JP3610804B2 - 照明装置及び投写型表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像情報に対応させて光変調するライトバルブ等に、均一化した照明光を照射するのに適した照明装置及びその照明装置からの光束を、ライトバルブ等で変調して拡大投写する投写型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来の投写型表示装置の一例を示す図である。図８に示した従来の投写型表示装置は、ランプ１０から、均一照明光学系２０を介して出射された光束を、不図示の色分離手段により赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色の光に分離した後、集光レンズ１００によって平行化して各色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に対応する液晶パネル５１に入射し、液晶パネル５１で画像情報に対応させて変調し、プリズム６１によって変調された各色の光を合成し、投写レンズ７１を通してスクリーンＳ上に拡大投写するものである。
【０００３】
均一照明光学系２０は、第１レンズアレイ２１と、第２レンズアレイ２２と、コンデンサレンズ２３とによって構成されている。この均一照明光学系２０は、ランプ１０から出射された光を、第１のレンズアレイ２１によって複数の部分光束に分割し、各部分光束を、第２レンズアレイ２２とコンデンサレンズ２３とを介して液晶パネル５１に重畳させることにより、液晶パネル５１に照射される光の面内強度を均一化する機能を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図９（ａ）、図９（ｂ）、図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、従来の投写型表示装置の均一照明光学系の問題点を説明するための図である。ランプ１０は、図９（ａ）に示すように、光軸Ｌ付近の光強度が高く、光軸Ｌから離れるに従って光強度が低くなるような照度分布を有している。従って、各小レンズａ〜ｆには、図９（ａ）の距離Ｄ−光強度Ｉ特性及び図９（ｂ）に示したように、入射面内の強度が不均一な光束が入射する。しかも、小レンズａとｆでは、光軸Ｌの位置を基準としてみた場合、入射面内の強度分布が逆になり、同様に、小レンズｂとｅ，ｃとｄとでも、入射面内の強度分布の強弱が逆になる。このため、液晶パネル５１の端部付近であるＡ点、Ｂ点には、図１０（ａ）に示すように、入射角度θと強度Ｉが一致しない光線ｌ１〜ｌ６，ｌ１’〜ｌ６’が入射することになる。具体的にいうと、Ａ点には図１０（ｂ）中、実線で示すような角度及び強度の光が入射し、Ｂ点には図１０（ｂ）中、点線で示すような角度及び強度の光が入射することになる。この図からわかるように、Ａ点では＋θ側の光量が−θ側よりもかなり多く、Ｂ点では、−θ側の光量が＋θ側の光量よりもかなり多い。
【０００５】
一方、液晶パネル５１によって表示される画像のコントラストは、光の入射角度に依存し、＋θ側、−θ側のいずれか一方に、コントラストがもっとも高くなる角度が存在する。ここで、仮に＋θ側にコントラストがもっとも高くなる角度が存在するとすると、Ａ点では＋θ側の光量が多く、逆にＢ点では＋θ側の光量が少ないため、Ａ点とＢ点とで著しくコントラストの差が生じることになり、投写画像には明るさむらが生じてしまうこととなる。また、プリズム６１内に形成された膜を透過する色光と当該膜で反射される色光とが存在し、透過する色光の画像と反射する色光の画像とは、互いに反転している。従って、これらの画像間では明るさむらの傾向も反転してしまい、投写画像には色むらが生じてしまう。さらに、このような明るさむら、色むらの発生により、投写画像のコントラストも低下してしまう。
【０００６】
この問題を解決するために、第１のレンズアレイ２１の小レンズの分割数を細かくすれば、図１０（ｂ）のピークが多くなり、各ピーク間の強度差が相対的に少なくなるため、左右の均一性は向上する。しかし、投写型表示装置の小形化が要請されており、均一照明光学系２０と液晶パネル５１との距離などによって、分割数が決まるので、角度分布の均一性を満足するまで、細分化することはできない。
【０００７】
本発明の目的は、前述した課題を解決し、光変調手段への入射角及び光強度の均一化を図ることにより、投写画像の色むらを低減して、コントラストを向上させることができる照明装置及び投写型表示装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、第１の発明は、光源と、前記光源から出射された光を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイの光出射側に配置された第２のレンズアレイと、を備えた照明装置であって、前記第１のレンズアレイは、２次元的に配列された複数の小レンズを有し、前記第２のレンズアレイは、２次元的に配列された複数の小レンズを有し、前記第１のレンズアレイを構成する小レンズのうち、前記光源の光軸を基準として互いに点対称な位置に存在する少なくとも一対の第１の小レンズから出射された光は、前記第２のレンズアレイを構成する小レンズのうち、前記一対の第１の小レンズに対応する一対の第２の小レンズに対して、互いに位置が入替わるように入射されてなることを特徴とする照明装置である。これにより、投写画像の色むらを低減して、コントラストの向上を図ることができる。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明の照明装置において、前記一対の第１の小レンズと、前記一対の第２の小レンズとは、偏心レンズで構成されていることを特徴とする照明装置である。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明の照明装置であって、前記一対の第１の小レンズは、入射する光の量が最も多い小レンズであることを特徴とする照明装置である。このために、光量の均一化の度合いが向上し、より効果的である。
【００１１】
第４の発明は、光源と、前記光源から出射された光を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイの光出射側に配置された第２のレンズアレイと、を備えた照明装置であって、前記第１のレンズアレイは、２次元的に配列された複数の小レンズを有し、前記第２のレンズアレイは、２次元的に配列された複数の小レンズを有し、前記第１のレンズアレイを構成する小レンズのうち、前記光源の光軸を含む前記小レンズの境界線を基準として互いに対称な位置に存在する少なくとも一対の第１の小レンズから出射された光は、前記第２のレンズアレイを構成する小レンズのうち、前記一対の第１の小レンズに対応する一対の第２の小レンズに対して、互いに位置が入れ替わるように入射されてなることを特徴とする照明装置である。これにより、投写画像の色むらを低減して、コントラストの向上を図ることができる。
【００１２】
第５の発明は、第４の発明の照明装置において、前記光源と前記一対の第１の小レンズとの間の光路中に、光路を変化させるプリズムが配置されており、前記一対の第１の小レンズと前記一対の第２の小レンズとの間の光路中または前記一対の第２の小レンズの出光射側に、光路を変化させるプリズムが配置されていることを特徴とする照明装置である。プリズムを配置すればよいので、小レンズの形状を変化させる必要がなくなり、製作が容易となる。
【００１３】
第６の発明は、第４の発明の照明装置において、前記一対の第１の小レンズと前記一対の第２の小レンズとの間の光路中に、光路を変化させるプリズムが配置されており、前記一対の第１の小レンズと前記一対の第２の小レンズとの間の光路中または前記一対の第２の小レンズの出光射側に、光路を変化させるプリズムが配置されていることを特徴とする照明装置である。プリズムを配置すればよいので、小レンズの形状を変化させる必要がなくなり、製作が容易となる。
【００１４】
第７の発明は、第４の発明の照明装置において、前記一対の第１の小レンズと、前記一対の第２の小レンズとは、偏心レンズで構成されていることを特徴とする照明装置である。
【００１５】
第８の発明は、第４から第７までのいずれかの発明の照明装置であって、前記一対の第１の小レンズは、入射する光の量が最も多い小レンズであることを特徴とする照明装置である。
【００１６】
