JP2004233961A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴースト像の発生を防止するようにした小型の投射型表示装置を提供する。
【解決手段】断面形状が直角三角形の２つの三角プリズムを偏光分離膜を挟んでそれぞれ接着し、偏光ビームスプリッタ２０Ｇ〜Ｒをそれぞれ構成する。直角三角形の直角以外の２つの頂角は、４５度未満の頂角α、４５度を超える頂角βである。ダイクロイックミラー１６ＲＧ、１６Ｂによって色分解したＲ光とＧ光との混合光およびＢ光を、それぞれが互いに近づくように反射折り曲げミラー１８、１７で反射させる。偏光ビームスプリッタ２０Ｇ〜Ｒに光源１１からの光を入射するとき、偏光ビームスプリッタ２０Ｇ〜Ｒの各入射面に対する入射光軸の入射角をθ（図２）とすることにより、偏光ビームスプリッタ２０Ｇ〜Ｒの各偏光分離部に対して頂角αと同一角度の入射角で入射させる。偏光ビームスプリッタ２０Ｇ〜Ｒに光源からの光を入射する入射面と、ライトバルブ２１Ｇ〜Ｒを反射射出する光の光軸とをそれぞれ平行にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の反射型ライトバルブを使用した投射型表示装置に関する。

光源からの光を色分解し、色分解後の各色の光を各色光用の反射型ライトバルブにそれぞれ導き、それぞれの反射型ライトバルブで変調された各色の光を合成し、合成光をスクリーンなどに向けて投射する小型の投射型表示装置が知られている（特許文献１参照）。

一般に、ライトバルブは電気書き込み式ライトバルブが用いられている。このライトバルブは、基板上にＴＦＴ等の複数の非線形スイッチング素子が画素に対応して設けられている。各ＴＦＴは、それぞれ画像信号に応じた電圧を各画素に対応する変調層、すなわち、マトリックス形状に配列された液晶層に対して選択的に印加する。電圧が印加された液晶層は液晶分子の配列が変わり、当該液晶層が位相板の役目を果たすようになる。したがって、ライトバルブに入射された光は、当該液晶層を経由して射出されることにより、入射時の偏光と振動方向が異なる偏光の変調光として射出される。

特開２０００−１１１８３９号公報

このようなライトバルブは、各画素間の間隙部が格子形状を構成し、入射光に対して回折格子を形成する。このため、変調光は、いわゆる０(ゼロ)次光のみでなく、±１次光、±２次光…の回折光も含めて射出される。前記特許文献１に記載された投射型表示装置では、変調光に含まれる回折光が偏光ビームスプリッタの側面で反射され、スクリーン上の所定画面外の位置に不要な像（ゴースト像）を投射するという問題がある。

