JP2000171901A

JP2000171901A - 照明光学装置および投写型表示装置

Info

Publication number: JP2000171901A
Application number: JP11269870A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Tanaka; 孝明田中
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-09-28
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2000-06-23
Also published as: US6224217B1

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の光源を用いた場合、光源からの光を効率
よく均一に画像形成手段に照明できないという課題。【解決手段】複数の光源３０，３１と、楕円面鏡３２，
３３と、光の進行方向を所定の方向に反射する反射プリ
ズム３４と、プリズム３４からの光が入射し実質上平行
な光を出射する集光レンズ３５と、２枚のレンズアレイ
板３６，３７とを備えた照明光学装置３９とその照明光
学装置を用いた投写型表示装置であって、照明光学装置
３９の光軸に対する複数の光源からの光の光軸の偏芯量
ｄを一定の値に規定することにより、複数の光源からの
光を、画像形成手段に、非常に効率よく、均一に照明す
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、光源からの光を画
像形成手段に照明する照明光学装置と、画像形成手段に
形成される画像を照明光で照射し、投写レンズによりス
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】

【従来の技術】大画面の画像を得るために、映像信号に
応じた光学像を形成する小型の画像形成手段に、光源か
らの光を照明し、投写レンズによりその光学像をスクリ
ーン上に投写、拡大する投写型表示装置が用いられてい
る。画像形成手段には、アクティブマトリクス方式であ
って、ツイストネマチック型の液晶セルの両側に偏光板
を直交ニコルに配置した構成で、偏光を利用して光を変
調する透過型の液晶パネルが広く実用的に用いられてい
る。液晶パネルに光源からの光を照明する照明光学装置
には、複数のレンズから構成される２枚のレンズアレイ
板が用いられている（例えば、ＵＳＰ５，０９８，１８
４号）。２枚のレンズアレイ板は、光源側に配置される
一方のレンズアレイ板に入射する光束を多数に分割し、
分割された各光束を液晶パネル上に重畳し、効率よく均
一に照明するものである。

【０００３】また、偏光を利用した液晶パネルを用いた
投写型表示装置の照明光学装置として、偏光分離手段で
ある偏光分離プリズムと、偏光回転手段である１／２波
長板を用いて、自然光を偏光方向が一方向の光に変換す
る偏光変換光学部材を構成し、投写型表示装置の光利用
効率を向上させ、投写型表示装置の高輝度化を図る照明
光学装置が開示されている（例えば、ＵＳＰ５，０９
８，１８４）。さらに、投写型表示装置の高輝度化を図
るため、複数の光源を用いた照明光学装置が開示されて
いる。（例えば、特開平６−２６５８８７号公報、特開
平６−２４２３９７号公報）図１４（ａ）は、従来の複
数の光源を用いた照明光学装置を導入した投写型表示装
置を示したものである。光源である２つの放電ランプ
１、２からの放射光はそれぞれの凹面鏡３、４により集
光され、略平行光の光束に変換される。それぞれの平行
光束は対応する第１レンズアレイ板５に入射する。第１
レンズアレイ板５は複数の矩形のレンズから構成され、
各矩形のレンズにより入射光束を多数に分割し、それぞ
れの第２レンズアレイ板６の複数の各レンズに収束させ
る。第２レンズアレイ板６の各レンズには多数の微小な
光源像が形成される。第２レンズアレイ板６は第１レン
ズアレイ板５の各レンズを液晶パネル１６、１７、１８
上に重畳結像させる。

【０００４】照明光学装置７を出射した光はダイクロイ
ックミラー８、９により、緑、赤、青の３原色光に分離
された後、それぞれの色光に対応する液晶パネル１６、
１７、１８に入射する。このようにして、分割した多数
の光束を液晶パネル上に重畳させて均一な照明を行う。
リレーレンズ１１、１２は、第２レンズアレイ板と液晶
パネルまでの距離である照明光路長の違いによる液晶パ
ネルへの照明光の強度差を補正している。

【０００５】フィールドレンズ１３、１４、１５はそれ
ぞれ液晶パネル１６、１７、１８への照明光を投写レン
ズ２０の瞳面２１に集光する。液晶パネル１６、１７、
１８から出射した青、緑、赤の３原色光は、ダイクロイ
ックプリズム１９により合成された後、投写レンズ２０
に入射する。投写レンズ２０は液晶パネル１６、１７、
１８の画像をスクリーン（図示せず）上に拡大投写す
る。複数の光源を用いるため明るい投写型表示装置が構
成できる。

【０００６】図１４（ｂ）には、投写レンズの瞳面２１
に形成される光源像の様相を示している。２つの光源
１、２がレンズアレイ板により微小な光源像２４とな
り、さらに、光源像群２２、２３が形成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、投写型表示
装置の明るさを向上させるためには、放電ランプの消費
電力を高くすればよいが、放電ランプの寿命を確保しつ
つ、消費電力を高くすると、発光部が大きくなり、光利
用効率が低下するという課題がある。

【０００８】このため、比較的消費電力の小さい複数の
光源を用いた方が、投写型表示装置の明るさを効率よく
向上させることができる。図１４（ａ）のような複数の
光源を用いた従来の照明光学装置７の構成では、投写レ
ンズの光軸を挟んで、２つの光源が対称に配置されてい
る。

【０００９】しかし、このような場合、投写レンズの瞳
面に形成される光源の像は、図１４（ｂ）の投写レンズ
の瞳面に示すように、光軸を挟んで、２つの光源からの
像が形成されることになる。投写レンズには口径蝕があ
り、スクリーン上で、中心の照度に対して周辺の照度が
低下する。これは、投写レンズの瞳面での光源像が口径
蝕によりケラレを生じるためである。

【００１０】したがって、光軸を挟んで配置される２つ
の光源の発光特性が異なる場合には、スクリーン周辺部
の明るさに寄与する光源像が異なるため、スクリーン上
で投写画像の色むらを生じる。

【００１１】また、１つの光源が不点灯になった場合に
は、スクリーン上での照度分布が不均一となるという課
題を生じる。

【００１２】また、このような照明光学装置７を、図１
４（ａ）に示すような投写型表示装置に導入した場合、
３原色の中の１つの赤の色光については、投写レンズの
瞳面に形成される光源の像が、光軸に対して反転する。
したがって、投写レンズの瞳面での各光源像は、光源１
の緑、青の光源像が２２の領域に形成され、光源１の赤
の光源像は２３の領域に形成される。

【００１３】また、光源２の緑、青の光源像は、２３の
領域に形成され、光源２の赤の光源像が２２の領域に形
成される。このため、２つの光源の発光特性が少しでも
異なれば、投写レンズの口径蝕により、光源像のケラレ
の様相が変わり、結果として、スクリーン上で大きな色
むらを生じるという課題を生じる。

【００１４】したがって、複数の光源を用いて照明光学
装置および投写型表示装置を構成する場合、それぞれの
光源により形成される投写レンズの瞳面での光源像が、
光軸に対してできるだけ対称であって、高効率な照明光
学装置を構成する必要があった。

【００１５】さらには、図１４（ａ）に示す構成では、
照明光学装置７からの光を効率よく導くには投写レンズ
のＦナンバーを小さくする必要があるが、投写レンズの
低Ｆナンバー化は投写レンズの大型化とコスト高となる
課題があった。

【００１６】また、２つの凹面鏡に対して、それぞれ、
第１および第２のレンズアレイ板が必要であり、コスト
高になるという課題があった。

【００１７】本発明は、このような従来の装置における
上記課題を考慮して、投写型表示装置等に用いられる照
明光学装置において、複数の光源を用いた場合であって
も、光源からの光を効率よく均一に画像形成手段に照明
できる照明光学装置と、明るい投写型表示装置を提供す
ることを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】第１の本発明（請求項１
記載の本発明に対応）は、光源からの光を集光し、画像
を形成する画像形成手段に照明するための照明光学装置
であって、複数の光源と、前記複数の光源からの放射光
をそれぞれ集光する楕円面鏡と、前記楕円面鏡の一方の
焦点近傍に配置された、前記楕円面鏡からの光が入射し
光の進行方向を所定の方向に反射する反射手段と、前記
反射手段で反射された光が入射し実質上平行な光を出射
する集光手段と、複数のレンズから構成された、前記集
光手段からの光を多数の光束に分割する第１のレンズア
レイ板と、複数のレンズから構成された、前記第１のレ
ンズアレイ板からの光が入射する第２のレンズアレイ板
とを備え、前記複数の光源からのそれぞれの光の光軸
は、前記照明光学装置の光軸に対して偏芯した構成であ
って、前記偏芯の量をｄとし、前記楕円面鏡の頂点から
前記楕円面鏡の第１焦点までの距離に対する前記頂点か
ら前記楕円面鏡の第２焦点までの距離の比である楕円面
鏡の近軸倍率をｍとすると、前記偏芯量ｄが次式、０．１９ｍ≦ｄ≦０．５５ｍを満たす照明光学装置である。

