JP2008209811A - 表示装置及び投写型照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
直視型液晶表示装置に用いられる照明光を調光する調光部のサイズは、画像表示用液晶パネルとほぼ同サイズとなり、高価となる。
【解決手段】
光源(110)から射出された光量を可変する調光部として、画像表示用液晶パネルのサイズに較べて小さい、映像信号に対応して入射光の強度を変調する液晶パネルで構成された光変調部(150)を用いる。そして、光変調部で映像信号に基づき画素毎に調光された光束を、投写部(10)により画像表示用液晶パネル(170)に拡大投写する。これにより、低コストでコントラストが向上された映像を表示可能な表示装置を提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源から射出される光を例えば液晶パネルなどの光変調部で光強度変調（以下、「光変調」と省略）して画像（光学像）を形成する直視型の表示装置に係わり、特に、前記光源から光変調部に照射される光量を調光して、表示画像のコントラストの向上を図る照明装置に関する。

近年、２０１１年に予定されている地上波アナログＴＶ（テレビジョン）放送の停波にともない、既に開始されている高精細な（例えば１９２０ｘ１０８０画素）地上波デジタルＴＶ（テレビジョン）放送を受信できる大画面の直視型画像表示装置が普及してきている。

一般に、直視型の画像表示装置に用いられる表示パネルには、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）や液晶パネルなどがあるが、液晶パネルはＰＤＰに較べてコントラスト（コントラスト比ともいう）が約一桁程度悪い。そこで、液晶パネルを用いた画像表示装置では、液晶パネルを背後から照明する照明装置を、映像信号から検出された画像の平均輝度，黒レベル領域，白レベル領域に基づいて制御することによりコントラストを向上させる、いわゆる調光技術が用いられている。

調光に関する従来技術としては、例えば光源から射出する光量を可変する所謂バックライト制御（例えば特許文献１参照）や、光源から射出された光量を液晶パネルにより可変する制御（特許文献２参照）などが知られている。

特開２００６−３０５８８号公報 特開平６−２３０３６７号公報

特許文献１は、光源にＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用い、画素単位でバックライト制御を行い、メリハリのある画像を形成する技術を開示する。しかし、１つのＬＥＤに液晶パネルの１つの画素を対応させるとすると、地上波デジタルＴＶ放送の場合、画素数が１９２０ｘ１０８０なので、莫大な数のＬＥＤが必要となり、大きなコストアップを招く恐れがある。勿論、１つのＬＥＤに液晶パネルの複数の画素を対応させるにしても、高画質な制御を考えると相当な数のＬＥＤが必要であり、大幅なコストアップは避けられない。特に、表示画面サイズの大画面化（例えば３７〜６０インチ）に伴い、１つのＬＥＤに対応する画素数が少なくなるので、コストアップが顕著となる可能性がある。

また、特許文献２は、光源と画像表示（画像形成）用の液晶パネル（以下、後述する液晶パネルと区別するために「画像表示用液晶パネル」と称する）との間に、光源から射出された光量を可変する液晶パネルを配置している。本技術は、光源から液晶パネルに照射される光量を全範囲に渡って同一制御量で可変するものである。本発明者らは、この技術について考察を進める過程で、本技術を用いて画素毎に光量の制御を行えば、液晶パネルの画素数に応じた明るさ（輝度）の調光が可能となることに気付いた。しかし、直視型の画像表示装置に適用すると、液晶パネルとして画像表示用液晶パネルと同サイズのパネルが必要となり、やはりコストアップを招く。このコストアップは、表示画面サイズの大画面化に伴い、顕著となる。また、調光のために液晶パネルを用いるので、入射側に偏光板を配置する必要があり、光源から出射する光の約半分が利用されないため、明るさが暗くなるという課題も有る。

本発明は、上記した課題に鑑みてなされたもので、その目的は、低コストで高画質な映像を得ることが可能な向上可能な調光技術を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明は、画像表示用の第一の光変調部と、光源からの光を変調するための、前記表示用光変調部よりも小さな面を持つ第二の光変調部とを有し、該第二の光変調部で変調された光を第一の光変調部へ拡大投写することを特徴とするものである。

上記した構成により、第２の光変調部によって光源から射出された光量を画素単位で光変調して調光することができると共に、第２の光変調部のサイズを小さくできるので、精度の良い調光を低コストで実現することが可能となる。

また、光源と第２の光変調部との間に、前記光源からの光を所望の方向の偏光成分に変換する偏光変換部を設けてもよい。これにより、光源から出射する偏りのない光を所定偏光方向に揃えることができ、光源からの光を効率よく利用することができる。

本発明によれば、低コストで高画質な映像を得ることが可能となる。

以下、本発明による最良の形態について、図を用いながら詳細に説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一符号を付して示し、一度説明したものについて、その重複する説明を省略する。

本実施形態に係る照明装置は、光源から射出された光量を可変する調光部として、画像表示用光の変調部のサイズに較べて小さい、映像信号に対応して入射光の強度を光変調する照明用の光変調部を用いる。そして、光変調部でその画素毎に光変調されて調光された光束を投写装置で拡大し、画像表示用光変調部を照明する構成することに特徴がある。本実施形態では、画像表示用光変調部の画面サイズに較べ、十分小さい光変調部を調光部とするので、低コストな照明装置とすることができる。

図１は、本発明による一実施形態の照明装置を模式的に示した構成図である。図１では、分かり易くするために、各構成要素は実際の寸法を無視して模式的に示されている。また、以下の実施例では、光変調部として投下型の液晶パネルを用いることを例にして説明する。

図１において、第１の光変調部としてのカラー表示を行う画像表示用液晶パネル１７０を背後から照明する本実施形態の照明装置１００は、画像表示用液晶パネル１７０に向けて順に配置されてなる、略白色光を出射する光源１１０と、光源１１０から射出される偏りのない光を所望方向の偏光成分に変換して揃える偏光変換部としての偏光変換素子１３０と、偏光変換素子１３０からの光（白色光）を光変調して調光する第２の光変調部としての液晶パネル１５０と、液晶パネル１５０で調光された光束を拡大して画像表示用液晶パネル１７０に向けて投写する投写装置１０と、投写装置１０からの光束が画像表示用液晶パネル１７０の入射面にほぼ垂直に入射するように変換する光方向変換部としてのフレネルレンズシート１６０と、を含んでなる。

画像表示用液晶パネル１７０は、照明装置１００から照射された光を、パネル駆動回路１９２を介して映像信号１９１に基づいて光変調（光強度変調）して表示画像の画像光（カラー）を形成し、出射する。ここでは、横縦比１６：９、画素数１９２０ｘ１０８０、画面サイズ（画面表示有効領域の対角寸法Ｌ１）が２７〜６０インチ程度の大画面直視型液晶ＴＶに用いられるアクティブマトリックス駆動のＴＦＴ（Thin Film Transistor）型液晶パネルとする。一般に、ＴＦＴ型液晶パネルのコントラスト比は１０００：１程度である。なお、画像表示用液晶パネル１７０は、入射側および出射側に偏光板を有しているが、図示を省略している。

光源１１０は、例えば略白色光を出射する高輝度の高圧水銀ランプなどのランプ１０１と、ランプ１０１を背後から覆い、ランプ１０１からの白色光を反射して平行光に変換する回転放物面形状のリフレクタ１０２とを含んでなる。本実施形態では、光源１１０から射出される光は、後述するように、画像表示用液晶パネル１７０と較べ十分に小さな、光変調してコントラストを高める調光を行う照明用の液晶パネル１５０に照射されるので、高圧水銀ランプなどの放電ランプを用いることができる。

ランプ１０１から射出された光は、例えば回転放物面形状の反射面を有するリフレクタ１０２によって反射され、光軸１１５に略平行となり、光源１１０から略平行の光束が射出される。光源１１０から射出された光は、偏光変換素子１３０に入射する。

偏光変換素子１３０は、光源１１０から射出された偏りのない光を所定の偏光方向の偏光光に揃える。偏光変換素子１３０で所定偏光光とされた光は、液晶パネル１５０に入射する。

