JP4045692B2 - 投射型画像表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶パネルを用いた投射型画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光源からの光を液晶パネルによって画像信号に応じて変調し、変調後の光をスクリーンに投射して画像を表示する投射型の画像表示装置がある。このような投射型画像表示装置は、一度に多数の人に画像を提示するために利用され、近年では、データプロジェクタや比較的大画面のテレビとして用いられるようになっている。
【０００３】
一般に、投射型画像表示装置では光源としてランプを用い、ランプの後方に２次曲面状のリフレクタを配置して、ランプが発する光をできるだけ多く画像投射に利用するようにしている。液晶パネルに供給される光の強度分布および液晶パネルが利用する光束の範囲を図１３（ａ）、（ｂ）に示す。図１３（ｂ）において、ＬＢは光束、ＬＣは液晶パネルである。光の強度は光束の中心から離れるにつれて低下していき、また、中心付近はランプ自体の影となるため強度低下が生じる。このため、光の強度分布は、図１３（ａ）に示したように、中央に窪みを有する山形となって不均一となる。
【０００４】
このような強度分布の光をそのまま投射に用いると、表示される画像の明るさが不均一になってしまう。表示される画像の周辺部が暗くなることを避けるためには、図１３（ｂ）に示したように中央部のみを利用する必要が生じ、周辺部の光は無駄になる。また、中央部のみを利用しても、その範囲内の強度分布が不均一であることに変わりはなく、表示される画像の明るさにむらが生じる。
【０００５】
液晶パネルに導く光の強度分布を均一にするための一法として、光源と液晶パネルの間に、第１のレンズアレイ、第２のレンズアレイおよび重畳レンズより成るインテグレータを配置することが行われている。リフレクタによって反射された光源からの光を第１のレンズアレイの各セルで第２のレンズアレイの対応するセルに一旦結像させることにより、光源像が２次元に配列された面状の２次光源が第２のレンズアレイ上に形成される。この２次光源の各部位からの光を重畳レンズによって液晶パネル全体に導くことで、光の強度分布の均一化がなされる。これにより、明るさにむらのない画像を表示することが可能になり、また、強度の低かった周辺部の光も有効に利用されて、より明るい画像を表示することができる。
【０００６】
液晶パネルは所定の振動方向の偏光を変調するものであり、その振動方向に対して垂直な振動方向の偏光成分は、液晶パネルに組み込まれたまたは液晶パネルと別に配置された偏光板によって吸収される。このため、振動方向が無秩序な光の半分は、投射に利用されることなく捨て去られることになる。
【０００７】
この不都合を解消して光の利用効率を向上させるために、特開平８−３０４７３９号公報や特開平９−１４６０６４号公報には、振動方向が互いに垂直な２つの直線偏光を分離する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）アレイやＰＢＳプリズムを用いて偏光変換することが提案されている。ＰＢＳによって分離した一方の直線偏光を１／２波長板を透過させることにより、その振動方向を他方の直線偏光の振動方向に一致させることができ、振動方向が無秩序な光源からの光の全てを画像投射に利用することが可能になる。
【０００８】
特開平６−２４２３９７号公報には、２つの光源を備えて両光源からの光を合成して液晶パネルに導くことにより、表示する画像の明るさを高めた投射型画像表示装置が開示されている。同公報の装置は、両光源からの光を近接する集光位置に集束させ、集束した２つの光をミラーによって光軸が平行な発散光束として同じ方向に反射させ、その発散光束をコリメータレンズによって平行光束として液晶パネルに導くものである。２つの光源からの光は、光軸が近接した発散光束とされることにより合成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
光源からの光の強度分布を均一にすること、光源からの光を偏光変換によって一方向の直線偏光にすること、および２つの光源を備えることは、いずれも表示する画像の明るさを向上させるために有効な方法である。これら３方法を全て組み合わせれば、明るい画像を表示し、しかも光源からの光を無駄なく利用し得る投射型画像表示装置が実現されよう。しかしながら、そのような投射型画像表示装置は提案されていない。
【００１０】
上記３方法はそれぞれ異なる原理に基づくものであり、全てを適切に組み合わせることは容易ではない。例えば、光の強度分布を均一にするためのインテグレータと偏光変換するためのＰＢＳとは相互に悪影響を及ぼしてはならず、それらの配設方法は従来の技術からは知ることができない。また、２つの光源を用いる特開平６−２４２３９７号公報の技術では、２つの光源からの光の集光位置が接近するほどミラーによって反射されることのない光が増大するから、光の強度分布を均一にするためのインテグレータあるいは偏光変換するためのＰＢＳとの組み合わせに際して、集光位置の設定に特別な配慮が必要となる。
【００１１】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、２つの光源を用いて均一で高い明るさの画像を表示し、しかも光源からの光を無駄なく利用する投射型画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、液晶パネルによって光を変調し、変調後の光を投射レンズによって投射して画像を表示する投射型画像表示装置に、第１の光源と第２の光源と、以下のように構成され機能する第１の集光光学系と、第２の集光光学系と、反射光学系と、コリメータレンズと、インテグレータ光学系と、偏光変換光学系とを備える。
【００１３】
第１の集光光学系は第１の光源からの光を第１の集光位置に集束させ、第２の集光光学系は第２の光源からの光を第１の集光位置に近接した第２の集光位置に集束させる。反射光学系は、第１の光源からの光を第１の集光位置で反射する反射面または第２の光源からの光を第２の集光位置で反射する反射面の少なくとも一方を有し、第１の光源からの光と第２の光源からの光を、互いの光軸が平行に近い光として第１の集光位置と第２の集光位置を結ぶ方向に対して略垂直な方向に進ませる。第１および第２の光源からの光は、集光位置を通過した後は発散光束となり、また第１および第２の集光位置が近接しているため、ほとんどの部分が重なり合う。コリメータレンズは、第１の集光位置を通過して発散光束となった第１の光源からの光と第２の集光位置を通過して発散光束となった第２の光源からの光、つまり重なり合った発散光束を平行光束とする。
【００１４】
インテグレータ光学系は、２次元のアレイ状に配列されたレンズセルより成る第１のレンズアレイと、第１のレンズアレイのレンズセルに対応して２次元のアレイ状に配列されたレンズセルより成る第２のレンズアレイを有し、コリメータレンズからの平行光束に含まれる第１の光源からの光と第２の光源からの光を、第１のレンズアレイの各レンズセルによって第２のレンズアレイの対応するレンズセル上に結像させて分離し、第２のレンズアレイの各レンズセルから液晶パネルの全面に与える。
【００１５】
重なり合った第１および第２の光源からの光は第１のレンズアレイの各レンズセルに入射するが、光軸が完全には一致していないため、各レンズセルが対応する第２のレンズアレイのレンズセルに入射光を結像させることにより、第２のレンズアレイの各レンズセル上で分離する。第２のレンズアレイ上には、第１の光源および第２の光源の像が交互に２次元に形成されることになり、これらの光源像の光の集合は面状の２次光源となる。インテグレータ光学系はこの２次光源の光を液晶パネルに与えるが、第２のレンズアレイのどのレンズセルからも光を液晶パネルの全面に導いて、全てのレンズセルからの光を液晶パネル上で重ね合わせる。したがって、液晶パネルのどの部位にも、第１の光源および第２の光源からの光の双方が与えられることになる。また、液晶パネルのどの部位に与えられる光も、インテグレータ光学系に入射する前の強度差のある中央部の光と周辺部の光が均一に混じり合ったものとなる。
【００１６】
偏光変換光学系は、第１のレンズアレイの各レンズセルを透過した光を、振動方向の異なる２つの直線偏光として第１のレンズアレイによる分離の方向に対して垂直な方向に分離し、分離した２つの直線偏光の一方の振動方向を変換して他方の振動方向に一致させる。これにより、液晶パネルに与えられる光は、液晶パネルによる変調に適した一方向に振動する直線偏光となる。
【００１７】
インテグレータ光学系の第１のレンズアレイが第１および第２の光源からの光を分離する方向と偏光変換光学系が直線偏光を分離する方向とが垂直であることにより、第１の光源からの光に含まれる一方向の直線偏光と第２の光源からの光に含まれる別方向の直線偏光とが重なることが避けられる。したがって、２つの直線偏光の一方のみについて振動方向を変換して、液晶パネルに与える直線偏光の振動方向を一方向とすることが容易にできる。
