(57)【要約】【課題】光利用効率を容易に向上させることができる照明光学系及び表示装置を提供する。【解決手段】光源２９からの光束は、第１のレンズアレイ３３ａに入射され、複数の部分光束に分割され、第２のレンズアレイ３３ｂで集光され、主光線及び主光線に対して所定の角度範囲以内の光線は、ＰＳ分離合成素子３５の有効エリアに入射する。主光線に対して所定の角度範囲以外の光線５０は、第１のレンズアレイ３３ａと第２のレンズアレイ３３ｂの合成焦点距離に位置する反射板３４に入射して反射され、光線５１として第２と第１のレンズアレイ３３ｂと３３ａの対応するレンズを通って、光源２９に戻され、光源２９から光線５２として再度出射される。【選択図】図４
2004077935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の照射方向に照明光を出射する光源部と、
前記光源部から出射される前記照明光を所定の有効領域に集光する集光手段と、
前記集光手段から前記所定の有効領域以外の非有効領域に入射した光を前記光源部に反射する反射手段と
を有し、
前記光源部は、前記反射された光を前記照射方向に出射する
照明光学装置。
【請求項２】
前記反射手段は、前記集光手段の焦点距離に位置し、
前記反射手段は、前記非有効領域に入射した光を前記集光手段に反射し、
前記集光手段は、当該反射光を前記光源部に出射する
請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項３】
前記光源部は、光源と、前記光源からの光を導光し所定の照射方向に出射する導光部とを有し、
前記集光手段は、前記反射手段から出射された反射光を前記導光部に出射し、前記導光部は、前記集光手段から出射された光を導光し、前記照射方向に出射する
請求項２に記載の照明光学装置。
【請求項４】
前記集光手段は、
複数のレンズが配列され、前記光源からの光を複数の部分光束に分割し、集光する第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に対応して配列された複数のレンズを含み、前記第１のレンズアレイの各レンズから出射された各部分光束を互いに重畳する方向に集光する第２のレンズアレイと
を有する
請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項５】
前記反射手段は、前記第２のレンズアレイの所定のレンズからの入射光の反射光が、前記第２のレンズアレイの当該所定のレンズと、前記第１のレンズアレイの対応するレンズとを通るように、前記第２のレンズアレイの所定のレンズからの前記入射光を反射する
請求項４に記載の照明光学装置。
【請求項６】
前記反射手段は、入射された光を正反射する機能を有する
請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項７】
光源と、
前記光源からの光を導光し所定の照射方向に光を出射する導光部と、
前記導光部から出射された光を集光する集光手段と、
前記集光手段から入射された光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光光束に分離する偏光分離手段と、
前記２つの偏光光束の偏光方向を一致させる偏光変換手段と、
前記偏光変換手段からの偏光光束を入射され、印加された駆動電圧に応じて前記入射された偏光光束を変調する表示素子と、
前記表示素子に変調されて、出射された光を投射する投射レンズと
を有し、
前記集光手段から前記偏光変換手段に入射した光を前記導光部に反射する反射手段をさらに有し、
前記導光部は、前記反射された光を前記照射方向に出射する
表示装置。
【請求項８】
前記反射手段は、前記集光手段の焦点距離に位置し、
前記反射手段は、前記偏光変換手段に入射した光を前記集光手段に反射し、
前記集光手段は、当該反射光を前記導光部に出射する
請求項７に記載の表示装置。
【請求項９】
前記集光手段は、
複数のレンズが配列され、前記光源からの光を複数の部分光束に分割し、集光する第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に対応して配列された複数のレンズを含み、前記第１のレンズアレイの各レンズから出射された各部分光束を互いに重畳する方向に集光する第２のレンズアレイと
を有する
請求項７に記載の表示装置。
【請求項１０】
前記反射手段は、前記第２のレンズアレイの所定のレンズからの入射光の反射光が、前記第２のレンズアレイの当該所定のレンズと、前記第１のレンズアレイの対応するレンズとを通るように、前記第２のレンズアレイの所定のレンズからの入射光を反射する
請求項９に記載の表示装置。
【請求項１１】
前記偏光分離手段は、前記第２のレンズアレイに集光された前記各部分光束を入射され、前記各々の部分光束を偏光方向が互いに直交する２つの偏光光束に分離する複数の偏光分離部を有し、
前記偏光変換手段は、前記各々の部分光束の前記分離された２つの偏光光束の偏光方向を一致させる複数の偏光変換部を有し、
前記反射手段は、前記第２のレンズアレイから前記複数の偏光変換部に入射された光をそれぞれ前記導光部に反射する複数の反射部を有する
請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１２】
前記反射部は、入射された光を正反射する機能を有する
