(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画像表示素子と、
光源からの照明光を前記複数の色光に分解し、該複数の色光をそれぞれ前記複数の画像表示素子に導く色分解照明系と、
前記複数の画像表示素子からの画像光を合成して投射する合成・投射光学系と、
前記画像表示素子、前記色分解照明系、及び前記合成・投射光学系を収納する外装ボックスとを有し、
前記色分解照明系は、
前記光源からの照明光の光軸を略９０度折り曲げる照明反射部材と、
前記照明反射部材で反射された前記照明光を収束させるコンデンサーレンズと、
前記コンデンサーレンズによって収束された前記照明光を、該照明光のうち特定の色光を反射して他の色光を透過させることにより色分解する色分離光学部材とを有し、
前記色分離光学部材に入射する光の光軸と該色分離光学部材の光入射面の法線とのなす角度が４５度よりも小さく、
前記収束された照明光の外周部分が、前記外装ボックスにおける該照明光の光軸に対して傾きを有する面と平行であることを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項２】
前記光源から前記照明反射部材に至る照明光の光軸が、画像光の投射光軸に対して該投射光軸側に傾いていることを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。
【請求項３】
前記色分離光学部材として、互いに異なる特定の色光を反射する複数の色分離光学部材を有しており、
これら複数の色分離光学部材のそれぞれについて、該色分離光学部材に入射する光の光軸と該色分離光学部材の光入射面の法線とのなす角度が４５度よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の投射型画像表示装置。
【請求項４】
前記色分解照明系は、前記色分離光学部材により分離された色光を前記画像表示素子に導く導光反射部材を有しており、
前記導光反射部材に入射する色光の光軸と該導光反射部材の反射面の法線とのなす角度が４５度よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の投射型画像表示装置。
【請求項５】
前記光源から前記複数の画像表示素子に至る複数の色光の光路のうち、光路長が他の色光の光路長より長い光路に凹面反射部材を含むリレー系が配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の投射型画像表示装置。
【請求項６】
前記凹面反射部材に入射する光の光軸と、前記凹面反射部材の凹面反射面における前記光軸との交点を通る法線とのなす角度が４５度よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の投射型画像表示装置。
【請求項７】
前記凹面反射部材に入射する光の光軸と、前記凹面反射部材の反射面における前記光軸との交点を通る法線とのなす角度が、前記色分離光学部材に入射する光の光軸と該色分離光学部材の光入射面の法線とのなす角度よりも小さいことを特徴とする請求項５又は６に記載の投射型画像表示装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１つに記載の投射型画像表示装置と、該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、照明光を色分解して複数の画像表示素子を照明し、これら画像表示素子から射出した画像光を合成して投射表示する投射型画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、明るさを向上させ、かつ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４には、従来の投射型画像表示装置の構成を示している。図４において、照明光源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、さらにミラーＭ１０１で反射されて、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】
なお、一般に、照明光源としては、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】
