JP4094805B2 - Image display device and projection-type image display device - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤、青、緑よりなる三原色の照明光を高速に切り替えて供給する照明光学系と、これに同期させて三原色の各色原画像を順次表示する空間光変調素子とを組み合わせてなる画像表示装置、及びこの画像表示装置から出射する光を投写レンズに導き、空間光変調素子の表示画像を拡大投影する投写型画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＶ機器やプレゼンテーション用あるいはワークステーション用の画像表示装置や大画面プロジェクタ（投写型画像表示装置）に用いられる空間光変調素子（ＳＬＭ）には、受光型表示素子である液晶パネルや反射型表示素子であるＤＭＤ素子（デジタルマイクロミラー素子）がよく用いられる。
【０００３】
ところで画像表示装置などに用いられる液晶パネルは、それ自体は白黒画像を表示するのであるが、外部から供給される映像信号に応じたカラー画像を構成する為に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色原画像を高速に時系列的に切替えて表示するように構成されている。その為に、応答速度の速い液晶材料、例えば強誘電性液晶が用いられる。この強誘電性液晶は、一般には白黒の２値表示用途として知られるが、白表示のＯｎ期間を制御することで、いわゆるパルス幅（時間軸）変調を用いた階調表示を行えるのでＲ、Ｇ、Ｂの三原色の各色原画像を形成することが可能となり、ひいてはフルカラーの表示を実現できるように構成されている。また画像表示装置などに用いられるＤＭＤ素子は微小なミラー構造を２次元状に配列し、入射する光の反射される方向をＯｎ／Ｏｆｆ制御し、空間的に光を変調して光学像を形成するように構成されている。
【０００４】
これら液晶パネルやＤＭＤ素子を用いた画像表示装置や投写型画像表示装置においてカラー画像を構成する方法としては、赤、青、緑よりなる三原色の各色原画像に対応させて３枚の表示素子を用いる方式や、１枚の表示素子上にモザイク状のカラーフィルタを形成してＲＧＢのトリオ画素を用いる方式、また上述したように白黒表示の空間光変調素子を１枚用いてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色原画像を時系列表示し、各色原画像に同期させて照明光の色を切り替える方式である、一般に色順次表示方式と呼ばれる方法がある。
【０００５】
以下、この色順次表示方式による空間光変調素子を用いた画像表示装置について説明する。
図１５は色順次表示方式による空間光変調素子を採用した従来の画像表示装置の概略図である。ランプ（ここでは図示せず。）は発光体１０１を形成し、発光体１０１は白色光を放射する光源となる。凹面鏡１０２は発光体１０１の放射する白色光を集光し、回転型色フィルタ１０３上に照明スポット１０４を形成する。このため、凹面鏡１０２の反射面を楕円面形状とし、第１焦点に発光体１０１を配置して、第２焦点に相当する集光位置に、回転型色フィルタ１０３が配置されている。尚、ここでは特に図示はしないが、放物面鏡を用いて平行に進行する光束を形成し、集光レンズを追加して光束を焦平面に収斂させて、照明スポット１０４を形成してもよい。そして照明スポット１０４から出射する色順次照明光は、集光レンズ１０８により平行光となり、透過型の液晶パネル１０９を照明し、その結果、観察者には、カラーの表示画像が呈示される。
【０００６】
このように、白色光を放射する光源を利用する画像表示装置では、白色光を高速のＲＧＢ色順次照明光に切り替える為に、上述のような回転型色フィルタが利用される。この回転型色フィルタとは、モータで駆動されて高速に回転する円周上に、赤透過、緑透過、青透過の色フィルタセグメントを適当に配列したもので、回転するこれらの色フィルタを照明光が通過する結果、高速にＲ→Ｇ→Ｂと切り替わる色順次照明光を形成するものである。
【０００７】
この回転型色フィルタを図面を参照しつつさらに説明する。図１６は回転型色フィルタ１０３の構成の一例と、その上に形成された照明スポット１０４を示す。回転型色フィルタ１０３は、Ｒ、Ｇ、Ｂの三原色の色フィルタを正円状に組み合わせたもので、具体的には、モータ１０５に直結された回転支持体（ハブ）１０６に、赤色透過フィルタ１０７Ｒ、緑色透過フィルタ１０７Ｇ、青色透過フィルタ１０７Ｂ、が固着されている。そして外部からの制御信号に応じて、ハブ１０６に結合された赤色透過フィルタ１０７Ｒ、緑色透過フィルタ１０７Ｇ、青色透過フィルタ１０７Ｂ、を高速に回転させる。そしてこれらの色フィルタが接合された円周上に照明スポット１７が形成され、色フィルタ２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂが、液晶パネル２２の表示する各色原画像に合わせて、高速に回転し、表示画像に同期させて、適切な色の照明光を形成する。このようにして、各色フィルタは照明スポット１０４を通過する白色光について特定の波長帯域の光を取り除き、結果として高速に切り替わる色順次照明光を形成する。またこの色フィルタとして、多層膜を蒸着工法やスパッタ工法でガラス基板上に形成したダイクロイックフィルタが用いられることが多いが、このダイクロイックフィルタは、多層膜に入射する光線の入射角に依存して、透過させる光の波長帯域特性（カットオフ波長）が変化する、という特徴を有している。
【０００８】
ところで回転型色フィルタ１０３において、異なる色のフィルタが隣接するフィルタ接合部を照明スポット１０４が通過する場合、何も処理をしなければ、一定の期間、所望の原色光ではなく２色が混じった照明光が形成されてしまい、正しい色の画像が呈示されなくなる。このことを防ぐ為に、色が切り替わる間の時間は空間光変調素子（液晶パネル）を黒表示とし、その間は色原画像を表示しないように休止期間を設ける必要がある。この休止期間に色フィルタに入射する照明光は有効に利用されず、呈示画像の明るさに寄与しない。また空間光変調素子では一般に、色の切り替わりに必要な期間は、色原画像の更新に必要なデータ転送期間よりもかなり長い。
【０００９】
このように、空間光変調素子における、色の切り替わり期間を除いた有効な画像の表示期間の、全周期期間に対する割合を空間光変調素子の時間開口率と呼び、空間光変調素子の光利用効率を示す目安の１つとなっている。通常この時間開口率は８０〜９０％程度である。この時間開口率が向上するほど、明るい画像を得られる画像表示装置とすることが出来る。
【００１０】
この空間光変調素子の時間開口率について、上記回転型色フィルタと液晶パネルを組み合わせた場合について、さらに説明する。
液晶パネル２２は、一般にＮＴＳＣ方式などのＴＶ画像を表示する目的に用いられるので、例えばＮＴＳＣ方式などのＴＶ画像用に液晶パネル２２を用いるのであれば、１秒間に６０フレームのカラー画像を形成すればよい。従って、１／６０秒をＲＧＢの三原色で三分割し、即ち１／１８０秒毎に、Ｒ→Ｇ→Ｂ→Ｒのように順次三原色の各色原画像を表示するように液晶パネル２２を構成する。ここで図３は液晶パネル２２に表示される画像の手順を示し、ｎ番目のフレームの画像について赤の原画像をＲ（ｎ）、緑の原画像をＧ（ｎ）、青の原画像をＢ（ｎ）、と表している。
【００１１】
回転型色フィルタ１６において、隣り合う色フィルタの接合部が照明スポット１７を通過する時に生じる色順次照明光は２色が混じった状態となるので、画像の表示には使用できない。このため、図３に示した場合では、１つの色原画像に与えられた実効的な表示期間τｏｎは、その全周期期間τａから混色を避けるために設けられた休止期間を引いたものになっている。故に液晶パネルの時間開口率は、τｏｎ÷τａで表される。
【００１２】
ここで、画像表示装置の画像をより明るくする為に、光源に用いるランプの電力を増加させることが考えられるが、電力を増加させることは消費電力の増加を意味し、ひいては画像表示装置内の発熱量が増加するので、この方法は好ましくない。むしろ時間開口率を向上させることの方が効果的である。
【００１３】
ところで、この空間光変調素子の時間開口率は、回転型色フィルタ１０３上に形成される照明スポット１０４の大きさと、フィルタ接合部が照明スポット１０４を通過する円周方向の速度に依存するので、照明スポットの大きさが同じ場合、より大きな半径の回転型色フィルタを用いれば、大きな半径の回転型色フィルタの方が相対的に外周上でフィルタ接合部が照明スポットを通過する速度が速くなり、その結果空間光変調素子の時間開口率を高く出来る。また回転型色フィルタの大きさが同じ場合、照明スポットの大きさが小さい方が相対的に空間光変調素子の時間開口率を高くすることができる。
【００１４】
このうち、回転型色フィルタを大型化する方法であれば空間光変調素子の時間開口率を高くできるものの、回転型色フィルタが大型となることで、装置全体の小型化が難しくなる。さらに色フィルタが高価となり、必要なモータの駆動トルクも大きくする必要があり、即ちモータが大型化し高価となる、等の新たな課題を生じるので、この方法は好ましくない。
【００１５】
よって、照明スポットを小さくすることが空間光変調素子の時間開口率を高くするのに好ましい方法と言える。そして照明スポットの大きさは、画像表示装置の光源に用いる発光体の大きさと、照明スポットを形成する集光光学系の照射角によって決まる。
【００１６】
まず発光体の大きさについて検討すると、発光体を小さくするほど照明スポットが小さくなることは自明である。
【００１７】
次に、集光光学系の照射角について検討すると、照射角を大きくすれば、所謂、ラグランジェ−ヘルムホルツの不変量に従って、形成される像の大きさ、すなわち照明スポットの大きさを小さくできる。この場合、色フィルタに入射する光の集中角が大きくなり、より角度変化範囲の拡がった光線群に対して、色フィルタが作用する。しかし、照射角の大きい光線群に対して、従来画像表示装置の回転型色フィルタに用いられる、上述したようなダイクロイックフィルタを作用させた場合、入射角の大きい光線群については所望のカットオフ波長が得られず、本来必要でない色純度の低い光線を通過させてしまったり、逆に本来必要な色純度の高い光線の通過を阻止してしまう、という問題がある。即ち、フィルタ通過後の色光について、所望の色純度の原色光を得られない、或いは、所望の色純度を得るにはフィルタのカットオフ波長を高色純度側にシフトさせる必要が生じ、このためにフィルタの光利用効率が低くなる、ひいては画像表示装置全体の効率が低下し、呈示される画像が暗くなる、といった問題を生じるので、画像表示装置全体の効率を上げる為には、照明スポットへの光の照射角を小さくする方が好ましいと言える。
【００１８】
このように、より小型で、明るく、色再現性の良好な画像表示装置を実現する為には空間光変調素子の時間開口率を向上させることが効果的であり、空間光変調素子の時間開口率を向上させる為には、発光体を小型化し、また出来るだけ小さい回転型色フィルタを用いると共に、照明スポットをできるだけ小さくし、さらに照明スポットへの光の照射角を小さくすればよい。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来用いられている、楕円面鏡や放物面鏡と集光レンズの組み合わせで照明スポットを形成する方式の場合、発光体を小型化すること、また出来るだけ小さい回転型色フィルタを用いると共に、照明スポットをできるだけ小さくし、また照明スポットへの光の照射角を小さくすること、を実現することは困難である。
【００２０】
まず、照明スポットへの光の照射角について図１７を参照しつつさらに検討すると、楕円面鏡１２１は、発光体１２２の放射する光を捕捉し、第２焦点近傍に照明スポット１２３を形成するが、ここで高い集光効率を得るには楕円面鏡の集光範囲αを大きくする必要がある。しかし集光範囲αを大きくすると照明光の照射角θが大きくなってしまう。また照明スポットを小さくするには、第２焦点までの距離ｘを小さくすればよいが、距離ｘを小さくするのに伴って照明光の照射角θが大きくなってしまう。一方、照明光の照射角θを小さくするには、集光範囲αを小さくするか、第２焦点までの距離ｘを大きくする必要があるが、集光範囲αを小さくすると必要な明るさをえられなくなり、また距離ｘを大きくすれば、照明スポットの大きさｙが大きくなってしまう。
【００２１】
また発光体の大きさについて検討すると、照明スポットを小さくするために発光体自体を小型化しようとしても、従来の画像表示装置の発光体に用いられるメタルハライドランプや高圧水銀灯は、発光体自体の小型化が難しい、と言う問題がある。またアーク放電を利用するランプを用いる場合では、照明スポットを小さくするためにアーク放電を形成する電極間隔を短くすることが考えられるが、これだと良好な発光特性を得られないし、ランプ寿命が極端に短くなる、アーク放電が安定しない、ランプ電流が大きくなり電源が大型化する、といった新たな問題が生じてしまう。さらに点灯時間に応じて寿命期間中に発光体の大きさが変わってしまう、という問題も生じる。これは、アーク放電を利用するランプの場合、点灯時間に応じて電極が消耗し、点灯を繰り返すと、やがて電極間のギャップが拡がってしまい、ひいては何回も点灯を繰り返すと、やがて放電アークもだんだん大きくなってしまい、ひいては照明スポットもだんだん大きくなってしまう、という問題も生じる。
【００２２】
このように、回転型色フィルタ上に形成される照明スポットの大きさは、光学系が一定であれば、発光体の大きさに応じて決まるが、ランプの寿命期間に依って、電極間のギャップが徐々に大きくなり、つまり放電アークも徐々に大きくなってしまい、つまり発光体も徐々に大きくなってしまい、その結果点灯を繰り返すに従って徐々に照明スポットが大きくなる、という問題が生じる。
