JP4534602B2 - 投射型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明光学系からの光束を液晶表示素子やマイクロミラー等の映像表示素子で光強度を変調して、光学像を形成し、その光学像を投射光学系で、スクリーン上に拡大して投影する投射型映像表示装置に関する。

液晶パネル等の映像表示素子に、電球などの光源からの光を当てて、映像表示素子上の光学像を拡大投射する液晶プロジェクタ等の投射型映像表示装置が知られている。この種の投射型映像表示装置は、光源からの光を映像表示素子で画素毎の濃淡に変える光強度変調を行い、形成した光学像を前面に配置したスクリーンにまたはスクリーンの背面側から投射するものである。

投射型映像表示装置に使用される光源からの出射光束面の照度分布には、光源の放電灯管球の影あるいは光源の反射鏡の中心部の穴により光軸付近に円状の暗い部分がある。この出射光を直接ライトバルブ素子に入射した場合、得られる投射映像にも、光軸付近に暗い円状のスポットが現れ、照度分布が不均一な映像となってしまう。従来、この影を少なくし、かつ映像周辺部まで照度分布を均一にするために、二枚のアレイレンズを備えたオプチカルインテグレータを用いることが知られている。

近年、こうした透過型あるいは反射型の映像表示素子では、解像度の向上が進むとともに、素子自体の小型化も進んでいる。小型の映像表示素子は大型の映像表示素子より安価ではあるが、映像表示素子の信頼性を確保するためには単位面積当たりの光透過量を一定に抑える必要があり、小型の映像表示素子であるほど光源の明るさを抑える必要がある。よって小型の映像表示素子を用いた装置は大型の映像表示素子を用いた装置に比べ投影できる映像は暗いものとなる。そのため、求められる明るさによって異なるサイズの映像表示素子が使用され、装置全体のサイズをそれぞれの映像表示素子のサイズに合わせて最も小型となるように、各種光学系及び装置全体も映像表示素子サイズごとにほぼ相似の大きさに設計される。

このような、設計上の観点から、目的や用途に応じて投射型映像表示装置に用いられる映像表示素子のサイズが異なる場合、その投射型映像表示装置の照明光学系，色分離・合成光学系，映像表示素子，投射光学系等の光学系を装着する筐体または筐体とは別体の構造体（以下、これを「光学ユニット構造体」と呼ぶ）は、映像表示素子のサイズに応じて互いに異なり、共用化できない構造となっているのが一般的であり、共用化を図った公知例として、使用する液晶表示素子（液晶パネル）の形状やサイズの変更にかかわらず、その位置決めに用いられる外装パネルの共用化を計ったデジタルカメラとして特許文献１があり、また、液晶パネルの数mm程度から十数mm程度の大きさの変更に対してＬＥＤをマトリックス状に配列したバックライトを共用化し、制作費用のコストダウンを計った液晶表示装置として特許文献２がある。

特開２００２−７７６７７号公報（第３頁−４頁、第図３，第図４） 特開平８−１６０４０４号公報（第３頁−４頁、第１図）

投射型映像表示装置は近年、急速に普及が進み、ビジネス用途、教育施設用途、家庭用途など多種の用途に用いられ、それぞれの用途によって、求められる映像の明るさ、光学素子の信頼性、装置自体の大きさ、重量などが異なっている。そのため、それぞれ性能の異なる多種の装置を安価に提供するために使用部品の共用化を行うことが、各種型投資の削減、量産効果による各部品コストの低減の面から非常に重要となる。

現在、投射型映像表示装置に映像表示素子として用いられる例えば透過型液晶表示素子もしくは反射型液晶表示素子の表示サイズには、同じアスペクト比でも数種類のサイズが存在する。その一例を表１に示す。

透過型液晶表示素子もしくは反射型液晶表示素子の表示サイズは、現在、表１の液晶表示素子のサイズ一覧表で示すように、次に大きなサイズになると１．０８５倍以上サイズが異なっている、即ち、少なくとも５％以上表示サイズが異なっている。

従来技術においては、かかる表示サイズの異なる映像表示素子に対応した複数の投射型映像表示装置を新規に設計するにあたり、光学ユニット構造体をそれぞれ表示サイズが異なる映像表示素子ごとに設計していた。しかしそれでは市場の求める多種のニーズに応える多種の投射型映像表示装置を製造する場合、それぞれの投射型映像表示装置に対し各構成部品の型投資などの費用が発生し、結果として製品は安価にはならない。

大型の映像表示素子用に投射型映像表示装置を設計し、単に映像表示素子だけ小型のものに置き換えて使用することにより前述の光学ユニット構造体を共用し、型投資を抑えることは可能であるが、この場合、光源が放射する全ての光束量に対する映像表示素子上の光束量の比率（以下これを「光利用効率」と呼ぶ）が大型映像表示素子を使用した場合に比べ、素子面積比に比例して減少してしまい、光利用効率性能が劣化するという問題が生じる。

また、前記した特許文献１の開示例は、金型費用のコストダウンを計るという目的は同じであるが、デジタルカメラに関する液晶表示素子（液晶パネル）を同一位置に位置決めする構造についてであり、光学系については全く考慮されていない。また、特許文献２に開示されている液晶表示装置は液晶パネルを背面から照明するＬＥＤを用いたバックライトを共用する技術についてであり、１００Ｗ以上の光源に適用できる技術ではなく、また、光学系についても何の言及もされていない。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたもので、その目的は、一つの共通な光学ユニット構造体を用いて、異なる表示サイズの映像表示素子にそれぞれ対応した照明光学系・投射光学系を構成できる投射型映像表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、光源と、映像表示素子と、前記光源からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、これらを取り付けるための筐体に内包されるもしくは一体となっている光学ユニット構造体を有する投射型映像表示装置において、前記光学ユニット構造体は、表示サイズが1.05倍以上異なる少なくとも二種類の映像表示素子が装着可能に構成されており、装着する前記映像表示素子に対応させて、前記照明光学系による前記映像表示素子上の照射領域が前記映像表示素子の表示サイズに略合致する所定の位置に、前記照明光学系を構成する複数の光学素子のうち少なくとも一つの光学素子を装着可能な装着機構を備えるように構成する。

