(57)【要約】【課題】  反射光学系による投射光学系と光学エンジンの組み合わせの小型化、及び取扱いの簡素化を図る。【解決手段】  反射光学系による投射光学系と光学エンジンの組み合わせに於いて、縦置き配置に適した構成にする。  短辺折り曲げの色合成系を縦置きし、自由曲面投射系と縦型で組み合わせる。  特に反射光学系を用いた投射機器として、従来の光学エンジンと組み合わせた場合に比較して筐体の占める空間容積（これが収まる最小の直方体容積）が少なくなる（小型化）。装置の筐体の形状が簡素化され、外観、取り扱い共に改善される。【選択図】  図１
2005338138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともひとつの自由曲面反射面を有する光学系であって、該自由曲面反射面の形状は、全てひとつの基準平面に関して面対称であり、この光学系の物体面の中心にある１点を出発し、これと共役関係にある像面の中心にある１点へ至るひとつの光束の、その中心を進む１本の光線を該光学系の基準光軸と定義するとき、
該基準光軸が前記基準平面上に存在する投射光学系と、
複数の色光を合成するクロスダイクロイックプリズムと、
該クロスダイクロイックプリズムを介して該光学系の物体面として互いに共役な位置に置かれ、異なる色光で各々照明され、その画像表示面が長方形である、複数の画像変調素子とから成り、
該複数の画像変調素子により変調された色光を該クロスダイクロイックプリズムで色合成し、前記投射光学系にて像面上に投影する構成であって、
該クロスダイクロイックプリズムに於いて色合成される直前の複数の色光の基準光軸は全てひとつの平面上にあり、この平面を色合成平面と定義するとき、
該色合成平面と該複数の画像変調素子の表示面の短辺方向が平行であって、
該投射光学系の基準平面と該色合成平面が互いに平行であって、
投射された画像が横長であるように該画像変調素子を該クロスダイクロイックプリズム及び投射光学系に対して配置したことを特徴とする投写型画像表示装置。
【請求項２】
少なくともひとつの自由曲面反射面を有する光学系であって、該自由曲面反射面形状は、全てひとつの基準平面に関して面対称であり、この光学系の物体面の中心にある１点を出発し、これと共役関係にある像面の中心にある１点へ至るひとつの光束の、その中心を進む１本の光線を該光学系の基準光軸と定義するとき、
該基準光軸が前記基準平面上に存在する投射光学系と、
複数の色光を合成する色合成プリズムであって、全反射面と透過面を兼ねる面を最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層をプリズム内部に有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差しない少なくとも３つ以上のプリズムより構成される色合成プリズムと、
該色合成プリズムを介して該光学系の物体面として互いに共役な位置に置かれ、異なる色光で各々照明され、その画像表示面が長方形である、複数の画像変調素子とから成り、
該複数の画像変調素子により変調された色光を該色合成プリズムで色合成し、前記投射光学系にて像面上に投影する構成であって、
該色合成プリズムに於いて色合成される直前の複数の色光の基準光軸は全てひとつの平面上にあり、この平面を色合成平面と定義するとき、
該色合成平面と該複数の画像変調素子の表示面の短辺方向が平行であって、
該投射光学系の基準平面と該色合成平面が互いに平行であって、
投射された画像が横長であるように該画像変調素子を該色合成プリズム及び投射光学系に対して配置したことを特徴とする投写型画像表示装置。
【請求項３】
少なくともひとつの自由曲面反射面を有する光学系であって、該自由曲面反射面の形状は、全てひとつの基準平面に関して面対称であり、この光学系の物体面の中心にある１点を出発し、これと共役関係にある像面の中心にある１点へ至るひとつの光束の、その中心を進む１本の光線を該光学系の基準光軸と定義するとき、
該基準光軸が前記基準平面上に存在する投射光学系と、
複数の反射型液晶画像変調素子に対し略正面から異なる色光を照明光として照射し、変調された反射光束を該照明光から偏光分離して複数の変調された色光を得たのち、これを色合成するための少なくとも３組以上のプリズムなどより構成される色合成プリズム系と
該色合成プリズム系を介して該光学系の物体面として互いに共役な位置に置かれ、その画像表示面が長方形である、前記複数の反射型液晶画像変調素子とから成り、
該複数の反射型液晶画像変調素子により変調された色光を該色合成プリズム系で色合成し、前記投射光学系にて像面上に投影する構成であって、
該プリズム系に於いて色合成される直前の複数の色光の基準光軸は全てひとつの平面上にあり、この平面を色合成平面と定義するとき、該色合成平面と該複数の反射型画像変調素子の表示面の短辺方向が平行であって、
該投射光学系の基準平面と該色合成平面が互いに平行であって、
