JPH11109285A - 投射型液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダスト等の異物の付着や光源のアーク変動等
による画品位の低下等を防止し得る投射型液晶表示装置
を提供する。 【解決手段】 液晶パネル１８の照明光学系は、複数の
レンズ要素を配列して構成した第１レンズアレイ２１
と、第１レンズアレイ２１の各レンズ要素に対応してレ
ンズ要素を配列して構成した第２レンズアレイ２２とか
らなるインテグレータを備える。第１レンズアレイ２１
に入射した単一光束はそこで複数の小光束に分割され、
第２レンズアレイ２２の対応するレンズ要素を通り、コ
リメータレンズ１５およびダイクロイックミラー１６
Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇを経て液晶パネル１８に入射する。
液晶パネル１８は第１レンズアレイ２１のすべてのレン
ズ要素からの光束によって重畳的に照明され、その照度
分布は均一化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投射光学系により
液晶パネル上の画像をスクリーンに拡大投影して画像を
表示する投射型液晶表示装置に係わり、特に、カラーフ
ィルタをもたない単一の液晶パネルを用いて構成される
投射型液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶パネルを光スイッチング素子
として利用し、液晶パネル上の画像を投射光学系によっ
てスクリーン上に拡大投影するようにした液晶プロジェ
クタや液晶プロジェクションＴＶ等の投射型液晶表示装
置が登場している。この種の液晶表示装置には、Ｂ
（青），Ｒ（赤），Ｇ（緑）の３色のカラーフィルタ
（ＣＦ）を備えた液晶パネルを１枚用いて構成した単板
方式と、モノクロ液晶パネルをＢ，Ｒ，Ｇの各光路ごと
に設けて構成した３板方式とがある。このうち、単板方
式は構造が簡単で小型化・軽量化および低価格化が容易
であるが、その一方、カラーフィルタによる光吸収が多
いため、高輝度化に難点があると共に、冷却の点でも不
利である。

【０００３】これらの問題を解決すべく、例えば特開平
４−６０５３８号公報あるいは「ＡＳＩＡ ＤＩＳＰＬ
ＡＹ ’９５，ｐ８８７」には、３個の画素ごとに１個
の集光用マイクロレンズを対向配置し、このマイクロレ
ンズの各々にそれぞれ異なる方向からＢ，Ｒ，Ｇの３色
を入射させて集光し、その出射光をＢ，Ｒ，Ｇの３色に
対応した画素にそれぞれ入射させるようにした単板方式
のカラー液晶表示装置が開示されている。このカラー液
晶表示装置では、画素と画素との間の領域（画素駆動用
のスイッチング素子であるＴＦＴ（薄膜トランジスタ）
が形成されたブラックマトリクス部分）に入射した光を
も有効に利用することができ、実質的な開口率が高くな
るので、高輝度化が可能となる特徴を有している。この
種の投射型液晶表示装置は、カラーフィルタの代わりに
マイクロレンズアレイを備えた単一の液晶パネルを用い
て構成されるので、以下、この種の装置を単板ＣＦレス
マイクロレンズ方式の投射型液晶表示装置と称する。

【０００４】図２４は、従来の単板ＣＦレスマイクロレ
ンズ方式の投射型液晶表示装置に用いられていた光学系
の概略構成を表すものである。この投射型液晶表示装置
は、白色光を放射する光源５０１と、光源５０１から放
射された白色光のうち紫外および赤外領域の光を除去す
るＵＶ／ＩＲカットフィルタ５０２と、ＵＶ／ＩＲカッ
トフィルタ５０２を通過した光束の断面内強度分布を均
一化するためのグラスロッドインテグレータ５０３と、
グラスロッドインテグレータ５０３から出射された光束
を集光するリレーレンズ５０４と、リレーレンズ５０４
からの入射される光束をほぼ平行光束に変換するコリメ
ータレンズ５０５とを備えている。この投射型液晶表示
装置はさらに、コリメータレンズ５０５の後方の光路上
に順次設けられ、コリメータレンズ５０５から出射され
た白色光束をＢ，Ｒ，Ｇの各色光に色分解すると共にこ
れらの各色光を互いに異なる角度で反射するダイクロイ
ックミラー５０６Ｂ，５０６Ｒ，５０６Ｇと、ダイクロ
イックミラー５０６Ｂ，５０６Ｒ，５０６Ｇで色分解さ
れたＢ，Ｒ，Ｇの各色光を所定の偏光方向の直線偏光に
変換する入射側偏光板５０７と、この偏光板５０７を通
過した各色光をカラー画像信号に応じて強度変調する液
晶（ＬＣＤ）パネル５０８と、液晶パネル５０８からの
出射光を集光してスクリーン５１０上に投影して合成す
る投影レンズ５０９とを備えている。

【０００５】光源５０１は、通常、メタルハライド系の
発光体５０１ａと回転対称な凹面鏡５０１ｂとを用いて
構成される。グラスロッドインテグレータ５０３は角柱
状のガラス材からなり、一端面から入射した光束を内面
で多数回反射させることで光束断面内での強度分布を均
一化させ、他端面から出射するようになっている。液晶
パネル５０８はＣＦレスマイクロレンズ方式の液晶パネ
ルであり、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色に対応して規則的に２次元
配置された画素電極（図示せず）と、図示しない液晶層
を挟んでＲ，Ｇ，Ｂ用の３個の画素電極ごとに１つずつ
対向配置された集光用マイクロレンズ（図示せず）と、
図示しない出射側偏光板とを含んで構成される。上記の
集光用マイクロレンズは、ダイクロイックミラー５０６
Ｂ，５０６Ｒ，５０６Ｇで色分解されたのち互いに異な
る角度で入射してくるＢ，Ｒ，Ｇの３色光をそれぞれ集
光してＢ，Ｒ，Ｇの３色に対応した画素にそれぞれ入射
させるようになっている。

【０００６】このような構成の投射型液晶表示装置で
は、液晶パネル５０８の各画素電極に印加される各色ご
とのカラー画像信号に応じて、各画素ごとの液晶層に入
射されるＢ，Ｒ，Ｇの３色光がそれぞれ選択的に空間変
調を受けるようになっている。液晶パネル５０８で変調
を受けた各色光は投影レンズ５０９によってスクリーン
５１０上で結像し、色合成される。これにより、スクリ
ーン５１０上にカラー画像が投影表示されるようになっ
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
投射型液晶表示装置では、液晶パネル５０８上の照度分
布を均一化するための手段としてグラスロッドインテグ
レータ５０３を用いていた。この場合、グラスロッドイ
ンテグレータ５０３の出射面は液晶パネル５０８の面と
像共役になっているので、グラスロッドインテグレータ
５０３の出射面にダスト等の異物が付着すると、この異
物が拡大投影されてしまい、画品位が著しく低下すると
いう問題があった。

【０００８】また、この投射型液晶表示装置では、グラ
スロッドインテグレータ５０３の内面反射によって出射
光束断面内の強度分布がある程度均一化されるものの、
装置全体の小型化を考慮してグラスロッドインテグレー
タ５０３の長さを制限した場合には、内面反射をせずに
直接出射面に到達する光もあるので、液晶パネル５０８
上における照度分布の均一化には限界がある。このた
め、例えば光源５０１の発光体にアーク変動が起こった
場合に、これがそのまま画面のちらつきとなり、画品位
を低下させる場合がある。

【０００９】ところで、例えば特開平５−３４６５５７
号公報には、マルチレンズアレイインテグレータを用い
た３板方式の投射型液晶表示装置が提案されている。こ
の装置は、ロッド型のインテグレータに代えて、複数の
レンズを２次元状に配列した第１レンズアレイと、第１
レンズアレイの各レンズと対をなす複数のレンズを２次
元状に配列した第２レンズアレイとからなるマルチレン
ズアレイインテグレータを備えている。

【００１０】しかしながら、上記公報で提案されている
マルチレンズアレイインテグレータは、従来のカラーフ
ィルタ方式の液晶パネルを用いた投射型液晶表示装置
や、３板式の投射型液晶表示装置を前提したものであっ
て、単板ＣＦレスマイクロレンズ方式の投射型液晶表示
装置にそのまま適用し得る構成にはなっておらず、ま
た、そのような示唆もない。これは、次のような理由か
らである。

【００１１】すなわち、従来のカラーフィルタ方式また
は３板式の投射型液晶表示装置では、それらに用いられ
る液晶パネル自体の性質から、液晶パネルを照明する光
の平行度はあまり要求されず、入射発散角（あるいは集
中角）が例えば１４度あるいはそれ以上の大きな角度で
あっても画品位上の問題はない。ここで、入射発散角と
は、液晶パネル上のある画素に着目したときの、その画
素に入射するすべての光の入射角の範囲をいう。但し、
入射発散角をあまりに大きくすると液晶パネルからの出
射発散角も大きくなって投影レンズの負荷が過大となる
ので、装置コストを考慮すると、入射発散角を１４度程
度にするのが一般的である。

【００１２】このように、従来のカラーフィルタ方式や
３板式の投射型液晶表示装置では、液晶パネルにおける
入射発散角の角度制限が緩いことから、絞りとして機能
する第２レンズアレイのサイズを比較的大きく形成して
も問題はない。このため、例えば上記公報には、第２レ
ンズアレイの外接円の直径が７０ｍｍ程度というかなり
大きな例が記載されている。

【００１３】これに対して、単板ＣＦレスマイクロレン
ズ方式の投射型液晶表示装置では、上記したように、３
つの画素に対応して設けた各マイクロレンズにそれぞれ
異なる方向からＢ，Ｒ，Ｇの各色光を入射させ、このマ
イクロレンズによって集光した各色光をＢ，Ｒ，Ｇ用の
各画素にそれぞれ入射させることでカラー表示を行うよ
うにしているので、液晶パネルを照射する光の入射発散
角が大きいと、ある色光（例えばＢ光）がＢ用画素のみ
ならず隣接画素（この場合、Ｒ用画素またはＧ用画素）
にも入射して混色が生じる。この結果、表示画像の色純
度が低下し、画品位を著しく損なうおそれがある。この
ため、液晶パネルに入射する光の入射発散角を十分小さ
くする必要がある。

【００１４】このように、単板ＣＦレスマイクロレンズ
方式の投射型液晶表示装置では、液晶パネルに要求され
る入射発散角の角度制限が他の方式の投射型液晶表示装
置に比べて格段に厳しいことから、上記公報に開示され
た技術をそのまま適用したのでは十分な画品位を担保で
きなかった。

【００１５】また、仮に、上記したような厳しい入射発
散角の角度制限をクリアできたとしても、それに伴って
必然的に液晶パネルに到達する光量が絞られることか
ら、今度は、十分な画像輝度を得るのが困難になるとい
う別の問題が生ずることが予想される。

【００１６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その第１の目的は、ダスト等の異物の付着や光源
のアーク変動等によって画品位が低下することを防止す
ることができる投射型液晶表示装置を提供することにあ
る。また、本発明の第２の目的は、液晶パネルを照射す
る光の入射発散角を小さく抑制して色純度の低下を防止
できると共に、光源からの光量を効率よく利用して高輝
度の投影画像を得ることができる投射型液晶表示装置を
提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の投射型液晶表示
装置は、複数のレンズ要素を平面的に配列して構成され
ると共に入射された単一光束をレンズ要素により複数の
小光束に分割して出射しそれぞれを集光させる第１のレ
ンズアレイと、第１のレンズアレイの各レンズ要素に対
応して平面的に配列されると共に第１のレンズアレイの
対応するレンズ要素を経て入射してきた各小光束を互い
に重なり合う方向にそれぞれ出射させる複数のレンズ要
素を含んで構成された第２のレンズアレイと、第２のレ
ンズアレイから出射された光を複数の基本色の色光に色
分解すると共に色分解した各色光を互いに異なる角度で
出射する色分解手段と、複数の基本色の各々に対応した
画素を配列して構成されると共に各画素を透過する色光
を選択的に変調する液晶表示素子およびこの液晶表示素
子の複数画素ごとに共通に配設されると共に色分解手段
から出射されて互いに異なる角度で入射してきた複数の
色光をそれぞれ集光して対応する色の画素にそれぞれ入
射させる集光手段を含んで構成された単一の液晶パネル
とを備えている。

