(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、製造が容易な投射型表示装置を提供することである。【構成手段】  第１のレンズ素子を通過した光を所望の偏光方向に揃える偏光変換部を設け、光源からの光を第１の原色光と、第２及び第３の原色光とに分離する第１の色分離部と、第２及び第３の原色光を分離する第２の色分離部を有し、第１のレンズ素子から各原色光に対応して配置された映像表示素子までの光学距離を等しく設計し、偏光変換部と第１の色分離部との間に偏光板を配置する。【選択図】図１
2007232811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光源と、
前記光源からの光を反射するリフレクタと、
前記リフレクタからの光を透過する第１のレンズ素子と、
前記第１のレンズ素子からの光を所望の偏光方向に揃える偏光変換部と、
前記光源からの光を第１の原色光と、第２及び第３の原色光とに分離する第１の色分離部と、
前記第１の色分離部で分離された前記第２及び第３の原色光を分離する第２の色分離部と、
前記第１、第２及び第３の原色光の各々に対応して配置された第１、第２及び第３の映像表示素子と、
前記第１、第２及び第３の映像表示素子からの光を合成するクロスプリズムと、
前記クロスプリズムからの光を投射する投射レンズと、
前記偏光変換部と前記第１の色分離部との間に配置された偏光板とを有し、
前記第１のレンズ素子から前記各原色光に対応した映像表示素子までの光学距離が等しいことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】
請求項１記載の投射型表示装置であって、
前記第１の偏光板は、反射型偏光板であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項３】
請求項１記載の投射型表示装置であって、
前記第１の偏光板は、無機物で形成されることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項４】
光を出射する光源と、
前記光源からの光を反射するリフレクタと、
前記リフレクタからの光を透過する第１のレンズ素子と、
前記第１のレンズ素子からの光を所望の偏光方向に揃える偏光変換部と、
前記光源からの光を第１の原色光と、第２及び第３の原色光とに分離する第１の色分離部と、
前記第１の色分離部で分離された前記第２及び第３の原色光を分離する第２の色分離部と、
前記第１、第２及び第３の原色光の各々に対応して配置された第１、第２及び第３の映像表示素子と、
前記第１、第２及び第３の映像表示素子からの光を合成するクロスプリズムと、
前記クロスプリズムからの光を投射する投射レンズと、
前記偏光変換部と前記第１の色分離部との間に配置された第１の偏光板と、
前記第１の色分離部と前記第２の色分離部との間に配置された第２の偏光板とを有し、
前記第１のレンズ素子から前記原色光の各々に対応した映像表示素子までの光学距離が等しいことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項５】
請求項１記載の投射型表示装置であって、
前記第１及び第２の偏光板は、反射型偏光板であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項６】
請求項１記載の投射型表示装置であって、
前記第１及び第２の偏光板は、無機物で形成されることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項７】
前記第１の色分離手段と、前記第１の原色光に対応した映像表示素子との間に偏光板を配置してより成る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８】
請求項１から７記載の投射型表示装置であって、
前記第１のレンズ素子は、
2007232811.tif 000004
但し、ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）２＋ｍ＋３ｎ｝／２＋１
ｒ２＝ｘ２＋ｙ２
ここで  Ｚ：Ｚ軸方向のサグ量,Ｃ：頂点の曲率，ｋ：コーニング係数
Ｃｊ：多項式のｘｍｙｎの係数
の式で定義される形状であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項９】
請求項１から８記載の投射型表示装置であって、
