JP2003315791A - 投影型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光の利用効率が良く表示ムラのない投影型映
像表示装置を提供する。 【解決手段】 光源から射出され集光された光束を入射
面１ａから入射し導光して射出面１ｂから射出するイン
テグレータロッド１と、このインテグレータロッド１の
射出面１ｂから射出された光束をＬＣＤパネル８へ導く
照明レンズ２，３，６，７でなる焦点距離ｆの照明レン
ズ系と、この照明レンズ系の瞳位置近傍に配置されたマ
ルチＰＢＳ５と、上記ＬＣＤパネル８に表示された画像
を拡大投影する拡大投影レンズ系と、を備え、上記ＬＣ
Ｄパネル８は、その表示素子面が、上記射出面１ｂの上
記照明レンズ系による結像位置ＦＰから０．２×ｆ〜
０．６×ｆだけ遠い位置となるように配設されている投
影型映像表示装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投影型映像表示装
置、より詳しくは、画像表示素子に表示された画像を拡
大投影する投影型映像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、画像表示素子に表示された画
像を拡大投影する投影型映像表示装置は多数提案されて
おり、特に、画像表示素子として液晶パネルのような偏
光変調素子を用いるものは、無偏光を直線偏光に変換す
る照明光学系について多種多様の技術が提案されてい
る。

【０００３】このような偏光変調素子を用いた投影型映
像表示装置においては、無偏光を効率良く直線偏光に変
換するために、該偏光変換素子を照明光学系中に採用し
たものがある。

【０００４】例えば、特開平１１−１１９１６０号公報
や特開平１１−１１９１６３号公報には、アーク放電型
の光源を用いるとともに、この光源が有する輝度ムラを
除去するために、インテグレータとしてフライアイレン
ズを用いることにより複数の２次輝点を形成し、その集
光ポイント付近にＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）アレ
イを配置することによって偏光光に変換し、変換した偏
光光によりライトバルブを照明するようにした照明光学
系を備える投射型表示装置が記載されている。こうした
フライアイレンズと組み合わせたマルチＰＢＳアレイを
用いて照明ムラをとり直線偏光化する照明光学系は、こ
れらの例に限らず、多数提案されている。

【０００５】また、米国特許６０５３６１５号には、イ
ンテグレータロッドを用いた偏光変換照明光学系を有す
る投射型表示装置が記載されていて、インテグレータロ
ッドの長さが輝度ムラレベルと関係しており、インテグ
レータロッドの射出面を画像表示素子上に拡大変換し結
像させることにより効率良く照明するようになってい
る。

【０００６】さらに、特開平５−２４１１０３号公報に
は、光源から放射された光を放物面鏡により平行光束化
された光にして、さらにＰＢＳプリズムとミラーを２組
使用することにより偏光変換し、インテグレータを用い
ることなく画像表示素子を直接に照明する技術が開示さ
れている。

【０００７】また特に、大画面の表示装置においては、
画素数が多くサイズが大きい画像表示素子を用いること
になるが、こうした画像表示素子は、サイズが大きくな
るにつれて急激に歩留まりが悪くなることから、比較的
小型な画像表示素子を複数用いて各画像表示素子により
部分画像を表示し、これらの画像表示素子による部分画
像をスクリーン上に繋ぎ目なく配列するように投影する
ことで、全体として一枚の画像をスクリーン上に生成す
るようにした投影型映像表示装置も種々のものが提案さ
れている。

【０００８】このようなものとして、例えば特開２００
０−２９３３号公報には、数インチの小型液晶パネルを
用いて拡大投影する光学ユニットを複数配列することに
より、大画面化を図る旨の技術が開示されている。具体
的には、５インチの液晶パネルを数十枚用いて、これら
の画像をスクリーンに拡大投影して並べることにより、
薄型な１００インチの大画面映像表示装置を実現するも
のとなっている。

【０００９】そして、特開平９−１０６７０５号公報に
は、ファイババンドルを用いることにより光源の個体差
を平均化し、平均化された照明により複数のパネルを照
明して、これら複数のパネルによる画像を組み合わせて
投影する投射型の映像表示装置が開示されている。

【００１０】さらに、図１２と図１３とを参照して、従
来の投影型映像表示装置における照明光学系について具
体的に説明する。

【００１１】まず、図１２は、従来の投影型映像表示装
置における照明光学系の第１の例を示す図である。

【００１２】この照明光学系は、画像表示素子であるＬ
ＣＤパネル８８と、図示しない光源から放射され集光さ
れた光を導光し射出面（射出側端面）において一様な面
光源とみなせる面状光源に変換して射出するインテグレ
ータロッド８１と、このインテグレータロッド８１の射
出面の像を上記ＬＣＤパネル８８上に形成するものであ
って、該射出面のサイズとＬＣＤパネル８８を照明する
領域のサイズとの比に応じて倍率を変換するものであ
り、さらに該ＬＣＤパネル８８の視野角特性を考慮して
テレセントリック光学系として構成された照明レンズ８
２，８３，８６，８７と、上記照明レンズ８６の照明レ
ンズ８３側に配設された絞り８４と、を有して構成され
ている。

【００１３】次に、図１３は、従来の投影型映像表示装
置における照明光学系の第２の例を示す図である。

【００１４】この照明光学系は、画像表示素子であるＬ
ＣＤパネル９８と、図示しない光源から放射され集光さ
れた光を導光し射出面において一様な面光源とみなせる
面状光源に変換して射出するインテグレータロッド９１
と、このインテグレータロッド９１の射出面の像を上記
ＬＣＤパネル９８上に形成するものであって、該射出面
のサイズとＬＣＤパネル９８を照明する領域のサイズと
の比に応じて倍率を変換するものであり、さらに該ＬＣ
Ｄパネル９８の視野角特性を考慮してテレセントリック
に構成された照明レンズ９２，９３，９６，９７と、こ
れら照明レンズ９２，９３，９６，９７の略瞳位置に配
設された絞り９４と、この略瞳位置となる絞り９４の近
傍に配設された偏光変換するためのマルチＰＢＳ９５
と、を有して構成されている。

