(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を青色帯域光、緑色帯域光、赤色帯域光に色分解し、それぞれの帯域光をそれぞれに対応する画像表示素子に導く複数の導光光学系を有し、各画像表示素子を照明する照明光学系であって、
前記複数の導光光学系のうち青色帯域光の導光光学系による青色帯域光に対応する画像表示素子上の光照射範囲が、緑色帯域光及び赤色帯域光の導光光学系による緑色帯域光及び赤色帯域光に対応する画像表示素子上の光照射範囲よりも広く、
前記青色帯域光の導光光学系の焦点距離をｆｌ、前記緑色帯域光及び赤色帯域光の焦点距離をｆｓとするとき、
１＜ｆｌ／ｆｓ≦１．２
を満足することを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記複数の導光光学系のうち少なくとも２つの導光光学系が負レンズを有しており、前記負レンズを有している２つの導光光学系のうち一方の導光光学系の負レンズの焦点距離が、他方の導光光学系の負レンズの焦点距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記複数の導光光学系のうち少なくとも２つの導光光学系が負レンズを有しており、前記負レンズを有している２つの導光光学系のうち一方の導光光学系のレンズ間隔が、他方の導光光学系のレンズ間隔と異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記複数の導光光学系が共有する共有光学素子を有し、各々の導光光学系によって照明される画像表示素子上での光照射範囲を、前記共有光学素子を移動させて調整する第１調整機構を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の照明光学系。
【請求項５】
前記複数の導光光学系のうち最も光路長が長い導光光学系が専有している専有光学素子を移動させることによって、前記最も光路長が長い導光光学系により照明される画像表示素子上での光照射範囲を調整する第２調整機構を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の照明光学系。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１つに記載の照明光学系で前記複数の画像表示素子を照明し、各画像表示素子にて変調された各色光を合成して被投射面に投射する投射型画像表示装置。
【請求項７】
請求項６に記載の投射型画像表示装置と、
前記投射型画像表示装置に画像情報を供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示素子を均一に照明する照明光学系、またそれを用いた投射型画像表示装置、そして照明光学系、投射型画像表示装置において、各画像表示素子上での光照射範囲等を調整することが可能な照明調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、投射表示画像の明るさを向上させたコンパクトな投射型画像表示装置が求められている。
【０００３】
図６に、従来の投射型画像表示装置の構成を示す。図６において、光源部１０１から射出された白色照明光は、リフレクター１０２で反射され、フライアイレンズＡ１０３を通過し、ミラーＭ１０１で反射し、フライアイレンズＢ１０４，偏光変換素子１０５およびコンデンサーレンズ１０６等を通過した後、ダイクロイックミラーＤＭ１０１に入射する。
【０００４】
ダイクロイックミラーＤＭ１０１に入射した白色光のうち青色帯域の光は反射し、緑から赤色帯域光は透過する。なお、光源としては、一般に、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ等が使用される。
【０００５】
図７（ａ）に示す分光透過率を有するダイクロイックミラーＤＭ１０１を反射した青色帯域光は、負レンズ１０７Ｂを通過し、反射ミラーＭ１０２によって光路を９０度変えられ、フィールドレンズ１０８Ｂを介して画像表示素子１０９Ｂに入射し、この画像表示素子１０９Ｂに形成された液晶画像に応じて変調される。
【０００６】