【００１９】又、第２の本発明（請求項２記載の本発明
に対応）は、光源からの光を集光し、画像を形成する画
像形成手段に照明するための照明光学装置であって、複
数の光源と、前記複数の光源からの放射光をそれぞれ集
光する楕円面鏡と、前記楕円面鏡の一方の焦点近傍に配
置された、前記楕円面鏡からの光が入射し光の進行方向
を所定の方向に反射する反射手段と、前記反射手段で反
射された光が入射し実質上平行な光を出射する集光手段
と、複数のレンズ素子から構成された、前記集光手段か
らの光を多数の光束に分割する第１のレンズアレイ板
と、複数のレンズ素子から構成された、前記第１のレン
ズアレイ板からの光が入射する第２のレンズアレイ板と
を備え、前記複数の光源からのそれぞれの光の光軸は、
前記照明光学装置の光軸に対して偏芯した構成であっ
て、前記偏芯の量をｄとし、前記第１のレンズアレイ板
の前記レンズ素子のピッチをｐとすると、次式、０．３３≦ｄ／ｐ≦０．５２が成立する照明光学装置である。

【００２０】又、第３の本発明（請求項３記載の本発明
に対応）は、上記第２のレンズアレイ板から出射された
自然光を、偏光方向が直交する２つの偏光光に分離する
偏光分離手段と、前記偏光分離手段から出射された前記
偏光光の内、一方の偏光光の偏光方向を回転させる偏光
回転手段とを備えた上記第１又は第２の本発明の照明光
学装置である。

【００２１】又、第４の本発明（請求項４記載の本発明
に対応）は、上記反射手段は、複数の反射面を備えた反
射プリズムである上記第１〜３の何れかの本発明の照明
光学装置である。

【００２２】又、第５の本発明（請求項５記載の本発明
に対応）は、上記反射手段の反射面にはアルミニウム膜
もしくは誘電体膜を備えた上記第１〜３の何れかの本発
明の照明光学装置である。

【００２３】又、第６の本発明（請求項６記載の本発明
に対応）は、上記集光手段は球面収差を小さくする１枚
の非球面レンズで構成した上記第１〜３の何れかの本発
明の照明光学装置である。

【００２４】又、第７の本発明（請求項７記載の本発明
に対応）は、上記非球面レンズは成形により製造された
上記第６の本発明の照明光学装置である。

【００２５】又、第８の本発明（請求項８記載の本発明
に対応）は、上記非球面レンズは樹脂により製造された
上記第６の本発明の照明光学装置である。

【００２６】又、第９の本発明（請求項９記載の本発明
に対応）は、上記偏光分離手段は、偏光分離膜と反射膜
とを備えた偏光分離プリズムを前記複数の光源からのそ
れぞれの光の光軸を含む平面に対して直交する方向に一
定のピッチで複数配置した偏光分離プリズムアレイであ
る上記第３の本発明の照明光学装置である。

【００２７】又、第１０の本発明（請求項１０記載の本
発明に対応）は、上記偏光回転手段は、延伸樹脂フィル
ム製の１／２波長板である上記第３の本発明の照明光学
装置である。

【００２８】又、第１１の本発明（請求項１１記載の本
発明に対応）は、上記第１〜３の何れかの本発明の照明
光学装置と、前記照明光学装置からの光が入射し、映像
信号に応じて光学像を形成する画像形成手段と、前記画
像形成手段上の光学像をスクリーン上に投写する投写レ
ンズと、を備えた投写型表示装置である。

【００２９】又、第１２の本発明（請求項１２記載の本
発明に対応）は、上記第１〜３の何れかの本発明の照明
光学装置と、前記光源からの白色光を青、緑、赤の色成
分の光に分離する色分離光学手段と、前記色分離光学手
段からの各色光が入射し、映像信号に応じて光学像が形
成される３つの画像形成手段と、前記各画像形成手段か
らの青、緑、赤の出射光を受け、青、緑、赤の色光を合
成する色合成光学手段と、前記画像形成手段上の光学像
をスクリーン上に投写する投写レンズと、を備えた投写
型表示装置である。

【００３０】又、第１３の本発明（請求項１３記載の本
発明に対応）は、上記第１〜３の何れかの本発明の照明
光学装置と、前記光源からの白色光を青、緑、赤の色成
分の光に分離する色分離光学手段と、前記色分離光学手
段からの各色光が入射し、入射する光を直交する二つの
偏光方向の光に分離する偏光分離プリズムと、前記偏光
分離プリズムからの光が入射し、映像信号に応じて光学
像が形成される３つの画像形成手段と、前記画像形成手
段からの青、緑、赤の出射する光が前記偏光分離プリズ
ムを透過して入射する青、緑、赤の色光を合成する色合
成光学手段と、前記画像形成手段上の光学像をスクリー
ン上に投写する投写レンズと、を備えた投写型表示装置
である。

【００３１】又、第１４の本発明（請求項１４記載の本
発明に対応）は、上記画像形成手段が透過型の液晶パネ
ルである上記第１１，又は１２の本発明の投写型表示装
置である。

【００３２】又、第１５の本発明（請求項１５記載の本
発明に対応）は、上記画像形成手段が反射型の液晶パネ
ルである上記第１３の本発明の投写型表示装置である。

【００３３】上記構成のように、複数の光源からの光
を、照明光学装置の光軸近傍に集光、合成する場合に、
照明光学装置の光軸に対する複数の光源からの光の光軸
の偏芯量ｄ、楕円面鏡の近軸倍率ｍ、第１レンズアレイ
板のレンズ素子ピッチｐを、一定の関係値に規定するこ
とにより、複数の光源からの光を非常に効率よく、均一
に画像形成手段に照明する照明光学装置が実現できる。

【００３４】また、複数の光源を用いても投写レンズ瞳
面に形成される多数の微小な光源像が光軸に対してほぼ
対称に形成できるため、スクリーン上の照度均一性およ
び色均一性を良好にすることができる。

【００３５】したがって、光利用効率が高く、均一性が
良好な照明光学装置が構成できる。

【００３６】又、上記照明光学装置を用いることによ
り、投写レンズのＦナンバーを小さくすることなく、複
数の光源を合成できるため、小型で低コストで高効率の
投写型表示装置が構成できる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例の照明光学装
置および投写型表示装置について図面を参照しながら説
明する。（実施の形態１）図１は本発明における第１の照明光学
装置の構成図である。ここでは、画像形成手段として、
偏光や散乱を利用して光を変調する液晶パネルを用い
る。

【００３８】同図において、３０、３１は光源であるラ
ンプであり、３２、３３は楕円面鏡である。３４は反射
手段である反射プリズムであり、３５は集光手段である
集光レンズである。３６は第１レンズアレイ板、３７は
第２レンズアレイ板である。３８は照明レンズであり、
３９は本発明の第１の照明光学装置である。４０、４１
はそれぞれ複数の光源３０、３１からの光の光軸であ
り、４２は照明光学装置の光軸である。ｄは光軸４２に
対する光源３０からの光の光軸４０の偏芯量を示してい
る。光軸４１の偏芯量もｄである。

【００３９】又、４３はフィールドレンズ、４４は液晶
パネル、４５は投写レンズ、４６は投写レンズ４５の瞳
面である。尚、反射プリズム３４の反射面の法線と光源
の光軸とのなす角度は、４５°±１°の範囲内に設定し
ておく。これにより、光源３０、３１から出た光の反射
プリズム３４の反射面での反射後の光の光軸４０、４１
が、それぞれ光軸４２に対して実質上平行となる。

【００４０】以上の構成において、メタルハライドラン
プ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等のランプ３
０、３１から放射される光は、それぞれ対応する楕円面
鏡３２、３３により集光され、楕円面鏡３２、３３の第
２焦点近傍に集光スポットを形成する。楕円面鏡３２、
３３のそれぞれの集光スポットは、本実施の形態の照明
光学装置３９の光軸４２近傍に形成されるよう構成して
いる。

【００４１】集光スポット付近には光源の数に対応する
反射面を有する反射プリズム３４を配置し、反射プリズ
ム３４は所定の方向に光軸４０、４１を変換する。反射
プリズム３４の反射面の領域は集光スポットの大きさと
同等の大きさである。光軸４０、４１は照明光学装置３
９の光軸４２に対してｄだけ偏芯している。

【００４２】このようにして、光源３０、３１からの光
は照明光学装置３９の光軸４２近傍に集光され、合成さ
れる。２つの集光スポットは光軸４２の近傍で、且つ光
軸４２を挟んで形成されることになる。

