JP2004061569A

JP2004061569A - 投射型液晶表示装置

Info

Publication number: JP2004061569A
Application number: JP2002216010A
Authority: JP
Inventors: Taro Imahase; 今長谷　太郎; Satoshi Ouchi; 大内　敏; Satoru Oishi; 大石　哲; Tomohiro Miyoshi; 三好　智浩
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-25
Also published as: JP3918671B2

Abstract

【課題】従来の投射型液晶表示装置は、高さ方向に自由度があるリアプロジェクタに対する構成に関しては考慮されていなかった。本発明は、高さ方向の自由度を考慮し、リアプロジェクタに適した光学系の構成とその光学系の低コスト化を目的とする。
【解決手段】パネルを色分離合成系に使用するＰＢＳを横置きから縦置きに変えることによって、ＰＢＳ等の光学部品を体積換算で小さくできて低コスト化が図れ、かつ幅方向よりも高さ方向に自由度があるリアプロジェクタを提供できる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過型液晶パネルあるいは反射型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、フロントプロジェクタやリアプロジェクタ等の投射型液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からの投射型液晶表示装置は、特開２００１−１５４２６８に代表されるように、偏光ビームスプリッター（以下ＰＢＳと略記する）やダイクロイックプリズム等のプリズムを使用した光学系で構成されている。
【０００３】
そして、プリズムからの出射面に対して光は、水平方向に進行し色分離合成を行う構成であり、上記光学系において高さ方向に小型化を図る構成となっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の投射型液晶表示装置は、平面方向に比較的に自由度があるフロントプロジェクタに適した光学系が主流で、その光学系はプリズムからの出射面に対してパネルを横置きとし、高さ方向の小型化を図った構成である。しかし、高さ方向に自由度があるリアプロジェクタに対する構成に関しては考慮されていなかった。本発明は、高さ方向の自由度を考慮し、リアプロジェクタに適した光学系の構成とその光学系の低コスト化を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、光を放射する光源ユニットと、前記光源ユニットからの光を映像表示素子に照射させる照明光学系と、映像信号に応じた光学像を形成する前記映像表示素子と、一つ以上の光学素子で構成される色分離及び色合成で構成される色分離合成系と、前記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、前記光学素子において、対向する２面とも光路とは異なる面の一方を底面とし、その辺の長さをＫ１、Ｋ２、前記光学素子の高さをＬとしたとき、Ｌ＞Ｋ１、Ｌ＞Ｋ２を満足し、前記Ｌの方向と前記映像表示素子の開口の長手方向が略同一となるように前記映像表示素子を配置するように構成する。
【０００６】
【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。
【０００７】
図１（ａ）は、本発明における一実施の形態の構成図であり、ライトバルブとして反射型映像表示素子１３ｒを３枚用いた投射型液晶表示装置２２を示している。
【０００８】
投射型液晶表示装置２２には光源を有する光源ユニット１があり、光源は、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。
【０００９】
光源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２にて集光されて反射される。
【００１０】
このリフレクタ２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１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、かつ映像表示素子１３に第１アレイレンズ６の個々のレンズ像を結像させる第２アレイレンズ７を透過する。この出射光は第２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により構成される偏光変換素子３へ入射する。
【００１１】
図２に本実施の形態に用いる偏光変換素子３における光路を示す。
【００１２】
このプリズム面には偏光分離膜３ａが施されており、入射光は、この偏光分離膜３ａにてＰ偏光光とＳ偏光光に分離される。Ｐ偏光光は、そのまま偏光分離膜３ａを透過して、出射される。一方、Ｓ偏光光は、偏光分離膜３ａ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、このプリズムの出射面に設けられたλ／２位相差板３ｂにより、偏光方向が９０°回転され、Ｐ偏光光に変換され出射される。即ち、偏光変換素子３からはＰ偏光の光が出射される。
