JP3613256B2 - 投写型表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光束を、赤、青、緑の３色光束に分離し、これらの各色光束を変調手段を通して映像情報に対応させて変調し、変調した後の各色の変調光束を再合成して、投写レンズを介してスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
投写型表示装置は、光源ランプと、ここからの光束を３色の光束に分離する色分離手段と、分離された３色の色光束を変調する３枚のライトバルブと、変調された後の色光束を再合成する色合成手段と、合成により得られた光像をスクリーン上に拡大表示する投写レンズとから構成されている。ライトバルブとしては一般に液晶パネルが使用されている。
【０００３】
従来におけるこの構成の投写型表示装置としては、その光源部分に、オプティカルインテグレータと呼ばれる均一照明光学素子が組み込まれたものが知られている。例えば、米国特許第５，０９８，１８４号公報には、このオプティカルインテグレータが組み込まれた投写型表示装置が開示されている。また、この公報には、色合成手段として、ダイクロイックミラーをＸ字状に配置した構成のものが記載されている。通常は、ガラス板上に誘電体多層膜を形成したダイクロイックミラーで構成される。
【０００４】
このように色合成手段がダイクロイックミラーにより構成されているミラー合成系を備えた投写型表示装置においては、次のような問題点がある。すなわち、ダイクロイックミラーは、投写レンズの中心軸に対して非回転対称の光学要素となる。このため、スクリーン上の画像に非点収差が発生し、投写光学系の伝達特性を示すＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）特性が劣化する。この結果、画質にぼけが発生して鮮鋭度が低下する。ＭＴＦ特性の劣化は、画素数に対して液晶パネルのサイズが大きい場合、すなわち、画素ピッチが大きい場合にはそれ程問題にはならない。しかし、例えばポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として用いた液晶パネルの場合等のように画素ピッチが小さくなると、無視することができない。
【０００５】
また、従来における投写型表示装置としては、色合成手段がダイクロイックプリズムにより構成されているプリズム合成系を備えた形式のものが知られている。ダイクロイックプリズムは、投写レンズの中心軸線に対して回転対称な光学要素である。よって、このプリズムによって発生する収差は、投写レンズの設計によって容易に取り除くことが可能であり、一般的に、プリズム合成系を備えた投写型表示装置におけるＭＴＦ特性は、上記のミラー合成系を備えたものに比べて優れている。したがって、画素ピッチの小さな液晶パネルをライトバルブとして用いる場合に適している。
【０００６】
更に、従来における投写型表示装置としては、例えば、米国特許第４，９４３，１５４号に開示されたものがある。この装置においては、最も光路長の長い色光の光路に、リレーレンズ、フィールドレンズ等から構成される光伝達手段を介在させることにより、光量の減少および色むらを抑制するように構成されている。
【０００７】
しかしながら、この装置においては、最も長い光路長の色光の光量を減少させないものの、光束の明るさ分布がリレーレンズによって１８０度回転してしまうので、元の明るさ分布が軸対称でない場合には、スクリ−ン上の表示に非軸対称の色むらが発生し、表示品位が劣化してしまう。光束の明るさ分布が軸対称であれば、このような色むらは発生しないが、実際には、光源ランプの取付け位置のずれ、光源ランプやその反射鏡の僅かな非対称性が原因となって、明るさ分布が非軸対称となってしまうのが通常である。
【０００８】
ここで、投写型表示装置においては、その投写画像の照度を高めると共に、その色むら、照度むらを無くし、ＣＲＴ直視の画像に近い画像品位を得ることが要望されている。このためには、色合成系としては、伝達特性の良いプリズム合成系を利用することが好ましい。また、オプティカルインテグレータを光源部分に用いて、液晶パネルを均一な明るさで、しかも効率良く照明することが好ましい。しかし、色分離系における各色光の光路長が異なっている場合には、オプティカルインテグレータをそのまま使用すると、最も長い光路に割り当てられた色光の光量減少、照度分布の変化が顕著になり、これが、投写画像に色むらや色温度の変化となって現れてしまう。このため、インテグレータの効果を充分に発揮させることができない。さらには、光源部分にオプティカルインテグレータを用いる場合には、従来技術をそのまま利用することができない。すなわち、オプティカルインテグレータを用いた照明では、液晶パネルから有限な位置（インテグレータの光束出射面）に存在する面光源からの発散光束が液晶パネルを照明することになるので、従来構成のように無限遠に存在する点光源からの照明と見なせる場合とは基本的に異なるからである。
【０００９】
本発明の目的は、上記の従来の投写型表示装置に比べて、照度むら、色むら等のないより優れた品位の投写画像を形成可能な投写型表示装置を提案することにある。
【００１０】
また、本発明の目的は、高品位の投写画像を形成することのできる廉価な投写型表示装置を提案することにある。
【００１１】
さらに、本発明の目的は、従来に比べて照度の高い投写画像を形成可能な投写型表示装置を提案することにある。
【００１２】
さらにまた、本発明の目的は、高い品位の投写画像を形成可能なコンパクトな投写型表示装置を提案することにある。
【００１３】