【００２３】
さらに、ランプを大量生産する場合、全てのランプの電極間のギャップを精度良く一定に管理することが比較的難しく、電極間のギャップ距離にばらつきが生じてしうまうので、製品間の誤差が大きくなってしまう、という問題も生じる。つまり、上述のばらつきをランプ個々に測定し、個々のランプに対応して製品毎に空間光変調素子の時間開口率を設定することは極めて煩雑で難しい。従って、ばらつきの中で可能性のある最も大きな発光体の大きさに合わせて空間光変調素子の時間開口率を決める必要があるが、これは非現実的である。
【００２４】
さらに画像表示装置のセット寿命期間の間に不必要な混色を発生させないためには、予めランプ寿命経過後の発光体により生じる照明スポットがどれだけ大きくなるか、その最大の大きさを想定し、想定された照明スポットの大きさにに合わせて、空間光変調素子の時間開口率を定める必要があるが、このように空間光変調素子の時間開口率を定めてしまうと、画像表示装置を使用開始した直後の、即ち初期のランプを用いる場合、最低限必要な空間光変調素子の時間開口率をも得られなくなるので、使用開始直後は必要な明るさを得ることができない画像表示装置となってしまい、やはり問題である。
【００２５】
そこで本発明はこのような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、装置を大型化すること無く、また発光体の大きさや状態に関係なく空間光変調素子の時間開口率を高く設定することを可能とすることにより、色純度と効率の高い色順次表示をすることを可能とした画像表示装置、及びこの画像表示装置を用いた投写型画像表示装置を提供することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本発明の請求項１に記載の画像表示装置では、白色光を放射する光源と、前記光源の放射光を集めて略単一の光束を形成する集光手段と、前記集光手段によって形成された光束を用いて矩形の照明スポットを形成する第１照明系と、前記照明スポット近傍に配置されて前記白色光を赤、青、緑の各色光に順次切り替える円形状の回転型色フィルタと、赤、青、緑の各色原画像を時系列的に切替えて表示することに用いる空間光変調素子と、前記回転型色フィルタを通過した光を集光して前記空間光変調素子を照明する照明光を形成する第２照明系と、を備えた画像表示装置であって、前記第１照明系は、前記回転型色フィルタを通過する光線群の主光線を略光軸に平行に進行させる補助レンズを備え、前記空間光変調素子の表示領域のアスペクト比に略等しいアスペクト比を有する前記照明スポットを形成し、前記第２照明系は、前記回転型色フィルタを通過した光線群を収束させる入力部収束レンズを備え、前記回転型色フィルタによって形成される赤、青、緑の各色光の出力と前記空間光変調素子の表示とを同期させて、前記照明スポットと前記空間光変調素子とを略共役の関係とさせ、前記照明スポットの短辺方向と、前記回転型色フィルタの円周方向（接線方向）とを略一致させ、前記補助レンズと前記入力部収束レンズとを前記回転型色フィルタの前後に配置させるとともに、前記第１照明系は、前記照明スポットを形成する射出瞳の近傍に前記光源の実像を形成すると共に、前記射出瞳の近傍に開口絞りを備えた、ことを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項２に記載の画像表示装置では、請求項１に記載の画像表示装置において、前記第１照明系は、前記照明スポットを光学インテグレータ素子で形成する、ことを特徴とする。
【００２８】
本発明の請求項３に記載の画像表示装置では、請求項２に記載の画像表示装置において、前記第１照明系は、前記光学インテグレータ素子が、複数のレンズを二次元状に配列してなる、第１レンズアレイと第２レンズアレイとで構成され、前記第１レンズアレイは、前記集光手段から出射する光束を複数の部分光束に分割すると共に、前記部分光束を前記第１レンズアレイに対応する前記第２レンズアレイの開口近傍に収斂させ、前記第２レンズアレイは、対応する前記第１レンズアレイから出射する前記複数の部分光束を回転型色フィルタの近傍に導くと共にこれらを重畳させて照明スポットを形成する、ことを特徴とする。
【００３０】
本発明の請求項４に記載の画像表示装置では、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載した画像表示装置において、前記第２照明系は、前記回転型色フィルタ近傍に配置される入力部収束レンズと、前記空間光変調素子近傍に配置される出力部収束レンズと、前記入力部収束レンズと前記出力部収束レンズの間の光路に配置される中央部収束レンズと、を備え、前記入力部収束レンズは前記入力部収束レンズに入射する光を前記中央部収束レンズの開口中心近傍に収斂させ、前記中央部収束レンズは前記入力部収束レンズの主平面近傍の物体の実像を前記出力部収束レンズの主平面近傍に形成し、前記出力部収束レンズは前記中央部収束レンズから出射する光を前記空間光変調素子に有効に導く、ことを特徴とする。
【００３１】
本発明の請求項５に記載の投写型画像表示装置では、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の画像表示装置を用いた投写型画像表示装置であって、前記空間光変調素子上に表示される光学像を投影する投写レンズを備えた、ことを特徴とする。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。尚、ここで示す実施の形態はあくまでも一例であって、必すしもこの実施の形態に限定されるものではない。
【００３７】
（実施の形態１）
まず、本発明の請求項１及び請求項４に対応する画像表示装置を第１の実施の形態として、図面を参照しつつ説明する。
図１は本実施の形態１に係る画像表示装置Ａの概略構成図である。この画像表示装置Ａは、発光体１０と、放物面鏡１１と、アナモフィックレンズ１３、１４と、補助レンズ１５と、円形状の回転型色フィルタ１６と、リレーレンズ系２１と、液晶パネル２２と、を備えている。
【００３８】
発光体１０は、ここでは図示しないランプによって形成される白色光を放射する光源であり、放物面鏡１１は発光体１０の放射する白色光を集光して、光軸１２に沿っておよそ平行に進行する光束を形成する。
【００３９】
２つのアナモフィックレンズ１３、１４は、これらに入射する白色光を集光して、回転型色フィルタ１６の上に矩形の照明スポット１７を形成する。また２つのアナモフィックレンズ１３、１４は、異なる曲率半径を有し、適当なアスペクト比の矩形の照明スポットを形成する。尚、２つのアナモフィックレンズ１３、１４の曲率方向は直交している。
【００４０】
補助レンズ１５は、回転型色フィルタ１６に入射する光線が、光軸１２と平行に近くなるようにするために用いる。尚、これらアナモフィックレンズ１３、１４、補助レンズ１５によって第１照明系が構成され、この第１照明系によって矩形の照明スポット１７が回転型色フィルタ１６上に形成される。照明スポット１７については後述する。
【００４１】
回転型色フィルタ１６は、従来の技術の説明において図１６を参照しつつ説明した回転型色フィルタ１０６と同様のものであって、図２に示すように、モータ２３に直結された回転支持体（ハブ）２８に、赤の透過型ダイクロイックフィルタ２９Ｒ、緑の透過型ダイクロイックフィルタ２９Ｇ、青の透過型ダイクロイックフィルタ２９Ｂ、が固着されている。これら各フィルタ２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂは、やはり従来の技術で説明したように、透明のガラス基材上にダイクロイック多層膜を蒸着やスパッタ工法で形成したものを用いているが、必ずしもこのようにして製作されたフィルタに限定されるものではない。
【００４２】
第２照明系であるリレーレンズ系２１は、入力部収束レンズ１８、中央部収束レンズ１９、出力部収束レンズ２０、から構成される。入力部収束レンズ１８は、回転型色フィルタ１６上の照明スポット１７から出射した光を収斂させて、中央部収束レンズ１９の開口上に照明スポット１７に対する射出瞳の実像を形成する。尚、この射出瞳は、具体的にはアナモフィックレンズ１３、１４近傍に位置している。中央部収束レンズ１９は、入力部収束レンズ１８の主平面近傍の実像を出力部収束レンズ２０の開口近傍に形成し、入力部収束レンズ１８から出射して中央部収束レンズ１９に到達する光を出力部収束レンズ２０に導く。出力部収束レンズ２０は、中央部収束レンズ１９から出射する光を光軸１２に略平行に進行する光束とし、この光束が液晶パネル２２を照明する。そして液晶パネル２２は、従来の技術で説明した公知の液晶パネルが用いられる。
【００４３】
これらの部材により構成される画像表示装置Ａでは、発光体１０の放射する光は放物面鏡１１により集光され、アナモフィックレンズ１３、１４と、補助レンズ１５とを経て、回転型色フィルタ１６上の照明スポット１７に到達し、入力部収束レンズ１８と中央部収束レンズ１９と出力部収束レンズ２０と、よりなるリレーレンズ系２１を経由して、最終的に液晶パネル２２に到達する。そしてリレーレンズ系２１は、回転型色フィルタ１６によって形成される赤、青、緑の各色光と液晶パネル２２の表示とを同期させることによって、照明スポット１７と液晶パネル２２とを略共役の関係とする。このようにして、発光体１０の放射する光の大部分が液晶パネル２２を有効に照明する。
【００４４】
ここで、照明スポット１７と液晶パネル２２との関係を見ると、回転型色フィルタ１６上に照明スポット１７が形成され、色フィルタ２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂが、液晶パネル２２の表示する各色原画像に合わせて高速に回転し、表示画像に同期させて適切な色の照明光を形成し、この照明光が上述の通り液晶パネル２２を照明しているのであるが、本実施の形態における画像表示装置Ａでは、より明るい画像を得るために、即ち液晶パネル２２の時間開口率を出来るだけ高い効率とするために、下記の工夫をしている。
【００４５】
画像表示装置ＡをデジタルＴＶ用途のワイド画面に対応させたものとした場合、デジタルＴＶ用ワイド画面では正方形の画素を水平方向に８５４個、垂直方向に４８０個配列してあるので、液晶パネル２２の表示領域のアスペクト比（水平方向の長さと垂直方向の長さの比）は、１６：９とすればよい。そして画像表示装置Ａは、リレーレンズ系２１の作用により、照明スポット１７と液晶パネル２２の表示領域とをおよそ共役の関係としているので、照明スポット１７は、液晶パネル２２の表示領域の形状に合わせて１６：９アスペクト比の矩形形状にする。そして、画像表示装置Ａでは曲率方向の直交する２つのアナモフィックレンズ１３、１４を用いて、これらのレンズに入射する光を適切に収束させることで、照明スポット１７を１６：９のアスペクト比を有する矩形形状にしている。そして回転型色フィルタ１６は、図２に示すように、その回転する円周方向（接線方向）と、形成される矩形の照明スポット１７の短辺（ｘ）方向とが同じ方向になるように配置する。このようにすれば、円形の照明スポットを形成する場合、矩形の照明スポットを形成してその短辺方向と円周方向を一致させる場合、色フィルタの接合部に照明スポットが当たる時間を短く出来るので、液晶パネル２２の時間開口率を高くする。つまり、矩形の照明スポット１７の短辺（ｘ）が短かければ、表示素子における色の切り替え時の休止期間を相対的に短くできるので、液晶パネル２２の時間開口率を高くできる、ということである。
【００４６】
ちなみに、同じ面積を有する正円と長方形とを比較すると、正円の直径がＤであるならば、長方形の短辺の長さｘは、その長辺の長さをｙとして、
ｘ＝（π／４）・（Ｄ／ｙ）・Ｄ
で表されるが、π／４、Ｄ／ｙは、いずれも１より小さいことは自明である。
【００４７】
従って、短辺の長さｘは、直径Ｄよりも小さく、照明スポットの面積が同じであるならば、矩形のスポットを形成した方が、円形のスポットとした場合よりも照明スポットが色フィルタの接合部を通過する時間を短くすることが出来るので、液晶パネル２２の時間開口率を高くすることが出来る。
【００４８】
尚、上述したアスペクト比と異なるアスペクト比を有する場合、例えば現在流通している普通のブラウン管ＴＶの表示サイズである４：３のアスペクト比を有する表示素子等の場合であっても、上述同様の作用及び効果が得られる。
このように本実施の形態に係る画像表示装置Ａは、液晶パネル２２の時間開口率を高くすることにより、高い色純度を実現できる画面表示装置としている。
【００４９】
（実施の形態２）
次に、本発明の請求項２及び請求項３に対応する画像表示装置Ｂを第２の実施の形態として図面を参照しつつ説明する。
図４は画像表示装置Ｂの概略構成図であるが、図１に示した画像表示装置Ａと同一の部材については同一の番号を附し、その説明については省略する。
【００５０】
この画像表示装置Ｂにおいて、照明スポット１７は液晶パネル２２の表示領域と相似のおよそ１６：９アスペクト比の矩形開口を有しているものとするが、これに限定されるものではない。そしてこれを通過する光束は、前述の画像表示装置Ａと同様に、リレーレンズ系２１により液晶パネル２２まで導かれて液晶パネル２２の表示領域を照明する。そして照明スポット１７と液晶パネル２２は共役の関係となっている。尚、色順次表示される液晶パネル２２と回転型色フィルタ１６の関係は画像表示装置Ａにおいて説明したものと同様であり、１６：９アスペクト比の矩形の照明スポット１７は、同様に短辺を回転型色フィルタの回転する円周方向と合致させることによって液晶パネル２２の時間開口率を改善している。
【００５１】
