JP5263031B2 - 投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ライトバルブ上に形成される画像を照明光で照射し、投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置であり、特に、立体表示用の投写型表示装置に関する。

立体表示用の映像表示装置として、小型で、設置性に優れ、安定した立体表示画像を得るため、液晶パネルをライトバルブとした１台の投写型表示装置で構成する立体表示用の投写型表示装置が開示されている。図１１に従来の投写型表示装置を示す。画像を形成する液晶パネル１６ｒ、１６ｇ、１６ｂと、青、緑、赤の色光を合成する合成プリズム３と、青、緑、赤の色光を合成プリズム３へ入射する光学系２と、投写レンズ５と、投写光の偏光方向を０°と９０°の間で切換える偏光回転液晶４とを有し、偏光回転液晶４を合成プリズム３と投写レンズ５との間に配置する投写型表示装置である。青、緑、赤の各色光の右眼用色光と左眼用色光とを１フィールド毎に交互に出射し、緑の色光の右眼用色光と左眼用色光との出射タイミングをＲ、Ｂ色光の右眼用色光と左眼用色光との出射タイミングに対してずらして出射し、さらに合成プリズム３からの投影光の偏光方向を偏光回転液晶４により１フィールド毎に０°と９０°との間で切換えることにより立体像を表示するものである。偏光回転液晶４には高速で偏光を制御するため、５ｍｓｅｃ程度のＯＣＢモード液晶、μｓｅｃオーダーの高速な応答性を有する強誘電液晶などを用いている。このような構成により、投写画像の設置調整が容易である１台の小型な投写型表示装置で、フリッカーの少ない立体映像を表示できるというものである（特許文献１参照）。

特開２００５−６５０５５号公報

しかしながら、１フィールドごとに右眼用画像と左眼用画像を形成し、切替えるため、右眼用画像が左眼に入射し、左眼用画像が右眼に入射するというクロストークが生じる。クロストークが大きいと二重像の画像となる。また、右眼用画像と左眼用画像を時分割で切り替えるため、切り替え速度が遅いとフリッカーとなる。クロストーク、フリッカーをなくすには、偏光制御用の液晶セルだけではなく、画像形成用の液晶ライトバルブにも同様に高速な応答性が求められる。高精細、高画質の画像表示に必要な液晶ライトバルブの応答性は、各階調で少なくとも８ｍｓｅｃ以下で、望ましくは５ｍｓｅｃ以下の応答性が求められる。投写型表示装置に用いられている実用的な液晶ライトバルブはＴＮモード液晶やＶＡモードの液晶で、その応答速度は１０ｍｓｅｃ以上であり、５ｍｓｅｃ以下の応答性の確保が困難であった。

本発明は、上記問題に鑑みて、ＴＮモード液晶やＶＡモード液晶のライトバルブを用いて、右眼用および左眼用画像のクロストークが非常に小さく、フリッカーのない１台投写型表示装置で立体表示装置を構成することが課題であった。

本発明の投写型表示装置は、光源と、前記光源からの光を集光し互いに異なる角度で入射する右眼用及び左眼用の光束を形成する照明手段と、前記照明手段からの光束を青、緑、赤の色光に分離する色分離手段と、前記色分離手段によって分離された右眼用及び左眼用の光束を受け、右眼用および左眼用映像信号に応じて画像を形成する３つの液晶ライトバルブと、前記液晶ライトバルブから出射した右眼用および左眼用画像の光束を受け、青、緑、赤の色光を合成する色合成手段と、前記色合成手段で合成された光のうち所定の色光の偏光方向を回転させる波長選択性偏光回転手段と、前記波長選択性偏光回転手段を透過した画像を拡大投写する投写レンズを備えた投写型表示装置であって、前記液晶ライトバルブは、前記右眼用及び左眼用の光束をそれぞれ右眼画像用画素および左眼画像用画素に透過させる入射側のマイクロレンズアレイと前記画素を透過した光を集光する出射側のマイクロレンズアレイとを備え、前記投写レンズは、右眼用および左眼用画像光の偏光を直交させる偏光分離手段を備えたことを特徴とするものである。

