JP2004198691A - 投射型画像表示装置の光学ユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】コンバージョンずれのない高品位の画像を投射する。
【解決手段】画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットであって、それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子11R,11G,11Bと、光源からの照明光を複数の色光に分解して複数の画像形成素子に向かわせ、複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成し、投射レンズ14により被投射面に投射する光学系と、この光学系を構成する光学素子を保持する保持部材13とを有し、上記光学素子を保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して所定の関係をなすように配置する。
【選択図】 図1
【解決手段】画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットであって、それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子11R,11G,11Bと、光源からの照明光を複数の色光に分解して複数の画像形成素子に向かわせ、複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成し、投射レンズ14により被投射面に投射する光学系と、この光学系を構成する光学素子を保持する保持部材13とを有し、上記光学素子を保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して所定の関係をなすように配置する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロジェクタ等の投射型画像表示装置に関し、特に該画像表示装置の光学エンジンとなる光学ユニットに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、LCD等の画像形成素子を用いたプロジェクタの光学エンジンには、特許文献1にて提案されているものがある。この光学エンジンには、色分離/合成のために、光の偏光方向に応じて該光を透過又は反射させる偏光ビームスプリッタと、特定の波長の偏光方向を変換する(回転させる)波長選択性偏光回転素子とが用いられている。
【0003】
偏光ビームスプリッタとしては、偏光分離膜を2つの三角プリズムで挟んだ立方体プリズムを用い、また波長選択性偏光回転素子としては、ガラス板状の部材を用いるのが一般的である。
【0004】
これら色分離合成素子であるプリズムの固定方法として、特許文献1には、複数の偏光ビームスプリッタプリズムを、波長選択性偏光回転素子であるガラス板状部材を介して貼り合わせる提案がなされている(特許文献1の図6参照)。
【0005】
また、画像形成素子を複数使用してカラー画像を表示させる場合は、色分解面や色合成面において各画像形成素子の対応する画素の位置が一致していなくてはならない。このため、色分解面や色合成面において各画像形成素子の画素位置を高精度に一致させるための、偏光ビームスプリッタプリズム等の光学素子の固定方法を工夫する必要がある。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−154268号公報(図1,図6等)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献1には、色分離するための波長選択性回転素子を挟んで偏光ビームスプリッタプリズム同士を張り合わせる提案がなされているが、これは現実的には不適切である。波長選択性回転素子はガラス板に挟まれてはいるが、波長選択性回転作用を持つ多層膜自体が柔らかいために、貼り合わされる偏光ビームスプリッタプリズムの偏光分離面が適正な位置から傾いてしまう可能性が高い。そして、偏光分離面が傾くと、いわゆるコンバージョンずれが発生する。
【0008】
コンバージョンずれとは、R,G,B各色用の画像形成素子の画素ずれやピントずれのことである。これはR,G,B3色の光成分を合成する場合、画像形成素子からの光を偏光ビームスプリッタプリズムの偏光分離面にて反射又は透過させた後、偏光ビームスプリッタプリズムの偏光分離面で反射又は透過させることにより合成するからである。
【0009】
ここで、偏光分離面を透過する光は偏光分離面の傾きに影響を受けず、反射する光のみ影響を受けるので、偏光ビームスプリッタプリズムの傾き、すなわち偏光分離面の傾きは、合成される反射光の行き先を変えて、いわゆる画素ずれと称されるコンバージョンずれを発生させてしまう。
【0010】
また、偏光分離面の傾きの変化だけでなく、偏光分離面の面外方向への変位によって、R,G,B3色の光成分のうち一部の光成分のピントが他の光成分のピントに対してずれるコンバージョンずれが発生する。
【0011】
また、画像形成素子として、反射型の素子(反射型LCD等)を用いる場合、この反射型画像形成素子は、反射面の下に電気回路が設けらている構造であるので、透過型画像形成素子に比べて開口率が高いとされている。このため、反射型画像形成素子は微細なセル構造にて高解像度を実現し易い。但し、透過型に比べて画素が細かい(小さい)ために、透過型に比べてよりコンバージョンずれの影響が投射画像の品位に影響し易い。このため、光学系を構成する光学素子を位置決め保持する基板等の保持部材が設けられることが多い。
【0012】
このような保持部材は、保持する部材の形状等に合わせて形状が複雑となる場合が多く、この場合には、保持部材を樹脂の射出成形により製造することが望ましい。
【0013】
しかしながら、射出成形による成形材料の流動方向によって保持部材の線膨張係数が縦と横とで異なる。また、線膨張係数を小さくしてよりガラスに近づけようとすると、ガラスやカーボンの繊維を配合した材料を使用することが一般的であるが、この配合繊維の配向方向によっても基板部材の縦と横とで線膨張係数に違いが生ずる。
【0014】
こうした樹脂成型時の材料の流動方向やガラスやカーボンの繊維方向によって発生する縦横の線膨張係数の違いは、プロジャクタの使用時の温度がコンバージョン調整時の温度から変化した場合に、各偏光ビームスプリッタプリズムが不規則に変位し、この結果、コンバージョンずれが発生する。
【0015】
例えば、R,G,B3色を合成する面に対して30°をなす方向に基板部材の線膨張係数が一番大きい場合、該色合成面が、この色合成面に対して30°方向に大きく移動するために、該色合成面で透過する光成分と反射する光成分との位置関係若しくは各色光成分の光路長がずれてしまい、コンバージョンずれを引き起こす。
【0016】
そこで、本発明は、コンバージョンずれを防止できるようにした投射型画像表示装置を提供することを目的としている。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットにおいて、それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子と、光源からの照明光を複数の色光に分解して複数の画像形成素子に向かわせ、複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成して投射レンズに導く光学系と、この光学系を構成する光学素子を保持する保持部材とを設け、上記光学素子を、上記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して所定の関係をなすように配置している。
【0018】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
図1には、本発明の実施形態1である投射型画像表示装置の光学系の全体構成を示している。本実施形態1の投射型画像表示装置の光学系では、光源1からの白色光のうち第1の色光成分(緑色〈G〉光成分)の偏光を、第1の色選択性位相差板9Gにて変換し、第1の偏光ビームスプリッタ(第1の光学素子)10aで第1の色光成分Gと第2,第3の色光成分(赤色〈R〉光成分、青色〈B〉光成分)に色分解し、第2の偏光ビームスプリッタ(第2の光学素子)10bでG光成分を第1の反射型液晶表示パネル11Gに導光する。
【0019】
また、第2の色選択性位相差板9RaでR光成分の偏光を変換し、第3の偏光ビームスプリッタ(第3の光学素子)10cでR光成分とB光成分とに色分解し、それぞれを第2、第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bに導光する。
【0020】
第1の反射型液晶表示パネル11Gで画像変調され、偏光変換されて反射したG光成分は、第2の偏光ビームスプリッタ10bから第4の偏光ビームスプリッタ(第4の光学素子)10dに導光される。また、第2、第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bで画像変調され、偏光変換されて反射したR,B色光成分は、第3の偏光ビームスプリッタ10cにて色合成され、第4の偏光ビームスプリッタ10dに導光される。
【0021】
第2の反射型液晶表示パネル11Rにて偏光変換されて反射したR色光成分は、第3の偏光ビームスプリッタ10cから第4の偏光ビームスプリッタ10dに導光される間に第3の色選択性位相差板9Rbで偏光変換され、B光成分と偏光方向が揃えられる。そして、第4の偏光ビームスプリッタ10dにてG,R,B色光成分が合成され、投射レンズ14に導光される。
【0022】
以下、上記光学系の具体的構成について説明する。光源1は、連続スペクトルで白色光を発光する。この光源1は冷却ファン15によって強制空冷される。2は矩形のレンズをマトリックス状に配置した第1のフライアイレンズである。3は光路を曲げるための第1の反射ミラーである。4は第1のフライアイレンズ2の個々のレンズに対応したレンズをマトリックス状に配置した第2のフライアイレンズである。
【0023】
5は無偏光光を偏光光に揃える偏光変換素子である。6はコンデンサーレンズある。7は光路を曲げるための第2の反射ミラーである。8はフィールドレンズである。
【0024】
第1の色選択性位相差板9Gは、G光成分の偏光方向を90°変換し、R,B光成分の偏光方向を変換しない特性を有する。第2,第3の色選択性位相差板9Ra,9Rbは、R光成分の偏光方向を90°変換し、B光成分の偏光方向を変換しない特性を有する。
【0025】
第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dはそれぞれ、P偏光を透過しS偏光を反射する多層膜からなる偏光分離面10a1〜10d1を、2つの三角柱状のプリズム間に挟むようにして構成されている。
【0026】
第1〜第3の反射型液晶表示パネル(画像形成素子)11G,11R,11Bはそれぞれ、不図示の駆動回路により駆動される。駆動回路には、不図示の画像情報供給装置(パーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、DVDプレーヤー等)から画像情報が入力され、駆動回路はこの画像情報に応じた原画が形成されるように第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bを駆動する。そして、第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bはそれぞれ、入射したG,R,B光成分を反射するとともに、形成した原画に応じて画像変調する。
【0027】
12は1/4波長板であり、反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bごとに液晶表示パネルの入射面に対向するよう設けられている。
【0028】
投射レンズ14は、第4の偏光ビームスプリッタ10dによって色合成されたR,G,B光成分を不図示のスクリーン等の被投射面に拡大投射する。
【0029】
13は第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10d、第1〜第3の色選択性位相差板9G,9Ra,9Rbおよび投射レンズ14を搭載し保持する基板(保持部材)であり、本実施形態では、ガラスやカーボンの繊維を配合した樹脂(ポリカーボネート等のエンジニアリングプラスチック)により射出成型法により、略正方形状に製作されている。
【0030】
以上説明した投射型画像表示装置の光学系のうち、第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10d、第1〜第3の色選択性位相差板9G,9Ra,9Rbおよび1/4波長板12は色分解合成系を構成し、この色分解合成系を構成する光学素子と、第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bと、投射レンズ14とが基板13に搭載保持されて、光学エンジン等と称される光学ユニットが構成される。
【0031】
なお、第1の反射型液晶表示パネル11Gおよびこれに対応して設けられた1/4波長板12は、第2の偏光ビームスプリッタ10aに取り付けられたパネル支持板17に接着固定されている。また、第2,第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bおよびこれらに対応して設けられた1/4波長板12は、第3の偏光ビームスプリッタ10bに取り付けられたパネル支持板17に接着固定されている。
【0032】
