(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、光源からの光束が照明用の光学装置を介して照射される光変調素子と、変調された光束を投写する投写レンズとを備える表示装置であり、この照明用の光学装置は、光変調素子に対して略相似形状の複数のセルレンズを有する第１レンズアレイを含む第１光学ブロックと、第１光学ブロックの第１レンズアレイに対応し、複数のセルレンズを有する第２レンズアレイと、第２レンズアレイを通った光束を光変調素子へ向かって集光する第１集光成分とを含む第２光学ブロックと、第２光学ブロックから射出された光束を所定の位置に結像させるために、光変調素子の近傍に配置される第２集光成分と、を有し、第１光学ブロックの第１レンズアレイのセルレンズは、異なった非球面からなり、当該第１レンズアレイの複数のセルレンズを通過し、第２光学ブロックを介して第２集光成分により異なる方向に向かう複数の光束が、投写レンズの瞳面上に結像するように補正することを特徴とする光学装置を備える表示装置。
【請求項２】
第１光学ブロックの第１レンズアレイのセルレンズは、少なくとも２種類の非球面か各々異なった非球面からなる
請求項１に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項３】
光源と、光源からの光束が照明用の光学装置を介して照射される光変調素子と、変調された光束を投写する投写レンズとを備える表示装置であり、この照明用の光学装置は、光変調素子に対して略相似形状の複数のセルレンズを有する第１レンズアレイを含む第１光学ブロックと、第１光学ブロックの第１レンズアレイに対応し、複数のセルレンズを有する第２レンズアレイと、第２レンズアレイを通った光束を光変調素子へ向かって集光する第１集光成分とを含む第２光学ブロックと、第２光学ブロックから射出された光束を所定の位置に結像させるために、光変調素子の近傍に配置される第２集光成分と、を有し、第２光学ブロックの第２レンズアレイのセルレンズは、異なった非球面からなり、複数の第１レンズアレイのセルレンズから対応する当該第２レンズアレイのセルレンズを通過して第１集光成分により集光された複数の光束が、第２集光成分を介して光変調素子の表示面の所定の位置に結像するように補正することを特徴とする光学装置を備える表示装置。
【請求項４】
第２光学ブロックの第２レンズアレイのセルレンズは、少なくとも２種類の非球面か各々異なった非球面からなる請求項３に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項５】
第２光学ブロックの第２レンズアレイのセルレンズは、異なった非球面からなる請求項１に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項６】
第２光学ブロックの第２レンズアレイのセルレンズが、異なった非球面からなり、複数の第１レンズアレイのセルレンズから対応する当該第２レンズアレイのセルレンズを通過して第１集光成分により集光された複数の光束が、第２集光成分を介して光変調素子の表示面の所定の位置に結像するように補正することを特徴とする請求項１に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項７】
第１光学ブロックの第１レンズアレイのセルレンズおよび、第２光学ブロックの第２レンズアレイのセルレンズは、少なくとも２種類の非球面か各々異なった非球面からなる請求項６に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項８】
第２光学ブロックの第２レンズアレイのセルレンズは、少なくとも２種類の非球面か各々異なった非球面からなる請求項２に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項９】
第１光学ブロックの第１レンズアレイのセルレンズは、少なくとも２種類の非球面か各々異なった非球面からなる請求項４に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項１０】
第２光学ブロックの第１集光成分が第２レンズアレイと一体に形成されている請求項１に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項１１】
第２光学ブロックの第１集光成分が第２レンズアレイと一体に形成されている請求項３に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項１２】
第２光学ブロックの第１集光成分が第２レンズアレイの各々のセルレンズと一体に形成されている請求項１に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項１３】
第２光学ブロックの第１集光成分が第２レンズアレイの各々のセルレンズと一体に形成されている請求項３に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項１４】
第２光学ブロックの第２レンズアレイと、第１集光成分は、間隔をおいて隔てて配置されている請求項１に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項１５】
第２光学ブロックの第２レンズアレイと第１集光成分は、間隔をおいて隔てて配置されている請求項３に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項１６】
