JP2001272722A

JP2001272722A - 投射型表示装置

Info

Publication number: JP2001272722A
Application number: JP2000084831A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sekine; 淳関根; Tetsuo Hattori; 徹夫服部
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2001-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】小型な投射型表示装置を提供すること。【解決手段】ランプ１０１ａと凹面鏡１０１ｂとから
構成される光源１０１と、光源１０１からの照明光を変
調して出射することにより画像を生成する画像生成素子
１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂと、前記画像生成素子の
像を投影する投影光学系１１２と、光源１０１の出射側
に配置され、前記光源からの照明光の最外縁光束を発散
させる発散光学系１０３，１０４と、発散光学系１０３
等よりも有効径が大きく、発散光学系１０３等から出射
された光の最外縁光束を収束させて前記画像生成素子に
出射する収束光学系１０５とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像生成素子の像
を投射レンズにて投射する投射型表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のライトバルブとして反射型ライト
バルブを使用する投射型表示装置の一例として特許２５
０５７５８号公報に開示されたフルカラー型の投射型表
示装置が知られている。

【０００３】図１２は、上記特許公報の図１に開示され
た投射型表示装置であり、以下これについて簡単に説明
する。

【０００４】光源２３から射出された光源光は、整形レ
ンズ２２を経て略平行光束に変換され偏光ビームスプリ
ッタ２１に入射される。偏光ビームスプリッタ２１に入
射した光源光は当該偏光ビームスプリッタの偏光分離部
によって反射されるＳ偏光とこの偏光分離部を透過する
Ｐ偏光とに偏光分離される。前者Ｓ偏光は、偏光ビーム
スプリッタ２１を略平行光束を維持して射出し、プリズ
ム１１Ａ、プリズム１１Ｂならびにプリズム１１Ｃから
構成される色分解合成複合プリズムに入射される。な
お、この色分解合成複合プリズムは、プリズム１１Ａの
面１１ｅにＢ光反射ダイクロイック膜が形成され、プリ
ズム１１Ｂとプリズム１１Ｃの接合面にＲ光反射ダイク
ロイック膜が形成されている。

【０００５】さらに、プリズム１１Ａとプリズム１１Ｂ
の間には空隙が形成されている。プリズム１１Ａに面１
１ａから入射した光は、プリズム中を進行し、面１１ｅ
に形成されたＢ光反射ダイクロイック膜に入射し、反射
するＢ光と、この膜を透過して空隙を経てプリズム１１
Ｂに入射進行するＲ光とＧ光の混合光とに色分解され
る。この膜で反射された前記Ｂ光は、プリズム１１Ａ中
を進行し、面１１ａにて全反射作用を受け、さらに進行
して射出面１１ｂから射出され、射出面近傍に配置され
るＢ光用反射型ライトバルブ１２に入射される。一方、
前記透過したＲ光及びＧ光の混合光は、Ｒ光反射ダイク
ロイック膜に入射する。この膜で反射したＲ光は、プリ
ズム１１Ｂ中を進行し、Ｒ光用ライトバルブ１３に入射
する。プリズム１１Ｃ中に進行したＧ光は、そのまま進
行して面１１ｄから射出し、Ｇ光用ライトバルブ１４に
入射する。

【０００６】各色光用ライトバルブに入射したＳ偏光
は、色信号によって変調作用を受けてＰ偏光に変換さ
れ、当該変調光たるＰ偏光と非変調光たるＳ偏光の混合
光として反射射出される。そして、各色光用ライトバル
ブを射出した混合光は、上述の光路を逆行し、プリズム
１１Ａの面１１ａから色合成光として射出される。この
色合成光を前記偏光ビームスプリッタ２１に再度入射さ
せることによって、変調光たるＰ偏光のみを当該偏光ビ
ームスプリッタの透過光として検光して取り出す。検光
された前記色合成光は、投射レンズ２４に入射させるこ
とによってスクリーン２５上にフルカラー像を投射す
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したような投射型
表示装置では、光源や照明光学系が大きいため装置自体
が大型化してしまうという問題がある。例えば、光源と
して使用されるメタルハライドランプやキセノンランプ
等はそのサイズが大きいので、装置全体が大型化してし
まう。

【０００８】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
であり、小型な投射型表示装置を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためのものであり、以下に、実施形態に示した各
図面を用いてその内容を説明する。

【００１０】本発明は、ランプ１０１ａと凹面鏡１０１
ｂとから構成される光源１０１と、前記光源１０１から
の照明光を変調して出射することにより画像を生成する
画像生成素子１１１Ｂ，１１１Ｒ，１１１Ｇと、前記画
像生成素子１１１Ｂ，１１１Ｒ，１１１Ｇの像を投影す
る投影光学系１１２と、前記光源１０１の出射側に配置
され、前記光源１０１からの照明光の最外縁光束を発散
させる発散光学系１０３，１０４と、前記発散光学系１
０３，１０４よりも有効径が大きく、前記発散光学系１
０３，１０４から出射された光の最外縁光束を収束させ
て前記画像生成素子１１１Ｂ，１１１Ｒ，１１１Ｇに出
射する収束光学系１０５とを有することを特徴とする投
射型表示装置を提供する。

【００１１】また、好ましい態様では、前記画像生成素
子１１１Ｂ，１１１Ｒ，１１１Ｇは入射された最外縁光
束の光を反射して、発散させて前記投影光学系１１２ヘ
出射する反射型ライトバルブであることが望ましい。

【００１２】また、好ましい態様では、前記発散光学系
１０３，１０４と前記収束光学系１０５とにより構成さ
れる光学系は、前記照明光の前記最外縁光束をくびれた
形状にし、前記画像生成素子１１１Ｂ，１１１Ｒ，１１
１Ｇは前記くびれの位置近傍に設けられていることが望
ましい。

