JP2000098296A - 投影型カラー画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 照明光の利用効率が高く、均一な照度分布を
有し、混色の発生の無い高品質な表示を実現するコンパ
クトな単板式の投影型カラー画像表示装置を提供する。 【解決手段】 白色光束を発生する光源部と、光源部の
２次光源像を複数形成する第１のフライアイレンズと、
２次光源像が形成される位置の近傍に配置された第２の
フライアイレンズと、第２のフライアイレンズを構成す
る個々のレンズを通過した光が重畳されて照射されるマ
イクロレンズアレイと、マイクロレンズからの光を変調
する１枚のカラー画像表示素子と、光源部からマイクロ
レンズアレイまでの光路上に配置され、白色光束を赤・
緑・青の色光束に色分離する色分離素子と、カラー画像
表示素子から出射された光束を投影する投影レンズと、
を有する。複数の２次光源像は、画像表示素子の複数の
カラー画素の配列と相似になるように、色分離・配列さ
れ、マイクロレンズアレイの複数のレンズのそれぞれ
が、色分離・配列された複数の２次光源像のそれぞれに
対応した集光スポットを、複数のカラー画素の対応する
カラー画素の位置に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投影型カラー画像
表示装置に関し、特にカラーフィルターを用いないで１
枚の液晶表示素子によりカラー表示を行なう単板式の投
影型カラー画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の液晶表示素子を用いた投影型カラ
ー画像表示装置（以下、投影型カラー液晶表示装置と称
する）について説明する。一般に、投影型カラー液晶表
示装置では、使用される液晶表示素子自体が発光しない
ので、別に光源を設ける必要がある。しかしながら、投
影型カラー液晶表示装置は、投影型ブラウン管表示装置
と比較すると、色再現範囲が広い、小型・軽量であるた
め持ち運びしやすい、地磁気に影響されないのでコンバ
ージェンス調整が不要など非常に優れた特徴を持ってい
るので、今後の発展が期待されている。

【０００３】また、上記した投影型カラー液晶表示装置
における画像表示方式には、光の３原色に応じて液晶表
示素子を３枚用いる３板式と、１枚のみを用いる単板式
とがある。前者の３板式は、白色光を赤・緑・青の３原
色の色光にそれぞれ分割する光学系と、各色光を制御し
て画像を形成する３枚の液晶表示素子とをそれぞれ独立
に備えており、各色の画像を光学的に重畳してフルカラ
ー表示を行うものである。この３板式の構成では、白色
光源から放射される光を有効に利用でき、かつ色の純度
も高いという利点があるが、上述のように色分離系、と
色合成系が必要なため、光学系が煩雑で部品点数が多く
なってしまい、低コスト化及び小型化の点では、後述の
単板式に比べて一般的に不利である。

【０００４】これに対して、後者の単板式は、液晶表示
素子を１枚のみ用いる構成であり、モザイク状、ストラ
イプ状等の３原色カラーフィルタパターンを備えた液晶
表示素子を投影光学系によって投影するもので、例えば
特開昭５９−２３０３８３号公報に開示されたものがあ
る。単板式は使用する液晶表示素子が１枚ですみ、かつ
光学系の構成も３板式に比べて単純になるので、低コス
ト、小型の投影型システムに適している。

【０００５】しかしながら、上記単板式の場合にはカラ
ーフィルタによる光の吸収または反射が起こるため、入
射光の約１／３しか利用できない。つまり、カラーフィ
ルタを用いる単板式での画面の明るさは、この単板式に
使用される光源と等しい明るさの光源を用いた３板式と
比較して約１／３に低下してしまう。

【０００６】上記のような明るさの低下に対する１つの
解決方法として、光源を明るくすることが考えられる。
しかしながら、投影型カラー液晶表示装置を家庭用とし
て使用する場合には、光源の明るさの向上に伴う消費電
力の増大は好ましくない。また、吸収タイプのカラーフ
ィルタを用いる場合、カラーフィルタに吸収された光の
エネルギーは熱に変わるため、光源を明るくすれば、液
晶表示素子の温度上昇を引き起こすだけでなく、カラー
フィルタの退色が加速される。したがって、光源を不要
に明るくすることなく与えられた光束をいかに有効に利
用するかが投影型カラー画像表示装置の利用価値を向上
させる上で重要な課題となっている。

【０００７】そこで、このような単板式の投影型カラー
画像表示装置の課題を解決するため、例えば特開平4-60
538号公報には、複数のダイクロイックミラーを扇形に
配置して光利用率の向上を図った投影型カラー画像表示
装置が提案されている。

【０００８】上記投影型カラー画像表示装置は、例えば
図３８に示すように、扇形に配置されたダイクロイック
ミラー１０４Ｒ・１０４Ｇ・１０４Ｂを用いて、白色光
源１０１からの白色光を赤、青、緑色の各光束に分割
し、光の利用効率を向上させるようになっている。な
お、以下では、Ｒ・Ｇ・Ｂをそれぞれ赤・緑・青の色を
表すものとし、それぞれの色に対する光をＲ光、Ｇ光、
Ｂ光と記す。

【０００９】この装置において、上記ダイクロイックミ
ラー１０４Ｒ・１０４Ｇ・１０４Ｂにより分離された各
色光束は、液晶表示素子１０７の白色光源１０１側に配
置されているマイクロレンズアレイ１０５にそれぞれ異
なった角度で入射する。上記マイクロレンズアレイ１０
５を通過した各色光束は、それぞれに対応した色信号が
独立して印加される信号電極により駆動される液晶表示
素子１０７の液晶領域（画素領域）に、各色光束の入射
角度に応じて分配照射される。分配照射された色光束
は、液晶表示素子１０７の出射側に配されたフィールド
レンズ１０８、投影レンズ１０９によってスクリーン１
１０に拡大投影される。この投影型カラー画像表示装置
は、吸収タイプのカラーフィルタを用いないので、光の
利用効率が高く、極めて明るい画像を提供することがで
きる。

【００１０】上記投影型カラー液晶表示装置における液
晶表示素子１０７は、図３９に示すように、２枚の透明
基板１０７ａ・１０７ｂにＴＦＴや信号線等の駆動回路
や配向膜等が形成され、これら透明基板１０７ａ・１０
７ｂ間に液晶層１０７ｃを介在させて形成されている。
そして、透明基板１０７ａの液晶層１０７ｃ側の上面に
は、表示には寄与しない配線領域を遮光するためのブラ
ックマトリクス（ＢＭ）１１１が設けられている。画素
のうち、光を通す領域を画素開口部、画面サイズに対す
る画素開口部の面積比を開口率と称している。

【００１１】マイクロレンズアレイ１０５は、上記液晶
表示素子１０７の画素３つ分に対応する大きさのマイク
ロレンズ群１０６からなり、入射されたＲ光・Ｇ光・Ｂ
光の各平行光束から３色の集光スポットを透明基板１０
７ａ上のＢＭ１１１形成面上の対応する色の画素上にそ
れぞれ形成する。そして、集光スポットが形成された各
画素は、画像信号にて制御される。

【００１２】マイクロレンズが付加されていない通常の
液晶表示素子では、ＢＭ１１１に入射した光は、表示に
寄与できず照射光の利用効率を低下させている。ところ
が、上記した投影型カラー画像表示装置では、マイクロ
レンズアレイ１０５を付加することでマイクロレンズ１
０６に照射された光を画素開口部に集光することができ
るので、液晶表示素子１０７を通過できる光量が増え、
明るい投影画面を得ることができる。また、集光スポッ
トの大きさが画素開口部よりも小さければ照明光の利用
効率が最良となる。しかしながら、この条件を実現する
ためには、以下の制約がある。

【００１３】マイクロレンズを通ったあとの光束の集光
スポットの大きさは、マイクロレンズの焦点距離ｆと照
明光の光線平行度（主光線に対する光の広がり角）によ
って決まる。図３９の光学系では、焦点距離ｆを透明基
板１０７ａの厚さと等しくすべきである。ところが、現
状の液晶表示素子の製造プロセスは、大面積のガラス板
に複数個の液晶表示素子を作り込み、後半工程で切断分
離する手法を取っているので、あまり薄いガラス板は製
造途中でたわむなどの問題があり使えない。現在、液晶
表示素子に用いられているガラス板の厚みは、０．７〜
１．１ｍｍ程度であり、ガラス板の屈折率ｎは１．５２
程度なので、ｎで割った空気換算の厚みは約４６０〜７
３０μｍである。従って、マイクロレンズの焦点距離ｆ
は、４６０μｍ以上必要である。また、照明光の平行度
が±３°であるとすると、集光スポットサイズΦは、Φ
＝２・ｆ・ｔａｎθ（θ：±３°）より、Φ＝約４８μ
ｍである。従って、画素開口部の幅が４８μｍより小さ
いと集光スポットが開口部をはみ出して集光ロスが生じ
てしまう。

【００１４】例えば、対角約９１ｍｍ、画面縦横比が
３：４で、画素数が縦４８０、横６４０ｘ３（ＲＧＢ）
＝１９２０である、いわゆるＶＧＡ（Ｖｉｄｅｏ Ｇｒ
ａｐｈｉｃｓ Ａｒｒａｙ）タイプのストライプ画素配
列の液晶表示素子では、横方向の画素ピッチが３８μｍ
しかないので、集光スポットは画素から確実にはみ出し
てしまうどころか、赤色の集光スポットが隣の青、また
は緑用の画素に入り込んでしまい、投影画面の色再現性
を損なうなどの、いわゆる「混色」が起きてしまう。近
年では、液晶表示素子の小型化、高解像度化が進み、ま
すます画素サイズが小さくなる傾向にあるので、このま
までは集光効率が低下して投影画面の明るさが確保でき
ない、混色が防げないといった問題がある。

【００１５】この問題に対する解決法のひとつとして、
本願出願人は特開平9-114023号公報で、第１のマイクロ
レンズアレイで作った集光スポットを第２のマイクロレ
ンズアレイで液晶表示素子の画素開口部に拡大結像する
方法を開示している。この方法では、第１のマイクロレ
ンズアレイが作る集光スポットは液晶表示素子の外部に
あるので、透明基板１０７ａの厚みを薄くしなくても画
素開口部に無駄なく集光することができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ダイク
ロイックミラーとマイクロレンズアレイとを用いた、上
述の従来の単板式の投影型カラー画像表示装置では、吸
収型のカラーフィルタを用いないので光の利用効率が向
上するものの、以下のような問題が生じている。

【００１７】第１に、画面内の照度分布を十分に均一に
することができないという問題がある。高品質な投影画
像を作る為には、画像の明るさや色再現性、解像度など
と共に、画面内の照度分布を均一にする必要がある。一
般に放物面鏡や楕円鏡を用いた集光系で直接液晶表示素
子を照明すると画面中心の照度がピークになり画面周辺
の照度が低い画面になってしまう。

【００１８】特開平9-114023号公報に開示のシステムで
は、第１のマイクロレンズアレイが液晶表示素子の近傍
にあるので、第１のマイクロレンズアレイが作る集光ス
ポット群は、それより手前の集光光学系による照度分布
むらを引き継いでいる。また、集光スポット群は液晶表
示素子の各集光スポットの近くにある画素にのみ対応す
るように再結像されるので、投影画像にも照度分布むら
が残ってしまう。

【００１９】この照度分布むらの問題は、単板式に限ら
ず３板式の投影型カラー画像表示装置においても発生す
る。３板式の投影型カラー画像表示装置における照度分
布むらの問題を解決する方法として、２枚のレンズアレ
イ（一般にフライアイ（蠅の目）レンズと呼ばれる）を
組み合わせた光学系が提案されている。さらに、特開平
7-181392号公報は、２枚のフライアイレンズと、マイク
ロレンズアレイを組み合わせて、照度分布改善と画素開
口部への集光効率の向上とを両立させたシステムを開示
している。

【００２０】上記の公報は、第１のフライアイレンズが
作る白色の２次光源像（２次光源像とマイクロレンズが
作る集光スポットはほぼ同義のものである）を第２のフ
ライアイレンズによって画像表示素子の画面全体に重な
りあうように照明することで照度分布を改善すると共
に、画素配列と相似に配列された２次光源像をマイクロ
レンズによって画素開口部に集光することによって集光
効率を改善しうることを示している。しかしながら、上
記公報のシステムにおける２次光源像は白色であり、色
分離光学系と色合成光学系を必要とするシステムであ
り、上述した３板式の欠点を有する。また、このシステ
ムを単板式に適用するためには、カラーフィルタを必要
とするので、カラーフィルタによる光の吸収ロスが発生
する。

