２Ａは第２ランプユニット１００Ｂの光軸１２Ｂ上（図１）にある。

尚、合成ミラーの第１反射部３１Ｂ、第１透過部３１Ａ、第２反射部３２Ｂ、第２透過部３２Ａの形状は図３で示した形状に限られない。第１反射部３１Ｂまたは第２透過部３２Ａを出射光の照度分布の円環状形状に合わせて半円状にしてもよい。あるいは、第１反射部３１Ｂおよび第２透過部３２Ａはその一辺を共有している必要性はなく、離れて存在していてもよい。

ここでは、上述した合成ミラー４を用いることによってどのような作用があるのかということについて図４を用いて説明する。図４には２つのランプユニット１００Ａ、１００Ｂと合成ミラー４までを示した。既出の構成については同じ符号を付しているので説明は割愛する。ここでの説明をし易くするために、図４の合成ミラー４は図３の線Ｂに沿った断面を図示している。合成ミラー４の黒い色の部分は反射部であり、点線で表した部分は透過部である。既に述べたが、合成ミラー４（光合成部）はその一端から他端に向かって順に、第１透過部３１Ａ、第１反射部３１Ｂ、第２透過部３２Ａ、第２反射部３２Ｂを有している。実線の矢印、４１、４２は第１ランプユニットの２つのピークに対応する光であり、破線の矢印、４３、４４は第２ランプユニットの２つのピークに対応する光である。

合成ミラー４の反射部に着目すると、第１反射部３１Ｂは、第１ランプユニット１００Ａの光軸上にあり且つ第２ランプユニットの光軸外にある。第２反射部３２Ｂは第１ランプユニット１００Ｂの光軸外にある。この第１反射部３１Ｂと第２反射部３２Ｂにより第２ランプユニットの光軸外から出射される光を反射して、第１ランプユニットから出射された光と合成する。

上述した内容を、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）で説明した各ランプユニットの出射光の光量分布に基いて説明する。第１ランプユニットの出射光の光量分布のピークを紙面上から下へ向かって順に第１ピーク４１、第２ピーク４２とする。第２ランプユニットの紙面左から右へ向かって順に第３ピーク４３、第４ピーク４４とする。まず、合成ミラー４の第１透過部３１Ａは第１ランプユニットの第１ピーク４１に対応する光を透過する。第２ランプユニット１００Ｂの光軸上にある第２透過部３２Ａは第１ランプユニットの第２ピーク４２に対応する光を透過する。第２ランプユニットの第３ピーク４３に対応する光は第２反射部３２Ｂによって反射される。第２ランプユニットの第４ピーク４４に対応する光は、第１ランプユニット１００Ａの光軸上にある第１反射部３１Ｂによって反射される。つまり図４の観測面Ａで見たとき、各ランプユニットの合成光は紙面上から順に第１ピーク４１、第４ピーク４４、第２ピーク４２、第３ピーク４３と並ぶように合成される。ここでいう観測面Ａとは、合成ミラー４の出射面直後に位置し、第１ランプユニットの光軸と第２ランプユニットの光軸を含む平面に垂直な面であって且つ液晶表示素子に平行な面のことを言う。

尚、合成ミラー４の第１透過部３１Ａおよび第２透過部３２Ａは、光が透過する作用があれば透明なガラス板であってもよいし、開口であってもよい。

上述した作用について図５を用いてもう少し詳しく説明する。

観測面Ａ（図４）における合成光の照度分布を表す画像を図５（Ａ）、その断面イの光量分布は図５（Ｂ）のようになる。これより、合成ミラー４はランプユニットから出射される光の光量分布を考慮した反射部を有することで、明るい部分を照明光学系の光軸１３の近傍に寄せて合成していることが分かる。断面イとは、第１及び第２ランプユニットの光軸を含む平面で照度分布を切った場合の断面のことである。