【００１８】ここで、第２のレンズアレイの全体形状を
液晶表示素子の画素の開口形状とほぼ相似とし、かつ、
第２のレンズアレイの全体が液晶表示素子の各画素とそ
れぞれ像共役もしくはそれに近い関係をなすように構成
するのが好適である。さらに、第２のレンズアレイの各
レンズ要素が第１レンズアレイの対応するレンズ要素か
ら出射した小光束により形成される光学像に対応した大
きさおよび形状をもつように構成するのが好適である。
さらに、第１のレンズアレイの全体形状を上記の単一光
束のほぼすべてを受光し得る大きさに形成し、かつ、第
１のレンズアレイの各レンズ要素をこれらの各レンズ要
素から出射した小光束が第２のレンズアレイの対応する
レンズ要素上に収束することとなるようにそれぞれ偏心
して配置するように構成するのが好適である。また、第
１のレンズアレイにおける各レンズ要素の形状を液晶パ
ネルの形状とほぼ相似とし、かつ、第１レンズアレイに
おける各レンズ要素が液晶パネルとそれぞれ像共役もし
くはそれに近い関係をなすように構成するのが好適であ
る。また、入射光束を互いに直交する２つの偏光方向の
直線偏光に分離すると共にそのうちの一方の偏光方向の
直線偏光を他方の偏光方向の直線偏光に変換し、この変
換された直線偏光と変換対象とされなかった直線偏光と
を合成して単一偏光方向の直線偏光として出射する偏光
分離合成手段をさらに備えるようにしてもよい。

【００１９】本発明の投射型液晶表示装置では、第１の
レンズアレイの各レンズ要素により分割された各小光束
は、それぞれ、第２のレンズアレイの対応するレンズ要
素に入射する。第２のレンズアレイの各レンズ要素に入
射した各小光束は、ここで互いに重なり合う方向にそれ
ぞれ出射される。第２のレンズアレイの各レンズ要素か
ら出射された各小光束は、色分解手段によって複数の基
本色の色光に色分解され、互いに異なる角度で出射され
る。色分解手段から互いに異なる角度で出射された各色
光は液晶パネルに入射する。これにより、第１のレンズ
アレイの各レンズ要素によって分割されたすべての小光
束が最終的に液晶パネル上に重畳的に投影される。液晶
パネルに入射した各色光は集光手段によってそれぞれ集
光され、対応する色の画素にそれぞれ入射され、そこで
選択的に変調される。

【００２０】ここで、第２のレンズアレイの全体形状を
液晶表示素子の画素の開口形状とほぼ相似とし、かつ、
第２のレンズアレイの全体が液晶表示素子の各画素とそ
れぞれ像共役もしくはそれに近い関係をなすように構成
した場合には、液晶パネルに入射する光束の入射発散角
の角度制限が適正化される。さらに、第２のレンズアレ
イの各レンズ要素が第１レンズアレイの対応するレンズ
要素から出射した小光束により形成される光学像に対応
した大きさおよび形状をもつように構成した場合には、
第２のレンズアレイに入射した光の大部分を液晶パネル
上に到達させることができる。さらに、第１のレンズア
レイの全体形状を上記の単一光束のほぼすべてを受光し
得る大きさに形成し、かつ、第１のレンズアレイの各レ
ンズ要素をこれらの各レンズ要素から出射した小光束が
第２のレンズアレイの対応するレンズ要素上に収束する
こととなるようにそれぞれ偏心して配置した場合には、
入射する単一光束が第１のレンズアレイによってけられ
ることがなく、入射光を高効率で利用できる。また、第
１のレンズアレイにおける各レンズ要素の形状を液晶パ
ネルの形状とほぼ相似とし、かつ、第１レンズアレイに
おける各レンズ要素が液晶パネルとそれぞれ像共役もし
くはそれに近い関係をなすように構成した場合には、第
１のレンズアレイの各レンズ要素によって分割された小
光束が液晶パネル上に無駄なく重畳投影される。また、
上記構成の偏光分離合成手段を備えた場合には、入射光
のほぼすべてが所定の偏光方向の直線偏光となって利用
されるので、液晶パネルの前側に通常配置される偏光板
で失われる光量が低減される。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００２２】［第１の実施の形態］図１は、本発明の一
実施の形態に係る投射型液晶表示装置の光学系の概略構
成を表すもので、装置を真上から見下ろした状態を示し
ている。なお、この図では、煩雑さを避けるために、主
たる光線の経路のみを描き、他を省略している。この装
置は、単板ＣＦレスマイクロレンズ方式の投射型液晶表
示装置として構成されたものであり、白色光を放射する
光源１１と、光源１１から放射された白色光のうち紫外
および赤外領域の光を除去するＵＶ／ＩＲカットフィル
タ１２と、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ１２を通過後発散
する光をほぼ平行な光束に変換するコリメータレンズ１
３と、複数のレンズ要素を平面的に配列して構成される
と共にコリメータレンズ１３からのほぼ平行な単一光束
を各レンズ要素によって複数の小光束に分割してそれぞ
れ集光する第１レンズアレイ２１と、第１レンズアレイ
の各レンズ要素に対応して平面的に配列された複数のレ
ンズ要素を含んで構成された第２レンズアレイ２２と、
第２レンズアレイ２２を透過した光束をほぼ平行な光束
に変換するコリメータレンズ１５とを備えている。ここ
で、第１レンズアレイ２１が本発明における「第１のレ
ンズアレイ」に対応し、第２レンズアレイ２２が本発明
における「第２のレンズアレイ」に対応する。

【００２３】この投射型液晶表示装置はさらに、コリメ
ータレンズ１５の後方の光路上に順次設けられ、コリメ
ータレンズ１５から出射された白色光束をＢ，Ｒ，Ｇの
各色光に色分解すると共にこれらの各色光を互いに異な
る角度で反射するダイクロイックミラー１６Ｂ，１６
Ｒ，１６Ｇと、ダイクロイックミラー１６Ｂ，１６Ｒ，
１６Ｇで色分解されたＢ，Ｒ，Ｇの各色光を所定の偏光
方向の直線偏光に変換する入射側偏光板１７と、この入
射側偏光板１７を通過した各色光をカラー画像信号に応
じて強度変調する液晶パネル１８と、液晶パネル１８か
らの出射光を集光してスクリーン２０上に投影して色合
成する投影レンズ１９とを備えている。なお、液晶パネ
ル１８の背面側には出射側偏光板が配置されているが、
ここでは図示を省略している。

【００２４】光源１１は、発光体１１ａと、回転対称な
凹面鏡１１ｂとを含んで構成される。発光体１１ａとし
ては、例えばメタルハライド系のランプが用いられる。
凹面鏡１１ｂとしてはできるだけ集光効率のよい形状の
ものがよく、例えば回転楕円面鏡が用いられる。第１レ
ンズアレイ２１および第２レンズアレイ２２は、光源１
１から出射した白色光を拡散させて液晶パネル１８にお
ける面内照度分布を均一化するためのインテグレータと
して機能するものである。このうち、第２レンズアレイ
２２の各レンズ要素は、第１レンズアレイ２１の対応す
るレンズ要素から入射された各小光束を互いに重ね合わ
せるようにしてそれぞれ出射するようになっている。こ
れらの第１レンズアレイおよび第２レンズアレイについ
ては、後に詳述する。

【００２５】ダイクロイックミラー１６Ｂ，１６Ｒ，１
６Ｇは互いに微小角をなすように配置されており、コリ
メータレンズ１５から出射した光軸１０とほぼ平行な光
束を約９０°の角度で選択的に反射してＢ，Ｒ，Ｇの３
色光に色分解し、それぞれを液晶パネル１８に異なる角
度で入射させる機能を有している。この例では、ダイク
ロイックミラー１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇは、Ｒ光が液晶
パネル１８に垂直に入射し、Ｂ光およびＧ光がＲ光に対
してそれぞれ〔＋θ〕，〔−θ〕の角度をもって液晶パ
ネル１８に入射するように配置されている。但し、液晶
パネル１８に垂直入射する光がＢ光（またはＧ光）であ
り、垂直方向に対してそれぞれ〔＋θ〕，〔−θ〕の角
度で入射する光がＲ光，Ｇ光（またはＲ光，Ｂ光）であ
るように配置してもよい。ここで、ダイクロイックミラ
ー１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇが本発明における「色分解手
段」に対応する。

【００２６】液晶パネル１８はＣＦレスマイクロレンズ
方式の液晶パネルであり、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色に対応して
規則的に２次元配置された画素電極（図示せず）と、液
晶層（図示せず）を挟んでＲ，Ｇ，Ｂ用の３個の画素電
極（図示せず）ごとに１つずつ対向配置された集光用の
マイクロレンズ（図示せず）とを含んで構成される。こ
こで、集光用のマイクロレンズは、ダイクロイックミラ
ー１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇで色分解されたのち互いに異
なる角度で入射してくるＢ，Ｒ，Ｇの３色光をそれぞれ
集光してＢ，Ｒ，Ｇの３色に対応した画素にそれぞれ入
射させるためのものである。液晶パネル１８については
後に詳述する。

【００２７】なお、図１に示した各光学素子について
は、紙面内で光軸１０と直交する方向を水平方向、紙面
と垂直な方向を垂直方向と呼び、以下の説明でもこれら
の定義に従うものとする。

【００２８】図２および図３は第１レンズアレイ２１の
構造を表すもので、このうち図２は光入射側からみた平
面構造を表し、図３は図２のＡ−Ａ′に沿った断面構造
を表す。これらの図に示したように、この第１レンズア
レイ２１は、同形の矩形型のレンズ要素２１ａを水平方
向に４列、垂直方向に６列配列して構成され、例えばＰ
ＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）等の透明樹脂を用い
て一体に形成される。各レンズ要素２１の一方の面は平
坦面、他方の面は所定の曲率の凸球面である。各凸球面
の頂点２１ｂは各レンズ要素２１ａの中央に位置してい
る。図１に示したように、第１レンズアレイ２１は、凸
球面を光入射側に向けて配置されている。また、図２に
示したように、第１レンズアレイ２１は、全体の外縁形
状がほぼ正方形となっており、光源１１の投影像（具体
的には発光体１１ａの像。以下、単に光源像という。）
２５がその正方形に内接することとなるような位置に配
置されるようになっている。各レンズ要素２１ａの形状
は、液晶パネル１８の有効領域の形状とほぼ相似形とな
っており、水平方向と垂直方向との比は例えば４対３に
設定される。そして、第１レンズアレイ２１は、その中
心を光軸１０が通り、かつ、各レンズ要素２１ａが液晶
パネル１８の有効領域と像共役もしくはそれに近い関係
になるような位置に配置される。

