JP2004070095A - 光導波路、光学ユニット及びそれを用いた映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成が簡単で、光の利用効率のよいインテグレータ素子および光学ユニット及び表示装置を得る。
【解決手段】光源からの光を集光光として特定位置に集光させる光源集光手段と、この特定位置近傍に入射面よりも出射面の面積が大きく、かつ、入射光の最大入射光線角度より小さい最大出射光線角度に、出射光を変換する光線角度変換手段を備えた光導波路光を光源と映像表示素子との間に介在させ、映像表示素子に照明光を照射しカラー映像を投射レンズから投射する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶パネル、又は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、投射型リアプロジェクションテレビ等の光学ユニット、投射型映像表示装置に係わり、特にライトバルブ素子に入射する照明光学系からの光の分布を均一化するインテグレータ素子の技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶パネル等のライトバルブ素子に、超高圧水銀ランプなどの光源からの光を当てて、ライトバルブ素子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、反射型あるいは、偏光変換の不要なマイクロミラー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、この映像表示素子等のライトバルブ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、ライトバルブ素子、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。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。
【０００６】
これを用いて光源からの光の偏光光をＳ偏光ないしＰ偏光のどちらかに揃えて、かつ、画面周辺で明るい画像を得る手段として、特開平３−１１１８０６号公報に記載されている２枚のアレイレンズを用いたインテグレータ光学系がある。
【０００７】
インテグレータ光学系は、光源からの光を第１アレイレンズを構成している複数の矩形開口形状の集光レンズによって分割して、各矩形開口形状の出射光を各矩形開口形状の集光レンズに対応した集光レンズ群により構成した第２のアレイレンズにより照射面（映像表示素子）に重畳結像させるものである。この光学系では、映像表示素子を照射する光の強度分布をほぼ均一にすることができる。
【０００８】
しかし、従来のインテグレータ光学系においては、従来のマイクロレンズ付きの液晶表示素子等を用いて明るさおよび画質の均一性を向上しようとすると、照明系のＦ値をＦ２から３近くに設定しなければならない。
【０００９】
したがって、第１アレイレンズの矩形開口形状の集光レンズの大きさと映像表示素子の大きさとの比率、すなわちインテグレータ光学系の倍率に対応して、インテグレータ光学系である第１アレイレンズと第２アレイレンズ間の距離が、所定量必要となるため、第２アレイレンズに集光する各々光のスポットが、光源の発散成分により大きくなる。したがって、第２アレイレンズおよびこの近傍に配置されている短冊状に配列された偏光変換素子の開口を通過する光の効率に限界が生じるが、
この問題に関し、従来のインテグレータ光学系は考慮されていない。
【００１０】
また、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、上記偏光ビームスプリッタと反射型液晶表示素子を組合せて、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、偏光ビームスプリッタに起因して、色むらやコントラスト低下が問題となる。
【００１１】
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、照明光学系の所定角度の光に対して偏光ビームスプリッタ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。　しかし、この発明では、照明光のＦ値に左右される入射光線角度を低減し、かつ光利用効率を向上することについては考慮されていない。
【００１２】
さらには、入射光線角度に対応して、波長シフトを引き起こすダイクロイックミラーやＸプリズム等に入射する光線角度を低減することが考慮されていない。これにより映像表示装置として、光利用効率の低下及び、色度性能の低下の問題が発生する。
【００１３】
また、映像表示装置はコントラストが重要な性能の一つであるが、コントラスト向上のために、照明系と投射レンズＦ値を１．５から場合により３以上にするのが効果的であるが、従来のインテグレータ構成では、２枚のアレイレンズ間の距離がＦ値の大きくなればなるほど、長くなり、光利用効率が激減する。したがって、照明系のＦ値を大きくしてコントラストを向上させることと、光利用効率を向上して明るさを向上させることとは、相反する問題が発生していた。
【００１４】
以上より、映像表示装置の明るさを維持しながら、コントラスト及び画質を向上する光学系の提案および投射型映像表示装置自体の大きさ低減および重量低減およびコスト低減という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】
以上の従来技術では、映像表示装置の明るさ及び画質上の性能を確保しつつ、装置自体の大きさ低減、重量低減及びコスト低減を実現する方法が課題となっている。すなわち、明るさ確保、コントラスト向上、色性能向上、装置自体の大きさ低減、重量低減、コスト低減のために、インテグレータ光学系の工夫による偏光ビームスプリッタと色分離合成手段であるダイクロイックプリズムと偏光板の光効率向上と、映像表示素子に入出射するための方式の工夫と、それぞれの効率的な配置の工夫が必要となっている。
【００１６】
本発明では、上記した従来技術での課題事項に関して、小型・低コスト下で、明るさや高画質性能を確保できる映像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】
上記の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、該光源ユニットから出射された光を複数色の光に分離する色分離手段と、該色分離手段の出射光を映像信号に応じた光学像が形成されるライトバルブ手段である映像表示素子上に照射させる作用を有する照明光学系と、該映像表示素子から出射した光を投射する投射手段とで構成される投射型光学ユニットであって、入射光の最大入射光線角度より小さい最大出射光線角度に、出射光を変換する光線角度変換手段を有する光導波路で構成されるインテグレータ素子を前記光源ユニットと前記映像表示素子の間に有し、該インテグレータ素子の出射開口形状は、前記映像表示素子に照射される光の形状と相似形を成すように構成する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、幾つかの実施例を用い、図を参照して説明する。
【００１９】
図１に示す、図１（ａ）は、本発明による光学ユニットの第１の実施例であり、図１（ｂ）は、本発明のインテグレータ素子３の第１の実施例である。
【００２０】
図１（ａ）において、１は該光源ユニットの光源部、２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、３は、本発明の入射開口３０と出射開口３１の大きさが異なり、かつ出射開口３１の大きさが、入射開口３０より大きくなるインテグレータ素子である。出射開口３１は映像表示素子１２と相似形状をなしており、この出射開口から出射された光は結像レンズ群６、７、８により、映像表示素子１２上に結像される。
【００２１】
すなわち、出射開口３１の矩形形状である照明光を物として、映像表示素子１２すなわち矩形形状のパネルに結像させ、照明光を集光させる光学ユニットである。
【００２２】
