JP4616577B2 - 映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源側からの光を映像表示素子に照射し光学像を形成して映像表示する映像表示技術に係り、特に、明るい映像を表示するための技術に関する。

液晶パネル等の映像表示素子に、光源からの光を当てて、液晶パネル上の画像を拡大投射する液晶プロジェクタ等の投射型映像表示装置が知られている。

これまで、高輝度化を目的に、光源に大電力を供給できるランプ１本あるいは複数本を適用した製品（投射型映像表示装置）が数多く具体化されているが、最近の動向としては、その色純度の良さ、長寿命性、点灯性の良さを理由に、発光ダイオード、有機ＥＬ等の、いわゆるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源の適用が検討されている。この場合、輝度の不足を補うために、多数のＬＥＤ光源を並べたＬＥＤ光源ユニットを用いることが多い。このようなＬＥＤ光源ユニットを用いた投射型映像表示装置としては、例えば、特開２００１−２４９４００号公報（特許文献１）や特開２００１−３４３７０６号公報（特許文献２）に記載されたものがある。

特開２００１−２４９４００号公報

特開２００１−３４３７０６号公報

ＬＥＤ等の発光素子を光源ユニットとした投射型映像表示装置を具体化するにあたっては、従来から用いられている高圧水銀ランプ等に比較して、光源１個あたりの出射光束量が非常に小さいため、投射映像の十分な輝度を実現することが困難である。そこで、複数の光源を配列して形成する案が公開されている。しかし、投射型映像表示装置の照明光学系において、ＬＥＤ光源から光束を取り込んで映像表示素子を照射した場合、より多くの光束を集めれば映像表示素子は明るく照射できても、光束を集めるほど、光束の集束角度が大きくなり、投射光学系における効率が低下して結果的に投射映像を明るくすることができない。そこで、光束の集束角度を大きくすることなく映像表示素子を照射することが要求される。そのためには照明光学系における効率を向上していくことが要求されるが、ＬＥＤ光源の発光部が点光源とはいえない大きさを有しており、これが照明光学系における効率の向上を阻んでいる。

図２は、ＬＥＤを適用した一般的な投射型映像表示装置の光学系の構成図で、光路折り曲げ用のミラーや色分離光学系等を省略して直線的光路で表示したもので、図２（ａ）は光学系の構成図、図２（ｂ）は、第２レンズアレイの出射側近傍に形成される光源像を示す図である。図２（ａ）において、各ＬＥＤ素子１の発光部からの発散光は各ＬＥＤ素子１に対応したコリメータレンズ５００で集光され、第１レンズアレイ６および第２レンズアレイで構成されたオプティカルインテグレータと、偏光方向を所定方向に揃える例えば２個のＰＢＳプリズムを単位プリズムユニットとして柱状に積層した偏光変換素子８と、集光レンズ９とからなる照明光学系に入射する。照明光学系に入射した各ＬＥＤ素子１からの光は、オプティカルインテグレータの対応するレンズセルを通り、さらに偏光変換素子８の対応する単位プリズムユニットに入射して偏光方向を揃えられ、液晶パネル２上に重畳され、液晶パネル２をほぼ均一に照射する。そして、液晶パネル２の光学像は投射レンズ３で拡大して投影される。なお、図２（ａ）において、今後の説明の都合上、光軸方向をＺ軸とし、光軸に直交する面内で、図２（ａ）紙面の裏面から表面に向かう軸をＹ軸、これに直交する軸をＸ軸とする直交座標を導入する。

ところで、第１レンズアレイ６によってＬＥＤ素子１の光源像は第２レンズアレイ７の出射側近傍に結像する。この結像面において、光源像の大きさ（面積）と、光が第２レンズアレイ７のレンズセルおよび偏光変換素子８の対応する単位プリズムユニットを通る光路の最大断面積との関係を図２（ｂ）に示す。

図２（ｂ）において、４１は上記結像面における第２レンズアレイ７のレンズセルの外形形状を示す開口、４３は上記結像面における偏光変換素子８の単位プリズムユニットでの入射開口のＸ方向の両端位置、４４は第２レンズアレイ７の出射側近傍に結像するＬＥＤ素子の光学像である。なお、第２レンズアレイ７の開口４１は液晶パネル２の形状にほぼ相似で、その長辺方向はＸ軸方向、短辺方向はＹ軸方向である。

第２レンズアレイ７の開口４１を通った光は、偏光変換素子８の単位プリズムユニットでの入射開口のＸ方向（開口４１の長辺方向）の両端位置４３（以下、この両端位置の間を特に幅という）で制限され、開口４２部のみを通過する。開口４２は、図から明らかなように、Ｘ方向が短くＹ方向に長い形状である。しかし、第２レンズアレイ７の各セルと偏光変換素子８の対応する単位プリズムユニットによって制限される開口４２の形状と、光源像４４の形状とは、図２（ｂ）で示されるように、一致せず効率が悪くなっている。