請求項１１に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光学装置およびそれを用いた表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネル（ＬＣＤ）によって光変調された光をスクリーンに投射して、画像を表示する投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）が知られている。投射型液晶表示装置における画像の投射方式としては、スクリーンの前面側より画像を投射する前面投射式（フロント式）と、スクリーンの背面側より画像を投射する背面投射式（リア式）とがある。また、投射型液晶表示装置において、カラー表示を行うものには、液晶パネルを１枚用いる単板方式と、赤（Ｒｅｄ＝Ｒ），緑（Ｇｒｅｅｎ＝Ｇ），青（Ｂｌｕｅ＝Ｂ）の３つの色光に対応した３枚の液晶パネルを用いる３板方式とがある。
【０００３】
このような投射型液晶表示装置では、通常、液晶パネルの入射側および出射側にそれぞれ偏光板を配して、入射側の偏光板によって偏光方向を１方向に揃えた直線偏光光束を照明光学系から液晶パネルに入射し、この入射光に対して画素ドットごとに偏光方向の変調を行い、この変調された光を出射側の偏光板によって検光することで、画素ドットごとに強度変調された光学画像を形成し、これを投射光学系によりスクリーン上に投影するようになっている。
【０００４】
図５は、従来の投射型液晶表示装置において、照明光学系の概略構成図である。図５に示された照明光学系は、発光体１３０と回転対称な凹面鏡１３１からなり、白色光を放射する光源１２９と、光源１２９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１３２と、第１のレンズアレイ１３３ａおよび第２のレンズアレイ１３３ｂからなるフライアイレンズ部１３３と、ＰＳ分離合成素子１３５と、ＰＳ分離合成素子１３５の非入射有効領域に入射する光を遮光する遮光膜１３４とを含む。
このような照明光学系は、偏光方向を１方向に揃えた直線偏光光束を生成し、その直線偏光の偏光方向を液晶パネルの入射側の偏光板の偏光方向に合わせて液晶パネルに入射する。
【０００５】
第１のレンズアレイ１３３ａおよび第２のレンズアレイ１３３ｂからなるフライアイレンズ部１３３は、光源１１から出射した白色光を拡散させて、後段の液晶パネルでの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１のレンズアレイ１３３ａは、多数の微小なレンズを２次元的に配列して構成され、光源１２９からのほぼ平行な単一光束を各レンズによって複数の部分光束に分割してそれぞれ集光するようになっている。
また、第２のレンズアレイ１３３ｂは、第１のレンズアレイの各レンズに対応して２次元的に配列された複数のレンズを含んで構成されている。この第２のレンズアレイ１３３ｂの各レンズ及び不図示のコンデンサレンズは、第１のレンズアレイ１３３ａの対応するレンズから入射された各部分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。
なお、図５では、説明の簡略化のために、第１のレンズアレイ１３３ａおよび第２のレンズアレイ１３３ｂのレンズを図の上下方向に各６個配列するように表しているが、実際には、例えば、８×１０＝８０個という多数のレンズが配列されるようになっており、それぞれのサイズは微小なものとなる。
【０００６】
図５に示すように、第２のレンズアレイ１３３ｂの直後にＰＳ分離合成素子１３５が配置されている。図６に示すように、ＰＳ分離合成素子１３５は、複数のＰＳ分離プリズム１１２と、反射プリズム１１３と、位相板１１４とから構成され、第２のレンズアレイ１３３ｂにおける各レンズに対応する位置に設けられている。
各ＰＳ分離プリズム１１２は、第２のレンズアレイ１３３ｂのレンズから出射した光束の集光点近傍に配置され、反射プリズム１１３は、第２のレンズアレイ１３３ｂにおける互いに隣接するレンズの間に対応する位置に配置されている。
【０００７】
ＰＳ分離プリズム１１２は、Ｐ偏光とＳ偏光とが混合したＰＳ混合入射光（Ｐ＋Ｓ）のうちのＰ偏光成分を透過しＳ偏光成分を反射し、入射光束を互いに直交する偏光方向をもつ２つの直線偏光光束に分離する。
反射プリズム１１３は、ＰＳ分離プリズム１１２によって分離されたＳ偏光光束を反射し、ＰＳ分離プリズム１１２を透過したＰ偏光光束と同一方向に出射させる。
位相板１１４は、反射プリズム１１３から出射されたＳ偏光光束の偏光方向を９０度変化させてＰ偏光光束に変換する。位相板１１４は１／２波長板で構成される。
ここで、Ｐ偏光とは入射面内で振動する直線偏光であり、Ｓ偏光とは入射面と直交する面内で振動する直線偏光である。
【０００８】
ＰＳ分離合成素子１３５によって、光源１２９から出射されたＰＳ混合光が、単一の方向に偏光した直線偏光光束に変換される。さらに、出射された直線偏光の偏光方向と液晶パネルの入射側偏光板の偏光軸の方向とを一致させて入射する。これによって、光源１２９から出射された光が、液晶パネルの入射側偏光板では光吸収がほとんど生じずに、光量損失がなく液晶パネルに照射する。
ＰＳ分離合成素子１３５を設けなければ、液晶パネルの入射側偏光板は、異なる方向の偏光成分を含む入射光のうちのある１つの偏光方向成分のみを通過させ、他の偏光方向の光を遮断するので、遮断された光は吸収されて損失となる。このため、入射側偏光板においては、そのような吸収による偏光板の発熱の問題が生じ、光量が低下する。
