JP2004062092A - 色合成光学系、投射型表示光学系、投射型画像表示装置および画像表示システム - Google Patents

Abstract

【課題】各色光の検光に偏光板を用いると、熱の問題が発生する。
【解決手段】第１、第２および第３の色光を合成する色合成光学系において、第１の偏光方向の光を反射して、第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向の光を透過する第１の光学膜Ｐを有し、この第１の光学膜によって第１および第２の色光を合成する第１の光学素子２１と、第３の色光を検光する偏光板２０と、特定の波長領域の光を反射して他の波長領域の光を透過する第２の光学膜Ｄを有し、第２の光学膜によって、上記偏光板を通過した第３の色光と第１の光学素子により合成された第１および第２の色光とを合成する第２の光学素子２２とを設ける。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３つの色光を合成する色合成光学系、およびこの色合成光学系を用いた投射型表示光学系、投射型画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液晶プロジェクタでは、液晶表示素子を照明するランプのアーク長を極力短くすることで光の利用効率を上げたり、液晶表示素子の開口率を上げたりすることによって、投射画像の高輝度化が図られている。
【０００３】
現状では０．７インチの小型の透過型液晶表示素子を使用した製品においても、
１０００アンシルーメンを超える輝度を有するものがある。また、高輝度化と同時に、液晶プロジェクタの小型化も図られている。
【０００４】
従来の液晶プロジェクタは、例えば特開２０００−２９００１０号公報にて提案されているような光学系を有する。すなわち、赤、緑、青に分離された光をそれぞれ変調する透過型液晶表示素子における照明光の照射側に偏光子としての入り側偏光板が、液晶表示素子によって変調された各色光を合成する色合成光学系の射出側に検光子としての出側偏光板が、それぞれ偏光方向が直交するように配置されている。液晶表示素子が黒を表示する際には、液晶表示素子を透過した光は出側偏光板に吸収されるため、黒の表示ができる。
【０００５】
より詳しく説明すると、青、緑、赤の各色照明光は、各色に対応した入り側偏光板を透過した後、各色に対応した液晶表示素子に入射し変調される。そして、液晶表示素子で変調された各色画像光は、出側偏光板を透過した後、ダイクロイックプリズムによって合成され、投射レンズによってスクリーンに拡大投影される。このように、偏光板とダイクロイックプリズムによって各色画像光を合成する色合成光学系が構成されている。
【０００６】
また、特開平７−３０６４０５号公報では、上記のような出側偏光板の代わりに、偏光ビームスプリッタを用い、黒表示時には液晶表示素子を透過した光が投射レンズに向かわない方向に反射させる光学系が提案されている。さらに言えば、
上記特開平７−３０６４０５号公報にて提案の光学系は、偏光子としての入り側偏光板、検光子としての出側偏光板の代わりに、偏光ビームスプリッタを用い、さらに色合成を行なうために色合成部材を別途設けた構成になっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特開２０００−２９００１０号公報にて提案されている液晶プロジェクタにおいては、例えばランプの消費電力を上げて照明光量を増加させ、液晶プロジェクタの高輝度化を図ろうとすると、黒を表示する際に、出側偏光板が吸収しなければならない光量が増加し、出側偏光板が劣化するという熱的な問題が生じる。
【０００８】
この問題は、偏光板に冷却風をファンで吹きつける方法等で解決が図られてきたが、冷却風を強く偏光板に吹きつけようとすると、冷却風を吹きつける音や、ファンの騒音が増加するという問題が生じてしまう。
【０００９】
一方、特開平７−３０６４０５号公報にて提案されている液晶プロジェクタでは、偏光子、検光子として偏光ビームスプリッタを用いているために、液晶プロジェクタを明るくするために照明光を増加しても、熱的な問題は生じないが、３色の色合成を検光子としての偏光ビームスプリッタとは別に設けた色合成用の偏光ビームスプリッタやダイクロイックプリズムで行なわなければならない。
【００１０】
したがって、投射レンズのバックフォーカスが長くなり、これに伴い投射レンズが大きくなるため、液晶プロジェクタ全体が大型化してしまう。
【００１１】
そこで、本発明は、光源であるランプの容量を上げることによって高輝度化を図っても、熱的な問題の発生や大型化を抑えることができるようにした色合成光学系、投射型表示光学系、投射型画像表示装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、それぞれ偏光光として入射した第１、第２および第３の色光を合成する色合成光学系において、特定の偏光方向の光を反射して他の偏光方向の光を透過する第１の光学膜を有し、この第１の光学膜によって第１および第２の色光を検光するとともに互いに合成する第１の光学素子（例えば、偏光ビームスプリッタ）と、第３の色光を検光する偏光板と、特定の波長領域の光を反射して他の波長領域の光を透過する第２の光学膜を有し、偏光板を通過した第３の色光を、少なくとも２回反射するとともに第２の光学膜によって第１の光学素子により合成された第１および第２の色光と合成する第２の光学素子（例えば、ダイクロイックプリズム）とを設けている。