【００１８】
本発明では、上記の投射型画像表示装置の一設定として、第１の集光位置を通過した第１の光源からの光の光軸と、第２の集光位置を通過した第２の光源からの光の光軸が、第１のレンズアレイ上で交差するものとする。このようにすると、第１のレンズアレイ上における第１の光源からの光の強度分布と第２の光源からの光の強度分布のどちらも、両光の光軸の交点を中心として対称になり、重なり合った光だけでなく一方だけの光についても、第１のレンズアレイ上での強度分布の対称性が保たれる。これにより、第１および第２の光源の両方を点灯するときもいずれか一方のみを点灯するときも、第２のレンズアレイ上の光源像の輝度をレンズセル間で対称にすることが可能になり、液晶パネルを均一に照明することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の投射型画像表示装置（以下、単に投射表示装置ともいう）の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に、第１の実施形態の投射型画像表示装置１の光学系の構成を示す。投射表示装置１は、第１の光源１１ａ、第２の光源１１ｂ、第１の集光光学系１２ａ、第２の集光光学系１２ｂ、反射光学系１３、コリメータレンズ１４、インテグレータ光学系１５、偏光変換光学系１６、フィールドレンズ１７、偏光板１８、液晶パネル１９、および投射レンズ２０より成る。
【００２９】
この投射表示装置１は、光源１１ａ、１１ｂが発する光を集光光学系１２ａ、１２ｂ、反射光学系１３、コリメータレンズ１４、インテグレータ光学系１５、偏光変換光学系１６、フィールドレンズ１７、および偏光板１８を介して液晶パネル１９に導き、その光を液晶パネル１９によって画像信号に応じて変調し、変調後の光を投射レンズ２０によって図外のスクリーンに投射して、スクリーン上に画像を表示するものである。液晶パネル１９は不図示の駆動回路によって駆動され、駆動回路にはテレビジョン信号、パーソナルコンピュータが生成した信号等の画像信号が与えられる。
【００３０】
光源１１ａ、１１ｂはメタルハライドランプ等のアーク放電ランプである。集光光学系１２ａ、１２ｂは、楕円をその長軸の回りに回転させた２次曲面を長軸に対して垂直方向に切断した形状のリフレクタであり、内面が反射面とされている。光源１１ａ、１１ｂは同性能であり、集光光学系１２ａ、１２ｂも同性能である。第１の光源１１ａおよび第２の光源１１ｂはそれぞれ発光部（アーク）が第１の集光光学系１２ａおよび第２の集光光学系１２ｂの第１焦点に位置するように配置されており、集光光学系１２ａおよび集光光学系１２ｂは、長軸が一致しかつ第２焦点が近接するように対向して配置されている。
【００３１】
第１焦点にある光源１１ａ、１１ｂが発する光は集光光学系１２ａ、１２ｂによって反射され、楕円面の特性により、それぞれ集光光学系１２ａ、１２ｂの第２焦点に集束する。ただし、光源１１ａ、１１ｂの発光部はある程度の大きさをもつから、集光光学系１２ａ、１２ｂからの光は集光位置においても厳密に点にはならず、集光位置における光束の断面は小径の円となる。
【００３２】
反射光学系１３は、断面が直角二等辺三角形の三角柱の直交する面１３ａ、１３ｂを反射面としたものであり、集光光学系１２ａおよび１２ｂの第２焦点がそれぞれ反射面１３ａおよび１３ｂの上またはごく近傍に位置し、断面の斜辺が集光光学系１２ａ、１２ｂの長軸と平行になるように配置されている。集光光学系１２ａ、１２ｂによって反射され集束した光源１１ａ、１１ｂからの光は、反射面１３ａ、１３ｂによって反射されて同一方向に進む円錐状の発散光束となる。このとき、発散光束の光軸（光束の中心軸）は、集光光学系１２ａ、１２ｂと反射光学系１３の位置関係により、集光光学系１２ａ、１２ｂの長軸と反射面１３ａ、１３ｂとの交点の距離だけ離間し、かつ平行となる。
【００３３】
コリメータレンズ１４は、反射光学系１３からの２つの発散光束の光軸の中央にその光軸が位置し、かつ、光源１１ａ、１１ｂからの光の集光位置すなわち集光光学系１２ａ、１２ｂの第２焦点を、その焦点面に含むように配置されている。したがって、反射光学系１３によって反射され発散光束となった第１、第２の光源１１ａ、１１ｂからの光はいずれも平行光束とされる。反射光学系１３によって反射された第１、第２の光源１１ａ、１１ｂからの光の光軸は近接しており、平行光束とされた第１、第２の光源１１ａ、１１ｂからの光のほとんどの部分は互いに重なり合う。
【００３４】
インテグレータ光学系１５は、第１のレンズアレイ２１、第２のレンズアレイ２２および重畳レンズ２３を有している。第１のレンズアレイ２１は、液晶パネル１９と略相似な矩形のレンズセル２１ｃを、２次元のアレイ状に配列して成る。具体的には、レンズセル２１ｃはその長辺方向に４つ、短辺方向に５つ配列されている。レンズセル２１ｃの長辺は、集光光学系１２ａ、１２ｂの長軸に平行であり、したがって、反射光学系１３によって反射された光の光軸の離間方向に一致している。液晶パネル１９の長辺も集光光学系１２ａ、１２ｂの長軸に平行である。
【００３５】
第２のレンズアレイ２２は、第１のレンズアレイ２１のレンズセル２１ｃと同じ大きさで矩形のレンズセル２２ｃを、２次元のアレイ状に配列して成る。第２のレンズアレイ２２のレンズセル２２ｃの数および配列方向は第１のレンズアレイ２１と同じである。
【００３６】
レンズアレイ２１および２２はそれぞれ、コリメータレンズ１４の光軸に対して垂直に、かつ、中心をコリメータレンズ１４の光軸が通るように配置されている。また、レンズアレイ２１、２２は、レンズアレイ２１のレンズセル２１ｃの焦点距離だけ離れた位置に配置されている。第１のレンズアレイ２１のレンズセル２１ｃと第２のレンズアレイ２２のレンズセル２２ｃは１対１に対応しており、対応するレンズセル２１ｃとレンズセル２２ｃの光軸は一致する。
【００３７】
第１のレンズアレイ２１の各レンズセル２１ｃに入射する平行光束は、それぞれ第２のレンズアレイ２２の対応するレンズセル２２ｃ上に結像して、光源１１ａ、１１ｂの像を形成する。このとき、反射光学系１３によって反射された光源１１ａ、１１ｂからの光の光軸は近接していながらもレンズセル２１ｃの長辺方向に離間しているため、第２のレンズアレイ２２の各レンズセル２２ｃ上の第１の光源１１ａの像と第２の光源１１ｂの像は、レンズセル２１ｃの長辺方向に分離して形成される。
【００３８】
第２のレンズアレイ２２に形成される光源像の例を図２に示す。図２において、左右方向がレンズセル２１ｃおよびレンズセル２２ｃの長辺方向である。下向きの矢印で示した列に含まれる像が第１の光源１１ａのものであり、上向きの矢印で示した列に含まれる像が第２の光源１１ｂのものである。光源１１ａ、１１ｂの像は、レンズセル２１ｃの長辺方向に交互に現れる。
【００３９】
このように、レンズアレイ２２上には、第１のレンズアレイ２１のレンズセル２１ｃの２倍の数の光源像が２次元に形成される。これらの像の集合は画像投射用の面状の２次光源となり、その光は偏光変換光学系１６を経て重畳レンズ２３によって液晶パネル１９に導かれる。
【００４０】
重畳レンズ２３は、第２のレンズアレイ２２を透過した光を、第２のレンズアレイ２２のあらゆる部位から液晶パネル１９の全面に導く。したがって、液晶パネル１９上のあらゆる部位には、レンズセル２２ｃのうち中央に配置されているものを透過した光と周辺に配置されているものを透過した光が与えられ、また、第１の光源１１ａからの光と第２の光源１１ｂからの光が与えられる。
【００４１】
これにより、液晶パネル１９には強度が均一な光が入射することになり、投射レンズ２０によって投射される画像の明るさが均一になる。また、光源１１ａ、１１ｂからの光の周辺部も液晶パネル１９に入射して、画像投射への光の利用効率が向上する。
【００４２】
なお、ここでは第２のレンズアレイ２２と重畳レンズ２３を個別に備えているが、重畳レンズ２３の機能を第２のレンズアレイ２２にもたせて、重畳レンズ２３を省略することも可能である。
【００４３】
偏光変換光学系１６は、インテグレータ光学系１５の第２のレンズアレイ２２と重畳レンズ２３の間に配置されており、レンズアレイ２２を透過した振動方向が無秩序な光を、所定の振動方向の直線偏光とこれに対して垂直な振動方向の直線偏光とに分離して、一方の振動方向を変換して他方の振動方向に一致させることにより、液晶パネル１９に与えられる光を一方向の直線偏光とする。集光光学系１２ａ、１２ｂの長軸方向から見た偏光変換光学系１６とインテグレータ光学系１５を図３に示す。
【００４４】
