JPH11295658A

JPH11295658A - 液晶プロジェクタ装置

Info

Publication number: JPH11295658A
Application number: JP10094581A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Sato; 能久佐藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-04-07
Filing date: 1998-04-07
Publication date: 1999-10-29

Abstract

(57)【要約】【課題】光学薄膜に対する入射角度特性を補正する。【解決手段】座標軸における一方の軸方向のみに偏芯
したレンズ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを備えた第一マルチ
レンズアレー２と、第一マルチレンズアレー２の各レン
ズによって前記一方の軸方向に屈折された光を集光する
ことができるレンズ３ａ、３ｂ、３ｃによって構成され
ている第二マルチレンズアレー３を備え、色分離／合成
や偏光分離を行なう光学薄膜に対する入射角度を補正す
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、光源からの光を液
晶パネルで変調して画像を形成して投写することができ
る液晶プロジェクタ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ランプなどの光源と、空間光変調素子と
される液晶パネルを用いて、液晶プロジェクタ装置を構
成する場合、ランプからの出射光を液晶パネルにたいし
て効率良く照明する光学系が必要とされている。以下、
この光学系を照明光学系という。

【０００３】ところで、液晶プロジェクタ装置として
は、ランプから出射された白色光を、ダイクロイックミ
ラーやダイクロイックプリズムなどを用いてＲＧＢ各色
光に分離し、ＲＧＢ各色に対応した３枚の液晶パネルを
用いた３板式の液晶プロジェクタ装置が知られている。

【０００４】図１１はＲＧＢ各色毎に１枚の液晶パネル
を用いて構成される３板式液晶プロジェクタ装置（以
下、単に液晶プロジェクタ装置という）の照明光学型の
構成例を説明する平面図である。

【０００５】この図に示されている液晶プロジェクタ装
置は、ランプ４１から出射した光を、ＩＲ／ＵＶカット
フィルタ４２を介して集光レンズ４３で集光したのちに
色分離を行なう構成とされる。すなわち集光レンズ４３
を介した光（白色光）は、まず赤色光Ｒを透過するダイ
クロイックミラー４４に入射する。そしてここで赤色光
Ｒが透過し緑色光Ｇ及び青色光Ｂが反射する。このダイ
クロイックミラー４４を透過した赤色光Ｒはミラー４５
により進行方向を例えば９０゜曲げられてフィールドレ
ンズ４６Ｒを介して液晶パネル４７Ｒに導かれる。

【０００６】一方、ダイクロイックミラー４４で反射し
た緑色光Ｇ及び青色光Ｂは青色光を透過するダイクロイ
ックミラー４８により分離されることになる。すなわ
ち、緑色光Ｇは反射することにより進行方向を例えば９
０゜曲げられて、フィールドレンズ４６Ｇを介して液晶
パネル４７Ｇに導かれる。そして青色光Ｂはダイクロイ
ックミラー４８を透過して直進し、リレーレンズ４９、
ミラー５０、リレーレンズ５１、ミラー５２、フィール
ドレンズ４６Ｂを介して液晶パネル４７Ｂに導かれる。

【０００７】液晶パネル４７Ｒ、４７Ｇ、４７Ｂで空間
光変調されたＲＧＢ各色光は、光合成手段としてのクロ
スダイクロイックプリズム５３に入射して、赤色光Ｒは
反射面５３ａで、また青色光Ｂは反射面５３ｂで投写レ
ンズ５４が配置されている方向に反射される。そして緑
色束Ｇは反射面５３ａ、５３ｂを透過することにより、
ここで各色光が１つの光軸に合成されるようになる。そ
して、投写レンズ５４によって、例えば壁などに掛けら
れているスクリーン５５にカラー画像が拡大投影され
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
構成された、液晶プロジェクタ装置によって形成される
画像の高輝度化は、例えば液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、
Ｂ）の被照射領域に集光する光量を増やすことで実現す
ることができる。液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のサイ
ズを同じとした状態で輝度を上げようとすると、被照射
領域に対してより大きな入射角度（画角）で光を集光す
る構成を採らなければならない。すなわちＦナンバが小
さい照明光学系を形成することが必要とされる。しか
し、液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に対する光の入射角
度（以下、光の入射角度を単に入射角度という）を大き
くすると、以下に示すような問題が生じる。

【０００９】１．色分離、合成を行なう場合の問題ランプ４１からの光に対して色分離／合成を行なうダイ
クロイックミラー４４、４８やダイクロイックプリズム
５３は入射角度依存性があるため、その原理上入射角度
によって波長特性に対する反射／透過特性が変化する。
すなわち、液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に対する入射
角度を大きくするとこのような特性変化が現れる。

【００１０】図１２（ａ）（ｂ）は一般的なダイクロイ
ックミラーの特性を示す図であり、図１２（ａ）は短波
長側反射型ダイクロイックミラーの波長特性、図１２
（ｂ）は長波長側反射型ダイクロイックミラーの波長特
性を示している。なお、これらの図は、例えば４５°の
入射角度で光が入射した場合に効率良く色分離を行なう
ことができるように設定されている例を示している。こ
れらの図に示されているように、４５°入射（実線）の
場合と、この４５°の入射角度よりも大きい５０°入射
（破線）の場合、或いは４５°の入射角度よりも小さい
４０°入射の場合では、反射と透過によって入射した光
を分離する波長の境目が異なる。これは、ダイクロイッ
クミラーに形成される光学薄膜が、光の干渉現象を利用
して色分離／合成を行なっているためである。したがっ
て、例えば図１３に示されているように、ダイクロイッ
クミラーに対して同じ波長の光λ１が入射する場合で
も、その光学薄膜に予め設定されている入射角度とは異
なる角度で入射した場合、実効的な波長がλａ、λｂと
して示されているように変化する。このため、光の干渉
現象を利用して色分離／合成を行なうダイクロイックミ
ラーなどでは、本質的に入射角度依存を有する。なお、
この他にも光の干渉現象を利用した光学薄膜としては、
後述する偏光分離薄膜や、その他にも高反射ミラーなど
が挙げられる。

