(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から出射された光から略同一平面上に複数の第１の２次光源像を形成する第１の２次光源像形成手段と、
略同一平面上に、前記第１の２次光源像形成手段により形成された複数の第１の２次光源像を２倍に増やした第２の２次光源像を形成する第２の２次光源像形成手段と、
略同一平面上に、前記第２の２次光源像形成手段により形成された前記第２の２次光源像から３次光源像を形成する３次光源像形成手段と、
前記３次光源像形成手段から出射された光を画素により変調する変調手段とを有し、
前記３次光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比が、前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比と略同一となるように前記第１の２次光源像形成手段または３次光源像形成手段の光学特性が決定されていることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２の２次光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比が、前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比と略同一となるように、前記第１の２次光源像形成手段の光学特性が決定されていることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記第１の２次光源像の縦の配列ピッチの２分の１と横の配列ピッチとの比が、前記変調手段の前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列のピッチとの比と略同一となるように、前記第１の２次光源像形成手段の光学特性が決定されていることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかにおいて、
前記第１の２次光源像形成手段は、略同一平面上に配列された複数の矩形の光束分割レンズを備え、
前記矩形の光束分割レンズの縦横比が、前記変調手段の被照明領域の縦横比と略同一であることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかにおいて、
前記光源から出射された光を２以上の色光に分離する色分離手段と、
前記色光分離手段によって分離された各色光をそれぞれ変調する複数の前記変調手段と、
それぞれの前記変調手段で変調された各色光を合成する色光合成手段と、
前記合成手段により合成された前記色光を投写する投写光学系とを有することを特徴とする投写型表示装置。
【請求項６】
光源と、
前記光源からの入射光束を複数の中間光束に分割して複数の光源像を形成する光束分割手段と、
前記複数の中間光束のそれぞれを２種類の偏光方向を有する偏光光束に分離する偏光分離手段、及び、前記偏光分離手段により分離された２種類の偏光光束の偏光方向を揃える偏光変換手段を備えた偏光発生手段と、
前記偏光発生手段側にマイクロレンズが配置された変調手段とを有し、
前記変調手段は複数の画素を備え、
前記マイクロレンズにより形成される光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比が、前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比と略同一となるように、前記光束分割手段または前記マイクロレンズの光学特性が決定されていることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記偏光発生手段により形成される光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比が、前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比と略同一となるように、前記光束分割手段の光学特性が決定されていることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項８】
請求項６において、
前記光束分割手段によって形成される前記複数の光源像の縦の配列ピッチの２分の１と横の配列ピッチとの比が、前記画素の縦の配列ピッチと横の配列ピッチとの比と略同一となるように、前記光束分割手段の光学特性が決定されていることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項９】
請求項６から８のいずれかにおいて、
前記光束分割手段は略同一平面上に配列された複数の矩形の光束分割レンズを備え、
前記矩形の光束分割レンズの縦横比が、前記変調手段の被照明領域の縦横比と略同一であることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記光束分割レンズの一部、あるいは、全部が偏心レンズであることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項１１】
請求項６から８のいずれかにおいて、
前記光束分割手段は、
略同一平面上に配列された複数の同心レンズからなる第１のレンズ板と、
略同一平面上に配列された複数のシリンドリカルレンズからなる第２のレンズ板とからなることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項１２】
請求項６において、
前記マイクロレンズの一部または全部がトーリック形状のレンズであることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項１３】
請求項６から１２のいずれかにおいて、
前記偏光分離手段は、
前記複数の中間光束のそれぞれを２種類の偏光方向を有する偏光光束に分離する偏光分離面、及び、前記偏光分離面と平行に形成され、前記偏光分離面により分離された２種類の偏光光束のうち一方を他方の偏光光束の出射方向と略同一方向に出射させる反射面を備えた偏光分離ユニットを複数有することを特徴とする投写型表示装置。
【請求項１４】
請求項６から１３のいずれかにおいて、
前記マイクロレンズは屈折率分布型のマイクロレンズによって構成されたことを特徴とする投写型表示装置。
【請求項１５】
請求項６から１４のいずれかにおいて、
前記マイクロレンズは最密充填されたマイクロレンズによって構成されたことを特徴とする投写型表示装置。
【請求項１６】
請求項６から１５のいずれかにおいて、
前記光源からの出射光を２以上の色光に分離する色光分離手段と、
前記色光分離手段によって分離された各色光をそれぞれ変調する複数の前記変調手段と、
それぞれの前記変調手段で変調された各色光を合成する色光合成手段と、
前記色合成手段により合成された各色光を投射する投写光学系とを有することを特徴とする投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶装置に形成された画像をスクリーン上に拡大表示する投写型表示装置の構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
投写型表示装置の光学系として、解決すべき重要課題に光利用効率の向上と照明光の照度分布の均一化が挙げられる。光利用効率を向上させることにより、より明るい表示状態を、また、照度分布を均一化することにより明るさのムラがない表示状態を実現することができるからである。
【０００３】
ここで、照明光の均一性を高める技術としては、その代表的な例として、特開平３−１１１８０６号公報に記載されたように、光源からの光を複数の中間光束に分割する光学系（インテグレータ光学系）を用いたものが知られている。
【０００４】
一方、液晶装置のような画素を有する素子において、画素密度の向上に従って光が通過する画素開口部が占める画素あたりの面積割合（開口率）が低下するため、マイクロレンズを用いて実質的な開口率を向上させるという技術が知られている。すなわち、画素開口部に対応して配置された各マイクロレンズで照明光束を分割すると共に分割した光束をそれぞれ集光し、光束径を細くした状態で、画素開口部を通過させることにより、素子における光透過率（すなわち光利用効率）を向上させるのである。その結果、光利用効率を高め、明るい画像を得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにマイクロレンズが配置された変調素子をインテグレータ光学系を採用した投写型表示装置に単純に採用しても、インテグレータ光学系を構成するレンズ板により形成される光源像と変調素子の画素の配列が一致しないため、結果的に投写画像は不均一となってしまい、また、明るい画像を得ることもできない。
【０００６】
そこで、本発明は、変調素子が必要とする光の性質に着目することにより、光源から出射された光を変調素子の画素開口部へ効果的に導いて光利用効率を大幅に向上させて、明るくかつムラのない投写画像が得られる投写型表示装置を提案することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の投写型表示装置は、
