JP3652305B2 - 光学ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源側からの光をアレイレンズや偏光変換素子を介して表示素子に照射し、映像信号に基づく該表示素子での変調によって映像形成する映像表示装置用の光学ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の映像表示装置用の光学ユニットにおいては、例えば、図２１に示すように、液晶パネル等の表示素子（図示なし）に均一な照度分布を得るために２枚のアレイレンズ２、２'を用いている。光源ユニットのリフレクタ（図示なし）から出射した後の光の照度分布は、光源ユニットのランプの管球の影により中央近傍で照度が低下することを除けば、一般には周辺が暗く、中央側で明るい分布となる。リフレクタの後段側に、１枚目のアレイレンズ（以下、第１のアレイレンズという）２を配置することにより、該第１のアレイレンズ２の各セル（集光レンズ）で照度を分割し、再びこれを加え合わせることにより、表示素子上の照度分布を均一にするようにしている。また、２枚目のアレイレンズ（以下、第２のアレイレンズという）２'の後段には、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという）と１／２波長位相差板とから構成される偏光変換素子３を配置している。該ＰＢＳは、入射白色光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分離する。また、上記１／２波長位相差板は、上記ＰＢＳのＰ偏光光出射位置に配され、Ｐ偏光光をＳ偏光光に変換する。このため、偏光変換素子３からは、該１／２波長位相差板で変換したＳ偏光光と上記ＰＢＳで分離したＳ偏光光との合成のＳ偏光光が出射される。該偏光変換素子３の開口が上記第２のアレイレンズ２’の開口より小さい場合には、該偏光変換素子３の開口は該第２のアレイレンズ２’の開口の役割を果たす。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のアレイレンズを用いた照明光学系では、Ｆ値の設定によっては、第１のアレイレンズから出射された光のうちの一部が、第２のアレイレンズまたはＰＢＳにより遮断されて損失分となる。照明光学系のＦ値を小さくすることにより、第１のアレイレンズと、第２のアレイレンズもしくはＰＢＳとの距離が縮まるため、上記光の損失を減らすことができる。しかし、Ｆ値の低減化に伴い下記の点が問題となる。すなわち、
（１）液晶パネル等の表示素子にマイクロレンズを組み入れた構成とした場合に光の通過率が下がる。
（２）表示素子や、偏光板や、ＰＢＳなどのコントラストが低下し、映像表示装置としてのコントラストも下がる。
図３は、Ｆ値が大きい場合（図３（ａ））と小さい場合（図３（ｂ））の、アレイレンズ２のセル（集光レンズ）と表示素子１３の写像関係の説明図である。第１のアレイレンズ２、第２のアレイレンズ２'、偏光変換素子３及び映像表示素子１３の有効域のサイズは、図３（ａ）と図３（ｂ）で同じとしている。図３（ｃ）は、Ｆ値が大きい場合（図３（ａ））の発散光４ａの広がりと偏光変換素子３での光損失の状態を示す。図３（ｄ）は、Ｆ値が小さい場合（図３（ｂ））の発散光４ａの広がりと偏光変換素子３での光損失の状態を示す。図３（ｃ）、図３（ｄ）はいずれも、光軸付近の１セル（１集光レンズ）の組み合わせの断面図を示している。第１のアレイレンズ２からの出射光は、集光位置０の近傍で光の広がりが最小となる。このため、該集光位置０に、狭い開口を有する第２のアレイレンズ２’や偏光変換素子３を配置する。第１のアレイレンズ２のセル光軸中心からの発散光４ａは、発散して第２のアレイレンズ２’の開口上で光源像２５となる。この場合、開口より外にある光源像の光は損失となる。Ｆ値が大きい場合（図３（ａ））は、第１のアレイレンズと第２のアレイレンズ２’との距離Ａ１が長いため、発散光による損失が多い。ただし、この場合は、映像表示素子へと入射する光の広がり角θ１が小さいためコントラストは良い。一方、Ｆ値が小さい場合（図３（ｂ））は、距離Ａ２が短いため、発散角による光源像が小さくなり、損失が少ない。ただし、この場合は、映像表示素子へ入射する光の広がり角θ２が小さいためにコントラストは悪くなる。このように、従来技術では、明るさとコントラストの両立が困難であった。
本発明の課題点は、かかる従来技術の状況に鑑み、映像表示装置の光学ユニットにおいて、第２のアレイレンズやＰＢＳによる光の損失を抑えて明るさを増大させるとともに、コントラストを向上できるようにすること、である。
