JP2003114404A - 光学ユニット及びそれを用いた映像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源側からの光を表示素子に照射して映像形
成する映像表示装置において、部品の耐熱性や明るさを
改善するとともに、小形・軽量化に適した構成とする。 【解決手段】 照明光学系を、光源側からの光の偏光方
向を揃える第１の手段と、微細周期格子型偏光素子で構
成され該偏光方向を揃えた光を反射して光路を曲げ上記
表示素子側に導くとともに入射光の偏光方向を揃えるこ
とが可能な第２の手段と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、光源側からの光を
分離して表示素子に照射し映像形成する投射型映像表示
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の映像表示装置技術におい
て、光の偏光方向を揃える技術としては、例えば染料系
偏光板のように、不要偏光光を吸収するものが用いられ
ている。染料系偏光板は角度特性を持つため、従来は光
軸に対し垂直になるように使用されている。また、反射
型偏光素子としては偏光ビームスプリッタなどがある。
これは、偏光膜面を光軸に対し４５度になるように使用
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来技術
においては、例えば、入射される偏光光に他の方向の偏
光光が混入していた場合（例えば、入射されるＳ偏光光
にＰ偏光光が混入している場合や、逆に、入射されるＰ
偏光光にＳ偏光光が混入している場合など）、該混入し
ている偏光光を吸収してしまう。このため、発熱量が大
きく、強力な冷却が必要であり、また、小形化や軽量化
を図りにくい。また、従来の染料系偏光板では透過損失
が大きく、明るさが低下する。また、偏光ビームスプリ
ッタの様に偏光膜面を４５度に配置する構成では、その
占有体積が大きく、小型、軽量化は困難である。

【０００４】本発明の課題は、（１）耐熱性の改善、
（２）画面の明るさ向上、（３）小形・軽量化に適した
構成、である。

【０００５】本発明の目的は、かかる課題を達成する技
術を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、ガラス基板等の上にＴａ_２Ｏ_３、Ｔｉ
Ｏ_２、ＳｉＯ_２等の蒸着膜や金属を微細周期の格子状
（ワイアグリッド）に形成して成る微細周期格子型偏光
素子を反射手段として用いる。微細周期格子型偏光素子
の原理及び構成例については、１９９８年１月に応用物
理学会、日本光学会から発行された「光学」２７巻１号
（１９９８）第１２頁から第１６頁の「波長より細かな
格子構造による光制御」（菊田他）に説明されている。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につ
き、図面を用いて説明する。

【０００８】図１は本発明の第１の実施の形態を示す。

【０００９】本第１の実施の形態は、電子的色分離手段
で電子的に色分離した光を、微細周期格子型偏光ビーム
スプリッタを用いて１個の反射型表示素子に照射して映
像表示する場合の構成例である。

【００１０】図１において、１は光源ユニット、１６は
該光源ユニット１の光源部、１５は楕円面、放物面また
は非球面の反射面を有するリフレクタ、２は複数の微小
な集光レンズより成り複数の２次光源像を形成する第１
のアレイレンズ、３は複数の微小な集光レンズより成り
該第１のアレイレンズの個々のレンズ像を結像する第２
のアレイレンズ、４は該第２のアレイレンズ側からの光
をＰ偏光光とＳ偏光光とに分離して出射する偏光ビーム
スプリッタ、４ａは該偏光ビームスプリッタ４の出射光
であるＰ偏光光とＳ偏光光のいずれかの偏光方向を回転
するための１／２波長位相差板、７は電子的制御によっ
て入射光を時分割で色分離する電子的色分離手段、５、
６は光を集める集光レンズ、８は光路を折り曲げる為の
反射ミラー、９は微細周期格子型偏光素子、１０は偏光
ビームスプリッタ、１１は偏光方向を調整するλ／４
板、１２は反射型液晶パネル等の反射型表示素子、１３
は特定の偏光のみを透過する偏光板、１４は投射レンズ
ユニットである。上記第１のアレイレンズ２からλ／４
板１１までの光学系は、上記反射型表示素子に対する照
明光学系を構成する。

