JP4022130B2 - 単板式投写型画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は１枚のライトバルブを変調手段として用いてカラー表示を行う単板式投写型画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、大型映像市場の主力である液晶プロジェクターは、液晶パネル（ライトバルブ）の画像を光源ランプと集光レンズと投写レンズとを用いてスクリーン上に拡大、結像させるものである。現在実用化されている方式は３板式と単板式の大きく２つに分けることができる。
【０００３】
前者の３板式液晶プロジェクターでは、白色光源からの光を色分解光学系により赤、緑、青の３原色の色光に分光した後、それらの光を３枚のモノクロ液晶パネルにより変調し、３原色の画像をそれぞれ形成する。その後、これらの画像を色合成光学系で合成して、１つの投写レンズでスクリーン上に投写する。
【０００４】
この方式は光源からの白色光の全スペクトルを利用できるため光利用率は高いが、３枚の液晶パネル、色分解光学系、色合成光学系、及び液晶パネル間のコンバージェンス調整機構を必要とするため比較的高価である。
【０００５】
これに対し、従来の単板式液晶プロジェクターでは、モザイク状のカラーフィルター付き液晶パネル上に形成した画像を単純にスクリーンに拡大投写するだけなのでコンパクトで低価格である。しかしながら、この方式では光源からの白色光のうち、色選択手段であるカラーフィルターにおいて不要な色光を吸収することによって所望の色を得ているため、液晶パネルに入射した白色光の１／３以下しか透過（又は反射）せず、光利用率が低く、高輝度の画像が得られにくい。光源を明るくすれば表示画像の明るさを向上させることができるが、カラーフィルターの光吸収による発熱及び耐光性に対する問題が残されており、高輝度化を図る上で大きな障害となっていた。
【０００６】
このような問題に対する単板式画像表示装置が特許文献１で提案されている。この画像表示装置の概略構成を図１１に示す。
【０００７】
光源部９２０から発せられた白色光は色分解光学系９２１に導かれる。色分解光学系９２１は、図１２に示すように、ダイクロイックミラー９２１ａ，９２１ｂと２枚の反射ミラー９２１ｃ，９２１ｄとからなる。ダイクロイックミラー９２１ａは青色光を反射して緑色光及び赤色光を透過する。また、ダイクロイックミラー９２１ｂは赤色光を反射して緑色光及び青色光を透過する。これらのダイクロイックミラー９２１ａとダイクロイックミラー９２１ｂとは交差して設置されている。光源部９２０からの白色光９３１のうち、青色光９３２はダイクロイックミラー９２１ａで反射され、反射ミラー９２１ｄで反射され、照明部９２２の開口９２２ｂを通過する。また、赤色光９３３は、ダイクロイックミラー９２１ｂで反射され、反射ミラー９２１ｃで反射され、照明部９２２の開口９２２ｒを通過する。また、緑色光９３４はダイクロイックミラー９２１ａ，９２１ｂの双方を透過して、照明部９２２の開口９２２ｇを通過する。照明部９２２の開口９２２ｒ，９２２ｇ，９２２ｂは帯状（矩形状）に形成されており、これらの開口から赤、緑、青の色光が隣接して出射される。
【０００８】
照明部９２２を出射した帯状の各色光は、走査光学系９２４を通って単一の透過型ライトバルブ（表示パネル）９２３の異なる領域をそれぞれ帯状に照明する。走査光学系９２４を構成する回転プリズム９２４ａの作用により、赤、緑、青の帯状の各色光はライトバルブ９２３上を下から上に走査する。ある色光の帯状照明領域がライトバルブ９２３の有効域の最上端を越えると、その色光の帯状照明領域がライトバルブ９２３の有効域の最下端に再び現れる。このようにして、ライトバルブ９２３の有効域の全域にわたって赤、緑、青の各色光による連続走査が可能となる。ライトバルブ９２３上の各行を照明する色光は刻々変化し、ライトバルブ駆動装置（図示せず）は、各画素を、照明される色光に応じた情報で駆動する。これはライトバルブ９２３の各行が、表示すべき映像信号の各フィールド毎に３回駆動されることを意味する。個別の行にそれぞれ入力される駆動信号は、表示すべき画像の信号のうち、その行を照明する色光に応じた色信号である。ライトバルブ９２３で変調された各色光は投写レンズ９２５によりスクリーン（図示せず）上に拡大投写される。
【０００９】
このような構成によれば、白色光源からの光を３原色に分解するので光源からの光をほぼ損失なく使え、光利用効率を高く出来る。また、ライトバルブ上の各画素は、それぞれが赤緑青表示を順に行なうから、先に示した３板式で問題となる色ずれもなく、高画質映像を提供できる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平４−３１６２９６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上に示した構成では、照明部９２２からの各色光は前記回転プリズム９２４ａを透過する際、光束が絞られない。回転プリズム９２４ａの大きさ（回転半径）は照明部９２２から出射される光の照明領域に合わせた大きさにする必要があり、回転プリズム９２４ａは大きく、重くなる。従って装置を小型化、軽量化する上では障害となっていた。
【００１２】
また回転プリズム９２４ａを回動させる強力なモーターが必要となるから装置の大型化、高価格化を招く。
【００１３】
本発明は、上記の従来の単板式画像表示装置の問題点を解決し、ライトバルブを各色光で順次走査を行う色光走査光学系を備え、光利用効率が高く、高画質の画像が表示でき、装置の小型化が可能なカラー画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の単板式投写型画像表示装置は、矩形形状の発光部を備え、赤、緑、青それぞれの異なる色光を発する３つの面発光光源と、 前記面発光光源からの光を集光する第１の光学手段と、軸を中心に回転し、前記第１の光学手段で集光された光を反射し走査する回転多面鏡と、Ｆシーターレンズ機能を有し、前記回転多面鏡で反射された光を集光する第２の光学手段と、マトリクス状に配された複数の画素を備え、前記第２の光学手段を通過した赤、緑、青の各色光の明るさを前記画素毎に変調する画像表示パネルと、前記画像表示パネルの前記各画素をその画素に入射する光の色に応じた信号で駆動する駆動回路と、前記画像表示パネル上に形成され、且つ前記信号によって変調された赤、緑、青の各矩形形状の色光をスクリーン上に拡大投写する投写光学系とを備え、前記面発光光源の任意の点から発した光が前記回転多面鏡に平行光となって入射するように、前記面発光光源を前記第１の光学手段の焦点位置に配したことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
上述の通り、本発明の単板式投写型画像形成装置は、矩形形状の発光部を備え、赤、緑、青それぞれの異なる色光を発する３つの面発光光源と、前記面発光光源からの光を集光する第１の光学手段と、軸を中心に回転し、前記第１の光学手段で集光された光を反射し走査する回転多面鏡と、Ｆシーターレンズ機能を有し、前記回転多面鏡で反射された光を集光する第２の光学手段と、マトリクス状に配された複数の画素を備え、前記第２の光学手段を通過した赤、緑、青の各色光の明るさを前記画素毎に変調する画像表示パネルと、前記画像表示パネルの前記各画素をその画素に入射する光の色に応じた信号で駆動する駆動回路と、前記画像表示パネル上に形成され、且つ前記信号によって変調された赤、緑、青の各矩形形状の色光をスクリーン上に拡大投写する投写光学系とを備え、前記面発光光源の任意の点から発した光が前記回転多面鏡に平行光となって入射するように、前記面発光光源を前記第１の光学手段の焦点位置に配したことを特徴とする。
【００１６】
これによれば、カラーフィルターを使用せず、各色光専用の画素を有しないライトバルブを用いてカラー表示を行うことが可能となる。従って、光利用効率が高く、高解像度の表示が可能になる。更に、回転多面鏡を用いて走査光学系を構成することで、小型・低コストの画像表示装置を提供できる。
【００１７】
また、第１の光学手段が各色の面発光光源の任意の点からの光を平行光として回転多面鏡に導くので、画像表示パネル上に各色光の発光部の矩形像がボケなく形成される。よって、高画質映像の投写が可能となる。
【００１８】
本発明の上記の単板式投写型画像表示装置が、更に、白色光源及びリフレクターからなる光源部と、矩形形状の開口部を有するロッド部を備え、前記光源部からの光を集光して均一な強さの光を出射するロッドインテグレータ光学手段と、前記ロッドインテグレータ光学手段からの光を赤、緑、青の各色光に分解する色分解光学系と、前記色分解光学系からの前記各色光がそれぞれ入射し、赤、緑、青の各色光の矩形像がそれぞれ形成される３個の第１集光レンズとを備えていてもよい。この場合、前記３つの面発光光源が前記３個の第１集光レンズに該当し、前記矩形形状の発光部が前記第１集光レンズ上に形成された前記矩形像に該当する。
【００１９】
かかる好ましい実施形態によれば、白色光源を用い、色分解光学系で赤、緑、青の各色光を得るので、白色光源からの光の高い利用効率を実現できる。
【００２０】
また、本発明において、前記回転多面鏡上に形成される像と前記投写光学系の入射瞳とが共役の関係にあることが好ましい。
【００２１】
回転多面鏡が回転し反射光を走査しても、回転多面鏡上の像（スポット）の位置は変動しないから、回転多面鏡上の像と投写レンズの入射瞳とを共役の関係にすることで、投写レンズの入射瞳の位置に、動くことのない最も小さな像を形成することができる。従って、小型の投写レンズでも効率よく光を利用できる。
【００２２】
また、本発明において、前記画像表示パネルが透過型液晶表示パネルであってもよい。あるいは、前記画像表示パネルが反射型液晶表示パネル又は反射型ミラーデバイスであってもよい。
【００２３】
また、本発明において、前記ロッドインテグレータ光学手段に代えて、同形状矩形開口を備えたマイクロレンズを２次元的に配してなる第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイを構成するマイクロレンズと同数のマイクロレンズを２次元的に配してなる第２のレンズアレイとからなるレンズアレイインテグレータ光学手段を備えていてもよい。
【００２４】
以下に、本発明にかかる単板式投写型画像表示装置の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の単板式投写型画像表示装置の概略構成図である。本実施の形態の単板式投写型画像表示装置は、面発光光源部２０１、第１の光学手段２０２、回転多面鏡２０３、第２の光学手段２０４、画像表示パネル２０５、画像表示パネル駆動回路２０６、投写光学系２０７からなっている。
【００２６】
以下、その構成及び動作について説明する。
【００２７】
面発光光源部２０１は、赤色光を発する発光部２０８Ｒ、緑色光を発する発光部２０８Ｇ、青色光を発する発光部２０８Ｂを備え、各発光部２０８Ｒ，２０８Ｇ，２０８Ｇは矩形形状の面発光光源である。各発光部２０８Ｒ，２０８Ｇ，２０８Ｇは一定の発光角度αで各色光を発光する理想に近い光源である。各発光部２０８Ｒ，２０８Ｇ，２０８Ｇは、高輝度青色ＬＥＤの出現に伴い、例えば、赤、緑、青の各色光のＬＥＤ素子を複数並べたＬＥＤアレイにより実現できる。あるいは、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子を用いてもよい。
【００２８】
第１の光学手段２０２は集光レンズ２１０からなる。各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの任意の点から発した光が回転多面鏡２０３に平行光となって入射するように、発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂを集光レンズ２１０の焦点位置に配してある。
【００２９】
この点について図２を用いて詳しく説明する。