【００１１】ここで、図１４にしたがい、図１１に示し
た液晶プロジェクタ装置のダイクロイックミラー４４に
入射した後に液晶パネル４７Ｒに入射する光を例に挙げ
て説明する。液晶パネル４７Ｒに入射する光は、例えば
ランプ４１の特性などから完全な平行光ではなく、略平
行光として若干の拡がりを持っているので、図１４
（ａ）に示されているように例えば４５°＋θ、また図
１４（ｂ）に示されているように例えば４５°−θでダ
イクロイックミラー４４に入射する。なお、θは光軸Ｏ
ａと入射光の主光線Ｐｒによって形成される角度であ
る。すなわち、ダイクロイックミラー４４では光軸Ｏａ
と主光線Ｐｒが平行になっていない。このため、同図
（ａ）（ｂ）に示すように液晶パネル４７Ｒの両端部分
では、それぞれダイクロイックミラー４４に異なる角度
で入射した光束が入射することになる。

【００１２】したがって、各液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、
Ｂ）に対して供給される各色光の色特性が、その両端部
分、すなわち右側（図面上では上方）と左側（図面上で
は下方）で変ってくる。このため、各液晶パネル４７
（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に入射する光はそれぞれ、規定されてい
るＲ、Ｇ、Ｂ各色光に分離されていないことになり、こ
れらの光が空間光変調されてスクリーン５５に投写され
た場合、色むらが生じる。

【００１３】また、高輝度化を図るために、液晶パネル
４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に対する光の入射角度φが大きくす
るように構成する場合にも同様の問題が生じる。図１４
（ａ）において、液晶パネル４７Ｒの左側に入射する光
束の最大角度は４５＋θ＋φ、また図１４（ｂ）におい
て、液晶パネルの右側に入射する最小角度は４５−θ−
φとされる。このため、入射角度φが大きくなった場
合、液晶パネル４７Ｒの左側、右側に入射する光の角度
差が大きくなり、スクリーン５３に投写される画像の色
むらが大きくなる。

【００１４】また入射角度が大きくなるに連れてダイク
ロイックミラー４４の分離／合成波長帯域が広くなり、
液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）にそれぞれに入射される
波長帯域が重なってしまうようになる。図１５は、図１
４（ａ）（ｂ）に示したダイクロイックミラー４４に入
射する光束の入射角度分布を説明する摸式図である。図
示されているように、光軸Ｏａと主光線Ｐｒが傾きθを
有している場合、ダイクロイックミラー４４に対する入
射角度４５＋θと入射角度４５−θで入射された光の、
液晶パネル４７Ｒに対する入射角度φが一致しないこと
がわかる。すなわち、この図でそれぞれの傾き角度θに
よる光が重なっていない部分（φｒ）が色むらにつなが
っている。つまり、傾きθと入射角度φを小さくするこ
とができるほど、液晶パネル４７Ｒにおける上下の波長
帯域が小さくなり、色むらを抑制することができるよう
になる。

【００１５】また、傾きθを「０」として主光線Ｐｒが
光軸０ａを平行にすることで色むらの抑制を実現するこ
とができるが、図１１に示した液晶プロジェクタ装置で
は、２枚のダイクロイックミラー４４、４８を用いてい
るので、２箇所において平行を保つことは困難である。

【００１６】さらに、液晶パネルに対する入射光量を増
加させるために、液晶パネルに対する入射角度φを大き
く設定すると、光路の断面が必然的に大きくなる。さら
に、ある程度入射角度φを大きく設定した状態で、主光
線Ｐｒと光軸Ｏａを平行にした場合は、さらに、光路の
断面が大きくなる。図１６（ａ）は主光線Ｐｒが光軸０
ａと平行ではない、図１５に示した場合に相当する光路
を示す摸式図である。これに対して図１６（ｂ）は主光
線Ｐｒと光軸０ａが平行である場合の例とされ、色むら
を解消した状態に相当する。これらの図を比較して解る
ように、入射角度φが同等であった場合でも主光線Ｐｒ
と光軸Ｏａを平行とした場合、光路の断面が大きくな
る。したがって、この光を全て利用する場合、各種レン
ズ、ミラー、プリズムなどの光学部品も大型化する必要
が有り、コストアップ、装置自体の大型化といった問題
が生じてくる。

【００１７】このため、例えば装置自体の小型化を図る
場合、ダイクロイックミラーの入射角依存性やその他照
明光学系の光学設計などの条件により、投写される画像
において色むらが目立たないようにすることは困難であ
った。なお、液晶パネル４７（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に空間光変
調されたＲＧＢ各色光をダイクロイックブロック５３に
おいて色合成を行なう場合にも、主光線と光軸が平行で
ない場合は同様の問題が生じることになる。

【００１８】２．偏光を用いる光学部品の場合例えば、偏光ビームスプリッタなどとされる偏光変換素
子により、光の利用効率の向上を図ることが知られてい
る。図１７は、１枚の反射型液晶パネルを用いた単板式
液晶プロジェクタ装置の基本構造を説明する図である。
ランプ６０から出射した光は集光レンズ６１で集光さ
れ、偏光ビームスプリッタ６２に入射する。偏光ビーム
スプリッタ６２はその偏光分離面において光の偏光成分
とされる例えばＰ偏光波（またはＳ偏光波）を透過し
て、Ｓ偏光波（またはＰ偏光波）を反射するようにされ
ている。したがって、偏光ビームスプリッタ６２を例え
ば透過したＳ偏光波が反射型液晶パネル６３に入射す
る。

【００１９】反射型液晶パネル６３は、図示されていな
い経路から供給される所要の駆動信号に基づいて、偏光
ビームスプリッタ６２からのＰ偏光波が照射される被照
射領域において選択的に光空間変調を行なう。つまり、
前記駆動信号によって駆動される画素に相当する領域で
光空間変調された光がＰ偏光波の画像光として出射さ
れ、偏光ビームスプリッタ６２に供給される。ここで、
画像光は偏光ビームスプリッタ６２の偏光分離面で反射
されて投写レンズ６４に導かれ、例えば壁などに掛けら
れているスクリーン６５に拡大投影される。スクリーン
６５上に拡大投影される画像において良好なコントラス
トを得るためには、偏光ビームスプリッタ６２における
Ｐ偏光波の透過とＳ偏光波の反射の比（消光比という）
の高さが要求される。