【００４３】ここでは、反射面を構成する部材としてプ
リズムを用いている。プリズムを用いるのは反射面の光
軸４２近傍の有効領域確保と、面精度を確保するためで
ある。

【００４４】又、反射面としてはアルミニウム膜や可視
光を反射する誘電体多層膜を用いて構成している。反射
プリズム３４からの光は集光レンズ３５により略平行光
に変換される。

【００４５】集光レンズ３５は球面収差を無収差にする
非球面形状のレンズである。非球面の集光レンズ３５は
成形により製造すれば低コストに製造できる。また、樹
脂により製造すればさらに低コストとなり、照明光学装
置を軽量化できる。

【００４６】集光レンズ３５からの略平行光は複数のレ
ンズから構成される第１レンズアレイ板３６に入射す
る。第１レンズアレイ板３６に入射した光束は多数の光
束に分割される。分割された多数の光束は、複数のレン
ズから構成される第２レンズアレイ板３７に収束する。
第２レンズアレイ板３７上には複数の光源３０、３１の
多数の微小光源像が形成される。

【００４７】第１レンズアレイ板３６のレンズ素子の焦
点距離は第１レンズアレイ板３６と第２レンズアレイ板
３７の間隔と等しくしている。第１レンズアレイ板３６
のレンズ素子は液晶パネルと相似形の開口形状である。
第２レンズアレイ板３７のレンズ素子は第１レンズアレ
イ板３６面と液晶パネル面４４とが略共役関係となるよ
うに焦点距離を決めている。

【００４８】照明レンズ３８は第２レンズアレイ板３７
の各レンズ素子からの出射した光を液晶パネル４４上に
重畳照明するためのレンズであり、その焦点距離は照明
レンズ３８の面と液晶パネル４４の面との距離としてい
る。

【００４９】また、第１および第２レンズアレイ板３
６，３７の各レンズ素子は効率よく液晶パネル４４に照
明させるため、それぞれ適切に偏芯させている。第２レ
ンズアレイ板３７から出射する多数の光束は、液晶パネ
ル４４上に重畳され、液晶パネル４４上に高効率で均一
に照明される。

【００５０】フィールドレンズ４３は液晶パネル４４上
に照明される光を投写レンズ４５の瞳面４６に集光する
ためのものである。投写レンズ４５の瞳面４６と第２レ
ンズアレイ板３７面とは略共役関係となる。投写レンズ
４５は液晶パネル４４上に形成された光学像をスクリー
ン（図示せず）上に投写する。

【００５１】図２（ａ）〜図２（ｃ）は、本実施の形態
の照明光学装置の説明図である。

【００５２】即ち、図２（ａ）は照明光学装置３９の一
部構成図、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す矢印Ａ方向
から見た、光源３０による光スポットのみの様相を示す
図、図２（ｃ）は集光スポットの強度分布を示す図であ
る。

【００５３】光源３０の発光部を円筒形状とし、その長
手方向を光軸４０方向に配置した場合の発光部長をＬ、
楕円面鏡３２の頂点と第１焦点の距離をｆ１、楕円面鏡
３２の頂点と第２焦点の距離をｆ２とする。

【００５４】楕円面鏡の第１の焦点近傍に光源３０の発
光部が配置される。楕円面鏡３２の第２の焦点には、図
２（ｂ）に示すような集光スポットが形成される。

【００５５】ここで、楕円面鏡の近軸倍率ｍは、ｍ＝ｆ２／ｆ１であり、集光スポットの径Ｄは、Ｄ＝Ｌｍとなる。

【００５６】光源３０、３１から光軸４２近傍に形成さ
れる集光スポットは、光軸４２に対しての偏芯量ｄがＤ
／２以上となるように構成すれば、反射面での集光スポ
ットのケラレによる光損失を生じないが、偏芯量ｄがＤ
／２より小さい場合には光損失を生じる。その様相を図
２（ｂ）に示している。集光スポットの内、斜線を施し
た部分以外の部分が光損失となる。

【００５７】しかしながら、光軸４２に対する偏芯量ｄ
が大きくなると、集光レンズ３５への入射光束の入射角
が大きくなり、液晶パネル４４への照明する光の効率が
低下する。

【００５８】したがって、光源の発光部長がある一定の
値である場合に、液晶パネルへの照明光の効率が高くな
る最適な偏芯量が存在することになる。

【００５９】集光スポットの強度分布に着目すると、図
２（ｃ）のように集光スポットの中心付近程強度が高く
なる。これは、集光スポットが、光源の発光部長Ｌがｍ
倍されて長さＤの線状光源となり、その線状光源が円周
方向に重畳されて形成されるため、集光スポット中央部
での光束密度が高くなるためである。

【００６０】図３は、偏芯量ｄ／ｍに対する照明光学装
置の光利用効率を示したものである。

【００６１】同図において、横軸は、楕円面鏡の近軸倍
率ｍに対する偏芯量ｄを示すｄ／ｍであり、縦軸は、相
対的な照明光学装置の光利用効率を示したものである。

【００６２】尚、光利用効率は光源３０、３１の発光部
長Ｌが１〜１．８ｍｍ、液晶パネルサイズが０．９イン
チ〜１．８インチの場合で、図１に示す照明光学装置を
構成して求めたものである。

【００６３】図３から、偏芯量を示すｄ／ｍが０．３８
の時に最も効率が高くなることがわかる。照明光学装置
を構成する部材の精度や性能バラツキを考慮すると、最
大効率に対して効率低下が１０％以下となる範囲を実用
範囲と考えた場合、偏芯量ｄは、

【００６４】

【数１】０．１９ｍ≦ｄ≦０．５５ｍ（式１）の範囲で効率が高くなる。

【００６５】このように、複数の光源を用いて、図１の
ような照明光学装置を構成する場合、複数の光源に対応
するぞれぞれの光軸と照明光学装置の光軸の偏芯量ｄ
が、式１に示す範囲で最も照明光学装置の光利用効率が
高くなる。

【００６６】図４は投写レンズ４５の瞳面４６に形成さ
れる光源３０、３１の多数の微小な光源像の様相を模式
的に示している。同図では、図示を簡単化するために、
微少な光源像の大きさを場所によらず同一に描いている
が、実際には、瞳面４６の周辺部分の光源像のサイズの
方が、中心部分よりも小さくなる傾向がある。

【００６７】複数の光源の配列方向に対応して、それぞ
れ光源３０、３１の微小な光源像４７、４８が交互に多
数形成される。破線で示している３７は多数の微小な光
源像と第２レンズアレイ板の相対位置関係を示してい
る。この瞳面４６が２次的な光源として、スクリーン上
（図示せず）に投写される。

【００６８】図１４（ａ），図１４（ｂ）に示す従来の
照明光学装置のような投写レンズの瞳面での多数の微小
な光源像と比べて、図４の場合、光軸に対して２つの光
源に対応する多数の微小光源像が対称に形成されている
ことがわかる。

【００６９】レンズアレイ板を用いて照明光学装置を構
成する場合、投写レンズの瞳面で微小な光源像が離散的
に形成されるが、その微小な光源像の隙間に複数の光源
に対応する微小な光源像を形成している。このため、投
写レンズの瞳面の全体に微小な光源像が密に形成される
ことがわかる。

【００７０】このように投写レンズのＦナンバーを小さ
くすることなく、複数の光源からの光を投写レンズに導
くことができる。

【００７１】尚、照明レンズ３８は第２レンズアレイ板
３７の各レンズ素子からの出射した光を液晶パネル４４
上に重畳照明するためのレンズであるが、その作用を、
第１および第２レンズアレイ板のレンズ素子の適切な偏
芯により実現させる様にすれば、照明レンズ３８を配置
しなくもよい。

【００７２】第２レンズアレイ板の各レンズ素子は矩形
にしているが、光利用効率を向上させるため、適切に開
口形状を異ならせてもよい。

【００７３】以上のように、複数の光源からの光を、照
明光学装置の光軸近傍に集光、合成する照明光学装置に
おいて、照明光学装置の光軸に対する複数の光源からの
光の光軸の偏芯量ｄを一定の値にすることにより、照明
光学装置の光利用効率を高くすることができる。

【００７４】また、複数の光源を用いても投写レンズ瞳
面に形成される多数の微小な光源像が光軸に対してほぼ
対称に形成できるため、スクリーン上の照度均一性およ
び色均一性を良好にすることができる。