参考として、第１ランプユニット１００Ａ（図４）のみで照明した場合の合成ミラー通過後の観測面Ａにおける照度分布を表す画像を図５（Ｃ）に、その断面イの光量分布を図５（Ｄ）に示した。同様に、第２ランプユニット１００Ｂのみで照明した場合の合成ミラー通過後の照度分布を表す画像を図５（Ｅ）に示し、その断面イの光量分布を図５（Ｆ）に示した。各反射部により光量分布の多い部分がうまく通過していることがわかる。

図３で示した形状の合成ミラー４と、その合成ミラーに対して各ランプユニットを適切に配置することで、各ランプユニットの光軸外の出射光の明るい部分が照明光学系の光軸近傍に寄るように合成することが可能となる。明るい部分が照明光学系の光軸近傍に寄れば、合成光をコンデンサーレンズ８（図１）で集光して液晶表示素子１０（図１）を照明する場合に、液晶表示素子１０に対して斜めから入射する光の割合を低減させることができる。斜めから入射する光の割合を低減することで、画像変調素子としての液晶表示素子がより多くの光を適切な偏光状態に変調することができるので、画像のコントラストを高くすることができる。

冒頭に述べたように凹面鏡が焦点距離ｆの放物面鏡のとき、２つのランプユニットの互いの光軸間の距離Ｄは、０＜Ｄ＜４ｆとすることが望ましい。これは０＜Ｄ＜４ｆのとき、各ランプユニットの出射光のピークに対応する光を重ね合わせることができるからである。

より好ましくはｆ≦Ｄ≦３ｆの範囲とすることである。こうすることで、一方のランプユニットの光軸近傍の光量の低い部分に、他方のランプユニットの光量が多い部分が来るように合成することが可能なので、液晶表示素子やその他の被照明面を均一に照明することが可能となる。

またその他に、本実施形態のように液晶表示素子１０に加え、コンデンサーレンズ８と液晶表示素子１０の間に偏光ビームスプリッター９を有するような系であれば、明るく照明するという点でさらに効果がある。なぜならば、偏光ビームスプリッター９も入射角度特性を有しており、偏光ビームスプリッターの偏光分離膜に入射角度が大きい光が入射すると透過すべき光が反射してしまい、液晶表示素子１０に入射する光量が低下してしまうからである。

尚、本実施形態では各ランプユニットの光軸１２Ａおよび１２Ｂを含む平面と偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線が平行であるが、各ランプユニットの光軸を含む平面と偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線が非平行であってもよい。

実施形態１においてはインテグレータとしてフライアイレンズを用いたが、ロッドインテグレータを用いた照明光学系にも本発明は適用可能である。その場合、合成ミラーによって合成された光を集光し、ロッドインテグレータへと入射すればよい。この場合も、コントラストを高くすることができる。

ここでは、定量的な効果について説明する。

図６に液晶表示素子１０の画像表示範囲における対角長とコントラストの関係をグラフに示す。画像表示範囲とは液晶表示素子１０の実際の画像表示に使われる領域のことである。実線は本発明の構成、破線は特許文献１の構成、一点鎖線はランプユニットが１つの構成を用いた場合の結果である。横軸は液晶表示素子１０の画像表示範囲の対角長をミリ（ｍｍ）単位で示し、縦軸はコントラストを示す。縦軸のコントラストは、液晶表示素子の対角長が１７．８ｍｍでランプユニットが１つの構成の時の明るさを１としたときの比率である。また、明るさはどの方式でも一定、ランプのアーク長は１．１ｍｍでの結果である。ランプのアーク長とは、陽極と陰極の電極間距離のことである。

図６のグラフから分かるように、本発明は他方式に比べコントラストが高い。特に液晶表示素子１０の対角長が小さい場合、より好ましい効果が得られる。なぜならば、液晶表示素子１０の対角長の小さいものを照明しようとすると、より液晶表示素子１０に対して斜めから入射する光の割合が増えるからである。