【００１１】上記構成において、上記光源ユニット１の
光源部１６から出た光は、楕円面または放物面または非
球面のリフレクタ1５にて反射集光され、上記第１のア
レイレンズ２で複数の２次光源像を形成した後、上記第
２のアレイレンズ３で該複数の２次光源像を結像し、該
結像光が、偏光ビームスプリッタ４でＰ偏光光とＳ偏光
光とに分離され、１／２波長位相差板４ａにより、例え
ば該Ｐ偏光光が偏光方向を回転されてＳ偏光光とされ、
偏光ビームスプリッタ４で分離されたＳ偏光光と併せ、
電子的色分離手段７に入射される。該偏光ビームスプリ
ッタ４と該１／２波長位相差板４ａの該組合せは、Ｓ偏
光光を出射する構成のいわゆる偏光変換部を形成してい
る。上記１／２波長位相差板４ａにおいて、上記とは反
対に、上記偏光ビームスプリッタ４で分離されたＳ偏光
光の偏光方向を回転してＰ偏光光とし、偏光変換部とし
てＰ偏光光を出射する構成としてもよい。本第１の実施
の形態においては、電子的色分離手段７では、入射され
たＳ偏光光が、電子的色分離手段７への電圧印加、非印
加により制御され、時分割で赤色光（以下Ｒ光とい
う）、緑色光（以下Ｇ光という）及び青色光（以下Ｂ光
という）に色分離される。時分割色分離されたＲ光のＳ
偏光光、Ｇ光のＳ偏光光及びＢ光のＳ偏光光はそれぞ
れ、集光レンズ５、６で集光され、微細格子型偏光板９
に入射する。該微細格子型偏光板９ではそれぞれのＳ偏
光光中にＰ偏光光が僅かに含まれているときには該Ｐ偏
光光成分を反射して除去し、映像形成用に出射するＳ偏
光光の純度を上げるようにする。

【００１２】微細周期格子型偏光板９からのＲ光、Ｇ光
及びＢ光のＳ偏光光は、電子的色分離手段７を介して偏
光ビームスプリッタ１０に入射される。偏光ビームスプ
リッタ１０では、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光それぞれのＳ偏光
光が反射され、λ／４板１１を介して、反射型液晶パネ
ル等の反射型表示素子１２に照射される。反射型表示素
子１２は、映像信号に基づき駆動回路で駆動され、上記
照射された光を映像信号に対応して変調し、Ｓ偏光光を
Ｐ偏光光の反射光として、再び、λ／４板１１及び偏光
ビームスプリッタ１０に出射する。

【００１３】偏光ビームスプリッタ１０においては、入
射されるＰ偏光光の偏光状態と偏光ビームスプリッタ１
０の透過及び反射の偏光軸との関係により、投射レンズ
１４側へ出射される光量と光源部１６側へ出射される光
量が決まる。このようにして、外部入力映像信号に従っ
た映像を投影する。

【００１４】反射型表示素子１２が黒表示を行う場合、
出射光の偏光状態は入射光のそれと略同じであり、その
まま、入射光路に沿って、光源側に戻される。偏光ビー
ムスプリッタ１０からの出射光は、偏光板１３を介して
投射レンズユニット１４に入射される。偏光ビームスプ
リッタ１０からの出射光は、本実施の形態の場合、Ｒ
光、Ｇ光、Ｂ光のいずれもがＰ偏光光である。偏光板１
３により、偏光ビームスプリッタ１０からのＳ偏光光の
漏れ光をカットし、スクリーン上における映像のコント
ラストを向上させる。投射レンズユニット１４に入射し
たＰ偏光光はスクリーン上等に拡大投射されて映像を映
し出す。

【００１５】かかる第１の実施の形態構成によれば、反
射型表示素子１２および、偏光ビームスプリッタ１０に
より、光源側に出射された光は微細周期格子型偏光板を
透過し、光源に戻るが、微細周期格子型偏光板にて略１
０％の光は反射されてしまう。このとき微細周期格子型
偏光板を略２０度光軸から傾けることで、微細周期格子
型偏光板にて反射された光が、再び反射型表示素子１２
に戻り迷光となることを防ぐことができる。同時に、反
射型表示素子１２および、λ／４板１１、偏光ビームス
プリッタ１０などの光学部品およびその周辺にある構造
部品に不要なエネルギーを与えることを防ぐ事ができ
る。微細周期格子型偏光素子を光軸から傾ける角度は、
１５度以下では反射光による迷光が発生しやすく、画質
の劣化を招いてします。また、該微細周期格子型偏光素
子は角度特性を持つため、３０度以上ではコントラスト
の劣化を招いてしまう。また、占有面積が大きくなり小
型、軽量化が困難になる。さらには、面積が大きくなる
ため部品としての製造コストが増大する可能性も大き
い。