光源と第１光学ブロックの間には、偏光変換素子が配置されている請求項１に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項１７】
光源と第１光学ブロックの間には、偏光変換素子が配置されている請求項３に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項１８】
第１光学ブロックと第２光学ブロックの間には、偏光変換素子が配置されている請求項１に記載の光学装置を備える表示装置。
【請求項１９】
第１光学ブロックと第２光学ブロックの間には、偏光変換素子が配置されている請求項３に記載の光学装置を備える表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば液晶表示パネル等の光変調素子（表示デバイス）に対して効率よく光を照射することができる光学装置を備える表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、例えばいわゆるライトバルブと言われる光変調素子である液晶表示パネル等の光学素子を用いたプロジェクタ装置、テレビジョン受像機、コンピュータ用のディスプレイ等の表示装置が、広い分野で普及している。
このような液晶表示パネル等を用いた表示装置は、光源から出射される光を３原色に分光して、液晶表示パネルに入射し、この液晶表示パネルにおいて入力した映像信号によって光変調した後に合成して、カラー映像信号を生成している。そして、このカラー映像信号は投射レンズを介してスクリーンに拡大投影している。
【０００３】
ところで、このような光学系では、光源から射出される光束を効率よく均一に液晶表示パネルに対して照射できることが要求される。しかし、光源の発光面には表面積があり光源を理想的な点光源として用いることは困難であり、現実の光源が発生する光束は大きな発散角を有する。このため、光源から射出された光束を効率良く液晶表示パネルに照射することが困難である。
このように大きな発散角を有する光源から射出される光束を、効率よく液晶表示パネルへ照射するための手段としては、例えば小さなレンズを多数格子状に配置した構造を持つレンズアレイ等を用いて、液晶表示パネルに到達させる光束を収束し、かつ照度の分布を均一にしようとすることが一般に知られている。
【０００４】
この種のレンズアレイを用いた一般的な例を図１７にしたがって説明する。光源５１０には放物面鏡の焦点位置に例えばメタルハライドランプ５１０ａが配置されており、放物面鏡の光軸にほぼ平行な光束がその開口から出射される。そして光源５１０から出射された光束の中で、赤外領域（ＩＲ）及び紫外領域（ＵＶ）の不要光線はＵＶ−ＩＲカットフィルタ５１１によって遮断され有効な光線のみが後方の第１光学ブロック５０１に導かれる。
【０００５】
この第１光学ブロック５０１は、光変調素子（光空間変調素子）である液晶表示パネル５１７，５２１，５２７の有効開口のアスペクト比に略相似な外形を持つ複数の凸状のセルレンズ５１２ａが格子状に配列されている第１レンズアレイ５１２を含む光学素子によって構成されている。
【０００６】
第１光学ブロック５０１の後方に配置される第２光学ブロック５０２の第２レンズアレイ５１３は、入射側に複数の凸状のセルレンズ５１３ａを形成し，出射側には第１集光成分とされている１個の凸面５１３ｂを少くとも有している。
第２レンズアレイ５１３と液晶表示パネル５１７，５２１，５２７の有効開口の間には、光源５１０から出射された光を赤、緑、青の各色に分解するダイクロイックミラー５１４，５１９が配置されている。
この図に示す例では、まずダイクロイックミラー５１４で赤色光Ｒを反射し緑色光Ｇ及び青色光Ｂを透過させている。このダイクロイックミラー５１４で反射された赤色光Ｒは、ミラー５１５により進行方向を９０°曲げられてコンデンサレンズ５１６で収束されて赤色用液晶表示パネル５１７に入射する。
【０００７】
一方、ダイクロイックミラー５１４を透過した緑色光Ｇ及び青色光Ｂはダイクロイックミラー５１９により分離されることになる。すなわち、緑色光Ｇは反射されて進行方向を９０°曲げられてコンデンサレンズ５２０を介して緑色用液晶表示パネル５２１に導かれる。そして青色光Ｂはダイクロイックミラー５１９を透過して直進し、リレーレンズ５２２，５２４、コンデンサレンズ５２６、ミラー５２３，５２５を介して青色用液晶表示パネル５２７に導かれる。
【０００８】
液晶表示パネル５１７，５２１，５２７の入射側には入射した光の偏光方向を一定方向に揃えるための偏光板（図示せず）が、また後方には出射した光の所定の偏光面を持つ光のみ透過する偏光板（図示せず）が配置され、液晶を駆動する回路の電圧により光の強度を変調するように構成されている。
【０００９】
そして液晶表示パネル５１７，５２１，５２７で光変調された各色の光は、光合成手段としてのダイクロイックプリズム５１８によって合成されることになる。このダイクロイックプリズム５１８では赤色光Ｒは反射面５１８ａで、また青色光Ｂは反射面５１８ｂで投写レンズ５３０が配置されている方向に反射される。そして緑色光Ｇが反射面５１８ａ，５１８ｂを透過することで、ＲＧＢ各光が１つの光軸に合成され、投写レンズ５３０によって図示されていないスクリーンに拡大投影される。
【００１０】
次に、第１光学ブロック５０１と第２光学ブロック５０２のレンズアレイ５１２，５１３の構成について図１８〜図２０にしたがいもう少し詳しく説明する。
まず図１８は主に第１光学ブロック５０１の光学特性による光束の形成例を示しており、光源から射出された光束Ｌは、第１レンズアレイ５１２の各々のセルレンズ５１２ａによって分割され、第１光学ブロック５０１を射出した後第２光学ブロック５０２の近傍において第１レンズアレイ５１２の各々のセルレンズ５１２ａに対応した像を作る。