【００１３】
本実施の形態では、後述するＰＢＳの配置構成により、偏光変換素子３の偏光分離膜３ａの面の法線と色分離合成系にて使用するＰＢＳ１９ｒやＰＢＳ１９ｇｂの偏光分離膜の面の法線は直交する。これは、偏光変換素子３の膜面基準にみてＰ偏光で出射した光が、ＰＢＳ１９ｒやＰＢＳ１９ｇｂの膜面基準ではＳ偏光であることを示す。後述のプリズム構成の色分離合成系には、Ｓ偏光光で入射させるので、ここでは、Ｐ偏光光で出射した。
【００１４】
コリメータレンズ８は、正の屈折力を有し、光を集光させる作用を持ち、光は、反射ミラー１７で光路を略９０度曲げられ、コンデンサレンズ９を透過して、各色ＲＧＢ３枚の反射型映像表示素子１３ｒｒ、１３ｒｇ、１３ｒｂを照射する。
【００１５】
ここで、反射ミラー１７はＰ偏光光での反射率が良好になるように設計されている。また、６７０ｎｍ以上の光をカットするＩＲカットミラーとしてもよい
あるいは、反射ミラー１７にＳ偏光光で反射率の良いものを使用して、偏光変換素子３の透過光路の方にλ／２位相差板３ｂを貼り付け、Ｓ偏光光で出射し、反射ミラー１７で反射して光軸を折り曲げ後、色分離合成系に入射する前の光路上にλ／２位相差板を配置してＰ偏光光に変換してもよい。以上の記述における偏光の位相の基準は、偏光変換素子３の偏光分離膜面である。
【００１６】
以下の記述における偏光の位相の基準は色分離合成系に使用するＰＢＳ１９の偏光分離膜面とする。
【００１７】
まず色分離ミラー１８ａあるいは図示していないが、色分離プリズムにより、ＧＢ光とＲ光とに２分割される。Ｒ光はそのまま透過し、ＧＢ光は光路を略９０度、垂直に曲げられ、各々、各波長域専用にコントラストが良くなるように膜を設計した偏光ビームスプリッター（以下ＰＢＳと略記）であるＰＢＳ１９ｇｂ、１９ｒに向かう。
【００１８】
後述する縦置きを可能にするには、アレイレンズ６のセルと色分離合成系に用いる各素子の膜面の幾何的な配置の間にある特定の関係があり、それを以下に説明する。図１（ｂ）に示すように、第１アレイレンズ６のレンズセルは略矩形の外形形状を有し、その外形形状の短い幅の方向をｙ軸とし、色分離ミラー１８ａが色分離を行う面により、透過する方向と反射する方向に分けられ、その何れかの方向がｙ軸の方向である。映像を上下左右の関係を維持して、投射するには、投射レンズ１２とそれに正対する映像表示素子、本実施の形態においては、高コントラスト化を図るために、Ｇ用反射型映像表示素子１３ｒｇは、ＰＢＳを２回透過する配置にする必要がある。よって、本実施の形態のようの縦長のＰＢＳを使用するには、縦方向、即ち、ｙ軸の方向ともう一方向に３色の色分離を行い、各反射型映像表示素子１３ｒへと照射する必要がある。そして、投射レンズ１２へと出射するために、ｙ軸の方向ともう一方向から来る光の色合成を行う必要がある。
【００１９】
言葉を変えれば、本実施の形態では、色分離合成系が少なくとも１つの色分離素子と少なくとも１つの色合成素子を有し、前記色分離素子と前記色合成素子がｙ軸の方向に２段で配置されている。
【００２０】
色分離ミラー１８ａを透過したＲ光は、ダイクロフィルタ１６ａに入射する。このダイクロフィルタ１６ａは、赤を透過し、緑及び青を反射する。色分離ミラー１８ａは透過率５０％の波長を略５７５ｎｍに設定してあり、ダイクロフィルタ１６ａは、透過率５０％の波長を略６００ｎｍに設定してある。ダイクロフィルタ１６ａにて、黄色の光をカットし、ホワイトの色バランス及び赤、緑の単色の色純度を良くする。ダイクロフィルタ１６ａは光軸に対して入射角０度に配置してあるので、光軸に対して４５度傾斜して配置している色分離ミラー１８ａに比べて、入射角度による半値ずれがより少なく、この例のように、前記色分離ミラー１８ａの後流側にダイクロフィルタ１６ａを配置することにより黄色成分の漏れこみをカットでき、ホワイトの色バランス及び緑、赤の色純度を良くすることができる。
【００２１】
その後、偏光度を高めるＲ専用入射偏光板１４ｒを透過し、Ｒ専用ＰＢＳ１９ｒに入射、その後Ｓ偏光光なのでその偏光分離膜面にてＲ用反射型映像表示素子１３ｒｒ側へ反射され、これを照射する。
【００２２】
また、色分離ミラー１８ａで反射したＢ光とＧ光は、偏光度を上げるために配置されたＧＢ専用偏光板１４ｇｂに入射する。ＧＢ専用偏光板１４ｇｂは、特定偏光、ここでは、Ｐ偏光をカットするよう設定されている。ＧＢ専用偏光板１４ｇｂを透過して、偏光度を向上された光は、特定波長偏光変換板２０ａに入射する。特定波長偏光変換板２０ａは、特定波長域のみ偏光方向を変換する。ここでは、Ｇ光はＳ偏光光のまま出射され、Ｂ光はＳ偏光光からＰ偏光光に変換して、出射される。Ｐ偏光光であるＢ光は、ＧＢ専用ＰＢＳ１９ｇｂの偏光分離膜面を透過してＢ用反射型映像表示素子１３ｒｂを照射する。
【００２３】
一方、Ｓ偏光光であるＧ光はＧＢ専用ＰＢＳ１９ｇｂの偏光分離膜面にて反射した後、Ｇ用反射型映像表示素子１３ｒｇを照射する。
【００２４】
もちろん、上記例はひとつの具体例であり、実施の形態はこれに限定するものではなく、Ｇ光が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Ｓ偏光であり、ＲＧＢの一つの色がＰ偏光光に変換され、残りの二色がＳ偏光光となる場合も構成としては成り立つ。