前記リフレクタは、
2007232811.tif 000005
但し、ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）２＋ｍ＋３ｎ｝／２＋１
ｒ２＝ｘ２＋ｙ２
ここで  Ｚ：Ｚ軸方向のサグ量,Ｃ：頂点の曲率，ｋ：コーニング係数
Ｃｊ：多項式のｘｍｙｎの係数
の式で定義される形状であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１０】
請求項１から９記載の投射型表示装置であって、
前記第１の色分離部で分離した前記第１の原色光と、前記第２及び第３の原色光が成す角度は１１０度以上であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１１】
請求項１から１０記載の投射型表示装置であって、
前記光源は、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハロイドランプの何れかであることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１２】
請求項１から１１記載の投射型表示装置と、
前記投射型表示装置からの光の光路を折り返す折り返しミラーと、
前記折り返しミラーからの光を表示するスクリーンとを有する背面投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの光を３原色光に分離して各原色光に対応する映像信号の振幅により光の光強度を変調する手段を有する画素をマトリックス状に配置した映像表示素子に照射し、前記各原色光の強度を前記映像表示素子により映像信号に合せて変調した後、クロスプリズムで合成することで得られる画像をスクリーン上に拡大投射する投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、照明光を出射する光源およびこの光源からの出射光の照度分布を均一化する照度均一化手段を有する照明光学系と、この照明光学系から出射された照明光を複数色の照明光に分離する色分離光学系と、この色分離光学系によって分離された複数色の照明光をそれぞれ変調する複数の電気光学変調装置と、これら各電気光学変調装置から出射された変調光を合成する色合成光学系と、この色合成光学系から出射された合成光を表示画像として投写する投写光学系と、色分離光学系によって分離された複数色の照明光のうち少なくとも１色の照明光の経路内に位置するリレー光学系とを備えたプロジェクタの構成が開示されている。
【０００３】
下記特許文献２には、光源と、光源が発する光束が入射され、この光束を、第１の原色光と、第２及び第３の原色光とに、互いに１８０゜の分離角を有して分離させるクロスダイクロイックミラーと、クロスダイクロイックミラーを経た第１の原色光を９０゜偏向させる第１のミラーと、第１のミラーにより偏向された第１の原色光を９０゜偏向させ、第１の映像表示パネルを透過させて色合成プリズムの第１の入射面に入射させる第２のミラーと、クロスダイクロイックミラーを経た第２及び第３の原色光を９０゜偏向させる第３のミラーと、第３のミラーにより偏向された第２及び第３の原色光を、第２の原色光と第３の原色光とに分離させ、第２の原色光を直進させるとともに、第３の原色光を９０゜偏向させるダイクロイックミラーと、ダイクロイックミラーを経た第２の原色光を９０゜偏向させ、第２の映像表示パネルを透過させて色合成プリズムの第１の入射面に対向する第２の入射面に入射させる第４のミラーと、ダイクロイックミラーにより偏向された第３の原色光を９０゜偏向させ、第３の映像表示パネルを透過させて色合成プリズムの第１及び第２の入射面に対して垂直である第３の入射面に入射させる第５のミラーとを備え、色合成プリズムは、各映像表示パネルを透過した各原色光を合成して投影レンズに入射させ、各原色光の光源より対応する各映像表示パネルまでの光路長は、互いに略々等しくなされているプロジェクタ装置の構成が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２２６８１４号公報
【特許文献２】特開平８−２３４１５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、Ｂ光用の液晶パネルまでの光路長は、Ｒ及びＧ光用の液晶パネルの光路長に対して長い。そこで、Ｂ光は、液晶パネルまでの途中にパネルの有効寸法に等しい大きさの像を一旦結像させ、この空間像をリレー系レンズで反転させて、再度液晶パネル上で結像させている。このため、Ｂ光は、液晶パネルの有効寸法に等しい大きさの像を直接結像するＲ及びＧ光に対して、Ｂ光用の液晶パネルでは像の向きが逆になり、スクリーン上で、輝度むらや色むらが発生するという問題がある。