【００１３】また、好ましい態様では、前記発散光学系
１０３，１０４は、複数の第１レンズ成分１０３ａを平
面的に配列した第１レンズ板１０３と、前記第１レンズ
板１０３に相対して設けられ、前記複数の第１レンズ成
分１０３ａのそれぞれに対応し、かつ前記複数の第１レ
ンズ成分１０３ａの焦点位置に平面的に配列された複数
の第２レンズ成分１０４ａを有する第２のレンズ板１０
４とからなり、前記第２レンズ板１０４に２次光源とし
て複数の光源像を形成するフライアイインテグレータを
含むことが望ましい。

【００１４】また、好ましい態様では、前記発散光学系
１０３，１０４は、入射端面ＥＮと射出端面ＥＸと光軸
ＡＸの方向に沿った内面反射面ＩＮＴとを有し、前記射
出端面ＥＸに面光源を形成するロッドインテグレータＲ
Ｉを含むことが望ましい。

【００１５】また、好ましい態様では、前記画像生成素
子１１１Ｂ，１１１Ｒ，１１１Ｇから出射される出射光
の開口数を決定する開口絞り１１２ｃを更に有し、前記
収束光学系１０５は、前記開口絞り１１２ｃの中央位置
に共役な点から射出する前記２次光源からの照明光を平
行光束に変換するフィールドレンズ１０５を含むことが
望ましい。

【００１６】また、好ましい態様では、前記画像生成素
子１１１Ｂ，１１１Ｒ，１１１Ｇは、第１色に対応する
画像を生成する第１画像生成素子１１１Ｂと、第２色に
対応する画像を生成する第２画像生成素子１１１Ｒと、
第３色に対応する画像を生成する第３画像生成素子１１
１Ｇとを含み、前記光源１０１からの光を前記第１色の
光と前記第２色の光と前記第３色の光とに色分解し、前
記第１画像生成素子１１１Ｂと前記第２画像生成素子１
１１Ｒと前記第３画像生成素子１１１Ｇとにそれぞれ前
記第１色の光と前記第２色の光と前記第３色の光とを出
射する色分解光学系１０８，１０９，１１０と、前記第
１画像生成素子１１１Ｂから出射される第１色の変調光
と、前記第２画像生成素子１１１Ｒから出射される第２
色の変調光と、前記第３画像生成素子１１１Ｇから出射
される第３色の変調光との色合成を行い、前記投影光学
系１１２に出射する色合成光学系１０６とを更に有する
ことが望ましい。

【００１７】また、好ましい態様では、前記色分解光学
系１０８，１０９，１１０は、前記光源１０１からの光
を所定の振動方向の偏光に変換し、前記第１色の偏光と
前記第２色の偏光と前記第３色の偏光とに色分解する偏
光色分解光学系であり、前記色合成光学系１０６は、前
記第１画像生成素子１１１Ｂから出射される第１色の変
調光と、前記第２画像生成素子１１１Ｒから出射される
第２色の変調光と、前記第３画像生成素子１１１Ｇから
出射される第３色の変調光との検光及び色合成を行う検
光色合成光学系であることが望ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基いて本発明の
実施の形態について説明する。

【００１９】（第１実施形態）本発明の第１実施形態に
かかる投射型表示装置の構成を図１に示す。高圧水銀ラ
ンプ１０１ａと凹面鏡（楕円鏡）１０１ｂとで構成され
る光源１０１から射出される光源集光光束は、凹レンズ
１０２によって略平行光束に変換される。高圧水銀ラン
プ１０１ａは、従来のメタルハライドランプやキセノン
ランプと比較して小型で高輝度なランプである。次に、
光源１０１から射出した略平行光束光源光は、フライア
イインテグレータに入射する。フライアイインテグレー
タは、複数のレンズ成分１０３ａを平面的に配列した第
１レンズ板１０３と、レンズ成分１０３ａのそれぞれと
相対して複数のレンズ成分１０４ａを平面的に配置した
第２レンズ板１０４とからなる。第２レンズ板１０４の
レンズ成分１０４ａのそれぞれは、対応する第１レンズ
板１０３のレンズ成分１０３ａの焦点位置に配置される
構成である。そのため、第１レンズ板１０３に入射した
光源光であって、第１レンズ板１０３のレンズ成分１０
３ａの開口によってそれぞれ分割された光源光は、それ
ぞれ対応する第２レンズ板１０４のレンズ成分１０４ａ
上に集光し輝点を形成する。

【００２０】第２レンズ板１０４のレンズ成分１０４ａ
に対して、第１レンズ板１０３のレンズ成分１０３ａと
被照明体たるライトバルブ１１１Ｂ、１１１Ｇ、１１１
Ｒは、コンデンサレンズとフィールドレンズの機能を果
たすレンズ１０５を介して共役な関係を有している。第
２レンズ板１０４の複数のレンズ成分１０４ａによっ
て、第１レンズ板１０３の複数のそれぞれのレンズ成分
１０３ａに入射した光源光を重畳して照明することによ
り、均一照明が担保できることになる。

【００２１】そして、第２レンズ板１０４のレンズ成分
１０４ａ上の輝点から射出した光は光軸ＡＸ方向に進行
し、レンズ１０５を経て、偏光ビームスプリッタ１０６
に入射する。偏光ビームスプリッタ１０６に入射した光
は偏光分離部１０６Ｐを反射、射出して廃棄されるＳ偏
光と、透過して射出進行するＰ偏光とに偏光分離作用を
受ける。なお、本実施形態において使用する偏光ビーム
スプリッタ１０６は断面形状が正方形形状を有するもの
ではなく、図示のごとく異形となっている。