光源と、前記光源から出射された光から略同一平面上に複数の第１の２次光源像を形成する第１の２次光源像形成手段と、略同一平面上に、前記第１の２次光源像形成手段により形成された複数の第１の２次光源像を２倍に増やした第２の２次光源像を形成する第２の２次光源像形成手段と、略同一平面上に、前記第２の２次光源像形成手段により形成された前記第２の２次光源像から３次光源像を形成する３次光源像形成手段と、前記３次光源像形成手段から出射された光を画素により変調する変調手段とを有し、前記３次光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比が、前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比と略同一となるように前記第１の２次光源像形成手段または３次光源像形成手段の光学特性が決定されていることを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、２つの２次光源像形成手段を用いているため投写画像の明るさムラを大幅に低減することが可能となる。しかも、３次光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比（以下、単に「配列ピッチの比」という）が画素の配列ピッチの比と略同一となるように第１の２次光源像形成手段または３次光源像形成手段の光学特性が決定されているため、光源から出射された光を変調素子の画素開口部へ効果的に導くことが可能となり、極めて明るい投写画像を得ることが可能となる。
【０００９】
上記第１の投写型表示装置において、第２の２次光源像の配列ピッチの比が、画素の配列ピッチの比と略同一となるように、あるいは、第１の２次光源像の縦の配列ピッチの２分の１と横の配列ピッチとの比が、前記変調手段の前記画素の配列のピッチの比と略同一となるように、前記第１の２次光源像形成手段の光学特性を決定すれば、どのような３次光源像形成手段を用いても第１の２次光源像形成手段の光学特性を変化させるだけで対応することが可能である。
【００１０】
すなわち、３次光源像形成手段は一般的にマイクロレンズで形成されていることが多いが、第１の２次光源像形成手段の光学特性を変化させるようにすれば、トーリック曲面を有しない一般的な球面形状を有するマイクロレンズを使用でき、マイクロレンズの作製が容易となる。
【００１１】
また、上記第１の投写型表示装置において、第１の２次光源像形成手段として、略同一平面上に配列された複数の矩形の光束分割レンズを備え、光束分割レンズの縦横比が、前記変調手段の被照明領域の縦横比と略同一であるものを採用することができる。このように、変調手段の有効画像形成領域よりも若干大きめに設定された被照明領域の縦横比に合わせて光束分割レンズの縦横比を設定すると、光束分割レンズにより形成された個々の像をそれぞれ被照明領域と略同じ大きさで被照明領域上に重畳させることができる。従って、変調手段の被照明領域の照度分布がさらに均一となり、さらに明るさムラの少ない投写画像を得ることが可能である。
【００１２】
さらに、上記第１の投写型表示装置において、前記光源から出射された光を２以上の色光に分離する色分離手段と、前記色光分離手段によって分離された各色光をそれぞれ変調する複数の前記変調手段と、それぞれの前記変調手段で変調された各色光を合成する色光合成手段と、前記合成手段により合成された前記色光を投写する投写光学系とを設けることにより、明るく、色再現性が良く解像度の高いカラー画像を表示可能な小型の投写型表示装置を実現することができる。
【００１３】
次に、本発明第２の投写型表示装置は、光源と、前記光源からの入射光束を複数の中間光束に分割して複数の光源像を形成する光束分割手段と、前記複数の中間光束のそれぞれを２種類の偏光方向を有する偏光光束に分離する偏光分離手段、及び、前記偏光分離手段により分離された２種類の偏光光束の偏光方向を揃える偏光変換手段を備えた偏光発生手段と、前記偏光発生手段側にマイクロレンズが配置された変調手段とを有し、前記変調手段は複数の画素を備え、前記マイクロレンズにより形成される光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比が、前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比と略同一となるように、前記光束分割手段または前記マイクロレンズの光学特性が決定されていることを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、本発明の投写型表示装置は、光源から出射されるランダムな偏光光束を複数の光束に分割し、それらの光束のそれぞれをほぼ一種類の偏光方向を有する偏光光束に変換した後、変調手段上で重畳結合して変調手段を照明するため、偏光方向の揃った光束により変調手段を均一に照明することができ、さらに、変調手段に入射した偏光光束は、変調手段に併設されたマイクロレンズにより、再度複数の光束に分割しながら集光され、変調手段の画素上に導びかれるため、変調手段における光利用効率を極めて高くできるという効果がある。加えて、偏光光束の発生過程においては光損失を殆ど伴わない。従って、投写型表示装置における光利用効率を極めて高いものとすることができ、明るく、明るさムラのない投写画像を表示できる投写型表示装置を実現できる。よって、非常に光出力の大きな光源ランプを用いて、非常に明るい投写画像を表示可能な投写型表示装置を実現しようとした場合でも、変調手段の温度上昇を防止する冷却装置は小型のもので対応可能であり、従って、騒音が静かで小型の投写型表示装置を実現できる。
【００１５】
ここで、変調手段としては透過型または反射型の液晶装置等を使用することができる。
【００１６】
また、光源部は、一般的に光源ランプとリフレクターによって構成されるものが多く、光源ランプとしては、メタルハライドランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ等が、また、リフレクターとしては放物面リフレクター、楕円リフレクター、球面リフレクター等が使用できる。
【００１７】
上記の構成においては、偏光発生手段で形成した光源像（２次光源像）をマイクロレンズにより変調手段の画素上に新たな光源像（３次光源像）として伝達する機構を採用しているため、マイクロレンズアレイ板に形成されているマイクロレンズが変調手段の画素と１対１で対応するように、マイクロレンズを形成する必要は必ずしもない。すなわち、マイクロレンズアレイ板のマイクロレンズの数と変調手段の画素の数とは一致させる必要は必ずしもなく、マイクロレンズの数は変調手段の画素の数の整数分の一であればよい。この場合には、一つのマイクロレンズによって複数の２次光源像を複数の画素上に伝達することになる。
【００１８】
マイクロレンズはガラス材料、透明結晶化ガラス材料、及び樹脂材料等の表面を切削加工、プレス成型、及び光成型することによって容易に得ることができる。
【００１９】
また、マイクロレンズは一旦別の基板（マイクロレンズアレイ板）に作製しておき、マイクロレンズアレイ板として変調手段に取り付けて用いてもよいが、変調手段を構成する基板の一部に最初から一体的に作り込んだものを用いることもでき、その場合には、変調手段の薄型化と低コスト化をはかることができる。
【００２０】
上記第２の投写型表示装置において、偏光発生手段により形成される光源像の配列ピッチの比と画素の配列ピッチの比とが略同一となるように、あるいは、光束分割手段によって形成される複数の光源像の縦の配列ピッチの２分の１と横の配列ピッチとの比が、画素の配列ピッチの比と略同一となるように、前記光束分割レンズの光学特性を決定したものを採用することができる。
【００２１】
光束分割手段の光学特性は、例えば、光束分割手段をその一部または全部が偏心レンズで構成されたレンズ板で構成したり、複数の同心レンズからなる第１のレンズ板と複数のシリンドリカルレンズからなる第２のレンズ板とを組み合わせたりすることにより、容易に変更することができる。このようなレンズの使用により、集光像（２次光源像）の形成位置を自在に制御できるため、集光像の配列の仕方を変調手段の画素の配列の仕方に容易に対応させることができるからである。
【００２２】
これにより、トーリック曲面を有しない一般的な球面形状を有するマイクロレンズを使用でき、マイクロレンズの作製が容易となる。
【００２３】
上記第２の投写型表示装置において、第１の２次光源像形成手段として、略同一平面上に配列された複数の矩形の光束分割レンズを備え、光景の光束分割レンズの縦横比が、前記変調手段の被照明領域の縦横比と略同一であるものを採用することができる。このように、変調手段の有効画像形成領域よりも若干大きめに設定された被照明領域の縦横比に合わせて光束分割レンズの縦横比を設定すると、光束分割レンズにより形成された個々の像をそれぞれ被照明領域と略同じ大きさで被照明領域上に重畳させることができる。従って、変調手段の被照明領域の照度分布がさらに均一となり、さらに明るさムラの少ない投写画像を得ることが可能である。
【００２４】
一方、上記第２の投写型表示装置において、光束分割レンズの光学特性を変化させない場合には、前記マイクロレンズの一部または全部をトーリック形状のレンズとすれば良い。トーリック形状のレンズでは、Ｘ軸方向とＹ軸方向とのレンズ曲率が異なるため、２次光源像を伝達する際に、２次光源像の配列の間隔をＸ軸方向とＹ軸方向とでそれぞれ独立に変化させることができる。従って、２次光源像の配列の仕方と変調手段の画素の配置の仕方とが相似関係にない状態であっても、２次光源像を変調手段の画素上に伝達できるため、光学系の設計の自由度が向上する効果がある。また、この構成では、光束分割手段である第１の光学要素と集光レンズアレイとを同一のレンズアレイ体で兼用することができるため、光学系の低コスト化を達成できる。
