JP3680847B2 - 投写型表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶パネルなどの変調手段により形成された表示画像をスクリーン上に投写表示する投写型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
変調手段として３枚の液晶パネルを用いた投写型表示装置（３板式の投写型表示装置）の代表的な構成例を図９（平面図）に示す。３板式の投写型表示装置９００においては、光源部１００からの光を波長選択性のある２枚のダイクロイックミラー４０１、４０２（色光分離手段）により赤光、緑光、青光の３原色の光束に分離した後、それぞれの色光に対応した液晶パネル４１１、４１２、４１３（変調手段）に照射し、それぞれの液晶パネルを透過してきた光をクロスダイクロイックプリズム４５０（色光合成手段）により合成して、投写レンズ４６０（投写光学系）によりスクリーン４７０上に投写表示する構成がとられている。
【０００３】
ここで、色光合成手段として用いるクロスダイクロイックプリズム４５０は、ダイクロイック膜が形成されたプリズムをＸ字状に配置して構成されている。３板式の投写型表示装置の色光合成手段としては、上記のクロスダイクロイックプリズムに代えて、２枚のダイクロイックミラーを平行に配置状態で用いた構成によっても実現できるが、クロスダイクロイックプリズムを用いた構成では、２枚のダイクロイックミラーを用いた構成に比べて、液晶パネルと投写レンズとの間の距離を短くできるため、大口径の投写レンズを用いなくとも、明るい投写映像が得られる投写型表示装置を実現しやすいという特徴がある。そのため、投写型表示装置における色光合成手段としては、クロスダイクロイックプリズムを用いる場合が多い。
【０００４】
ところで、小型の液晶パネルを用いた投写型表示装置において、より明るい投写映像を得るためには、アーク長の短いランプを光源に用いて、小型の液晶パネルを効率よく照明することが重要となる。なぜなら、ランプのアーク長が短くなる程、集光性を高めることができるためである。従って、近年、アーク長が極めて短いランプを搭載した投写型表示装置が開発されつつある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、色光合成手段としてクロスダイクロイックプリズムを用いた投写型表示装置では、明るい投写映像を得やすいという優れた特徴がある反面、クロスダイクロイックプリズムに起因する問題点が存在する。
【０００６】
一般的なクロスダイクロイックプリズムの平面構造を模式的に図８に示す。図８に示すように、クロスダイクロイックプリズム４５０は波長選択性のあるダイクロイック膜４５２が形成されたプリズム４５１をＸ字状に配置し、それら４個のプリズム４５１をプリズムと屈折率がほぼ等しい光学接着剤４５３で一体化することにより形成されている。この時、光学接着剤の厚みは約数１０μｍあるため、クロスダイクロイックプリズムの中央部、即ちダイクロイック膜がＸ字状に交差する部分４５４では、ダイクロイック膜が繋がらない不連続な状態となる。この結果、ダイクロイック膜により反射され本来投写レンズに向かうはずの光がこの部分（ダイクロイック膜がＸ字状に交差する部分４５４）に入射した場合には、ダイクロイック膜が存在しないため投写レンズの方向には反射されないことになる（但し、緑色光はダイクロイック膜で反射されないため投写レンズに入射する）。また、４個のプリズムがＸ字状に密着するそれぞれのプリズムの稜線部分は、プリズムの機械的な加工精度上の限界から、完全な直角形状とはなっておらず、平滑性の悪い表面状態を有する極幅の狭い角面４５５となっている（図８では、この部分を誇張して描いてある）。この結果、この部分（極幅の狭い角面４５５）に入射した光は角面４５５の部分で散乱され、やはり投写レンズの方向には向かわないこととなる。即ち、クロスダイクロイックプリズムの中央部には一方向（この一方向は、投写画面の長手方向を横方向とした場合、横方向とは直角に交差する縦方向に相当するため、以下では縦方向と記す。）に細長く延びる光学的に不均質な領域４５６（図８では紙面に対して垂直な方向に存在する）が存在し、この領域は局部的に光が通り難い領域であるため、この光学的に不均質な領域４５６を通過する光は、これ以外の領域を通過する光に比べて、その光量が減少することになる。
【０００７】
従って、クロスダイクロイックプリズムを色光合成手段として用いた投写型表示装置では、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題により、投写画面の中央部に暗い影（局部的に明るさが低下した領域で、画面中央部で縦方向に生じる）が生じ、視覚的に非常に目障りなものとなり、投写映像の表示品位を低下させる大きな要因の一つとなっていた。この暗い影の程度（暗い影の部分の明るさがその周辺の明るさよりも減少する度合い）は、光源に用いるランプのアーク長と強い相関関係がある。その理由は、アーク長が短くなる程、光源から出射される光の平行性と集光性が高まり、その結果、クロスダイクロイックプリズムの中央部に存在する光学的に不均質な領域を通過する光束の割合が増大するためである。従って、アーク長の長いランプを光源に用いた場合には、暗い影の存在はそれほど目立たず大きな問題とはならないが、近年のように、より明るい投写映像を得るためにアーク長が極めて短いランプを光源に用いた場合には、この暗い影の存在が非常に目立ち、投写映像の表示品位を低下させるという重大な問題を引き起こしていた。
【０００８】
そこで、本発明は以上のような点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、変調手段により変調された複数の光束を１つに合成するための、多層膜をＸ字状に交差させて構成した色光合成手段を用いた投写型表示装置において、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題に起因する暗い影を目立たなくし、視覚的な障害のない高品位の映像を投写表示できる投写型表示装置を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、
