(57)【要約】【課題】  スクリーンに斜めから光画像を投射してもスクリーンの面内において光強度の最も高い部分を中央に位置させて、鮮明な映像表示が可能な投射型表示装置を得ることを目的とする。【解決手段】  光源系３から出射された光で反射型ライトバルブ２を照射し、反射型ライトバルブ２上に形成される光画像を反射型ライトバルブ２の光軸Ｃ２に対して移動して設けられた投射レンズ系７によってスクリーン８に対して斜めから投射する投射型表示装置１において、光源系３から出射される光を集光する集光レンズ４と、前記集光された光を所定の強度分布をつけた光に変換して反射型ライトバルブ２へ導く柱状光学素子５とを備え、前記スクリーン８の入射面内において光強度の最も高い位置が中央に位置するように、前記集光レンズ４を前記柱状光学素子８の中心軸Ｃ１に対して偏芯して配置した。【選択図】    図１
2008261912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源系から出射された光で反射型ライトバルブを照射し、前記反射型ライトバルブ上に形成される光画像を前記反射型ライトバルブの光軸に対して移動して設けられた投射レンズ系によって、スクリーンに対して斜めから投射する投射型表示装置において、
前記光源系から出射される光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズによって集光された光を所定の光強度分布をつけた光に変換して前記反射型ライトバルブへ導く柱状光学素子とを備え、
前記スクリーンの入射面内において光強度の最も高い部分が中央に位置するように、前記集光レンズを前記柱状光学素子の中心軸に対して偏芯して配置したことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】
前記柱状光学素子の出射端における前記スクリーンの前記投射レンズ系から遠い部分に対応する部分の光強度を高くしたことを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
【請求項３】
前記集光レンズは、前記柱状光学素子の全反射面における短軸方向に偏芯していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投射型表示装置。
【請求項４】
前記柱状光学素子は、前記全反射面における前記柱状光学素子の中心軸方向の寸法をｄ３、前記全反射面における前記短軸方向の寸法をｄ５とするとき、
下記の条件、
ｄ３＜４．６×ｄ５
を満たすことを特徴とする請求項３に記載の投射型表示装置。
【請求項５】
前記柱状光学素子は、前記全反射面における前記柱状光学素子の中心軸方向の寸法をｄ３、前記全反射面における前記短軸方向の寸法をｄ５とするとき、
下記の条件、
ｄ３＝３．３×ｄ５
を満たすことを特徴とする請求項４に記載の投射型表示装置。
【請求項６】
前記集光レンズの前記柱状光学素子の中心軸に対する前記柱状光学素子の短軸方向の偏芯量をｒｙとするとき、下記の条件、
ｒｙ＜０．１６×ｄ５
を満たすことを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項７】
前記集光レンズの前記柱状光学素子の中心軸に対する前記柱状光学素子の短軸方向の偏芯量をｒｙとするとき、
下記の条件、
ｒｙ＝０．１０×ｄ５
を満たすことを特徴とする請求項６に記載の投射型表示装置。
【請求項８】
前記集光レンズは、前記柱状光学素子の全反射面における長軸方向に偏芯していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投射型表示装置。
【請求項９】
前記全反射面における長軸方向の寸法をｄ４とし、
前記集光レンズの前記柱状光学素子の中心軸に対する前記柱状光学素子の長軸方向の偏芯量をｒｘとするとき、下記の条件、
ｒｘ＜０．１０×ｄ４
を満たすことを特徴とする請求項８に記載の投射型表示装置。
【請求項１０】
前記集光レンズの偏芯量を前記投射レンズ系の前記反射型ライトバルブの光軸に対する移動量に応じて調整する集光レンズ調整機構を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクリーンに光画像を投射して映像を表示させる投射型表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の投射型表示装置では、狭いスペースでの設置性や装置の小型化を目的として、スクリーンに斜めから光画像を投射する方法が取られている。しかし、透過型スクリーンの背面から光画像を投射する場合、光画像の主光線の入射角が斜めになるため、スクリーンの正面位置から見た場合に輝度が低下するという問題があった。
【０００３】
