JPH08313847A - 照明手段およびこれを用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空間光変調素子を用いた表示装置において、
明るく品位の高い画像を実現することを目的とする。こ
のため、画素構造に適した微小照明領域を二次元状に周
期的に形成すると共に高い光利用効率を実現する照明手
段を提供する。 【解決手段】 照明手段は、光源と三原色のカラー発光
面を形成する手段と第１マイクロレンズアレイと第２マ
イクロレンズアレイとを備え、第１マイクロレンズアレ
イはカラー発光面の実像を形成し、第２マイクロレンズ
アレイは３原色の色光の各主光線を互いに略平行に進行
せしめ、互いに分離された三原色の微小照明領域を所定
の配列に従って周期的に形成する。乃至は、第１レンズ
アレイと第２レンズアレイを備え、発光面の形状を画素
の開口形状に近似せしめ、より明るい照明を実現する。
表示装置は、上記照明手段と空間光変調素子と画像形成
手段を備え、微小照明領域と画素を対応せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として画素構造
を備えて光学像を形成する空間光変調素子を照明するた
めに用いる照明手段と、当該照明手段と空間光変調素子
を用いた表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、大画面映像を表示する方法の１つ
として、空間光変調素子を用いた投写型表示装置が知ら
れ、近年では、液晶パネルを用いた投写型表示装置が実
用化されている。

【０００３】このような投写型表示装置には、大きく分
けて、カラー表示の液晶パネルを１枚用いる方式と、三
原色に対応させて白黒表示の液晶パネルを３枚用いる方
式がある。それらについて各種光学系の構成が提案さ
れ、例えば、特開昭６０−２９１６号公報、特開昭６０
−１７９７２３号公報、に開示されている。

【０００４】カラー表示の液晶パネルを１枚用いる方式
の投写型表示装置について、その構成の一例を（図５
５）に示す。照明光学系５０１は透過型の液晶パネル５
０２を照明し、液晶パネル５０２を通過した光は投写レ
ンズ５０３に入射する。液晶パネル５０２上には透過率
の変化として光学像が形成され、投写レンズ５０３によ
り光学像がスクリーン（図示せず）上に拡大投影され
る。

【０００５】照明光学系５０１は、例えば、ランプ５０
４、凹面鏡５０５、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ５０６、
フィールドレンズ５０７、から構成される。ランプ５０
４には、メタルハライドランプ、ハロゲンランプ、キセ
ノンランプ、などが用いられる。凹面鏡５０５は、放物
面鏡、楕円面鏡などが用いられ、ランプ５０４から放射
される光を集めて液晶パネル５０２を照明する光束を形
成する。ＵＶ−ＩＲカットフィルタ５０６は、照明光か
ら赤外線と紫外線を取り除くために用いる。フィールド
レンズ５０７は、液晶パネル５０２を照明する光を投写
レンズ５０３に入射させるために用いる。

【０００６】液晶パネル５０２の断面構造の一例を、
（図５６）に示す。２枚の透明ガラス基板５１１、５１
２によりツイストネマチック液晶５１３を狭持し、配向
膜５１４、５１５により、液晶分子を所定方向に配向さ
せる。透明ガラス基板５１１、５１２には画素構造を形
成し、液晶層に印可する電界を変化させて液晶分子の配
向を制御する。これにより入射する光の偏光状態を空間
的に変化させる。

【０００７】ガラス基板５１１、５１２の入射側と出射
側には、偏光板５１６、５１７を備える。自然偏光の光
が偏光板５１６に入射し、直線偏光の光となって液晶層
５１３に入射する。液晶層５１３に入射した光は液晶分
子の配向状態に応じて偏光状態が変化し、偏光板５１７
を通過する光の強度が制御される。このような光の変調
を二次元状に配置した画素単位に行い、光学像を形成す
る。透明ガラス基板５１１、５１２中の破線は、それぞ
れ画素構造の１単位を明確にするために、便宜上付記し
た仮想線である。

【０００８】画素構造は、ガラス基板５１２上に画素電
極５１８を二次元状に配列して構成する。

【０００９】他方のガラス基板５１１上には対向電極５
１９を形成する。いずれの電極も透明電極であり、これ
らの電極間に駆動電圧を供給し電界を形成する。一般
に、各画素の印可電界を一定期間保持するためのスイッ
チング素子として、画素電極５１８と一対に薄膜トラン
ジスタ５２０が形成される。また、対向電極５１９上に
は、各薄膜トランジスタ５２０に光があたらないよう
に、ブラックマトリックス５２１が形成される。

【００１０】１枚の液晶パネルでカラー画像を形成する
場合、一般に、赤と緑と青の画素を１組とした１単位の
カラー画素を、二次元状に周期的に配列する。赤の画素
として働く画素電極群には赤の光学像に対応した映像信
号が選択的に供給される。緑と青の画素についても同様
である。

【００１１】更に、赤の画素領域には赤の色光を、緑の
画素領域には緑の色光を、青の画素領域には青の色光
を、それぞれ選択的に入射させる必要がある。このた
め、一般に、ブラックマトリックス５２１の開口部に、
赤色フィルタ５２２Ａ、緑色フィルタ５２２Ｂ、青色フ
ィルタ５２２Ｃ、を周期的に形成し、通過する光の波長
帯域を制御する。赤色フィルタとは、白色の光が入射し
た場合に赤の波長帯域の光のみを主として透過せしめる
もので、緑色フィルタ、青色フィルタ、についても同様
である。

【００１２】（図５６）に示す構成において、ブラック
マトリックス５２１に入射する光はこれにより反射また
は吸収されるので、無効となる。ブラックマトリックス
５２１の開口部の色フィルタ５２２Ａ、５２２Ｂ、５２
２Ｃを通過する光により、カラーの光学像が形成され
る。この場合、赤色フィルタ５２２Ａに入射する緑色と
青色成分の光は、フィルタで吸収されるので無効とな
る。緑色フィルタ５２２Ｂと青色フィルタ５２２Ｃにつ
いても同様で、全ての色フィルタに入射する三原色の光
のうち約２／３は損失となる。

【００１３】以下、白黒表示の液晶パネルを３枚用いる
投写型表示装置を述べる。（図５６）に示す液晶パネル
からカラーフィルタを取り除いた白黒表示の液晶パネル
を、赤用、緑用、青用として３枚用い、各パネルには対
応する色の光学像に応じた映像信号を供給する。これら
のパネルを対応する色の色光により照明し、変調された
三原色の光を合成してフルカラーの画像を表示する。

【００１４】この場合、光源から出射する白色光をダイ
クロイックミラーを用いて、赤、緑、青の原色光に分解
し、対応する液晶パネルを照明する。３枚の液晶パネル
により変調された各原色光は、ダイクロイックミラーに
より再び光路が合成される。これにより、各液晶パネル
上の光学像が重畳され、等価的にフルカラーの光学像
が、１本の投写レンズによりスクリーン上に投影され
る。他に、３枚の液晶パネルに対応させて３本の投写レ
ンズを備えて、スクリーン上で三原色の光学像を重畳さ
せる方式も知られている。

【００１５】カラーフィルタを備える液晶パネルを１枚
用いる投写型表示装置は、部品点数が少なく構成が簡単
であるという利点がある。一方、白色の照明光が入射し
た場合、必要とする色以外の光がカラーフィルタで吸収
され、光損失が大きいという問題がある。白黒表示の液
晶パネルを３枚用いる方式と比較すると、液晶パネル部
での光利用効率はおよそ１／３となる。

【００１６】これに対し、三原色に対応させて液晶パネ
ルを３枚用いる方式は、光利用効率が相対的に高いの
で、明るい投写画像を実現し易いという利点がある。一
方、部品点数が多く構成が複雑で、相対的にコストが高
くなるという問題がある。例えば、液晶パネルの入射側
と出射側に、複数枚のダイクロイックミラーと平面ミラ
ーが必要となる。

【００１７】また、１本の投写レンズで合成された光学
像を投影する場合、液晶パネルから投写レンズに至る光
路に、色を合成するためのダイクロイックミラーを配置
する空間が必要となり、バックフォーカスの長い投写レ
ンズが必要となる。このような投写レンズは、諸収差の
抑制が難しいので具現化が容易ではなく、高価となる。

【００１８】一方、上記方式の違いに関わらず、液晶パ
ネルのブラックマトリックスで反射または吸収される光
は、光損失の主たる要因となる。一般に、液晶パネルの
開口率（ブラックマトリックスの開口部の面積の総和÷
有効表示領域の全面積）は、高いもので５０％程度であ
り、高精細な表示とするために画素数を増やすほど、開
口率は低下する。従って、このような液晶パネルを用い
て投写型表示装置を構成した場合、投写画像が暗いとい
う問題を生じる。

【００１９】この問題に対し、液晶パネルの入射側にレ
ンズ素子を備えて、ブラックマトリックスの非開口部に
おける光損失を改善する方法が開示されている（例え
ば、特開昭６０−１６５６２１号公報）。これは、画素
構造と一対のレンズ素子により、各画素に入射する光を
ブラックマトリックスの開口部に収斂せしめ、照明光を
効率良く通過させるものである。各画素と対を成すレン
ズ素子を二次元状に配列したものは、各レンズ素子の大
きさからマイクロレンズアレイと呼ばれている。

【００２０】また、カラー表示の液晶パネルを１枚用い
る投写型表示装置において、カラーフィルタにおける光
損失を改善する手法も開示されている（ＵＳＰ４,２７
７,１３８、特開平３−５６９２２号公報、特開平４−
６０５３８号公報）。

【００２１】これは、三原色の画素を１単位とするカラ
ー画素単位ごとに、その入射側にマイクロレンズを配置
し、これにあらかじめ分離した赤、緑、青の各原色光を
角度を異ならせて入射せしめるものである。各原色光の
入射する方向、マイクロレンズの焦点距離、カラー画素
単位の構成、を適切に組み合わせれば、マイクロレンズ
により収斂した各原色光の微小照明領域を、三原色の画
素の各開口部に対応させることができる。これにより、
赤色の光は赤色の画素領域にのみ、緑色の光は緑色の画
素領域にのみ、青色の光は青色の画素領域にのみ、それ
ぞれ選択的に到達せしめることができる。従って、三原
色の画素の各々は、特に対応する色フィルタを備える必
要がなく、その部分における光損失を改善し、光利用効
率を向上させることができる。

【００２２】また、上記投写型表示装置において、明る
さの均一性の高い投写画像を得るには、液晶パネルを明
るさの均一性の高い光で照明する必要がある。そのため
には、ランプの放射する光を高い効率で集光し、明るさ
の均一性の高い光を形成する照明光学系が必要である。
これに対し、２枚のレンズアレイを用いて均一性の高い
照明光を形成する手法が開示されている（ＵＳＰ５,０
９８,１８４、特開平５−３４６５５７号公報）。

【００２３】これは、複数のレンズを二次元状に配列し
たレンズアレイを、光源から液晶パネルに至る光路中に
少なくとも２枚配置するもので、例えば、光源に近いレ
ンズアレイを第１レンズアレイ、他方のレンズアレイを
第２レンズアレイとし、各レンズアレイを構成するレン
ズは同数で互いに対をなす。第１レンズアレイは、照明
むらの大きい光束を照明むらの少ない複数の部分光束に
分割し、各レンズは当該レンズを通過する部分光束を第
２レンズアレイの対応するレンズの開口に導く。

【００２４】第２レンズアレイは、各部分光束に適当な
倍率を与え、各部分光束を液晶パネルの表示領域全体を
照明する光とし、これらを液晶パネル上に重畳させる。
照明むらの大きい光を照明むらの少ない複数の部分光束
に分割し、これらを拡大させて重畳させるので、高い効
率で明るさの均一性の高い光が形成できる。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、表示装置には
明るい画像を提供することが要望される。特に投写型表
示装置は、主として大画面の映像を投影するので、光出
力の大きいことが望まれる。

【００２６】これに対し、例えば液晶パネルのような空
間光変調素子を用いる表示装置は、光源の消費電力を大
きくし、より強い光で空間光変調素子を照明することで
光出力を大きくできる。

【００２７】しかし、この場合、光源の発熱が大きくな
る、表示装置全体の消費電力が増大して大型化する、空
間光変調素子における発熱が増大し素子の動作不良を招
く、といった問題を生じる。

【００２８】従って、このような表示装置の光学系に
は、光損失が少なく光利用効率の高いことが要望され
る。特に、主としてこの用途に用いられる照明手段は、
ランプから放射される光を高い効率で利用し、空間光変
調素子の画素構造に適した明るい照明を実現することが
要望される。

【００２９】本発明はかかる点を鑑みてなされたもの
で、特に空間光変調素子を用いる表示装置とこれに用い
る照明手段における光損失を改善するものである。その
結果、光利用効率を向上させて光出力を増大せしめ、明
るい画像を提供することを目的とする。

【００３０】以下、具体的に本発明が解決しようとする
課題を述べる。まず、カラー表示の液晶パネルを１枚用
いる表示装置は、カラーフィルタにおける光損失が大き
く、液晶パネル部の光利用効率が低いという問題があ
る。この問題に対し、ＵＳＰ４,２７７,１３８、特開平
３−５６９２２号公報、特開平４−６０５３８号公報
は、マイクロレンズアレイにより三原色の各色光を対応
する色の画素領域に導く方式を開示している。しかし、
上記各方式が実用上十分な効果を得るには、以下の問題
がある。

【００３１】第１に、１つのマイクロレンズから出射す
る三原色の各色光は互いに異なる角度で進行し、対応す
る画素の開口部近傍に到達する。従って、液晶パネルを
通過した後のこれらの色光は、互いに平行ではなく異な
る方向に進行する。この場合、液晶パネルから出射する
三原色の各色光を、利用しにくいという問題がある。

【００３２】例えば、投写レンズを用いて液晶パネル上
の光学像を投影しようとすると、投写レンズの入射瞳に
おいて、各色光が異なる位置に収斂する。つまり、入射
瞳上の異なる位置に所定の拡がりを有する赤、緑、青の
発光面を形成する。

【００３３】その結果、入射瞳上の同一の位置に同等の
拡がりを有する白色の発光面を形成する場合と比較し
て、Ｆナンバーの小さい、すなわち口径の大きい投写レ
ンズが必要となる。一般に、このような口径の大きい投
写レンズは、諸収差の抑制が困難で具現化が難しく、高
価となる。

【００３４】第２に、一般に、液晶パネルを照明する光
には明るさむらがある。より光出力の大きい表示装置を
実現するためにランプから放射される光を効率よく集光
するほど、明るさむらは大きくなる。例えば、ランプか
ら放射される光を凹面鏡を用いて集光する場合、受光面
の明るさは、光軸近傍は明るく、光軸から離れるほど明
るさが低下する。この明るさはおよそ照明光の照射角で
決まり、光軸近傍ほど照明光の照射角が大きく、光軸か
ら離れるほど照射角が小さくなる。

【００３５】その結果、明るさむらのある照明光を用い
てマイクロレンズアレイを備える液晶パネルを照明する
と、場所により各レンズ素子を通過してブラックマトリ
ックスの開口上に収斂される光の断面形状と大きさが異
なるという問題がある。その結果、例えば緑の画素領域
に導くべき光が他の色の画素領域にはみ出し、表示画像
に色むらを発生させるという問題を生じる。

【００３６】また、明るさの暗い部分では収斂された光
の断面積が小さいので、光学系の僅かな配置ずれや性能
ばらつきにより、所定の画素の開口領域からこれらの光
がずれてしまい、画素が暗くなる、全く光らない、とい
った問題を生じる。これは、表示画像に色むらや明るさ
むらを生じさせて画像品位を損なうので問題がある。

【００３７】第３に、より明るい表示装置を実現するに
は、発光体から表示画像に至る光学系全体において高い
光利用効率を実現しなければいけない。従来は、空間光
変調素子のみの比較において光損失を改善する構成を開
示するもので、光源や投写レンズなどと組み合わせた時
に、光学系全体で十分に高い効率を実現する構成は開示
されていない。従って、空間光変調素子における光損失
の改善効果が、表示画像の明るさ向上に十分に寄与しな
いという問題がある。

【００３８】一方、液晶パネルを用いる投写型表示装置
には、液晶パネルのブラックマトリックスにおける光損
失が大きいという問題がある。この問題に対し、例えば
特開昭６０−１６５６２１号公報は、各画素の入射側に
マイクロレンズを備えて光損失を改善する方法を提案し
ているが、実用上十分な効果を得るには、以下の問題が
ある。

【００３９】マイクロレンズアレイにより光を収斂させ
てブラックマトリックスの開口部を通過する光量を増加
せしめる場合、収斂した光の断面は各開口よりも小さく
なければいけない。収斂した光の断面が開口よりも大き
ければ、開口よりはみ出した光は損失となるので十分な
効果を得ることができない。一方、各開口を通過する光
量をできるだけ大きくするには、収斂した光の断面をで
きるだけ大きくしなくてはいけない。従って、これらの
条件を鑑みれば、各開口上に収斂した光の断面は、各開
口の形状に内接する形状であることが望ましい。

【００４０】これに対し、ランプから放射される光をよ
く知られる凹面鏡や集光レンズを用いて集光し、得られ
た光束をマイクロレンズアレイに入射させると、得られ
る微小照明領域の形状は、ほぼ正円に近いものとなる。

【００４１】従って、このような光学系でブラックマト
リックスにおける光損失を改善する場合、各画素の開口
形状が正円ないしは正円に近い形状でなければ、十分な
効果を得ることはできない。一方、画素の開口形状は、
液晶パネルの表示領域の大きさ、アスペクト比、水平方
向と垂直方向の画素数、から決まり、多様である。

【００４２】例えば、１枚の液晶パネルで三原色の高精
細な表示を行うものには、正方形のカラー画素領域を縦
方向に３分割し、三原色に対応する画素を形成したもの
が多い。この場合、各画素の開口は、縦方向の長さが横
方向の長さに対して約３倍長く、細長い形状となる。

