JP4972883B2 - 光学ユニットおよび投射型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源の出射光を効率よく利用することのでき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またはスクリーンの背面側から投射するもので、例えば特開平１０−１７１０４５号公報、特開平１１−２８１９２３号公報に記載されている。

投射型映像表示装置に用いられる光源としては、ランプから出射する光を、ランプを背後側から覆うように配置されたリフレクタ２で反射させ、映像表示素子側に出射させるものが主流である。しかし、このような光源では、リフレクタに入射せず、リフレクタの開口側から発散する光線成分があり、十分な光利用効率が得られていない。この損失を補うためにはリフレクタを大型化すればよいが、光源の大型化つまり投射型映像表示装置の大型化を招き、市場で求められる小型化の要求を満たすことができない。

そこで、光利用効率の向上を図りながら、小型化を実現する手段として、リフレクタ開口側から発散する光の方向にランプに近接させて第２のリフレクタを設ける方式（以下、これを「ダブルリフレクタ方式」と呼ぶ）が、例えば特開平６−２８９３９４号公報に記載されている。

特開平６−２８９３９４号公報に開示されているダブルリフレクタ方式の光源は、ランプと、ランプ１を背面側から覆い、ランプから入射する光を映像表示素子側（開口側）に反射するリフレクタと、ランプの前面側に近接して配置されたサブリフレクタを有する。サブリフレクタは、ランプから入射する光をリフレクタ側に反射させるものである。サブリフレクタとしては、例えばランプのリフレクタ側とは反対側の管球外面に形成された反射膜であってもよい。

ダブルリフレクタ方式の光線は大きく二つに分類される。すなわち、ランプからリフレクタに入射しリフレクタのみを反射して出射する光線Ｌ３と、ランプからサブリフレクタに入射しサブリフレクタで反射した後、リフレクタを反射して出射する光線Ｌ６である。さらに、光線Ｌ６は二つの光線Ｌ7とＬ8に分類される。すなわち、L８とは、サブリフレクタが無かった場合、リフレクタに入射せずにその開口部から発散して光量分布の一様化を行うインテグレータ手段に向かわず（入射せず）、もしくはリフレクタに入射して反射してもインテグレータ手段に向かわず（入射せず）無効となっていた光線である。また、Ｌ８とは、サブリフレクタが無かった場合でもリフレクタで反射してインテグレータ手段に向かう（入射する）有効な光線である。従って、Ｌ７がダブルリフレクタ方式を採用することで有効利用可能となる光線である。なお、以下では、光線Ｌ３には、サブリフレクタが無かった場合にリフレクタに入射しリフレクタで反射してインテグレータ手段に向かう（入射する）光線も含むものとする。

特開平１０−１７１０４５号公報 特開平１１−２８１９２３号公報 特開平６−２８９３９４号公報

しかしながら、ダブルリフレクタ方式の場合、サブリフレクタが無かった場合には光源からリフレクタに入射し、反射していた有効な光線Ｌ３の一部が、サブリフレクタで反射してからリフレクタに入射することになってしまう。通常、リフレクタもサブリフレクタも、反射率の高い材質を用いるが、理想的に反射率が１００％となる材質はないため、サブリフレクタの反射率も１００％にすることはできない。従って、今まではリフレクタで一度反射されたあと第１アレイレンズに入射していたにもかかわらず、リフレクタ入射前にサブリフレクタでの反射を介する構成になることで、このサブリフレクタで反射されなかった分、光の利用効率が落ちてしまうという問題があった。

本発明は、サブリフレクタが無い場合でもランプを出射しリフレクタを反射してインテグレータ手段に向かう（入射する）有効な光線のうち、サブリフレクタで反射される光線を低減して、光利用効率の向上を目的とする。

本発明では、 光源から出射した光線を反射し、映像表示素子の方向に向ける作用を有する第１のリフレクタと、光源から出射し第１のリフレクタで反射されない光線の方向を、該リフレクタで反射するように変える第２のリフレクタを設け、第２のリフレクタの外周形状を第1のアレイレンズ１０の有効領域に対応させて変化させる。

小型で、光利用効率をさらに向上させることができる投射型映像表示装置を提供できる。

以下、本発明の最良の形態について、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３は本発明による一実施形態に係わる投射型液晶表示装置の光学系の概略構成図である。

図３において、ランプ１とサブリフレクタ５とリフレクタ２はダブルリフレクタ方式の光源１００を構成するものである。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、回転楕円体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。このように第1のリフレクタとしては、ランプを挟んで第1のアレイレンズ１０と反対側に配置されている。さらに、ランプ１のリフレクタ２側とは反対側、すなわち、ランプ１と第1のアレイレンズ１０との間には、ランプ１に近接してサブリフレクタ５が配設されている。この第2のリフレクタとなるサブリフレクタは、ランプから入射する光をリフレクタ側に反射させるものである。サブリフレクタとしては、例えばランプのリフレクタ側とは反対側の管球外面に形成された反射膜であってもよい。光源１００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２４，２５，２６を通過して投射レンズ２８に向かい、スクリーン（図示せず）へ投影される。