【００２１】また、特開平8-313847号公報には単板式へ
の適用を目的とした、フライアイレンズとマイクロレン
ズアレイの組みあわせの投影型カラー画像表示装置が開
示されている。この投影型カラー画像表示装置は、白色
光を色分離光学系で赤・緑・青の光の３原色に分離後、
各色の光束にそれぞれ２枚のフライアイレンズの組を有
している。第１のフライアイレンズが作る２次光源像は
画素開口部の形状に密集させられ、赤・緑・青の３つの
原色光源のグループが作られる。これらは各色毎に設け
られた第２のフライアイレンズによって画像表示素子上
で重なり合って照明され、照度分布を改善すると共に、
マイクロレンズが画素開口部に所定の色の光を集光す
る。このシステムにおいては、カラーフィルタによる光
の吸収ロスはないものの、色毎にフライアイレンズ光学
系を必要とするので、部品点数が増加し、光学系のサイ
ズも大きくなるという問題がある。

【００２２】第２に、液晶表示素子の表示原理に関わる
「偏光」の利用効率を十分に高くできないという問題が
ある。これも単板式・３板式を問わない問題である。液
晶表示素子は入射側の偏光板によりランダム偏光の照明
光から直線偏光のみを通過させ、これを液晶表示素子で
変調した後、出射側の偏光板でさらに不要な光をカット
することで表示画像を形成する。従って、照明光の半分
以上が最初の偏光板を通過する段階でカットされロスし
ている。

【００２３】偏光の利用効率の問題については、液晶表
示素子に入射する前にＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）
を用いて偏光方向をそろえ直す偏光変換の方法が考えら
れており、前述の特開平7-181392号公報にもＰＢＳを用
いた偏光変換法が開示されている。しかし、これは偏光
方向を揃えてできる光束が偏光分離前の光束と平行に並
ぶために、光束の断面積が２倍になり、光学系のサイズ
が大きくなってしまうという問題、または、液晶表示素
子の表示面積が小さい場合は表示面に集められる有効光
量が低下するという問題がある。

【００２４】また、特開平8-304739号公報には２枚のフ
ライアイレンズと短冊アレイ状のＰＢＳの組みあわせに
より、照度分布均一化と偏光変換による効率アップを小
スペースで両立させたシステムが開示されている。しか
しながら、このシステムで形成される２次光源像は白色
であり、３板式の投影型カラー画像表示装置への適用し
か想定されていない。

【００２５】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであり、極端に薄い透明基板を用いて液晶表
示素子の生産性を低下させることなく通常の厚さの透明
基板を備えた液晶表示素子を用いて、照明光の利用効率
が高く、均一な照度分布を有し、混色の発生の無い高品
質な表示を実現するコンパクトな単板式の投影型カラー
画像表示装置を提供することを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明の投影型カラー画
像表示装置は、白色光束を発生する光源部と、複数のレ
ンズを備え、該光源部の２次光源像を複数形成する第１
のフライアイレンズと、該第１のフライアイレンズで形
成される該複数の２次光源像が形成される位置の近傍に
配置され、少なくとも該第１のフライアイレンズと同数
のレンズを備えてなる第２のフライアイレンズと、該第
２のフライアイレンズを構成する個々のレンズを通過し
た光が重畳されて照射される、複数のレンズを有するマ
イクロレンズアレイと、該マイクロレンズからの光を変
調する、複数のカラー画素を有する１枚の画像表示素子
と、該光源部から該マイクロレンズアレイまでの光路上
に配置され、該白色光束を赤・緑・青の色光束に色分離
する色分離素子と、該画像表示素子から出射された光束
を投影する投影レンズと、を有する投影型カラー画像表
示装置であって、該複数の２次光源像は、該画像表示素
子の該複数のカラー画素の配列と相似になるように、色
分離・配列され、該マイクロレンズアレイの該複数のレ
ンズのそれぞれが、該色分離・配列された複数の２次光
源像のそれぞれに対応した集光スポットを、該複数のカ
ラー画素の対応するカラー画素の位置に形成するよう
に、構成されており、そのことによって上記目的が達成
される。

【００２７】前記マイクロレンズアレイの前記複数のレ
ンズは、前記画像表示素子の前記複数のカラー画素の、
赤・緑・青のグループの配列ピッチの整数倍のピッチで
配列されている構成としてもよい。

【００２８】前記色分離素子は、前記光源部と前記第１
のフライアイレンズの間にあり、該色分離素子から色分
離された光束は、前記第１のフライアイレンズに重畳し
て照射され、該第１のフライアイレンズは、前記画像表
示素子の前記複数のカラー画素の配列と相似になるよう
に、色分離・配列された前記複数の２次光源像を形成す
る構成としてもよい。

【００２９】前記色分離素子は、前記第２のフライアイ
レンズの光源側に配置され、該第２フライアイレンズ
は、少なくとも前記第１のフライアイレンズの前記レン
ズの３倍の数のレンズを備え、前記画像表示素子の前記
複数のカラー画素の配列と相似になるように、色分離・
配列された前記複数の２次光源像を形成する、構成とし
てもよい。

【００３０】前記色分離素子は、前記第２のフライアイ
レンズの光出射側に配置され、前記画像表示素子の前記
複数のカラー画素の配列と相似になるように、色分離・
配列された前記複数の２次光源像が仮想的に形成される
構成としてもよい。

【００３１】前記色分離素子は、規則的に配列された複
数の色分離光学要素を有する短冊状のアレイであって、
前記色分離素子は、前記第２のフライアイレンズの光源
側または出射側の近傍に配置され、前記２次光源像を、
前記画像表示素子の前記カラー画素の赤・緑・青の配列
方向に沿って、赤・緑・青に３等分の配列ピッチで色分
離する構成としてもよい。

【００３２】前記色分離素子は、前記複数の色分離光学
要素と対応して設けられた複数の全反射ミラーを更に有
する構成としてもよい。

【００３３】前記色分離素子は、赤・緑・青の内の２色
を反射し、１色を透過する誘電体多層膜からなる第１の
ダイクロイックプリズムまたはダイクロイックミラー
と、該第１のダイクロイックプリズムまたはダイクロイ
ックミラーで反射された２色の光の内１色を、該第１の
ダイクロイックプリズムまたはダイクロイックミラーを
透過した光の進行方向と略一致するように反射する第２
のダイクロイックプリズムまたはダイクロイックミラー
と、該第２のダイクロイックプリズムまたはダイクロイ
ックミラーを透過した光を該第１のダイクロイックプリ
ズムまたはダイクロイックミラーを透過した光の進行方
向と略一致するように反射する、第３のダイクロイック
プリズム、ダイクロイックミラー、全反射プリズムまた
は全反射ミラーの内いずれか一つと、を複数有し、これ
らが規則的に配列されている構成としてもよい。

【００３４】前記色分離素子は、赤・緑・青の内の２色
を異なる方向に反射し、１色を透過する誘電体多層膜か
らなる第１のクロスダイクロイックプリズムまたはクロ
スダイクロイックミラーと、該第１のクロスダイクロイ
ックプリズムまたはクロスダイクロイックミラーからの
２色の反射光を該第１のクロスダイクロイックプリズム
またはクロスダイクロイックミラーを透過した光の進行
方向と略同じ方向にそれぞれ反射する第２のダイクロイ
ックプリズム、ダイクロイックミラー、全反射プリズム
または全反射ミラーの内いずれか一つと、を複数有し、
これらが規則的に配列されている構成としてもよい。

【００３５】前記色分離素子は、赤・緑・青の内の１色
を反射し、他を透過する第１の色分離面と、該第１の色
分離面を透過した２色の内の一方を反射し、他方を透過
する第２の色分離面と、該第２の色分離面を透過した光
を反射する反射面とを有し、該第１の色分離面と、該第
２の色分離面と、該反射面とが、おおむね平行に配置さ
れている構成としてもよい。

【００３６】前記色分離素子は、２枚もしくは３枚の平
板を有し、該２枚もしくは３枚の平板が有する面の少な
くとも３つの面に誘電体多層膜が形成されている構成と
してもよい。

【００３７】前記色分離素子は、三角プリズムと、１枚
もしくは２枚の平板を有し、該三角プリズムと該１枚も
しくは２枚の平板が有する面の少なくとも３つの面に、
誘電体多層膜が形成されている構成としてもよい。

【００３８】前記第２のフライアイレンズの光源側もし
くは出射側の近傍に配置された偏光変換光学素子をさら
に有し、該偏光変換光学素子は、前記複数の２次光源像
を形成するそれぞれの光束を、前記色分離素子が赤・緑
・青の３つの波長域に色分離する方向とは直交する方向
にＰ偏光とＳ偏光に分離する偏光ビームスプリッタと、
該偏光ビームスプリッタで反射された偏光成分を該偏光
ビームスプリッタを透過した偏光成分の進行方向と略同
じ方向に反射する全反射プリズムまたは全反射ミラーと
を複数有し、これらが規則的に交互に短冊状に配列され
ており、該偏光ビームスプリッタ、あるいは全反射プリ
ズムまたは全反射ミラーのどちらか一方の光出射側に偏
光軸回転素子を有する構成としてもよい。

【００３９】前記偏光変換光学素子は、規則的に交互に
短冊状に配列され前記偏光ビームスプリッタと前記全反
射プリズムまたは全反射ミラーとの間隙を規定するスペ
ーサを更に有する構成としてもよい。

【００４０】前記光源部と前記第１のフライアイレンズ
との間に配置され、該光源部からの白色光束のＰ偏光ま
たはＳ偏光の一方を反射、他方を透過して分離する偏光
ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタを透過し
た偏光成分を再度偏光ビームスプリッタに入射させる反
射手段とを有する偏光分離手段をさらに有し、該偏光分
離手段で分離されたＰ偏光とＳ偏光の光束は前記第１の
フライアイレンズに異なる角度で重畳されて照射され、
該第１のフライアイレンズが作るＰ偏光とＳ偏光の２次
光源像は、前記色分離素子が前記白色光束を色分離する
方向とは直交する方向に配列され、該Ｐ偏光とＳ偏光の
２次光源像が形成される位置の近傍にあって、該Ｐ偏光
とＳ偏光のどちらか一方の光路上に配置された偏光軸回
転素子をさらに有する構成としてもよい。

【００４１】前記色分離素子が色分離する方向におい
て、前記２次光源像のスポットサイズと該２次光源像の
色分離後の配列ピッチの比が、前記画像表示素子の前記
カラー画素開口部のサイズと該カラー画素の配列ピッチ
の比とほぼ等しいか小さい構成としてもよい。

【００４２】前記第２のフライアイレンズの光源側また
は出射側の近傍に、前記画像表示素子のカラー画素開口
部の形状と相似の開口を複数有する遮光マスクを更に有
する構成としてもよい。

【００４３】以下本発明の作用を説明する。

【００４４】本発明によれば、赤・緑・青に色分離され
た２次光源像一つずつの配列もしくは複数個の同色の２
次光源像を一組とした配列は、画像表示素子のカラー画
素配列とその色も含めて相似になっており、マイクロレ
ンズアレイを構成するレンズはこの２次光源像の配列を
結像し、画像表示素子の各画素の画素開口部に、色分離
された２次光源像を形成する光束の集光スポットを作
る。従って、白色光源の光を効率良く色分離して各色用
の画素上に各色毎に入射することができるので、カラー
フィルタによる吸収ロスのない明るい投影画像を得るこ
とができる。同時に、第１のフライアイレンズが作る２
次光源像を作る光束は、第２のフライアイレンズの働き
により、画像表示素子の画面全体に重なるように広がる
ので投影画像の照度分布が均一化される。フライアイレ
ンズを赤・緑・青の色毎に複数組用意する必要はないの
で、コンパクトな光学系で構成することができる。さら
に、一旦２次光源像を作り、これを結像して集光スポッ
トを作るので、従来の様に平行光束から直接集光スポッ
トを作る場合と比較して、マイクロレンズの焦点距離を
長くしても光学系全体としての光利用効率を損なわない
ように設計することができる。従って、通常の厚さの透
明基板を用いた液晶表示素子を利用できるので、透明基
板の厚さを極端に薄くすることによって生じる液晶表示
素子の生産性の低下という弊害を受けることがない。