ダイクロイックミラーＤＭ１０１は、図５（ａ）に示す分光透過率を有し、青色波長域の光を反射して、緑から赤色波長域の光を透過させる。また、ダイクロイックミラーＤＭ１０１を透過した緑から赤色波長域の光は、ダイクロイックミラーＤＭ１０２に入射する。ダイクロイックミラーＤＭ１０２は、図５（ｂ）に示す分光透過率を有し、緑色波長域の光を反射し、赤色波長域の光を透過させる。
【０００６】
ダイクロイックミラーＤＭ１０１で反射した青色波長域の光は、反射ミラーＭ１０２によって光路を９０度変え、フィールドレンズ１０７Ｂを介して画像表示素子１０８Ｂに入射し、ここで画像表示素子１０８Ｂへの入力信号に応じて変調される。
【０００７】
また、ダイクロイックミラーＤＭ１０２で反射した緑色波長域の光は、フィールドレンズ１０７Ｇを介して画像表示素子１０８Ｇに入射し、ここで画像表示素子１０８Ｇへの入力信号に応じて変調される。
【０００８】
さらに、ダイクロイックミラーＤＭ１０２を透過した赤緑波長域の光は、図５（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１１１、リレーレンズ１１２，反射ミラーＭ１０３，Ｍ１０４およびフィールドレンズ１０７Ｒを介して画像表示素子１０８Ｒに入射し、ここで変調される。
【０００９】
こうしてそれぞれ画像表示素子１０８Ｒ，１０８Ｂ，１０８Ｇで変調された各色の画像光は、クロスダイクロプリズム１０９に入射し、青色および赤色波長域の光はクロスダイクロプリズム１０９内で９０度方向を変えられ、また緑色波長域の光はそのままクロスダイクロプリズム１０９内を透過し、全ての波長域の光が合成されて射出される。
【００１０】
そして、クロスダイクロプリズム１０９によって色合成された画像光は、投射レンズ１１０によって不図示のスクリーン面上に投影表示される。
【００１１】
このように構成された従来の投射型画像表示装置において、ダイクロイックミラーＤＭ１０２は、画像表示素子１０８Ｇの直前に配置され、緑色波長光の光路と赤色波長光の光路とを分離するとともに、緑色波長光の光路を折り曲げる役割を有しており、このダイクロイックミラーＤＭ１０２に入射する光の光軸とこのダイクロイックミラーＤＭ１０２の入射面の法線とのなす角が４５°になるように構成されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような装置構成では、照明光源１０１から反射ミラーＭ１０１に至る照明光の光軸が投射レンズ１１０の光軸と平行になるように配置されているため、またコンデンサーレンズ１０６の集光作用によって画像表示素子１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂに向かう光束が収束していくため、この装置を外装ボックス１２０等に収納する際には、図６の斜線部に示すような利用価値の少ないスペースＳ１，Ｓ２が生じてしまい、装置が大型化してしまうという問題がある。
【００１３】
また、上記の画像表示装置では、リレーレンズ１１２および反射ミラーＭ１０３，Ｍ１０４等により赤色光用のリレー系を形成しているが、このリレー系に代えて、凹面ミラーを組み合わせたリレー系を用いることも考えられる。しかし、凹面ミラーへの光の入射角度が大きいと、収差が発生し易く、光量ロスが発生したり良好な表示画像が得られなかったりするおそれがある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の投射型画像表示装置は、複数の画像表示素子と、光源からの照明光を複数の色光に分解し、該複数の色光をそれぞれ複数の画像表示素子に導く色分解照明系と、複数の画像表示素子からの画像光を合成して投射する合成・投射光学系と、画像表示素子、色分解照明系および合成・投射光学系を収納する外装ボックスとを有する。色分解照明系は、光源からの照明光の光軸を略９０度折り曲げる照明反射部材と、該照明反射部材で反射された照明光を収束させるコンデンサーレンズと、コンデンサーレンズによって収束された照明光を、該照明光のうち特定の色光を反射して他の色光を透過させることにより色分解する色分離光学部材とを有する。そして、色分離光学部材に入射する光の光軸と該色分離光学部材の光入射面の法線とのなす角度が４５度よりも小さく、かつ収束された照明光の外周部分が、外装ボックスにおける該照明光の光軸に対して傾きを有する面と平行であることを特徴とする。