さらに、本発明の別の目的は、フロント投写型として用いるのに適した構成の投写型表示装置を提案することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の投写型表示装置は、光源と、ここから出射された光束を３色の光束に分離する色分離手段と、分離された各色の光束を変調する３枚の変調手段と、前記色分離手段によって分離されて前記３枚の変調手段のそれぞれに入射する各色の光束のうち、他の色光より光路長の長い光束の前記色分離手段と前記変調手段の間の光路上に配置された導光手段と、前記変調手段を介して変調された各色の変調光束を合成する色合成手段と、合成された変調光束をスクリーン上に投写する投写レンズとを有する投写型表示装置において、前記光源と前記色分離手段の間の光路に介挿され、前記光源からの光束を均一な矩形光束に変換して前記色分離手段に向けて出射する均一照明光学手段と、前記色分離手段における各色の光束を出射する光束出射部にそれぞれ配置され、前記均一照明光学手段からの発散光束をほぼ平行な光束に変換する３枚の集光レンズとを有し、前記３枚の集光レンズのうち、前記色分離手段の前記他の色光より光路長の長い光束の光束出射部に配置された集光レンズは、前記ほぼ平行な光束を前記導光手段に向けて出射し、さらに、前記色合成手段をダイクロイックプリズムから構成し、前記導光手段として、入射側に配置されて光路を９０度折り曲げる入射側三角柱プリズムと、出射側に配置されて光路を９０度折り曲げる出射側三角柱プリズムと、これらの三角柱プリズムの間に配置された導光部材とを備えた構成のものを採用していることを特徴としている。この構成による本発明の投写型表示装置においては、均一照明光学手段を用いて変調手段を照明し、各色光の光路中に集光レンズを配置して発散光束を平行光束にすると共に、一つの色光を導光手段を通過させている。よって、本発明によれば、均一な照度分布で色むらが無く、従来よりも明るく高品位な投写画像を形成することができる。
【００１５】
ここで、入射側三角柱プリズムの入射面及び出射側三角柱プリズムの出射面の形状は、変調手段の表示部の形状とほぼ同一であることが好ましく、導光部材としては四角柱プリズムを用いることができる。また、入射側三角柱プリズムと四角柱プリズムと出射側三角柱プリズムとは、入射側三角柱プリズムの出射面と四角柱プリズムの入射面との間、及び四角柱プリズムの出射面と出射側三角柱プリズムの入射面との間に間隙を有して配置されていることが好ましく、三角柱プリズムと四角柱プリズムの界面には無反射コーティングを施こすことが好ましい。さらには、三角柱プリズムの全反射面には金属膜あるいは誘電体多層膜のコーティングを施こすことが好ましい。
【００１６】
次に、上記の変調手段としては液晶パネルを用いることができ、この場合には、液晶パネルの画素ピッチを約５０μｍ以下として、投写画像の精細度を高めることが好ましい。
【００１７】
一方、均一照明光学手段としては、複数のレンズを、光源ランプの出力光の主軸に垂直な面内に配列した構成のレンズ板を少なくとも１枚備えた構成のものを採用できる。この場合には、レンズ板における一方向のレンズ分割数を約３から約７の間とすることが好ましい。
【００１８】
なお、上記の導光手段を通過させる色光としては、一般的に他の色光に比べて光量の多い緑色光とすることが好ましい。あるいは、上記の導光手段を通過させる色光としては、光量変化に伴う画質への影響が比較的目立ち難い青色光とすることが好ましい。
【００１９】
ここに、均一照明光学手段として、第１のレンズ板と、第２のレンズ板と、これらの間に介在した反射鏡を備えた構成とし、光路を例えば直角に折り曲げるように構成してもよい。
【００２０】
更に、均一照明光学手段に偏光変換手段を配置することが好ましい。この偏光変換手段は光源ランプからのランダム偏光をＰ波とＳ波の２つの直線偏光に分離する偏光分離要素と、分離された２つの偏光の偏光面を一致させる偏光面回転要素とから構成される。この偏光変換手段を用いると、光源ランプからの出射光の利用効率を高めることができるので、その分、投写画像の照度を高めることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００２２】
１．参考例
図１には、本発明の参考例に係る投写型表示装置の光学系を示してある。本例の投写型表示装置１は、光源２と、均一照明光学素子３から構成される照明光学系２Ａと、この照明光学系２Ａから均一照明光学素子３を介して出射される光束Ｗを、赤、緑、青の各色光束Ｒ、Ｇ、Ｂに分離する色分離光学系４と、各色光束を変調するライトバルブとしての３枚の液晶パネル５Ｒ、５Ｇ、５Ｂと、変調された色光束を再合成する色合成光学系６と、合成された光束をスクリーン８上に拡大投写する投写レンズ７を有している。また、色分離光学系４によって分離された各色光束のうち、緑色光束Ｇを対応する液晶バルブ５Ｇに導く導光系９を有している。
【００２３】
本例の光源２は、光源ランプ２１と曲面反射鏡２２で構成されており、光源ランプ２１としてはハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等を用いることができる。均一照明光学系３は詳細を後述するが、照明光学系の中心光軸１ａに垂直な平面上に配置された第１のレンズ板３１と第２のレンズ板３２で構成されている。
【００２４】
色分離光学系４は、青緑反射ダイクロイックミラー４０１と青反射ダイクロイックミラー４０２と反射鏡４０３から構成される。光束Ｗは、まず、青緑反射ダイクロイックミラー４０１において、そこに含まれている青色光束Ｂおよび緑色光束Ｇが直角に反射されて、青反射ダイクロイックミラー４０２の側に向かう。赤色光束Ｒはこのミラー４０１を通過して、後方の反射鏡４０３で直角に反射されて、赤色光束の出射部４０４から色合成光学系の側に出射される。ミラー４０１において反射された青および緑の光束Ｂ、Ｇは、青反射ダイクロイックミラー４０２において、青色光束Ｂのみが直角に反射されて、青色光束の出射部４０５から色合成光学系の側に出射される。このミラー４０２を通過した緑色光束Ｇは、緑色光束の出射部４０６から導光系９の側に向けて出射される。本例では、均一照明光学素子３の光束の出射部から、色分離光学系４における各色光束の出射部４０４、４０５、４０６までの距離が全て等しくなるように設定されている。ここで、本例においては、色分離光学系４の各色光束の出射部４０４、４０５、４０６の出射側には、それぞれ、平凸レンズからなる集光レンズ１０１、１０２および１０３が配置されている。したがって、各出射部から出射した各色光束は、これらの集光レンズ１０１乃至１０３に入射して平行化される。
【００２５】
