(57)【要約】【課題】  従来は、観察者が必要とする最終的な観察画面での画像歪の発生を防いだり、また観察画面での各画素の大きさを画面全体の大きさと揃えたりすることが従来の投射型表示装置の構成では困難であった。【解決手段】  ２次元的に配置された複数の画素を有する液晶素子と、光源からの光を用いて前記複数の画素に対応した複数の光束を形成し、前記複数の光束それぞれによって前記複数の画素を照明する照明光学系とを有し、前記液晶素子からの光を被投射面に導く投射型表示装置であって、前記液晶素子と前記被投射面との間に配置された光学素子は、実質的に焦点距離が無限大の光学素子、前記複数の画素のそれぞれに対応した複数のレンズを有する投射側マイクロレンズのうちの少なくとも１つであることを特徴としている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元的に配置された複数の画素を有する液晶素子と、光源からの光を用いて前記複数の画素に対応した複数の光束を形成し、前記複数の光束それぞれによって前記複数の画素を照明する照明光学系とを有し、前記液晶素子からの光を被投射面に導く投射型表示装置であって、
前記液晶素子と前記被投射面との間に配置された光学素子は、実質的に焦点距離が無限大の光学素子、前記複数の画素のそれぞれに対応した複数のレンズを有する投射側マイクロレンズのうちの少なくとも１つであることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】
前記液晶素子と前記被投射面との間に配置された光学素子は、実質的に焦点距離が無限大の光学素子、前記複数の画素のそれぞれに対応した複数のレンズを有する投射側マイクロレンズのうちの少なくとも１つだけであることを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
【請求項３】
実質的に焦点距離が無限大の前記光学素子が、平面ミラーであることを特徴とする請求項１又は２記載の投射型表示装置。
【請求項４】
前記液晶素子と前記被投射面との間には、複数の平面ミラーが配置されていることを特徴とする請求項３記載の投射型表示装置。
【請求項５】
実質的に焦点距離が無限大の前記光学素子が、前記投射型表示装置の外装の一部を構成する、透明な平面板であることを特徴とする請求項１又は２記載の投射型表示装置。
【請求項６】
前記照明光学系が、前記複数の画素それぞれに対応した複数の開口を有する遮光部材と、前記複数の開口に対応した位置に配置された複数のレンズを有するマイクロレンズアレイとを有しており、前記マイクロレンズアレイが、実質的に前記遮光部材に対して前記マイクロレンズアレイの焦点距離だけ離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項７】
前記照明光学系が、前記光源からの光を前記複数の画素それぞれに対応する複数の光束に分割し、所定の集光位置に集光させる第１マイクロレンズと、該第１マイクロレンズの集光位置近傍に配置され、前記複数の画素それぞれに対応した複数の開口を有する遮光部材と、前記複数の開口に対応した位置に配置された複数のレンズを有するマイクロレンズアレイとを有しており、前記マイクロレンズアレイが、実質的に前記遮光部材に対して前記マイクロレンズアレイの焦点距離だけ離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項８】
前記照明光学系が、前記光源からの光を前記複数の画素それぞれに対応する複数の光束に分割し、所定の集光位置に集光させる第１マイクロレンズと、該第１マイクロレンズの集光位置近傍に配置され、前記複数の画素それぞれに対応した複数の開口を有する遮光部材とを有しており、前記投射側マイクロレンズが、実質的に前記遮光部材に対して該投射側マイクロレンズの焦点距離離して配置されていることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項９】
２次元的に配置された複数の画素を有する液晶素子と、光源からの光を複数の光学ファイバー束に導き、該複数の光学ファイバー束から出射する複数の光束それぞれの主光線が互いに発散しつつ前記複数の画素を照明する照明光学系とを有し、被投射面上に画像を投射することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１０】
前記液晶表示素子に隣接して配置され、前記複数の画素に対応する複数のレンズを有するマイクロレンズを備えており、該マイクロレンズの位置を調整することにより被投射面上に投射される画像を変化させることを特徴とする請求項９記載の投射型表示装置。
【請求項１１】
前記液晶素子と前記被投射面との間に、実質的に焦点距離が無限大の光学素子、前記複数の画素のそれぞれに対応した複数のレンズを有する投射側マイクロレンズのうちの少なくとも１つを配置することを特徴とする投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