本実施形態では、基板13に第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dと第1〜第3の色選択性位相差板9G,9Ra,9Rbを接着剤(例えば、紫外線硬化型接着剤)で接着することにより、光学ユニットを構成する光学素子および第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bを基板13に対して固定している。また、投射レンズ14は、基板13に形成されたレンズ取り付け部(図示せず)にビス等で固定されている。
【0033】
図2には、基板13における樹脂材料に含まれるガラスやカーボン等の繊維の配向方向を示している。この図に示すように、繊維配向方向は、基板13の上下方向および左右方向に対して45°傾いた方向に揃っている。そして、基板13は、この樹脂の流動方向(繊維配向方向)において線膨張係数が最も大きくなる。 ここで、基板13の射出成型時において繊維配向方向を図示のようにコントロールする具体的手法を示す。図2において、13aは、略正方形の基板13の型の4辺部分のうち隣り合う2辺部分にわたって設けられた、射出成型時の樹脂材料の充填口であるゲートである。なお、このゲート13aは、基板13の完成時(仕上げ時)には除去されるものであるが、図2には、便宜的に明示している。ゲート除去後の基板にはゲート跡が残っていることが多く、このゲート跡を見ることにより樹脂成型時にどこにゲートがあったかを知ることができる。
【0034】
さらに詳しく説明すると、基板13の型の1つの角部を挟んだ2辺部分のほぼ全体にわたり、該角部から延びる対角線を軸として対称となるようにゲート13aを設け、さらにこの2辺の間の角部の方向から対角方向に向かって型内に樹脂を射出するようにしている。ゲート13aの幅を基板13の対角長さと同等とすることによって樹脂成型時の樹脂の流動抵抗を極力低減し、繊維の配向方向を図中の長点線で示す基板対角方向に揃えるようコントロールしている。
【0035】
また、ゲート13aの厚さを基板13の厚さと同等として樹脂の流動抵抗を軽減してもよい。さらに、ゲート13aから流れ込んだ樹脂が型の内壁に当たって対流し、繊維配向方向が乱れるのを防止するために、基板13の型のゲート13a側とは反対側の2辺部分にわたって余分な型内空間を形成しておくことにより、繊維配向方向をより確実にコントロールするようにしてもよい。この場合、型から基板13を取り出した後に余分な樹脂部分は切除される。
【0036】
基板13に搭載される第1および第4の偏光ビームスプリッタ10a,10dは、繊維配向方向に離れて配置され、これらの偏光分離面10a1,10d1は、該繊維配向方向に略平行に延びている。
【0037】
また、第2および第3の偏光ビームスプリッタ10b,10cは、繊維配向方向に略直交する方向に離れて配置され、これらの偏光分離面10b1,10c1は上記略直交する方向に延びている。
【0038】
そして、基板13は、熱により膨張すると、点線13’で示す形状、すなわち、繊維配向方向に最も膨張するように変形する。
【0039】
上記のような基板13を用いた場合の色分解合成系を構成する光学素子の変位について、図1を用いて説明する。本実施形態では、第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dの基板対向面(底面)の略中央部を基板13に接着している。
【0040】
基板13が図2で説明したように熱膨張すると、図中に点線で示すように、第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dはそれぞれの偏光分離面10a1〜10d1が延びる方向、すなわち面内方向に概ね変位する。ここで、基板13の繊維配向方向に略平行な偏光分離面10a1,10d1を有する第1および第4の偏光ビームスプリッタ10a,10d(反射型液晶表示パネルが固定されていない偏光ビームスプリッタ)の変位量は互いに略等しい。これは、基板13における上記繊維配向方向の線膨張係数が同じだからである。但し、変位方向は互いに反対方向である。
【0041】
また、基板13の繊維配向方向に略直交する方向に延びる偏光分離面10b1,10c1を有する第2および第3の偏光ビームスプリッタ10b,10c(反射型液晶表示パネルが固定された偏光ビームスプリッタ)の変位量も互いに略等しい。これは、基板13における上記繊維配向方向に略直交する方向の線膨張係数が同じだからである。但し、変位方向は互いに反対方向である。
【0042】
このように、各偏光ビームスプリッタ10a〜10dが基板13の熱膨張に伴って変位することによって、図中に点線で示すように、各反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bの中心から射出した光線(射出光軸)G’,R’,B’も変位し、かつ投射レンズ14に至るまでの長さ(光路長)も変化する。しかし、本実施形態では、上述したように、第1および第4の偏光ビームスプリッタ10a,10dの変位量が略同じで、第2および第3の偏光ビームスプリッタ10a,10dの変位量が略同じであり、かつ各偏光ビームスプリッタの変位方向が偏光分離面の略面内方向である(すなわち、偏光分離面の傾きがほとんど変わらない)ため、上記射出光軸G’,R’,B’は第4の偏光ビームスプリッタ10dの偏光分離面10d1上で互いに略一致し、かつ上記射出光軸G’,R’,B’の投射レンズ14までの光路長も互いに略一致したものとなる。
【0043】
したがって、基板13の熱膨張によるコンバージョンずれ(画素ずれおよび一部の色光のみのピントずれ)は顕在化しない。
【0044】
なお、第1および第4の偏光ビームスプリッタ10a,10dの変位量は、第2および第3の偏光ビームスプリッタ10b,10cの変位量より大きいが、偏光分離面10b1,10c1が単にその略面内方向に平行移動するだけであるため、R、G、B光の画面上での相対的移動が生ずるに留まる。また、第2および第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bは、第3の偏光ビームスプリッタ10cの偏光分離膜面10c1を挟んで対称な位置にあるので、これもより少ない移動量ではあるが同じ方向に同じだけ動くにとどまる。
【0045】
さらに、射出光軸G’,R’,B’の光路長が変化することで、各色光ともピントが同量ずれるが、ユーザーが投射レンズ14のピント調節を行うことで、R,G,Bの各色光について一緒にピントを合わせることができる。
【0046】
但し、基板13の樹脂成型時において、上述した繊維配向方向のコントロールを行っても、実際に図2に示したような理想的な繊維配向状態が得られるとは限らず、基板13の全体的に若しくは一部においてある程度の繊維配向方向の乱れが生ずる場合が考えられる。しかしながら、繊維配向方向の乱れがあったとしても、結果的に基板13の上下方向および左右方向に対して45°傾いた方向において線膨張係数が最も大きくなればよい。さらに言えば、最終的には、基板13が熱膨張した際に、第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dの偏向分離面10a1〜10d1がそれぞれの略面内方向(面内方向若しくはコンバージョンずれが問題とならない程度にわずかに面内方向から外れた方向)に変位するように、基板13に第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dを保持させればよい。
【0047】
(実施形態2)
図3には、本発明の実施形態2である投射型画像表示装置の光学系の全体構成を示している。本実施形態2の投射型画像表示装置の光学系では、光源1からの白色光を、ダイクロイックミラー(第1の光学素子)16で、第1の色光成分(緑色〈G〉光成分)と、第2,第3の色光成分(赤色〈R〉光成分、青色〈B〉光成分)とに色分解し、第1の偏光ビームスプリッタ(第2の光学素子)20aでG光成分を第1の反射型液晶表示パネル11Gに導光する。
【0048】
また、第1の色選択性位相差板9RaでR光成分の偏光を変換し、第2の偏光ビームスプリッタ(第3の光学素子)20bでR光成分とB光成分とに色分解し、それぞれを第2、第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bに導光する。
【0049】
第1の反射型液晶表示パネル11Gで画像変調され、偏光変換されて反射したG光成分は、第1の偏光ビームスプリッタ20aから第3の偏光ビームスプリッタ(第4の光学素子)20cに導光される。また、第2、第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bで画像変調され、偏光変換されて反射したR,B色光成分は、第2の偏光ビームスプリッタ20bにて色合成され、第3の偏光ビームスプリッタ20cに導光される。
【0050】
第2の反射型液晶表示パネル11Rにて偏光変換されて反射したR色光成分は、第2の偏光ビームスプリッタ20bから第3の偏光ビームスプリッタ20cに導光される間に第2の色選択性位相差板9Rbで偏光変換され、B光成分と偏光方向が揃えられる。そして、第3の偏光ビームスプリッタ20cにてG,R,B色光成分が合成され、投射レンズ14に導光される。
【0051】
以下、上記光学系の具体的構成について説明する。光源1は、連続スペクトルで白色光を発光する。この光源1は冷却ファン15によって強制空冷される。2は矩形のレンズをマトリックス状に配置した第1のフライアイレンズである。3は光路を曲げるための第1の反射ミラーである。4は第1のフライアイレンズ2の個々のレンズに対応したレンズをマトリックス状に配置した第2のフライアイレンズである。
【0052】
5は無偏光光を偏光光に揃える偏光変換素子である。6はコンデンサーレンズある。7は光路を曲げるための第2の反射ミラーである。8はフィールドレンズである。
【0053】
ダイクロイックミラー16は、G光成分を透過し、R,B光成分を反射する特性を有する。
【0054】
第1,第2の色選択性位相差板9Ra,9RbはR光成分の偏光方向を90°変換し、B光成分の偏光方向を変換しない特性を有する。
【0055】
第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20cはそれぞれ、P偏光を透過しS偏光を反射する多層膜からなる偏光分離面20a1〜20c1を、2つの三角柱状のプリズム間に挟むようにして構成されている。
【0056】
第1〜第3の反射型液晶表示パネル(画像形成素子)11G,11R,11Bはそれぞれ、不図示の駆動回路により駆動される。駆動回路には、不図示の画像情報供給装置(パーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、DVDプレーヤー等)から画像情報が入力され、駆動回路はこの画像情報に応じた原画が形成されるように第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bを駆動する。そして、第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bはそれぞれ、入射したG,R,B光成分を反射するとともに、形成した原画に応じて画像変調する。
【0057】
12は1/4波長板であり、反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bごとに液晶表示パネルの入射面に対向するよう設けられている。
【0058】
投射レンズ14は、第3の偏光ビームスプリッタ20cによって色合成されたR,G,B光成分を不図示のスクリーン等の被投射面に拡大投射する。
【0059】
13はダイクロイックミラー16、第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20c、第1,第2の色選択性位相差板9Ra,9Rbおよび投射レンズ14を搭載し保持する基板(保持部材)であり、本実施形態では、ガラスやカーボンの繊維を配合した樹脂(ポリカーボネート等のエンジニアリングプラスチック)により射出成型法によりやや縦長の長方形板状に製作されている。なお、本実施形態で用いられている基板13は実施形態1にて説明したのと同じものである。
【0060】
以上説明した投射型画像表示装置の光学系のうち、ダイクロイックミラー16、第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20c、第1,第2の色選択性位相差板9Ra,9Rbおよび1/4波長板12は、色分解合成光学系を構成する。
【0061】
また、第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11B、ダイクロイックミラー16、第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20c、第1,第2の色選択性位相差板9Ra,9Rbおよび1/4波長板12は、基板13に搭載されて、光学エンジン等と称される光学ユニットを構成する。
【0062】
なお、第1の反射型液晶表示パネル11Gおよびこれに対応して設けられた1/4波長板12は、第1の偏光ビームスプリッタ20aに取り付けられたパネル支持板17に接着固定されている。また、第2,3の反射型液晶表示パネル11R,11Bおよびこれらに対応して設けられた1/4波長板12は、第2の偏光ビームスプリッタ20bに取り付けられたパネル支持板17に接着固定されている。
【0063】
本実施形態では、基板13に、ダイクロイックミラー16と第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20cと第1,第2の色選択性位相差板9Ra,9Rbを接着剤(紫外線硬化型接着剤)で接着することにより、光学ユニットの色分解合成系を構成する光学素子および第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bを基板13に対して固定している。また、投射レンズ14は、基板13に設けられたレンズ取り付け部(図示せず)にビス等により固定されている。
【0064】