以上、本発明は明るい部分が照明光学系の光軸近傍に寄るように合成することができるので、高コントラストな画像表示が可能となる。

以上の本実施形態においては、第１、２ランプユニットの光軸１２Ａ、１２Ｂを含む平面と、偏光ビームスプリッター９の偏光分離面の法線とが平行になるようにこれらを配置しているが、この限りではない。具体的には、この偏光ビームスプリッター９を照明光学系の光軸１３を中心に９０度回転して配置すると尚好ましい。言い換えると、偏光ビームスプリッター９の偏光分離面の法線と照明光学系の光軸１３とを含む平面と、第１、２ランプユニットの光軸１２Ａ、１２Ｂを含む平面とが垂直となるように配置することが望ましい。これは、以下の変形形態についても同様である。

実施形態１の放物面鏡を変形した形態として、凹面鏡として楕円鏡を用いた形態について図７（Ａ）を用いて説明する。楕円鏡を用いたランプユニット以外の構成は、実施形態１の構成（図１）と同じであるので、図７（Ａ）はランプユニットについて図示した。図７（Ａ）の１Ｃは陰極と陽極を有する発光部、２Ｃは発光部１Ｃを内部に有する発光管、３Ｃは楕円鏡、４Ｃは凹レンズである。１２Ｃは楕円鏡を用いたランプユニットの光軸である。１Ｃ、２Ｃ、３Ｃ、４Ｃを合わせてランプユニット１００Ｃが構成される。ここで、楕円鏡３Ｃの焦点距離をｆ１、ｆ２とする。（ただし、０＜ｆ１＜ｆ２）。発光部１Ｃは楕円鏡の焦点近傍に配置されている。

上記構成により、焦点近傍にある発光部１Ｃから発せられた光は楕円鏡３Ｃにより反射し、焦点距離がｆ２の位置に集光される。その集光される光を凹レンズ４Ｃは、略平行光にして出射する。出射された光は、実施形態１で示した合成ミラー４により照明光学系の光軸近傍に各ランプユニットの光量分布のピークが集中するように合成されるので、高コントラストな照明ができる。

また、凹面鏡として楕円鏡を用いたその他の形態として、凹レンズ４Ｃを用いずに焦点距離ｆ２の長い楕円鏡を用いて実施することも可能である。

楕円鏡（凹面鏡）の焦点距離がｆ１、ｆ２（０＜ｆ１＜ｆ２）のとき、２つのランプユニットの光軸間の距離をＤとすると、０＜Ｄ＜４×ｆ１×ｆ２／（ｆ１＋ｆ２）となるようにそれぞれのランプユニット１００Ｃと合成ミラー４（図３）を配置すればよい。これは０＜Ｄ＜４×ｆ１×ｆ２／（ｆ１＋ｆ２）のとき、各ランプユニットの出射光のピークに対応する光を重ね合わせることができるからである。

好ましくは、光軸間の距離Ｄをｆ１×ｆ２／（ｆ１＋ｆ２）≦Ｄ≦３×ｆ１×ｆ２／（ｆ１＋ｆ２）とすればよい。こうすることで、一方のランプユニットの光軸近傍の光量が低い部分に他方のランプユニットの出射光の明るい部分を適切に合成することができるので、より被照明面を均一に照明することができる。

尚、凹面鏡は放物面鏡や楕円鏡に限られず、発光管から出射される光を特定方向へ導くことが可能な凹面鏡であれば適用可能である。

実施形態１の合成ミラー４の変形形態として合成プリズムの接合面に反射部を有する形態について図７（Ｂ）を用いて説明する。

図７（Ｂ）の符号は図１の構成とは異なる７１、７２についてのみ説明する。

７１は光合成部の一例としての合成プリズム、７２は合成プリズムの接合面である。実施形態１では２つのランプユニット１００Ａ、１００Ｂからの出射光の合成に合成ミラー４を用いたが、図７（Ｂ）のように合成プリズム７１の接合面７２に実施形態１と同じ作用をもつ反射部を設けてもよい。こうすることにより、実施形態１と同じように、高コントラストな画像表示が可能となる。