画像表示装置、特に原画の像をスクリーン等の所定の被投影面に投射する投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８に従来の３板式の透過型液晶表示パネルを用いた従来例の投射型表示装置（特許文献１）を示す。１００は光源と、光源からの光をロッドレンズの入り口に集光する楕円形リフレクターと、ロッドレンズと、コンデンサーレンズとを有する照明系であり、８１、８２は光源からの白色光をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色に色分解するダイクロイックミラーである。そしてそれぞれ色分解された照明光を用いて、各色専用の透過型液晶表示パネル８４を背面から照明している。画像情報を含む透過光はクロスダイクロイックプリズム８５で色合成されて投射レンズ８６方向に射出される。投射レンズの焦点は各透過型液晶表示パネル表面に合致していて、合成された表示映像を投射レンズから離れた場所に配置された平面スクリーン１２０上に拡大投影している。
【０００３】
また、図９で示す他の従来例のマイクロミラーアレイ素子９０を用いた投射装置（例えば特許文献２、３）では、照明系１００の中に回転式のＲ、Ｇ、Ｂカラーフィルター９１を透過し、３原色を時分割でマクロミラーアレイ素子面に各色の光線束を入射する。そして各色に同期して作動するマイクロミラーアレイからの画像情報を含む反射光を、投射レンズ８６方向に射出し、かつマイクロミラーアレイ面に焦点が合わされた投射レンズを用いて映像を平面スクリーン１２０上に投射していた。
【０００４】
これらは、いずれも投影レンズを用い、かつその結像作用によって、表示画面を平面スクリーン上へ拡大投影していた。
【特許文献１】特開平１１−１０９５０４号公報
【特許文献２】特開平１１−１５３９６６号公報
【特許文献３】特開平１１−１６０６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
投影レンズの結像面側の焦点深度によって、任意の曲面スクリーン上へ投射した場合や２つ以上の互いに異なる平面を有するスクリーン上へ投射した場合、画面の場所による光路長の違いから、投射された画面がボケてしまうことがあった。従来の表示装置では、このような光路長の違いによる画像のボケを無くすことは困難であった。また、観察者が必要とする最終的な観察画面での画像歪の発生を防いだり、観察者が必要とする最終的な観察画面での各画素の大きさを画面全体の大きさと揃えたりすることも、上記の公報の構成では困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本願の投射型表示装置は、２次元的に配置された複数の画素を有する液晶素子と、光源からの光を用いて前記複数の画素に対応した複数の光束を形成し、前記複数の光束それぞれによって前記複数の画素を照明する照明光学系とを有し、前記液晶素子からの光を被投射面に導く投射型表示装置であって、前記液晶素子と前記被投射面との間に配置された光学素子は、実質的に焦点距離が無限大の光学素子、前記複数の画素のそれぞれに対応した複数のレンズを有する投射側マイクロレンズのうちの少なくとも１つであることを特徴としている。
【０００７】
ここで、前記液晶素子と前記被投射面との間に配置された光学素子は、実質的に焦点距離が無限大の光学素子、前記複数の画素のそれぞれに対応した複数のレンズを有する投射側マイクロレンズのうちの少なくとも１つだけであるようにすると良い。ここで、実質的に焦点距離が無限大の前記光学素子が、平面ミラーであると良い。また、前記液晶素子と前記被投射面との間には、複数の平面ミラーが配置されていると好ましい。また、実質的に焦点距離が無限大の前記光学素子が、前記投射型表示装置の外装の一部を構成する、透明な平面板であると尚良い。
【０００８】
また、前記照明光学系が、前記複数の画素それぞれに対応した複数の開口を有する遮光部材と、前記複数の開口に対応した位置に配置された複数のレンズを有するマイクロレンズアレイとを有しており、前記マイクロレンズアレイが、実質的に前記遮光部材に対して前記マイクロレンズアレイの焦点距離だけ離れた位置に配置されるように構成すると尚好ましい。
【０００９】
前記照明光学系が、前記光源からの光を前記複数の画素それぞれに対応する複数の光束に分割し、所定の集光位置に集光させる第１マイクロレンズと、該第１マイクロレンズの集光位置近傍に配置され、前記複数の画素それぞれに対応した複数の開口を有する遮光部材と、前記複数の開口に対応した位置に配置された複数のレンズを有するマイクロレンズアレイとを有しており、前記マイクロレンズアレイが、実質的に前記遮光部材に対して前記マイクロレンズアレイの焦点距離だけ離れた位置に配置されるように構成すると尚良い。
【００１０】