【００２２】偏光ビームスプリッタ１０６の前記Ｐ偏光
の射出面には、偏光ビームスプリッタ１０６のプリズム
と同じガラスから構成される光路長補正部材１０７が接
着固着されている。光路長補正部材１０７の射出面は光
軸ＡＸに対して直角でなく所定の傾きを有している。こ
の傾きのために、前記プリズムが異形形状となってい
る。傾きを設けている理由は、当該射出面による反射光
とプリズム１０８の面１０８ａによる反射光が、入射光
軸とは異なる傾きを有する軸にて反射されて逆行するよ
うにするためである。かかる構成により、反射光のうち
の偏光分離部１０６ｐによる反射光が投射レンズ１１２
ａ，１１２ｂに入射しないようすること、または投射レ
ンズに入射しても内部に有する開口絞り１１２ｃ（図２
参照）によってカット（遮光）されるようにすることが
できる。これにより、逆行する不要な光がゴースト像と
して投射されることを防止できる。

【００２３】光路長補正部材１０７を射出した光は、三
角プリズム１０８，三角プリズム１０９，三角プリズム
１１０とから構成される色分解合成複合プリズムのプリ
ズム１０８の面１０８ａに入射される。ここで、光路長
補正部材１０７とプリズム部材１０８ａとの間には第１
の平行な空隙、また、プリズム１０８の面１０８ｂとプ
リズム１０９の面１０９ａとの間には第２の平行な空隙
が形成されている。なお、プリズム１０８の面１０８ａ
は、補正部材１０７と空隙を隔てて平行に配置されてい
ることから、補正部材と同様に光軸に対して所定の傾き
を有している。

【００２４】プリズム１０８の面１０８ａから入射され
た光はそのまま進行し、面１０８ｂに形成されたＢ光反
射特性を有するダイクロイック膜により、当該膜を反射
するＢ光と、透過して進行するＲ光とＧ光の混合光に色
分離される。

【００２５】前記Ｂ光はそのまま進行し、面１０８ａに
よって全反射作用を受けて更にプリズム中を進行し、プ
リズム１０８の面１０８ｃから射出され、射出面１０８
ｃ近傍に配置されたＢ光用反射型ライトバルブ１１１Ｂ
に入射される。

【００２６】Ｒ，Ｇ光の混合光は、空隙を経由してプリ
ズム１０９に面１０９ａから入射し、プリズム１０９中
を進行して面１０９ｂに形成されたＲ光反射ダイクロイ
ック膜に入射される。そして、Ｒ光反射ダイクロイック
膜によって反射されるＲ光と、当該膜を透過して進行す
るＧ光とに色分解される。Ｒ光反射ダイクロイック膜に
て反射されたＲ光は進行して面１０９ａにて全反射作用
を受け、さらにプリズム１０９中を進行して面１０９ｃ
から射出し、Ｒ光用ライトバルブ１１１Ｒに入射され
る。

【００２７】前記Ｇ光はプリズム１１０の面１１０ａか
ら入射、進行し、面１１０ｂにて全反射作用を受けてさ
らにプリズム１１０中を進行し、面１１０ｃから射出
し、Ｇ光用ライトバルブ１１１Ｇに入射される。ここ
で、ダイクロイック膜を形成したプリズム１０９の面１
０９ｂとプリズム１１０の面１１０ａとは接着剤にて接
着固定されている。

【００２８】次に、本実施形態にて使用するライトバル
ブ１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂについてその機能を説
明する。ライトバルブとは、２次元の面において入射光
と射出光との物理量（光強度、偏光、進行方向等）を部
分的に変調できる素子のことである。本実施形態のライ
トバルブは電気書き込み式反射型ライトバルブであっ
て、所定位置の液晶層を波長板層としての作用させる機
能を有している。この機能により、入射する直線偏光
（例えばＰ偏光）に対して、各色の画像信号に基いて、
選択された部分の入射光の振動方向を変換（Ｓ偏光）し
て反射射出させ、非選択部分への入射光はそのままの偏
光（Ｐ偏光）にて反射射出させる。

【００２９】上記のように各色画像信号によって選択さ
れ変調された光と非選択箇所にかかる非変調光とは混合
光として反射射出される。そして、前記光軸と同じ光軸
に沿って入射方向とは逆行して進行し、色分解合成複合
プリズムを逆行して進行することにより色合成が達成さ
れ、プリズム１０８の面１０８ａから合成光として射出
される。

【００３０】この合成光は、偏光ビームスプリッタ１０
６に入射し、偏光分離部１０６ｐによって変調光（Ｓ偏
光）を反射光として検光する。この検光光は投射レンズ
１１２に入射され、図示しないスクリーン上にフルカラ
ー像として投射される。なお、非変調光に相当するＰ偏
光は偏光ビームスプリッタ１０６を透過して光源１０１
の方向に不要光として廃棄される。

【００３１】以上説明したのが、第１の実施形態にかか
る投射型表示装置の基本構成である。

【００３２】次に、第１の実施形態において投射レンズ
の開口絞りによって定義される主光線について光線図を
用いて説明する。

【００３３】まず、図２に基いて投射レンズ１１２の構
造について説明する。投射レンズ１１２は内部に開口絞
り１１２ｃと、開口絞り１１２ｃより前側（偏光ビーム
スプリッタ１０６側）の前群レンズ１１２ａと、後側
（不図示のスクリーン側）の後群レンズ１１２ｂとを有
している。さらに、前記開口絞り１１２ｃは前群レンズ
１１２ａの焦点距離の位置に配置された構成であって、
いわゆる前側（偏光ビームスプリッタ１０６側）にテレ
セントリックなレンズを構成している。ここで、開口絞
り１１２ｃの中心を通過する光線を主光線として定義す
る。このように定義された主光線は無限本あるが、図２
においてはそのうちの光軸に対して最も傾きの大きい二
本の光線１１，１２と光軸上の主光線１０について記載
した。