その後、光束は第１集光成分５１３ｂにより第２集光成分であるコンデンサレンズ５２０へ導かれる。
この時、第１レンズアレイ５１２の外周部のセルによって結像された像点は、第２集光成分であるコンデンサレンズ５２０に対して周辺画角の物点となる。このように、第１レンズアレイ５１２の各々セルレンズ５１２ａにより第２光学ブロック５０２の近傍に結像された像は、第２集光成分であるコンデンサレンズ５２０により投写レンズ５３０の入射瞳Ｅの近傍に再結像される。
【００１１】
図１９は主に第２光学ブロック５０２による光束の形成例を示しており、第２レンズアレイ５０２は、その各々のセルレンズ５１３ａの外形寸法と第１レンズアレイ５１２との間隔を適切に設定する事により、前記照明系の取り込める発散角θをコントロールする。
この取り込まれた発散角内の光束は、第１集光成分である凸面５１３ｂで第２集光成分であるコンデンサレンズ５２０へ導かれ、前記第１集光成分と前記第２集光成分を合成した合成集光成分により液晶表示パネル５２１を効率よくかつ均一に照射する。
しかし、この作用は次のような問題を生じる。すなわち、凸面５１３ｂの中央部分を通る光束は、液晶表示パネル５２１に近い位置Ｐ１で焦点を結ぶが、凸面５１３ｂの周辺部分を通る光束は、第２レンズアレイ５０２に近い位置Ｐ２で焦点を結ぶ。つまり、凸面５１３ｂの中央部分から周辺部分になる程結像する位置が液晶表示パネル５２１側から第２光学ブロック５０２側にずれてしまう。
【００１２】
以上のように例えば液晶表示パネル５２１に照射された光束は、前後面に偏光板を有する液晶表示パネル５２０で変調した後、例えばダイクロイックプリズム５１８のような色合成素子に入射する。
なお、第１集光成分である凸面５１３ｂを経て第２集光成分であるコンデンサレンズ５２０に入射する光は、途中で図示しないダイクロイックミラー等の光学素子によって赤色光Ｒ・緑色光Ｇ・青色光Ｂに分離された光線のうちの緑色光Ｇである。
ダイクロイックプリズム５１８は、４個のプリズムを所定の反射特性を有している薄膜で形成される反射面５１８ａ，５１８ｂを介して貼り合わせて形成されている。
【００１３】
緑色光Ｇの光路のみを実線で示しているが、赤色光Ｒ及び青色光Ｂは各色の液晶表示パネルによって同様に光変調された後に、矢印で示されているように、クロスダイクロイックプリズム５１８に対してそれぞれ異なる方向から入射することになる。
【００１４】
液晶表示パネル５２１で変調された緑色光Ｇは、ダイクロイックプリズム５１８をそのまま透過し、ダイクロイックプリズム５１８に入射した赤色光Ｒは反射面５１８ａで、入射した青色光Ｂは反射面５１８ｂでそれぞれ反射する。つまり、クロスダイクロイックプリズム５１８によってＲＧＢ各光が合成され、カラー映像信号が生成され、投写レンズ５３０に入射する。
【００１５】
このように、凸レンズ５１２ａ，５１３ａが格子状に配列されたレンズアレイ５１２，５１３を光源の後方に設けることにより、コンデンサレンズのみを配置した場合よりも光源から出射された光を効率よく、かつ均一に液晶表示パネル５２１の有効開口に照射することができるようになっている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のこのような第１光学ブロック５０１と第２光学ブロック５０２では、第１レンズアレイ５１２及び前記第２レンズアレイ５１３の各々が、全く同一形状のレンズセルを格子状に配置して構成している。
このような構成のレンズアレイを用いた場合の問題点としては、第１に、図１８に示すように、第１レンズアレイ５１２の各々のセルレンズ５１２ａの結像位置とその収差は全く同一である。この時、第１レンズアレイ５１２の各々のセルレンズ５１２ａにより結像された光束は、第１集光成分である凸面５１３ｂにより第２集光成分であるコンデンサレンズ５２０に導かれるが、図１８の破線と実線で示すようにコンデンサレンズ５２０に入射する光束の角度が各々異なるため、図１８と図２０（Ａ）に示すようにコンデンサレンズ５２０による軸外収差の影響を受け、投写レンズ５３０の瞳Ｅの付近でたとえば領域ＡＲ１，ＡＲ２で示すように、光束が均一な結像性能とならず光量のロスや光量のムラを発生する。
【００１７】
第２の問題点としては、図１９に示すように第２レンズアレイ５１３の各々のセルレンズ５１３ａは、第１集光成分である凸面５１３ｂと第２集光成分であるコンデンサレンズ５２０を合成した集光成分により、液晶表示パネル５２１近傍に結像される光束の内の各々異なった範囲の光束のみに作用する。その結果、図１９と図２０（Ｂ）のように第２レンズアレイ５１３の各々のセルレンズ５１３ａは、前記合成集光成分により各々異なる収差の影響を受け、液晶表示パネル５２１では均一な結像性能とならず光量のロスや光量のムラを発生する。
そこで本発明は上記課題を解消し、光量のロスや光量のムラを防いで均一な結像性能を得ることができる光学装置を備える表示装置を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明にあっては、光源と、光源からの光束が照明用の光学装置を介して照射される光変調素子と、変調された光束を投写する投写レンズとを備える表示装置であり、この照明用の光学装置は、光変調素子に対して略相似形状の複数のセルレンズを有する第１レンズアレイを含む第１光学ブロックと、第１光学ブロックの第１レンズアレイに対応し、複数のセルレンズを有する第２レンズアレイと、第２レンズアレイを通った光束を光変調素子へ向かって集光する第１集光成分とを含む第２光学ブロックと、第２光学ブロックから射出された光束を所定の位置に結像させるために、光変調素子の近傍に配置される第２集光成分と、を有し、第１光学ブロックの第１レンズアレイのセルレンズは、異なった非球面からなり、当該第１レンズアレイの複数のセルレンズを通過し、第２光学ブロックを介して第２集光成分により異なる方向に向かう複数の光束が、投写レンズの瞳面上に結像するように補正することを特徴とする光学装置を備える表示装置により、達成される。