本発明によれば、共通な光学ユニット構造体を用いて、最小限の光学素子の変更のみで良好な光利用効率、画像の良好な照度均一性を維持しながら表示サイズ異なる映像表示素子を用いた光学系の構成に変更することが可能である。これにより、各種型投資の削減、量産効果による各部品コストの低減が図られ、安価に投射型映像表示装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。なお、各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。

図1は本発明による投射型液晶表示装置の一実施形態を示す光学系の構成図で、（ａ）図は液晶表示素子の表示サイズが小さい場合に、（ｂ）図は液晶表示素子の表示サイズが大きい場合に対応する。なお、（ａ）図と（ｂ）図で区別する必要がある構成要素については符号のあとにａまたはｂを添えて示すが、説明上特に支障がない場合には、添字を省略する。

図1の３板式の投射型液晶表示装置において、１は光源であり、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀キセノンランプ、ハロゲンランプ等の白色ランプである。光源１は、円形ないし、多角形の出射開口を持つ少なくとも一つの反射鏡２を有し、この光源１から出される光はライトバルブ素子である液晶表示素子１８，１９，２０を通過して投射レンズ２２に向かい、スクリーン７へ投影される。

光源１の電球から放射される光は例えば放物面の反射鏡２で反射されて光軸に平行となり、第１アレイレンズ３に入射される。第１アレイレンズ３は、入射した光をマトリックス状に配設された複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第２アレイレンズ４と偏光変換素子５を通過するように導く。即ち、第１アレイレンズ３は光源１と第２アレイレンズ４の各レンズセルとが互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されている。第１アレイレンズ３と同様に、マトリックス状に配設された複数のレンズセルを持つ第２アレイレンズ４は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第１アレイレンズ３のレンズセルの形状を液晶表示素子１８，１９，２０に投影する。この時、偏光変換素子５で第２アレイレンズ４からの光は所定の偏光方向に揃えられ、そして、第１アレイレンズ３の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ６、およびコンデンサレンズ１３，１４，第１リレーレンズ１５，第２リレーレンズ１６，第３リレーレンズ１７により各液晶表示素子１８，１９，２０上に重ね合わせられる。なお、第２アレイレンズ４とこれに近接して配設される集光レンズ６とは、第１アレイレンズ３と液晶表示素子１８とが、互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されているので、第１アレイレンズ３で複数に分割された光束は、第２アレイレンズ４と集光レンズ６によって、液晶表示素子１８上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。

その過程で、ダイクロイックミラー１１により、例えばＢ光(青色帯域の光)は反射され、Ｇ光(緑色帯域の光)およびＲ光(赤色帯域の光)は透過されて２色の光に分離され、更に、Ｇ光とＲ光はダイクロイックミラー１２によりＧ光とＲ光に分離される。例えば、Ｇ光はダイクロイックミラー１２で反射され、Ｒ光はダイクロイックミラー１２を透過して３色の光に分離される。この光の分離の仕方は種々考えられ、ダイクロイックミラー１１でＲ光を反射させ、Ｇ光及びＢ光を透過させてもよいし、Ｇ光を反射させ、Ｒ光及びＢ光を透過させてもよい。例として、Ｂ光はダイクロイックミラー１１を反射して、反射ミラー１０で反射され、コンデンサレンズ１３を通してＢ光用の液晶表示素子１８を透過して光合成プリズム２１に入射される。ダイクロイックミラー１１で透過されたＧ光及びＲ光の内、Ｇ光はダイクロイックミラー１２で反射され、コンデンサレンズ１４を通してＧ光用液晶表示素子１９に入射され、この液晶表示素子１９を透過して光合成プリズム２１に入射される。Ｒ光はダイクロイックミラー１２を透過し、第１リレーレンズ１５で集光され、更に反射ミラー８で反射され、第２リレーレンズ１６で更に集光され、反射ミラー９で反射された後、第３リレーレンズ１７で更に集光されてＲ光用の液晶表示素子２０に入射される。液晶表示素子２０を透過したＲ光は光合成プリズム２１に入射される。各液晶表示素子を透過したＢ光、Ｇ光、Ｒ光は、光合成プリズム２１によってカラー映像として合成された後、例えばズームレンズであるような投射レンズ２２を通過し、スクリーン７に到達する。液晶表示素子１８，１９，２０上に光強度変調で形成された光学像は、投射レンズ２２によりスクリーン７上に拡大投影され表示装置として機能するものである。

図１の実施の形態において、第１の光路（Ｂ光）と第２の光路（Ｇ光）にはリレーレンズは使用されていないが、第３の光路（Ｒ光）にはＢ光，Ｇ光と光路長を等しくするためのリレーレンズが使用されている。また、第１アレイレンズ３、第２アレイレンズ４、集光レンズ６等は所謂周知のオプチカルインテグレータを構成している。

２３は光学ユニット構造体であり、光学ユニット構造体２３には、光源１からの光を液晶表示素子１８，１９，２０上に照射する照明光学系を成す第１アレイレンズ３，第２アレイレンズ４，偏光変換素子５，集光レンズ６，ダイクロイックミラー１１，１２，反射ミラー８，９，１０，コンデンサレンズ１３，１４，リレーレンズ１５，１６，１７等の光学素子が装着されている。そして、液晶表示素子１８，１９，２０と光合成プリズム２１と投射レンズ２２は投射レンズ-プリズムホルダ３１に装着されて、投射レンズユニットとされた後に、光学ユニット構造体２３に装着される構成となっている。