請求項１に記載の発明は、光源からの光を複数の色光に色分解する色分解光学系と、色分解光学系によって色分解された各色光毎に配設され、色分解された光を偏光分離部で反射して各色毎に配設される反射型ライトバルブへ射出し、各色の反射型ライトバルブから入射された変調光を偏光分離部を透過させてそれぞれ射出する偏光ビームスプリッタと、各偏光ビームスプリッタから射出された各色の変調光を色合成する色合成光学系と、色合成された光による像を投射する開口絞りを備えた投射光学系とを有する投射型表示装置に適用される。そして、各色毎に配設された偏光ビームスプリッタはそれぞれ、偏光分離部と第１の三角柱プリズムおよび第２の三角柱プリズムを有し、第１の三角柱プリズムの断面形状は、９０度の第１頂角、４５度より大きい第２頂角、および４５度より小さい第３頂角を有する直角三角形であって、偏光分離部は、第１の三角柱プリズムの第１頂角に相対する面と第２の三角柱プリズムの一面とが接合される接合面に設けられており、色分解された光は、第１の三角柱プリズムの第３頂角と相対する面に入射し、第１の三角柱プリズムの入射面への色分解された光の光軸入射角は、第１の三角柱プリズムに入射された光の光軸が偏光分離部に対して第３頂角と同一角度の入射角で入射することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の投射型表示装置において、第１の三角柱プリズムの第２頂角と接合される第２の三角柱プリズムの頂角を、第１の三角柱プリズムの第３頂角と同一の角度で構成したものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の投射型表示装置において、クロスダイクロイックプリズムで色合成光学系を構成したものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の投射型表示装置において、色合成光学系は、互いに異なる断面形状を有する第３の三角柱プリズム、第４の三角柱プリズムおよび第５の三角柱プリズムを接着した複合プリズムで構成され、第３の三角柱プリズムおよび第４の三角柱プリズム間に第１のダイクロイック膜が形成され、第４の三角柱プリズムおよび第５の三角柱プリズム間に第２のダイクロイック膜が形成されていることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の投射型表示装置において、複数の色光のうち一方を反射する特性を有する第１のダイクロイックミラー、および他方を反射する特性を有する第２のダイクロイックミラーを互いに直交するように配設したクロスダイクロイックミラーと、クロスダイクロイックミラーによってそれぞれ反射された色光の進行方向をそれぞれ変えるように配設した複数の反射折り曲げミラーとを含むように、色分解光学系を構成したものである。
請求項６に記載の発明は、光源からの光を複数の色光に色分解する色分解光学系と、色分解光学系によって色分解された各色光毎に配設され、色分解された光を偏光分離部で反射して各色毎に配設される反射型ライトバルブへ射出し、各色の反射型ライトバルブから入射された変調光を偏光分離部を透過させてそれぞれ射出する偏光ビームスプリッタと、各偏光ビームスプリッタから射出された各色の変調光を色合成する色合成光学系と、色合成された光による像を投射する開口絞りを備えた投射光学系とを有する投射型表示装置に適用される。そして、各色光毎に配設された偏光ビームスプリッタはそれぞれ、色分解された光の入射面への色分解された光の光軸の入射角を０度と異なる所定の角度とし、各色の反射型ライトバルブからビームスプリッタに入射される変調光の光軸が、色分解光の入射面と平行になるように構成されることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６に記載の投射型表示装置において、光源からの光を赤、緑、青の３色の光に分解するように色分解光学系を構成したものである。
請求項８に記載の発明は、光源からの光を偏光ビームスプリッタに入射し、偏光分離部を反射して射出される光を反射型ライトバルブに入射して変調反射される光を偏光ビームスプリッタに入射するとともに、変調光を偏光分離部の透過光として検光して取り出し、投射レンズにて投射する投射型表示装置に適用される。そして、偏光ビームスプリッタは、偏光分離部と第１の三角柱プリズムおよび第２の三角柱プリズムを有し、第１の三角柱プリズムの断面形状は、９０度の第１頂角、４５度より大きい第２頂角、および４５度より小さい第３頂角を有する直角三角形であって、偏光分離部は、第１の三角柱プリズムの第１頂角に相対する面と第２の三角柱プリズムの一面とが接合される接合面に設けられており、光源からの光は、第１の三角柱プリズムの第３頂角と相対する面に入射し、その面に対する入射光軸の入射角は、当該第１の三角柱プリズムに入射した光の光軸が偏光分離部に対して第３頂角と同じ角度の入射角にて入射するように構成されることを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、光源からの光を偏光ビームスプリッタに入射し、偏光分離部を反射して射出される光を反射型ライトバルブに入射して変調反射される光を偏光ビームスプリッタに入射するとともに、変調光を偏光分離部の透過光として検光して取り出し、投射レンズにて投射する投射型表示装置に適用される。そして、偏光ビームスプリッタは、偏光分離部を挟んで接着される第１の三角柱プリズムおよび第２の三角柱プリズムで構成され、光源からの光は、第１の三角柱プリズムの第１面に入射光軸の入射角が０度と異なる所定角度で入射され、偏光分離部で反射射出される光は、第１の三角柱プリズムの第２面から出射光軸の出射角が０度で射出されるように構成されることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の投射型表示装置において、反射型ライトバルブで変調反射される光は、第１の三角柱プリズムの第２面に入射光軸の入射角が０度で入射され、偏光ビームスプリッタから取り出される検光光は、第２の三角柱プリズムの射出面から出射光軸の出射角が０度で射出されるように構成されることを特徴とする。

本発明によれば、回折光によるゴースト像の発生を防止するようにした小型の投射型表示装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第一の実施形態）
図１は、本発明の第一の実施形態による投射型表示装置の基本構成図である。図１において、投射型表示装置は、光源１１と、偏光照明装置１０と、ダイクロイックミラー１６Ｂ，１６ＲＧと、反射折り曲げミラー１７および１８と、ダイクロイックミラー１９と、Ｒ光用偏光ビームスプリッタ２０Ｒと、Ｇ光用偏光ビームスプリッタ２０Ｇと、Ｂ光用偏光ビームスプリッタ２０Ｂと、Ｒ光用反射型ライトバルブ２１Ｒと、Ｇ光用反射型ライトバルブ２１Ｇと、Ｂ光用反射型ライトバルブ２１Ｂと、クロスダイクロイックプリズム２２と、投射レンズ２３とを有する。

光源１１は、ランプ１１ａならびに放物面形状の凹面鏡１１ｂから構成される。光源１１から射出された略平行光束は、偏光照明装置１０により略単一偏光（紙面に垂直な方向に振動方向を有するＳ偏光）に変換される。この偏光照明装置１０は、第１レンズ板１２、第２レンズ板１３、偏光変換装置１４、ならびにコンデンサレンズ１５から構成されている。第１レンズ板１２は、複数のレンズが平面的に行列形状に配列されたものである。第２レンズ板１３は、第１レンズ板１２の各レンズの焦点位置近傍に、それぞれ平面的にレンズを配置したものである。第１レンズ板１２は、略平行光束を複数の中間光束に分割する。

偏光変換装置１４は、複数の偏光分離膜と、この偏光分離膜と対に平行に配置された反射膜と、所定の射出面に配置された１／２波長位相板とで構成される。偏光変換装置１４は、第２レンズ板１３から射出される光束について、偏光分離膜を透過するＰ偏光を１／２波長位相板でＳ偏光に変換し、射出させる。また、偏光分離膜で反射されるＳ偏光を隣接する偏光分離膜に入射させ、当該偏光分離膜で反射させてＳ偏光で射出させる。コンデンサレンズ１５は、上記１／２波長位相板および偏光分離膜から射出される上記第１レンズ板１２により分割された複数の中間光束の単一偏光の光をライトバルブ上に重畳照明する。これらの構成により、光源１１による光源光が単一偏光（本実施の形態ではＳ偏光）光に変換される。