【００２５】
上記第２の投写型表示装置において、前記偏光分離手段が、前記複数の中間光束のそれぞれを２種類の偏光方向を有する偏光光束に分離する偏光分離面、及び、前記偏光分離面と平行に形成され、前記偏光分離面により分離された２種類の偏光光束のうち一方を他方の偏光光束の出射方向と略同一方向に出射させる反射面を備えた偏光分離ユニットを複数有する構成とすることができる。
【００２６】
このような偏光分離手段を採用することにより、わずかなスペースで偏光分離を行うことが可能となり、投写型表示装置を小型化できる。
【００２７】
なお、このような偏光分離手段を用いた構成において、偏光発生装置から出射される光束を平行化するための平行化レンズを、偏光発生装置と変調手段との間に配置した構成とすることができる。その場合には、マイクロレンズにおける集光性能を向上でき、従って、形成される３次光源像の大きさを小さくでき、３次光源像を偏光手段の画素上により容易に形成することができる。従って、変調手段における光利用効率を一層向上できる効果がある。
【００２８】
また、光束分割手段から出射される中間光束をそれぞれ集光して偏光分離手段に導くために、光束分割手段を構成する光束分割レンズと同数の集光レンズを２次元状に配列して構成した集光レンズアレイを、光束分割手段と偏光分離手段との間に配置した構成とすることができる。その場合には、それぞれの中間光束をそれぞれの偏光分離ユニット上の特定の場所に効率よく導くことが可能となり、偏光発生手段における光利用効率を一層向上できる効果がある。尚、集光レンズアレイは偏光分離手段と一体化することもでき、その場合には、界面での光損失を低減できる効果がある。
【００２９】
さらに、偏光発生手段から出射される偏光方向が揃った偏光光束を変調手段上に重畳結合させるための結合レンズを、偏光発生手段と変調手段との間に配置した構成とすることができる。その場合には、偏光方向が揃った偏光光束の変調手段上における重畳結合をより容易にする効果がある。また、結合レンズのレンズ特性（倍率）を変えることによって、変調手段上での照明領域の大きさを容易に変化できる副次的な効果もある。
【００３０】
さらにまた、光束分割手段から出射される中間光束のそれぞれを、それぞれの偏光分離ユニットの偏光分離面の部分にだけ入射させるための遮光板を、光束分割手段と偏光分離ユニットとの間に配置した構成とすることができる。その場合には、偏光分離ユニットの反射面に直接入射する中間光束を排除し、偏光分離面にのみ中間光束を導くことができるため、偏光発生装置から出射される偏光光束に、他の偏光方向を有する偏光光束が混入することを防止することができる。従って、変調手段に液晶装置を用いた場合には、液晶装置に併設される偏光板での光吸収量を低減でき、液晶装置及び偏光板の温度上昇を防止できる効果がある。さらに、遮光板の設置によって、平行性が悪い出射光を出射する光源を用いることが可能となる。尚、遮光板は、集光レンズアレイあるいは偏光分離手段と一体化することもでき、その場合には、光学系を小型化できる効果がある。
【００３１】
上記第２の投写型表示装置において、屈折率分布型のマイクロレンズからなるマイクロレンズを採用しても良い。その場合には、マイクロレンズアレイ板の表面を平坦化することが可能であるため、マイクロレンズアレイ板と変調手段とを容易に一体化でき、マイクロレンズアレイ板と変調手段と界面における光損失を低減できる効果がある。
【００３２】
また、最密充填されたマイクロレンズを採用しても良い。この場合には、隙間なくレンズが配置できるため、マイクロレンズアレイ板における光利用効率を一層向上できる効果がある。
【００３３】
なお、マイクロレンズアレイ板は、変調手段と一体化した構成としてもよい。その場合には、マイクロレンズアレイ板と変調手段との界面における光損失を低減できるため、変調手段における光利用効率を一層向上できる効果がある。特に、マイクロレンズアレイ板と変調手段を構成する基板とを同一基板とすれば、変調手段を薄型化することができる。
【００３４】
さらに、上記第２の投写型表示装置において、前記光源からの出射光を２以上の色光に分離する色光分離手段と、前記色光分離手段によって分離された各色光をそれぞれ変調する複数の前記変調手段と、それぞれの前記変調手段で変調された各色光を合成する色光合成手段と、前記色合成手段により合成された各色光を投射する投写光学系とを設ければ、明るく、色の表現性がよく、解像度の高いカラー画像を表示可能な小型の投写型表示装置を実現することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の各実施例を説明する。尚、以下の各実施例においては、便宜的に、互いに直交する３つの方向をＸ軸方向（横方向）、Ｙ軸方向（縦方向）、Ｚ軸方向（システム光軸方向）とする。また、各実施例においては、同じ機能を有する部分には同じ符号を付して、説明の重複を避けている。
【００３６】
（実施例１）
図１は、本発明を適用した投写型表示装置の光学的な要部を平面的に示した概略構成図である。本例の投写型表示装置１は、システム光軸Ｌ（Ｚ軸方向）に沿って配置した光源部１０及び２次光源像形成手段２０、変調手段としての液晶装置部４０、投写光学系を成す投写レンズ５０から大略構成されている。光源部１０から出射されたランダムな偏光光束は、２次光源像形成手段２０により偏光方向がほぼ揃った一種類の偏光光束に変換され、液晶装置部４０を照明し、投写レンズ５０を経て投写面であるスクリーン６０に至るようになっている。尚、本例の液晶装置部には透過型の液晶装置が使用されている。
【００３７】
光源部１０は、光源ランプ１０１と、放物面リフレクター１０２から大略構成されており、光源ランプから放射された光は、放物面リフレクター１０２によって一方向に反射され、略平行な光束となって２次光源像形成手段２０に入射する。ここで、光源部１０の光源光軸Ｒがシステム光軸Ｌに対して一定の距離Ｄ（光束分割レンズの横幅の１／４に相当する）だけＸ方向に平行シフトした状態となるように、光源部１０は配置されている。
【００３８】
次に、２次光源像形成手段２０は、光束分割手段としての第１の光学要素２００と、主に偏光発生手段として機能する第２の光学要素３００から構成されている。
【００３９】
第１の光学要素２００は、その外観を図２に示す様に、ＸＹ平面上で矩形状の外形（開口形状）を有する複数の光束分割レンズ２０１が直交マトリックス状に配列して構成されている。また、光源部１０と第１の光学要素２００との位置関係は、光源光軸Ｒが第１の光学要素２００の中心に来るように設定されている。第１の光学要素２００に入射した光は、光束分割レンズ２０１により複数の中間光束２０２に分割され、同時に光束分割レンズの集光作用により、システム光軸Ｌと垂直な平面内（図１ではＸＹ平面）の中間光束が収束する位置に光束分割レンズの数と同数の集光像（２次光源像）２０３を形成する。この集光像は光束分割レンズを通して形成される光源像に他ならないため、以下では２次光源像と呼ぶ。
【００４０】
尚、光束分割レンズ２０１のＸＹ平面上における外形形状は、液晶装置部４０を構成する液晶装置４０１の被照明領域の形状と相似形をなすように設定されている。本例では、ＸＹ平面上でＸ方向に長い横長の有効画像形成領域（縦：横のアスペクト比は３：４）を有する液晶装置を想定している。被照明領域とは、液晶装置４０１上に光源像が投影されるべき領域であり、通常、液晶装置の有効画像形成領域に対しマージンを持たせるため、有効画像形成領域よりも若干大きめに設定されている。この被照明領域の縦横比に合わせて光束分割レンズの縦横比を設定すると、光束分割レンズにより形成された個々の像をそれぞれ被照明領域と略同じ大きさで被照明領域上に重畳させることができる。従って、変調手段の被照明領域の照度分布がさらに均一となり、さらに明るさムラの少ない投写画像を得ることが可能である。本例では被照明領域の縦：横のアスペクト比を３：４としているので、光束分割レンズ２０１の縦：横のアスペクト比もほぼ３：４としている。従って、光束分割レンズのＸ軸方向の配列ピッチとＹ軸方向の配列ピッチの比は１：３／４である。
【００４１】
また、光束分割レンズの配列の仕方は、図２に示したような直交マトリックス状に限定されない。例えば、奇数行を構成する光束分割レンズの列びに対して、偶数行を構成する光束分割レンズの列びが相互にＸ軸方向にずれた、いわゆるデルタ配置であってもよい。
【００４２】
第１の光学要素を構成する光束分割レンズ２０１の一部には偏心レンズが用いられており、光束分割レンズによって形成される２次光源像の形成位置を調整している。図３は、それぞれの光束分割レンズにおけるレンズ光軸の位置を示した図であり、図３では第３行を構成する光束分割レンズのみが一般的な同心レンズ（レンズ中心にレンズ光軸が設定されたレンズ）であり、その他の第１、２、４、５行を構成する光束分割レンズは、全て、レンズ光軸２１０がＹ軸方向にシフトした偏心レンズである。但し、同一行を構成する一連の光束分割レンズのレンズ特性は全て同じである。その結果、一連の２次光源像は、図４（光源部１０側から２次光源像形成手段２０を見た場合）に示すように、直交マトリックス状に配列して形成される。但し、２次光源像のＸ軸方向の配列ピッチとＹ軸方向の配列ピッチの比は１：１／２であり、第１の光学要素における光束分割レンズのＸ軸方向とＹ軸方向との配列ピッチの比（１：３／４）とは異なっている。これは、第１の光学要素を構成する光束分割レンズの一部にレンズ光軸がＹ軸方向にシフトした偏心レンズを用いているためであり、その結果、２次光源像のＹ軸方向における配列ピッチのみが狭くなったためである。尚、第１の光学要素を構成する光束分割レンズの数あるいはその配列の仕方によっては、全ての光束分割レンズが偏心レンズとなる場合もある。さらに、本例の第１の光学要素２００に代えて、同心レンズのみを用いて構成した第１の光学要素と一方向にのみ光を集光するシリンドリカルレンズを用いた構成としても、２次光源像のＹ軸方向における配列ピッチのみを調節することは可能である。