ここで、前記照明光学系が、前記光源からの光を前記複数の画素それぞれに対応する複数の光束に分割し、所定の集光位置に集光させる第１マイクロレンズと、該第１マイクロレンズの集光位置近傍に配置され、前記複数の画素それぞれに対応した複数の開口を有する遮光部材とを有しており、前記投射側マイクロレンズが、実質的に前記遮光部材に対して該投射側マイクロレンズの焦点距離離して配置されるように構成すると尚良い。
【００１１】
また、本願発明の投射型表示装置は、２次元的に配置された複数の画素を有する液晶素子と、光源からの光を複数の光学ファイバー束に導き、該複数の光学ファイバー束から出射する複数の光束それぞれの主光線が互いに発散しつつ前記複数の画素を照明する照明光学系とを有し、被投射面上に画像を投射することを特徴としている。
【００１２】
ここで、前記液晶表示素子に隣接して配置され、前記複数の画素に対応する複数のレンズを有するマイクロレンズを備えており、該マイクロレンズの位置を調整することにより被投射面上に投射される画像を変化させると尚良い。さらに、前記液晶素子と前記被投射面との間に、実質的に焦点距離が無限大の光学素子、前記複数の画素のそれぞれに対応した複数のレンズを有する投射側マイクロレンズのうちの少なくとも１つを配置すると尚望ましい。
【００１３】
また、本願発明の投射型表示装置は、２次元マイクロスポットライトからの射出光（マイクロスポットビーム）の射出角度を、開口アレイの部位によって調整することで、途中の光路に関係なく、観察者が必要とする最終投射画面での歪曲を無くしたことを特徴としている。
【００１４】
ここで、２次元マイクロスポットライトからのマイクロスポットビームの投射によって、投射レンズを用いた場合とは異なって、焦点深度に依存せず、任意距離のスクリーン面への画像の投射を可能とすると尚良い。
【００１５】
ここで、２次元マイクロスポットライトの投射において、各マイクロスポットビームのスポットサイズを、開口とマイクロレンズの距離を変えることにより、画面全体の拡大率と合致させ、任意のスクリーン面への画像の投射を可能とすると尚良い。
【００１６】
また、２次元マイクロスポットライトからのマイクロライトビームの投射において、各マイクロスポットビームのスポットサイズを、開口の大きさを変えることにより、画面全体の拡大率と合致させ、任意のスクリーン面への画像の投射を可能とすると尚良い。
【００１７】
ここで、開口部としてファイバー端を用い、ファイバー端とマイクロレンズの位置関係、向き関係によってマイクロスポットビームの射出角度を調整すると尚良い。
【００１８】
また、開口部とバリア板（遮光板）を用い、バリア板の開口とマイクロレンズの位置関係、向き関係によってマイクロスポットビームの射出角度を調整するように構成すると尚望ましい。光束のスクリーン面へのマイクロスポットビームの斜投影によって、画像の拡大を得るように構成すると尚良い。また、スクリーン面への投射画像がマイクロスポットビームで構成されるようにすると尚良い。
【発明の効果】
【００１９】
このようにスポットライト形成光学系を用いた場合は、投射レンズを用いた場合と異なり、焦点深度の影響を受けない。また、像面歪曲もスポットライト形成光学系アレイの各構成位置での射出光方向を調整することで任意に補正できる。投射レンズでは、位置と角度の関係が物理的に決まるためこのようなことは出来ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は投射表示の構成と原理を示す実施例である。１００はバックライト照明系であり、光源からの光を後段のスポットライト形成光学系１１２に導いている。このスポットライト形成光学系は、光源からの光を選択的にスクリーン１２０上に投射している。スポットライト形成光学系
図２は、照明系１００及びスポットライト形成光学系形成光学系１１２の構成と原理を示した図である。照明系１００はバックライト照明系全体を示している。１０１は高輝度白色ランプ、１０２は集光ミラー（ここでは楕円形状としているが、この集光ミラー１０２を放物面ミラーと凸レンズの組合わせで置き換えても構わない）、１０３はインテグレータ（ここではロッド型インテグレータ）、９１は回転式のカラーフィルターであって、Ｒ，Ｇ，Ｂの色光を選択的に透過するフィルターを回転方向に配置し、そのフィルターを回転させることによって、時分割的にＲ，Ｇ，Ｂの光を透過させている。１０５は回転式のカラーフィルターを回転させる同期モーターであり、後段の透過型液晶表示素子１０６で構成されたシャッター素子（液晶素子以外でも構わない）の駆動と同期して駆動されている。ここで、シャッター素子（透過型液晶表示素子）１０６は、前述のように透過型液晶素子でも良いし、反射型の液晶素子でも良いし、また、その他の素子で、各画素に入射する光量の調整が可能な素子を用いても良い。
【００２２】