【００２５】
その後、各色専用の反射型映像表示素子１３ｒで偏光を変換され、光は再び各色専用ＰＢＳ１９ｒ、ＰＢＳ１９ｇｂに入射し、Ｓ偏光光は反射され、Ｐ偏光光は透過する。
【００２６】
反射型映像表示素子１３ｒは、表示する画素に対応する（例えば横１３６５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、表示素子１３ｒの各画素の偏光角度が変わり、偏光方向の一致した光がＧ光とＢ光はＰＢＳ１９ｇｂにて、Ｒ光はＰＢＳ１９ｒにて検光される。この途中の角度の偏光を持った光は、ＰＢＳ１９ｇｂ及び１９ｒの偏光度との関係で、ＰＢＳにて検光される量が決まる。このようにして、外部より入力する信号に従った映像を表示する。この時、反射型映像表示素子１３ｒが黒表示を行う場合に、偏光方向は入射光と略同等であり、そのまま入射光路に沿って光源側に戻される。ここで、投射レンズ１２と対向するＧ用反射型映像表示素子１３ｒｇが矩形の有効領域を有し、この矩形の短辺側の方向をｙ軸の方向とするとき、Ｇ用反射型映像表示素子１３ｒｇから見て、Ｒ用反射型映像表示素子１３ｒｒはＰＢＳ１９ｇｂにてｙ軸の方向に折り曲げられた光路の先に配置され、Ｂ用反射型映像表示素子１３ｒｂはＰＢＳ１９ｇｂとＰＢＳ１９ｒにてｙ軸の方向に折り曲げられた光路の先に配置されている。
【００２７】
各色の反射型映像表示素子１３ｒｒ、１３ｒｇ、１３ｒｂの直前に配置した１／４波長位相差板２３ｒ、２３ｇ、２３ｂを回転調整して、コントラストを向上させることができる。
【００２８】
１／４波長位相差板２３は、高温化での膨張の際に、均等に膨張した方が、膨張に起因するむらが発生しなくてすむ。均等に膨張するには、円形の外形形状が望ましいが、１／４波長位相差板に多少の切り欠きがあっても性能上問題無いことが確認できたので、図３、４に示すように映像表示素子が近接する側の１／４波長位相差板に、相互に接触することがないように切り欠きを設けて短くした。他は円形の形状とすることにより、むらの発生を最小限に抑制しつつ、お互いの部品が干渉することなく、配置可能な構成にしてある。図３に、切り欠きを設けた１／４波長位相差板２３、図４にそれを配置した近傍の光学系を示す。ここでは、Ｂ用の１／４波長位相差板２３ｂとＧ用の１／４波長位相差板２３ｇが互いに接触しないように切り欠きを設けている。その後、特定波長域のみ偏光方向を変換する特定波長偏光変換板２０ｂに入射する。特定波長偏光変換板２０ｂに入射する光は、Ｇ光がＰ偏光光、Ｂ光がＳ偏光光であり、ここでは、Ｂ光のみ偏光変換し、Ｇ光とＢ光は共にＰ偏光光として、ＰＢＳ１９ｗに入射する。
【００２９】
図５（ａ）に本発明に用いるＰＢＳ１９を示すが、ＰＢＳ１９の底面１９ｘ側の長さをＫ１、Ｋ２、高さをＬとしたとき、本発明ではＬ＞Ｋ１、Ｌ＞Ｋ２としている。
【００３０】
従来構成では、映像表示素子１３はＰＢＳ１９の高さ方向と映像表示素子１３の開口の短い方向が同じ方向になる、即ち、ＰＢＳ１９に対して、映像表示素子を横置き（以下、横置きと略記する）にしていた。しかし、本発明では、ＰＢＳ１９の高さ方向と映像表示素子１３の開口の長手方向が同じ方向になる、即ち、ＰＢＳに対して映像表示素子１３を縦置き（以下、縦置きと略記する）にしてある。ここでは、映像表示素子１３に開口がアスペクト比１６：９のものを用いている。映像表示素子１３は開口そのものが４：３でも、その一部分を画像表示に使用し、その使用域のアスペクト比が１６：９でも、上記ＰＢＳとの配置構成は同様に適用できる。特にＰＢＳを３個用いる本構成では低コストの効果が高い。
【００３１】
ここで、その直前に配置されるＰＢＳ１９の外形が概略、映像表示素子１３の開口の比になるとすると、横置きでは体積は１６＊１６＊９となり２３０４、縦置きでは体積は９＊９＊１６となり１２９６と横置きの半分となる。ここで、ＰＢＳ１９の材料費は、その体積にほぼ比例するため、縦置きにすることにより、ＰＢＳ１９のコストを低減できることが分かる。また、硝材の密度は略一定であるので、体積比で重量も減らせるので、投射型液晶表示装置のコスト及び重量も低減できる。
【００３２】
ＰＢＳやクロスプリズムは、その構成上２辺は等しく作成する必要があるため、上記のように、縦置きにすると低コスト化可能である。
【００３３】
Ｒ専用ＰＢＳ１９ｒを透過したＲ光は、１／２波長位相差板５にてＳ偏光に変換された後、ＰＢＳ１９ｗに入射する。ＰＢＳ１９ｗにて、Ｒ光とＧＢ光は、再び色合成される。この際、アレイレンズ基準の軸規定に従えば、ＰＢＳ１９ｗの偏光分離膜面１９ｗａで色合成し、この面の法線はｙｚ平面内にあり、ＢＧ光は略ｚ軸方向へ曲げられる。
【００３４】
光は、例えばズームレンズであるような投射レンズ１２を透過し、スクリーンに到達する。前記投射レンズ１２により、反射型映像表示素子１３ｒｒ、１３ｒｇ、１３ｒｂ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。
【００３５】
この時、必要に応じて、ＰＢＳ１９ｗの出射側に特定波長域の偏光方向を変換させる特定波長偏光変換板２０を挿入し、赤色、緑色、青色全ての光の偏光方向を揃えるよう特定波長偏光変換板２０の偏光変換させる波長域を設定することにより、出射偏光板および偏光スクリーンの使用が可能となる。
