JP2000155534A - 投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源からの光を無駄なく変調して明るくしか
も明るさにむらのない画像を表示することが可能で、光
変調用の液晶パネルの画素が偏平な形状の投射型画像表
示装置を提供する。 【解決手段】 液晶パネルの前面に、液晶パネルの画素
と略相似な形状のマイクロレンズセルから成るマイクロ
レンズアレイを、マイクロレンズセルの長辺方向が画素
の短辺方向に一致するように配置する。インテグレータ
で形成した複数の２次光源像の光をマイクロレンズアレ
イ全体に導き、各マイクロレンズセルで画素上に結像さ
せる。マイクロレンズセルの長辺方向のＦ値が短辺方向
のＦ値よりも小さいため、光のぼけは画素の長辺方向よ
りも短辺方向で小さくなり、結像した光は各画素内に収
まる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源からの光を変
調して投射することにより画像を表示する投射型画像表
示装置に関し、より詳しくは、光の変調のために偏平な
形状の画素を有する液晶パネルを備えるとともに、光源
からの光を複数の光源像として一旦結像させ、これらの
光源像の光をマイクロレンズアレイで液晶パネルの各画
素に結像させる投射型画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光源からの光を変調して投射することに
より画像を表示する投射型画像表示装置が、投射テレビ
やデータプロジェクタとして利用されている。一般に、
光の変調は液晶パネルによって行われる。液晶パネルは
２次元に配列された多数の画素を有しており、入射した
光を各画素で偏光変換して、変換後の光に偏光の強度分
布の変化をもたらすことにより光の変調を行う。各画素
の偏光変換は画像信号に応じて個別に制御され、画素ご
とに偏光変換の程度が異なることにより画素間で変換後
の偏光の量に差が生じる。量に差が生じた偏光をスクリ
ーンに投射することで、輝度に差のある像すなわち画像
が表示される。

【０００３】投射型画像表示装置は、明るくしかも明る
さにむらのない画像を表示することが望ましい。ところ
が、液晶パネルが変調する光は偏光面が一定方向の偏光
成分であり、偏光面がこれに垂直な偏光成分は投射に利
用されない。このため、偏光面が無秩序な光を発する光
源からそのまま液晶パネルに光を与えると、光源の能力
の半分の明るさの画像しか表示できないことになる。ま
た、一般に、発光部が略点状のランプとリフレクタで光
源を構成し、ランプの発する光をリフレクタで反射して
集光するようにしているため、光源からの光に光束の中
央部と周辺部で強度差が生じ易い。この光束をそのまま
液晶パネルに導くと、液晶パネルが受ける光の量にパネ
ル上の部位間で差が生じることになり、表示する画像の
明るさにむらが生じる結果となる。

【０００４】光源が発する光をより多く変調して投射す
るために、偏光面が無秩序な光を偏光分離して偏光面が
垂直な２つの偏光とし、その一方を偏光変換して両者の
偏光面を一致させて、液晶パネルに導くことが行われて
いる。このようにすると、光源が発する全ての光が変調
に利用されることになり、画像の明るさは倍増する。通
常、偏光分離は、偏光面が互いに垂直な偏光成分の一方
を透過させ他方を反射する偏光ビームスプリッタ（ＰＢ
Ｓ）によって行われ、偏光変換は、偏光面を９０゜回転
させる１／２波長板によって行われる。

【０００５】液晶パネルに与える光の強度分布を均一に
するために、インテグレータを備えて、光源からの光を
複数の光源像として一旦結像させ、各光源像の光を液晶
パネルの全面に入射させることも行われている。インテ
グレータは２つのレンズアレイで構成され、光源からの
光を第１のレンズアレイの各レンズセルで第２のレンズ
アレイの対応するレンズセル上に結像させ、その複数の
光源像の光をそれぞれ液晶パネルの全面に導く。これに
より、液晶パネルのどの部位にも、光源からの光束の中
央部の光と周辺部の光とが混じり合って与えられること
になる。その結果、液晶パネルの受光量に部位間の差が
なくなって、均一な明るさの画像が表示される。

【０００６】インテグレータにＰＢＳアレイと１／２波
長板を組み込んで、光の強度の均一化と偏光変換とを一
度に行うようにした構成も用いられている。

【０００７】液晶パネルでは、隣合う画素の光が混合す
るのを防止するために画素を仕切る必要があり、また、
各画素を駆動するためにＴＦＴ等の回路部品が備えられ
る。これらの仕切りや回路部品が設けられた部位はブラ
ックマトリクスと呼ばれ、各画素はブラックマトリクス
で囲まれている。光はブラックマトリクスには入射せ
ず、または入射しても出射せず、ブラックマトリクスに
入射する光を投射に用いることはできない。これも画像
の明るさの向上を妨げる原因となっている。

【０００８】液晶パネルの前面にマイクロレンズアレイ
を配置して、インテグレータからの光をブラックマトリ
クスを避けて画素の開口のみに入射させることにより、
光の利用効率を高めて、表示する画像の明るさを向上さ
せることが、特開平９−３１８９０４号公報に提案され
ている。この公報の装置は、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）
光、青色（Ｂ）光を変調するための画素を１つの液晶パ
ネルに交互に設けた、単板式の投射型カラー画像表示装
置であり、インテグレータはＲ、Ｇ、Ｂ光を個別に結像
させるように設定されている。マクロレンズセルは、液
晶パネルのＲ、Ｇ、Ｂの３つの画素の複数組に対して１
つ備えられている。

【０００９】１つの実施例では、画素は正方形に近い形
状、マイクロレンズセルは正六角形に近い形状とされて
いる。各マイクロレンズセルは、対向する複数の画素組
とその周囲の画素組の画素に、インテグレータからの光
を結像させる。別の実施例では、液晶パネルの画素を長
方形とし、マイクロレンズセルを画素の短辺の３倍の幅
をもつシリンドリカルレンズとして、シリンドリカルレ
ンズの幅方向が画素の短辺と平行になるように配置して
いる。各マイクロレンズセルは、対向する画素組の列と
その両隣の画素組の列の画素に、インテグレータからの
光を結像させる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】一般に、投射型画像表
示装置に使用される液晶パネルの画素は、画像の精細度
を高めるために、大きくても３０μｍ程度に設定されて
おり、この大きさに対応するマイクロレンズセルのＦ値
は２０程度以上となる。このようにＦ値の大きなマイク
ロレンズセルでは、回折の影響が現れて結像性能が低下
し、像がぼけて広がるようになる。光の波長をλとする
と、回折によるぼけ量ΔはΔ＝λ・Ｆであるから、Ｆ＝
２０のマイクロレンズセルでは、λ＝４００〜７００ｎ
ｍの可視光のぼけはΔ＝８〜１４μｍとなる。したがっ
て、画素の大きさが１４μｍ程度以上であれば、マイク
ロレンズセルはほとんど全ての光を画素に入射させるこ
とができる。

【００１１】ところが、単板式の投射型カラー画像表示
装置では、液晶パネルの画素を偏平な長方形としてその
短辺方向にＲ、Ｇ、Ｂの画素を配列することが多く、短
辺の長さは長辺の長さの１／３程度とされる。このた
め、長辺が３０μｍであっても短辺は１０μｍ程度とな
り、Ｆ＝２０以上のマイクロレンズセルでは、全ての光
を画素に入射させることができなくなる。

【００１２】また、光をスクリーンに対して斜め方向か
ら投射する投射型画像表示装置では、表示する画像の縦
横の長さが不自然にならないようにするために、投射レ
ンズの拡大率を縦方向と横方向で違えるアナモルフィッ
ク投射をするようにしている。アナモルフィック投射を
する場合、通常、液晶パネルの画素は投射レンズの縦横
の拡大率の比に応じた偏平な形状とされる。この場合
も、画素の短辺が１４μｍ以下であれば、Ｆ＝２０以上
のマイクロレンズセルによって全ての光を画素に入射さ
せることはできない。

【００１３】したがって、前述の公報の六角形のものの
ように、光を等方的に結像させるマイクロレンズセルで
は、画素の形状が偏平な液晶パネルでの光の利用効率が
低くなってしまう。また、同公報のシリンドリカルレン
ズのように、光を結像させる方向を画素の短辺方向とす
るとともに、短辺方向の１組の画素に対向して配設した
マイクロレンズセルでも、Ｆ値を小さくすることはでき
ず、光の利用効率の向上を図ることはできない。しか
も、このマイクロレンズセルは画素の長辺方向には結像
性能をもたないから、長辺方向に沿って配列されている
画素間のブラックマトリクスに光が入射することになっ
て、液晶パネルでの光の利用効率は一層低くなる。