１）本発明の第１の投写型表示装置は、
光源と、
前記光源から出射される光束を集光し、互いに空間的に分離された複数の中間光束に変換する第１の光学要素と、
前記中間光束が収束する位置の付近に配置された第２の光学要素と、
前記第２の光学要素から出射された光束を３色の光束に分離する色光分離手段と、
前記色光分離手段により分離されたそれぞれの前記光束を変調する３つの変調手段と、
前記それぞれの変調手段により変調された複数の光束を１つに合成する多層膜をＸ字状に交差させた色光合成手段と、
前記色光合成手段により合成された光束を投写する投写手段とを有し、
前記第２の光学要素は、
それぞれの中間光束を重畳結合させる重畳結合手段を有し、
前記光源と前記変調手段の間の光路上に光散乱素子を配置したことを特徴とする。
また、前記第１の投写型表示装置において、
前記第２の光学要素は、
前記中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離する偏光光束分離手段と、前記Ｐ偏光光束、Ｓ偏光光束のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光光束の偏光方向と揃える偏光方向変換手段とを有する偏光発生装置を有することができる。
【００１０】
上記の構成を採用することにより、先に説明した問題点を解決することができる。即ち、クロスダイクロイックプリズムを色光合成手段として用いた投写型表示装置において、あるいは同時にアーク長が極めて短いランプを光源に用いた場合でも、光散乱素子を光源と変調手段との間の光路上に配置することにより、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題に起因する暗い影の発生を防止し、視覚的な障害のない高品位の映像を投写表示できる効果がある。
【００１１】
クロスダイクロイックプリズムに入射した光束を、クロスダイクロイックプリズムの中央部に存在する光学的に不均質な（局部的に光が通り難い）領域を避けながら、クロスダイクロイックプリズムから出射させると共に、その光束を投写レンズの入射瞳内に導くことができれば、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題に起因する暗い影の発生を防止することができる。そのためには、クロスダイクロイックプリズムに入射する光束に、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を有する角度分布を持たせることが必要であり、それは光散乱素子を用いることにより実現することができる。
【００１２】
ここで、上記の構成に用いる光散乱素子としては、光散乱現象を発現する一般的な光散乱板或いは光拡散板を用いることができる。図７を用いて、光散乱素子における光散乱現象について説明する。光散乱素子は、その表面或いは内部に屈折率変化を伴った微小且つ不規則な構造体を有するもので、光散乱素子１０に入射した光２０は、そのような構造体により散乱され、部分的にその進行方向を変え、出射方向にある広がり（光散乱角Ｔ２１）をもって光散乱素子１０から出射される（進行方向に沿って出射される光は、一般に前方散乱光と呼ばれる）。従って、光散乱素子１０から出射された光束は、その出射方向にある角度分布２２を有することとなり、この角度分布２２は、光散乱素子に形成された構造体により自在に制御することが可能である。尚、一般的には、光散乱素子１０から後方（光の入射側）に戻る光（後方散乱光２３）も存在するが、光散乱素子に形成された構造体の大きさや形状及びその分布状態を制御することにより、この種の光をほとんど無くすことが可能である。従って、光吸収を伴わない材料で光散乱素子を形成すれば、光散乱素子に入射する光のほとんど全てを、特定の角度分布を有する光に変換して、出射することが可能である。
【００１３】
従って、上記の構成によれば、光散乱素子の光散乱現象を利用して、クロスダイクロイックプリズムに入射する光束を、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束に変換し、クロスダイクロイックプリズムの中央部に存在する光学的に不均質な領域４５６に光束が集中することを避けながら、それらの光束を投写レンズの入射瞳内に導いているため、投写画面の中央部に暗い影は殆ど発生せず、高品位の映像を投写表示することができる。この時、光散乱素子を出射する光束の光散乱角Ｔを適当に設定することにより、光散乱素子を出射した光束のすべてを投写レンズの入射瞳内に導くように構成することができる。その結果、光散乱素子を用いることによる光損失をほとんど生じることなく、暗い影の発生のみを効果的に防止することができる。特に、平行性の高い光束を出射するアーク長が極めて短いランプを光源に用いた場合には、光束の集光性が高いためクロスダイクロイックプリズムの中央部に存在する光学的に不均質な領域に光束が集中する傾向が大きいが、その様な場合にも、光源と変調手段の間の光路上に光散乱素子を配置した上記の構成を採用することにより、クロスダイクロイックプリズムに入射する光束を分散させ、暗い影の発生を効果的に防止し、高品位の映像を投写表示することができる。
【００１４】
尚、光散乱素子は、光源と変調手段との間の光路上であればどの位置に配置しても良いが、光散乱素子と投写レンズとの間の距離に応じて、光散乱素子の光散乱角Ｔを調整し、変調手段を通過した光束がすべて投写レンズの入射瞳に入射するように、光散乱素子を設定する必要がある。
【００１５】
特に、上記の構成の場合には、光散乱素子を配置しない場合に複数箇所に生じる暗い影の発生をほぼ完全に防止できるため、視覚的な障害のない高品位の映像を投写表示できる効果がある。
【００１６】
尚、上記の構成を採用した投写型表示装置では、変調手段を照明する光束がほぼ一種類の偏光光束となるため、光の利用効率が高く、明るく、明るさムラや色ムラのない高品位の映像を投写表示できる優れた特徴がある。
【００１７】
２）前記第１の投写型表示装置において、
前記３つの変調手段毎に、前記変調手段の光束が入射する側の位置に光散乱素子をそれぞれ配置したことを特徴とする。
