JP5223882B2 - 光学ユニット及び投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶パネルあるいは反射式映像表示素子などのライトバルブ素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、液晶プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ装置、液晶テレビジョン、投写型ディスプレイ装置等の映像表示技術に関する。

液晶パネル等のライトバルブ素子に、電球などの光源からの光を当てて、液晶パネル上の画像を拡大投射する液晶プロジェクタ等の投写型映像表示装置が知られている。

この種の映像表示装置は、光源からの光をライトバルブ素子で画素毎の濃淡に変えて調節し、スクリーンなどに投射するものである。例えば、液晶表示素子の代表例であるツイステッド・ネマティック(TN)型液晶表示素子は、透明な電極被膜をもつ一対の透明基板間に液晶を注入して成る液晶セルの前後に、各々の偏光方向が互いに９０°異なるように２枚の偏光板を配置したものであり、液晶の電気光学効果により偏光面を回転させる作用と、偏光板の偏光成分の選択作用とを組み合わせることにより、入射光の透過光量を制御して画像情報を表示するようになっている。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、素子自体の小型化が進むとともに、解像度等の性能も急速に向上している。

このため、該映像表示素子を用いた表示装置の小型高性能化も進み、単に従来のようにビデオ信号等による映像表示を行うだけでなく、パーソナルコンピュータの画像出力装置としての投射型映像表示装置も新たに提案されている。この種の投射型映像表示装置には、特に、小型であることと、画面の隅々まで明るい画像が得られることが要求される。しかし、従来の投射型映像表示装置は、大型であったり、また最終的に得られた画像の明るさ、画質等の性能が不十分であるといった問題があった。

例えば、液晶表示装置全体の小型化には、ライトバルブすなわち液晶表示素子自体の小型化が有効であるが、液晶表示素子を小型化すると液晶手段による被照射面積が小さくなるため光源が放射する全ての光束量に対する液晶表示素子を小型化すると照明手段による被照射面積が小さくなるため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（以下、これを光利用効率という）が低くなり、また、画面周辺部が暗い等の問題が生じる。さらに、液晶表示素子は一方向の偏光光しか利用できないため、ランダムな偏光光を発する光源からの光の約半分は利用されない。

画面周辺部で明るい画像を得る手段としては、例えば、特許文献１に記載されているような、２枚のアレイレンズを用いたインテグレータ光学系がある。インテグレータ光学系は、光源からの光を第一のアレイレンズを構成している複数の矩形開口形状の集光レンズによって分割して、各矩形開口形状の出射光を各矩形開口形状の集光レンズに対応した集光レンズ群により構成した第二のアレイレンズにより照射面（液晶表示素子）に重畳結像させるものである。この光学系では液晶表示素子を照射する光の強度分布をほぼ均一にすることができる。

一方、光源からのランダムな偏光光を一方向の偏光方向に揃えて液晶表示素子に照射する光学系としては、特許文献２に開示されているような偏光ビームスプリッターを利用して、光源から出射するランダムな偏光光をＰ偏光光とＳ偏光光に分離してプリズムを用いて合成するものがある。

しかし、従来のインテグレータ光学系においては、アレイレンズの１つのレンズセルの矩形対角サイズが０．２５″(インチ)以上であるため、マイクロレンズ付の液晶表示素子等を用いて明るさおよび画質の均一性を向上しようとすると、照明系のＦ値を概略２から３近くに設定しなければならなくなり、第一のアレイレンズと第二のアレイレンズ間の３１ｍｍ以上の距離となって長くなり、光学系の小型化が達成できなかった。したがって、従来の投射型液晶表示装置では、Ａ４ファイルサイズに小型化することが困難であった。

また、偏光ビームスプリッターを利用する光学系においても、アレイレンズとの精度上の整合性が困難であり、小型化することが困難であった。その結果、装置全体の小型化と明るさ等の性能向上を同時に実現することが困難であった。さらに、投射型液晶表示装置の場合には上記照明手段以外に投射レンズの光学的特性、また液晶表示素子の光学的特性等のさまざまな要素が画質性能に影響するため、照明手段のみを改善しても小型で画質性能の良い表示装置を得ることは困難であった。また、第二の発明である遮光膜付けをアレイレンズ側に設けることにより、隣接するＳ偏光光路に入射した光を遮光することができ、従来、映像表示素子近傍の偏光板の温度上昇を引き起こしていた不要光を抑えることができる。

