| 【発明の名称】 |
画像投影装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】土川 清次
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| 【要約】 |
【課題】光源の出射光の利用効率が高く、高輝度の画像投影装置を実現する。
【解決手段】光源部１１，レンズアレイ１３，コンデンサレンズ１６，色分解手段１７および画素形状が矩形状の光変調手段１８を備えた画像投影装置において、光変調手段１８の画素の短辺方向の光束幅を縮小させるビーム縮小手段１４と、画素の長辺方向に光束幅を規制する絞り１５とを設けた。また、レンズアレイ１３を構成する各レンズセルの形状を正方形とする。さらに、光源部１１とビーム縮小手段１４との間に、光変調手段１８の画素の長辺方向に光束幅を広げる偏光変換手段１２を設けた。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 光源からの照射光を結像させる複数個の結像素子を配設する結像素子アレイを介して、画像信号に対応して透過光を制御する画素を２次元状に配設した光変調手段に前記光源からの照射光を投射して、画像表示を行なう画像投影装置において、前記光変調手段の画素形状が矩形状である場合、該画素の短辺方向に入射する光束幅を縮小させるビーム縮小手段を有することを特徴とする画像投影装置。
【請求項２】 光源部、レンズアレイ、コンデンサレンズ、色分解手段および画素形状が矩形状である光変調手段を備えた画像投影装置において、前記レンズアレイと前記光変調素子との間の光路中に、前記光変調手段の画素の短辺方向に入射する光束幅を縮小させるビーム縮小手段を有することを特徴とする画像投影装置。
【請求項３】 請求項１または２に記載の画像投影装置において、前記ビーム縮小手段が前記光変調手段の画素の短辺方向に曲率を有するシリンドリカル凸レンズおよびシリンドリカル凹レンズからなることを特徴とする画像投影装置。
【請求項４】 請求項３に記載の画像投影装置において、前記レンズアレイが第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとから構成されている場合、前記シリンドリカル凸レンズと前記レンズアレイにおける前記第２のレンズアレイ部とを一体のレンズとしたシリンドリカル凸状レンズアレイとすることを特徴とする画像投影装置。
【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかに記載の画像投影装置において、前記ビーム縮小手段による光束幅の前記短辺方向の縮小率を前記光変調手段の外形のアスペクト比とすることを特徴とする画像投影装置。
【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかに記載の画像投影装置において、前記レンズアレイを構成する各レンズセルの形状が正方形状であることを特徴とする画像投影装置。
【請求項７】 請求項１乃至６のいずれかに記載の画像投影装置において、前記コンデンサレンズのレンズアレイ側の焦点位置に前記光変調手段の画素の長辺方向に拡散する光束を遮断する絞りを有することを特徴とする画像投影装置。
【請求項８】 請求項１乃至７のいずれかに記載の画像投影装置において、前記光源部と前記ビーム縮小器との間の光路中に前記光変調手段の画素の長辺方向に相当する光束幅のみを広げる偏光変換手段を有することを特徴とする画像投影装置。
【請求項９】 請求項８に記載の画像投影装置において、前記偏光変換手段が不定偏光光を互いに直交する２つの直線偏光光に分離する偏光分離手段と、前記偏光分離手段で分離された片方の偏光光を反射する光束反射手段と偏光方向を９０°回転させる位相回転手段とからなることを特徴とする画像投影装置。
