(57)【要約】【課題】複数の固体光源から射出される各色の光を用いた画像表示を、小さな装置構成で行う投射型液晶表示装置を得ること。【解決手段】複数の固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂから射出される各色の光を反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂに照射して画像を表示する投射型液晶表示装置において、固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂから反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂまでの光路間に配置されて、固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂから射出された光の光強度分布を均一化する柱状光学素子と、柱状光学素子から射出された光を反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂに導く複数のリレーレンズを有するリレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂと、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂのリレーレンズ間に配置されて、光の光路を折り曲げる折り返しミラー７ｒ，７ｇ，７ｂと、を備える。【選択図】        図１
2009157268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の固体光源から射出される各色の光を反射型ライトバルブに照射して画像を表示する投射型液晶表示装置において、
前記固体光源から前記反射型ライトバルブまでの光路間に配置されて、前記固体光源から射出された光の光強度分布を均一化する柱状光学素子と、
前記柱状光学素子から射出された光を前記反射型ライトバルブに導く複数のリレーレンズを有するリレーレンズ群と、
前記リレーレンズ群のリレーレンズ間に配置されて、前記光の光路を折り曲げるミラーと、
を備えることを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項２】
前記リレーレンズ群は、４枚のリレーレンズを有し、
前記ミラーは、前記光路中で光が２番目に通過するリレーレンズと、前記光路中で光が３番目に通過するリレーレンズとの間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の投射型液晶表示装置。
【請求項３】
前記固体光源から射出された光を柱状光学素子へ集光する３枚の集光レンズを有し、
前記光路中で光が１番目に通過する集光レンズは、ガラス非球面レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の投射型液晶表示装置。
【請求項４】
前記リレーレンズは、アッベ数が４５以上であってかつ屈折率ｎｄが１．７以上の硝材を含んで構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の投射型液晶表示装置。
【請求項５】
前記柱状光学素子の断面積は、前記反射型ライトバルブの光入射面積の６分の１以上であって、かつ前記反射型ライトバルブの光入射面積の２分の１以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の投射型液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一の波長を射出する固体光源および反射型ライトバルブを用いた投射型液晶表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
投射型液晶表示装置の１つに、キセノンランプや超高圧水銀ランプ等を光源として用い、反射型偏光板を使用する３板式の反射型液晶表示装置がある。このような、反射型液晶表示装置では、赤色用、緑色用、青色用の各反射型液晶ライトバルブを用いるので、光源からライトバルブまでの光学系に赤色光、緑色光、青色光の各色光を分離する分離手段が必要となる。このため、３板式の反射型液晶表示装置では、光源からライトバルブまでの光学系の小型化が困難であった。
【０００３】
上記のような問題に対して、３つの波長を含んだ光源から空間光変調素子に至る光学系を小型化した投射型画像表示装置が提案されている。この投射型画像表示装置は、赤色光、緑色光及び青色光の各色光用の反射型偏光板と、各反射型偏光板によって反射された画像光を色合成する色合成光学系と、を備えている。そして、反射型偏光板は、色分解光学系を経た各色光ごとにＰ偏光またはＳ偏光の偏光成分を透過させて、各色の光に対応する反射型空間光変調素子にそれぞれ入射させている。さらに、各反射型空間光変調素子は、各色光の画像信号に応じて偏光変調された各色の画像光を、色合成光学系側へ反射させている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３８０９号公報（第３頁、第４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術は、光源が３つの波長を含んだ光源の場合にのみ適用できる方法であり、波長がそれぞれ異なる複数の固体光源から射出された光束を用いる場合、固体光源からライトバルブまでの光学系に光合成手段が必要となり、装置の大型化を招くという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の固体光源から射出される各色の光を用いた画像表示を、小さな装置構成で行う投射型液晶表示装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の固体光源から射出される各色の光を反射型ライトバルブに照射して画像を表示する投射型液晶表示装置において、前記固体光源から前記反射型ライトバルブまでの光路間に配置されて、前記固体光源から射出された光の光強度分布を均一化する柱状光学素子と、前記柱状光学素子から射出された光を前記反射型ライトバルブに導く複数のリレーレンズを有するリレーレンズ群と、前記リレーレンズ群のリレーレンズ間に配置されて、前記光の光路を折り曲げるミラーと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、光の光路を折り曲げるミラーがリレーレンズ間に配置されているので、装置構成を小さくすることが可能になるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明に係る投射型液晶表示装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態