基板13におけるダイクロイックミラー16と第3の偏光ビームスプリッタ20cは、基板13における樹脂成型時の樹脂の流動方向、すなわち繊維配向方向に離れて配置され、ダイクロイックミラー16のダイクロイック面と第3の偏光ビームスプリッタ20cの偏光分離面20c1は、繊維配向方向に略平行に延びている。
【0065】
また、第1および第2の偏光ビームスプリッタ20a,20bは、繊維配向方向に略直交する方向に離れて配置されており、これらの偏光分離面20a1,20b1は上記略直交する方向に延びている。
【0066】
そして、基板13は、熱により膨張すると、点線13’で示す形状、すなわち、繊維配向方向に最も膨張するように変形する。
【0067】
上記のような基板13を用いた場合の色分解合成系を構成する光学素子の変位について、図3を用いて説明する。本実施形態では、ダイクロイックミラー16と第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dの基板対向面(底面)の略中央部を基板13に接着している。
【0068】
基板13が上記のように熱膨張すると、図中に点線で示すように、ダイクロイックミラー16と第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20cは、それぞれのダイクロイック面および偏光分離面20a1〜20c1の略面内方向に変位する。ここで、基板13の繊維配向方向に略平行に延びるダイクロイック面および偏光分離面20c1を有するダイクロイックミラー16および第3の偏光ビームスプリッタ20c(反射型液晶表示パネルが固定されていない偏光ビームスプリッタ)の変位量は互いに略等しい。これは、基板13における上記繊維配向方向の線膨張係数が同じだからである。但し、変位方向は互いに反対方向である。
【0069】
また、基板13の繊維配向方向に略直交する方向に延びる偏光分離面20a1,20b1を有する第1および第2の偏光ビームスプリッタ20a1,20b1(反射型液晶表示パネルが固定された偏光ビームスプリッタ)の変位量は互いに略等しい。これは、基板13における上記繊維配向方向に略直交する方向の線膨張係数が同じだからである。但し、変位方向は互いに反対方向である。
【0070】
このように、ダイクロイックミラー16および各偏光ビームスプリッタ20a〜20cが基板13の熱膨張に伴って変位することによって、図中点線で示すように、各反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bの中心から射出した光線(射出光線)G’,R’,B’も変位し、かつ投射レンズ14に至るまでの長さ(光路長)も変化する。しかし、本実施形態では、上述したように、ダイクロイックミラー16および第3の偏光ビームスプリッタ20cの変位量が略同じで、第1および第2の偏光ビームスプリッタ20a,20bの変位量が略同じであり、かつ各偏光ビームスプリッタの変位方向が各偏向分離面の略面内方向である(すなわち、偏光分離面の傾きはほとんど変わらない)ため、射出光軸G’,R’,B’は第3の偏光ビームスプリッタ20cの偏光分離面20c1上で互いに略一致し、かつ上記射出光軸G’,R’,B’の投射レンズ14までの光路長も互いに略一致したものとなる。
【0071】
したがって、基板13の熱膨張によるコンバージョンずれ(画素ずれおよび一部の色光のみのピントずれ)は顕在化しない。
【0072】
なお、ダイクロイックミラー16および第3の偏光ビームスプリッタ20cの変位量は、第1および第2の偏光ビームスプリッタ20a,20bの変位量より大きいが、偏光分離面20a1,20b1が単にその略面内方向に移動するだけであるため、R、G、B光の画面上での相対的移動が生ずるに留まる。また、第2および第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bは、第2の偏光ビームスプリッタ20bの偏光分離膜面20b1を挟んで対称な位置にあるので、これもより少ない移動量ではあるが同じ方向に同じだけ動くにとどまる。
【0073】
さらに、射出光軸G’,R’,B’の光路長が変化することで、各色光ともピントが同量ずれるが、ユーザーが投射レンズ14のピント調節を行うことで、R,G,Bの各色光について一緒にピントを合わせることができる。
【0074】
本実施形態においても、実施形態1にて説明したように、基板13における繊維配向方向が図2に示すような理想的なものでなくても、結果的に基板13の上下方向および左右方向に対して45°傾いた方向において線膨張係数が最も大きくなればよい。さらに最終的には、基板13が熱膨張した際に、第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20cの偏向分離面20a1〜20c1およびダイクロイックミラー16のダイクロイック面がそれぞれの略面内方向(面内方向若しくはコンバージョンずれが問題とならない程度にわずかに面内方向から外れた方向)に変位するように、基板13に偏光ビームスプリッタ20a〜20cおよびダイクロイックミラー16を保持させればよい。
【0075】
ここで、図8には、本発明を実施しない基板43の例を示している。一般に、上記各実施形態にて用いる基板13のような長方形の部品であれば、樹脂材料の充填口であるゲート43aを外周の辺に直交する形で設ける。これは、型設計と製作のし易さやゲートを大きく設けることで、充填不足を避けるためである。これにより、繊維配向方向は、図に示すように横方向となり、線膨張係数は基板43の縦と横とで異なる。このため、熱膨張時には、基板43は点線43’で示すような、横長形状になるものと考えられる。
【0076】
そして、このような基板43を実施形態2の光学系に採用すると、図9に点線で示すように、ダイクロイックミラー16と3つの偏光ビームスプリッタ20a〜20cは横方向に変位し、ダイクロイック面および偏光分離面も同方向(つまり面外方向)に変位する。
【0077】
このとき、第2および第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bは同じ第2の偏光ビームスプリッタ20bに固定されているので、これら第2および第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bの中心から射出した、図中に点線で示す光線(射出光線)R’,B’の第3の偏光ビームスプリッタ20cの偏光分離面20c1上での位置および投射レンズ14に至るまでの光路長は互いに一致したままであり、ここでは基板43の熱膨張によるコンバージョンずれは発生しない。
【0078】
一方、第1の偏光ビームスプリッタ20aに固定されている第1の反射型液晶表示パネル11Gの中心から射出した光線G’の偏光分離面20c1上での位置は、第2および第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bの中心からの射出光線R’,B’の偏光分離面20c1上での位置と同じになるが、射出光線G’の投射レンズ14に至るまでの光路長は、射出光線R’,B’の光路長に対して変化する。このため、R,G,B光に画素ずれは生じないものの、コンバージョンずれの1つとして、G光のみR,B光成分に対してピントがずれる現象が起こる。
【0079】
これは、ダイクロイック面および偏光分離面20a1〜20c1がいずれもそれらの面外方向に大きく移動するためである。
【0080】
(実施形態3)
図4(A),(B)には、本発明の実施形態3である投射型画像表示装置に用いられる、偏光ビームスプリッタを搭載保持する基板23を示している。図4(A)では対角関係にある2つの角部に、図4(B)では、対角関係にある2つの角部のそれぞれに隣接する2箇所ずつにゲート23b,23cを設けている。このいずれの場合も、上記2つの角部を通る対角線を軸として対称となるようにゲート23b,23cが設けられていることになる。そして、本実施形態でも、実施形態1にて説明した繊維配向方向のコントロール方法と同様にして、図4(A),(B)に示すように、基板23の中心から概ね放射状に広がるような繊維配向方向を得ることができる。
【0081】
このため、基板23が熱により膨張すると、その形状は図4(A),(B)に点線23’で示したようになり、対角2方向に最も変形率で膨張する。つまり、基板23の線膨張係数は対角2方向に最も大きい。
【0082】
そして、この繊維配向方向(線膨張係数が最も大きい方向)は、基板23に実施形態1にて説明した偏光ビームスプリッタ10a〜10dを搭載する場合、偏向分離面10a1〜10d1の下の部分において、該偏向分離面10a1〜10d1と略平行となる。
【0083】
したがって、基板23が熱により膨張すると、実施形態1の偏光ビームスプリッタ10a〜10dは、その偏光分離面10a1〜10d1が略面内方向に変位する。さらに、基板23が偏光分離面に対して対称的な繊維配向分布を有することで、基板23は熱膨張時に偏光分離面と略平行な方向に最も大きく延び、これら偏光分離面の回転を効果的に抑止する。このため、基板23の熱膨張時におけるコンバージョンずれを防止することができる。
【0084】
本実施形態においても、基板23における繊維配向方向が図4(A),(B)に示すような理想的なものでなくても、結果的に基板23の対角2方向に線膨張係数が最も大きくなればよい。さらに最終的には、基板23が熱膨張した際に、偏光ビームスプリッタ10a〜10dの偏向分離面10a1〜10d1がそれぞれの略面内方向(面内方向若しくはコンバージョンずれが問題とならない程度にわずかに面内方向から外れた方向)に変位するように、基板23に偏光ビームスプリッタ10a〜10dを保持させればよい。
【0085】
(実施形態4)
図5には、本発明の実施形態4である投射型画像表示装置に用いられる、偏光ビームスプリッタを搭載保持する基板33を示している。本実施形態では、基板33の表面又は裏面の略中央部にゲート33aを設け、繊維配向方向がこのゲート33aの位置から放射状に周辺に広がるようにしたものである。なお、本実施形態でも、実施形態1にて説明したのと同様の繊維配向方向のコントロールを行う。
【0086】
このような基板33を実施形態1に用いた場合、各偏光ビームスプリッタ10a〜10dの偏光分離面10a1〜10d1はすべて繊維配向方向に略平行となる。また、各偏光ビームスプリッタ10a〜10dの偏光分離面10a1〜10d1の延長線が交わる位置にゲート33aが設けられていることになる。
【0087】
そして、本実施形態においては、線膨張係数を抑えるために配合するガラスやカーボンの繊維配向方向により生ずる異方性を生かし、望ましい熱膨張特性として、偏光分離面の延長線が交わる位置(ゲート33a)を中心に点線33’で示すように基板33が相似形で熱膨張するものである。
【0088】
したがって、基板33が熱により膨張すると、偏光ビームスプリッタ10a〜10dは、その偏光分離面が略面内方向に変位する。さらに、基板33が偏光分離面10a1〜10d1に対して対称的な繊維配向分布を有することで、基板33は熱膨張時に偏光分離面10a1〜10d1と略平行な方向に最も大きく延び、これら偏光分離面10a1〜10d1の回転を効果的に抑止する。このため、基板23の熱膨張時におけるコンバージョンずれを防止することができる。
【0089】
本実施形態においても、基板33における繊維配向方向が図5に示すような理想的なものでなくても、結果的に基板33の対角2方向に線膨張係数が最も大きくなればよい。さらに最終的には、基板33が熱膨張した際に、偏光ビームスプリッタ10a〜10dの偏向分離面10a1〜10d1がそれぞれの略面内方向(面内方向若しくはコンバージョンずれが問題とならない程度にわずかに面内方向から外れた方向)に変位するように、基板33と偏光ビームスプリッタ10a〜10dとの関係を設定すればよい。
【0090】
なお、上記実施形態3,4は、実施形態2に示した光学ユニットにも適用することができる。
【0091】
(実施形態5および実施形態6)
図6および図7にはそれぞれ、上記実施形態2の変形例として、実施形態2とは異なる偏光ビームスプリッタ20a〜20cの基板23に対する接着方法を示している。
【0092】
実施形態2では、偏光ビームスプリッタ20a〜20cの中央部を基板23に接着したが、本実施形態では、接着剤の塗布個所20e,20fを偏光ビームスプリッタ20a〜20cの対角方向に離れた2箇所としている。
【0093】
図6に示す実施形態5では、各偏光分離面を挟んだ偏光ビームスプリッタの対角方向の隅部2箇所に、図7に示す実施形態6では、各偏光分離面に沿った偏光ビームスプリッタの対角方向の隅部2箇所に接着箇所を設けている。
【0094】
実施形態2にて説明したように、偏光ビームスプリッタ20a〜20cの基板に対する接着箇所を、偏光ビームスプリッタ20a〜20cの底面の中央部とした場合、中心に接着剤を塗布することが理想的であり、それを前提として説明してある。
【0095】
しかしながら、接着剤の塗布個所を偏光ビームスプリッタの中心部のみとすると、温度上昇により接着剤の残留応力が開放されて偏光ビームスプリッタが回転する可能性がある。
【0096】
そこで、本実施形態においては、接着剤の塗布個所20e,20fを偏光ビームスプリッタの対角方向の隅部2箇所としたことにより、偏光ビームスプリッタの中心部1箇所を接着するのと同様に確実に基板23に固定し、かつ偏光ビームスプリッタの回転を防止している。
【0097】
図6に示すように、接着剤の塗布個所20eを各偏光分離面を挟んだ偏光ビームスプリッタの対角方向の隅部2箇所に離間させることにより、これら2個所の接着箇所間における基板の熱膨張時の距離を同じにする。これにより、偏光ビームスプリッタの変位は発生させるが、回転は発生させない。
【0098】
一方、図7に示すように、接着剤の塗布個所20fを各偏光分離面の方向に沿った偏光ビームスプリッタの対角方向の隅部2箇所に離間させた場合、これら2つの接着剤の塗布箇所20fの基板中心からの距離が異なるため、基板23の熱膨張時の変位量は異なる。しかし、基板中心からの距離が長い接着箇所が、距離が短い接着箇所を引っ張る又は圧縮する応力は発生しても、偏光ビームスプリッタを回転させる応力は発生しない。