【請求項１０】 請求項９に記載の画像投影装置において、前記偏光分離手段がプリズムによる偏光ビームスプリッタであり、前記光束反射手段が斜面を反射面とする直角プリズムであり、前記位相回転手段が半波長板であることを特徴とする画像投影装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、画像投影装置に関し、特に液晶プロジェクタ等に使用する照明光の高利用効率化を実現する画像投影装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】液晶パネルを使用するカラー画像投影装置には、大別して、３枚の液晶パネルを用いる３板式と１枚しか用いない単板式とがある。３板式は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色（以降、Ｒ，Ｇ，Ｂと記す）それぞれの色光の光束に分離して照射する光学系と、その色光をカラー画像信号に応じて光変調して出射する画素からなる液晶パネルをそれぞれの色光対応に独立して３枚設け、液晶パネルから変調されて出射される各色光を光学的に重ね合わせてフルカラー合成画像を得るものである。
【０００３】一方、単板式は１枚の液晶パネルを用いてフルカラー表示を行なうものであり、たとえば、モザイク状の３原色カラーフィルタパターンを備えた１枚の液晶パネルにより、各色光の光変調をしてカラー画像を合成するものである。単板式は、３板式に比べて液晶パネルが１枚で済むので、小型化、低コスト化が図れるが、光源からの出射光を液晶パネルへ照射される光束として十分利用できなく、画面の明るさが低下する欠点がある。
【０００４】この単板式の画面の明るさを向上させるものとして、たとえば、特開平４−６０５３８号公報「カラー液晶表示装置」がある。すなわち、異なる波長域を有する複数枚のダイクロイックミラーを互いに微小の角度ずつ異ならせて配置させて、入射する白色光束をＲ，Ｇ，Ｂの各色光に色分解させるとともにＲ，Ｇ，Ｂの各色光をそれぞれ異なる入射角度から１枚の液晶パネルに照射させ、各色光の偏光方向をカラー画像信号に応じて画素ドット毎に光変調させる液晶駆動手段を液晶パネルに備えることにより、液晶パネルに照射された全光束をほとんどカットすることなく、表示に寄与せしめることを可能とするものである。
【０００５】図８は、従来の技術として開示されている画像投影装置の照明系の要部を説明するための光路図である。図８（Ａ）は装置を真上から見下ろした場合の光路図すなわち水平方向の光路図であり、図８（Ｂ）は垂直方向の光路図である。また、図９は、図８に示す第１のレンズアレイ４３ａの全体の形状を概念的に示した正面図すなわち光軸と沿った方向からみた図であり、図１０は、図８に示す液晶パネル４８のＲ，Ｇ，Ｂの各画素を１組とするセルの形状を概念的に示す図である。図８において、４１はメタルハライドランプ等を用いた光源４１ａと、光照射方向に開口部を有する回転対称形状の反射鏡４１ｂとからなる光源部であり、４３は光源部４１からの光を拡散させて液晶パネル４８全面に対して面内照度分布を均一化させるためのレンズアレイであり、第１のレンズアレイ４３ａと第２のレンズアレイ４３ｂとからなる。第１のレンズアレイ４３ａは、図９に示すように、液晶パネル４８の面と相似形である矩形状のレンズセルを２次元的に多数配設したものであり、各レンズセル毎に小光束に分割してそれぞれ集光するものである。また、第２のレンズアレイ４３ｂの各レンズセルは第１のレンズアレイ４３ａの各レンズセルの焦点距離付近に１対１に対応して配置され、第１のレンズアレイ４３ａで集光された各小光束を互いに重ね合わせるようにしてコンデンサレンズ４６の方向に向かわせるためのものである。