図１は、本発明の実施の形態に係る投射型液晶表示装置の概略構成を示す図である。なお、本実施の形態では、説明の便宜上、固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂから光を射出する方向をｘ方向とし、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｂに光が入射する方向をｚ方向とし、反射型ライトバルブ２ｇに光が入射する方向をｙ方向として説明する。
【００１１】
本実施の形態の投射型液晶表示装置１は、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂと固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂとの間に配置されるリレーレンズ間に、光を折り返すミラーが設けられた投射型の画像表示装置である。
【００１２】
投射型液晶表示装置１は、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂと、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂに光（赤色光、緑色光、青色光）を照射するための固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂと、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂと、折り返しミラー７ｒ，７ｇ，７ｂと、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂと、光合成素子９と、投射光学系１０と、を含んで構成されている。
【００１３】
リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂ、折り返しミラー７ｒ，７ｇ，７ｂ、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂは、それぞれ固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂから反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂに至る光の光路上に配置されている。図１では、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂとして、２枚ずつのリレーレンズ６ｒ１，６ｒ４，６ｇ１，６ｇ４，６ｂ１，６ｂ４を図示しているが、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂは、少なくとも３枚のリレーレンズで構成されている。
【００１４】
本実施の形態の投射型液晶表示装置１は、各リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂ内に投射型液晶表示装置１を小型化にするための折り返しミラー７ｒ、７ｇ、７ｂを配置している。折り返しミラー７ｒ、７ｇ、７ｂは、固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂから射出された光を、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂ側へ反射することによって、光軸の方向を変えるミラーである。
【００１５】
固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂから射出された光（単色光）は、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂへ送られ、折り返しミラー７ｒ，７ｇ，７ｂで反射させられて、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂの裏面（透過面）へ送られる。さらに、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂの光は表面（偏光分離面あるいは、特定の直線偏光光のみ反射する面）側から、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂに送られる。そして、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂの光は、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂで反射させられて、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂの表面側に送られ、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂで反射させられて光合成素子９に送られる。光合成素子９は、各反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂから送られてきた光を合成して投射光学系１０に送り、投射光学系１０は、光合成素子９からの光をスクリーン（図示せず）に拡大投射する。
【００１６】
このように、本実施の形態では、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂ内に折り返しミラー７ｒ，７ｇ，７ｂを配置し、折り返しミラー７ｒ，７ｇ，７ｂで光を反射して光軸の方向を変えている。これにより、赤色光、緑色光、青色光は、それぞれ２本の直線で光路を形成することとなる。したがって、１本の直線のみで光路を形成する場合よりも、小さなエリア内に光路を形成している。
【００１７】
つぎに、投射型液晶表示装置１をｘ方向から見た場合の構成、ｙ方向から見た場合の構成、ｚ方向から見た場合の構成について説明する。図２は、投射型液晶表示装置をｘ方向から見た場合の構成を示す図であり、図３は、投射型液晶表示装置をｙ方向から見た場合の構成を示す図であり、図４は、投射型液晶表示装置をｚ方向から見た場合の構成を示す図である。図２では、投射型液晶表示装置１を図１の正面（側面Ｆ１）から見た場合の投射型液晶表示装置１を示している。また、図３では、投射型液晶表示装置１を図１の横面（側面Ｆ２）側から見た場合の投射型液晶表示装置１を示している。また、図４では、投射型液晶表示装置１を図１の底面側から見た場合の投射型液晶表示装置１を示している。