【００１３】
これにより、第１および第２の色光の検光に際して多くの光が吸収されて熱的な問題が発生することがないようにすることが可能となるとともに、第２の光学素子にて合成された光を投射光学系で投射する場合に、投射光学系のバックフォーカスを短くすることが可能となる。
【００１４】
特に、第１の光学素子で検光される第１および第２の色光のうち一方を、他の色光に比べてエネルギーの高い青色光としたり、白色光中に最も多く含まれる緑色光とすることにより、より確実に熱的な問題の発生を防止することが可能となる。
【００１５】
なお、本発明の色合成光学系では、第１の光学素子における第２の光学素子への射出面以外の面から射出した光（不要光）が近接する部材に反射して第１　の光学素子に戻るのを防止するために光吸収部材のような反射防止手段を設けるとよい。これにより、不要光が他の光路内に照射されたり他の光路内で熱の発生原因となったりしないようにすることが可能となる。
【００１６】
また、第１および第２の色光のうち一方をコントラストに強く影響する緑色光とし、さらにこの緑色光を、一般に検光性能が高いＳ偏光で検光されるようにＰ偏光光として第１の光学素子に入射させるようにしてもよい。これにより、明るく高いコントラストの投射画像を得ることが可能となる。
【００１７】
また、第１および第２の色光のうち一方をコントラストに強く影響する緑色光とし、さらにこの緑色光を、一般に光量が多くとれるＰ偏光で検光されるようにＳ偏光光として第１の光学素子に入射させることにより、きわめて明るい投射画像を得ることが可能となる
また、第１の光学素子においてＰ偏光で検光される色光の光路（例えば、第１の光学素子の入射面の直前）に１／２波長板を配設し、Ｓ偏光に変換してから第１の光学素子で検光させるようにすることにより、第１の光学素子に入射するすべての色光の偏光の条件を揃えて、第１の光学素子の設計を容易にすることが可能となる。
【００１８】
また、第１の光学素子に入射する緑色光の光路に偏光板を配設し、この偏光板と第１の光学素子の２段で緑色光の検光を行うことにより、より高いコントラストを得るようにしてもよい。このとき、偏光板は熱的な問題が生じない程度の低い検光性能のものでよい。
【００１９】
さらに、第１の光学素子と第２の光学素子との間に偏光板を配設して、第１の光学素子から漏れてくる不要光を遮断し、より高いコントラストを得るようにしてもよい。
【００２０】
また、第１の光学素子と第２の光学素子との間に波長選択性位相差板と偏光板とを配設して、より高いコントラストを得るようにしてもよい。
【００２１】
そして、光源からの光を第１、第２および第３の色光に分離する色分解光学系と、第１、第２および第３の色光をそれぞれ変調する第１、第２および第３の画像表示素子と、これら第１、第２および第３の画像表示素子により変調された第１、第２および第３の色光が入射する上記色合成光学系と、この色合成光学系により合成された光を被投射面に投射する投射光学系とにより、明るい投射画像が得られ、かつ小型の投射型表示光学系又は投射型画像表示装置を実現することが可能となる。
【００２２】
また、本発明の色合成光学系の別の側面として、第１、第２および第３の色光を合成する色合成光学系であって、第１の偏光方向の光を反射して、前記第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向の光を透過する第１の光学膜を有し、この第１の光学膜によって前記第１および第２の色光を合成する第１の光学素子と、前記第３の色光を検光する偏光板（偏光ビームスプリッタでも構わない）と、特定の波長領域の光を反射して他の波長領域の光を透過する第２の光学膜を有し、前記第２の光学膜によって、前記偏光板を通過した前記第３の色光と前記第１の光学素子により合成された前記第１および第２の色光とを合成する第２の光学素子と、を有することを特徴としている。
【００２３】
ここで、前記第１の光学素子における前記第２の光学素子への射出面以外の面から射出した光が、前記第１の光学素子の外部で反射することにより前記第１　の光学素子に戻る事を防止する反射防止手段を有するように構成してもよい。また、
前記反射防止手段は光吸収部材であるように構成してもよい。また、前記第１の光学素子における前記第２の光学素子への射出面以外の面には、反射防止膜が設けるように構成してもよい。また、前記第１および第２の色光のうち一方が青色光、他方が緑色光であり、前記第３の色光が赤色光であるように構成してもよい。
【００２４】
また、前記緑色光の画像光がＳ偏光光として前記第１の光学素子に入射しており、前記緑色光用の画像表示素子と前記第１光学素子との間に１／２波長板と偏光板とを有するように構成してもよい。
【００２５】
また、前記緑色光の画像光がＰ偏光光として前記第１の光学素子に入射しており、前記緑色光用の画像表示素子と前記第１光学素子とが隣り合うように構成してもよい。
【００２６】
また、前記第１の色光及び前記第２の色光の光路のうち一方の、前記第１光学素子に入射する前の光路上に、１／２波長板が配設されているように構成してもよい。
【００２７】
また、前記第１の色光の光路が、前記第１の光学膜で反射して前記第２の光学素子に入射するように構成されており、前記第１の色光が第１の光学素子に入射する前の光路上に１／２波長板が配設されているように構成してもよい。