【００１５】ここに、上記ＬＣＤパネル９８は、インテ
グレータロッド９１の射出面の中央部の照明レンズ９
２，９３，９６，９７による結像位置ＦＰ、つまり、イ
ンテグレータロッド９１の射出面の中央部から射出され
る軸上光束が照明レンズ９２，９３，９６，９７により
収束する位置に配設されている。

【００１６】上記マルチＰＢＳ９５は、本発明の実施形
態に係る図２に示すマルチＰＢＳ５とほぼ同様の、公知
の構成となっている。すなわち、該図２を引用して説明
すると、マルチＰＢＳ５は、例えば断面が等脚台形状を
なす柱状体である筐体５ａと、この筐体５ａの内部に略
４５°の角度で上向きと下向きとに各傾くように配置さ
れていて入射光の内のＰ偏光成分を透過しＳ偏光成分を
反射する偏光分離膜でなるＰＢＳ面５ｂと、このＰＢＳ
面５ｂにより反射されたＳ偏光をＬＣＤパネルに向けて
反射するものであり該ＰＢＳ面５ｂと平行な上記筐体５
ａの２つの斜面に各形成されたミラー面５ｃと、上記Ｐ
ＢＳ面５ｂにより透過されたＰ偏光をＳ偏光に変換する
位相差板であるλ／２板５ｄと、を有して構成されてい
る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平１１−１１９１６０号公報や特開平１１−１１９１
６３号公報に記載されたようなフライアイレンズによる
インテグレータを用いた投射型表示装置では、フライア
イレンズの数、すなわち２次輝点の数を、被照明面にお
ける輝度ムラの具合を左右するためにできるだけ多くし
たいにも関わらず、フライアイレンズ数を多くすると個
々のレンズの開口サイズが相対的に小さくなるために、
フライアイレンズのレンズピッチに依存している偏光分
離膜の開口部への集光性が落ちて、その結果、光量効率
が低下してしまう。

【００１８】また、上記米国特許６０５３６１５号に記
載されたようなインテグレータロッドを用いた例では、
上記インテグレータロッドの射出面の結像位置に画像表
示装置を配置すると、インテグレータロッドの射出面の
サイズと画像表示素子のサイズとの比、すなわち照明レ
ンズ系の倍率が大きかったり、あるいはレンズ枚数が少
なかったりした場合に、像面湾曲が生じ、画面内におい
て光の収束性に差が出ることがある。この場合には、イ
ンテグレータロッドの射出面に輝度ムラが生じていなく
ても、被照明物である画像表示素子上では輝度ムラを生
じてしまうことがある。また、インテグレータロッドの
射出面を画像表示素子上に拡大して結像させると、イン
テグレータロッドの射出面の微小なごみやきずが拡大し
て画像表示素子上に投影されてしまい、目立ってしまう
といった課題がある。

【００１９】さらに、上記特開平５−２４１１０３号公
報に記載されたようなものでは、光源の強度の放射角度
依存性がそのまま画面内の輝度ムラになり得るのに加え
て、ＰＢＳプリズムの偏光分離膜部とミラー部のつなぎ
目がそのまま表示ムラとして認識されてしまう。さら
に、画像表示素子として透過型液晶パネルのような透過
型の画像表示素子を用いる場合には、視野角特性の点か
らテレセントリックな光学系により照明するのが一般的
であるが、コントラストを確保する観点から照明光学系
の画像表示素子側のＮＡは小さくすることが望ましい。
上述したように、光源から放射された光束を放物面鏡な
どで平行光束にして照明する例も数多く開示されている
が、ＬＣＤパネルは画素を周期的に配列した構造となっ
ているために、各色の光束は平行光に近くなることによ
り可干渉性が高くなり、その結果、ＬＣＤパネルの画素
構造により光が回折して広がってしまう。従って、照明
光学系と拡大投影光学系の画像表示素子におけるＮＡが
同じである場合には、照明光学系と拡大投影光学系との
主光線の傾斜角のマッチングが画面内各部で図られてい
たとしても、ＬＣＤパネルで回折した光は、拡大投影光
学系でケラレて効率が低下したり、不要光が発生して画
質を劣化させたりすることを、本出願人は実験的に確認
している。

【００２０】従って、画像表示素子における照明光学系
のＮＡと拡大投影光学系のＮＡとを一致させることは、
効率の観点から考えると好適とはいえない。効率を向上
させるという観点のみからは、拡大投影光学系のＮＡを
十分に大きくしてケラレをなくすようにすれば良いこと
になるが、ＮＡが大き過ぎると絞りとしての機能を果た
さなくなって、今度は解像度が低下してしまうことにな
る。

【００２１】一方、上記特開２０００−２９３３号公報
に記載されたような、複数の液晶パネルによる画像をス
クリーン上に拡大投影することで薄型大画面の投影型映
像表示装置を実現する技術では、各液晶パネルに対応し
て光源が設けられているために、液晶パネル間の個体差
により投影される部分画像にばらつきが生じるだけでな
く、光源のばらつきがそのままスクリーン上での輝度ム
ラとして投影されてしまうことになる。

【００２２】また、上記特開平９−１０６７０５号公報
に記載されたような、ファイババンドルを用いて光源の
個体差を平均化する技術では、ファイバから射出された
光に色や輝度の角度分布が存在するために、画像表示素
子上でこれら色や輝度の角度ムラが位置ムラに変換され
てしまうことになる。ファイバの射出面、または該ファ
イバの射出側に光源の強度ムラの影響を防止するために
配置されるインテグレータロッドの射出面と、被照射面
である画像表示素子と、を光学的に略共役な関係にする
ことにより、上述したファイバ射出光の角度ムラが照射
面における輝度の位置ムラになってしまうのを防止する
ことは可能であるが、画像表示素子がファイバの射出面
またはインテグレータロッドの射出面の結像面近傍に配
置されている場合には、バンドル中のファイバ素線の構
造がそのまま照射面内に映り込んで輝度ムラとなってし
まう。