【００２９】図４および図５は第２レンズアレイ２２の
構造を表すもので、このうち図４は光出射側からみた平
面構造を表し、図５は図４のＢ−Ｂ′に沿った断面構造
を表すものである。これらの図に示したように、第２レ
ンズアレイ２２の各レンズ要素２２ａの一方の面が平坦
面で他方の面が所定の曲率の凸球面である点は第１レン
ズアレイ２１の場合と同様である。但し、図１に示した
ように、第２レンズアレイ２２は、平坦面を光入射側に
向けて配置されるようになっている。なお、透明樹脂を
用いて一体に形成される点は第１レンズアレイ２１の場
合と同様である。

【００３０】図４に示したように、この第２レンズアレ
イ２２は、第１レンズアレイ２１と同形（ほぼ正方形）
の全体外縁形状をもつと共に、第１レンズアレイ２１の
レンズ要素２２ａと同数のレンズ要素２１ａを配列して
構成されている。但し、この第２レンズアレイ２２は、
第１レンズアレイの場合と異なり、互いに異なる形状お
よびサイズのレンズ要素２２ａを含んで構成されてい
る。この図で、水平方向に走る中央の境界線をＸ軸と
し、垂直方向に走る中央の境界線をＹ軸とすると、この
図の第１象限に属する６個のレンズ要素２２ａの形状お
よびサイズはすべて互いに異なっている。具体的には、
第２レンズアレイ２２の中心から離れるほどレンズ要素
２２ａは小さくかつ偏平になっている。また、第２象限
に属する６個のレンズ要素２２ａは、第１象限の６個の
レンズ要素２２ａとＹ軸について対称な関係にある。さ
らに、第３および第４象限に属する１２個のレンズ要素
２２ａは、第２および第１象限の１２個のレンズ要素２
２ａとＸ軸について対称な関係にある。これらの各レン
ズ要素２２ａは、第１レンズアレイ２１の各レンズ要素
２１ａ（図２）と対応した関係にあり、第１レンズアレ
イ２１の各レンズ要素２１ａから出射した小光束が、第
２レンズアレイ２２の対応するレンズ要素２２ａのほぼ
中央に入射するようになっている。このように各レンズ
要素２２ａの形状およびサイズを異ならせている理由は
後述する。

【００３１】ここで、フィールドレンズとは、例えば、
第１レンズアレイのレンズ要素２１ａの焦点距離をｆ１
とし、第２レンズアレイのレンズ要素２２ａの焦点距離
をｆ２（＝ｆ１）としたときに、両レンズ要素の合成焦
点距離ｆがやはりｆ１となるような位置に第２のレンズ
アレイ２２のレンズ要素２２ａを配置した場合における
そのようなレンズ要素２２ａをいう。

【００３２】第２レンズアレイ２２の各レンズ要素２２
ａを第１レンズアレイ２１の対応するレンズ要素２１ａ
のフィールドレンズとして機能させるためには、上記の
偏心配置に加えてさらに、第１レンズアレイ２１のレン
ズ要素２１ａの焦点位置が第２レンズアレイ２２の各レ
ンズ要素２２ａの主面上に来るように配置する必要があ
る。そこで、後述する図７に示したように、第１レンズ
アレイ２１の各レンズ要素２１ａによって集光された光
束の断面が最小となる位置に第２レンズアレイ２２の対
応するレンズ要素２２ａを配置させるようにしている。

【００３３】第２レンズアレイ２２は、その中心を光軸
１０が通り、かつ、自分自身全体が液晶パネル１８の各
画素開口と像共役もしくはそれに近い関係となるような
位置に配置される。第２レンズアレイ２２は、フィール
ドレンズという役割を果たすばかりでなく、その全体が
液晶パネル１８への入射光束の絞りとして機能して後述
する入射発散角α（図６）を制限する役割をも果たす。
したがって、第２レンズアレイ２２の全体形状は液晶パ
ネル１８の各画素（後述する図６の画素電極８１Ｂ，８
１Ｒ，８１Ｇ）の開口形状とほぼ相似形に形成される。
本実施の形態では、図４に示したように、第２レンズア
レイ２２全体の外縁形状はほぼ正方形となっているの
で、液晶パネル１８の画素開口形状がほぼ正方形である
場合に最適である。

【００３４】図６は図１における液晶パネル１８の水平
方向の断面構造を拡大して表すものである。この図に示
したように、液晶パネル１８は、画素電極が多数形成さ
れた画素基板８１と、対向電極およびマイクロレンズが
形成された対向基板８２と、画素基板８１と対向基板８
２とによって挟まれた液晶層８３とを備えている。

【００３５】画素基板８１は、ガラス基板８１ａと、ガ
ラス基板８１ａの片面側（光入射側）に規則的に（周期
的に）配置されたＢ光，Ｒ光，Ｇ光用の画素電極８１
Ｂ，８１Ｒ，８１Ｇ等と、これらの各画素電極に対して
画像信号に応じた電圧を印加するためのスイッチング素
子として機能するＴＦＴ（図示せず）等からなるブラッ
クマトリクス部８１ｂとを含んで構成されている。上記
のＴＦＴは例えばポリシリコンからなるゲート電極、ド
レイン電極およびソース電極（いずれも図示せず）を有
している。このうち、ゲート電極は、図の紙面内で左右
に走るアドレス配線（図示せず）に接続され、ソース電
極は図の紙面と垂直な方向に走るＢ，Ｒ，Ｇ用の各デー
タ配線（図示せず）に接続され、ドレイン電極は各画素
電極８１Ｂ，８１Ｒ，８１Ｇに接続されている。そし
て、アドレス配線とデータ配線とによって選択された画
素電極にＢ，Ｒ，Ｇの画像信号電圧が選択的に印加され
ることによって、その画素電極と対向電極８２ｄとの間
の液晶層８３中の液晶分子配向が変化し、ここを通過す
る光の偏光方向を変化させるようになっている。ブラッ
クマトリクス部８１ｂは、図示しないアルミニウム等の
金属膜で遮光され、光照射によってＴＦＴが誤動作する
ことがないようになっている。

【００３６】一方、対向基板８２は、ガラス基板８２ａ
と、ガラス基板８２ａの一面側（光出射側）に形成され
た集光用のマイクロレンズ８２ｂからなるマイクロレン
ズアレイと、マイクロレンズ８２ｂに密着して配置され
たカバーガラス８２ｃと、カバーガラス８２ｃ上に形成
された対向電極８２ｄとを備えている。対向電極８２ｄ
は、カバーガラス８２ｃの全面あるいは必要な領域（す
なわち、少なくとも画素基板８１の画素電極８１Ｂ，８
１Ｒ，８１Ｇと対向する領域）に形成された透明電極で
あり、一定の電位に固定されている。マイクロレンズ８
２ｂは、例えば基板をレンズ状にエッチングして透明樹
脂を埋め込む方法や選択的イオン拡散法による屈折率分
布型レンズとして形成されるが、その他の任意の方法で
形成されたものであってもよい。また、マイクロレンズ
８２ｂは、通常は図の紙面と垂直方向に軸を有する蒲鉾
型レンズとして形成されるが、そのほか、一般の球面状
またはそれに近い曲面のレンズであってもよい。ここ
で、液晶パネル１８が本発明における「液晶パネル」に
対応し、マイクロレンズ８２ｂが本発明における「集光
手段」に対応する。

【００３７】図６に示したように、マイクロレンズ８２
ｂは、画素基板８１の３つの画素電極８１Ｂ，８１Ｒ，
８１Ｇに対して１個ずつ形成配置されており、異なる３
方向から入射したＢ，Ｒ，Ｇの光束をそれぞれ集光して
液晶層８３を経て画素電極８１Ｂ，８１Ｒ，８１Ｇにそ
れぞれ入射させるようになっている。ここで、例えば垂
直入射するＲ光に着目すると、マイクロレンズ８２ｂの
焦点が画素電極８１Ｒ上もしくはその近傍に来るように
設定するのが通常であるが、必要に応じてガラス基板８
１ａの内部の深い所に焦点が来るように設定してもよ
い。他の光（Ｂ光およびＧ光）についても同様である。

【００３８】次に、図１、図７および図８を参照して、
このような構成の投射型液晶表示装置の動作および作用
を説明する。

【００３９】まず、図１の光学系を参照して、投射型液
晶表示装置全体の動作を説明する。図１に示したよう
に、光源１１から出た白色光は、ＵＶ／ＩＲカットフィ
ルタ１２によって紫外および赤外域の光を除去されて一
旦収束したのち発散してコリメータレンズ１３に入射す
る。コリメータレンズ１３は入射してきた光を光軸１０
にほぼ平行な単一光束に変換して出射する。この単一光
束は第１レンズアレイ２１に入射し、ここで各レンズ要
素２１ａによって複数の小光束に分割される。このと
き、図２に示したように、第１レンズアレイ２１上にお
ける光源像２５（すなわち、入射した単一光束の断面）
は、第１レンズアレイ２１の外縁の中にほぼ完全に包含
されるようになっているので、光源からの光が効率よく
利用される。

【００４０】後述する図７に示したように、第１レンズ
アレイ２１の各レンズ要素２１ａによって分割された各
小光束は、第２レンズアレイ２２における対応するレン
ズ要素２２ａのほぼ中央に収束したのち、ここでわずか
に進行方向を変えて拡散し、コリメータレンズ１５に入
射する。コリメータレンズ１５は第２レンズアレイ２１
からの入射光束をほぼテレセントリックな光束に変換す
る。

【００４１】コリメータレンズ１５によってほぼテレセ
ントリックとなった光束は、ダイクロイックミラー１６
Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇ（図１）に入射する。ダイクロイッ
クミラー１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇは、入射光束をＢ，
Ｒ，Ｇの３色光に色分解すると共に、各色光を互いに異
なる角度方向に反射する。ダイクロイックミラー１６
Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇで色分解され反射された各色光は入
射側偏光板１７（図１）に入射する。この入射側偏光板
１７は、入射した各色光について、所定の偏光方向の直
線偏光成分のみを透過させる。入射側偏光板１７を透過
し完全な直線偏光となった各色光は、液晶パネル１８の
各マイクロレンズ８２ｂにそれぞれ異なる方向から入射
する。液晶パネル１８は、Ｂ，Ｒ，Ｇの各色光をカラー
画像信号に応じて強度変調して出射する。

【００４２】ここで、図６を参照して、マイクロレンズ
８２ｂのうちの１つのマイクロレンズＭＬに入射する光
の経路について考える。Ｒ光はガラス基板８２ａに垂直
に入射するので、マイクロレンズＭＬの光軸が通る画素
電極８１Ｒの中央またはその近傍に焦点を結ぶ。また、
Ｂ光はガラス基板８２ａに入射角θで入射し、屈折角ψ
で屈折したのち、これと同じ入射角ψでマイクロレンズ
ＭＬに入射し、画素電極８１Ｒと隣り合っている画素電
極のうちマイクロレンズＭＬの光軸と角ψをなす直線が
中心を通っている方の画素電極８１Ｂの中央またはその
近傍に焦点を結ぶ。同様に、Ｇ光はガラス基板８２ａに
入射角〔−θ〕で入射し、屈折角ψで屈折したのち、こ
れと同じ入射角ψでマイクロレンズＭＬに入射し、画素
電極８１Ｒと隣り合っている画素電極のうちマイクロレ
ンズＭＬの光軸と角〔−ψ〕をなす直線が中心を通って
いる画素電極８１Ｇの中央またはその近傍に焦点を結
ぶ。このとき、与えられた画素信号に応じて画素電極８
１Ｂ，８１Ｒ，８１Ｇへの印加電圧が変化し、これに応
じて液晶層８３中を通過するＢ，Ｒ，Ｇの各色光の偏光
方向が変調を受ける。

