JP2004191688A

JP2004191688A - 光学ユニットおよびそれを用いたプロジェクター装置

Info

Publication number: JP2004191688A
Application number: JP2002360103A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Masuoka; 信夫益岡; Koji Hirata; 浩二平田; Junichi Ikoma; 順一生駒
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】高輝度、高コントラストな画像が得られる液晶プロジェクター光学系において、反射型液晶表示素子１３Ｒ、１３Ｂ、２９Ｇの長寿命化を図る。
【解決手段】反射型液晶素子１３Ｒを傾斜させて配置する。これにより、反射型液晶素子１３Ｒ、１３Ｂ、２９Ｇを反射した光は、他の光学部品により反射し温度上昇をもたらす光にならないので、その光が反射型液晶表示素子１３Ｒ、１３Ｂ、２９Ｇに戻らない。その結果、反射型液晶素子１３Ｒ、１３Ｂ、２９Ｇの長寿命化を図る事が出来る。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源から出射した照明光を、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色に分離する為の色分離光学系を経て少なくとも１枚以上の反射型液晶表示素子に入射させ、該反射型液晶表示素子で反射した光を色合成光学系により合成し、投写レンズで拡大投影するプロジェクター用光学ユニット、およびそれを用いたプロジェクター装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の反射型液晶表示素子を用いた光学ユニット、あるいはプロジェクター装置は、各種の構成が報告されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平２００１−１５４２６８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１報記載の技術においては、画像の高コントラスト化と高輝度化を両立させる装置であるが、反射型液晶表示素子の寿命に関する記載がなされていない。反射型液晶表示素子の寿命は入射する紫外線量と入射する光量による温度上昇によることがわかっている。
【０００５】
投写レンズから発した光を前面のスクリーン等に投写して使用するフロントプロジェクター装置の光学ユニットにおいては、反射型表示素子の要求寿命は数千時間である。例えば、半値４２８ｎｍの紫外線カットフィルタを挿入し、明るさ１５００ルーメンの光学ユニットにおいては、反射型表示素子の寿命は約６０００時間程度である。
【０００６】
この光学ユニットをリアプロジェクター装置に展開した場合、反射型液晶表示素子の要求寿命が数万時間であり、反射型表示素子の長寿命化が必要となってくる。通常長寿命化を図る為には、紫外線カットフィルタの半値を高波長側にずらしたり（半値４３５ｎｍ）、紫外線カットフィルタを２枚挿入したりして、入射する紫外線量を減少させたり、ランプの光量を減らして使用温度を下げるなどの方策がある。しかし、これらの方策だけでは要求仕様を満足することが出来ない場合もある。
【０００７】
そこで本発明の目的は、コントラスト性能、輝度性能には影響を与えず、反射型液晶表示素子のさらなる長寿命化を図る事が出来る光学ユニット、およびそれを用いたプロジェクター装置を提供する事である。
【０００８】