【００３０】
図２は本発明の原理について説明するための図である。赤色光に着目して説明する。矩形形状発光部２０８Ｒは点光源の集合体であり、ある任意の点Ａから出射する光は角度αで放射状に発光する。点Ａから発せられた光は集光レンズ２１０を経由して回転多面鏡２０３に入射する。
【００３１】
この時、同じ点Ａから発した光は集光レンズ２１０を通過後に平行光となって回転多面鏡２０３に入射する。同様に点Ａとは異なる点Ｂから発した光も集光レンズ２１０を通過後に平行光となって回転多面鏡２０３に入射する。同一点から発した光が集光レンズ２１０を通過後に平行光となるための条件は、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂを焦点距離Ｆの集光レンズ２１０の焦点位置に配置することである。
【００３２】
上述のように、各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの任意の点から発した光が回転多面鏡２０３への入射時に平行光になるように第１の光学手段２０２が配置されていることから、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの任意の点から発した光のうち回転多面鏡２０３の同じ反射面に入射した光は同じ角度で反射され第２の光学手段２０４に入射し、そのＦシーターレンズの機能により画像表示パネル２０５上の同じ点に集光される。すなわち、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂと画像表示パネル２０５とが共役の関係になるように、面発光光源部２０１、第１の光学手段２０２、回転多面鏡２０３、第２の光学手段２０４、画像表示パネル２０５が配置されている。矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの任意の点から発した光が回転多面鏡２０３への入射時に平行光にならない場合には画像表示パネル２０５上の像にボケが生じ映像信号との対応がとれず画質低下の要因となる。
【００３３】
なお、上記の実施の形態では、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂは一定の小さな発光角度αで発光する理想に近い面光源としたが、発光角度αが大きな場合には、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂと第１の光学手段２０２との間に各色光ごとに集光レンズを配置して、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂからの光を効率よく第１の光学手段２０２に導くのが好ましい。
【００３４】
第１の光学手段２０２を出射した各色光は、図３に示したように、回転多面鏡２０３の反射面２２３上に、相互に一部重畳した各色光のスポット２２０を形成する。もちろん隣り合うスポット２２０間に重畳部が無いことが望ましいが、このスポット２２０の大きさは光源側の出射角特性で決まることから、広がりのある出射特性をもつ光源を用いる場合は本実施の形態のようにスポット２２０を相互に重畳させたほうが効率的に有利になる。
【００３５】
この場合、回転多面鏡２０３の反射面２２３と画像表示パネル２０５とが共役の関係にないことから、反射面２２３上で色光の重畳があっても問題はない。但し、各色光のスポット２２０が回転多面鏡２０３の反射面２２３に対して大きいと、反射面２２３からはみ出す光は損失となることから、スポット２２０は小さいことが望ましいことは言うまでもない。
【００３６】
また、スポット２２０の形状に合わせて回転多面鏡２０３の反射面２２３を大きくすると回転多面鏡２０３全体が大きくなり、装置が大型化してしまう。従って、回転多面鏡２０３上に形成されるスポット２２０の形状は回転多面鏡２０３の反射面２２３の移動方向における寸法が短い形状であることが望ましい。
【００３７】
また、図１に示すように、回転多面鏡２０３に入射する赤、緑、青の各色光の主光線が回転多面鏡２０３の仮想の外接円と交わる点（交点）を回転多面鏡２０３の回転軸から見たとき、隣り合う交点が回転軸に対してなす角度（中心角）はθｐ／３（ここでθｐ＝３６０度／回転多面鏡２０３の反射面２２３の総数）である。
【００３８】
回転多面鏡２０３に入射し反射された光は、走査光学系である第２の光学手段２０４に入射する。第２の光学手段２０４は、入射光の入射角によって画像表示パネル２０５上の照明位置が決まるＦシーターレンズの機能を有している。回転多面鏡２０３への入射光は回転多面鏡２０３の回転によって±θｐ（θｐ＝３６０度／回転多面鏡２０３の反射面２２３の総数）の角度で走査される。入射角度＋θｐで第２の光学手段２０４に入射した光は画像表示パネル２０５の有効表示部の一端を照明し、また入射角度−θｐで第２の光学手段２０４に入射した光は画像表示パネル２０５の有効表示部の他端を照明するように設定されている。横一列に隣接して並べられた矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂと画像表示パネル２０５の有効表示部とは共役の関係にあることから、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂのそれぞれの矩形像が画像表示パネル２０５の有効表示部に形成される。また、各色光の矩形像の短辺長さは、画像表示パネル２０５の有効表示部の走査方向における長さの１／３の長さである。
【００３９】
画像表示パネル２０５の有効表示部を照明する各色光の矩形像が走査される様子を図４Ａ〜図４Ｆを用いて説明する。
【００４０】
図４Ａ〜図４Ｆは、回転多面鏡２０３の回転と、これに伴う画像表示パネル２０５の各色光による照明状態の変化とを一定時間間隔おきに示したものである。それぞれにおいて、右側に示した画像表示パネル２０５の照明状態を示した図において、赤色光による照明領域、緑色光による照明領域、及び青色光による照明領域をそれぞれＲ、Ｇ、Ｂで示している。また、左側の回転多面鏡２０３の回転と各色光の反射状態を示した図において、Ｒ、Ｇ、Ｂはそれぞれ赤色光主光線、緑色光主光線、青色光主光線を示し、矢印は光の進行方向を示している。矢印２０３ａは回転多面鏡２０３の回転方向を示している。
【００４１】
時間Ｔ＝ｔ１においては（図４Ａ）、回転多面鏡２０３の共通する反射面２２３ａに赤緑青の各色光が入射し、図のように赤色光が反射面の移動方向に最も大きな反射角で反射し、緑色光は赤色光よりもやや小さな反射角度で反射し、青色光は緑色光よりも更に小さな反射角度で反射する。よって、各色光は第２光学手段２０４に異なる角度で入射することとなり、画像表示パネル２０５上の異なる位置に各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの矩形像が図示したように形成される。すなわち、画像表示パネル２０５上には、右から順に赤色光照明領域、緑色光照明領域、青色光照明領域が形成される。各色光の矩形状の照明領域の短辺長さは、画像表示パネル２０５の有効表示部の走査方向２０５ａの長さの１／３である。
【００４２】
時間Ｔ＝ｔ１から回転多面鏡２０３が所定角度だけ回転した時間Ｔ＝ｔ２においては（図４Ｂ）、緑色光及び青色光は回転多面鏡２０３の共通する反射面２２３ａに入射するが、赤色光は回転してきた新たな反射面２２３ｂに入射する。このとき、特に赤色光の反射面への入射角が急激に変化して小さくなることから、反射角も急に小さくなる。従って、図のように、緑色光が反射面の移動方向に最も大きな反射角で反射し、青色光は緑色光よりもやや小さな反射角度で反射し、赤色光は青色光よりも更に小さな反射角度で反射する。よって、画像表示パネル２０５上の異なる位置に各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの矩形像が図示したように形成される。すなわち、画像表示パネル２０５上には、右から順に緑色光照明領域、青色光照明領域、赤色光照明領域が形成される。
【００４３】
時間Ｔ＝ｔ２から回転多面鏡２０３が更に所定角度だけ回転した時間Ｔ＝ｔ３においては（図４Ｃ）、青色光のみが反射面２２３ａに入射し、緑色光及び赤色光は共通する反射面２２３ｂに入射する。このとき、特に緑色光の反射面への入射角が急激に変化して小さくなることから、反射角も急に小さくなる。従って、図のように、青色光が反射面の移動方向に最も大きな反射角で反射し、赤色光は青色光よりもやや小さな反射角度で反射し、緑色光は赤色光よりも更に小さな反射角度で反射する。よって、画像表示パネル２０５上の異なる位置に各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの矩形像が図示したように形成される。すなわち、画像表示パネル２０５上には、右から順に青色光照明領域、赤色光照明領域、緑色光照明領域が形成される。
【００４４】
時間Ｔ＝ｔ３から回転多面鏡２０３が更に所定角度だけ回転した時間Ｔ＝ｔ４においては（図４Ｄ）、赤緑青の各色光が共通する反射面２２３ｂに入射する。これは上記時間Ｔ＝ｔ１（図４Ａ）と同じ位置関係となり、画像表示パネル２０５の各色光による照明状態も同じとなる。
【００４５】
さらに、回転多面鏡２０３が所定角度だけ回転した時間Ｔ＝ｔ５においては（図４Ｅ）、緑色光及び青色光は共通する反射面２２３ｂに入射し、赤色光は新たな反射面２２３ｃに入射する。これは上記時間Ｔ＝ｔ２（図４Ｂ）と同じ位置関係となり、画像表示パネル２０５の各色光による照明状態も同じとなる。
【００４６】
さらに、回転多面鏡２０３が所定角度だけ回転した時間Ｔ＝ｔ６においては（図４Ｆ）、青色光は反射面２２３ｂに入射し、緑色光及び赤色光は共通する反射面２２３ｃに入射する。これは上記時間Ｔ＝ｔ３（図４Ｃ）と同じ位置関係となり、画像表示パネル２０５の各色光による照明状態も同じとなる。
【００４７】
以上のように、画像表示パネル２０５に形成される、赤緑青の各色光による矩形状の照明領域（矩形像）は、走査方向２０５ａの向きに順に移動する。図４Ａ〜図４Ｆでは特定の期間（時間Ｔ＝ｔ１〜ｔ６）のみを示したが、回転多面鏡２０３は連続回転していることから、各色光の照明領域は画像表示パネル２０５上を左から右に（走査方向２０５ａの向きに）連続的に移動し（走査され）、右端に到達した色光の照明領域は左端に戻って再度左から右への移動を行う。このとき、先に説明したように隣り合う色光の主光線は回転多面鏡２０３の回転軸に対しておよそ角度θｐ／３に相当する間隔を有して回転多面鏡２０３に入射することから、各色光の主光線は同じ時間的間隔で回転多面鏡２０３の反射面２２３間の稜線（隣り合う反射面２２３間の境界）を迎える。上記の時間ｔ１〜ｔ６の切り替えを同じ時間間隔で連続的に行ない、先に述べたように３つの色光がいずれも同じ±θｐの角度で走査されることから、色ムラ、輝度ムラ、フリッカーが抑えられた照明を行なうことができる。
【００４８】
画像表示パネル２０５は、図５に示したように、透過型液晶パネル２１２と、入射側に備えられた偏光子である入射側偏光板２１３と、出射側に備えられた検光子である出射側偏光板２１４とからなる。入射側偏光板２１３は、例えば矩形の外形形状の短辺方向２１３ａに偏光した光を透過し、これに直交する方向に偏光した光を吸収するように設定されている。入射側偏光板２１３を透過した光は透過型液晶パネル２１２に入射する。液晶パネル２１２には多数の画素が配列形成されており、外部信号により各画素開口毎に透過光の偏光方向を変えることが出来る。ここでは画素を駆動しない場合には入射光の偏光方向を９０度回転させて透過させ、駆動した場合には偏光方向を変化させること無く透過させるものとする。出射側偏光板２１４は入射側偏光板２１３と直交した方向の偏光特性を有する。即ち、出射側偏光板２１４は、矩形の外形形状の長辺方向２１４ａに透過軸を有し、この方向に偏光した光を透過する。従って、液晶パネル２１２の駆動されていない画素に入射して、偏光方向を９０度変えられて透過した光は、その偏光方向が出射側偏光板２１４の透過軸と一致するためここを透過することができる。一方、液晶パネル２１２の駆動された画素に入射して、偏光方向を変えられずに透過した光は、その偏向方向が出射側偏光板２１４の透過軸と直交するためここで吸収される。