また、本発明の効果を得るための合成ミラー４の形状はこれに限られるものではない。光合成部のその他の形態として、例えば、反射部の形状をランプユニットの出射光の光量分布に合わせて半円状にすれば、光の照度分布に適合しているのでより明るい照明が可能となる。

実施形態１の変形形態として、合成光に利用されなかった光を反射部材を用いて放物面鏡に戻す形態について図７（Ｃ）を用いて説明する。図７（Ｃ）の符号は図１の構成とは異なる７３についてのみ説明する。７３は反射部材である。本変形形態では、反射部材７３を合成ミラー４に対して第２ランプユニット１００Ｂの反対側へ配置する。図７（Ｃ）の太い点線の矢印は、第２ランプユニット１００Ｂから出射され、合成ミラー４の第１または第２反射部により入射されず、合成光として利用されなかった一部の光を示している。合成ミラー４の第１または第２反射部に入射されなかった光は、その後細い点線の矢印で示すように、反射部材７３により光の入射方向と同じ方向へ反射され再び放物面鏡へと戻る。反射鏡へ戻された光は放物面鏡の焦点方向（発光部１Ｂの方向）に向かい、先ほど反射された位置とは違う場所で反射されることにより再び合成ミラー４へ向かう。合成ミラー４へ向かった光は、合成ミラー４の反射部によって反射されて合成光として利用される。

上記した反射部材７３を設けることによって、ランプユニットの出射光を有効利用することができるので照明の明るさをさらに明るくすることが可能となる。

尚、反射部材７３の位置であるが図７（Ｃ）に描いたものに限らず、紙面横方向の長さを短くして第２ランプユニットと合成ミラー４の間に配置してもよいし、凹面鏡に接するように配置しても同様の効果が得られる。

（実施形態２）
図８は画像変調素子として、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）用の３枚の反射型液晶表示素子を用いた投射型表示装置の構成である。

図８においてランプユニット１００Ａ、１００Ｂおよび照明光学系２００の各構成の符号は実施形態１と同じであるため説明は割愛し、異なる部分についてのみ説明する。

発光部１Ａ、１Ｂから出射した光は、照明光学系２００を介し、Ｐ偏光光がダイクロイックミラー８０１に入射する。ダイクロイックミラー８０１は青（Ｂ）と赤（Ｒ）の色光を反射し、緑（Ｇ）の色光を透過するダイクロイックミラーである。８０２はＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第１の偏光ビームスプリッターであり、偏光分離面を有する。

８０３Ｒ、８０３Ｇ、８０３Ｂはそれぞれ入射した光を反射するとともに画像変調する赤用、緑用、青用の反射型液晶表示素子である。８０４Ｒ、８０４Ｇ、８０４Ｂはそれぞれ、赤用、緑用、青用の１／４波長板である。８０５はＳ偏光を透過するＧ用の出射側偏光板である。８０６は入射側偏光板であり、Ｐ偏光光を透過する。８０７はＲの光の偏光方向を９０度変換し、Ｂの光の偏光方向は変換しない色選択性位相差板である。８０８はＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第２の偏光ビームスプリッターであり、偏光分離面を有する。

８０９はＢ用の出側偏光板であり、Ｂの色光のＳ偏光のみを透過し、赤の色光は偏光方向に関係なく透過する。８１０は合成プリズムであり、Ｂ、Ｇの色光ではダイクロイックミラー、Ｒの色光ではＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光ビームスプリッターの特性をもつプリズムである。以上のダイクロイックミラー８０１から合成プリズム８１０までを色分解合成光学系３００とする。８１１は投射光学系としての投射レンズである。