【００４３】従って、このような画素の１つ１つに対応
させてマイクロレンズを配置しても、上記理由から、光
出力の大きい明るい投写型表示装置を実現することは困
難である。仮に、各画素の細長い開口を通過する小さい
正円断面の微小照明領域を形成し、ブラックマトリック
スにおける光損失を改善したとしても、ブラックマトリ
ックスを通過する光量を絶対量として増加させることが
難しい。

【００４４】本発明は、上記問題点を鑑みてなされたも
のであり、画素構造を備える空間光変調素子を、高い効
率で良好に照明できる照明手段を提供することを目的と
する。また、当該照明手段と空間光変調素子を用いて表
示装置を構成し、明るく色むらや明るさむらのない優れ
た品位の画像を提供することを目的とする。具体的に、
例えばカラー表示の液晶パネルを１枚用いる方式であっ
ても、液晶パネル部での光損失を大幅に改善し、光利用
効率の高い光学系を構成できる。

【００４５】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の第１の照明手段は、主として三原色の画素
からなるカラー画素を二次元状に配列してなる空間光変
調素子を照明する手段であって、三原色の色成分を含む
光を放射する光源と、前記光源から放射される光を集め
る集光手段と、集光手段から出射する光を収束せしめる
と共に三原色の色光に分離してカラー発光面を形成する
発光面形成手段と、カラー発光面の近傍に配置されて発
光面形成手段から出射する光が入射するリレーレンズ
と、リレーレンズから出射する光が入射するフィールド
レンズと、フィールドレンズから出射する光が入射する
第１マイクロレンズアレイと、第１マイクロレンズアレ
イから出射する光が入射する第２マイクロレンズアレイ
とを備え、カラー発光面は互いに分離された三原色の発
光面を配列してなり、第１マイクロレンズアレイは複数
の第１マイクロレンズを二次元状に配列してなり、第２
マイクロレンズアレイは第１マイクロレンズと同数で対
をなす第２マイクロレンズを配列してなり、主として第
１マイクロレンズアレイはカラー発光面の実像を二次元
状に配列せしめ、第２マイクロレンズの各々はカラー発
光面の実像の近傍に配置されて対応する第１マイクロレ
ンズから出射する３原色の色光の各主光線を互いに略平
行に進行せしめ、互いに分離された三原色の微小照明領
域を所定の配列に従って周期的に形成することを特徴と
するものである。

【００４６】特に、第１マイクロレンズアレイと第２マ
イクロレンズアレイは、同一基板の両面にイオン交換法
によりレンズ領域を形成してなる平板型マイクロレンズ
アレイを用いるとよい。

【００４７】また、上記問題点を解決するために本発明
の第１の表示装置は、照明手段と、当該照明手段により
照明される空間光変調素子と、空間光変調素子により空
間的に変調された光を用いて画像を形成する画像形成手
段とを備え、照明手段は上記本発明の第１の照明手段か
らなり、空間光変調素子は三原色の画素からなるカラー
画素構造を備えて光学像を形成し、照明手段により形成
される三原色の微小照明領域の各々を三原色の画素の各
々に対応せしめることを特徴とするものである。

【００４８】特に、画像形成手段は投写レンズからな
り、投写レンズは空間光変調素子上の光学像をスクリー
ン上に投影して画像を形成するとよい。

【００４９】また、画像形成手段は、空間光変調素子の
出射側近傍に配置されるマイクロレンズアレイと、マイ
クロレンズアレイの出射側に配置される光拡散手段から
なり、マイクロレンズアレイは空間光変調素子の画素に
対応するマイクロレンズを配列してなり、マイクロレン
ズの各々は当該レンズに対応する画素の実像を光拡散手
段の近傍に結像せしめ、光拡散手段は当該手段に入射す
る光を散乱させて画像を形成するとよい。

【００５０】更に、三原色の発光面の有効形状の各々
を、対応する画素の開口形状に近似せしめるとなお好ま
しい。

【００５１】あるいは、上記問題点を解決するために本
発明の第２の照明手段は、主として複数の画素を二次元
状に配列してなる空間光変調素子を照明する照明手段で
あって、光源と、光源から放射される光を集める集光手
段と、集光手段から出射する光が入射する第１レンズア
レイと、第１レンズアレイから出射する光が入射する第
２レンズアレイと、第２レンズアレイから出射する光が
入射するマイクロレンズアレイとを備え、第１レンズア
レイは集光手段から出射する光束を複数の部分光束に分
割する第１レンズを配列してなり、第２レンズアレイは
第１レンズと同数で対をなす第２レンズを配列してな
り、前記マイクロレンズアレイは複数のマイクロレンズ
を二次元状に配列してなり、第１レンズの各々は当該レ
ンズを通過する部分光束を対応する第２レンズの開口上
に収斂せしめ、第２レンズの各々は当該レンズに入射す
る部分光束に所定の倍率を与えてマイクロレンズアレイ
の有効領域ないしは当該領域と光学的に等価な領域を重
畳形態で照明し、マイクロレンズアレイは第２レンズア
レイ近傍の物体の実像を二次元状に配列せしめ、第２レ
ンズアレイの有効開口に応じた所定の有効形状を有する
微小照明領域を所定の配列に従って周期的に形成するこ
とを特徴とするものである。

【００５２】特に、集光手段からマイクロレンズアレイ
に至る光路上に色分離手段を備え、色分離手段は白色光
を三原色の色光に分離し、三原色の色光は各主光線を互
いに異なる角度でマイクロレンズアレイに入射せしめ、
所定の有効断面を有する互いに分離された三原色の微小
照明領域を所定の配列に従って周期的に形成するとなお
好ましい。

【００５３】また、第２レンズアレイからマイクロレン
ズアレイに至る光路にリレー光学手段を備え、リレー光
学手段は入力部レンズ系と中央部レンズ系と出力部レン
ズ系からなり、入力部レンズ系は第２レンズアレイの開
口近傍の物体の実像を中央部レンズ系の開口近傍に形成
せしめ、中央部レンズ系は入力部レンズ系の開口近傍の
物体の実像を出力部レンズ系の開口近傍に形成せしめ、
出力部レンズ系は中央部レンズ系近傍の発光面の重心か
ら出射する光を互いに略平行に進行する光とせしめると
よい。

【００５４】更に、集光手段は焦点を有して光源から放
射される光を焦点近傍に収斂せしめ、第１レンズアレイ
は焦点近傍に配置せしめると共に第１レンズアレイの入
射側近傍に収束レンズを備え、収束レンズの入射側焦点
は集光手段の射出瞳面の重心近傍に配置せしめるとよ
い。

【００５５】第２レンズの各々は当該レンズを通過する
光束断面に応じて互いに異なる大きさと形状の開口を備
えると好ましく、また、第１レンズアレイの有効開口は
正円を近似してなるとよい。

【００５６】第１レンズアレイと第２レンズアレイの少
なくともいずれかは、開口に対して光軸を偏心させたレ
ンズを配列してなると好ましく、第１レンズアレイと第
２レンズアレイの少なくともいずれかは、非球面を基準
曲面とするフレネルレンズを配列してなるとなお好まし
い。

【００５７】また、上記問題点を解決するために本発明
の第２の表示装置は、照明手段と、当該照明手段により
照明される空間光変調素子と、空間光変調素子により空
間的に変調された光を用いて画像を形成する画像形成手
段とを備え、照明手段は上記本発明の第２の照明手段か
らなり、空間光変調素子は画素構造を備えて光学像を形
成し、照明手段の備える第２レンズアレイの有効開口を
画素の開口形状に近似せしめると共に、照明手段により
形成される微小照明領域の各々を画素の開口部に対応せ
しめることを特徴とするものである。

【００５８】特に、画像形成手段は投写レンズからな
り、投写レンズは空間光変調素子上の光学像をスクリー
ン上に投影して画像を形成するとよい。

【００５９】また、画像形成手段は、空間光変調素子の
出射側近傍に配置されるマイクロレンズアレイと、マイ
クロレンズアレイの出射側に配置される光拡散手段から
なり、マイクロレンズアレイは空間光変調素子の画素に
対応するマイクロレンズを配列してなり、マイクロレン
ズの各々は当該レンズに対応する画素の実像を光拡散手
段の近傍に結像せしめ、光拡散手段は当該手段に入射す
る光を散乱させて画像を形成するとよい。

【００６０】空間光変調素子の有効表示領域は略４：３
のアスペクト比を有する矩形である場合、第１レンズア
レイと第２レンズアレイは、４個、６個、７個、９個、
１０個、１４個、１６個、１８個のいずれかの個数のレ
ンズを配列してなるとよい。

【００６１】空間光変調素子の有効表示領域は略１６：
９のアスペクト比を有する矩形である場合、第１レンズ
アレイと第２レンズアレイは、４個、６個、９個、１０
個、１２個、１４個、１６個、１７個、２２個のいずれ
かの個数のレンズを配列してなるとよい。

【００６２】一方、照明手段は複数の光源と複数の集光
手段を備え、複数の集光手段の光路上に配置される第２
レンズアレイは互いに相まって対応する画素の開口形状
を近似してもよい。

【００６３】あるいは、上記問題点を解決するために本
発明の第３の照明手段は、主として三原色の画素からな
るカラー画素を二次元状に配列してなる空間光変調素子
を照明する手段であって、三原色の色成分を含む光を放
射する光源と、光源から放射される光を集める集光手段
と、集光手段から出射する光を三原色の色光に分離する
色分離手段と、色分離手段から出射する三原色の色光の
各々が互いに異なる角度から入射するマイクロレンズア
レイと、集光手段からマイクロレンズアレイに至る三原
色の色光の各光路に配置されるリレー光学手段とを備
え、リレー光学手段の各々は当該手段を進行する色光を
収斂せしめてマイクロレンズアレイを照明する発光面を
形成し、集光手段から三原色の発光面の各々に至る光路
長は互いに略等しくし、三原色の発光面の各々からマイ
クロレンズアレイに至る光路長は互いに略等しくし、マ
イクロレンズアレイは三原色の発光面の実像を二次元状
に配列せしめ、互いに分離された三原色の微小照明領域
を所定の配列に従って周期的に形成することを特徴とす
るものである。

【００６４】特に、リレー光学手段は、第１レンズと第
２レンズと第３レンズを備え、第１レンズは当該レンズ
に入射する光を第２レンズの開口近傍に収斂せしめて発
光面を形成し、第２レンズは第１レンズ近傍の物体の実
像を第３レンズの開口近傍に形成し、第３レンズは発光
面の重心から出射する光を互いに略平行に進行する光と
せしめるとよい。

【００６５】また、リレー光学手段は、第１レンズアレ
イと第２レンズアレイと第３レンズを備え、第１レンズ
アレイは複数の第１レンズを配列してなり、第２レンズ
アレイは第１レンズと同数で対をなす第２レンズを配列
してなり、第１レンズの各々は当該レンズに入射する光
を対応する第２レンズの開口近傍に収斂せしめて発光面
を形成し、第２レンズの各々は対応する第１レンズ近傍
の物体の実像を第３レンズの開口近傍に重畳形態で形成
し、第３レンズは第２レンズアレイ近傍の発光面の重心
近傍から出射する光を互いに略平行に進行せしめるとよ
い。

【００６６】更に、色分離手段は多層膜面をＸ字状に交
差させた第１ダイクロイックミラーと第２ダイクロイッ
クミラーからなり、第１ダイクロイックミラーにより反
射される色光の光軸を第１の光軸、第２ダイクロイック
ミラーにより反射される色光の光軸を第２の光軸、第１
および第２ダイクロイックミラーを透過する色光の光軸
を第３の光軸、とした場合に、第１および第２の光軸上
の各々に第１平面ミラーと第２平面ミラーと第３平面ミ
ラーを備え、第３の光軸上に第１平面ミラーと第２平面
ミラーを備え、色分離手段から出射した第１から第３の
光軸は第１平面ミラーにより略９０度折り曲げられて略
同一の方向に進行せしめられ、第１平面ミラーから出射
した第１から第３の光軸は第２平面ミラーにより略９０
度折り曲げられて互いに略１点で交差する方向に進行せ
しめられ、第２平面ミラーから出射した第１および第２
の光軸は第３平面ミラーにより折り曲げられてマイクロ
レンズアレイの有効領域の重心近傍で第３の光軸と互い
に所定の角度をなして交差せしめると、なお好ましい。

【００６７】また、上記問題点を解決するために本発明
の第３の表示装置は、照明手段と、当該照明手段により
照明される空間光変調素子と、空間光変調素子により空
間的に変調された光を用いて画像を形成する画像形成手
段とを備え、照明手段は上記本発明の第３の照明手段か
らなり、前記空間光変調素子は三原色の画素からなるカ
ラー画素構造を備えて光学像を形成し、照明手段により
形成される三原色の微小照明領域の各々を三原色の画素
の各々に対応せしめることを特徴とするものである。

【００６８】特に、画像形成手段は投写レンズからな
り、投写レンズは空間光変調素子上の光学像をスクリー
ン上に投影して画像を形成するとよい。

【００６９】また、画像形成手段は、空間光変調素子の
出射側近傍に配置されるマイクロレンズアレイと、マイ
クロレンズアレイの出射側に配置される光拡散手段から
なり、マイクロレンズアレイは空間光変調素子の画素に
対応するマイクロレンズを配列してなり、マイクロレン
ズの各々は当該レンズに対応する画素の実像を光拡散手
段の近傍に結像せしめ、光拡散手段は当該手段に入射す
る光を散乱させて画像を形成するとよい。

【００７０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、（図１）から（図５４）を用いて説明する。

【００７１】（第１の照明手段の第１実施例）まず、本
発明の第１の照明手段について、代表的な実施形態の一
例を（図１）を用いて述べる。ただし、当該照明手段
は、主として、三原色の画素からなるカラー画素を備え
る空間光変調素子を照明するためのもので、このような
空間光変調素子として、例えば、三原色のカラー画素領
域を２次元状に配列した透過型の液晶パネルを用いるこ
とができる。

【００７２】（図１）において、５０は照明手段により
照明される受光面であり、三原色の画素領域からなるカ
ラー画素５１を二次元状に配列した空間光変調素子の画
素構造に相当する。例えば、その一例として（図２）に
模式的に示す構成とする。

【００７３】これは、（図５６）に示したものと同様に
構成される透過型液晶パネルの有効表示領域である。カ
ラー画素５１の１単位は、赤の画素領域と緑の画素領域
と青の画素領域からなり、５１Ｒは赤の画素開口を、５
１Ｇは緑の画素開口を、５１Ｂは青の画素開口を、それ
ぞれ表す。受光面５０の画素開口５１Ｒ、５１Ｇ、５１
Ｂ以外の領域は、ブラックマトリックスと呼ばれる領域
であり、薄膜トランジスタや信号用の配線に光があたら
ないように遮光層が形成される。

【００７４】（図２）は構成を明示するために１つの画
素単位を拡大したもので、実際の画素の大きさや個数を
反映したものではない。また、破線はカラー画素５１の
１単位を明確にするために便宜上付記する仮想線であ
り、Ｒ、Ｇ、Ｂの記号は各開口の対応する色を示すため
に付記する。赤の画素とは赤の光学像に対応した映像信
号が選択的に供給される画素であり、開口部に赤色フィ
ルタを備えても備えていなくても構わない。緑と青の画
素についても同様である。

【００７５】（図１）に示す照明手段は、主に、メタル
ハライドランプ５２、放物面鏡５３、ＵＶ−ＩＲカット
フィルタ５４、発光面形成レンズ５５、赤反射ダイクロ
イックミラー５６、青反射ダイクロイックミラー５７、
平面ミラー５８、５９、リレーレンズ６０Ｒ、６０Ｇ、
６０Ｂ、フィールドレンズ６２、第１マイクロレンズア
レイ６３、第２マイクロレンズアレイ６４、から構成さ
れる。青反射ダイクロイックミラー５７は２分割され
て、赤反射ダイクロイックミラー５６と共に、Ｘ字状に
配置される。

【００７６】メタルハライドランプ５２は発光体６５を
形成し、発光体６５は三原色の色成分を含む光を放射す
る。放物面鏡５３は発光体６５に対して作用する立体角
が大きく、放射される光の大部分を集光し、光軸６６に
およそ平行に進行する光を形成する。光軸６６は、受光
面５０の重心における法線方向であり、放物面鏡５３、
発光面形成レンズ５５、リレーレンズ６０Ｇ、フィール
ドレンズ６２、の各光軸は光軸６６上にある。

【００７７】放物面鏡５３から出射した光は、ＵＶ−Ｉ
Ｒカットフィルタ５４により不要な赤外光と紫外光が除
去され、発光面形成レンズ５５の主平面６７を照明す
る。以下に述べる作用に基づけば、主平面６７は受光面
５０とおよそ共役の関係となるので、主平面６７の明る
さ分布は、受光面５０の明るさ分布に反映される。従っ
て、以下、主平面６７を前置受光面と呼ぶ。

【００７８】発光面形成レンズ５５は、前置受光面６７
を通過する光を収束せしめて、受光面を照明する発光面
を形成する。赤反射ダイクロイックミラー５６は赤色の
光のみを反射せしめ、青反射ダイクロイックミラー５７
は青色の光のみを反射せしめ、これらの色の光は平面ミ
ラー５８、５９により光路が曲げられる。ダイクロイッ
クミラー５６と５７を透過した光は、主として緑色の光
となる。

【００７９】その結果、三原色に分離されたカラー発光
面が形成される。発光面形成レンズ５５のパワーとダイ
クロイックミラー５６、５７及び平面ミラー５８、５９
の大きさと配置を適切に選択することにより、リレーレ
ンズ６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂの各主平面近傍に、三原色
の各色光を互いに分離した状態で収斂せしめることがで
きる。これにより、便宜上、およそ同一平面上に、赤の
発光面６８Ｒ、緑の発光面６８Ｇ、青の発光面６８Ｂ、
が形成される。