【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、照明光学系の光源から出射した照明光を、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色に分離する為の色分離光学系を経て少なくとも１枚以上の反射型液晶表示素子に入射させ、該反射型液晶表示素子で反射した光を色合成光学系により合成し、投写レンズで拡大投影するプロジェクター用光学ユニットにおいて、該反射型液晶表示素子を入射する入射光の光軸に対し、傾斜して配置する構成とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態の液晶プロジェクター光学ユニットの概略上面図である。図１において、便宜上、光源からの光の出射方向をＸ軸、投写レンズの出射方向をＺ軸とし、図１紙面に垂直な表から裏側に向かう方向をＹ軸とする。また、同図において、Ｓ偏光の光を実線で、Ｐ偏光の光を点線で示す。
【００１１】
図１において、光学ユニットの基本構成は特開２００１−１５４２６８号公報の図１で開示されているものに同じであるが、反射型液晶表示素子が入射光の光軸に対して傾斜していることに本発明の特徴がある。以下、図１を用いて説明する。
【００１２】
光源１から放射された白色光は略平行光であり、Ｒ光の成分２Ｒ、Ｇ光の成分２Ｇ、Ｂ光の成分２Ｂからなる。これらの光は偏光変換素子３によりＳ偏光へと変換され、ＲのＳ偏光４Ｒ、ＧのＳ偏光４Ｇ、ＢのＳ偏光４Ｂとなる。
【００１３】
Ｇ反射ＲＢ透過ダイクロイックミラー５に入射したＲのＳ偏光４Ｒ、ＢのＳ偏光４Ｂは、ダイクロイックミラー面を透過した後、偏光板７を透過し、Ｐ偏光成分が吸収され、ＲのＳ偏光８Ｒ、ＢのＳ偏光８Ｂとなる。尚、この位置に偏光板７を配置する理由は、偏光変換素子３による偏光の整流化が十分ではなく、入射光４Ｒ、４Ｇ、４Ｂには一部Ｐ偏光が含まれ、画像のコントラストが劣化するので、偏光板７によりＰ偏光を吸収させて、より高いコントラストを得るためである。
【００１４】
ＲのＳ偏光８ＲとＢのＳ偏光８Ｂは、Ｂ光の偏光方向を回転させる偏光回転素子９に入射し、ＲのＳ偏光は変化せず、ＲのＳ偏光１０Ｒとなり、ＢのＳ偏光は偏光方向が回転しＢのＰ偏光１０Ｂとなる。偏光ビームスプリッタプリズム１１に入射したＲのＳ偏光１０Ｒはスプリッタプリズム面１１ａにより反射し、ＲのＳ偏光１２Ｒとなり、反射型液晶表示素子１３Ｒに入射する。ここで、反射型液晶表示素子１３Ｒにより、明るく表示させる光は、ＲのＰ偏光として反射され、暗く表示させる光はＲのＳ偏光のまま反射させる。なお、図１では、暗く表示させる光についてはＲ、Ｇ、Ｂともに省略する。
【００１５】
ここで、反射型液晶表示素子１３Ｒの配置について図２を用いて説明する。図２は図１に示す一点鎖線Ａ−Ａ'に沿ってＹＺ平面で切断した断面図である。図２において、図１と同じ機能を有する部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００１６】
図２において、反射型液晶表示素子１３Ｒは、入射する光１２Ｒに対して、反射する光１４Ｒは、角度θとなるように配置されている。すなわち、反射型液晶表示素子１３ＲはＹ軸に対してθ／２傾けて配置されている。
【００１７】
図１に戻り、明るく表示させる光であるＲのＰ偏光１４Ｒは再び偏光ビームスプリッタプリズム１１に入射し、今度はＰ偏光であるためスプリッタプリズム面１１ａを透過し、ＲのＰ偏光１５Ｒとなる。
【００１８】
一方、Ｂ光の偏光方向を回転させる偏光回転素子９を透過してＰ偏光となったＢ光１０Ｂは、偏光ビームスプリッタプリズム１１に入射し、スプリッタプリズム面１１aを透過して、ＢのＰ偏光１２Ｂとなり、Ｂの反射型液晶表示素子１３Ｂに入射する。ここでＢの反射型液晶表示素子１３Ｂは図示しないが、Ｒの反射型液晶表示素子１３Ｒと同様にＹ軸に対してθ／２傾斜して配置されている。このＢの反射型液晶表示素子１３Ｂにより、明るく表示させる光はＢのＳ偏光１４Ｂとして反射され、暗く表示される光はＰ偏光のまま反射される。明るく表示される光１４Ｂは偏光ビームスプリッタプリズム１１に再度入射し、今回はＳ偏光であるため、スプリッタプリズム面１１ａにより反射され、ＢのＳ偏光１５Ｂとなり、ＲのＰ偏光１５Ｒと合成される。
【００１９】