偏光照明装置１０から射出された光源からの光は、クロスダイクロイックミラーに入射される。クロスダイクロイックミラーは、ダイクロイックミラー１６Ｂと、ダイクロイックミラー１６ＲＧとで構成される。ダイクロイックミラー１６Ｂおよびダイクロイックミラー１６ＲＧは、それぞれ入射光軸の入射角が４５度になるように、互いに直交してＸ型に配置されている。ダイクロイックミラー１６Ｂは、Ｂ（青）光反射特性を有する。一方、ダイクロイックミラー１６ＲＧは、Ｒ（赤）光ならびにＧ（緑）光反射特性を有する。クロスダイクロイックミラー（１６Ｂ，１６ＲＧ）は、入射された光源光を入射光軸に垂直で互いに反対方向に進行するＢ光と、Ｒ光およびＧ光の混合光とに色分解する。ここで、光軸とは、光束の中心軸をいう。

色分解されたＢ光は、入射光軸の入射角が４５度未満となるように反射折り曲げミラー１７に入射される。反射折り曲げミラー１７は、入射されたＢ光をＢ光用偏光ビームスプリッタ２０Ｂへ向けて反射する。

Ｒ光とＧ光の混合光は、入射光軸の入射角が４５度未満となるように反射折り曲げミラー１８に入射される。反射折り曲げミラー１８は、入射された混合光をダイクロイックミラー１９へ向けて反射する。ダイクロイックミラー１９は、混合光の光軸が入射角４５度を超える角度で入射されるように斜めに配設されている。ダイクロイックミラー１９は、Ｇ光を反射するとともにＲ光を透過する特性を有する。ダイクロイックミラー１９は、入射された混合光を、反射Ｇ光と透過Ｒ光とに色分解する。このように、ダイクロイックミラー１６Ｂ，１６ＲＧおよびダイクロイックミラー１９、ならびに反射折り曲げミラー１７，１８は、光源光をＲ光、Ｇ光、ならびにＢ光からなる光の３原色の光に色分解する色分解光学系を構成する。

色分解されたＧ光は、Ｇ光用偏光ビームスプリッタ２０Ｇへ向けて進む。また、色分解されたＲ光は、Ｒ光用偏光ビームスプリッタ２０Ｒへ向けて進む。

偏光ビームスプリッタ２０Ｂは、Ｂ光の入射面と偏光分離部２０Ｂ−Ｐを構成する面、ならびに反射型ライトバルブ２１Ｂと向かい合う面を側面とするプリズム２０Ｂ−Ａと、当該プリズム２０Ｂ−Ａと同形状のプリズム２０Ｂ−Ｂとから構成される。

偏光ビームスプリッタ２０Ｇは、Ｇ光の入射面と偏光分離部２０Ｇ−Ｐを構成する面、ならびに反射型ライトバルブ２１Ｇと向かい合う面を側面とするプリズム２０Ｇ−Ａと、当該プリズム２０Ｇ−Ａと同形状のプリズム２０Ｇ−Ｂとから構成される。

偏光ビームスプリッタ２０Ｒは、Ｒ光の入射面と偏光分離部２０Ｒ−Ｐを構成する面、ならびに反射型ライトバルブ２１Ｒと向かい合う面を側面とするプリズム２０Ｒ−Ａと、当該プリズム２０Ｒ−Ａと同形状のプリズム２０Ｒ−Ｂとから構成される。

各色光用偏光ビームスプリッタに入射された各色光は、それぞれ各色光用偏光ビームスプリッタ内の偏光分離部を反射して当該偏光ビームスプリッタから射出するＳ偏光と、偏光分離部を透過して当該偏光ビームスプリッタから射出するＰ偏光とに偏光分離される。本実施の形態では、Ｓ偏光を反射型ライトバルブに向けて射出する照明光として使用し、Ｐ偏光を不要光として廃棄する構成とする。

Ｂ光用偏光ビームスプリッタ２０Ｂを射出したＢ色のＳ偏光は、反射型ライトバルブ２１Ｂに入射される。Ｇ光用偏光ビームスプリッタ２０Ｇを射出したＧ色のＳ偏光は、反射型ライトバルブ２１Ｇに入射される。Ｒ光用偏光ビームスプリッタ２０Ｒを射出したＲ色のＳ偏光は、反射型ライトバルブ２１Ｒに入射される。

ここで、反射型ライトバルブ２１Ｂ、２１Ｇおよび２１Ｒについて説明する。反射型ライトバルブは、電気書き込み式反射型ライトバルブである。すなわち、シリコン基板上にＴＦＴ等の複数の非線形スイッチング素子が画素に対応してそれぞれ設けられ、各ＴＦＴ上には、画素の形状を定義し、かつ、液晶層に電圧を印加する電極がそれぞれ接続されている。さらに各電極の上には、液晶層が形成されている。これらのＴＦＴは、それぞれ画像信号に応じた電圧を液晶層に対して選択的に印加する。電圧が印加された液晶層は、液晶分子の配列が変わり、当該液晶層が位相板の役目を果たすようになる。