第９の発明は、第１から第６までのいずれかの発明の照明装置と、前記照明装置からの光を３原色の各色光束に分離する色分離手段と、前記色分離手段によって分離された各色の光束を、画像情報に対応させて光変調する光変調手段と、前記光変調手段によって変調された変調光束を合成する色合成手段と、前記色合成手段によって合成された合成光束を拡大投写する投写手段と、を備えた投写型表示装置である。これにより、光変調手段へ入射する入射光の角度分布を均一化することができるので、投写画像の色むらを低減して、コントラストの向上を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しくに説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本発明による照明装置及び投写型表示装置の第１実施形態を示す模式図、図２は、第１実施形態に係る照明装置及び投写型表示装置を、簡略化した等価の光学系を用いて示す図、図３は、第１実施形態に係る照明装置及び投写型表示装置の第１のレンズアレイを抜き出して示した図である。第１実施形態の照明装置１Ａは、光源１０と、均一照明光学系２０Ａとから構成されている。
【００１９】
光源１０は、光源ランプ１１と曲面反射鏡１２で構成されており、光源ランプ１１としてはハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等を用いることができる。
【００２０】
均一照明光学系２０Ａは、図２に示すように、光源１０から出射された光束を複数の部分光束に分割し、それぞれの部分光束を液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ上に重畳させることにより、液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ上をほぼ均一な照度で照明する機能を有している。第１のレンズアレイ２１Ａは、マトリクス状に配置された複数の矩形レンズを有しており、光源１０から出射された光束を複数の部分光束に分割し、各部分光束を第２のレンズアレイ２２Ａの近傍で集光させる。第２のレンズアレイ２２Ａは、マトリクス状に配置された複数の矩形レンズを有しており、第１のレンズアレイ２１Ａから出射された各部分光束の中心光路を光源１０の光軸Ｌに対して平行に揃える機能を有している。なお、図１に示す例の均一照明光学系２０Ａは、光軸Ｌを装置前方向に折り曲げるミラー２４を備えており、このミラー２４を挟んで第１、第２のレンズアレイ２１Ａ、２２Ａが配置されている。第２のレンズアレイ２２Ａの出射面の側には、コンデンサレンズ２３が配置されている。コンデンサレンズ２３は、各部分光束を液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ上に重畳させる機能を有している。このように、本例の投写型表示装置１Ａでは、均一照明光学系２０Ａにより、液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ上をほぼ均一な照度の光で照明することができるので、照度ムラのない投写画像を得ることができる。
【００２１】
第１実施形態の投写型表示装置２Ａは、図１に示すように、照明装置１Ａの均一照明光学系２０を介して出射される光束Ｗを、赤、緑、青の各色光束Ｒ、Ｇ、Ｂに分離する色分離光学系４０と、各色光束を変調する光変調手段５０としての３枚の液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂと、変調された色光束を合成する色合成光学系６０としてのプリズム６１と、合成された光束をスクリーンＳ上に拡大投写する投写光学系７０としての投写レンズ７１等とを備えている。また、色分離光学系４０によって分離された各色光束のうち、青色光束Ｂに対応する液晶パネル５１Ｂに導くリレーレンズ系９０を備えている。
【００２２】
色分離光学系４０は、青緑反射ダイクロイックミラー４１と、緑反射ダイクロイックミラー４２と、反射鏡４３とから構成されている。均一照明光学系２０から出射された光Ｗのうち、まず、青緑反射ダイクロイックミラー４１において、そこに含まれている青色光Ｂ及び緑色光Ｇが直角に反射されて、緑反射ダイクロイックミラー４２の側に向かう。赤色光Ｒは、このミラー４１を通過して、後方の反射鏡４３でほぼ直角に反射されて、赤色光の出射部４４から色合成光学系の側に出射される。
【００２３】
次に、ミラー４１において反射された青及び緑の光Ｂ、Ｇのうち、緑反射ダイクロイックミラー４２において、緑色光Ｇのみがほぼ直角に反射されて、緑色光の出射部４５からプリズム６１の側に出射される。このミラー４２を通過した青色光Ｂは、青色光の出射部４６からリレーレンズ系９０の側に向けて出射される。本実施形態では、均一照明光学系２０Ａの光の出射部から、色分離光学系４０における各色光の出射部４４、４５、４６までの距離がほぼ等しくなるように設定されている。
【００２４】
ここで、本実施形態においては、色分離光学系４０の赤色光の出射部４４、緑色光の出射部４５の出射側には、それぞれ、平凸レンズからなる集光レンズ１０１、１０２が配置されている。各出射部４４、４５から出射した赤色光Ｒ及び緑色光Ｇは、これらの集光レンズ１０１、１０２に入射して平行化される。
【００２５】
このようにして平行化された光のうち、赤色光Ｒ及び緑色光Ｇは、図示しない偏光板を通過して偏光方向が揃えられた後、集光レンズ１０１、１０２の直後に配置されている液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇに入射して変調される。そして、各色光に対応した画像情報が付加される。これらの液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇは、不図示の駆動手段によって画像情報に応じてスイッチング制御が行われ、これにより、ここを通過する各色光の変調が行われる。このような駆動手段は公知の手段をそのまま使用することができ、本実施形態においてはその説明を省略する。
【００２６】
一方、青色光Ｂは、リレーレンズ系９０を通過し、さらに、図示しない偏光板を通過して偏光方向が揃えられた後、対応する液晶パネル５１Ｂに導かれる。そして、他の色光と同様に、画像情報に応じた変調が施される。本実施形態の液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂは、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として用いたものを使用している。
【００２７】
リレーレンズ系９０は、入射側反射鏡９１と、出射側反射鏡９２と、これらの間に配置された中間レンズ９３と、集光レンズ１０３と、集光レンズ１０４とから構成されている。各色光の光路の長さ、すなわち、光源ランプ１１から各液晶パネルまでの距離は、青色光Ｂが最も長くなるので、この光の光量損失が最も多くなる。しかし、本実施形態のように、リレーレンズ系９０を介在させることにより、光量損失を抑制できる。なお、リレーレンズ系９０を通過させる色光は、赤あるいは緑色の光とすることもできる。
【００２８】
次に、各液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂを通って変調された各色光束のうち、図示しない偏光板を通過した１種類の偏光方向の光のみが、プリズム６１に入射され、ここで合成される。本実施形態において、色合成光学系６０として用いられているプリズム６１は、４つのプリズムの界面に沿って、２種類のダイクロイック膜がＸ字状に形成されたダイクロイックプリズムである。色合成光学系６０としては、２種類のダイクロイックミラーをＸ字状に配置した構成のクロスミラーや、２種類のダイクロイックミラーを別個に配置した構成のミラー合成系を利用することも可能である。
【００２９】
本実施形態においては、以下のような構成により、従来技術における課題の解決を図っている。図３（ａ）は、第１のレンズアレイ２１Ａをｚ方向に見た図、図３（ｂ）は、第２のレンズアレイ２２Ａをｚ方向に見た図である。図３（ａ）、図３（ｂ）に示されている十字型の中心は、各小レンズの光軸の位置を意味する。第１のレンズアレイ２１Ａには、図３（ａ）に示すように、二次元的に、８行６列の小レンズａ１〜ａ８，ｂ１〜ｂ８，ｃ１〜ｃ８，ｄ１〜ｄ８，ｅ１〜ｅ８，ｆ１〜ｆ８が配列されている。一方、図３（ｂ）に示すように第２のレンズアレイ２２Ａにも、二次元的に、８行６列の小レンズａ１’〜ａ８’，ｂ１’〜ｂ８’，ｃ１’〜ｃ８’，ｄ１’〜ｄ８’，ｅ１’〜ｅ８’，ｆ１’〜ｆ８’が配列されている。ここで、第１のレンズアレイ２１Ａの各小レンズａ１〜ａ８，ｂ１〜ｂ８，ｃ１〜ｃ８，ｄ１〜ｄ８，ｅ１〜ｅ８，ｆ１〜ｆ８の配置は、第２のレンズアレイ２２の各小レンズａ１’〜ａ８’，ｂ１’〜ｂ８’，ｃ１’〜ｃ８’，ｄ１’〜ｄ８’，ｅ１’〜ｅ８’，ｆ１’〜ｆ８’とそれぞれ対応している。また、第１のレンズアレイ２１Ａの各小レンズのうち、小レンズｃ４，ｃ５，ｄ４，ｄ５、第２のレンズアレイ２２Ａの各ンズのうち、小レンズｃ４’，ｃ５’，ｄ４’，ｄ５’は、偏心レンズで構成されており、各々の光軸が、各々のレンズの幾何学的中心の位置よりも、光源光軸側に設定されている。