ＰＳ分離合成素子１３５を配置することによって、上記した吸収による発熱および光量低下を防止する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、ＰＳ分離プリズム１１２は、第２のレンズアレイ１３３ｂのレンズから出射した光束の集光点近傍に配置されており、図６に示すように、入射されるＰＳ混合光をＰＳ分離プリズム１１２に向けて照射する。
即ち、ＰＳ分離プリズム１１２が対応する領域に入射した光は、ＰＳ分離合成素子１３５に偏光分離及び変換され、液晶パネルに照射する。言わば有効な入射光である。一方、それ以外の領域、例えば、反射プリズム１１３に対応する領域に入射した光は、偏光分離及び変換されず、利用できない光となる。
【００１０】
反射プリズム１１３に対応する領域に入射した光は、その偏光状態はＰＳ分離合成素子１３５で分離変換されず、熱としてＰＳ分離合成素子１３５に吸収されるため、それを防ぐ遮光板１１も通常設置される。
図５と図６に示すように、ＰＳ分離合成素子１３５の直前に、反射プリズム１１３に対応する位置と幅で、遮光板１３４は設置されており、その不要な入射光を遮断する。
遮光板１３４として、従来は、入射された光を散乱する散乱膜、例えば、表面の粗い金属が用いられていた。このような遮光板１３４によって、図５に示すように、遮光板１３４に入射した不要な入射光１５０は散乱されて、各方向に出射され、ＰＳ分離合成素子１３５に入射することを防止する。
【００１１】
しかし、遮光板１３４に入射する光は散乱されて、完全な損失となり、光量が低減する。
その部分の光損失を小さくする方法として、第１のレンズアレイ１３３ａ、または、第２のレンズアレイ１３３ｂのレンズを偏心した構成をし、第２のレンズアレイ１３３ｂのレンズ殻の光の焦点位置を微調整し、ＰＳ分離合成素子の有効エリアに効率よく光を入射する方法が知られている。
ただし、この方法も、第１のレンズアレイ１３３ａ、または、第２のレンズアレイ１３３ｂの各微小なレンズの大きさがさらに小さくなり、厳しい公差が必要となり、加工することが困難であり、また、コスト高の要因ともなる。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光利用効率を容易に向上させることができる照明光学装置及び表示装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の照明光学装置は、所定の照射方向に照明光を出射する光源部と、前記光源部から出射される前記照明光を所定の有効領域に集光する集光手段と、前記集光手段から前記所定の有効領域以外の非有効領域に入射した光を前記光源部に反射する反射手段とを有し、前記光源部は、前記反射された光を前記照射方向に出射する。
【００１４】
前記反射手段は、前記集光手段の焦点距離に位置し、前記光源部は、光源と、前記光源からの光を導光し所定の照射方向に光を出射する導光部とを有する。
前記反射手段は、前記非有効領域に入射した光を前記集光手段に反射し、前記集光手段は、当該反射光を前記導光部に出射し、前記導光部は、前記集光手段から出射された光を導光し、前記照射方向に出射する。
前記反射手段は、入射された光を正反射する機能を有する。
【００１５】
前記集光手段は、複数のレンズが配列され、前記光源からの光を複数の部分光束に分割し、集光する第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に対応して配列された複数のレンズを含み、前記第１のレンズアレイの各レンズから出射された各部分光束を互いに重畳する方向に集光する第２のレンズアレイとを有する。
前記反射手段は、前記第２のレンズアレイの所定のレンズからの入射光の反射光が、前記第２のレンズアレイの当該所定のレンズと、前記第１のレンズアレイの対応するレンズとを通るように、前記第２のレンズアレイの所定のレンズからの前記入射光を反射する。
【００１６】
本発明の表示装置は、光源と、前記光源からの光を導光し所定の照射方向に光を出射する導光部と、前記導光部から出射された光を集光する集光手段と、前記集光手段から入射された光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光光束に分離する偏光分離手段と、前記２つの偏光光束の偏光方向を一致させる偏光変換手段と、前記偏光変換手段からの偏光光束を入射され、印加された駆動電圧に応じて前記入射された偏光光束を変調する表示素子と、前記表示素子に変調されて、出射された光を投射する投射レンズとを有し、前記集光手段から前記偏光変換手段に入射した光を前記導光部に反射する反射手段をさらに有し、前記導光部は、前記反射された光を前記照射方向に出射する。
【００１７】
以上の本発明の照明光学装置によれば、光源部から出射された光は、集光手段に集光され、照明領域に照射する。集光手段からの光は非照明領域に照射した場合に、その照射光を反射する反射手段を設け、該照射光を光源部に反射し、再度集光手段に出射する。
以上の本発明の表示装置によれば、光源から出射された光は、集光手段に集光され、偏光分離手段に照射し、偏光方向が互いに直交する２つの偏光光束に分離される。偏光変換手段は、当該２つの偏光光束の偏光方向を一致させ、出射する。集光手段からの光は偏光変換手段に入射した場合に、その入射光を反射する反射手段を設け、その入射光を導光部に反射し、再度集光手段に出射する。