なお、照明光による液晶表示素子１８，１９，２０上の照度が実用上問題のないレベルにある領域(以下、「照射有効領域」と呼ぶ)の大きさは、液晶表示素子１８，１９，２０上に形成される第１アレイレンズ３のレンズセルの光学像の大きさに依存する。液晶表示素子１８，１９，２０の表示エリアの周辺で急激な照度の低下を起こさないためには、照射有効領域の大きさは液晶表示素子１８，１９，２０の表示サイズより大きくなくてはならない。しかし、液晶表示素子１８，１９，２０の表示サイズ外の照明光は利用されないため、照射有効領域の大きさを液晶表示素子１８，１９，２０の表示サイズより大きく、かつより小さくすることにより、光利用効率をより高めることができる。従って、この効率を実用上問題のないレベルに維持するためには、照射有効領域の大きさを第１アレイレンズのレンズセルのサイズに比例した液晶表示素子１８，１９，２０の表示サイズにほぼ合致した所定のサイズとする必要がある。

図1の実施の形態から明らかなように、（ａ）図と（ｂ）図でそれぞれ使用する液晶表示素子の表示サイズは異なっており、（ｂ）図の投射型液晶表示装置では、使用している液晶表示素子１８ｂ，１９ｂ，２０ｂが（ａ）図で用いられている液晶表示素子１８ａ，１９ａ，２０ａよりも大きい場合に対応している。
本発明では、装着可能な少なくとも表示サイズの異なる（１．０５倍以上異なる）二種類の映像表示素子のうち、いずれか一方を用いた投射型映像表示装置において、光学ユニット構造体を共用するために、光学ユニット構造体は、第１アレイレンズ３と光合成プリズム２１の中心位置との距離を略同じ所定の一定距離として照明光学系の共用化を図りながら、照明光学系を構成する複数の光学素子のうち、少なくとも一つの光学素子を、装着した映像表示素子に対応させて、装着した映像表示素子上の照明光学系による照射有効領域が映像表示素子の表示サイズに略合致する所定の位置に装着することができるようにし、互いに表示サイズの異なる映像表示素子を搭載した投射型映像表示装置間で、光源からの照明光をそれぞれの映像表示素子上にほぼ同等の照明効率にて均一に集光することができるようにしたことを特徴としている。

即ち、図１に示す実施形態においては、（ａ）図の構成の液晶表示素子１８ａ，１９ａ，２０ａを用いた投射型液晶表示装置から表示サイズの大きい液晶表示素子１８ｂ，１９ｂ，２０ｂを用いた（ｂ）図の投射型液晶表示装置の構成に変えるにあたり、液晶表示素子１８ｂ，１９ｂ，２０ｂ上での照度均一性及び光利用効率等の照明光学性能を実用上問題ないレベルに維持するために、第１アレイレンズ３ａ，３ｂの位置は変えずに、第２アレイレンズ４ｂを（ａ）図の構成より第１アレイレンズ３ｂ側に近づけて配置している。なお、使用する液晶表示素子１８，１９，２０のサイズに対応した所定の位置に第２アレイレンズ４を配置できるように、光学ユニット構造体２３に複数の挿入溝（詳細は図６で後述）を設けている。これは固定穴等の固定用構造でもよいし、もしくは第２アレイレンズ４を光学ユニット構造体２３内で第１アレイレンズ３と集光レンズ６の間のどの位置でも固定できるようなスライダ機構等でもよい。

また、液晶表示素子１８，１９，２０のサイズが大きくなると、これにともない光合成プリズム２１もサイズが大きくなり、液晶表示素子の配置位置が図１（ｂ）に示すようにコンデンサレンズ１３，１４，第３リレーレンズ１７側にずれるが、液晶表示素子と集光レンズ間の距離を一定に保って、第１アレイレンズ３の各レンズの像が液晶表示素子の同じ位置に重畳するように、集光レンズ６も液晶表示素子１８，１９，２０のサイズに対応した所定の位置に配置できるようにアレイレンズと同様の機構を設けている。

なお、図１（ａ）から図１（ｂ）の構成に変える際、液晶表示素子の配置位置はコンデンサレンズ１３，１４，第３リレーレンズ１７側にずれるが、上述したように液晶表示素子１８ｂ，１９ｂ，２０ｂと光合成プリズム２１ｂと投射レンズ２２ｂは投射レンズ-プリズムホルダ３１ｂに装着されて、投射レンズユニットとされた後に、光学ユニット構造体２３に装着される構成となっているので、この際、液晶表示素子１８ｂ，１９ｂ，２０ｂと光合成プリズム２１ｂとの間隔が適切な所定の間隔となるように保持（図示せず）して、光学ユニット構造体２３に装着すれば、光合成プリズム２１ｂが大きくなっているので、液晶表示素子１８ｂ，１９ｂ，２０ｂはコンデンサレンズ１３，１４，第３リレーレンズ１７側にずれることとなる。勿論、この時、第１アレイレンズ３と光合成プリズム２１の中心位置との距離が略同じ所定の一定距離となるようにするとともに、集光レンズ６と液晶表示素子１８，１９（あるいは後述する仮想液晶表示像３０）との距離が後述する数２を満足するようにするのはいうまでもない。

以下、図１で述べた構成で共用化できる理由について、図２，図３を用いて説明する。

図２は図１の投射型液晶表示装置において、光源１からＢ光用の液晶表示素子１８までの照明光学系の光路上の各光学素子を、光路を折り曲げる反射ミラー、色分離手段であるダイクロイックミラー等を省略して直線的に図示したものであり、図３は表示サイズの小さい液晶表示素子１８ａ（１９ａ）と表示サイズの大きい液晶表示素子１８ｂ（１９ｂ）を用いた図１のＢ光（Ｇ光）の照明光学系を折り返し光路や色分離光路を省略して直線的にそれぞれ示したものである。Ｇ光路についても同様であり、代表的にＢ光路を用いて説明する。なお、図１に同一な部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

