JP4174931B2 - 照明装置と投射型表示装置 - Google Patents

Description

【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照明装置と、この照明装置を備えた投射型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投射型表示装置は、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、カラ一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一ン等に拡大投影される。
【０００３】
ところで、このような光学系では、光源としてその演色性の良さから超高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等が多く用いられる。
しかし、これらの光源は理想的な点光源とはならないため、これらの光源から射出された光束は大きな発散角を有する。
一方、本発明が適応されるような光学系に用いられる照明光学系には、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、前述のように一般に用いられている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投射型表示装置の例を図１０にしたがって説明する。
光源３には放物面鏡３ａの焦点位置に例えば超高圧水銀ランプ３ｂが配置されており、所定の発散角を有する光束がその開口から射出される。
そして、光源３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５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１に導かれる。
【０００５】
この第１光学ブロック１は、光変調素子（光空間変調素子）である液晶表示パネル４５、４９、５３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２１ａが格子状に配列されている第１レンズアレイ２１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１の後方に配置される第２光学ブロック２の第２レンズアレイ２３は、入射側に複数の凸状のセルレンズ２３ａ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２３ｆを有している。
また、第２レンズアレイ２３と液晶表示パネル４５、４９、５３の有効開口の間には、光源３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一１４、２７が配置されている。
この図に示す例では、まずダイクロイツクミラ一１４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一１４で反射された赤色光Ｒは、ミラ一１５により進行方向を９０度曲げられてコンデンサレンズ５１で収束されて赤色用液晶表示パネル５３に入射する。
【０００７】
一方、ダイクロイツクミラ一１４を透過した緑色光Ｇ、及び青色光Ｂはダイクロイツクミラ一２７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度曲げられてコンデンサレンズ４７を介して緑色用液晶表示パネル４９に導かれる。そして青色光Ｂはダイクロイックミラ一２７を透過して直進し、リレーレンズ２９，３３、コンデンサレンズ４３、ミラ一３１、３５を介して青色用液晶表示パネル４５に導かれる。
【０００８】
液晶表示パネル４５、４９、５３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４５，４９，５３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４１によって合成されることになる。 このダイクロイツクプリズム４１では赤色光Ｒは反射面４１ａで、また青色光Ｂは反射面４１ｂで投写レンズ１３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４１ａ、 ４１ｂ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１３によってスクリーン１０２に拡大投影される。
【００１０】
次に、第１光学ブロック１と第２光学ブロック２のレンズアレイ２１、２３の構成について図１１〜図１２にしたがい、さらに詳しく説明する。
まず、図１１は主に第１光学ブロック１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２１の各々のセルレンズ２１ａによって分割され、第１光学ブロック１を射出した後、第２光学ブロック２の近傍において第１レンズアレイ２１の各々のセルレンズ２１ａに対応した像を作る。その後、光束は第２レンズアレイ２３の凸面２３ｆにより第２集光成分となるコンデンサレンズ４７へ導かれる。そのコンデンサレンズ４７によって図１０に示した投射レンズ１３の瞳の近傍に光源の像が再結像される。
なお、４１はダイクロイックプリズム、４９は液晶表示パネルを示す。
【００１１】