【００４５】色分離素子を光源部と第１のフライアイレ
ンズのとの間に配置し、色分離素子から色分離された赤
・緑・青の波長域の光束が第１のフライアイレンズに重
畳して照射される様に構成すれば、赤・緑・青に色分離
された２次光源像が各色光束の入射角度に応じた位置に
作られる。従って、各色の光束の入射角度と第１のフラ
イアイレンズを適切に設定すれば所望の２次光源像配列
が得られる。

【００４６】色分離素子を短冊状アレイに形成すると、
色分離素子は２次光源像を形成するために収束された状
態の白色光束を各々色分離し、色分離された２次光源像
配列を作るので、色分離光学要素の光軸方向のスペース
が小さくなる。各色の分離・反射面は必要な位置にのみ
置けば良いので、３つの色分離面からなる色分離素子と
比較して誘電体多層膜の面積を小さくできる。

【００４７】さらに、赤・緑・青の内の２色を反射し、
１色を透過する誘電体多層膜からなる第１のダイクロイ
ックプリズムまたはダイクロイックミラーと、第１のダ
イクロイックプリズムまたはダイクロイックミラーで反
射された２色の光の内１色を、第１のダイクロイックプ
リズムまたはダイクロイックミラーを透過した光の進行
方向と略一致するように反射する第２のダイクロイック
プリズムまたはダイクロイックミラーと、第２のダイク
ロイックプリズムまたはダイクロイックミラーを透過し
た光を第１のダイクロイックプリズムまたはダイクロイ
ックミラーを透過した光の進行方向と略一致するように
反射する、第３のダイクロイックプリズム、ダイクロイ
ックミラー、全反射プリズムまたは全反射ミラーの内い
ずれか一つと、を複数有し、これらが規則的に配列され
ている、色分離素子を用いると、光路長差を更に小さく
できる。

【００４８】３つの色分離面からなる色分離素子は、２
次光源像を形成する各光束を一度に色分離する。この色
分離素子においても、各色の光路をずらすことで色分離
された２次光源像配列を作ることができる。この構成に
おいては、色分離の際に光学系が折れ曲がり、光路が重
複するので光学系の体積を減らすことができる。また、
短冊状アレイを作るほどには複雑な加工は不要である。

【００４９】平板同士、または三角プリズムと平板とを
光学接着剤等を使って全部貼りつけてしまえば、固定用
の治具１つ分ですべての光学素子を固定することができ
るし、本来の用意された反射面以外の境界面における表
面反射を防ぎ、そうした表面反射の成分によって引き起
こされる混色を抑えることができる。また、光学素子を
一体に固定することによって、剛性が増すので反射面の
たわみ等の問題を回避できるし、誘電体多層膜を空気中
にさらすことによる波長特性変化・反射率低下等の経時
変化や落下衝撃等にも強くなる。一体化するために不足
する間隔は、透明平板を間に挟んだり、使用する平板の
厚みを調整することによって容易に最適化できる。必要
ならば研磨によって平板を所定の厚みに加工してもよ
い。

【００５０】一方、赤・緑・青に色分離された２次光源
像の配列を作るために、色分離素子を第２のフライアイ
レンズの出射側に配置しても良い。この場合、実際の２
次光源像は白色のままであるが、色分離素子の働きによ
りマイクロレンズアレイおよび画像表示素子からは見か
け上、色分離された２次光源像があるのと全く同じ状態
（仮想的に色分離された状態）となる。

【００５１】さらに、第２のフライアイレンズの光源側
もしくは出射側の近傍に配置された偏光変換光学素子に
よって、照明光の利用効率を高め、投影画面をさらに明
るくすることができる。また、光束が絞られた位置で光
束の数を増やすので、偏光変換後の光路面積は大きくな
らず、コンパクトな光学系を保つことができる。

【００５２】偏光変換光学素子を偏光ビームスプリッ
タ、および全反射プリズムまたは全反射ミラーに加え
て、間隙を作るスペーサーの３種の部材を規則的に短冊
状に配列することによって、偏光変換によって増える２
次光源像の配置を調整することができ、画像表示素子の
画素開口部に集光しやすくなる。

【００５３】また、光源部と第１のフライアイレンズと
の間に配置され、光源部からの白色光束のＰ偏光または
Ｓ偏光の一方を反射、他方を透過して分離する偏光ビー
ムスプリッタと、偏光ビームスプリッタを透過した偏光
成分を再度偏光ビームスプリッタに入射させる反射手段
とを有する偏光分離手段をさらに有し、偏光分離手段で
分離されたＰ偏光とＳ偏光の光束は第１のフライアイレ
ンズに異なる角度で重畳されて照射され、第１のフライ
アイレンズが作るＰ偏光とＳ偏光の２次光源像は、色分
離素子が白色光束を色分離する方向とは直交する方向に
配列され、Ｐ偏光とＳ偏光の２次光源像が形成される位
置の近傍にあって、Ｐ偏光とＳ偏光のどちらか一方の光
路上に配置された偏光軸回転素子をさらに有する構成
は、比較的大きい断面積を持つ平行光束の状態で偏光分
離を行っていながら、Ｐ偏光とＳ偏光の各光束の第１の
フライアイレンズヘの入射角度を異ならせるだけであ
り、両者の光路はほぼ重なっているので、光学系をコン
パクトに保つことができる。また、２次光源像を近づけ
て配列させることができるので、比較的画素に集光させ
やすいという利点がある。

【００５４】色分離素子が色分離する方向において、２
次光源像のスポットサイズと２次光源像の色分離後の配
列周期の比が、液晶表示素子の画素開口部のサイズと画
素ピッチの比とほぼ等しいか小さくすることによって、
マイクロレンズアレイが作る集光スポットが画素開口部
に完全に収まるようになるので、集光効率がよくなり、
明るい投影画面を得ることができる。また、これは隣の
画素に不要な色の光が入らないことになるので、混色に
よる画質低下を防ぐことができる。

【００５５】さらに、第２のフライアイレンズの光源側
または出射側の近傍に、液晶表示素子の画素開口部の形
状と相似の開口を複数設けた遮光マスクを設置すること
によって、画素開口部に集められない光が存在する場合
においても、そのような光を前もって遮光マスクでカッ
トできるので、混色が起きなくなり、画質低下を防ぐこ
とができる。

【００５６】

【発明の実施の形態】（実施形態１）本発明の実施形態
１を図１から図５を参照しながら、以下に説明する。

【００５７】本実施の形態に係る投影型カラー画像表示
装置は、図１に示すように、白色光源１、放物面鏡２か
らなる光源部と、ダイクロイックミラー３Ｒ・３Ｇ・３
Ｂからなる色分離素子３と、第１のフライアイレンズ
４、第２のフライアイレンズ５、フィールドレンズ６、
７と、マイクロレンズアレイ８を備えた液晶表示素子
９、そして出射側フィールドレンズ１０と投影レンズ１
１からなる投影光学系とを含む。

【００５８】なお、図１は液晶表示素子９の画面横方向
が紙面に平行になる方向から眺めた図（平面図）であ
る。光源１からの白色光束は、色分離素子３によって赤
・緑・青の３原色に角度的に色分離された状態で、液晶
表示素子９を照明する。液晶表示素子９の各画素は対応
する色成分の光を変調し、変調された光は投影光学系に
よってスクリーンに投影表示される。

【００５９】本実施形態に用いられる液晶表示素子９の
表示画面は対角約９１ｍｍ、画面の縦横比が３：４であ
り、画素ピッチは縦１１４μｍ、横５７μｍでＲＧＢの
各画素が並んだデルタ配列パネルであり、画素数は縦４
８０、横１２８０である。デルタ配列はＡＶ向け用途に
よく用いられている画素配列である。本実施の形態で使
用する液晶表示素子９は、公知の技術により製造され
る。

【００６０】図２はマイクロレンズアレイ８と液晶表示
素子９を表示画面内における画面横方向の断面図であ
る。液晶表示素子９は、ガラス等からなる一対の透明基
板１２ａ・１２ｂを有し、この透明基板１２ａ・１２ｂ
間に液晶材料を封入して液晶層１２ｃを形成すると共
に、透明基板１２ａの対向面側には、Ｒ・Ｇ・Ｂで示し
た各色変調用の画素毎に遮光領域と光の透過する開口部
１６とを作るＢＭ（ブラックマトリクス）１３が形成さ
れている。

【００６１】また、透明基板１２ａ・１２ｂ間には、上
記液晶層１２ｃおよびＢＭ１３の他に、図示しないが、
液晶を駆動するための電極、ＴＦＴ素子や配線、配向膜
等が設けられており、マイクロレンズアレイ８から液晶
表示素子９にかけての光路上の前後には偏光板も配置さ
れている。透明基板１２ａ・１２ｂの基板厚は０．７ｍ
ｍで屈折率ｎで割った空気換算では約４６０μｍであ
る。画素開口部１６は、縦８５μｍ，横４１μｍの縦長
の長方形形状である。

【００６２】照明光の利用効率を高めて明るい投影画面
を得る為には、この画素開口部１６に光が集中するよう
に照明光学系を構成する必要がある。以下、この液晶表
示素子９の仕様に合わせて光学系の設計を行った例につ
いて説明する。

【００６３】白色光源１としては、消費電力１００Ｗ、
ショートアークのメタルハライドランプを用いた。この
他にも、白色光源１としてハロゲンランプやキセノンラ
ンプ等の光源を使用しても良い。

【００６４】放物面鏡２は焦点距離が１４ｍｍで焦点位
置にランプアークを配置して、直径約６５ｍｍの略平行
の白色光束が取り出せるようにした。このとき、光の平
行度即ち、光線の光軸に対する角度分布は±３度以下で
あった。白色光源１からの光を略平行にする方法として
は、これ以外にも球面鏡の球面中心にランプアークをお
き、更にランプアークを焦点に合わせたコンデンサーレ
ンズの組あわせを用いてもよく、所定の平行度が得られ
れば、これらの各方法が適宜選択される。

【００６５】放物面鏡２の光束の出射口にはＵＶ−ＩＲ
カットフィルタ１４が挿入配置され、液晶表示素子９に
無用な紫外線および赤外線が入射するのを防いでいる。

【００６６】ダイクロイックミラー３Ｒ、３Ｇ、３Ｂは
透明平板に公知の薄膜コーティング技術によって作製さ
れた誘電体多層膜を設けたもので、それぞれ赤、緑、青
色の各波長帯の光を選択的に反射するものであって、そ
の他の波長帯の光は透過するようになっており、光源部
からの白色光束の進行方向に対してそれぞれ異なる角度
で配置されている。

【００６７】ダイクロイックミラー３Ｒからの赤色反射
光（以下、Ｒ光と称する）は第１のフライアイレンズ４
に対して垂直に入射する。ダイクロイックミラー３Ｇか
らの緑色反射光（以下、Ｇ光と称する）と、ダイクロイ
ックミラー３Ｂからの青色反射光（以下、Ｂ光と称す
る）は、Ｒ光を中心にしてそれぞれ反対方向に角度θｍ
だけ傾けられ、且つ第１のフライアイレンズ４で各色の
光束の照射領域が互いに重なり合うように入射する。図
１ではダイクロイックミラー３によって色分離された光
をそれぞれ、Ｒ光を実線、Ｇ光を破線、Ｂ光を２点鎖線
で表わしている。

【００６８】図３は第１のフライアイレンズ４の平面図
である。第１のフライアイレンズ４は外形寸法が縦１
５．８ｍｍ、横２１ｍｍの７つの矩形レンズ４ａ〜４ｇ
が図３の様に並んでいる。レンズの縦横の寸法比は液晶
表示素子９の画面縦横比３：４に合わせられており、配
列は液晶表示素子９の画素配列に合わせられている。

【００６９】第２のフライアイレンズ５は図４に示すよ
うに、第１のフライアイレンズ４と同数の７つのレンズ
５ａ〜５ｇを持つ。レンズ４ａ〜４ｇはそれぞれ焦点距
離ｆ１が約４８ｍｍで、焦点面付近に配置される第２の
フライアイレンズ５上に図４中の円で示す位置に２次光
源像のスポットを作る。スポットの大きさは入射光の平
行度が±３°なので２・ｆ１・ｔａｎ３°≒５ｍｍであ
る。

