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投射型表示装置 - 株式会社ニコン
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発明の名称 投射型表示装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−188303(P2001−188303A)
公開日 平成13年7月10日(2001.7.10)
出願番号 特願2000−320729(P2000−320729)
出願日 平成12年10月20日(2000.10.20)
代理人
発明者 関根 淳 / 間辺 雄二 / 服部 徹夫
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】光源の発する光から複数の2次光源像を所定面上に生成する2次光源像生成光学系と、前記複数の2次光源像から出射した光の第1偏光成分を偏光分離する偏光分離光学系と、前記偏光分離光学系から出射した第1偏光成分を複数の色に分解して出射する色分解光学系と、前記色分解光学系から出射された各色光毎に配置され、前記第1偏光成分を像情報に基づいて第2偏光成分に変調する複数の反射型ライトバルブと、前記複数の反射型ライトバルブからそれぞれ出射した変調光を色合成して出射する色合成光学系と、前記色合成光学系を出射した光から前記第2偏光成分を検光する検光光学系と、前記複数の2次光源像を出射した光束を集光させ、かつ前記複数の2次光源像のそれぞれから出射した光束を前記複数の反射型ライトバルブのそれぞれの全面に重畳させるコンデンサレンズと、前記複数の2次光源像と前記複数の反射型ライトバルブとの間に配置され、前記複数の2次光源像の所定点から出射した光束を平行光束に変換するフィールドレンズとを有し、前記偏光分離光学系と前記複数の反射型ライトバルブと前記検光光学系とは、前記フィールドレンズにより変換された前記平行光束中に配置されていることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項2】請求項1記載の投射型表示装置であって、前記複数の反射型ライトバルブの像を投射する投射光学系と、前記複数の反射型ライトバルブから出射される反射光の開口数を決定する開口絞りとを更に有し、前記投射光学系のうちの前記複数の反射型ライトバルブ側のレンズと、前記フィールドレンズとにより、前記所定点と前記開口絞りの中央部とが共役な関係となることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項3】請求項1記載の投射型表示装置であって、前記複数の反射型ライトバルブの像を投射する投射光学系と、前記複数の反射型ライトバルブから出射される反射光の開口数を決定する開口絞りとを更に有し、前記開口絞りにより定義される主光線は、前記複数の2次光源像の所定点から出射した光束が前記フィールドレンズによって平行光束となる位置において、前記複数の反射型ライトバルブの中心を垂直に伸びる光軸に対して平行であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項4】請求項1記載の投射型表示装置であって、前記複数の反射型ライトバルブは、前記フィールドレンズから空気換算長で略(f1(f2−f1))/f2の光路長(ただし、f1は前記フィールドレンズの焦点距離、f2はコンデンサレンズの焦点距離)の位置に配置されることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項5】請求項1記載の投射型表示装置であって、前記2次光源生成光学系は、フライアイインテグレータを含むことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項6】請求項5記載の投射型表示装置であって、前記フライアイインテグレータは、複数の第1レンズ成分を平面的に配列した第1レンズ板と、前記第1レンズ板に相対して設けられ、前記複数の第1レンズ成分の焦点位置にそれぞれ配置された複数の第2レンズ成分を有し、前記複数の第2レンズ成分に前記複数の2次光源像が生成される第2のレンズ板とを含み、前記第2レンズ板は前記コンデンサレンズの機能を兼用することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項7】請求項1記載の投射型表示装置であって、前記2次光源生成光学系は、ロッドインテグレータとリレーレンズとを含むことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項8】請求項1記載の投射型表示装置であって、前記フィールドレンズの機能と前記コンデンサレンズの機能とは、1つの兼用光学系により兼用されることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項9】光源の発する光から複数の2次光源像を所定面上に生成する2次光源像生成光学系と、像情報に基づいて、前記複数の2次光源像から出射した光を変調して射出するライトバルブと、前記複数の2次光源像と前記ライトバルブとの間に配置され、前記複数の2次光源像から出射した光束を集光させ、かつ前記複数の2次光源像のそれぞれから出射した光束を前記ライトバルブ全面に重畳させるコンデンサレンズの機能と、前記複数の2次光源像の所定点から出射した光束を平行光束に変換するフィールドレンズの機能とを兼用する兼用光学系とを有することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項10】請求項9記載の投射型表示装置であって、前記ライトバルブの像を投射する投射光学系と、前記ライトバルブから出射される光の開口数を決定する開口絞りとを更に有し、前記投射光学系のうちの前記ライトバルブ側のレンズと、前記兼用光学系とにより、前記所定点と前記開口絞りの中央部とが共役な関係となることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項11】請求項9記載の投射型表示装置であって、前記ライトバルブの像を投射する投射光学系と、前記ライトバルブから出射される光の開口数を決定する開口絞りとを更に有し、前記開口絞りにより定義される主光線は、前記複数の2次光源像の所定点から出射した光束が前記兼用光学系によって平行光束となる位置において、前記ライトバルブの中心を垂直に伸びる光軸に対して平行であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項12】請求項9記載の投射型表示装置であって、前記ライトバルブは、各色毎に1つ対応するものであり、第1偏光成分を像情報に基づいて第2偏光成分に変調する複数の反射型ライトバルブであって、前記2次光源生成光学系を出射した光から前記第1偏光成分を偏光分離する偏光分離光学系と、前記偏光分離光学系から出射した第1偏光成分を複数の色に分解して、前記複数の反射型ライトバルブにそれぞれ出射する色分解光学系と、前記複数の反射型ライトバルブからそれぞれ出射した変調光を色合成して出射する色合成光学系と、前記色合成光学系を出射した光から前記第2偏光成分を検光する検光光学系とを更に有することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項13】請求項9記載の投射型表示装置であって、前記2次光源生成光学系は、フライアイインテグレータを含むことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項14】請求項9記載の投射型表示装置であって、前記2次光源生成光学系は、ロッドインテグレータとリレーレンズとを含むことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項15】光源の発する光から複数の2次光源像を所定面上に生成する2次光源像生成光学系と、前記複数の2次光源像から出射した光を偏光分離する偏光分離光学系と、前記偏光分離光学系から出射した光を、第1色光と、第2色及び第3色の混合光とに分解して出射する第1色分解光学系と、前記第2色及び第3色の混合光から、第2色光と第3色光とに分解して出射する第2色分解光学系と、前記第1色分解光学系から出射した前記第1色光を、像情報に応じて変調する第1反射型ライトバルブと、前記第2色分解光学系から出射した前記第2色光を、像情報に応じて変調する第2反射型ライトバルブと、前記第2色分解光学系から出射した前記第3色光を、像情報に応じて変調する第3反射型ライトバルブと、前記第1反射型ライトバルブから出射した光を検光して出射する検光光学系と、前記第2反射型ライトバルブと前記第3反射型ライトバルブとから出射した光を検光及び色合成して出射する第1色合成光学系と、前記検光光学系と、前記第1色合成光学系から出射した光とを色合成して出射する第2色合成光学系とを有する投射型表示装置であって、前記第2色分解光学系は、前記第2色光と前記第3色光との一方のみを偏光変換して出射する波長依存偏光変換装置と、前記波長依存偏光変換装置から出射した光を偏光分離する偏光ビームスプリッタとを含み、前記第1色合成光学系は前記第2色分解光学系と兼用される前記偏光ビームスプリッタを含み、前記複数の2次光源像から出射した光束を集光させ、かつ前記複数の2次光源像のそれぞれから出射した光束を前記第1乃至第3反射型ライトバルブのそれぞれの全面に重畳させるコンデンサレンズと、前記複数の2次光源像と前記第1乃至第3反射型ライトバルブとの間に配置され、前記複数の2次光源像の所定点から出射した光束を平行光束に変換するフィールドレンズとを更に有し、前記検光光学系と、前記第1乃至第3反射型ライトバルブと、前記第1色合成光学系と、前記第2色合成光学系とは、前記フィールドレンズによって変換された前記平行光束中に配置されていることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項16】請求項15記載の投射型表示装置であって、前記第1乃至第3反射型ライトバルブの像を投射する投射光学系と、前記第1乃至第3反射型ライトバルブから出射される反射光の開口数を決定する開口絞りとを更に有し、前記投射光学系のうちの前記第1乃至第3反射型ライトバルブ側のレンズと、前記フィールドレンズとにより、前記所定点と前記開口絞りの中央部とが共役な関係となることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項17】請求項15記載の投射型表示装置であって、前記第1乃至第3反射型ライトバルブの像を投射する投射光学系と、前記第1乃至第3反射型ライトバルブから出射される反射光の開口数を決定する開口絞りとを更に有し、前記開口絞りにより定義される主光線は、前記複数の2次光源像の所定点から出射した光束が前記フィールドレンズによって平行光束となる位置において、前記第1乃至第3反射型ライトバルブの中心を垂直に伸びる光軸に対して平行であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項18】請求項15記載の投射型表示装置であって、前記第1乃至第3反射型ライトバルブは、前記フィールドレンズから空気換算長で略(f1(f2−f1))/f2の光路長(ただし、f1は前記フィールドレンズの焦点距離、f2はコンデンサレンズの焦点距離)の位置に配置されることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項19】請求項15記載の投射型表示装置であって、前記2次光源生成光学系は、フライアイインテグレータを含むことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項20】請求項15記載の投射型表示装置であって、前記2次光源生成光学系は、ロッドインテグレータとリレーレンズとを含むことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項21】請求項15記載の投射型表示装置であって、前記フィールドレンズの機能と前記コンデンサレンズの機能とは、1つの兼用光学系により兼用されることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項22】光源の発する光から複数の2次光源像を所定面上に生成する2次光源像生成光学系と、前記複数の2次光源像から出射した光を偏光分離する偏光分離光学系と、前記偏光分離光学系から出射した光を、第1色光と、第2色及び第3色の混合光とに分解して出射する第1色分解光学系と、前記第2色及び第3色の混合光から、第2色光と第3色光とに分解して出射する第