変調された青色帯域光は、ダイクロイックプリズム１１０に入射し、ダイクロイックプリズム１１０で光路を９０度変えられて投射レンズ１１１に入射する。
【０００７】
一方、ダイクロイックミラーＤＭ１０１を透過した緑〜赤色帯域光は、負レンズ１０７Ｇを通過し、図７（ｂ）に示す分光透過率を有するダイクロイックミラーＤＭ１０２に入射する。図７（ｂ）より、ダイクロイックミラーＤＭ１０２は緑色帯域光Ｇを反射する特性を有しているため、ここで緑色帯域光は反射され、その光路を９０度変えられ、フィールドレンズ１０８Ｇを介して画像表示素子１０９Ｇに入射し、この画像表示素子１０９Ｇに形成された画像に応じて変調される。
【０００８】
変調された緑色帯域光は、ダイクロイックプリズム１１０および投射レンズ１１１の順に入射する。
【０００９】
さらに、ダイクロイックミラーＤＭ１０２を透過した赤色帯域光は、図７（ｃ）に示す分光透過率を有するトリミングフィルターＴＲ０、コンデンサーレンズ１１２、リレーレンズ１１３およびフィールドレンズ１０８Ｒや反射ミラーＭ１０３，Ｍ１０４を介して、画像表示素子１０９Ｒに入射し、この画像表示素子１０９Ｒに形成された液晶画像に応じて変調される。
【００１０】
変調された赤色帯域光は、ダイクロイックプリズム１１０に入射し、ダイクロプリズム１１０で光路を９０度変えられて投射レンズ１１１に入射する。
【００１１】
こうしてダイクロイックプリズム１１０により色合成された画像光は、投射レンズ１１１によってスクリーン等に拡大投射される。
【００１２】
上記投射型画像表示装置において、画像表示素子を照明している光の強度はほぼ均一であり、その光強度の均一なエリアは画像表示素子の表示エリアに比べ大きくなっている（以下、この光強度が均一なエリアを照明エリアという）。これは、ミラーの傾き、レンズの偏心等によって照明エリアの位置ずれが起こったり、レンズの曲率、レンズ間隔等による照明エリアの縮小等が起こったりするために余裕を持たせるためである。
【００１３】
但し、余裕を大きく持たせると、その分、実際にスクリーン上に投影されない光が増え、明るさが低下してしまう。
【００１４】
このため、レンズを左右上下に動かしたり、ミラーを傾かせたりする調整機構を設け、照明エリアを調整できるようにしておき、できる限り照明エリアの余裕分を少なくしている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように複数の画像表示素子を備えた投射型画像表示装置の場合、各画像表示素子に対する照明エリアの位置ずれを調整しなければならない。
【００１６】
例えば、図６に示す投射型画像表示装置では、コンデンサーレンズ１０６を左右上下に動かすことで緑色帯域光の照明エリアの位置ずれを調整する調整機構（ステップ）、負レンズ１０７Ｂを左右上下に動かすことで青色帯域光の照明エリアを調整する調整機構（ステップ）、さらにリレーレンズ１１３を左右上下に動かすことで赤色帯域光を調整する調整機構（ステップ）を有し、これらにより照明エリアの調整を行っていた。このように色光ごとに照明エリアの調整機構が必要となると、装置の大型化、組立効率の低下およびコストアップを招くという問題がある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本願発明では、照明光を青色帯域光、緑色帯域光、赤色帯域光に色分解し、それぞれの帯域光をそれぞれに対応する画像表示素子に導く複数の導光光学系を有し、各画像表示素子を照明する照明光学系であって、前記複数の導光光学系のうち青色帯域光の導光光学系による青色帯域光に対応する画像表示素子上の光照射範囲が、緑色帯域光及び赤色帯域光の導光光学系による緑色帯域光及び赤色帯域光に対応する画像表示素子上の光照射範囲よりも広くなるように設定している。そして、前記青色帯域光の導光光学系の焦点距離をｆｌ、前記緑色帯域光及び赤色帯域光の焦点距離をｆｓとするとき、
１＜ｆｌ／ｆｓ≦１．２
を満足することを特徴とする。
【００１９】
本願発明により、画像表示素子への光照射範囲（照明エリア）が他よりも広い青色帯域光の導光光学系によって画像表示素子上に導かれる青色帯域光に関しては、光照射範囲の余裕分がある程度大きいので、他の帯域光のように光照射範囲の調節機構（ステップ）を設ける必要がなくなる。しかも、複数の帯域光のうちの一部についてのみ光照射範囲の余裕分を大きく設定するため、全ての帯域光の光照射範囲の余裕分を大きく設定する場合に比べて投射画像の明るさの低下を抑えることが可能である。
