CN100380173C - 投射型显示装置 - Google Patents

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Abstract

按每种色光来设置反射型液晶显示元件，当通过色合成棱镜合成来自各处的偏振调制光，并通过投射光学系统进行投射时，防止了由于投射光学系统的内部反射而引起的杂光逆行，使得在反射型液晶显示元件再次反射而发生的叠影。在色合成用的交叉分色棱镜(19)和投射光学系统(21)之间，配置在直线偏振光和圆偏振光之间变换偏振状态的λ/4波长板(20)。在交叉分色棱镜(19)的各入射面与B光用的偏振光分束镜(14B)、G光用的偏振分束器(14G)、R光用的偏振分束器(14R)的每个之间，配置对于投射的色光不改变偏振方向而使其透过，对于其他的色光使偏振方向旋转90°的波长选择性波长板(16B、16G、16R)。

Description

投射型显示装置
技术领域
本发明涉及投射型显示装置，其利用偏振光取出由多个反射型液晶显示元件反射的光，色合成后投射在投射光学系统而构成，特别涉及一种防止来自该投射光学系统的反射光发生叠影的装置。
背景技术
以往的投射型显示装置，是将来自光源的白色光变换为直线偏振光，并分解为R光(红色光)、G光(绿色光)、B光(蓝色光)三色光，使每种色光通过偏振光分束镜照射在个别的反射型液晶显示元件上，并通过色合成光学系统合成该反射光之后，使其入射在投射光学系统，从而将图像以全色投射显示在屏幕上。此时，在各个反射型液晶显示元件中进行使偏振方向变化的偏振调制，使其具有每种色光的图像信息。按色光获得的偏振调制光，通过色合成用的交叉分色棱镜合成，从该交叉分色棱镜射出的合成光穿过投射光学系统向屏幕投射，并在屏幕上进行图像显示。
在此类投射型显示装置中，入射在投射光学系统的合成光的一部分由投射光学系统内的透镜或光圈等反射成为杂光，该杂光通过交叉分色棱镜和偏振光分束镜再次入射到反射型液晶显示元件上，在此发生再次反射而重叠于合成光，从而存在着在屏幕上投射了叠影的问题。公知的是该问题通过例如专利文献1、专利文献2所述的方法可以得到改善。
【专利文献1】日本专利公开平9-251150号公报
【专利文献2】日本专利公开2004-29692号公报
专利文献1所述的方法中，在投射光学系统和色合成用交叉分色棱镜之间插入λ/4波长板，使从投射光学系统反射回来的杂光的偏振方向旋转90°。因此，若将标准的偏振调制光作为P偏振光，则杂光通过交叉分色棱镜再次返回到偏振光分束镜时的偏振方向，成为相对该P偏振光旋转了90°的S偏振光，所以，不会通过偏振光分束镜再入射在反射型液晶显示元件上，而是被废弃在光路之外。
专利文献2所述的方法中，是专利文献1中所利用的λ/4波长板的基础上，在红色光用的偏振光分束镜和交叉分色棱镜之间，和蓝色光用的偏振光分束镜和交叉分色棱镜之间分别配置红色光透过(其他色光反射)分色镜、蓝色文光透过(其他色光反射)分色镜。而且，除了专利文献1利用偏振光分束镜的特性，废弃偏振方向不同的杂光之外，例如对于朝向红色光用、蓝色光用的反射型液晶显示元件的绿色杂光，是通过分色镜的反射将其废弃在光路之外的。
但是，众所周知，应用于交叉分色棱镜的分色膜，其本身的分光透过特性或分光反射特性相对P偏振光、S偏振光不一定相同，多少具有波长依赖性。因此，即使如专利文献1所述使用了λ/4波长板，也会在从投射光学系统反射来的杂光通过λ/4波长板变为例如P偏振光或S偏振光再入射到交叉分色棱镜时，分色膜不会将这些杂光正确地色分解而再入射到每种色光的偏振光分束镜上，而是将其他色光的P偏振光成分或S偏振光成分的一部分入射到每个偏振光分束镜。因此，其结果是其他色光的杂光的一部分再次入射到被设置为特定色光用的反射型液晶显示元件上，从而不能充分地抑制叠影并对色再现性带来坏的影响。