【００４３】
第２の光学要素３００は、集光レンズアレイ３１０、遮光板３７０、偏光分離ユニットアレイ３２０、選択位相差板３８０及び結合レンズ３９０から大略構成される複合体であり、第１の光学要素２００による２次光源像２０３が形成される位置の近傍の、システム光軸Ｌに対して垂直な平面内（図１ではＸＹ平面）に配置される。この第２の光学要素３００は、中間光束２０２のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離した後、一方の偏光光束の偏光方向と他方の偏光光束の偏光方向とを揃え、偏光方向がほぼ揃ったそれぞれの偏光光束を液晶装置４０１の有効画像形成領域に導くような機能を有している。
【００４４】
集光レンズアレイ３１０は、第１の光学要素２００とほぼ同様な構成となっており、即ち、第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１と同数の集光レンズ３１１をマトリックス状に配列したものであり、それぞれの中間光束２０２を偏光分離ユニットアレイ３２０の特定の場所に集光しながら導く機能を有している。従って、第１の光学要素により形成された中間光束の特性に合わせて、また、偏光分離ユニットアレイに入射する光はその主光線の傾きがシステム光軸Ｌと平行であることが理想的である点を考慮して、各集光レンズのレンズ特性は各々最適化されている。従って、本例の集光レンズアレイはその一部に偏心レンズを用いて構成されている。ここで、集光レンズアレイは遮光板３７０や偏光分離ユニットアレイから離れた位置（第１の光学要素に近い側）に配置してもよい。また、２次光源像形成手段２０自体の構成や、光源部１０から出射される光の特性によっては、集光レンズアレイを省略することもできる。特に、第１の光学要素に入射する光束の平行性が極めて良い場合には、第２の光学要素から集光レンズアレイを省略した構成としても良い。
【００４５】
遮光板３７０はその外観を図５に示すように、図中斜線で示す複数の遮光面３７１と複数の開口面３７２とが規則的に配列するように構成されたものであり、遮光面３７１に入射した光束は遮られ、開口面３７２に入射した光束は遮光板３７０をそのまま通過する。すなわち、遮光板３７０は、遮光板上の位置に応じて透過する光束を制御する機能を有している。また、遮光面３７１と開口面３７２の位置は、２次光源像２０３が形成される位置を後述する偏光分離ユニット３３０の偏光分離面３３１上に限定するように設定されている。本例では、遮光板３７０として、ガラス板等からなる平板状の透明体にクロム膜やアルミニウム膜等からなる遮光性の膜を部分的に形成したものを用いているが、、例えばアルミニウム板のような遮光性の平板に開口部を設けたものを使用しても良い。また、本例のように遮光性の膜を利用して遮光面３７１を形成する場合には、遮光性の膜を集光レンズアレイ３１０や後述する偏光分離ユニットアレイ３２０上に直接形成しても同様の機能を発揮させることができ、この場合には部品点数が増加しないという利点がある。尚、平行性がよい光束を出射する光源を用いた場合には、遮光板を省略することができる。
【００４６】
次に、偏光分離ユニットアレイ３２０は、その外観を図６に示すように、複数の偏光分離ユニット３３０がマトリックス状に配列した構成をなしている。偏光分離ユニットの配列の仕方は、第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１のレンズ特性及びそれらの配列の仕方に対応している。すなわち、本例においては、光束分割レンズを直交マトリックス状に配列すると共に、光束分割レンズの一部に偏心レンズを用いて第１の光学要素を構成し、特に、２次光源像のＹ軸方向における配列ピッチを狭くしているため、２次光源像の配列ピッチに対応する大きさの偏光分離ユニットを用いて、それらを全て同じ向きに直交マトリックス状に配列することによって、偏光分離ユニットアレイを構成している。よって、偏光分離ユニットのＸＹ平面上における縦：横のアスペクト比は１：２となっている。
【００４７】
尚、Ｙ軸方向に列ぶ同一列の偏光分離ユニットが全て同じ偏光分離ユニットである場合には、Ｙ軸方向に細長い偏光分離ユニットをＸ軸方向に配列して構成した偏光分離ユニットアレイを用いた方が、偏光分離ユニット間の界面における光損失を低減できると共に偏光分離ユニットアレイの製造コストを低減できるという点で有利である。さらに、Ｘ軸方向に列ぶ偏光分離ユニット間の界面を無くすことも可能であり、この場合にも偏光分離ユニット間の界面における光損失を低減できるとともに、偏光分離ユニットアレイの製造コストを低減することができる。
【００４８】
偏光分離ユニット３３０はその外観を図７に示す様に、内部に偏光分離面３３１と反射面３３２を備えた四角柱状の構造体であり、偏光分離ユニットに入射する中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離する機能を有している。偏光分離ユニットのＸＹ平面上における縦：横のアスペクト比は１：２となっていることから、偏光分離面３３１と反射面３３２とは横方向（Ｘ軸方向）に並ぶように配置されている。ここで、偏光分離面３３１と反射面３３２とは、偏光分離面がシステム光軸Ｌに対して約４５度の傾きをなし、且つ、反射面が偏光分離面と平行な状態をなし、さらに、偏光分離面がＸＹ平面上に投影する断面積（後述するＰ出射面３３３の面積に等しい）と反射面がＸＹ平面上に投影する断面積（後述するＳ出射面３３４の面積に等しい）とが等しくなるように配置されている。従って、本例では、偏光分離面３３１が存在する領域のＸＹ平面上での横幅Ｗｐと反射面３３２が存在する領域のＸＹ平面上での横幅Ｗｍとは等しく、且つ、それぞれが偏光分離ユニットのＸＹ平面上での横幅Ｗの半分になるように設定されている。尚、一般的に、偏光分離面は誘電体多層膜で、また、反射面は誘電体多層膜或いはアルミニウム膜で形成することができる。
【００４９】
偏光分離ユニット３３０に入射した光は、偏光分離面３３１において、進行方向を変えずに偏光分離面を通過するＰ偏光光束３３５と、偏光分離面で反射され隣接する反射面３３２の方向に進行方向を変えるＳ偏光光束３３６とに分離される。Ｐ偏光光束３３５はそのままＰ出射面３３３を経て偏光分離ユニットから出射され、Ｓ偏光光束３３６は再び反射面３３２で進行方向を変え、Ｐ偏光光束３３５とほぼ平行な状態となって、Ｓ出射面３３４を経て偏光分離ユニットから出射される。従って、偏光分離ユニットに入射したランダムな偏光光束は偏光分離ユニットにより偏光方向が異なるＰ偏光光束とＳ偏光光束の二種類の偏光光束に分離され、偏光分離ユニットの異なる場所（Ｐ出射面とＳ出射面）からほぼ同じ方向に向けて出射される。
【００５０】
以上のように、偏光分離ユニットを光束が通過することによって、光束の数は２倍に増加することから、偏光分離ユニット内に形成された２次光源像の数も、偏光分離ユニットの出射面の側から見れば、同様に２倍に増加して見える。すなわち、図８に示すように、偏光分離ユニットアレイ内では１つの偏光分離ユニットの中に、Ｐ偏光光束による２次光源像２０４（向かって右側）とＳ偏光光束による２次光源像２０５（向かって左側）の２つの２次光源像が横方向（Ｘ軸方向）に対になって並ぶ状態で形成されている。この２次光源像の形成状態を先に図４に示した場合と比較すると、Ｘ軸方向に２次光源像が増えたことによって、Ｘ軸方向に列ぶ２次光源像の配列ピッチは実質的にＵ／２に狭くなっており、２次光源像のＸ軸方向の配列ピッチとＹ軸方向の配列ピッチの比は１：１となっていることが判る。つまり、Ｘ軸方向に列ぶ２次光源像の配列ピッチとＹ軸方向に列ぶ２次光源像の配列ピッチとは共にＵ／２で等しく、全ての２次光源像は直交マトリックス状に配置されている。ここで重要なことは、この２次光源像の配列の仕方は後述する液晶装置の画素開口部の配列の仕方と完全に対応しているという点である。
【００５１】
偏光分離ユニットは上記の様な機能を有することから、偏光分離ユニットの偏光分離面が存在する領域に中間光束を導く必要があり、そのため、偏光分離ユニット内の偏光分離面の中央部に中間光束が入射するように、言い換えれば２次光源像が形成されるように、それぞれの偏光分離ユニットとそれぞれの集光レンズの位置関係や集光レンズのレンズ特性は設定されている。特に、本例の場合には、それぞれの偏光分離ユニット内の偏光分離面の中央部にそれぞれの集光レンズの中心軸が来るように配置するため、集光レンズアレイ３１０は、偏光分離ユニットの横幅Ｗの１／４に相当する距離だけ、偏光分離ユニットアレイ３２０に対してＸ方向にずらした状態で配置されている。
【００５２】
再び、図１に基づいて説明する。
【００５３】
