JP2008216903A - 投射型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶表示素子の光利用効率や偏光変換素子の光通過率を高い効率に保ったまま、偏光変換素子後の発散光をも捕獲して光利用効率の高い投射型映像表示装置を提供する。
【解決手段】第１アレイレンズと第２アレイレンズの距離を小さくすることで、偏光変換素子の通過率を改善し、液晶表示素子上に重畳して投影される光束の大きさを、液晶表示素子において、けられが発生しない程度に、十分小さくして光利用効率を高めるように、集光レンズを液晶表示素子にできる限り近づけ、偏光変換素子からの発散光を捕獲するために、偏光変換素子の直後にロッドレンズ６を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの光を映像表示素子を介してスクリーン等に投射して拡大された映像を表示する投射型映像表示装置に関し、特に、光源からの光利用効率を改善するのに好適な投射型映像表示装置の構造に関する。

投射型映像表示装置に使用される光源からの出射光は、一般に、その光束面の照度分布において、光源の放電灯管球の影、あるいは、光源のリフレクタ中心部の穴により、光軸付近に円環状の暗い部分が存在する。かかる出射光を、直接、映像表示素子に入射した場合、これにより得られる投射映像にも、同様に、光軸付近に暗い円環状の暗い部分が現れ、即ち、より得られる投射映像における照度分布も不均一になってしまう。なお、従来、かかる円環状の暗い部分を少なくし、かつ、表示される映像の周辺部まで照度分布を均一にするための手段として、例えば、２枚のアレイレンズを備えたオプチカルインテグレータを用いることが既に知られている。

特に、近年においては、映像表示素子として液晶表示素子が多く用いられており、かかる場合、光源からの光の利用効率を高めるために、断面が平行四辺形の柱状の透光性部材を、複数、アレイ状に配置し、当該透光性部材の界面には、交互に、偏光ビームスプリッタ膜と反射膜とが形成されており、当該形成された偏光ビームスプリッタ膜と反射膜とにより偏光分離を行い、もって、一方の偏光の出射側に配置された１／２λ位相差板により、所定の偏光波に揃えて出射させる、偏光変換機能を備えた偏光変換素子を用い、加えて、当該偏光変換素子を前記オプチカルインテグレータと組み合わせてなる、所謂、偏光変換インテグレータ方式が用いられる。

なお、かかるインテグレータ方式において、複数の集光レンズを組み合わせることで、映像表示素子上に投影される光領域のサイズを自在に変化させることができることが知られており、この種の技術は、例えば、特許文献１に記載されている。

特開2001-109070号公報

しかしながら、以下にも詳述するが、上記の従来技術では、液晶表示素子での光利用効率を一定に保ちつつ、偏光変換素子の通過率が最も高い状態となるよう（第１集光レンズの曲率を「０」）に設定した場合、第１集光レンズの外周部に入射する光の一部が照明光学系の外部に発散してしまい、光を損失してしまう問題があった。他方、発散光を捕獲するために、上記第１集光レンズの曲率を大きくすると、偏光変換素子での通過率が下がり、光利用効率が低下してしまうという問題点があった。

本発明は、上記した従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、液晶表示素子での光利用効率、偏光変換素子の光通過率を最も高い効率に保ったまま、偏光変換素子後の発散光をも捕獲し、もって、光利用効率の高い投射型映像表示装置を提供することにある。

本発明によれば、上記の目的を達成するため、ランプ光源と、前記ランプ光源の出射光を反射するリフレクタと、映像表示素子と、前記光源からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズとを有する投射型映像表示装置において、前記照明光学系は、前記光源側から順に、複数のレンズセルがマトリックス状に配設された第１のアレイレンズと、複数のレンズセルが前記第１のアレイレンズのレンズセルにそれぞれ対応してマトリックス状に配設された第２のアレイレンズと、集光レンズとで構成されるオプチカルインテグレータからなり、前記第２アレイレンズと集光レンズの間に、前記照明光学系外周部の光の発散光を照明光学系内に戻すための光学素子を設けた投射型映像表示装置が提供される。

また、本発明では、前記に記載した投射型映像表示装置において、前記光の発散光を照明光学系内に戻すための光学素子としてロッドレンズを用いることが好ましく、又は、前記照明光学系は、更に、前記光源側からみて前記第２のアレイレンズの後方に偏光変換素子を備えており、前記光の発散光を照明光学系内に戻すための光学素子は、当該偏光変換素子の後方に配置されていることが好ましい。更には、前記ランプ光源はアーク型のランプであり、かつ、前記リフレクタは、当該ランプを背面側から覆うように配置された回転放物面形状の反射面を備えたリフレクタであることが好ましい。