そして本実施の形態２における画像表示装置Ｂでは、より明るく色純度の優れた画像を得るために、略均一な明るさ分布を有する照明スポットを得られるように、第１照明系に光学インテグレータ素子を導入している。以下、光学インテグレータ素子について説明する。
【００５２】
画像表示装置Ｂの回転型色フィルタ１６として用いられているダイクロイックフィルタには、照射光の照射角が広範囲でばらつくとカットオフ波長が大きくシフトしてしまう性質があるので、より多くの光量を通過させようとすると色純度が低下し、高い色純度を実現しようとすると必要な波長帯域の光までカットしてしまう。この問題点を改善する為には、第１照明系に光学インテグレータ素子を導入することで、ダイクロイックフィルタへの照射光の照射角を平均化すればよい。
【００５３】
そこで、照明スポット１７を形成する第１照明系の部分に光学的に積分作用のある光学インテグレータ（積分器）素子を導入すると、照明光が回転型色フィルタ１６上の照明スポット１７に至る時に、回転型色フィルタ１６への照明光の照射角が平均化されて、明るさ分布が略均一となる。つまり特に照射角の大きな光が生じず、ダイクロイックフィルタへの照射光の照射角が平均化されることになる。
【００５４】
更に、第１照明系に光学インテグレータ素子を導入することで照明スポット１７の明るさ分布を略均一性とすることにより、これと共役の関係となる液晶パネル２２を照明する光の明るさ分布も略均一となって、即ち明るさむらの少ない画像表示を実現できる。
【００５５】
本実施の形態２では、光学インテグレータ素子としてレンズアレイを用いており、以下、レンズアレイ及びこのレンズアレイを用いた画像表示装置Ｂについてさらに説明するが、光学インテグレータ素子としてレンズアレイ以外のものを用いても構わない。
【００５６】
図４に示すように、画像表示装置Ｂにおける第１照明系は、第１レンズアレイ３０、第２レンズアレイ３２、収束レンズ３４、及び補助レンズ３５によって構成されており、これらは放物面鏡１１の出射光束に対して配置されている。
【００５７】
図５に示すように、第１レンズアレイ３０は、液晶パネル２２の表示領域と相似の１６：９アスペクト比の矩形開口を有する第１レンズ３１を二次元状に配列することにより構成されている。第１レンズ３１は、放物面鏡１１から出射する円形の光束断面（図中破線３６で示す円形）である正円領域に近似するように配列する。尚、第１レンズ３１の個数と配列方法は特に図示したものに限定はされない。そして図６に示すように、第２レンズアレイ３２は、第２レンズ３３を第１レンズ３１と同様に配列して構成する。
【００５８】
ここで、第１レンズアレイ３０と第２レンズアレイ３２の動作について説明する。第１レンズアレイ３０は、比較的照明むらの大きい放物面鏡１１の出射光束を、第１レンズ３１によって複数の部分光束に分割する。分割される部分光束の本数は第１レンズ３１の個数と等しい。これら部分光束は、明るさのむらが少なくなっている。
【００５９】
第１レンズ３１により分割された部分光束は、それぞれ第１レンズ３１に対応する第２レンズ３３（例えば第１レンズ３１ａには第２レンズ３３ａが対応している。）の開口上に導かれて収斂される。第２レンズ３３は、入射した部分光束に適当な倍率を与えて照明スポット１７に向けて照射することにより、第１レンズ３１の矩形開口と照明スポット１７とを互いに共役の関係とする。
【００６０】
このようにして、これら第１レンズアレイ３０と、第２レンズアレイ３２とは光学的なインテグレータ（積分器）素子として作用し、むらの少ない均一な明るさ分布の照明スポット１７を形成するのである。
【００６１】
尚、収束レンズ３４は、個々の第２レンズ３３から出射する光束を重畳させた光線を補助レンズ３５を経て照明スポット１７上に送るものである。また、補助レンズ３５は、照明スポット１７に至る光線が光軸１２と略平行になるようにするものである。
【００６２】
このように第１照明系を構成することで、従来の場合に比べてどれだけ回転型色フィルタ１６への照射光の入射角を小さいものとしているか、即ちどれだけ効果的であるか、を具体例を参照しつつさらに説明する。尚、以下の説明において、長さが２ｍｍで直径が１ｍｍの円筒形に近い発光体の側面から放射される光について、従来の、楕円面鏡を用いて照明スポットを形成した場合と、本実施の形態に係る画像表示装置Ｂにおける第１照明系を用いて照明スポット１７を構成した場合と、について比較する。
【００６３】
まず、従来の、楕円面鏡を用いて照明スポットを形成した場合について考察する。
【００６４】
図７に示す、第１焦点距離：Ｆ１＝１０ｍｍ、第２焦点距離：Ｆ２＝１００ｍｍの楕円面鏡を用いた場合、第２焦点上に形成される照明スポットの近軸での倍率は、
Ｆ２÷Ｆ１＝１００÷１０＝１０倍
となる。また、発光体の直径方向の大きさは、
１ｍｍ×１０＝１０ｍｍ
となり、約１０ｍｍの直径を有する正円形状の照明スポットが形成される。但し、この場合の１０ｍｍは、近軸計算での目安のスポットサイズである。そして、この照明スポットの明るさ分布は図８に示すようになる。また、照明スポットにおける最大照射角θは、集光角α＝１３５度の範囲で楕円面鏡が集光すれば約２７．１度となる。
【００６５】
このように、楕円面鏡だけを用いる従来の方式では照明スポット上での明るさむらが大きく、即ち図８に示すように照明スポットの中心から外側に向かって急激に光強度が落ち込んでいることより、光の照射角がより大きい範囲に渡って拡がっていることが判る。これは、放物面鏡と集光レンズを組み合わせた場合についても同様である。
【００６６】
次に、本実施の形態２に係る画像表示装置Ｂにおける第１照明系を用いて照明スポット１７を構成した場合について考察する。
図９に示すように、焦点距離：Ｆ＝１０ｍｍの放物面鏡１１を用いて集光角α＝１３５度の範囲で集光すれば、放物面鏡１１から出射する光束の有効径は約９７ｍｍとなるので、１つ１つの第１レンズ３１の開口を横：１５．２ｍｍ、縦：８．５５ｍｍとすれば、放物面鏡１１から出射する直径９７ｍｍの光束（図５に示す破線３６）に内接するように第１レンズ３１を配列して第１レンズアレイ３０を構成出来る。
【００６７】
次に、従来の方式で得られる照明スポットである直径１０ｍｍの正円と同じ面積を有する１６：９アスペクト比の矩形領域の大きさを計算すると、その大きさは横：１１．８２ｍｍ、縦：６．６５ｍｍとなるので、第２レンズ３３は、第１レンズ３１の実像を倍率約０．７８倍（＝１１．８２÷１５．２）にして照明スポット上に形成すればよい。その為に、図９に示すように、第１レンズアレイの主平面と、第２レンズアレイと収束レンズとを合わせてなる合成レンズの主平面間の距離をＸ２＝１５４ｍｍとし、合成レンズの主平面から照明スポットの距離をＸ１＝１２０ｍｍとすれば、ほぼ所望の倍率を得ることができる。そして第２レンズアレイの有効径を約９７ｍｍとすれば、照明スポットへの最大照射角θは
θ＝ｔａｎ-1（４８．５÷１２０）＝２２度
となる。またこの場合の照明スポットにおける明るさ分布は図１０に示す通りである。
【００６８】
従って、上述した従来の場合と本実施の形態２に係る場合とを比較すれば、回転型色フィルタの円周方向に対する照明スポットの大きさ（長さ）が、画像表示装置Ｂの場合は６．６５ｍｍになるのに対して、従来の楕円面鏡により構成される照明スポットでは１０ｍｍになり、画像表示装置Ｂの方が時間開口率を短くできることが判る。また、矩形の照明スポットの短辺方向について、図８と図１０とを比較すれば明白であるように、本実施の形態に係る場合の方が所定の必要な領域以外に到達する光が少ないので、より混色を防ぐことができる。さらに、照明スポットに到達する光の最大照射角は画像表示装置Ｂの場合は２２度であるのに対して、従来の構成の場合は２７．１度となり、画像表示装置Ｂにおいて照明スポットに到達する光の最大照射角をより小さくことができることが判る。
【００６９】
但し、上記具体例に示したようにように、混色を防ぎ、最大照射角を小さくする為には第１レンズアレイと第２レンズアレイの面間隔は妥当なものでなければならない。即ち、距離Ｘ２が大きければ、Ｘ１も大きくなり、照明スポットへの照射角が小さくなることは自明である。つまり、適切なＸ１、Ｘ２の組み合わせにおいて、上記最大照射角２２度が得られるのである。
【００７０】
ところで、図６に示した第２レンズアレイを構成する第２レンズの大きさはすべて同一としたが、そのために発光体の実像を完全にカバーしきれていないので、光損失を生じてしまう。そこで、図６に示した第２レンズアレイとは異なる構成とすることで、より光損失を減少させるレンズアレイについて、以下、図面を参照しつつ説明する。
【００７１】
図９に示した画像表示装置Ｂにおける距離Ｘ２を長くすれば、第２レンズ上に形成される発光体の実像が大きくなり、第２レンズの開口をはみ出して形成される光について光損失を生じる。また、距離Ｘ２を短くすれば、第２レンズ上の発光体の実像は小さくなり、光損失は低減されるが、第２レンズの開口に対して発光体の実像が小さすぎる場合は、第２レンズアレイ全体の開口部において、各部分光束それぞれが小さく離散的に通過してしまうので、その結果、限られた開口面積を有効に利用できない。
【００７２】
ここで第２レンズ上に形成される実像の大きさについて、図９を参照しつつ検討する。軸上点である放物面鏡の頂点Ａ部について、発光体を見込む距離は１０ｍｍ、またこの方向から見える発光体の太さは１ｍｍとなる。そして発光体を見込む角度はｔａｎ-1（０．１）＝５．７度となるので、軸上に近いレンズ（図６であれば、例えば第２レンズ３３ｗである。）を通過する光（Ｌｓ）はこの角度に相当する開口数を有していれば、最も効率よく光を利用できる。そして距離Ｘ２（＝１５４ｍｍ）における実像のサイズは約１５ｍｍとなる。また、α＝９０度の集光方向の光について、例えばα＝９０度に該当する箇所であるＢ部について検討すると、この部分から見込む発光体の距離は２０ｍｍ、またこの方向から見える発光体の長さは２ｍｍとなる。そしてこの経路（Ｌｔ）近傍に存在する第２レンズ（図６であれば例えば第２レンズ３３ｋである。）における実像のサイズは約１５ｍｍとなる。
【００７３】
しかしＢ部を超えて放物面鏡の周辺部に向かうと、発光体を見込む角度は急峻に減少する。例えば、α＝約１３５度に該当する箇所であるＣ部について検討すると、この部分から見込む発光体の距離は４５ｍｍ、またこの方向から見える発光体の長さは２ｍｍとなる。そして発光体を見込む角度は約１．４度にまで小さくなってしまう。そしてこの光（Ｌｕ）の経路に近いレンズ（図６であれば、例えば第２レンズ３３ｂである。）は、この角度に相当する開口数を有していれば、最も効率よく光を利用できるが、この部分における実像のサイズは約４ｍｍにしかならず、また図６に示した第２レンズアレイにおいてはすべての第２レンズの開口数が同一であるため、必ずしも効率よく光を利用しているとは言えない。
【００７４】
そこで、さらに効率を上げる為には、図１１に示すように、異なる形状の開口を有する複数の第２レンズを有するレンズアレイとすればよい。ここで、図１１中に示すａ〜ｗは、図５に示した第１レンズアレイ３０の各レンズとの対応関係を示している。
【００７５】
第２レンズアレイ３７は、光軸からの距離に応じて各第２レンズ３８の開口と大きさを最適に組み合わせ、光軸近傍に位置するレンズほど、大きな実像に合わせた大きな開口を、光軸から離れて位置するレンズほど、小さな実像に合わせて小さな開口を与えており、これらを最適に組み合わせて、光損失を大きくすることなく、第２レンズアレイ３７全体の開口を小さくできる。このように構成した第２レンズアレイを図５に示した第１レンズアレイと組み合わせる場合、第１レンズアレイ３０を構成する第１レンズ３１の各々は、適当にレンズ光軸をその開口に対して軸ずらし（偏心）させ、第１レンズを出射した光が、対応する第２レンズ３８の開口上に到達するように構成するとよい。そしてこのようにすれば、照明スポットへの光の照射角をより小さくできる利点がある。
【００７６】
以上説明したように、図４に示した画像表示装置Ｂにおいては、実現したい光利用効率に応じて、多少の光損失を許容して第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口形状を同じに揃えても良いし、図１１に示すような第２レンズアレイの開口形状として、その効率と第２レンズアレイの開口サイズを最適化することも可能である。
【００７７】
尚、上述の画像表示装置Ｂにおいて、収束レンズ３４を使わない構成とすることも考えられる。収束レンズを使わない場合、第２レンズを適当に偏心させて、これらを通過する部分光束を適宜偏向させ、照明スポット上に各部分光束を重畳すればよい。
【００７８】
以上、光学インテグレータ素子としてレンズアレイを用いた場合を説明したが、これ以外に、例えばガラスロッドを光学インテグレータ素子として用いることも考えられる。以下、ガラスロッドを用いた場合について、図面を参照しつつ簡単に説明する。
【００７９】
図１２は図４に示した画像表示装置Ｂにおいて、レンズアレイの代わりにガラスロッドを用いた構成とした画像表示装置Ｂ’の一部の構成を示した概略図である。画像表示装置Ｂと同一の構成部分についてはここでは省略している。この画像表示装置Ｂ’では、発光体１０の放射する光を楕円鏡４１により集光し、これを矩形のガラスロッド４２に入射させる。ガラスロッド４２に入射した光はその側面で全反射を繰り返すことにより、上述した、２枚のレンズアレイを組み合わせた光学インテグレータ素子と同様の作用と効果を得ることができる。この場合、ガラスロッド４２の出射端面４３は、照明スポット１７の形状を決定することより、出射端面の形状は液晶パネル２２の表示領域と同じアスペクト比の矩形形状とすればよい。補助レンズ４４は、光束を平均化して照明されるガラスロッド出射端部の照明スポットを回転型色フィルタ１６上に導くが、これを備えない場合は、ガラスロッド自身が導くように構成すればよい。
【００８０】
