JP2001337204A - フライアイレンズ及びこれを用いた投射型液晶表示装置 - Google Patents

フライアイレンズ及びこれを用いた投射型液晶表示装置

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JP2001337204A
JP2001337204A JP2000155711A JP2000155711A JP2001337204A JP 2001337204 A JP2001337204 A JP 2001337204A JP 2000155711 A JP2000155711 A JP 2000155711A JP 2000155711 A JP2000155711 A JP 2000155711A JP 2001337204 A JP2001337204 A JP 2001337204A
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fly
eye lens
display device
light
liquid crystal
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Keisuke Mitani
圭輔 三谷
Kazuhiro Inoko
和宏 猪子
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Sharp Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 入出射フライアイレンズの間隔を狭めようと
するとレンズのピッチを小さくする必要があり、このと
き入射フライアイレンズと出射フライアイレンズが分離
している為にフライアイ間及びPBSアレイとの位置精
度が厳しくなる。 【解決手段】 透明板の表裏面に、入出力光学的に1対
1に対応した複数のレンズを規則正しく配列した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、投射型液晶表示装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】投射型表示装置の照明光学系として、フ
ライアイレンズを用いる場合がある。これを用いると不
均一な光源の強度ムラを照射面において均一化できるこ
とが既に知られている。
【0003】図8は投射型表示装置においてフライアイ
レンズを用いた照明系の図を示したものである。
【0004】この投射型表示装置は、光源4と、光源4
から出射した光を前方に出射するリフレクター5と、入
射フライアイレンズ13と、出射フライアイレンズ14
と、PBSアレイ15と、二分の一波長板16と、コン
デンサーレンズ8と、ライトバルブ9とを備えている。
【0005】光源4から出射された自然光は、リフレク
ター5で反射されて前方に射出される。入射フライアイ
レンズ13上の各レンズにより出射フライアイレンズ1
4面に集光された自然光は、PBSアレイ15によって
二つの直線偏光に分離される。分離された直線偏光のう
ち一方は二分の一波長板16によって偏光方向が変えら
れ、その結果コンデンサーレンズ8を経てライトバルブ
9に到達する光は偏光方向のそろった光となる。
【0006】また、入射側フライアイレンズ13とライ
トバルブ9は出射側フライアイレンズ14とコンデンサ
ーレンズ8について共役な関係であるため、ライトバル
ブ9には入射フライアイレンズ13上の各レンズが結像
してライトバルブ9面は光源4の強度むらによらず均一
な強度分布を持つ事ができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術では、入出射フライアイレンズ13及び14の
間隔を狭めようとするとレンズのピッチを小さくする必
要があり、このとき入射フライアイレンズ13と出射フ
ライアイレンズ14が分離している為にフライアイ間及
びPBSアレイとの位置精度が厳しくなってしまう。
【0008】したがって、フライアイレンズ間の距離は
ある程度以上縮められず、光学系のサイズを縮小するの
が困難である。またPBSアレイはガラスプリズムに多
層膜コーティングを施しこれを複数重ねあわせた構成に
なっているので非常に高価である。
【0009】本発明は、上記課題を解決することを目的
とし、これを解決した投射型液晶表示装置を提供するも
のである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を鑑