【０００６】
また、特許文献１では、液晶パネル上での光量分布を均一とするため、光源からの光を第１のレンズアレイにより分割して、得られた複数の分割光を第２のレンズアレイと重畳レンズにより液晶パネル上に重ね合わせている。しかし、液晶パネル上に重ね合わせて拡大投射するためには、第１のレンズアレイ，第２のレンズアレイに高い形状精度と位置精度が要求され、高コスト化という問題がある。また、液晶パネルの入射側と出射側に偏光板が必要となる場合には、照明光学ユニットの高コスト化という問題がある。
【０００７】
特許文献２では、第１及び第２のミラーと、第３及び第４のミラーとが、クロスダイクロイックミラーに対して対称な位置に配置され、さらに、第４のミラーと第５のミラーとがダイクロイックミラーに対して対称な位置に配置されることにより、光源から各原色光に対応する映像表示パネルまでの光学距離を等しくして、原理的に色むらを押さえている。しかし、色分離に用いるクロスダイクロイックミラーが映像表示パネルから離れた位置に配置されているため、クロスダイクロイックミラーの角度変化に対する映像表示パネル上の像位置変化の感度が高くなり、高精度な保持方法が必要となるという課題がある。また、クロスダイクロイックミラーの交点では、Ｘ状（クロス状）に組み合せるダイクロイックミラーに所定の厚みがあるため、クロスした領域で色分離できず、所望の特性が得られないという課題もある。特許文献１と同様に、特許文献２のプロジェクタ装置においても、レンズアレイ等の照明光学ユニットには高い形状精度と位置精度が要求され、高コスト化という問題がある。さらに、映像表示パネルの入射側と出射側に偏光板が必要となる場合には、照明光学ユニットの高コスト化という問題がある。
【０００８】
本発明は、上記した課題に鑑みてなされたもので、その目的は、色分離部としてクロスダイクロイックミラーを用いることなく、原理的に色むら、輝度むらが発生せず、レンズアレイを使用しないことで、製造が容易な投射型表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一面は、第１のレンズ素子を通過した光を所望の偏光方向に揃える偏光変換部を設け、光源からの光を第１の原色光と、第２及び第３の原色光とに分離する第１の色分離部と、第２及び第３の原色光を分離する第２の色分離部を有し、第１のレンズ素子から各原色光に対応して配置された映像表示素子までの光学距離を等しく設計し、偏光変換部と第１の色分離部との間に偏光板を配置する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、製造が容易な投射型表示装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の最良の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において、同一な機能を有する要素には同一符号を付して示し、一度説明したものについては、その重複する説明を省略する。また、以下では、映像表示素子として液晶パネルを用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、実施例１を示す投射型表示装置の光学系の模式図である。
【００１３】
同図において、１０１は光の光源であるランプ管球である。光源としては、例えば超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハロイドランプなどを用いることができる。リフレクタ１０２は、ランプ管球１０１から出射した光を反射させ照明系に集光させる働きを持ち、その内面の反射面形状は後述する数１に示す自由曲面形状を成している。そして、同じく自由曲面形状を有する第１のレンズ素子１０４との相互レンズ作用により、ランプ管球から出射する光の形状（光軸に直交する断面における光形状は、円形形状）を、その光断面形状が液晶パネル１１５（１１５Ｒ，１１５Ｇ，１１５Ｂ）の有効表示領域と相似な形状を有する矩形光に変換する。なお、光形状変換については後述する。
【００１４】
光源と第１のレンズ素子１０４との間に配置された紫外線反射フィルタ１０３は、ランプ管球１０１から出射した光のうち、紫外線領域（例えば４３０ｎｍ以下の波長領域）の光を反射する働きをする。