平行化された後の各色光束Ｒ、Ｇ、Ｂのうち、赤色および青色の光束Ｒ、Ｂは、集光レンズ１０１、１０２の直後に配置されている液晶パネル５Ｒ、５Ｂに入射して変調され、各色光に対応した映像情報が付加される。すなわち、これらの液晶パネルは、不図示の駆動手段によって映像情報に応じてスイッチング制御が行われ、これにより、ここを通過する各色光の変調が行われる。このような駆動手段は公知の手段をそのまま使用することができ、本例においてはその説明を省略する。一方、緑色光束Ｇは、導光系９を介して、対応する液晶パネル５Ｇに導かれ、ここにおいて、同様に、映像情報に応じて変調が施される。本例の液晶パネルは、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として用いた画素ピッチが５０μｍ以下のものを使用している。
【００２６】
本例における導光系９は、入射側反射鏡９１と出射側反射鏡９２と、これらの間に配置された中間レンズ９３から構成されている。本例では、中間レンズ９３の焦点距離を、この導光系９の全光路長に等しく設定してある。この焦点距離としては、導光系の全光路長の約０．９から約１．１倍の範囲内に設定することができる。ここで、各色光束の光路長、すなわち、光源ランプ２１から各液晶パネルまでの距離は、緑色光束Ｇが最も長くなり、したがって、この光束の光量損失が最も多くなる。しかし、本例のように、導光系９を介在させることにより、光量損失を抑制できる。なお、導光系９を通過させる色光束は、赤あるいは青色の光束とすることもできる。しかし、一般的には通常の投写型表示装置においては緑の光量が他の色の光量に比べて大きいので、緑色光束を、導光系９を通過する光路に割り当てることが好ましい。ただし、色バランスよりも明るさや画質の均一性を優先させる場合は、導光系９に視感度が低くて比較的照度むらの目立ちにくい青色光束を割り当てればよい。
【００２７】
次に、各液晶パネル５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを通って変調された各色光束は、色合成光学系６に入射され、ここで再合成される。本例ではダイクロイックプリズムを用いて色合成光学系６を構成している。色合成光学系６としては、ダイクロイックミラーをＸ字状に配置した構成のミラー合成系を利用することも可能である。しかし、色合成光学系がダイクロイックミラーにより構成されているミラー合成系を備えた投写型表示装置においては、ダイクロイックミラーが投写レンズの中心軸に対して非回転対称の光学要素となる。このため、スクリーン上の画像に非点収差が発生し、投写光学系のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）特性が劣化する。この結果、画質にぼけが発生して鮮鋭度が低下する。ＭＴＦ特性の劣化は、画素数に対して液晶パネルのサイズが大きい場合、すなわち、画素ピッチが大きい場合にはそれ程問題にはならない。しかし、本例のように、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として用いた液晶パネルの場合等のように画素ピッチが小さくなると、無視することができない。本例では、色合成光学系６としてダイクロイックプリズムを用いているので、このような弊害の発生を回避することができる。
【００２８】
この点を図２を参照して説明する。この図には、本例のプリズム合成系を備えた投写型表示装置と、色合成系をミラー合成系とした場合における投写型表示装置におけるＭＴＦ特性を示してある。この図において、横軸は液晶パネルの画素の細かさを示す空間周波数（１ｉｎｅ／ｍｍ）であり、縦軸はＭＴＦ（％）を示してある。実線は、プリズム合成系を備えた投写光学系における特性である。太い実線は画面中心部の特性であり、細い実線は画面周辺部の特性である。同様に、破線はミラー合成系を備えた投写光学系における特性である。太い破線は画面中心部の特性であり、細い破線はその周辺部の特性である。
【００２９】
投写レンズ単体でのＭＴＦ特性は、ミラー合成系では、４５度の角度でミラーが挿入されるので非点収差が発生して劣化している。本例のように、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として用いた画素ピッチが５０μｍ以下の液晶パネルでは、空間周波数が２０（１ｉｎｅ／ｍｍ）においては３０％以上のＭＴＦ特性が必要である。しかし、ミラー合成系を用いた場合には、画面周辺部で充分なＭＴＦ特性が得られないことが分かる。これに対して、本例のように、プリズム合成系を用いた場合には、プリズムによって発生する収差を投写レンズの設計で取り除くことができるので、ＭＴＦ特性の劣化がないことが分かる。
【００３０】
本例の装置においては、ダイクロイックプリズムからなる色合成系おいて各色光束が合成されて、光学像が得られ、この光学像が、投写レンズ７によって、スクリーン８上に拡大投写される。投写レンズとしては、テレセントリック系に近いものが好ましい。
【００３１】
（照明光学系）
本例の照明光学系における均一照明光学素子３に適したものとしては、露光機に一般的に使用されているインテグレータレンズがある。投写型表示装置に使用する場合の基本的な構成を図３（Ａ）に示してある。この図に示すように、均一照明光学素子３は第１のレンズ板３１と第２のレンズ板３２から構成されている。第１のレンズ板３１は、複数の矩形レンズ３０１をマトリックス状に配列した構成となっており、同様に、第２のレンズ板３２も矩形レンズ３０２をマトリックス状に配列した構成となっている。第１のレンズ板３１の各矩形レンズ３０１の形状は、照明対象の液晶パネルの形状に相似形とされる。これらの各矩形レンズ３０１の像が、第２のレンズ板３２を構成している各矩形レンズ３０２の対応する矩形レンズによって、液晶パネル上に重畳結像される。したがって、液晶パネルは、均一な照度で色むらが殆ど無い状態で照明される。
【００３２】
本例では、各レンズ板３１、３２において、４行×３列のマトリックスとなるように矩形レンズを配置してある。縦方向あるいは横方向の最大分割数としては、約３乃至７の範囲が好ましい。また、第１のレンズ板３１と第２のレンズ板３２は必ずしも分離する必要はない。各矩形レンズの寸法を小さくして、入射光束の分割数を増やすことにより、各レンズ板３１、３２を接近させることができる。さらには、１枚のレンズ仮に一体化することも可能である。
【００３３】