【００４９】
画像表示パネル駆動回路２０６は、画像表示パネル２０５の液晶パネル２１２の各画素を、当該画素に入射する光の色に対応した信号で駆動する。これにより、画像表示パネル２０５に入射する各色光の矩形像は各画素毎に変調され、画像が形成される。
【００５０】
画像表示パネル２０５を構成する液晶パネル２１２は入射角依存性を有することから、有効表示面内において入射光の角度差は小さく設定する必要がある。ここでは第２の光学手段２０４より出射される各色光の主光線が平行になるようにテレセントリック光学系構成を採用している。
【００５１】
画像表示パネル２０５を透過した光は投写レンズ２０７に至る。この投写レンズ２０７もテレセントリックな光に対応した構成になっていることは言うまでもない。
【００５２】
投写レンズ２０７の入射瞳上には回転多面鏡２０３上のスポット２２０の像が形成されている。回転多面鏡２０３が回転し反射光を走査しても、回転多面鏡２０３上のスポット２２０の位置は変動しないから、回転多面鏡２０３上のスポット２２０と投写レンズ２０７の入射瞳とを共役の関係にすることで、投写レンズ２０７の入射瞳の位置に、動くことのない最も小さな像を形成することができる。従って、小型の投写レンズでも効率よく光を利用できる。
【００５３】
このようにして、画像表示パネル２０５上に形成され、スクロールされる各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの矩形像を画像表示パネル駆動回路２０６によって変調することにより、投写レンズ２０７の前方に配置されたスクリーン（図示せず）上にカラー画像を表示することができる。
【００５４】
図４Ａ〜図４Ｆに示した各色光の走査は高速で行なわれるから（１フィールド時間内に図４Ａ〜図４Ｆからなる１単位が少なくとも１回以上行なわれることが好ましい）、観察者の網膜上には各色ごとの画像が合成されて、色分離のないカラー画像として認識される。
【００５５】
以上のように構成することで、従来の３板式液晶プロジェクターと比較して、本実施の形態の画像形成装置は、画像表示パネル２０５上の各画素が赤、緑、青の表示を行うので、３板式のような画像液晶パネル間のコンバージェンス調整機構が必要なく、色ずれのない高画質映像を提供することができる。さらに、従来の単板式液晶プロジェクターと比較すると、色選択手段であるカラーフィルターを使用していないため、赤、緑、青の各色光を損失なく使えることから高い光利用効率を実現できる。
【００５６】
図１１に示した従来の表示装置では、照明部９２２からの各色光が回転する４面プリズム９２４ａを透過する。従って、各色光を走査させるためにはプリズム９２４ａの離間した２面が必要となり、有効光束の小形化が困難で、装置全体が大型化してしまうという問題があった。これに対して、本実施の形態の画像形成装置では、各色光の走査を回転多面鏡２０３を用いて行なっているので、反射面２２３に入射する光の有効光束の大きさを小さくすることができる。従って、反射面２２３を小さくして、回転多面鏡２０３を小さくでき、更に、これを回転させるモーターも小型化できる。これらにより装置全体の小型化、軽量化、コストダウンを実現できる。
【００５７】
なお、上記実施の形態１では画像表示パネル２０５として透過型液晶方式の表示デバイスを使用したが、入射光を変調して表示を行う表示デバイスであればよく、反射型液晶方式、反射型ミラーデバイス等も応用可能である。ただし、高速応答可能なデバイスが必要なことは言うまでもない。このとき使用する表示デバイスに合わせて光学系（特に第２の光学手段）を最適化する必要がある。
【００５８】
（実施の形態２）
実施の形態１の光源部は、それぞれ矩形形状で、一定の発光角度（α）で赤、緑、青の各色光を発光する理想に近い面発光光源とした。これに対して本実施の形態では、光源部をより実用的な構成にしており、白色光源からの白色光を矩形整形し、赤、緑、青に分光して各色光の矩形形状光を得ている。
【００５９】
以下、本実施の形態２について図６，図７および図８を用いて説明する。図６は本実施の形態２の単板式投写型画像形成装置の概略構成図であり、本実施の形態２の単板式投写型画像形成装置は、光源部３３０、ロッドインテグレータ光学手段３１３、色分解光学系３１４、面発光光源部３０１、第１の光学手段２０２、回転多面鏡２０３、第２の光学手段２０４、画像表示パネル２０５、画像表示パネル駆動回路２０６、投写レンズ２０７から成っている。実施の形態１と同一機能を有する構成要素には同一の符号を付して、それらについての詳細な説明を省略する。第１の光学手段２０２より後段以降は実施の形態１と同じ構成である。
【００６０】
光源部３３０は、電極間にアークを発生させることで白色光を発する放電ランプ３１１と、放電ランプ３１１の発光体が第１の焦点位置に配置され、第２の焦点位置に光を集光する楕円形状の反射面を備えたリフレクター３１２とからなる。なお、白色光源としては放電ランプに代えてハロゲンランプなどの周知の白色光源を用いることができる。また、楕円面鏡ではなく放物面鏡を備えたリフレクターと集光レンズとを用いることもできる。
【００６１】
光源部３３０からの光はロッドインテグレータ光学手段３１３に入射する。ロッドインテグレータ光学手段３１３は、図７のように、４つの反射ミラー３２４を、その反射面を内側にして角筒状に組み合わせたロッド部３２５からなる。ロッドインテグレータ光学手段３１３としては、図７の構成に限定されず、例えば四角柱形状のプリズムを用いることもできる。
【００６２】
ロッド部３２５は、その矩形形状の一方の開口（第１の開口）位置がリフレクター３１２の第２の焦点に合致するよう配置される。ロッド部３２５の矩形形状の他方の開口（第２の開口）位置には集光レンズ３１５が配置される。集光レンズ３１５は、ロッド部３２５の第２の開口からの光を集光し、第２の開口形状像を前方に矩形均一照明域として形成する。
【００６３】
なお、本実施の形態ではロッドインテグレータ光学手段を用いているが、これに代えて、第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとの２群のレンズアレイで構成されるレンズアレイインテグレータ光学手段を使用することもできる。
【００６４】
レンズアレイインテグレータ光学手段は、図８Ａに示すように、同形状の矩形開口を備えたマイクロレンズを２次元的に配した第１のレンズアレイ３２６と、図８Ｂに示すように、第１のレンズアレイ３２６を構成するマイクロレンズと１対１に対応する同数のマイクロレンズを２次元的に配した第２のレンズアレイ３２７とからなる。第２のレンズアレイ３２７は図８Ｂに示すように第１のレンズアレイ３２６の各マイクロレンズにより形成される光源像３２８と同数のマイクロレンズにより構成されている。
【００６５】
レンズアレイインテグレータ光学手段は図６のロッドインテグレータ光学手段３１３のロッド部３２５に代えて集光レンズ３１５と色分解光学系３１４との間に配置される。光源部３３０からの白色光は、集光レンズ３１５で集光され、レンズアレイインテグレータ光学手段の第１のレンズアレイ３２６に入射し、第２のレンズアレイ３２７は第１のレンズアレイ３２６の各マイクロレンズ像をその前方に重畳して矩形均一照明域を形成する。
【００６６】
集光レンズ３１５と上記矩形均一照明域との間には色分解光学系３１４が備えられている。ここに入射した白色光は光路に対し斜めに配置された赤反射ダイクロイックミラー３１６及び青反射ダイクロイックミラー３１７で赤、緑、青の色光に分解される。緑色光は上記両ダイクロイックミラー３１６，３１７を透過して第１の集光レンズ３０９Ｇに至る。赤反射ダイクロイックミラー３１６で反射された赤色光は第１のリレーレンズ３１８，第１のミラー３１９，第２のリレーレンズ３２０を経て第１の集光レンズ３０９Ｒに至る。青反射ダイクロイックミラー３１７で反射された青色光は第３のリレーレンズ３２１，第２のミラー３２２，第４のリレーレンズ３２３を経て第１の集光レンズ３０９Ｂに至る。
【００６７】
このようにして色光別の第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ上には矩形均一照明域（ロッド部３２５の第２の開口の矩形像）が各色毎に形成される。本実施の形態では、このようにして赤、緑、青の各色の矩形像が形成される第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂが面発光光源部３０１として機能する。
【００６８】
色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂを透過した光は、第１の光学手段２０２を構成する第２集光レンズ３１０に入射する。第２集光レンズ３１０以降は図１と同様であるため説明を省略する。
【００６９】
各色光の発光部に関し、本実施の形態２では色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ上に、実施の形態１の各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂに相当する矩形均一照明域（矩形像）がそれぞれ形成される。従って、実施の形態１と同様に、色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ上の任意の点から発した光が回転多面鏡２０３に平行光となって入射するように、第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂは第２集光レンズ３１０の焦点位置に配置される。また、色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ上の矩形均一照明域と画像表示パネル２０５とは共役の関係になるように配置される。
【００７０】
また実施の形態１と同様に、回転多面鏡２０３上のスポット（光源像）２２０と投写レンズ２０７の入射瞳とが共役の関係になるように配置されている。
【００７１】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３を図９を用いて説明する。図９は本実施の形態３の単板式投写型画像形成装置の概略構成図であり、本実施の形態３の単板式投写型画像形成装置は、光源部４３０、面発光光源部４０１、第１の光学手段４０２、回転多面鏡２０３、第２の光学手段２０４、画像表示パネル２０５、画像表示パネル駆動回路２０６、投写レンズ２０７から成っている。実施の形態１と同一機能を有する構成要素には同一の符号を付して、それらについての詳細な説明を省略する。
【００７２】
光源部４３０は、赤、緑、青の各色光を射出する赤色光光源部４０７、緑色光光源部４０８、及び青色光光源部４０９を有し、それぞれは光射出側に矩形の形状の光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂを備える。光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂから射出された各色の光は色光別の第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂに入射する。第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂを出射した各色光は、色光別の第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂに入射する。第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂを出射した各色光は、回転多面鏡２０３の外周上の反射面に実施の形態１と同様に入射する。第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂは、光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂの各像を回転多面鏡２０３上の反射面、第２の光学手段２０４を介して画像表示パネル２０５上に形成する。回転多面鏡２０３より後段の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００７３】
