(57)【要約】【課題】一つの共通な光学ユニット構造体を用いて、異なる表示エリアサイズの映像表示素子にそれぞれ対応した照明光学系・投射光学系を構成できる投射型映像表示装置及びその設計方法を提供する。【解決手段】光源１と、映像表示素子１８と、照明光学系と、投射レンズ２２と、光学ユニット構造体２６を有する投射型映像表示装置において、光学ユニット構造体２６は、光源１から映像表示素子１８まで所定の距離を略等しく保ちながら、同アスペクト比で表示サイズが異なる少なくとも２種類の映像表示素子１８から選択された一種類を装着し、照明光学系は、複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子が、装着した映像表示素子１８に対応させて、映像表示素子１８上の照明光学系による照射領域が映像表示素子１８の表示サイズに略合致する所定の位置に装着する。【選択図】        図１
2004198771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、映像表示素子と、前記光源からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、これらを取り付けるための筐体に内包されるもしくは一体となっている光学ユニット構造体とを有する投射型映像表示装置において、
前記光学ユニット構造体は、前記光源から前記映像表示素子まで所定の距離を略等しく保ちながら、同アスペクト比で表示サイズが異なる少なくとも２種類の映像表示素子から選択された一種類を装着し、かつ、前記照明光学系の複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子を、装着した映像表示素子に対応させて、該映像表示素子上の照明光学系による照射領域が前記映像表示素子の表示サイズに略合致する所定の位置に装着することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
上記照明光学系は、光源側から順に、複数のレンズセルがマトリックス状に配設された第１のアレイレンズと、複数のレンズセルが前記第１のアレイレンズのレンズセルにそれぞれ対応してマトリックス状に配設された第２のアレイレンズと、集光レンズとで構成されるオプチカルインテグレータからなり、上記映像表示素子と上記光源間の距離をＬ０、前記映像表示素子と前記第１のアレイレンズ間の距離をＬ１、前記映像表示素子と前記第２のアレイレンズ間の距離をＬ２、前記集光レンズと前記映像表示素子間の距離をｃ、前記集光レンズの像側焦点距離をｆ、前記第１のアレイレンズの各レンズセルの対角の長さをｂとし、同アスペクト比で表示サイズが１．０５倍以上異なる複数種類の映像表示素子Ａ１，Ａ２…Ａｊから選択されて装着された一種類の映像表示素子Ａｉの表示サイズの対角長さをｓｉとしたとき、上記光学ユニット構造体は、前記距離Ｌ０，Ｌ２，ｃ及び前記第１のアレイレンズのレンズセルサイズｂを変えることなく、前記映像表示素子Ａｉに対応させて、次式
Ｌ１≒Ｌ２＋ｆｂ／ｓｉ
を満足する位置に前記第１のアレイレンズを配置することができ、前記第１と第２のアレイレンズは各レンズセルサイズを変えずに、それぞれその曲率のみを変えることにより、前記第１のアレイレンズの各レンズセルの像を前記映像表示素子Ａｉ上に結像させることができることを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の投射型映像表示装置において、
上記投射型映像表示装置は、上記照明光学系からの光を複数の光に分離する光分離光学系を有し、かつ分離されたそれぞれの光路上に上記映像表示素子を配置し、該映像表示素子と上記投射レンズの間に分離された複数の光をひとつに合成する光合成プリズムを有し、表示サイズの異なる複数種類から選択された一種類の映像表示素子を上記光学ユニット構造体に装着する場合、前記映像表示素子に対応した所定のサイズの光合成プリズムを用いて、該光合成プリズムの中心位置と前記映像表示素子間の距離Ｌｐｐを所定の距離にして変えることなく装着することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項４】
請求項３に記載の投射型映像表示装置において、
上記光学ユニット構造体は、係合されたもしくは一体的に構成された上記投射レンズ及び上記光合成プリズムを固定する支持構造を有し、該支持構造は前記投射レンズを固定するフランジを備え、前記投射レンズ後玉後端と上記映像表示素子間の距離であるバックフォーカスをｇとし、前記フランジと前記投射レンズ後玉後端間の距離をｈとしたとき、表示サイズの異なる複数種類のうちの任意の一種類の映像表示素子を前記光学ユニット構造体に装着する場合、前記バックフォーカスｇと前記距離ｈとの和ｇ＋ｈが所定の一定値となるようなｈの位置で前記フランジにより前記映像表示素子に対応した前記投射レンズを装着することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の投射型映像表示装置において、
上記映像表示素子は出射側に偏光板を有し、そして、上記液晶表示素子と該液晶表示素子の表示サイズに対応した所定のサイズの前記光合成プリズムの中心位置との間の距離Ｌｐｐが上記所定の距離より大きくなる場合、前記光合成プリズムの入射面と前記液晶表示素子間に配置される前記偏光板の枚数を少なくとも１枚追加または透光性基板を少なくとも１枚追加し、前記光合成プリズムと前記偏光板または前記透光性基板間、前記液晶表示素子と前記偏光板または前記透光性基板間の距離が各々ほぼ一定の間隔となるように配置することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項６】
光源と、前記光源からの光を映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記照明光学系からの光を複数の色光に分離する光分離光学系と、前記光分離光学系で分離された各色光をそれぞれ映像信号に応じて光強度変調して光学像を形成する前記映像表示素子と、前記映像表示素子からの各色光の光学像を色合成する光合成プリズムと、前記光合成プリズムで合成された光学像を拡大して投影する投射レンズとからなり、同アスペクト比で表示サイズが１．０５倍以上異なる少なくとも２種類の映像表示素子Ａ１，Ａ２…Ａｊのから選択された一種類の映像表示素子Ａｉを装着する投射型映像表示装置であって、
前記投射レンズはその鏡筒に前記投射レンズを固定するフランジを備え、前記映像表示素子Ａｉに対応した前記投射レンズを固定する前記フランジと前記投射レンズ後玉後端間の距離をｈ、前記投射レンズ後玉後端と前記映像表示素子Ａｉ間の距離（バックフォーカス）をｇ、前記映像表示素子Ａｉに対応した所定サイズの前記光合成プリズムの中心位置と前記映像表示素子Ａｉ間の距離をＬｐｐとして、前記距離Ｌｐｐを第１の所定値とし、かつ、前記バックフォーカスｇと前記距離ｈとの和ｇ＋ｈが第２の所定値となるよう前記映像表示素子Ａｉを装着することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項７】
光源と、映像表示素子と、前記光源からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、これらを取り付けるための筐体に内包されるもしくは一体となっている光学ユニット構造体を有する投射型映像表示装置を設計する方法において、