【００１９】
本発明では、表示装置の光変調素子には、光源からの光束が照明用の光学装置を介して照射されるようになっている。表示装置の投写レンズは、変調された光束を投写する。
この照明用の光学装置の第１光学ブロックは、第１レンズアレイを含んでいる。この第１レンズアレイは複数のセルレンズを有している。
第２光学ブロックは、第２レンズアレイを有している。この第２レンズアレイは、複数のセルレンズを有している。この第２レンズアレイは、第１光学ブロックの第１レンズアレイに対応している。第２光学ブロックの第１集光成分は、第２レンズアレイを通った光束を光変調素子側は向けて集光するものである。
第２集光成分は、第２光学ブロックから射出された光束を所定の位置、たとえば投写レンズの瞳の位置に結像させるために、光変調素子の近傍に配置されている。
この場合に、第１光学ブロックの第１レンズアレイのセルレンズは、異なった非球面から作られている。
これにより、第１レンズアレイのセルレンズが同じ球面ではなく、異なった非球面から作られているので、第１レンズアレイと第２レンズアレイ及び第１集光成分と第２集光成分を通過した光束は、たとえば投写レンズの瞳の付近で均一に結像することができる。これにより投写レンズにおける光量のロスや光量のムラを防ぐことができる。
【００２０】
上記目的は、本発明にあっては、光源と、光源からの光束が照明用の光学装置を介して照射される光変調素子と、変調された光束を投写する投写レンズとを備える表示装置であり、この照明用の光学装置は、光変調素子に対して略相似形状の複数のセルレンズを有する第１レンズアレイを含む第１光学ブロックと、第１光学ブロックの第１レンズアレイに対応し、複数のセルレンズを有する第２レンズアレイと、第２レンズアレイを通った光束を光変調素子へ向かって集光する第１集光成分とを含む第２光学ブロックと、第２光学ブロックから射出された光束を所定の位置に結像させるために、光変調素子の近傍に配置される第２集光成分と、を有し、第２光学ブロックの第２レンズアレイのセルレンズは、異なった非球面からなり、複数の第１レンズアレイのセルレンズから対応する当該第２レンズアレイのセルレンズを通過して第１集光成分により集光された複数の光束が、第２集光成分を介して光変調素子の表示面の所定の位置に結像するように補正することを特徴とする光学装置を備える表示装置により、達成される。
【００２１】
本発明の表示装置では、表示装置の光変調素子には、光源からの光束が照明用の光学装置を介して照射するようになっている。表示装置の投写レンズは、変調された光束を投写する。
この照射用の光学装置の第１光学ブロックは、第１レンズアレイを含んでいる。この第１レンズアレイは光変調素子に対してほぼ相似形状を有する複数のセルレンズを有している。
第２光学ブロックは、第２レンズアレイを有している。この第２レンズアレイは、複数のセルレンズを有している。この第２レンズアレイは、第１光学ブロックの第１レンズアレイに対応している。第２光学ブロックの第１集光成分は、第２レンズアレイを通った光束を光変調素子側は向けて集光するものである。
第２集光成分は、第２光学ブロックから射出された光束を所定の位置に結像させるために、光変調素子の近傍に配置されている。
この場合に、第２光学ブロックの第２レンズアレイは、異なった非球面から作られている。
これにより、第２光学ブロックの第２レンズアレイが、同じ球面ではなく、異なった非球面から作られているので、第１レンズアレイ、第２レンズアレイ、第１集光成分及び第２集光成分を通過した光束は、たとえば光変調素子から離れたところではなく、光変調素子上に上手く均一に結像することができる。
また、本発明において、好ましくは第１光学ブロックの第１レンズアレイと第２光学ブロックの第２レンズアレイをともに異なった非球面とすることにより、上述した両方の均一な結像機能を得ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
【００２３】
図１は、本発明の光学装置の好ましい実施の形態を有する投写型表示装置を備える投写型テレビジョンセット１００を示す外観図であり、図２は、図１の投写型表示装置１を備える液晶方式の背面投写型テレビジョンセット１００を示しており、液晶プロジェクタ装置ともいう。図２はテレビジョンセット１００の内部構造を示している。
まずこのテレビジョンセット１００の概略の構造について説明すると、図１及び図２において、テレビジョンセット１００はキャビネット１０１、スクリーン１０２、ミラー１０３、そして投写型表示装置１を内蔵している。投写型表示装置１が光源３の光を用いて投写しようとする投写光５は、ミラー１０３で反射して、スクリーン１０２の背面１０４から投写するようになっている。
スクリーン１０２に投写された映像は、ユーザＵがスクリーン１０２においてカラー映像あるいは白黒映像として見ることができる。
【００２４】
以下の実施の形態の説明においては、スクリーン１０２においてカラー映像が表示できるものについて説明する。
図３と図４の投写型表示装置１は、光学装置１１、光源３及び投写レンズ１３を有している。光源３と投写レンズ１３は、光学装置１１の本体１１ａに着脱可能に取り付けられている。
