JP5492582B2 - 投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶パネル等の映像表示素子を使用して投写面に映像を投影する投写型映像表示装置と、水銀を使用しない発光ダイオード、レーザー、蛍光体等を光源とする照明光学系に関するものであり、特に、これらを組み合わせて得られる投写型映像表示装置を提供する技術に関する。

例えば、反射型あるいは透過型の液晶パネルや微小ミラーを複数個配列した構造の映像表示素子の表示画面を投写面であるスクリーンやボード等に拡大表示する投写型映像表示装置においては、投写面で十分な大きさと明るさを有する拡大像が得られるように照明光学系の工夫がなされてきた。

特に映像表示素子を複数個用いる方式においてはカラー映像の白バランスの劣化や色むらを抑える種々の照明光学系の提案がなされている。例えば特開平１０−１７１０４５号公報（特許文献１）に開示された投写型映像表示装置の照明光学系に使用する光源としては入力電力当たりの発光効率が高い（７０ｌｍ／Ｗ）超高圧水銀ランプが主流となっている。また、第１アレイレンズや第２アレイレンズでの光線通過率を向上させるために電極間距離の短縮が大きな開発課題となっている。

また超高圧水銀ランプは紫外線を大量に発生させるため照明光学系を構成する液晶ライドバルブや偏光板など有機物に大きなストレスを与えるため、寿命を損なうなどのほかに自身も電極の磨耗や発光管の白濁による失透によって明るさの低下が短い時間で発生するなどの抱える問題が想定される。

このため新たな光源として、赤、緑、青の発光ダイオードや有機ＥＬ等の固体発光素子を用いた投写型映像表示装置の開発が行われ、多くの提案がなされている。例えば特開２００４−３４１１０５号公報（特許文献２）では固体光源から出射する紫外光を可視光に変換する蛍光体層と透明基材と固体光源から成る光源装置が提案されている。

更に、この特許文献２の課題を解決するために、例えば特開２００９−２７７５１６号公報（特許文献３）に示すように固体光源から出射する励起光を可視光としても高効率で発光する光源装置が提案されている。

更に、発光原理が異なる方式の光源を組み合わせて、投写型映像表示装置の光源とするものとして、例えば特開２００９−２５９５８３号公報（特許文献４）も提案されている。

特開平１０−１７１０４５号公報 特開２００４−３４１１０５号公報 特開２００９−２７７５１６号公報 特開２００９−２５９５８３号公報

特許文献２に開示された技術では固体光源から射出する紫外光を可視光に変換する蛍光体層と透明基材と固体光源から成る光源装置について開示されている。この技術は、エネルギーの高い紫外光を励起光とする励起光源を用いているため、紫外光が照射される光学部品は損傷を受けやすく、光学部品の長期性能確保が困難となる傾向にある。このため、特許文献３では紫外光よりエネルギーの低い可視光を励起光として蛍光体に照射することが提案されている。

一方、特許文献４に開示されたように投写型映像表示装置の新光源として発光方式の異なる複数種の光源を組み合わせる方式の提案もなされている。この提案では、所定波長の光を出射する発光ダイオードまたは固体発光素子である第一の光源と、励起光を出射する発光ダイオードまたは固体発光素子である第二の光源と、第二の光源からの励起光を励起エネルギーとして第一の光源と同じ波長域の光を発光する第三の光源から構成されている。

以上述べた特許文献２から特許文献４において開示された従来技術は、光源としての技術であり、液晶表示素子を使用した投写型映像表示装置の照明光学系とのマッチングが考慮されておらず、光源としては長寿命であっても、投写型映像表示装置として動作させた場合には、必ずしも、長寿命であるとは限らない。

以下、超高圧水銀ランプを使用しない新しい光源として、発光ダイオード光源を使用した際に、液晶表示素子を使用した投写型映像表示装置の照明光学系が有する課題について、図を参照して説明する。

なお、各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。また、以降の説明を容易とするために、直交座標系を導入する。照明光軸方向をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する面内で液晶表示素子の矩形照射有効領域の長辺に平行な方向の軸をＹ軸とし、矩形有効表示領域の短辺に平行な方向の軸をＸ軸とする。すなわち、第１アレイレンズ、第２アレイレンズを構成するレンズセルは、Ｘ軸、Ｙ軸方向の両方向に配列されているものとする。