【０００６】コンデンサレンズ４６は入射光をダイクロイックミラー４７を介して液晶パネル４８に集光させるためのものである。ダイクロイックミラー４７は入射光をＲ，Ｇ，Ｂの各色光に分離するものであり、３枚のミラーで構成し、それぞれがＲ，Ｇ，Ｂのいずれかの波長帯の光のみを選択的に反射し、他の光は透過する特性を有する。分離された各色光が相互に異なる入射角度で液晶パネル４８に入射されるように、各ダイクロイックミラー４７は入射光軸に対し相互に異なる角度に配置されている。
【０００７】液晶パネル４８はカラーフィルターなしのマイクロレンズ方式であり、Ｒ，Ｇ，Ｂの各画素に対応して規則的に２次元配置された画素電極（図示していない）と、液晶層（図示していない）を挟んで、Ｒ，Ｇ，Ｂ３つの各画素電極１組のセル毎に１つずつ対向配置された集光用のマイクロレンズ（図示していない）とを含んで構成されている。マイクロレンズはダイクロイックミラーで反射されて互いに異なる角度で入射されてくるＲ，Ｇ，Ｂの各色光をそれぞれ集光して、Ｒ，Ｇ，Ｂの各対応画素に入射させる。Ｒ，Ｇ，Ｂの各画素電極に画像信号が選択的に印加されることによって液晶層を通過する光の偏光方向を変調させて出射させる。出射側に偏光板を付設することによって、出射光を選択的に透過させて、投影レンズを通して、スクリーン上に各色光を合成させたカラー画像を表示させる。
【０００８】上述したように、光源部４１で生成され、レンズアレイ４３へ出射された光束は第１のレンズアレイ４３ａの個々のレンズセルによって液晶パネル４８の全面に均一に照射されるように小光束に細分化され、第２のレンズアレイ４３ｂの対応するレンズセル位置に集光される。第２のレンズアレイ４３ｂにより、小光束を重なり合わせるように出射された小光束はコンデンサレンズ４６に導かれ、ダイクロイックミラー４７を経由して液晶パネル４８上において重畳結像される。このように、レンズアレイ４３およびコンデンサレンズ４６を用いることによって、液晶パネル４８に入射される照明光すなわち入射光を液晶パネル４８の画面全体にわたって均一にすることができ、画面の隅々まで明るい画像を得ることができる。
【０００９】また、コンデンサレンズ４６と液晶パネル４８との間に設けられたダイクロイックミラー４７は、コンデンサレンズ４６から入射する光束すなわち照明光をＲ，Ｇ，Ｂの各色光毎に分離させ、各色光を異なる角度で反射させる。液晶パネル４８上には、Ｒ，Ｇ，Ｂの画素一組からなる各セルに対して１個のマイクロレンズが設けられており、上述したように前記の異なる角度で入射した各色光が、Ｒ，Ｇ，Ｂの各々に対応する画素に集光されるが、液晶パネル４８への入射色光の平行度は、画素の形状に対応して決められる。図１０に示すように、縦長の矩形状を有するＲ，Ｇ，Ｂの画素を一組にしたセルの形状が正方ピクセルである場合、前記入射色光の水平平行度と垂直平行度との比は、約１：３とする必要がある。このため、レンズアレイ４３全体の形状は、図９に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂの画素の縦長の形状と相似な縦長矩形状のものとしている。この形状とすることにより、１枚の液晶パネルでありながら、Ｒ，Ｇ，Ｂの各画素に適切な各色光の入射光すなわち照射光が集光され、むらがないフルカラーの画像を得ることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０に示す従来技術による画像投影装置においては、以下に述べるごとく、光源部４１から出射された光がレンズアレイ４３の部位において、一部の光束を失う集光ロスを生じるという問題がある。
【００１１】第一の問題は、レンズアレイ４３全体の形状は、Ｒ，Ｇ，Ｂ各画素の開口部の形状に対応して、第１，第２のレンズアレイ４３ａ，４３ｂともに、図９に示すごとく、水平方向と垂直方向の辺の長さの比が１：３の矩形状になっていることに起因する。光源部４１からの光束は円形形状で出射しているにもかかわらず、第１のレンズアレイ４３ａにおいて、その短辺方向すなわち水平方向の光束が遮断されてしまうため、著しく光源部４１からの光束を取りこぼしてしまう。