液晶パネル１５０は、パネル駆動回路１９５を介して映像信号１９１に基づいて光変調（光強度変調）して画素毎に濃淡のある光学像（以下、「調光像」という）を形成する。ここでは、パネル価格を低減するために、横縦比１６：９、ＷＶＧＡの画素数８５２ｘ４８０（コスト優先ではＷＱＶＧＡの画素数４００ｘ２４０を用いてもよい）、画面サイズ（画面表示有効領域の対角寸法Ｌ２）が０．４〜１．３インチ程度のシングルマトリックス駆動のＴＮ型液晶パネル（透過型液晶パネル）を用いるものとする。

このような液晶パネルは、例えば背面投射型表示装置に用いられている液晶パネルを適用することができる。通常、背面投射型画像表示装置に用いられている液晶パネルには、フルカラー表示のために赤、緑、青色の映像に対応するＲＧＢ信号のいずれかが供給される。しかしながら、本実施形態では、液晶パネル１５０は（フルカラー表示を考慮する必要は無く）画素毎に光強度を変調すればよいため、ＲＧＢ信号ではなく輝度信号（Ｙ信号）が供給される。すなわち、本実施形態においては、画像表示用液晶パネル１７０には映像信号としてパネル駆動回路１９２からＲＧＢ信号が供給され、一方、照明用の液晶パネル１５０には映像信号としてパネル駆動回路１９５から輝度信号が供給される。この輝度信号として、図示しないＹ／Ｃ分離回路で分離され、かつ図示しない映像処理回路で所定の信号処理（例えばコントラスト調整、ガンマ補正等）が為されたＹ信号を用いてもよい。また、画像表示用液晶パネル１７０に供給されるＲＧＢ信号をマトリクス演算して得られたＹ信号を用いてもよい。勿論、照明用の液晶パネル１５０に、映像信号としてＲＧＢ信号のいずれかを周期的に順次供給するようにしてもよい。

一般に、ＴＮ型液晶パネルのコントラスト比は７００：１程度とＴＦＴ型より低い。しかし、本発明では、コントラスト比は、液晶パネル１５０のコントラスト比と画像表示用液晶パネル１７０のコントラスト比との積となるため、価格の安いパネルを用いながら、コントラスト比を格段に向上させることができる。また、パネル価格を下げるために、画像表示用液晶パネル１７０の解像度に比べて解像度を下げたＷＶＧＡのパネルを用いる。従って、液晶パネル１５０の１画素が画像表示用液晶パネル１７０の複数画素に対応するが、対応画素数が少なくても、対応画素領域のサイズが十分小さいので、高精細な調光として十分許容することができる。なお、液晶パネル１５０は、入射側および出射側に偏光板を有しているが、図示を省略している。

パネル駆動回路１９５は、スケーリング機能（図示せず）を有し、映像信号１９１に対して、液晶パネル１５０の解像度に対応してスケーリングなどの画像処理を行う。その後、周知の平均輝度情報、黒レベル領域検出、白レベル領域検出などの画像情報分析機能（図示せず）を用い、これらの分析情報により、液晶パネル１５０を駆動し、光変調された調光像（光学像）を形成させる。またパネル駆動回路１９５から、画像表示用液晶パネル１７０に供給されるＲＧＢ信号に対応する輝度信号を（必要に応じ液晶パネル１５０の解像度に対応してスケーリング処理をして）液晶パネル１５０に供給してもよい。

投写装置１０は、液晶パネル１５０で形成された調光像を拡大して画像表示用液晶パネル１７０に向けて投写する。しかし、投写装置を用いると、画像表示装置の奥行き寸法が厚くなる。そこで、詳細は後述するが、奥行き寸法を極力薄くするために、斜め投写を用いる。

所で、投写装置１０は、液晶パネル１５０の調光像を画像表示用液晶パネル１７０に写像するので、次の条件を満足させる必要がある。

１０＜Ｌ１／Ｌ２＜１５０ … （数１）
液晶パネルは、最も小さいもので現在０．４８インチ（対角寸法）程度であり、０．４インチが限度と考えられている。そこで、液晶パネル１５０の画面サイズをＬ２＝０．４インチとし、画像表示用液晶パネル１７０の画面サイズをＬ１＝６０インチとすればＬ１／Ｌ２＝１５０となる。Ｌ１／Ｌ２が１５０を越えると画像表示用液晶パネル１７０に照射される明るさが暗くなるという問題が生じる。従って、Ｌ１／Ｌ２を１５０以下とするのが望ましい。下限は、液晶パネル１５０の画面サイズによるが、画像表示用液晶パネル１７０の画面サイズに近づけると、コストダウンにつながらないので、少なくともＬ１／Ｌ２＝１０以上とするのが望ましい。一般に投写型画像表示装置に用いられる上限に近い画面サイズＬ２＝１．３インチのパネルを液晶パネル１５０とし、画像表示用液晶パネル１７０の画面サイズをＬ１＝２７インチとすればＬ１／Ｌ２＝２０程度となり、上記を満足することができる。

フレネルレンズシート１６０は、投写装置１０からの斜め光が画像表示用液晶パネル１７０の入射面にほぼ垂直に入射するように変換する光方向変換部である。フレネルレンズシート１６０を構成する基材１６１の一方の面（ここでは画像表示用液晶パネル１７０側とは逆側の面）には、入射角が所定値以内の光を屈折して出射させる屈折型フレネルレンズ１６２と、入射角が所定値以上の光を全反射して出射させる全反射型フレネルレンズ１６７が同心円状に複数形成されている。そして、屈折型フレネルレンズ１６２および全反射型フレネルレンズ１６７により投写装置１０からの光を入射角度に応じて屈折または全反射して、画像表示用液晶パネル１７０の入射面にほぼ垂直に入射するようにする（詳細は後述する）。

以上述べたように、本実施形態では、サイズの小さな液晶パネル１５０を用い、液晶パネル１５０の一つの画素を画像表示用液晶パネル１７０の複数画素に対応させて、映像信号に基づいて光変調を行い、調光像を形成する。そして、該調光像を投写装置１０で拡大して画像表示用液晶パネル１７０に投写する。これにより、画像表示装置としてのコントラスト比は、液晶パネル１５０のコントラスト比と画像表示用液晶パネル１７０のコントラスト比との積となるため、コントラスト比を格段に向上させることができる。

一方、画像表示用液晶パネル１７０と較べ、十分小さな液晶パネル１５０を用い、加えて、光源１１０のサイズも小さくすることができる。従って、画像表示用液晶パネル１７０と同サイズの高価な液晶パネル、およびＬＥＤを複数個並列配置して構成した光源（バックライト）を用いる従来技術に較べて、投写装置やフレネルレンズシートが追加になるが、低解像度の液晶パネルが使用できるので、照明装置のコストを２／３〜１／２に低減することができる。

さらに、液晶パネル１５０および光源１１０それぞれを交換可能な方式とすることで、サービス性も大幅に向上する。

上記では、液晶パネルの１画素に画像表示用液晶パネルの複数画素を対応させるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、液晶パネルの１画素にカラー画像表示用液晶パネルの１画素（１画素は一組のＲ画素，Ｇ画素，１Ｂ画素を含む）を対応させるようにしてもよいことはいうまでもない。

また、光源に高圧水銀ランプを用いたが、白色光のＬＥＤやレーザを用いてもよい。１個のＬＥＤやレーザでは光量が不足する場合には、複数のＬＥＤやレーザを配列したものを用いてもよい。

また、調光用の光変調部として透過型の液晶パネルを用いたが、これに代えて、反射型光変調素子例えば反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal on Silicon）や微小ミラーなどを用いてもよい。

次に、投写装置の一実施例について説明する。ここでは、画像表示装置の奥行き寸法を極力薄くするために、発明者らが出願した特開２００６−２９２９００号公報に記載の投写装置を適用する。

図２は、画像表示装置における投写装置の基本的な光学系の構成を示す断面図で、光学系の構成をＸＹＺ直交座標系におけるＹＺ断面で示している。ここで、ＸＹＺ直交座標系の原点は、液晶パネル１５０の表示画面の中央とし、Ｚ軸は画像表示用液晶パネル１７０の法線８と平行であるものとする。Ｙ軸は画像表示用液晶パネル１７０の表示画面の短辺と平行であり、画像表示用液晶パネル１７０の縦（上下）方向と等しいものとする。Ｘ軸は、画像表示用液晶パネル１７０の表示画面の長辺と平行であり、画像表示用液晶パネル１７０の横（左右）方向と等しいものとする。また、図３は投写装置を構成する投写レンズの斜視図で、図４は投写レンズにおける光路の折り曲げを省略して示した投写レンズの断面図である。なお、図２において、図示を簡略化するために、光方向変換部としてのフレネルレンズシート１６０を省略している。