【００２３】一方、上記図１２に示したような構成にお
いて、画像表示素子として、上記ＬＣＤパネル８８のよ
うな偏光変調素子を用いる場合には、効率の点から照明
光を偏光化する必要があるが、この図１２に示したよう
な照明光学系の場合には、光源から射出された光は無偏
光であるために、偏光板を上記ＬＣＤパネル８８の近傍
に挿入して直線偏光化することになる。ところが、ＬＣ
Ｄパネル８８の近傍に偏光板を挿入すると、所定の偏光
方向以外の光が該偏光板により吸収されてしまうため
に、光の利用効率が低く、また、吸収した光が熱に変換
されるために、明るい映像を投影するために大光量によ
る照明を行うとかなりの熱量が発生して偏光板自体がダ
メージを受けてしまう。

【００２４】さらに、上記図１３に示す例において、上
記照明レンズ９２，９３，９６，９７の光軸に沿って照
明光が伝達される方向にＺ軸をとり、このＺ軸に垂直な
面内でＬＣＤパネル９８の表示素子面の２辺の一方と他
方とに沿ってＸ軸とＹ軸とをとると、この照明光学系に
おいては、光束がＺ軸方向に進行するに従ってＹ方向に
広がっている。このような場合には、ＬＣＤパネル９８
の像を拡大して投影するための図示しない拡大投影光学
系のＮＡを、上記照明レンズ９２，９３，９６，９７に
より構成される照明レンズ系のＹ方向のＮＡに合わせな
いと、該拡大投影光学系によりケラレが生じてしまうこ
とになる。あるいは、照明レンズ系をアナモルフィック
光学系にして、マルチＰＢＳを透過した後に光束が円形
になるように補正する構成としても良い。ここで、ＬＣ
Ｄパネル９８は、上述したように、インテグレータロッ
ド９１の射出面の中央部の結像位置ＦＰに配設されてい
るが、このような構成では、軸上と軸外、すなわちイン
テグレータロッド９１の射出面の中央部と周辺部とで、
光束の収束性に図示のような差があるために、ＬＣＤパ
ネル９８上で照明ムラが生じてしまうことになる。さら
に、このような光学系の構成では、インテグレータロッ
ド９１の射出面に生じているキズや付着したごみなど
が、そのままＬＣＤパネル９８上に照明ムラとして映り
込んでしまうことになる。

【００２５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、光の利用効率が良く表示ムラのない投影型映像表
示装置を提供することを目的としている。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１の発明による投影型映像表示装置は、光源
と、上記光源から射出された光束を集光する集光手段
と、上記集光手段により集光された光束を入射する入射
面と射出する射出面とを有し光束を該入射面から該射出
面まで導光する柱状光学素子と、上記柱状光学素子の射
出面から射出された光束を被照明物である画像表示素子
へと導く照明レンズ系と、上記照明レンズ系の瞳位置近
傍に配置された偏光変換素子と、上記画像表示素子に表
示された画像を拡大投影する拡大投影レンズ系と、を具
備し、上記画像表示素子は、上記照明レンズ系の焦点距
離をｆとしたときに、その表示素子面が、上記柱状光学
素子の射出面の上記照明レンズ系による結像位置から
０．２×ｆ〜０．６×ｆだけ遠い位置となるように配設
されたものである。

【００２７】また、第２の発明による投影型映像表示装
置は、複数の画像表示素子と、これら複数の画像表示素
子を照明するべく各画像表示素子に対応して配置された
偏光変換照明光学系と、上記複数の画像表示素子により
表示された像をスクリーン上に投影して全体として１枚
の画像を生成するべく各画像表示素子に対応して配置さ
れた拡大投影レンズ系と、を具備し、上記偏光変換照明
光学系は、光源と、この光源から射出された光束を集光
する集光手段と、この集光手段により集光された光束を
入射する入射面と射出する射出面とを有し光束を該入射
面から該射出面まで導光する柱状光学素子と、この柱状
光学素子の射出面から射出された光束を被照明物である
上記画像表示素子へと導く照明レンズ系と、この照明レ
ンズ系の瞳位置近傍に配置された偏光変換素子と、を有
して構成されたものである。

【００２８】さらに、第３の発明による投影型映像表示
装置は、上記第２の発明による投影型映像表示装置にお
いて、上記画像表示素子が、上記照明レンズ系の焦点距
離をｆとしたときに、その表示素子面が、上記柱状光学
素子の射出面の上記照明レンズ系による結像位置から
０．２×ｆ〜０．６×ｆだけ遠い位置となるように配設
されたものである。

【００２９】第４の発明による投影型映像表示装置は、
上記第１から第３の発明による投影型映像表示装置にお
いて、上記集光手段が、光学ファイバを有して構成され
たものである。

【００３０】第５の発明による投影型映像表示装置は、
上記第１または第２の発明による投影型映像表示装置に
おいて、上記照明レンズ系の上記画像表示素子側のＮＡ
（ｉ）と、上記拡大投影レンズ系の上記画像表示素子側
のＮＡ（ｐ）と、の間に、 １．２＜ＮＡ（ｐ）／ ＮＡ（ｉ）＜１．８ なる関係式が成立するように構成されたものである。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１から図１１は本発明の一実施
形態を示したものであり、図１は、ＬＣＤをインテグレ
ータの射出面の結像位置からＺ軸方向にデフォーカスし
た位置に配設した偏光変換照明光学系を示す図である。

【００３２】この偏光変換照明光学系は、画像表示素子
であるＬＣＤパネル８と、光源（図４等を参照）から放
射され集光された光束を入射する入射面１ａと射出する
射出面１ｂとを有し光束を該入射面１ａから該射出面１
ｂまで導光する柱状光学素子であって該射出面１ｂにお
いて一様な面光源とみなせる面状光源に変換して射出す
るインテグレータロッド１と、このインテグレータロッ
ド１の射出面１ｂから射出された光束を該射出面１ｂの
サイズと上記ＬＣＤパネル８を照明する領域のサイズと
の比に応じて倍率を変換しながら被照明物である上記Ｌ
ＣＤパネル８上に集光する照明レンズ２，３，６，７
と、これらの照明レンズ２，３，６，７でなる照明レン
ズ系の略瞳位置に配設された絞り４と、この略瞳位置と
なる絞り４の近傍に配設された偏光変換素子たるマルチ
ＰＢＳ（マルチ偏光ビームスプリッタ）５と、を有して
構成されている。