上記構成の投写型表示装置は、画像光を時分割することなく連続的に右眼用および左眼用の投写画像が得られ、フリッカーのない立体表示が可能である。１本の投写レンズで拡大投写するため、設置性が容易な安定した立体表示が可能となる。さらには、３つの液晶ライトバルブと、１本の投写レンズで構成するため、小型で明るい立体表示用の投写型表示装置が構成できる。

次に本発明の他の投写型表示装置は、前記投写型表示装置において、出射側のマイクロレンズアレイを１枚で構成したものである。

画素の出射側に配置した１枚のマイクロレンズアレイにより、画素を透過した拡散光を集光し、投写レンズに入射させる。本発明の第１の投写型表示装置と比べて、偏光分離手段での右眼用および左眼用画像の光束が集光する効率がやや低下するも、液晶パネルを安価に構成できるため、低コストの立体表示用の投写型表示装置が構成できる。

本発明によれば、クロストークが小さく、フリッカーのない、明るく、高画質な立体映像表示が可能となる小型な投写型表示装置を実現できる。

本発明の第１の実施の形態における投写型表示装置の構成図 液晶パネルの構成図 投写レンズの構成と光線追跡図 偏光分離素子上の光強度分布図 偏光分離素子の構成図 本発明の第２の実施の形態における投写型表示装置の構成図 液晶パネルの構成図 偏光分離素子上の光強度分布図 他の液晶パネルの構成図 偏光分離素子上の光強度分布図 従来の投写型表示装置の構成図

以下本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

［実施の形態１］
図１は本発明の第１の実施の形態を示す投写型表示装置である。

液晶ライトバルブとしては、ＴＮモードもしくはＶＡモードの透過型の液晶パネルを用いている。

３０は光源である放電ランプ、３１は反射鏡、３２は凹レンズ、３３は第１のレンズアレイ板、３４は第２のレンズアレイ板、３５は偏光変換光学素子、３６は集光レンズ、３７は青反射のダイクロイックミラー、３８は緑反射のダイクロイックミラー、３９、４０、４１は反射ミラー、４２、４３はリレーレンズ、４４、４５、４６はフィールドレンズ、４７、４８、４９は入射側偏光板、５０、５１、５２は液晶パネル、５３、５４、５５は出射側偏光板、５６は赤反射のダイクロイックミラーと青反射のダイクロイックミラーから構成される色合成プリズム、５７は波長選択性偏光回転素子、５８は投写レンズ、５９は偏光分離手段である偏光分離素子である。

放電ランプ３０から放射される光は反射鏡３１により集光され、凹レンズ３２により略平行光に変換される。略平行光に変換された光は、複数のレンズ素子から構成される第１のレンズアレイ板３３に入射する。第１のレンズアレイ板３３に入射した光束は多数の光束に分割される。分割された多数の光束は、複数のレンズから構成される第２のレンズアレイ板３４に収束する。第１のレンズアレイ板３３のレンズ素子は液晶パネルと相似形の開口形状である。第２のレンズアレイ板３４のレンズ素子は第１のレンズアレイ板３３と液晶パネル５０、５１、５２とが略共役関係となるようにその焦点距離を決めている。第２のレンズアレイ板３４から出射した光は偏光変換光学素子３５に入射する。偏光変換光学素子３５は、偏光分離プリズムと１／２波長板により構成され、ランプからの自然光を一つの偏光方向の光に変換する。偏光変換光学素子３５からの光は集光レンズ３６に入射する。集光レンズ３６は第２のレンズアレイ板３４の各レンズ素子からの出射した光を液晶パネル５０、５１、５２上に重畳照明するためのレンズである。第１および第２のレンズアレイ板３３、３４と、偏光変換光学素子３５と、集光レンズ３６が照明手段である。