このようにして光学インテグレータ素子である第１レンズアレイ３０と第２レンズアレイ３２とを用いることで、もしくはガラスロッド４２を用いることで、色純度を高くでき、必要な波長帯域の光をカットすることもない。更に照明スポット１７の明るさ均一性が高くなるので、これと共役の関係となる液晶パネル２２を照明する光の明るさの均一性が改善され、すなわち、各画角点での光の照射角が、平均化される。従って、回転型色フィルタに入射する光の最大照射角を小さくできるので、より好ましい画像表示装置を実現できる。
【００８１】
（実施の形態３）
次に、本発明の請求項４に対応する画像表示装置Ｃを第３の実施の形態として説明する。
この画像表示装置Ｃでは、放物面鏡から照明スポットに至る光路に、３つのレンズ群が備えられている。つまり、第１レンズ群により光束を収斂させ発光体の実像を形成する。次に、形成された実像の近傍に第２レンズ群を備えて照明スポットを形成する。この場合、第２レンズ群の主平面が射出瞳に相当する。そして第３レンズ群を照明スポットの近傍に配置して、テレセントリック照明としている。
【００８２】
そして、上述した構成は、第１レンズ群を第１レンズアレイ３０の第１レンズ３１、第２レンズ群を第２レンズアレイ３２の第２レンズ３３と収束レンズ３４、第３レンズ群を補助レンズ３５と見なせば、図４に示した構成の画像表示装置そのものとなる。この場合、第２レンズ群をアナモフィックレンズで構成すれば、適当なアスペクト比の矩形の照明スポットを構成できる。そして矩形照明スポットの短辺方向と、回転型色フィルタの配置方向を適切にすれば、第１の実施の形態において説明したのと同様の作用と効果を得る。
【００８３】
そこで、以下画像表示装置Ｃについて図４を参照しつつさらに説明する。
この画像表示装置Ｃでは、照明スポット１７を形成する第１照明系において照明スポット１７に対する射出瞳上に発光体１０の実像を形成し、また照明スポット１７をいわゆるケーラー照明により形成するように構成されている。
【００８４】
さらに具体的に説明すると、第１レンズアレイ３０は第２レンズアレイ３２の開口近傍に複数の発光体１０の実像を形成し、これら発光体１０の実像を近似する正円領域が照明スポット１７を形成する第１照明系の射出瞳となる。従って、このように構成される発光体１０と照明スポット１７はいわゆる像と瞳の関係となり、その為お互いの共役関係が最も少ない。これに加えて、第２レンズアレイ３２を構成する第２レンズ３３の各々は有限の開口を有しており、これらの開口は、対応する複数の部分光束の各々について開口絞りとして作用している。尚、対応する第２レンズの開口をはみ出して隣のレンズに入射した光は、照明スポット１７の領域には到達しないので、有効に利用されることはない。
【００８５】
このように、画像表示装置Ｃでは照明スポット１７に対する射出瞳上に発光体１０の実像を形成し、さらに射出瞳に適当な開口絞りを設けているので、発光体１０の大きさが変化しても照明スポット１７の大きさが変化することがない。従って、量産時におけるランプのばらつきや、ランプ経時変化に依って発光体１０の大きさが変化した場合であっても、常に同じ大きさの照明スポット１７を得ることができる。また射出瞳に適当な開口絞りを有するので、製造時におけるランプの大きさのばらつきや寿命要因に依って発光体自体の大きさが変化しても、照明スポットのサイズを一定にし、また不要な迷光の発生を抑制できる。従って、予め最適化した時間開口率を用いて、画像表示装置を構成できる。
【００８６】
さらに照明スポット１７のサイズを常に必要十分な大きさとして一定にできる上に、矩形の照明スポットを形成しこの短辺方向と回転型色フィルタの回転円周方向を一致させているので、画像表示装置Ｃの時間開口率を高い値で常に一定にできる。また、２枚のレンズアレイからなる光学インテグレータ素子を用いて照明スポットを形成するので、各画角での照明光の照射角を平均化して一定として、色フィルタへの最大入射角を小さくでき、その結果、色分離効率の良い、明るく、色純度の高い、色順次表示方式の表示を実現できる。この２枚のレンズアレイは、例えば図５に示す構成を有する第１レンズアレイと、図１１に示す構成を有する第２レンズアレイとの組み合わせとすればなお良い。この図１１に示す第２レンズアレイを用いると、第２の実施の形態において説明したように、第２レンズアレイ上に形成される複数の発光体の実像の大きさに合わせて、光損失を増加させることなく、その開口の総和を小さくできるので、より照射角の小さい光で、照明スポットを形成できる。
【００８７】
以上述べた画像表示装置Ａ、Ｂ、Ｃは、空間光変調素子として色順次表示方式の透過型液晶パネルを用いる場合を示したが、必ずしもこれに限定されず、例えば反射型の液晶パネルや、反射型のデジタルマイクロミラー素子（ＤＭＤ）を用いる構成であっても構わない。
【００８８】
（実施の形態４）
次に、第１の実施の形態において説明した画像表示装置Ａを用いてなる本発明の請求項５に対応する投写型画像表示装置を第４の実施の形態として説明する。
【００８９】
図１３は第１の実施の形態で説明した画像表示措置Ａを用いた本発明の実施の形態４による投写型画像表示装置Ｄの概略構造図である。
この投写型画像表示装置Ｄにおいて、画像表示装置Ａと同一の部分、即ち図１と同一の部分については同一の符号を附し、その説明を省略する。
【００９０】
投写型画像表示装置Ｄは、画像表示装置Ａに投写レンズ４８を追加したものである。投写型画像表示装置Ｄにおいて、透過型液晶パネル２２で変調された光は投写レンズ４８の入射瞳４９に入射し、色順次表示方式で表示される画像は、スクリーン（ここでは図示せず）上に拡大投写されるようになっている。
よって、第１の実施の形態の画像表示装置Ａにおけると同様に、時間開口率を高く改善できるので、明るい投写型画像表示装置を得ることが出来る。
【００９１】
（実施の形態５）
次に、第２の実施の形態で説明した画像表示装置Ｂを用いてなる本発明の請求項５に対応する投写型画像表示装置Ｅを、第５の実施の形態として図１４を参照しつつ説明する。
【００９２】
図１４は第２の実施の形態で説明した画像表示措置Ｂを用いた本発明の実施の形態５による投写型画像表示装置Ｅの概略構造図である。
この投写型画像表示装置Ｅにおいて、画像表示装置Ｂと同一の部分、即ち図４と同一の部分については同一の符号を附し、その説明を省略する。
【００９３】
投写型画像表示装置Ｅは、画像表示装置Ｂに投写レンズ４５と反射型の空間光変調素子４７とを追加したものである。投写型画像表示装置Ｅにおいて、透過型液晶パネル２２で変調された光は反射型の空間光変調素子４７を照明し、その変調画像を、投写レンズ４５によりスクリーン（図示せず）上に拡大投写されるようになっている。ここで、反射型の空間光変調素子として、例えば、微小なミラーを二次元状に配列したデジタルマイクロミラー素子（ＤＭＤ素子）を用いると良い。すでに述べたように、ＤＭＤ素子は微小ミラーのチルト角を制御して光の進行方向をＯｎ／Ｏｆｆするもので、高速応答が可能であると共に、偏光を利用しないので、高い光利用効率を実現できる。
【００９４】
また、２枚のレンズアレイ３０、３２からなる光学インテグレータ素子を使って、矩形の照明スポット１７を形成しており、明るさの均一な照明スポットを形成することで、照射角を平均化でき、即ち色フィルタへの最大入射角を小さくできるので、色分離特性の良い、明るく、色純度の高い色順次表示を得られる。そして空間光変調素子４７の表示領域と照明スポット１７を共役の関係とし、明るさの均一性の高い照明スポット１７を形成しているので、空間光変調素子４７を照明する光について、明るさの均一性を高くできる。その結果、スクリーンに投影される画像の明るさむらを少なくし、均一性の優れた投写画像を提供できる投写型画像表示装置を得られる。
【００９５】
（実施の形態６）
次に、第３の実施の形態で説明した画像表示装置Ｃを用いてなる本発明の請求項８、請求項９及び請求項１０に対応する投写型画像表示装置Ｆを第６の実施の形態として説明する。この投写型画像表示装置Ｆの概略構造は図１４に示したものと同一である。
【００９６】
この投写型画像表示装置Ｆでは、画像表示装置Ｃについて説明した通り、照明スポットを形成する射出瞳上に発光体の実像を形成するので、発光体の大きさが変化しても、照明スポットの大きさは変化しない。常に、一定で高い時間開口率を実現できるので、明るく、混色の発生しない投写型画像表示装置Ｆを実現できる。
【００９７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項１に記載の画像表示装置、及び請求項５に記載の投写型画像表示装置では、矩形の照明スポットを形成するので、色の遷移期間における空間光変調素子の休止時間を短くし、また時間開口率を高く改善できる。また、矩形の照明スポットの短辺方向と回転型色フィルタの円周方向とを一致させるので、より効率の高い、明るい画像表示を可能とする装置を実現する。また、照明スポットを形成する射出瞳上に、発光体の実像を形成するようにしたので、発光体の実像の大きさに依らず、照明スポットの大きさを一定にできるので、常に高い時間開口率を実現すると共に、混色の発生を防止できる。
【００９８】
本発明の請求項２に記載の画像表示装置、及び請求項５に記載の投写型画像表示装置では、照明スポットを光学インテグレータ素子を用いて形成するので、明るさの均一性の高い照明スポットを形成でき、照射角を平均化できる。従って、最大照射角を抑制でき、色純度と効率の高い色順次照明を実現できる。また、矩形の照明スポットの短辺方向と回転型色フィルタの円周方向とを一致させるので、より効率の高い、明るい画像表示を可能とする装置を実現する。
【０１００】
本発明の請求項４に記載の画像表示装置、及び請求項５に記載の投写型画像表示装置では、第２照明系を入力部収束レンズと、出力部収束レンズと、中央部収束レンズと、で構成したので、照明スポットと空間光変調素子の表示領域とを共役の関係とすることが出来る。
【０１０１】
本発明の請求項３に記載の画像表示装置、及び請求項５に記載の投写型画像表示装置では、第１照明系を、第１レンズアレイと、第２レンズアレイと、で構成したので、照明スポットの大きさを一定にするのみならず、明るさの均一性も非常に高いものとすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の画像表示装置の構成の一例を示す略構成図である。
【図２】回転型色フィルタ上に形成される照明スポットの一例を示す略構成図である。
【図３】本発明の画像表示装置が用いる空間光変調素子の時間開口率を説明する略線図である。
【図４】本発明の画像表示装置の他の実施の形態を示す略構成図である。
【図５】第１レンズアレイの構成の一例を示す略構成図である。
【図６】第２レンズアレイの構成の一例を示す略構成図である。
【図７】従来の楕円面鏡における設計パラメータの一例を示す略線図である。
【図８】従来の楕円面鏡における照明スポットの明るさ分布の一例を示す略線図である。
【図９】本発明の画像表示装置における設計パラメータの一例を示す略線図である。
【図１０】本発明の画像表示装置における照明スポットの明るさ分布の一例を示す略線図である。
【図１１】第２レンズアレイの更に好ましい構成の一例を示す略構成図である。
【図１２】本発明の画像表示装置の更に他の実施の形態を示す略構成図である。
【図１３】本発明の投写型画像表示装置の構成の一例を示す略構成図である。
【図１４】本発明の投写型画像表示装置の他の実施の形態を示す略構成図である。
【図１５】従来の画像表示装置の構成の一例を示す略構成図である。
【図１６】従来の回転型色フィルタ上に形成される照明スポットの一例を示す略構成図である。
【図１７】従来の楕円面鏡の作用を示す略線図である。
【符号の説明】
１０ 発光体
１１ 放物面鏡
１２ 光軸
１３、１４ アナモフィックレンズ
１５、３５、４４ 補助レンズ
１６ 回転型色フィルタ
１７ 照明スポット
１８ 入力部収束レンズ
１９ 中央部収束レンズ
２０ 出力部収束レンズ
２１ リレーレンズ系
２２ 液晶パネル
２３ モータ
２８ ハブ
２９Ｒ 赤透過フィルタ
２９Ｇ 緑透過フィルタ
２９Ｂ 青透過フィルタ
３０ 第１レンズアレイ
３１ 第１レンズ
３２、３７ 第２レンズアレイ
３３、３８ 第２レンズ
３４ 収束レンズ
４１ 楕円面鏡
４２ ガラスロッド
４５、４８ 投写レンズ
４６、４９ 入射瞳
４７ 反射型空間光変調素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a combination of an illumination optical system that supplies high-speed illumination light of the three primary colors consisting of red, blue, and green, and a spatial light modulator that sequentially displays the primary images of the three primary colors in synchronization with the illumination optical system. The present invention relates to an image display device and a projection type image display device that guides light emitted from the image display device to a projection lens and enlarges and projects a display image of a spatial light modulation element.