【００２５】
光源３は、図４に示すように例えば放物面状の反射鏡３ａとランプ３ｂを有している。このランプ３ｂはメタルハライドランプあるいはハロゲンランプ等を用いることができる。一方投写レンズ１３は、光学装置１１から導かれる合成光（カラー画像光）１３Ａを、図２のスクリーン１０２の背面１０４に対してフォーカス調整できる機構を有している。
【００２６】
次に、図４に従って光学装置１１の中の光学系について説明する。
光源３の近くには、フィルター１５、第１光学ブロック１と第２光学ブロック２が配置されている。これらのフィルター１５、第１光学ブロック１と第２光学ブロック２は、光源３から出る光（光束）ＬＰの光軸ＯＰに関して直交し互いに平行に配置されている。
【００２７】
第１光学ブロック１と第２光学ブロック２は、例えば長方形状の多数のレンズが平面的に集合したものであり、フィルター１５を通ってきた光ＬＰを均等化して、液晶表示パネル４５，４９，５３側に照明光を供給し、投写レンズ１３に送る。
フィルター１５、第１光学ブロック１と第２光学ブロック２を通った光Ｌは、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、そして青色光（Ｂ）を含んでいるが、次に説明する光学系により、光Ｌは、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）に分割された後に、所定の光変調が与えられて、再びこれら三原色が構成されることにより、投写レンズ１３側にカラー画像光である合成光１３Ａを合成するようになっている。
【００２８】
光軸ＯＰに沿って、ダイクロイックミラー２５，２７、リレーレンズ２９、ミラー３１が配列されている。この光軸ＯＰと直交する方向の別の光軸ＯＰ１に沿っては、ダイクロイックミラー２５に対応してミラー３７が配列されている。光軸ＯＰに平行な光軸ＯＰ２に沿ってはミラー３７、コンデンサレンズ（第２集光成分）５１と、及び光変調部材としての液晶表示パネル５３が配置されている。
【００２９】
また光軸ＯＰ１と平行な光軸ＯＰ３に沿って、ダイクロイックミラー２７に対応してコンデンサレンズ（第２集光成分）４７と、光変調部材としての液晶表示パネル４９が配置されている。
光軸ＯＰ１、光軸ＯＰ３と平行な光軸ＯＰ４に沿って、ミラー３１に対応してリレーレンズ３３とミラー３５が配置されている。そして、ミラー３５を通る光軸ＯＰ５は、光軸ＯＰ２と一致しており、この光軸ＯＰ５に沿って、コンデンサレンズ（第２集光成分）４３、そして光変調部材としての液晶表示パネル４５が配置されている。
【００３０】
これらの液晶表示パネル５３，４９，４５に対応して、ダイクロイックプリズム（光合成部材、又は合成光学素子、あるいはクロスプリズムとも呼ぶ）４１が配置されている。このダイクロイックプリズム４１に対応して投写レンズ１３が位置している。
ダイクロイックミラー２５，２７は、波長に応じて光を反射する光反射特性及び光を透過する光透過特性を有するミラーである。
【００３１】
図４の光Ｌの赤色光（Ｒ）は、ダイクロイックミラー２５で反射されてミラー３７側に送られるとともに、光Ｌの緑色光（Ｇ）と青色光（Ｂ）はダイクロイックミラー２５と透過して、ダイクロイックミラー２７側に送られる。緑色光（Ｇ）は、このダイクロイックミラー２７で反射されて、コンデンサレンズ４７、及び液晶表示パネル４９に送られる。青色光（Ｂ）は、ダイクロイックミラー２７を通過し、リレーレンズ２９を通りミラー３１で反射されて、そしてリレーレンズ３３を通ってミラー３５で反射されることにより、コンデンサレンズ４３と、液晶表示パネル４５を通る。
【００３２】
一方、赤色光（Ｒ）はミラー３７で反射されて、コンデンサレンズ５１及び、液晶表示パネル５３を通る。
【００３３】
次に、図４に示すダイクロイックプリズム４１について説明する。このダイクロイックプリズム４１は、赤色光（Ｒ）、青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）を合成して、合成光１３Ａを作るプリズムである。このダイクロイックプリズム４１は、４つの断面三角形状のプリズム４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄを接着剤で貼り合わせて形成されたプリズムである。各プリズム４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄの１つの面あるいは２つの面には、光透過特性及び光反射特性を有する光学薄膜４１ａ，４１ｂが形成されている。このようなあらかじめ定められた光透過特性及び光反射特性を有する光学薄膜（光学多層膜）４１ａと４１ｂは、プリズム４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄの接着しようとする面に対して形成されている。
このダイクロイックプリズム４１の各プリズム４１Ａ〜４１Ｄは、プラスチックあるいはガラスにより断面三角形状に作られている。
【００３４】
次に、図４において光源３のランプ３ｂが発生する光ＬＰがスクリーン１０２に到達するまでの経路を簡単に説明する。
ランプ３ｂが発生する光ＬＰは、フィルター１５を通って不要光線（赤外と紫外）を除去されて光Ｌとなる。この光Ｌの赤色光Ｒは、ダイクロイックミラー２５で反射されて、ミラー３７で反射後に、コンデンサレンズ５１、及び液晶表示パネル５３を通って、ダイクロイックプリズム４１の光学薄膜４１ａで反射される。
【００３５】
