JP3879125B2 - 投写型表示装置およびそのための照明光学系 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、色光合成手段を備えた投写型表示装置およびそのための照明光学系に関するものである。
背景技術
カラー画像を投写スクリーンに投写する投写型表示装置としては、クロスダイクロイックプリズムが用いられていることが多い。例えば透過型の液晶プロジェクタでは、クロスダイクロイックプリズムは、赤、緑、青の３色の光を合成して同一の方向に出射する色光合成手段として利用される。また、反射型の液晶プロジェクタでは、クロスダイクロイックプリズムは、白色光を赤、緑、青の３色の光に分離する色光分離手段として利用されると共に、変調された３色の光を再度合成して同一の方向に出射する色光合成手段としても利用される。クロスダイクロイックプリズムを用いた投写型表示装置としては、例えば特開平１−３０２３８５号公報に記載されたものが知られている。
図１７は、投写型表示装置の要部を示す概念図である。この投写型表示装置は、３つの液晶ライトバルブ４２，４４，４６と、クロスダイクロイックプリズム４８と、投写レンズ系５０とを備えている。クロスダイクロイックプリズム４８は、３つの液晶ライトバルブ４２，４４，４６で変調された赤、緑、青の３色の光を合成して、投写レンズ系５０の方向に出射する。投写レンズ系５０は、合成された光を投写スクリーン５２上に結像させる。
図１８は、クロスダイクロイックプリズム４８の一部を分解した斜視図である。クロスダイクロイックプリズム４８は、４つの直角プリズムの互いの直角面を、光学接着剤で貼り合わせることによって作製されている。
クロスダイクロイックプリズムを色光合成手段として用いた投写型表示装置では、用いる光源の光特性により、４つの直角プリズムの接合部分で生じる光散乱のために投写画像に暗い影が生じる場合がある。
図１９は、クロスダイクロイックプリズム４８を利用した場合の問題点を示す説明図である。図１９（Ａ）に示すように、クロスダイクロイックプリズム４８は、４つの直角プリズムの直角面で形成されるＸ字状の界面において、略Ｘ字状に配置された赤色光反射膜６０Ｒと青色光反射膜６０Ｂとを有している。しかし、４つの直角プリズムの隙間には光学接着剤層６２が形成されているので、反射膜６０Ｒ，６０Ｂも、クロスダイクロイックプリズム４８の中心軸４８ａの部分において隙間を有している。
クロスダイクロイックプリズム４８の中心軸４８ａを通る光が投写スクリーン５２上に投影されると、中心軸４８ａに起因する暗線が画像中に形成されることがある。図１９（Ｂ）は、このような暗線ＤＬの一例を示している。この暗線ＤＬは、他の部分とは異なる色がついた、やや暗い線状の領域であり、投写された画像のほぼ中心に形成される。この暗線ＤＬは、中心軸４８ａ付近の反射膜の間隙において光線が散乱されることや、赤色光や青色光が反射されないことに起因していると考えられる。なお、この問題は、赤色反射膜、青色反射膜等の選択反射膜がそれぞれ形成された２種類のダイクロイックミラーをＸ字状に交差させたクロスダイクロイックミラーにおいても同様に発生する。この場合は、ミラーによる中心軸に起因する暗線が画像中に形成されることとなる。
このように、従来の投写型表示装置では、クロスダイクロイックプリズム４８やクロスダイクロイックミラーの中心軸によって、投写される画像のほぼ中心に暗線が形成されてしまうことがあるという問題があった。
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、クロスダイクロイックプリズムやクロスダイクロイックミラー等、Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備えた色光合成手段の中心軸に起因する暗線を目立たなくすることのできる技術を提供し、これらを用いた照明光学系および投写型表示装置を実現することにある。
発明の開示
（課題を解決するための原理の説明）
はじめに、課題を解決するための原理を、具体的な例に基づき、図１ないし図４を用いて説明する。図面では、光の進行方向をｚ方向、光の進行方向（ｚ方向）からみて３時の方向をｘ方向、１２時の方向をｙ方向として統一してある。また、下記説明において、便宜的に、ｘ方向は行方向、ｙ方向は列方向を表すものとする。なお、下記の原理は、説明を容易にするために具体的な例に基づいて説明を行っているが、本発明はそのような具体的な構成に限定されるものではない。
投写型表示装置において、光源からの光を複数の部分光束に分割して照明光の面内照度むらを低減する技術として、ＷＯ９４／２２０４２号公報に記載されたような、複数の小レンズを有する２つのレンズアレイを用いた照明光学系（インテグレータ光学系という）が知られている。
図１は、クロスダイクロイックプリズムを用いた投写型表示装置にインテグレータ光学系を採用した場合の、暗線発生原理を説明する図である。図１（Ａ−１），（Ｂ−１）は、ｘ方向の位置が互いに異なる小レンズ１０、すなわち、異なる列方向に存在する小レンズ１０を通過した光束（図中実線で示す）、および、その中心光軸（図中細かい点線で示す）の追跡図、図１（Ａ−２），（Ｂ−２）は投写スクリーン７上の暗線ＤＬａ、ＤＬｂの形成位置を示す図である。
光源（図示省略）から出射された光束は、それぞれ複数の小レンズ１０を有する第１と第２のレンズアレイ１，２によって複数の部分光束に分割される。第１と第２のレンズアレイ１，２に設けられた各小レンズ１０を通過した光束は、平行化レンズ１５によって、各光束の中心軸に平行な光束に変換される。平行化レンズレンズ１５を通過した各光束は、液晶ライトバルブ３上で重畳され、その所定領域を均一に照明する。なお、図１においては１枚の液晶ライトバルブ３のみが図示されているが、他の２枚の液晶ライトバルブにおいてもインテグレータ光学系の原理、暗線の発生原理は同様である。
図２はレンズアレイ１，２の外観を示す斜視図である。第１と第２のレンズアレイ１，２は、それぞれ略矩形状の輪郭を有する小レンズ１０がＭ行Ｎ列のマトリクス状に配置された構成を有している。この例では、Ｍ＝１０，Ｎ＝８であり、図１（Ａ−１）には２列目の小レンズ１０を通過した部分光束の追跡図、図１（Ｂ−１）には７列目の小レンズ１０を通過した部分光束の追跡図が示されていることになる。
液晶ライトバルブ３上に重畳された光束は、液晶ライトバルブ３で画像情報に応じた変調を受けた後、クロスダイクロイックプリズム４に入射する。クロスダイクロイックプリズム４から出射された光束は、投写レンズ系６を介して投写スクリーン７上に投影される。
図１（Ａ−１），（Ｂ−１）にそれぞれ荒い点線で示すように、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５（図中ｙ方向に沿っている）部分を通過する光も、それぞれ投写スクリーン７上のＰａ，Ｐｂの位置に投影されることとなる。ところが、発明の課題において述べたように、この中心軸５付近の反射膜の間隙において光線が散乱されたり、反射されるべき光が反射されなかったりするため、中心軸５付近を通過する光の光量が減少してしまう。よって、図１（Ａ−２），（Ｂ−２）に示すように、投写スクリーン７上に周囲よりも輝度の低い部分、すなわち、暗線ＤＬａ，ＤＬｂが形成されてしまう。
ここで、暗線と、第１と第２のレンズアレイ１，２との関係を説明する。図１（Ａ−１）を一般拡大して示してある図３（Ａ）から解るように、液晶ライトバルブ３によって形成された像は、投写レンズ系６によって反転され、かつ拡大されて投写スクリーン７上に投影される。なお、図３（Ｂ）は、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面における断面図である。図３（Ａ），（Ｂ）において、ｒ１は、部分光束をクロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面で切断したときの、部分光束の断面８の一方の端１１から中心軸５までの距離を示し、ｒ２は、部分光束の断面８の他方の端１２から中心軸５までの距離を示す。部分光束の断面８の像は、投写レンズ系６によって反転され、かつ拡大されて投写スクリーン７上に投影されるので、投写スクリーン７上における投写領域９の一方の端１３から暗線ＤＬａまでの距離Ｒ２と投写領域９の他方の端１４から暗線ＤＬａまでの距離Ｒ１との比は、距離ｒ２と距離ｒ１との比に等しい。すなわち、暗線ＤＬａが形成される位置は、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面における部分光束の断面８が、中心軸５に対してどのような位置に存在するかに依存している。