前記光学ユニット構造体を、前記光源から前記映像表示素子まで所定の距離とし、同アスペクト比で表示サイズが異なる少なくとも２種類の映像表示素子から一種類を選択し、前記照明光学系の複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子を、選択した映像表示素子に対応させて、該映像表示素子上の照明光学系による照射領域が前記映像表示素子の表示サイズに略合致する所定の位置に装着させることを特徴とする投射型映像表示装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投射型映像表示装置及びその設計方法であり、照明光学系からの光束を液晶パネル等の映像表示素子で光強度を変調して、光学像を形成し、その光学像を投射光学系で、スクリーン上に拡大して投影する投射型映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネル等の映像表示素子に、電球などの光源からの光を当てて、映像表示素子上の光学像を拡大投射する液晶プロジェクタ等の投射型映像表示装置が知られている。この種の投射型映像表示装置は、光源からの光を映像表示素子で画素毎の濃淡に変える光強度変調を行い、形成した光学像を前面に配置したスクリーンにまたはスクリーンの背面側から投射するものである。例えば、映像表示素子の代表例であるツイステッド・ネマティック（ＴＮ）型液晶表示素子は、透明な電極被膜をもつ一対の透明基板間に液晶を注入して成る液晶セルの前後に、各々の偏光方向が互いに９０°異なるように２枚の偏光板を配置したものであり、液晶の電気光学効果により偏光面を回転させる作用と、偏光板の偏光成分の選択作用とを組み合わせることにより、入射光の透過光量を制御して光学像を表示するようになっている。
【０００３】
投射型映像表示装置に使用される光源からの出射光束面の照度分布には、光源の放電灯管球の影あるいは光源の反射鏡の中心部の穴により光軸付近に円状の暗い部分がある。この出射光を直接ライトバルブ素子に入射した場合、得られる投射映像にも、光軸付近に暗い円状のスポットが現れ、照度分布が不均一な映像となってしまう。従来、この影を少なくし、かつ映像周辺部まで照度分布を均一にするために、特許文献１、特許文献２等に開示されているような２枚のアレイレンズを備えたオプチカルインテグレータを用いることが知られている。
【０００４】
近年、こうした透過型あるいは反射型の映像表示素子では、解像度の向上が進むとともに、素子自体の小型化も進んでいる。小型の映像表示素子は大型の映像表示素子より安価ではあるが、映像表示素子の信頼性を確保するためには単位面積当たりの光透過量を一定に抑える必要があり、小型の映像表示素子であるほど光源の明るさを抑える必要がある。よって小型の映像表示素子を用いた装置は大型の映像表示素子を用いた装置に比べ投影できる映像は暗いものとなる。そのため、求められる明るさによって異なるサイズの映像表示素子が使用され、装置全体のサイズをそれぞれの映像表示素子のサイズに合わせて最も小型となるように、各種光学系及び装置全体も映像表示素子サイズごとにほぼ相似の大きさに設計される。
【０００５】
このような、設計上の観点から、目的や用途に応じて投射型映像表示装置に用いられる映像表示素子のサイズが異なる場合、その投射型映像表示装置の照明光学系，色分離・合成光学系，映像表示素子，や投射光学系等の光学系を装着する筐体または筐体とは別体の構造体（以下、これを「光学ユニット構造体」と呼ぶ）は、映像表示素子のサイズに応じて互いに異なり、共用化できない構造となっているのが一般的であり、公知例としては、わずかに、使用する液晶表示素子（液晶パネル）の形状やサイズの変更にかかわらず、その位置決めに用いられる外装パネルの共用化を計ったデジタルカメラとして特許文献３があり、また、液晶パネルの数ｍｍ程度から十数ｍｍ程度の大きさの変更に対してＬＥＤをマトリックス状に配列したバックライトを共用化し、制作費用のコストダウンを計った液晶表示装置として特許文献４等がある程度である。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−１１１８０６号公報
【特許文献２】
特開平１１−２８１９２３号公報
【特許文献３】
特開２００２−７７６７７号公報（第３頁−４頁、第図３，第図４）
【特許文献４】
特開平８−１６０４０４号公報（第３頁−４頁、第１図）
【特許文献５】
特開２００２−１８２３０８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
投射型映像表示装置は近年、急速に普及が進み、ビジネス用途、教育施設用途、娯楽施設用途、公共空間設置用途、家庭用途など多種の用途に用いられ、またその中でも持ち運び用、固定設置用、などの種類があり、それぞれの用途によって、求められる映像の明るさ、映像表示素子の信頼性、映像表示素子や偏光板や光源等の冷却に用いられるファン等の静音性、装置自体の大きさ、重さなどが異なっている。そのため、それぞれ性能の異なる多種の装置を安価に提供するために使用部品の共用化を行うことが非常に重要性を増している。
【０００８】
現在、投射型映像表示装置に映像表示素子として用いられる例えば透過型液晶表示素子もしくは反射型液晶表示素子の表示エリアサイズには、同アスペクト比でも数種類のサイズが存在する。その一例を表１に示す。
【表１】
2004198771.tif 000003
【０００９】
透過型液晶表示素子もしくは反射型液晶表示素子の表示エリアサイズは、現在、表１の液晶表示素子のサイズ一覧表で示すように、次に大きなサイズになると１．０８５倍以上サイズが異なっている、即ち、少なくとも５％以上表示エリアサイズが異なっている。従来技術においては、かかる表示エリアサイズの異なる映像表示素子に対応した複数の投射型映像表示装置を新規に設計するにあたり、光学ユニット構造体をそれぞれ表示エリアサイズが異なる映像表示素子ごとに設計していた。しかしそれでは市場の求める多種のニーズに応える多種の投射型映像表示装置を製造する場合、それぞれの投射型映像表示装置に対し各構成部品の型投資などの費用が発生し、結果として製品は安価にならない。
【００１０】
大型の映像表示素子用に投射型映像表示装置を設計し、単に映像表示素子だけ小型のものに置き換えて使用することにより前述の光学ユニット構造体を共用し、型投資を抑えることは可能であるが、この場合、光源が放射する全ての光束量に対する映像表示素子上の光束量の比率（以下、これを「光利用効率」と呼ぶ）が大型映像表示素子を使用した場合に比べ、素子面積比に比例して減少してしまい、光利用効率性能が劣化するという問題が生じる。
【００１１】
また、映像表示素子のみでなく各光学素子も同時に小型としたうえで、単に元の大きさに対応した光学ユニット構造体、及び筐体を共用しようとする場合、元の大きさに対応した投射光学系光路の長さに対し、各光学素子のサイズが相対的に小さくなり、色分離した光を再合成する光合成プリズム−偏光板間、映像表示素子−偏光板間、偏光板−偏光板間等の距離が長くなる。一般に、投射型映像表示装置では映像表示素子や偏光板を冷却するために、例えば特許文献５に開示されているように、冷却ファンからダクトを介して風を送っているが、上記した距離が広がると、適切に冷却風が当たらなくなり、これらの部品の冷却効率が悪化し、装置の信頼性が減少する等の問題が生じる。
【００１２】
前記した特許文献３は、金型費用のコストダウンを計るという目的は同じであるが、デジタルカメラに関する液晶表示素子（液晶パネル）を同一位置に位置決めする構造についてであり、光学系については全く考慮されていない。また、特許文献４に開示されている液晶表示装置は液晶パネルを背面から照明するＬＥＤを用いたバックライトを共用する技術についてであり、１００Ｗ以上の光源に適用できる技術ではなく、また、光学系についても何の言及もされていない。
【００１３】
本発明の目的は、上記した課題を解決し、一つの共通な光学ユニット構造体を用いて、異なる表示エリアサイズの映像表示素子にそれぞれ対応した照明光学系・投射光学系を構成できる投射型映像表示装置及びその設計方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、光源と、映像表示素子と、前記光源からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、映像表示素子上の光学像を拡大投射する投射レンズと、これらを取り付けるための筐体に内包されるもしくは一体となっている光学ユニット構造体を有する投射型映像表示装置において、前記光学ユニット構造体は、前記光源から前記映像表示素子までの距離を略等しく保ちながら、同アスペクト比で表示サイズが１．０５倍以上異なる少なくとも２種類の映像表示素子のうち任意の一種類を装着でき、かつ、前記照明光学系の複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子を、装着した前記映像表示素子に対応させて、装着した前記映像表示素子上の前記照明光学系による照射領域が前記映像表示素子の表示サイズに略合致する所定の位置に装着できるようにしたことを特徴とする。