集光レンズ３６からの光は、色分離手段である青反射のダイクロイックミラー３７、緑反射のダイクロイックミラー３８により、青、緑、赤の色光に分離される。緑の色光はフィールドレンズ４４、入射側偏光板４７を透過して、液晶パネル５０に入射する。青の色光は反射ミラー３９で反射した後、フィールドレンズ４５、入射側偏光板４８を透過して液晶パネル５１に入射する。赤の色光はリレーレンズ４２、４３や反射ミラー４０、４１を透過屈折および反射して、フィールドレンズ４６、入射側偏光板４９を透過して、液晶パネル５２に入射する。３枚の液晶パネル５０、５１、５２はアクティブマトリックス方式の液晶パネルであって、映像信号に応じた画素への印加電圧の制御により入射する光の偏光状態を変化させ、それぞれの液晶パネル５０、５１、５２の両側に透過軸を直交するように配置したそれぞれの入射側偏光板４７、４８、４９および出射側偏光板５３、５４、５５を組み合わせて光を変調し、緑、青、赤の右眼用および左眼用の画像を形成する。

出射側偏光板５３、５４、５５を透過した各色光は色合成プリズム５６により、赤、青の各色光がそれぞれ赤反射のダイクロイックミラー、青反射のダイクロイックミラーによって反射し、緑の色光と合成される。色合成プリズム５６の反射面に対して緑の色光はＰ偏光、赤、青の光はＳ偏光で透過・反射する。緑の色光をＰ偏光、青、赤の色光をＳ偏光で用いるのは、各色光での分光特性が広帯域で透過率および反射率を高くできるためである。波長選択性偏光回転手段である波長選択性偏光回転素子５７は緑の色光の偏光を９０度回転させ、赤、青の色光の偏光は回転させない。波長選択性偏光回転素子５７は位相差フィルムを積層して特定波長帯域の偏光方向を回転するものである。このため、緑、青、赤の偏光方向はＳ偏光となり、投写レンズ５８に入射する。投写レンズ５８には偏光分離手段である偏光分離素子５９を配置している。投写レンズ５８に入射した光は、偏光分離素子５９で右眼用画像光と左眼用画像光の偏光が直交するように分離され、スクリーン（図示せず）上に拡大投写される。ここでは、偏光分離素子５９の斜線部から出射するＰ偏光を左眼用画像光とする。拡大投写された投写画像は偏光めがねにより、立体表示画像が観察される。

図２に、液晶パネルの構成図を示す。図２（ａ）は構成図、図２（ｂ）は画素配列の様相である。液晶パネル５０、５１、５２は、ガラス基板６０、６１に挟持、封入された液晶層と、各画素に薄膜トランジスタを配置したマトリクス構造の画素６２を有する。画素配列は画素ピッチがＰであって、液晶パネルのアスペクト比の長辺方向に、ピッチＰｓ＝Ｐ／２で右眼用および左眼画像用の画素６２を備えた構造である。液晶パネル５０、５１、５２の画素６２の入射側にはマイクロレンズアレイ６４とカバーガラス６３が配置形成され、画素６２の出射側には第１のマイクロレンズアレイ６５と第２のマイクロレンズアレイ６７とを形成、配置している。６６、６８はカバーガラスである。

マイクロレンズアレイ６４、６５、６７はピッチＰで画素に対応してマトリクス状に形成されている。入射側のマイクロレンズ６４により、入射角＋θ１方向から液晶パネルに入射する光は画素Ｌに集光し、入射角−θ１方向から液晶パネルに入射する光は画素Ｒに集光し、選択的に透過する。入射側のマイクロレンズ６４の焦点距離ｆ1（空気中換算値）は（式１）で決められる。

ｆ１＝（Ｐ／２）／ｔａｎ（２θ１）・・・（式１）
出射側の第１のマイクロレンズアレイ６５は画素６２の近傍に配置され、その焦点距離ｆ２は、入射側のマイクロレンズアレイ６４近傍の像を第２のマイクロレンズアレイ６７の近傍に結像するようにその焦点距離を決めている。第２のマイクロレンズアレイ６７の焦点距離ｆ３は略ｆ１としている。図２に示す実線は±θ１で入射する光の様相、破線は平行な光が入射した場合の光の様相を示している。画素６２を透過した拡散光は、出射側の第１および第２のマイクロレンズアレイ６５、６７により、効率よく集光され、投写レンズ５８に入射する。偏光分離素子５９を出射するＰ偏光を左眼用画像光とした場合には、赤、青の光路では合成プリズムで反射し、緑の光束に対して方向が反転するため、液晶パネル５０、５１、５２には、偏光分離素子５９の斜線部へ集光する光を変調した画素が左眼用画像の画素となるように映像信号が印加される。