【００８０】更に、発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂの大
きさと配置は、カラー画素５１の各開口５１Ｒ、５１
Ｇ、５１Ｂの大きさと配置に対して相似形状とする。厳
密には、発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂの各重心から出
射する三原色の色光が、画素開口５１Ｒ、５１Ｇ、５１
Ｂの重心７２Ｒ、７２Ｇ、７２Ｂの近傍を通過するよう
に、発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂの配置を定める。

【００８１】また、画素開口５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ上
に形成される発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂの実像の有
効な拡がりが、対応する開口形状におよそ内接するよう
に、発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂの大きさを定める。

【００８２】リレーレンズ６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂは、
前置受光面６７とフィールドレンズ６２の主平面６９を
およそ共役の関係とせしめる。フィールドレンズ６２か
ら受光面５０に至る光路長は他の光路長と比較して非常
に短く、前置受光面６７と受光面５０は、およそ共役の
関係となる。言い換えれば、前置受光面６７を通過した
白色光は三原色の色光に分離され、リレーレンズ６０
Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂにより、受光面５０を重畳形態で照
明する。

【００８３】より具体的に述べれば、光軸６６に沿って
進行しダイクロイックミラー５６、５７により光路を曲
げられた赤色と青色の光線が、同じく光軸６６に沿って
進行する緑色の光線と、受光面５０と光軸６６の交点近
傍で互いに交差すればよい。そのために、平面ミラー５
８と５９の向きとリレーレンズ６０Ｒ、６０Ｂの偏心量
を適切に設定すればよい。

【００８４】また、受光面５０に到達する三原色の色光
の光束断面の大きさがおよそ同一となるように、リレー
レンズ６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂのレンズ構成やパワーを
適切に設定すればよい。

【００８５】上記構成に依れば、発光体６５から放射さ
れる光の大部分は、放物面鏡５３により反射され、その
光の大部分が前置受光面６７を経てリレーレンズ６０
Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂの主平面に到達し、フィールドレン
ズ６２の主平面６９に到達する。フィールドレンズ６２
は、マイクロレンズアレイ６３、６４を介して受光面５
０に近接しているので、発光体６５から放射される光の
大部分が受光面５０を照明する光として利用される。従
って、極めて光利用効率の高い照明を実現できる。

【００８６】フィールドレンズ６２は平凸レンズであ
り、凸面側から光が入射する。平面側には、第１マイク
ロレンズアレイ６３が近接して配置される。フィールド
レンズ６２の入射側焦点はリレーレンズ６０Ｇの出射側
主点近傍にあり、緑の発光面６８Ｇの重心から出射する
光を、光軸６６に平行に進行する光として出射せしめ
る。フィールドレンズ６２から出射した光は、第１マイ
クロレンズアレイ６３に入射する。

【００８７】第１マイクロレンズアレイ６３は、第１マ
イクロレンズ７０を二次元状に配列したものである。第
２マイクロレンズアレイ６４は、第２マイクロレンズ７
１を二次元状に配列したものである。マイクロレンズ７
０と７１は１単位のカラー画素５１と１対１に対応して
おり、カラー画素５１と同数である。マイクロレンズ７
０と７１の光軸はいずれも光軸６６と平行であり、１単
位のカラー画素５１の有効領域の重心近傍を通過する。

【００８８】（図３）を用い、第２マイクロレンズアレ
イ６４の構成を補足する。ただし、（図３）は、第２マ
イクロレンズ７１の開口形状と配列の一例を、（図２）
に示した受光面５０の構造に対応させて模式的に示した
もので、画素開口５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂを破線で付記
する。第２マイクロレンズ７１は六角形の開口を有し、
画素開口５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂを備える１単位のカラ
ー画素５１と対をなす。その光軸は１単位のカラー画素
５１の重心にあって、具体的に緑の画素開口５１Ｇの重
心７２Ｇを通過する。

【００８９】第１マイクロレンズアレイ６３は、（図
３）に示した第２マイクロレンズ７１と同じ開口形状の
第１マイクロレンズ７０を、同じ手順で配列して構成す
る。第１マイクロレンズ７０と第２マイクロレンズ７１
は、１対１に対応し同じ光軸を共有する。

【００９０】以下、（図４）及び（図５）を用いて、発
光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂから、受光面５０に至る光
学系の作用を述べる。（図４）は（図１）に示す照明手
段のうち、発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂ、フィールド
レンズ６２、第１マイクロレンズアレイ６３、第２マイ
クロレンズアレイ６４、受光面５０、のみを示す。

【００９１】フィールドレンズ６２の入射側焦点は、発
光面６８Ｇの重心６Ｇと一致させ、重心６Ｇから出射す
る緑色の光は、フィールドレンズ６２を通過後、光軸６
６と平行に進行せしめる。フィールドレンズ６２の焦点
距離と比較して受光面５０の大きさが相対的に小さい場
合、フィールドレンズ６２は球面形状の平凸レンズであ
っても諸収差の影響を無視できる。

【００９２】また、フィールドレンズ６２を、非球面形
状の凸レンズとするか、あるいは非球面を基準曲面とす
るフレネルレンズとすれば、球面収差を非常に小さくで
きるので、重心６Ｇから出射した光を光軸６６に対して
ほぼ完全に平行に進行せしめることができる。

【００９３】第１マイクロレンズ７０の出射側焦点は対
応する第２マイクロレンズ７１の主点７３の近傍にあ
り、光軸６６と平行に進行して入射する光を、主点７３
近傍に収斂せしめる。すなわち、緑の発光面６８Ｇの重
心６Ｇから出射した光は、第１マイクロレンズ６３によ
り収斂されて第２マイクロレンズ７１の主点７３の近傍
に到達する。一方、第２マイクロレンズ７１の入射側焦
点は、対応する第１マイクロレンズの主点７４の近傍に
あり、主点７４を通過する光を光軸６６と平行に進行す
る光として出射せしめる。

【００９４】（図５）は、フィールドレンズ６２と第１
マイクロレンズアレイ６３と第２マイクロレンズアレイ
６４をそれぞれ薄肉レンズとして、上述の関係を表した
もので、以下、これを用いて説明する。ただし、フィー
ルドレンズ６２と第１マイクロレンズアレイ６３は近接
しているので、フィールドレンズ６２に入射した光線
は、その高さを保持して対応する第１マイクロレンズ７
０から出射すると見なす。

【００９５】また、第２マイクロレンズアレイ６４と受
光面５０は互いに近接し、その距離は第２マイクロレン
ズ７１の焦点距離と比較して無視できるものとする。ま
た、第１マイクロレンズ７０と第２マイクロレンズ７１
と１組の画素開口５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂの対応関係を
明確にするために、仮想線１２を付記する。

【００９６】上記構成に依れば、フィールドレンズ６２
と第１マイクロレンズ７０は、発光面６８Ｒ、６８Ｇ、
６８Ｂと、対応する第２マイクロレンズ７１の主平面を
共役の関係とする。そこで、発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６
８Ｂの大きさと配列を画素開口５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ
と相似形状とし、その間の光学系の倍率を適切に定めれ
ば、赤の発光面６８Ｒから出射する赤色の光は赤の画素
開口５１Ｒに、緑の発光面６８Ｇから出射する緑色の光
は緑の画素開口５１Ｇに、青の発光面６８Ｂから出射す
る青色の光は青の画素開口５１Ｂに、それぞれ選択的に
到達せしめることができる。

【００９７】具体的に、赤の発光面６８Ｒの重心６Ｒか
ら出射して第１マイクロレンズ７０の主点９を通過する
光線１１Ｒは、第２マイクロレンズ７１により光軸６６
と平行に進行する光となり、赤の画素開口５１Ｒの重心
７２Ｒに到達する。緑の発光面６８Ｇの重心６Ｇから出
射して第１マイクロレンズ７０の主点９を通過する光線
１１Ｇは、第２マイクロレンズ７１を経て、緑の画素開
口５１Ｇの重心７２Ｇに到達する。青の発光面６８Ｂの
重心６Ｂから出射して第１マイクロレンズ７０の主点９
を通過する光線１１Ｂは、第２マイクロレンズ７１によ
り光軸６６と平行に進行する光となり、青の画素開口２
Ｂの重心７２Ｂに到達する。各発光面の重心６Ｒ、６
Ｇ、６Ｂから出射して第１マイクロレンズ７０に入射す
る他の光線は、第２マイクロレンズ７１の主平面上で上
記光線１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの各々と交わる。第２マ
イクロレンズ７１と受光面５０は近接しているので、こ
れらの光線は対応する色の画素開口の重心７２Ｒ、７２
Ｇ、７２Ｂの近傍に到達すると見なせる。

【００９８】上記作用は、光軸６６上に位置するマイク
ロレンズとカラー画素について図示したが、光軸６６よ
り離れた、例えば、第１マイクロレンズ７０’と第２マ
イクロレンズ７１’と対応するカラー画素についても同
様である。フィールドレンズ６２の口径がその焦点距離
に対して小さく球面収差が良好に除去されておれば、光
軸６６からの高さに関わらず、発光面６８Ｒ、６８Ｇ、
６８Ｂとカラー画素５１の共役関係を実用上十分に満た
すことができる。上記共役関係は、厳密に満たすことが
なくても、各色の発光面から出射する光線をおよそ対応
する色の画素開口の近傍に到達せしめればよい。

【００９９】上記構成により、本発明の第１の照明手段
は、光源の放射する白色光をあらかじめ３原色の色光に
分離し、各色光を対応する色の画素開口領域に選択的に
到達せしめるので、３原色のカラー画素を備える空間光
変調素子を照明する場合に、極めて高い光利用効率を実
現できる。

【０１００】更に、本発明の第１の照明手段は、特に第
２マイクロレンズアレイの働きにより、以下に述べる格
別の効果を得ることができる。（図５）において示した
３原色の光線１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、発光面から出
射する各色光を代表する光線と見なせるので、図示した
以外の他のカラー画素に対する照明光についても同様の
光線を定義し、以下、これらの光線を、画素開口５１
Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂを通過する各色光の主光線とする。
本発明の第１の照明手段は、各色光の主光線１１Ｒ、１
１Ｇ、１１Ｂが、光軸６６と平行に進行する光となって
受光面５０を通過することを大きな特徴とする。これ
は、受光面５０が空間光変調素子のカラー画素であり、
これを通過した光を再度利用して表示装置を構成する場
合に極めて都合が良い。その理由を、以下に具体的な表
示装置の実施例を示して説明する。

【０１０１】（第１の表示装置の第１実施例）（図６）
は、本発明の第１の照明手段を用いて構成した第１の表
示装置の一実施例である。これは、（図１）に示す構成
の受光面５０として、例えば（図２）に示したようなカ
ラー画素を備える液晶パネル２０１を用いたものであ
る。液晶パネル２０１は、そのカラー画素の出射側近傍
に光拡散層２０２を設け、光拡散層２０２はこれに入射
する光を主として前方に散乱せしめる。観察者は、光拡
散層２０２により散乱された光を視認し、液晶パネル２
０１上に表示される光学像を観察するものである。

【０１０２】（図６）に示す構成の表示装置は、発光体
６５の放射する光の大部分を液晶パネル２０１に導き、
三原色の画素開口を通過せしめて光拡散層２０２に到達
せしめるので、極めて光利用効率が高い。従って、少な
い消費電力で明るい画像を提供する表示装置を構成でき
る利点がある。更に、以下に述べるように品位の高い画
像を提供できる。

【０１０３】光拡散層２０２により形成される発光面
は、光拡散層の法線方向から見た場合に最も明るく、こ
れと角度をなす方向から見た場合に当該法線を対称軸と
して回転対称に近い見かけの明るさ分布を持つことが好
ましい。三原色の各色光でこの見かけの明るさ分布は同
じであることが好ましく、これらが異なる場合には、見
る位置に依存して色が変化するという問題を生じる。

【０１０４】これに対し、第２マイクロレンズアレイ６
４を備えない場合、三原色の各色光によって光拡散層２
０２に入射する光の入射角が異なる。その結果、光拡散
層２０２から出射する各色光の配光特性が異なるので、
見る位置に依存して色が変化するという上記問題を生じ
る。これに対し、（図６）に示す構成の表示装置におい
て、例えば（図５）を用いて定義した三原色の各色光の
主光線１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、いずれも光軸６６と
平行に進行して光拡散層２０２に入射する。従って、液
晶パネル２０１を通過して光拡散層２０２に入射する三
原色の各色光の進行方向が揃っているので、上記問題を
生じることがなく、品位の高い画像を提供できる。

【０１０５】（第１の表示装置の第２実施例）（図７）
は、本発明の第１の照明手段を用いて構成した第１の表
示装置の他の一実施例である。これは、（図１）に示す
構成の受光面５０として、例えば（図２）に示したよう
なカラー画素を備える液晶パネル２０３を用いたもので
ある。液晶パネル２０３は、そのカラー画素の出射側近
傍に第３マイクロレンズアレイ２０４と光拡散層２０５
を設ける。第３マイクロレンズアレイ２０４は、画素開
口５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂの各々と対をなす第３マイク
ロレンズ２０７を各画素開口と同様の手順で二次元状に
配列したものであり、各レンズの出射側焦点は光拡散層
２０５上に配置せしめる。

【０１０６】これにより、三原色の画素開口５１Ｒ、５
１Ｇ、５１Ｂを通過した各色光は、第３マイクロレンズ
２０７に入射した後に光拡散層２０５上に収斂される。
光拡散層２０５はこれに入射する光を主として前方に散
乱せしめ、観察者は散乱された光を視認し、液晶パネル
２０３上に表示される光学像を観察するものである。

【０１０７】上記構成において、第３マイクロレンズア
レイ２０４から出射する三原色の各色光は、光軸６６と
平行に進行することが好ましい。三原色の各色で進行す
る方位が異なれば、各画素を通過した光が互いに混じり
合い、光拡散層２０５上には解像度の低下した画像が表
示されるので問題がある。これに対し（図７）に示す構
成は、液晶パネル２０３の各画素開口を通過する各色光
の主光線が、いずれも光軸６６と平行に進行するので、
上記問題を生じることがなく解像度の高い画像を表示で
きる。

【０１０８】更に、光拡散層２０５の出射側に、液晶パ
ネル２０３のブラックマトリックスと同様の格子状の光
吸収領域２０６を形成すると、更に品位の高い画像を表
示できる。ただし、光拡散層２０５において各色光が収
斂される領域を、光吸収領域２０６の開口に対応させ
る。光拡散層２０５に入射した各色光は、光吸収領域２
０６の開口部を通過して前方に散乱するので、光吸収領
域２０６における光損失は少なく、表示画像の明るさは
あまり低下しない。

【０１０９】一般に、光拡散層２０５に観察者側から外
光が入射すると、表示画像の黒レベルが明るくなり、画
像のコントラストが低下する。これに対し光吸収領域２
０６は、画像を形成する光にはあまり影響を与えずに上
記外光を吸収するので、表示画像の黒レベルが明るくな
ることを抑制できる。従って、光拡散層の観察者側に光
吸収領域２０６を形成すれば、表示画像の白黒表示のコ
ントラストを高くできる利点がある。

【０１１０】以上述べたように、（図６）と（図７）に
示す表示装置は、例えば液晶パネルの背面から平行度の
低い拡散光の光源により照明し、画素構造で変調された
光学像を直接視認する場合と比較して、光利用効率が高
く明るい画像を提供できる利点がある。さらに、光拡散
層で散乱された光を観察するので、広い視野範囲におい
て品位の高い良好な画像を観察できる。

【０１１１】（第１の表示装置の第３実施例）（図８）
は、本発明の第１の照明手段を用いて構成した第１の表
示装置の更に他の一実施例である。これは、（図１）に
示す構成の受光面５０として液晶パネル２０７を用い、
液晶パネル２０７から出射する光を投写レンズ２０８に
入射せしめ、投写レンズ２０８により液晶パネル２０７
上のカラーの光学像をスクリーン（図示せず）上に拡大
投影するものである。平面ミラー２１２は光路を折り曲
げるために用いる。

【０１１２】液晶パネル２０７は、例えば（図２）に示
したようなカラー画素を備える。投写レンズ２０８は、
補助レンズ２０９と主レンズ２１０から構成される。液
晶パネル２０７からは、光軸６６とおよそ平行に進行す
る光が出射するので、投写レンズ２０８はテレセントリ
ックな投写レンズであることが望まれる。補助レンズ２
０９は、液晶パネル２０７から出射する光を収斂せしめ
て主レンズ２１０に導き、主レンズ２１０が主として諸
収差を補正して、スクリーン上に所定の倍率で拡大した
画像を投影する。

【０１１３】上記構成において、投写レンズ２０８に入
射した光は、入射瞳２１１上に収斂される。液晶パネル
２０７から出射する光の進行方向が、三原色の色光で同
一である場合、入射瞳２１１上には白色の発光面が重畳
形態で形成される。これに対し、第２マイクロレンズア
レイ６４を備えない構成であって、液晶パネル２０７か
ら三原色の色光が互いに異なる進行方向に出射する場
合、入射瞳２１１上には離散的に三原色の発光面が形成
される。

【０１１４】両者を比較すれば、入射瞳２１１上に白色
の発光面を重畳形態で形成する方が、同一の明るさの投
写画像を得る場合に、相対的に集光角の小さい投写レン
ズを利用できる。上記理由から、（図８）に示す本発明
の表示装置は、Ｆナンバーが相対的に大きい投写レンズ
を利用できる利点がある。このような投写レンズは、諸
収差の抑制が比較的容易であり、口径が小さくコンパク
トで安価に具現化できる。