【００１２】第二の問題は、第１のレンズアレイ４３ａの各レンズセルの形状が、液晶パネル４８の画面のアスペクト比に対応して、水平方向の辺の長さと垂直方向の辺の長さの比が１６：９の矩形状になっていることによっている。第２のレンズアレイ４３ｂの位置において、第１のレンズアレイ４３ａによって２次光源像が生成されるが、第２のレンズアレイ４３ｂに入射される２次光源像の小光束は、各レンズセルの短辺方向すなわち垂直方向の光束に集光ロスが生じてしまう。また、光源部４１の光源ランプの光軸ずれ等が生じた場合の誤差感度の面に関しても、各レンズセルの短辺方向すなわち垂直方向の誤差に対して非常に敏感になってしまう。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、水平方向と垂直方向との光の平行度が異なる比率となることを要求される液晶パネルすなわち光変調手段を用いる場合においても、画像投影装置の照明系の集光ロスを減らして、集光性能を高めることにより、投影画像の高輝度化を達成することを目的としたものである。すなわち、本発明においては、下記の解決手段を有する画像投影装置としている。
【００１４】第１の解決手段は、光源からの照射光を結像させる複数個の結像素子を配設する結像素子アレイを介して、画像信号に対応して透過光を制御する画素を２次元状に配設した光変調手段に前記光源からの照射光を投射して、画像表示を行なう画像投影装置において、前記光変調手段の画素形状が矩形状である場合、該画素の短辺方向に入射する光束幅を縮小させるビーム縮小手段を有することである。
【００１５】第２の解決手段は、光源部、レンズアレイ、コンデンサレンズ、色分解手段および画素形状が矩形状である光変調手段を備えた画像投影装置において、前記レンズアレイと前記光変調素子との間の光路中に、前記光変調手段の画素の短辺方向に入射する光束幅を縮小させるビーム縮小手段を有することである。
【００１６】第３の解決手段は、第１または第２の解決手段において、前記ビーム縮小手段が前記光変調手段の画素の短辺方向に曲率を有するシリンドリカル凸レンズおよびシリンドリカル凹レンズからなることである。
【００１７】第４の解決手段は、第３の解決手段において、前記レンズアレイが第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとから構成されている場合、前記シリンドリカル凸レンズと前記レンズアレイにおける前記第２のレンズアレイ部とを一体のレンズとしたシリンドリカル凸状レンズアレイとすることである。
【００１８】第５の解決手段は、第１の解決手段乃至第４の解決手段のいずれかにおいて、前記ビーム縮小手段による光束幅の前記短辺方向の縮小率を前記光変調手段の外形のアスペクト比とすることである。
【００１９】第６の解決手段は、第１の解決手段乃至第５の解決手段のいずれかにおいて、前記レンズアレイを構成する各レンズセルの形状が正方形状であることである。
【００２０】第７の解決手段は、第１の解決手段乃至第６の解決手段のいずれかにおいて、前記コンデンサレンズのレンズアレイ側の焦点位置に前記光変調手段の画素の長辺方向に拡散する光束を遮断する絞りを有することである。
【００２１】第８の解決手段は、第１の解決手段乃至第７の解決手段のいずれかにおいて、前記光源部と前記ビーム縮小器との間の光路中に前記光変調手段の画素の長辺方向に相当する光束幅のみを広げる偏光変換手段を有することである。
【００２２】第９の解決手段は、第８の解決手段において、前記偏光変換手段が不定偏光光を互いに直交する２つの直線偏光光に分離する偏光分離手段と、前記偏光分離手段で分離された片方の偏光光を反射する光束反射手段と偏光方向を９０°回転させる位相回転手段とからなることである。