図５は、発光ダイオード光源と偏光変換インテグレータを用いた投射型液晶表示装置における、光源から液晶表示素子までの照明光学系の光路上の各光学素子を簡易的に図示したものである。図５（ａ）は、Ｘ軸方向から見た照明光軸を含むＹＺ断面での照明光学系の要部構成部であり、図５（ｂ）は、偏光変換素子上に形成された光源像の概要を示すものであり、図５（ｃ）は、第２アレイレンズ４の上に形成された光源像の概要を示すものである。

図５（ａ）において、発光ダイオード光源１から発光した光は、平行化レンズ２により略平行となり、偏光変換インテグレータに入射する。偏光変換インテグレータは、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４とからなる均一照明を行うオプチカルインテグレータと、偏光方向を所定偏光方向に揃える偏光変換素子５とを含んでいる。

第１アレイレンズ３は、入射した光をマトリクス状に配設された複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第２アレイレンズ４と偏光変換素子５を通過するように導く。

即ち、第１アレイレンズ３は発光ダイオード光源１の発光面と第２アレイレンズ４の各レンズセルとが互いに物体と像の関係（共役関係）となる。第１アレイレンズ３の各レンズセルを通過した光は、対向する第２アレイレンズ４のセルに入射する必要がある。

第１アレイレンズ３と同様に、マトリクス状に配設された複数のレンズセルを持つ第２アレイレンズ４は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第１アレイレンズ３のレンズセルの形状を液晶表示素子１８に投影する。このため、液晶表示素子のアスペクトと第１アレイレンズ３、第２アレイレンズ４の各レンズセルのアスペクトはほぼ同一となる。

この時、偏光変換素子５で第２アレイレンズ４からの光は所定の偏光方向に揃えられ、そして、第１アレイレンズ３の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ６、およびコンデンサレンズ１３を介して、液晶表示素子１８上に重ね合わせられる。

なお、第２アレイレンズ４とこれに近接して配設される集光レンズ６とは、第１アレイレンズ３と映像表示素子１８とが、互いに物体と像の関係（共役関係）になるので、第１アレイレンズ３で複数に分割された光束は、第２アレイレンズ４と集光レンズ６によって、液晶表示素子１８上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。

まず、発光ダイオード光源と偏光変換インテグレータを用いた照明光学系が有する課題を述べる前に、偏光変換素子５の構成について図６を用いて説明する。

図６は、偏光変換インテグレータの要部構成である。図６（ａ）は、偏光変換インテグレータのＹＺ断面をＸ軸方向から見たもので、図６（ｂ）は、偏光変換素子の拡大詳細図である。

図６において、偏光変換素子５は、例えば液晶表示素子の短辺に平行な方向であるＸ軸方向（図６紙面に垂直な方向）に沿って伸びた断面が平行四辺形の角柱である透光性部材５１が、照明光軸１００方向（Ｚ軸方向）に対して直交する面（ＸＹ平面）に平行してＹ軸方向に複数アレイ状に配列され、アレイ状に配列され隣接する透光性部材５１間の界面に交互に偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」と省略する）膜５２と反射膜５３が形成されている。透光性部材５１同士の貼り合わせには、有機の接着剤が使用されるのが一般的である。

また、偏光変換素子５の入射側の開口部５５を通り、ＰＢＳ膜５２を透過した光が出射する出射面には１／２λ位相差板５４が備えられている。１／２λ位相差板としては、有機の位相差フィルムが安価であり、多くの液晶プロジェクタで適用されている。また、１/２λ位相差板の長寿命化のために、無機の水晶を２枚貼り合わせた位相差板を用いたものも実用化されているが、水晶同士の貼り合わせには、有機の接着剤が使用されるのが一般的である。

図６では、偏光変換素子５は、照明光軸１００と平行四辺形柱の透光性部材５１の延伸方向（Ｘ軸方向）とで形成される面（照明光軸１００を含むＸＺ平面であり、以下、この面を便宜上「光軸面」と称する）Ｓ１００に対して、対称に構成されている。透光性部材５１の傾きは、該光軸面Ｓ１００に対して図６紙面右側では４５度右上がりで、光軸面Ｓ１００に対して図６紙面左側では４５度右下がりである。勿論、ＰＢＳ膜と反射膜の順序も光軸面Ｓ１００に対して対称で、光軸面Ｓ１００に対して図６紙面右側では、照明光軸１００から右側に向けてＰＢＳ膜、反射膜、ＰＢＳ膜、反射膜、…の順序で、光軸面Ｓ１００に対して図６紙面左側では、照明光軸１００から左側に向けてＰＢＳ膜、反射膜、ＰＢＳ膜、反射膜、…の順序で形成されている。