液晶層に電圧を印加する電極は、液晶層側から入射される光を反射する反射板としても機能する。したがって、反射型ライトバルブの電圧が印加されている液晶層の領域に、液晶層の上から入射された偏光光は当該液晶層を経由して反射板に導かれる。反射板で反射された反射光は、再び液晶層を介して射出される。上述したように、電圧が印加された液晶層は位相板として機能するので、反射型ライトバルブから射出される反射光は、入射された偏光と振動方向が異なる偏光の変調光である。一方、反射型ライトバルブの非選択の画素に対応する部分、すなわち、ＴＦＴが電圧を印加していない領域の液晶層に入射された偏光は、液晶分子の初期の配向の捻れ構造に従って進行して反射板にて反射される。この反射光は再び捻れ構造に従って逆に進行することより、入射された偏光と振動方向が同じ偏光として射出される。このように、反射型ライトバルブの反射射出光は、変調光であるＰ偏光と、非変調光であるＳ偏光とからなる混合光になる。

Ｂ光用の反射型ライトバルブ２１Ｂを反射射出したＢ色光は、偏光ビームスプリッタ２０Ｂに再び入射され、偏光分離部２０Ｂ−Ｐを透過するＰ偏光の変調光と、偏光分離部２０Ｂ−Ｐを反射するＳ偏光の非変調光とに偏光分離される。偏光ビームスプリッタ２０Ｂで反射される非変調光は、光源１１の方向に進行して廃棄される。同様に、Ｇ光用の反射型ライトバルブ２１Ｇを反射射出したＧ色光は、偏光ビームスプリッタ２０Ｇに再び入射され、偏光分離部２０Ｇ−Ｐを透過するＰ偏光の変調光と、偏光分離部２０Ｇ−Ｐを反射するＳ偏光の非変調光とに偏光分離される。また、Ｒ光用の反射型ライトバルブ２１Ｒを反射射出したＲ色光は、偏光ビームスプリッタ２０Ｒに再び入射され、偏光分離部２０Ｒ−Ｐを透過するＰ偏光の変調光と、偏光分離部２０Ｒ−Ｐを反射するＳ偏光の非変調光とに偏光分離される。これにより、各色の非変調光が光源１１の方向に進行して廃棄される。

Ｂ光用の偏光ビームスプリッタ２０Ｂを透過したＰ偏光(変調光)、すなわち、検光光は、クロスダイクロイックプリズム２２に入射される。同様に、Ｇ光用の偏光ビームスプリッタ２０Ｇを透過したＰ偏光(変調光)である検光光、ならびにＲ光用の偏光ビームスプリッタ２０Ｒを透過したＰ偏光(変調光)である検光光は、それぞれクロスダイクロイックプリズム２２に入射される。

クロスダイクロイックプリズム２２は、その内部に、Ｒ光反射ダイクロイック膜２２ＲとＢ光反射ダイクロイック膜２２Ｂとが互いに直交するように配置された複合プリズムである。クロスダイクロイックプリズム２２に入射したＲ色の検光光は、Ｒ光反射ダイクロイック膜２２Ｒによって投射レンズ２３側に反射される。また、クロスダイクロイックプリズム２２に入射したＢ色の検光光は、Ｂ光反射ダイクロイック膜２２Ｂによって投射レンズ２３側に反射される。さらに、クロスダイクロイックプリズム２２に入射したＧ色の検光光は、両ダイクロイック膜２２Ｒ、２２Ｂをそれぞれ透過して投射レンズ２３側へ進む。これにより、Ｒ色、Ｇ色およびＢ色の検光光は、クロスダイクロイックプリズム２２の同一面から色合成された光として射出される。色合成光は、投射レンズ２３に入射され、スクリーン（不図示）上にフルカラー像が投射される。このように、クロスダイクロイックプリズム２２が色合成光学系を構成する。

投射レンズ２３は、クロスダイクロイックプリズム２２側に配置される前群レンズ、スクリーン側に配置される後群レンズ、および前群レンズの焦点位置に配置される開口絞りによって、クロスダイクロイックプリズム２２側に対してテレセントリックになるように構成されている。なお。投射レンズ２３の構成については後述する。開口絞りは、各色用の反射型ライトバルブ２１Ｂ、２１Ｇおよび２１Ｒそれぞれの射出面の一点から射出される光束の広がり具合（開口数（ＮＡ））の大きさを決定するものである。つまり、ライトバルブから射出された光束のうち、開口絞りを通過した光線による像がスクリーン上に投射される。

本発明は、以上の投射型表示装置の基本構成のうち、Ｒ光用偏光ビームスプリッタ２０Ｒ、Ｇ光用偏光ビームスプリッタ２０Ｇ、およびＢ光用偏光ビームスプリッタ２０Ｂの各形状と、これら各色の偏光ビームスプリッタに対する各色光の入射角に関するものである。

