(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源とオプティカルインテグレータを有する照明装置であって、
前記オプティカルインテグレータは少なくとも２枚のレンズアレイを有し、該レンズアレイは何れもＭ行Ｎ列のアレイ状矩形のレンズセルで構成されており、前記レンズアレイの少なくとも1枚は最外周レンズセルのサイズが内側レンズセルのサイズより大きいことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記レンズアレイのうち光源に最も近いレンズアレイは、該レンズアレイの最外周レンズセルのサイズが内側レンズセルのサイズより大きいことを特徴とする
請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
前記レンズアレイの四隅の最外周レンズセルの対角の長さをＤ２とし、内側レンズセルサイズの対角の長さをＤ１とした時、（Ｄ１×１.０）＜Ｄ２≦（Ｄ１×１.１５）の範囲であることを特徴とする請求項１乃至２の何れかに記載の照明装置。
【請求項４】
前記レンズアレイの最上列、最下列の最外周レンズセルが内側レンズセルのサイズより大きく、かつ最上列、最下列の最外周レンズセルの列方向長さＨ２とし、内側レンズセルの列方向の長さＨ１とした時、Ｈ１＜Ｈ２＜（Ｈ１の１.１５）の範囲であることを特徴とする請求項１乃至２の何れかに記載の照明装置。
【請求項５】
前記レンズアレイの最左行、最右行の最外周レンズセルが内側レンズセルのサイズより大きく、かつ最左行、最右行の最外周レンズセルの行方向長さＶ２とし、内側レンズセルの行方向の長さＶ１とした時、Ｖ１＜Ｖ２＜（Ｖ１×１.１５）の範囲であることを特徴とする請求項１乃至２の何れかに記載の照明装置。
【請求項６】
前記レンズアレイの最外周レンズセルの最外周の辺とレンズアレイの保持部分の間で緩やかな曲率を持たせ、該曲率の半径Ｒが、１ｍｍ＜Ｒ＜（最外周レンズセルの曲率以下）の範囲であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の照明装置。
【請求項７】
前記レンズアレイの保持部分の厚さＴ１を、レンズアレイの最大の厚さをＴ２とした時、（Ｔ２×０.８）＜Ｔ１＜Ｔ２の範囲とし、レンズセル自体が保持部分になっていることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の照明装置。
【請求項８】
前記レンズアレイの少なくとも１つの角が他の角と形状が異なり、該レンズアレイを斜め方向から押し付けて固定する構成としたことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の照明装置。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れかに記載の照明装置と、色分離手段と、映像表示素子と、色合成手段とを有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示素子等の映像表示素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する投射型映像表示装置に係わり、特に映像表示素子を照射する照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子等の映像表示素子にランプ等の光源からの光を当て、映像表示素子上の画像をスクリーンに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の画素ごとで濃淡を変えて調節し、スクリーンなどに投射するものである。照明装置、及び投射型映像表示装置は、特に小型であることと、画面の隅々まで明るい画像が得られることが要求される。近年、透過型あるいは反射型の映像表示素子では、素子自体の小型化が進むとともに、解像度等の性能も急速に向上し、投射型映像表示装置の小型化、画質性能が向上している。これに伴い、前記映像表示素子に光源からの光を照射する照明装置も画質性能向上を目的とし、数多く提案されている。
【０００３】
例えば、特開平３−１１１８０６号公報に記載されているような、２枚のレンズアレイを用いて均一な光を照射できるオプティカルインテグレータを用いた照明装置がある。この照明装置は、光源からの光を複数の矩形開口形状のレンズによって構成される第一レンズアレイにより光源からの光を集光して、各矩形開口形状の出射光をそれぞれの出射光に対応した矩形開口形状のレンズによって構成される第二レンズアレイにより映像表示素子上に矩形の照射領域で重畳結像させるものである。この照明系では、映像表示素子を照射する光の強度分布をほぼ均一にすることができる。