投射された画像が横長であるように該反射型液晶画像変調素子を該色合成プリズム系及び投射光学系に対して配置したことを特徴とする投写型画像表示装置。
【請求項４】
色合成プリズムの周囲に配置される複数の画像変調素子のうち色光合成直後の基準光軸の延長線上以外に有る画像変調素子の配置と、更に該色合成プリズム自体の形状は、該色光合成直後の基準光軸に関して非対称であって、
且つ該色合成平面上に於いて該色光合成直後の基準光軸周りに反転した２通りの配置を採ることが可能であって、
投射光学系を構成する自由曲面反射面をはじめとする光学素子との機械的干渉を生じないように該画像変調素子及び該色合成プリズムの配置の向きが選択決定されていることを特徴とする請求項１、２に記載の投写型画像表示装置。
【請求項５】
色光合成直後の基準光軸に沿って、像面方向側を正とし、該色合成プリズムの射出端面を原点としてＺ軸を定義するとき、
色合成プリズムの周囲に配置される複数の画像変調素子のうちＺ軸上以外に有る画像変調素子の配置と、更に該色合成プリズム自体の形状は、該Ｚ軸に関して非対称であって、
且つ該色合成平面上に於いて該Ｚ軸周りに反転した２通りの配置を採ることが可能であって、
該投射光学系を構成する各光学素子のうち、Ｚ座標値が負の空間に該光学素子があるとき、上記画像変調素子及び色合成プリズムの２通りの配置のうち、この光学素子との機械的干渉を生じない方の配置を選択することを特徴とする請求項１、２に記載の投写型画像表示装置。
【請求項６】
色合成プリズム系の周囲に配置される複数の反射型液晶画像変調素子のうち全ての色の光合成直後の基準光軸の延長線上以外に有る反射型液晶画像変調素子の配置と、更に該色合成プリズム系自体の配置構成は、該色光合成直後の基準光軸に関して非対称であって、
且つ該色合成平面上に於いて該色光合成直後の基準光軸周りに反転した２通りの配置を採ることが可能であって、
投射光学系を構成する自由曲面反射面をはじめとする光学素子との機械的干渉を生じないように該反射型液晶画像変調素子及び該色合成プリズムの配置の向きが選択決定されていることを特徴とする請求項３に記載の投写型画像表示装置。
【請求項７】
全ての色の光合成直後の基準光軸に沿って、像面方向側を正とし、最も像側の色合成プリズムの射出端面を原点としてＺ軸を定義するとき、
前記色合成プリズム系の周囲に配置される複数の反射型液晶画像変調素子のうちＺ軸上以外に有る反射型液晶画像変調素子の配置と、更に該色合成プリズム系自体の形状は、該Ｚ軸に関して非対称であって、
且つ該色合成平面上に於いて該Ｚ軸周りに反転した２通りの配置を採ることが可能であって、
該投射光学系を構成する各光学素子のうち、Ｚ座標値が負の空間の該光学素子があるとき、上記画像変調素子及び色合成プリズム系の２通りの配置のうち、この光学素子との機械的干渉を生じない方の配置を選択することを特徴とする請求項３に記載の投写型画像表示装置。
【請求項８】
請求項１、２、３において、画像表示装置の画像表示面の短辺方向の照明光学系のＦナンバーの値が、他の方向より大きいことを特徴とする投写型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
自由曲面とは、２次元の冪級数関数など任意の関数により表現される、任意の曲面形状を指す。このような面を反射（ミラー等）又は透過（レンズ等）の光学作用面として有する光学系が知られている。
【０００２】
本発明は、投射光学系を自由曲面反射光学系（自由曲面ミラー）の組み合わせによって構成した投射光学系を用いる液晶プロジェクタなどの投写型画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
自由曲面反射面（自由曲面ミラー）を用いる投射光学系について説明する。
【０００４】
尚、ここでは光学系の全ての面を反射面で構成したものを前提としている。しかしながら、共軸系（屈折レンズ系）と反射面を組み合わせたハイブリッドな光学系に関しても、反射面により構成される部分に関しては、説明内容は同様に当てはまるものである。
【０００５】
該結像光学系を構成する各々の自由曲面形状は、それぞれ基準となる平面に関して面対称である。更に全ての自由曲面反射面に関し、上記面対称の基準となる平面は同じひとつの平面上にある。これを該光学系の基準平面と定義する。
【０００６】
次に基準光軸についての説明をする。
【０００７】
該結像光学系は一般的な共軸光学系のように光学系の中心を貫く回転対称軸である光軸を持たない。そこで、便宜上これに代わる光軸を定義する必要がある。物体面の中心にある１点を出発し、これと共役関係の像面の中心にある１点へ至るひとつの光束を考える。その光束の拡がりの中心を進む１本の光線が定義される。この光線の辿る道筋を基準光軸と定義する。このとき光束の中心を定義する場所は、絞りの位置などである。
【０００８】
該結像光学系の基準光軸は、ひとつの平面上に存在する。また、その平面とは前述した基準平面である。
【０００９】
該結像光学系を液晶プロジェクタなどの機器に適用した場合の特徴を述べる。
【００１０】