【００１６】本第１の実施の形態の構成により、特に色
分離合成系を主体に装置の耐熱性を改善でき、かつ小形
・軽量化が可能となる。また、電子的色分離手段７を用
い、色の切換え（色分離）を電子的制御で行う構成とし
ているため、色分離の切換え速度を高められ、高密度画
素の画像表示等にも適用できる。さらに、光源ユニット
から投射レンズユニットへの光軸がＵ字状に折り曲がっ
た光路形状としているため、この点からも光学ユニット
や映像表示装置全体の外形サイズを小形化できる。

【００１７】図２は本発明の第２の実施の形態を示す。

【００１８】本第２の実施の形態は、色分離手段により
分離した赤、緑、青の３色の光のうち少なくとも1色の
光の偏光素子として微細周期格子型偏光素子を用いるよ
うにした場合の構成例である。

【００１９】図２において、１は光源ユニット、１６は
該光源ユニット１の光源部、１５は楕円面または放物面
または非球面の反射面を有するリフレクタ、２は複数の
微小な集光レンズより成り複数の２次光源像を形成する
第１のアレイレンズ、３は複数の微小な集光レンズより
成り該第１のアレイレンズの個々のレンズ像を結像する
第２のアレイレンズ、４は該第２のアレイレンズ側から
の光をＰ偏光光とＳ偏光光に分離する偏光ビームスプリ
ッタ、４ａは該偏光ビームスプリッタ４の出射光である
Ｐ偏光光とＳ偏光光のいずれかの偏光方向を回転するた
めの１／２波長位相差板、５a、５b、６a、６bは光を集
束するための集光レンズ、８は光路を任意の方向に反射
させ折り曲げる反射ミラー、９は入射偏光板として用い
る微細周期格子型偏光素子、９ｂは入射偏光板、１０
ａ、１０ｂ、及び１０ｃはＳ偏光光とＰ偏光光を分離す
る偏光ビームスプリッタ、１１は偏光方向を調整するλ
／４板、１７は色分離用のダイクロイックミラー、１８
a、１８bは特定波長帯域の光のみを偏光変換する特定波
長帯域位相差板、１２Ｒ、１２Ｂ、１２Ｇは透過型液晶
パネル等の透過型表示素子、１３は出射偏光板、１４は
拡大投射用の投射レンズユニット、上記第１のアレイレ
ンズ２から上記入射側の集光レンズ６ａ、６ｂまでの光
学系は、上記透過型表示素子１２Ｒ、１２Ｂ、１２Ｇに
対する照明光学系を構成する。

【００２０】かかる構成において、上記光源ユニット１
の光源部１６から出た光は、リフレクタ1５にて反射集
光され、上記第１のアレイレンズ２で複数の２次光源像
を形成した後、上記第２のアレイレンズ３で該複数の２
次光源像を結像し、該結像光が、偏光ビームスプリッタ
４でＰ偏光光とＳ偏光光とに分離され、１／２波長位相
差板４ａにより、該Ｐ偏光光が偏光方向を回転されてＳ
偏光光とされ、偏光ビームスプリッタ４で分離されたＳ
偏光光と併せ、集光レンズ５aに入射される。偏光ビー
ムスプリッタ４と１／２波長位相差板４ａの組合せは、
いわゆるＳ偏光光を出射する構成の偏光変換部を形成す
る。上記１／２波長位相差板４ａにおいて、上記と逆
に、上記偏光ビームスプリッタ４で分離されたＳ偏光光
の偏光方向を回転してＰ偏光光とし、偏光変換部として
はＰ偏光光を出射する構成としてもよい。

【００２１】本第２の実施の形態の場合は、Ｓ偏光光が
集光レンズ５aに入射されるものとする。Ｐ偏光光の反
射の場合には、微細周期格子型反射手段９および、入射
偏光板９bの前にＳ偏光光に変換する１／２波長位相差
板が必要となる。透過で使う場合は、１／２波長位相差
板は必要ない。

【００２２】集光レンズ５aを出射した光は光軸に対し
略４５度に配置された反射ミラー８で略９０度折り曲げ
られ集光レンズ５bに入射する。集光レンズ５bで集光さ
れた光はダイクロイックミラー１７に入射され、ダイク
ロイックミラー１７の作用により、G光は反射され、R光
およびB光は透過する。すなわちG光と、R光＋Ｂ光とに
分離される。

