JP2005156959A - 照明光学系及びそれを有する画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 反射型液晶表示素子からの反射光のうち、スクリーン側に投射されない光が光源手段の近傍に集光することを防ぐことができる画像表示装置を得ること。
【解決手段】 少なくとも２つの光学的パワーを有する屈折光学面を備え、光源からの光で被照明面を照明する照明光学系であって、
前記少なくとも２つの屈折光学面の曲率中心の全てが前記被照明面の任意の点に対する１つの垂直線上にないことを特徴とする照明光学系。
【選択図】図４

Description

本発明は、照明光学系及びそれを有する画像表示装置に関し、例えば反射型の液晶表示素子に表示された画像を固定された有限距離にて、スクリーンに拡大投射するモノクロ液晶表示装置やカラー液晶表示装置等に好適なものである。

反射型の液晶表示素子を用いた画像表示装置の１つとして、反射型液晶表示素子を照明する照明光（偏光光）を偏光ビームスプリッターを用いて導き、さらに反射型液晶表示素子に入射し、それより画像変調した光を同じ偏光ビームスプリッターを用いて検光し、投射光学系で所定面上に投射する構成が知られている（例えば特許文献１）。

図８は、特許文献１に開示されている画像表示装置の一部分の要部概略図である。

特許文献１では、図８に示すように光源１００からの光束１１０を４つの偏光ビームスプリッター１１８、１２０、１２４、１２８と３つの色選択性位相差板１１６、１２６、１３４を用いて入射光を複数の色光に分解し、各色光に対応する液晶表示素子１２２、１３０、１３２を照明している。ここで、色選択性位相差板とは可視光の波長領域において所定の波長領域の光の偏光方向を９０度変換し、その他の波長の光の偏光方向は変化させない光学作用を有するものである。

図８の画像表示装置においては光源１００からの直線偏光光（Ｓ偏光）１１０をコンデンサーレンズ１１２とフィルター１１４、そして第１の色選択性位相差板１１６により青（Ｂ）色のＢ光のみ偏光方向を９０度回転させ（Ｐ偏光）、第１の偏光ビームスプリッター１１８に入射し、Ｐ偏光であるＢ光を透過し、Ｓ偏光であるＢ以外の緑（Ｇ）色のＧ光と赤（Ｒ）色のＲ光を反射することで色分離を行っている。そして、Ｂ光（Ｐ偏光）は第２の偏光ビームスプリッター１２０を透過して反射型液晶表示素子Ｂ１２２に至り、Ｇ光、Ｒ光は第２の色選択性位相差板１２６に入射し、Ｇ光の偏光方向のみ９０度変換され（Ｐ偏光）、第２の偏光ビームスプリッターによりＰ偏光であるＧ光を透過し、Ｓ偏光であるＲ光を反射することで色分離している。そしてＧ光とＲ光のそれぞれの光は反射型液晶表示素子Ｇ１３２、反射型液晶表示素子Ｒ１３０に至る。

反射型液晶表示素子Ｂ１２２で画像変調された光のＰ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター１２０を透過し、光源１００側に戻り、Ｓ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター１２０と第４の偏光ビームスプリッター１２４を反射して投射光となる。反射型液晶表示素子Ｒ１３０で画像変調されたＲ光のＳ偏光成分は第３の偏光ビームスプリッター１２８を反射し光源１００側に戻り、Ｐ偏光成分は第３の偏光ビームスプリッター１２８を透過して第３の色選択性位相差板１３４に入射する。反射型液晶表示素子Ｇ１３２で画像変調されたＧ光のＰ偏光成分は第３の偏光ビームスプリッター１２８を透過し光源１００側に戻り、Ｓ偏光成分は第３の偏光ビームスプリッター１２８を反射して第３の色選択性位相差板１３４に入射する。Ｇ光とＲ光の投射光は第３の色選択性位相差板１３４に入射しＧ光の偏光方向が９０度回転し、Ｇ光とＲ光はＰ偏光にそろえられ、第４の偏光ビームスプリッター１２４を透過する。Ｓ偏光であるＢ光は第４の偏光ビームスプリッター１２４を反射し、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の光は一つに合成され、フィルター１３６、１３８を通過し、これらにより、液晶表示素子Ｂ１２２、Ｒ１３０、Ｇ１３２に基づくカラーの画像を投射光学系（不図示）で投影している。
米国特許第６１８３０９１号

反射型液晶表示素子を用いてカラー画像のうち、黒の画像を表示したときには反射型液晶表示素子を照明した光は反射型液晶表示素子で反射した後にすべて光源側に戻り、投射光に含まれないようにしなければならない。このように光源側に戻される光は照明系を構成する光学素子を逆方向に進み、最終的には光源まで戻ることになる。

照明系が理想的な結像関係であれば光源に戻った光は正しく発光点に戻るはずであるが、照明系を構成する光学系の収差や光学系を構成するレンズなどの光学素子の位置誤差などにより、発光点にはもどらず、光源を形成するランプ部（発光点）の一部に吸収されることになる。ランプの不透過部分に戻った光は熱になり、光源部のランプやリフレクターの温度を上昇させ光源を損傷させてしまうという問題が生じてくる。

本発明は、光源からの光が反射型液晶表示素子に入射し、反射型液晶表示素子で反射した光束のうち、投射されない戻り光が光源手段の発光点又はその近傍に入射若しくは集光するのを防止若しくは緩和させ、光源手段やリフレクター等の温度を上昇するのを防止し、装置全体を良好な状態に維持しつつ、反射型液晶表示素子に基づく画像情報を所定面上に投射することができる照明光学系及びそれを有する画像表示装置の提供を目的とする。

請求項１の発明の照明光学系は、少なくとも２つの光学的パワーを有する屈折光学面を備え、光源からの光で被照明面を照明する照明光学系であって、
前記少なくとも２つの屈折光学面の曲率中心の全てが前記被照明面の任意の点に対する１つの垂直線上にないことを特徴としている。