該光学系は、共軸レンズ系に比較して広角にし易く、光路の取り回しの自由度が高い。他にも反射面のみの構成に由来する幾つかの利点が存在するが、ここで詳細を説明するのは省略する。
【００１１】
共軸レンズ系の場合、通常プロジェクタからスクリーンに投射される光束の仰角は１０°〜１５°程度である。これに対し、該光学系では軸上という概念がないため４０°や６０°など、共軸レンズ系では事実上不可能な大投射仰角を自由に無理なく設計可能である。その結果、スクリーンの至近直下にプロジェクタを設置できるなどの利点が生ずる。
【００１２】
該結像光学系の場合、光学系の形態も一般的な共軸レンズ系と異なり、光路の設計によって様々なかたちになる。基本的には先に詳述したように、所定の平面上で基準光軸の光路を折りたたんだ構成になる。従って、光学系自体の形態は基準平面に沿って反射面が並んでいる形になる。（図２）
基準平面は鉛直方向に略平行である。光学系の外側を覆う筐体は、概略的には縦置きの、厚みのある板のような箱形（該厚み方向が各ミラーの幅）となる。（図２）
該光学系筐体の大きさは、下記のような要因で決まる。
【００１３】
液晶プロジェクタの投射光学系では画像表示パネル側にテレセントリックであることが要求される。そのため第１番目のミラーの大きさは、そこに至る光束径で決まり、それを決める要因としては、
◆画像表示パネルデバイスの画面サイズ
◆画像表示パネルから第１ミラーまでの距離（色合成プリズムの厚み）
◆物体側Ｆ値
◆画面周辺部のビネッティングの有無及びそのケラレ量
が挙げられる。
【００１４】
また、それに続く他のミラーの大きさは、第１ミラーの大きさの影響を受けつつ、
◆光学系内又は近傍で一旦結像するか否か、
◆瞳のサイズ、
◆そのミラーの瞳からの距離、
等の要因に依存する。
【００１５】
第１ミラーの大きさを小さくすることは光学系全体の小型化に寄与する。
【００１６】
該投射光学系のサイズのうち、基準平面と垂直な方向、（即ち液晶プロジェクタならば画面の横幅方向に相当する方向）のサイズは、殆ど上記の要因で決まる。一方、基準平面内に於ける光学系サイズは、基準光軸に沿った各ミラーの間隔に依存する。このミラー間隔は基準平面に於ける光束の幅（ミラーの大きさ）に依存する。光路の折り畳み方は、光束と自由曲面ミラーの干渉を避けるように、且つ最も小型化するように隙間を詰めながら決められる。（図２）
次に色合成プリズムについて説明する。
【００１７】
液晶プロジェクタにて、ＲＧＢの各色の液晶パネルは、投射光学系の物体面として互いにほぼ共役に配置されている。各液晶パネルを通過した基準光軸の色光は色合成プリズムにより１本の光線に統合される。そして投射光学系の基準光軸として像面まで至る。
【００１８】
従来、液晶プロジェクタにおいては、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層をＸ字状にプリズム内部に配置したクロスダイクロイックプリズム（図７）が色合成に用いられてきた。これは、特許公開公報特開平０９−３１８９０７号公報（セイコーエプソン株式会社）に開示されている。クロスダイクロイックプリズムは、２つのダイクロイックミラー層をＸ字状にプリズム内部に配置しているので、色合成プリズムを小型にできる利点がある。クロスダイクロイックプリズムは、４つの三角柱から構成されており、製造上、個々のプリズムの角度精度や接合精度を高めないと、ダイクロイックミラー層の段差や角度ずれが発生しやすく、スクリーン上に線状パターンを投影したときの像割れや、スクリーンに一様な明るさの像を投影したときにスクリーン中心付近に薄明るい縦スジ薄暗い縦スジが発生しやすいという欠点を有していた。この欠点を解決するために、ダイクロイックミラー層を交差させない色合成プリズムが特許公開公報第特開２００１−２９００１０号公報（キヤノン株式会社）に提案されている。この３Ｐプリズム（図９）又は４Ｐプリズムと称すものは３つ乃至は４つの３角柱プリズムを接合したものである。
【００１９】
色合成プリズムの厚みについて説明する。
【００２０】
前述のように色合成プリズムの厚さは投射光学系と画像表示パネルデバイスの間の距離を決め、これは投射光学系の大きさに直接影響を及ぼす。
【００２１】
ＲＧＢの各色の、色合成プリズムにより合成される直前の基準光軸で構成される平面を色合成平面と定義する。（図１１）
色合成プリズムの厚みは、ダイクロイックミラー有効部の色合成平面に平行な方向の長さに依存する。これを決める要因は前述の第１ミラーへ至る光束サイズを決める要因とほぼ同じである。即ち、
◆画像表示パネルの画面サイズ
◆物体側Ｆ値
◆画面周辺部のビネッティングの有無及びそのケラレ量
の各項目の色合成平面に平行方向の成分にて決まる。
【００２２】
画像表示パネルの画面は通常長方形である。画面の長辺を含む面内で色合成する構成が、従来は一般的である。これを短辺にて行えば、ダイクロイックミラー領域の色合成平面方向の有効部長さが短くなりプリズムの厚さ低減が可能となる。
【００２３】