【００１８】
【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。本発明の表示装置の一例として、投影型液晶表示装置を用いる。
【００１９】
図１は、本発明の一実施の形態に係る液晶表示装置の光学系の概略構成図である。この液晶表示装置は、３板式の投射型カラー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２９と、光源２９から出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３２と、第１のレンズアレイ３３ａおよび第２のレンズアレイ３３ｂからなるフライアイレンズ部３３と、反射板３４と、ＰＳ分離合成素子３５と、フライアイレンズ部３３の第２のレンズアレイ３３ｂを透過した光束を液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂに向けて集光するコンデンサレンズ３６とを備えている。
【００２０】
また、本実施形態に係る液晶表示装置は、コンデンサレンズ３６の後方の同一光路上に所定間隔を隔ててが順次設けられ、白色光束を赤色光（Ｒ），緑色光（Ｇ）に分離するダイクロイックミラー３７Ｒ，３７Ｇと、ダイクロイックミラー３７Ｇの後方に配置され、ダイクロイックミラー３７Ｇを通過する青色光（Ｂ）を入射方向と直交する方向に反射する反射ミラー４５ａと、反射ミラー４５ａで反射された青色光をさらに入射方向と直交する方向に反射する反射ミラー４５ｂと、ダイクロイックミラー３７Ｒで分離反射された赤色光を入射方向と直交する方向に反射する反射ミラー４５ｃとを備えている。
【００２１】
また、本実施形態に係る液晶表示装置には、ダイクロイックミラー３７Ｇ、及び反射ミラー４５ｂ、４５ｃから入射されたＲ，Ｇ，Ｂの各色光の直線偏光を、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂに平行に入射させるフィールドレンズ４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂと、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂを挟んで、液晶パネル入射側に設置された偏光板３８Ｒ，３８Ｇ，３８Ｂと、液晶パネル出射側に設置された偏光板４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂと、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂで変調された各色光のうち、出射側偏光板４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂを通過した所定の方向の偏光成分の各色光を色合成して出射するダイクロイックプリズム４２と、ダイクロイックプリズム４２から出射した合成光を集光してスクリーン４４上に投影する投影レンズ４３とが設けられている。
【００２２】
光源２９は、発光体３０と、回転対称な凹面鏡３１とを含んで構成される。発光体２９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３１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。
【００２３】
第１のレンズアレイ３３ａおよび第２のレンズアレイ３３ｂからなるフライアイレンズ部３３は、光源２９から出射した白色光を拡散させて後述する液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂ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１のレンズアレイ３３ａは、多数の微小なレンズを２次元的に配列して（例えば、８×１０＝８０個程度配列して）構成され、光源２９からのほぼ平行な単一光束を各レンズによって複数の部分光束に分割してそれぞれ集光するようになっている。
【００２４】
第１のレンズアレイ３３ａの各レンズの形状は液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂの形状と相似形となっており、両者は像共役の関係にある。また、第２のレンズアレイ３３ｂは、第１のレンズアレイ３３ａの各レンズに対応して２次元的に配列された複数のレンズ要素を含んで構成されている。この第２のレンズアレイ３３ｂの各レンズは、第１のレンズアレイ３３ａの対応するレンズから入射された各部分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。そして、第２のレンズアレイ３３ｂの各レンズからそれぞれ出射された部分光束は、コンデンサレンズ３６によって集光され、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂのそれぞれにおいて重畳され、均一な光量で液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂの表面を照明するようになっている。
即ち、第１のレンズアレイ３３ａの各レンズを通った各部分光束は液晶パネル３９上にそれぞれ拡大投影され重畳される。これにより、第１のレンズアレイ３３ａに入射する前の段階では光束断面内強度分布が不均一であったとしても、液晶パネル３９上における照度分布は十分均一なものとなる。
