JP2001083604A

JP2001083604A - 光束圧縮手段、光学エンジン及びこれを用いた映像表示装置

Info

Publication number: JP2001083604A
Application number: JP26315199A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Ouchi; 敏大内; Fukuoku Abe; 福億阿部; Taro Imahase; 太郎今長谷; Tomohiro Miyoshi; 智浩三好
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2001-03-30
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: JP3757701B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型・高精度下で画面明るさと高画質化を実現
できる映像表示装置の提供。【解決手段】光束圧縮手段を、光源ユニットからの一部
範囲の出射光Ａを、透過光軸に沿い透過する透過プリズ
ム手段と、光源ユニットからの残りの範囲の出射光Ｂを
反射手段により光軸を出射光側に変換し、この反射光Ｂ
を、前記透過プリズム手段の傾斜面と略平行にエアーギ
ャップを介して設け傾斜面を持つプリズムの前記透過光
軸とは別の光軸面から入射させ前記出射光Ａを透過させ
た面にて反射させ、出射光Ａと略々同等の光軸方向に出
射光Ｂの光軸を揃え、照明系の光軸に対し上下方向ある
いは左右方向に光を圧縮する透過プリズム手段と反射手
段を備えた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶パネルあるい
は反射式映像表示素子などのライトバルブ素子を使用し
て、スクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、
液晶プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ
装置、液晶テレビジョン、投写型ディスプレイ装置等の
技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネル等のライトバルブ素子に、電
球などの光源からの光を当てて、液晶パネル上の画像を
拡大投射する液晶プロジェクタ等の投写型映像表示装置
が知られている。

【０００３】この種の映像表示装置は、光源からの光を
ライトバルブ素子で画素毎の濃淡に変えて調節し、スク
リーンなどに投射するものである。例えば、液晶表示素
子の代表例であるツイステッド・ネマティック(TN)型液
晶表示素子は、透明な電極被膜をもつ一対の透明基板間
に液晶を注入して成る液晶セルの前後に、各々の偏光方
向が互いに90°異なるように２枚の偏光板を配置したも
のであり、液晶の電気光学効果により偏光面を回転させ
る作用と、偏光板の偏光成分の選択作用とを組み合わせ
ることにより、入射光の透過光量を制御して画像情報を
表示するようになっている。近年、こうした透過型ある
いは反射型の映像表示素子では、素子自体の小型化が進
むとともに、解像度等の性能も急速に向上している。

【０００４】このため、該映像表示素子を用いた表示装
置の小型高性能化も進み、単に従来のようにビデオ信号
等による映像表示を行うだけでなく、パーソナルコンピ
ュータの画像出力装置としての投射型映像表示装置も新
たに提案されている。この種の投射型映像表示装置に
は、特に、小型であることと、画面の隅々まで明るい画
像が得られることが要求される。しかし、従来の投射型
映像表示装置は、大型であったり、また最終的に得られ
た画像の明るさ、画質等の性能が不十分であるといった
問題があった。

【０００５】例えば、液晶表示装置全体の小型化には、
ライトバルブすなわち液晶表示素子自体の小型化が有効
であるが、液晶表示素子を小型化すると液晶手段による
被照射面積が小さくなるため光源が放射する全ての光束
量に対する液晶表示素子を小型化すると照明手段による
被照射面積が小さくなるため光源が放射する全ての光束
量に対する液晶表示素子上の光束量の比率（以下、これ
を光利用効率という）が低くなり、また、画面周辺部が
暗い等の問題が生じる。さらに、液晶表示素子は一方向
の偏光光しか利用できないため、ランダムな偏光光を発
する光源からの光の約半分は利用されない。

【０００６】光源からのランダムな偏光光を一方向の偏
光方向に揃えて液晶表示素子に照射する光学系として
は、特開平４−６３３１８号公報に開示されているよう
な偏光ビームスプリッター（以下、これをＰＢＳと呼称
する）などの偏光変換素子を利用して、光源から出射す
るランダムな偏光光をＰ偏光光とＳ偏光光に分離してプ
リズムを用いて合成するものがある。

【０００７】また、これを用いて、従来の光学系におい
ては、特に反射型液晶表示装置を用いた照明光学系で
は、上記ＰＢＳと反射型液晶表示装置を組合せて、映像
のON及びOFF及び階調表現に応じて偏光方向を変換する
ことで検光し、その後投射レンズにより映像をスクリー
ン上に投射する構成となっている。この場合、ＰＢＳに
起因する、色ムラやコントラストの低下が問題視されて
いる。

【０００８】すなわち、光の入射角度に対するＰ偏光光
の透過率およびＳ偏光光の反射率の特性が変化するた
め、照明系の所定角度の光に対してＰＢＳの透過率およ
び反射率ムラが生じる。これにより、スクリーンに投影
される画質の劣化が発生する。