実施形態２の投射型表示装置は、上記の照明光学系２００、色分解合成光学系３００および投射光学系４００を有する。

この投射型表示装置に合成ミラー４を用いて複数のランプユニットからの光束を合成することにより照明光学系の光軸近傍に各ランプユニットの光量分布のピークが集中するので、高コントラストな画像表示が可能となる。

尚、実施形態２においては反射型液晶表示素子が３枚ある実施例を示したが、この数は３枚に限らず、２枚でも４枚でも構わない。

また、本実施形態では、第１、２ランプユニットの光軸１２Ａ、１２Ｂを含む平面と、色分解合成光学系３００の色分離合成面（分離される前の光線と分離された後の２つの光線の光路を含む面）とが同一（又は平行）であるが、この限りではない。具体的には、第１、２ランプユニットの光軸１２Ａ、１２Ｂを含む平面と、色分解合成光学系３００の色分離合成面とが垂直になる（色分離合成面を図８の紙面に対して垂直にする）ように配置すると好ましい。言い換えると、ダイクロイックミラー８０１の色分離面、偏光ビームスプリッター８０２、８０８の偏光分離面、合成プリズム８１０の色合成面の法線と照明光学系の光軸１３を含む平面が、第１、２ランプユニットの光軸１２Ａ、１２Ｂを含む平面と垂直である。少なくとも偏光ビームスプリッター８０２、８０８いずれか１つの偏光分離面の法線と、照明光学系の光軸１３を含む平面が、第１、２ランプユニットの光軸１２Ａ、１２Ｂを含む平面と垂直となるように配置することが望ましい。更に言い換えれば、各ランプユニットの光軸を含む平面と少なくとも一つの液晶表示素子の法線が垂直となるように配置してもよい。

また、画像変調素子として反射型の液晶表示素子を用いたが、本発明は反射型の液晶表示素子に限ったものではない。また、これらの図には説明を容易にするため投射型表示装置の基本的な構成を描いたが、熱線カットフィルタや、偏光板等を有する構成としてもよい。

（実施形態３）
実施形態３で、３枚のマイクロミラーデバイス（画像変調素子）を用いた投射型表示装置に適用した場合について図９を用いて説明する。

実施形態１と同じ構成に関しては説明を割愛し、構成が異なる部分についてのみ説明する。

ランプユニット１００Ａ、１００Ｂ、照明光学系２００は実施形態１と同じである。９１、９２、９３はプリズムである。９４Ｒ、９４Ｇ、９４Ｂはそれぞれ赤用、緑用、青用のマイクロミラーデバイスである。９５は投射レンズ（投射光学系）である。

ランプユニット１００Ａ、１００Ｂから出射し、合成ミラー４により合成された光は第１フライレンズ５、第２フライアイレンズ６、コンデンサーレンズ８を通る。コンデンサーレンズ８を出射した光はプリズム９１で全反射され、色分離合成プリズム９３に導かれる。色分離合成プリズム９３は、色光を分離してマイクロミラーデバイス９４Ｒ、９４Ｇ、９４Ｂに導く。

白表示時は、各マイクロミラーデバイスにより反射された色光は、再び光を合成する色分離合成プリズム９３を通り、合成された光はプリズム９２を通り投射光学系である投射レンズ９５に向かう。

黒表示時は、マイクロミラーデバイス９４Ｒ、９４Ｇ、９４Ｂ内の微小ミラーが傾くため、照明光学系２００、プリズム９１を介してマイクロミラーデバイスに入射した光は、そのままプリズム９１、照明光学系２００側に戻され、投射レンズ９５側には入射しない。ここで、黒表示時にマイクロミラーデバイスに入射した光束が導かれる方向は、必ずしも照明光学系側（光源側）に限定されず、投射レンズ側と異なる方向であればいずれの方向であっても構わない。