【００３６】
また、見方を変えて、色分離合成系に用いる各素子の膜面の幾何的な配置を投射レンズ１２基準の軸で考えると、投射レンズ１２の光軸方向をｚ軸、前記投射レンズ１２により投影される画像の短い方向をｙ軸、前記画像の長い方向をｘ軸とすると、前記色分離ミラー１８ａの色分離を行う面の法線がｙｚ平面内にある。
【００３７】
また、前記最後に色合成を行うＰＢＳ１９ｗの偏光分離膜面１９ｗａで色合成をし、この面の法線はｙｚ平面内にある。
【００３８】
映像表示素子１３及び偏光板１４及び１／４波長位相差板２３は、高温化では、性能の劣化、あるいは、損傷を受けることがあるので、例えば、７０度以下に冷却する必要がある。本発明では、色分離合成系は上述のように、ｙ軸の方向を含む面内で色分離合成を行い、よって、各映像表示素子１３もｙ軸の方向を含む面内に展開配置される。よって、図６に示すように、冷却ファン４ｂの回転面も、色分離合成系の光路に略平行に配置することによって、効率良く冷却できる。冷却ファン４ｂの回転中心は、各映像表示素子から、略均一の距離になるように設けられている。そして、図７に示すように前記冷却ファン用の吸気、もしくは、排気用の通気穴１０が冷却ファン４ｂの回転面と略平行に設けてある。投射型液晶表示装置２２基準でみれば、横から冷却することになる。この際、冷却用の吸気用、あるいは、排気用の通気穴１０は、投射型液晶表示装置２２の側面に配置してある。従来の投射型液晶表示装置２２では、通気穴１０は装置の底面側に設けられていたため、空気の流路がプロジェクタを配置する机や土台にさえぎられてしまうので、冷却効率が悪い。それに対して、本実施の形態では、通気穴１０が装置の横側にあるために、開放されているので、冷却効率が良く、その分、冷却ファンの回転数を落とすことができ、ファンの風切り音を低減し、より静かな装置を提供できる。
【００３９】
あるいは、図８に示すように、冷却ファン４ｂを色分離合成系と光源ユニットの中間に配置することにより、反射型映像表示素子１３ｒだけでなく、光源ユニット１も冷却する構成にすることも可能である。本構成により冷却ファンを１個減らすことができるので、低コスト化及び小型化が可能である。また、装置の両側の側面に通気穴１０を開けることにより、冷却効率が良く、その分、冷却ファンの回転数を落とすことができ、ファンの風切り音を低減し、より静かな装置を提供できる。風は片方の通気穴１０から吸気され、太線で記入した矢印の向きに進んで、まず、映像表示素子１３を冷却し、次に光源ユニット１を冷却して、他方の通気穴１０へ排出される。
【００４０】
また、図９に示すように、反射型映像表示素子１３ｒを駆動する駆動回路基板２６も、色分離合成系の光軸の光路に対して、略平行になるように配置されている。本実施の形態では、色分離合成系を挟んで、冷却ファン４ｂと駆動回路基板２６が略平行に配置されている。駆動回路基板２６には、冷却効率を増すために、風が通ることのできる穴が開けてある。この配置により、従来のように光学エンジンを組み込んだ光学ケースと外側ケースの間に駆動回路基板が配置されないので、例えば、外側ケースが多少陥没するような衝撃を受けても、駆動回路基板が破損されることはないので、装置が衝撃に強くなる。
【００４１】
図１０（ａ）に光学系とその保持部４１の斜視図、図１０（ｂ）に、その側面図を示す。ＧＢ専用ＰＢＳ１９ｇｂ、Ｒ専用ＰＢＳ１９ｒ、ＰＢＳ１９ｗが固定される保持部４１は、色分離合成系の光軸の分離合成光路に略平行に設けられている。投射レンズ１２の基準ピンを、保持部４１に設けられた基準ピン用の穴に差し込むことによって固定することにより、色分離合成系と投射レンズ１２を、互いに、精度良く配置できる。
【００４２】
ＰＢＳ１９が、保持部４１とそれにＧＢ専用ＰＢＳ１９ｇｂ、Ｒ専用ＰＢＳ１９ｒ、ＰＢＳ１９ｗは自重のかかる底面側を基準面として、保持部４１にて保持される。これにより、より強固に部品を保持できる。対向した位置に設けられた第２の保持部（図示せず）により両持ちで支持されている。
【００４３】
図１１に示すように、スクリーンに投影する画像を台形歪を発生させることなく、上下に移動可能とするために、前記投射レンズ１２が上下に移動可能な機構がもうけてあり、移動する際の基準となるガイド４１ｂが、保持部４１に設けられている。これにより、精度よく投射レンズ１２を上下させることができる。
【００４４】
図１２に示すように、本構成では、投射レンズ１２の入射側の下側にＲ光路が配置される。よって、ＰＢＳ１９ｒやＲ光路からの漏れ光が投射レンズに漏れ込むと、スクリーン上のコントラストを劣化させる。それを防ぐために、本構成では、漏れ光を遮蔽する出射側遮光板４３が設けられている。また、色分離ミラーの入射側に、本来の光路への漏れ光を防ぎ、コントラストを向上させる開口を有した入射側遮光板４４が設けられている。また、３つの支持足４５があり、これの形成する平面の法線の方向をｙ軸とし、光路は、色分離ミラー１８ａの色分離を行う面により、透過する方向と反射する方向に分けられ、その何れかの方向がｙ軸の方向である。または、３つの支持足４５があり、これの形成する平面に略直交する直交平面があり、色分離ミラー１８ａが色分離を行う面を有し、この面の法線が前記直交平面内にあり、前記最後に色合成を行うＰＢＳ１９ｗが色合成を行う面を有し、この前記面の法線が前記直交平面内となっている。