ここで、図５を参照して、均一照明光学素子３を構成している各レンズ板３１、３２の矩形レンズによる分割数と色むらとの関係を説明する。図５のグラフは、横軸に第１および第２のレンズ板（インテグレータレンズ）の分割数を取り、縦軸には色むらを、スクリーン８上における中央部（１箇所）と周辺部（４箇所）の間における色の違いをＵ’Ｖ’色度座標上における差として表示したものである。この色むらを示す値は、小さい程、色むらの程度が小さいことを示す。図において破線で示す値は、色むらとして許容できると判断される最大色むらである。
【００３４】
このグラフから分かるように、分割数を３以上にすることが好ましい。しかしながら、製造上の観点からは分割数を増やすとコスト高につながってしまう。したがって、実用的な分割数は、約３から約７の範囲である。
【００３５】
次に、図３（Ｂ）には、均一照明光学菓子３を構成する第１のレンズ板３１および第２のレンズ板３２の別の構成例を示してある。この図に示す例においても、各レンズ板は同一寸法の矩形レンズ板から構成されている。しかし、矩形レンズの配列状態は、縦方向の分割数は７であり、横方向においては、上下の行が３分割であり、中央の３行が５分割であり、これらの間の行が４分割となっている。
【００３６】
均一照明光学素子３としては、図４に示すように複数の円柱レンズ３０１’で構成される第１のレンズ板３１と、同じく複数の円柱レンズ３０２’で構成される第２のレンズ板３２を用いて構成する方法もある。この場合の照度は、一方向のみ均一化され、図３（Ａ）、（Ｂ）の場合に比べて照明対象の中心照度が高くなる。また、この場合、レンズ構成が比較的簡単であることから、薄型化が容易である。
【００３７】
次に、図６（Ａ）を参照して、上記の構成の均一照明光学素子３を用いて液晶パネル５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを照明する場合の作用を説明する。光源２を構成する光源ランプ２１としては前述したようにハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等の点に近い発光源を使用する。またランプからの放射光束は反射鏡２２で反射される。反射鏡２２の反射面形状としては楕円面を使用することができ、この場合、その第１焦点を光源ランプ２１の発光部に一致させ、第２焦点を液晶パネル５（５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ）の中心位置に一致させる。この結果、反射鏡２２の反射光束は、液晶パネル５の中心部に向かう。この場合には、第１のレンズ板３１の各矩形レンズ３０１の中心から、液晶パネル５の中心に向かう線上に第２のレンズ板３２の各矩形レンズ３０２の中心が位置するように、第２のレンズ板３２の寸法、すなわち、このレンズ板を構成している各矩形レンズ３０２の寸法は、第１のレンズ板の側よりも小さく設定される。
【００３８】
第１のレンズ板３１の各矩形レンズ３０１は、対応する第２のレンズ板３２の各矩形レンズ３０２の中心に光束を集中させる。第２のレンズ板３２の各矩形レンズ３０２は、対応する第１のレンズ板の側の矩形レンズ３０１のレンズの像を、液晶パネル５の表示領域５Ａ（図において斜線で示す領域）に重畳結像させる。第２のレンズ板３２の各矩形レンズ３０２の中心には、このように、光源ランプ２１の発光部の像が形成されるので、第２のレンズ板３２の全体が２次光源として機能する。従って、例えば液晶パネル５の表示領域５Ａの端に入射する光束の主光線３０３は、第２のレンズ板３２の中心と表示領域５Ａの端を結ぶ線分に一致する。すなわち、液晶パネル５への照明光束は、第２のレンズ板３２からの発散光となっているので、液晶パネル５に平行光を入射させるためには、発散光を平行化する必要がある。この目的のために、本例では、集光レンズ１０１、１０２、１０３が配置されている。この集光レンズの焦点距離は。第２のレンズ板３２と集光レンズの距離ｂに等しく設定される。本例では、集光レンズとして、液晶パネル５の側に凸面を向けた状態に配置した平凸レンズを用いている。凸面を第２のレンズ板の側に向けた状態に配置してもよい。平凸レンズの代わりに、両凸レンズ、フレネルレンズを用いることもできる。このように、集光レンズ１０１、１０２、１０３を配置することにより、液晶パネル５を介して出射される光束の主光線は、照明系全体の中心軸１ａに平行になる。
【００３９】
次に、図６（Ｂ）には、照明光学系の変形例を示してある。この例では、光源２の反射鏡２２の反射面として放物面を用いている。この場合には、放物面の焦点は光源ランプ２１の発光部に一致させるので、反射鏡２２で反射された光束は、照明系の中心軸１ａにほぼ平行な光束になる。したがって、この場合に使用する均一照明光学素子３は、同一寸法の第１のレンズ板３１’および第２のレンズ板３２’で構成され、各レンズ板を構成している矩形レンズの焦点距離も等しい。第２のレンズ板３２’の各矩形レンズ３０２’は、対応する第１のレンズ板３１’の矩形レンズの像を無限遠に結像させる。したがって、この場合には、レンズ３０６を付加して、無限遠にできるはずの像を液晶パネル５の表示領域５Ａ上に形成する。レンズ３０６の焦点距離は、このレンズと液晶パネル５の距離に等しくなるように設定される。なお、レンズ３０６を第２のレンズ板３２と一体化することもできる。
【００４０】
なお、各レンズ板３１、３２の矩形レンズによる分割数が比較的少ない場合は、各レンズ板間の距離を比較的大きくすることができ、図１５に示されるように、各レンズ板の間に、反射鏡３３を介在させることが可能である。この場合、均一照明光学素子の占める体積が前例の場合の１／２程度になるという利点がある。また、この図に示されるように、全光学系の配置を正方形に近づけることができ、装置全体の小型化に寄与する。
【００４１】
（導光系）
前述したように、本例の導光系９は、２枚の反射鏡９１、９２とこれらの間に配置した中間レンズ９３から構成されている。本例に適用可能な導光系の別の構成例を以下に説明する。
【００４２】
まず、図７に示す導光系９Ａは本例の導光系９から中間レンズ９３を省略した構成となっている。
【００４３】
次に、図８（Ａ）に示す導光系９Ｂは、本例の導光系９の構成に加えて、その入射部側に入射レンズ９４を付加すると共に、その出射部側に出射レンズ９５を付加したした構成となっている。
【００４４】