加えて、本発明によれば、前記に記載した投射型映像表示装置において、前記ロッドレンズは、それぞれ端部にテーパー部が形成された複数のロッドレンズから構成されており、更には、前記ロッドレンズは、前記偏光変換素子の近傍に結像したアーク像からの光の発散角をθ、前記偏光変換素子から前記集光レンズまでの間の光軸方向の距離をＧ、アーク像の位置から前記集光レンズの外形までの前記光軸方向に垂直な方向の距離をＷとしたとき、以下の式（数１）の式の関係を満たすことが好ましい。

tanθ＜Ｗ／Ｇ … （数１）

即ち、本発明によれば、液晶表示素子での光利用効率、偏光変換素子の光通過率を最も高い効率に保ったまま、偏光変換素子後の発散光をも捕獲し、もって、光利用効率の高い投射型映像表示装置を提供することを可能とするという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の最良の形態について、添付の図を参照して説明する。なお、各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。

まず、本発明における原理を説明するため、発明者により検討が行われた、複数の集光レンズを組み合わせたインテグレータ方式を用いた照明光学系が有する課題について、添付の図を参照しながら説明する。また、以降の説明を容易とするために、以下のような直交座標系を導入する。即ち、照明光軸方向をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する面内で液晶表示素子の矩形照射有効領域の長辺に平行な方向の軸をＸ軸とし、矩形有効表示領域の短辺に平行な方向の軸をＹ軸とする。すなわち、第１アレイレンズ，第２アレイレンズを構成するレンズセルは、Ｘ軸，Ｙ軸方向の両方向に配列されているものとする。

まず、図２は、複数の集光レンズを組み合わせたインテグレータ方式を用いた投射型液晶表示装置における、光源から液晶表示素子までの照明光学系の光路上の各光学素子を、簡易的に図示したものである。

この図２において、ランプ光源は、アーク型のランプ１と、ランプ１を背面側から覆うように配置された例えば回転放物面形状のリフレクタ２とを有する。当該ランプ１では、図示しない電源回路から電力が供給されると、その内部に、照明光軸１００（Ｚ軸方向）に沿って、細長い有限の大きさを有する、発光部となるアーク１２５が生じる。このアーク１２５から後方に放射される光は、例えば、回転放物面形状に形成されたリフレクタ２で反射されて照明光軸１００にほぼ平行となり、偏光変換インテグレータに入射することとなる。

この偏光変換インテグレータは、図示のように、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４とからなり、均一な照明を行うオプチカルインテグレータと、入射光の偏光方向を所定の偏光方向に揃えるための偏光変換素子５とを含んでいる。

より具体的には、第１アレイレンズ３は、入射した光を、表面上にマトリクス状に配設された複数のレンズセルで複数の光に分割し、もって、効率よく、第２アレイレンズ４と偏光変換素子５を通過するように導く。即ち、第１アレイレンズ３は、アーク１２５と第２アレイレンズ４の各レンズセルとが、互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されている。

また、上記第１アレイレンズ３と同様に、表面上にマトリクス状に配設された複数のレンズセルを有する第２アレイレンズ４は、その構成するレンズセルの各々が、対応する第１アレイレンズ３のレンズセルの形状を液晶表示素子１８上に投影する。

この時、上記偏光変換素子５により、第２アレイレンズ４からの光は所定の偏光方向に揃えられ、そして、第１アレイレンズ３の各レンズセルの投影像は、それぞれ、第１集光レンズ６０、第２集光レンズ６１、及びコンデンサレンズ１３を介して、液晶表示素子１８上に重ね合わせられる。

