JP4665630B2 - 投射型映像表示装置およびオプチカルインテグレータ - Google Patents

Description

本発明は、偏光変換素子に関し、特に、一対のアレイレンズを有するオプチカルインテグレータに組み合わされて偏光変換インテグレータを構成する偏光変換素子のコストを抑えつつ、光利用効率、照度むら、照度比を改善することのできる投射型映像表示装置およびオプチカルインテグレータに関する。

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リフレクタ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、２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。これらの技術については、例えば、特開平１０−１７１０４５号公報や特開平１１−２８１９２３号公報に記載されている。

特に、映像表示素子として液晶パネルが用いられた場合、光利用効率を高めるために、アレイ状に配置された複数の平行四辺形柱透光性部材の界面に交互に形成された偏光ビームスプリッタ膜と反射膜とにより偏光分離を行い、一方の偏光の出射側に配置された１／２λ位相差板により所定の偏光波に揃えて出射させる偏光変換機能を備えた偏光変換素子を前記オプチカルインテグレータと組み合わせた所謂偏光変換インテグレータ方式が用いられる。この種の技術は、例えば特開平１０−１７１０４５号公報に記載されている。偏光変換素子については、例えば特開２００３−２８７７１９号公報に記載されている。

特開平１０−１７１０４５号公報 特開平１１−２８１９２３号公報 特開２００３−２８７７１９号公報

しかしながら、従来の偏光変換インテグレータを用いた投射型液晶表示装置には、次のような課題を有していた。

偏光変換インテグレータを用いた投射型液晶表示装置においては、ランプの電球から放射される光は例えば放物面のリフレクタで反射されて照明光軸に平行となり、第１アレイレンズに入射される。第１アレイレンズは、入射した光をマトリ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アレイレンズと偏光変換素子を通過するように導く。即ち、第１アレイレンズはランプと第２アレイレンズ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。なお、第１アレイレンズは、液晶パネルと同じアスペクト比である。また、マトリ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アレイレンズのレンズセルの形状を液晶表示素子に投影する。この時、偏光変換素子で第２アレイレンズからの光は所定の偏光方向に揃えられ、そして、第１アレイレンズの各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ、コンデンサレンズを介して、液晶表示素子上に重ね合わせられる。なお、第２アレイレンズとこれに近接して配設される集光レンズとは、第１アレイレンズと映像表示素子とが、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アレイレンズで複数に分割された光束は、第２アレイレンズと集光レンズによって、液晶表示素子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。

ここで、液晶表示素子の表示サイズの対角長さをｓｉ、第１アレイレンズの各レンズセルの対角の長さをｂｉ、第１アレイレンズと第２アレイレンズ間の距離をＬ１ｉ、集光レンズと液晶表示素子間の距離をＬ２iとする。

前述したように、第２アレイレンズ４００とこれに近接して配設される集光レンズとは、第１アレイレンズの各レンズセルと液晶表示素子とが、共役な関係になるように設計されており、放物面のリフレクタから照明光軸に平行な光束を受けて、第１アレイレンズの各レンズセルの形状が液晶表示素子上に結像する。従って、液晶表示素子上に結像される第１アレイレンズのレンズセル像の倍率ｓｉ/ｂｉは、近似的に数１のように表される。即ち、液晶表示素子上に形成される照射有効領域の大きさは、第１アレイレンズのレンズセルにおける光学像の大きさに略比例する。
（数１） ｓｉ/ｂｉ≒Ｌ２i/Ｌ１ｉ
液晶表示素子のサイズｓｉが決まれば、集光レンズから液晶表示素子までの距離Ｌ２ｉは、ほぼ一意的に決まる。従って、照明光学系のパラメータは第１アレイレンズの各レンズセル対角の長さｂｉと第１アレイレンズと第２アレイレンズ間の距離Ｌ１ｉとなる。