一方、光Ｌの緑色光Ｇと青色光Ｂの成分は、ダイクロイックミラー２５を通り、そのうちの緑色光Ｇがダイクロイックミラー２７で反射されてコンデンサレンズ４７、液晶表示パネル４９を通りダイクロイックプリズム４１の光学薄膜４１ａ，４１ｂを通る。
ダイクロイックミラー２７を通った青色光Ｂは、リレーレンズ２９を通りミラー３１で反射されて、リレーレンズ３３を通りさらにミラー３５で反射する。この青色光Ｂは、コンデンサレンズ４３、及び液晶表示パネル４５を通って、ダイクロイックプリズム４１の光学薄膜４１ｂで反射する。
【００３６】
このように、ダイクロイックプリズム４１に集合した赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂは光学薄膜４１ａ，４１ｂの光透過特性と光反射特性により合成されて、合成光１３Ａとして液晶表示パネル５３，４９，４５が表示している画像の情報を含むようにして、投写レンズ１３の投写レンズより投写スクリーン１０２の背面に拡大投写される。
【００３７】
次に、上述した第１光学ブロック１と第２光学ブロック２について図４〜図１０を参照して説明する。
まず図４、図５及び図６を参照すると、第１光学ブロック１と第２光学ブロック２は、光軸ＯＰに対して、垂直にかつ間隔をおいて配置されている。第１光学ブロック１と第２光学ブロック２は、フィルタ１５と平行に配置されており、かつフィルタ１５とダイクロイックミラー２５の間に位置している。
図４の光源３のランプ３ｂが発生する光ＬＰは、略平行光となってフィルタ１５及び第１光学ブロック１に入射する。そしてこの光ＬＰが第１光学ブロック１及び第２光学ブロック２を通ると、光Ｌとしてダイクロイックミラー２５に達する。
【００３８】
第１光学ブロック１は、図４〜図６に示すように、第１レンズアレイ２１を有している。この第１レンズアレイ２１は、例えば図７（Ａ）に示すように、格子状に配列されたセルレンズ２１ａ〜２１ｄを有している。これらの複数のセルレンズ２１ａ〜２１ｄは、少なくとも２種類の異なる非球面から構成されている。たとえばセルレンズ２１ａ，２１ｄの非球面の形状と、セルレンズ２１ｂ，２１ｃの非球面の形状とが、異なっている。しかし、すべてのセルレンズ２１ａ〜２１ｄの非球面の形状が、それらのセルレンズの位置に応じて互いに異なっていてもよい。
【００３９】
一方、第２光学ブロック２は、図４〜図６に示すように第２レンズアレイ２３を有している。この第２レンズアレイ２３は図７（Ｂ）に示すように複数のセルレンズ２３ａ〜２３ｄを有している。この各セルレンズ２３ａ〜２３ｄは、図７（Ａ）の第１レンズアレイ２１のセルレンズ２１ａ〜２１ｄにそれぞれ対応した位置にある。セルレンズ２３ａ〜２３ｄは、図９（Ｂ）に示すように例えば少なくとも２種類の異なる非球面から構成されている。たとえばセルレンズ２３ａ，２３ｄの非球面の形状と、セルレンズ２３ｂ，２３ｃの非球面の形状とが、異なっている。しかし、すべてのセルレンズ２３ａ〜２３ｄの非球面の形状が、それらのセルレンズの位置に応じて互いに異なっていてもよい。
【００４０】
図７（Ａ）のセルレンズ２１ａ〜２１ｄのアスペクト比（横の長さ対縦の長さの比）は、例えば１６：９に設定されている。このセルレンズ２１ａのアスペクト比は、光変調素子である図４の液晶表示パネル４５，４９，５３のアスペクト比及び図４のスクリーン１０２のアスペクト比と概略一致させている。
【００４１】
図８及び図９に示す各セルレンズ２１ａ〜２１ｄ，２３ａ〜２３ｄが、好ましくは少なくとも２種類の異なる非球面から構成することにより、さらに好ましくは各セルレンズ２１ａ〜２１ｄ，２３ａ〜２３ｄがおのおの異なる非球面であれば、図５と図６に例示するように、光束の結像位置の収差を自由にコントロールすることで、均一な結像状態を得ることができる。
第２光学ブロック２は、上述した第２レンズアレイ２３の他に、第１集光成分２３ｆを有している。この第１集光成分２３ｆは凸面状のものであり、第２レンズアレイ２３と一体に形成されている。この第２光学ブロック２と、液晶表示パネル４５，４９，５３の間には、第２集光成分であるコンデンサレンズ４３，４７，５１が各々配置されている。
【００４２】
図５と図６は、上述したように第１光学ブロック１と第２光学ブロック２の光学的機能により、均一な結像状態を得ることを説明する一例を示している。
図５は、主に第１光学ブロック１の第１レンズアレイ２１のセルレンズ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが、少なくとも２種類の異なる非球面から構成され、さらに好ましくは互いに異なる形状の非球面であることにより、投写レンズ１３の入射瞳Ｅにおいて、均一に上手く結像することができることを示している。
これに対して図６は、第２光学ブロック２の第２レンズアレイ２３のセルレンズ２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄが、少なくとも２種類の異なる非球面から構成されしかも互いに異なる形状の非球面であることにより、その結像位置ＦＰが、液晶表示パネル４９の上に形成できる例を示している。
図５と図６は、緑色光Ｇの例を一例として示しており、光学系としては第１光学ブロック１、第２光学ブロック２、そしてコンデンサレンズ４７、液晶表示パネル４９及びダイクロイックプリズム４１を示している。
【００４３】
これから説明する第１光学ブロック１及び第２光学ブロック２による結像特性等は、緑色光Ｇに関するものの他に、赤色光Ｒ及び青色光Ｂにおいても同様に発揮できるので、緑色光Ｇを代表して図５と図６を参照して、第１光学ブロック１と第２光学ブロック２の特徴的な機能について説明する。