【００２５】
ここで、凹面鏡３１は、本発明における「導光部」に対応し、フライアイレンズ部３３が本発明における「集光手段」に対応し、第１のレンズアレイ３３ａが本発明における「第１のレンズアレイ」に対応し、第２のレンズアレイ３３ｂが本発明における「第２のレンズアレイ」に対応する。
【００２６】
第２のレンズアレイ３３ｂの後にＰＳ分離合成素子３５が配置されている。
図２（ａ）と（ｂ）は、ＰＳ分離合成素子３５の断面図と平面図である。
図２（ａ）に示すように、ＰＳ分離合成素子３５は、複数のＰＳ分離プリズム１２と、反射プリズム１３と、位相板１４とから構成され、第２のレンズアレイ３３ｂにおける各レンズに対応する位置に設けられている。
図１においては、各ＰＳ分離プリズム１２は、フライアイレンズ部３３の合成焦点距離、即ち、第２のレンズアレイ３３ｂのレンズから出射した光束の集光点近傍に配置され、反射プリズム１３は、第２のレンズアレイ３３ｂにおける互いに隣接するレンズの間に対応する位置に配置されている。
【００２７】
ＰＳ分離プリズム１２は、Ｐ偏光とＳ偏光とが混合したＰＳ混合入射光（Ｐ＋Ｓ）のうちのＰ偏光成分を透過しＳ偏光成分を反射し、入射光束を互いに直交する偏光方向をもつ２つの偏光光束に分離する。
反射プリズム１３は、ＰＳ分離プリズム１２によって分離されたＳ偏光光束を反射し、ＰＳ分離プリズム１２を透過したＰ偏光光束と同一方向に出射させる。位相板１４は、１／２波長板で構成され、反射プリズム１３から出射されたＳ偏光光束の偏光方向を９０度変化させてＰ偏光光束に変換する。
ここで、Ｐ偏光とは入射面内で振動する直線偏光であり、Ｓ偏光とは入射面と直交する面内で振動する直線偏光である。
なお、ここで、ＰＳ分離プリズム１２は、本発明における「偏光分離手段」に対応し、反射プリズム１３と位相板１４は、本発明における「偏光変換手段」に対応する。
【００２８】
ＰＳ分離プリズム１２、フライアイレンズ部３３の合成焦点距離、即ち、第２のレンズアレイ３３ｂのレンズから出射した光束の集光点近傍に配置されているので、理想的には、第２のレンズアレイ３３ｂのレンズから出射されたＰＳ混合部分光束は、ＰＳ分離プリズム１２の入射面のみから入射して、ＰＳ分離プリズム１２で収束し、偏光分離される。
しかし、実際に、ＰＳ分離プリズム１２に入射するＰＳ混合部分光束の入射角度の分散や、ＰＳ分離プリズム１２で形成される像の有限の大きさなどにより、第２のレンズアレイ３３ｂのレンズから出射されたＰＳ混合部分光束は、ＰＳ分離プリズム１２の入射面のみに照射するのではなく、その両側の反射プリズム１３に対応する領域にも入射する。
【００２９】
ＰＳ分離プリズム１２に入射するＰＳ混合部分光束の入射角度の分散や、ＰＳ分離プリズム１２で形成される像の大きさは、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂの大きさ、及び液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂの視野角特性に関わっている。
液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂは視野角特性を持っているので、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂに入射するＰＳ混合部分光束は、フィールドレンズ４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂにより、入射角度が所定の範囲内に制限されている。
また、フィールドレンズ４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂにより変換された平行光束は、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂの面以内に入射する必要があるので、即ち、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂ上に像の大きさは、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂの大きさ以内にする。
【００３０】
前述したように、第１のレンズアレイ３３ａの各レンズは、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂとは像共役関係にあり、フライアイレンズ部３３の各レンズでの像がコンデンサレンズ３６とフィールドレンズ４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂにより、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂの全面に納まるように拡大され、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂの面に重畳される。したがって、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂに入射する光束の入射角度と液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂ上に像の大きさは、フライアイレンズ部３３の分割数、具体的に、フライアイレンズ部３３の各レンズでの像の大きさと、フライアイレンズ部３３の合成焦点距離と、コンデンサレンズ３６とフィールドレンズ４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂの合成焦点距離と関係する。さらに、発光体３０の大きさにも依存する。