以上より、液晶表示装置の明るさおよび画質の向上と、小型化という２つの観点からの対応が必要となっている。

特開平３ー１１１８０６号公報 特開平４−６３３１８号公報

以上の従来技術での課題事項をまとめると、映像表示装置の明るさおよび画質上の性能確保と小型化を両立する方法が課題であり、明るさおよび画質向上に関する事項と、光学ユニットの大きさを構成上小型化するための対応技術に関する事項が、それぞれ課題となっている。さらに、明るさ確保のために、境界面を少なくするための光学部品同士の貼り合せ精度の向上が課題となっている。

また、偏光合成手段の主要光路に隣接するＳ偏光光路に入射した光を遮光し、映像表示素子近傍の偏光板の温度上昇を引き起こしていた不要光を抑えることが課題となっている。

本発明では、上記した従来技術での課題事項に関して、明るさおよび画質確保とともに高精度小型化できる投写型映像表示技術の提供が目的である。

本発明において、複数の集光レンズセルにて構成されたアレイレンズにおいて、１つのレンズセルの対角寸法を略０．１８″以下とする。

これにより、アレイレンズの厚さの増大化を抑えることが可能で、アレイレンズの重さを軽くでき、硝材の量も減少するので、製造コストも安価になる。

また、光源ユニットの出射光から映像信号に応じた光学像を形成するライトバルブ手段の映像表示素子と、この映像表示素子の上に光を照射させる照明光学系と、出射した光を投射する投射手段とを有する光学ユニットにおいて、
前記照明光学系は、
反射面鏡を有する光源ユニットと、この反射面鏡の出射開口と略同等サイズ内に設けられた複数の集光レンズにより構成され、この光源ユニットから出射した光を集光して、複数の２次光源像を形成する第一のアレイレンズと、複数の集光レンズにより構成され、前記複数の２次光源像が形成される近傍に配置され、映像表示素子に第一のアレイレンズの個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレンズとを有し、前記映像表示素子の映像表示部の対角寸法が０．７″(インチ)あるいは０．９″あるいは１．３″の場合に、少なくとも、前記第一のアレイレンズの１つのレンズセルの対角寸法を略０．１８″以下とする。この構成により、光学ユニットの全長を短縮でき、小型、軽量化できる。

また、本発明においては、出射開口を持つ反射面鏡を有し、かつ反射面鏡内でランプ電極の片側に設置された径が略０．６ｍｍ以内の電極ワイヤを有する光源からの出射光を被照射面上に照射させる照明光学系と、映像表示素子から出射した光をスクリーンに投射する投射手段とを有する投射型の光学ユニットまたは映像表示装置において、
前記照明光学系は、少なくとも１つの反射面鏡と、この反射面鏡の出射開口と略同等サイズの枠に設けられた複数の集光レンズにより構成され、光源ユニットから出射した光を集光して、複数の２次光源像を形成するための第一のアレイレンズと、複数の集光レンズにより構成され、前記複数の２次光源像が形成される近傍に配置され、映像表示素子に第一のアレイレンズの個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレンズと、前記第一のアレイレンズあるいは前記第二のアレイレンズからの光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分離する偏光ビームスプリッターと、該偏光ビームスプリッターの出射光であるＰ偏光光とＳ偏光光のいずれかの偏光方向を回転するためのλ／２位相差板と、該Ｐ偏光光とＳ偏光光のいずれかの偏光光を反射させるための反射部から構成される偏光合成手段とを有し、
この偏光合成手段は、前記第一のアレイレンズおよび、または前記第二のアレイレンズの各々のレンズ光軸の縦配列方向あるいは横配列方向のいずれかのピッチに偏光ビームスプリッターの各配列の中心軸を適合させて複数個の偏光合成手段を配列し、かつ前記第一のアレイレンズおよび、または第二のアレイレンズの各々のレンズ光軸のピッチの中心に位置するＳ偏光光の反射プリズムの光軸入射面、すなわち前記第二のアレイレンズの偏光合成手段側の面に、遮光部材を付加した第二のアレイレンズを、前記光源と映像表示素子の間に介在させた構成とする。

かかる構成により、従来、膜付け温度の工程上、偏光合成手段に設けることが困難であった遮光膜付けをアレイレンズ側に設けることにより、遮光膜付けが可能となった。これにより、隣接するＳ偏光光路に入射した光を遮光することができ、従来、映像表示素子近傍の偏光板の温度上昇を引き起こしていた不要光を抑えることができる。