【００２０】ところで、偏光ビームスプリッタ６２にお
いてもダイクロイックミラーと同様に、各偏光の透過
率、反射率は偏光分離面に対する光の入射角度に依存し
ている。図１８に偏光分離面の一般的な波長特性を示
す。この図に示す例は、偏光分離面に対する入射角度θ
１が例えば４５°となるように設定されているものとす
る。例えば入射角度θ１が４５°からはずれると、Ｐ偏
光波については透過率が下がり（反射率が上がり）、ま
たＳ偏光波については透過率が上がる（反射率が下が
る）。つまり、非偏光をＳ偏光波とＰ偏光波に分離する
偏光ビームスプリッタの性能が低下していることにな
る。

【００２１】例えば図１９（ａ）に示されているよう
に、主光線Ｐｒと光軸Ｏａが平行とされていない場合、
偏光分離膜６２ａに入射する光の角度が異なるようにな
り、偏光分離膜６２ａを通過して、液晶パネル６３に到
達する光の量が被照明領域内で均等ではなくなる。これ
により、液晶パネル６３、スクリーン６５上で輝度むら
が発生する。このため、一般的には、図１９（ｂ）に示
されているように、主光線Ｐｒと光軸Ｏａを平行にし
て、液晶パネル６３、スクリーン６５上において輝度の
均一化を図る必要がある。

【００２２】しかし、先述したように液晶プロジェクタ
装置の輝度を上げるために、液晶パネル６３に対する入
射角度θ１を大きくしなければならない。この場合、偏
光分離膜６２ａに対する光の入射角度は４５−θ１°乃
至４５＋θ１°となる。これにより、図１８で説明した
ように透過特性が変化し、入射角度θ１が大きくなるほ
ど、本来透過するはずのＰ偏光波が反射し、反射するは
ずのＳ偏光波は透過するようになってしまう。特に、図
１７に示したような反射型液晶プロジェクタ装置では、
照明光学系を設計する段階で、偏光ビームスプリッタ６
２の特性によって液晶パネル６３に対する入射角度θ１
が決定される場合があり、これにより当該装置の輝度が
決定されてしまう。したがって、照明光学型の設計状態
によってスクリーン６５上における輝度の劣化、コント
ラストの減少が生じる。

【００２３】上述したように、薄膜における光の干渉を
利用した光学素子（ダイクロイックミラー、偏光ビーム
スプリッタなど）においては、光を光軸に対して傾斜さ
せた状態で入射させると、このときの入射角度による波
長特性が問題になることがある。このため、例えばマル
チレンズアレーなどの光学素子を用いて液晶パネルに対
する入射角度を小さくすることが知られている。このマ
ルチレンズアレーは液晶パネルの被照明領域における輝
度の均一化を図る光学素子とされ、その形状から例えば
フライアイレンズとも呼ばれている。

【００２４】図２０はマルチレンズアレーの構成例を示
す図であり、図２０（ａ）は正面図、図２０（ｂ）は側
面図、図２０（ｃ）は下方から示す図である。マルチレ
ンズアレー７０は、図２０（ａ）に示す正面から見た形
状が、照明対象とされる液晶パネルの被照明領域に相似
形とされる複数のレンズ７１（例えば２４個）が例えば
正方配列されている。

【００２５】図２０に示すマルチレンズアレー７０を一
対組み合わせるとともに、集光レンズを組み合わせて構
成した照明光学系の例を図２１に示す。なお、図２１に
おいて図示していないランプ側に配置される第一のマル
チレンズアレー７０に沿え字『ａ』、液晶パネル側に配
置される第二のマルチレンズアレーに沿え字『ｂ』を付
して示している。図２１（ａ）に示されているように、
ランプから出射した光は、第一のマルチレンズアレー７
０ａにおけるレンズ７１、７１、７１・・・において一
旦光源像として結像し、第二のマルチレンズアレー７０
ｂで拡散されて集光レンズ７２、フィールドレンズ７３
を介して液晶パネル７４の被照明領域を照明することが
できるようにされている。第二マルチレンズアレー７０
ｂでは、第一のマルチレンズアレー７０ａによって分割
された複数の光源像が、図２１（ｂ）に示されているよ
うに集光され、このように集光された光が、液晶パネル
７４上でが合成されるようにして照明されるので、ほぼ
均一の輝度を得ることが可能とされる。

【００２６】ところで、図２１に示した一対のマルチレ
ンズアレー７０ａ、７０ｂでは、前段（ランプ側）に配
置されるマルチレンズアレー７０ａによって光が集光さ
れるので、マルチレンズアレー７０ｂにおいて光が当た
らない間隙部分が生じるようになる。そこで、このよう
な間隙部分を狭くしていくことにより、液晶パネル７３
に入射する光の角度を小さくすることが行なわれてい
る。

【００２７】図２２は、このような一対のマルチレンズ
アレーの構成例を説明する図であり、図２２（ａ）
（ｂ）（ｃ）はそれぞれ第一マルチレンズアレーの正
面、側面、下面、また図２２（ｄ）（ｅ）（ｆ）はそれ
ぞれ、第二マルチレンズアレーの正面、側面、下面を示
している。

【００２８】図２２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されている
第一マルチレンズアレー７５に形成されるレンズ７５
ａ、７５ａ、７５ａ・・・は、通過した光が第一マルチ
レンズアレー７５その中心部分（光軸）に向かって屈折
するように偏芯した形状とされ、そのレンズが配置され
ている位置よりも中心部分に近い位置で集光することが
できるようにされている。図２２（ｄ）（ｅ）（ｆ）に
示されている第二マルチレンズアレー７６に形成される
レンズ７６ａ、７６ａ、７６ａ・・・は、第一マルチレ
ンズアレー７５のレンズ７５ａ、７５ａ、７５ａ・・・
にそれぞれ対応して形成されており、その集光点の大き
さに応じた小型形状とされている。さらに、レンズ７６
ａ、７６ａ、７６ａ・・・は、レンズ７５ａ、７５ａ、
７５ａとは逆方向に偏芯させている。