2色分解光学系と、前記第1色分解光学系から出射した前記第1色光を、像情報に応じて変調する第1反射型ライトバルブと、前記第2色分解光学系から出射した前記第2色光を、像情報に応じて変調する第2反射型ライトバルブと、前記第2色分解光学系から出射した前記第3色光を、像情報に応じて変調する第3反射型ライトバルブと、前記第1反射型ライトバルブから出射した光を検光して出射する検光光学系と、前記第2反射型ライトバルブと前記第3反射型ライトバルブとから出射した光を検光及び色合成して出射する第1色合成光学系と、前記検光光学系と、前記第1色合成光学系から出射した光とを色合成して出射する第2色合成光学系とを有する投射型表示装置であって、前記第2色分解光学系は、前記第2色光と前記第3色光との一方のみを偏光変換して出射する波長依存偏光変換装置と、前記波長依存偏光変換装置から出射された光を偏光分離する偏光ビームスプリッタとを含み、前記第1色合成光学系は前記第2色分解光学系と兼用される前記偏光ビームスプリッタを含み、前記複数の2次光源像から出射した光束を集光させ、かつ前記複数の2次光源像のそれぞれから出射された光束を前記第1乃至第3反射型ライトバルブのそれぞれの全面に重畳させるコンデンサレンズと、前記複数の2次光源像と前記第1乃至第3反射型ライトバルブとの間に配置され、前記複数の2次光源像の所定点から出射した光束を平行光束に変換するフィールドレンズとを更に有し、前記波長依存偏光変換装置は、前記フィールドレンズによって変換された前記平行光束中に配置されていることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項23】請求項22記載の投射型表示装置であって、前記第1乃至第3反射型ライトバルブの像を投射する投射光学系と、前記第1乃至第3反射型ライトバルブから出射される反射光の開口数を決定する開口絞りとを更に有し、前記投射光学系のうちの前記第1乃至第3反射型ライトバルブ側のレンズと、前記フィールドレンズとにより、前記所定点と前記開口絞りの中央部とが共役な関係となることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項24】請求項22記載の投射型表示装置であって、前記第1乃至第3反射型ライトバルブの像を投射する投射光学系と、前記第1乃至第3反射型ライトバルブから出射される反射光の開口数を決定する開口絞りとを更に有し、前記開口絞りにより定義される主光線は、前記複数の2次光源像の所定点から出射した光束が前記フィールドレンズによって平行光束となる位置において、前記第1乃至第3反射型ライトバルブの中心を垂直に伸びる光軸に対して平行であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項25】請求項22記載の投射型表示装置であって、前記2次光源生成光学系は、フライアイインテグレータを含むことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項26】請求項22記載の投射型表示装置であって、前記2次光源生成光学系は、ロッドインテグレータとリレーレンズとを含むことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項27】請求項22記載の投射型表示装置であって、前記フィールドレンズの機能と前記コンデンサレンズの機能とは、1つの兼用光学系により兼用されることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項28】光源の発する光から複数の2次光源像を所定面上に生成する2次光源像生成光学系と、前記複数の2次光源像からの光を偏光分離する偏光分離光学系と、前記偏光分離光学系から出射した光を、第1色光と、第2色及び第3色の混合光とに分解して出射する第1色分解光学系と、前記第2色及び第3色の混合光から、第2色光と第3色光とに分解して出射する第2色分解光学系と、前記第1色分解光学系から出射した前記第1色光を、像情報に基づいて変調する第1反射型ライトバルブと、前記第2色分解光学系から出射した前記第2色光を、像情報に基づいて変調する第2反射型ライトバルブと、前記第2色分解光学系から出射した前記第3色光を、像情報に基づいて変調する第3反射型ライトバルブと、前記第1反射型ライトバルブから出射した光を検光して出射する検光光学系と、前記第2反射型ライトバルブと前記第3反射型ライトバルブとから出射した光を検光及び色合成して出射する第1色合成光学系と、前記検光光学系と、前記第1色合成光学系から出射した光とを色合成して出射する第2色合成光学系とを有する投射型表示装置であって、前記第2色分解光学系は、前記第2色光と前記第3色光との一方のみを偏光変換して出射する波長依存偏光変換装置と、前記波長依存偏光変換装置から出射した光を偏光分離する偏光ビームスプリッタとを含み、前記第1色合成光学系は前記第2色分解光学系と兼用される前記偏光ビームスプリッタを含み、前記複数の2次光源像と前記第1乃至第3反射型ライトバルブとの間に配置され、前記複数の2次光源像を出射した光束を集光させ、かつ前記複数の2次光源像のそれぞれから出射された光束を前記第1乃至第3ライトバルブのそれぞれの全面に重畳させるコンデンサレンズの機能と、前記複数の2次光源像の所定点から出射した光束を平行光束に変換するフィールドレンズの機能とを有する兼用光学系を更に有することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項29】請求項28記載の投射型表示装置であって、前記第1乃至第3反射型ライトバルブの像を投射する投射光学系と、前記第1乃至第3反射型ライトバルブから出射される反射光の開口数を決定する開口絞りとを更に有し、前記投射光学系のうちの前記第1乃至第3反射型ライトバルブ側のレンズと、前記兼用光学系とにより、前記所定点と前記開口絞りの中央部とが共役な関係となることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項30】請求項28記載の投射型表示装置であって、前記第1乃至第3反射型ライトバルブの像を投射する投射光学系と、前記第1乃至第3反射型ライトバルブから出射される反射光の開口数を決定する開口絞りとを更に有し、前記開口絞りにより定義される主光線は、前記複数の2次光源像の所定点から出射した光束が前記兼用光学系によって平行光束となる位置において、前記第1乃至第3反射型ライトバルブの中心を垂直に伸びる光軸に対して平行であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項31】請求項28記載の投射型表示装置であって、前記2次光源生成光学系は、フライアイインテグレータを含むことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項32】請求項28記載の投射型表示装置であって、前記2次光源生成光学系は、ロッドインテグレータとリレーレンズとを含むことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項33】光源の発する光の少なくとも1部分を1つの平行光束に変換する平行光束変換光学系と、前記平行光束変換光学系の出射した光を、偏光分離及び色分解して出射する偏光分離色分解光学系と、前記偏光分離色分解光学系から出射された各色光毎に配置され、像情報に基づいて偏光成分を変調する複数の反射型ライトバルブと、前記複数の反射型ライトバルブからそれぞれ出射した変調光を、色合成及び検光して出射する色合成検光光学系とを有し、前記偏光分離色分解光学系の偏光分離部と前記複数の反射型ライトバルブと前記色合成検光光学系の検光部とは、前記平行光束変換光学系により変換された平行光束中に配置されていることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項34】請求項33記載の投射型表示装置であって、前記平行光束変換光学系は、光源の発する光から複数の2次光源像を所定面上に生成する2次光源像生成光学系と、前記複数の2次光源像と前記複数の反射型ライトバルブとの間に配置され、前記複数の2次光源像の所定点から出射した光束を平行光束に変換する1つのフィールドレンズとを含むことを特徴とする投射型表示装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ライトバルブに入射した光を変調して射出する投射型表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の投射型表示装置として、例えば特許2505758号公報に記載のフルカラー型の投射型表示装置が知られている。
【0003】また、投射型表示装置のライトバルブの照明装置としてフライアイインテグレータを用いたものが知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、投射型表示装置に単にフライアイインテグレータを適用しただけであると、ライトバルブへの均一照明は達成できるが、スクリーン上への投射像において、コントラストの低減や、ムラが発生する問題があった。また、従来の装置は設計の自由度が低く装置が大型化するといった問題点があった。
【0005】本発明は、従来の装置と比較して、投射像のコントラストの向上させ、ムラを低減した投射型表示装置を提供することを目的とする。また、本発明の別な目的は、従来の装置と比較して設計の自由度の高く小型の装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するために請求項1の投射型表示装置は、光源の発する光から複数の2次光源像を所定面上に生成する2次光源像生成光学系202、203と、複数の2次光源像から出射した光の第1偏光成分を偏光分離する偏光分離光学系206と、偏光分離光学系206から出射した第1偏光成分を複数の色に分解して出射する色分解光学系207A、207B、207Cと、色分解光学系207A、207B、207Cから出射された各色光毎に配置され、第1偏光成分を像情報に基づいて第2偏光成分に変調する複数の反射型ライトバルブ208と、複数の反射型ライトバルブ208からそれぞれ出射した変調光を色合成して出射する色合成光学系207A、207B、207Cと、色合成光学系207A、207B、207Cを出射した光から第2偏光成分を検光する検光光学系206と、複数の2次光源像を出射した光束を集光させ、かつ複数の2次光源像のそれぞれから出射した光束を複数の反射型ライトバルブ208のそれぞれの全面に重畳させるコンデンサレンズ204と、複数の2次光源像と複数の反射型ライトバルブ208との間に配置され、複数の2次光源像の所定点から出射した光束を平行光束に変換するフィールドレンズ205とを有し、偏光分離光学系206と複数の反射型ライトバルブ208と検光光学系206とは、フィールドレンズ205により変換された平行光束中に配置されていることとした。
【0007】請求項2の投射型表示装置は、請求項1記載の投射型表示装置であって、複数の反射型ライトバルブ208の像を投射する投射光学系209a、209bと、複数の反射型ライトバルブ208から出射される反射光の開口数を決定する開口絞り209cとを更に有し、投射光学系209a、209bのうちの複数の反射型ライトバルブ208側のレンズ209aと、フィールドレンズ205とにより、所定点と開口絞り209cの中央部とが共役な関係となることとした。
【0008】請求項3の投射型表示装置は、請求項1記載の投射型表示装置であって、複数の反射型ライトバルブ208の像を投射する投射光学系209a、209bと、複数の反射型ライトバルブ208から出射される反射光の開口数を決定する開口絞り209cとを更に有し、開口絞り209cにより定義される主光線は、複数の2次光源像の所定点から出射した光束がフィールドレンズ205によって平行光束となる位置において、複数の反射型ライトバルブ208の中心を垂直に伸びる光軸に対して平行であることとした。
【0009】請求項4の投射型表示装置は、請求項1記載の投射型表示装置であって、複数の反射型ライトバルブ208は、フィールドレンズ205から空気換算長で略(f1(f2−f1))/f2の光路長(ただし、f1はフィールドレンズの焦点距離、f2はコンデンサレンズの焦点距離)の位置に配置されることとした。
【0010】請求項5の投射型表示装置は、請求項1記載の投射型表示装置であって、2次光源生成光学系は、フライアイインテグレータ202、203を含むこととした。