【００１８】
前項１）で述べたように、光散乱素子は光源と変調手段の間の光路上であればどの位置に配置してもよいが、特に上記の構成のように、３つの光散乱素子を、それぞれの変調手段毎に、変調手段の光束が入射する側の位置に配置した場合には、前項１）の場合に比べて、光散乱素子と投写レンズとの間の距離が短くなるため、光散乱素子の光散乱角Ｔを大きく設定でき、クロスダイクロイックプリズムの中央部に存在する光学的に不均質な領域に光束が集中する状態をより効果的に回避できる。従って、投写画面の中央部に生じる暗い影の発生をより効果的に防止することができる。
【００１９】
また、光散乱素子における光散乱特性は、光散乱素子に入射する光の波長により変化する場合が多いが、そのような場合には、それぞれの変調手段に入射する光束の波長に合わせてそれぞれの光散乱素子を最適化することができるため、暗い影の発生をいっそう効果的に防止することができる。
【００２０】
３）前記第１の投写型表示装置において、
光散乱素子は１次元方向に光を散乱する１次元型の光散乱素子であることを特徴とする。
【００２１】
暗い影の発生原因となる光学的に不均質な領域は、クロスダイクロイックプリズムの中央部において一方向（一般的には縦方向）に細長く延びた領域として存在するため、光散乱素子により入射する光束を散乱する方向は、光学的に不均質な領域が存在する方向とは直角に交差する一方向（クロスダイクロイックプリズム中に存在する光学的に不均質な領域の存在方向が縦方向とすれば、光散乱素子により光束を散乱する方向は横方向となる）に設定すればよい。従って、用いる光散乱素子としては、光の散乱方向が１次元方向である１次元型が最適である。
【００２２】
４）前記第１の投写型表示装置において、
光散乱素子はホログラフィック型の光散乱素子であることを特徴とする。
【００２３】
上記の光散乱素子はホログラフィー技術を用いて作製される素子であり、この技術を用いて光散乱素子を作製する場合には、光散乱角Ｔの大きさと散乱方向を自在に制御することが可能となる。特に、ホログラフィック型の光散乱素子では、後方散乱光をほとんど無くし、前方散乱光を非常に多くすることができるという優れた特徴を有する。従って、この形式の光散乱素子を用いた場合には、光散乱素子における光損失をほとんど生じることなく、投写画面の中央部に生じる暗い影の発生をより効果的に防止することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。尚、以下の実施例においては、特にことわりのない限り、互いに直交する３つの方向をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とし、便宜上、Ｘ方向を横方向、Ｙ方向を縦方向と呼び、液晶パネルの長手方向を横方向とする。
【００２５】
（実施例１）
図１は、実施例１の投写型表示装置の光学系部分を平面的にみた概略構成図である。本例の投写型表示装置６００は、変調手段として透過型の液晶パネルを使用したものであり、光源部１００、１つの光散乱素子４８０、色光分離手段である２枚のダイクロイックミラー４０１、４０２、３原色の光束のそれぞれに対応させて配置された３つの液晶パネル４１１、４１２、４１３、波長選択性のある多層膜をＸ字状に交差させて構成した色光合成手段であるクロスダイクロイックプリズム４５０、及び合成された光束をスクリーン４７０上に拡大投写する投写光学系である投写レンズ４６０とから大略構成されている。
【００２６】
光源部１００は、光源ランプ１１０と放物面リフレクター１２０から大略構成されており、光源ランプ１１０から放射された光束は、放物面リフレクター１２０により一方向に反射されて、略平行な光束となって出射される。ここで、放物面リフレクターに代えて、楕円面リフレクター、球面リフレクターなども用いることができる。
【００２７】
光源部１００の出射側には、光の散乱方向が１次元方向であり、また、ホログラフィー技術を用いて作製された１次元型のホログラフィック型光散乱素子４８０が設置されている。光散乱素子に入射した光は、光散乱現象によりある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束に変換され、光散乱素子から出射される。尚、暗い影の発生原因となる光学的に不均質な領域は、クロスダイクロイックプリズムの中央部において縦方向に細長く延びた領域として存在するため、光散乱素子により入射する光束を散乱する方向は、光学的に不均質な領域が存在する方向とは直角に交差する横方向とすれば、最も効果的である。従って、光散乱素子４８０としては、光の散乱方向が１次元方向である１次元型の光散乱素子を用いている。
【００２８】
光散乱素子４８０を出射した光束は、色光分離手段により、波長に応じて３つの光束に分離され、それぞれ対応する液晶パネルに達し、それぞれの液晶パネルを照明する。即ち、まず、青色光緑色光反射ダイクロイックミラー４０１において、赤色光が透過し、青色光及び緑色光が反射する。赤色光は、反射ミラー４０３で反射し、赤色光用液晶パネル４１１に達する。一方、青色光および緑色光のうち、緑色光は、緑色光反射ダイクロイックミラー４０２で反射し、緑色光用液晶パネル４１２に達する。更に、緑色光反射ダイクロイックミラー４０２を透過した青色光は２枚の反射ミラー４３５、４３６を経て、青色光用液晶パネル４１３に達する。
【００２９】
ここで、赤色光用液晶パネル４１１、緑色光用液晶パネル４１２、青色光用液晶パネル４１３は、それぞれの色光を変調し、各色光に対応した表示情報を含ませた後に、変調した色光をクロスダイクロイックプリズム４５０へ入射し、クロスダイクロイックプリズム４５０においてそれぞれの変調光束は一つの光束に合成される。ここで使用するクロスダイクロイックプリズム４５０は、先に図８に示したように、その内部に赤色光反射の誘電体多層膜と青色光反射の誘電体多層膜とをＸ字状に配置したものであり、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題から、その内部に光学的に不均質な領域を有するものである。
【００３０】