【００２８】
また、前記第１の色光の、前記第１光学素子に入射する前の光路上に偏光板が配設されているように構成してもよい。
【００２９】
また、前記第１の色光の光路上に配設された偏光板は、前記第１の色光に対応する画像表示素子と前記第１の光学素子との間に配置されているように構成してもよい。
【００３０】
また、前記第１の色光及び前記第２の色光のうち一方が緑色光であって、前記緑色光に対応する画像表示素子と前記第１の光学素子との間に偏光板が配設されているように構成してもよい。
【００３１】
また、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間に波長選択性位相差板が配設されているように構成してもよい。また、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間に偏光板が配設されているように構成してもよい。
【００３２】
ここで、前記第１の色光と前記第２の色光のうちの一方が青色光であって、該青色光用の画像表示素子と前記第１光学素子とが隣り合うように構成してもよい。
【００３３】
また、前記第１の色光と前記第２の色光のうちの一方が青色光であって、該青色光用の画像表示素子と前記第１光学素子との間には、１／２波長板のみが配設されているように構成してもよい。
【００３４】
また、前記第１の光学素子は、第１の偏光方向の光を反射して、前記第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向の光を透過する第１の光学膜と、画像光が前記　　　　第１の偏光方向の光である前記第１の色光の入射面と、画像光は前記第２の偏光　　　　方向の色光である前記第２の光の入射面と、前記第２の光学素子への第１出射面　　　　と、不要光を出射させる第２出射面とを有しており、前記第２の光学素子は、前　　　　記第１１出射面から出射した光が入射する入射面と、第３の色光が入射する入射　　　　面と、特定の波長領域の光を反射して他の波長領域の光を透過する第２の光学膜　　　　と、前記第１、２、３の色光を合成した光を出射させる第３出射面とを有してお　　　　り、ここで、前記第１の光学膜において、前記第１の色光の反射光と前記第２の　　　　色光の透過光とを合成し、前記第２の光学膜において、前記第１、２の色光を合　　　　成した光と前記第３の色光を合成するように構成してもよい。
【００３５】
また、前記第３の色光は、前記第２光学素子内で全反射した後、前記第２の光学膜で反射されることにより、前記第１、２の色光と合成するように構成してもよい。
【００３６】
また、本発明の投射型画像表示装置は、光源からの光を前記第１、第２および第３の色光に分離する色分解光学系と、前記第１、第２および第３の色光をそれぞれ変調する第１、第２および第３の画像表示素子と、これら第１、第２および第３の画像表示素子により変調された前記第１、第２および第３の色光が入射する請求項１から１８いずれか１項に記載の色合成光学系と、この色合成光学系により合成された光を被投射面に投射する投射光学系とを有することを特徴としている。
【００３７】
また、本発明の画像表示システムは、前述の投射型画像表示装置と、この投射型画像表示装置に対して前記第１、第２および第３の画像表示素子に原画を形成させるための画像情報を供給する画像情報供給装置とを有することを特徴としている。
【００３８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態である投射型表示光学系を用いた液晶プロジェクタ（投射型画像表示装置）の概略構成を示している。
【００３９】
図１において、１は超高圧水銀ランプ等の光源である。２は放物面形状（楕円面形状であっても構わない）の反射面を有するリフレクタであり、図には放物面ミラーを示している。
【００４０】
光源１から射出された光束はリフレクター２で反射されて略平行光に変換され、
第１フライアイレンズ３に入射する。第１フライアイレンズ３は、正の屈折力を有する矩形のレンズ（凸レンズ）を複数個、平板上に配置して構成されたものである。
【００４１】
４は第１フライアイレンズ３から射出された光束が入射する第２フライアイレンズであり、正の屈折力を有する矩形のレンズ（平凸レンズ）を複数個、平板上に配置して構成されている。第１フライアイレンズ３によって第２フライアイ４の各レンズのほぼ中心部に光源像が形成される。
【００４２】
５は偏光変換素子アレイであり、偏光変換素子毎に入射する無偏光（ランダム偏光）の光を特定の偏光方向を有する直線偏光光として射出させる。各偏光変換素子から射出する偏光光の偏光方向は互いに一致している。
【００４３】
偏光変換素子アレイ５に入射した光は、不図示の偏光分離層５ＢにてＰ波が透過し、Ｓ波が反射することによってＰ波とＳ波に分離される。Ｐ波はλ／２位相板５Ａにより位相変換され、Ｓ波と偏光軸の方向が揃えられる。これにより、偏光変換素子アレイ５から射出される光束はすべて同一方向の偏光軸を有した偏光光となる。
【００４４】
偏光変換素子アレイ５から射出された光束は、第１正レンズ６により偏向され、
後述する色分解光学系でＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３色の光成分に色分解され、ＲＧＢの各色別に設けられた透過型液晶表示パネルＰｒ，Ｐｇ，Ｐｂの表示部上に照射される。
【００４５】