【００３３】ここに、上記ＬＣＤパネル８は、後で詳し
く説明するように、照明レンズ２，３，６，７でなる照
明レンズ系の焦点距離をｆとしたときに、その表示素子
面が、上記インテグレータロッド１の射出面１ｂの該照
明レンズ系による結像位置ＦＰから０．２×ｆ〜０．６
×ｆだけ遠い位置となるように配設されている。すなわ
ち、上記照明レンズ２，３，６，７の光軸に沿って照明
光が伝達される方向にＺ軸をとり、このＺ軸に垂直な面
内でＬＣＤパネル８の表示素子面の２辺の一方と他方と
に沿ってＸ軸とＹ軸とをとると、Ｚ軸上において結像位
置ＦＰからデフォーカスすることにより、照明ムラがあ
ったとしてもそれが平均化されるとともに、射出面１ｂ
にキズがあったりごみが付着していたりしたとしても目
立ち難くくなるために、均一性の高い照明を行うことが
可能となっている。

【００３４】ここで最適なデフォーカス量についてより
詳しく説明する。

【００３５】照明レンズ２，３，６，７によるインテグ
レータロッド１の射出面１ｂの結像位置ＦＰから被照明
物であるＬＣＤパネル８の表示素子面までの距離、すな
わち、ここでいうデフォーカス量は、上記照明ムラを一
様にしたり、ごみやキズなどを目立たなくする観点か
ら、ある一定値以上あった方が好適である。

【００３６】ところが、逆にデフォーカス量が大き過ぎ
ても、つまり、ＬＣＤパネル８の配設位置が結像位置か
らＺ軸方向に離れ過ぎてしまっても、今度は光束が広が
り過ぎて被照明物であるＬＣＤパネル８サイズに比して
照明領域が大きくなり光の利用効率が低下してしまうこ
とになる。

【００３７】このようにデフォーカス量には、照明ムラ
を抑制しながら光の利用効率が高い最適な範囲が存在し
ている。この最適範囲を求めるために、本出願人は、照
明レンズ系の焦点距離ｆが１２５ｍｍ、該照明レンズ系
のＬＣＤパネル８側のＮＡが０．１、該照明レンズ系の
インテグレータロッド１側のＮＡが０．５７となる条件
の下で、実験を行って、次の表１に示すような結果を得
た。

【表１】

【００３８】なお、この表１において結像面からの距離
が０として示されているのが結像位置であり、この結像
位置は、照明レンズ系の最終レンズ面から約５０ｍｍの
ところとなっている。

【００３９】この表１を見れば分かるように、ＬＣＤパ
ネル８を配置するのに最適な範囲は、インテグレータロ
ッド１の射出面１ｂを物体面としたときの結像位置ＦＰ
から該照明レンズ系よりも遠い側において、該結像位置
ＦＰからＬＣＤパネル８の表示素子面までの距離が０．
２×ｆ〜０．６×ｆとなるような範囲である。この最適
範囲は、照明レンズ系の焦点距離ｆの値自体にはほぼ依
存せず、該焦点距離ｆに対する比として得られるものと
なっている。

【００４０】なお、通常、ＬＣＤパネル８等の画像表示
素子に照明光を照射する照明レンズ系は、コントラスト
を確保するためにテレセントリック光学系として構成す
るのが一般的であって、上述したような範囲のデフォー
カス量であれば照明領域に大きな変動はないために、Ｌ
ＣＤパネル８を結像位置ＦＰに配設する場合に比して照
明効率が低下することはほとんどない。

【００４１】また、光源からの光路上に後述するような
ファイババンドルを配設した場合には、該ファイババン
ドルの射出面の結像位置に近い場所にＬＣＤパネル８を
配設すると、バンドルを構成するファイバ素線の構造が
そのまま被照射面に映り込んでしまうことになる。これ
に対して、上記実験で求めたような範囲にＬＣＤパネル
８を配置してデフォーカスすることにより、こうしたバ
ンドル構造に起因する照明ムラも防止することが可能で
ある。

【００４２】次に、図２は上記マルチＰＢＳ５の構成の
一例を示す側断面図および正面図である。

【００４３】上記マルチＰＢＳ５は、図２（Ａ）および
図２（Ｂ）に示すように、例えば断面が等脚台形状をな
す柱状体である筐体５ａと、この筐体５ａの内部に略４
５°の角度で上向きと下向きとに各傾くように配置され
ていて入射光の内のＰ偏光成分を透過しＳ偏光成分を反
射する偏光分離膜でなるＰＢＳ面５ｂと、このＰＢＳ面
５ｂにより反射されたＳ偏光をＬＣＤパネルに向けて反
射するものであり該ＰＢＳ面５ｂと平行な上記筐体５ａ
の２つの斜面に各形成されたミラー面５ｃと、上記ＰＢ
Ｓ面５ｂにより透過されたＰ偏光をＳ偏光に変換する位
相差板であるλ／２板５ｄと、を有して構成されてい
る。

【００４４】上記ＰＢＳ面５ｂは、例えば三角プリズム
上に誘電体を３０〜４０層形成することにより構成さ
れ、上記λ／２板５ｄはこの三角プリズムの射出側の面
に取り付けられている。

【００４５】このように、入射光をＳ偏光とＰ偏光に分
離して、一方の偏光を他方の偏光に変換することによ
り、効率良く直線偏光を得るようになっている。

【００４６】なお、ここでは、Ｐ偏光の光路上に位相差
板を配置してＳ偏光に変換しているが、これに代えて、
Ｓ偏光の光路上に位相差板を配置すればＰ偏光のみを得
ることも可能である。

【００４７】また、偏光分離膜でなる上記ＰＢＳ面５ｂ
は、入射角依存性がある。そこで、上記ＬＣＤパネル８
が横長のアスペクトのものである場合には、短辺方向に
偏光が分離するようにマルチＰＢＳ５を配設すると、長
辺方向に偏光が分離するように配設するよりも、入射角
依存性の影響を低減することが可能となる。

【００４８】さらに、ガラス基板等に偏光分離膜や反射
膜を成膜したものを組み合わせることによりマルチＰＢ
Ｓを構成しても構わないが、図２に示したようなプリズ
ム状に形成した方が組み付け精度などが良い利点があ
る。