【００７５】したがって、光利用効率が高く、均一性が
良好な照明光学装置が構成できる。

【００７６】また、投写レンズのＦナンバーを小さくす
ることなく、複数の光源を合成できるため、小型で低コ
ストで高効率の投写型表示装置が構成できる。

【００７７】（実施の形態２）図５は本発明における第
２の照明光学装置の構成を示したものである。

【００７８】ここでは、画像形成手段として、偏光を利
用して光を変調する液晶パネルを用いる。

【００７９】同図に示す様に、６０、６１は光源である
ランプであり、６２、６３は楕円面鏡である。６４は反
射手段である反射プリズムであり、６５は集光手段であ
る集光レンズである。６６は第１レンズアレイ板、６７
は第２レンズアレイ板である。６８は照明レンズであ
り、６９は本発明の第２の照明光学装置である。７０、
７１はそれぞれ複数の光源６０、６１からの光の光軸で
あり、７２は照明光学装置の光軸である。

【００８０】ｄは光軸７２に対する光源からの光の光軸
７０の偏芯量を示している。光軸７１の偏芯量もｄであ
る。

【００８１】又、７３はフィールドレンズ、７４は液晶
パネルである。７５は投写レンズ、７６は投写レンズの
瞳面である。

【００８２】本実施の形態において、図１と異なるの
は、第１レンズアレイ板のレンズ素子ピッチを規定して
いる点である。ここで、ｐは複数の光源６０、６１から
の光のそれぞれの光軸７０、７１を含む平面に対して平
行な方向に配列した第１のレンズアレイ板６６のレンズ
素子のピッチである。

【００８３】メタルハライドランプ、超高圧水銀ラン
プ、キセノンランプ等のランプ６０、６１から放射され
る光はそれぞれ対応する楕円面鏡６２、６３により集光
され、楕円面鏡６２、６３の第２焦点に集光スポットを
形成する。

【００８４】楕円面鏡６２、６３のそれぞれの集光スポ
ットは照明光学装置６９の光軸７２近傍に形成されるよ
う構成している。集光スポット付近には光源の数に対応
する反射面を有する反射プリズム６４を配置し、反射プ
リズム６４は所定の方向に光軸７０、７１を変換する。
光軸７０、７１は照明光学装置の光軸７２に対してｄだ
け偏芯している。

【００８５】このようにして、光源６０、６１からの光
は照明光学装置６９の光軸７２近傍に集光され、合成さ
れる。２つの集光スポットは光軸近傍に光軸７２を挟ん
で形成されることになる。反射プリズム６４からの光は
集光レンズ６５により略平行光に変換される。

【００８６】集光レンズ６５からの略平行光は複数のレ
ンズから構成される第１レンズアレイ板６６に入射す
る。第１レンズアレイ板６６に入射した光束は多数の光
束に分割される。分割された多数の光束は、複数のレン
ズから構成される第２レンズアレイ板６７に収束する。
第２レンズアレイ板６７上には複数の光源６０、６１の
多数の微小光源像が形成される。

【００８７】第１レンズアレイ板６６のレンズ素子の焦
点距離は第１レンズアレイ板６６と第２レンズアレイ板
６７の間隔と等しくしている。第１レンズアレイ板６６
のレンズ素子は液晶パネルと相似形の開口形状である。
第２レンズアレイ板６７のレンズ素子は第１レンズアレ
イ板６６面と液晶パネル面７４とが略共役関係となるよ
うに焦点距離を決めている。

【００８８】照明レンズ６８は第２レンズアレイ板６７
の各レンズ素子からの出射した光を液晶パネル７４上に
重畳照明するためのレンズであり、その焦点距離は照明
レンズ面と液晶パネル面の距離としている。

【００８９】また、第１および第２レンズアレイ板６７
の各レンズ素子は効率よく液晶パネル７４に照明させる
ため、それぞれ適切に偏芯させている。第２レンズアレ
イ板６７から出射する多数の光束は、液晶パネル７４上
に重畳され、液晶パネル７４上に高効率で均一に照明さ
れる。

【００９０】フィールドレンズ７３は液晶パネル７４上
に照明される光を投写レンズ７５の瞳面７６に集光する
ためのものである。投写レンズ７５の瞳面７６と第２レ
ンズアレイ板６７面とは略共役関係となる。投写レンズ
７５は液晶パネル７４形成された光学像をスクリーン
（図示せず）上に投写する。

【００９１】ここで、図２に示した複数の光源からの光
を合成する照明光学装置の説明図を参照する。

【００９２】楕円面鏡の第２の焦点には、図２（ｂ）に
示すようなスポット径がＤの集光スポットが形成され
る。２つの光源から照明光学装置の光軸近傍に形成され
る集光スポットは、光軸に対しての偏芯量ｄがＤ／２以
上となるように構成すれば、反射面での集光スポットの
ケラレによる光損失を生じないが、偏芯量ｄがＤ／２よ
り小さい場合には光損失を生じる。集光スポットの内、
斜線を施した部分以外の部分が光損失となる。

【００９３】しかしながら、照明光学装置の光軸７２に
対する偏芯量ｄが大きくなると、集光レンズ６５への入
射光束の入射角が大きくなり、液晶パネル７４への照明
する光の効率が低下する。したがって、光源の発光部長
がある一定の値である場合に、液晶パネルへの照明光の
効率が高くなる最適な偏芯量が存在することになる。

【００９４】図６（ａ）〜図６（ｂ）は、第１のレンズ
アレイ板６６と第２のレンズアレイ板６７に照明される
光束の様相を示した図である。

【００９５】即ち、図６（ａ）は第１のレンズアレイ板
６６に照明される光束の様相を示し、図６（ｂ）は第２
のレンズアレイ板６７に照明される光束の様相を模式的
に示している。

【００９６】同図において、７７、７８はそれぞれ光源
６０、６１からの光が集光レンズ６５から出射して、第
１のレンズアレイ板に照明される光束径を示している。
Ｐはレンズアレイ板の要素レンズのピッチである。

【００９７】光源６０からの光の光軸７０の偏芯量ｄと
Ｐとの関係により、第１のレンズアレイ板を照明する光
束径７７が変る。偏芯量ｄが大きくなると、光束７７、
７８の重畳領域が小さくなり、光損失が増大する。

【００９８】本実施の形態では、図６（ａ）に示す様
に、第１レンズアレイ板６６の周辺部分に配列されたレ
ンズ素子列７９，８０についても、２つの光束径７７及
び７８の内、少なくとも何れか一つの光束径により照明
できる様に構成している。

【００９９】このようにすると、第２のレンズアレイ板
６７上に形成される微小光源像が、図６（ｂ）に示すよ
うに形成される。この微小光源像が投写レンズの瞳上に
２次的に形成され、その微小光源像の輝度と面積の積が
スクリーン上の明るさを決める。

【０１００】尚、図６（ｂ）においても、図４の場合と
同様に、図示を簡単化するために、微少な光源像の大き
さを場所によらず同一に描いている。後述する実施の形
態３で参照する図１０についても同様である。、光源６
０からの光束は周辺列方向レンズ素子７９を照明してい
るため、第２レンズアレイ板の周辺レンズ素子には光源
６０からの光源像８３だけが形成される。

【０１０１】同様に、光源６１からの光束は列方向周辺
レンズ素子８０を照明しているため、第２レンズアレイ
板の周辺レンズ素子には光源６１からの光源像８４だけ
が形成される。周辺レンズ素子に形成される１つの光源
からの微小光源像は、レンズ素子ピッチｐと偏芯量ｄの
関係により、微小光源像の面積が変わり、その面積が大
きい方が照明光学装置の光利用効率が高くなる。

【０１０２】したがって、偏芯量ｄとレンズアレイ板の
レンズ素子ピッチｐの関係により、光利用効率が変化す
ることになり、光利用効率が高くなる最適な関係が存在
する。

【０１０３】図７は第１のレンズアレイ板６６のレンズ
素子ピッチｐと偏芯量ｄとの関係に対する照明光学装置
の相対的光利用効率を示したものである。

【０１０４】同図において、横軸はレンズ素子ピッチに
対する偏芯量を示すｄ／ｐであり、縦軸は照明光学装置
の相対的な光利用効率を示したものである。

【０１０５】光利用効率は光源は光源６０、６１の発光
部長Ｌが１〜１．８ｍｍ、液晶パネルサイズが０．９イ
ンチ〜１．８インチの場合で、図５に示す照明光学装置
を構成して求めたものである。

【０１０６】図７から、ｄ／ｐが０．４２の時に、最も
効率が高くなることがわかる。

【０１０７】照明光学装置を構成する部材の精度や性能
バラツキを考慮すると、最大効率に対して効率低下が１
０％以下となる範囲を実用範囲と考えた場合、第１のレ
ンズアレイ板６６のレンズ素子ピッチをｐとすると、レ
ンズ素子ピッチｐと偏芯量ｄとの関係が、

【０１０８】

【数２】０．３３≦ｄ／ｐ≦０．５２（式２）の範囲で、光利用効率が高くなる。

【０１０９】尚、レンズ素子のピッチｐは、図６（ａ）
に示す様に、第１レンズアレイ板６６上の光軸７２から
の、各光軸７１及び７２のずれ方向に平行な方向に配列
されたレンズ素子の配列の間隔として定義している。