み、以下のような手段を講じた。
【0011】即ち、本発明に係るフライアイレンズは、
透明板の表裏面に、入出力光学的に1対1に対応した複
数のレンズを規則正しく配列したことを特徴とする。
【0012】ここで、前記複数のレンズは、高さ方向の
レンズピッチをPとし、幅方向のレンズピッチをQとし
た場合、P及び/又はQが2mm以下であることが好ま
しい。
【0013】また、前記透明版の厚さをTとし、また、
高さをWとし、また、幅をXとした場合、T及びWの比
がW/T>3となる、及び/又は、T及びXの比がX/
T>3となることが好ましい。
【0014】このように入出射のフライアイレンズを一
体化することで相互の位置精度を向上させ、したがって
レンズピッチを小さくできるのでフライアイ間の距離を
狭める事ができ、光学系のサイズを小さくできる。
【0015】また、本発明に係る投射型液晶表示装置
は、光源より出た光をリフレクターで前方に出射し、上
記記載のフライアイレンズを通して照射面に集光させる
投射型液晶表示装置であって、前記フライアイレンズ前
面に配置され、前記光源からの光を2種の直線偏光に分
離する偏光分離手段と、前記フライアイレンズ後面に配
置され、格子状に配列された位相差板と、を具備したこ
とを特徴とする。
【0016】ここで、前記位相差板は、前記フライアイ
レンズの出射側面上に形成されていることが好ましい。
【0017】このように位相差板が出射フライアイレン
ズ上に形成されていることで光学系の小型化と精度の高
い偏光選択を可能とする更に、本発明に係る投射型液晶
表示装置は、光源より出た光をリフレクターで前方に出
射し、上記記載のフライアイレンズを通して照射面に集
光させる投射型液晶表示装置であって、前記フライアイ
レンズ後面に配置され、前記光源からの光を2種の直線
偏光に分離する偏光分離手段と、前記偏光分離手段後方
に配置され、格子状に配列された位相差板と、を具備し
たことを特徴とする。
【0018】ここで、前記偏光分離手段は、クサビ型複
屈折結晶であること、または、複屈折偏光分離素子であ
ることが好ましい。
【0019】このように偏光分離としてクサビ型複屈折
結晶を用いた角度分離を行うか、或いはPBSアレイの
変わりに複屈折結晶を用いる事で従来にくらべてコスト
を削減できる。尚、上記各構成要素は、可能な限り互い
に組み合わせることができるものである。
【0020】
【発明の実施の形態】図1は本発明に係るフライアイレ
ンズの実施形態を示す図である。本実施形態のフライア
イレンズは、従来における入出射フライアイレンズが板
上に一体的に形成されており、板の表裏に微小レンズが
両面で一対一になるように規則的に配列されている。各
レンズ形状はレンズ毎で同一である場合と異なる場合が
あるが、光学系の設計に応じて適宜変更する事ができ
る。両面のレンズはそれぞれ対応する対面のレンズ面に
ほぼ集光している。一例として0.7インチ対角サイズ
の4:3矩形ライトバルブを照明する照明系を考える
と、入射フライアイレンズの構成レンズはライトバルブ
に対し 倍率={入射フライアイと出射フライアイの距離(空気
換算)}/{出射フライアイとライトバルブの距離(空
気換算)} の倍率で計算されるサイズであるので、入射フライアイ
レンズのサイズ(図1におけるP、Q)を2mm以下と
したとき、ライトバルブと出射フライアイレンズの間隔
を空気換算で100mmとすると入射フライアイレンズ
と出射フライアイレンズの間隔が14.06mm(空気
換算)となる。これを入射と出射のフライアイレンズを
n=1.52の硝材を用いて一体整形した場合、その厚
さTが21.4mmとなる。
【0021】これはガラスの一体整形が可能な限界の最
大厚さであり、したがって2mm以下のレンズサイズと
することで製作可能な一体型フライアイレンズが実現で
きる。
【0022】また、光源光を前方に出射するリフレクタ
ーのサイズは60×60mmであるとき、このとき素子
の厚さTと素子高さWの間にW/T>3の関係が成り立
てば、従来に比べてフライアイのしめる体積を縮小で
き、したがって光学系全体のサイズを縮小できる(ま
た、同様に素子の厚さTと素子幅Xの間にX/T>3の
関係が成り立っても良い)。図2は上記のようなフライ
アイレンズを用いた場合の本発明の係る投射型液晶表示
装置の照明光学系の第1の実施形態を示す図である。図
2において、光源4から発した自然光は、リフレクター
5によって前方に射出され、偏光分離素子6に入射す
る。偏光分離素子6は入射した自然光を二つの直交した