図２は、上述した図１の投射型表示装置の基本構成のうちＧ色光に係わる偏光ビームスプリッタ２０Ｇおよび反射型ライトバルブ２１Ｇを抜粋して拡大した図である。上述したように、投射レンズ２３は前群レンズ２３ａ、後群レンズ２３ｂ、および開口絞り２３ｃによって構成される。偏光ビームスプリッタ２０ＧにおけるＧ色光の入射面を有するプリズム２０Ｇ−Ａの形状は、その断面形状が直角三角形の三角プリズムで構成される。直角三角形（断面形状）の直角である頂角Ｄを除く２つの頂角は、互いに異なる角度で構成されている。頂角αは４５未満の角度を有し、頂角βは４５度を超える角度を有する。ただし、α＋β＝９０度である。

偏光ビームスプリッタ２０Ｇは、偏光分離膜を挟んでプリズム２０Ｇ−Ａおよびプリズム２０Ｇ−Ｂが接着されている。この接着（接合）部が偏光分離部２０Ｇ−Ｐに対応する。プリズム２０Ｇ−Ａと接着されるプリズム２０Ｇ−Ｂは、少なくともプリズム２０Ｇ−Ａの頂角βと接着される頂角の角度が、上記プリズム２０Ｇ−Ａの頂角αの角度と等しい。これにより、接着後のＧ光用偏光ビームスプリッタ２０Ｇの頂角Ｃは９０度になる。プリズム２０Ｇ−Ｂの他の２つの頂角の角度は、必ずしもプリズム２０Ｇ−Ａの角度と等しくする必要はないが、本実施の形態ではそれぞれプリズム２０Ｇ−Ａの対応する頂角と同一角度とする。つまり、プリズム２０Ｇ−Ａおよびプリズム２０Ｇ−Ｂを同一プリズムで構成し、頂角Ｄ＝頂角Ｅ＝９０度にするとともに、プリズム２０Ｇ−Ｂにおいて、プリズム２０Ｇ−Ａの頂角αと接着される側の頂角の角度をプリズム２０Ｇ−Ａの頂角βの角度と等しくする。この結果、偏光分離部２０Ｇ−Ｐを挟んで両プリズム２０Ｇ−Ａ、２０Ｇ−Ｂを接着した偏光ビームスプリッタ２０Ｇの断面形状（偏光分離部２０Ｇ−Ｐと直交する面に垂直な断面）は、全ての頂角が９０度、すなわち、長方形となる。

偏光ビームスプリッタ２０Ｇのプリズム２０Ｇ−Ａへ入射される光源からの光が色分解光学系で分解されたＧ色光は、頂角Ｄおよび頂角βで挟まれた入射面から入射される。この場合の入射光軸の入射角は、０度でない所定の角度θとする。所定角θは、プリズム２０Ｇ−Ａに入射された光が入射屈折してプリズム２０Ｇ−Ａ内を進み、その光軸が上記頂角αと同一の入射角で偏光分離部２０Ｇ−Ｐへ入射される角度とする。これにより、偏光分離部２０Ｇ−Ｐで反射される反射光軸の反射角が上記頂角αと等しくなるので、偏光分離部２０Ｇ−Ｐによる反射光は、その光軸がプリズム２０Ｇ−Ａの頂角Ｄおよび頂角αで挟まれた平面から当該平面に垂直に射出される。射出された光は、反射型ライトバルブ２１Ｇに入射される。

反射型ライトバルブ２１Ｇを反射射出した光は、上記射出された面（プリズム２０−Ａの上記頂角Ｄおよび頂角αで挟まれた平面）から再びプリズム２０Ｇ−Ａへ、その光軸が垂直に入射される。入射光はプリズム２０Ｇ−Ａ内を進み、その光軸が上記頂角αと同一の入射角で偏光分離部２０Ｇ−Ｐへ入射される。上述したように、偏光分離部２０Ｇ−Ｐは入射光のうち変調光（Ｐ偏光）を透過し、非変調光（Ｓ偏光）を反射する。

偏光分離部２０Ｇ−Ｐを透過したＰ偏光の光は、検光光としてプリズム２０Ｇ−Ｂに入射され、プリズム２０Ｇ−Ｂ内を進行する。この検光光は、プリズム２０Ｇ−Ｂの頂角αおよび頂角Ｅで挟まれた平面から、当該平面に垂直に射出される。射出光は、投射レンズ２３へ向けて進む。このように、反射型ライトバルブ２１Ｇを反射射出する光の光軸は、偏光ビームスプリッタ２０Ｇに対する光源光（Ｇ色光）の入射面（頂角Ｄおよび頂角βで挟まれた平面）と平行になる。なお、偏光分離部２０Ｇ−Ｐを反射したＳ偏光の光は、上述したように廃棄される。

図２の例では、Ｇ色光に関する偏光ビームスプリッタ２０Ｇおよび反射型ライトバルブ２１Ｇを用いて説明したが、Ｒ色光およびＢ色光に関してもＧ色光と同様である。

ここで、反射型ライトバルブから射出される０次光以外の成分について説明する。反射型ライトバルブは、上述したように、画素に対応してマトリックス形状に配置される複数のスイッチング素子に接続されている電極が反射板を兼ねている。反射型ライトバルブに入射された光は、マトリックス形状の反射板によって反射射出される。このライトバルブを入射側から眺めると、各画素の形状を定義する各反射板の間隙部が構成する格子が回折格子を形成する。このため、ライトバルブを反射射出される光はいわゆる０次光のみでなく、±１次光、±２次光…の回折光が反射される。このような回折光は、０次光によって形成される光束の最外縁光より外側に進行する。