【００４５】
図１３に本発明の他の実施の形態を示す。光源ユニット１及び第１アレイレンズ６、第２アレイレンズ７、偏光変換素子３の光軸を、コリメータレンズ８、コンデンサレンズ９の光軸から投射レンズ１２の方へシフトさせている。映像表示素子への照度の分布は、ほぼ、コリメータレンズ８、コンデンサレンズ９の光軸の位置により決まる。即ち、反射面を介して、反射型映像表示素子１３の光軸とコリメータレンズ８、コンデンサレンズ９の光軸があっていれば、光源ユニット１等をずらしても、反射型映像表示素子１３の光軸を中央とした照度分布を形成することができる。これにより、上下方向の高さを短くして、より小型化した投射型液晶表示装置２２を提供することができる。
【００４６】
図１４に本発明の色分離合成系を適用した投射型液晶表示装置２２を示す。投射レンズ１２から出射された光は反射ミラー１７にて反射され、背面からスクリーン５１へと映像が投射される。本実施の形態の特徴としては、前記のアレイレンズ基準で見てｙ軸の方向に色分離を行い、このｙ軸の方向に２段以上で色分離及び合成素子を配置し、投射レンズの光軸１２をｙ軸の方向へ向ける構成とすることにより、装置の幅方向へは、ＰＢＳ等の色分離及び合成に用いる素子は１段のみなので薄型化できる。照明系の光路で折り曲げない、あるいは、ｙ軸の方向にのみ折り曲げる構成とすることにより、さらに、投射型液晶表示装置２２を薄型化できる。
【００４７】
図１５は本発明による光学装置を用いた投射型液晶表示装置２２の他の実施の形態を示す光学系構成図である。光源１ａからコンデンサレンズ９までの構成及び各部品の作用は、図１の実施の形態と同じである。
【００４８】
コンデンサレンズ９を透過した光は、反射ミラー１７で略９０度光軸を曲げられ、各色ＲＧＢ３枚の反射型映像表示素子１３ｒｒ、１３ｒｇ、１３ｒｂを照射するために、まず色分離ミラー１８ｂあるいは図示していないが、色分離プリズムにより、ＧＲ光とＢ光とに２分割され、各波長域専用にコントラストが良くなるように膜を設計した偏光ビームスプリッターであるＰＢＳ１９ｒｇ、１９ｗに向う入射する。
【００４９】
後述する縦置きを可能にするには、アレイレンズ６のセルと色分離合成系に用いる各素子の膜面の幾何的な配置の間にある特定の関係があり、それを以下に説明する。第１アレイレンズ６のレンズセルは略矩形の外形形状を有し、その外形形状の短い幅の方向をｙ軸とし、色分離ミラー１８ｂが色分離を行う面により、透過する方向と反射する方向に分けられ、その何れかの方向がｙ軸の方向である。映像を上下左右の関係を維持して、投射するには、投射レンズ１２とそれに正対する映像表示素子、本実施の形態においては、高コントラスト化を図るために、Ｇ用反射型映像表示素子１３ｒｇは、ＰＢＳを２回透過する配置にする必要がある。よって、本実施の形態のように縦長のＰＢＳを使用するには、縦方向、即ち、ｙ軸の方向ともう一方向に３色の色分離を行い、各反射型映像表示素子１３ｒへと照射する必要がある。そして、投射レンズ１２へと出射するために、ｙ軸の方向ともう一方向から来る光の色合成を行う必要がある。
【００５０】
言い変えれば、本実施の形態では、色分離合成系が少なくとも１つの色分離素子と少なくとも１つの色合成素子を有し、前記色分離素子と前記色合成素子がｙ軸の方向に２段で配置されている。
【００５１】
Ｂ光は、色分離ミラー１８ｂを透過後、光路差調整用に設けられた三角プリズム１５に入射して反射面にて反射した後、出射され、ダイクロフィルタ１６ｂに入射する。上記三角プリズム１５は、その必要な光路長により、それに適した屈折率を持つ硝材を用いる。このダイクロフィルタ１６ｂは、青を透過し、緑及び赤を反射するタイプである。前記色分離ミラー１８ｂは透過率５０％の波長を略５００ｎｍに設定してあり、前記ダイクロフィルタ１６ｂは、透過率５０％の波長を略４８０ｎｍ付近に設定してあり、ダイクロフィルタ１６ｂにて、シアンの光をカットし、ホワイトの色バランス及び緑、青の単色純度を良くする。ダイクロフィルタ１６ｂは光軸に対して入射角０度に配置してあるので、光軸に対して４５度傾斜して置いている色分離ミラー１８ｂに比べて、入射角度による半値ずれがより少なく、この例のように、前記色分離ミラー１８ｂの後流側にダイクロフィルタ１６ｂを配置することにより、ホワイトの色バランス及び赤の色純度を良くする。
【００５２】
その後、１／２波長位相差板５を透過して、Ｐ偏光に変換されて、偏光度を高めるＢ専用入射偏光板１４ｂを透過し、ＰＢＳ１９ｗに入射、その後Ｐ偏光光なのでＢ用反射型映像表示素子１３ｒｂ側へ透過し、これを照射する。また、色分離ミラー１８ｂで反射したＲ光とＧ光は、偏光度を上げるために配置されたＲＧ専用偏光板１４ｒｇに入射する。ＲＧ専用偏光板１４ｒｇは、特定偏光、ここでは、Ｐ偏光をカットするよう設定されている。ＲＧ専用偏光板１４ｒｇを透過して、偏光度を向上された光は、特定波長偏光変換板２０ｃに入射する。
【００５３】
特定波長偏光変換板２０ｃは、特定波長域のみ偏光方向を変換する。ここでは、Ｇ光はＳ偏光光のまま出射され、Ｒ光はＳ偏光光からＰ偏光光に変換して、出射される。Ｐ偏光光であるＲ光は、ＲＧ専用ＰＢＳ１９ｒｇの偏光分離膜面を透過してＲ専用反射型映像表示素子１３ｒｒを照射する。一方、Ｓ偏光光であるＧ光は、ＲＧ専用ＰＢＳ１９ｒｇの偏光分離膜面にて反射された後、Ｇ用反射型映像表示素子１３ｒｇを照射する。