本実施の形態においては、面発光光源部４０１を構成する第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂ上の任意の点から発した光が回転多面鏡２０３に平行光となって入射するように、第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂは第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂの焦点位置に配置される。また、第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂ上の矩形均一照明域と画像表示パネル２０５とは共役の関係になるように配置される。
【００７４】
また実施の形態１と同様に、回転多面鏡２０３上のスポット（光源像）２２０と投写レンズ２０７の入射瞳とが共役の関係になるように配置されている。
【００７５】
なお、本実施の形態では、第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂを各色光の光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂに近接して配置し、各色光を効率よく第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂに導いているが、光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂからの光の発光角度を小さくできれば第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂを省略することができる。その場合、実施の形態１と同様に、光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂが面発光光源部４０１を構成する。すなわち、光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂが第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂの焦点位置に配置される。また、光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂと画像表示パネル２０５とは共役の関係になるように配置される。
【００７６】
また、本実施の形態においては、第１の光学手段４０２が色光別の第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂにより構成されている。このような構成では、隣り合う色光を重畳させると、けられを生じて光利用効率が低下する。また、けられを生じないようにするためには各色光の重畳を排除する必要があり、装置の小型化が困難になる場合がある。従って、実施の形態１と同様に、第１の光学手段４０２を各色光に共通するレンズを用いて構成してもよい。
【００７７】
図１０は実施の形態１と実施の形態２をそれぞれ比較しながら本発明の要点を図示したものである。
【００７８】
上段（Ｉ）は実施の形態１に対応し、下段（II）は実施の形態２に対応する。また、図９の各符号はそれぞれ図１，図６の各符号に対応している。また、各構成要素の位置関係をわかりやすくするため、回転多面鏡２０３の反射による折り返しを考慮せず、且つ図１，図６の赤、緑、青の各色光のうち、緑光の主光線を中心線として各構成要素を同一線上に図示している。
【００７９】
上段（Ｉ）において、各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂ上の任意の点から発した光が回転多面鏡２０３に平行光となって入射するように、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂは集光レンズ２１０の焦点位置（集光レンズ２１０の焦点距離をＦとする）に配される。
【００８０】
下段（II）においては、色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ上には上段（Ｉ）の各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂに相当する矩形均一照明域が各色毎に形成される。従って、色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ上の任意の点から発した光が回転多面鏡２０３に平行光となって入射するように、第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂは第２集光レンズ３１０の焦点位置（第２集光レンズ３１０の焦点距離をＦとする）に配される。
【００８１】
なお、上段（Ｉ）の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂと集光レンズ２１０との間の距離、下段（II）の色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂと第２集光レンズ３１０との間の距離は厳密に焦点距離Ｆと等しくする必要はなく、本発明の効果を維持できる範囲であれば若干前後に移動しても良い。
【００８２】
本発明ではさらに、回転多面鏡２０３上のスポット２２０と投写レンズ２０７の入射瞳位置とが共役の関係になるように各構成要素が配置されている。回転多面鏡２０３が回転し走査を行っても、回転多面鏡２０３上のスポット２２０の位置は変動しないから、回転多面鏡２０３上のスポット２２０と投写レンズ２０７の入射瞳とを共役の関係にすることで、投写レンズ２０７の入射瞳の位置に、動くことのない最も小さな像を形成することができる。従って、小型の投写レンズでも効率よく光を利用できる。
【００８３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、カラーフィルターを使用せず、各色光専用の画素を有しないライトバルブを用いてカラー表示を行うことが可能となる。従って、光利用効率が高く、高解像度の表示が可能になる。更に、回転多面鏡を用いて走査光学系を構成することで、小型・低コストの画像表示装置を提供できる。
【００８４】
また、第１の光学手段が各色の面発光光源の任意の点からの光を平行光として回転多面鏡に導くので、画像表示パネル上に各色光の発光部の矩形像がボケなく形成される。よって、高画質映像の投写が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る単板式投写型画像表示装置の全体構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る単板式投写型画像表示装置において、面発光光源から回転多面鏡に至る光学系を示した模式図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る単板式投写型画像表示装置の回転多面鏡の反射面に形成されるスポットを示した側面図である。
【図４】図４Ａ〜図４Ｆは、本発明の実施の形態１に係る単板式投写型画像表示装置において、回転多面鏡からの反射光の変化の様子と、画像表示パネルを照明する各色光が走査される様子とを示した図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１に係る単板式投写型画像表示装置に使用される透過型画像表示パネルの構成を示した分解斜視図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２に係る単板式投写型画像表示装置の全体構成図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２に係る単板式投写型画像表示装置に使用されるロッド部の概略斜視図である。
【図８】図８Ａは、レンズアレイインテグレータ光学手段を構成する第１のレンズアレイの正面図、図８Ｂは、レンズアレイインテグレータ光学手段を構成する第２のレンズアレイの正面図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態３に係る単板式投写型画像表示装置の全体構成図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態１及び２に係る単板式投写型画像表示装置の各構成要素の位置関係を示した説明図である。
【図１１】図１１は、走査光学系を使用した従来の単板式投写型画像表示装置の概略構成図である。
【図１２】図１２は、図１１の画像表示装置に使用される色分解光学系の詳細を示した断面図である。
【符号の説明】
２０１，３０１，４０１ 面発光光源部
２０２，４０２ 第１の光学手段
２０３ 回転多面鏡
２０４ 第２の光学手段
２０５ 画像表示パネル
２０６ 画像表示パネル駆動回路
２０７ 投写レンズ
２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂ 矩形形状の発光部
２１０ 集光レンズ
２１２ 透過型液晶パネル
２１３ 入射側偏光板
２１４ 出射側偏光板
２２０ スポット
２２３ 反射面
３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ 第１の光学手段の第１の集光レンズ
３１０ 第２集光レンズ
３１１ 放電ランプ
３１２ リフレクター
３１３ ロッドインテグレータ光学手段
３１４ 色分解光学系
３１５ 集光レンズ
３１６ 赤反射ダイクロイックミラー
３１７ 青反射ダイクロイックミラー
３１８ 第１のリレーレンズ
３１９ 第１のミラー
３２０ 第２のリレーレンズ
３２１ 第３のリレーレンズ
３２２ 第２のミラー
３２３ 第４のリレーレンズ
３２４ 反射ミラー
３２５ ロッド部
３２６ 第１のレンズアレイ
３２７ 第２のレンズアレイ
３３０ 光源部
４０７ 赤色光光源部
４０８ 緑色光光源部
４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂ 光射出部
４０９ 青色光光源部
４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂ 第１集光レンズ
４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂ 第２集光レンズ
４３０ 光源部
【発明の属する技術分野】
本発明は１枚のライトバルブを変調手段として用いてカラー表示を行う単板式投写型画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、大型映像市場の主力である液晶プロジェクターは、液晶パネル（ライトバルブ）の画像を光源ランプと集光レンズと投写レンズとを用いてスクリーン上に拡大、結像させるものである。現在実用化されている方式は３板式と単板式の大きく２つに分けることができる。
【０００３】
前者の３板式液晶プロジェクターでは、白色光源からの光を色分解光学系により赤、緑、青の３原色の色光に分光した後、それらの光を３枚のモノクロ液晶パネルにより変調し、３原色の画像をそれぞれ形成する。その後、これらの画像を色合成光学系で合成して、１つの投写レンズでスクリーン上に投写する。
【０００４】
この方式は光源からの白色光の全スペクトルを利用できるため光利用率は高いが、３枚の液晶パネル、色分解光学系、色合成光学系、及び液晶パネル間のコンバージェンス調整機構を必要とするため比較的高価である。
【０００５】