図２において、回折光がライトバルブ２１Ｇの一点Ａから射出され、偏光ビームスプリッタ２０Ｇのプリズム２０Ｇ−Ａに入射する。入射された回折光はプリズム２０Ｇ−Ａ内でＧ色光の入射面（頂角Ｄおよび頂角βで挟まれた平面）で内面反射されてプリズム２０Ｇ−Ａ内を進み、偏光分離部２０Ｇ−Ｐを介してプリズム２０Ｇ−Ｂに入射される。回折光はさらに、プリズム２０Ｇ−Ｂ内を進行し、プリズム２０Ｇ−Ｂの頂角αおよび頂角Ｅで挟まれた平面から射出される（光線Ａ'）。

上述したように、内面反射する面（すなわち、Ｇ色光の入射面）は、反射型ライトバルブ２１Ｇを反射射出する光（０次光）の光軸と平行に構成しているので、回折光による反射光線Ａ'は、ライトバルブ２１Ｇの液晶面を延長した面の一点Ｘから進行する光とみなすことができる。光線Ａ'は、投射レンズ２３の開口絞り２３ｃによって決定される開口数（ＮＡ）よりも０次光の光軸に対する傾きが大きくなるので、投射レンズ２３に回折光が入射したとしても上記開口絞り２３ｃによって遮光される。この結果、回折光による像（いわゆるゴースト像）がスクリーン上に投射されることを防止できる。

以上説明した第一の実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）断面形状が直角三角形の２つの三角プリズムを偏光分離膜を挟んでそれぞれ接着し、偏光ビームスプリッタ２０Ｇ、２０Ｂ、２０Ｒをそれぞれ構成する。直角三角形（断面形状）の直角である頂角を除く２つの頂角は、４５度未満の頂角αと、４５度を超える頂角βとを有する。そして、偏光ビームスプリッタ２０Ｇ、２０Ｂ、２０Ｒに光源からの光を入射する入射面（直角の頂角および頂角βで挟まれた面）、すなわち、ライトバルブ２１Ｇ、２１Ｂ、２１Ｒから偏光ビームスプリッタ２０Ｇ、２０Ｂ、２０Ｒに入射された回折光が内面反射する面と、ライトバルブ２１Ｇ、２１Ｂ、２１Ｒから反射射出されて偏光ビームスプリッタ２０Ｇ、２０Ｂ、２０Ｒに再び入射される反射光の光軸とを平行にするように構成した。この結果、上記内面反射した回折光が投射レンズ２３の開口絞り２３ｃによって決定される開口数（ＮＡ）内の光束とはならないので、回折光によるゴースト像の発生を防止できる。

（２）偏光ビームスプリッタ２０Ｇ（２０Ｂ、２０Ｒ）を構成する２つの三角プリズムを同一のプリズムで構成したので、異なる形状のプリズムを用いる場合に比べて、コストを低減することができる。

（３）ダイクロイックミラー１６ＲＧおよび１６Ｂによって色分解したＲ光とＧ光との混合光およびＢ光を、それぞれが互いに近づくように反射折り曲げミラー１８、１７で反射させるようにした。これにより、偏光ビームスプリッタ２０Ｂ、２０Ｒ（２０Ｇ）をそれぞれクロスダイクロイックプリズム２２に近づけて配設できるので、装置の小型化が可能になる。

（４）偏光ビームスプリッタ２０Ｇ、２０Ｂ、２０Ｒに光源１１からの光を入射するとき、偏光ビームスプリッタ２０Ｇ、２０Ｂ、２０Ｒの各入射面に対する入射光軸の入射角をθとすることにより、偏光ビームスプリッタ２０Ｇ、２０Ｂ、２０Ｒの各偏光分離部に対して４５度より小さい入射角（たとえば、プリズム２０Ｇ−Ａの頂角αと同一角度）で入射させるようにした。この結果、各偏光分離部に対して４５度の入射角で入射させる場合に比べて、偏光ビームスプリッタ２０Ｇ、２０Ｂ、２０Ｒをそれぞれクロスダイクロイックプリズム２２に近づけることができるので、装置の小型化に有効である。さらに、開口数(ＮＡ)を大きくとることができるので、明るい投射像を得ることができる。

（第二の実施形態）
図３は、本発明の第二の実施形態による投射型表示装置の平面構成図である。図３において、偏光照明装置１０および偏光ビームスプリッタ２０間に、時系列色分解光学系２４が配設されている。偏光ビームスプリッタ２０は、図２の偏光ビームスプリッタ２０Ｇに用いたものと同様である。光源１１、偏光照明装置１０、偏光ビームスプリッタ２０、反射型ライトバルブ２１および投射レンズ２３は、それぞれ第一の実施形態における図１の構成と同一であるので説明を省略し、第一の実施形態との相違点を中心に説明する。

第二の実施形態では、複数の色に対応して複数の光学系を備えることなく、同一の光学系を用いて複数の色の光を時分割で投射することにより、スクリーン（不図示）上にフルカラー像を投射する。