【０１１５】更に、上記構成の表示装置は、（図６）お
よび（図７）に示す構成の表示装置と同様に、発光体か
ら放射される光の大部分を投写レンズに到達せしめて利
用できる。従って、光利用効率が高く、明るい画像を表
示できる利点がある。

【０１１６】（第１の照明手段と第１の表示装置に関す
るその他の実施例）以下、（図１）に示した本発明の第
１の照明手段を補足説明する。いずれの補足事項も、
（図６）〜（図８）に示した本発明の第１の表示装置の
各実施例について適用できる。

【０１１７】（図１）に示した照明手段は、発光体６５
から放射される光を極めて高い効率で利用し、適切に分
離された三原色の発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂによ
り、受光面５０を照明する。カラー画素５１に入射する
三原色の各色光は、第１マイクロレンズ７０と第２マイ
クロレンズ７１の働きにより、画素開口５１Ｒ、５１
Ｇ、５１Ｂの対応する領域に選択的に到達せしめられ
る。

【０１１８】更に、各画素開口を通過する各色光の主光
線は、光軸６６と平行に進行するので、これらの光を利
用して上述したような特長ある表示装置を実現できる。
従って、三原色の画素領域からなるカラー画素を有する
空間光変調素子を照明する手段として、光利用効率が高
い、変調された光を利用しやすい、という優れた利点が
ある。

【０１１９】（図９）に、第２マイクロレンズ７１の主
平面上に形成される発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂの実
像７５Ｒ、７５Ｇ、７５Ｂの一例を、模式的に示す。第
２マイクロレンズアレイ７１の主平面と画素構造５０は
近接しているので、実像７５Ｒ、７５Ｇ、７５Ｂは、画
素開口５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ上に形成されると見なせ
る。赤の発光面６８Ｒの実像７５Ｒは赤の画素開口５１
Ｒの重心７２Ｒ上に配置せしめる。発光面６８Ｒの大き
さと、発光面６８Ｒから実像７５Ｒに至る光学系の倍率
を適当に定めて、実像７５Ｒを形成する光の大部分が画
素開口５１Ｒを通過できるようにすると、光損失を大幅
に抑制できる。

【０１２０】その為に、実像７５Ｒの有効な拡がりが画
素開口５１Ｒにおよそ内接するようにする。上述の関係
は、緑と青の発光面６８Ｇ、６８Ｂ、実像７５Ｇ、７５
Ｂ、画素開口５１Ｇ、５１Ｂ、についても同様である。

【０１２１】このように、発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８
Ｂの有効形状を、対応する画素開口５１Ｒ、５１Ｇ、５
１Ｂの開口形状に近似させて、およそ内接するようにす
れば、より多くの光を通過せしめることができるので、
より明るい表示装置を実現できる。

【０１２２】（図９）を参照すれば、当該照明手段によ
り照明される空間光変調素子のカラー画素は、必ずしも
色フィルタを備える必要はない。白黒表示の画素構造で
あっても、選択的に三原色の色光を対応する画素の開口
部に到達せしめるので、色フィルタを備える場合と同様
にカラーの光学像を形成できる。色フィルタを備えない
場合、各画素の透過率を高くできるので、より光利用効
率を高くできる。

【０１２３】一方、各画素は色フィルタを備える構成で
あっても構わない。この場合、光学系の配置誤差などの
影響で他の色の色光が入射した場合に、その画素の色純
度の低下を抑制できる利点がある。また、あらかじめ三
原色の色光に分離した光に対して更に色フィルタを作用
させれば、光利用効率は低下する反面、より色純度の高
い画素を形成できる。従って、色再現性の優れた画像を
形成できる利点がある。

【０１２４】また、上記照明手段には、第１マイクロレ
ンズアレイ６３、第２マイクロレンズアレイ６４とし
て、イオン交換法によって形成される平板型マイクロレ
ンズアレイを用いることができる。これは、ガラス基板
内に屈折率の分布領域を形成し、微小なレンズ領域を二
次元状に配列するものである。

【０１２５】具体的に、ガラス基板の片面に所定の開口
を有するマスクを形成し、これを溶融塩に浸す。上記開
口を通じてガラス基板内のイオンと溶融塩に含まれる異
種のイオンを交換し、マスクパターンに応じた所定の屈
折率分布領域を形成する。

【０１２６】このようなマイクロレンズアレイの断面方
向の構造の一例を示す模式図を（図１０）に示す。透明
の平板ガラス基板８１に屈折率の異なる領域８２を形成
し、微小ピッチのレンズアレイを形成する。この方式に
よるレンズアレイは、レンズを形成した面８１Ａが平面
であることを特長とする。平板型のマイクロレンズアレ
イであれば、レンズを形成した面を液晶パネルなどの隣
接する光学素子の界面に密着させて固定できる利点があ
る。

【０１２７】例えば、第１マイクロレンズアレイ６３と
第２マイクロレンズアレイ６４は、上述のイオン交換法
により、（図１１）に示す構造の平板型マイクロレンズ
アレイ９１として形成できる。基板８３の両面に屈折率
の異なる領域８４と８５を形成し、一対の第１マイクロ
レンズ８６と第２マイクロレンズ８７を二次元状に配列
する。対をなす第１マイクロレンズ８６と第２マイクロ
レンズ８７は同一の光軸８８を有する。

【０１２８】第１マイクロレンズ８６は、光軸８８と平
行に入射する光８９を対応する第２マイクロレンズ８７
の主点８７Ａ近傍に収斂せしめる。第２マイクロレンズ
８７は、対応する第１マイクロレンズ８６の主点８６Ａ
を通過した光を光軸８８と平行に進行する光９０として
出射せしめる。各々のマイクロレンズの大きさと配列の
ピッチは、照明する液晶パネルのカラー画素構造の大き
さと配列のピッチに対応させる。領域８４と８５の屈折
率分布を適切に制御することにより、上述の機能を有す
るように各々のマイクロレンズを形成できる。

【０１２９】例えば（図１）に示した照明手段におい
て、基板８３の平面８３Ａ側をフィールドレンズ６２の
出射側平面と近接させ、平面８３Ｂ側を照明される画素
構造５０を有する液晶パネルの入射側ガラス基板に近接
させる。これにより、平板型マイクロレンズアレイ９１
は、第１マイクロレンズアレイ６３と第２マイクロレン
ズアレイ６４の機能を代替できる。

【０１３０】また、（図１）に示した本発明の第１の照
明手段の実施例では、第１マイクロレンズ７０と第２マ
イクロレンズ７１の焦点距離と互いの位置関係を厳密に
定義し、第２マイクロレンズ７１はカラー画素５１の入
射側に近接して配置すると定めた。本発明の効果は、特
にこの構成に制限されない。例えば、第２マイクロレン
ズ７１は、カラー画素５１の出射側に近接して配置せし
めても構わない。

【０１３１】この用途に一般的な液晶パネルは、画素開
口を定めるブラックマトリックス層の入射側に、薄いも
ので例えば厚さ０.７ｍｍのガラス基板が存在する。第
２マイクロレンズアレイ６４をこのガラス基板の入射側
に貼付する場合、第２マイクロレンズ７１とカラー画素
５１はガラス基板の厚みで０.７ｍｍ以上接近させるこ
とが難しい。

【０１３２】この場合、第１マイクロレンズ７０と第２
マイクロレンズ７１の間の光路長を、上記ガラス基板の
厚みに相当する光路長に対しておよそ２倍以上長くし、
マイクロレンズ７０と７１の焦点距離を上述の関係から
適切にずらすことで上記各実施例と同様の効果を得るこ
とができる。

【０１３３】すなわち、発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂ
の実像を対応する画素開口５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂの近
傍に形成し、更に、三原色の各色光の主光線１１Ｒ、１
１Ｇ、１１Ｂを、第２マイクロレンズアレイ６４を備え
ない場合と比較して、より光軸６６と平行に近い方向に
進行せしめることができる。

【０１３４】（図１）に示した本発明の第１の照明手段
において、三原色の発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂは、
以下に述べる方法で形成するとなお良い。（図１２）
は、そのための発光面形成レンズ５５からリレーレンズ
に至る構成を示す。

【０１３５】（図１２）において、赤色の光路に配置さ
れるリレーレンズ６０Ｒ'は、三角プリズムの入射側と
出射側に凸レンズ面を形成した構成である。プリズムの
全反射面５９'は、（図１）の構成における平面ミラー
５９の役割を果たし、赤反射ダイクロイックミラー５６
で反射された赤の色光の光路を所定の方向に折り曲げ
る。リレーレンズ６０Ｒ'は、平面ミラー５９'を内蔵し
た両凸レンズと見なせる。このような凸レンズ付きの三
角プリズムは、例えばＰＭＭＡ樹脂を金型を用いて成形
すれば、実現できる。

【０１３６】また、一般的な光学ガラスで構成される三
角プリズムの入射側と出射側の平面に、平凸レンズを貼
付しても実現できる。

【０１３７】ただし、平面ミラー５９'の光路を折り曲
げる角度と入出射面の凸レンズの光軸は、当該リレーレ
ンズを通過する赤の照明光が、受光面上で緑の照明光と
重ね合わさるように適切に定める。上記構成は、青色の
光路に配置されるリレーレンズ６０Ｂ'についても同様
である。

【０１３８】三原色の光路に配置される各リレーレンズ
は、前置受光面６７の実像を受光面５０の近傍に所定の
倍率で形成する必要がある。この場合、（図１）に示す
構成は、前置受光面からリレーレンズ６０Ｒ、６０Ｇ、
６０Ｂの入射側主点に至る光路長が、緑の色光について
短く、赤と青の色光について長い。これに対し、各リレ
ーレンズの出射側主点から受光面５０に至る光路長は、
互いに等しい。

【０１３９】従って、リレーレンズの倍率が小さい場合
にはあまり問題とならないが、リレーレンズの倍率が大
きくなると、上記光路長の差により、受光面を照明する
三原色の照明光の断面積が緑の色光と他の２つの色光で
異なる。

【０１４０】具体的に、緑の照明光の拡がりに対して、
赤と青の照明光の拡がりが小さくなる。この場合、赤と
青の照明光が受光面の全域を照明するようにリレーレン
ズの倍率を決めるので、緑の照明光の明るさが相対的に
暗くなるという課題を生じる。

【０１４１】これに対し、（図１２）に示す構成は２つ
の利点がある。第１に、２枚のダイクロイックミラー５
６と５７で反射された光は、その直後にリレーレンズ６
０Ｒ'と６０Ｂ'に入射し、空気よりも屈折率の高い媒質
中を通過するので、赤色と青色の光路長と緑色の光路長
の差を（図１）に示す構成と比較して小さくできる。

【０１４２】第２に、リレーレンズ６０Ｒ'と６０Ｂ'を
両凸レンズとしその入射側の凸面を発光面形成レンズ５
５に近づけるので、これらのリレーレンズの入射側主点
を前置受光面６７に近づけることができる。

【０１４３】従って、３つのリレーレンズ６０Ｒ'、６
０Ｇ'、６０Ｂ'の前置受光面６７に対する倍率をおよそ
同一とすることが、（図１）に示す構成と比較してより
容易となる。上記理由により、（図１２）に示す構成は
より明るい照明を実現できる利点がある。

【０１４４】（第２の照明手段の第１実施例）以下、本
発明の第２の照明手段について具体的な実施形態を述べ
る。空間光変調素子の備える画素の開口形状は、表示領
域のアスペクト比、水平方向と垂直方向の画素数、など
から決まり、多様である。画素開口の一例として（図
２）に示したように、各開口の形状は正方形であるとは
限らない。当該照明手段は、このような多様な画素の開
口形状に合わせて、常に光利用効率の高い照明を実現す
る手段を提供する。

【０１４５】例えば、一般にパーソナルコンピュータの
データを表示する画面は、白色の１画素を正方形の画素
領域として定義する。従って、この用途に一般的な直視
用途のカラー液晶パネルは、正方形のカラー画素領域を
縦方向に三等分し、縦長の各画素領域を赤色用、緑色
用、青色用、としている。このような液晶パネルの画素
構造の一例を、（図２）と同様にして（図１３）に示
す。三原色の各画素開口、５１Ｒ'、５１Ｇ'、５１Ｂ'
は縦長の開口形状であり、これらが集まって正方形のカ
ラー画素５１'を形成する。

【０１４６】以下、本発明の第２の照明手段の実施形態
の一例を（図１４）を用いて説明する。ただし、受光面
５０'として、例えば（図１３）に示す画素構造を有す
る空間光変調素子を照明するものとする。

【０１４７】メタルハライドランプ５２、放物面鏡５
３、ＵＶ-ＩＲカットフィルタ５４は、（図１）に示し
たものと同様のもので、発光体６５から放射される光の
大部分を集光して光軸６６に沿って進行する光を形成す
る。集光された光は、第１レンズアレイ２２１、第２レ
ンズアレイ２２３、フィールドレンズ２２５、マイクロ
レンズアレイ２２６を経て、受光面５０'を照明する。
受光面５０'は、（図１３）に示すカラー画素５１'を配
列して構成される。

【０１４８】マイクロレンズアレイ２２６の構成の一例
を（図１５）を用いて述べる。マイクロレンズアレイ２
２６は、１つの画素開口と対をなす長方形の開口を有す
るマイクロレンズ２２７を、各画素開口に対応させて二
次元状に配列して構成される。マイクロレンズ２２７の
出射側焦点は、対応する画素開口の重心近傍に配置させ
る。

【０１４９】第１レンズアレイ２２１の構成の一例を
（図１６）を用いて述べる。第１レンズアレイ２２１
は、複数の第１レンズ２２２を二次元状に配列して構成
する。（図１６）は、このようなレンズアレイの開口形
状の一例を示し、各レンズ中の記号は（図１７）に示す
第２レンズアレイの各レンズとの対応関係を示すために
便宜上付記する。

【０１５０】第２レンズアレイ２２３の構成の一例を
（図１７）を用いて述べる。第２レンズアレイ２２３
は、複数の第２レンズ２２４を二次元状に配列して構成
する。（図１７）は、このようなレンズアレイの開口形
状の一例を示し、各レンズ中の記号は（図１６）に示す
第１レンズアレイの各レンズとの対応関係を示すために
便宜上付記する。

【０１５１】第１レンズアレイ２２１は入射する光束を
レンズの個数分の部分光束に分割し、第１レンズ２２２
の各々は、当該レンズを通過する部分光束を対応する第
２レンズ２２４の開口上に収斂せしめる。第２レンズ２
２４の各々は、当該レンズに入射する部分光束を適切に
拡大し、受光面５０'上に重畳させる。言い換えれば、
第２レンズ２２４の各々は対応する第１レンズ２２２の
開口上の物体の実像を、受光面５０'上に適切な倍率で
重畳形態で形成する。

【０１５２】フィールドレンズ２２５は、第２レンズア
レイ２２３の開口の重心近傍から出射する光を光軸６６
と平行に進行する光とせしめてマイクロレンズアレイ２
２６に入射させる。マイクロレンズ２２７は、当該レン
ズに入射する光を対応する画素開口５１Ｒ'、５１Ｇ'、
５１Ｂ'上に収斂せしめるので、各画素開口上には、第
２レンズアレイ２２３の開口近傍の物体の実像が形成さ
れる。

【０１５３】本発明は、上述の様に構成される照明手段
において、受光面５０'の画素開口の各々を通過する光
量をより多くするために、第１レンズアレイと第２レン
ズアレイの構成を以下に述べるようにしている。

【０１５４】（図１６）と（図１７）を参照し、２つの
レンズアレイ２２１と２２３の構成を補足する。第１レ
ンズ２２２の開口は、第２レンズアレイ２２４により、
受光面５０'と共役となる。従って、例えば受光面５０'
がアスペクト比が４：３の矩形の表示画面を有する空間
光変調素子であれば、第１レンズ２２２の各開口はアス
ペクト比が４：３の矩形開口とすればよい。これによ
り、照明光の断面を受光面の形状に整合させて、光利用
効率を高めることができる。

【０１５５】また、第１レンズアレイ２２１は、放物面
鏡５３から出射する円形断面の光束に対して作用するの
で、複数の第１レンズ２２２は、この円形の光束断面に
内接するように配列すればよい。以上の構成により、放
物面鏡５３から出射した光束は、その大部分が第１レン
ズアレイ２２１の開口を通過し、第２レンズアレイ２２
３に到達する。

【０１５６】第２レンズアレイ２２３は、フィールドレ
ンズ２２５とマイクロレンズ２２７の作用により、受光
面５０'の全ての画素開口の各々と共役の関係となる。
従って、第２レンズアレイ２２３の有効開口形状が、各
画素開口上における照明光の断面形状となる。そこで、
第２レンズ２２４は、第２レンズアレイ２２３の有効開
口形状が対応する画素開口５１Ｒ'、５１Ｇ'、５１Ｂ'
の形状を近似するように、配列する。

【０１５７】（図１７）は上記点を鑑みて構成された第
２レンズアレイ２２３の開口形状の一例である。第２レ
ンズ２２４の開口上には、対応する第１レンズ２２２に
より発光体６５の実像２２８が形成される。その様子の
一例を、模式的に付記する。この実像２２８の大きさ
は、第１レンズ２２２の位置により異なる。従って、第
２レンズ２２４の各々は対応する実像２２８の大きさに
合わせて必要十分な開口を与え、開口の大きさと形状を
適切に異ならせた第２レンズ２２４を、垂直方向に長
く、水平方向に細く配列する。

【０１５８】すなわち、凹面鏡に代表される集光手段か
ら出射する円形断面の光束を、第１レンズアレイ２２１
により複数の部分光束に分割し、各部分光束の配列を適
切に並べ替えて、第２レンズアレイ２２３上に導く。こ
れにより、対応する画素開口の形状を近似するように、
光束断面の形状を整形できる。第２レンズアレイ２２３
は、各部分光束を適切に拡大させると共にその進行方向
を変えて、受光面５０'上に重畳させる。

