JP2008216840A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの光源からの光束を合成したときに、その合成光束の光利用効率が高い投写型表示装置を提供する。
【解決手段】この投写型表示装置１は、第１光源３および第２光源４と、第１光源３からの第１光束を部分的に透過し、第２光源４からの第２光束を部分的に反射する反射透過手段１３と、反射透過手段１３からの光束を映像信号に応じた光学像に変換するライトバルブ１９と、を備え、反射透過手段１３は、その一方主面が反射面１３ａとされ、その他方主面が遮光面１３ｂとされ、それら両主面間を貫通する複数の開口部１３ｃを有し、前記第１光束を、開口部１３ｃを通じて遮光面１３ｂ側から反射面１３ａ側に透過させ、前記第２光束を、反射面１３ａにおいて前記第１光束の透過方向に反射させるものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、光源からの光束をライトバルブによって映像信号に応じた光学像に変換し、その光学像を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。

大画面の映像を得るために、光源からの光束を小型のライトバルブによって映像信号に応じた光学像に変換し、その光学像を投写レンズによってスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置が用いられている（特許文献１）。特許文献１では、２枚のレンズアレイ板で構成される光インテグレータを用いた照明光学系を、投写型表示装置のひとつである液晶プロジェクターに応用した場合の構成が示されている。また特許文献１では、２つの光源を用い、それら各光源からの光束をプリズムアレイ板を用いて合成する光学系が示されている。

上記の投写型表示装置では、各光源からの光束（円形光束）が前記プリズムアレイ板によって帯状に細分化され、それぞれの細分化された光束が一方向に交互に配列されることで、各光源からの光束が合成される。そのため、前記プリズムアレイ板を透過した合成光束の形状は、元の略円形光束に対して一方向の幅が２倍になった略楕円形となる。このため、前記プリズムアレイ板は、その長辺方向の長さがその短辺方向の長さの２倍の大きさが必要となる。また、前記プリズムアレイ板の後段に正レンズが配置される場合は、この正レンズについても、光源が１つの場合に比べてほぼ２倍の直径を有するものが必要となり、総じて大型の光学系を構成する必要が生じ、コスト面で不利となる欠点がある。

現在広く用いられている液晶パネルやＤＭＤ（ディジタルマイクロミラーデバイス）といったライトバルブは、その投写型表示装置の用途に応じて矩形形状のアスペクト比が４：３、５：４、１６：９等と定められている。よって、２つの光源からの光束を合成した合成光束の横縦比が上記アスペクト比に近い方が、光利用効率を高くすることができると言える。しかし、特許文献１の投写型表示装置や、２つの光源が並列に配置されて各光源からの光束が繋げられて構成される投写型表示装置（特許文献２）では、その横縦比は２：１に近くなっており、光利用効率が低下するという欠点がある。

２つの光源からの光束を平行光束のまま取り扱う特許文献１，２の場合と異なり、２つの光源からの光束の光軸の角度を、光学素子（偏向部材）を用いて補正して合成する投写型表示装置もある（特許文献３）。この投写型表示装置では、各光源からの光束を相互に横に並べて合成するので、特許文献１，２の場合と同様に、合成光束の横縦比が２：１となり、光利用効率が低下するという欠点がある。また、２つの光源からの各光束が一カ所（集光点）に集中されて合成されるので、その集光点に配置される光学素子（偏向部材）には耐熱性の高い材料が必要となり、信頼性やコスト面でも不利となる欠点がある。

特開２００６−２３５６４２号公報 特開２００５−３４６０９３号公報 特開２００６−３０８７７８号公報

本発明は、上述のような問題を解消するためになされたもので、２つの光源を用いた投写型表示装置において、第１に、２つの光源からの光束を合成したときにその合成光束の光利用効率が高い投写型表示装置を提供すること、第２に、耐熱性において高い信頼性を確保できる投写型表示装置を提供すること、第３に、表示画像の明度の低下を抑制できると共に明度の均一性を保つことができる投写型表示装置を提供すること、第４に、低コストで構成できる投写型表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する為に、本発明は、第１光源および第２光源と、前記第１光源からの第１光束を部分的に透過し、前記第２光源からの第２光束を部分的に反射する反射透過手段と、前記反射透過手段からの光束を映像信号に応じた光学像に変換するライトバルブと、を備え、前記反射透過手段は、その一方主面が反射面とされ、その他方主面が遮光面とされ、それら両主面間を貫通する複数の開口部を有し、前記第１光束を、前記開口部を通じて前記遮光面側から前記反射面側に透過させ、前記第２光束を、前記反射面において前記第１光束の透過方向に反射させるものである。

本発明によれば、第１光源からの第１光束を部分的に透過し、第２光源からの第２光束を部分的に反射する反射透過手段を備えており、この反射透過手段は、その一方主面が反射面とされ、その他方主面が遮光面とされ、それら両主面間を貫通する複数の開口部を有し、前記第１光束を、前記開口部を通じて前記遮光面側から前記反射面側に透過させ、前記第２光束を、前記反射面において前記第１光束の透過方向に反射させるので、第１光源と第２光源とを同時に点灯することで、反射透過手段により第１光束と第２光束とを合成でき、その合成光束の縦横比を元の単一の光源からの光束の縦横比（１：１）とほぼ同じにでき、これにより従来（従来の場合の縦横比２：１）と比べて光利用効率を高くできる。