【００１８】
図２〜図４に示すように、投射型液晶表示装置１は、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂと、固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂと、固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂから反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂに至る光の光路上に配置された集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂと、集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂの後段に配置された柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂと、柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂの後段に配置されたリレーレンズ６ｒ１〜６ｒ４，６ｇ１〜６ｇ４，６ｂ１〜６ｂ４（図１に示したリレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂ）と、折り返しミラー７ｒ，７ｇ，７ｂと、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂの後段に配置された反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂと、光合成素子９と、投射光学系１０と、を備えている。
【００１９】
固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂは、それぞれ赤色光、緑色光、青色光を射出するＬＥＤ（Light  Emitting  Diode）などの光源である。固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂは、それぞれ特定の波長を持つ固体光源であればよく、ＬＥＤに限らずレーザ光であってもよい。例えば、固体光源３ｇは、５３０ｎｍ付近のみにピーク波長を有した光源である。本実施の形態では、固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂがＬＥＤである場合について説明する。
【００２０】
赤色光の光路となるのが、集光レンズ群４ｒ、柱状光学素子５ｒ、リレーレンズ群６０ｒ、折り返しミラー７ｒ、反射型偏光板８ｒ、反射型ライトバルブ２ｒである。緑色光の光路となるのが、集光レンズ群４ｇ、柱状光学素子５ｇ、リレーレンズ群６０ｇ、折り返しミラー７ｇ、反射型偏光板８ｇ、反射型ライトバルブ２ｇである。青色光の光路となるのが、集光レンズ群４ｂ、柱状光学素子５ｂ、リレーレンズ群６０ｂ、折り返しミラー７ｂ、反射型偏光板８ｂ、反射型ライトバルブ２ｂである。
【００２１】
集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂは、それぞれ４枚の集光レンズによって構成されている。固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂにＬＥＤなどの発散角が大きい固体光源を用いる場合は、集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂの各１枚目の集光レンズ（光路上で光が最初に到達する集光レンズ）（１番目の集光レンズ）を非球面レンズとしておく。これにより、柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂへの集光効率を向上させることが可能となる。また、集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂの各１枚目の集光レンズに非球面レンズを用いる場合は、固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂから発せられる熱の影響を考慮し、集光レンズにガラスを用いることが好ましい。集光レンズにガラスを用いる場合には、プラスチックレンズのように、集光レンズの界面反射を低減するためのマルチコーティングが熱によって剥がされることがなくなる。
【００２２】
また、集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂの各１枚目の集光レンズをガラス非球面レンズとした場合、さらに２枚の球面レンズ（２枚目、３枚目）を用いることによって、投射型液晶表示装置１を小型化することが可能となる。従って、投射型液晶表示装置１は、少なくとも３枚の集光レンズによって集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂを構成することが好ましい。
【００２３】
柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂは、集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂを通過した光の光断面内（後述の光軸Ｃ１上を進む中心光に直行する平面内）における光強度分布を均一化する（照度むらを低減する）機能を有している。
【００２４】
柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂは、例えばガラスや樹脂等の透明材料で作られた素子である。柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂは、側壁内側が全反射面となるように構成された例えば四角柱状のロッド（断面形状が四辺形の柱状部材）であってもよいし、反射面を内側にして筒状に組み合わされた断面形状が四辺形のパイプ（管状部材）であってもよい。
【００２５】
柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂが四角柱状のロッドである場合には、透明材料と空気界面との間の全反射作用を利用して光を複数回反射させた後に、射出端（射出口）から光を射出させる。柱状光学素子５ｇが四辺形の断面形状を有したパイプである場合には、内側を向く表面鏡の反射作用を利用して光を複数回反射させた後に、射出端から光を射出させる。
【００２６】
柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂは、光の進行方向に適当な長さを確保すれば、内側で複数回反射した光が柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂの射出端の近傍に重畳照射され、柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂの射出端近傍においては略均一な強度分布が得られる。この略均一な強度分布を有する射出端からの射出光は、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂによって反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂへと導かれる。
【００２７】
リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂは、それぞれ４枚のリレーレンズによって構成されている。リレーレンズ群６０ｒは、リレーレンズ６ｒ１〜６ｒ４を有し、リレーレンズ群６０ｇは、リレーレンズ６ｇ１〜６ｇ４を有し、リレーレンズ群６０ｂは、リレーレンズ６ｂ１〜６ｂ４を有している。リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂは、それぞれ同様の構成を有しているので、ここではリレーレンズ群６０ｇの構成について説明する。
【００２８】
リレーレンズ群６０ｇでは、図４に示すようにｙ方向への折り返しミラー７ｇがリレーレンズと干渉しないようにリレーレンズ６ｇ２とリレーレンズ６ｇ３との間に所定の間隔が設けられている。また、リレーレンズ６ｇ１とリレーレンズ６ｇ２との間の間隔を例えば５ｍｍ以上設けることによって、反射型偏光板８ｇの前段に、コントラストを向上させる偏光板（後述の偏光板２０ｇ）を配置することが可能となる。偏光板２０ｇは、柱状光学素子５ｇから射出された光の偏光軸を揃える作用を有し、直線偏光光のｐ波を透過し、直線偏光光のｓ波を吸収あるいは反射する作用を有する。投射型液晶表示装置１では、例えば反射型偏光板８ｇの前段に偏光板２０ｇを配置することにより緑色光のコントラストを向上させる。また、赤色光路および青色光路に関しても緑色光路と同様に反射型偏光板８ｒ，８ｂの前段に、偏光板（図示せず）を配置することにより赤色光、青色光のコントラストを向上させる。なお、投射型液晶表示装置１内には、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂの代わりにＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）（ＰＳ偏光変換素子）を配置してもよい。
【００２９】
折り返しミラー７ｒは、例えばリレーレンズ６ｒ２と６ｒ３との間に配置され、折り返しミラー７ｇは、例えばリレーレンズ６ｇ２と６ｇ３との間に配置され、折り返しミラー７ｂは、例えばリレーレンズ６ｂ２と６ｂ３との間に配置されている。
【００３０】
反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂは、投射する画像光の各画素に対応する液晶表示素子を多数（例えば、数十万個）、平面的に配列したものであり、画素情報（各画素に関する情報）に応じて各液晶表示素子を動作させることによって、入射された光をもとに画像情報に応じた画像光を射出する。
【００３１】
光合成素子９は、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂや反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂの後段に配置され、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂからの赤色光、緑色光、青色光の各画像光を合成して投射光学系１０に送る。投射光学系１０は、光合成素子９から射出された光をスクリーンに拡大投射する。
【００３２】
つぎに、投射型液晶表示装置１の動作について説明する。なお、ＲＧＢ（赤緑青）の各光路は、何れも同様の構成を有した光路であるので、ここでは緑色光の光路を投射型液晶表示装置１の光路の一例として説明する。
【００３３】
図５は、投射型液晶表示装置の動作を説明するための図である。図５では、投射型液晶表示装置１の緑色光の光路をｚ方向からみた場合を示している。固体光源３ｇから射出された光は、ｘ方向に進み、集光レンズ群４ｇに到達する。固体光源３ｇからの光は、集光レンズ群４ｇ内の４枚の集光レンズを順番に通過し、柱状光学素子５ｇへ送られる。柱状光学素子５ｇは、集光レンズ群４ｇを通過した光の光断面内における光強度分布を均一化する。
【００３４】
柱状光学素子５ｇは、光強度分布を均一化した光を射出端から射出させて、リレーレンズ群６０ｇ側に送る。柱状光学素子５ｇからの光は、リレーレンズ６ｇ１、リレーレンズ６ｇ２、偏光板２０ｇを順番に通過させられる。このとき、偏光板２０ｇでは、柱状光学素子５ｇから射出された光の偏光軸を揃えるとともに、直線偏光光のｐ波を透過させ、直線偏光光のｓ波を吸収あるいは反射する。これにより、偏光板２０ｇは、緑色光のコントラストを向上させる。
【００３５】
さらに、リレーレンズ６ｇ２を通過した光は、折り返しミラー７ｇで反射させられてｘ方向からｙ方向に曲げられる。このｙ方向に曲げられた光は、リレーレンズ６ｇ３、リレーレンズ６ｇ４を順番に通過させられる。
【００３６】
リレーレンズ６ｇ４を通過した光は、反射型偏光板８ｇの裏面側へ送られ、反射型偏光板８ｇを透過して反射型ライトバルブ２ｇに送られる。反射型ライトバルブ２ｇは、画素情報に応じて各液晶表示素子を動作させることによって、入射された光をもとに画像情報に応じた画像光を射出（反射）する。反射型ライトバルブ２ｇからの画像光（緑色光）は、反射型偏光板８ｇの表面側に送られ、反射型偏光板８ｇで反射させられて光合成素子９に送られる。
【００３７】
同様に、固体光源３ｒ，３ｂから射出された光は、赤色光の画像光、青色光の画像光として光合成素子９に送られる。光合成素子９は、各反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂから送られてきた赤色光、緑色光、青色光の各画像光を合成して投射光学系１０に送り、投射光学系１０は、光合成素子９からの光をスクリーンに拡大投射する。
【００３８】