また、投射型の映像表示装置において、少なくとも第一のアレイレンズまたは第二のアレイレンズのいずれかにおける１つのレンズセルの、対角寸法、縦寸法、横寸法の少なくともいずれかの寸法が、前記映像表示素子の、対応する、対角寸法、縦寸法、または横寸法に対し、略１／４.５以上である構成とする。

または、前記映像表示素子の映像表示部の対角寸法が０．７″あるいは０．９″あるいは１．３″の場合に、前記第一のアレイレンズ、第二のアレイレンズのいずれか一方または両方における１つのレンズセルの矩形対角寸法が略０．１８″以下である構成とする。

または、前記第一のアレイレンズ、第二のアレイレンズのいずれか一方または両方における１つのレンズセルの対角寸法が、略０．１８″以下である構成とする。

または、前記第一のアレイレンズ、第二のアレイレンズのいずれか一方または両方において、レンズセルの総数が略２４０以上である構成とする。

または、前記第一のアレイレンズと第二のアレイレンズの１つのレンズセルのレンズ焦点距離が３０ｍｍ以内である構成とする。

かかる構成により、アレイレンズのレンズセルの大きさを微細化し、第一のアレイレンズと第二のアレイレンズの間隔を短小化でき、なおかつ小型な映像表示素子を用いて表示装置全体を小型化できるとともに、明るく、画面全体にわたって画質がより均一な映像表示装置を実現できる。

また、本構成により、アレイレンズの１つのレンズセルの矩形対角サイズが略０．１８″(インチ)以下であるため、マイクロレンズ付の液晶表示素子等を用いて明るさおよび画質の均一性の向上のための、照明系のＦ値を概略２から３近くに設定した場合に、第一のアレイレンズと第二のアレイレンズ間を３０ｍｍ以下の距離に短縮でき、光学系の小型化が達成できる。

したがって、投射型液晶表示装置では、Ａ４ファイルサイズに小型化することできる。また、偏光ビームスプリッターを利用する光学系においても、貼付けにより、アレイレンズとの精度上の位置合わせが可能となり、装置全体の小型化と明るさ等の性能向上を同時に実現することができる。

さらに、セルサイズが略０．１８″以下であると７個から８個のセルを電極ワイヤの影が横切ると液晶表示素子上で均一化させることが可能で、この場合、光軸中心の左右の片側に電極ワイヤが存在するので、アレイレンズの横配列あるいは縦配列が最低１２から１４列必要となる。したがって、セル数が略２４０セル以上となるため略０．６ｍｍ以内の電極ワイヤの影が液晶表示素子に映りこむことを防ぐことができ、均一な画質が得られ、上記課題を容易に解決できる。

また、映像表示装置を略Ａ４ファイルサイズ以下とすることにより、アタッシュケース等の中に収納でき、携帯に適した小形高画質高輝度の映像表示装置にできる。

以上、説明したように本発明の投写型の映像表示装置は、小型化の光学系を達成でき、装置全体をＡ４ファイルサイズ以下にまで小型化できる効果がある。また、偏光ビームスプリッターを利用する光学系においても、アレイレンズとの精度上の位置合わせが可能となり、装置全体の小型化と併せ、明るさ等の性能向上も同時に実現することができる。

さらに、セルサイズ略０．１８″以下でセル数が略２４０セル以上である場合は、電極ワイヤの影が液晶表示素子に映りこむことを防ぐことができ、均一な画質が得られる。

また、遮光部材を設ける構成では、これにより不要光がカットされ、発熱を防止できる。

本発明の第１番目の一実施形態を示す図である。 本発明の第１番目の一実施形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。 本発明の第１番目の一実施形態の効果を示す図である。 本発明の第２番目の一実施形態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明による第１番目の投写型の液晶表示装置の一実施形態を示す図である。
図１において、投射型液晶表示装置には、光源１があり、光源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。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１つの反射面鏡５と、反射面鏡内でランプ電極の片側に設置された径が0.6mm以内の電極ワイヤ２８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２を通過して投射レンズ３に向かい、スクリーン４へ投影される。