【００２９】このような第一マルチレンズアレー７６、
第二マルチレンズアレー７７を用いた照明光学系を図２
３に示す。図２３（ａ）に示されているように、ランプ
から出射した光は、第一のマルチレンズアレー７５にお
けるレンズ７５ａ、７５ａ、７５ａ・・・において一旦
光源像として結像し、この光源像を第一マルチレンズア
レー７５の中心部分側に屈折させながら第二マルチレン
ズアレー７６のレンズ７６ａ、７６ａ、７６ａ・・・に
集光する。第二マルチレンズアレー７６では、第一のマ
ルチレンズアレー７５によって分割された複数の光源像
が、図２３（ｂ）に示されているように集光され、この
ように集光された光が、液晶パネル７４上でが合成され
るようにして照明されるので、ほぼ均一の輝度を得るこ
とが可能とされる。この場合、図２１（ｂ）に示したマ
ルチレンズアレー７０ｂの場合よりも光源像が密集して
いることがわかる。さらに、レンズ７６ａ、７６ａ、７
６ａ・・・は、レンズ７５ａ、７５ａ、７５ａ・・・と
逆側に偏芯しているので、液晶パネル７４に入射する角
度は小さくなる。なお、このようなマルチレンズアレー
７５、７６を縮小投影マルチレンズアレーという。

【００３０】このような縮小投影マルチレンズアレーを
用いることにより、同じ光量で液晶パネル７４に対する
光の入射角度を小さくすることができる。これにより、
図２３における図示は省略しているが、色分離／合成部
分における色むらを低減することができ、さらに照明光
学系を小型化することができる。

【００３１】また、縮小投影マルチレンズアレーとして
は、例えば図２４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されているよ
うに、例えばレンズ７７ａ、７７ｂ、７７ｃによってく
さび型状を形成する第一マルチレンズアレー７７、及び
図２４（ｄ）（ｅ）（ｆ）に示されているように、レン
ズ７８ａ、７８ｂ、７８ｃによって形成される同じくく
さび型の第二マルチレンズアレー７８を用いても同様の
効果を得ることができる。

【００３２】ところで、液晶パネルを用いる照明光学系
の場合、先に、図１７で説明したように、Ｐ偏光波また
はＳ偏光波のいずれか一方の偏光を選択して利用する
ことになる。つまり、ランプからの出射光は非偏光とさ
れているので、他方の偏光を捨ててしまうことになる。
そこで、本来捨てられる他方の偏光の偏光方向を回転さ
せて一方の偏光に変換する偏光変換素子を用いることに
より光の利用効率を向上した照明光学系を構成すること
ができる。また、この偏光変換素子とマルチレンズアレ
ーを組み合わせて利用することで、さらに利用効率を向
上することが可能になる。

【００３３】図２５は偏光変換素子の構成例を説明する
斜視図であり、光の入射側から示している。偏光変換素
子８３は、断面が台形状とされている短冊状のＰＢＳ素
子８４ａ乃至８４ｈを張り合わせて外観が形成されてい
る。このうち、ＰＢＳ素子８４ａ、８４ｃ、８４ｅ、８
４ｇが非偏光の入射面を形成する。各ＰＢＳ素子８４
（ａ〜ｈ）の間には、偏光を分離するＰＢＳ膜８５ａ乃
至８５ｄ、ミラー８６ａ乃至８６ｅが形成されている。
なお、ミラー８６ａ乃至８６ｅをＰＢＳ膜で形成しても
よい。ＰＢＳ素子８５ａ、８５ｃ、８５ｅ、８５ｇの出
射側には、それぞれ１／４波長板８７ａ、８７ｂ、８７
ｃ、８７ｄが貼り付けられている。

【００３４】図２６は、偏光変換素子８３の一部を側面
から示し、分離される偏光の光路を説明する図である。
ＰＢＳ素子８４ａから入射した非偏光（黒塗り矢印）は
ＰＢＳ膜８５ａでＰ偏光波とＳ偏光波に分離されるが、
ここでＰ偏光波（白抜き矢印）はＰＢＳ膜８５ａを透過
してＰＢＳ素子８４ｂの出射面から出射する。また、Ｓ
偏光波（斜線矢印）はＰＢＳ膜８５ａで反射し、さらに
ミラー８６ａに反射される。そして、１／４λ板８７ａ
を通過することでＰ偏光波に変換される。このように、
偏光変換素子８３は入射した非偏光を、例えばＰ偏光波
に変換して出射側から出射する。なお、この図ではＰＢ
Ｓ素子８４ａに入射した非偏光についてのみ説明した
が、ＰＢＳ素子８４ｂ、８４ｅ、８４ｇについても同様
である。

【００３５】図２７はこの偏光変換素子８３を一対のマ
ルチレンズアレーの後段に配置した例を説明する図であ
る。図示していないランプ９０から出射された非偏光
は、第一マルチレンズアレー９１で集光されたのち、第
二マルチレンズアレー９２を介して偏光変換素子８３に
入射する。偏光変換素子８３において、ＰＢＳ素子８４
ａ乃至８４ｈの短手方向の幅は例えばマルチレンズアレ
ー９２におけるレンズ９２ａ、９２ａ、９２ａ、９２ａ
のピッチの１／２となるように形成されている。そし
て、配置状態としては、各レンズ９２ａとＰＢＳ素子８
４ａ、８４ｃ、８４ｅ、８４ｇが対向するようにされ
る。これにより、各レンズ９２ａから出射する非偏光が
ＰＢＳ素子８４ａ、８４ｃ、８４ｅ、８４ｇに入射する
ことができるようになる。