【００２１】
図４には、超高圧水銀ランプを用いた時のスクリーン上でのスペクトル分布図を、図５にはＸＹＺ表色系のスペクトル三刺激値のうち明るさを示すｙ（λ）の値を示す。超高圧水銀ランプの場合、青、緑、赤の主波長はそれぞれ４４０、５５０、６１０ｎｍ近傍である。
【００２２】
この波長でのｙ（λ）の値を見てみると、青が最も明るさに対する寄与が小さく、照射範囲を大きく又は導光光学系の焦点距離を長くする色光として好ましい。
【００２３】
また、上記第２の発明において、焦点距離が長い導光光学系の焦点距離をｆｌとし、焦点距離が短い導光光学系の焦点距離をｆｓとしたときに、
１＜ｆｌ／ｆｓ≦１．２  …（１）
の関係を満足させるようにするとよい。
【００２４】
ｆｌ／ｆｓ＞１．２となると、その色光の照射範囲が他の色光の照射範囲よりも過剰に大きくなり、投射されるその色光の光量が過剰に減ってしまい、適正な画像色を出せなくなるおそれがある。例えば、青色光の光量が過剰に減ると、白を表示した際に黄色っぽくなってしまう。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の実施形態である投射型画像表示装置の光学的構成を示している。また、図２には、上記投射型画像表示装置にて用いられているダイクロイックミラーＤＭ１、ＤＭ２およびトリミングフィルタＴＲの分光透過率を示す。これらの分光透過率は、ある超高圧水銀ランプを使用した場合の設計例である。但し、これらの数値はあくまでも一例に過ぎず、これらの値に限定されるものでない。すなわち、光源の種類に応じて種々の値を設定することができる。
【００２６】
図１において、光源部１から射出された白色照明光はリフレクター２で反射され、フライアイレンズＡ３を通過し、ミラーＭ１で反射してフライアイレンズＢ４、偏光変換素子５およびコンデンサーレンズ６を通過した後、ダイクロイックミラーＤＭ１に入射する。
【００２７】
図２（ａ）に示す分光透過率を示すダイクロイックミラーＤＭ１に入射した白色光のうち青色帯域の光は反射し、緑から赤色帯域光は透過する。
【００２８】
ダイクロイックミラーＤＭ１を反射した青色帯域光は負レンズ７Ｂを通過し、反射ミラーＭ２によって光路を変えられ、フィールドレンズ８Ｂを介して液晶表示素子９Ｂに入射する。
【００２９】
液晶表示素子９Ｂは、不図示の画像情報供給装置（パーソナルコンピュータやテレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤ等）から供給された画像情報に応じて駆動され、ここに入射した青色帯域光を変調する。
【００３０】
変調された青色帯域光は、色合成ダイクロイックプリズム１０に入射し、ダイクロイックプリズム１０で光路を変えられてて投射レンズ１１に入射する。
【００３１】
ここでのダイクロイックプリズム１０は、形状の異なる４個のプリズムをそれぞれ接着剤により貼り合わせて、間に波長選択反射（ダイクロイック）層が設けられたいわゆる４Ｐプリズムである。なお、ダイクロイックプリズム１０に代えて、三角柱状の４個のプリズムをそれぞれ接着剤により貼り合わせて波長選択反射（ダイクロイック）層が略十字状になるように構成したいわゆるクロスダイクロイックプリズムを用いてもよいし、形状の異なる３つのプリズムを貼り合わせて構成されたいわゆる３Ｐプリズムを用いてもよい。
【００３２】
一方、ダイクロイックミラーＤＭ１を透過した緑〜赤色帯域光は、負レンズ７Ｂよりも焦点距離が短い負レンズ７Ｇを通過し、図２（ｂ）に示す分光透過率を示すダイクロイックミラーＤＭ２に入射する。
【００３３】
図２（ｂ）から分かるように、ダイクロイックミラーＤＭ２は緑色帯域光Ｇを反射する特性を有しているため、ここで緑色帯域光は反射され、その光路を変えられてフィールドレンズ８Ｇを介して液晶表示素子９Ｇに入射する。
【００３４】
液晶表示素子９Ｇは、画像情報供給装置から供給された画像情報に応じて駆動され、ここに入射した緑色帯域光を変調する。
【００３５】