【００４９】なお、上記「従来の技術」や「発明が解決
しようとする課題」において述べたように、フライアイ
レンズを用いた偏光変換照明光学系の場合には、該フラ
イアイレンズの集光性により効率が左右されてしまうた
めに、本実施形態では、インテグレータロッド１を用い
て照明ムラを除去する光学系を採用している。

【００５０】図３はインテグレータロッドの幾つかの例
を示す斜視図である。

【００５１】まず、図３（Ａ）に示すインテグレータロ
ッド１Ａは、断面が矩形枠状をなす中空のパイプ体１１
として形成されていて、その内側面に反射コート１２が
施されている。

【００５２】次に、図３（Ｂ）に示すインテグレータロ
ッド１Ｂは、ガラスなどの硝材を加工することにより、
断面が矩形状をなす角柱体１３として形成されたもので
ある。

【００５３】これらのインテグレータロッド１Ａ，１Ｂ
をＬＣＤパネル８に照明光を投影するための偏光変換照
明光学系に用いる場合には、該インテグレータロッド１
の射出面のアスペクトをＬＣＤパネル８のアスペクトに
合わせたものにすると、光の利用効率が良い。

【００５４】さらに、中空タイプのインテグレータロッ
ド１Ａと硝材タイプのインテグレータロッド１Ｂとを比
較すると、所定の入射角で入射した光線が同じ回数だけ
反射するようにするためには、入射面での屈折によりイ
ンテグレータロッド１Ｂの導光方向の全長をインテグレ
ータロッド１Ａよりも長くする必要がある反面、全反射
による反射となるために損失がほぼなく、光の利用効率
が高いという利点がある。

【００５５】また、射出面と被照射面とを光学的に略共
役な関係とする偏光変換照明光学系以外の場合や、ある
いは後述するようなファイババンドルを用いる場合に
は、光源からの集光ポイントに図３（Ｃ）や図３（Ｄ）
に示すような、断面が円形状をなすインテグレータロッ
ドを用いると良い。

【００５６】図３（Ｃ）に示すインテグレータロッド１
Ｃは、断面が円形状をなすコア１４の周面にクラッド１
５が形成された構造となっていて、光量の損失が小さい
ことが特徴である。

【００５７】また、図３（Ｄ）に示すインテグレータロ
ッド１Ｄは、円柱体１６として形成されており、製作性
が良いことが特徴である。

【００５８】図４は上述したような偏光変換照明光学系
を適用した投影型映像表示装置の構成を示す図である。

【００５９】この投影型映像表示装置（プロジェクタ）
は、バルブ等でなる光源２０と、この光源２０から放射
された光を集光するべく回転楕円面となるように形成さ
れた集光手段たるリフレクタ２１と、を有し、このリフ
レクタ２１による集光位置の近傍に、上記インテグレー
タロッド１の入射面１ａを配置している。

【００６０】上記インテグレータロッド１の断面サイズ
は、基本的に、ＬＣＤパネル８Ａ上のＮＡと、リフレク
タ２１からの集光ＮＡと、ＬＣＤパネル８Ａのサイズ
と、に基づき決定される。

【００６１】このとき、インテグレータロッド１の断面
サイズを大きくした方が光源２０からの光を損失なく取
り込むことが可能であるが、該インテグレータロッド１
の長さが一定である場合には、断面サイズを大きくする
と反射回数が少なくなってしまうために、照明ムラを除
去する効果が低くなる。

【００６２】従って、光を取り込む効率と、照明ムラを
除去する効果と、サイズと、の３要素をどのようなバラ
ンスで重視するかによって、インテグレータロッド１の
最適な形状およびサイズが異なってくる。

【００６３】なお、インテグレータロッド１を、一方か
ら他方に向けて断面サイズが変化するようなテーパー状
に形成することにより、ＮＡ変換の機能を備えさせるこ
とも可能である。

【００６４】さらに、この投影型映像表示装置における
画像表示素子たるＬＣＤパネル８Ａは、反射型のＬＣＤ
パネルとして構成されていて、このＬＣＤパネル８Ａと
上記照明レンズ７との間にＰＢＳキューブ２２を配設し
て、該ＬＣＤパネル８Ａに照明光を照射するとともに光
路を曲折するようになっている。

【００６５】すなわち、このＰＢＳキューブ２２は、照
明レンズ７からの光を入射する入射面２２ａと、この入
射面２２ａから入射した偏光を上記ＬＣＤパネル８Ａに
向けて反射するとともに該ＬＣＤパネル８Ａからの異な
る偏光方向の光を透過するＰＢＳ面２２ｂと、このＰＢ
Ｓ面２２ｂにより反射された光を該ＬＣＤパネル８Ａ側
に射出するとともに該ＬＣＤパネル８Ａにより反射され
た光を入射する出入射面２２ｃと、この出入射面２２ｃ
から入射し上記ＰＢＳ面２２ｂを透過した光を射出する
射出面２２ｄと、を有して構成されている。

【００６６】このＰＢＳキューブ２２から射出された上
記ＬＣＤパネル８Ａの像は、拡大投影レンズ系である拡
大投影光学系２３を介して、スクリーン２７（図６、図
８等参照）に拡大して投射されるようになっている。

【００６７】図５は、上述したような偏光変換照明光学
系を適用した投影型映像表示装置の外観の一例を示す斜
視図である。

【００６８】この投影型映像表示装置は、筐体２６の各
面に、上記拡大投影光学系２３と、上記光源２０やＬＣ
Ｄパネル８Ａ、その他の電子部品等から発せられる熱を
空冷した後に放出するための通気孔２４と、各種の操作
を行うためのスイッチ類２５と、を配設して構成されて
いる。

【００６９】次に、図６を参照して、照明レンズ系のＬ
ＣＤパネル８側のＮＡについて説明する。図６は、略平
行な光束が入射したときにＬＣＤパネルにより回折され
てスクリーンに投射される様子を示す斜視図である。

【００７０】上記照明レンズ２，３，６，７でなる照明
レンズ系は、上記ＬＣＤパネル８（またはＬＣＤパネル
８Ａ）が有する視野角依存性に対応するためにテレセン
トリック光学系として構成されているとともに、コント
ラストを確保するためにＮＡが小さくなるように構成さ
れている。