【００１５】
第１のレンズ素子１０４から出射した上記矩形光は、光源からの無偏の光（偏りのない光）を所定偏光方向に揃える偏光変換を行う偏光変換部１０５に入射する。
【００１６】
偏光変換部１０５は、プリズムブロック１０５ａと、反射ミラー１０５ｂと、λ／２板１０５ｃとからなる。
【００１７】
プリズムブロック１０５ａは、図示するように、３つのプリズムブロックのハの字状の接合面に誘電体多層膜もしくは有機多層膜の偏光分離膜Ｓ１０５ａが形成されている。偏光分離膜Ｓ１０５ａは、所望の偏波成分（例えばＳ波）を反射させＰ波を透過させる偏光分離作用を有している。偏光分離膜Ｓ１０５ａで反射したＳ波は、λ／２板１０５ｃを通過してＰ波に変換され、反射ミラー１０５ｂの働きにより光軸に沿って出射する。なお、反射ミラー１０５ｂは、全反射ミラーでもよいが、所望の特性により、反射面に誘電体多層膜または金属反射膜が形成されたものを選択してもよい。
【００１８】
フィールドレンズ１２３は、偏光変換部１０５から出射されたＰ波の矩形光を液晶パネル１１５に効率良く入射させる作用を持つ第２のレンズ素子である。
【００１９】
フィールドレンズ１２３の出射側に配置された第1の偏光板１０６は、偏光変換部１０５でＰ波に偏光方向が揃えられた光の偏光度を向上させるべく配置されたものである。第1の偏光板１０６には、分光前（色分離前）の光が通過するためエネルギー密度が高く、高耐光性材料として無機物で形成される偏光板が望ましい。更に光によるダメージを軽減するために、望ましくは、反射型の偏光板を選択すればより高い信頼性を得ることができる。図１に示したように、反射型の無機物偏光板を光軸に対して垂直に配置すると、反射した光はそのままランプ管球１０１に戻り、ランプにダメージを与える恐れがある。このような場合には、反射型の無機物偏光板を光軸に対して傾けて配置し、ランプ管球に直接戻り光が戻らないようにすればよい。ランプの寿命を損なうことが無い。
【００２０】
第１の偏光板１０６で偏光度を高められた光は、第１のダイクロイックミラー１０７に入射する。第１のダイクロイックミラー１０７は、第１の原色光と第２及び第３の原色光とに分離する第１の色分離部である。一般的には、ダイクロイックミラーは、誘電体多層膜を硝子基板上に蒸着またはスパッタにより成膜して成るものである。ここでは青色光（第１の原色光）を反射する特性を有する。
【００２１】
第１のダイクロイックミラー１０７を反射した青色光（Ｂ光ともいう）は、全反射ミラー１１２，第３のレンズ素子１２０Ｂを介してＢ光用の液晶パネル１１５Ｂに導光される。
【００２２】
第１のダイクロイックミラー１０７は、図１に示すように、その反射光の光軸（反射光軸ともいう）が入射光の光軸（入射光軸ともいう）の正方向（入射光の進行方向）に対して所定角度α（例えば１１０度以上）となるように配置されている。すなわち、入射光軸と第１のダイクロイックミラー１０７の法線とは、４５度より小さい角度（角度αが１１０度の場合は３５度）となるように設定されている（理由については後述する）。
【００２３】
一方、第１のダイクロイックミラー１０７を透過した第２の原色光と第３の原色光は、光軸に対して４５度傾斜して配置された全反射ミラー１０９により光軸を９０度曲げられ、第２のダイクロイックミラー１１０に入射する。
【００２４】
第２のダイクロイックミラー１１０は、光軸に対して４５度傾斜して配置された、第２の原色光と第３の原色光を分離する第２の色分離部である。ここでは、緑色光（第２の原色光）を反射する特性を有する。
【００２５】
第２のダイクロイックミラー１１０を反射した第２の原色光である緑色光（Ｇ光ともいう）は、その光軸を９０度曲げられ、さらに全反射ミラー１１１で光軸を９０度曲げられて、第３のレンズ素子１２０Ｇを介してＧ光用の液晶パネル１１５Ｇに導光される。また、第２のダイクロイックミラー１１０を透過した第３の原色光である赤色光（Ｒ光ともいう）は、全反射ミラー１１３で光軸を９０度曲げられて、第３のレンズ素子１２０Ｒを介してＲ光用の液晶パネル１１５Ｒに導光される。
【００２６】
第３のレンズ素子１２０（１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂ）は、各原色光に対応した液晶パネル１１５（１１５Ｒ，１１５Ｇ，１１５Ｂ）の画面周辺部に入射する光の光線角度を小さくしコントラスト性能を向上させる働きを有する。なお、ここでは、第３のレンズ素子１２０は、一枚のレンズで形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば収差を補正するために、複数枚（例えば２枚）のレンズで形成してもよい。