図８（Ｂ）を参照して、この構成の導光系９Ｂの動作を説明する。図においては、説明を容易にするために、一対の反射鏡９１、９２を省略した直線系として示してある。図に示すように、中間レンズ９３は導光系９Ｂの全光路のちょうど中心にあり、全光路長を２ａとすると、中間レンズ９３の焦点距離はａ／２にほぼ等しくなるように設定してある。従って、中間レンズ９３は、導光系９Ｂの入射側における物体９６の像を、導光系の出射側に反転像９７として結像させる。すなわち、入射側の照度分布が出射側において１８０度回転して伝達される。しかし、本例では均一照明光学素子３を備えた照明光学系を用いているので、照度分布は１８０度の回転に対してほぼ対称となっている。よって、照度分布がこのように回転あるいは反転しても、表示の色むらが発生することはない。
【００４５】
一方、入射レンズ９４は、その焦点距離が中間レンズ９３までの距離ａに等しく、集光レンズ１０３を通過して平行になった光束Ｇの主光線９ａを中間レンズ９３の中心に向ける。従って、中間レンズ９３の中心部には、均一照明光学素子３の出射側の第２のレンズ板３２の像が形成される。また、出射レンズ９５の焦点距離もａに等しくなるように設定してあり、中間レンズ９３の中心から発散する光束の主光線を平行にして出射する。入射レンズ９４は、図に示すように、平凸レンズであり、その凸面の側を入射側に向けて配置してあり、これにより、レンズの球面収差を小さくしている。出射レンズ９５も平凸レンズであり、その凸面側が出射側に向くように配置してある。
【００４６】
なお、入射レンズおよび出射レンズの焦点距離は、導光系９Ｂの全光路長（２ａ）の約０．５から約０．７倍の範囲内に設定すればよい。また、中間レンズの焦点距離は、球面収差を小さくする観点から、全光路長（２ａ）の１／４よりも僅かに長くすることが好ましく、約０．２５から約０．４倍の範囲内に設定すればよい。
【００４７】
図９（Ａ）には、上記の導光系９Ｂの変形例を示してある。この図に示す導光系９Ｃにおいては、導光系９Ｂにおける入射レンズ９４を、その光路方向の手前に配置されている集光レンズ１０３と一体化したレンズ９７としてある。このレンズ９７の焦点距離は、入射レンズ９４と集光レンズ１０３の屈折力を足し合わせた値に設定される。すなわち、図９（Ｂ）に示すように、ａｂ／（ａ＋ｂ）に設定される。このレンズ９７は球面収差を小さくするために、両凸レンズとすることが好ましい。なお、この図９（Ｂ）においては、中間レンズ９３を、２枚の平凸レンズ９３１、９３２で構成した状態で示してある。図に示すように、この場合には、各平凸レンズ９３１、９３２の焦点距離をａに設定する。また、各レンズの凸面を向かい合わせた状態で配置することにより、両凸レンズ１枚の場合に比べて、球面収差を極めて小さくすることができる。この結果、導光系の入射側における照度分布を極めて正確に出射側に伝達することができる。
【００４８】
次に、図１０には、導光系９Ｃの変形例を示してある。図に示す導光系９Ｄにおいては、上記の導光系９Ｃにおいて一体化したレンズ９７を、非球面レンズ９８としてある。このように非球面レンズ９８を用いることにより、両凸レンズを使用する場合にくらべて、さらに球面収差を小さくすることができる。よって、導光系の入射側における照度分布を極めて正確に出射側に伝達することができる。
【００４９】
（参考例の効果）
以上説明したように、本例の投写型表示装置１においては、その照明光学系として均一照明光学素子３を備えたものを使用し、色合成光学系には軸対称光学素子であるダイクロイックプリズムを使用している。したがって、色むらや照度むらが少なく、しかも照明効率の高い投写型表示装置を実現できる。また、ダイクロイックプリズムからなる色合成系を用いているので、投写レンズの焦点距離を短くでき、短距離での大画面表示が可能となる。よって、本例の構成をリアープロジェクターに適用すれば、その奥行きを短くできるので、装置をコンパクトにすることができる。
【００５０】
また、導光系を構成している光学素子である中間レンズ、入射レンズ、出射レンズの焦点距離を適切な値に設定しているので、ここを通過する色光束の色むらの発生、光量損失を少なくでき、これによっても、投写画像の色むら、照度むら等の発生を抑制でき、また、明るい画像を形成することが可能になる。
【００５１】
さらには、導光系における入射レンズと、集光レンズとを一体化した構成を採用した場合には、構成要素を少なくできるので、その分、光学系をコンパクトで廉価にすることができる。また、一体化したレンズを非球面レンズとした場合には、光学系をコンパクトにできると共に球面収差も小さくすることができる。
【００５２】
一方、本例においては、均一照明光学素子における分割数を３乃至７の範囲にしてあり、また、液晶パネルの画素ピッチを５０μｍ以下に設定してあるので、投写画像に色むら、ぼけ等が発生することを抑制でき、したがって、画像品位の高い投写画像を形成することのできる投写型表示装置を実現できる。
【００５３】
２．第１の実施例
図１１には本発明の第１の実施例に係る投写型表示装置を示してある。本例の投写型表示装置１００は、その導光系の構成以外は前述した参考例の投写型表示装置１と同一である。したがって、対応する部分には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。
【００５４】
本例の投写型表示装置１００における導光系９Ｅは、入射側の三角柱プリズム９０１と、出射側の三角柱プリズム９０２と、これらの間に配置した四角柱プリズム９０３から構成されている。
【００５５】
図１１（Ｂ）を参照して本例の導光系９Ｅの働きを説明する。集光レンズ１０３によって平行化された光束は、三角柱プリズム９０１の入射面９０４に垂直に入射し、全反射面９０５で反射されて出射面９０６から出射する。全反射面９０５は、単に硝材あるいはプラスチックの光学平坦面であってもよい。しかし、入射光束中に全反射されないような角度の光線が含まれる場合は、アルミニウム、銀等の金属膜をコーティングすることが好ましい。この代わりに、誘電体多層反射膜をコーティングしてもよい。入射面９０４と出射面９０６は、図においても示すように、全反射による導光の働きがあるので、空気と硝材の界面である必要があり、隣接する光学要素と接着させることができない。従って、三角柱プリズム９０１は、５つの面が全て光学的平坦面であることが必要であり、場合によっては入射面９０４と出射面９０６に減反射コーティングを施す必要がある。特に、隣接する四角柱プリズム９０３との界面には、無反射コーティングを施すことが好ましい。