クロスダイクロイックプリズム４５０により合成された光束は、投写レンズ４６０を経てスクリーン４７０上に映像を形成する。
【００３１】
以上のように構成した投写型表示装置６００では、光源部１００と色光分離手段である２枚のダイクロイックミラー４０１、４０２との間に設置された光散乱素子４８０により、それぞれの液晶パネル４１１、４１２、４１３を照明する光は、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束となっている。それぞれの液晶パネル上に形成された光学像は、クロスダイクロイックプリズム４５０内で合成されスクリーン４７０上にカラーの光学像（映像）を形成するが、この時、クロスダイクロイックプリズム４５０内を通過する光束も、やはり、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束である。従って、クロスダイクロイックプリズム４５０の中央部に存在する光学的に不均質な領域には光束が集中しないため、局部的な光損失をほとんど生じることなく、クロスダイクロイックプリズムを通過し、スクリーン上に光学像を形成することができ、投写画面の中央部に視覚的に目障りな暗い影（局部的に明るさが低下した領域）を生じることがない。
【００３２】
また、光散乱素子の設計に際しては、光散乱素子を出射する光束の出射角度を適当に設定し、光散乱素子を出射した光束のすべてを投写レンズの入射瞳内に導くように構成しているため、光散乱素子の設置による明るさの低下はほとんど生じない。
【００３３】
従って、本例の投写型表示装置においては、光散乱素子の効果的な使用により、投写映像の明るさをほとんど低下させることなく、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題により投写画面上に生じる暗い影の発生を効果的に防止し、高品位の投写映像を実現することができる。
【００３４】
（実施例２）
上記の実施例１では、１つの光散乱素子を光源部と色光分離手段との間に配置した構成であったが、これに代えて、３つの光散乱素子を、それぞれの変調手段毎に、変調手段の光束が入射する側の位置に配置した構成としてもよい。
【００３５】
３つの光散乱素子を備えた投写型表示装置７００の構成を実施例２として説明する。図２は、実施例２の投写型表示装置７００の光学系部分を平面的にみた概略構成図である。尚、この投写型表示装置７００、及び以下に説明する各実施例では、基本的な構成が実施例１に係わる投写型表示装置６００と同じであるため、同じ機能を有する部分には同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００３６】
図２から判るように、本例の投写型表示装置７００では、変調手段である液晶パネル毎に、それぞれの液晶パネル４１１、４１２、４１３において光源部１００からの照明光が入射する側の位置に、それぞれ光散乱素子４９１、４９２、４９３が設置されている。本例で使用した光散乱素子は、実施例１の場合と同じ１次元型のホログラフィック型光散乱素子である。さらに、それぞれの光散乱素子は、それぞれの光散乱素子に入射する光の波長に合わせて光散乱素子は最適化されている。即ち、赤色光用液晶パネル４１１の光源部側には赤色光用に最適化された赤色光用光散乱素子４９１が、緑色光用液晶パネル４１２の光源部側には緑色光用に最適化された緑色光用光散乱素子４９２が、青色光用液晶パネル４１３の光源部側には青色光用に最適化された青色光用光散乱素子４９３がそれぞれ配置されている。
【００３７】
以上のように構成した投写型表示装置７００では、光源部１００からの照明光は、光散乱素子による光の散乱現象により、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束に変換される。これらの光でそれぞれの液晶パネル４１１、４１２、４１３を照明するため、クロスダイクロイックプリズム４５０の中央部に存在する光学的に不均質な領域には光束が集中せず、局部的な光損失をほとんど生じることなく、クロスダイクロイックプリズムを通過し、スクリーン上に光学像を形成することができ、投写画面の中央部に視覚的に目障りな暗い影（局部的に明るさが低下した領域）を生じることがない。
【００３８】
また、本例の投写型表示装置７００では、それぞれの液晶パネル毎に特性の異なる光散乱素子を配置している。そのため、光散乱素子と投写レンズとの間の距離が短くなり、光散乱素子による光束の光散乱角Ｔを大きく設定でき、また、光散乱素子に入射する光束の波長に合わせて光散乱素子の最適化を行えるため、投写画面の中央部に生じる暗い影の発生を効果的に防止することができる。
【００３９】
従って、本例においても、光散乱素子の効果的な使用により、投写映像の明るさをほとんど低下させることなく、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題により投写画面上に生じる暗い影の発生を効果的に防止し、高品位の投写映像を実現することができる。
【００４０】
（実施例３）
次に、偏光照明系を備えた投写型表示装置に光散乱素子を導入した実施例を示す。
【００４１】
図３は、実施例３の投写型表示装置８００の光学系部分を平面的にみた概略構成図である。本例の投写型表示装置８００の基本的な構成は、先の実施例２の投写型表示装置７００と同じであるが、明るさムラが少なく、ほぼ一種類の偏光状態を有する照明光を効率的に発生する均一偏光照明光学装置２００と、その照明光を効率的に伝達するリレー光学装置４３０が搭載されている点が、投写型表示装置７００とは異なる特徴である。
【００４２】
そこで、まず、均一偏光照明光学装置２００について説明する。
【００４３】
均一偏光照明光学装置２００の光学的構成は図４に示すように、主に光源部１００、第１の光学要素２１０、及び第２の光学要素２２０から構成されている。
【００４４】
光源部１００は、実施例１の光源部と同じものであり、偏光方向がランダムな偏光光束（以下、ランダムな偏光光束と略す。）をほぼ一方向に略平行な状態で出射する。ここで、光源部１００の光源光軸Ｒがシステム光軸Ｌに対して一定の距離ＤだけＸ方向に平行にシフトした状態となるように、光源部１００は配置されている。