リフレクタの外形サイズが決まれば、第１アレイレンズの外形サイズも一意的に決まる。一方、第１アレイレンズのセル分割数を少なくして各レンズセルの対角の長さｂｉを長く（すなわちセルサイズを大きく）すれば、各セルを通過する光の照度分布が不均一となる。従って、各セルを通過した光が重畳する液晶表示素子上の照度も不均一となる。また、第１アレイレンズの各レンズセルの対角長が長いと、数１より、第１アレイレンズと第２アレイレンズ間の距離Ｌ１ｉが大きくなり、偏光変換素子での光通過率が低下する。これは、第１アレイレンズと第２アレイレンズ間の距離Ｌ１ｉが長いと、第１アレイレンズにより第２アレイレンズ直後に結像するランプの光源像が大きくなり、偏光変換素子５００ｂでの通過率が低下するためである。また、第１アレイレンズの各レンズセルのｂｉが長いと投射型映像表示装置のサイズも大型化する。しかし、第１アレイレンズの分割数が少なくなると、それに対応した偏光変換素子の列数が減り、偏光変換素子のコストは下がる。

一方、第１アレイレンズのセル分割数を多くして各レンズセルの対角の長さｂｉを短く（すなわちセルサイズを小さく）すれば、各セルを通過する光の照度分布が均一となるため、各セルを通過した光が重畳する液晶表示素子１８上の照度も均一となる。また、第１アレイレンズのｂｉが短いと、数１より、第１アレイレンズと第２アレイレンズ間の距離Ｌ１ｉが短くなり、偏光変換素子での光通過率が向上する。これは、第１アレイレンズと第２アレイレンズ間の距離Ｌ１ｉが短いと、第１アレイレンズにより第２アレイレンズ直後に結像するランプの光源像が小さくなり、偏光変換素子での通過率が向上するためである。また、第１アレイレンズのｂｉが短いと投射型映像表示装置の小型化が可能となる。しかし、第１アレイレンズの分割数が多くなると、それに対応した偏光変換素子の列数が増え、偏光変換素子のコストが上がってしまう。

しかしながら、従来の技術では、偏光変換素子の列数を減らして、コストを下げようとすると、アレイレンズの分割数が少なくなり、照度均一性と光利用効率が低下し、投射型映像表示装置の大型化を招く。また、照度均一性、光利用効率を向上し、投射型映像表示装置を小型化するために、アレイレンズの分割数を多くすると、偏光変換素子の列数が増えるためコストが上がってしまっていた。

本発明の目的は、偏光変換素子のコストを抑えつつ、照度均一性と光利用効率の向上、及び装置の小型化が図れる投射型映像表示装置を提供することにある。

本発明では、投射型映像表示装置において、投射型映像表示装置の偏光変換素子における偏光変換ユニットの所定方向の配列数よりも、アレイレンズの同じ方向の分割数を大きくする構成とする。

偏光変換素子のコストが抑えられつつ、照度均一性と光利用効率が向上し、装置の小型化が可能な投射型映像表示装置を提供できる。

以下、本発明の形態について、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２は本発明による一実施形態に係わる偏光変換インテグレータを用いた投射型液晶表示装置の光学系の概略構成図である。図２において、ランプ１は、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。リフレクタ２は、ランプ１を背後側から覆うように配置された、回転放物面形状の反射面を有するもので、円形ないし、多角形の出射開口を持つ。ランプ１から出射した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。

ランプ１から出射した光は、例えば回転放物面形状の反射面を有するリフレクタ２を反射して、照明光軸１００に平行となり、偏光変換インテグレータに入射する。

偏光変換インテグレータは、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズからなる均一照明行うオプチカルインテグレータと、偏光方向を所定偏光方向に揃える偏光変換素子５（詳細は後述）とで構成される。

第１アレイレンズ３は、照明光軸方向から見て液晶表示素子とほぼ相似な矩形形状を有する複数のレンズセルがマトリクス（２次元）状に配設されたもので、光源から入射した光を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はランプ１と第２アレイレンズ４の各レンズセルとが光学的に共役な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、照明光軸方向から見て矩形形状の複数のレンズセルがマトリクス状に配設された構成を有する第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（写像）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の各レンズセルと液晶表示素子１８、１９、２０とが、光学的に共役な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、１９、２０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。

以上述べたように、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とで構成された偏光変換インテグレータは、光源からの偏光方向がランダムな光を所定偏光方向に揃えながら、液晶表示素子を均一照明することができる。

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。

ダイクロイックミラー１１を反射したＢ光は、反射ミラー１０を反射し、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に入射する。一方、ダイクロイックミラー１１を透過したＧ光及びＲ光の内、Ｇ光はダイクロイックミラー１２を反射して、コンデンサレンズ１４を通してＧ光用液晶表示素子１９に入射し、この液晶表示素子１９を透過して光合成プリズム２１に入射する。また、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に入射する。液晶表示素子２０を透過したＲ光は光合成プリズム２１に入射する。