本発明の目的は、かかる課題点を解決できる技術の提供にある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題点を解決するために、本発明では、映像表示装置用の光学ユニットとして、照明光学系が、第１、第２のアレイレンズ間に、該第１、第２のアレイレンズの集光レンズに対応した複数の反射手段を有し該反射手段により該第１のアレイレンズの集光レンズからの出射光を反射し光路方向を変えて該第２のアレイレンズの集光レンズに入射させる反射アレイを備えた構成とする。
上記反射アレイは、反射により、上記第１のアレイレンズからの出射光を効率良く上記第２のアレイレンズ及び偏光変換素子に入射させる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。
図１、図２は本発明の第１の実施例の説明図で、図１は光学ユニット中の照明光学系の構成例を示し、図２は、その縦方向の断面図（（ａ））と横方向の断面図（（ｂ））と、反射アレイ単体の斜視図（（ｃ））である。
図１、図２において、１は反射アレイ、２は第１のアレイレンズ、２'は第２のアレイレンズ、３は偏光変換素子である。反射アレイ１は、第１のアレイレンズ２及び第２のアレイレンズ２'の複数の各集光レンズに対応した反射面が、該集光レンズそれぞれのレンズ光軸周りに矩形状の環状に配されて成る反射手段（以下、反射セルという）を複数個有する構成である。第１のアレイレンズ２から出射した光は、反射アレイ１の各反射セルに入射し、該反射セルの反射面で反射されて光路方向を変えられ、第２のアレイレンズ２’及び偏光変換素子３の有効開口に入射するようにされる。反射アレイは、例えば、ガラス、金属、プラスチック、アルミニウム、反射フィルム等で構成される。第１のアレイレンズ２の集光レンズのサイズを一定とした条件下で光利用効率の向上を図るためには、従来技術においては、上記図３（ｂ）に示したように、第１のアレイレンズ２と第２のアレイレンズ２’との間の距離を短縮する必要がある。しかし、該第１のアレイレンズ２と該第２のアレイレンズ２’との間の距離が短くなれば、写像関係からみて、第２のアレイレンズ２’と表示素子１３間の距離Ｂも短くなり、表示素子１３に入射する光の角度も大きくなる。これにより、角度成分の大きい光線に対し低コントラスト特性を有する偏光板や、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）や、液晶パネル等の表示素子のコントラスト性能が低下し、付随的に映像表示装置のコントラストも劣化する。これに対し、本発明の上記第１の実施例構成では、第１のアレイレンズ２と第２のアレイレンズ２’との間の距離を短縮する必要がなく、むしろ、必要に応じて該距離を増大することも可能である。このため、偏光板や、ＰＢＳや、液晶パネル等の表示素子などに入射する光線の角度を小さく抑えることが可能となる。これにより、コントラストの低下を抑えた状態で、または高コントラスト性を保った状態で、光利用効率の向上が可能となる。
上記第１の実施例によれば、上記のように、コントラスト性能の確保と併せ、光利用効率の向上が可能となる。
【０００６】
図４、図５は本発明の第２の実施例の説明図である。本第２の実施例は、反射アレイ１を、第１、第２のアレイレンズ２、２’の中央部の集光レンズのみに対応して設けた場合の構成例であって、図４は光学ユニット中の照明光学系の構成例を示し、図５は第２のアレイレンズ２’上における光源像の状態を示す。
図４、図５において、８はコリメータレンズ、２５は第２のアレイレンズ２’上における光源像である。光源像２５は、第２のアレイレンズ２’の中央部の集光レンズ位置にある光源像の方が、周辺部の光源像より大きい（図５）。このため、該中央部の集光レンズまたは偏光変換素子３の開口でカットされて損失となる光の量が、周辺部よりも多くなる。従って、図４に示すように、第２のアレイレンズ２’の中央部の集光レンズ位置に反射アレイを設けることにより、反射アレイによって反射された光は該中央部の集光レンズまたは偏光変換素子３の開口に入射するため、該開口によりカットされる光の量が低減化される。反射アレイの構成は小形かつ簡易なもので足りる。
上記第２の実施例によれば、簡易かつ低コストの反射アレイにより、コントラスト性能の確保とともに、光利用効率の向上が可能となる。
【０００７】
図６は本発明の第３の実施例を示す図である。本第３の実施例は、第１、第２のアレイレンズの集光レンズのうち図の縦方向に直線状に配列された複数個の集光レンズに対して１個の反射セルを対応させる場合の構成例である。反射セルの内面における反射面は縦方向にだけ設けても、または縦横両方向に設けてもよい。反射セルは、アルミや銀や誘電体多層膜により反射コーティングを施した板状のミラーをそのまま用いて構成することができる。
第３の実施例によれば、簡易かつ低コストの反射アレイにより、コントラスト性の確保と併せ、光利用効率の向上が可能となる。