請求項２の発明の照明光学系は、光学的パワーを有する第１光学素子と光学的パワーを有する第２光学素子とを備え、１つの光源からの光で被照明面を照明する照明光学系であって、
前記第１光学素子の光軸が前記第２光学素子の光軸に対して偏心していることを特徴としている。

請求項３の発明の画像表示装置は、少なくとも１つの画像表示素子と、該少なくとも１つの画像表示素子を照明する、請求項１又は２の照明光学系とを有し、該少なくとも１つの画像表示素子に基づく画像を表示することを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記少なくとも１つの画像表示素子は、反射型液晶表示素子であることを特徴としている。

請求項５の発明の画像表示装置は、少なくとも１つの画像表示素子と、光源の発光点から発する光で前記少なくとも１つの画像表示素子を照明する照明光学系とを備える画像表示装置であって、
前記発光点から発し、前記少なくとも１つの画像表示素子で反射された光束による発光点の像は、前記発光点とは異なる場所に形成されることを特徴としている。

請求項６の発明の画像表示装置は、少なくとも１つの画像表示素子と、光源の発光点から発する光で前記少なくとも１つの画像表示素子を照明する照明光学系とを備える画像表示装置であって、
前記発光点から発し、前記少なくとも１つの画像表示素子で反射された光束により形成される前記発光点の像は、前記発光点には形成されないことを特徴としている。

請求項７の発明の画像表示装置は、少なくとも１つの画像表示素子と、光源の発光点から発する光で前記少なくとも１つの画像表示素子を照明する照明光学系とを備える画像表示装置であって、
前記発光点から発し前記少なくとも１つの画像表示素子に至る照明光の光路上において形成される前記発光点の像を第１発光点像、
前記少なくとも１つの画像表示素子から反射される反射光の前記光源近傍に至る光路上において形成される前記発光点の像を第２発光点像としたとき、
前記第１発光点像と前記第２発光点像とが互いに異なる場所に形成されることを特徴としている。

請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記第１発光点像は前記発光点を発した光が最初に結ぶ像であり、前記第２発光点像は、前記少なくとも１つの画像表示素子から反射される反射光の前記光源近傍に至る反射光の光路上において形成される少なくとも１つの発光点像のうち、前記第１発光点像に最も近い発光点像であることを特徴としている。

請求項９の発明の画像表示装置は、複数の画像表示素子と、少なくとも１つの光学的パワーを有する光学面を備え、光源の発光点からの光で前記複数の画像表示素子のそれぞれを照明する照明光学系とを備える画像表示装置であって、
前記照明光学系が、前記光源からの光を前記複数の画像表示素子のそれぞれに対応する複数の色光に分解する色分解光学系を備えており、
前記複数の画像表示素子から反射された光により形成される前記発光点の像が、前記発光点に対して前記色分解光学系の色分解面に垂直な方向にずれた位置に形成されることを特徴としている。

請求項１０の発明の画像表示装置は、複数の画像表示素子と、光学的パワーを有する第１光学素子と光学的パワーを有する第２光学素子とを有し、光源からの光で前記複数の画像表示素子のそれぞれを照明する照明光学系とを備える画像表示装置であって、
前記照明光学系が、前記光源からの光を前記複数の画像表示素子のそれぞれに対応する複数の色光に分解する色分解光学系を備えており、
前記第１光学素子の光軸と前記第２光学素子の光軸とが、前記色分解光学系の色分解面に垂直な方向に関して、互いに偏心していることを特徴としている。

請求項１１の発明は、請求項１０の発明において、前記色分解光学系の色分解面に垂直な方向と前記照明光学系の光軸とを含む平面において、前記第１光学素子の光軸が前記第２光学素子の光軸に対して傾いていることを特徴としている。

請求項１２の発明は、請求項１０又は１１の発明において、前記第１光学素子の光軸が前記第２光学素子の光軸に対して、前記色分解光学系の色分解面に垂直な方向に傾いていることを特徴としている。

請求項１３の発明は、請求項１０、１１又は１２の発明において、前記第１光学素子の光軸と前記第２光学素子の光軸とは、前記色分解光学系の色分解面に垂直な方向に関してのみ、互いに偏心していることを特徴としている。

請求項１４の発明は、請求項１０乃至１３のいずれか１項の発明において、前記色分解面は、１つの入射光束を複数の出射光束に分解する場合に、前記１つの入射光束の光路と前記複数の出射光束の光路とを含む平面であることを特徴としている。

請求項１５の発明は、請求項１０乃至１４のいずれか１項の発明において、前記照明光学系が、複数の第１微細光学素子を備え、前記光源からの光を複数の光束に分割する第１光束分割部材と、前記複数の第１微細光学素子に対応する複数の第２微細光学素子を備え、前記第１光束分割部材からの光を受ける第２光束分割部材とを有しており、
前記第１微細光学素子の光軸と前記第２微細光学素子の光軸とが、前記色分解面と垂直な方向に関して互いに偏心していることを特徴としている。

請求項１６の発明は、請求項１０乃至１５のいずれか１項の発明において、前記照明光学系が、複数の第１微細光学素子を備え、前記光源からの光を複数の光束に分割する第１光束分割部材と、光学的パワーを有する集光光学面を少なくとも１面備え、前記第１光束分割部材からの光を用いて前記複数の画像表示素子を照明する集光光学系とを有しており、
前記第１光束分割部材の光軸と前記集光光学系のうちの少なくとも１つの集光光学面との光軸とが、前記色分解面と垂直な方向に関して互いに偏心していることを特徴としている。

請求項１７の発明は、請求項１５又は１６のいずれか１項の発明において、前記第１光束分割部材がシリンドリカルレンズアレイであって、前記シリンドリカルレンズアレイは、前記色分解面と垂直な方向に関する屈折力が前記色分解面の面内方向の屈折力よりも強いことを特徴としている。