【００３１】
このように、フライアイレンズ部３３の各レンズでの像の大きさと液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂ上に像の大きさの比は、フライアイレンズ部３３の合成焦点距離とコンデンサレンズ３６及びフィールドレンズ４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂの合成焦点距離の比は一定の関係を保っている。
液晶表示装置の小型化に伴って、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂを小さくする場合は、発光体３０の大きさとフライアイレンズ部３３の分割数が一定とすれば、フライアイレンズ部３３の各レンズでの像の大きさと液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂ上に像の大きさの比は大きくなることになる。これによって、フライアイレンズ部３３の合成焦点距離を大きくしなければならない、即ち、第１のレンズアレイ３３ａと第２のレンズアレイ３３ｂの距離を大きくする必要がある。
【００３２】
フライアイレンズ部３３の合成焦点距離を大きくすると、ＰＳ分離プリズム１２に形成される像が大きくなる。ＰＳ分離プリズム１２の入射面の面積は一定であるので、フライアイレンズ部３３の各レンズからの部分光束は、ＰＳ分離プリズム１２の入射面に対応する領域だけではなく、この領域を超えて、その周辺のエリアにも入射してしまう。
このように、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂのサイズを小さくし、表示装置の大きさを小さくすることを図ると、光が有効領域外のエリアに入射する問題が起き、光の吸収による光量の損失及び熱の発生が生じ、光の利用効率が低下する。
【００３３】
図２（ｂ）に示すように、ＰＳ分離合成素子３５のＰＳ分離プリズム１２に対応する領域は、格子状になっていおり、有効エリア２１と呼ぶ。有効エリア２１以外の反射プリズム１３に対応する領域をエリア２２と呼ぶ。エリア２２に入射される光は、偏光分離や、偏光変換されない。
本実施形態において、図１に示すように、ＰＳ分離合成素子３５の直前に、反射板３４を設置し、エリア２２に入射した光を反射する。具体的に、フライアイレンズ部３３の合成焦点位置に、各反射プリズム１３に対応する位置とサイズで、反射板３４を設置する。反射板３４は、ＰＳ分離合成素子３５に密着または接近して配置されている。
反射板３４として、例えば、表面が平坦で、かつ、反射率が８５％以上、正反射機能を有する金属を用いる。
【００３４】
図３は、フライアイレンズ部３３と反射板３４の間の光路を示す図である。
フライアイレンズ部３３の合成焦点位置に反射板３４を設置することによって、反射板３４に入射した光は、一定の光路で反射される。
図３において、第１のレンズアレイ３３ａから出射する発散光は第２のレンズアレイ３３ｂで屈折し、第２のレンズアレイ３３ｂによって、発散光は平行にされる。
図３において、例えば、第１のレンズアレイ３３ａから出射される光線は、光路５５ａ、５５ｂ、５５ｃで第２のレンズアレイ３３ｂを通って、反射板３４に照射する場合は、反射板３４に反射される反射光は、光路５７ａ、５７ｂ、５７ｃで、第２のレンズアレイ３３ｂを通過し、第１のレンズアレイ３３ａに入射する。
【００３５】
同じように、図３において、第１のレンズアレイ３３ａから出射される光線は、光路５７ａ、５７ｂ、５７ｃで反射板３４に照射する場合は、反射板３４による反射光は、光路５５ａ、５５ｂ、５５ｃで第２のレンズアレイ３３ｂを通過し、第１のレンズアレイ３３ａに入射する。また、第１のレンズアレイ３３ａから出射される光線は、光路５６ａ、５６ｂ、５６ｃで反射板３４に照射する場合は、反射光は、同じ光路５６ａ、５６ｂ、５６ｃで、第１のレンズアレイ３３ａに戻る。
すなわち、フライアイレンズ部３３の合成焦点位置に反射板３４を設置することによって、反射板３４での反射光は、ある入射光の光路を必ず通ってフライアイレンズ部３３に戻ることになる。
光路５５ａ、５５ｂ、５５ｃと、５６ａ、５６ｂ、５６ｃと、５７ａ、５７ｂ、５７ｃとは、光源２９の発光体３０から発され、凹面鏡３１に反射集光される光がフライアイレンズ部３３に入射する時の光路であるので、これと逆方向の光路を有する反射光は、必ず光源２９の発光体３０まで戻ってくる。
【００３６】
図４は、本実施形態に係る液晶表示装置における照明光学系において、反射光の光路を示す図である。
図４に示すように、光源２９の発光体３０から発された光線５０は、第１のレンズアレイ３３ａによって、凹面鏡３１に反射集光され、フライアイレンズ部３３に向けて出射される。該照明光は、第１のレンズアレイ３３ａの所定のレンズと第２のレンズアレイ３３ｂの対応するレンズを通過し、反射板３４に入射する。反射板３４に反射される反射光は、図４に示される光路５１で、第１と第２のレンズアレイ３３ａと３３ｂの対応するレンズを通って、凹面鏡３１に入射される。該反射光は、凹面鏡３１で反射集光され、光線５２として、フライアイレンズ部３３に向けて再度出射される。