【００３０】
そして、このようなレンズアレイ２１Ａ，２２Ａを用いることにより、図２に示すように、第１のレンズアレイの小レンズｃ４，ｃ５，ｄ４，ｄ５から出射される光束は、第２のレンズアレイのンズｄ５’，ｄ４’，ｃ５’，ｃ４’に、それぞれ入射するようになっている。すなわち、第１のレンズアレイ２１Ａにおいて光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する小レンズｃ４とｄ５から出射された光は、第２のレンズアレイ２Ａにおいてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ４’とｄ５’に対して、互いに位置が入れ替わるように入射する。また、第１のレンズアレイ２１Ａにおいて光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する小レンズｃ５とｄ４から出射された光は、第２のレンズアイ２２Ａにおいてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ５’とｄ４’に対して、互いに位置が入れ替わるように入射する。なお、第１のレンズアレイ２１Ａのその他の小レンズから出射される光束は、第２のレンズアレイ２２Ａの対応する小レンズにそれぞれ入射する。
【００３１】
図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）、図５（ｂ）は、本実施形態の作用効果を説明するための図であり、従来技術を示す図９（ａ）、図９（ｂ）、図１０（ａ）、図１０（ｂ）と対応している。
【００３２】
ランプ１０は、図４（ａ）に示すように、光軸Ｌ付近の光強度が高く、光軸Ｌから距離Ｄ離れるに従って光強度が低くなるような照度分布を有している。したがって、各小レンズには、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示したように、入射面内の強度が不均一な光束が入射する。しかも、光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する小レンズでは、光軸Ｌの位置を基準としてみた場合、入射面内の強度分布が逆になる。これらの点については、従来技術と同様である。
【００３３】
しかしながら、本実施形態においては、第１のレンズアレイ２１Ａにおいて光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する小レンズｃ５とｄ４あるいはｃ４とｄ５から出射された光が、第２のレンズアレイ２２Ａにおいて、それらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ５’とｄ４’あるいはｃ４’とｄ５’に対して、互いに位置が入れ替わるように入射するとにより、それぞれの部分光束は、図４（ａ）に示したように、液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂに到達する。このため、液晶パネルの端部付近であるＡ点、Ｂ点には、図５（ａ）に示すように、光線ｌ１〜ｌ６、ｌ１’〜ｌ６’が入射することになる。具体的にいうと、Ａ点には図５（ｂ）中、実線で示すような角度及び強度の光が入射し、Ｂ点には図５（ｂ）中、点線で示すような角度及び強度の光が入射することになる。従来技術の場合と比較すると、光線ｌ３とｌ４、光線ｌ３’とｌ４’とが入れ替わっており、これにより、Ａ点おいても、Ｂ点においても、＋θ側の光量と−θ側の光量の差が、従来よりも小さくなっていることがわかる。
【００３４】
したがって、＋θ側、−θ側のいずれか一方に液晶パネル５１の画像のコントラストがもっとも高くなる角度が存在しても、Ａ点、Ｂ点において＋θ側の光量と−θ側の光量との差が小さいため、Ａ点とＢ点とで著しくコントラストの差が生じにくくなる。このため、投写画像の色むらを低減して、コントラストの向上を図ることが可能となる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１のレンズアレイ２１Ａにおいて光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する小レンズｃ５とｄ４あるいはｃ４とｄ５から出射された光が、第２のレンズアレイ２においてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ５’とｄ４’あるいはｃ４’とｄ５’に対して、互いに位置が入れ替わるよ入射させることにより、投写画像の色むらを低減して、コントラストの向上を図ることができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する小レンズｃ５とｄ４およびｃ４とｄ５から出射された光の位置が入れ替わるようにしたが、また、光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する他の小レンズ、例えばｃ３とｄ６、ｂ３とｅ６、ｂ４とｅ５等から出射された光の位置が入れ替わるようにしても良い。しかしながら、より高い効果を得るためには、本実施形態のように、光軸中心付近の光量が最大の小レンズから出射される光の位置を入れ換えることが望ましい。また、光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する一対の小レンズのみ（例えばｃ５とｄ４のみ）から出射された光の位置を入れ替えるようにしても良いが、より高い効果を得るためには、本実施形態のように、光軸Ｌを取り囲むように光の位置を入れ替えるようにすることが好ましい。
【００３７】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る照明装置及び投写型表示装置を、簡略化した等価の光学系を用いて示す図、図７（ａ）は、第１のレンズアレイ２１Ｂをｚ方向に見た図、図７（ｂ）は、第２のレンズアレイ２２Ｂをｚ方向に見た図である。図７（ａ）、図７（ｂ）に示されている十字型の中心は、各小レンズの光軸の位置を意味する。第１のレンズアレイ２１Ｂには、図７（ａ）に示すように、二次元的に、８行６列の小レンズａ１〜ａ８，ｂ１〜ｂ８，ｃ１〜ｃ８，ｄ１〜ｄ８，ｅ１〜ｅ８，ｆ１〜ｆ８が配列されている。一方、図７（ｂ）に示すように、第２のレンズアレイ２２Ｂにも、二次元的に、８行６列の小レンズａ１’〜ａ８’，ｂ１’〜ｂ８’，ｃ１’〜ｃ８’，ｄ１’〜ｄ８’，ｅ１’〜ｅ８’，ｆ１’〜ｆ８’が配列されている。第１のレンズアレ１Ｂの各小レンズａ１〜ａ８，ｂ１〜ｂ８，ｃ１〜ｃ８，ｄ１〜ｄ８，ｅ１〜ｅ８，ｆ１〜ｆ８の幾何学的な配置は、第２のレンズアレイ２２Ｂの各小レンズａ１〜ａ８’，ｂ１’〜ｂ８’，ｃ１’〜ｃ８’，ｄ１’〜ｄ８’，ｅ１’〜ｅ８’，ｆ１’〜ｆ８’とそれぞれ対応している。
【００３８】
第２実施形態では、第１のレンズアレイ２１Ｂの各小レンズａ１〜ａ８，ｂ１〜ｂ８，ｃ１〜ｃ８，ｄ１〜ｄ８，ｅ１〜ｅ８，ｆ１〜ｆ８、第２のレンズアレイ２２Ｂの各小レンズａ１’〜ａ８’，ｂ１’〜ｂ８’，ｃ１’〜ｃ８’，ｄ１’〜ｄ８’，ｅ１’〜ｅ８’，ｆ１’〜ｆ８’は、すべて、光軸の位置と幾何学的中心のとが一致したレンズによって構成されている。そのかわり、図６に示すように、第１のレンズアレイ２１Ｂの小レンズｃ４，ｃ５の光入射面に、光線の進行方向を変える略三角柱状のプリズム２５ｃが設けられており、小レンズｄ４，ｄ５の光入射面に、光線進行方向を変える略三角柱状のプリズム２５ｄが設けられている。また、第２のレンズアレイ２２Ｂの小レンズｃ４’，ｃ５’の光出射面側にも、光線の進行方向を変える略三角柱状のプリズム２５ｃ’が、小レンズｄ４’，ｄ５’の光出射面側にも、光線の進行方向を変える略三柱状のプリズム２５ｄ’が、それぞれ設けられている。
【００３９】
本実施形態では、このように、第１レンズアレイ２１Ｂの小レンズｃ４，ｃ５小レンズｄ４，ｄ５の光入射面に、それぞれ、光線の進行方向を変える略三柱状のプリズム２５ｄ，２５ｄが設けられることにより、第１のレンズアレイ２１Ｂの小マイクロレンズｃ４，ｃ５，ｄ４，ｄ５か出射される光束が、それぞれ、第２のレンズアレイ２２Ｂの小レンズｄ４’，ｄ５’，ｃ４’，ｃ５’に入射するようになっている。すなわち、第１のレンズアレイ２１Ｂにおいて、光源の光軸Ｌを含む小レンズの境界線Ｌｙを基準として互いに対称な位置に存在する小レンズｃ４とｄ４か出射された光は、第２のレンズアレイ２２Ｂにおいてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ４’とｄ４’に対して、互いに位置が入れ替わるように入射する。また、第１のレンズアレイ２１Ｂにおいて光源の光軸Ｌを含む小レンズの境界線Ｌｙを基準として互いに対称な位置に存在する小レンズｃ５とｄ５から出射された光は、第２のレンズアレイ２２においてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ５’とｄ５’に対して、互いに位置が入れ替わるように入射する。なお、第のレンズアレイ２１Ｂのその他の小レンズから出射される光束は、第２のレンズアレイ２２Ｂの対応する小レンズにそれぞれ入射する。