光源１の電球から放射される光は楕円面または放物面または非球面のリフレクタ５にて集光され、第一のアレイレンズ６に入射する。光は第一のアレイレンズ６を通過後、第二のアレイレンズ７を通過し、偏光ビームスプリッター８に入射する。この入射光は偏光ビームスプリッター８により透過光はＰ偏光光、反射光はＳ偏光光に分離され、該Ｐ偏光光は偏光ビームスプリッター８の出射側面に配置されたλ／２位相差板９により偏光方向が９０°回転し、Ｓ偏光光となり、コンデンサレンズ１０に入射する。また、前記Ｓ偏光光は反射を繰り返し、隣接する偏光ビームスプリター８の出射面から出射され、コンデンサレンズ１０に入射する。コンデンサレンズ１０は、少なくとも1枚以上の構成であり、正の屈折力を有し、このＳ偏光光をさらに集光させる作用を持ち、このコンデンサレンズ１０を通過した光は液晶表示素子２を照射する。液晶表示素子２の入射側にはＳ偏光光を透過する入射偏光板１１を配置する。

従来の投射型液晶表示装置では入射偏光板１１と液晶表示素子２と出射側偏光板１２の組合せにより、一方向の偏光光しか透過しないため透過光量が約半分になっていた。しかし、本実施例では偏光ビームスプリッター８を用いるため、光源１から出射するランダムな偏光光の偏光方向を揃えて液晶表示素子２に入射するため、理想的には従来の投射型液晶表示装置の２倍の明るさが得られる。

また、本実施例では、本発明の第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７は、同じ形状のものを使用しており、１つのレンズセルの横寸法が、液晶表示素子２の横寸法の略々１／5.3の比率であり、例えば液晶表示素子２の映像表示部の矩形対角寸法が０．９″の場合に、１つのレンズセルの矩形対角寸法が、概略0.17"の寸法であり、さらに第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７を構成するレンズセルの総数が略２４０セル以上あり、この１つのレンズセルのレンズ焦点距離が３０ｍｍ以内である構成となっており、光学系の小型化が達成できる。また、略２４０セル以上の個々の像が液晶表示素子２に重なり、従来の装置よりも均一な画質が得られる。さらに、セルサイズ０．１７″であるから、セルを電極ワイヤ２８の影が横切る場合でも、略２４０セル（略16×15セル）以上であるので、画質を均一化させることが可能である。したがって、投射型液晶表示装置では、装置全体の小型化と明るさ等の性能向上を同時に実現することができる。

また、本発明の偏光ビームスプリッター８は、第二のアレイレンズ７よりも光軸方向で薄い構成であり、光学全長を短縮するとともに、光学ユニットの軽量化さらには、照明系のＦ値を大きくする効果がある。これにより、小型、軽量、さらに投射レンズ３のＦ値を照明系にリンクして大きくすることができるので、投射レンズ３の小型軽量にも効果がある。

この液晶表示素子２を通過した光は、例えばズームレンズであるような投射手段３を通過し、スクリーン４に到達する。前記投射手段３により、液晶表示素子２に形成された画像は、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。

次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
図２は、本発明における投射型液晶表示装置の一実施例の構成図である。図２の実施例は、液晶ライトバルブとして透過型液晶表示素子２をいわゆる色の３原色のＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色に対応して合計３枚用いた３板式投射型表示装置を示している。本実施例において、光源である例えば超高圧水銀ランプのようなランプ１３より出射した光は、放物反射面鏡リフレクタ５に反射された後、この放物反射面鏡リフレクタ５の出射開口と略同等サイズの矩形枠に設けられた複数の集光レンズにより構成され、ランプユニット１４から出射した光を集光して、複数の２次光源像を形成するための第一のアレイレンズ６に入射し、さらに複数の集光レンズにより構成され、前述の複数の２次光源像が形成される近傍に配置され、かつ液晶表示素子２に第一のアレイレンズ６の個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレンズ７を通過する。この出射光は第二のアレイレンズ７の各々のレンズ光軸の横方向のピッチに適合するように配置された各々のレンズ幅の略１／２サイズの菱形プリズムの列へ入射する。このプリズム面には偏光ビームスプリッター８の膜付けが施されており、入射光は、この偏光ビームスプリッター８にてＰ偏光光とＳ偏光光に分離される。Ｐ偏光光は、そのまま偏光ビームスプリッタ−８内を直行し、このプリズムの出射面に設けられたλ／２位相差板９により、偏光方向が９０°回転され、Ｓ偏光光に変換され出射される。一方、Ｓ偏光光は、偏光ビームスプリッター８により反射され、隣接する菱形プリズム内で本来の光軸方向にもう一度反射してからＳ偏光光として出射される。その後、コンデンサレンズ１０により、液晶表示素子２に集光される。この途中で偏光ビームスプリッター８の出射光は、全反射ミラー１５によりその光路を９０°折り曲げられ、光軸に対して４５°の角度に配置されたＢ（青色），Ｇ（緑色）反射ダイクロイックミラー１６により、Ｒ（赤色）の光は透過し、Ｂ，Ｇの光は反射する。透過したＲ光線は、Ｒ用全反射ミラー１７によりその光路を９０°折り曲げられて、液晶表示素子前コンデンサレンズ１８及び入射偏光板１１を通過し、対向電極、液晶等で構成された液晶表示素子２に入射され、液晶表示素子２の光の出射側に設けられた出射偏光板１２を通過する。