時系列色分解光学系２４は、ガラス円盤の外周部に当該円周を三等分するようにＲ光透過フィルタ、Ｇ光透過フィルタ、およびＢ光透過フィルタをそれぞれ形成したものである。時系列色分解光学系２４は、光源１１からの光が時分割で各フィルタを透過するように、回転軸Ｏ’を中心に所定の角速度で回転されている。これにより、偏光照明装置１０を射出した光が時系列的に色分解され、偏光ビームスプリッタ２０へ入射角θ（θ≠０）で入射される。

時系列的に色分解されたＲ光、Ｇ光、Ｂ光（以下、色分解光という）は、偏光ビームスプリッタ２０へ、プリズム２０Ａの頂角Ｄおよび頂角βで挟まれた入射面から入射される。入射角θは、プリズム２０Ａに入射された光が入射屈折してプリズム２０Ａ内を進み、その光軸が頂角αと同一の入射角で偏光分離部２０−Ｐへ入射される角度とする。これにより、偏光分離部２０−Ｐで反射される反射光軸の反射角が頂角αと等しくなるので、偏光分離部２０−Ｐによる反射光は、その光軸がプリズム２０Ａの頂角Ｄおよび頂角αで挟まれた平面から当該平面に垂直に射出される。偏光ビームスプリッタ２０から射出された光は、反射型ライトバルブ２１に入射される。

反射型ライトバルブ２１は、時系列的に入射される色分解光（Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光）を各色に対応する色信号で時系列的に変調し、各色の変調光を時系列的に射出する。反射型ライトバルブ２１を反射射出した光は、上記射出された面（プリズム２０Ａの上記頂角Ｄおよび頂角αで挟まれた平面）から再びプリズム２０Ａへ、その光軸が垂直に入射される。入射光はプリズム２０Ａ内を進み、その光軸が上記頂角αと同一の入射角で偏光分離部２０−Ｐへ入射される。上述したように、偏光分離部２０−Ｐは入射光のうち変調光（Ｐ偏光）を透過し、非変調光（Ｓ偏光）を反射する。

偏光分離部２０−Ｐを透過したＰ偏光の光は、検光光としてプリズム２０−Ｂに入射され、プリズム２０−Ｂ内を進行する。この検光光は、プリズム２０−Ｂの頂角αおよび頂角Ｅで挟まれた平面から、当該平面に垂直に射出される。偏光ビームスプリッタ２０からの射出光は、投射レンズ２３によって図示しないスクリーン上に投射される。観察者は、時系列的に投射される各色の像を観察することにより、フルカラーの投射像を観察することができる。

なお、第二の実施形態の投射レンズ２３も図２の場合と同様に内部に開口絞りを備えている。したがって、時系列色分解光学系２４によって時系列的に色分解を行う構成とする場合でも、第一の実施形態と同様に、反射型ライトバルブ２１から射出された回折光であって、偏光ビームスプリッタ２０の側面にて反射されたゴースト光をカットすることが可能となり、ゴースト像の発生を防止することができる。

（第三の実施形態）
図４は、第三の実施形態による投射型表示装置の平面構成図である。図４において、図１と同一の構成には図１と同一符号を記して説明を省略する。図１の構成と比較すると、色分解光学系におけるダイクロイックミラーおよび偏向ミラーの配置と、色合成光学系を構成する複合プリズムの構造が異なるので、これらの相違点を中心に説明する。

クロスダイクロイックミラー１６は、光源１１からの入射光の光軸が投射レンズ２３の光軸と非平行になるように配設されている。クロスダイクロイックミラー１６は、入射された光をＢ光と、Ｂ光と反対方向に進行するＲ光およびＧ光の混合光とに色分解する。色分解されたＢ光は、偏向ミラー３１に対する入射光軸の入射角が、たとえば３８度となるように偏向ミラー３１に入射される。偏向ミラー３１は、入射されたＢ光を偏向ミラー３２へ向けて反射する。偏向ミラー３２に対するＢ光の入射光軸の入射角は、たとえば５９度に設定されている。偏向ミラー３２はＢ光を反射し、この反射Ｂ光が偏光ビームスプリッタ２０Ｂの入射面に垂直でない角度（たとえば、入射面に対して８４度）で入射される。

一方、Ｒ光およびＧ光の混合光は、偏向ミラー３３に対する入射光軸の入射角が、たとえば３５度となるように偏向ミラー３３に入射される。偏向ミラー３３は、入射された混合光をＧ光反射ダイクロイックミラー１９へ向けて反射する。Ｇ光反射ダイクロイックミラー１９に対する混合光の入射光軸の入射角は、４５度より大（たとえば、５１度）に設定されている。

Ｇ光反射ダイクロイックミラー１９は、当該ミラー１９を反射するＧ光と、当該ミラー１９を透過するＲ光とに混合光を色分解する。Ｒ光およびＧ光は、偏光ビームスプリッタ２０Ｒ、２０Ｇのそれぞれの入射面に垂直でない角度（たとえば、入射面に対して８４度）で入射される。