[0002]
[Prior art]
Spatial light modulation elements (SLMs) used in image display apparatuses for AV equipment, presentations or workstations, and large-screen projectors (projection-type image display apparatuses) include liquid crystal panels and reflection display elements that are light-receiving display elements. A DMD element (digital micromirror element) is often used.
[0003]
By the way, a liquid crystal panel used for an image display device itself displays a black-and-white image, but in order to construct a color image corresponding to a video signal supplied from the outside, R (red), G (green) ) And B (blue) color original images are displayed in a time-sequentially switched manner at a high speed. For this purpose, a liquid crystal material having a high response speed, such as a ferroelectric liquid crystal, is used. This ferroelectric liquid crystal is generally known as a black and white binary display application. However, by controlling the on period of white display, gradation display using so-called pulse width (time axis) modulation can be performed. It is possible to form primary images of the three primary colors G and B, and in turn, to realize a full color display. In addition, DMD elements used in image display devices, etc. have a two-dimensional arrangement of minute mirror structures, controls the direction in which incident light is reflected, and controls the light spatially to form an optical image. Is configured to do.
[0004]
As a method of constructing a color image in an image display device or a projection type image display device using these liquid crystal panels and DMD elements, three display elements are provided corresponding to the three primary colors of red, blue and green. A method of using a RGB color trio pixel by forming a mosaic color filter on a single display element, or using a single spatial light modulation element for monochrome display as described above, R (red), There is a method generally called a color sequential display method, which is a method of displaying each color original image of G (green) and B (blue) in time series and switching the color of illumination light in synchronization with each color original image.
[0005]
Hereinafter, an image display apparatus using a spatial light modulation element based on this color sequential display method will be described.
FIG. 15 is a schematic diagram of a conventional image display apparatus that employs a spatial light modulation element based on a color sequential display system. A lamp (not shown here) forms a light emitter 101, which serves as a light source that emits white light. The concave mirror 102 condenses white light emitted from the light emitter 101 and forms an illumination spot 104 on the rotary color filter 103. For this reason, the reflecting surface of the concave mirror 102 has an elliptical shape, the light emitter 101 is disposed at the first focal point, and the rotary color filter 103 is disposed at the condensing position corresponding to the second focal point. Although not specifically shown here, the illumination spot 104 may be formed by forming a light beam traveling in parallel using a parabolic mirror and adding a condenser lens to converge the light beam on the focal plane. Good. The color sequential illumination light emitted from the illumination spot 104 becomes parallel light by the condenser lens 108 and illuminates the transmissive liquid crystal panel 109. As a result, a color display image is presented to the observer.
[0006]
As described above, in an image display device that uses a light source that emits white light, the rotary color filter as described above is used in order to switch white light to high-speed RGB color sequential illumination light. This rotary color filter is an appropriate arrangement of red, green, and blue transmission color filter segments on a circle that is driven by a motor and rotates at high speed, and illuminates these rotating color filters. As a result of the passage of light, color sequential illumination light that switches from R → G → B at high speed is formed.
[0007]
This rotary color filter will be further described with reference to the drawings. FIG. 16 shows an example of the configuration of the rotary color filter 103 and the illumination spot 104 formed thereon. The rotary color filter 103 is a combination of R, G, and B primary color filters in a circular shape. Specifically, the rotary color filter 103 is connected to a rotary support (hub) 106 directly connected to the motor 105 with a red transmission filter. 107R, green transmission filter 107G, and blue transmission filter 107B are fixed. Then, in response to an external control signal, the red transmission filter 107R, the green transmission filter 107G, and the blue transmission filter 107B coupled to the hub 106 are rotated at high speed. Then, an illumination spot 17 is formed on the circumference where these color filters are joined, and the color filters 29R, 29G, and 29B rotate at high speed in accordance with the respective color original images displayed on the liquid crystal panel 22 to form a display image. Synchronize to form illumination light of appropriate color. In this way, each color filter removes light of a specific wavelength band from white light passing through the illumination spot 104, and as a result, forms color sequential illumination light that switches at high speed. In addition, as this color filter, a dichroic filter in which a multilayer film is formed on a glass substrate by a vapor deposition method or a sputtering method is often used, but this dichroic filter depends on the incident angle of light incident on the multilayer film, It has a feature that the wavelength band characteristic (cutoff wavelength) of light to be transmitted changes.
[0008]
By the way, in the rotary color filter 103, when the illumination spot 104 passes through adjacent filter joints with different color filters, if no processing is performed, two colors instead of the desired primary color light are mixed for a certain period of time. Illumination light is formed and a correct color image is not presented. In order to prevent this, it is necessary to provide a pause period so that the spatial light modulation element (liquid crystal panel) displays black during the time when the color is switched, and does not display the original color image during that time. Illumination light incident on the color filter during this idle period is not used effectively and does not contribute to the brightness of the presented image. In general, in the spatial light modulator, the period required for color switching is considerably longer than the data transfer period required for updating the color original image.
[0009]
As described above, the ratio of the effective image display period excluding the color switching period in the spatial light modulation element to the total period period is called the time aperture ratio of the spatial light modulation element, and the light utilization efficiency of the spatial light modulation element. It is one of the indications showing. Usually, this time aperture ratio is about 80 to 90%. As the time aperture ratio is improved, an image display device capable of obtaining a bright image can be obtained.
[0010]
The time aperture ratio of the spatial light modulator will be further described in the case where the rotary color filter and the liquid crystal panel are combined.
Since the liquid crystal panel 22 is generally used for the purpose of displaying a TV image such as an NTSC system, for example, if the liquid crystal panel 22 is used for a TV image such as an NTSC system, a color image of 60 frames can be formed per second. That's fine. Accordingly, the liquid crystal panel 22 is configured so that 1/60 seconds are divided into three primary colors of RGB, that is, each primary image of the three primary colors is displayed in order of R → G → B → R every 1/180 seconds. . Here, FIG. 3 shows the procedure of the image displayed on the liquid crystal panel 22, and for the image of the nth frame, the red original image is R (n), the green original image is G (n), and the blue original image is B (n).
[0011]
In the rotary color filter 16, the color sequential illumination light generated when the joint portion of adjacent color filters passes through the illumination spot 17 is in a state where two colors are mixed, and thus cannot be used for displaying an image. For this reason, in the case shown in FIG. 3, the effective display period τon given to one color original image is obtained by subtracting a pause period provided in order to avoid color mixture from the total period τa. ing. Therefore, the time aperture ratio of the liquid crystal panel is expressed by τon ÷ τa.
[0012]
Here, in order to make the image of the image display device brighter, it is conceivable to increase the power of the lamp used for the light source. However, increasing the power means an increase in power consumption, and thus in the image display device. This method is not preferred because the calorific value increases. Rather, it is more effective to improve the time aperture ratio.
[0013]
By the way, the temporal aperture ratio of the spatial light modulator depends on the size of the illumination spot 104 formed on the rotary color filter 103 and the circumferential speed at which the filter joint passes through the illumination spot 104. When the size of the illumination spot is the same, if a rotating color filter with a larger radius is used, the rotating color filter with a larger radius has a relatively higher speed at which the filter joint passes through the illumination spot on the outer periphery. As a result, the time aperture ratio of the spatial light modulator can be increased. If the size of the rotary color filter is the same, the temporal aperture ratio of the spatial light modulator can be relatively increased when the size of the illumination spot is small.
[0014]
Of these, the method of increasing the size of the rotary color filter can increase the temporal aperture ratio of the spatial light modulator, but the size of the rotary color filter is increased, which makes it difficult to reduce the size of the entire apparatus. Furthermore, this method is not preferable because the color filter becomes expensive and the driving torque of the necessary motor needs to be increased, that is, new problems such as an increase in the size and cost of the motor occur.
[0015]
Therefore, it can be said that reducing the illumination spot is a preferable method for increasing the temporal aperture ratio of the spatial light modulator. The size of the illumination spot is determined by the size of the light emitter used as the light source of the image display device and the irradiation angle of the condensing optical system that forms the illumination spot.
[0016]
First, considering the size of the light emitter, it is obvious that the smaller the light emitter, the smaller the illumination spot.
[0017]
Next, when the irradiation angle of the condensing optical system is examined, if the irradiation angle is increased, the size of the formed image, that is, the size of the illumination spot can be reduced according to the so-called Lagrange-Helmholtz invariant. In this case, the concentration angle of light incident on the color filter is increased, and the color filter acts on a light beam group having a wider angle change range. However, when the above-described dichroic filter used in the rotary color filter of the conventional image display device is applied to the light group having a large irradiation angle, the desired cutoff wavelength is applied to the light group having a large incident angle. Cannot be obtained, and a light beam having a low color purity that is not necessary is allowed to pass through, or conversely, a light beam having a high color purity that is originally required is blocked. That is, for the color light after passing through the filter, it is not possible to obtain the primary color light of the desired color purity, or in order to obtain the desired color purity, it is necessary to shift the cutoff wavelength of the filter to the high color purity side. In order to increase the efficiency of the entire image display device, the light use efficiency of the filter is lowered, and consequently, the efficiency of the entire image display device is lowered and the displayed image becomes dark. It can be said that it is preferable to reduce the light irradiation angle.
[0018]
As described above, it is effective to improve the time aperture ratio of the spatial light modulation element in order to realize a smaller, brighter and better color reproducibility image display device. In order to improve the rate, it is only necessary to reduce the size of the light emitter, use a rotational color filter that is as small as possible, make the illumination spot as small as possible, and further reduce the light irradiation angle to the illumination spot.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of a conventional method of forming an illumination spot with a combination of an ellipsoidal mirror or a parabolic mirror and a condenser lens, the light emitter is miniaturized and a rotation type color filter as small as possible is used. At the same time, it is difficult to reduce the illumination spot as much as possible and to reduce the light irradiation angle to the illumination spot.
[0020]
First, when the illumination angle of the light to the illumination spot is further examined with reference to FIG. 17, the ellipsoidal mirror 121 captures the light emitted from the light emitter 122 and forms the illumination spot 123 near the second focal point. Here, in order to obtain high light collection efficiency, it is necessary to increase the light collection range α of the ellipsoidal mirror. However, when the condensing range α is increased, the illumination angle θ of the illumination light is increased. In order to reduce the illumination spot, the distance x to the second focal point may be reduced. However, as the distance x is reduced, the illumination angle θ of the illumination light is increased. On the other hand, in order to reduce the illumination angle θ of the illumination light, it is necessary to reduce the condensing range α or increase the distance x to the second focal point. If the distance x cannot be obtained, and the distance x is increased, the size y of the illumination spot is increased.
[0021]
Considering the size of the illuminant, metal halide lamps and high-pressure mercury lamps used for the illuminant of conventional image display devices are small in size even when trying to reduce the illuminant itself to reduce the illumination spot. There is a problem that it is difficult to make. In the case of using a lamp that uses arc discharge, it is conceivable to shorten the distance between the electrodes for forming the arc discharge in order to reduce the illumination spot. There are new problems such as extremely shortening, unstable arc discharge, large lamp current and large power supply. Further, there arises a problem that the size of the light emitter changes during the lifetime according to the lighting time. This is because in the case of a lamp using arc discharge, the electrodes are consumed depending on the lighting time, and if the lighting is repeated, the gap between the electrodes will eventually widen. There is also a problem that the spot becomes gradually larger and eventually the illumination spot becomes larger.
[0022]
As described above, the size of the illumination spot formed on the rotary color filter is determined according to the size of the illuminant if the optical system is constant. The gap gradually increases, that is, the discharge arc also gradually increases, that is, the luminous body also gradually increases. As a result, the illumination spot gradually increases as lighting is repeated.
[0023]
In addition, when mass-producing lamps, it is relatively difficult to accurately manage the gap between the electrodes of all lamps, and the gap distance between the electrodes may vary. The problem of becoming will also arise. That is, it is extremely complicated and difficult to measure the above-mentioned variation for each lamp and to set the time aperture ratio of the spatial light modulator for each product corresponding to each lamp. Therefore, it is necessary to determine the time aperture ratio of the spatial light modulator in accordance with the largest possible light emitter size among variations, which is unrealistic.
[0024]
Furthermore, in order not to generate unnecessary color mixing during the set lifetime of the image display device, assume the maximum size of how large the illumination spot generated by the light emitter after the lamp lifetime has passed in advance, It is necessary to determine the time aperture ratio of the spatial light modulator according to the assumed size of the illumination spot. If the temporal aperture ratio of the spatial light modulator is determined in this way, the image display device is used. When an initial lamp is used immediately after starting, that is, the minimum required time aperture ratio of the spatial light modulation element cannot be obtained, the image display device cannot obtain the necessary brightness immediately after the start of use. After all, it is a problem.
[0025]
Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and the object thereof is to increase the time aperture ratio of the spatial light modulator without increasing the size of the apparatus and regardless of the size and state of the light emitter. It is to provide an image display device capable of performing color sequential display with high color purity and efficiency by enabling a high setting, and a projection type image display device using the image display device. .