そこで、スクリーンを構成するフレネルレンズの中心位置をスクリーンの中心より上方に移動させることにより、スクリーンの斜め上方から光画像を投射したときに、主光線をスクリーンの中心軸上に集光させるようにした投射型表示装置が提案されている。（例えば特許文献１参照。）
【０００４】
【特許文献１】特開平５−８８２６４号公報（段落００１２、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のように主光線をスクリーンの中心軸上に集光させるようにしても、スクリーンの斜めから光画像を投射すると、スクリーンの入射面内において、光強度の高い部分がスクリーンの中心から大きく外れた端部付近に位置する場合、視覚的に鮮明な映像表示を行うために、最も光強度の高い位置をスクリーン入射面内の中心とすることが困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、スクリーンに斜めから光画像を投射してもスクリーンの入射面内において光強度の最も高い部分を中央に位置させて、鮮明な映像表示が可能な投射型表示装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる投射型表示装置は、光源系から出射された光で反射型ライトバルブを照射し、前記反射型ライトバルブ上に形成される光画像を前記反射型ライトバルブの光軸に対して移動して設けられた投射レンズ系によってスクリーンに対して斜めから投射する投射型表示装置において、前記光源系から出射される光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光された光を所定の光強度分布をつけた光に変換して前記反射型ライトバルブへ導く柱状光学素子とを備え、前記スクリーンの入射面内において光強度の最も高い部分が中央に位置するように、前記集光レンズを前記柱状光学素子の中心軸に対して偏芯して配置した。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、スクリーンの入射面内において光強度の最も高い部分が中央に位置するように、集光レンズを柱状光学素子の中心軸に対して偏芯して配置したことにより、スクリーンに斜めから光画像を投射しても鮮明な映像表示が可能な投射型表示装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１〜図７は、本発明の実施の形態１に係る投射型表示装置に関するもので、図１はその全体構成を示す図、図２は投射型表示装置内の光学機器の部分構成を示すものであって、図２（ａ）は集光レンズおよび柱状光学素子の側面を示す図、図２（ｂ）は柱状光学素子の出射端を示す図、図３〜図５は投射型表示装置内の各光学機器における柱状光学素子の出射端、反射型ライトバルブの入射面及びスクリーンの入射面内の光強度分布をシミュレーションした結果をそれぞれ示す図、図６は投射型表示装置内の各光学機器における柱状光学素子の出射端や反射型ライトバルブの入射面及びスクリーンの入射面における４隅の位置関係を示す図、図７は投射型表示装置内で、柱状光学素子の出射端中心からスクリーンまでの光の軌跡を示す図である。
【００１０】
図において、投射型表示装置１は、光源系３から出射された光で反射型ライトバルブ２を照射し、反射型ライトバルブ２の光軸Ｃ２に対して移動して設けられた投射レンズ系７によって、反射型ライトバルブ２上に形成される光画像をスクリーン８に対して斜めから投射するものであって、光源系３から出射される光を集光する集光レンズ４と、集光された光を所定の光強度分布をつけた光に変換して反射型ライトバルブ２へ導く柱状光学素子５とを備えている。集光レンズ４は、スクリーン８の入射面内において光強度の最も高い位置が中央に位置するように、光源系３の光軸Ｃ１上にある柱状光学素子５の中心軸に対して偏芯して配置されている。そのため、柱状光学素子５から出射される光の光強度分布は、柱状光学素子５の出射端５ｂにおいて、スクリーン８の投射レンズ系７からの距離が遠い部分に対応する部分の光強度が高くなるように分布させている。
【００１１】
次に、投射型表示装置の各構成機器の詳細について説明する。
光源系３は、光源３ａと光源３ａの光を反射型ライトバルブ２側に反射させる反射鏡３ｂとから構成している。反射鏡３ｂの反射面は放物面を形成し、光源３ａから光を反射型ライトバルブ２に向かって光軸Ｃ１と略並行に出射する。ここで、光軸Ｃ１は光源系３から反射型ライトバルブ２までの照明光学系（光源系３、集光レンズ４、柱状光学素子５、リレーレンズ６）の光軸であり、照明光学系と反射型ライトバルブ２からスクリーン８までの投射光学系（反射型ライトバルブ２、投射レンズ系７、スクリーン８）とを区別して考えることとする。また、投射光学系の光軸はＣ２とする。
【００１２】