【０００８】
図７は本発明の第４の実施例を示す図である。本第４の実施例は、第１、第２のアレイレンズの集光レンズのうち図の横方向に直線状に配列された複数個の集光レンズに対して１個の反射セルを対応させる場合の構成例である。反射セルの内面における反射面は横方向にだけ設けても、または縦横両方向に設けてもよい。本実施例構成においても、反射セルとしては、アルミや銀や誘電体多層膜により反射コーティングを施した板状のミラーをそのまま用いて構成することができる。
第４の実施例によれば、簡易かつ低コストの反射アレイにより、コントラスト性の確保とともに、光利用効率の向上が可能となる。
【０００９】
図８は本発明の第５の実施例を示す図である。本第５の実施例は、反射アレイの反射セル内の反射面を、第１、第２のアレイレンズ２、２’の各集光レンズのレンズ光軸に対し傾斜させた場合の構成例である。図８（ａ）は縦方向断面図、図８（ｂ）は横方向断面図である。反射面が傾斜していることにより、傾斜していない場合に比べ、より大きな入射角度で入って来る光も開口内に導くことができる。このため、光の利用効率を一層向上させることが可能となる。また、反射面の傾斜により、入射光はより一層、角度成分の少ない光となって出射されるため、コントラスト向上も可能である。
第５の実施例によれば、簡易かつ低コストの反射アレイにより、より一層の光利用効率の向上と、コントラスト性の確保とが可能となる。
【００１０】
図９は本発明の第６の実施例を示す図である。本第６の実施例は、矩形状の大きさの異なる反射セルを反射手段として有する反射アレイを備えた場合の構成例である。アレイ面上において大きさの異なる集光レンズを備えた第１、第２のアレイレンズ２、２’に対応し、該集光レンズの大きさに対応した大きさの反射セルを配してある。本実施例構成において、反射アレイは、第１、第２のアレイレンズの集光レンズの開口に合わせた状態で、光を効率よく、第２のアレイレンズの集光レンズの開口内や偏光変換素子の開口内に導くことができる。
上記第６の実施例においても、簡易かつ低コストの反射アレイにより、コントラスト性の確保と、光利用効率の向上とが可能である。
【００１１】
図１０は本発明の第７の実施例を示す図である。本第７の実施例は、反射アレイ１と第２のアレイレンズ２’とを一体状に結合した場合の構成例である。かかる構成により、レンズ界面での反射ロスを少なくすることができ、光の利用効率を向上させることができる。該結合したものを保持する場合、第２のアレイレンズ２’の方を構造部品にて保持すると保持し易い。
上記第７の実施例によれば、反射アレイと第２のアレイレンズとの相関精度を容易に高めることができる。照明光学系の組立て作業性を向上させ得る。その他の作用・効果は上記第１〜第６の実施例の場合と同様である。
【００１２】
図１１は本発明の第８の実施例を示す図である。本第８の実施例は、反射アレイ１の反射セルの内部１ａを高屈折材、外部１ｂを低屈折材として構成した場合の例である。外部１ｂの低屈折材としては接着剤を用い、内部１ａの高屈折材を接着するようにしてもよい。これにより、反射アレイの製造を容易にすることができる。
図１２は、本発明の第９の実施例を示す図である。本第９の実施例は、６角形の反射アレイ１と格子配列の第２のアレイレンズ２’とを組み合わせた場合の構成例である。反射アレイ１は、その内部１ａを高屈折材とし、外部１ｂを低屈折材としてもよい。また、内部１ａを空気とし、空気との界面に反射コーティングを施した部材を外部１ｂに用いてもよい。
【００１３】
図１３は、本発明の第１０の実施例を示す図で、ひし形の開口形状を有する反射アレイの構成例図である。また、図１４は、本発明の第１１の実施例を示す図で、円形の開口形状を有する反射アレイの構成例図である。反射アレイ１は、例えば、その内部１ａを高屈折材とし、外部１ｂを低屈折材とする。また、内部１ａを空気とし、外部１ｂに空気との界面に反射コーティングを施した部材を用いてもよい。
図１５は本発明の第１２の実施例を示す図で、反射アレイ１の各反射セル相互間に補強材１５を設けた場合の構成例である。補強材１５は、ガラス、金属、プラスチック等から成るものとする。該補強材１５を設けることにより、反射アレイの強度を増大させ、衝撃や振動が加わった場合にも反射アレイを壊れにくくする。
【００１４】
図１６は、本発明の第１３の実施例を示す図で、照明光学系中において、第１のアレイレンズ２と第２のアレイレンズ２’との間の中間部位置に反射アレイ１を配した場合の構成例である。第１のアレイレンズ２と第２のアレイレンズ２’との間の中間位置において、光が、隣接するアレイへ抜けていく量が多い場合、効果的に光の利用率を向上させることができる。