ここで、上記第１集光レンズ６０は、照明系のＦ値を決定するレンズであり、上記第２集光レンズ６１は、第１アレイレンズ３の各セルを通過した光束が、液晶表示素子１８に投影される際の倍率を決定している。その際、１つの仮想集光レンズ６２が、第１集光レンズ６０と第２集光レンズ６１の役割を果たしているとみなすこともできる。例えば、第１集光レンズ６０及び第２集光レンズ６１が凸レンズである場合、仮想集光レンズ６２は、上記第１集光レンズ６０及び第２集光レンズ６１の間に存在する。また、上記第１集光レンズ６０の曲率が第２集光レンズ６１の曲率より大きい場合には、上記仮想集光レンズ６２は、第１集光レンズ６０寄りに存在し、これとは反対に、上記ｂ第２集光レンズ６１の曲率が第１集光レンズ６０の曲率より大きい場合には、上記仮想集光レンズ６２は、第２集光レンズ６１寄りに存在する。そして、最も極端な例として、第２集光レンズ６１の曲率が「０」（第２集光レンズが平板）である場合には、上記仮想集光レンズ６２は、ほぼ、第１集光レンズ６０と同一となり、第１集光レンズ６０の曲率が「０」（第１集光レンズが平板）である場合には、上記仮想集光レンズ６２は、ほぼ、第２集光レンズ６１と同一となる。

ここで、上記第２アレイレンズ４と仮想集光レンズ６２とは、第１アレイレンズ３と映像表示素子１８とが、互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されているので、第１アレイレンズ３で複数に分割された光束は、第２アレイレンズ４と仮想集光レンズ６２によって、液晶表示素子１８上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。

なお、複数の集光レンズを組み合せたインテグレータ方式の照明光学系が有する課題を述べる前に、上記偏光変換素子５の構成について、添付の図３を用いて説明する。

図３は、偏光変換インテグレータの要部構成を示しており、その図３（ａ）は、偏光変換インテグレータのＸＺ断面をＹ軸方向から見た断面図であり、その図３（ｂ）は、当該インテグレータの偏光変換素子部分の拡大断面図である。

これらの図３（ａ）及び図３（ｂ）において、偏光変換素子５は、例えば、液晶表示素子の短辺に平行な方向であるＹ軸方向（図３紙面に垂直な方向）に沿って伸びた、断面が平行四辺形である柱状（以下、平行四辺形柱）の透光性部材５１を、照明光軸１００方向（Ｚ軸方向）に対して直交する面（ＸＹ平面）に平行に、Ｘ軸方向に、複数、アレイ状に配列して構成されており、そして、これらアレイ状に配列された隣接する透光性部材５１間の界面には、交互に、偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」と省略する）膜５２と反射膜５３とが形成されている。また、偏光変換素子５の入射側の開口部５５を通り、ＰＢＳ膜５２を透過した光が出射する出射面には、１／２λ位相差板５４が備えられている。

このように、図３に示す例では、上記偏光変換素子５は、照明光軸１００と平行四辺形柱の透光性部材５１の延伸方向（Ｙ軸方向）とで形成される面Ｓ１００（照明光軸１００を含むＹＺ平面であり、以下、この面を便宜上「光軸面」と称する）に対して、対称に構成されている。また、上記透光性部材５１の平行四辺形柱の傾きは、該光軸面Ｓ１００に対して、当該図３の紙面上の右側では、４５度で右上がりとなっており、他方、光軸面Ｓ１００に対して、当該図３の紙面上の左側では、４５度右下がりとなっている。勿論、ＰＢＳ膜と反射膜とを形成する順序も、上記光軸面Ｓ１００に対して対称である。例えば、この図３に示す例では、上記光軸面Ｓ１００に対し、当該図３の紙面上の右側では、照明光軸１００から右側に向かって、ＰＢＳ膜、反射膜、ＰＢＳ膜、反射膜…の順序で、他方、上記光軸面Ｓ１００に対し、当該図３の紙面上の左側では、照明光軸１００から左側に向かって、ＰＢＳ膜、反射膜、ＰＢＳ膜、反射膜…の順序で形成されている。なお、ここで開口部５５とは、偏光変換素子５の入射側面においてＹ軸方向に細長く延伸し、かつ、Ｘ軸方向に短い面状の領域である。

以上のように構成された偏光変換素子５において、第１アレイレンズ３及び第２アレイレンズ４を通って、上記開口部５５の一つ（例えば、開口部５５_６）に入射した光Ｌのうち、例えば、Ｓ偏光の光は、そのＰＢＳ膜５２により反射され、更に、対向する反射ミラー５３により反射されて、Ｓ偏光光として出射される。他方、Ｐ偏光の光はＰＢＳ膜５２を透過して出射面の１／２λ位相差板５４によりＳ偏光に変換され、Ｓ偏光光として出射される。即ち、偏光変換素子５では、このような基本と成る偏光変換部５０を複数個（例えば、図３の例では６個）備えて構成されており、もって、入射光を、その偏光方向が所定の偏光方向（ここでは、Ｓ偏光）の光に揃え（変換し）て出射させる、所謂、偏光変換機能を有している。