偏光変換光学系１６は、ＰＢＳアレイ板２４と１／２波長板２５より成る。ＰＢＳアレイ板２４には、Ｓ偏光を反射してＰ偏光を透過させる反射膜２４ａ、２４ｂの組が形成されている。反射膜２４ａ、２４ｂはレンズセル２１ｃ、２２ｃの長辺方向に延びる帯状であり、レンズアレイ２１、２２の両端に達する長さを有する。反射膜２４ａ、２４ｂの組は、レンズセル２１ｃ、２２ｃの短辺方向に、その方向のレンズセル２１ｃ、２２ｃの数と同数すなわち５組形成されている。
【００４５】
反射膜２４ａ、２４ｂは互いに平行であり、レンズセル２１ｃ、２２ｃの光軸に対して４５°傾いている。反射膜２４ａ、２４ｂの幅は、レンズセル２１ｃ、２２ｃの１／２に対応するように、レンズセル２１ｃ、２２ｃの短辺の１／√２に設定されている。また、反射膜２４ａ、２４ｂは、レンズセル２１ｃ、２２ｃの短辺の１／２の等間隔で、レンズセル２１ｃ、２２ｃの光軸が各組の一方の反射膜２４ａの中央を通るように配列されている。
【００４６】
１／２波長板２５も、レンズセル２１ｃ、２２ｃの長辺方向に延び、レンズアレイ２１、２２の両端に達する長さを有する帯状である。１／２波長板２５の幅はレンズセル２１ｃ、２２ｃの短辺の１／２である。１／２波長板２５は、ＰＢＳアレイ板２４の重畳レンズ２３側の面に、反射膜２４ｂに対向するように等間隔で設けられている。
【００４７】
第２のレンズアレイ２２のレンズセル２２ｃの中央部を透過した光は反射膜２４ａに入射し、そのうちＰ偏光は反射膜２４ａを透過して直接重畳レンズ２３に至る。Ｓ偏光は反射膜２４ａによって反射され、隣の反射膜２４ｂで再度反射されて１／２波長板２５に入射し、これを透過することによってＰ偏光に変換されて重畳レンズ２３に至る。したがって、レンズセル２２ｃの中央部を透過した光は、全てＰ偏光に揃えられることになる。
【００４８】
一方、各レンズセル２２ｃの周辺部を透過した光は反射膜２４ｂに入射し、そのうちＰ偏光は反射膜２４ｂを透過して１／２波長板２５に入射し、Ｓ偏光に変換されて重畳レンズ２３に至る。また、Ｓ偏光は反射膜２４ｂによって反射され、隣の反射膜２４ａで再度反射されて、Ｓ偏光のまま重畳レンズ２３に至る。したがって、レンズセル２２ｃの周辺部を透過した光は、全てＳ偏光となる。しかしながら、後に述べるように、各レンズセル２２ｃの周辺部を透過する光が僅かになるようにレンズアレイ２１は設定されており、レンズアレイ２２を透過する光の大部分はＰ偏光となる。
【００４９】
フィールドレンズ１７は、インテグレータ光学系１５の重畳レンズ２３からの光を、液晶パネル１９に対して略垂直な光とする。液晶パネル１９はＰ偏光を変調するものであり、このため、偏光板１８はＰ偏光を透過させるように設定されている。投射レンズ２０は、液晶パネル１９によって変調された光をスクリーンに投射して、スクリーン上に画像を表示する。投射レンズ２０は焦点調節機構とズーム機構を備えており、投射距離や投射倍率は可変である。フィールドレンズ１７が光を液晶パネル１９に対して略垂直にすることにより、液晶パネル１９の透過特性の角度依存性による光の損失が避けられ、略全ての光が投射レンズ２０に導かれる。
【００５０】
レンズセル２２ｃの中央部を透過した光はＰ偏光に揃えられており、偏光板１８はＰ偏光を透過させるから、レンズセル２２ｃの中央部を透過した光は全て液晶パネル１９に与えられ、投射に利用される。一方、レンズセル２２ｃの周辺部を透過した光は全てＳ偏光となるため、偏光板１８を透過し得ない。
【００５１】
仮に、レンズセル２１ｃからの光がレンズセル２２ｃの全面に均等に入射してそのままレンズセル２２ｃを透過するとすると、偏光板１８に導かれる光の半分はＰ偏光、残りの半分はＳ偏光となって、偏光変換光学系１６を投射表示装置１に備える意味は失われる。このため、レンズセル２１ｃからの光のできるだけ多くの部分が、レンズセル２２ｃの短辺方向の中央部の１／２の範囲内に入るようにインテグレータ光学系１５は設定されている。
【００５２】
以下、光源１１ａ、１１ｂからの光をできるだけ多く投射に利用して、明るい画像を表示するための投射表示装置１の光学系の設定条件について説明する。これに関連する光学系の諸パラメータを次のように定義する。
ＣH：レンズセル２１ｃの短辺の長さ
ＣW：レンズセル２１ｃの長辺の長さ
ＰH：液晶パネル１９の短辺の長さ
ＰW：液晶パネル１９の長辺の長さ
Ｌ1：第１のレンズアレイ２１と第２のレンズアレイ２２間の光路長
Ｌ2：第２のレンズアレイ２２とフィールドレンズ１７間の光路長
ｆc：コリメータレンズ１４の焦点距離
ｄ ：第１の集光光学系１２ａによる第１の集光位置と第２の集光光学系１２ｂによる第２の集光位置間の距離の１／２
Ｍ ：第１の光源１１ａからの光と第２の光源１１ｂからの光の第１の集光位置および第２の集光位置における光束径の１／２
【００５３】
光路長は光路上の媒質が空気であるとしたときの光学素子の配設間隔である。本実施形態の投射表示装置１では、光路長Ｌ1は第１のレンズアレイ２１と第２のレンズアレイ２２の距離に等しく、光路長Ｌ2は、偏光変換光学系１６が介在する分だけ、第２のレンズアレイ２２とフィールドレンズ１７の距離よりも長い。
【００５４】
まず、インテグレータ光学系１５の第１のレンズアレイ２１に入射した光を全て液晶パネル１９に導く必要がある。また、光が入射しない部位が生じないように、液晶パネル１９の全面に光を導く必要がある。前述のように、第１のレンズアレイ２１と液晶パネル１９は略相似形であり、それぞれの長辺同士、短辺同士が対応している。したがって、レンズアレイ２１の光を全て液晶パネル１９に、かつ液晶パネル１９の全面に導くためには
ＰH／ＣH ≒ ＰW／ＣW ＝ Ｌ2／Ｌ1 ・・・（１）
が、必須の条件である。
【００５５】
次に、光源１１ａ、１１ｂからの光ができるだけ多く第１のレンズアレイ２１に入射する必要がある。このためには、集光光学系１２ａ、１２ｂにより集束する光源１１ａ、１１ｂからの光が全て反射光学系１３の反射面１３ａ、１３ｂに入射することが望ましい。これは、集光光学系１２ａ、１２ｂの長軸と反射面１３ａ、１３ｂとの２つの交点すなわち第１、第２の集光位置の距離を、集光位置における光束の直径以上とすることにより達成される。したがって、
Ｍ ≦ ｄ ・・・（２）
である。
【００５６】
仮に、第１および第２の集光位置を一致させてｄ＝０とすると、光源１１ａ、１１ｂからの光はそれぞれ半分ずつ反射光学系１３の傍らを通過することになって、光源を２つ備えることの意味が失われる。
【００５７】
液晶パネル１９には第２のレンズアレイ２２を透過した光が与えられる。したがって、第１のレンズアレイ２１の各レンズセル２１ｃは入射する光を、第２のレンズアレイ２２の対応するレンズセル２２ｃ内にできるだけ多く結像させる必要がある。
【００５８】
第２のレンズアレイ２２の１つのレンズセル２２ｃ上の光源像の例を図４に示す。第１の光源１１ａの像Ｓａと第２の光源１１ｂの像Ｓｂは、レンズセル２２ｃの長辺方向に対称に形成される。長辺方向の中央の短辺に平行な線すなわち光源像Ｓａ、Ｓｂの対称軸は、反射光学系１３の反射面１３ａと反射面１３ｂの交線に対応する。以下に述べるように、光源像Ｓａ、Ｓｂのうち光が画像投射に利用されるのは、レンズセル２２ｃの短辺方向中央部の斜線を付していない矩形の部分Ａである。部分Ａの周りの斜線を付した部分Ｂ1、Ｂ2の光を画像投射に利用することはできない。
【００５９】
コリメータレンズ１４の焦点距離がｆcで第１のレンズアレイ２１のレンズセル２１ｃの焦点距離がＬ1であることから、第１、第２の集光位置に対する第２のレンズアレイ２２における拡大倍率はＬ1／ｆcとなる。したがって、レンズアレイ２２ｃの長辺方向の中心から光源像Ｓａ、Ｓｂの中心までの距離はｄ・Ｌ1／ｆcとなり、光源像Ｓａ、Ｓｂの半径はＭ・Ｌ1／ｆcとなる。
【００６０】
図４の例は、式（２）が満たされず、光源１１ａ、１１ｂからの光の一部が反射光学系１３によって反射されないときのものであり、本来円形である光源像Ｓａ、Ｓｂのそれぞれの一部が対称軸を境に欠落している。また、この例では、光源像Ｓａ、Ｓｂのそれぞれの別の一部Ｂ1が、短辺を超えて隣のレンズセルに形成されている。この部分Ｂ1の光は重畳レンズ２３への入射角が不適切になって、液晶パネル１９に向けて射出しなくなる。
【００６１】
光源像Ｓａ、Ｓｂがレンズセル２２ｃの短辺を超えて隣のレンズセルに形成されることによる光の損失を防止するためには、
ｄ・Ｌ1／ｆc＋Ｍ・Ｌ1／ｆc ≦ （１／２）・ＣW ・・・（３）
が成り立つ必要がある。
【００６２】
前述のように、偏光変換光学系１６では、レンズセル２２ｃの中央部の短辺の１／２の長さの範囲内の部分Ａの光が所望のＰ偏光に全て揃えられ、この範囲外の部分Ｂ2の光は逆のＳ偏光となる。したがって、全ての光を所望のＰ偏光に変換して画像投射に利用するためには、レンズセル２２ｃ上の光源像Ｓａ、Ｓｂの直径はレンズセル２２ｃの短辺の長さの半分以下でなければならない。これを光源像Ｓａ、Ｓｂの半径で表せば、
Ｍ・Ｌ1／ｆc ≦ （１／４）・ＣH ・・・（４）
となる。このとき偏光変換の効率は理論上の最大値２となる。
【００６３】