図２に示すように、投写装置１０は、液晶パネル１５０からフレネルレンズシート１６０，画像表示用液晶パネル１７０に向かう光路上において、液晶パネル１５０側から順に配置された、投写レンズ２と、第１反射ミラーとしての自由曲面ミラー４と、第２反射ミラーとしての平面反射ミラー５とを含んでなる。

液晶パネル１５０の表示画面上の調光像は、投写レンズ２で画像表示用液晶パネル１７０に向けて投写される。このとき、直線的に投写すると所定の距離が必要となり、画像表示装置の奥行き寸法が長くなる。つまり、画像表示装置の奥行きが厚くなる。そこで、投写レンズ２から画像表示用液晶パネル１７０に向かう光路（例えば光線２１，２２，２３で示される光路）を自由曲面ミラー４と平面反射ミラー５とで折り返し、画像表示装置の奥行きを小さくするようにしている。さらに、液晶パネル１５０の画面の中央から出て画像表示用液晶パネル１７０の画面中央に向かう光線２１（以下、「画面中央光線」という）を、画像表示用液晶パネル１７０の入射面に対して非垂直（一般に、このような投写を「斜め投写」という）として、画像表示装置の奥行きを小さくしている。

投写レンズ２は、図２，図４から明らかなように、回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズから構成される前群１２と、少なくとも一方の面が回転非対称の自由曲面の形状を有するレンズ（以下、「自由曲面レンズ」と称する）を含む後群１３とからなる。

図２において、投写レンズ２の長さが長いことから、液晶パネル１５０の位置が画像表示用液晶パネル１７０の法線８の方向に対して遠くなり、奥行きが厚くなるように見受けられるかもしれない。しかしながら、ここでは、図３に示すように、Ｘ軸（つまり、画像表示用液晶パネルの長辺）に平行に配置された前群１２の途中に光路折り曲げミラー１４を配置し、前群１２の光軸９（つまり投写レンズの光軸）をＺ軸方向（つまり、画像表示用液晶パネルの法線８に平行な方向）に折り曲げ、奥行きの増大を防止するようにしている。勿論、本発明はこれに限定されるものではなく、自由曲面ミラー４と投写レンズ２の後群１３との間、あるいは投写レンズ２の前群１２と後群１３の間に光路を折り曲げる光路折り曲げミラーを配置するようにしてもよい。

本実施形態では、図２に示すように、液晶パネル１５０は、その表示画面の中央が投写レンズ２の光軸９上に配置されている。従って、液晶パネル１５０の表示画面の中央から出て投写レンズ２の入射瞳の中央を通って画像表示用液晶パネル１７０の画面中央に向かう画面中央光線２１は、投写レンズの光軸に沿って進む。この画面中央光線２１は、自由曲面ミラー４の反射面上の点Ｐ２で反射された後、平面反射ミラー５上の点Ｐ５で反射されて、画像表示用液晶パネル１７０の画面中央の点Ｐ８に画像表示用液晶パネルの入射面の法線８に対して所定の角度（θｓ）を以って（すなわち斜めに）入射される。

このことは、投写レンズ２の光軸９に沿って通過した光線が画像表示用液晶パネル１７０に対して斜めに入射していることであり、実質的に投写レンズ２の光軸が画像表示用液晶パネル１７０に対して斜めに設けられていることになる。このような方法で画像表示用液晶パネルに斜め入射させると、投写した長方形の形状が台形になる所謂台形歪の他にも光軸に対して回転対称でない種々の収差が生じる。そこで、本実施形態では、これ等を投写レンズ２の後群１３と自由曲面ミラー４の反射面とで補正するようにしている。

図２に示す断面内において、液晶パネル１５０の画面下端から投写レンズ２の入射瞳の中央を通って射出され、これに対応する画像表示用液晶パネル１７０の画面上端の点Ｐ９に入射する光線を光線２２とする。また、液晶パネル１５０の画面上端から投写レンズ２の入射瞳の中央を通って射出され、これに対応する画像表示用液晶パネル１７０の画面下端の点Ｐ７に入射する光線を光線２３とする。図２を見ると、点Ｐ３から点Ｐ６を経由して点Ｐ９に到る光路長は、点Ｐ１から点Ｐ４を経由して点Ｐ７に到る光路長よりも長くなっている。これは、投写レンズ２から見て、画像表示用液晶パネル１７０の像点Ｐ９が像点Ｐ７よりも遠くにあることを意味している。そこで、画像表示用液晶パネル１７０の像点Ｐ９に対応する物点（液晶パネル１５０の表示画面上の点） がより投写レンズ２に近い点に、また、像点Ｐ７に対応する物点がより投写レンズ２から遠い点にあれば、像面の傾きを補正できる。そのためには、液晶パネル１５０の表示画面の中央における法線ベクトルを、投写レンズ２の光軸に対し傾けるようにする。具体的には、上記法線ベクトルを、ＹＺ平面内において、画像表示用液晶パネル１７０の位置する方へ向けるように傾ければよい。光軸に対して傾いた像平面を得るのに物平面を傾ける方法は知られている。しかしながら、実用的な大きさの画角では、物平面の傾きによる像面は光軸に対して非対称な変形を生じ、回転対称な投写レンズでは補正が困難である。そこで、本実施形態では、回転対称でない、すなわち回転非対称の自由曲面を用い、非対称な像面の変形に対応している。このため、物平面を傾けることで低次の像面の歪を大きく低減でき、自由曲面による収差補正を補助する上で効果的である。

次に、各光学要素の作用について説明する。

投写レンズ２は、その前群１２が液晶パネル１５０の表示画面上の調光像を画像表示用液晶パネル１７０に投写するための主レンズであり、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。投写レンズ２の後群１３は、回転非対称の自由曲面レンズを含んでいる。ここでは、自由曲面レンズは、図２，図３，図４から明らかなように、その光出射方向に対して凹を向くように湾曲されている。そして、自由曲面レンズの、画像表示用液晶パネル１７０の下端に向かう光線２３が通過する部分の曲率を、画像表示用液晶パネル１７０の上端に向かう光線２２が通過する部分の曲率よりも大きくしている。

自由曲面ミラー４は、回転非対称な自由曲面形状の反射面を有している。ここでは、自由曲面ミラー４は、その一部が光の反射方向に対して凸を向くように湾曲された、回転非対称の凸面ミラーとしている。具体的には、自由曲面ミラー４の、画像表示用液晶パネル１７０の下方に向かう光を反射する部分（Ｐ１）の曲率を、画像表示用液晶パネル１７０の上方に向かう光を反射する部分（Ｐ３）の曲率よりも大きくしている。換言すれば、自由曲面ミラー４のＹＺ断面（画像表示用液晶パネル１７０の画面縦方向の断面）において、画面中央光線２１が自由曲面ミラー４で反射される位置Ｐ２に対して、Ｐ１−Ｐ２間の寸法とＰ３−Ｐ２間の寸法とを異ならせ、次式が成立するようにしている。

Ｐ１−Ｐ２間の寸法 ＜ Ｐ３−Ｐ２間の寸法 … （数２）
また、自由曲面ミラー４の、画像表示用液晶パネル１７０の下方に向かう光を反射する部分（Ｐ１）が該光の反射方向に凸の形状を為し、画像表示用液晶パネル１７０の上方に向かう光を反射する部分（Ｐ３）が光の反射方向に凹の形状をなすようにしてもよい。

上記自由曲面レンズと自由曲面ミラーの作用により、主として、斜め入射によって生じる収差の補正が行われる。すなわち、本実施形態では、自由曲面ミラー４が主として台形歪を補正し、投写レンズ２の後群１３が、主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行なう。