このように画像表示パネルの画像表示域の縦横を入れ替えることにより、該プリズムの厚みを小さくする例が、クロスダイクロイックプリズムに関して特許公開公報特開平１１−２４９０７０号公報（シャープ株式会社）に開示されている。長方形である画像表示パネルの長辺が、従来は色合成平面方向に一致していたのに対し、これを短辺方向に改めることで、プリズム厚の短辺／長辺分の短縮が出来る。しかしながら、このように画面表示パネルデバイスの向きを面内で９０°回転させると、そのまま投射される画像の縦横方向も面内で９０°回転し縦長画面になる。
【００２４】
一般に液晶プロジェクタ等で投射する画面の向きは通常横長である。そこで、逆に色合成系全体を９０°回転させ縦置きとし、横長画面にすることは可能である。しかしながら、一般的な共軸レンズ投射系では仰角が１０°〜１５°程度と小さいため、スクリーン前に縦長の筐体が置かれることになる。この場合、鑑賞者の視点からは、筐体が画面を遮るなどして邪魔になりやすい。（図１３）
【特許文献１】特開平１１−２４９０７０号公報
【特許文献２】特開２００１−２９００１０号公報
【特許文献３】特開平０９−３１８９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
自由曲面反射面を用いる結像光学系は、同等性能の共軸系のレンズ面数に比較してミラー面数は少ないものの、あるミラーに入射する光束は、入射と同じ側に射出されるという反射系特有の制約により、面と面の間隔を狭めるには自ずと限界がある。このような要因により当該光学系は本来小型化し難い傾向を有するという課題がある。（図２）
更に次の課題を説明するために液晶プロジェクタの照明光学系及び色合成プリズム系で構成される部分について説明する。（図１１）
色合成プリズムがクロスダイクロイックプリズムであっても、３Ｐ、４Ｐプリズムであっても該ＲＧＢの３つの液晶パネルを通る各基準光軸は色合成平面内に存在する。また照明光学系に於ける基準光軸も、一般に同じ色合成平面内に存在するように構成される。
【００２６】
即ち、光源ランプを出発し基準光軸に沿った光線は、まず途中の光路でＲＧＢの３色の色光に分割される。そして、ＲＧＢのそれぞれの色光強度を画像信号に応じて変調する液晶表示パネルを裏側から、又は正面から（反射型液晶の場合）照明する。これら色光の光線は、色合成プリズムにより再度ひとつの光軸に合成され投射光学系へ至る。これらの光軸は、ほぼひとつの色合成平面内に存在する。
【００２７】
このように照明系、色合成系の光軸もほぼ同一の色合成平面内に存在するので、これら光学系の構成物の配置は該平面方向に延在した形になる。従って、この影響は装置の筐体の外観にも現れ、通常の液晶プロジェクタの筐体はこの平面に沿った方向に広がった形状になり、一般には設置面に平行な方向に薄い平らな直方体をベースとした形態をしている。
【００２８】
このような、照明光学系及び色合成光学系に対して、先の自由曲面反射面を用いた投射光学系を組み合わせ、液晶プロジェクタを構成すると次のような問題が生ずる。
【００２９】
即ち、投射光学系の配置上鉛直方向に平行な基準平面内にミラー系が並ぶ（図２）ため、投射光学系の部分は実際には縦及び前後に延びた構造体となる。これに対して、照明系及び色合成系による部分は、その基準光軸に沿った光路が構成する平面を、一般には上記のように設置する机上等の面に対して略平行に配置する。（図１１）
液晶プロジェクタは照明と色合成系等の部分の設置面に水平に延在する箱状の筐体と、設置面に垂直方向に延在する箱状の筐体の投射光学系部分から成る。この結果、全体としての装置筐体形状は、図１４に示すような形態となる。見た目の形状も簡素さを欠き、取り扱い難いものになる。照明及び色合成系と投射光学系の部分の形状的な差が大きい為、両者の間の捻れた接合部分の境界が明確に存在し、この境界部分での機械的剛性が低下し易くなる。更にこのような構成では装置を持ち上げる時などに、力の掛かり方が不均一に成りやすい。いずれかの部分だけに力が掛かり、特に該境界部分に力が集中しやすい。投射光学系と照明部の接合部分に傾きなど位置ずれが発生すると片ボケなどの投射画質の低下を招く。また、このような問題を避ける為に、装置全体を覆うような筐体を設計し、外形状的な要因から上記接合部分に無駄に力がかかりにくい構成にする対策も有り得る。しかしながら、これら全体を収める筐体容積は大きくなり過ぎ、取り扱いやすさ、収納性は一段と低下する。（図１４）
上記大きく２つに分けた問題点をまとめる。
【００３０】
第１番目に述べた内容について、
（１−１）公知の色合成プリズム薄化手段を用いると投射画面が９０°回転する。
【００３１】
（１−２）（１−１）で画面を横長に戻すには照明系等が縦置きになり、従来の共軸投射系との組み合わせでは投射角が低く、縦置き筐体が投射画面鑑賞の邪魔になる。
【００３２】
第２番目に述べた内容について、
（２−１）自由曲面反射面投射光学系は小型化しにくい。
【００３３】
（２−２）自由曲面反射面を用いる投射光学系は筐体が縦型になる。