図３に、投写レンズの構成と緑の光路での光線の様相を示す。投写レンズ５８は５つのレンズ群７０、７１、７２、７３、７４と、偏光分離素子５９から構成されるテレセントリックズームレンズである。液晶パネル５０を出射し、出射側偏光板５３、色合成プリズム５６、波長選択性偏光回転素子５７、投写レンズ５８を透過する光軸上の光線と軸外光線の様相を示している。軸上と軸外の主光線が交差する位置の近傍に偏光分離素子５９を配置している。この主光線が交差する位置は入射角が−θ方向の光束と＋θ方向（斜線部）の光束が分離される位置である。＋θ方向の角度で照明された斜線部の光束は偏光分離素子の斜線部の領域に集光される。ここで、液晶パネルに入射側および出射側のマイクロレンズがない場合には、＋θ方向の角度で照明された斜線部の光束は、偏光分離素子５９の斜線部と反対側の領域に集光される。

したがって、図２に示すような入射角＋θ１、−θ１で液晶パネルへ照明された光束は、それぞれ液晶パネルの左眼用もしくは右眼用画像の画素を選択的に透過する。その光束は入射側のマイクロレンズアレイ６４の作用によって画素６２を出射する光が拡散光となるものの、出射側のマイクロレンズアレイ６５、６７の作用によって集光されるため、右眼用および左眼用画像光が投写レンズ５８の偏光分離素子５９の位置で分離することになる。また、この位置は、領域を２分割した境界部がある偏光分離素子があっても、スクリーン上に投写された画像では目立たない。

図４に、偏光分離素子上での光強度分布を示す。光強度分布は偏光分離素子の入射面上での分布を示し、左眼用画像の画素を透過する光を光束密度法により、ランプから投写レンズを出射して、スクリーンに到達する有効な光束をシミュレーションしたものである。等光強度曲線は最大強度を１００％として、１００％から１０％までを１０％刻みで示した曲線と、５％の曲線を示している。主なパラメータとして、ランプのアーク長１．１ｍｍ、照明光学手段のＦナンバー２．７、θ1＝５．３°、液晶パネルの画素数は水平×垂直＝（９６０×２）×５４０、画素ピッチＰ＝１７μｍ、右眼用および左眼用画像の画素ピッチＰｓ＝８．５μｍ、画素の開口率５１％、右眼用および左眼用画像の画素の開口率２５．５％、入射側のマイクロレンズアレイ６４の焦点距離４６μｍ、出射側の第１のマイクロレンズアレイ６５の焦点距離ｆ２は３４μｍ、出射側の第２のマイクロレンズアレイ６７の焦点距離ｆ３は４９μｍ、投写レンズのＦナンバー１．９としている。ただし、焦点距離は空気換算長で示している。入射側のマイクロレンズアレイ６４により、液晶パネルの画素を出射した光は拡散光となるが、出射側のマイクロレンズアレイ６５、６７により、効率よく投写レンズに集光される。偏光分離素子５９の斜線部領域の光束を１００％とすると、もう一方の領域の光束は０％となり、左眼用画像の画素を透過した光束は偏光分離素子の斜線部領域のみへ集光され、右眼用画像の画素を選択的に透過した光は、偏光分離素子のもう一方の領域のみへ集光され、左眼用と右眼用の画像光が完全に分離されることがわかる。

図５に、偏光分離素子の構成を示す。偏光分離素子５９の入射面から見た正面図（同図（ｂ））と上面図（同図（ａ））を示している。偏光分離素子５９は２つに分割した領域の一方の斜線部領域に偏光方向を９０度回転させる１／２波長板８０と偏光板８２を、もう一方の領域に偏光板８２の吸収軸と直交する吸収軸をもつ偏光板８３を、ガラス基板８１上に貼合したものである。ガラス基板８１は、偏光板で吸収された光の熱を、効率よく放熱するため、ガラスよりも熱伝導の高い水晶やサフィア基板を用いている。１／２波長板８０は遅相軸を４５度とした延伸樹脂フィルムである。偏光板８２は吸収軸を９０度、偏光板８３は吸収軸を０度とした偏光フィルムである。