このように、本実施形態は、投写レンズ２が回転非対称の自由曲面レンズを少なくとも一枚含み、自由曲面ミラー４が回転非対称の自由曲面形状の反射ミラーをなしている。これによって、斜め投写によって生じる台形歪と収差の両方を補正可能としている。

次に、以上述べた投写装置の光学系について、図５，図６と表１乃至表４を用いて具体的な数値を例示しつつ説明する。

図５と図６は、数値例に基づく本実施形態に係わる投写装置の光学系の光線図を示している。前述したＸＹＺ直交座標において、図５はＹＺ断面、図６はＸＺ断面での構成を示している。投写レンズ２は、図３で述べたように前群１２の途中に光路折り曲げミラー１４が配置されているが、図５では、この光路折り曲げミラー１４を省略しており、光学系をＺ軸方向に展開して示している。このことは図４でも同様である。光路折り曲げミラーは、設置の位置や角度に若干の任意性があり、また各光学要素の機能に影響を及ぼさない。従って、以下の説明では、光路折り曲げミラーを省略して説明することにする。

図５の下側に表示した液晶パネル１５０から射出した光は、複数のレンズを含む投写レンズ２のうち、まず回転対称形状の面のみを有するレンズのみで構成される前群１２を通過する。そして、回転非対称の自由曲面レンズを含む後群１３を通り、自由曲面ミラー４の反射面で反射される。その反射光は、平面反射ミラー５で反射された後、画像表示用液晶パネル１７０に入射される。

ここで、投写レンズ２の前群１２は、全て回転対称な形状の屈折面を持つ複数のレンズで構成されており、各屈折面のうち４つは回転対称な非球面であり、他は球面である。ここに用いられた回転対称な非球面は、各面ごとのローカルな円筒座標系を用いて、次の数式で表される。

ここで、ｒは光軸からの距離であり、Ｚはサグ量を表している。また、ｃは頂点での曲率、ｋは円錐定数、ＡからＪはｒのべき乗の項の係数である。

投写レンズ２の後群１３にある自由曲面レンズは、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む次の式で表わされる。

ここで、ＺはＸ、Ｙ軸に垂直な方向で自由曲面の形状のサグ量を表わしており、ｃは頂点での曲率、ｒはＸ、Ｙ軸の平面内での原点からの距離、ｋは円錐定数、Ｃ（ｍ、ｎ）は多項式の係数である。

表１は、本実施形態に係る光学系の数値データを示している。表１において、Ｓ０〜Ｓ２３は、図４に示された符号Ｓ０〜Ｓ２３にそれぞれ対応している。ここで、Ｓ０は液晶パネル１５０の表示面、すなわち物面を示しており、Ｓ２３は自由曲面ミラー４の反射面を示している。またＳ２４は、図４では示されていないが、画像表示用液晶パネル１７０の入射面、すなわち像面を示している。なお、図４において、上図は本実形態に係る投写レンズ２および自由曲面ミラー４のＹＺ断面図、下の図は、その光学系のＸＺ断面図を表している。

表１において、Ｒｄは各面の曲率半径であり、図５の中で面の左側に曲率の中心がある場合は正の値で、逆の場合は負の値で表わしている。また表１においてＴＨは面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。あるレンズ面に対して、次のレンズ面が図５の中で左側に位置するときには面間距離は正の値、右側に位置する場合は負の値で表している。さらに、表１においてＳ５、Ｓ６、Ｓ１７、Ｓ１８は回転対称な非球面であり、表１では面の番号の横に＊を付けて分かり易く示している。これら４つ面の非球面の係数を表２に示している。

表１において、Ｓ１９からＳ２２は、投写レンズ２の後群１３に含まれる自由曲面レンズの各屈折面であり、Ｓ２３は、上述したように自由曲面ミラー４の反射面であって、面の番号の横に＃を付けて示している。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を表３に示す。

本実施形態では、映像表示素子１１の表示画面である物面を、投写レンズ２の光軸に
対して−１．１６３度傾けている。傾けの方向は、図５の断面内で物面の法線が反時計回りに回転する方向を正の値で表わすことにする。従って、本実施例では物面を図５の断面内で、投写レンズ２の光軸に垂直な位置から時計回り方向に１．１６３度傾けていることになる。

Ｓ２３の自由曲面ミラー４は、そのローカル座標の原点を投写レンズ２の光軸上に置いている。そして、自由曲面ミラー４のローカル座標の原点での法線、すなわちＺ軸を、投写レンズ２の光軸と平行な位置から２９度傾けて配置している。傾けの方向は前記物面と同様に図５の断面内で反時計回りに回転する方向を正とし、従って反時計回りに傾けていることになる。これによって、液晶パネル１５０の画面中央から出てほぼ投写レンズ２の光軸に沿って進んできた画面中央光線は、Ｓ２３で反射後、投写レンズ２の光軸に対して前記傾き角度の２倍の５８度だけ傾いた方向に進む。ここで、Ｓ２３の座標原点を通り、投写レンズ２の光軸対するＳ２３の傾き角度の２倍傾いた方向を、反射後の新たな光軸とし、以後の面はこの光軸上に配置されるものとする。表１のＳ２３に示した面間隔の値−４００は、次のＳ２４が、Ｓ２３の右側にあり前記反射後の光軸に沿って４００ｍｍの距離の点にローカル座標の原点を配置されていることを示している。以下の面も同じ規則により配置されている。

本実施例における、各面のローカル座標系の傾け又は偏心の様子を表４に示す。表４において、面番号の右側に傾き角度、偏心の値を示しており、ＡＤＥは図５の断面と平行な面内での傾きの大きさであり、その表示規則は上に示した通りである。また、ＹＤＥは偏心の大きさであり、偏心は図５の断面と平行な面内でかつ光軸に垂直な方向で設定され、図５の断面において下側への偏心を正とする。尚、本実施例においては、ＹＤＥを０（すなわち偏心なし）としている。

本発明では、全ての光学要素の傾きや偏心は、図示した断面に平行な断面内での方向で設定される。

表１、表３から、本実施例では、曲率ｃとコーニック係数ｋが０となっていることがわかる。斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向に歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する上記曲率ｃやコーニック係数ｋを利用しないことにより、非対称な収差を良好に補正することができる。

上記表１〜４の数値は、液晶パネル１５０の画面上における１６×９の範囲の光変調された光学像（調光像）を画像表示用液晶パネル１７０の画面上における１４５２．８×８１７．２の大きさに投写する場合の一例である。そのときの図形歪を図７に示す。図７の縦方向は図５の上下方向であり、Ｙ軸の方向である。図７の横方向は画像表示用液晶パネル１７０上でＹ軸と直交する方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。図は画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示して図形歪の様子を示している。

本数値実施例のスポットダイアグラムを図８に示す。図８では、液晶パネル１５０の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順に示す。単位はｍｍである。各スポットダイアグラムの横方向は画像表示用液晶パネル１７０上でのＸ方向、縦方向は画像表示用液晶パネル１７０上でのＹ方向である。このように、両者ともに、良好な性能を維持している。

以上、投写装置の一実施例について述べた。なお、上記では、投写レンズ２から出射された光線は自由曲面ミラー４で反射され、さらに平面反射ミラー５で折り返されて画像表示用液晶パネル１７０に向かうように構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、投写レンズの配置位置によっては、上記した折り返し用の平面反射ミラーを省略してもよいことはいうまでもない。

次に、光方向変換部としてのフレネルレンズシート１６０の一実施例について説明する。

図９は、フレネルレンズシートの模式構成図で、その（ａ）図はフレネルレンズシートを投写装置側から見たときの斜視構成図、その（ｂ）図はＧ−Ｇ線に沿った断面構成図である。

図９に示すように、フレネルレンズシート１６０は、画像表示用液晶パネル１７０の画面略中央側に対応して位置する屈折領域１６０Ｄと、画像表示用液晶パネル１７０の画面周縁側に対応して位置し、屈折領域１６０Ｄを取り囲むように配置された全反射領域１６０Ｅで構成されている。屈折領域１６０Ｄには、基材１６１の画像表示用液晶パネル１７０側とは逆側の面上に、複数の屈折型フレネルレンズ１６２が同心円状に複数形成されている。屈折型フレネルレンズ１６２は、投写装置１０から投写された入射角が所定値以内の光線Ｌ６１を屈折して画像表示用液晶パネル１７０へ垂直に出射させる機能を有する。また、全反射領域１６０Ｅには、基材１６１の画像表示用液晶パネル１７０側とは逆側の面上に、複数の全反射型フレネルレンズ１６７が同心円状に複数形成されている。全反射型フレネルレンズ１６７は、投写装置１０から投写された入射角が所定値以上の光線Ｌ６６を全反射して画像表示用液晶パネル１７０へ垂直に出射させる機能を有する。