本発明のインテグレータ素子３内は光導波路としてライトパイプを形成しており、入射した光は、内面反射を繰り返して、やがて、出射開口部で略均一の光分布になる。また、ライトパイプの側面は出射面にむかって傾斜しているため、入射光線のＦ値よりも出射光線のＦ値が大きくなり、光線角度の発散成分を低減することが可能となる。これによりＦ値変換機能を有する。
【００２３】
本実施例では、光源１の光をリフレクタ２で集光した光を一本の本発明のインテグレータ素子３に入射させるが、ＬＥＤ光源、レーザ光源、ＦＥＤ光源、ＥＬ光源なプラズマ光源などの発光体を複数列配列した場合に、その出射面に本インテグレータ素子３を各ピッチが略同一となるように複数列配置し、それぞれの発散角度成分を補正制御し、それぞれ個々の発光体の出射光線角度を小さくして、発散成分を低減できる効果もある。もちろん、マイクロレンズや、リフレクタを配列して、ある程度光線角度を制御してから、本発明のインテグレータ素子３の配列にそれぞれ入射させれば、さらに効果的に出射光線の角度を小さく制御することができる。すなわち指向性を高めることが可能である。
【００２４】
当然、いつの発行体光源の場合も本発明のインテグレータ素子３を用い、同様の効果を得ることが可能である。
【００２５】
図１（ｂ）において、インテグレータ素子３の具体例を示す。
入射面と同じ入射開口３０の横寸法をｘ１、縦寸法をｙ１、出射面と同じ出射開口３１の横寸法をｘ２、縦寸法をｙ２とし、ライトパイプの縦の片側広がり角度をθ１、横の広がり角度をθ２とすると、
ｘ１＜ｘ２、ｙ１≦ｙ２、
かつ　ｘ１×ｙ１＜ｘ２×ｙ２の条件が成り立つ場合、
θ１＞０°およびθ２≧０°を満たすライトパイプ、
あるいは
ｘ１≦ｘ２、ｙ１＜ｙ２、
かつ　ｘ１×ｙ１＜ｘ２×ｙ２の条件が成り立つ場合、
θ１≧０°およびθ２＞０°が成立するライトパイプ
が本発明のインテグレータ素子３となり得る。
【００２６】
このとき、光線角度変換手段は、該光導波路を構成する各反射面が、前記出射開口部に向かって、各所定角度θ１およびθ２で略傾斜し、上下左右に開口面積が変化し、広がっていく構成で、かつ、この所定角度をθ１およびθ２°、入射光線の縦方向のＦ値をＦ１ｔ、出射光線の縦方向のＦ値をＦ２ｔを必要とした場合、
θ１≦（ｔａｎ^―１（０．５／Ｆ１ｔ）―ｔａｎ^―１（０．５／Ｆ２ｔ））／２
もしくは、入射光線の横方向のＦ値をＦ１ｙ、出射光線の横方向のＦ値をＦ２ｙを必要とした場合、
θ２≦（ｔａｎ^―１（０．５／Ｆ１）―ｔａｎ^―１（０．５／Ｆ２））／２
が成立するようにθ１およびθ２を選択すると、本発明のインテグレータ素子３が構成できる。
【００２７】
もちろん縦方向と横方向を定義するのは、断面が矩形形状のライトパイプを想定しているが、この断面を変えることも可能であり、さらにインテグレータ素子３の後の光学系でＦ値の制約のない方は、例えば横方向だけは、θ２＝０°として、ライトパイプを形成することも可能である。
【００２８】
図２は、本発明のインテグレータ素子３の第２の実施例である。
【００２９】
（ａ）図は図１で説明しているインテグレータ素子３であり、入射面の入射開口３０よりも出射開口３１のサイズが大きくなっている構成である。この入射開口３０と出射開口３１の形状は相似の矩形形状を示している。かつ本出射開口３１の矩形形状は、映像表示素子（図示せず）の矩形形状もしくは、映像表示素子上に照射する照明光の形状と類似形状としている特徴を持つ。
【００３０】
（ｂ）図は、入射開口３０から出射開口３１までの広がりが、リニヤでないライトパイプであり、徐々に広がって所定のＦ値の出射光線が得られるように設計されている。すなわち、入射光線のＦ値の光がライトパイプ内で反射回数が増加するように、最初の入り口近傍は側面の広がり角度が小さく平行に近い形状とし、できるだけ反射回数を増加し、均一性を高め、後半はＦ値可変を行うために除々に広がり角度を増加させている構成である。
【００３１】
これにより、ライトパイプの長さを短くすることが可能で、光学ユニットの小型化および、ライトパイプのコスト、重量を低減できる。
【００３２】
（ｃ）図は（ｂ）図のインテグレータ素子３と同様の効果を狙ったもので、除々に角度を付けるのではなく、２段ないしｎ段の広がり角度の異なったライトパイプを組合せている。すなわち３ａのライトパイプと３ｂのライトパイプをそれぞれのつなぎ目に損失がでないように貼り合せなどにより結合させている。もちろん、一体に成形できれば、これに越したことはない。
【００３３】
（ｄ）図は、（ｂ）図のインテグレータ素子３と同様の効果を狙ったもので、除々に角度を付けるのではなく、２段ないしｎ段の広がり角度の異なったライトパイプを組合せ、かつ初段のライトパイプ３ｃを上下左右の側面が平行に配列されている構成を示している。すなわち３ｃのライトパイプと３ｄのライトパイプをそれぞれのつなぎ目に損失がでないように貼り合せなどにより結合させている。もちろん、一体に成形できれば、これに越したことはない。
【００３４】
３ｃのライトパイプは従来のライトパイプと同様であり、入射光線角度を保持したまま、反射を繰り返すので、反射回数が増え、出射光の明るさ分布の均一性が、より均一になり、後の入射開口より出射開口が大きくなるライトパイプ３ｄにより出射光線角度が小さく制御され、入射光線のＦ値より出射光線のＦ値が大きくなって、光の発散成分を低減できる。すなわち、本発明のインテグレータ素子３をもちいれば、光学デバイスの性能を最大限に引き出すことができる。
【００３５】
もちろん、（ｃ）図、（ｄ）図に示したものは一例であり、ｎ段のライトパイプで構成されていても良く、さらには、初段のライトパイプは、入射面より出射面の方が小さくなる構成にして、入射光線がライトパイプの側面で反射するたびに、急峻な角度にして、出きるだけ反射回数を増やし、出射光線の光分布の均一性をさらに向上してから、最終段のライトパイプの出射面まで連続してライトパイプの断面を拡張していっても良い。このとき、当然、Ｆ値可変機能が必要となるので、初段の入射面３０のサイズより最終段のライトパイプの出射面３１のサイズの方が大きくなることはいうまでもない。
【００３６】
図３は、本発明のインテグレータ素子３の第３の実施例である。
【００３７】
図３（ａ）において、１は該光源ユニットの光源部、２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、３は、本発明の入射面３３と出射面３５の大きさが異なり、かつ出射面３５の大きさが、入射面３３より大きくなるインテグレータ素子である。
【００３８】
さらに、本実施例では、入射面３３に設けられた入射開口３４は円形形状であり、入射面３３のサイズよりも小さい。
【００３９】
この入射開口３４の外側の入射面は、反射ミラーが設けられており、出射面から戻ってきた光の内、入射開口３４から漏れていかない光を補足し、反射して出射面に折り返す効果がある。一方、出射面３５は、出射開口３６とそれ以外の部分に反射ミラーが設けられており、この出射開口３６にて、所定の出射光線形状に成形し、この出射開口３６から出射した利用可能な光以外で、反射ミラーで反射された従来は損失していた光を、再度ライトパイプ上を入射面３３方向に逆進行させ、前記、入射面に設けられた反射ミラー３３により、一部反射して戻し返され、今度は、出射開口３６から一部を再利用することが可能である。このとき、当然、入射光線角度よりも最終的に出射した光線角度のほうが小さいので、図２と同様に高効率が得られる効果がある。この出射開口形状は、本実施例は細長い矩形形状となっている。
【００４０】
本発明のインテグレータ素子３では、この形状は、自由に制御可能であり、スクロール光学系など、パネル上でパネルサイズの縦あるいは横幅の１／３あるいは１／４の幅のＲＧＢ光もしくはＲＧＢＷ光などの色光帯幅を必要とする場合や、パネルに斜めに入射する場合の歪を補正したり、パネル形状がアスペクト比１６：９やシネマモードのアスペクト比を必要とする場合に、自由に設定可能である。
ただし、入射面３３の面積より、出射面３５すなわち図の斜線部の反射ミラー部と出射開口３６を足した面積の方が大きくなる構成である。
【００４１】