【００４５】
第１の光学要素２１０は、その外観を図５に示すように、ＸＹ平面内において矩形状の外形形状を有する複数の光束分割レンズ２１１がマトリックス状に配列して構成されている。第１の光学要素２１０に入射した光は、光束分割レンズ２１１により複数の中間光束２１２に分割され、同時に光束分割レンズの集光作用により、システム光軸Ｌと垂直な平面内（図４ではＸＹ平面）の中間光束が収束する位置に光束分割レンズの数と同数の集光像２１３を形成する。尚、光束分割レンズのＸＹ平面上における外形形状は、照明領域２９０（本例の場合は液晶パネル４１１、４１２、４１３）の形状と相似形をなすように設定される。本例では、ＸＹ平面上でＸ方向に長い横長の液晶パネルを想定しているため、光束分割レンズ２１１のＸＹ平面上における外形形状も横長である。さらに、第１の光学要素２１０を構成する光束分割レンズ２１１の配列様式については図５に示すような直交マトリックス状に限定されるわけではなく、例えば、デルタ配置のように、Ｘ方向に列ぶ光束分割レンズのレンズ列が、Ｙ方向においてはそれそれの行間でずれた状態となるような配置様式であってもよい。但し、その場合には、光束分割レンズからの中間光束を効果的に受け入れられるように、後述する集光レンズ２４１、及び偏光分離ユニット２３１の配置様式も適当に変化させる必要がある。
【００４６】
第２の光学要素２２０は、主に集光レンズアレイ２４０、偏光分離ユニットアレイ２３０、選択位相差板２５０及び出射側レンズ２６０から大略構成される複合体であり、第１の光学要素２１０による集光像２１３が形成される位置の近傍の、システム光軸Ｌに対して垂直な平面内（図４ではＸＹ平面）に配置される。尚、第１の光学要素２１０に入射する光束の平行性が極めて良い場合には、第２の光学要素から集光レンズアレイ２４０を省略した構成としても良い。この第２の光学要素２２０は、中間光束２１２のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離した後、一方の偏光光束の偏光方向と他方の偏光光束の偏光方向とを揃え、偏光方向がほぼ揃ったそれぞれの光束を一ヶ所の照明領域２９０に導くような機能を有している。
【００４７】
集光レンズアレイ２４０は、第１の光学要素２１０とほぼ同様な構成となっており、即ち、第１の光学要素２１０を構成する光束分割レンズ２１１と同数の集光レンズ２４１をマトリックス状に複数配列したものであり、それぞれの中間光束を偏光分離ユニットアレイ２３０の特定の場所に集光しながら導く作用を有している。従って、第１の光学要素２１０により形成された中間光束２１２の特性に合わせて、また、偏光分離ユニットアレイ２３０に入射する光はその主光線の傾きがシステム光軸Ｌと平行であることが理想的である点を考慮して、各集光レンズのレンズ特性は各々最適化されることが望ましい。但し、一般的には、光学系の低コスト化及び設計の容易さを考慮して、第１の光学要素２１０と全く同じものを集光レンズアレイ２３０として用いるか、或いは、光束分割レンズ２１１とＸＹ平面での形状が相似形である集光レンズを用いて構成した集光レンズアレイを用いてもよいことから、本例の場合には、第１の光学要素２１０を集光レンズアレイ２４０として用いている。
【００４８】
次に、偏光分離ユニットアレイ２３０は、複数の偏光分離ユニット２３１がシステム光軸Ｌと垂直な平面内（図４ではＸＹ平面）に配列した構成をなしている。
【００４９】
偏光分離ユニット２３１は、内部に偏光分離面２３２と反射面２３３を備えた四角柱状の構造体であり、偏光分離ユニットに入射する中間光束２１２のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離する作用を有している。偏光分離ユニット２３１のＸＹ平面上における外形形状は、光束分割レンズ２１１のＸＹ平面上における外形形状と相似形をなしており、即ち、横長の矩形形状である。従って、偏光分離面２３２と反射面２３３とは横方向（Ｘ方向）に並ぶように配置されている。ここで、偏光分離面２３２はシステム光軸Ｌに対して約４５度の傾きをなし、且つ、反射面２３３は偏光分離面と平行な状態をなし、さらに、偏光分離面２３２がＸＹ平面上に投影する断面積と反射面２３３がＸＹ平面上に投影する断面積が等しくなるように、偏光分離面２３２と反射面２３３は設定されている。従って、本例では、偏光分離面２３２が存在する領域のＸＹ平面上での横幅と反射面２３３が存在する領域のＸＹ平面上での横幅とは等しくなり、且つ、それぞれが偏光分離ユニット２３１のＸＹ平面上での横幅の半分になるように設定されている。尚、一般的に、偏光分離面２３２は誘電体多層膜で、また、反射面２３３はアルミニウム膜で形成することができる。
【００５０】
偏光分離ユニット２３１に入射した光は、偏光分離面２３２において、進行方向を変えずに偏光分離面２３２を通過するＰ偏光光束と、偏光分離面２３２で反射され隣接する反射面２３３の方向に進行方向を変えるＳ偏光光束とに分離される。Ｐ偏光光束はそのまま偏光分離ユニットから出射され、Ｓ偏光光束は再び反射面２３３で進行方向を変え、Ｐ偏光光束とほぼ平行な状態となって、偏光分離ユニットから出射される。従って、偏光分離ユニット２３１に入射したランダムな偏光光束は偏光分離ユニットにより偏光方向が異なるＰ偏光光束とＳ偏光光束の二種類の偏光光束に分離され、偏光分離ユニットの異なる場所からほぼ同じ方向に向けて出射される。偏光分離ユニットは上記の様な作用を有することから、それぞれの偏光分離ユニット２３１の偏光分離面２３２が存在する領域にそれぞれの中間光束２１２を導く必要があり、そのため、偏光分離ユニット内の偏光分離面の中央部に中間光束が入射するように、それぞれの偏光分離ユニット２３１とそれぞれの集光レンズ２４１の位置関係やそれぞれの集光レンズ２４１のレンズ特性を調整しておく必要がある。本例の場合には、それぞれの偏光分離ユニット２３１内の偏光分離面２３２の中央部にそれぞれの集光レンズの中心軸が来るように配置するため、集光レンズアレイ２４０は、偏光分離ユニットの横幅の１／４に相当する距離（即ち距離Ｄに等しい）だけ、偏光分離ユニットアレイ２３０に対してＸ方向にずらした状態で配置されている。
【００５１】