【００２３】第１０の解決手段は、第９の解決手段において、前記偏光分離手段がプリズムによる偏光ビームスプリッタであり、前記光束反射手段が斜面を反射面とする直角プリズムであり、前記位相回転手段が半波長板であることである。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る画像投影装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る画像投影装置の一実施形態である照明系の要部を説明するための光路図を示したものであり、図１（Ａ）は装置を真上から見下した場合の光路図すなわち水平方向の光路図、図１（Ｂ）は垂直方向の光路図である。図２は図１における偏光変換手段１２を偏光ビームスプリッタと、斜面を反射面とする直角プリズムすなわち全反射プリズムおよび半波長板によって構成した一実施例を説明するための光路を示す斜視図であり、図３は図１におけるレンズアレイ１３の形状を模式的に示す正面図すなわち光軸と沿った方向から見た図である。
【００２５】図１において、１１はメタルハライドランプ等を用いた光源１１ａと、光照射方向に開口部を有する回転対称形状の反射鏡１１ｂとからなる光源部であり、１２は光源部１１からの不定偏光光を特定の偏光方向に揃える偏光変換手段であり、図２にその構成の一例を斜視図として示している。図２では、偏光変換手段１２は、偏光分離手段であるプリズム状の偏光ビームスプリッタ１２ａと光束反射手段である全反射プリズム１２ｂおよび位相回転手段である半波長光学位相差板すなわち半波長板１２ｃとで構成されている。
【００２６】図２において、偏光ビームスプリッタ１２ａは２つの直角プリズムのうちの一方の斜面に誘電体多層膜を蒸着して、斜面同士を透明接着剤で貼付したものであり、光源部１１からの入射光を偏光方向が互いに直交する２つのＰ偏光波とＳ偏光波とに分離させる。たとえば、Ｐ偏光波は前記斜面を透過させて、レンズアレイ１３に向けて出射させ、もう一方のＳ偏光波は前記斜面で直角に反射させて、全反射プリズム１２ｂ方向に出射させる。ここで、Ｐ偏光波とは入射面内で振動する直線偏光であり、Ｓ偏光とは入射面と直交する面で振動する直線偏光である。全反射プリズム１２ｂは、Ｓ偏光波が反射されて出射される偏光ビームスプリッタ１２ａの側面に付設されており、Ｓ偏光波を直角に反射して、レンズアレイ１３方向に出射させる。また、半波長板１２ｃは全反射プリズム１２ｂの出射側面に付設されており、全反射プリズム１２ｂから出射されたＳ偏光波を、９０度回転させて、Ｐ偏光波に変換させて出射させる。したがって、偏光ビームスプリッタ１２ａを透過したＰ偏光波と同じＰ偏光波に揃えられて、レンズアレイ１３に出射させることになる。
【００２７】なお、半波長板１２ｃは、全反射プリズム１２ｂ側でなく偏光ビームスプリッタ１２ａ側に設けてもよく、この場合、偏光変換手段１２からの出射光はＳ偏光波に揃えられる。また、偏光ビームスプリッタ１２ａと全反射プリズム１２ｂは、接着により一体化したり、一体のガラスで作製してもよい。また、偏光分離手段としては、誘電体多層膜による干渉を利用した偏光ビームスプリッタ以外にも、光学的異方性を有するガラス材料や高分子材料を利用したものや、回析格子などの回析現象を応用したものを使用することもできる。
【００２８】１３は偏光変換手段１２から偏光ビームスプリッタ１２ａおよび半波長板１２ｃを経由して入射される偏光光束を液晶パネル１８の全面に対して均一に照射させるためのレンズアレイであり、第１のレンズアレイ１３ａと第２のレンズアレイ１３ｂとからなる。第１のレンズアレイ１３ａは、図３に示すように、開口形状が正方形の凸レンズをレンズセルとして２次元状に多数配設したものであり、各レンズセル毎に小光束に分割して、それぞれを対応して配置されている第２のレンズアレイ１３ｂの各対応レンズセル近傍に集光させる。また、第２のレンズアレイ１３ｂの各レンズセルは第１のレンズアレイ１３ａの各レンズセルの焦点距離付近に１対１に対応して多数配置された凸レンズであり、第１のレンズアレイ１３ａで集光された各小光束を互いに重ね合わせるようにして液晶パネル１８の全面を均一に照射させるようにビーム縮小器１４の方向に出射させる。