【０１１０】このように、複数の光源を用いて、図５の
ような照明光学装置を構成する場合、複数の光源に対応
するぞれぞれの光軸と照明光学装置の光軸の偏芯量ｄ
と、第１レンズアレイ板のレンズ素子のピッチｐとの関
係が、式２に示す範囲で最も照明光学装置の光利用効率
が高くなる。

【０１１１】尚、図６（ｂ）に示された微少な光源像の
様相から見ると、ｄ／ｐが０．５の時に、光利用効率が
あたかも最高となるかのように思えるが、実はそうでは
ないことは上述した通りである。即ち、現実には図７で
述べた通り、ｄ／ｐが０．４２の時に、光利用効率が最
も高くなるのである。その理由は、以下の通りである。

【０１１２】即ち、図６（ｂ）では、図４の場合と同様
に、図示を簡単化するために、微少な光源像の大きさを
場所によらず同一に描いている。実際には、第２レンズ
アレイ板６７の周辺部分の光源像のサイズの方が、中心
部分よりも小さくなる傾向がある。この様な傾向から、
周辺部分の光源像のサイズを出来るだけ大きく設定する
と、中心部分の光源像のサイズは、各レンズ素子からは
みだす部分が大きくなるので、光損失が増加する。そこ
で、上記はみだす部分を減らすために、偏芯量ｄをｐ／
２より小さくすることで各レンズ素子に形成される２つ
の光源像の中心位置がより一層近づく様にする必要があ
る。但し、偏芯量ｄをあまり小さくし過ぎると、今度
は、式１で述べた様に、反射プリズム６４の反射面での
集光スポットのケラレによる光損失が生じる。

【０１１３】この様な理由により、ｄ／ｐは、０．５よ
り小さい値で最大値をとることとなる。

【０１１４】ところで、投写レンズ７５の瞳面７６に形
成される光源６０、６１の多数の微小な光源像の様相
は、図６（ｂ）の様相と相似となる。即ち、複数の光源
の配列方向に対応して、それぞれ光源６０、６１の微小
な光源像８１，８２が交互に多数形成される。この瞳面
７６が２次的な光源として、スクリーン上（図示せず）
に投写される。

【０１１５】図１４に示す従来の照明光学装置のような
投写レンズの瞳面での多数の微小な光源像と比べて、光
軸に対して２つの光源に対応する多数の微小光源像が対
称に形成されていることがわかる。

【０１１６】レンズアレイ板を用いて照明光学装置を構
成する場合、投写レンズの瞳面で微小な光源像が離散的
に形成されるが、その微小な光源像の隙間に複数の光源
に対応する微小な光源像を形成している。このため、投
写レンズの瞳面の全体に微小な光源像が密に形成される
ことがわかる。

【０１１７】このように投写レンズのＦナンバーを小さ
くすることなく、複数の光源からの光を投写レンズに導
くことができる。

【０１１８】尚、照明レンズ６８は第２レンズアレイ板
６７の各レンズ素子からの出射した光を液晶パネル７４
上に重畳照明するためのレンズであるが、その作用を、
第１および第２レンズアレイ板のレンズ素子の適切な偏
芯により実現させる様にすれば、照明レンズ６８を配置
しなくもよい。

【０１１９】第２レンズアレイ板の各レンズ素子は矩形
にしているが、光利用効率を向上させるため、適切に開
口形状を異ならせてもよい。

【０１２０】以上のように、複数の光源からの光を、照
明光学装置の光軸近傍に集光、合成する照明光学装置に
おいて、照明光学装置の光軸に対する複数の光源からの
光の光軸の偏芯量ｄと第１レンズアレイ板のレンズ素子
ピッチＰを一定の関係値に規定することにより、照明光
学装置の光利用効率を高くすることができる。

【０１２１】また、複数の光源を用いても投写レンズ瞳
面に形成される多数の微小な光源像が光軸に対してほぼ
対称に形成できるため、スクリーン上の照度均一性およ
び色均一性を良好にすることができる。

【０１２２】したがって、光利用効率が高く、均一性が
良好な照明光学装置が構成できる。また、投写レンズの
Ｆナンバーを小さくすることなく、複数の光源を合成で
きるため、小型で低コストで高効率の投写型表示装置が
構成できる。（実施の形態３）図８は本発明における第３の照明光学
装置の構成を示したものである。画像形成手段として、
偏光を利用して光を変調する液晶パネルを用いる。

【０１２３】同図において、９０、９１は光源であるラ
ンプ、９２、９３は楕円面鏡である。９４は反射手段で
ある反射プリズム、９５は集光手段である集光レンズで
ある。９６は第１レンズアレイ板、９７は第２レンズア
レイ板である。９９は照明レンズである。尚、以上は、
図１および図５の照明光学装置と同様である。

【０１２４】ここで、図１および図５と異なるのは、偏
光変換光学部材９８を備えている点である。

【０１２５】尚、図９（ａ）〜図９（ｂ）に偏光変換光
学部材９８の構成図を示す。図９（ａ）は、偏光変換光
学部材９８の平面図であり、図９（ｂ）は側面図であ
る。偏光変換光学部材９８は、偏光分離膜１１０と反射
膜１１１を交互に多数形成して構成した偏光分離プリズ
ムアレイ１１２と、偏光回転手段である１／２波長板１
１３とから構成される。ここで、偏光分離プリズムアレ
イ１１２は、本発明の偏光分離手段の一例である。

【０１２６】図８に示す様に、１００は本発明の第３の
照明光学装置である。１０６は偏光を利用して光を変調
する液晶パネル、１０５はフィールドレンズ、１０７は
投写レンズ、１０８は投写レンズの瞳面を示す。

【０１２７】ランプ９０、９１から放射される光はそれ
ぞれ対応する楕円面鏡９２、９３により集光され、楕円
面鏡９２、９３の第２焦点に集光スポットを形成する。
楕円面鏡９２、９３のそれぞれの集光スポットは照明光
学装置１００の光軸１０３近傍に形成されるよう構成し
ている。

【０１２８】集光スポット付近には光源の数に対応する
反射面を有する反射プリズム９４を配置し、反射プリズ
ム９４は所定の方向に光軸１０１、１０２を変換する。
光軸１０１、１０２は照明光学装置の光軸１０３に対し
てｄだけ偏芯している。

【０１２９】このようにして、光源９０、９１からの光
は照明光学装置１００の光軸１０３近傍に集光され、合
成される。２つの集光スポットは光軸近傍に光軸１０３
を挟んで形成されることになる。ここで、反射面を構成
する部材としてプリズムを用いている。反射プリズム９
４からの光は集光レンズ９５により略平行光に変換され
る。

【０１３０】集光レンズ９５からの略平行光は複数のレ
ンズから構成される第１レンズアレイ板９６に入射す
る。第１レンズアレイ板９６に入射した光束は多数の光
束に分割される。分割された多数の光束は、複数のレン
ズから構成される第２レンズアレイ板９７に収束する。
第２レンズアレイ板９７上には複数の光源９０、９１の
多数の微小光源像が形成される。

【０１３１】第１レンズアレイ板９６のレンズ素子の焦
点距離は第１レンズアレイ板９６と第２レンズアレイ板
９７の間隔と等しくしている。第１レンズアレイ板９６
のレンズ素子は液晶パネルと相似形の開口形状である。
第２レンズアレイ板９７のレンズ素子は第１レンズアレ
イ板９６の面と液晶パネル１０６の面とが略共役関係と
なるように焦点距離を決めている。

【０１３２】光源９０、９１から光軸１０３近傍に形成
される集光スポットは、スポット径をＤとすると光軸１
０３に対しての偏芯量ｄがＤ／２以上となるように構成
すれば、反射面での集光スポットのケラレによる光損失
を生じないが、偏芯量ｄがＤ／２より小さい場合には光
損失を生じる。

【０１３３】しかしながら、光軸１０３に対する偏芯量
ｄが大きくなると、集光レンズ９５への入射光束の入射
角が大きくなり、液晶パネル１０６への照明する光の効
率が低下する。

【０１３４】また、偏芯量ｄが大きくなると第１レンズ
アレイ板に入射する複数の光源からの光束がそれぞれの
重畳領域が狭くなり、光の利用効率が低下する。したが
って、光源の発光部長がある一定の値である場合に、液
晶パネルへの照明光の効率が高くなる最適な偏芯量と、
第１レンズアレイ板のレンズ素子ピッチが存在すること
になる。