[0026]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, in the image display device according to claim 1 of the present invention, a light source that emits white light, and a condensing unit that collects the emitted light of the light source to form a substantially single light beam, A first illumination system that forms a rectangular illumination spot using a light beam formed by the light condensing means, and a circular shape that is arranged near the illumination spot and sequentially switches the white light to red, blue, and green color lights. A rotary color filter, a spatial light modulator used for switching and displaying original images of red, blue, and green in time series, and condensing the light that has passed through the rotary color filter to form the space A second illumination system for forming illumination light for illuminating the light modulation element, wherein the first illumination system substantially emits a principal ray of a ray group passing through the rotary color filter. An auxiliary lens that travels parallel to the axis, The illumination spot having an aspect ratio substantially equal to the aspect ratio of the display area of the element is formed, and the second illumination system includes an input part converging lens for converging a light ray group that has passed through the rotary color filter, and the rotation The output of each color light of red, blue, and green formed by the mold color filter and the display of the spatial light modulator are synchronized, and the illumination spot and the spatial light modulator are in a substantially conjugate relationship, The short side direction of the illumination spot and the circumferential direction (tangential direction) of the rotary color filter are substantially matched, and the auxiliary lens and the input unit converging lens are arranged before and after the rotary color filter.The first illumination system includes a real image of the light source in the vicinity of the exit pupil that forms the illumination spot, and an aperture stop in the vicinity of the exit pupil.It is characterized by that.
[0027]
  In the image display device according to claim 2 of the present invention,The image display device according to claim 1, wherein the first illumination system forms the illumination spot with an optical integrator element.It is characterized by that.
[0028]
  In the image display device according to claim 3 of the present invention,3. The image display device according to claim 2, wherein the first illumination system includes a first lens array and a second lens array in which the optical integrator element is formed by two-dimensionally arranging a plurality of lenses. The first lens array divides the light beam emitted from the condensing means into a plurality of partial light beams, and converges the partial light beams in the vicinity of the opening of the second lens array corresponding to the first lens array, The second lens array guides the plurality of partial light beams emitted from the corresponding first lens array to the vicinity of the rotary color filter and superimposes them to form an illumination spot.It is characterized by that.
[0030]
  Claims of the invention4In the image display device according to claim 1, claims 1 to3In the image display device according to any one of the above, the second illumination system includes an input unit converging lens disposed in the vicinity of the rotary color filter and an output unit converging lens disposed in the vicinity of the spatial light modulation element. And a central convergent lens disposed in an optical path between the input convergent lens and the output convergent lens, and the input convergent lens focuses light incident on the input convergent lens at the central convergent lens. The central convergent lens forms a real image of an object near the principal plane of the input convergent lens in the vicinity of the principal plane of the output convergent lens, and the output convergent lens is The light emitted from the partial focusing lens is effectively guided to the spatial light modulation element.
[0031]
  Claims of the invention5In the projection type image display apparatus according to claim 1, the claims 1 to4A projection-type image display device using the image display device according to any one of the above, characterized by comprising a projection lens that projects an optical image displayed on the spatial light modulation element.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the embodiment shown here is merely an example, and is not necessarily limited to this embodiment.
[0037]
(Embodiment 1)
  First, claim 1 and claim of the present invention4An image display device corresponding to the above will be described as a first embodiment with reference to the drawings.
  FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an image display apparatus A according to the first embodiment. The image display apparatus A includes a light emitter 10, a parabolic mirror 11, anamorphic lenses 13 and 14, an auxiliary lens 15, a circular rotary color filter 16, a relay lens system 21, and a liquid crystal panel 22. And.
[0038]
The light emitter 10 is a light source that emits white light formed by a lamp (not shown) here, and the parabolic mirror 11 condenses the white light emitted from the light emitter 10 and is approximately along the optical axis 12. A light beam traveling in parallel is formed.
[0039]
The two anamorphic lenses 13 and 14 collect the white light incident thereon, and form a rectangular illumination spot 17 on the rotary color filter 16. The two anamorphic lenses 13 and 14 have different radii of curvature and form a rectangular illumination spot having an appropriate aspect ratio. The curvature directions of the two anamorphic lenses 13 and 14 are orthogonal to each other.
[0040]
The auxiliary lens 15 is used to make light incident on the rotary color filter 16 close to parallel to the optical axis 12. The anamorphic lenses 13 and 14 and the auxiliary lens 15 constitute a first illumination system, and a rectangular illumination spot 17 is formed on the rotary color filter 16 by the first illumination system. The illumination spot 17 will be described later.
[0041]
The rotary color filter 16 is the same as the rotary color filter 106 described with reference to FIG. 16 in the description of the prior art. As shown in FIG. 2, the rotary color filter 16 is directly connected to the motor 23. A red transmissive dichroic filter 29R, a green transmissive dichroic filter 29G, and a blue transmissive dichroic filter 29B are fixed to the (hub) 28. Each of the filters 29R, 29G, and 29B uses a dichroic multilayer film formed on a transparent glass substrate by vapor deposition or sputtering, as described in the related art. The filter is not limited to the manufactured filter.
[0042]
The relay lens system 21 that is the second illumination system includes an input part converging lens 18, a central part converging lens 19, and an output part converging lens 20. The input part converging lens 18 converges the light emitted from the illumination spot 17 on the rotary color filter 16 to form a real image of the exit pupil for the illumination spot 17 on the opening of the central part converging lens 19. The exit pupil is specifically located in the vicinity of the anamorphic lenses 13 and 14. The central converging lens 19 forms a real image near the main plane of the input converging lens 18 in the vicinity of the opening of the output converging lens 20, and emits light that reaches the central converging lens 19 through the input converging lens 18. Guide to the output unit convergence lens 20. The output part converging lens 20 turns the light emitted from the central part converging lens 19 into a light beam that travels substantially parallel to the optical axis 12, and this light beam illuminates the liquid crystal panel 22. As the liquid crystal panel 22, the known liquid crystal panel described in the prior art is used.
[0043]
In the image display apparatus A constituted by these members, the light emitted from the light emitter 10 is collected by the parabolic mirror 11, passes through the anamorphic lenses 13 and 14, and the auxiliary lens 15, and then the rotary color filter 16. It reaches the upper illumination spot 17, and finally reaches the liquid crystal panel 22 via a relay lens system 21 including an input part converging lens 18, a central part converging lens 19, and an output part converging lens 20. The relay lens system 21 synchronizes the red, blue, and green color lights formed by the rotary color filter 16 with the display on the liquid crystal panel 22, so that the illumination spot 17 and the liquid crystal panel 22 are substantially conjugated. And In this way, most of the light emitted from the light emitter 10 effectively illuminates the liquid crystal panel 22.
[0044]
Here, looking at the relationship between the illumination spot 17 and the liquid crystal panel 22, the illumination spot 17 is formed on the rotary color filter 16, and the color filters 29R, 29G, and 29B are displayed on the respective color original images displayed on the liquid crystal panel 22. In addition, the illumination light of an appropriate color is formed in synchronization with the display image, and the illumination light illuminates the liquid crystal panel 22 as described above. In A, in order to obtain a brighter image, that is, to make the time aperture ratio of the liquid crystal panel 22 as high as possible, the following measures are taken.
[0045]
  When the image display device A is adapted for a wide screen for digital TV, the liquid crystal panel 22 has 854 square pixels arranged in the horizontal direction and 480 in the vertical direction on the wide screen for digital TV. The aspect ratio of the display area (the ratio of the length in the horizontal direction to the length in the vertical direction) may be 16: 9. Since the image display apparatus A has an approximately conjugate relationship between the illumination spot 17 and the display area of the liquid crystal panel 22 by the action of the relay lens system 21, the illumination spot 17 matches the shape of the display area of the liquid crystal panel 22. To a rectangular shape with a 16: 9 aspect ratio. In the image display apparatus A, the illumination spot 17 has an aspect ratio of 16: 9 by using two anamorphic lenses 13 and 14 whose curvature directions are orthogonal to each other and appropriately converging light incident on these lenses. It has a rectangular shape. As shown in FIG. 2, the rotating color filter 16 has a rotating circumferential direction (tangential direction) and a short side (x) direction of the formed rectangular illumination spot 17 in the same direction. Deploy. In this way, when forming a circular illumination spot, a rectangular illumination spot is formed andshort sideWhen the direction and the circumferential direction are made coincident with each other, the time during which the illumination spot hits the joint portion of the color filter can be shortened, so that the time aperture ratio of the liquid crystal panel 22 is increased. In other words, if the short side (x) of the rectangular illumination spot 17 is short, the pause period at the time of color switching in the display element can be relatively shortened, so that the time aperture ratio of the liquid crystal panel 22 can be increased. is there.
[0046]
By the way, if a perfect circle having the same area is compared with a rectangle, if the diameter of the perfect circle is D, the length x of the short side of the rectangle is y as the length of the long side.
x = (π / 4) · (D / y) · D
It is obvious that π / 4 and D / y are both smaller than 1.
[0047]
Therefore, if the length x of the short side is smaller than the diameter D and the area of the illumination spot is the same, forming the rectangular spot causes the illumination spot to be a color filter rather than the circular spot. Since the time for passing through the joint can be shortened, the time aperture ratio of the liquid crystal panel 22 can be increased.
[0048]
In the case of having an aspect ratio different from the above-described aspect ratio, for example, in the case of a display element having an aspect ratio of 4: 3, which is the display size of an ordinary CRT TV currently in circulation, the same as described above. Actions and effects can be obtained.
Thus, the image display apparatus A according to the present embodiment is a screen display apparatus that can realize high color purity by increasing the time aperture ratio of the liquid crystal panel 22.
[0049]
(Embodiment 2)
  Next, claims of the present invention2 andAnd claims3An image display device B corresponding to the above will be described as a second embodiment with reference to the drawings.
  FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the image display device B. The same members as those of the image display device A shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0050]
In this image display apparatus B, the illumination spot 17 has a rectangular opening with a 16: 9 aspect ratio similar to the display area of the liquid crystal panel 22, but is not limited thereto. Then, similarly to the image display apparatus A described above, the light beam passing through this is guided to the liquid crystal panel 22 by the relay lens system 21 and illuminates the display area of the liquid crystal panel 22. The illumination spot 17 and the liquid crystal panel 22 are in a conjugate relationship. The relationship between the color sequential display liquid crystal panel 22 and the rotary color filter 16 is the same as that described in the image display apparatus A, and the rectangular illumination spot 17 having a 16: 9 aspect ratio similarly has a short side. The time aperture ratio of the liquid crystal panel 22 is improved by matching with the rotating circumferential direction of the rotary color filter.
[0051]
In the image display device B according to the second embodiment, in order to obtain an illumination spot having a substantially uniform brightness distribution in order to obtain a brighter image with excellent color purity, an optical integrator element is provided in the first illumination system. Has been introduced. Hereinafter, the optical integrator element will be described.
[0052]
The dichroic filter used as the rotary color filter 16 of the image display device B has a property that the cutoff wavelength is greatly shifted when the irradiation angle of the irradiation light varies over a wide range. When trying to do so, the color purity is lowered, and when trying to achieve a high color purity, light of a necessary wavelength band is cut. In order to improve this problem, it is only necessary to average the irradiation angle of the irradiation light to the dichroic filter by introducing an optical integrator element into the first illumination system.
[0053]
Therefore, when an optical integrator (integrator) element having an optical integration function is introduced into the portion of the first illumination system that forms the illumination spot 17, when the illumination light reaches the illumination spot 17 on the rotary color filter 16, The irradiation angle of the illumination light to the rotary color filter 16 is averaged, and the brightness distribution becomes substantially uniform. That is, light having a particularly large irradiation angle is not generated, and the irradiation angle of the irradiation light to the dichroic filter is averaged.
[0054]
Furthermore, by introducing an optical integrator element into the first illumination system, the brightness distribution of the illumination spot 17 is made substantially uniform, so that the brightness distribution of the light that illuminates the liquid crystal panel 22 in a conjugate relationship therewith is also obtained. It is possible to realize an image display that is substantially uniform, that is, with less uneven brightness.
[0055]
In the second embodiment, a lens array is used as the optical integrator element. Hereinafter, the lens array and the image display apparatus B using the lens array will be further described. However, an optical integrator element other than the lens array is used. It doesn't matter.
[0056]
As shown in FIG. 4, the first illumination system in the image display apparatus B includes a first lens array 30, a second lens array 32, a converging lens 34, and an auxiliary lens 35, which are parabolic mirrors. 11 emitted light beams.
[0057]
As shown in FIG. 5, the first lens array 30 is configured by two-dimensionally arranging first lenses 31 having a rectangular opening with a 16: 9 aspect ratio similar to the display area of the liquid crystal panel 22. . The first lens 31 is arranged so as to approximate a circular area that is a cross section of a circular light beam emitted from the parabolic mirror 11 (a circle indicated by a broken line 36 in the drawing). Note that the number and arrangement method of the first lenses 31 are not particularly limited to those illustrated. As shown in FIG. 6, the second lens array 32 is configured by arranging the second lenses 33 in the same manner as the first lens 31.
[0058]
Here, operations of the first lens array 30 and the second lens array 32 will be described. The first lens array 30 divides the emitted light beam of the parabolic mirror 11 having relatively large illumination unevenness into a plurality of partial light beams by the first lens 31. The number of partial light beams to be divided is equal to the number of first lenses 31. These partial luminous fluxes have less uneven brightness.
[0059]
The partial light beams divided by the first lens 31 are guided onto the openings of the second lenses 33 (for example, the second lens 33a corresponds to the first lens 31a) corresponding to the first lens 31, respectively. Converged. The second lens 33 gives an appropriate magnification to the incident partial light beam and irradiates it toward the illumination spot 17, thereby bringing the rectangular aperture of the first lens 31 and the illumination spot 17 into a conjugate relationship with each other.
[0060]
In this way, the first lens array 30 and the second lens array 32 act as optical integrator elements, and form the illumination spot 17 having a uniform brightness distribution with little unevenness. .