合成されたＲのＰ偏光１５ＲとＢのＳ偏光１５ＢはＢ光の偏光方向を回転させる偏光回転素子１６に入射し、ＲのＰ偏光１５Ｒは変化せずにＲのＰ偏光１９Ｒとなり、ＢのＳ偏光１５Ｂは偏光方向が回転しＢのＰ偏光１９Ｂとなる。Ｒ、Ｂ共にＰ偏光となった１９Ｒ、１９Ｂは偏光ビームスプリッタプリズム２０に入射し、スプリッタプリズム面２０ａを透過し、ＲのＰ偏光２１Ｒ、ＢのＰ偏光２１Ｂとなる。
【００２０】
また、Ｇの光については、光源１より出射したＧの光２Ｇは偏光変換素子３によりＧのＳ偏光４Ｇに変換された後、Ｇ反射ＲＢ透過ダイクロイックミラー５により反射され、偏光板２５に入射し、Ｐ偏光成分がほぼ完全にカットされ、ＧのＳ偏光２６Ｇとなり、偏光ビームスプリッタプリズム２７に入射する。偏光ビームスプリッタプリズム２７に入射したＧのＳ偏光２６Ｇはスプリッタプリズム面２７ａにより反射されＧのＳ偏光２８Ｇとなり、Ｇの反射型液晶表示素子２９Ｇに入射する。ここでＧの反射型液晶表示素子２９Ｇは図示しないが、Ｒの反射型液晶表示素子１３Ｒ、Ｂの反射型液晶表示素子１３Ｂと同様にＹ軸に対してθ／２傾斜して配置されている。このＧの反射型液晶表示素子２９Ｇにより、明るく表示される光はＧのＰ偏光３０Ｇとして反射され、再び偏光ビームスプリッタプリズム２７に入射する。今回はＰ偏光であるため、スプリッタプリズム面２７ａを透過して、ＧのＰ偏光３１Ｇとなる。ＧのＰ偏光３１Ｇはここで、Ｇ光の偏光方向を回転させる偏光回転素子３４に入射して偏光方向が回転され、ＧのＳ偏光３５Ｇとなる。
【００２１】
ＧのＳ偏光３５Ｇは、ここで偏光ビームスプリッタプリズム２０に入射し、スプリッタプリズム面２０ａで反射されＧのＳ偏光３６Ｇとなり、ＲのＰ偏光２１Ｒ、ＢのＰ偏光２１Ｂと合成される。ここで合成された映像光は、ＲとＢはＰ偏光、ＧはＳ偏光の成分を持ち、投写レンズ２４により図示しないスクリーン等に拡大投写される。
【００２２】
上述したように、例えば、Ｒの反射型液晶表示素子１３Ｒは入射する光１２Ｒに対して傾斜して配置されている。したがって、反射光１４Ｒと入射光１２Ｒは平行でなくある角度θを持つ事になる。
【００２３】
従来の液晶プロジェクター光学系においては、反射型液晶表示素子１３Ｒは入射光１２Ｒに対して垂直に配置されている為、反射型液晶表示素子に入射する光と反射する光は平行（θ＝０）となる。この場合、暗く表示する部分の光は、色合成光学系には入射せず、色分離光学系に入射し光源１にまで戻ってくる。この戻ってくる反射光が途中の光学部品の面においてわずかではあるが反射し、反射型液晶表示素子１３Ｒに再入射する。また、光源１まで戻った光も光源１のリフレクタにより反射して反射型液晶表示素子１３Ｒに再入射する。これらの再入射する光により、反射型液晶表示素子１３Ｒは温度が上がる事となる。
【００２４】
ここで、反射型液晶表示素子１３Ｒに関して、表示部は液晶（有機物）であるため、長時間使用していると性能が劣化していき、最終的には使用不可となってしまう。これを寿命という。液晶の寿命時間は温度と紫外線量と密接な関係があり、使用温度が低ければ低いほど、あるいは紫外線量が低いほど寿命時間は長くなることが分かっている。
【００２５】
本発明の液晶プロジェクター光学系においては、反射型液晶表示素子１３Ｒは、入射する光と反射する光が平行でなく、角度θを持つように配置されるため、反射光が色分離光学系や光源１に一部戻っていくがそこで反射した光は反射型液晶表示素子１３Ｒにほとんど入射しない。したがって、反射光による温度上昇も小さく、反射型液晶表示装置の長寿命化を図る事が出来る。ここでは、Ｒの反射型液晶表示素子１３Ｒについて説明したが、Ｂの反射型液晶表示素子１３Ｂ、Ｇの反射型液晶表示素子２９Ｇについても同様に入射光と反射光のなす角度がθとなるように配置されているため、同様の効果が得られる。また、特にＢの反射型液晶表示素子１３Ｂに再入射する光には紫外線が含まれていることから、他の反射型液晶表示素子１３Ｒ、２９Ｇに比べて寿命が短くなり易い。
【００２６】
次に、θと寿命時間の関係に付いて述べる。図３はθと寿命時間の実験結果である。ここで、寿命時間は、反射型液晶表示素子１３に入射する紫外線量を多くして加速試験を行った時間である。これより、θは３度以上が望ましい。しかし、光軸が偏光ビームスプリッタに対して１０度以上傾くと極端に透過率性能が劣化することから、１０度以下で使用する必要がある。