透過型液晶表示パネルＰｒ，Ｐｇ，Ｐｂは、光を透過させる際に、液晶表示パネルが有する画素のうち特定の画素に入射した偏光光の偏光方向を９０°旋回させる作用を有する。つまり、Ｓ偏光で入射した入射光の一部をＰ偏光に変換する働きを有する。ここでこのような表示パネルは、例えばＴＮ型液晶表示素子により構成されている。
【００４６】
本実施形態では、第１正レンズ６から射出された光束のうち、青反射ダイクロイックミラー８により反射された青色光成分は、高反射ミラー９、第２正レンズ１５および青用の入り側偏光板１６を介して透過型液晶表示パネルＰｂの表示部にＳ偏光状態で集光される。　　そして、青色用透過型液晶表示パネルＰｂが有する複数の画素のうち、スクリーン等の被投影面に投影する光（画像光）に相当する一部の画素に入射する光（Ｓ偏光）をＳ偏光からＰ偏光に変換するようにしている。
【００４７】
青反射ダイクロイックミラー８を透過した緑色および赤色の光成分のうちの緑色光成分は、緑反射ダイクロイックミラー１０により反射され、第３正レンズ１７および緑用の入り側偏光板１８を介して透過型液晶表示パネルＰｇの表示部にＳ偏光状態で集光される。　　そして、緑色用透過型液晶表示パネルＰｂが有する複数の画素のうち、スクリーン等の被投影面に投影する光（画像光）に相当する一部の画素に入射する光（Ｓ偏光）をＳ偏光からＰ偏光に変換するようにしている。
【００４８】
さらに、緑反射ダイクロイックミラー１０を透過した赤色光成分は、第４正レンズ１１、高反射ミラー１２、第５正レンズ１３、高反射ミラー１４、第６正レンズ１９および赤用の入り側偏光板２６を介して透過型液晶表示パネルＰｒの表示部に集光される。
【００４９】
そして、赤色用透過型液晶表示パネルＰｂが有する複数の画素のうち、スクリーン等の被投影面に投影する光（画像光）に相当する一部の画素に入射する光（Ｓ偏光）をＳ偏光からＰ偏光に変換するようにしている。
【００５０】
ここで、前述のように、各色用の液晶表示パネルに入射させる光は、必ずしもＳ偏光である必要は無く、Ｐ偏光を入射させるようにしても構わない。
【００５１】
第４正レンズ１１と第５正レンズ１３は、赤色チャンネルのみ他の色チャンネルより光路が長いため、ほぼ等倍結像するリレーレンズの役目を果たしている。
【００５２】
各透過型液晶表示パネルには、駆動回路５０が接続されており、駆動回路５０には、パーソナルコンピュータ、ビデオ、テレビ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置６０からの画像情報が供給される。駆動回路５０は、供給された画像情報に基づいて各透過型液晶表示パネルに原画を表示させるための信号を出力する。
各透過型液晶表示パネルに入射した光は、表示された原画に応じて変調される。これらは以下の実施形態でも同様である。このように、本実施形態は、この第１実施形態に限らずパーソナルコンピュータ等の画像情報供給装置と組み合わせることによって、画像表示システムを構成することができる。
【００５３】
青用の透過型液晶表示パネルＰｂで変調された青色光成分は、１／２波長板３０で偏光方向を９０°変換された後、偏光ビームスプリッタ（第１の光学素子）２１を構成するプリズム２１ａに入射する。この偏光ビームスプリッタ２１は、互いに同一の三角柱形状を有する２つのプリズム２１ａ，２１ｂを接合し、接合面にＳ偏光光を反射してＰ偏光光を透過させる偏光分離膜（第１の光学膜）Ｐを形成して構成されている。プリズム２１ａに入射した青色光成分のうち、画像光であるＳ偏光成分が選択的に偏光分離膜Ｐによって反射されることによって検光される。
【００５４】
ここで、青用の透過型液晶表示パネルＰｂと偏光ビームスプリッタ２１との間には１／２波長板３０のみが配置されており、偏光板は配置されていない。この第１実施形態においては、青用の透過型液晶表示パネルＰｂと偏光ビームスプリッタ２１との間には１／２波長板３０しか配置していない。
【００５５】
また、緑用の透過型液晶表示パネルＰｇで変調された緑色光成分は、偏光ビームスプリッタ２１を構成するプリズム２１ｂに入射する。そして、Ｐ偏光成分のみが偏光分離膜Ｐを透過することによって検光される。こうして偏光分離膜Ｐによって反射された青色のＳ偏光成分と偏光分離膜Ｐを透過した緑色のＰ偏光成分とが合成され、偏光ビームスプリッタ２１から射出する。
【００５６】
さらに、赤用の透過型液晶表示パネルＰｒで変調された赤色光成分は、赤用の出側偏光板２０で検光された後、ダイクロイックプリズム（第２の光学素子）２３を構成するプリズム２３ａに入射する。このダイクロイックプリズム２３は、互い大きさの異なる三角柱形状を有する２つのプリズム２３ａ，２３ｂを接合し、
接合面に赤色光成分を反射して青および緑色光成分を透過させるダイクロイック膜（第２の光学膜）Ｄを形成して構成されている。プリズム２３ａに入射した赤色光成分は、ダイクロイック膜Ｄでの反射を含めて２回反射するとともに、ダイクロイック膜Ｄを透過した青および緑色光成分と合成されてダイクロイックプリズム２３から射出する。
【００５７】
なお、本実施形態では、偏光ビームスプリッタ２１とダイクロイックプリズム２３とにより色合成プリズム（色合成光学系）２２が構成されている。
【００５８】
こうして色合成プリズム２２で合成され射出した３色の画像光は、投写レンズ２５によって不図示のスクリーンに投射され、フルカラー画像を表示する。
【００５９】
ここで、上述した色合成プリズム２２の構成について、図２を用いてさらに詳しく説明する。