また、その合成光束の縦横比を元の単一の光源からの光束の縦横比とほぼ同じにできるので、使用されるレンズの直径を大きくする必要がなく、低コストで構成できる。

また、第１光束および第２光束は、構造上、従来の様に一カ所に集光されないので、耐熱性の高い材料を使用する必要が無く、よって耐熱性に関する信頼性やコスト面で有利である。

実施の形態１．
この実施の形態に係る投写型表示装置１は、図１の様に、第１光源３および第２光源４と、第１光源３の後段に配置された第１光インテグレータ７と、第２光源４の後段に配置された第２光インテグレータ８と、第１光インテグレータ７の入射端面の前側に配置された第１カラーホイール９と、第２光インテグレータ８の入射端面の前側に配置された第２カラーホイール１０と、第１光インテグレータ７の後段に配置された第１レンズ１１と、第２光インテグレータ８の後段に配置された第２レンズ１２と、第１レンズ１１の後段且つ第２レンズ１２の後段に配置された反射透過手段１３と、反射透過手段１３の後段に配置されたレンズ群１５と、レンズ群１５の後段に配置されたフィールドレンズ１７と、フィールドレンズ１７の後段に配置されたライトバルブ１９と、ライトバルブ１９の後段に配置された投写レンズ２１とを備えている。

第１，第２光源３，４は、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第１，第２ランプ３ａ，４ａと、第１，第２ランプ３ａ，４ａからの光を集光して収束光束（第１，第２光束）に変換する第１，第２凹状面鏡（例えば楕円面鏡）３ｂ，４ｂとを備えて構成されている。尚、図１中の符号ｃ１は、第１光源３の光軸であり、符号ｃ２は、第２光源４の光軸である。

第１，第２光インテグレータ７，８はそれぞれ、透明性部材により断面矩形の角柱形状に形成されており、その一方の端面である入射端面からその内部に第１，第２光源３，４からの光束を入射し、その入射光束をその内側面で内面反射させて、その他方の端面である出射端面から射出する。良く知られているように、第１，第２光インテグレータ７，８は、その入射端面が第１，第２光源３，４からの光束の集光点に配置されるのが光利用効率上好ましいので、この実施の形態の様に楕円面鏡３ｂ，４ｂを備えた光源３，４、または放物面鏡とコンデンサレンズと組み合わされた光源と組み合わせて用いられるのが好適である。

第１，第２カラーホイール９，１０は、単板ライトバルブ方式のカラー化によく用いられる光学部品であり、異なる分光透過特性（あるいは反射特性）を持った複数のダイクロイックミラーが回転モータの回転軸回りにモーターハブを介して円環状に配置されて構成されており、前記回転軸の回転により各ダイクロイックミラーを選択的に第１，第２光源３，４からの光束の光路上に配置することで、第１，第２光源３，４からの光束（白色光）を時間分割で所望の色光に変換する。

この実施の形態では、第１，第２光源３，４は共に同期して点灯し、第１カラーホイール９は第１光源３の点灯動作に同期して回転し、第２カラーホイール１０は第２光源４の点灯動作に同期して回転する。これにより、第１，第２光源３，４からの光束は、第１，第２カラーホイール９，１０により同時に同一の色光に変換されて後段に伝搬する。

第１レンズ１１、レンズ群１５およびフィールドレンズ１７は、第１光インテグレータ７の出射端面とライトバルブ１９の近傍とを互いに共役とする結像系を構成している。これらの光学要素１１，１５，１７は全て、共通の光軸ｃ３を有している。そして第１レンズ１１とレンズ群１５との間の空間に、第１光インテグレータ７および第１レンズ１１の設計仕様によって定まる固有の光源像（以後、これを第１光源像群２３と称する）が形成される様になっている。

第２光インテグレータ８および第２レンズ１２は、別の共通の光軸ｃ４を有しており、前述の第１光源像群２３の近傍に、第２光インテグレータ８および第２レンズ１２の設計仕様によって定まる固有の光源像（以後、これを第２光源像群２４と称する）が形成される様になっている。

反射透過手段１３は、第１光インテグレータ７からの光束（即ち第１光源３からの光束）を部分的に透過し、第２光インテグレータ８からの光束（即ち第２光源４からの光束）を部分的に、第１光インテグレータ７からの光束の透過方向（光軸ｃ３方向）に反射するように構成されている。