ところで、上述した開口部と開口部との間（例えば、開口部５５_５と開口部５５_６との間の領域５６_５）に光が入射した場合、このときの出射光は、前記所定偏光方向に対して９０度回転した偏光光、即ち、Ｐ偏光光となる。つまり、偏光変換効率が低下してしまう。そのため、開口部と開口部との間には、通常、アルミの板等を配置し、もって、光を遮光する遮光部５６を形成することが行われる。なお、以下、偏光変換部、開口部、遮光部を特定する場合には、図３の紙面上で左端側から数えた数字１〜６を添えて示す。

ここで再び、上記図２に戻って、複数の集光レンズを組み合わせた偏光変換インテグレータを用いた照明光学系が有する課題について説明する。なお、ここでは、ランプ１のアーク１２５の中心からリフレクタ２までの距離を「Ａ」、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４との間の距離を「Ｂ」とする。このとき、ランプ１のアーク１２５の中心は、回転放物面形状のリフレクタ２の焦点位置であることから、上記距離「Ａ」は、リフレクタ２の焦点距離となる。従って、当該焦点距離「Ａ」は、リフレクタ２の放物面上の位置関数となる。また、第２アレイレンズ４は、第１アレイレンズ３の焦位置の近傍に設けられることから、上記距離「Ｂ」は第１アレイレンズ３の焦点距離となる。

また、前述したように、第１アレイレンズ３は、アーク１２５と第２アレイレンズ４の各レンズセルとが互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されており、かつ、第２アレイレンズ４の各レンズセル上にはアーク像２６が形成される。また、第２アレイレンズ４と偏光変換素子５とは、互いに近接して配置されているので、第２アレイレンズ４の各レンズセル上に形成されたアーク像２６は、偏光変換素子５上にも、同様に形成される。このアーク像の倍率βは、周知のごとく、上記距離Ａ、Ｂを用いて近似的に、以下の式（数２）で示される。

β＝Ｂ／Ａ … （数２）

ここで、上記偏光変換素子５上に形成されたアーク像２６の一例を、添付の図５に示す。なお、ここでは、上述したアレイレンズをＹ軸方向に８行、かつ、Ｘ軸方向に６列に分割した例について示している。

図からも明らかなように、アーク１２５より射出した光線は、リフレクタ２で反射後、照明光軸１００と平行となり、第１アレイレンズ３の働きにより第２アレイレンズ４上に集光して像を結ぶため、アーク像２６の大きさは、上記（数１）からも明らかなように、距離Ａに反比例し、他方、距離Ｂに比例する。そして、このアーク像２６の大きさ（即ち、倍率β）が大きい場合、遮光部５６により遮光される光の割合が増えることから、光の利用効率が低下してしまうこととなる。従って、リフレクタ形状（具体的には、上記の距離Ａ）が決まっている場合、偏光変換素子５上に形成されるアーク像２６を小さくし、かつ、偏光変換素子５の通過率を上げるためには、上記の距離Ｂを小さくする必要がある。

しかしながら、前述したように、第２アレイレンズ４と仮想集光レンズ６２とは、第１アレイレンズ３と映像表示素子１８とが、互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されており、そのため、第１アレイレンズ３で複数に分割された光束は、第２アレイレンズ４と仮想集光レンズ６２によって、液晶表示素子１８上に重畳して投影される。この第１アレイレンズ３によって複数に分割された各セルの大きさに対する、液晶表示素子１８上に重畳される光束の大きさの倍率γは、仮想集光レンズ６２と液晶表示素子１８との間の距離Ｃを用いて、近似的に以下の式（数３）で表すことができる。

γ＝Ｃ／Ｂ … （数３）
つまり、液晶表示素子１８上に重畳して投影される光束の大きさは、上記（数２）から明らかなように、距離Ｂに反比例し、他方、距離Ｃに比例する。

そこで、上記に述べた事情を鑑みて、複数の集光レンズを組み合わせたインテグレータ方式を用いた投射型液晶表示装置において、その高輝度化を考えた場合の概略構成を、図２（ｂ）に示す。