図２において、表示サイズの異なる複数種類（少なくとも二種類）の液晶表示素子Ａ_１，Ａ_２，…Ａ_ｊのうちの任意の一種類である表示サイズＡ_ｉの液晶表示素子１８に対応する、液晶表示素子の表示サイズの対角長さをｓ_ｉ、同アスペクト比の第１アレイレンズ３の各レンズセルの対角の長さをｂ_ｉ、第２アレイレンズ４と第１アレイレンズ３間の距離をＬ_１ｉ、第２アレイレンズ４と集光レンズ６間の距離をＬ_２ｉ、集光レンズ６と液晶表示素子１８間の距離をＬ_３ｉ、第２アレイレンズ４の焦点距離をf_１ｉ、集光レンズ６の焦点距離をｆ_２ｉとする。

前述したように、第２アレイレンズ４とこれに近接して配設される集光レンズ６とは、第１アレイレンズ３の各レンズセルと液晶表示素子１８とが、互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されており、放物面の反射鏡２から光軸に平行な光束を受けて、第１アレイレンズ３の各レンズセルの形状が液晶表示素子１８上に結像するので、第２アレイレンズ４のパワーが小さいことを考慮すると、近似的に集光レンズ６の像側焦点距離ｆ_２iと距離Ｌ_３iは略等しくなり、液晶表示素子１８上に結像される第１アレイレンズ３のレンズセル像の倍率ｓ_ｉ/ｂ_ｉは、近似的に数１'、数２'のように表わされる。即ち、液晶表示素子１８，１９，２０上に形成される照射有効領域の大きさは、第１アレイレンズ３のレンズセルの光学像の大きさに略比例する。
ｓ_ｉ/ｂ_ｉ≒Ｌ_３i/Ｌ_１ｉ …（数１'）
Ｌ_３ｉ≒ f_２ｉ …（数２'）
ここで、数１'を変形して次式の数１を得る。
Ｌ_１ｉ≒Ｌ_３i×ｂ_ｉ/ｓ_ｉ…（数１）
数１は任意の表示サイズＡ_ｉの液晶表示素子において成立するので、第１アレイレンズ３の位置を固定して、数１を満足するＬ_１ｉとなる位置に第２アレイレンズ４を配置すれば、液晶表示素子１８上に結像する集光領域の大きさを表示サイズｓ_ｉに略合致した大きさとすることができ、光源が放射する全ての光束量に対する液晶表示素子上の光束量の比率である光利用効率は変化することがない。

そこで、光学ユニット構造体２３に、液晶表示素子の複数の表示サイズにそれぞれ対応した数１を満足するＬ_１ｉとなる位置に第２アレイレンズ４を装着する装着機構（例えば挿入溝）を設けておけば、光学ユニット構造体２３を共用することができる。

また、液晶表示素子の表示サイズＡ_ｉに応じて、光合成プリズムのサイズも変わるので、液晶表示素子と光合成プリズムとの間隔を最適とするため、液晶表示素子の配置位置が移動するが、数２のように、
Ｌ_３ｉ≒ f_２ｉ ＝ const …（数２）
液晶表示素子と集光レンズ間の距離を略所定の一定距離に保って、第１アレイレンズ３の各レンズの像が液晶表示素子の同じ位置に重畳するように、集光レンズ６を液晶表示素子１８，１９，２０の表示サイズにそれぞれ対応した所定の位置に配置できるような装着機構（例えば挿入溝）を光学ユニット構造体２３に設けておけば、光学ユニット構造体２３を共用することができる。なお、液晶表示素子と光合成プリズムとの間の最適な間隔は投射レンズ-プリズムホルダ３１に装着する際に行い、投射レンズとともに投射レンズユニット（図示せず）とされた後に、投射レンズユニットを光学ユニット構造体２３に装着する。

また、上記第２アレイレンズ４と集光レンズ６の移動にともない、第２アレイレンズ４と集光レンズ６間の距離Ｌ_２ｉが変化するので、第２アレイレンズ４の各レンズセルの曲率を変える必要がある。上記数１、数２では第２アレイレンズの焦点距離f_１ｉが考慮されてないが、第２アレイレンズ４と集光レンズ６との合成レンズの合成焦点距離をｆ_１２ｉとすると、第２アレイレンズ４と第１アレイレンズ３間の距離Ｌ_１ｉ、第２アレイレンズ４と集光レンズ６間の距離Ｌ_２ｉ、集光レンズ６と液晶表示素子１８_ｉ間の距離Ｌ_３ｉ、および合成焦点距離をｆ_１２ｉとの間には周知の下記数３の式が成立するので、数３を用いて第２アレイレンズ４の各レンズセルの曲率を考慮することができる。

1/(Ｌ_１ｉ + P_１ｉ) + 1/(Ｌ_３ｉ + P_３ｉ) ＝1/ｆ_１２ｉ＝1/f_１ｉ + 1/f_２ｉ - L _２ｉ/(f_１ｉ×f_２ｉ) …（数３）
但し、
P_１ｉ＝(Ｌ_２ｉ×f_１ｉ)/( f_１ｉ + f_２ｉ - L _２ｉ)
P_３ｉ＝(Ｌ_２ｉ×f_２ｉ)/( f_１ｉ + f_２ｉ - L _２ｉ)
ここで、P_１ｉは第２アレイレンズと合成レンズの第１主点との距離、P_３ｉは合成レンズの第２主点と集光レンズとの距離である。