図１２は主に第２光学ブロック２による光束の形成例を示しており、第２レンズアレイ２３は、そのそれぞれのセルレンズ２３ａの外形寸法と第１レンズアレイ２１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２３ｆで第２集光成分であるコンデンサレンズ４７へ導かれ、前記第１集光成分と前記第２集光成分で合成した合成集光成分により液晶表示パネル４９を効率よくかつ均一に照射する。
【００１２】
以上のように例えば光源から射出され第２集光成分であるコンデンサレンズ４７に導かれた光束は、前後に偏光板を有する液晶表示パネル４９で変調された後、例えばダイクロイツクプリズム４１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２３ｆを経由して第２集光成分であるコンデンサレンズ４７に入射する光は、先に示したように途中で図示しないダイクロイックミラ一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を示している。
図１０に示したダイクロイツクプリズム４１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４１ａ、４１ｂを介して貼り合わせて形成されている。
【００１３】
図１０，図１１は 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、ダイクロイックプリズム４１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４９で変調された緑色光Ｇは、ダイクロイツクプリズム４１をそのまま透過し、ダイクロイツクプリズム４１に入射した赤色光Ｒは反射面４１ａで、入射した青色光Ｂは反射面４１ｂでそれぞれ反射する。つまり、ダイクロイックプリズム４１によってＲＧＢ各光が合成され、力ラ一映像信号が生成され、投写レンズ１３に入射する。
【００１５】
このように、凸状のセルレンズ２１ａ、 ２３ａが格子状に配列された第１，及び第２のレンズアレイ２１、２３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４５（４９，５３）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】
図１３（ａ、ｂ）は第１レンズアレイ２１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）と第２レンズアレイ２３のセルレンズ２３（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）の一例を示しており、例えば１６：９に設定されている。このセルレンズ２１（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）のアスペクト比は、光変調素子である図１０の液晶表示パネル４５，４９、５３のアスペクト比、及び図１０のスクリーン１０２のアスペクト比と概略一致させている。
【００１７】
次に図１４を用いて取り込み可能な発散角と、第１、第２レンズアレイ間隔及び第２レンズアレイのセルレンズサイズの関係を述べる。
図１４に示すように第２レンズアレイのセルレンズ２３のサイズをｙ、第１、第２レンズアレイ間隔をｌとすると、結像位置に配置されている第２のセルレンズ２３に取り込み可能な発散角θはＴａｎθ ＝ｙ／ｌとなる。このように第１、第２レンズアレイのみで構成されている場合は、第１、第２レンズアレイ間隔と第２レンズアレイのセルレンズサイズｙのみで取り込み可能な発散角θが決定される。
【００１８】
ところで、光源から出射された光を効率よく液晶表示パネル４５に照射するために一般的用いられるものに偏光変換素子がある。
図１５は、偏光変換素子６０を使用したときの照明光学系を示している。
この図において光源３から出射された光は、第１レンズアレイで構成される第１の光学ブロック１を通過して偏光変換素子６０に照射され、さらに第２レンズアレイによって構成される第２の光学ブロック２によってコンデンサレンズ４７に向かって射出される。
偏光変換素子６０は後で述べるように、偏光ビームスプリッタと反射面、さらに偏光方向を変換するためのλ／２板とからなり、光源から射出されたランダムの偏光面を有する光が偏光ビームスプリッタに所定の角で入射することによりＰ偏光波は透過し、Ｓ偏光波は反射面によって再度光軸方向に反射され、再び光軸に沿って進行する。この分離されたＰ偏光あるいはＳ偏光のどちらか一方の光路上にλ／２板を配置する事により片方の偏光面のみを回転させることが出来、全ての偏光面を一致させることが出来る。
【００１９】
偏光変換素子６０から射出される偏光面の揃った光を用い液晶表示パネル４９を照射することにより、従来偏光板によって吸収されてしまっていた光を有効に利用し、光源から射出された光を効率よく液晶表示パネルに照射することが出来るようになっている。
【００２０】
このような偏光変換素子６０を配置する場所としては、光源と前記第１光学ブロックの間、あるいは前記第２光学ブロック２の近傍等が考えられるが、図１５に示すように光利用効率の点から第２光学ブロック２の近傍に配置するのが望ましい。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
前述の様な超高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等を光源として用いている照明光学系において、前記光源３から射出される光束を効率よく利用するためには、ランプの持つ所定の発散角の光束、例えば、放物面鏡で平行光線とならないような発散角を持った光も効率良く取り込むことが好ましい。