式（１）〜（４）が全て満たされるとき、２つの光源１１ａ、１１ｂが発して集光光学系１２ａ、１２ｂにより集束させられた光は、全てインテグレータ光学系１５に導かれ、Ｓ偏光が偏光変換光学系１６によって全てＰ偏光に変換されて、インテグレータ光学系１５から損失なく液晶パネル１９に与えられる。図２の光源像はこの理想の状態を表している。このとき画像投射に利用される光の量は、１つの光源からの光を集光してそのまま液晶パネルに導く場合の４倍となる。しかも、インテグレータ光学系１５によって光は均一な強度分布とされるから、図１３（ｂ）に示したように光束の周辺部を捨てる必要がなくなり、光の利用効率はさらに高くなる。
【００６４】
しかしながら、式（２）〜（４）には、第１、第２の集光位置における光源１１ａ、１１ｂからの光の光束の半径Ｍが含まれている。光源１１ａ、１１ｂの発光部はある程度の大きさをもつため、光束の半径Ｍを小さくするには限界がある。また、光源１１ａ、１１ｂであるランプは消耗品であり、交換の必要が生じる。交換ランプには種々の規格のものがあり、規格ごとに発光量や発光部の大きさが相違する。光束の半径Ｍに式（２）〜（４）の厳密な制限を加えると、投射表示装置１で使用し得る交換ランプが限定されることになり、実用上好ましくないといえる。
【００６５】
また、式（１）を厳密に満たすようにすると、外部からの衝撃や組立誤差によってインテグレータ光学系１５と液晶パネル１９の相対位置にずれが生じた場合に、液晶パネル１９の周辺部に光が入射しない部位が生じる。その場合、表示する画像の周辺部が欠落することになる。
【００６６】
このように、表示する画像の明るさに関しては理想的な条件である式（１）〜（４）を満たすことが、他の面で得策となるとは限らない。そこで、投射表示装置１では、これらの式の意味を考慮しつつ、より緩やかな制限の式（５）、（６）、（７）を満たすように設定している。
ＰH／ＣH ≒ ＰW／ＣW ≦ Ｌ2／Ｌ1 ・・・（５）
（１／８）・ＣW ≦ ｄ・Ｌ1／ｆc ≦ （３／８）・ＣW ・・・（６）
Ｍ・Ｌ1／ｆc ≦ （１／２）・ＣH ・・・（７）
【００６７】
式（５）は、液晶パネル１９がインテグレータ光学系１５の光束の中に収まることを保証するものである。式（６）は、レンズセル２２ｃ上の光源像Ｓａ、Ｓｂが短辺を超えて隣のレンズセルに少し入ることを許容している。特に、ｄ・Ｌ1／ｆc＝（１／４）・ＣWのときは、第２のレンズアレイ２２のレンズセル２２ｃ上の第１、第２の光源像Ｓａ、Ｓｂの中心は、レンズセル２２ｃの長辺の長さの１／２だけ離間し、レンズセル２２ｃに入る光源像Ｓａ、Ｓｂの面積は、光源像Ｓａ、Ｓｂの大小にかかわらず最大となる。
【００６８】
式（７）は、レンズセル２２ｃ上の光源像Ｓａ、Ｓｂがレンズセル２２ｃの中央部の短辺の１／２の範囲Ａから出ることを許容するものであるが、等号が成り立つ場合でも、光源像Ｓａ、Ｓｂの外縁の円周がレンズセル２２ｃの長辺に接するに過ぎず、光源像Ｓａ、Ｓｂのうちレンズセル２２ｃの中央部の短辺の１／２の範囲Ａに入る部分の方が、この範囲Ａ外に出る部分よりも大きい。したがって、偏光変換効率は１を超え、確実に偏光変換の効果が得られる。
【００６９】
集光光学系１２ａ、１２ｂが、光源１１ａ、１１ｂの光をどれだけ反射するかも光の利用効率に関係する。本投射表示装置１の集光光学系１２ａ、１２ｂのような楕円面のリフレクタの光の利用効率を図１２に示す。図１２において、横軸は、光源が配置される第１焦点と周上の点を結ぶ直線と長軸とのなす角で定義される放射角（長軸と周の第１焦点側の交点を０とする）であり、縦軸は、光源が発した全ての光に対するリフレクタによって反射され利用される光の割合である。放射角が大きいほどリフレクタによって反射される光は多いが、あまり放射角が大きくなると光源自体が大きさをもつことにより集光精度が低下するため、放射角は７５％程度以上の光を反射して精度よく集光することができる１１０゜〜１３０°程度とするのがよい。
【００７０】
なお、投射表示装置１では楕円面のリフレクタを集光光学系１２ａ、１２ｂとして使用しているが、集光光学系はこれに限られるものではない。例えば、放物面のリフレクタと集光レンズを用い、リフレクタの焦点に配置した光源の光をリフレクタで平行光束とし、これを集光レンズで集束させるようにすることができる。
【００７１】
第２の実施形態の投射型画像表示装置２の光学系の構成を図５に示す。投射表示装置２は、第１の光源３１ａ、第２の光源３１ｂ、第１の集光光学系３２ａ、第２の集光光学系３２ｂ、反射光学系３３、コリメータレンズ３４、インテグレータ光学系３５、偏光変換光学系３６、３つの液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂ、および投射レンズ４０を有する。
【００７２】
この投射表示装置２は光源３１ａ、３１ｂからの光をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色の光に分解して液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂに導き、３色の光をＲ、Ｇ、Ｂの画像信号に応じて個別に変調し、変調後の光を合成して投射することにより、スクリーン上にカラー画像を表示するものである。
【００７３】
投射表示装置２は、光を色分解して液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂに導くために、２つのダイクロイックミラー５１Ｒ、５１Ｂ、３つの全反射ミラー５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、および２つのリレーレンズ５３ａ、５３ｂを備え、変調後の光を合成して投射レンズ４０に導くためにクロスダイクロイックプリズム５４を備えている。また、液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂのそれぞれに対して、フィールドレンズ３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂ、および偏光板３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂが設けられている。
【００７４】
光源３１ａ、３１ｂおよび集光光学系３２ａ、３２ｂは第１の実施形態の投射表示装置１のものと同じである。光源３１ａ、３１ｂは発光部が集光光学系３２ａ、３２ｂの第１焦点に位置するように配置されている。集光光学系３２ａ、３２ｂは、互いの長軸が一致し第２焦点も一致している状態から、長軸に対して垂直な方向（図５の紙面に対して垂直な方向）に僅かにずらして配置されている。
【００７５】
斜方から見た反射光学系３３を図６に示す。反射光学系３３は２枚の平板状の全反射ミラーを、反射面３３ａ、３３ｂが直交するように、側面の中央近傍で接合したものである。反射光学系３３は、集光光学系３２ａおよび３２ｂの第２焦点がそれぞれ反射面３３ａおよび３３ｂ上に位置し、反射面３３ａ、３３ｂが集光光学系３２ａ、３２ｂの長軸に対して４５°傾くように配置されている。集光光学系３２ａ、３２ｂによって反射され集束した光源３１ａ、３１ｂからの光は、反射面３３ａ、３３ｂによって反射されて同一方向に進む円錐状の発散光束となる。このとき、発散光束の光軸は、集光光学系３２ａ、３２ｂと反射光学系３３の位置関係により、集光光学系３２ａの第２焦点と集光光学系３２ｂの第２焦点の距離だけ離間し、かつ平行となる。
【００７６】
コリメータレンズ３４は、反射光学系３３からの２つの発散光束の光軸の中央にその光軸が位置し、かつ、光源３１ａ、３１ｂからの光の集光位置すなわち集光光学系３２ａ、３２ｂの第２焦点をその焦点面に含むように配置されている。したがって、反射光学系３３によって反射され発散光束となった第１、第２の光源３１ａ、３１ｂからの光はいずれも平行光束とされる。反射光学系３３によって反射された第１、第２の光源３１ａ、３１ｂからの光の光軸は近接しており、平行光束とされた第１、第２の光源３１ａ、３１ｂからの光のほとんどの部分は互いに重なり合う。
【００７７】
インテグレータ光学系３５は、第１のレンズアレイ４１、第２のレンズアレイ４２および重畳レンズ４３を有している。第１のレンズアレイ４１は、液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂと略相似な矩形のレンズセル４１ｃを、２次元のアレイ状に配列して成る。レンズセル４１ｃはその長辺方向に４つ、短辺方向に５つ配列されている。レンズセル４１ｃの長辺は、第１の実施形態と同様に、集光光学系３２ａ、３２ｂの長軸に平行である。しかしながら、集光光学系３２ａ、３２ｃの第２焦点の離間方向が第１の実施形態の集光光学系１２ａ、１２ｂの第２焦点の離間方向と垂直になっているため、レンズセル４１ｃの長辺ではなく短辺が反射光学系３３によって反射された光の光軸の離間方向に一致している。
【００７８】