【００４０】
従って、第１実施形態の場合と同様、Ａ点においても、Ｂ点においても、＋θ側の光量と−θ側の光量の差を、従来よりも小さくすることができ、＋θ側、−θ側のいずれか一方に液晶パネル５１の画像のコントラストがもっとも高くなる角度が存在しても、Ａ点とＢ点とで著しくコントラストの差が生じにくくなる。このため、投写画像の色むらを低減して、コントラストの向上を図ることが可能となる。
【００４１】
なお、点対称に光線を入れ替える第１実施形態と比較して、線対称に光線を入れ替える本実施形態の方が、色むら低減、コントラストの向上の効果が若干劣る。しかしながら、本実施形態では、第１のレンズアレイ２１Ｂ、第２のレンズアレイ２２Ｂの小レンズの形状が従来のままでよいので、作製が容易である点で、第１の実施形態に比べ有利である。
【００４２】
また、本実施形態では、光源の光軸Ｌを含む小レンズの境界線Ｌｙを基準として互いに対称な位置に存在する２対の小レンズについて光の位置を入れ替えるようにしたが、１対の小レンズのみについて行っても良い。ただし、より高い効果を得るためには、本実施形態のように、光軸Ｌを取り囲むように複数対のレンズについて、光の位置を入れ替えるようにすることが好ましい。
【００４３】
また、本実施形態では、光線の進行方向を変える略三角柱状のプリズム２５ｃ、２５ｄ、２５ｃ’、２５ｄ’を、レンズアレイ２１Ｂ、２２Ｂと一体化するような形態で設けているが、別体として配置しても良い。
【００４４】
さらにまた、本実施形態では、プリズム２５ｃ、２５ｄを光源と第１のレンズアレイ２１Ｂの小レンズｃ４，ｃ５，ｄ４，ｄ５との間の光路中に設けているが、小レンズｃ４，ｃ５，ｄ４，ｄ５と第２のレンズアレイ２１Ｂの小レンズｃ４’，ｃ５’，ｄ４’，ｄ５’との間に設けるようにしても良い。同様に、プリズム２５ｃ’、２５ｄ’を設ける位置についても、第２のレンズアレイの小レンズｃ４’，ｃ５’，ｄ４’，ｄ５’の光出射側に限られず、小レンズｃ４’，ｃ５’，ｄ４’，ｄ５’と第１のレンズアレイ２１Ｂの小レンズｃ４，ｃ５，ｄ４，ｄ５との間に設けるようにしても良い。
【００４５】
（第２の実施形態の変形）
第２の実施形態では、光源の光軸Ｌを含む小レンズの境界線Ｌｙを基準として互いに対称な位置に存在する小レンズｃ４とｄ４あるいはｃ５とｄ５から出れた光を、第２のレンズアレイ２２Ｂにおいてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ４’とｄ４’あるいはｃ５’とｄ５’して、互いに位置が入れ替わるように入射していたが、基準とする境界線はＬｘとしても良い。すなわち、光源の光軸Ｌを含む小レンズの境界線Ｌｘを基準として互いに対称な位置に存在する小レンズｃ４とｃ５あるいはｄ４とｄ５から出射された光を、第２のレンズアレイ２２Ｂにおいてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ４’とｃ５’あるいはｄ４’とｄ５’に対して、互いに位置が入れ替わるように入射しても良い。このようにしても、第２の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００４６】
また、第２の実施形態においては、光の位置を入れ替えるために、光線の進行方向を変える略三角柱状のプリズム２５ｃ，２５ｄを用いていたが、このようなプリズムを用いる代わりに、偏心レンズを用いるようにしても良い。この場合には、入れ替えられた光が入射される第２のレンズアレイ２２Ｂの小レンズも、偏心レンズで構成されることになる。
【００４７】
さらに、第２の実施形態において、第１のレンズアレイ２１Ｂと第２のレンズアレイ２２Ｂとの間の光路中に、図１に示したようなミラー２４を配置する場合には、光線の進行方向を変える略三角柱状のプリズム２５ｃ，２５ｄの代わりに、このミラー２４上の、所定の小レンズから出射された光を反射する位置に、光の進行方向を変えるような段部を設けても良い。
【００４８】
（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
【００４９】
上述の実施形態では、透過型液晶パネルを用いた投射型表示装置の例で説明したが、反射型液晶パネルを用いた投射型表示装置に対しても、同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による照明装置及び投写型表示装置の第１実施形態を示した模式図である。
【図２】第１実施形態に係る照明装置及び投写型表示装置を、簡略化した等価の光学系を用いて示す図である。
【図３】第１実施形態に係る照明装置及び投写型表示装置のレンズアレイを抜き出して示した図であって、図３（ａ）は、第１のレンズアレイ２１Ａをｚ方向に見た図、図３（ｂ）は、第２のレンズアレイ２２Ａをｚ方向に見た図である。
【図４】本実施形態の作用効果を説明する図である。
【図５】本実施形態の作用効果を説明する図である。
【図６】本発明による投写型表示装置の第２実施形態を示す模式図である。
【図７】第２実施形態に係る照明装置及び投写型表示装置のレンズアレイを抜き出して示した図であって、図７（ａ）は、第１のレンズアレイ２１Ｂをｚ方向に見た図、図７（ｂ）は、第２のレンズアレイ２２Ｂをｚ方向に見た図である。
【図８】従来の投写型表示装置の一例を示す図である。
【図９】従来の投写型表示装置の均一照明光学系の問題点を説明する図である。
【図１０】従来の投写型表示装置の均一照明光学系の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１ 照明装置
２ 投写型表示装置
１０ 光源
１１ 光源ランプ
１２ 曲面反射鏡
２０，２０Ａ，２０Ｂ 均一照明光学系
２１ 第１のレンズアレイ
２２ 第２のレンズアレイ
２３ コンデンサレンズ
２４ ミラー
２５ プリズム
４０ 色分離光学系
４１ 青緑反射ダイクロイックミラー
４２ 青反射ダイクロイックミラー
４３ 反射鏡
５０ 光変調素子（ライトバルブ）
５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ 液晶パネル
６０ 色合成光学系
７０ 投写光学系
７１ 投写レンズ
９０ リレーレンズ系
Ｓ スクリーン
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像情報に対応させて光変調するライトバルブ等に、均一化した照明光を照射するのに適した照明装置及びその照明装置からの光束を、ライトバルブ等で変調して拡大投写する投写型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来の投写型表示装置の一例を示す図である。図８に示した従来の投写型表示装置は、ランプ１０から、均一照明光学系２０を介して出射された光束を、不図示の色分離手段により赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色の光に分離した後、集光レンズ１００によって平行化して各色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に対応する液晶パネル５１に入射し、液晶パネル５１で画像情報に対応させて変調し、プリズム６１によって変調された各色の光を合成し、投写レンズ７１を通してスクリーンＳ上に拡大投写するものである。
【０００３】
