投写型表示装置
【構成】 複数の光源１０１ａ、１０１ｂから放射された光束は曲面反射鏡１０２で反射され、第１レンズ板１０３と第２レンズ板１０４で構成される均一照明光学素子１１８を通過する。さらに均一照明光学素子１１８からの発散光束を平行化するフィールドレンズ１０８を通過した後、液晶パネル１０９を均一に照明する。液晶パネル１０９により変調された画像は投写レンズ１１６で拡大投影される。
【効果】 従来より明るく、照度の均一性に優れ色ムラがなく、高効率で高品位な映像表示が実現できる。
【効果】 従来より明るく、照度の均一性に優れ色ムラがなく、高効率で高品位な映像表示が実現できる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光束変調を行なうライトバルブの映像をスクリーン上に拡大表示する投写型表示装置の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】投写型表示装置の一つに、ライトバルブとして透過型の液晶パネルを用いた液晶プロジェクターがあり、小型軽量であることからおもに家庭用として実用化されている。この液晶プロジェクターでは、表示色と表示輝度の均一化が大きな課題になっている。通常の液晶プロジェクターでは、例えばメタルハライドランプの放射光を放物面反射鏡で平行化して直接液晶パネルを照明するので、表示画面にはランプの発光ムラに起因する色ムラが生じ、また表示画面の中心が周辺部に比べてかなり明るくなってしまうため、ＣＲＴ直視の映像に比べると表示品質的に劣っていた。
【０００３】液晶パネルを均一に照明する一つの方法として、露光機等に一般的に使用されているインテグレータを用いる方法がある。このインテグレータは、光源光の出射部に複数の矩形レンズをマトリックス状に配置したレンズ板を２枚配置し、１枚目のレンズ板で切り出した各光束断面を２枚目のレンズ板によって照明対象上に重畳結像させるというものである。この方法で液晶パネルを照明すれば、照度分布は極めて均一なものになり、色ムラも解消される。具体的な方法に関しては、公開特許公報平３−１１１８０６にその内容が詳しく述べられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術では単一の光源のため、寿命等の何らかの原因で光源が点灯しなくなった場合に全く何も表示されなくなってしまう。
【０００５】また、ランプ固有の波長特性があるため、スクリーン上で所望の色特性を得ようとすると、何らかの色補正をかけないといけない。例えばメタルハライドランプでは、赤色光が弱いため、ホワイトバランスを取るために青または緑光の光束を減衰させなくてはならないため光利用効率が低下する。
【０００６】さらに一般的に明るさを上げようとして消費電力を上げても、発光部が大きくなり、集光効率が低下して消費電力分は明るくならないといった問題点を有する。
【０００７】そこで本発明はこのような問題点を解決するもので、その目的とするところは、液晶プロジェクターの照明装置に複数の光源を備え、上述のインテグレータのような均一照明光学素子を使用し、照明の明るさ分布を極めて均一なものとし、表示画面に輝度ムラや色ムラがなくて光利用効率が高く、さらに明るくホワイトバランスの良好な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】本発明の投写型表示装置は、３原色の色成分を含む光を出射する照明装置と、前記照明装置の出力光を変調し映像情報に応じた光学像を形成するライトバルブと、前記ライトバルブからの出力光を受け前記ライトバルブの光学像をスクリーン上に投写する投写レンズとを備える投写型表示装置において、前記照明装置は複数の光源から構成され、前記照明装置と前期ライトバルブの間に、複数のレンズを前記照明装置の出力光の主軸に垂直な面内に配した構成のレンズ板を少なくとも１枚含む均一照明光学素子を配置し、前記ライトバルブの光束入射側に、前記レンズ板からの発散光束を前記投写レンズに集光するためのフィールドレンズを配置したことを特徴とする。
【０００９】本発明の投写型表示装置は、３原色の色成分を含む光を出射する照明装置と、前記照明装置の出力光を変調し映像情報に応じた光学像を形成するライトバルブと、前記ライトバルブからの出力光を受け前記ライトバルブの光学像をスクリーン上に投写する投写レンズとを備える投写型表示装置において、前記照明装置は少なくとも一つ以上の光源と、光源のランダム偏光を同一偏光光に変換する偏光変換素子から構成され、前記照明装置と前期ライトバルブの間に、複数のレンズを前記照明装置の出力光の主軸に垂直な面内に配した構成のレンズ板を少なくとも１枚配置し、前記ライトバルブの光束入射側に、前記レンズ板からの発散光束をほぼ平行化するためのフィールドレンズを配置したことを特徴とする。
【００１０】本発明の投写型表示装置は、前記フィールドレンズの焦点距離を前記レンズ板とフィールドレンズ間の光路長とほぼ等しくしたことを特徴とする。
【００１１】本発明の投写型表示装置は、前記照明装置の複数の光源の分光特性が異なることを特徴とする。
【００１２】本発明の投写型表示装置は、前記照明装置の光源のうち少なくとも一つは瞬時点灯が可能な光源であることを特徴とする。
【００１３】
【実施例】以下、本発明による投写型表示装置について図面に基づき詳細に説明する。