第２のレンズアレイ４２は、第１のレンズアレイ４１のレンズセル４１ｃを長辺方向に２等分した大きさの矩形のレンズセル４２ｃを、隣合う２つのレンズセル４２ｃが１つのレンズセル４１ｃに対応するように、２次元のアレイ状に配列して成る。レンズセル４２ｃの一辺はレンズセル４１ｃの短辺に等しく、その隣の辺はレンズセル４１ｃの長辺の１／２に等しい。
【００７９】
レンズアレイ４１はコリメータレンズ３４の光軸に対して垂直に、かつ、中心をコリメータレンズ３４の光軸が通るように配置されている。第１のレンズアレイ４１と第２のレンズアレイ４２の間には、直角プリズム４４を含む偏光変換光学系３６の一部が配設されているため、レンズアレイ４２はコリメータレンズ３４の光軸に対して平行に配置されており、直角プリズム４４で折曲げられたコリメータレンズ３４の光軸が中心を通る。また、レンズアレイ４１、４２は、レンズアレイ４１のレンズセル４１ｃの焦点が直角プリズム４４を介して第２のレンズアレイ４２のレンズセル４２ｃ上に位置する距離だけ離れて配置されている。
【００８０】
偏光変換光学系３６は、断面が直角二等辺三角形の直角プリズム４４、１／２波長板４５、および平行平板４６より成る。直角プリズム４４は直交する２面がレンズアレイ４１、４２に平行に対面するように配置されている。１／２波長板４５は帯状であり、第２のレンズアレイ４２の直角プリズム４４側の面に、第１のレンズアレイ４１のレンズセル４１ｃの短辺方向に沿って設けられている。１／２波長板４５はレンズセル４１ｃの長辺の１／２の幅を有し、レンズセル４１ｃに対応する２つのレンズセル４２ｃのうちレンズアレイ４１に近い側の列に対面している。
【００８１】
平行平板４６は直角プリズム４４と同じ材質であり、直角プリズム４４の斜面に接合されて、第１のレンズアレイ４１のレンズセル４１ｃの長辺の長さの１／２√２の厚さに設定されている。直角プリズム４４と平行平板４６の接合面４６ａはＳ偏光を反射しＰ偏光を透過させる反射膜とされており、平行平板４６の他方の面４６ｂは全反射ミラーとされている。したがって、直角プリズム４４と平行平板４６はＰＢＳプリズムとして機能する。
【００８２】
コリメータレンズ３４からインテグレータ光学系３５の第１のレンズアレイ４１の各レンズセル４１ｃに入射する平行光束は、それぞれ第２のレンズアレイ４２の対応するレンズセル４２ｃ上に結像して、光源３１ａ、３１ｂの像を形成する。このとき、反射光学系３３によって反射された光源３１ａ、３１ｂからの光の光軸は近接していながらもレンズセル４１ｃの短辺方向に離間しているため、第２のレンズアレイ４２の各レンズセル４２ｃ上の第１の光源３１ａの像と第２の光源３１ｂの像は、レンズセル４１ｃの短辺方向に分離して形成される。
【００８３】
さらに、各レンズセル４１ｃを出た光のうちＳ偏光は、反射膜４６ａによって反射されて、レンズセル４１ｃに対応する２つのレンズセル４２ｃのうち、レンズアレイ４１に近い方のレンズセルに結像する。このレンズセルの入射面には１／２波長板４５が設けられているため、これを透過することにより、Ｓ偏光であった光は結像したときにはＰ偏光に変換されている。
【００８４】
一方、レンズセル４１ｃを出たＰ偏光は反射膜４６ａを透過して反射面４６ｂによって反射され、レンズセル４１ｃに対応する２つのレンズセル４２ｃのうち、レンズアレイ４１から遠い方のレンズセルに結像する。このレンズセルの入射面には１／２波長板は設けられておらず、結像した光はＰ偏光のままである。こうして、光源３１ａ、３１ｂからの光はＰ偏光に揃えられる。
【００８５】
第２のレンズアレイ４２に形成される光源像の例を図７に示す。図７において、左右方向がレンズセル４１ｃの長辺に対応する方向である。右向きの矢印で示した列に含まれる像が第１の光源３１ａのものであり、左向きの矢印で示した列に含まれる像が第２の光源３１ｂのものである。また、下向きの矢印で示した列に含まれる像が元々Ｐ偏光の像であり、上向きの矢印で示した列に含まれる像がＳ偏光からＰ偏光に変換された像である。光源３１ａ、３１ｂの像はレンズセル４１ｃの短辺方向に交互に現れ、偏光の振動方向が違っていた像はレンズセル４１ｃの長辺方向に交互に現れる。
【００８６】
このように、レンズアレイ４２上には、第１のレンズアレイ４１のレンズセル４１ｃの４倍の数の光源像が２次元に形成される。これらの像の集合は画像投射用の面状の２次光源となり、その光は重畳レンズ４３によって液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂに導かれる。
【００８７】
重畳レンズ４３は、第２のレンズアレイ４２を透過した光を、第２のレンズアレイ４２のあらゆる部位から液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂそれぞれの全面に導く。したがって、液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂ上のあらゆる部位には、レンズセル４２ｃのうち中央に配置されているものを透過した光と周辺に配置されているものを透過した光が与えられ、また、第１の光源３１ａからの光と第２の光源３１ｂからの光が与えられる。
【００８８】
これにより、各液晶パネルには強度が均一な光が入射することになり、投射レンズ４０によって投射される画像の明るさが均一になる。また、光源３１ａ、３１ｂからの光の周辺部も各液晶パネルに入射して、画像投射への光の利用効率が向上する。しかも、Ｓ偏光であった光が各液晶パネルに適合するＰ偏光に変換されるため、光の利用効率は一層高くなる。なお、重畳レンズ４３の機能を第２のレンズアレイ４２にもたせて、重畳レンズ４３を省略するようにしてもよい。
【００８９】
ダイクロイックミラー５１Ｒ、５１Ｂおよび全反射ミラー５２ａ、５２ｂ、５２ｃはいずれも入射する光の光軸に対して４５゜傾けて配置されており、リレーレンズ５３ａ、５３ｂ、フィールドレンズ３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂ、偏光板３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂ、および液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂは入射する光の光軸に対して垂直に配置されている。ダイクロイックミラー５１ＲはＲ光を透過させ他の色の光を反射する。ダイクロイックミラー５１ＢはＢ光を透過させ他の色の光を反射する。
【００９０】
ダイクロイックミラー５１Ｒ、５１Ｂおよび全反射ミラー５２ａ、５２ｂ、５２ｃの隣合うもの間の距離は全て等しく設定されており、ダイクロイックミラー５１Ｒからフィールドレンズ３７Ｒおよび３７Ｇに至る光路長は等しい。リレーレンズ５３ａ、５３ｂは、ダイクロイックミラー５１Ｒからフィールドレンズ３７Ｂに至る光路長と、ダイクロイックミラー５１Ｒからフィールドレンズ３７Ｒ、３７Ｇに至る光路長の差を補正するために備えられている。
【００９１】
フィールドレンズ３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂおよび偏光板３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂは第１の実施形態のフィールドレンズ１７および偏光板１８と同じものである。液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂはそれぞれ、個別に設けられた不図示の駆動回路によって駆動される。各駆動回路には、画像のＲ成分を表すＲ信号、Ｇ成分を表すＧ信号、Ｂ成分を表すＢ信号が与えられる。
【００９２】
クロスダイクロイックプリズム５４は４つの直角プリズムを接合して成り、接合面にはＲ光を反射し他の色の光を透過させる反射膜５４Ｒと、Ｂ光を反射し他の色の光を透過させる反射膜５４Ｂが設けられている。反射膜５４Ｒと反射膜５４Ｂは直交しており、また、液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂに対して４５゜傾けて配置されている。
【００９３】
インテグレータ光学系３５の第２のレンズアレイ４２の光源像の光は、重畳レンズ４３を透過してダイクロイックミラー５１Ｒに入射する。ダイクロイックミラー５１Ｒに入射した光のうちＲ光は、このミラーを透過し、全反射ミラー５２ａによって反射されて、フィールドレンズ３７Ｒおよび偏光板３８Ｒを経て液晶パネル３９Ｒに入射する。ダイクロイックミラー５１Ｒに入射した光のうちＧ光およびＢ光は、このミラーによって反射されてダイクロイックミラー５１Ｂに入射する。
【００９４】
ダイクロイックミラー５１Ｂに入射した光のうちＧ光は、このミラーによって反射されて、フィールドレンズ３７Ｇおよび偏光板３８Ｇを経て液晶パネル３９Ｇに入射する。ダイクロイックミラー５１Ｂに入射した光のうちＢ光は、このミラーを透過し、リレーレンズ５３ａを経て全反射ミラー５２ｂによって反射され、さらにリレーレンズ５３ｂを経て全反射ミラー５２ｃによって反射され、フィールドレンズ３７Ｂおよび偏光板３８Ｂを経て液晶パネル３９Ｂに入射する。