【００４３】画素基板８１の画素電極８１Ｂ，８１Ｒ，
８１Ｇ上またはその近傍にそれぞれ焦点を結んだＢ，
Ｒ，Ｇの各色光は、再びそれぞれ拡がりながらガラス基
板８１ａから出射し、図示しない出射側偏光板を選択的
に透過したのち、投影レンズ２０によって投射されてス
クリーン１９上に到達し、色合成される。このようにし
て、スクリーン２０上にカラー画像が投影表示される。

【００４４】次に、この投射型液晶表示装置において特
徴的な作用を説明する。

【００４５】図７は、図１の第１レンズアレイ２１から
液晶パネル１８に到る光路を簡略化して表すものであ
る。なお、この図では、説明の都合上、図１の屈曲した
光路を直線光路に直して等価的に描いており、また、図
１で図示したダイクロイックミラー１６Ｂ，１６Ｒ，１
６Ｇの図示を省略している。この図に示したように、第
１レンズアレイ２１から、各レンズ要素２１ａの外縁と
相似形の断面をもって出射した複数の小光束は、それぞ
れ、レンズ要素２１ａとほぼ相似形をもつ液晶パネル１
８の有効領域にほぼ平行に（正確には、入射発散角αを
もって）入射する。これにより、液晶パネル１８は、第
１レンズアレイ２１のすべてのレンズ要素２１ａからの
光源光によって重畳的に照明されることとなる。この場
合、第１レンズアレイ２１に入射する単一光束は、光軸
１０と垂直な断面内でかなり大きな強度分布（すなわ
ち、不均一な分布）を有しているが、この単一光束を第
１レンズアレイ２１によって分割した複数の小光束の各
断面内での強度分布は比較的均一となっている。したが
って、これらの複数の小光束を拡大して重畳した結果と
しての液晶パネル１８上の照度分布もまた相当に均一な
ものとなる。したがって、スクリーン２０上に拡大投影
される画像の画面内輝度分布を十分均一化することが可
能となる。

【００４６】ところで、本発明が対象としている単板Ｃ
Ｆレスマイクロレンズ方式の投射型液晶表示装置では、
既に図６において説明したように、Ｂ，Ｒ，Ｇ用の３つ
の画素電極８１Ｂ，８１Ｒ，８１Ｇに対応して設けた各
マイクロレンズ８２ｂ（図６）にそれぞれ異なる方向か
らＢ，Ｒ，Ｇの各色光を入射させ、このマイクロレンズ
８２ｂによって集光した各色光を画素電極８１Ｂ，８１
Ｒ，８１Ｇにそれぞれ入射させることでカラー表示を行
うようにしているので、液晶パネル１８を照射する光の
入射発散角α（図６）が大きいと、ある色光（例えばＢ
光）がＢ用の画素電極８１Ｂのみならず隣接する画素
（この場合、Ｒ用の画素電極８１ＲまたはＧ用の画素電
極８１Ｇ）にも入射してしまう。このため、混色が生じ
て表示画像の色純度が低下し、画品位を著しく損なうお
それがある。そこで、液晶パネル１８に入射する光の入
射発散角αを十分小さくする必要がある。すなわち、単
板ＣＦレスマイクロレンズ方式の投射型液晶表示装置で
は、液晶パネルに要求される入射発散角αの角度制限が
他の方式（カラーフィルタ付の単板式または３板式）の
投射型液晶表示装置に比べて格段に厳しい。

【００４７】そこで、本実施の形態では、液晶パネル１
８に入射する光の入射発散角αを小さくするために、第
２レンズアレイ２２の外縁形状をできる限り小さく形成
するようにしている。上記したように、第２レンズアレ
イ２２全体の外縁は、この照明系における絞りとしての
役割をも有しており、液晶パネル１８の各画素に入射す
る光の入射発散角αを画定するものだからである。な
お、第２レンズアレイ２２のサイズを小さく形成する場
合、従来用いられていたガラスプレスによる作製方法で
は精度上の限界があるので、プラスチック樹脂を用いた
成形方法を用いるのが好適である。例えば、ガラスプレ
ス法の場合には、各レンズ要素２２ａのサイズが約４ｍ
ｍ×３ｍｍ以上である必要があるが、プラスチック成形
による場合にはそれ以下のサイズでも十分精度を担保す
ることができる。

【００４８】液晶パネル１８に入射する光の入射発散角
αは、水平方向および垂直方向の双方において制限しな
ければならない。その制限の程度は画素開口の形状に依
存する。例えば、画素開口の形状が、垂直方向のサイズ
が大きく水平方向が小さいような細長い矩形形状（長方
形）であるとすると、垂直方向よりも水平方向の方が混
色に対するマージンが少なく、混色が起きやすい。した
がって、この場合、水平方向の入射発散角αの角度制限
は垂直方向よりも厳しくなるので、光利用効率を十分に
高めようとするならば、入射発散角αの角度制限を水平
方向と垂直方向とで異ならせる必要がある。このような
理由から，本実施の形態では、第２レンズアレイ２２の
レンズ要素２２ａの外縁形状を画素開口形状と相似形に
して、画素開口の水平・垂直サイズ比に応じた入射発散
角の制限を行っているのである。例えば、画素開口形状
が正方形である場合には、図４に示したように、第２レ
ンズアレイ２２の外縁形状も正方形にすればよい。この
場合、水平方向および垂直方向の入射発散角αの角度制
限は等しい。

【００４９】図８は本実施の形態における第２レンズア
レイ２２上に光源像２６が投影された状態を表し、図９
は図８に対する比較例を表すものである。ここで、図９
は、本実施の形態と異なり、第１レンズアレイ２１のレ
ンズ要素２１ａ（図２）と同形同大のレンズ要素１２２
ａのみを配列して第２レンズアレイ１２２を形成した場
合の例を表している。なお、これらの図に示した各光源
像２６は、第１レンズアレイ２１の各レンズ要素２１ａ
から出射された小光束により形成されたものである。ま
た、図９の第２レンズアレイ２２に対応する第１レンズ
アレイは図２と同じものとする。

【００５０】図９に示したように、光軸１０が通る第２
レンズアレイ１２２の中心に近いレンズ要素１２２ａに
入射する光源像２６は比較的大きく、光軸１０から遠い
レンズ要素１２２ａに入射する光源像２６ほど小さくな
っている。また、各光源像２６の中心は対応するレンズ
要素１２２ａの中心と必ずしも一致してはいない。一
方、レンズ要素１２２ａはすべて同形同大である。した
がって、対応するレンズ要素１２２ａから外れて隣のレ
ンズ要素１２２ａに投影される光源像部分も比較的大き
くなる。この場合、その外れた部分の光は図７に示した
ような本来の光路を進まないので、液晶パネル１８に到
達せず、液晶パネル１８の照明に供せられない。すなわ
ち、光量損失が大きくなって光利用効率が低下する。し
たがって、このようなレンズ要素１２２ａから外れる光
源像部分の割合があまりに大きくなると、液晶パネル１
８上の照度が不十分となってスクリーン２０上に表示さ
れる画像の輝度も低下する。

【００５１】これに対して、本実施の形態における第２
レンズアレイ２２の場合においては、図８に示したよう
に、各レンズ要素２２ａの形状およびサイズを、光源像
２６の形状およびサイズに合わせて適宜異ならせている
ので、各光源像２６は第２レンズアレイの２２対応する
レンズ要素２２ａの外縁内にほぼ収まっている。特に、
中央付近の大きい光源像２６は対応するレンズ要素２２
ａ内に比較的完全に近い形で収まっている。また、他の
光源像２６については、対応するレンズ要素２２ａから
多少はみだしているものもあるが、その割合はあまり大
きくない。したがって、第２レンズアレイ２２における
光量損失は図９に示した比較例に比べて小さく、液晶パ
ネル１８上の照度低下を防止することができる。すなわ
ち、光利用効率の向上が可能になる。

【００５２】次に、第２レンズアレイ２２のサイズと、
第１レンズアレイ２１の各レンズ要素２１ａの焦点距離
の求め方を説明する。

【００５３】図７において、第１レンズアレイ２１の各
レンズ要素２１ａの１つ１つが液晶パネル１８の面と像
共役もしくはそれに近い関係になっていることから、そ
の拡大倍率ｍはほぼ次の（１）式により表される。 ｍ＝ｆ３／ｆ１ …（１） ここに、ｆ１は第１レンズアレイ２１の各レンズ要素２
１ａの焦点距離であり、ｆ３はコリメータレンズ１５の
焦点距離である。

【００５４】第１レンズアレイ２１の各レンズ要素２１
ａのサイズと液晶パネル１８のサイズとが既に決まって
いるとすると、拡大倍率ｍは定まる。したがって、コリ
メータレンズ１５の焦点距離ｆ３が決まっていれば、
（１）式より、第１レンズアレイ２１のレンズ要素２１
ａの焦点距離ｆ１は、ｆ３／ｍで求まる。

【００５５】一方、第２レンズアレイ２２の主面位置が
液晶パネル１８への入射光の絞り位置となっており、ま
た、第２レンズアレイ２２の外縁形状は、コリメータレ
ンズ１５およびマイクロレンズ８２ｂに関して、液晶パ
ネル１８の画素開口と像共役もしくはそれに近い関係に
なっていることから、第２レンズアレイ２２の外縁形状
の液晶パネル１８の画素開口に対する縮小倍率ｍ′はほ
ぼ次の（２）式で表される。 ｍ′＝ｆ４／ｆ３ …（２） ここに、ｆ４はマイクロレンズ８２ｂの焦点距離であ
る。

【００５６】ここで、液晶パネル１８の画素開口のサイ
ズをｄとし、第２レンズアレイ２２の全体サイズをＤと
すると、次の（３）式が成り立つ。 ｍ′＝ｄ／Ｄ …（３）

【００５７】縮小倍率ｍ′は、コリメータレンズ１５の
焦点距離ｆ３およびマイクロレンズ８２ｂの焦点距離ｆ
４が決まっていれば（２）式により定まる。したがっ
て、液晶パネル１８の画素開口のサイズｄが決まってい
れば、（３）式によって第２レンズアレイ２２のサイズ
Ｄはｄ／ｍ′で求まる。

【００５８】なお、第２レンズアレイ２２のサイズは、
理論上、上記（２）式を満たす限りにおいて任意に設定
可能であり、縮小倍率ｍ′をできるだけ小さく設定すれ
ば第２レンズアレイ２２を大きくすることもできるが、
その場合には、コリメータレンズ１５の焦点距離ｆ３を
相当大きくしなければならず、装置が長大なものとなる
ので現実的でない。したがって、装置の小型化を図る上
では、第２レンズアレイ２２の大きさをできるだけ小さ
くし、縮小倍率ｍ′をできるだけ１に近く設定するのが
よい。

【００５９】以上のように、本実施の形態によれば、第
１レンズアレイ２１の各レンズ要素２１ａの外縁と相似
形の断面をもった複数の光束がそれぞれレンズ要素２１
ａとほぼ相似形をもつ液晶パネル１８の有効領域に入射
するので、液晶パネル１８は第１レンズアレイ２１のす
べてのレンズ要素２１ａからの光源光によって無駄なく
重畳的に照明されることとなる。この場合、第１レンズ
アレイ２１に入射する単一光束は、光軸１０と垂直な断
面内でかなり大きな強度分布（すなわち、不均一な分
布）を有しているが、この単一光束を第１レンズアレイ
２１によって分割した複数の小光束の各断面内での強度
分布は比較的均一となっている。したがって、これらの
複数の小光束を重畳した結果としての液晶パネル１８上
の照度分布もまた相当に均一なものとなる。したがっ
て、スクリーン２０上に拡大投影される画像の画面内輝
度分布を十分均一化することが可能となる。