これに対し、従来の単板式液晶プロジェクターでは、モザイク状のカラーフィルター付き液晶パネル上に形成した画像を単純にスクリーンに拡大投写するだけなのでコンパクトで低価格である。しかしながら、この方式では光源からの白色光のうち、色選択手段であるカラーフィルターにおいて不要な色光を吸収することによって所望の色を得ているため、液晶パネルに入射した白色光の１／３以下しか透過（又は反射）せず、光利用率が低く、高輝度の画像が得られにくい。光源を明るくすれば表示画像の明るさを向上させることができるが、カラーフィルターの光吸収による発熱及び耐光性に対する問題が残されており、高輝度化を図る上で大きな障害となっていた。
【０００６】
このような問題に対する単板式画像表示装置が特許文献１で提案されている。この画像表示装置の概略構成を図１１に示す。
【０００７】
光源部９２０から発せられた白色光は色分解光学系９２１に導かれる。色分解光学系９２１は、図１２に示すように、ダイクロイックミラー９２１ａ，９２１ｂと２枚の反射ミラー９２１ｃ，９２１ｄとからなる。ダイクロイックミラー９２１ａは青色光を反射して緑色光及び赤色光を透過する。また、ダイクロイックミラー９２１ｂは赤色光を反射して緑色光及び青色光を透過する。これらのダイクロイックミラー９２１ａとダイクロイックミラー９２１ｂとは交差して設置されている。光源部９２０からの白色光９３１のうち、青色光９３２はダイクロイックミラー９２１ａで反射され、反射ミラー９２１ｄで反射され、照明部９２２の開口９２２ｂを通過する。また、赤色光９３３は、ダイクロイックミラー９２１ｂで反射され、反射ミラー９２１ｃで反射され、照明部９２２の開口９２２ｒを通過する。また、緑色光９３４はダイクロイックミラー９２１ａ，９２１ｂの双方を透過して、照明部９２２の開口９２２ｇを通過する。照明部９２２の開口９２２ｒ，９２２ｇ，９２２ｂは帯状（矩形状）に形成されており、これらの開口から赤、緑、青の色光が隣接して出射される。
【０００８】
照明部９２２を出射した帯状の各色光は、走査光学系９２４を通って単一の透過型ライトバルブ（表示パネル）９２３の異なる領域をそれぞれ帯状に照明する。走査光学系９２４を構成する回転プリズム９２４ａの作用により、赤、緑、青の帯状の各色光はライトバルブ９２３上を下から上に走査する。ある色光の帯状照明領域がライトバルブ９２３の有効域の最上端を越えると、その色光の帯状照明領域がライトバルブ９２３の有効域の最下端に再び現れる。このようにして、ライトバルブ９２３の有効域の全域にわたって赤、緑、青の各色光による連続走査が可能となる。ライトバルブ９２３上の各行を照明する色光は刻々変化し、ライトバルブ駆動装置（図示せず）は、各画素を、照明される色光に応じた情報で駆動する。これはライトバルブ９２３の各行が、表示すべき映像信号の各フィールド毎に３回駆動されることを意味する。個別の行にそれぞれ入力される駆動信号は、表示すべき画像の信号のうち、その行を照明する色光に応じた色信号である。ライトバルブ９２３で変調された各色光は投写レンズ９２５によりスクリーン（図示せず）上に拡大投写される。
【０００９】
このような構成によれば、白色光源からの光を３原色に分解するので光源からの光をほぼ損失なく使え、光利用効率を高く出来る。また、ライトバルブ上の各画素は、それぞれが赤緑青表示を順に行なうから、先に示した３板式で問題となる色ずれもなく、高画質映像を提供できる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平４−３１６２９６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上に示した構成では、照明部９２２からの各色光は前記回転プリズム９２４ａを透過する際、光束が絞られない。回転プリズム９２４ａの大きさ（回転半径）は照明部９２２から出射される光の照明領域に合わせた大きさにする必要があり、回転プリズム９２４ａは大きく、重くなる。従って装置を小型化、軽量化する上では障害となっていた。
【００１２】
また回転プリズム９２４ａを回動させる強力なモーターが必要となるから装置の大型化、高価格化を招く。
【００１３】
本発明は、上記の従来の単板式画像表示装置の問題点を解決し、ライトバルブを各色光で順次走査を行う色光走査光学系を備え、光利用効率が高く、高画質の画像が表示でき、装置の小型化が可能なカラー画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の単板式投写型画像表示装置は、矩形形状の発光部を備え、赤、緑、青それぞれの異なる色光を発する３つの面発光光源と、 前記面発光光源からの光を集光する第１の光学手段と、軸を中心に回転し、前記第１の光学手段で集光された光を反射し走査する回転多面鏡と、Ｆシーターレンズ機能を有し、前記回転多面鏡で反射された光を集光する第２の光学手段と、マトリクス状に配された複数の画素を備え、前記第２の光学手段を通過した赤、緑、青の各色光の明るさを前記画素毎に変調する画像表示パネルと、前記画像表示パネルの前記各画素をその画素に入射する光の色に応じた信号で駆動する駆動回路と、前記画像表示パネル上に形成され、且つ前記信号によって変調された赤、緑、青の各矩形形状の色光をスクリーン上に拡大投写する投写光学系とを備え、前記面発光光源の任意の点から発した光が前記回転多面鏡に平行光となって入射するように、前記面発光光源を前記第１の光学手段の焦点位置に配したことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
上述の通り、本発明の単板式投写型画像形成装置は、矩形形状の発光部を備え、赤、緑、青それぞれの異なる色光を発する３つの面発光光源と、前記面発光光源からの光を集光する第１の光学手段と、軸を中心に回転し、前記第１の光学手段で集光された光を反射し走査する回転多面鏡と、Ｆシーターレンズ機能を有し、前記回転多面鏡で反射された光を集光する第２の光学手段と、マトリクス状に配された複数の画素を備え、前記第２の光学手段を通過した赤、緑、青の各色光の明るさを前記画素毎に変調する画像表示パネルと、前記画像表示パネルの前記各画素をその画素に入射する光の色に応じた信号で駆動する駆動回路と、前記画像表示パネル上に形成され、且つ前記信号によって変調された赤、緑、青の各矩形形状の色光をスクリーン上に拡大投写する投写光学系とを備え、前記面発光光源の任意の点から発した光が前記回転多面鏡に平行光となって入射するように、前記面発光光源を前記第１の光学手段の焦点位置に配したことを特徴とする。
【００１６】
これによれば、カラーフィルターを使用せず、各色光専用の画素を有しないライトバルブを用いてカラー表示を行うことが可能となる。従って、光利用効率が高く、高解像度の表示が可能になる。更に、回転多面鏡を用いて走査光学系を構成することで、小型・低コストの画像表示装置を提供できる。
【００１７】
また、第１の光学手段が各色の面発光光源の任意の点からの光を平行光として回転多面鏡に導くので、画像表示パネル上に各色光の発光部の矩形像がボケなく形成される。よって、高画質映像の投写が可能となる。
【００１８】
本発明の上記の単板式投写型画像表示装置が、更に、白色光源及びリフレクターからなる光源部と、矩形形状の開口部を有するロッド部を備え、前記光源部からの光を集光して均一な強さの光を出射するロッドインテグレータ光学手段と、前記ロッドインテグレータ光学手段からの光を赤、緑、青の各色光に分解する色分解光学系と、前記色分解光学系からの前記各色光がそれぞれ入射し、赤、緑、青の各色光の矩形像がそれぞれ形成される３個の第１集光レンズとを備えていてもよい。この場合、前記３つの面発光光源が前記３個の第１集光レンズに該当し、前記矩形形状の発光部が前記第１集光レンズ上に形成された前記矩形像に該当する。
【００１９】
かかる好ましい実施形態によれば、白色光源を用い、色分解光学系で赤、緑、青の各色光を得るので、白色光源からの光の高い利用効率を実現できる。
【００２０】
また、本発明において、前記回転多面鏡上に形成される像と前記投写光学系の入射瞳とが共役の関係にあることが好ましい。
【００２１】
回転多面鏡が回転し反射光を走査しても、回転多面鏡上の像（スポット）の位置は変動しないから、回転多面鏡上の像と投写レンズの入射瞳とを共役の関係にすることで、投写レンズの入射瞳の位置に、動くことのない最も小さな像を形成することができる。従って、小型の投写レンズでも効率よく光を利用できる。
【００２２】
また、本発明において、前記画像表示パネルが透過型液晶表示パネルであってもよい。あるいは、前記画像表示パネルが反射型液晶表示パネル又は反射型ミラーデバイスであってもよい。
【００２３】
また、本発明において、前記ロッドインテグレータ光学手段に代えて、同形状矩形開口を備えたマイクロレンズを２次元的に配してなる第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイを構成するマイクロレンズと同数のマイクロレンズを２次元的に配してなる第２のレンズアレイとからなるレンズアレイインテグレータ光学手段を備えていてもよい。
【００２４】
以下に、本発明にかかる単板式投写型画像表示装置の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の単板式投写型画像表示装置の概略構成図である。本実施の形態の単板式投写型画像表示装置は、面発光光源部２０１、第１の光学手段２０２、回転多面鏡２０３、第２の光学手段２０４、画像表示パネル２０５、画像表示パネル駆動回路２０６、投写光学系２０７からなっている。
【００２６】
以下、その構成及び動作について説明する。
【００２７】
面発光光源部２０１は、赤色光を発する発光部２０８Ｒ、緑色光を発する発光部２０８Ｇ、青色光を発する発光部２０８Ｂを備え、各発光部２０８Ｒ，２０８Ｇ，２０８Ｇは矩形形状の面発光光源である。各発光部２０８Ｒ，２０８Ｇ，２０８Ｇは一定の発光角度αで各色光を発光する理想に近い光源である。各発光部２０８Ｒ，２０８Ｇ，２０８Ｇは、高輝度青色ＬＥＤの出現に伴い、例えば、赤、緑、青の各色光のＬＥＤ素子を複数並べたＬＥＤアレイにより実現できる。あるいは、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子を用いてもよい。
【００２８】
第１の光学手段２０２は集光レンズ２１０からなる。各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの任意の点から発した光が回転多面鏡２０３に平行光となって入射するように、発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂを集光レンズ２１０の焦点位置に配してある。
【００２９】
この点について図２を用いて詳しく説明する。
【００３０】
図２は本発明の原理について説明するための図である。赤色光に着目して説明する。矩形形状発光部２０８Ｒは点光源の集合体であり、ある任意の点Ａから出射する光は角度αで放射状に発光する。点Ａから発せられた光は集光レンズ２１０を経由して回転多面鏡２０３に入射する。
【００３１】
この時、同じ点Ａから発した光は集光レンズ２１０を通過後に平行光となって回転多面鏡２０３に入射する。同様に点Ａとは異なる点Ｂから発した光も集光レンズ２１０を通過後に平行光となって回転多面鏡２０３に入射する。同一点から発した光が集光レンズ２１０を通過後に平行光となるための条件は、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂを焦点距離Ｆの集光レンズ２１０の焦点位置に配置することである。
【００３２】