もちろん、上下左右のライトパイプの側面は、左右は平行に構成され、かつ上下のみ傾斜して断面が大きくなっても良いし、左右のみが傾斜して出射面方向に断面が大きくなっていく形状でもよい。これにより、入射光線角度よりも最終的に出射した光線角度のほうが小さいので、図２と同様に高効率が得られる効果がある。
【００４２】
図（ｂ）は、図（ａ）と同様の効果を可能にしている実施例である。
【００４３】
すなわち、出射面３５は斜線部の反射ミラー部と出射開口３６を備えており、この出射開口３６の位置は中心近傍に配置され、その上下両側に反射ミラー部が設けられている。これにより、光軸中心を維持でき、光学部品の配置および設計が容易になる。また、反射回数がライトパイプの側面の上下面で、同等回数となるため、極力ライトパイプを短くしたい場合に、出射開口３６から出射する光の分布が上下でバランスが良く、均一性がより短い距離で確保できる効果がある。
【００４４】
図４は、本発明のインテグレータ素子３の第４の実施例である。
【００４５】
図４（ａ）において、１は該光源ユニットの光源部、２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、３は、本発明の入射面３３と出射面３５の大きさが異なり、かつ出射面３５の大きさが、入射面３３より大きくなるインテグレータ素子である。
【００４６】
さらに、本実施例では、入射面３３に設けられた入射開口３４は円形形状であり、入射面３３のサイズよりも小さい。円形形状であるのは、光源ユニットから入射する光線のスポットが円形に近い形状となっているためであり、光源スポットの形状により順次形状を設定しても良い、たとえばＬＥＤなどの発光体からの入射光線の形状が、矩形ならば、矩形でも良い。但し、入射面３３の面積よりも入射開口３４は小さいことが条件である。すなわち、本発明の場合、反射ミラー部が必ず必要となる。この入射開口３４の外側の入射面は、反射ミラー、図の斜線部が設けられており、出射面から戻ってきた光の内、入射開口３４から漏れていかない光を補足し、反射して出射面に折り返す効果がある。一方、出射面３５は、出射開口すなわち、図の偏光板５の出射開口と同じであるが、それ以外の部分に反射ミラー、図の斜線部が設けられており、この出射開口にて、所定の出射光線形状に成形し、この出射開口から出射した利用可能な光以外で、反射ミラーで反射された従来は損失していた光を、再度ライトパイプ上を入射面３３方向に逆進行させ、前記、入射面に設けられた反射ミラー３３により、一部反射して戻し返され、今度は、出射開口から一部を再利用することが可能である。このとき、当然、入射光線角度よりも最終的に出射した光線角度のほうが小さいので、図２と同様に高効率が得られる効果がある。この出射開口形状は、本実施例は細長い矩形形状となっている。
【００４７】
本発明のインテグレータ素子３では、この形状は、自由に制御可能であり、スクロール光学系など、パネル上でパネルサイズの縦あるいは横幅の１／３あるいは１／４の幅のＲＧＢ光もしくはＲＧＢＷ光などの色光帯幅を必要とする場合や、パネルに斜めに入射する場合の歪を補正したり、パネル形状がアスペクト比１６：９やシネマモードのアスペクト比を必要とする場合に、自由に設定可能である。
【００４８】
ただし、入射面３３の面積より、出射面３５すなわち図の斜線部の反射ミラー部と出射開口、図の偏光板５の面積を足した面積の方が大きくなる構成である。
【００４９】
もちろん、上下左右のライトパイプの側面は、左右は平行に構成され、かつ上下のみ傾斜して断面が大きくなっても良いし、左右のみが傾斜して出射面方向に断面が大きくなっていく形状でもよい。これにより、入射光線角度よりも最終的に出射した光線角度のほうが小さいので、図２と同様に高効率が得られる効果がある。
【００５０】
さらに、本実施例では、出射面３５の出射開口に１／４波長位相差板４と偏光板５を設けている。この１／４波長位相差板４は、フィルム波長板、水晶板、蒸着膜による波長板などが、利用可能であるが、耐熱性の観点から水晶や蒸着膜の方が信頼性や性能が高い。また偏光板５は、平板状の偏光板であり、これは金属もしくは無機物もしくはガラス材のワイヤーグリッド型偏光板、すなわち微細周期格子型の偏光板もしくは、フィルム型偏光板、もしくは多層膜偏光板もしくは、平板型偏光ビームスプリッタであり、Ｐ偏光光もしくはＳ偏光光のどちらか一方を透過し、もう片方の偏光光を反射して、１／４波長位相差板４に戻す機能を持つ構成である。
【００５１】
これも、金属もしくは無機物もしくはガラス材のワイヤーグリッド型偏光板であれば、反射効率も高くなり、光効率向上が望める。
【００５２】
出射面３５の反射ミラーで反射されずに、正規に出射してきた光は、１／４波長位相差板４を通過して円偏光のまま、偏光板５に入射してＰ偏光光あるいはＳ偏光光のどちらか一方が通過していく。残りの偏光光は前記のように戻り、１／４波長位相差板４で位相差を発生させられ、反射ミラーで反射した光同様に、ライトパイプ３内を入射側へ逆進行していく。後は同様に入射面の反射ミラーにより一部反射され、再度出射面に到達して、１／４波長位相差板４を再度通過し、このとき位相が１／２波長ずれるので、今度は偏光板５を通過できる偏光光に変換されて、無事に偏光板５を通過して再利用できる。
【００５３】
したがって、図３で説明したＦ値可変機能と、出射光形状の制御機能と、従来の損失光の再利用機能に加え、Ｐ偏光光とＳ偏光光を分離し、どちらか一方の偏光光に変換する偏光変換機能も同時に有する効果がある。
【００５４】
もちろん、入射開口、すなわち図（ａ）の偏光板５の面積が、出射面３５の大きさと同じであってもよく、この場合は偏光変換機能とＦ値可変機能を有する構成となる。この組合せは自由であるが、本発明の基本はＦ値可変機能が必然であるので、この機能に付加機能を加えていく構成となる。
【００５５】
図（ｂ）は、図（ａ）と同様の効果を可能にしている実施例である。
【００５６】
すなわち、出射面３５は斜線部の反射ミラー部と出射開口、すなわち偏光板５を備えており、この出射開口の位置は中心近傍に配置され、その上下両側に反射ミラー部が設けられている。これにより、光軸中心を維持でき、光学部品の配置および設計が容易になる。また、反射回数がライトパイプの側面の上下面で、同等回数となるため、極力ライトパイプを短くしたい場合に、出射開口から出射する光の分布が上下でバランスが良く、均一性がより短い距離で確保できる効果がある。
【００５７】
図５は本発明による光学ユニットの第２の実施例を示す。
【００５８】
本第５の実施例は、色分離手段で電子的もしくは光学的もしくは機械的に色分離した光を、プリズム状の誘電体多層膜型もしくは平板状の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スクロール光学系の構成例である。
【００５９】
図５において、１は該光源ユニットの光源部、２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、３は、本発明の入射開口と出射開口の大きさが異なり、かつ出射開口の大きさが、入射開口より大きくなるインテグレータ素子、４は、１／４波長位相差板、５は１／４波長位相差板からの出射光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分離して出射する平板状の偏光板であり、これは金属もしくは無機物もしくはガラス材のワイヤーグリッド型偏光板、すなわち微細周期格子型の偏光板もしくは、フィルム型偏光板、もしくは多層膜偏光板もしくは、平板型偏光ビームスプリッタであり、Ｐ偏光光もしくはＳ偏光光のどちらか一方を透過し、もう片方の偏光光を反射して、１／４波長位相差板に戻す機能を持つ構成であり、６、７及び８はそれぞれ、光を結像する第１結像レンズ群、９は、色分離手段である色分離プリズム群であり、この場合はＲＧＢの各色をそれぞれ分離するダイクロイックプリズム９ａ、９ｂ、９ｃをアレイ状に配置したダイクロイックプリズム群であり、電子的制御によって入射光を順次色分離する電子的色分離手段でもよい、１０は、微細周期格子型偏光素子から成り、反射により光路の方向を変え、かつ偏光光の純度を向上させる微細周期格子型反射手段、４ｂは偏光方向を調整する１／４波長位相差板、１７ａ、１７ｂは所定方向の偏光光を通す偏光板、１２は反射型液晶パネル等の反射型表示素子、２３は投射レンズユニット、１８は、誘電体多層膜からなる偏光ビームスプリッタプリズムもしくは微細周期格子型偏光素子から成る平板状の偏光ビームスプリッタで、入射光をＰ偏光光とＳ偏光光に分離する偏光ビームスプリッタである。上記第１のアレイレンズ２から該微細周期格子型偏光ビームスプリッタ１７及び１／４波長位相差板４ｃまでの光学系は、上記反射型表示素子１２に対する照明光学系を構成する。