集光レンズ４は、光源系３から出射された光を柱状光学素子５の入射端５ａの１点に集光させるものである。本実施の形態においては、図２（ａ）に示すように、屈折率１．５１７、アッベ数６４．１６７、有効径５４．０ｍｍ、凸面７０の曲率半径５１．５ｍｍ、凸面７１の曲率半径９７．０ｍｍ、厚み（ｄ１）１６．１６ｍｍとした。そして、集光レンズ４と柱状光学素子５の距離（ｄ２）は４９．４１ｍｍとし、光軸Ｃ１より柱状光学素子５の短軸方向（図２（ｂ）のｄ５の方向）、つまり、柱状光学素子５の全反射面のうち、光軸Ｃ１と光軸Ｃ２に規定される平面に平行な方向で、かつ光軸Ｃ１と垂直な方向の偏芯量ｒｙを０．４ｍｍとして設置している。
【００１３】
柱状光学素子５は、通常、集光レンズ４を通過した光の、前記光断面内（すなわち、光軸Ｃ１上を進む中心光に直交する平面内）における光強度分布を均一化する（すなわち、照度むらを低減する）機能を有する。しかし、本実施の形態における柱状光学素子５は、上述した入射端５ａでの集光位置を柱状光学素子５の中心軸（光軸Ｃ１と一致）からずらし、柱状光学素子５の図２（ａ），（ｂ）に示すように光軸Ｃ１方向の寸法（ｄ３）１２．５ｍｍ、光軸Ｃ１に垂直な面での長軸方向の寸法（ｄ４）６．１ｍｍ、短軸方向の寸法（ｄ５）３．８ｍｍに調整している。このため、出射端５ｂから出射される光は図３に示すように、図６（ａ）における辺５Ｂ３−５Ｂ４部分で光強度が最も高く、辺５Ｂ３−５Ｂ４から辺５Ｂ１−５Ｂ２にかけて順次光強度が低くなるように光強度分布に偏りがついた状態で出射される。
【００１４】
柱状光学素子５としては、全反射面を内側にして筒状に組み合わされ、断面が４角となる方形筒状形状をなし、内側を向く表面鏡の反射作用を利用して光を複数回反射させた後に、出射端５ｂから出射させる。従来の投射型表示装置では、光の進行方向に適当な寸法を確保し、内側で複数回反射した光が柱状光学素子５の出射端５ｂの近傍に重畳照射され、柱状光学素子５の出射端５ｂ近傍においては、略均一な光強度分布が得られるようにしている。しかし、本実施の形態においては、集光レンズ４を偏芯させることにより光軸Ｃ１から偏芯した位置に集光されて入射端５ａに入射し、柱状光学素子５の全反射面における、光軸Ｃ１方向の寸法（ｄ３）と、柱状光学素子５において、光軸Ｃ１に垂直な面での短軸方向（図２（ｂ）のｙ方向）の集光レンズ４の偏芯量ｒｙを調整することにより、出射端５ｂにおける光強度分布が、スクリーン８の入射面内の投射レンズ系７から遠い部分に対応する部分の光強度が高くなるように光強度分布を調整している。
【００１５】
柱状光学素子５から出射され、辺５Ｂ３−５Ｂ４での光強度が高くなるように光強度分布に偏りをつけた光は、リレーレンズ６によって反射型ライトバルブ２へ導かれる。
【００１６】
リレーレンズ６の後段には説明の簡略化のため図示していない２枚のリレーレンズと２枚の反射ミラーが備えられ、柱状光学素子５から出射された光は図６（ｂ）に示すように上下左右が反転し、図４に示すように、下端となる辺２Ａ４−２Ａ３が概ね光強度が高い状態で反射型ライトバルブ２に入射する。
【００１７】
反射型ライトバルブ２は、投射する光画像の各画素に対応する可動式のマイクロミラーを多数（例えば、数十万個）平面的に配列したものであり、画素情報に応じて各マイクロミラーの傾斜を変化させるように構成され、入射された光を基に光画像を出射する。マイクロミラーの配列された面（すなわち、マイクロミラーが形成された基板の表面）を基準面とすると、反射型ライトバルブ２は、各マイクロミラーを基準面に対して一定の方向に角度α（例えば、１２度）だけ傾けることにより、入射光を投射レンズ系７にむけて反射する。また、反射型ライトバルブ２は、マイクロミラーを基準面に対して反対方向に角度αだけ傾けることにより、入射光を投射レンズ系７から離れた位置に設けられた光吸収板（図示せず）に向けて反射することにより、スクリーン８上の画像投射に利用させないようにすることができる。
【００１８】
投射レンズ系７は、複数のレンズを組み合わせたものであり、図１の場合、その中心を反射型ライトバルブ２の光軸Ｃ２に対して、垂直上側に６．２ｍｍ移動させた位置に配置させている。これにより、図７に示すように、反射型ライトバルブ２から出射された光画像をスクリーン８の下方から斜め方向に投射することができる。
【００１９】
このとき、柱状光学素子５の出射端５ｂの中心から出射した光５０は、反射型ライトバルブ２の中心とスクリーン８の中心に結像することとなる。この場合、スクリーン８の面内での光画像の中心位置（８ＡＣ）は、反射型ライトバルブ２の光軸Ｃ２に対する投射レンズ系７の垂直方向移動量（６．２ｍｍ）に、投射レンズ系７の倍率を乗算した位置となる。また、反射型ライトバルブ２から出射された光画像は、投射レンズ系７を経由することにより、図６（ｃ）に示すように上下左右反転してスクリーン８に投射される。従って、柱状光学素子５の出射端５ｂでの光線の光強度は、スクリーン８の面内では上下方向では同一、左右方向では反転した位置に対して反映されることになる。ここで、図６（ｂ）と図６（ｃ）は、＋ｘ方向が逆のため、上下方向のみ反転した図となる。