【００１４】（実施例１）図１及び図２は、本発明の光学構成を示す図である。光源１０１ａ及び１０１ｂとしては、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなど点に近い発光部を有するものが用いられ、発光部からの放射光束は曲面反射鏡１０２で反射される。
【００１５】単一光源で明るさを上げるためには、光源のパワーを大きくすればよいが、通常パワーに応じて発光部も大きくなるため、集光効率が下がり消費電力に比例して明るくならない。本発明によれば、複数の光源１０１ａ、１０１ｂを用いるため、発光部は小さいままでパワーを上げられるため、消費電力に比例した明るさを実現できる。
【００１６】例えば単一光源でパワーを２倍にして、発光部の大きさも２倍になったとすれば、集光効率は約半分になり、スクリーン上での明るさはほとんど変わらない。しかし発光部の大きさの同じ光源を２つ使うと、集光効率はそのままなので、明るさも２倍となる。
【００１７】またどちらか一方が点灯しなくなっても、もう一方の光源により照明され表示が行われるため、観視者に不快感を与えないし、光源交換のために表示を中断する必要がなくなる。本実施例では２つの光源としているが２つ以上でもかまわない。
【００１８】図１では、曲面反射鏡１０２の曲面形状として楕円面が用いられ、その第１焦点は光源１０１ａ，１０１ｂの発光部に一致し、第２焦点は液晶パネル１０９の中心位置になっているので、曲面反射鏡１０２で反射された光束は、液晶パネル１０９の中心部に向かう。
【００１９】均一照明光学素子１１８は第１レンズ板１０３と第２レンズ板１０４で構成され、第２レンズ板１０４のサイズは、第１レンズ板１０３のサイズよりも小さくなっている。第１レンズ板１０３内の各レンズの中心と、一対一で対応する第２レンズ板１０４内のレンズの中心と、液晶パネル１０９の中心は、ほぼ一直線状に並んでいる。
【００２０】従って、第２レンズ板１０４内の各レンズは、対応する第１レンズ板１０３内のレンズの像を液晶パネル１０９の表示領域３０６上に重畳結像させる。液晶パネル１０９から見た見かけの光源位置は第２レンズ板１０４の位置に一致している。
【００２１】例えば液晶パネル１０９の表示領域３０６の端部へ入射する光束の主光線３０２は、第２レンズ板１０４の中心と表示領域３０６の端部を結ぶ線分に一致する。
【００２２】つまり、液晶パネル１０９への照明光束は、第２レンズ板１０４からの発散光になっているため、液晶パネル１０９に平行光を入射するためにはフィールドレンズ１０８が必要となる。
【００２３】このフィールドレンズ１０８の焦点距離は、第２レンズ板１０４とフィールドレンズ１０８の距離にほぼ等しくされ、図では液晶パネル１０９側に凸面を向けた平凸レンズとなっているが、凸面を第２レンズ板１０４側に向けてもよいし、両凸レンズやフレネルレンズを用いてもよい。液晶パネル１０９の端部を通過する光束の主光線は、照明系全体の光軸３０５に平行になっている。
【００２４】こうして主光線が液晶パネル１０９の全面にほぼ平行に入射するため、明視方向の影響がなくなり、全面にわたって均一なコントラスト比を得られる。
【００２５】液晶パネル１０９を透過した光束は投写レンズ１１６に入射し、拡大投写される。投写レンズ１１６はテレセントリックレンズであれば、明るさ、色、コントラスト比の均一な表示が得られる。
【００２６】図２では、曲面反射鏡１０２の曲面形状として放物面が用いられ、光源１０１ａ及び１０１ｂの発光部は、放物面の焦点位置に一致しているので、曲面反射鏡１０２で反射された光束は、照明系の光軸３０５にほぼ平行な光束となる。
【００２７】均一照明光学素子１１８は第１レンズ板１０３と第２レンズ板１０４と第３レンズ３０１で構成され、第１レンズ板１０３と第２レンズ板１０４は同じサイズであり、各レンズ板に同じものが使用される。第２レンズ板１０４内の各レンズは、対応する第１レンズ板１０３内のレンズの像を無限遠に結像させるので、この場合はさらに第３レンズ３０１が付加されて、無限遠にできるはずの像を液晶パネル１０９の表示領域３０６上に形成する。第３レンズ３０１の焦点距離は、第３レンズ３０１と液晶パネル１０９の距離にほぼ等しくなっている。第２レンズ板１０４と第３レンズ３０１は、一体化して形成されてもよい。このような均一照明光学素子の構成であっても、基本的には図１の場合と同様であり、液晶パネル１０９の光束入射側には、フィールドレンズ１０８が配置される。
【００２８】図１及び図２の均一照明光学素子１１８に最も適したものとして、露光機に一般的に使用されているインテグレータがある。投写型表示装置に使用する場合の基本的な構成を図３に示す。
【００２９】複数の矩形レンズ２０１をマトリックス状に含む第１レンズ板１０３と複数の矩形レンズ２０２をマトリックス状に含む第２レンズ板１０４で構成されている。第１レンズ板１０３の各矩形レンズ２０１の形状は、照明対象の液晶パネルの形状に相似形とされ、この各矩形レンズ２０１の像が、第２レンズ板１０４の対応する矩形レンズ２０２によって液晶パネル上に重畳結像されるため、液晶パネルは均一な照度で色ムラもほとんどなく照明される。
【００３０】第１レンズ板１０３と第２レンズ板１０４は、必ずしも分離する必要がなく、矩形レンズ２０１，２０２の数を増やして各レンズ板１０３，１０４を接近させれば、１枚のレンズ板に一体化することも可能である。数としては、４個以上の矩形レンズ２０１，２０２を用いることで、十分な均一照明が可能となる。
【００３１】また、第２レンズ板１０４は必ずしも矩形レンズで構成する必要がなく、例えば６角形のレンズを並べてもよい。各レンズ板に含まれる複数のレンズの配置や構成方法はこの他にも様々なものが考えられ、詳しくは前述の公開特許公報に記述されている。