【００３６】ＰＢＳ素子８４ａ、８４ｃ、８４ｅ、８４
ｇに入射した非偏光は、図２６で説明したようにしてＰ
偏光波に変換されて出射される。そして偏光変換素子８
３から出射されたＰ偏光波は集光レンズ７２、フィール
ドレンズ７３を介して液晶パネル７４に入射する。

【００３７】しかし、マルチレンズアレーと偏光変換素
子８３を用いるためには、第二マルチレンズアレーの光
の集光点において光が当たらない、すなわち上述した間
隙部分が必要になる。したがって、縮小投影マルチレン
ズアレーは光の利用効率には優れているが、図２３
（ｂ）に示されているように集光点の間隙が小さいため
に、偏光変換素子８３と組み合わせても、Ｐ偏光波とＳ
偏光波を分離スペースを得ることができず、第二マルチ
レンズアレーから出射した光がＰＢＳ素子８４ａ、８４
ｃ、８４ｅ、８４ｇに効率良く入射することができない
という問題があった。

【００３８】このため、偏光変換を行なう場合は、縮小
投影マルチレンズアレーを利用することができないの
で、液晶パネルに対する入射角度を小さくすることが困
難である。すなわち、偏光変換素子と縮小投影マルチレ
ンズアレーを同時に用いて輝度の向上を図ることができ
ないという問題があった。

【００３９】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような問題
点を解決するために、光源からの光を分割集光すること
ができる複数のレンズを有して形成されている第一のレ
ンズアレーと、前記レンズアレーの焦点距離近傍に配置
され、前記第一のレンズアレーの複数のレンズそれぞれ
に対応した複数のレンズを備え、前記第一のレンズアレ
ーによって分割集光された光を、それぞれ集光すること
ができるようにされている第二のレンズアレーと、前記
第二のレンズアレーの前段、または後段に配置され、前
記光源から出射された非偏光を一方の偏光に変換する偏
光変換手段と、前記偏光変換手段によって変換された一
方の偏光に対して色分離を行なう色分離手段と、所要の
駆動信号に基づいて前記色分離手段で分離された各色光
に対して空間光変調を行なう液晶パネルと、前記液晶パ
ネルで空間光変調された各色光を合成する色合成手段
と、前記色合成手段によって合成された光を投写するこ
とができる投写レンズを備えて構成されている液晶プロ
ジェクタ装置において、前記第一のレンズアレーに形成
される各レンズは、座標軸における一方の軸方向のみに
偏芯するように構成され、前記第二のレンズアレーは前
記第一のレンズアレーによって前記一方の軸方向に屈折
された光を集光することができるように構成する。

【００４０】本発明は、座標軸における一方の軸方向の
みに偏芯したレンズを備えた第一マルチレンズアレー
と、この第一マルチレンズアレーの各レンズによって前
記一方の軸方向に屈折された光を集光することができる
レンズによって構成されている第二マルチレンズアレー
を備えることにより、色分離／合成や偏光分離を行なう
光学薄膜に対する入射角度を補正することができるの
で、前記光学薄膜の入射角度に依存する特性を補正する
ことができる。これにより、色むら、輝度むらを抑制し
て良好な画像を形成することができるようになる。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図１は本実施の形態の３板式液晶プロジェクタ装
置（以下、単に液晶プロジェクタ装置という）の構成例
を説明する図である。

【００４２】この図に示されている液晶プロジェクタ装
置は、ランプ１から出射された光の光源像は、第一のマ
ルチレンズアレー２を形成する各レンズ２ａ、２ａ、２
ａ・・・において、一旦光源像として結像し、この光源
像を例えばＸ軸方向にのみ屈折させ第二マルチレンズア
レー３のレンズ３ａ、３ａ、３ａ・・・に集光する。な
お、この図に示す座標系として、光軸をＺ軸、例えば光
軸に垂直な軸をＹ軸、例えば光軸に水平な軸をＸ軸とし
ている。

【００４３】第二マルチレンズアレー３では、第一のマ
ルチレンズアレー２によって分割された複数の光源像が
集光され、後述する液晶パネル９（Ｒ、Ｇ、Ｂ）上で合
成されるようにして照明される。第二マルチレンズアレ
ー３から出射した光、すなわち非偏光波は偏光変換素子
４によって例えばＰ偏光波に偏光される。この偏光変換
素子４は、先に図２５、図２６で説明した構成と同様と
されている。

【００４４】偏光変換素子４によって例えばＰ偏光波に
偏光された光（白色光）は、集光レンズ５を介して、ま
ず赤色光Ｒを透過するダイクロイックミラー６に入射す
る。そしてここで赤色光Ｒが透過し緑色光Ｇ及び青色光
Ｂが反射する。このダイクロイックミラー６を透過した
赤色光Ｒはミラー７により進行方向を例えば９０゜曲げ
られてフィールドレンズ８Ｒを介して液晶パネル８Ｒに
導かれる。

【００４５】一方、ダイクロイックミラー１０で反射し
た緑色光Ｇ及び青色光Ｂは青色光を透過するダイクロイ
ックミラー１０により分離されることになる。すなわ
ち、緑色光Ｇは反射することにより進行方向を例えば９
０゜曲げられて、フィールドレンズ８Ｇを介して液晶パ
ネル９Ｇに導かれる。そして青色光Ｂはダイクロイック
ミラー１０を透過して直進し、リレーレンズ１１、ミラ
ー１２、反転用リレーレンズ１３、ミラー１４、フィー
ルドレンズ８Ｂを介して液晶パネル９Ｂに導かれる。

【００４６】液晶パネル９（Ｒ、Ｇ、Ｂ）で空間光変調
された各色光は、光合成手段としてのクロスダイクロイ
ックプリズム１５に入射して、赤色光Ｒは反射面１５ａ
で、また青色光Ｂは反射面１５ｂで投射レンズ１６の方
向に反射される。そして緑色束Ｇは反射面１５ａ、１５
ｂを透過することにより、ここで各色光が１つの光軸に
合成されるようになる。そして、投写レンズ１６によっ
て、例えば壁などに掛けられているスクリーン（図示せ
ず）にカラー画像が拡大投影される。