より詳細には、反射透過手段１３は、図２の様に、例えば矩形の板状に形成され、その一方主面が反射面１３ａとされ、その他方主面が遮光面１３ｂとされ、それら両主面１３ａ，１３ｂ間を貫通する複数の開口部１３ｃを有して構成されている。各開口部１３ａは、それぞれ反射透過手段１３の主面の短辺方向に延びた長方形状に形成されており、互いに反射透過手段１３の主面の長辺方向に所定間隔をあけて並列する様に形成されている。この反射透過手段１３は、第１レンズ１１とレンズ群１５との間の空間において、光軸３に対して所定角度傾いて配置されている。尚、ライトバルブ１９は矩形に形成されており、反射透過手段１３の主面の短辺方向は、ライトバルブ１９の主面の短辺方向に一致する様に配置されている。

この構成および配置により、反射透過手段１３は、第１光インテグレータ７からの光束を部分的に、開口部１３ｃを通じて遮光面１３ｂ側から反射面１３ａ側に透過させ、第２光インテグレータ８からの光束を部分的に、反射面１３ａにおいて、第１光インテグレータ７からの光束の透過方向（光軸ｃ３方向）に反射させる様になっている。

この実施の形態では、第１，第２光源３，４は共に同期して点灯するので、反射透過手段１３の開口部１３ｃを透過した第１光インテグレータ７からの光束と、反射透過手段１３の反射面１３ａで反射した第２光インテグレータ８からの光束とは、互いに合成して後段に伝搬する。それ故ここでは、反射透過手段１３は、各光インテグレータ７，８からの各光束を合成する合成手段（合成ミラー）として機能している。

尚、反射透過手段１３の開口部１３ｃの形状や配置は、第１光インテグレータ７からの光束の強度分布の比較的強い部分が選択的に、各開口部１３ｃを通じて透過される様に決定される。

より詳細には、以下の様にして決定される。図３は、反射透過手段１３の主面１３ａ（１３ｂ）に結像する光源像群２３（２４）を模式的に図示したものである。図中の複数の楕円領域２３ａ（２４ａ）は、個々の光源像の強度分布を模式的に示している。即ち、光源像群２３（２４）は、複数の光源像２３ａ（２４ａ）が、反射透過手段１３の短辺方向（ｙ方向）に対しては比較的間隔を詰める様にして、且つ反射透過手段１３の長辺方向（ｘ方向）に対しては比較的間隔をあける様にして、縦横に配列して構成されている（即ち光源像群２３（２４）は、光源像２３ａ（２４ａ）の密集部分と過疎部分とが縞状に交互に配置して構成されている）。尚、上記の密集部分が光束の強度分布の比較的強い部分に対応し、上記の過疎部分が光束の強度分布の比較的弱い部分に対応している。この疎密分布（強度分布）から、光源像２３ａの縦横数および各光源像２３間の横縦方向のピッチを求め、それら横縦数およびピッチに基づいて開口部１３ｃの形状および配置を決定する。

尚、通常、第１光インテグレータ７の断面形状はライトバルブ１９の形状にほぼ相似な形状（例えば長方形）とするため、第１凹状面鏡３ｂにより集光される光束の光スポット（円形）が第１光インテグレータ７の断面の短辺に外接するように、当該装置１を構成するのが好適である。このとき、第１光インテグレータ７の断面の長辺方向には、光の強度分布の強弱が大きくなるため、光源像を観察した場合に図３のように離散的に分布しているように見えやすくなり、他方、第１光インテグレータ７の断面の短辺方向には、隣り合う光源像が密に配置することになる。これらを考慮すると、反射透過手段１３の開口部１３ｃは、図２のように、反射透過手段１３の主面の短辺方向に延びた長方形であることが好ましい。

また図３中の楕円２３ｂは、反射透過手段１３上に形成された光源像群２３の分布範囲を概略的に示したものである。この様に光源像群２３の分布範囲が楕円となるのは、図１の様に、反射透過手段１３が光軸ｃ３に対して傾いて配置されることに基づいている。良く知られているように、楕円２３ｂの形状やその中に形成される光源像２３ａの縦横数および各光源像２３ａ間の横縦方向のピッチは、第１光源３、第１光インテグレータ７および第１レンズ１１の設計仕様（例えば第１光源３の持つ集光角度、第１光インテグレータ７の断面寸法およびその光軸方向の長さ、第１レンズ１１が有する収差および受光角度）に依存する。そのため、それらの設計仕様を変えることで、光源像２３ａの縦横数および各光源像２３ａ間の横縦方向のピッチを、反射透過手段１３の開口部１３ｃの形状および配置に適する様に調整することも可能である。

第２光インテグレータ８および第２レンズ１２の共通の光軸ｃ４の角度は、第２光インテグレータ８からの光束の強度分布の比較的強い部分（光源像２４ａの縞状の密集部分）が選択的に、反射透過手段１３の反射面１３ａにおいて、第１インテグレータ７からの光束の透過方向（光軸ｃ３方向）に反射される様に設定される。

換言すれば、光軸ｃ４の角度は、図４の様に、第２光インテグレータ８からの光束の強度分布の比較的強い部分（光源像２４ａの縞状の密集部分）が、反射透過手段１３の反射面１３ａ上において、第１光インテグレータ７からの光束の強度分布の比較的弱い部分（光源像２３ａの縞状の過疎部分）に重なる様に、光軸ｃ２に対して所定角度傾いて設定される。