【００３２】（実施例２）図４（Ａ）は本発明の他の実施例を示す構成図である。光源１０１ａ及び１０１ｂと曲面反射鏡１０２で構成される照明装置から出射した光束は、偏光変換素子４０１に入射し、偏光面が揃った偏光光が均一照明光学素子１１８に入射する。
【００３３】そして実施例１と同様にフィールドレンズ１０８を通過し、液晶パネル１０９を均一に照明し、変調された画像は投写レンズ１１６で拡大投影される。
【００３４】ここで液晶パネル１０９は偏光子４０５を必要とするモードで表示を行うものである。本来ならば入射光の半分は偏光子４０５で排除されるため、明るさは半減してしまうが、偏光変換素子４０１により偏光面を揃えたので、偏光子４０５の偏光面を揃えてやることで、効率が約２倍となり明るさも２倍となる。また偏光子４０５での光の吸収がなくなるため、熱による劣化の防止や、信頼性も高くなる。
【００３５】図４（Ｂ）は偏光変換素子４０１の構成例である。偏光分離素子４０２と反射ミラー４０３、及び偏光回転素子４０４から構成されている。
【００３６】偏光分離素子４０２に入射した光束４０６はランダム偏光光であり、、Ｐ偏光光４０７とＳ偏光光４０８に分離され、Ｐ偏光光４０７は透過する。Ｓ偏光光４０８は反射し、さらに反射ミラー４０３で反射され、偏光回転素子４０４に入射する。この偏光変換素子４０４としては１／２波長板が代表的であるが、雲母波長板やＴＮ液晶板等９０度偏光面を回転するものであれば何でも良い。偏光回転素子４０４を通過した光は、Ｐ偏光光４０７として出射する。
【００３７】一般に偏光分離素子４０２及び偏光回転素子４０４は波長特性がフラットでなく、出射する光束の分光特性は異なり、単純に合成したのではスクリーン上では色ムラとなってしまう。しかし本発明では、均一照明光学素子１１８により均一で色ムラの無い照明が可能となる。
【００３８】色ムラや照度ムラがなく、明るい投写型表示装置は、単一の光源であっても達成可能である。さらに複数の光源を用いることで、明るさを上げるとともに前述の実施例の効果も発揮できる。
【００３９】（実施例３）前述の実施例の光源１０１ａ，１０１ｂに異なる分光特性のランプを用いた場合について説明する。
【００４０】一般に単一光源でスクリーン上に所望の色度、ホワイトバランスを得るには、光の３原色の内、強度の弱い色光に合わせて、強度の強い色光を減衰させているのが普通である。また、分光特性が異なる光源は、発光部の大きさも異なり集光特性も異なるため、合成しても色ムラになってしまう。
【００４１】本発明においては、青光と緑光の強いメタルハライドランプと赤光の強いハロゲンランプを組み合わせた。さらに均一照明光学素子１１８を用いたことで、ホワイトバランスに優れた色ムラの無い表示を得ることができた。
【００４２】一方の光源１０１ａにメタルハライドランプ、もう一方の光源１０１ｂにハロゲンランプを用いた。図５にメタルハライドランプとハロゲンランプの分光特性を示す。点線がメタルハライドランプ、一点鎖線がハロゲンランプ、実線が合成したときの分光特性である。
【００４３】このように異なる分光特性を持つ光源を組み合わせることで、どの色光も減衰させることなく効率良くスクリーン上で所望の色度、ホワイトバランスを得ることができた。
【００４４】また光源として発光効率の高いメタルハライドランプの使用が主流であるが、点灯後安定するまで時間がかかることが問題となっていた。ハロゲンランプやキセノンランプ等の瞬時点灯や、瞬時再点灯の可能だが発光効率が低い。そこで、発光効率の高いメタルハライドランプを用い、瞬時点灯や、瞬時再点灯の可能な光源を少なくとも１つ組み合わせることで、効率良く瞬時表示が可能となる。
【００４５】（実施例４）本発明の投写型表示装置の他の実施例を図６に示す。基本的な構成は実施例１と同様である。
【００４６】光源１０１ａ，１０１ｂと曲面反射鏡１０２で構成される照明装置から出射した光束は、第１レンズ板１０３と第２レンズ板１０４で構成される均一照明光学素子１１８を通過して、青緑反射ダイクロイックミラー１０５と青反射ダイクロイックミラー１０６，反射鏡１０７で構成される色分離光学系に入射する。
【００４７】光源１０１ａ，１０１ｂの白色光に含まれる青色光は、色分離光学系の２枚のダイクロイックミラーで反射され、赤色光は青緑反射ダイクロイックミラー１０５を透過した後、反射鏡１０７で反射される。緑色光は、青緑反射ダイクロイックミラー１０５で反射され、次に青反射ダイクロイックミラー１０６を透過する。
【００４８】各色光は、均一照明光学素子１１８から液晶パネル１０９までの光路的距離が等しくなっている。
【００４９】次に各色光は、それぞれフィールドレンズ１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃに入射して、均一照明光学素子１１８からの発散光束が平行化される。平行化された各色光は、それぞれフィールドレンズ１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃの直後に置かれた液晶パネル１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃに入射して変調され、各色光に対応した映像情報が付加される。