【００３４】
（２−３）（２−２）と横置き照明／色合成系筐体を組み合わせた形態は扱いが良くない。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
以上の課題を解決するために、自由曲面投射光学系の大きさを決める要因は色合成プリズムの厚みである。そこで画面の短辺側で色合成するプリズム系を使用する。
【００３６】
また、照明及び色合成系も画面の縦横を入れ替えるように回転させ、投射される画面は従来のまま横長とする。該光学系は、色合成プリズムの厚みが減少する分だけ、ミラーの大きさを小さくできる。
【００３７】
この照明及び色合成系と自由曲面投射光学系を組み合わせることで、双方が縦置きの形態となる。
【００３８】
本発明請求項１の投写型画像表示装置は、少なくともひとつの自由曲面反射面を有する光学系であって、該自由曲面反射面の形状は、全てひとつの基準平面に関して面対称であり、この光学系の物体面の中心にある１点を出発し、これと共役関係にある像面の中心にある１点へ至るひとつの光束の、その中心を進む１本の光線を該光学系の基準光軸と定義するとき、該基準光軸が前記基準平面上に存在する投射光学系と、複数の色光を合成するクロスダイクロイックプリズムと、該クロスダイクロイックプリズムを介して該光学系の物体面として互いに共役な位置に置かれ、異なる色光で各々照明され、その画像表示面が長方形である、複数の画像変調素子とから成り、該複数の画像変調素子により変調された色光を該クロスダイクロイックプリズムで色合成し、前記投射光学系にて像面上に投影する構成であって、該クロスダイクロイックプリズムに於いて色合成される直前の複数の色光の基準光軸は全てひとつの平面上にあり、この平面を色合成平面と定義するとき、該色合成平面と該複数の画像変調素子の表示面の短辺方向が平行であって、該投射光学系の基準平面と該色合成平面が互いに平行であって、投射された画像が横長であるように該画像変調素子を該クロスダイクロイックプリズム及び投射光学系に対して配置したことを特徴としている。
【００３９】
本発明請求項２の投写型画像表示装置は、少なくともひとつの自由曲面反射面を有する光学系であって、該自由曲面反射面形状は、全てひとつの基準平面に関して面対称であり、この光学系の物体面の中心にある１点を出発し、これと共役関係にある像面の中心にある１点へ至るひとつの光束の、その中心を進む１本の光線を該光学系の基準光軸と定義するとき、該基準光軸が前記基準平面上に存在する投射光学系と、複数の色光を合成する色合成プリズムであって、全反射面と透過面を兼ねる面を最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層をプリズム内部に有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差しない少なくとも３つ以上のプリズムより構成される色合成プリズムと、該色合成プリズムを介して該光学系の物体面として互いに共役な位置に置かれ、異なる色光で各々照明され、その画像表示面が長方形である、複数の画像変調素子とから成り、該複数の画像変調素子により変調された色光を該色合成プリズムで色合成し、前記投射光学系にて像面上に投影する構成であって、該色合成プリズムに於いて色合成される直前の複数の色光の基準光軸は全てひとつの平面上にあり、この平面を色合成平面と定義するとき、該色合成平面と該複数の画像変調素子の表示面の短辺方向が平行であって、該投射光学系の基準平面と該色合成平面が互いに平行であって、投射された画像が横長であるように該画像変調素子を該色合成プリズム及び投射光学系に対して配置したことを特徴としている。
【００４０】
本発明請求項３の投写型画像表示装置は、少なくともひとつの自由曲面反射面を有する光学系であって、該自由曲面反射面の形状は、全てひとつの基準平面に関して面対称であり、この光学系の物体面の中心にある１点を出発し、これと共役関係にある像面の中心にある１点へ至るひとつの光束の、その中心を進む１本の光線を該光学系の基準光軸と定義するとき、該基準光軸が前記基準平面上に存在する投射光学系と、複数の反射型液晶画像変調素子に対し略正面から異なる色光を照明光として照射し、変調された反射光束を該照明光から偏光分離して複数の変調された色光を得たのち、これを色合成するための少なくとも３組以上のプリズムなどより構成される色合成プリズム系と該色合成プリズム系を介して該光学系の物体面として互いに共役な位置に置かれ、その画像表示面が長方形である、前記複数の反射型液晶画像変調素子とから成り、該複数の反射型液晶画像変調素子により変調された色光を該色合成プリズム系で色合成し、前記投射光学系にて像面上に投影する構成であって、該プリズム系に於いて色合成される直前の複数の色光の基準光軸は全てひとつの平面上にあり、この平面を色合成平面と定義するとき、該色合成平面と該複数の反射型画像変調素子の表示面の短辺方向が平行であって、該投射光学系の基準平面と該色合成平面が互いに平行であって、投射された画像が横長であるように該反射型液晶画像変調素子を該色合成プリズム系及び投射光学系に対して配置したことを特徴としている。