均一照明光学系２０は、第１レンズアレイ２１と、第２レンズアレイ２２と、コンデンサレンズ２３とによって構成されている。この均一照明光学系２０は、ランプ１０から出射された光を、第１のレンズアレイ２１によって複数の部分光束に分割し、各部分光束を、第２レンズアレイ２２とコンデンサレンズ２３とを介して液晶パネル５１に重畳させることにより、液晶パネル５１に照射される光の面内強度を均一化する機能を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図９（ａ）、図９（ｂ）、図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、従来の投写型表示装置の均一照明光学系の問題点を説明するための図である。ランプ１０は、図９（ａ）に示すように、光軸Ｌ付近の光強度が高く、光軸Ｌから離れるに従って光強度が低くなるような照度分布を有している。従って、各小レンズａ〜ｆには、図９（ａ）の距離Ｄ−光強度Ｉ特性及び図９（ｂ）に示したように、入射面内の強度が不均一な光束が入射する。しかも、小レンズａとｆでは、光軸Ｌの位置を基準としてみた場合、入射面内の強度分布が逆になり、同様に、小レンズｂとｅ，ｃとｄとでも、入射面内の強度分布の強弱が逆になる。このため、液晶パネル５１の端部付近であるＡ点、Ｂ点には、図１０（ａ）に示すように、入射角度θと強度Ｉが一致しない光線ｌ１〜ｌ６，ｌ１’〜ｌ６’が入射することになる。具体的にいうと、Ａ点には図１０（ｂ）中、実線で示すような角度及び強度の光が入射し、Ｂ点には図１０（ｂ）中、点線で示すような角度及び強度の光が入射することになる。この図からわかるように、Ａ点では＋θ側の光量が−θ側よりもかなり多く、Ｂ点では、−θ側の光量が＋θ側の光量よりもかなり多い。
【０００５】
一方、液晶パネル５１によって表示される画像のコントラストは、光の入射角度に依存し、＋θ側、−θ側のいずれか一方に、コントラストがもっとも高くなる角度が存在する。ここで、仮に＋θ側にコントラストがもっとも高くなる角度が存在するとすると、Ａ点では＋θ側の光量が多く、逆にＢ点では＋θ側の光量が少ないため、Ａ点とＢ点とで著しくコントラストの差が生じることになり、投写画像には明るさむらが生じてしまうこととなる。また、プリズム６１内に形成された膜を透過する色光と当該膜で反射される色光とが存在し、透過する色光の画像と反射する色光の画像とは、互いに反転している。従って、これらの画像間では明るさむらの傾向も反転してしまい、投写画像には色むらが生じてしまう。さらに、このような明るさむら、色むらの発生により、投写画像のコントラストも低下してしまう。
【０００６】
この問題を解決するために、第１のレンズアレイ２１の小レンズの分割数を細かくすれば、図１０（ｂ）のピークが多くなり、各ピーク間の強度差が相対的に少なくなるため、左右の均一性は向上する。しかし、投写型表示装置の小形化が要請されており、均一照明光学系２０と液晶パネル５１との距離などによって、分割数が決まるので、角度分布の均一性を満足するまで、細分化することはできない。
【０００７】
本発明の目的は、前述した課題を解決し、光変調手段への入射角及び光強度の均一化を図ることにより、投写画像の色むらを低減して、コントラストを向上させることができる照明装置及び投写型表示装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、第１の発明は、光源と、前記光源から出射された光を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイの光出射側に配置された第２のレンズアレイと、を備えた照明装置であって、前記第１のレンズアレイは、２次元的に配列された複数の小レンズを有し、前記第２のレンズアレイは、２次元的に配列された複数の小レンズを有し、前記第１のレンズアレイを構成する小レンズのうち、前記光源の光軸を基準として互いに点対称な位置に存在する少なくとも一対の第１の小レンズから出射された光は、前記第２のレンズアレイを構成する小レンズのうち、前記一対の第１の小レンズに対応する一対の第２の小レンズに対して、互いに位置が入替わるように入射されてなることを特徴とする照明装置である。これにより、投写画像の色むらを低減して、コントラストの向上を図ることができる。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明の照明装置において、前記一対の第１の小レンズと、前記一対の第２の小レンズとは、偏心レンズで構成されていることを特徴とする照明装置である。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明の照明装置であって、前記一対の第１の小レンズは、入射する光の量が最も多い小レンズであることを特徴とする照明装置である。このために、光量の均一化の度合いが向上し、より効果的である。
【００１１】
第４の発明は、光源と、前記光源から出射された光を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイの光出射側に配置された第２のレンズアレイと、を備えた照明装置であって、前記第１のレンズアレイは、２次元的に配列された複数の小レンズを有し、前記第２のレンズアレイは、２次元的に配列された複数の小レンズを有し、前記第１のレンズアレイを構成する小レンズのうち、前記光源の光軸を含む前記小レンズの境界線を基準として互いに対称な位置に存在する少なくとも一対の第１の小レンズから出射された光は、前記第２のレンズアレイを構成する小レンズのうち、前記一対の第１の小レンズに対応する一対の第２の小レンズに対して、互いに位置が入れ替わるように入射されてなることを特徴とする照明装置である。これにより、投写画像の色むらを低減して、コントラストの向上を図ることができる。
【００１２】
第５の発明は、第４の発明の照明装置において、前記光源と前記一対の第１の小レンズとの間の光路中に、光路を変化させるプリズムが配置されており、前記一対の第１の小レンズと前記一対の第２の小レンズとの間の光路中または前記一対の第２の小レンズの出光射側に、光路を変化させるプリズムが配置されていることを特徴とする照明装置である。プリズムを配置すればよいので、小レンズの形状を変化させる必要がなくなり、製作が容易となる。
【００１３】
第６の発明は、第４の発明の照明装置において、前記一対の第１の小レンズと前記一対の第２の小レンズとの間の光路中に、光路を変化させるプリズムが配置されており、前記一対の第１の小レンズと前記一対の第２の小レンズとの間の光路中または前記一対の第２の小レンズの出光射側に、光路を変化させるプリズムが配置されていることを特徴とする照明装置である。プリズムを配置すればよいので、小レンズの形状を変化させる必要がなくなり、製作が容易となる。
【００１４】
第７の発明は、第４の発明の照明装置において、前記一対の第１の小レンズと、前記一対の第２の小レンズとは、偏心レンズで構成されていることを特徴とする照明装置である。
【００１５】
第８の発明は、第４から第７までのいずれかの発明の照明装置であって、前記一対の第１の小レンズは、入射する光の量が最も多い小レンズであることを特徴とする照明装置である。
【００１６】
第９の発明は、第１から第６までのいずれかの発明の照明装置と、前記照明装置からの光を３原色の各色光束に分離する色分離手段と、前記色分離手段によって分離された各色の光束を、画像情報に対応させて光変調する光変調手段と、前記光変調手段によって変調された変調光束を合成する色合成手段と、前記色合成手段によって合成された合成光束を拡大投写する投写手段と、を備えた投写型表示装置である。これにより、光変調手段へ入射する入射光の角度分布を均一化することができるので、投写画像の色むらを低減して、コントラストの向上を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しくに説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本発明による照明装置及び投写型表示装置の第１実施形態を示す模式図、図２は、第１実施形態に係る照明装置及び投写型表示装置を、簡略化した等価の光学系を用いて示す図、図３は、第１実施形態に係る照明装置及び投写型表示装置の第１のレンズアレイを抜き出して示した図である。第１実施形態の照明装置１Ａは、光源１０と、均一照明光学系２０Ａとから構成されている。
【００１９】
光源１０は、光源ランプ１１と曲面反射鏡１２で構成されており、光源ランプ１１としてはハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等を用いることができる。
【００２０】