【００７１】しかし、ＬＣＤパネル８は画素を２次元状
に配列してなる周期的な構造であるために、照明レンズ
系のＮＡが小さいと、照明光が該ＬＣＤパネル８により
ある拡散性をもって透過されることになる。

【００７２】すなわち、例えば白色光でなるＮＡの小さ
い略平行光ＬＦをＬＣＤパネル８に照射すると、スクリ
ーン２７上で、もともとの光束が投影される部分２８以
外に、光束が広がって投影される部分２８ａが生じてい
るのが観察されることがある。

【００７３】この拡散性は、上記周期的な画素で構成さ
れる格子の回折に起因する場合が多く、照明効率や画質
を低下させる原因となる。

【００７４】この回折光は、ＬＣＤパネル８を構成する
画素の配列ピッチと、画素開口の形状およびサイズと、
に依存するが、回折角が大きい場合には、それぞれの回
折光の強度は弱くても拡大投影光学系２３によって多数
の回折光がケラレ易くなり、結果として照明効率が低下
してしまうことになる。

【００７５】図７はＮＡを説明するためにＬＣＤパネル
８の近傍における光束の様子を示す図である。

【００７６】この図においては、ＬＣＤパネル８の左側
が照明側、右側が投影側となっている。

【００７７】これらの内の投影側に示す点線は、照明側
に示した照明レンズ系の最も角度の大きい光線を延長し
た線であり、この点線とＬＣＤパネル８の表示素子面に
立てた垂線との張る角が、この照明レンズ系のＮＡに係
る角度となっている。また、投影側の実線とＬＣＤパネ
ル８の表示素子面に立てた垂線との張る角が、拡大投影
光学系２３のＮＡに係る角度となっている。

【００７８】拡大投影光学系２３のＮＡと照明レンズ系
のＮＡとが同じであれば、投影側に示した実線と点線と
は一致することになるが、この場合には上記図６に示し
たような回折光がケラレてしまうために、図示のよう
に、拡大投影光学系２３のＮＡを照明レンズ系のＮＡよ
りも大きく設定しておくことによって、比較的強度の高
い回折光がケラレることのないようにし、照明効率が低
下するのを防止することが可能である。

【００７９】一方で、結像性やゴースト、フレアなどの
観点から、拡大投影光学系２３のＮＡを大きくするのに
は限度があり、あまりＮＡを大きく設定し過ぎると、回
折光による不要なフレアが生じたり解像度が低下したり
する可能性がある。

【００８０】そこで、本出願人は、照明レンズ系のＬＣ
Ｄパネル８側のＮＡ（ｉ）と拡大投影光学系のＬＣＤパ
ネル８側のＮＡ（ｐ）との比であるＮＡ（ｐ）／ ＮＡ
（ｉ）と、ＬＣＤパネル８の入出力に対する効率および
官能的な画質評価結果と、の関係について実験を行い、
次の表２に示すような結果を得た。

【表２】

【００８１】この表２を見れば分かるように、 １．２＜ＮＡ（ｐ）／ ＮＡ（ｉ）＜１．８ の関係を満足するような範囲にＮＡを設定すれば、効率
が良くかつ結像性を損なうことなく、映像を投影するこ
とが可能となる。

【００８２】次に、図８は、ファイババンドルを用いた
マルチ方式の投影型映像表示装置の構成を示す図であ
る。

【００８３】このマルチ方式の投影型映像表示装置は、
部分画像をスクリーン２７上に画像ブロックとして投影
するユニットを複数設けて、各ユニットにより投影した
画像ブロックの周縁部を重畳させることにより、全体と
してまとまった一枚の画像をスクリーン２７上に生成す
るようにしたものである。

【００８４】上記各ユニットは、部分画像を表示するＬ
ＣＤパネル８と、このＬＣＤパネル８を照明するための
後述するような偏光変換照明光学系と、該ＬＣＤパネル
８の画像を拡大して投影するための拡大投影光学系２３
と、をそれぞれ有して構成されている。

【００８５】この投影型映像表示装置は、複数のＬＣＤ
パネル８を用いて大画像を投影するものであるために強
力な光源が必要であり、そのためにメタルハライドや高
圧水銀、キセノンといったアーク放電タイプの輝度の高
い光源２０を複数用いている。

【００８６】この光源２０から照射される照明光は、回
転楕円面や回転放物面をなすリフレクタ２１により反射
された後に、集光手段たる集光光学系３０により入光側
インテグレータロッド３１の入射端面に集光される。

【００８７】このとき、上記光源２０は複数であるため
に、輝度や色の個体差が発生することがある。さらに、
各光源２０におけるアーク付近には光量分布が存在し、
これが上記リフレクタ２１や集光光学系３０の集光性な
どと相まって、該入光側インテグレータロッド３１の入
射端面において光の強度分布が生ずることになる。

【００８８】そこで、このような強度分布や色の相異を
抑制することにより、各部分画像に差異が生じないよう
にしている。

【００８９】すなわち、上記入光側インテグレータロッ
ド３１は、光学ファイバたるファイババンドル３２の入
射側の端部に取り付けられていて、入射した光は該入光
側インテグレータロッド３１からファイババンドル３２
に伝送され、このファイババンドル３２からセパレータ
３３に入って均一化された後に、各ＬＣＤパネル８に対
応して分岐されているファイババンドル３４により伝送
されるようになっている。

【００９０】上記セパレータ３３は、上記強度分布が出
光側であるファイババンドル３４の分岐間光量差になる
のを抑制するために、各ファイババンドル３２を構成す
るファイバ素線をランダムに編んでファイババンドル３
４に分岐させるミックス処理を行っている部分である。

【００９１】このミックス処理により、出光側のファイ
ババンドル３４を構成するファイバ素線が、特定の光源
２０からの光を伝送するものに偏ることがなく、かつ、
入光側のファイババンドル３２における特定のバンドル
位置（例えば、光源の強度分布の高いバンドル位置な
ど）のものに偏ることがなくなるために、何れのファイ
ババンドル３４もほぼ等しく均質化された光を射出し得
るものとなる。

【００９２】さらに、ファイババンドル３２の光源２０
側に入光側インテグレータロッド３１を配設しているた
めに、該入光側インテグレータロッド３１内において全
反射が行われ、照明光がファイババンドル３２に入射す
る時点で、既にある程度の均一な強度分布とすることが
でき、より一層の均質化を助けている。

