JP2008241768A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造の簡素化、小型化、低価格化が実現でき、スクリーンに投射される映像の照度むらを小さくすることができる投射型表示装置を提供する。
【解決手段】投射型表示装置１は、光源系３から出射された光を集光するレンズ手段４と、集光された光の強度分布を均一化して出力する柱状光学素子５と、均一化された光が照射される反射型ライトバルブ２と、ここに表示された画像を拡大投射する投射光学系７とを備え、レンズ手段４は、柱状光学素子５の光軸Ｃに直交する断面の長手方向に並べて配置された第１の集光レンズ４Ｌと第２の集光レンズ４Ｒを有し、第１の集光レンズ４Ｌと第２の集光レンズ４Ｒは同じ曲率半径を持ち、柱状光学素子５の光軸Ｃを中心にして対称に配置され、第１の集光レンズ４Ｌの偏芯位置は光軸Ｃよりも第２の集光レンズ４Ｒ側であり、第２の集光レンズ４Ｒの偏芯位置は光軸Ｃよりも第１の集光レンズ４Ｌ側である。
【選択図】図１

Description

本発明は、柱状光学素子を介してライトバルブに光を照射する光学系を備えた投射型表示装置に関するものである。

従来の投射型表示装置においては、光源からの光を柱状光学素子を通過させることによって強度均一化してから、ライトバルブに照射することによって、投射レンズによってスクリーンに投射される映像の照度むらを小さくしている。この場合、柱状光学素子の長さを長くし、柱状光学素子の断面を小さくすれば、強度均一化の度合いを上げることができる。しかし、柱状光学素子の長さを長くすると、投射型表示装置のサイズが大きくなってしまう。また、柱状光学素子の断面を小さくすると、小断面の光束を拡大するための光学系による照度むらが生じやすくなる。

このため、複数の小断面のロッド部材を並べて大断面のロッド集合体とし、且つ、この大断面のロッド集合体の光軸方向に他の大断面のロッド部材を接続した柱状光学素子の提案がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１４０８３７号公報（段落００２１〜００２４、図４）

しかしながら、特許文献１に記載の柱状光学素子を用いた場合には、小断面のロッド部材同士の接触部に入射する光が、ロッド部材の内部に入り込まず、その結果、柱状光学素子から出射される光量が減少し、投射映像の明るさが低下するという問題がある。

また、特許文献１に記載の柱状光学素子は構造が複雑であるため、この柱状光学素子を用いた装置の製造コストが高くなるという問題がある。

さらに、特許文献１に記載の柱状光学素子は、複数の小断面のロッド部材からなる部分と、中断面のロッド部材からなる部分と、大断面の部材とを、光軸方向に並べた構造を有しているので、柱状光学素子全体の長さが長くなり、装置の大型化を招くという問題がある。

そこで、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、構造の簡素化、小型化、低価格化が実現でき、スクリーンに投射される映像の照度むらを小さくすることができる投射型表示装置を提供することにある。

本発明の投射型表示装置は、光を出射する光源系と、前記光を集光するレンズ手段と、
集光された前記光の強度分布を均一化して出力する柱状光学素子と、画像が表示され、該表示された画像に、均一化された前記光が照射されるライトバルブと、前記ライトバルブに表示された画像を拡大投射する投射光学系とを備え、前記レンズ手段は、前記柱状光学素子の光軸に直交する断面の長手方向に並べて配置された第１の集光レンズと第２の集光レンズを有し、前記第１の集光レンズと前記第２の集光レンズは、同じ曲率半径を持ち、前記柱状光学素子の光軸を中心にして対称に配置され、前記第１の集光レンズの偏芯位置は、前記光軸よりも前記第２の集光レンズ側であり、前記第２の集光レンズの偏芯位置は、前記光軸よりも前記第１の集光レンズ側であることを特徴としている。

本発明によれば、第１の集光レンズと第２の集光レンズを有するレンズ手段を用いることによって、柱状光学素子による強度均一化の効率を向上させているので、簡素、小型、且つ低価格な構造によって、投射映像の照度むらを小さくすることができるという効果がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る投射型表示装置１の光学系の構成を概略的に示す図である。なお、図において、ｚ軸は、光軸Ｃに一致しており、ｘ軸は、ｚ軸に直交し、ｙ軸は、ｘ軸及びｚ軸に直交する。図１に示されるように、実施の形態１に係る投射型表示装置１は、光を出射する光源系３と、光源系３からの光を集光するレンズ手段４と、集光された光の強度分布を均一化して出力する柱状光学素子（「ロッドインテグレータ」又は「光強度均一化素子」とも言う。）５と、リレーレンズ６と、入力映像情報に応じた画像が表示され、該表示された画像に、柱状光学素子５から出射されリレーレンズ６によって導かれた光が照射されるライトバルブ２と、ライトバルブ２に表示された画像を拡大投射する投射光学系７とを有している。また、投射型表示装置１が背面投射型表示装置（リアプロジェクションテレビ）である場合には、投射型表示装置１は、投射光学系７の後段（すなわち、光の進行方向の下流側）に図示しないスクリーンを備えている。

ライトバルブ２は、反射型ライトバルブであり、実施の形態１ではＤＭＤ（ディジタル・マイクロミラー・デバイス）素子が用いられる。ただし、ライトバルブ２として液晶素子等の他の種類のライトバルブを用いてもよい。また、本発明は、透過型ライトバルブを用いた投射型表示装置にも適用できる。

光源系３は、光源３ａと、光源３ａで発生した光をライトバルブ２側に向かうように反射させる反射鏡３ｂとを主要な構成としている。光源３ａとしては、通常、高圧水銀ランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプが用いられるが、例えば、ＬＥＤ、レーザ、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）のような他の発光デバイスを用いてもよい。反射鏡３ｂは、例えば、楕円面鏡又は放物面鏡であるが、他の形状及び構造の凹面鏡であってもよい。反射鏡３ｂとして放物面鏡以外の反射鏡を用いた場合には、光源系３の後段に凹レンズを配置することによってレンズ手段４に入射する光を光軸Ｃと略平行にすることができる。

レンズ手段４は、柱状光学素子５の光軸Ｃに直交する断面の長手方向（すなわち、ｘ方向）に並べて配置された第１の集光レンズ４Ｌと第２の集光レンズ４Ｒを有している。第１の集光レンズ４Ｌと第２の集光レンズ４Ｒは、同じ曲率半径を持ち、柱状光学素子５の光軸Ｃを中心にして対称に偏芯するように配置されている。また、実施の形態１においては、光源系３から出射された光を柱状光学素子５の入射端５ａ側の２点に集光するように形成されている。図１においては、レンズ手段４は、集光レンズ２枚の構成になっているが、３枚以上の集光レンズで構成してもよい。ただし、実施の形態１においては、柱状光学素子５の長方形の入射端５ａの長手方向（図１におけるｘ方向）にのみ集光レンズ枚数を増やす構成を説明する。また、実施の形態１においては、レンズ手段４を構成する集光レンズを偏芯させることにより、柱状光学素子５の入射端５ａ側の集光位置をずらしている。