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によりスクリーン上に拡大投影され表示装置として機能するものである。

なお、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。

以下、本実施形態により、偏光変換素子のコストが抑ええられたまま、照度均一性、光利用効率が向上し、映像表示装置が小型化できる理由を、図１を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係わる偏光変換インテグレータの要部構成を拡大して示した図である。図１（ａ）は本発明の実施形態を示す偏光変換インテグレータの要部構成図で、図１（ｂ）は、図１（ａ）の偏光変換素子の拡大詳細図である。

ここで、以降の説明を容易とするために、直交座標系を導入する。照明光軸方向をＺ軸とし、液晶表示素子の矩形照射有効領域の長辺に平行な方向の軸をＹ軸とし、矩形有効表示領域の短辺に平行な方向の軸をＸ軸（図１紙面に垂直）とする。すなわち、第１アレイレンズ、第２アレイレンズを構成するレンズセルは、Ｘ軸、Ｙ軸方向の両方向に配列されているものとする。そして、図１は偏光変換インテグレータをＸ軸方向から見た上面図である。

まず、上記理由を述べる前に、偏光変換素子５の構成について説明する。図１（ｂ）において、偏光変換素子５は、例えば液晶表示素子の短辺に平行な方向であるＸ軸方向（図１紙面に垂直な方向）に沿って伸びた平行四辺形柱である透光性部材５１が、照明光軸１００方向（Ｚ軸方向）に対して直交する面（ＸＹ平面）に平行してＹ軸方向に複数アレイ状に配列され、アレイ状に配列され隣接する透光性部材５１間の界面に交互に偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」と省略する）膜５２と反射膜５３が形成されている。また、偏光変換素子５の入射側の開口部５５を通り、ＰＢＳ膜５２を透過した光が出射する出射面には１／２λ位相差板５４が備えられている。

偏光変換素子５は、照明光軸１００と平行四辺形柱の透光性部材５１の延伸方向（Ｘ軸方向）とで形成される面（照明光軸１００を含むＸＺ平面であり、以下、この面を便宜上「光軸面」と称する）Ｓ１００に対して、対称に構成されている。図１紙面右側では透光性部材５１の傾きは光軸面Ｓ１００に対して４５度右上がりで、図１紙面左側では透光性部材５１の傾きは光軸面Ｓ１００に対して４５度右下がりである。ＰＢＳ膜と反射膜の順序も光軸面Ｓ１００に対して対称で、図１紙面右側では、光軸面Ｓ１００に対して照明光軸１００から右側に向けてＰＢＳ膜、反射膜、ＰＢＳ膜、反射膜、…の順序である。また、図１紙面左側では、光軸面Ｓ１００に対して照明光軸１００から左側に向けてＰＢＳ膜、反射膜、ＰＢＳ膜、反射膜、…の順序で形成されている。

以上のように構成された偏光変換素子５に、第１アレイレンズ３（３００）、第２アレイレンズ４（４００）を通って開口部５５の一つ（例えば開口部５５６）に入射した光Ｌ（Ｌ’）のうち、例えばＳ偏光の光はＰＢＳ膜５２で反射され、対向する反射ミラー５３で反射されてＳ偏光で出射する。またＰ偏光の光はＰＢＳ膜５２を透過し、出射面の１／２λ位相差板５４によりＳ偏光に変換されて出射する。偏光変換素子５は、このような基本と成る偏光変換ユニット５０がＹ軸方向に複数（例えば図１では６個）配列された構成構成を有し、入射した光の偏光方向を所定偏光方向の光に揃えて出射させる偏光変換機能を有している。なお、以下偏光変換ユニット、開口部を特定する場合には、図１紙面左端側から数えた数字１〜６を添えて示す。

次に、上記理由について述べる。

本実施形態では、偏光変換素子５のコストが上昇するのを抑えるために、従来技術と同一の偏光変換素子５を使用することができる。特許文献３の図１２に記載されているように、偏光変換素子は、例えばＰＢＳ膜と反射膜とが両面に形成された板ガラスと、何も形成されてない板ガラスとを交互に貼り合わせるので、張り合わせ枚数が多くなるとコストアップを招く。従って、ここでは基本となる偏光変換ユニット５０が６個のものを用いるものとする。なお、光軸面Ｓ１００に対称なので、基本となる偏光変換ユニットの数は偶数となる。

