JP5034132B2

JP5034132B2 - 投写型表示装置

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Publication number: JP5034132B2
Application number: JP2010548301A
Authority: JP
Inventors: 裕之斉藤
Original assignee: NEC Display Solutions Ltd
Current assignee: Sharp NEC Display Solutions Ltd
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2029-01-29
Also published as: JPWO2010086984A1; US20110279780A1; WO2010086984A1

Description

本発明は、投写型表示装置に関するものであり、特に、投写型表示装置の照明光学系に関するものである。

投写映像を高輝度化するために、２灯以上の光源ランプを備えた投写型表示装置がある。かかる投写型表示装置における照明光学系の構成について図６に参照しながら説明する。図６に示す照明光学系では、２灯の光源ランプ２０１、２０２のそれぞれから発せられる光を合成するために楕円鏡（リフレクタ）と合成用ミラーとが用いられている。具体的には、第１のリフレクタ２０３ａと第２のリフレクタ２０３ｂとが、各リフレクタの第２焦点近傍に配置された合成用ミラー２０４ａ、２０４ｂを挟んで対向している。さらに、第１の光源ランプ２０１の発光部は、第１のリフレクタ２０３ａの第１焦点近傍に配置され、第２の光源ランプ２０２の発光部は、第２のリフレクタ２０３ｂの第１焦点近傍に配置されている。結果、第１の光源ランプ２０１及び第２の光源ランプ２０２から発せられた光は合成用ミラー２０４ａ、２０４ｂによって同一方向に曲げられて合成される。同一方向に曲げられた光は、コリメートレンズ２０５で略平行光とされた後に、第１のレンズアレイ２０６に入射する。

図６に示す第１の光源ランプ２０１から発せられた光の光軸と、第２の光源ランプ２０２から発せられた光の光軸とは、合成用ミラー２０４ａ、２０４ｂで反射された後に、第１のレンズアレイ２０５の中心に対してそれぞれｄ／２だけずれている。

このため、第１の光源ランプ２０１から発せられ、第１のレンズアレイ２０６によって離散され、第２のレンズアレイ２０７および第２のレンズアレイ２０7の後に配置されるレンズによってＬＣＤ（Liquid Crystal Display）上で重畳される複数の光束の、光学部品（ダクロイックミラーＬＣＤ、投写レンズなど）に対する光線入射角度分布と、第２の光源ランプ２０２から発せられ、第１のレンズアレイ２０６によって離散され、第２のレンズアレイ２０７および第２のレンズアレイ２０７の後に配置されるレンズによってＬＣＤ上で重畳される複数の光束の、光学部品（ダクロイックミラー、ＬＣＤ、投写レンズなど）に対する光線入射角度分布が異なる。光学部品への入射角度が異なると、光学部品での光透過特性が変化する。

結果、第１の光源ランプ２０１及び第２の光源ランプ２０２の双方を同時に使用した場合には、第２のレンズアレイ２０７以降の光学部品における上記入射分布の不均一が概ね打ち消されるが、いずれか１灯のみを使用した場合には打ち消されないので、投写画面の照度分布が不均一になる。

例えば、１灯点灯時の緑色光の光路における照度分布をシミュレーションすると、図７に示すように、投写映像の左側が明るく、右側が暗くなる。また、青色光の光路における照度分布も、緑色光の光路における照度分布と同様の照度分布となる。一方、赤色光の光路では、レンズ２０８、２０９、２１０からなるリレー光学系により照度分布が反転され、図８に示すような照度分布になる。すなわち、投写画像の右側が明るく、左側が暗くなる。この結果、赤／緑／青の３色の光を合成して白色を表示した場合、映像右側では赤色が強く、左側では赤色が弱いため、色ムラが生じる。