直線偏光であるP偏光及びS偏光に分離し特定の角度に
分けて出射する。偏光分離素子6から出射した二つの偏
光は一体型フライアイレンズ1に入射する。一体型フラ
イアイレンズ1及び二分の一波長板7では、一方の偏光
方向の光のみを通過させる。該通過した光はコンデンサ
ーレンズ8を経てライトバルブ9にたどり着く。
【0023】ここで、上記偏光分離素子6について詳述
する。
【0024】上記のような偏光分離素子としては例えば
特開平7−234316号公報にある回折型偏光分離素
子やクサビ型形状にした複屈折結晶素子などが考えられ
る。ここではクサビ型の複屈折素子を用いて説明を行
う。図3は上記クサビ型の複屈折素子を用いて入射した
自然光を二つの直交した直線偏光であるP偏光及びS偏
光に分離する様子を説明した図である。当該クサビ型の
複屈折素子は、入射側平面10に対して出射側平面11
がある一定の傾き角で形成されたクサビ形状を成す。結
晶の光学軸は入射側平面10の法線と出射側平面11の
法線のなす平面内に存在し、入射側平面に対して平行に
なっている。この素子の入射側平面10に垂直に入射し
た自然光は複屈折の効果により一定の角度差でP偏光と
S偏光が分離される事になる。P偏光(実線)とS偏光
(点線)の分離角は入射光の入射角度や出射側平面11
の傾き角及び光学軸の方向などによって任意に設定可能
である。次に、一体型フライアイレンズ1での作用を図
4を用いて説明する。図4は、一体型フライアイ周辺を
拡大した図である。入射した二つの偏光光は一体型フラ
イアイレンズ1の入射側レンズ2によって出射側の対応
するレンズ面にそれぞれ集光する。このときP偏光及び
S偏光は出射レンズ3の中心に対し1/4ピッチだけず
れた位置に集光するよう偏光分離素子によって主光線の
方向が傾けられている。この集光位置についてはレンズ
のピッチや素子の大きさ、その他の光学系との兼ね合い
で変化する事を考慮すると、1/4ピッチの位置でない
場合も当然ある。出射側レンズ3の屈折効果でそれぞれ
の主光線は方向が揃えられ出射する。出射側レンズ3の
すぐ後方にはレンズピッチの二分の一の幅を持つスリッ
ト状の二分の一波長板7が一方の偏光のみが通過するよ
うに配置してあり、これによって偏光が揃えられる。こ
の二分の一波長板7は、図5に示すように出射側レンズ
に貼り付けるなどしてもよい。これによって取り付け時
の位置精度が向上するものである。一体型フライアイレ
ンズ1を通過した偏光光は、コンデンサーレンズ8を経
てライトバルブ9にたどり着く。当該偏光光は偏光方向
が揃えられており、より均一な照度面分布を持つ。次
に、本発明に係る投射型液晶表示装置の照明光学系の第
2の実施形態を図6を用いて説明する。
【0025】図6において、光源4から発した自然光
は、リフレクター5によって前方に射出され、一体型フ
ライアイレンズ1に入射する。入射側レンズ2によって
出射側レンズ3のレンズ面にほぼ集光した光は出射側レ
ンズ面3のすぐ後方にある偏光分離素子12に入射す
る。
【0026】偏光分離素子12は入射した自然光を二つ
の直交した直線偏光であるP偏光及び S偏光に分離
し、一方をフライアイレンズのピッチ分だけ間隔をずら
して分けて出射する。このような偏光分離素子としては
複屈折結晶材料などが考えられる。
【0027】図7は複屈折材料を用いて二つの偏光を特
定距離で分離する概略図を示している。
【0028】光軸を入射平面に対して傾けて設定したと
き、入射平面に対して垂直に入射した自然光は二つの直
線偏光に分けられ、一方はそのまま直進し、もう一方は
一定角度に傾いた方向に進む。別々の角度に分離した二
つの偏光は複屈折媒体から出射する際、再び同じ方向に
進む事になるが、複屈折媒体で分離していた分、位置が
ずれて出射する。この位置ずれは、複屈折媒体の厚さで
調節できる。
【0029】この偏光分離素子10のすぐ後方にはレン
ズピッチの2分の一の幅を持つスリット状の2分の一波
長板7が一方の偏光のみが通過するように配置してあ
り、これによって偏光が揃えられる。
【0030】この波長板は、偏光分離素子に貼り付ける
などしてよい。コンデンサーレンズ8を経てライトバル
ブ9にたどり着いた光は偏光方向が揃えられており、よ
り均一な照度面分布を持つ。
【0031】
【発明の効果】本発明に係る投射型液晶表示装置によれ
ば、入出射のフライアイレンズを一体化することで相互
の位置精度を向上させ、したがってレンズピッチを小さ
くできるのでフライアイ間の距離を狭める事ができ、光
学系のサイズを小さくできる。