【００９５】
液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂに入射したＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、それぞれ対応する画像信号に応じて変調され、液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂを透過してクロスダイクロイックプリズム５４に入射する。クロスダイクロイックプリズム５４に入射したＲ光およびＢ光は、それぞれ反射膜５４Ｒおよび５４Ｂによって投射レンズ４０に向けて反射される。クロスダイクロイックプリズム５４に入射したＧ光はそのまま投射レンズ４０に入射する。
【００９６】
こうして変調後の３色の光が合成され、投射レンズ４０によってスクリーンに投射される。これにより、カラー画像がスクリーン上に表示される。投射レンズ４０は焦点調節機構とズーム機構を備えており、投射距離や投射倍率は可変である。なお、フィールドレンズ３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂが光を液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂに対して略垂直にすることにより、各液晶パネルおよびクロスダイクロイックプリズム５４の角度依存性による光の損失が避けられ、略全ての光が投射レンズ４０に導かれる。
【００９７】
光源３１ａ、３１ｂからの光をできるだけ多く投射に利用して、明るい画像を表示するための投射表示装置２の光学系の設定条件は第１の実施形態の条件に類似する。相違は、投射表示装置１では、インテグレータ光学系１５の第１のレンズアレイ２１のレンズセル２１ｃがその長辺方向に光源１１ａ、１１ｂからの光を分離し、偏光変換光学系１６がレンズセル２１ｃの短辺方向に偏光を分離するのに対し、投射表示装置２では、インテグレータ光学系３５の第１のレンズアレイ４１のレンズセル４１ｃがその短辺方向に光源３１ａ、３１ｂからの光を分離し、偏光変換光学系３６がレンズセル４１ｃの長辺方向に偏光を分離する点にある。重畳レンズ４３とフィールドレンズ３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂの間に配設されているダイクロイックミラー５１Ｒ等の光学系は、光の利用効率には関与しない。
【００９８】
本実施形態の光学系の諸パラメータを次のように定義する。
ＣH：レンズセル４１ｃの短辺の長さ
ＣW：レンズセル４１ｃの長辺の長さ
ＰH：液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂの短辺の長さ
ＰW：液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂの長辺の長さ
Ｌ1：第１のレンズアレイ４１と第２のレンズアレイ４２間の光路長
Ｌ2：第２のレンズアレイ４２とフィールドレンズ３７Ｒ、３７Ｇ間の光路長
ｆc：コリメータレンズ３４の焦点距離
ｄ ：第１の集光光学系３２ａによる第１の集光位置と第２の集光光学系
３２ｂによる第２の集光位置間の距離の１／２
Ｍ ：第１の光源３１ａからの光と第２の光源３１ｂからの光の第１の集光位置および第２の集光位置における光束径の１／２
【００９９】
インテグレータ光学系３５の第１のレンズアレイ４１に入射した光を全て液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂに、かつその全面に導く条件は、前掲の式（１）のとおりである。また、光源３１ａ、３１ｂからの光を全てインテグレータ光学系３５に入射させる条件は式（２）のとおりである。
【０１００】
第１のレンズアレイ４１の各レンズセル４１ｃが、入射する光を第２のレンズアレイ４２の対応するレンズセル４２ｃ内にできるだけ多く結像させる条件を、図８を参照して説明する。図８は、レンズセル４１ｃに対応する２つのレンズセル４２ｃのうちの一方に形成される光源３１ａ、３１ｂの元々Ｐ偏光の像を示したものである。他方に形成されるＳ偏光からＰ偏光に変換された光源像も図示した像と同じになる。図８において、左右方向が第１のレンズアレイ４１のレンズセル４１ｃの長辺方向に、上下方向が短辺方向に相当する。
【０１０１】
第１の光源３１ａの像Ｓａと第２の光源３１ｂの像Ｓｂは、レンズセル４２ｃ上にレンズセル４１ｃの短辺方向に対称に形成される。レンズセル４１ｃの短辺方向中央の長辺方向の線すなわち光源像Ｓａ、Ｓｂの対称軸は、反射光学系３３の反射面３３ａと反射面３３ｂの境界線に対応する。以下に述べるように、光源像Ｓａ、Ｓｂのうち光が画像投射に利用されるのは、中央部の斜線を付していない矩形の部分Ａである。部分Ａの周りの斜線を付した部分Ｂ1、Ｂ2の光を画像投射に利用することはできない。
【０１０２】
コリメータレンズ３４の焦点距離がｆcで第１のレンズアレイ４１のレンズセル４１ｃの焦点距離がＬ1であることから、第１、第２の集光位置に対する第２のレンズアレイ４２における拡大倍率はＬ1／ｆcとなる。したがって、対称軸から光源像Ｓａ、Ｓｂの中心までの距離はｄ・Ｌ1／ｆcとなり、光源像Ｓａ、Ｓｂの半径はＭ・Ｌ1／ｆcとなる。
【０１０３】
図８の例は、式（２）が満たされず、光源３１ａ、３１ｂからの光の一部が反射光学系３３によって反射されないときのものであり、本来円形である光源像Ｓａ、Ｓｂのそれぞれの一部が対称軸を境に欠落している。また、この例では、光源像Ｓａ、Ｓｂのそれぞれの別の一部Ｂ1が、レンズセル４１ｃの短辺方向の隣のレンズセルに入射している。この部分Ｂ1の光は重畳レンズ４３への入射角が不適切になって、液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂに向けて射出しなくなる。
【０１０４】
光源像Ｓａ、Ｓｂがレンズセル４１ｃの短辺方向の隣のレンズセルに入射することによる光の損失を防止するためには、
ｄ・Ｌ1／ｆc＋Ｍ・Ｌ1／ｆc ≦ （１／２）・ＣH ・・・（８）
が成り立つ必要がある。
【０１０５】
偏光変換光学系３６では、レンズセル４１ｃの長辺方向にＰ偏光とＳ偏光を分離し、図示したレンズセル４２ｃの左右に位置する隣のレンズセルに対向して１／２波長板４５が設けられているから、光源像Ｓａ、Ｓｂのうちこれら隣のレンズセル上の部分Ｂ2は利用し得ないＳ偏光となる。したがって、全ての光を所望のＰ偏光に変換して画像投射に利用するためには、レンズセル４２ｃ上の光源像Ｓａ、Ｓｂの直径はレンズセル４１ｃの長辺の長さの半分以下でなければならない。この条件は、
Ｍ・Ｌ1／ｆc ≦ （１／４）・ＣW ・・・（９）
となる。このとき偏光変換の効率は理論上の最大値２となる。
【０１０６】
式（１）、（２）、（８）、（９）が全て満たされるとき、２つの光源３１ａ、３１ｂが発して集光光学系３２ａ、３２ｂにより集束させられた光は、全てインテグレータ光学系３５に導かれ、Ｓ偏光が偏光変換光学系３６によって全てＰ偏光に変換されて、インテグレータ光学系３５から損失なく各液晶パネルに与えられる。図７の光源像はこの理想の状態を表している。このとき画像投射に利用される光の量は、１つの光源からの光を集束してそのまま液晶パネルに導く場合の４倍となる。しかも、インテグレータ光学系３５によって光は均一な強度分布とされるから、図１３（ｂ）に示したように光束の周辺部を捨てる必要がなくなり、光の利用効率はさらに高くなる。
【０１０７】
しかしながら、第１の実施形態で述べた理由により、表示する画像の明るさに関しては理想的な条件である式（１）、（２）、（８）、（９）を満たすことは、必ずしも他の面で得策にはならない。そこで、投射表示装置２では、これらの式の意味を考慮しつつ、より緩やかな制限の式（１０）、（１１）を前掲の式（５）とともに満たすように設定している。
（１／８）・ＣH ≦ ｄ・Ｌ1／ｆc ≦ （３／８）・ＣH ・・・（１０）
Ｍ・Ｌ1／ｆc ≦ （１／２）・ＣW ・・・（１１）
【０１０８】
式（５）により、液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂがインテグレータ光学系３５の光束の中に収まることが保証される。式（１０）は、レンズセル４２ｃ上の光源像Ｓａ、Ｓｂがレンズセル４１ｃの短辺方向の隣のレンズセルに少し入ることを許容している。特に、ｄ・Ｌ1／ｆc＝（１／４）・ＣHのときは、第２のレンズアレイ４２のレンズセル４２ｃ上の第１、第２の光源像Ｓａ、Ｓｂの中心は、レンズセル４１ｃの短辺の長さの１／２だけ離間し、レンズセル４２ｃに入る光源像Ｓａ、Ｓｂの面積は、光源像Ｓａ、Ｓｂの大小にかかわらず最大となる。
【０１０９】