本発明の投写型表示装置は、２つの光源ランプを備えた投写型表示装置である。本発明の投写型表示装置の一つは、第１の光源ランプから発せられた光の偏光方向を揃えて第１の偏光光とする第１の偏光変換部と、第２の光源ランプから発せられた光の偏光方向を前記第１の偏光光の偏光方向とは異なる方向に揃えて第２の偏光光とする第２の偏光変換部と、中心が前記第１の光源ランプの光軸上にあり、前記第１の偏光変換部から出射された前記第１の偏光光が入射する第１のレンズアレイと、中心が前記第２の光源ランプの光軸上にあり、前記第２の偏光変換部から出射された前記第２の偏光光が入射する第２のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイから出射された前記第１の偏光光を透過させるともに、前記第２のレンズアレイから出射された前記第２の偏光光を前記第１の偏光光の透過方向と同一方向に反射して、前記第１の偏光光と前記第２の偏光光の進行方向を同一にする光路変換部と、前記光路変換部から出射された前記第１の偏光光と前記第２の偏光光の偏光方向を揃えるいずれか一方の偏光方向をいずれか他方の偏光方向と同一の方向に変換する第３の偏光変換部と、前記第３の偏光変換部から出射された偏光光が入射する第３のレンズアレイとを有する。前記第１の光源ランプと前記第２の光源ランプとは、それぞれの前記光軸が前記光路変換部を通過した後において互いに平行であって、且つ距離（Ｌ）だけ離れるように配置されている。また、前記第３のレンズアレイは、マトリクス状に配列された複数のレンズ要素を備え、それらレンズ要素の配列ピッチが前記距離（Ｌ）と同一である。
本発明の投写型表示装置の他の一つは、第１の光源ランプから発せられた光の偏光方向を揃えて第１の偏光光とする第１の偏光変換部と、第２の光源ランプから発せられた光の偏光方向を前記第１の偏光光の偏光方向とは異なる方向に揃えて第２の偏光光とする第２の偏光変換部と、中心が前記第１の光源ランプの光軸上にあり、前記第１の偏光変換部から出射された前記第１の偏光光が入射する第１のレンズアレイと、中心が前記第２の光源ランプの光軸上にあり、前記第２の偏光変換部から出射された前記第２の偏光光が入射する第２のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイから出射された前記第１の偏光光を透過させるともに、前記第２のレンズアレイから出射された前記第２の偏光光を前記第１の偏光光の透過方向と同一方向に反射して、前記第１の偏光光と前記第２の偏光光の進行方向を同一にする光路変換部と、前記光路変換部から出射された偏光光が入射する第３のレンズアレイと、前記第３のレンズアレイから出射された前記第１の偏光光と前記第２の偏光光のいずれか一方の偏光方向をいずれか他方の偏光方向と同一の方向に変換する第３の偏光変換部とを有する。前記第１の光源ランプと前記第２の光源ランプとは、それぞれの前記光軸が前記光路変換部を通過した後において互いに平行であって、且つ距離（Ｌ）だけ離れるように配置されている。また、前記第３のレンズアレイは、マトリクス状に配列された複数のレンズ要素を備え、それらレンズ要素の配列ピッチが前記距離（Ｌ）と同一である。

本発明によれば、１灯点灯時でも色ムラがない２灯式の投写型表示装置が実現される。

上記及びそれ以外の本発明の目的、特徴及び利点は、下記の記載及び本発明の一例を示す添付図面の参照によって明らかになる。

図１は、本発明の投写型表示装置の実施形態の一例を示す模式図である。図２は、図１に示すＰＢＳ近傍の構成を示す模式的拡大図である。図３は、図１に示す第１の光源ランプ１０のみを点灯させた場合の緑色光の光路における照度分布をシミュレーションした結果を示す図である。図４は、図１に示す第１の光源ランプ１０のみを点灯させた場合の赤色光の光路における照度分布をシミュレーションした結果を示す図である。図５は、本発明の投写型表示装置の実施形態の他例を示す模式的拡大図である。図６は、２灯式の照明光学系を備えた投写型表示装置の構成例を示す模式図である。図７は、図６に示す第１の光源ランプ２０１のみを点灯させた場合の緑色光の光路における照度分布をシミュレーションした結果を示す図である。図８は、図６に示す第１の光源ランプ２０１のみを点灯させた場合の赤色光の光路における照度分布をシミュレーションした結果を示す図である。

（実施形態１）
以下、本発明の投写型表示装置の実施形態の一例について説明する。図１は、本実施形態に係る投写型表示装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態に係る投写型表示装置は、第１の光源ランプ１０と第２の光源ランプ２０を備えた２灯式の照明光学系を有する。