【0032】また、偏光分離として偏光回折素子やクサ
ビ型複屈折結晶を用いた角度分離を行うか、或いはPB
Sアレイの変わりに複屈折結晶を用いる事で従来にくら
べてコストを削減できる。
【0033】さらに、位相差板は出射フライアイレンズ
上に形成されていることで光学系の小型化と精度の高い
偏光選択を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一体型フライアイレンズの実施形態で
ある。
【図2】本発明の一体型フライアイレンズを用いた投影
表示装置の照明光学系の実施形態である。
【図3】本発明の偏光分離素子の実施形態である。
【図4】本発明の一体型フライアイレンズを用いた照明
光学系のフライアイレンズ部分説明図である。
【図5】本発明の一体型フライアイ上に波長板がはりつ
いている実施形態である。
【図6】本発明の一体型フライアイレンズを用いた投影
表示装置の照明光学系の他の実施形態である。
【図7】本発明の偏光分離素子の他の実施形態である。
【図8】従来の投射型液晶表示装置の照明光学系であ
る。
【符号の説明】
1:一体型フライアイレンズ 2:入射側レンズ面 3:出射側レンズ面 4:光源 5:リフレクター 6:偏光分離素子 7:二分の一波長板 8:コンデンサーレンズ 9:ライトバルブ 10:入射平面 11:出射平面 12:偏光分離素子 13:入射フライアイレンズ 14:出射フライアイレンズ 15:PBSアレイ 16:二分の一波長板
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) G03B 21/14 G02F 1/1335 530 Fターム(参考) 2H052 BA02 BA03 BA09 BA14 2H088 EA13 HA20 HA21 HA23 HA25 HA28 MA06 MA20 2H091 FA10Z FA11Z FA14Z FA21Z FA29Z FA41Z FD03 FD05 LA11 LA12 MA07

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 透明板の表裏面に、入出力光学的に1対
    1に対応した複数のレンズを規則正しく配列したことを
    特徴とするフライアイレンズ。
  2. 【請求項2】 前記複数のレンズは、高さ方向のレンズ
    ピッチをPとし、幅方向のレンズピッチをQとした場
    合、P及び/又はQが2mm以下であることを特徴とす
    る請求項1に記載のフライアイレンズ。
  3. 【請求項3】 前記透明板の厚さをTとし、また、高さ
    をWとし、また、幅をXとした場合、T及びWの比がW
    /T>3となる、及び/又は、T及びXの比がX/T>
    3となる、ことを特徴とする請求項1または請求項2に
    記載のフライアイレンズ。
  4. 【請求項4】 光源より出た光をリフレクタで前方に出
    射し、請求項1乃至請求項3の何れかに記載のフライア
    イレンズを通して照射面に集光させる投射型液晶表示装
    置であって、 前記フライアイレンズ前面に配置され、前記光源からの
    光を2種の直線偏光に分離する偏光分離手段と、 前記フライアイレンズ後面に配置され、格子状に配列さ
    れた位相差板と、 を具備したことを特徴とする投射型液晶表示装置。
  5. 【請求項5】 前記位相差板は、前記フライアイレンズ
    の出射側面上に形成されていることを特徴とする請求項
    4に記載の投射型液晶表示装置。
  6. 【請求項6】 光源より出た光をリフレクタで前方に出
    射し、請求項1乃至請求項3の何れかに記載のフライア
    イレンズを通して照射面に集光させる投射型液晶表示装
    置であって、 前記フライアイレンズ後面に配置され、前記光源からの
    光を2種の直線偏光に分離する偏光分離手段と、 前記偏光分離手段後方に配置され、格子状に配列された
    位相差板と、 を具備したことを特徴とする投射型液晶表示装置。
  7. 【請求項7】 前記偏光分離手段は、クサビ型複屈折結
    晶であることを特徴とする請求項4または請求項6に記
    載の投射型液晶表示装置。
  8. 【請求項8】 前記偏光分離手段は、複屈折偏光分離素
    子であることを特徴とする請求項4または請求項6に記
    載の投射型液晶表示装置。
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