【００１４】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、光源からの光を無駄なく変調して明るくしかも明
るさにむらのない画像を表示することが可能で、光変調
用の液晶パネルの画素が偏平な形状の投射型画像表示装
置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、光源と、光源からの光を結像させて複
数の光源像を形成する光源像形成光学系と、２次元に配
列された多数の画素を有し、各画素に入射する複数の光
源像からの光を変調する液晶パネルと、２次元に配列さ
れた複数のマイクロレンズセルを有し、各マイクロレン
ズセルによって複数の光源像からの光を液晶パネルの画
素上に結像させるマイクロレンズアレイと、液晶パネル
によって変調された光をスクリーンに投射する投射光学
系を備える投射型画像表示装置であって、液晶パネルの
各画素が、第１の方向に長く第１の方向に垂直な第２の
方向に短い、偏平な形状を有するものにおいて、マイク
ロレンズアレイの各マイクロレンズセルを、第２の方向
に長く第１の方向に短い、偏平な形状を有するものとす
る。

【００１６】この装置では、液晶パネルの画素とマイク
ロレンズアレイのマイクロレンズセルは共に偏平な形状
であるが、両者は互いに垂直方向を向き、マイクロレン
ズセルの長辺方向が画素の短辺方向に一致する。偏平な
形状のマイクロレンズセルでは、短辺方向のＦ値に比べ
て長辺方向のＦ値が小さくなり、長辺方向のぼけは小さ
くなる。このぼけの小さい方向を液晶パネルの画素の短
辺方向に一致させることで、画素上に結像する光が画素
内に収まり易くなり、液晶パネルによって変調される光
の量が増大する。

【００１７】具体的には、上記の投射型画像表示装置に
おいて、液晶パネルの各画素の第１の方向と第２の方向
の長さの比と、マイクロレンズアレイの各マイクロレン
ズセルの第２の方向と第１の方向の長さの比を、略等し
くする。このようにすると、マイクロレンズアレイによ
って結像する光の画素の長辺方向と短辺方向のぼけの比
が、画素の長辺方向と短辺方向の長さの比に略等しくな
って、画素上に結像する光が画素のどちらの方向にも過
不足なく収まるようになる。

【００１８】本発明ではまた、上記の投射型画像表示装
置において、投射光学系の光束の拡大率を、第１の方向
に小さく第２の方向に大きくする。この装置はアナモル
フィック投射を行うことになる。ここで、投射光学系の
拡大率が画素の長辺方向でより小さいため、スクリーン
上に表示される画像の各画素は液晶パネルの各画素ほど
偏平でなくなり、また、画像の精細度は２つの方向であ
まり違わなくなる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の投射型画像表示装置（以
下、単に投射表示装置ともいう）の実施形態について、
図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の投射型
画像表示装置１の光学系の全体構成を図１に示す。投射
表示装置１は、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を１つの液晶パネルに
よって変調する単板式のカラー画像表示装置である。投
射表示装置１は、光源１１、インテグレータ１２、ＰＢ
Ｓプリズム１３、１／２波長板１４、フィールドレンズ
１５、回折格子１６、マイクロレンズアレイ１７、透過
型液晶パネル１８、および投射光学系１９を備えてい
る。液晶パネル１８は長辺と短辺の長さの比が４：３の
長方形である。

【００２０】光源１１はメタルハライドランプ１１ａと
放物面状のリフレクタ１１ｂより成る。ランプ１１ａ
は、偏光面が無秩序で可視領域の波長全体を含む白色光
を発する。ランプ１１ａはリフレクタ１１ｂの焦点上に
配置されており、リフレクタ１１ｂはランプ１１ａが発
する光を反射して平行光束とする。

【００２１】インテグレータ１２は、それぞれ複数のレ
ンズセルが２次元に配列された第１、第２のレンズアレ
イ１２ａ、１２ｂと、重ね合わせレンズ１２ｃより成
る。具体的には、第１のレンズアレイ１２ａは液晶パネ
ル１８の長辺に対応する方向に５つ、短辺に対応する方
向に８つのレンズセルを有し、第２のレンズアレイ１２
ｂは液晶パネル１８の長辺に対応する方向に１０、短辺
に対応する方向に８つのレンズセルを有する。レンズア
レイ１２ｂの隣合う１対のレンズセルがレンズアレイ１
２ａの１つのレンズセルに対応する。

【００２２】第１のレンズアレイ１２ａの各レンズセル
は光源１１からの光を第２のレンズアレイ１２ｂの対応
するレンズセル上に結像させる。第２のレンズアレイ１
２ｂの各レンズセルには光源像が形成され、レンズアレ
イ１２ｂは複数の光源像が２次元に配列された面状の２
次光源となる。重ね合わせレンズ１２ｃは、第２のレン
ズアレイ１２ｂの各レンズセル上の光源像の光を液晶パ
ネル１８の全面に導く。

【００２３】すなわち、第１のレンズアレイ１２ａと液
晶パネル１８は略共役であり、第２のレンズアレイ１２
ｂと光源１１は略共役であって、第１のレンズアレイ１
２ａの各レンズセルに入射する光源１１からの光は、光
源像として一旦個別に結像した後、液晶パネル１８上で
重なり合う。なお、重ね合わせレンズ１２ｃの機能をレ
ンズアレイ１２ｂの各レンズセルにもたせて、重ね合わ
せレンズ１２ｃを省略することも可能である。

【００２４】ＰＢＳプリズム１３は、断面が直角二等辺
三角形の三角プリズム１３ａと、その斜面に接合された
平行平板１３ｂより成る。プリズム１３ａと平板１３ｂ
の接合面には、Ｐ偏光を透過させＳ偏光を反射するＰＢ
Ｓ膜１３ｃが形成されており、平板１３ｂの他方の面は
全反射面１３ｄとされている。インテグレータ１２のレ
ンズアレイ１２ａ、１２ｂは、プリズム１３ａの直交す
る２つの面に対向して配置されている。

【００２５】第１のレンズアレイ１２ａのレンズセルを
透過した光源１１からの光は、ＰＢＳ膜１３ｃに入射
し、その光に含まれるＳ偏光はＰＢＳ膜１３ｃによって
反射され、Ｐ偏光はＰＢＳ膜１３ｃを透過する。これに
より偏光分離がなされる。ＰＢＳ膜１３ｃによって反射
されたＳ偏光は、第２のレンズアレイ１２ｂの対を成す
２つのレンズセルの一方に入射して、結像する。ＰＢＳ
膜１３ｃを透過したＰ偏光は、全反射面１３ｄによって
反射されて、レンズアレイ１２ｂの対を成す２つのレン
ズセルの他方に入射し、結像する。

【００２６】１／２波長板１４は、レンズアレイ１２ｂ
のＰＢＳプリズム１３側に設けられ、Ｐ偏光が入射する
レンズセルに対応して配置されている。１／２波長板１
４は透過するＰ偏光をＳ偏光に変換し、したがって、レ
ンズアレイ１２ｂに入射する光すなわちインテグレータ
１２を出る光は全てＳ偏光となる。

【００２７】第２のレンズアレイ１２ｂ上の光源像の分
布を図２に示す。光源１１からの光はレンズアレイ１２
ｂの各レンズセルの中央に結像して、光源像を形成す
る。図２において、実線で示した光源像は元々Ｓ偏光の
光によるもの、破線で示した光源像は１／２波長板１４
によってＰ偏光からＳ偏光に変換された光によるもので
ある。

【００２８】液晶パネル１８は長方形であるが、後述す
るように、画像の１点を表す光を変調するための画素の
組が長辺方向と短辺方向とに等しいピッチで配列されて
いる。この画素の配列ピッチに対応して光源像もレンズ
アレイ１２ｂ上でその長辺方向と短辺方向とで等しい配
列ピッチになるように、レンズアレイ１２ａの各レンズ
セルは偏心して形成されており、レンズアレイ１２ｂの
各レンズセルは正方形とされている。光源像の分布と画
素組の分布を一致させたことにより、光源像からの光を
画素に効率よく入射させることができる。

【００２９】フィールドレンズ１５は、液晶パネル１８
を透過する光が全て投射光学系１９に入射するように、
レンズアレイ１２ｂからの光を液晶パネル１８に対して
略垂直な方向に向ける。回折格子１６は、フィールドレ
ンズ１５を透過したレンズアレイ１２ｂからの白色光を
回折させて、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の光に分解する。