第１の光源ランプ１０から発せられる光の光路上には、第１のコリメートレンズ１１と、第１のＰＳコンバータ１２と、第１のレンズアレイ１３とがこの順で配置されている。一方、第２の光源ランプ２０から発せられる光の光路上には、光路変換用の反射ミラー２１と、第２のコリメートレンズ２２と、第２のＰＳコンバータ２３と、第２のレンズアレイ２４とがこの順で配置されている。

第１の光源ランプ１０から発せられた光は、第１のコリメートレンズ１１を透過することにより略平行光になる。略平行光となった光は、第１のＰＳコンバータ１２に入射してＰ偏光光となった後に第１のレンズアレイ１３に入射して、複数の光束に分割される。一方、第２の光源ランプ２０から発せられた光は、第２のコリメートレンズ２２を透過することにより略平行光になる。略平行光となった光は、第２のＰＳコンバータ２３に入射してＳ偏光光となった後に第２のレンズアレイ２４に入射して、複数の光束に分割される。そして、第１のレンズアレイ１３から出射された複数の光束と、第２のレンズアレイ２４から出射された複数の光束とは、プリズム型の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）３０によって合成され、第３のレンズアレイ４０の近傍に集光される。

各光源ランプ１０、２０は、発光部であるライトバルブ５０と反射面を備えたリフレクタ５１とを有する超高圧水銀ランプである。リフレクタ５１の反射面５２は、回転対称軸を有する楕円形であって、ライトバルブ５０は反射面５２の回転対称軸上にある第１焦点近傍に配置されている。以下の説明では、第１の光源ランプ１０におけるリフレクタ５１の反射面５２の回転対称軸を「第１のランプ光軸」と称する。また、第２の光源ランプ２０におけるリフレクタ５１の反射面５２の回転対称軸を「第２のランプ光軸」と称する。もっとも、各光源ランプ１０、２０は超高圧水銀ランプに限られるものではなく、例えば、メタルハライドランプやキセノンランプであってもよい。

第１の光源ランプ１０のライトバルブ５０から発せられた光は、リフレクタ５１の反射面５２で反射されて、反射面５２の第２焦点近傍に集光される。第２焦点に集光された光は、第１のコリメートレンズ１１に入射して略平行光となる。第１のコリメートレンズ１１は凸レンズであって、その焦点距離は、リフレクタ５１の反射面５２の第２焦点と第１のコリメートレンズ１１との間の距離と同一または略同一である。

第１のコリメートレンズ１１によって略平行光とされた光が入射する第１のＰＳコンバータ１２は、入射した光をＰ偏光光に変換する機能を有する。具体的には、図２に示すように、第１のＰＳコンバータ１２は、Ｐ偏光光を透過させ、Ｓ偏光光を反射する偏光分離面６０と、偏光分離面６０によって反射されたＳ偏光光を偏光分離面６０を透過したＰ偏光光と同一方向に反射させる反射面６１と、反射面６１によって反射されたＳ偏光光をＰ偏光光に変換する１／２波長板６２とを有する。よって、第１のＰＳコンバータ１２から出射される光は、すべてＰ偏光光となる。

一方、第２の光源ランプ２０のライトバルブ５０から発せられた光は、リフレクタ５１の反射面５２及び反射ミラー２１で反射されて、反射面５２の第２焦点近傍に集光される。第２焦点に集光された光は、第２のコリメートレンズ２２に入射し、略平行光となる。第２のコリメートレンズ２２も凸レンズであって、その焦点距離は、リフレクタ５１の反射面５２の第２焦点と第２のコリメートレンズ２２との間の距離と同一または略同一である。

第２のコリメートレンズ２２によって略平行光とされた光が入射する第２のＰＳコンバータ２３は、入射した光をＳ偏光光に変換する機能を有する。具体的には、図２に示すように、第１のＰＳコンバータ１２と同一の偏光分離面６０、反射面６１及び１／２波長板６２を有する。但し、第２のＰＳコンバータ２３では、偏光分離面６０を透過した偏光光の光路上に１／２波長板６２が配置されている。よって、第２のＰＳコンバータ２３から出射される光は、すべてＳ偏光光となる。