図５において、第１光学ブロックのセルレンズ２１ａ〜２１ｄの非球面形状を、主に第２集光成分であるコンデンサレンズ４７に起因する第１光学ブロック１以降の光学系で発生する収差を打消すように最適化することによって、図５の実線あるいは破線で示すように第１レンズアレイにより第２レンズアレイ近傍に結像された像を投写レンズ１３の瞳Ｅ上に結像させることができる。
これにより、投写レンズ１３の入射瞳Ｅに対してより均一な結像状態を得ることができ、効率のよい均一で光量のロスがなく光量のムラのない照明を得ることができる。
【００４４】
次に、図６を参照して、主に第２光学ブロック２のセルレンズ２３ａの機能について説明する。光Ｌは第１光学ブロック１のセルレンズ２１ａを通り第２光学ブロック２のセルレンズ２３ａ〜２３ｄを通って、第１集光成分２３ｆにより集光されることで、コンデンサレンズ４７を通った後液晶表示パネル４９上に結像される。
このように、主に第２光学ブロック２のセルレンズ２３ａ〜２３ｄの非球面の形状を第１集光成分２３ｆの球面収差を補正するような形状に最適化することにより従来と異なり、液晶表示パネル４９の上に上手く均一に結像させることができる。
【００４５】
これにより、従来第１レンズアレイと第２レンズアレイは同じ球面のセルレンズにより構成されているが、この従来の構成に比べて、図６の実施の形態における第２レンズアレイ２３の非球面のセルレンズ２３ａ〜２３ｄを用いることにより、第１集光成分２３ｆとコンデンサレンズ４７により合成される合成集光成分により発生する収差を上手く補正して、第２レンズアレイの各セルレンズに対応する結像位置ＦＰを液晶表示パネル４９の上に均一に定めることができる。
この結果、液晶表示パネル４９の近傍により均一な結像状態を得ることができ、効率のよい均一な照明であって、しかも光量のロスがなく光量のムラのない照明を得ることができる。
なお、第２レンズアレイ２３のそれぞれのセルレンズ２３ａ〜２３ｄは、少くとも２種類以上の異なる非球面を有し、かつそれらの位置により、互いに異なる形状の非球面形状を有している。
【００４６】
また、図５と図６では、第１光学ブロック１と第２光学ブロック２におけるセルレンズ２１ａ〜２１ｄ，２３ａ〜２３ｄは、それぞれ少なくとも２種類の非球面から構成されており、より好ましくは隣接するセルレンズ２１ａ〜２１ｄあるいは隣接するセルレンズ２３ａ〜２３ｄは互いに異なる非球面形状としている。
しかし、これに限らず第１光学ブロックのみに本発明の実施の形態のセルレンズ２１ａ〜２１ｄのみを採用することもできるし、逆に第２光学ブロックのみに本発明の実施の形態のセルレンズ２３ａ〜２３ｄを採用することもできる。いずれにしても図５と図６の実施の形態は、最も好ましい第１光学ブロック１と第２光学ブロック２を組み合わせた最良の形態である。
【００４７】
図６と図７では、緑色光Ｇについて説明したが、赤色光Ｒ及び青色光Ｂについても同様であり、３原色（ＲＧＢ）についてこのような機能を発揮することができる。
【００４８】
図１０は、図６と図７を合成して簡単に示した光路図である。繰り返しにはなるが、投写レンズ１３の瞳（入射瞳）Ｅに像を形成する場合には、主に第１光学ブロック１のセルレンズ２１ａが機能する。逆に、液晶表示パネル４９の上に像を形成する場合には、第２光学ブロック２の第２レンズアレイ２３のセルレンズ２３ａが機能する。
【００４９】
次に、図１１〜図１６を参照して本発明の別の実施の形態について説明する。
図１１は、図４の実施の形態で示す光学装置１１の第１光学ブロック１と第２光学ブロック２の間に偏光変換素子１３１が入っている。この偏光変換素子１３１は、例えば光源３からの光ＬＰがフィルタ１５を通り第１光学ブロック１を通った後のＰ波とＳ波の合成された光を、例えばＰ波のみを第２光学ブロック２に照射するようになっている。
このようにすることで、さらに光源３からの光束をより効率よくかつ均一にライトバルブである液晶表示パネルに対して照射することができる。この偏光変換素子１３１は、通常の光源３から放射される光ＬＰが有する２種類の偏光面の内の、一方の偏光面を分離して変換するものである。すなわち偏光面は一般にＰ偏光成分（Ｐ波）とＳ偏光成分（Ｓ波）に分けることができる。この種の表示装置では、この光源３から出ている光束を液晶表示パネルに入射する以前に、このような偏光変換素子１３１を用いて、液晶表示パネルの前面に設けられている偏光板に対応して、Ｐ波かＳ波かのいずれか一方の偏光面を有する光のみに変換して照射するようにしている。
【００５０】
Ｐ波又はＳ波を得る手段である偏光変換素子としては、偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ  Ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒｓ・・・以下ＰＢＳという）が用いられる。そして、例えばプリズムの中に配置されたＰＢＳに対して所定の角度でランダム偏光（Ｐ＋Ｓ波）の光を入射して、例えばＰ波は透過、Ｓ波は反射させる。そしてＳ波をプリズムの端面で反射させて平行光に戻して、例えばＳ波のみを１／２λ板を通過させることによりＰ波に変換する方法がある。
このような偏光変換素子を用いることにより、従来偏光板により吸収されてしまっていた光を有効に利用し、光源から出射された光を効率よく、かつ均一に液晶表示パネルに照射することができるようになっている。
【００５１】
次に、図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を参照する。図１２（Ａ）の第２光学ブロック２には、第２レンズアレイ２３の各セルレンズ２３ａ〜２３ｄが、図４における光源３側に形成されている。図１２（Ａ）の各セルレンズ２３ａ〜２３ｄには、それぞれ第１集光成分２３ｆが１つずつ一体的に形成されている。