偏光分離ユニットアレイ２３０の出射面の側には、λ／２位相差板２５１が規則的に配置された選択位相差板２５０が設置されている。即ち、偏光分離ユニットアレイ２３０を構成する偏光分離ユニット２３１で、Ｐ偏光光束が出射される部分にのみλ／２位相差板２５１が配置され、Ｓ偏光光束が出射される部分にはλ／２位相差板２５１は設置されていない。この様なλ／２位相差板２５１の位置選択的な配置により、偏光分離ユニット２３１から出射されたＰ偏光光束は、λ／２位相差板２５１を通過する際に偏光方向の回転作用を受けＳ偏光光束へと変換される。一方、偏光分離ユニット２３１から出射されたＳ偏光光束はλ／２位相差板２５１を通過しないので、偏光方向は変化せず、Ｓ偏光光束のまま選択位相差板２５０を通過する。以上をまとめると、偏光分離ユニットアレイ２３０と選択位相差板２５０により、偏光方向がランダムな中間光束は一種類の偏光光束（この場合はＳ偏光光束）に変換されたことになる。尚、本例の場合には、偏光方向がランダムな中間光束をＳ偏光光束に揃える設定としているが、勿論、Ｐ偏光光束に揃える設定としても良い。
【００５２】
選択位相差板２５０の出射面の側には、出射側レンズ２６０が配置されており、選択位相差板２５０によりＳ偏光光束に揃えられた光束は、出射側レンズ２６０により照明領域２９０（本例の場合には、液晶パネル４１１、４１２、４１３が配置される場所）へと導かれ、照明領域上で重畳結合される。ここで、出射側レンズ２６０は１つのレンズ体である必要はなく、第１の光学要素２１０のように、複数のレンズの集合体であってもよい。
【００５３】
従って、第２の光学要素２２０の機能をまとめると、第１の光学要素２１０により分割された中間光束２１２（つまり、光束分割レンズ２１１により切り出されたイメージ面）は、第２の光学要素２２０により照明領域２９０（本例の場合は液晶パネル４１１、４１２、４１３）上で重畳結合される。これと同時に、途中の偏光分離ユニットアレイ２３０により、ランダムな偏光光束である中間光束は偏光方向が異なる二種類の偏光光束に空間的に分離され、選択位相差板２５０を通過する際に一種類の偏光光束に変換されて、殆どすべての光が照明領域２９０（本例の場合は液晶パネル４１１、４１２、４１３）へと達する。このため、照明領域２９０である液晶パネル４１１、４１２、４１３は殆ど一種類の偏光光束でほぼ均一に照明されることになる。
【００５４】
次に、照明光を効率的に伝達するリレー光学装置４３０について、再び図３に基づいて説明する。上述したように、本例の投写型表示装置８００に組み込まれている均一偏光照明光学装置２００では、均一な照明光が得られる領域は光源部１００からある特定の距離だけ離れた領域上に限定される。従って、均一偏光照明光学装置を備えた投写型表示装置では、光源部１００とそれそれの液晶パネル４１１、４１２、４１３との間の光学的な距離が等しいことが要求される。しかし、投写型表示装置８００における光源部１００とそれそれの液晶パネル４１１、４１２、４１３との間のそれぞれの光路に着目すると、青色光だけが、他の２つの色光（赤色光と緑色光）に比べてその距離が長い。従って、青色光の光路中に光学的な距離を補正する導光手段を配置し、３つの色光の光学的な距離（光源部１００とそれぞれの液晶パネルとの間の距離）を等しくする必要がある。
【００５５】
以上の理由により、主に入射レンズ４３１、リレーレンズ４３２、及び出射レンズ４３３から構成されるリレー光学装置４３０が導光手段として、青色光の光路中に配置されている。従って、青色光は、緑光反射ダイクロイックミラー４０２を透過した後に、まず、入射レンズ４３１及び反射ミラー４３５を経て、リレーレンズ４３２に導かれ、このリレーレンズに集束された後、反射ミラー４３６によって出射レンズ４３３に導かれ、しかる後に、青色光用液晶パネル４１３に達する。
【００５６】
次に、それぞれの液晶パネル４１１、４１２、４１３毎に、液晶パネルの光が入射する側の位置に設置されている３つの光散乱素子４９１、４９２、４９３について説明する。これらの光散乱素子は、先の実施例２の光散乱素子と同じ１次元型のホログラフィック型光散乱素子であり、入射する光の波長に合わせてそれぞれの光散乱素子は最適化されている。
【００５７】
上記のように構成した投写型表示装置８００では、均一偏光照明光学装置２００を従来の一般的な光源部（例えば先の実施例２の光源部１００）に代えて用いているため、従来の投写型表示装置（例えば従来の技術として説明した投写型表示装置９００）に比べて、液晶パネル４１１、４１２、４１３を照明する照明光の光強度にはムラが少なく、さらに、液晶パネルの照明光として相応しいほぼ一種類の偏光状態を有する光のみを照明光として用いることができるため、液晶パネルの偏光板（図示せず）における光損失が少なく、明るい投写画面を実現できる特徴がある。
【００５８】
しかし、一方で、均一偏光照明装置２００には複数の光束分割レンズ２１１が存在するため、光束分割レンズ２１１が横方向に列ぶ数に応じて暗い影も複数箇所に生じる。その結果、この暗い影の存在は視覚的に非常に目障りなものとなり、投写映像の品位を大幅に低下させることとなる。
【００５９】
そこで、３つの光散乱素子４９１、４９２、４９３をそれぞれの液晶パネル４１１、４１２、４１３毎に、液晶パネルの光が入射する側の位置に配置することにより、上記の不都合点を解消している。即ち、均一偏光照明装置２００からの照明光は、光散乱素子４９１、４９２、４９３による光の散乱現象により、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束に変換され、これらの光でそれぞれの液晶パネル４１１、４１２、４１３を照明するため、クロスダイクロイックプリズム４５０の中央部に存在する光学的に不均質な領域には光束が集中せず、従って、クロスダイクロイックプリズム４５０を光が通過する際に、局部的な光損失をほとんど生じることない。その結果、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題に起因した視覚的に目障りな暗い影（局部的に明るさが低下した領域）は、投写画面の中央部に発生することがほとんどない。
【００６０】