[0061]
The converging lens 34 sends a light beam, on which the light beams emitted from the individual second lenses 33 are superimposed, onto the illumination spot 17 via the auxiliary lens 35. Further, the auxiliary lens 35 makes the light beam reaching the illumination spot 17 substantially parallel to the optical axis 12.
[0062]
By configuring the first illumination system in this way, it is possible to specify how much the incident angle of the irradiation light to the rotary color filter 16 is small as compared with the conventional case, that is, how effective it is. Further explanation will be given with reference to an example. In the following description, the case where an illumination spot is formed using a conventional ellipsoidal mirror for light emitted from the side surface of a light-emitting body close to a cylindrical shape having a length of 2 mm and a diameter of 1 mm, and this implementation The case where the illumination spot 17 is configured using the first illumination system in the image display apparatus B according to the embodiment will be compared.
[0063]
First, a case where an illumination spot is formed using a conventional ellipsoidal mirror will be considered.
[0064]
When an ellipsoidal mirror shown in FIG. 7 having a first focal length: F1 = 10 mm and a second focal length: F2 = 100 mm is used, the magnification on the paraxial of the illumination spot formed on the second focal point is
F2 ÷ F1 = 100 ÷ 10 = 10 times
It becomes. In addition, the size of the light emitter in the diameter direction is
1mm × 10 = 10mm
Thus, a circular illumination spot having a diameter of about 10 mm is formed. However, 10 mm in this case is a standard spot size in paraxial calculation. The brightness distribution of the illumination spot is as shown in FIG. In addition, the maximum irradiation angle θ at the illumination spot is about 27.1 degrees when the elliptical mirror condenses within the range of the collection angle α = 135 degrees.
[0065]
Thus, in the conventional method using only the ellipsoidal mirror, the brightness unevenness on the illumination spot is large, that is, as shown in FIG. 8, the light intensity suddenly drops outward from the center of the illumination spot. Thus, it can be seen that the light irradiation angle spreads over a larger range. The same applies to the case where a parabolic mirror and a condenser lens are combined.
[0066]
Next, a case where the illumination spot 17 is configured using the first illumination system in the image display device B according to the second embodiment will be considered.
As shown in FIG. 9, if a parabolic mirror 11 having a focal length of F = 10 mm is used to collect light within a converging angle α = 135 degrees, the effective diameter of the light beam emitted from the parabolic mirror 11 is Therefore, if the aperture of each first lens 31 is 15.2 mm in the horizontal direction and 8.55 mm in the vertical direction, the light beam having a diameter of 97 mm emitted from the parabolic mirror 11 (broken line shown in FIG. 5). The first lens array 30 can be configured by arranging the first lenses 31 so as to be inscribed in (36).
[0067]
Next, when the size of a 16: 9 aspect ratio rectangular region having the same area as a 10 mm diameter circular circle, which is an illumination spot obtained by a conventional method, is calculated, the size is 11:82 mm in width and vertical: Since the distance is 6.65 mm, the second lens 33 may be formed on the illumination spot with the real image of the first lens 31 at a magnification of about 0.78 (= 11.82 ÷ 15.2). For this purpose, as shown in FIG. 9, the distance between the main plane of the first lens array and the main plane of the composite lens formed by combining the second lens array and the converging lens is X2 = 154 mm, If the distance of the illumination spot from the plane is set to X1 = 120 mm, almost a desired magnification can be obtained. If the effective diameter of the second lens array is about 97 mm, the maximum irradiation angle θ to the illumination spot is
θ = tan-1(48.5 ÷ 120) = 22 degrees
It becomes. Further, the brightness distribution in the illumination spot in this case is as shown in FIG.
[0068]
Therefore, comparing the above-described conventional case with the case according to the second embodiment, the size (length) of the illumination spot with respect to the circumferential direction of the rotary color filter is 6 in the case of the image display device B. It is 10 mm for an illumination spot constituted by a conventional ellipsoidal mirror, whereas it can be seen that the image display apparatus B can shorten the time aperture ratio. Further, as is clear when comparing FIG. 8 and FIG. 10 with respect to the short side direction of the rectangular illumination spot, in the case of the present embodiment, less light reaches a region other than the predetermined necessary region. Therefore, color mixing can be prevented more. Further, the maximum irradiation angle of light reaching the illumination spot is 22 degrees in the case of the image display apparatus B, whereas it is 27.1 degrees in the conventional configuration, and reaches the illumination spot in the image display apparatus B. It can be seen that the maximum irradiation angle of the light to be emitted can be further reduced.
[0069]
However, as shown in the above specific example, the surface interval between the first lens array and the second lens array must be appropriate in order to prevent color mixing and reduce the maximum irradiation angle. That is, it is obvious that if the distance X2 is large, X1 is also large and the irradiation angle to the illumination spot is small. That is, the maximum irradiation angle of 22 degrees can be obtained with an appropriate combination of X1 and X2.
[0070]
By the way, although the size of the second lens constituting the second lens array shown in FIG. 6 is all the same, the real image of the illuminant is not completely covered, so that light loss occurs. Accordingly, a lens array that reduces the optical loss by using a configuration different from the second lens array shown in FIG. 6 will be described below with reference to the drawings.
[0071]
If the distance X2 in the image display device B shown in FIG. 9 is increased, the real image of the light emitter formed on the second lens becomes larger, and light loss is caused for the light formed by protruding from the opening of the second lens. . Further, if the distance X2 is shortened, the real image of the light emitter on the second lens becomes smaller and the light loss is reduced. However, if the real image of the light emitter is too small with respect to the opening of the second lens, the second Since each of the partial light beams passes through the aperture of the entire lens array in a small and discrete manner, the limited aperture area cannot be used effectively as a result.
[0072]
Here, the size of the real image formed on the second lens will be examined with reference to FIG. For the apex A portion of the parabolic mirror, which is an axial point, the distance at which the luminous body is viewed is 10 mm, and the thickness of the luminous body seen from this direction is 1 mm. And the angle to look at the illuminant is tan-1Since (0.1) = 5.7 degrees, the light (Ls) passing through the lens close to the axis (in FIG. 6, for example, the second lens 33w) has a numerical aperture corresponding to this angle. The light can be used most efficiently. The size of the real image at the distance X2 (= 154 mm) is about 15 mm. Further, regarding the light in the condensing direction of α = 90 degrees, for example, when considering the portion B which is a position corresponding to α = 90 degrees, the distance of the light emitting body seen from this portion is 20 mm, and the light emitting body seen from this direction The length is 2 mm. The size of the real image in the second lens (for example, the second lens 33k in FIG. 6) existing in the vicinity of the path (Lt) is about 15 mm.
[0073]
However, the angle at which the illuminant is seen sharply decreases when going beyond the portion B toward the periphery of the parabolic mirror. For example, when considering part C corresponding to α = about 135 degrees, the distance of the luminous body seen from this part is 45 mm, and the length of the luminous body seen from this direction is 2 mm. And the angle which looks at a light-emitting body will become small to about 1.4 degree | times. A lens (for example, the second lens 33b in FIG. 6) close to the light (Lu) path can use light most efficiently if it has a numerical aperture corresponding to this angle. However, the size of the real image in this portion is only about 4 mm, and in the second lens array shown in FIG. 6, the numerical apertures of all the second lenses are the same, so that light is always used efficiently. I can't say that.
[0074]
Therefore, in order to further increase the efficiency, as shown in FIG. 11, a lens array having a plurality of second lenses having differently shaped openings may be used. Here, a to w shown in FIG. 11 indicate the corresponding relationship with each lens of the first lens array 30 shown in FIG.
[0075]
The second lens array 37 optimally combines the aperture and size of each second lens 38 in accordance with the distance from the optical axis, and the lens positioned closer to the optical axis has a larger aperture that matches a larger real image. A lens located farther away from the lens provides a smaller aperture in accordance with a smaller real image. By combining these optimally, the aperture of the entire second lens array 37 can be reduced without increasing light loss. When the second lens array configured in this way is combined with the first lens array shown in FIG. 5, each of the first lenses 31 constituting the first lens array 30 has an appropriate lens optical axis with respect to its opening. It may be configured such that light that is shifted (eccentric) in the axis and emitted from the first lens reaches the opening of the corresponding second lens 38. In this way, there is an advantage that the irradiation angle of light to the illumination spot can be further reduced.
[0076]
As described above, in the image display apparatus B shown in FIG. 4, the first lens array and the second lens array have the same opening shape by allowing some light loss according to the light utilization efficiency to be realized. The apertures of the second lens array as shown in FIG. 11 can be optimized, and the efficiency and the aperture size of the second lens array can be optimized.
[0077]
In the image display apparatus B described above, a configuration in which the converging lens 34 is not used may be considered. When the converging lens is not used, the second lens may be appropriately decentered, the partial light beams passing through them may be appropriately deflected, and each partial light beam may be superimposed on the illumination spot.
[0078]
The case where the lens array is used as the optical integrator element has been described above. However, for example, a glass rod may be used as the optical integrator element. Hereinafter, the case where a glass rod is used will be briefly described with reference to the drawings.
[0079]
FIG. 12 is a schematic diagram showing a partial configuration of the image display device B ′ in which the glass rod is used instead of the lens array in the image display device B shown in FIG. 4. The same components as those of the image display device B are omitted here. In this image display apparatus B ′, the light emitted from the light emitter 10 is collected by the elliptical mirror 41 and is incident on the rectangular glass rod 42. The light incident on the glass rod 42 is repeatedly totally reflected on its side surface, so that the same operation and effect as the above-described optical integrator element in which the two lens arrays are combined can be obtained. In this case, the exit end face 43 of the glass rod 42 may be a rectangular shape having the same aspect ratio as the display area of the liquid crystal panel 22 by determining the shape of the illumination spot 17. The auxiliary lens 44 guides the illumination spot at the exit end of the glass rod, which is illuminated by averaging the luminous flux, onto the rotary color filter 16, but if it is not provided, the glass rod itself may be configured to guide it. .
[0080]
Thus, by using the first lens array 30 and the second lens array 32 which are optical integrator elements, or by using the glass rod 42, the color purity can be increased and light in a necessary wavelength band is cut. There is nothing. Further, since the brightness uniformity of the illumination spot 17 is increased, the brightness uniformity of the light that illuminates the liquid crystal panel 22 in a conjugate relationship therewith is improved, that is, the light irradiation angle at each angle of view. Are averaged. Therefore, since the maximum irradiation angle of light incident on the rotary color filter can be reduced, a more preferable image display device can be realized.
[0081]
(Embodiment 3)
  Next, claims of the present invention4An image display apparatus C corresponding to the above will be described as a third embodiment.
  In this image display device C, three lens groups are provided in the optical path from the parabolic mirror to the illumination spot. That is, the luminous flux is converged by the first lens group to form a real image of the light emitter. Next, an illumination spot is formed by providing a second lens group in the vicinity of the formed real image. In this case, the main plane of the second lens group corresponds to the exit pupil. The third lens group is arranged in the vicinity of the illumination spot to provide telecentric illumination.
[0082]
In the configuration described above, the first lens group is the first lens 31 of the first lens array 30, the second lens group is the second lens 33 and the converging lens 34 of the second lens array 32, and the third lens group is the auxiliary lens. 35, the image display apparatus itself having the configuration shown in FIG. 4 is obtained. In this case, if the second lens group is formed of an anamorphic lens, a rectangular illumination spot having an appropriate aspect ratio can be formed. If the short side direction of the rectangular illumination spot and the arrangement direction of the rotary color filter are appropriately set, the same operation and effect as described in the first embodiment can be obtained.
[0083]
Therefore, the image display device C will be further described below with reference to FIG.
This image display device C is configured to form a real image of the light emitter 10 on the exit pupil with respect to the illumination spot 17 in the first illumination system that forms the illumination spot 17, and to form the illumination spot 17 by so-called Koehler illumination. ing.
[0084]
More specifically, the first lens array 30 forms real images of the plurality of light emitters 10 in the vicinity of the apertures of the second lens array 32, and the circular area that approximates the real images of the light emitters 10 defines the illumination spot 17. It becomes the exit pupil of the first illumination system to be formed. Therefore, the illuminant 10 and the illumination spot 17 configured as described above have a so-called image-pupil relationship, and therefore have the least conjugate relationship with each other. In addition to this, each of the second lenses 33 constituting the second lens array 32 has a finite aperture, and these apertures act as an aperture stop for each of the corresponding partial light beams. . In addition, since the light which protruded from the opening of the corresponding 2nd lens and entered into the adjacent lens does not reach | attain the area | region of the illumination spot 17, it is not utilized effectively.
[0085]
As described above, in the image display apparatus C, the real image of the light emitter 10 is formed on the exit pupil with respect to the illumination spot 17, and the appropriate aperture stop is provided on the exit pupil, so that the size of the light emitter 10 changes. However, the size of the illumination spot 17 does not change. Therefore, the illumination spot 17 having the same size can always be obtained even when the size of the light emitter 10 changes due to lamp variations during mass production or lamp aging. In addition, since the exit pupil has an appropriate aperture stop, the size of the illumination spot is kept constant even if the size of the light emitter itself changes due to variations in lamp size and lifetime factors during manufacture. Generation of stray light can be suppressed. Therefore, the image display apparatus can be configured using the time aperture ratio optimized in advance.