図３を用いて、具体的に説明する。図３において、第１アレイレンズ３と光合成プリズム２１の中心位置との距離を略同じとしながら、照明光学系を例えば（ａ）図から（ｂ）図にする場合を考慮する。

図１（ａ）から図１（ｂ）のように液晶表示素子のサイズを大きくする場合、液晶表示素子１８ｂの表示サイズが大きくなると表示エリアの対角長さｓ_ｉが大きくなり、数１から明らかなように、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４との間の距離Ｌ_１ｉは小さくなる。ここで、第１アレイレンズ３ｂの位置（第１アレイレンズ３ａの位置に同じ）は動かさずに固定すれば、（ｂ）図の第２アレイレンズ４ｂは、第１アレイレンズ３ｂ側に近づけて配設すればよいことになる。

つまり、光学ユニット構造体２３に、固定した第１アレイレンズ３の位置に対して、液晶表示素子の複数の表示サイズにそれぞれ対応した数１を満足するＬ_１ｉとなる位置に第２アレイレンズ４を装着する装着機構（例えば挿入溝）を設けておけば、光学ユニット構造体２３を共用することができる。

また、液晶表示素子１８ｂの表示サイズが大きくなると、これにともない光合成プリズム２１ｂもサイズが大きくなるが、共用化のために第１アレイレンズ３と光合成プリズム２１の中心位置との距離を略一定とすると、液晶表示素子１８ｂの位置が光源側にずれることになる（図３（ｂ）では、コンデンサレンズ１３と液晶表示素子１８ｂ間の間隔を図３（ａ）の場合よりも小さく図示してある）。極力光学部品の共用化を図るために、集光レンズ６は同じものを用いたいので、集光レンズ６と液晶表示素子１８ｂとの距離を変えないようにするためには、即ち数２を満足するには、集光レンズ６も液晶表示素子１８ｂの移動量分光源側に移動させる必要が生じる。このため、光学ユニット構造体に集光レンズ６取付用の複数の装着機構（詳細は図６で後述）を有している。つまり、第１アレイレンズ３の各レンズの像が液晶表示素子１８の同じ位置に重畳するように、集光レンズ６も液晶表示素子１８の複数の表示サイズにそれぞれ対応した所定の位置に配置できる、第２アレイレンズと同様の装着機構を設けている。

なお、Ｌ_１ｉの変化に伴い、光源１の像が、第２アレイレンズ４のレンズセル上に結像するように、第１アレイレンズの曲率を変え、同じくＬ_１ｉ，Ｌ_２ｉの変化に伴い、第１アレイレンズ３のレンズセルの像が液晶表示素子１８上に結像するように、第２アレイレンズ４の各レンズセルの曲率を、数３を満足するように変えることにより、液晶表示素子１８上の照度均一性も実用上問題のないレベルとすることができる。

もし、集光レンズ６が複数のレンズからなる場合は、集光レンズ６の像側焦点距離として複数レンズの合成焦点距離を用いればよいことはいうまでもない。

ところで、前で既に述べたが、液晶表示素子１８ｂを光源側にずらすのは、液晶表示素子１８ｂと光合成プリズム２１ｂと投射レンズ２２ｂとを投射レンズ-プリズムホルダ３１ｂに装着する際に、液晶表示素子１８ｂと光合成プリズム２１ｂとの間隔を最適とすることにより行う。組み上げた投射レンズユニット（図示せず）を光学ユニット構造体２３に装着する時、第１アレイレンズ３ｂと光合成プリズム２１ｂの中心位置との距離が略所定の一定距離となるようにすれば、液晶表示素子１８ｂを光源側にずらすことができる。この時、液晶表示素子１８ｂに対して数２を満足する位置に集光レンズ６用の装着機構が光学ユニット構造体に備えられている。

以上述べた方法により、図１の実施形態においては、表示サイズの異なる液晶表示素子１８（１９）を用いたときに、それぞれ液晶表示素子１８（１９）上での照射有効領域内の照度均一性及び、光利用効率を実用上問題のないレベルとしている。

なお、上記では、液晶表示素子の表示サイズに応じて数１を満足するＬ_１ｉとなる位置に第２アレイレンズ４を移動させるものとしたが、第２アレイレンズ４の位置を固定して第１アレイレンズ３を移動させても数１の式を満足させることができる。しかし、この場合、下記に述べるような不都合がある。

即ち、第２アレイレンズ４，集光レンズ６の位置は固定するので、液晶表示素子の位置も固定となる。液晶表示素子の位置が固定されると、液晶表示素子の表示サイズが小さくなることにより光合成プリズムのサイズも小さくなるので、小さいサイズの液晶表示素子とこれに対応した光合成プリズムの間隔が大きくなり、投射レンズのバックフォーカスが長くなる。本来、液晶表示素子のサイズダウンにともなって投射レンズのサイズも小さくなるが、投射レンズのバックフォーカスが長くなると、サイズを小さくできなくなり、また、投射レンズのコストを押し上げることにもなる。このような事情により、本発明では、第２アレイレンズの位置を移動させるものとした。

図４は図３の変形で、図４と図３の相違点は偏光変換素子５が第２アレイレンズ４より第１アレイレンズ３側に配置されていることにあり、機能は図３に同じで、詳細な説明は省略する。

次にＲ光の照明光学系について述べる。図５は表示サイズの小さい液晶表示素子２０ａと表示サイズの大きい液晶表示素子２０ｂを用いた図１のＲ光の照明光学系を折り返し光路や色分離光路を省略して直線的にそれぞれ示したものである。