【００４１】
本発明請求項４の投写型画像表示装置は、請求項１、２に於いて、色合成プリズムの周囲に配置される複数の画像変調素子のうち色光合成直後の基準光軸の延長線上以外に有る画像変調素子の配置と、更に該色合成プリズム自体の形状は、該色光合成直後の基準光軸に関して非対称であって、且つ該色合成平面上に於いて該色光合成直後の基準光軸周りに反転した２通りの配置を採ることが可能であって、投射光学系を構成する自由曲面反射面をはじめとする光学素子との機械的干渉を生じないように該画像変調素子及び該色合成プリズムの配置の向きが選択決定されていることを特徴としている。
【００４２】
本発明請求項５の投写型画像表示装置は、請求項１、２に於いて、色光合成直後の基準光軸に沿って、像面方向側を正とし、該色合成プリズムの射出端面を原点としてＺ軸を定義するとき、色合成プリズムの周囲に配置される複数の画像変調素子のうちＺ軸上以外に有る画像変調素子の配置と、更に該色合成プリズム自体の形状は、該Ｚ軸に関して非対称であって、且つ該色合成平面上に於いて該Ｚ軸周りに反転した２通りの配置を採ることが可能であって、該投射光学系を構成する各光学素子のうち、Ｚ座標値が負の空間に該光学素子があるとき、上記画像変調素子及び色合成プリズムの２通りの配置のうち、この光学素子との機械的干渉を生じない方の配置を選択することを特徴としている。
【００４３】
本発明請求項６の投写型画像表示装置は、請求項３に於いて、色合成プリズム系の周囲に配置される複数の反射型液晶画像変調素子のうち全ての色の光合成直後の基準光軸の延長線上以外に有る反射型液晶画像変調素子の配置と、更に該色合成プリズム系自体の配置構成は、該色光合成直後の基準光軸に関して非対称であって、且つ該色合成平面上に於いて該色光合成直後の基準光軸周りに反転した２通りの配置を採ることが可能であって、投射光学系を構成する自由曲面反射面をはじめとする光学素子との機械的干渉を生じないように該反射型液晶画像変調素子及び該色合成プリズムの配置の向きが選択決定されていることを特徴としている。
【００４４】
本発明請求項７の投写型画像表示装置は、請求項３に於いて、全ての色の光合成直後の基準光軸に沿って、像面方向側を正とし、最も像側の色合成プリズムの射出端面を原点としてＺ軸を定義するとき、前記色合成プリズム系の周囲に配置される複数の反射型液晶画像変調素子のうちＺ軸上以外に有る反射型液晶画像変調素子の配置と、更に該色合成プリズム系自体の形状は、該Ｚ軸に関して非対称であって、且つ該色合成平面上に於いて該Ｚ軸周りに反転した２通りの配置を採ることが可能であって、該投射光学系を構成する各光学素子のうち、Ｚ座標値が負の空間の該光学素子があるとき、上記画像変調素子及び色合成プリズム系の２通りの配置のうち、この光学素子との機械的干渉を生じない方の配置を選択することを特徴としている。
【００４５】
本発明請求項８の投写型画像表示装置は、請求項１、２、３において、画像表示装置の画像表示面の短辺方向の照明光学系のＦナンバーが、他の方向より大きいことを特徴としている。
【発明の効果】
【００４６】
自由曲面反射面を用いる投射光学系は、通常の画像表示パネルの長辺と色合成平面が平行である配置の場合、照明系＆色合成系の形態と光学系の形状のマッチングが悪く、筐体が不安定な形になる、乃至は大型化する。また、光学系の小型化の手段もなく、相性が良くなかった。
【００４７】
これに対し、本発明によれば、画像表示パネルの短辺と色合成平面を平行な配置にした色合成プリズムと、自由曲面反射面投射光学系を組み合わせることで、反射光学系の小型化が可能である。同時に投射画像を縦長にしないために、照明系及び色合成系を縦置き配置にするので該投射光学系と照明系＆色合成系の形状の整合性が良く、筐体も大型化しない。また、投射仰角が大きいという反射光学系の特徴により、縦型の筐体も邪魔になることがない。
【００４８】
画面の投射高さが低い一般的な共軸レンズ系を投射光学系とした場合では、このような縦置き配置にすると投射画面の前に高さの高い投射表示装置が立ち、、画面が遮られ鑑賞の邪魔になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
図１は本発明第１実施例を示す。図１０は比較のための従来図である。
【００５０】
本実施例は、上記で説明した特許公開公報特開平１１−２４９０７０号公報（シャープ株式会社）に開示されている、画像表示パネルの短辺を色合成平面に平行にしたクロスダイクロイックプリズムの配置に、自由曲面反射面を用いる投射光学系を組み合わせる。これを図１に示す。図１０に比較のために従来のクロスダイクロイックプリズムによる色合成系と該投射光学系を示した。
【００５１】
図３に示すのは、図１の実施例の照明系及び色合成系の筐体と該投射光学系の筐体を組み合わせた製品形態の例である。
【００５２】
まず図１について説明する。
【００５３】