請求項１８の発明は、請求項１７の発明において、前記第１光束分割部材は、前記色分解面の面内方向に関して実質的に屈折力を持たないことを特徴としている。

請求項１９の発明は、請求項１０乃至１８のいずれか１項の発明において、前記色分解光学系が、偏光分離面を有することを特徴としている。

請求項２０の発明は、請求項１０乃至１９いずれか１項の発明において、前記色分解光学系が、複数の色分解光学素子を有しており、該複数の色分解光学素子は、それぞれの色分解面が略一致していることを特徴としている。

本発明によれば、反射型液晶表示素子からの反射光のうち、スクリーン側に投射されない光が光源手段の近傍に集光することを防ぐことができる。

この結果、光源手段の温度上昇を少なくすることができる。

図１は本発明の実施例１の要部概略図である。図中、１は連続スペクトルで白色光を発光する光源（光源手段）である。２は光源１からの光を所定の方向に集光するリフレクターである。

３は照明光学系であって、第１光束分割部材３ａと第２光束分割部材３ｂを備えている。第１光束分割部材、第２光束分割部材は、それぞれが複数の微細な光学素子を有するフライアイレンズアレイ（微細な光学素子が２次元に配列されている）又はシリンドリカルレンズアレイ（実質的に１方向に関してのみ屈折力を有するレンズを、前述の１方向に複数個配列している）等の光学部材であり、光源からの光を複数の光束に分割している。

本実施例では、第１、第２光束分割部材３ａ、３ｂをいずれもフライアイレンズアレイより構成した場合を示している。以下３ａを第１フライアイレンズ、３ｂを第２フライアイレンズ、第１、第２フライアイレンズ３ａ、３ｂを総称してフライアイレンズ系３という。

勿論両者を複数のシリンドリカルレンズアレイとし、シリンドリカルを複数配列したものとしても良い。この場合、シリンドリカルレンズアレイが屈折力を有する方向は、後段の色分離平面（色分離部材において色分離する際の１つの入射光束と複数の出射光束とにより形成される平面）に対して、光学的な意味（光路を展開した場合）において実質的に垂直であることが好ましい。逆に言えば、シリンドリカルレンズアレイが有する個々のシリンドリカルレンズの長手方向は、光学的な意味において実質的に色分離平面に含まれていることが望ましい。勿論、光路がミラー等により折り曲げられている場合は、光学的な方向も変化しうる。図１、図５に記載の図面においては、色分離平面が紙面と実質的に平行（同じ）であるので、第１、第２光束分割部材３ａ、３ｂがシリンドリカルレンズアレイである場合には、屈折力を有する方向は紙面と垂直な方向であり、個々のシリンドリカルレンズの長手方向は紙面と実質的に平行な方向であることが望ましい。

第１のフライアイレンズ３ａは外形状が短形のレンズを複数個マトリックス状に配置している。第２のフライアイレンズ３ｂは第１のフライアイレンズ３ａの個々のレンズに対応したレンズアレイからなっている。４は入射した無偏光光を所定の偏光光に揃えて出射させている偏光変換素子である。５は集光光学系でありコンデンサーレンズ５ａ、フィールドレンズ５ｂを有している。５ｃは反射ミラーである。

リフレクター２、第１のフライアイレンズ３ａ、第２のフライアイレンズ３ｂ、コンデンサーレンズ５ａ、そしてフィールドレンズ５ｂは、各々光学的パワーを有する光学素子であり、照明光学系の一要素を構成している。

又、第１のフライアイレンズ３ａ、第２のフライアイレンズ３ｂ、コンデンサーレンズ５ａ、そしてフィールドレンズ３ｂは各々光学的パワーを有する屈折光学面を含む光学素子である。

６ａはＢ光（青色光）の偏光方向を９０度変換し、Ｒ光（赤色光）の偏光方向は変換しない第１の色選択性位相差板、６ｂはＲ光の偏光方向を９０度変換し、Ｂ光の偏光方向は変換しない第２の色選択性位相差板、７はＧ光（緑色光）の偏光方向を９０度変換し、Ｂ光、Ｒ光の偏光方向は変換しない第３の色選択性位相差板である。８は１／２波長板である。９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄはＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光分離面を有する第１の偏光ビームスプリッター、第２の偏光ビームスプリッター、第３の偏光ビームスプリッター、第４の偏光ビームスプリッターである。１０はＧ光とＲ光の中間の波長領域の光をカットするカラーフィルターである。１１ｒ、１１ｇ、１１ｂは画像表示素子であり、光を反射し、画像変調して画像を表示する順に、赤用の反射型の液晶表示素子、緑用の反射型の液晶表示素子、青用の反射型の液晶表示素子である。１２ｒ、１２ｇ、１２ｂは赤色用の１／４波長板、緑色用の１／４波長板、青色用の１／４波長板である。１３は投射レンズであり、単一の焦点距離のレンズ系又はズームレンズより成っている。

次に光学的な作用を説明する。光源１から発した光はリフレクター２により所定の方向に反射集光される。ここでリフレクター２の反射面は放物面形状をなしており、放物面の焦点位置に設けた光源１の発光点１ａからの光は放物面形状の反射面で反射した後、対称軸に平行な光束となる。ただし、光源１の発光点１ａは理想的な点光源ではなく有限の大きさを有しているので、集光する光束には放物面の対称軸に平行でない光の成分も多く含まれている。これらリフレクター２からの集光光束は第１のフライアイレンズ３ａに入射する。