【００６０】
上記構成において、上記光源ユニットの光源部１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２にて反射集光され、上記インテグレータ光学素子３にて出射開口形状である矩形ないし所定の形状の光源像を形成した後、上記結像レンズ群６、７、８で２次光源像を反射型回転多面体１３の略々近傍に結像し、この反射型回転多面体１３すなわち、ポリゴンミラー、回転プリズム等であるが、反射型回転多面体１３の表面状に反射するＲＧＢ光のスポット形状及び、サイズが極力最小、かつピントの合わせた状態となるように、上記結像レンズ群６、７、８を構成する。このとき、色分離素子９であるダイクロイックプリズム群９Ｒ、９Ｇ、９Ｂを通過する光束形状が極力ケラレのないように、ダイクロイックプリズムアレイの単位開口形状を決定し、かつ、この色分離素子９の像を映像表示素子１２上に結像させる第２の結像レンズ群１４、１５、１６を設ける構成とする。
【００６１】
また、色分離素子９から色分離されたＲＧＢ光、必ずしも３色光でなくＲＧＢＷ、ＲＧＢおよびイエロー光＋シアン光など４色、Ｎ色に分離してもよい、は、平板上の偏光ビームスプリッターもしくは偏光ビームスプリッタプリズム１０、すなわちＰＢＳプリズムによって、反射もしくは透過され、１／４波長位相差板４ｂを透過してポリゴンミラー１３上に集光される。本実施例の場合はＳ偏光光のＲＧＢ光がワイヤーグリッド型平板ＰＢＳ１０に反射されて、１／４波長位相差板４ｂを透過してポリゴンミラー１３上に集光される。
【００６２】
本実施例では、例えばインテグレータ素子３で出射光の形状が映像表示素子１２のアスペクト比の所定幅、すなわち１／３幅ないし１／４幅、例えば１６：９の映像表示素子１２であれば、１６：３もしくは１６：９／４の比率の開口形状幅を持つ光形状に成形され、かつこの光を１／４波長位相差板を通過した後、Ｓ偏光光のみを微細周期格子型、例えば金属ワイヤーグリッド型等の偏光板５を透過させ、Ｐ偏光光は、本偏光板５にて反射され、再度１／４波長位相差板４ａを通過して位相差を発生させられ、再びインテグレータ素子３を光源１の側に戻り、かつ光源１の側のインテグレータ素子３、すなわちライトパイプの入射面の開口部分以外に設けられた反射ミラーに照射された光は再びライトパイプ内を通過して、再度１／４波長位相差板４ａにて位相差を発生させられ、Ｓ偏光光となり、今度は金属ワイヤーグリッド型等の偏光板５を通過し、偏光変換されて出射される。さらに、本発明のインテグレータ素子３は、光導波路であり、ガラス材のライトパイプ、あるいはミラーを配したライトパイプであるので、入射光が内面反射を繰り返して、出射光の均一分布を発生させる効果もある。さらには、入射開口は円形であるが、入射面の矩形形状サイズより出射面の矩形形状サイズが略大きく拡大されているため、途中のライトパイプの上下左右の側面は傾斜面となるので、入射光線角度は導波路内を反射するたびに、絶対角度が小さくなる効果があり、最終的に入射光線角度に対し出射光線角度が小さく、すなわち入射光線のＦ値より出射光線のＦ値が大きくなる効果となって、Ｆ値変換の効果も併せ持つ。これにより、ＰＢＳ、偏光板、波長板、映像表示素子、レンズアレイ、ダイクロイック色分離素子、などの光学デバイスの角度依存性が問題となって、照明系のＦ値が所定値を限界としていたが、現状ではＦ１．５からＦ５程度を主流としていた、本発明のインテグレータ素子３を用いることにより、入射光線のＦ値は極力小さくして、矩形の入射面に設けられた円形の入射開口に入射する光束量を増加させ、すなわちリフレクタ２などで集光した光源１の光の集光スポットが、入射光線のＦ値小さくすることにより、小さくなる現象を利用して効率を向上する。
【００６３】
いったんインテグレータ素子３に入射してしまえば、今度は、出射光線角度をできるだけ小さくしてＦ値を大きくすることにより、インテグレータ素子３以降の光学デバイスの透過効率、反射効率、コントラスト、消光比、色分離効率、色合成効率、映像表示素子１２の各種性能が、向上させる効果がある。
【００６４】
Ｓ偏光光に揃えられ、結像レンズ群６、７、８を通して、Ｒ光を反射するＲ用ダイクロイックミラー９ａ、Ｇ光を反射するＧ用ダイクロイックミラー９ｂ、Ｂ光を反射するＢ用ダイクロイックミラーあるいは反射ミラー９ｃ、（以降ダイクロイックミラー群と呼称する）によってそれぞれ、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光として反射される。各Ｒ光、Ｇ光及びＢ光は平板型偏光ビームスプリッタ１０を反射して、かつ１／４波長位相差板４ｂを通過して位相差を発生し、それぞれ反射型回転多面体１３の異なる場所に照射され、反射型回転多面体１３で反射される。本実施例では、この反射型回転多面体１３は８面体で、かつそれぞれの面が非球面シリンドリカルな反射ミラーで構成されているが、面の形状あるいは数は限定されるものではない。この非球面シリンドリカルな反射ミラーは映像表示素子１２上のＲＧＢ帯の移動速度が周辺と中央で一定になるように、ＲＧＢ反射光の移動角度を同じ各速度となるように回転速度との関係で制御できるように決定した所定の非球面形状で構成されている。本実施の場合はポリゴンミラーの回転半径方向に凸型の非球面形状となっており、もちろん精度を要求しない場合は、球面形状や平面で簡易化することも可能である。また、本実施例ではダイクロイックミラーあるいはダイクロイックプリズム群９ａ，９ｂ，９ｃは、赤光（Ｒ），緑光（Ｇ），青光（Ｂ）の３色であるが、Ｒ，Ｇ，Ｂ、Ｗ（白色光）の組合せ色切替、またはＹ（黄色光）、Ｃ（シアン光）、Ｍ（マゼンダ光）の組合せ色切替、または、Ｒ、Ｙ、Ｇ、Ｃ、Ｍの組合せ色切替、Ｒ、Ｏ（オレンジ光）、Ｇ、Ｂ、Ｖ（紫光）の組合せ色切替でもよく、この場合は、色分離手段であるダイクロイックプリズム群が３枚以上の複数枚になることもある。この場合はパネル上のスクロール帯は３種類以上になる場合がある。
また、２板式（パネル２枚を利用しキューブ型のＰＢＳの２面にそれぞれ配置する構成）の光学エンジンの場合は、スクロールさせる光のみを回転ポリゴンミラーを介して第１のパネルに到達し、残りのスクロールしない光は、固定ミラー、レンズを介して直接、第２のパネルに到達するように構成する構成も可能である。
【００６５】
Ｒ光、Ｇ光及びＢ光が反射型回転多面体１３の１つの面で反射された場合、各光の光軸は一旦交差される。また、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光のいずれか二つの光が反射型回転多面体１３の１つの面で反射された場合には、例えば、これら光の光軸は交差される。反射型回転多面体１３を出射したＲ光、Ｇ光及びＢ光は第２の結像レンズ群１４、１５、１６、偏光板１７ａを透過し、ＰＢＳ１８で反射された後、１／４波長位相差板４ｃを通過して位相補償を行い映像表示素子すなわちパネル１２の異なった場所に照射される。パネル１２から出射されＳ偏光光からＰ偏光光に変換された光は再度１／４波長位相差板４ｃを通過して位相補償を行い、ＰＢＳ１８を透過し、更に偏光板１７ｂを透過した後、投射レンズ２３を通してスクリーン（図示せず）に拡大投影された映像を表示する。このとき、反射型回転多面体１３を回転させると、パネル１２上のＲＧＢ色の帯光は順次パネル１２上を所定方向にスクロールする。いったんスクロールした色光は例えば、Ｂ帯光がパネル下端部へ進行すると、下端部からはみ出したＢ帯光が上端部に即座に現れて、映像表示エリアに過不足なくＲＧＢ色帯光がスクロール照射される。このときスクロール帯光の幅にそれぞれの色に対応した映像信号を書込み順次再生していくと、映像の１フレームが完成する。これを繰り返しＲＧＢ連続で順次にスクロールしていく。
【００６６】