色合成系であるクロスダイクロイックプリズムは、図１０、図１１に示す従来の配置と異なり、画像表示パネルをその画面内にて９０°回転させた配置にする。そのため、投射画面が縦長にならないようにするには、これを相殺するように色合成系及び照明系を９０°回転させて置く必要がある。この構成では、画像表示パネルの短辺に沿った方向で各色を折り曲げて合成するため、プリズムの厚さが単純には画面の縦横比に相当する分だけ短くなる。その結果、図２に示す従来の配置に比較して第１ミラーが画像表示パネルに近づくため、同ミラー上の光束径が小さくなる。（φ１＜φ２）第１ミラーの大きさが小さくなることは、ひいては光学系全体を小型化することに寄与する。
【００５４】
また、このときの製品の形態を図３に示す。従来の場合の図１４と比較して照明系＆色合成系と該投射光学系が共に縦型の筐体であるため、両者のまとまりが良い。また、自由曲面反射光学系の特質である高仰角投射が可能なため、このような縦型の筐体であっても画像を更に高い位置に投射でき、画面が筐体に遮られることはない。これらは図３と図１３を比較すると判り易い。
【００５５】
図４は本発明第２実施例を示す。
【００５６】
本実施例は、特許公開公報特開２００１−２９００１０号公報（キヤノン株式会社）に開示されている３Ｐプリズムに於いて、各画像表示パネルの短辺を色合成平面に平行にした配置とした。そして、この配置の３Ｐプリズムに、自由曲面反射面を用いる投射光学系を組み合わせる。これを図４に示す。図２に示した、従来のクロスダイクロイックプリズムによる色合成系と投射光学系と比較すると、同じ条件ではクロスダイクロイックプリズムよりも厚みが厚くなりがちな３Ｐプリズムでも、本発明の構成によれば光学系の大きさは遜色ないことが判る。
【００５７】
本第２実施例において、照明系及び色合成系の筐体と該投射光学系の筐体を組み合わせた製品形態の例は、第１実施例の場合の図３に示すものと殆ど同様なのものである。従って、第２実施例の筐体形状は、これを図３にて代用する。
【００５８】
まず図４について説明する。
【００５９】
色合成系である３Ｐプリズムは、従来の配置と異なり、画像表示パネルをその画面内にて９０°回転させた配置にする。そのため、投射画像が縦長にならないようにするには、これを相殺するように色合成系及び照明系を９０°回転させて置く必要がある。この構成では、画像表示パネルの短辺に沿った方向で各色を折り曲げて合成するため、プリズムの厚さが単純に画面の縦横比に相当する分だけ短くなる。その結果、従来の配置に比較して第１ミラーが画像表示パネルに近づくため、同ミラー上の光束径（φ３）が小さくなる。第１ミラーの大きさが小さくなることは、ひいては光学系全体を小型化することに寄与する。
【００６０】
また、このときの製品の形態であるが、この場合も図３に示すような形態となる。従来の場合の図１４と比較して照明系＆色合成系と投射光学系が共に縦型の筐体であるため、両者のまとまりが良い。また、高仰角投射の構成が可能であるため、縦型の筐体であっても画像を高い位置に投射できるので、画面が筐体に遮られることはない。これらの様子は図３と図１３を比較すると判り易い。
【００６１】
また、本実施例にて特徴的なことは、色合成プリズム及び液晶パネル配置の非対称性である。第１実施例のようなクロスダイクロイックプリズムの場合、ダイクロイックミラー面にて反射され合成される２つの色光は、透過する色光の光軸に関して互いに対称な位置関係にある。従って、置きかたによる違いはない。
【００６２】
しかしながら、図４にて明らかなように、３Ｐプリズムの場合、各々のダイクロイックミラー面にて反射合成される色光は、透過する色光の光軸に関して非対称である。特に最後に合成される色光（一旦プリズム内部にて全反射する色光）の側の液晶パネルは横に大きく張り出しスペースを必要とする。図４で使用している自由曲面反射光学系の場合、色合成プリズムの上側にミラーＡの一部が張り出している。そのため本実施例ではこの一旦全反射して合成される光路側の色光を、自由曲面ミラーＡの側と逆側に配置することが好ましい。この様子を図４中に円で囲い示している。
【００６３】
図５は本発明第３実施例を示す。
【００６４】
本実施例は、反射型の液晶パネルを画像表示パネルとする色合成プリズムに適用したものである。
【００６５】
反射型の液晶に対する色合成系は、例えば特許公開公報第特許２００２―３５７７０８号公報（カラーリンクコーポレーテッド）などに開示されている公知の手段である。そして、この反射型液晶パネルに対応した色合成プリズム系に対して、各画像表示パネルの短辺を色合成平面に平行にした配置とした。そして、この反射型液晶用の色合成プリズム系の配置に、自由曲面反射面を用いる投射光学系を組み合わせるものである。これらを図５、図６にて説明する。
【００６６】
本第３実施例において、照明系及び色合成系の筐体と自由曲面反射面を用いた投射光学系の筐体を組み合わせた製品形態の例は、第１実施例の場合の図３に示すものと殆ど同様なのものになる。従って、第３実施例の筐体形状は、これを図３にて代用する。