第１のフライアイレンズ３ａは外形状が矩形の正の屈折力を有する微小レンズを複数個マトリックス状に組み合わせて構成されており、入射した光束はそれぞれの微小レンズに応じた複数の光束に分割され、かつ集光され、第２のフライアイレンズ３ｂを経て、マトリックス状に複数の光源像（第１の発光点像）を偏光変換素子４の近傍に形成する。偏光変換素子４は図９に示すように偏光分離面４ａと反射面４ｂと１／２波長板４ｃからなる複数の偏光変換部４ｄをマトリックス状に配列した構成より成っている。図９では偏光変換部４ｄを１つだけ示している。マトリックス状に集光する複数の光束はその列に対応した偏光分離面４ａに入射し、透過するＰ偏光成分の光と反射するＳ偏光成分の光に分割される。反射されたＳ偏光成分の光は反射面４ｂで反射し、Ｐ偏光成分と同じ方向に出射し、１／２波長板４ｃを透過しＰ偏光成分と同じ偏光成分に変換され、偏光方向（｜）が揃った光として射出する。

偏光変換された複数の光束は偏光変換素子４の近傍で集光した後、発散光束として集光光学系５に至る。偏光変換素子４からの複数の光束は集光光学系５によりフライアイレンズ系３の矩形形状の像ができる位置でそれぞれ重なり、矩形の均一な照度分布を持つ照明エリア３つを形成する。

この３つの照明エリアに各々反射型液晶表示素子１１ｒ、１１ｇ、１１ｂを配置している。

照明光路中に設けられた第３の色選択性位相差板７は図２の実線で示すような分光特性を有しており、Ｂ光とＲ光はＰ偏光（｜）のままで、波長約５００〜５７５ｎｍの範囲内のＧ光はＳ偏光（・）に変換される。ここでいう偏光方向（・）（｜）は偏光変換素子及び偏光ビームスプリッターの偏光分離面に対する偏光の方向として表している。

第３の色選択性位相差板７において偏光方向を調整されたＢ光、Ｇ光、Ｒ光は第４の偏光ビームスプリッター９ｄに入射する。Ｓ偏光であるＧ光は偏光分離面９ｄ１を反射し、Ｐ偏光であるＲ光、Ｂ光は偏光分離面９ｄ１を透過することで色分離が行われる。

偏光分離面の９ｄ１で色分離されたＧ光は第１の偏光ビームスプリッター９ａに対してＳ偏光（・）として入射し、偏光分離面９ａ１を反射し、λ／４波長板１２ｇを介し、Ｇ用（緑色用）の反射型の液晶表示素子１１ｇへと至る。Ｇ用の反射型の液晶表示素子１１ｇにおいてＧ光が画像変調されて反射される。画像変調され反射されたＧ光のうち、Ｓ偏光成分（・）は再び偏光分離面９ａ１を反射し、戻り光となり光源１側に戻され投射光から除去される。

画像変調され反射光のＰ偏光成分（｜）は偏光分離面９ａ１を透過し投射光となる。

このときすべての偏光成分をＳ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において第１の偏光ビームスプリッター９ａとＧ用の反射型の液晶表示素子１１ｇの間に設けられた１／４波長板１２ｇの遅相軸を所定の方向に調整し、第１の偏光ビームスプリッター９ａとＧ用の反射型の液晶表示素子１１ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えている。

液晶表示素子１１ｇで画像変調され、第１の偏光ビームスプリッター９ａを透過した光（｜）は、偏光方向と４５度の方向に遅相軸が向くように配置した第１の１／２波長板８を透過し、第３の偏光ビームスプリッター９ｃに対してＳ偏光（・）として入射し、偏光分離面９ｃ１を反射し、投射レンズ１３へと至る。

第４の偏光ビームスプリッター９ｄを透過したＲ光とＢ光（｜）は、カラーフィルター１０に入射する。カラーフィルター１０は図３の実線で示すような分光特性を有しており、Ｇ光とＲ光中間の波長領域（波長約５００〜５７５ｎｍの範囲）にあたる黄色の色光を反射するダイクロイックフィルターであり、第３の色選択性位相差板７の特性の遷移領域で発生する不要な黄色の光成分を除去する。

また、カラーフィルター１０は黄色の光を吸収する特性でもよい。

カラーフィルター１０で色調整された透過光は、第１の色選択性位相差板６ａに入射する。第１の色選択性位相差板６ａは図２の細点線で示すような分光特性を有しており、Ｒ光（波長５５０ｎｍ以上の光）はＰ偏光（｜）のままで、Ｂ光はＳ偏光（・）に変換される。ここで偏光状態が変化する遷移領域は色光として含まれないＧ光の領域（波長５００〜５７５ｎｍ）に設定している。

これによりＲ光はＰ偏光（｜）として、Ｂ光はＳ偏光（・）として第２の偏光ビームスプリッター９ｂに入射する。よって第２の偏光ビームスプリッター９ｂにおいてＲ光は偏光分離面９ｄ１を透過してＲ用の反射型の液晶表示素子１１ｒに至り、Ｂ光は偏光分離面９ｂ１を反射してＢ用の反射型の液晶表示素子１１ｂに至る。

Ｒ用の反射型液晶表示素子１１ｒにおいてＲ光が画像変調されて反射される。液晶表示素子１１ｒで画像変調され反射されたＲ光のＰ偏光成分（｜）は再び偏光分離面９ｂ１を透過し、戻り光となり、光源１側に戻され投射光から除去される。

液晶表示素子１１ｂで画像変調されたＲ光のＳ偏光成分（・）は偏光分離面９ｂ１で反射し投射光となる。

同様にＢ用の反射型液晶表示素子１１ｂにおいてＢ光が画像変調されて反射される。液晶表示素子１１ｂで画像変調されたＢ光のＳ偏光成分（・）は再び偏光分離面９ｂ１を反射し、戻り光となり、光源１側に戻され投射光から除去される。