均一照明光学系２０Ａは、図２に示すように、光源１０から出射された光束を複数の部分光束に分割し、それぞれの部分光束を液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ上に重畳させることにより、液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ上をほぼ均一な照度で照明する機能を有している。第１のレンズアレイ２１Ａは、マトリクス状に配置された複数の矩形レンズを有しており、光源１０から出射された光束を複数の部分光束に分割し、各部分光束を第２のレンズアレイ２２Ａの近傍で集光させる。第２のレンズアレイ２２Ａは、マトリクス状に配置された複数の矩形レンズを有しており、第１のレンズアレイ２１Ａから出射された各部分光束の中心光路を光源１０の光軸Ｌに対して平行に揃える機能を有している。なお、図１に示す例の均一照明光学系２０Ａは、光軸Ｌを装置前方向に折り曲げるミラー２４を備えており、このミラー２４を挟んで第１、第２のレンズアレイ２１Ａ、２２Ａが配置されている。第２のレンズアレイ２２Ａの出射面の側には、コンデンサレンズ２３が配置されている。コンデンサレンズ２３は、各部分光束を液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ上に重畳させる機能を有している。このように、本例の投写型表示装置１Ａでは、均一照明光学系２０Ａにより、液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ上をほぼ均一な照度の光で照明することができるので、照度ムラのない投写画像を得ることができる。
【００２１】
第１実施形態の投写型表示装置２Ａは、図１に示すように、照明装置１Ａの均一照明光学系２０を介して出射される光束Ｗを、赤、緑、青の各色光束Ｒ、Ｇ、Ｂに分離する色分離光学系４０と、各色光束を変調する光変調手段５０としての３枚の液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂと、変調された色光束を合成する色合成光学系６０としてのプリズム６１と、合成された光束をスクリーンＳ上に拡大投写する投写光学系７０としての投写レンズ７１等とを備えている。また、色分離光学系４０によって分離された各色光束のうち、青色光束Ｂに対応する液晶パネル５１Ｂに導くリレーレンズ系９０を備えている。
【００２２】
色分離光学系４０は、青緑反射ダイクロイックミラー４１と、緑反射ダイクロイックミラー４２と、反射鏡４３とから構成されている。均一照明光学系２０から出射された光Ｗのうち、まず、青緑反射ダイクロイックミラー４１において、そこに含まれている青色光Ｂ及び緑色光Ｇが直角に反射されて、緑反射ダイクロイックミラー４２の側に向かう。赤色光Ｒは、このミラー４１を通過して、後方の反射鏡４３でほぼ直角に反射されて、赤色光の出射部４４から色合成光学系の側に出射される。
【００２３】
次に、ミラー４１において反射された青及び緑の光Ｂ、Ｇのうち、緑反射ダイクロイックミラー４２において、緑色光Ｇのみがほぼ直角に反射されて、緑色光の出射部４５からプリズム６１の側に出射される。このミラー４２を通過した青色光Ｂは、青色光の出射部４６からリレーレンズ系９０の側に向けて出射される。本実施形態では、均一照明光学系２０Ａの光の出射部から、色分離光学系４０における各色光の出射部４４、４５、４６までの距離がほぼ等しくなるように設定されている。
【００２４】
ここで、本実施形態においては、色分離光学系４０の赤色光の出射部４４、緑色光の出射部４５の出射側には、それぞれ、平凸レンズからなる集光レンズ１０１、１０２が配置されている。各出射部４４、４５から出射した赤色光Ｒ及び緑色光Ｇは、これらの集光レンズ１０１、１０２に入射して平行化される。
【００２５】
このようにして平行化された光のうち、赤色光Ｒ及び緑色光Ｇは、図示しない偏光板を通過して偏光方向が揃えられた後、集光レンズ１０１、１０２の直後に配置されている液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇに入射して変調される。そして、各色光に対応した画像情報が付加される。これらの液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇは、不図示の駆動手段によって画像情報に応じてスイッチング制御が行われ、これにより、ここを通過する各色光の変調が行われる。このような駆動手段は公知の手段をそのまま使用することができ、本実施形態においてはその説明を省略する。
【００２６】
一方、青色光Ｂは、リレーレンズ系９０を通過し、さらに、図示しない偏光板を通過して偏光方向が揃えられた後、対応する液晶パネル５１Ｂに導かれる。そして、他の色光と同様に、画像情報に応じた変調が施される。本実施形態の液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂは、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として用いたものを使用している。
【００２７】
リレーレンズ系９０は、入射側反射鏡９１と、出射側反射鏡９２と、これらの間に配置された中間レンズ９３と、集光レンズ１０３と、集光レンズ１０４とから構成されている。各色光の光路の長さ、すなわち、光源ランプ１１から各液晶パネルまでの距離は、青色光Ｂが最も長くなるので、この光の光量損失が最も多くなる。しかし、本実施形態のように、リレーレンズ系９０を介在させることにより、光量損失を抑制できる。なお、リレーレンズ系９０を通過させる色光は、赤あるいは緑色の光とすることもできる。
【００２８】
次に、各液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂを通って変調された各色光束のうち、図示しない偏光板を通過した１種類の偏光方向の光のみが、プリズム６１に入射され、ここで合成される。本実施形態において、色合成光学系６０として用いられているプリズム６１は、４つのプリズムの界面に沿って、２種類のダイクロイック膜がＸ字状に形成されたダイクロイックプリズムである。色合成光学系６０としては、２種類のダイクロイックミラーをＸ字状に配置した構成のクロスミラーや、２種類のダイクロイックミラーを別個に配置した構成のミラー合成系を利用することも可能である。
【００２９】
本実施形態においては、以下のような構成により、従来技術における課題の解決を図っている。図３（ａ）は、第１のレンズアレイ２１Ａをｚ方向に見た図、図３（ｂ）は、第２のレンズアレイ２２Ａをｚ方向に見た図である。図３（ａ）、図３（ｂ）に示されている十字型の中心は、各小レンズの光軸の位置を意味する。第１のレンズアレイ２１Ａには、図３（ａ）に示すように、二次元的に、８行６列の小レンズａ１〜ａ８，ｂ１〜ｂ８，ｃ１〜ｃ８，ｄ１〜ｄ８，ｅ１〜ｅ８，ｆ１〜ｆ８が配列されている。一方、図３（ｂ）に示すように第２のレンズアレイ２２Ａにも、二次元的に、８行６列の小レンズａ１’〜ａ８’，ｂ１’〜ｂ８’，ｃ１’〜ｃ８’，ｄ１’〜ｄ８’，ｅ１’〜ｅ８’，ｆ１’〜ｆ８’が配列されている。ここで、第１のレンズアレイ２１Ａの各小レンズａ１〜ａ８，ｂ１〜ｂ８，ｃ１〜ｃ８，ｄ１〜ｄ８，ｅ１〜ｅ８，ｆ１〜ｆ８の配置は、第２のレンズアレイ２２の各小レンズａ１’〜ａ８’，ｂ１’〜ｂ８’，ｃ１’〜ｃ８’，ｄ１’〜ｄ８’，ｅ１’〜ｅ８’，ｆ１’〜ｆ８’とそれぞれ対応している。また、第１のレンズアレイ２１Ａの各小レンズのうち、小レンズｃ４，ｃ５，ｄ４，ｄ５、第２のレンズアレイ２２Ａの各ンズのうち、小レンズｃ４’，ｃ５’，ｄ４’，ｄ５’は、偏心レンズで構成されており、各々の光軸が、各々のレンズの幾何学的中心の位置よりも、光源光軸側に設定されている。
【００３０】
そして、このようなレンズアレイ２１Ａ，２２Ａを用いることにより、図２に示すように、第１のレンズアレイの小レンズｃ４，ｃ５，ｄ４，ｄ５から出射される光束は、第２のレンズアレイのンズｄ５’，ｄ４’，ｃ５’，ｃ４’に、それぞれ入射するようになっている。すなわち、第１のレンズアレイ２１Ａにおいて光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する小レンズｃ４とｄ５から出射された光は、第２のレンズアレイ２Ａにおいてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ４’とｄ５’に対して、互いに位置が入れ替わるように入射する。また、第１のレンズアレイ２１Ａにおいて光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する小レンズｃ５とｄ４から出射された光は、第２のレンズアイ２２Ａにおいてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ５’とｄ４’に対して、互いに位置が入れ替わるように入射する。なお、第１のレンズアレイ２１Ａのその他の小レンズから出射される光束は、第２のレンズアレイ２２Ａの対応する小レンズにそれぞれ入射する。
【００３１】
図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）、図５（ｂ）は、本実施形態の作用効果を説明するための図であり、従来技術を示す図９（ａ）、図９（ｂ）、図１０（ａ）、図１０（ｂ）と対応している。
【００３２】