【０００４】
図６は、光源からの出射光を映像表示素子である液晶表示素子の矩形状の液晶パネル上に矩形の照射領域で重畳結像させる作用を示す照明装置の光学部品配置図であり、光軸を含み、矩形状の液晶パネルの長手方向（以降、水平方向と言う）に平行な平面で切断した断面図である。この照明装置は、上記したオプティカルインテグレータに偏光ビームスプリッタアレイを組合せ、偏光照明装置としたもので、周知のものである。図６の（ｂ）は、図６の（ａ）の第一レンズアレイと第二レンズアレイとの間の距離を大きくした場合の光学部品配置図である。図６において、照明装置はランプ１、リフレクタ５、液晶パネル２、第一レンズアレイ６０、第二レンズアレイ７、偏光ビームスプリッタアレイ８０、集光レンズ９、およびコンデンサレンズ１０で構成されている。
【０００５】
ランプ１からの光束はリフレクタ５で反射され、光軸にほぼ平行な平行光として出射し、周知のオプティカルインテグレータに入射する。以降、記述するオプティカルインテグレータは、入射する光束をＭ行ｘＮ列のマトリックス状に配列した複数の矩形開口形状のレンズ素子により複数の光束に分割する第一レンズアレイ６０と、マトリックス状に配列した複数の矩形開口形状のレンズ素子により第一レンズアレイ６０で分割された複数の光束をそれぞれ拡大して液晶パネル上に重畳照射する第二レンズアレイ７と、第二レンズアレイ７の複数のレンズ素子に対向して設けられたアレイ状に配置された複数の偏光ビームスプリッタ（図示せず）と１／２λ位相差板（図示せず）により所望の偏光波を出射する偏光変換機能を備えた偏光ビームスプリッタアレイ８０とから成るものとする。偏光ビームスプリッタアレイ８０は、内部に偏光分離膜を備えたプリズム合成体である偏光ビームスプリッタと内部に反射膜を備えたプリズム合成体であるミラー体（図示せず）とからなる対を基本構成単位としている。偏光ビームスプリッタは透過光の出射側に１／２λ位相差板を備え、偏光ビームスプリッタアレイ８０からの出射光の偏光方向を、例えばＳ偏光波に揃える。偏光ビームスプリッタアレイ８０は、図６に示すように、ストライプ状の偏光ビームスプリッタとミラー体とを交互に水平方向に等ピッチで配列された構造からなり、配列されたそれぞれの水平方向の幅間隔は第一レンズアレイ６０のレンズセルのピッチ幅間隔の１／２で配列されている。
【０００６】
オプティカルインテグレータに入射した光束は、第一レンズアレイ６０で複数の光束に分割され、偏光ビームスプリッタアレイ８０の略中心位置に集光され、第二レンズアレイ７と集光レンズ９とコンデンサレンズ１０により、液晶パネル２の矩形領域に重畳照射される。
【０００７】
図６（ａ）において、液晶パネル２に照射される有効表示領域Ｓ２は、第一レンズアレイと第二レンズアレイ間のレンズ頂点の間隔をＬ１、集光レンズ９と液晶パネル２の間隔をＬ２、第一レンズアレイのレンズセルの有効領域をＳ１とした時、数1のように示すことができる。
【０００８】
Ｌ２／Ｌ１×Ｓ１＝Ｓ２    …（数1）
従い、Ｌ１が大きくなるにつれ、映像表示素子２に照射される領域が減少する。
【０００９】
図６（ｂ）はＬ１を大きくして（Ｌ１＋α）とした場合の照射領域Ｓ２’を示したものである。図６（ｂ）から明らかなように、第一レンズアレイ６０のレンズセルの有効領域Ｓ１が液晶パネル２の有効表示領域Ｓ２内の領域Ｓ２’に照射される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、もし、第一レンズアレイの各レンズセルのＬ１が変動し、液晶パネル上での矩形照射領域の重畳結像において、重なりが悪い場合、液晶パネルの有効表示領域Ｓ２内に明暗の筋が発生する。
【００１１】
図６では、偏光ビームスプリッタアレイ８０の偏光ビームスプリッタとミラー体の幅間隔は、第一レンズアレイ６０のレンズセルのピッチ幅間隔の１／２であるとしたが、実際には、ランプ１の発光部は点光源ではなく、ある有限の大きさを有しており、リフレクタ５で反射されるランプ１からの光束位置が周辺部にいくにつれて、反射されて第一レンズアレイ６０で集光されるスポット径が大きくなり、偏光ビームスプリッタのピッチ幅を超える場合が生じる事が知られている。このため、偏光ビームスプリッタのピッチ幅を第一レンズアレイ６０のレンズセルのピッチ幅間隔の１／２より大きくする。ミラー体のピッチ幅は従来通りであるため、これにより、偏光ビームスプリッタアレイのピッチ幅は第一レンズアレイ６０のレンズセルのピッチ幅間隔より大きくなる。このため、偏光ビームスプリッタの位置が、光源の光軸中心から水平方向に離れるにつれ、第一レンズアレイ６０の対応する各レンズセルの光軸中心からズレることになる。そこで、第一レンズアレイ６０の対応する各レンズセルの光軸中心を、レンズセルのピッチ間隔を変えずに、偏光ビームスプリッタの位置のズレに合わせてズラす、即ち、第一レンズアレイ６０の対応する各レンズセルを偏芯させる。この技術は公知の技術である。