【0099】
以上説明したように、偏光ビームスプリッタの接着部位も基板の線膨張係数の大小を考慮して設定することで、より効果的にコンバージョンずれの発生を抑えることができる。
【0100】
なお、本実施形態5,6において、ダイクロイックミラー16についても、図示はしないが、偏光ビームスプリッタと同様の接着方法を採用している。
【0101】
また、本実施形態5,6に示した偏光ビームスプリッタの基板への接着方法は、実施形態1に示した光学ユニットにも適用することができる。
【0102】
また、上記各実施形態では、矩形状の基板(保持部材)を用いた場合について説明したが、本発明における保持部材は矩形に限らず、どのような形状であってもよい。
【0103】
また、上記各実施形態では、反射型液晶表示パネルを用いるとともに、4つの偏光ビームスプリッタ又は1つのダイクロイックミラーと3つの偏光ビームスプリッタを用いて色分解合成系を構成した光学ユニットについて説明したが、本発明はこのような光学ユニットに限らず、他の形態の光学ユニットにも適用することができる。
【0104】
例えば、反射型液晶表示パネルに代えて、透過型液晶表示パネルを使用することも可能である。
【0105】
さらに、以上説明した各実施形態は、以下に示す各発明を実施した場合の一例でもあり、下記の各発明は上記各実施形態に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【0106】
〔発明1〕 画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットであって、
それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子と、
光源からの照明光を複数の色光に分解して前記複数の画像形成素子に向かわせ、前記複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成して投射レンズに導く光学系と、
前記光学系を構成する光学素子を保持する保持部材とを有し、
前記光学素子が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して所定の関係をなすように配置されていることを特徴とする投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0107】
〔発明2〕 画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットであって、
それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子と、
光源からの照明光を複数の色光に分解して前記複数の画像形成素子に向かわせ、前記複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成して投射レンズに導く光学系と、
前記光学系を構成する光学素子であって、入射した光の偏光方向又は波長に応じて、透過作用又は反射作用を有する光学作用面を備えた複数の光学素子を保持する保持部材とを有し、
前記複数の光学素子の光学作用面が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して略平行になるように又は略直交するように配置されていることを特徴とする投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0108】
これにより、温度上昇による保持部材の膨張に伴って光学素子が変位しても、色分解作用又は色合成作用を有する光学作用面の向きの変化や面外方向への変位は小さいので、画素ずれやピントずれといったコンバージョンずれの発生を抑制することができる。
【0109】
〔発明3〕 前記光学素子として、前記光源からの照明光を色分解する第1の光学素子と、それぞれ前記画像形成素子が固定されて前記第1の光学素子により色分解された光成分を前記画像形成素子に向かわせるとともに、前記画像形成素子から射出した光成分を前記投射レンズに向かわせる第2および第3の光学素子と、これら第2および第3の光学素子からの光成分を合成して前記投射レンズに入射させる第4の光学素子とを有し、
前記第1および第4の光学素子の光学作用面が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して略平行になるように配置され、かつ前記第2および第3の光学素子の光学作用面が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して略直交するように配置されていることを特徴とする発明2に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0110】
〔発明4〕 前記光学素子として、前記光源からの照明光を色分解する第1の光学素子と、それぞれ前記画像形成素子が固定されて前記第1の光学素子により色分解された光成分を前記画像形成素子に向かわせるとともに、前記画像形成素子から射出した光成分を前記投射レンズに向かわせる第2および第3の光学素子と、これら第2および第3の光学素子からの光成分を合成して前記投射レンズに入射させる第4の光学素子とを有し、
前記第1および第4の光学素子の光学作用面が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して略直交するように配置され、かつ前記第2および第3の光学素子の光学作用面が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して略平行になるように配置されていることを特徴とする発明2に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0111】
〔発明5〕 前記光学素子として、前記光源からの照明光を色分解する第1の光学素子と、それぞれ前記画像形成素子が固定されて前記第1の光学素子により色分解された光成分を前記画像形成素子に向かわせるとともに、前記画像形成素子から射出した光成分を前記投射レンズに向かわせる第2および第3の光学素子と、これら第2および第3の光学素子からの光成分を合成して前記投射レンズに入射させる第4の光学素子とを有し、
前記第1から第4の光学素子の光学作用面が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して略平行になるように配置されていることを特徴とする発明2に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0112】
〔発明6〕 画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットであって、
それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子と、
光源からの照明光を複数の色光に分解して前記複数の画像形成素子に向かわせ、前記複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成して投射レンズに導く光学系と、
前記光学系を構成する光学素子であって、入射した光の偏光方向又は波長に応じて、透過作用又は反射作用を有する光学作用面を備えた複数の光学素子を保持する保持部材とを有し、
前記保持部材の熱による変形に伴って前記各光学素子の光学作用面が該光学作用面の略面内方向に変位するよう前記保持部材に前記各光学素子を保持させたことを特徴とする投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0113】
これにより、温度上昇による保持部材の膨張に伴って光学素子が変位しても、色分解作用又は色合成作用を有する光学作用面は略面内方向に変位し、光学作用面の向きの変化や面外方向への変位は小さいので、画素ずれやピントずれといったコンバージョンずれの発生を抑制することができる。
【0114】
〔発明7〕 前記光学素子として、前記光源からの照明光を色分解する第1の光学素子と、それぞれ前記画像形成素子が固定されて前記第1の光学素子により色分解された光成分を前記画像形成素子に向かわせるとともに、前記画像形成素子から射出した光成分を前記投射レンズに向かわせる第2および第3の光学素子と、これら第2および第3の光学素子からの光成分を合成して前記投射レンズに入射させる第4の光学素子とを有し、
前記保持部材の熱による変形に伴って、前記第1から第4の光学素子の光学作用面が、該光学作用面の略面内方向に変位することを特徴とする発明6に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0115】
〔発明8〕 画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットであって、
それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子と、
光源からの照明光を複数の色光に分解して前記複数の画像形成素子に向かわせ、前記複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成して投射レンズに導く光学系と、
前記光学系を構成する光学素子であって、入射した光の偏光方向又は波長に応じて、透過作用又は反射作用を有する光学作用面を備えた複数の光学素子を保持する保持部材とを有し、
前記保持部材は、樹脂の射出成型により矩形状に作られ、前記複数の光学素子の光学作用面が該保持部材の対角線方向に延びるよう配置されており、
前記保持部材は、該保持部材の対角線を軸として対称となるように設けられたゲートからの樹脂射出により作られたものであることを特徴とする投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0116】
これにより、各光学素子の光学作用面に略平行な方向又は略直交する方向に線膨張係数が最も大きい保持部材や、熱変形により各光学素子の光学作用面を該光学作用面の略面内方向に変位させる保持部材を容易に製作することができる。
【0117】
〔発明9〕 前記保持部材は、該保持部材における1つの角部を挟んだ2辺部分のほぼ全体にわたって設けられたゲートからの樹脂射出により作られたものであることを特徴とする発明8に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0118】
〔発明10〕 前記保持部材は、該保持部材の対角方向にある2つの角部に設けられたゲートからの樹脂射出により作られたものであることを特徴とする発明8に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0119】
〔発明11〕 前記保持部材は、該保持部材にて対角方向にある2つの角部のそれぞれに隣接して設けられたゲートからの樹脂射出により作られたものであることを特徴とする発明8に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0120】
〔発明12〕 画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットであって、
それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子と、
光源からの照明光を複数の色光に分解して前記複数の画像形成素子に向かわせ、前記複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成して投射レンズに導く光学系と、
前記光学系を構成する光学素子であって、入射した光の偏光方向又は波長に応じて、透過作用又は反射作用を有する光学作用面を備えた複数の光学素子を保持する保持部材とを有し、
前記保持部材は、該保持部材の表面又は裏面における略中央部に設けられたゲートからの樹脂射出により作られたものであることを特徴とする投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0121】
〔発明13〕 前記光学素子は、前記保持部材に対し、前記光学作用面の延びる方向に離間した複数箇所にて接着されていることを特徴とする発明2から発明12のいずれかに記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0122】
これにより、温度変化によって接着剤内の応力に変化が生じても、光学素子(およびその光学作用面)が回転せず、コンバージョンずれの発生をより効果的に抑制することができる。
【0123】
〔発明14〕 発明1から13のいずれかに記載の光学ユニットを備えたことを特徴とする投射型画像表示装置。
【0124】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学ユニットを用いれば、保持部材を安価な樹脂成型品で製作したとしても、温度変化による保持部材の変形に伴うコンバージョンずれを抑止でき、高いコントラストを有した高品位の画像を投射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1である投射型画像表示装置の光学系の構成を説明する図である。
【図2】上記実施形態1の投射型画像表示装置に用いられる基板の構造を示す図である。
【図3】本発明の実施形態2である投射型画像表示装置の光学系の構成を説明する図である。
【図4】本発明の実施形態3である投射型画像表示装置に用いられる基板の構造を示す図である。
【図5】本発明の実施形態4である投射型画像表示装置に用いられる基板の構造を示す図である。
【図6】本発明の実施形態5である投射型画像表示装置における偏光ビームスプリッタの基板への接着箇所を示す図である。