【００５４】
その後、各色専用の反射型映像表示素子１３ｒで偏光を変換され、光は再び各色専用ＰＢＳ１９ｒｇ、ＰＢＳ１９ｗに入射し、Ｓ偏光光は反射され、Ｐ偏光光は透過する。
【００５５】
反射型映像表示素子１３ｒは、表示する画素に対応する（例えば横１３６５が祖縦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、表示素子１３ｒの各画素の偏光角度が変わり、偏光方向の一致した光がＧ光とＲ光はＰＢＳ１９ｒｇにて、Ｂ光はＰＢＳ１９ｗにて検光される。この途中の角度の偏光を持った光は、ＰＢＳ１９ｒｇ及び１９ｗの偏光度との関係で、ＰＢＳにて検光される量が決まる。このようにして、外部より入力する信号に従った映像を表示する。この時、反射型映像表示素子１３ｒが黒表示を行う場合に、偏光方向は入射光と略同等であり、そのまま入射光路に沿って光源側に戻される。
【００５６】
各色の反射型映像表示素子１３ｒｒ、１３ｒｇ、１３ｒｂの直前に配置した１／４波長位相差板２３ｒ、２３ｇ、２３ｂを回転調整して、コントラストを向上させることができる。
【００５７】
その後、特定波長域のみ偏光方向を変換する特定波長偏光変換板２０ｄにより、Ｒ光あるいはＧ光のどちらかの偏光をＳ偏光光からＰ偏光光に変換する。特定波長偏光変換板２０ｄに入射する光は、Ｇ光がＰ偏光光、Ｒ光がＳ偏光光であり、ここでは、Ｇ光のみ偏光変換し、Ｒ光はＰ偏光光として、ＰＢＳ１９ｗに入射する。
【００５８】
ＰＢＳ１９ｗにて、Ｒ光とＧＢ光は、再び色合成される。この際、アレイレンズ基準の軸規定に従えば、ＰＢＳ１９ｗの偏光分離膜面１９ｗａで色合成し、この面の法線はｙｚ平面内にあり、ＢＧ光は略ｚ軸方向へ曲げられる。ＰＢＳの出射側に特定波長域の偏光方向を変換させる光学素子２０ｉを挿入し、青色のみ偏光を９０度変換し、全ての光の偏光方向を揃える。その後にＢ用偏光板１４ｂを配置し、偏光度を上げる。
【００５９】
図５（ａ）に本発明に用いるＰＢＳ１９を示すが、ＰＢＳの底面１９ｘ側の長さをＫ１、Ｋ２とし、高さをＬとした時、本発明ではＬ＞Ｋ１、Ｌ＞Ｋ２としている。本構成による低コスト化の効果は上記での説明と同じである。
【００６０】
光は、例えばズームレンズであるような投射レンズ１２を透過し、スクリーンに到達する。前記投射レンズ１２により、反射型映像表示素子１３ｒｒ、１３ｒｇ、１３ｒｂ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。
【００６１】
図１６は本発明による光学装置を用いた投射型液晶表示装置２２の他の実施の形態を示す光学系構成図である。透過型映像表示素子１３ｔを用いている。光源１ａからコリメータレンズ８までの構成及び各部品の作用は、図１の実施の形態と同じである。コリメータレンズ８を透過した光は、Ｒ光を透過、Ｂ光及びＧ光を反射する色分離ミラー１８ｃに入射する。色分離ミラー１８ｃを透過したＲ光は、反射ミラー１７で反射して、光路を略９０度変更され、コンデンサレンズ９に入射し、Ｒ用透過型映像表示素子１３ｔｒに集光される。色分離ミラー１８ｃを反射したＧ光とＢ光は、Ｇ光を反射、Ｂ光を透過する色分離ミラー１８ｄに入射する。色分離ミラー１８ｄで反射されたＧ光は、コンデンサレンズ９に入射して、Ｇ用透過型映像表示素子１３ｔｇに集光される。色分離ミラー１８ｄを透過したＢ光は、リレーレンズ２４ａ、２４ｂ、２４ｃを経由してＢ用透過型映像表示素子１３ｔｂに集光される。本装置は、映像表示素子を挟み込む形で配置された各色用の入射側偏光板１４ｒ、１４ｂ、１４ｇと出射側偏光板１４ｒ’、１４ｂ’、１４ｇ’により、コントラスト性能を確保する。
【００６２】
透過型映像表示素子では、液晶層を駆動するトランジスタを画素毎に設けるが、これが、光路上にあるため、映像表示素子の開口が狭くなるために、この開口で光がカットされ、損失が大きくなる。具体的には、トランジスタの光源側には、光を遮光する遮光部材が設けてあり、これにより遮光する構成である。そこで、透過型映像表示素子は画素毎にマイクロレンズを設け、光を各画素の開口部に集光し、損失を低減する構成となっている。
【００６３】
透過型映像表示素子１３ｔｒ、１３ｔｇ、１３ｔｂを透過した各色光はダイクロイッククロスプリズム１１に入射する。赤光は、赤反射ダイクロイック膜１１ｒにて反射し、青光は青反射ダイクロイック膜１１ｂにて反射して、緑光は赤反射ダイクロイック膜１１ｒ及び青反射ダイクロイック膜１１ｂを透過する。各色光はダイクロイッククロスプリズム１１にて合成して、出射され、投射レンズ１２に入射する。投射レンズ１２により、映像表示素子１３ｔｒ、１３ｔｇ、１３ｔｂ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。
【００６４】
図５（ｂ）に本発明に用いるダイクロイッククロスプリズム１１を示すが、ダイクロイッククロスプリズム１１の底面１１ｘ側の長さをＫ１、Ｋ２、高さをＬとした時、本発明ではＬ＞Ｋ１、Ｌ＞Ｋ２としている。本構成による低コスト化の効果は上記での説明と同じである。
【００６５】
【発明の効果】