ここでは、各光源像群２３，２４の疎密の縞模様はほぼ同形同大なので、光源像群２４が光源像群２３に対して疎密方向の１ピッチ分だけずれる様に、光軸ｃ４の角度を設定すればよい。

上記の様にして、第１および第２光インテグレータ７，８からの光束が反射透過手段１３により合成されるが、その合成光束２５は、図４の様に、第１光インテグレータ７からの光束の強度分布の比較的弱い部分（光源像２３ａの過疎部分）に、第２光インテグレータ８からの光束の強度分布の比較的強い部分（光源像２４ａの密集部分）が重畳されて、全体的に均一に比較的強い部分だけを有する強度分布となった光束となる。

尚、光源像２３ａの縦横方向のピッチの求めるには、例えば、第１光源３からの光束の入射角度が半角３０度（即ちＦナンバーがほぼ１）となるような第１凹状面鏡３ｂを用い、且つ第１光インテグレータ７の内部で、図３の光源像群２３の様に、その断面の長辺方向で３回、その断面の短辺方向で５回、第１光源３からの光束が内面反射したとすると、反射透過手段１３上に結像する各光源像２３ａ間の横方向（第１光インテグレータ７の断面の長辺方向に対応する方向）のピッチは、それが等間隔であると仮定した場合には、角度に換算して約８．６度（６０度÷７）と求める事ができる。他方、各光源像２３ａ間の縦方向（第１光インテグレータ７の断面の短辺方向に対応する方向）のピッチは、約５．５度（６０度÷１１）と求める事ができる。実際には、計算機シミュレーションによって、設計された照明光学系に対して、反射透過手段１３に結像する光源像２３ａの分布を精度良く求める事ができるので、その様に求めた光源像２３ａの分布から、反射透過手段１３の開口部１３ｃの最適な形状および最適な配置を容易に決定することができる。尚、開口部１３ｃの形状は、図２の様な長方形だけでなく、図５（ａ）の様な長円形でもよく、図５（ｂ）の様な少し外側に湾曲した長円形でもよい。開口部１３ｃを２次加工で形成する場合は、図５（ａ）（ｂ）の様に、開口部１３ｃの両端が略円形になっていることが、加工が容易になる点で望ましい。尚、図５（ａ）（ｂ）で、開口部１３ｃの形状を長方形または少し外側に湾曲した長方形にしてもよく、図２で、開口部１３ｃの形状を長円形にしてもよい。

反射透過手段１３においては、図６の様に、その開口部１３ｃを通じて第１光源３からの光束３ｃを透過させ、その反射面１３ａにおいて第２光源４からの光束４ｃを反射させる上で、いかに光損失を減らすかがポイントである。そのため、開口部１３ｃの内周面１３ｄは、第１光源３からの光束３ｃの透過方向に平行になる様に設定されている。これにより、第１光源３からの光束３ｃが開口部１３ｃの内周面１３ｄで損失する割合を減らすことができる。しかもこの様にしても、反射面１３ａ上での光束４ｃの反射に対しては、光損失の点で全く問題はない。

反射透過手段１３には、一般的なガラス基材に反射コーティングを施した表面ミラーを用いることができる。反射透過手段１３は、第１光源３からの光束に対しては、複数の開口部１３ｃが並んだ窓として作用し、第２光源４からの光束に対しては、反射ミラーとして作用すればよいので、反射透過手段１３の基材として、ガラスの様な透明基材を用いる必然性はなく、プラスチックの様な樹脂性基材を用いても良いし、金属板を用いてもよい。金属板を用いた場合は、その金属板の表面に高反射の鏡面加工を施し、これに２次的加工で開口部１３ｃを設けて、反射透過手段１３を形成してもよい。尚、反射透過手段１３により合成された合成光束の光損失をできるだけ小さくするためには、反射透過手段１３の厚さをできる限り薄くする方が良い。また、開口部１３ｃの内周面１３ｄを反射面にすることも、光損失を軽減する上で好ましい。

反射透過手段１３により合成された合成光束の光利用効率の程度の判定は、合成光束の光源像群２５の形状や大きさが、元の単一の光源３からの光束の光源像群２３のそれに対してどれ程近いかで判定することができる。というのは、投写型表示装置においては、投写レンズ２１の瞳上に形成される光源像群の大きさと、投写レンズ２１の瞳径とが同じ大きさである場合が、照明光学系と投写光学系との整合性が最も高く、光の利用効率も最大となるからである。

上記の様に、合成光束の光源像群２５を、各光源３，４からの各光束の光源像群２３，２４を互いに疎密の縞模様の１ピッチ分だけずらして重畳して構成した場合に、合成光束の光源像群２５の横幅Ｗ１が、図７の様に、元の単一の光源３からの光束の光源像群２３の横幅Ｗ２よりも大きくなっても、その光源像群２５の横幅Ｗ１に合わせて投写レンズ１９の瞳径を大きく（従って投写レンズ１９のＦナンバを小さく）設計すれば、光利用効率の損失を最小限に抑制できる。