这点，由专利文献2可知，通过并用具有波长选择性的分色镜，使其他色光从交叉分色棱镜射出，而不入射到被设置为特定色光用的偏振光分束镜上，从而可以得到改善，但是，为了将不需要的色光废弃在光路之外，要相对光轴来倾斜配置分色镜。可是，由于分色镜的分光透过、反射特性具有入射角依赖性，而且从反射型液晶显示元件射出的标准偏振调制光会以各种角度入射到该分色镜，所以，成为在投射图像中发生色度不均的主要原因。而且，由于分色镜是在玻璃板等透明基板上形成有多层膜结构的分色膜，所以，根据基板的厚度存在着例如使投射光学系统的非点像差劣化之虞。
发明内容
本发明提供一种投射型显示装置，该装置不发生如上所述的色度不均或像差等的问题并会除去叠影。
本发明的投射型显示装置，将色分解光学系统分解为红色光、绿色光、蓝色光3色光的各色光，分别通过偏振光分束镜照射在各个反射型液晶显示元件上，使从各反射型液晶显示元件射出的每个色光的偏振调制光通过上述偏振光分束镜、入射到色合成棱镜的各入射面，并将从该色合成棱镜射出的合成光通过投射光学系统朝向屏幕等投射，其特征在于，在上述色合成棱镜的射出面和上述投射光学系统的入射面之间，配置有将通过的光束的偏振状态在直线偏振光和圆偏振光之间进行变换的偏振变换元件，并且，至少在一个上述偏振光分束镜的射出面和上述色合成棱镜的入射面之间，配置根据波长来表示λ/2波长板特性的波长选择性波长板。上述波长选择性波长板设定为有利于与各个三色光对应使用，此时，对于对应的色光不会改变偏振状态而使其原样地透过，对于其他的两种色光则起着作为λ/2波长板的作用。并且，为了在更加有效地实施本发明的基础上，使蓝色光和红色光的偏振方向正交于从色合成棱镜射出的绿色光的偏振方向，可以在绿色光用的偏振光分束镜和色合成棱镜之间，或者蓝色光用和红色光用的偏振光分束镜和色合成棱镜之间的任何一个中，设置使通过的色光的偏振方向旋转90°的λ/2波长板。
(发明效果)
根据本发明，在色合成棱镜和投射光学系统之间仅插入λ/4波长板，就可以确切地使无法完全去除的叠影减少，并且不需要在标准的偏振调制光的光路内倾斜配置分色镜，因此，不会发生色度不均或非点像差，从而可以防止投射图像中发生叠影。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的投射型显示装置的构成图。
图2是表示在本发明的实施方式中使用的波长选择性波长板的光学特性的图。
图中：10-光源，11-偏振光变换装置，12-交叉分色棱镜，12B、12RG-分色棱镜，13-反射镜，14R、14G、14B-偏振光分束镜，15R、15G、15B-反射型液晶显示元件，16R、16G、16B-波长选择性波长板，17R、17B-λ/2波长板，18R、18B-分色膜，19-交叉分色棱镜，20-λ/4波长板，21-投射光学系统，23-反射镜。
具体实施方式
下面，参照图1来详细说明本发明的投射型显示装置。通过偏振光变换装置11，使从光源10射出的光变成偏振方向为单一方向(在图1中与纸面垂直方向)的直线偏振光，并入射到使分色镜12B、12RG相互正交的交叉分色镜12。由于分色镜12B具有反射B光(蓝色光)，透过G光(绿色光)和R光(红色光)的特性，分色镜12RG具有透过B光，反射G光和R光的特性，所以，包含在入射的白色光中的B光通过交叉分色镜12被反射到图中的上方，并在被反射镜13反射到左边后，入射在偏振光分束镜14B上。
偏振光分束镜14B是在2个直角棱镜的接合面上设置相对光轴倾斜45°的偏振光膜而形成的，具有反射S偏振光、透过P偏振光的作用。因此，B光作为S偏振光入射到偏振光分束镜14B上，并朝向B光用的反射型液晶显示元件15B反射。在反射型液晶显示元件15B将入射的B光再次朝向偏振光分束镜14B进行反射时，按每个像素对B光施加图像再生用的偏振方向的调制。