また、より均一な照明光束とするために、図１（ａ）のように、第１アレイレンズ３、第２アレイレンズ４としては、各セルサイズを小さくし分割数を増やすことで、列数を従来（６列）より１列増やし奇数列（ここでは偏光変換ユニットの数６に１を加算した７列）とする。なお、ここでいう列数とは、液晶表示素子の照射有効領域の長辺方向（Ｙ軸方向）の列数を指すものである。また、列数を１列増やしても、アレイレンズは金型を用いて成形するので、偏光変換素子に比べてそれ程のコストアップを招くこともない。

列数増加に伴い、光軸面Ｓ１００上に第１アレイレンズ、第２アレイレンズの図１紙面左から４番目のレンズセル列（中心の列）が位置する特徴を有する。そして、第２アレイレンズ４の中心３列（図１紙面左から３番目〜５番目のレンズセル列）を通過する光束が、偏光変換素子５の中心２列に入射するように、第１アレイレンズ３の各レンズセルの光軸位置、第２アレイレンズ４の各レンズセルの光軸位置、形状を決める。なお、アレイレンズの各レンズセルの光軸位置とは、各レンズセルのレンズ曲率中心を示す軸位置を指し、以下、照明光軸との混同を避けるために、光軸を「曲率中心軸」と称する。

また、分割数が増え、第１アレイレンズの各レンズセルの形状が小さくなったことにより、数１より、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４の間の距離を短くすることができる。これにより、照度均一性と光利用効率が向上する。

以上のように、本発明の実施形態によれば、偏光変換素子５のコストが抑えられたまま、従来に比べ照度均一性と光利用効率が向上し、映像表示装置の小型化が可能となる。

上記では、偏光変換素子のコストを抑えながら、従来に比べ照度均一性と光利用効率を向上させ、映像表示装置を小型化させる手法について、光線図を用いて概念的に説明した。次に、本実施形態に基づく第１アレイレンズ、第２アレイレンズの形状、曲率中心軸について、図１、図３、図４、図５を用いて述べる。本例ではアレイレンズの列数を７列、偏光変換素子を構成する偏光変換ユニットの列数を６列とする。

図３は図２で述べた本発明における投射型液晶表示装置において、光源から液晶表示素子までの照明光学系の光路上の各光学素子を、簡易的に直線的に図示したものである。図４は図１（ａ）における第1アレイレンズの中心列に入射した光線の光路を示す拡大図である。図５は第２アレイレンズに入射する光の分布を示す図である。

まず、図３を用いて、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４の間の距離と、第１アレイレンズ３の各レンズセルの形状を求める方法を説明する。液晶表示素子１８の表示サイズの対角長さをｓｉ、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ｂｉ、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４間の距離をＬ１ｉ、集光レンズ６と液晶表示素子１８間の距離をＬ２ｉとすると、前述の数式１で示すように、液晶表示素子１８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。

第１アレイレンズ３を構成するレンズセルと液晶表示素子１８はほぼ相似の関係にあるため、液晶表示素子１８の表示サイズの横幅をｓ’ｉ、同アスペクト比の第１アレイレンズ３の各レンズセルの横幅をｂ’ｉとすると、その比は数２で表すことができる。
（数２）ｓ’ｉ/ｂ’ｉ≒Ｌ２i/Ｌ１ｉ
液晶表示素子１８のサイズ（ｓｉ、ｓ’ｉ）が決まれば、集光レンズ６から液晶表示素子１８までの距離Ｌ２iもほぼ一意的に決まるため、ｓ’ｉとＬ２iを定数として、数２は数２’に変形できる。
（数２’）Ｌ１ｉ/ｂ’ｉ≒Ｌ２i/ｓ’ｉ
本実施例において、アレイレンズの列数は7列であるため、リフレクタ２の水平方向（Ｙ軸方向）の有効範囲をＫとすると、第１アレイレンズ３の各レンズセルの対角の長さｂ’ｉを数３で表すことができる。
（数３）ｂ’ｉ≒Ｋ÷7
各レンズセルの横幅が求まれば、液晶表示素子と相似なアスペクト比から、各レンズセルの形状が決まる。また、数２’と数３より、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４間の距離Ｌ１ｉは数４として表すことができる。
（数４）Ｌ１ｉ≒（Ｋ÷7）×（Ｌ２i/ｓ’ｉ）
以上のように、第１アレイレンズ３のレンズセルサイズと第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４の間の距離を求めることができる。