液晶表示素子２には、表示する画素に対応する（例えば横８００画素縦６００画素各３色など）数の液晶表示部が設けてある。そして、外部より駆動される信号に従って、液晶表示素子２の各画素の偏光角度が変わり、最終的に出射偏光板１２の偏光方向と一致する方向になった光が出射され、直交方向になった光が出射偏光板１２で吸収される。この途中の角度の偏光を持った光は、出射偏光板１２の偏光角度との関係で偏光板を通る光の量と偏光板に吸収される量とが決まる。このようにして、外部より入力する信号に従った画像を投影する。
出射偏光板１２を出射したＲ光線は、Ｒ光線を反射させる作用を有するダイクロイックプリズム１９にて反射され、例えばズームレンズのような投射手段３に入射し、スクリーンに投射される。

一方、Ｂ，Ｇ透過ダイクロイックプリズム１９を透過したＢ光線とＧ光線は、Ｇ反射ダイクロイックミラー２０に入射し、このミラーによりＧ光線は反射し、液晶表示素子前コンデンサレンズ１８及び入射偏光板１１を通過し、液晶表示素子２に入射し、液晶表示素子２の光の出射側に設けられた出射偏光板１２を通過する。出射偏光板１２を出射したＧ光線は、G光線を透過する作用を有するダイクロイックプリズム１９を透過し、投射レンズ３に入射し、スクリーンに投射される。
また、Ｇ反射ダイクロイックミラー２０を透過したＢ光線は、リレーレンズ２１を透過し、全反射ミラー２２によりその光路を９０°折り曲げられてリレーレンズ２１を透過後、全反射ミラー２３によりその光路を９０°折り曲げられて液晶表示素子前コンデンサレンズ１８及び入射偏光板１１を通過し、液晶表示素子２に入射され、液晶表示素子２の光の出射側に設けられた出射偏光板１２を通過する。出射偏光板１２を出射したＢ光線は、Ｂ光線を反射させる作用を有するダイクロイックプリズム１９にて反射後、投射レンズ３に入射し、スクリーンに投射される。

以上より、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応した光線が色分離手段及び色合成手段により分離、合成され、投射レンズ３によりＲ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応した液晶表示素子２上の画像を拡大し、スクリーン上に各色の画像を合成し拡大した実像を得るものである。同図において、電源回路２４、映像信号回路２５のように配置し、また、吹き出しファン２６により光源１で発生する熱を外部に導く作用を有する。また、本実施例では偏光合成手段によりランダムな光源からの出射光を一方向に揃えるため、入射偏光板の熱の発生が少ない。

また、前記光源と前記投射手段は、それぞれの光軸が互いに直交になるように配置し、さらに、前記色分離手段と前記液晶表示素子及び前記色合成手段とからなる色分離合成ユニットを介して電源回路２４及び映像信号回路２５を同図に示すように配置することにより、装置全体を小型化することができる。
また、本実施例では、本発明の第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７は、同じ形状のものを使用しており、１つのレンズセルの横寸法が、液晶表示素子２の横寸法の略１／５．３の比率であり、例えば液晶表示素子２の映像表示部の矩形対角寸法が０．９″の場合に、第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７の１つのレンズセルの矩形対角寸法が、概略０．１７″の寸法であり、第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７を構成するレンズセルの総数が、略２４０セル以上あり、第一のアレイレンズ６と第二のアレイレンズ７の１つのレンズセルのレンズ焦点距離が３０ｍｍ以内である構成となっており、光学系の小型化が達成できる。また、略２４０セル以上の個々の像が液晶表示素子２に重なり、従来の装置よりも均一な画質が得られる。また、セルサイズ０．１７″であるからセルを電極ワイヤ２８の影が横切る場合でも、略２４０セル（略16×15セル）以上であれば、画質を均一化させることが可能である。したがって、投射型液晶表示装置では、装置全体の小型化と明るさ等の性能向上を同時に実現することができる。