【００２３】透過されたR光およびB光は入射偏光板とし
て作用する微細周期型偏光素子９により、含まれていた
P偏光成分を反射され偏光（S偏光）の純度を高められ、
集光レンズ６aを透過し、特定波長専用位相差板１８aに
入射する。特定波長専用位相差板１８aはB光のみを偏光
変換し、P偏光に変換するため、Ｒ光はＳ偏光のまま、
Ｂ光はＰ偏光として偏光ビームスプリッタ１０aに入射
する。偏光ビームスプリッタ１０aでS偏光であるR光は
反射され、１／４波長板１１Ｒを介し、反射型表示素子
１２Ｒに入射する。また、P偏光光であるB光は偏光ビー
ムスプリッタ１０aを透過し、１／４波長板１１Ｂを介
し、反射型表示素子１２Ｂに入射する。

【００２４】ダイクロイックミラー１７で反射されたG
光は集光レンズ６bを透過し、入射偏光板9ｂにより不要
な偏光光であるP偏光成分を吸収させることにより、S偏
光成分の純度を高め、偏光ビームスプリッタ１０bに入
射する。偏光ビームスプリッタ10ｂは入射したＧ光（Ｓ
偏光）を反射し、１／４波長板１１Ｇを介し、反射型表
示素子１２Ｇへ導く。

【００２５】反射型表示素子１２Ｒ、１２Ｂ、１２Ｇ
は、映像信号に基づき駆動回路で駆動され、上記照射さ
れた光を該映像信号に対応して変調し、Ｓ偏光光をＰ偏
光光の反射光として、逆にP偏光光S偏光光として再び、
λ／４板１１R、１１G、１１B及び偏光ビームスプリッ
タ１０a、１０bに出射する。偏光ビームスプリッタ１０
においては、入射される偏光光の偏光状態と偏光ビーム
スプリッタ１０a、１０bの透過及び反射の偏光軸との関
係により、投射レンズ１４側へ出射される光量と光源部
１６側へ出射される光量が決まる。このようにして、外
部入力映像信号に従った映像を投影する。

【００２６】偏光ビームスプリッタ１０aより投射レン
ズ１４へ出射される光は、Ｒ光はＰ偏光光、Ｂ光はＳ偏
光光であるが、偏光ビームスプリッタ１０a出射側にＲ
光の偏光を変換する特定波長位相差板１８bにより、Ｒ
光はＳ偏光に変換され、Ｂ光もＳ偏光のまま出射され
る。また、本構成においては、Ｇ光はＰ偏光で偏光ビー
ムスプリッタ１０ｂに出射される。Ｒ光、Ｂ光のＳ偏光
とＧ光のＰ偏光は偏光ビームスプリッタ１０ｃで合成さ
れ、反射型表示素子１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂそれぞれの
表示した映像をひとつの像として形成し、コントラスト
を向上させるための出射偏光板１３、および投射レンズ
１４を介しスクリーンに表示される。

【００２７】反射型表示素子１２が黒表示を行う場合、
出射光の偏光状態は入射光のそれと略同じであり、その
まま、入射光路に沿って、光源側に戻される。偏光ビー
ムスプリッタ１０からの出射光は、偏光板１３を介して
投射レンズユニット１４に入射される。

【００２８】かかる第２の実施の形態の構成によれば、
反射型表示素子１２Ｒ、１２Ｂおよび、偏光ビームスプ
リッタ１０aにより、光源側に出射された光は該微細周
期格子型偏光板を透過し、光源に戻るが、微細周期格子
型偏光板にて略１０％の光は反射されてしまう。このと
き該微細周期格子型偏光板を略２０度だけ光軸から傾け
ることで、微細周期格子型偏光板にて反射された光が、
再び反射型表示素子１２に戻り迷光となることを防ぐこ
とができる。また、反射型表示素子１２R、１２Bおよ
び、λ／４板１１、偏光ビームスプリッタ１０aなどの
光学部品およびその周辺にある構造部品に不要なエネル
ギーを与えることを防ぐ事ができる。

【００２９】なお、上記照明光学系の光学要素のうちダ
イクロイックミラー１７、上記ダイクロイックプリズム
１０a, １０b, １０c、及び出射側偏光板１１ａ、１１
ｂ、１１ｃは、投射型映像表示装置の色分離合成系を形
成する。

【００３０】かかる第２の実施の形態構成によれば、
（１）微細周期格子型偏光素子を使用しているため、耐
熱性、耐光性に優れ、冷却構造等を小型・軽量化が出き
る。このため、他の光学素子に冷却用の空気等を容易に
供給でき、これらの冷却がし易くなって、冷却効率を向
上できる。冷却効率向上は、光源からの光の増大を可能
とし、明るさを向上させることができる。また、消費電
力の低減化も可能となる。また、（２）透過特性特性に
も優れているため、明るさ、色度の改善が図られる。
（３）微細周期格子型偏光素子を略２０度に配置するこ
とにより、反射型表示素子からの戻り光を光路上から効
果的に排することができ、迷光、コントラストの劣化等
を防ぎ、画質の向上が図られる。