即ち、ここでは、偏光変換素子５の通過率を上げるために、距離Ｂをできる限り小さくする必要があるが、しかしながら、当該Ｂの最小値Ｂｍｉｎの値は、上記（数２）によって決まる。つまり、液晶表示素子１８での光利用効率を一定に保つためには、上記（数２）の倍率γを一定に保つ必要があり、そのため、Ｂを小さくした分、Ｃについても、その値を小さくする必要がある。

しかしながら、既述したように、Ｃが最も小さくなるのは、第１集光レンズ６１の曲率が「０」、つまり第１集光レンズが平板もしくは第１集光レンズが存在しないときであり、その場合、仮想集光レンズ６２は、第２集光レンズ６１とほぼ同一となる。また、第２集光レンズ６１の位置は、他の部材との制約によって一意的に決まることから、第２集光レンズ６１から液晶表示素子１８までの距離Ｃは、その最小値、Ｃｍｉｎとなる。つまり、以下の式（数４）が成り立つ。
γ＝Ｃ／Ｂ＝Ｃｍｉｎ／Ｂｍｉｎ … （数４）

即ち、上述した場合に、液晶表示素子１８での光利用効率を一定に保ちつつ、かつ、偏光変換素子５の通過率が最も高い状態となる。しかしながら、第１集光レンズ６０の曲率が「０」となるため、第１集光レンズ６０の外周部に入射する光の一部（図２（ｂ）のＬ６０）は、照明光学系の外部に発散してしまい、光を損失してしまう問題が発生する。一方、発散光を捕獲するため、第１集光レンズ６０の曲率を「０」より大きくすると、仮想集光レンズ６２と液晶表示素子１８との間の距離Ｃが、上記の最小値Ｃｍｉｎよりも大きくなってしまい、そのため、倍率γを一定に保つためには、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４の間の距離Ｂを更に大きくする必要がある。すると、偏光変換素子５での通過率が下がり、光利用効率が低下してしまう。

本発明は、上述したように、本発明者により検討された上記の事情に鑑みてなされたものであり、本発明になる一実施形態である投射型液晶表示装置を、特に、その光学系の概略構成を、添付の図４に示す。

この図4において、ランプ１から出射した光は、例えば、回転放物面形状のリフレクタ２により反射されて照明光軸１００にほぼ平行となり、偏光変換インテグレータに入射する。なお、この偏光変換インテグレータは、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４とから構成された、均一照明を行うためのオプチカルインテグレータと、偏光方向を所定偏光方向に揃えるための偏光変換素子５とで構成されている。

第１アレイレンズ３は、照明光軸方向から見て、液晶表示素子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クス（２次元）状に配設されて構成されたものであり、光源から入射した光を、当該複数のレンズセルで複数の光に分割し、もって、光が効率よく第２アレイレンズ４と偏光変換素子５を通過するように導く働きをする。即ち、第１アレイレンズ３は、ランプ１と第２アレイレンズ４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。

一方、上記の第１アレイレンズ３と同様、照明光軸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アレイレンズ４は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第１アレイレンズ３のレンズセルの形状を、液晶表示素子１８（１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ）上に投影（写像）する。

この時、偏光変換素子５の働きにより、上記第２アレイレンズ４から出射した光は、所定の偏光方向に揃えられ、そして、第１アレイレンズ３の各レンズセルの投影像は、それぞれ、ロッドレンズ６、集光レンズ６３(６３Ｂ、６３Ｇ)、コンデンサレンズ１３（１３Ｂ、１３Ｇ）、第１リレーレンズ１５、第２リレーレンズ１６、及び、第３リレーレンズ１７により、各液晶表示素子１８（１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ）上に重ね合わせられる。

ここで、上記のロッドレンズ６は、偏光変換素子５の外周部を通過した光束の内、照明光学系において、その外部に発散する光をその内部に戻す役割を果たしている。なお、第２アレイレンズ４と集光レンズ６３(６３Ｂ、６３Ｇ)とは、上記第１アレイレンズ３の各レンズセルと液晶表示素子１８（１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ）とが、光学的に共役な関係になるように設計されている。従って、第１アレイレンズ３で複数に分割された光束は、第２アレイレンズ４と集光レンズ６３(６３Ｂ、６３Ｇ)とによって、液晶表示素子１８（１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ）上に重畳して投影され、もって、実用上問題のないレベルでの均一性の高い照度分布の照明を可能とする。