【００２９】１４はビーム縮小器であり、図４の斜視図に示すように垂直方向に円柱面形状、すなわち、水平方向である画素の短辺方向に曲率を有するシリンドリカル凸レンズ１４ａとシリンドリカル凹レンズ１４ｂとを順に配置して構成される。シリンドリカル凸レンズ１４ａはレンズアレイ１３の各レンズセルから出射される平行光を液晶パネルの画素の短辺方向すなわち水平方向のみについて、液晶パネル１８の画面のアスペクト比に応じて、たとえば９／１６に縮小させるものであり、この縮小された出射光はシリンドリカル凹レンズ１４ｂによって平行光にされてコンデンサレンズ１６に向かって出射される。
【００３０】１５は垂直方向に拡散する光束を規制する絞りであり、コンデンサレンズのレンズアレイ側焦点位置に配置されており、ビーム縮小器１４の挿入に伴って照明系が非テレセントリックとなることを防止する働きを有している。１６は入射光をダイクロイックミラー１７を介して、液晶パネル１８に集光させるためのコンデンサである。
【００３１】ダイクロイックミラー１７は入射光をＲ，Ｇ，Ｂの各色光に分離するものであり、３枚のミラーで構成し、それぞれがＲ，Ｇ，Ｂのいずれかの波長帯の光のみを選択的に反射し、他の光を透過する特性を有する。分離された各色光が相互に異なる入射角度で液晶パネル１８に入射されるように、各ダイクロイックミラー１７は入射光軸に対し相互に少しずつ異なる角度に配置されている。１８は光変調手段であり、たとえば、入射された各色光の偏光方向をカラー画像信号に応じて画素ドット毎に光変調させて出射させるマイクロレンズ方式の液晶パネルである。以下、光変調手段として、前述したマイクロレンズ方式の液晶パネルを用いている場合について説明する。
【００３２】液晶パネル１８によって、入射色光に対して画素毎に光変調された各色光は、液晶パネル１８の出射光側に付設している図示していない出射側偏光板によって検光されて、選択的に透過され、画素毎に強度変調された光学画像が形成されて、投影レンズにより、画像スクリーン上に到着し合成カラー画像を表示させる。
【００３３】上述した構成の画像投影装置の動作についてさらに詳しく説明する。本実施例では、光変調手段としての液晶パネル１８は、従来例で示した液晶パネルと同様に、画面のアスペクト比が１６：９の液晶パネルであり、液晶パネル１８への入射光すなわち照明光の水平平行度と垂直平行度との比が画素の形状に対応して１：３とすることが要求される例を示している。しかし、液晶パネル１８の画面のアスペクト比や入射光の水平平行度と垂直平行度の比が、上述した場合以外であっても、本発明の考え方が適用可能であることは言うまでもない。また、光変調手段は、透過型の液晶パネルに限らず、反射型の液晶パネル等を使用してもよい。
【００３４】また、本実施例では、ダイクロイックミラー１７によってＲ，Ｇ，Ｂの各色光に分解して異なる方向から入射される光束を、対応する液晶パネル上のＲ，Ｇ，Ｂの各画素に集光させるために、マイクロレンズアレイをＲ，Ｇ，Ｂ画素を１組としたセルと１対１に対応させて液晶パネル面に付設している。しかし、色光分解・集光手段としては、本実施例の他に、ホログラムなどの光の回折や干渉等を利用したものを使用してもよい。
【００３５】光源部１１で生成された光束は、偏光変換手段１２に入射される。偏光変換手段１２への入射光は前述したごとく偏光ビームスプリッタ１２ａによってＰ偏光波とＳ偏光波の２つの偏光成分に分離され、一方の偏光波（本実施例においてはＰ偏光波）は偏光ビームスプリッタ１２ａを透過して、レンズアレイ１３方向に出射される。もう一方の偏光波（本実施例においては、Ｓ偏光波）は偏光ビームスプリッタ１２ａで直角に反射され、さらに全反射プリズム１２ｂにより半波長板１２ｃ方向に反射された後、半波長板１２ｃによって偏光方向を９０度回転され、Ｐ偏光波に変換されて、レンズアレイ１３方向に出射される。これによって、偏光ビームスプリッタ１２ａを透過したＰ偏光波と偏光方向が揃えられると同時に、入射光束に比し、出射光束全体の幅が液晶パネル１８のＲ，Ｇ，Ｂ画素の長辺方向すなわち垂直方向に約２倍に広げることができる。