【００３４】図示のとおり、投射レンズ１１２の開口絞
り１１２ｃの中心を通過する光線（主光線）ｌ１，ｌ２
は進行方向（スクリーン方向）に対して逆行して考える
ことができる。このことから、前述のように前群レンズ
１１２ａと開口絞り１１２ｃのテレセントリックな位置
関係から、主光線ｌ１，ｌ２は前群レンズ１１２ａと偏
光ビームスプリッタ１０６との間においては光軸に対し
て平行な光線となることが理解できる。さらに、主光線
ｌ１，ｌ２について光路を逆行して考えると、偏光ビー
ムスプリッタ１０６と色分解合成複合プリズムを構成す
るプリズム１０８、１０９、１１０、ならびにライトバ
ルブ１１１Ｂ、１１１Ｒ、１１１Ｇ間の光路において主
光線ｌ１，ｌ２は光軸に対して平行を保っている。加え
て、各ライトバルブ１１１Ｂ、１１１Ｒ、１１１Ｇ、色
分解合成複合プリズムを構成するプリズム１０８、１０
９、１１０、偏光ビームスプリッタ１０６と、レンズ１
０５に至るまでは、同様に主光線ｌ１，ｌ２が光軸に平
行になっている。主光線ｌ１，ｌ２はフィールドレンズ
１０５を逆行して光軸に対して集光するように進み、フ
ライアイインテグテータを構成する第２レンズ板１０４
の略中央部に配置されたレンズの光軸上の位置で両光線
ｌ１，ｌ２と光軸ＡＸとが交差する。そして、主光線ｌ
１，ｌ２は、交差して広がってさらに進行し、対応する
第１レンズ板１０３のレンズの外形で定義される開口の
大きさまで広がって当該レンズに入射する。その後、凹
レンズ１０２を経てランプ１０１まで至ることとなる。

【００３５】このように、本実施形態では、レンズ１０
５と、投射レンズ１１２の前側レンズ１１２ａによっ
て、第２レンズ板１０４と投射レンズ１１２の開口絞り
１１２ｃとの間に共役性が達成され、さらに、両レンズ
の間に配置される偏光ビームスプリッタと、色分解合成
プリズムと、ライトバルブとが前記主光線が光軸と平行
な位置に配置できることになる。

【００３６】かかる構成では、前述の定義にかかる主光
線に関しては、すべて同一角度でプリズム等に入射す
る。一般に、偏光ビームスプリッタ１０６の偏光分離部
１０６ｐを構成する偏光分離膜と、色分解合成プリズム
中に配置されたダイクロイック膜と、ライトバルブの変
調層とはいずれも光線の入射角度によって特性が異なる
性質を有している。このため、本実施例では、入射角度
による性能の差は主光線に関する限り無視することがで
きる。これにより、投射像において、偏光ビームスプリ
ッタの偏光分離部とライトバルブ中の液晶層の角度特性
に起因するコントラストの低下、ならびにダイクロイッ
ク層の角度特性に起因するカラーシェーディングの発生
を極力低減することができる。

【００３７】次に、図３の光線図を用いて主光線以外の
他の光線について説明する。図３は、前述の第２レンズ
板１０４の光軸上のレンズ成分１０４ａから射出される
前述の主光線（ｌ０，ｌ１，ｌ２）に加えて、第２レン
ズ板１０４の最も外側のレンズ成分１０４ａ上の輝点か
ら射出される光線（ｎ０，ｎ１，ｎ２）と（ｍ０，ｍ
１，ｍ２）とを示した図である。前述のように第２レン
ズ板１０４と投射レンズ１１２の開口絞り１１２ｃとは
共役の関係にあることより、レンズ成分１０４ａ上の最
も外側の輝点から射出された光は開口絞り１１２ｃの最
も外側の位置にそれぞれ収束し交差する（即ち、輝点を
形成する）。そして、開口絞り１１２ｃの輝点から射出
された光は広がって進行し、後ろ側レンズ１１２ｂによ
ってスクリーンＳＣに重畳投射される。

【００３８】第２レンズ板１０４のレンズ成分１０４ａ
上の各輝点からそれぞれ光軸に平行に進行する光線ｍ
０，ｎ０を挟んで所定の広がり角を有して射出された光
（ｍ１，ｍ２ならびにｎ１，ｎ２）は、レンズ１０５に
よって略平行光線に変換される。次に、光軸ＡＸに対し
て傾きを有して進行し、偏光ビームスプリッタ１０６、
複合プリズムを経て各色ライトバルブにそれぞれ入射さ
れる。なお、図３においては簡単のために、Ｇ光用ライ
トバルブ１１１Ｇへの光線のみを示している。

【００３９】そして、レンズ１０５が有するコンデンサ
レンズの機能とフィールドレンズの機能とによって、光
線（ｍ１，ｌ１，ｎ１）、及び光線（ｍ２，ｌ２，ｎ
２）はそれぞれライトバルブ１１１Ｇ上の最も外側の一
点に、光線（ｍ０，ｌ０，ｎ０）はライトバルブ１１１
Ｇの中央部に集光する。ライトバルブ１１１Ｇで反射さ
れた前記入射光線は、入射光軸を逆行して広がり角（Ｎ
Ａ）を有して進行する。次に、偏光ビームスプリッタ１
０６の偏光分離部１０６ｐにて反射された変調光が投射
レンズ１１２に前記ＮＡを有して入射される。前述のよ
うに光線（ｍ０，ｍ１，ｍ２）及び光線（ｎ０，ｎ１，
ｎ２）は開口絞り１１２ｃの最も外側の位置、また光線
（ｌ０，ｌ１，ｌ２）の光線は開口絞り１１２ｃの中央
部の位置にそれぞれ収束交差し輝点を形成する。そし
て、当該輝点より広がり角を有して進行する光は後群投
射レンズ１１２ｂにてスクリーンＳＣ上に重畳照明され
る。