【０１５９】上述の手順に従って各部分光束を導くため
に、第１レンズ２２２と第２レンズ２２４の各々は、当
該レンズの開口に対して光軸を適宜、偏心させるとよ
い。第１レンズ２２２から出射する光は、偏心した光軸
上の焦点近傍に収斂されるので、当該焦点と対応する第
２レンズ２２４の開口中心をおよそ一致させるとよい。
また、第２レンズ２２４は、第１レンズ２２２の開口中
心から出射した光が受光面５０'の重心近傍に到達する
ように、偏心させるとよい。

【０１６０】第１レンズアレイと第２レンズアレイを上
述したように構成する場合、各レンズの偏心量が比較的
大きくなると、諸収差の影響が大きくなり光損失が増加
する。この場合、各レンズを構成する曲面の少なくとも
いずれかを非球面とすれば良い。諸収差の発生を抑制
し、光損失の発生を抑制できる。同様に偏心量が大きく
なると、曲面のサグ量が増加し、レンズアレイの厚みが
厚くなると共に、レンズアレイの形状が比較的段差の大
きいものとなる。

【０１６１】この場合、各レンズを非球面をベースカー
ブとするフレネルレンズとし、適宜、開口に対して光軸
を偏心させれば、比較的薄いレンズアレイを用いて、良
好に上記作用を実現できる。このようなフレネルレンズ
を用いたレンズアレイは、レンズアレイの形状の段差が
少ないので、プレス成形などの工法を用いて比較的加工
し易いという利点がある。

【０１６２】（図１７）に模式的に記載した発光体６５
の実像２２８の集まりは、全体として発光面として作用
し、受光面５０'の全体を照明する光を放射する。カラ
ー画素５１上には、当該発光面の実像が形成される。
（図１８）は、この様子の一例を模式的に示す。各画素
開口上には、およそ開口形状に内接するように発光面の
実像２２９'が形成される。

【０１６３】上記構成によれば、マイクロレンズ２２７
により対応する画素開口部に光を収斂せしめるので、ブ
ラックマトリックス部で遮光される光が減少し、光利用
効率を向上させることができる。更に、マイクロレンズ
２２７により収斂される微小照明領域の形状を、対応す
る画素開口の形状におよそ内接するようにできるので、
開口部を通過する光量を増大せしめ、その結果、明るい
照明を実現できる。

【０１６４】また、２つのレンズアレイ２２１と２２３
は、放物面鏡５３から出射する比較的照明むらの大きい
光を照明むらの少ない部分光束に分割し、これらを拡大
して受光面上に重畳させる。従って、明るさむらと色む
らの少ない照明光を形成できる利点をも得ることができ
る。

【０１６５】（第２の照明手段の第２実施例）以下、本
発明の第２の照明手段の実施形態の他の一例を（図１
９）を用いて説明する。これは、主として、（図１４）
に示したものと同様の受光面５０'を照明するもので、
更に光利用効率の高い照明を実現するものである。ただ
し、受光面５０'の入射側近傍には、（図１０）に示し
たものと同様に構成される平板型マイクロレンズアレイ
１０６が具備される。これは、（図１）に示す第１マイ
クロレンズアレイ６３と同様の機能を果たすもので、例
えば（図２０）に示すように構成される。

【０１６６】（図２０）は、マイクロレンズアレイ１０
６を構成するマイクロレンズ１０７の開口形状を（図１
５）と同様に示したもので、１つのマイクロレンズ１０
７は１単位のカラー画素５１'と対をなし、画素開口５
１Ｒ'、５１Ｇ'、５１Ｂ'の形成される正方形領域を覆
う開口形状を有する。マイクロレンズ１０７の光軸は、
カラー画素５１'の正方形領域の重心にあり、緑の画素
開口５１Ｇ'の重心７２Ｇ'に相当する。

【０１６７】メタルハライドランプ５２、放物面鏡５
３、ＵＶ-ＩＲカットフィルタ５４は、（図１）および
（図１４）に示したものと同じである。発光面形成レン
ズ５５からマイクロレンズアレイ１０６に至る構成は、
（図１）に示した本発明の第１の照明手段の第１実施例
における発光面形成レンズ５５から第１マイクロレンズ
６３に至る光学系と同様に構成される。

【０１６８】発光面形成レンズ５５は、その主平面６７
を前置受光面とし、当該レンズに入射する光束を収斂さ
せて受光面５０'を照明する発光面を形成する。赤反射
ダイクロイックミラー５６と青反射ダイクロイックミラ
ー５７は、入射する白色光を三原色の色光に分離し、
赤、緑、青の発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂを形成す
る。リレーレンズ６０Ｒ'、６０Ｇ'、６０Ｂ'は（図１
２）に示したものと同様に構成され、前置受光面６７の
実像を受光面５０'上に適切な倍率で形成する。

【０１６９】フィールドレンズ６２とマイクロレンズア
レイ１０６は、三原色に分離された発光面６８Ｒ、６８
Ｇ、６８Ｂの実像を、対応する画素開口５１Ｒ'、５１
Ｇ'、５１Ｂ'上に形成する。そのために、発光面６８
Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂからカラー画素５１'に至る光学系
の倍率と、各発光面の大きさと配置は適切に設定され
る。

【０１７０】上記構成によれば、発光体６５の放射する
白色光はあらかじめ三原色の発光面に分離され、各色光
は対応する画素の開口部にのみ選択的に導かれる。従っ
て、カラー画素５１'の各開口は特に色フィルタを備え
る必要がなく、光利用効率の高い照明を実現できる。特
に、（図１９）に示す照明手段は、放物面鏡５３から前
置受光面６７に至る光路中に第１レンズアレイ１０２と
第２レンズアレイ１０３を具備することで、以下に述べ
る格別の効果を得ることができる。２つのレンズアレイ
１０２と１０３は、（図１４）に示したレンズアレイ２
２１と２２３と同様の目的で同様に構成される。

【０１７１】例えば、第１レンズアレイ１０２は（図２
１）に示す構成とする。これは、（図１６）に示したも
のと同様に、受光面５０'と相似の開口形状を有する第
１レンズ１０４を二次元状に配列してなる。また、第２
レンズ１０３は（図２２）に示す構成とする。これは、
第１レンズ１０４と対をなす第２レンズ１０５を二次元
状に配列してなる。これらのレンズアレイ１０２と１０
３は、（図１４）における受光面５０'の替わりに、前
置受光面６７を照明する。前置受光面６７と本実施例に
おける受光面５０'は互いに共役なので、当該レンズア
レイの機能は（図１４）に示したものと同じである。

【０１７２】発光面形成レンズ５５は、第２レンズアレ
イ１０３の開口近傍の物体の実像を、発光面６８Ｒ、６
８Ｇ、６８Ｂとして形成し、マイクロレンズ１０７は当
該発光面の実像を対応する画素開口上に形成する。従っ
て、（図１９）に示す構成は、（図１４）に示す構成
に、白色光を三原色に分離してこれらの色光を対応する
画素開口に選択的に導く機能を付加したものである。こ
の場合に、カラー画素５１'上に形成される発光面の実
像１３１Ｒ、１３１Ｇ、１３１Ｂの一例を（図２３）に
示す。

【０１７３】各画素開口を通過できる光量に対して発光
面の放射する光が少なく、形成される発光面の実像が対
応する画素開口内にほぼ含まれる場合、第２レンズアレ
イ１０３の開口形状を例えば（図２２）に示すように構
成しても、十分に光利用効率の高い照明を実現できる。
また、照明する画素開口の形状が、例えば（図２）に示
したような正方形に近い形状であれば、上記構成のレン
ズアレイを用いて、正方形の画素開口を近似する発光面
を形成できる。

【０１７４】更に、（図１９）に示す実施例において、
第１レンズアレイ１０２と第２レンズアレイ１０３を、
（図１４）に示した第１レンズアレイ２２１と第２レン
ズアレイ２２３と同様に構成すれば、なお好ましく、よ
り明るい照明を実現できる。すなわち、第２レンズアレ
イ１０３の開口形状と当該レンズアレイ上に形成される
発光体の実像を、（図１７）に示したものと同様にす
る。これにより、カラー画素５１'上には、（図１８）
に示したような発光面の実像が、三原色に分離された状
態で形成される。画素開口上の微小照明領域の断面形状
を、開口部の形状に整合せしめることができ、当該開口
部を通過する光量を増大せしめて、より明るい照明を実
現できる。

【０１７５】（図１９）に示す構成の照明手段は、更に
以下に述べる格別の作用と効果を有する。２枚のレンズ
アレイから構成される系１０１は光束を分割、拡大、重
畳する光学系であり、前置受光面６７を照明する光の明
るさ分布を均一にする。このような照明系の明るさの分
布は、主として受光面の各点から発光面を見た場合の見
かけの拡がりできまる。

【０１７６】言い換えれば、受光面を照明する明るさの
分布が大きく異なれば、マイクロレンズアレイ１０６で
形成される発光面の実像の大きさが場所に依り大きく異
なる。受光面を照明する明るさの均一性が高ければ、上
記発光面の実像の大きさは、場所に依らず一定の大きさ
となる。

【０１７７】上記作用は、受光面上の光学像を観察する
場合に明るさの均一性が向上するので望ましく、さら
に、マイクロレンズ１０７で互いに分離された三原色の
微小照明領域を形成する場合には、互いに隣り合う色光
の混色を抑制できるので大変好ましい。全受光面で一定
の大きさを有する画素開口に対して、大きさの揃った発
光面の実像を形成できるので、光学系の配置誤差の影響
を受けにくく、全画素を選択的に良好に照明することが
できる。

【０１７８】（第２の照明手段の第３実施例）（図１
９）を用いて述べた本発明の第２の照明手段について、
更に好ましい他の実施例を述べる。（図１９）に示す構
成のランプ５２から発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂに至
る構成を（図２４）に示す構成とする。

【０１７９】ただし、（図２４）は、（図１９）に示す
構成において画素開口が相対的に長い方向を紙面に沿っ
た方向とし、２つのダイクロイックミラー５６、５７は
破線１５６の領域に配置するとして割愛し、緑の色光の
リレーレンズ６０Ｇのみを記載している。

【０１８０】（図１９）に示したものと同様に、ランプ
５２から２枚のレンズアレイ１０２と１０３に至る系を
光源ユニット１５１、１５２として構成し、これら２つ
の光源ユニットを用いて前置受光面６７を重畳形態で照
明する。各光源ユニット１５１、１５２の光軸１５３、
１５４は、前置受光面６７の重心６７Ｃ上で光軸６６と
交差する。

【０１８１】このようにすれば、２つの第２レンズアレ
イ１０３の主平面を近似する平面１５５上に、２つの発
光面が形成され、これらは、画素開口の縦に長い方向に
対応する。発光面形成レンズ５５は、当該発光面の実像
を、例えば緑の色光についてリレーレンズ６０Ｇの開口
上に６８Ｇとして形成する。

【０１８２】上記照明手段を用いた場合のカラー画素５
１'上の発光面の実像の一例を、（図２５）に示す。例
えば、赤の画素開口５１Ｒ'について、２つの発光面１
６０Ｒと１６１Ｒが、縦長の画素開口を近似するように
形成される。緑と青の画素開口についても同様である。
光源を２つ用いて縦長の発光面を形成し、これを縦長の
画素開口を有効に通過せしめるので、極めて光利用効率
が高く明るい照明を実現できる。

【０１８３】（第２の照明手段の第４実施例）本発明の
第２の照明手段について、更に好ましい第４の実施例を
述べる。（図２６）において、フィールドレンズ６２、
マイクロレンズアレイ１０６、受光面５０'、カラー画
素５１'は、（図１９）に示したものと同様に構成され
る。当該照明手段は、メタルハライドランプ５２から放
射される白色光を赤色反射ダイクロイックミラー５６と
青色反射ダイクロイックミラー５７を用いて三原色の色
光に分離した後に、各色光の光路に、（図１６）と（図
１７）に示したものと同様の２枚のレンズアレイを備え
る構成を示す。

【０１８４】例えば、緑色の色光について説明する。発
光体６５から放射される光は楕円面鏡５３'によりその
大部分が集光され、その出射側焦点近傍に収斂される。
第１レンズアレイ２３２Ｇは（図１６）に示した第１レ
ンズアレイ２２１と同様に構成され、楕円面鏡５３'の
出射側焦点の近傍に配置される。第１レンズアレイ２３
２Ｇから出射した光は、（図１７）に示した第２レンズ
アレイ２２３と同様に構成される第２レンズアレイ２３
３Ｇに導かれ、当該レンズアレイ近傍に形成される発光
体６５の実像の集まりは、緑色の発光面として受光面５
０'を照明する。以下の照明の手順は（図１９）を用い
て述べたものと同様である。

【０１８５】第１レンズアレイ２３２Ｇの入射側には、
収束レンズ２３１Ｇを配置する。その構成と作用を（図
２７）を用いて述べる。便宜上、収束レンズ２３１Ｇと
第１レンズアレイ２３２Ｇは離して記載するが、これら
は互いに近接して配置する。発光体６５から放射される
光は、楕円面鏡５３'の出射側焦点２３５Ｂの近傍に収
斂する。厳密には、楕円面鏡５３'に内包される焦点２
３５Ａから出射する光２３９、２４０が、出射側焦点２
３５Ｂに到達し、一般に発光体６５の重心を当該焦点２
３５Ａ近傍に配置せしめる。

【０１８６】収束レンズ２３１Ｇの入射側焦点は、楕円
面鏡５３'の頂点２３６近傍に配置せしめる。楕円面鏡
５３'をその出射側焦点２３５Ｂ近傍から見た場合、楕
円面鏡５３'の反射面全体が発光面であり、その重心は
頂点２３６近傍に位置する。

【０１８７】従って、楕円面鏡５３'から出射する光の
射出瞳の重心は頂点２３６近傍に位置すると見なせ、当
該射出瞳の重心と収束レンズ２３１Ｇの入射側焦点を一
致せしめる。これにより、収束レンズ２３１Ｇから出射
する光の主光線は、光軸６６とおよそ平行に進行する光
として第１レンズアレイ２３２Ｇに入射せしめることが
できる。

【０１８８】更に、楕円面鏡５３'の離心率を適切に選
択し、発光体６５の光軸６６と直交する方向の長さＷと
収束レンズ２３１Ｇの有効径Ｄ、第１焦点距離Ｆ１、第
２焦点距離Ｆ２、について、Ｄ／Ｗ≒Ｆ２／Ｆ１の関係
を満たすようにするとなお好ましい。第１焦点距離Ｆ１
とは頂点２３６から焦点２３５Ａに至る距離であり、第
２焦点距離Ｆ２とは頂点２３６から焦点２３５Ｂに至る
距離である。このようにすれば、発光体６５の長さＷに
より楕円面鏡５３'から拡散して出射する光２３７、２
３８が、収束レンズ２３１の有効径Ｄの範囲内に到達
し、有効に利用される。

【０１８９】一方、焦点２３５Ａから出射する光線２３
９、２４０とこの近傍で拡がりを持った光線は、収束レ
ンズ２３１の中心近傍に収斂されるので、この拡がりに
合わせて有効径Ｄを定めれば、楕円面鏡５３'で集光さ
れる光の大部分を、第１レンズアレイ２３２Ｇに有効に
到達せしめることができる。

【０１９０】上記構成と作用は、ダイクロイックミラー
５６と５７で光路が折り曲げられる点を除いて、赤色と
青色の光路について同様である。ただし、（図２６）に
示す構成では、楕円面鏡５３'から三原色の各第１レン
ズアレイ２３２Ｒ、２３２Ｇ、２３２Ｂの各々に至る光
路長が、互いに異なる。

【０１９１】従って、（図２７）に示す関係を、全ての
色光の光路について厳密に満たすことは難しい。しか
し、出射側焦点２３５Ｂ上の光の拡がりに対して、第２
焦点距離Ｆ２が比較的長い場合、上記光路長の差は実用
上無視できるほど小さく、各色光について、およそ（図
２７）に示す関係を満たすように構成すればよい。

【０１９２】上記構成は、光利用効率をあまり損なうこ
となく、楕円面鏡５３'から第１レンズアレイ２３２
Ｒ、２３２Ｇ、２３２Ｂの各々に至る光路を長くするこ
とができる。これにより、ダイクロイックミラー５６、
５７と平面ミラー５８、５９を配置する十分な空間を確
保できる利点がある。

【０１９３】（図２６）に示す構成の照明手段は、発光
体６５から放射される光の大部分を受光面５０'上に導
き、明るさの均一性の高い照明を実現できる。更に、受
光面の画素開口の形状に合わせた微小照明領域を、三原
色の色光が互いに分離された状態で周期的に形成するの
で、極めて光利用効率の高い照明を実現できる。更に、
受光面の全域で各微小照明領域の大きさを揃えることが
できる。

【０１９４】（第２の表示装置の実施例）（図１４）か
ら（図２７）を用いて説明した本発明の第２の照明手段
を用いれば、明るく品位の高い画像を提供する表示装置
を構成できる。受光面として、例えば、各実施例で具体
的に述べた画素構造を有する液晶パネルを用いればよ
い。更に、液晶パネルで形成された光学像を表示する手
段として、例えば、本発明の第１の表示装置として（図
６）から（図８）に示す構成において用いたものを同様
に用いることができる。

【０１９５】この場合、照明光の光路中に配置される第
１レンズアレイと第２レンズアレイの開口形状につい
て、更に好ましい構成の一例を以下に述べる。

【０１９６】受光面が例えばＮＴＳＣのＴＶ信号を表示
するもので、４：３のアスペクト比を有する矩形形状で
ある場合、第１レンズアレイを構成する第１レンズを、
同じ４：３のアスペクト比を有する矩形開口とし、その
個数を４個、６個、７個、９個、１０個、１４個、１６
個、１８個、のいずれかにするとよい。