また、マイクロレンズ付の液晶表示素子等を用いて明るさおよび画質の均一性を向上しようとすると、照明系のＦ値を概略２から３近くに設定しなければならなくなり、この場合でも、本発明の第一のアレイレンズと第二のアレイレンズ間隔が３０ｍｍ以下の距離に短縮でき、光学系の小型化が達成できる。

さらに、本発明においては、偏光合成手段を組み合わせており、偏光合成手段である偏光ビームスプリッター８の厚さを第二のアレイレンズ７より薄くしている、（すなわち第二のアレイレンズ７が２.５±０.５mm程度である場合、偏光ビームスプリッター８は２ｍｍ以下とする）、ことにより光路長さが短縮でき、かつ全反射ミラー１５を接近させて配置でき、セットの小型化が可能となる。

図２に示す本発明の実施例において、照明光学系は、ランプユニット１４、第一のアレイレンズ６、第二のアレイレンズ７、偏光ビームスプリッター８、λ／２位相差板９、コンデンサレンズ１０、全反射ミラー１５等を備えており、ランプ１３からの光をＲ、Ｇ、Ｂの光に分離する前までの光路を云う。また、光学ユニットとしては、照明光学系を含み、さらに照明光学系からの光をＢ（青色），Ｇ（緑色）反射ダイクロイックミラー１６、Ｇ反射ダイクロイックミラー２０等を用いてそれぞれＲ、Ｇ、Ｂの光に分離するまでを指す場合と、この分離したＲ、Ｇ、Ｂの光をそれぞれの液晶表示素子２に入射し、Ｒの光、Ｂの光を反射し、Ｇの光を透過するダイクロイックプリズム１９を介して投射手段３に至る光路までを指す場合とがある。

図３は、本発明による第１番目の一実施形態の一部効果を示す図である。図３は、投射型液晶表示装置の照明光学系を示しており、光源１は、円形の反射面鏡５を有し、かつ反射面鏡５内でランプ電極の片側に設置された径が略0.6mm以内の電極ワイヤ２８を有する。
光源１の電球から放射される光は楕円面または放物面または非球面のリフレクタ５にて集光され、第一のアレイレンズ６に入射する。光は第一のアレイレンズ６を通過後、第二のアレイレンズ７を通過し、偏光ビームスプリッター８に入射する。この入射光は偏光ビームスプリッター８により透過光はＰ偏光光、反射光はＳ偏光光に分離され、このＰ偏光光は偏光ビームスプリッター８の出射側面に配置されたλ／２位相差板９により偏光方向が９０°回転し、Ｓ偏光光となり、コンデンサレンズ１０に入射する。また、前記Ｓ偏光光は反射を繰り返し、隣接する偏光ビームスプリター８の出射面から出射され、コンデンサレンズ１０に入射する。コンデンサレンズ１０は、少なくとも1枚以上の構成であり、正の屈折力を有し、該Ｓ偏光光をさらに集光させる作用を持ち、該コンデンサレンズ１０を通過した光は液晶表示素子２を照射する。

図３において、本実施例では、本発明の第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７は、同じ形状のものを使用しており、１つのレンズセルの横寸法が、液晶表示素子２の横寸法の略々１／５．３の比率であり、例えば液晶表示素子２の映像表示部の矩形対角寸法が０．９″の場合に、第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７の１つのレンズセルの矩形対角寸法が、概略０．１７″の寸法であり、第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７を構成するレンズセルの総数が、２４０セル以上あり、（図３は概略図）第一のアレイレンズ６と第二のアレイレンズ７の１つのレンズセルのレンズ焦点距離が３０ｍｍ以内である構成となっているため、光学系の小型化が達成できる。また、図３の点線ように、２４０セル以上の個々の像が液晶表示素子２に重なり、従来の装置よりも均一な画質が得られる。また、セルサイズ０．１７″であるからセルを電極ワイヤ２８の影が横切る場合でも、略２４０セル（略16×15セル）以上であれば片側７から８列となり、０．１７″セルサイズならば略０．６ｍｍ幅の帯状の影が６本並ぶと１つのセルサイズとなるので、セルは片側で最低６列以上あれば、液晶表示素子上で電極ワイヤ２８による影に起因する明るさの明暗がなくなり、これによる色ムラを無くし、画質を均一化させることが可能である。この場合、光軸中心の左右の片側に電極ワイヤが存在するので、アレイレンズの横配列あるいは縦配列が余裕分を１から２列以上とると、最低１４から１６列以上必要となる。したがって、セル数が略２４０セル以上となれば、略０．６ｍｍ以内の電極ワイヤの影が液晶表示素子に映り込みを図の斜線のように均一化し、明暗が均一で、色ムラのない画質が得られる。
したがって、投射型液晶表示装置では、装置全体の小型化と明るさ等の性能向上を同時に実現することができる。さらに、第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７を同一形状としたことにより、型が一種類ですみ、コスト低減も図れる。