【００１５】
これにより、色分離光学部材に入射する光の光軸とこの色分離光学部材の光入射面の法線とのなす角度が４５度に設定されていた従来の投射型画像表示装置に比べて、画像光の合成・投射光学系に対する色分解照明系の配置自由度が大きくなる。
【００１６】
このため、光源から照明反射部材に至る照明光の光軸が画像光の投射光軸に対して投射光軸側に傾くように色分解照明系を配置することが可能となる。
【００１７】
したがって、例えば図６に斜線部として示した従来無駄なスペースＳ１，Ｓ２をほとんど生じさせないようにすることが可能となり、装置全体のコンパクト化を図ることが可能になる。
【００１８】
なお、照明光源から各画像表示素子に至る複数色光の光路のうち、光路長が他の色光の光路長より長い光路に凹面反射部材を含むリレー系を配置する場合において、凹面反射部材に入射する光の光軸と凹面反射部材の反射面における前記光軸との交点を通る法線とのなす角度を４５度よりも小さく（さらには、色分離光学部材に入射する光の光軸とこの色分離光学部材の光入射面の法線とのなす角度よりも小さく）することで、リレー系における収差の発生を小さく抑えることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１には、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を示している。また、図２には、ダイクロイックミラーＤＭ１、ＤＭ２、トリミングフィルターＴＲの分光透過率を示している。なお、これらの分光透過率は、超高圧水銀ランプを照明光源として使用した場合の設計例である。但し、これらの数値は一例に過ぎず、これらの値に限定されるものではい。すなわち、照明光源の種類に応じて種々の値を設定することができる。
【００２０】
図１において、照明光源１から射出された白色光の一部は、そのままフライアイレンズＡ３に入射し、残りはリフレクター２で反射されてフライアイレンズＡ３に入射する。
【００２１】
フライアイレンズＡ３を通過した照明光は、ミラー（照明反射部材）Ｍ１で略９０度光路が折り曲げられ、フライアイレンズＢ４，偏光変換素子５，コンデンサーレンズ（集光素子）６等を通過した後、ダイクロイックミラーＤＭ１に入射する。
【００２２】
ここで、照明光はコンデンサーレンズ６を通過する際に収束（集光）作用を受け、照明光の射出方向に向かって収束する。
【００２３】
ダイクロイックミラーＤＭ１は、図２（ａ）に示す分光透過率を有しており、このダイクロイックミラーＤＭ１において、青色波長域の光は反射し、緑から赤色波長域の光は透過する。
【００２４】
また、ダイクロイックミラーＤＭ１を透過した緑から赤色波長域の光は、ダイクロイックミラーＤＭ２に入射する。ダイクロイックミラーＤＭ２は、図２（ｂ）に示す分光透過率を有し、緑色波長域の光を反射し、赤色波長域の光を透過させる。
【００２５】
ダイクロイックミラーＤＭ１で反射した青色波長域の光は、反射ミラー（導光反射部材）Ｍ２によって光路を折り曲げられ、フィールドレンズ７Ｂを介して画像表示素子８Ｂに入射し、ここで画像表示素子８Ｂへの入力信号に応じて変調される。
【００２６】
また、ダイクロイックミラーＤＭ２で反射した緑色波長域の光は、フィールドレンズ７Ｇを介して画像表示素子８Ｇに入射し、ここで画像表示素子８Ｇへの入力信号に応じて変調される。
【００２７】
さらに、ダイクロイックミラーＤＭ２を透過した赤緑波長域の光は、図２（ｃ）に示す分光透過率を有するトリミングフィルターＴＲ，凹面ミラーＭ３，反射ミラーＭ４および凹面ミラーＭ５により構成されるリレー系を介して画像表示素子８Ｒに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。なお、反射ミラーＭ４は、凹面、凸面および平面ミラーのいずれでも構わない。
【００２８】
なお、画像表示素子８Ｒ，８Ｇ，８Ｂは液晶ディスプレイパネル等により構成され、不図示の駆動回路は、同じく不図示のパーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビおよびビデオ等の画像情報供給装置から入力された画像情報に応じて画像表示素子８Ｒ，８Ｇ，８Ｂに駆動信号を入力する。これにより、画像表示素子８Ｒ，８Ｇ，８Ｂが駆動され、画像情報に対応した各色用画像が形成される。