【００３０】マイクロレンズアレイ１７は入射する光を
液晶パネル１８上に結像させる。すなわち、インテグレ
ータ１２の第２のレンズアレイ１２ｂと液晶パネル１８
は略共役である。回折格子１６によって分解されたＲ、
Ｇ、Ｂの３色の光は、回折角の違いにより僅かに異なる
方向に進み、マイクロレンズアレイ１７によって液晶パ
ネル１８の異なる画素上に結像させられる。

【００３１】投射光学系１９は、液晶パネル１８の各画
素を透過して変調された光を図外のスクリーンに投射す
る。投射された光はスクリーン上で結像してカラー画像
を表示する。

【００３２】マイクロレンズアレイ１７と液晶パネル１
８の一部を図３に示す。液晶パネル１８は、Ｒ光、Ｇ
光、Ｂ光をそれぞれ変調するための３種の画素１８Ｒ、
１８Ｇ、１８Ｂを２次元に多数配列して成る。画素１８
Ｒ、１８Ｇ、１８ＢにはそれぞれＲ光、Ｇ光、Ｂ光を選
択的に透過させ他の光を遮断するカラーフィルターが備
えられている。画素１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂは長辺が略
３０μｍ、短辺が略１０μｍの偏平な長方形であり、長
辺および短辺をそれぞれ揃えて配列されている。各画素
１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの周囲にはブラックマトリクス
１８ｍが存在する。

【００３３】３種の画素１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂはこの
順で短辺方向に交互に配列されており、長辺方向の画素
列は同一色の光を変調する画素１８Ｒ、１８Ｇまたは１
８Ｂで構成されている。短辺方向の隣合う３つの画素１
８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂによって画像の１点を表す光の変
調が行われる。以下、短辺方向の隣合う３つの画素１８
Ｒ、１８Ｇおよび１８Ｂの組を画素単位１８ｕという。
画素単位１８ｕは一辺が略３０μｍの正方形であり、画
素単位１８ｕの配列ピッチは画素の長辺方向と短辺方向
で等しい。

【００３４】マイクロレンズアレイ１７は複数のマイク
ロレンズセル１７ｃを２次元に配列して成る。マイクロ
レンズセル１７ｃは長辺が略９０μｍ、短辺が略３０μ
ｍの偏平な長方形であり、画素１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ
と略相似で３つの画素単位１８ｕに相当する大きさを有
する。各マイクロレンズセル１７ｃのレンズ面の長辺方
向と短辺方向の曲率は等しく、マイクロレンズセル１７
ｃの結像性能は等方的である。

【００３５】マイクロレンズアレイ１７は、マクロレン
ズセル１７ｃの長辺が液晶パネル１８の画素の短辺と平
行になるように配置されている。また、第２のレンズア
レイ１２ｂ上に形成される光源像の分布が液晶パネル１
８の画素単位１８ｕの分布に一致していること、およ
び、第２のレンズアレイ１２ｂが長辺方向にも短辺方向
にも偶数のレンズセルをもつことに対応して、マイクロ
レンズアレイ１７は、マイクロレンズセル１７ｃの光軸
が隣合う４つの画素単位１８ｕの中央（図中×印で示
す）を通るように配置されている。したがって、１つの
マイクロレンズセル１７ｃに、６つの画素単位１８ｕが
１／２ずつ対向している。

【００３６】図４に、回折格子１６による光の色分解と
マイクロレンズセル１７ｃによる液晶パネル１８上への
光の結像の様子を模式的に示す。図４はマイクロレンズ
セル１７ｃの短辺方向から見たものである。マイクロレ
ンズセル１７ｃには第２のレンズアレイ１２ｂの全ての
レンズセルからの光が入射するが、ここでは図が煩雑に
なるのを避けるために、レンズアレイ１２ｂの隣合う３
つのレンズセルからの光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のみを示す。
光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、例えば図２のレンズセルＣ４、
Ｃ３、Ｃ２からの光である。なお、画素１８Ｒ、１８
Ｇ、１８Ｂを３つの画素単位１８ｕ間で区別するため
に、それぞれの符号の末尾に１〜３の数字を付してあ
る。

【００３７】レンズアレイ１２ｂの１つのレンズセルか
らの光Ｌ１は、マイクロレンズセル１７ｃに入射する前
に、回折格子１６によってＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分解され
る。これらＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、マイクロレンズセル１
７ｃを透過することにより、液晶パネル１８の隣合う３
つの画素１８Ｒ１、１８Ｇ１、１８Ｂ１上にそれぞれ結
像する。

【００３８】隣のレンズセルからの光Ｌ２の色分解で生
じたＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、光Ｌ１由来のＲ光、Ｇ光、Ｂ
光が結像する各画素から３画素離れた３つの画素１８Ｒ
２、１８Ｇ２、１８Ｂ２上にそれぞれ結像する。さらに
隣のレンズセルからの光Ｌ３の色分解で生じたＲ光、Ｇ
光、Ｂ光は、光Ｌ１由来のＲ光、Ｇ光、Ｂ光が結像する
各画素から６画素離れた３つの画素１８Ｒ３、１８Ｇ
３、１８Ｂ３上にそれぞれ結像する。

【００３９】このように、１つのマイクロレンズセル１
７ｃは、画素の短辺に対応する列の各光源像の光を、液
晶パネル１８の画素の短辺方向に１画素単位１８ｕずつ
ずらして結像させる。マイクロレンズセル１７ｃは画素
の短辺方向については３つの画素単位１８ｕに１つの割
で設けられているから、各画素単位１８ｕには画素の短
辺に対応する列の３つおきの光源像の光が与えられるこ
とになる。

【００４０】図示しないが、１つのマイクロレンズセル
１７ｃは、画素の長辺に対応する列の各光源像の光を、
液晶パネル１８の画素の長辺方向に１画素単位１８ｕず
つずらして結像させる。マイクロレンズセル１７ｃは画
素の長辺方向については１つの画素単位１８ｕに１つの
割で設けられているから、各画素単位１８ｕには画素の
長辺に対応する列の全ての光源像の光が与えられる。

【００４１】長辺と短辺の長さの比が略３：１であるマ
イクロレンズセル１７ｃの長辺方向のＦ値は、短辺方向
のＦ値の略１／３となる。当然、マイクロレンズセル１
７ｃが結像させる光の長辺方向のぼけも、短辺方向のぼ
けの略１／３となる。マイクロレンズセル１７ｃの長辺
方向は画素１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの短辺方向に対応し
ており、ぼけの小さい方向が画素の短辺方向に一致す
る。したがって、マイクロレンズセル１７ｃの結像性能
が等方的でありながら、容易に光を各画素内のみに結像
させることができる。

【００４２】具体的には、マイクロレンズセル１７ｃの
短辺方向のＦ値は従来と同程度の略２０に設定されてお
り、長辺方向のＦ値は略６．７となっている。したがっ
て、マイクロレンズセル１７ｃが結像させる可視光のぼ
けは、画素の長辺方向が８〜１４μｍ、画素の短辺方向
が２．７〜４．７μｍとなり、どの波長の可視光も各画
素の略３０μｍの長辺、略１０μｍの短辺のどちらの方
向にも確実に収まる。このため、画素１８Ｒ、１８Ｇ、
１８Ｂ外のブラックマトリクス１８ｍに入射する光は皆
無となり、全ての光を変調して投射に用いることができ
る。

【００４３】マイクロレンズセル１７ｃと液晶パネル１
８の各画素は略相似であり、両者の長辺と短辺の長さの
比（以下、偏平度という）は略等しい。マイクロレンズ
セル１７ｃの長辺方向を液晶パネル１８の各画素の短辺
方向に一致させることで、画素の短辺方向の光のぼけを
小さくすることができるから、マイクロレンズ１７ｃと
画素の偏平度を必ずしも一致させる必要はない。しかし
ながら、マイクロレンズ１７ｃの偏平度と画素の偏平度
を略等しくすると、画素の長辺方向の光のぼけと短辺方
向の光のぼけの比を、画素の長辺と短辺の長さの比に略
等しくすることができる。

【００４４】これにより、マイクロレンズセルのＦ値を
多少大きくしても、光を画素の長辺方向と短辺方向のど
ちらにも過不足のない大きさで結像させることが可能に
なる。例えば、表示する画像の精細度をより高めるため
に液晶パネル１８の各画素１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂを小
さく形成し、これに応じてマイクロレンズセル１７ｃを
小さくしてそのＦ値が大きくなっても、画素の長辺およ
び短辺の一方に光が収まるようにＦ値を設定するだけ
で、他方にも確実に光が収まることになる。