【０１９７】この場合の、第１レンズアレイと第２レン
ズアレイの開口形状の一例を、（図２８）から（図３
７）に示す。いずれも、（Ａ）は第１レンズアレイの開
口形状であり、（Ｂ）は第２レンズアレイの開口形状で
ある。いずれも第１レンズアレイの開口形状には、開口
の総和が内接する正円を付記する。

【０１９８】受光面は、例えば（図１３）に示したよう
な縦方向に細長い矩形開口であると仮定する。Ｎはレン
ズアレイを構成するレンズの個数であり、ａ、ｂ、ｃ、
・・・の小文字記号は、２つのレンズアレイにおけるレ
ンズの対応関係の一例を示す。

【０１９９】また、受光面が例えばハイビジョンやワイ
ドテレビの信号を表示するもので、１６：９のアスペク
ト比を有する矩形形状である場合、第１レンズアレイを
構成する第１レンズを、同じ１６：９のアスペクト比を
有する矩形開口とし、その個数を４個、６個、９個、１
０個、１２個、１４個、１６個、１７個、２２個、のい
ずれかにするとよい。この場合の、第１レンズアレイと
第２レンズアレイの開口形状の一例を、同様に（図３
８）から（図４７）に示す。

【０２００】レンズアレイを構成するレンズの個数を特
に上述するように定めると、当該レンズアレイに入射す
る光をより有効に利用できる。上記第１レンズアレイの
開口形状は、いずれも当該レンズアレイに入射する円形
の光束断面におよそ内接する形状であるので、当該光束
をあまり損失させることなく有効に利用できる。

【０２０１】レンズの個数が上記個数より多くなると、
レンズアレイを設計する手順が非常に複雑になると共
に、レンズアレイを具現化することが容易でなくなるの
で問題がある。レンズの個数が上記個数より少ない場
合、本発明が上記レンズアレイを用いることの効果を十
分に得ることができない。

【０２０２】（第３の照明手段の第１実施例）以下、本
発明の第３の照明手段について（図４８）を用いて実施
形態の一例を述べる。（図４８）に示す照明手段は、例
えば、（図２）に示した画素開口を有するカラー表示の
液晶パネルを照明するために用いるとする。そのため
に、（図１９）に示した照明手段と同様の、フィールド
レンズ６２、マイクロレンズアレイ１０６'を備える。
マイクロレンズアレイ１０６'は、（図３）に示した第
２マイクロレンズアレイ６４と同様に、六角形の開口を
有するマイクロレンズ１０７'を、１単位のカラー画素
５１に対応させて配列する。その出射側焦点は、対応す
る画素開口の近傍に配置せしめる。

【０２０３】メタルハライドランプ５２に形成される発
光体６５は白色の光を放射し、楕円面鏡５３'はその大
部分を集光し、出射側焦点近傍に光を収斂せしめる。Ｕ
Ｖ-ＩＲカットフィルタ５４は、不要な赤外線と紫外線
を除去する。楕円面鏡５３'からその出射側焦点に至る
光路中には、ダイクロイックミラーと平面ミラーが適切
に配置され、白色の光を三原色の色光に分離する。

【０２０４】例えば、ダイクロイックミラー３０３は、
赤と緑の色光を反射させ、青の色光を透過せしめる。ダ
イクロイックミラー３０４は、緑の色光を反射させ、赤
の色光を透過せしめる。平面ミラー３０５は基板の両面
が反射面であり、ランプ５２に近い側の面は当該ミラー
に入射する青の色光の光路を直角に折り曲げる。他方の
面は当該ミラーに入射する緑の色光の光路を直角に折り
曲げる。他の４枚の平面ミラー３０６は、各ミラーに入
射する光の光路を適切に折り曲げる。

【０２０５】上記手順に従って分離された三原色の色光
の光路には、第１レンズ３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂ
と、第２レンズ３０２Ｒ、３０２Ｇ、３０２Ｂ、が配置
される。赤と青の色光の光路には、２枚の平面ミラー３
０７が配置される。第１レンズ３０１Ｒ、３０１Ｇ、３
０１Ｂは楕円面鏡５３'の出射側焦点近傍に配置され、
その開口上には、発光体６５の実像が形成される。各々
の第１レンズは、当該レンズを通過する光を収斂せしめ
て、対応する第２レンズ３０２Ｒ、３０２Ｇ、３０２Ｂ
の開口上に発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂを形成する。
そのために、およそ楕円面鏡５３'の頂点近傍の物体の
実像を、対応する第２レンズの開口近傍に形成する。

【０２０６】第２レンズ３０２Ｒ、３０２Ｇ、３０２Ｂ
は、適切な倍率で対応する第１レンズの開口近傍の物体
の実像を、フィールドレンズ６２の主平面６９近傍に形
成する。適切な倍率とは、第１レンズの開口上に形成さ
れる発光体６５の実像が、拡大されて受光面５０の必要
な領域を十分に覆うように定める。フィールドレンズ６
２は、緑の発光面６８Ｇの重心から出射する光を光軸６
６と平行に進行する光とせしめる。同様に、赤の発光面
の重心から出射する光は、光軸６６と所定の角度をなし
て、互いに平行に進行せしめる。青の発光面の重心から
出射する光についても同様である。これらの三原色の色
光は、マイクロレンズアレイ１０６'に到達し、三原色
に分離された所定の微小照明領域を形成する。

【０２０７】光路中に形成される発光面６８Ｒ、６８
Ｇ、６８Ｂは、その有効な拡がりと配置を、受光面５０
の対応するカラー画素５１に対応せしめる。マイクロレ
ンズアレイ１０６'は、三原色に分離された発光面の実
像を対応する画素開口近傍に形成するので、（図９）に
示したものと同様の微小照明領域が二次元状に配列され
る。従って、（図４８）に示す照明手段は、発光体６５
から放射される白色の光をあらかじめ三原色の色光に分
離し、各色光を選択的に対応する画素の開口部に導くの
で、光利用効率の高い照明を実現できる。

【０２０８】更に、（図４８）に示す照明手段は、発光
体６５の放射する光を極めて高い効率で利用できる。発
光体６５の放射する光の大部分は楕円面鏡５３'によ
り、その出射側焦点近傍に収斂せしめられる。当該焦点
には第１レンズ３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂが配置さ
れ、収斂された光の大部分が入射せしめられる。当該レ
ンズに入射した光は、第２レンズ３０２Ｒ、３０２Ｇ、
３０２Ｂの開口部に収斂せしめられ、発光面６８Ｒ、６
８Ｇ、６８Ｂが形成される。当該発光面の近傍には、前
記第２レンズが配置され、対応する前記第１レンズから
出射する光の大部分を、フィールドレンズ６２に有効に
到達せしめる。

【０２０９】しかも、楕円面鏡５３'からフィールドレ
ンズ６２に至る光路長は、三原色の各色で互いに等しく
構成されている。楕円面鏡５３'から３つの第１レンズ
３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂに至る光路長は、当該光
路に配置されるミラーの構成の工夫により、互いに等し
い。３つの第１レンズ３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂか
ら３つの第２レンズ３０２Ｒ、３０２Ｇ、３０２Ｂに至
る光路長も互いに等しく、各第２レンズからフィールド
レンズ６２に至る光路長も互いに等しい。

【０２１０】上記構成によれば、第１レンズの各々と第
２レンズの各々の開口の大きさが、当該レンズに入射す
る光束の有効断面よりも大きければ、発光体６５の放射
する光の大部分を、極めて高い光利用効率で、受光面５
０に導くことができる。更に、三原色の色光の光路長が
互いに等しいので、全ての色について高い光利用効率を
実現できる。三原色の色光で照明光の光路が同等であれ
ば、受光面５０上における三原色の光束断面の明るさ分
布が同等となり、白色の照明における色むらを抑制でき
る利点がある。

【０２１１】（第３の照明手段の第２実施例）（図４
８）に示す照明手段は、例えば、（図１３）に示した画
素開口を有するカラー表示の液晶パネルを照明するため
に用いてもよい。その場合、発光体６５から、三原色の
発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂに至る構成を、（図４
９）に示す構成とすればなお好ましい。

【０２１２】（図４９）において、ダイクロイックミラ
ー３０３、３０４、平面ミラー３０５、３０６、３０７
は、（図４８）に示したものと同様のものを同様に構成
し、第１レンズ３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂの替わり
に、収束レンズ２３１Ｒ、２３１Ｇ、２３１Ｂと第１レ
ンズアレイ２３２Ｒ、２３２Ｇ、２３２Ｂを用いる。第
２レンズ３０２Ｒ、３０２Ｇ、３０２Ｂの替わりに、第
２レンズアレイ２３３Ｒ、２３３Ｇ、２３３Ｂを用い
る。

【０２１３】赤の色光の光路について、収束レンズ２３
１Ｒと第１レンズアレイ２３２Ｒと第２レンズアレイ２
３３Ｒは、（図２６）に示したものを同様に用いる。例
えば、第１レンズアレイ２３２Ｒは（図１６）に示す開
口形状とし、第２レンズアレイ２３３Ｒは（図１７）に
示す開口形状とする。楕円面鏡５３'と収束レンズ２３
１Ｒは、（図２７）に示す関係を満たすように構成され
る。

【０２１４】上記構成によれば、第２レンズアレイ２３
３Ｒ、２３３Ｇ、２３３Ｂの開口近傍に、縦長の有効形
状を有する三原色の発光面が形成され、受光面上には、
（図１８）に示したものと同様の微小照明領域が三原色
に分離された状態で形成される。

【０２１５】従って、上記構成の照明手段は、上述した
本発明の照明手段の各実施例における効果を併せ持ち、
極めて高い光利用効率で、明るさの均一性の高い照明を
実現する。対応する画素開口の形状に適した形状の微小
照明領域を形成するので、当該照明手段を用いて表示装
置を構成した場合に、非常に明るく品位の高い画像を提
供できる。

【０２１６】（第３の照明手段の第３実施例）（図４
８）および（図４９）に示す照明手段は、同様の作用と
効果を有する目的で、以下に述べる構成とすれば、コン
パクトな光学系を構成できるのでなお好ましい。

【０２１７】（図４８）に示す構成において、発光体６
５から、三原色の発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂに至る
構成を、（図５０）に示す構成とする。当該照明手段
は、例えば（図１３）に示した画素開口を有するカラー
表示の液晶パネルを照明するために用いるとする。

【０２１８】（図５０）は、光源部を斜め上方から見た
斜視図である。メタルハライドランプ５２、楕円面鏡５
３'、赤反射ダイクロイックミラー３２１、青反射ダイ
クロイックミラー３２２、第１平面ミラー３２３Ｒ、３
２３Ｇ、３２３Ｂ、第２平面ミラー３２４Ｒ、３２４
Ｇ、３２４Ｂ、第１フレネルレンズアレイ３２５Ｒ、３
２５Ｇ、３２５Ｂ、第３平面ミラー３２６Ｒ、３２６
Ｂ、第２フレネルレンズアレイ３２７Ｒ、３２７Ｇ、３
２７Ｂ、から構成される。

【０２１９】構成をわかりやすくするために、楕円面鏡
５３'と２枚のダイクロイックミラー３２１、３２２の
部分を移動させて記載しており、実際には、点３３０Ａ
が点３３０Ｂの位置となるように構成される。

【０２２０】２枚のダイクロイックミラー３２１、３２
２は、Ｘ字状に配置されて白色光を三原色の色光に分離
する。赤の色光の光軸を３３１Ｒ、緑の色光の光軸を３
３１Ｇ、青の色光の光軸を３３１Ｂ、で示す。３枚の第
１平面ミラー３２３Ｒ、３２３Ｇ、３２３Ｂは、各色光
の光軸を９０度折り曲げ、鉛直下方向に向かわせる。

【０２２１】３枚の第２平面ミラー３２４Ｒ、３２４
Ｇ、３２４Ｂは、再び各色光の光軸を９０度折り曲げ、
水平方向に延びた同一平面上を進行させて、点３３０Ｂ
を鉛直下方向に移動させた点３３０Ｃでこれらの光軸の
延長を互いに交差させる。

【０２２２】第３平面ミラー３２６Ｒ、３２６Ｂは、更
に赤と青の色光の光軸を折り曲げ、緑の色光の光軸とお
よそ同一の方向に向かわせる。厳密に言えば、第３平面
ミラー３２６Ｒ、３２６Ｂの向きは、対応する受光面の
有効領域の重心で三原色の色光の各光軸を交差せしめる
ように決める。

【０２２３】上記構成によれば、楕円面鏡５３'から第
１フレネルレンズアレイ３２５Ｒ、３２５Ｇ、３２５Ｂ
に至る三原色の色光の各光路長は、他の色光の光路長に
影響を与えることなく、単独に制御できる。具体的に、
第１平面ミラーと第２平面ミラーによりＵ字状に光路を
曲げる部分の長さを制御することで、各色光の光路長を
単独で長くしたり短くしたりできる。その結果、（図４
８）に示す構成よりも容易に、三原色の各色光の光路長
を互いに等しくできる。しかも、コンパクトにまとまっ
た光学系を構成できる。

【０２２４】（図５１）は、緑の色光の光軸３３１Ｇに
沿って、対応する光学要素を示す。ただし、２枚のダイ
クロイックミラー３２１と３２２は、空間３３２に配置
するとして省略する。また、赤と青の色光についても構
成は同様であり、空間３３２に配置されるダイクロイッ
クミラーにより光軸を９０度折り曲げ、空間３３３に配
置される第３平面ミラー３２６Ｒまたは３２６Ｂによ
り、光軸を９０度程度折り曲げたものと見なせる。ただ
し、各色光で、図中の３３４、３３５で示す部分の光路
長を異ならせ、（図５０）に示すように構成しても、楕
円面鏡５３'から対応する第１フレネルレンズアレイ３
２５Ｒ、３２５Ｇ、３２５Ｂに至る光路長を互いに等し
くしている。

【０２２５】第１フレネルレンズアレイ３２５Ｇは、
（図４９）に示す構成の第１レンズアレイ２３２Ｇの機
能を代替するもので、例えば（図５２）に示す構成とす
る。第２フレネルレンズアレイ３２７Ｇは、（図４９）
に示す構成の第２レンズアレイ２３３Ｇの機能を代替す
るもので、例えば（図５３）に示す構成とする。いずれ
も、所定の開口と偏心を有するフレネルレンズを配列し
て構成したもので、６個のレンズから構成される場合の
構成の一例を示している。

【０２２６】例えば、第１フレネルレンズ３３６Ｇは、
そのレンズ中心が３３７Ｇである。当該レンズは、これ
に入射する光を対応する第２フレネルレンズ３３８Ｇの
開口上に収斂せしめる。レンズ中心３３７Ｇの位置は、
収斂した光が対応する第２フレネルレンズの開口の重心
近傍となるように定める。第２フレネルレンズ３３８Ｇ
は、そのレンズ中心が３３９Ｇである。

【０２２７】当該レンズは、対応する第１フレネルレン
ズ３３６Ｇの開口の実像を、所定の倍率で受光面近傍に
形成する。レンズ中心３３９Ｇの位置を適切に定めて、
６個の第２フレネルレンズの形成する実像を、受光面上
に重畳させる。これらの構成は、赤と青の色光について
も同様である。

【０２２８】上記構成に依れば、（図５３）に示した第
２フレネルレンズアレイの縦長の有効開口を近似する発
光面が、三原色に分離された形態でおよそ同一平面上に
形成される。しかも、三原色のいずれの色光について
も、極めて高い光利用効率で明るさの均一性の高い照明
を実現できる。

【０２２９】（図５０）に示す構成は、第１フレネルレ
ンズアレイ３２５Ｒ、３２５Ｇ、３２５Ｂの入射側に収
束レンズを配置し、（図２７）に示した関係を満たすよ
うに構成すると、更に光損失を抑制できる。この場合、
基板の入射側の面に前記収束レンズの機能を果たすフレ
ネルレンズを、出射側の面に（図５２）に示す形状のフ
レネルレンズアレイを、それぞれ形成してもよい。

【０２３０】例えば、ＰＭＭＡ樹脂を用いて両面をプレ
ス成形し、このような光学素子を具現化できる。第２フ
レネルレンズアレイについても同様の工法で具現化でき
る。２つのフレネルレンズアレイは、メタルハライドラ
ンプ５２から比較的離れているので耐熱性はあまり要求
されない。従って、ＰＭＭＡ樹脂などの比較的耐熱性は
低いが加工性の高い材料を用いることができる。

【０２３１】また、例えば、赤の色光について、第１フ
レネルレンズアレイ３２５Ｒと第３平面ミラー３２６Ｒ
と第２フレネルレンズアレイ３２７Ｒは所定の光路長を
なして一体保持する。緑の色光について、第１フレネル
レンズアレイ３２５Ｇと第２フレネルレンズアレイ３２
７Ｇは所定の光路長をなして一体保持する。青の色光に
ついて、第１フレネルレンズアレイ３２５Ｂと第３平面
ミラー３２６Ｂと第２フレネルレンズアレイ３２７Ｂは
所定の光路長をなして一体保持する。

【０２３２】このようにすれば、（図５０）に示す構成
の光学系を容易に構成でき、照明手段を構成した場合に
調整が容易となる。

【０２３３】特に、赤と青の色光について、上記各要素
を一体保持したユニットを構成すると都合がよい。一体
保持したユニットを微動させて、以下に述べる２つの調
整を容易に実現できる。

【０２３４】第１に、三原色の各照明光は受光面の有効
領域上に重畳されて、白色の照明を行う必要がある。特
定の色について照明される範囲がずれれば、受光面の周
辺部で特定の色光が欠損し、照明光に色むらを生じるの
で問題がある。これに対し、上記各ユニットを微動させ
れば、赤と青の色光の照明範囲を緑の色光の照明範囲に
良好に重畳させることができる。