【００５０】液晶パネル１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃで変調された各色光は、次に青反射ダイクロイックミラー１１０と青赤反射ダイクロイックミラー１１１、反射鏡１０７から構成される色合成光学系に入射する。この青反射ダイクロイックミラー１１０に対して、青色光は反射し、赤色光は透過する。また青赤反射ダイクロイックミラー１１１に対して緑色光は透過し、赤色光と青色光は反射されるので、全ての色光は同じ光軸上に合成される。
【００５１】こうして合成された光学像は投写レンズ１１６によってスクリーン１１７上に投写表示される。投写レンズ１１６としては、テレセントリック系に近いものが使用される。
【００５２】なお図６には、偏光変換素子は省略され含まれていないが、照明装置と均一照明光学素子との間に挿入されれば、前述の実施例２の効果があることは明白である。
【００５３】照明光学系を図６では紙面の左側に配置してあるが、紙面の下部に配置して、青緑反射ダイクロイックミラー１０５を、赤反射ダイクロイックミラーに置き換える配置も考えられる。また、２枚のレンズ板１０３，１０４の間に反射鏡を配置して光路を９０度折り曲げる構成をとれるので、照明装置の配置としてはかなりの自由度がある。さらに、各色光をどのような順番で分離し、合成するかはダイクロイックミラーの選択により全くの自由で、三原色からなる光を三色に分離し、液晶パネルで変調し、さらに三色を合成して投写する液晶プロジェクタ全てに対応できる。
【００５４】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、液晶プロジェクターの光学系において、複数の光源を用い、均一照明光学素子を有する照明装置を用い、さらにフィールドレンズを配置することにより、均一な照度分布で色ムラがなく、従来より明るく高品位な映像を表示する投写型表示装置が実現できる。
【００５５】また複数の光源を用いたので、一つの光源が点灯しなくとも表示することが可能であるし、さらに異なる分光特性の光源を組み合わせることで、効率よく色特性の優れた投写型表示装置を提供できる。
【００５６】またハロゲンランプのように瞬時点灯が可能な光源を少なくとも一つ組み合わせることで、装置の電源をいれた瞬間に表示が可能となる。
【００５７】さらに偏光変換素子を用いることで、色ムラや照度ムラの無い高品質で、明るさを飛躍的に高めた投写型表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の投写型表示装置の構成図である。
【図２】本発明の投写型表示装置の他の実施例の構成図である。
【図３】本発明の投写型表示装置に用いる均一照明光学素子の構成図である。
【図４】（Ａ）は、本発明の投写型表示装置の他の実施例の構成図である。（Ｂ）は、本発明の投写型表示装置に用いる偏光変換素子の構成図である。
【図５】本発明の投写型表示装置の実施例における光源の分光特性図である。
【図６】本発明の投写型表示装置の他の実施例の構成図である。
【符号の説明】
１０１ａ，ｂ 光源
１０２ 曲面反射鏡
１０３ 第１レンズ板
１０４ 第２レンズ板
１０８ フィールドレンズ
１０９ 液晶パネル
１１６ 投写レンズ
１１８ 均一照明光学素子
２０１，２０２ 矩形レンズ
３０１ 第３レンズ板
４０１ 偏光変換素子
４０５ 偏光子
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光束変調を行なうライトバルブの映像をスクリーン上に拡大表示する投写型表示装置の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】投写型表示装置の一つに、ライトバルブとして透過型の液晶パネルを用いた液晶プロジェクターがあり、小型軽量であることからおもに家庭用として実用化されている。この液晶プロジェクターでは、表示色と表示輝度の均一化が大きな課題になっている。通常の液晶プロジェクターでは、例えばメタルハライドランプの放射光を放物面反射鏡で平行化して直接液晶パネルを照明するので、表示画面にはランプの発光ムラに起因する色ムラが生じ、また表示画面の中心が周辺部に比べてかなり明るくなってしまうため、ＣＲＴ直視の映像に比べると表示品質的に劣っていた。
【０００３】液晶パネルを均一に照明する一つの方法として、露光機等に一般的に使用されているインテグレータを用いる方法がある。このインテグレータは、光源光の出射部に複数の矩形レンズをマトリックス状に配置したレンズ板を２枚配置し、１枚目のレンズ板で切り出した各光束断面を２枚目のレンズ板によって照明対象上に重畳結像させるというものである。この方法で液晶パネルを照明すれば、照度分布は極めて均一なものになり、色ムラも解消される。具体的な方法に関しては、公開特許公報平３−１１１８０６にその内容が詳しく述べられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術では単一の光源のため、寿命等の何らかの原因で光源が点灯しなくなった場合に全く何も表示されなくなってしまう。
【０００５】また、ランプ固有の波長特性があるため、スクリーン上で所望の色特性を得ようとすると、何らかの色補正をかけないといけない。例えばメタルハライドランプでは、赤色光が弱いため、ホワイトバランスを取るために青または緑光の光束を減衰させなくてはならないため光利用効率が低下する。
【０００６】さらに一般的に明るさを上げようとして消費電力を上げても、発光部が大きくなり、集光効率が低下して消費電力分は明るくならないといった問題点を有する。