【図7】本発明の実施形態6である投射型画像表示装置における偏光ビームスプリッタの基板への接着箇所を示す図である。
【図8】本発明を採用しない基板の構造を示す図である。
【図9】図8に示した基板を実施形態2の投射型画像表示装置に適用した場合の図である。
【符号の説明】
1 光源
2 第1フライアイレンズ
3 第1の反射ミラー
4 第2フライアイレンズ
5 偏光変換素子
6 コンデンサーレンズ
7 第2の反射ミラー
8 フィールドレンズ
9 色選択性位相差板
10 偏光ビームスプリッタ
11 反射型液晶表示パネル
12 1/4波長板
13,23,33 基板
13a,23a,23b,23c,33a ゲート
14 投射レンズ
15 冷却ファン
16 ダイクロイックミラー
17 パネル保持板
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロジェクタ等の投射型画像表示装置に関し、特に該画像表示装置の光学エンジンとなる光学ユニットに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、LCD等の画像形成素子を用いたプロジェクタの光学エンジンには、特許文献1にて提案されているものがある。この光学エンジンには、色分離/合成のために、光の偏光方向に応じて該光を透過又は反射させる偏光ビームスプリッタと、特定の波長の偏光方向を変換する(回転させる)波長選択性偏光回転素子とが用いられている。
【0003】
偏光ビームスプリッタとしては、偏光分離膜を2つの三角プリズムで挟んだ立方体プリズムを用い、また波長選択性偏光回転素子としては、ガラス板状の部材を用いるのが一般的である。
【0004】
これら色分離合成素子であるプリズムの固定方法として、特許文献1には、複数の偏光ビームスプリッタプリズムを、波長選択性偏光回転素子であるガラス板状部材を介して貼り合わせる提案がなされている(特許文献1の図6参照)。
【0005】
また、画像形成素子を複数使用してカラー画像を表示させる場合は、色分解面や色合成面において各画像形成素子の対応する画素の位置が一致していなくてはならない。このため、色分解面や色合成面において各画像形成素子の画素位置を高精度に一致させるための、偏光ビームスプリッタプリズム等の光学素子の固定方法を工夫する必要がある。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−154268号公報(図1,図6等)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献1には、色分離するための波長選択性回転素子を挟んで偏光ビームスプリッタプリズム同士を張り合わせる提案がなされているが、これは現実的には不適切である。波長選択性回転素子はガラス板に挟まれてはいるが、波長選択性回転作用を持つ多層膜自体が柔らかいために、貼り合わされる偏光ビームスプリッタプリズムの偏光分離面が適正な位置から傾いてしまう可能性が高い。そして、偏光分離面が傾くと、いわゆるコンバージョンずれが発生する。
【0008】
コンバージョンずれとは、R,G,B各色用の画像形成素子の画素ずれやピントずれのことである。これはR,G,B3色の光成分を合成する場合、画像形成素子からの光を偏光ビームスプリッタプリズムの偏光分離面にて反射又は透過させた後、偏光ビームスプリッタプリズムの偏光分離面で反射又は透過させることにより合成するからである。
【0009】
ここで、偏光分離面を透過する光は偏光分離面の傾きに影響を受けず、反射する光のみ影響を受けるので、偏光ビームスプリッタプリズムの傾き、すなわち偏光分離面の傾きは、合成される反射光の行き先を変えて、いわゆる画素ずれと称されるコンバージョンずれを発生させてしまう。
【0010】
また、偏光分離面の傾きの変化だけでなく、偏光分離面の面外方向への変位によって、R,G,B3色の光成分のうち一部の光成分のピントが他の光成分のピントに対してずれるコンバージョンずれが発生する。
【0011】
また、画像形成素子として、反射型の素子(反射型LCD等)を用いる場合、この反射型画像形成素子は、反射面の下に電気回路が設けらている構造であるので、透過型画像形成素子に比べて開口率が高いとされている。このため、反射型画像形成素子は微細なセル構造にて高解像度を実現し易い。但し、透過型に比べて画素が細かい(小さい)ために、透過型に比べてよりコンバージョンずれの影響が投射画像の品位に影響し易い。このため、光学系を構成する光学素子を位置決め保持する基板等の保持部材が設けられることが多い。
【0012】
このような保持部材は、保持する部材の形状等に合わせて形状が複雑となる場合が多く、この場合には、保持部材を樹脂の射出成形により製造することが望ましい。
【0013】
しかしながら、射出成形による成形材料の流動方向によって保持部材の線膨張係数が縦と横とで異なる。また、線膨張係数を小さくしてよりガラスに近づけようとすると、ガラスやカーボンの繊維を配合した材料を使用することが一般的であるが、この配合繊維の配向方向によっても基板部材の縦と横とで線膨張係数に違いが生ずる。
【0014】
こうした樹脂成型時の材料の流動方向やガラスやカーボンの繊維方向によって発生する縦横の線膨張係数の違いは、プロジャクタの使用時の温度がコンバージョン調整時の温度から変化した場合に、各偏光ビームスプリッタプリズムが不規則に変位し、この結果、コンバージョンずれが発生する。
【0015】
例えば、R,G,B3色を合成する面に対して30°をなす方向に基板部材の線膨張係数が一番大きい場合、該色合成面が、この色合成面に対して30°方向に大きく移動するために、該色合成面で透過する光成分と反射する光成分との位置関係若しくは各色光成分の光路長がずれてしまい、コンバージョンずれを引き起こす。
【0016】
そこで、本発明は、コンバージョンずれを防止できるようにした投射型画像表示装置を提供することを目的としている。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットにおいて、それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子と、光源からの照明光を複数の色光に分解して複数の画像形成素子に向かわせ、複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成して投射レンズに導く光学系と、この光学系を構成する光学素子を保持する保持部材とを設け、上記光学素子を、上記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して所定の関係をなすように配置している。
【0018】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
図1には、本発明の実施形態1である投射型画像表示装置の光学系の全体構成を示している。本実施形態1の投射型画像表示装置の光学系では、光源1からの白色光のうち第1の色光成分(緑色〈G〉光成分)の偏光を、第1の色選択性位相差板9Gにて変換し、第1の偏光ビームスプリッタ(第1の光学素子)10aで第1の色光成分Gと第2,第3の色光成分(赤色〈R〉光成分、青色〈B〉光成分)に色分解し、第2の偏光ビームスプリッタ(第2の光学素子)10bでG光成分を第1の反射型液晶表示パネル11Gに導光する。
【0019】
また、第2の色選択性位相差板9RaでR光成分の偏光を変換し、第3の偏光ビームスプリッタ(第3の光学素子)10cでR光成分とB光成分とに色分解し、それぞれを第2、第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bに導光する。
【0020】
第1の反射型液晶表示パネル11Gで画像変調され、偏光変換されて反射したG光成分は、第2の偏光ビームスプリッタ10bから第4の偏光ビームスプリッタ(第4の光学素子)10dに導光される。また、第2、第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bで画像変調され、偏光変換されて反射したR,B色光成分は、第3の偏光ビームスプリッタ10cにて色合成され、第4の偏光ビームスプリッタ10dに導光される。
【0021】
第2の反射型液晶表示パネル11Rにて偏光変換されて反射したR色光成分は、第3の偏光ビームスプリッタ10cから第4の偏光ビームスプリッタ10dに導光される間に第3の色選択性位相差板9Rbで偏光変換され、B光成分と偏光方向が揃えられる。そして、第4の偏光ビームスプリッタ10dにてG,R,B色光成分が合成され、投射レンズ14に導光される。
【0022】
以下、上記光学系の具体的構成について説明する。光源1は、連続スペクトルで白色光を発光する。この光源1は冷却ファン15によって強制空冷される。2は矩形のレンズをマトリックス状に配置した第1のフライアイレンズである。3は光路を曲げるための第1の反射ミラーである。4は第1のフライアイレンズ2の個々のレンズに対応したレンズをマトリックス状に配置した第2のフライアイレンズである。
【0023】
5は無偏光光を偏光光に揃える偏光変換素子である。6はコンデンサーレンズある。7は光路を曲げるための第2の反射ミラーである。8はフィールドレンズである。
【0024】
第1の色選択性位相差板9Gは、G光成分の偏光方向を90°変換し、R,B光成分の偏光方向を変換しない特性を有する。第2,第3の色選択性位相差板9Ra,9Rbは、R光成分の偏光方向を90°変換し、B光成分の偏光方向を変換しない特性を有する。
【0025】
第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dはそれぞれ、P偏光を透過しS偏光を反射する多層膜からなる偏光分離面10a1〜10d1を、2つの三角柱状のプリズム間に挟むようにして構成されている。
【0026】
第1〜第3の反射型液晶表示パネル(画像形成素子)11G,11R,11Bはそれぞれ、不図示の駆動回路により駆動される。駆動回路には、不図示の画像情報供給装置(パーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、DVDプレーヤー等)から画像情報が入力され、駆動回路はこの画像情報に応じた原画が形成されるように第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bを駆動する。そして、第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bはそれぞれ、入射したG,R,B光成分を反射するとともに、形成した原画に応じて画像変調する。
【0027】
12は1/4波長板であり、反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bごとに液晶表示パネルの入射面に対向するよう設けられている。
【0028】
投射レンズ14は、第4の偏光ビームスプリッタ10dによって色合成されたR,G,B光成分を不図示のスクリーン等の被投射面に拡大投射する。
【0029】
13は第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10d、第1〜第3の色選択性位相差板9G,9Ra,9Rbおよび投射レンズ14を搭載し保持する基板(保持部材)であり、本実施形態では、ガラスやカーボンの繊維を配合した樹脂(ポリカーボネート等のエンジニアリングプラスチック)により射出成型法により、略正方形状に製作されている。
【0030】
以上説明した投射型画像表示装置の光学系のうち、第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10d、第1〜第3の色選択性位相差板9G,9Ra,9Rbおよび1/4波長板12は色分解合成系を構成し、この色分解合成系を構成する光学素子と、第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bと、投射レンズ14とが基板13に搭載保持されて、光学エンジン等と称される光学ユニットが構成される。
【0031】
なお、第1の反射型液晶表示パネル11Gおよびこれに対応して設けられた1/4波長板12は、第2の偏光ビームスプリッタ10aに取り付けられたパネル支持板17に接着固定されている。また、第2,第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bおよびこれらに対応して設けられた1/4波長板12は、第3の偏光ビームスプリッタ10bに取り付けられたパネル支持板17に接着固定されている。
【0032】
本実施形態では、基板13に第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dと第1〜第3の色選択性位相差板9G,9Ra,9Rbを接着剤(例えば、紫外線硬化型接着剤)で接着することにより、光学ユニットを構成する光学素子および第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bを基板13に対して固定している。また、投射レンズ14は、基板13に形成されたレンズ取り付け部(図示せず)にビス等で固定されている。
【0033】
図2には、基板13における樹脂材料に含まれるガラスやカーボン等の繊維の配向方向を示している。この図に示すように、繊維配向方向は、基板13の上下方向および左右方向に対して45°傾いた方向に揃っている。そして、基板13は、この樹脂の流動方向(繊維配向方向)において線膨張係数が最も大きくなる。 ここで、基板13の射出成型時において繊維配向方向を図示のようにコントロールする具体的手法を示す。図2において、13aは、略正方形の基板13の型の4辺部分のうち隣り合う2辺部分にわたって設けられた、射出成型時の樹脂材料の充填口であるゲートである。なお、このゲート13aは、基板13の完成時(仕上げ時)には除去されるものであるが、図2には、便宜的に明示している。ゲート除去後の基板にはゲート跡が残っていることが多く、このゲート跡を見ることにより樹脂成型時にどこにゲートがあったかを知ることができる。