周知のように、フレネルレンズシートを屈折型フレネルレンズのみで構成すると、フレネルレンズシートに入射する入射角（法線とのなす角度）が大きくなると共に、フレネルレンズの入射面での反射が生じ易くなり、反射ロスが大幅に増加するために画面の周縁部で暗くなる。そこで、本実施例では、ＷＯ２００４／０４９０５９号公報の技術を適用し、画像表示用液晶パネル１７０の周縁部で、投写装置１０からの入射角が所定値以上となる領域に、全反射型プリズムを配置する。

まず、屈折領域１６０Ｄにおける屈折型フレネルレンズ１６２について説明する。

フレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄの任意の断面における各屈折型フレネルレンズのプリズム面１６３を繋ぎ合わせると一つの曲線（すなわち、包絡線）が得られる。得られた包絡線の全ての断面における集合は一つの仮想的な面を形成する。以下、この仮想面を「オリジナル面」というものとする。

屈折領域１６０Ｄを構成する屈折型フレネルレンズに付随するオリジナル面は、投写型画像表示装置では、一般に球面とされるが、本実施形態では、特開２００６−１５４７１９号公報で開示されたフレネルレンズシートの技術を適用し、投写装置１０から画像表示液晶パネル１７０に入射する光線の入射角に応じた非球面形状とする。

このとき、各プリズム面のフレネル角は、屈折領域１６０Ｄにおいて、下部よりも上部の方が大きくされる。これにより、フレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄの入射面に入射された光線が、画像表示用液晶パネル１７０の略全面に亘って、画像表示用液晶パネル１７０の入射面にほぼ垂直に入射するように変換される。

次に、上記した屈折領域１６０Ｄに形成される屈折型フレネルレンズ１６２において、同心円状に形成された複数のプリズム面１６３の面形状（所謂、フレネルレンズのオリジナル面）を設定する方法について、図１０の模式図を参照して詳細に説明する。なお、上述したように、屈折領域１６０Ｄを構成する屈折型フレネルレンズのプリズム面は、ある一点（回転軸）を中心とする同心円状に形成されている。そして、各屈折型フレネルレンズのプリズム面のフレネル角（すなわち、プリズム面とフレネルレンズシート１６０の主平面とのなす角度）を定めるためのオリジナル面は、非球面形状である。ここでオリジナル面とは、上述したように、各プリズム面のフレネル角を定めるためのものであり、フレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄ全体を一つのレンズとしたときの、このレンズ面を指す。すなわち、屈折型フレネルレンズのプリズム面のフレネル角を設定する場合には、まずフレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄ全体がある一つのレンズ特性をもつものと想定し、そのレンズの面形状をオリジナル面として設定する。そして、そのオリジナル面の屈折領域１６０Ｄ各点に対応する形状（例えば当該各点におけるオリジナル面の接線）を屈折領域１６０Ｄの面上に展開する。これにより、屈折領域１６０Ｄの各点におけるプリズム面のフレネル角が設定される。従って、フレネルレンズシートの屈折領域１６０Ｄ全体における各プリズム面を、そのフレネル角に応じて繋ぎ合わせた曲線、すなわちフレネルレンズシートの屈折領域１６０Ｄ全体における全プリズム面の集合を含む包絡線が、上記オリジナル面を表している。つまり、屈折領域１６０Ｄの各点のプリズム面における光の屈折方向は、その各プリズムに対応する上記オリジナル面の形状によって定まる。なお、上記回転軸は、フレネルレンズシート１６０の主平面（図１０のＸＹ面）と直交するものとする（図のＺ軸を含む面）。また、この回転軸は、フレネルレンズシート１６０に入射する光線２５と、フレネルレンズシート１６０を左右に等しく垂直に分割する面１６５（ＹＺ面に平行な面）とが交わる点Ｐ１５とを含む。すなわち、回転軸はフレネルレンズシート１６０の主平面に垂直（画像表示用液晶パネル１７０の法線８と平行）な軸、すなわち、図１０の軸１６６となる。

但し、上記において、入射する光線２５は画像表示用液晶パネル１７０上の位置によってその入射角度（入射面の法線に対する角度）が変化することから、ここでは、上記によって求められる軸１６６も複数個が存在することとなる。なお、これら複数の軸の中から、そのほぼ中央にある軸を屈折型フレネルレンズの回転軸（即ち、屈折型フレネルレンズを構成する同心円状プリズムの中心位置）とする。

続いて、上記各プリズム面のフレネル角の形状（角度）を次のように求める。まず、画像表示用液晶パネル１７０への入射光線を屈折領域１６０Ｄのプリズム面で屈折させながら、上記法線方向（出射角が０度）に出射させるためのプリズムの角度を、屈折領域１６０Ｄ各点のそれぞれについてスネルの法則により求める。次に、当該求めたプリズム面を連続させて、上記屈折型フレネルレンズのオリジナル面（非球面）を形成する。

なお、この求められるオリジナル面は、数３の非球面式により近似される。

ここで、ＺはＺ軸に平行な面のサグ量、ｒは回転軸からの距離、ｃは頂点での曲率、ｋはコーニック定数（円錐定数）、ＡからＦはｒのべき乗の項の係数（非球面係数）である。

このとき、更に、近似した非球面係数と実際の光線出射角との比較を行い、出射角が略０度になるように、回転軸の位置や非球面係数に、適宜、必要な修正及び／又は変更を加える。

このように、上記求められる要素、つまり屈折型フレネルレンズを構成する同心円状のプリズム部の回転中心となる回転軸の位置や、その各プリズム面の集合で形成されるオリジナル面の非球面係数によって、上記フレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄ部分が構成される。

上記過程を経て構成されたフレネルレンズシート１６０の模式断面図を図１１に示す。図１１は、フレネルレンズシート１６０の、該フレネルレンズシート１６０の法線と平行であって、かつ上記回転軸を含む断面を示している。

図１１において、Ｚ＝ｆ(ｒ)はフレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄにおける屈折型フレネルレンズに付随する非球面形状のオリジナル面１６４を表す多項式であり、数５で表されるものである。ｒは上記数５のｒに対応するもので、回転軸からの距離を表す。距離ｒ１における屈折型フレネルレンズのプリズム面１６３のフレネル角θ１（フレネルレンズシート１６０の主平面とプリズム面のなす角度）は、距離ｒ１におけるオリジナル面１６４の傾き（接線）とほぼ等しい。すなわち、数３で表されるオリジナル面の非球面式をＺ＝ｆ(ｒｎ )、ｎを１以上の整数としたとき、屈折領域１６０Ｄの各位置のフレネル角θｎは、数６で表される。

よって、θ１ ＝ｆ(ｒ１ )´、θ２ ＝ｆ(ｒ２ )´、θ３ ＝ｆ(ｒ３ )´…となる。このように、屈折領域１６０Ｄの各位置のフレネル角θｎ は、非球面式の各位置（各距離ｒｎ）における微分値にほぼ対応している。このようにして、フレネルレンズシート１６０における屈折領域１６０Ｄの各位置のフレネル角θｎが設定される。

上述したように、投写装置１０からフレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄに入射された光線は、屈折型フレネルレンズの各プリズム面１６３によって屈折される。上述したように、屈折型フレネルレンズのオリジナル面１６４を、屈折領域１６０Ｄ各位置への入射光線の入射角に応じた非球面形状にすれば、各プリズム面１６３によって屈折されたそれぞれの光線は、フレネルレンズシート１６０の法線とほぼ平行になる。ここでは、図１１から明らかなように、フレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄ上部に位置する（すなわち、画像表示用液晶パネルの縦方向上部で回転軸から遠い位置の）プリズム面１６３のフレネル角θは、フレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄ下部に位置する（すなわち、画像表示用液晶パネルの縦方向下部で回転軸に近い位置の）プリズム面１６３のフレネル角θよりも大きくしている。これは、本実施形態における斜め投写では、画像表示用液晶パネル下部よりも画像表示用液晶パネル上部の方が光線の入射角が大きいためである。