【０００７】そこで本発明はこのような問題点を解決するもので、その目的とするところは、液晶プロジェクターの照明装置に複数の光源を備え、上述のインテグレータのような均一照明光学素子を使用し、照明の明るさ分布を極めて均一なものとし、表示画面に輝度ムラや色ムラがなくて光利用効率が高く、さらに明るくホワイトバランスの良好な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】本発明の投写型表示装置は、３原色の色成分を含む光を出射する照明装置と、前記照明装置の出力光を変調し映像情報に応じた光学像を形成するライトバルブと、前記ライトバルブからの出力光を受け前記ライトバルブの光学像をスクリーン上に投写する投写レンズとを備える投写型表示装置において、前記照明装置は複数の光源から構成され、前記照明装置と前期ライトバルブの間に、複数のレンズを前記照明装置の出力光の主軸に垂直な面内に配した構成のレンズ板を少なくとも１枚含む均一照明光学素子を配置し、前記ライトバルブの光束入射側に、前記レンズ板からの発散光束を前記投写レンズに集光するためのフィールドレンズを配置したことを特徴とする。
【０００９】本発明の投写型表示装置は、３原色の色成分を含む光を出射する照明装置と、前記照明装置の出力光を変調し映像情報に応じた光学像を形成するライトバルブと、前記ライトバルブからの出力光を受け前記ライトバルブの光学像をスクリーン上に投写する投写レンズとを備える投写型表示装置において、前記照明装置は少なくとも一つ以上の光源と、光源のランダム偏光を同一偏光光に変換する偏光変換素子から構成され、前記照明装置と前期ライトバルブの間に、複数のレンズを前記照明装置の出力光の主軸に垂直な面内に配した構成のレンズ板を少なくとも１枚配置し、前記ライトバルブの光束入射側に、前記レンズ板からの発散光束をほぼ平行化するためのフィールドレンズを配置したことを特徴とする。
【００１０】本発明の投写型表示装置は、前記フィールドレンズの焦点距離を前記レンズ板とフィールドレンズ間の光路長とほぼ等しくしたことを特徴とする。
【００１１】本発明の投写型表示装置は、前記照明装置の複数の光源の分光特性が異なることを特徴とする。
【００１２】本発明の投写型表示装置は、前記照明装置の光源のうち少なくとも一つは瞬時点灯が可能な光源であることを特徴とする。
【００１３】
【実施例】以下、本発明による投写型表示装置について図面に基づき詳細に説明する。
【００１４】（実施例１）図１及び図２は、本発明の光学構成を示す図である。光源１０１ａ及び１０１ｂとしては、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなど点に近い発光部を有するものが用いられ、発光部からの放射光束は曲面反射鏡１０２で反射される。
【００１５】単一光源で明るさを上げるためには、光源のパワーを大きくすればよいが、通常パワーに応じて発光部も大きくなるため、集光効率が下がり消費電力に比例して明るくならない。本発明によれば、複数の光源１０１ａ、１０１ｂを用いるため、発光部は小さいままでパワーを上げられるため、消費電力に比例した明るさを実現できる。
【００１６】例えば単一光源でパワーを２倍にして、発光部の大きさも２倍になったとすれば、集光効率は約半分になり、スクリーン上での明るさはほとんど変わらない。しかし発光部の大きさの同じ光源を２つ使うと、集光効率はそのままなので、明るさも２倍となる。
【００１７】またどちらか一方が点灯しなくなっても、もう一方の光源により照明され表示が行われるため、観視者に不快感を与えないし、光源交換のために表示を中断する必要がなくなる。本実施例では２つの光源としているが２つ以上でもかまわない。
【００１８】図１では、曲面反射鏡１０２の曲面形状として楕円面が用いられ、その第１焦点は光源１０１ａ，１０１ｂの発光部に一致し、第２焦点は液晶パネル１０９の中心位置になっているので、曲面反射鏡１０２で反射された光束は、液晶パネル１０９の中心部に向かう。
【００１９】均一照明光学素子１１８は第１レンズ板１０３と第２レンズ板１０４で構成され、第２レンズ板１０４のサイズは、第１レンズ板１０３のサイズよりも小さくなっている。第１レンズ板１０３内の各レンズの中心と、一対一で対応する第２レンズ板１０４内のレンズの中心と、液晶パネル１０９の中心は、ほぼ一直線状に並んでいる。
【００２０】従って、第２レンズ板１０４内の各レンズは、対応する第１レンズ板１０３内のレンズの像を液晶パネル１０９の表示領域３０６上に重畳結像させる。液晶パネル１０９から見た見かけの光源位置は第２レンズ板１０４の位置に一致している。
【００２１】例えば液晶パネル１０９の表示領域３０６の端部へ入射する光束の主光線３０２は、第２レンズ板１０４の中心と表示領域３０６の端部を結ぶ線分に一致する。
【００２２】つまり、液晶パネル１０９への照明光束は、第２レンズ板１０４からの発散光になっているため、液晶パネル１０９に平行光を入射するためにはフィールドレンズ１０８が必要となる。
【００２３】このフィールドレンズ１０８の焦点距離は、第２レンズ板１０４とフィールドレンズ１０８の距離にほぼ等しくされ、図では液晶パネル１０９側に凸面を向けた平凸レンズとなっているが、凸面を第２レンズ板１０４側に向けてもよいし、両凸レンズやフレネルレンズを用いてもよい。液晶パネル１０９の端部を通過する光束の主光線は、照明系全体の光軸３０５に平行になっている。
【００２４】こうして主光線が液晶パネル１０９の全面にほぼ平行に入射するため、明視方向の影響がなくなり、全面にわたって均一なコントラスト比を得られる。