ここで、図１（A−１）と（Ｂ−１）とを比較すれば解るように、図１（Ａ−１）と（Ｂ−１）とでは、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面におけるそれぞれの部分光束の断面の位置が異なっている。従って、暗線ＤＬａとＤＬｂとはそれぞれ異なる位置に形成されることとなる。同様に、第１と第２のレンズアレイ１，２のうち、２列目、７列目以外の列に存在する小レンズ１０を通過した部分光束の、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面における断面の位置もそれぞれ異なるため、投写スクリーン７上には、第１と第２のレンズアレイ１，２の列数だけ、すなわち、Ｎ本の暗線が形成されることになる。
なお、第１と第２のレンズアレイ１，２の同じ列方向位置に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束は、図４に示したように、投写スクリーン７上のほぼ等しい位置に暗線ＤＬｃを形成する。従って、Ｎ本の暗線のそれぞれは、第１と第２のレンズアレイ１，２の同じ列方向位置に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束が重なり合って形成されており、その暗度は、それぞれの小レンズによって形成される暗線の暗度の総和にほぼ等しい。
以下をまとめると、以下の原理が導き出せる。
（第１の原理）
まず、第１に、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５に対する部分光束の中心光路の位置が異なれば暗線の形成される位置も異なる。第１と第２のレンズアレイ１，２の異なる列を通過する部分光束は、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５に対する位置が互いに異なるので、異なる位置に暗線を形成する。
（第２の原理）
第２に、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面における部分光束の断面の位置が異なるのは、クロスダイクロイックプリズム４に入射する部分光束の角度が異なるからである（図１参照）。第１と第２のレンズアレイ１，２の異なる列を通過する部分光束は、クロスダイクロイックプリズム４に対して異なる角度で入射するので、中心軸５における部分光束の位置が異なる。
従って、クロスダイクロイックプリズム４に入射する部分光束の角度が異なれば、あるいは、液晶ライトバルブ３上に重畳される部分光束の角度が異なれば、暗線の形成される位置も異なることになる。
（暗先を目立ちにくくする方法）
先に述べた通り、第１、第２のレンズアレイ１，２の同じ列方向位置に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束が、投写スクリーン７上のほぼ等しい位置にそれぞれ暗線を形成することにより、その暗線の暗度は、それぞれの小レンズによって形成される暗線の暗度の総和にほぼ等しい。従って、このＭ個の小レンズを通過する部分光束のそれぞれにより形成される暗線が、投写スクリーン７上の異なる位置に形成されるようにすれば良い。すなわち、このようにすれば、暗線の数は増加するものの、１本あたりの暗線の暗度を減少させることが可能となるため、結果として暗線が非常に目立ちにくくなる。なお、Ｍ個の小レンズを通過する暗線のすべてが異なる位置に形成されるようにする必要はなく、一部が異なる位置に形成されるようにするだけでも十分である。
なお、暗線を異なる位置に形成させることは、先に述べた第１の原理、第２の原理により可能である。
すなわち、第１の原理に基づけば、同じ列方向位置に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束のうち、一部について、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５に対する部分光束の中心光路の位置を他と変化させれば良い。
さらに、第２の原理に基づけば、同じ列方向位置に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束のうち、一部について、液晶ライトバルブ３上に重畳される部分光束の角度、あるいはクロスダイクロイックプリズム４に入射する部分光束の角度を他と変化させれば良い。
本発明は、上記のような原理を追求することによって、前に述べたような従来技術における課題を解決することができたのである。以下に、その手段、および、作用・効果について述べる。
（課題を解決するための手段およびその作用・効果）
本発明の第１の投写型表示装置は、
照明光を出射する照明光学系と、
前記照明光を３色の光に分離する色光分離手段と、
前記３色の光を与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、
Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して同一方向に出射する色光合成手段と、
前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写手段とを備える投写型表示装置であって、
前記照明光学系は、
前記色光合成手段の前記中心軸とほぼ平行な列方向、および、前記色光合成手段の前記中心軸とほぼ垂直な行方向に分割された複数の部分光束を発生するとともに、前記複数の部分光束を重畳する分割重畳光学系を備え、
前記分割重畳光学系は、
同じ列方向に存在する前記複数の部分光束のうち一部の部分光束によって前記中心軸が前記投写面上に投写される位置が、他の部分光束によって投写される位置から前記中心軸に相当する方向とは異なる方向にずれるように構成されていることを特徴とする。
一つの部分光束は、色光合成手段の中心軸を投写面上に投影して中心軸に相当する暗線を形成し、一列の複数の部分光束は、通常、色光合成手段の中心軸を投写面上のほぼ同じ位置に投影して暗線を形成する。上記構成によれば、一列の複数の部分光束のうち一部の部分光束は、色光合成手段の中心軸を投写面上の異なった位置に投影して暗線を形成するので、投写される画像に形成される暗線を目立ちにくくすることが可能である。
また、上記第１の投写型表示装置において、
前記分割重畳光学系は、
前記複数の部分光束を発生させる光束分割手段と、
同じ列方向に存在する前記部分光束のうち、一部の部分光束を、他の部分光束と異なる入射角度で前記色光合成手段に入射させる入射角度変更手段を備えていることが好ましい。
ここで、前記光束分割手段は前記列方向および前記行方向に配列された複数の小レンズを備えた少なくとも１枚のレンズアレイを備え、
前記入射角度変更手段は反射面に段差を有する段付き反射ミラーを備える構成とすることが好ましい。
あるいは、前記光束分割手段は前記列方向および前記行方向に配列された複数の小レンズを備えた少なくとも１枚のレンズアレイを備え、
前記入射角度変更手段は前記レンズアレイの面に対して傾いて配置された透光性板材を備える構成とするこも好ましい。
このようにしても、色光合成手段の中心軸に対する一部の部分光束の中心光路の位置を他の部分光束の中心光路の位置からずらすことができ、それぞれの部分光束は異なった位置に暗線を形成する。したがって、投写される画像に形成される暗線を目立ちにくくすることが可能である。また、上記各場合が組み合わせて構成されることにより、さらに、投写される画像に形成される暗線を目立ちにくくすることが可能である。
第２の投写型表示装置は、
照明光を出射する照明光学系と、
前記照明光を、３色の光に分離する色光分離手段と、
前記３色の光を与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、
Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して同一方向に出射する色光合成手段と、
前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写する投写手段と、を備える投写型表示装置であって、
前記照明光学系は、
光源から出射される光束を複数の部分光束に分割する複数の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの前記複数の小レンズにそれぞれ対応する複数の小レンズを有する第２のレンズアレイと、