なお、開口部５５は、偏光変換素子５の入射側のＸ軸方向に細長く延伸した、Ｙ軸方向には短い面状の領域である。

以上のように構成された偏光変換素子５に、第１アレイレンズ３、第２アレイレンズ４を通って開口部５５の一つ（例えば開口部５５_６）に入射した光Ｌのうち、例えばＳ偏光の光はＰＢＳ膜５２で反射され、対向する反射ミラー５３で反射されてＳ偏光で出射する。またＰ偏光の光はＰＢＳ膜５２を透過し、出射面の１／２λ位相差板５４によりＳ偏光に変換されて出射する。偏光変換素子５は、このような基本と成る偏光変換部５０が複数（例えば図６では６個）構成され、入射した光の偏光方向を所定偏光方向（ここではＳ偏光）の光に揃えて出射させる偏光変換機能を有している。

ところで、開口部と開口部との間（例えば開口部５５_５と開口部５５_６との間の領域６０_５）に光が入射した場合、このときの出射光は、前記所定偏光方向とは９０度回転した偏光（ここではＰ偏光）となる。つまり、偏光変換効率が低下してしまう。そのため、開口部と開口部との間には、通常、アルミの板等を配置し、光を遮光する遮光部６０とする。

なお、以下偏光変換部、開口部、遮光部を特定する場合には、図６紙面左端側から数えた数字１〜６を添えて示す。

次に、発光ダイオード光源と偏光変換インテグレータを用いた照明光学系が有する課題を説明する。

いま、図５において、発光ダイオード光源１から、平行化レンズ２までの距離をＡ、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４間の距離をＢとする。このとき、発光ダイオード光源１は、平行化レンズ２の焦点位置なので、上記距離Ａは、平行化レンズ２の焦点距離となる。また、第２アレイレンズ４は第１アレイレンズ３の略焦位置近傍に設けられるので、上記距離Ｂは第１アレイレンズ３の焦点距離となる。

前述したように、第１アレイレンズ３は発光ダイオード光源１と第２アレイレンズ４の各レンズセルとが互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されており、第２アレイレンズ４の各レンズセル上に、第２発光像２６が形成される。第２アレイレンズ４と偏光変換素子５は近接して配置されているので、第２アレイレンズ４の各レンズセル上に形成された第２発光像２６は、偏光変換素子５上にも同様に形成される。この発光ダイオード光源１に対する第２発光像２６の倍率βは、上記距離Ａ、Ｂを用いて近似的に数式１で示される。

β＝Ｂ／Ａ … （数１）
照明光軸１００から離れた位置では、上記距離Ａが長くなるので、第２アレイレンズ４、偏光変換素子５上に投影される像は小さくなる。

偏光変換素子５上に形成された第２発光像２６を図５（ｂ）、第２アレイレンズ４の上に形成された第２発光像２６を図５（ｃ）に示す。ここでは、アレイレンズをＸ軸方向に８行、Ｙ軸方向に６列に分割した例を示している。第２アレイレンズ４の各レンズセル４０には、列を示す数字i(１〜６)と行を表す数字j(１〜８)を添えて示す。

以上を鑑みて、偏光変換素子５の開口部を通過する光の光密度を考える。まず、偏光変換素子５の照明光軸１００に隣接しているレンズセル４０_４４に形成される第２発光像２６について考察する。

ここで、液晶表示素子のアスペクト比がＭ：Ｎ、発光ダイオード光源１の発光面のアスペクト比が一般的な１：１である場合、第２アレイレンズ４、偏光変換素子５の開口部と第２光源像２６のサイズを図３(a)に示し、発光ダイオード光源１の発光面９０を図３(b)に示す。レンズセル４０_４４のＹ軸方向の長さをＭ×Ｈとすると、第２アレイレンズ４の各レンズセルの開口アスペクト比も前述したとおりＭ：Ｎ程度となるため、レンズセル４０_４４のＸ軸方向の長さはＮ×Ｈとなる。