【００３１】なお、上記図２の構成においては、偏光板
９ｂ、１３の全部または一部に、微細周期格子型偏光素
子を用いてもよい。これら偏光板として微細周期格子型
偏光素子を用いた場合には、偏光板の耐熱性を改善で
き、偏光純度を改善できる。明るさの向上にもつなが
る。

【００３２】なお、上記実施の形態においては、表示素
子を１個または３個用いる構成としたが、本発明はこれ
に限定されない。

【００３３】また、出射偏光板は偏光ビームスプリッタ
１０ｃの出射側としているが、偏光ビームスプリッタ１
０a,および１０bの出射面から投射レンズ１４の間であ
れば本発明はこれに限定されない。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、光の利用率を上げ、明
るい映像面の映像表示装置を提供できる。また、小形化
に適した構成も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による映像表示装置の一実施の形態を示
すブロック図である。

【図２】本発明による映像表示装置の他の実施の形態を
示すブロック図である。

【符号の説明】

１…光源ユニット、 ２…第１のアレイレンズ、 ３…
第２のアレイレンズ、４…偏光ビームスプリッタ、 ４
ａ…１／２波長位相差板、 ５、５a、５b、６、６a、
６b、…集光レンズ、 ７…電子的色分離手段、８…反
射ミラー、９…微細周期格子型偏光素子、９ｂ、１３…
偏光板、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…λ／４板、
１０、１０a、１０b、１０c…偏光ビームスプリッタ、
１２、１２Ｒ、１２Ｂ、１２Ｇ…反射型表示素子また
は透過型表示素子、 １４…投射レンズユニット、１５
…リフレクタ、 １６…光源、 １７…ダイクロイック
ミラー、 １８a、１８b…特定波長位相差板、 ２４…
電源回路、 ２５…信号処理回路、 ２６…冷却用ファ
ン。

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｇ０２Ｂ 27/28 Ｇ０２Ｂ 27/28 Ｚ ２Ｈ０９９ Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ 1/1335 ５１０ 1/1335 ５１０ Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｅ 21/14 21/14 Ａ 33/12 33/12 (72)発明者 大内 敏 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 阿部 福億 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システ ム事業部内 (72)発明者 鋪田 和夫 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システ ム事業部内 (72)発明者 中島 努 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システ ム事業部内 Ｆターム(参考） 2H044 AJ06 2H049 BA05 BA06 BA42 BA45 BB03 BB62 BC22 2H052 BA02 BA03 BA06 BA14 2H088 HA13 HA15 HA16 HA17 HA18 HA20 HA21 HA24 HA25 HA28 MA02 MA06 MA20 2H091 FA05Z FA08X FA08Z FA10Z FA14Z FA26X FA26Z FA29Z FA41Z LA04 LA11 LA16 LA17 2H099 AA12 BA09 CA08 CA17

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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
   像表示素子に光を照射し、該反射型映像表示素子から反
   射された光を出射する照明光学系とを備える映像表示装
   置用の光学ユニットにおいて、 上記照明光学系は、 不要な偏光の光を反射または透過することにより光の偏
   光方向を揃える第1の偏光手段と、 上記反射型映像表示素子の近傍に配置され、入射光を透
   過または反射させることにより、該反射型映像表示素子
   に導くとともに、該反射型映像表示素子からの反射光の
   うち、不要光を排し必要光のみを出射側へ導く第２の偏
   光手段とを有し、 上記第1の偏光手段は、光軸に対し斜めに配置されるこ
   とを特徴とする光学ユニット。
2. 【請求項２】上記第1の偏光手段は、反射型偏光素子に
   より構成されることを特徴とする請求項１に記載の光学
   ユニット。
3. 【請求項３】上記第1の偏光手段は、微細周期格子型偏
   光素子により構成されることを特徴とする請求項１に記
   載の光学ユニット。
4. 【請求項４】上記第1の偏光手段は、光軸に対し、１５
   度〜３０度の角度範囲で傾いて配置されることを特徴と
   する請求項１乃至請求項３の何れかに記載の光学ユニッ
   ト。
5. 【請求項５】請求項１乃至請求項５の何れかに記載の光
   学ユニットと、該光学ユニット内の反射型映像表示素子
   を映像信号に基づき駆動する駆動回路と、電源回路とを
   備えて構成されることを特徴とする映像表示装置。