一般的に、高輝度なＬＥＤは発光部の形状が正方形である場合が多い。これに対して、開口４２の形状は映像表示素子である液晶パネル２の形状に依存する。図３（ａ）のような結像状態では、ＬＥＤの光源像４４ａが開口４２より大きく、開口４２で遮られて通過できない光が存在するため、効率が悪くなっている。また、図３（ｂ）のような結像状態では、ＬＥＤの光源像４４ｂが開口４２内にすっぽりおさまっており、開口４２内に使われていない（光が通らない）領域が存在して、光学系としての効率を低下させている。

また、上記において、液晶パネル２が例えば反射型のＤＭＤ（Digital Mirror Device：米国テキサス・インスツルメンツ社の登録商標）である場合、照明光学系の偏光変換素子は不要となる。この場合、第２レンズアレイ７の出射側近傍に結像するＬＥＤ素子１の光源像の大きさ（面積）と、第２レンズアレイ７のレンズセルを通る光路の最大断面積との関係は、図２（ｃ）のようになり、光路の最大断面積である開口４２’は、第２レンズアレイ７のレンズセルの外形形状を示す開口４１と等しくなる。従って、この場合は、光源像４４は開口４２’（４１）より小さくなり、開口４２’（４１）内に使われない領域が存在するため、光学系としての効率が低い。

本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、映像表示装置において、照明光学系における光の利用率を向上させ、光学系としての効率を改善できるようにすることである。
本発明の目的は、上記課題点を解決し、明るい映像を表示可能な映像表示技術を提供することにある。

上記課題点を解決するために、本発明では、ＬＥＤ発光部を備えた光源部側からの光を映像表示素子に照射し映像信号に基づく光学像を形成する映像表示装置として、ＬＥＤ発光部の光源像を形成した光束の断面のサイズや形状を、コリメータレンズ等のアナモフィック光学系により、上記映像表示素子に光照射を行う光学系内の該光源像の光束を通す部分の開口に対応したサイズや形状に変換し、通過光量を増大させる。例えば、光束断面のアスペクトを変換する。具体的には、映像表示装置を、特許請求の範囲に記載した構成のものとする。本発明において、上記アナモフィック光学系は、通過光量を増大させることで、映像表示装置の照明光学系における効率を改善する。

本発明によれば、明るい映像を表示可能な映像表示技術を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態につき、図面を用いて説明する。実施形態では、映像表示素子として透過型液晶パネルを用いるとする。なお、各図において、同一機能を有する構成要素には同一符号を付す。

図１は本発明の第１の実施例としての投射型映像表示装置の構成図を示す。
図１において、１は、ＬＥＤ発光部を有するＬＥＤ素子、１００は、ＬＥＤ素子１を複数個２次元状に配列して成る光源部である。各ＬＥＤ素子１には、それぞれ、ＬＥＤチップの発光部（図示せず）からの発散光を集光して照明光学系に導くコリメータレンズ５０が設けられている。該コリメータレンズ５０はアナモフィック光学系を構成する。２Ｒ、２Ｇ、２Ｂはそれぞれ、赤色光（Ｒ光）、緑色光（Ｇ光）、青色光（Ｂ光）の３原色に対応する映像表示素子である透過型の液晶パネルで、映像信号駆動回路（図示なし）により、ＬＥＤ素子１から照射される光束に対して、映像信号に応じた光強度変調を行い、光学像を形成する。３は投射レンズユニット、４はミラー、６、７はそれぞれ、ＬＥＤ素子１内のＬＥＤ発光部の光源像を形成するためのインテグレータ光学系を構成する第１レンズアレイと第２レンズアレイ、８は、インテグレータ光学系からの光束を所定の偏光方向に揃える偏光変換素子、９は集光レンズ、１０Ｒ、１０Ｇはコンデンサレンズ、１１は合成プリズム、１２、１３は色分離のためのダイクロイックミラー、１４はミラー、１５は第１リレーレンズ、１６は第２リレーレンズ、１７は第３リレーレンズ、１８はスクリーン、１９、２０はミラーを示している。また、これら以外に主な部品としては電源回路（図示なし）がある。

図１で、光源部１００を構成するＬＥＤ素子1の各ＬＥＤチップの発光部（ＬＥＤ）（図示なし）から出射した白色光束は、対応するコリメータレンズ５０でほぼ平行にされた後、インテグレータ光学系の第１レンズアレイ６へ入射する。第１レンズアレイ６は、マトリックス状に配列された複数のレンズセルから成り、入射した光束を複数の光束に分割し、第２レンズアレイ７、偏光変換素子８を効率良く通過させるように導く。第１レンズアレイ６と同様に、マトリックス状に配列された複数のレンズセルから成る第２レンズアレイ７は、レンズセルのそれぞれが、対応する第１レンズアレイ６のレンズセルの形状を、透過型の液晶パネル２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ側に投影する。この時、偏光変換素子８は第２レンズアレイ７からの光束を所定の偏光方向に揃える。そして、これら第１レンズアレイ６の各レンズセルの投影像を、集光レンズ９、コンデンサレンズ１０Ｒ、１０Ｇ、第１リレーレンズ１５、第２リレーレンズ１６、第３リレーレンズ１７により、各液晶パネル２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ上に重ね合わせる。