【００２７】
例えば、反射型液晶表示素子を５度傾斜させθ＝１０度とした場合、反射型液晶表示素子の寿命が４０％近く長寿命化するが実験によりわかった。
以上述べたように、コントラスト性能や輝度性能に影響を与えない範囲内で、反射型液晶表示素子を入射光の光軸に対して傾斜させることにより、寿命を改善することができる。
【００２８】
上記した実施の形態の光学ユニットでは、一部の部材が色分離光学系と色合成光学系を兼ねた構成となっているが、色分離光学系と色合成光学系が完全に別部材で構成されている光学ユニットにおいても同様の効果が得られる。
【００２９】
また、上記した実施の形態の光学ユニットでは３枚の反射型液晶表示素子を用いた構成であるが、色分離光学系を時間軸で変化させ１枚の反射型液晶表示素子の光学ユニットの場合においても同様である。
【００３０】
次に、本発明による光学ユニットを背面投写型のリアプロジェクター装置に適用した一実施形態について、図４を用いて説明する。
【００３１】
図４は、本発明による光学ユニットを用いたリアプロジェクター装置の概略構成図である。図４において、本発明による光学ユニット３９から出射された映像光は、筐体４２背面に傾斜して設けられた背面ミラー４１で折り返えされて、筐体４２の前面に設けられたスクリーン４０に背面側から投影される。なお、４３は光学ユニットを駆動する駆動回路であり、各色用の反射型液晶表示素子で映像信号に対応して各色光の濃淡に変える光強度変調をおこない、各色光の光学像を形成させるものである。当然のことながら、光源に電源を供給する電源回路も含んでいる。
【００３２】
本発明による光学ユニットをリアプロジェクター装置に用いることにより、リアプロジェクター装置の寿命を改善することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コントラスト性能、輝度性能には影響を与えず、長寿命な液晶プロジェクター光学ユニット及び液晶プロジェクターを得る事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の液晶プロジェクター光学ユニットの概略上面図。
【図２】図１中の一点鎖線Ａ−Ａ'に沿ってＹＺ平面で切断した'断面図。
【図３】θと寿命時間との関係を示す図。
【図４】リアプロジェクター装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１…光源、３…偏光変換素子、５…Ｇ反射ＲＢ透過ダイクロイックミラー、７…偏光板、１１…偏光ビームスプリッタプリズム、１３Ｒ…Ｒの反射型液晶表示素子、１３Ｂ…Ｂの反射型液晶表示素子、１６…Ｂ光のみ偏光を回転させる偏光回転素子、２０…偏光ビームスプリッタプリズム、２４…投写レンズ、２５…偏光板、２７…偏光ビームスプリッタプリズム、２９Ｇ…Ｇの反射型液晶表示素子、３４…偏光回転素子、３９…光学ユニット、４０…スクリーン、４１…背面ミラー、４２…筐体、４３…駆動回路。

Claims

光源を有する照明光学系と、
該光源から出射した照明光を、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色に分離する色分離光学系と、
該色分離系にて分離された色光が入射され、入射光の光軸に対し、傾斜して配置されている少なくとも１枚以上の反射型液晶表示素子と、
該反射型液晶表示素子で反射した映像光を合成する色合成光学系と、
該映像光を拡大投影する投写レンズとを有する事を特徴とする光学ユニット。
前記反射型液晶表示素子に入射する入射光の光軸と、前記反射型液晶表示素子から反射する出射光の光軸のなす角度が３度以上１０度以下となるように前記反射型液晶表示素子を配置した事を特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
請求項１乃至請求項２の何れか１項に記載の光学ユニットと、該光学ユニットを駆動する駆動回路とを備えたことを特徴とするプロジェクター装置。