【００２５】液晶パネル１０９を透過した光束は投写レンズ１１６に入射し、拡大投写される。投写レンズ１１６はテレセントリックレンズであれば、明るさ、色、コントラスト比の均一な表示が得られる。
【００２６】図２では、曲面反射鏡１０２の曲面形状として放物面が用いられ、光源１０１ａ及び１０１ｂの発光部は、放物面の焦点位置に一致しているので、曲面反射鏡１０２で反射された光束は、照明系の光軸３０５にほぼ平行な光束となる。
【００２７】均一照明光学素子１１８は第１レンズ板１０３と第２レンズ板１０４と第３レンズ３０１で構成され、第１レンズ板１０３と第２レンズ板１０４は同じサイズであり、各レンズ板に同じものが使用される。第２レンズ板１０４内の各レンズは、対応する第１レンズ板１０３内のレンズの像を無限遠に結像させるので、この場合はさらに第３レンズ３０１が付加されて、無限遠にできるはずの像を液晶パネル１０９の表示領域３０６上に形成する。第３レンズ３０１の焦点距離は、第３レンズ３０１と液晶パネル１０９の距離にほぼ等しくなっている。第２レンズ板１０４と第３レンズ３０１は、一体化して形成されてもよい。このような均一照明光学素子の構成であっても、基本的には図１の場合と同様であり、液晶パネル１０９の光束入射側には、フィールドレンズ１０８が配置される。
【００２８】図１及び図２の均一照明光学素子１１８に最も適したものとして、露光機に一般的に使用されているインテグレータがある。投写型表示装置に使用する場合の基本的な構成を図３に示す。
【００２９】複数の矩形レンズ２０１をマトリックス状に含む第１レンズ板１０３と複数の矩形レンズ２０２をマトリックス状に含む第２レンズ板１０４で構成されている。第１レンズ板１０３の各矩形レンズ２０１の形状は、照明対象の液晶パネルの形状に相似形とされ、この各矩形レンズ２０１の像が、第２レンズ板１０４の対応する矩形レンズ２０２によって液晶パネル上に重畳結像されるため、液晶パネルは均一な照度で色ムラもほとんどなく照明される。
【００３０】第１レンズ板１０３と第２レンズ板１０４は、必ずしも分離する必要がなく、矩形レンズ２０１，２０２の数を増やして各レンズ板１０３，１０４を接近させれば、１枚のレンズ板に一体化することも可能である。数としては、４個以上の矩形レンズ２０１，２０２を用いることで、十分な均一照明が可能となる。
【００３１】また、第２レンズ板１０４は必ずしも矩形レンズで構成する必要がなく、例えば６角形のレンズを並べてもよい。各レンズ板に含まれる複数のレンズの配置や構成方法はこの他にも様々なものが考えられ、詳しくは前述の公開特許公報に記述されている。
【００３２】（実施例２）図４（Ａ）は本発明の他の実施例を示す構成図である。光源１０１ａ及び１０１ｂと曲面反射鏡１０２で構成される照明装置から出射した光束は、偏光変換素子４０１に入射し、偏光面が揃った偏光光が均一照明光学素子１１８に入射する。
【００３３】そして実施例１と同様にフィールドレンズ１０８を通過し、液晶パネル１０９を均一に照明し、変調された画像は投写レンズ１１６で拡大投影される。
【００３４】ここで液晶パネル１０９は偏光子４０５を必要とするモードで表示を行うものである。本来ならば入射光の半分は偏光子４０５で排除されるため、明るさは半減してしまうが、偏光変換素子４０１により偏光面を揃えたので、偏光子４０５の偏光面を揃えてやることで、効率が約２倍となり明るさも２倍となる。また偏光子４０５での光の吸収がなくなるため、熱による劣化の防止や、信頼性も高くなる。
【００３５】図４（Ｂ）は偏光変換素子４０１の構成例である。偏光分離素子４０２と反射ミラー４０３、及び偏光回転素子４０４から構成されている。
【００３６】偏光分離素子４０２に入射した光束４０６はランダム偏光光であり、、Ｐ偏光光４０７とＳ偏光光４０８に分離され、Ｐ偏光光４０７は透過する。Ｓ偏光光４０８は反射し、さらに反射ミラー４０３で反射され、偏光回転素子４０４に入射する。この偏光変換素子４０４としては１／２波長板が代表的であるが、雲母波長板やＴＮ液晶板等９０度偏光面を回転するものであれば何でも良い。偏光回転素子４０４を通過した光は、Ｐ偏光光４０７として出射する。
【００３７】一般に偏光分離素子４０２及び偏光回転素子４０４は波長特性がフラットでなく、出射する光束の分光特性は異なり、単純に合成したのではスクリーン上では色ムラとなってしまう。しかし本発明では、均一照明光学素子１１８により均一で色ムラの無い照明が可能となる。
【００３８】色ムラや照度ムラがなく、明るい投写型表示装置は、単一の光源であっても達成可能である。さらに複数の光源を用いることで、明るさを上げるとともに前述の実施例の効果も発揮できる。
【００３９】（実施例３）前述の実施例の光源１０１ａ，１０１ｂに異なる分光特性のランプを用いた場合について説明する。
【００４０】一般に単一光源でスクリーン上に所望の色度、ホワイトバランスを得るには、光の３原色の内、強度の弱い色光に合わせて、強度の強い色光を減衰させているのが普通である。また、分光特性が異なる光源は、発光部の大きさも異なり集光特性も異なるため、合成しても色ムラになってしまう。
【００４１】本発明においては、青光と緑光の強いメタルハライドランプと赤光の強いハロゲンランプを組み合わせた。さらに均一照明光学素子１１８を用いたことで、ホワイトバランスに優れた色ムラの無い表示を得ることができた。