【００６０】なお、本実施の形態では、第１レンズアレ
イ２１を、各球面の頂点２１ｂをレンズ要素２１ａの中
心に位置させるようにして、偏心させない構成とした
が、例えば図１０および図１１に示したように、各球面
の頂点２１ｂ′を各レンズ要素２１ａ′の中心からずら
して偏心させるように構成してもよい。ここで、図１０
は光入射側からみた平面構造を表し、図１１は図１０の
Ｅ−Ｅ′に沿った断面構造を表す。この変形例では、球
面の頂点２１ｂ′を光軸１０に近づける方向にレンズ要
素２１ａを偏心させているので、第１レンズアレイ２１
の各レンズ要素２１ａにより分割された小光束は、光軸
１０の方向に近づく方向に進む。これにより、光源像２
６は第２レンズアレイ上の中央方向に寄り集まり、実質
的に絞り開口を小さくしたのと同様となるので、液晶パ
ネル１８への入射発散角をより小さく制限することがで
きる。また、第２レンズアレイ２２から外側に外れる光
束の割合を少なくでき、第２のレンズアレイ２２におけ
る光量損失を低減することもできる。

【００６１】［第２の実施の形態］次に、本発明の第２
の実施の形態を説明する。

【００６２】ここでは、まず、本実施の形態に対する比
較例としての上記第１の実施の形態の作用について補足
説明する。上記の第１の実施の形態では、第１レンズア
レイ２１と第２レンズアレイ２２とは全体として同形同
大になっており、しかも、図２に示したように第１レン
ズアレイ２１の各レンズ要素２１ａはいずれも偏心せず
に配置されているので、図８に示したように、第２レン
ズアレイ２２上における光源像２６の相互間にはかなり
の隙間が存在し、レンズ要素２２ａが無駄なスペースを
含んでいることになる。これは、図９に示した比較例に
おいても同様である。このことは、第２レンズアレイ２
２（または１２２）のサイズが必要以上に大きくなって
いることを意味する。

【００６３】ここで、例えば、より高精細化を図るため
に、液晶パネル１８の画素開口のサイズを小さくする必
要が生じた場合には、液晶パネル１８に入射する光の入
射発散角αを小さくするために第２レンズアレイ２２の
全体サイズを小さくする必要があるが、これに伴って、
それに対応する第１レンズアレイ２１の全体サイズも小
さくしなければならない。そうしなければ、第２レンズ
アレイ２２上での各光源像２６が、それぞれ対応する各
レンズ要素２２ａから大きく外れてしまい、光利用効率
が低下するからである。ところが、第１レンズアレイ２
１の全体サイズを小さくすると、光源１１からの光のす
べてを第１レンズアレイ２１で受けることが困難とな
り、結果として光利用効率が低下して液晶パネル１８上
の照度が低下する。

【００６４】一方、液晶パネル１８に入射する光の入射
発散角αを小さくするために単に第２レンズアレイ２２
の外縁形状を小さくしただけでは、必然的に、この第２
レンズアレイ２２によって液晶パネルに到達する光量が
絞られることから、やはり液晶パネル１８上の照度が低
下する。

【００６５】本実施の形態に係る投射型液晶表示装置
は、このような光量低下という問題点を改善するため
に、上記第１の実施の形態に係る投射型液晶表示装置に
変形を加えたものである。以下、図１２〜図１８を参照
して説明する。なお、これらの図において、上記第１の
実施の形態で示した各図における要素と同一要素には同
一の符号を付し、適宜説明を省略するものとする。

【００６６】図１２は、本発明の第２の実施の形態に係
る投射型液晶表示装置の光学系の概略構成を表すもの
で、装置を真上から見下ろした状態を示している。この
装置は、単板ＣＦレスマイクロレンズ方式の投射型液晶
表示装置として構成された点で上記第１の実施の形態に
係る投射型液晶表示装置と同様であるが、図１における
第１レンズアレイ２１および第２レンズアレイ２２に代
えて、それぞれ第１レンズアレイ３１および第２レンズ
アレイ３２を配置している点で異なる。ここで、第１レ
ンズアレイ３１が本発明における「第１のレンズアレ
イ」に対応し、第２レンズアレイ３２が本発明における
「第２のレンズアレイ」に対応する。以下、レンズアレ
イ３１および第２レンズアレイ３２について詳説する。

【００６７】図１３および図１４は図１２に示した第１
レンズアレイ３１の構造を表すもので、このうち図１３
は光入射側からみた平面構造を表し、図１４は図１０の
Ｃ−Ｃ′に沿った断面構造を表す。これらの図に示した
ように、この第１レンズアレイ３１は、同形同大の矩形
型のレンズ要素３１ａを水平方向に４列、垂直方向に６
列配列して構成されている。各レンズ要素３１の一方の
面は平坦面、他方の面は所定の曲率の凸球面である。各
凸球面の頂点３１ｂは、各レンズ要素３１ａの中央から
それぞれ所定方向に所定量ずつシフトしており、各レン
ズ要素２１ａの外縁に対してそれぞれ偏心している。図
１２に示したように、第１レンズアレイ３１は、凸球面
を光入射側に向けて配置されている。

【００６８】図１３に示したように、水平方向における
中央の境界線をＸ軸とし、垂直方向における中央の境界
線をＹ軸とすると、この図の第１象限に属する６個のレ
ンズ要素３１ａの偏心方向および偏心量はみな異なって
いる。また、第２象限に属する６個のレンズ要素３１ａ
は、第１象限の６個のレンズ要素３１ａとＹ軸について
対称な関係にある。さらに、第３および第４象限に属す
る１２個のレンズ要素３１ａは、第２および第１象限の
１２個のレンズ要素３１ａとＸ軸について対称な関係に
ある。

【００６９】第１レンズアレイ３１は、その全体形状が
ほぼ正方形となっており、光源１１の光源像２５がその
正方形に内接することとなるような位置に配置される。
一方、各レンズ要素３１ａの形状は、液晶パネル１８の
有効領域の形状とほぼ相似形となっており、水平方向と
垂直方向との比は例えば４対３に設定される。そして、
第１レンズアレイ３１は、各レンズ要素３１ａが液晶パ
ネル１８と像共役もしくはそれに近い関係になる位置に
配置される。

【００７０】図１５および図１６は図１における第２レ
ンズアレイ３２の構造を表すもので、このうち図１５は
光出射側からみた平面構造を表し、図１６は図１２のＤ
−Ｄ′に沿った断面構造を表す。この第２レンズアレイ
３２は、互いに異なるサイズおよび異なる形状のレンズ
要素３２ａを含んで構成されている。第２レンズアレイ
３２の各レンズ要素３２ａの一方の面が平坦面で他方の
面が所定の曲率の凸球面である点は、第１レンズアレイ
３１の場合と同様である。

【００７１】図１５に示したように、水平方向における
中央の境界線をＸ軸とし、垂直方向における中央の境界
線をＹ軸とすると、この図の第１象限に属する６個のレ
ンズ要素３２ａはすべて互いに異なるサイズおよび形状
となっている。具体的には、第２レンズアレイ３２の中
心（Ｘ軸とＹ軸の交点）から離れるに従ってサイズが小
さくなっている。各レンズ要素３２ａにおける球面の頂
点３１ｂは、各レンズ要素３２ａの中央からそれぞれ所
定の方向に所定量ずつシフトし、各レンズ要素３２ａの
外縁に対して偏心している。また、第２象限に属する６
個のレンズ要素３２ａは、第１象限の６個のレンズ要素
３２ａとＹ軸について対称な関係にある。さらに、第３
および第４象限に属する１２個のレンズ要素３２ａは、
第２および第１象限の１２個のレンズ要素３２ａとＸ軸
について対称な関係にある。第２レンズアレイ３２の各
レンズ要素３２ａの光出射面をなす球面の頂点３２ｂ
は、いずれも、第１レンズアレイ３１の対応するレンズ
要素３１ａの中心を通り光軸１０と平行な直線の上に位
置している。したがって、第２レンズアレイ３２の各レ
ンズ要素３２ａはそれぞれの外縁の中央からそれぞれ所
定の方向に偏心した形になっている。

【００７２】レンズ要素３２ａの総数は第１レンズアレ
イ３１の場合と同じで、水平方向に４列、垂直方向に６
列の計２４個であるが、第２レンズアレイ３２の全体形
状としては、上記第１の実施の形態の場合（図４）と異
なり、垂直方向にやや細長い矩形となっている。これは
液晶パネル１８をより高精細化した場合に画素開口形状
がやや縦長（垂直方向に長いこと）となることを考慮し
て、そのような画素開口形状と相似形にしたものであ
る。第２レンズアレイ３２の各レンズ要素３２ａは、第
１レンズアレイ３１の各レンズ要素３１ａに対応してお
り、後述する図１７に示したように、第１レンズアレイ
３１の各レンズ要素３１ａから出射した光束が、第２レ
ンズアレイ３２の対応するレンズ要素３２ａのほぼ中央
に入射するようになっている。

【００７３】図１３に示したように、第１レンズアレイ
３１の各レンズ要素２１ａをそれぞれ偏心させているの
は、第１レンズアレイ３１の各レンズ要素３１ａを通っ
た小光束がすべて第２レンズアレイ３２の対応するレン
ズ要素３２ａの中央に収束するようにするためである。
また、図１５に示したように、第２レンズアレイ３２の
各レンズ要素２２ａをそれぞれ偏心させているのは、第
２レンズアレイ３２の各レンズ要素３２ａがフィールド
レンズとしての役割を果たすことができるようにするた
めであり、これにより、第１レンズアレイ３１の各レン
ズ要素３２ａからの小光束をすべて液晶パネル１８上に
ほぼ正確に重畳させて拡大投影することが可能になる。
また、第２レンズアレイ３２の各レンズ要素３２ａを第
１レンズアレイ３１の対応するレンズ要素３１ａのフィ
ールドレンズとして機能させるため、上記の偏心配置に
加えてさらに、第１レンズアレイ３１のレンズ要素３１
ａの焦点位置が第２レンズアレイ３２の各レンズ要素３
２ａの主面上に来るように配置する。具体的には、後述
する図１７に示したように、第１レンズアレイ３１の各
レンズ要素３１ａによって集光された光束の断面が最小
となる位置に第２レンズアレイ３２の対応するレンズ要
素３２ａを配置させるようにしている。

【００７４】第２レンズアレイ３２は、液晶パネル１８
の各画素開口と像共役もしくはそれに近い関係となるよ
うな位置に配置される。また、第２レンズアレイ３２
は、フィールドレンズという役割を果たすばかりでな
く、その全体が液晶パネル１８への入射光束の絞りとし
て機能して入射発散角αを制限する役割をも果たすの
で、第２レンズアレイ３２の全体形状を液晶パネル１８
の各画素の開口形状とほぼ相似形にしている。また、装
置の小型化を図るために、第２レンズアレイ２２の大き
さをできるだけ小さく形成し、（２）式に示した縮小倍
率ｍ′ができるだけ１に近く（言い換えると、縮小の度
合いが少なく）なるようにしている。これらの点は上記
第１の実施の形態と同様である。

【００７５】次に、本実施の形態に係る投射型液晶表示
装置の作用を説明する。但し、図１２に示した光学系全
体からみた基本的作用は、上記の第１の実施の形態の場
合と同様なので説明を省略し、本実施の形態における特
徴的な作用のみを説明する。