変調された緑色帯域光はダイクロイックプリズム１０および投射レンズ１１の順に入射する。
【００３６】
また、ダイクロイックミラーＤＭ２を透過した赤色帯域光は、図２（ｃ）に示す分光透過率を示すトリミングフィルターＴＲ、凹面ミラーＭ３，Ｍ４，Ｍ５を介して液晶表示素子９Ｒに入射する。
【００３７】
液晶表示素子９Ｒは、画像情報供給装置から供給された画像情報に応じて駆動され、ここに入射した赤色帯域光を変調する。
【００３８】
変調された赤色帯域光は、ダイクロイックプリズム１０に入射し、ダイクロイックプリズム１０で光路を変えられて投射レンズ１１に入射する。
【００３９】
こうしてダイクロイックプリズム１０で合成された各色帯域光は投射レンズ１１によって不図示のスクリーンに投射され、拡大画像として表示される。
【００４０】
なお、本実施形態では、赤色帯域光の光路長が他よりも長く、ここに３枚の凹面ミラーを用いた場合について説明したが、ミラーの枚数や形状はこれに限定されることはなく、凸面鏡、平面ミラーを含む系を用いても構わない。また、従来のようにレンズとミラーを組み合わせた系を用いても構わない。
【００４１】
さらに、本実施形態では、液晶表示素子を３枚使用しているが、枚数はこれに限定されることはない。
【００４２】
図３には、緑色帯域光および青色帯域光の光路のコンデンサーレンズ６から負レンズ７Ｇ，７Ｂおよびフィールドレンズ８Ｇ，８Ｂ、さらには液晶表示素子９Ｇ，９Ｂの画像表示面までの導光光学系の展開図を示している。そして、各レンズの光学面の曲率半径をｒとし、レンズ間隔をｄとし、各レンズの屈折率をｎとし、アッベ数をνとしても各数値を数値実施例１に示す。
0004006202.tif 000002
なお、ここには記載していないが、赤色帯域光の導光光学系の焦点距離は、緑色帯域光の導光光学系の焦点距離とほぼ等しい。すなわち、青色帯域光の導光光学系の焦点距離は、３つの帯域光の導光光学系の焦点距離のうち最も長い。
【００４３】
そして、本数値実施例１において、緑色帯域光の導光光学系の焦点距離をｆG （＝ｆｓ）、青色帯域光の導光光学系の焦点距離をｆB （＝ｆｌ）とすると、
ｆB ／ｆG ＝１．０７≦１．２
になっており、上記条件式（１）式を満たしている。
【００４４】
本実施例の投射型表示装置は、コンデンサーレンズ６を不図示の駆動機構により駆動し、緑色帯域光の画像表示素子上での照明エリアを調整する調整機構（ステップ）、凹面ミラーＭ３，Ｍ４、Ｍ５のうち少なくとも一つを不図示の駆動機構により駆動し、赤色帯域光の画像表示素子上での照明エリアを調整する調整機構を有し、これらにより各色の照明エリアの調整を行っている。
【００４５】
このように、焦点距離が他よりも長い導光光学系によって液晶表示素子９Ｂ上に導かれる青色帯域光に関しては、液晶表示素子９Ｂへの光照射範囲（照明エリア）が他よりも広くなるため、光照射範囲の余裕分が他の帯域光の照射範囲に比べてある程度大きくなる。このため、他の帯域光のように光照射範囲の調節機構を設ける必要がなくなる。つまり、従来の投射型表示装置或いは照明光学系は、３色の帯域光すべてに関してそれぞれ独立に画像表示素子上での照明エリアを調整することが可能な調整機構（ステップ）を有していたが、本実施例では青色帯域光に関しては調整が不要となるため、緑色帯域光及び赤色帯域光の２色の帯域光の画像表示素子上での照明エリアを調整すれば良いので、照明エリアを調整する調整機構（ステップ）が従来よりも少なくて済むという利点がある。
したがって、従来の投射型表示装置と比較して、コンパクトで組立て工数が少なく、かつ低コストの投射型画像表示装置とすることができる。尚、ここで独立に調整可能というのは、最終的な調整結果に関して独立なのであり、調整の過程で他の帯域光の照明エリアと連動して照明エリアが変わっても、最終的に独立に調整可能であれば、それは独立に調整可能と見なす。
【００４６】
しかも、３つの帯域光のうち、特に明るさへの寄与が少ない青色帯域光についてのみ照射範囲の余裕分を大きく設定するため、３つの帯域光全ての照射範囲の余裕分を大きく設定する場合に比べて投射画像の明るさの低下を抑えることができる。
【００４７】