光源部１００のＬＥＤ素子１から出射された白色光は、色分離手段を構成するダイクロイックミラー１２と１３により、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の３原色色光に色分離され、それぞれ対応する液晶パネル２Ｒ、２Ｇ、２Ｂに照射される。なお、ここでは、ダイクロイックミラー１２は赤透過緑青反射特性を有し、ダイクロイックミラー１３は緑反射青透過特性を有するものとする。
各液晶パネル２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは、入出射偏光板（図示成し）とともに映像信号駆動回路（図示なし）により液晶パネルを透過する光量を制御して画素ごとに濃淡を変える光強度変調を行い、光学像を形成する。
照射された液晶パネル２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ上の各光学像は、合成プリズム１１によって色合成され、さらに、投射レンズユニット３によってスクリーン１８上に投射され、大画面映像を表示する。
第１リレーレンズ１５、第２リレーレンズ１６、第３リレーレンズ１７は、液晶パネル２Ｒ、２Ｇの光路長に対し、液晶パネル２Ｂの光路長が長いことを補う。

以下、各ＬＥＤ素子１に対応して用いるコリメータレンズ５０の特性につき説明する。
ＬＥＤ素子１の発光部（ＬＥＤ発光部）（図示せず）は正方形の形状をしており、正方形の該発光部（図示せず）の光源像は、コリメータレンズ５０、第１レンズアレイ６により第２レンズアレイ７の出射側付近に結像する。
従来のコリメータレンズ５００を用いる場合には、この結像の形状も発光部（図示なし）の相似形となり、やはり正方形となる。
これに対して、第２レンズアレイ７の長方形の各セル形状と偏光変換素子８の対応する単位プリズムユニットによる幅（Ｘ）方向の入射範囲の制限によって形成される開口形状は、図２で述べたように、Ｙ方向に長い長方形となっている。このため、従来のコリメータレンズ５００を用いる場合は、前述の通り、照明光学系の効率が低くなる。

コリメータレンズ５０は、縦方向とこれと直交する横方向の拡大率や焦点距離が異なるアナモフィック光学系を構成し、第２レンズアレイ７の出射側付近に結像する発光部の像をＹ方向（以下、縦方向という）とＸ方向（以下、横方向という）で拡大率、焦点距離を異ならせて結像させる。すなわち、本第１の実施例では、横方向の拡大率を縦方向の拡大率より小さくする。その結果、第２レンズアレイ７の出射側付近に結像するＬＥＤ素子１の発光部（ＬＥＤ発光部）の像の形状は、従来の正方形から縦長の長方形となり、第２レンズアレイ７の各セルの形状と偏光変換素子８の対応する単位プリズムユニットによる幅（横）方向の入射範囲の制限によって形成される縦長の長方形の開口４２の形状と、ほぼ一致するようにすることができる。このため、ＬＥＤ素子１からの光のうち、遮られて通過できない光が存在したり、開口４２内に使われていない（光が通過しない）領域が存在したりすることがなくなり、光の利用率が高められ、高い効率を実現することができる。

以下、アナモフィック光学系として上記作用を行うコリメータレンズ５０の形状につき説明する。
ＬＥＤ素子１の発光部に対して第２レンズアレイ７出射側付近に結像する像の拡大率（倍率）は、第１レンズアレイ６の焦点距離をｆｍ1、コリメータレンズ５０の焦点距離をｆｃとするとき、
拡大率＝ｆｍ1／ｆｃ …（数１）
光軸に対して対称な構造を有する従来のコリメータレンズ５００の場合は、縦方向と横方向の拡大率は一定であり、ＬＥＤ素子１の発光部の正方形の形状は縦横の比を保ったまま結像する。これに対して、本発明におけるアナモフィック光学系としてのコリメータレンズ５０では、この縦方向と横方向の拡大率を変えるために、縦方向と横方向で２種類の焦点距離を持つようにされる。

図４は、アナモフィック光学系の説明図である。
図４（ａ）は、レンズ作用を持つ方向が直交する２つのアナモフィックレンズ（あるいはシリンドリカルレンズ）を組合わせる方法を図示したものであり、それぞれのレンズが縦（Ｙ）方向の光線に対する焦点距離と、横（Ｘ）方向の焦点距離を決めている。本実施例では、正方形のＬＥＤ発光部２１の形状を縦長の長方形に結像させるために、コリメータレンズ５０としては、縦方向に対する焦点距離を短く（拡大率を大きく）、横方向の焦点距離を長く（拡大率を小さく）する必要がある。そこで、ＬＥＤ素子１のＬＥＤ発光部２１に近い第１アナモフィックレンズ５１で縦方向の焦点距離を決め、発光部２１から遠い第２アナモフィック５２で横方向の焦点距離を決めている。なお、図の表現は説明のための模式的なものである。