つぎに、投射型液晶表示装置１を進む光（光線）の軌跡と干渉について説明する。図６は、光線の干渉とリレーレンズの配置位置を説明するための図である。図６では、投射型液晶表示装置１をｘ方向からみた場合を示している。図６において、一方向を示す各矢印（片矢印）は光線の概略の軌跡を示している。また、間隔３０ｇ，３０ｂは、反射型ライトバルブ２ｇ，２ｂの中心軸と反射型偏光板８ｇ，８ｂとの交点から光合成素子９までの間隔を示している。例えば領域３０や領域３１などは、一方の光路の光線が他方の光路上に配置されたレンズによる干渉を受ける可能性のある領域である。
【００３９】
領域３０は、リレーレンズ６ｂ３から射出された直後の光線と、リレーレンズ６ｇ４と、が干渉する可能性のある領域である。また、領域３１は、リレーレンズ６ｇ３から射出された直後の光線と、リレーレンズ６ｂ４と、が干渉する可能性のある領域である。従って、リレーレンズ６ｇ３とリレーレンズ６ｇ４との間およびリレーレンズ６ｂ３とリレーレンズ６ｂ４との間は、他光路のレンズの干渉を考慮して所定の距離だけ間隔を設けておく。
【００４０】
換言すると、図５のリレーレンズ６ｇ１〜６ｇ４では、リレーレンズ６ｇ３とリレーレンズ６ｇ４との間の間隔を考慮して、リレーレンズ群６０ｇを投射型液晶表示装置１内に設置しておく。また、リレーレンズ６ｇ１〜６ｇ４では、折り返しミラー７ｒ，７ｇ，７ｂを配置するために、リレーレンズ６ｇ２とリレーレンズ６ｇ３との間の間隔を考慮して、リレーレンズ群６０ｇを投射型液晶表示装置１内に設置しておく。
【００４１】
上記２箇所のリレーレンズ間隔を考慮した場合、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂをそれぞれ３枚のリレーレンズ（球面レンズ）で構成することも可能であるが、４枚のリレーレンズで構成したほうが３枚のリレーレンズで構成した場合よりも、同等の光量を反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂ上に照射させる場合、つまり結像性能を同等とした場合、投射光学系１０のバックフォーカスが短くなる。そこで、本実施の形態では、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂをそれぞれ４枚のリレーレンズで構成する。また、２枚の球面レンズ（リレーレンズ６ｇ１，６ｇ２）を用いて、柱状光学素子５ｇから射出される光の反射型ライトバルブ２ｇ上の結像性能を改善する。また、２枚の球面レンズ（リレーレンズ６ｂ１，６ｂ２）を用いて、柱状光学素子５ｂから射出される光の反射型ライトバルブ２ｂ上の結像性能を改善する。
【００４２】
また、光を効率良くスクリーンへ導くためには、スクリーンと共役関係となる反射型ライトバルブ２ｇ，２ｂ上の照度分布が均一であることが好ましい。この場合、反射型ライトバルブ２ｇ，２ｂ上の結像性能が良くなり、反射型ライトバルブ２ｇ，２ｂ上の周辺部の照度分布がぼけることはない。したがって、周辺部が結像していない場合と比較して、反射型ライトバルブ２ｇ，２ｂに照射される光量が多くなる。
【００４３】
ここで、各リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂに３枚の球面レンズを用いるとともに、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂ上での結像性能を向上させる場合のリレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂの構成について説明する。図７および図８は、リレーレンズ群に３枚の球面レンズを用いた場合のリレーレンズ群の構成を説明するための図である。なお、図７および図８では、説明の便宜上、赤色光の光路、折り返しミラー７ｇ，７ｂ、柱状光学素子５ｇ、５ｂより前段の構成要素などは図示を省略している。図７および図８において、各片矢印は光線の概略の軌跡を示している。本実施の形態では、各リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂに３枚の球面レンズを用いる場合には、リレーレンズ６ｒ１，６ｒ３，６ｒ４、リレーレンズ６ｇ１，６ｇ３，６ｇ４、リレーレンズ６ｂ１，６ｂ３，６ｂ４を用いる。
【００４４】
投射型液晶表示装置１において、反射型ライトバルブ２ｇ，２ｂ上での結像性能を満足させるためには、リレーレンズ６ｇ４，６ｂ４の前段側（リレーレンズ６ｇ３，６ｂ３側）の面（以下、前段面という）を凸面とすることが好ましいが、投射光学系１０のバックフォーカスを短くするためには、図６に示すように、リレーレンズ６ｇ４，６ｂ４の後段側（反射型偏光板８ｇ、８ｂ側）の面（以下、後段面という）を凸面とすることが好ましい。
【００４５】
リレーレンズ群６０ｇ，６０ｂを３枚構成とした場合に、図７に示すように、リレーレンズ６ｇ４，６ｂ４の前段面を凸面とした場合、投射光学系１０が図５と同様のバックフォーカスであるとすると、リレーレンズ６ｇ４，６ｂ４によって光線がけられることとなる。従って、リレーレンズ６ｇ４，６ｂ４の前段面を凸面とする場合には、光合成素子９と反射型偏光板８ｇ，８ｂとの間の間隔４０ｇ，４０ｂを図６に示した間隔３０ｇ，３０ｂよりも長くする必要がある。
【００４６】
また、図８に示すように、リレーレンズ６ｇ４，６ｂ４の後段面を凸面とした場合、投射光学系１０のバックフォーカス（間隔４１ｇ，４１ｂ）が長くなる。図７の投射型液晶表示装置１と図８の投射型液晶表示装置１とを比べると、図８の間隔４１ｇ，４１ｂの方が、図７の間隔４０ｇ，４０ｂよりも長くする必要があり、投射光学系１０のバックフォーカスの長さも長くなる。図７，８で説明したように、投射光学系１０のバックフォーカスを所定値よりも長くすれば、結像性能が良く、つまり反射型ライトバルブ２ｇ，２ｂに照射される光量を効率よくして、リレーレンズ群６０ｇ，６０ｂを３枚で構成することは可能である。
【００４７】
このように、本実施の形態では、投射型液晶表示装置１に折り返しミラー７ｒ，７ｇ，７ｂを用いているので、装置の小型化を実現することが可能となる。例えば、図５に示したように、折り返しミラー７ｇが光軸Ｃ１をｙ方向へ折り曲げることによって、投射型液晶表示装置１では緑色光を伝搬させる光路のｙ方向の高さを短くすることが可能となる。また、図２〜図４に示したように、折り返しミラー７ｒ，７ｂが光軸をｚ方向へ折り曲げることによって、投射型液晶表示装置１では赤色光や青色光を伝搬させる光路のｚ方向の奥行きを短くすることが可能となる。
【００４８】
ここで、投射型液晶表示装置１に折り返しミラー７ｒ，７ｂを配置することによって生じる効果の一例について説明する。図９および図１０は、投射型液晶表示装置の寸法を説明するための図である。図９および図１０では、それぞれ投射型液晶表示装置１の外枠（構成要素を格納する筐体）を筐体５０、筐体５１で示している。なお、筐体５０と筐体５１は、同じ筐体であり、斜視方向が異なっている。図９は、投射型液晶表示装置１のｙｚ平面図（ｘ方向からみた場合の図）であり、図１０は、投射型液晶表示装置１のｚｘ平面図（ｙ方向からみた場合の図）を示している。本実施の形態では、投射型液晶表示装置１は、図１０に示す状態（ｚｘ平面が底面となる設置状態）でスクリーンへの画像の投射を行う。