前記色光合成手段の前記中心軸に相当する所定の方向に沿って配列されている前記複数の小レンズを通過する複数の部分光束のうち、一部の部分光束の光路を他の部分光束の光路からずらす光路変更手段と、
を備えることを特徴とする。
第１と第２のレンズアレイの複数の小レンズのうちで、色光合成手段の中心軸に相当する所定の方向（先の説明では行方向）に沿って配列されている複数の小レンズを通過する複数の部分光束は、色光合成手段の中心軸を投写面上のほぼ同じ位置に投影して暗線を形成する。従って、光路変更手段によって、これらの複数の部分光束のうち、一部の部分光束の光路を他の部分光束の光路からずらすようにすれば、上記第１の原理に基づき、これらの複数の部分光束により、色光合成手段の中心軸がほぼ同じ位置に投影されるのを防止できる。この結果、投写される画像に形成される暗線を目立ちにくくすることが可能である。
上記第２の投写型表示装置において、前記光路変更手段は、前記所定の方向に沿って、前記光源の光軸から一定の距離だけそれぞれ離れた位置を通過する部分光束の光路を、他の位置を通過する部分光束の光路からずらす手段を備えることが好ましい。
光源からの光の強度は、その光軸からの距離に依存する。従って、比較的強度の高い部分光束が通過する光路を、他の部分光束からずらすようにすれば、投写される画像に形成される暗線を目立ちにくくすることができる。
なお、前記一定の距離は、光源が、光源ランプと前記光源ランプから出射される光を反射する凹面鏡とを備える場合、前記凹面鏡の焦点距離にほぼ等しいことが好ましい。光源の光軸から前記凹面鏡の焦点距離だけそれぞれ離れた位置を通過する部分光束は、他の部分光束に比べて強度が高い。従って、この部分光束の光路を他の位置を通過する部分光束の光路からずらすことによって、投写される画像に形成される暗線を目立ちにくくすることができる。
上記第２の投写型表示装置において、前記光路変更手段は、反射面に段差を有する段付き反射ミラーを備えることが好ましい。こうすれば、極めて簡単な構成で特定の部分光束の光路を任意に変更することが可能である。
また、前記段付き反射ミラーの段部は、前記色光合成手段の前記中心軸に相当する方向とは垂直な方向に沿って設けられていることが好ましい。こうすれば、一部の部分光束の光路を、色光合成手段の中心軸に相当する方向に沿ってずらすことができる。
また、前記段付き反射ミラーは、互いに高さの異なる第１の反射面と第２の反射面とを有し、前記色光合成手段の前記中心軸に相当する前記所定の方向に沿って前記光源の光軸から一定の距離だけそれぞれ離れた２つの位置に前記第２の反射面がそれぞれ設けられていることが好ましい。こうすれば、比較的光強度の高い部分光束の光路を、２つの第２の反射面でそれぞれ変更することができる。
あるいは、前記光路変更手段は、前記第２のレンズアレイの面から傾いて配置された透光性板材を備えるようにしてもよい。こうすれば、特定の部分光束の光路を任意に変更することが可能である。
前記照明光学系は、さらに、
前記第２のレンズアレイと前記光路変更手段の間のいずれかの位置に設けられた偏光変換素子を備え、
前記偏光変換素子は、互いに平行な偏光分離膜と反射膜の複数の組を有し、前記第２のレンズアレイの複数の小レンズを通過した複数の部分光束をそれぞれ２種類の直線偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタアレイと、
前記偏光ビームスプリッタアレイで分離された前記２種類の直線偏光成分の偏光方向を揃える偏光変換手段と、を備え、
前記光路変更手段によって、前記色合成手段の前記中心軸に相当する所定の方向に沿って配列されている前記複数の小レンズを通過し、前記偏光ビームスプリッタアレイで分離された前記２種類の直線偏光成分の光路の一部が他の光路からずらされたことが好ましい。
この偏光変換素子は、入射した光を、偏光ビームスプリッタアレイにより２種類の直線偏光成分に分離した後、偏光変換手段によりそれらの偏光方向を揃えて出射する。従って、偏光ビームスプリッタアレイで分離された２種類の直線偏光成分光路の一部が他の光路からずらされることで、投写される画像に形成される暗線を、さらに目立ちにくくすることが可能である。
また、これら２種類の直線偏光成分の光路の一部が前記光路変更手段によって他の光路からずらされる量は、前記２種類の直線偏光成分の隣接する光路間の距離の約１／２であることが好ましい。
これらの２種類の直線偏光成分の隣接する光路間の距離の約１／２だけ光路を移動させるようにすれば、移動しない２種類の直線偏光成分の光路と、移動前の２種類の直線偏光成分の光路とが、互いにほぼ等距離に配置される。すなわち、４種類の光路がそれぞれほぼ等距離に配置されるので、画像に形成される暗線を、最も目立ちにくくすることが可能である。
また、上記第２の投写型表示装置において、前記第１と第２のレンズアレイを順次通過した複数の部分光束を重畳させて前記３組の光変調手段を照明する重畳光学系を備え、前記光路変更手段は、前記第２のレンズアレイと前記重畳光学系との間に設けられていることが好ましい。
第３の投写型表示装置は、
前記照明光を、３色の光に分離する色光分離手段と、
前記３色の光を与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、
Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して同一方向に出射する色光合成手段と、
前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写する投写手段と、を備える投写型表示装置であって、
前記照明光学系は、
光源から出射される光束を複数の部分光束に分割する複数の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの前記複数の小レンズにそれぞれ対応する複数の小レンズを有する第２のレンズアレイと、を備え、
前記第１と第２のレンズアレイのそれぞれは、
前記色光合成手段の前記中心軸に相当する方向と垂直な行方向に沿って、それぞれ複数の小レンズを有する複数の行に分割されており、前記色光合成手段の前記中心軸に相当する方向に沿って、前記光源の光軸から一定の距離だけそれぞれ離れた位置に存在する行が、他の行から一定のずれ量だけずれた位置に配置されていることを特徴とする。
第１と第２のレンズアレイの複数の小レンズのうちで、色光合成手段の中心軸に相当する所定の方向に沿って配列されている複数の小レンズを通過する複数の部分光束は、色光合成手段の中心軸を投写面上のほぼ同じ位置に投影して暗線を形成する。この中で、特に、光源が、光源ランプと前記光源ランプから出射される光を反射する凹面鏡とを備える場合、光源の光軸から凹面鏡の焦点距離だけそれぞれ離れた位置に存在する行の小レンズを通過する部分光束の強度が比較的高い。従って、このような行を他の行からずらすようにすれば、前述した第２の原理により、投写される画像に形成される暗線を目立ちにくくすることが可能である。
第４の投写型表示装置は、
照明光を出射する照明光学系と、
前記照明光を、３色の光に分離する色光分離手段と、
前記３色の光を与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、
Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して同一方向に出射する色光合成手段と、
前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写する投写手段と、を備える投写型表示装置であって、
前記照明光学系は、
光源から出射される光束を複数の部分光束に分割する複数の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの前記複数の小レンズにそれぞれ対応する複数の小レンズを有する第２のレンズアレイと、を備え、
前記第１と第２のレンズアレイのそれぞれは、
前記色光合成手段の前記中心軸に相当する方向と垂直な行方向に沿って、それぞれ複数の小レンズを有する複数の行に分割されており、前記複数の行の少なくとも一部の行が他の行からずれた位置に配置されて、行方向と垂直な方向に見たときに前記小レンズが互いに等しい位置に配列されている行の数が、前記複数の行の総数の２／５以下に設定されていることを特徴とする。
第１と第２のレンズアレイの複数の小レンズのうちで、色光合成手段の中心軸に相当する所定の方向に沿って配列されている複数の小レンズを通過する複数の部分光束は、色光合成手段の中心軸をほぼ同じ位置に投影して暗線を形成する。従って、第４の投写型表示装置のように、行の総数の２／５以下が互いに等しい位置に配列されているようにすれば、前述した第２の原理により、投写される画像に形成される暗線を目立ちにくくすることが可能である。