【００７０】先に述べたようにＲ光、Ｇ光、Ｂ光の入射
角度が異なるので、ひとつのレンズにつき、Ｒ、Ｇ、Ｂ
３つのスポットが分離して生じ、合計では２１個のスポ
ットが形成される。この２１個のスポットのうち、レン
ズ４ａが作る３個（３色）のスポットはレンズ５ａに入
射し、４ｂが作る３つのスポットはレンズ５ｂに入射、
という様に第１のフライアイレンズ４と第２のフライア
イレンズ５は、参照符号の英小文字が同じレンズ同士が
対応しており、更に液晶表示素子９の画素配置と相似に
なるように配列されている。即ち、図３の紙面水平方向
に並んだ３つのレンズ４ｃ、４ｄ、４ｅが作る計９個の
スポットは、図４のレンズ５ｃから５ｅ内に描いた円程
度の大きさで、直線上に７ｍｍ間隔で並ぶ。同様に、レ
ンズ４ａ、４ｂが作る６つのスポット、そして４ｆ、４
ｇが作る６つのスポットについてもそれぞれ水平方向に
ついて直線上に７ｍｍずつ等間隔に、対応するレンズ５
内に並ぶ。

【００７１】又、各グループのスポットを結ぶ直線間の
上下方向の距離は１４ｍｍ離れている。そのために、レ
ンズ４ａ、４ｂは図面やや下方向へ、レンズ４ｆ、４ｇ
はやや上方向に光を曲げ、レンズ５ａ、５ｂ、５ｆ、５
ｇで主光線が再び光軸に平行になるように各レンズは上
下方向に偏心をつける。水平方向の配列条件を満たすＲ
ＧＢの入射角度の振れ角θｍはｆ１×ｔａｎθｍ＝７ｍ
ｍよりθｍ＝８．３°である。

【００７２】以上のように、２次光源像スポットの配列
はその色も含めて液晶表示素子９の画素配置と相似にさ
れる。更にスポットの大きさと配列ピッチの比αは、液
晶表示素子９の画素開口部の横幅と横方向の画素ピッチ
との比βに合わせられている。レンズ５ａ〜５ｇの各レ
ンズは、自分自身のレンズ効果と、第１の集光レンズ６
によるレンズ効果により、対応するレンズ４ａ、４ｇの
レンズ面を液晶表示素子９の表示面に、重ね合わさるよ
うに結像する。

【００７３】又、第２の集光レンズ７は各スポットから
の光束をマイクロレンズアレイ８への入射前に平行化す
るために置かれている。この為には集光レンズ６の焦点
は液晶表示素子９の表示面上に、集光レンズ７の焦点は
第２のフライアイレンズ５に略位置合わせられている。
これにより液晶表示素子９の表示面での照度分布は平均
化される。これはスクリーンに投影される投影画面の照
度分布も平均化されることを意味する。

【００７４】なお、レンズ５ａ〜５ｇは３つの２次光源
スポットをカバーできる大きさであれば、それぞれの境
界を必ずしも接触させる必要はない。本実施形態では１
例として、左右方向については境界を接触させ、上下方
向については境界を離した構成としているが、配列はこ
れに限られない。

【００７５】次に、本実施形態のマイクロレンズアレイ
８について、説明する。本実施形態におけるマイクロレ
ンズアレイ８は、ガラス等の透明基板の一方の面（本実
施の形態では光束の入射測の面）に、６角形のマイクロ
レンズ１５が密に配列されたものであり、液晶表示素子
９の透明基板１２ａに光学接着剤で貼り付けられてい
る。

【００７６】図５（ａ）はマイクロレンズアレイ８のレ
ンズ形状と液晶表示素子９の画素配列との配置関係を示
しており、実線が液晶表示素子９の画素の境界、破線が
マイクロレンズ１５の境界である。

【００７７】マイクロレンズ１５は、１個のマイクロレ
ンズが液晶表示素子９のＲ、Ｇ、Ｂ３画素の大きさに相
当する。マイクロレンズの横方向の配列ピッチは、液晶
表示素子９の横方向の画素ピッチの３倍の１７１μｍに
等しく、また、縦方向の配列ピッチは液晶表示素子９の
縦方向の画素ピッチと同じ１１４μｍであり、液晶表示
素子９の画素配列に合わせてデルタ配列となっている。
また、各マイクロレンズ１５の中心はＲ画素の画素開口
部１６の中心に来るようになっている。

【００７８】図５（ａ）に示した、Ｐを付されたマイク
ロレンズ１５に注目し、その機能を説明する。ダイクロ
イックミラー３と第１のフライアイレンズ４が作る２１
個の２次光源像スポットからの光束がＰに入射すると、
それぞれの光束はＰと重なるＲ画素を中心とする計２１
個の十字を付けた画素の開口部に独立して集められる。
これは、２次光源像のスポットの配列が液晶表示素子９
の画素配置と相似で、且つ、２次光源像のスポットの大
きさとスポットの配列ピッチとの比αと、液晶表示素子
９の画素開口部の大きさと配列ピッチとの比βが、α≦
βを満足することによって、マイクロレンズが２次光源
像スポットのできる面を画素の位置に縮小結像すること
によって実現される。画素開口部に生じる集光スポット
は画素開口部の大きさ以下なので、ＢＭ１３によって遮
断されない。故に実質的な集光効率が向上し、明るい投
影画面を得ることができる。

【００７９】図２には、別の方向から見たマイクロレン
ズ１５による集光の様子を示す。図２は、マイクロレン
ズ１５の内Ｐを通り紙面内で集光される光、即ち、レン
ズ４ｃ、４ｄ、４ｅとレンズ５ｃ、５ｄ、５ｅからの９
本の光のみを描いている。

【００８０】紙面内では３色の光が各々３つの方向から
Ｐに入射し、対応する色の画素合わせて９個の画素開口
部１６に集まる。即ち、実線で描いたＲ光はＲを付され
たＲ画素に集まり、破線で描いたＧ光はＧを付されたＧ
画素に集まり、２点鎖線のＢ光はＢを付されたＢ画素に
集まる。同時に、Ｐに隣接するマイクロレンズ１５
（Ｑ）もＰと同様に３画素だけずれて同じ様に集光して
いる。また、紙面垂直方向に存在するマイクロレンズ１
５も同じで、それらも含めると各画素には対応する色の
光が７個のマイクロレンズ１５から集光され、また各マ
イクロレンズ１５は１色につき７個の画素、３色分で２
１個の画素に光を集光している。

【００８１】このように、Ｒ画素にはＲ光束を、Ｇ画素
にはＧ光束を、Ｂ画素にはＢ光束を導くので、白色光束
からカラーフィルタで特定の色成分だけを透過させるこ
とによる吸収ロスがなく、明るい投影画面を得ることが
できる。

【００８２】各マイクロレンズ１５の焦点距離とマイク
ロレンズ１５から画素までの距離は、２次光源像スポッ
トの面からマイクロレンズ１５までの距離と縮小倍率に
よって決定される。本実施形態ではマイクロレンズの焦
点距離は約１３６０μｍ、マイクロレンズ１５から画素
までの距離は空気換算距離で約１３７０μｍである。こ
れは、現在の液晶表示素子に一般に用いられているガラ
ス基板の基板厚さ１．１ｍｍや０．７ｍｍ（本実施例）
よりも長い。なお、透明基板１２ａだけでは厚みが不足
する場合には、不足分はマイクロレンズアレイ８の基板
厚や、厚み調整のための透明基板の追加等で容易に対応
できる。

【００８３】なお、第２のフライアイレンズ５は各レン
ズ５ａ〜５ｇの曲率を変え、更に上下左右方向に偏心さ
せて第１の集光レンズ６の屈折機能を兼ね備えることも
できる。この場合には、第１の集光レンズを省略し、第
２のフライアイレンズ５の各レンズが、第１のフライア
イレンズ４のレンズ面を液晶表示素子９の表示面に重な
るように結像して、表示面での照度分布を均一化する。

【００８４】以上の構成により、単板式でありながらカ
ラーフィルタレスで、照度分布を均一化し、かつ明るく
コンパクトな投影型カラー画像表示装置が実現できる。
また、マイクロレンズアレイの設置位置が従来より遠く
なる為、液晶表示素子の透明基板厚を薄くしなくてもよ
いというメリットがある。なお、マイクロレンズ１５の
形状は図５（ａ）のような６角形形状の代わりに、図５
（ｂ）のように、赤・緑・青の３画素分の大きさに相当
する四角形形状でも良い。

【００８５】（実施形態２）本発明の実施形態２につい
て、図６から図１０を参照しながら説明する。なお、実
施形態１と同一の部材には同一の参照符号を付記し、そ
の説明は省略する。以降の実施形態においても同様とす
る。

【００８６】図６は本実施形態の投影型カラー画像表示
装置の概略構成図であり、図１との主たる相違点は液晶
表示素子１７にあり、以下に説明する液晶表示素子１７
の仕様に従って、光学系を修正したものである。

【００８７】液晶表示素子１７の表示画面は対角約９１
ｍｍ、画面縦横比が３：４で、画素ピッチは縦１１４μ
ｍ、横３８μｍでＲＧＢの各画素が水平に並んだストラ
イプ配列、画素数は縦４８０、横６４０ｘ３（ＲＧＢ）
＝１９２０である。いわゆるＶＧＡ（Ｖｉｄｅｏ Ｇｒ
ａｐｈｉｃｓ Ａｒｒａｙ）タイプのものである。スト
ライプ配列はＯＡ機器向けの表示装置等によく使われ
る。

【００８８】画素開口部のサイズは横巾が２２μｍ、縦
が８５μｍで、実施形態１の液晶表示素子９と比較し
て、画面サイズは同じだが、画面横方向について画素数
が増えたので画素ピッチや開口幅が小さくなっている。

【００８９】この液晶表示素子１７に合わせて、ストラ
イプ配列に則った２次光源像スポットの配列を作る。図
７は本実施形態に用いる第１のフライアイレンズ１８、
図８は本実施形態に用いる第２のフライアイレンズ１９
の平面図である。

【００９０】第１のフライアイレンズ１８は図７に示す
様に、縦３行横３列の計９個の矩形レンズ１８ａ〜１８
ｉが並ぶ。縦横比が略３：４で照明光の有効径６５ｍｍ
に収まるように、レンズ１個の外形寸法は縦１２．８ｍ
ｍ、横１７ｍｍとした。

【００９１】第１のフライアイレンズ１８が作るＲ、
Ｇ、Ｂ、計２７個の２次光源像スポットは図８中の円で
示すように水平方向に９個ずつ、３本の直線上に並び、
直線間隔が１７ｍｍ、水平方向の間隔は１７ｍｍの間に
ＲＧＢ３つのスポットが並ぶようにする。このために、
レンズ１８ａ〜１８ｉの焦点距離ｆ１は３１．３ｍｍ、
Ｒ、Ｇ、Ｂの入射ふれ角θｍを１０．３°とした。

【００９２】このとき、２次光源像スポットは直径約
３．３ｍｍ、水平方向の配列ピッチが５．７ｍｍで、液
晶表示素子１７の画素開口部横幅と画素ピッチの比と同
じであり、かつ、液晶表示素子１７のストライプ画素配
列と相似のスポットが得られる。

【００９３】上下方向のスポット位置を調整する為にレ
ンズ１８ａ、１８ｂ、１８ｃは上方向へ、１８ｇ、１８
ｈ、１８ｉは下方向へ光束を曲げ、レンズ１９ａ、１９
ｂ、１９ｃ、１９ｇ、１９ｈ、１９ｉで主光線が再び光
軸に平行になるように、各レンズは上下方向に偏心をつ
ける。

【００９４】第２のフライアイレンズ１９は縦３行横３
列の９個のレンズ１９ａ〜１９ｉからなり、横と縦の配
列ピッチは共に１７ｍｍである。レンズ１９ａ〜１９ｉ
は実施形態１と同様に、第１の集光レンズ２０での光の
屈折も含めて、対応するレンズ１８ａ〜１８ｉを液晶表
示素子１７の表示面で重なるように結像する。