【００２７】
従来、液晶パネル１１５の入射側には偏光板が配置されるが、実施例１では、第１の偏光板１０６で偏光度を高めているため、入射側偏光板が省略されている。これにより、コストダウンが図れる。
【００２８】
ここで、第１のダイクロイックミラー１０７と光軸との交点Ｍ点からＢ光用の液晶パネル１１５Ｂまでの光路長と、Ｍ点からＲ光用の液晶パネル１１５Ｒ，Ｇ光用の液晶パネル１１５Ｇまでの光路長についてのべる。
【００２９】
図１から明らかなように、Ｒ光路の光路長とＧ光路の光路長とは等しい。一方、既に述べたように、実施例１では、第１のダイクロイックミラー１０７は、入射光の光軸（入射光軸）と反射光の光軸（反射光軸）とのなす角度αが１１０度以上となるように配置されている。従って、入射する光の光軸（入射光軸）と第１のダイクロイックミラー１０７の法線とのなす角度は３５度以下となり、Ｍ点からのＢ光路の光路長が長くなる。これにより、Ｂ光路の光路長をＲ光路の光路長およびＧ光路の光路長と等しくすることが可能となる。言い換えれば、他の原色光路の光路長と等しくなるように角度αを所定に設定している。但し、Ｒ光路の光路長とＧ光路の光路長とＢ光路の光路長の各々の光路のずれは、±５％以内であれば、実用上色むらは発生しない。
【００３０】
各液晶パネル１１５に入射した各色光は、図示しない駆動回路により、図示しない各色の映像信号に応じた光強度変調（単に変調ともいう）を受け、光学像が形成される。各液晶パネル１１５で形成された各色光の光学像は、出射側偏光板１１６（１１６Ｒ，１１６Ｇ，１１６Ｂ）を介してクロスプリズム１１８に入射する。
【００３１】
出射側偏光板１１６は、実施例１では、クロスプリズム１１８に粘着材もしくは接着材を使用して直接貼り付けられている。この時、冷却効率をより高めるためには、偏光板を熱伝導率がガラスより高いサファイア，水晶基板などに貼り付け、さらにこれらをクロスプリズム１１８に粘着材もしくは接着材を使用して貼り付けると良い。
【００３２】
色合成部（光合成部ともいう）であるクロスプリズム１１８は、各色光の光学像を合成し、カラー画像とする。そして、該カラー画像は、投射光学ユニットである投射レンズ１１７により図示しないスクリーン上に拡大投射される。
【００３３】
次に、リフレクタ１０１と第１のレンズ素子１０４による光形状変換について、図７から図１２を用いて説明する。
【００３４】
図７は、実施例１による、光源からの光を液晶パネルに導光する照明光学系の設計を実際に行った時の光学部品の配置を、光路折り曲げを直線的に置換えて示した、光軸を含む断面図である。図８は、図７の斜視図である。図９は、実施例１によるリフレクタと第１のレンズ素子の自由曲面形状を示す図である。図１０は、実施例１による液晶パネルの有効表示領域に得られる光の形状を示す図である。図１１は、実施例１による液晶パネル上で得られる光量分布を光線追跡により求めた結果を示す図である。図１２は、実施例１による照明光学系のレンズデータを示す図である。なお、各図において、図１に示した部品と同一の作用を有するものには同一符号を付してある。
【００３５】
図８，図９において、第３のレンズ素子１２０は、光源からの光を収差なく液晶パネル１１５の有効表示領域の形状に合せて結像させるために、レンズ素子１２０ａとレンズ素子１２０ｂの２枚に分割されている。また、偏光変換部１０５が図示されてないが、これは、第１のレンズ素子１０４の出射面からフィールドレンズ１２３までの面間隔を光学距離（２面間の面間距離×媒質の屈折率）が等価な空気（屈折率１．０）へ換算して設計しているためである。実施例１では、第１のレンズ素子１０４の出射面からフィールドレンズ１２３までの面間隔を換算値で５８．６２３９ｍｍとしている（詳細は図１２参照）。
【００３６】
リフレクタ１０２は、ランプ管球１０１から出射した光を反射させ照明系に集光させる働きを持っている。ランプ管球から出射されるその断面形状が円形形状の光（円形光）を、液晶パネルの有効表示領域に相似な矩形形状を有する矩形光に変換するため、リフレクタ１０２の内面の反射面形状と、第１のレンズ素子の面形状は数１に示す自由曲面形状を成している。
【００３７】