【００４２】一方の光源１０１ａにメタルハライドランプ、もう一方の光源１０１ｂにハロゲンランプを用いた。図５にメタルハライドランプとハロゲンランプの分光特性を示す。点線がメタルハライドランプ、一点鎖線がハロゲンランプ、実線が合成したときの分光特性である。
【００４３】このように異なる分光特性を持つ光源を組み合わせることで、どの色光も減衰させることなく効率良くスクリーン上で所望の色度、ホワイトバランスを得ることができた。
【００４４】また光源として発光効率の高いメタルハライドランプの使用が主流であるが、点灯後安定するまで時間がかかることが問題となっていた。ハロゲンランプやキセノンランプ等の瞬時点灯や、瞬時再点灯の可能だが発光効率が低い。そこで、発光効率の高いメタルハライドランプを用い、瞬時点灯や、瞬時再点灯の可能な光源を少なくとも１つ組み合わせることで、効率良く瞬時表示が可能となる。
【００４５】（実施例４）本発明の投写型表示装置の他の実施例を図６に示す。基本的な構成は実施例１と同様である。
【００４６】光源１０１ａ，１０１ｂと曲面反射鏡１０２で構成される照明装置から出射した光束は、第１レンズ板１０３と第２レンズ板１０４で構成される均一照明光学素子１１８を通過して、青緑反射ダイクロイックミラー１０５と青反射ダイクロイックミラー１０６，反射鏡１０７で構成される色分離光学系に入射する。
【００４７】光源１０１ａ，１０１ｂの白色光に含まれる青色光は、色分離光学系の２枚のダイクロイックミラーで反射され、赤色光は青緑反射ダイクロイックミラー１０５を透過した後、反射鏡１０７で反射される。緑色光は、青緑反射ダイクロイックミラー１０５で反射され、次に青反射ダイクロイックミラー１０６を透過する。
【００４８】各色光は、均一照明光学素子１１８から液晶パネル１０９までの光路的距離が等しくなっている。
【００４９】次に各色光は、それぞれフィールドレンズ１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃに入射して、均一照明光学素子１１８からの発散光束が平行化される。平行化された各色光は、それぞれフィールドレンズ１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃの直後に置かれた液晶パネル１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃに入射して変調され、各色光に対応した映像情報が付加される。
【００５０】液晶パネル１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃで変調された各色光は、次に青反射ダイクロイックミラー１１０と青赤反射ダイクロイックミラー１１１、反射鏡１０７から構成される色合成光学系に入射する。この青反射ダイクロイックミラー１１０に対して、青色光は反射し、赤色光は透過する。また青赤反射ダイクロイックミラー１１１に対して緑色光は透過し、赤色光と青色光は反射されるので、全ての色光は同じ光軸上に合成される。
【００５１】こうして合成された光学像は投写レンズ１１６によってスクリーン１１７上に投写表示される。投写レンズ１１６としては、テレセントリック系に近いものが使用される。
【００５２】なお図６には、偏光変換素子は省略され含まれていないが、照明装置と均一照明光学素子との間に挿入されれば、前述の実施例２の効果があることは明白である。
【００５３】照明光学系を図６では紙面の左側に配置してあるが、紙面の下部に配置して、青緑反射ダイクロイックミラー１０５を、赤反射ダイクロイックミラーに置き換える配置も考えられる。また、２枚のレンズ板１０３，１０４の間に反射鏡を配置して光路を９０度折り曲げる構成をとれるので、照明装置の配置としてはかなりの自由度がある。さらに、各色光をどのような順番で分離し、合成するかはダイクロイックミラーの選択により全くの自由で、三原色からなる光を三色に分離し、液晶パネルで変調し、さらに三色を合成して投写する液晶プロジェクタ全てに対応できる。
【００５４】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、液晶プロジェクターの光学系において、複数の光源を用い、均一照明光学素子を有する照明装置を用い、さらにフィールドレンズを配置することにより、均一な照度分布で色ムラがなく、従来より明るく高品位な映像を表示する投写型表示装置が実現できる。
【００５５】また複数の光源を用いたので、一つの光源が点灯しなくとも表示することが可能であるし、さらに異なる分光特性の光源を組み合わせることで、効率よく色特性の優れた投写型表示装置を提供できる。
【００５６】またハロゲンランプのように瞬時点灯が可能な光源を少なくとも一つ組み合わせることで、装置の電源をいれた瞬間に表示が可能となる。
【００５７】さらに偏光変換素子を用いることで、色ムラや照度ムラの無い高品質で、明るさを飛躍的に高めた投写型表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の投写型表示装置の構成図である。
【図２】本発明の投写型表示装置の他の実施例の構成図である。
【図３】本発明の投写型表示装置に用いる均一照明光学素子の構成図である。
【図４】（Ａ）は、本発明の投写型表示装置の他の実施例の構成図である。（Ｂ）は、本発明の投写型表示装置に用いる偏光変換素子の構成図である。
【図５】本発明の投写型表示装置の実施例における光源の分光特性図である。
【図６】本発明の投写型表示装置の他の実施例の構成図である。
【符号の説明】
１０１ａ，ｂ 光源
１０２ 曲面反射鏡
１０３ 第１レンズ板