第１のＰＳコンバータ１２を出射した偏光光（Ｐ偏光光）は、第１のレンズアレイ１３に入射し、第２のＰＳコンバータ２３を出射した偏光光（Ｓ偏光光）は、第２のレンズアレイ２４に入射し、共に第３のレンズアレイ４０の近傍に集光される。

ここで、第１のレンズアレイ１３及び第２のレンズアレイ２４は同一の構成を有する。具体的には、第１のレンズアレイ１３及び第２のレンズアレイ２４は、マトリクス状に並べられた複数の矩形のレンズ要素を有する。換言すれば、第１のレンズアレイ１３及び第２のレンズアレイ２４には、複数の矩形のレンズ要素が縦横に互いに接して配置されている。ここで、第１のレンズアレイ１３及び第２のレンズアレイ２４の鉛直方向（縦方向）の中心線と、水平方向（横方向）の中心線との交点を各レンズアレイ１３、２４の中心と呼ぶ。レンズ要素の縦方向および横方向における配置数は奇数であっても偶数であってもよい。要するに、各レンズアレイ１３、２４の中心は、あるレンズ要素の中心にあっても、隣接するレンズ要素間の境目にあってもよい。

一方、第３のレンズアレイ４０は、マトリクス状に並べられた複数の矩形のレンズ要素を有する点では、第１のレンズアレイ１３及び第２のレンズアレイ２４と共通する。しかし、第３のレンズアレイ４０では、横方向に配列されたレンズ要素の数は第１のレンズアレイ１３及び第２のレンズアレイ２４の２倍であり、縦方向に配列されたレンズ要素の数は第１のレンズアレイ１３及び第２のレンズアレイ２４と同一である。

また、図１に示すように、第１のコリメートレンズ１１の中心、第１のＰＳコンバータ１２の中心、第１のレンズアレイ１３の中心は、第１のランプ光軸上にあり、第１のランプ光軸は、ＰＢＳ３０の光入射面と垂直である。一方、第２のコリメートレンズ２２の中心、第２のＰＳコンバータ２３の中心、第２のレンズアレイ２４の中心は、第２のランプ光軸上にあり、第２のランプ光軸はＰＢＳ３０の光入射面と垂直である。

ここでは、説明の便宜上、第１のランプ光軸上を伝播する光および第２のランプ光軸上を伝播する光を仮定する。第１のランプ光軸とＰＢＳ３０の光入射面とは垂直であるので、第１のランプ光軸上を伝播する光はＰＢＳ３０に入射後もそのまま直進する。ＰＢＳ３０内部には偏光分離膜３１（図２）が形成されており、第１のランプ光軸上を伝播する光（Ｐ偏光光）は、偏光分離膜３１を透過してそのまま直進する。一方、第２のランプ光軸上を伝播する光もＰＢＳ３０に入射後はそのまま直進するが、第２のランプ光軸上を伝播する光はＳ偏光光であるので、偏光分離膜３１で反射される。この反射された第２のランプ光軸上を伝播する光の伝播方向（進行方向）は、第１のランプ光軸上を伝播する光の伝播方向と同じ方向（平行）である。すなわち、ＰＢＳ３０は、第１のランプ光軸上を伝播する光（Ｐ偏光光）と、第２のランプ光軸上を伝播する光（Ｓ偏光光）の進行方向を同一とする光路変換部として機能する。このとき、第１のランプ光軸上を伝播する光と、第２のランプ光軸上を伝播する光とは一致せず、距離（Ｌ）だけ離れる。換言すると、図１に示す第１の光源ランプ１０と第２の光源ランプ２０とは、ＰＢＳ３０を通過した後に、第１のランプ光軸と第２のランプ光軸とが距離（Ｌ）だけ離れるように配置されている。

さらに、図２に示すように、第３のレンズアレイ４０では、複数のレンズ要素が距離（Ｌ）と同じ間隔で、すなわちピッチ（Ｌ）で横方向に配列されている。加えて、ＰＢＳ３０と第２のレンズアレイ４０との間には、１／２波長板７０が第２のレンズアレイ４０におけるレンズ要素の配列ピッチの２倍（２×Ｌ）のピッチで、第１のレンズアレイ１３を出射した光束の集光点近傍に配置されている。