ランプ１から出射した光は、例えば回転楕円面形状の反射面を有するリフレクタ２を反射して集束光となり、平行化レンズ９を通過することで光軸に平行となり、第１アレイレンズ１０に入射する。また、ランプから出射した光の一部はサブリフレクタ５で反射し、リフレクタ２を介し、第１アレイレンズ１０に入射する。第１アレイレンズ１０は、光源１００から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１１と偏光変換素子１２を通過するように導く。即ち、第１アレイレンズ１０はランプ１と第２アレイレンズ１１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１０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１１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１０のレンズセルの形状を液晶表示素子２４，２５，２６に投影（写像）する。この時、偏光変換素子１２で第２アレイレンズ１１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１０の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ１３、およびコンデンサレンズ１９，２０，第１リレーレンズ２１，第２リレーレンズ２２，第３リレーレンズ２３により各液晶表示素子２４，２５，２６上に重ね合わせられる。なお、第２アレイレンズ１１とこれに近接して配設される集光レンズ１３とは、第１アレイレンズ１０の各レンズセルと液晶表示素子２４，２５，２６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１０で複数に分割された光束は、第２アレイレンズ１１と集光レンズ１３によって、液晶表示素子２４，２５，２６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１４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１５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１５で反射され、Ｒ光はダイクロイックミラー１５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１４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１４を反射して、反射ミラー１７で反射され、コンデンサレンズ１９を通してＢ光用の液晶表示素子２４を透過して光合成プリズム２７に入射する。ダイクロイックミラー１４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１５を反射して、コンデンサレンズ２０を通してＧ光用液晶表示素子２５に入射し、この液晶表示素子２５を透過して光合成プリズム２７に入射する。Ｒ光はダイクロイックミラー１５を透過し、第１リレーレンズ２１で集光され、更に反射ミラー１６で反射され、第２リレーレンズ２２で更に集光され、反射ミラー１８で反射された後、第３リレーレンズ２３で更に集光されてＲ光用の液晶表示素子２６に入射する。液晶表示素子２６を透過したＲ光は光合成プリズム２７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２７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２８を通過し、スクリーン（図示せず）に到達する。液晶表示素子２４，２５，２６上に光強度変調で形成された光学像は、投射レンズ２８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。

また、第１アレイレンズ１０、第２アレイレンズ１１、集光レンズ１３等はオプチカルインテグレータを構成している。液晶表示素子の表示領域は矩形なので、少なくとも第１アレイレンズ１０の各レンズセルの形状は、液晶表示素子の表示領域と相似な矩形とする。また、光源から入射する光を複数に分割する第１アレイレンズ１０を構成する各レンズセルの集合体の最外周を結んで形成される周縁形状を、以下便宜上、「第１アレイレンズ１０の有効外形」と称するものとする。第１アレイレンズ１０の有効外形で囲まれた有効領域（以下、「有効エリア」と称する）内に入射した光だけが映像表示素子上に照射されることになる。従って、光源からの光を第１アレイレンズ１０の有効外形で囲まれた有効エリア内に入射するようにすれば光利用効率が向上する。

第１アレイレンズ１０の有効外形は、一般に、特開平１０−１７１０４５号公報の図２に示されるように矩形であるが、光学設計に応じて、種々の形状のものが使用される。例えば、特開平１１−２８１９２３号公報の図２に示されるように、円形を埋め尽くすように配置されたレンズセル集合体形状のものもある。以下では、説明を容易にするために、第１アレイレンズ１０の有効外形が矩形であるものとして説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、第1アレイレンズの有効外形が円でない場合のいずれのアレイレンズについても適用できることはいうまでもない。すなわち、本実施の形態が特に有効なのは、第1のアレイレンズが方位角によって径が異なる場合である。

以下、本実施形態により光利用効率が向上する理由を、図を用いて説明する。

まず、以下の説明を容易とするために、図１を用いて右手直交座標系を導入する。図１（ａ）は、本実施形態に係わる要部構成部である図３のランプ光源１、リフレクタ２、サブリフレクタ５、平行化レンズ９、第１アレイレンズ１０の部分を拡大して示した斜視図である。なお、第１アレイレンズ１０は、レンズセルが存在する上記した有効エリアを示している。