ここで、以下の説明を容易とするために、直交座標系を導入する。照明光学系の光軸１００をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する面内で、液晶パネルの有効表示領域の矩形の長辺に平行な方向をＸ軸方向とし、前記矩形の短辺に平行な方向をＹ軸方向と定めるものとする。
【００３８】
実施例１では、リフレクタ１０２の形状は、図８，図９（ａ）に示すように、ＸＺ断面とＹＺ断面では異なる断面形状を有する。また、第１のレンズ素子１０４の形状は、同じく図８，図９（ｂ）に示すように、ＸＺ断面とＹＺ断面では異なる断面形状の自由曲面形状を有する。すなわち、リフレクタ１０２と第１のレンズ素子１０４は、光源の発光中心を含む照明光学系の光軸１００に対して回転非対称な自由曲面形状を有している。
【００３９】
リフレクタ１０２の回転非対称な自由曲面形状の反射面で反射され、回転非対称な反射作用を受けたランプ管球からの光は、回転非対称な自由曲面形状を有する第１のレンズ素子１０４で、さらに、回転非対称な屈折作用を受ける。その結果、リフレクタ１０２と第１のレンズ素子１０４との相互レンズ作用により、光の形状は、液晶パネル１１５の有効表示領域の形状と相似な形状を有する矩形光に変換される。第１のレンズ素子１０４を出射した矩形光は、光軸１００と交差し、フィールドレンズ１２３，第３のレンズ素子１２０（１２０ａ，１２０ｂ）で屈折作用を受けて、液晶パネル１１５に照射される。
【００４０】
なお、ここでいう「光軸と交差」とは、リフレクタ１０２で反射されて第１のレンズ素子１０４に入射し、第１のレンズ素子１０４で屈折作用を受けてフィールドレンズ１２３に向かう光線が、ランプ管球１０１からの出射光線のリフレクタ１０２での交点と光軸１００とで形成される平面に投影された場合に、光軸１００を越えて光軸１００で分割された逆側の領域に至るという意味である。
【００４１】
すなわち、実施例１では、ランプ管球１０１から出射した光線で、例えば、リフレクタ１０２で反射した光線が、光軸１００に対して点対称な方向の液晶パネル１１５の点に到達するように、リフレクタ１０２上の点と液晶パネル１１５上の点とを関連付けたマッピング方式を採用している。
【００４２】
数１に対応した実施例１が取り得る係数を図１２に示す。
【００４３】
【数１】
2007232811.tif 000003
但し、ｊ＝｛（ｍ＋ｎ）２＋ｍ＋３ｎ｝／２＋１
ｒ２＝ｘ２＋ｙ２
ここで  Ｚ：Ｚ軸方向のサグ量,Ｃ：頂点の曲率，ｋ：コーニング係数
Ｃｊ：多項式のｘｍｙｎの係数
【００４４】
図１２の読み方について説明する。同図より、光源から第１面Ｓ１であるリフレクタ反射面までの距離が６．５ｍｍで、光源に対してリフレクタ反射面の原点が、図８に示す座標系において、Ｚ軸の−方向（負方向）すなわち後方になる。第１面Ｓ１はリフレクタの反射面を示し、曲率半径が１４．１９９２ｍｍであり、その形状は球面系だけでなく、数１に対応した係数を有する自由曲面形状を有する。
【００４５】
第２面Ｓ２は、図７及び図８に示す紫外線反射フィルタ１０３の入射面で曲率半径が無限大すなわち平面であり、リフレクタ反射面から前記入射面（第２面）までの光軸に沿った距離が３３．６８１ｍｍである。また、第２面Ｓ２と第３面Ｓ３の面間距離すなわち紫外線反射フィルタ１０３の厚さは１．１ｍｍ、硝材はＢ２７０（コーニング社製）であることを示している。
【００４６】
第３面Ｓ３は、紫外線反射フィルタ１０３の出射面で曲率半径が無限大すなわち平面であり、第４面Ｓ４である第１のレンズ素子１０４の入射面までの距離が１０ｍｍで、硝材（媒質）は空気である。なお、硝材欄に表記が無い場合の媒質は、空気（屈折率１．０）である。
【００４７】
第４面Ｓ４は、第１のレンズ素子１０４の入射面で、曲率半径が無限大すなわち平面であり、その形状は球面系だけでなく、数１に対応した係数を有する自由曲面形状を有し、硝材（媒質）はＫ−ＶＣ７９（住田光学（株）製）であることを示している。以上が図１２に示した実施例１データの説明である。
【００４８】
図１２に記載したレンズデータにより液晶パネルの有効表示領域に得られる光の形状を図１０に示す。高圧水銀ランプなどの光源は２つの電極間で発光するため有限寸法のアークサイズを有するが、設計上は光源を点光源として設計し、点光源の位置を前後に振って評価した。図１０（ｂ）に設計中心（ランプ管球の発光中心位置）での光線追跡結果を示す。図１０（ａ）は、点光源位置を発光中心位置よりリフレクタ側（Ｚ軸のマイナス方向）に０．５ｍｍ移動させて光線追跡を行った場合の結果を示したものである。一方、図１０（ｃ）は、点光源位置を発光中心位置よりリフレクタ側から遠い方向（Ｚ軸のプラス方向）に０．５ｍｍ移動させて光線追跡を行った場合の結果を示したものである。