図１７は本発明の第１４の実施例を示す図で、照明光学系中において、第１のアレイレンズ２と第２のアレイレンズ２’との間に設ける反射アレイ１を、第１のアレイレンズ２の出射側に近接させて配した場合の構成例である。第１のアレイレンズ２の出射側に近接した位置において、隣接するアレイへ抜けていく光量が多い場合に、効果的に光の利用率を向上させることができる。
【００１５】
図１８は本発明の第１５の実施例を示す図で、反射アレイ１の反射セル内の反射面を曲面とした場合の構成例である。同図（ａ）は縦方向断面を示し、（ｂ）は横方向断面を示す。曲面の曲率または曲率半径を適正範囲とすることで、光の利用率を高めることができる。また、表示素子上の照度分布を平坦化することができる。反射面の形状としては、例えば凹型円筒状などの凹面形状がある。
反射アレイ１の反射セルは、上記各実施例の構成に限定されず、例えば、ライトパイプや、ロッドレンズ等の構成としてもよい。
【００１６】
図１９は、本発明の第１６の実施例として、照明光学系に反射アレイを用いた映像表示装置の構成例を示す。本実施例は、表示素子として、反射型表示素子を用いる場合の構成例である。
図１９において、１は反射アレイ、１０は光源ユニット、６は光源部、１６はリフレクタ、２は第１のアレイレンズ、２'は第２のアレイレンズ、３ａはＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）、３ｂは１／２波長位相差板、８、８'及び２２はレンズ、１７は反射ミラー、１８ａは色分離ミラー、１４ｇ、１４ｂｒ１、１４ｂｒ２は偏光板、２３ｒ、２３ｂ、２３ｇは１／４波長位相差板、２０ｒ、２０ｂはそれぞれ、Ｒ光偏光変換用のリターダ（特定波長域偏光変換素子）、Ｂ光偏光変換用のリターダであり、１９ｇ、１９ｒｂはそれぞれ、プリズム型偏光ビームスプリッタ、１９ｒｇｂはダイクロイックプリズムもしくはプリズム型偏光ビームスプリッタである色合成プリズム（以下色合成プリズムと呼称する）、１３ｒｒはＲ光用の反射型表示素子、１３ｒｇはＧ光用の反射型表示素子、１３ｒｂはＢ光用の反射型表示素子、１２は投射レンズユニット、３１は電源回路、３２は表示素子を映像信号に基づき駆動する駆動回路、３３は映像信号を処理する信号処理回路、７は冷却用ファン、５０は、これらを備えて構成される映像表示装置である。上記第１のアレイレンズ２から１／４波長位相差板偏光板２３ｒ、２３ｂ、２３ｇまでの光学系は、上記３個の反射型表示素子１３ｒｒ、１３ｒｇ、１３ｒｂに対する照明光学系を構成する。
【００１７】
上記構成において、上記光源ユニット１０の光源部６から出た光は、リフレクタ1６にて反射集光され、上記第１のアレイレンズ２で複数の２次光源像を形成した後、反射アレイ１の反射面で反射されて第２のアレイレンズ２'に入射され、該第２のアレイレンズ２'で上記複数の２次光源像を結像し、該結像光が、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）３ａでＰ偏光光とＳ偏光光とに分離され、１／２波長位相差板３ｂにより、該Ｐ偏光光が偏光方向を回転されてＳ偏光光とされた後、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）３ａで分離された上記Ｓ偏光光と併せ、レンズ８、８'側に出射される。該ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）３ａと該１／２波長位相差板３ｂの該組み合わせは、いわゆるＳ偏光光を出射する構成の偏光変換素子３を形成する。レンズ８'を出たＳ偏光光は、さらに、反射ミラー１７に略４５゜の入射角で入射される。該反射ミラー１７で反射されたＲ光、Ｇ光及びＢ光のＳ偏光光は、レンズ２２で集光され、さらに色分離ミラー１８ａに略４５゜の方向で入射される。該色分離ミラー１８ａにおいては、Ｒ光及びＢ光のＳ偏光光は反射され、その出射光（Ｒ光及びＢ光のＳ偏光光）が偏光板１４ｂｒ１を介してＢ光偏光変換用のリターダ２０ｂに入射される。該Ｂ光偏光変換用のリターダ２０ｂでは、Ｂ光がＳ偏光光からＰ偏光光に偏光変換される。該偏光変換されたＢ光のＰ偏光光は、プリズム型偏光ビームスプリッタ１９ｒｂの分離面を透過し、１／４波長位相差板２３ｂで偏光方向を揃えられてＢ光用の反射型表示素子１３ｒｂに照射される。該Ｂ光用の反射型表示素子１３ｒｂでは、該Ｂ光のＰ偏光光が映像信号に基づいて変調されて出射され、再び１／４波長位相差板２３ｂを通って上記プリズム型偏光ビームスプリッタ１９ｒｂに入射される。該プリズム型偏光ビームスプリッタ１９ｒｂに入射された該Ｂ光のＳ偏光光の成分は、その分離面で反射され、さらに、Ｒ光用のリターダ２０ｒ及び偏光板１４ｒｂ２を通って、色合成プリズム１９ｒｇｂに入射される。