【００６０】
色合成プリズム２２は、上述したように偏光ビームスプリッタ２１を構成するプリズム２１ａ，２１ｂと、ダイクロイックプリズム２３を構成するプリズム２３ａ，２３ｂとにより構成されている。
【００６１】
プリズム２１ａは、青色光成分の入射面となる透過面２１ａ３と、Ｓ偏光光を反射してＰ偏光光を透過させる偏光分離膜Ｐが蒸着形成された偏光分離面２１ａ２と、青および緑色光成分の射出面となる透過面２１ａ１とを有する。プリズム２１ａの透過面２１ａ３から入射した青色光成分のうちＳ偏光成分は、偏光分離膜Ｐによって反射されることによって検光され、透過面２１ａ１から射出する。
【００６２】
プリズム２１ｂは、緑色光成分の入射面となる透過面２１ｂ２と、プリズム２１ａの偏光分離面２１ａ２に接合される透過面２１ｂ１と、透過面（非光学有効面）２１ｂ３とを有する。プリズム２１ｂに透過面２１ｂ２から入射し、透過面２１ｂ１から射出した緑色光成分のうちＰ偏光成分は偏光分離膜Ｐを透過することによって検光され、さらにプリズム２１ａを透過して射出する。こうして偏光分離膜Ｐによって反射された青色のＳ偏光成分と、偏光分離膜Ｐを透過した緑色のＰ偏光成分とが合成される。
【００６３】
なお、プリズム２１，２２は、偏光状態を保ったまま光が透過することが望ましく、材料としては低光弾性ガラスを用いるのがよい。
【００６４】
プリズム２３ａは、射出面となる透過面であり、かつ入射する赤色光成分に対して全反射条件を満たす内面反射面でもある面２３ａ１と、赤色光成分を反射して青および緑色光成分を透過させるダイクロイック膜Ｄが蒸着形成されたダイクロイック面２３ａ２と、赤色光成分の入射面となる透過面２３ａ３とを有する。
【００６５】
また、プリズム２３ｂは、プリズム２３ａのダイクロイック面２３ａ２に接合される透過面２３ｂ１と、プリズム２１ａから射出した青および緑色光成分の入射面となる透過面２３ｂ２と、非光学有効面２３ｂ３とを有する。
【００６６】
プリズム２３ａの透過面２３ａ３から入射した赤色光成分は、まず面２３ａ１で全反射し、次にダイクロイック膜Ｄで反射する。そしてこの際、プリズム２３ｂおよびダイクロイック膜Ｄを透過してきた青および緑色光成分と合成され、今度は面２３ａ１を透過してプリズム２３ａ（色合成プリズム２２）から射出する。
【００６７】
なお、透過面２１ａ３，２１ｂ２，２３ａ３および面２３ａ１には、空気とガラスの界面で生ずる表面反射光による光量損失を防ぐため、反射防止コートを形成することが望ましい。
【００６８】
また、プリズム２１ｂの透過面２１ｂ３にも、偏光分離膜Ｐで検光された不要な光が透過面２１ｂ３での表面反射で光路に戻り、コントラストを低下させるのを防止するために、反射防止コートを形成することが望ましい。
【００６９】
ここで、本実施形態では、青色光成分のうち偏光分離膜Ｐを透過してプリズム２１ｂの透過面（非光学有効面）２１ｂ３から射出した不要なＰ偏光成分が、他の光路内に照射されたり他の光路内で熱の発生原因となったりしないように、非光学有効面２１ｂ３に対向するように光吸収部材４０を配置して、非光学有効面２１ｂ３から射出した不要光を吸収するようにしている。また、光吸収部材４０は、緑色光成分に対しても同様の効果を奏している。ここでは、緑色光成分のうち偏光分離膜Ｐで反射してプリズム２１ｂの透過面（非光学有効面）２１ｂ３から射出した不要なＳ偏光成分が、他の光路内に照射されたり他の光路内で熱の発生原因となったりしないように、透過面（非光学有効面）２１ｂ３に対向するように配置された、前述の光吸収部材４０を用いて、透過面（非光学有効面）２１ｂ３から射出した不要光を吸収するようにしている。
【００７０】
従来の光学系では、高い検光性能を有する偏光板によって不要な光を吸収していた（これが熱の発生原因となっていた）が、本実施形態では、そのような偏光板を青色光成分の光路に設けていないので、光吸収部材４０を設けるのが望ましい。
【００７１】
なお、光吸収部材４０としてはブラックアルマイト処理をした上に黒色塗装を施したアルミ板を用いることができる。さらに、このアルミ板を光路に対して傾けて配置することによって不要な光を効果的にプリズム２１に戻らないようにすることができる。
【００７２】
また、プリズム２３ｂの非光学有効面２３ｂ３は、プリズム２３ｂでの内面反射によるゴースト発生を防ぐため、研磨面ではなく、砂ズリ面とするのがよく、さらに黒色の塗料を塗布するのがよい。
【００７３】
また、プリズム２３ａのダイクロイック面２３ａ２に形成されているダイクロイック膜Ｄは、プリズム２３ｂの透過面２３ｂ１に形成してもよい。プリズム２３ｂのほうがプリズム２３ａよりも小さいので、ダイクロイック膜Ｄを蒸着するときに、蒸着チャンバ内に多くのプリズムを入れることができ、製造コストを安くすることができる。
【００７４】
また、プリズム２１ａの偏光分離面２１ａ２に形成されている偏光分離膜Ｐは、プリズム２１ｂの透過面２１ｂ１に形成してもよい。
【００７５】
以上のように構成することにより、波長が短いためにエネルギーの高い青光及び白色光の中に多く含まれる緑光を偏光ビームスプリッタ２１で検光することが可能であり、強い照明光を入射すると熱によって劣化してしまう出側偏光板を青色および緑色光成分の光路に設ける必要がなくなる。これにより、高い検光性能を有する（すなわち、遮断する光量が多い）出側偏光板を廃止することができ、液晶プロジェクタ（投射型画像表示装置）による投射画像を明るくすることができる。