【００４７】図２（ａ）（ｂ）は図１に示した液晶プロ
ジェクタ装置の照明光学系において、本発明の構成に関
わる要部を説明する展開図である。なおこれらの図に示
されている座標は図１に示す座標と一致している。例え
ば色分離／合成や偏光分離など、光の干渉を利用した薄
膜素子を光軸Ｏａに対して、すべてＹ軸方向またはＸ軸
方向のいずれかの軸方向に平行になるように配置する。
図２においては、ダイクロイックミラー６、１０はＹ軸
方向と平行となる配置である。また、図２には示してい
ないがダイクロイックプリズム１５の反斜面１５ａ、１
５ｂについてもＹ軸方向と平行になるように配置されて
いる。すなわち、入射角度依存性を有している薄膜は、
同じ軸方向（例えばＹ軸方向）について平行となるよう
に配置する。以降、この軸を『薄膜回転軸』という。

【００４８】ここで、図３にしたがい、第一マルチレン
ズアレー２及び第二マルチレンズアレー３の構成を説明
する。なお、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ第一マ
ルチレンズアレー２の正面、側面、下面、また図３
（ｄ）（ｅ）（ｆ）はそれぞれ、第二マルチレンズアレ
ー３の正面、側面、下面を示している。

【００４９】第一マルチレンズアレー２を構成している
レンズ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを、本発明では、一方の
軸方向とされる例えばＸ軸方向に偏芯させた形状とされ
ている。また、同様に第二マルチレンズアレー３を構成
しているレンズ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄも、例えばＸ軸
方向に偏芯させた形状とされている。さらに、第二のマ
ルチレンズアレー３はＸ軸方向に偏芯した第一マルチレ
ンズアレー２のレンズ２ａに結像される光源像を集光す
ることができる、すなわちその出射領域に対応した、Ｙ
軸方向が長くＸ軸方向が短い縦長の外形で形成される。
これらのマルチレンズアレーを片側縮小投影マルチレン
ズアレーという。これらのマルチレンズアレー２、３に
よって縮小される方向は、前記薄膜回転軸とは異なる軸
方向とされる、Ｘ軸方向となる。

【００５０】第二マルチレンズアレー３の後段には、図
２に示されているように偏光変換素子４が配置される。
偏光分離を行なう方向、すなわち、ＰＢＳ膜４ａにおい
てＳ偏光波が反射される方向を、薄膜回転軸の方向（Ｙ
軸方向）と平行となるように配置する。片側縮小投影マ
ルチレンズアレーでは、Ｘ軸方向に関しては偏芯を行な
って縮小投影を行なうが、Ｙ軸方向は縮小投影を行なわ
ない。このため、第二マルチレンズアレー３の集光点
は、Ｘ軸方向は縮小投影によって間隙部分が減って密集
するようになるが、Ｙ軸方向に対しては間隙を維持した
状態とされる。

【００５１】また、液晶パネル９に対する入射角度につ
いても、図２（ａ）に示すＹ軸方向と図２（ｂ）に示す
Ｘ軸方向を比較して解るように、Ｘ軸方向に入射する角
度が小さくなっている。

【００５２】図４に第二マルチレンズアレー３における
集光の状態を摸式的に示す。この図に示すように、第一
のマルチレンズアレー２によってＸ軸方向のみに縮小が
行なわれているので、Ｘ軸方向に対しては間隙が狭くな
り各レンズ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに対して集光される
（実線丸）。また、Ｙ軸方向には縮小が行なわれないの
で間隙が形成される（破線丸）。したがって、偏光変換
を行なうスペースを確保することができ、偏光変換素子
４に対して効率良く光を供給することができるようにな
る。

【００５３】このように、本発明は第一のマルチレンズ
アレー２及び第二マルチレンズアレー３を用いて片側縮
小を行なっているので、光軸Ｏａに対して所定の角度で
配置された平面への入射角度がＸ軸方向とＹ軸方向で異
なる。そこで、図５（ａ）（ｂ）に示されているように
Ｙ軸方向を中心として例えば４５°回転した薄膜とされ
るダイクロイックミラー６に対する入射角度もＸ軸方
向、Ｙ軸方向で異なるようになる。ダイクロイックミラ
ー６に入射する光は、Ｘ軸、Ｙ軸ともに光軸Ｏａと液晶
パネル９に対する入射角度φ、広がり角度θｘ＝θｙと
する。また、光軸Ｏａに対して傾斜した状態とされてい
るダイクロイックミラー６に対する入射角度は、ダイク
ロイックミラー６の法線ベクトルと入射光の作る角度と
される。このため、Ｘ軸方向に角度θｘを有している光
が入射した場合は４５＋θｘ±φ°となる。しかし、図
５（ａ）に示されているようにＹ軸方向に広がり角度θ
ｙを有した光が入射した場合、ダイクロイックミラー６
に対する入射角度は（４５＋θｘ±φ）°とはならな
い。つまり、Ｙ軸方向に関してはダイクロイックミラー
に対する入射位置が変っても、入射角度は４５°からほ
ぼ変化しない。

【００５４】図６は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の光軸Ｏａと
の角度と、ダイクロイックミラー６に対する入射角度を
グラフで示す図である。この図に示すグラフから解るよ
うに、薄膜回転軸の方向に広がり角度θｙとされる光が
入射しても、実際にダイクロイックミラー６との角度
は、広がり角度θｙの影響を殆ど受けない。薄膜回転軸
と直交する軸（Ｘ軸）の方向角度は、ダイクロイックミ
ラー６の角度依存性を受けてしまうので、大きな入射角
度を形成することはできない。

【００５５】つまり、Ｘ軸方向については、液晶パネル
に対する入射角度が小さくなるように縮小投影を行な
い、Ｙ軸方向については偏光変換を行なうことで、輝度
の効率を向上することができる。Ｙ軸方向については偏
光変換素子４で偏光変換を行なうため、縮小投影を行な
うことができず、入射角度が大きくなるが、ダイクロイ
ックミラー６に入射する角度に与える影響は非常に小さ
いので無視することができる。