【０００９】特開平０９−０５４２１３号公報に開示さ
れているようなＰＢ膜を挟み込む透過性材料を光弾性係
数の絶対値を1.5×10^-8 cｍ^２／Ｎ以下である硝材で構
成をしたＰＢＳを利用して、ＰＢＳ硝材内での複屈折を
低下し、スクリーン上のコントラストを向上するものが
ある。

【００１０】しかし、この発明では、接着場所での接着
時の歪みおよび、温度変化による接着場所での歪みに対
して考慮されておらず、この歪みによる複屈折現象は考
慮されていない。

【００１１】さらに、上述のＰＢ膜自体の入射光線角度
による特性変化による光利用効率劣化および色ムラ現象
に対しては対策がされていない。

【００１２】したがって、プリズム硝材自体のみの複屈
折現象は低減はされてはいるが、ＰＢＳやダイクロプリ
ズム全体の複屈折現象の低減効果は不十分である。さら
に、角度特性による光利用効率低下、消光比低下の対策
がされていないので、明るさ、色ムラ及びコントラスト
とも不十分な傾向にある。

【００１３】さらにＰＢ膜を設ける境界面が限定されて
おり、2種類以上の誘電体多層膜、例えばＰＢ膜と調整
ＡＲ膜など、を一対として複数層対を施した特性を持つ
ＰＢＳやダイクロイックプリズムの構成が不可能となっ
ている。したがって、ＰＢ膜と調整ＡＲ膜を一対として
複数層重ねて、偏光純度を高め、画質性能の精度向上を
図ることが不可能になっている。

【００１４】以上より、映像表示装置の明るさおよび画
質の向上という２つの観点からの対応が必要となってい
る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】以上の従来技術での課
題事項をまとめると、映像表示装置の明るさおよび画質
上の性能確保を両立する方法が課題であり、明るさおよ
び画質向上に関する事項の対応技術が、それぞれ課題と
なっている。すなわち、明るさ確保とコントラスト向上
および色ムラ低減のために、ＰＢＳの光効率向上およ
び、さらなる複屈折低減等が課題となっている。

【００１６】本発明では、上記した従来技術での課題事
項に関して、明るさおよび画質確保とともに、高精度で
かつ小型化が可能な投写型表示技術の提供が目的であ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】光源ユニットからの一部
範囲の出射光Ａを、透過光軸に沿いする透過プリズム手
段と、光源ユニットからの残りの範囲の出射光Ｂを反射
手段、例えばミラーあるいは全反射プリズム、により光
軸を出射光軸側に変換し、この反射光Ｂを前記透過プリ
ズム手段の傾斜面と略平行にエアーギャップを介して設
けられ、かつ前記出射光Ａを透過させた傾斜面にて反射
させ、出射光Ａと略々同等の光軸方向に出射光Ｂの光軸
を揃え、照明系の光軸に対し上下方向あるいは左右方向
に光を圧縮する透過プリズム手段と反射手段により光束
圧縮手段を構成する。

【００１８】これにより、光の角度保存されたまま、光
束幅を上下あるいは左右方向に圧縮できるので、圧縮に
よるレンズ収差の問題や、発散角度の広がりによる照明
系効率の劣化を防止できるので、光利用効率の良い光束
圧縮が可能となる。

【００１９】また、この光束圧縮手段において、光束圧
縮手段の透過プリズム手段の第１の傾斜面の傾きである
透過光軸の直交面となす角度θ_１は、透過プリズムの光
学部材の臨界角度θ_０１以下、すなわちθ_０１＞θ_１、
例えばＢＫ７では±４１°近傍以下、とした構成とす
る。これにより、ＢＫ７等の各種硝材でも全反射角を使
って、出射光Ａの透過を行うことが可能となる。またＢ
Ｋ７にて、この光束圧縮手段の透過プリズム手段を構成
できるので、低コスト化が可能となる。

【００２０】さらに、この光束圧縮手段において、反射
手段の第３の傾斜面と、透過プリズムの透過光軸の直交
面と、なす角度であるθ_４をθ_１＝θ_４とし、法線と入
射光軸および法線と反射光軸のなす角度θ_３は反射合成
手段の光学部材の臨界角度θ_０２以上、すなわちθ_０２
＜θ_３、例えばＢＫ７では±４１°近傍以上、とした構
成とする。これにより、透過プリズム手段の第１の傾斜
面と、反射合成手段の第３の傾斜面とを所定ギャップを
介して接合でき、有効エリア外に接着剤あるいはスペー
サあるいは薄膜あるいは印刷等により互いに接合でき、
製造が容易となる。

【００２１】また、透過光に対しては、入射光軸と出射
光軸が変化しないため、後の照明系の設計が容易とな
る。当然、光利用効率の良い光束圧縮が可能となる。

【００２２】また、反射合成手段の第２の傾斜面の傾き
θ_２は、反射合成手段に入射する光の光軸の直交面とな
す角度であり、かつθ_２＝（θ_１＋θ_３）／２、例えば
ＢＫ７ではθ_３＝±４１°の場合θ_２＝±４１．５°近
傍、とした構成である。