第４の投写型表示装置において、前記第１と第２のレンズアレイの前記複数の行が、一定のずれ量だけ順次互いにずれた配置を有するようにすることが好ましい。
こうすれば、互いに等価な位置に配列される行の数を少なくすることが容易である。
本発明の第１の照明光学系は、
照明光を、３色の光に分離する色光分離手段と、
前記３色の光を与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、
Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して同一方向に出射する色光合成手段と、
前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写する投写手段とを備える投写型表示装置に使用され、前記照明光を出射する照明光学系であって、
少なくとも前記色光合成手段の前記中心軸に相当する所定の方向にほぼ沿って分割された少なくとも一列の複数の部分光束を発生するとともに、前記複数の部分光束を重畳する分割重畳光学系を備え、
前記分割重畳光学系は、
前記一列の複数の部分光束のうち一部の部分光束によって前記中心軸が前記投写面上に投写される位置が、他の部分光束によって投写される位置から前記中心軸に相当する方向とは異なる方向にずれるように構成されていることを特徴とする。
第２の照明光学系は、
照明光を出射する照明光学系であって、
光源から出射される光束を複数の部分光束に分割する複数の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの前記複数の小レンズにそれぞれ対応する複数の小レンズを有する第２のレンズアレイと、
所定の方向に沿って配列されている前記複数の小レンズを通過する複数の部分光束のうち、一部の部分光束の光路を他の部分光束の光路からずらす光路変更手段と、
を備えることを特徴とする。
第３の照明光学系は、
照明光を出射する照明光学系であって、
光源から出射される光束を複数の部分光束に分割する複数の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの前記複数の小レンズにそれぞれ対応する複数の小レンズを有する第２のレンズアレイとを有し、
前記第１と第２のレンズアレイのそれぞれは、
所定の方向と垂直な行方向に沿ってそれぞれ複数の小レンズを有する複数の行に分割されており、前記所定の方向に沿って、前記光源の光軸から一定の距離だけそれぞれ離れた位置に存在する行が、他の行から一定のずれ量だけずれた位置に配置されていることを特徴とする。
第４の照明光学系は、
照明光を出射する照明光学系であって、
光源から出射される光束を複数の部分光束に分割する複数の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの前記複数の小レンズにそれぞれ対応する複数の小レンズを有する第２のレンズアレイとを備え、
前記第１と第２のレンズアレイのそれぞれは、
所定の方向とは垂直な行方向に沿って、それぞれ複数の小レンズを有する複数の行に分割されており、前記複数の行の少なくとも一部の行が他の行からずれた位置に配置されて、行方向と垂直な方向に見たときに前記小レンズが互いに等しい位置に配列されている行の数が、前記複数の行の総数の２／５以下に設定されていることを特徴とする。
第２ないし第４の照明光学系における「所定の方向」は、投写型表示装置の色光合成手段の中心軸に相当する方向である。従って、行方向は、この中心軸の方向と垂直な方向である。
第１ないし第４の照明光学系を投写型表示装置に用いることによって、第１ないし第４の投写型表示装置と同様に、投写された画像に形成される暗線を目立たなくすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、クロスダイクロイックプリズムを用いた投写型表示装置にインテグレータ光学系を採用した場合の、暗線発生原理を説明する図である。
図２は、レンズアレイ１，２の外観を示す斜視図である。
図３は、図１（Ａ−１）の一部拡大図、及び、クロスダイクロイックプリズム４の中心軸５を含むｘｙ平面における断面図である。
図４は、２つのレンズアレイ１，２のＮ列目の小レンズを通過した部分光束が投写スクリーン７上に投写される様子を示す概念図である。
図５は、この発明の第１実施例としての投写型表示装置１０００の要部を示す概略平面図である。
図６は、第１と第２のレンズアレイ１２０，１３０の外観を示す斜視図である。
図７は、偏光変換素子１４０の構成を示す説明図である。
図８は、第１実施例における段付き反射ミラー１５０の構成を示す図である。
図９は、段付き反射ミラー１５０の機能を示す説明図である。
図１０は、段付き反射ミラー１５０の機能を示す説明図である。
図１１は、図９における段付き反射ミラー１５０と偏光変換素子１４０の部分を拡大して示す図である。
図１２は、この発明による第２実施例の投写型表示装置２０００およびその照明光学系の要部を示す図である。
図１３は、第１実施例と第３実施例のレンズアレイとを比較して示す正面図である。
図１４は、小レンズを通過する部分光束が、クロスダイクロイックプリズム２６０を通過する様子を示す図である。
図１５は、第１実施例と第３実施例の偏光変換素子を比較して示す図である。
図１６は、第１実施例と第４実施例のレンズアレイとを比較して示す正面図である。
図１７は、投写型表示装置の要部を示す概念図である。
図１８は、クロスダイクロイックプリズム４８の一部を分解した斜視図である。
図１９は、クロスダイクロイックプリズム４８を利用した場合の問題点を示す説明図である。
発明を実施するための最良の形態
以下に、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。尚、以下の各実施例においては、特にことわりのない限り、光の進行方向をｚ方向、ｚ方向からみて３時の方向をｘ方向、１２時の方向をｙ方向として統一してある。
Ａ．第１実施例：
図５は、この発明の第１実施例としての投写型表示装置１０００の要部を示す概略平面図である。この投写型表示装置１０００は、照明光学系１００と、ダイクロイックミラー２１０，２１２と、反射ミラー２２０，２２２，２２４と、入射側レンズ２３０と、リレーレンズ２３２と、３枚のフィールドレンズ２４０，２４２，２４４と、３枚の液晶ライトバルブ（液晶パネル）２５０，２５２，２５４と、クロスダイクロイックプリズム２６０と、投写レンズ系２７０とを備えている。
照明光学系１００は、ほぼ平行な光束を出射する光源１１０と、第１のレンズアレイ１２０と、第２のレンズアレイ１３０と、入射光を所定の直線偏光成分に変換する偏光変換素子１４０と、段付き反射ミラー１５０と、重畳レンズ１６０とを備えている。照明光学系１００は、被照明領域である３枚の液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４をほぼ均一に照明するための光学系である。
光源１１０は、放射状の光線を出射する放射光源としての光源ランプ１１２と、光源ランプ１１２から出射された放射光をほぼ平行な光線束として出射する凹面鏡１１４とを有している。凹面鏡１１４としては、放物面鏡を用いることが好ましい。
図６は、第１と第２のレンズアレイ１２０，１３０の外観を示す斜視図である。第１のレンズアレイ１２０は略矩形状の輪郭を有する小レンズ１２２がＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。この例では、Ｍ＝１０，Ｎ＝８である。第２のレンズアレイ１３０も、第１のレンズアレイ１２０の小レンズ１２２に対応するように、小レンズがＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列した構成を有している。各小レンズ１２２は、光源１１０（図５）から出射された光束を複数の（すなわちＭ×Ｎ個の）部分光束に分割し、各部分光束を第２のレンズアレイ１３０の近傍で集光させる。各小レンズ１２２をｚ方向から見た外形形状は、液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４の形状と相似形をなすように設定されている。この実施例では、小レンズ１２２のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）は４：３に設定されている。