柱状光学素子５は、レンズ手段４を通過した光の光断面内（すなわち、光軸Ｃ上を進む中心光に直交する平面内）における強度分布を均一化する（すなわち、照度むらを低減する）機能を有する。柱状光学素子５としては、一般的に、ガラス又は樹脂等の透明材料で作られ、側壁内側が全反射面となるように構成された、例えば、四角柱状のロッド（すなわち、断面形状が四辺形の中実の柱状部材）、又は、光反射面を内側にして筒状に組み合わされ、断面形状が四辺形のパイプ（管状部材）、すなわち、空洞内面反射鏡がある。柱状光学素子５が四角柱状ロッドである場合には、透明材料と空気界面との全反射作用を利用して光を複数回反射させた後に出射端５ｂ（出射口）から出射させる。柱状光学素子５が四辺形のパイプである場合には、内側を向く表面鏡の反射作用を利用して光を複数回反射させた後に、出射口から出射させる。柱状光学素子５は、光の進行方向に適当な長さを確保すれば、内側で複数回反射した光が柱状光学素子５の出射端５ｂの近傍に重畳照射され、柱状光学素子５の出射端５ｂ近傍においては、略均一な強度分布が得られる。この略均一な強度分布を有する出射端５ｂからの光を、リレーレンズ６によって反射型ライトバルブ２へと導く。なお、実施の形態１においては、柱状光学素子５の入射端５ａ、出射端５ｂ、及び光軸Ｃに直交する断面の形状がほぼ長方形である場合を説明しているが、本発明は、断面形状が長方形ではない柱状光学素子にも適用可能である。

反射型ライトバルブ２は、例えば、ディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）（登録商標）である。ＤＭＤは、各画素に対応する可動式のマイクロミラーを多数（例えば、数十万個）平面的に配列した構成を有し、入力される画素情報に応じて各マイクロミラーの傾斜を変化させるように構成されている。マイクロミラーの配列された面（すなわち、マイクロミラーが形成された基板の表面）を基準面とすると、反射型ライトバルブ２は、各マイクロミラーを基準面に対して一定の方向に角度α（例えば、１２度）だけ傾けることにより、入射光を投射光学系７に向けて反射し、投射光学系７に入射した光はスクリーン（図示せず）上の画像投射に利用される。また、反射型ライトバルブ２は、マイクロミラーを基準面に対して反対方向に角度αだけ傾けることにより、入射光を投射光学系７から離れた位置に設けられた光吸収板（図示せず）に向けて反射し、光吸収板に入射した光はスクリーン（図示せず）上の画像投射に利用されない。

図２は、比較例の投射型表示装置の照明光学系の構成を概略的に示す図である。図２において、図１に示される構成と同一又は対応する構成には、同じ符号を付す。図２に示されるように、比較例の投射型表示装置は、レンズ手段４０が、１枚の集光レンズによって構成されている。比較例の投射型表示装置においては、光源系３から出射された光２０ａは、レンズ手段４０によって柱状光学素子５の入射端５ａ側に集光する。集光点は光軸Ｃ上の１点となり、入射端５ａの表面上、又は、入射端５ａの表面よりもレンズ手段４０側、又は、入射端５ａの表面よりも出射端５ｂ側にある。柱状光学素子５にて均一化された光２０ａは、リレーレンズ６により反射型ライトバルブ２に導かれる。

図３は、実施の形態１に係る投射型表示装置の照明光学系の構成を示す図である。図３において、図１に示される構成と同一又は対応する構成には、同じ符号を付す。図３に示される投射型表示装置は、レンズ手段４が、第１の集光レンズ４Ｌと第２の集光レンズ４Ｒとから構成されている点が、図２に示される比較例の構成と相違する。図３においては、光源系３から出射された光２０ｂは、レンズ手段４の第１の集光レンズ４Ｌと第２の集光レンズ４Ｒによって柱状光学素子５の入射端５ａ側に集光する。集光点は光軸Ｃから外れた２点となり、入射端５ａの表面上、又は、入射端５ａの表面よりもレンズ手段４側、又は、入射端５ａの表面よりも出射端５ｂ側にある。柱状光学素子５にて均一化された光２０ｂは、リレーレンズ６により反射型ライトバルブ２に導かれる。

図４は、図２に示される比較例のレンズ手段４０に略平行の光２０ａが入射した場合の光線の軌跡の一例を示す図である。図４において、柱状光学素子５の位置は、入射端５ａにレンズ手段４０から出射された光が最も多く取り込まれる位置とする。また、図５及び図６においても、図４の場合と同じ位置に柱状光学素子５が配置される。レンズ手段４０から出射された光が最も多く取り込まれる位置に柱状光学素子５を配置した場合、レンズ手段４０の焦点位置は、入射端５ａより出射端５ｂ側となっている。

図５は、図３に示される実施の形態１におけるレンズ手段４に略平行の光２０ｂが入射した場合の光線の軌跡の好ましい例を示す図である。レンズ手段４は、第１の集光レンズ４Ｌと第２の集光レンズ４Ｒから構成されている。図３においては、第１の集光レンズ４Ｌは、ｘ軸のマイナス側に配置されており、第１の集光レンズ４Ｌの偏芯位置は、ｘ軸のプラス側にある。第２の集光レンズ４Ｒは、ｘ軸のプラス側に配置されており、第２の集光レンズ４Ｒの偏芯位置は、ｘ軸のマイナス側にある。

図６は、比較例のレンズ手段４１に略平行の光２０ｃが入射した場合の光線の軌跡の一例を示す図である。レンズ手段４１は、第１の集光レンズ４１Ｌと第２の集光レンズ４１Ｒから構成されている。第１の集光レンズ４Ｌは、ｘ軸のマイナス側に配置されており、第１の集光レンズ４Ｌの偏芯位置は、ｘ軸のマイナス側にある。第２の集光レンズ４Ｒは、ｘ軸のプラス側に配置されており、第２の集光レンズ４Ｒの偏芯位置は、ｘ軸のプラス側にある。図６のレンズ手段４１は、後述する図１２（ａ）の形状に相当する。

比較例を示す図４においては、光２０ａの軌跡は、柱状光学素子５内において、ｘ軸のマイナス側及びプラス側に均等に反射していることが確認できる。ここで、柱状光学素子５内の光の反射回数が多いほど出射端５ｂから出射される光の光強度の均一性は良くなる。

実施の形態１を示す図５においては、最初に反射される光２０ｂの位置が、光２０ａと比較して、入射端５ａに近い位置であることが確認できる。したがって、光２０ｂの柱状光学素子５内での反射回数は、図４に示される光２０ａの場合よりも多くなる。

比較例を示す図６においては、最初に反射される光２０ｃの位置が、図４に示される光２０ａと比較して、出射端５ｂに近い位置であることが確認できる。したがって、光２０ｃの柱状光学素子５内での反射回数は、光２０ａの場合よりも少なくなる。したがって、図６の場合は、最も出射端５ｂ上の光強度の均一性が悪くなる。