【００２０】
また、スクリーン８の下方に投射型表示装置１を配置し、スクリーン８の下方から斜めに光画像を投射する場合、スクリーン８の面内では下端側が投射レンズ系７から最も近く、上端に向かうにつれ、投射レンズ系７から遠ざかることになる。スクリーンに投射される光強度は、投射される光の強度が同じ場合、投射レンズからの距離の２乗に反比例して小さくなる。従って、従来のように投射レンズ系７から光強度分布が均一な光が照射されると、スクリーン８の下端部８Ａ２−８Ａ１（図６（ｃ））が最も明るくなってしまう。しかし、本実施の形態では、集光レンズ４を偏芯させることにより、スクリーン８の上端側８Ａ４−８Ａ３に対応する柱状光学素子５の出射端５ｂの上端部５Ｂ３−５Ｂ４（図６（ａ））での光強度が高くなるように、光強度分布を調整したので、投射レンズ系７からの距離による光強度の低下と、投射光での光強度の分布が相殺され、図５に示すようにスクリーン８の入射面の概ね中央が最も明るい状態となる。
【００２１】
ただし、上記柱状光学素子５の出射端５ｂの面とスクリーン８の面との位置関係は、柱状光学素子５から反射型ライトバルブ２までの光学系の構成により異なる。その場合、スクリーン８の上端に対応する柱状光学素子５の出射端５ｂでの位置の光強度が強くなるように柱状光学素子５の寸法構成や集光レンズ４の位置を調整すればよい。また、スクリーン８への投射方向が変わる場合には、その投射方向によって最も投射レンズ系７から遠くなるスクリーン８の位置に対応する柱状光学素子５の出射端５ｂでの位置の光強度が強くなるように調整すればよい。
【００２２】
このように調整した光学機器を搭載して投射型表示装置１を製作した。この投射型表示装置１をスクリーン８の入射面に対して斜めの位置（上下左右）に設置することにより、光源系３からの光を受けて反射型ライトバルブ２から出力された光画像が投射レンズ系７を経由してスクリーン８に斜め（上下左右）から拡大投射される。
【００２３】
なお、柱状光学素子５としては、上記以外にガラス又は樹脂等の透明材料で作られ、側壁内側が全反射面となるように構成された例えば、四角柱状のロッド（すなわち、断面形状が四辺形の柱状部材）でもよい。この場合、透明材料と空気界面との全反射作用を利用して光を複数回反射させた後に出射端５ｂ（出射口）から出射させる。
【００２４】
また、投射レンズ系７については、必ずしも固定する必要は無く、光軸Ｃ２に対して垂直な方向に移動する機構を設けることにより、画像投射位置を上下左右に移動させ、スクリーン８に対する投射角度を変更できるようにしてもよい。
【００２５】
また、光源３ａとしては、高圧水銀ランプを用いているが、ハロゲンランプ、キセノンランプでもよく、発光デバイスであればどのようなものでもかまわない。例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、レーザ、ＥＬ（Electro-Luminescence）、無電極放電ランプでもかまわない。また、反射鏡３ｂの反射面の形状および構造は放物面に限定されず、例えば、楕円面でも良い。その場合、光源系３の後段に凹レンズを配置する等工夫すれば集光レンズ４に入射する光を光軸Ｃ１と略並行とすることができる。
【００２６】
さらに、反射型ライトバルブ２は、本実施の形態では上記のようなＤＭＤ（Digital Micro-Mirror Device）素子が用いられるが、どのような反射型ライトバルブ２を用いてもよく、例えば、反射型の液晶表示素子でも良い。
【００２７】
次に、図８を用いて、柱状光学素子５の中心軸方向の寸法ｄ３を変化させたときのスクリーン８上での光強度分布の変化について説明する。なお、図８は図３〜図５と同様にシミュレーション結果に基づくものであり、以降の図９〜図１４に関してもシミュレーション結果に基づくものである。
図８において、縦軸はスクリーン８の図５のライン４０上での相対光強度を示し、横軸は図５のライン４０におけるスクリーン上のｙ方向の位置を示す。ただし、ｘ方向（水平方向）においては左右対称とし、水平方向の中心部分のみについて検討したので、０．５Ｌｙがスクリーン８の中心位置となる。ここで、曲線８０はｄ３を１０ｍｍ、曲線８１は１５ｍｍ、曲線８２は２５ｍｍとした場合を表している。
【００２８】
従来の光学機器では、出射端５ｂでの光強度を均一にするため、ｄ３を長く取っていた。そのため、スクリーン８に斜めに光を投射した場合、曲線８２のように投射レンズ系７から最短距離となるスクリーン８下端（０）が最も光強度が強く、上端（Ｌｙ）に向かって光強度が低下するという結果となる。一方、柱状光学素子５の寸法ｄ３を短くすることにより、出射端５ｂの光強度に分布が生じ、スクリーン８上の光強度分布が変化することが曲線８０、８１から確認できる。さらに、光強度の最も高い位置が変化していることも確認できる。従って、スクリーン８上での光強度分布を変化させるためには、柱状光学素子５の寸法ｄ３を調整することにより、出射端５ｂの光強度に適度な分布をつける必要があることがわかる。ただし、ｄ３を１０ｍｍまで短くした曲線８０では、スクリーン上端部（Ｌｙ）での相対光強度が６０％以下となりスクリーン８内での光強度の変化が大きすぎるので好ましくない。