以下、本実施例における各レンズの具体的な焦点距離につき説明する。なお、以下では、横（Ｘ）方向の数値には添字ｘを付して、縦（Ｙ）方向の数値には添字ｙを付して示すことにする。
ＬＥＤ発光部２１の形状は１辺が１×１０^−３ｍの正方形であり、対応する第２レンズアレイ７の長方形の各セル形状と偏光変換素子８による幅方向の入射範囲の制限によって形成される開口４２の形状は、幅（Ｘ方向の長さ）が３．５×１０^−３ｍ、高さ（Ｙ方向の長さ）が５．４×１０^−３ｍの縦長の長方形となっている。従って、各レンズの焦点距離は、数１より、縦方向に関しては下記数２を、横方向に関しては数３を満足する必要がある。ただし、Ｓｗは開口４２の所定方向の一辺の長さ、Ｓｔは光源発光部２１の一辺の長さである。
ｆｍｌｙ／ｆｃｙ＝Ｓｗｙ／Ｓｔｙ …（数２）
ｆｍｌｘ／ｆｃｘ＝Ｓｗｘ／Ｓｔｘ …（数３）
具体的には、まず縦方向に関して、Ｓｗｙ＝５．４×１０^−３ｍ、Ｓｔｙ＝１、ｆｍ１ｙ＝３５×１０^−３ｍであるため、数２よりｆｃｙ＝３５×１／５．４＝６．４８×１０^−３ｍとしている。
また、横方向に関しては、Ｓｗｘ＝３．５×１０^−３ｍ、Ｓｔｘ＝１、ｆｍ１ｘ＝３５×１０^−３ｍであるため、ｆｃｘ＝３５×１／３．５＝１０×１０^−３ｍとしている。
すなわち、シリンドリカル面を用いて、コリメータレンズ５０は縦方向の焦点距離ｆｃｙが６．４８×１０^−３ｍ、横方向の焦点距離ｆｃｘが１０×１０^−３ｍとしている。

なお、上記では説明を簡略化するために、第１レンズアレイ６の焦点距離ｆｍ１を用いて上記計算を説明したが、より精度を高くして少しでも効率を上げていくためには、第１レンズアレイ６の焦点距離ｆｍ１の代わりに、第レンズアレイ６と第２レンズアレイ７の２つあわせた合成焦点距離ｆｍを用いた下記数４で計算すべきである。
ｆｍｉ／ｆｃｉ＝Ｓｗｉ／Ｓｔｉ …（数４）
ここで、ｉは、ｘまたはｙで、横（Ｘ）方向または縦（Ｙ）方向の数値を表す添字である。

上記の設定の結果、光源であるＬＥＤ素子１の発光部２１の像が照明光学系の開口部に結像する際に、図８に示すように、光源像４４の大きさがほぼ開口４２に一致し、高い効率を実現することができる。

上記では、コリメータレンズの拡大率を縦方向と横方向で変えるために、レンズ作用を持つ方向が直交する２つのアナモフィックレンズを組合わせたが、図４（ｂ）に示すように、これらを一体に形成し、１枚のレンズの入射側と出射側に、互いにレンズ作用を持つ方向が直交するアナモフィックレンズ面を設けてもよい。この両面アナモフィックコリメータレンズ５３で、図４（ａ）と同じ効果を得ることができる。

さらに、照明光学系の第１レンズアレイ６に本発明によるアナモフィック光学系をなすコリメータレンズ５０の機能を持たせることも可能である。この場合、コリメータレンズ５０が不要になり、装置の部品点数を低減することができる。

また、本実施例では、ＬＥＤ素子１のＬＥＤ発光部２１の形状が正方形であるものとしたが、該ＬＥＤ発光部２１の形状を独自に設計する場合は、これを、第２レンズアレイ７の長方形の各セル形状と偏光変換素子８による幅（Ｘ）方向の入射範囲の制限によって形成される開口４２の形状に略相似な形とすれば、上記のようなアナモフィックレンズ等は不要となり、簡単な構成で効率の高い投射が可能となる。

なお、本実施例において、液晶パネル２に代えて、反射型のＤＭＤを用いた場合は偏光変換素子が不要となり、第２レンズアレイ７の出射側近傍に結像する結像面における光路の最大断面積である開口４２’は、図２（ｃ）のように、第２レンズアレイ７のレンズセルの外形形状を示す開口４１と等しく、横長の長方形となる。従って、偏光変換素子がない場合は、上記とは逆に、縦方向の拡大率を小さく、横方向の拡大率を大きくする必要がある。すなわち、レンズ作用を持つ方向が直交する２つのシリンドリカル面の順番を、上記実施例とは逆とする必要がある。