次に、第１アレイレンズ３の各レンズセルの曲率と曲率中心軸位置を求める方法を図１（a）を用いて説明する。

第１アレイレンズ３のレンズセルの曲率に関しては、第１アレイレンズ３に照射光軸方向と平行に入射した光が、偏光変換素子５の開口部直前で最も集光するように曲率を決定する。図１（a）に示すように、第１アレイレンズ３のレンズセルの曲率中心軸位置に関しては、第１アレイレンズ３の各レンズセル列を通過した光Ｌ２９〜Ｌ３５が、それぞれ偏光変換素子５の開口部５５１〜５５６を通過するように決定する。具体的には、第1アレイレンズ３の左から１番目の列を通過する光Ｌ２９は、偏光変換素子５の開口部５５１を通過し、第1アレイレンズ３の左から２番目の列を通過する光Ｌ３０は、偏光変換素子５の開口部５５２を通過し、第1アレイレンズ３の左から３番目の列を通過する光Ｌ３１は、偏光変換素子５の開口部５５３を通過し、第1アレイレンズ３の左から５番目の列を通過する光Ｌ３３は、偏光変換素子５の開口部５５４を通過し、第1アレイレンズ３の左から６番目の列を通過する光Ｌ３４は、偏光変換素子５の開口部５５５を通過し、第1アレイレンズ３の左から７番目の列を通過する光Ｌ３５は、偏光変換素子５の開口部５５６を通過するように、第１アレイレンズ３の各列のレンズセルの曲率中心軸位置を決定する。第1アレイレンズ３の左から４番目の列（中心列）を通過する光Ｌ３２の曲率中心軸位置は、照明光学系の照明光軸位置と一致するように、曲率中心軸位置を決定する。すなわち、図１に関して述べたように、光Ｌ３２の曲率中心軸位置が前記した光軸面Ｓ１００上にあるように設定する。

本実施の形態では、偏光変換素子５の中心軸を挟んだ左右２列に、第２のアレイレンズ４を経由して第１のアレイレンズの中心３列で分割した光が入射する構成となっている。従って、第１のアレイレンズの中心列のレンズセルの曲率の中心は、照明光軸の方向と一致し、中心列を挟んで両側に配列されたレンズセルの曲率の中心は、前記中心列のレンズセルの曲率の中心を軸として対称となっている。

また、第2のアレイレンズにおいても、中心３列を透過した光が偏光変換素子５の中心軸を挟んだ左右２列に入射する構成としている。従って、第１のアレイレンズと同様に、第2のアレイレンズの中心列のレンズセルの曲率の中心は、照明光軸の方向と一致し、中心列を挟んで両側に配列されたレンズセルの曲率の中心は、前記中心列のレンズセルの曲率の中心を軸として対称となっている。

次に、図４を用いて、第２アレイレンズ３の左から４番目の列（中心列）を通過する光Ｌ３２が偏光変換素子５を通過する光路について説明する。図４に示すように、第２アレイレンズ３の左から４番目の列（中心列）を通過する光Ｌ３２の一部は、偏光変換素子５の開口部５５３を通過し、偏光変換ユニット５０_３で偏光変換され、一部は開口部５５４を通過し、偏光変換ユニット５０_４で偏光変換される。どちらの開口部を通過した光も偏光変換素子５により偏波を揃えられ、有効利用される光となる。

次に、第２アレイレンズ４の各レンズセルの形状を求める方法を図５を用いて説明する。第１アレイレンズ３のレンズセルの曲率はランプ１のアーク像が第２アレイレンズ４に結像するように決められるため、図５に示すように、第２アレイレンズ４の位置にできる光の分布は、ランプ１のアーク像がアレイレンズの分割数分、投影された分布となる。図５において、４１は、第２アレイレンズのレンズセルである。本実施例では、第２アレイレンズの縦中心および横中心に配置されるレンズセルの形状を他のレンズセルに比べて狭く配置する構成としている。