そして、インテグレータ１０３の出射口に複数の光学ファイバー束１１０が配置されており、この光学ファイバー束１１０は図２では一部しか示していないが、インテグレータ１０３から出射する光を実質的に複数の光束に分割して光学ファイバー束に取り込んで、それらを後段のスポットライト形成光学系１１に導いている。
【００２３】
これらの複数の光学ファイバー束によって導かれた光は、マイクロレンズ１１１及びシャッター素子１０６に入射する。ここで、複数の光学ファイバー束それぞれが、シャッター素子の複数の画素のそれぞれに対応しており、マイクロレンズもその複数の画素に対応した微小なレンズを複数有している。
【００２４】
このように構成する際、光学ファイバー束の出射口は、マイクロレンズに対してマイクロレンズの焦点距離だけ離して配置される。これによって、マイクロレンズから出射する光は略平行光束とすることができる。また、ここで、光学ファイバー束の出射口の位置を調整することによって、マイクロレンズから出射する光の主光線の方向を調整することが可能になる。さらに、光学ファイバー束の出射口の位置をマイクロレンズから離せばスクリーン上に形成されるスポットライトの径を小さくすることができ、光学ファイバー束の出射口の位置をマイクロレンズに近づければスクリーン上に形成されるスポットライトの径を大きくすることができる。また、光学ファイバー束の出射口の開口径を変えることによっても、スクリーン上のスポットライトの径を変化させることが可能である。
【００２５】
このようにして、スクリーン１２０上に多数のスポットライトを形成することにより、時分割方式でスクリーン１２０上にカラー画像を表示している。
【００２６】
ここで、スポットライト形成光学系１１２（液晶シャッター）とスクリーン１２０との間には、屈折力を実質的に持たない光路折り曲げ用のミラーや、アフォーカル系を形成する光学系や、収差補正用の非球面はあるが、実質的に焦点距離が無限大の光学素子等のように、結像作用を持たないものは配置しても構わない。
【００２７】
また、照明系１００の構成はこれに限らない。例えば、光源からの光を放物面ミラーで略平行光に変換し、その略平行光をハエの目レンズ等の均一化手段で均一化した後、複数の光学ファイバー束に分割しても構わない。また、均一に照明された面にマイクロレンズ１１１の個々のレンズに対応した開口を設けておき、その開口から出射する光をマイクロレンズ１１１を用いて投射するようにしても良い。もしくは、複数の光源を用いてスポットライト形成光学系を照明しても構わないし、マイクロレンズ１つ１つに対応して光源を配置すると尚好ましい。
【実施例２】
【００２８】
図３はスポットライト形成光学系１１２の構成と原理を示す他の実施例である。１００は照明系である。その構成をなす１０１は高輝度白色ランプ、１０２は集光ミラー、１０３はインテグレータ、９１は回転するＲとＧとＢ透過で構成されたカラーフィルター、１０５は同期モーターで、１０６の透過型液晶表示で構成されたシャッター素子の駆動と同期し、時間分割方式で網膜の残像を利用してカラー画像を発生させている。
【００２９】
１０８は照明光を開口１０７に集光し、照明光の利用効率を上げるためのマイクロコンデンサーレンズアレイであり、マイクロコンデンサーレンズアレイよりも光源側に配置された、複数の開口を有する遮光部材１０７と対応している。１１１はマイクロレンズで開口とマイクロレンズ１１１の焦点距離だけ離れて配置されている。開口とマイクロレンズ１０８の光軸の位置関係によってマイクロスポットビーム１１３の射出光の方向が決められる。また、開口とマイクロレンズの距離を焦点距離より遠ざければ、スクリーン上に形成されるスポットライトの径（マイクロスポットビームの径）は小さくなり、逆に近づければスクリーン上に形成されるスポットライトの径は大きくなる。ここで、スポットライト形成光学系１１２（液晶シャッター）とこの投射型表示装置による被投射面（ここでは壁と天井で囲まれたコーナー部）には、屈折力を実質的に持たない光路折り曲げ用のミラーや、アフォーカル系を形成する光学系や、単なる収差補正用の非球面のように実質的に焦点距離が無限大の光学素子等のように、結像作用を持たないものは配置しても構わない。さらに、前述のようにシャッター素子が有する複数の画素に対応して個々のレンズが配置されたマイクロレンズを、シャッター素子よりスクリーン側に配置しても構わない。
【００３０】
ここで、マイクロレンズ１１１を、シャッター素子１０６より光源側に配置して、平行光束をシャッター素子１０６に入射させるように構成しても構わない。この場合、マイクロレンズは、遮光部材１０７に対して、マイクロレンズの焦点距離程度離して配置されるように構成する。
【実施例３】
【００３１】