【００２９】
こうしてそれぞれ画像表示素子８Ｒ，８Ｂ，８Ｇで変調された各色の画像光は、色合成プリズム９に入射する。この色合成プリズム９は、４つのプリズムが一体的に組み合わされて作られたものであり、二対のプリズム間にはダイクロイック膜ＤＭ３，ＤＭ４が形成されている。
【００３０】
色合成プリズム９に入射した青色波長域の画像光は、色合成プリズム９内のダイクロイック膜ＤＭ３で反射して９０度方向を変えられ、投射レンズ１０側に射出する。
【００３１】
また、色合成プリズム９に入射した緑色波長域の画像光は、そのまま色合成プリズム９内を透過して投射レンズ１０側に射出する。
【００３２】
さらに色合成プリズム９に入射した赤色波長域の画像光は、色合成プリズム９内の１つの面で全反射し、さらにダイクロイック膜ＤＭ４で反射して投射レンズ１０側に射出する。
【００３３】
この際の各色画像光の射出光軸は互いに略一致しており、これにより各色画像光が合成されて投射レンズ１０によって不図示のスクリーン面上に投影表示される。
【００３４】
ここで、本実施形態では、ダイクロイックミラーＤＭ２は、画像表示素子８Ｇの直前に配置され、緑色波長光の光路と赤色波長光の光路とを分離するとともに、緑色波長光の光路を折り曲げる役割を有している。そして、このダイクロイックミラーＤＭ２に入射する光の光軸とこのダイクロイックミラーＤＭ２の入射面の法線とのなす角が、４２．５°（＜４５°）になるように構成されている。
【００３５】
より詳しく説明すると、本実施形態の色分解照明系は、照明光源１からの照明光の光軸を略９０度折り曲げる反射ミラーＭ１と、この反射ミラーＭ１で反射した光に収束作用を及ぼしてダイクロイックミラーＤＭ１，ＤＭ２に入射させるコンデンサーレンズ６とを有し、照明光源１から反射ミラーＭ１に至る照明光の光軸が、画像光の投射光軸（投射レンズ１０の光軸）に対してこの投射光軸側に傾くように配置されている。
【００３６】
これにより、照明光源１およびリフレクター２が反射ミラーＭ２に接近し、図６に示した斜線部スペースＳ１が小さくなる。
【００３７】
また、コンデンサーレンズ６から射出される照明光の外周部分Ｌが、コンデンサーレンズ６の外周近傍から図中ほぼ水平に（投射光軸方向に略直交する方向に、つまりは外装ボックス２０において照明光の光軸に対して傾きを有する図中下側の面に平行に）射出する。このような構成とすることによって、この表示装置を、通常は略直方体に形成されることが多い外装ボックス２０に収納する際に、外装ボックス２０と照明光の外周部分Ｌとの間にある、図６に示した斜線スペース部Ｓ２をほぼなくすることができる。
【００３８】
このように、本実施形態によれば、従来無駄となっていたスペースＳ１，Ｓ２を小さく又はなくすることができるので、装置全体のコンパクト化を図ることができる。
【００３９】
なお、ダイクロイックミラーＤＭ２に入射する光の光軸とダイクロイックミラーＤＭ２の入射面の法線とのなす角が４２．５°に設定されていることに伴い、これと対称配置される反射ミラーＭ２に入射する光の光軸と反射ミラーＭ２の反射面の法線とのなす角も４２．５°に設定されている。
【００４０】
また、本実施形態では、赤色波長域の照明光の光路長が他の光路長より長くなっており、この赤色光路内に少なくとも２つの凹面ミラーＭ３，Ｍ５を含むリレー系を配置しているが、前述したように、ダイクロイックミラーＤＭ２への入射光軸とダイクロイックミラーＤＭ２の法線とのなす角が４５°より小さく設定されることにより、凹面ミラーＭ３への赤色波長域の照明光の入射角度（凹面ミラーＭ３に入射する光の光軸と、凹面ミラーＭ３の反射面における上記光軸との交点を通る法線とのなす角度）θが小さくなり、凹面ミラーＭ３での収差が発生しにくくなり、光量ロスを減らしたり画質のよい表示画像を得たりすることができる。
【００４１】
なお、ダイクロイックミラーＤＭ２への入射光の光軸とダイクロイックミラーＤＭ２の法線とのなす角が４５°以上であると、図６に示すように、利用価値の少ないスペースＳ１，Ｓ２が大きくなり、また凹面ミラーに入射する光の角度も大きくなるため凹面ミラーでの収差が発生し、光量ロスが増大してしまう。
【００４２】
また、本実施形態において、凹面ミラーＭ３への入射角度θとしては、ダイクロイックミラーＤＭ２への入射光軸とダイクロイックミラーＤＭ２の法線とのなす角よりも小さくすることも可能である。