【００１５】
このように前記光学ユニット構造体を構成することにより、それぞれ表示サイズの異なる前記映像表示素子を用いた相異なる投射型映像表示装置の照明光学系の間でも、前記光学ユニット構造体を共用して、前記光源と前記映像表示素子間の距離を変えることなく、装着した表示サイズの前記映像表示素子上の前記照明光学系による照射領域が前記映像表示素子の表示サイズに略合致する所定位置に、前記照明光学系を構成する光学素子のうちの少なくとも１つの光学素子を装着でき、また光利用効率を維持することが可能となる。
【００１６】
また、本発明は、前記照明光学系が、前記光源側から順に、複数のレンズセルがマトリックス状に配設された第１のアレイレンズと、複数のレンズセルが前記第１のアレイレンズのレンズセルにそれぞれ対応してマトリックス状に配設された第２のアレイレンズと、集光レンズとで構成されるオプチカルインテグレータからなり、前記映像表示素子と前記光源間の距離をＬ０、前記映像表示素子と前記第１のアレイレンズ間の距離をＬ１、前記映像表示素子と前記第２のアレイレンズ間の距離をＬ２、前記集光レンズと前記映像表示素子間の距離をｃ、前記集光レンズの像側焦点距離をｆ、前記第１のアレイレンズの各レンズセルの対角の長さをｂとし、同アスペクト比で表示サイズが１．０５倍以上異なる複数種類（少なくとも２種類）の映像表示素子Ａ１，Ａ２…Ａｊのうちの任意の一種類Ａｉを装着した場合に、装着した前記映像表示素子Ａｉの表示サイズの対角長さをｓｉとしたとき、前記光学ユニット構造体は、前記距離Ｌ０，Ｌ２，ｃ及び前記第１のアレイレンズのレンズセルサイズｂを変えることなく、前記映像表示素子Ａｉに対応させて、次式
Ｌ１≒Ｌ２＋ｆｂ／ｓｉ
を満足する位置に前記第１のアレイレンズを配置することができ、前記第１と第２のアレイレンズは各レンズセルサイズを変えずに、それぞれその曲率のみを変えることにより、前記第１のアレイレンズの各レンズセルの像を前記映像表示素子Ａｉ上に結像させることができるようにすることを特徴とする。
【００１７】
このように、照明光学系にオプチカルインテグレータを用いた場合、前記第１のアレイレンズを式１を満足する位置に装着すれば、式１から明らかなように、前記映像表示素子上に結像する集光領域の大きさは前記第１のアレイレンズのレンズセルのサイズに比例した大きさになり、ほぼ前記映像表示素の表示サイズに合致し、光利用効率は変化しないこととなる。また前記Ｌ１の変化に伴い、前記光源の像が、前記第２のアレイレンズのレンズセル上に結像するように、前記第１のアレイレンズの各レンズセルの曲率を変え、同じく前記Ｌ１の変化に伴い、前記第１のアレイレンズの各レンズセルの像が前記映像表示素子上に結像するように、前記第２のアレイレンズの各レンズセルの曲率を変えることにより、前記映像表示素子上の照度均一性も実用上問題のないレベルとすることができる。
【００１８】
そして、本発明は、前記投射型映像表示装置が前記照明光学系からの光を複数の光に分離する光分離光学系を有し、かつ分離されたそれぞれの光路上に前記映像表示素子を配置し、前記映像表示素子と前記投射レンズの間に分離された複数の光をひとつに合成する光合成プリズムを有するものであって、表示サイズの異なる複数種類（少なくとも２種類）のうちの任意の一種類の前記映像表示素子を前記光学ユニット構造体に装着する場合、前記映像表示素子に対応した所定のサイズの前記光合成プリズムを用いて、前記光合成プリズムの中心位置と前記映像表示素子間の距離Ｌｐｐを所定の一定距離にして変えることなく装着することができることを特徴とする。
【００１９】
このように前記光合成プリズムの中心位置と前記映像表示素子間の距離Ｌｐｐを変えないようにようにする、即ち、配置位置を変えないようにすることにより、それぞれ異なる表示サイズの前記映像表示素子を用いた投射型映像表示装置間においても、前記光学ユニット構造体を共用することが可能となる。
【００２０】
さらに、本発明は、前記光学ユニット構造体が、係合されたもしくは一体的に構成された前記投射レンズ及び前記光合成プリズムを固定する支持構造を有し、前記支持構造は前記投射レンズを固定するフランジを備え、前記投射レンズ後玉後端と前記映像表示素子間の距離であるバックフォーカスをｇとし、前記フランジと前記投射レンズ後玉後端間の距離をｈとしたとき、表示サイズの異なる複数種類（少なくとも２種類）のうちの任意の一種類の前記映像表示素子を前記光学ユニット構造体に装着する場合、前記バックフォーカスｇと前記距離ｈとの和ｇ＋ｈが所定の一定値となるようなｈの位置で前記フランジにより前記映像表示素子に対応した前記投射レンズを装着するようにする。
【００２１】
これによって、それぞれ異なる表示サイズの前記映像表示素子を用いた投射型映像表示装置間において、前記映像表示素子の位置、前記光合成プリズムの中心位置、前記投射レンズフランジ固定位置を同一の位置とし、前記投射レンズ・前記光合成プリズムをともに固定する前記支持構造を、即ち前記光学ユニット構造体を共用することができる。
【００２２】
また、本発明は、前記映像表示素子は出射側に偏光板を有し、前記液晶表示素子と前記液晶表示素子の表示サイズに対応した所定のサイズの前記光合成プリズムの中心位置との間の前記距離Ｌｐｐが所定の一定距離となるようにした場合、前記液晶表示素子の表示サイズに応じて前記光合成プリズムの入射面と前記映像表示素子間の距離が変わるが、前記距離が所定距離より大きくなる場合、前記光合成プリズムの入射面と前記液晶表示素子間に配置される前記側偏光板の枚数を少なくとも１枚追加または透光性基板を少なくとも１枚追加し、前記光合成プリズムと前記偏光板または前記透光性基板間、前記液晶表示素子と前記偏光板または前記透光性基板間の距離が各々ほぼ一定の間隔となるように配置する。
【００２３】
このように、前記光合成プリズム―前記映像表示素子間の距離が冷却性能に影響を与える所定の距離より大きくなる場合に、この間に配置される前記偏光板の枚数を増加させるまたは透光性基板を追加挿入することにより、前記光合成プリズムと前記偏光板または前記透光性基板間、前記液晶表示素子と前記偏光板または前記透光性基板間の距離を各々ほぼ一定の間隔とすることによって冷却性能を維持し、前記光合成プリズム―前記映像表示素子間に配置される前記偏光板，及び前記映像表示素子を実用上問題のないレベルの温度条件にて使用することができる。
【００２４】
そして、本発明は、光源と、前記光源からの光を映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記照明光学系からの光を複数の色光に分離する光分離光学系と、前記光分離光学系で分離された各色光をそれぞれ映像信号に応じて光強度変調して光学像を形成する前記映像表示素子と、前記映像表示素子からの各色光の光学像を色合成する光合成プリズムと、前記光合成プリズムで合成された光学像を拡大して投影する投射レンズとからなり、同アスペクト比で表示サイズが１．０５倍以上異なる少なくとも２種類の映像表示素子Ａ１，Ａ２…Ａｊのから選択された一種類の映像表示素子Ａｉを装着する投射型映像表示装置であって、前記投射レンズはその鏡筒に前記投射レンズを固定するフランジを備え、前記映像表示素子Ａｉに対応した前記投射レンズを固定する前記フランジと前記投射レンズ後玉後端間の距離をｈ、前記投射レンズ後玉後端と前記映像表示素子Ａｉ間の距離（バックフォーカス）をｇ、前記映像表示素子Ａｉに対応した所定サイズの前記光合成プリズムの中心位置と前記映像表示素子Ａｉ間の距離をＬｐｐとして、前記距離Ｌｐｐを第１の所定値とし、かつ、前記バックフォーカスｇと前記距離ｈとの和ｇ＋ｈが第２の所定値となるよう前記映像表示素子Ａｉを装着することを特徴とする。
【００２５】