画像表示素子１１ｂで画像変調されたＢ光のＰ偏光成分（｜）は偏光分離面９ｂ１を透過し投射光となる。

これによりＢ光とＲ光の投射光は一つの光束に合成される。このとき、第２の偏光ビームスプリッター９ｂとＲ用、Ｂ用の反射型液晶表示素子１１ｒ、１１ｂの間に設けられた１／４波長板１２ｒ、１２ｂの遅相軸を調整してＧ光の場合と同じようにＲ光、Ｂ光それぞれの黒の表示の調整を行う。

合成されたＲ光とＢ光の投射光は第２の色選択性位相差板６ｂに入射する。第２の色選択性位相差板６ｂは図２の太点線で示すような分光特性を有しており、Ｒ光（波長約５３０ｎｍ以上の光）の偏光方向のみを９０度回転させている。これによってＲ光、Ｂ光ともにＰ偏光（｜）として第３の偏光ビームスプリッター９ｃに入射し、偏光分離面９ｃ１を透過することでＧ光の投射光と合成される。

合成された各画像情報に基づくＲ、Ｇ、Ｂ光の投射光は投射レンズ１３によりスクリーンＳなどに投影され、そこに画像情報を形成する。

本実施例では、第１、第２、第３の色選択性位相差板６ａ、６ｂ、７、第１、第２、第３、第４の偏光ビームスプリッター９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、１／４波長板１２ｒ、１２ｇ、１２ｂ等は色分解光学系の一要素を構成している。

図１の紙面が色分解面である。即ち、色分解面は、１つの入射光束を複数の出射光束に分解する場合に、１つの入射光束の光路と複数の出射光束の光路とを含む平面である。

尚、本実施例において第１光束分割部材３ａとしてシリンドリカルアレイを用いるときは、図１１に示すようにシリンドリカルレンズアレイは、色分解面と垂直な方向（図４の紙面内）に関する屈折力が色分解面の面内方向（図１の紙面内）の屈折力よりも強くするのが良い。特に好ましくは、シリンドリカルレンズアレイは色分解面の面内方向（図１の紙面内）に関して屈折力を持たないのが良い。本実施例では複数の色分解面が紙面内となり互いに一致している。

尚、本実施例では反射型の液晶表示素子の代わりに透過型の液晶表示素子を用いても良い。又、カラー液晶表示装置でなく、モノクロ液晶表示装置であっても同様に適用である。

図４は図１に示した実施例の１つの光路を展開し表した図である。図４の紙面は色分解面に対し垂直な面である。説明のため、光路の屈曲はまっすぐに展開して表しており、レンズ作用を有しない偏光変換素子４や反射ミラー５ｃそしてダイクロミラー等は省略している。ここで反射型液晶表示素子１１（１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ）の中心を通り、反射型液晶表示素子１１に垂直な基準軸をＡとすると、リフレクター２の光軸ｏ１、フライアイレンズ系３の光軸ｏ２、コンデンサーレンズ５ａ及びフィールドレンズ５ｂを含む集光光学系３の光軸ｏ３はいずれも色分解面と垂直な面内において角度α傾いた構成となっている。尚、光軸ｏ１、ｏ２、ｏ３は互いに平行である。尚、光軸ｏ１、ｏ２、ｏ３のうち２以上は一致していても良い。

又、基準軸Ａと光軸ｏ１とのなす角α１、基準軸Ａと光軸ｏ２とのなす角α２、基準軸Ａと光軸ｏ３とのなす角α３は同一でなくても良く、互いに異なっていても良い。

ここで、フライアイレンズ系３の光軸ｏ２とはフライアイレンズ系３を構成するレンズの光軸そのものまたは、図４に示すようにフライアイレンズ系４を構成するレンズの四辺の中央のいずれかを通り、フライアイレンズ系３を構成するレンズの光軸に平行な軸とする。

このとき角度αは、コンデンサーレンズ３ａとフィールドレンズ３ｂの合成焦点距離をｆｃとし、図４に示す第２のフライアイレンズ３ｂを構成するレンズ外径の大きさをａとするとき、
ｔａｎ（α）＝ａ／２ｆｃ
となるように設定している。

図４においてフライアイレンズ系３の一つのレンズからの照明光束を実線で表し、反射型液晶表示素子１１で反射して光源１とリフレクター２を有する照明系に戻る光を点線で表している。このように戻り光（点線は）は第２のフライアイレンズ３ｂを構成するレンズとレンズの間にもどり、そこに第２の発光点の像を形成する。このとき照明光（実線）とは異なる方向に進むことになる。

本実施例では、次の構成のうち少なくとも１つを満足するようにしている。

◎光源１から集光光学系５のフィールドレンズ５ｂに至る光路中に設けた光学的パワー（屈折面による屈折力や反射面による屈折力）を有する複数の屈折光学面のうち、少なくとも２つの屈折光学面の曲率中心の全てが液晶表示素子１１ｒ、１１ｇ、１１ｂのうちの面上の任意の点に対する１つの垂直線上にないこと、
◎複数の光学素子（２、３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂ）のうち１つの光学素子の光軸が他の光学素子の光軸に対して偏心（互いの光軸が平行移動してたり、傾いてたり（ティルト）して不一致になること）すること、このときの偏心が色分解面と垂直な方向に関して偏心していること、即ち、図４の紙面内で偏心していること、
◎１つの光学素子の光軸と他の１つの光学素子の光軸とが、色分解光学系の色分解面に垂直な方向に関して、互いに偏心していること、
◎色分解面に垂直な方向と照明光学系の光軸とを含む平面において、１つの光学素子の光軸が他の１つの光学素子の光軸に対して傾いていること、
本実施例は、以上の構成のうち１つ以上を満足することによって次のうちの１つ以上を達成している。

◎光源１の発光点１ａから発し、少なくとも１つの液晶表示素子で反射された光束による発光点の像は、実質的に発光点１ａとは異なる場所に形成されること、
ここで実質的にとは、発光点の像が光源１側に形成し、光源１の温度が上昇し、部材が損傷しない程度のことをいう。