また、本例の投写型表示装置８００においても、それぞれの液晶パネル毎に特性の異なる光散乱素子を配置しているため、光散乱素子と投写レンズとの間の距離が短くなり、光散乱素子の光散乱角Ｔを大きく設定でき、また、光散乱素子に入射する光束の波長に合わせて光散乱素子の最適化を行えるため、投写画面の中央部に生じる暗い影の発生を効果的に防止することができる。
【００６１】
さらに、本例のように均一偏光照明装置２００を備えた投写型表示装置では、均一偏光照明装置における照明効率を向上させるために、アーク長が極めて短いランプを光源ランプ１１０として用いる場合が多いが、そのような場合でも、光散乱素子を使用することにより、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題に起因して生じる暗い影の発生を効果的に防止し、視覚的な障害のない高品位の映像を投写表示できる効果がある。
【００６２】
以上、光散乱素子の効果的な使用により、投写映像の明るさをほとんど低下させることなく、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題により投写画面上に生じる暗い影の発生を効果的に防止し、高品位の投写映像を実現することができる。
【００６３】
尚、本例においては、それぞれ特性の異なる３つの光散乱素子を用いているが、先の実施例１の投写型表示装置６００のように、１つの光散乱素子を均一偏光照明装置２００と色光分離手段（ダイクロイックミラー４０１）との間に配置した構成としてもよい。
【００６４】
（実施例４）
反射型の液晶パネルを変調手段として用いた投写型表示装置に光散乱素子を導入した実施例を示す。尚、本例において用いた光散乱素子４８０は、先の実施例１で用いたものと同じ光散乱素子である。
【００６５】
図６は、実施例４の投写型表示装置８５０の光学系部分を平面的にみた概略構成図である。本例の投写型表示装置８５０は、主に、光源部１００、光散乱素子４８０、偏光光束を選択的に分離する偏光ビームスプリッタ４４０、色光分離手段と色光合成手段を兼ねたクロスダイクロイックプリズム４５０、変調手段である３つの反射型液晶パネル４１４、４１５、４１６、及び投写光学系である投写レンズ４６０とから大略構成されている。
【００６６】
光源部１００から出射されたランダムな偏光光束は、光散乱素子４８０を経て偏光ビームスプリッタ４４０に入射し、偏光ビームスプリッタ４４０においてＳ偏光光束のみが選択的に分離される。即ち、偏光ビームスプリッタ４４０に入射したランダムな偏光光束のうち、Ｓ偏光光束のみが偏光分離面４４１で反射され、隣接するクロスダイクロイックプリズム４５０へ入射する。一方、Ｐ偏光光束は偏光分離面４４１をそのまま通過し偏光ビームスプリッタ４４０から出射される（このＰ偏光光束は液晶パネルを照明する照明光とはならない）。
【００６７】
クロスダイクロイックプリズム４５０に入射したＳ偏光光束は、クロスダイクロイックプリズム４５０により波長に応じて赤色光、緑色光、及び青色光の３つの光束に分離され、それぞれ対応する反射型の赤色光用液晶パネル４１４、反射型の緑色光用液晶パネル４１５、及び反射型の青色光用液晶パネル４１６に達し、それぞれの液晶パネルを照明する。即ち、クロスダイクロイックプリズム４５０は液晶パネルを照明する照明光に対しては色光分離手段として作用している。
【００６８】
ここで、本例で用いている液晶パネル４１４、４１５、４１６は反射型であるため、それぞれの液晶パネルでは、それぞれの色光を変調し、各色光に対応した外部からの表示情報を含ませると同時に、それぞれの液晶パネルから出射される光束の偏光方向を変化させつつ、光束の進行方向を略反転させている。従って、それぞれの液晶パネルからの反射光は表示情報に応じて部分的にＰ偏光状態となって出射される。それぞれの液晶パネル４１４、４１５、４１６から出射された変調光束は、再び、クロスダイクロイックプリズム４５０に入射し、一つの光学像に合成されて、隣接する偏光ビームスプリッタ４４０に入射する。即ち、クロスダイクロイックプリズム４５０は液晶パネルから出射される変調光束に対しては色光合成手段として作用している。
【００６９】
偏光ビームスプリッタ４４０に入射した光束のうち、液晶パネル４１４、４１５、４１６で変調された光束はＰ偏光光束となっているため、偏光ビームスプリッタ４４０の偏光分離面４４１をそのまま通過し、投写レンズ４６０を経てスクリーン４７０上に映像を形成する。
【００７０】
以上のように構成した投写型表示装置８５０では、光源部１００と偏光ビームスプリッタ４４０との間に設置された光散乱素子４８０により、それぞれの反射型の液晶パネル４１４、４１５、４１６を照明する光は、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束となっている。それぞれの液晶パネル上に形成された光学像は、クロスダイクロイックプリズム４５０内で再び合成されスクリーン４７０上にカラーの光学像（映像）を形成するが、この時、クロスダイクロイックプリズム４５０内を通過する光束も、やはり、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束である。従って、液晶パネルを照明する照明光がクロスダイクロイックプリズム４５０内を通過する場合においても、また、液晶パネルによって変調された変調光束がクロスダイクロイックプリズム４５０内を通過する場合においても、何れの場合でも、クロスダイクロイックプリズム４５０の中央部に存在する光学的に不均質な領域には光束が集中しないため、局部的な光損失をほとんど生じることなく、クロスダイクロイックプリズムを通過し、スクリーン上に光学像を形成することができる。従って、投写画面の中央部に視覚的に目障りな暗い影（局部的に明るさが低下した領域）を生じることがない。
【００７１】
また、光散乱素子の設計に際しては、光散乱素子を出射する光束の出射角度を適当に設定し、光散乱素子を出射した光束のすべてを投写レンズの入射瞳内に導くように構成しているため、光散乱素子の設置による明るさの低下はほとんど生じない。
【００７２】