【0011】請求項6の投射型表示装置は、請求項5記載の投射型表示装置であって、フライアイインテグレータ202、203’は、複数の第1レンズ成分202aを平面的に配列した第1レンズ板202と、第1レンズ板202に相対して設けられ、複数の第1レンズ成分202aの焦点位置にそれぞれ配置された複数の第2レンズ成分203’aを有し、複数の第2レンズ成分203’aに複数の2次光源像が生成される第2のレンズ板203’とを含み、第2レンズ板203’はコンデンサレンズの機能を兼用することとした。
【0012】請求項7の投射型表示装置は、請求項1記載の投射型表示装置であって、2次光源生成光学系は、ロッドインテグレータ520とリレーレンズ521とを含むこととした。
【0013】請求項8の投射型表示装置は、請求項1記載の投射型表示装置であって、フィールドレンズの機能とコンデンサレンズの機能とは、1つの兼用光学系104により兼用されることとした。
【0014】請求項9の投射型表示装置は、光源の発する光から複数の2次光源像を所定面上に生成する2次光源像生成光学系102、103と、像情報に基づいて、複数の2次光源像から出射した光を変調して射出するライトバルブ108と、複数の2次光源像とライトバルブ108との間に配置され、複数の2次光源像から出射した光束を集光させ、かつ複数の2次光源像のそれぞれから出射した光束をライトバルブ108全面に重畳させるコンデンサレンズの機能と、複数の2次光源像の所定点から出射した光束を平行光束に変換するフィールドレンズの機能とを兼用する兼用光学系104とを有することとした。
【0015】請求項10の投射型表示装置は、請求項9記載の投射型表示装置であって、ライトバルブ108の像を投射する投射光学系109a、109bと、ライトバルブ108から出射される光の開口数を決定する開口絞り109cとを更に有し、投射光学系109a、109bのうちのライトバルブ108側のレンズと、兼用光学系104とにより、所定点と開口絞り109cの中央部とが共役な関係となることとした。
【0016】請求項11の投射型表示装置は、請求項9記載の投射型表示装置であって、ライトバルブ108の像を投射する投射光学系109a、109bと、ライトバルブ108から出射される光の開口数を決定する開口絞り109cとを更に有し、開口絞り109cにより定義される主光線は、複数の2次光源像の所定点から出射した光束が兼用光学系104によって平行光束となる位置において、ライトバルブ108の中心を垂直に伸びる光軸に対して平行であることとした。
【0017】請求項12の投射型表示装置は、請求項9記載の投射型表示装置であって、ライトバルブ108は、各色毎に1つ対応するものであり、第1偏光成分を像情報に基づいて第2偏光成分に変調する複数の反射型ライトバルブ108であって、2次光源生成光学系102、103を出射した光から第1偏光成分を偏光分離する偏光分離光学系106と、偏光分離光学系106から出射した第1偏光成分を複数の色に分解して、複数の反射型ライトバルブ108にそれぞれ出射する色分解光学系107A、107B、107Cと、複数の反射型ライトバルブ108からそれぞれ出射した変調光を色合成して出射する色合成光学系107A、107B、107Cと、色合成光学系107A、107B、107Cを出射した光から第2偏光成分を検光する検光光学系106とを更に有することとした。
【0018】請求項13の投射型表示装置は、請求項9記載の投射型表示装置であって、2次光源生成光学系は、フライアイインテグレータ102、103を含むこととした。
【0019】請求項14の投射型表示装置は、請求項9記載の投射型表示装置であって、2次光源生成光学系は、ロッドインテグレータ520とリレーレンズ521とを含むこととした。
【0020】請求項15の投射型表示装置は、光源の発する光から複数の2次光源像を所定面上に生成する2次光源像生成光学系302、303と、複数の2次光源像から出射した光を偏光分離する偏光分離光学系310と、偏光分離光学系310から出射した光を、第1色光と、第2色及び第3色の混合光とに分解して出射する第1色分解光学系311A、306と、第2色及び第3色の混合光から、第2色光と第3色光とに分解して出射する第2色分解光学系311B、313と、第1色分解光学系311A、306から出射した第1色光を、像情報に応じて変調する第1反射型ライトバルブ308Gと、第2色分解光学系311B、313から出射した第2色光を、像情報に応じて変調する第2反射型ライトバルブ308Rと、第2色分解光学系311B、313から出射した第3色光を、像情報に応じて変調する第3反射型ライトバルブ308Bと、第1反射型ライトバルブ308Gから出射した光を検光して出射する検光光学系312と、第2反射型ライトバルブ308Rと第3反射型ライトバルブ308Bとから出射した光を検光及び色合成して出射する第1色合成光学系313と、検光光学系312と、第1色合成光学系313から出射した光とを色合成して出射する第2色合成光学系311C、314、315とを有する投射型表示装置であって、第2色分解光学系311B、313は、第2色光と第3色光との一方のみを偏光変換して出射する波長依存偏光変換装置311Bと、波長依存偏光変換装置311Bから出射した光を偏光分離する偏光ビームスプリッタ313とを含み、第1色合成光学系313は第2色分解光学系311B、313と兼用される偏光ビームスプリッタ313を含み、複数の2次光源像から出射した光束を集光させ、かつ複数の2次光源像のそれぞれから出射した光束を第1乃至第3反射型ライトバルブ308のそれぞれの全面に重畳させるコンデンサレンズ304と、複数の2次光源像と第1乃至第3反射型ライトバルブ308との間に配置され、複数の2次光源像の所定点から出射した光束を平行光束に変換するフィールドレンズ305とを更に有し、検光光学系312と、第1乃至第3反射型ライトバルブ308と、第1色合成光学系313と、第2色合成光学系311C、314、315とは、フィールドレンズ305により変換された平行光束中に配置されていることとした。
【0021】請求項16の投射型表示装置は、請求項15記載の投射型表示装置であって、第1乃至第3反射型ライトバルブ308の像を投射する投射光学系309a、309bと、第1乃至第3反射型ライトバルブ308から出射される反射光の開口数を決定する開口絞り309cとを更に有し、投射光学系309a、309bのうちの第1乃至第3反射型ライトバルブ308側のレンズ309aと、フィールドレンズ305とにより、所定点と開口絞り309aの中央部とが共役な関係となることとした。
【0022】請求項17の投射型表示装置は、請求項15記載の投射型表示装置であって、第1乃至第3反射型ライトバルブ308の像を投射する投射光学系309a、309bと、第1乃至第3反射型ライトバルブ308から出射される反射光の開口数を決定する開口絞り309cとを更に有し、開口絞り309cにより定義される主光線は、複数の2次光源像の所定点から出射した光束がフィールドレンズ305によって平行光束となる位置において、第1乃至第3反射型ライトバルブ308の中心を垂直に伸びる光軸に対して平行であることとした。
【0023】請求項18の投射型表示装置は、請求項15記載の投射型表示装置であって、第1乃至第3反射型ライトバルブ308は、フィールドレンズ305から空気換算長で略(f1(f2−f1))/f2の光路長(ただし、f1はフィールドレンズの焦点距離、f2はコンデンサレンズの焦点距離)の位置に配置されることとした。
【0024】請求項19の投射型表示装置は、請求項15記載の投射型表示装置であって、2次光源生成光学系は、フライアイインテグレータ302、303を含むこととした。
【0025】請求項20の投射型表示装置は、請求項15記載の投射型表示装置であって、2次光源生成光学系は、ロッドインテグレータ520とリレーレンズ521とを含むこととした。
【0026】請求項21の投射型表示装置は、請求項15記載の投射型表示装置であって、フィールドレンズの機能とコンデンサレンズの機能とは、1つの兼用光学系404により兼用されることとした。
【0027】請求項22の投射型表示装置は、光源の発する光から複数の2次光源像を所定面上に生成する2次光源像生成光学系302、303と、複数の2次光源像から出射した光を偏光分離する偏光分離光学系310と、偏光分離光学系310から出射した光を、第1色光と、第2色及び第3色の混合光とに分解して出射する第1色分解光学系311A、306と、第2色及び第3色の混合光から、第2色光と第3色光とに分解して出射する第2色分解光学系311B、313と、第1色分解光学系311A、306から出射した第1色光を、像情報に応じて変調する第1反射型ライトバルブ308Gと、第2色分解光学系311B、313から出射した第2色光を、像情報に応じて変調する第2反射型ライトバルブ308Rと、第2色分解光学系311B、313から出射した第3色光を、像情報に応じて変調する第3反射型ライトバルブ308Bと、第1反射型ライトバルブ308Gから出射した光を検光して出射する検光光学系312と、第2反射型ライトバルブ308Rと第3反射型ライトバルブ308Bとから出射した光を検光及び色合成して出射する第1色合成光学系313と、検光光学系312と第1色合成光学系313から出射した光とを色合成して出射する第2色合成光学系311C、314、315とを有する投射型表示装置であって、第2色分解光学系311B、313は、第2色光と第3色光との一方のみを偏光変換して出射する波長依存偏光変換装置311Bと、波長依存偏光変換装置311Bから出射された光を偏光分離する偏光ビームスプリッタ313とを含み、第1色合成光学系313は第2色分解光学系311Bと兼用される偏光ビームスプリッタ313を含み、複数の2次光源像から出射した光束を集光させ、かつ複数の2次光源像のそれぞれから出射された光束を第1乃至第3反射型ライトバルブ308のそれぞれの全面に重畳させるコンデンサレンズ304と、複数の2次光源像と第1乃至第3反射型ライトバルブ308との間に配置され、複数の2次光源像の所定点から出射した光束を平行光束に変換するフィールドレンズ305とを更に有し、波長依存偏光変換装置311Bは、フィールドレンズ305により変換された平行光束中に配置されていることとした。
【0028】請求項23の投射型表示装置は、請求項22記載の投射型表示装置であって、第1乃至第3反射型ライトバルブ308の像を投射する投射光学系309a、309bと、第1乃至第3反射型ライトバルブ308から出射される反射光の開口数を決定する開口絞り309cとを更に有し、投射光学系309a、309bのうちの第1乃至第3反射型ライトバルブ308側のレンズ309aと、フィールドレンズ305とにより、所定点と開口絞り309cの中央部とが共役な関係となることとした。
【0029】請求項24の投射型表示装置は、請求項22記載の投射型表示装置であって、第1乃至第3反射型ライトバルブ308の像を投射する投射光学系309a、309bと、第1乃至第3反射型ライトバルブ308から出射される反射光の開口数を決定する開口絞り309cとを更に有し、開口絞り309cにより定義される主光線は、複数の2次光源像の所定点から出射した光束がフィールドレンズ305によって平行光束となる位置において、第1乃至第3反射型ライトバルブ308の中心を垂直に伸びる光軸に対して平行であることとした。
【0030】請求項25の投射型表示装置は、請求項22記載の投射型表示装置であって、2次光源生成光学系は、フライアイインテグレータ302、303を含むこととした。
【0031】請求項26の投射型表示装置は、請求項22記載の投射型表示装置であって、2次光源生成光学系は、ロッドインテグレータ520とリレーレンズ521とを含むこととした。
【0032】請求項27の投射型表示装置は、請求項22記載の投射型表示装置であって、フィールドレンズの機能とコンデンサレンズの機能とは、1つの兼用光学系404により兼用されることとした。