図５に示すように、Ｒ光路においても、図３における液晶表示素子１８（１９）とほぼ同等の位置に、第１アレイレンズ３のレンズセル像３０（以下、これを「仮想液晶表示像」と呼ぶ）が形成される。この仮想液晶表示像３０を第１リレーレンズ１５，第２リレーレンズ１６，第３リレーレンズ１７からなるリレーレンズ系により、液晶表示素子２０上にほぼ等倍率で結像する。その際、液晶表示素子２０上での照度均一性を保つために、仮想液晶表示像３０の近傍に第１リレーレンズ１５を配置し、仮想液晶表示像３０からの光束が効率よく第２リレーレンズ１６，第３リレーレンズ１７を通って液晶表示素子２０を照射するようにする。即ち、第１リレーレンズ１５近傍の仮想液晶表示像３０はそのまま液晶表示素子２０にリレーされて結像される。

従って、図５における液晶表示素子２０上での照射有効領域の大きさ、照射有効領域内の照度均一性は図３における液晶表示素子１８（１９）上での照射有効領域の大きさ、照射有効領域内の照度均一性にほぼ等しくなる。

ここで、図５（ａ）から図５（ｂ）のように液晶表示素子２０ｂの表示サイズを大きくする場合、仮想液晶表示像３０ｂの位置が第２アレイレンズ４ｂと集光レンズ６の移動にともない、光源側にずれるため、このずれに応じて、同様に第２リレーレンズ１６と液晶表示素子２０ｂを光源側にずらして、仮想液晶表示像３０ｂが等倍率となるようにする。このため、光学ユニット構造体２３に、異なる表示サイズに対応した第２リレーレンズ１６の位置に第２リレーレンズ１６を装着する装着機構（例えば挿入溝）を設けておけば、光学ユニット構造体２３を共用することができる。

なお、第１リレーレンズ１５に関しては、各仮想液晶表示像３０ａ，３０ｂの中間近傍に配置すれば、液晶表示素子２０ａ，２０ｂ上で充分、照度均一性を保つことができる。

以上のことから、図５における液晶表示素子２０上での照射有効領域の大きさ、照射有効領域内の照度均一性は図３における液晶表示素子１８（１９）上での照射有効領域の大きさ、照射有効領域内の照度均一性にほぼ等しくなり、図５における表示サイズの異なる液晶表示素子２０ａ，２０ｂを用いた場合での液晶表示素子２０上での照射有効領域内の照度均一性及び、光利用効率は、図３と同様である。また、図４と同様に偏光変換素子５が第２アレイレンズ４より第１アレイレンズ３側に配置されていても構わない。

以上述べた実施の形態では、映像表示素子として透過型液晶表示素子を用いたが、これに限定されるものではなく、反射型液晶表示素子やマイクロミラーを用いた場合にも適用できるのは明らかである。なお、マイクロミラーを用いる場合には、液晶表示素子とは異なり偏光作用を利用しないので、偏光変換素子５は不要となる。

次に、本発明による投射型映像表示装置における光学ユニット構造体の第１の実施例について述べる。図６は本発明による第１アレイレンズ、第２アレイレンズ、集光レンズ周辺の光学ユニット構造体の拡大図で、（ａ）図は液晶表示素子の表示サイズが小さい場合に、（ｂ）図は液晶表示素子の表示サイズが大きい場合に対応する。なお、説明を簡略化するために、液晶表示素子としてＢ光用の液晶表示素子１８を代表的に用いて説明する。

図６において、本実施例による光学ユニット構造体２３は、第１アレイレンズ３ａ，３ｂを挿入する共通の第１アレイレンズ挿入溝２４と、第１アレイレンズ３の固定位置に対して、異なる表示サイズを有する液晶表示素子１８ａ，１８ｂにそれぞれ対応した数１を満足するＬ_１ｉとなる位置に第２アレイレンズ４ａ，４ｂを挿入する第２アレイレンズ挿入溝２５ａ，２５ｂと、集光レンズ６を液晶表示素子１８ａ，１８ｂに対応させて挿入する集光レンズ挿入溝２６ａ，２６ｂとを備えている。

図３，図５のように、小さい表示サイズの液晶表示素子１８ａを大きい表示サイズの液晶表示素子１８ｂに置き換える場合、大きい表示サイズの液晶表示素子１８ｂに対応した第１アレイレンズ３ｂは共通挿入溝である第１アレイレンズ挿入溝２４に挿入する。そして、液晶表示素子１８ｂに対応した第２アレイレンズ４ｂは、大きい表示サイズの液晶表示素子１８ｂに対応した数１の式を満足する位置（Ｌ_１ｉ）に設けられた第２アレイレンズ挿入溝２５ｂに挿入する。また、大きい表示サイズの液晶表示素子１８ｂに置き換える場合、光合成プリズム２１ａがサイズの大きな光合成プリズム２１ｂとなるので、液晶表示素子１８ｂの位置が液晶表示素子１８ａの位置から光源側に移動させる必要があり、これにともない、集光レンズ６も光源側に移動するので、集光レンズ６は液晶表示素子１８ｂに対応した挿入溝である集光レンズ挿入溝２６ｂに挿入する。

このようにして、一つの共通な光学ユニット構造体を用いて、異なる表示サイズの映像表示素子にそれぞれ対応した照明光学系と投射光学系を備えた投射型映像表示装置を提供することができる。これにともない、各種型投資の削減、量産効果による各部品コストの低減が図られ、安価に投射型映像表示装置を提供することが可能となる。

なお、本実施例の光学ユニット構造体はニ種類の異なる表示サイズの液晶表示素子に対応した挿入溝を備えているが、これに限定されるものではなく、液晶表示素子の表示サイズの種類がニ種類以上となる場合は、これに応じて挿入溝を多く設けるようにすることはいうまでもない。

また、上記では、第２アレイレンズ４と集光レンズ６の装着機構について述べたが、異なる表示サイズの液晶表示素子を用いて光学ユニット構造体を共用化する場合、図１の照明光学系では、Ｒ光路にリレーレンズ系が用いられるので、光学ユニット構造体に、液晶表示素子の異なる表示サイズに応じた第２リレーレンズ１６装着用の挿入溝を設けるようにするのはいうまでもない。