上記の様に反射透過手段１３を用いて各光源３，４からの各光束を合成した場合は、図７の様に、その合成光束の光源像群２５の横幅Ｗ１は、元の単一の光源３からの光束の光源像群２３の横幅Ｗ２とほぼ同じ幅になるので、光利用効率の損失を最小限に抑制するための投写レンズ１９のＦナンバーの低減を高々数％に抑制でき、投写レンズ１９のコストの上昇を容易に抑えることができる。

各光源３，４からの各光束の光源像群２３，２４を最適に合成するには（即ち、光損失が少なく且つ強度分布が均一な合成光束を合成するには）、反射透過手段１３上の各光源像群２３，２４の分布の位置（即ち各光源像群２３，２４の重なり状態）および反射透過手段１３の位置を最適に調整する必要がある。図８の様に、各光軸ｃ３，ｃ４間の狭角を角度αとし、反射透過手段１３の法線ｃ６と光軸ｃ３との間の狭角を角度βとすると、これら角度α，βを調整することで、各光源像群２３，２４の分布の位置および反射透過手段１３の位置を精度良く調整する事ができる。図８の様に、角度αが鈍角となり、角度βが鋭角となるように調整すれば、（１）反射透過手段１３の配置を光軸ｃ３に対して垂直な配置に近づける事ができ、且つ（２）反射透過手段１３上に形成される各光源像群２３，２４の分布を互いに同形（ここでは円形）に近づける事ができる。上記（１）により、反射透過手段１３の開口部１３ｃの内周面１３ｄの長さ（光軸ｃ３方向の長さ）Ｗ３（図６）を短くでき、これにより開口部１３ｃの内周面１３ｄでの光損失を低減できる。また上記（２）により、各光源像群２３，２４間でそれらの疎密分布の縞ピッチ等を互いに揃える事ができ、これにより強度分布が均一な合成光束を合成する事ができる。

尚、各光源像群２３，２４の分布の位置を調整する別の方法として、各光源３，４の光軸ｃ１，ｃ２をそれぞれ各光インテグレータ７，８の光軸ｃ３，ｃ４に対して傾ける方法がある。図１では、第１光源３の光軸ｃ１が第１光インテグレータ７の光軸ｃ３に対して若干傾き、また第２光源４の光軸ｃ２が第２光インテグレータ８の光軸ｃ４に対して若干傾いている状態が示されている。このような配置によって反射透過手段１３上の光源像群２３，２４の位置を精度よく調整することができる。この場合、各光源３，４の変位に応じて各カラーホイール９，１０の配置を変えることが望ましい。例えば、光源３（４）とカラーホイール９（１０）とを同一ステージに配置して互いの位置関係を固定し、そのステージ全体を傾けることで、光源３（４）の光軸ｃ１（ｃ２）を調整してもよい。勿論、設計段階で光源像群２３，２４の位置を予め特定できるので、投写型表示装置１内に設置する各要素の角度調整機構は、必要に応じて取捨選択することができる。

尚、上記のいずれの、各光源像群２３，２４の分布の位置の調整方法においても、各光インテグレータ７，８とライトバルブ１９との間に配置されたレンズ系１１，１２，１５，１７の結像関係は、調整作業によって崩れることがないので、ライトバルブ１９の照明において、照明領域と被照明領域がずれることによる光の損失の可能性は考慮しなくても良いと言える。

次に、図１に基づき、投写型表示装置１の動作を説明する。第１および第２光源３，４が同時に点灯されると、各光源３，４からの光束はそれぞれ、カラーホイール９，１０，光インテグレータ７，８およびレンズ１１，１２を透過して反射透過手段１３の遮光面１３ｂ，反射面１３ａに伝搬する。その際、各光源３，４からの光束はそれぞれ、カラーホイール９，１０により時間分割で所望の色光に変換され、光インテグレータ７，８により明度が均一化される。

そして、反射透過手段１３の遮光面１３ｂに伝搬した第１光源３からの光束は、その強度分布の比較的強い部分（即ちその光源像群２３の疎密分布の密集部分）が選択的に反射透過手段１３の開口部１３ｃを通じて透過する。これに併行して、反射透過手段１３の反射面１３ａに伝搬した第２光源４からの光束は、その強度分布の比較的強い部分（即ちその光源像群２４の疎密分布の密集部分）が選択的に反射透過手段１３の反射面１３ａにより、第１光源３からの光束の透過方向に反射される。これにより、反射透過手段１３により、第１光源３からの光束の強度分布の比較的弱い部分（即ち光源像群２３の過疎部分）に、第２光源４からの光束の強度分布の比較的強い部分（即ち光源像群２４の密集部分）が配置する様にして、各光源３，４からの光束が互いに合成される。この様に合成された合成光束は、図７の様に、その強度分布が均一で、且つその光源像群２５の分布の形状が、第１光源３からの光源像群２３の分布の形状とほぼ同じ形状に保たれた光束となっている。