【００４５】マイクロレンズセル１７ｃを１つの画素単
位１８ｕに対して１つの割で備えれば、全ての画素単位
１８ｕに全ての光源像の光が与えられて、画素単位１８
ｕ間で受光量に差は生じない。しかしながら、３つの画
素単位１８ｕに対して１つの割でマイクロレンズセル１
７ｃを備えた投射表示装置１では、前述のように、各画
素単位１８ｕには３つおきの光源像の光が与えられるこ
とになる。また、光源１１からインテグレータ１２に入
射する光の量が中央部と周辺部で異なり、第２のレンズ
アレイ１２ｂに入射する光の量にはレンズセル間で差異
がある。このため、画素単位１８ｕの受光量には多少ば
らつきが生じる。

【００４６】上記構成の光源１１およびインテグレータ
１２において、第１のレンズアレイ１２ａのレンズセル
の大きさを１４．２×８．８ｍｍとした場合の、第２の
レンズアレイ１２ｂの各レンズセルに入射する光の相対
強度を表１に示す。表１のＡ〜Ｊ、１〜８の符号は、図
２の符号に対応する。

【００４７】

【表１】

【００４８】液晶パネル１８の画素単位１８ｕは、Ａ１
〜Ｊ１、Ａ４〜Ｊ４、Ａ７〜Ｊ７のレンズセルからの光
を受ける第１の群と、Ａ２〜Ｊ２、Ａ５〜Ｊ５、Ａ８〜
Ｊ８のレンズセルからの光を受ける第２の群と、Ａ３〜
Ｊ３、Ａ６〜Ｊ６のレンズセルからの光を受ける第３の
群に分類される。画素単位１８ｕの受光量を表１の強度
から算出すると、最大の第１および第２の群の受光量は
最小の第３の群の受光量の１．１３倍となり、あまり大
きな差は生じないことが判る。

【００４９】正方形のマイクロレンズセルによって、画
素の短辺方向の光のぼけを投射表示装置１と同じにする
構成を考える。この場合、マイクロレンズセルは画素の
短辺方向だけでなく長辺方向についても３つの画素単位
１８ｕに対向するから、第１〜第３の群はいずれもさら
に３つの群に分類されることになる。例えば、第１の群
は、Ａ１、Ａ４、Ａ７、Ｄ１、Ｄ４、Ｄ７、Ｇ１、Ｇ
４、Ｇ７、Ｊ１、Ｊ４、Ｊ７のレンズセルからの光を受
ける群、Ａ２、Ａ５、Ａ８、Ｄ２、Ｄ５、Ｄ８、Ｇ２、
Ｇ５、Ｇ８、Ｊ２、Ｊ５、Ｊ８のレンズセルからの光を
受ける群、Ａ３、Ａ６、Ｄ３、Ｄ６、Ｇ３、Ｇ６、Ｊ
３、Ｊ６のレンズセルからの光を受ける群となる。

【００５０】表１の強度から計算すると、９群の画素単
位の受光量の最大値は最小値の１．２５倍になる。画素
単位の受光量のばらつきは投射表示装置１の２倍にも達
し、表示する画像の明るさのむらが増す結果となる。

【００５１】偏平な形状のマイクロレンズセル１７ｃを
その長辺を画素の短辺に対応して配置した投射表示装置
１では、光を確実に画素内に収めることができるから、
マイクロレンズセルを偏平でない形状として、画素の長
辺方向の光のぼけをさらに小さくする必要はない。マイ
クロレンズセルを偏平でない形状とすることは、光の有
効利用には寄与しないからあまり意味がなく、むしろ、
上述のように画像の明るさのむらを助長する結果となる
から、好ましくないといえる。

【００５２】なお、本実施形態の投射表示装置１は単板
式のカラー画像表示装置であり、画素単位１８ｕを略正
方形とするために、液晶パネル１８の画素やマイクロレ
ンズセル１７ｃの偏平度を略３としているが、これらの
偏平度はこの値に限られるものではない。また、マイク
ロレンズセル１７ｃの短辺方向は１つの画素単位に対応
するようにしているが、画素の受光量にあまり大きなば
らつきが生じない範囲で、マイクロレンズセル１７ｃの
短辺方向に複数の画素単位に対応させてもよい。

【００５３】例えば、画素の長辺を短辺の２倍とし、マ
イクロレンズセルの短辺を画素の長辺の２倍、長辺を画
素の短辺の９倍とすることができる。この場合、マイク
ロレンズセルの短辺には２つの画素単位が対応すること
になるが、画素単位間で受光量に大きなばらつきは生じ
ない。画素の偏平度は２、マイクロレンズセルの偏平度
は２．２５となる。また、例えば、画素の長辺とマイク
ロレンズセルの短辺を本実施形態のとおりとし、マイク
ロレンズセルの長辺を画素の短辺の６倍として、マイク
ロレンズセルの長辺を２つの画素単位に対応させること
も可能である。この場合、画素単位間の受光量のばらつ
きはさらに低下する。画素の偏平度は３、マイクロレン
ズセルの偏平度は２となる。

【００５４】第２の実施形態の投射型画像表示装置２の
光学系の全体構成を図５に示す。この投射表示装置２
も、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を１つの液晶パネルによって変調
する単板式のカラー画像表示装置である。投射表示装置
２は、光源２１、カライドスコープ２２、コンデンサレ
ンズ２３、リレー光学系２４、ＰＢＳプリズムアレイ２
５、１／２波長板２６、ダイクロイックミラー群２７、
フィールドレンズ２８、マイクロレンズアレイ２９、透
過型液晶パネル１８、および投射光学系１９を備えてい
る。液晶パネル１８および投射光学系１９は第１の実施
形態の投射表示装置１のものと同一である。

【００５５】光源２１はメタルハライドランプ２１ａと
楕円面状のリフレクタ２１ｂより成る。ランプ２１ａ
は、偏光面が無秩序で可視領域の波長全体を含む白色光
を発する。ランプ２１ａはリフレクタ２１ｂの第１焦点
上に配置されており、リフレクタ２１ｂはランプ２１ａ
が発する光を反射して第２焦点に集光させる。

【００５６】カライドスコープ２２は液晶パネル１８の
長辺と短辺に対応する方向の比が４：３の長方形の断面
を有している。カライドスコープ２２の入射面２２ａは
リフレクタ２１ｂの第２焦点上に位置しており、ランプ
２１ａと略共役である。ランプ２１ａの光は入射面２２
ａの中央に結像し、効率よくカライドスコープに入射す
る。カライドスコープ２２に入射した光はカライドスコ
ープ２２内で全反射を繰り返し、均一な光量分布になっ
て出射面２２ｂから出射する。

【００５７】コンデンサレンズ２３はカライドスコープ
２２から出射する光をリレー光学系２４の瞳面に結像さ
せる。カライドスコープ２２の入射面２２ａとリレー光
学系２４の瞳面は略共役である。リレー光学系２４の瞳
面上には、カライドスコープ２２内での反射回数に応じ
た位置に、複数の光源像が形成される。

【００５８】リレー光学系２４は２つの凸レンズ２４
ａ、２４ｂより成り、入射側のレンズ２４ａはカライド
スコープ２２からの光をレンズ２４ａ、２４ｂの間で平
行にする。光の平行度を高めるために、入射側のレンズ
２４ａには非球面レンズを用いている。カライドスコー
プ２２の出射面２２ｂと液晶パネル１８はリレー光学系
２４により略共役であり、また、カライドスコープ２２
の断面は液晶パネル１８と略相似であるため、液晶パネ
ル１８には光が均一に効率よく導かれる。

【００５９】リレー光学系２４の瞳はレンズ２４ａとレ
ンズ２４ｂの間にあり、コンデンサレンズ２３による２
次光源像もレンズ２４ａ、２４ｂ間の瞳面上に形成され
る。ＰＢＳプリズムアレイ２５はリレー光学系２４の瞳
面上に配置されている。ＰＢＳプリズムアレイ２５に
は、Ｐ偏光を透過させＳ偏光を反射する帯状のＰＢＳ膜
２５ａが形成されている。各ＰＢＳ膜２５ａはリレー光
学系２４の光軸に対して４５゜傾けて、互いに平行に等
間隔で配置されている。１／２波長板２６は、ＰＢＳプ
リズムアレイ２５のレンズ２４ｂ側に、１つおきのＰＢ
Ｓ膜２５ａに向かうように設けられている。