【００２９】
次に、図９を用いて集光レンズ４の偏芯量（ｒｙ）を０．３ｍｍに設定したときに、図８と同様にｄ３を変えたときのスクリーン８上での相対光強度分布の変化について説明する。図９において、縦軸はスクリーン８の図５のライン４０上での相対光強度を示し、横軸は図５のライン４０におけるスクリーン上のｙ方向の位置を示す。ここで、曲線９０はｄ３を１０ｍｍ、曲線９１は１５ｍｍ、曲線９２は２５ｍｍとした場合を表している。
【００３０】
図９より、柱状光学素子５の寸法ｄ３を変化させ、かつ、集光レンズ４を柱状光学素子５の全反射面の短軸方向であるｙ方向に偏芯させることにより、スクリーン８上の光強度分布をさらに変化させることが可能であることがわかる。また、図８と比較して図９では、スクリーン上端（Ｌｙ）位置における相対光強度が高く、スクリーン８上の光強度分布の均一性が高くなることがわかる。図９の場合、曲線９１の最大光強度位置が概ね０．４Ｌｙであり、スクリーン上端（Ｌｙ）位置の相対光強度が約８０％と高いことから、柱状光学素子５の寸法ｄ３を１５ｍｍとし、集光レンズ４をｙ方向に０．３ｍｍ偏芯させた場合、スクリーン８中心付近（０．５Ｌｙ）が概ね最大光強度位置となり、かつ光強度分布が均一となると考えられる。
【００３１】
以上より、柱状光学素子５の寸法ｄ３と集光レンズ４の偏芯量ｒｙを変化させることにより、スクリーン８上の最大光強度の位置を変化させ、かつ、スクリーン８上の光強度分布の均一性を高くすることが可能となる。
【００３２】
次に、図１０を用いて偏芯量ｒｙを変化させたときの寸法ｄ３とスクリーン８のｙ方向での最大光強度位置との関係について説明する。図１０において、縦軸は図５におけるライン４０において、光強度が最大となるスクリーン８上のｙ方向の位置（Ｌｙ単位）、横軸は柱状光学素子５の寸法ｄ３を示す。ここで、曲線１００は集光レンズ４を偏芯させない場合（ｒｙ＝０）、１０１はｒｙを０．２ｍｍ、１０２はｒｙを０．４ｍｍ、１０３はｒｙを０．６ｍｍとした場合を示す。図１０より、集光レンズ４を偏芯させない場合（１００）が、最もスクリーン８上の最大光強度位置の変化量が小さいことが確認できる。さらに、柱状光学素子５の寸法ｄ３が１７．５ｍｍ以上の場合、偏芯量ｒｙに関わらずスクリーン８上の最大光強度位置を変化させることが不可能なことがわかる。これは、柱状光学素子５の寸法ｄ３が長くなると出射端５ｂでの光強度分布が均一となるために、出射端５ｂに光強度分布をつけることが困難となるからである。
【００３３】
寸法ｄ３による光強度の分布への影響は、内部の壁面で光の反射が繰り返される柱状光学素子５の原理上、ｄ５との相対関係で規定できる。従って、ｄ５を３．８ｍｍに規定したときに図１０の関係（ｄ３が１７．５未満）、つまりｄ３がｄ５の４．６倍未満の場合に、光強度分布を変化させることができるといえる。つまり、スクリーン８上の光強度分布を変化させるためには、ｄ３とｄ５が以下の式１の条件を満足する必要があることになる。
ｄ３＜４．６×ｄ５                              ・・・式１
【００３４】
図１１は、スクリーン８のライン４０上で最も光強度が小さな位置での光強度をスクリーン８のライン４０上で最も光強度が強い位置の光強度に対する相対光強度で表した場合、つまり、最小相対光強度として表したとき、寸法ｄ３を変化させたときの偏芯量ｒｙとスクリーン８のライン４０上での最小相対光強度との関係を示す図である。図において、縦軸はスクリーン８のライン４０上での最小光強度を最大光強度に対する相対値で示した最小相対光強度、横軸は集光レンズ４の偏芯量ｒｙを示す。ここで、曲線１１０はｄ３を７．５ｍｍ、曲線１１１は１０ｍｍ、曲線１１２は１２．５ｍｍ、曲線１１３は１５ｍｍとした場合を表している。図８の曲線８２のようにｄ３が十分長い場合（ｄ３＝２５）、最小相対光強度（位置：Ｌｙ）は約７０％以上となるので、最小相対光強度が７０％以上の場合にスクリーン８上の光強度分布は問題ないとする。図１１より集光レンズ４の偏芯量が０．２ｍｍ〜０．６ｍｍの間において、柱状光学素子５の寸法ｄ３が本実施の形態１におけるｄ３の値である１２．５ｍｍ（曲線１１２）の場合が、最もスクリーン８のライン４０上での最小相対光強度が高い。つまり、スクリーン８の面内において、最大光強度と最小光強度との差が小さく、図５のようにスクリーン８の入射面内での光強度の均一性が高くなっていることがわかる。ここで、ｘ方向に集光レンズを偏芯していないため、ｘ方向の光強度の均一性は概ね変化しない。