ここで、第１アレイレンズと第２アレイレンズの中心列を構成する各レンズセルの曲率中心軸は、図１（ａ）から明らかなように、照明光学系の照明光軸１００と中心列の延伸方向（液晶表示素子の短辺に平行な方向であるＸ軸方向）とで形成される光軸面Ｓ１００上にあるので、第２アレイレンズ４の中心列を通過する光Ｌ３２は、横幅が非常に狭い分布となる。本実施の形態はこの分布性質に着目したものであって、第２アレイレンズ４の中心列のレンズセル形状も横幅を狭い形状としている。このように中心列のレンズセル形状を狭くすることにより、第２アレイレンズ４の中心列と隣り合う列のレンズセルを通過する光Ｌ３１、Ｌ３３を、偏光変換素子５の開口部５５３、５５４に通過させることができる。つまり、第２アレイレンズ４上に形成された、ランプ１のアーク像の形状に合わせて、第２アレイレンズ４の各レンズセル形状４１を決定すれば、光源からの光が効率よく偏光変換素子５を通過するようにすることができる。第２アレイレンズ４の各レンズセルの曲率と曲率中心軸位置は、第１アレイレンズ３の各レンズセルの像が、液晶表示素子１８に重畳して結像するように、集光レンズ６の曲率と合わせて決定する。

なお、偏光変換素子５の開口部５５３（５５４）には、光Ｌ３１（光Ｌ３３）と光Ｌ３２が入射するので、第２アレイレンズ４の中心列を構成するレンズセルの幅Ｗｍは、開口部５５の幅Ｗｐの２／３以下とするのが望ましい。すなわち、第２アレイレンズの中心３列を通過する光が均等な横幅であるとすると、これらの光が偏光変換素子の中心２列を通過するために必要な、中心３列の第２アレイレンズのセルサイズは、偏光変換素子の開口部幅Ｗｐの２／３となる。実際は、第２アレイレンズの中心列を通過するの光は、隣り合う列を通過する光より横幅が狭いため、中心列のセル横幅ＷｍはＷｐの２／３以下とすればよいことになる。

なお、上記例では、アレイレンズの縦方向と横方向の分割数を、偏光変換素子の縦、横の列数よりも、各々多く分割し、の第２アレイレンズの縦と横における中心列のレンズセルの形状を狭くする構成の例を説明したが、この構成に限るものではない。例えば、アレイレンズの縦方向または横方向のいずれかの文化通数を、偏光変換素子の対応する列数よりも多く分割する構成とし、多く分割した方向の中心列のレンズセルの形状のみを狭くする構成としてもよい。

上記のような構成により、偏光変換素子の列数を抑えたまま、アレイレンズのセル分割数を増やすことができるため、第１アレイレンズと第２アレイレンズの間の距離を小さくでき、照度均一性、光利用効率が向上し、映像表示装置の小型化が可能となる。

偏光変換インテグレータの要部構成例の拡大図である。 投射型液晶表示装置の光学系の概略構成図である。 偏光変換インテグレータを用いた照明光学系の概略図である。 偏光変換インテグレータにおける第1アレイレンズの中心列に入射した光線の光路を示す拡大図である。 偏光変換インテグレータにおける第２アレイレンズに入射する光の分布を示す図である。

符号の説明

１…ランプ、２…リフレクタ、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、１９、２０…液晶表示素子、２１…光合成プリズム、２２…投射レンズ、Ｌ２９、Ｌ３０、Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４、Ｌ３５…第１アレイレンズに入射する光束、４１…第２アレイレンズのレンズセル形状、５０…偏光変換ユニット、５１…透光性部材、５２…ＰＢＳ膜、５３…反射膜、５４…１／２λ位相差板、５５…開口部、１００…照明光軸、Ｓ１００…光軸面、３００…第１アレイレンズ、４００…第２アレイレンズ、５００…偏光変換素子

Claims (8)