次に、全反射領域１６０Ｅにおける全反射型フレネルレンズ１６７について、図１１を参照して説明する。

図１１に示すように、全反射領域１６０Ｅの全反射型フレネルレンズは、屈折面１６７１と全反射面１６７２とを含んでなる。全反射領域１６０Ｅにある全反射型フレネルレンズ１６７に入射した光線Ｌ６６は、その屈折面１６７１で屈折を受け、全反射面１６７２に向かう。そして、全反射面１６７２で全反射され、フレネルレンズシート１６０を出射して、画像表示用液晶パネル１７０に垂直に入射する。

入射光線を画像表示用液晶パネル１７０へ垂直に出射させるためには、全反射面１６７２と主平面とのなす角αを、投写装置１０に近い全反射型フレネルレンズから遠い全反射型フレネルレンズに掛けて徐々に小さくなるように設定し、また、屈折面１６７１と主平面とのなす角βを、逆に、投写装置１０に近い全反射型フレネルレンズから遠い全反射型フレネルレンズに掛けて徐々に大きく設定するようにすればよい。このようにして、全反射領域に入射した光線を画像表示用液晶パネル１７０へ垂直に出射させることができる。

以上述べたようにフレネルレンズシート１６０を構成すれば、投写装置１０から画像表示用液晶パネル１７０に向けて投写される光線を、画像表示用液晶パネル１７０への入射角が略０度となるように変換して出射させることが可能となる。従って、本実施形態によるフレネルレンズシートを用いれば、投写装置１０からの光線が画像表示用液晶パネル１７０の法線に平行（つまり、画像表示用液晶パネル１７０に垂直）に入射するので、画像表示用液晶パネル１７０において高コントラストの画像を表示することができることになる。

なお、上記したフレネルレンズシート１６０では、シートの入射側に、屈折領域と全反射領域を設けることとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明者らが出願した特開２００５−９１５４１号公報に記載が如く、シートの入射側で、入射角が所定以上の周縁部に全反射領域を設け、シートの出射側で、入射角が所定以下の中央部に屈折領域を設けるようにしてもよい。

図１に示す照明装置では、光源１１０から液晶パネルに照射される光量分布（光強度分布、照度分布ともいう）が一様化（均一化）されてないため、画像表示用液晶パネル上の画像において明るさにムラが生じる恐れがある。そこで、光源と液晶パネルとの間に光源からの照明光の光量分布を一様化するインテグレータを挿入した実施例１による照明装置について、図７を用いて説明する。

図１２は、実施例１による照明装置の模式構成図である。

図１２に示すように、本実施例の照明装置は、光源１１０と、対をなしてマルチレンズ方式インテグレータ１２０として機能する第１のマルチレンズ素子１２１および第２のマルチレンズ素子１２２と、偏光変換素子１３０Ａと、重畳レンズ１４１と、フィールドレンズ１４５と、液晶パネル１５０と、投写装置１０と、フレネルレンズシート１６０とを含んでなる。なお、図１２では、照明装置の構成要素をなす光方向変換部としてのフレネルレンズシート１６０の図示が省略されている。

光源１１０は、ランプ１０１と、リフレクタ１０２とからなる。ランプ１０１は、高圧水銀ランプの白色ランプである。リフレクタ１０２は、ランプ１０１を背後側から覆うように配置された、例えば回転放物面形状の反射面を有するもので、円形ないし、多角形の出射開口を持つ。

ランプ１０１から射出された光は、回転放物面形状の反射面を有するリフレクタ１０２によって反射され、光軸１１５に略平行となり、光源１１０から略平行の光束が射出される。光源１１０から射出された光は、マルチレンズ方式のインテグレータに入射する。

マルチレンズ方式インテグレータ１２０は、第１のマルチレンズ素子１２１と第２のマルチレンズ素子１２２とからなる。

第１のマルチレンズ１２１は、光軸１１５方向から見て液晶パネル１５０，画像表示用液晶パネル１７０とほぼ相似な矩形形状を有する複数のレンズセルがマトリックス状に配設されたもので、光源から入射した光を複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第２のマルチレンズ素子１２２と偏光変換素子１３０Ａを通過するように導く。すなわち、第１のマルチレンズ素子１２１は、ランプ１０１と第２のマルチレンズ素子１２２の各レンズセルとが光学的に共役な関係になるように設計されている。

第１のマルチレンズ素子１２１と同様に、光軸１１５方向から見て矩形形状の複数のレンズセルがマトリクス状に配設された構成を有する第２のマルチレンズ素子１２２は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第１のマルチレンズ素子１２１のレンズセルの形状を、それぞれ重畳レンズ１４１と共に液晶パネル１５０上に投影（写像）する。

この過程で、偏光変換素子１３０Ａで第２のマルチレンズ素子１２２からの光は所定の偏光方向に揃えられる。そして、第１のマルチレンズ素子１２１の各レンズセルの投影像は、それぞれ重畳レンズ１４１により重畳され、フィールドレンズ１４５で光軸１１５にほぼ平行となるようにされた後、液晶パネル１５０上に重ね合わせられる。

なお、第２のマルチレンズ素子１２２とこれに近接して配設される集光レンズ１４１とは、第１のマルチレンズ素子１２１の各レンズセルと液晶パネル１５０とが、光学的に物体と像の関係（即ち、共役な関係）になるように設計されているので、第１のマルチレンズ素子１２１で複数に分割された光束は、第２のマルチレンズ素子１２２と重畳レンズ１４１によって、液晶パネル１５０上に重畳して投影され、液晶パネル１５０上の光量分布が一様とされる。

ここで、偏光変換素子１３０Ａの偏光変換作用について図１３を用いて説明しておく。図１３は、偏光変換素子を光軸を含み液晶パネルの長辺に沿って切断した断面構成図である。

図１３に示すように、偏光変換素子１３０Ａは、液晶パネル１５０の短辺に平行な方向に沿って伸びた平行四辺形柱である透光性部材３１が、光軸１１５方向に対して直交する面に平行して、液晶パネル１５０の長辺に平行な方向に複数アレイ状に配列され、アレイ状に配列され隣接する透光性部材３１間の界面に交互に偏光ビームスプリッタ膜（以下、「ＰＢＳ膜」と省略する）３２と反射膜３３が形成されている。また、偏光変換素子１３０Ａの入射側の開口部３５を通り、ＰＢＳ膜３２を透過した光が出射する出射面にはλ／２位相差板３４が備えられている。また、偏光変換素子１３０Ａは、光軸１１５と平行四辺形柱の透光性部材５１の延伸方向とで形成される面（光軸１１５を平面であり、以下、この面を便宜上「光軸面」と称する）Ｓ１１５に対して対称に構成されている。

以上のように構成された偏光変換素子１３０Ａに、第１のマルチレンズ素子１２１，第２のマルチレンズ素子１２２を通って開口部３５に入射した光線３７のうち、例えばＳ偏光光はＰＢＳ膜３２で反射され、対向する反射ミラー３３で反射されてＳ偏光光で出射する。またＰ偏光の光はＰＢＳ膜３２を透過し、出射面のλ／２位相差板３４によりＳ偏光の光に変換されて出射する。このような基本と成る偏光変換部３０が複数構成され、偏光変換素子１３０Ａは入射した光の偏光方向を所定偏光方向の光（ここではＳ偏光の光）に揃えて出射させる。Ｐ偏光の光の揃える場合には、Ｓ偏光光の出射面にλ／２位相差板３４を設けるようにすればよい。

以上述べたように、対をなす第１のマルチレンズ素子１２１と第２のマルチレンズ素子１２２で構成されたマルチレンズ方式インテグレータ１２０で液晶パネル１５０を均一照明することができる。

実施例１では、照明光を一様化（均一化）するインテグレータとして、対をなす第１のマルチレンズ素子と第２のマルチレンズ素子とからなるマルチレンズ方式インテグレータ１２０を用いた。次に、インテグレータの一種であるロッド型インテグレータを用いた実施例２による照明装置について図１４を参照しながら説明する。