【００３５】
図１２は、柱状光学素子５の寸法ｄ３を変化させたときの集光レンズ４の偏芯量ｒｙとスクリーン８上でのｙ方向の最大光強度位置との関係を示す図である。図において、縦軸はスクリーン８上でのｙ方向（図５のライン４０上であって、ｘ方向でのスクリーン中心）の最大光強度位置、横軸は集光レンズ４のｙ方向偏芯量ｒｙを示す。ここで、曲線１２０はｄ３を７．５ｍｍ、曲線１２１は１０ｍｍ、曲線１２２は１２．５ｍｍ、曲線１２３は１５ｍｍとした場合を表している。図１２より、スクリーン８上のｙ方向光強度分布の均一性が高い柱状光学素子５の寸法ｄ３が１２．５ｍｍの場合（曲線１２２）、集光レンズ４のｙ方向偏芯量ｒｙが０．４ｍｍのときに、最大光強度位置が概ねスクリーン８の中心（０．５Ｌｙ）となることがわかる。
【００３６】
図１１よりスクリーン８上のｙ方向光強度分布を均一とするための寸法ｄ３の最適条件は式１と同様に寸法ｄ５との相対関係、つまりｄ３がｄ５の３．３倍のときに最適な光強度分布を得られることができるといえ、その条件は以下の式２で表される。また、集光レンズ４の偏芯量ｒｙと最大光強度位置との関係も、柱状光学素子５の原理上、ｄ５との相対関係で規定できる。従って、ｄ５を３．８ｍｍに規定したときに図１２の関係が得られたのであるから、ｒｙがｄ５の０．１倍の場合に、光強度の高い位置をスクリーン８の中心に位置させることができ、その条件は以下の式３で表される。ただし、偏芯方向は、光源系３から反射型ライトバルブ２までの光学系の設計により、＋ｙ方向とは限らないため、集光レンズ４の偏芯量ｒｙは絶対値とする。
ｄ３＝３．３×ｄ５                          ・・・式２
ｒｙ＝０．１×ｄ５                          ・・・式３
【００３７】
つまり、本実施の形態では、上述した式２および式３に基づいて柱状光学素子５の寸法および集光レンズ４の偏芯量を最適化し、柱状光学素子５の出射端５ｂでの光強度分布を調整したので、図５に示すように、最大光強度位置がスクリーン８の中央部となり、しかも光強度分布の偏りが少ない映像を表示することができる。
【００３８】
上記最適化は、投射レンズ系７の光軸Ｃ２からの移動量を６．２ｍｍに固定した場合についてのものであるが、投射レンズ系７のｙ方向の移動量と、スクリーン８中心を最大光強度位置とする集光レンズ４の偏芯量ｒｙについても検討した。
【００３９】
図１３は、投射レンズ系７の光軸Ｃ２からの移動量、つまり投射レンズ系７の光軸Ｃ２に対するｙ方向の移動量を変化させたときの集光レンズ４の偏芯量ｒｙとスクリーン８上のｙ方向の最大光強度位置との関係を示す図である。図において、縦軸は図５におけるライン４０において、相対光強度が最大となるスクリーン８上のｙ方向の位置（Ｌｙ単位）、横軸は集光レンズ４の偏芯量ｒｙを示す。ここで、曲線１４０は投射レンズ系７の光軸Ｃ２からのｙ方向の移動量が１．５ｍｍ、曲線１４１は３ｍｍ、曲線１４２は４．５ｍｍ、曲線１４３は６．２ｍｍとした場合を表している。なお、柱状光学素子５の寸法ｄ３は１２．５ｍｍである。図１３より、投射レンズ系７の光軸Ｃ２からｙ方向への移動量が変化すると、最大光強度位置をスクリーン８の中央（０．５Ｌｙ）に一致させるための集光レンズ４の偏芯量ｒｙが変化することがわかる。従って、投射レンズ系７のｙ方向への移動に追従して集光レンズ４の偏芯量ｒｙを変化させることにより、常時スクリーン８の中心が最大光強度となるようにすることが可能となる。
【００４０】
また、本実施の形態においては、スクリーン８の下方から光画像を投射するために、投射レンズ系７をｙ方向、つまり、光軸Ｃ１と光軸Ｃ２に規定される平面に平行な方向で、かつ光軸Ｃ２と垂直な方向に移動させた例について説明したが、側方から光画像を投射する場合、つまり、光軸Ｃ１と光軸Ｃ２に規定される平面に垂直な方向に移動させた例についても、以下のように光学機器を構成すればよい。
【００４１】
図１４は、投射レンズ系７の光軸Ｃ２からのｘ方向の移動量を変化させたときの集光レンズ４の柱状光学素子５における全反射面の長軸方向（図２（ｂ）のｘ方向）であるｘ方向偏芯量ｒｘ、つまり、柱状光学素子５の全反射面における光軸Ｃ１に垂直な面であって、光軸Ｃ１と光軸Ｃ２で規定される平面に垂直な辺の方向の偏芯量とスクリーン８上のｘ方向の最大光強度位置との関係を示す図である。図において、縦軸は図５におけるライン４１において、相対光強度が最大となるスクリーン８上のｘ方向の位置（Ｌｘ単位）、横軸は集光レンズ４の偏芯量ｒｘを示す。ここで、曲線１５０は投射レンズ系７の光軸Ｃ２からのｘ方向の移動量が１．５ｍｍ、曲線１５１は３ｍｍ、曲線１５２は４．５ｍｍとした場合を表している。図１４より、投射レンズ系７を光軸Ｃ２からｘ方向に移動させた場合においても、集光レンズ４をｘ方向に偏芯させることにより、常時スクリーン８の入射面内の中心が最大光強度となるようにすることが可能となる。ここで、スクリーン８のｘ方向中心は０．５Ｌｘである。