【０２３５】第２に、受光面のカラー画素上において、
三原色の各画素の開口上に所定の色光の微小照明領域を
導く必要がある。これに対し、上記各ユニットを微動さ
せれば、緑の発光面に対する赤と青の発光面の位置を微
妙に調整でき、カラー画素上での三原色の微小照明領域
の間隔を調整できる。

【０２３６】（第３の表示装置の第１実施例）（図４
８）から（図５３）を用いて説明した本発明の第３の照
明手段を用いれば、明るく品位の高い画像を提供する表
示装置を構成できる。受光面として、例えば、各実施例
で具体的に述べた画素構造を有する液晶パネルを用いれ
ばよい。更に、液晶パネルで形成された光学像を表示す
る手段として、例えば、本発明の第１の表示装置として
（図６）から（図８）に示す構成において用いたものを
同様に用いることができる。

【０２３７】特に、液晶パネル上の光学像を投写レンズ
を用いて投影する投写型の表示装置を構成した場合の構
成の一例について、その一部を（図５４）に示す。液晶
パネル３４１は、アクティブマトリックス駆動される透
過型のツイストネマチック液晶パネルであり、例えば
（図１３）に示した画素構造を有する。その入射側に
は、マイクロレンズアレイ３４２が貼付される。これ
は、（図２０）に示すマイクロレンズアレイ１０６と同
様に構成される。更にその入射側には、フレネルレンズ
で構成されるフィールドレンズ３４３が配置される。

【０２３８】液晶パネル３４１は、三原色に分離された
縦長の発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂによって照明され
る。例えば、（図５０）に示す構成を用いて、第２レン
ズアレイ３２７Ｒ、３２７Ｇ、３２７Ｂの各開口を発光
面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂに対応させる。液晶パネル上
の光学像は、投写レンズ３４４によりスクリーン（図示
せず）上に拡大投影される。

【０２３９】上記構成の表示装置は、ランプの放射する
光を極めて高い光利用効率で各画素開口に導き、しかも
三原色に分離して対応する画素開口を通過せしめる。画
素開口を通過した光は投写レンズによりスクリーン上に
導かれて、画像を形成する。従って、光出力の大きい表
示装置を実現し明るい画像を提供するので、極めて大き
な効果を得ることができる。特に、（図５０）に示した
構成を用いれば、明るさの均一性の高い表示画像を実現
すると共に、光源部の構成をコンパクトにできるので、
なお好ましい。

【０２４０】本発明の第１の照明手段に記載したよう
に、液晶パネルの入射側に、（図１）に示したものと同
様の第１マイクロレンズアレイと第２マイクロレンズア
レイを配置するとなお好ましい。第１マイクロレンズア
レイはマイクロレンズアレイ３４２の作用を果たし、第
２マイクロレンズアレイを付加して、画素開口を通過す
る三原色の色光の主光線を互いにおよそ平行に進行せし
めれば、光損失を発生させることなくより集光角の小さ
い投写レンズを用いることができる。

【０２４１】（第３の表示装置の第２実施例）以下、具
体的に発明者の行った実験の結果を述べ、本発明の第３
の照明手段と当該照明手段を用いて構成した第３の表示
装置の効果を補足する。

【０２４２】（図５０）に示した構成の光学系を用いて
三原色に分離された発光面６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂを形
成し、（図５４）に示した投写型表示装置を構成した。
液晶パネル３４１は、いわゆるＶＧＡと呼ばれるコンピ
ュータ表示に対応したもので、（図１３）に示したもの
と同様の画素構造を有する。アスペクト比は４：３であ
り、信号を変換することでＮＴＳＣのテレビ信号も表示
できる。カラー画素は、水平方向に６４０個、垂直方向
に４８０個ずつ配列され、１単位のカラー画素は２０７
μｍ×２０７μｍの正方形領域からなる。

【０２４３】三原色の画素は、１単位のカラー画素を縦
方向に３分割して形成され、１つの画素は水平方向に６
９μｍ、垂直方向に２０７μｍの矩形領域からなる。こ
の矩形領域に、同じく矩形に近似される画素開口を有
し、その水平方向の開口長は４４μｍ、垂直方向の開口
長は１３０μｍであった。液晶パネルの表示領域は、水
平方向が１３２.４８ｍｍであり、垂直方向は９９.３６
ｍｍである。対角長は１６５.６ｍｍであり、約６.５イン
チに相当する。

【０２４４】メタルハライドランプ５２は、ランプ電力
が２５０Ｗのもので、発光体６５の有効形状は円筒形に
近似できるものを用いた。円筒形の回転対称軸は、楕円
面鏡５３'の光軸と一致し、その光軸方向に約３ｍｍの
長さを有し、円筒形の底面の直径は約２ｍｍであった。
（図２７）を参照し、楕円面鏡５３'の第１焦点距離Ｆ
１は１０ｍｍで、第２焦点距離Ｆ２は２１０ｍｍとし
た。出射側の開口は、直径を６８ｍｍとし、発光体６５
から放射される光の大部分を集光した。発光体６５は、
その重心と楕円面鏡５３'の焦点が一致するように配置
した。

【０２４５】（図５２）を参照し、第１フレネルレンズ
アレイ３２５Ｇは、水平方向に１６ｍｍ、垂直方向に１
２ｍｍの矩形開口を有する第１フレネルレンズ３３６Ｇ
を６個用い、水平方向に２個、垂直方向に３個、配列し
た。これにより、第１フレネルレンズアレイ３２５Ｇ
は、直径が約４８ｍｍの正円に内接する開口形状を有し
た。各レンズの焦点距離は約３３ｍｍで、諸収差を抑制
するために非球面を基準曲面とし、適宜、偏心させた。

【０２４６】第１フレネルレンズアレイ３２５Ｇの入射
側には、凸面を楕円面鏡に向けて平凸レンズを配置し
た。レンズの平面側と第１フレネルレンズアレイ３２５
Ｇの入射側の面を近接させた。これは、（図２７）にお
ける収束レンズ２３１Ｇに相当し、焦点距離を約２１０
ｍｍとして、入射側焦点と楕円面鏡５３'の頂点を一致
させた。このようにすると、（図５１）を参照して、楕
円面鏡５３'の出射側開口から第１フレネルレンズアレ
イ３２５Ｇに至る光路長を十分に大きくすることがで
き、２枚のダイクロイックミラーを配置する空間３３２
と、第１平面ミラー３２３Ｇと第２平面ミラー３２４Ｇ
を配置する空間を設けることができた。

【０２４７】また、第１フレネルレンズアレイ３２５Ｇ
に入射する光は、前記平凸レンズの作用により光軸３３
１Ｇとおよそ平行に進行する光となり、その有効径は、
およそ５０ｍｍであった。従ってその大部分が第１フレ
ネルレンズアレイ３２５Ｇに有効に入射した。

【０２４８】第２フレネルレンズアレイ３２７Ｇは、
（図５３）に示したように形成した。具体的に、第２フ
レネルレンズ２３８Ｇは、焦点距離が約３１ｍｍで、液
晶パネル３４１の入射側に配置されるフィールドレンズ
３４３と相まって、倍率を約８.７倍とした。この倍率
とは、対応する第１フレネルレンズ３３６Ｇの開口を物
体とし、これを液晶パネル３４１の表示領域上に投影す
る時の倍率に相当する。第２フレネルレンズ２３８Ｇ
は、非球面を基準曲面とするフレネルレンズで、各レン
ズは適宜、偏心させた。

【０２４９】これにより、対角長が約２０ｍｍである第
１フレネルレンズ３３６Ｇの矩形開口を通過する光束
を、対角長が約１７４ｍｍの矩形断面の光束に拡大し、
液晶パネル３４１上に重畳させた。第２フレネルレンズ
２３８Ｇの各々は、当該レンズを通過する光束断面に対
して必要十分な開口を与え、レンズアレイ全体として、
水平方向に約１２ｍｍ、垂直方向に約３６ｍｍの有効開
口となった。

【０２５０】（図５４）を参照し、液晶パネル３４１の
入射側に配置されるフィールドレンズ３４３は焦点距離
を３００ｍｍとし、発光面６８Ｇからフィールドレンズ
３４３までの光路長を３００ｍｍとした。すなわち、第
２フレネルレンズアレイ３２７Ｇからフィールドレンズ
３４３までの光路長を３００ｍｍとした。

【０２５１】その結果、第１フレネルレンズアレイ３２
５Ｇから第２フレネルレンズアレイ３２７Ｇに至る光路
長は、約３３ｍｍとなった。第１フレネルレンズ３２５
Ｇの焦点距離は３３ｍｍなので、当該レンズに入射する
光は、対応する第２フレネルレンズ３２７Ｇの開口上
で、最小の収斂を有するようにした。

【０２５２】上記構成は、特に緑の色光の光路について
述べたが、基本的な構成は、赤と青の色光の光路に配置
される各要素についても同一である。ただし、第１フレ
ネルレンズアレイ３２５Ｒと第２フレネルレンズアレイ
３２７Ｒの間の光路には、第３平面ミラー３２６Ｒを配
置した。上記構成であれば、第３平面ミラー３２６Ｒを
配置する空間を設けることができた。青の光路について
も同様に構成した。

【０２５３】液晶パネル３４１の入射側近傍には、（図
２０）に示したように構成されるマイクロレンズアレイ
３４２を配置した。１つのマイクロレンズは正方形の開
口を有し、１つのカラー画素５１'と対応させた。その
光軸は、カラー画素５１'の中心に位置する緑の画素開
口の重心を通過するようにし、焦点距離は空気中で約
１.１ｍｍとした。

【０２５４】上記構成に依れば、発光面６８Ｒ、６８
Ｇ、６８Ｂから画素開口５１Ｒ'、５１Ｇ'、５１Ｂ'に
至る光路に介在する光学系は、約１／２７３（１.１ｍ
ｍ／３００ｍｍ）の倍率で、各発光面と各画素開口を共
役の関係とした。上述したように、第２フレネルレンズ
アレイ３２７Ｒ、３２７Ｇ、３２７Ｂの近傍には、水平
方向に約１２ｍｍ、垂直方向に約３６ｍｍの大きさを有
する発光面が三原色に分離された状態で形成され、これ
らが１／２７３に縮小投影される。

【０２５５】従って、カラー画素５１'上には、水平方
向に約４４μｍ、垂直方向に約１３２μｍの有効長を有
する矩形断面の微小照明領域が、三原色に分離された状
態で二次元状に周期的に形成された。

【０２５６】上記微小照明領域の有効断面の大きさは、
上記各画素開口５１Ｒ'、５１Ｇ'、５１Ｂ'とおよそ一
致しており、カラー画素５１'に入射する白色光の大部
分は、三原色に分離された状態で対応する画素開口を通
過できた。これらの光は、投写レンズ３４４に入射し、
スクリーン上には極めて明るい画像が表示された。投写
レンズは、焦点距離が約１５０ｍｍで、有効Ｆナンバが
２.５のものを用いた。液晶パネル３４１は各画素開口
に色フィルタを備えていないにも関わらず、色の再現性
と色の均一性に優れたフルカラーの品位の高い投写画像
を表示できた。

【０２５７】また、投写画像の明るさの均一性も高く、
全白の画面を表示した時に最も暗い部分の最も明るい部
分に対する照度比は、６０％であった。また、表示画面
の対角長を４０インチとした時に、全白表示状態で画面中
心の照度を測定すると、約１２００ｌｘであった。

【０２５８】比較のために、液晶パネル３４１と全く同
じ構成で、各画素に対応する色のみを透過させる色フィ
ルタを備えたものを用意した。これを上記実験と同じ２
５０Ｗのメタルハライドランプを用いて、できるだけ明
るく、明るさの均一性が高くなるように照明した。液晶
パネル上の画像は、同様の投写レンズを用いて、４０イン
チのスクリーン上に投影した。

【０２５９】具体的に、（図５５）に示す従来の投写型
表示装置と同様に構成し、光源から液晶パネルに至る光
路中に、（図２１）と（図２２）に示すものと同様の２
枚のレンズアレイを適切に設計して配置した。

【０２６０】ただし、発光体から液晶パネルの入射側に
至る光学系における光損失と、液晶パネルの出射側から
スクリーンに至る光学系のにおける光損失は、上記実験
に用いた光学系と比較して、特に大きくなることのない
ように構成した。

【０２６１】ただし、液晶パネルの入射側にはマイクロ
レンズアレイは用いず、三原色の色フィルタに白色の照
明光を入射させたので、この色フィルタ部での損失が相
対的に大きく、また、ブラックマトリックスの開口以外
に入射する光の損失も、上記実験と比較して大きくなっ
た。

【０２６２】４０インチ画面に全白表示をさせた場合、画
面中心の照度は約２５０ｌｘであった。また、最も暗い
部分の最も明るい部分に対する照度比は６０％であり、
上記実験と同程度の明るさの均一性であった。

【０２６３】上記実験から、本発明の第３の表示装置の
上記実施例は、カラーフィルタを備えて構成される従来
の投写型表示装置と比較して、約４.８倍の光利用効率
の向上を実現した。これは、主としてデータ表示に使わ
れる縦長の画素開口を有する液晶パネルであっても、各
画素開口の形状に整合する三原色に分離された微小照明
領域を、極めて高い光利用効率で形成する本発明の照明
手段の作用と効果に依る。

【０２６４】更に、表示画像は、色にじみや画素の照明
光の欠損といったような品位を損なう箇所が全くなく、
明るさの均一性も高いので、極めて品位の高いものであ
った。

【０２６５】尚、上記実験における詳細な仕様は、本発
明の効果を特にこの仕様について限定するものではな
い。特に大きな効果を得ることのできる構成の一例を示
す。ただし、上記各仕様の相対関係を満たすように、発
光体から液晶パネルの画素開口に至る光学系の構成を、
比例的に拡大したり縮小したりしても、同様の効果を得
ることができる。

【０２６６】（本発明の全ての照明手段と全ての表示装
置に関するその他の実施形態）本発明の第１から第３の
照明手段に関する上記全ての実施例と、本発明の第１か
ら第３の表示装置に関する上記全ての実施例は、特に上
述の構成に限定されるものではない。本発明の意図する
作用を得る構成であればよく、上記各実施例の有益な一
部の構成を互いに組み合わせる構成であってもよい。

【０２６７】特に、上記各実施例の三原色の発光面を形
成する構成において、赤色と緑色と青色の光路の配置
は、上述の構成に限定されない。カラー画素の色配置に
対応させて任意に定めるとよい。

【０２６８】また、受光面には主として透過型の液晶パ
ネルを用いるとして説明したが、同様の画素構造を有す
る他の方式の空間光変調素子であっても構わない。

【０２６９】一方、本発明の照明手段は、必要に応じて
一般的な照明の分野に応用することもできる。上記各実
施例と同様の照明手段を比較的大きな光学系を用いて構
成すれば、例えば、所望の照明スポットを三原色に分離
された状態で、二次元状に周期的に形成できるので、特
殊効果を意図する分野の照明に用いることができる。こ
の場合、マイクロレンズアレイとして表現したものは、
照明する対象に合わせてより大きなレンズアレイであっ
てもよい。

【０２７０】

【発明の効果】以上述べたように本発明の照明手段は、
高い光利用効率で照明する画素開口に合わせた微小照明
領域を形成するので、極めて明るい照明を実現できる。
特に、本発明の第１の照明手段は、三原色の各画素開口
を通過する光を互いに平行として出射せしめるので、表
示装置を構成する場合に極めて都合よく照明光を利用で
きる。

【０２７１】また、本発明の第２の照明手段は、画素の
開口形状に整合する断面形状を有する微小照明領域を形
成するので、受光面の画素開口を通過する光量をより多
くすることができる。

【０２７２】また、微小照明領域の大きさを受光面の全
域で揃えることができるので、色のにじみや特定の画素
で光が欠損するという問題を生じることなく、品位の高
い照明を実現できる。また、本発明の第３の照明手段
は、特に、三原色に分離された発光面を極めて高い光利
用効率で形成できるので、より明るい照明を実現でき
る。

【０２７３】上記各照明手段を用いて表示装置を構成す
れば、光利用効率が高いので、より明るく品位の高い画
像を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の照明手段の第１実施例を示す概
略構成図

【図２】本発明の照明手段により照明する画素構造の一
例を説明するための概略構成図

【図３】第２マイクロレンズアレイの構成の一例を説明
するための概略構成図

【図４】本発明の第１の照明手段の作用を説明するため
の概略構成図

【図５】本発明の第１の照明手段の作用を説明するため
の概略線図

【図６】本発明の第１の表示装置の第１実施例を示す概
略構成図

【図７】本発明の第１の表示装置の第２実施例を示す概
略構成図

【図８】本発明の第１の表示装置の第３実施例を示す概
略構成図

【図９】画素開口近傍に形成される発光面の実像の一例
を示す模式図

【図１０】平板型マイクロレンズアレイの構成の一例を
示す概略断面図

【図１１】平板型マイクロレンズアレイの構成の他の一
例を示す概略断面図

【図１２】本発明の第１の照明手段の他の実施例を説明
するための概略構成図

【図１３】本発明の照明手段により照明する画素構造の
他の一例を説明するための概略構成図

【図１４】本発明の第２の照明手段の第１実施例を示す
概略構成図

【図１５】マイクロレンズアレイの構成の一例を説明す
るための概略構成図

【図１６】第１レンズアレイの構成の一例を示す概略構
成図

【図１７】第２レンズアレイの構成の一例を示す概略構
成図

【図１８】画素開口近傍に形成される発光面の実像の他
の一例を示す模式図

【図１９】本発明の第２の照明手段の第２実施例を示す
概略構成図

【図２０】マイクロレンズアレイの構成の他の一例を説
明するための概略構成図

【図２１】第１レンズアレイの構成の他の一例を示す概
略構成図

【図２２】第２レンズアレイの構成の他の一例を示す概
略構成図

【図２３】画素開口近傍に形成される発光面の実像の更
に他の一例を示す模式図

【図２４】本発明の第２の照明手段の第３実施例を説明
するための概略構成図

【図２５】画素開口近傍に形成される発光面の実像の更
に他の一例を示す模式図

【図２６】本発明の第２の照明手段の第４実施例を示す
概略構成図

【図２７】本発明の第２の照明手段の第４実施例を説明
するための概略線図

【図２８】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図２９】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図３０】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図３１】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図３２】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図３３】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図３４】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図３５】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図３６】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図３７】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図３８】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図３９】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図４０】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図４１】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図４２】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図４３】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図４４】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図４５】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図４６】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図４７】第１レンズアレイと第２レンズアレイの開口
形状の一例を示す概略線図