尚、本実施例では青色帯域光の画像表示素子上での照明エリアのみを他の色の照明エリアに比して大きくしているが、勿論この限りでは無く、青色帯域光及び赤色帯域光の画像表示素子上での照明エリアを緑色帯域光の画像表示素子上での照明エリアより大きくすることによって、投射型画像表示装置が緑色帯域光の画像表示素子上での照明エリアを調整する調整機構（ステップ）のみを有するように構成しても構わない。
【００４８】
なお、上記実施形態では、緑色帯域光の投稿光学系の焦点距離と青色帯域光の導光光学系の焦点距離とは、焦点距離の異なる凹レンズ（負レンズ）を用いることで異ならせているが、これに限定されることはなく、例えば、レンズ間隔を変えたり、反射ミラーＭ２を曲面ミラーにしたりして、焦点距離を異ならせても構わない。
【００４９】
また、本実施例の投射型画像表示装置は、不図示の画像情報供給装置（パーソナルコンピュータやテレビ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤ等）から供給された画像情報に応じて画像表示素子を駆動し、画像を表示、或いは投射表示する画像表示システムにも適用可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本願発明によれば、画像表示素子への光照射範囲（照明エリア）が他よりも広い導光光学系によって画像表示素子上に導かれる青色帯域光に関しては、光照射範囲の余裕分がある程度大きいので、他の帯域光のように光照射範囲の調節機構（ステップ）を設ける必要がなくなる。したがって、画像表示装置のコンパクト化、組み立て工数の減少および低コスト化を図ることができる。
【００５１】
しかも、複数の帯域光のうちの一部についてのみ光照射範囲の余裕分を大きく設定するため、全ての帯域光の光照射範囲の余裕分を大きく設定する場合に比べて投射画像の明るさの低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である投射型画像表示装置の構成図である。
【図２】上記投射型画像表示装置に用いられるダイクロイックミラーとトリミングフィルタの波長分光特性を示すグラフ図である。
【図３】上記投射型画像表示装置における緑色帯域光および青色帯域光の導光光学系の展開図である。
【図４】超高圧水銀ランプを用いた時のスクリーン上でのスペクトル分布を示すグラフ図である。
【図５】ＸＹＺ表色系スペクトル三刺激値のうちのｙ（λ）の値を示す表図である。
【図６】従来の投影型画像表示装置の構成を示す図である。
【図７】従来のダイクロイックミラーおよびトリミングフィルターの波長分光特性を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１  光源
２  リフレクター
３  フライアイレンズＡ
４  フライアイレンズＢ
５  偏光変換素子
６  コンデンサーレンズ
７Ｇ，７Ｂ  負レンズ
８Ｇ，８Ｂ  フィールドレンズ
９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ  液晶表示素子
１０  ダイクロイックプリズム
１１  投射レンズ
Ｍ１，Ｍ２  反射ミラー
Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５  凹面ミラー
ＤＭ１，ＤＭ２  ダイクロイックミラー
ＴＲ  トリミングフィルター
１０１  光源
１０２  リフレクター
１０３  フライアイレンズＡ
１０４  フライアイレンズＢ
１０５  偏光変換素子
１０６  コンデンサーレンズ
１０７Ｇ，１０７Ｂ  負レンズ
１０８Ｇ，１０８Ｂ  フィールドレンズ
１０９Ｒ，１０９Ｇ，１０９Ｂ  液晶表示素子
１１０  ダイクロイックプリズム
１１１  投射レンズ
Ｍ１０１〜１０４  反射ミラー
ＤＭ１０１，ＤＭ１０２  ダイクロイックミラー
ＴＲ０  トリミングフィルター
【図１】
0004006202.tif 000003
【図２】
0004006202.tif 000004
【図３】
0004006202.tif 000005
【図４】
0004006202.tif 000006
【図５】
0004006202.tif 000007
【図６】
0004006202.tif 000008
【図７】
0004006202.tif 000009