【００４０】図４は、図３に示した光線のうち最も外側
の光線（最外縁光束）を示した図、換言すると図１の投
射型表示装置の各部位における最外縁光線を示した図で
ある。第２レンズ板１０４を射出した光束はレンズ１０
５までは一旦広がり発散光束として進行し、当該レンズ
１０５を透過した後は収束光束として進行して各ライト
バルブ１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂまで進行する。そ
して、各ライトバルブ１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂに
て反射された光は今度は発散光束となって進行し、投射
レンズ１１２ａ，１１２ｂに入射し、投射レンズ中に設
けられている開口絞り１１２ｃの大きさに光束が絞られ
る。そして、開口絞り１１２ｃからは発散光束となり、
スクリーンＳＣ上全体に投射される。

【００４１】図４に示すように、小型な光源１０１から
の光束を発散光学系であるフライアイインテグレータ１
０３，１０４で一度発散させている。そして、フィール
ドレンズとコンデンサレンズとの機能を兼用したレンズ
１０５を用いて、レンズ１０５ヘの拡散広がり光束を収
束光束に変換する構成としたことにより、第１レンズ板
１０３ならびに第２レンズ板１０４を小型化する事がで
き照明光学系をコンパクトにすることができる。これに
より、コンパクトな光源や照明光学系で小型な装置を得
ることができる。

【００４２】（第２実施形態）図５は、第２実施形態に
かかる投射型表示装置の構成を示す図である。高圧水銀
ランプ２０１ａと楕円凹面鏡２０１ｂとからなる光源２
０１、凹レンズからなる整形レンズ２０２、複数のレン
ズ成分２０３ａからなる第１レンズ板２０３、及び複数
のレンズ成分２０４ａからなる第２のレンズ板２０４、
フィールドレンズとコンデンサレンズとの機能を有する
レンズ２０５の各光学部材に関しては、上記第１実施形
態と同様の機能を有するので説明を省略する。

【００４３】本実施形態が上記第１実施形態と異なる点
は、第２レンズ板２０４の射出面近傍に偏光変換装置２
１６が配置されていることである。偏光変換装置２１６
は、複数の偏光ビームスプリッタを積層した偏光ビーム
スプリッタアレイと所定射出面に配置された１／２波長
位相板とから構成される。この構成により、入射したラ
ンダム偏光の光源光束を特定の直線偏光（本実施形態で
はＰ偏光）に変換する機能を有する。

【００４４】前記偏光変換装置２１６を射出したＰ偏光
は、レンズ２０５を経て偏光ビームスプリッタ２０７に
入射される。偏光ビームスプリッタ２０７の光源側の入
射面には波長選択性位相板２０６が設けられている。そ
して、当該入射面に配置された波長選択性位相板２０６
によってＧ光波長領域のみがＳ偏光に変換される。波長
選択性位相板２０６の例としては、例えば米国特許５，
７５１，３８４号に開示のデバイスであって、複数枚の
位相板を積層した構成を有し、入射直線偏光のうちの特
定の波長域の光の振動方向を変えて射出する機能を有す
るデバイスが知られている。

【００４５】位相板２０６を経て偏光ビームスプリッタ
２０７に入射した光のうちＧ光は、Ｓ偏光であるので、
偏光ビームスプリッタ２０７の偏光分離部２０７ｐで反
射され、偏光ビームスプリッタ２０７の面２０７ｂを射
出して、隣接する偏光ビームスプリッタ２０８の面２０
８ａに入射する。そして、偏光ビームスプリッタ２０８
の偏光分離部２０８ｐを反射して、偏光ビームスプリッ
タ２０８の面２０８ｂから射出し、射出面近傍に配置し
たＧ光用反射型ライトバルブ２１１Ｇに入射される。

【００４６】一方、偏光ビームスプリッタ２０７を透
過，進行して、面２０７ａから射出したＲ，Ｂ光は、Ｒ
光をＳ偏光に変換する波長選択性位相板２０９を経て偏
光ビームスプリッタ２１０に入射する。そして、透過し
て面２１０ａから射出するＢ光と、反射分離部２１０ｐ
で反射して面２１０ｂから射出するＲ光とに分解され
る。そして、Ｂ，Ｒ各光の射出面近傍にはＢ光用ライト
バルブ２１１ＢとＲ光用ライトバルブ２１１Ｒとが配置
される。

【００４７】本実施形態にて使用するライトバルブは上
記第１実施形態にて使用した反射型ライトバルブと同様
に電気書き込み式反射型ライトバルブである。ライトバ
ルブの構造・機能は上記第１実施形態と同じであるので
説明は省略する。

【００４８】Ｇ光用ライトバルブ２１１Ｇから射出され
た光は偏光ビームスプリッタ２０８に面２０８ｂから入
射する。ここで、変調光はＰ偏光であるので、偏光分離
部２０８ｐを透過することにより検光される。そして、
射出面に配置した１／２波長位相板２１４にてＳ偏光に
変換し、偏光ビームスプリッタ２１３に面２１３ｂから
入射する。

【００４９】また、Ｒ光用ライトバルブ２１１Ｒから射
出された光は偏光ビームスプリッタ２１０に面２１０ｂ
から入射する。変調光はＰ偏光であるので、偏光分離部
２１０ｐを透過することにより検光し、射出面２１０ｃ
から射出される。

【００５０】また、Ｂ光用ライトバルブ２１１Ｂから射
出された光は、偏光ビームスプリッタ２１０に面２１０
ａから入射する。変調光はＳ偏光であるので、偏光分離
部２１０ｐを反射することにより検光し、面２１０ｃか
ら射出し、前記Ｒ光の検光光と合成されて射出面２１０
ｃから射出される。

【００５１】Ｒ（Ｐ偏光）光、Ｂ（Ｓ偏光）光の合成射
出光は、偏光ビームスプリッタ２１３の入射面に配置さ
れたＢ光をＰ偏光に変換する波長選択性位相板２１２を
経て、両光ともＰ偏光として偏光ビームスプリッタ２１
３に入射する。