図７（ａ）〜（ｃ）は、比較例及び実施の形態１の投射型表示装置における照度分布の一例を示す図である。図７（ａ）は、比較例を示す図４のｘｙ平面に平行な断面５ｃ上のシミュレーションによる照度分布を示す。図７（ｂ）は、実施の形態１を示す図５のｘｙ平面に平行な断面５ｃ上のシミュレーションによる照度分布を示す。図７（ｃ）は、比較例を示す図６のｘｙ平面に平行な断面５ｃ上のシミュレーションによる照度分布を示す。また、図７（ａ）〜（ｃ）の照度分布は、２５６階調のグレースケールにて表示している。なお、柱状光学素子５の作用を説明するために、柱状光学素子５の出射光（強度均一化後）ではなく、光強度の均一化の途中の位置における断面５ｃの照度分布をシミュレーションしているのは、レンズ手段が異なる場合における柱状光学素子５の作用の差異が顕著に観測できる位置だからである。

比較例を示す図７（ａ）より、光軸Ｃ付近（中心付近）において光強度の均一性が良くなっていることが確認できる。また、比較例を示す図７（ｃ）においても、図７（ａ）の場合と同様に、光軸Ｃ付近（中心付近）において光強度の均一性が良くなっていることが確認できる。ただし、図７（ｃ）の場合の、光強度の均一性は、図７（ａ）の場合よりも幾分悪いことがわかる。実施の形態１を示す図７（ｂ）の場合は、ｘ軸のマイナス側及びプラス側においても均一性がよくなることが確認できる。したがって、図７（ｂ）の場合は、偏芯位置を変化させることにより、図７（ａ）及び（ｃ）に示す比較例の場合と比較して、均一性をより向上させることが可能となる。

図７（ｂ）より、ｙ方向の照度分布がｘ軸に対して均等のため、レンズ手段４が第１の集光レンズ４Ｌと第２の集光レンズ４Ｒで構成される場合、ｙ方向に偏芯していない方が好ましい。

図８及び図９は、シミュレーションを行うための設計レイアウトを示す図である。シミュレーションにおいては、レンズ手段４に略平行光が入射するとする。図８において、レンズ手段４の屈折率は、１．５１７、アッベ数は６４．１６７、レンズ手段４の有効径は５４．０ｍｍ、光源側の凸面７０の曲率半径は５１．５ｍｍ、柱状光学素子５側の凸面７１の曲率半径は９７．０ｍｍ、レンズ手段４の厚みｄ_１は１６．１６ｍｍ、レンズ手段４と柱状光学素子５の距離ｄ_２は４９．４１ｍｍ、柱状光学素子５の長さｄ_３を１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍ、３５ｍｍと変化させた。図９に示される柱状光学素子５の断面において、ｘ方向の長さｄ_４を６．０ｍｍ、ｙ方向の長さｄ_５を３．０ｍｍとする。

シミュレーションにおいて、レンズ手段４の第１の集光レンズ４Ｌ及び第２の集光レンズ４Ｒの偏芯位置（ｘ，ｙ）は、柱状光学素子５の長さｄ_３のそれぞれについて、以下のようにした。
〈ｄ_３＝１０ｍｍの場合〉
ｘ軸のプラス側に位置する第２の集光レンズ４Ｒの偏芯位置は、
（ｘ，ｙ）＝（−０．４５ｍｍ，０ｍｍ）とし、
ｘ軸のマイナス側に位置する第１の集光レンズ４Ｌの偏芯位置は、
（ｘ，ｙ）＝（０．４５ｍｍ，０ｍｍ）とする。
〈ｄ_３＝１５ｍｍの場合〉
ｘ軸のプラス側に位置する第２の集光レンズ４Ｒの偏芯位置は、
（ｘ，ｙ）＝（−０．２５ｍｍ，０ｍｍ）とし、
ｘ軸のマイナス側に位置する第１の集光レンズ４Ｌの偏芯位置は、
（ｘ，ｙ）＝（０．２５ｍｍ，０ｍｍ）とする。
〈ｄ_３＝２０ｍｍの場合〉
ｘ軸のプラス側に位置する第２の集光レンズ４Ｒの偏芯位置は、
（ｘ，ｙ）＝（−０．１０ｍｍ，０ｍｍ）とし、
ｘ軸のマイナス側に位置する第１の集光レンズ４Ｌの偏芯位置は、
（ｘ，ｙ）＝（０．１０ｍｍ，０ｍｍ）とする。
〈ｄ_３＝２５ｍｍの場合〉
ｘ軸のプラス側に位置する第２の集光レンズ４Ｒの偏芯位置は、
（ｘ，ｙ）＝（−０．０５ｍｍ，０ｍｍ）とし、
ｘ軸のマイナス側に位置する第１の集光レンズ４Ｌの偏芯位置は、
（ｘ，ｙ）＝（０．０５ｍｍ，０ｍｍ）とする。
〈ｄ_３＝３０ｍｍの場合〉
ｘ軸のプラス側に位置する第２の集光レンズ４Ｒの偏芯位置は、
（ｘ，ｙ）＝（−０．２５ｍｍ，０ｍｍ）とし、
ｘ軸のマイナス側に位置する第１の集光レンズ４Ｌの偏芯位置は、
（ｘ，ｙ）＝（０．２５ｍｍ，０ｍｍ）とする。
〈ｄ_３＝３５ｍｍの場合〉
ｘ軸のプラス側に位置する第２の集光レンズ４Ｒの偏芯位置は、
（ｘ，ｙ）＝（−０．２５ｍｍ，０ｍｍ）とし、
ｘ軸のマイナス側に位置する第１の集光レンズ４Ｌの偏芯位置は、
（ｘ，ｙ）＝（０．２５ｍｍ，０ｍｍ）とする。

ここで、光軸Ｃの座標は、（ｘ，ｙ）＝（０，０）である。また、レンズ手段４が２つの集光レンズを接合した構造を有する場合の凸面７０及び凸面７１の曲率半径は、レンズ手段を１つの集光レンズで構成した比較例の曲率半径と等しくした。

図１０及び図１１は、実施の形態１に係る投射型表示装置の効果を説明するための図である。図１０及び図１１は、図８及び図９の設計において、出射端５ｂのｘ方向を６０分割、ｙ方向を３０分割した計１８００点の光強度分布のシミュレーションを行った結果の一例を示す。図１０において、縦軸は１８００点の中で光強度が最小である点の光強度（最小光強度）をＭＩＮとし、光強度が最大である点の光強度（最大光強度）をＭＡＸとした場合の、ＭＩＮ／ＭＡＸの値を割合（単位：％）で表している。図１０において、横軸は、柱状光学素子５の長さｄ_３（単位：ｍｍ）を示している。また、図１１において、縦軸は、１８００点の標準偏差σを平均値Ａｖｅ．で割った値を割合（単位：％）で表している。図１１において、横軸は、柱状光学素子５の長さｄ_３（単位：ｍｍ）を示している。図１０は、ＭＩＮ／ＭＡＸの値から均一性の悪い特異点の存在有無を確認することができ、図１１からは、出射端５ｂの光強度の均一性を確認することができる。図１０及び図１１から、柱状光学素子５の出射端５ｂの光強度の均一性を検証すると、以下のようになる。