【００３６】偏光変換手段１２を経由して第１のレンズアレイ１３ａに入射した光束は、第１のレンズアレイ１３ａの各レンズセルによって、液晶パネル１８の画面全面を均一に照射できるように小光束に分割され、第２のレンズアレイ１３ｂの対応するレンズセルにそれぞれ集光され、２次光源像が結像される。第２のレンズアレイ１３ｂの対応レンズセルは集光された小光束を液晶パネル全面を重ね合わせて照射されるようにしてビーム縮小器１４の方向に出射させる。ここでレンズアレイ１３は、図３に示したように正方形状の凸レンズセルを２次元的に多数配列したものであり、２次光源像が正方形状のレンズセルによって取り込まれるため、従来の矩形状のレンズセルに比べて、集光効率が改善されるとともに、光源部１１の光源ランプ１１ａの光軸ずれ等が生じた場合の誤差感度に関しても、水平方向と垂直方向のいずれの誤差も同一の感度水準に保つことができるため、誤差感度を適切な水準に抑えることが可能になる。
【００３７】ビーム縮小器１４は、垂直方向に円柱面形状のシリンドリカル凸レンズ１４ａ、シリンドリカル凹レンズ１４ｂを順に並べたものであって、平行光が入射したとき、ビーム幅を液晶パネルのＲ，Ｇ，Ｂの画素の短辺方向すなわち水平方向のみを液晶パネル画面のアスペクト比に応じて９／１６に縮小させるものである。図５は、ビーム縮小器１４の前後にある第２のレンズアレイ１３ｂとコンデンサレンズ１６のレンズ系の位置関係を示す配置図である。ビーム縮小器１４による第２のレンズアレイ１３ｂの縮小像（虚像）の形成位置１５ａとコンデンサレンズ１６の焦点距離とをほぼ一致させて配置している。このとき、ビーム縮小器１４の角倍率は、ビーム幅の縮小比の逆数となり、図５（Ａ）に示されるように１６／９倍である。したがって、第２のレンズアレイ１３ｂ，ビーム縮小器１４，コンデンサレンズ１６からなるレンズ群は、第１のレンズアレイ１３ａのレンズセルの形状を水平方向のみ１６／９倍に引き延ばして重畳結像させ、アスペクト比が１６：９の液晶パネル面１８を均一に照射させることが可能となる。
【００３８】液晶パネル面に入射する照明光の平行度は、レンズアレイ１３の外形形状とビーム縮小器１４の倍率によって概略決定される。前記照明光の水平平行度と垂直平行度の比として、１：３が要求される場合、ビーム縮小器１４を用いなければ、この平行度の比が、レンズアレイ１３の外形形状の水平方向の辺の長さと垂直方向の辺の長さの比であり、レンズアレイ１３の外形形状は１：３の比の矩形となる。しかし、本実施例に示すように、ビーム縮小器１４を挿入すると、ビーム縮小器１４の倍率分すなわち１６／９倍だけ、レンズアレイ１３の外形形状の水平方向の辺の長さと垂直方向の辺の長さの比は圧縮され、約１：２の比となる。したがって、本実施例におけるレンズアレイ１３の外形形状は図３に示すように水平方向の辺の長さと垂直方向の辺の長さの比が１：２と、より正方形状に近づけることが可能となる。この結果、光源部１１から円形状の光束が出射されているにもかかわらず、第１のレンズアレイ１３ａにおいて、その短辺方向の光束が遮断されて生じる集光ロスを低減することができる。