【００５２】偏光ビームスプリッタ２１３に入射したＧ
光はＳ偏光であるので偏光分離部２１３ｐにて反射され
る。また、Ｒ，Ｂ光はＰ偏光であるので偏光分離部２１
３ｐを透過して前記Ｇ光と色合成が達成されて面２１３
ａから射出される。そして、投射レンズ２１５ａ，２１
５ｂに入射し、不図示のスクリーン上にフルカラー像と
して投射する。

【００５３】なお、スクリーンとして偏光スクリーンを
使用する場合には、偏光ビームスプリッタ２１３の射出
面２１３ａに波長選択性位相板を配置して射出光の偏光
をすべてそろえることが望ましい。

【００５４】図６は、図３と同趣旨の光線図であって、
第２レンズ板２０４の光軸上のレンズ２０４ａから射出
され、投射レンズ２１５内の開口絞り２１５ｃの中心に
て交差する主光線と、レンズ板２０４の最も外側のレン
ズ２０４ａから射出される光線であって、それぞれ前記
開口絞り２１５ｃの最も外側の位置において交差する光
線を示したものである。

【００５５】図６から明らかなように、レンズ２０５と
投射レンズ２１５の間に配置される色分解光学系、ライ
トバルブ、検光光学系、及び色合成光学系は上述の主光
線が光軸に対して平行な位置に配置されている。また、
偏光ビームスプリッタ２０７は偏光ビームスプリッタの
機能と共に色分解光学系の一部を形成している。同様
に、偏光ビームスプリッタ２１３は偏光ビームスプリッ
タの機能と共に検光光学系と色合成光学系とを兼用して
いる。従って、偏光分離部を構成する誘電体膜が光線の
入射角度に起因する特性の変化を有している場合でも、
主光線に関しては全て同じ角度で入射させることができ
るので、コントラストの低下及びカラーシェイディング
の発生を低減することができる。

【００５６】図７は、図４と同趣旨の各部位における光
束の最外縁光線を示したものである。第２レンズ板２０
４を射出した発散光束はレンズ２０５によって収束光束
に変換されて、各ライトバルブ２１１Ｒ，２１１Ｇ，２
１１Ｂに入射される。そして、各ライトバルブ２１１
Ｒ，２１１Ｇ，２１１Ｂを射出する発散光束はそのまま
投射レンズ２１５に入射される。

【００５７】かかる構成により、上記第１実施形態で説
明したのと同様に理由により、小型な光源、照明光学系
によりコンパクトな投射型表示装置を達成できる。（第３実旋形態）図８は、第３実施形態にかかる投射型
表示装置の構成を示す図である。上記第１、第２実施形
態にかかる投射型表示装置では、反射型ライトバルブを
用いていたが、本実施形態では透過型ライトバルブを使
用する。

【００５８】高圧水銀ランプ３０１ａと楕円凹面鏡３０
１ｂとからなる光源３０１、凹レンズの整形レンズ３０
２、第１レンズ板３０３と複数のレンズ成分３０３ａ、
第２レンズ板３０４と複数のレンズ成分３０４ａは、上
記第１実施形態と同じ機能を有する部材であるので説明
を省略する。第２レンズ板３０４を射出した光はコンデ
ンサレンズとフィールドレンズの機能を有するレンズ３
０５を経てＲ光とＧ光の反射特性を有するダイクロイッ
クミラー３０６に入射する。そして、直進して進行する
Ｂ光と、反射して方向を直角に変えて進行するＲ光、Ｇ
光とに色分解される。

【００５９】透過進行するＢ光は折り曲げミラー３０９
にて方向を変えて進行し、Ｂ光用透過型ライトバルブ３
１２Ｂに入射される。Ｒ，Ｇ光は進行してＧ光反射ダイ
クロイックミラー３０７に入射し、透過してそのまま進
行するＲ光と、反射して進行方向を直角に変えて進行す
るＧ光とに色分解される。そして、Ｇ光はそのままＧ光
用透過型ライトバルブ３１２Ｇに入射される。また、Ｒ
光は折り曲げミラー３０８によって方向を直角に変えて
進行し、リレーレンズ３１１を経て再度折り曲げミラー
３１０にて反射されＲ光用透過型ライトバルブ３１２Ｒ
に入射される。

【００６０】ここで、透過型ライトバルブの基本構成と
その機能について簡単に説明する。透過型ライトバルブ
はクロスニコルを構成する二枚の偏光板の間に液晶パネ
ル（第１〜３ライトバルブに相当）を挟み込んだ構成を
有している。さらに、当該液晶パネルは複数の画素から
構成されている。個々の画素は色信号により選択された
ＴＦＴ等の非線形素子によってスイッチングされること
によって液晶層に電圧が印加される。また、選択された
素子は、前記入射面側の偏光板（偏光分離光学系に相
当）を透過した直線偏光の偏光方向を変える（変調させ
る）ことができる機能を有している。そして、当該変調
光は射出面側に設置された偏光板（検光色合成光学系の
検光光学系に相当）を透過することで検光されてライト
バルブを射出し、非変調光は偏光板で吸収される。

【００６１】各ライトバルブ３１２Ｒ，３１２Ｇ，３１
２Ｂはそれぞれ上記の機能を有していることから、各色
光の色信号によって変調された変調光が検光されて各ラ
イトバルブを透過、射出され、色合成光学系を構成する
クロスダイクロイックプリズム３１３にそれぞれ異なる
入射面から入射される。クロスダイクロイックプリズム
３１３は、直角三角形プリズムの直角を挟む側面の所定
面にＲ光反射ダイクロイック膜３１３Ｒ又はＢ光反射ダ
イクロイック膜３１３Ｂを形成し、直角部を合わせる形
状にて接着固着した複合プリズムである。そして、その
断面形状が略正方形状であり、内部に前記Ｒ光反射ダイ
クロイック膜３１３ＲとＢ光反射ダイクロイック膜３１
３Ｂが互いにに直交してＸ型に配置された構成となって
いる。