第２のレンズアレイ１３０は、各部分光束の中心光路をシステム光軸に平行に揃える機能を有している。光源部１１０から出射される光束がシステム光軸に平行な平行光であれば、第１のレンズアレイ１２０の小レンズ１２２から出射される部分光束もその中心光路がシステム光軸に平行であるため、第２のレンズアレイ１３０を省略することができる。しかし、光源１１０から、光の中心光路がシステム光軸に対してある角度をもった光が出射されると、小レンズ１２２から出射される部分光束の中心光路もシステム光軸に平行ではない。このような傾いた中心光路を有する部分光束は、本来照明すべき所定の領域、すなわち、液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４を照明することができない場合がある。このことは、投写型表示装置において、光の利用効率を低下させることになる。第２のレンズアレイ１３０は、このような光の中心光路がシステム光軸に対してある角度をもった部分光束が小レンズ１３２に入射された場合に、その中心光路をシステム光軸に平行となるように変換し、光の利用効率を向上させる。
図７は、偏光変換素子１４０（図５）の構成を示す説明図である。この偏光変換素子１４０は、偏光ビームスプリッタアレイ１４１と、選択位相差板１４２とを備えている。偏光ビームスプリッタアレイ１４１は、それぞれ断面が平行四辺形の柱状の複数の透光性板材１４３が、交互に貼り合わされた形状を有している。透光性板材１４３の界面には、偏光分離膜１４４と反射膜１４５とが交互に形成されている。なお、この偏光ビームスプリッタアレイ１４１は、偏光分離膜１４４と反射膜１４５が交互に配置されるように、これらの膜が形成された複数枚の板ガラスを貼り合わせて、所定の角度で斜めに切断することによって作製される。
第１と第２のレンズアレイ１２０，１３０を通過したランダムな偏光方向を有する光は、偏光分離膜１４４でｓ偏光光とｐ偏光光とに分離される。ｓ偏光光は、偏光分離膜１４４によってほぼ垂直に反射され、反射膜１４５によってさらに垂直に反射されてから出射される。一方、ｐ偏光光は、偏光分離膜１４４をそのまま透過する。選択位相差板１４２は、偏光分離膜１４４を通過する光の出射面部分にλ／２位相差層１４６が形成されており、反射膜１４５で反射された光の出射面部分はλ／２位相差層が形成されていない光学素子である。従って、偏光分離膜１４４を透過したｐ偏光光は、λ／２位層差層１４６によってｓ偏光光に変換されて出射する。この結果、偏光変換素子１４０に入射したランダムな偏光方向を有する光束は、ほとんどｓ偏光光となって出射する。
なお、図７（Ａ）から解るように、偏光変換素子１４０の一ヶ所の偏光分離膜１４４から出射するｓ偏光光の中心の位置（２つのｓ偏光光をひとまとまりの光束とみなした場合の中心の位置）は、入射するランダムな光束（ｓ偏光光＋ｐ偏光光）の中心よりもｘ方向にずれている。このずれ量は、λ／２位相差層１４６の幅Ｗｐ（すなわち偏光分離膜１４４のｘ方向の幅）の半分に等しい。このため、図５に示すように、光源１１０の光軸（２点鎖線で示す）は、偏光変換素子１４０以降のシステム光軸（一点鎖線で示す）から、Ｗｐ／２に等しい距離Ｄだけずれた位置に設定されている。
図５に示す投写型表示装置において、光源１１０から出射された平行光束は、インテグレータ光学系を構成する第１と第２のレンズアレイ１２０，１３０によって、複数の部分光束に分割される。第１のレンズアレイ１２０の小レンズ１２２は、各部分光束を偏光変換素子１４０の偏光分離膜１４４（図７）の近傍で集光させる。偏光変換素子１４０から出射された部分光束は、段付き反射ミラー１５０で反射される。この段付き反射ミラー１５０の構成と機能については後述する。重畳レンズ１６０は、これらの複数の部分光束を重畳させて、被照明領域である液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４に集光させる重畳光学系としての機能を有する。この結果、各液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４は、ほぼ均一に照明される。
２枚のダイクロイックミラー２１０，２１２は、重畳レンズ１６０で集光された白色光を、赤、緑、青の３色の色光に分離する色光分離手段としての機能を有する。第１のダイクロイックミラー２１０は、照明光学系１００から出射された白色光束の赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射する。第１のダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光は、反射ミラー２２０で反射され、フィールドレンズ２４０を通って赤光用の液晶ライトバルブ２５０に達する。このフィールドレンズ２４０は、偏光変換素子１４０から出射された部分光束をその中心光路に対して平行な光束に変換する機能を有する。他の液晶ライトバルブの前に設けられたフィールドレンズ２４２，２４４も同様である。第１のダイクロイックミラー２１０で反射された青色光と緑色光のうちで、緑色光は第２のダイクロイックミラー２１２によって反射され、フィールドレンズ２４２を通って緑光用の液晶ライトバルブ２５２に達する。一方、青色光は、第２のダイクロイックミラー２１２を透過し、入射側レンズ２３０、リレーレンズ２３２および反射ミラー２２２，２２４を備えたリレーレンズ系を通り、さらにフィールドレンズ（出射側レンズ）２４４を通って青色光用の液晶ライトバルブ２５４に達する。なお、青色光にリレーレンズ系が用いられているのは、青色光の光路の長さが他の色光の光路の長さよりも長いので、光の利用効率の低下を防止するためである。
３枚の液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４は、与えられた画像情報（画像信号）に従って、３色の色光をそれぞれ変調して画像を形成する光変調手段としての機能を有する。クロスダイクロイックプリズム２６０は、３色の色光を合成してカラー画像を形成する色光合成手段としての機能を有する。なお、クロスダイクロイックプリズム２６０の構成は、図１８および図１９で説明したものと同じである。すなわち、クロスダイクロイックプリズム２６０には、赤光を反射する誘電体多層膜と、青光を反射する誘電体多層膜とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。クロスダイクロイックプリズム２６０で生成された合成光は、投写レンズ系２７０の方向に出射される。投写レンズ系２７０は、この合成光を投写スクリーン３００上に投写して、カラー画像を表示する投写光学系としての機能を有する。
さて、図５に示す投写型表示装置１０００は、段付き反射ミラー１５０に特徴がある。図８は、段付き反射ミラー１５０の構成を示す正面図（Ａ）および平面図（Ｂ），（Ｃ）である。なお、（Ｂ），（Ｃ）は、（Ａ）を側方から見た図である。この段付き反射ミラー１５０は、平坦なメインミラー１５２の上に、細長い帯状の２つのサブミラー１５４を貼りつけたものである。２つのサブミラー１５４は、メインミラー１５２の高さの中心からほぼ対称な高さに、それぞれ水平に貼りつけられている。これらのミラーは、全反射ミラー、または、熱エネルギーを透過させるコールドミラーで構成することができる。さらに、熱エネルギーだけでなく、紫外線を透過させる機能を持たせても良い。熱エネルギーや紫外線を透過させる機能を段付き反射ミラー１５０に持たせることにより、液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４に通常設けられる偏光板等の熱や紫外線による劣化を低減することができる。
図９、図１０は、段付き反射ミラー１５０の機能を示す説明図である。なお、図１０は、図９のＡ−Ａ線を含むｘｙ平面における断面図である。図９、図１０には、実線と一点鎖線により２本の中心光路が示されている。実線はサブミラー１５４で反射される光の中心光路を示し、一点鎖線はメインミラー１５２で反射される光の中心光路を示している。これらの図から解るように、２本の光路は、いずれもレンズアレイ１２０，１３０の同じ列方向位置（ｘ方向位置）に並ぶ小レンズを通過する部分光束の中心光路を示すものであり、その行方向位置（ｙ方向位置）が異なるだけである。図９から解るように、実線で示す光路は、段付き反射ミラー１５０で反射された後に、一点鎖線で示す光路に対してｘ方向にずらされる。