[0086]
Further, since the size of the illumination spot 17 can always be made constant and sufficiently large, a rectangular illumination spot is formed, and the short side direction coincides with the rotation circumferential direction of the rotary color filter. The time aperture ratio of the device C can be made constant at a high value. In addition, since an illumination spot is formed using an optical integrator element composed of two lens arrays, the irradiation angle of illumination light at each angle of view is averaged and constant, and the maximum incident angle to the color filter can be reduced. As a result, a bright, high color purity, color sequential display method display with good color separation efficiency can be realized. For example, the two lens arrays may be a combination of a first lens array having the configuration shown in FIG. 5 and a second lens array having the configuration shown in FIG. When the second lens array shown in FIG. 11 is used, as described in the second embodiment, the optical loss is reduced in accordance with the size of the real image of the plurality of light emitters formed on the second lens array. Since the total sum of the openings can be reduced without increasing, an illumination spot can be formed with light having a smaller irradiation angle.
[0087]
The image display apparatuses A, B, and C described above have shown the case of using a transmissive liquid crystal panel of a color sequential display system as a spatial light modulation element, but is not necessarily limited to this, for example, a reflective liquid crystal panel, A configuration using a reflective digital micromirror element (DMD) may also be used.
[0088]
(Embodiment 4)
  Next, claims of the present invention using the image display apparatus A described in the first embodiment5A projection type image display apparatus corresponding to the above will be described as a fourth embodiment.
[0089]
FIG. 13 is a schematic structural diagram of a projection-type image display apparatus D according to Embodiment 4 of the present invention that uses the image display measure A described in the first embodiment.
In this projection type image display apparatus D, the same parts as those of the image display apparatus A, that is, the same parts as in FIG.
[0090]
The projection type image display apparatus D is obtained by adding a projection lens 48 to the image display apparatus A. In the projection type image display apparatus D, the light modulated by the transmissive liquid crystal panel 22 enters the entrance pupil 49 of the projection lens 48, and an image displayed by the color sequential display method is on a screen (not shown here). Is enlarged and projected.
Therefore, as in the image display apparatus A of the first embodiment, the time aperture ratio can be improved and a bright projection type image display apparatus can be obtained.
[0091]
(Embodiment 5)
  Next, claims of the present invention using the image display apparatus B described in the second embodiment5A projection type image display apparatus E corresponding to is described as a fifth embodiment with reference to FIG.
[0092]
FIG. 14 is a schematic structural diagram of a projection-type image display apparatus E according to Embodiment 5 of the present invention that uses the image display measure B described in the second embodiment.
In this projection type image display apparatus E, the same parts as those of the image display apparatus B, that is, the same parts as in FIG.
[0093]
The projection type image display apparatus E is obtained by adding a projection lens 45 and a reflective spatial light modulation element 47 to the image display apparatus B. In the projection type image display device E, the light modulated by the transmissive liquid crystal panel 22 illuminates the reflective spatial light modulation element 47 and the projection image 45 enlarges and projects the modulated image onto a screen (not shown). It has come to be. Here, for example, a digital micromirror element (DMD element) in which minute mirrors are two-dimensionally arranged may be used as the reflective spatial light modulation element. As already mentioned, the DMD element controls the tilt angle of the micro mirror to turn the light traveling direction on / off, enabling high-speed response and not using polarized light, realizing high light utilization efficiency. it can.
[0094]
In addition, a rectangular illumination spot 17 is formed using an optical integrator element composed of two lens arrays 30 and 32. By forming an illumination spot with uniform brightness, the irradiation angle can be averaged, That is, since the maximum incident angle to the color filter can be reduced, it is possible to obtain a bright color sequential display with good color separation characteristics and high color purity. The display area of the spatial light modulation element 47 and the illumination spot 17 are in a conjugate relationship, and the illumination spot 17 with high uniformity of brightness is formed. High uniformity can be achieved. As a result, it is possible to obtain a projection type image display apparatus that can reduce unevenness in brightness of an image projected on a screen and provide a projected image with excellent uniformity.
[0095]
(Embodiment 6)
Next, a projection type image display apparatus F corresponding to claims 8, 9 and 10 of the present invention using the image display apparatus C described in the third embodiment is described in the sixth embodiment. Will be described. The schematic structure of the projection type image display apparatus F is the same as that shown in FIG.
[0096]
In the projection type image display device F, as described for the image display device C, a real image of the light emitter is formed on the exit pupil that forms the illumination spot. The size does not change. Since a constant and high time aperture ratio can always be realized, it is possible to realize a projection type image display apparatus F that is bright and does not generate color mixing.
[0097]
【The invention's effect】
  As described above, the image display device according to claim 1 of the present invention, and the claim5In the projection type image display apparatus described in (1), since the rectangular illumination spot is formed, the pause time of the spatial light modulation element in the color transition period can be shortened, and the time aperture ratio can be improved. In addition, since the short side direction of the rectangular illumination spot is matched with the circumferential direction of the rotary color filter, a device capable of displaying bright images with higher efficiency is realized.In addition, since the real image of the illuminator is formed on the exit pupil that forms the illumination spot, the size of the illumination spot can be made constant regardless of the size of the real image of the illuminator, so that the aperture is always high The rate can be realized and color mixing can be prevented.
[0098]
  An image display device according to claim 2 of the present invention, and claim5In the projection type image display apparatus described in 1), since the illumination spot is formed using the optical integrator element, it is possible to form an illumination spot with high uniformity of brightness and to average the irradiation angle. Therefore, the maximum irradiation angle can be suppressed, and color sequential illumination with high color purity and efficiency can be realized. In addition, since the short side direction of the rectangular illumination spot is matched with the circumferential direction of the rotary color filter, a device capable of displaying bright images with higher efficiency is realized.
[0100]
  Claims of the invention4And an image display device according to claim 1.5In the projection-type image display device described in (1), the second illumination system is composed of an input unit converging lens, an output unit converging lens, and a central converging lens. It can be a conjugate relationship.
[0101]
  An image display device according to claim 3 of the present invention, and claim5In the projection type image display device described in 1), since the first illumination system is composed of the first lens array and the second lens array, not only the size of the illumination spot is made constant but also the brightness is uniform. The property can be very high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a configuration of an image display device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an illumination spot formed on a rotary color filter.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a time aperture ratio of a spatial light modulation element used by the image display device of the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing another embodiment of the image display device of the present invention.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a configuration of a first lens array.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a configuration of a second lens array.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an example of design parameters in a conventional ellipsoidal mirror.
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating an example of a brightness distribution of an illumination spot in a conventional ellipsoidal mirror.
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of design parameters in the image display apparatus of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of a brightness distribution of an illumination spot in the image display apparatus of the present invention.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an example of a more preferable configuration of the second lens array.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing still another embodiment of the image display device of the present invention.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing an example of a configuration of a projection type image display apparatus of the present invention.
FIG. 14 is a schematic configuration diagram showing another embodiment of the projection type image display apparatus of the present invention.
FIG. 15 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a configuration of a conventional image display apparatus.
FIG. 16 is a schematic configuration diagram showing an example of an illumination spot formed on a conventional rotary color filter.
FIG. 17 is a schematic diagram showing the operation of a conventional ellipsoidal mirror.
[Explanation of symbols]
10 Light emitter
11 Parabolic mirror
12 optical axes
13, 14 Anamorphic lens
15, 35, 44 Auxiliary lens
16 Rotating color filter
17 Lighting spot
18 Input unit convergence lens
19 Central convergent lens
20 Output unit convergence lens
21 Relay lens system
22 LCD panel
23 Motor
28 Hub
29R red transmission filter
29G Green transmission filter
29B Blue transmission filter
30 First lens array
31 First lens
32, 37 Second lens array
33, 38 Second lens
34 Converging lens
41 Ellipsoidal mirror
42 Glass rod
45, 48 Projection lens
46, 49 Entrance pupil
47 Reflective spatial light modulator

Claims (5)

白色光を放射する光源と、
前記光源の放射光を集めて略単一の光束を形成する集光手段と、
前記集光手段によって形成された光束を用いて矩形の照明スポットを形成する第１照明系と、
前記照明スポット近傍に配置されて前記白色光を赤、青、緑の各色光に順次切り替える円形状の回転型色フィルタと、
赤、青、緑の各色原画像を時系列的に切替えて表示することに用いる空間光変調素子と、
前記回転型色フィルタを通過した光を集光して前記空間光変調素子を照明する照明光を形成する第２照明系と、を備えた画像表示装置であって、
前記第１照明系は、前記回転型色フィルタを通過する光線群の主光線を略光軸に平行に進行させる補助レンズを備え、前記空間光変調素子の表示領域のアスペクト比に略等しいアスペクト比を有する前記照明スポットを形成し、
前記第２照明系は、前記回転型色フィルタを通過した光線群を収束させる入力部収束レンズを備え、前記回転型色フィルタによって形成される赤、青、緑の各色光の出力と前記空間光変調素子の表示とを同期させて、前記照明スポットと前記空間光変調素子とを略共役の関係とさせ、
前記照明スポットの短辺方向と、前記回転型色フィルタの円周方向とを略一致させ、
前記補助レンズと前記入力部収束レンズとを前記回転型色フィルタの前後に配置させるとともに、
前記第１照明系は、前記照明スポットを形成する射出瞳の近傍に前記光源の実像を形成すると共に、前記射出瞳の近傍に開口絞りを備えた、
ことを特徴とする、画像表示装置。A light source that emits white light;
Condensing means for collecting the emitted light of the light source to form a substantially single luminous flux;
A first illumination system that forms a rectangular illumination spot using a light beam formed by the light collecting means;
A circular rotary color filter disposed in the vicinity of the illumination spot and sequentially switching the white light to red, blue and green color light;
A spatial light modulation element used to switch and display original images of red, blue, and green in time series;
A second illumination system that collects the light that has passed through the rotary color filter and illuminates the spatial light modulator to illuminate the spatial light modulator, and an image display device comprising:
The first illumination system includes an auxiliary lens that advances a principal ray of a light ray group that passes through the rotary color filter substantially parallel to an optical axis, and has an aspect ratio that is substantially equal to an aspect ratio of a display area of the spatial light modulator. Forming the illumination spot having
The second illumination system includes an input unit converging lens that converges a light beam that has passed through the rotary color filter, and outputs the red, blue, and green color lights and the spatial light formed by the rotary color filter. Synchronizing the display of the modulation element, the illumination spot and the spatial light modulation element are in a substantially conjugate relationship,
The short side direction of the illumination spot and the circumferential direction of the rotary color filter are substantially matched,
While arranging the auxiliary lens and the input unit converging lens before and after the rotary color filter ,
The first illumination system includes a real image of the light source in the vicinity of an exit pupil that forms the illumination spot, and an aperture stop in the vicinity of the exit pupil.
An image display device characterized by that. 請求項１に記載の画像表示装置において、
前記第１照明系は、前記照明スポットを光学インテグレータ素子で形成する、
ことを特徴とする、画像表示装置。The image display device according to claim 1,
The first illumination system forms the illumination spot with an optical integrator element.
An image display device characterized by that. 請求項２に記載の画像表示装置において、
前記第１照明系は、前記光学インテグレータ素子が、複数のレンズを二次元状に配列してなる、第１レンズアレイと第２レンズアレイとで構成され、
前記第１レンズアレイは、前記集光手段から出射する光束を複数の部分光束に分割すると共に、前記部分光束を前記第１レンズアレイに対応する前記第２レンズアレイの開口近傍に収斂させ、
前記第２レンズアレイは、対応する前記第１レンズアレイから出射する前記複数の部分光束を回転型色フィルタの近傍に導くと共にこれらを重畳させて照明スポットを形成する、
ことを特徴とする、画像表示装置。The image display device according to claim 2,
The first illumination system includes a first lens array and a second lens array, in which the optical integrator element is formed by two-dimensionally arranging a plurality of lenses.
The first lens array divides a light beam emitted from the condensing unit into a plurality of partial light beams, and converges the partial light beam in the vicinity of an opening of the second lens array corresponding to the first lens array,
The second lens array guides the plurality of partial light beams emitted from the corresponding first lens array to the vicinity of the rotary color filter and superimposes them to form an illumination spot.
An image display device characterized by that. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の画像表示装置において、
前記第２照明系は、
前記回転型色フィルタ近傍に配置される入力部収束レンズと、
前記空間光変調素子近傍に配置される出力部収束レンズと、
前記入力部収束レンズと前記出力部収束レンズの間の光路に配置される中央部収束レンズと、を備え、
前記入力部収束レンズは前記入力部収束レンズに入射する光を前記中央部収束レンズの開口中心近傍に収斂させ、
前記中央部収束レンズは前記入力部収束レンズの主平面近傍の物体の実像を前記出力部収束レンズの主平面近傍に形成し、
前記出力部収束レンズは前記中央部収束レンズから出射する光を前記空間光変調素子に有効に導く、
ことを特徴とする、画像表示装置。The image display device according to any one of claims 1 to 3 ,
The second illumination system includes
An input part converging lens disposed in the vicinity of the rotary color filter;
An output part converging lens disposed in the vicinity of the spatial light modulator;
A central convergent lens disposed in an optical path between the input convergent lens and the output convergent lens;
The input part converging lens converges the light incident on the input part converging lens in the vicinity of the opening center of the central part converging lens,
The central convergent lens forms a real image of an object near the principal plane of the input convergent lens near the principal plane of the output convergent lens,
The output convergent lens effectively guides the light emitted from the central convergent lens to the spatial light modulator.
An image display device characterized by that. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の画像表示装置を用いた投写型画像表示装置であって、
前記空間光変調素子上に表示される光学像を投影する投写レンズを備えた、
ことを特徴とする、投写型画像表示装置。A projection-type image display device using the image display device according to any one of claims 1 to 4 ,
A projection lens for projecting an optical image displayed on the spatial light modulator;
A projection-type image display device characterized by the above.
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