上記では、光学ユニット構造体に複数の光学素子取付用の挿入溝を設けたが、これに限定されるものではなく、例えばスライド装着機構を用いてもよい。

以下、第２の実施例であるスライド装着機構を備えた光学ユニット構造体について、図７，図８，図９を用いて述べる。図７はスライド装着機構を備えた第１アレイレンズ、第２アレイレンズ、集光レンズ周辺の光学ユニット構造体の断面図、図８はスライド装着機構を備えた光学ユニット構造体に集光レンズを装着するための集光レンズホルダの概観図で、その（ａ）図は概観斜視図、その（ｂ）図は上面図である。図９は光学部品を装着した状態を示す図で、その（ａ）図は液晶表示素子の表示サイズが小さい場合に、（ｂ）図は液晶表示素子の表示サイズが大きい場合に対応する。

なお、図７，図８，図９において、図１，図６に同一な部分には同一符号を付して、その説明を省略する。また、説明を簡略化するために、液晶表示素子としてＢ光用の液晶表示素子１８を代表的に用いて以下説明する。

本実施例による光学ユニット構造体３３は、図７から明らかなように、第１アレイレンズ３ａ，３ｂを挿入する共通の第１アレイレンズ挿入溝２４と、第１アレイレンズ３の固定位置に対して、異なる表示サイズを有する液晶表示素子１８ａ，１８ｂにそれぞれ対応した数１を満足するＬ_１ｉとなる位置に第２アレイレンズ４を挿入する第２アレイレンズ挿入溝２５ａ，２５ｂと、集光レンズ６を保持する図８に示す集光レンズホルダ６０を液晶表示素子１８ａ，１８ｂに対応させて挿入する幅広の集光レンズホルダ挿入溝３６と、集光レンズホルダ６０を光学ユニット構造体３３に取り付けるネジ穴３７とを備えている。

本実施例では、集光レンズを保持した集光レンズホルダ６０が長穴形状のスライド穴６１を介して幅広の集光レンズホルダ挿入溝３６内の一方の端部（図９の端部Ａまたは端部Ｂ）にスライドされて固定される。即ち、端部Ａに配置された集光レンズ位置と端部Ｂに配置された集光レンズ位置との距離が液晶表示素子を表示サイズの小さいものから大きいものにする際の移動距離と略一致するように集光レンズホルダ挿入溝３６の溝幅が設定されている。

図９において、小さい表示サイズの液晶表示素子１８ａを用いた投射型映像表示装置では、液晶表示素子１８ａに対応する第１アレイレンズ３ａは光学ユニット構造体３３の第１アレイレンズ挿入溝２４に挿入し、第２アレイレンズ４ａは、光学ユニット構造体３３の第２アレイレンズ挿入溝２５ａに挿入する。そして、集光レンズ６は集光レンズホルダ６０で保持し、その集光レンズホルダ６０は光学ユニット構造体３３の集光レンズホルダ挿入溝３６に挿入し、スライド穴６１を介してネジ３８でネジ穴３７に固定する。図９（ａ）で図示するように、スライド穴６１は長穴となっており、ネジ３８で光学ユニット構造体３３に固定する際、集光レンズホルダ挿入溝３６内で集光レンズホルダ６０が第２アレイレンズ４ａとは逆側端で保持されるようにする。この保持状態が図６（ａ）の装着状態に対応する。

図９（ａ）の状態から、液晶表示素子を表示サイズの大きな液晶表示素子１８ｂに置き換える図９（ｂ）の場合、大きい表示サイズの液晶表示素子１８ｂに対応した第１アレイレンズ３ｂは共通挿入溝である第１アレイレンズ挿入溝２４に挿入し、液晶表示素子１８ｂに対応した第２アレイレンズ４ｂは、大きい表示サイズの液晶表示素子１８ｂに対応した数１の式を満足する位置（Ｌ_１ｉ）に設けられた第２アレイレンズ挿入溝２５ｂに挿入する。そして、集光レンズ６を保持する集光レンズホルダ６０は、集光レンズホルダ挿入溝３６内で第２アレイレンズ４ｂ側端で保持されるようにする。この保持状態が図６（ｂ）の装着状態に対応する。

以上のべたように、挿入溝による装着機構のみならず、スライド装着機構を用いても光学ユニット構造体を共用化することができる。

本実施例では、集光レンズ６の装着機構としてスライド装着機構を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば第２アレイレンズにも適用できることはいうまでもない。

本発明の投射型液晶表示装置の一実施形態を示す光学系の構成図である。 光源からＢ光用の液晶表示素子までの照明光学系の構成図である。 表示サイズがそれぞれ異なる液晶表示素子に対応する照明光学系の構成図である。 図３の変形を示す照明光学系の構成図である。 図３にリレーレンズを用いた照明光学系の構成図である。 第１の実施例によるアレイレンズ、集光レンズの周りの光学ユニット構造体を示す図である。 第２の実施例によるスライド装着機構を備えたアレイレンズ、集光レンズ周辺の光学ユニット構造体の断面図である。 集光レンズホルダの概観図である。 第２の実施例による光学部品を装着した状態を示す図である。

符号の説明

１…光源、２…反射鏡、３…第１アレイレンズ、４…第２アレイレンズ、５…偏光変換素子、６…集光レンズ、７…スクリーン、８…反射ミラー、９…反射ミラー、１０…反射ミラー、１１…ダイクロイックミラー、１２…ダイクロイックミラー、１３…コンデンサレンズ、１４…コンデンサレンズ、１５…第１リレーレンズ、１６…第２リレーレンズ、１７…第３リレーレンズ、１８…映像表示素子、１９…映像表示素子、２０…映像表示素子、２１…光合成プリズム、２２…投射レンズ、２３…光学ユニット構造体、２４…第１アレイレンズ挿入溝、２５…第２アレイレンズ挿入溝、２６…集光レンズ挿入溝、３０…仮想液晶表示像、３１…投射レンズ-プリズムホルダ、３３…光学ユニット構造体、３６…集光レンズホルダ挿入溝、３７…ネジ穴、３８…ネジ、６０…集光レンズホルダ、６１…スライド穴。