◎光源１の発光点１ａから発し、少なくとも１つの液晶表示素子で反射された光束により形成される発光点１ａの像は、実質的に発光点１ａには形成されないこと、
◎光源１の発光点１ａから発し、少なくとも１つの液晶表示素子に至る照明光の光路上において形成される発光点１ａの像を第１発光点、少なくとも1つの液晶表示素子から反射される反射光の光源１近傍に至る光路上において形成される発光点１ａの像を第２発光点像としたとき、第１発光点の像と第２発光点の像とが実質的に互いに異なる場所に形成されること、
このときの第１発光点の像は発光点１ａを発した光が最初に結ぶ像であり、第２発光点の像は、少なくても１つの液晶表示素子から反射される反射光の光源１近傍に至る反射光の光路上において形成される少なくとも１つの発光点像のうち、第１発光点の像に最も近い発光点像である。

◎複数の液晶表示素子から反射された光により形成される発光点１ａの像が、発光点１ａに対して色分解光学系の色分解面に垂直な方向にずれた位置に形成されること、
以上のように各要素を設定することによって、スクリーン上に投射されない光が光源に戻ってくるのを防ぎ、光源部分の温度上昇を抑えている。

図５は本発明の実施例２の要部概略図である。図中、実施例１と同じ素子には同一の符号を記している。２４は偏光変換素子である。２５は集光光学系でありコンデンサーレンズ２５ａとフィールドレンズ２５ｂを有している。２５ｃは反射ミラーである。２６は青色光（Ｂ）と赤色光（Ｒ）の波長領域の光を透過し、緑色光（Ｇ）の波長領域の光を反射するダイクロイックミラーである。２７はＧ光とＲ光の中間の波長領域の光を一部カットするカラーフィルターである。２８ａ、２８ｂはＢ光の偏光方向を９０度変換し、Ｒ光の偏光方向は変換しない第１の色選択性位相差板、第２の色選択性位相差板である。２９は１／２波長板である。３０ａ、３０ｂ、３０ｃはＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第１の偏光ビームスプリッター、第２の偏光ビームスプリッター、第３の偏光ビームスプリッターである。

次に光学的な作用を説明する。

本実施例の偏光変換素子２４を構成する偏光変換部２４ｄは、図１０に示すように偏光分離面２４ａと反射面２４ｂと１／２波長板２４ｃからなるが、本実施例では反射されたＳ偏光成分の光は反射面２４ｂで反射し、Ｐ偏光成分と同じ方向に出射する。一方透過したＰ偏光成分の光は１／２波長板２４ｃを透過しＳ偏光成分と同じ偏光成分に変換され、偏光方向（・）が揃った光として射出する。

偏光変換された複数の光束は偏光変換素子２４の近傍で集光した後、発散光束として集光光学系２５に至る。集光光学系２５の集光作用によりこれ複数の光束はフライアイレンズ３ａの個々のレンズの矩形形状の像ができる位置で重なり、矩形の均一な３つの照明エリアを形成する。また、フィールドレンズ２５ｂから反射型液晶表示素子１１ｒ、１１ｇ、１１ｂに至る光路において反射型液晶表示素子上に集光する光は集光光学系２５の光軸に対してほぼテレセントリックとなるように設定し、ダイクロイックミラー２６及び偏光ビームスプリッター３０ａ、３０ｂの光学薄膜で発生する入射角度による特性の変動が反射型液晶表示素子１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ上に画像として現れない構成となっている。

ダイクロイックミラー２６は図３の実線で示すような分光特性を有しており、Ｂ光とＲ光は透過し、Ｇ光（波長約５００〜５８５ｎｍ）は反射する。この分光特性は実施例１で示したカラーフィルター１０と同じであるが、本実施例のダイクロミラー２６は基準光束の入射角度が４５度での分光特性となる。図５においては偏光変換素子２４から出射したＳ偏光であった光はダイクロイックミラー２６に対してもＳ偏光（・）である。

Ｇ光の光路において、ダイクロイックミラー２６を反射した光はカラーフィルター２７に入射する。カラーフィルター２７は図３の点線で示すような分光特性を有しており、Ｇ光とＲ光の中間の波長領域（波長約５７５ｎｍ以上の光）にあたる黄色の色光を反射するダイクロイックフィルターであり、黄色の光を除去する。また、カラーフィルター２７は黄色の光を吸収する特性でもよい。

色を調整された光は、第１の偏光ビームスプリッター３０ａに対してＳ偏光（・）として入射し、偏光分離面３０ａ１で反射され、Ｇ用の反射型液晶表示素子１１ｇへと至る。Ｇ用の反射型液晶表示素子１１ｇにおいてＧ光が画像変調されて反射される。変調され反射したＧ光のＳ偏光成分（・）は再び偏光分離面３０ａ１で反射し、光源１側に戻され投射光から除去される。変調され反射したＧ光のＰ偏光成分（｜）は偏光分離面３０ａ１を透過し投射光となる。このときすべての偏光成分をＳ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において第１の偏光ビームスプリッター３０ａとＧ用の反射型液晶表示素子１１ｇの間に設けられた１／４波長板１２ｇの遅相軸を所定の方向に調整し、第１の偏光ビームスプリッター３０ａとＧ用の反射型液晶表示素子１１ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えている。

第１の偏光ビームスプリッター３０ａを透過した光（｜）は、偏光方向に対して遅相軸が４５度で設定された第１の１／２波長板２９により偏光方向を９０度回転され、第３の偏光ビームスプリッター３０ｃに対してはＳ偏光（・）として入射し、偏光分離面３０ｃ１で反射されて、投射レンズ１３へと至る。