なお、パネル１２としては、透過型液晶パネル、反射型液晶パネル、強誘電性液晶パネル及びマイクロミラー型映像表示素子等があるが、本発明では適宜これらパネルのいずれかを使用することができる。本実施例では、パネル１２として反射型液晶パネルまたは強誘電性液晶パネルを使用することができる。
【００６７】
また、マイクロミラー型映像表示素子場合のスクロール光学系は、基本的には、偏光光を使わないので、フィルム型あるいは水晶板型あるいは蒸着型の１／４波長位相差板４ａ、４ｂ、４ｃおよび、微細周期格子型偏光板あるいはフィルム型偏光板５、１７ａ、１７ｂおよび、微細周期格子型の平板ＰＢＳあるいは誘電体多層膜を蒸着したプリズムキューブ型のＰＢＳ１０、１８が不要となり、場合によりＰＢＳ１０の変わりに全反射プリズム、すなわちＴＩＲプリズム２０を設ける構成となる。
【００６８】
図５の実施例において、各ダイクロイックプリズム群９ａ、９ｂ、９ｃによって反射されたＲ光、Ｇ光、Ｂ光の光軸の方向は、それぞれＲ光、Ｇ光およびＢ光がパネル１２上で所定の場所に照射されるように調整される。また、反射型回転多面体１３はこれを回転させた時、パネル１２上のＲ光、Ｇ光およびＢ光が略同等速度で一方向に移動できるように、その大きさ、多面体の数、曲面形状を決める。
【００６９】
また、ダイクロイックプリズム群９ａ、９ｂ、９ｃの代わりに、ダイクロイックプリズムと反射ミラーを組み合わせて、ダイクロイックプリズムでＲ光、Ｇ光及びＢ光に分離し、反射ミラーで光軸の方向を制御するようにしても良い。
【００７０】
これにより、入射Ｆ値を小さくして、極力入射光のスポット径を小さくし、できるだけ、インテグレータ素子３の円形の入射開口に光を取りこませ、逆に出射光線のＦ値をできるだけ大きくして、後の光学素子の特性を向上させることが可能となる。これにより、明るさ効率向上と色純度、色ムラ、コントラスト等の画質性能向上を両立し得る光学系を提供できる。
【００７１】
図６は本発明による光学ユニットの第３の実施例を示す。
【００７２】
本第６の実施例は、色分離手段で光学的に色分離した光を、マイクロミラー型映像表示素子を用いて照射して映像表示する場合のカラーホイール型の面順次色分離光学系の構成例である。
【００７３】
本発明の実施例に用いられた映像表示素子は単板であり、マイクロミラー型映像表示素子１２を用いた場合の面順次色切替光学系である。本発明のインテグレータ素子３の出射面に設けられた出射矩形開口の照明光を物面として、この出射した矩形光をカラーホイール２２に入射した後、結像レンズ群６、７、８によりパネル１２上に結像させる照明系である。基本的には、偏光光を使わないので、図５におけるフィルム型あるいは水晶板型あるいは蒸着型の１／４波長位相差板４ａ、４ｂ、４ｃおよび、微細周期格子型偏光板あるいはフィルム型偏光板５、１７ａ、１７ｂおよび、微細周期格子型の平板ＰＢＳあるいは誘電体多層膜を蒸着したプリズムキューブ型のＰＢＳ１０、１８が不要となり、場合によりパネル１２直前の光の入射方向とパネル１２から反射した映像光の方向を分離して投射レンズ２３に導くＰＢＳ１８の変わりに全反射プリズム、すなわちＴＩＲプリズム２０を設ける構成となる。もちろん、インテグレータ素子３は、カラーホール２２上に設けられた渦巻き上のダイクロイック膜によるＲＧＢ色の円弧上の各帯光をパネル１２上に照射する、渦巻きカラーホイール型スクロール光学系においても、対応しており、入射光線Ｆ値と出射光線Ｆ値を変換し、かつ、インテグレータ素子３の出射開口形状がパネル１２のアスペクト比となって相似系を呈している構成で、この出射開口部に配置された渦巻きカラーホイール２２の円弧状の各ＲＧＢ色帯膜、あるいはＲＧＢＷ膜、例えばダイクロイック色帯膜が存在し、出射光線のうち色帯を通過しない残りの色光、すなわち出射開口面積の略１／３の幅帯を占めるＲ帯膜に反射された、Ｇ、Ｂ光は反射され、再び、インテグレータ素子３、すなわちライトパイプに出射開口から入射する。この入射した光は、ライトパイプ内を通過して、円形の入射開口以外の矩形の入射面に設けられた反射ミラーにより、一部反射され、再びライトパイプ内を出射面に向けて進み、今度はＲ帯膜以外のＧないしＢ膜に照射されて、再利用されていく。このとき光源からの入射光線角度とは異なる、よりダイクロイック膜の特性が引き出せる小さな角度、すなわち大きなＦ値の出射光線となるので、色再現性は良くなる。さらにＴＩＲプリズム２０や、レンズ系のＦ値が大きく取れるので、パネル１２および、光学系のコントラストが向上する。
【００７４】
さらには、光学系のレンズ群６、７、８の径や投射レンズ２３の外径も小さくすることが可能となり、セットの小型軽量化が可能となる。これは、コスト低減にもつながる効果となる。もちろん、出射光線のＦ値の設計方法によるが、インタグレータ素子３の出射面より出射開口を小さくするならば、出射開口以外の面に反射ミラーを設けて、これにより、出射開口より出射しなかった光線を反射ミラーにて反射し、渦巻き状のカラーホイール２２で反射された各色光と同様に、入射面に設けられた反射ミラーにて一部の光線が再び反射補足され、出射開口部に入射することで、再利用、補足が可能となる。これにより、入射Ｆ値を小さくして、極力入射光のスポット径を小さくし、できるだけ、インテグレータ素子３の円形の入射開口に光を取りこませ、逆に出射光線のＦ値をできるだけ大きくして、後の光学素子の特性を向上させることが可能となる。これにより、明るさ効率向上と色純度、色ムラ、コントラスト等の画質性能向上を両立し得る光学系を提供できる。
【００７５】
図７は本発明による光学ユニットの第４の実施例を示す。
【００７６】
本第７の実施例は、ＲＧＢ光路に色分離手段で光学的に色分離した光を、３枚の透過型映像表示素子を用いて照射して、それぞれの映像光を合成プリズムにて合成して映像表示する場合の透過型液晶プロジェクタ用光学ユニットの構成例である。
【００７７】
図７において、１は光源、２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、３は本発明のインテグレータ素子、すなわちライトパイプ、４は１／４波長位相差板、５は、インテグレータ素子３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、例えば、微細周期格子型偏光素子、すなわち金属ワイヤーグリッド型偏光板、あるいはＰＢＳなどで、該偏光ビームスプリッタ５の反射光である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、位相差を発生させるための１／４波長位相差板４を通過したＰ偏光もしくはＳ偏光の反射光は、再びインテグレータ素子３を光源１の側に戻り、かつ光源１の側のインテグレータ素子３、すなわちライトパイプの入射面の開口部分以外に設けられた反射ミラーに照射された光は再びライトパイプ内を通過して、再度１／４波長位相差板４にて位相差を発生させられ、今度はもう一方のＳ偏光光ないしＰ偏光光となり、今度は金属ワイヤーグリッド型等の偏光板５を通過し、偏光変換されて出射される。
【００７８】
図７における６、７、８ａ、８ｂ、８ｃ、２１ａ及び２１ｂはそれぞれ、光を集束するあるいは再結像させるための集光レンズ、２８は、反射ミラーで、反射により光路の方向を変える反射手段、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、２６ａ、２６ｂ、及び２６ｃは、偏光フィルムもしくは微細周期格子型偏光素子から成り、Ｓ偏光光とＰ偏光光を分離する偏光板、２７ａ、２７ｂは色分離用のダイクロイックミラー、４０は色合成用のダイクロイックプリズム、１２Ｒ、１２Ｂ、１２Ｇは透過型液晶パネル等の透過型表示素子、２３は拡大投射用の投射レンズユニット、２４は電源回路、２５は信号処理回路、２６は冷却用のファンである。上記インテグレータ素子３から上記入射側の偏光板２６ａ、２６ｂ、２６ｃ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。
【００７９】