【００２３】これにより、ＢＫ７の硝材でも全反射角を
使って、出射光Ｂの反射を全反射で行うことが可能とな
る。またＢＫ７にて、この光束圧縮手段を構成できるの
で、さらなる低コスト化が可能となる。

【００２４】さらに、光利用効率の良い光束圧縮が可能
となる。

【００２５】また、光束圧縮手段の反射手段をプリズム
構成とし、このプリズム硝材を透過プリズムの硝材と異
なる屈折率の硝材とした構成とする。これにより、反射
プリズムの第一の傾斜面の角度を調整することで、透過
プリズムの傾斜面とエアーギャップを介して平行に配置
された反射プリズムの第二の傾斜面で全反射した光の光
軸を、透過プリズムの透過光軸とはば一致させることが
可能となる。

【００２６】これにより、照明系全体での光利用効率を
向上されることも可能である。

【００２７】また、光源ユニットの出射光から映像信号
に応じた光学像を形成するライトバルブ手段の反射型映
像表示素子と、この反射型映像表示素子の上に光を照射
させる照明光学系と、該反射型映像表示素子から出射し
た光を投射する投射手段とを有し構成される投射型の光
学エンジンまたは映像表示装置であって、前記反射型映
像表示素子に入射する光を偏光し、かつ前記反射型映像
表示素子により偏光を変換された反射光を検光する偏光
変換素子と、反射型映像表示素子あるいは偏光変換素子
に入出射する光を特定波長域のみ反射あるいは透過させ
る色分離合成手段を有する照明光学系を有し、この照明
光学系において、偏光変換素子およびまたは色分離合成
手段の光軸面に対して垂直方向である上下方向f値と、
それと直交関係にある左右方向ｆ値の関係が、上下方向
f値＞左右方向ｆ値の関係である照明光学系を構成す
る。

【００２８】これにより、偏光変換素子の角度性能の不
利な方向の光を圧縮して、角度を小さくしてしまうの
で、高精度な光学性能を維持可能で、角度特性あるい
は、光利用効率あるいは検光効率の向上、複屈折低減を
用意に達成することが可能となる。

【００２９】さらには、投射型の光学エンジンまたは映
像表示装置において、光源ユニットと、この光源ユニッ
トの出射光に対し光束圧縮手段は、例えばシリンドリカ
ルレンズの凸凹組合せ、およびまたは、偏心レンズの組
合せ、およびまたは、プリズムあるいはミラーの組合
せ、およびまたは偏光変換素子の組合せである、照明光
学系の光軸面に対して垂直方向である上下方向の光圧縮
手段、あるいは水平方向である左右方向の光圧縮手段を
有する構成とした。

【００３０】かかる構成によりＰＢＳや色分離プリズム
の誘電体多層膜に生じる、傾斜光による消光比劣化を低
減でき、また温度変化に伴う画質上の色ムラやコントラ
スト特性の変化を低減できるという効果がある。

【００３１】これにより、ＰＢＳの消光比が良くなり、
偏光分離による検光効率や色分離効率を向上できる。ま
た、この構成により、偏光純度を高め、画質性能の精度
向上が可能になった。

【００３２】また、上記照明光学系を投射型の映像表示
装置に搭載することで、従来実現できなかった、明るさ
とコントラスト性能の両立化を達成できる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００３４】図１は、本発明における投射型液晶表示装
置の一実施例の光学構成図である。図１の実施例は、液
晶ライトバルブとして反射型液晶表示素子２をいわゆる
色の３原色のＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３
色に対応して合計３枚用いた３板式投射型表示装置を示
している。

【００３５】図１において、投射型液晶表示装置には、
光源１があり、光源１は、超高圧水銀ランプ、メタルハ
ライドランプ、キセノンランプ、水銀キセノンランプ、
ハロゲンランプ等の白色ランプである。光源１は、円形
ないし多角形の出射開口を持つ少なくとも１つの反射面
鏡５と、この光源１から出される光はライトバルブ素子
である液晶表示素子２を通過して投射レンズ３に向か
い、スクリーン４へ投影される。

【００３６】光源１の電球から放射される光は楕円面ま
たは放物面または非球面のリフレクタ５にて集光され、
光束圧縮手段２６に入射し、ここにおいて、左右あるい
は上下どちらかの光束幅を圧縮される。すなわち照明系
のｆ値を変換される。図１の場合は図の手前から奥行き
方向の光束幅が圧縮されている。この光束圧縮手段２６
の出射開口と略同等サイズの矩形枠に設けられた複数の
集光レンズにより構成され、ランプユニットから出射し
た光を集光して、複数の２次光源像を形成するための第
一のアレイレンズ６に入射し、さらに複数の集光レンズ
により構成され、前述の複数の２次光源像が形成される
近傍に配置され、かつ液晶表示素子２に第一のアレイレ
ンズ６の個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレン
ズ７を通過する。この出射光は第二のアレイレンズ７の
各々のレンズ光軸の横方向のピッチに適合するように配
置された各々のレンズ幅の略１／２サイズの菱形プリズ
ムの列へ入射する。このプリズム面には偏光ビームスプ
リッター８の膜付けが施されており、入射光は、この偏
光ビームスプリッター８にてＰ偏光光とＳ偏光光に分離
される。Ｐ偏光光は、そのまま偏光ビームスプリッタ−
８内を直行し、このプリズムの出射面に設けられたλ／
２位相差板９により、偏光方向が９０°回転され、Ｓ偏
光光に変換され出射される。一方、Ｓ偏光光は、偏光ビ
ームスプリッター８により反射され、隣接する菱形プリ
ズム内で本来の光軸方向にもう一度反射してからＳ偏光
光として出射される。出射光はコンデンサレンズ１０に
入射する。