図１０の曲線６０は、比較例の投射型表示装置の場合を示し、曲線６１は、実施の形態１の投射型表示装置の場合を示す。図１０において、プロットは、シミュレーションを行った点を示している。ここで、比較例の投射型表示装置とはレンズ手段の焦点が１つのレンズである場合であり、図２及び図４に示す場合である。また、均一性の指標は、曲線６０が概ね安定している６７．０％以上とする。比較例を示す曲線６０の場合、柱状光学素子５の長さｄ_３が概ね２５．０ｍｍ以上で出射端５ｂの照度分布は均一であるといえる。これに対し、実施の形態１を示す曲線６１の場合、柱状光学素子５の長さｄ_３が概ね１５．０ｍｍ以上で出射端５ｂの照度分布は均一であるといえる。

図１１の曲線６２は、比較例の投射型表示装置の場合を示し、曲線６３は、実施の形態１の投射型表示装置の場合（図３の場合）を示す。図１１において、プロットは、シミュレーションを行った点を示している。均一性の指標は、曲線６２が概ね安定している６．０％以下とする。比較例を示す曲線６２の場合、柱状光学素子５のｚ方向の長さが概ね２０．０ｍｍ以上で出射端５ｂの照度分布は均一であるといえる。これに対し、実施の形態１を示す曲線６３の場合、柱状光学素子５のｚ方向の長さが概ね１５．０ｍｍ以上で出射端５ｂの照度分布は均一であるといえる。

図１０において、均一性の指標は、ＭＩＮ／ＭＡＸが６７．０％以上、かつ、図１１において、σ／Ａｖｅ．が６．０％以下である。したがって、比較例の投射型表示装置の場合、柱状光学素子５の長さｄ_３が概ね２５．０ｍｍ以上にて出射端５ｂの照度分布は均一であるといえる。また、実施の形態１の場合、柱状光学素子５の長さｄ_３が概ね１５．０ｍｍ以上にて出射端５ｂの照度分布は均一であるといえる。図１０及び図１１の場合、実施の形態１の構成を採用することにより、柱状光学素子５の長さｄ_３を、比較例の場合に比べて、約１０．０ｍｍ短くすることが可能となる。

以上の結果から、レンズ手段４が、柱状光学素子５の光軸Ｃに直交する断面の長手方向に並べて配置された第１の集光レンズ４Ｌと第２の集光レンズ４Ｒを有し、第１の集光レンズ４Ｌと第２の集光レンズ４Ｒが、同じ曲率半径を持ち、柱状光学素子５の光軸Ｃを中心にして対称に配置され、第１の集光レンズ４Ｌの偏芯位置が、光軸Ｃよりも第２の集光レンズ４Ｒ側であり、第２の集光レンズ４Ｒの偏芯位置が、光軸Ｃよりも第１の集光レンズ４Ｌ側であるように構成することによって、柱状光学素子５の出射端５ｂの均一性を良くすることができ、柱状光学素子５の長さを短くすることが可能になることがわかる。

図１２（ａ）及び（ｂ）は、比較例及び実施の形態１のレンズ手段を示す図である。図１２（ａ）は、実施の形態１と異なる方向に偏芯させた比較例のレンズ手段４１を示す。図１２（ｂ）は、実施の形態１のレンズ手段４を示す。図１２（ａ）及び（ｂ）において、点７４、点７５、点７２、及び点７３は、各集光レンズ４１Ｌ、４１Ｒ、４Ｌ、及び４Ｒの中心位置、すなわち、偏芯位置を示す。分かりやすくするため、ｘ軸のプラス側に位置する集光レンズ４Ｒ（又は４１Ｒ）とｘ軸のマイナス側に位置する集光レンズ４Ｌ（又は４１Ｌ）を接合する以前の分離された状態（２点鎖線で示す円）をも図示している。また、太線で囲まれた領域が接合後のレンズ部分である。ただし、図１２（ａ）及び（ｂ）は、偏芯位置から光軸までの距離を強調して大きく描いているが、実際の偏芯位置は、図１２（ａ）及び（ｂ）に描かれた偏芯位置よりも光軸Ｃに近い位置である。また、レンズ手段４の大きさは、要求される有効径に応じて決められるものであり、図１２（ａ）及び（ｂ）に示されるように、レンズ手段４の大きさが拡大縮小することはない。

次に、図８及び図９に示される例に基づいて、実施の形態１の効果を検討する。図８において、レンズ手段４の屈折率は、１．５１７、アッベ数は６４．１６７、レンズ手段４の有効径は５４．０ｍｍ、レンズ手段４の凸面７０の曲率半径は５１．５ｍｍ、レンズ手段４の凸面７１の曲率半径は９７．０ｍｍ、レンズ手段４の厚みｄ_１は１６．１６ｍｍ、レンズ手段４と柱状光学素子５の距離ｄ_２は４９．４１ｍｍ、柱状光学素子５の長さｄ_３を１５．０ｍｍとする。図９は柱状光学素子５の断面図を示し、ｘ方向の長さｄ_４を６．０ｍｍ、ｙ方向の長さｄ_５を３．０ｍｍとする。ここで、レンズ手段４の偏芯位置は可変とする。ただし、ｙ方向の座標は０とする。

表１に図１２（ａ）及び（ｂ）の場合において、レンズ手段４の各集光レンズの偏芯位置を変えた場合のＭＩＮ／ＭＡＸ及びσ／Ａｖｅ．を示す。表１には、柱状光学素子５の出射端５ｂのｘ方向を６０分割、ｙ方向を３０分割した計１８００点の光強度分布のシミュレーションを行った結果よりＭＩＮ／ＭＡＸ及びσ／Ａｖｅ．を算出した結果を示す。また、ＭＩＮ／ＭＡＸは、１８００点の中で
表１においては、１８００点の中で光強度が最小である点の光強度（最小光強度）をＭＩＮとし、光強度が最大である点の光強度（最大光強度）をＭＡＸとした場合の、ＭＩＮ／ＭＡＸの値を割合（単位：％）で表している。また、表１においては、１８００点の標準偏差σを平均値Ａｖｅ．で割った値σ／Ａｖｅ．を割合（単位：％）で表している。また、２つの集光レンズの曲率半径は等しく、均一性は比較例の投射型表示装置の場合と比較した。ＭＩＮ／ＭＡＸが５８．５％以上、σ／Ａｖｅ．が７．１％以下の場合を丸印「○」で示し、それ以外は、ばつ印「×」とした。丸印は、比較例の投射型表示装置と比較して、出射端５ｂ上の光強度均一性に効果があることを意味する。ここで、比較例の投射型表示装置とはレンズ手段が１つのレンズから構成され焦点が１つであることを示す。また、偏芯位置ｘ（４Ｌ）は、図１２（ａ）及び（ｂ）の集光レンズ４Ｌの偏芯位置のｘ座標を示し、偏芯位置ｘ（４Ｒ）は、図１２（ａ）及び（ｂ）の集光レンズ４Ｒの偏芯位置のｘ座標を示す。

表１より、比較例を示す図１２（ａ）の場合は、偏芯が大きくなるにつれて、レンズ手段が１つのレンズから構成される比較例の投射型表示装置と比較して出射端５ｂ上の光強度の均一性が悪くなることがわかる。また、実施の形態１を示す図１２（ｂ）の場合は、比較例の投射型表示装置と比較して出射端５ｂ上の光強度の均一性が良くなる偏芯位置が存在することがわかる。したがって、図１２（ｂ）に示すように集光レンズがｘ軸のプラス側にある場合、ｘ軸のマイナス側に偏芯位置を有することにより実施の形態１の効果が得られることとなる。