図１において、ランプ１の発光中心Ｃを原点、原点である点Ｃよりインテグレータ（第１アレイレンズ１０）が存在する光軸１０１方向をz軸とし、ｚ軸に直交する面内で、点Ｃを通り第１アレイレンズ１０の矩形有効外形の一方の辺に平行なＡ-Ａ方向（これは第１アレイレンズ１０の矩形形状レンズセルの一方の辺方向に平行）の軸をｘ軸とし、点Ｃを通り第１アレイレンズ１０の矩形有効外形の一方の辺に直交する他方の辺に平行なＡ’−Ａ’方向（これは第１アレイレンズ１０の矩形形状レンズセルの一方の辺に直交する他方の辺方向に平行）の軸をｙ軸とする。また、サブリフレクタ５の有効外形の形状を規定するために、図１（ｂ）のように、点Ｃを原点とする三次元極座標を導入する。すなわち、点Ｃからサブリフレクタ５の外形点までの距離（動径）をＲ、ｚ軸とサブリフレクタ５の外形点とのなす偏角（以下、「極角」と称する）をθ（0≦θ≦π）、Ｘ軸とサブリフレクタ５の外形点とのなす偏角（以下、「方位角」と称する）をφ（0≦φ≦２π）とする。

ここで、第１アレイレンズ１０の有効エリアの外形形状について、一般的なアレイレンズの図を用いて説明をする。図２は第１アレイレンズ１０を光軸方向の出射側から見た図である。第１アレイレンズ１０は通常、映像表示素子の形状にほぼ相似な矩形のレンズセル１０aがマトリクス状（２次元状）に配置された陰影をつけた部分と、その周辺の平坦部１０dより成り立っている。各レンズセル１０aに入射した光は、映像表示素子上でそれぞれ重畳され、投射レンズによりスクリーン上に投射される。平坦部１０dに入射した光はスクリーンまで到達し得ない。そこで、レンズセルが存在する陰影部分をアレイレンズの有効エリア１０bと呼ぶ。本図では有効エリア１０bは矩形となっているが、矩形に限られるものではない。

図１と同様の座標を設定すると、次のようになる。すなわち、直交座標系のX軸を第１アレイレンズ１０の各レンズセルの長手方向と平行になるように配置しその方向をＡ−Ａ方向とする。次に、光軸から第１アレイレンズ１０の有効エリア１０bの最外周（有効外形１０c）までの距離（以下、この距離を「有効径」と記す）が最も長くなる方向（図２ではその対角方向）をＢ−Ｂ方向とする。また、Ａ−Ａ方向（ｘ軸）から任意の方位角φをなす方向をＰ−Ｐ方向とする。Ｐ−Ｐ方向において、有効径をＭ(φ)とする。つまり第１アレイレンズ１０の有効外形を表す有効径Ｍ（φ）は方位角φの関数として規定される。これらの情報を元に、ダブルリフレクタ方式におけるサブリフレクタの最適な形状について以下説明する。

図４はサブリフレクタがない場合の各々の断面における代表的な光線を表しており、（ａ）図は光軸を含むＡ−Ａ断面の光線図、（ｂ）図は光軸を含むＢ−Ｂ断面の光線図、（ｃ）図は第１アレイレンズでの光線分布を示す図である。

図４において、それぞれ光軸１０１となす角が光線の角度を、大きい順からθ０、θ１、θ２、θ３、θ４とする。図４（ａ）のＡ−Ａ断面では、光線角度θ０≦θ＜θ２までの光線がリフレクタ２で反射されて、第１アレイレンズ１０に入射する有効な光線（以下、「有効光」と記す）Ｌ３であることがわかる。光線角度θ２≦θ＜θ４までの光線は、リフレクタ２で反射されるが、第１アレイレンズ１０に入射しない無効となる光線（以下、「無効光」と記す）Ｌ４である。

一方対角方向の図４（ｂ）のＢ−Ｂ断面では、光線角度θ０≦θ＜θ３までの光線がリフレクタ２で反射されて、第１アレイレンズ１０に入射する有効光Ｌ３となる。また、光線角度θ３≦θ＜θ４までの光線は、リフレクタ２で反射されるが、第１アレイレンズ１０に入射しない無効光Ｌ４である。つまり第１アレイレンズ１０の光軸から有効外形までの距離（有効径）が長い（遠い）方向である対角方向とA−A方向を比較すると、A-A方向では、光線角度θ２≦θ＜θ３の光線が無効光となってしまっている点が異なる。

図４（ｃ）から明らかなように、円形開口を有するリフレクタ２を反射して出射する光束は円形光束となる。従って、第１アレイレンズ１０をカバーするようにリフレクタ２のサイズを決めると、第１アレイレンズ１０の面上では、有効エリアに入射しない無効光Ｌ４が多く分布することになってしまい、十分な光利用効率が得られない。特に、光軸からの距離（有効径）が長い（遠い）対角方向のＢ−Ｂ方向に較べて、光軸からの距離（有効径）が短いＡ−Ａ方向では、無効光Ｌ４が多く分布することになる。