1. 光源と、前記光源が出射する光を用いて光学像を形成する映像表示素子と、光学像を拡大して投影する投射レンズを有する投射型映像表示装置であって、
   前記映像表示素子に入射する光を所定の偏光光として出射する偏光変換素子であって、第１の方向に中心軸を対称に偶数列配列される複数のユニットを有する偏光変換素子と、
   前記第１の方向に前記複数のユニットの列数よりも多い奇数列配置される複数の第１のレンズセルを有する第１のアレイレンズと、
   前記第１のアレイレンズの各々の第１のレンズセルに各々対応して前記第１の方向に奇数列配置される複数の第２のレンズセルを有し、前記第１のアレイレンズ及び前記偏光変換素子の間に配置される第２のアレイレンズを備え、
   前記第１の方向の中心列の第２のレンズセルの幅は他の列の幅よりも狭い、投射型映像表示装置。
2. 前記第１のアレイレンズは、前記第１の方向の中心列の両側に配置される第１のレンズセルが、前記中心列に配置される第１のレンズセルの曲率中心軸を軸として対称となる曲率中心軸を備える、請求項１記載の投射型映像表示装置。
3. 前記第２のアレイレンズは、前記第１の方向の中心列の両側に配置される第２のレンズセルが、前記中心列に配置される第２のレンズセルの曲率中心軸を軸として対称となる曲率中心軸を備える、請求項１記載の投射型映像表示装置。
4. 前記第１の方向の中心列及び前記中心列の両側の列の第２のレンズセルを通過する光は、前記複数のユニットのうち前記中心軸を挟む二つの列に配置される二つのユニットを通過する、請求項１記載の投射型映像表示装置。
5. 光源と、前記光源が出射する光を用いて光学像を形成する映像表示素子と、光学像を拡大して投影する投射レンズを有する投射型映像表示装置であって、
   前記映像表示素子に入射する光を所定の偏光光として出射する偏光変換素子であって、第１の方向に中心軸を対称にｎ（ｎは偶数）列配列される複数のユニットを有する偏光変換素子と、
   前記第１の方向に少なくともｎ＋１列配置される複数の第１のレンズセルを有する第１のアレイレンズと、
   前記第１の方向に少なくともｎ＋１列配置され、前記第１のアレイレンズの各々の第１のレンズセルに各々対応する複数の第２のレンズセルであって、前記第２のレンズセルのうち、一部の隣り合った複数列の第２のレンズセルから出射する光が前記複数のユニットの１つに入射する第２のレンズセルを含む第２のアレイレンズを備える、投射型映像表示装置。
6. 前記偏光変換素子は前記第１の方向に線対称に偶数列配列される前記複数のユニットを有し、前記第２のアレイレンズは、前記第１の方向に奇数列配置される第２のレンズセルを有し、
   前記一部の隣り合った複数列の第２のレンズセルは、前記第１の方向に配列された中心３列に配置される第２のレンズセルであり、前記中心３列に配置される第２のレンズセルを通過する光は前記偏光変換素子の中心２列に配置される複数のユニットに入射する、請求項５記載の投射型映像表示装置。
7. 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、光学像を拡大して投影する投射レンズを有する投射型映像表示装置において、
   前記照明光学系は、複数の開口形状のレンズ素子をマトリックス状に配列した第１のアレイレンズ及び第２のアレイレンズと、前記第１のアレイレンズよりも前記第２のアレイレンズに近い位置に配置される偏光変換素子を有し、
   前記偏光変換素子は、前記映像表示素子に入射する光を所定の偏光光として出射し、第１の方向に線対称に偶数列配列される複数のユニットを有し、
   前記第１のアレイレンズは、前記第１の方向に前記複数のユニットの列数よりも多い奇数列配置される複数の第１のレンズセルを有し、
   前記第２のアレイレンズは、前記第１のアレイレンズの各々の第１のレンズセルに各々対応して前記第１の方向に奇数列配置される複数の第２のレンズセルを有し、
   前記第１の方向の中心列の第２のレンズセルの幅は他の列の幅よりも狭い、投射型映像表示装置。
8. 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、光学像を拡大して投影する投射レンズを有する投射型映像表示装置において、
   前記照明光学系は、複数の開口形状のレンズ素子をマトリックス状に配列した第１のアレイレンズ及び第２のアレイレンズと、偏光変換素子を有し、
   前記偏光変換素子は、前記映像表示素子に入射する光を所定の偏光光として出射し、第１の方向に線対称にｎ（ｎは偶数）列配列される複数のユニットを有し、
   前記第１のアレイレンズは、前記第１の方向に少なくともｎ＋１列配置される複数の第１のレンズセルを有し、
   前記第２のアレイレンズは、前記第１の方向に少なくともｎ＋１列配置され、前記第１のアレイレンズの各々の第１のレンズセルに各々対応する複数の第２のレンズセルであって、前記第２のレンズセルのうち、一部の隣り合った複数列の第２のレンズセルから出射する光が前記複数のユニットの１つに入射する第２のレンズセルを含む、投射型映像表示装置。

Images