【００４９】
図１０（ｂ），（ｃ）から明らかなように、設計中心位置および設計中心位置より０．５ｍｍリフレクタから遠い位置から出射した光線は、実線の矩形枠で示される液晶パネルの有効表示領域を、矩形形状に照射していることがわかる。また、設計中心位置より０．５ｍｍリフレクタに近い位置から出射した光線は、液晶パネルの有効表示領域を覆っていることが確認できる。すなわち、実施例１によれば、光源が有限長でも像面でのボケが少なく、アーク長１．０ｍｍの光源に十分対応できる。
【００５０】
図１１（ａ）は、上述したように、３種類の光源位置で評価光線本数を増やして光線追跡を行い、それぞれの結果を重ね合わせ、評価面である液晶パネル面での光量分布を計算により求め、等光量線表示したものである。
【００５１】
図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示した等光量線表示のＡ−Ａ‘断面及びａ−ａ’断面における光量分布の２次元表示である。同様に図１１（ｃ）は、図１１（ａ）に示した等光量線表示のＢ−Ｂ‘断面及びｂ−ｂ’断面における光量分布の２次元表示である。
【００５２】
図１１（ａ），（ｂ）及び（ｃ）の光量分布の評価結果からも判るように、実施例１によれば、光源が有限長でも像面内の光量分布は均等で、アーク長１．０ｍｍの光源に十分対応できる。すなわち、インテグレータとしての１対のレンズアレイを用いていないが、一様な光量分布を実現している。
【００５３】
以上述べたように、実施例１による投射型表示装置においては、光源からの光を反射して第１のレンズ素子に入射させる反射部であるリフレクタの反射面形状と、前記第１のレンズ素子の形状と、を回転非対称な自由曲面形状とすることにより、光源から出射される光分布の形状（円形形状）を、映像表示素子の有効表示領域と相似な形状を有する矩形形状に変換できる。従って、従来照明系に存在した一対のレンズアレイが不要となり、コスト低減が実現できる。また、色分離する前に偏光度を高める第１の偏光板を配置したので、従来各液晶パネルの入射側に配置する入射側偏光板を省略でき、その分コスト低減が実現できる。
【００５４】
また、照明系の光軸に対して、ダイクロイックミラー１０７による反射光の光軸が成す角度を１１０度以上とすることで、光源から各原色光に対応した液晶パネルまでの光路長を互いに等しくできる。従って、色合成後に投射レンズによりスクリーン上に拡大投射した映像に生じる色むら、輝度むらを低減できる。また、等光路長とすることにより、リレーレンズ光学系を用いる必要がなくなり、コンパクトな照明光学系が実現できる。
【００５５】
さらに、レンズアレイを使用しない照明光学系とすることで、安価な照明光学系が実現でき、製造面においても一対のレンズアレイの相対位置を高精度に保持する必要がなく、組み立てが容易な投射型表示装置を提供することができる。
【実施例２】
【００５６】
図２は、実施例２についての説明図である。図１に示した部品と同一の作用を有するものには同一符号を付してある。
【００５７】
図２に示した実施例２の投射型表示装置は、図１に示した実施例１の投射型表示装置に対して、液晶パネル１１５に効率良く入射させる作用を持つフィールドレンズ１２３と、各液晶パネルに対応した第３のレンズ素子１２０が省かれている。
【００５８】
実用上支障のないレベル、あるいは適用する用途に応じては、光量分布の一様性の性能を幾分落とし、低コスト化を狙う方式として、フィールドレンズや第３のレンズ素子を削除することも有り得る。
【００５９】
実施例２によれば、更なるコスト低減が実現できる。
【実施例３】
【００６０】
図３は、実施例３についての説明図である。図１に示した部品と同一の作用を有するものには同一符号を付してある。
【００６１】
図３に示した実施例３と図１に示した実施例１の違いは、出射側偏光板１１６（１１６Ｒ，１１６Ｇ，１１６Ｂ）を青板ガラス、白板ガラスや熱伝導率が高いサファイア、水晶基板などに貼り付け、液晶パネルとクロスプリズムの間に配置し、出射側偏光板とその基板の両面を冷却可能とすることで、強制空冷の効率を向上している点である。
【実施例４】
【００６２】
図４は、実施例４についての説明図である。図１に示した部品と同一の作用を有するものには同一符号を付してある。
【００６３】
実施例４は、図３に示した実施例３において、第１の色分離部（ダイクロイックミラー１０７）と第２の色分離部（ダイクロイックミラー１１０）の間に、第２の偏光板である偏光板１２１を追加配置したものである。