【００５６】液晶パネルに対する入射角度は、従来では
図７（ａ）に示されているようにＸ軸方向、Ｙ軸方向を
ともに縮小することで、ほぼ円に近い領域とされていた
が、本発明では図７（ｂ）に示されているようにＸ軸方
向を縮小してＹ軸方向を拡大して、Ｙ軸方向に縦長の楕
円状の領域を照明することができるようにしている。こ
れにより、Ｙ軸方向の入射角度を大きくすることができ
高輝度化を実現することができ、さらに、Ｘ軸方向に関
しては、縮小された状態とすることができるので、ダイ
クロイックミラー６などの薄膜光学素子の入射角度依存
性による色むら、輝度むらの影響を抑制することができ
る。

【００５７】以下、本実施の形態の変形例を説明する。
図８は偏光ビームスプリッタ及び反射型の液晶パネルを
用いた反射型液晶プロジェクタ装置の構成例を示す図で
ある。なお、ランプ１乃至集光レンズ５に至る経路を構
成する光学部品は図１で説明した構成と同様とされる。
また、偏光ビームスプリッタ２５、反射型液晶パネル２
６、及び投写レンズ２０は、図１７で説明した偏光ビー
ムスプリッタ６２、反射型液晶パネル６３、及び投写レ
ンズ６４に対応している。そして、偏光ビームスプリッ
タ６２においては、反射型液晶パネル２６で空間光変調
されて供給されるＳ偏光波はＹ軸方向に対して反射され
投写レンズ６４に供給されるようになる。

【００５８】集光レンズ５で集光された光は偏光ビーム
スプリッタ２５に入射して、ここで例えばＰ偏光波が透
過して反射型の液晶パネル２６に入射するようにされ
る。このとき、偏光ビームスプリッタ２５の偏光分離面
の回転軸がＸ軸方向と平行になるように配置し、第一マ
ルチレンズアレー２、第二マルチレンズアレー３におけ
る、縮小投影をＹ軸方向、偏光変換素子４の偏光分離方
向（例えばＳ波の反射方向）がＹ軸方向となるようにす
る。この場合、偏光ビームスプリッタ２５の反射または
透過特性は、例えば集光レンズ５から供給される光のＸ
軸方向の入射角度に対して依存するものではない。した
がって、偏光ビームスプリッタ２５に対するＸ軸方向の
入射角度は大きく、Ｙ軸方向の入射角度を小さく（縮小
投影）することで、偏光透過分離特性の入射角度依存性
の影響を抑えて、高輝度化を図ることができる。

【００５９】なお、図８に示す例では、１枚の反射型液
晶パネル２６を用いた単板式の構成を例に上げて説明し
たが、ＲＧＢ各色に対応した３枚の液晶パネルを備えて
構成するようにしても良い。この場合、偏光ビームスプ
リッタと各液晶パネルの間の所要の位置に例えば２枚の
ダイクロイックミラーを配置することになるが、ダイク
ロイックミラーの配置方向としては、偏光ビームスプリ
ッタ２５の偏光分離面と同様に、色分離／合成を行なう
薄膜面をＸ軸方向と平行になるように配置する。これに
より、ダイクロイックミラーにおいても片側縮小マルチ
レンズアレー（２、３）の作用によって、入射角度に依
存されない効率の良い色分離／合成を行なうことができ
うようになる。

【００６０】ところで、プロジェクタ装置などで使用さ
れるランプとしては、例えば電極とされているアーク間
で放電（アーク放電）を行ない、この放電によって光源
としての光を得るものである。このため、アーク配置間
隔に応じて光源が点状態とすることができず、ある程度
の大きさを有することになり、すなわち、光はほぼ放射
状に出力されるので、平行光を得ることができない。し
たがって、例えば放物面鏡などによって構成されるリフ
レクタを用いて集光を行なった場合でも、平行光を形成
することは難しく、ある程度の拡がりを有した光束とさ
れる。

【００６１】このため、例えば図１、図８に示した第一
マルチレンズアレー２によって集光、されて、第二マル
チレンズアレー３に形成される光源像は、１点に集まら
ずある大きさを有するようになる。また、例えば図９に
示すように、ランプ３０のアーク３１形状やリフレクタ
３２の形状などの構成上の問題により、リフレクタ３２
の開口におけるアーク３１付近（中心部分）と、外周部
分では出射角度が異なるようになる場合がある。

【００６２】この場合、第一マルチレンズアレー２によ
って第二マルチレンズアレー３の各レンズ２ａ、２ｂ、
２ｃ、２ｄに集光される光の像は、例えば図９（ｂ）に
示されているように、その中心部分が大きくなり、外側
に行くに連れて小さくなる。そこで、この集光像の大き
さに対応させて、各レンズの開口面積が異なる異型マル
チレンズアレーを形成する。

【００６３】図１０は、このような一対のマルチレンズ
アレーの構成例を説明する図であり、図１０（ａ）
（ｂ）（ｃ）はそれぞれ第一マルチレンズアレー２の正
面、側面、下面、また図１０（ｄ）（ｅ）（ｆ）はそれ
ぞれ、第二マルチレンズアレーとされる異型マルチレン
ズアレーの正面、側面、下面を示している。なお、第一
マルチレンズアレー２に関しては図３（ａ）（ｂ）
（ｃ）に示した構成と同様であるが、異型マルチレンズ
アレーと比較するために示している。

【００６４】異型マルチレンズアレー３３を形成する各
レンズのＹ軸方向の長さは、図１０（ｅ）に例えばレン
ズ３３ａ、３３ａ、３３ａ、３３ａとして示されている
ように同等である。つまり、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）
に示されてる第一マルチレンズアレー２と同等とされ
る。また、異型マルチレンズアレー３３はＸ軸方向に関
しては縮小投影を行なうので、例えばレンズ３３ａ、３
３ｂ、３３ｃ、３３ｄとして示されているように、外側
のレンズ３３ａ、３３ｄは内側のレンズ３３ｂ、３３ｃ
よりも小さく形成する。すなわち、レンズの偏芯を行な
う方向と同じ方向に対して、その集光面積に応じてレン
ズの面積を変更する。これにより、第一マルチレンズア
レー２で結像されて、第二マルチレンズアレー（異型マ
ルチレンズアレー３３）に集光する光を効率良く取り込
むことができ、画像を形成することができる光の量を増
加することができるようになる。