【００３９】なお、ビーム縮小器１４のシリンドリカル凸レンズ１４ａに関しては、図６に示すように、第２のレンズアレイ１３ｂと一体に形成して全体としてシリンドリカルな凸状を有するレンズアレイ１３ｃとしてもよい。また、コンデンサレンズ１６は、単純に一枚のレンズで構成するのでなく、レンズアレイの近傍と、液晶パネルの近傍の２群に分けて配置する方式としてもよい。さらに、本実施例では偏光変換手段１２を光源部１１とレンズアレイ１３との間に配置した例を示しているが、レンズアレイ１３の後に配置しても同様の効果が得られる。また、図７に示すように、レンズアレイ１３の第１のレンズアレイ１３ａの全体形状を凸状とするレンズアレイ１３ａ′とし、第２のレンズアレイ１３ｂの全体形状を凹状とするレンズアレイ１３ｂ′とすることにより、第２のレンズアレイ１３ｂ′を含むレンズ系の大きさを小さくすることも可能である。
【００４０】また、図５に示すように、ビーム縮小器１４による第２のレンズアレイ１３ｂの縮小像（虚像）の形成位置１５ａの近傍に、液晶パネル１８の画素の長辺方向すなわち垂直方向に拡散する光束のみを遮断し、垂直方向の光束幅を規制する絞り１５を設けている。そして、この絞り１５の位置はコンデンサレンズ１６のレンズアレイ側の焦点位置にも一致させている。したがって、液晶パネル１８に入射する照明光の垂直方向の平行度がこの絞り１５によって決定されると同時に、絞り１５の中心を通る主光線は完全な平行光になる。一方、水平方向の平行度に関しては、第２のレンズアレイ１３ｂの横幅とビーム縮小器１４の倍率によって決まるが、第２のレンズアレイ１３ｂのビーム縮小器１４による像点１５ａにコンデンサレンズの焦点位置を一致させているので水平方向の主光線も同じく完全な平行光となる。したがって、ビーム縮小器を用いた光学系でありながら、水平方向・垂直方向ともに光軸に平行な光束すなわち平行光が得られる完全にテレセントリックな照明系を実現することができ、液晶パネル面全面にわたり大幅に明るさを改善した最適な照明状態を確保できる。
【００４１】
【発明の効果】請求項１乃至５のいずれかに記載の発明によれば、レンズアレイの外形形状および各レンズセルの形状をともに正方形の形状に近づけることが可能になるので、レンズアレイにおける集光効率が改善し、投影画像の輝度を高めることができる。
【００４２】請求項６に記載の発明によれば、第２のレンズアレイにおける２次光源像の取り込みアスペクト比が１：１となり、光源ランプの光軸ずれ等が生じた場合の誤差感度を水平方向と垂直方向のいずれに対しても同一の水準に保つことができるため、誤差感度を適切な水準に抑えることが可能になる。
【００４３】請求項７に記載の発明によれば、水平方向、垂直方向ともに平行光が得られる完全にテレセントリックな照明系が実現できるので、液晶パネルすなわち光変調手段の全面にわたって効率的で、最適な照明状態を確保することができる。
【００４４】請求項８乃至１０のいずれかに記載の発明によれば、偏光変換手段によって液晶パネルの照明に好適な偏向照射光が実現されると同時に、出射光束幅を液晶パネルの画素の長辺方向に広げることができるので、光の利用効率を更に改善することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５０４９
【氏名又は名称】シャープ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年４月２６日（２０００．４．２６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７９８４３
【弁理士】
【氏名又は名称】高野 明近 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−３０５６５３（Ｐ２００１−３０５６５３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１１月２日（２００１．１１．２） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１２５９６６（Ｐ２０００−１２５９６６） |
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