ここで、実線で示されるサブミラー１５４で反射される光の中心光路が、一点鎖線で示されるメインミラー１５２で反射される光の中心光路に対して、段付き反射ミラー１５０によってずらされるということは、レンズアレイ１２０，１３０の同じ列方向に並ぶ小レンズを通過する部分光束のうち、サブミラー１５４で反射される光束と、メインミラー１５２で反射される光束とが、反射ミラー１５０によりｘ方向にずらされるということと同じ意味である。この結果、これらの部分光束は、重畳レンズ１６０のｘ方向の互いに異なる位置に入射するため、液晶ライトバルブ２５２上を照明して通過する入射角度がそれぞれ異なることになる。
液晶ライトバルブ２５２上を異なる入射角度で通過した部分光束は、液晶ライトバルブ２５２において変調を受けた後、クロスダイクロイックプリズム２６０内を通過する。図９から解るように、メインミラー１５２により反射された部分光束の中心光路と、サブミラー１５４により反射された部分光束の中心光路とでは、クロスダイクロイックプリズム２６０への入射角度、すなわち、クロスダイクロイックプリズム２６０内の通過角度が異なることになり、クロスダイクロイックプリズム２６０の中心軸２６２に対して異なる位置をそれぞれ通過する。先に、第１、第２の原理として述べたように、部分光束の中心光路のクロスダイクロイックプリズム２６０内の通過角度が異なれば、また、クロスダイクロイックプリズム２６０の中心軸２６２に対する部分光束の中心光路の位置が異なれば暗線の形成される位置も異なることになる。よって、同じ列方向に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束のそれぞれにより形成される暗線が１ヶ所に集中することがなく、暗線を目立ちにくくすることが可能となる。
図１１は、図９における段付き反射ミラー１５０と偏光変換素子１４０の部分を拡大して示す図である。偏光変換素子１４０は、入射したランダムな偏光成分を有する光束を、ｓ偏光光束に変換して出射する。偏光分離膜１４４、λ／２位相差層１４６を経て出射されるｓ偏光光束の中心光路と、偏光分離膜１４４、反射膜１４５を経て出射されるｓ偏光光束の中心光路との間の距離Ｌは、偏光分離膜１４４と反射膜１４５の距離Ｗの√２倍である。この距離Ｌと距離Ｗとの関係は、偏光分離膜１４４と反射膜１４５が光入射面に対して４５度傾いていることに対応している。また、図から解るように、この関係は、実線で示すｓ偏光光束の中心光路と、一点鎖線で示すｓ偏光光束の中心光路とで共通である。
この実施例において、サブミラー１５４の厚さｈは、偏光分離膜１４４と反射膜１４５の距離Ｗの１／２に設定されている。段付き反射ミラー１５０はシステム光軸に対して４５度傾いているので、この段付き反射ミラー１５０で反射された後は、実線と一点鎖線とで示される中心光路のｘ方向の位置がずれ、４つの中心光路がそれぞれｘ方向にＬ／２の距離で等間隔に配置されることになる。
液晶ライトバルブ２５２上を互いに異なる入射角度で通過した部分光束は、液晶ライトバルブ２５２において変調を受けた後、クロスダイクロイックプリズム２６０内を通過する。図９からも解るように、段付き反射ミラー１５０において互いに位置がずらされた４つの中心光路は、クロスダイクロイックプリズム２６０への入射角度が異なることになり、クロスダイクロイックプリズム２６０の中心軸２６２に対してそれぞれ異なる位置をそれぞれ通過する。先に、第１、第２の原理として述べたように、部分光束の中心光路のクロスダイクロイックプリズム２６０への入射角度、すなわち、クロスダイクロイックプリズム２６０内の通過角度が異なれば、また、クロスダイクロイックプリズム２６０の中心軸２６２に対する部分光束の中心光路の位置が異なれば暗線の形成される位置も異なることになる。よって、同じ列方向に並ぶＭ個の小レンズを通過する部分光束のそれぞれにより形成される暗線が１ヶ所に集中することがなく、暗線を目立ちにくくすることが可能となる。
なお、図９に関する説明からわかるように、インテグレータ光学系を備えた照明光学系に段付き反射ミラー１５０を採用しただけでも暗線は目立たなくなるが、これに偏光変換素子を組み合わせればさらに暗線が目立たなくなる。なぜならば、インテグレータ光学系を備えた照明光学系に段付き反射ミラー１５０を採用すれば、レンズアレイ１２０，１３０の同じ列方向位置（ｘ方向位置）に並ぶ小レンズを通過する部分光束の中心光路を２つの異なるｘ方向位置にずらすことができるため、暗線も２ヶ所に分散されることとなる。これに、さらに偏光変換素子を組み合わせれば、レンズアレイ１２０，１３０の同じ列方向（ｘ方向位置）に並ぶ小レンズを通過する部分光束の中心光路を４つの異なるｘ方向位置にずらすことができるため、暗線も４ヶ所に分散されることになるからである。
なお、サブミラー１５４の厚さｈは、同じ列に存在する小レンズを通過する部分光束のうち、段付き反射ミラー１５０によりｚ方向の位置がずらされる部分光束の中心光路と、そうでない部分光束の中心光路との間の距離ｌが、偏光分離膜１４４、λ／２位相差層１４６を経て出射されるｓ偏光光束の中心光路と、偏光分離膜１４４、反射膜１４５を経て出射されるｓ偏光光束の中心光路との間の距離Ｌと異なる値になるように設定すれば良い。特に、図１１に示すように、ｌ＝Ｌ／２となるように厚さｈを設定すると、スクリーン上に投影される暗線の分散される位置が最も離れることになり、従って、最も暗線を目立ちにくくすることができる。
ところで、図８に示す２つのサブミラー１５４の高さ方向における位置と幅は、光源１１０からの光束の強度が大きい位置に対応するように決定されている。すなわち、レンズアレイ１２０，１３０の高さの中心から凹面鏡１１４の焦点距離ｆだけ離れた位置に存在する小レンズを通過する部分光束の光強度は、他の高さ位置の小レンズを通過する部分光束の光強度よりも大きい。従って、段付き反射ミラー１５０のサブミラー１５４を、これらの光強度の大きい部分光束が反射する領域を通過する光の光軸をずらすことができるように設けると効果的である。サブミラー１５４の幅（高さ方向の寸法）は、図８に示す例よりも大きくするようにしてもよい。投写スクリーン上の暗線は、その光量が他の部分の光量の約９５％以下になると目立ちやすく、約９８〜９７％程度以上ではあまり目立たない。従って、クロスダイクロイックプリズム２６０の中心軸が投影されてできる暗線の光量が、他の部分の光量の約９８％以上になるように、サブミラー１５４の幅を調整すればよい。
なお、図８に示す段付き反射ミラー１５０では、メインミラー１５２とサブミラー１５４の２段の構成としていたが、３段以上の多段の段付き反射ミラーを使用することも可能である。
Ｂ．第２実施例：
図１２は、この発明による第２実施例の投写型表示装置２０００およびその照明光学系の要部を示す図であり、第１実施例の図９に相当する図である。第２実施例は、第１実施例の段付き反射ミラー１５０の代わりに通常の平坦な反射ミラー１５６を用い、また、偏光変換素子１４０と反射ミラー１５６との間に平板状の透光性板材１５８を設けたものである。他の構成要素は、第１実施例の投写型表示装置１０００と同じである。なお、透光性板材１５８は、第２のレンズアレイ１３０と重畳レンズ１６０との間に設ければよい。例えば、反射ミラー１５６と重畳レンズ１６０の間に設けるようにしてもよい。
透光性板材１５８は、図８に示す２枚のサブミラー１５４に相当する高さ位置に、２枚設けられている。なお、透光性板材１５８の高さ方向の大きさは、第１実施例で説明したサブミラー１５４（図８）にほぼ等しい。ところで、クロスダイクロイックプリズム２６０の中心軸２６２は、図１２の紙面と垂直な方向に沿って伸長している。従って、透光性板材１５８は、クロスダイクロイックプリズム２６０の中心軸２６２に相当する方向の周りに回転した位置に、レンズアレイ１２０，１３０の面から傾いて設置されている。透光性板材１５８としては、板ガラスや板状の光学ガラスを用いることができる。
周知のように、平板状の透光性板材１５８は、斜めに入射した光線の光路をほぼ平行移動させる機能を有している。２枚の透光性板材１５８は、２枚のサブミラー１５４に相当する位置にそれぞれ設けられているので、この透光性板材１５８を通過する光線の光路は、図１２において一点鎖線で示すように平行移動する。一方、実線で示す光線は、透光性板材１５８を通過しないので光路が変更されていない。
このように、第１実施例における段付き反射ミラー１５０と、第２実施例における透光性板材１５８は、どちらも、レンズアレイ１２０，１３０の同じ列方向位置を通過した複数の部分光束の中の一部の光路を、他の部分光束の光路からずらす光路変更手段としての機能を有する。また、これらと、重畳レンズ１６０とは、レンズアレイ１２０，１３０の同じ列方向位置を通過した複数の部分光束のうち、一部の部分光束の光路のクロスダイクロイックプリズム２６０へ入射する入射角度が、他の部分光束の光路の入射角度と異なるようにする光路角度変更手段としての機能を有する。なお、光路変更手段による光路の変更幅は、少なくとも偏光変換素子１４０で分離される２本の直線偏光成分の間の距離と異なる値になるように設定されている。第２実施例の場合には、透光性板材１５８の屈折率と傾き角と厚みとを調整することによって、光路の変更幅を調整することが可能である。