ランプ１０は、図４（ａ）に示すように、光軸Ｌ付近の光強度が高く、光軸Ｌから距離Ｄ離れるに従って光強度が低くなるような照度分布を有している。したがって、各小レンズには、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示したように、入射面内の強度が不均一な光束が入射する。しかも、光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する小レンズでは、光軸Ｌの位置を基準としてみた場合、入射面内の強度分布が逆になる。これらの点については、従来技術と同様である。
【００３３】
しかしながら、本実施形態においては、第１のレンズアレイ２１Ａにおいて光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する小レンズｃ５とｄ４あるいはｃ４とｄ５から出射された光が、第２のレンズアレイ２２Ａにおいて、それらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ５’とｄ４’あるいはｃ４’とｄ５’に対して、互いに位置が入れ替わるように入射するとにより、それぞれの部分光束は、図４（ａ）に示したように、液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂに到達する。このため、液晶パネルの端部付近であるＡ点、Ｂ点には、図５（ａ）に示すように、光線ｌ１〜ｌ６、ｌ１’〜ｌ６’が入射することになる。具体的にいうと、Ａ点には図５（ｂ）中、実線で示すような角度及び強度の光が入射し、Ｂ点には図５（ｂ）中、点線で示すような角度及び強度の光が入射することになる。従来技術の場合と比較すると、光線ｌ３とｌ４、光線ｌ３’とｌ４’とが入れ替わっており、これにより、Ａ点おいても、Ｂ点においても、＋θ側の光量と−θ側の光量の差が、従来よりも小さくなっていることがわかる。
【００３４】
したがって、＋θ側、−θ側のいずれか一方に液晶パネル５１の画像のコントラストがもっとも高くなる角度が存在しても、Ａ点、Ｂ点において＋θ側の光量と−θ側の光量との差が小さいため、Ａ点とＢ点とで著しくコントラストの差が生じにくくなる。このため、投写画像の色むらを低減して、コントラストの向上を図ることが可能となる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１のレンズアレイ２１Ａにおいて光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する小レンズｃ５とｄ４あるいはｃ４とｄ５から出射された光が、第２のレンズアレイ２においてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ５’とｄ４’あるいはｃ４’とｄ５’に対して、互いに位置が入れ替わるよ入射させることにより、投写画像の色むらを低減して、コントラストの向上を図ることができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する小レンズｃ５とｄ４およびｃ４とｄ５から出射された光の位置が入れ替わるようにしたが、また、光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する他の小レンズ、例えばｃ３とｄ６、ｂ３とｅ６、ｂ４とｅ５等から出射された光の位置が入れ替わるようにしても良い。しかしながら、より高い効果を得るためには、本実施形態のように、光軸中心付近の光量が最大の小レンズから出射される光の位置を入れ換えることが望ましい。また、光源の光軸Ｌを基準として互いに点対称な位置に存在する一対の小レンズのみ（例えばｃ５とｄ４のみ）から出射された光の位置を入れ替えるようにしても良いが、より高い効果を得るためには、本実施形態のように、光軸Ｌを取り囲むように光の位置を入れ替えるようにすることが好ましい。
【００３７】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る照明装置及び投写型表示装置を、簡略化した等価の光学系を用いて示す図、図７（ａ）は、第１のレンズアレイ２１Ｂをｚ方向に見た図、図７（ｂ）は、第２のレンズアレイ２２Ｂをｚ方向に見た図である。図７（ａ）、図７（ｂ）に示されている十字型の中心は、各小レンズの光軸の位置を意味する。第１のレンズアレイ２１Ｂには、図７（ａ）に示すように、二次元的に、８行６列の小レンズａ１〜ａ８，ｂ１〜ｂ８，ｃ１〜ｃ８，ｄ１〜ｄ８，ｅ１〜ｅ８，ｆ１〜ｆ８が配列されている。一方、図７（ｂ）に示すように、第２のレンズアレイ２２Ｂにも、二次元的に、８行６列の小レンズａ１’〜ａ８’，ｂ１’〜ｂ８’，ｃ１’〜ｃ８’，ｄ１’〜ｄ８’，ｅ１’〜ｅ８’，ｆ１’〜ｆ８’が配列されている。第１のレンズアレ１Ｂの各小レンズａ１〜ａ８，ｂ１〜ｂ８，ｃ１〜ｃ８，ｄ１〜ｄ８，ｅ１〜ｅ８，ｆ１〜ｆ８の幾何学的な配置は、第２のレンズアレイ２２Ｂの各小レンズａ１〜ａ８’，ｂ１’〜ｂ８’，ｃ１’〜ｃ８’，ｄ１’〜ｄ８’，ｅ１’〜ｅ８’，ｆ１’〜ｆ８’とそれぞれ対応している。
【００３８】
第２実施形態では、第１のレンズアレイ２１Ｂの各小レンズａ１〜ａ８，ｂ１〜ｂ８，ｃ１〜ｃ８，ｄ１〜ｄ８，ｅ１〜ｅ８，ｆ１〜ｆ８、第２のレンズアレイ２２Ｂの各小レンズａ１’〜ａ８’，ｂ１’〜ｂ８’，ｃ１’〜ｃ８’，ｄ１’〜ｄ８’，ｅ１’〜ｅ８’，ｆ１’〜ｆ８’は、すべて、光軸の位置と幾何学的中心のとが一致したレンズによって構成されている。そのかわり、図６に示すように、第１のレンズアレイ２１Ｂの小レンズｃ４，ｃ５の光入射面に、光線の進行方向を変える略三角柱状のプリズム２５ｃが設けられており、小レンズｄ４，ｄ５の光入射面に、光線進行方向を変える略三角柱状のプリズム２５ｄが設けられている。また、第２のレンズアレイ２２Ｂの小レンズｃ４’，ｃ５’の光出射面側にも、光線の進行方向を変える略三角柱状のプリズム２５ｃ’が、小レンズｄ４’，ｄ５’の光出射面側にも、光線の進行方向を変える略三柱状のプリズム２５ｄ’が、それぞれ設けられている。
【００３９】
本実施形態では、このように、第１レンズアレイ２１Ｂの小レンズｃ４，ｃ５小レンズｄ４，ｄ５の光入射面に、それぞれ、光線の進行方向を変える略三柱状のプリズム２５ｄ，２５ｄが設けられることにより、第１のレンズアレイ２１Ｂの小マイクロレンズｃ４，ｃ５，ｄ４，ｄ５か出射される光束が、それぞれ、第２のレンズアレイ２２Ｂの小レンズｄ４’，ｄ５’，ｃ４’，ｃ５’に入射するようになっている。すなわち、第１のレンズアレイ２１Ｂにおいて、光源の光軸Ｌを含む小レンズの境界線Ｌｙを基準として互いに対称な位置に存在する小レンズｃ４とｄ４か出射された光は、第２のレンズアレイ２２Ｂにおいてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ４’とｄ４’に対して、互いに位置が入れ替わるように入射する。また、第１のレンズアレイ２１Ｂにおいて光源の光軸Ｌを含む小レンズの境界線Ｌｙを基準として互いに対称な位置に存在する小レンズｃ５とｄ５から出射された光は、第２のレンズアレイ２２においてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ５’とｄ５’に対して、互いに位置が入れ替わるように入射する。なお、第のレンズアレイ２１Ｂのその他の小レンズから出射される光束は、第２のレンズアレイ２２Ｂの対応する小レンズにそれぞれ入射する。
【００４０】
従って、第１実施形態の場合と同様、Ａ点においても、Ｂ点においても、＋θ側の光量と−θ側の光量の差を、従来よりも小さくすることができ、＋θ側、−θ側のいずれか一方に液晶パネル５１の画像のコントラストがもっとも高くなる角度が存在しても、Ａ点とＢ点とで著しくコントラストの差が生じにくくなる。このため、投写画像の色むらを低減して、コントラストの向上を図ることが可能となる。
【００４１】
なお、点対称に光線を入れ替える第１実施形態と比較して、線対称に光線を入れ替える本実施形態の方が、色むら低減、コントラストの向上の効果が若干劣る。しかしながら、本実施形態では、第１のレンズアレイ２１Ｂ、第２のレンズアレイ２２Ｂの小レンズの形状が従来のままでよいので、作製が容易である点で、第１の実施形態に比べ有利である。
【００４２】
また、本実施形態では、光源の光軸Ｌを含む小レンズの境界線Ｌｙを基準として互いに対称な位置に存在する２対の小レンズについて光の位置を入れ替えるようにしたが、１対の小レンズのみについて行っても良い。ただし、より高い効果を得るためには、本実施形態のように、光軸Ｌを取り囲むように複数対のレンズについて、光の位置を入れ替えるようにすることが好ましい。
【００４３】
また、本実施形態では、光線の進行方向を変える略三角柱状のプリズム２５ｃ、２５ｄ、２５ｃ’、２５ｄ’を、レンズアレイ２１Ｂ、２２Ｂと一体化するような形態で設けているが、別体として配置しても良い。