そして、上記の様に合成された合成光束は、レンズ群１５およびフィールドレンズ１７を透過してライトバルブ１９に均一照射され、ライトバルブ１９により、映像信号に応じた光学像に変換される。その変換された光学像は、投写レンズ２１により所定のスクリーンに拡大投写され、スクリーン上に大画面の映像として表示される。

尚、ライトバルブ１９には、ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）や液晶デバイスなどの小型で高解像度のものが好適である。また、図示していないが、投写レンズには様々な形態のものを用いることができ、反射型のスクリーンを設置して前面投写型表示装置として構成することもできるし、透過型のスクリーンと組み合わせて背面投写型表示装置とすることもできる。

以上の様に構成された投写型表示装置１によれば、第１光源３からの第１光束を部分的に透過し、第２光源４からの第２光束を部分的に反射する反射透過手段１３を備えており、この反射透過手段１３は、その一方主面が反射面１３ａとされ、その他方主面が遮光面１３ｂとされ、それら両主面１３ａ，１３ｂ間を貫通する複数の開口部１３ｃを有し、前記第１光束を、開口部１３ｃを通じて遮光面１３ｂ側から反射面１３ａ側に透過させ、前記第２光束を、反射面１３ａにおいて前記第１光束の透過方向に反射させるので、第１光源３と第２光源４とを同時に点灯することで、反射透過手段１３により第１光束と第２光束とを合成でき、その合成光束の縦横比を元の単一の光源３からの光束の縦横比（１：１）とほぼ同じにでき、これにより従来（従来の場合の縦横比２：１）と比べて光利用効率を高くできる。

また、その合成光束の縦横比を元の単一の光源３からの光束の縦横比とほぼ同じにできるので、使用されるレンズ１５，１７，２１の直径を大きくする必要がなく、低コストで構成できる。

また、前記第１光束および前記第２光束は、構造上、従来の様に一カ所に集光されないので、耐熱性の高い材料を使用する必要が無く、よって耐熱性に関する信頼性やコスト面で有利である。

また、前記第１光束の強度分布の比較的強い部分が反射透過手段１３の開口部１３ｃを通じて透過され、前記第２光束の強度分布の比較的強い部分が反射透過手段１３の反射面１３ａにおいて反射されるので、各光源３，４からの光束が部分的に透過または反射されても、表示画像の明度の低下を抑制できると共に明度の均一性を保つことができる。

また、複数の開口部１３ｃは、互いに所定間隔あけて並列配置され、それぞれ長方形または長円形に形成された複数の開口部１３ｃにより構成されるので、前記第１光束および前記第２光束の各々の強度分布の比較的弱い部分と比較的強い部分とが縞状に交互に配置する場合に、効果的に、表示画像の明度の低下を抑制できると共に明度の均一性を保つことができる。特に、開口部１３ｃを長円形に形成した場合（即ち開口部１３ｃの両端を半円状に形成する場合）には、開口部１３ｃを２次加工で形成する場合に、容易に開口部１３ｃを形成できる。

尚、複数の開口部１３ｃを、互いに所定間隔あけて並列配置し、それぞれ外側に湾曲された長方形または長円形に形成した複数の開口部１３ｃにより構成した場合は、第１光束および第２光束の各々の強度分布の比較的弱い部分と比較的強い部分とが外側に湾曲する様に縞状に交互に配置する場合に、効果的に、表示画像の明度の低下を抑制できると共に明度の均一性を保つことができる。特に、開口部１３ｃを外側に湾曲した長円形に形成した場合（即ち開口部１３ｃの両端を半円状に形成する場合）には、開口部１３ｃを２次加工で形成する場合に、容易に開口部１３ｃを形成できる。

また開口部１３ｃの内周面１３ｄは、前記第１光束の透過方向に平行に形成されるので、第１光束が開口部１３ｃの内周面１３ｄで光損失する割合を低減できる。

また反射透過手段１３は、第１光インテグレータ７の後段に配置された第１レンズ１１の後段且つ第２光インテグレータ８の後段に配置された第２レンズ１２の後段に配置されるので、反射透過手段１３が光源３，４の発熱に晒されることを防止でき、反射透過手段１３の材料選定や形状の精密加工の点で設計の自由度を増やせる利点がある。

また、第１光源３と第２光源４とが共に点灯することで、反射透過手段１３により第１光束の透過光と第２光束の反射光とが合成されるので、光利用効率が高く、耐熱性に関する信頼性が高く、低コストで、第１光束と第２光束とを合成できる。

尚、この実施の形態１では、投写型表示装置１の主要な構成要素しか示しておらず、他の構成要素は本発明の目的を逸脱しない範囲で様々な仕様、形態をとり得ることは明らかである。例えば、第１および第２光インテグレータ７，８は、中空パイプ状をなして内面を反射面として構成するタイプのものと、ガラスのような透明材料で直方体を形成して、その内側面での全反射を利用するタイプのものに大別されるが、本発明ではどちらを用いても構わない。