【００７６】図１７は、図１２の第１レンズアレイ３１
から液晶パネル１８に到る光路を簡略化して表すもの
で、上記第１の実施の形態における図７に相当するもの
である。なお、この図では、説明の都合上、図１２の屈
曲した光路を直線光路に直して等価的に描いており、ま
た、図１２で図示したダイクロイックミラー１６Ｂ，１
６Ｒ，１６Ｇの図示を省略している。

【００７７】この図に示したように、第１レンズアレイ
３１の各レンズ要素３１ａの外縁と相似形の断面をもっ
た複数の光束が、それぞれ、レンズ要素３１ａとほぼ相
似形をもつ液晶パネル１８の有効領域に入射する。これ
により、液晶パネル１８は、第１レンズアレイ３１のす
べてのレンズ要素３１ａからの光源光によって重畳的に
照明される。この場合、第１レンズアレイ３１に入射す
る単一光束は、光軸１０と垂直な断面内で不均一な分布
を有しているが、この単一光束を第１レンズアレイ３１
によって分割した複数の小光束の同断面内での強度分布
は比較的均一となっているので、これらの複数の小光束
を重畳した結果としての液晶パネル１８上の照度分布も
また相当に均一になる。したがって、スクリーン２０上
に拡大投影される画像の画面内輝度分布を十分均一化す
ることが可能となる。この点は上記の第１の実施の形態
の場合と同様である。

【００７８】また、上記したように、単板ＣＦレスマイ
クロレンズ方式の投射型液晶表示装置では、液晶パネル
１８に入射する光の入射発散角αを十分小さくする必要
があるので、本実施の形態では、この照明系における絞
りとしての役割をも果たす第２レンズアレイ２２の外縁
形状をできる限り小さく形成し、液晶パネル１８の各画
素に入射する光の入射発散角αを画定するようにしてい
る。この点も、上記の第１の実施の形態の場合と同様で
ある。

【００７９】上記したように、液晶パネル１８に入射す
る光の入射発散角αは、水平方向および垂直方向の双方
において制限しなければならず、その制限の程度は画素
開口の形状に依存することから、例えば、高精細化のた
めに画素開口の形状を垂直方向に細長い長方形として形
成した場合には、第２レンズアレイ２２のレンズ要素２
２ａの外縁形状もまた画素開口形状と相似形の長方形と
する必要がある。そこで、本実施の形態では、図１５に
示したように、液晶パネル１８の画素開口形状とほぼ相
似の長方形としている。この場合、水平方向の入射発散
角αの角度制限は垂直方向よりも厳しくなるが、それに
合わせて、第２のレンズアレイ３２の水平方向の長さを
短くして水平方向の絞り量を多くしているので、垂直方
向のみならず水平方向における混色を効果的に防止する
ことが可能である。もちろん、画素開口形状を水平方向
だけでなく垂直方向にも小さくする場合には、それに合
わせて第２のレンズアレイ３２の垂直方向の長さをも縮
小すればよい。

【００８０】ところが、このように第２のレンズアレイ
３２の外縁形状の縮小に合わせて、第１のレンズアレイ
も同様に縮小したのでは、必然的に、液晶パネルに到達
する光量が制限され、液晶パネル１８上の照度が低下す
る。

【００８１】そこで、本実施の形態では、第２のレンズ
アレイ３２の外縁形状を縮小する一方、図１３に示した
ように第１レンズアレイ３１の全体形状をできるだけ円
形または正方形に近く形成し、かつ、第１レンズアレイ
３１上における光源像２５（すなわち、入射した単一光
束の断面）が第１レンズアレイ３１全体の外縁の中にほ
ぼ完全に包含されることとなるように（すなわち、光源
１１からの光束を最大限受けることができるように）、
第１レンズアレイ３１の全体形状をできるだけ大きく形
成している。これにより、第１レンズアレイ３１でのけ
られによる光量損失を極力低減している。

【００８２】また、本実施の形態では、第１のレンズア
レイ３１の各レンズ要素３１ａを通って第２のレンズア
レイ３２に到達する小光束が、第１のレンズアレイ３１
よりも全体サイズの小さい第２のレンズアレイ３２の対
応するレンズ要素３２ａからできる限り外れないように
するために、第１レンズアレイ３２から出射される各小
光束の相互間距離ができるだけ小さくなるように第１の
レンズアレイ３１の各レンズ要素３１ａを適宜偏心さ
せ、しかも、そのようにして定められた小光束の各到達
地点および大きさに合わせて第２のレンズアレイ３２の
位置および大きさを定めるようにしている。この結果、
図１８に示したように、各レンズ要素３２ａ相互の中心
間距離は無駄のないように十分小さく設定され、かつ、
第１レンズアレイ３１の各レンズ要素３１ａによる光源
像３６は、第２レンズアレイ３２の対応するレンズ要素
３２ａから外れることなくその中央にほぼ正確に投影さ
れることとなる。

【００８３】ここで、図１８は、第２レンズアレイ３２
上での光源像の様子を表すもので、第２レンズアレイ３
２を入射面側から見た状態を示している。この図に示し
たように、光軸１０（第２のレンズアレイ３２の中心）
に近いレンズ要素３２ａに入射する光源像３６は大き
く、光軸１０から遠いレンズ要素３２ａに入射する光源
像３６ほど小さくなっているが、これに合わせてレンズ
要素２２ａのサイズおよび形状が最適化されていること
が判る。すなわち、図８の場合と比べて明らかなよう
に、各レンズ要素３２ａには、小光束による光源像３６
が当たっていない無駄スペースが少なくなっている一
方、光源像３６がはみ出しているレンズ要素３２ａはほ
とんどなくなっている。このことは、第２レンズアレイ
３２の全体サイズが効率的に縮小されていることを意味
する。すなわち、絞りとしての第２レンズアレイ３２が
縮小されているので、液晶パネル１８における入射発散
角αが十分小さく制限される。

【００８４】以上のように、本実施の形態に係る投射型
液晶表示装置によれば、第１レンズアレイ３１の外縁サ
イズを、光源からの単一光束のほぼすべてを受けること
ができるようにできる限り大きく形成すると共に、第１
レンズアレイ３１で分割されて出射される各小光束がで
きるだけ光軸１０に近づくように各レンズ要素３１ａを
偏心させ、さらに、これらの小光束の到達位置に合わせ
て第２レンズアレイ３２の対応するレンズ要素３２ａの
サイズ、形状および位置を設定するようにしたので、第
１レンズアレイ３１によるけられによる光量損失を低減
できると共に、第２レンズアレイ３２を十分縮小しなが
らそこでの光量損失を十分少なくすることができる。し
たがって、照明光学系全体としての光利用効率を高める
ことができる。また、絞りとしての第２レンズアレイ３
２の縮小が可能となることから、液晶パネル１８に入射
する光の入射発散角αを十分小さくすることができ、液
晶パネル１８における混色を効果的に防止することがで
きる。もちろん、上記の第１の実施の形態と同様に、液
晶パネル１８の面は第１レンズアレイ３１の各レンズ要
素３１ａによって重畳的に照明されるので、従来のグラ
スロッドインテグレータに比べて十分均一な照度分布が
得られる。したがって、スクリーン２０上に、均一で明
るくしかも色純度の良い投影画像を表示することが可能
となる。

【００８５】［第３の実施の形態］次に、図１９〜図２
２を参照して、本発明の第３の実施の形態について説明
する。

【００８６】図１９および図２０は本発明の第３の実施
の形態に係る投射型液晶表示装置の光学系の概略構成を
表すものである。このうち、図１９は装置を真上から見
下ろした状態を示し、図２０は装置を真横から見た状態
を示す。これらの図で、図１に示した要素と同一の要素
には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。また、こ
れらの図では、説明の便宜上、図１に示したように実際
にはダイクロイックミラー１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇによ
って屈曲されている光路を直線光路に直して等価的に描
くと共に、煩雑さを避けるために主たる光線の経路のみ
を描き他を省略している。また、これらの図では、図１
で示した投影レンズ１９およびスクリーン２０の図示を
省略し、さらに、図２０では、ダイクロイックミラー１
６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇの図示をも省略している。

【００８７】この装置は、上記の各実施の形態と同様
に、単板ＣＦレスマイクロレンズ方式の投射型液晶表示
装置として構成されたものであるが、本装置は図１２に
示した装置に対してさらに高精細化を可能としたもので
ある。本装置では、図１または図１２の構成に加えて、
さらに、入射するｐｓ混合光束をｐ偏光光束とｓ偏光光
束とに分離すると共にその一方を他方の偏光方向の偏光
光束に変換して合成するという機能をもったＰＳ合成分
離素子５０を備えている。また、本装置では、図１およ
び図１２に示した第１レンズアレイ２１，３１および第
２レンズアレイ２２，３２に代えて、垂直方向に十分細
長い形状を有する第１レンズアレイ４１および第２レン
ズアレイ４２を備えている。さらに、本装置では、高精
細化のために液晶パネル１８の各画素の水平方向のサイ
ズを十分縮小して縦方向（垂直方向）に細長い形状と
し、この画素開口形状と相似形となるように上記の第２
レンズアレイ４２の外縁形状を設定している。ここで、
ＰＳ合成分離素子５０が本発明における「偏光合成分離
手段」に対応する。また、第１レンズアレイ４１が本発
明における「第１のレンズアレイ」に対応し、第２レン
ズアレイ４２が本発明における「第２のレンズアレイ」
に対応する。

【００８８】図２０に示したように、ＰＳ合成分離素子
５０は、ほぼ直交する２つの偏光分離ミラーが内部に形
成された偏光分離プリズム５１と、この偏光分離プリズ
ム５１の両側（装置の上下方向）に配置された反射ミラ
ー５２ａ，５２ｂと、偏光分離プリズム５１の後方（光
出射側）に配置された１／２波長板５３とを有してい
る。偏光分離プリズム５１は、上記の各偏光分離ミラー
が光軸１０とほぼ４５度の角度をなすように配置されて
いる。偏光分離プリズム５１の入射面から入射した光束
のうち、ｓ偏光成分が光軸１０とほぼ９０度の方向に
（装置の上下方向）に反射され、ｐ偏光成分はそのまま
偏光分離プリズム５１を通過するようになっている。偏
光分離プリズム５１によってそれぞれ上下方向に反射さ
れたｓ偏光光束は、反射ミラー５２ａ，５２ｂによって
光軸１０とほぼ平行な方向に反射され、第１レンズアレ
イ４１のそれぞれ上部領域および下部領域に入射する。
一方、偏光分離プリズム５１を透過したｐ偏光光束は、
その後方に配置された１／２波長板５３を透過してｓ偏
光光束に変換され、第１レンズアレイ４１の中央領域に
入射する。結局、ＰＳ合成分離素子５０は、入射光束の
ほぼすべてをｓ偏光光束に変換すると共に、装置の上下
方向に光束幅を伸ばすことができるようになっている。
なお、反射ミラー５２ａ，５２ｂに代えて、偏光分離ミ
ラーが内部に形成された偏光分離プリズムを用いるよう
にしてもよい。この場合には、反射ミラー５２ａ，５２
ｂを用いた場合に比べると、より高屈折率の媒質内を進
むこととなるので、光束の発散量を抑制することができ
る。