【００１２】
図７に、偏光ビームスプリッタアレイでの光の通過率を向上させるために偏芯させた各レンズセルからなる第一レンズアレイの従来例を示す。
【００１３】
図７において、６'は偏芯したレンズセルからなる第一レンズアレイ、８は幅広の偏光ビームスプリッタをアレイ状に配列した偏光ビームスプリッタアレイである。図６に共通な部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００１４】
第一レンズアレイ６’は、偏光ビームスプリッタアレイ８での光の通過率を向上させるため、各レンズセルの光軸がレンズの中心になく、偏芯している。一般的に、偏光ビームスプリッタアレイ８の偏光ビームスプリッタのピッチ幅２１は、レンズアレイのセルサイズの半分のサイズとするが、ピッチ幅２１のサイズをレンズアレイのセルサイズの半分より大きくすることによって、偏光ビームスプリッタアレイ８での光の通過率を向上させることが可能になる。ここで、偏光ビームスプリッタアレイ８での光の通過率とは偏光ビームスプリッタアレイ８に入射された全光束量に対する、偏光ビームスプリッタアレイ８から出射される光束量の割合を示すものとする。
【００１５】
その場合、図７に示すように、第一レンズアレイ６’は、段差を無くす為に、隣り合ったレンズセルの端がそれぞれ同じ高さとなるようにする。その結果、第一レンズアレイ６’、および第二レンズアレイ７のそれぞれ対応する各レンズセルのレンズ頂点の間の距離ｔ１は、ランプ１の光軸中心から水平・垂直方向に離れたレンズアレイのレンズセル程、大きくなる。
【００１６】
従って、前記した様に、液晶パネル２の有効表示領域Ｓ２内に、第一レンズアレイ６’と第二レンズアレイ７間の距離がＬ１より大きい第一レンズアレイ６’のレンズセルによる照射領域が含まれ、重なりが悪くなり、液晶パネル２の有効領域上に明るい筋、暗い筋が発生する。
【００１７】
本発明の目的は、上記課題を解決し、液晶パネルの表示有効領域内での明暗の筋の発生を低減し、均一な光強度分布を得ることができる照明装置、及びそれを用いた投射型映像表示装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本願は、光源とオプティカルインテグレータを有する照明装置であって、前記オプティカルインテグレータは少なくとも２枚のレンズアレイを有し、該レンズアレイは何れもＭ行Ｎ列のアレイ状矩形のレンズセルで構成されており、前記レンズアレイの少なくとも1枚は最外周レンズセルのサイズが内側レンズセルのサイズより大きいように構成する。
【００１９】
これにより、映像表示素子の表示有効領域内に明暗の筋を発生し難くし、均一な光強度分布を得ることが可能な照明装置、及びそれを用いた投射型映像表示装置が実現できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００２１】
図２は、本発明の実施の形態を示す図で、図２（ａ）は本発明による第一レンズアレイの平面図、図２（ｂ）はオプティカルインテグレータをランプ１の光軸２０を含む水平面で切断した断面の拡大図である。
【００２２】
図２（ｂ）において、６は本発明による第一レンズアレイ、２０はランプ１の光軸である。図６、図７に共通する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００２３】
図２（ａ）は、図２（ｂ）の第一レンズアレイ６の平面図である。図２（ａ）において、第一レンズアレイ６は、複数のレンズセルが水平方向Ｍ行、これに直交する垂直方向Ｎ列のマトリックス状に配置されており、第一レンズアレイ６の最外周に位置するレンズセル（以下、最外周レンズセルと称す）１９（斜線部分）のサイズは、内部に位置するレンズセル（以下、内側レンズセルと称す）１８（白地部分）のサイズより大きくなるように設定されている。内側レンズセルのサイズ（行ｘ列）はＨ１ｘＶ１、最外周レンズセルのサイズ（行ｘ列）は、四隅がＨ２ｘＶ２、垂直方向の対向する上辺と下辺がＨ１ｘＶ２、水平方向の対向する左辺と右辺がＨ２ｘＶ１とからなる。
【００２４】