【００９５】図９に示すように、マイクロレンズアレイ
２２は液晶表示素子１７の画素配列に合わせて四角形の
マイクロレンズ２３が格子状に並んでいる。マイクロレ
ンズ２３の大きさは横方向が画素ピッチの３倍、縦方向
が画素ピッチと同じでＲＧＢ３画素にひとつの割合であ
る。図９において、参照符号Ｐを付したマイクロレンズ
２３に注目すると、Ｐには２７の方向から光が入射し、
十字をつけた２７個の画素開口部に集光スポットを作
る。また、一つの画素に注目すると、合計９個のマイク
ロレンズ２３から所定の色の光束１色分が集光されて画
素開口部に入る。

【００９６】本実施形態の構成においても、実施形態１
と同様、照度分布均一化、集光効率向上の効果がある。

【００９７】なお、本実施形態のように、ストライプ配
列の液晶表示素子を使う場合、マイクロレンズアレイと
してレンチキュラーレンズのアレイを用いて構成するこ
ともできる。図１０はその場合のレンチキュラーレンズ
とレンチキュラーレンズの液晶表示素子１７に対する配
置を説明する図である。

【００９８】マイクロレンズアレイは、液晶表示素子１
７の横画素ピッチの３倍の幅を持つレンチキュラーレン
ズ２４が並んだレンチキュラーレンズアレイ２５であ
る。レンチキュラーレンズ２４は横方向にしかレンズの
機能を持たず、一個のレンズは２次光源像スポットの配
列を９本のＲ、Ｇ、Ｂの縦長の帯状に集光して画素開口
部に導く。

【００９９】その他の光学系の構成が同じであれば、レ
ンチキュラーレンズ２４の焦点距離はマイクロレンズ２
３の焦点距離と同じであり、集光した光の帯の横幅はや
はり横方向の画素開口巾に収まる大きさである。レンチ
キュラーレンズ２４は縦方向には集光を行わないので、
一部の光はＢＭに当たり、集光効率が低下する。従っ
て、上記の例に比べて投影画面が多少暗くなるが、画素
が縦長で、縦方向の開口巾が大きいのでロスが少ない。
また、四角形のマイクロレンズに比べてマイクロレンズ
レンズアレイが作りやすいという利点がある。

【０１００】本発明に用いるマイクロレンズアレイ及び
レンチキュラーレンズアレイの製造方法としては、イオ
ン交換法Appl.Opt.Vol.21,p.1052(1984)、またはElectro
n.Lett.VoL17,P.452(1981)、膨潤法(鈴木他、“プラスチ
ックマイクロレンズの新しい作製法”第２４回微小光学
研究会）、熱ダレ法ZoranD.Popovicet al.“Technique
monolothic of microlenz arrays"、Appl.Opt.Vol.27,p.
1281(1988)、蒸着法(特開昭55-135808号公報)、熱転写法
(特開昭61-64158号公報)、機械加工法、特開平3-248125号
公報に示されている方法等が利用できる。

【０１０１】（実施形態３）本発明の実施形態３につい
て、図１１から図１３を参照しながら説明する。 上記の
実施形態1や２では各マイクロレンズはひとつの２次光
源像スポットをひとつの画素開口部に集光していた。ま
た、上記実施形態では、画素開口部の形状が正方形では
なく縦長なので、巾の小さい方に合わせて光学系を設計
した。つまり、画素開口部上には、開口部の横幅とほぼ
同じ直径のスポットが生じており、開口部の縦方向の残
りの部分は有効に利用されているとは言いがたい。実施
形態３では、この残りの部分にも光が通過できるよう
に、第１のフライアイレンズが作る２次光源像スポット
の配列を変更する。以下、実施形態２を基盤として修正
した実施形態３を説明する。

【０１０２】図１１は実施形態３の投影型カラー画像表
示装置の概略構成図である。図６の実施形態２からの主
たる変更点は第１のフライアイレンズ２６、第２のフラ
イアイレンズ２７である。

【０１０３】実施形態３における第１のフライアイレン
ズ２６の平面図は図１２のようになり、各レンズ２６ａ
〜２６ｉの境界線や、焦点距離は実施形態２のものと同
じである。しかし、各レンズを上下方向と左右方向の両
方に偏心をつけて２次光源像スポットの配列と、第２の
フライアイレンズ２７の配置を図１３のように変更し
た。即ち、レンズ２６ａが作る２次光源像スポット２８
ａは、レンズ２６ｄが作る２次光源像スポット２８ｄの
側に、レンズ２６ｇが作る２次光源像スポット２８ｇは
レンズ２６ｈが作る２次光源像スポット２８ｈの側に、
レンズ２６ｉが作る２次光源像スポット２８ｉはレンズ
２６ｆが作る２次光源像スポット２８ｆの側に、レンズ
２６ｃが作る２次光源像スポット２８ｃはレンズ２６ｂ
が作る２次光源像スポット２８ｂの側に、それぞれ同色
の２次光源像スポットが縦に並び、その重心が液晶表示
素子の画素配列と相似になるようにする。

【０１０４】縦に並べるスポット同士は必要以上に離す
とマイクロレンズアレイが画素へ結像する時に画素開口
部の縦方向からはみだしてしまう恐れがあるので、なる
べく接近するように配置する。

【０１０５】第２のフライアイレンズ２７はこの２次光
源像スポットの配列に合わせられている。レンズ２７ｅ
を中心にしてその上下左右にそれぞれ１７ｍｍ離れた位
置を基準として上下に２つずつレンズがある。レンズ内
にＲ、Ｇ、Ｂ、３つの２次光源像スポットが入射し、レ
ンズの大きさは３色のスポットをカバーできればよく、
スポットや光束がレンズの中心を通らなくとも良い。ま
た、３色の内中心となるＲ光の主光線が光軸に平行に出
射するよう上下方向と左右方向を偏心させる。

【０１０６】実施形態３に用いるマイクロレンズアレイ
は実施形態２で用いたマイクロレンズアレイ２２と同じ
である。実施形態３では２次光源像スポットの配列を十
字形状に並び変えたので、それぞれのマイクロレンズ２
３の中心と上下左右の画素開口部に集光される。

【０１０７】実施形態２で斜め方向の画素に集光されて
いた光は、上下左右の画素に割り当てたので、結局一つ
の画素に集められる光量は実施形態２の場合と変わらな
い。しかし、本実施形態では斜めの位置にあるマイクロ
レンズ２３からの光がなくなるので、液晶表示素子１７
を通過する光線の、光軸と成す角度が小さくなる。従っ
て、投影光学系に関して、口径の小さいレンズ、言い方
をかえるとＦ値の大きいレンズを利用することができ
る。一般にＦ値の小さい、つまり口径の大きいレンズほ
ど高価格になるので、実施形態３によると装置のコスト
ダウンを図ることができる。

【０１０８】なお、本実施形態に用いる液晶表示素子１
７は画素開口部の縦方向について２次光源像スポットを
通過させる余裕がまだあるので、第１のフライアイレン
ズ２６と第２のフライアイレンズ２７のレンズの数を増
やして、２次光源像スポットの配列をさらに接近させ
て、縦に３個以上並べることも可能である。

【０１０９】（実施形態４）本発明の実施形態４につい
て、図１４から図１９を参照しながら説明する。なお、
ここでは、液晶表示素子として実施形態１のデルタ配列
パネルを用いるが、ストライプ配列のパネルに対しても
実施形態１から実施形態２への変更と同様の手法で適用
が可能である。

【０１１０】図１４は実施形態４における投影型カラー
画像表示装置の概略構成図である。実施形態４では、光
源部からの略平行な白色光束は、ダイクロイックミラー
３はなく、色分離される前に第１のフライアイレンズ４
に入射する。第１のフライアイレンズ４は実施形態１と
同じものであり、白色の２次光源像スポットが作られる
手前の、各光束が十分細くなった位置に色分離光学要素
２９ａが配置される。ここで白色光束が３つの色光束に
分離される。

【０１１１】図１５はこの色分離光学要素２９ａの構造
図である。色分離光学要素２９ａは３種類のプリズム３
０ａ、３０ｂ、３０ｃからなり、直角プリズム３０は三
角柱２本を組み合わせて四角柱とし、境界面に誘電体多
層膜からなるダイクロイックミラーが設けられている。
プリズム３０ａは黄色反射、プリズム３０ｂは赤色を反
射する。プリズム３０ｃは緑色を反射する。既に他の色
はプリズム３０ａ、３０ｂで除かれているので、選択反
射ミラーでは無く、例えばアルミ膜等を蒸着した全反射
ミラーを用いてもよい。プリズム３０ａ、３０ｂ、３０
ｃの組は液晶表示素子９の画素配置に従って画面横方向
に並び、第１のフライアイレンズ４のレンズの数と配列
に合わせて７組並べられている。

【０１１２】図１６はこの色分離光学要素２９ａの色分
離の説明図である。プリズム３０ａ、３０ｂ、３０ｃは
どれも同じ大きさの正方形で、一辺の長さは、白色の２
次光源像スポットの配列の横方向ピッチの１／３とす
る。

【０１１３】このとき、白色光束は全て最初にプリズム
３０ａに入射する。プリズム３０ａの反射面でＲ成分と
Ｇ成分は隣接するプリズム３０ｂの方向へ反射され、Ｂ
成分は反射せずに直進する。次に、プリズム３０ｂでは
Ｒ成分が反射し、Ｂ成分と進行方向が揃えられ、Ｇ成分
は反射せずにプリズム３０ｃへ向かう。最後にプリズム
３０ｃでＧ成分も反射され、Ｂ、Ｒ成分と進行方向が同
じになる。以上のようにプリズム３０ａ、３０ｂ、３０
ｃがひと組となって、白色光束をＲ、Ｇ、Ｂの３色の光
束に分離する。

【０１１４】色分離光学要素２９ａで色分離された光束
はそれぞれ第２のフライアイレンズ３１のレンズ一つず
つに入射する。図１７は第２のフライアイレンズ３１の
平面図である。第２のフライアイレンズ３１は２１個の
レンズからなり、実施形態１に用いた図４の第２のフラ
イアイレンズ５の各レンズ５ａ〜５ｇを横方向に３分割
し、実施形態１との光束の入射角度の違いを補正する為
に左右方向に偏心が加えられたものである。従って、第
２のフライアイレンズ３１の各レンズの焦点距離は、第
２のフライアイレンズ５のものと同じである。

【０１１５】第２のフライアイレンズ３１を通過した各
光束は、第１の集光レンズ６、第２の集光レンズ、マイ
クロレンズアレイ８を通して、実施形態１とほぼ同じ条
件で、液晶表示素子９に入射する。マイクロレンズアレ
イ８の各マイクロレンズ１５からは、実施形態１と同様
に、Ｒ、Ｇ、Ｂの色毎に分離された２次光源像スポット
が各色７つずつ、合計２１個が液晶表示素子９の画素配
列と相似形に並んでおり、それぞれは対応する画素開口
部に集光される。実施形態１と同様に液晶表示素子９の
各画素は対応する色成分を変調し、変調された光は投影
光学系によってスクリーンに投影される。

【０１１６】実施形態４では、２次光源像スポット配列
を液晶表示素子９に合わせてデルタ配列にするため、色
分離光学要素２９ａはプリズム３０を縦３段分作って交
互にずらしている。ストライプ配列の液晶表示素子１７
に適用する場合には、縦方向に同じ色の画素が並ぶので
プリズム３０を縦に長くして縦１段の構造にすることが
できる。

【０１１７】また、色分離光学要素として、プリズム３
０の代わりに、いわゆるクロスダイクロイックプリズム
を用いていも良い。図１８はクロスダイクロイックプリ
ズムを用いた場合の色分離光学要素２９ｂの色分離の説
明図である。クロスダイクロイックプリズム３２は三角
柱を４つ組み合わせて、四角柱プリズムとなっており、
三角柱プリズム同士の境界面に所定の色を反射する誘電
体反射膜を設けており、白色光束はクロスダイクロイッ
クプリズム３２に入射する。白色光束は３色に分離さ
れ、Ｒ光は直進、Ｂ光とＧ光はそれぞれ逆方向に反射す
る。ダイクロイックプリズム３２の両側には薄膜全反射
ミラーを設けた反射プリズム３３が形成されており、Ｂ
光及びＧ光を反射し、色分離したＲ、Ｇ、Ｂ３色の進行
方向を揃える。