Claims (3)

1. 光源と、映像表示素子と、前記光源からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、これらを取り付けるための筐体に内包されるもしくは一体となっている光学ユニット構造体を有する投射型映像表示装置において、
   前記光学ユニット構造体は、表示サイズが1.05倍以上異なる少なくとも二種類の映像表示素子が装着可能に構成されており、
   前記照明光学系は、複数のレンズセルがマトリックス状に配設された第１のアレイレンズと、複数のレンズセルが前記第１のアレイレンズのレンズセルにそれぞれ対応してマトリックス状に配設された第２のアレイレンズと、集光レンズとにより、前記光源側からこの順で構成されるオプチカルインテグレータからなり、
   装着する前記映像表示素子の表示サイズの対角長さをｓ、同じアスペクト比の前記第１のアレイレンズの各レンズセルの対角の長さをｂ、前記第２のアレイレンズと前記第１のアレイレンズ間の距離をＬ1、前記第２のアレイレンズと前記集光レンズ間の距離をＬ2、前記集光レンズと前記映像表示素子間の距離をＬ3、前記第２のアレイレンズの焦点距離をｆ1、前記集光レンズの焦点距離をｆ2、前記第２のアレイレンズと前記集光レンズとの合成レンズの合成焦点距離をｆ12とするとき、
   前記光学ユニット構造体は、前記第１のアレイレンズの装着位置を固定位置とする挿入溝をもち、前記第１のアレイレンズの装着位置を変えることなく、装着可能な複数の前記映像表示素子の各々に対応させて、前記映像表示素子の表示サイズに応じて下式を満足する位置に前記第２のアレイレンズと前記集光レンズのそれぞれに挿入溝を複数用意し、いずれかの挿入溝に前記第２のアレイレンズと前記集光レンズとを配置可能な装着機構を有し、
   前記第１のアレイレンズの各レンズセルの像を前記映像表示素子上に結像させるように構成したことを特徴とする投射型映像表示装置。
   Ｌ1≒Ｌ3×ｂ/ｓ …（数１）
   Ｌ3≒ｆ2 ＝ const …（数２）
   1 / (Ｌ1 + Ｐ1 ) + 1 / (Ｌ3 + Ｐ3 ) ＝ 1 / ｆ12
   ＝ 1 /ｆ1 + 1 /ｆ2 − Ｌ2 / (ｆ1 ×ｆ2 ) …（数３）
   但し、 Ｐ1＝(Ｌ2×ｆ1 ) / ( ｆ1 + ｆ2 − Ｌ2 )
   Ｐ3＝(Ｌ2×ｆ2 ) / ( ｆ1 + ｆ2 − Ｌ2 )
2. 光源と、映像表示素子と、前記光源からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、これらを取り付けるための筐体に内包されるもしくは一体となっている光学ユニット構造体を有する投射型映像表示装置において、
   前記光学ユニット構造体は、表示サイズが1.05倍以上異なる少なくとも二種類の映像表示素子が装着可能に構成されており、
   前記照明光学系からの光を複数の色光に分離する色分離光学系と、該色分離光学系で分離された各々の色光の光路上に配置された複数個の前記映像表示素子と、前記映像表示素子と前記投射レンズの間に配置され前記映像表示素子からの複数の色光をひとつに合成する光合成プリズムとを備え、
   前記照明光学系は、複数のレンズセルがマトリックス状に配設された第１のアレイレンズと、複数のレンズセルが前記第１のアレイレンズのレンズセルにそれぞれ対応してマトリックス状に配設された第２のアレイレンズと、集光レンズとにより、前記光源側からこの順で構成されるオプチカルインテグレータからなり、
   装着する前記映像表示素子の表示サイズの対角長さをｓ、同じアスペクト比の前記第１のアレイレンズの各レンズセルの対角の長さをｂ、前記第２のアレイレンズと前記第１のアレイレンズ間の距離をＬ1、前記集光レンズと前記映像表示素子間の距離をＬ3、前記集光レンズの焦点距離をｆ2とするとき、
   装着する前記映像表示素子に対応した所定サイズの前記光合成プリズムの中心位置と前記第１のアレイレンズの位置とを所定の距離とするとともに、
   前記光学ユニット構造体は、前記第１のアレイレンズの装着位置を固定位置とする挿入溝をもち、前記第１のアレイレンズの装着位置を変えることなく、装着可能な複数の前記映像表示素子の各々に対応させて、前記映像表示素子の表示サイズに応じて下式を満足する位置に前記第２のアレイレンズと前記集光レンズのそれぞれに挿入溝を複数用意し、いずれかの挿入溝に前記第２のアレイレンズと前記集光レンズとを配置可能な装着機構を有し、
   前記第１のアレイレンズの各レンズセルの像を前記映像表示素子上に結像させるように構成したことを特徴とする投射型映像表示装置。
   Ｌ1≒Ｌ3×ｂ/ｓ …（数１）
   Ｌ3≒ｆ2 ＝ const …（数２）
3. 請求項１あるいは請求項２に記載の投射型映像表示装置において、
   前記第２のアレイレンズあるいは前記集光レンズのいずれかは、長穴のスライド穴を有するホルダに装着され、前記映像表示素子の表示サイズに応じて、前記スライド穴により位置調整可能に前記挿入溝に配置されることを特徴とする投射型映像表示装置。

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