遮光板３７０は偏光分離ユニットアレイ３２０と集光レンズアレイ３１０との間にあって、遮光板３７０のそれぞれの開口面３７２の中心とそれぞれの偏光分離ユニット３３０の偏光分離面３３１の中心がほぼ一致するように配置され、また、開口面３７２の開口横幅（Ｘ方向の開口幅）は偏光分離ユニット３３０の横幅Ｗの約半分の大きさに設定されている。その結果、偏光分離面を経ずして反射面に直接入射する中間光束は、予め遮光板の遮光面で遮られるためほとんど存在せず、遮光板の開口面を通過した光束はそのほとんど全てが偏光分離面にのみ入射することになる。従って、遮光板の設置によって、偏光分離ユニットにおいて、直接反射面に入射し、反射面を経て隣接する偏光分離面に入射する光束はほとんど存在しないことになる。一般に、光源から出射される光束の平行性の程度に応じて、形成される２次光源像の大きさは変化する。そのため、平行性がよい光束を発する光源を用いた場合には形成される２次光源像は小さくなるため、偏光分離ユニットの反射面に直接入射する光束はほとんど存在しないが、平行性が悪い光束を発する光源を用いた場合には２次光源像は大きくなるため、偏光分離ユニットの反射面に直接入射する光束が多く存在し、これらの光束は液晶装置４０１に併設されている偏光板（図示せず）で吸収され、偏光板の温度上昇を招くこととなる。従って、平行性が悪い光束を発する光源を用いた場合には、遮光板を設置することで、偏光板の温度上昇を防止することができる。
【００５４】
偏光分離ユニットアレイ３２０の出射面の側には、λ／２位相差板３８１が規則的に配置された選択位相差板３８０が設置されている。即ち、偏光分離ユニットアレイ３２０を構成する偏光分離ユニット３３０のＰ出射面３３３の部分にのみλ／２位相差板３８１が配置され、Ｓ出射面３３４の部分にはλ／２位相差板３８１は設置されていない（図７を参照）。この様なλ／２位相差板の配置状態により、偏光分離ユニットから出射されたＰ偏光光束は、λ／２位相差板を通過する際に偏光方向の回転作用を受けＳ偏光光束へと変換される。一方、Ｓ出射面から出射されたＳ偏光光束はλ／２位相差板を通過しないので、偏光方向は変化せず、Ｓ偏光光束のまま選択位相差板を通過する。以上をまとめると、偏光分離ユニットアレイ３２０と選択位相差板３８０により、偏光方向がランダムな中間光束は一種類の偏光光束（この場合はＳ偏光光束）に変換されたことになる。
【００５５】
選択位相差板３８０の出射面の側には、結合レンズ３９０が配置されており、選択位相差板によりＳ偏光光束に揃えられた光束は、結合レンズにより液晶装置４０１の有効画像形成領域へと導かれ、その有効画像形成領域上で重畳結合される。ここで、結合レンズ３９０は１つのレンズ体である必要はなく、第１の光学要素２００のように、複数のレンズの集合体であってもよい。また、前述した集光レンズ３１１及び光束分割レンズ２０１のレンズ特性やその配置状態、あるいは、偏光分離ユニット３３０の偏光分離面や反射面の設置角度によっては、結合レンズを省略することも可能である。
【００５６】
第２の光学要素３００の機能をまとめると、第１の光学要素２００により分割された中間光束２０２（つまり、光束分割レンズ２０１により切り出された開口面）は、第２の光学要素３００により液晶装置４０１の有効画像形成領域上で重畳結合される。これと同時に、途中の偏光分離ユニットアレイ３２０により、ランダムな偏光光束である中間光束は偏光方向が異なる二種類の偏光光束に空間的に分離され、選択位相差板３８０を通過する際にほぼ一種類の偏光光束に変換される。ここで、偏光分離ユニットアレイ３２０の入射側には遮光板３７０が配置され、偏光分離ユニット３３０の偏光分離面３３１にだけ中間光束が入射する構成となっているため、反射面３３２を経て偏光分離面３３１に入射する中間光束はほとんどなく、偏光分離ユニットアレイ３２０から出射される偏光光束の種類はほぼ一種類に限定される。従って、液晶装置４０１の有効画像形成領域は殆ど一種類の偏光光束でほぼ均一に照明されることになる。
【００５７】
液晶装置部４０は、液晶装置４０１、液晶装置の入射側（光源側）に配置された平行化レンズ４０５、液晶装置の出射側（投写レンズ側）に配置された出射側集光レンズ４０６、液晶装置４０１の入射側（光源側）に配置されたマイクロレンズアレイ板４０２から大略構成されている。
【００５８】
図９は、液晶装置４０１及びマイクロレンズアレイ板４０２の断面構造を示したものである。液晶装置４０１は、図示しない電極が形成された液晶基板４７１と、遮光層４７３及び図示しない電極が形成された対向基板４７５との間に液晶層４７２が挟まれた構成となっている。また、マイクロレンズアレイ板４０２は、マイクロレンズ基板４７６上に、画素開口部４７４と１対１で対応するようにマイクロレンズ４０３が形成された構成となっている。ここで、液晶装置４０１における画素の配列の仕方は直交マトリックス状であり、画素のＸ軸方向の配列ピッチとＹ方向の配列ピッチとは等しく、画素開口部４７４の形状もほぼ正方形状である。従って、画素開口部４７４及びマイクロレンズ４０３の配列の仕方も、Ｘ軸方向とＹ軸方向の配列ピッチが等しい直交マトリックス状である。ここで、偏光分離ユニットアレイ内に形成される２次光源像は、直交マトリックス状に配置され、且つ、Ｘ軸方向の配列ピッチとＹ軸方向の配列ピッチとは等しいことを考慮すると、結局、偏光分離ユニットアレイ３２０により形成される２種類の２次光源像２０４、２０５と液晶装置４０１の画素開口部４７４の配列状態は、完全な相似関係になっていることが判る。尚、マイクロレンズ４０３を対向基板４７５上に直接形成し、マイクロレンズ基板４７６を省略した構成としてもよい。また、マイクロレンズは、図９に示したような曲面形状により集光力を得るタイプのものの他に、屈折率分布を形成することにより集光力を得るタイプ（屈折率分布型）のものも使用でき、特に後者の場合には、マイクロレンズアレイ板の表面を平板状とすることができるため、マイクロレンズアレイ板と対向基板とを光学的に一体化でき界面における光損失を低減できるという点で有効である。
【００５９】
上記のように構成された液晶装置部４０に入射した照明光束は、平行化レンズ４０５で発散角を抑えられ（一つの光束分割レンズによって形成された光束に着目すると、平行化レンズによってほぼ平行な光束となる。）、液晶装置４０１に設置されたマイクロレンズアレイ板４０２に入射し、それぞれのマイクロレンズ４０３で集光されて、画素開口部４７４に集光像４７０を形成する。この集光像４７０は２次光源像の投影像に他ならないため、以下では３次光源像と呼ぶ。マイクロレンズは画素開口部と１対１で対応するように形成されているが、本例においては、図９に示すように、１つのマイクロレンズによって複数の３次光源像４７０が、対応する複数の画素開口部４７４内に形成される。逆に見れば、一つの画素開口部内に形成される３次光源像４７０は複数のマイクロレンズ４０３によって形成された光源像である。これは、複数のマイクロレンズ４０３を一体化しても同じように３次光源像を画素開口部４７４内に形成することが可能であることを意味し、従って、マイクロレンズ４０３を画素開口部４７４に対して１対１で対応するように形成する必要はない。すなわち、マイクロレンズ４０３の数は、必ずしも液晶装置の画素数と同じにする必要はなく、画素数の整数分の１であってもよい。画素数の整数分の１の数のマイクロレンズ４０３が形成されたマイクロレンズアレイ板４０２を用いれば、２次光源像がデルタ状に配列していても、マイクロレンズ４０３の配列を変化させることなく対応することができる。
【００６０】
マイクロレンズアレイ板４０２の機能をまとめると、偏光分離ユニットアレイ３２０により形成された２種類の２次光源像２０４、２０５は、マイクロレンズ基板４７６上に形成されたそれぞれのマイクロレンズ４０３によって液晶装置４０１の画素開口部４７４に３次光源像４７０として結像されたことになる。先に説明したように、偏光分離ユニットアレイ３２０内に形成された２次光源像の配列の仕方は、液晶装置４０１の画素開口部４７４の配列の仕方と同じであるため、全ての２次光源像２０４、２０５は３次光源像４７０となって画素開口部４７４を通過する。従って、液晶装置４０１に入射した照明光束の大部分が、遮光層４７３で遮られることなく液晶装置４０１を通過することができるため、液晶装置４０１における光利用効率は非常に高くなる。
【００６１】
再び、図１に基づいて説明する。液晶装置部４０では、液晶装置４０１を通過する光束に対して、外部からの表示情報を含ませ光学像を形成する。ここで形成された光学像は投写レンズ５０を経てスクリーン６０上に投写表示される。液晶装置４０１の投写レンズ側に配置された出射側集光レンズ４３０は、液晶装置４０１を通過した光束を投写レンズに効果的に導くために配置されたものであり、投写レンズの特性によっては省略することができる。しかし、先に述べたマイクロレンズ４０３の集光作用により、液晶装置４０１を出射する光束は発散光束となっているため、液晶装置４０１に隣接させて出射側集光レンズ４０６を配置し、それらの発散光束を集光して投写レンズ５０に導けば、投写レンズ５０における光利用効率を向上できるという点で効果がある。
【００６２】