上述のように、各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの任意の点から発した光が回転多面鏡２０３への入射時に平行光になるように第１の光学手段２０２が配置されていることから、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの任意の点から発した光のうち回転多面鏡２０３の同じ反射面に入射した光は同じ角度で反射され第２の光学手段２０４に入射し、そのＦシーターレンズの機能により画像表示パネル２０５上の同じ点に集光される。すなわち、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂと画像表示パネル２０５とが共役の関係になるように、面発光光源部２０１、第１の光学手段２０２、回転多面鏡２０３、第２の光学手段２０４、画像表示パネル２０５が配置されている。矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの任意の点から発した光が回転多面鏡２０３への入射時に平行光にならない場合には画像表示パネル２０５上の像にボケが生じ映像信号との対応がとれず画質低下の要因となる。
【００３３】
なお、上記の実施の形態では、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂは一定の小さな発光角度αで発光する理想に近い面光源としたが、発光角度αが大きな場合には、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂと第１の光学手段２０２との間に各色光ごとに集光レンズを配置して、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂからの光を効率よく第１の光学手段２０２に導くのが好ましい。
【００３４】
第１の光学手段２０２を出射した各色光は、図３に示したように、回転多面鏡２０３の反射面２２３上に、相互に一部重畳した各色光のスポット２２０を形成する。もちろん隣り合うスポット２２０間に重畳部が無いことが望ましいが、このスポット２２０の大きさは光源側の出射角特性で決まることから、広がりのある出射特性をもつ光源を用いる場合は本実施の形態のようにスポット２２０を相互に重畳させたほうが効率的に有利になる。
【００３５】
この場合、回転多面鏡２０３の反射面２２３と画像表示パネル２０５とが共役の関係にないことから、反射面２２３上で色光の重畳があっても問題はない。但し、各色光のスポット２２０が回転多面鏡２０３の反射面２２３に対して大きいと、反射面２２３からはみ出す光は損失となることから、スポット２２０は小さいことが望ましいことは言うまでもない。
【００３６】
また、スポット２２０の形状に合わせて回転多面鏡２０３の反射面２２３を大きくすると回転多面鏡２０３全体が大きくなり、装置が大型化してしまう。従って、回転多面鏡２０３上に形成されるスポット２２０の形状は回転多面鏡２０３の反射面２２３の移動方向における寸法が短い形状であることが望ましい。
【００３７】
また、図１に示すように、回転多面鏡２０３に入射する赤、緑、青の各色光の主光線が回転多面鏡２０３の仮想の外接円と交わる点（交点）を回転多面鏡２０３の回転軸から見たとき、隣り合う交点が回転軸に対してなす角度（中心角）はθｐ／３（ここでθｐ＝３６０度／回転多面鏡２０３の反射面２２３の総数）である。
【００３８】
回転多面鏡２０３に入射し反射された光は、走査光学系である第２の光学手段２０４に入射する。第２の光学手段２０４は、入射光の入射角によって画像表示パネル２０５上の照明位置が決まるＦシーターレンズの機能を有している。回転多面鏡２０３への入射光は回転多面鏡２０３の回転によって±θｐ（θｐ＝３６０度／回転多面鏡２０３の反射面２２３の総数）の角度で走査される。入射角度＋θｐで第２の光学手段２０４に入射した光は画像表示パネル２０５の有効表示部の一端を照明し、また入射角度−θｐで第２の光学手段２０４に入射した光は画像表示パネル２０５の有効表示部の他端を照明するように設定されている。横一列に隣接して並べられた矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂと画像表示パネル２０５の有効表示部とは共役の関係にあることから、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂのそれぞれの矩形像が画像表示パネル２０５の有効表示部に形成される。また、各色光の矩形像の短辺長さは、画像表示パネル２０５の有効表示部の走査方向における長さの１／３の長さである。
【００３９】
画像表示パネル２０５の有効表示部を照明する各色光の矩形像が走査される様子を図４Ａ〜図４Ｆを用いて説明する。
【００４０】
図４Ａ〜図４Ｆは、回転多面鏡２０３の回転と、これに伴う画像表示パネル２０５の各色光による照明状態の変化とを一定時間間隔おきに示したものである。それぞれにおいて、右側に示した画像表示パネル２０５の照明状態を示した図において、赤色光による照明領域、緑色光による照明領域、及び青色光による照明領域をそれぞれＲ、Ｇ、Ｂで示している。また、左側の回転多面鏡２０３の回転と各色光の反射状態を示した図において、Ｒ、Ｇ、Ｂはそれぞれ赤色光主光線、緑色光主光線、青色光主光線を示し、矢印は光の進行方向を示している。矢印２０３ａは回転多面鏡２０３の回転方向を示している。
【００４１】
時間Ｔ＝ｔ１においては（図４Ａ）、回転多面鏡２０３の共通する反射面２２３ａに赤緑青の各色光が入射し、図のように赤色光が反射面の移動方向に最も大きな反射角で反射し、緑色光は赤色光よりもやや小さな反射角度で反射し、青色光は緑色光よりも更に小さな反射角度で反射する。よって、各色光は第２光学手段２０４に異なる角度で入射することとなり、画像表示パネル２０５上の異なる位置に各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの矩形像が図示したように形成される。すなわち、画像表示パネル２０５上には、右から順に赤色光照明領域、緑色光照明領域、青色光照明領域が形成される。各色光の矩形状の照明領域の短辺長さは、画像表示パネル２０５の有効表示部の走査方向２０５ａの長さの１／３である。
【００４２】
時間Ｔ＝ｔ１から回転多面鏡２０３が所定角度だけ回転した時間Ｔ＝ｔ２においては（図４Ｂ）、緑色光及び青色光は回転多面鏡２０３の共通する反射面２２３ａに入射するが、赤色光は回転してきた新たな反射面２２３ｂに入射する。このとき、特に赤色光の反射面への入射角が急激に変化して小さくなることから、反射角も急に小さくなる。従って、図のように、緑色光が反射面の移動方向に最も大きな反射角で反射し、青色光は緑色光よりもやや小さな反射角度で反射し、赤色光は青色光よりも更に小さな反射角度で反射する。よって、画像表示パネル２０５上の異なる位置に各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの矩形像が図示したように形成される。すなわち、画像表示パネル２０５上には、右から順に緑色光照明領域、青色光照明領域、赤色光照明領域が形成される。
【００４３】
時間Ｔ＝ｔ２から回転多面鏡２０３が更に所定角度だけ回転した時間Ｔ＝ｔ３においては（図４Ｃ）、青色光のみが反射面２２３ａに入射し、緑色光及び赤色光は共通する反射面２２３ｂに入射する。このとき、特に緑色光の反射面への入射角が急激に変化して小さくなることから、反射角も急に小さくなる。従って、図のように、青色光が反射面の移動方向に最も大きな反射角で反射し、赤色光は青色光よりもやや小さな反射角度で反射し、緑色光は赤色光よりも更に小さな反射角度で反射する。よって、画像表示パネル２０５上の異なる位置に各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの矩形像が図示したように形成される。すなわち、画像表示パネル２０５上には、右から順に青色光照明領域、赤色光照明領域、緑色光照明領域が形成される。
【００４４】
時間Ｔ＝ｔ３から回転多面鏡２０３が更に所定角度だけ回転した時間Ｔ＝ｔ４においては（図４Ｄ）、赤緑青の各色光が共通する反射面２２３ｂに入射する。これは上記時間Ｔ＝ｔ１（図４Ａ）と同じ位置関係となり、画像表示パネル２０５の各色光による照明状態も同じとなる。
【００４５】
さらに、回転多面鏡２０３が所定角度だけ回転した時間Ｔ＝ｔ５においては（図４Ｅ）、緑色光及び青色光は共通する反射面２２３ｂに入射し、赤色光は新たな反射面２２３ｃに入射する。これは上記時間Ｔ＝ｔ２（図４Ｂ）と同じ位置関係となり、画像表示パネル２０５の各色光による照明状態も同じとなる。
【００４６】
さらに、回転多面鏡２０３が所定角度だけ回転した時間Ｔ＝ｔ６においては（図４Ｆ）、青色光は反射面２２３ｂに入射し、緑色光及び赤色光は共通する反射面２２３ｃに入射する。これは上記時間Ｔ＝ｔ３（図４Ｃ）と同じ位置関係となり、画像表示パネル２０５の各色光による照明状態も同じとなる。
【００４７】
以上のように、画像表示パネル２０５に形成される、赤緑青の各色光による矩形状の照明領域（矩形像）は、走査方向２０５ａの向きに順に移動する。図４Ａ〜図４Ｆでは特定の期間（時間Ｔ＝ｔ１〜ｔ６）のみを示したが、回転多面鏡２０３は連続回転していることから、各色光の照明領域は画像表示パネル２０５上を左から右に（走査方向２０５ａの向きに）連続的に移動し（走査され）、右端に到達した色光の照明領域は左端に戻って再度左から右への移動を行う。このとき、先に説明したように隣り合う色光の主光線は回転多面鏡２０３の回転軸に対しておよそ角度θｐ／３に相当する間隔を有して回転多面鏡２０３に入射することから、各色光の主光線は同じ時間的間隔で回転多面鏡２０３の反射面２２３間の稜線（隣り合う反射面２２３間の境界）を迎える。上記の時間ｔ１〜ｔ６の切り替えを同じ時間間隔で連続的に行ない、先に述べたように３つの色光がいずれも同じ±θｐの角度で走査されることから、色ムラ、輝度ムラ、フリッカーが抑えられた照明を行なうことができる。
【００４８】
画像表示パネル２０５は、図５に示したように、透過型液晶パネル２１２と、入射側に備えられた偏光子である入射側偏光板２１３と、出射側に備えられた検光子である出射側偏光板２１４とからなる。入射側偏光板２１３は、例えば矩形の外形形状の短辺方向２１３ａに偏光した光を透過し、これに直交する方向に偏光した光を吸収するように設定されている。入射側偏光板２１３を透過した光は透過型液晶パネル２１２に入射する。液晶パネル２１２には多数の画素が配列形成されており、外部信号により各画素開口毎に透過光の偏光方向を変えることが出来る。ここでは画素を駆動しない場合には入射光の偏光方向を９０度回転させて透過させ、駆動した場合には偏光方向を変化させること無く透過させるものとする。出射側偏光板２１４は入射側偏光板２１３と直交した方向の偏光特性を有する。即ち、出射側偏光板２１４は、矩形の外形形状の長辺方向２１４ａに透過軸を有し、この方向に偏光した光を透過する。従って、液晶パネル２１２の駆動されていない画素に入射して、偏光方向を９０度変えられて透過した光は、その偏光方向が出射側偏光板２１４の透過軸と一致するためここを透過することができる。一方、液晶パネル２１２の駆動された画素に入射して、偏光方向を変えられずに透過した光は、その偏向方向が出射側偏光板２１４の透過軸と直交するためここで吸収される。
【００４９】
画像表示パネル駆動回路２０６は、画像表示パネル２０５の液晶パネル２１２の各画素を、当該画素に入射する光の色に対応した信号で駆動する。これにより、画像表示パネル２０５に入射する各色光の矩形像は各画素毎に変調され、画像が形成される。
【００５０】
画像表示パネル２０５を構成する液晶パネル２１２は入射角依存性を有することから、有効表示面内において入射光の角度差は小さく設定する必要がある。ここでは第２の光学手段２０４より出射される各色光の主光線が平行になるようにテレセントリック光学系構成を採用している。
【００５１】
画像表示パネル２０５を透過した光は投写レンズ２０７に至る。この投写レンズ２０７もテレセントリックな光に対応した構成になっていることは言うまでもない。
【００５２】
投写レンズ２０７の入射瞳上には回転多面鏡２０３上のスポット２２０の像が形成されている。回転多面鏡２０３が回転し反射光を走査しても、回転多面鏡２０３上のスポット２２０の位置は変動しないから、回転多面鏡２０３上のスポット２２０と投写レンズ２０７の入射瞳とを共役の関係にすることで、投写レンズ２０７の入射瞳の位置に、動くことのない最も小さな像を形成することができる。従って、小型の投写レンズでも効率よく光を利用できる。