リアプロジェクタで、光路が平面に対して垂直になるようにパネルを配置することにより、性能劣化を引き起こすことなく、ＰＢＳの体積を小さくし、それによる低コストを果たした投射型表示装置の提供が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図２】本発明に用いる偏光変換素子の一実施形態を示す図である。
【図３】本発明に用いる１／４波長位相差板の一実施形態を示す図である。
【図４】本発明の１／４波長位相差板を配置した近傍の光学系の一実施形態を示す図である。
【図５】本発明に用いるＰＢＳとダイクロイッククロスプリズムの一実施形態を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図１０】本発明の第６の実施の形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図１１】本発明の第７の実施の形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図１２】本発明の第８の実施の形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図１３】本発明の第９の実施の形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図１４】本発明の第１０の実施の形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図１５】本発明の第１１の実施の形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図１６】本発明の第１２の実施の形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【符号の説明】
１…光源ユニット、１ａ…光源、２…リフレクタ、３…偏光変換素子、３ａ…偏光分離膜、３ｂ…１／２波長位相差板、４ａ、４ｂ…冷却ファン、５…１／２波長位相差板、６…第１アレイレンズ、　７…第２アレイレンズ、８…コリメータレンズ、９…コンデンサレンズ、１０…通気穴、１１…ダイクロイッククロスプリズム、１１ｒ…赤色光反射ダイクロイック膜、１１ｂ…青色光反射ダイクロイック膜、１１ｘ…ダイクロイッククロスプリズムの底面、１２…投射レンズ、１３…映像表示素子、１３ｒ…反射型映像表示素子、１３ｒｂ…Ｂ用反射型映像表示素子、１３ｒｇ…Ｇ用反射型映像表示素子、１３ｒｒ…Ｒ用反射型映像表示素子、１３ｔ…透過型映像表示素子、１３ｔｂ…Ｂ用透過型映像表示素子、１３ｔｇ…Ｇ用透過型映像表示素子、１３ｔｒ…Ｒ用透過型映像表示素子、１４、１４ｒ、１４ｇ、１４ｂ…　入射偏光板、１４’、１４ｒ’、１４ｇ’、１４ｂ’…出射偏光板、１４ｇｂ…ＧＢ専用入射偏光板、１４ｒ…Ｒ専用入射偏光板、１４ｒｇ…ＲＧ専用入射偏光板、１４ｂ…Ｂ専用入射偏光板、１５…三角プリズム、１６ａ、１６ｂ…ダイクロフィルタ、１７…反射ミラー、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ…色分離ミラー、１９、１９ｂ、１９ｒｇ、１９ｗ…偏光ビームスプリッター、１９ｘ…偏光ビームスプリッターの底面、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｊ…特定波長偏光変換板、２１…電源、２２…投射型液晶表示装置、２３ｒ、２３ｇ、２３ｂ…λ／４位相差板、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ…リレーレンズ、２６…駆動回路基板、４１…保持部、４１ｂ…保持部ガイド、４３…出射側遮光板、４４…入射側遮光板、５１…スクリーン。

Claims

光を放射する光源ユニットと、
前記光源ユニットからの光を映像表示素子に照射させる照明光学系と、
映像信号に応じた光学像を形成する前記映像表示素子と、
一つ以上の光学素子で構成される色分離及び色合成で構成される色分離合成系と、
前記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、
前記光学素子において、対向する２面とも光路とは異なる面の一方を底面とし、その辺の長さをＫ１、Ｋ２、前記光学素子の高さをＬとしたとき、
Ｌ＞Ｋ１、Ｌ＞Ｋ２を満足し、
且つ前記Ｌの方向と前記映像表示素子の開口の長手方向が略同一となるように前記映像表示素子を配置することを特徴とする投射型液晶表示装置。
前記光学素子の少なくとも一つがＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する偏光分離素子であることを特徴とする請求項１記載の投射型液晶表示装置。
前記光学素子の少なくとも一つが色光を合成する色合成素子であることを特徴とする請求項１記載の投射型液晶表示装置。
前記投射手段と対向する映像表示素子が略矩形の有効領域を有し、
前記矩形の短辺側の方向をｙ軸の方向とするとき、
前記映像表示素子を基準にして、残り２つの映像表示素子は、前記映像表示素子を９０度、又は２７０度折り曲げた方向、すなはち前記ｙ軸の方向に対して垂直な面にあることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の投射型液晶表示装置。