本発明の第一レンズアレイ６は、最外周レンズセルのセルサイズを内側レンズセルのサイズより大きいことを特徴としており、図７のように、第一レンズアレイのレンズセルを偏芯させて、光の通過率を向上させながら、液晶パネルの有効表示領域内での明暗の筋を改善するものである。
【００２５】
図１は、本発明による第一レンズアレイを用いた照明装置の光学部品配置図と光線図である。本発明の照明装置では、第一レンズアレイ６の内側レンズセルから液晶パネル２に照射される有効表示領域Ｓ２に対し、最外周レンズセルから液晶パネル２に照射される領域を同等以上に大きくすることによって、液晶パネル２に照射される領域内で、明るい筋、暗い筋の発生を低減し、均一な照明をすることが可能になる。
【００２６】
具体的には、間隔Ｌ１を３０ｍｍ、間隔Ｌ２が９０ｍｍの時、液晶パネル２に照射される領域Ｓ２は、３倍となる。第一レンズアレイ６のセルサイズが４.５ｍｍ×３. ５ｍｍの時、液晶パネル２に照射される有効表示領域Ｓ２は１３.５ｍｍ×１０.５ｍｍとなる。図７で説明した第一レンズアレイのように、最外周レンズセルのｔ１が内側レンズセルのｔ１より大きい形状で、ｔ１が１ｍｍ異なっていた場合、液晶パネル２に照射される領域面積が９３．６％に減少する。なぜなら、最外周レンズセルが照射する領域面積は
（９０／３１）×４.５ｍｍ＝１３．０６ｍｍ
（９０／３１）×３.５ｍｍ＝１０．１６ｍｍ
（１３．０６ｍｍ×１０．１６ｍｍ）／（１３.５ｍｍ×１０.５ｍｍ）＝９３．６％
そのために最外周レンズセル面積を６．４％以上大きくする必要がある。実際は、公差、レンズの収差などを考えて、最外周レンズセルのサイズを余分に数％大きくするのが効率的である。また、第一レンズアレイのサイズがリフレクタサイズより小さい時にも、最外周レンズセルのサイズを大きくすることにより、第一レンズアレイのサイズとリフレクタサイズを同等にすることによって、効率低下を改善することが可能になる。
【００２７】
しかし、大きくし過ぎても、重くなり、高価格になってしまう。四隅の最外周レンズセルの対角の長さをＤ２とし、内側レンズセルサイズの対角の長さをＤ１とした時、Ｄ１＜Ｄ２＜（Ｄ１×１.１５倍）の範囲であることが望ましい。また、行（水平）方向の最外周レンズセルの両端の行方向長さをＨ２とし、内側レンズセルの行方向の長さをＨ１とした時、Ｈ１＜Ｈ２＜（Ｈ１×１.１５倍）の範囲で、列（垂直）方向の最外周レンズセルの両端の列方向長さをＶ２とし、内側レンズセルの列方向の長さをＶ１とした時、Ｖ１＜Ｖ２＜（Ｖ１×１.１５倍）の範囲であることが望ましい。
【００２８】
従い、第一レンズアレイ６の最外周のセルサイズを大きいサイズにすることにより、液晶パネルで均一な光強度分布を得ることが可能となり、液晶パネル２の有効表示領域上に発生する明るい筋、暗い筋などを低減し、均一な光強度分布である画面を得ることが可能となる。
【００２９】
図３は本発明の第一レンズアレイの最外周レンズセルと第一レンズアレイを固定するための支持部を示した図である。図３において、２４は本発明による最外周レンズセルと支持部の形状を示し、２点鎖線で示される２３は本発明による最外周レンズセルを従来技術による支持方法で形成した場合の支持部の形状を示す。図３（ａ）において、Ｔ１は最外周レンズセルの保持部の厚さであり、Ｔ２は第一レンズアレイの最大の厚さである。
【００３０】
第一レンズアレイ自体の製造工程内で、第一レンズアレイを固定して研磨する場合、従来の支持部形状では、第一レンズアレイの最外周レンズセルと最外周レンズセルの外周側の平坦部との段差のため、支持部が強度的に弱く、レンズアレイの割れ、欠けなどが起こり易いという問題があった。
【００３１】
図３（ａ）は、第一レンズアレイの最外周レンズセルを大きくしたときに、最外周レンズセルの外周側に支持部の形状２３に示される最外周レンズセルの外周側の平坦部を設けず、レンズセル自体の支持部を厚くした形状である。この時、この形状は、割れ、欠けなどが起こりにくいとともに、レンズアレイ自体の製造工程内で固定しやすく、製造の工程が容易になる効果がある。この時、保持部の厚さＴ１は、Ｔ２ｘ０．８倍＜Ｔ１＜Ｔ２であることが望ましい。
【００３２】
図３（ｂ）は、第一レンズアレイの最外周レンズセルと最外周レンズセルの外周側の平坦部の支持部２３の間との段差を無くすために、最外周レンズセルと平坦部の支持部とをなだらかな曲率の曲面形状にしたものである。この曲面の曲率半径Ｒとしては、１ｍｍ以上で最外周レンズセルの曲率以下であることが望ましい。これにより、割れ、欠けなどが起こりにくいとともに、製造工程内で形状精度の向上ができ、製造の工程が容易になる効果がある。
【００３３】