【0034】
さらに詳しく説明すると、基板13の型の1つの角部を挟んだ2辺部分のほぼ全体にわたり、該角部から延びる対角線を軸として対称となるようにゲート13aを設け、さらにこの2辺の間の角部の方向から対角方向に向かって型内に樹脂を射出するようにしている。ゲート13aの幅を基板13の対角長さと同等とすることによって樹脂成型時の樹脂の流動抵抗を極力低減し、繊維の配向方向を図中の長点線で示す基板対角方向に揃えるようコントロールしている。
【0035】
また、ゲート13aの厚さを基板13の厚さと同等として樹脂の流動抵抗を軽減してもよい。さらに、ゲート13aから流れ込んだ樹脂が型の内壁に当たって対流し、繊維配向方向が乱れるのを防止するために、基板13の型のゲート13a側とは反対側の2辺部分にわたって余分な型内空間を形成しておくことにより、繊維配向方向をより確実にコントロールするようにしてもよい。この場合、型から基板13を取り出した後に余分な樹脂部分は切除される。
【0036】
基板13に搭載される第1および第4の偏光ビームスプリッタ10a,10dは、繊維配向方向に離れて配置され、これらの偏光分離面10a1,10d1は、該繊維配向方向に略平行に延びている。
【0037】
また、第2および第3の偏光ビームスプリッタ10b,10cは、繊維配向方向に略直交する方向に離れて配置され、これらの偏光分離面10b1,10c1は上記略直交する方向に延びている。
【0038】
そして、基板13は、熱により膨張すると、点線13’で示す形状、すなわち、繊維配向方向に最も膨張するように変形する。
【0039】
上記のような基板13を用いた場合の色分解合成系を構成する光学素子の変位について、図1を用いて説明する。本実施形態では、第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dの基板対向面(底面)の略中央部を基板13に接着している。
【0040】
基板13が図2で説明したように熱膨張すると、図中に点線で示すように、第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dはそれぞれの偏光分離面10a1〜10d1が延びる方向、すなわち面内方向に概ね変位する。ここで、基板13の繊維配向方向に略平行な偏光分離面10a1,10d1を有する第1および第4の偏光ビームスプリッタ10a,10d(反射型液晶表示パネルが固定されていない偏光ビームスプリッタ)の変位量は互いに略等しい。これは、基板13における上記繊維配向方向の線膨張係数が同じだからである。但し、変位方向は互いに反対方向である。
【0041】
また、基板13の繊維配向方向に略直交する方向に延びる偏光分離面10b1,10c1を有する第2および第3の偏光ビームスプリッタ10b,10c(反射型液晶表示パネルが固定された偏光ビームスプリッタ)の変位量も互いに略等しい。これは、基板13における上記繊維配向方向に略直交する方向の線膨張係数が同じだからである。但し、変位方向は互いに反対方向である。
【0042】
このように、各偏光ビームスプリッタ10a〜10dが基板13の熱膨張に伴って変位することによって、図中に点線で示すように、各反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bの中心から射出した光線(射出光軸)G’,R’,B’も変位し、かつ投射レンズ14に至るまでの長さ(光路長)も変化する。しかし、本実施形態では、上述したように、第1および第4の偏光ビームスプリッタ10a,10dの変位量が略同じで、第2および第3の偏光ビームスプリッタ10a,10dの変位量が略同じであり、かつ各偏光ビームスプリッタの変位方向が偏光分離面の略面内方向である(すなわち、偏光分離面の傾きがほとんど変わらない)ため、上記射出光軸G’,R’,B’は第4の偏光ビームスプリッタ10dの偏光分離面10d1上で互いに略一致し、かつ上記射出光軸G’,R’,B’の投射レンズ14までの光路長も互いに略一致したものとなる。
【0043】
したがって、基板13の熱膨張によるコンバージョンずれ(画素ずれおよび一部の色光のみのピントずれ)は顕在化しない。
【0044】
なお、第1および第4の偏光ビームスプリッタ10a,10dの変位量は、第2および第3の偏光ビームスプリッタ10b,10cの変位量より大きいが、偏光分離面10b1,10c1が単にその略面内方向に平行移動するだけであるため、R、G、B光の画面上での相対的移動が生ずるに留まる。また、第2および第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bは、第3の偏光ビームスプリッタ10cの偏光分離膜面10c1を挟んで対称な位置にあるので、これもより少ない移動量ではあるが同じ方向に同じだけ動くにとどまる。
【0045】
さらに、射出光軸G’,R’,B’の光路長が変化することで、各色光ともピントが同量ずれるが、ユーザーが投射レンズ14のピント調節を行うことで、R,G,Bの各色光について一緒にピントを合わせることができる。
【0046】
但し、基板13の樹脂成型時において、上述した繊維配向方向のコントロールを行っても、実際に図2に示したような理想的な繊維配向状態が得られるとは限らず、基板13の全体的に若しくは一部においてある程度の繊維配向方向の乱れが生ずる場合が考えられる。しかしながら、繊維配向方向の乱れがあったとしても、結果的に基板13の上下方向および左右方向に対して45°傾いた方向において線膨張係数が最も大きくなればよい。さらに言えば、最終的には、基板13が熱膨張した際に、第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dの偏向分離面10a1〜10d1がそれぞれの略面内方向(面内方向若しくはコンバージョンずれが問題とならない程度にわずかに面内方向から外れた方向)に変位するように、基板13に第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dを保持させればよい。
【0047】
(実施形態2)
図3には、本発明の実施形態2である投射型画像表示装置の光学系の全体構成を示している。本実施形態2の投射型画像表示装置の光学系では、光源1からの白色光を、ダイクロイックミラー(第1の光学素子)16で、第1の色光成分(緑色〈G〉光成分)と、第2,第3の色光成分(赤色〈R〉光成分、青色〈B〉光成分)とに色分解し、第1の偏光ビームスプリッタ(第2の光学素子)20aでG光成分を第1の反射型液晶表示パネル11Gに導光する。
【0048】
また、第1の色選択性位相差板9RaでR光成分の偏光を変換し、第2の偏光ビームスプリッタ(第3の光学素子)20bでR光成分とB光成分とに色分解し、それぞれを第2、第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bに導光する。
【0049】
第1の反射型液晶表示パネル11Gで画像変調され、偏光変換されて反射したG光成分は、第1の偏光ビームスプリッタ20aから第3の偏光ビームスプリッタ(第4の光学素子)20cに導光される。また、第2、第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bで画像変調され、偏光変換されて反射したR,B色光成分は、第2の偏光ビームスプリッタ20bにて色合成され、第3の偏光ビームスプリッタ20cに導光される。
【0050】
第2の反射型液晶表示パネル11Rにて偏光変換されて反射したR色光成分は、第2の偏光ビームスプリッタ20bから第3の偏光ビームスプリッタ20cに導光される間に第2の色選択性位相差板9Rbで偏光変換され、B光成分と偏光方向が揃えられる。そして、第3の偏光ビームスプリッタ20cにてG,R,B色光成分が合成され、投射レンズ14に導光される。
【0051】
以下、上記光学系の具体的構成について説明する。光源1は、連続スペクトルで白色光を発光する。この光源1は冷却ファン15によって強制空冷される。2は矩形のレンズをマトリックス状に配置した第1のフライアイレンズである。3は光路を曲げるための第1の反射ミラーである。4は第1のフライアイレンズ2の個々のレンズに対応したレンズをマトリックス状に配置した第2のフライアイレンズである。
【0052】
5は無偏光光を偏光光に揃える偏光変換素子である。6はコンデンサーレンズある。7は光路を曲げるための第2の反射ミラーである。8はフィールドレンズである。
【0053】
ダイクロイックミラー16は、G光成分を透過し、R,B光成分を反射する特性を有する。
【0054】
第1,第2の色選択性位相差板9Ra,9RbはR光成分の偏光方向を90°変換し、B光成分の偏光方向を変換しない特性を有する。
【0055】
第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20cはそれぞれ、P偏光を透過しS偏光を反射する多層膜からなる偏光分離面20a1〜20c1を、2つの三角柱状のプリズム間に挟むようにして構成されている。
【0056】
第1〜第3の反射型液晶表示パネル(画像形成素子)11G,11R,11Bはそれぞれ、不図示の駆動回路により駆動される。駆動回路には、不図示の画像情報供給装置(パーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオ、DVDプレーヤー等)から画像情報が入力され、駆動回路はこの画像情報に応じた原画が形成されるように第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bを駆動する。そして、第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bはそれぞれ、入射したG,R,B光成分を反射するとともに、形成した原画に応じて画像変調する。
【0057】
12は1/4波長板であり、反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bごとに液晶表示パネルの入射面に対向するよう設けられている。
【0058】
投射レンズ14は、第3の偏光ビームスプリッタ20cによって色合成されたR,G,B光成分を不図示のスクリーン等の被投射面に拡大投射する。
【0059】
13はダイクロイックミラー16、第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20c、第1,第2の色選択性位相差板9Ra,9Rbおよび投射レンズ14を搭載し保持する基板(保持部材)であり、本実施形態では、ガラスやカーボンの繊維を配合した樹脂(ポリカーボネート等のエンジニアリングプラスチック)により射出成型法によりやや縦長の長方形板状に製作されている。なお、本実施形態で用いられている基板13は実施形態1にて説明したのと同じものである。
【0060】
以上説明した投射型画像表示装置の光学系のうち、ダイクロイックミラー16、第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20c、第1,第2の色選択性位相差板9Ra,9Rbおよび1/4波長板12は、色分解合成光学系を構成する。
【0061】
また、第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11B、ダイクロイックミラー16、第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20c、第1,第2の色選択性位相差板9Ra,9Rbおよび1/4波長板12は、基板13に搭載されて、光学エンジン等と称される光学ユニットを構成する。
【0062】
なお、第1の反射型液晶表示パネル11Gおよびこれに対応して設けられた1/4波長板12は、第1の偏光ビームスプリッタ20aに取り付けられたパネル支持板17に接着固定されている。また、第2,3の反射型液晶表示パネル11R,11Bおよびこれらに対応して設けられた1/4波長板12は、第2の偏光ビームスプリッタ20bに取り付けられたパネル支持板17に接着固定されている。
【0063】
本実施形態では、基板13に、ダイクロイックミラー16と第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20cと第1,第2の色選択性位相差板9Ra,9Rbを接着剤(紫外線硬化型接着剤)で接着することにより、光学ユニットの色分解合成系を構成する光学素子および第1〜第3の反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bを基板13に対して固定している。また、投射レンズ14は、基板13に設けられたレンズ取り付け部(図示せず)にビス等により固定されている。
【0064】
基板13におけるダイクロイックミラー16と第3の偏光ビームスプリッタ20cは、基板13における樹脂成型時の樹脂の流動方向、すなわち繊維配向方向に離れて配置され、ダイクロイックミラー16のダイクロイック面と第3の偏光ビームスプリッタ20cの偏光分離面20c1は、繊維配向方向に略平行に延びている。
【0065】
また、第1および第2の偏光ビームスプリッタ20a,20bは、繊維配向方向に略直交する方向に離れて配置されており、これらの偏光分離面20a1,20b1は上記略直交する方向に延びている。
【0066】
そして、基板13は、熱により膨張すると、点線13’で示す形状、すなわち、繊維配向方向に最も膨張するように変形する。
【0067】
上記のような基板13を用いた場合の色分解合成系を構成する光学素子の変位について、図3を用いて説明する。本実施形態では、ダイクロイックミラー16と第1〜第4の偏光ビームスプリッタ10a〜10dの基板対向面(底面)の略中央部を基板13に接着している。
【0068】