【００４９】
図９に示すように、投射型液晶表示装置１では、折り返しミラー７ｒ，７ｇ，７ｂよりも前段の構成要素をｘ方向（図面に垂直な方向）に配置することにより、光路がｘ方向に形成されるので投射型液晶表示装置１のｚ方向の奥行きおよびｙ方向の高さを低くすることができる。また、筐体５０のｘ方向の寸法と筐体５０のｙ方向の寸法差、筐体５０のｘ方向の寸法と筐体５０のｚ方向の寸法の差、筐体５０のｙ方向の寸法と筐体５０のｚ方向の寸法の差をそれぞれ小さくすることによって、筐体５０の側面（ｙｚ平面、ｚｘ平面）と上面（ｘｙ平面）を正方形に近づけることが可能となる。例えば、筐体５０のｙ方向およびｚ方向の高さを低くするとともに、ｘ方向の幅とｚ方向の奥行き寸法の差を小さくすることによって、筐体５０のｚｘ平面内の形状（側面）が正方形に近づく。これにより、投射型液晶表示装置１は、立方体に近づくので投射型液晶表示装置１の小型化を図ることが可能となる。
【００５０】
図１０は、投射型液晶表示装置１を床置きした状態での上面図を示している。投射光学系１０は、例えば筐体５１内のｘ方向の端側に配置される。本実施の形態では、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂの間に折り返しミラー７ｒ，７ｇ，７ｂを１枚ずつ配置しているので、各光路を１本の直線のみで形成する必要がなくなる。したがって、投射型液晶表示装置１の装置寸法（容積など）を大幅に小型化することが可能となる。例えば、折り返しミラー７ｒ，７ｂを設けていなければ、投射型液晶表示装置１のｚ方向の奥行きの寸法が大きくなり、非常に設置性の悪い構造となる。
【００５１】
従来、反射型ライトバルブを用いた場合、透過型ライトバルブを用いた場合よりも投射光学系のバックフォーカスが長かった。本実施の形態では、リレーレンズ６ｒ４，６ｇ４，６ｂ４の後段面を凸面とすることにより、投射光学系１０のバックフォーカスを短くすることが可能となり、投射型液晶表示装置１に反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂを用いた場合であっても、投射光学系のｚ方向の長さ（スクリーンを正面から見た場合の奥行き寸法）が短くなり投射光学系が小さくなる。
【００５２】
つぎに、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂおよび光合成素子９と、光路上の偏光光について説明する。図１１は、光路上の偏光光を説明するための図である。図１１では、投射型液晶表示装置１をｘ方向からみた場合を示している。図１１において点線で示す片矢印は、それぞれｐ偏光光ｐ１であり、図１１において実線で示す片矢印は、それぞれｓ偏光光ｓ１である。
【００５３】
投射型液晶表示装置１では、表示する画像光のコントラストを向上させるために、例えば反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂに入射する光をｐ偏光光ｐ１にする。本実施の形態では、前述したように、固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂと反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂの間に偏光板２０ｇなどを配置することによって、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂに入射する光をｐ偏光光としている。そして、柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂでは、光強度の均一化を図っている。偏光板２０ｇなどは、柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂによる光の偏光軸の乱れを低減させるため、柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂの後段に配置することが好ましい。なお、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂによって偏光光が分離されるので、偏光板２０ｇなどは、柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂの前段に配置してもよい。
【００５４】
図１１に示すように、反射型ライトバルブ２ｇが、偏光軸を回転させない場合、入射したｐ偏光光ｐ１は、ｐ偏光光ｐ１の状態で反射型ライトバルブ２ｇから射出される。従って、反射型ライトバルブ２ｇを射出したｐ偏光光ｐ１は反射型偏光板８ｇを透過し、光合成素子９に画像光が到達しないこととなる。一方、図１１に示す反射型ライトバルブ２ｒ，２ｂのように、入射してくるｐ偏光光ｐ１の偏光軸を９０度回転させる場合、画像光はｓ偏光光ｓ１の状態で反射型ライトバルブ２ｒ，２ｂから射出され、反射型偏光板８ｒ，８ｂにて反射され、光合成素子９に画像光が到達することとなる。そこで、投射型液晶表示装置１では、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂが入射してくるｐ偏光光ｐ１の偏光軸を９０度回転させるよう、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂを構成しておく。なお、ここでは説明の便宜上、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂが、偏光軸を回転させない場合や９０度回転させる場合について説明したが、実際は反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂの画像信号に応じて偏光軸の回転角度を変化させる。
【００５５】
光合成素子９へ入射させる画像光のコントラストを向上させるためには、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂと光合成素子９の間に各色用の偏光板２５ｒ，２５ｇ，２５ｂを配置しておくことが好ましい。
【００５６】