しかし、偏光変換素子５の遮光板６０により、Ｙ軸方向の半分が遮光されるため、実効開口アスペクト比はＭ/２：Ｎとなり、Ｙ軸方向の開口長さはＭ×Ｈ/２となる。一方、発光ダイオード光源１の発光面９０の１辺の長さをＬとすると、第２光源像２６はＬ×βとなる。まず、第２光源像２６が、レンズセル４０_４４の開口部を全て通過するための関係式は数式２で示される。
Ｍ×Ｈ/２ ≧ Ｌ×β …（数２）
レンズセル４０_４４での第２光源像２６のサイズが最も大きいので、レンズセル４０_４４において、数式２が成り立てば、レンズセル４０全てにおいて、第２光源像２６は第２アレイレンズ４、偏光変換素子５の開口部を通過する。その際、倍率βを小さくしても、数式２は成立するが、第２光源像２６の面積が小さくなり、偏光変換素子５での光密度が大きくなるため、有機部材を含む偏光変換素子５の寿命が問題となる。そこで、光利用効率を損失することなく、光密度を最小にする条件は、数式３で示される。
Ｍ×Ｈ/２≒ Ｌ×β …（数３）
このとき、偏光変換素子５の開口部に占める、第２光源像２６の面積の割合は、数式４で示され、数式３を代入すると、Ｍ/（２Ｎ）となる。
( (Ｌ×β)×(Ｌ×β) )÷(Ｍ×Ｈ/２×Ｎ×Ｈ)≒Ｍ/（２Ｎ） …（数４）
ここで、液晶表示素子のアスペクト比を、一般的な解像度ＸＧＡの４：３とすると、数式４は３分の２（６６．７％）となる。つまり、実効開口部の内、３分の１には光が照射されておらず、依然として、偏光変換素子５に照射される光密度は大きい。照明光軸１００から離れた位置では、第２光源像２６の面積が更に小さくなるが、発光ダイオードの発光分布が照明光軸１００において、最大となるランベルト分布であるため、照明光軸１００付近での、光密度が最も高い。そのため、偏光変換素子５に含まれる、位相差板や接着剤などが中心付近から着色し、透過率が下がるという問題が生じる。つまり、光源として長寿命を実現可能でも、映像表示装置として、長寿命が困難であるという課題が想定される。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、励起光及び光源の一部として発光ダイオードやレーザーなどの固体光源をした場合や、励起光により蛍光体を発光させる光源を使用した際に、従来よりも、照明光学系の光学部品の寿命低下が少なく、高効率な投写型映像表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の投写型映像表示装置は、光源と、映像表示素子と、前記光源からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、を有する投射型映像表示装置において、前記照明光学系は、複数の矩形開口形状のレンズ素子をマトリックス状に配列した第１アレイレンズ及び第２アレイレンズと、前記第２アレイレンズの複数のレンズセルに対向して設けられたアレイ状に配置された複数の偏光ビームスプリッタと１／２λ位相差板により所望の偏光波を出射する偏光変換機能を備えた偏光変換素子を有し、前記光源の発光面形状が略矩形あるいは略楕円であり、前記発光面形状領域の長手方向が、前記偏光変換素子の開口部の長手方向と平行となるように配置されたことを特徴とする。

前記映像表示素子の短手方向の長さに対する長手方向の長さの比がＭ/Ｎ(Ｍ＞Ｎ)であるとき、前記光源の発光面形状の短手方向の長さに対する長手方向の長さの比が(４Ｎ×Ｎ)/(Ｍ×Ｍ)未満であることを特徴とする。

また、前記光源は発光ダイオード、レーザー、有機ＥＬ等、固体発光素子である。あるいは、発光ダイオード、レーザー、有機ＥＬ等、固体発光素子を励起光として、蛍光体を励起したものである。あるいは、発光ダイオード、レーザー、有機ＥＬ等、固体発光素子を拡散層で、拡散したものである。

本発明によれば、発光ダイオード、レーザー等の長寿命な光源を使用した際に、照明光学系においても、従来よりも、長寿命を実現した、投射型映像表示装置を提供できる。

本実施形態による第一の実施例である照明光学装置の要部構成図。 本実施形態による第一の実施例である光源像の要部構成図。 従来技術における光源像の要部構成図。 本発明による一実施形態に係わる投射型液晶表示装置の光学系の概略構成図。 従来技術における光源から液晶表示素子までの照明光学系の概略図。 偏光変換インテグレータの要部構成拡大図。

以下、本発明の最良の形態について、図を参照して説明する。なお、各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。ここでも、説明を容易とするために、課題の項と同様に、照明光軸をＺ軸とする直交座標を導入する。すなわち、Ｚ軸に直交する面内で、液晶表示素子の矩形照射有効領域の長辺に平行な方向の軸をＹ軸とし、矩形有効表示領域の短辺に平行な方向の軸をＸ軸とする。このＸ軸方向は偏光変換素子の開口部長手方向と平行で、Ｙ軸方向は該開口部の短手方向に平行である。