この発散角の取り込みを制御しているのが前述の様に第１レンズアレイと第２レンズアレイの間隔と、第２レンズアレイのセルレンズのサイズである。
【００２２】
ところで、光源から射出された光束を効率良く利用するためには図１５、及び後述する図１６に示すように、前述の偏光変換素子６０を第２レンズアレイの近傍に配置することが必要である。その結果図１６に示すように第２レンズアレイ近傍に複数の閉口制限が生じ、取り込める発散角に制限が生じる。さらに偏光変換素子の偏光ビームスプリツタによって反射されるＳ偏光は、偏光ビームスブリッタと反射面によって光路を折曲げられるため、偏光ビームスブリッタを透過するＰ偏光の光路長に比べ長くなる。このため、Ｐ光路とＳ光路では取り込める発散角に差が生じる。その結果、Ｐ光路あるいはＳ光路のどちらかの光路で充分な発散角が取り込めなくなる。このことは、光学系の光利用効率の悪化を招く。
【００２３】
以下、この点を図１６を参照して詳細に説明する。
第２レンズアレイの１個のセルレンズ２３ａ前に偏光変換素子６０を配置すると、例えば、図の様にセルレンズのサイズが第１レンズアレイのセルレンズ２１ａの半分近くになる。さらに第２レンズアレイのセルレンズ２３ａの開口以外に偏光変換素子６０により複数の開口が生じ、この複数の開口によって取り込み可能な発散角に制限が生じる。
例えば、偏光変換素子６０の最も第１レンズアレイ側にある開口上に第１レンズアレイのセルレンズの結像位置ｆを設定すると、図１６（ａ）に示すように最大開口に入射する発散角θ１の光の中で光学系を通過できる光束はＡの領域の光束のみとなる。
次に、最も偏光変換素子６０の液晶表示パネル側にある開口上に第１レンズアレイのセルレンズに対応して結像位置ｆを設定すると、図１６（ｂ）に示すように最大開口に入射する発散角θ２のうち光学系を通過できる光束はＢ、Ｃの領域の光束のみとなり、斜線の領域の光は透過できないことになる。
この場合、偏光変換素子６０を通過する光路が短かいときは、図１６（ｃ）のように、偏光変換素子６０の液晶パネル側に近いほうに第１レンズアレイのセルレンズ２３ａに対応して結像位置を設けると、通過しない光の発散角θ３となるが、依然として領域Ａの光は偏光変換素子６０を通過することができない。
【００２４】
このように、第１レンズアレイを通過する一部の光束だけを用いた照明光学系では、光路長によって発散角の取り込みが異なるので、液晶表示パネル上での照度むらや、第１の集光成分の液晶表示パネル側に配置されるダイクロイツクミラーへの入射光線の偏りにより、液晶表示パネル上での色むらを生じる。
よって有効に利用できる光束は第１レンズアレイの全面を通過し、偏光変換素子、及び第２のレンズアレイを通過できる○印の光束であり、水銀ランプやメタルハロイドランプ等を光源とする照明工学系では、このような光束を効率よく取り込む事が必要になる。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、例えば液晶パネル等の表示デバイスに対して効率よく光を照射する光学系を実現するものである。
【００２６】
本発明の照明装置では、表示装置を形成する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。
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の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レンズアレイと偏光変換素子によって形成される。この第２レンズアレイは、複数のセルレンズを有しており、第１光学ブロックの第１レンズアレイに対応している。
偏光変換素子は入射された光線をｐ波偏光成分と、ｓ波偏光成分に分離するための偏向ビームスプリッタと、反射板、及び１／２λ板が備えられ、偏向ビームスプリッタを透過して出力側開口から出射される光路長の短い方の例えばｐ偏光波成分と、偏光ビームスプリッタ、及び反射板によって反射された光路長の長い方の例えばｓ偏光波成分を同じ出力開口の位置から出射するようにしている。
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に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１レンズアレイの結像位置ｆは前記偏光変換素子によって分離されるｐ偏光とＳ偏光の各々の光路のうち、
前記第１レンズアレイを構成するセルレンズの一方の端部から、前記偏光変換素子の入射側開口の端部を結び、かつ、前記偏光変換素子を通過して出射側の開口に到達する長い光路長の入射光線（Ｂ）と、
、前記第１レンズアレイを構成するセルレンズの他方の端部から、前記偏光変換素子の入射側開口を通過して該偏光変換素子の出射側開口の位置Ｙの端部を結ぶ短い光路長の入射光線（Ａ）が交差する位置を、前記第１のレンズアレイの結像位置（ｆ）となるように設定した。
これにより前記したような光学系において最大の発散角の取り込みが可能となり、Ｓ偏光波とＰ偏光波の光路の取り込み角の差も小さくすることができ光源から射出される光束を有効に利用出来る。
【００２７】
【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種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。
【００２８】