上記第１の実施例では、ＬＥＤ素子１として、光を直接前方に出射させる構成のものを用いたが、本第２の実施例では、ＬＥＤ発光部からの光をリフレクタで反射させてから前方に出射させる反射型ＬＥＤ素子を用いる。そして、反射型ＬＥＤ素子のリフレクタと反射型ＬＥＤ素子の前面に配置されたコリメータレンズとでアナモフィック光学系を構成し、第２レンズアレイ７の出射側付近に結像する反射型ＬＥＤ素子の光源像を、偏光変換素子８の単位プリズムユニットによる幅（横）方向の入射範囲の制限によって形成される縦長の長方形の開口４２の形状にほぼ一致するようにする。

図５は、アナモフィック光学系の第２の実施例を示す図である。本実施例で示すアナモフィック光学系を、上記第１の実施例のコリメータレンズ５０で構成されるアナモフィック光学系に替えて用いることで、投射型映像表示装置を構成する。
図５において、反射型ＬＥＤ素子１’は、ＬＥＤチップであるＬＥＤ発光部２１’（その発光面はＺ軸の負方向側）が透明樹脂６０で封止されており、反射型ＬＥＤ素子１’の背面側（Ｚ軸の負方向側）に金属の反射鏡であるリフレクタ５が設けられている。そして、反射型ＬＥＤ素子１’とリフレクタ５で単位ＬＥＤ光源部を形成し、この単位ＬＥＤ光源部が複数個２次元状に配設されて光源部が構成される。また、各反射型ＬＥＤ素子１’の前面には、各反射型ＬＥＤ素子１’に対応してコリメータレンズ５４が設けられる。

リフレクタ５の面形状は、その焦点位置近傍にＬＥＤ発光部２１’がある楕円形状である。しかし、図５から明らかなように、縦方向と横方向に関しては対称であるが、光軸に関して回転対称でなく、縦（Ｙ）方向の曲率半径を横（Ｘ）方向の曲率半径より小さくしてある。また、コリメータレンズ５４の出射側面形状も、同様に、縦方向と横方向に関しては対称であるが、光軸に関して回転対称でない球面または非球面の凸面形状で、縦（Ｙ）方向の曲率半径を横（Ｘ）方向の曲率半径より大きくしてある（図５では縦方向の曲率半径が無限大の平面である）。そして、リフレクタ５とコリメータレンズ５４で、縦方向と横方向の拡大率が異なるアナモフィック光学系を構成している。本実施例では、正方形の発光部２１の光源像を開口４２の形状と略一致させるために、縦方向の焦点距離を横方向の焦点距離より小さくしている。

すなわち、ＬＥＤ発光部２１’からリフレクタ５に向けて出射された光束は、リフレクタ５で反射される。この時、横方向では、リフレクタ５の曲率半径が大きいため発散するように反射され、また、コリメータレンズ５４の横方向の曲率半径が小さいため光軸に平行となるようされる。つまり、横方向のアナモフィック光学系の焦点距離は長い。これに対し、縦方向では、リフレクタ５の曲率半径が小さいため、十分な発散がされず、縦方向の曲率半径の大きいコリメータレンズ５４で光軸に平行となる。つまり、横方向のアナモフィック光学系の焦点距離は短い。

このように、反射型ＬＥＤ素子の場合でも、リフレクタと反射型ＬＥＤ素子の前面に配置されるコリメータレンズを用いて、アナモフィック光学系を構成することにより、発光部の光学像を縦長の長方形の開口４２の形状にほぼ一致させることができ、高い効率を実現することができる。

なお、本実施例では、リフレクタは反射型ＬＥＤ素子１’とは別体であるとして説明したが、例えば、ＬＥＤチップであるＬＥＤ発光部が透明樹脂で封止されるとともに、透明樹脂の発光部の発光面に対向する側に反射面形状が一体に形成され、該反射面形状の樹脂面に銀等の金属蒸着が施されてリフレクタが形成された反射型ＬＥＤ素子を用いてもよい。

以下、反射型ＬＥＤ素子を用いた本発明の第３の実施例について述べる。
上記第２の実施例では、反射型ＬＥＤ素子を用い、反射型ＬＥＤ素子と、その背面側に設けられたリフレクタとで光源を構成し、該光源の前面に設けられたコリメータレンズと前記リフレクタでアナモフィック光学系を構成したが、本第３の実施例では、反射型ＬＥＤ素子は、その背面側に一体に形成されたリフレクタを有するとともに、前面に設けられるコリメータレンズを、反射型ＬＥＤ素子の発光部を封止する透光性の透明樹脂で形成し、該透明樹脂で形成されたレンズとリフレクタとでアナモフィック光学系を構成する。