本発明に基づく実施例においては、偏光変換素子の寿命を改善するために、光源装置に工夫を加えたものである。詳細は後述するが、第１発光像の発光部の長手方向が、照明光軸に略直交する面内で偏光変換インテグレータを構成する偏光変換素子の開口部長手方向と平行であり、偏光変換素子の光照射密度を低減したことを特徴とする。

図４は、本発明による一実施形態に係わる光源装置を用いた投射型液晶表示装置の光学系の概略構成図である。図４（ａ）は、Ｘ軸方向から見た照明光軸を含むＹＺ断面での照明光学系の構成部であり、図４（ｂ）は、偏光変換素子５、第２アレイレンズ４の上に形成された光源像の概要を示すものであり、図４（ｃ）は、光源２００の発光面９００の形状を示すものである。

図４（ａ）において、光源２００から発光した白色光は、平行化レンズ２により略平行となり、偏光変換インテグレータに入射する。光源は発光ダイオード等の固体発光素子や、固体発光素子で励起された蛍光体の励起光である。偏光変換インテグレータは、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４からなる均一照明行うオプチカルインテグレータと、偏光方向を所定偏光方向に揃える偏光変換素子５とで構成される。

第１アレイレンズ３は、照明光軸方向から見て液晶表示素子とほぼ相似な矩形形状を有する複数のレンズセルがマトリクス（２次元）状に配設されたもので、光源から入射した光を複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第２アレイレンズ４と偏光変換素子５を通過するように導く。即ち、第１アレイレンズ３は光源２００の発光面と第２アレイレンズ４の各レンズセルとが光学的に共役な関係になるように設計されている。

第１アレイレンズ３と同様に、照明光軸方向から見て矩形形状の複数のレンズセルがマトリクス状に配設された構成を有する第２アレイレンズ４は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第１アレイレンズ３のレンズセルの形状を液晶表示素子１８に投影（写像）する。

この時、偏光変換素子５で第２アレイレンズ４からの光は所定の偏光方向に揃えられ、そして、第１アレイレンズ３の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ６、およびコンデンサレンズ１３、１４、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により各液晶表示素子１８上に重ね合わせられる。

なお、第２アレイレンズ４とこれに近接して配設される集光レンズ６とは、第１アレイレンズ３の各レンズセルと液晶表示素子１８とが、光学的に共役な関係になるように設計されているので、第１アレイレンズ３で複数に分割された光束は、第２アレイレンズ４と集光レンズ６によって、液晶表示素子１８上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。

以上述べたように、第１アレイレンズ３、第２アレイレンズ４、偏光変換素子５とで構成された偏光変換インテグレータは、光源からの偏光方向がランダムな光を所定偏光方向に揃えながら、液晶表示素子を均一照明することができる。

その過程で、ダイクロイックミラー１１により、例えばＢ光(青色帯域の光)は反射され、Ｇ光(緑色帯域の光)およびＲ光(赤色帯域の光)は透過されて２色の光に分離され、更に、Ｇ光とＲ光はダイクロイックミラー１２によりＧ光とＲ光に分離される。例えば、Ｇ光はダイクロイックミラー１２で反射され、Ｒ光はダイクロイックミラー１２を透過して３色の光に分離される。この光の分離の仕方は種々考えられ、ダイクロイックミラー１１でＲ光を反射させ、Ｇ光及びＢ光を透過させてもよいし、Ｇ光を反射させ、Ｒ光及びＢ光を透過させてもよい。

ダイクロイックミラー１１を反射したＢ光は、反射ミラー１０を反射し、コンデンサレンズ１３Ｂを通してＢ光用の液晶表示素子１８Ｂを透過して光合成プリズム２１に入射する。

一方、ダイクロイックミラー１１を透過したＧ光及びＲ光の内、Ｇ光はダイクロイックミラー１２を反射して、コンデンサレンズ１３Ｇを通してＧ光用液晶表示素子１８Ｇに入射し、この液晶表示素子１８Ｇを透過して光合成プリズム２１に入射する。

また、Ｒ光はダイクロイックミラー１２を透過し、第１リレーレンズ１５で集光され、更に反射ミラー８で反射され、第２リレーレンズ１６で更に集光され、反射ミラー９で反射された後、第３リレーレンズ１７で更に集光されてＲ光用の液晶表示素子１８Ｒに入射する。液晶表示素子１８Ｒを透過したＲ光は光合成プリズム２１に入射する。