【００７６】
さらに、一般的な偏光ビームスプリッタは、特に角度のついた光に対してはＳ偏光に対する反射率のほうがＰ偏光に対する透過率よりも高い。このため、Ｓ偏光で検光した（Ｓ偏光が不要光で、Ｓ偏光を偏光ビームスプリッタで反射させて、被投影面に投影される光路上から外す）方が、Ｐ偏光で検光する（Ｐ偏光が不要光で、Ｐ偏光を偏光ビームスプリッタで透過させて、被投影面に投影される光路上から外す）よりも、検光子としての性能が高い。この点、本実施形態においては視感度が高く、コントラストに強く影響する緑色光成分をＳ偏光で検光する（Ｓ検光する）構成になっているため、投射画像に高いコントラストを得ることができる。
【００７７】
ここで、緑色用液晶表示パネルＰｇとプリズム（第１光学素子）の間及び青色用液晶表示パネルＰｂとプリズム（第１光学素子）の間のいずれか一方にのみ、偏光板（その他特定の偏光方向の光以外を遮光する手段、もしくは偏光ビームスプリッタ等の特定の偏光光と他の偏光光とを分離する手段でもよい）を配置するようにしてもよい。偏光板を配置すると、偏光板と偏光ビームスプリッタとで二重に検光することができるため、偏光板を配置した光路を通る色光の偏光純度を向上させることができる。ただし、この第１実施形態においては、比視感度の高い緑色光に関しては、偏光ビームスプリッタにおける検光性能が十分に高いため、偏光板は配置していない。また、青色光に関しては、青色光の波長が短いためエネルギーが高く、高温になると性能が劣化してしまうという理由から、偏光板は配置していない。勿論上記の問題が解決されれば、青色光の光路上に偏光板を配置しても構わない。
【００７８】
また、出側偏光板が比較的熱による障害を受けにくい赤色光成分に関しては、出側偏光板２０を設けるとともに、プリズム２３ａ内で全反射させた後に、ダイクロイック膜Ｄで色合成を行なっている（２回反射している）ため、投射レンズ２５のバックフォーカスを短くすることができ、液晶プロジェクタ（投射型画像表示装置）を小型化することができる。
【００７９】
（第２実施形態）
図３には、本発明の第２実施形態である投射型表示光学系を用いた液晶プロジェクタ（投射型画像表示装置）の概略構成を示している。なお、本実施形態の基本的な構成は第１実施形態と同じであり、共通する構成要素については第１実施形態と同じ符号を付して説明に代える。
【００８０】
本実施形態では、第１正レンズ６から射出した光束のうち、緑反射ダイクロイックミラー８０により反射した緑色光成分は、高反射ミラー９、第２正レンズ１５および緑用の入り側偏光板１６０を介して緑用の透過型液晶表示パネルＰｇの表示部にＳ偏光状態で集光される。
【００８１】
緑反射ダイクロイックミラー８０を透過した青色および赤色の光成分のうちの青色光成分は、青反射ダイクロイックミラー１００により反射され、第３正レンズ１７および青用の入り側偏光板１８０を介して青用の透過型液晶表示パネルＰｂの表示部にＳ偏光状態で集光される。
【００８２】
青反射ダイクロイックミラー１００を透過した赤色光成分は、第４正レンズ１１、高反射ミラー１２、第５正レンズ１３、高反射ミラー１４、第６正レンズ１９および赤用の入り側偏光板２６を介して赤用の透過型液晶表示パネルＰｒの表示部に集光される。第４正レンズ１１と第５正レンズ１３は、赤色チャンネルのみ他の色チャンネルより光路が長いため、ほぼ等倍結像するリレーレンズの役目を果たしている。
【００８３】
緑用の透過型液晶表示パネルＰｇで変調された青色光成分は、１／２波長板３２で偏光方向を９０°変換された後、緑用の出側偏光板３１を透過し、色合成プリズム２２のうち偏光ビームスプリッタ２１を構成するプリズム２１ａに入射する。ここで、緑用の出側偏光板３１は、他の偏光板に比べて検光性能が低く、透過率が高い。したがって、緑色光成分を検光することによる偏光板３１での熱の発生はそれほど問題とならない。
【００８４】
また、青用の透過型液晶表示パネルＰｂで変調された青色光成分は、偏光ビームスプリッタ２１を構成するプリズム２１ｂに入射する。尚、この第２実施形態では、青色光の光路上においては、青色用液晶表示パネルＰｂと偏光ビームスプリッタ２１とは隣り合っており、光学素子は配置していない。
【００８５】
さらに、赤用の透過型液晶表示パネルＰｒで変調された光は、赤用の出側偏光板２０を介して、色合成プリズム２２のうちダイクロイックプリズム２３を構成するプリズム２３ａに入射する。色合成プリズム２２によって色合成された３つの色光成分は、投写レンズ２５によって不図示のスクリーンに投射される。
【００８６】
ここで、上記実施形態でも説明したように、一般的な偏光ビームスプリッタは、特に角度のついた光に対してはＳ偏光に対する反射率のほうがＰ偏光に対する透過率よりも高く、Ｓ偏光で検光した方が検光子としての性能が高い。この点、本実施形態では、比視感度が高く明るさに強く影響する緑色光成分を、１／２波長板３２を透過型液晶表示パネルＰｇと偏光ビームスプリッタ２１との間に配置することによって、Ｓ偏光で偏光ビームスプリッタ２１に入射させ、偏光分離面Ｐで反射させて投射するため、明るい画像を投射可能な液晶プロジェクタを実現できる。
【００８７】
さらに、比視感度の高い緑色用液晶表示パネルＰｇの出射側に偏光板３１を設けることによってＰ偏光で検光されるために低下する検光性能を補うことができるので、投射画像における高いコントラストと明るさのバランスをとることができる。