【００６７】
まず図６、図１２について説明する。
【００６８】
図６、図１２は、反射型液晶パネルを用いる場合の色合成プリズム系である。図１２は従来の配置であり、図６は従来の配置と異なり、画像表示パネルデバイスをその面内にて９０°回転させた配置である。そのため、投射画像が縦長にならないようにするには色合成系及び照明系を９０°回転させて置く必要がある。この構成では、画像表示パネルデバイスの短辺に沿った方向で各色を折り曲げて合成するため、プリズムの厚さが単純に画面の縦横比に相当する分だけ短くなる。従来の場合のプリズムの厚さＬ２に対して、パネルを回転した場合のプリズムの厚さＬ１になり、画面の縦横比に応じた距離だけプリズムの厚さを短くすることが出来る。
【００６９】
その結果、従来の配置に比較して第１ミラーが画像表示パネルデバイスに近づくため、同ミラー上の光束径が小さくなる。第１ミラーの大きさが小さくなることは、ひいては光学系全体を小型化することに寄与する。
【００７０】
また、このときの製品の形態は、この場合も図３に示す形態となる。従来の場合の図１４と比較して照明系＆色合成系と投射光学系が共に縦型の筐体であるため、両者のまとまりが良い。また、高仰角投射の構成が可能であるため、縦型の筐体であっても画像を高い位置に投射でき、画面が筐体に遮られることはない。これらは図３と図１３を比較すると判り易い。
【００７１】
また、本実施例に特徴的なのは、上記第２実施例と同様に色合成する液晶パネルの配置の非対称性である。第１実施例のようなクロスダイクロイックプリズムの場合、投射光学系の光軸にダイクロイックミラー面にて反射され合成される２つの色光は、透過する色光の光軸、即ち、ダイクロプリズム上で合成直後の基準光軸に関して、互いに対称な位置関係にある。従って、置き方の向きによる差はない。
【００７２】
しかしながら、図５にて明らかなように、反射型液晶画像表示素子を正面から照明し、そこで画像変調され同じ正面に反射される光束を偏光分離し、これらを再び合成する色合成プリズム系は、合成後の基準光軸に関して非対称である。図５の円内に示すように２つの反射液晶パネルは、ミラーＢと干渉しない方向へ配置するのが好適である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明第１実施例（クロスダイクロイックプリズム）の画像投写表示装置の断面図（画像表示パネルデバイスの短辺／／色合成平面である例）。
【図２】本発明第１、２、３実施例にて用いる自由曲面反射面を用いる投射光学系の例の概略図。
【図３】本発明第１、２、３実施例を適用した場合の画像投写表示装置の筐体外観の概略図。
【図４】本発明第２実施例（３Ｐプリズム）の画像投写表示装置の断面図（画像表示パネルデバイスの短辺／／色合成平面である例）。
【図５】本発明第３実施例（反射型液晶パネルと専用合成プリズム）の画像投写表示装置の断面図（画像表示パネルデバイスの短辺／／色合成平面である例）。
【図６】本発明第３実施例に用いる色合成プリズム（画像表示パネルデバイスの長辺／／色合成平面である例）。
【図７】クロスダイクロイックプリズムの説明図。
【図８】クロスダイクロイックプリズムの構成と本発明で用いる色合成の方向等の定義を説明するための図。
【図９】３Ｐプリズムの説明図。
【図１０】本発明第１実施例に対応する従来例の画像投写表示装置の断面図（画像表示パネルデバイスの長辺／／色合成平面である例）。
【図１１】クロスダイクロイックプリズムを用いた色合成系の従来例（画像表示パネルデバイスの長辺／／色合成平面である例）及び光源光学系（構成は一部省略）。
【図１２】反射型液晶パネルを用いる場合の色合成プリズムの従来構成の説明図（画像表示パネルデバイスの長辺／／色合成平面である例）。
【図１３】共軸屈折レンズ系と、（画像表示パネルデバイスの短辺／／色合成プリズムである）色合成系とを組み合わせた、画像投写表示装置の従来例の筐体外観の概略図。
【図１４】従来の照明系（画像表示パネルデバイスの長辺／／色合成平面である例）と自由曲面反射面を用いた投射光学系を組み合わせた、画像投写表示装置の従来例の筐体外観の概略図。
【図１】
2005338138.tif 000003
【図２】
2005338138.tif 000004
【図３】
2005338138.tif 000005
【図４】
2005338138.tif 000006
【図５】
2005338138.tif 000007
【図６】
2005338138.tif 000008
【図７】
2005338138.tif 000009
【図８】
2005338138.tif 000010
【図９】
2005338138.tif 000011
【図１０】
2005338138.tif 000012
【図１１】
2005338138.tif 000013
【図１２】
2005338138.tif 000014
【図１３】
2005338138.tif 000015
【図１４】
2005338138.tif 000016