【００４３】
なお、本実施形態では、ダイクロイックミラーＤＭ２に入射する光の光軸とダイクロイックミラーＤＭ２の入射面の法線とのなす角を４２．５°に設定した場合について説明したが、本発明においては、４５度よりも小さければこの角度に限られるものではない。
【００４４】
また、本実施形態では、赤色波長域光の光路にリレー系を設けた場合について説明したが、他の波長域光の光路にリレー系を設けてもよい。
【００４５】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、光路長が他の光路長より長い光路に、少なくとも２つの凹面ミラーＭ３，Ｍ５を含むリレー系を配置した場合について説明したが、図３に示すように、レンズ１２とミラーＭ６，Ｍ７によってリレー系を構成してもよく、この場合も、第１実施形態と同様に、無駄なスペースを小さくして装置のコンパクト化を図ることができる。
【００４６】
なお、本実施形態において、第１実施形態と共通する構成要素には、第１実施形態と同符号を付している。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、色分離光学部材に入射する光の光軸とこの色分離光学部材の光入射面の法線とのなす角度を４５度よりも小さくなるように設定しているので、色分離光学部材に入射する光の光軸とこの色分離光学部材の光入射面の法線とのなす角度が４５度に設定されていた従来の投射型画像表示装置に比べて、画像光の合成・投射光学系に対する色分解照明系の配置自由度を大きくすることができる。
【００４８】
しかも、色分解照明系が、照明光を収束させて色分離光学部材に入射させるコンデンサーレンズを有し、該収束された照明光の外周部分が、外装ボックスにおける該照明光の光軸に対して傾きを有する面と平行となっている。
【００４９】
したがって、外装ボックス内において従来無駄となっていたスペースをほとんど生じさせないようにすることが可能となり、装置全体のコンパクト化を図ることができる。
【００５０】
また、光路長が他の色光の光路長より長い色光用の光路に凹面反射部材を含むリレー系を配置する場合において、凹面反射部材に入射する光の光軸と凹面反射部材の反射面における前記光軸との交点を通る法線とのなす角度を４５度よりも小さく（さらには、色分離光学部材に入射する光の光軸とこの色分離光学部材の光入射面の法線とのなす角度よりも小さく）することで、リレー系における収差の発生を小さく抑えることができ、光量ロスの発生を抑え、良好な表示画像を得ることができる。
【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を示す断面図である。
【図２】上記画像表示装置に用いられるダイクロイックミラーおよびトリミングフィルターの分光特性を示す概略図である。
【図３】本発明の第２実施形態である投射型画像表示装置の構成を示す断面図である。
【図４】従来の投射型画像表示装置の構成を示す断面図である。
【図５】従来の画像表示装置に用いられるダイクロイックミラーおよびトリミングフィルターの分光特性を示す概略図である。
【図６】従来の画像表示装置における利用されていないスペースを示した図である。
【符号の説明】
１  照明光源
２  リフレクター
３，４  フライアイレンズ
５  偏光変換素子
６  コンデンサーレンズ
７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ  フィールドレンズ
８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ  画像表示素子
９  色合成プリズム
１０  投射レンズ
２０  外装ボックス
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ４，Ｍ６，Ｍ７  反射ミラー
Ｍ３，Ｍ５  凹面ミラー
ＤＭ１，ＤＭ２  ダイクロイックミラー
ＤＭ３，ＤＭ４  ダイクロイック膜
【図１】
0003919463.tif 000002
【図２】
0003919463.tif 000003
【図３】
0003919463.tif 000004
【図４】
0003919463.tif 000005
【図５】
0003919463.tif 000006
【図６】
0003919463.tif 000007