マイクロミラーデバイスはその微小ミラーの傾きを変えることで入射光の反射方向を変化させ、画素の明るさをコントロールしている。したがって、入射光が本来の入射角で入射されないと所望の反射方向に光が反射されないので、コントラストが低下してしまう。本発明の光合成部（合成ミラー４）を用いることで、斜入射光の割合が低減できるため、明るく高コントラストな画像表示が可能となる。

尚、本実施形態では３つのマイクロミラーデバイスを画像変調素子として用いた構成を示したが、マイクロミラーデバイスの数は１つ、あるいは２つであっても構わない。

ここまでで、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明のその他の効果としてより被照明面を明るく照明できるという効果がある。その技術的の詳細について図１０、図１１を用いて説明する。

図１０に投射型表示装置のランプユニットから画像変調素子までの基本構成を示す。尚、説明をわかりやすくするために基本的な構成のみを図示している。

１０１はランプ、１０２は放物面鏡を有するランプユニット、１０３は第１フライアイレンズ、１０４は第２フライアイレンズ、１０５は偏光変換素子、１０６は焦点距離Ｆのコンデンサーレンズ、１０７は画像変調素子としての液晶表示素子である。

図１１（Ａ）は図１０の第２フライアイレンズ１０４と偏光変換素子１０５を拡大した概略図である。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の第２フライアイレンズの微小レンズを含む一部分を拡大した際の概略図である。

図１０のランプユニット１０２から出射された略平行光は、第１フライアイレンズ（微小な球面レンズが２次元的に配列されたフライアイレンズ）１０３によって分割および集光される。各々の分割光束は第２フライアイレンズ１０４の近傍に集光され、光源の像（２次光源像）を作る。これらのフライアイレンズ１０３、１０４を構成する微小レンズは、被照明面である液晶表示素子と相似の形状をした矩形レンズ形状をしている（図１１（Ｂ））。第２フライアイレンズ１０４を出射した分割光束は、偏光変換素子１０５によって直線偏光光に変換される。図１１（Ａ）に示したように、偏光変換素子１０５は列状に並べられた偏光分離膜を有する。偏光変換素子１０５により直線偏光光に変換された分割光束は、コンデンサーレンズ１０６によって集光され、液晶表示素子１０上で重畳される。液晶表示素子１０７は一般的に長方形をしており、通常スクリーン上で横長の画面になるように使用される。尚、本明細書中では今後、液晶表示素子の画像表示範囲の長辺方向（スクリーン上での横方向）のことを長手、短辺方向（スクリーン上での縦方向）のことを短手と記載する。

ここで図１０、図１１に示したように、第２フライアイレンズ１０４を構成する微小レンズの幅をａ、第１と第２フライアイレンズ間の距離をｄ、コンデンサーレンズ１０６の焦点距離をＦ、液晶表示素子１０７の短手方向の幅をＢとすると、近似的に
Ｂ ＝ ａ ｘ （Ｆ／ｄ） ・・・ （１）
の関係になる。

またランプユニット１０２の開口幅をＡとすると、液晶表示素子１０７への光の入射角θは
θ ＝ ｔａｎ−１（ Ａ／２Ｆ ） ・・・ （２）
となる。

この図１０で示している系において、照明の明るさに大きく寄与する構成には、第２フライアイレンズ１０４の近傍にできる光源の像（２次光源像）の大きさである。または、第２フライアイレンズの微小レンズの幅ａ、および、偏光変換素子の列状に並べられた有効部、非有効部（図１０（Ａ））との間隔である。

第２フライアイレンズ１０４の近傍にできる２次光源像は、ランプユニット１０２から出射した略平行光が第１フライアイレンズ１０３によって集光されることにより作られる。そのため、２次光源像の大きさは第１フライアイレンズ１０３の焦点距離または第１フライアイレンズと第２フライアイレンズ間の距離ｄに比例する。

また、ランプユニット１０２内のランプのアーク長をＬとすると、２次光源像はランプユニット内のランプから出射した光が集光して作られるので、２次光源像の大きさはランプユニット１０２内のランプのアーク長Ｌにも比例する。