該色合成プリズム１９ｒｇｂ内ではそのダイクロイック面あるいはＰＢＳ面で反射され、投射レンズユニット１２側に出射される。上記Ｂ光偏光変換用のリターダ２０ｂで偏光変換されないＲ光のＳ偏光光は、プリズム型偏光ビームスプリッタ１９ｒｂに入射されると、その分離面で反射され、１／４波長位相差板２３ｒで偏光方向を揃えられてＲ光用の反射型表示素子１３ｒｒに照射される。該Ｒ光用の反射型表示素子１３ｒｒでは、該Ｒ光のＳ偏光光が映像信号に基づいて変調されて出射され、再び１／４波長位相差板２３ｒを通って上記プリズム型偏光ビームスプリッタ１９ｒｂに入射される。該プリズム型偏光ビームスプリッタ１９ｒｂに入射された該Ｒ光のＰ偏光光の成分は、その色分離面を透過し、Ｒ光偏光変換用のリターダ２０ｒに入射され、偏光板１４ｂｒ２を通って、色合成プリズム１９ｒｇｂに入射される。該Ｒ光偏光変換用のリターダ２０ｒでは、該Ｒ光のＰ偏光光はＳ偏光光に偏光変換される。該偏光変換されたＲ光のＳ偏光光は偏光板１４ｒｂ２で偏光方向を揃えられ、該色合成プリズム１９ｒｇｂに入射される。該色合成プリズム１９ｒｇｂ内ではそのダイクロイック面あるいはＰＢＳ面で反射され、投射レンズユニット１２側に出射される。一方、上記色分離ミラー１８ａでＲ光及びＢ光のＳ偏光光と分離されたＧ光のＳ偏光光は該色分離ミラー１８ａを透過し、偏光板１４ｇに入射される。Ｇ光のＳ偏光光は、プリズム型偏光ビームスプリッタ１９ｇに入射される。該プリズム型偏光ビームスプリッタ１９ｇ内では、該Ｇ光のＰ偏光光は、その分離面で反射され、１／４波長位相差板２３ｇを経てＧ光用の反射型表示素子１３ｒｇに照射される。該Ｇ光用の反射型表示素子１３ｒｇでは、該Ｇ光のＰ偏光光が映像信号に基づいて変調されて出射され、再び１／４波長位相差板２３ｇを通って上記プリズム型偏光ビームスプリッタ１９ｇに入射される。該プリズム型偏光ビームスプリッタ１９ｇに入射された該Ｇ光のＳ偏光光の成分は、その分離面を透過し、色合成プリズム１９ｒｇｂに入射される。該Ｇ光のＳ偏光光は、さらに、該色合成プリズム１９ｒｇｂのダイクロイック面あるいはＰＢＳ面を通って、投射レンズユニット１２側に出射される。このように、Ｒ光及びＢ光のＳ偏光光と、Ｇ光のＳ偏光光とが合成されて投射レンズユニット１２に出射され、該投射レンズユニット１２により映像がスクリーン等に拡大投射され表示される。照明光学系において、上記反射アレイ１では、入射された光のうちの一部は直接出射されて第２のアレイレンズ２'及び偏光変換素子の開口に入射され、さらに加えて、従来であれば、損失となっていた光が該反射アレイ１の各反射セル内の反射面で反射され、上記反射されずに直接的に反射アレイから出射される光と併せ、第２のアレイレンズ２’及び偏光変換素子の開口に入射される。
かかる第１６の実施例構成によれば、上記各実施例で説明したと同様、反射アレイ１により、コントラスト性の確保と、一層の光利用効率の向上とが可能となり、明るい鮮明な映像を効率的に表示できるようになる。また、特に光源ユニットの小形化や、省電力化も図ることができ、装置の小形・軽量化、発熱量の低減化、長寿命化等も可能となる。
【００１８】
図２０は、本発明の第１７の実施例として、照明光学系に反射アレイを用いた映像表示装置の構成例を示す。本実施例は、表示素子としては、透過型表示素子を用いる。
図２０において、１は反射アレイ、１０は光源ユニット、６は該光源ユニット１０の光源部、１６は楕円面、放物面、非球面等の反射面を有し光源部６からの出射光を反射するリフレクタ、２は複数の微小な集光レンズより成り複数の２次光源像を形成する第１のアレイレンズ、２'は、複数の微小な集光レンズより成り該第１のアレイレンズの個々のレンズ像を結像する第２のアレイレンズ、３ａは該第２のアレイレンズ側からの光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分離するＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）、３ｂは該ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）３ａの出射光であるＰ偏光光とＳ偏光光のいずれかの偏光方向を回転するための１／２波長位相差板、８、８'、９ａ、９ｂ、９ｃ、２４ａ及び２４ｂはそれぞれ、光を集束あるいは再結像させるためのレンズ、１７、１７ａ、１７ｂ、及び１７ｃは反射ミラー、１８ｂ、１８ｃは色分離用のダイクロイックミラー、１４ｒ、１４ｇ及び１４ｂは入射側の偏光板、１４ｒ'、１４ｇ'及び１４ｂ'は出射側の偏光板、１１は色合成用のダイクロイックプリズム、１３ｔｒ、１３ｔｇ、１３ｔｂは透過型液晶パネル等の透過型表示素子、１２は拡大投射用の投射レンズユニット、７は冷却用のファン、３１は電源回路、３２は表示素子を映像信号に基づき駆動する駆動回路、３３は映像信号を処理する信号処理回路である。上記第１のアレイレンズ２から上記入射側の偏光板１４ｒ、１４ｇ、１４ｂまでの光学系は、上記透過型表示素子１３ｔｒ、１３ｔｇ、１３ｔｂに対する照明光学系を構成する。