さらに、本発明は、光源と、映像表示素子と、前記光源からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、これらを取り付けるための筐体に内包されるもしくは一体となっている光学ユニット構造体を有する投射型映像表示装置を設計する方法において、前記光学ユニット構造体を、前記光源から前記映像表示素子まで所定の距離とし、同アスペクト比で表示サイズが異なる少なくとも２種類の映像表示素子から一種類を選択し、前記照明光学系の複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子を、選択した映像表示素子に対応させて、該映像表示素子上の照明光学系による照射領域が前記映像表示素子の表示サイズに略合致する所定の位置に装着させることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を説明する。
以下、本発明の投射型映像表示装置及びその設計方法の実施形態について、図を参照して説明する。なお、各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。
【００２７】
実施形態１を説明する。図１は本実施形態の投射型液晶表示装置を示す図で、図１（ａ）は液晶表示素子の表示エリアサイズが小さい場合に、図１（ｂ）は液晶表示素子の表示エリアサイズが大きい場合に対応する。なお、図１（ａ）と図１（ｂ）で区別する必要がある構成要素については符号のあとにａまたはｂを添えて示すが、説明上特に支障がない場合には、添字を省略する。
【００２８】
図１の３板式の投射型液晶表示装置において、１は光源であり、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀キセノンランプ、ハロゲンランプ等の白色ランプである。光源１は、円形ないし、多角形の出射開口を持つ少なくとも１つの反射鏡２を有し、この光源１から出される光はライトバルブ素子である液晶表示素子１８，１９，２０を通過して投射レンズ２００に向かい、スクリーン１００へ投影される。
【００２９】
光源１の電球から放射される光は例えば放物面の反射鏡２で反射されて光軸に平行となり、第１のアレイレンズ３に入射される。第１のアレイレンズ３は、入射した光をマトリックス状に配設された複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第２のアレイレンズ４と偏光変換素子５を通過するように導く。即ち、第１のアレイレンズ３は光源１と第２のアレイレンズ４の各レンズセルとが互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されている。第１のアレイレンズ３と同様に、マトリックス状に配設された複数のレンズセルを持つ第２のアレイレンズ４は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第１のアレイレンズ３のレンズセルの形状を液晶表示素子１８，１９，２０に投影する。この時、偏光変換素子５で第２のアレイレンズ４からの光は所定の偏光方向に揃えられ、そして、第１のアレイレンズ３の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ６、およびコンデンサレンズ１３，１４，第１のリレーレンズ１５，第２のリレーレンズ１６，第３のリレーレンズ１７により各液晶表示素子１８，１９，２０上に重ね合わせられる。なお、第２のアレイレンズ４とこれに近接して配設される集光レンズ６とは、第１のアレイレンズ３と液晶表示素子１８とが、互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されているので、第１のアレイレンズ３で複数に分割された光束は、第２のアレイレンズ４と集光レンズ６によって、液晶表示素子１８上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。
【００３０】
その過程で、反射ミラー７で反射された光は、ダイクロイックミラー１１により、例えばＢ光（青色帯域の光）は反射され、Ｇ光（緑色帯域の光）およびＲ光（赤色帯域の光）は透過されて２色の光に分離され、更に、Ｇ光とＲ光はダイクロイックミラー１２によりＧ光とＲ光に分離される。例えば、Ｇ光はダイクロイックミラー１２で反射され、Ｒ光はダイクロイックミラー１２を透過して３色の光に分離される。この光の分離の仕方は種々考えられ、ダイクロイックミラー１１でＲ光を反射させ、Ｇ光及びＢ光を透過させてもよいし、Ｇ光を反射させ、Ｒ光及びＢ光を透過させてもよい。例として、Ｂ光はダイクロイックミラー１１を反射して、反射ミラー１０で反射され、コンデンサレンズ１３を通してＢ光用の液晶表示素子１８を透過して光合成プリズム２１に入射される。ダイクロイックミラー１１で透過されたＧ光及びＲ光の内、Ｇ光はダイクロイックミラー１２で反射され、コンデンサレンズ１４を通してＧ光用液晶表示素子１９に入射され、この液晶表示素子１９を透過して光合成プリズム２１に入射される。Ｒ光はダイクロイックミラー１２を透過し、第１のリレーレンズ１５で集光され、更に反射ミラー８で反射され、第２のリレーレンズ１６で更に集光され、反射ミラー９で反射された後、第３のリレーレンズ１７で更に集光されてＲ光用の液晶表示素子２０に入射される。液晶表示素子２０を透過したＲ光は光合成プリズム２１に入射される。各液晶表示素子を透過したＢ光、Ｇ光、Ｒ光は、光合成プリズム２１によってカラー映像として合成された後、例えばズームレンズであるような投射レンズ２００を通過し、スクリーン１００に到達する。液晶表示素子１８，１９，２０上に光強度変調で形成された光学像は、投射レンズ２００によりスクリーン１００上に拡大投影され表示装置として機能するものである。
【００３１】
投射レンズ２００は投射レンズ鏡筒２３内に投射レンズ群２２を配設したもので、投射レンズ鏡筒２３に設けられた投射レンズを固定するための投射レンズフランジ２４を介して光合成プリズム２１とともに投射レンズ−プリズムホルダ２５に固定されており、投射レンズ−プリズムホルダ２５は光学ユニット構造体２６に固定される（詳細は後述する）。
【００３２】
図１に示す投射型映像表示装置において、第１の光路（Ｂ光）と第２の光路（Ｇ光）にはリレーレンズは使用されていないが、第３の光路（Ｒ光）にはＢ光，Ｇ光と光路長を等しくするためのリレーレンズが使用されている。また、第１のアレイレンズ３、第２のアレイレンズ４、集光レンズ６等は所謂周知のオプチカルインテグレータを構成している。
【００３３】
なお、照明光による液晶表示素子１８，１９，２０上の照度が実用上問題のないレベルにある領域（以下、「照射有効領域」と呼ぶ）の大きさは、液晶表示素子１８，１９，２０上に形成される第１のアレイレンズ３のレンズセルの光学像の大きさに依存する。液晶表示素子１８，１９，２０の表示エリアの周辺で急激な照度の低下を起こさないためには、照射有効領域の大きさは液晶表示素子１８，１９，２０の表示エリアサイズより大きくなくてはならない。しかし、液晶表示素子１８，１９，２０の表示エリアサイズ外の照明光は利用されないため、照射有効領域の大きさが液晶表示素子１８，１９，２０の表示エリアサイズより大きくしながら、その中で小さくすることにより、光利用効率はより高めることができる。従って、この効率を実用上問題のないレベルに維持するためには、照射有効領域の大きさを第１のアレイレンズのレンズセルのサイズに比例した液晶表示素子１８，１９，２０の表示エリアサイズにほぼ合致した所定のサイズとする必要がある。
【００３４】
図１から明らかなように、図１（ａ）と図１（ｂ）でそれぞれ使用する液晶表示素子の表示エリアサイズは異なっており、図１（ｂ）の投射型液晶表示装置では、使用している液晶表示素子１８ｂ，１９ｂ，２０ｂが図１（ａ）で用いられている液晶表示素子１８ａ，１９ａ，２０ａよりも大きい場合に対応している。
【００３５】