【００３７】従来の反射型液晶表示素子を用いた投射型
液晶表示装置では入射偏光板と反射液晶表示素子の組合
せにより、一方向の偏光光しか反射しないため反射光量
が約半分になっていた。しかし、偏光ビームスプリッタ
ー８を用いるため、光源１から出射するランダムな偏光
光の偏光方向を揃えて反射型液晶表示素子２に入射する
ため、理想的には従来の投射型液晶表示装置の２倍の明
るさが得られる。

【００３８】また、アレイレンズ６、７は、各レンズセ
ルの個々の像が液晶表示素子２に重なり、均一な画質が
得られる作用を有する。

【００３９】コンデンサレンズ１０は、少なくとも1枚
以上の構成であり、正の屈折力を有し、このＳ偏光光を
さらに集光させる作用を持ち、このコンデンサレンズ１
０を通過した光は反射ミラ−１１、１２により光軸方向
を所定方向９０°変換される。その後、光は各色ＲＧＢ
３枚の反射型液晶表示素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを照射する
ために、色分離ミラー１３あるいは図示していないが、
色分離プリズムにより、Ｇ光とＲ、Ｂ光とに2分割さ
れ、それぞれの色専用の偏光変換素子であるＰＢＳ１６
Ｇ，１６ＲＢに入射する。すなわち、Ｇ光は、本発明で
あるＧ専用ＰＢＳ１６Ｇに入射、その後Ｓ偏光光なので
Ｇ専用反射型液晶表示素子２Ｇ側へ反射され、このパネ
ルを照射する。また、Ｂ光とＲ光はＢ−Ｒ光専用偏光板
１４を通過し、本発明であるＲ−Ｂ専用ＰＢＳ１６ＲＢ
に入射、その後特定波長域のみ偏光方向を変換する特定
波長選択波長板１７を通過してＢ光あるいはＲ光のどち
らかの偏光をＳ偏光光からＰ偏光光に変換して、例え
ば、偏光を変換されたＰ偏光光であるＢ光は、Ｒ−Ｂ専
用ＰＢＳ１６ＲＢを通過してＢ専用反射型液晶表示素子
２Ｂを照射する。一方、Ｒ光はＳ偏光光なのでＲ−Ｂ専
用ＰＢＳ１６ＲＢにて反射された後、Ｒ専用反射型液晶
表示素子２Ｒを照射する。もちろん、上記例はひとつの
具体例であり、実施例はこれに限定するものではなく、
ＲがＰ偏光光に変換されてもよく、これとは別にもとも
との照明系の偏光光がＰ偏光であり、ＲＧＢの一つの色
がＳ偏光光に変換され、残りの二色がＰ偏光光となる場
合も構成としては成り立つ。また、各色専用の反射型液
晶表示素子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂの入射側にはＳ偏光光を透
過するＲＢ専用入射偏光板１４およびＧ専用入射偏光板
１５を配置し、各色の偏光度およびまたは色純度を高め
ることも可能である。その後、各色専用の反射型映像表
示素子２で偏光を変換され、光は再び各色専用ＰＢＳ１
５、１６に入射し，Ｓ偏光光は反射され、Ｐ偏光光は透
過する。

【００４０】この反射型映像表示素子２は、表示する画
素に対応する（例えば横１０２４画素縦７６８画素各３
色など）数の液晶表示部が設けてある。そして、外部よ
り駆動される信号に従って、液晶表示素子２の各画素の
偏光角度が変わり、最終的に入射の偏光方向と直交方向
になった光が出射され、偏光方向の一致した光がＰＢＳ
２により検光される。この途中の角度の偏光を持った光
は、ＰＢＳ２の偏光度との関係でＰＢＳを通る光の量と
検光される量とが決まる。このようにして、外部より入
力する信号に従った画像を投影する。この時、本発明の
Ｇ専用ＰＢＳ１６ＧとＲ−Ｂ専用ＰＢＳ１６ＲＢである
偏光変換素子は、反射型映像表示素子２Ｒ，２Ｇ、２Ｂ
が黒表示を行う場合に、偏光方向は入射光と同等であ
り、そのまま入射光路に沿って光源側に戻される。しか
しＰＢＳの偏光度および消光比である検光効率が従来ど
うりの照明系であれば、ＰＢＳの膜特性の弱い方向の光
が、わずかに漏れたあるいは乱れた偏光光となりＰＢＳ
を通過して出射側の色合成ミラー１９あるいは色合成プ
リズムを通過して投射レンズ２０側へ照射され、黒表示
時に僅かの明るさをスクリーン上にて検知する。これに
よりコントラスト性能が低下し、従来問題となってい
た。従って、本発明により、前記照明光学系におい
て、ＰＢＳや色分離合成手段の光軸面に対して垂直方向
である上下方向（図１の奥行き方向）のf値と、それと
直交関係にある左右方向の（図１の上下方向で描写）ｆ
値の関係が、上下方向f値＞左右方向ｆ値の関係であ
る照明光学系とすることで、ＰＢＳの膜特性の最も弱い
方向の光線角度を光軸に対して小さくするため、このＰ
ＢＳ角度依存に伴う画質上の色ムラやコントラスト特性
の変化を低減できるという効果がある。これにより偏光
純度を高め、画質性能の精度向上が可能になった。した
がって、従来不十分であった角度特性による光利用効
率、消光比、明るさ、色ムラ及びコントラストが向上で
きる。