前記照明光学系は外形形状が略矩形の複数のレンズセルで構成された前記アレイレンズを含んで構成され、
前記外形形状の短い幅の方向をｙ軸とし、
色分離合成系は初段に色分離素子を有し、
前記光源ユニットからの光の光路は、前記最初に色分離を行う素子が色分離を行う面により、透過する方向と反射する方向に分けられ、その何れかの方向が前記ｙ軸の方向であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の投射型液晶表示装置。
前記投射手段は投射レンズを有し、
前記投射レンズの光軸方向をｚ軸とし、
前記投射レンズにより投影される画像の短い幅の方向をｙ軸とし、
前記色分離合成系は、初段に色分離素子、最終段に光学素子を有し、
前記最初に色分離を行う素子が色分離を行う面を有し、この前記面の法線がｙｚ平面内にあり、
前記最後に色合成を行う素子が色合成を行う面を有し、この前記面の法線がｙｚ平面内にあることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の投射型液晶表示装置。
前記照明光学系は複数の略矩形のレンズセルで構成されたアレイレンズを有し、
前記レンズセルの短い方向をｙ軸としたとき、
前記色分離合成系は前記光学素子をｙ軸の方向に２段以上で配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の投射型液晶表示装置。
前記色合成を行う面が前記面内で、前記投射レンズの光軸を基準にして略４５度、もしくは略１３５度、傾斜していることを特徴とする請求項６に記載の投射型液晶表示装置。
前記照明光学系は、列状に並べられた偏光分離膜を持つ偏光変換素子を有し、
前記偏光変換素子から略直線偏光光が出射し、
前記照明光学系の偏光変換素子からみた前記略直線偏光の位相と前記色分離合成系の偏光分離素子からみた前記略直線偏光の位相が９０度ずれていることを特徴とする請求項２に記載の投射型液晶表示装置。
前記偏光変換素子は、列状に並べられた、偏光分離膜を有し、
前記光源からの光を、前記偏光分離膜にて反射光路と透過光路に分けられ、反射光路の出射側のみに１／２波長位相差板が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の投射型液晶表示装置。
光を放射する光源ユニットと、
前記光源ユニットからの光を映像表示素子に照射させる照明光学系と、
映像信号に応じた光学像を形成する前記映像表示素子と、
色分離及び色合成を行い、一つ以上の光学素子で構成される色分離合成系と、
前記映像表示素子から出射した光を投射する投射手段と、
前記投射手段の出射側に映像が投影されるスクリーンと、
前記スクリーン方向に光路を折り曲げる反射ミラーとを有し、
前記光学素子において、対向する２面とも光路とは異なる面の一方を底面とし、その辺の長さをＫ１、Ｋ２、前記光学素子の高さをＬとしたとき、
Ｌ＞Ｋ１、Ｌ＞Ｋ２を満足し、
前記投射手段と対向する前記映像表示素子が略矩形の有効領域を有し、前記矩形の短辺側の方向をｙ軸方向とするとき、前記映像表示素子を基準にして、残りの２つの映像表示素子は、前記映像表示素子を９０度、又は２７０度折り曲げた方向、すなはち前記ｙ軸方向に対して垂直な面にあり、
光源からの光軸に対して直交方向に前記投射手段を設けたことを特徴とする投射型液晶表示装置。
前記照明光学系が集光手段を有し、
前記光源ユニットの光軸が、前記集光手段の光軸に対して、前記投射手段の光軸の方向にずれていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れかに記載の投射型液晶表示装置。
前記映像表示素子を冷却する冷却ファンを有し、前記冷却ファンの回転面が、前記色分離合成系の光軸の分離合成光路と略平行であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れかに記載の投射型液晶表示装置。
前記冷却ファン用の吸気、もしくは、排気用の通気穴が装置の側面に設けてあることを特徴とする請求項１３に記載の投射型液晶表示装置。
前記冷却ファンが前記色合成系と光源ユニットも冷却することを特徴とする請求項１３、１４の何れかに記載の投射型液晶表示装置。
前記投射手段への入射側の下部に、色分離合成系からの漏れ光を遮蔽する遮光板が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れかに記載の投射型液晶表示装置。
光を放射する光源ユニットと、
前記光源ユニットからの光を映像表示素子に照射させる照明光学系と、
映像信号に応じた光学像を形成する前記映像表示素子と、
一つ以上の光学素子で構成される色分離及び色合成で構成される色分離合成系と、
前記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、
前記色分離合成系を形成する偏光分離素子の分離面から見て、透過側と反射側に、それぞれ１個の映像表示素子を配置し、前記偏光分離素子と前記映像表示素子との間に、前記映像表示素子が配置されている側に切り欠きを設けた１／４波長位相差板を配置するようにしたことを特徴とする投射型液晶表示装置。