基板13が上記のように熱膨張すると、図中に点線で示すように、ダイクロイックミラー16と第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20cは、それぞれのダイクロイック面および偏光分離面20a1〜20c1の略面内方向に変位する。ここで、基板13の繊維配向方向に略平行に延びるダイクロイック面および偏光分離面20c1を有するダイクロイックミラー16および第3の偏光ビームスプリッタ20c(反射型液晶表示パネルが固定されていない偏光ビームスプリッタ)の変位量は互いに略等しい。これは、基板13における上記繊維配向方向の線膨張係数が同じだからである。但し、変位方向は互いに反対方向である。
【0069】
また、基板13の繊維配向方向に略直交する方向に延びる偏光分離面20a1,20b1を有する第1および第2の偏光ビームスプリッタ20a1,20b1(反射型液晶表示パネルが固定された偏光ビームスプリッタ)の変位量は互いに略等しい。これは、基板13における上記繊維配向方向に略直交する方向の線膨張係数が同じだからである。但し、変位方向は互いに反対方向である。
【0070】
このように、ダイクロイックミラー16および各偏光ビームスプリッタ20a〜20cが基板13の熱膨張に伴って変位することによって、図中点線で示すように、各反射型液晶表示パネル11G,11R,11Bの中心から射出した光線(射出光線)G’,R’,B’も変位し、かつ投射レンズ14に至るまでの長さ(光路長)も変化する。しかし、本実施形態では、上述したように、ダイクロイックミラー16および第3の偏光ビームスプリッタ20cの変位量が略同じで、第1および第2の偏光ビームスプリッタ20a,20bの変位量が略同じであり、かつ各偏光ビームスプリッタの変位方向が各偏向分離面の略面内方向である(すなわち、偏光分離面の傾きはほとんど変わらない)ため、射出光軸G’,R’,B’は第3の偏光ビームスプリッタ20cの偏光分離面20c1上で互いに略一致し、かつ上記射出光軸G’,R’,B’の投射レンズ14までの光路長も互いに略一致したものとなる。
【0071】
したがって、基板13の熱膨張によるコンバージョンずれ(画素ずれおよび一部の色光のみのピントずれ)は顕在化しない。
【0072】
なお、ダイクロイックミラー16および第3の偏光ビームスプリッタ20cの変位量は、第1および第2の偏光ビームスプリッタ20a,20bの変位量より大きいが、偏光分離面20a1,20b1が単にその略面内方向に移動するだけであるため、R、G、B光の画面上での相対的移動が生ずるに留まる。また、第2および第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bは、第2の偏光ビームスプリッタ20bの偏光分離膜面20b1を挟んで対称な位置にあるので、これもより少ない移動量ではあるが同じ方向に同じだけ動くにとどまる。
【0073】
さらに、射出光軸G’,R’,B’の光路長が変化することで、各色光ともピントが同量ずれるが、ユーザーが投射レンズ14のピント調節を行うことで、R,G,Bの各色光について一緒にピントを合わせることができる。
【0074】
本実施形態においても、実施形態1にて説明したように、基板13における繊維配向方向が図2に示すような理想的なものでなくても、結果的に基板13の上下方向および左右方向に対して45°傾いた方向において線膨張係数が最も大きくなればよい。さらに最終的には、基板13が熱膨張した際に、第1〜第3の偏光ビームスプリッタ20a〜20cの偏向分離面20a1〜20c1およびダイクロイックミラー16のダイクロイック面がそれぞれの略面内方向(面内方向若しくはコンバージョンずれが問題とならない程度にわずかに面内方向から外れた方向)に変位するように、基板13に偏光ビームスプリッタ20a〜20cおよびダイクロイックミラー16を保持させればよい。
【0075】
ここで、図8には、本発明を実施しない基板43の例を示している。一般に、上記各実施形態にて用いる基板13のような長方形の部品であれば、樹脂材料の充填口であるゲート43aを外周の辺に直交する形で設ける。これは、型設計と製作のし易さやゲートを大きく設けることで、充填不足を避けるためである。これにより、繊維配向方向は、図に示すように横方向となり、線膨張係数は基板43の縦と横とで異なる。このため、熱膨張時には、基板43は点線43’で示すような、横長形状になるものと考えられる。
【0076】
そして、このような基板43を実施形態2の光学系に採用すると、図9に点線で示すように、ダイクロイックミラー16と3つの偏光ビームスプリッタ20a〜20cは横方向に変位し、ダイクロイック面および偏光分離面も同方向(つまり面外方向)に変位する。
【0077】
このとき、第2および第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bは同じ第2の偏光ビームスプリッタ20bに固定されているので、これら第2および第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bの中心から射出した、図中に点線で示す光線(射出光線)R’,B’の第3の偏光ビームスプリッタ20cの偏光分離面20c1上での位置および投射レンズ14に至るまでの光路長は互いに一致したままであり、ここでは基板43の熱膨張によるコンバージョンずれは発生しない。
【0078】
一方、第1の偏光ビームスプリッタ20aに固定されている第1の反射型液晶表示パネル11Gの中心から射出した光線G’の偏光分離面20c1上での位置は、第2および第3の反射型液晶表示パネル11R,11Bの中心からの射出光線R’,B’の偏光分離面20c1上での位置と同じになるが、射出光線G’の投射レンズ14に至るまでの光路長は、射出光線R’,B’の光路長に対して変化する。このため、R,G,B光に画素ずれは生じないものの、コンバージョンずれの1つとして、G光のみR,B光成分に対してピントがずれる現象が起こる。
【0079】
これは、ダイクロイック面および偏光分離面20a1〜20c1がいずれもそれらの面外方向に大きく移動するためである。
【0080】
(実施形態3)
図4(A),(B)には、本発明の実施形態3である投射型画像表示装置に用いられる、偏光ビームスプリッタを搭載保持する基板23を示している。図4(A)では対角関係にある2つの角部に、図4(B)では、対角関係にある2つの角部のそれぞれに隣接する2箇所ずつにゲート23b,23cを設けている。このいずれの場合も、上記2つの角部を通る対角線を軸として対称となるようにゲート23b,23cが設けられていることになる。そして、本実施形態でも、実施形態1にて説明した繊維配向方向のコントロール方法と同様にして、図4(A),(B)に示すように、基板23の中心から概ね放射状に広がるような繊維配向方向を得ることができる。
【0081】
このため、基板23が熱により膨張すると、その形状は図4(A),(B)に点線23’で示したようになり、対角2方向に最も変形率で膨張する。つまり、基板23の線膨張係数は対角2方向に最も大きい。
【0082】
そして、この繊維配向方向(線膨張係数が最も大きい方向)は、基板23に実施形態1にて説明した偏光ビームスプリッタ10a〜10dを搭載する場合、偏向分離面10a1〜10d1の下の部分において、該偏向分離面10a1〜10d1と略平行となる。
【0083】
したがって、基板23が熱により膨張すると、実施形態1の偏光ビームスプリッタ10a〜10dは、その偏光分離面10a1〜10d1が略面内方向に変位する。さらに、基板23が偏光分離面に対して対称的な繊維配向分布を有することで、基板23は熱膨張時に偏光分離面と略平行な方向に最も大きく延び、これら偏光分離面の回転を効果的に抑止する。このため、基板23の熱膨張時におけるコンバージョンずれを防止することができる。
【0084】
本実施形態においても、基板23における繊維配向方向が図4(A),(B)に示すような理想的なものでなくても、結果的に基板23の対角2方向に線膨張係数が最も大きくなればよい。さらに最終的には、基板23が熱膨張した際に、偏光ビームスプリッタ10a〜10dの偏向分離面10a1〜10d1がそれぞれの略面内方向(面内方向若しくはコンバージョンずれが問題とならない程度にわずかに面内方向から外れた方向)に変位するように、基板23に偏光ビームスプリッタ10a〜10dを保持させればよい。
【0085】
(実施形態4)
図5には、本発明の実施形態4である投射型画像表示装置に用いられる、偏光ビームスプリッタを搭載保持する基板33を示している。本実施形態では、基板33の表面又は裏面の略中央部にゲート33aを設け、繊維配向方向がこのゲート33aの位置から放射状に周辺に広がるようにしたものである。なお、本実施形態でも、実施形態1にて説明したのと同様の繊維配向方向のコントロールを行う。
【0086】
このような基板33を実施形態1に用いた場合、各偏光ビームスプリッタ10a〜10dの偏光分離面10a1〜10d1はすべて繊維配向方向に略平行となる。また、各偏光ビームスプリッタ10a〜10dの偏光分離面10a1〜10d1の延長線が交わる位置にゲート33aが設けられていることになる。
【0087】
そして、本実施形態においては、線膨張係数を抑えるために配合するガラスやカーボンの繊維配向方向により生ずる異方性を生かし、望ましい熱膨張特性として、偏光分離面の延長線が交わる位置(ゲート33a)を中心に点線33’で示すように基板33が相似形で熱膨張するものである。
【0088】
したがって、基板33が熱により膨張すると、偏光ビームスプリッタ10a〜10dは、その偏光分離面が略面内方向に変位する。さらに、基板33が偏光分離面10a1〜10d1に対して対称的な繊維配向分布を有することで、基板33は熱膨張時に偏光分離面10a1〜10d1と略平行な方向に最も大きく延び、これら偏光分離面10a1〜10d1の回転を効果的に抑止する。このため、基板23の熱膨張時におけるコンバージョンずれを防止することができる。
【0089】
本実施形態においても、基板33における繊維配向方向が図5に示すような理想的なものでなくても、結果的に基板33の対角2方向に線膨張係数が最も大きくなればよい。さらに最終的には、基板33が熱膨張した際に、偏光ビームスプリッタ10a〜10dの偏向分離面10a1〜10d1がそれぞれの略面内方向(面内方向若しくはコンバージョンずれが問題とならない程度にわずかに面内方向から外れた方向)に変位するように、基板33と偏光ビームスプリッタ10a〜10dとの関係を設定すればよい。
【0090】
なお、上記実施形態3,4は、実施形態2に示した光学ユニットにも適用することができる。
【0091】
(実施形態5および実施形態6)
図6および図7にはそれぞれ、上記実施形態2の変形例として、実施形態2とは異なる偏光ビームスプリッタ20a〜20cの基板23に対する接着方法を示している。
【0092】
実施形態2では、偏光ビームスプリッタ20a〜20cの中央部を基板23に接着したが、本実施形態では、接着剤の塗布個所20e,20fを偏光ビームスプリッタ20a〜20cの対角方向に離れた2箇所としている。
【0093】
図6に示す実施形態5では、各偏光分離面を挟んだ偏光ビームスプリッタの対角方向の隅部2箇所に、図7に示す実施形態6では、各偏光分離面に沿った偏光ビームスプリッタの対角方向の隅部2箇所に接着箇所を設けている。
【0094】
実施形態2にて説明したように、偏光ビームスプリッタ20a〜20cの基板に対する接着箇所を、偏光ビームスプリッタ20a〜20cの底面の中央部とした場合、中心に接着剤を塗布することが理想的であり、それを前提として説明してある。
【0095】
しかしながら、接着剤の塗布個所を偏光ビームスプリッタの中心部のみとすると、温度上昇により接着剤の残留応力が開放されて偏光ビームスプリッタが回転する可能性がある。
【0096】
そこで、本実施形態においては、接着剤の塗布個所20e,20fを偏光ビームスプリッタの対角方向の隅部2箇所としたことにより、偏光ビームスプリッタの中心部1箇所を接着するのと同様に確実に基板23に固定し、かつ偏光ビームスプリッタの回転を防止している。
【0097】
図6に示すように、接着剤の塗布個所20eを各偏光分離面を挟んだ偏光ビームスプリッタの対角方向の隅部2箇所に離間させることにより、これら2個所の接着箇所間における基板の熱膨張時の距離を同じにする。これにより、偏光ビームスプリッタの変位は発生させるが、回転は発生させない。
【0098】
一方、図7に示すように、接着剤の塗布個所20fを各偏光分離面の方向に沿った偏光ビームスプリッタの対角方向の隅部2箇所に離間させた場合、これら2つの接着剤の塗布箇所20fの基板中心からの距離が異なるため、基板23の熱膨張時の変位量は異なる。しかし、基板中心からの距離が長い接着箇所が、距離が短い接着箇所を引っ張る又は圧縮する応力は発生しても、偏光ビームスプリッタを回転させる応力は発生しない。
【0099】
以上説明したように、偏光ビームスプリッタの接着部位も基板の線膨張係数の大小を考慮して設定することで、より効果的にコンバージョンずれの発生を抑えることができる。
【0100】
なお、本実施形態5,6において、ダイクロイックミラー16についても、図示はしないが、偏光ビームスプリッタと同様の接着方法を採用している。
【0101】
また、本実施形態5,6に示した偏光ビームスプリッタの基板への接着方法は、実施形態1に示した光学ユニットにも適用することができる。
【0102】
また、上記各実施形態では、矩形状の基板(保持部材)を用いた場合について説明したが、本発明における保持部材は矩形に限らず、どのような形状であってもよい。
【0103】
また、上記各実施形態では、反射型液晶表示パネルを用いるとともに、4つの偏光ビームスプリッタ又は1つのダイクロイックミラーと3つの偏光ビームスプリッタを用いて色分解合成系を構成した光学ユニットについて説明したが、本発明はこのような光学ユニットに限らず、他の形態の光学ユニットにも適用することができる。
【0104】
例えば、反射型液晶表示パネルに代えて、透過型液晶表示パネルを使用することも可能である。
【0105】