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射型表示装置を備える投写型テレビジョンセツト１００を示す外観図であり、図２は、図１の投射型表示装置１を備える液晶方式の背面投写型テレビジョンセツト内部を示しており、液晶プロジェクタ装置ともいう。
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、テレビジョンセツト１００はキャビネット１０１、スクリーン１０２、ミラー１０３、そして投射型表示装置１０を内蔵している。
投射型表示装置１０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、ユーザーがスクリーン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。
【００２９】
以下の実施の態様に説明においては、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。
投射型表示装置１は図３に示すように光源３及び投射レンズ１３を有している。光源３と投写レンズ１３は、光学装置１１本体に着脱可能に取り付けられている。
【００３０】
光源３は、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）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。
【００３１】
次に、図３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５、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５、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。
【００３２】
第１光学ブロック１の第１レンズアレイ２１と第２光学ブロック２の第２レンズアレイ２３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５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。第２光学ブロック２の偏光変換素子６０は光源から射出されるランダムな偏光の光束を単一の偏光方向の光束に変換するためのものである。
フィルター５、第１光学ブロック１と第２光学ブロック２を通った光ＬＰは、先にも述べたように赤色光（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。
【００３３】
直進する光軸ＯＰに沿って、ダイクロイツクミラー１４、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に沿っては、ダイクロイツクミラ一１４に対応してミラー１５が配列されている。そしてコンデンサレンズ（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。
【００３４】
ダイクロイツクミラー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。
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、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。
【００３５】
これらの液晶表示パネル５３，４９、４５に対応して、ダイクロイツクプリズム（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。このダイクロイツクプリズム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１４，２７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。
【００３６】
図３の光ＬＰの赤色光（Ｒ）は、ダイクロイツクミラ一１４で反射されてミラー１５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１４を透過して、ダイクロイツクミラー２７側に送られる。緑色光（Ｇ）は、このダイクロイツクミラー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−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。
ミラー１５で反射された赤色光（Ｒ）は、コンデンサレンズ５１及び、液晶表示パネル５３を通過ししてダイクロイックプリズム４１に供給される。
【００３７】
次に、図３に示すダイクロイツプリズム４１について説明する。このダイクロイツクプリズム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。このダイクロイツクブリズム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。
このダイクロイツクプリズム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。
【００３８】
次に、図３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５を通って不要光線（赤外と紫外線）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１４で反射されて、ミラー１５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、ダイクロイツクプリズム４１の光学薄膜４１ａで反射される。