【００８９】図２１は、第１レンズアレイ４１を光入射
側から見た状態を表すものである。なお、この図の上下
方向は、この投射型液晶表示装置の上下方向（すなわ
ち、液晶パネル１８の上下方向）と一致している。この
図に示したように、第１レンズアレイ４１は、上記第２
の実施の形態（図１３）で示した第１レンズアレイ３１
の上下に、この第１レンズアレイ３１の第１および第２
象限領域の１２個のレンズ要素３１ａと第３および第４
象限領域の１２個のレンズ要素３１ａとをそれぞれ付け
加えた縦長形状に形成されている。但し、この図では各
レンズ要素に新たな符号４１ａを付している。各レンズ
要素４１ａの球面が光入射側に配置される点、各レンズ
要素４１ａの球面の頂点４１ｂが各レンズ要素４１ａの
中央からシフトして偏心している点、および各レンズ要
素４１ａの形状が液晶パネル１８の形状と相似形になっ
ている点は図１３の場合と同様である。

【００９０】図２０において、ＰＳ合成分離素子５０の
１／２波長板５３から出射したｓ偏光光束は、図２１に
示したように第１レンズアレイ４１の中央領域の２４個
のレンズ要素４１ａ上に入射して光源像２５となり、ま
た、ＰＳ合成分離素子５０の反射ミラー５２ａ，５２ｂ
で反射されたｓ偏光光束は、図２１に示したように第１
レンズアレイ４１の上部領域および下部領域の各１２個
のレンズ要素４１ａ上に入射して、それぞれ光源像２５
ａ，２５ｂとなる。結局、第１レンズアレイ４１の全体
にわたって、元の光束のほぼ２倍の断面積の光束が入射
することとなる。

【００９１】図２２は、第２レンズアレイ４２を光出射
側から見た状態を表すものである。なお、この図の上下
方向は、この投射型液晶表示装置の上下方向と一致して
いる。この図に示したように、第２レンズアレイ４２
は、上記第２の実施の形態（図１５）に示した第２レン
ズアレイ３２の上下に、この第２レンズアレイ３２の第
１および第２象限領域の１２個のレンズ要素３２ａと第
３および第４象限領域の１２個のレンズ要素３２ａとを
それぞれ付け加えた縦長形状に形成されている。但し、
この図では各レンズ要素に新たな符号４２ａを付してい
る。各レンズ要素４２ａの球面が光出射側に配置される
点、および各レンズ要素４２ａの球面の頂点４２ｂが各
レンズ要素４２ａの中央からシフトして偏心している点
は図１１の場合と同様である。また、上記したように、
第２レンズアレイ４２の細い縦長形状は、液晶パネル１
８の画素開口形状と相似形になっている。

【００９２】本実施の形態では、表示画面の高精細化を
可能とするために、第２レンズアレイ４２の外縁形状を
縦長にすると共に、（２）式に示した液晶パネル１８の
画素サイズに対する第２レンズアレイ４２の縮小倍率
ｍ′を上記第２の実施の形態の場合よりも小さく設定す
る。その他の構成は、上記の各実施の形態の場合と同様
である。

【００９３】次に、この投射型液晶表示装置の作用を説
明する。本装置では、コリメータレンズ１３を出射した
ほぼ平行な単一光束は偏光分離プリズム５１にほぼ垂直
に入射する。このとき、第１レンズアレイ４１のサイズ
は十分に確保されているので、入射光束がけられること
はない。上記したように、入射光束のうちｓ偏光成分の
みが内部の偏光分離ミラーで反射され、さらに反射ミラ
ー５２ａ，５２ｂで反射されて光軸１０とほぼ平行なｓ
偏光光束となり、第１レンズアレイ４１に入射する。一
方、入射光束のうちｐ偏光成分は偏光分離プリズム５１
をそのまま通過したのち１／２波長板５３でｓ偏光光束
に変換され、第１レンズアレイ４１に入射する。

【００９４】第１レンズアレイ４１の各レンズ要素４１
ａは入射したｓ偏光光束を小光束に分割し、第２レンズ
アレイ４２の対応するレンズ要素４２ａに入射する。こ
のとき、上記の第２の実施の形態の場合と同様に、第２
レンズアレイ４２に投影された各光源像（図２２には図
示せず）は、対応するレンズ要素４２ａから殆ど外れる
ことがないので、第２レンズアレイ４２に入射した光の
ほぼすべてが液晶パネル１８の照明に供されることとな
る。

【００９５】第２レンズアレイ４２から出射した各小光
束は、コリメータレンズ１５によってほぼ平行な光束と
なり、入射側偏光板１７を経て液晶パネル１８に入射す
る。このとき、第１レンズアレイ４１の各レンズ要素４
１ａからの光が液晶パネル１８上で重畳されるので、均
一な照度が得られる。また、このとき、絞りとしての第
２レンズアレイ４２によって、液晶パネル１８への入射
光は入射発散角の角度制限を受けているが、その角度制
限の程度は、第２レンズアレイ４２の外縁形状を反映し
て、画素開口の水平方向と垂直方向とで異なっている。
一例として、例えば画素開口の水平方向と垂直方向との
比を１対３とした場合には、水平方向の入射発散角αH
（図１９）を約５度、垂直方向の入射発散角αV （図２
０）を約１５度とすることができる。

【００９６】本装置では、ＰＳ合成分離素子５０の作用
により、液晶パネル１８の直前の入射側偏光板１７に入
射する光束はほぼ直線偏光になっているので、入射側偏
光板１７の偏光軸を入射光の偏光方向に合わせておけ
ば、殆ど損失なく完全な直線偏光を得ることができる。
これは、従来のようにｐｓ混合光を入射側偏光板１７の
みによって直線偏光にしようとすると、入射側偏光板１
７の偏光軸方向以外の偏光成分はすべて吸収されて損失
となるが、本実施の形態のように予めほぼ直線偏光とし
たものを入射側偏光板１７の偏光軸方向に合わせて入射
させるのであれば、入射側偏光板１７で吸収される偏光
成分は極めて少なくなるからである。

【００９７】このように、本実施の形態に係る投射型液
晶表示装置によれば、高精細化を図る場合に通常採用さ
れる細い縦長の画素開口形状に合わせて第２レンズアレ
イ４２の外縁形状を細い縦長形状にすると共に、この第
２レンズアレイ４２の長手方向に合わせて第１レンズア
レイ４１の外縁形状をも縦長とし、さらに、第１レンズ
アレイ４１の前側に、入射した単一光束の幅を縦方向
（垂直方向）に伸ばして出射するＰＳ合成分離素子５０
を設けるようにしたので、極端に細長い形状の画素を配
列した液晶パネル１８を用いた場合でも、その画素開口
の縦横比に応じた入射発散角の角度制限を行うことがで
き、混色を防止することができる。したがって、高精細
化を図りつつ、色純度のよい画面表示を行うことが可能
となる。

【００９８】また、本実施の形態によれば、第１レンズ
アレイ４１の前側にＰＳ合成分離素子５０を設け、予め
光束のほぼすべてを直線偏光に近い状態に変換するよう
にしたので、入射側偏光板１７における光量損失を少な
くすることができる。このため、高精細化に伴って生ず
る光量低下を補うことも可能である。

【００９９】［第４の実施の形態］次に、本発明の第４
の実施の形態について説明する。

【０１００】図２３は本発明の第４の実施の形態に係る
投射型液晶表示装置の光学系の要部構成を表すものであ
る。本実施の形態は、例えば上記第１の実施の形態（図
１）で示した光学系において、第２レンズアレイ２２の
すぐ後方にアレイ状のＰＳ合成分離素子６０を設けたも
のである。なお、図２３は装置の上方から第２レンズア
レイ２２およびＰＳ合成分離素子６０を見た状態を拡大
して表すものである。ここで、ＰＳ合成分離素子６０も
また本発明における「偏光分離合成手段」に対応する。

【０１０１】この図に示したように、ＰＳ合成分離素子
６０は、第２レンズアレイ２２の各レンズ要素２２ａの
中央部に対応して配置された偏光分離プリズム６１と、
隣り合うレンズ要素２２ａ間に配置された反射プリズム
６２と、反射プリズム６２の後方に配置された１／２波
長板６３とを１ユニットとして、このようなユニットを
多数配列して構成されている。偏光分離プリズム６１
は、その内部に偏光分離ミラーを有し、ここに入射した
光のうちｓ偏光成分を反射する一方、ｐ偏光成分を透過
するようになっている。反射プリズム６２は、その内部
に全反射ミラーまたは偏光分離ミラーを有し、偏光分離
プリズム６１から入射したｓ偏光光束をほぼ全て反射す
るようになっている。１／２波長板６３は、反射プリズ
ム６２から出射したｓ偏光光束をｐ偏光光束に変換する
ようになっている。この光学系では、液晶パネル１８に
入射する入射発散角を制限することとなる絞りの位置
は、上記の各実施の形態の場合と異なり、図２３に符号
ＳＴで示した位置、すなわち、各偏光分離プリズム６１
の偏光分離ミラーのほぼ中央を通る面上に位置してい
る。その他の構成は図１と同様である。

【０１０２】この投射型液晶表示装置では、図２３に示
したように、第１レンズアレイ２１から出射されたｐｓ
混合の小光束は、レンズ要素２１ａを経て偏光分離プリ
ズム６１に入射し、その内部の偏光分離ミラーに集光す
る。小光束のうちｓ偏光成分は偏光分離プリズム６１の
偏光分離ミラーで反射されて隣接する反射プリズム６２
に入射し、さらに、この反射プリズム６２の全反射ミラ
ーで反射され、１／２波長板６３によってｐ偏光光束に
変換される。一方、入射した小光束のうちｓ偏光成分は
偏光分離プリズム６１の偏光分離ミラーを透過してその
まま出射される。このようにして、ＰＳ合成分離素子６
０から出射されるすべての小光束が、ほぼｐ偏光光束と
なり、図１に示した入射側偏光板１７を経て液晶パネル
１８に入射する。この場合も、上記第３の実施の形態と
同様に、入射側偏光板１７での光量損失はほとんどない
ので、液晶パネル１８上の照度を高めることができる。

【０１０３】このように、本実施の形態によれば、第２
レンズアレイ２２の後方にＰＳ合成分離素子６０を設
け、予め光束のほぼすべてを直線偏光に近い状態に変換
するようにしたので、入射側偏光板１７における光量損
失を少なくすることができ、明るい投影画像を得ること
ができる。

【０１０４】なお、図２３に示したような構成を、第２
の実施の形態（図１２）に示した光学系に適用すること
も可能である。

【０１０５】以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発
明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定さ
れず、種々変更可能である。例えば、インテグレータを
構成する第１レンズアレイおよび第２レンズアレイの各
外縁形状やサイズ、あるいは、第１レンズアレイおよび
第２レンズアレイを構成する各レンズ要素の形状やサイ
ズあるいは配列は、上記した例には限定されず、使用す
る液晶パネル１８の形状や画素開口の形状およびサイズ
に合わせて適宜変更し、最適化することが可能である。

【０１０６】また、上記の各実施の形態に示した入射側
偏光板１７の直後に、例えば偏光方向を４５度回転させ
るための位相差板を付加するようにしてもよい。この場
合には、液晶パネル１８に入射する光の偏光方向が、ダ
イクロイックミラー１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇで反射され
て液晶パネル１８に入射するＢ，Ｒ，Ｇの各色光を含む
面の方向（液晶パネル１８における水平方向）に対して
ほぼ４５度の角度をなすようになり、画面の水平方向に
おける色むらを低減することができる。

【０１０７】また、上記の各実施の形態では、集光効率
の点から光源の凹面鏡として回転楕円鏡を用いることと
したが、これに限定はされず、例えば回転放物面鏡や球
面鏡を非球面レンズ等と組み合わせて用いるようにして
もよい。