【００８８】
勿論、緑用の出側偏光板３１は設けなくても、偏光ビームスプリッタ２１の特性次第では十分に高いコントラストが得られるので、緑用の出側偏光板３１は必ずしも必要な訳では無く、特に設けなくても構わない。
【００８９】
また、本実施形態では、緑色光成分のうち偏光分離膜Ｐを透過してプリズム２１ｂの非光学有効面２１ｂ３から射出した不要なＰ偏光成分が、他の光路内に照射されたり他の光路内で熱の発生原因となったりしないように、非光学有効面２１ｂ３に対向するように光吸収部材４０を配置している。
【００９０】
（第３実施形態）
図４には、本発明の第３実施形態である投射型表示光学系を用いた液晶プロジェクタ（投射型画像表示装置）の概略構成を示している。なお、本実施形態の基本的な構成は第１実施形態と同じであり、共通する構成要素については第１実施形態と同じ符号を付して説明に代える。
【００９１】
本実施形態では、偏光ビームスプリッタ２１のプリズム２１ａとダイクロイックプリズム２３のプリズム２３ｂとの間に、色選択性位相差板３４と偏光板３５とを設けている。色選択性位相差板３４は、青色光のみの偏光状態を９０°変化させる作用を有するものであり、カラーリンク社からカラーセレクトと言う商品名で販売されているものを用いることができる。偏光板３５はＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を吸収する。
【００９２】
このような構成にすることにより、Ｓ検光に対して検光性能の劣るＰ検光された青色光成分に混ざったＰ偏光光が、色選択性位相差板３４によってＳ偏光光に変換され、偏光板３５に吸収されることで、投射画像について高いコントラストを得ることができる。
【００９３】
また、本実施形態でも、第１実施形態と同様に、青色光成分のうち偏光分離膜Ｐを透過してプリズム２１ｂの非光学有効面２１ｂ３から射出した不要なＰ偏光成分が、他の光路内に照射されたり他の光路内で熱の発生原因となったりしないように、非光学有効面２１ｂ３に対向するように光吸収部材４０を配置している。
【００９４】
なお、上記各実施形態においては、特開２００１−２９００１０号公報にて提案された照明光学系を用いた場合について説明したが、例えば、光軸直交断面において互いに直交する２方向のうち１方向にのみ照明光束を圧縮して照明する方式を、偏光ビームスプリッタの偏光分離方向を含む方向に照明光を圧縮するかたちで用いると、偏光ビームスプリッタの入射角度によって検光性能が劣化するという問題を軽減することができ、より高いコントラストを得ることができる。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１および第２の色光の検光に際して、高い検光性能を有する偏光板を用いる場合のように多くの光が吸収されて熱的な問題が発生することがないようにすることができるとともに、第２の光学素子にて合成された光を投射光学系で投射する場合に、投射光学系のバックフォーカスを短くすることができる。したがって、本発明を用いれば、明るい投射画像が得られ、かつ大がかりな冷却も不要で、小型の色合成光学系、投射型表示光学系および投射型画像表示装置を実現することができる。
【００９６】
また、第１の光学素子（プリズム）から射出した不要光が光路中に反射して戻ることを防止する、例えば光を吸収する光吸収部材のような反射防止手段を設ければ、不要光が他の光路内に照射されたり他の光路内で熱の発生原因となったりしないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である投射型表示光学系を有する液晶プロジェクタの要部概略図。
【図２】図１に示した投射型表示光学系を構成する色合成プリズムの説明図。
【図３】本発明の第２実施形態である投射型表示光学系を有する液晶プロジェクタの要部概略図。
【図４】本発明の第３実施形態である投射型表示光学系を有する液晶プロジェクタの要部概略図。
【符号の説明】
１　　光源
２　　リフレクター
３　　第１のフライアイレンズ
４　　第２のフライアイレンズ
５　　偏光変換素子
６　　凸レンズ
７　　ミラー
８　　ダイクロイックミラー
９　　ミラー
１０　　ダイクロイックミラー
２１　　偏光ビームスプリッタ
２２　　色合成プリズム
２３　　ダイクロイックプリズム
Ｐ　　偏光分離膜
Ｄ　　ダイクロイック膜
Ｐｒ，Ｐｇ，Ｐｂ　　透過型液晶表示パネル

Claims (20)

1. 第１、第２および第３の色光を合成する色合成光学系であって、
   第１の偏光方向の光を反射して、前記第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向の光を透過する第１の光学膜を有し、この第１の光学膜によって前記第１および第２の色光を合成する第１の光学素子と、
   前記第３の色光を検光する偏光板と、
   特定の波長領域の光を反射して他の波長領域の光を透過する第２の光学膜を有し、前記第２の光学膜によって、前記偏光板を通過した前記第３の色光と前記第１の光学素子により合成された前記第１および第２の色光とを合成する第２の光学素子と、を有することを特徴とする色合成光学系。
2. 前記第１の光学素子における前記第２の光学素子への射出面以外の面から射出した光が、前記第１の光学素子の外部で反射することにより前記第１　の光学素子に戻ることを防止する反射防止手段を有する請求項１に記載の色合成光学系。