従って、本例のように反射型の液晶パネルを備えた投写型表示装置においても、透過型の液晶パネルを備えた投写型表示装置の場合と同様に、光散乱素子の効果的な使用により、投写映像の明るさをほとんど低下させることなく、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題により投写画面上に生じる暗い影の発生を効果的に防止し、高品位の投写映像を実現することができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、クロスダイクロイックプリズムを色光合成手段として用いた投写型表示装置において、あるいは同時にアーク長が極めて短いランプを光源に用いた場合でも、光散乱素子を光源と変調手段との間の光路上に配置することにより、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題に起因する暗い影の発生を防止し、視覚的な障害のない高品位の映像を投写表示できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１に係わる投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【図２】 本発明の実施例２に係わる投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【図３】 本発明の実施例３に係わる投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【図４】 本発明の実施例３に係わる投写型表示装置に用いられた均一偏光照明光学系の構成と機能を説明するための説明図である。
【図５】 本発明の実施例３に係わる投写型表示装置に用いられた第１の光学要素を示す外観図である。
【図６】 本発明の実施例４に係わる投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【図７】 光散乱素子を通過した光の散乱状態を示す模式図である。
【図８】 クロスダイクロイックプリズムの一般的な構造を示す模式図である。
【図９】 従来の代表的な３板式投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０・・・光散乱素子
２０・・・光散乱素子に入射した光
２１・・・光散乱角Ｔ
２２・・・角度分布
２３・・・後方散乱光
１００・・・光源部
１１０・・・光源ランプ
１２０・・・放物面リフレクター
２００・・・均一偏光照明装置
２１０・・・第１の光学要素
２１１・・・光束分割レンズ
２１２・・・中間光束
２１３・・・集光像
２２０・・・第２の光学要素
２３０・・・偏光分離ユニットアレイ
２３１・・・偏光分離ユニット
２３２・・・偏光分離面
２３３・・・反射面
２４０・・・集光レンズアレイ
２４１・・・集光レンズ
２５０・・・選択位相差板
２５１・・・λ／２位相差板
２６０・・・出射側レンズ
２９０・・・照明領域
４０１・・・青色光緑色光反射ダイクロイックミラー
４０２・・・緑色光反射ダイクロイックミラー
４１１・・・赤色光用液晶パネル（光透過型）
４１２・・・緑色光用液晶パネル（光透過型）
４１３・・・青色光用液晶パネル（光透過型）
４１４・・・赤色光用液晶パネル（光反射型）
４１５・・・緑色光用液晶パネル（光反射型）
４１６・・・青色光用液晶パネル（光反射型）
４３０・・・リレー光学装置
４３１・・・入射レンズ
４３２・・・リレーレンズ
４３３・・・出射レンズ
４３５、４３６・・・反射ミラー
４４０・・・偏光ビームスプリッタ
４４１・・・偏光分離面
４５０・・・クロスダイクロイックプリズム
４５１・・・プリズム
４５２・・・ダイクロイック膜
４５３・・・光学接着剤
４５４・・・ダイクロイック膜がＸ字状に交差する部分
４５５・・・角面
４５６・・・光学的に不均質な領域
４６０・・・投写レンズ
４７０・・・スクリーン
４８０・・・光散乱素子
４９１・・・赤色光用光散乱素子
４９２・・・緑色光用光散乱素子
４９３・・・青色光用光散乱素子
６００、７００、８００、８５０、９００・・・投写型表示装置

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源から出射される光束を集光し、互いに空間的に分離された複数の中間光束に変換する第１の光学要素と、
   前記中間光束が収束する位置の付近に配置された第２の光学要素と、
   前記第２の光学要素から出射された光束を３色の光束に分離する色光分離手段と、
   前記色光分離手段により分離されたそれぞれの前記光束を変調する３つの変調手段と、
   前記それぞれの変調手段により変調された複数の光束を１つに合成する多層膜をＸ字状に交差させた色光合成手段と、
   前記色光合成手段により合成された光束を投写する投写手段とを有し、
   前記第２の光学要素は、
   それぞれの中間光束を重畳結合させる重畳結合手段を有し、
   前記光源と前記変調手段の間の光路上に光散乱素子を配置したことを特徴とする投写型表示装置。
2. 請求項１において、
   前記第２の光学要素は、
   前記中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離する偏光光束分離手段と、前記Ｐ偏光光束、Ｓ偏光光束のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光光束の偏光方向と揃える偏光方向変換手段とを有する偏光発生装置を有することを特徴とする投写型表示装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記３つの変調手段毎に、前記変調手段の光束が入射する側の位置に光散乱素子をそれぞれ配置したことを特徴とする投写型表示装置。
4. 請求項１乃至請求項３において、
   光散乱素子は１次元方向に光を散乱する１次元型の光散乱素子であることを特徴とする投写型表示装置。
5. 請求項１乃至請求項４において、
   光散乱素子はホログラフィック型の光散乱素子であることを特徴とする投写型表示装置。

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