【００４１】このため、高精度な色再現性と高輝度およ
び高効率コントラストの両立化を実現した反射型液晶表
示装置を提供できる。

【００４２】その後、映像であるＲＧＢ各色の光はダイ
クロイックミラー１９あるいは図示していないがダイク
ロイックプリズムにより、再び色合成されて、光は、例
えばズームレンズであるような投射手段２０を通過し、
スクリーンに到達する。前記投射手段２０により、反射
型液晶表示素子２Ｒ、２Ｇ，２Ｂに形成された画像は、
スクリーン上に拡大投影され表示装置として機能するも
のである。この３枚の反射型液晶表示素子を用いた反射
型液晶表示装置は、電源２１により、ランプおよびパネ
ル等の駆動を行っている。

【００４３】したがって、従来の反射型液晶表示装置で
は、コントラスト向上により明るさも向上でき、さらに
は色ムラ等の性能向上を同時に実現することができる。

【００４４】図２は、本発明による第１番目の光束圧縮
手段の一実施形態を示す図である。

【００４５】図（ａ）は、本発明の光源ユニット１、５
からの一部範囲の出射光Ａを、透過光軸に沿い透過する
傾斜面を持つ透過プリズム手段３２と、光源ユニット
１、５からの残りの範囲の出射光Ｂを反射手段３１の第
一の傾斜面、例えばミラーあるいは全反射プリズム、に
より光軸を透過光軸側に折り曲げて、この反射光Ｂを前
記透過プリズム手段３２の出射光Ａを透過させた傾斜面
と、略平行にエアーギャップ等を介して設けられた反射
手段３１の第二の傾斜面にて反射し、出射光Ａと略々同
等の光軸方向に出射光Ｂの光軸を揃え、照明系の光軸に
対し光源ユニット１、５のＤ幅の光束を、上下方向ある
いは左右方向にｄ幅の光束に圧縮する透過プリズム手段
３２と反射手段３１により光束圧縮手段２６を構成す
る。

【００４６】また、この光束圧縮手段２６において、透
過プリズム手段３２の傾斜面の傾きを、透過光軸と直交
する面となす角度θ１を±４１°以下とした構成であ
る。

【００４７】さらに、前記光束圧縮手段２６の反射手段
３１の第一の傾斜面の傾きを、入射光軸と直交する面と
なす角度θ２を±４１．５°以下とした構成である。

【００４８】これにより、ＢＫ７の硝材でも全反射角を
使って、出射光Ｂの反射を第二の傾斜面で全反射を行う
ことが可能となる。またＢＫ７にて、この光束圧縮手段
２６を構成できるので、さらなる低コスト化が可能とな
る。

【００４９】これにより、光の角度保存されたまま、光
束幅を上下あるいは左右方向に圧縮できるので、圧縮に
よるレンズ収差の問題や、角度の広がりを防止できるの
で、効率の良い光束圧縮が可能となる。

【００５０】これにより、従来不十分であったパネル前
のＰＢＳの角度特性による光利用効率向上、消光比向
上、明るさ向上、色ムラ低減及びコントラストが向上で
きる。

【００５１】一方、図（ｂ）は、（ａ）図とは別の光束
圧縮手段の一実施例である。

【００５２】本実施例はシリンドリカルレンズであり、
光源ユニット１、５からの出射光束は正の屈折力を持つ
第一シリンドリカルレンズ３３により光軸側に圧縮さ
れ、その後、負の屈折力をもつ第二シリンドリカルレン
ズ３４を通過して光軸方向と略平行に、かつ所定の光束
幅ｄに圧縮される。これにより、単純なシリンドリカル
レンズ３３、３４の組合せにて、上下あるいは左右に光
束を圧縮する光束圧縮手段２６を提供できる。