かかる構成において、上記光源１から出た光は、リフレクタ２にて反射集光され、上記インテグレータ素子３にて照明像を形成した後、ワイヤーグリッド型偏光板など構成される偏光ビームスプリッタ５でＰ偏光光とＳ偏光光とに分離され、１／４波長位相差板４により、反射した該Ｐ偏光光が偏光方向を回転されて、再度通過するときにＳ偏光光とされ、偏光ビームスプリッタ５で分離されたＳ偏光光と併せ、集光レンズ６に入射される。該インテグレータ素子３と該偏光ビームスプリッタ５と該１／４波長位相差板４の該組合せは、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１／４波長位相差板４において、上記と逆に、上記偏光ビームスプリッタ５で分離されたＳ偏光光の偏光方向を回転して、再度通過するときに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。
【００８０】
本発明の第７の実施例におけるインテグレータ素子３と１／４波長位相差板４および偏光板５の組合せによる効果は図５で示した、第５の実施例にて説明した効果を発揮する。
【００８１】
本第７の実施例の場合は、Ｓ偏光光が集光レンズ６に入射されるものとする。本実施例の場合、集光レンズ６で集光されたＳ偏光光は、さらに、反射手段２８に略４５゜の入射角で入射される。該反射手段２８では、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光のＳ偏光光が反射されて光路方向が変更されるとともに、それぞれのＳ偏光光中にＰ偏光光が含まれているとき、該Ｐ偏光光分を透過して除去し、反射されるＳ偏光光の純度を上げるようにすることも微細周期格子型反射ミラーを反射手段２８で用いれば効果が向上する。反射されたＲ光、Ｇ光及びＢ光のＳ偏光光は、集光レンズ７で集光されてダイクロイックミラー２７ａに入射され、ここでＲ光（Ｓ偏光光）と、Ｇ光（Ｓ偏光光）＋Ｂ光（Ｓ偏光光）とに分離される。すなわち、Ｒ光のＳ偏光光は透過され、Ｇ光のＳ偏光光とＢ光のＳ偏光光は反射される。例えば透過により分離されたＲ光のＳ偏光光は微細周期格子型偏光ビームスプリッタ１９ａに入射される。該微細周期格子型偏光ビームスプリッタ１９ａにおいて、Ｒ光のＳ偏光光中にＰ偏光光分がある場合の該Ｐ偏光光分や赤外線は透過されて除去され、純度をさらに上げられたＲ光のＳ偏光光は反射されて集光レンズ８ａに入射される。該集光レンズ８ａから出たＲ光のＳ偏光光は、入射側偏光板２６ａで偏光方向を揃えられてからＲ光用の透過型表示素子１２Ｒに照射される。透過型表示素子１２Ｒでは、該Ｒ光のＳ偏光光が透過時に映像信号に基づいて変調され、Ｒ光のＰ偏光光となって出射される。透過型表示素子１２Ｒを出たＲ光のＰ偏光光は出射側の偏光板１７ａで偏光方向を揃えられた後、ダイクロイックプリズム４０に入射され、そのダイクロイック面３７で反射されて投射レンズユニット２３に入る。一方、ダイクロイックミラー２７ａにおいて反射により分離されたＧ光とＢ光のＳ偏光光はダイクロイックミラー２７ｂに入射され、ここで、反射されるＧ光（Ｓ偏光光）と透過されるＢ光（Ｓ偏光光）とに分離される。該分離されたＧ光のＳ偏光光は、集光レンズ８ｂ、入射側の偏光板２６ｂを経て、Ｇ光用の透過型表示素子１２Ｇに照射される。透過型表示素子１２Ｇでは、該Ｇ光のＳ偏光光が透過時に映像信号に基づいて変調され、Ｇ光のＰ偏光光となって出射される。透過型表示素子１２Ｇを出たＧ光のＰ偏光光は出射側の偏光板１７ｂで偏光方向を揃えられた後、ダイクロイックプリズム４０に入射され、そのダイクロイック面３７、３８を透過して投射レンズユニット２３に入る。また、上記ダイクロイックミラー２７ｂを透過したＢ光のＳ偏光光は、集光レンズ２１ａで集光され、微細周期格子型偏光ビームスプリッタ１９ｂに入射される。該微細周期格子型偏光ビームスプリッタ１９ｂにおいて、Ｂ光のＳ偏光光中のＰ偏光光分や紫外線分は透過されて除去され、反射され純度をさらに上げられたＢ光のＳ偏光光は集光レンズ２１ｂ側に出射される。集光レンズ２１ｂを出たＢ光のＳ偏光光は微細周期格子型偏光ビームスプリッタ１９ｃに入射される。該微細周期格子型偏光ビームスプリッタ１９ｃにおいても、Ｂ光のＳ偏光光中のＰ偏光光分や紫外線分は透過によって除去される。該微細周期格子型偏光ビームスプリッタ１９ｃで反射されたＢ光のＳ偏光光は集光レンズ８ｃに入射される。該集光レンズ８ｃから出たＢ光のＳ偏光光は、入射側の偏光板２６ｃで偏光方向を揃えられてからＢ光用の透過型表示素子１２Ｂに照射される。該透過型表示素子１２Ｂでは、該Ｂ光のＳ偏光光が映像信号に基づき変調され、Ｂ光のＰ偏光光となって出射される。透過型表示素子１２Ｂを出たＢ光のＰ偏光光は出射側の偏光板１７ｃで偏光方向を揃えられ、ダイクロイックプリズム４０に入射され、ダイクロイック面３８で反射されて投射レンズユニット２３に入る。このように、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光それぞれのＰ偏光光が合成されてダイクロイックプリズム４０から投射レンズユニット２３に出射され、該投射レンズユニット２３により映像がスクリーン等に拡大投射される。本構成はこれに限るものではなく、Ｇ光はＰ偏光光で、Ｒ光、Ｂ光は１／２波長位相差板を利用し、Ｓ偏光光としてダイクロイックプリズム４０に入射する場合もある。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２７ａ、２７ｂ、上記ダイクロイックプリズム４０、及び出射側偏光板１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、投射型映像表示装置の色分離合成系を形成する。
【００８２】
これにより、入射Ｆ値を小さくして、極力入射光のスポット径を小さくし、できるだけ、インテグレータ素子３の円形の入射開口に光を取りこませ、逆に出射光線のＦ値をできるだけ大きくして、後の光学素子の特性を向上させることが可能となる。これにより、明るさ効率向上と色純度、色ムラ、コントラスト等の画質性能向上を両立し得る光学系を提供できる。
【００８３】
図８は本発明による光学ユニットの第５の実施例を示す。
【００８４】
本第８の実施例は、インテグレータ素子を少なくともＦ値変換、偏光変換素子、均一分布発生手段、光効率向上手段として用い、３個の反射型表示素子に分離光を反射して映像表示を行うようにした場合の構成例である。
図８は本発明による投射型液晶表示装置の第８の実施例を示す概略の平面図である。図８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１２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。
【００８５】
図８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、円形または多角形の出射開口を持つ少なくとも１つの反射面鏡２と、この光源１から出る光はライトバルブ素子である液晶表示素子１２を通過して投射レンズ２３に向かい、スクリーンへ投影される。
【００８６】
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２にて集光され、放物面の場合は、この反射面鏡リフレクタ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、３は本発明のインテグレータ素子、すなわちライトパイプに入射させる。４は１／４波長位相差板、５は、インテグレータ素子３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、例えば、微細周期格子型偏光素子、すなわち金属ワイヤーグリッド型偏光板、あるいはＰＢＳなどで、該偏光ビームスプリッタ５の反射光である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、位相差を発生させるための１／４波長位相差板４を通過したＰ偏光もしくはＳ偏光の反射光は、再びインテグレータ素子３を光源１の側に戻り、かつ光源１の側のインテグレータ素子３、すなわちライトパイプの入射面の開口部分以外に設けられた反射ミラーに照射された光は再びライトパイプ内を通過して、再度１／４波長位相差板４にて位相差を発生させられ、今度はもう一方のＳ偏光光ないしＰ偏光光となり、今度は金属ワイヤーグリッド型等の偏光板５を通過し、偏光変換されて出射される。出射光はコリメータレンズ６に入射される。
【００８７】