即ち、以上述べた構成によれば、第１アレイレンズ３、第２アレイレンズ４、及び、偏光変換素子５とで構成された偏光変換インテグレータは、偏光方向がランダムな光源からの光を所定偏光方向に揃えながら、液晶表示素子を均一に照明することができる。

なお、その過程において、ダイクロイックミラー１１により、例えば、Ｂ光（青色帯域の光）は反射され、他方、Ｇ光（緑色帯域の光）とＲ光（赤色帯域の光）とは透過され、もって、２色の光に分離される。そして、分離されたＧ光とＲ光とは、更に、ダイクロイックミラー１２により、Ｇ光とＲ光とに分離される。例えば、Ｇ光はダイクロイックミラー１２で反射され、他方、Ｒ光はダイクロイックミラー１２を透過して３色の光に分離される。なお、この光の分離の方法としては種々考えられ、上記の例に代えて、例えば、ダイクロイックミラー１１でＲ光を反射させ、Ｇ光及びＢ光を透過させてもよいし、又は、Ｇ光を反射させ、Ｒ光及びＢ光を透過させてもよい。

その後、上記ダイクロイックミラー１１を反射したＢ光は、反射ミラー１０で反射し、コンデンサレンズ１３Ｂを通してＢ光用の液晶表示素子１８Ｂを透過して、光合成プリズム２１に入射する。一方、ダイクロイックミラー１１を透過したＧ光及びＲ光の内、一方のＧ光は、ダイクロイックミラー１２を反射して、コンデンサレンズ１３Ｇを通してＧ光用液晶表示素子１８Ｇに入射し、この液晶表示素子１８Ｇを透過した後、光合成プリズム２１に入射する。また、他方のＲ光は、ダイクロイックミラー１２を透過し、第１リレーレンズ１５で集光され、反射ミラー８で反射された後、更に、第２リレーレンズ１６で集光され、そして、反射ミラー９で反射された後、第３リレーレンズ１７で更に集光され、Ｒ光用の液晶表示素子１８Ｒに入射する。そして、この液晶表示素子１８Ｒを透過したＲ光は、光合成プリズム２１に入射する。

以上のように、各液晶表示素子を透過したＢ光、Ｇ光、Ｒ光は、次に、光合成プリズム２１によってカラー映像として合成され、その後、例えば、ズームレンズであるような投射レンズ２２を通過し、スクリーン７上に到達する。換言すれば、液晶表示素子１８（１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ）上で光強度変調によって形成された光学像は、投射レンズ２２によりスクリーン７上に拡大投影され、もって、表示装置として機能を達成する。なお、上記に示した例では、第１の光路（Ｂ光用）と第２の光路（Ｇ光用）には、リレーレンズを使用していないが、第３の光路（Ｒ光用）には、Ｂ光とＧ光の光路長を等しくするため、リレーレンズが設けられている。

続いて、上記の構成になる本実施の形態、映像表示装における動作、即ち、光の利用効率が向上する理由について、以下、図１を用いて説明する。なお、ここでも、説明を容易とするために、課題の項と同様に、照明光軸をＺ軸とする直交座標を導入する。すなわち、Ｚ軸に直交する面内で、液晶表示素子の矩形照射有効領域の長辺に平行な方向の軸をＸ軸とし、矩形有効表示領域の短辺に平行な方向の軸をＹ軸とする。

図１は、上記図４から、本実施形態に係わるランプから液晶表示素子までの要部を抜き出してその構成を示した図であり、特に、図１（ａ）Ｘ軸方向から見た照明光軸を含むＹＺ断面図であり、図１（ｂ）はロッドレンズをＺ軸方向から見た図、そして、図１（ｃ）はロッドレンズをＸ軸方向から見た図である。

本実施の形態では、前述したように、液晶表示素子１８での光利用効率を一定に保ったまま、同時に、偏光変換素子５の光の通過率を改善するために、第１アレイレンズ３、第２アレイレンズ４間の距離Ｂは、最小値Ｂｍｉｎとなるように配置されており、また、集光レンズ６３は、他の部材との配置における制約を満たすため、最も液晶表示素子１８寄りの位置に配置されている。

また、本実施の形態では、偏光変換素子５の直後には、外周部の光の発散光を照明光学系内に戻すための、ロッドレンズ６が存在している。このロッドレンズ６は、外周部の光の発散光を反射するために、数層のロッドレンズにより構成されている。具体的には、ロッドレンズ６は、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、外周側のロッドレンズ素子６_１と、中央部側のロッドレンズ素子６_２とを含んでおり、発散光をより多く取り込むために、各ロッドレンズ素子の端部には、所謂、テーパー部が形成されている。