【0033】請求項28の投射型表示装置は、光源の発する光から複数の2次光源像を所定面上に生成する2次光源像生成光学系402、403と、複数の2次光源像からの光を偏光分離する偏光分離光学系410と、偏光分離光学系410から出射した光を、第1色光と、第2色及び第3色の混合光とに分解して出射する第1色分解光学系411A、406と、第2色及び第3色の混合光から、第2色光と第3色光とに分解して出射する第2色分解光学系411B、413と、第1色分解光学系411A、406から出射した第1色光を、像情報に基づいて変調する第1反射型ライトバルブ408Gと、第2色分解光学系411B、413から出射した第2色光を、像情報に基づいて変調する第2反射型ライトバルブ408Rと、第2色分解光学系411B、413から出射した第3色光を、像情報に基づいて変調する第3反射型ライトバルブ408Bと、第1反射型ライトバルブ408Gから出射した光を検光して出射する検光光学系412と、第2反射型ライトバルブ408Rと第3反射型ライトバルブ408Bとから出射した光を検光及び色合成して出射する第1色合成光学系413と、検光光学系412と、第1色合成光学系413から出射した光とを色合成して出射する第2色合成光学系411C、414、415とを有する投射型表示装置であって、第2色分解光学系411B、413は、第2色光と第3色光との一方のみを偏光変換して出射する波長依存偏光変換装置411Bと、波長依存偏光変換装置411Bから出射した光を偏光分離する偏光ビームスプリッタ413とを含み、第1色合成光学系413は第2色分解光学系411B、413と兼用される偏光ビームスプリッタ413を含み、複数の2次光源像と第1乃至第3反射型ライトバルブ408との間に配置され、複数の2次光源像を出射した光束を集光させ、かつ複数の2次光源像のそれぞれから出射された光束を第1乃至第3ライトバルブ408のそれぞれの全面に重畳させるコンデンサレンズの機能と、複数の2次光源像の所定点から出射した光束を平行光束に変換するフィールドレンズの機能とを有する兼用光学系404を更に有することを特徴とする投射型表示装置。
【0034】請求項29の投射型表示装置は、請求項28記載の投射型表示装置であって、第1乃至第3反射型ライトバルブ408の像を投射する投射光学系409a、409bと、第1乃至第3反射型ライトバルブ408から出射される反射光の開口数を決定する開口絞り409cとを更に有し、投射光学系409a、409bのうちの第1乃至第3反射型ライトバルブ408側のレンズと、兼用光学系404とにより、所定点と開口絞り409cの中央部とが共役な関係となることとした。
【0035】請求項30の投射型表示装置は、請求項28記載の投射型表示装置であって、第1乃至第3反射型ライトバルブ408の像を投射する投射光学系409a、409bと、第1乃至第3反射型ライトバルブ408から出射される反射光の開口数を決定する開口絞り409cとを更に有し、開口絞り409cにより定義される主光線は、複数の2次光源像の所定点から出射した光束が兼用光学系404によって平行光束となる位置において、第1乃至第3反射型ライトバルブ408の中心を垂直に伸びる光軸に対して平行であることとした。
【0036】請求項31の投射型表示装置は、請求項28記載の投射型表示装置であって、2次光源生成光学系は、フライアイインテグレータ402、403を含むこととした。
【0037】請求項32は、請求項28記載の投射型表示装置であって、2次光源生成光学系は、ロッドインテグレータ520とリレーレンズ521とを含むこととした。請求項33の投射型表示装置は、光源の発する光の少なくとも1部分を1つの平行光束に変換する平行光束変換光学系202、203、204、205と、平行光束変換光学系202、203、204、205の出射した光を、偏光分離及び色分解して出射する偏光分離色分解光学系206、207A、207B、207Cと、偏光分離色分解光学系206、207A、207B、207Cから出射された各色光毎に配置され、像情報に基づいて偏光成分を変調する複数の反射型ライトバルブ208と、複数の反射型ライトバルブ208からそれぞれ出射した変調光を、色合成及び検光して出射する色合成検光光学系206、207A、207B、207Cとを有し、偏光分離色分解光学系206、207A、207B、207Cの偏光分離部206pと複数の反射型ライトバルブ208と色合成検光光学系206、207A、207B、207Cの検光部206pとは、平行光束変換光学系202、203、204、205により変換された平行光束中に配置されていることとした。
【0038】請求項34の投射型表示装置は、請求項33記載の投射型表示装置であって、平行光束変換光学系202、203、204、205は、光源の発する光から複数の2次光源像を所定面上に生成する2次光源像生成光学系202、203と、複数の2次光源像と複数の反射型ライトバルブ208との間に配置され、複数の2次光源像の所定点から出射した光束を平行光束に変換する1つのフィールドレンズ205とを含むこととした。
【0039】
【発明の実施の形態】(第1の実施の形態)図1および図2は本発明の第1の実施の形態を示す投射型表示装置の基本構成図ならびに当該装置における光線図を示している。まず、投射型表示装置の基本構成から説明する。
【0040】本明細書の投射型表示装置のシステムの光軸は、後述する反射型ライトバルブの中心から垂直に伸びる軸と定義する。尚、上記光軸がミラー等の光学部材により折り曲げられている場合は、その折り曲げられた軸も光軸と定義する。以下、特に断りの無い場合は、光軸とはシステムの光軸のことを示すものとする。
【0041】初めに照明光学系について説明する。本実施形態では照明光学系のインテグレータとしていわゆるフライアイインテグレータを採用する。
【0042】照明光学系は、光源201とフライアイインテグレータ202、203とコンデンサレンズ204とフィールドレンズ205とから構成される。光源201はランプと凹面鏡とから構成される。凹面鏡は放物面鏡である。放物面鏡を使用したのは射出光が略平行光束になるからである。もちろん他の凹面鏡、例えば楕円鏡と整形レンズを使用して略平行光束を形成してもよい。
【0043】光源201から出射した略平行光束光源光は、フライアイインテグレータ202、203に入射する。フライアイインテグレータ202、203は、第1レンズ板202と第2レンズ板203とから構成される。第1レンズ板202には、複数のレンズ202aが平面的に配列されている。第2レンズ板203には、複数のレンズ203aが平面的に配置されている。第2レンズ板203のレンズ203aはそれぞれ、対応する第1レンズ板202のレンズ202aの焦点位置に配置されている。
【0044】上述の構成において、凹面鏡から出射された略平行光束は第1レンズ板202の複数のレンズ202aの開口によって分割される。そして図1に示されるように、第1レンズ板202の複数のレンズ202aを出射した光は、それぞれ対応する第2レンズ板203の複数のレンズ203aに集光する。即ち、第2レンズ板203の複数のレンズ203aのそれぞれに、2次光源像が生成される。
【0045】コンデンサレンズ204は、第2レンズ板203の射出面近傍に配置されている。図2に示されるように、コンデンサレンズ204は第2レンズ板203の2次光源像から出射される照明光束を集光させる機能を有する。また、コンデンサレンズ204は、フライアイインテグレータ202、203によって生成された2次光源像のそれぞれから出射した光束を、被照明体である反射型ライトバルブ208のそれぞれの全面に重畳させて照射する機能を有する。
【0046】第1レンズ板202aと反射型ライトバルブ208R、208G、208Bの共役な関係は、第2レンズ板203のレンズ203a、コンデンサレンズ204、及びフィールドレンズ205によって実現されている。よって、第2レンズ板203の複数のレンズ203aに入射した光が反射型ライトバルブ208に重畳して照明される。従って、反射型ライトバルブ208R、208G、208Bの均一照明が実現される。
【0047】図1、図2に示されるように、フィールドレンズ205は、第2レンズ板203の複数のレンズ203aに生成された各2次光源像から出射した光束(L1,L2等)を平行光束に変換する。第2レンズ板203の複数のレンズ203aのうち中央のレンズは、後述する投射レンズ209中の開口絞り209cの中央部と共役な位置に配置されている。この共役関係は、コンデンサレンズ204、フィールドレンズ205、前群レンズ209aによって実現されており、主にフィールドレンズ205、前群レンズ209aによって実現されている。
【0048】次に、偏光分離、色分解、色合成、検光を行う光学系について説明する。フィールドレンズ205を出射した光は偏光ビームスプリッタ206に入射され、透過して進行するP偏光と反射して廃棄されるS偏光とに偏光分離される。
【0049】偏光ビームスプリッタ206を透過したP偏光は、色分解合成複合プリズムのプリズム207Aの面207aに入射される。色分解合成複合プリズムは、プリズム207A、プリズム207Bならびにプリズム207Cとから構成される。なお、プリズム207Aとプリズム207Bとは空隙を有して配置される。プリズム207Bとプリズム207Cとは、プリズム207の207e面に形成されたR光反射ダイクロイック膜とプリズム207Cとを接着剤にて接合することにより一体化されている。
【0050】プリズム207Aに入射した光はそのまま進行し、面207bに形成されたB光反射ダイクロイック膜によってB光とR、G光の混合光とに色分解される。B光反射ダイクロイック膜はB光を反射し、R光とG光とを透過する特性を有している。
【0051】B光は面207bによって反射して進行し、面207aによって全反射作用を受けてさらに進行し、プリズム207Aの面207cから射出される。そして、B光は、射出面207c近傍に配置された反射型ライトバルブ208Bに入射する。
【0052】プリズム207Aを出射したR、G光の混合光は、プリズム207Bに入射する。そしてR、G光の混合光はプリズム207B中を進行し、面207eに形成されたR光反射ダイクロイック膜によってR光とG光とに色分解される。R光反射ダイクロイック膜はR光を反射してG光を透過する特性を有する。
【0053】その後、R光はプリズム207B中を進行し、面207dによって全反射を受けてさらに進行し、面207fから射出される。そしてR光は、射出面207f近傍に配置された反射型ライトバルブ208Rに入射する。
【0054】プリズム207Bを出射したG光は、プリズム207Cに入射する。そしてG光は、プリズム207Cを進行し、面207gから射出される。そしてG光は、射出面207g近傍に配置された反射型ライトバルブ208Gに入射する。
【0055】ここで、反射型ライトバルブ208R、208G、208Bにの機能を説明する。これらの反射型ライトバルブ208は電気書き込み式反射型ライトバルブである。電気書き込み式反射型ライトバルブは、所定の場所の液晶層を波長板層としての機能を与えることができる機能を有している。即ち、反射型ライトバルブ208は、入射する直線偏光(例えばP偏光)に対して、各色の画像信号によって選択された箇所に係る偏光の振動方向を階調レベルに応じて偏光変換して反射射出させる。例えば、反射型ライトバルブ208は、階調レベルが最低である非選択箇所の入射光をそのままの偏光(P偏光)にて反射射出させる。また、反射型ライトバルブ208は、階調レベルが最高である選択箇所の入射光を、偏光の振動方向を90度回転させて(S偏光に変換して)反射射出させる。そして反射型ライトバルブ208は、階調レベルが中間調である選択箇所の入射光を、偏光の振動方向を階調レベルに合わせて回転した楕円偏光として反射射出させる。
【0056】反射型ライトバルブ208を出射した光は、入射光軸と同じ光軸で入射方向とは逆行して進行し、色分解合成複合プリズムを逆行して進行することにより色合成が達成される。そして色合成光がプリズム207Aの面207aから射出される。
【0057】上述したように、複合プリズムから射出された合成光は変調光(S偏光)と非変調光(P偏光)の混合光である。当該光は偏光ビームスプリタ206に入射され、偏光分離部206pによって変調光(S偏光)のみが反射光として検光される。尚、非変調光に相当するP偏光は偏光ビームスプリッタ206を透過して光源201方向に不要光として廃棄される。
【0058】検光された光は投射レンズ209に入射され、スクリーン210上にフルカラー像として投射される。以上が、第1の実施形態に係る投射型表示装置の基本構成である。
【0059】ここから、第1の実施形態に係る、投射レンズ209の開口絞り209cによって定義される主光線について説明する。まず、投射レンズ209の構造について説明する。投射レンズ209は前群レンズ209aと後群レンズ209bと開口絞り209cとを有している。前群レンズ209aは、開口絞り209cより前側(反射型ライトバルブ208側)に配置されている。後群レンズ209bは、開口絞り209cより後側(スクリーン側)に配置されている。
【0060】さらに、開口絞り209cは前群レンズ209aの焦点距離の位置に配置されている。いわゆる前側(反射型ライトバルブ208側)にテレセントリックな光学系を構成している。ここで、開口絞り209cの中心を通過する光線として主光線を定義する。この定義による主光線は無限本あるが、そのうちの2本(L1,L2)を図1の実線として図示する。
【0061】図示のとおり、投射レンズ209の開口絞り209cの中心を通過する光線(主光線)L1,L2は進行方向(スクリーン方向)に対して逆行して考えることができる。前述したように前群レンズ209aと開口絞り209cとによりテレセントリックな光学系を構成しているので、前群レンズ209aと偏光ビームスプリッタ206の間において、主光線L1,L2は光軸に対して平行な光線となることが理解できる。