なお、上記には、各光学部品の透過率、および凹面鏡３１の反射率を考慮していない。
【００３７】
以上のように、反射板３４をフライアイレンズ部３３の合成焦点距離に設けることによって、エリア２２に入射した光は、第２と第１のレンズアレイ３３ｂと３３ａの対応するレンズを通って、凹面鏡３１に戻される。そして、該戻された光は、凹面鏡３１に反射集光され、再度光源２９から出射され、液晶パネルを照明するのに用いる。
これによって、エリア２２に入射される光の吸収と熱の発生を防止でき、また、光の利用効率を高める。
ここの反射板３４は、本発明における「反射手段」に対応する。
【００３８】
コンデンサレンズ３６の後方に設けられたダイクロイックミラー３７Ｒ，３７Ｇは、コンデンサレンズ３６から出射された白色光束から色表示の基本となる赤色光（Ｒ），緑色光（Ｇ）をそれぞれ色分離して、入射方向と直交する方向に反射する。
反射ミラー４５ａが、ダイクロイックミラー３７Ｒ，３７ＧによってＲ，Ｇ成分を分離された残りの色成分である青色光（Ｂ）を入射方向と直交する方向に反射する。反射ミラー４５ｂは、反射ミラー４５ａで反射された青色光をさらに入射方向と直交する方向に反射する。反射ミラー４５ｃは、ダイクロイックミラー３７Ｒで分離反射されたＲ色光を入射方向と直交する方向に反射する。
【００３９】
フィールドレンズ４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂは、ダイクロイックミラー３７Ｇ、及び反射ミラー４５ｂ、４５ｃから入射されたＲ，Ｇ，Ｂの各色光の直線偏光を液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂに対して平行に入射させる。液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂは、入射側偏光板３８Ｒ，３８Ｇ，３８Ｂを通過した各色光の偏光方向をそれぞれ表示する画像に応じて画素ドットごとに変調する。ダイクロイックプリズム４２は、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂで変調された各色光のうち、出射側偏光板４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂを通過した所定の方向の偏光成分の各色光を色合成して出射する。投影レンズ４３は、ダイクロイックプリズム４２から出射した合成光を集光してスクリーン４４上に投影する。
【００４０】
次に、本実施形態に係る液晶表示装置の動作および作用を説明する。
図１に示したように、凹面鏡３１は、発光体３０から発する白色光を反射して集光し、略平行な光束に変換して出射する。該略平行光は、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ３２によって紫外および赤外域の光を除去されて、第１のレンズアレイ３３ａに入射される。第１のレンズアレイ３３ａの各レンズによって該略平行光束は複数の部分光束に分割される。
第１のレンズアレイ３３ａの各レンズによって分割された各部分光束は、Ｐ偏光とＳ偏光とを含む偏光混合光であり、該混合光は、第２のレンズアレイ３３ｂにおける対応するレンズで屈折して集光し、主光線及び主光線に対して所定の角度範囲以内の光線は、ＰＳ分離合成素子３５の偏光分離プリズム１２に入射し収束する。
ＰＳ分離合成素子３５において、偏光混合入射光の平行性を維持しつつ、ほぼ一方向に偏光した直線偏光光束に変換され、出射される。
【００４１】
主光線に対して所定の角度範囲以外の光線は、偏光分離プリズム１２の入射面の間にある反射板３４に入射して反射され、第２と第１のレンズアレイ３３ｂと３３ａの対応するレンズを通って、凹面鏡３１に戻され、そして、凹面鏡３１に反射集光され、再度光源２９から出射される。該再利用された光は、ＰＳ分離合成素子３５の偏光分離プリズム１２に入射して収束される場合は、ＰＳ分離合成素子３５で、ほぼ一方向に偏光した直線偏光光束に変換され、出射される。該再利用された光は、再度反射板に入射した場合は、上記のように、もう一度光源に戻される。このようにＰＳ分離合成素子３５の偏光分離プリズム１２に入射するまで繰り返す。
【００４２】
ＰＳ分離合成素子３５からの偏光方向が揃った直線偏光光束は、コンデンサレンズ３６に入射される。コンデンサレンズ３６は入射光束をほぼテレセントリックな光束に変換する。
コンデンサレンズ３６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３７Ｒ，３７Ｇに順次入射する。ダイクロイックミラー３６Ｒは入射光束からＲ色光を分離して入射方向と直交する方向に反射する。ダイクロイックミラー３７Ｇはダイクロイックミラー３７Ｒを通過してきた光束からＧ色光を分離して入射方向と直交する方向に反射する。ダイクロイックミラー３７Ｇを通過したＢ色光は反射ミラー４５ａによって入射方向と直交する方向に反射される。
【００４３】
ダイクロイックミラー３７Ｒで反射されたＲ色光は反射ミラー４５ｃによって入射方向と直交する方向に反射されたのち、フィールドレンズ４１Ｒを介して、平行に入射側偏光板３８Ｒを通過して、液晶パネル３９Ｒを照射する。ダイクロイックミラー３７Ｇで反射されたＧ色光は、フィールドレンズ４１Ｇを介して、平行に入射側偏光板３８Ｇを通過して、液晶パネル３９Ｇに入射する。反射ミラー４５ａで反射されたＢ色光は、さらに、反射ミラー４５ｂによって入射方向と直交する方向に反射されたのち、フィールドレンズ４１Ｂを介して、平行に入射側偏光板３８Ｂを通過して、液晶パネル３９Ｂに入射する。