【００９３】また、セパレータ３３から分岐される上記
ファイババンドル３４の出光側端部は、画像表示素子で
あるＬＣＤパネル８と同様のアスペクト比の矩形形状に
バンドルされている。

【００９４】そして、このファイババンドル３４の出光
側端部に、バンドル面内の強度分布をフラットにするた
めに、該出光側端部と同一形状かつ同一サイズの入射端
面を有する角型のインテグレータロッド３５を配設し
て、各ユニットにより投影される画像ブロック内の輝度
ムラなどを低減するようにしている。

【００９５】このインテグレータロッド３５の射出面か
ら射出された後は、上記図１に示したような偏光変換照
明光学系と、この偏光変換照明光学系による上記インテ
グレータロッド３５の射出面の結像位置から所定量だけ
デフォーカスした位置に配設されたＬＣＤパネル８と、
このＬＣＤパネル８による部分画像を拡大して投影する
拡大投影光学系２３とを介して、各画像ブロックがスク
リーン２７に生成される。

【００９６】図９は、マルチ方式の投影型映像表示装置
の具体的な構成例を示す斜視図である。

【００９７】上記図８に示したような光学系を用いて、
薄型かつ大画面となるように構成したマルチ方式の投影
型映像表示装置４１は、例えばこの図９に示すような外
観となっている。

【００９８】スクリーン２７は、対角サイズＤＧが例え
ば７０インチとなるように構成されており、このスクリ
ーン２７に、例えば、縦方向に５列、横方向に１０列の
合計５０個の画像ブロック４２が投影されている。つま
り、この図９に示す例では、５０個のユニットが含まれ
る構成となっている。

【００９９】ここで、このようなマルチ方式の投影型映
像表示装置における、輝度や色、画素の位置ズレに対す
る電気的な調整について簡単に説明する。

【０１００】この図９に示したような投影型映像表示装
置に、予め作成してあるテストパターンやテストチャー
トを表示して、図示しないデジタルカメラやラインスキ
ャナ等を用いて撮像する。

【０１０１】そして、撮像した測定データに基づき、輝
度や色、幾何的な特性などを補正するための補正データ
を、パーソナルコンピュータなどの機器を用いて算出す
る。この補正データは、測定データに基づき、５０個の
ＬＣＤパネル８毎の色度と輝度とがスクリーン２７上で
統一されるように、かつ、各１枚のＬＣＤパネル８にお
ける画像面内でも均一になるように、さらに、拡大投影
光学系２３による歪曲収差等によりスクリーン２７上で
発生している画素の位置ズレを補正することができるよ
うに、幾何変換アドレスデータや、画素の明るさに関す
る補正を行う際に用いられる輝度補正値としてのシェー
ディング補正データなどとして算出される。

【０１０２】補正データが算出されると、該補正データ
に基づいて各々のＬＣＤパネル８に供給される画像信号
を電気的に補正することにより、画面全体で色度や輝度
が統一された位置ズレのない画像を表示することが可能
となる。

【０１０３】なお、上記シェーディングとは、上述した
ような照明レンズ系とＬＣＤパネル８と拡大投影光学系
２３とを含むユニットを単位として複数のユニットによ
り大画面を構成する場合において、個々のユニットによ
り投影される画像ブロックの、ブロック中央に対するブ
ロック周辺の輝度が低下することをいう。

【０１０４】図１０は、８つのユニットにより１つの大
画面を構成した画面において、画像ブロック４２にシェ
ーディングが発生している様子を示す図である。

【０１０５】このようなシェーディングがあまり大きい
と、個々のユニット画像の四隅が暗くなり、映像として
の品位が落ちることになるために、上述したように、均
一な輝度分布となるように、電気的なシェーディング補
正が行われている。このシェーディング補正は、基本的
に、ブロック中央の輝度をブロック周辺の輝度に合わせ
て落とすようにＬＣＤパネル８の表示を補正することに
なるために、あまり電気的な補正に頼ると、表示可能な
映像輝度のダイナミックレンジが損なわれてしまうこと
になる。

【０１０６】従って、個々のユニットにおけるシェーデ
ィングをなるべく抑制するような工夫を、光学系におい
て行うことが求められる。このシェーディングの観点か
ら、画像表示素子における主光線の傾斜角の照明光学系
と拡大投影光学系とのミスマッチング（角度ズレ）を、
視野角特性などを考慮して可能な限り抑制することが重
要である。

【０１０７】図１１は、照明光学系と拡大投影光学系と
の主光線の傾斜角の角度ズレの大きさに対する周辺光量
の低下の様子を示す線図である。

【０１０８】この図１１は、例えば、照明光学系のＬＣ
Ｄパネル８側のＮＡが０．０５、拡大投影光学系のＬＣ
Ｄパネル８側のＮＡが０．０８であるとしたときの、角
度ズレに対する周辺光量比を図示している。

【０１０９】照明光学系のＮＡ０．０５は角度にすると
約３°（つまり、ｓｉｎ３°≒０．０５）であるため
に、拡大投影光学系のＬＣＤパネル８側のＮＡと照明光
学系のＬＣＤパネル８側のＮＡが等しい場合に、主光線
の傾斜角ズレが３°あると、光量が約半分になってしま
うことになる。しかし、拡大投影光学系のＮＡが照明光
学系のＮＡよりも大きいために、実際の光量は図１１か
ら読み取れるように約７５％となる。この７５％よりも
光量が下回ってしまうと、見た目のシェーディングが著
しくなって画像としては許容することができなくなるた
めに、照明光学系と拡大投影光学系との主光線の傾角の
ズレが３°以内となるようにすることが望ましいことが
分かる。

【０１１０】このような実施形態によれば、照明レンズ
系の焦点距離をｆとしたときに、ＬＣＤパネルを配設す
る位置を、照明レンズ系による柱状光学素子の射出面の
結像位置よりも遠い側に、０．２×ｆ〜０．６×ｆの範
囲で離れた位置とすることにより、均一性が高く光の利
用効率が良い照明を実現することができる。