【００３９】
一方、光ＬＰの緑色光Ｇと青色光Ｂの成分は、ダイクロイックミラー１４を通り、そのうちの緑色光Ｇがダイクロイツクミラ−２７で反射されてコンデンサレンズ４７、液晶表示パネル４９を通りダイクロイツクプリズム４１の光学薄膜４１ａ、４１ｂを通る。
ダイクロイツクミラー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、ダイクロイツクプリズム４１の光学薄膜４１ｂで反射する。
【００４０】
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。
【００４１】
図４（ａ）は本発明に採用することができる偏光変換素子６０の概要を示したものであり、第１レンズアレイの一つのセルレンズ２１ａを通過した光に対応する部分の構成のみが示されている。
この図において偏光変換素子６０は光源から照射された無偏光の光（ランダム光）の中でＰ偏光波成分を透過し、ｓ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタ６１と、反射されたｓ偏光成分を反射する反射面６２と、この反射面６２で反射されたｓ偏光成分をｐ偏光成分に偏光する1/2λ板６３を備えている。
なお（ｂ）の場合は偏光プリズムの代わりにビームスプリッタ６１、反射板６２，1/2λ板が板状の光学素材によって幾何学的に形成されており、板状の部材で構成されることによって、偏光素子を低コスト化できるようにしたもので、本質的に（ａ）の場合と同一の光偏光処理を行うものである。
【００４２】
図５は本発明の照明装置において採用されている第１レンズアレイの一つのセルレンズの焦点位置を説明する概要図である。
この図において２１ａは第１レンズアレイの１個のセルレンズを示し、２３ａは、前記第１セルレンズ２１aに対応する第２レンズアレイの１個のセルレンズを示す。
６０は前記図４で示したように一つのセルレンズに対応した偏光変換素子の部分を示し、入射開口の位置ｘと、出射開口の位置ｙと、前記偏光変換素子で述べたときの偏向ビームスプリッタ６１や、反射板６２等の入射開口制限となるような位置ｚを便宜的に示している。
例えば、図５（ａ）のように最も偏光変換素子６０の第１レンズアレイ側にある開口ｘ上に第１セルレンズ２１ａの結像位置ｆを設定している短い光路長の場合、偏光変換素子６０、および、偏光変換素子に近接して配置されている第２セルレンズ２３ａを通過出来る最大発散角θ１の光束は、図５（ａ）に例示すように第１セルレンズ２１ａのセルレンズ開口の一端である最下端ｐ１と、最も液晶表示素子側に位置する出力側の開口部の位置ｙの最上端ｐＡを結んだ光線（Ａ）となり、最も第１レンズアレイ側にある開口側の位置ｘとの交点はｐｓとなる。
したがって、この交点ｐｓと第１セルレンズの中心を結んだ光線ｓと、光軸のなす角θ１が、Ｐ１側から入射される発散光の場合の最大取り込み発散角θ１となり、同一の光学路の場合は、前記結像位置ｆを出射側の開口に近づけるほど発散角θ１を大きくすることができる。
【００４３】
次に、最も液晶表示素子側に位置する偏光変換素子６０の開口の位置ｙに第１レンズアレイの結像位置ｆを設定する長い方の光路長では、入射光が偏光変換素子６０を通過して偏光変換素子の入射の開口Ｘ、および出射側の開口位置Ｙに近接して配置されている第２レンズアレイを通過出来る最大発散角の光束は、図５（ｂ）に示すように第１レンズアレイのセルレンズ開口の最上端ｐ２と最も第１レンズアレイ側にある開口の位置ｘの最上端ｐ２を結んだ光線（Ｂ）となり、この光線（Ｂ）の延長線上にある最も液晶表示素子側に位置する出力側の間口位置ｙの交点はｐＬとなる。
そして、この交点ｐＬと第１レンズアレイのセルレンズ２１ａの中心を結んだ光線Ｌと、光軸の成す角θ２が、セルレンズアレイ２１ａの他方の端部となっているＰ２から入射される発散光の場合の最大取り込み発散角θ２となる。
そして、この場合は、結像位置ｆを入射側の開口に近づけるほど発散角θ２を大きくすることができる。
【００４４】
以上より、図５（ｃ）に示すように、このような構成において最も大きな発散角θ３を取り込むためには、前記光線Ａと光線Ｂの交点に第１レンズアレイのセルレンズ２１ａの結像位置ｆを設定する事が望ましい。
ｐ偏光波が偏光変換素子内を通過して直接出射される最短光路を入射側の開口位置Ｘ、ｓ偏光波が偏光変換素子６０内で反射して出力される最大の光路長を出射側の開口Ｙとすると、結像位置ｆは、前記偏光変換素子６０によって分離されるＰ偏光とＳ偏光の各々の光路のうち、ｐ偏光波に対応する短い光線Aの光路長をＳ、ｓ偏光波に対応する光線Ｂの最大光路長をＬとして
Ｓ＜ｆ＜Ｌ
の範囲内となる。
【００４５】
図６は上記実施例が偏光変換素子６０を第２レンズアレイ２３ａの光源側に設けたのに対して、偏光変換素子６０を光変調素子となる液晶パネル４９側に設けた場合を示す。
すなわち、第２光学ブロック２が２枚の分割されているレンズアレイ２３ａと２３ｆによって構成されており、その中間に偏光変換素子６０が設けられている場合を示す。
このような光学系は、図５に示すように第２レンズアレイを点線で示す位置に配置し、このレンズアレイ２３の集光面２３ｆが偏光変換素子６０の出口側に位置することになるが、この場合も、偏光変換素子６０の入射面に近接して第２レンズアレイが配置されておれば、図５の光路長と大きな変化がないので、光源３から出射された光は、第１光学ブロック１を形成する第１レンズアレイ２１の結像位置ｆは
Ｓ＜ｆ＜Ｌ