【0062】さらに、主光線L1,L2について光路を逆行して考えると、偏光ビームスプリッタ206と色分解合成複合プリズム(プリズム207A、プリズム207B、プリズム207C)と、反射型ライトバルブ208B、208R、208G間の光路において、主光線L1,L2は光軸に対して平行を保っている。
【0063】さらに、各反射型ライトバルブ208B、208R、208Gと、色分解合成複合プリズム(プリズム207A、207B、207C)と、偏光ビームスプリッタリッタ206と、フィールドレンズ205に至るまでは、同様に主光線L1,L2が光軸に平行である。
【0064】さらにフィールドレンズ205から主光線L1,L2の光路を逆行して考えると、コンデンサレンズ204を経て、フライアイインテグテータを構成する第2レンズ板203の略中央部に配置された光軸上のレンズ203aの位置において、主光線L1,L2が交わる。
【0065】さらに第2レンズ板203から主光線L1,L2の光路を逆行して考えると、主光線L1,L2は、交差して広がり、対応する第1レンズ板202のレンズ202aの端部に交わる。更に逆行すると、主光線L1,L2は、平行光として、光源201にぶつかる。
【0066】以上の説明から、フィールドレンズ205の射出面から前群レンズ209aの入射面までの光路においてテレセントリックな関係が維持されていることが理解される。
【0067】なお、図1においては、主光線L1,L2の他に、開口絞り209cの両端部を通過する光線についても示されている。この光線については、図1から理解できるように、第2レンズ板203の両端のレンズ203aの中央にて交差して進行する光線と一致する。
【0068】図2は、本発明の第1の実施形態の投射型表示装置における主光線と開口数とを説明するための光線図である。図2に記載の光線図は、前述の主光線L1,L2と、開口数(NA)を定義する光線M1,M2(破線にて記載)を示している。
【0069】上述したように主光線L1,L2は、各反射型ライトバルブ208G,208R,208Bとフィールドレンズ205の間では光軸に平行であり、レンズ203aにて交わる。従ってフィールドレンズ205の焦点距離をf1とすると、第2レンズ板203の主点はフィールドレンズ205の略焦点位置(フィールドレンズ205から略f1の距離)に配置される。この配置には、コンデンサレンズ204の光軸近傍を主光線L1,L2が通過することが考慮されている。
【0070】次に、反射型ライトバルブ208Gの光軸の位置から定義される開口数(NA)を定義する光線(破線にて図示されたM1,M2)について説明する。光線M1,M2は、所定開口数(NA)の広がり角を有して進行し、偏光ビームスプリッタ206を経て、当該開口数を有して投射レンズ209に入射し、スクリーン210の光軸位置に集光結像される。
【0071】一方、光源201から見た光線M1,M2の説明は、以下のとおりとなる。すなわち、結果から言えば、フライアイインテグレータを構成する第2レンズ板203の両端のレンズ203aの中央を光軸に平行にそれぞれ進行する光線は、光線M1,M2と一致することとなる。したがって、第2レンズ板203の両端のレンズ203aの中央を光軸に平行にそれぞれ進行する光線は、コンデンサレンズ204を射出して、当該レンズのパワーによって集光光線となり、さらに、フィールドレンズ205を経て、前記の開口数(NA)を有して進行し、反射型ライトバルブ208Gの光軸上に集光する。この説明から、反射型ライトバルブ208Gの反射面は、フィールドレンズ205の焦点距離の位置に配置されず、焦点位置より手前の位置に配置されることが理解される。
【0072】即ち、フィールドレンズ205の主点と第2レンズ板203の主点との間の光路長は、反射型ライトバルブ208の反射面とフィールドレンズ205の主点との間の光路長よりも長くなることが理解できる。
【0073】上記の説明を定量的に述べると、フィールドレンズ205の焦点距離を上記のようにf1、コンデンサレンズ204の焦点距離をf2(f2>f1)とすると、コンデンサレンズ204は第2レンズ板203に近接配置されるので、フィールドレンズ205の主点と第2レンズ板203の主点との距離は略f1である。
【0074】光源側から第2レンズ板203に光軸に平行に入射した光線M1,M2は、コンデンサレンズ204とフィールドレンズ205によって、反射型ライトバルブ208上の光軸上の位置に集光される。
【0075】上述の関係となるような、フィールドレンズ205の主点と反射型ライトバルブ208の反射面との距離は、2枚の薄肉レンズによる近軸追跡の式から容易に求められ、(空気換算長)(f1(f2−f1))/f2である。即ち、反射型ライトバルブ208の反射面はフィールドレンズ205の焦点距離の位置より空気換算長でf1(f1/f2)だけ手前に配置されることになる。
【0076】尚、空気換算長とは光学的距離のことであり、実際の寸法のことではない。以上の配置により、第2レンズ板203の複数のレンズ203aに生成された複数の2次光源像のいずれを出射した光であっても、反射型ライトバルブ208を均一に重畳照明することになる。
【0077】このように本実施の形態においては、偏光ビームスプリッタ206、色分解合成プリズムを構成する各プリズム207、各色用反射型ライトバルブ208が投射レンズ209の開口絞り209cによって定義される主光線L1,L2が光軸に平行な位置(テレセントリックな位置)に配置される。
【0078】上述の構成により、フィールドレンズ205から前群レンズ209aに至る光路において、第2レンズ板203の複数のレンズ203aに生成される2次光源像から出射される光束は平行光束となる。当然主光線L1,L2も、フィールドレンズ205から前群レンズ209aに至る光路において、平行光束となる。よって、当該光路中に配置される偏光ビームスプリッタ206の偏光分離部206p、色分解合成プリズム中のダイクロイック膜、各反射型ライトバルブの変調層のそれぞれに対しての主光線の入射角度は一定となる。
【0079】主光線はその明るさにおいて、投射画像に最も大きな影響を有する。そのため、本実施形態の装置は、偏光分離部206p、色分解合成プリズム中のダイクロイック膜、各反射型ライトバルブ208の変調層が、入射角度によって異なる特性を有しているにも拘わらず、特性変化を最小限にすることができた。そのため、本実施形態の装置は、従来の装置と比較して、投射像におけるコントラストの劣化、およびに発生するムラ(色ムラ)の低減を実現した。
【0080】また、上述の構成により、フィールドレンズ205から前群レンズ209aに至る光路において、第2レンズ板203の複数のレンズ203aの中央のレンズに生成される2次光源像から出射される平行光束(主光線)は光軸に対して平行である。そのため、前群レンズ209aによる反射型ライトバルブ208の像倍率は変化しない。即ち、反射型ライトバルブ208の取り付け位置が光軸方向に多少ずれても、スクリーン210に投射される像のサイズは変化しない。そのため、各反射型ライトバルブ208が光軸方向に厳密に取り付けられていなくても、画素ずれなどが発生しない。よって、製造コストが削減されるという効果がある。
【0081】更に、フィールドレンズ205の主点と反射型ライトバルブ208の反射面との距離は、空気換算長で(f1(f2−f1))/f2である。そのため、反射型ライトバルブ208上のどの点も、複数の2次光源像の各光源像によって重畳照明される。
【0082】本実施の形態においては、使用したフライアイインテグレータ202、203は第1レンズ板202と第2レンズ板203と分離された分離型のフライアイインテグレータ202、203を使用した。その代わりに、第1レンズ板202と第2レンズ板203との機能を11つで兼用した一体型のフライアイインテグレータを使用することもできる。その際には、フィールドレンズ205の略焦点距離の位置には一体型のフライアイインテグレータの射出面側の主点を配置すればよい。換言すれば、フライアイインテグレータが分離型であっても一体型であっても、フライアインテグレータの射出面側(第2レンズ板203)の主点がフィールドレンズ205の略焦点距離の位置に配置すればよいことになる。
(第2の実施の形態)図3、図4は本発明の第2の実施の形態を示す投射型表示装置の基本構成と当該装置の光線図である。
【0083】本実施形態の装置では、レンズ104がコンデンサレンズならびにフィールドレンズのそれぞれの機能を併せ持つことにより、テレセントリック性が確保される。
【0084】光源101、複数のレンズ102aからなる第1レンズ板102、複数のレンズ103aからなる第2レンズ板103は、第1の実施の形態における光源201、第1レンズ板202、第2レンズ板203と同様であり、その構造、機能についての詳細な説明は省略する。
【0085】本実施形態では、第2レンズ板103の射出面近傍にはコンデンサレンズは配置されない。第2レンズ板103を出射した光は、偏光ビームスプリッタ106の入射面の近傍位置に配置されたレンズ104に入射される。そしてレンズ104を出射した光が偏光ビームスプリッタ106に入射する。偏光ビームスプリッタ106は、P偏光を透過しS偏光を反射することにより、入射する光を偏光分離する。S偏光は不要光として廃棄される。
【0086】偏光ビームスプリッタ106、プリズム107A,107B,107C、反射型ライトバルブ108B、108R、108G、投射レンズ109については、第1の実施形態における偏光ビームスプリッタ206、プリズム207A、207B、207C、反射型ライトバルブ208B、208R、208G、投射レンズ209と同様であり、その構造並びに機能についての説明は省略する。
【0087】投射レンズ109の開口絞り109cは、反射型ライトバルブ108側(前側)の前群レンズ109aの焦点位置に配置されている。よって開口絞り109cと前群レンズ109aとにより、前群レンズ109aの前側にテレセントリックな光学系が構成されている。そのため、開口絞り109cの中心を通過する光線として定義される主光線L3,L4は、反射型ライトバルブ108側(前側)においては光軸に対して平行な光線となっている。
【0088】レンズ104は図3から理解できるように、コンデンサレンズの機能とフィールドレンズの機能とを兼用している。コンデンサレンズの機能は2つある。1つ目のコンデンサレンズの機能は、第2レンズ板103に生成される2次光源像から出射される光束を集光させる機能である。2つ目のコンデンサレンズの機能は、フライアイインテグレータ102、103によって生成された2次光源像のそれぞれから出射した光束を、被照明体である反射型ライトバルブ108のそれぞれの全面に重畳させて照射する機能である。
【0089】フィールドレンズの機能とは、第2レンズ板103の複数のレンズ103aの各々のレンズに生成される2次光源像から出射した光束(L3,L4等)を平行光束に変換する機能である。
【0090】ところで、第2レンズ板103の複数のレンズ103aのうち中央のレンズは、投射レンズ109中の開口絞り109cの中央部と共役な位置に配置されている。この共役関係は、レンズ104及び前群レンズ109aによって実現されている。
【0091】従って上記の光線L3,L4は、開口絞り109cによって定義される主光線に一致する。よって、レンズ104は、レンズ104から前群レンズ109aに至る光路において、主光線L3,L4が光軸に平行になることを担保する機能があるといえる。
【0092】図3に示されるように、主光線L3,L4は、投射レンズ109からレンズ104に至る光路において、光軸と平行である。さらにレンズ104から主光線L3,L4の光路を逆行して考えると、フライアイインテグテータを構成する第2レンズ板103の略中央部に配置された光軸上のレンズ103aの位置において、主光線L3,L4が交わる。
【0093】さらに第2レンズ板103から主光線L3,L4の光路を逆行して考えると、主光線L3,L4は、交差して広がり、対応する第1レンズ板102のレンズ102aの端部に交わる。更に逆行すると、主光線L3,L4は、平行光として、光源101へぶつかる。
【0094】なお、第1の実施形態と同様に、投射レンズ109の開口絞り109cの端部を通過する光線として定義される光線についても、第2レンズ板103の両端部のレンズ103aの中央部にて交差する光線となる。
【0095】図4において、主光線L3,L4と、開口数(NA)を有する光線(破線にてM3、M4として図示)を示す。まずレンズ104の主点と第2レンズ板103の主点との距離について考える。