【０１１８】色分離光学要素２９ａにおいて、Ｒ光が入
射する白色光に対してずれて出射するので、図１４では
それ以降の光学素子の光軸をずらしているが、色分離光
学要素２９ｂを使った場合には、白色光に対してＲ光が
ずれないので、それ以降の光学素子の光軸をずらす必要
はない。

【０１１９】また、色分離光学要素２９ａや２９ｂは図
１９の様に第２のフライアイレンズの後に置いてもよ
い。この場合は第２のフライアイレンズは実施形態１で
用いた第２のフライアイレンズ５が利用できる。色分離
光学要素２９ａや２９ｂはプリズムを並べたものの他
に、平板のダイクロイックミラーや全反射ミラーを同様
の色分離・反射が行えるように構成し支持部材で固定し
て形成することも可能である。

【０１２０】実施形態４の構成においても、照度分布均
一化、集光効率向上の効果が得られ、コンパクトな光学
系で実現できるのもこれまでの実施形態と同じである。

【０１２１】（実施形態５）本発明の実施形態５につい
て、図２０から図２２を参照しながら説明する。なお、
ここでは、液晶表示素子として実施形態１のデルタ配列
パネルを用いるが、ストライプ配列のパネルに対しても
実施形態１から実施形態２への変更と同様の手法で適用
が可能である。

【０１２２】図２０は実施形態５における投影型カラー
画像表示装置の概略構成図である。実施形態５では、光
源部からの略平行な白色光束は、ダイクロイックミラー
３ではなく、色分離される前に第１のフライアイレンズ
４に入射する。第１のフライアイレンズ４は実施形態１
と同じものであり、白色の２次光源像スポットが作ら
れ、第２のフライアイレンズ５に入射する。Ｒ、Ｇ、Ｂ
への色分離は第１の集光レンズ６と第２の集光レンズ７
の間に配置した色分離素子３４によって行われる。

【０１２３】色分離素子３４は三角プリズム３５の反射
面３６に誘電体多層膜からなるダイクロイックミラーが
設けられている。反射面３６ａはＧ光を反射し、反射面
３６ｂはＲ光を反射し、反射面３６ｃはＢ光を反射す
る。但し、反射面３６ｃについては、既に他の色は３６
ａ、３６ｂで反射して除かれているので、選択反射ミラ
ーでは無く、例えばアルミ膜等を蒸着した全反射ミラー
を用いてもよい。

【０１２４】反射面３６ａ、３６ｂ、３６ｃの各面は透
明基板３７によって所定の面間隔を設け、色毎に反射面
を異ならせているので、マイクロレンズアレイ８や液晶
表示素子９の位置からは、見掛け上、画面横方向でＲ、
Ｇ、Ｂに色分離された２次光源像スポットが配列してい
るのと同じことになる。本願明細書においては、上記の
状態を仮想的に色分離された状態と呼ぶ。マイクロレン
ズアレイ８は液晶表示素子９の各画素の画素開口部に所
定の色の光を集光するので、実施形態１と同様に明るい
投影画像が得られる。

【０１２５】実施形態５の色分離素子は、図２１のよう
に、平板ダイクロイックミラー３８をそれぞれ独立して
置いてもよいし、図２２（ａ）のように、厚み調整をし
た平板ダイクロイックミラー３８同士を貼りあわせた
り、図２２（ｂ）のように平板ダイクロイックミラー３
８の間に、間隔を保つための透明基板３７を貼りあわせ
て一体化してもよい。

【０１２６】また、実施形態５の色分離素子は図２３の
様に、第１のフライアイレンズと第２のフライアイレン
ズの間の光路に色分離素子３４を配置することもでき
る。この場合、各反射面３６の間隔は色分離された２次
光源像スポットが所定の間隔で配列するように調整さ
れ、第２のフライアイレンズは第４の実施形態のように
第１のフライアイレンズの３倍の数のレンズを有するも
のを使えばよい。

【０１２７】（実施形態６）本発明の実施形態６につい
て、図２４から図２８を参照しながら説明する。実施形
態６は、実施形態１から実施形態５のそれぞれの投影型
カラー画像表示装置の光学系に、偏光変換光学素子を追
加することで更に明るい投影画面を得るものである。

【０１２８】図２４に偏光変換光学素子の構造、図２５
に偏光変換光学素子の偏光変換における光の経路を示
す。偏光変換光学素子３９は図２４に示す様に、四角柱
のＰＢＳプリズム４０と反射プリズム４１を縦方向に交
互に並べ、反射プリズム４１の一面に１／２波長板４２
を設けている。ＰＢＳプリズム４０に入射したランダム
偏光の光束は、図２５に示す様に、Ｓ波成分が反射され
進行方向を９０度曲げて、対をなす反射プリズム４１に
向かい、Ｐ波成分はそのまま通過してＰＢＳプリズム４
０の出射面から出射する。Ｓ波成分は反射プリズム４１
で反射し、ＰＢＳプリズム４０を通過したＰ波成分と同
じ方向に向けられる。更に反射プリズム４１の出射面に
貼り付けられた１／２波長板４２で偏光軸が９０度回転
し、ＰＢＳプリズム４０を通過したＰ波成分の偏光軸に
揃えられる。ＰＢＳプリズム４０と反射プリズム４１の
寸法や組み合わせの数は、元の２次光源像スポットの配
置に応じて決められる。偏光変換光学素子３９により２
次光源像スポットの数は２倍に増えるが、このときにも
２次光源像スポットの配列が、その色も含めて、使用す
る液晶表示素子の画素配列と相似になるように設定され
る。

【０１２９】図２６は偏光変換光学素子３９を実施形態
２の投影型カラー画像表示装置に追加した時の概略構成
図である。偏光変換光学素子３９は、図２４の様にＰＢ
Ｓプリズム４０と反射プリズム４１が３組並んでおり、
実施形態２の第１のフライアイレンズ１８の作る２次光
源像スポットの縦方向配列ピッチ１７ｍｍに合わせて各
プリズムの一辺の長さは８．５ｍｍである。偏光変換光
学素子３９は第２のフライアイレンズ４３の入射側に配
置した。

【０１３０】図２７は偏光変換光学素子３９を通過した
後の２次光源像スポットの配列と、対応する第２のフラ
イアイレンズ４３のレンズ位置の対応を示す平面図であ
る。第１のフライアイレンズ１８が９個のレンズを持
ち、Ｒ、Ｇ、Ｂ３色の光束が異なる角度で入射、さらに
偏光変換光学素子３９を通るので、合計５４個の色別の
２次光源像スポットが生じている。

【０１３１】図２７の白丸はＰＢＳプリズム４０で反射
されずにそのまま出射してできる２次光源像スポット、
黒丸はＰＢＳプリズム４０で反射し、反射プリズム４１
で反射、出射し、１／２波長板４２を通過してできる２
次光源像スポットである。このとき、白丸と黒丸の２次
光源像スポットそれぞれの縦方向の配列間隔は共に１７
ｍｍで、白丸と黒丸間はその半分の８．５ｍｍである。

【０１３２】第２のフライアイレンズ４３は、図２７の
様に１８個のレンズを持ち、各レンズに第１のフライア
イレンズ１８と偏光変換光学素子３９が作る３個（３
色）の２次光源像スポットが入射し、液晶表示素子１７
ｇ画面上に重ねあわせられる。実施形態６においても、
マイクロレンズアレイの働きにより液晶表示素子１７の
画素開口部に２次光源像が結像するが、実施形態２との
違いは、１個のマイクロレンズが縦長の画素開口部に図
２７の白丸と黒丸の２次光源像スポットを１個ずつ導く
ことである。そのために、第２のフライアイレンズ４３
以降の光学系の光軸を縦方向に平行移動している。つま
り、第２のフライアイレンズ４３より以前の光学系は図
２７の点Ｃが光軸上であったものを、第２のフライアイ
レンズ４３以降の光学系の光軸を点Ｃ’、即ち白丸の２
次光源像スポットと、偏光変換光学素子３９で複製され
た黒丸の２次光源像スポットの重心に位置するようにす
る。

【０１３３】実施形態６では、液晶表示素子１７の画素
開口部の縦幅が８５μｍであり、白丸と黒丸の２次光源
像スポットが８．５ｍｍ離れていても、マイクロレンズ
による縮小結像の結果、１個の画素開口部に入りきるこ
とができる。

【０１３４】しかし、場合によっては偏光変換光学素子
３９で作られるスポット同士が縦方向に等問隔に生じた
のでは、距離が離れすぎて画素開口部を通過できなくな
ることがあり、それを回避するためにスポットの間隔を
短縮する必要がある。そのためには、図２８（ａ）の様
にＰＢＳプリズム４４と反射プリズム４５の他に、スペ
ーサー四角柱４６を追加した偏光変換光学素子４８を使
えばよい。

【０１３５】ＰＢＳプリズム４４と反射プリズム４５
は、ＰＢＳプリズム４０、反射プリズム４１と機能は同
等であるが、１辺の長さを短くし、スペーサー四角柱４
６と合わせた３つの合計が２次光源スポットの配列ピッ
チに合うように作る。偏光変換光学素子４８の光の経路
は図２８（ｂ）のようになる。

【０１３６】図２９は偏光変換光学素子４８による２次
光源像スポットの配列である。偏光変換光学素子３９と
比較すると、ＰＢＳプリズム４４と反射プリズム４５が
小さくなったことにより、二つに分かれる２次光源像ス
ポット間の距離が縮まるが、その重心の配列は変化しな
い。従って、スペーサー四角柱のない偏光変換光学素子
３９よりも画素開口部に光を集中させることができる。
２次光源像スポットの配列変化に従って第２のフライア
イレンズのレンズ形状も調整される。

【０１３７】ＰＢＳプリズム４４や反射プリズム４５の
大きさは２次光源像スポットの大きさを基準にぎりぎり
まで小さくすることができる。即ちＰＢＳプリズム４４
の入射面や出射面及び反射プリズム４５の出射面でケラ
レの起きない限り、小さくすることができる。なお、ス
ペーサー四角柱４６は、遮光体で作るか反射膜を設けて
光が透過しないようにするのが望ましい。スペーサー四
角柱４６を通過する光は表示に寄与せず、むしろ、液晶
表示素子のＢＭに光が当たったり、ある画素に別の色の
光が紛れ込んで混色の原因となるからである。また、実
施形態３の様に短冊アレイ状の場合、色分離素子におけ
る色分離と偏光変換の順序を逆にすることもできる。

【０１３８】本実施形態では、元がランダム偏光であっ
た白色光源の光を直線偏光に揃えることにより、表示に
用いられる直線偏光が液晶表示素子の偏光板に遮られる
ことがなくなり、画像投影に利用できる光量が増えるの
で、実施形態５までの構成に比べて更に明るい投影画面
を得ることができる。勿論、照度分布改善の効果や光学
系をコンパクトに構成できる利点は、これまでの実施形
態と何ら変わりがない。

【０１３９】１／２波長板４２は、反射プリズム４１で
なくＰＢＳプリズム４０の出射面の方に貼り付けて、偏
光方向を揃えても構わない。これは以下の実施形態にお
いても同様である。

【０１４０】（実施形態７）本発明の実施形態７につい
て、図３０から図３２を参照しながら説明する。実施形
態７は、実施形態６と同様、投影型カラー画像表示装置
の光学系に、偏光変換光学素子を追加することで更に明
るい投影画面を得るものである。

【０１４１】図３０は本実施形態の投影型カラー画像表
示装置の構成図である。但し、図３０はこれまでの投影
型カラー画像表示装置の構成図と異なり、液晶表示素子
の画面縦方向が紙面に平行になる方向から眺めた図面で
ある。

【０１４２】光源部からの白色平行光束はまずＰＢＳ４
９に入射する。白色光束はランダム偏光であり、ＰＢＳ
４９の偏光分離反射面５０でＳ偏光光束５１を反射し、
偏光反射分離面５０に対してくさび状に設けられた第２
の反射面５２で残りのＰ偏光光束５３が反射し、Ｓ偏光
光束５１とＰ偏光光束５３は第１のフライアイレンズ１
８で重なりあうように入射する。Ｓ偏光光束５１とＰ偏
光光束５３は共に略平行光束のままであるが、互いの主
光線の角度がθｍ２だけ異なっているので第１のフライ
アイレンズ１８の各レンズ１８ａ〜ｉはＳ偏光の２次光
源像スポットとＰ偏光の２次光源像スポットを別々の位
置に作り出す。ここでは第２のフライアイレンズ５４上
で画面縦方向に間隔５ｍｍで分かれるようにθｍ２は約
９°とした。