となり、図５（ｃ）で説明したように、このような構成において最も大きな発散角θ３を取り込むためには、前記光線Ａと光線Ｂの交点に第１レンズアレイのセルレンズ２１ａの結像位置ｆを設定する事が望ましい。
【００４６】
図７は本発明のダイクロイックプリズム４１の他の実施例を示したものである。
この図で図３で示したダイクロイックプリズムの部分と同一の符号は同一の部材を有するものである。
このような色合成プリズムを使用しても本発明の本質的な効果に何らの変更を与えるものではない。
【００４７】
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８のようないわゆるスクリーン１０２の前面側から投射型表示装置１で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ブロジェクタ等にも本発明は適用できる。
【００４８】
図９は本発明の表示装置としての他の例を示したもので、図３と同一部分は同一符号とし、その詳細な説明を省略する。この図においては色合成プリズムが図７で示したようなダイクロイックプリズム構成のものが使用されている他に、偏光変換素子６０として図４（ｂ）に示したような板状の偏光板を使用する場合を示している。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、偏光変換素子等を使用して効率的に液晶表示パネルに照射される光を形成するような照明系において、光源側に配置されている第１のレンズアレイの各焦点位置をＳ＜ｆ＜Ｌとなるように設定すると共に、この焦点位置ｆの最適点が 第１のセルレンズの両端部と、前記偏向変換素子の出射側端部、及び入射側の端部を結ぶ２本の光線 (A) （ B ）の交点となるように設定しているので、光源から出射される光束の中で有効に取り込める発散角の光を大きくすることができ、光量のロスや光量のむらを防いで均一な結像性能を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が適応可能な投写型テレビジョンセットの概要を示す斜視図である。
【図２】 投写型テレビジョンセットの内部構造を示す側面図である。
【図３】 投射型表示装置の光学素子の配置の一例を示す図である。
【図４】 偏光変換素子の内部構造を光学路によって示した模式図である。
【図５】 光源から第１，第２セルレンズアレイ、及び偏光変換素子の各開口を通過することができる光束を取り込むことができる時の発散角の説明図である。
【図６】 偏光変換素子が第２レンズアレイの液晶表パネル側に位置しているときの照明装置の説明図である。
【図７】 ダイクロイックプリズムの他の実施例を示す平面図である。
【図８】 映像を直接スクリーンに投影するフロンタイプの表示装置の模式図である。
【図９】 本発明の投射型表示装置となる他の実施例の光学配置図である。
【図１０】 従来の投射型表示装置の光学素子の配置を説明する図である。
【図１１】 光源を表示パネルに照射するときの光学素子の配置図を示す。
【図１２】 第１，及び第２セルレンズアレイによって制限される光束の発散角の説明図である。
【図１３】 第１，第２セルレンズの外形を示す平面図である。
【図１４】 第１，及び第２のセルレンズによって制限される光束の説明図である。
【図１５】 偏光変換素子と第１，お及び第２レンズアレイの配置図を示す
【図１６】 セルレンズアレイの焦点位置によって取り込めない光が生じることを示す説明図である。
【符号の説明】
３ 光源、２１ 第１レンズアレイ、２３ 第２レンズアレイ、 ６０ 偏光変換素子

Claims (3)

1. 光源と、
   この光源からの光束が照射される複数の第１セルレンズを有する第１のレンズアレイと、
   前記第１セルレンズで収束された光に対応し、その大きさが前記第１セルレンズアレイの 1/2 とされている複数の第２のセルレンズを有する第２レンズアレイと、
   前記第２のレンズアレイの光源側に近接して配置され、
   前記第１のレンズアレイから入射された光線をｐ偏光波成分とｓ偏光波成分に分離する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタを透過したｐ偏光波成分を直接、出射側開口となる位置まで導出する短い光路長と、
   前記偏光ビームスプリッタによって反射されたｓ偏光波成分を再反射し、 1/2 λ板を介してｐ偏向波として出射側開口となる位置まで導出する長い光路長が形成されている偏光変換素子とを備え、
   前記第１レンズアレイを構成するセルレンズの一方の端部から、前記偏光変換素子の入射側開口の端部を結び、かつ、前記偏光変換素子を通過して出射側の開口位置に到達する前記長い光路長の入射光線と、
   、前記第１レンズアレイを構成するセルレンズの他方の端部から、前記偏光変換素子の入射側開口を通過して該偏光変換素子の前記出射側開口の位置の端部を結ぶ前記短い光路長の入射光線が交差する位置を、前記第１のレンズアレイの結像位置となるように設定したことを特徴とする照明装置。
2. 上記複数のセルレンズは光変調素子と相似の形状に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 上記請求項２に記載の照明装置から出力される光を３原色に分離し、各原色光をそれそれ映像信号によって変調する光変調素子を介してスクリーンに投影することを特徴とする投射型表示装置。

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