図１２（Ｂ）の第２光学ブロック２の第２レンズアレイ２３のセルレンズ２３ａ〜２３ｄは、１つの大きな第１集光成分２３ｆに対して一体的に形成されている。第２光学ブロック２の第２レンズアレイ２３のセルレンズ２３ａ〜２３ｄは第１光学ブロック１側に面している。
図１２（Ｃ）は、第２光学ブロック２のさらに別の実施の形態を示しておりこの第２光学ブロック２の第２レンズアレイ２３と第１集光成分２３ｆの間には、空気の空間Ｈが形成されている。
【００５２】
次に図１３は、光源３、偏光変換素子２３１、第１光学ブロック１、第２光学ブロック２、コンデンサレンズ（第２集光成分）４７、液晶表示パネル４９及びダイクロイックプリズム４１の例を示している。この例では、偏光変換素子２３１が第１光学ブロック１と光源３の間に配置されている。この偏光変換素子２３１は、図１１に示す偏光変換素子１３１と同様の機能を有しており、光ＬＰからＰ波あるいはＳ波のみに変換して第１光学ブロック１側に伝えることができる。
【００５３】
図１４の実施の形態では、偏光変換素子３３１は、第１光学ブロック１と第２光学ブロック２の間に配置されている。図１５の実施の形態では、第２光学ブロック２の第２レンズアレイ２３と第１集光成分２３ｆが空気間隔Ｈを隔てて配置されており、この空気の空間Ｈの中に偏光変換素子４３１が配置されている。
【００５４】
次に図１６（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、例えば図４の光合成素子としてのダイクロイックプリズム４１に代えて使用できる光合成手段の例を示している。図１６（Ａ）は、いわゆるＬ字型の光合成手段であり、プリズム４００，４０１，４０２を組み合わせたものであり、これらのプリズム４００，４０１，４０２に対応して光変調素子あるいは液晶表示パネル４０３，４０４，４０５が配置されている。
図１６（Ｂ）の光合成手段は、同様にプリズム６００，６０１，６０２から構成されている。これらのプリズム６００，６０１，６０２に対応して３つの液晶表示パネル７００，７０１，７０２が配置されている。図１６（Ｃ）の光合成手段は、２枚のダイクロイックミラー８００，８０１と、３つの液晶表示パネル９００，９０１，９０２により構成されている。
【００５５】
本発明の実施の形態においては、このような図１６（Ａ）〜（Ｃ）の光合成手段を、図４等のダイクロイックプリズム４１に入れ換えて使用することも可能である。
【００５６】
ところで本発明は上記実施の形態に限定されない。
上述した実施の形態では、液晶表示パネルを３枚用いたいわゆる３板式と呼ばれる特に背面投写型の表示装置の例を示している。しかしこれに限らず、液晶表示パネルは１枚しか用いないようないわゆる単板式のもの等にも採用できる。またライトバルブあるいは光変調素子は、液晶表示パネルに限らず他の種類の表示パネルを用いることもできる。
また図１のようないわゆるスクリーンの背面側から合成光を投写する背面投写型の表示装置に限らず、合成光を直接スクリーンに投写するフロントプロジェクタと呼ばれる方式のプロジェクタ等にも本発明は適用できる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光量のロスや光量のムラを防いで均一な結像性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表示装置の一例を示す斜視図。
【図２】図１の表示装置の内部構造を示す図。
【図３】図１と図２の表示装置に設けられた投写型の表示装置を示す図。
【図４】投写型表示装置の光学装置の構造を示す図。
【図５】第１光学ブロック及び第２光学ブロックとその他の光学要素を示し、主に第１光学ブロックが結像させる様子を示す図。
【図６】主に第２光学ブロックが液晶表示パネル側に結像させる様子を示す図。
【図７】第１光学ブロックのセルレンズと第２光学ブロックのセルレンズの配列例を示す図。
【図８】第１光学ブロックの各セルレンズと、液晶表示パネル、そしてスクリーンのアスペクト比が同じである例を説明している図。
【図９】第１光学ブロックのセルレンズと第２光学ブロックのセルレンズの形状を示す断面図。
【図１０】第１光学ブロック及び第２光学ブロックにより形成される光束及びその結像の例を示す図。
【図１１】本発明の別の実施の形態を示す図。
【図１２】本発明の別の実施の形態を示す図。
【図１３】本発明の別の実施の形態を示す図。
【図１４】本発明の別の実施の形態を示す図。
【図１５】本発明の別の実施の形態を示す図。
【図１６】本発明の別の実施の形態を示す図。
【図１７】従来の投写型のプロジェクタの光学系の一例を示す図。
【図１８】図１７の従来の光学系における問題点を示す図。
【図１９】図１７の従来の光学系における問題点を示す図。
【図２０】従来の光学系における問題点を説明する図。
【符号の説明】
１・・・第１光学ブロック、１・・・投写型表示装置、２・・・第２光学ブロック、３・・・光源、１３・・・投写レンズ、２１・・・第１レンズアレイ、２１ａ〜２１ｄ・・・セルレンズ、２３・・・第２レンズアレイ、２３ａ〜２３ｄ・・・セルレンズ、２３ｆ・・・第２光学ブロックの第１集光成分、４５，４９，５３・・・液晶表示パネル（光変調素子、ライトバルブ）、１３１・・・偏光変換素子
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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