【０１３５】光源９０、９１の発光部長Ｌが１〜１．８
ｍｍ、液晶パネルサイズが０．９インチ〜１．８インチ
の場合で、図８に示す照明光学装置を構成して、光利用
効率を求めると、楕円面鏡の近軸倍率ｍと偏芯量ｄの関
係がｄ／ｍ＝０．３８で最も効率が高くなる。

【０１３６】照明光学装置を構成する部材の精度や性能
バラツキを考慮すると、最大効率に対して効率低下が１
０％以下となる範囲を実用範囲と考えた場合、楕円面鏡
の近軸倍率ｍと偏芯量ｄが、

【０１３７】

【数３】０．１９ｍ≦ｄ≦０．５５ｍ（式３）の場合に照明光学装置の光利用効率が高くなる。

【０１３８】また、第１のレンズアレイ板９６のレンズ
素子ピッチをｐとすると、レンズ素子ピッチＰと偏芯量
ｄとの関係が、

【０１３９】

【数４】０．３３≦ｄ／ｐ≦０．５２（式４）の範囲で、照明光学装置の光利用効率が高くなる。

【０１４０】尚、レンズ素子のピッチｐは、図８に示す
通りであり、これは、式２において図６（ａ）を用いて
説明した定義と同じである。

【０１４１】尚、本実施の形態では、偏芯量ｄとピッチ
ｐの決め方は、式３と式４に示す関係を同時に満足する
ように決めても良いし、あるいは、何れか一方の式を満
足するように決めても良い。

【０１４２】第２レンズアレイ板９７から出射する多数
の光束は、微小な偏光分離プリズムを、複数の光源９
０，９１からのそれぞれの光の光軸１０１、１０２を含
む平面に対して直交する方向１０４に、一定のピッチで
多数配列した偏光分離プリズムアレイ１１２に入射す
る。

【０１４３】偏光分離プリズムアレイの配列方向を方向
１０４としているのは、複数の光源とそれぞれの光源の
二つの偏光成分に対応する光源に対して、投写レンズの
瞳面での微小な光源像を緻密に形成するためである。

【０１４４】微小な偏光分離プリズムは第２レンズアレ
イ板９７の方向１０４と平行な方向のレンズピッチの約
１／２のピッチで配列している。

【０１４５】一つの偏光分離プリズムに入射した光は偏
光分離膜１１０によりＰ偏光は透過し、Ｓ偏光は反射す
る。反射したＳ偏光の光は、隣の反射膜１１１に入射し
再び反射され、１／２波長板１１３に入射する。１／２
波長板１１３は入射した光の偏光方向を９０°回転する
ように配置され、入射したＳ偏光の光をＰ偏光に変換す
る。

【０１４６】このように、偏光変換光学部材９８により
自然光を一つの偏光方向の光に変換した光は照明レンズ
９９に入射する。照明レンズ９９は第２レンズアレイ板
９７の各レンズ素子からの出射した光を液晶パネル１０
６上に重畳照明するためのレンズである。

【０１４７】また、第１および第２レンズアレイ板の各
レンズ素子は効率よく液晶パネルに照明するため、それ
ぞれ適切に偏芯させている。第２レンズアレイ板９７か
ら出射する多数の光束は、液晶パネル１０６上に重畳さ
れ、液晶パネル１０６上に高効率で均一に照明される。

【０１４８】偏光変換光学部材９８を配置することによ
り、損失していた一方の偏光方向の光を利用できるた
め、液晶パネルを照明する有効な偏光の光束が増大でき
る。

【０１４９】フィールドレンズ１０５は液晶パネル１０
６上に照明される光を投写レンズ１０７の瞳面１０８に
集光するためのものである。投写レンズ１０７の瞳面１
０８と第２レンズアレイ板９７面とは略共役関係とな
る。

【０１５０】図１０には投写レンズ１０７の瞳面１０８
に形成される光源９０、９１の多数の微小な光源像の様
相を図示している。

【０１５１】複数の光源のそれぞれの光軸を含む面と平
行な方向１０４の方向に、それぞれ光源９０、９１の一
方向の偏光成分の微小な光源像１２０、１２１が交互に
形成される。

【０１５２】さらに、偏光変換光学部材９８の偏光分離
プリズムアレイ１１２の配列方向（方向１０４と垂直な
方向）に、もう一方の偏光成分の微小な光源像１２２、
１２３が形成される。この瞳面１０８が光源として、ス
クリーン上（図示せず）に投写される。

【０１５３】図１４（ａ）、図１４（ｂ）に示す従来の
照明光学装置のような投写レンズの瞳面での光源像と比
べて、光軸に対して複数の光源の光源像が対称に形成さ
れていることががわかる。レンズアレイ板を用いて照明
光学装置を構成する場合、投写レンズの瞳面で微小な光
源像が離散的に形成されるが、その微小な光源像の隙間
に複数の光源に対応する微小な光源像を形成している。

【０１５４】さらに、それぞれの光源に対応する二つの
偏光成分の微小な光源像を形成している。このため、投
写レンズの瞳面の全体に微小な光源像が非常に緻密に形
成されることがわかる。このように投写レンズのＦナン
バーを小さくすることなく、複数の光源からの光をそれ
ぞれ一つの偏光方向に変換してを投写レンズに導くこと
ができる。

【０１５５】以上のように、複数の光源からの光を、照
明光学装置の光軸近傍に集光、合成する照明光学装置に
おいて、照明光学装置の光軸に対する複数の光源からの
光の光軸の偏芯量ｄや第１レンズアレイ板のレンズ素子
ピッチＰを一定の値に規定することにより、照明光学装
置の光利用効率を高くすることができる。

【０１５６】また、複数の光源を用いても投写レンズ瞳
面に形成される多数の微小な光源像が光軸に対してほぼ
対称に形成できるため、スクリーン上の照度均一性およ
び色均一性を良好にすることができる。

【０１５７】したがって、光利用効率が高く、均一性が
良好な照明光学装置が構成できる。また、投写レンズの
Ｆナンバーを小さくすることなく、複数の光源を合成で
きるため、小型で低コストで高効率の投写型表示装置が
構成できる。

【０１５８】さらに、自然光を一方向の偏光の光に変換
する偏光変換光学部材を配置するため、光利用効率が非
常に高い照明光学装置および投写型表示装置が構成でき
る。（実施の形態４）図１１は本発明における第１の投写型
表示装置の構成を示したものである。画像形成手段とし
ては偏光や散乱を利用して光を変調する液晶パネルを用
いる。

【０１５９】同図において、１３０、１３１は光源であ
るランプであり、１３２、１３３は楕円面鏡である。１
３４は反射プリズムであり、１３５は集光レンズであ
る。１３６は第１レンズアレイ板、１３７は第２レンズ
アレイ板である。１３８は照明レンズであり、１３９は
本発明の照明光学装置の一例である。

【０１６０】又、１４０、１４１はそれぞれ複数の光源
１３０、１３１からの光束の光軸、１４２は照明光学装
置１３９の光軸である。ｄは光軸１４２に対する光軸１
４０の偏芯量を示している。光軸１４１の偏芯量もｄで
ある。１４４は液晶パネル、１４３はフィールドレン
ズ、１４５は投写レンズ、１４７はスクリーンである。

【０１６１】以上の構成において、照明光学装置１３９
から出射した光は、フィールドレンズ１４３を透過し、
液晶パネル１４４に入射する。液晶パネル１４４の各画
素には青、緑、赤のカラーフィルタが形成されている。

【０１６２】液晶パネル１４４はアクティブマトリック
ス方式であって、映像信号に応じた画素への印加電圧の
制御により光を変調し、カラー画像を形成する。フィー
ルドレンズ１４３は液晶パネル１４４への照明光を投写
レンズ１４５の瞳面１４６に集光させるものである。液
晶パネル１４４を透過した色光は、投写レンズ１４５に
よりスクリーン１４７上に拡大投写される。

【０１６３】以上のように、複数の光源からの光を、照
明光学装置の光軸近傍に集光、合成する照明光学装置に
おいて、照明光学装置の光軸に対する複数の光源からの
光の光軸の偏芯量ｄや第１レンズアレイ板のレンズ素子
ピッチＰを一定の値に規定することにより、複数の光源
からの光を非常に効率よく、均一に液晶パネルへ照明で
きる。

【０１６４】即ち、偏芯量ｄとピッチｐの決め方は、式
１と式２に示す関係を同時に満足するように決めても良
いし、あるいは、何れか一方の式を満足するように決め
ても良い。

【０１６５】したがって、均一性が良く、光利用効率の
高い投写型表示装置が構成できる。１枚の液晶パネルを
用いて構成するため、小型で、低コストな投写型表示装
置を構成できる。（実施の形態５）図１２は本発明における第２の投写型
表示装置の構成を示したものである。画像形成手段とし
て、偏光を利用して光を変調する液晶パネルを用いる。