図５は従来形状のサブリフレクタが発光中心を原点として配置された場合の各々の断面における代表的な光線を表している。（ａ）図は光軸を含むＡ−Ａ断面の光線図、（ｂ）図は光軸を含むＢ−Ｂ断面の光線図、（ｃ）図は第１アレイレンズでの光線分布を示す図、（ｄ）図はサブリフレクタ５０をランプ中心から直視した図を示しており、従来型の円形状をしている。

図５（ａ）のＡ−Ａ断面では、光線角度θ０≦θ＜θ２までの光線がリフレクタ２で反射されて、第１アレイレンズ１０に入射する有効光Ｌ３である。光線角度θ２≦θ＜θ３及びθ３≦θ＜θ４の光線はサブリフレクタ５０で反射された後、リフレクタ２で反射されて、第１アレイレンズ１０に入射する有効光Ｌ７である。光線角度θ２≦θ＜θ３及びθ３≦θ＜θ４の有効光Ｌ７は、図５(a)の点線で示すように、サブリフレクタ５０が無い場合には、第１アレイレンズ１０に入射せず無効になってしまう光線である。

図５（ｂ）のＢ−Ｂ断面では、光線角度θ０≦θ＜θ２までの光線がリフレクタ２で反射されて、第１アレイレンズ１０に入射する有効光Ｌ３である。光線角度θ２≦θ＜θ３までの光線はサブリフレクタ５０で反射された後、リフレクタ２で反射されて、第１アレイレンズ１０に入射する有効光Ｌ８である。この光線角度θ２≦θ＜θ３までの有効光Ｌ８は、図５（ｂ）の点線で示すように、サブリフレクタ５０が無い場合には、リフレクタ２で反射されて第１アレイレンズ１０に入射していた光線である。光線角度θ３≦θ＜θ４までの光線はサブリフレクタ５０で反射された後、リフレクタ２で反射されて、第１アレイレンズ１０に入射する有効光Ｌ７である。光線角度θ３≦θ＜θ４までの有効光Ｌ７はサブリフレクタ５０が無い場合、第１アレイレンズ１０に入射せず無効になっていた光線である。

このように、A−A断面図と、B-B断面図を比較すると、光線角度θ３≦θ＜θ４までの光については、サブリフレクタ５０が存在することによって、それまで無効光となっていた光を有効光とすることができている。一方、θ２≦θ＜θ３については、A-A断面図では、サブリフレクタがないときに比べてサブリフレクタ５０の存在によって有効光とすることができている。一方、B-B断面図では、θ２≦θ＜θ３の領域の光は、サブリフレクタ５０がないときもあるときも、いずれも有効光となっている点が異なっている。すなわち、この領域の光は、サブリフレクタ５０がない場合は、リフレクタ２で反射することで有効光となっており、サブリフレクタ５０がある場合は、サブリフレクタ５０とリフレクタ２で反射した結果有効光となっている。これは、B-B断面の場合はA-A断面に比べて、第１アレイレンズの有効径が大きいために、B-B断面ではサブリフレクタがなくても有効光となりえるからである。

以上述べたように、図５（ｃ）の第１アレイレンズ１０の面上では、第１アレイレンズ１０の有効エリア内に全ての光線が入射しており、有効エリア外に入射する光線はない。従って、サブリフレクタ５０が無かった場合と比較して、大幅に光利用効率が改善しているのが分かる。図５（ｃ）に示すように、入射する光線によって形成される領域が第１アレイレンズ１０の大きさ内に収まるようにするには、リフレクタおよびサブリフレクタの径によって調整することが可能である。ただし、サブリフレクタ５０が無かった場合にリフレクタ２で反射されて第１アレイレンズ１０に入射していたＢ−Ｂ方向の有効光Ｌ８（光線角度θ２≦θ＜θ３の光線）は、サブリフレクタ５０があるためにこのサブリフレクタ５０で反射され、さらにリフレクタで反射され、第１アレイレンズ１０に入射する。従って、サブリフレクタ５０が反射率１００％でないため、反射されない光の分光利用効率が落ちてしまう。図５(c)に示す第１アレイレンズ１０上の斜線部分は、サブリフレクタがあることによって、それまでリフレクタ２のみの反射で有効光となっていたものが、サブリフレクタ５０とリフレクタ２での合計２回の反射によって有効光になっている部分を示す。

そこで、本実施の形態では、図５における対角方向（例えばＢ−Ｂ方向）の有効光Ｌ８をサブリフレクタで反射されないようにして、第１レンズアレイ１０の有効エリアの対角方向の４隅にも光線が入射するようにする。このようにすれば有効光Ｌ８がサブリフレクタで反射されないので、その分光利用効率が向上する。