【0096】主光線L3,L4は反射型ライトバルブから複合プリズム、偏光ビームスプリッタ106を経由してレンズ104までは光軸に平行であり、第2レンズ板103の光軸上のレンズ103aに集光交差する。即ち、レンズ104の一方の焦点の位置に第2レンズ板103の主点が配置されている。そして、レンズ104の主点と第2レンズ板103の主点とは略f3の距離だけ離れている。
【0097】次にレンズ104の主点と反射型ライトバルブ108の反射面との距離を考える。第2レンズ板103の両端部のレンズ103aの中央部に光軸に平行に入射した光線M3,M4は、光軸に対して平行に進行し、レンズ104のパワーによって折り曲げられ、反射型ライトバルブ108B、108R、108Gの光軸上の点に集光される。即ち、各色反射型ライトバルブ108の反射面は、レンズ104の他方の焦点位置に配置されている。そしてレンズ104の主点と反射型ライトバルブ108の反射面との距離は略f3である。
【0098】本実施形態の装置は、第1の実施形態の装置と比較して設計の自由度が大きい。そのため、本実施形態の装置は、第1の実施形態の装置と比べて光源101から反射型ライトバルブ108までの距離を短縮した設計にすることが可能となる。その理由について、以下に説明する。
【0099】第1の実施形態の装置の場合、コンデンサレンズ204は第2レンズ板203近傍に配置される。なぜならば、コンデンサレンズ204と第2レンズ板203との距離が離れば離れるほど光源201からの照明光束は発散するので、コンデンサレンズ204の直径を大きくしなければならない。そのために、コンデンサレンズ204は第2レンズ板203近傍に配置されることになる。よって、第1の実施形態で説明した通り、第2レンズ板203の主点とフィールドレンズ205の主点との距離はf1となる。またフィールドレンズ205の主点と反射型ライトバルブ208の反射面との距離は略f1(f2−f1)/f2となる。
【0100】従って第2レンズ板203の主点から反射型ライトバルブ208の反射面までの距離は、以下の式1のごとくなる。
f1+f1(f2−f1)/f2=2f1−f12/f2・・・(式1)
一方、本実施形態の装置は、レンズ104の主点と第2レンズ板103の主点との距離はf3である。また、レンズ104の主点と反射型ライトバルブ108の反射面との距離もf3である。
【0101】従って、第2レンズ板103の主点から反射型ライトバルブ108の反射面までの距離は、以下の式2の如くなる。
2f3・・・(式2)
このため、本実施形態の装置は、レンズ104の主点が反射型ライトバルブ108の反射面に近ければ近いほど、第2レンズ板103の主点と反射型ライトバルブ108の反射面との距離が短い小型の装置となる。
【0102】上述の条件であって、以下の式3を満たせば、本実施形態の装置は第1実施形態の装置よりも、第2レンズ板と反射型ライトバルブとの距離が短い小型の装置となる。
2f1−f12/f2 ≧ 2f3・・・(式3)
本実施形態の装置と第1実施形態の装置との投射レンズを、同一な開口数のレンズと仮定して、条件をそろえて第2実施形態の装置と第1実施形態の装置との寸法を比較することにする。一般的に、照明の効率の観点から、投射レンズの開口数と照明光学系の開口数は同じと考えて、上記仮定により図2と図4の開口数NAは同じ考えることにする。
【0103】開口数NAが同じであるとすると、本実施形態のレンズ104の主点と反射型ライトバルブ108の反射面との光路長を、第1の実施形態のフィールドレンズ205の主点と反射型ライトバルブ208の反射面と間の光路長とが同じであると考えることができる。
【0104】この場合は、以下の式4を満たす。
f3=f1(f2−f1)/f2 ・・・(式4)
式1、式2及び式4とから、第1の実施形態の第2レンズ板203から反射型ライトバルブ208までの距離と本実施形態の第2レンズ板103から反射型ライトバルブ108との距離の差を求めると、以下の式6の如くなる。
(式1)−(式2)
=2f1−f12/f2−2f3=2f1−f12/f2−2f1(f2−f1)/f2=f12/f2>0・・・(式5)
従って、投射レンズの開口数が同じ場合、式5により、本実施形態の装置の方が第1実施形態の装置よりも第2レンズ板の主点と反射型ライトバルブの反射面との距離が短い小型の装置とすることが可能であることが理解される。
【0105】本実施形態においては、使用したフライアイインテグレータ102,103は第1レンズ板102と第2レンズ板103と分離された分離型のフライアイインテグレータ102,103を使用した。その代わりに、第1レンズ板102と第2レンズ板103との機能を1つで兼用した一体型のフライアイインテグレータを使用することもできる。その際には、レンズ104の略焦点距離の位置には一体型のフライアイインテグレータの射出面側の主点を配置すればよい。換言すれば、フライアイインテグレータが分離型であっても一体型であっても。フライアインテグレータの射出面側の(第2レンズ板103)の主点が、フィールドレンズの機能を兼用するレンズ104の略焦点距離の位置に配置すればよいことになる。
(第3の実施の形態)図5、図6に第3の実施の形態を示す投射型表示装置の構成図ならびに光線図を示す。図6は、図2と同様に投射レンズ209の開口絞りの中心を通過する光線として定義される主光線のうちの2本(L1,L2)と、反射型ライトバルブ208の光軸から開口数(NA)を定義する光線(M1,M2)を示したものである。
【0106】第1の実施の形態と異なるのはフライアインテグレータならびにコンデンサレンズである。それ以外の構成部材については第1の実施の形態と同様であるので同じ部番を記載し、その構成ならびに機能の詳細説明は省略する。
【0107】第1の実施形態ではフライアイインテグレータ射出面近傍にコンデンサレンズ204を配置した構成であった。それに対し、本実施形態ではコンデンサレンズ204は配置されない。その代わりに、第2レンズ板203’が、第1の実施形態の第2レンズ板203の機能とコンデンサレンズ204の機能との両方の機能を有する構成とした。すなわち、レンズ板203’を構成する複数のレンズ203a’は全て異なる形状であり、レンズ板203’全体が焦点距離f2(パワーとして1/f2)を有するレンズとして機能する。そして、第1レンズ板202の各レンズ202a上の点を反射型ライトバルブ208上の共役点にフィールドレンズ205を経て重畳結像させる。そのために、コンデンサレンズを別途配置することなく、フライアイインテグレータのみで、各反射型ライトバルブ208への重畳照明が担保される。
【0108】開口絞り209cは前群レンズ209aの焦点距離の位置に配置されている。いわゆる前側(反射型ライトバルブ208側)にテレセントリックな光学系を構成している。ここで、開口絞り209cの中心を通過する光線として主光線を定義する。この定義による主光線は無限本あるが、そのうちの2本(L1,L2)を図5の実線として図示する。
【0109】図示のとおり、投射レンズ209の開口絞り209cの中心を通過する光線(主光線)L1,L2は進行方向(スクリーン方向)に対して逆行して考えることができる。前述したように前群レンズ209aと開口絞り209cとによりテレセントリックな光学系を構成しているので、前群レンズ209aとフィールドレンズ205との間の光路において、主光線L1,L2は光軸に対して平行を保っている。
【0110】さらにフィールドレンズ205から主光線L1,L2の光路を逆行して考えると、フライアイインテグテータを構成する第2レンズ板203’の略中央部に配置された光軸上のレンズ203’aの位置において、主光線L1,L2が交わる。
【0111】さらに第2レンズ板203’から主光線L1,L2の光路を逆行して考えると、主光線L1,L2は、交差して広がり、対応する第1レンズ板202のレンズ202aの端部に交わる。更に逆行すると、主光線L1,L2は、平行光として、光源201のランプに到達する。
【0112】以上の説明から、フィールドレンズ205の射出面から前群レンズ209aの入射面までの光路においてテレセントリックな関係が維持されていることが理解される。
【0113】尚、図5においては、主光線L1,L2の他に、開口絞り209cの両端部を通過する光線についても示されている。この光線については、図5から理解できるように、第2レンズ板203’の両端のレンズ203’aの中央にて交差して進行する光線と一致する。
【0114】尚、第1の実施形態の場合と同様に考えて、フィールドレンズ205の主点と第2レンズ板203’の主点との距離は、フィールドレンズ205の焦点距離f1だけ離れている。また、フィールドレンズ205の主点と反射型ライトバルブ208の反射面との距離は、空気換算長で(f1(f2−f1))/f2である。
【0115】尚、上記第1乃至第3実施形態においては、偏光ビームスプリッタによって偏光分離された偏光のうちのP偏光を色分解して反射型ライトバルブに入射する構成を採用した。その代わりに、S偏光を使用し、P偏光を廃棄する構成を採用することもできる。
【0116】また、上記第1乃至第3実施形態においては、色分解合成光学系としてプリズム部材を使用することにしたが、ダイクロイックミラーを使用する構成の色分解合成光学系を採用することもできる。ダイクロイックミラーにおいてもダイクロイック膜は同様に入射角度によってその特性が変化するので、本実施形態の構成とすることにより同様な効果が得られる。
(第4の実施の形態)図7は本発明の第4の実施の形態を示す投射型表示装置の基本構成図ならびに当該装置における光線図を示している。まず、投射型表示装置の基本構成から説明する。
【0117】初めに照明光学系について説明する。本実施形態では照明光学系のインテグレータとしていわゆるフライアイインテグレータを採用する。
【0118】照明光学系は、光源301とフライアイインテグレータ302、303と、偏光変換装置310とコンデンサレンズ304とフィールドレンズ305とから構成される。
【0119】光源301はランプと凹面鏡とから構成される。凹面鏡は放物面鏡である。放物面鏡を使用したのは射出光を略平行光束にするためである。光源301から出射した略平行光束は、フライアイインテグレータ302,303に入射する。
【0120】フライアイインテグレータ302,303は、第1レンズ板302と、第2レンズ板303とから構成される。第1レンズ板302は、複数のレンズ302aが平面的に配列されている。第2レンズ板303は、複数のレンズ303aが平面的に配置されている。第2レンズ板303のレンズ303aはそれぞれ、対応する第1レンズ板302のレンズ302aの焦点位置に配置されている。
【0121】上述の構成において、凹面鏡から出射された略平行光束は第1レンズ板302の複数のレンズ302aの開口によって分割される。そして、第1レンズ板302の複数のレンズ302aを出射した光は、第2レンズ板303の対応する複数のレンズ303aに集光する。即ち、第2レンズ板303の複数のレンズ303aのそれぞれに、2次光源像が生成される。
【0122】偏光変換装置310は、第2レンズ板303から出射した光を単一偏光に変換して出射する装置である。本実施形態の偏光変換装置310はP偏光を出射する。偏光変換装置310の構成について、以下に簡単に説明する。
【0123】偏光変換装置310は、複数の小型偏光ビームスプリッタと、複数の1/2波長板により構成されている。複数の小型偏光ビームスプリッタは、各々の偏光分離面が平行になるように接着されている。そして、複数の小型偏光ビームスプリッタの射出面側であって、小型偏光ビームスプリッタの1つおきに1/2波長板が配置されている。従って、偏光変換装置310は、P偏光をそのまま透過し、S偏光を1/2波長板によりP偏光に変換する。従って、偏光変換装置310を出射する光は全てP偏光となる。
【0124】コンデンサレンズ304は、偏光変換装置310の射出面近傍に配置されている。コンデンサレンズ304は偏光変換装置310を介して第2レンズ板303に生成される2次光源像から出射される照明光束を集光させる機能を有する。また、コンデンサレンズ304は、フライアイインテグレータ302、303によって生成された2次光源像のそれぞれから出射された光束を、被照明体である反射型ライトバルブ308のそれぞれの全面に重畳させて照射する機能を有する。
【0125】第1レンズ板302aと反射型ライトバルブ308R、308G、308Bの共役な関係は、第2レンズ板303のレンズ303a、コンデンサレンズ304、及びフィールドレンズ305によって実現されている。よって、第2レンズ板303の複数のレンズ303aに入射した光が反射型ライトバルブ308に重畳して照明される。従って、反射型ライトバルブ308R、308G、308Bの均一照明が実現される。