各液晶表示素子を透過したＢ光、Ｇ光、Ｒ光は、光合成プリズム２１によってカラー映像として合成された後、例えばズームレンズであるような投射レンズ２２を通過し、スクリーン７に到達する。液晶表示素子１８上に光強度変調で形成された光学像は、投射レンズ２２によりスクリーン上に拡大投影され表示装置として機能するものである。

なお、第１の光路（Ｂ光）と第２の光路（Ｇ光）にはリレーレンズは使用されていないが、第３の光路（Ｒ光）にはＢ光、Ｇ光と光路長を等しくするためのリレーレンズ１５、１６が使用されている。また、本構成では光源２００として、白色光を使用したが、Ｂ色光光源、Ｇ色光光源、Ｒ色光光源の３つを使用し、第１アレイレンズ３の直前で、色合成プリズム等で３色を合成した後に、第１アレイレンズ３に入射しても良い。

以下、本実施形態により、寿命が向上した映像表示装を提供できる理由を、図４(b)と図４(c)を用いて説明する。

偏光変換素子５の開口部を通過する光の光密度を考える。そこで、偏光変換素子５の照明光軸１００に隣接しているレンズセル４０_４４に形成される第２光源像２６について考察する。

ここで、液晶表示素子のアスペクト比がＭ/Ｎ(Ｍ＞Ｎ)であり、Ｙ軸方向が長手方向となるように配置されており、光源２００の発光面の短手方向に対する長手方向のアスペクト比率が、αであるとする。このとき、第２アレイレンズ４、偏光変換素子５の開口部と第２光源像２６０の関係を図４(ｂ)に示し、光源２００の発光面９００を図４(ｃ)に示す。

レンズセル４０_４４のＹ軸方向の長さをＭ×Ｈとすると、第２アレイレンズ４の各レンズセルの開口アスペクト比も、前述したとおりＭ：Ｎ程度となるため、レンズセル４０_４４のＸ軸方向の長さはＮ×Ｈとなる。

しかし、偏光変換素子５の遮光板６０により、Ｙ軸方向の半分が遮光されるため、実効開口アスペクト比はＭ/２：Ｎとなり、Ｙ軸方向の開口長さはＭ×Ｈ/２となる。一方、光源２００の発光面９００の１辺のＹ軸方向の長さをＤとすると、Ｘ軸方向の長さはＤ×αとなる。従って、光源９００に対する第２光源像２６０は、拡大率をβとすると、Ｙ軸方向の長さをＤ×β、Ｘ軸方向の長さはＤ×α×βとなる。まず、第２光源像２６０が、レンズセル４０_４４の開口部を全て通過するための関係式は、数式５で示される。
Ｎ×Ｈ ≧ Ｄ×α×β …（数５）
次に、光利用効率を損失することなく、光密度を最小にする条件は、数式６で示される。
Ｎ×Ｈ ≒ Ｄ×α×β …（数６）
このとき、偏光変換素子５の開口部に占める、第２光源像２６０の面積の割合は、数式７で示される。
((Ｄ×β)×Ｄ×α×β))÷((Ｍ×Ｈ/２)×(Ｎ×Ｈ)) …（数７）
一方、従来技術のおける、偏光変換素子５の開口部に占める、第２光源像２６０の面積の割合は、数式４よりＭ/(２Ｎ)であるから、本発明の実施例において、偏光変換素子５での光密度が低減する条件は、数式８で示される。
((Ｄ×β)×Ｄ×α×β))÷((Ｍ×Ｈ/２)×(Ｎ×Ｈ)) ＞ Ｍ/(２Ｎ) …（数８）
このとき、αに対する条件として、数式９が成立する。
α ＜ (４Ｎ×Ｎ)/(Ｍ×Ｍ) …（数９）
つまり、液晶表示素子のアスペクト比がＭ/Ｎ(Ｍ＞Ｎ)でありＹ軸方向が長手方向となるように配置されている場合、光源の発光面形状の短手方向の長さに対する長手方向の長さの比が(４Ｎ×Ｎ)/(Ｍ×Ｍ)未満であれば、従来よりも偏光変換素子５に照射される光密度は低減し、偏光変換素子５に含まれる有機部材も延命する。

以上のように、本発明の実施形態によれば、本発明によれば、発光ダイオード、レーザー等の長寿命な光源を使用した際に、照明光学系においても、長寿命を実現した、投射型映像表示装置を提供できる。