通过反射型液晶元件15B而被按每个像素施加偏振调制的B光入射到偏振光分束镜14B，且仅有P偏振光成分透过并入射到波长选择性波长板16B上。该波长选择性波长板16B如图2(B)所示，具有如下的偏振变换特性，即在可见光的全区域上基本透明、透过光亮几乎没有变化，但是在B光的波长区域上，相对入射的光的偏振方向没有变化，之外的G光和R光使入射光的偏振方向旋转90°。因此，从偏振光分束镜14B射出的B光原样地透过波长选择性波长板16B，并入射到B光用的λ/2波长板17B上。由于该λ/2波长板17B使入射的B光的偏振方向旋转90°，所以B光的偏振方向变换成与纸面垂直的方向。
透过λ/2波长板17B的B光入射到交叉分色棱镜19中，该交叉分色棱镜19具有反射B光、透过G光和R光的分色膜18B，和反射R光、透过B光和G光的分色膜18R。然后，偏振方向与纸面垂直的B光通过分色膜18B，被更加有效地朝向投射光学系统21反射，并从交叉分色棱镜19射出，透过λ/4波长板20，成为圆偏振光，接着，通过投射光学系统21，从而作为B光的图像投射在屏幕等上。这里所使用的λ/4波长板20，起着将入射光束的偏振状态在直线偏振光和圆偏振光之间相互变换的偏振变换元件的作用。由于如后所述，该λ/4波长板20不仅是对B光，对G光和R光也要求起着同样的作用，因此，如果将λ的值相对于可见光波长区域大致中间的G光进行最佳化，则在实用上可以作为对B光和R光都可以使用的λ/4波长板。
另一方面，当透过偏振光变换装置11后，R光和G光在反射R光和G光并透过B光的分色镜12RG中向图中的下方被反射。然后，当两光被反射镜23反射后，通过透过R光、反射G光的分色镜24被色分解。透过了分色镜24的R光被偏振光分束镜14R反射后，入射到R光用的反射型液晶显示元件15R中。而且，被分色镜24反射的G光由偏振光分束镜14G反射后，入射到G光用反射型液晶显示元件15G中。这样，通过包括交叉分色镜12和分色镜24的色分解光学系统，将从光源10射出的白色光色分解为B光、G光、R光三色光，并按各种色光引导至各个偏振光分束镜14B、14G、14R。
在使入射的R光、G光再次向各个偏振光分束镜14R、14G反射时，反射型液晶显示元件15R、15G按每个象素，分别施加R光用、G光用的偏振方向的调制。由此获得的R光、G光的偏振调制光入射到偏振光分束镜14R、14G，并仅有其P偏振光成分透过，而分别入射到波长选择性波长板16R、16G中。这些波长选择性波长板16R、16G分别具有图2(C)、(A)所示的偏振光透过特性，R光、G光不改变偏振方向原样地透过。然后，在R光透过λ/2波长板17R时使偏振方向旋转90°，与B光同样地变成与纸面垂直的偏振方向而入射到交叉分色棱镜19中。而且，G光在与纸面保持平行的偏振方向的状态下入射到交叉分色棱镜19中，相对B光和R光的偏振方向形成为正交的偏振方向。
另外，为了使G光的偏振方向与B光和R光的偏振方向正交，代替上述使用λ/2波长板的方法，也可以例如将G光的偏振光分束镜14G以光轴为中心旋转90°，使被分色镜24色分解的G光的入射面与纸面平行。但该情况下，至少要使在分色镜24被反射的G光向与纸面垂直的方向折曲，使得光学系统整体上容易大型化。对于该点，如图1所示若使用λ/2波长板17B、17R，则至少可以实现在与纸面垂直的方向的小型化。
这样，入射到交叉分色棱镜19的R光被分色膜18R反射，通过λ/4波长板20变成圆偏振光入射到投射光学系统21中，然后，作为R光的图像光投射于屏幕等上。并且，G光透过分色膜18B、18R并通过λ/4波长板20变化成圆偏振光后，入射到投射光学系统21，然后作为G光的图像光投射于屏幕等上。这样，交叉分色棱镜19起着如下的色合成棱镜的作用，即从每个入射面接受B光、G光、R光的偏振调制光并合成后，通过共同的射出面使其入射在投射光学系统。
如上所述，上述投射型显示装置中的特征构成在于，在交叉分色棱镜19的射出面和投射光学系统21的入射面之间配置λ/4波长板20，并且在B光用偏振光分束镜14B和交叉分色棱镜19之间配置波长选择性波长板16B，而且在R光用偏振光分束镜14R和交叉分色棱镜19之间配置波长选择性波长板16R。根据该构成，在从交叉分色棱镜19射出并通过投射光学系统21将全色图像投射在屏幕等时，可以防止在构成投射光学系统21的透镜或光圈等上，反射的杂光再次入射到反射型液晶显示元件15B、15G、15R而出现叠影。下面，对其作用进行说明。