【００６４】
この結果、比視感度が高い緑色及び赤色光の偏光度を更に高めることが可能となるので、図示しないスクリーン上に得られる拡大映像のコントラスト性能が向上する。
【００６５】
偏光板１２１には緑色から赤色までの波長範囲の光が通過するためエネルギー密度が高く、高耐光性材料の有機偏光板もしくは無機物偏光板が望ましい。光によるダメージを軽減するために、望ましくは、反射型の偏光板を選択すればより高い信頼性を得ることができる。
【００６６】
なお、図４に示したように、偏光板１２１としての反射型の無機物偏光板を光軸に対して垂直に配置すると、反射した光はそのままランプ管球に戻りランプにダメージを与える恐れがある。このような場合には、反射型の無機物偏光板を光軸に対して傾けて配置し、ランプ管球に直接戻り光が戻らないようにすればよい。ランプの寿命を損なうことが無い。
【実施例５】
【００６７】
次に、上記した実施例１から４の投射型表示装置を背面投射型表示装置に適用した実施例５について説明する。
【００６８】
図５は、実施例１から４の投射型表示装置を用いた背面投射型表示装置を示した正面図である。図５において、１１は照明光学系、１２は投射光学ユニット、１５は筺体、１６はスクリーン、１７は光路折り返しミラーである。１４は、光源からの光を照明光学系１１で映像表示素子（図示せず）に照射し、映像表示素子で映像信号に応じて形成された画像を投射光学ユニット１２で拡大投射する光学ユニットを示している。光学ユニット１４をセットの画面中心に配置することで、生じた左右の空間に信号回路基板８ａや電源回路基板８ｂ等を組み込み、背面投射型表示装置を形成している。光学ユニット１１は、図５のように、筐体１５の中央下部に配置され、これから投射された画像光は直接スクリーン１６の背面側から投射される。
【００６９】
図６は、実施例１から４の投射型表示装置を用いた背面投射型表示装置を示した側面図である。同図において、図５に示した部品と同じものには同一符号を付してある。
【００７０】
背面投射型表示装置の奥行きと高さを低減するために、鏡筒内部に光路折り返し部を設けた投射光学ユニット（投射レンズ）が主流と成りつつある。投射光学ユニット１２で拡大された映像光は、装置のバックカバー１８側に配設された光路折り返しミラー１７によって一旦折り返された後、スクリーン１６上に投影されるので、コンパクトな背面投射型表示装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】実施例１の投射型表示装置の光学系を示す模式図。
【図２】実施例２の投射型表示装置の照明光学系を示す配置図。
【図３】実施例３の投射型表示装置の照明光学系を示す配置図。
【図４】実施例４の投射型表示装置の照明光学系を示す配置図。
【図５】実施例５の背面投射型表示装置を示した正面図。
【図６】実施例５の背面投射型表示装置を示した側面図。
【図７】実施例１の投射型表示装置の照明光学系を示す説明図。
【図８】実施例１の投射型表示装置の照明光学系の斜視図。
【図９】実施例１のリフレクタと第１のレンズ素子の自由曲面形状を示す図。
【図１０】実施例１の照明光学系による映像表示素子上の光線追跡結果を示す図。
【図１１】実施例１の照明光学系により映像表示素子上で得られる光量分布を光線追跡により求めた結果を示す図。
【図１２】実施例１の照明光学系のレンズデータを示す図。
【符号の説明】
【００７２】
１１…照明光学系、１２…投射光学ユニット、１４…光学ユニット、８ａ…信号回路基板、８ｂ…電源回路基板、１５…筐体、１６…スクリーン、１７…光路折り返しミラー、１８…バックカバー、１００…光軸、１０１…ランプ管球、１０２…リフレクタ、１０３…紫外線反射フィルタ、１０４…第１のレンズ素子、１０５…偏光変換部、１２３…フィールドレンズ、１０６…第１の偏光板、１０７…第１のダイクロイックミラー、１０９，１１１，１１２，１１３…光路折り返しミラー、１１０…第２のダイクロイックミラー、１２０…第３のレンズ素子、１１５…液晶パネル、１１６…出射側偏光板、１１７…投射レンズ、１１８…クロスプリズム、１２１…偏光板。
【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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【図１２】
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