式（１１）は、レンズセル４２ｃに入るべき光源像Ｓａ、Ｓｂがレンズセル４１ｃの長辺方向の隣のレンズセルに入ることを許容するものであるが、等号が成り立つ場合でも、光源像Ｓａ、Ｓｂの外縁の円周が隣のレンズセルの中央に達するに過ぎず、光源像Ｓａ、Ｓｂのうちレンズセル４２ｃに入る部分の方が、隣のレンズセルに入る部分よりも大きい。したがって、偏光変換効率は１を超え、確実に偏光変換の効果が得られる。
【０１１０】
本実施形態の集光光学系３２ａ、３２ｂも放射角を１１０゜〜１３０°程度とするのがよい。また、他の集光光学系を用いてもよい。
【０１１１】
なお、第１の実施形態の投射表示装置１はカラー画像を表示するものではないが、重畳レンズ２３以降を第２の実施形態のように構成することで、カラー画像を表示することも容易である。液晶パネル１９として、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光のいずれかを選択的に透過させるカラーフィルターを各画素に備えたものを使用することにより、カラー画像を表示することも可能である。
【０１１２】
第１の実施形態ではＰＢＳアレイ方式で、第２の実施形態ではＰＢＳプリズム方式で偏光変換を行っているが、偏光変換の方式は２つの光源からの光を分離する方向に依存するものではない。いずれの偏光変換方式を採用する場合でも、偏光変換のための偏光分離の方向と光源からの光の分離方向が垂直であればよい。
【０１１３】
第１、第２の実施形態の投射型画像表示装置１、２では、２つの光源を用いて均一で高い明るさの画像を表示し、しかも光源からの光を無駄なく利用するという本発明の目的が、十分に達成される。ところで、実用上は、明るい画像を表示することが常に要求されるとは限らず、むしろ、表示する画像の明るさを環境の明るさに応じて切り換え得るようにする方が好ましいといえる。画像の明るさの切り換えは、２つの光源を共に点灯するか一方のみを点灯するかによって行うことが可能である。
【０１１４】
投射表示装置１、２においては、反射光学系によって、第１の光源からの光と第２の光源からの光の光軸を平行にしている。このため、次の理由により、一方の光源のみを点灯するときに、液晶パネルに導かれる光の強度が僅かながら不均一になる。
【０１１５】
集光光学系によって集束された光源からの光の強度分布は、図１３（ａ）に示したように不均一であり、インテグレータ光学系の第１のレンズアレイにはこの不均一な強度分布の光が入射する。また、第１のレンズアレイは、その中心を第１の光源からの光と第２の光源からの光の平行な光軸の中央が通るように設定されている。このため、第１のレンズアレイ上での第１の光源からの光の強度分布は、第１のレンズアレイの中心に関して、第１、第２の光源からの光の光軸の離間方向に非対称になり、第２の光源からの光の強度分布も同様に非対称になる。
【０１１６】
第２のレンズアレイの各レンズセルには第１のレンズアレイの対応するレンズセルから光が導かれるが、第１のレンズアレイ上での光の強度分布が非対称であれば、第２のレンズアレイ上での光の強度分布も非対称になる。すなわち、第２のレンズアレイの中心から光軸の離間方向について等しい距離に位置する２つのレンズセル上の光源像の輝度が、互いに対称でなくなる。第２のレンズアレイの各レンズセルからの光は液晶パネル上で重ね合わせられるものの、第２のレンズアレイの光源像の輝度が系統的に非対称になることにより、液晶パネルに導かれる光の強度も光軸の離間方向について対称でなくなる。
【０１１７】
液晶パネルに導かれる光の強度が不均一になると、表示される画像の明るさも不均一になる。ただし、この状況でも、明るさは画像の一端から他端に向かって徐々に変化するから、明るさの不均一さがむらとして明瞭に認識されることはない。しかし、第２の実施形態の投射表示装置２のように、光を３色光に分解してそのうちの１色の光をリレーレンズによって液晶パネルに導く構成では、その１色の光については強度分布が他の２色の逆になるため、色むらとして認識されることがある。Ｂ光をリレーレンズで導く投射表示装置２の例では、青の色成分が強い領域と弱い領域が生じることになる。
【０１１８】
以下、第１の光源と第２の光源の一方のみを点灯する場合でも、液晶パネルに均一な強度の光を導くことが可能な第３、第４の実施形態の投射型画像表示装置３、４について説明する。
【０１１９】
第３の実施形態の投射型画像表示装置３の光学系の構成を図９に示す。この投射表示装置３は、第１の実施形態の投射表示装置１の反射光学系１３に代えて、反射光学系６３を備えたものである。他の構成要素は投射表示装置１のものと同じである。
【０１２０】
反射光学系６３は断面が二等辺三角形の三角柱の２つの面６３ａ、６３ｂを反射面としたものであるが、反射光学系１３と異なり、反射面６３ａ、６３ｂのなす角度は９０゜よりもやや大きく設定されている。第１、第２の集光光学系１２ａ、１２ｂに対する反射光学系６３の位置関係は投射表示装置１と同じであり、反射光学系６３は、反射面６３ａによって第１の光源１１ａからの光をその集光位置で反射し、反射面６３ｂによって第２の光源１１ｂからの光をその集光位置で反射する。反射後の光源１１ａ、１１ｂからの光は発散光束となる。
【０１２１】
反射面６３ａ、６３ｂの角度は、反射後の第１の光源１１ａからの光の光軸と、第２の光源１１ｂからの光の光軸が、それぞれインテグレータ光学系１５の第１のレンズアレイ２１の中心を通るように設定されている。すなわち、本実施形態の投射表示装置３では、反射光学系６３によって反射された光源１１ａ、１１ｂからの光の光軸を、平行に近いながらも平行とはせず、第１のレンズアレイ２１上で交差させる。
【０１２２】
第１のレンズアレイ２１の各レンズセル２１ｃから第２のレンズアレイ２２に導かれる第１の光源１１ａからの光と第２の光源１ｂからの光は、互いの光軸に角度差があることにより、第２のレンズアレイ２２の各レンズセル２２ｃ上で分離する。したがって、投射表示装置１と同様に、レンズセル２２ｃ上には光源１１ａ、１１ｂの２つの像が形成される。
【０１２３】
第１の光源１１ａからの光の第１のレンズアレイ２１上での強度分布は、光軸がレンズアレイ２１の中心を通るように設定されているため、レンズアレイ２１の中心に関して対称になる。第２の光源１１ｂからの光のレンズアレイ２１上での強度分布も、光軸がレンズアレイ２１の中心を通るように設定されているため、レンズアレイ２１の中心に関して対称になる。
【０１２４】
したがって、光源１１ａ、１１ｂの双方を点灯するときのみならず、一方のみを点灯するときでも、第２のレンズアレイ２２上に形成される光源像の輝度がレンズセル２２ｃ間で対称になり、インテグレータ光学系１５は強度の均一な光を液晶パネル１９に与えることできる。つまり、投射表示装置３によって表示される画像の明るさは常に均一である。
【０１２５】
集光光学系１２ａ、１２ｂの長軸と反射面６３ａ、６３ｂの２つの交点の距離の半分、すなわち第１の光源１１ａからの光の第１の集光位置と第２の光源１１ｂからの光の第２の集光位置の距離の半分をｄで表すとき、この距離ｄ、第１のレンズアレイ２１のレンズセル２１ｃの長辺の長さＣW、コリメータレンズ１４の焦点距離ｆc、第１のレンズアレイ２１と第２のレンズアレイ２２間の光路長Ｌ1の関係は、式（６）を満たすように設定されている。また、他の諸パラメータも式（５）、（７）を満たすように設定されている。したがって、投射表示装置３は、光源１１ａ、１１ｂからの光を画像投射に効率よく利用することができる。
【０１２６】
なお、ここでは、反射面６３ａ、６３ｂが鈍角の反射光学系６３を用いたが、反射面が垂直な反射光学系１３を使用し、その反射面１３ａ、１３ｂに対する集光光学系１２ａ、１２ｂの角度を変えることで、光源１１ａ、１１ｂからの光の光軸をレンズアレイ２１上で交差させるようにしてもよい。
【０１２７】
第４の実施形態の投射型画像表示装置４の光学系の構成を図１０に示す。この投射表示装置４は、上記第３の実施形態の投射表示装置３の光源１１ａ、１１ｂからインテグレータ光学系１５までの構成と、第２の実施形態の投射表示装置２のダイクロイックミラー５１Ｒから投射レンズ４０までの構成を組み合わせたものである。また、インテグレータ光学系１５とダイクロイックミラー５１Ｒの間に全反射ミラー５２ｄを配置して、装置構成をコンパクトにしている。
【０１２８】
上述のように、光源１１ａ、１１ｂの一方のみを点灯するときでも、インテグレータ光学系１５は強度が均一な光を液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂに与えることができる。したがって、色分解後のＲ光、Ｇ光、Ｂ光はどれも強度分布が対称であり、Ｂ光が途中でリレーレンズ５３ｂによって反転させられても、その強度分布は変化しない。このため、リレーレンズ５３ａ、５３ｂを介して液晶パネル３９Ｂに導かれるＢ光と、リレーレンズを介することなく液晶パネル３９Ｒ、３９Ｇに導かれるＲ光、Ｇ光に強度差は発生せず、常に色むらのない画像を表示することができる。
【０１２９】