【０１１１】また、マルチ方式の投影型映像表示装置に
おいて、複数の画像表示素子に各対応した複数の偏光変
換照明系を用いることにより、均一性が高く光の利用効
率が良い、薄型で大画面の映像表示装置を実現すること
ができる。このとき、照明光学系にファイババンドルを
用いることにより、一様性および階調表現性の高い映像
表示を行うことが可能となる。

【０１１２】さらに、照明レンズ系の画像表示素子側の
ＮＡと拡大投影光学系の画像表示素子側のＮＡとの比が
１．２〜１．８となるように構成したために、効率が良
く高解像度の映像を表示することができる。

【０１１３】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲内にお
いて、等価な光学性能を発揮するような種々の変形や応
用が可能であることは勿論である。

【０１１４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の投影型映像
表示装置によれば、光の利用効率が良く表示ムラがなく
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態において、ＬＣＤをインテ
グレータの射出面の結像位置からＺ軸方向にデフォーカ
スした位置に配設した偏光変換照明光学系を示す図。

【図２】上記実施形態におけるマルチＰＢＳの構成の一
例を示す側断面図および正面図。

【図３】上記実施形態におけるインテグレータロッドの
幾つかの例を示す斜視図。

【図４】上記実施形態において、偏光変換照明光学系を
適用した投影型映像表示装置の構成を示す図。

【図５】上記実施形態において、偏光変換照明光学系を
適用した投影型映像表示装置の外観の一例を示す斜視
図。

【図６】上記実施形態において、略平行な光束が入射し
たときにＬＣＤパネルにより回折されてスクリーンに投
射される様子を示す斜視図。

【図７】上記実施形態において、ＮＡを説明するために
ＬＣＤパネルの近傍における光束の様子を示す図。

【図８】上記実施形態において、ファイババンドルを用
いたマルチ方式の投影型映像表示装置の構成を示す図。

【図９】上記実施形態におけるマルチ方式の投影型映像
表示装置の具体的な構成例を示す斜視図。

【図１０】上記実施形態において、８つのユニットによ
り１つの大画面を構成した画面で画像ブロックにシェー
ディングが発生している様子を示す図。

【図１１】上記実施形態において、照明光学系と拡大投
影光学系との主光線の傾斜角の角度ズレの大きさに対す
る周辺光量の低下の様子を示す線図。

【図１２】従来の投影型映像表示装置における照明光学
系の第１の例を示す図。

【図１３】従来の投影型映像表示装置における照明光学
系の第２の例を示す図。

【符号の説明】

１，３１，３５…インテグレータロッド（柱状光学素
子、偏光変換照明光学系の一部） １ａ…入射面 １ｂ…射出面 ２，３，６，７…照明レンズ（照明レンズ系、偏光変換
照明光学系の一部） ４…絞り ５…マルチＰＢＳ（偏光変換素子、偏光変換照明光学系
の一部） ８，８Ａ…ＬＣＤパネル（画像表示素子） ２０…光源（偏光変換照明光学系の一部） ２１…リフレクタ（集光手段、偏光変換照明光学系の一
部） ２２…ＰＢＳキューブ ２３…拡大投影光学系（拡大投影レンズ系） ２７…スクリーン ３０…集光光学系（集光手段、偏光変換照明光学系の一
部） ３２，３４…ファイババンドル（集光手段、光学ファイ
バ） ３３…セパレータ ４１…投影型映像表示装置

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H088 EA14 HA09 HA15 HA20 HA24 HA28 MA04 MA06 2H091 FA10Z FA11 FA23Z FA26X FA26Z 2H099 AA12 BA09 BA17 CA02 CA08 2K103 AA05 AB05 BC14 BC23 BC42 CA14

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 上記光源から射出された光束を集光する集光手段と、 上記集光手段により集光された光束を入射する入射面と
   射出する射出面とを有し光束を該入射面から該射出面ま
   で導光する柱状光学素子と、 上記柱状光学素子の射出面から射出された光束を、被照
   明物である画像表示素子へと導く照明レンズ系と、 上記照明レンズ系の瞳位置近傍に配置された偏光変換素
   子と、 上記画像表示素子に表示された画像を拡大投影する拡大
   投影レンズ系と、 を具備し、 上記画像表示素子は、上記照明レンズ系の焦点距離をｆ
   としたときに、その表示素子面が、上記柱状光学素子の
   射出面の上記照明レンズ系による結像位置から０．２×
   ｆ〜０．６×ｆだけ遠い位置となるように配設されたも
   のであることを特徴する投影型映像表示装置。
2. 【請求項２】 複数の画像表示素子と、 これら複数の画像表示素子を照明するべく各画像表示素
   子に対応して配置された偏光変換照明光学系と、 上記複数の画像表示素子により表示された像をスクリー
   ン上に投影して全体として１枚の画像を生成するべく、
   各画像表示素子に対応して配置された拡大投影レンズ系
   と、 を具備し、 上記偏光変換照明光学系は、光源と、この光源から射出
   された光束を集光する集光手段と、この集光手段により
   集光された光束を入射する入射面と射出する射出面とを
   有し光束を該入射面から該射出面まで導光する柱状光学
   素子と、この柱状光学素子の射出面から射出された光束
   を被照明物である上記画像表示素子へと導く照明レンズ
   系と、この照明レンズ系の瞳位置近傍に配置された偏光
   変換素子と、を有して構成されたものであることを特徴
   とする投影型映像表示装置。
3. 【請求項３】 上記画像表示素子は、上記照明レンズ系
   の焦点距離をｆとしたときに、その表示素子面が、上記
   柱状光学素子の射出面の上記照明レンズ系による結像位
   置から０．２×ｆ〜０．６×ｆだけ遠い位置となるよう
   に配設されたものであることを特徴する請求項２に記載
   の投影型映像表示装置。
4. 【請求項４】 上記集光手段は、光学ファイバを有して
   構成されたものであることを特徴とする請求項１から請
   求項３の何れか１項に記載の投影型映像表示装置。
5. 【請求項５】 上記照明レンズ系の上記画像表示素子側
   のＮＡ（ｉ）と、上記拡大投影レンズ系の上記画像表示
   素子側のＮＡ（ｐ）と、の間に、 １．２＜ＮＡ（ｐ）／ ＮＡ（ｉ）＜１．８ なる関係式が成立するように構成されたものであること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の投影型映
   像表示装置。