偏光分離素子５９に入射するＳ偏光は、２つに分割した一方の斜線部の領域では、１／２波長板８０により偏光が回転され、偏光板８２により不要な偏光成分は吸収されＰ偏光成分のみの偏光が出射する。もう一方の領域ではＳ偏光成分のみの光が出射する。

したがって、左眼用画像の画素を選択的に透過し、偏光分離素子５９の一方の斜線部の領域を透過するＰ偏光の光束を左眼用画像光として、また、右眼用画像の画素を選択的に透過し、偏光分離素子のもう一方の領域を透過し、出射するＳ偏光の光束を右眼用の画像光として、スクリーン上に拡大投写される。右眼用画像光をＳ偏光、左眼用画像光をＰ偏光で利用する偏光めがねにより、立体画像が観察される。

偏光分離素子５９は、偏光板８２、８３を出射する直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板を配置してもよい、１／４波長板により、直交する直線偏光がそれぞれ右回り、左回りの円偏光に変換され、円偏光方式の偏光めがねを利用すれば、偏光分離素子と偏光めがねとの偏光方向の角度ずれによるクロストークが低減できる。また、偏光分離素子の偏光板に、ワイヤーグリッド方式などの無機偏光板を配置してもよい。無機偏光板にすれば、高価ではあるが、偏光板の放熱のための冷却手段が不要となる。１／２波長板、１／４波長についても延伸フィルムではなく、水晶などの光学結晶を用いた無機波長板としてもよい。無機波長板を用いれば波長板の耐久性が向上できる。

さらには、偏光分離素子５９として、偏光板８２、８３を配置した構成を示しているが、偏光分離素子５９上で右眼用および左眼用の画像光が完全に分離できるため、ガラス基板に２つに分割した一方の領域に偏光を回転させる１／２波長板のみを貼合した構成であってもよい。右眼用および左眼用画像光の偏光度は若干低下するも、偏光板を配置しないため、光吸収がなく放熱および冷却手段が不要となる。

以上のように、互いに異なる角度で入射する光束が入射して、それぞれ右眼用および左眼用の画素を透過させる入射側のマイクロレンズアレイと、画素を出射する拡散光を集光する出射側のマイクロレンズアレイと、投写レンズの偏光分離素子を備えた投写型表示装置により、右眼用画像光と左眼用画像光を時分割することなく連続的に投写し、クロストークが非常に小さく、フリッカーのない立体表示が可能となる。

光源からの自然光を効率よく直線偏光の光に変換、均一に液晶パネルに照明し、右眼用および左眼用画素を備えた緑、赤、青の液晶パネルを用いているので、明るく、均一で、高精細の投写画像を得ることができる。一本の投写レンズで構成した１台の投写型表示装置であるため、設置調整が不要で安定した投写画像を表示できる。さらには、２次元画像（２Ｄ）表示用の投写型表示装置に、立体画像（３Ｄ）表示用のマイクロレンズを形成した液晶パネルと投写レンズに偏光分離素子を配置すれば、２Ｄ／３Ｄ表示が可能な投写型表示装置が容易に構成できる。

［実施の形態２］
本発明の第２の投写型表示装置について説明する。

図６は、本発明の第２の実施の形態を示す投写型表示装置である。液晶ライトバルブとしては、ＴＮモードもしくはＶＡモードの透過型の液晶パネルを用いている。

１３０は光源である放電ランプ、１３１は反射鏡、１３２は凹レンズ、１３３は第１のレンズアレイ板、１３４は第２のレンズアレイ板、１３５は偏光変換光学素子、１３６は集光レンズ、１３７は青反射のダイクロイックミラー、１３８は緑反射のダイクロイックミラー、１３９、１４０、１４１は反射ミラー、１４２、１４３はリレーレンズ、１４４、１４５、１４６はフィールドレンズ、１４７、１４８、１４９は入射側偏光板、１５０、１５１、１５２は液晶パネル、１５３、１５４、１５５は出射側偏光板、１５６は赤反射のダイクロイックミラーと青反射のダイクロイックミラーから構成される色合成プリズム、１５７は波長選択性偏光回転素子、１５８は投写レンズ、１５９は偏光分離素子である。