【００５６】
四角柱プリズム９０３は、６つの面が全て光学的平坦面であり、通過する光束の主軸に平行な４つの面９０７は、全反射によって光束を導く。出射側の三角柱プリズム９０２は、入射側の三角柱プリズム９０１と同一構成である。出射した光束は、液晶パネル５Ｇの表示部５Ａに入射される。
【００５７】
光束の伝達率を高くするために、三角柱プリズム９０１の入射面９０４の形状と、三角柱プリズム９０２の出射面の形状は、液晶パネル５Ｇの表示部５Ａの矩形形状とほぼ同一にする。ここで、照明光学系の均一照明光学素子３は、図３に示すように、矩形レンズをマトリックス状に配置した第１および第２のレンズ板３１、３２から構成されている。したがって、入射側の三角柱プリズム９０１の入射面９０４は、その矩形形状に合わせてほぼ均一に照明される。３つのプリズムは、入射光束の光量と平行性と均一な明るさ分布を保持した状態のままで、液晶パネル５Ｇの表示部５Ａに伝達される。出射側の三角柱プリズム９０２と液晶パネル５Ｇは近接配置する必要があるが、無視できない距離がある場合には、導光のためのプリズムやレンズを追加配置すればよい。
【００５８】
このように構成した本例の投写型表示装置によって、前述した参考例の場合と同様な効果を得ることができる。なお、本例における導光系の四角柱プリズム９０３の代わりに、例えば、４枚の反射鏡を組み合わせて筒状とした導光部材を用いてもよい。
【００５９】
なお、図１１（Ｂ）の四角柱プリズム９０３は、図１２（Ａ）に示すような４枚の反射鏡９０３’により構成される筒状の導光系であってもよい。導光面の反射率はわずかに低くなるものの、働きとしては同一になる。また、導光系を図１２（Ｂ）に示すように、上下の２枚の反射板９１１、９１２と、光路の折り曲げのための２枚の反射鏡９１３、９１４で構成してもよい。この場合は、入射光束を損失なく伝達することはできないが、レンズ１０３の焦点距離を幾分か短くすることで、損失量を少なくすることができる。この場合は照度分布を保存することができないので図４で示したような円柱レンズを用いた均一照明光学素子の場合に適した方法である。
【００６０】
３．第２の実施例
図１６には、本発明の第２の実施例に係る投写型表示装置を示してある。本例の投写型表示装置５００は、その導光系の構成以外は前述した参考例と同一である。したがって、対応する部分には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。
【００６１】
本例の投写型表示装置５００における導光系９Ｆは、入射側のフィールドレンズ９２１と出射側のフィールドレンズ９２２と凹面鏡９２３で構成されている。導光系９Ｆの入射部付近にある集光レンズ１０３と、フィールドレンズ９２１とを一体化して一枚のレンズで代用することもできる。
【００６２】
この構成を有する導光系９Ｇを、図１７に示してある。一体化したレンズ９２４は図に示すように偏心した両凸レンズで構成される。
【００６３】
上記の導光系９Ｆの具体的構成を図１８（Ａ）に示す。光路の中心にある凹面鏡９２３とフィールドレンズ９２１あるいはフィールドレンズ９２２までの距離をａとすると、凹面鏡９２３の焦点距離はａ／２にほぼ等しい。この凹面鏡９２３の曲面形状は、球面あるいは楕円面である。従って、凹面鏡９２３は、入射部の物体８０２の像を出射部に反射像８０３として結像し、実際には、入射部の照度分布が出射部において反転して出力される。フィールドレンズ９２１と９２２の焦点距離はａに等しく、それぞれのレンズの光軸８０１は両者の中心で一致している。入射側のフィールドレンズ９２１は、集光レンズ１０３から平行光束を凹面鏡９２３の中心に集める。出射側のフィールドレンズ９２２は、凹面鏡９２３からの反射光束を、液晶パネル５Ｇに垂直な光束となるように屈折させる。
【００６４】
なお、導光系９Ｆを、図１８（Ｂ）に示すように構成することもできる。この図に示す導光系９Ｈでは、上記の導光系９Ｅにおける２枚のフィールドレンズ９２１、９２２を、一枚のレンズ８０６で構成し、凹面鏡９２３を平面鏡８０４に置き換えて、レンズ８０６からａ／２の距離に配置してある。さらに、レンズ８０６の光軸８０７に垂直に平面鏡８０５を配置してある。導光系９Ｈに入射する平行光束は、レンズ８０６の端部を通って平面鏡８０４で反射され、平面鏡８０５の中心に集まる。平面鏡８０５から反射された光束は、平面鏡８０４で反射されてからレンズ８０６の端部を通り、液晶パネル５Ｇの表示部５Ａに垂直に入射する。入射部の物体８０２の像を出射部の反転像８０３として形成させるのはレンズ８０６の中心部であり、光束はレンズ８０６の中心部を２回通過するので、焦点距離がａ／２のレンズを通過したことと同じになる。本例の構成は、上記の導光系９Ｆの場合よりもサイズが小さくなるという利点がある。
【００６５】
４．第３の実施例
図１３には本発明の第３の実施例に係る投写型表示装置を示してある。本例の投写型表示装置２００は光学系をそのケース２０１内にコンパクトに収納するための工夫がなされている。本例における光学系は、照明光学系２Ｂと、色分離光学系４と、ライトバブル５Ｒ、５Ｇおよび５Ｂと、色合成光学系６と、投写レンズ７と、導光系９Ｄから構成されている。これらのうち、色分離光学系４、ライトバルブ５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ、色合成光学系６、投写レンズ７は、参考例の装置１００における場合と同一である。また、導光系９Ｄは、図１０に示すものと同一である。したがって、これらの部分における対応する部位には同一の符号を付し、それらの各部位の説明は省略する。
【００６６】
本例の装置２００においては、照明光学系２Ｂからの出射光の中心軸１ａと、投写レンズ７の光軸７ａとが平行となるようにするために、照明光学系２Ｂにおいて、光源ランプ２１からの出射光の方向を直角に折り曲げるようにしている。また、照明光学系２Ｂは、偏光変換系１１を備えた構成となっている。
【００６７】
すなわち、本例の照明光学系２Ｂは、ランプ２１および反射鏡２２から構成した光源２と、この出射側に配置した偏光変換素子１１と、この出射側に配置した均一照明光学素子３Ａから構成されている。