従って、第１のレンズアレイ１３から出射されたＰ偏光光は、ＰＢＳ３０を透過後、ＰＢＳ３０と第３のレンズアレイ４０との間に配置された１／２波長板７０によってＳ偏光光に変換されてから第３のレンズアレイ３０に入射する。一方、第２のレンズアレイ２４から出射されたＳ偏光光は、ＰＢＳ３０で反射された後、偏光変換されることなく第３のレンズアレイ４０に入射する。結果、２つの光源ランプ１０、２０から発せられた光の偏光方向は、第３のレンズアレイ４０以降、同一方向に揃えられる。

再び図１を参照する。第３のレンズアレイ４０以降の光学系は、一般的な投写型表示装置と同様の構成を有する。すなわち、第３のレンズアレイ４０を出射した光（Ｓ偏光光）は、レンズ８１とレンズ８２を透過してダイクロイックミラー８３に入射する。ダイクロイックミラー８３は、青色光を反射し、黄色光を透過させる。ダイクロイックミラー８３で反射された青色光は、レンズ８４を透過した後に、ミラー８５で反射され、レンズ８６その他の光学素子を透過して青色用のＬＣＤ８７に到達する。

ダイクロイックミラー８３を透過した黄色光は、レンズ９１を透過してダイクロイックミラー９２に入射する。ダイクロイックミラー９２は、緑色光を反射し、赤色光を透過させる。ダイクロイックミラー９２で反射された緑色光は、レンズ９３その他の光学素子を透過して緑色用のＬＣＤ９４に到達する。

ダイクロイックミラー９２を透過した赤色光は、リレーレンズ１０１を透過した後にミラー１０２で反射され、リレーレンズ１０３を透過する。さらに、ミラー１０４で反射された後にレンズ１０５その他の光学素子を透過して赤色用のＬＣＤ１０６に到達する。

各ＬＣＤに到達した青色光、緑色光、赤色光は、それぞれのＬＣＤにおいて光変調を受けた後に、クロスダイクロイックプリズム１２０で再び合成され、投写レンズ１３０を介して拡大投影される。

図３に、図１に示す第１の光源ランプ１０のみを点灯させた場合の緑色光の光路における照度分布をシミュレーションした結果を示す。また、図４に第１の光源ランプ１０のみを点灯させた場合の赤色光の光路における照度分布をシミュレーションした結果を示す。図３及び図４と図７及び図８とを比較すると、本発明の投写型表示装置では、照度分布の均一性が向上し、緑色光の光路と赤色光の光路における照度分布の差が大幅に小さくなっていることがわかる。

光路変換部は、図１、図２に示すようなプリズム型の偏光ビームスプリッタに限られない。図５に光路変化部の他の一例を示す。図５に示す光路変換部は、一対の基板ガラス８０及びカバーガラス８１と、基板ガラス８０とカバーガラス８１との間に形成されたワイヤーグリッド（不図示）とを有する平面型のＰＢＳ８２である。ここで、ＰＢＳ８２におけるワイヤーグリッドは、図２に示すＰＢＳ３０の偏光分離膜３１に相当する。ＰＢＳ８２は、第１のランプ光軸及び第２のランプ光軸に対してそれぞれ４５度傾けて配置されている。

第１のランプ光軸上を伝播する光（Ｐ偏光光）は、ＰＢＳ８２を透過する際に、基板ガラス８０やカバーガラス８１と空気との屈折率差に応じて、第１のランプ光軸に対してＬ１だけシフトする。一方、第２のランプ光軸上を伝播する光（Ｓ偏光光）は、ＰＢＳ８２で反射される際に、基板ガラス８０やカバーガラス８１と空気との屈折率差に応じて、第２のランプ光軸に対してＬ２だけシフトする。このとき、第１のランプ光軸上を伝播する光と、第２のランプ光軸上を伝播する光とは一致せず、距離（Ｌ）だけ離れる。換言すると、第１の光源ランプと第２の光源ランプとは、ＰＢＳ８２を通過した後に、第１のランプ光軸と第２のランプ光軸とが距離（Ｌ）だけ離れるように配置されている。