本実施形態では、装着可能な少なくとも同アスッペクト比で表示エリアサイズの異なる（詳しく述べるならば、表１の液晶表示素子のサイズ一覧表から表示エリアサイズが５％（１．０５倍）以上異なる）２種類の映像表示素子のうち、いずれか一方を用いた投射型映像表示装置において、光学ユニット構造体を共用するために、光学ユニット構造体は、光源と表示エリアサイズの異なる任意の映像表示素子との距離を変えずに、ほぼ同一の位置に映像表示素子を装着することができ、かつ、照明光学系を構成する複数の光学素子のうち、少なくとも１つの光学素子を、装着した映像表示素子に対応させて、装着した映像表示素子上の照明光学系による照射領域が映像表示素子の表示エリアサイズに略合致する所定の位置に装着することができるようにし、互いに表示エリアサイズの異なる映像表示素子を搭載した投射型映像表示装置間で、光源からの照明光をそれぞれの映像表示素子上にほぼ同等の照明効率にて均一に集光することができるようにしたことを特徴としている。
【００３６】
そこで、図１に示す投射型映像表示装置においては、光源１と液晶表示素子１８，１９，２０との距離を、用いる液晶表示素子の表示エリアサイズが変わっても略等しくして変えずに、図１（ａ）の構成の液晶表示素子１８ａ，１９ａ，２０ａを用いた投射型液晶表示装置から表示エリアサイズの大きい液晶表示素子１８ｂ，１９ｂ，２０ｂを用いた図１（ｂ）の投射型液晶表示装置の構成に変えるにあたり、液晶表示素子１８ｂ，１９ｂ，２０ｂ上での照度均一性及び光利用効率等の照明光学性能を実用上問題ないレベルに維持するために、第１のアレイレンズ３ｂを図１（ａ）の構成より第２のアレイレンズ４ｂ側（第２のアレイレンズ４ａと第２のアレイレンズ４ｂとは同一位置）に近づけて配置している。なお、使用する液晶表示素子１８，１９，２０のサイズに対応した所定の位置に第１のアレイレンズ３を配置できるように、光学ユニット構造体２６に複数の挿入溝（図９，図１０で後述）を設けている。これは固定穴等の固定用構造でもよいし、もしくは第１のアレイレンズ３を光学ユニット構造体２６内で光源１と第２のアレイレンズ４との間のどの位置でも固定できるようなスライダ機構等でもよい。また、使用する液晶表示素子１８，１９，２０の表示エリアサイズに関わらず照度均一性及び光利用効率等の照明光学性能を実用上問題ないレベルに維持するために、第１のレンズアレイ３と第２のレンズアレイ４の各レンズセルの曲率を第１のレンズアレイ３の配置に応じて変えている。
【００３７】
以下、その理由について、図２を用いて説明する。図２は図１の投射型液晶表示装置において、光源１からＢ光用の液晶表示素子１８までの照明光学系の光路上の各光学素子を、光路を折り曲げる反射ミラー、ダイクロイックミラー等を省略して直線的に図示したものである。なお、図１に同一な部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３８】
図２において、同アスペクト比で表示エリアサイズが５％以上異なる複数種類（少なくとも２種類）の液晶表示素子Ａ１，Ａ２，…Ａｊのうちの任意の一種類である表示エリアサイズＡｉの液晶表示素子１８に対応する、光源１と液晶表示素子１８間の距離をＬ０、第１のアレイレンズ３と液晶表示素子１８間の距離をＬ１、第２のアレイレンズ４と液晶表示素子１８間の距離をＬ２、集光レンズ６と液晶表示素子１８間の距離をｃ、集光レンズ６の像側焦点距離をｆ、第１のアレイレンズ３の１レンズセルの対角の長さをｂとし、液晶表示素子の表示エリアサイズの対角長さをｓｉとする。前述したように、第２のアレイレンズ４とこれに近接して配設される集光レンズ６とは、第１のアレイレンズ３の各レンズセルと液晶表示素子１８とが、互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されており、放物面の反射鏡２から光軸に平行な光束を受けて、第１のアレイレンズ３の各レンズセルの形状が液晶表示素子１８上に結像するので、第２のアレイレンズ４のパワーが小さいことを考慮すると近似的に集光レンズ６の像側焦点距離ｆと距離ｃは略等しくなり、液晶表示素子１８上に結像される第１のアレイレンズ３のレンズセル像の倍率ｓｉ／ｂは、近似的に下記式１のように表わされる。即ち、液晶表示素子１８，１９，２０上に形成される照射有効領域の大きさは、第１のアレイレンズ３のレンズセルの光学像の大きさに比例する。
ｓｉ／ｂ≒ｆ／（Ｌ１−Ｌ２）      （式１）
ここで、式１を変形して式２を得る。
Ｌ１≒Ｌ２＋ｆｂ／ｓｉ            （式２）
【００３９】
式２は任意の表示エリアサイズの液晶表示素子Ａｉにおいて成立するので、距離Ｌ０，距離Ｌ２，焦点距離ｆ，第１のアレイレンズ３のセルサイズｂおよび液晶表示素子１８の位置を変えることなく、式２を満足するＬ１となる位置に第１のアレイレンズ３を配置すれば、液晶表示素子１８上に結像する集光領域の大きさを表示エリアサイズｓｉに略合致した大きさとすることができ、光源が放射する全ての光束量に対する液晶表示素子上の光束量の比率である光利用効率は変化することがない。そこで、光学ユニット構造体２６に、液晶表示素子の複数の表示エリアサイズの大きさにそれぞれ対応した式１を満足するＬ１となる位置に第１のアレイレンズ３を装着する挿入溝を設けておけば、光学ユニット構造体２６を共用することができる。
【００４０】
また、この時、Ｌ１の変化に伴い、光源１の像が、第２のアレイレンズ４のレンズセル上に結像するように、第１のアレイレンズの曲率を変え、同じくＬ１の変化に伴い、第１のアレイレンズ３のレンズセルの像が液晶表示素子１８上に結像するように、第２のアレイレンズ４の曲率を変えることにより、液晶表示素子１８上の照度均一性も実用上問題のないレベルとすることができる。
【００４１】
なお、集光レンズ６が複数のレンズからなる場合は、集光レンズ６の像側焦点距離として複数レンズの合成焦点距離を用いればよい。
【００４２】
図３は表示エリアサイズの小さい液晶表示素子１８ａ（１９ａ）と表示エリアサイズの大きい液晶表示素子１８ｂ（１９ｂ）を用いた図１のＢ光（Ｇ光）の照明光学系を折り返し光路や色分離光路を省略して直線的にそれぞれ示したものである。説明を簡単とするため、代表的にＢ光の照明光学系で以下説明する。図３において、照明光学系を例えば図３（ａ）から図３（ｂ）にする場合を考慮する。液晶表示素子１８の表示エリアサイズが大きくなると表示エリアの対角長さｓｉが大きくなり、式１から明らかなように、第１のアレイレンズ３と液晶表示素子との間の距離Ｌ１は小さくなるので、図３（ａ）の第１のアレイレンズ３ａは図３（ｂ）の第１のアレイレンズ３ｂのように第２のアレイレンズ４ｂ側に近づけて配設される。この時、上記したように、光源１の像が液晶表示素子１８ｂ上に重畳して結像するように、第１のアレイレンズ３ｂと第２のアレイレンズ４ｂの曲率半径（図示せず）をそれぞれ小さくする。
【００４３】
このように構成すれば、それぞれ異なる表示エリアサイズの映像表示素子を用いた投射型映像表示装置間において、光学ユニット構造体を共用して、光源と液晶表示素子との距離を、用いる液晶表示素子の表示エリアサイズが変わっても略等しくして変えずに、ほぼ同一の位置に液晶表示素子を装着しながら、照明光学系の第１のアレイレンズを、装着した液晶表示素子に対応させて、装着した映像表示素子上の照明光学系による照射領域が映像表示素子の表示エリアサイズに略合致する所定の位置に取り付けることができる。
【００４４】
以上述べた方法により、図３の投射型映像表示装置においては、表示エリアサイズの異なる液晶表示素子１８（１９）を用いたときに、それぞれ液晶表示素子１８（１９）上での照射有効領域内の照度均一性及び、光利用効率を実用上問題のないレベルとしている。
【００４５】
図４（ａ）（ｂ）は図３の変形で、図４と図３の相違点は偏光変換素子５が第２のアレイレンズ４より第１のアレイレンズ３側に配置されていることにあり、機能は図３に同じで、詳細な説明は省略する。
【００４６】