【００６２】ライトバルブ３１２Ｒ，３１２Ｂから射出
し、クロスダイクロイックプリズム３１３に入射した光
はそれぞれダイクロイック膜３１３Ｒ，３１３Ｂに反射
されて同一方向に反射される。また、ライトバルブ３１
２Ｇから射出し、クロスダイクロイックプリズム３１３
に入射したＧ光は、両ダイクロイック膜を透過して進行
し、射出してＲ，Ｇ，Ｂ光の色合成が達成される。最後
に、投射レンズ３１４に入射、不図示のスクリーン上に
投射される。

【００６３】本実施形態にかかる投射型表示装置の構成
においては、光源からライトバルブまでの光路長を考え
てみるとＲ光のみが長くなっている。リレーレンズ３１
１はこの点を考慮したものであって、Ｒ光に関してライ
トバルブまでの光路長が長くなっても他の二つのライト
バルブとの同一な照明を担保するために配置されてい
る。この点についての詳細については後述する。

【００６４】図９は、本実施形態にかかる投射型表示装
置の光線を示す図である。投射レンズ３１４は、上記各
実施形態と同様であって、前側（即ちクロスダイクロイ
ックプリズム３１３側）にテレセントリックな構成とな
っている。図９において、開口絞り３１４ｃの中央部を
通過する３本の主光線と、当該開口絞り３１４ｃの両端
を通過する光線（各３本）を上記実施形態と同様に示
す。開口絞り３１４ｃと第２レンズ板３０４とは共役の
関係にあるので、これら光線のうちの主光線の３本につ
いては第２レンズ板３０４の光軸上のレンズ成分３０４
ａ上に集光し、他の光線については第２レンズ板の最も
外側のレンズ成分の中央部にそれぞれ集光する。

【００６５】前記開口絞り３１４ｃの中央を通過する光
線として定義される主光線は、クロスダイクロイックプ
リズム３１３、各色光用ライトバルブ３１２Ｒ，３１２
Ｇ，３１２Ｂ、色分解光学系を構成するダイクロイック
ミラー３０６，３０７が配置された位置においては光軸
に平行になっている。

【００６６】前記光線を第２レンズ板３０４のレンズか
ら広がり角を有して進行する光線として扱うと、光軸上
の中央のレンズ成分３０４ａからの主光線はレンズ３０
５を経て光軸に平行な光線になり、投射レンズ３１４の
開口絞り３１４ｃの中央部で交差している。

【００６７】ここで、Ｒ光の光路に設けられているリレ
ーレンズ３１１について説明する。リレーレンズ３１１
に入射するＲ光の前記定義にかかる主光線は、リレーレ
ンズ３１１中の開口絞り３１１ｃの中央部にて交差して
進行した後、光軸に平行になって射出される。そして、
ライトバルブ３１２Ｒ、クロスダイクロイックプリズム
３１３に入射される。つまり、リレーレンズ３１１は入
射側、射出側の両側にテレセントリックなレンズであ
り、その倍率は１対１である。また、第２レンズ板３０
４の両端のレンズ成分３０４ａからの広がり光線は、リ
レーレンズ３１１の開口絞り３１１ｃの両端にて交差す
る。

【００６８】光線図より明らかなように、第２レンズ板
３０４の各レンズ成分３０４ａは、コンデンサレンズと
しての機能を有するレンズ３０５を経て、各ライトバル
ブ３１２Ｂ，３１２Ｇ，３１２Ｒと共役な位置をテレセ
ントリックに重畳照明する。Ｒ光に関して言えば、Ｒ光
用ライトバルブ３１２Ｒと共役な位置をリレーレンズ３
１１にてライトバルブ３１２Ｒへ１対１の倍率で照明す
る機能を果たす。

【００６９】図１０は、本実施形態における最外縁光束
の形状を示した図である。第２レンズ板３０４を経た発
散光束はレンズ３０５によって収束光束になり、Ｂ光、
Ｇ光に関してはそのまま収束光束にてライトバルブ３１
２Ｒ，３１２Ｇに入射される。また、Ｒ光束に関しては
ダイクロイックミラーを経て前記ライトバルブ３１２
Ｇ，３１２Ｂとの共役位置までは収束光束で、当該位置
からは発散光束にて進行する。即ち、各ライトバルブは
光束のくびれの位置近傍に設けられている。そして、リ
レーレンズ３１１を経由して収束光束に変換され、ライ
トバルブ３１２Ｒには他のライトバルブと同様に収束光
束で入射する。

【００７０】各色ライトバルブ３１２Ｒ，３１２Ｇ，３
１２Ｂに入射した収束光束は発散光束に変換されて射出
進行し、色合成光学系を構成するクロスダイクロイック
プリズム３１３に入射し、投射レンズ３１４にそのまま
の発散光束で入射する。

【００７１】以上説明したように、フライアイインテグ
レータを射出した発散最外縁光束を、レンズ３０５によ
って収束光束に変換する構成を採用している。これによ
り、小型な光源、照明光学系で装置の小型化を図ること
ができる。

【００７２】また、上記各実施例では、図１１（ａ）に
示すように発散光学系としてフライアイインテグレータ
を使用したが、本発明はこれに限られるものではない。
例えば、図１１（ｂ）に示すように、入射端面ＥＮと射
出端面ＥＸと光軸ＡＸ方向に沿った内面反射面ＩＮＴと
を有し、前記射出端面ＥＮに面光源を形成するロッドイ
ンテグレータＲＩを発散光学系として使用することがで
きる。

【００７３】また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範
囲で様々な態様をとることができる。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば小
型な投射型表示装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態にかかる投射型表示装置の構成を
示す図である。