【0126】図7に示されるように、フィールドレンズ305は、第2レンズ板303の複数のレンズ303aに生成された各2次光源像から出射した光束(L5,L6等)を平行光束に変換する。第2レンズ板303の複数のレンズ303aのうち中央のレンズは、投射レンズ309中の開口絞り309cの中央部と共役な位置に配置されている。この共役関係は、コンデンサレンズ304、フィールドレンズ305、及び前群レンズ309aによって実現されており、主にフィールドレンズ305、前群レンズ309aによって実現されている。
【0127】図7に示されるように、フィールドレンズ305は、第2レンズ板303の複数のレンズ303aの各々のレンズに生成される各輝点から出射した光束(L5,L6等)を平行光束に変換して、偏光ビームスプリッタ306側に出射する。
【0128】次に色分解光学系について説明する。フィールドレンズ305を出射した単一偏光は、波長選択性位相板311AによってG光のみS偏光に変換される。波長選択性位相板311Aは、R光の偏光方向とB光の偏光方向とを変えない。波長選択性位相板311は例えば米国特許5,751,384号に開示の公知の素子である。
【0129】波長選択性位相板311Aを出射した光は、偏光ビームスプリッタ306に入射する。偏光ビームスプリッタ306の偏光分離面306pは、P偏光であるB光とR光とを透過し、偏光ビームスプリッタ313側へ出射する。そして、偏光ビームスプリッタ306の偏光分離面306pは、S偏光であるG光を反射し、偏光ビームスプリッタ312へ出射する。上記から理解されるように、波長選択性位相板311Aと偏光ビームスプリッタ306との組み合わせにより、第1色分解光学系が構成される。
【0130】上述のG光はS偏光であるので、偏光ビームスプリッタ312の偏光分離面312pにより反射され、反射型ライトバルブ308Gへ出射される。一方、R光とB光との混合光は、波長選択性位相板311BによってB光のみS偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ313へ出射される。
【0131】波長選択性位相板311B通過後のR光は、P偏光である。そのため、R光は、偏光ビームスプリッタ313の偏光分離面313pを透過し、反射型ライトバルブ308Rへ出射される。一方B光はS偏光であるため、偏光ビームスプリッタ313の偏光分離面313pを反射し、反射型ライトバルブ308Bへ出射される。
【0132】上記から理解されるように、波長選択性位相板311Bと偏光ビームスプリッタ313との組み合わせにより、第2色分解光学系が構成される。反射型ライトバルブ308R,308G,308Bについては、第1実施形態の反射型ライトバルブ208R,208G,208Bと機能が同じであるので説明を省略する。
【0133】次に色合成光学系について説明する。反射型ライトバルブ308Rを出射した光のうちS偏光のみが、偏光ビームスプリッタ313の偏光分離面313pを反射する。即ち、S偏光成分のみが、偏光ビームスプリッタ313により検光される。
【0134】反射型ライトバルブ308Bを出射した光のうちP偏光成分のみが、偏光ビームスプリッタ313の偏光分離面313pを通過する。即ち、P偏光成分のみが、偏光ビームスプリッタ313により検光される。
【0135】検光されたR光及びB光はともに偏光ビームスプリッタ313を出射する。以上の説明により、偏光ビームスプリッタ313が第1色合成光学系を構成していることが理解される。
【0136】偏光ビームスプリッタ313を出射したR光及びB光は波長選択性位相板311Cにより、R光のみP偏光に変換される。よって、波長選択性位相板311Cを出射したR光とB光とは、ともにP偏光となっている。
【0137】R光とB光は共にP偏光であるので、偏光ビームスプリッタ314の偏光分離面314pを透過して、投射レンズ309に出射される。反射型ライトバルブ308Gを出射した光のうちP偏光成分のみが、偏光ビームスプリッタ312の偏光分離面312pを通過する。即ち、P偏光成分のみが、偏光ビームスプリッタ312により検光される。偏光ビームスプリッタ312を出射したP偏光のG光は、1/2波長板315によりS偏光に変換される。
【0138】G光はS偏光であるので、偏光ビームスプリッタ314の偏光分離面314pを反射して、投射レンズ309に出射される。以上説明したように、偏光ビームスプリッタ314からR光、G光、B光の合成光が出射される。従って、波長選択性位相板311Cと偏光ビームスプリッタ314と1/2波長板315との組み合わせにより第2色合成光学系が構成されていることが理解される。
【0139】投射レンズ309は、偏光ビームスプリッタ314から出射した光をスクリーン317に投射する。即ち投射レンズ309は、反射型ライトバルブ308R,308G,308Bの像をスクリーン317に投影する。
【0140】投射レンズ309の構成は第1実施形態の投射レンズ209と同様であるので、その説明を省略する。投射レンズ309の開口絞り309cは前群レンズ309aの焦点距離の位置に配置されている。いわゆる前側(反射型ライトバルブ308側)にテレセントリックな光学系を構成している。ここで、開口絞り309cの中心を通過する光線として主光線を定義する。この定義による主光線は無限本あるが、そのうちの2本(L5,L6)を図7の実線として図示する。
【0141】前述したように前群レンズ309aと開口絞り309cとによりテレセントリックな光学系を構成しているので、前群レンズ309aとフィールドレンズ305に挟まれる光学系において、主光線L5,L6は光軸に対して平行な光線となることが理解できる。
【0142】上述の構成により、フィールドレンズ305から前群レンズ309aに至る光路において、第2レンズ板303の複数のレンズ303aに生成される2次光源像から出射される光束は平行光束となる。当然主光線L5,L6も、フィールドレンズ305から前群レンズ309aに至る光路において、平行光束となる。よって当該光路中に配置される偏光ビームスプリッタ306,312,313,314の偏光分離部306p,312p,313p,314p、各反射型ライトバルブ308の変調層、波長選択性位相板311A、311B、311C、1/2波長板315のそれぞれに対しての主光線の入射角度は一定となる。
【0143】主光線はその明るさにおいて、投射画像に最も大きな影響を有する。そのため、本実施形態の装置は、偏光分離部306p,312p,313p,314p、各反射型ライトバルブ308の変調層が入射角度によって異なる特性を有しているにも拘わらず、特性変化を最小限にすることができた。そのため、本実施形態の装置は、従来の装置と比較して、投射像におけるコントラストの劣化、およびに発生するムラ(色ムラ)の低減を実現した。
【0144】また、波長選択性位相板311A、311B、311C、1/2波長板315も偏光分離部306p,312p,313p,314p、や各反射型ライトバルブ308の変調層程ではないが、入射角度によって異なる特性を有している。そのため、本実施形態の装置は、波長選択性位相板311A、311B、311C、1/2波長板315が入射角度によって異なる特性を有しているにも拘わらず、特性変化を最小限にすることができた。
【0145】また、上述の構成により、フィールドレンズ305から前群レンズ309aに至る光路において、第2レンズ板303の複数のレンズ303aの中央のレンズに生成される2次光源像から出射される平行光束(主光線)は光軸に対して平行である。そのため、前群レンズ309aによる反射型ライトバルブ308の像倍率は変化しない。即ち、反射型ライトバルブ308の取り付け位置が光軸方向に多少ずれても、スクリーン317に投射される像のサイズは変化しない。そのため、各反射型ライトバルブ308が光軸方向に厳密に取り付けられていなくても、画素ずれなどが発生しない。よって、製造コストが削減されるという効果がある。
【0146】尚、フィールドレンズ305の焦点距離をf1、コンデンサレンズ304の焦点距離をf2(f2>f1)とすると、コンデンサレンズ304は第2レンズ板303に近接配置されるので、フィールドレンズ305の主点とコンデンサレンズ304の主点との距離は略f1である。
【0147】光線M5,M6は開口絞り309cによって決定される開口数(NA)を示す。光源側から第2レンズ板303に光軸に平行に入射した光線M5,M6は、距離f1を隔てたコンデンサレンズ304とフィールドレンズ305によって、反射型ライトバルブ308の光軸上の位置に集光される。
【0148】上述の関係となるような、フィールドレンズ305と反射型ライトバルブ308との距離は、2枚の薄肉レンズによる近軸追跡の式から容易に求められ、(空気換算長)(f1(f2−f1))/f2である。即ち、反射型ライトバルブ308の反射面はフィールドレンズ305の焦点距離の位置より空気換算長でf1(f1/f2)だけ手前に配置されることになる。
【0149】以上の配置により、第2レンズ板303の複数のレンズ303aのそれぞれに形成された2次光源像を出射した光が、反射型ライトバルブ308を均一に重畳照明する。
【0150】尚、本実施形態では、波長選択性位相板311Aと偏光ビームスプリッタ306とにより、G光と、R,B光の混合光とを分離することにしたが、本発明はそれに限られることはない。波長選択性位相板311Aを別な特性のものと置きかえることにより、R光のみ(又はB光のみ)を分離することも可能である。その場合は、波長選択性位相板311Bの特性もまた別な特性にすることにより、G光とB光(又はR光)とを分離すれば良い。
【0151】なお、第3の実施形態にて示したように、第2レンズ板303全体としてパワーを有するレンズ板とすれば、コンデンサレンズ304を別途用意しなくてもよい。
(第5の実施の形態)図8は第5の実施の形態の装置を示す投射型表示装置の基本構成図ならびに当該装置における光線図を示している。本実施形態の装置が第4の実施の形態の装置と異なる点は、コンデンサレンズとフィールドレンズとの機能を兼用したレンズ404を搭載している点である。
【0152】光源401、第1レンズ板402、第2レンズ板403、偏光変換装置410は、第4の実施形態の光源301、第1レンズ板302、第2レンズ板303、偏光変換装置310と同じ構成であり、その構造、機能についての詳細な説明は省略する。
【0153】本実施形態の装置では、第2の実施例同様にレンズ404がコンデンサレンズならびにフィールドレンズのそれぞれの機能を併せ持つことにより、テレセントリック性が確保される。
【0154】コンデンサレンズの機能は2つある。1つ目のコンデンサレンズの機能は、第2レンズ板403に生成される2次光源像を出射した光であって、偏光変換装置410を介して出射された照明光束を集光させる機能である。2つ目のコンデンサレンズの機能は、フライアイインテグレータ402、403によって生成された2次光源像のそれぞれから出射された光束を、被照明体である反射型ライトバルブ408のそれぞれの全面に重畳させて照射する機能である。
【0155】フィールドレンズの機能とは、第2レンズ板403の複数のレンズ403aの各々のレンズに生成された2次光源像から出射した光束(L7,L8等)を平行光束に変換する機能である。
【0156】ところで、第2レンズ板403の複数のレンズ403aのうち中央のレンズは、投射レンズ409中の開口絞り409cの中央部と共役な位置に配置されている。従って上記の光線L7,L8は、開口絞り409cによって定義される主光線に一致する。よって、レンズ404は、レンズ404と各色用反射型ライトバルブ408B、408R、408Gとの間の光路において、主光線が光軸に平行になることを担保する機能があるといえる。
【0157】波長選択性位相板411A,411B,411C、偏光ビームスプリッタ406,412,413,414、反射型ライトバルブ408R,408G,408B、1/2波長板415、投射レンズ409は、第4の実施形態の波長選択性位相板311A,311B,311C、偏光ビームスプリッタ306,312,313,314、反射型ライトバルブ308R,308G,308B、1/2波長板315、投射レンズ309と同じ構成であり、その構造、機能についての詳細な説明は省略する。
(第6の実施形態)図9は第6の実施形態の装置を示す投射型表示装置の基本構成図ならびに当該装置における光線図を示している。
【0158】本実施形態は、色分解光学系及び色合成光学系を省略した、モノクロの投射型表示装置である。初めに照明光学系について説明する。本実施形態では、今までの実施形態と異なり、照明光学系としていわゆるロッドインテグレータを採用する。
【0159】照明光学系は、光源501と、ロッドインテグレータ520と、リレーレンズ521と、コンデンサレンズ504と、フィールドレンズ505とから構成される。