【００６０】リレー光学系２４の入射側レンズ２４ａを
透過した光は、ＰＢＳプリズムアレイ２５上で結像する
とともに、ＰＢＳ膜２５ａを透過するＰ偏光とＰＢＳ膜
２５ａによって反射されるＳ偏光に分離される。ＰＢＳ
膜２５ａを透過したＰ偏光は１／２波長板２６に入射
し、これを透過する間にＳ偏光に変換されて、レンズ２
４ｂに入射する。一方、ＰＢＳ膜２５ａによって反射さ
れたＳ偏光は、隣のＰＢＳ膜２５ａによって再度反射さ
れ、１／２波長板２６の傍らを通ってレンズ２４ｂに入
射する。したがって、リレー光学系２４を出る光は全て
Ｓ偏光となる。

【００６１】カライドスコープ２２で複数の光源像を形
成する場合でも、このようにリレー光学系２４とＰＢＳ
プリズムアレイ２５とを組み合わせることで、大きなプ
リズムを備える必要がなくなり、装置を小型軽量に構成
することができる。しかも、液晶パネル１８に導かれる
光の均一度や利用効率は、第１の実施形態のインテグレ
ータ１２を備える構成と同等である。

【００６２】図６にＰＢＳプリズムアレイ上２５に形成
される光源２１の光源像の分布を示す。図６において、
実線で示した光源像はＳ偏光の光によるもの、破線で示
した光源像はＰ偏光の光によるものであり、後者の光は
後にＳ偏光に変換される。カライドスコープ２２の断面
が液晶パネル１８に略相似な４：３の比の長方形であ
り、ＰＢＳプリズムアレイ２５によってカライドスコー
プ２２の断面の長辺方向に偏光分離が行われるため、光
源像の配列ピッチの液晶パネル１８の長辺と短辺に対応
する方向の比は、２：３となっている。

【００６３】ダイクロイックミラー群２７には、僅かに
角度差をつけて配置された３つのダイクロイックミラー
２７Ｒ、２７Ｇ、２７Ｂが含まれている。ダイクロイッ
クミラー２７Ｒ、２７Ｇ、２７Ｂは、それぞれＲ光、Ｇ
光、Ｂ光を選択的に反射して他の色光を透過させる。リ
レー光学系２４からダイクロイックミラー群２７に入射
する白色光は各ミラーによってＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分解
され、ミラー間に角度差があることから、分解後のＲ
光、Ｇ光、Ｂ光はそれぞれ僅かに異なった方向に反射さ
れる。

【００６４】フィールドレンズ２８は、液晶パネル１８
を透過する光が全て投射光学系１９に入射するように、
ダイクロイックミラー群２７からの光を液晶パネル１８
に対して略垂直な方向に向ける。マイクロレンズアレイ
２９は入射する光を液晶パネル１８上に結像させる。す
なわち、リレー光学系２４の瞳面と液晶パネル１８は略
共役である。ダイクロイックミラー群２７によって分解
されたＲ、Ｇ、Ｂの３色の光は、反射角の違いにより僅
かに異なる方向に進み、マイクロレンズアレイ２９によ
って液晶パネル１８の異なる画素上に結像させられる。

【００６５】液晶パネル１８は、図３を参照して説明し
たように、長辺が略３０μｍ、短辺が略１０μｍの３つ
の画素１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂで構成される画素単位１
８ｕを２次元に多数配列して成る。画素単位１８ｕは画
素の長辺方向と短辺方向に等ピッチで配列されており、
画素単位１８ｕの分布は図６に示した光源像の分布とは
異なっている。

【００６６】この分布の差を補正して光源像の光を画素
単位１８ｕに効率よく導くために、マイクロレンズアレ
イ２９の各マイクロレンズセルは、投射表示装置１のマ
イクロレンズセル１７ｃとは違って、非等方性の結像性
能を有している。ただし、マイクロレンズセルは長辺と
短辺の比が略３：１の偏平な長方形であり、図３のマイ
クロレンズセル１７ｃと同様に、長辺が液晶パネル１８
の画素の短辺と平行になるように、また、その光軸が隣
合う４つの画素単位１８ｕの中央を通るように配置され
ている。

【００６７】図７にマイクロレンズアレイ２９を示す。
マイクロレンズアレイ２９は、２つのシリンドリカルレ
ンズアレイ２９ａ、２９ｂより成る。レンズアレイ２９
ａと２９ｂはそれぞれのシリンドリカルレンズの配列方
向が垂直になるように配置されている。レンズアレイ２
９ａの各シリンドリカルレンズの幅は略３０μｍで液晶
パネル１８の画素１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの長辺に略等
しく、レンズアレイ２９ｂの各シリンドリカルレンズの
幅は略１０μｍで画素の短辺に略等しい。

【００６８】レンズアレイ２９ａの１つのシリンドリカ
ルレンズとレンズアレイ２９ｂの９つのシリンドリカル
レンズの対向する部分が、マイクロレンズアレイ２９の
１つのマイクロレンズセル２９ｃを構成する。マイクロ
レンズアレイ２９は、レンズアレイ２９ａのシリンドリ
カルレンズの幅方向が液晶パネル１８の画素の長辺と平
行になり、レンズアレイ２９ｂのシリンドリカルレンズ
の幅方向が画素の短辺と平行になるように、また、レン
ズアレイ２９ｂを液晶パネル１８側にして配置されてい
る。

【００６９】レンズアレイ２９ａのシリンドリカルレン
ズの焦点距離とレンズアレイ２９ｂのシリンドリカルレ
ンズの焦点距離は、画素の長辺と短辺に対応する方向の
配列ピッチの比が２：３となっている光源像が、液晶パ
ネル１８上では１：１の配列ピッチ比となるように設定
されている。これにより、光源像の分布の差異が補正さ
れて画素単位１８ｕの分布に一致し、光を効率よく画素
に導くことができる。

【００７０】マイクロレンズセル２９ｃによる各画素へ
の光の結像の様子は、図４と同様である。マイクロレン
ズセル２９ｃの結像性能は非等方的であるから、長辺方
向のＦ値と短辺方向のＦ値の比は短辺と長辺の長さの比
に等しくはない。しかしながら長辺方向のＦ値は短辺方
向のＦ値よりも小さく、長辺方向の光のぼけは短辺方向
のぼけよりも小さい。したがって、マイクロレンズセル
２９ｃは光を確実に液晶パネル１８の各画素内に結像さ
せることができる。

【００７１】第３の実施形態の投射型画像表示装置３の
光学系の全体構成を図８に示す。この投射表示装置３は
３板式のカラー画像表示装置であり、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光
を別個の液晶パネルで変調する。また、スクリーンに対
して斜めに光を投射する。

【００７２】投射表示装置３は、第１の実施形態の投射
表示装置１の光源１１、ＰＢＳプリズム１３、１／２波
長板１４のほか、インテグレータ３１、２つのダイクロ
イックミラー３２ａ、３２ｂ、４つの全反射ミラー３３
ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、２つの重ね合わせレンズ
３４ａ、３４ｂ、３つのフィールドレンズ３５Ｒ、３５
Ｇ、３５Ｂ、３つのマイクロレンズアレイ３６Ｒ、３６
Ｇ、３６Ｂ、３つの透過型液晶パネル３７Ｒ、３７Ｇ、
３７Ｂ、クロスダイクロイックプリズム３８、投射光学
系３９、および全反射凹面ミラー４０を備えている。

【００７３】インテグレータ３１は投射表示装置１のイ
ンテグレータ１２から重ね合わせレンズ１２ｃを省略し
た構成であり、第１、第２のレンズアレイ３１ａ、３１
ｂのみを有する。重ね合わせレンズ１２ｃに代えて、イ
ンテグレータ３１外に重ね合わせレンズ３４ａ、３４ｂ
が配置されている。インテグレータ３１は、形成する光
源像の分布が液晶パネル３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂの画素
の分布に一致するように設定されており、また、出射す
る光が平行光となるように設定されている。