図５（ａ）（ｂ）は表示エリアサイズの小さい液晶表示素子２０ａと表示エリアサイズの大きい液晶表示素子２０ｂを用いた図１のＲ光の照明光学系を折り返し光路や色分離光路を省略して直線的にそれぞれ示したものである。図５において、第１のリレーレンズ１５と液晶表示素子２０は第２のリレーレンズ１６と第３のリレーレンズ１７により共役な関係にあり、その倍率はほぼ等倍としてあるため、第１のリレーレンズ１５上に形成される光学像はそのまま液晶表示素子２０に結像される。従って、液晶表示素子２０上での照射有効領域の大きさ、照射有効領域内の照度均一性は第１のリレーレンズ１５上での照射有効領域の大きさ、照射有効領域内の照度均一性に等しく、また、第１のリレーレンズ１５は図３における液晶表示素子１８（１９）とほぼ同等の位置に配置されているため、第１のリレーレンズ１５上での照射有効領域の大きさ、照射有効領域内の照度均一性は図３における液晶表示素子１８（１９）上での照射有効領域の大きさ、照射有効領域内の照度均一性に等しい。以上のことから、図５における液晶表示素子２０上での照射有効領域の大きさ、照射有効領域内の照度均一性は図３における液晶表示素子１８（１９）上での照射有効領域の大きさ、照射有効領域内の照度均一性にほぼ等しくなり、図５における表示エリアサイズの異なる液晶表示素子２０ａ，２０ｂを用いた場合での液晶表示素子２０上での照射有効領域内の照度均一性及び、光利用効率は、図３と同様である。また、図４と同様に偏光変換素子５が第２のアレイレンズ４より第１のアレイレンズ３側に配置されていても構わない。
【００４７】
以上述べた実施形態では、映像表示素子として透過型液晶表示素子を用いたが、これに限定されるものではなく、反射型液晶表示素子やマイクロミラーを用いた場合にも適用できるのは明らかである。なお、マイクロミラーを用いる場合には、液晶表示素子とは異なり偏光作用を利用しないので、偏光変換素子５は不要となる。
【００４８】
図８は本発明による光学ユニット構造体の一例を示す斜視図である。わかりやすくするために、光源と第１／第２のアレイレンズと偏光変換素子と集光レンズと液晶表示素子以降の光学部品は重なり合いを避けて、上側にスライドさせて示している。なお、図１に同一な部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００４９】
図８において、光学ユニット構造体２６は、図１で述べた光源１から投射レンズ２００までの光学系を配置の通り搭載している。光学ユニット構造体２６は、表示エリアサイズの異なる液晶表示素子１８，１９，２０に対応して、それぞれ異なる所定の位置に第１のアレイレンズ３を装着できるように複数の挿入溝２０３（図８では２つ）を備えており、第１のアレイレンズ３は液晶表示素子のサイズに応じて、所定の挿入溝２０３ｉ（ｉは挿入溝を区別するための添え字）に装着される。なお、挿入溝２０４は第２のアレイレンズ４を装着するためのものであり、位置決めボス２５３は後述する投射レンズ・プリズムユニット２５０を光学ユニット構造体２６に装着するときの位置決めボスである。
【００５０】
図９は、第１のアレイレンズ３用の挿入溝２０３近傍の拡大図である。図９において、第１のアレイレンズ３のための挿入溝２０３が複数あることが明らかである。本図では光学ユニット構造体２６は２個挿入溝を有しており、例えば、図１における表示エリアサイズの小さい液晶表示素子１８ａ，１９ａ，２０ａに対応した第１のアレイレンズ３ａは第１のアレイレンズ３ａ用の挿入溝２０３ａに挿入され、位置決めボス２２３ａで位置決めして固定ネジ穴２１３ａにネジ（図示せず）で固定される。同様に、表示エリアサイズの大きい液晶表示素子１８ｂ，１９ｂ，２０ｂに対応した第１のアレイレンズ３ｂは第１のアレイレンズ３ｂ用の挿入溝２０３ｂに挿入され、位置決めボス２２３ｂで位置決めして固定ネジ穴２１３ｂにネジ（図示せず）で固定される。なお、２１４は第２のアレイレンズ４，偏光変換素子５，集光レンズ６の共締め固定ネジ穴である。
【００５１】
また、図８において、液晶表示素子１８，１９，２０から投射レンズ２００までの光路上の光学部品は投射レンズ−プリズムホルダ２５に組み付けられて、光学ユニット構造体２６に装着されている。以下、この組み付けられたユニットを投射レンズ・プリズムユニット２５０と称する。
【００５２】
図１０は投射レンズ・プリズムユニットの拡大図である。図示を簡単とするため、液晶表示素子、出射側偏光板については代表的にＧ光路のみを示し、Ｂ光路，Ｒ光路については省略して示す。図１０において、光合成プリズム２１は投射レンズ−プリズムホルダ２５に固定され、投射レンズ２００は投射レンズを固定するフランジ２４を介して投射レンズ−プリズムホルダ２５に取り付けられている。Ｇ光用の液晶表示素子１９はパネルブラケット２１９に例えば接着されて取り付けられ、偏光板３２はパネルブラケット２１９に挿入されて装着されている。液晶表示素子１９と偏光板３２が取り付けられたパネルブラケット２１９は光合成プリズム２１にＵＶ接着されて固定される。この時、光合成プリズム２１の中心と液晶表示素子１９との間の距離が図６で後述するように所定の一定距離Ｌｐｐとなるようにする。当然のことながら、Ｂ光用，Ｒ光用のパネルブラケット（図示せず）も光合成プリズム２１にＵＶ接着されて固定される。このように組立てられた投射レンズ・プリズムユニット２５０は位置決め穴２５２が光学ユニット構造体２６の位置決めボス２５３に合うように装着され、固定ネジ穴２５１に挿入されるネジ（図示せず）で光学ユニット構造体２６に固定される。
【００５３】
本発明では、図２で述べたように、表示エリアサイズの異なる液晶表示素子を搭載しても、液晶表示素子と光源との間の距離Ｌ０は、略同一とするが、光合成プリズム２１の中心と液晶表示素子１９との間の距離Ｌｐｐが所定の一定値となるようにし、さらに、光源と光合成プリズム２１の中心間の距離が一定値となるようにすれば、距離Ｌ０は所望の一定値とすることができる。そこで、光合成プリズム２１の中心から投射レンズ−プリズムホルダ２５の位置決め穴２５２までの投射光学系の光路に平行な距離を液晶表示素子の表示エリアサイズが異なっても変化しない一定値とし、位置決めボス２５３で位置出しを行い、光源と光合成プリズム２１の中心即ち光源と液晶表示素子間の距離Ｌ０を一定値となるようにしている。
【００５４】
上記では、照明光学系に関する本発明の実施の形態について、第１と第２のアレイレンズで構成されたレンズアレイ方式のオプチカルインテグレータを用いた照明光学系で述べたが、ロッドレンズなどの所謂万華鏡を用いたロッドインテグレータ方式の照明光学系でも、適用可能である。
【００５５】
図１１はロッドインテグレータ方式の照明光学系を光路を折り曲げる反射ミラー、ダイクロイックミラー等を省略して直線的に図示したもので、図１１（ａ）は液晶表示素子の表示エリアサイズが小さい場合に、図１１（ｂ）は液晶表示素子の表示エリアサイズが大きい場合に対応する。なお、図１１（ａ）と図１１（ｂ）で区別する必要がある構成要素については符号のあとにａまたはｂを添えて示すが、説明上特に支障がない場合には、添字を省略する。また、説明を簡単とするため、代表的にＢ光の照明光学系で説明し、図１に同一な部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００５６】
図１１において、光源１からの光束は楕円反射鏡２’で反射し、入射開口面が楕円反射鏡２’の第２焦点であるロッドレンズ４０に入射し、２次光源像を形成する。入射した光束は周知の如く、ロッドレンズ４０内で全反射を繰り返し出射開口面では均一分布となる。ロッドレンズ４０の出射開口（液晶表示素子１８の表示エリアに相似）を出射した光束は、ロッドレンズ４０の出射開口と液晶表示素子１８の表示エリア面とを物体と像の関係即ち共役な関係となるようにするリレーレンズ４２で液晶表示素子１８を均一に照射する。ロッドレンズ４０の出射開口近傍に配置された出射レンズ４１はロッドレンズ４０からの光束をリレーレンズ４２に集光する。即ち、出射レンズ４１はロッドレンズ４０の入射開口の２次光源像とリレーレンズ４２近傍とが光学的に共役な関係となるようにし、リレーレンズ４２近傍にロッドレンズ４０での反射回数に応じた複数の３次光源像を形成する。これらの複数光源で液晶表示素子１８を重畳照明するため照明が均一となる。コンデンサレンズ４３は液晶表示素子１８からの出射光が効率よく投射レンズに入射するようにするためのものである。
【００５７】