【０１０８】

【発明の効果】以上説明したように請求項１ないし請求
項８のいずれかに記載の投射型液晶表示装置によれば、
第１のレンズアレイの各レンズ要素で分割した各小光束
をそれぞれ第２のレンズアレイの対応するレンズ要素に
入射させると共に、この第２のレンズアレイの各レンズ
要素に入射した各小光束を互いに重なり合う方向にそれ
ぞれ出射させ、色分解手段を経て液晶パネル上に重畳的
に入射させるようにしたので、第１および第２のレンズ
アレイがインテグレータとして機能し、液晶パネル上の
照度が均一化する。したがって、単板ＣＦレスマイクロ
レンズ方式の投射型液晶表示装置において、従来のロッ
ドインテグレータを用いた場合よりも投影画像の輝度を
均一化させることができ、また、ダスト等の異物の付着
や光源のアーク変動等による影響を低減することもでき
る。

【０１０９】特に、請求項２記載の投射型液晶表示装置
によれば、第２のレンズアレイの全体形状を液晶表示素
子の画素の開口形状とほぼ相似とし、かつ、第２のレン
ズアレイの全体が液晶表示素子の各画素とそれぞれ像共
役もしくはそれに近い関係をなすように構成したので、
さらに、液晶パネルに入射する光束の入射発散角の角度
制限の適正化が可能になる。すなわち、画素の縦横サイ
ズ比に応じて、液晶パネルへの入射光束を過不足なく絞
り込むことができ、水平方向および垂直方向の入射発散
角を共に最適化することができる。したがって、入射光
束の絞り過ぎによる光量低下を防止して光利用効率を向
上させ、明るい投影画像を得ることができる一方、入射
光束の絞り込みが足りない場合に生ずる混色を防止して
投影画像の色純度を向上させることができるという効果
がある。

【０１１０】また、請求項３記載の投射型液晶表示装置
によれば、第２のレンズアレイの各レンズ要素が第１レ
ンズアレイの対応するレンズ要素から出射した小光束に
より形成される光学像に対応した大きさおよび形状をも
つように構成したので、第２のレンズアレイに入射した
光の大部分を液晶パネル上に到達させることができる。
これにより、さらに、第２のレンズアレイにおける光量
損失を低減して光利用効率を向上させることができるの
で、明るい投影画像を得ることができるという効果があ
る。

【０１１１】また、請求項４記載の投射型液晶表示装置
によれば、第１のレンズアレイの全体形状を上記の単一
光束のほぼすべてを受光し得る大きさに形成し、かつ、
第１のレンズアレイの各レンズ要素をこれらの各レンズ
要素から出射した小光束が第２のレンズアレイの対応す
るレンズ要素上に収束することとなるようにそれぞれ偏
心して配置したので、第２レンズアレイ全体の大きさに
かかわらず、第１レンズアレイ全体の大きさを十分確保
することができる。このため、入射する単一光束が第１
のレンズアレイによってけられることがなく、入射光を
高効率で利用できる。したがって、液晶パネル上の照度
をさらに高めることができ、投影画像の一層の高輝度化
が可能になるという効果がある。

【０１１２】また、請求項５記載の投射型液晶表示装置
によれば、第１のレンズアレイの各レンズ要素の形状を
液晶パネルの形状とほぼ相似とし、かつ、第１レンズア
レイの各レンズ要素が液晶パネルとそれぞれ像共役もし
くはそれに近い関係をなすように構成したので、第１の
レンズアレイの各レンズ要素によって分割された小光束
が液晶パネル上にほぼ正確に重畳投影される。したがっ
て、さらに、第１のレンズアレイを通った光を無駄なく
液晶パネルの照明に利用することができるという効果が
ある。

【０１１３】また、請求項６記載の投射型液晶表示装置
によれば、偏光分離合成手段を備えるようにしたので、
入射光のほぼすべてが所定の偏光方向の直線偏光となっ
て利用されることとなり、液晶パネルの前側に通常配置
される偏光板で失われる光量が低減される。これによ
り、さらに光利用効率が向上し、より明るい投影画像が
得られるという効果がある。

【０１１４】特に、請求項７記載の投射型液晶表示装置
によれば、偏光分離合成手段を第１のレンズアレイの前
方に配置し、かつ、偏光分離合成手段からの出射光束が
入射光束幅よりも拡幅されて第１のレンズアレイ全体に
入射されるように構成したので、上記請求項６記載の投
射型液晶表示装置と同様に投影画像の高輝度化が可能に
なるほか、さらに、例えば高精細化を図る場合に採用さ
れ得る極端に細長い形状の画素の液晶パネルを用いた装
置においても、その画素開口と相似形の細長い第２のレ
ンズアレイの全体に対して入射光束を均一に分配入射さ
せることができ、これにより、画素開口の縦横比に応じ
た入射発散角の角度制限を適切に行うことができる。し
たがって、高精細化を図りつつ、混色を防止して色純度
のよい投影画像を得ることが可能となるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る投射型液晶表示装
置の光学系の概略構成を表す平面図である。

【図２】図１における第１レンズアレイの構成を表す平
面図である。

【図３】図１における第１レンズアレイの構成を表す断
面図である。

【図４】図１における第２レンズアレイの構成を表す平
面図である。

【図５】図１における第２レンズアレイの構成を表す断
面図である。

【図６】図１における液晶パネルの要部構成を表す断面
図である。

【図７】図１に示した光学系の主要な光路を等価的に表
す図である。

【図８】図４に示した第２レンズアレイ上に投影された
光源像を表す図である。

【図９】比較例としての第２レンズアレイ上に投影され
た光源像を表す図である。

【図１０】第１の実施の形態における第１レンズアレイ
の一変形例の構成を表す平面図である。

【図１１】第１の実施の形態における第１レンズアレイ
の一変形例の構成を表す断面図である。

【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る投射型液晶
表示装置の光学系の概略構成を表す平面図である。

【図１３】図１２における第１レンズアレイの構成を表
す平面図である。

【図１４】図１２における第１レンズアレイの構成を表
す断面図である。

【図１５】図１２における第２レンズアレイの構成を表
す平面図である。

【図１６】図１２における第２レンズアレイの構成を表
す断面図である。

【図１７】図１２に示した光学系の主要な光路を等価的
に表す図である。

【図１８】図１５に示した第２レンズアレイ上に投影さ
れた光源像を表す図である。

【図１９】本発明の第３の実施の形態に係る投射型液晶
表示装置の光学系の概略構成を表す平面図である。

【図２０】本発明の第３の実施の形態に係る投射型液晶
表示装置の光学系の概略構成を表す側面図である。

【図２１】図１９における第１レンズアレイの構成を表
す平面図である。

【図２２】図１９における第２レンズアレイの構成を表
す平面図である。

【図２３】本発明の第４の実施の形態に係る投射型液晶
表示装置の光学系の要部構成を表す図である。

【図２４】従来の投射型液晶表示装置の光学系の概略構
成を表す平面図である。

【符号の説明】

１１…光源、１３，１５…コリメータレンズ、１６Ｂ，
１６Ｒ，１６Ｇ…ダイクロイックミラー、１７…入射側
偏光板、１８…液晶パネル、１９…投影レンズ、２１，
２１′，３１，４１…第１レンズアレイ、２２，３２，
４２…第２レンズアレイ、２１ａ，２１ａ′，３１ａ，
４１ａ…レンズ要素、２２ａ，３２ａ，４２ａ…レンズ
要素５０，６０…ＰＳ合成分離素子、５１，６１…偏光
分離プリズム、５２ａ，５２ｂ…反射ミラー、５３，６
３…１／２波長板５３、６２…反射プリズム、α…入射
発散角、αH …水平方向の入射発散角、αV …垂直方向
の入射発散角

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のレンズ要素を平面的に配列して構
   成されると共に、入射された単一光束を前記レンズ要素
   により複数の小光束に分割して出射し、それぞれを集光
   させる第１のレンズアレイと、 前記第１のレンズアレイの各レンズ要素に対応して平面
   的に配列されると共に、前記第１のレンズアレイの対応
   するレンズ要素を経て入射してきた各小光束を互いに重
   なり合う方向にそれぞれ出射させる複数のレンズ要素、
   を含んで構成された第２のレンズアレイと、 前記第２のレンズアレイから出射された光を複数の基本
   色の色光に色分解すると共に、色分解した各色光を互い
   に異なる角度で出射する色分解手段と、 前記複数の基本色の各々に対応した画素を配列して構成
   されると共に各画素を透過する色光を選択的に変調する
   液晶表示素子と、前記液晶表示素子の複数画素ごとに共
   通に配設されると共に前記色分解手段から出射されて互
   いに異なる角度で入射してきた複数の色光をそれぞれ集
   光して対応する色の画素にそれぞれ入射させる集光手段
   と、を含んで構成された単一の液晶パネルとを備えたこ
   とを特徴とする投射型液晶表示装置。
2. 【請求項２】 前記第２のレンズアレイの全体形状は前
   記液晶表示素子の画素の開口形状とほぼ相似であり、か
   つ、前記第２のレンズアレイの全体が前記液晶表示素子
   の各画素とそれぞれ像共役もしくはそれに近い関係をな
   すように構成されていることを特徴とする請求項１記載
   の投射型液晶表示装置。
3. 【請求項３】 前記第２のレンズアレイの各レンズ要素
   は、前記第１レンズアレイの対応するレンズ要素から出
   射した小光束により形成される光学像に対応した大きさ
   および形状をもつように形成されていることを特徴とす
   る請求項２記載の投射型液晶表示装置。
4. 【請求項４】 前記第１のレンズアレイの全体形状は前
   記単一光束のほぼすべてを受光し得る大きさに形成さ
   れ、かつ、前記第１のレンズアレイの各レンズ要素は、
   これらの各レンズ要素から出射した小光束が前記第２の
   レンズアレイの対応するレンズ要素上に収束することと
   なるようにそれぞれ偏心して配置されていることを特徴
   とする請求項３記載の投射型液晶表示装置。
5. 【請求項５】 前記第１のレンズアレイにおける各レン
   ズ要素の形状は、前記液晶パネルの形状とほぼ相似であ
   り、かつ、第１レンズアレイにおける各レンズ要素が前
   記液晶パネルとそれぞれ像共役もしくはそれに近い関係
   をなすように構成されていることを特徴とする請求項１
   記載の投射型液晶表示装置。
6. 【請求項６】 入射光束を互いに直交する２つの偏光方
   向の直線偏光に分離すると共に、そのうちの一方の偏光
   方向の直線偏光を他方の偏光方向の直線偏光に変換し、
   この変換された直線偏光と変換対象とされなかった直線
   偏光とを合成して単一偏光方向の直線偏光として出射す
   る偏光分離合成手段をさらに備えたことを特徴とする請
   求項１記載の投射型液晶表示装置。
7. 【請求項７】 前記偏光分離合成手段は前記第１のレン
   ズアレイの前方に配置され、かつ、前記偏光分離合成手
   段からの出射光束が入射光束幅よりも拡幅されて前記第
   １のレンズアレイ全体に入射されるように構成されてい
   ることを特徴とする請求項６記載の投射型液晶表示装
   置。
8. 【請求項８】 前記偏光分離合成手段は前記第２のレン
   ズアレイの後方に配置され、かつ、前記偏光分離合成手
   段は、前記第１のレンズアレイで分割され前記第２のレ
   ンズアレイの各レンズ要素を通過した各小光束に対して
   偏光分離合成をそれぞれ行って単一偏光方向の直線偏光
   に変換する複数の偏光分離合成ユニットを含んで構成さ
   れていることを特徴とする請求項６記載の投射型液晶表
   示装置。