かかる構成において、上記光源ユニット１０の光源部６から出た光は、リフレクタ1６にて反射集光され、上記第１のアレイレンズ２で複数の２次光源像を形成した後、反射アレイ１の反射面で反射されて第２のアレイレンズ２'に入射され、該第２のアレイレンズ２'で上記複数の２次光源像を結像し、該結像光が、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）３ａでＰ偏光光とＳ偏光光とに分離され、１／２波長位相差板３ｂにより、該Ｐ偏光光が偏光方向を回転されてＳ偏光光とされた後、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）３ａで分離された上記Ｓ偏光光と併せ、レンズ８側に出射される。該ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）３ａと該１／２波長位相差板３ｂの該組合せは、いわゆるＳ偏光光を出射する構成の偏光変換素子３を形成する。レンズ８'を出たＳ偏光光は、さらに、反射ミラー１７に略４５゜の入射角で入射される。偏光変換素子３では、上記とは逆に、上記偏光ビームスプリッタ３ａで分離されたＳ偏光光の偏光方向を回転してＰ偏光光とし、偏光変換素子としてはＰ偏光光を出射する構成としてもよい。本実施例の場合は、Ｓ偏光光がレンズ８に入射されるものとする。レンズ８から出射したＳ偏光光は、さらに、反射ミラー１７に略４５゜の入射角で入射され、反射により光路方向が変更される。反射されたＳ偏光光は、レンズ８'で集光されてダイクロイックミラー１８ｂに入射され、ここでＲ光（Ｓ偏光光）と、Ｇ光（Ｓ偏光光）＋Ｂ光（Ｓ偏光光）とに分離される。すなわち、Ｒ光のＳ偏光光は透過され、Ｇ光のＳ偏光光とＢ光のＳ偏光光は反射される。透過により分離されたＲ光のＳ偏光光は反射ミラー１７ａに入射される。該反射ミラー１７ａにおいて、赤外線は透過されて除去され、Ｒ光のＳ偏光光は反射されてレンズ９ａに入射される。該レンズ９ａから出たＲ光のＳ偏光光は、入射側偏光板１４ｒで偏光方向を揃えられてからＲ光用の透過型表示素子１３ｔｒに照射される。透過型表示素子１３ｔｒでは、該Ｒ光のＳ偏光光が透過時に映像信号に基づいて変調され出射される。透過型表示素子１３ｔｒを出たＲ光のＰ偏光光は出射側の偏光板１４ｒ'を透過し、ダイクロイックプリズム１１に入射され、そのダイクロイック面１１ｒで反射されて投射レンズユニット１２に入る。Ｒ光のＳ偏光光は偏光板１４ｒ'にて吸収される。一方、ダイクロイックミラー１８ｂにおいて反射により分離されたＧ光とＢ光のＳ偏光光はダイクロイックミラー１８ｃに入射され、ここで、反射されるＧ光（Ｓ偏光光）と透過されるＢ光（Ｓ偏光光）とに分離される。該分離されたＧ光のＳ偏光光は、レンズ９ｂ、入射側の偏光板１４ｇを経て、Ｇ光用の透過型表示素子１３ｔｇに照射される。透過型表示素子１３ｔｇでは、該Ｇ光のＳ偏光光が透過時に映像信号に基づいて変調され、出射される。透過型表示素子１３ｔｇを出たＧ光のＰ偏光光の成分は出射側の偏光板１４ｇ'を透過し、ダイクロイックプリズム１１に入射され、そのダイクロイック面１１ｒ、１１ｂを透過して投射レンズユニット１２に入る。Ｇ光のＳ偏光光は偏光板１４ｇ'で吸収される。また、上記ダイクロイックミラー１８ｃを透過したＢ光のＳ偏光光は、レンズ２４ａで集光され、反射ミラー１７ｂに入射される。該反射ミラー１７ｂにおいて、紫外線分は透過されて除去され、反射されたＢ光のＳ偏光光はレンズ２４ｂ側に出射される。レンズ２４ｂを出たＢ光のＳ偏光光は反射ミラー１７ｃに入射される。該反射ミラー１７ｃにおいても、Ｂ光の紫外線分は透過によって除去される。該反射ミラー１７ｃで反射されたＢ光のＳ偏光光はレンズ９ｃに入射される。該レンズ９ｃから出たＢ光のＳ偏光光は、入射側の偏光板１４ｂで偏光方向を揃えられてからＢ光用の透過型表示素子１３ｔｂに照射される。該透過型表示素子１３ｔｂでは、該Ｂ光のＳ偏光光が映像信号に基づき変調されて出射される。透過型表示素子１３ｔｂを出たＢ光のＰ偏光光は出射側の偏光板１４ｂ'を透過し、ダイクロイックプリズム１１に入射され、ダイクロイック面１１ｂで反射されて投射レンズユニット１２に入る。Ｂ光のＳ偏光光は偏光板１４ｂ'で吸収される。このように、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光それぞれのＰ偏光光が合成されてダイクロイックプリズム１１から投射レンズユニット１２に出射され、該投射レンズユニット１２により映像がスクリーン等に拡大投射され表示される。本構成はこれに限るものではなく、Ｇ光はＰ偏光光で、Ｒ光、Ｂ光は１／２波長位相差板を利用し、Ｓ偏光光としてダイクロイックプリズム１１に入射する場合もある。なお、上記照明光学系の光学要素のうちダイクロイックミラー１８ｂ、１８ｃ、上記ダイクロイックプリズム１１、及び出射側偏光板１４ｒ'、１４ｇ'、１４ｂ'は、投射型映像表示装置の色分離合成系を形成する。