光路変換部を図５に示すような平面型のＰＢＳによって実現した場合も図３、図４に示す照度分布と同一の照度分布が得られる。さらには、プリズム型のＰＢＳを平面型のＰＢＳに変えることによって、光路変換部を小型化、軽量化することができる。

Claims

２つの光源ランプを備えた投写型表示装置であって、
第１の光源ランプから発せられた光の偏光方向を揃えて第１の偏光光とする第１の偏光変換部と、
第２の光源ランプから発せられた光の偏光方向を前記第１の偏光光の偏光方向とは異なる方向に揃えて第２の偏光光とする第２の偏光変換部と、
中心が前記第１の光源ランプの光軸上にあり、前記第１の偏光変換部から出射された前記第１の偏光光が入射する第１のレンズアレイと、
中心が前記第２の光源ランプの光軸上にあり、前記第２の偏光変換部から出射された前記第２の偏光光が入射する第２のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイから出射された前記第１の偏光光を透過させるとともに、前記第２のレンズアレイから出射された前記第２の偏光光を前記第１の偏光光の透過方向と同一方向に反射して、前記第１の偏光光と前記第２の偏光光の進行方向を同一にする光路変換部と、
前記光路変換部から出射された前記第１の偏光光と前記第２の偏光光の偏光方向を揃える第３の偏光変換部と、
前記第３の偏光変換部から出射された偏光光が入射する第３のレンズアレイとを有し、
前記第１の光源ランプと前記第２の光源ランプとは、それぞれの前記光軸が前記光路変換部を通過した後において互いに平行であって、且つ距離（Ｌ）だけ離れるように配置されており、
前記第３のレンズアレイは、マトリクス状に配列された複数のレンズ要素を備え、それらレンズ要素の配列ピッチが前記距離（Ｌ）と同一であることを特徴とする投写型表示装置。
２つの光源ランプを備えた投写型表示装置であって、
第１の光源ランプから発せられた光の偏光方向を揃えて第１の偏光光とする第１の偏光変換部と、
第２の光源ランプから発せられた光の偏光方向を前記第１の偏光光の偏光方向とは異なる方向に揃えて第２の偏光光とする第２の偏光変換部と、
中心が前記第１の光源ランプの光軸上にあり、前記第１の偏光変換部から出射された前記第１の偏光光が入射する第１のレンズアレイと、
中心が前記第２の光源ランプの光軸上にあり、前記第２の偏光変換部から出射された前記第２の偏光光が入射する第２のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイから出射された前記第１の偏光光を透過させるとともに、前記第２のレンズアレイから出射された前記第２の偏光光を前記第１の偏光光の透過方向と同一方向に反射して、前記第１の偏光光と前記第２の偏光光の進行方向を同一にする光路変換部と、
前記光路変換部から出射された偏光光が入射する第３のレンズアレイと、
前記第３のレンズアレイから出射された前記第１の偏光光と前記第２の偏光光の偏光方向を揃える第３の偏光変換部とを有し、
前記第１の光源ランプと前記第２の光源ランプとは、それぞれの前記光軸が前記光路変換部を通過した後において互いに平行であって、且つ距離（Ｌ）だけ離れるように配置されており、
前記第３のレンズアレイは、マトリクス状に配列された複数のレンズ要素を備え、それらレンズ要素の配列ピッチが前記距離（Ｌ）と同一であることを特徴とする投写型表示装置。
光路変換部は、
前記第１のレンズアレイから出射した前記第１の偏光光が入射する第１の光入射面と、
前記第１の光入射面と直交し、かつ、前記第２のレンズアレイから出射した前記第２の偏光光が入射する第２の光入射面と、
前記第１の光入射面から入射した前記第１の偏光光を透過させ、且つ前記第２の光入射面から入射した前記第２の偏光光を前記第１の偏光光の透過方向と同一方向に反射する偏光分離膜とを有するプリズム型の偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載の投写型表示装置。
光路変換部は、
前記第１のレンズアレイから出射した前記第１の偏光光を入射方向と同一方向に透過させるとともに、前記第２のレンズアレイから出射した前記第２の偏光光を前記第１の偏光光の透過方向と同一方向に反射する平面型の偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載の投写型表示装置。