本発明の第１の実施の形態の投写型表示装置と異なるのは、液晶パネル１５０、１５１、１５２であり、液晶パネルの構成と作用について説明する。

図７に、液晶パネルの構成図を示す。液晶パネル１５０、１５１、１５２は、ガラス基板１６０、１６１に挟持、封入された液晶層と、各画素に薄膜トランジスタを配置したマトリクス構造の画素１６２を有する。画素配列は図２（ｂ）と同様であり、画素配列は画素ピッチがＰであって、液晶パネルのアスペクト比の長辺方向に、ピッチＰｓ＝Ｐ／２で右眼用および左眼画像用の画素を備えた構造である。液晶パネル１５０、１５１、１５２の画素１６２の入射側にはマイクロレンズアレイ１６４とカバーガラス１６３が配置され、画素１６２の出射側にはマイクロレンズアレイ１６６とを配置している。１６５はカバーガラスである。

マイクロレンズアレイ１６４、１６６はピッチＰで画素に対応してマトリクス状に形成されている。マイクロレンズアレイ１６４により、入射角＋θ２方向から液晶パネルに入射する光は画素Ｌに集光し、入射角−θ２方向から液晶パネルに入射する光は画素Ｒに集光し、選択的に透過する。マイクロレンズアレイ１６４の焦点距離ｆ1（空気換算値）は図２と同様に（式１）で決められる。

出射側のマイクロレンズアレイ１６６の焦点距離ｆ３は概略マイクロレンズアレイ１６６主面と画素層との距離としている。図７ではｆ３は略ｆ１として示している。図７に示す実線は±θ２で入射する光の様相、破線は平行な光が入射した場合の光の様相を示している。出射側のマイクロレンズアレイ１６６により、画素１６２を透過した拡散光は効率よく集光され、投写レンズに入射する。

図８に、偏光分離素子上での光強度分布を示す。光強度分布は偏光分離素子の入射面上での分布を示し、左眼用の画素を透過する光を光束密度法により、ランプから投写レンズを出射して、スクリーンに到達する有効な光束をシミュレーションしたものである。等光強度曲線は最大強度を１００％として、１００％から１０％までを１０％刻みで示した曲線と、５％の曲線を示している。主なパラメータは図４の場合のシミュレーションと同様としている。マイクロレンズアレイ１６４により、液晶パネルの画素を出射した光は拡散光となるが、出射側のマイクロレンズアレイ１６６により、効率よく投写レンズ１５８に集光される。偏光分離素子１５９の一方の斜線部の領域の光束を１００％とすると、もう一方の領域の光束は４％となり、左眼用画像の画素を透過した光束は偏光分離素子１５９の一方の斜線部の領域へ集光され、右眼用画像の画素を選択的に透過した光は、偏光分離素子のもう一方の領域のみへ集光され、左眼用と右眼用の画像光が分離できることがわかる。図４の場合と比較すると、左眼用画像の画素を選択的に透過して、偏光分離素子の一方の斜線部の領域に集光する光束は７３％になる。出射側のマイクロレンズアレイを１枚で構成することにより、２枚のマイクロレンズを形成した場合よりも集光効率は低下するが、安価な液晶パネルが構成できる。

図９（ａ）に、出射側にマイクロレンズアレイを形成した他の液晶パネルの構成を示す。

液晶パネル１７７、１７８、１７９は、ガラス基板１７０、１７１に挟持、封入された液晶層と、各画素に薄膜トランジスタを配置したマトリクス構造の画素１７２を有する。画素配列は画素ピッチがＰであって、液晶パネルのアスペクト比の長辺方向に、ピッチＰｓ＝Ｐ／２で右眼用および左眼画像用の画素を備えた構造である。液晶パネル１７７、１７８、１７９の画素１７２の入射側にはマイクロレンズアレイ１７４とカバーガラス１７３が配置され、画素１７２の出射側にはマイクロシリンドリカルレンズアレイ１７６を配置している。１７５はカバーガラスである。図７と異なるのは出射側のマイクロレンズアレイを１枚構成のマイクロシリンドリカルレンズアレイで構成している点である。図９（ｂ）にマイクロシリンドリカルレンズアレイの斜視図を示す。出射側のマイクロシリンドリカルレンズアレイ１７６は、右眼用および左眼用画素の配列する方向に曲率を有するレンズであり、曲率形状をもつ方向の焦点距離は４６μｍとしている。図９（ａ）に示す実線は±θ3で入射する光の様相、破線は平行な光が入射した場合の光の様相を示している。出射側のマイクロシリンドリカルレンズアレイ１７６により、画素１７２を透過した拡散光は集光され、投写レンズに入射する。