【０１６６】同図において、１３０、１３１は光源であ
るランプ、１３２、１３３は楕円面鏡である。１３４は
反射プリズム、１３５は集光レンズである。１３６は第
１レンズアレイ板、１３７は第２レンズアレイ板であ
る。１３８は照明レンズであり、１３９は本発明の照明
光学装置の一例である。

【０１６７】又、１４０、１４１はそれぞれ複数の光源
１３０、１３１からの光束の光軸、１４２は照明光学装
置１３９の光軸である。ｄは光軸１４２に対する複数の
光源の光軸１４０の偏芯量を示している。光軸１４１の
偏芯量もｄである。１６０、１６１はそれぞれ青反射、
緑反射のダイクロイックミラーである。１６２はダイク
ロイックミラーから構成される色分離光学手段であり、
１６３、１６４、１６５はミラーである。

【０１６８】又、１６６，１６７はリレーレンズ、１６
８、１６９、１７０はフィールドレンズ、１７１、１７
２、１７３は液晶パネルである。１７６は色合成手段で
あるダクロイックプリズムである。１７４、１７５はそ
れぞれダイクロイックプリズム１７６を構成する青反
射、赤反射のダイクロイックミラーであり、１７７は投
写レンズである。

【０１６９】照明光学装置１３９から出射した光は、色
分離光学手段１６２に入射する。色分離光学手段１６２
に入射した光は、青反射のダイクロイックミラー１６
０、緑反射のダイクロイックミラー１６１により、青、
緑、赤の色光に分離される。緑、青の色光はそれぞれフ
ィールドレンズ１６８、１７０を透過し、液晶パネル１
７１、１７３に入射する。

【０１７０】赤の色光はリレーレンズ１６６、１６７や
ミラーを透過もしくは反射して、フィールドレンズ１６
９を透過後、液晶パネル１７２に入射する。３枚の液晶
パネル１７１、１７２、１７３はアクティブマトリック
ス方式であって、映像信号に応じた画素への印加電圧の
制御により光を変調し、それぞれ赤、緑、青の画像を形
成する。

【０１７１】液晶パネル１７１、１７２、１７３を透過
した色光は、色合成光学手段であるダイクロイックプリ
ズム１７６により、合成され投写レンズ１７７によりス
クリーン（図示せず）上に拡大投写される。

【０１７２】以上のように、複数の光源からの光を、照
明光学装置の光軸近傍に集光、合成する照明光学装置に
おいて、照明光学装置の光軸に対する複数の光源からの
光の光軸の偏芯量ｄや第１レンズアレイ板のレンズ素子
ピッチＰを、上記実施の形態で述べた様に、一定の値に
規定することにより、複数の光源からの光を非常に効率
よく、均一に液晶パネルへ照明できる。

【０１７３】したがって、均一性が良く、光利用効率の
高い投写型表示装置が構成できる。

【０１７４】３枚の液晶パネルを用いて構成するため、
明るく高精細の投写型表示装置が構成できる。

【０１７５】（実施の形態６）図１３は本発明における
第３の投写型表示装置の構成を示したものである。画像
形成手段として、偏光を利用して光を変調する反射型の
液晶パネルを用いる。

【０１７６】同図において、１３０、１３１は光源であ
るランプ、１３２、１３３は楕円面鏡である。１３４は
反射プリズム、１３５は集光レンズである。１３６は第
１レンズアレイ板、１３７は第２レンズアレイ板であ
る。１３８は照明レンズであり、１３９は本発明の照明
光学装置の一例である。

【０１７７】又、１４０、１４１はそれぞれ複数の光源
１３０、１３１からの光束の光軸、１４２は照明光学装
置１３９の光軸である。ｄは光軸１４２に対する光軸１
４０の偏芯量を示している。光軸１４１の偏芯量もｄで
ある。

【０１７８】１８０、１８１はそれぞれ赤透過、緑反射
のダイクロイックミラー、１８２はダイクロイックミラ
ーから構成される色分離光学手段である。１８３はミラ
ー、１８４、１８５、１８６は偏光分離プリズム、１８
７、１８８、１８９は反射型の液晶パネルである。１９
０、１９１は１／２波長板、１９４は色合成手段である
ダクロイックプリズムである。

【０１７９】又、１９２、１９３はそれぞれダイクロイ
ックプリズム１９４を構成する赤反射、青反射のダイク
ロイックミラー、１９５は投写レンズである。

【０１８０】照明光学装置１３９から出射した光は、色
分離光学手段１８２に入射する。色分離光学手段１８２
に入射した光は、赤透過のダイクロイックミラー１８
０、緑反射のダイクロイックミラー１８１により、青、
緑、赤の色光に分離される。分離された緑、赤、青の色
光はそれぞれ偏光分離プリズム１８４、１８５、１８６
に入射する。

【０１８１】偏光分離プリズム１８４、１８５、１８６
は誘電体多層膜から構成される偏光分離膜を有するプリ
ズムである。偏光分離膜の入射角は４５°であり、偏光
分離膜面に対してのＰ偏光を透過させＳ偏光を反射させ
る。反射した緑、赤、青の色光のＳ偏光はそれぞれ反射
型の液晶パネル１８７、１８８、１８９に入射する。反
射型の液晶パネル１８７、１８８、１８９は、アクティ
ブマトリクス方式であって、液晶層と反射膜とを備えて
いる。

【０１８２】液晶にはホメオトロピック液晶やＨＡＮモ
ード液晶、４５度ツイストネマチック液晶が用いられ
る。反射型の液晶パネルは、映像信号に応じて電圧が印
加されると液晶の複屈折が変化する。反射型の液晶パネ
ルへの入射光は液晶を透過し、反射膜で反射され、再び
液晶を透過する過程で、複屈折により光の偏光状態がＳ
偏光からＰ偏光に変化し、出射する。

【０１８３】反射型の液晶パネル１８７から出射した緑
のＰ偏光の色光は偏光分離プリズム１８４を透過した
後、色合成手段であるダイクロイックプリズム１８４に
入射する。反射型の液晶パネル１８８、１８９からそれ
ぞれ出射した赤、青のＰ偏光の各色光は、偏光分離プリ
ズム１８５、１８６を透過し、１／２波長板１９０、１
９１により偏光方向をＳ偏光に回転された後、色合成手
段であるダイクロイックプリズム１９４に入射する。ダ
イクロイックプリズム１９４により緑、赤、青の各色光
は合成され、投写レンズ１９５によりスクリーン上に拡
大投写される。

【０１８４】一方、反射型の液晶パネル１８７、１８
８、１８９により偏光状態が変化されないＳ偏光は、偏
光分離プリズム１８４、１８５、１８６で反射し、照明
光学装置１３９側に戻る。このようにして、反射型の液
晶パネルで光の偏光状態の変化として形成される光学像
がスクリーン（図示せず）上に拡大投写され、フルカラ
ーの投写画像が形成される。

【０１８５】以上のように、複数の光源からの光を、照
明光学装置の光軸近傍に集光、合成する照明光学装置に
おいて、照明光学装置の光軸に対する複数の光源からの
光の光軸の偏芯量ｄや第１レンズアレイ板のレンズ素子
ピッチＰを、上記実施の形態で述べた様に、一定の値に
規定することにより、複数の光源からの光を非常に効率
よく、均一に液晶パネルへ照明できる。

【０１８６】したがって、均一性が良く、光利用効率の
高い投写型表示装置が構成できる。

【０１８７】３枚の反射型の液晶パネルを用いて構成す
るため、明るく高精細の投写型表示装置が構成できる。

【０１８８】尚、上記実施例において、画像形成手段と
して、偏光や散乱を利用した液晶パネルを用いた例を示
したが、２次元的に配置された多数の微小ミラーの傾き
を変えて反射光の出射角度を変えることにより映像信号
に応じた光学像を形成する画像形成手段を用いてもよ
い。また、透過型のスクリーンを用いて、背面投写の投
写型表示装置を構成してもよい。

【０１８９】又、上記実施の形態では、投写型表示装置
に用いる照明光学装置としては、偏光変換部材を備えて
いない構成の場合について述べたが、これに限らず例え
ば、偏光を利用して光を変調して画像を形成する方式の
場合には、図８の偏光変換部材９８を備えた本発明の別
の照明光学装置を用いてもよい。

【０１９０】又、上記実施の形態では、光源を２個設け
た場合について説明したが、これに限らず例えば、４個
設ける構成の場合にも上記関係式を適用することによ
り、同様の効果を発揮する。この場合、反射プリズムの
形状は４角錐となる。

【０１９１】又、上記実施の形態１，２では、式１又は
式２の関係を満たす場合について述べたが、これに限ら
ず、例えば、図１に示す構成で、式１と式２の関係を同
時に満たす様に、偏芯量ｄとピッチｐを決めても良い。