また例えば図９の様に、各レンズ１１，１２とレンズ群１５の間にそれぞれレンズ２７，２８を配置することで、後段に形成される光源像群の収差を小さくして合成効率をより高めることが可能となる。また各レンズ１２，２８間に反射ミラー２９を更に追加することで、第２光源４（図示省略）の配置を大きく変更することが可能となる。これは、投写型表示装置全体をコンパクトにする上で効果的であるが、このような形態も勿論可能である。

一般に照明光学系の設計は、投写光学系に比べて設計の自由度が高く、難易度が低いため、図９の様に照明光学系内に付加的な反射ミラー２９を配置して光路の折り曲げを行えば、２つの光源３，４の位置を投写型表示装置全体のレイアウトに適したものとすることも容易である。この際、反射透過手段１３も単純なミラー要素で構成されているため、光路の折り曲げを検討するうえで非常に有利である。光路の折り曲げが柔軟に設計できるということは、例えば冷却風路設計に対しても有利であるし、ランプ３ａ，４ａの交換構造やその配置の自由度が高められるという点でも有利である。

またこの実施の形態１では、主となる光源（第１光源３）と副となる光源（第２光源４）をそれぞれひとつずつ備える場合を示したが、各光源３，４が複数の反射鏡を有する構成や、複数のランプを有する構成を取っても構わない。

実施の形態２．
この実施の形態に係る投写型表示装置１Ｂは、図１０の様に、上記の実施の形態１に係る投写型表示装置１において、第２光源４として例えばＬＥＤや半導体レーザのような狭帯域の発光波長特性を有する単色光源を用い、且つ第２カラーホイール１０を無くして、その代わりに、第２光源４と第２光インテグレータ８との間に、第２光源４からの単色光を効率よく集光して第２光インテグレータ８に導光するレンズ３３を備えて構成されている。図１０中、上記の実施の形態１と同一の機能を有する構成要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

上記の実施の形態１において、第１および第２光源３，４として、特にメタルハライドランプや超高圧水銀ランプを用いた場合は、各光源３，４からの光の各色成分のうち赤成分の相対強度が低くなるため、ＲＧＢ三原色の混色により白色を作り出す場合に、赤成分が不足気味になることが多い。こういう場合に、第１光源（主光源）３の赤色不足を補う意味で、第２光源（補助光源）４に赤色の単色光源を用いると、反射透過手段１３により、第１光源３からの光に第２光源４からの赤色光が効率よく合成されて、第１光源３からの光の赤成分不足が解消される。

尚、第２光源４で用いる単色光源としては、第１光源３からの光に不足している色成分に応じて、上記の赤色光の他に例えば緑や補色のシアン等の単色光を発する単色光源を用いればよい。

実施の形態３．
この実施の形態に係る投写型表示装置１Ｃは、図１１の様に、上記の実施の形態１に係る投写型表示装置１において、第１および第２カラーホイールを無くし、その代わりに、反射透過手段１３とレンズ群１５との間にコンデンサレンズ３５，３６，３７を備えると共に、各コンデンサレンズ３５，３６間に単一のカラーホイール３８を備えて構成されている。各コンデンサレンズ３５，３６の間には、第１光インテグレータ７の出射端面と共役な面が形成されている。図１１中、上記の実施の形態１と同一の機能を有する構成要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

この実施の形態では、各光源３，４からの光束を反射透過手段１３で合成した後に、カラーホイール３８で色変換する様になっている。

このような構成によれば、第１光源３と第２光源４とを同期させて点灯させ、その点灯に同期させて単一のカラーホイール３８を回転させればよいので、制御システムに関しては、光源３，４の点灯に同期させて２つのカラーホイール９，１０を回転させる上記の実施の形態１よりも簡単になる。

また、光源３，４から離れた場所にカラーホイール３８が配置されるので、光源３，４からの光の集光スポットからの熱的な影響を、上記の実施の形態１よりも軽減できる。

以上、実施の形態１から３で応用例を含めた投写型表示装置の構成を説明したが、本発明の主眼は、照明光学系内に複眼のように形成される光源像の空間分布を利用して効率よく各光源３，４からの光を合成することである。具体的には、第１光源３によって形成される光源像の強度の強い部分と弱い部分を反射透過手段１３によって空間的に分離し、弱い部分をある程度犠牲にして第２光源４からの光を効率よく合成することである。上記の実施の形態１の中で述べた種々の応用的な形態例は、上記の実施の形態２，３にも適用できることは言うまでもない。

実施の形態４．
上記の実施の形態１では、第１および第２光源３，４を同期して点灯させる場合で説明したが、第１および第２光源３，４のうち、一方の光源を主光源とし、他方の光源を、主光源の明度が所定値以下に低下したときに、主光源の代わりに点灯する予備光源として用いてもよい。

その様にするには、上記の実施の形態１において、前記主光源の明度を検知する明度検知手段と、前記主光源を選択的に点灯させ、前記明度検知手段により前記主光源の明度が所定値以下になった事が検知された場合に、前記予備光源を選択的に点灯させる点灯切替手段とを更に備えさせればよい。