図１０に、偏光分離素子上での光強度分布を示す。光強度分布は偏光分離素子の入射面上での分布を示し、左眼用画像の画素を透過する光を光束密度法により、ランプから投写レンズを出射して、スクリーンに到達する有効な光束をシミュレーションしたものである。等光強度曲線は最大強度を１００％として、１００％から１０％までを１０％刻みで示した曲線と、５％の曲線を示している。主なパラメータは図８の場合のシミュレーションと同様としている。マイクロレンズアレイ１７４により、液晶パネルの画素を出射した光は拡散光となるが、出射側のマイクロシリンドリカルレンズアレイ１７６により、効率よく投写レンズに集光される。偏光分離素子１５９の一方の斜線部の領域の光束を１００％とすると、もう一方の領域の光束は４％となり、左眼用画像の画素を透過した光束は偏光分離素子の一方の斜線部の領域へ集光され、右眼用画像の画素を選択的に透過した光は、偏光分離素子のもう一方の領域へ集光され、右眼用および左眼用画像光が分離できる。

出射側のマイクロレンズアレイを１枚構成のマイクロレンズアレイをシリンドリカル形状とすることにより、右眼用および左眼用画素の配列方向と直交する方向でのマイクロレンズの位置合わせ精度が緩和される。このため、図７に示す出射側の１枚構成マイクロレンズアレイを形成した液晶パネルより、安価な液晶パネルが構成できる。シリンドリカル形状のマイクロレンズアレイは本発明の第１の実施の形態の投写型表示装置の液晶パネルに形成してもよい。

本発明の第１および第２の実施の形態の投写型表示装置の液晶パネルは、右眼用および左眼用の画素を液晶パネルのアスペクト比の長辺方向に配列した場合を説明しているが、短辺方向に配置してもよい。この場合、偏光分離素子の分割方向を短辺方向に変更すれば、長辺方向に配置した場合と同様な効果が得られる。また、水平方向の画素数が少なくなるため、水平方向のパネルサイズを小さくでき、より小型な投写型表示装置が構成できるなどの効果がある。

以上のように、本発明の投写型表示装置は、互いに異なる角度で入射する光束が入射して、それぞれ右眼用および左眼用の画素を透過させる入射側のマイクロレンズアレイと、出射側のマイクロレンズアレイを形成した液晶パネルと、投写レンズに偏光分離素子を備えた投写型表示装置により、右眼用および左眼用の画像光を時分割することなく連続的に投写し、クロストークが非常に小さく、フリッカーのない立体表示が可能である。光源からの自然光を効率よく直線偏光の光に変換し、均一に液晶パネルへ照明し、右眼用および左眼用画素を備えた緑、赤、青の液晶パネルを用いているので、明るく、均一で、高精細の投写画像を得ることができる。一本の投写レンズで構成した１台の投写型表示装置であるため、設置調整が不要で安定した投写画像を表示できる。さらには、２次元画像（２Ｄ）表示用の投写型表示装置に、立体画像（３Ｄ）表示用のマイクロレンズを形成した液晶パネルと投写レンズに偏光分離素子を配置すれば、２Ｄ／３Ｄ表示が可能な投写型表示装置が容易に構成できる。