【００６８】
図１４に示すように、本例の偏光変換素子１１は、偏光ビームスプリッタ１１１と、反射鏡１１２と、λ／２位相差板１１３から構成される。光源２から出射されたランダム偏光１１４は、偏光分離要素である偏光ビームスプリッタ１１１によって、Ｐ偏光１１５とＳ偏光１１６の２つの直線偏光に分離される。偏光ビームスプリッタ１１１の偏光分離機能は入射角依存性を持つので、光源としては、平行性に優れた光を出射できる短アーク長のランプを備えたものが適している。分離されたＰ偏光１１５は、偏光面回転要素であるλ／２位相差板１１３を通過することにより、偏光面が９０度回転してＳ偏光になる。一方、Ｓ偏光１１６はプリズム型反射鏡１１２によってその光路を折り曲げられるだけであり、そのままＳ偏光として出射される。本例では、反射鏡１１２は例えばアルムニウムの蒸着膜として形成されており、Ｐ偏光よりもＳ偏光の反射率が高いので、Ｓ偏光の光路を反射鏡１１２で折り曲げる配置構成としてある。反射鏡１１２としては、プリズム型の他に、一般的な平面型の反射鏡を使用してもよい。この構成の偏光変換素子１１を通過することにより、光源からのランダム偏光１１４は、Ｓ偏光として出射される。なお、本例では、Ｐ偏光をＳ偏光に変換するようにしているが、逆に、Ｓ偏光をＰ偏光に変換して、偏光変換素子１１からＰ偏光を出射させるようにしてもよい。
【００６９】
次に、この偏光変換素子１１の出射側に配置されている均一照明素子３Ａは、出射されたＳ偏光１１６の主軸に垂直な平面上に配置された第１のレンズ板３１と、これと直交する状態に配置された第２のレンズ板３２と、これらのレンズ板３１、３２の間に配置され、光路を直角に折り曲げるための反射鏡３３で構成されている。第１のレンズ板および第２のレンズ板の構成は参考例の場合と同一である。このように、均一照明素子３Ａに入射した光束は、直角に折り曲げられて、ここから出射する。出射した白色のＳ偏光光束は、色分離光学系４において原色光束に分離される。分離された各色の光束は、ダイクロイックプリズムからなる色合成光学系６において合成され、投写レンズ７を介してスクリーン８上に拡大投影される。
【００７０】
このように、本例の装置２００においては、照明光学系２Ｂの出射方向に対して、投写光の方向を平行で逆向きとなるように、光路を形成すると共に、光源２の背面側におけるケース２０１内には、光源ランプ２１による発熱を抑えるための冷却ファン１２を配置してある。
【００７１】
したがって、本例の装置２００においては、その使用時において、冷却に使用されて温まった空気が投写光と同一方向に排出される。このため、この投写型表示装置をフロント投写型として、反射型のスクリーン上に映像を表示して観察するような場合には、観察者は通常は装置よりも後ろ側にいる。したがって、冷却ファンの騒音、あるいはそこから吹きだす温風によって、観察者の視聴が妨げられることがないという利点がある。また、オーディオラックのような比較的設置スペースに余裕の無い場所に設置する場合にも、前面からの排気であるので、排気が周囲にこもってしまうという問題も発生しないので都合がよい。
【００７２】
また、本例の装置２００においては、照明光学系２Ｂは偏光変換素子１１を備えている。したがって、光源から出射されるランダム偏光が特定の直線偏光に変換され、変換後の２つの光束が、発散損失を殆ど生ずることなく効果的に重畳結合されて出射される。よって、偏光のみを高効率で出射する明るい照明光学系を実現できる。さらには、本例では、出射された偏光光束を均一照明光学素子３Ａに通過させているので、光源において発生している色むら、照度むらが抑制され、均一性の高い照明光を得ることができる。
【００７３】
５．上記参考例並びに実施例の効果
以上説明したように、上記参考例並びに実施例にかかる投写型表示装置は、照明光学系に均一照明光学素子を備え、また、色合成系にはダイクロイックプリズムを備え、さらに、色分離系における最も光路長の長い色光束の光路には導光系を配置し、さらにまた、色分離系を介して分離された各色の発散光束を集光レンズを介して平行光束としてライトバルブに照射するようにした構成を採用している。したがって、均一照明光学素子によって光源からの光の色むら、照度むらが抑制され、また、色合成系はミラー合成系に比べて色むら、照度むらの発生が少ないプリズム合成系であり、ここでの色むら等の発生も少ない。また、導光系を介して、光路長の長い色光束の光が光量損失が殆ど無い状態で伝達され、集光レンズによって平行光束がライトバルブに照射されるので、光量損失が少なく、照明効率が改善される。よって、上記参考例並びに実施例によれば、従来に比べて、色むら、照度むらが少なく、しかも照明効率の高い投写型表示装置を実現することができる。
【００７４】
また、上記参考例並びに実施例においては、その導光系の構成要素であるレンズの焦点距離を適切な値に設定し、あるいは、導光系としてプリズムを使用している。この構成によれば、導光系での色むら、光量損失を抑制できるので、色むらが少なく、照明効率の高い投写画像を形成することができる。
【００７５】
さらに、上記参考例並びに実施例においては、投写光学系の中心軸に対して回転対称な要素であるダイクロイックプリズムを色合成系として使用し、ライトバルブとして画素ピッチが約５０μｍ以下と小さなピッチの液晶パネルを使用している。したがって、上記参考例並びに実施例によれば、解像度のよい投写画像を形成できると共に、ポリシリコンＴＦＴ等の小型化が容易な液晶パネルを利用して装置全体を小型にすることができる。
【００７６】
また、上記参考例並びに実施例では、均一照明光学素子を構成しているレンズ板の分割数を３から７の範囲内に設定してあるので、色むらが抑制された投写画像を形成することができる。
【００７７】
さらには、上記参考例並びに実施例では、照明光学系に偏光変換素子を備えた構成を採用しているので、光源ランプからの出射光束の発散損失を抑制でき、明るい投写画像を形成することができる。
【００７８】
一方、本発明の投写型表示装置においては、その照明光学系からの出射光の進行方向に対して、投写光を逆向きで平行な方向に出射できるように光路を構成し、投写光が出射する装置ケース側に、光源ランプの冷却手段を配置した構成を採用している。この構成によれば、フロントプロジェクターとして利用する場合には、投写画像の観察者が位置する側とは反対側に冷却手段が位置し、そこからの排気が観察者の側とは反対側に吹きだされる。よって、冷却手段の騒音、そこからの排気が、観察者の邪魔になることが無いという利点がある。