なお、光路変更手段としては、段付き反射ミラーや透光性板材以外のものを使用するようにしてもよく、複数種類の光路変更手段を組み合わせて使用することも可能である。
Ｃ．第３実施例：
図１３は、第１実施例のレンズアレイ１２０，１３０と、第３実施例の投写型表示装置３０００に用いられるレンズアレイ１２４，１３４とを比較して示す正面図である。第３実施例は、これらのレンズアレイ１２４，１３４を用い、また、段付き反射ミラー１５０の代わりに通常の平坦な反射ミラーを用いている。第３実施例の投写型表示装置３０００は、これらの点と、後述する偏光変換素子の変更点以外は、第１実施例の投写型表示装置１０００と同じ構成を有している。
図１３（Ｂ）に示すように、第３実施例のレンズアレイ１２４，１３４は、１０行の小レンズの中で、４行目と７行目の小レンズを他の行から左右にずらしたものである。すなわち、４行目の小レンズは他の行からずれ量ｄだけ右にずれており、７行目の小レンズは、逆に、他の行からずれ量ｄだけ左にずれている。
４行目と７行目は、レンズアレイの高さ方向の中心から、凹面鏡１１４の焦点距離ｆだけ離れた位置にそれぞれ存在する。前述したように、この高さ位置を通過する部分光束は、他の高さ位置を通過する部分光束よりも強度が高い。従って、これらの行の小レンズを左右にずらすことによって、これらの小レンズを通過する部分光束が、クロスダイクロイックプリズム２６０を通過する時の角度を変更することができる。この様子を図１４を用いて説明する。図１４においては、説明をわかりやすくするために本実施例の投写型表示装置３０００の構成要素（後述する偏光変換素子１４８等）の一部を省略してある。また、図１４には、第２のレンズアレイ１３４のうち、３行目と４行目の部分のみが図示されている。この図から解るように、これらの小レンズを通過する部分光束の、クロスダイクロイックプリズム２６０内を通過する時の角度はずれており、暗線ＤＬｄ，ＤＬｅが異なる位置に形成されている。この結果、投写スクリーン３００上の暗線形成を分散させて目立ちにくくすることができる。なお、この結果は先に述べた第２の原理に基づくものである。
４行目と７行目の小レンズのずれ量ｄは、小レンズの幅Ｐの約１／３に設定することが好ましい。こうすれば、４行目の小レンズと、７行目の小レンズも互いに左右にずれた位置に配置され、さらに投写スクリーンの暗線形成位置を分散させて、目立ちにくくすることができるからである。
図１５は、第１実施例に使用される偏光変換素子１４０と、第３実施例に使用される偏光変換素子とを比較して示す図である。図１５（Ａ）は、第１実施例における第２のレンズアレイ１３０と偏光変換素子１４０の平面図、図１５（Ｂ）は第１実施例の偏光変換素子１４０の正面図である。これから解るように、偏光変換素子１４０の偏光ビームスプリッタアレイ１４１と選択位相差板１４２は、それらの構成要素（透光性板材やλ／２位相差板）が、正面から見て垂直方向に伸長する向きに配置されている。
図１３（Ｂ）に示すレンズアレイ１２４，１３４を用いる場合には、図１５（Ｃ）または図１５（Ｄ）に示すような偏光変換素子を使用する。図１５（Ｃ）に示す偏光変換素子１４８は、レンズアレイ１２４，１３４のずれた行に対応する位置において、そのずれ量ｄと同じだけ偏光ビームスプリッタアレイと選択位相差板とをずらせた構成を有している。一方、図１５（Ｄ）に示す偏光変換素子１４９は、偏光ビームスプリッタアレイと選択位相差板が、正面から見て水平方向に伸長する向きに構成されている。図１５（Ｄ）のように、水平方向に伸長する向きに配置すれば、レンズアレイの行のずれ量ｄが変わっても同じ偏光変換素子を用いることができるという利点がある。但し、こうするためには、図１５（Ｄ）の偏光変換素子の横幅を十分に大きく設定しておく必要がある。
Ｄ．第４実施例：
図１６は、第１実施例のレンズアレイ１２０，１３０と、第４実施例に用いられるレンズアレイ１２６，１３６とを比較して示す正面図である。第４実施例は、これらのレンズアレイ１２６，１３６を用いる点と、これに対応した偏光変換素子を用いる点以外は、第３実施例と同じ構成を有している。なお、偏光変換素子としては、図１５に示す第３実施例と同様なものを使用できるので、その説明は省略する。
図１６（Ｂ）に示すように、第４実施例のレンズアレイ１２６，１３６は、小レンズの各行が順次少しずつずれている。すなわち、１，４，７，１０行目は等しい位置に配置されており、同様に、２，５，８行目と、３，６，９行目も、それぞれ等しい位置に配置されている。１行目を基準にすれば、２，５，８行目は、１行目からずれ量ｄだけ右にずれた位置にある。また、３，６，９行目は、これとは反対に、１行目からずれ量ｄだけ左にずれた位置にある。
ずれ量ｄは、小レンズの幅Ｐの約１／３に設定することが好ましい。こうすれば、１０行のうちの２／５の行が互いに垂直方向（すなわち列方向）に重なるだけである。上述したように、列方向の同じ位置に並ぶ複数の小レンズは、投写スクリーン上において同じ位置にクロスダイクロイックプリズム２６０の中心軸を投影して暗線を形成する。従って、同じ列方向位置に重なるレンズアレイの行数が、その総数の約２／５以下になるようにレンズアレイの行を左右にずらすことによって、投写スクリーン３００上の暗線を目立ちにくくすることが可能である。
なお、ずれ量ｄの値は、小レンズの幅Ｐの約１／４に設定することがもっと好ましい。一般には、小レンズの幅Ｐの約１／３〜約１／５の範囲のずれ量ｄだけ、各行を相互に左右にずらすようにすることが好ましい。
以上の第３および第４実施例のように、２枚のレンズアレイと偏光変換素子に種々の工夫を施すことによって、クロスダイクロイックプリズム２６０の中心軸が投写スクリーン３００上に投影されて形成される暗線を目立ちにくくすることが可能である。
なお、暗線を目立ちにくくする発明は、上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
すなわち、投写型表示装置は、照明光を出射する照明光学系と、３色の光を与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して同一方向に出射する色光合成手段と、色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写手段と、を備え、少なくとも色光合成手段の中心軸に相当する所定の方向にほぼ沿って分割された少なくとも一列の複数の部分光束を発生するとともに、光変調手段上で複数の部分光束をほぼ重畳する分割重畳光学系を、備えている。そして、この分割重畳光学系は、一列の複数の部分光束のうち一部の部分光束によって、色光合成手段の中心軸が投写面上に投写される位置が、他の部分光束によって投写される位置から、色光合成手段の中心軸に相当する方向とは異なる方向にずれるように構成されていればよい。これによれば、一列の複数の部分光束のうち一部の部分光束は、色光合成手段の中心軸を投写面上の異なった位置に投写して暗線を形成するので、投写される画像に形成される暗線を目立ちにくくすることが可能である。
また、上記各実施例では、偏光変換素子を用いて１つの直線偏光成分に変換していたが、偏光変換素子を省略することも可能である。この場合にも、上述した各実施例において、投写スクリーン上に形成される暗線を目立たなくする効果はほぼ同様に達成される。
また、上記各実施例では、透過型の投写型表示装置に本発明を適用した場合の例について説明したが本発明は、反射型の投写型表示装置にも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、液晶ライトバルブ等の光変調手段が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、光変調手段が光を反射するタイプであることを意味している。反射型の投写型表示装置では、クロスダイクロイックプリズムは、白色光を赤、緑、青の３色の光に分離する色光分離手段として利用されると共に、変調された３色の光を再度合成して同一の方向に出射する色光合成手段としても利用される。反射型の投写型表示装置にこの発明を適用した場合にも、透過型の投写型表示装置とほぼ同様な効果を得ることができる。
産業上の利用可能性