ここで、図１１（ａ）から図１１（ｂ）のように、ロッドレンズ４０と出射レンズ４１のみを変え、他の光学部品は同一として、液晶表示素子１８ｂの表示エリアサイズを大きくする場合を考える。上記のように、リレーレンズ４２により、ロッドレンズ４０の出射開口と液晶表示素子１８の表示エリア面とは共役な関係にあるので、ロッドレンズ４０ｂの出射開口の対角の長さをｂ’、液晶表示素子１８ｂの表示エリアの対角の長さをｓ’ｉ、リレーレンズ４２と液晶表示素子１８ｂとの距離をＬｐ、リレーレンズ４２とロッドレンズ４０ｂの出射開口間の距離をＬｒとすれば、ロッドレンズ４０ｂの出射開口サイズと液晶表示素子１８ｂの表示エリアサイズの倍率比から近似的にレンズアレイ方式の場合と同様な次式が成立する。
ｓ’ｉ／ｂ’≒Ｌｐ／Ｌｒ      （式３）
【００５８】
もし、ロッドレンズ４０ｂの出射開口の対角の長さｂ’を液晶表示素子１８ａの場合と同じ開口サイズとすると、数式３からＬｒを小さくすることになる、即ち、ロッドレンズ４０の出射開口位置をリレーレンズ４２側に近づけることになるが、一般に、ロッドレンズでは長さだけを単純に長くすることはできず、所定の照度均一性能を維持するためには開口サイズと長さは比例させる必要がある。そこで、液晶表示素子１８ｂの表示エリアサイズに対応させて、ロッドレンズ４０ｂの開口サイズｂ’と距離Ｌｒとが数式３を同時に満足するようにロッドレンズ４０ｂの開口サイズを大きくし、かつ、長さを長くすれば（即ち、ロッドレンズ４０ｂを長くして出射開口位置をリレーレンズ４２側に近づければ）、図１１（ａ）から図１１（ｂ）に変更することができる。これに伴い、ロッドレンズ４０ｂの出射開口部に近接して配設される出射レンズ４１ｂもリレーレンズ４２側に近づくことになる。出射レンズ４１はロッドレンズ４０の入射開口の２次光源像とリレーレンズ４２近傍とが光学的に共役な関係となるように設計されるので、これにより、出射レンズ４１ｂの焦点距離を短くしなければならない。従って、レンズアレイ方式の場合と同様に出射レンズ４１ｂの曲率半径を小さくする。
【００５９】
このように照明光学系を構成し、光学ユニット構造体を次のようにすれば、光学ユニット構造体を共用することが可能となる。即ち、光学ユニット構造体に出射レンズ４１を装着する液晶表示素子１８の表示エリアサイズに対応した挿入溝を複数設け、また、ロッドレンズ４０の装着は、例えばロッドレンズ４０を支持する光学ユニット構造体とは別体のホルダ（図示せず）を備え、このホルダを光学ユニット構造体に例えばネジ等で装着するようにすれば、光学ユニット構造体を共用化することができる。
【００６０】
以上、表示エリアサイズの異なる液晶表示素子に対応した照明光学系を共通の光学ユニット構造体に装着する場合の液晶表示素子と照明光学系を構成する光学素子との関係について述べたが、以降、表示エリアサイズの異なる液晶表示素子に対応した投射光学系を共通の光学ユニット構造体に装着する場合の液晶表示素子と投射光学系を構成する光学素子との関係について述べる。
【００６１】
図６（ａ）（ｂ）は図１に示す本発明の実施形態である投射型液晶表示装置の投射光学系の構成図を示しており、図６（ａ）は液晶表示素子の表示エリアサイズが小さい場合に、図６（ｂ）図は大きい場合に対応している。なお、図６（ａ）と図６（ｂ）で区別する必要がある構成要素については符号のあとにａまたはｂを添えて示すが、説明上特に支障がない場合には、添字を省略する。また、図１に同一な部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００６２】
図６において、光合成プリズム２１ａ，２１ｂのサイズは液晶表示素子１８ａ，１９ａ，２０ａ，１８ｂ，１９ｂ，２０ｂの表示エリアサイズの大きさにそれぞれ対応しており、光合成プリズム２１の中心位置を投射光学系の基準位置とすると、表示エリアサイズの異なる液晶表示素子１８ａ，１９ａ，２０ａ，１８ｂ，１９ｂ，２０ｂは、すべて、この基準位置からほぼ同じ距離Ｌｐｐの位置に配置されている。投射レンズ２００はそれぞれ液晶表示素子１８，１９，２０の光学像を不足なく投影できる性能を有しており、投射レンズ２００ａ，２００ｂのバックフォーカス（投射レンズ後玉後端と投射レンズの焦点位置間の距離で、一般的に液晶表示素子位置を焦点位置とする）ｇａ，ｇｂは、少なくとも、それぞれ光合成プリズム２１ａ，２１ｂの投射光学系光路上の厚さより大きく設計され、それぞれ異なっている。なお、２７はプリズム−パネルエリアを示す。
【００６３】
バックフォーカスｇａ，ｇｂは互いに異なっているので、そこで、それぞれ表示エリアサイズの異なる液晶表示素子を用いた相異なる投射光学系において、液晶表示素子を共通な光学ユニット構造体にほぼ同一の位置に装着しながら、異なるバックフォーカスを有する投射レンズを配置できる構造を光学ユニット構造体に設ければ、光学ユニット構造体を共用することができる。その構造について、以下、図６を用いて、図１１を参照しながら述べる。
【００６４】
上述したごとく、液晶表示素子１８，１９，２０とこれに対応した所定サイズの光合成プリズム２１の中心位置との間の距離Ｌｐｐが、液晶表示素子の表示エリアサイズが異なっても一定となるように、液晶表示素子１８，１９，２０と光合成プリズム２１は投射レンズ−プリズムホルダ２５に装着されるので、投射レンズ２００が以下述べるように構成されればよいことになる。
【００６５】
即ち図６の投射光学系において、投射レンズ２００を固定する投射レンズ固定用のフランジ２４と投射レンズ後玉後端間の距離をｈとしたとき、バックフォーカスｇと投射レンズ固定用のフランジ−投射レンズ後玉間距離ｈとの和ｇ＋ｈが常に同じ距離である所定の一定値（以下この値を「Ｌｃ」とする）となるように投射レンズ鏡筒２３上の投射レンズ固定用のフランジ２４の位置を移動調整して固定する。フランジ２４は液晶表示素子１８，１９，２０と光合成プリズム２１とともに投射レンズ−プリズムホルダ２５に例えばネジ（図示せず）で固定されるので、液晶表示素子１８，１９，２０と光合成プリズム２１中心間の距離Ｌｐｐを所定の一定値としながら、加えて、ｇ＋ｈも一定値Ｌｃとすることができる。このように構成することにより、バックフォーカスｇａ，ｇｂが異なっても、それぞれ対応する距離ｈａ，ｈｂの位置に投射レンズ固定用のフランジ２４を配置すればよいので、投射光学系においても、光学ユニット構造体２６を共用することが可能となる。液晶表示素子１８，１９，２０と光合成プリズム２１と投射レンズ２００を上記位置関係で投射レンズ−プリズムホルダ２５に組み付けた投射レンズ・プリズムユニット２５０は、図１０で詳述したように、投射レンズ・プリズムユニット２５０の位置決め穴２５２が光学ユニット構造体２６の位置決めボス２５３に合うように装着され、固定ネジ穴２５１で光学ユニット構造体２６にネジ（図示せず）により固定される。
【００６６】
以上では、投射レンズ２００を固定するフランジ２４は投射レンズ鏡筒２３上に備えられており、このフランジ２４を投射レンズ鏡筒２３上で例えばスライドさせて所定の位置とし、その上で、投射レンズ−プリズムホルダ２５にネジ止めするものとしたが、これに限定されるものではなく、投射レンズ−プリズムホルダ２５は投射レンズ２１を固定する投射レンズ固定機構を光合成プリズム２１の中心位置からＬｃ−Ｌｐｐなる位置に一体的に備え、投射レンズ後玉後端から（Ｌｃ−ｇ＝ｈ）なる位置で投射レンズ２１を投射レンズ固定機構で固定するようにしてもよい。
【００６７】
なお、プリズム−パネルエリア２７は、使用する表示エリアサイズの異なるすべての液晶表示素子１８，１９，２０の場合において、構造的に干渉のない必要十分な空間を設ける必要があるのは言うまでもない。
【００６８】
光合成プリズム２１は、サイズが変わっても、光合成プリズム２１内の投射光学系の３光路に垂直な方向の光合成プリズム２１の厚さ（即ち高さ）を一定とする、または、投射レンズ−プリズムホルダ２５に段付きの固定部等を設ける等の固定方法で固定できる。
【００６９】
上記では、液晶表示素子１８，１９，２０と光合成プリズム２１と投射レンズ２００を上記位置関係で投射レンズ−プリズムホルダ２５に組み付けた投射レンズ・プリズムユニット２５０を光学ユニット構造体２６に装着する実施形態を述べたが、これに限定されるものではなく、勿論、液晶表示素子１８，１９，２０，投射レンズ２００，光合成プリズム２１を、ともに投射レンズ−プリズムホルダ２５を用いずに、直接光学ユニット構造体２６に固定しても構わない。