なお、ロッド型インテグレータとしては、ライトファネルやロッドレンズなどがあるが、ここではライトファネルを用いる。また、液晶パネルとして、反射型の液晶パネルを用いる。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、ライトファネルに代えてロッドレンズを用いてもよく、また、光学系の構成が変わるが、反射型液晶パネルに代えて微小ミラーや透過型の液晶パネルを用いてよい。

図１４は、実施例２による照明装置の模式構成図である。

図１４に示すように、本実施例の照明装置は、光源１１０Ｂと、インテグレータとして機能するライトファネル１２５と、偏光変換素子１３０Ｂと、集光レンズ１４２と、フィールドレンズ１４６と、偏光板１５１と、偏光ビームスプリッタプリズム（以下、「ＰＢＳプリズム」と省略する）１５２と、反射型液晶パネル１５０Ｂと、偏光板１５３と、投写装置１０と、フレネルレンズシート１６０とを含んでなる。なお、図１４では、照明装置の構成要素をなす光方向変換部としてのフレネルレンズシート１６０の図示が省略されている。

光源１１０Ｂは、ランプ１０１と、リフレクタ１０３とからなる。ランプ１０１は、高圧水銀ランプの白色ランプである。リフレクタ１０３は、ランプ１０１を背後側から覆うように配置された、回転楕円面形状の反射面を有する。

リフレクタ１０３の第１焦点に配置されたランプ１０１から射出された光は、回転楕円面形状の反射面を有するリフレクタ１０３によって反射され、リフレクタ１０３の第２焦点位置近傍に配置されているライトファネル１２５の入射面１２５ａに集光し入射する。

すなわち、リフレクタ１０３は、ランプ１０１から射出された光をライトファネル１２５の入射面１２５ａに集光する集光部として機能する。勿論、実施例１と同様に、リフレクタ１０３として回転放物面形状の反射ミラーを用い、集光レンズでライトファネル１２５の入射面１２５ａに集光するようにしてもよい。

ライトファネル１２５は、万華鏡のように中空の光パイプ（所謂ライトパイプ）で構成され、入射した光を複数回全反射を繰り返して入射光の光量分布を一様（均一）にする機能を有する。ここでは、光軸１１５に直交する断面の面積が出射側に次第に大きくなるライトパイプをもちいる。しかし、中身が詰まったロッドレンズを用いてもよい。

ライトファネル１２５に入射した光線は、ライトファネルの側面で全反射を繰り返し、出射面１２５ｂでは様々な角度の光が重畳された状態となり、光量分布が一様となる。また、ライトファネル１２５の断面形状が出射側に大きくなっているので、出射面１２５ｂから出射する光線角度は光軸にほぼ平行となっている。ライトファネル１２５を出射した光は偏光変換素子１３０Ｂに入射する。

偏光変換素子１３０Ｂは、ライトファネル１２５の出射面１２５ｂに設けられたＰＢＳ膜４１ａを有するＰＢＳプリズム４１と、ＰＢＳプリズム４１のＰＢＳ膜４１ａで反射されるＳ偏光光が向かう側に配置された全反射膜４２ａを有する全反射プリズム４２と、ＰＢＳプリズム４１のＰＢＳ膜４１ａを透過するＰ偏光光が出射する出射面４１ｂに設けられたλ／２位相差板４３とを含んでなる。

ライトファネル１２５から偏光変換素子１３０ＢのＰＢＳプリズム４１に入射した光量分布が一様な偏りのない光の内、Ｓ偏光の光（Ｓ偏光光）はＰＢＳ膜４１ａで反射され、全反射プリズム４２に入射し、全反射膜４２ａで反射されて、全反射プリズムの出射面４２ｂから出射する。また、ＰＢＳプリズム４１に入射したＰ偏光の光（Ｐ偏光光）はＰＢＳ膜４１ａを透過し、出射面４１ｂから出射し、さらにλ／２位相差板４３でＳ偏光光に変換され出射する。このようにして、偏光変換素子１３０Ｂに入射した偏りのない光は、偏光変換素子１３０ＢでＳ偏光光に揃えられる。

なお、偏光変換素子１３０Ｂには、出射側に広がったライトファネル１２５でほぼ光軸１１５に平行とされた光線が入射するので、ＰＢＳ膜４１ａで効率よく偏光分離することができる。また、出射面４１ｂと出射面４２ｂで構成される偏光変換素子１３０Ｂの出射面の形状は、反射型液晶パネル１５０Ｂとほぼ相似とされている。

集光レンズ１４２は、偏光変換素子１３０Ｂの出射面を、反射型液晶パネル１５０Ｂに写像するリレーレンズである。

偏光変換素子１３０Ｂから出射したＳ偏光光は、集光レンズ１４２で集光され、フィールドレンズ１４６で光軸１１６にほぼ平行とされ、偏光板１５１を通り、ＰＢＳプリズム１５２で反射されて反射型液晶パネル１５０Ｂに入射する。

反射型液晶パネル１５０Ｂで変調されて形成された調光像はＰ偏光光なので、今度はＰＢＳプリズム１５２を透過し、偏光板１５３でコントラストが高められ、投写装置１０で画像表示用液晶パネルに向けて拡大投写される。

実施例２において、さらなるコストダウンが図れる実施例３による直視型画像表示装置について、図１５を用いて説明する。

本実施例の画像表示装置は、実施例２と、ライトファネル１２５の入射面１２５ａ近傍に時分割色分離部としてカラーホイールを配置した点で異なる。カラーホイールを用いれば、単色表示（例えば、白黒表示）を行う画像表示用光変調部でカラー画像を時分割表示（色順次表示）することができる。従って、画像表示用光変調部として液晶パネルを使用する場合、カラー表示を行う液晶パネルが備えるカラーフィルタを削除することができる。また、カラー表示を行う場合、１画素は一組のカラー画素（Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素）で構成されるが、単色表示の場合、１画素で表示するので、全体の画素数が少ないパネルを用いることができる。よって、コストダウンを図ることができる。

図１５は、実施例３による画像表示装置の模式構成図である。

図１５において、１８０はカラーホイール、１７０Ｂは上記した単色表示を行う画像表示用液晶パネルである。

カラーホイール１８０は、例えばＲ光（赤色光）を透過するＲ光フィルタ１８１、Ｇ光（緑色光）を透過するＧ光フィルタ１８２、Ｂ光（青色光）を透過するＢ光フィルタ１８３が周方向に所定の割合で形成された円盤であり、その中心に回転軸(図示せず)を有しており、図示しない駆動部により高速回転する。このように構成されたカラーホイール１８０は、光源１１０Ｂとライトファネル１２５との間で、ライトファネル１２５の入射面１２５ａの近傍に配置されている。

光源１１０Ｂから射出される略白色の集束光は、カラーホイール１８０により時分割でＲ光，Ｇ光，Ｂ光に色分離される。

そして、カラーホイール１８０で色分離された色光はライトファネル１２５に入射し、光量分布が一様化された後、偏光変換素子１３０ＢでＳ偏光光とされ、さらに、反射型液晶パネルにより調光され、該調光像は投写装置１０により画像表示用液晶パネル１７０Ｂ上に拡大照射される。画像表示用液晶パネル１７０Ｂは、照射された調光像に光変調を行い、高コントラストな画像を形成する。このような過程により、画像表示用液晶パネル１７０Ｂには、時分割でＲ光の画像、Ｇ光の画像、Ｂ光の画像が形成され、視覚的にカラー画像として認識される。

本実施例により、カラー直視型画像表示装置のコストダウンを図ることが可能となる。

なお、上記では、調光用の光変調部に反射型液晶パネルを用いたが、微小ミラーを用いてもよい。微小ミラーは、液晶パネルよりもコントラスト比が大きいので、より好適に用いることができる。