図４は、本発明による第２番目の一実施形態を示す図である。
図４の偏光ビームスプリッター８はガラス板材に光のＰ偏光光とＳ偏光光を分離する偏光ビームスプリッター膜を付けており、これを積層に接着した後、４５°にスライスした構成となっている。このため図４のように、縦長の菱形プリズムが数個配列された平板状の構成になっている。この膜付けは一面おきにアルミあるいは銀等のミラー蒸着を施しても良い。但し、このミラー部はＳ偏光光を反射する役割となっているため、このプリズム光路には光線を入射させない工夫が必要である。

このため、本発明の偏光ビームスプリッター８は、第二のアレイレンズ７の各々のレンズ光軸のピッチの中心に位置するＳ偏光光の反射プリズムの光軸入射面、すなわち第二のアレイレンズ７側の面に、遮光部材２７を付加し、不要光がカットされ、入射偏光板１１によって吸収カットされる時に、光から熱にエネルギー変換され発生する発熱を防止すること効果がある。この遮光部材２７は、銀やアルミ蒸着膜付けによる一列おきのスリット状の反射膜、あるいは、スリガラス状の発散膜、あるいは遮光用の金属シール、あるいは耐熱シール、あるいはスリットを入れた金属板、あるいは金属メッキ等で構成される。

以上のような、数個の偏光ビームスプリッター８が配列された平板状の構成では、一列おきにλ／２位相差板９を貼り合せており、分離したＰ偏光光をＳ偏光光へ変換し、偏光ビームスプリッター８から出射する光をＳ偏光光に揃えたり、あるいは、分離したＳ偏光光が入射したプリズムの隣接するプリズムから反射して出射された後、λ／２位相差板９にて、偏光ビームスプリッター８の出射光をＰ偏光光で揃えることも可能である。

以上のような平板状の偏光ビームスプリッター８の各々の菱形プリズムを第二のアレイレンズ７の各々のレンズ光軸の横配列方向のピッチに適合させて複数個を配列し、かつ第二のアレイレンズ７の中央部に隙間、例えば光軸ピッチの１／２幅の隙間ｈ、をあけて、第二のアレイレンズ７の左右あるいは上下半分づつに分割して、中央部を境に左右対称状態にて、偏光ビームスプリッター８と、同じ偏光ビームスプリッター８のもう一枚を光軸を中心にして１８０°反転した状態で貼り合せれば、第二のアレイレンズ７に設けた遮光部材２７と偏光ビームスプリッタ−８の横配列方向のピッチに高精度で適合させることが可能となり、製造上困難であった、第二のアレイレンズ７および遮光部材２７と偏光ビームスプリッター８を高精度貼り合わせを実現できる。

従来は、図４（ｂ）のように左右対称型の平板状の偏光ビームスプリッター８をメーカにて作成し、この偏光ビームスプリッター８と第二のアレイレンズ７の光学部品同士の界面が空気層であると、反射防止膜を界面に施しても、光の透過効率が低下するので、この偏光ビームスプリッター８と第二のアレイレンズ７とを、各々のレンズ光軸と偏光ビームスプリッター８の横配列方向のピッチを適合させて貼り合せる構成となっていた。この時、不要光をカットするスリット状の遮光板を第二のアレイレンズ７の前、すなわち光源側に配置し、偏光ビームスプリッター８に入射する前に不要光成分、図中の斜線部分、を遮光する構成となっていた。しかし、この場合は、遮光部材２７は、スリットを設けた金属板などの構造部材であり、光軸に対して独立して、この遮光部材を支持しなければならなかった。
このため、遮光部材２７の部品精度誤差や組み立て精度誤差により、必要な光まで遮光してしまうことが生じ、かつ、組み立て時にも部品点数が増えるので、加工行程費用がかかる構成であった。

しかし、本発明では、遮光部材２７を設けた第二のアレイレンズ７に偏光ビームスプリッター８を中央を境にして左右対称型にて貼り合せ、蒸着膜等で遮光部材を形成するため、Ｓ光路のプリズムの入射面をほとんど誤差無く遮光でき、かつ部品点数も少なく組み立て性が向上する。
さらに、本発明により、従来のような左右対称型の平板状の偏光ビームスプリッター８をメーカにて作成してから、第二のアレイレンズ７に貼り合せる２段階の加工行程はせず、２個の偏光ビームスプリッター８を１段階の加工行程で第二のアレイレンズ７に貼り合せるので、加工コストの低減が図れる。