【００７４】ダイクロイックミラー３２ａ、３２ｂはそ
れぞれＢ光およびＧ光を選択的に反射し他の色光を透過
させる。インテグレータ３１からの白色光はダイクロイ
ックミラー３２ａにより、透過するＲ光、Ｇ光と反射さ
れるＢ光に分解される。Ｒ光とＧ光は重ね合わせレンズ
３４ａを経てダイクロイックミラー３２ｂに入射して、
透過するＲ光と反射されるＧ光に分解される。ダイクロ
イックミラー３２ｂを透過したＲ光は、全反射ミラー３
３ａによって反射され、フィールドレンズ３５Ｒを経て
マイクロレンズアレイ３６Ｒに入射して、液晶パネル３
７Ｒの各画素上に結像する。

【００７５】ダイクロイックミラー３２ｂで反射された
Ｇ光は、全反射ミラー３３ｂによって反射され、フィー
ルドレンズ３５Ｇを経てマイクロレンズアレイ３６Ｇに
入射して、液晶パネル３７Ｇの各画素上に結像する。ダ
イクロイックミラー３２ａで反射されたＢ光は、全反射
ミラー３３ｃによって反射され、重ね合わせレンズ３４
ｂを経てさらに全反射ミラー３３ｄよって反射される。
このＢ光は、フィールドレンズ３５Ｂを経てマイクロレ
ンズアレイ３６Ｂに入射して、液晶パネル３７Ｂの各画
素上に結像する。

【００７６】液晶パネル３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂは、第
１、第２の実施形態の投射表示装置１、２の液晶パネル
１８と異なり、カラーフィルターを備えておらず、与え
られる光を全て変調する。投射表示装置３では、液晶パ
ネル３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂの１つの画素単位は１つの
画素で構成されることになる。各液晶パネルの画素は、
後述するように、アナモルフィック投射を行うことを考
慮して長方形とされており、長辺、短辺をそれぞれ揃え
て配列されている。

【００７７】クロスダイクロイックプリズム３８は断面
が直角二等辺三角形の４つの三角プリズムを接合して形
成されており、直交する接合面３８ａおよび３８ｂはそ
れぞれＲ光およびＢ光を選択的に反射し他の色光を透過
させるダイクロイックミラー面とされている。液晶パネ
ル３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂでそれぞれ変調されたＲ光、
Ｇ光、Ｂ光はクロスダイクロイックプリズム３８に入射
し、Ｒ光がダイクロイックミラー面３８ａで反射され、
Ｂ光がダイクロイックミラー面３８ｂで反射され、Ｇ光
がダイクロイックミラー面３８ａ、３８ｂを透過するこ
とにより合成されて、投射光学系３９に入射する。

【００７８】投射光学系３９はクロスダイクロイックプ
リズム３８から入射する光を凹面ミラー４０に向けて投
射し、凹面ミラー４０による反射光をスクリーン５０に
対して斜めに入射させて結像させる。投射光学系４０が
射出した光束は、スクリーン５０に斜めに入射するた
め、スクリーン５０上で一方向に伸張する。この伸張さ
れた光束が自然な縦横比の画像を表すようにするため
に、投射光学系３０はアナモルフィック投射を行う。す
なわち、投射光学系３０の光束の拡大率は垂直な２方向
で違えて設定されている。

【００７９】凹面ミラー４０の曲率は、スクリーン５０
上の画像が歪んで台形となることがないように、かつ、
スクリーン５０のどの部位にも投射光がぼけずに結像す
るように、スクリーン５０に入射する投射光の傾きを考
慮して設定されている。

【００８０】液晶パネル３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂの画素
は、投射光学系３９の拡大率が大きい方向に短く、小さ
い方向に長い偏平な長方形に形成されており、画素の偏
平度は、投射光学系３９の大きい拡大率と小さい拡大率
の比に略等しく設定されている。したがって、各画素を
透過した光はスクリーン５０上で略正方形となり、表示
される画像の縦方向と横方向の精細度は略同じになる。

【００８１】マイクロレンズアレイ３６Ｒ、３６Ｇ、３
６Ｂは、液晶パネル３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂの画素と略
相似な長方形のマイクロレンズセルを２次元に配列して
成る。マイクロレンズセルの結像性能は等方的で、その
短辺は画素の長辺に略等しく設定されている。液晶パネ
ル３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂに対するマイクロレンズアレ
イ３６Ｒ、３６Ｇ、３６Ｂの配置は、第１の実施形態で
図３を参照して説明したとおりであり、マイクロレンズ
アレイ３６Ｒ、３６Ｇ、３６Ｂは光を画素内に確実に結
像させることができる。したがって、光源１１からの光
は全て変調に利用され、明るい画像が表示される。

【００８２】重ね合わせレンズ３４ａ、３４ｂは同一性
能であり、重ね合わせレンズ３４ａから液晶パネル３７
Ｒ、３７Ｇまでの光路長と、重ね合わせレンズ３４ｂか
ら液晶パネル３７Ｂまでの光路長は等しく設定されてい
る。インテグレータ３１からの白色光は、平行光である
ときに色分解されてＲ光、Ｇ光の組とＢ光とになり、そ
の後、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光は重ね合わせレンズ３４ａ、３
４ｂによって同等に液晶パネル３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂ
に導かれる。Ｂ光の光路はＲ光、Ｇ光の光路よりも長い
が、その差異は平行光の光路長の差である。

【００８３】投射表示装置１のインテグレータ１２のよ
うに重ね合わせレンズを含んだインテグレータを使用
し、他よりも長い光路にリレーレンズを配置して第１の
レンズアレイのレンズセルの重ね合わせ像をリレーする
構成として、３つの液晶パネルに与える光の量を同じに
することも可能である。しかしながら、その構成では、
リレーレンズを介して導かれる１つの色光の重ね合わせ
像が、リレーレンズを介さずに導かれる他の色光の重ね
合わせ像と反転することになり、光の僅かな強度差が色
むらとなって目立ち易くなる。

【００８４】光が平行な光路上にダイクロイックミラー
３２ａを配置して、ここで光路長の異なるＲ光、Ｇ光の
組とＢ光を分解し、分解後のＲ光、Ｇ光の組とＢ光を等
価な重ね合わせレンズ３４ａ、３４ｂで液晶パネル３７
Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂに導くようにした投射表示装置３で
は、各液晶パネル上での重ね合わせ像が反転することが
ない。したがって、たとえ光に強度差がある場合でも色
むらの発生が抑えられる。また、光が平行な光路の長さ
が変化しても、第１のレンズアレイ３１ａと液晶パネル
３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂの共役関係および倍率関係はほ
とんど変わらないので、どの色光も同等に各液晶パネル
に導くことができる。

【００８５】第４の実施形態の投射型画像表示装置４の
光学系の全体構成を図９に示す。投射表示装置４は、投
射表示装置３の液晶パネルに光を導く光学系を別の光学
系で置き替えたものであり、フィールドレンズ３５Ｒ、
３５Ｇ、３５Ｂ、マイクロレンズアレイ３６Ｒ、３６
Ｇ、３６Ｂ、液晶パネル３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂ、クロ
スダイクロイックプリズム３８、投射光学系３９、およ
び全反射凹面ミラー４０は前述のものである。

【００８６】投射表示装置４は、第２の実施形態の投射
表示装置２の光源２１、カライドスコープ２２、コンデ
ンサレンズ２３、リレーレンズ２４ａ、ＰＢＳプリズム
アレイ２５、および１／２波長板２６を備えており、こ
のほかに、クロスダイクロイックミラー４１、４つの全
反射ミラー４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、および３
つのリレーレンズ４３ａ、４３ｂ、４３ｃを備えてい
る。リレーレンズ２４ａとリレーレンズ４３ａ、４３
ｂ、４３ｃのそれぞれの組み合わせにより、投射表示装
置２のリレー光学系２４に相当する３組のリレー光学系
が構成される。

【００８７】クロスダイクロイックミラー４１は、それ
ぞれＲ光およびＢ光を選択的に反射し他の色光を透過さ
せるダイクロイックミラー４１ａ、４１ｂより成る。Ｐ
ＢＳプリズムアレイ２５上に結像した光源像の光は、平
行に進んでクロスダイクロイックミラー４１に入射し、
ダイクロイックミラー４１ａによって反射されるＲ光、
ダイクロイックミラー４１ｂによって反射されるＢ光、
およびこれらを透過するＧ光に分解される。

【００８８】Ｒ光は全反射ミラー４２ａ、リレーレンズ
４３ａ、全反射ミラー４２ｂ、フィールドレンズ３５Ｒ
を経てマイクロレンズアレイ３６Ｒに入射し、液晶パネ
ル３７Ｒの画素上に結像する。Ｇ光はリレーレンズ４３
ｂ、フィールドレンズ３５Ｇを経てマイクロレンズアレ
イ３６Ｇに入射し、液晶パネル３７Ｇの画素上に結像す
る。Ｂ光は全反射ミラー４２ｃ、リレーレンズ４３ｃ、
全反射ミラー４２ｄ、フィールドレンズ３５Ｂを経てマ
イクロレンズアレイ３６Ｂに入射し、液晶パネル３７Ｂ
の画素上に結像する。