画像形成用の液晶パネルとして、ＴＮモード液晶について説明しているが、ＶＡモード液晶であってもよい。ＶＡモード液晶により、コントラストの高い投写画像が実現できる。

本発明は、投写型表示装置で構成する液晶ライトバルブを用いた偏光方式の立体表示装置に関するものである。

３０、１３０ 放電ランプ
３１、１３１ 反射鏡
３２、１３２ 凹レンズ
３３、１３３ 第１のレンズアレイ板
３４、１３４ 第２のレンズアレイ板
３５、１３５ 偏光変換光学素子
３６、１３６ 集光レンズ
３７、１３７ 青反射のダイクロイックミラー
３８、１３８ 緑反射のダイクロイックミラー
３９、４０、４１、１３９、１４０、１４１ 反射ミラー
４２、４３、１４２、１４３ リレーレンズ
４４、４５、４６、１４４、１４５、１４６ フィールドレンズ
４７、４８、４９、１４７、１４８、１４９ 入射側偏光板
５０、５１、５２、１５０、１５１、１５２、１７７、１７８、１７９ 液晶パネル
５３、５４、５５、１５３、１５４、１５５ 出射側偏光板
５６、１５６ 色合成プリズム
５７、１５７ 波長選択性偏光回転素子
５８、１５８ 投写レンズ
５９、１５９ 偏光分離素子
６０、６１、８１、１６０、１６１、１７０、１７１ ガラス基板
６２、１６２、１７２ 画素
６３、１６３、１６５、１７３、１７５ カバーガラス
６４、１６４、１７４ 入射側のマイクロレンズアレイ
６５ 出射側の第１のマイクロレンズアレイ
６７ 出射側の第２のマイクロレンズアレイ
７０、７１、７２、７３、７４ 投写レンズ５８のレンズ群
８０ １／２波長板
８２、８３ 偏光板
１６６ 出射側のマイクロレンズアレイ
１７６ 出射側のマイクロシリンドリカルレンズアレイ

Claims (11)

1. 光源と、前記光源からの光を集光し互いに異なる角度で入射する右眼用及び左眼用の光束を形成する照明手段と、前記照明手段からの光束を青、緑、赤の色光に分離する色分離手段と、前記色分離手段によって分離された右眼用及び左眼用の光束を受け、右眼用および左眼用映像信号に応じて画像を形成する３つの液晶ライトバルブと、前記液晶ライトバルブから出射した右眼用および左眼用画像の光束を受け、青、緑、赤の色光を合成する色合成手段と、前記色合成手段で合成された光のうち所定の色光の偏光方向を回転させる波長選択性偏光回転手段と、前記波長選択性偏光回転手段を透過した画像を拡大投写する投写レンズを備えた投写型表示装置であって、前記液晶ライトバルブは、前記右眼用及び左眼用の光束をそれぞれ右眼画像用画素および左眼画像用画素に透過させる入射側のマイクロレンズアレイと前記画素を透過した光を集光する出射側のマイクロレンズアレイとを備え、前記投写レンズは、右眼用および左眼用画像光の偏光を直交させる偏光分離手段を備えたことを特徴とする投写型表示装置。
2. 出射側のマイクロレンズアレイは、第１及び第２のマイクロレンズアレイからなることを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
3. 偏光分離手段は投写レンズの主光線が光軸と交差する位置の近傍に配置された請求項１または２記載の投写型表示装置。
4. 偏光分離手段は、光の透過領域を２つに分割した一方の領域に偏光方向を回転させる１／２波長板と、前記１／２波長板からの偏光が透過する第１の偏光素子を備え、もう一方の領域には、第１の偏光素子と吸収軸が直交する第２の偏光素子を備えた請求項１または２記載の投写型表示装置。
5. 偏光分離手段の偏光素子が水晶もしくはサファイアガラスに貼合された偏光フィルムである請求項４記載の投写型表示装置。
6. 偏光分離手段は直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板を備えた請求項４記載の投写型表示装置。
7. 偏光分離手段の偏光素子が無機偏光板である請求項４記載の投写型表示装置。
8. 偏光分離手段は、光の透過領域を２つに分割した一方の領域に偏光方向を回転させる１／２波長板を備えた請求項１または２記載の投写型表示装置。
9. 出射側のマイクロレンズアレイは右眼用および左眼用画像の画素の配列方向に曲率をもつシリンドリカルレンズアレイである請求項１または２記載の投写型表示装置。
10. 液晶ライトバルブの右眼および左眼画像用の画素が前記液晶ライトバルブのアスペクト比の短辺方向に配列した請求項１または２記載の投写型表示装置。
11. 液晶ライトバルブはＴＮモード液晶、またはＶＡモード液晶である請求項１または２記載の投写型表示装置。

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