【００５３】
このようにして、画像表示パネル２０５上に形成され、スクロールされる各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂの矩形像を画像表示パネル駆動回路２０６によって変調することにより、投写レンズ２０７の前方に配置されたスクリーン（図示せず）上にカラー画像を表示することができる。
【００５４】
図４Ａ〜図４Ｆに示した各色光の走査は高速で行なわれるから（１フィールド時間内に図４Ａ〜図４Ｆからなる１単位が少なくとも１回以上行なわれることが好ましい）、観察者の網膜上には各色ごとの画像が合成されて、色分離のないカラー画像として認識される。
【００５５】
以上のように構成することで、従来の３板式液晶プロジェクターと比較して、本実施の形態の画像形成装置は、画像表示パネル２０５上の各画素が赤、緑、青の表示を行うので、３板式のような画像液晶パネル間のコンバージェンス調整機構が必要なく、色ずれのない高画質映像を提供することができる。さらに、従来の単板式液晶プロジェクターと比較すると、色選択手段であるカラーフィルターを使用していないため、赤、緑、青の各色光を損失なく使えることから高い光利用効率を実現できる。
【００５６】
図１１に示した従来の表示装置では、照明部９２２からの各色光が回転する４面プリズム９２４ａを透過する。従って、各色光を走査させるためにはプリズム９２４ａの離間した２面が必要となり、有効光束の小形化が困難で、装置全体が大型化してしまうという問題があった。これに対して、本実施の形態の画像形成装置では、各色光の走査を回転多面鏡２０３を用いて行なっているので、反射面２２３に入射する光の有効光束の大きさを小さくすることができる。従って、反射面２２３を小さくして、回転多面鏡２０３を小さくでき、更に、これを回転させるモーターも小型化できる。これらにより装置全体の小型化、軽量化、コストダウンを実現できる。
【００５７】
なお、上記実施の形態１では画像表示パネル２０５として透過型液晶方式の表示デバイスを使用したが、入射光を変調して表示を行う表示デバイスであればよく、反射型液晶方式、反射型ミラーデバイス等も応用可能である。ただし、高速応答可能なデバイスが必要なことは言うまでもない。このとき使用する表示デバイスに合わせて光学系（特に第２の光学手段）を最適化する必要がある。
【００５８】
（実施の形態２）
実施の形態１の光源部は、それぞれ矩形形状で、一定の発光角度（α）で赤、緑、青の各色光を発光する理想に近い面発光光源とした。これに対して本実施の形態では、光源部をより実用的な構成にしており、白色光源からの白色光を矩形整形し、赤、緑、青に分光して各色光の矩形形状光を得ている。
【００５９】
以下、本実施の形態２について図６，図７および図８を用いて説明する。図６は本実施の形態２の単板式投写型画像形成装置の概略構成図であり、本実施の形態２の単板式投写型画像形成装置は、光源部３３０、ロッドインテグレータ光学手段３１３、色分解光学系３１４、面発光光源部３０１、第１の光学手段２０２、回転多面鏡２０３、第２の光学手段２０４、画像表示パネル２０５、画像表示パネル駆動回路２０６、投写レンズ２０７から成っている。実施の形態１と同一機能を有する構成要素には同一の符号を付して、それらについての詳細な説明を省略する。第１の光学手段２０２より後段以降は実施の形態１と同じ構成である。
【００６０】
光源部３３０は、電極間にアークを発生させることで白色光を発する放電ランプ３１１と、放電ランプ３１１の発光体が第１の焦点位置に配置され、第２の焦点位置に光を集光する楕円形状の反射面を備えたリフレクター３１２とからなる。なお、白色光源としては放電ランプに代えてハロゲンランプなどの周知の白色光源を用いることができる。また、楕円面鏡ではなく放物面鏡を備えたリフレクターと集光レンズとを用いることもできる。
【００６１】
光源部３３０からの光はロッドインテグレータ光学手段３１３に入射する。ロッドインテグレータ光学手段３１３は、図７のように、４つの反射ミラー３２４を、その反射面を内側にして角筒状に組み合わせたロッド部３２５からなる。ロッドインテグレータ光学手段３１３としては、図７の構成に限定されず、例えば四角柱形状のプリズムを用いることもできる。
【００６２】
ロッド部３２５は、その矩形形状の一方の開口（第１の開口）位置がリフレクター３１２の第２の焦点に合致するよう配置される。ロッド部３２５の矩形形状の他方の開口（第２の開口）位置には集光レンズ３１５が配置される。集光レンズ３１５は、ロッド部３２５の第２の開口からの光を集光し、第２の開口形状像を前方に矩形均一照明域として形成する。
【００６３】
なお、本実施の形態ではロッドインテグレータ光学手段を用いているが、これに代えて、第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとの２群のレンズアレイで構成されるレンズアレイインテグレータ光学手段を使用することもできる。
【００６４】
レンズアレイインテグレータ光学手段は、図８Ａに示すように、同形状の矩形開口を備えたマイクロレンズを２次元的に配した第１のレンズアレイ３２６と、図８Ｂに示すように、第１のレンズアレイ３２６を構成するマイクロレンズと１対１に対応する同数のマイクロレンズを２次元的に配した第２のレンズアレイ３２７とからなる。第２のレンズアレイ３２７は図８Ｂに示すように第１のレンズアレイ３２６の各マイクロレンズにより形成される光源像３２８と同数のマイクロレンズにより構成されている。
【００６５】
レンズアレイインテグレータ光学手段は図６のロッドインテグレータ光学手段３１３のロッド部３２５に代えて集光レンズ３１５と色分解光学系３１４との間に配置される。光源部３３０からの白色光は、集光レンズ３１５で集光され、レンズアレイインテグレータ光学手段の第１のレンズアレイ３２６に入射し、第２のレンズアレイ３２７は第１のレンズアレイ３２６の各マイクロレンズ像をその前方に重畳して矩形均一照明域を形成する。
【００６６】
集光レンズ３１５と上記矩形均一照明域との間には色分解光学系３１４が備えられている。ここに入射した白色光は光路に対し斜めに配置された赤反射ダイクロイックミラー３１６及び青反射ダイクロイックミラー３１７で赤、緑、青の色光に分解される。緑色光は上記両ダイクロイックミラー３１６，３１７を透過して第１の集光レンズ３０９Ｇに至る。赤反射ダイクロイックミラー３１６で反射された赤色光は第１のリレーレンズ３１８，第１のミラー３１９，第２のリレーレンズ３２０を経て第１の集光レンズ３０９Ｒに至る。青反射ダイクロイックミラー３１７で反射された青色光は第３のリレーレンズ３２１，第２のミラー３２２，第４のリレーレンズ３２３を経て第１の集光レンズ３０９Ｂに至る。
【００６７】
このようにして色光別の第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ上には矩形均一照明域（ロッド部３２５の第２の開口の矩形像）が各色毎に形成される。本実施の形態では、このようにして赤、緑、青の各色の矩形像が形成される第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂが面発光光源部３０１として機能する。
【００６８】
色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂを透過した光は、第１の光学手段２０２を構成する第２集光レンズ３１０に入射する。第２集光レンズ３１０以降は図１と同様であるため説明を省略する。
【００６９】
各色光の発光部に関し、本実施の形態２では色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ上に、実施の形態１の各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂに相当する矩形均一照明域（矩形像）がそれぞれ形成される。従って、実施の形態１と同様に、色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ上の任意の点から発した光が回転多面鏡２０３に平行光となって入射するように、第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂは第２集光レンズ３１０の焦点位置に配置される。また、色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ上の矩形均一照明域と画像表示パネル２０５とは共役の関係になるように配置される。
【００７０】
また実施の形態１と同様に、回転多面鏡２０３上のスポット（光源像）２２０と投写レンズ２０７の入射瞳とが共役の関係になるように配置されている。
【００７１】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３を図９を用いて説明する。図９は本実施の形態３の単板式投写型画像形成装置の概略構成図であり、本実施の形態３の単板式投写型画像形成装置は、光源部４３０、面発光光源部４０１、第１の光学手段４０２、回転多面鏡２０３、第２の光学手段２０４、画像表示パネル２０５、画像表示パネル駆動回路２０６、投写レンズ２０７から成っている。実施の形態１と同一機能を有する構成要素には同一の符号を付して、それらについての詳細な説明を省略する。
【００７２】
光源部４３０は、赤、緑、青の各色光を射出する赤色光光源部４０７、緑色光光源部４０８、及び青色光光源部４０９を有し、それぞれは光射出側に矩形の形状の光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂを備える。光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂから射出された各色の光は色光別の第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂに入射する。第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂを出射した各色光は、色光別の第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂに入射する。第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂを出射した各色光は、回転多面鏡２０３の外周上の反射面に実施の形態１と同様に入射する。第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂは、光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂの各像を回転多面鏡２０３上の反射面、第２の光学手段２０４を介して画像表示パネル２０５上に形成する。回転多面鏡２０３より後段の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００７３】
本実施の形態においては、面発光光源部４０１を構成する第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂ上の任意の点から発した光が回転多面鏡２０３に平行光となって入射するように、第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂは第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂの焦点位置に配置される。また、第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂ上の矩形均一照明域と画像表示パネル２０５とは共役の関係になるように配置される。
【００７４】
また実施の形態１と同様に、回転多面鏡２０３上のスポット（光源像）２２０と投写レンズ２０７の入射瞳とが共役の関係になるように配置されている。