【０１４３】それぞれの光束は図３１で示すように、第
２のフライアイレンズ５４に入射する前に色分離光学要
素５５に入射する。Ｓ偏光光束の通過域には帯状に１／
２波長板を設けて偏光方向を揃える。図３１では、１／
２波長板５６を色分離光学要素５５の入射側の面に設け
ているが、色分離光学要素５５の出射側に設けてもよ
い。

【０１４４】色分離光学要素５５は、白色光束を画面横
方向に対してＲ、Ｇ、Ｂの３色に色分離する。図３２の
様に、第２のフライアイレンズ５４は２７個のレンズを
持ち、５４個の色別の２次光源像スポットの光束が入射
する。さらに各光束は第２のフライアイレンズ５４、第
１の集光レンズ２０、第２の集光レンズ２１、マイクロ
レンズアレイ２２を通過して液晶表示素子１７の画面で
重なり合い、２次光源像スポットは画素開口部に集光さ
れる。

【０１４５】本実施形態も偏光変換により更に高い集光
効率を実現し、明るい投影画面を得ることができる。そ
の他の効果はこれまでの実施形態と同様である。

【０１４６】また、第１のフライアイレンズの各レンズ
が作る２つの２次光源像スポット間の距離はθｍ２の調
整により接近させることができるので、実施形態６の様
に短冊アレイ状の偏光変換光学素子よりもさらに画素開
口部に密にスポットを配列することが可能である。第１
のフライアイレンズの後に第２のフライアイレンズ、そ
の次に色分離光学要素といった配置にしてもよく、その
場合は第２のフライアイレンズの形状はこれまでの実施
形態に従って適時変更される。

【０１４７】また、色分離の方法は上記のような色分離
光学要素の代わりに実施形態４で用いた色分離素子も利
用できるし、先の実施形態の説明に従えばデルタ配列の
液晶表示素子に容易に対応できる。

【０１４８】（実施形態８）実施形態１から７までの基
本構成は、使用する液晶表示素子の画素配列に合わせて
色分離・配列された２次光源像スポットを光学系の途中
に作り、このスポット面をマイクロレンズによって結像
することで液晶表示素子の画素開口部に所定の色の光を
集光するものである。しかし、迷光やレンズの収差など
の理由で、一部のスポットが所定の大きさに収まらない
場合がある。この場合、液晶表示素子のＢＭにも光が当
たり不要な温度上昇を引き起こすので光源に使用できる
出力光束量の上限が下がってしまうことがある。また、
単板方式の投影型画像表示装置では、目標の画素開口部
をはみ出して更に隣の画素開口部に光が入った場合、特
に画面横方向の隣接画素はデルタ配列、ストライプ配列
の双方とも異なる色の画素であるので、混色が生じ、投
影画像の色再現性が著しく低下してしまう場合がある。

【０１４９】そこで、本実施形態では、前記各実施形態
における２次光源像スポットの集光面付近、より正確に
はマイクロレンズアレイの各マイクロレンズが液晶表示
素子の画素開口部に結像する物面にＢＭ相当の遮光マス
クを設ける。これにより、液晶表示素子の温度上昇や混
色の元となる光成分を遮断し、液晶表示素子の画素に到
達することを防ぐことができる。

【０１５０】本発明の実施形態８について、図３３から
図３６を参照しながら説明する。実施形態８は実施形態
１から７のそれぞれの投影型カラー画像表示装置の光学
系のいずれにも適用できる。

【０１５１】図３３は実施形態１のデルタ配列の液晶表
示素子を用いた投影型カラー画像表示装置に適用したと
きの概略構成図であり、遮光マスク５７が、２次光源像
スポットの生じる位置の近傍、第２のフライアイレンズ
５の出射側の面に追加配置されている。実施形態１の様
に、使用する光学系が遮光マスクの位置で既にＲ、Ｇ、
Ｂに色分離されている場合は、液晶表示素子の画素開口
部も含めて相似形状のマスクを使用する。つまり、配列
ピッチと開口部の両方の相似比率が一致する遮光マスク
を用いる。

【０１５２】また、実施形態５の様に、遮光マスクを置
く位置、つまり２次光源像スポットの生じる近傍では色
分離されずに白色である場合は、色分離された時に一致
するように、開口部の数を減らす。

【０１５３】図３４はデルタ配列の液晶表示素子９の場
合、図３５はストライプ配列の液晶表示素子１７の場合
の遮光マスクの例である。図３４（ａ）、図３５（ａ）
は遮光マスクの位置が色分離後の場合の遮光マスク、図
３４（ｂ）、図３５（ｂ）は色分離前の場合の遮光マス
クである。実施形態８の遮光マスク５７は、図３４
（ａ）の遮光マスクのタイプである。

【０１５４】実施形態２の様にストライプ配列の液晶表
示素子にマイクロレンズアレイとしてレンチキュラーレ
ンズを用いた場合には、レンチキュラーレンズに縦方向
の集光能力がないので、遮光マスクも図３６のように縦
方向に開口部が連結したストライプ状のものを使用して
もよい。この場合、ＢＭへの光照射と温度上昇は一部し
か防げないが、混色防止の効果をあげることができる。

【０１５５】実施形態１から７のいずれにも遮光マスク
を追加して混色や液晶表示素子の不要な温度上昇を防ぐ
ことができる。

【０１５６】上記の実施形態では、液晶表示装置を例に
本発明を説明したが、本発明は、画素構造を有する透過
型の表示装置であれば、液晶表示素子以外の画像表示素
子にも適用可能である。

【０１５７】本実施形態１から８においてＲＧＢの色分
割を横方向に、それと直交する縦方向にＰ偏光とＳ偏光
の分離を行うのは、使用した液晶表示素子の画素配列に
合わせたからであり、もしも縦方向にＲＧＢが順次繰り
返す画素構造であれば、色分離光学要素や色分離素子、
偏光変換光学素子の向きもそれに従って変更すればよ
い。マイクロレンズの画素に対する配置は、Ｒ画素を中
心に固定する必要はなく、他の色の画素を中心に設定し
てもよい。

【０１５８】第２のフライアイレンズと第１の集光レン
ズの２つで液晶表示素子の画面に重なりあうように照明
される様にしたが、第１の集光レンズは必ずしも必要で
はなく、第２のフライアイレンズの各レンズの曲率と偏
心を調整することで、第１の集光レンズなしで同じ集光
状態を作ることも可能である。

【０１５９】色分離と偏光変換の順序は、実施形態１か
ら７で説明したような組み合わせがあるが、ダイクロイ
ックミラーによる色分離はＰ偏光とＳ偏光とで波長特性
が異なるのが普通なので、まず最初に偏光変換を行って
偏光方向を揃えてから色分離を行った方がより正確な色
分離ができ投影画像の色再現性も向上することができ
る。

【０１６０】偏光変換素子において偏光方向を揃えるに
は実施形態の１／２波長板の他に液晶の旋光による偏光
軸の回転を利用することもできる。また、偏光の分離に
は実施形態のＰＢＳプリズムの代わりに偏光選択反射板
（３Ｍ社製のＤＢＥＦなど）を反射面に配置しても同等
の機能を果たすことができる。

【０１６１】上述の実施形態においては、短冊アレイ状
の色分離光学要素もしくは偏光変換光学素子として、三
角柱を２つ組み合わせて四角柱とし、更にその四角柱を
並べて作る例を挙げたが、これらに限られない。例え
ば、図３７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、反射
面としない境界面を接合してできる平行四辺形状やその
他の所定の四角形の柱状体を並べて作ってもその機能は
同等である。図３７（ａ）および（ｂ）は色分離光学要
素、（ｃ）は偏光変換光学素子の例である。

【０１６２】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、光源
部からの白色光束は第１と第２のフライアイレンズの所
定の組あわせにより画像表示素子への照度分布、結果的
に投影画像の照度分布を均一化することができる。同時
に、第１と第２のフライアイレンズと組み合わせた色分
離素子によって、赤・緑・青の３色に色分離した２次光
源像のスポットの配列は、マイクロレンズアレイによっ
て画像表示素子の各画素の開口部に集光されるので、明
るい投影画像を得ることができる。さらに、偏光変換に
より照明光の利用効率を高め、更に明るい投影画像を得
ることもでき、しかもこれらはコンパクトな光学系で実
現できる。

【０１６３】本発明の投影型カラー画像表示装置は、投
影型カラー液晶テレビジョンシステムや情報表示システ
ムに好適に適用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の投影型カラー画像表示装
置の概略構成図である。

【図２】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備えら
れたマイクロレンズアレイと液晶表示素子の断面図であ
る。

【図３】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備えら
れた第１のフライアイレンズの平面図である。

【図４】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備えら
れた第２のフライアイレンズの平面図である。

【図５】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備えら
れたマイクロレンズアレイのレンズ形状と液晶表示素子
の画素配置との関係を説明する図である。