したがって、２次光源像の大きさは、ランプのアーク長Ｌと、第１フライアイレンズおよび第２フライアイレンズ間の距離ｄとを用いて次式のように表すことができる。
《２次光源像の大きさ》 ∝ Ｌ ｘ ｄ ・・・（３）
この２次光源像を形成する光のうち、対応する第２フライアイレンズ１０４の微小レンズおよび偏光変換素子１０５の有効部を通過した光のみ液晶表示素子１０７を照明する。そのため、図１１（Ｂ）に示したように、第２フライアイレンズ１０４の微小レンズの幅および列状に並べられた偏光分離膜を有する偏光変換素子１０５の１列の幅に対し２次光源像の大きさが小さいほど、照明として明るくなる。逆に２次光源の大きさが大きければ、第２フライアイレンズの微小レンズ領域からはみ出してしまう、あるいは、偏光変換素子１０５の非有効部でけられてしまうので、暗くなってしまう。

よって、第２フライアイレンズの微小レンズの幅を２次光源像の大きさで割ったものが照明の明るさを表す変数とすることができる。第２フライアイレンズの微小レンズの幅を２次光源像の大きさで割ったものをγとすると、
γ ∝ ａ／（Ｌ ｘ ｄ）・・・（４）
となる。つまり、γが大きけれ照明の明るさは明るく、逆に小さければ暗いということになる。

（１）、（２）式より
γ ∝ （２Ｂ ｘ ｔａｎθ）／Ａ ｘ Ｌ ・・・ （５）
となる。

ランプユニット１０２から出射される光の光量分布が均一ではないため、（５）式と照明の明るさは比例関係にはならない。しかし、式（５）からランプユニットの開口の幅Ａ、ランプのアーク長Ｌが大きいまたは液晶表示素子の幅Ｂが小さいときは照明が暗くなることがわかる。

また言い換えれば、液晶表示素子の幅Ｂ、ランプユニットの開口Ａ、ランプのアーク長Ｌを変えずにコントラストをある一定以上保とうとすると、液晶表示素子１０７への入射角度θを小さくしなければならない。θの値を小さくすると、式（５）から必然的にγの値が小さくなってしまうために明るさが暗くなってしまう。

次に、実施形態１の明るさに関する定量的な効果について説明する。

図１２に液晶表示素子１０の画像表示範囲の対角長と明るさの関係をグラフに示す。実線が本発明の実施形態１の構成、破線が特許文献１の構成、一点鎖線がランプユニットが１つの構成での明るさの結果を示している。横軸は液晶表示素子１０の画像表示範囲の対角長をミリ（ｍｍ）単位で示し、縦軸は明るさを示す。縦軸の明るさは、ランプユニットが１つで、液晶表示素子の対角長が１７．８ｍｍのときの明るさを１としたときの明るさの比率である。また、コントラストはどの方式でも一定、ランプのアーク長は１．１ｍｍでの結果である。

図１２に示した結果から、本発明は他方式に比べスクリーン上の明るさが明るいことがわかる。好ましくは、ランプユニットの光軸方向のランプのアーク長をＬ、液晶表示素子の画像表示範囲の対角の長さをＰとしたとき、０＜Ｐ／Ｌ＜２３を満たすときである。これは、光源の長さＰが大きい、あるいは画像表示素子の画像表示範囲の長さが小さい場合、他方式では対応するレンズアレイに入射しない光や、偏光変換素子の非有効部によりけられてしまう光の量が増えてしまうためである。

本発明のその他の効果は、２つのランプユニットの出射光を有効利用し、その明るい部分を照明光学系の光軸近傍に寄せて合成することで、被照明面を明るく照明することが可能となる点にある。

１Ａ、１Ｂ 発光部
２Ａ、２Ｂ 発光管
３Ａ、３Ｂ 放物面鏡
１００Ａ、１００Ｂ ランプユニット
４ 合成ミラー
８ コンデンサーレンズ
１０ 液晶表示素子

Claims (10)