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、偏光変換素子群３、４、５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１２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。また、インテグレータ素子３は、各光線の反射回数により出射光の光分布が略均一分布になり、液晶表示素子１２に重なり、均一な画質が得られるように作用する。
【００８８】
コリメータレンズ群６、７は、少なくとも１枚以上の構成であり、トータルで正の屈折力を有し、このＳ偏光光をさらに集光させる作用を持ち、このコリメータレンズ群６、７を通過した光は反射ミラー２８ａ、２８ｂにより光軸方向を所定方向に略９０°変換される。その後、光はコンデンサレンズ８を通過して、各色ＲＧＢ３枚の反射型液晶表示素子１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを照射するために、まず色分離ミラー２７あるいは図示していないが、色分離プリズムにより、Ｒ光とＧ、Ｂ光とに２分割され、それぞれの色専用の偏光分離合成素子である偏光ビームスプリッタ１８ＧＢ、１８Ｒに入射される。すなわち、Ｒ光は、本発明であるＲ専用偏光ビームスプリッタ１８Ｒに入射、その後Ｓ偏光光なのでＲ専用反射型液晶表示素子１２Ｒ側へ反射され、このパネルを照射する。また、　Ｂ光とＧ光はＧＢ光専用偏光板１７ＧＢを通過し、本発明であるＧＢ専用偏光ビームスプリッタ１８ＲＢ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域偏光変換素子２９Ｂを通過してＢ光あるいはＧ光のどちらかの偏光をＳ偏光光からＰ偏光光に変換して、例えば、偏光を変換されたＰ偏光光であるＢ光は、ＧＢ専用偏光ビームスプリッタ１８ＧＢを通過してＢ専用反射型液晶表示素子１２Ｂを照射する。一方、Ｇ光はＳ偏光光なのでＧＢ専用偏光ビームスプリッタ１８ＧＢにて反射された後、Ｇ専用反射型液晶表示素子１２Ｇ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、Ｇ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１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの入射側にはＳ偏光光を透過するＧＢ専用入射偏光板１７ＧＢおよびＲ専用入射偏光板１７Ｒを配置し、各色の偏光度を高め、偏光板１７をガラスに貼り、反対側に色調整膜を施すことによって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１２で偏光を変換され、光は再び各色専用偏光ビームスプリッタ１８ＧＢ、１８Ｒに入射し、Ｓ偏光光は反射され、Ｐ偏光光は透過する。
【００８９】
この反射型映像表示素子１２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１２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偏光ビームスプリッタ１８により検光される。この途中の角度の偏光を持った光は、偏光ビームスプリッタ１８の偏光度との関係で偏光ビームスプリッタ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ＧＢ専用偏光ビームスプリッタ１８ＧＢとＲ専用偏光ビームスプリッタ１８Ｒである偏光変換素子は、反射型映像表示素子１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ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。しかし偏光ビームスプリッタの偏光度および消光比である検光効率が微妙に性能に影響を与え、わずかに漏れたあるいは乱れた偏光光が偏光ビームスプリッタを通過して出射側の色合成偏光ビームスプリッタ１８Ｗあるいは色合成ダイクロイックプリズムを通過して投射レンズ２３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する場合がある。
【００９０】
当然ながら、偏光変換素子および色分離合成プリズムを構成する誘電体多層膜は、これに入射される特定波長帯域の光に対し、そのＰ偏光光の透過効率あるいは反射効率およびＳ偏光光の透過効率あるいは反射効率、あるいは円偏光光に対する透過効率あるいは反射効率が、ピーク値をとるように、限定波長域専用の誘電体多層膜付けを施した構成、たとえば４２０ｎｍ近傍から６００ｎｍ近傍迄の波長帯域のＧＢ光専用の最適な誘電体多層膜付けを施したＧＢ専用偏光ビームスプリッタ１８ＧＢ、６００ｎｍ近傍から７００ｎｍ近傍迄の波長帯域でのＲ光専用の最適な誘電体多層膜付けを施したＲ専用偏光ビームスプリッタ　１８Ｒを用いることにより、誘電体多層膜の膜付けが容易となり、かつ透過効率および反射効率、さらには上記検光効率も従来よりも向上する。このため、高精度な色再現性と高輝度、高効率コントラスト等を実現した反射型液晶表示装置を提供できる。さらに、場合により傾斜膜、すなわち光の入射角度によって誘電体多層膜の厚さを変えた膜を付加することにより、より均一性の高いかつ色純度の高い映像を表示できる。
【００９１】
偏光ビームスプリッタ１８Ｒを出射した光は特定波長域偏光変換素子２９Ｒによって、Ｒ光の偏光方向が変換され、例えばＳ偏光光に変換されて偏光ビームスプリッタ１８Ｗに入射される。
【００９２】
その後、映像であるＲＧＢ各色の光は色合成である偏光ビームスプリッターもしくはダイクロイックプリズムもしくはダイクロイックミラー１８Ｗ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（例えば投射レンズ）２３を通過し、スクリーンに到達する。前記投射手段２３により、反射型液晶表示素子１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ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４１により、ランプおよびパネル等の駆動を行っている。
【００９３】
これにより、入射Ｆ値を小さくして、極力入射光のスポット径を小さくし、できるだけ、インテグレータ素子３の円形の入射開口に光を取りこませ、逆に出射光線のＦ値をできるだけ大きくして、後の光学素子の特性を向上させることが可能となる。これにより、明るさ効率向上と色純度、色ムラ、コントラスト等の画質性能向上を両立し得る光学系を提供できる。特に、反射液晶表示素子１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、偏光ビームスプリッタ１８、すなわちＰＢＳにて検光し、コントラスト性能を確保するので、照明光学系に本発明のインテグレータ素子３の偏光変換機能、すなわち偏光板５による偏光度が事前に向上しており、ＰＢＳに入射する光の偏光純度が向上していることから、漏れによるコントラスト劣化も極力防ぐことができる。これにより、従来の偏光変換素子を第２インテグレータレンズに貼り付けていた方法よりも、格段にコントラスト性能を向上させる効果がある。
【００９４】
さらに、Ｆ値可変機能も本発明のインテグレータ素子３には、あるので、さらに照明光学系から反射液晶表示素子１２Ｒ、１２Ｇ、１２ＢやＰＢＳ１８ＧＢ、１８Ｒや、１／４波長位相差板４Ｇ、４Ｂ、４Ｒ、および偏光板１７ＧＢ、１７Ｒ等に入射する光線角度を低減、すなわちＦ値を大きくすることが可能なので、各光学デバイスの性能を十分に引き出すことが可能となり、コントラストや色純度がさらに向上する効果がある。
【００９５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、構成が簡単な単板および３板式の光学ユニットを得ることができる。また、光の利用効率のより高く、かつ画質性能の向上を両立した光学ユニットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるインテグレータ素子および光学ユニットの第１の実施例を示す構成図である。