このため、本実施形態では、第１アレイレンズの面上における第１アレイレンズの有効径が長い角度（φ）方向（例えば第１アレイレンズの有効外形の形状が略矩形であれば、Ｂ−Ｂ方向の対角方向）の近傍で、サブリフレクタの周縁形状に凹部（へこみ）を持たせるようにする。

図６は本実施の形態による第１アレイレンズ１０の有効外形に対応した形状のサブリフレクタが発光中心を原点として配置された場合の各々の断面における代表的な光線を表している。（ａ）図は光軸を含むＡ−Ａ断面の光線図、（ｂ）図は光軸を含むＢ−Ｂ断面の光線図、（ｃ）図は第１アレイレンズでの光線分布を示す図、（ｄ）はサブリフレクタ５をランプ中心から直視した図である。

図６（ｄ）には第１アレイレンズ１０における光軸からの距離（有効径）が長い角度（φ）方向である対角方向のＢ−Ｂ方向および光軸からの距離（有効径）が短い角度（φ）方向であるＡ−Ａ方向が重畳されて記載されている。図６（ｄ）（または図１（ａ））から明らかなように、サブリフレクタ５の周縁形状は第１アレイレンズ１０の有効外形に対応しているため、円形とは異なる形状をしている。すなわち、サブリフレクタ５の周縁形状は、少なくとも第１アレイレンズ１０における有効径が長い角度（φ）方向である対角方向のＢ−Ｂ方向および他方の対角方向であるＢ’−Ｂ’近傍では、図６の光線角度θ２〜θ３の光線がサブリフレクタで反射されないように凹部形状（へこみ）を有している。これに対して光軸からの距離が短い角度（φ）方向であるＡ−Ａ方向およびこれと直交するＡ’−Ａ’方向近傍では、従来のサブリフレクタ５０の周縁形状（点線で示した円形形状）に接している。

従って、図６（ａ）のＡ−Ａ断面では、図５（ａ）と同様な光線図となる。また図６（ｂ）のＢ−Ｂ断面では、図５（ｂ）と異なり、光線角度θ２〜θ３の光線は光線角度θ０〜θ２と同様にリフレクタ２で反射されて、第１アレイレンズ１０に入射する有効光Ｌ３となる。光線角度θ２〜θ３の光線がサブリフレクタ５で反射されないので図５より光利用効率が向上することになる。

このように、図５（ｃ）の第１アレイレンズ１０の面上では、第１アレイレンズ１０の有効エリアに全ての光線が入射しており、サブリフレクタ５が無かった場合と比較して、大幅に光利用効率が改善しているのが分かる。また、図５(b)では反射率１００％でないサブリフレクタ５０で反射された後、リフレクタ２で反射されて第１アレイレンズ１０に入射していたＢ−Ｂ方向の有効光Ｌ８が、図６（ｂ）では直接リフレクタ２で反射され、第１アレイレンズ１０に入射する。このように、サブリフレクタ５がなくても有効光となっていた光について、サブリフレクタ５での反射をなくす構成とすることによって、光利用効率を向上させることができる。

なお、図６の説明では、第1のアレイレンズは正方形としたため、（d）に示すように、Ａ−Ａ方向とＡ'−Ａ'方向はそれぞれ同じ形状となっているが、例えば第1のアレイレンズの有効領域が長方形であった場合は、Ａ−Ａ方向とＡ'−Ａ'方向では、θが異なる構成となる。すなわち、Ａ−Ａ方向が長辺、言い換えるとＹ軸方向が長辺で、Ａ'−Ａ'方向（Ｘ軸方向）が短辺の場合は、Ｘ軸方向のθが一番大きくなり、次に、Ｙ軸方向のθ、さらには、Ｂ−Ｂ方向およびＢ'−Ｂ'方向のθが最も小さくなる。なお、θの大きさについては、図７等を用いて後述する。

また、図６の説明では、図６（ｄ）のサブリフレクタ５の周縁形状について、Ａ−Ａ（Ａ’−Ａ’）方向とＢ−Ｂ（Ｂ’−Ｂ’）方向についてのみ説明したが、図６（ａ），（ｂ）から明らかなように、方位角φをパラメータとして、任意方位角φでの光軸を含むＰ−Ｐ断面で、発光中心の点Ｃから出射し、リフレクタ２で反射されて第１アレイレンズ１０の有効外形上に入射するような光線を求め、この光線が例えばサブリフレクタ５０と同一半径Ｒの球面上で通過する点をプロットすれば、第１アレイレンズ１０の有効外形に対応した所定のサブリフレクタ５の周縁形状（例えば図１に示したサブリフレクタ５の周縁形状）を得ることができる。この光線は例えば図６（ａ）では光線角度θ２の光線であり、図６（ｂ）では光線角度θ３である。

サブリフレクタの周縁形状を求める手法について、光線図を用いて概念的に説明したが、次に、本実施形態に基づくダブルリフレクタ方式におけるサブリフレクタの周縁形状を求める方法について述べる。