【０１９２】

【発明の効果】以上述べたことから明らかなように本発
明は、複数の光源を用いた場合であっても、光源からの
光を効率よく均一に画像形成手段に照明できるという長
所を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における照明光学装
置の構成図

【図２】（ａ）〜（ｃ）：複数の光源からの光を合成す
る照明光学装置の動作説明図

【図３】ｄ／ｍと、照明光学装置の相対的な光利用効率
との関係を示す図

【図４】本発明の第１の実施の形態に係る照明光学装置
における投写レンズの瞳面での複数の光源の微小な光源
像の様相図

【図５】本発明の第２の実施の形態における照明光学装
置の構成図

【図６】（ａ）：第１のレンズアレイ板に照明される光
束の様相を示す図（ｂ）：第２のレンズアレイ板に照明される光束の様相
を示す図

【図７】第１のレンズアレイ板のレンズ素子ピッチと偏
芯量ｄに対する相対光利用効率を示す図

【図８】本発明の第３の実施の形態における照明光学装
置の構成図

【図９】（ａ）、（ｂ）：偏光変換光学部材の構成図

【図１０】本発明の第３の照明光学装置における投写レ
ンズの瞳面での複数の光源の微小な光源像の様相図

【図１１】本発明の第４の実施の形態における投写型表
示装置の構成図

【図１２】本発明の第５の実施の形態における投写型表
示装置の構成図

【図１３】本発明の第６の実施の形態における投写型表
示装置の構成図

【図１４】（ａ）：従来の照明光学装置および投写型表
示装置の構成図（ｂ）：従来の投写型表示装置の投写レ
ンズの瞳面に形成される光源像の様相を示す図

【符号の説明】

３０、３１、６０、６１、９０、９１、１３０、１３１
ランプ３２、３３、６２、６３、９２、９３、１３２、１３３
楕円面鏡３４、６４、９４、１３４反射プリズム３５、６５、９５、１３５集光レンズ３６、６６、９６、１３６第１レンズアレイ板３７、６７、９７、１３７第２レンズアレイ板３８、６８、９９、１３８照明レンズ３９、６９、１００、１３９照明光学装置４０、４１、７０、７１、１０１、１０２、１４０、１
４１光源からの光の光軸４２、７２、１０３、１４２照明光学装置の光軸４３、７３、１０５、１４３、１６８、１６９、１７０
フィールドレンズ４４、７４、１０６、１４４、１７１、１７２、１７３
液晶パネル４５、７５、１０７、１４５、１７７、１９５投写レ
ンズ４６、７６、１０８、１４６投写レンズの瞳面４７、４８、８１，８２，８３，８４微小な光源像７７、７８照明光束径７９、８０第１レンズアレイ板の周辺の列方向レンズ素
子９８偏光変換光学部材１１０偏光分離膜１１１反射膜１１２偏光分離プリズムアレイ１１３、１９０、１９１１／２波長板１４７スクリーン１６０青反射のダイクロイックミラー１６１、１８１緑反射のダイクロイックミラー１６２、１８２色分離光学手段１６３、１６４、１６５、１８３ミラー１６６、１６７リレーレンズ１７４、１９３青反射のダイクロイックミラー１７５、１９２赤反射のダイクロイックミラー１７６、１９４ダイクロイックプリズム１８０赤透過のダイクロイックミラー１８４、１８５、１８６偏光分離プリズム１８７、１８８、１８９反射型の液晶パネル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を集光し、画像を形成する
画像形成手段に照明するための照明光学装置であって、複数の光源と、前記複数の光源からの放射光をそれぞれ集光する楕円面
鏡と、前記楕円面鏡の一方の焦点近傍に配置された、前記楕円
面鏡からの光が入射し光の進行方向を所定の方向に反射
する反射手段と、前記反射手段で反射された光が入射し実質上平行な光を
出射する集光手段と、複数のレンズから構成された、前記集光手段からの光を
多数の光束に分割する第１のレンズアレイ板と、複数のレンズから構成された、前記第１のレンズアレイ
板からの光が入射する第２のレンズアレイ板とを備え、前記複数の光源からのそれぞれの光の光軸は、前記照明
光学装置の光軸に対して偏芯した構成であって、前記偏芯の量をｄとし、前記楕円面鏡の頂点から前記楕
円面鏡の第１焦点までの距離に対する前記頂点から前記
楕円面鏡の第２焦点までの距離の比である楕円面鏡の近
軸倍率をｍとすると、前記偏芯量ｄが次式、０．１９ｍ≦ｄ≦０．５５ｍを満たすことを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】光源からの光を集光し、画像を形成する
画像形成手段に照明するための照明光学装置であって、複数の光源と、前記複数の光源からの放射光をそれぞれ集光する楕円面
鏡と、前記楕円面鏡の一方の焦点近傍に配置された、前記楕円
面鏡からの光が入射し光の進行方向を所定の方向に反射
する反射手段と、前記反射手段で反射された光が入射し実質上平行な光を
出射する集光手段と、複数のレンズ素子から構成された、前記集光手段からの
光を多数の光束に分割する第１のレンズアレイ板と、複数のレンズ素子から構成された、前記第１のレンズア
レイ板からの光が入射する第２のレンズアレイ板とを備
え、前記複数の光源からのそれぞれの光の光軸は、前記照明
光学装置の光軸に対して偏芯した構成であって、前記偏芯の量をｄとし、前記第１のレンズアレイ板の前
記レンズ素子のピッチをｐとすると、次式、０．３３≦ｄ／ｐ≦０．５２が成立することを特徴とする照明光学装置。
【請求項３】前記第２のレンズアレイ板から出射され
た自然光を、偏光方向が直交する２つの偏光光に分離す
る偏光分離手段と、前記偏光分離手段から出射された前記偏光光の内、一方
の偏光光の偏光方向を回転させる偏光回転手段とを備え
たことを特徴とする請求項１又は２記載の照明光学装
置。
【請求項４】前記反射手段は、複数の反射面を備えた
反射プリズムであることを特徴とする請求項１〜３の何
れかに記載の照明光学装置。
【請求項５】前記反射手段の反射面にはアルミニウム
膜もしくは誘電体膜を備えた請求項１〜３の何れかに記
載の照明光学装置。
【請求項６】前記集光手段は球面収差を小さくする１
枚の非球面レンズで構成した請求項１〜３の何れかに記
載の照明光学装置。
【請求項７】前記非球面レンズは成形により製造され
た請求項６記載の照明光学装置。
【請求項８】前記非球面レンズは樹脂により製造され
た請求項６記載の照明光学装置。
【請求項９】前記偏光分離手段は、偏光分離膜と反射
膜とを備えた偏光分離プリズムを前記複数の光源からの
それぞれの光の光軸を含む平面に対して直交する方向に
一定のピッチで複数配置した偏光分離プリズムアレイで
ある請求項３記載の照明光学装置。
【請求項１０】前記偏光回転手段は、延伸樹脂フィル
ム製の１／２波長板である請求項３記載の照明光学装
置。
【請求項１１】請求項１〜３の何れかに記載の照明光
学装置と、前記照明光学装置からの光が入射し、映像信号に応じて
光学像を形成する画像形成手段と、前記画像形成手段上の光学像をスクリーン上に投写する
投写レンズと、を備えたことを特徴とする投写型表示装
置。
【請求項１２】請求項１〜３の何れかに記載の照明光
学装置と、前記光源からの白色光を青、緑、赤の色成分の光に分離
する色分離光学手段と、前記色分離光学手段からの各色光が入射し、映像信号に
応じて光学像が形成される３つの画像形成手段と、前記各画像形成手段からの青、緑、赤の出射光を受け、
青、緑、赤の色光を合成する色合成光学手段と、前記画像形成手段上の光学像をスクリーン上に投写する
投写レンズと、を備えたことを特徴とする投写型表示装
置。
【請求項１３】請求項１〜３の何れかに記載の照明光
学装置と、前記光源からの白色光を青、緑、赤の色成分の光に分離
する色分離光学手段と、前記色分離光学手段からの各色光が入射し、入射する光
を直交する二つの偏光方向の光に分離する偏光分離プリ
ズムと、前記偏光分離プリズムからの光が入射し、映像信号に応
じて光学像が形成される３つの画像形成手段と、前記画像形成手段からの青、緑、赤の出射する光が前記
偏光分離プリズムを透過して入射する青、緑、赤の色光
を合成する色合成光学手段と、前記画像形成手段上の光学像をスクリーン上に投写する
投写レンズと、を備えたことを特徴とする投写型表示装
置。
【請求項１４】前記画像形成手段が透過型の液晶パネ
ルである請求項１１，又は１２記載の投写型表示装置。
【請求項１５】前記画像形成手段が反射型の液晶パネ
ルである請求項１３記載の投写型表示装置。