如上所述，由于波长选择性波长板16G、16B、16R具有使入射来的光的偏振方向根据其波长不改变或旋转90°的功能，所以，其特性概略地表示在图2上。图2(A)、(B)、(C)分别表示波长选择性波长板16G、16B、16R的偏振变换特性，横轴为波长，纵轴为透过率。例如图2(A)所示的偏振变换特性意味着，对G光不使偏振方向旋转而原样地透过，对R光和B光使偏振方向旋转90°而透过。同样地，图2(B)表示B光原样地透过而对G光和R光来说使偏振方向旋转90°而透过的特性，图2(C)表示原样地透过R光而对B光和G光来说使偏振方向旋转90°而透过的特性。作为这样的波长选择性波长板，可以有效地利用例如Colorlink公司制造的“ColorSelect(注册商标)”。并且，这种波长选择性波长板的一个特征在于，在其偏振光透过特性上几乎不出现入射角依赖性。
通过将这些波长选择性波长板16G、16B、16R与λ/4波长板20组合使用，可以防止在投射光学系统21的内部反射的杂光再入射到反射型液晶显示元件15B、15G、15R。如上所述，从交叉分色棱镜19射出的B光和R光具有与纸面垂直的偏振方向，G光变成与纸面平行的偏振方向。在通过λ/4波长板20被分别变换成圆偏振光后，这些三色光穿过投射光学系统21朝向屏幕投射，由投射光学系统21的内部反射而产生的杂光再次入射到λ/4波长板20中。
因此，包含于杂光的B光、G光、R光在分别通过λ/4波长板20时，被变换成相对当初的偏振方向旋转了90°的直线偏振光，R光和B光成为偏振方向与纸面平行的直线偏振光，G光成为偏振方向与纸面垂直的直线偏振光，并从交叉分色棱镜19的射出面再次入射。由于这些杂光以任意的入射角入射到交叉分色棱镜19的分色膜18B、18R上，所以，不仅是G光，B光和R光的一部分也透过交叉分色棱镜19，向G光用反射型液晶型显示元件15G射出。
这样射出的G光在交叉分色棱镜19变成偏振方向与纸面垂直的S偏振光，并到达波长选择性波长板16G，由于根据图2(A)的透过特性，不会改变偏振方向而是S偏振光保持原样地入射到偏振光分束镜14G中，所以被偏振光分束镜14G反射而废弃在光路之外。另外，朝向G光用反射型液晶显示元件15G射出的B光和R光，变为偏振方向与纸面平行的P偏振光，在通过波长选择性波长板16G时，其偏振方向会旋转90°而成为与纸面垂直的S偏振光，并入射到偏振光分束镜14G中，所以与G光同样被废弃在光路之外。其结果，由于不管色光的种类杂光都不能再入射到反射型液晶显示元件15G，因此可以防止由G光引起叠影的发生。
由于分色膜18R的反射特性仍具有入射角依赖性，所以从交叉分色棱镜19朝向R光用反射型液晶显示元件15R射出的杂光，即在分色膜18R被反射的杂光，除了R光之外还包含G光的一部分。另外，由于B光的波长区域相对于分色膜18R的分光反射特性有很大的不同，所以在此忽视B光的反射也没关系。被分色膜18R反射的R光变成与纸面平行的偏振方向，在通过λ/2波长板17R时偏振方向旋转90°而成为与纸面垂直的偏振方向。由于R光具有的该偏振方向，在透过波长选择性波长板16R时原样地被保存，从而作为S偏振光而入射到偏振光分束镜14R，所以R光被偏振光分束镜14R反射废弃在光路之外。
而且，由于从交叉分色棱镜19朝向R光用反射型液晶显示元件15R射出的G光其偏振方向垂直于纸面，所以，在通过λ/2波长板17R时偏振方向变成与纸面平行而入射到波长选择性波长板16R。由于波长选择性波长板16R对G光具有使偏振方向旋转90°的作用，所以G光的偏振方向再次变为与纸面垂直。因此，由于G光成为S偏振光而入射到偏振光分束镜14R，所以仍然被反射废弃在光路之外，使得杂光不会再入射到反射型液晶显示元件15R。