この様にすれば、一方の光源を選択的に点灯させ、一方の光源の明度が所定値以下になった事が検知された場合に、他方の光源を選択的に点灯させるので、光源の寿命を見かけ上長くできる。

また、一方の光源だけが点灯している場合でもライトバルブ１９の照明の均一性は損なわれることがないため、画像品位を損なわずに投写することができる。例えば、第１光源３が使用頻度とともに明るさを減じた際にこれを検知して第２光源４に切り替え、見かけ上寿命の長い投写型表示装置を供することも可能である。

また、補助光源として廉価なハロゲンランプ等を用いれば、主光源が不点灯となった場合でも、即座に予備光源が点灯して画像が見えなくなるといった致命的な不具合も回避できる。

この発明の実施例１を示す投写型表示装置の概略図である。 この発明の実施例１における反射透過手段を示す概略図である。 この発明の実施例１における光源像群を示す概略図である。 この発明の実施例１における反射透過手段上に形成される合成された光源像群を示す概略図である。 この発明の実施例１における反射透過手段の具体例を示す概略図である。 この発明の実施例１における反射透過手段の開口部を説明する概略図（図２のIV-IV断面図）である。 この発明の実施例１の合成された光源像群を示す概略図である。 この発明の実施例１における光軸の角度関係を説明する模式図である。 この発明の実施例１における光源の別の配置を説明する模式図である。 この発明の実施例２を示す投写型表示装置の概略図である。 この発明の実施例３を示す投写型表示装置の概略図である。

符号の説明

１，１Ｂ，１Ｃ 投写型表示装置、３ 第１光源、３ａ 第１ランプ、３ｂ 第１凹状面鏡、３ｃ 光束、４ 第２光源、４ａ 第２ランプ、４ｂ 第２凹状面鏡、４ｃ 光束、７ 第１光インテグレータ、８ 第２光インテグレータ、９ 第１カラーホイール、１０ 第２カラーホイール、１１ 第１レンズ、１２ 第２レンズ、１３ 反射透過手段、１３ａ 反射面、１３ｂ 遮光面、１３ｃ 開口部、１５ レンズ群、１７ フィールドレンズ、１９ ライトバルブ、２１ 投写レンズ、２３ 第１光源像群、２３ａ 光源像、２３ｂ 光源像の分布を概略的に示した楕円、２４ 第２光源像群、２５ 合成光束の光源像群、２７，２８ レンズ、２９ 反射ミラー、３３ レンズ、３５，３６，３７ コンデンサレンズ、ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４ 光軸、Ｗ１ 合成光束の光源像群の横幅、Ｗ２ 第１光源からの光束の光源像群の横幅。

Claims (9)

1. 第１光源および第２光源と、
   前記第１光源からの第１光束を部分的に透過し、前記第２光源からの第２光束を部分的に反射する反射透過手段と、
   前記反射透過手段からの光束を映像信号に応じた光学像に変換するライトバルブと、
   を備え、
   前記反射透過手段は、その一方主面が反射面とされ、その他方主面が遮光面とされ、それら両主面間を貫通する複数の開口部を有し、前記第１光束を、前記開口部を通じて前記遮光面側から前記反射面側に透過させ、前記第２光束を、前記反射面において前記第１光束の透過方向に反射させることを特徴とする投写型表示装置。
2. 前記第１光束の強度分布の比較的強い部分が前記反射透過手段の前記開口部を通じて透過され、前記第２光束の強度分布の比較的強い部分が前記反射透過手段の前記反射面において反射されることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
3. 前記複数の開口部は、互いに所定間隔あけて並列配置され、それぞれ長方形または長円形に形成された複数の開口部により構成されることを特徴とする請求項２に記載の投写型表示装置。
4. 前記複数の開口部は、互いに所定間隔あけて並列配置され、それぞれ外側に湾曲された長方形または長円形に形成された複数の開口部により構成されることを特徴とする請求項２に記載の投写型表示装置。
5. 前記開口部の内周面は、前記第１光束の透過方向に平行に形成されることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の投写型表示装置。
6. 前記第１光源および第２光源の各々の後段に配置された第１光インテグレータおよび第２光インテグレータと、
   前記第１光インテグレータおよび第２光インテグレータの各々の後段に配置された第１レンズおよび第２レンズとを備え、
   前記反射透過手段は、前記第１レンズの後段且つ前記第２レンズの後段に配置されることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の投写型表示装置。
7. 前記第１光源と前記第２光源とが共に点灯することで、前記反射透過手段により、前記第１光束の透過光と前記第２光束の反射光とが合成されることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の投写型表示装置。
8. 前記第１光源および第２光源のうち、一方の光源は白色光源であり、他方の光源は単色光源であることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の投写型表示装置。
9. 前記第１光源および前記第２光源のうちの一方の光源の明度を検知する明度検知手段と、
   前記一方の光源を選択的に点灯させ、前記明度検知手段により前記一方の光源の明度が所定値以下になった事が検知された場合に、前記他方の光源を選択的に点灯させる点灯切替手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の投写型表示装置。

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