ここでは、本実施の形態において、従来（光源アスペクト比１：１）よりも、偏光変換素子での光密度を低減し、寿命を改善できる、光源のアスペクト比について、図１および図２を用いて述べる。光源としては、青色励起光により、黄色蛍光体で黄色を励起したものを使用する。青色励起光源としては、発光ダイオード、レーザー等の固体発光素子とする。

図１(a)は、本実施例に係わる光源装置の要部構成図であり、Ｘ軸方向から見た照明光軸を含むＹＺ断面図であり、図１(ｂ)は青色励起光源１から透明部材２７までの要部構成図であり、ＸＹ断面をＺ軸方向から見たものである。

図１（ａ）において、励起光源装置３００は、蛍光体励起光用の青色励起光源１０１と、励起光源１０１を射出した光を平行にする平行化レンズ２０１を含む光源群である。光源装置３００から、略平行に射出した青色励起光は、青色を透過、黄色光(緑色及び赤色)を反射するダイクロイックミラー１４を通過し、集光レンズ２４により、透明基材２７の入射側に集光する。透明基材２７の入射側には、青色光を透過、黄色光(緑色及び赤色)を反射するダイクロイックコート２７２が蒸着されており、その上に、黄色蛍光体２７１が塗布されている。黄色蛍光体としてはＹＡＧ蛍光体が一般的であるが、これに限ったものではない。

青色励起光の一部は、黄色蛍光体２７１と反応するため、黄色光が全方位に発光するが、透明基材２７の出射側への黄色発散光はダイクロイックコート２７２で反射されるため、全ての黄色光が、集光レンズ２４の方向に発散する。黄色蛍光体２７１から発散した黄色光は、集光レンズ２４で略平行となり、ダイクロイックミラー１４で反射し、第１アレイレンズ３に入射する。

透明基材２７を通過した、一部の青色光は、透明基材２７の出射側に施された、拡散層２７３で拡散し、平行化レンズ２５で略平行となり、反射ミラー１９、反射ミラー２０、反射ミラー２３を反射し、ダイクロイックミラー１４を透過して、第１アレイレンズ３に入射する。

つまり、透明基材２７に集光された青色励起光の照射領域９０１(以下、第１発光像９０１)から、白色光が射出し、略平行となり第１アレイレンズ３に入射したのと等価となる。偏光変換インテグレータ以降の役割は、前述したとおりであり、説明を省略する。ここで、液晶表示素子のアスペクト比は４：３とし、第１アレイレンズ３、第２アレイレンズ４の各レンズセルサイズをＹ軸方向４ｍｍ、Ｘ軸方向３ｍｍ、偏光変換素子５の遮光板６０のＹ軸方向の長さを２ｍｍ、とする。

図１（ｂ）において、発光面１０２を有する青色励起光源１０１は、Ｘ軸方向に隣接して２つ並べた配置とする。青色励起光源１０１から発光した青色励起光は、平行化レンズ２０１で略平行となり、集光レンズ２４で、黄色蛍光体および青色拡散層を有する透明基材２７に集光する。透明基材２７上には、青色励起光源１０１の発光面１０２の拡大投影像である第１光源像９０１が形成されており、ここでは、拡大率が１０倍となるように、平行化レンズ２０１と、集光レンズ２４の曲率半径が決められているとする。

また、平行化レンズ２０１のレンズ頂点位置は、透明基材２７上で２つの青色励起光源１０１の発光面１０２の投影像がちょうど重ならないように、Ｘ軸方向に偏心してある。

図２（ａ）は、発光面１０２を有する青色励起光源１０１のサイズと配置方法を示したもの、図２（ｂ）は、透明部材２７に投影された第１光源像９０１を表すもの、図２（ｃ）は、第２アレイレンズ４のレンズセル４０_４４に投影された第２光源像２６１を表すものである。

図２（ａ）において、青色励起光源１０１の発光面１０２の大きさをＹ軸方向０．１５ｍｍ、Ｘ軸方向０．１５ｍｍとする。図２（ｂ）において、発光面１０２の像が１０倍に拡大されたものが、透明基材２７に第１光源像９０１として拡大投影されるため、発光面１０２からの各々の投影像の大きさは、Ｙ軸方向１．５ｍｍ、Ｘ軸方向１．５ｍｍであるが、Ｘ軸方向に、ちょうど重ならないように投影されるため、第１光源像９０１の大きさとしては、Ｙ軸方向１．５ｍｍ、Ｘ軸方向３．０ｍｍとなる。