【００５３】ただし、この場合は収差を極力低減する方
向で設計しなければならない。

【００５４】図（ｃ）は別の光束圧縮手段の一実施例で
ある。

【００５５】光源ユニットを出射した光束は、レンズア
レイ３５により二次光源像形成し、この像面位置に、短
冊状に配列され、レンズアレイ３５の光軸上に並んだ複
数配列のＰＢＳ（偏光変換素子）３６を有し、一列置き
に配置された１／２λ波長板９により偏光方向をＰ偏光
光、あるいはＳ偏光光に揃えられ、全ての光がどちらか
一方の偏光方向にそろえられる。その後、出射光は再び
偏光変換素子（ＰＢＳ）３７に入射する。このとき、例
えば前段のＰＢＳ３６の出射光が、全てＳ偏光光の場合
は、ＰＢＳ３７透過光はＰ偏光光に再び１／２λ波長板
９にて偏光方向を変換され、ＰＢＳ３７反射光路を通過
する反射光はＳ偏光光のまま利用される。このときＰＢ
Ｓ３７の出射光束幅はｄ幅に圧縮される。このように、
光束圧縮手段２６はアレイレンズ３５と二段式のＰＢＳ
３６、３７により構成される。

【００５６】これにおいても、光の角度保存されたま
ま、光束幅を上下あるいは左右方向に圧縮できるので、
圧縮によるレンズ収差の問題や、角度の広がりや透過光
軸に対する反射光の微少な光軸ズレを防止できるので、
効率の良い光束圧縮が可能となる。

【００５７】よって、従来は不十分であった角度特性に
よる照明系後流側のＰＢＳやダイクロイックプリズムま
たは偏光板あるいは液晶等のパネルなどの光利用効率、
また、消光比向上、明るさ向上、色ムラ低減及びコント
ラストが向上できる。この方式は、映像表示素子にマイ
クロミラーデバイスなどの偏光に依存しない反射型映像
表示素子を利用する場合に有効である。

【００５８】また、以上（ａ）（ｂ）（ｃ）の実施例は
一方向に限定されるものではなく、組合せて上下および
左右もしくは他方向を圧縮できる。

【００５９】また、光源ユニットを複数個並べた場合、
例えば2個以上の光源ユニットをその出射開口部を並列
に並べた場合など、この（ａ）（ｂ）（ｃ）の実施例に
示す光束圧縮手段により、光源ユニットの出射光の圧縮
は、容易に実現できる。

【００６０】図３は、本発明による第１番目の実施例と
しての光束圧縮手段の詳細を示す図である。

【００６１】光源ユニット１、５からの一部範囲の出射
光Ａを、透過光軸に沿い透過する傾斜面を持つ透過プリ
ズム手段３２と、光源ユニット１、５からの残りの範囲
の出射光Ｂを反射手段３１の第一の傾斜面、例えばミラ
ーあるいは全反射プリズム、により光軸を透過光軸側に
折り曲げて、この反射光Ｂを前記透過プリズム手段３２
の出射光Ａを透過させた傾斜面と、略平行にエアーギャ
ップ等を介して設けられた反射手段３１の第二の傾斜面
にて反射し、出射光Ａと略々同等の光軸方向に出射光Ｂ
の光軸を揃え、照明系の光軸に対し光源ユニット１、５
のＤ幅の光束を、上下方向あるいは左右方向にｄ幅の光
束に圧縮する透過プリズム手段３２と反射手段３１によ
り光束圧縮手段２６を構成する。

【００６２】また、この光束圧縮手段２６において、透
過プリズム手段３２の傾斜面の傾きを、透過光軸と直交
する面となす角度θ_１を±４１°以下とした構成であ
る。

【００６３】さらに、前記光束圧縮手段２６の反射手段
３１の第一の傾斜面の傾きを、入射光軸と直交する面と
なす角度θ_２を±４１．５°以下とした構成である。

【００６４】この値は、ＢＫ７の硝材を透過プリズム３
２と反射プリズム３１に用いた場合であり、全反射角を
使って、出射光Ｂの反射を第二の傾斜面で全反射を行う
ことが可能となる。またＢＫ７にて、この光束圧縮手段
２６を構成できるので、さらなる低コスト化が可能とな
る。他にパイレックス等の屈折率１．４７４近傍の場合
は、これに応じた角度、すなわちθ_１は４２°以下とな
り、θ_２は４２．５°以下となる。逆に屈折率の１．５
２３の硝材ならθ_１は４０°以下、θ_２は４２°以下と
し、屈折率１．６の硝材の場合は、θ_１は３８°以下、
θ_２は３８．５°以下とし、条件が微少に異なる。した
がってθ_１はθ_０１＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ_２）で求められ
る臨界角度以下であり、すなわちθ_１＜ｓｉｎ^-1（１／
ｎ_２）であり、透過光は透過プリズム３２の媒質から第
１の傾斜面４０と第３の傾斜面３９で全反射が起きない
条件となっている。逆に反射光は反射合成プリズム３１
の第２の傾斜面３８を調整して、第３の傾斜面３９で
全反射するようにθ_２とθ_４を設定する。このとき、θ
_４をθ_１＝θ_４とし、かつ、第３の傾斜面３９の法線と
入射光軸および法線と反射光軸のなす角度であるθ
_３は、反射合成プリズム３１の光学部材の臨界角度θ
_０２、臨界角度θ_０２＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ_１）、以上で
ある。すなわちθ_３＞ｓｉｎ^-1（１／ｎ_１）であり、す
なわちθ_０２＜θ_３、例えばＢＫ７では±４１°近傍以
上、の関係が成立した構成である。但し、これは、本発
明の一実施例であり、透過プリズムと反射合成プリズム
は異なった硝材を使用したり、第１の傾斜面４０と第３
の傾斜面３９は平行でない場合、すなわちθ_１≠θ_４の
構成も考えられる。これにより透過光と反射光の光軸を
透過光軸に略合わせることが可能となる。すなわち、片
方ばかりの光軸角度ズレを透過光軸と反射光軸にて互い
に分担して、光軸角度ズレの絶対値を低減させ効率を向
上させるものである。