また、従来の偏光ビームスプリッター８は、左右一体なので、貼り合せ精度が、左端から右端まで積み重なり、第二のアレイレンズ７に貼り合せる時に、中央振り分けとなり、どうしても左右の貼り合せ精度誤差、例えば±0.25が左右両側に出てしまう。
しかし、本発明により、左右別体の遮光部材２７を設けた第二のアレイレンズ７に偏光ビームスプリッター８を貼り合せるので、中央からの精度誤差を積み上げることにはならず、左の偏光ビームスプリッター８は左側の中心または光量の大きな第二のアレイレンズ７上の左半分の中のレンズ光軸を精度振り分けの中心とすることが可能なため、上述の数値でいえば、±0.125の貼り合せ精度誤差に抑えられる。また同様に右側の偏光ビームスプリッター８を第二のアレイレンズ７に貼り合せる場合も、上述の左側同様に貼り合せ精度誤差を半減できる効果もある。これにより、第二レンズアレイ７のレンズ光軸ピッチの１／２幅の偏光ビームスプリッター８の貼り合せ誤差による光軸の位置ズレが少なくなり、第二のアレイレンズ７からの入射光が偏光ビームスプリッター８によってケラレる光量が減少する。これにより光の透過効率が向上し、明るさの性能向上が実現可能となった。

１…光源、２…映像表示素子、３…投射レンズ、５…リフレクタ、６…第一のアレイレンズ、７…第二のアレイレンズ、８…偏光ビームスプリッター、９…λ／２位相差板、１０…コンデンサレンズ、１１…入射偏光板、１２…出射偏光板、２７…遮光部材、２８…電極ワイヤ。

Claims (4)

1. 光を放射する光源と、
   映像信号に応じた光学像が形成される映像表示素子と、
   前記映像表示素子を照射する作用を有する照明光学系と、
   前記映像表示素子からの光を投射する投射手段と
   を有する光学ユニットであって、
   複数のレンズセルを有し、前記光源からの光を集光して複数の光源像を形成する第一の
   アレイレンズと、
   複数のレンズセルを有し、前記第一のアレイレンズで形成された複数の光源像を前記映
   像表示素子に結像させる第二のアレイレンズと、
   前記第二のアレイレンズのレンズセルのピッチに対応して配置された複数個の偏光ビー
   ムスプリッターとを有し、
   前記第一のアレイレンズ、第二のアレイレンズのいずれか一方または両方における１つ
   のレンズセルの対角寸法を略０．１８″以下とし、
   前記第一のアレイレンズおよび第二のアレイレンズを構成するレンズセルの総数が略２４０セル以上あり、
   前記１つのレンズセルのレンズセルの焦点距離が３０ｍｍ以内とする
   ことを特徴とする光学ユニット。
2. 請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
   前記偏光ビームスプリッターの第二のアレイレンズ側に遮光部材を設けた
   ことを特徴とする光学ユニット。
3. 光を放射する光源と、
   映像信号に応じた光学像が形成される映像表示素子と、
   前記映像表示素子を照射する作用を有する照明光学系と、
   前記映像表示素子からの光を投射する投射手段と
   を有する投射型表示装置であって、
   複数のレンズセルを有し、前記光源からの光を集光して複数の光源像を形成する第一の
   アレイレンズと、
   複数のレンズセルを有し、前記第一のアレイレンズで形成された複数の光源像を前記映
   像表示素子に結像させる第二のアレイレンズと、
   前記第二のアレイレンズのレンズセルのピッチに対応して配置された複数個の偏光ビー
   ムスプリッターとを有し、
   前記第一のアレイレンズ、第二のアレイレンズのいずれか一方または両方における１つ
   のレンズセルの対角寸法を略０．１８″以下とし、
   前記第一のアレイレンズおよび第二のアレイレンズを構成するレンズセルの総数が略２４０セル以上あり、
   前記１つのレンズセルのレンズセルの焦点距離が３０ｍｍ以内とする
   ことを特徴とする投射型表示装置。
4. 請求項３に記載の投射型表示装置において、
   前記偏光ビームスプリッターの第二のアレイレンズ側に遮光部材を設けた
   ことを特徴とする投射型表示装置。

Images