所で、以上述べた実施例では、画像表示用液晶パネル１７０Ｂの入射側と出射側に偏光板を備えるものとした。しかし、直視型画像表示装置の場合、画面サイズが大きい。そこで、調光用の光変調部として液晶パネルを用いる場合、液晶パネルの光路上の前後に配置される偏光板、例えば出射側偏光板を２枚として偏光度を高めれば、画像表示用液晶パネル１７０Ｂの入射側偏光板を削除することが可能となる。この場合、液晶パネルに付随する偏光板のサイズは、ほぼ液晶パネルと同等であり、出射側偏光板を２枚構成とするコストアップよりも、画像表示用液晶パネル１７０Ｂの入射側偏光板を削除するコストダウンが大きく、直視型画像表示装置のコストダウンを図ることができる。また、調光用の光変調部として微小ミラーを用いる場合、微小ミラーは、液晶パネルよりもコントラスト比が十分に大きく取れるので、画像表示用液晶パネル１７０Ｂの入射側偏光板を削除できる可能もある。

本発明による一実施形態の照明装置を模式的に示した構成図。 本発明に係わる投写装置の基本的な光学系の構成を示す断面図。 投写装置を構成する投写レンズの斜視図。 投写レンズの断面図。 本実施形態に係わるＹＺ断面における投写光学系の光線図。 本実施形態に係わるＸＺ断面における投写光学系の光線図。 本実施形態に係わる投写光学系の歪性能を表す図。 本実施形態に係わる投写光学系のスポット性能を表す図。 本実施形態に係わるフレネルレンズシートの模式構成図。 屈折領域１６０Ｄの屈折型フレネルレンズを構成するプリズム面形状を設定する方法の説明図。 屈折領域１６０Ｄにおけるプリズム面とオリジナル面との関係を示す図。 実施例１による照明装置の模式構成図。 実施例１による偏光変換素子を光軸を含み液晶パネルの長辺に沿って切断した断面構成図。 実施例２による照明装置の模式構成図。 実施例３による画像表示装置の模式構成図。

符号の説明

２…投写レンズ、４…自由曲面ミラー、５…平面反射ミラー、９…光軸、１０…投写装置、１２…前群、１３…後群、１４…光路折り曲げミラー、２１…画面中央光線、２２，２３…光線、２５…光線、３０…偏光変換部、３１…透光性部材、３２…ＰＢＳ膜、３３…反射膜、３４…λ／２位相差板、３５…開口部、３７…光線、４１…ＰＢＳプリズム、４１ａ…ＰＢＳ膜、４１ｂ…出射面、４２…全反射プリズム、４２ａ…全反射膜、４２ｂ…出射面、４３…λ／２位相差板、１００…照明装置、１０１…ランプ、１０２…リフレクタ、１０３…リフレクタ、１１０…光源、１１５…光軸、Ｓ１１５…光軸面、１１６…光軸、１２０…マルチレンズ方式インテグレータ、１２１…第１のマルチレンズ素子、１２２…第２のマルチレンズ素子、１２５…ライトファネル、１２５ａ…入射面、１２５ｂ…出射面、１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ…偏光変換素子、１４１…重畳レンズ、１４２…集光レンズ、１４５…フィールドレンズ、１４６…フィールドレンズ、１５０…液晶パネル、１５０Ｂ…液晶パネル、１５１…偏光板、１５２…ＰＢＳプリズム、１５３…偏光板、１６０…フレネルレンズシート、１６０Ｄ…屈折領域、１６０Ｅ…全反射型領域、１６１…基材、１６２…屈折型フレネルレンズ、１６３…プリズム面、１６４…オリジナル面、１６５…フレネルレンズシートを左右均等に垂直分割する面、１６６…回転軸、１６７…全反射型フレネルレンズ、１６７１…屈折面、１６７２…全反射面、１７０，１７０Ｂ…画像表示用液晶パネル、１８０…カラーホイール、１８１…Ｒ光フィルタ、１８２…Ｇ光フィルタ、１８３…Ｂ光フィルタ、１９１…映像信号、１９２…パネル駆動回路、１９５…パネル駆動回路、Ｌ６１…光線、Ｌ６６…光線。

Claims (13)

1. 表示装置において、
   光を放出する照明部と、該光源部からの光を変調して画像を形成するための第一の光変調部とを備え、
   前記照明部は、光を放出する光源と、前記光源からの光を変調するための前記第一の光変調部よりも小さなサイズの第二の光変調部と、該第二の光変調部で変調された光を前記表示用光変調部に拡大投写する投写部と、を含むことを特徴とする表示装置。
2. 前記第一の光変調部及び前記第二の光変調部は、画素毎に光を変調可能な液晶パネルであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記第一の光変調部の精細度が、前記第二の光変調部の精細度よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
4. 前記投写部が、回転非対称なミラーとレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
5. 映像信号に対応して光出力を変調し画像を形成する第一の光変調部に画像を表示させるための照明光を照射する投写型照明装置において、
   光源と、前記光源からの光を所望の方向の偏波成分に変換する偏光変換部と、該偏光変換部からの光の強度を、映像信号に対応して変調する第二の光変調部と、前記第二の光変調部により変調された光束を拡大投写する投写部と、前記投写部により拡大された光束を略同一方向に変換する光方向変換部と、を備えたことを特徴とする投写型照明装置。
6. 前記光源が白色高圧水銀ランプであることを特徴とする請求項５に記載の投写型照明装置。
7. 前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項５に記載の投写型照明装置。
8. 前記光源が半導体レーザであることを特徴とする請求項５に記載の投写型照明装置。
9. 前記光源からの光束を複数の光束に分割するための、複数の凸レンズを二次元的に配列した第一のマルチレンズ素子と、前記第一のマルチレンズ素子に対向して設けられた第二のマルチレンズ素子と、を更に備え、
   前記偏光変換部は、前記第二のマルチレンズ素子から出射された複数の光束を所望の方向の偏波成分に変換することを特徴とする請求項５に記載の投写型照明装置。
10. 前記光源からの光束を集光する集光部と、前記集光部により集光された光束が入射される四面の反射面を有するライトファネルとを更に備え、
    前記第一のレンズ素子には、前記ライトファネルからの光が入射され、前記偏光変換部は、前記ライトファネルと前記第二の光変調部との間に設けられることを特徴とする請求項５に記載の投写型照明装置。
11. 前記第二の光変調部の画面表示有効領域対角寸法Ｌ２と前記第一の光変調部の画面表示有効領域対角寸法Ｌ１との比率Ｌ１/Ｌ２が、下記条件を満たすことを特徴とする請求項５に記載の投写型照明装置。
    １０＜Ｌ１／Ｌ２＜１５０
12. 映像信号に対応して光出力を変調し画像を形成する第一の光変調部に画像を表示させるための照明光を照射する投写型照明装置において、
    光源と、前記光源からの光の強度を、映像信号に対応して変調する第二の光変調部と、前記第二の光変調部により変調された光束を前記第一の変調部へ拡大投写する投写部と、を備え、
    前記投写部は、拡大画像を形成する第一の光変調部の入射面から前記第二の光変調部に向かって順に配置された、
    回転非対称な反射面を含む第１ミラーと、
    該第１ミラーの第二の光変調部側に位置する少なくとも回転非対称なレンズ面を１面有する第１レンズを含む第１群と、全体として正の屈折力を有する第２群とを含む投写レンズと、
    を有し、前記第１ミラーの画面垂直方向の有効断面寸法は、該投写部の光軸に対して前記第一の光変調部に近い側の寸法と他方の寸法が異なることを特徴とする請求項５に記載の投写型照明装置。
13. 映像信号に対応して光出力を変調し画像を形成する第一の光変調部に画像を表示させるための照明光を照射する投写型照明装置において、
    光源と、前記光源からの光の強度を、映像信号に対応して変調する第二の光変調部と、前記第二の光変調部により変調された光束を前記第一の変調部へ拡大投写する投写部と、を備え、
    前記投写部は、拡大画像を形成する第一の光変調部の入射面から前記第二の光変調部に向かって順に配置された、
    回転非対称な反射面を含む第１ミラーと、
    該第１ミラーの第二の光変調部側に位置する少なくとも回転非対称なレンズ面を１面有する第１レンズを含む第１群と、全体として正の屈折力を有する第２群とを含む投写レンズと、
    を有し、前記第１ミラーと前記第一の光変調部との間に平面ミラーを少なくとも１枚配置したことを特徴とする投写型照明装置。

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