この発明にかかる照明光学系は、種々の投写型表示装置に適用可能である。また、この発明による投写型表示装置は、例えばコンピュータから出力された画像やビデオレコーダから出力された画像をスクリーン上に投写して表示するために適用可能である。

Claims (9)

1. 照明光を出射する照明光学系と、
   前記照明光を３色の光に分離する色光分離手段と、
   前記３色の光を与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、
   Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して同一方向に出射する色光合成手段と、
   前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写手段とを備える投写型表示装置であって、
   前記照明光学系は、
   前記色光合成手段の前記中心軸とほぼ平行な列方向、および、前記色光合成手段の前記中心軸とほぼ垂直な行方向に分割された複数の部分光束を発生するとともに、前記複数の部分光束を重畳する分割重畳光学系を備え、
   前記分割重畳光学系は、
   前記複数の部分光束を発生させる光束分割手段と、
   同じ列方向に存在する前記部分光束のうち、一部の部分光束を、他の部分光束と異なる入射角度で前記色光合成手段に入射させる入射角度変更手段を備え、
   前記光束分割手段は前記列方向および前記行方向に配列された複数の小レンズを備えた少なくとも１枚のレンズアレイを備え、
   前記入射角度変更手段は反射面に段差を有する段付き反射ミラーを備え、
   前記分割重畳光学系は、
   同じ列方向に存在する前記複数の部分光束のうち一部の部分光束によって前記中心軸が前記投写面上に投写される位置が、他の部分光束によって投写される位置から前記中心軸に相当する方向とは異なる方向にずれるように構成されていることを特徴とする、投写型表示装置。
2. 照射光を出射する照明光学系と、
   前記照明光を３色の光に分離する色光分離手段と、
   前記３色の光を与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、
   Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して同一方向に出射する色光合成手段と、
   前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写手段とを備える投写型表示装置であって、
   前記照明光学系は、
   前記色光合成手段の前記中心軸とほぼ平行な列方向、および、前記色光合成手段の前記中心軸とほぼ垂直な行方向に分割された複数の部分光束を発生するとともに、前記複数の部分光束を重畳する分割重畳光学系を備え、
   前記分割重畳光学系は、
   前記複数の部分光束を発生させる光束分割手段と、
   同じ列方向に存在する前記部分光束のうち、一部の部分光束を、他の部分光束と異なる入射角度で前記色光合成手段に入射させる入射角度変更手段を備え、
   前記光束分割手段は前記列方向および前記行方向に配列された複数の小レンズを備えた少なくとも１枚のレンズアレイを備え、
   前記入射角度変更手段は前記レンズアレイの面に対して傾いて配置された透光性板材を備え、
   前記分割重畳光学系は、
   同じ列方向に存在する前記複数の部分光束のうち一部の部分光束によって前記中心軸が前記投写面上に投写される位置が、他の部分光束によって投写される位置から前記中心軸に相当する方向とは異なる方向にずれるように構成されていることを特徴とする、投写型表示装置。
3. 照射光を出射する照明光学系と、
   前記照明光を、３色の光に分離する色光分離手段と、
   前記３色の光を与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、
   Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して同一方向に出射する色光合成手段と、
   前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写する投写手段と、を備える投写型表示装置であって、
   前記照明光学系は、
   光源から出射される光束を複数の部分光束に分割する複数の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイの前記複数の小レンズにそれぞれ対応する複数の小レンズを有する第２のレンズアレイと、
   前記色光合成手段の前記中心軸に相当する所定の方向に沿って配列されている前記複数の小レンズを通過する複数の部分光束のうち、一部の部分光束の光路を、前記所定の方向に垂直な方向に沿って、他の部分光束の光路からずらす光路変更手段と、を備え、
   前記光路変更手段は、反射面に段差を有する段付き反射ミラーを備える、
   ことを特徴とする投写型表示装置。
4. 請求項３記載の投写型表示装置であって、
   前記段付き反射ミラーの段部は、前記所定の方向とは垂直な方向に沿って設けられている、投写型表示装置。
5. 請求項３記載の投写型表示装置であって、
   前記段付き反射ミラーは、互いに高さの異なる第１の反射面と第２の反射面とを有し、前記色光合成手段の前記中心軸に相当する前記所定の方向に沿って前記光源の光軸から一定の距離だけそれぞれ離れた２つの位置に前記第２の反射面がそれぞれ設けられている、投写型表示装置。
6. 照射光を出射する照明光学系と、
   前記照明光を、３色の光に分離する色光分離手段と、
   前記３色の光を与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変調する３組の光変調手段と、
   Ｘ字状に配置された２種類のダイクロイック膜を備え、前記ダイクロイック膜が互いに交差する位置に相当する中心軸を有し、前記３組の光変調手段により変調された３色の光を合成して同一方向に出射する色光合成手段と、
   前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写する投写する投写手段と、を備える投写型表示装置であって、
   前記照明光学系は、
   光源から出射される光束を複数の部分光束に分割する複数の小レンズを有する第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイの前記複数の小レンズにそれぞれ対応する複数の小レンズを有する第２のレンズアレイと、
   前記色光合成手段の前記中心軸に相当する所定の方向に沿って配列されている前記複数の小レンズを通過する複数の部分光束のうち、一部の部分光束の光路を、前記所定の方向に垂直な方向に沿って、他の部分光束の光路からずらす光路変更手段と、を備え、
   前記光路変更手段は、前記第２のレンズアレイの面から傾いて配置された透光性板材を備える、
   ことを特徴とする投写型表示装置。
7. 請求項３ないし請求項６のいずれか記載の投写型表示装置であって、
   前記照明光学系は、さらに、
   前記第２のレンズアレイと前記光路変更手段の間のいずれかの位置に設けられた偏光変換素子を備え、
   前記偏光変換素子は、互いに平行な偏光分離膜と反射膜の複数の組を有し、前記第２のレンズアレイの複数の小レンズを通過した複数の部分光束をそれぞれ２種類の直線偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタアレイと、
   前記偏光ビームスプリッタアレイで分離された前記２種類の直線偏光成分の偏光方向を揃える偏光変換手段と、を備え、
   前記光路変更手段によって、前記色光合成手段の前記中心軸に相当する所定の方向に沿って配列されている前記複数の小レンズを通過し、前記偏光ビームスプリッタアレイで分離された前記２種類の直線偏光成分の光路の一部が他の光路からずらされる、投写型表示装置。
8. 請求項７記載の投写型表示装置であって、
   前記２種類の直線偏光成分の光路の一部が前記光路変更手段によって他の光路からずらされる量は、前記２種類の直線偏光成分の隣接する光路間の距離の約１／２である、投写型表示装置。
9. 請求項３ないし請求項８のいずれかに記載の投写型表示装置であって、さらに、
   前記第１と第２のレンズアレイを順次通過した複数の部分光束を重畳させて前記３組の光変調手段を照明する重畳光学系を備え、
   前記光路変更手段は、前記第２のレンズアレイと前記重畳光学系との間に設けられている、投写型表示装置。

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