【００８９】液晶パネル３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂで変調
されたＲ光、Ｇ光、Ｂ光はクロスダイクロイックプリズ
ム３８で合成され、投射光学系３９によってアナモルフ
ィックに投射され、凹面ミラー４０で反射されてスクリ
ーン５０に斜めに入射し、縦横の比が自然な画像をスク
リーン５０上に形成する。マイクロレンズアレイ３６
Ｒ、３６Ｇ、３６Ｂと液晶パネル３７Ｒ、３７Ｇ、３７
Ｂの前述の設定により、光源２１からの光は全て変調に
利用されて、明るい画像が得られる。

【００９０】投射表示装置４ではＲ光とＢ光の光路がＧ
光の光路よりも長くなっている。リレーレンズ４３ａ、
４３ｂ、４３ｃは同一性能であり、リレーレンズ４３
ａ、４３ｂ、４３ｃから液晶パネル３７Ｒ、３７Ｇ、３
７Ｂまでの光路長は等しく設定されている。ここでも、
光は平行な光路上で色分解されており、色むらのない画
像を表示することができる。

【００９１】上記の各実施形態では、２次光源の光源像
を個別に液晶パネルの画素単位に導いている。２次光源
の複数の光源像をグループ化し、１つのグループの光源
像をまとめて液晶パネルの画素単位に導くようにする
と、マイクロレンズのＦ値をさらに小さくすることがで
きる。これを実現する第５および第６の実施形態につい
て説明する。

【００９２】第５の実施形態の投射型画像表示装置の光
学系の一部を図１０に示す。本実施形態の投射表示装置
は、投射表示装置１、３のインテグレータ１２、３１
を、２段のインテグレータ５１、５２に替えたものであ
る。第１のインテグレータ５１は第１のレンズアレイ５
１ａと第２のレンズアレイ５１ｂより成り、光源１１か
らの光を、第１のレンズアレイ５１ａの各レンズセルに
よって、第２のレンズアレイ５１ｂの対応するレンズセ
ル上に結像させる。

【００９３】第２のインテグレータ５２は、レンズアレ
イ５１ｂの３倍に相当する大きさのの第１のレンズアレ
イ５２ａと第２のレンズアレイ５２ｂより成り、レンズ
アレイ５１ｂ上の縦横各３つの光源像を、第１のレンズ
アレイ５２ａの各レンズセルによって、第２のレンズア
レイ５２ｂの対応するレンズセル上に再結像させる。レ
ンズアレイ５２ｂの１つのレンズセル上の光源像の間隔
はレンズアレイ５１ｂ上の光源像の間隔よりも小さくな
って、レンズアレイ５２ｂ上で光源像がグループ化され
る。また、グループ間の間隔はレンズアレイ５１ｂ上の
光源像の間隔よりも大きくなる。

【００９４】フィールドレンズ１５と回折格子１６を介
してレンズアレイ５２ｂから光を与えられるマイクロレ
ンズアレイは、レンズアレイ５２ｂ上の各グループの光
源像の光を液晶パネルの全ての画素に結像させる。この
とき、グループ間の間隔が大きくなっているため、マイ
クロレンズアレイの焦点距離は、レンズアレイ５１ｂ上
の光源像の光を直接液晶パネル上に結像させる場合より
も短くなる。焦点距離が短くなることにより、マイクロ
レンズアレイのＦ値は小さくなり、その結果、像のぼけ
が小さくなる。この例では、焦点距離は１／３となり、
Ｆ値および像のぼけも１／３となる。

【００９５】なお、ここでは９つの光源像を１グループ
とする例を示したが、１グループに含む光源像の数は自
由に設定してよい。また、インテグレータの段数も２つ
に限られるものではなく、３段以上のインテグレータを
備える構成とすることも可能である。これらは液晶パネ
ルの画素の大きさと、光学系が占めることになる空間の
大きさを考慮して定めればよい。

【００９６】第６の実施形態の投射型画像表示装置は、
カライドスコープ２２を備えた投射表示装置２、４と類
似の構成であるが、カライドスコープ２２へ光の入射位
置を変えたものである。カライドスコープ２２と光源か
らの光の入射位置を図１１に示し、これにより形成され
る光源像の分布を図１２に示す。本実施形態の投射表示
装置では光源からの光を、カライドスコープ２２の入射
面２２ａの中央ではなく、入射面２２ａの隅Ｃに結像さ
せる。光の入射位置からカライドスコープ２２の反射面
までの距離が上下方向、左右方向ともに等しくないた
め、形成される光源像の分布は図１２のようになって、
４つの光源像で１つのグループが構成される。

【００９７】各グループの光源像の光を液晶パネルの全
ての画素に入射させるために必要なマイクロレンズアレ
イの焦点距離は、グループ化しない光源像を全ての画素
に入射させる場合の１／２になり、Ｆ値も１／２にな
る。なお、光源からの光を入射面２２ａの１辺の中央付
近に結像させて、２つの光源像を１グループとすること
も可能である。

【００９８】第１の実施形態の説明の最後で述べたよう
に、マイクロレンズセルの長辺または短辺に液晶パネル
の２つの画素単位が対応する構成とすることも可能であ
る。その場合、偏光分離の方向を２つの画素単位が対応
するマイクロレンズセルの方向に一致させると、偏光分
離や偏光変換が確実になされなければ、元々Ｓ偏光であ
った光のみが入射する画素単位とＰ偏光からＳ偏光に変
換された光のみが入射する画素単位が生じて、画素単位
ごとに受光量がばらつくおそれがある。

【００９９】第１〜第４の実施形態の投射表示装置１〜
４では、マイクロレンズセルの長辺方向と短辺方向のど
ちらにも奇数の画素単位を対応させているため、この不
都合は生じない。マイクロレンズセルに対応する画素単
位の数と偏光分離の方向にかかわらず、画素単位の受光
量のばらつきを抑えるようにした第７〜第９の実施形態
について説明する。

【０１００】第７の実施形態の投射型画像表示装置は、
投射表示装置１、３のインテグレータ１２、３１の第１
のレンズアレイ１２ａ、３１ａを別のレンズアレイに替
えたものである。本投射表示装置のレンズアレイ７１ａ
を図１３に示す。レンズアレイ１２ａ、３１ａでは長辺
および短辺をそれぞれ揃えてレンズセルを配列していた
が、レンズアレイ７１ａでは、長辺のみを揃え、短辺を
長辺の１／２ずつ長辺方向にずらして、千鳥配列として
いる。偏光分離はレンズセルの長辺方向になされる。

【０１０１】レンズアレイ７１ａによって第２のレンズ
アレイ上に形成される光源像の分布を図１４に示す。図
１４において、実線は分離されたＳ偏光による光源像、
破線はＰ偏光による光源像を表している。光源像はレン
ズセルの長辺および短辺に対応する垂直な２方向ともに
直線上に分布するが、両方向共にＰ偏光の光源像とＳ偏
光の光源像が交互に現れる。Ｐ偏光が通る光路上に１／
２波長板を配置して偏光変換することで、全ての光をＳ
偏光として液晶パネルに与えることができる。

【０１０２】全ての画素単位には元々Ｓ偏光であった光
とＰ偏光からＳ偏光に変換された光の双方が与えられる
から、たとえ偏光分離や偏光変換が不完全であっても、
画素単位間で受光量に差は生じない。したがって、マイ
クロレンズセルに対応する画素単位の数にかかわらず、
また、マイクロレンズセルに対する偏光分離の方向にか
かわらず、常に均等量の光を画素単位に与えることが可
能になり、マイクロレンズアレイや液晶パネルの設計の
自由度が増す。

【０１０３】第８の実施形態の投射型画像表示装置の光
学系の一部を図１５に示す。この投射表示装置は、投射
表示装置１、３のインテグレータ１２の第２のレンズア
レイ１２ｂの出射面にハーフミラー８１を備えたもので
ある。ハーフミラー８１は帯状であり、ＰＢＳプリズム
１３による偏光分離の方向に対して垂直方向のレンズセ
ルの列ごとに設けられている。各ハーフミラー８１が光
の一部を透過させ残りを反射することにより、元々Ｓ偏
光の光とＰ偏光からＳ偏光に変換された光が混じり合
い、液晶パネルの全ての画素単位に同量の光が与えられ
る。