このように構成した投写型表示装置１では、一種類の偏光光束を変調するタイプの液晶装置が用いられている。従って、従来の照明装置を用いてランダムな偏光光束を液晶装置に導くと、ランダムな偏光光束のうちの約半分の光は、偏光板（図示せず）で吸収されて熱に変わってしまうので、光利用効率が悪いと共に、偏光板の発熱を抑える大型で騒音の大きな冷却装置が必要であるという問題点があった。また、液晶装置においても、遮光層の占める画素あたりの面積割合が画素密度の向上に従い増加するので、遮光層において照明光束が遮られる度合いが大きくなるため、光利用効率が悪いと共に、やはり液晶装置の発熱を抑える大型で騒音の大きな冷却装置が必要であるという問題点があった。しかし、本例の投写型表示装置１では、かかる問題点が大幅に改善されている。
【００６３】
すなわち、本例の投写型表示装置１によれば、光源部１０から出射されたランダムな偏光光束を、第１の光学要素２００と第２の光学要素３００により構成される２次光源像形成手段２０により、ほぼ一種類の偏光光束に変換すると共に、その偏光方向の揃った光束により液晶装置４０１の有効画像形成領域を均一に照明でき、明るさムラのない投写画像を得られる効果を有する。また、偏光光束の発生過程においては光損失を殆ど伴わないため、光源部から出射される光の殆どすべてを液晶装置４０１の有効画像形成領域へと導くことができ、さらに、液晶装置４０１に設置されているマイクロレンズアレイ板４０２により、液晶装置４０１に入射した光の多くを液晶装置の遮光層で遮られることなく画素開口部を通過させることができるため、従って、光利用効率が極めて高く、明るい投写画像を得られる効果を有する。
【００６４】
また、液晶装置のように偏光光束を用いて表示を行う変調手段を用いて投写型表示装置を構成した場合には、液晶装置４０１に設置されている偏光板における光吸収量を非常に少なくできるため、偏光板及び変調手段の発熱を抑えるのに必要な冷却装置を大幅に小型化することができる。特に、第２の光学要素３００の内部には遮光板３７０を配置しているため、液晶装置を照明する照明光の中に、液晶装置での表示に不要な他の偏光光束が混入することがほとんどない。それ故、液晶装置の光の入射する側に配置された偏光板における光吸収量は極めて少なく、光吸収による発熱量も極めて少なくなることから、偏光板や液晶装置の温度上昇を抑制するための冷却装置を一層小型化することができる。
【００６５】
以上のことから、非常に光出力の大きな光源ランプを用いて、非常に明るい投写画像を表示可能な投写型表示装置を実現しようとした場合にも、小型の冷却装置で対応可能であり、よって冷却装置の騒音を低くすることもでき、静かで高性能な投写型表示装置を実現できる。
【００６６】
さらに、横長の矩形形状である液晶装置４０１の有効画像形成領域の形状に合わせて、第２の光学要素３００においては、２種類の偏光光束を横方向（Ｘ軸方向）に空間的に分離する形態としている。従って、光量を無駄にすることがなく、横長の矩形形状をした液晶装置を照明するのに都合がよい。
【００６７】
一般に、偏光方向がランダムな光束をＰ偏光光束とＳ偏光光束とに単純に分離すると、分離後の光束全体の幅は２倍に拡がり、それに応じて光学系も大型化してしまう。しかし、本発明の投写型表示装置では、第１の光学要素により微小な複数の集光像を形成し、それらの形成過程で生じた光の存在しない空間を上手く利用し、その空間に偏光分離ユニットの反射面を配置することにより、２つの偏光光束に分離することに起因して生じる光束の横方向への幅の広がりを吸収しているので、光束全体の幅は広がらず、小型の光学系を実現している。このことは、液晶装置を照明する際に、大きな角度を伴って液晶装置に入射する光が殆どないことを意味している。従って、Ｆナンバーの小さな極めて大口径の投写レンズ系を用いなくても明るい投写画像を実現でき、その結果、小型の投写型表示装置を実現できる。
【００６８】
また、第２の光学要素３００において２種類の偏光光束を横方向（Ｘ軸方向）に分離するのに伴い、第１の光学要素２００のそれぞれの光束分割レンズ２０１により形成された１つの２次光源像２０３から横方向に列んだ２つの２次光源像２０３、２０５を形成することができる。すなわち、第２の光学要素３００により２次光源像２０３は２倍に増加するため、本例の投写型表示装置１では、第２の光学要素３００によって Ｙ軸方向の配列ピッチだけを２／３に縮めれば良く、Ｘ軸方向の２次光源像の配列ピッチを１／２に縮める必要は無い。従って、レンズの偏心度をそれ程高くする必要がないため、レンズの入射効率が落ちて明るさが減少したり、球面収差が大きくなって像がひずんだりすることがない。
【００６９】
（実施例１の変形例１）
実施例１で用いたマイクロレンズアレイ板は、ＸＹ平面における外形形状が円形状である一般的なマイクロレンズを用いて構成されていたが、それに代えて、６角形状のマイクロレンズによって構成されたマイクロレンズアレイ板を用いることもできる。図１０は、６角形状をなすマイクロレンズ４０４とそのマイクロレンズ４０４によって形成される３次光源像４７０、及び、液晶装置４０１の画素開口部４７４の対応状態を示している。尚、本例においては、光束分割レンズ２０１が４行×４列に配列して構成された第１の光学要素２００の使用を想定している。図から判るように、本例においては、液晶装置４０１の４つの画素に対して１つのマイクロレンズ４０４が対応する構成となっており、１ヶ所のマイクロレンズ４０４によって形成される３次光源像４７０の数は３２[セイコー1]個となっている。
【００７０】
この様な構成においても、第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１や第２の光学要素３００を構成する偏光分離ユニットアレイ３２０及び集光レンズアレイ３１０等のレンズ特性や配置状態を調整し、形成される２次光源像の配列状態と画素開口部４７４の配列状態とを相似関係になるようにすることによって、先の実施例１の場合と同様な効果を期待することができる。
【００７１】
加えて、６角形状のマイクロレンズ４０４を用いてマイクロレンズアレイ板４０２を構成した場合には、マイクロレンズ４０４間に隙間を生じることなく、マイクロレンズ４０４が最密充填されたマイクロレンズアレイ板を構成できるため、マイクロレンズアレイ板４０２における光利用効率を一層向上させることができる。
【００７２】
さらに、液晶装置の中にはデルタ状に画素が配置したものがあり、そのような液晶装置は、１つの液晶装置の画素上に３色のカラーフィルターを搭載してカラー画像を表示する単板方式の投写型表示装置に用いられることが多いが、この様な液晶装置に対しては、マイクロレンズの配列状態と画素開口部の配列状態を一致させ易いことから、本例の６角形状のマイクロレンズによって構成されたマイクロレンズアレイ板の使用が最適である。
【００７３】
（実施例１の変形例２）
レンズの曲面形状がトーリック形状であるマイクロレンズによって構成されたマイクロレンズアレイ板４０２を用いることもできる。トーリック形状のレンズとは、レンズの曲率形状がＸ軸方向とＹ軸方向とで異なる曲面形状を有するレンズのことである。この種のレンズを用いれば、マイクロレンズによって形成される３次光源像４７４の配列状態をＸ軸方向とＹ軸方向とで独立に変化させることができるため、第１の光学要素２００及び第２の光学要素３００によって形成される２次光源像の配列状態を液晶装置４０１の画素開口部４７４の配列状態と一致させる必要がない。例えば、２次光源像のＸ軸方向の配列ピッチとＹ軸方向の配列ピッチの比が１：３／４、つまり、第１の光学要素における光束分割レンズのＸ軸方向とＹ軸方向との配列ピッチの比と等しい状態であってもよい。その場合のは、第１の光学要素２００を全て同心レンズによって構成することができるため、第２の光学要素の集光レンズアレイと第１の光学要素を同一のレンズアレイ体で兼用することができるため、光学系の低コスト化を達成することができる。
【００７４】
（実施例２）
実施例１に示した投写型表示装置１を基本として、３枚の透過型の液晶装置を用いた３板式の投写型表示装置を構成することもできる。
【００７５】
図１１は、本例の投写型表示装置２の光学系の要部を示した概略構成図であり、ＸＺ平面における構成を示している。本例の投写型表示装置２は、実施例１に示した投写型表示装置１を基本として、そこに、白色光束を３色の色光に分離する色光分離手段、及び、３色の色光を合成しカラー画像を形成する色光合成手段をを加え、それぞれの色光を表示情報に基づいて変調し表示画像を形成する透過型の液晶装置を３ヶ所に増やした構成となっている。
【００７６】
本例の投写型表示装置２は、ランダムな偏光光束を一方向に出射する光源部１０を備え、この光源部１０から出射されたランダムな偏光光束は、２次光源像形成手段２０によりほぼ一種類の偏光光束（本例の場合はＳ偏光光束）に変換される。
【００７７】
この２次光源像形成手段２０から出射された光束は、まず、色光分離手段である青光緑光反射ダイクロイックミラー４６１において、赤色光が透過し、青色光及び緑色光が反射する。赤色光は、反射ミラー４６３で反射され、平行化レンズ４１７を経て赤光用液晶装置４１１に達する。一方、青色光及び緑色光のうち、緑色光は、やはり色光分離手段である緑光反射ダイクロイックミラー４６２によって反射され、平行化レンズ４１８を経て緑光用液晶装置４１２に達する。ここで、青色光は各色光のうちで光路の長さが最も長いので、青色光に対しては、入射レンズ４３１、リレーレンズ４３２、及び出射レンズ４３３からなるリレーレンズ系で構成された導光手段４３０を設けてある。即ち、青色光は、緑光反射ダイクロイックミラー４６２を透過した後に、まず、入射レンズ４３１を経て反射ミラー４３５により反射されてリレーレンズ４３２に導かれ、このリレーレンズに集束された後、反射ミラー４３６によって出射レンズ４３３に導かれ、しかる後に、平行化レンズ４１９を経て青光用液晶装置４１３に達する。３ヶ所の液晶装置４１１、４１２、４１３の光が入射する側に配置されている平行化レンズ４１７、４１８、４１９は、実施例１で説明したように、２次光源像形成手段２０からのそれぞれの照明光束を平行化するために設置されている。尚、青光用液晶装置４１３に併設されている平行化レンズ４１９と導光手段の出射レンズ４３３とを一体化したレンズを用いてもよい。