【００７９】
一方、上記参考例並びに実施例によれば、上記の各効果に加えて、光学系の投写レンズのバックフォーカスが短いので、短距離の大画面投写が容易である。よって、プレゼンテーション用途や、家庭のホームシアター用途に適した投写型表示装置を実現できる。また、投写レンズのバックフォーカスが短いので、Ｆナンバーが小さく、明るい投写レンズを、少ないレンズ枚数で実現でき、装置を低コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例に係る投写型表示装置の光学系の構成を示す概略構成図である。
【図２】投写型表示装置においてライトバルブとして使用される液晶パネルの画素密度と伝達特性（ＭＴＦ）との関係を示すグラフである。
【図３】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、図１の均一照明光学素子を構成している第１および第２のレンズ板の構成を示す概略斜視図である。
【図４】図１の均一照明光学素子を構成している第１および第２のレンズ板の構成を示す概略斜視図である。
【図５】均一照明光学素子のレンズ板の分割数と色むらとの関係を示すグラフである。
【図６】（Ａ）および（Ｂ）は、均一照明光学素子の働きを説明するための説明図である。
【図７】本発明の参考例における導光系の変形例を示す概略構成図である。
【図８】（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の参考例における導光系の別の変形例を示す概略構成図、およびその働きを示す説明図である。
【図９】（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の参考例における導光系の更に別の変形例を示す概略構成図、およびその働きを示す説明図である。
【図１０】図９（Ａ）に示す導光系の変形例を示す概略構成図である。
【図１１】（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の実施例に係る投写型表示装置の光学系を示す概略構成図、およびその導光系を示す説明図である。
【図１２】（Ａ）および（Ｂ）は、図１１（Ｂ）の変形例を示す説明図である。
【図１３】本発明の第３の実施例に係る投写型表示装置の光学系および冷却ファンを示す概略構成図である。
【図１４】図１３の照明光学系に組み込まれている偏光変換素子の構成を示す説明図である。
【図１５】図１における均一照明光学素子の変形例を示す概略構成図である。
【図１６】本発明の第２の実施例に係る投写型表示装置を示す概略構成図である。
【図１７】本発明の第２の実施例に係る投写型表示装置の変形例を示す概略構成図である。
【図１８】（Ａ）は図１６の導光系を示す説明図である。（Ｂ）は図１８（Ａ）に示す導光系の変形例を示す説明図である。

Claims (9)

1. 光源と、ここから出射された光束を３色の光束に分離する色分離手段と、分離された各色の光束を変調する３枚の変調手段と、前記色分離手段によって分離されて前記３枚の変調手段のそれぞれに入射する各色の光束のうち、他の色光より光路長の長い光束の前記色分離手段と前記変調手段の間の光路上に配置された導光手段と、前記変調手段を介して変調された各色の変調光束を合成する色合成手段と、合成された変調光束をスクリーン上に投写する投写レンズとを有する投写型表示装置において、
   前記光源と前記色分離手段の間の光路に介挿され、前記光源からの光束を均一な矩形光束に変換して前記色分離手段に向けて出射する均一照明光学手段と、
   前記色分離手段における各色の光束を出射する光束出射部にそれぞれ配置され、前記均一照明光学手段からの発散光束をほぼ平行な光束に変換する３枚の集光レンズとを有し、
   前記３枚の集光レンズのうち、前記色分離手段の前記他の色光より光路長の長い光束の光束出射部に配置された集光レンズは、前記ほぼ平行な光束を前記導光手段に向けて出射し、
   前記色合成手段はダイクロイックプリズムであり、
   前記導光手段は、入射側に配置されて光路を９０度折り曲げる入射側三角柱プリズムと、出射側に配置されて光路を９０度折り曲げる出射側三角柱プリズムと、これらの三角柱プリズムの間に配置された導光部材とを備えている、
   ことを特徴とする投写型表示装置。
2. 請求項１において、前記入射側三角柱プリズムの入射面及び前記出射側三角柱プリズムの出射面の形状は、前記変調手段の表示部の形状とほぼ同一であることを特徴とする投写型表示装置。
3. 請求項１または２において、前記導光部材は、四角柱プリズムであることを特徴とする投写型表示装置。
4. 請求項３において、前記入射側三角柱プリズムと前記四角柱プリズムと前記出射側三角柱プリズムとは、前記入射側三角柱プリズムの出射面と前記四角柱プリズムの入射面との間、及び前記四角柱プリズムの出射面と前記出射側三角柱プリズムの入射面との間に間隙を有して配置されていることを特徴とする投写型表示装置。
5. 請求項４において、前記三角柱プリズムと前記四角柱プリズムの界面には無反射コーティングが施されていることを特徴とする投写型表示装置。
6. 請求項１ないし請求項５のうちの何れかにおいて、前記三角柱プリズムの全反射面には金属膜のコーティングが施されていることを特徴とする投写型表示装置。
7. 請求項１ないし請求項５のうちの何れかにおいて、前記三角柱プリズムの全反射面には誘電体多層膜のコーティングが施されていることを特徴とする投写型表示装置。
8. 請求項１ないし請求項７のうちの何れかにおいて、前記均一照明光学手段は、複数のレンズを、前記光源の出力光の主軸に垂直な面内に配列した構成のレンズ板を少なくとも１枚備えた構成であることを特徴とする投写型表示装置。
9. 請求項１ないし請求項８のうちの何れかにおいて、更に、前記均一照明光学手段は偏光変換手段を有し、前記偏光変換手段は、前記光源からのランダム偏光をＰ波とＳ波の２つの直線偏光に分離する偏光分離要素と、分離された２つの偏光の偏光面を一致させる偏光面回転要素とから構成されていることを特徴とする投写型表示装置。

Images