【０１０４】第９の実施形態の投射型画像表示装置は、
投射表示装置１、３のマイクロレンズアレイに代えて、
マイクロレンズセル間の境界面をハーフミラーとしたマ
イクロレンズアレイを備えたものである。本投射表示装
置のマイクロレンズアレイ９１の断面を図１６に示す。
隣合うマイクロレンズセル９１ｃの境界にはハーフミラ
ー９１ｄが形成されており、インテグレータの第２のレ
ンズアレイの異なるレンズセルからマイクロレンズセル
９１ｃに入射する光は、それぞれ一部ずつハーフミラー
９１ｄで反射されて、同一の画素単位１８ｕに入射す
る。

【０１０５】第２のレンズアレイの隣合うレンズセルか
らの光は、元々Ｓ偏光であったものとＰ偏光からＳ偏光
に変換されたものであるが、画素単位１８ｕに入射する
光には両者が含まれるから、偏光分離や偏光変換が不完
全であっても画素単位１８ｕ間で受光量に差は生じな
い。なお、ハーフミラー９１ｄに代えて、マイクロレン
ズセル９１ｃ間の境界にエアーギャップを設けるように
してもよい。

【０１０６】

【発明の効果】本発明の投射型画像表示装置によるとき
は、光源像形成光学系によって強度が均一な光を液晶パ
ネルに導くことができる上、液晶パネルの画素が偏平な
形状でありながら、画素に対して垂直な方向に偏平なレ
ンズセルから成るレンズアレイによって、光を各画素内
に収めることができる。したがって、明るさにむらがな
く、光源の発する光を有効に利用した明るい画像を表示
することが可能である。

【０１０７】液晶パネルの画素の長短の比とレンズアレ
イのレンズセルの長短の比を略等しくした構成では、光
を画素の長辺方向と短辺方向のどちらにも過不足のない
大きさに結像させることができる。したがって、レンズ
セルの形状が過度に偏平になることがなく、１つのレン
ズセルで多数の画素に光を入射させることが可能になっ
て、液晶パネルに導かれる光の強度の均一さが損なわれ
難い。

【０１０８】また、投射光学系の光束の拡大率を液晶パ
ネルの画素の長辺方向に小さく短辺方向に大きくした構
成では、投射型画像表示装置をスクリーンに正対して配
置する必要がなくなり、スクリーンを含めた全体構成が
コンパクトになる。しかも、表示される画像の精細度が
２つの方向であまり違わなくなり、高画質の画像を表示
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施形態の投射型画像表示装置の光学
系の全体構成を示す図。

【図２】 第１の実施形態の投射型画像表示装置のイン
テグレータによって形成される光源像の分布を示す図。

【図３】 第１の実施形態の投射型画像表示装置のマイ
クロレンズアレイと液晶パネルの一部を示す図。

【図４】 第１の実施形態の投射型画像表示装置の回折
格子による光の色分解と、マイクロレンズセルによる液
晶パネル上への光の結像の様子を模式的に示す図。

【図５】 第２の実施形態の投射型画像表示装置の光学
系の全体構成を示す図。

【図６】 第２の実施形態の投射型画像表示装置のカラ
イドスコープおよびコンデンサレンズによって形成され
る光源像の分布を示す図。

【図７】 第２の実施形態の投射型画像表示装置のマイ
クロレンズアレイを示す図。

【図８】 第３の実施形態の投射型画像表示装置の光学
系の全体構成を示す図。

【図９】 第４の実施形態の投射型画像表示装置の光学
系の全体構成を示す図。

【図１０】 第５の実施形態の投射型画像表示装置の光
学系の一部構成を示す図。

【図１１】 第６の実施形態の投射型画像表示装置の光
学系の一部であるカライドスコープとカライドスコープ
への光の入射位置を示す図。

【図１２】 第６の実施形態の投射型画像表示装置のカ
ライドスコープおよびコンデンサレンズによって形成さ
れる光源像の分布を示す図。

【図１３】 第７の実施形態の投射型画像表示装置の光
学系の一部であるインテグレータの第１のレンズアレイ
を示す図。

【図１４】 第７の実施形態の投射型画像表示装置の第
１のレンズアレイによって形成される光源像の分布を示
す図。

【図１５】 第８の実施形態の投射型画像表示装置の光
学系の一部構成を示す図。

【図１６】 第９の実施形態の投射型画像表示装置の光
学系の一部であるマイクロレンズアレイを示す図。

【符号の説明】

１、２、３、４ 投射型画像表示装置 １１ 光源 １２ インテグレータ １２ａ、１２ｂ レンズアレイ １２ｃ 重ね合わせレンズ １３ ＰＢＳプリズム １３ｃ ＰＢＳ膜 １３ｄ 全反射面 １４ １／２波長板 １５ フィールドレンズ １６ 回折格子 １７ マイクロレンズアレイ １７ｃ マイクロレンズセル １８ 透過型液晶パネル １８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ 画素 １８ｕ 画素単位 ２１ 光源 ２２ カライドスコープ ２３ コンデンサレンズ ２４ リレー光学系 ２４ａ、２４ｂ リレーレンズ ２５ ＰＢＳプリズムアレイ ２５ａ ＰＢＳ膜 ２６ １／２波長板 ２７ ダイクロイックミラー群 ２７Ｒ、２７Ｇ、２７Ｂ ダイクロイックミラー ２８ フィールドレンズ ２９ マイクロレンズアレイ ２９ａ、２９ｂ シリンドリカルレンズアレイ ２９ｃ マイクロレンズセル ３１ インテグレータ ３１ａ、３１ｂ レンズアレイ ３２ａ、３２ｂ ダイクロイックミラー ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ 全反射ミラー ３４ａ、３４ｂ 重ね合わせレンズ ３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂ フィールドレンズ ３６Ｒ、３６Ｇ、３６Ｂ マイクロレンズアレイ ３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂ 透過型液晶パネル ３８ クロスダイクロイックプリズ
ム ３９ 投射光学系 ４０ 全反射凹面ミラー ４１ クロスダイクロイックミラー ４１ａ、４１ｂ ダイクロイックミラー ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ 全反射ミラー ４３ａ、４３ｂ、４３ｃ リレーレンズ ５０ スクリーン ５１、５２ インテグレータ ５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ レンズアレイ ７１ａ レンズアレイ ８１ ハーフミラー ９１ マクロレンズアレイ ９１ｃ マイクロレンズセル ９１ｄ ハーフミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｋ (72)発明者 大澤 聡 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 大利 祐一郎 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 2H088 EA13 EA15 MA04 2H091 FA02Y FA05Z FA07Z FA11Z FA17Z FA19Z FA21Z FA26X FA26Z FA29Z FA35Y FA41Z FD01 FD03 LA03 LA18 MA07 5C058 AA06 AB02 BA05 BA06 BA11 EA12 EA26 5G435 AA02 AA18 BB12 BB17 CC12 DD02 DD05 DD14 FF02 FF05 GG01 GG02 GG03 GG04 GG08 GG09 GG46

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、前記光源からの光を結像させて
   複数の光源像を形成する光源像形成光学系と、２次元に
   配列された多数の画素を有し、各画素に入射する前記複
   数の光源像からの光を変調する液晶パネルと、２次元に
   配列された複数のマイクロレンズセルを有し、各マイク
   ロレンズセルによって前記複数の光源像からの光を前記
   液晶パネルの画素上に結像させるマイクロレンズアレイ
   と、前記液晶パネルによって変調された光をスクリーン
   に投射する投射光学系を備える投射型画像表示装置であ
   って、前記液晶パネルの各画素が、第１の方向に長く第
   １の方向に垂直な第２の方向に短い、偏平な形状を有す
   るものにおいて、 前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズセルが、
   前記第２の方向に長く前記第１の方向に短い、偏平な形
   状を有することを特徴とする投射型画像表示装置。
2. 【請求項２】 前記液晶パネルの各画素の前記第１の方
   向と前記第２の方向の長さの比と、前記マイクロレンズ
   アレイの各マイクロレンズセルの前記第２の方向と前記
   第１の方向の長さの比が、略等しいことを特徴とする請
   求項１に記載の投射型画像表示装置。
3. 【請求項３】 前記投射光学系の光束の拡大率が、前記
   第１の方向に小さく前記第２の方向に大きいことを特徴
   とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。