【００７８】
３ヶ所の液晶装置４１１、４１２、４１３には、光が入射する側にマイクロレンズアレイ板４２１、４２２、４２３がそれぞれ配置されており、２次光源像形成手段２０内に形成された２次光源像は、それぞれの液晶装置の対応する画素開口部（図示せず）内に３次光源像として伝達される。すなわち、それぞれの液晶装置に入射した照明光束は、液晶装置４１１、４１２、４１３の遮光層（図示せず）で遮られることなく、そのほとんどが液晶装置４１１、４１２、４１３の画素開口部（図示せず）を通過する。
【００７９】
３ヶ所の液晶装置４１１、４１２、４１３は、それぞれの色光を変調し、各色光に対応した画像情報を含ませた後に、変調した色光を色光合成手段であるクロスダイクロイックプリズム４５０に入射する。クロスダイクロイックプリズム４５０には、赤光反射の誘電体多層膜と青光反射の誘電体多層膜とが十字状に形成されており、それぞれの変調光束を合成しカラー画像を形成する。ここで形成されたカラー画像は、投写光学系である投写レンズ５０によりスクリーン６０上に拡大投影され、投写画像を形成することになる。
【００８０】
このように構成した投写型表示装置２では、一種類の偏光光束を変調するタイプの液晶装置が用いられている。従って、従来の照明装置を用いてランダムな偏光光束を液晶装置に導くと、ランダムな偏光光束のうちの約半分の光は、偏光板（図示せず）で吸収されて熱に変わってしまうので、光の利用効率が悪いと共に、偏光板の発熱を抑える大型で騒音の大きな冷却装置が必要であるという問題点があった。また、液晶装置においても、遮光層の占める画素あたりの面積割合が画素密度の向上に従い増加するので、遮光層において照明光束が遮られる度合いが大きくなるため、光利用効率が悪いと共に、やはり液晶装置の発熱を抑える大型で騒音の大きな冷却装置が必要であるという問題点があった。しかし、本例の投写型表示装置２では、かかる問題点が大幅に改善されている。
【００８１】
即ち、本例の投写型表示装置２では、光源部１０から出射されたランダムな偏光光束を、２次光源像形成手段２０において、ほぼ一種類の偏光光束に変換し、その偏光方向の揃った光束によって３ヶ所の液晶装置４１１、４１２、４１３を照明するため、３ヶ所の液晶装置に併設された偏光板における光吸収は非常に少ない。また、それらの偏光光束は液晶装置の有効画像形成領域上で重畳結合されるため、有効画像形成領域は均一に照明される。さらに、偏光光束の発生過程においては光損失を殆ど伴わないため、光源部から出射される光の殆どすべてを３ヶ所の液晶装置へと導くことができ、さらにまた、３ヶ所の液晶装置に設置されているマイクロレンズアレイ板４２１、４２２、４２３により、液晶装置に入射した光の多くを液晶装置の遮光層で遮られることなく画素開口部を通過させることができる。従って、光利用効率が極めて高く、明るく、明るさムラのない投写画像を得ることができる。
【００８２】
また、液晶装置に併設された偏光板における光吸収を極めて少なくできることから、光吸収による発熱も抑えられ、偏光板や液晶装置の温度上昇を抑制するための冷却装置を大幅に小型化することができる。特に、２次光源像形成手段２０には遮光板３７０を配置しているため、平行性の悪い光束を出射する光源を光源部に用いた場合においても、光源部から出射される照明光の中に液晶装置での表示に不要な他の偏光光束が混入することがほとんどない。従って、平行性の悪い光束を出射する光源を用いた場合でも、上記の優れた特徴を発揮することができる。
【００８３】
以上のことから、非常に光出力の大きな光源ランプを用いて、非常に明るい投写画像を表示可能な投写型表示装置を実現しようとした場合にも、小型の冷却装置で対応可能であり、よって冷却装置の騒音を低くすることもでき、静かで高性能な投写型表示装置を実現できる。
【００８４】
さらに、第２の光学要素３００においては、２種類の偏光光束を横方向（Ｘ方向）に空間的に分離している。従って、光量を無駄にすることがなく、横長の矩形形状をした液晶装置を照明するのに都合がよい。
【００８５】
先の実施例１に関して説明したように、本例の投写型表示装置２では、偏光変換光学要素を組み入れているにもかかわらず、偏光分離ユニットアレイ３２０を出射する光束の幅の広がりが抑えられている。このことは、液晶装置を照明する際に、大きな角度を伴って液晶装置に入射する光が殆どないことを意味している。従って、Ｆナンバーの小さな極めて大口径の投写レンズ系を用いなくても明るい投写画像を実現でき、その結果、小型の投写型表示装置を実現できる。
【００８６】
また、第２の光学要素３００において２種類の偏光光束を横方向（Ｘ軸方向）に分離するのに伴い、第１の光学要素２００のそれぞれの光束分割レンズ２０１により形成された１つの２次光源像２０３から横方向に列んだ２つの２次光源像２０３、２０５を形成することができる。すなわち、第２の光学要素３００により２次光源像２０３は２倍に増加するため、本例の投写型表示装置１では、第２の光学要素３００によってＹ軸方向の配列ピッチだけを２／３に縮めれば良く、Ｘ軸方向の２次光源像の配列ピッチを１／２に縮める必要は無い。従って、レンズの偏心度をそれ程高くする必要がないため、レンズの入射効率が落ちて明るさが減少したり、球面収差が大きくなって像がひずんだりすることがない。  また、本例では、色光合成手段として、クロスダイクロイックプリズム４５０を用いているので、装置の小型化が可能である。また、液晶装置４１１、４１２、４１３と投写レンズ系との間の光路の長さが短いので、比較的小さな口径の投写レンズ系を用いても、明るい投写画像を実現できる。また、各色光は、３光路のうちの１光路のみ、その光路の長さが異なるが、本例では光路の長さが最も長い青色光に対しては、入射レンズ４３１、リレーレンズ４３２、及び出射レンズ４３３からなるリレーレンズ系で構成した導光手段４３０を設けてあるので、色ムラなどが生じない。
【００８７】
尚、２枚のダイクロイックミラーを色光合成手段として用いたミラー光学系により投写型表示装置を構成することもできる。勿論、その場合においても本例の偏光照明装置を組み込むことが可能であり、本例の場合と同様に、光の利用効率に優れた明るい高品位の投写画像を形成することができる。
【００８８】
（実施例３）
実施例１に示した投写型表示装置１を基本として、３枚の反射型の液晶装置を用いた３板式の投写型表示装置を構成することもできる。
【００８９】
図１２は、本例の投写型表示装置３の光学系の要部を示した概略構成図であり、ＸＺ平面における構成を示している。本例の投写型表示装置３は、実施例１に示した投写型表示装置１を基本として、そこに、偏光方向に応じて光束の出射方向を変える偏光ビームスプリッタと、白色光束を３色の色光に分離する色光分離手段、及び、３色の色光を合成しカラー画像を形成する色光合成手段を加え、透過型の液晶装置に代えて反射型の液晶装置を３つ用いた構成となっている。
【００９０】
本例の投写型表示装置３は、ランダムな偏光光束を一方向に出射する光源部１０を備え、この光源部１０から出射されたランダムな偏光光束は、２次光源像形成手段２０によりほぼ一種類の偏光光束（本例の場合はＳ偏光光束）に変換される。
【００９１】
この２次光源像形成手段２０から出射された光束は、偏光ビームスプリッタ４８０に入射し、偏光分離面４８１で反射され進行方向を略９０度変えられ、隣接するクロスダイクロイックプリズム４５０へ入射する。ここで、２次光源像形成手段２０から出射される光束の大部分はＳ偏光光束であるが、僅かながらＳ偏光光束とは偏光方向が異なる偏光光束（本例の場合はＰ偏光光束）が混入している場合があり、その偏光方向が異なる偏光光束（Ｐ偏光光束）は偏光分離面４８１をそのまま通過し、偏光ビームスプリッタ４８０から出射される（このＰ偏光光束は液晶装置を照明する照明光とはならない）。
【００９２】
クロスダイクロイックプリズム４５０に入射したＳ偏光光束は、クロスダイクロイックプリズム４５０により波長に応じて赤色光、緑色光、及び青色光の３つの光束に分離され、平行化レンズ４１７、４１８、４１９を経て、それぞれ対応する反射型の赤色光用液晶装置４１４、反射型の緑色光用液晶装置４１５、及び反射型の青色光用液晶装置４１６に入射する。即ち、クロスダイクロイックプリズム４５０は、液晶装置を照明する照明光に対しては色光分離手段として機能している。３ヶ所の液晶装置４１４、４１５、４１６には、光が入射する側にマイクロレンズアレイ板４２１、４２２、４２３がそれぞれ配置されており、照明光束はマイクロレンズアレイ板上のマイクロレンズによって集光された状態で画素開口部（図示せず）に入射する。
【００９３】
ここで、本例で用いている液晶装置４１４、４１５、４１６は反射型であるため、それぞれの液晶装置においてそれぞれの色光を変調し、各色光に対応した外部からの表示情報を含ませると同時に、それぞれの液晶装置から出射される光束の偏光方向を変化させ、且つ、光束の進行方向を略反転させている。従って、それぞれの液晶装置からの反射光は表示情報に応じて部分的にＰ偏光状態となって出射される。それぞれの液晶装置４１４、４１５、４１６から出射された変調光束（Ｐ偏光光束が主体となる）は、再び、マイクロレンズアレイ板４２１、４２２、４２３と平行化レンズ４１７、４１８、４１９を経て、クロスダイクロイックプリズム４５０に入射し、一つの光学像に合成されて、隣接する偏光ビームスプリッタ４８０に再度入射する。即ち、クロスダイクロイックプリズム４５０は液晶装置から出射される変調光束に対しては色光合成手段として機能している。