図１３及び図１４は、実施の形態１に係る投射型表示装置の機能を示す図である。図１３及び図１４は、表１をグラフ化したものである。図１３及び図１４において、プロットは、シミュレーションを行った点を示している。図１３において、縦軸は１８００点の中で光強度が最小である点の光強度（最小光強度）をＭＩＮとし、光強度が最大である点の光強度（最大光強度）をＭＡＸとした場合の、ＭＩＮ／ＭＡＸの値を割合（単位：％）で表している。図１３において、横軸は、偏芯位置の絶対値（単位：ｍｍ）を示している。また、図１４において、縦軸は、１８００点の標準偏差σを平均値Ａｖｅ．で割った値を割合（単位：％）で表している。図１４において、横軸は、偏芯位置の絶対値（単位：ｍｍ）を示している。図１３から、偏芯位置と均一性の悪い特異点の存在の有無との関係がわかる。また、図１４から、偏芯位置と出射端５ｂの光強度均一性の関係が分かる。

図１３より、レンズ手段４の第１の集光レンズ４Ｌと第２の集光レンズ４Ｒの偏芯位置を変化させることにより、ＭＩＮ／ＭＡＸの割合が変化することがわかる。特に、ＭＩＮ／ＭＡＸは０．１５〜０．３５ｍｍの間に、最適な偏芯位置の絶対値が存在すると考えられる。

図１４より、レンズ手段４の各集光レンズの偏芯位置を変化させることにより、σ／Ａｖｅ．の割合が変化することがわかる。特に、σ／Ａｖｅ．は、０．１５〜０．３０ｍｍの間に最適な偏芯位置の絶対値が存在すると考えられる。以上より、柱状光学素子５の長さｄ_３が１５．０ｍｍの場合、０．１５〜０．３０ｍｍの間に最適な偏芯位置の絶対値が存在すると考えられる。

以上より、柱状光学素子５の長さｄ_３によって、最適な偏芯位置の絶対値が存在すると考えられる。そこで、表２に、柱状光学素子５の長さｄ_３を１０ｍｍ、１２ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍと変化させた場合の、最適偏芯位置におけるＭＩＮ／ＭＡＸ及びσ／Ａｖｅ．を示す。均一性を確認するため、均一性の指標であるＭＩＮ／ＭＡＸが６７．０％以上、σ／Ａｖｅ．が６．０％以下の場合を丸印「○」で示し、それ以外は、ばつ印「×」で示した。丸印は、出射端５ｂ上の光強度が均一であることを示す。

表２より、柱状光学素子５の出射端５ｂ上の光強度が均一となる最も短い柱状光学素子５の長さｄ_３は１５．０ｍｍである。したがって、柱状光学素子５の出射端５ｂ上の光強度が均一となる最も短い柱状光学素子５の長さｄ_３にするためには、図１４より、以下の式１を満足する必要がある。ここで、ｄ_４は柱状光学素子５のｘ方向の長さである。また、偏芯位置の絶対値をｘ_１で表す。
０．０２５×ｄ_４≦ｘ_１≦０．０５０×ｄ_４ ・・・式１

図１５は、実施の形態１に係る投射型表示装置の効果を示す図である。図１５において、プロットは、シミュレーションを行った点を示している。図１０及び図１１と同様の設計条件にて、柱状光学素子５の入射端５ａに入射される光の光量を、比較例の投射型表示装置の場合と実施の形態１との場合で比較する。横軸が、偏芯位置の絶対値を示し、縦軸が、比較例の投射型表示装置の場合において、柱状光学素子５の入射端５ａに入射される光の光量を１００％とした場合の相対光量比を示す。ここで、入射端５ａに入射する光量は、出射端５ｂから出射される光量と等しい。

図１５より、レンズ手段４の第１の集光レンズ４Ｌ及び第２の集光レンズ４Ｒの偏芯位置を変化させた場合において、柱状光学素子５に入射する光量が減少しないことがわかる。したがって、柱状光学素子５に入射する光量を減少させることなく、出射端５ｂ上の光強度の均一性を向上させることができ、比較例の投射型表示装置と比較して柱状光学素子５の長さを短くすることが可能となり、装置の小型化が図れる。

図１５より、レンズ手段４の第１の集光レンズ４Ｌと第２の集光レンズ４Ｒの曲率半径を等しくすることにより、柱状光学素子５の入射端５ａに入射する光の入射角度が１枚の集光レンズの場合と略等しくなるため、柱状光学素子５に入射する光量を１枚の集光レンズの場合と比較して減少させないことが可能となる。従って、レンズ手段４の第１の集光レンズ４Ｌと第２の集光レンズ４Ｒの曲率半径は等しい方が好ましい。

実施の形態１では、レンズ手段４を光源系３と柱状光学素子５の間に１枚有しているが、レンズ手段４の光源系３側又は柱状光学素子５側にさらに集光レンズを、１枚又は複数枚、追加してもよい。

実施の形態２．
図１６は、本発明の実施の形態２に係る投射型表示装置１ａの照明光学系の構成を概略的に示す図である。図１７において、図１の構成と同一又は対応する構成には、同じ符号を付す。実施の形態２に係る投射型表示装置１ａは、レンズ手段４２の構成が、実施の形態１に係る投射型表示装置１（図１）と相違する。図１６に示されるように、実施の形態２においては、レンズ手段４２は、３枚の集光レンズからなる複合レンズである。図１６に示されるように、レンズ手段４２は、第１の集光レンズ４２Ｌと第２の集光レンズ４２Ｒとの間に、第３の集光レンズ４２Ｃを有している。第１の集光レンズ４２Ｌと第３の集光レンズ４２Ｃ、及び、第２の集光レンズ４２Ｒと第３の集光レンズ４２Ｃは接合されている。また、光源系３から出射された光は、第１の集光レンズ４２Ｌによって柱状光学素子５の入射端５ａ側の第１の点に集光し、且つ、第２の集光レンズ４２Ｒによって柱状光学素子５の入射端５ａ側の第２の点に集光し、且つ、第３の集光レンズ４２Ｃによって柱状光学素子５の入射端５ａ側の第３の点に集光する。これら第１乃至第３の点はそれぞれ異なる位置になるように構成されている。

図１７は、実施の形態２におけるレンズ手段４２が３枚の集光レンズからなる複合レンズである場合の一例を示す図である。図１７において、図１６の構成と同一又は対応する構成には、同じ符号を付す。図１７において、１２０は光源３ａを出射した光を示す。図１７に示すように光源系３から出射された光１２０はレンズ手段４２によって柱状光学素子５の入射端５ａに集光する。図１７より集光点は光軸Ｃ上と、光軸Ｃからはずれた位置にある２点との、合計３点となり、柱状光学素子５にて均一化された光１２０は、リレーレンズ６により反射型ライトバルブ２に導かれることとなる。

図１８は、図１７の場合においてレンズ手段４２に略平行の光１２０が入射した場合の光線の軌跡の一例を示す図である。ここで、柱状光学素子５の位置は図４（比較例）と同様の位置である。したがって、１枚の集光レンズの場合に光が最も多く取り込まれる位置に配置されている。したがって、レンズ手段４２から出射された光が最も多く取り込まれる位置に柱状光学素子５を配置した場合、レンズ手段４２の焦点位置は入射端５ａより出射端５ｂ側となっている。