なお、投射表示装置４も、諸パラメータが式（５）、（６）、（７）の関係を満たすように設定されており、光源１１ａ、１１ｂからの光が画像投射に効率よく利用される。
【０１３０】
上記の各実施形態においては、第１、第２の光源からの光を重ね合わせてコリメータレンズに導くための反射光学系として反射面を２つ有するものを使用し、第１、第２の光源からの光を共に反射するようにしたが、一方の光源からの光だけを反射する反射光学系を使用することも可能である。
【０１３１】
このような反射光学系を備えた第５の実施形態の投射型画像表示装置５の、光源からインテグレータ光学系の第１のレンズアレイまでの光学系の構成を図１１に示す。この投射表示装置５は、第３の実施形態の投射表示装置３に、反射面７３ａのみを有する平面ミラーを反射光学系７３として備えたものである。反射面７３ａは反射光学系１３の反射面１３ａと等価なものであり、反射面７３ａと第１の集光光学系１２ａの位置関係は投射表示装置３と同じである。第２の集光光学系１２ｂの集光位置は第１の集光光学系１２ａの集光位置に近接するが、第２の集光光学系１２ｂの長軸は、直接第１のレンズアレイ２１の中心を通るように配置されており、また、反射面７３ａとは交わらない。
【０１３２】
第１の光源１１ａからの光は反射面７３ａによって反射され、第２の光源１１ｂからの光は反射面７３ａの傍らを直進する。反射面７３ａ上および反射面７３ａに近接した集光位置をそれぞれ通過した第１、第２の光源１１ａ、１１ｂからの光は発散光束となり、重なり合ってコリメータレンズ１４に入射して、平行光束とされる。
【０１３３】
【発明の効果】
本発明の投射型画像表示装置によると、２つの光源を備えたことおよび偏光変換光学系を備えて一方向の直線偏光に変換するようにしたことで、画像投射に用いる光の量が増大して明るい画像を表示することが可能である上、インテグレータ光学系を備えて光の強度分布を均一にしたことで明るさにむらのない画像を表示することができる。しかも、インテグレータ光学系による光源からの光の分離と偏光変換光学系による偏光の分離の方向は垂直であるから、偏光分離を確実に行うことができて、明るさの均一化を図ることによって明るさの向上が図り難くなるというおそれがない。さらに、液晶パネルに導かれる光の大部分は一方向の直線偏光であり、振動方向の異なる偏光成分は僅かであるから、液晶パネルの入射側に配置する偏光板の負担が軽減し、高性能の偏光板を備える必要がなくなる。
【０１３４】
２つの光源からの光の光軸を第１のレンズアレイ上で交差せる構成では、光源の一方を点灯しないときでも、あるいは２つの光源の発光量が異なるときでも、均一な明るさの画像を表示することができる。また、インテグレータ光学系からの光を色分解し、分解後のいずれかの色光をリレーレンズを介して液晶パネルに導くときでも、表示する画像に色むらが生じない。
【０１３５】
インテグレータ光学系を構成する第１のレンズアレイのレンズセルを矩形としてその長辺方向に第１および第２の光源からの光を分離するように配列して、式（５）、（６）および（７）の関係を満たすようにした構成では、各光源からの光の大部分を液晶パネルに与えることができ、かつ液晶パネルに与える光の多くを一方向の直線偏光とすることができる。したがって、画像投射への光の利用効率が高くなり、明るさが均一で、１つの光源からの光をそのまま画像投射に用いる場合に比べて確実に明るい画像を表示することができる。各式の範囲内において条件を最適化することも可能であり、その場合は、２つの光源からの光を全て画像投射に利用することができ、表示される画像の明るさは最高になる。
【０１３６】
第１および第２の光源からの光を短辺方向に分離するように第１のレンズアレイのレンズセルを配列して、式（５）、（１０）および（１１）を満たすようにした構成でも同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態の投射型画像表示装置の光学系の全体構成を示す図。
【図２】 第１の実施形態の投射型画像表示装置の第２のレンズアレイに形成される光源像の例を示す図。
【図３】 第１の実施形態の投射型画像表示装置の偏光変換光学系とインテグレータ光学系を集光光学系の長軸方向から見た図。
【図４】 第１の実施形態の投射型画像表示装置の第２のレンズアレイの１つのレンズセル上の光源像の例を示す図。
【図５】 第２の実施形態の投射型画像表示装置の光学系の全体構成を示す図。
【図６】 第２の実施形態の投射型画像表示装置の反射光学系の斜視図。
【図７】 第２の実施形態の投射型画像表示装置の第２のレンズアレイに形成される光源像の例を示す図。
【図８】 第２の実施形態の投射型画像表示装置の第２のレンズアレイの１つのレンズセル上の光源像の例を示す図。
【図９】 第３の実施形態の投射型画像表示装置の光学系の全体構成を示す図。
【図１０】 第４の実施形態の投射型画像表示装置の光学系の全体構成を示す図。
【図１１】 第５の実施形態の投射型画像表示装置の光学系の一部の構成を示す図。
【図１２】 楕円面リフレクタの光の利用効率を示す図。
【図１３】 従来の投射型画像表示装置の液晶パネルに供給される光の強度分布および液晶パネルが利用する光束の範囲を示す図。
【符号の説明】
１ 投射型画像表示装置
１１ａ、１１ｂ 光源
１２ａ、１２ｂ 集光光学系
１３ 反射光学系
１４ コリメータレンズ
１５ インテグレータ光学系
１６ 偏光変換光学系
１７ フィールドレンズ
１８ 偏光板
１９ 液晶パネル
２０ 投射レンズ
２１ レンズアレイ
２１ｃ レンズセル
２２ レンズアレイ
２２ｃ レンズセル
２３ 重畳レンズ
２４ ＰＢＳアレイ板
２４ａ、２４ｂ Ｓ偏光反射膜
２５ １／２波長板
２ 投射型画像表示装置
３１ａ、３１ｂ 光源
３２ａ、３２ｂ 集光光学系
３３ 反射光学系
３４ コリメータレンズ
３５ インテグレータ光学系
３６ 偏光変換光学系
３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂ フィールドレンズ
３８Ｒ、３８Ｇ、３８Ｂ 偏光板
３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂ 液晶パネル
４０ 投射レンズ
４１ レンズアレイ
４１ｃ レンズセル
４２ レンズアレイ
４２ｃ レンズセル
４３ 重畳レンズ
４４ 直角プリズム
４５ １／２波長板
４６ 平行平板
４６ａ Ｓ偏光反射膜
４６ｂ 全反射面
５１Ｒ、５１Ｂ ダイクロイックミラー
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ 全反射ミラー
５３ａ、５３ｂ リレーレンズ
５４ クロスダイクロイックプリズム
３ 投射型画像表示装置
６３ 反射光学系
４ 投射型画像表示装置
５２ｄ 全反射ミラー
５ 投射型画像表示装置
７３ 反射光学系

Claims (1)

1. 液晶パネルによって光を変調し、変調後の光を投射レンズによって投射して画像を表示する投射型画像表示装置において、
   第１の光源と、
   第２の光源と、
   前記第１の光源からの光を第１の集光位置に集束させる第１の集光光学系と、
   前記第２の光源からの光を前記第１の集光位置に近接した第２の集光位置に集束させる第２の集光光学系と、
   前記第１の光源からの光を前記第１の集光位置で反射する反射面または前記第２の光源からの光を前記第２の集光位置で反射する反射面の少なくとも一方を有し、前記第１の光源からの光と前記第２の光源からの光を、互いの光軸が平行に近い光として前記第１の集光位置と前記第２の集光位置を結ぶ方向に対して略垂直な方向に進ませる反射光学系と、
   前記第１の集光位置を通過して発散光束となった前記第１の光源からの光と前記第２の集光位置を通過して発散光束となった前記第２の光源からの光を平行光束とするコリメータレンズと、
   ２次元のアレイ状に配列されたレンズセルより成る第１のレンズアレイと、該第１のレンズアレイのレンズセルに対応して２次元のアレイ状に配列されたレンズセルより成る第２のレンズアレイを有し、前記コリメータレンズからの平行光束に含まれる前記第１の光源からの光と前記第２の光源からの光を、前記第１のレンズアレイの各レンズセルによって前記第２のレンズアレイの対応するレンズセル上に結像させて分離し、前記第２のレンズアレイの各レンズセルから前記液晶パネルの全面に与えるインテグレータ光学系と、
   前記第１のレンズアレイの各レンズセルを透過した光を、振動方向の異なる２つの直線偏光として前記第１のレンズアレイによる分離の方向に対して垂直な方向に分離し、分離した２つの直線偏光の一方の振動方向を変換して他方の振動方向に一致させる偏光変換光学系と
   を備え、前記第１の集光位置を通過した前記第１の光源からの光の光軸と、前記第２の集光位置を通過した前記第２の光源からの光の光軸は、前記第１のレンズアレイ上で交差することを特徴とする投射型画像表示装置。

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