１０４ 第２レンズ板
１０８ フィールドレンズ
１０９ 液晶パネル
１１６ 投写レンズ
１１８ 均一照明光学素子
２０１，２０２ 矩形レンズ
３０１ 第３レンズ板
４０１ 偏光変換素子
４０５ 偏光子
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ３原色の色成分を含む光を出射する照明装置と、前記照明装置の出力光を変調し映像情報に応じた光学像を形成するライトバルブと、前記ライトバルブからの出力光を受け前記ライトバルブの光学像をスクリーン上に投写する投写レンズとを備える投写型表示装置において、前記照明装置は複数の光源から構成され、前記照明装置と前期ライトバルブの間に、複数のレンズを前記照明装置の出力光の主軸に垂直な面内に配した構成のレンズ板を少なくとも１枚含む均一照明光学素子を配置し、前記ライトバルブの光束入射側に、前記レンズ板からの発散光束を前記投写レンズに集光するためのフィールドレンズを配置したことを特徴とする投写型表示装置。
【請求項２】 ３原色の色成分を含む光を出射する照明装置と、前記照明装置の出力光を変調し映像情報に応じた光学像を形成するライトバルブと、前記ライトバルブからの出力光を受け前記ライトバルブの光学像をスクリーン上に投写する投写レンズとを備える投写型表示装置において、前記照明装置は少なくとも一つ以上の光源と、光源のランダム偏光を同一偏光光に変換する偏光変換素子から構成され、前記照明装置と前期ライトバルブの間に、複数のレンズを前記照明装置の出力光の主軸に垂直な面内に配した構成のレンズ板を少なくとも１枚配置し、前記ライトバルブの光束入射側に、前記レンズ板からの発散光束をほぼ平行化するためのフィールドレンズを配置したことを特徴とする投写型表示装置。
【請求項３】 前記フィールドレンズの焦点距離を前記レンズ板とフィールドレンズ間の光路長とほぼ等しくしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投写型表示装置。
【請求項４】 前記照明装置の複数の光源の分光特性が異なることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投写型表示装置。
【請求項５】 前記照明装置の光源のうち少なくとも一つは瞬時点灯が可能な光源であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投写型表示装置。
【請求項１】 ３原色の色成分を含む光を出射する照明装置と、前記照明装置の出力光を変調し映像情報に応じた光学像を形成するライトバルブと、前記ライトバルブからの出力光を受け前記ライトバルブの光学像をスクリーン上に投写する投写レンズとを備える投写型表示装置において、前記照明装置は複数の光源から構成され、前記照明装置と前期ライトバルブの間に、複数のレンズを前記照明装置の出力光の主軸に垂直な面内に配した構成のレンズ板を少なくとも１枚含む均一照明光学素子を配置し、前記ライトバルブの光束入射側に、前記レンズ板からの発散光束を前記投写レンズに集光するためのフィールドレンズを配置したことを特徴とする投写型表示装置。
【請求項２】 ３原色の色成分を含む光を出射する照明装置と、前記照明装置の出力光を変調し映像情報に応じた光学像を形成するライトバルブと、前記ライトバルブからの出力光を受け前記ライトバルブの光学像をスクリーン上に投写する投写レンズとを備える投写型表示装置において、前記照明装置は少なくとも一つ以上の光源と、光源のランダム偏光を同一偏光光に変換する偏光変換素子から構成され、前記照明装置と前期ライトバルブの間に、複数のレンズを前記照明装置の出力光の主軸に垂直な面内に配した構成のレンズ板を少なくとも１枚配置し、前記ライトバルブの光束入射側に、前記レンズ板からの発散光束をほぼ平行化するためのフィールドレンズを配置したことを特徴とする投写型表示装置。
【請求項３】 前記フィールドレンズの焦点距離を前記レンズ板とフィールドレンズ間の光路長とほぼ等しくしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投写型表示装置。
【請求項４】 前記照明装置の複数の光源の分光特性が異なることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投写型表示装置。
【請求項５】 前記照明装置の光源のうち少なくとも一つは瞬時点灯が可能な光源であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投写型表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開平６−２６５８８７
【公開日】平成６年（１９９４）９月２２日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−４９５６９
【出願日】平成５年（１９９３）３月１０日
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【公開日】平成６年（１９９４）９月２２日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）３月１０日
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
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