【0160】光源501はランプと、楕円鏡の凹面鏡から構成されている。ランプは楕円鏡の当該楕円鏡に近い第1焦点の位置に配置している。そして、ロッドインテグレータ520の入射面の位置は、前記楕円鏡の遠方の第2焦点の位置に合致している。
【0161】そのため、図9に示されるように光源501から射出された光はロッドインテグレータ520の入射面520aのほぼ中央部に集光されて入射される。ロッドインテグレータ520の入射面520aと射出面520bとは、光軸に対して垂直に形成されている。入射面520a及び射出面520bの断面形状は、被照明体たる反射型ライトバルブ508の比例縮小形状である。通常反射型ライトバルブ508は長方形形状である。そのためロッドインテグレータ520の垂直断面形状は、反射型ライトバルブ508を比例縮小した長方形形状とする。なお、インテグレータ520は透明光学部材例えば透明ガラス部材や溶融石英硝子部材にて形成される。
【0162】ロッドインテグレータ520に入射した光は、ロッドインテグレータ520内部にて全反射を繰り返し行って伝搬して射出面520bに達し、射出面520bから射出される。ここで、射出面520bは均一面光源を構成する。言い換えると、射出面520bからは、ロッドインテグレータ520の内面反射によって入射面520aの位置に形成される複数の光源の虚像a、a’、a”からの光が重畳的に出射される。
【0163】光源501からの光が集光することにより、ロッドインテグレータ520の入射面520aの略中央に光源の虚像として点光源像aが形成される。光源像aから出射した光線のうち射出面520bの端部に向かって進行する光線をL9、L10として示す。また、光源の虚像aから射出した光線のうち一度ロッドインテグレータ520の内面にて全反射してから射出面520bの端部に向かって進行する2光線をL11、L12とする。
【0164】ロッドインテグレータ520が光軸方向にもっと長い場合は内面による全反射作用は、一回以上の場合もあるが、本実施形態では1回のみの全反射を発生する長さにロッドインテクレータ520が形成されているとする。
【0165】図9に示されるように、入射面520aの延長面上に複数の光源の虚像a、a’、a”があると考えることができる。虚像aを出射した光線としてL9、L10を考えることができる。虚像a’を出射した光線としてL9’、L12を考えることができる。L9’は、L9がロッドインテグレータ520端部で反射した光線を示す。虚像a”を出射した光線としてL10’、L11を考えることができる。L10’は、L10がロッドインテグレータ520端部で反射した光線を示す。
【0166】図9より明らかなように、複数の光源の虚像a、a’、a”からの光が射出面520bから重畳的に出射される。そのため、射出面520bに、均一な面光源が形成されると言える。
【0167】尚、ロッドインテグレータ520が光軸方向に長ければ長いほど、全反射の回数が増えるので複数の光源の虚像は多くなる。リレーレンズ521は、ロッドインテグレータ520の射出面520bから出射した光に基づいて、2次光源像b、b’、b”を形成する。2次光源像bは虚像aが結像した像である。2次光源像b’は虚像a’が結像した像である。2次光源像b”は虚像a”が結像した像である。
【0168】本実施形態の2次光源像b、b’、b”は、図1に示される第1の実施形態の第2レンズ板203の複数のレンズ203aのそれぞれに形成される2次光源像に対応する。2次光源像bの位置は開口絞り509cの中央部と共役な位置である。この共役関係は、コンデンサレンズ504、フィールドレンズ505、前群レンズ509aによって実現されており、主にフィールドレンズ505、前群レンズ509aによって実現されている。よって、2次光源像bから出射される光線L9,L10は主光線である。
【0169】コンデンサレンズ504は、2次光源像b、b’、b”の近傍に配置されている。コンデンサレンズ504は、2次光源像b、b’、b”のそれぞれから出射された光を反射型ライトバルブ508の全面に重畳照明させる。コンデンサレンズ504の機能は、第1の実施形態のコンデンサレンズ204と機能が同じであるので、その詳細な説明は省略する。
【0170】フィールドレンズ505は2次光源像bから出射した光束(L9、L10)、2次光源像b’から出射した光束(L9’L12)、2次光源像b”から出射した光束(L10’、L11)をそれぞれ平行光束に変換する。
【0171】フィールドレンズ505を出射した光は、偏光ビームスプリッタ506の偏光分離部506pによりP偏光とS偏光とに偏光分離される。S偏光は、偏光分離部506pを反射して反射型ライトバルブ508へ出射される。反射型ライトバルブ508を出射した光は偏光分離部506pにより検光されて、投射レンズ509へ出射される。
【0172】尚、反射型ライトバルブ508、投射レンズ509(前群レンズ509a,後群レンズ509b,開口絞り509c)、スクリーン517は、第1の実施形態の反射型ライトバルブ208、投射レンズ209(前群レンズ209a,後群レンズ209b,開口絞り209c)、スクリーン210と機能及び構成が同じであるので、説明を省略する。
【0173】上述の構成により、フィールドレンズ505から前群レンズ509aに至る光路において、2次光源像b、b’、b”から出射される光束は平行光束となる。当然主光線L9,L10も、フィールドレンズ505から前群レンズ509aに至る光路において、平行光束となる。よって、当該光路中に配置される偏光ビームスプリッタ506の偏光分離部506p、反射型ライトバルブ508の変調層のそれぞれに対しての主光線の入射角度は一定となる。
【0174】主光線はその明るさにおいて、投射画像に最も大きな影響を有する。そのため、本実施形態の装置は、偏光分離部506p、反射型ライトバルブ508の変調層が、入射角度によって異なる特性を有しているにも拘わらず、特性変化を最小限にすることができた。そのため、本実施形態の装置は、従来の装置と比較して、投射像におけるコントラストの劣化、およびに発生するムラの低減を実現した。
【0175】更に、フィールドレンズ505の焦点距離をf1、コンデンサレンズ504の焦点距離をf2(f2>f1)とすると、フィールドレンズ505の主点と反射型ライトバルブ508の反射面との距離は、空気換算長で(f1(f2−f1))/f2である。
【0176】尚、第6実施形態の照明装置(光源501、ロッドインテグレータ520、リレーレンズ521)を第1実施形態の照明装置(光源201、フライアイインテグレータ202,203)の代わりに用いても良い。その場合、第6実施形態の照明装置の2次光源像b,b’,b”,が生成される面が、第1実施形態の第2レンズ板203の2次光源像が生成される面に一致するように、照明装置(光源501、ロッドインテグレータ520、リレーレンズ521)を配置すれば良い。
【0177】また、第6実施形態の照明装置(光源501、ロッドインテグレータ520、リレーレンズ521)を第2実施形態の照明装置(光源101、フライアイインテグレータ102,103)の代わりに用いても良い。その場合、第6実施形態の照明装置の2次光源像b,b’,b”が生成される面が、第2実施形態の第2レンズ板103の2次光源像が生成される面に一致するように、照明装置(光源501、ロッドインテグレータ520、リレーレンズ521)を配置すれば良い。
【0178】また、第6実施形態の照明装置(光源501、ロッドインテグレータ520、リレーレンズ521)を第3実施形態の照明装置(光源201、フライアイインテグレータ202,203’)の代わりに用いても良い。その場合、第6実施形態の照明装置の2次光源像b,b’,b”が生成される面が、第3実施形態の第2レンズ板203’の2次光源像が生成される面に一致するように、照明装置(光源501、ロッドインテグレータ520、リレーレンズ521)を配置すれば良い。
【0179】また、第6実施形態の照明装置(光源501、ロッドインテグレータ520、リレーレンズ521)を第4実施形態の照明装置(光源301、フライアイインテグレータ302,303)の代わりに用いても良い。その場合、第6実施形態の照明装置の2次光源像b,b’,b”が生成される面が、第4実施形態の第2レンズ板303の2次光源像が生成される面に一致するように、照明装置(光源501、ロッドインテグレータ520、リレーレンズ521)を配置すれば良い。
【0180】また、第6実施形態の照明装置(光源501、ロッドインテグレータ520、リレーレンズ521)を第5実施形態の照明装置(光源401、フライアイインテグレータ402,403)の代わりに用いても良い。その場合、第6実施形態の照明装置の2次光源像b,b’,b”が生成される面が、第5実施形態の第2レンズ板403の2次光源像が生成される面に一致するように、照明装置(光源501、ロッドインテグレータ520、リレーレンズ521)を配置すれば良い。
(第7の実施の形態)図10は第7の実施の形態の装置を示す投射型表示装置の基本構成図ならびに当該装置における光線図を示している。
【0181】本実施形態は、色分解光学系及び色合成光学系を省略した、モノクロの投射型表示装置である。本実施形態と第6の実施の形態との違いは、本実施形態のレンズ604がコンデンサレンズの機能とフィールドレンズの機能とを兼用していることである。それ以外の構成は第6の実施形態とほぼ同じ構成であるので、適宜説明を省略する。
【0182】本実施形態の装置では、レンズ604がコンデンサレンズならびにフィールドレンズのそれぞれの機能を併せ持つことにより、テレセントリック性が確保される。
【0183】光源601と、ロッドインテグレータ620と、リレーレンズ621は、第6の実施形態の光源501と、ロッドインテグレータ520と、リレーレンズ521と機能及び構成が同じであるので説明を省略する。
【0184】レンズ604は図10から理解できるように、コンデンサレンズの機能とフィールドレンズの機能とを兼用している。コンデンサレンズの機能は2つある。1つ目のコンデンサレンズの機能は、2次光源像b、b’、b”から出射される照明光束を集光させる機能である。2つ目のコンデンサレンズの機能は、2次光源像b、b’、b”のそれぞれから出射された光束あるいはロッドインテグレータ620の射出面620bに生成された均一面光源光束を、被照明体である反射型ライトバルブ608に重畳させて照射する機能である。
【0185】フィールドレンズの機能とは、2次光源像bから出射した光束(L13,L14)、2次光源像b’から出射した光束(L13’、L16)、2次光源像b”から出射した光束(L14’、L15)をそれぞれ平行光束に変換する機能である。
【0186】ところで、2次光源像bは、投射レンズ609中の開口絞り609cの中央部と共役な位置にある。この共役関係は、レンズ604、前群レンズ609aによって実現される。従って上記の光線L13,L14は、開口絞り609cによって定義される主光線に一致する。よって、レンズ604は、レンズ604から反射型ライトバルブ608を介して前群レンズ609aに至る光路において、主光線が光軸に平行になることを担保する機能があるといえる。
【0187】また、本実施形態の2次光源像b、b’、b”は、図1に示される第1の実施形態の第2レンズ板203の複数のレンズ203aのそれぞれに形成される2次光源像に対応する。
【0188】偏光ビームスプリッタ606、反射型ライトバルブ608、投射レンズ609(前群レンズ609a,後群レンズ609b,開口絞り609c)、スクリーン617は、第5の実施形態の偏光ビームスプリッタ506、反射型ライトバルブ508、投射レンズ509(前群レンズ509a,後群レンズ509b,開口絞り509c)、スクリーン517と機能及び構成が同じであるので説明を省略する。
【0189】尚、第1乃至第7の実施形態において、フィールドレンズの中心を出射した光が光軸と平行となる例で説明したが、この場合に限られない。フィールドレンズの中心を出射した平行光束のそれぞれが、偏光ビームスプリッタの偏光分離部や反射型ライトバルブの変調層に同じ角度で入射すれば良い。
【0190】尚、第1乃至第7実施形態において、フィールドレンズやフィールドレンズの機能を有するレンズは、2次光源像から出射した光束を平行光束に変換する。この平行光束の許容度はは、主光線において角度が±1°の範囲に収まっていればよい。
【0191】
【発明の効果】以上、説明したように請求項1、15、22、33の発明は、従来の装置と比較して、投射像のコントラストの向上させ、ムラを低減した投射型表示装置を提供することが出来る。
【0192】また、請求項9、28の発明は、従来の装置と比較して設計の自由度の高く小型の装置を提供できる。




 

 


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