図４は背面投射のプロジェクター（リアプロジェクター）に用いた実施例である。３０１は図２で示す照明系１００とスポットライト形成光学系１１２を一体化した光学エンジンである。３０２は反射ミラーで投射光をスクリーン３０３に折り返している。スクリーン３０３はホログラフィによる回折縞が形成されており、観察者側に照明光を拡散させ画像を表示できる。この実施例では投射光は縦横の広がりが大きく異なって出ている。（ｂ）で示すように縦方向の倍率はβで広げた角度をさらにスクリーンによる斜投射で画像を拡大している。そのため装置全体の厚みが大幅に薄くできる。また（ａ）で示す横方向はマイクロスポットビーム１１３の投射角αおよびα´を広げて縦横の倍率を調整した。スポットライト形成光学系はマイクロスポットビームの投射角度を任意に設定できるため、このように縦横倍率を補正できる。また光路長が大幅に異なる場合においても問題はない。本実施例では各スポットライトの大きさを揃える必要があるため、開口とマイクロレンズの距離を補正している。
【００３２】
図５は図４で用いたスクリーン３０３上への斜投影による画面の拡大投影を示している。（ａ）は補正がない場合のスクリーン上の観察画面を示している。画面の上方が狭まっている。これを補正するため（ｂ）で示すように画面の上方部の連続的な拡大を行った。スポットライト形成光学系１１２の横方向の射出角度を広げ補正すればよい。また画面の中心もずれてくるため、縦方向の射出方向の補正も行っている。
【実施例４】
【００３３】
図６は前面投射（フロントプロジェクション）に用いた実施例（フロントプロジェクター）である。ここでは、壁と天井で囲まれたコーナー部に画像を投射する場合を示している。
【００３４】
５０１はプロジェクターであり光学エンジンを内蔵している。プロジェクター側から投射画面を観察した場合には、このような極端に焦点深度が必要な場合にも歪やボケの無い画面を得られる。しかし、投射レンズ等の結像系を用いた場合は、場所により焦点深度が異なるため像がボケるため、平面スクリーンが必要となる。
【００３５】
ここで、スポットライト形成光学系１１２（液晶シャッター）とこの投射型表示装置による被投射面（ここでは壁と天井で囲まれたコーナー部）には、屈折力を実質的に持たない光路折り曲げ用のミラーや、アフォーカル系を形成する光学系や、単なる収差補正用の非球面のように実質的に焦点距離が無限大の光学素子や、表示装置の内側から外側に光を導く外装ボックスの窓部分のレンズ（パワーは持たない）等のように、結像作用を持たないものは配置しても構わない。
【実施例５】
【００３６】
図７は３板式の透過型液晶シャッターを用いた場合の実施例である。Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの色成分の射出光はスポットライト形成光学系１１２でスクリーン１２０上に投射される。色の合成はダイクロプリズム８５を用いて行っている。
【００３７】
これは光源からの白色光を３つの色光（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に分解する色分解系と、それぞれの色に対応した図１や図３のスポットライト形成光学系と、このスポットライト形成光学系から出射した光を合成する色合成系（ここではクロスダイクロイックプリズム８５）とを有するように構成しただけである。
【００３８】
上述の実施例１〜５は任意に組合わせても構わない。また、本実施例においては、光源からの光をロッド型レンズ（内面反射鏡）の入り口に集光し、均一化した光を複数の光ファイバー束に導いているが、勿論光源の周辺に光ファイバー束の入り口を配置するようにしても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】投射表示の構成と原理を示す実施例
【図２】スポットライト形成光学系の構成と原理を示す実施例
【図３】スポットライト形成光学系の構成と原理を示す他の実施例
【図４】背面投射のプロジェクターに用いた実施例
【図５】斜投影による画面の拡大投影原理を示す実施例
【図６】前面投射に用いた実施例
【図７】３板式の透過型液晶シャッターを用いた場合の実施例
【図８】３板式の透過型液晶シャッターを用いた投射装置の従来例
【図９】マイクロミラーアレイ素子を用いた投射装置の従来例
【符号の説明】
【００４０】
８１、８２  ダイクロイックミラー
８５  クロスダイクロイックプリズム
８６  投射レンズ
９０  マイクロミラーアレイ素子
９１  回転式カラーフィルター
１００  照明系
１０１  高輝度照明ランプ
１０２  集光ミラー
１０３  インテグレータ
１０５  同期モーター
１０６  液晶シャッター
１０７  開口アレイ
１０８  コンデンサーレンズ
１１０  光学ファイバー
１１１  マイクロレンズアレイ
１１２  スポットライト形成光学系
１１３  マイクロスポットビーム
１２０  スクリーン
３０１  光学エンジン
３０２  ミラー
３０３  スクリーン
５０１  プロジェクター
【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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