3. 前記反射防止手段は光吸収部材であることを特徴とする請求項２に記載の色合成光学系。
4. 前記第１の光学素子における前記第２の光学素子への射出面以外の面には、反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の色合成光学系。
5. 前記第１および第２の色光のうち一方が青色光、他方が緑色光であり、前記第３の色光が赤色光であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の色合成光学系。
6. 前記緑色光の画像光がＳ偏光光として前記第１の光学素子に入射しており、前記緑色光用の画像表示素子と前記第１光学素子との間に１／２波長板と偏光板とを有することを特徴とする請求項５に記載の色合成光学系。
7. 前記緑色光の画像光がＰ偏光光として前記第１の光学素子に入射しており、前記緑色光用の画像表示素子と前記第１光学素子とが隣り合っていることを特徴とする請求項５に記載の色合成光学系。
8. 前記第１の色光及び前記第２の色光の光路のうち一方の、前記第１光学素子に入射する前の光路上に、１／２波長板が配設されていることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載の色合成光学系。
9. 前記第１の色光の光路が、前記第１の光学膜で反射して前記第２の光学素子に入射するように構成されており、前記第１の色光が第１の光学素子に入射する前の光路上に１／２波長板が配設されていることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項に記載の色合成光学系。
10. 前記第１の色光の、前記第１光学素子に入射する前の光路上に偏光板が配設されていることを特徴とする請求項９記載の色合成光学系。
11. 前記第１の色光の光路上に配設された偏光板は、前記第１の色光に対応する画像表示素子と前記第１の光学素子との間に配置されていることを特徴とする請求項１０記載の色合成光学系。
12. 前記第１の色光及び前記第２の色光のうち一方が緑色光であって、前記緑色光に対応する画像表示素子と前記第１の光学素子との間に偏光板が配設されていることを特徴とする請求項１乃至１１いずれか１項に記載の色合成光学系。
13. 前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間に波長選択性位相差板が配設されていることを特徴とする請求項１乃至１２いずれか１項に記載の色合成光学系。
14. 前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間に偏光板が配設されていることを特徴とする請求項１３記載の色合成光学系。
15. 前記第１の色光と前記第２の色光のうちの一方が青色光であって、該青色光用の画像表示素子と前記第１光学素子とが隣り合っていることを特徴とする請求項１乃至１４いずれか１項に記載の色合成光学系。
16. 前記第１の色光と前記第２の色光のうちの一方が青色光であって、該青色光用の画像表示素子と前記第１光学素子との間には、１／２波長板のみが配設されていることを特徴とする請求項１乃至１４いずれか１項に記載の色合成光学系。
17. 前記第１の光学素子は、第１の偏光方向の光を反射して、前記第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向の光を透過する第１の光学膜と、
    画像光が前記第１の偏光方向の光である前記第１の色光の入射面と、画像光は前記第２の偏光方向の色光である前記第２の光の入射面と、前記第２の光学素子への第１出射面と、不要光を出射させる第２出射面とを有しており、
    前記第２の光学素子は、前記第１１出射面から出射した光が入射する入射面と、
    第３の色光が入射する入射面と、特定の波長領域の光を反射して他の波長領域の光を透過する第２の光学膜と、前記第１、２、３の色光を合成した光を出射させる第３出射面とを有しており、
    前記第１の光学膜において、前記第１の色光の反射光と前記第２の色光の透過光とを合成し、前記第２の光学膜において、前記第１、２の色光を合成した光と前記第３の色光を合成することを特徴とする請求項１乃至１６いずれか１項に記載の色合成光学系。
18. 前記第３の色光は、前記第２光学素子内で全反射した後、前記第２の光学膜で反射されることにより、前記第１、２の色光と合成されることを特徴とする請求項１乃至１７いずれか１項に記載の色合成光学系。
19. 光源からの光を前記第１、第２および第３の色光に分離する色分解光学系と、
    前記第１、第２および第３の色光をそれぞれ変調する第１、第２および第３の画像表示素子と、
    これら第１、第２および第３の画像表示素子により変調された前記第１、第２および第３の色光が入射する請求項１から１８いずれか１項に記載の色合成光学系と、
    この色合成光学系により合成された光を被投射面に投射する投射光学系とを有することを特徴とする投射型画像表示装置。
20. 請求項１９に記載の投射型画像表示装置と、この投射型画像表示装置に対して前記第１、第２および第３の画像表示素子に原画を形成させるための画像情報を供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。

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