【図２】本発明によるインテグレータ素子の第２の実施例を示す図である。
【図３】本発明によるインテグレータ素子の第３の実施例を示す図である。
【図４】本発明によるインテグレータ素子の第４の実施例を示す図である。
【図５】本発明による光学ユニットの第２の実施例を示す構成図である。
【図６】本発明による光学ユニットの第３の実施例を示す構成図である。
【図７】本発明による光学ユニットの第４の実施例を示す構成図である。
【図８】本発明による光学ユニットの第５の実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…光源、２…リフレクタ、３…インテグレータ素子、４…１／４波長位相差板、５…偏光板あるいはＰＢＳ、６…結像レンズ、７…結像レンズ、８…結像レンズ、９Ｒ…Ｒ光用ダイクロイックプリズム、９Ｇ…Ｇ光用ダイクロイックプリズム、９Ｂ…Ｂ光用ダイクロイックプリズム、１３…反射型回転多面体、８…コンデンサレンズ、２１ａ…第１の結像レンズ、２１ｂ…第２の結像レンズ、１８…ＰＢＳ、１７…偏光板、１２…パネル、２３…投射レンズ、１２Ｒ…パネル上でＲ光が照射される場所、１２Ｇ…パネル上でＧ光が照射される場所、１２Ｂ…パネル上でＢ光が照射される場所、２８…反射ミラー、２４…電源、２５…映像表示回路、２６…排気ファン。

Claims (12)

1. 光源からの光を集光光として集光させる特定位置近傍に配置された光導波路であって、
   該光導波路は入射面よりも出射面の面積が大きく、
   入射光の最大入射光線角度より小さい最大出射光線角度に、出射光を変換する光線角度変換手段を備えたことを特徴とする光導波路。
2. 光源からの光を集光光として集光させる特定位置近傍に配置された光導波路であって、
   該光導波路は、入射面よりも出射面の面積が大きく、
   該入射面は、該入射面より小さい面積の入射開口部と、該入射開口部以外に反射鏡を有し、
   入射光の最大入射光線角度より小さい最大出射光線角度に、出射光を変換する光線角度変換手段を備えたことを特徴とする光導波路。
3. 光源からの光を集光光として集光させる特定位置近傍に配置された光導波路であって、
   該光導波路は、入射面よりも出射面の面積が大きく、
   該入射面は、該入射面より小さい面積の入射開口部と、該入射開口部以外に反射鏡を有し、
   該出射面の近傍部に１／４波長板と偏光板を設け、
   入射光の最大入射光線角度より小さい最大出射光線角度に、出射光を変換する光線角度変換手段を備えたことを特徴とする光導波路。
4. 光源からの光を集光光として集光させる特定位置近傍に配置された光導波路であって、
   該光導波路は、入射面よりも出射面の面積が大きく、
   該入射面は、該入射面より小さい面積の入射開口部と、該入射開口部以外に反射鏡を有し、
   該出射面は、該出射面より小さい面積の出射開口部と、該出射開口部以外に反射鏡を設け、
   該出射開口部に１／４波長板と偏光板を設け、
   入射光の最大入射光線角度より小さい最大出射光線角度に、出射光を変換する光線角度変換手段を備えたことを特徴とする光導波路。
5. 前記光線角度変換手段は、該光導波路を構成する各反射面が、前記出射面部に向かって、各所定角度で傾斜し、断面積が広がっていく構成であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の光導波路。
6. 前記光線角度変換手段は、該光導波路を構成する各反射面が、前記出射面部に向かって、各所定角度で略傾斜し、上下左右に断面積が変化し、または広がっていく構成で、該各所定角度が−ｎ°〜０°〜ｎ°の範囲までの２ｎ＋１種類（ｎは自然数）の段階であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の光導波路。
7. 前記光線角度変換手段は、該光導波路を構成する各反射面が、前記出射面部に向かって、各所定角度で略傾斜し、上下左右に断面積が変化し、広がっていく構成で、かつ、前記所定角度をθ°、入射光線のＦ値をＦ１、出射光線のＦ値をＦ２とし、θ≦（ｔａｎ^―１（０．５／Ｆ１）―ｔａｎ^―１（０．５／Ｆ２））／２範囲で構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の光導波路。
8. 前記１／４波長板は、水晶型波長板または、蒸着膜型波長板であり、
   前記偏光板は、金属もしくは無機物もしくはガラス材のワイヤーグリッド型偏光板、であることを特徴とする請求項３乃至請求項４の何れかに記載の光導波路。
9. 光を放射する光源ユニットと、該光源ユニットから出射された光を複数色の光に分離する色分離手段と、該色分離手段の出射光を映像信号に応じた光学像が形成されるライトバルブ手段である映像表示素子上に照射させる作用を有する照明光学系と、該映像表示素子から出射した光を投射する投射手段とで構成される投射型光学ユニットであって、
   請求項１乃至請求項８の何れかに記載の光導波路で構成されるインテグレータ素子を前記光源ユニットと前記映像表示素子の間に有し、
   該インテグレータ素子の出射開口形状は、前記映像表示素子に照射される光の形状と相似形を成すように構成したことを特徴とする光学ユニット。
10. 光源と、
    該光源の出射光から映像信号に応じた光学像を形成する映像表示素子と、
    該光源からの光を通過させる、請求項１乃至請求項８の何れかに記載の光導波路で構成されたインテグレータ素子と、
    該インテグレータ素子からの光を複数色の光に分離する、ダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズムと反射ミラーまたは反射プリズムから構成される色分離手段と、
    該色分離手段から出射された各複数色の光が入射され、それぞれの光軸の方向を変えて出射して該映像表示素子の異なった場所に該複数色の光を照射すると共に該複数色が照射される場所を一方向に移動させることができる、表面に複数色の光を照射し、表面近傍に該複数色の光の一つを略々結像させ、反射光を前記映像表示素子に照射する反射型回転多面体と、
    前記映像表示素子から出射された光をカラー映像として投射する投射装置とを有し、
    前記映像表示素子に照射された複数色の光の内、少なくとも一つの光の形状を前記インテグレータ素子の出射開口形状、或いは前記色分離手段の出射開口形状と相似形とし、
    前記回転多面体より後側の光路に結像光学系を設けて、前記映像表示素子に該出射開口の形状と相似形である、略矩形または円弧状の光像を結像させることを特徴とする光学ユニット。
11. 光を放射する光源ユニットと、
    該光源ユニットからの光を通過させる、請求項１乃至請求項８の何れかに記載の光導波路で構成されたと、
    該インテグレータ素子を通過した光を、映像信号に応じた光学像が形成されるライトバルブ手段である映像表示素子上に照射させる作用を有すると、
    該照明光学系からの光を第１及び第２の光と第３の光とに分離する色分離手段と、
    該第１及び第２の光を第１の光と該第２の光に色分離合成する色分離合成手段と、
    該色分離合成手段の近傍に略直角に配置された第１、第２の液晶表示素子と、
    該第３の光を入射する第３の液晶表示素子と、
    それぞれ該第１、該第２及び該第３の液晶表示素子から出射された該第１、該第２及び該第３の光を合成する色合成手段とを備え、
    該色分離手段で分離された第１、第２の光をそれぞれ該第１と該第２の液晶表示素子に入射させ、該第１の液晶表示素子及び該第２の液晶表示素子から出射された該第１の光と該第２の光を該色分離合成手段で合成し、該色分離合成手段から出射された該第１及び該第２の光を該色合成手段に入射し、該色分離手段で分離された第３の光を該第３の液晶表示素子に入射させ、該第３の液晶表示素子から出射された光を該色合成手段に入射させ、該第１、該第２及び該第３の光と合成するように構成したことを特徴とする光学ユニット。
12. 請求項９乃至請求項１１の何れかに記載の光学ユニットと、映像処理回路と、電源とを備えることを特徴とする映像表示装置。

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