光合成素子９は、各色光を合成して投射光学系１０に射出する機能を有している。光合成素子９は、赤色光の反射面にダイクロイック膜９ｒが形成され、青色光の反射面にダイクロイック膜９ｂが形成されている。また、緑色光に関しては、ｐ偏光光が主に透過するように光合成素子９の反射面にダイクロイック膜９ｒ，９ｂが形成されている。従って、偏光板２５ｇと光合成素子９の間には、緑色光用のλ／２位相差板２６ｇを配置することが好ましい。緑色光用のλ／２位相差板２６ｇを配置することによって、ｓ偏光光ｓ１がｐ偏光光ｐ１となって光合成素子９に入射し、投射光学系１０に効率良く緑色光が到達することとなる。なお、一般的にｓ偏光光ｓ１は、ｐ偏光光ｐ１よりも反射率が高いので、赤色光用のλ／２位相差板や青色光用のλ／２位相差板は設けなくてもよい。
【００５７】
ところで、本実施の形態では、図１０に示すように、反射型偏光板８ｒ，８ｇ，８ｂは、短軸（ｙ方向）に対して垂直に画像光を反射させて光合成素子９に入射させている。このため、図１１に示す状態（ｙｚ平面が底面となる設置状態）で、スクリーンに画像光を投射すると、縦長の画像がスクリーンに映し出される。短軸に対して垂直に画像光を反射させる理由は、長軸（ｘ方向）に対して垂直に画像光を反射させた場合、投射光学系１０のバックフォーカスが長くなるからである。従って、所望の映像（横長の長方形）を表示させるためには、投射型液晶表示装置１が図１０に示す設置状態となるよう、図１１に示した投射型液晶表示装置１をｚ軸中心に９０度回転させる必要がある。
【００５８】
つぎに、柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂの断面積と、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂの主面（光の入射面）の面積（光入射面積）の関係について説明する。図１２は、柱状光学素子の断面積と反射型ライトバルブの光入射面積の関係を説明するための図である。なお、柱状光学素子５ｇの断面積と反射型ライトバルブ２ｇの光入射面積との関係は、柱状光学素子５ｒ，５ｂの断面積と反射型ライトバルブ２ｒ，２ｂの光入射面積との関係と略同じであるので、ここでは柱状光学素子５ｇの断面積と反射型ライトバルブ２ｇの光入射面積との関係について説明する。また、ここでは、反射型ライトバルブ２ｇへの有効入射角度が約１４度（照明光学系のＦ値が２．１）である場合について説明する。
【００５９】
図１２の（ａ）〜（ｃ）では、反射型ライトバルブ２ｇから柱状光学素子５ｇまでの緑色光の光路を示している。以下では、柱状光学素子５ｇの断面積をＳ５とし、反射型ライトバルブ２ｇの光入射面積をＳ２として説明する。（ａ）の光路のリレーレンズ群６０ｇは、Ｓ５＝（Ｓ２）／８の場合のリレーレンズ群６０ｇを示している。また、（ｂ）の光路のリレーレンズ群６０ｇは、Ｓ５＝（Ｓ２）／４の場合のリレーレンズ群６０ｇを示している。また、（ｂ）の光路のリレーレンズ群６０ｇは、Ｓ５＝（Ｓ２）／２の場合のリレーレンズ群６０ｇを示している。
【００６０】
（ａ）の光路は、反射型ライトバルブ２ｇ上の結像性能が悪く照明光学系として性能を維持できないので好ましくない。（ｂ）の光路および（ｃ）の光路は、反射型ライトバルブ２ｇ上の結像性能に問題はない。そこで、反射型ライトバルブ２ｇ上の結像性能に問題が生じない柱状光学素子５ｇの断面の面積Ｓ５を算出すると、Ｓ５＝（Ｓ２）／６である。従って、反射型ライトバルブ２ｇ上の結像性能に適した柱状光学素子５ｇの大きさは以下の式（１）によって表すことが可能である。なお、式（１）は、照明光学系のＦ値を２．１以下とした場合の結果であり、Ｆ値が２．１よりも大きい場合は式（１）の範囲よりもＳ５の範囲は広くなる。
（Ｓ２）／６≦Ｓ５≦（Ｓ２）／２・・・（１）
【００６１】
なお、柱状光学素子５ｇの断面の面積が大きくなる場合、リレーレンズ６ｇ３の口径が小さくなるので、リレーレンズ群６ｇの設計は容易となるが、光強度を均一化するために柱状光学素子５ｇの長さを長くする必要性が生じる。このため、投射型液晶表示装置１の小型化を図る場合には、できる限り柱状光学素子５ｇの断面の面積を小さくすることが好ましい。柱状光学素子５ｇの断面の面積を小さくすることによって、柱状光学素子５ｇの長さを短くすることが可能となる。
【００６２】
また、（ｂ）の光路のリレーレンズ６ｇ４の口径と、（ｃ）の光路のリレーレンズ６ｇ４の口径とを比較すると、（ｃ）の光路のリレーレンズ６ｇ４の方が僅かに大きい。このため、リレーレンズ６ｇ４による他光路の光線の干渉を考慮した場合においても、柱状光学素子５ｇの断面の面積を小さくすることが好ましい。
【００６３】
また、固体光源３ｇから射出される光を効率良く反射型ライトバルブ２ｇに照射するためには、固体光源３ｇの面積Ｓ３、柱状光学素子５ｇの断面の面積Ｓ５、反射型ライトバルブ２ｇの面積Ｓ２の関係は、以下の式（２）の関係が好ましい。なお、固体光源３ｇの面積Ｓ３、柱状光学素子５ｇの断面の面積Ｓ５、反射型ライトバルブ２ｇの面積Ｓ２は、式（２）以外の関係を有していてもよい。
Ｓ５＝（（（Ｓ２）／（Ｓ３））＾０．５）×（Ｓ３）・・・（２）
【００６４】
上述してきたように、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂは、少なくとも３枚のリレーレンズを有する構成であればよく、４枚のリレーレンズを有する構成が最も好ましい。
【００６５】
また、本実施の形態では、集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂが４枚の集光レンズによって構成されている場合について説明したが、集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂはそれぞれ３枚以下の集光レンズによって構成してもよいし、５枚以上の集光レンズによって構成してもよい。集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂは、３枚の集光レンズで構成する場合が最も好ましい。例えば、３枚の集光レンズで集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂを構成した場合、１枚目の集光レンズ（最前段の集光レンズ）の、２枚目の集光レンズ側（後段面）を非球面とすることが好ましい。また、集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂの１枚目の集光レンズは、固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂから近いので、ガラスからなることが好ましい。さらに、固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂの後段（直後）に柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂを配置することにより集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂを有しない構成としても構わない。ただし、その場合、効率よく光束を反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂに導くためには、柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂの断面積は、固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂの面積と略等しくする等の工夫が必要である。