かかる第１７の実施例の構成によれば、上記第１６の実施例で説明したと同様、反射アレイ１により、コントラスト性の確保と、一層の光利用効率の向上とが可能となり、明るい鮮明な映像を効率的に表示できるようになる。また、光源ユニット側の小形化や省電力化に基づき、装置全体の小形・軽量化、発熱量の低減化、長寿命化等も図ることができる。
【００１９】
図２２、図２３は、偏光板、ＰＢＳ及び表示素子のコントラスト特性の測定結果例である。図２２は測定方法で、（ａ）は偏光板のコントラスト特性測定方法、（ｂ）はＰＢＳのコントラスト特性測定方法、（ｃ）は表示素子のコントラスト特性測定方法を示し、図２３は測定結果で、（ａ）は偏光板のコントラスト特性の測定結果、（ｂ）はＰＢＳのコントラスト特性の測定結果、（ｃ）は表示素子のコントラスト特性の測定結果を示す。
図２２において、１０１は測定用光源、１０２、１０２'は測定用偏光板、１０３は測定用受光器、１４は偏光板、１９はＰＢＳ、１３ｔは表示素子、２６は駆動回路である。図２２（ａ）において、先ず、測定用光源１０１から光を出射する。光源１０１後に開口を設けることによる測定物に入射する光の広がりは略Ｆ２０である。その後に、測定用偏光板１０２を、Ｐ偏光光が透過するように透過軸を合わせて配置する。その後に、試料の偏光板１４を配置し、図の方向に回転させて測定する。光は、偏光板１４を透過して測定用受光器１０３に入射し、これにより、透過してきた光の明るさを測定する。偏光板１４の透過軸をＳ偏光光透過とＰ偏光光透過の２つのモードで測定し、各回転角で、両者の測定値の比をとってコントラストを求める。また、図２２（ｂ）において、ＰＢＳについては、試料としてのＰＢＳ１９を、Ｐ偏光光を透過する状態にし、その透過して測定用受光器１０３に入射する光の明るさを測定する。ここで、吸収は無視できるものとし、１−透過率＝反射率、として、透過率と反射率の比をコントラストの比とする。また、図２２（ｃ）において、表示素子１３ｔについては、表示素子１３ｔの後に、Ｐ偏光光を透過する偏光板１０２’を配置し、駆動回路２６により表示素子１３ｔを駆動し、全白、全黒表示状態での測定値の比をコントラストとする。
【００２０】
図２３において、偏光板のコントラスト特性測定結果（（ａ））、ＰＢＳのコントラスト特性測定結果（（ｂ））、表示素子のコントラスト特性測定結果（（ｃ））とも、入射光線角度を横軸にとり、最大値を１とした相対コントラスト値を縦軸にとって示してある。本測定結果によると、偏光板、ＰＢＳ及び表示素子は角度特性を有しており、入射角の大きい光線に対しては、コントラストが劣化する。本発明では、反射アレイ１を用いて入射角を小さく抑えることが可能なため、上記各実施例において、高コントラストの範囲で光学ユニットや映像表示装置を構成する。図１９の映像表示装置においては、各反射型液晶表示素子１３ｒ、１３ｇ、１３ｂの直前に配置した１／４波長位相差板２３ｒ、２３ｇ、２３ｂを回転調整することによって、コントラストを向上させることも可能である。
【００２１】
図２４はマイクロレンズを有する透過型液晶表示素子における照射光透過の説明図である。本図はマイクロレンズの１セル分を示す。
図２４において、２７は画素毎に設けられたマイクロレンズ、２８は液晶層を駆動するトランジスタ等の遮光部である。液晶層を駆動するトランジスタを画素毎に設けた構成においては、これが、光路上にあるため、表示素子の開口が狭くなる。このため、該開口で光が遮断され、損失が大きくなる。マイクロレンズ２７は、光を各画素の開口部に集光し、該開口における光の遮断量を少なくするために設けられる。マイクロレンズ２７のセルからの出射光は集光されて開口を通過する。ここで、マイクロレンズ２７は、その特性上、入射角の小さい光線４ｂは遮光部２８を通過させるが、入射角の大きい光線４ｃは、遮光部により遮断されて損失光となる。このため、マイクロレンズ２７を用いた構成においても、入射光中に、大きい角度成分の光が多い場合は、光の利用効率が低下する。本発明では、反射アレイ１を用いて入射角を小さく抑えることが可能なため、この場合にも、上記大きい角度成分の光の量を減らして、光の利用効率を向上させることができる。
【００２２】
上記図１９、図２０の実施例では、表示素子を３個用いる３板式の装置構成としたが、本発明はこれに限定されず、表示素子を１個用いる単板式の装置構成であってもよいし、２個用いる２板式の装置構成であってもよい。また、装置構成の他の部分についても、本発明は、上記図１９、図２０の構成に限定されない。