【００４４】
入射側偏光板３８Ｒ，３８Ｇ，３８Ｂは、それぞれ、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３８Ｒ，３８Ｇ，３８Ｂを透過した直線偏光の各色光は、液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂにそれぞれ入射する。液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂは、それぞれ、Ｒ，Ｇ、Ｂの各色光の偏光方向をカラー画像信号に応じて変調して出射する。
【００４５】
液晶パネル３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂからそれぞれ出射された各色光は、出射側偏光板４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂによってそれぞれ検光され、所定方向の偏光成分のみがこれを通過する。これにより、画素ドットごとに強度変調された各色光ごとの空間光学像が形成される。この空間光学像を形成する各色光は、さらに、色合成用ダイクロイックプリズム４２に３方向から入射し、ここで色合成されて出射され、投影レンズ４３によってスクリーン４４上に投影される。
【００４６】
以上の本実施形態によれば、反射板をフライアイレンズ部の合成焦点距離に設けることによって、有効領域外のエリアに入射した光は、光源に戻され、液晶パネルを照明するのに再利用することができる。
これによって、有効領域外のエリアに入射した光の吸収と熱の発生を防止できる。また、光量の損失を低減し、光の利用効率を高め、液晶パネル面照明が向上する。
シミュレーションより、反射板で有効領域外に入射した光を光源に戻すことにより、液晶パネル面照度は約１０％増大する。
また、従来の液晶表示装置における遮光板を反射板で入れ替えるだけで、光の利用効率の向上を容易に実現できる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、反射板を設けることによって、従来不要光となっていた光は、光源に戻され、表示用の照明光として再利用することができる。
これによって、光の吸収と熱の発生を防止でき、光量の損失を低減し、光の利用効率を高め、表示素子の照明度が向上する。さらに、高輝度の表示装置を実現できる。
また、反射板を設置するだけで済むので、光の利用効率の向上を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る表示装置の構成図である。
【図２】（ａ）と（ｂ）は、本発明の実施形態に係る表示装置において、ＰＳ分離合成素子の断面図と平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る表示装置において、フライアイレンズ部と反射板の間の光路を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る表示装置における照明光学系において、反射光の光路を示す図である。
【図５】従来の表示装置において、照明光学系の概略構成図である。
【図６】従来の表示装置において、遮光膜の配置を示す図である。
【符号の説明】
１２…ＰＳ分離プリズム、１３…反射プリズム、１４…位相板、２１…有効エリア、２２…非有効エリア、２９…光源、３０…発光体、３１…凹面鏡、３２…ＵＶ／ＩＲカットフィルタ、３３…フライアイレンズ部、３３ａ…第１レンズアレイ、３３ｂ…第２レンズアレイ、３４…反射板、３５…ＰＳ分離合成素子、３６…コンデンサレンズ、３７Ｒ，３７Ｇ…ダイクロイックミラー、３８Ｒ，３８Ｇ，３８Ｂ…入射側偏光板、３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂ…液晶パネル、４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂ…出射側偏光板，４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂ…フィールドレンズ，４２…ダイクロイックプリズム、４３…投影レンズ、４４…スクリーン、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ…反射ミラー、５０、５１、５２…光線、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５７ａ、５７ｂ、５７ｃ…光路、１１２…ＰＳ分離プリズム、１１３…反射プリズム、１１４…位相板、１２９…光源、１３０…発光体、１３１…凹面鏡、１３２…ＵＶ／ＩＲカットフィルタ、１３３…フライアイレンズ部、１３３ａ…第１レンズアレイ、１３３ｂ…第２レンズアレイ、１３４…反射板、１３５…ＰＳ分離合成素子、１５０…光線。
【図１】
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【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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