ダイクロイックミラー２６を透過したＲ光とＢ光は、第１の色選択性位相差板２８ａに入射する。第１の色選択性位相差板２８ａはＢ光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＢ光はＰ偏光（｜）として、Ｒ光はＳ偏光（・）として第２の偏光ビームスプリッター３０ｂに入射する。よって第２の偏光ビームスプリッター３０ｂにおいてＰ偏光のＢ光は偏光分離面３０ｂ１を透過してＢ用の反射型液晶表示素子１１ｂに至り、Ｒ光は偏光分離面３０ｂ１を反射してＲ用の反射型液晶表示素子１１ｒに至る。

Ｂ用の反射型液晶表示素子１１ｂにおいてＢ光が画像変調されて反射される。変調され反射したＢ光のＰ偏光成分（｜）は再び偏光分離面３０ｂ１を透過し、光源１側に戻され投射光から除去される。変調され反射したＢ光のＳ偏光成分（・）は偏光分離面３０ｂ１で反射し投射光となる。

同様にＲ用の反射型液晶表示素子１１ｒにおいてＲ光が画像変調されて反射される。変調され反射したＲ光のＳ偏光成分（・）は再び偏光分離面３０ｂ１を反射し、光源１側に戻され投射光から除去される。変調され反射したＲ光のＰ偏光成分（｜）は偏光分離面３０ｂ１を透過し投射光となる。

これによりＢ光とＲ光の投射光は一つの光束に合成される。

このとき、第２の偏光ビームスプリッター３０ｂとＲ用、Ｂ用の反射型液晶表示素子１１ｒ、１１ｂの間に設けられた１／４波長板１２ｒ、１２ｂの遅相軸を調整してＧ光の場合と同じようにＲ光、Ｂ光それぞれの黒の表示の調整を行う。

合成されたＲ光とＢ光の投射光は第２の色選択性位相差板２８ｂに入射する。第２の色選択性位相差板２８ｂは第１の色選択性位相差板２８ａと同じものでＢ光の偏光方向のみを９０度回転し、Ｒ光、Ｂ光ともにＰ偏光（｜）として第３の偏光ビームスプリッター３０ｃに入射し、偏光分離面３０ｃ１を透過することでＧ光の投射光と合成される。

合成された各画像情報に基づくＲ、Ｇ、Ｂ光の投射光は投射レンズ１３によりスクリーンなどに投影され、そこに画像情報を形成する。

図６は図５に示した実施例の１つの光路を展開し表した図である。この実施例においても説明のため、光路の屈曲はまっすぐに展開して表しており、レンズ作用を有しない偏光変換素子２４やダイクロミラーは省略している。ここで反射型液晶表示装置の中心を通り、反射型液晶表示素子に垂直な基準軸をＡとすると、リフレクター２の光軸ｏ１、コンデンサーレンズ２５ａおよびフィールドレンズ２５ｂの光軸ｏ３は基準軸Ａと一致しており、フライアイレンズ系３の光軸ｏ２は基準軸Ａと一致せず平行になっている。ここで、図６に示したの第２のフライアイレンズ３ｂを構成するレンズの大きさをａとするとき、第２のフライアイレンズ３ｂはａ／２だけ基準軸Ａに対して非対称になる位置にシフトして配置されている。

図６においてフライアイレンズ３ｂの一つのレンズからの照明光束を実線で表し、反射型液晶表示素子１１で反射して照明系（光源１、リフレクター２）に戻る光を点線で表している。このように戻り光（点線は）は第２のフライアイレンズ３ｂを構成するレンズとレンズの間にもどり、照明光（実線）とは異なる方向に進むことになる。

また、図７に示すようにリフレクター２の光軸ｏ１をフライアイレンズ系３の光軸ｏ２と一致し、基準軸Ａと平行偏心するようにしてもよい。

本実施例も以上のような構成により実施例１と同様の効果を得ている。

ここで、上記実施例１、２は、互いに矛盾しない範囲内で部分的に組合わせ可能である。また、反射型液晶表示素子は、ＴＮ型の反射型液晶表示素子であるのが望ましいが、勿論ＤＭＤ等の微細反射素子を複数備え、それぞれの角度を調整して画像を変調するような画像表示素子を用いても構わない。

実施例１の説明図 波長選択性位相差板の特性の説明図 ダイクロミラー、ダイクロフィルターの特性の説明図 実施例１の側面図 実施例２の説明図 実施例２の側面図 実施例２の別の構成の側面図 従来のカラー液晶画像表示装置の説明図 図１の偏光変換素子の説明図 図１の偏光変換素子の他の説明図 図１の光束分割手段の他の形態の説明図

符号の説明

１ 光源、２ リフレクター、３ａ 第１のフライアイレンズで、３ｂ 第２のフライアイレンズで、４ 偏光変換素子、５ａ コンデンサーレンズ、５ｂ フィールドレンズで、５ｃ 反射ミラー、６ａ、６ｂ 第１の色選択性位相差板、第２の色選択性位相差板、７ 第３の色選択性位相差板、８ａ、８ｂ 第１の１／２波長板、第２の１／２波長板、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 第１の偏光ビームスプリッター、第２の偏光ビームスプリッター、第３の偏光ビームスプリッター、第４の偏光ビームスプリッター、１０ カラーフィルターで、１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ 赤用の反射型液晶表示素子、緑用の反射型液晶表示素子、青用の反射型液晶表示素子で、１２ｒ、１２ｇ、１２ｂ 赤用の１／４波長板、緑用の１／４波長板、青用の１／４波長板、１３ 投射レンズ

Claims (20)