上述した構成のロッドレンズ６で反射した光は、集光レンズ６３により集光され、液晶表示素子１８に到達する。なおこのとき、上記偏光変換素子５において、その中央部付近の偏向変換部を通過した光束の発散光Ｌ６０１は、図１（ｃ）に示すように、集光レンズ６３により捕獲できるため、ロッドレンズ６により反射する必要は無い。

なお、上記の図に示した例では、ロッドレンズ６により、特に、外周部より２層の光（アーク像２６の２層分）を反射する構成を示したが、しかしながら、２層だけでは十分に捕獲（反射）できない場合には、２層以上の光を反射するよう、ロッドレンズ６のテーパー部で反射される層を増やせばよい。具体的には、例えば、３層で反射させる場合は、ロッドレンズ６Ａ（図示せず）は、最外周側のロッドレンズ素子６_１Ａと、ロッドレンズ素子６_１Ａの１層内周側のロッドレンズ素子６_２Ａと、中央部側のロッドレンズ素子６_３Ａとで構成すればよい。なお、ここでの添え字「Ａ」は、変形例を示す符号を意味する。以上のように、本発明の実施形態によれば、液晶表示素子での光利用効率を低下させることなく、偏光変換素子の光利用効率を改善することにより、従来よりも光利用効率の高い投射型映像表示装置の提供が可能となる。

なお、上記では、光利用効率の高い映像表示装置の提供する手法について、光線図を用いて概念的に説明したが、更に、ここでは、上記の実施の形態において、光利用効率を高めることを可能とするための、アレイレンズ、集光レンズの位置、曲率、ロッドレンズの層数を決定する実施例について、やはり上記の図１を用いて以下に説明する。

まず、図１において、照明光学系の成立条件を求める。第１アレイレンズ３、第２アレイレンズ４の間の距離をＢｍｉｎ、集光レンズ６３から液晶表示素子１８までの距離をＣｍｉｎ、第１アレイレンズ３の各セルのＹ軸方向の長さをｄ、液晶表示素子１８のＹ軸方向の長さをＤとする。前述したように、第１アレイレンズ３の各セルを通過する光束が、第２アレイレンズ４および集光レンズ６により、液晶表示素子１８上に拡大投影されるため、以下の式（数５）が成り立つ。
Ｄ／ｄ ＝Ｃｍｉｎ／Ｂｍｉｎ … （数５）
このとき、液晶表示素子上での光利用効率は十分高いものとする。

以上の関係を踏まえ、まず、第１アレイレンズ３、第２アレイレンズ４の焦点距離及び間隔を求める。そのため、まず、第１アレイレンズ３の焦点距離をＦ_１、第２アレイレンズ４の焦点距離をＦ_２、集光レンズ６３の焦点距離をＦ_３、第１アレイレンズ３から第２アレイレンズ４の間の距離をＢｍｉｎ、集光レンズ６３から液晶表示素子１８までの距離をＣｍｉｎ、第１アレイレンズ３の各セルのＹ軸方向の長さをｄ、そして、液晶表示素子１８のＹ軸方向の長さをＤとする。

まず、集光レンズ６３の位置は、他の部材との制約条件から、ほぼ一意的に決まる。つまり、集光レンズ６３から液晶表示素子１８までの距離Ｃｍｉｎが一意的に決まるため、上記（数４）より、第１アレイレンズ３から第２アレイレンズ４の間の距離Ｂｍｉｎが求まる。

また、第１アレイレンズ３に入射した平行光が第２アレイレンズ４上で集光するため、第１アレイレンズ３の焦点距離Ｆ_１は、以下の式（数６）として示される。
Ｆ_１ = Ｂｍｉｎ …（数６）

また、第２アレイレンズ４によって、上記第１アレイレンズ３で発散した光を平行に戻すため、当該第２アレイレンズ４の焦点距離Ｆ_２は、以下の式（数７）として示される。
Ｆ_２ = Ｂｍｉｎ …（数７）

以上より、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４の位置、及び、その焦点距離が求められる。

次に、集光レンズ６３の焦点距離を求める。焦光レンズ６３により、第１アレイレンズの各レンズセルを通過した光束が、液晶表示素子１８上に重畳する条件より、以下の式（数８）が成り立つ。
Ｃｍｉｎ ＝Ｆ_３ …（数８）
以上より、集光レンズ６３の焦点距離が求まる。