図６は、上記第３の実施例におけるアナモフィック光学系を示す図である。本アナモフィック光学系を、第１の実施例のコリメータレンズ５０で構成されるアナモフィック光学系に替えて用いることで、図１と同様の投射型映像表示装置を構成する。
図６において、反射型ＬＥＤ素子１''は、ＬＥＤチップであるＬＥＤ発光部２１’（その発光面はＺ軸の負方向側）が透光性の透明樹脂６１で封止されている。透明樹脂６１では、ＬＥＤ発光部２１’の発光面に対向する側（Ｚ軸の負方向側）に反射面形状６１ａが形成され、他方側（Ｚ軸の正方向側）に球面または非球面の凸面形状６１ｂが形成されている。また、反射面形状６１ａの樹脂面には銀等の金属蒸着が施されてリフレクタ５’が形成されている。

リフレクタ５’の面形状（透明樹脂６１の反射面形状６１ａ）は、その焦点位置近傍にＬＥＤ発光部２１’がある楕円形状である。しかし、図６から明らかなように、縦方向と横方向に関しては対称であるが、光軸に関して回転対称でなく、縦（Ｙ）方向の曲率半径を横（Ｘ）方向の曲率半径より小さくしてある。また、透明樹脂６１の凸面形状６１ｂも、同様に、縦方向と横方向に関しては対称であるが、光軸に関して回転対称でなく、縦（Ｙ）方向の曲率半径を横（Ｘ）方向の曲率半径より大きくしてある（図６では縦方向の曲率半径が無限大の平面である）。そして、リフレクタ５’と、凸面形状６１ｂを有する透明樹脂６１のレンズ作用で、縦方向と横方向の拡大率が異なるアナモフィック光学系を構成している。本実施例では、正方形の発光部２１の光源像を開口４２の形状と略一致させるために、縦方向の焦点距離を横方向の焦点距離より小さくしている。

本実施例による反射型ＬＥＤ素子１''の作用は、第２の実施例と同様であり、その説明を省略するが、ＬＥＤ素子にアナモフィック光学系を備えているため、部品構成が簡略化され低コスト化に大きな効果がある。

図７は、本発明の第４の実施例の説明図で、照明光学系にインテグレータとしてレンズアレイではなく、ライトパイプ２５を用いた場合の投射型映像表示装置の構成を示す。（ａ）は光学系の構成図、（ｂ）は偏光変換素子の入射開口面に形成される光源像を示す図である。
図７（ａ）において、上記第１の実施例と同様に、ＬＥＤ素子１のＬＥＤ発光部２１から出射した光束を、アナモフィック光学系をなすコリメータレンズ５０’にて平行化し、集光レンズ３１によって偏光変換素子８０の入射開口に導き、偏光変換素子８０で所定の偏光方向に揃えて、ライトパイプ２５に入射させる。

偏光変換素子８０は、例えば対向したＰＢＳ面８０ａ、８０ｂを有するプリズムで構成されており、偏光変換素子８０では、偏光変換素子８０のＰＢＳ面８０ａに入射した光束のうち、所定偏光方向の光束（以下、この偏光波をＰ偏光波とする）は透過してライトパイプ２５に入射する。また、Ｐ偏光波に直交する方向の偏光波（以下、この偏光波をＳ偏光波とする）は反射して、対向するＰＢＳ面８０ｂで反射して、出射側に備えられている１／２波長板（図示なし）でＰ偏光波に変換され、ライトパイプ２５に入射する。つまり、偏光変換素子８０の入射開口はその出射開口即ちライトパイプ２５の入射開口の大きさの略半分となっている。従って、偏光変換素子８０の入射開口には、ＬＥＤ素子１のＬＥＤ発光部２１から出射した光束を効率良く入射させる必要がある。

図７（ｂ）に示すように、ライトパイプ２５の入射開口４１’は、４：３や１６：９といったアスペクトの横長の長方形である映像表示素子とほぼ相似の形状であり、偏光変換素子８０の入射開口４２’はライトパイプ２５の入射開口４１’を左右に２分割した形となっている。この結果、偏光変換素子８０によって制限された光路の断面積の形状は、上記第１の実施例の場合と同様に、偏光変換素子８０の入射開口４２’と等しい縦長の長方形ということになり、コリメータレンズ５０’はアナモフィック光学系で構成されなければならない。つまり、コリメータレンズ５０’に対して、第１の実施例と同様の、レンズ作用を持つ方向が直交する２つのシリンドリカル面の適用が必要である。すなわち、縦方向に対する焦点距離を短く（拡大率を大きく）、横方向の焦点距離を長く（拡大率を小さく）する必要がある。

本構成によって、図７（ｂ）のように、ＬＥＤ素子１のＬＥＤ発光部２１の光源像４４’が偏光変換素子８０の入射開口４２’の大きさとほぼ等しくなり、ＬＥＤ素子１のＬＥＤ発光部２１からの光束が過不足なく偏光変換素子８０の入射開口４２’に入射できるため、高い効率を実現することができる。