【００４２】
また、図１３および図１４から、最大光強度位置をスクリーン８の中央に一致させるためには、集光レンズ４の偏芯量は、ｘ方向、ｙ方向ともに０．６ｍｍまでとすることが好ましいと考えられる。
【００４３】
また、ｘ方向の偏芯量ｒｘは、内部の壁面で光の反射が繰り返される柱状光学素子５の原理上、全反射面における光軸Ｃ１に垂直な面であって、光軸Ｃ１と光軸Ｃ２で規定される平面に垂直な辺の寸法ｄ４（６．１ｍｍ）との相対関係で規定できる。従って、投射レンズ系７を光軸Ｃ２からｘ方向に移動させる場合に、偏芯量ｒｘが柱状光学素子５の全反射面における長軸方向の寸法ｄ４に対して０．１０倍未満である場合に、スクリーン８の中心を最大光強度となるように、光強度分布を変化させることができ、その条件は、以下の式４で表される。
【００４４】
また、投射レンズ系７を光軸Ｃ２からｙ方向に移動させる場合に、偏芯量ｒｙが柱状光学素子５の全反射面における短軸方向の寸法ｄ５に対して０．１６倍未満である場合に、スクリーン８の中心を最大光強度となるように、光強度分布を変化させることができ、以下の式５で表される。ただし、偏芯方向は、光源系３から反射型ライトバルブ２までの光学系の設計により、本実施の形態のような＋ｙ方向および−ｘ方向（図６（ａ））とは限らないため、集光レンズ４の偏芯量ｒｘおよび偏芯量ｒｙは絶対値とする。
ｒｘ＜０．１０×ｄ４                ・・・式４
ｒｙ＜０．１６×ｄ５                ・・・式５
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、光源系３から出射された光で反射型ライトバルブ２を照射し、反射型ライトバルブ２の光軸Ｃ２に対して移動して設けられた投射レンズ系７によって、反射型ライトバルブ２上に形成される光画像をスクリーン８に対して斜めから投射する投射型表示装置１において、光源系３から出射される光を集光する集光レンズ４と、前記集光された光を所定の光強度分布をつけた光に変換して反射型ライトバルブ２へ導く柱状光学素子５とを備え、集光レンズ４は、スクリーン８の入射面内において光強度の最も高い部分が中央に位置するように、柱状光学素子８の中心軸Ｃ１に対して偏芯して配置したので、スクリーン８に斜めから光画像を投射しても光強度の高い部分がスクリーン８の入射面の中心（８ＡＣ）に概ね一致し、鮮明な映像表示が可能な投射型表示装置１を得ることができる。
【００４６】
特に、柱状光学素子５の出射端５ｂにおける光強度分布を、スクリーン８の入射面内の投射レンズ系７から遠い部分（辺８Ａ４−８Ａ３）に対応する部分（辺５Ｂ３−５Ｂ４）の光強度が高くなるように分布させたので、光強度の高い部分がスクリーンの中心（８ＡＣ）に概ね一致し、好適な光強度分布によって鮮明な映像表示が可能な投射型表示装置１を得ることができる。
【００４７】
さらに、寸法ｄ３と寸法ｄ５との関係が式１または２を満足するように、偏芯量ｒｙと寸法ｄ５との関係が式３または５を満足するように、または偏芯量ｒｘと寸法ｄ４との関係が式４を満足するように調整したので、スクリーン８の入射面内での光強度分布を最適化し、鮮明な映像を表示することができる。
【００４８】
なお、上記実施の形態１において、投射レンズ系７の移動量を調整可能とした場合、集光レンズ４の偏芯量を、投射レンズ系７の反射型ライトバルブ２の光軸Ｃ２に対する移動量に応じて調整する集光レンズ調整機構（図示せず）を設けるようにしてもよい。その場合、設置位置に応じてスクリーン８に対する投射角度を変更するために投射レンズ系７の移動量を調整したときに、投射レンズ系７の移動量が変化しても、それに対応して集光レンズ４の偏芯量が調整される。従って、どのような投射角度で光画像を投射しても、光強度の高い部分がスクリーン８の入射面の中心（８ＡＣ）に概ね一致し、鮮明な映像表示が可能な投射型表示装置１を得ることができる。
【００４９】
なお、実施の形態１において、図３、図９〜図１３での集光レンズ４の偏芯方向は、図６（ａ）における＋ｙ方向、図１４での集光レンズ４の偏芯方向は、図６（ａ）における−ｘ方向である。
【００５０】
集光レンズ４の偏芯するｙ方向を、柱状光学素子５の全反射面の短軸あるいは光軸Ｃ１と光軸Ｃ２に規定される平面に平行な方向で、かつ光軸Ｃ１と垂直な方向であると説明しているが、柱状光学素子５の矩形断面の短軸方向（図２（ｂ）あるいは、図６（ａ）のｙ方向）をも意味している。また、集光レンズ４の偏芯するｘ方向についても、柱状光学素子５の全反射面の長軸あるいは光軸Ｃ１と光軸Ｃ２に規定される平面に垂直な方向であると説明しているが、柱状光学素子５の矩形断面の長軸方向（図２（ｂ）あるいは、図６（ａ）のｘ方向）をも意味している。