【図４８】本発明の第３の照明手段の第１実施例を示す
概略構成図

【図４９】本発明の第３の照明手段の第２実施例を説明
するための概略構成図

【図５０】本発明の第３の照明手段の第３実施例を説明
するための概略構成図

【図５１】本発明の第３の照明手段の第３実施例を説明
するための概略線図

【図５２】第１レンズアレイの構成の更に他の一例を示
す概略構成図

【図５３】第２レンズアレイの構成の更に他の一例を示
す概略構成図

【図５４】本発明の第３の表示装置の第１実施例を説明
するための概略構成図

【図５５】従来の投写型表示装置の一例を示す概略構成
図

【図５６】液晶パネルの構造の一例を示す概略断面図

【符号の説明】

５０、５０' 受光面 ５１、５１' カラー画素 ５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ、５１Ｒ'、５１Ｇ'、５１Ｂ' 画素
開口 ５２ メタルハライドランプ ５３ 放物面鏡 ５３' 楕円面鏡 ５４ ＵＶ−ＩＲカットフィルタ ５５ 発光面形成レンズ ５６、５７、３０３、３０４、３２１、３２２ ダイクロイ
ックミラー ５８、５９、１７３、１７４、２１２、３０５、３０６、３０
７ 平面ミラー ６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂ リレーレンズ ６２ フィールドレンズ ６３、１２２ 第１マイクロレンズアレイ ６４、１２３ 第２マイクロレンズアレイ ６５ 発光体 ６６ 光軸 ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂ 発光面 ２０１、２０３、２０７、３４１ 液晶パネル ２０２、２０５ 光拡散層 １０６、１０６'、２０４、２２６、３４２ マイクロレン
ズアレイ ２０６ 光吸収領域 ２０８、３４４ 投写レンズ １０２、２２１ 第１レンズアレイ １０３、２２３ 第２レンズアレイ ２２５、３４３ フィールドレンズ ２３１Ｒ、２３１Ｇ、２３１Ｂ 収束レンズ ２３２Ｒ、２３２Ｇ、２３２Ｂ 第１レンズアレイ ２３３Ｒ、２３３Ｇ、２３３Ｂ 第２レンズアレイ ３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂ 第１レンズ ３０２Ｒ、３０２Ｇ、３０２Ｂ 第２レンズ ３２３Ｒ、３２３Ｇ、３２３Ｂ 第１平面ミラー ３２４Ｒ、３２４Ｇ、３２４Ｂ 第２平面ミラー ３２５Ｒ、３２５Ｇ、３２５Ｂ 第１フレネルレンズアレ
イ ３２６Ｒ、３２６Ｂ 第３平面ミラー ３２７Ｒ、３２７Ｇ、３２７Ｂ 第２フレネルレンズアレ
イ

Claims (27)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主として三原色の画素からなるカラー画素
   を二次元状に配列してなる空間光変調素子を照明する手
   段であって、三原色の色成分を含む光を放射する光源
   と、前記光源から放射される光を集める集光手段と、前
   記集光手段から出射する光を収束せしめると共に三原色
   の色光に分離してカラー発光面を形成する発光面形成手
   段と、前記カラー発光面の近傍に配置されて前記発光面
   形成手段から出射する光が入射するリレーレンズと、前
   記リレーレンズから出射する光が入射するフィールドレ
   ンズと、前記フィールドレンズから出射する光が入射す
   る第１マイクロレンズアレイと、前記第１マイクロレン
   ズアレイから出射する光が入射する第２マイクロレンズ
   アレイとを備え、前記カラー発光面は互いに分離された
   三原色の発光面を配列してなり、前記第１マイクロレン
   ズアレイは複数の第１マイクロレンズを二次元状に配列
   してなり、前記第２マイクロレンズアレイは前記第１マ
   イクロレンズと同数で対をなす第２マイクロレンズを配
   列してなり、主として前記第１マイクロレンズアレイは
   前記カラー発光面の実像を二次元状に配列せしめ、前記
   第２マイクロレンズの各々は前記カラー発光面の実像の
   近傍に配置されて対応する前記第１マイクロレンズから
   出射する３原色の色光の各主光線を互いに略平行に進行
   せしめ、互いに分離された三原色の微小照明領域を所定
   の配列に従って周期的に形成することを特徴とする照明
   手段。
2. 【請求項２】第１マイクロレンズアレイと第２マイクロ
   レンズアレイは、同一基板の両面にイオン交換法により
   レンズ領域を形成してなる平板型マイクロレンズアレイ
   であることを特徴とする請求項１記載の照明手段。
3. 【請求項３】照明手段と、前記照明手段により照明され
   る空間光変調素子と、前記空間光変調素子により空間的
   に変調された光を用いて画像を形成する画像形成手段と
   を備え、前記照明手段は請求項１に記載の照明手段から
   なり、前記空間光変調素子は三原色の画素からなるカラ
   ー画素構造を備えて光学像を形成し、前記照明手段によ
   り形成される三原色の微小照明領域の各々を前記三原色
   の画素の各々に対応せしめることを特徴とする表示装
   置。
4. 【請求項４】画像形成手段は投写レンズからなり、前記
   投写レンズは空間光変調素子上の光学像をスクリーン上
   に投影して画像を形成することを特徴とする請求項３記
   載の表示装置。
5. 【請求項５】画像形成手段は、空間光変調素子の出射側
   近傍に配置されるマイクロレンズアレイと、前記マイク
   ロレンズアレイの出射側に配置される光拡散手段からな
   り、前記マイクロレンズアレイは前記空間光変調素子の
   画素に対応するマイクロレンズを配列してなり、前記マ
   イクロレンズの各々は当該レンズに対応する画素の実像
   を前記光拡散手段の近傍に結像せしめ、前記光拡散手段
   は当該手段に入射する光を散乱させて画像を形成するこ
   とを特徴とする請求項３記載の表示装置。
6. 【請求項６】三原色の発光面の有効形状の各々を対応す
   る画素の開口形状に近似せしめることを特徴とする請求
   項３記載の表示装置。
7. 【請求項７】主として複数の画素を二次元状に配列して
   なる空間光変調素子を照明する照明手段であって、光源
   と、前記光源から放射される光を集める集光手段と、前
   記集光手段から出射する光が入射する第１レンズアレイ
   と、前記第１レンズアレイから出射する光が入射する第
   ２レンズアレイと、前記第２レンズアレイから出射する
   光が入射するマイクロレンズアレイとを備え、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第１レンズを配列してなり、前記第
   ２レンズアレイは前記第１レンズと同数で対をなす第２
   レンズを配列してなり、前記マイクロレンズアレイは複
   数のマイクロレンズを二次元状に配列してなり、前記第
   １レンズの各々は当該レンズを通過する前記部分光束を
   対応する前記第２レンズの開口上に収斂せしめ、前記第
   ２レンズの各々は当該レンズに入射する前記部分光束に
   所定の倍率を与えて前記マイクロレンズアレイの有効領
   域ないしは当該領域と光学的に等価な領域を重畳形態で
   照明し、前記マイクロレンズアレイは前記第２レンズア
   レイ近傍の物体の実像を二次元状に配列せしめ、前記第
   ２レンズアレイの有効開口に応じた所定の有効形状を有
   する微小照明領域を所定の配列に従って周期的に形成す
   ることを特徴とする照明手段。
8. 【請求項８】集光手段からマイクロレンズアレイに至る
   光路上に色分離手段を備え、前記色分離手段は白色光を
   三原色の色光に分離し、前記三原色の色光は各主光線を
   互いに異なる角度で前記マイクロレンズアレイに入射せ
   しめ、所定の有効断面を有する互いに分離された三原色
   の微小照明領域を所定の配列に従って周期的に形成する
   ことを特徴とする請求項７記載の照明手段。
9. 【請求項９】第２レンズアレイからマイクロレンズアレ
   イに至る光路にリレー光学手段を備え、前記リレー光学
   手段は入力部レンズ系と中央部レンズ系と出力部レンズ
   系からなり、前記入力部レンズ系は前記第２レンズアレ
   イの開口近傍の物体の実像を前記中央部レンズ系の開口
   近傍に形成せしめ、前記中央部レンズ系は前記入力部レ
   ンズ系の開口近傍の物体の実像を前記出力部レンズ系の
   開口近傍に形成せしめ、前記出力部レンズ系は前記中央
   部レンズ系近傍の発光面の重心から出射する光を互いに
   略平行に進行する光とせしめることを特徴とする請求項
   ８記載の照明手段。
10. 【請求項１０】集光手段は焦点を有して光源から放射さ
    れる光を前記焦点近傍に収斂せしめ、第１レンズアレイ
    は前記焦点近傍に配置せしめると共に前記第１レンズア
    レイの入射側近傍に収束レンズを備え、前記収束レンズ
    の入射側焦点は前記集光手段の射出瞳面の重心近傍に配
    置せしめることを特徴とする請求項７記載の照明手段。
11. 【請求項１１】第２レンズの各々は当該レンズを通過す
    る光束断面に応じて互いに異なる大きさと形状の開口を
    備えることを特徴とする請求項７記載の照明手段。
12. 【請求項１２】第１レンズアレイの有効開口は正円を近
    似してなることを特徴とする請求項７記載の照明手段。
13. 【請求項１３】第１レンズアレイと第２レンズアレイの
    少なくともいずれかは、開口に対して光軸を偏心させた
    レンズを配列してなることを特徴とする請求項７記載の
    照明手段。
14. 【請求項１４】第１レンズアレイと第２レンズアレイの
    少なくともいずれかは、非球面を基準曲面とするフレネ
    ルレンズを配列してなることを特徴とする請求項７記載
    の照明手段。
15. 【請求項１５】照明手段と、前記照明手段により照明さ
    れる空間光変調素子と、前記空間光変調素子により空間
    的に変調された光を用いて画像を形成する画像形成手段
    とを備え、前記照明手段は請求項７に記載の照明手段か
    らなり、前記空間光変調素子は画素構造を備えて光学像
    を形成し、前記照明手段の備える第２レンズアレイの有
    効開口を前記画素の開口形状に近似せしめると共に、前
    記照明手段により形成される微小照明領域の各々を前記
    画素の開口部に対応せしめることを特徴とする表示装
    置。
16. 【請求項１６】画像形成手段は投写レンズからなり、前
    記投写レンズは空間光変調素子上の光学像をスクリーン
    上に投影して画像を形成することを特徴とする請求項１
    ５記載の表示装置。
17. 【請求項１７】画像形成手段は、空間光変調素子の出射
    側近傍に配置されるマイクロレンズアレイと、前記マイ
    クロレンズアレイの出射側に配置される光拡散手段から
    なり、前記マイクロレンズアレイは前記空間光変調素子
    の画素に対応するマイクロレンズを配列してなり、前記
    マイクロレンズの各々は当該レンズに対応する画素の実
    像を前記光拡散手段の近傍に結像せしめ、前記光拡散手
    段は当該手段に入射する光を散乱させて画像を形成する
    ことを特徴とする請求項１５記載の表示装置。
18. 【請求項１８】空間光変調素子の有効表示領域は略４：
    ３のアスペクト比を有する矩形であり、第１レンズアレ
    イと第２レンズアレイは、４個、６個、７個、９個、１
    ０個、１４個、１６個、１８個のいずれかの個数のレン
    ズを配列してなることを特徴とする請求項１５記載の表
    示装置。
19. 【請求項１９】空間光変調素子の有効表示領域は略１
    ６：９のアスペクト比を有する矩形であり、第１レンズ
    アレイと第２レンズアレイは、４個、６個、９個、１０
    個、１２個、１４個、１６個、１７個、２２個のいずれ
    かの個数のレンズを配列してなることを特徴とする請求
    項１５記載の表示装置。
20. 【請求項２０】照明手段は複数の光源と複数の集光手段
    を備え、複数の集光手段の光路上に配置される第２レン
    ズアレイは互いに相まって対応する画素の開口形状を近
    似することを特徴とする請求項１５記載の表示装置。
21. 【請求項２１】主として三原色の画素からなるカラー画
    素を二次元状に配列してなる空間光変調素子を照明する
    手段であって、三原色の色成分を含む光を放射する光源
    と、前記光源から放射される光を集める集光手段と、前
    記集光手段から出射する光を三原色の色光に分離する色
    分離手段と、前記色分離手段から出射する三原色の色光
    の各々が互いに異なる角度から入射するマイクロレンズ
    アレイと、前記集光手段から前記マイクロレンズアレイ
    に至る三原色の色光の各光路に配置されるリレー光学手
    段とを備え、前記リレー光学手段の各々は当該手段を進
    行する色光を収斂せしめて前記マイクロレンズアレイを
    照明する発光面を形成し、前記集光手段から三原色の前
    記発光面の各々に至る光路長は互いに略等しくし、三原
    色の前記発光面の各々から前記マイクロレンズアレイに
    至る光路長は互いに略等しくし、前記マイクロレンズア
    レイは三原色の前記発光面の実像を二次元状に配列せし
    め、互いに分離された三原色の微小照明領域を所定の配
    列に従って周期的に形成することを特徴とする照明手
    段。
22. 【請求項２２】リレー光学手段は、第１レンズと第２レ
    ンズと第３レンズを備え、前記第１レンズは当該レンズ
    に入射する光を前記第２レンズの開口近傍に収斂せしめ
    て発光面を形成し、前記第２レンズは前記第１レンズ近
    傍の物体の実像を前記第３レンズの開口近傍に形成し、
    前記第３レンズは前記発光面の重心から出射する光を互
    いに略平行に進行する光とせしめることを特徴とする請
    求項２１記載の照明手段。
23. 【請求項２３】リレー光学手段は、第１レンズアレイと
    第２レンズアレイと第３レンズを備え、前記第１レンズ
    アレイは複数の第１レンズを配列してなり、前記第２レ
    ンズアレイは前記第１レンズと同数で対をなす第２レン
    ズを配列してなり、前記第１レンズの各々は当該レンズ
    に入射する光を対応する前記第２レンズの開口近傍に収
    斂せしめて発光面を形成し、前記第２レンズの各々は対
    応する前記第１レンズ近傍の物体の実像を前記第３レン
    ズの開口近傍に重畳形態で形成し、前記第３レンズは前
    記第２レンズアレイ近傍の発光面の重心近傍から出射す
    る光を互いに略平行に進行せしめることを特徴とする請
    求項２１記載の照明手段。
24. 【請求項２４】色分離手段は多層膜面をＸ字状に交差さ
    せた第１ダイクロイックミラーと第２ダイクロイックミ
    ラーからなり、前記第１ダイクロイックミラーにより反
    射される色光の光軸を第１の光軸、前記第２ダイクロイ
    ックミラーにより反射される色光の光軸を第２の光軸、
    前記第１および第２ダイクロイックミラーを透過する色
    光の光軸を第３の光軸、とした場合に、前記第１および
    第２の光軸上の各々に第１平面ミラーと第２平面ミラー
    と第３平面ミラーを備え、前記第３の光軸上に第１平面
    ミラーと第２平面ミラーを備え、前記色分離手段から出
    射した前記第１から第３の光軸は前記第１平面ミラーに
    より略９０度折り曲げられて略同一の方向に進行せしめ
    られ、前記第１平面ミラーから出射した前記第１から第
    ３の光軸は前記第２平面ミラーにより略９０度折り曲げ
    られて互いに略１点で交差する方向に進行せしめられ、
    前記第２平面ミラーから出射した前記第１および第２の
    光軸は前記第３平面ミラーにより折り曲げられてマイク
    ロレンズアレイの有効領域の重心近傍で前記第３の光軸
    と互いに所定の角度をなして交差せしめることを特徴と
    する請求項２１記載の照明手段。
25. 【請求項２５】照明手段と、前記照明手段により照明さ
    れる空間光変調素子と、前記空間光変調素子により空間
    的に変調された光を用いて画像を形成する画像形成手段
    とを備え、前記照明手段は請求項２１に記載の照明手段
    からなり、前記空間光変調素子は三原色の画素からなる
    カラー画素構造を備えて光学像を形成し、前記照明手段
    により形成される三原色の微小照明領域の各々を前記三
    原色の画素の各々に対応せしめることを特徴とする表示
    装置。
26. 【請求項２６】画像形成手段は投写レンズからなり、前
    記投写レンズは空間光変調素子上の光学像をスクリーン
    上に投影して画像を形成することを特徴とする請求項２
    ５記載の表示装置。
27. 【請求項２７】画像形成手段は、空間光変調素子の出射
    側近傍に配置されるマイクロレンズアレイと、前記マイ
    クロレンズアレイの出射側に配置される光拡散手段から
    なり、前記マイクロレンズアレイは前記空間光変調素子
    の画素に対応するマイクロレンズを配列してなり、前記
    マイクロレンズの各々は当該レンズに対応する画素の実
    像を前記光拡散手段の近傍に結像せしめ、前記光拡散手
    段は当該手段に入射する光を散乱させて画像を形成する
    ことを特徴とする請求項２５記載の表示装置。