図７は図１をＰ−Ｐ断面で切った際の光線図である。図７(a)において、第１アレイレンズ１０の有効径を通過する光線が、サブリフレクタ５の有効エリアの最外周を通過するようにサブリフレクタ５の形状を定める。こうすることにより、リフレクタ２を反射して第１アレイレンズ１０に有効光として入射する光が、反射率１００％でないサブリフレクタ５で反射されないため、光の利用効率を高めることができる。

ここで、図７でランプの発光中心を点Ｃとし、図１で規定したｘ，ｙ，ｚ座標軸、θ，φ座標軸を用いる。また、リフレクタ２の第１焦点距離をｆ_１、第２焦点距離をｆ_２、点Ｃから平行化レンズ９までの距離をＤ、サブリフレクタ５の最外周を通過する光線がリフレクタ２と交わる点Ｈの光軸からの距離をＰ_１、点Ｈから光軸１０１に下した垂線の足を点Ｌ、点Ｌのリフレクタ２の楕円原点Ｏからの距離をＺ_１、リフレクタ２の点Ｈで反射した前記光線と光軸１０１のなす角をβ、第１アレイレンズ１０の中心から光が通過する有効外形までの距離である有効径をＭ（φ）とする。本実施の形態では、リフレクタの形状を楕円回転体としている。従って、ランプの発光中心Ｃは、楕円の第１焦点距離f1このように定めた場合、各パラメータは以下４つの数式である数１，数２，数３，数４を満たす。

これら４つの数式数１，数２，数３，数４より、第１アレイレンズ１０の有効径Ｍ（φ）に応じた、極角θを求めることができる。

すなわち、数２と数３から点Ｈの座標（Ｚ_１，Ｐ_１）を求め、また数１から角βを求め、これらを数４に代入すれば極角θを方位角φの関数として求めることができ、この結果を用いて半径Ｒのサブリフレクタ球面上にプロットすれば、サブリフレクタ５の周縁外形の形状を得ることができる。

ここで、例えば具体的にｆ_１＝１０ｍｍ，ｆ_２＝１００ｍｍ，Ｄ＝４０ｍｍとして、第１アレイレンズ１０の最外有効径の最大値をＭｍａｘ＝１８ｍｍ、最小値をＭｍｉｎ＝１５ｍｍとして、極角の最大値θｍａｘ、最小値θｍｉｎを求める。θｍａｘ＝１２０．４°、θｍｉｎ＝１１１．５°となる。このときθｍａｘ÷θｍｉｎ≒１．０８である。図７(b)に、サブリフレクタの周縁外形の形状と極角θとの関係を示す。式１と式４を用いてθをＭ（φ）の関数として求めた場合、θは、Ｍ（φ）の逆数のsin^-1の関数となる。従って、θｍｉｎとθｍａｘは、それぞれ、ＭｍｉｎとＭｍａｘを用いた場合の極角に対応する。これらの関係を図７（ｂ）に示すと、第1のアレイレンズの長径（Ｍｍａｘ）に対応する部分、すなわち、第1のアレイレンズの長径の方位角φ‘と同じ角度φ’の周縁については、θｍｉｎとなる。また、第1のアレイレンズの短径の方位角φ’と同じ角度の周縁については、θｍａｘとなる。このように、第1のアレイレンズの径の長短に応じて、サブリフレクタ５の周縁外形の開口部の極角が大きくなり、切り欠き部が形成される。または、逆の言い方をすれば、サブリフレクタ５の周縁外形の極角の大きさを、光源からリフレクタ２に直接反射し、第1のアレイレンズの長径（Ｍｍａｘ）に入射するぎりぎりの浅い角度θｍｉｎに設定したあと、第1のアレイレンズの短径（Ｍｍｉｎ）に対応する部分は、深い角度θｍａｘの開口部を形成する構成とする。または、サブリフレクタの開口部の形状（周縁外形）が、第1のアレイレンズの長径に対応する部分では、開口部の径が長くなる、すなわち開口部が深く形成されていることになる。

従来のサブリフレクタ５０はその周縁形状が円形であるため、θｍａｘ＝θｍｉｎとなり、図５で説明したように、光線角度θ２〜θ３までの光線８がサブリフレクタ５０で反射されるために光利用効率が低下するが、少なくともθｍａｘ÷θｍｉｎ＞１とすれば、光線角度θ２〜θ３までの光線８のうちの一部がサブリフレクタで反射されず、リフレクタ２で直接反射されるようになるため、従来のダブルリフレクタ方式の場合に較べて光利用効率の向上が見込まれる。