【００６５】もちろん、透過プリズム３２の第１の傾斜
面４０には反射防止膜、ＡＲコートが施されている。こ
れにより、光の角度保存されたまま、光束幅を上下ある
いは左右方向に圧縮できるので、圧縮によるレンズ収差
の問題や、角度の広がりを防止できるので、効率の良い
光束圧縮が可能となる。

【００６６】また、光束圧縮手段の反射手段をプリズム
構成とし、このプリズム硝材を透過プリズムの硝材と異
なる屈折率の硝材とした構成も考えられる。これは、照
明系ゆえに可能な手法であり、例えば、反射手段３１の
硝材の屈折率をｎ_１にし、透過プリズム３２の硝材の屈
折率をｎ_２とすると、ｎ_１＞ｎ_２にすると、第二の傾斜
面３９にて全反射した光の光軸は、最終的に透過光の光
軸とほとんど一致させることが可能である。この場合、
ｎ_１およびｎ_２の屈折率の選択が重要であるが、一般的
に透過プリズム３２と反射プリズム３１の硝材の屈折率
を変えると、透過光の光軸が微少に屈折するので、実際
は、照明系全体の光利用効率の最も高い、硝材の組合せ
を考える必要がある。一例としては、透過プリズム３２
はｎ_２＝１．５１６８の硝材、反射プリズム３１はｎ_１
＝１．５６８８３を用いて、θ_１＝３８°、θ_２＝３
９．５°の場合が考えられる。

【００６７】これにより、光の角度保存されたまま、光
束幅を上下あるいは左右方向に圧縮できるので、圧縮に
よるレンズ収差の問題や、角度の広がりを防止できるの
で、効率の良い光束圧縮が可能となる。

【００６８】図４は本発明による第１番目の光束圧縮手
段の一実施形態を示す図である。

【００６９】図（ａ）は、本発明の光源ユニット１、５
を複数個並べて、配列し、この出射光束を圧縮する構成
を示している。図（ａ）の場合は、一列上に光源ユニッ
ト１、５が配列されており、一方向、この場合図面に対
して上下方向、すなわち光源ユニット１，５の並んでい
る方向の光束を圧縮している図を示している。

【００７０】これにより、光束の角度が保存されたま
ま、光源の光束を圧縮でき、光学照明系の大きさを小型
化することができ、なおかつ光源ユニットを2個以上用
いることができるので、明るさも向上する。

【００７１】図（ｂ）および図（ｃ）は、本発明を2個
以上利用し、照明系の光束幅を上下左右ともに圧縮する
構成の一例を示している。この場合は、光源ユニット
１、５の後に光束圧縮手段２６をそれぞれの透過光軸に
対しての直交面内で圧縮方向が直交するように、すなわ
ち、上下圧縮と左右圧縮とを順次おこなえるように、複
数の光束圧縮手段２６を配置している構成である。

【００７２】これにより、光源ユニット１、５が、複数
個配列されていても、図（ｂ）は2個並列にされ、図
（ｃ）は４個配列した光源を示しているが、光源の並び
方に対応し、どの方向にも圧縮可能で、照明系の最終的
な光束径を圧縮できる。したがって、光学系の小型化と
明るさ性能を両立した映像表示装置を提供できる。

【００７３】

【発明の効果】本発明により、光の角度保存されたま
ま、光束幅を上下あるいは左右方向に圧縮できるので、
圧縮によるレンズ収差の問題や、角度の広がりを防止で
きるので、効率の良い光束圧縮が可能となる。したがっ
て、光学系の小型化と明るさ性能を両立した映像表示装
置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１番目の実施形態としての投射型液
晶表示装置の構成図である。