【００４４】
さらにまた、本実施形態では、プリズム２５ｃ、２５ｄを光源と第１のレンズアレイ２１Ｂの小レンズｃ４，ｃ５，ｄ４，ｄ５との間の光路中に設けているが、小レンズｃ４，ｃ５，ｄ４，ｄ５と第２のレンズアレイ２１Ｂの小レンズｃ４’，ｃ５’，ｄ４’，ｄ５’との間に設けるようにしても良い。同様に、プリズム２５ｃ’、２５ｄ’を設ける位置についても、第２のレンズアレイの小レンズｃ４’，ｃ５’，ｄ４’，ｄ５’の光出射側に限られず、小レンズｃ４’，ｃ５’，ｄ４’，ｄ５’と第１のレンズアレイ２１Ｂの小レンズｃ４，ｃ５，ｄ４，ｄ５との間に設けるようにしても良い。
【００４５】
（第２の実施形態の変形）
第２の実施形態では、光源の光軸Ｌを含む小レンズの境界線Ｌｙを基準として互いに対称な位置に存在する小レンズｃ４とｄ４あるいはｃ５とｄ５から出れた光を、第２のレンズアレイ２２Ｂにおいてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ４’とｄ４’あるいはｃ５’とｄ５’して、互いに位置が入れ替わるように入射していたが、基準とする境界線はＬｘとしても良い。すなわち、光源の光軸Ｌを含む小レンズの境界線Ｌｘを基準として互いに対称な位置に存在する小レンズｃ４とｃ５あるいはｄ４とｄ５から出射された光を、第２のレンズアレイ２２Ｂにおいてこれらの小レンズと幾何学的に対応する位置に存在する小レンズｃ４’とｃ５’あるいはｄ４’とｄ５’に対して、互いに位置が入れ替わるように入射しても良い。このようにしても、第２の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００４６】
また、第２の実施形態においては、光の位置を入れ替えるために、光線の進行方向を変える略三角柱状のプリズム２５ｃ，２５ｄを用いていたが、このようなプリズムを用いる代わりに、偏心レンズを用いるようにしても良い。この場合には、入れ替えられた光が入射される第２のレンズアレイ２２Ｂの小レンズも、偏心レンズで構成されることになる。
【００４７】
さらに、第２の実施形態において、第１のレンズアレイ２１Ｂと第２のレンズアレイ２２Ｂとの間の光路中に、図１に示したようなミラー２４を配置する場合には、光線の進行方向を変える略三角柱状のプリズム２５ｃ，２５ｄの代わりに、このミラー２４上の、所定の小レンズから出射された光を反射する位置に、光の進行方向を変えるような段部を設けても良い。
【００４８】
（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
【００４９】
上述の実施形態では、透過型液晶パネルを用いた投射型表示装置の例で説明したが、反射型液晶パネルを用いた投射型表示装置に対しても、同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による照明装置及び投写型表示装置の第１実施形態を示した模式図である。
【図２】第１実施形態に係る照明装置及び投写型表示装置を、簡略化した等価の光学系を用いて示す図である。
【図３】第１実施形態に係る照明装置及び投写型表示装置のレンズアレイを抜き出して示した図であって、図３（ａ）は、第１のレンズアレイ２１Ａをｚ方向に見た図、図３（ｂ）は、第２のレンズアレイ２２Ａをｚ方向に見た図である。
【図４】本実施形態の作用効果を説明する図である。
【図５】本実施形態の作用効果を説明する図である。
【図６】本発明による投写型表示装置の第２実施形態を示す模式図である。
【図７】第２実施形態に係る照明装置及び投写型表示装置のレンズアレイを抜き出して示した図であって、図７（ａ）は、第１のレンズアレイ２１Ｂをｚ方向に見た図、図７（ｂ）は、第２のレンズアレイ２２Ｂをｚ方向に見た図である。
【図８】従来の投写型表示装置の一例を示す図である。
【図９】従来の投写型表示装置の均一照明光学系の問題点を説明する図である。
【図１０】従来の投写型表示装置の均一照明光学系の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１ 照明装置
２ 投写型表示装置
１０ 光源
１１ 光源ランプ
１２ 曲面反射鏡
２０，２０Ａ，２０Ｂ 均一照明光学系
２１ 第１のレンズアレイ
２２ 第２のレンズアレイ
２３ コンデンサレンズ
２４ ミラー
２５ プリズム
４０ 色分離光学系
４１ 青緑反射ダイクロイックミラー
４２ 青反射ダイクロイックミラー
４３ 反射鏡
５０ 光変調素子（ライトバルブ）
５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ 液晶パネル
６０ 色合成光学系
７０ 投写光学系
７１ 投写レンズ
９０ リレーレンズ系
Ｓ スクリーン
Claims (9)
- 光源と、前記光源から出射された光を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイの光出射側に配置された第２のレンズアレイと、を備えた照明装置であって、
前記第１のレンズアレイは、２次元的に配列された複数の小レンズを有し、
前記第２のレンズアレイは、２次元的に配列された複数の小レンズを有し、
前記第１のレンズアレイを構成する小レンズのうち、前記光源の光軸を基準として互いに点対称な位置に存在する少なくとも一対の第１の小レンズから出射された光は、前記第２のレンズアレイを構成する小レンズのうち、前記一対の第１の小レンズに対応する一対の第２の小レンズに対して、互いに位置が入替わるように入射されてなること
を特徴とする照明装置。 - 請求項１に記載の照明装置において、
前記一対の第１の小レンズと、前記一対の第２の小レンズとは、偏心レンズで構成されていること
を特徴とする照明装置。 - 請求項１または２に記載の照明装置であって、
前記一対の第１の小レンズは、入射する光の量が最も多い小レンズであることを特徴とする照明装置。 - 光源と、前記光源から出射された光を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイの光出射側に配置された第２のレンズアレイと、を備えた照明装置であって、
前記第１のレンズアレイは、２次元的に配列された複数の小レンズを有し、
前記第２のレンズアレイは、２次元的に配列された複数の小レンズを有し、
前記第１のレンズアレイを構成する小レンズのうち、前記光源の光軸を含む前記小レンズの境界線を基準として互いに対称な位置に存在する少なくとも一対の第１の小レンズから出射された光は、前記第２のレンズアレイを構成する小レンズのうち、前記一対の第１の小レンズに対応する一対の第２の小レンズに対して、互いに位置が入れ替わるように入射されてなること
を特徴とする照明装置。 - 請求項４に記載の照明装置において、
前記光源と前記一対の第１の小レンズとの間の光路中に、光路を変化させるプリズムが配置されており、
前記一対の第１の小レンズと前記一対の第２の小レンズとの間の光路中または前記一対の第２の小レンズの出光射側に、光路を変化させるプリズムが配置されていること
を特徴とする照明装置。 - 請求項４に記載の照明装置において、
前記一対の第１の小レンズと前記一対の第２の小レンズとの間の光路中に、光路を変化させるプリズムが配置されており、
前記一対の第１の小レンズと前記一対の第２の小レンズとの間の光路中または前記一対の第２の小レンズの出光射側に、光路を変化させるプリズムが配置されていること
を特徴とする照明装置。 - 請求項４に記載の照明装置において、
前記一対の第１の小レンズと、前記一対の第２の小レンズとは、偏心レンズで構成されていること
を特徴とする照明装置。 - 請求項４から請求項７までのいずれか１項に記載の照明装置であって、 前記一対の第１の小レンズは、入射する光の量が最も多い小レンズであることを特徴とする照明装置。
- 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された照明装置と、
前記照明装置からの光を３原色の各色光束に分離する色分離手段と、
前記色分離手段によって分離された各色の光束を、画像情報に対応させて光変調する光変調手段と、
前記光変調手段によって変調された変調光束を合成する色合成手段と、
前記色合成手段によって合成された合成光束を拡大投写する投写手段と、
を備えた投写型表示装置。
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| JP00290599A JP3610804B2 (ja) | 1999-01-08 | 1999-01-08 | 照明装置及び投写型表示装置 |
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