さらに、以上説明した各実施形態は、以下に示す各発明を実施した場合の一例でもあり、下記の各発明は上記各実施形態に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【0106】
〔発明1〕 画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットであって、
それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子と、
光源からの照明光を複数の色光に分解して前記複数の画像形成素子に向かわせ、前記複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成して投射レンズに導く光学系と、
前記光学系を構成する光学素子を保持する保持部材とを有し、
前記光学素子が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して所定の関係をなすように配置されていることを特徴とする投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0107】
〔発明2〕 画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットであって、
それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子と、
光源からの照明光を複数の色光に分解して前記複数の画像形成素子に向かわせ、前記複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成して投射レンズに導く光学系と、
前記光学系を構成する光学素子であって、入射した光の偏光方向又は波長に応じて、透過作用又は反射作用を有する光学作用面を備えた複数の光学素子を保持する保持部材とを有し、
前記複数の光学素子の光学作用面が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して略平行になるように又は略直交するように配置されていることを特徴とする投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0108】
これにより、温度上昇による保持部材の膨張に伴って光学素子が変位しても、色分解作用又は色合成作用を有する光学作用面の向きの変化や面外方向への変位は小さいので、画素ずれやピントずれといったコンバージョンずれの発生を抑制することができる。
【0109】
〔発明3〕 前記光学素子として、前記光源からの照明光を色分解する第1の光学素子と、それぞれ前記画像形成素子が固定されて前記第1の光学素子により色分解された光成分を前記画像形成素子に向かわせるとともに、前記画像形成素子から射出した光成分を前記投射レンズに向かわせる第2および第3の光学素子と、これら第2および第3の光学素子からの光成分を合成して前記投射レンズに入射させる第4の光学素子とを有し、
前記第1および第4の光学素子の光学作用面が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して略平行になるように配置され、かつ前記第2および第3の光学素子の光学作用面が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して略直交するように配置されていることを特徴とする発明2に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0110】
〔発明4〕 前記光学素子として、前記光源からの照明光を色分解する第1の光学素子と、それぞれ前記画像形成素子が固定されて前記第1の光学素子により色分解された光成分を前記画像形成素子に向かわせるとともに、前記画像形成素子から射出した光成分を前記投射レンズに向かわせる第2および第3の光学素子と、これら第2および第3の光学素子からの光成分を合成して前記投射レンズに入射させる第4の光学素子とを有し、
前記第1および第4の光学素子の光学作用面が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して略直交するように配置され、かつ前記第2および第3の光学素子の光学作用面が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して略平行になるように配置されていることを特徴とする発明2に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0111】
〔発明5〕 前記光学素子として、前記光源からの照明光を色分解する第1の光学素子と、それぞれ前記画像形成素子が固定されて前記第1の光学素子により色分解された光成分を前記画像形成素子に向かわせるとともに、前記画像形成素子から射出した光成分を前記投射レンズに向かわせる第2および第3の光学素子と、これら第2および第3の光学素子からの光成分を合成して前記投射レンズに入射させる第4の光学素子とを有し、
前記第1から第4の光学素子の光学作用面が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して略平行になるように配置されていることを特徴とする発明2に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0112】
〔発明6〕 画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットであって、
それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子と、
光源からの照明光を複数の色光に分解して前記複数の画像形成素子に向かわせ、前記複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成して投射レンズに導く光学系と、
前記光学系を構成する光学素子であって、入射した光の偏光方向又は波長に応じて、透過作用又は反射作用を有する光学作用面を備えた複数の光学素子を保持する保持部材とを有し、
前記保持部材の熱による変形に伴って前記各光学素子の光学作用面が該光学作用面の略面内方向に変位するよう前記保持部材に前記各光学素子を保持させたことを特徴とする投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0113】
これにより、温度上昇による保持部材の膨張に伴って光学素子が変位しても、色分解作用又は色合成作用を有する光学作用面は略面内方向に変位し、光学作用面の向きの変化や面外方向への変位は小さいので、画素ずれやピントずれといったコンバージョンずれの発生を抑制することができる。
【0114】
〔発明7〕 前記光学素子として、前記光源からの照明光を色分解する第1の光学素子と、それぞれ前記画像形成素子が固定されて前記第1の光学素子により色分解された光成分を前記画像形成素子に向かわせるとともに、前記画像形成素子から射出した光成分を前記投射レンズに向かわせる第2および第3の光学素子と、これら第2および第3の光学素子からの光成分を合成して前記投射レンズに入射させる第4の光学素子とを有し、
前記保持部材の熱による変形に伴って、前記第1から第4の光学素子の光学作用面が、該光学作用面の略面内方向に変位することを特徴とする発明6に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0115】
〔発明8〕 画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットであって、
それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子と、
光源からの照明光を複数の色光に分解して前記複数の画像形成素子に向かわせ、前記複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成して投射レンズに導く光学系と、
前記光学系を構成する光学素子であって、入射した光の偏光方向又は波長に応じて、透過作用又は反射作用を有する光学作用面を備えた複数の光学素子を保持する保持部材とを有し、
前記保持部材は、樹脂の射出成型により矩形状に作られ、前記複数の光学素子の光学作用面が該保持部材の対角線方向に延びるよう配置されており、
前記保持部材は、該保持部材の対角線を軸として対称となるように設けられたゲートからの樹脂射出により作られたものであることを特徴とする投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0116】
これにより、各光学素子の光学作用面に略平行な方向又は略直交する方向に線膨張係数が最も大きい保持部材や、熱変形により各光学素子の光学作用面を該光学作用面の略面内方向に変位させる保持部材を容易に製作することができる。
【0117】
〔発明9〕 前記保持部材は、該保持部材における1つの角部を挟んだ2辺部分のほぼ全体にわたって設けられたゲートからの樹脂射出により作られたものであることを特徴とする発明8に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0118】
〔発明10〕 前記保持部材は、該保持部材の対角方向にある2つの角部に設けられたゲートからの樹脂射出により作られたものであることを特徴とする発明8に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0119】
〔発明11〕 前記保持部材は、該保持部材にて対角方向にある2つの角部のそれぞれに隣接して設けられたゲートからの樹脂射出により作られたものであることを特徴とする発明8に記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0120】
〔発明12〕 画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットであって、
それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子と、
光源からの照明光を複数の色光に分解して前記複数の画像形成素子に向かわせ、前記複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成して投射レンズに導く光学系と、
前記光学系を構成する光学素子であって、入射した光の偏光方向又は波長に応じて、透過作用又は反射作用を有する光学作用面を備えた複数の光学素子を保持する保持部材とを有し、
前記保持部材は、該保持部材の表面又は裏面における略中央部に設けられたゲートからの樹脂射出により作られたものであることを特徴とする投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0121】
〔発明13〕 前記光学素子は、前記保持部材に対し、前記光学作用面の延びる方向に離間した複数箇所にて接着されていることを特徴とする発明2から発明12のいずれかに記載の投射型画像表示装置の光学ユニット。
【0122】
これにより、温度変化によって接着剤内の応力に変化が生じても、光学素子(およびその光学作用面)が回転せず、コンバージョンずれの発生をより効果的に抑制することができる。
【0123】
〔発明14〕 発明1から13のいずれかに記載の光学ユニットを備えたことを特徴とする投射型画像表示装置。
【0124】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学ユニットを用いれば、保持部材を安価な樹脂成型品で製作したとしても、温度変化による保持部材の変形に伴うコンバージョンずれを抑止でき、高いコントラストを有した高品位の画像を投射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1である投射型画像表示装置の光学系の構成を説明する図である。
【図2】上記実施形態1の投射型画像表示装置に用いられる基板の構造を示す図である。
【図3】本発明の実施形態2である投射型画像表示装置の光学系の構成を説明する図である。
【図4】本発明の実施形態3である投射型画像表示装置に用いられる基板の構造を示す図である。
【図5】本発明の実施形態4である投射型画像表示装置に用いられる基板の構造を示す図である。
【図6】本発明の実施形態5である投射型画像表示装置における偏光ビームスプリッタの基板への接着箇所を示す図である。
【図7】本発明の実施形態6である投射型画像表示装置における偏光ビームスプリッタの基板への接着箇所を示す図である。
【図8】本発明を採用しない基板の構造を示す図である。
【図9】図8に示した基板を実施形態2の投射型画像表示装置に適用した場合の図である。
【符号の説明】
1 光源
2 第1フライアイレンズ
3 第1の反射ミラー
4 第2フライアイレンズ
5 偏光変換素子
6 コンデンサーレンズ
7 第2の反射ミラー
8 フィールドレンズ
9 色選択性位相差板
10 偏光ビームスプリッタ
11 反射型液晶表示パネル
12 1/4波長板
13,23,33 基板
13a,23a,23b,23c,33a ゲート
14 投射レンズ
15 冷却ファン
16 ダイクロイックミラー
17 パネル保持板
Claims (1)
- 画像を投射表示する投射型画像表示装置に備えられる光学ユニットであって、
それぞれ原画を形成する複数の画像表示素子と、
光源からの照明光を複数の色光に分解して前記複数の画像形成素子に向かわせ、前記複数の画像形成素子から射出した複数の色光を合成して投射レンズに導く光学系と、
前記光学系を構成する光学素子を保持する保持部材とを有し、
前記光学素子が、前記保持部材における線膨張係数が最も大きい方向に対して所定の関係をなすように配置されていることを特徴とする投射型画像表示装置の光学ユニット。
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