【００７５】
なお、本実施の形態では、第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂを各色光の光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂに近接して配置し、各色光を効率よく第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂに導いているが、光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂからの光の発光角度を小さくできれば第１集光レンズ４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂを省略することができる。その場合、実施の形態１と同様に、光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂが面発光光源部４０１を構成する。すなわち、光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂが第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂの焦点位置に配置される。また、光射出部４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂと画像表示パネル２０５とは共役の関係になるように配置される。
【００７６】
また、本実施の形態においては、第１の光学手段４０２が色光別の第２集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂにより構成されている。このような構成では、隣り合う色光を重畳させると、けられを生じて光利用効率が低下する。また、けられを生じないようにするためには各色光の重畳を排除する必要があり、装置の小型化が困難になる場合がある。従って、実施の形態１と同様に、第１の光学手段４０２を各色光に共通するレンズを用いて構成してもよい。
【００７７】
図１０は実施の形態１と実施の形態２をそれぞれ比較しながら本発明の要点を図示したものである。
【００７８】
上段（Ｉ）は実施の形態１に対応し、下段（II）は実施の形態２に対応する。また、図９の各符号はそれぞれ図１，図６の各符号に対応している。また、各構成要素の位置関係をわかりやすくするため、回転多面鏡２０３の反射による折り返しを考慮せず、且つ図１，図６の赤、緑、青の各色光のうち、緑光の主光線を中心線として各構成要素を同一線上に図示している。
【００７９】
上段（Ｉ）において、各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂ上の任意の点から発した光が回転多面鏡２０３に平行光となって入射するように、矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂは集光レンズ２１０の焦点位置（集光レンズ２１０の焦点距離をＦとする）に配される。
【００８０】
下段（II）においては、色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ上には上段（Ｉ）の各色光の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂに相当する矩形均一照明域が各色毎に形成される。従って、色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ上の任意の点から発した光が回転多面鏡２０３に平行光となって入射するように、第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂは第２集光レンズ３１０の焦点位置（第２集光レンズ３１０の焦点距離をＦとする）に配される。
【００８１】
なお、上段（Ｉ）の矩形形状発光部２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂと集光レンズ２１０との間の距離、下段（II）の色光別第１集光レンズ３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂと第２集光レンズ３１０との間の距離は厳密に焦点距離Ｆと等しくする必要はなく、本発明の効果を維持できる範囲であれば若干前後に移動しても良い。
【００８２】
本発明ではさらに、回転多面鏡２０３上のスポット２２０と投写レンズ２０７の入射瞳位置とが共役の関係になるように各構成要素が配置されている。回転多面鏡２０３が回転し走査を行っても、回転多面鏡２０３上のスポット２２０の位置は変動しないから、回転多面鏡２０３上のスポット２２０と投写レンズ２０７の入射瞳とを共役の関係にすることで、投写レンズ２０７の入射瞳の位置に、動くことのない最も小さな像を形成することができる。従って、小型の投写レンズでも効率よく光を利用できる。
【００８３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、カラーフィルターを使用せず、各色光専用の画素を有しないライトバルブを用いてカラー表示を行うことが可能となる。従って、光利用効率が高く、高解像度の表示が可能になる。更に、回転多面鏡を用いて走査光学系を構成することで、小型・低コストの画像表示装置を提供できる。
【００８４】
また、第１の光学手段が各色の面発光光源の任意の点からの光を平行光として回転多面鏡に導くので、画像表示パネル上に各色光の発光部の矩形像がボケなく形成される。よって、高画質映像の投写が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る単板式投写型画像表示装置の全体構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る単板式投写型画像表示装置において、面発光光源から回転多面鏡に至る光学系を示した模式図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る単板式投写型画像表示装置の回転多面鏡の反射面に形成されるスポットを示した側面図である。
【図４】図４Ａ〜図４Ｆは、本発明の実施の形態１に係る単板式投写型画像表示装置において、回転多面鏡からの反射光の変化の様子と、画像表示パネルを照明する各色光が走査される様子とを示した図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１に係る単板式投写型画像表示装置に使用される透過型画像表示パネルの構成を示した分解斜視図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２に係る単板式投写型画像表示装置の全体構成図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２に係る単板式投写型画像表示装置に使用されるロッド部の概略斜視図である。
【図８】図８Ａは、レンズアレイインテグレータ光学手段を構成する第１のレンズアレイの正面図、図８Ｂは、レンズアレイインテグレータ光学手段を構成する第２のレンズアレイの正面図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態３に係る単板式投写型画像表示装置の全体構成図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態１及び２に係る単板式投写型画像表示装置の各構成要素の位置関係を示した説明図である。
【図１１】図１１は、走査光学系を使用した従来の単板式投写型画像表示装置の概略構成図である。
【図１２】図１２は、図１１の画像表示装置に使用される色分解光学系の詳細を示した断面図である。
【符号の説明】
２０１，３０１，４０１ 面発光光源部
２０２，４０２ 第１の光学手段
２０３ 回転多面鏡
２０４ 第２の光学手段
２０５ 画像表示パネル
２０６ 画像表示パネル駆動回路
２０７ 投写レンズ
２０８Ｒ、２０８Ｇ、２０８Ｂ 矩形形状の発光部
２１０ 集光レンズ
２１２ 透過型液晶パネル
２１３ 入射側偏光板
２１４ 出射側偏光板
２２０ スポット
２２３ 反射面
３０９Ｒ、３０９Ｇ、３０９Ｂ 第１の光学手段の第１の集光レンズ
３１０ 第２集光レンズ
３１１ 放電ランプ
３１２ リフレクター
３１３ ロッドインテグレータ光学手段
３１４ 色分解光学系
３１５ 集光レンズ
３１６ 赤反射ダイクロイックミラー
３１７ 青反射ダイクロイックミラー
３１８ 第１のリレーレンズ
３１９ 第１のミラー
３２０ 第２のリレーレンズ
３２１ 第３のリレーレンズ
３２２ 第２のミラー
３２３ 第４のリレーレンズ
３２４ 反射ミラー
３２５ ロッド部
３２６ 第１のレンズアレイ
３２７ 第２のレンズアレイ
３３０ 光源部
４０７ 赤色光光源部
４０８ 緑色光光源部
４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂ 光射出部
４０９ 青色光光源部
４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂ 第１集光レンズ
４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂ 第２集光レンズ
４３０ 光源部
Claims (6)
- 矩形形状の発光部を備え、赤、緑、青それぞれの異なる色光を発する３つの面発光光源と、
前記面発光光源からの光を集光する第１の光学手段と、
軸を中心に回転し、前記第１の光学手段で集光された光を反射し走査する回転多面鏡と、
Ｆシーターレンズ機能を有し、前記回転多面鏡で反射された光を集光する第２の光学手段と、
マトリクス状に配された複数の画素を備え、前記第２の光学手段を通過した赤、緑、青の各色光の明るさを前記画素毎に変調する画像表示パネルと、
前記画像表示パネルの前記各画素をその画素に入射する光の色に応じた信号で駆動する駆動回路と、
前記画像表示パネル上に形成され、且つ前記信号によって変調された赤、緑、青の各矩形形状の色光をスクリーン上に拡大投写する投写光学系とを備え、
前記面発光光源の任意の点から発した光が前記回転多面鏡に平行光となって入射するように、前記面発光光源を前記第１の光学手段の焦点位置に配したことを特徴とする単板式投写型画像表示装置。 - 更に、白色光源及びリフレクターからなる光源部と、
矩形形状の開口部を有するロッド部を備え、前記光源部からの光を集光して均一な強さの光を出射するロッドインテグレータ光学手段と、
前記ロッドインテグレータ光学手段からの光を赤、緑、青の各色光に分解する色分解光学系と、
前記色分解光学系からの前記各色光がそれぞれ入射し、赤、緑、青の各色光の矩形像がそれぞれ形成される３個の第１集光レンズとを備え、
前記３つの面発光光源が前記３個の第１集光レンズであり、
前記矩形形状の発光部が前記第１集光レンズ上に形成された前記矩形像である請求項１に記載の単板式投写型画像表示装置。 - 前記回転多面鏡上に形成される像と前記投写光学系の入射瞳とが共役の関係にある請求項１に記載の単板式投写型画像表示装置。
- 前記画像表示パネルが透過型液晶表示パネルである請求項１に記載の単板式投写型画像表示装置。
- 前記画像表示パネルが反射型液晶表示パネル又は反射型ミラーデバイスである請求項１に記載の単板式投写型画像表示装置。
- 前記ロッドインテグレータ光学手段に代えて、同形状矩形開口を備えたマイクロレンズを２次元的に配してなる第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイを構成するマイクロレンズと同数のマイクロレンズを２次元的に配してなる第２のレンズアレイとからなるレンズアレイインテグレータ光学手段を備えた請求項２に記載の単板式投写型画像表示装置。
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