【図６】本発明の実施形態２の投影型カラー画像表示装
置の概略構成図である。

【図７】図６に示す投影型カラー画像表示装置に備えら
れた第１のフライアイレンズの平面図である。

【図８】図６に示す投影型カラー画像表示装置に備えら
れた第２のフライアイレンズの平面図である。

【図９】図６に示す投影型カラー画像表示装置に備えら
れたマイクロレンズアレイと液晶表示素子の画素の配置
対応を説明する図である。

【図１０】図６に示す投影型カラー画像表示装置に備え
られた別の方式のマイクロレンズアレイと液晶表示素子
の画素の配置対応を説明する図である。

【図１１】本発明の実施形態３の投影型カラー画像表示
装置の概略構成図である。

【図１２】図１１における第１のフライアイレンズの平
面図である。

【図１３】図１１における第２のフライアイレンズの平
面図と２次光源像スポット位置の説明図である。

【図１４】本発明の実施形態４の投影型カラー画像表示
装置の概略構成図である。

【図１５】図１４における色分離光学要素の構成図であ
る。

【図１６】図１４における色分離光学要素による色分離
の模式図である。

【図１７】図１４における第２のフライアイレンズの平
面図である。

【図１８】本発明の実施形態４の投影型カラー画像表示
装置に備えられた別の方式の色分離光学要素による色分
離の模式図である。

【図１９】本発明の実施形態４の投影型カラー画像表示
装置の別配置の概略構成図である。

【図２０】本発明の実施形態５の投影型カラー画像表示
装置の概略構成図である。

【図２１】本発明の実施形態５の別の色分離素子の構成
図である。

【図２２】本発明の実施形態５の別の色分離素子の構成
図である。

【図２３】本発明の実施形態５の投影型カラー画像表示
装置の別配置の概略構成図である。

【図２４】本発明に用いられる偏光変換光学素子の概略
構成図である。

【図２５】図２４における偏光変換光学素子の偏光変換
の模式図である。

【図２６】本発明の実施形態６の投影型カラー画像表示
装置の概略構成図である。

【図２７】図２６における第２のフライアイレンズの平
面図と２次光源像スポットの配列を説明する図である。

【図２８】別の偏光変換光学素子の概略構成図と偏光変
換の模式図である。

【図２９】図２８の偏光変換光学素子による２次光源像
スポットの配置変化を示す図である。

【図３０】本発明の実施形態７の投影型カラー画像表示
装置の概略構成図である。

【図３１】図３０における色分離光学要素近傍の光の進
み方を説明する図である。

【図３２】図３０における第２のフライアイレンズの平
面図と２次光源像スポットの配列を説明する図である。

【図３３】本発明の実施形態８の投影型カラー画像表示
装置の概略構成図である。

【図３４】デルタ配列の液晶表示素子用の遮光マスクの
平面図である。

【図３５】ストライプ配列の液晶表示素子用の遮光マス
クの平面図である。

【図３６】ストライプ配列の液晶表示素子用の別の遮光
マスクの平面図である。

【図３７】短冊アレイ状の色分離光学要素や、偏光変換
光学素子の別の構成方法を説明する図である。

【図３８】従来のカラーフィルタレス単板式カラー画像
投影表示装置の概略構成図である。

【図３９】従来のカラーフィルタレス単板式カラー画像
投影表示装置の液晶表示素子断面と、マイクロレンズに
よる画素開口部への集光を説明する図である。

【符号の説明】

１ 白色光源（光源部） ２ 放物面鏡（光源部） ３（３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ） ダイクロイックミラー ４（４ａ〜４ｇ） 第１のフライアイレンズ ５（５ａ〜５ｇ） 第２のフライアイレンズ ６ フィールドレンズ（第１の集光レンズ） ７ フィールドレンズ（第２の集光レンズ） ８ マイクロレンズアレイ ９ 液晶表示素子（デルタ配列） １０ 出射側フィールドレンズ（投影光学系） １１ 投影レンズ（投影光学系） １２ａ、１２ｂ 透明基板 １２ｃ 液晶層 １３ ＢＭ（ブラックマトリクス） １４ ＵＶ−ＩＲカットフィルタ １５ マイクロレンズ １６ 画素開口部 １７ 液晶表示素子（ストライプ配列） １８（１８ａ〜１８ｉ） 第１のフライアイレンズ １９（１９ａ〜１９ｉ） 第２のフライアイレンズ ２０ 第１の集光レンズ ２１ 第２の集光レンズ ２２ マイクロレンズアレイ ２３ マイクロレンズ ２４ レンチキュラーレンズ ２５ レンチキュラーレンズアレイ（マイクロレンズア
レイ） ２６（２６ａ〜２６ｉ） 第１のフライアイレンズ ２７（２７ａ〜２７ｉ） 第２のフライアイレンズ ２８ａ〜２８ｉ ２次光源像スポット ２９ａ、２９ｂ 色分離光学要素 ３０ａ〜３０ｃ ダイクロイックプリズム ３１ 第２のフライアイレンズ ３２ クロスダイクロイックプリズム ３３ 反射プリズム ３４ 色分離素子 ３５ 三角プリズム ３６（３６ａ，３６ｂ，３６ｃ） 反射面 ３７ 透明基板 ３８ 平板ダイクロイックミラー ３９、４８ 偏光変換光学素子 ４０、４４ ＰＢＳプリズム ４１、４５ 反射プリズム ４２、４７ １／２波長板 ４３ 第２のフライアイレンズ ４６ スペーサー四角柱 ４９ ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ） ５０ 偏光分離反射面 ５１ Ｓ偏光光束 ５２ 第２の反射面 ５３ Ｐ偏光光束 ５４ 第２のフライアイレンズ ５５ 色分離光学要素 ５６ １／２波長板 ５７ 遮光マスク １０１ 白色光源 １０２ 球面反射鏡 １０３ コンデンサーレンズ １０４Ｒ、Ｇ、Ｂ ダイクロイックミラー １０５ マイクロレンズアレイ １０６ マイクロレンズ １０７ 液晶表示素子 １０７ａ、１０７ｂ 透明基板 １０７ｃ 液晶層 １０８ フィールドレンズ １０９ 投影レンズ １１０ スクリーン １１１ ＢＭ（ブラックマトリクス）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｂ 33/12 Ｇ０３Ｂ 33/12 Ｈ０４Ｎ 9/31 Ｈ０４Ｎ 9/31 Ｃ (72)発明者 高原 郁雄 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 浜田 浩 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 白色光束を発生する光源部と、 複数のレンズを備え、該光源部の２次光源像を複数形成
   する第１のフライアイレンズと、 該第１のフライアイレンズで形成される該複数の２次光
   源像が形成される位置の近傍に配置され、少なくとも該
   第１のフライアイレンズと同数のレンズを備えてなる第
   ２のフライアイレンズと、 該第２のフライアイレンズを構成する個々のレンズを通
   過した光が重畳されて照射される、複数のレンズを有す
   るマイクロレンズアレイと、 該マイクロレンズからの光を変調する、複数のカラー画
   素を有する１枚の画像表示素子と、 該光源部から該マイクロレンズアレイまでの光路上に配
   置され、該白色光束を赤・緑・青の色光束に色分離する
   色分離素子と、 該画像表示素子から出射された光束を投影する投影レン
   ズと、を有する投影型カラー画像表示装置であって、 該複数の２次光源像は、該画像表示素子の該複数のカラ
   ー画素の配列と相似になるように、色分離・配列され、 該マイクロレンズアレイの該複数のレンズのそれぞれ
   が、該色分離・配列された複数の２次光源像のそれぞれ
   に対応した集光スポットを、該複数のカラー画素の対応
   するカラー画素の位置に形成する、投影型カラー画像表
   示装置。
2. 【請求項２】 前記マイクロレンズアレイの前記複数の
   レンズは、前記画像表示素子の前記複数のカラー画素
   の、赤・緑・青のグループの配列ピッチの整数倍のピッ
   チで配列されている、請求項１に記載の投影型カラー画
   像表示装置。
3. 【請求項３】 前記色分離素子は、前記光源部と前記第
   １のフライアイレンズの間にあり、 該色分離素子から色分離された光束は、前記第１のフラ
   イアイレンズに重畳して照射され、 該第１のフライアイレンズは、前記画像表示素子の前記
   複数のカラー画素の配列と相似になるように、色分離・
   配列された前記複数の２次光源像を形成する、請求項１
   に記載の投影型カラー画像表示装置。
4. 【請求項４】 前記色分離素子は、前記第２のフライア
   イレンズの光源側に配置され、 該第２のフライアイレンズは、少なくとも前記第１のフ
   ライアイレンズの前記レンズの３倍の数のレンズを備
   え、前記画像表示素子の前記複数のカラー画素の配列と
   相似になるように、色分離・配列された前記複数の２次
   光源像を形成する、請求項１に記載の投影型カラー画像
   表示装置。
5. 【請求項５】 前記色分離素子は、前記第２のフライア
   イレンズの光出射側に配置され、前記画像表示素子の前
   記複数のカラー画素の配列と相似になるように、色分離
   ・配列された前記複数の２次光源像が仮想的に形成され
   る、請求項１に記載の投影型カラー画像表示装置。
6. 【請求項６】 前記色分離素子は、規則的に配列された
   複数の色分離光学要素を有する短冊状のアレイであっ
   て、 前記色分離素子は、前記第２のフライアイレンズの光源
   側または出射側の近傍に配置され、前記２次光源像を、
   前記画像表示素子の前記カラー画素の赤・緑・青の配列
   方向に沿って、赤・緑・青に３等分の配列ピッチで色分
   離する、請求項４または５に記載の投影型カラー画像表
   示装置。
7. 【請求項７】 前記色分離素子は、前記複数の色分離光
   学要素と対応して設けられた複数の全反射ミラーを更に
   有する、請求項６に記載の投影型カラー画像表示装置。
8. 【請求項８】 前記色分離素子は、 赤・緑・青の内の２色を反射し、１色を透過する誘電体
   多層膜からなる第１のダイクロイックプリズムまたはダ
   イクロイックミラーと、 該第１のダイクロイックプリズムまたはダイクロイック
   ミラーで反射された２色の光の内１色を、該第１のダイ
   クロイックプリズムまたはダイクロイックミラーを透過
   した光の進行方向と略一致するように反射する第２のダ
   イクロイックプリズムまたはダイクロイックミラーと、 該第２のダイクロイックプリズムまたはダイクロイック
   ミラーを透過した光を該第１のダイクロイックプリズム
   またはダイクロイックミラーを透過した光の進行方向と
   略一致するように反射する、第３のダイクロイックプリ
   ズム、ダイクロイックミラー、全反射プリズムまたは全
   反射ミラーの内いずれか一つと、を複数有し、これらが
   規則的に配列されている、請求項６に記載の投影型カラ
   ー画像表示装置。
9. 【請求項９】 前記色分離素子は、 赤・緑・青の内の２色を異なる方向に反射し、１色を透
   過する誘電体多層膜からなる第１のクロスダイクロイッ
   クプリズムまたはクロスダイクロイックミラーと、 該第１のクロスダイクロイックプリズムまたはクロスダ
   イクロイックミラーからの２色の反射光を該第１のクロ
   スダイクロイックプリズムまたはクロスダイクロイック
   ミラーを透過した光の進行方向と略同じ方向にそれぞれ
   反射する第２のダイクロイックプリズム、ダイクロイッ
   クミラー、全反射プリズムまたは全反射ミラーの内いず
   れか一つと、を複数有し、これらが規則的に配列されて
   いる、請求項６に記載の投影型カラー画像表示装置。
10. 【請求項１０】 前記色分離素子は、赤・緑・青の内の
    １色を反射し、他を透過する第１の色分離面と、該第１
    の色分離面を透過した２色の内の一方を反射し、他方を
    透過する第２の色分離面と、該第２の色分離面を透過し
    た光を反射する反射面とを有し、 該第１の色分離面と、該第２の色分離面と、該反射面と
    が、おおむね平行に配置されている、請求項４または５
    に記載の投影型カラー画像表示装置。
11. 【請求項１１】 前記色分離素子は、２枚もしくは３枚
    の平板を有し、該２枚もしくは３枚の平板が有する面の
    少なくとも３つの面に誘電体多層膜が形成されている請
    求項１０に記載の投影型カラー画像表示装置。
12. 【請求項１２】 前記色分離素子は、三角プリズムと、
    １枚もしくは２枚の平板を有し、該三角プリズムと該１
    枚もしくは２枚の平板が有する面の少なくとも３つの面
    に、誘電体多層膜が形成されている請求項１０に記載の
    投影型カラー画像表示装置。
13. 【請求項１３】 前記第２のフライアイレンズの光源側
    もしくは出射側の近傍に配置された偏光変換光学素子を
    さらに有し、 該偏光変換光学素子は、前記複数の２次光源像を形成す
    るそれぞれの光束を、前記色分離素子が赤・緑・青の３
    つの波長域に色分離する方向とは直交する方向にＰ偏光
    とＳ偏光に分離する偏光ビームスプリッタと、 該偏光ビームスプリッタで反射された偏光成分を該偏光
    ビームスプリッタを透過した偏光成分の進行方向と略同
    じ方向に反射する全反射プリズムまたは全反射ミラーと
    を複数有し、これらが規則的に交互に短冊状に配列され
    ており、 該偏光ビームスプリッタ、あるいは全反射プリズムまた
    は全反射ミラーのどちらか一方の光出射側に偏光軸回転
    素子を有する、請求項１から１２のいずれかに記載の投
    影型カラー画像表示装置。
14. 【請求項１４】 前記偏光変換光学素子は、規則的に交
    互に短冊状に配列され前記偏光ビームスプリッタと前記
    全反射プリズムまたは全反射ミラーとの間隙を規定する
    スペーサを更に有する、請求項１３に記載の投影型カラ
    ー画像表示装置。
15. 【請求項１５】 前記光源部と前記第１のフライアイレ
    ンズとの間に配置され、該光源部からの白色光束のＰ偏
    光またはＳ偏光の一方を反射、他方を透過して分離する
    偏光ビームスプリッタと、 該偏光ビームスプリッタを透過した偏光成分を再度偏光
    ビームスプリッタに入射させる反射手段とを有する偏光
    分離手段をさらに有し、 該偏光分離手段で分離されたＰ偏光とＳ偏光の光束は前
    記第１のフライアイレンズに異なる角度で重畳されて照
    射され、該第１のフライアイレンズが作るＰ偏光とＳ偏
    光の２次光源像は、前記色分離素子が前記白色光束を色
    分離する方向とは直交する方向に配列され、 該Ｐ偏光とＳ偏光の２次光源像が形成される位置の近傍
    にあって、該Ｐ偏光とＳ偏光のどちらか一方の光路上に
    配置された偏光軸回転素子をさらに有する、請求項１に
    記載の投影型カラー画像表示装置。
16. 【請求項１６】 前記色分離素子が色分離する方向にお
    いて、 前記２次光源像のスポットサイズと該２次光源像の色分
    離後の配列ピッチの比が、前記画像表示素子の前記カラ
    ー画素開口部のサイズと該カラー画素の配列ピッチの比
    とほぼ等しいか小さい、請求項１に記載の投影型カラー
    画像表示装置。
17. 【請求項１７】 前記第２のフライアイレンズの光源側
    または出射側の近傍に、前記画像表示素子のカラー画素
    開口部の形状と相似の開口を複数有する遮光マスクを更
    に有する、請求項１に記載の投影型カラー画像表示装
    置。