1. ランプの陽極と陰極とが凹面鏡の光軸に沿って並ぶ２つのランプユニットと、
   該２つのランプユニットの一方のユニットからの光と、他方のユニットからの光を合成する光合成部と、該光合成部からの光を集光するコンデンサーレンズと、該コンデンサーレンズにより集光された光によって画像変調素子を照明する照明光学系において、
   前記光合成部は、前記一方のユニットの光軸上にあり且つ前記他方のユニットの光軸外にある第１反射部と、前記一方のユニットの光軸外にある第２反射部とによって、前記他方のユニットの光軸外から出射する光を反射することにより各ユニットからの光を合成することを特徴とする照明光学系。
2. 前記２つのランプユニットをそれぞれ第１ランプユニット、第２ランプユニットとし、
   前記第１および第２ランプユニットの光軸を含む断面において、前記第１ランプユニットの開口面における前記第１ランプユニットの光軸に交わる線上の光量分布の２つのピークを第１ピークと第２ピーク、前記第２ランプユニットの開口面における前記第２ランプユニットの光軸に交わる線上の光量分布の２つのピークを第３ピークと第４ピークとすると、
   前記光合成部は一端から他端に向かって順に、
   前記第１ピークに対応する光を透過する第１透過部と、
   前記第１ランプユニットの光軸上に前記第４ピークに対応する光を反射する前記第１反射部と、
   前記第２ランプユニットの光軸上に前記第２ピークに対応する光を透過する第２透過部と、
   前記第３ピークに対応する光を反射する前記第２反射部と
   を有することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記凹面鏡が焦点距離ｆの放物面鏡のとき、
   前記２つのランプユニットの互いの光軸間の距離をＤとすると、
   ０ ＜ Ｄ ＜ ４ｆ
   であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
4. 前記凹面鏡が焦点距離がｆ１、ｆ２（０＜ｆ１＜ｆ２）の楕円鏡のとき、
   前記２つのランプユニットの互いの光軸間の距離をＤとすると、
   ０ ＜ Ｄ ＜４×ｆ１×ｆ２／（ｆ１＋ｆ２）
   であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の照明光学系。
5. 反射部材を有し、
   前記反射部材は前記第１反射部または前記第２反射部に入射されない光を前記ランプユニットへと戻すことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の照明光学系。
6. ランプの陽極と陰極とが凹面鏡の光軸に沿って並ぶ２つのランプユニットと、
   該２つのランプユニットの一方のユニットからの光と、他方のユニットからの光を合成する光合成部と、該光合成部からの光を集光するコンデンサーレンズと、該コンデンサーレンズにより集光された光によって画像変調素子を照明する照明光学系において、
   前記光合成部は、前記一方のユニットの光軸上で前記他方のユニットの光軸外にあり前記他方のユニットの光軸外から出射する光を反射する反射部と、前記他方のユニットの光軸上に前記一方のユニットの光軸外にあり前記一方のユニットの光軸外から出射する光を透過する透過部を有することを特徴とする照明光学系。
7. 前記コンデンサーレンズと前記画像変調素子との間に偏光ビームスプリッターを有することを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項に記載の照明光学系。
8. 画像変調素子と、
   前記画像変調素子を照明する請求項１乃至７いずれか１項に記載の照明光学系と、
   前記照明光学系からの光を投射する投射光学系とを有することを特徴とする投射型表示装置。
9. 前記画像変調素子は液晶表示素子またはマイクロミラーデバイスであることを特徴とする請求項８に記載の投射型表示装置。
10. 前記ランプのアークの長さをＬ、前記液晶表示素子の画像表示範囲の対角長をＰとしたとき、
    ０＜ Ｐ／Ｌ ＜２３
    であることを特徴とする請求項９に記載の投射型表示装置。

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