実際にはランプが点光源ではなく、ある程度大きさを持っていることや、第１アレイレンズ１０の有効径が任意の形状をしているため、これらを考慮して、少なくとも次式の数５を満足するようにすれば、従来のダブルリフレクタ方式の場合に較べて光利用効率の向上を見込むことができる。
θｍａｘ÷θｍｉｎ ≧ １．０２…（数５）
なお、この例では、サブリフレクタの面形状は球面形状としたが、これに限定されるものではなく、例えば回転楕円面形状であってもよい。

図８はダブルリフレクタ方式におけるサブリフレクタの周縁形状を求める第２の一実施例を示す要部構成図であり、図６でのリフレクタ２が放物形状の場合に相当する。図８において、リフレクタ２’は回転放物面形状の反射面を有するリフレクタである。リフレクタ２’で反射された光線は光軸１０１に平行となるため、平行化レンズは不要である。図７と同様に、ランプの発光中心を点Ｃとし、ｘ，ｙ，ｚ座標軸、θ，φ座標軸を定める。また、リフレクタ２の第１焦点距離をｆ_１、サブリフレクタ５の最外周を通過する光線がリフレクタ２と交わる点Ｈの光軸からの距離をＰ_２、点Ｈから光軸１０１に下した垂線の足を点Ｌ、点Ｌのリフレクタ２の頂点Ｔからの距離をＺ_２、第１アレイレンズ１０の中心から光が通過する最も外側の有効外形までの距離である有効径をＭ（φ）とする。このように定めた場合、各パラメータは以下３つの数式である数６，数７，数８を満たす。

これら３つの数式数６，数７，数８より、第１アレイレンズ１０の有効径Ｍ（φ）に応じた、極角θを求めることができる。

実施例１と同様に、少なくとも前記した数５を満足するようにすれば、従来のダブルリフレクタ方式の場合に較べて光利用効率の向上を見込むことができる。

図７の例では、インテグレータとして図３で示したレンズアレイ方式のものを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。インテグレータとしてロッドレンズを用いた場合にも適用できる。以下、本発明をロッドレンズの場合に適用した実施例３について説明する。

図９はダブルリフレクタ方式におけるサブリフレクタの周縁形状を求める第３の一実施例を示す要部構成図である。図９において、インテグレータとしてロッドレンズを用いた場合、平行化レンズは不要で、ランプ１から出射し回転楕円面形状のリフレクタ２を反射した光線は集束光としてロッドレンズ２９に入射する。ランプの発光中心を点Ｃとし、図７と同様に、ｘ，ｙ，ｚ座標軸、θ，φ座標軸を定める。また、リフレクタ２の第１焦点距離をf_１、第２焦点距離をf_２、点Ｃからロッドレンズ２９までの距離をＥ、サブリフレクタ５の最外周を通過する光線がリフレクタ２と交わる点Ｈの光軸からの距離をＰ_３、前記交点Ｈから光軸１０１に下した垂線の足を点Ｌ、点Ｌとリフレクタ２の楕円原点Ｏからの距離をＺ_３、リフレクタ２で反射した前記光線と光軸１０１のなす角をβ、ロッドレンズ２９の入射端面中心から光が通過する最も外側の有効外形までの距離である有効径をＭ（φ）とする。このように定めた場合、各パラメータは以下４つの数式である数９，数１０，数１１，数１２を満たす。

これら４つの数式数９，数１０，数１１，数１２より、ロッドレンズ２９の有効径Ｍ（φ）に応じた、極角θを求めることができる。

図７の例と同様に、少なくとも前記した数５を満足するようにすれば、従来のダブルリフレクタ方式の場合に較べて光利用効率の向上を見込むことができる。

以上説明した実施の形態は次のように捉えることができる。ランプの出射光をリフレクタにより集光する光源と、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写レンズと、を有する投射型映像表示装置において、
前記ランプの管球部の一部にその出射光成分を前記リフレクタに向けて反射する球面上の反射膜、あるいは反射ミラー（以下、サブリフレクタと呼ぶ）を設け、前記リフレクタ後のインテグレータの有効形状に合わせて、前記サブリフレクタの反射面形状を設定する。

このように前記サブリフレクタの反射面形状を、前記リフレクタ後のインテグレータの有効形状に合わせて設定することで、前記リフレクタで反射し、有効利用されていた光線が、反射率が１００％でない前記サブリフレクタで反射するのを避けることができるため、光の利用効率を向上させることができる。