【図２】本発明の第１番目の実施形態を示す図である。

【図３】本発明の第１番目の実施形態を示す図である。

【図４】本発明の第２番目の実施形態を示す図である。

【符号の説明】

１…光源、２Ｇ，２Ｒ，２Ｂ…反射型映像表示素子、５…リフレクタ、６…第一のアレイレンズ、７…第二のアレイレンズ、８…偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）、１０…コンデンサレンズ、１１…反射ミラー、１３…ダイクロイックミラー、１４…入射偏光板、１６…Ｇ専用ＰＢＳ、Ｒ−Ｂ専用ＰＢＳ、１７…特定波長選択偏光変換素子、２０…投射レンズ、２２…光学部材、２３…プリズム硝材、２５…誘電体多層膜、２６…光束圧縮手段、３１…反射合成手段、３２…透過プリズム手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者今長谷太郎神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所デジタルメディア開発本部内 (72)発明者三好智浩神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所デジタルメディア開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源ユニットからの一部範囲の出射光Ａ
を、透過光軸に沿い透過させ、かつ透過光軸の直交面に
対しθ_１の傾きの第１の傾斜面を有する透過プリズム手
段と、前記光源ユニットからの残りの範囲の出射光Ｂを、例え
ばミラーあるいは全反射プリズム等の入射光の光軸の直
交面に対しθ_２の傾きを持つ第２の傾斜面、により光軸
を出射光Ａの光軸側に折り曲げ、かつ反射した前記出射
光Ｂを、前記第１の傾斜面と略々平行にエアーギャップ
を介して設けられ、かつ前記出射光Ａを透過させ、かつ
前記透過プリズム手段の透過光軸の直交面となす角度が
θ_４である第３の傾斜面にて、該第３の傾斜面の法線に
対し角度θ_３にて出射光Ｂを入射および反射させ、出射
光Ａと略々同等の光軸方向に出射光Ｂの光軸を再び揃え
る反射合成手段と、を備え、照明系の光軸に対し直交する所定方向に光を圧
縮するようにしたことを特徴とする光束圧縮手段。
【請求項２】請求項１に記載の光束圧縮手段において、前記光束圧縮手段の透過プリズム手段の第１の傾斜面の
傾きである透過光軸の直交面となす角度θ_１を、前記透
過プリズムの光学部材の臨界角度θ_０１に対し、θ_１＜
θ_０１とした構成である光束圧縮手段。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の光束圧縮
手段において、前記第３の傾斜面と、前記透過プリズムの透過光軸の直
交面とのなす角度であるθ_４を、θ_１＝θ_４とし、かつ、前記第３の傾斜面の法線と入射光軸および法線と
反射光軸のなす角度であるθ_３を、前記反射合成手段の
光学部材の臨界角度θ_０２に対し、θ_３＞θ_０２とした
構成である光束圧縮手段。
【請求項４】請求項１、２または３に記載の光束圧縮手
段において、前記反射合成手段の第２の傾斜面の傾きθ_２は、前記反射合成手段に入射する前記出射光Ｂの光軸の直交
面となす角度であり、かつ、θ_２＝（θ_１＋θ_３）／２
である光束圧縮手段。
【請求項５】請求項４の光束圧縮手段において、 θ_３＝±４１°の場合、θ_２が略±４１．５°の範囲と
なる光束圧縮手段。
【請求項６】請求項１、２、３、４または５に記載の光
束圧縮手段において、前記光束圧縮手段の反射手段をプリズム構成とし、該プ
リズム硝材を、透過プリズムの硝材と異なる屈折率の硝
材、すなわち臨界角度においてθ_０１≠θ_０２となるよ
うにしたことを特徴とした光束圧縮手段。
【請求項７】少なくとも１つ以上の光源ユニットの出射
光から映像信号に応じた光学像を形成するライトバルブ
手段の反射型映像表示素子と、該反射型映像表示素子の
上に光を照射させる照明光学系と、該反射型映像表示素
子から出射した光を投射する投射手段とを有し構成され
る投射型の光学エンジンにおいて、前記照明光学系が、前記偏光変換素子または前記色分離
合成手段の光軸面に対して垂直方向の上下方向f値と、
それと直交関係にある左右方向ｆ値とが、上下方向のf
値＞左右方向ｆ値の関係を満たすことを特徴とする光
学エンジン。
【請求項８】請求項７に記載の光学エンジンを用いて構
成した映像表示装置。
【請求項９】光源ユニットの出射光から映像信号に応じ
た光学像を形成する反射型映像表示素子と、該反射型映
像表示素子の上に光を照射する照明光学系と、該反射型
映像表示素子から出射した光を投射する投射手段とを有
し構成される光学エンジンにおいて、シリンドリカルレンズの組合せ、偏心レンズの組合せ、
プリズムあるいはミラーの組合せ、またはレンズアレイ
もしくはシリンドレイカルレンズアレイと偏光変換素子
の組合せから成り、照明光学系の光軸面に対し垂直方向
の光束圧縮手段、または該光軸面に対し水平方向の光束
圧縮手段を有して構成されたことを特徴とする光学エン
ジン。
【請求項１０】請求項１、２、３、４、５または６に記
載の光束圧縮手段を用いて構成した光学エンジン。
【請求項１１】請求項９または請求項１０に記載の光学
エンジンを用いて構成した映像表示装置。