【００６５】

【発明の効果】以上、説明したように本発明は、例えば
Ｙ軸方向またはＸ軸方向のいずれか一方を縮小すること
ができるマルチレンズアレーを備えることにより、例え
ば色分離／合成、偏光変換などを行なう光学薄膜に対す
る入射角度特性に依存されることなく輝度を向上するこ
とができる。また、偏光変換および縮小投影することが
できる一対のマルチレンズアレーを併用することが可能
になる。これにより、同じ光量の光源を利用した場合で
も画像の色むら、輝度むらを抑制するとともにコントラ
ストの向上を図ることができる。さらに、前記光学薄膜
に光を入射させる場合、その主光線と光軸を平行に近づ
ける必要がないので、照明光学型の小型化を実現するこ
とができる。したがって、各光学部品を小型化すること
ができるので、低コスト化及び軽量化を実現することが
できる。また、第二マルチレンズアレーに形成される各
レンズを異形開口で形成することにより、ランプの特性
によって異なる角度で出射される光を有効に利用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の液晶プロジェクタ装置の
照明光学系の構成例を説明する図である。

【図２】本実施の形態の照明光学系の要部を示す展開図
である。

【図３】本実施の形態の片側縮小投影マルチレンズアレ
ーを説明する図である。

【図４】第２マルチレンズアレーによる集光状態を説明
する摸式図。

【図５】Ｘ軸方向とＹ軸方向で所定の角度を持つ光が光
軸に対して４５°で配置されたダイクロイックミラーに
対する入射角度を説明する図である。

【図６】ダイクロイックミラーに対するＸ軸方向、Ｙ軸
方向の入射角度を説明する図である。

【図７】本発明と従来例における液晶パネルに対する入
射角度の違いを説明する図である。

【図８】本発明の変形例としての反射型液晶プロジェク
ターの構成例を示す。

【図９】ランプのアーク放電による出力光分布を説明す
る図である。

【図１０】片側縮小投影・異型開口マルチレンズアレー
の構成を説明する。

【図１１】従来の３板式液晶プロジェクタ装置の照明光
学系の構成例を説明する。

【図１２】ダイクロイックミラーの入射角度に依存する
透過率の波長特性である。

【図１３】光が薄膜に入射する際の実効的な波長を説明
する図である。

【図１４】ダイクロイックミラーに入射する光の入射角
度を説明する図である。

【図１５】液晶パネルの端部に入射する光のダイクロイ
ックミラーに対する入射角度分布を説明する図である。

【図１６】主光線と光軸の関係を説明する図である。

【図１７】従来の反射型液晶プロジェクタの照明光学系
の構成例を説明する図である。

【図１８】偏光変換素子の入射角度に応じた透過率（反
射率）を説明する図である。

【図１９】偏光変換素子の入射する光と光軸の関係を説
明する図である。

【図２０】従来のマルチレンズアレイの構成を説明する
図である。

【図２１】図２０に示したマルチレンズアレーを用いた
照明光学系の構成例を示す図である。

【図２２】縮小投影マルチレンズアレイの構成を説明す
る図である。

【図２３】縮小投影マルチレンズアレイをくさび型の断
面形状で形成した例を示す図である。

【図２４】縮小投影マルチレンズアレーを用いた照明光
学系の構成例を示す図である。

【図２５】偏光変換素子の構成例を説明する図である。

【図２６】図２５に示す偏光変換素子において行なわれ
る偏光変換の概要を説明する図である。

【図２７】従来例としての、偏光変換素子とマルチレン
ズアレーを併用した照明光学系の構成例を説明する図で
ある。

【符号の説明】

１，３０ランプ、２第一マルチレンズアレー、２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，３ａ，３ｂ，３ｃレンズ、３
第二マルチレンズアレー、４偏光変換素子、６，１
０ダイクロイックミラー、９液晶パネル、３１ア
ーク、３２リフレクタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を分割集光することができ
る複数のレンズを有して形成されている第一のレンズア
レーと、前記第一のレンズアレーの焦点距離近傍に配置され、前
記第一のレンズアレーの複数のレンズそれぞれに対応し
た複数のレンズを備え、前記第一のレンズアレーによっ
て分割集光された光を、それぞれ集光することができる
ようにされている第二のレンズアレーと、前記第二のレンズアレーの前段、または後段に配置さ
れ、前記光源から出射された非偏光を一方の偏光に変換
する偏光変換手段と、前記偏光変換手段によって変換された一方の偏光に対し
て色分離を行なう色分離手段と、所要の駆動信号に基づいて前記色分離手段で分離された
各色光に対して空間光変調を行なう液晶パネルと、前記液晶パネルで空間光変調された各色光を合成する色
合成手段と、前記色合成手段によって合成された光を投写することが
できる投写レンズを備えて構成されている液晶プロジェ
クタ装置において、前記第一のレンズアレーに形成される各レンズは、座標
軸における一方の軸方向のみに偏芯するように構成さ
れ、前記第二のレンズアレーに形成される各レンズは、前記
第一のレンズアレーによって前記一方の軸方向に屈折さ
れた光を集光することができるようにされていることを
特徴とする液晶プロジェクタ装置。
【請求項２】前記偏光変換手段における偏光分離膜の
偏光反射方向と前記光源の光軸方向で構成される平面に
垂直な方向と、前記色分離手段及び色合成手段の薄膜面
が平行になるようにされていることを特徴とする請求項
１に記載の液晶プロジェクタ装置。
【請求項３】前記第二のレンズアレーは、前記第一の
レンズアレーに対応する各レンズが異型で形成されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の液晶プロジェクタ
装置。