1. 少なくとも２つの光学的パワーを有する屈折光学面を備え、光源からの光で被照明面を照明する照明光学系であって、
   前記少なくとも２つの屈折光学面の曲率中心の全てが前記被照明面の任意の点に対する１つの垂直線上にないことを特徴とする照明光学系。
2. 光学的パワーを有する第１光学素子と光学的パワーを有する第２光学素子とを備え、１つの光源からの光で被照明面を照明する照明光学系であって、
   前記第１光学素子の光軸が前記第２光学素子の光軸に対して偏心していることを特徴とする照明光学系。
3. 少なくとも１つの画像表示素子と、該少なくとも１つの画像表示素子を照明する、請求項１又は２の照明光学系とを有し、該少なくとも１つの画像表示素子に基づく画像を表示することを特徴とする画像表示装置。
4. 前記少なくとも１つの画像表示素子は、反射型液晶表示素子であることを特徴とする請求項３の画像表示装置。
5. 少なくとも１つの画像表示素子と、光源の発光点から発する光で前記少なくとも１つの画像表示素子を照明する照明光学系とを備える画像表示装置であって、
   前記発光点から発し、前記少なくとも１つの画像表示素子で反射された光束による発光点の像は、前記発光点とは異なる場所に形成されることを特徴とする画像表示装置。
6. 少なくとも１つの画像表示素子と、光源の発光点から発する光で前記少なくとも１つの画像表示素子を照明する照明光学系とを備える画像表示装置であって、
   前記発光点から発し、前記少なくとも１つの画像表示素子で反射された光束により形成される前記発光点の像は、前記発光点には形成されないことを特徴とする画像表示装置。
7. 少なくとも１つの画像表示素子と、光源の発光点から発する光で前記少なくとも１つの画像表示素子を照明する照明光学系とを備える画像表示装置であって、
   前記発光点から発し前記少なくとも１つの画像表示素子に至る照明光の光路上において形成される前記発光点の像を第１発光点像、
   前記少なくとも１つの画像表示素子から反射される反射光の前記光源近傍に至る光路上において形成される前記発光点の像を第２発光点像としたとき、
   前記第１発光点像と前記第２発光点像とが互いに異なる場所に形成されることを特徴とする画像表示装置。
8. 前記第１発光点像は前記発光点を発した光が最初に結ぶ像であり、前記第２発光点像は、前記少なくとも１つの画像表示素子から反射される反射光の前記光源近傍に至る反射光の光路上において形成される少なくとも１つの発光点像のうち、前記第１発光点像に最も近い発光点像であることを特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
9. 複数の画像表示素子と、少なくとも１つの光学的パワーを有する光学面を備え、光源の発光点からの光で前記複数の画像表示素子のそれぞれを照明する照明光学系とを備える画像表示装置であって、
   前記照明光学系が、前記光源からの光を前記複数の画像表示素子のそれぞれに対応する複数の色光に分解する色分解光学系を備えており、
   前記複数の画像表示素子から反射された光により形成される前記発光点の像が、前記発光点に対して前記色分解光学系の色分解面に垂直な方向にずれた位置に形成されることを特徴とする画像表示装置。
10. 複数の画像表示素子と、光学的パワーを有する第１光学素子と光学的パワーを有する第２光学素子とを有し、光源からの光で前記複数の画像表示素子のそれぞれを照明する照明光学系とを備える画像表示装置であって、
    前記照明光学系が、前記光源からの光を前記複数の画像表示素子のそれぞれに対応する複数の色光に分解する色分解光学系を備えており、
    前記第１光学素子の光軸と前記第２光学素子の光軸とが、前記色分解光学系の色分解面に垂直な方向に関して、互いに偏心していることを特徴とする画像表示装置。
11. 前記色分解光学系の色分解面に垂直な方向と前記照明光学系の光軸とを含む平面において、前記第１光学素子の光軸が前記第２光学素子の光軸に対して傾いていることを特徴とする請求項１０の画像表示装置。
12. 前記第１光学素子の光軸が前記第２光学素子の光軸に対して、前記色分解光学系の色分解面に垂直な方向に傾いていることを特徴とする請求項１０又は１１の画像表示装置。
13. 前記第１光学素子の光軸と前記第２光学素子の光軸とは、前記色分解光学系の色分解面に垂直な方向に関してのみ、互いに偏心していることを特徴とする請求項１０、１１又は１２の画像表示装置。
14. 前記色分解面は、１つの入射光束を複数の出射光束に分解する場合に、前記１つの入射光束の光路と前記複数の出射光束の光路とを含む平面であることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項の画像表示装置。
15. 前記照明光学系が、複数の第１微細光学素子を備え、前記光源からの光を複数の光束に分割する第１光束分割部材と、前記複数の第１微細光学素子に対応する複数の第２微細光学素子を備え、前記第１光束分割部材からの光を受ける第２光束分割部材とを有しており、
    前記第１微細光学素子の光軸と前記第２微細光学素子の光軸とが、前記色分解面と垂直な方向に関して互いに偏心していることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項の画像表示装置。
16. 前記照明光学系が、複数の第１微細光学素子を備え、前記光源からの光を複数の光束に分割する第１光束分割部材と、光学的パワーを有する集光光学面を少なくとも１面備え、前記第１光束分割部材からの光を用いて前記複数の画像表示素子を照明する集光光学系とを有しており、
    前記第１光束分割部材の光軸と前記集光光学系のうちの少なくとも１つの集光光学面との光軸とが、前記色分解面と垂直な方向に関して互いに偏心していることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項の画像表示装置。
17. 前記第１光束分割部材がシリンドリカルレンズアレイであって、前記シリンドリカルレンズアレイは、前記色分解面と垂直な方向に関する屈折力が前記色分解面の面内方向の屈折力よりも強いことを特徴とする請求項１５又は１６の画像表示装置。
18. 前記第１光束分割部材は、前記色分解面の面内方向に関して実質的に屈折力を持たないことを特徴とする請求項１７記載の画像表示装置。
19. 前記色分解光学系が、偏光分離面を有することを特徴とする請求項１０乃至１８のいずれか１項の画像表示装置。
20. 前記色分解光学系が、複数の色分解光学素子を有しており、該複数の色分解光学素子は、それぞれの色分解面が略一致していることを特徴とする請求項１０乃至１９のいずれか１項の画像表示装置。