【００９４】
偏光ビームスプリッタ４８０に入射した光束のうち、液晶装置４１４、４１５、４１６で変調された光束はＰ偏光光束となっているため、偏光ビームスプリッタ４８０の偏光分離面４８１をそのまま通過し、投写レンズ５０を経てスクリーン６０上に画像を形成する。
【００９５】
このように構成した投写型表示装置３においても、先の投写型表示装置２の場合と同様に、一種類の偏光光束を変調するタイプの液晶装置が用いられている。従って、ランダムな偏光光束を照明光とする従来の照明装置を用いた場合には、偏光ビームスプリッタ４８０で分離され反射型の液晶装置に導かれる光束量は、ランダムな偏光光束のうちの約半分に減少してしまうので、光の利用効率が悪く明るい投写画像を得難いという問題点があった。しかし、本例の投写型表示装置３では、かかる問題点が大幅に改善されている。
【００９６】
即ち、本例の投写型表示装置３では、光源部１０から出射されたランダムな偏光光束を、２次光源像形成手段２０において、ほぼ一種類の偏光光束に変換しているため、偏光ビームスプリッタ４８０に入射する光束は、そのほとんど全てが照明光束として３ヶ所の反射型の液晶装置４１４、４１５、４１６に導かれる。また、それらの偏光光束は液晶装置の有効画像形成領域上で重畳結合されるため、有効画像形成領域は均一に照明される。さらに、偏光光束の発生過程においては光損失を殆ど伴わないため、光源部から出射される光の殆どすべてを３ヶ所の液晶装置へと導くことができ、さらにまた、３ヶ所の液晶装置に設置されているマイクロレンズアレイ板４２１、４２２、４２３により、液晶装置に入射した光の多くを液晶装置の遮光層（図示せず）で遮られることなく画素開口部に導くことができる。従って、光利用効率が極めて高く、明るく、明るさムラのない投写画像を得ることができる。
【００９７】
さらに、第２の光学要素３００においては、２種類の偏光光束を横方向（Ｘ方向）に空間的に分離している。従って、光量を無駄にすることがなく、横長の矩形形状をした液晶装置を照明するのに都合がよい。
【００９８】
先の実施例１に関して説明したように、本例の投写型表示装置３では、偏光変換光学要素を組み入れているにもかかわらず、偏光分離ユニットアレイ３２０を出射する光束の幅の広がりが抑えられている。このことは、液晶装置を照明する際に、大きな角度を伴って液晶装置に入射する光が殆どないことを意味している。従って、Ｆナンバーの小さな極めて大口径の投写レンズ系を用いなくても明るい投写画像を実現でき、その結果、小型の投写型表示装置を実現できる。
【００９９】
また、第２の光学要素３００において２種類の偏光光束を横方向（Ｘ軸方向）に分離するのに伴い、第１の光学要素２００のそれぞれの光束分割レンズ２０１により形成された１つの２次光源像２０３から横方向に列んだ２つの２次光源像２０３、２０５を形成することができる。すなわち、第２の光学要素３００により２次光源像２０３は２倍に増加するため、本例の投写型表示装置１では、第２の光学要素３００によって Ｙ軸方向の配列ピッチだけを２／３に縮めれば良く、Ｘ軸方向の２次光源像の配列ピッチを１／２に縮める必要は無い。従って、レンズの偏心度をそれ程高くする必要がないため、レンズの入射効率が落ちて明るさが減少したり、球面収差が大きくなって像がひずんだりすることがない。
【０１００】
一般に、反射型の液晶装置では、画素密度を向上させた場合においても、透過型の液晶装置に比べて、ある程度高い開口率を確保し易い特徴がある。しかし、反射型の液晶装置において、画素密度を非常に高くし、画素自体を小さくした場合には、横電界効果による隣接画素への影響が避けられないため、遮光層の割合を増やし、画素開口部を小さくしなければならない。従って、反射型の液晶装置を用いた場合においても、本発明の光学的な構成は十分その優れた特徴を発揮することができる。
【０１０１】
尚、本例では、色光分離手段及び色光合成手段としてクロスダイクロイックプリズムを用いているが、それに代えて２枚のダイクロイックミラーを用いることによっても投写型表示装置を構成することができる。勿論、その場合においても本例の偏光照明装置を組み込むことが可能であり、本例の場合と同様に、光の利用効率に優れた明るく高品位の投写画像を形成することができる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、液晶装置等の変調手段の各画素開口部に入射する光束の光量を大幅に増加させることができる。従って、変調手段における光利用効率を大幅に向上でき、明るく、明るさムラのない投写画像が得られる投写型表示装置を実現できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施例１に係る第１の光学要素の斜視図である。
【図３】第１の光学要素を構成する光束分割レンズのレンズ光軸の位置を示す図である。
【図４】第１の光学要素によって形成された２次光源像の配列状態を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る遮光板の斜視図である。
【図６】本発明の実施例１に係る偏光分離ユニットアレイの斜視図である。
【図７】本発明の実施例１に係る偏光分離ユニットの機能を説明するための図である。
【図８】偏光分離ユニットアレイの内部に形成された２次光源像を液晶装置側から見た場合の配列状態を示す図である。
【図９】本発明の実施例１のマイクロレンズアレイ板を設置した液晶装置の概略構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施例１の変形例１において、液晶装置部のマイクロレンズと３次光源像、及び画素開口部の位置関係を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施例２に係る投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【図１２】本発明の実施例３に係る投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１、２、３    投写型表示装置
１０      光源部
２０      ２次光源像形成手段
４０      液晶装置部
５０      投写レンズ
６０      スクリーン
１０１    光源ランプ
１０２    放物面リフレクター
２００    第１の光学要素
２０１    光束分割レンズ
２０２    中間光束
２０３    集光像（２次光源像）
２０４    Ｐ偏光光束による２次光源像
２０５    Ｓ偏光光束による２次光源像
２１０    レンズ光軸
３００    第２の光学要素
３１０    集光レンズアレイ
３１１    集光レンズ
３２０    偏光分離ユニットアレイ
３３０    偏光分離ユニット
３３１    偏光分離面
３３２    反射面
３３３    Ｐ出射面
３３４    Ｓ出射面
３３５    Ｐ偏光光束
３３６    Ｓ偏光光束
３７０    遮光板
３７１    遮光面
３７２    開口面
３８０    選択位相差板
３８１    λ／２位相差板
３９０    結合レンズ
４０１    液晶装置
４０２    マイクロレンズアレイ板
４０３、４０４    マイクロレンズ
４０５    平行化レンズ
４０６    出射側集光レンズ
４１１    赤光用液晶装置（透過型）
４１２    緑光用液晶装置（透過型）
４１３    青光用液晶装置（透過型）
４１４    赤光用液晶装置（反射型）
４１５    緑光用液晶装置（反射型）
４１６    青光用液晶装置（反射型）
４１７、４１８、４１９    平行化レンズ
４２１、４２２、４２３    マイクロレンズアレイ板
４３０    導光手段
４３１    入射レンズ
４３２    リレーレンズ
４３３    出射レンズ
４３５、４３６    反射ミラー
４５０    クロスダイクロイックプリズム
４６１    青光緑光反射ダイクロイックミラー
４６２    緑光反射ダイクロイックミラー
４６３    反射ミラー
４７０    ３次光源像
４７１    液晶基板
４７２    液晶層
４７３    遮光層
４７４    画素開口部
４７５    対向基板
４７６    マイクロレンズ基板
４８０    偏光ビームスプリッタ
４８１    偏光分離面
【図１】
0003692653.tif 000002
【図２】
0003692653.tif 000003
【図３】
0003692653.tif 000004
【図４】
0003692653.tif 000005
【図５】
0003692653.tif 000006
【図６】
0003692653.tif 000007
【図７】
0003692653.tif 000008
【図８】
0003692653.tif 000009
【図９】
0003692653.tif 000010
【図１０】
0003692653.tif 000011
【図１１】
0003692653.tif 000012
【図１２】
0003692653.tif 000013