由于分色膜18B的分光反射特性，在从交叉分色棱镜19朝向B光用反射型液晶显示元件15B射出的杂光中，包括G光的一部分和B光。其中，偏振方向与纸面平行的B光在被λ/2波长板17B变换成与纸面垂直的偏振方向后，原样地透过波长选择性波长板16B。因此，由于B光成为S偏振光而入射到偏振光分束镜14B，所以，被反射废弃在光路之外。另外，具有与纸面垂直的偏振方向的G光，在通过λ/2波长板17B时变换成与纸面平行的偏振方向后，通过波长选择性波长板16B再次使偏振方向旋转90°，从而偏振方向与纸面垂直。因而，由于对于偏振光分束镜14B，G光也成为S偏振光而入射，所以，被反射废弃在光路之外，从而在B光用的反射型液晶显示元件15B上杂光也不会再入射。
根据由上述结构构成的本发明的投射型显示装置，由于投射光学系统21反射的杂光不会返回到反射型液晶显示元件，所以能够抑制叠影的发生。而且，虽然图示的实施方式中，在B光和R光的光路中分别配置有λ/2波长板17B、17R，但是，也可以根据交叉分色棱镜19的特性，在G光用的波长选择性波长板16G和交叉分色棱镜19之间配置G光用λ/2波长板，来省略B光用和R光用的λ/2波长板17B、17R。并且，虽然在B光、G光、R光的各个光路中分别配置有波长选择性波长板16B、16G、16R，但是，也可以根据叠影发生程度而省略其一部分。例如，若考虑人类的视觉灵敏度，则由于杂光中的G光最显眼，B光和R光比较不显眼，所以，可以省略波长选择性波长板16B和波长选择性波长板16R中的任何一个或其双方。而且，例如在使用偏振变换特性为使B光的偏振方向旋转90°，但不改变G光和R光的偏振方向的波长选择性波长板作为B光用的波长选择性波长板16B时，可以省略B光用的λ/2波长板17B，同样，若使R光用的波长选择性波长板16R具有仅使R光旋转90°的偏振变换特性，则可以省略λ/2波长板17R。
如上所述，本发明在色合成棱镜和投射光学系统之间，配置了将通过的光束的偏振状态在直线偏振光和圆偏振光之间相互变换的偏振变换元件，并且，在各色光的光路中配置了根据通过的色光的波长而起着作为λ/2波长板的作用的波长选择性波长板，使得不仅根据色光的种类而且根据偏振方向的差异，来遮断从投射光学系统反射来的杂光返回到每个反射型液晶显示元件，因此，与以往的仅依靠具有入射角依赖性的分色膜和分色镜的分光反射特性来遮断杂光不同，可以确切地防止杂光返回到反射型液晶显示元件，从而控制叠影的发生。而且，在各色光的投射光路内不需要将分色镜倾斜配置，所以，也没有发生色度不均或非点像差等的忧虑。

Claims (3)

1.一种投射型显示装置，通过色分解光学系统将来自光源的白色光分解成红色光、绿色光、蓝色光的三色光，并通过对应各色光而设置的偏振光分束镜使各色光照射在各个反射型液晶显示元件上，将从所述反射型液晶显示元件被偏振调制并反射的各调制光分别入射到所述偏振光分束镜上，使射出的所述各调制光从相互不同的面入射到在内部具有分色膜的色合成棱镜上，并进行色合成之后，使从色合成棱镜射出的合成光入射到投射光学系统并进行投射，其中，
在所述色合成棱镜的射出面和所述投射光学系统的入射面之间，配置有将通过的光束的偏振状态在直线偏振光和圆偏振光之间进行相互变换的偏振变换元件，并且，至少在一个所述偏振光分束镜的射出面和所述色合成棱镜的入射面之间，配置根据通过的色光的波长来表示λ/2波长板特性的波长选择性波长板。
2.根据权利要求1所述的投射型显示装置，其特征在于，所述波长选择性波长板，分别被配置在按每种色光设置的偏振光分束镜和色合成棱镜之间，对于对应色光以外的其他2种色光，使直线偏振光的方向旋转90°。
3.根据权利要求1或2所述的投射型显示装置，其特征在于，在红色光和蓝色光用的偏振光分束镜与色合成棱镜之间，或者绿色光用的偏振光分束镜与色合成棱镜之间的任何一方，设置使通过的色光的偏振方向旋转90°的λ/2波长板，使得从所述色合成棱镜射出的蓝色光和红色光的偏振方向与从所述色合成棱镜射出的绿色光的偏振方向正交。
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