図１８より、実施の形態２に係る投射型表示装置は、図４（比較例）及び図５（実施の形態１）の双方の特徴を持っており、ｘ軸のマイナス側及びプラス側に均等に柱状光学素子５内を反射しながら、最初に反射される光１２０の位置が、図４に示される光２０ａと比較して、入射端５ａに近い位置であることが確認できる。ここで、光軸Ｃ上に位置する第３の集光レンズ４２Ｃ以外の第１の集光レンズ４２Ｌと第２の集光レンズ４２Ｒの偏芯位置は、実施の形態１を示す図１２（ｂ）の場合と同方向である。

図１９は、実施の形態２に係る投射型表示装置における照度分布の一例を示す図である。図１９は、図１８のｘｙ平面に平行な断面５ｃ上のシミュレーションによる照度分布を示す。また、図１９の照度分布は、２５６階調のグレースケールにて表示している。なお、柱状光学素子５の作用を説明するために、柱状光学素子５の出射光（強度均一化後）ではなく、光強度の均一化の途中の位置における断面５ｃの照度分布をシミュレーションしているのは、レンズ手段が異なる場合における柱状光学素子５の作用の差異が顕著に観測できる位置だからである。

図１９より、実施の形態２に係る投射型表示装置は、図７（ａ）と図７（ｂ）の和の照度分布を示しており、２枚の複合レンズである実施の形態１の場合と比較してより出射端５ｂ上の光強度の均一性の向上が図れると考えられる。

図１９より、ｙ方向の照度分布がｘ軸に対して均等のため、レンズ手段４２が第１の集光レンズ４２Ｌと第２の集光レンズ４２Ｒとの間に、第３の集光レンズ４２Ｃを有して構成される場合、ｙ方向に偏芯していない方が好ましい。

図２０は、実施の形態２に係る投射型表示装置のレンズ手段４２の構成を示す図である。図２０は、図８のレンズ手段（４）を、３枚の複合レンズである場合を示している。第１の集光レンズ４２Ｌ及び第２の集光レンズ４２Ｒはｘ方向の幅は等しく、第１の集光レンズ４２Ｌ及び第３の集光レンズ４２Ｃ及び第２の集光レンズ４２Ｒのｘ方向の長さの和は変化しないものとする。

実施の形態２の効果を説明する設計データを示す。図８及び図９の設計データを用いてシミュレーションを行った。レンズ手段４２には略平行光が入射するとする。図８において、レンズ手段４２の屈折率は、１．５１７、アッベ数は６４．１６７、レンズ手段４２の有効径は５４．０ｍｍ、凸面７０の曲率半径は５１．５ｍｍ、凸面７１の曲率半径は９７．０ｍｍ、レンズ手段４２の厚みｄ_１は１６．１６ｍｍ、レンズ手段４２と柱状光学素子５の距離ｄ_２は４９．４１ｍｍ、柱状光学素子５の長さｄ_３を１０ｍｍ、１１ｍｍ、１２ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍと変化させた。比較例の投射型表示装置において、出射端５ｂの均一性が満足される長さ、つまり柱状光学素子５の長さｄ_３が２５ｍｍまでとした。図９は柱状光学素子５の断面図を示し、ｘ方向の長さｄ_４を６．０ｍｍ、ｙ方向の長さｄ_５を３．０ｍｍとする。また、第１の集光レンズ４２Ｌ及び第２の集光レンズ４２Ｒの偏芯位置、及び光軸Ｃ上の第３の集光レンズ４２Ｃのｘ方向の幅ｔ_１は、表３に示す。ここで、光軸Ｃの座標は（ｘ，ｙ）＝（０，０）である。ここで、凸面７０及び凸面７１の曲率半径は３つの接合レンズの場合も、１つのレンズと等しくした。光軸Ｃ上に位置する集光レンズ４２Ｃは、偏芯させないこととする。

図２１及び図２２は、実施の形態２に係る投射型表示装置の効果を説明するための図である。図２１及び図２２は、図８及び図９の設計において、出射端５ｂのｘ方向を６０分割、ｙ方向を３０分割した計１８００点の光強度分布のシミュレーションを行った結果の一例を示す。図２１において、縦軸は１８００点の中で光強度が最小である点の光強度（最小光強度）をＭＩＮとし、光強度が最大である点の光強度（最大光強度）をＭＡＸとした場合の、ＭＩＮ／ＭＡＸの値を割合（単位：％）で表している。図２１において、横軸は、柱状光学素子５の長さｄ_３（単位：ｍｍ）を示している。また、図２２において、縦軸は、１８００点の標準偏差σを平均値Ａｖｅ．で割った値を割合（単位：％）で表している。図２２において、横軸は、柱状光学素子５の長さｄ_３（単位：ｍｍ）を示している。図２１からは、ＭＩＮ／ＭＡＸの値から均一性の悪い特異点の存在有無を確認することができ、図２２からは、出射端５ｂの光強度の均一性を確認することができる。図２１及び図２２から、柱状光学素子５の出射端５ｂの光強度の均一性を検証すると、以下のようになる。

図２１の曲線１５０は、比較例の投射型表示装置の場合を示し、曲線１５１は、実施の形態１の投射型表示装置の場合を示し、曲線１５２は、実施の形態２の投射型表示装置の場合を示す。図２１において、プロットは、シミュレーションを行った点を示している。ここで、比較例の投射型表示装置とはレンズ手段の焦点が１つのレンズである場合であり、図２及び図４に示す場合である。曲線１５２が最も立ち上がりが早いことから、均一性には実施の形態２が好ましいと考えられる。

図２２の曲線１５３は、比較例の投射型表示装置の場合を示し、曲線１５４は、実施の形態１の投射型表示装置の場合（図３の場合）を示し、曲線１５５は、実施の形態２の投射型表示装置の場合を示す。図２２において、プロットは、シミュレーションを行った点を示している。曲線１５５が最も立ち下がりが早いことから、均一性には実施の形態２が好ましいと考えられる。図２１及び図２２より、実施の形態２は、実施の形態１より柱状光学素子５の長さｄ_３を短くすることが可能となる。

表４に、柱状光学素子５の長さｄ_３を１０ｍｍ、１２ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍと変化させた場合の、第１の集光レンズ４２Ｌ及び第２の集光レンズ４２Ｒの最適な偏芯位置、及び光軸Ｃ上の第３の集光レンズ４２Ｃのｘ方向の最適な幅ｔ_１におけるＭＩＮ／ＭＡＸ及びσ／Ａｖｅ．を示す。均一性を確認するため、均一性の指標であるＭＩＮ／ＭＡＸが６７．０％以上、σ／Ａｖｅ．が６．０％以下の場合の評価を、丸印「○」で示し、それ以外の評価を、ばつ印「×」で示した。丸印は、出射端５ｂ上の光強度が均一であることを示す。

表４より、第１の集光レンズ４２Ｌ及び第２の集光レンズ４２Ｒの最適な偏芯位置、及び光軸Ｃ上の第３の集光レンズ４２Ｃのｘ方向の最適な幅ｔ_１は柱状光学素子５の長さｄ_３によって変化することがわかる。また、柱状光学素子５の長さｄ_３が１２ｍｍ以上で出射端５ｂ上の光強度が均一となることが確認できる。また、表２との比較により、実施の形態１と比較して柱状光学素子５の長さｄ_３を短くすることが可能であることがわかる。