【００６６】
リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂは、共用化できるよう作製する場合（各色用のリレーレンズとして同じリレーレンズを用いる場合）、アッベ数が大きい硝材を用いることが好ましい。また、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂをそれぞれ４枚以下リレーレンズによって構成するためには、屈折率が高い硝材を用いる必要がある。例えば、リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂには、アッベ数νｄ≧４５の硝材や、屈折率ｎｄ≧１．７の硝材が好ましい。
【００６７】
なお、本実施の形態では、照明光学系のＦ値が２．１の場合について説明したが、Ｆ値を２．１よりも大きくした場合であっても、折り返しミラー７ｒ，７ｇ，７ｂをリレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂのリレーレンズ間に配置することにより、装置を小型化することが可能となる。
【００６８】
また、本実施の形態では、各リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂに３枚の球面レンズを用いる場合として、リレーレンズ６ｒ１，６ｒ３，６ｒ４、リレーレンズ６ｇ１，６ｇ３，６ｇ４、リレーレンズ６ｂ１，６ｂ３，６ｂ４を用いる場合について説明したが、これらの３枚ずつに限られず、各リレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂのうちの何れの３枚を用いてもよい。
【００６９】
このように実施の形態によれば、投射型液晶表示装置１は、折り返しミラー７ｒ，７ｇ，７ｂをリレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂのリレーレンズ間に配置しているので、装置構成を小さくすることが可能になる。
【００７０】
また、νｄ≧４５の硝材や、屈折率ｎｄ≧１．７の硝材を用いるので、同じように作製されたリレーレンズをリレーレンズ群６０ｒ，６０ｇ，６０ｂの何れでも使用することが可能となる。
【００７１】
また、柱状光学素子５ｒ，５ｇ，５ｂの断面積Ｓ５と、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂの光入射面積をＳ２との関係が、「（Ｓ２）／６≦Ｓ５≦（Ｓ２）／２」であるので、反射型ライトバルブ２ｒ，２ｇ，２ｂ上の結像性能が向上する。
【００７２】
また、集光レンズ群４ｒ，４ｇ，４ｂの各１枚目の集光レンズにガラス非球面レンズを用いるので、固体光源３ｒ，３ｇ，３ｂから発せられる熱の影響を受けにくくなる。したがって、集光レンズの界面反射を低減するためのマルチコーティングが熱によって剥がされることがなくなる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上のように、本発明に係る投射型液晶表示装置は、単一の波長を射出する固体光源および反射型ライトバルブを用いた画像表示に適している。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態に係る投射型液晶表示装置の概略構成を示す図である。
【図２】投射型液晶表示装置をｘ方向から見た場合の構成を示す図である。
【図３】投射型液晶表示装置をｙ方向から見た場合の構成を示す図である。
【図４】投射型液晶表示装置をｚ方向から見た場合の構成を示す図である。
【図５】投射型液晶表示装置の動作を説明するための図である。
【図６】光線の干渉とリレーレンズの配置位置を説明するための図である。
【図７】リレーレンズ群に３枚の球面レンズを用いた場合のリレーレンズ群の構成を説明するための図（１）である。
【図８】リレーレンズ群に３枚の球面レンズを用いた場合のリレーレンズ群の構成を説明するための図（２）である。
【図９】投射型液晶表示装置の寸法を説明するための図（１）である。
【図１０】投射型液晶表示装置の寸法を説明するための図（２）である。
【図１１】光路上の偏光光を説明するための図である。
【図１２】柱状光学素子の断面積と反射型ライトバルブの光入射面積の関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  投射型液晶表示装置
２ｒ，２ｇ，２ｂ  反射型ライトバルブ
３ｒ，３ｇ，３ｂ  固体光源
４ｒ，４ｇ，４ｂ  集光レンズ群
５ｒ，５ｇ，５ｂ  柱状光学素子
６ｒ１〜６ｒ４，６ｇ１〜６ｇ４，６ｂ１〜６ｂ４  リレーレンズ
７ｒ，７ｇ，７ｂ  折り返しミラー
８ｒ，８ｇ，８ｂ  反射型偏光板
９  光合成素子
９ｒ，９ｂ  ダイクロイック膜
１０  投射光学系
２０ｇ，２５ｒ，２５ｇ，２５ｂ  偏光板
２６ｇ  λ／２位相差板
５０，５１  筐体
６０ｒ，６０ｇ，６０ｂ  リレーレンズ群
【図１】
2009157268.tif 000003
【図２】
2009157268.tif 000004
【図３】
2009157268.tif 000005
【図４】
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【図５】
2009157268.tif 000007
【図６】
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【図７】
2009157268.tif 000009
【図８】
2009157268.tif 000010
【図９】
2009157268.tif 000011
【図１０】
2009157268.tif 000012
【図１１】
2009157268.tif 000013
【図１２】
2009157268.tif 000014