本実施例では、上記第１の実施例と同様に、ＬＥＤ素子１の発光部２１に対して偏光変換素子８０の入射開口面に結像する像の拡大率は、集光レンズ３１の焦点距離をｆｃｌ、コリメータレンズ５０’の焦点距離をｆｃ、偏光変換素子８０の開口４２’の所定方向の一辺の長さをＳｐ、光源発光部２１の一辺の長さをＳｔとするとき、次の数５により与えられる。
ｆｃｌｉ／ｆｃｉ＝Ｓｐｉ／Ｓｔｉ …（数５）
ここで、ｉは、ｘまたはｙで、横（Ｘ）方向または縦（Ｙ）方向の数値を表す添字である。

なお、本実施例において、液晶パネル２に代えて、反射型のＤＭＤを用いた場合は偏光変換素子が不要となり、ＬＥＤ素子１の発光部２１の光源像をライトパイプ２５の入射開口４１’の大きさに略一致させることとなる。従って、上記とは逆に、縦方向の拡大率を小さく、横方向の拡大率を大きくする必要がある。すなわち、レンズ作用を持つ方向が直交する２つのシリンドリカル面の順番を、上記実施例とは逆にする必要がある。

図８は、本発明の第５の実施例の説明図で、光源部にＲ光用ＬＥＤ素子１Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ素子１Ｇ及びＢ光用ＬＥＤ素子１Ｂを用い、照明光学系にライトパイプ２５を用いた投射型映像表示装置の構成例を示す。
図８において、１ＲＵは複数個のＲ光用ＬＥＤ素子１Ｒから成るＲ光用光源部、１ＧＵは複数個のＧ光用ＬＥＤ素子１Ｇから成るＧ光用光源部、１ＢＵは複数個のＢ光用ＬＥＤ素子１Ｂから成るＢ光用光源部である。２６は色合成を行うダイクロイッククロスキューブプリズム、５７は第１アナモフィックレンズ、５８は第２アナモフィックレンズである。第１アナモフィックレンズ５７は、光軸に垂直な断面で紙面の裏面側から表面側に向かう方向の拡大率が大きく、例えば図４（ａ）の第１アナモフィックレンズ５１に対応する。また、第２アナモフィックレンズ５８は、光軸に垂直な断面で紙面に平行な方向の拡大率が小さく、例えば図４（ａ）の第２アナモフィックレンズ５２に対応する。Ｇ光用光源部１ＧＵからの光に着目した場合、Ｇ光の光束はＧ光用光源部１ＧＵの各Ｇ光用ＬＥＤ素子１Ｇに対応した第１アナモフィックレンズ５７と第２アナモフィックレンズ５８とで、図７のアナモフィック光学系を成すコリメータレンズ５０’を構成している。この関係はＲ光、Ｂ光に関しても同じである。その他の構成は図６の構成と同様である。各色光用ＬＥＤ素子から出射した光束は対応する第１アナモフィックレンズ５７によって第２アナモフィックレンズ５８に向けて集光するように導かれ、その過程でダイクロイッククロスキューブプリズム２６により色合成される。

Ｇ光用光源部１ＧＵからの光に着目した場合、上記のように、Ｇ光用光源部１ＧＵの各Ｇ光用ＬＥＤ素子１Ｇに対応した第１アナモフィックレンズ５７と第２アナモフィックレンズ５８で図７のコリメータレンズ５０’を構成しているため、第２アナモフィックレンズ５８を出射するＧ光の光束は、光軸に平行となるようにされる。この関係はＲ光、Ｂ光においても同様である。第２アナモフィックレンズ５８は、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光に共用され、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の各光束をここでほぼ平行な状態にする。そして、第１アナモフィックレンズ５７、第２アナモフィックレンズ５８、集光レンズ３１の作用により、偏光変換素子８０の入射開口面に結像したＲ光用ＬＥＤ素子１Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ素子１Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ素子１ＢのＬＥＤ発光部２１の光源像４４’を、図９に示すように、偏光変換素子８０の入射開口４２’に略等しい大きさとすることができ、各色光用ＬＥＤ素子１Ｒ、１Ｇ、１ＢのＬＥＤ発光部２１から出射した光束を過不足なく偏光変換素子８０の入射開口４２’に入射させることができるため、高い効率を実現することができる。

上記各実施例では、映像表示素子として透過型液晶パネルを用いたが、これに限定されず、例えば、反射型液晶パネルや、ＤＭＤ等を映像表示素子として用いてもよい。また、映像表示装置も投射型のものに限定されない。また、上記実施例では、アナモフィック光学系を、レンズ作用を持つ方向が直交する構成の場合につき説明したが、本発明はこれに限定されず、アナモフィック光学系はレンズ作用を持つ方向が直交方向以外の異なる方向のものであってもよい。

本発明の第１の実施例としての投射型映像表示装置の構成例図である。 ＬＥＤを適用した一般的な投射型映像表示装置の光学系の構成図である。 照明光学系の開口部における光源像の説明図である。 アナモフィック光学系の説明図である。 本発明の第２の実施例を示す図である。 本発明の第３の実施例を示す図である。 本発明の第４の実施例を示す図である。 本発明の第５の実施例を示す図である。 図８の構成における光源像の説明図である。