図４は固定しやすくする作用があるレンズアレイの外形形状を示した図である。
従来は、２方向からレンズアレイを押し付けて固定するため、１方向から強く押し付けた時、もう１方向からの押し付けが効果的に働かず、レンズ面が傾いてしまうという問題があった。
【００３４】
本発明は、レンズアレイを斜め方向から押し付けて固定するために、レンズアレイ形状の少なくとも1つの角２５が斜めから押さえつける方向に対してカットしてある。角２５側から押さえて、カットされている角の対角側の２辺でレンズアレイの位置決めをし、固定するような形状で、レンズ面の傾きについて効率よく固定できる効果がある。なお、図４では、角２５のカット形状は、直線であるが、これに限定されるものではなく、角２５側から押さえることができる形状であればよいことは明らかである。
【００３５】
図５は本発明の照明装置を投射型映像表示装置に適用した実施の形態である。図５において、１２Ａ，１２Ｂはランプ１からの白色光束を３原色に分光するためのダイクロイックミラー、１３，１４，１５は全反射ミラー１６，１７はリレーレンズ、１１は色合成プリズム、３は投射レンズ、４はスクリーンである。図５において、図２、図６に共通な部分には同一符号を付して説明を省略する。照明装置は、少なくとも第一レンズアレイ６、第二レンズアレイ７、偏光ビームスプリッタアレイ８、集光レンズ９、コンデンサレンズ１０で構成される。
【００３６】
図５の動作について以下述べる。ランプ１からの白色光束は、リフレクタ５で反射され、オプティカルインテグレータで所望の偏光成分を持つ光束として出射され、集光レンズ９とコンデンサレンズ１０に入射する。集光レンズ９とコンデンサレンズ１０はオプティカルインテグレータで分割された光束を液晶パネル２に入射させる。集光レンズ９とコンデンサレンズ１０の間には、ダイクロックミラー１２Ａ，１２Ｂが配置され、白色光束が３原色に分光されて、対応する各色用に液晶パネル２に入射される。反射ミラー１４、１５を通って液晶パネル２に入射する色光は、他の色光より光路が長くなるため、リレーレンズ１６、１７で補正される。液晶パネル２に入射した色光は映像信号（図示せず）により光変調を受けて透過し、色合成プリズム１１で色合成されて、投射レンズ３でスクリーン４上に拡大投射される。
【００３７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の投写型映像表示装置は、上記の課題事項に関して、該レンズアレイのセルを最適化し、光源から出射された光線を効率よく映像表示素子で均一な強度分布を得ることが可能となる。その結果、明るさおよび画質を確保した投射型映像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第一レンズアレイを用いた照明装置の光学部品配置図と光線図である。
【図２】本発明の実施の形態を示す構成図である。
【図３】本発明の第一レンズアレイの最外周レンズセルと第一レンズアレイを固定するための支持部を示した拡大図である。
【図４】固定しやすくする作用があるレンズアレイの外形形状を示した構成図である。
【図５】本発明による照明装置を適用した投射型液晶表示装置を示す構成図である。
【図６】光源からの出射光を映像表示素子である液晶表示素子の矩形状の液晶パネル上に矩形の照射領域で重畳結像させる作用を示す、照明装置の光学部品配置図である。
【図７】偏光ビームスプリッタアレイでの光の通過率を向上させるために偏芯させた各レンズセルからなる第一レンズアレイの従来例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…ランプ、２…液晶パネル、３…投射レンズ、４…スクリーン、５…リフレクタ、６…第一レンズアレイ、７…第二レンズアレイ、８…偏光ビームスプリッタアレイ、９…集光レンズ、１０…コンデンサレンズ、１１…色合成プリズム、１２A…ダイクロイックミラー、１２B…ダイクロイックミラー、１３…全反射ミラー、１４…全反射ミラー、１５…全反射ミラー、１６…第一リレーレンズ、１７…第２リレーレンズ、１８…本発明レンズアレイの最外周レンズセルの形状、１９…レンズアレイの内側レンズセルの形状、２０…照明装置の光軸、２１…偏光ビームスプリッタのピッチ幅、２２…各レンズセルのレンズ頂点、２３…従来技術による支持部分、２４…本発明による支持部分、２５…レンズアレイ形状の少なくとも1つの角。
【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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