【００７０】
投射レンズ２００はそれぞれ液晶表示素子１８，１９，２０の光学像を不足なく投影できる性能を有しており、そのバックフォーカスｇは、少なくとも、光合成プリズム２１の投射光学系光路上の厚さより大きく設計され、光合成プリズム２１の投射光学系の光路上の厚さは、少なくとも、使用する液晶表示素子１８，１９，２０の表示エリアサイズよりも大きくなければ、直交する光路の液晶表示素子の光学像を不足なく投影することはできない。これらの条件により投射レンズ２００及び光合成プリズム２１は設計されているが、使用する液晶表示素子１８，１９，２０に対応した所定の投射性能のうち、もっとも高い性能を有して、上記の条件を満たす投射レンズ２００を用いるならば、使用する表示エリアサイズの異なるすべての液晶表示素子１８，１９，２０において、投射レンズ２００を共用しても構わない。同じく、上記の条件を満たし、使用する表示エリアサイズの異なるすべての液晶表示素子１８，１９，２０の光学像を不足なく投影できる大きさをもつ光合成プリズム２１を用いるならば、使用する表示エリアサイズの異なるすべての液晶表示素子１８，１９，２０において、光合成プリズム２１を共用しても構わない。
【００７１】
図６では、コスト及び液晶表示装置全体のサイズ等の点から、表示エリアサイズの異なる液晶表示素子１８ａ，１９ａ，２０ａ，１８ｂ，１９ｂ，２０ｂの表示エリアサイズに応じて、投射レンズ２００を投射レンズ２００ａと投射レンズ２００ｂとに変えている。また同様に、光合成プリズム２１もサイズの異なる光合成プリズム２１ａ，光合成プリズム２１ｂに変えている。
【００７２】
図７（ａ）（ｂ）は図１の液晶表示素子近傍の詳細図で、図７（ａ）は液晶表示素子の表示エリアサイズが小さい場合に、図７（ｂ）は大きい場合に対応している。なお、図７（ａ）と図７（ｂ）で区別する必要がある構成要素については符号のあとにａまたはｂを添えて示すが、説明上特に支障がない場合には、添字を省略する。また、前出図に同一な部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００７３】
図７において、液晶表示素子１８，１９，２０の光路上の前後に入射側偏光板２８，２９，３０と出射側偏光板３１，３２，３３が配置されている。出射側偏光板３１，３２，３３は光合成プリズム２１に直接固定されていても構わない。この場合、小さいサイズの液晶表示素子１８ａ，１９ａ，２０ａを用いた場合は、光合成プリズム２１を小さくしても液晶表示素子１８ａ，１９ａ，２０ａの光学像を不足なく投影できる。そのためコスト重量等を考慮すれば、液晶表示素子１８，１９，２０のサイズに比例して光合成プリズム２１のサイズを定めるとメリットが多い。この場合、図７（ａ），（ｂ）に示されるような実施形態となる。一般に、各偏光板２８，２９，３０，３１，３２，３３または液晶表示素子１８，１９，２０を冷却するために、下方から各光学素子間の空間を用いて冷却風を通している。冷却は水平方向からでも、上方からでも構わない。このとき光学素子間の距離は冷却構造に応じた所定の最適な距離が存在する。本実施形態では、表示エリアサイズの異なるすべての液晶表示素子１８，１９，２０を用いた場合でも、光学ユニット構造体２６を共用するために、光合成プリズム２１の中心位置−映像表示素子１８，１９，２０間の距離Ｌｐｐが、ほぼ一定となるように配置するため、小さいサイズの光合成プリズム２１を用いた場合、液晶表示素子１８，１９，２０と光合成プリズム２１の間に配置される投射光学光路上で隣り合う光学素子間の距離、たとえば液晶表示素子１８，１９，２０−出射偏光板３１，３２，３３もしくは出射偏光板３１，３２，３３−光合成プリズム２１表面間もしくは液晶表示素子１８，１９，２０−光合成プリズム２１表面間の距離が冷却構造に対応した所定の最適な距離より大きくなり、光学素子の冷却効率が悪化しかねない。そのため、図７の実施形態において、大きいほうの光合成プリズム２１ｂを使用する図７（ｂ）に対して、小さいほうの光合成プリズム２１ａを使用する図７（ａ）の場合では、液晶表示素子１８，１９，２０と光合成プリズム２１の間に配置される出射偏光板３１ａ，３２ａ，３３ａの枚数を図７（ｂ）の出射偏光板３１ｂ，３２ｂ，３３ｂよりも増やし（図７（ａ）では各出射偏光板を２枚で構成）、光路上に配置することにより、光学素子間の距離をほぼ冷却構造に所定の最適な距離としている。このとき構成枚数を増やす光学素子は偏光板でなくとも他の光学素子例えば透光性のガラス板でも構わない。
【００７４】
以上のとおり、本発明による投射型映像表示装置では、光学ユニット構造体を共用しながら、最小限の光学素子の変更のみで良好な光利用効率、画像の良好な照度均一性及び良好な光学素子冷却効率を維持しながら同アスペクト比で表示エリアサイズが少なくとも１．０５倍以上異なる映像表示素子を用いた光学系の構成に変更することが可能である。これにより、各種型投資の削減、量産効果による各部品コストの低減が図られ、安価に投射型映像表示装置を提供することが可能となる。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、一つの共通な光学ユニット構造体を用いて、異なる表示エリアサイズの映像表示素子にそれぞれ対応した照明光学系・投射光学系を構成できる投射型映像表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の投射型液晶表示装置の光学系の構成図。
【図２】光源からＢ光用の液晶表示素子までの照明光学系の構成図。
【図３】表示エリアサイズがそれぞれ異なる液晶表示素子に対応する照明光学系の構成図。
【図４】図３の変形を示す照明光学系の構成図。
【図５】図３にリレーレンズを用いた照明光学系の構成図。
【図６】実施形態２の投射型液晶表示装置の投射光学系の構成図。
【図７】液晶表示素子近傍の詳細図。
【図８】本発明による光学ユニット構造体の一例を示す斜視図。
【図９】挿入溝の近傍の拡大図。
【図１０】投射レンズ・プリズムユニットの拡大図。
【図１１】ロッドインテグレータ方式の照明光学系を示す図。
【符号の説明】
１  光源
２，２’  反射鏡
３  第１のアレイレンズ
４  第２のアレイレンズ
５  偏光変換素子
６  集光レンズ
７  反射ミラー
８  反射ミラー
９  反射ミラー
１０  反射ミラー
１１  ダイクロイックミラー
１２  ダイクロイックミラー
１３  コンデンサレンズ
１４  コンデンサレンズ
１５  第１のリレーレンズ
１６  第２のリレーレンズ
１７  第３のリレーレンズ
１８  映像表示素子
１９  映像表示素子
２０  映像表示素子
２１  光合成プリズム
２２  投射レンズ群
２３  投射レンズ鏡筒
２４  投射レンズフランジ
２５  投射レンズ−プリズムホルダ
２６  光学ユニット構造体
２７  プリズム−パネルエリア
２８  入射側偏光板
２９  入射側偏光板
３０  入射側偏光板
３１  出射側偏光板
３２  出射側偏光板
３３  出射側偏光板
４０  ロッドレンズ
４１  出射レンズ
４２  リレーレンズ
４３  コンデンサレンズ
１００  スクリーン
２００  投射レンズ
２０３  挿入溝
２０４  挿入溝
２１３  固定ネジ穴
２１９  パネルブラケット
２２３  位置決めボス
２５０  投射レンズ・プリズムユニット
２５１  固定ネジ穴
２５２  位置決め穴
２５３  位置決めボス、
ｇ  投射レンズのバックフォーカス
ｈ  投射レンズフランジ−後玉間の距離
【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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【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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