【００２３】
なお、特許請求の範囲に記載の発明に関連した発明で、上記実施例に記載してある発明としては、（１）反射アレイの反射手段をライトパイプで形成する構成、（２）反射アレイの反射手段をロッドレンズで形成した構成、（３）反射アレイの反射手段の開口部を、偏光変換素子から出射される偏光光の量が略最大となる大きさとした構成、（４）反射アレイを構成する反射セルを相互に接着した構成、（５）アレイレンズを偏心させた構成、等がある。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、コントラスト性を確保した状態で、光利用効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図２】図１の構成の断面図及び反射アレイ単体図である。
【図３】Ｆ値の大小と、アレイレンズと表示素子の写像関係の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図５】図４の構成における第２のアレイレンズ上の光源像の説明図である。
【図６】本発明の第３の実施例を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施例を示す図である。
【図８】本発明の第５の実施例を示す図である。
【図９】本発明の第６の実施例を示す図である。
【図１０】本発明の第７の実施例を示す図である。
【図１１】本発明の第８の実施例を示す図である。
【図１２】本発明の第９の実施例を示す図である。
【図１３】本発明の第１０の実施例を示す図である。
【図１４】本発明の第１１の実施例を示す図である。
【図１５】本発明の第１２の実施例を示す図である。
【図１６】本発明の第１３の実施例を示す図である。
【図１７】本発明の第１４の実施例を示す図である。
【図１８】本発明の第１５の実施例を示す図である。
【図１９】本発明の第１６の実施例を示す図である。
【図２０】本発明の第１７の実施例を示す図である。
【図２１】従来の光学ユニットの構成例を示す図である。
【図２２】コントラストの測定方法の説明図である。
【図２３】コントラストの測定結果例を示す図である。
【図２４】マイクロレンズを用いた表示素子における光透過状態の説明図である。
【符号の説明】
１…反射アレイ、 ２…第１のアレイレンズ、 ２’…第２のアレイレンズ、３…偏光変換素子、 ３ａ…偏光ビームスプリッタ、 ３ｂ…１／２波長位相差板、 ７…冷却ファン、 ８、８'、２２、９ａ、９ｂ、９ｃ、２４ａ、２４ｂ…レンズ、 １０…光源ユニット、 １１…ダイクロイックプリズム、 １２…投射レンズ、 １３ｒｒ、１３ｒｇ、１３ｒｂ…反射型表示素子、 １３ｔｒ、１３ｔｇ、１３ｔｂ…透過型表示素子、 １４ｂｒ１、１４ｂｒ２、１４ｒ、１４ｇ、１４ｂ、１４ｒ'、１４ｇ'、１４ｂ'…偏光板、 １７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…反射ミラー、 １８ｂ、１８ｃ…ダイクロイックミラー、 １９ｇ、１９ｒｂ…プリズム型偏光ビームスプリッタ、 １９ｒｇｂ…色合成プリズム、 ２０ｒ、２０ｂ…リターダ（特定波長域偏光変換素子）、 ２３ｒ、２３ｂ、２３ｇ…１／４波長位相差板、 ３１…電源回路、 ３２…駆動回路、 ３３…信号処理回路。

Claims (1)

1. 光源側からの光を照明光学系により表示素子に照射し映像信号に応じた光学像を形成する映像表示装置用の光学ユニットであって、
   上記照明光学系が、
   複数の集光レンズが平面的に配され各レンズが２次光源像を形成して光束断面における照度分布を均一化する第１のアレイレンズと、
   複数の集光レンズが平面的に配され上記第１のアレイレンズの個々のレンズ像を結像する第２のアレイレンズと、
   上記第１、第２のアレイレンズ間にあって該第２のアレイレンズの近傍に配され、該両アレイレンズ間距離の１／２以下の長さ寸法を有し、該両アレイレンズの複数の集光レンズに対応した複数の反射手段を有し、該反射手段の反射面は凹状の曲面を有して構成され、該反射面により該第１のアレイレンズからの出射光を反射して光路方向を変え該第２のアレイレンズに入射させる反射アレイと、
   偏光ビームスプリッタと１／２波長位相差板を有して成り、上記反射アレイで反射され上記第２のアレイレンズを通った光を偏光変換し偏光方向の揃った偏光光として出射する偏光変換素子と、
   該偏光変換素子からの光を集光するレンズと、
   を備えた構成を特徴とする光学ユニット。

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