符号の説明

１…ＬＥＤ素子、
１’、１''…反射型ＬＥＤ素子、
１Ｒ…Ｒ光用ＬＥＤ素子、
１Ｇ…Ｇ光用ＬＥＤ素子、
１Ｂ…Ｂ光用ＬＥＤ素子、
１ＲＵ…Ｒ光用光源部、
１ＧＵ…Ｇ光用光源部、
１ＢＵ…Ｂ光用光源部、
２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ…液晶パネル、
３…投射レンズユニット、
４、１４、１９、２０…ミラー、
５…リフレクタ、
６…第１レンズアレイ、
７…第２レンズアレイ、
８…偏光変換素子、
９、３１…集光レンズ、
１０Ｒ、１０Ｇ…コンデンサレンズ、
１１…合成プリズム、
１２、１３…ダイクロイックミラー、
１５…第１リレーレンズ、
１６…第２リレーレンズ、
１７…第３リレーレンズ、
１８…スクリーン、
２１、２１'…ＬＥＤ発光部、
２５…ライトパイプ、
２６…ダイクロイッククロスキューブプリズム、
４１、４２…開口、
４３…偏光変換素子による制限、
４４…光源像、
５０、５０'、５４、５５…コリメータレンズ、
５１、５７…第１アナモフィックレンズ、
５２、５８…第２アナモフィックレンズ、
５３…両面アナモフィックコリメータレンズ、
６０、６１…透明樹脂、
８０…偏光変換素子。

Claims (6)

1. 光源側からの光を映像表示素子に照射し映像信号に基づく光学像を形成する映像表示装置であって、
   ＬＥＤ発光部を備えた光源部と、
   複数の微小なレンズセルより成り複数の２次光源像を形成するレンズアレイと、
   上記ＬＥＤ発光部の光源像を形成した光束の断面のサイズまたは形状を、上記レンズアレイ以降の光学系内の該光源像の光束が通る部分の開口に対応したサイズまたは形状に変換するアナモフィック光学系と、
   を備え、
   上記レンズアレイの焦点距離をｆｍｌ、上記アナモフィック光学系を形成するレンズの焦点距離をｆｃ、上記光源像の光束が通る部分の開口のサイズをＳｗ、上記ＬＥＤ発光部の光源像を形成した光束の断面サイズをＳｔとするとき、ｆｃ＝ｆｍｌ・Ｓｔ／Ｓｗを満たす構成としたことを特徴とする映像表示装置。
2. 光源側からの光を映像表示素子に照射し映像信号に基づく光学像を形成する映像表示装置であって、
   ＬＥＤ発光部を備えた光源部と、
   上記ＬＥＤ発光部からの光を集光する集光レンズと、
   光入射側に偏光合成手段を備え上記集光レンズ側からの光を均一化するライトパイプと、
   上記ＬＥＤ発光部の光源像を形成した光束の断面のサイズまたは形状を、上記ライトパイプの該光源像の光束が通る部分の開口に対応したサイズまたは形状に変換するアナモフィック光学系と、
   を備え、
   上記集光レンズの焦点距離をｆｃｌ、上記アナモフィック光学系を形成するレンズの焦点距離をｆｃ、上記ライトパイプの光源像の光束が通る部分の開口のサイズをＳｐ、上記ＬＥＤ発光部の光源像を形成した光束の断面サイズをＳｔとするとき、ｆｃ＝ｆｃｌ・Ｓｔ／Ｓｐを満たす構成としたことを特徴とする映像表示装置。
3. 上記アナモフィック光学系は、コリメータレンズである請求項１または請求項２に記載の映像表示装置。
4. 上記アナモフィック光学系は、上記ＬＥＤ発光部を封止する樹脂レンズとして構成される請求項１または請求項２に記載の映像表示装置。
5. 上記光源部は、上記ＬＥＤ発光部が略矩形断面の光束を発光し、
   上記アナモフィック光学系は、上記光束のアスペクトを変える構成である請求項１または請求項２に記載の映像表示装置。
6. 光源側からの光を映像表示素子に照射し映像信号に基づく光学像を形成する映像表示装置であって、
   赤色光を発生するＬＥＤ発光部と、緑色光を発生するＬＥＤ発光部と青色光を発生するＬＥＤ発光部とを備えた光源部と、
   入射される上記各色光を色合成して出射する色合成手段と、
   上記色合成手段の光入射側において、上記各色光のＬＥＤ発光部に対応して配され、該各色光毎にＬＥＤ発光部の光源像を形成した光束の断面のサイズまたは形状を変える第１のアナモフィック光学系と、
   上記色合成手段の光出射側において、ＬＥＤ発光部の光源像を形成した光束の断面のサイズまたは形状を変える第２のアナモフィック光学系と、
   を備え、
   上記第１、第２のアナモフィック光学系により、上記光源像を形成した光束の断面サイズを、該光源像の光束が通る部分の開口に対応したサイズまたは形状に変換して、上記映像表示素子に照射する構成としたことを特徴とする映像表示装置。

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