最後に、ロッドレンズの層数を求める。即ち、図１（ｃ）にも示すように、偏光変換素子５近傍に結像したアーク像からの光の発散角をθ、偏光変換素子５から集光レンズ６３の間の距離をＧ、アーク像の位置から集光レンズ６３の外形までのＹ軸方向の位置（距離）をＷとする。そして、上記発散角θが以下の式（数９）の関係を満たすとき、集光レンズにより、発散光を捕獲することができる。

tanθ＜Ｗ／Ｇ …（数９）

従って、上記式（数９）を満たさない発散光に関してのみ、ロッドレンズの層（反射面）を設定すれば良い。

本発明の一実施の形態になる投射型液晶表示装置において、そのランプから液晶表示素子までの照明光学系の概略構成を示す図である。 一般の投射型液晶表示装置におけるランプから液晶表示素子までの照明光学系の概略を示す図である。 上記投射型液晶表示装置における偏光変換インテグレータの要部構成を示す拡大図である。 本発明による一実施形態に係わる投射型液晶表示装置全体の光学系の概略構成を示す図である。 偏光変換素子上でのアーク像について説明するための図である。

符号の説明

１…ランプ
２…リフレクタ
３…第１アレイレンズ
４…第２アレイレンズ
５…偏光変換素子
６…ロッドレンズ
７…スクリーン
８…反射ミラー
９…反射ミラー
１０…反射ミラー
１１…ダイクロイックミラー
１２…ダイクロイックミラー
１３…コンデンサレンズ
１５…第１リレーレンズ
１６…第２リレーレンズ
１７…第３リレーレンズ
１８…液晶表示素子
２１…光合成プリズム
２２…投射レンズ
２６…アーク像
５０…偏光変換部
５１…透光性部材
５２…ＰＢＳ膜
５３…反射膜
５４…１／２λ位相差板
５５…開口部
５６…遮光部
６０…第１集光レンズ
６１…第２集光レンズ
６２…仮想集光レンズ
６３…集光レンズ、
１００…照明光軸
Ｓ１００…光軸面
１２５…アーク。

Claims (6)

1. ランプ光源と、
   前記ランプ光源の出射光を反射するリフレクタと、
   映像表示素子と、
   前記光源からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、
   前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと
   を有する投射型映像表示装置において、
   前記照明光学系は、前記光源側から順に、複数のレンズセルがマトリックス状に配設された第１のアレイレンズと、複数のレンズセルが前記第１のアレイレンズのレンズセルにそれぞれ対応してマトリックス状に配設された第２のアレイレンズと、集光レンズとで構成されるオプチカルインテグレータからなり、
   前記第２アレイレンズと集光レンズの間に、前記照明光学系外周部の光の発散光を照明光学系内に戻すための光学素子を設けたことを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 前記請求項１に記載した投射型映像表示装置において、前記光の発散光を照明光学系内に戻すための光学素子としてロッドレンズを用いることを特徴とする投射型映像表示装置。
3. 前記請求項１に記載した投射型映像表示装置において、前記照明光学系は、更に、前記光源側からみて前記第２のアレイレンズの後方に偏光変換素子を備えており、前記光の発散光を照明光学系内に戻すための光学素子は、当該偏光変換素子の後方に配置されていることを特徴とする投射型映像表示装置。
4. 前記請求項１に記載した投射型映像表示装置において、前記ランプ光源はアーク型のランプであり、かつ、前記リフレクタは、当該ランプを背面側から覆うように配置された回転放物面形状の反射面を備えたリフレクタであることを特徴とする投射型映像表示装置。
5. 前記請求項２又は４に記載した投射型映像表示装置において、前記ロッドレンズは、それぞれ端部にテーパー部が形成された複数のロッドレンズから構成されていることを特徴とする投射型映像表示装置。
6. 前記請求項５に記載した投射型映像表示装置において、前記ロッドレンズは、前記偏光変換素子の近傍に結像したアーク像からの光の発散角をθ、前記偏光変換素子から前記集光レンズまでの間の光軸方向の距離をＧ、アーク像の位置から前記集光レンズの外形までの前記光軸方向に垂直な方向の距離をＷとしたとき、以下の式の関係を満たすことを特徴とする投射型映像表示装置。

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