第１光源像９０１から射出する光は、透明基材２７上の黄色蛍光体で励起された黄色光と、青色拡散層で拡散された青色光が合成され、白色光となる。

図２（ｃ）において、集光レンズ２４と第１アレイレンズ３の曲率半径が略同一とすると、第１光源像９０１の第２アレイレンズ４への投影像である、第２光源像２６１は、第１光源像９０１とほぼ同一の大きさとなるため、第２光源像２６１の大きさは、Ｙ軸方向１．５ｍｍ、Ｘ軸方向３．０ｍｍである。

このとき、第２アレイレンズ４、偏光変換素子５の開口サイズは、Ｙ軸方向２．０ｍｍ、Ｘ軸方向３．０ｍｍであるため、開口部に占める、第２光源像２６１の面積は、７５％であり、従来技術の６６．７％から改善されている。

ここで、光源のアスペクト比α＝２．０（＝３．０/１．５）、(４Ｎ×Ｎ)/(Ｍ×Ｍ)＝２．２５であるため、数９の関係式α＜(４Ｎ×Ｎ)/(Ｍ×Ｍ)を満たしている。つまり、上記光源のアスペクト比率を満たすように、発光面サイズ、励起光源数、励起光配置位置を決めればよい。また、上記アスペクト比率とは、青色励起光源１０１の発光面１０２ではなく、第１光源像９０１の大きさのアスペクト比率である。

１…従来技術の固体発光素子、２…平行化レンズ、３…第１アレイレンズ、４…第２アレイレンズ、５…偏光変換素子、６…集光レンズ、７…スクリーン、８…反射ミラー、９…反射ミラー、１０…反射ミラー、１１…ダイクロイックミラー、１２…ダイクロイックミラー、１３…コンデンサレンズ、１４…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…液晶表示素子、１９…反射ミラー、２０…反射ミラー、２１…光合成プリズム、２２…投射レンズ、２３…反射ミラー、２４…平行化レンズ、２５…平行化レンズ、２６・・・第２光源像、２７…透明基材、４０・・・第２アレイレンズのレンズセル、５０…偏光変換部、５１…透光性部材、５２…ＰＢＳ膜、５３…反射膜、５４…１／２λ位相差板、５５…開口部、６０…遮光部、９０…従来技術での第１光源像、１００…照明光軸、Ｓ１００…光軸面、１０１…実施例１での青色励起光、１０２…実施例１での青色励起光の発光面、２００…本発明の第１光源、２０１…実施例１での平行化レンズ、２６０…本発明の第２光源像、２６１…実施例１での第２光源像、２７１…黄色蛍光体、２７２…ダイクロイックコート、２７３…青色拡散層、３００…実施例１での光源装置、９００…本発明の第１光源像、９０１…実施例１での第１光源像

Claims (5)

1. 光源と、
   映像表示素子と、
   前記光源からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子を有する照明光学系と、
   前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、
   を備えた投射型映像表示装置において、
   前記照明光学系は、矩形開口形状のレンズ素子をマトリックス状に複数配列した第１アレイレンズ及び第２アレイレンズと、
   前記第２アレイレンズの複数のレンズ素子に対向して設けられた、所定の方向にアレイ状に配置された複数の偏光ビームスプリッタと１／２λ位相差板により偏光の方向を変更した偏光光を出射する偏光変換機能を備えた偏光変換素子と
   を有し、
   前記光源の発光面形状が略矩形あるいは略楕円であり、前記発光面形状の短手方向が、前記所定の方向と略平行であり、前記発光面形状の長手方向が、前記偏光変換素子の開口部の長手方向と略平行となるように配置された
   ことを特徴とする投写型映像表示装置。
2. 前記映像表示素子の短手方向の長さに対する長手方向の長さの比がＭ/Ｎ(Ｍ＞Ｎ)であるとき、前記光源の発光面形状の短手方向の長さに対する長手方向の長さの比が(４Ｎ×Ｎ)/(Ｍ×/Ｍ)未満である
   ことを特徴とする請求項１に投写型映像表示装置。
3. 前記光源は、発光ダイオードまたは半導体レーザーまたは有機ＥＬの固体発光素子である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の投写型映像表示装置。
4. 前記光源は、発光ダイオードまたは半導体レーザーまたは有機ＥＬの固体発光素子からの光を励起光として、蛍光体を励起したものである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の投写型映像表示装置。
5. 前記光源は、発光ダイオードまたは半導体レーザーまたは有機ＥＬの固体発光素子からの光を拡散層で拡散したものである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の投写型映像表示装置。

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