第２の発明では、第１に発明の投射型映像表示装置において、
前記ランプの発光中心を原点、原点より前記インテグレータが存在する光軸方向をz軸、原点を通りz軸に垂直な任意の１軸をy軸、原点を通りyz平面と垂直な軸をx軸とし、原点から前記球面上の反射膜、あるいは反射ミラーの最外形の任意の点までの距離をR、z軸から前記球面上の反射膜、あるいは反射ミラーの最外形の任意の点までの極角をθ、xy平面においてx軸から前記球面上の反射膜、あるいは反射ミラーの最外形の任意の点までの方位角をφとした場合、前記球面上の反射膜、あるいは反射ミラーの形状を次式
x=R×sinθ×cosφ・・・（数１３）
ｙ=R×sinθ×sinφ・・・（数１４）
z=R×cosθ・・・（数１５）
の三次元極座標で表すことができ、θは、
θ=arctan(M÷(M^2/4f1-f1)) ・・・（数１５）
と求めることが出来る。従って極角θの最大値をθmax、最小値をθminとしたとき、次式
θmax÷θmin≧1.02・・・（数１６）
を満たすことを特徴とする。このように前記サブリフレクタの反射面形状を、前記リフレクタ後のインテグレータの有効形状に合わせて、非円形形状に設定することで、前記リフレクタで反射し、有効利用されていた光線が、反射率が１００％でない前記サブリフレクタで反射するのを避けることができるため、光の利用効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示す光源から第1アレイレンズまでの要部光学系の斜視図。 第１アレイレンズの構成を説明する図。 本発明による一実施形態に係わる投射型液晶表示装置の光学系の概略構成図。 従来方式における光源から第1アレイレンズまでの要部光学系の断面図。 従来ダブルリフレクタ方式における光源から第1アレイレンズまでの要部光学系の断面図。 本発明の一実施形態を示す光源から第1アレイレンズまでの要部光学系の断面図。 第１の一実施例によるサブリフレクタの周縁形状の説明図。 第２の一実施例によるサブリフレクタの周縁形状の説明図。 第３の一実施例によるサブリフレクタの周縁形状の説明図。

符号の説明

１…ランプ、２…リフレクタ、Ｌ３…光線、Ｌ４…光線、５…サブリフレクタ、Ｌ６…光線、Ｌ７…光線、Ｌ８…光線、９…平行化レンズ、１０…第１アレイレンズ、１１…第２アレイレンズ、１２…偏光変換素子、１３…集光レンズ、１４…ダイクロイックミラー、１５…ダイクロイックミラー、１６…反射ミラー、１７…反射ミラー、１８…反射ミラー、１９…コンデンサレンズ、２０…コンデンサレンズ、２１…第１リレーレンズ、２２…第２リレーレンズ、２３…第３リレーレンズ、２４…映像表示素子、２５…映像表示素子、２６…映像表示素子、２７…光合成プリズム、２８…投射レンズ、２９…ロッドレンズ、５０…サブリフレクタ、１００…光源、１０１…光軸

Claims (4)

1. 光源と、
   前記光源が出射した光を均一化させるインテグレータと、
   前記インテグレータからの光を結像する複数の光学素子から形成される照明光学系と、
   前記結像した光を変調する映像表示素子と、
   前記映像表示素子が形成した光学像を投影する投射レンズと、
   前記光源からみて前記インテグレータと反対方向に配置される第１のリフレクタと、
   前記光源と前記インテグレータとの間に配置される第２のリフレクタを備え、
   前記光源の発光中心を原点、前記原点から前記インテグレータが存在する光軸方向をｚ軸、前記原点を通り前記ｚ軸に垂直な任意の１軸をｙ軸、前記原点を通りｙｚ平面と垂直な軸をｘ軸、前記ｚ軸から前記第２のリフレクタの外形の任意の点までの極角をθ、ｘｙ平面における前記ｘ軸から前記第２のリフレクタの外形の任意の点までの方位角をφと定義すると、前記θは、前記φに基づいて定められ、
   前記第２のリフレクタと前記インテグレータの間に平行化レンズが配置され、
   前記第１のリフレクタの第１焦点距離をｆ１、前記第１のリフレクタの第２焦点距離をｆ２、前記原点から前記平行化レンズまでの距離をＤ、前記第２のリフレクタの外周を通過する光線が前記第１のリフレクタと交わる点（Ｈ）の前記光軸からの距離をＰ１、前記点（Ｈ）から前記光軸に下した垂線の足を点（Ｌ）、前記点（Ｌ）の前記第１のリフレクタの楕円原点からの距離をＺ１、前記第１のリフレクタの前記点（Ｈ）で反射した光線と前記光軸のなす角をβ、前記インテグレータの中心から光が通過する有効外形までの距離である有効径をＭ（φ）とすると、
   

   

   を満たす、投射型映像表示装置。
2. 前記インテグレータを構成する各レンズセルの集合体の外周を結んで形成される周縁形状は矩形である、請求項１記載の投射型映像表示装置。
3. 前記第１のリフレクタは楕円回転体であり、前記第２のリフレクタは球面体である、請求項１又は２記載の投射型映像表示装置。
4. 前記極角θの最大値をθmax、最小値をθｍｉｎとすると、θｍａｘ÷θｍｉｎ ≧ １.０２を満たす、請求項１乃至３何れか一に記載の投射型映像表示装置。

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