図２３は、実施の形態２に係る投射型表示装置の効果を示す図である。図２３において、プロットは、シミュレーションを行った点を示している。表４と同様の設計条件において、柱状光学素子５の入射端５ａに入射される光の光量を、比較例の投射型表示装置の場合と実施の形態２との場合で比較する。横軸が、最適なＭＩＮ／ＭＡＸ及びσ／Ａｖｅ．となるように第１の集光レンズ４２Ｌ及び第２の集光レンズ４２Ｒの偏芯位置、及び光軸Ｃ上の第３の集光レンズ４２Ｃのｘ方向幅ｔ_１を設定した場合の柱状光学素子５の長さｄ_３、縦軸が、比較例の投射型表示装置の場合において、柱状光学素子５の入射端５ａに入射される光の光量を１００％とした場合の相対光量比（単位：％）を示す。ここで、入射端５ａに入射する光量は、出射端５ｂから出射される光量と等しい。

図２３より、レンズ手段４２の第１の集光レンズ４２Ｌ及び第２の集光レンズ４２Ｒの偏芯位置を変化させた場合において、柱状光学素子５に入射する光量が減少しないことがわかる。したがって、柱状光学素子５に入射する光量を減少させることなく、出射端５ｂ上の光強度の均一性を向上させることができ、実施の形態１と比較して柱状光学素子５の長さをさらに短くすることが可能となり、さらなる装置の小型化が図れる。

図２３より、レンズ手段４２の第１の集光レンズ４２Ｌと第２の集光レンズ４２Ｒと、第３の集光レンズ４２Ｃの曲率半径を等しくすることにより、柱状光学素子５の入射端５ａに入射する光の入射角度が１枚の集光レンズの場合と略等しくなるため、柱状光学素子５に入射する光量を１枚の集光レンズの場合と比較して減少させないことが可能となる。従って、レンズ手段４２の第１の集光レンズ４２Ｌと第２の集光レンズ４２Ｒと、第３の集光レンズ４２Ｃの曲率半径は等しい方が好ましい。

なお、実施の形態２において、上記以外の点は、上記実施の形態１の場合と同じである。

実施の形態３．
図２４は、本発明の実施の形態３に係る投射型表示装置に採用されるレンズ手段４３の構成を概略的に示す図である。実施の形態３に係る投射型表示装置は、レンズ手段の構造のみが、上記実施の形態１又は２と相違する。図２４に示されるように、レンズ手段４３は、第１の集光レンズ４３Ｌと第２の集光レンズ４３Ｒとの間に、第３の集光レンズ４３Ｃと、第３の集光レンズ４３Ｃの長手方向（ｘ方向）に直交する方向（ｙ方向）の両側に配置された第４の集光レンズ４３Ｔと第５の集光レンズ４３Ｂとを有する。レンズ手段４３は、第３の集光レンズ４３Ｃと第４の集光レンズ４３Ｔの間、第３の集光レンズ４３Ｃと第５の集光レンズ４３Ｂの間、第３乃至第５の集光レンズ４３Ｃ，４３Ｔ，４３Ｂと第１の集光レンズ４３Ｌの間、第３乃至第５の集光レンズ４３Ｃ，４３Ｔ，４３Ｂと第２の集光レンズ４３Ｒの間を接合した複合レンズである。光源系３から出射された光は、第１の集光レンズ４３Ｌによって柱状光学素子５の入射端５ａ側の第１の点に集光し、且つ、第２の集光レンズ４３Ｒによって柱状光学素子５の入射端５ａ側の第２の点に集光し、且つ、第３の集光レンズ４３Ｃによって柱状光学素子５の入射端５ａ側の第３の点に集光し、且つ、第４の集光レンズ４３Ｔによって柱状光学素子５の入射端５ａ側の第４の点に集光し、且つ、第５の集光レンズ４３Ｂによって柱状光学素子５の入射端５ａ側の第５の点に集光し、第１乃至第５の点はそれぞれ異なる位置になるように構成されている。

第１の集光レンズ４３Ｌはｘ軸のマイナス側、第２の集光レンズ４３Ｒはｘ軸のプラス側、第４の集光レンズ４３Ｔはｙ軸のプラス側、第５の集光レンズ４３Ｂはｙ軸のマイナス側に配置されている。また、第１の集光レンズ４３Ｌはｘ軸のプラス側、第２の集光レンズ４３Ｒはｘ軸のマイナス側、第４の集光レンズ４３Ｔはｙ軸のマイナス側、第５の集光レンズ４３Ｂはｙ軸のプラス側に偏芯させている。また、集光レンズ４３Ｃは偏芯させない。また、第１乃至第５の集光レンズ４３Ｌ，４３Ｒ，４３Ｃ，４３Ｔ，４３Ｂは略同一の曲率半径とする。レンズ手段４３を第１乃至第５の集光レンズ４３Ｌ，４３Ｒ，４３Ｃ，４３Ｔ，４３Ｂを接合して構成することにより、さらに出射端５ｂ上の光強度の均一性を向上させることができ、実施の形態２と比較して柱状光学素子５の長さをさらに短くすることが可能となり、さらなる装置の小型化が図れる。

実施の形態３に係る投射型表示装置は、図２４のレンズ手段４３を有することにより、図２５に示す出射端５ｂのｙ軸のプラス側及びマイナス側端の光強度の均一性が悪い箇所１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを補正することが可能となる。図２５の階調表示部分は、図１９と同じ図を使用している。

実施の形態１及び２と同様に、レンズ手段４３の第１乃至５の集光レンズ４３Ｌ、４３Ｒ、４３Ｃ、４３Ｔ，４３Ｂの曲率半径を等しくすることにより、柱状光学素子５の入射端５ａに入射する光の入射角度が１枚の集光レンズの場合と略等しくなるため、柱状光学素子５に入射する光量を１枚の集光レンズの場合と比較して減少させないことが可能となる。従って、レンズ手段４３の第１乃至５の集光レンズ４３Ｌ、４３Ｒ、４３Ｃ、４３Ｔ，４３Ｂの曲率半径は等しい方が好ましい。

このように、上記実施の形態３においては、レンズ手段４３を光源系３と柱状光学素子５の間に１枚有しているが、レンズ手段４３の光源系３側又は柱状光学素子５側にさらに集光レンズを１枚又は複数枚設けてもよい。