【図２】第１実施形態にかかる投射型表示装置における
主光線を示した光線図である。

【図３】第１実施形態にかかる投射型表示装置における
他の光線を示した光線図である。

【図４】第１実施形態にかかる投射型表示装置における
最外縁光線を示した光線図である。

【図５】第２実施形態にかかる投射型表示装置の構成を
示す図である。

【図６】第２実施形態にかかる投射型表示装置における
主光線を示した光線図である。

【図７】第２実施形態にかかる投射型表示装置における
最外縁光線を示した光線図である。

【図８】第３実施形態にかかる投射型表示装置の構成を
示す図である。

【図９】第３実施形態にかかる投射型表示装置における
主光線を示した光線図である。

【図１０】第３実施形態にかかる投射型表示装置におけ
る最外縁光線を示した光線図である。

【図１１】（ａ）は、発散光学系としてフライアイイン
テグレータを使用した場合、（ｂ）はロッドインテグレ
ータを使用した場合の概略構成を示す図である。

【図１２】従来における投射型表示装置の構成を示す図
である。

【符号の説明】

１０１ａ，２０１ａ，３０１ａ高圧水銀ランプ１０１ｂ，２０１ｂ，３０１ｂ凹面鏡（楕円鏡）１０１，２０１，３０１光源１０２，２０２，３０２整形用凹レンズ１０３，２０３，３０３第１レンズ板１０４，２０４，３０４第２レンズ板１０５，２０５，３０５フィールド（コンデンサ）レ
ンズ１１２，２１５，３１４投射レンズ１０６，２１３検光プリズム１０７光路長補正部材１０８，１０９，１１０，２０７，２０８，２０９、３
１３プリズム１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂ，２１１Ｒ，２１１Ｇ，
２１１Ｂ，３１２Ｒ，３１２Ｇ，３１２Ｂライトバル
ブＳＣスクリーンＲＩロッドインテグレータ

───────────────────────────────────────────────────── 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 9/31 Ｇ０２Ｆ 1/1335 ５３０Ｆターム(参考） 2H088 EA14 EA15 EA16 HA13 HA20 HA21 HA23 HA25 HA28 MA20 2H091 FA05X FA10Z FA14Z FA17X FA21X FA26X FA41X FD01 FD03 LA11 5C060 EA01 HC01 HC09 HC19 HD01 5G435 AA18 BB12 BB17 CC12 FF05 GG00 GG02 GG03 GG04 GG08 GG23 GG46

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ランプと凹面鏡とから構成される光源
と、前記光源からの照明光を変調して出射することにより画
像を生成する画像生成素子と、前記画像生成素子の像を投影する投影光学系と、前記光源の出射側に配置され、前記光源からの照明光の
最外縁光束を発散させる発散光学系と、前記発散光学系よりも有効径が大きく、前記発散光学系
から出射された光の最外縁光束を収束させて前記画像生
成素子に出射する収束光学系とを有することを特徴とす
る投射型表示装置。
【請求項２】請求項１記載の投射型表示装置におい
て、前記画像生成素子は入射された最外縁光束の光を反射し
て、発散させて前記投影光学系ヘ出射する反射型ライト
バルブであることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項３】請求項１記載の投射型表示装置におい
て、前記発散光学系と前記収束光学系とにより構成され
る光学系は、前記照明光の前記最外縁光束をくびれた形
状にし、前記画像生成素子は前記くびれの位置近傍に設
けられていることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項４】請求項１記載の投射型表示装置におい
て、前記発散光学系は、複数の第１レンズ成分を平面的
に配列した第１レンズ板と、前記第１レンズ板に相対し
て設けられ、前記複数の第１レンズ成分のそれぞれに対
応し、かつ前記複数の第１レンズ成分の焦点位置に平面
的に配列された複数の第２レンズ成分を有する第２のレ
ンズ板とからなり、前記第２レンズ板に２次光源として
複数の光源像を形成するフライアイインテグレータを含
むことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項５】請求項１記載の投射型表示装置におい
て、前記発散光学系は、入射端面と射出端面と光軸方向
に沿った内面反射面とを有し、前記射出端面に面光源を
形成するロッドインテグレータを含むことを特徴とする
投射型表示装置。
【請求項６】請求項４記載の投射型表示装置におい
て、前記画像生成素子から出射される出射光の開口数を
決定する開口絞りを更に有し、前記収束光学系は、前記
開口絞りの中央位置に共役な点から射出する前記２次光
源からの照明光を平行光束に変換するフィールドレンズ
を含むことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項７】請求項１記載の投射型表示装置におい
て、前記画像生成素子は、第１色に対応する画像を生成
する第１画像生成素子と、第２色に対応する画像を生成
する第２画像生成素子と、第３色に対応する画像を生成
する第３画像生成素子とを含み、前記光源からの光を前
記第１色の光と前記第２色の光と前記第３色の光とに色
分解し、前記第１画像生成素子と前記第２画像生成素子
と前記第３画像生成素子とにそれぞれ前記第１色の光と
前記第２色の光と前記第３色の光とを出射する色分解光
学系と、前記第１画像生成素子から出射される第１色の
変調光と、前記第２画像生成素子から出射される第２色
の変調光と、前記第３画像生成素子から出射される第３
色の変調光との色合成を行い、前記投影光学系に出射す
る色合成光学系とを更に有することを特徴とする投射型
表示装置。
【請求項８】請求項７記載の投射型表示装置におい
て、前記色分解光学系は、前記光源からの光を所定の振動方
向の偏光に変換し、前記第１色の偏光と前記第２色の偏
光と前記第３色の偏光とに色分解する偏光色分解光学系
であり、前記色合成光学系は、前記第１画像生成素子か
ら出射される第１色の変調光と、前記第２画像生成素子
から出射される第２色の変調光と、前記第３画像生成素
子から出射される第３色の変調光との検光及び色合成を
行う検光色合成光学系であることを特徴とする投射型表
示装置。