【００５１】
実施の形態２．
図１５は、本実施の形態２における投射型表示装置を示すものである。図において、投射型表示装置２００は、筐体２１０内部に実施の形態１における光学機器系を備えた映像投射部２０１を備え、映像投射部２０１から斜め上方に投射した光画像を背面ミラー２０２で反射させ、反射させた光画像を正面に設置した透過型のスクリーン２０８の背面から投射し、スクリーン２０８の前面から映像を観ることができるものである。
【００５２】
本実施の形態２における投射型表示装置２００は、上記実施の形態１で説明した光学機器系を備えた映像投射部２０１を備え、透過型スクリーン２０８の斜め下方から光画像を投射することにより、筐体２１０を小さくすることができる。しかも、スクリーン２０８の入射面内での光強度がスクリーン２０８の入射面内の中心で最も強く、しかも、入射面内での光強度の偏りが少ないので鮮明な映像を表示することができる。
【００５３】
なお、上記実施の形態１、２では、集光レンズ４を光源系３と柱状光学素子５の間に１枚有しているが、集光レンズ４の光源系３側あるいは柱状光学素子５側にさらにレンズを１枚設けてもかまわない。また、本実施の形態１では、集光レンズ４を一枚のレンズとしているが、複数のレンズを接合したレンズアレイでもかまわない。レンズアレイの各レンズの偏芯量を変化させることにより、柱状光学素子５の出射端５ｂの光強度分布を変化させることが可能となる。
【００５４】
また、柱状光学素子５から反射型ライトバルブ２までの光学系の構成についても上記実施の形態１、２に制限されることはなく、例えば柱状光学素子５の後段に３枚のリレーレンズと反射ミラーを１枚備え、反射型ライトバルブ２に光を照射するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１における投射型表示装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１における投射型表示装置の部分構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における投射型表示装置の柱状光学素子の出射端での光強度分布をシミュレーションした結果を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１における投射型表示装置の反射型ライトバルブの入射面での光強度分布をシミュレーションした結果を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１における投射型表示装置を用いたときにスクリーンの入射面内での光強度分布をシミュレーションした結果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１における投射型表示装置の各部及びスクリーンでの４隅の位置関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１における投射型表示装置内の光の軌跡を示す図である。
【図８】柱状光学素子の寸法ｄ３を変化させたときのシミュレーション結果に基づくスクリーン上での光強度分布を示す図である。
【図９】柱状光学素子の寸法ｄ３を変化させたときのシミュレーション結果に基づくスクリーン上での光強度分布を示す図である。
【図１０】シミュレーション結果に基づく柱状光学素子の寸法ｄ３とスクリーン上のｙ方向での最大光強度位置との関係を示す図である。
【図１１】シミュレーション結果に基づく集光レンズの偏芯量ｒｙとスクリーンのライン上での最小相対光強度との関係を示す図である。
【図１２】シミュレーション結果に基づく集光レンズの偏芯量ｒｙとスクリーン上のｙ方向での最大光強度位置との関係を示す図である。
【図１３】シミュレーション結果に基づく集光レンズの偏芯量ｒｙとスクリーン上のｙ方向での最大光強度位置との関係を示す図である。
【図１４】シミュレーション結果に基づく集光レンズの偏芯量ｒｘとスクリーン上のｘ方向での最大光強度位置との関係を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態２における投射型表示装置を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  投射型表示装置、  ２  反射型ライトバルブ、  ３  光源系、  ３ａ  光源、  ３ｂ  反射鏡、  ４  集光レンズ、  ５  柱状光学素子、  ５ａ  入射端、  ５ｂ  出射端、  ７  投射レンズ系、  ８  スクリーン、
【図１】
2008261912.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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