なお、実施の形態３において、上記以外の点は、上記実施の形態１又は２の場合と同じである。

また、レンズ手段を構成する集光レンズの枚数、及び形状は、図示の数及び形状に限定されない。

本発明の実施の形態１に係る投射型表示装置の光学系の構成を概略的に示す図である。 比較例の投射型表示装置の照明光学系の構成を概略的に示す図である。 実施の形態１に係る投射型表示装置の照明光学系の構成を概略的に示す図である。 図２に示される比較例のレンズ手段に略平行の光が入射した場合の光線の軌跡の一例を示す図である。 図３に示される実施の形態１におけるレンズ手段に略平行の光が入射した場合の光線の軌跡の好ましい例を示す図である。 図１２（ａ）に示される比較例のレンズ手段に略平行の光が入射した場合の光線の軌跡の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、比較例及び実施の形態１の投射型表示装置における照度分布の一例を示す図である。 シミュレーションを行うための設計レイアウトを示す図である。 シミュレーションを行うための設計レイアウトを示す図である。 実施の形態１に係る投射型表示装置の効果を説明するための図である。 実施の形態１に係る投射型表示装置の効果を説明するための図である。 （ａ）及び（ｂ）は、比較例及び実施の形態１のレンズ手段を示す図である。 実施の形態１に係る投射型表示装置の機能を示す図である。 実施の形態１に係る投射型表示装置の機能を示す図である。 実施の形態１に係る投射型表示装置の効果を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る投射型表示装置の照明光学系の構成を概略的に示す図である。 実施の形態２におけるレンズ手段が３枚の集光レンズからなる複合レンズである場合の一例を示す図である。 図１７の場合においてレンズ手段に略平行の光が入射した場合の光線の軌跡の一例を示す図である。 実施の形態２に係る投射型表示装置における照度分布の一例を示す図である。 実施の形態２に係る投射型表示装置のレンズ手段の構成を示す図である。 実施の形態２に係る投射型表示装置の効果を説明するための図である。 実施の形態２に係る投射型表示装置の効果を説明するための図である。 実施の形態２に係る投射型表示装置の効果を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る投射型表示装置に採用されるレンズ手段の構成を概略的に示す図である。 実施の形態３に係る投射型表示装置の構成を変化させた場合の効果を説明する図である。

符号の説明

１，１ａ 投射型表示装置、 ２ 反射型ライトバルブ、 ３ 光源系、 ３ａ 光源、 ３ｂ 反射鏡、 ４，４２，４３ レンズ手段、 ４Ｌ，４２Ｌ，４３Ｌ 第１の集光レンズ、 ４Ｒ，４２Ｒ，４３Ｒ 第２の集光レンズ、 ４２Ｃ，４３Ｃ 第３の集光レンズ、 ４３Ｔ 第４の集光レンズ、 ４３Ｂ 第５の集光レンズ、 ５ 柱状光学素子、 ５ａ 柱状光学素子の入射端、 ５ｂ 柱状光学素子の出射端、 ５Ｃ 柱状光学素子の断面、 ６ リレーレンズ、 ７ 投射光学系、 ７２，７３ 偏芯位置、 Ｃ 柱状光学素子の光軸、 ｘ ｘ軸（柱状光学素子の入射端の長手方向の座標軸）、 ｙ ｙ軸（柱状光学素子の入射端の短手方向の座標軸）、 ｚ ｚ軸（柱状光学素子の光軸方向の座標軸）。

Claims (14)

1. 光を出射する光源系と、
   前記光を集光するレンズ手段と、
   集光された前記光の強度分布を均一化して出力する柱状光学素子と、
   画像が表示され、該表示された画像に、均一化された前記光が照射されるライトバルブと、
   前記ライトバルブに表示された画像を拡大投射する投射光学系と
   を備え、
   前記レンズ手段は、前記柱状光学素子の光軸に直交する断面の長手方向に並べて配置された第１の集光レンズと第２の集光レンズを有し、
   前記第１の集光レンズと前記第２の集光レンズは、同じ曲率半径を持ち、前記柱状光学素子の光軸を中心にして対称に配置され、
   前記第１の集光レンズの偏芯位置は、前記光軸よりも前記第２の集光レンズ側であり、前記第２の集光レンズの偏芯位置は、前記光軸よりも前記第１の集光レンズ側である
   ことを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記断面は、長方形であることを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記レンズ手段は、前記第１の集光レンズと前記第２の集光レンズを接合した複合レンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の投射型表示装置。
4. 前記光源系から出射された前記光は、前記第１の集光レンズによって前記柱状光学素子の入射端側の第１の点に集光し、且つ、前記第２の集光レンズによって前記柱状光学素子の入射端側の第２の点に集光し、
   前記第１の点と前記第２の点は異なる位置になるように構成された
   ことを特徴とする請求項３に記載の投射型表示装置。
5. 前記光軸を中心座標（０，０）、前記長手方向をｘ軸、前記ｘ軸に直交する方向にｙ軸とした座標系において、
   前記断面のｘ方向の長さをＬ_１とし、
   前記第１の集光レンズはｘ軸マイナス側に配置され、前記第１の集光レンズの偏芯位置を（ｘ_１，０）とし、
   前記第２の集光レンズはｘ軸プラス側に配置され、前記第２の集光レンズの偏芯位置を（−ｘ_１，０）とした場合に、次式
   ０．０２５×Ｌ_１≦ｘ_１≦０．０５０×Ｌ_１
   を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
6. 前記レンズ手段は、前記第１の集光レンズと前記第２の集光レンズとの間に、第３の集光レンズを有し、
   前記レンズ手段は、前記第１の集光レンズと前記第３の集光レンズ、及び、前記第２の集光レンズと前記第３の集光レンズを接合した複合レンズである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の投射型表示装置。
7. 前記光源系から出射された前記光は、前記第１の集光レンズによって前記柱状光学素子の入射端側の第１の点に集光し、且つ、前記第２の集光レンズによって前記柱状光学素子の入射端側の第２の点に集光し、且つ、前記第３の集光レンズによって前記柱状光学素子の入射端側の第３の点に集光し、
   前記第１乃至第３の点はそれぞれ異なる位置になるように構成された
   ことを特徴とする請求項６に記載の投射型表示装置。
8. 前記レンズ手段は、前記断面の短手方向に偏芯せずに配置されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
9. 前記レンズ手段は、前記第１の集光レンズと前記第２の集光レンズとの間に、第３の集光レンズと、前記第３の集光レンズの長手方向に直交する方向の両側に配置された第４の集光レンズと第５の集光レンズとを有し、
   前記レンズ手段は、前記第３の集光レンズと前記第４の集光レンズの間、前記第３の集光レンズと前記第５の集光レンズの間、前記第３乃至第５の集光レンズと前記第１の集光レンズの間、前記第３乃至第５の集光レンズと前記第２の集光レンズの間を接合した複合レンズである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の投射型表示装置。
10. 前記光源系から出射された前記光は、前記第１の集光レンズによって前記柱状光学素子の入射端側の第１の点に集光し、且つ、前記第２の集光レンズによって前記柱状光学素子の入射端側の第２の点に集光し、且つ、前記第３の集光レンズによって前記柱状光学素子の入射端側の第３の点に集光し、且つ、前記第４の集光レンズによって前記柱状光学素子の入射端側の第４の点に集光し、且つ、前記第５の集光レンズによって前記柱状光学素子の入射端側の第５の点に集光し、
    前記第１乃至第５の点はそれぞれ異なる位置になるように構成された
    ことを特徴とする請求項９に記載の投射型表示装置。
11. 前記レンズ手段は、前記集光レンズの曲率が全て等しいことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
12. 前記ライトバルブは、反射型ライトバルブであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
13. 前記柱状光学素子は、中実の光学部材又は中空の空洞内面反射鏡であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
14. 前記柱状光学素子から出力された前記光を前記ライトバルブに入射させるリレーレンズを有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。

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