各色光用の偏光ビームスプリッタ２０Ｂ、２０Ｒ、２０Ｇおよび反射型ライトバルブ２１Ｂ、２１Ｒ、２１Ｇは、それぞれ図１（第一の実施形態）と同様である。

複合プリズムは、プリズム部材３４、３５、および３６によって構成される。プリズム部材３６は、三角柱プリズムによって構成され、断面形状を構成する三角形の３つの頂角は、５０度、１０５度、および２５度である。プリズム部材３５は、三角柱プリズムによって構成され、断面形状を構成する三角形の３つの頂角は、４５度、６５度、および７０度である。プリズム部材３４は、三角柱プリズムによって構成され、断面形状を構成する三角形の３つの頂角は、９０度、４５度、および４５度である。

プリズム部材３４および３５は、プリズム部材３４における２つの４５度の頂角に挟まれる面と、プリズム部材３５における７０度および４５度の頂角に挟まれる面とが、その間にＲ光反射ダイクロイック膜を形成して接着されている。プリズム部材３５および３６は、プリズム部材３５における７０度および６５度の頂角に挟まれる面と、プリズム部材３６における１０５度および２５度の頂角に挟まれる面とが、その間にＢ光反射ダイクロイック膜を形成して接着されている。

偏光ビームスプリッタ２０Ｂから射出されるＢ色の検光光（Ｐ偏光）は、複合プリズムを構成するプリズム部材３６に入射される。偏光ビームスプリッタ２０Ｒから射出されるＲ色の検光光（Ｐ偏光）は、複合プリズムを構成するプリズム部材３５に入射される。偏光ビームスプリッタ２０Ｇから射出されるＧ色の検光光（Ｐ偏光）は、複合プリズムを構成するプリズム部材３４に入射される。

プリズム部材３６に入射されたＢ光は、プリズム部材３６内を進行して面３６−ａにて全反射（内面反射）され、プリズム部材３６内をさらに進む。そして、Ｂ光反射ダイクロイック膜にて反射され、面３６−ａから投射レンズ２３へ向けて射出される。

プリズム部材３５に入射されたＲ光は、プリズム部材３５内を進行してＲ光反射ダイクロイック膜にて反射され、プリズム部材３５内をさらに進む。そして、Ｂ光反射ダイクロイック膜およびプリズム部材３６をそれぞれ透過し、プリズム部材３６の面３６−ａから投射レンズ２３へ向けて射出される。

プリズム部材３４に入射されたＧ光は、プリズム部材３４内を進行してＲ光反射ダイクロイック膜を透過し、プリズム部材３５、Ｂ光反射ダイクロイック膜およびプリズム部材３６をそれぞれ透過し、プリズム部材３６の面３６−ａから投射レンズ２３へ向けて射出される。

以上説明したように、Ｂ色、Ｒ色、およびＧ色の検光光は、プリズム部材３６の同一面３６−ａから色合成された光として射出される。色合成光は、投射レンズ２３に入射され、スクリーン（不図示）上にフルカラー像が投射される。このように、複合プリズム（プリズム部材３４、３５、および３６）が色合成光学系を構成する。

上述した色分解光学系（ダイクロイックミラー１６と１９、および偏向ミラー３１〜３３）の配置は、プリズム部材３４〜３６による色合成光学系を使用する際に、色分解後のライトバルブまでの光路長を各色間で同じにするように構成されている。上述した入射角等の数値は、その一例を示したものである。

以上説明したように第三の実施形態においても、第一の実施形態と同様に、ゴースト光によるゴースト像の投射を抑えた投射型表示装置を提供することが可能となる。

特許請求の範囲における各構成要素と、発明を実施するための最良の形態における各構成要素との対応について説明する。色分解光学系は、たとえば、ダイクロイックミラー１６Ｂ，１６ＲＧ、１９、ならびに反射折り曲げミラー１７，１８によって構成される。色合成光学系は、たとえば、クロスダイクロイックプリズム２２によって構成される。第１の三角柱プリズムは、たとえば、プリズム２０Ｇ−Ａによって構成される。第２の三角柱プリズムは、たとえば、プリズム２０Ｇ−Ｂによって構成される。第３の三角柱プリズムは、たとえば、プリズム部材３４によって構成される。第４の三角柱プリズムは、たとえば、プリズム部材３５によって構成される。第５の三角柱プリズムは、たとえば、プリズム部材３６によって構成される。第１のダイクロイック膜は、たとえば、Ｒ光反射ダイクロイック膜が対応する。第２のダイクロイック膜は、たとえば、Ｂ光反射ダイクロイック膜が対応する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。

本発明の第一の実施形態による投射型表示装置の基本構成図である。 Ｇ色光に関する偏光ビームスプリッタおよび反射型ライトバルブを拡大した図である。 本発明の第二の実施形態による投射型表示装置の平面構成図である。 本発明の第三の実施形態による投射型表示装置の平面構成図である。

符号の説明

１１…光源
１６Ｂ、１６ＲＧ、１９…ダイクロイックミラー
１７、１８、３１〜３３…反射折り曲げミラー（偏向ミラー）
２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ、２０…偏光ビームスプリッタ
２０Ｒ−Ａ、２０Ｒ−Ｂ、２０Ｇ−Ａ、２０Ｇ−Ｂ、２０Ｂ−Ａ、２０Ｂ−Ｂ、２０Ａ，２０Ｂ…偏光ビームスプリッタを構成するプリズム
２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ、２１…反射型ライトバルブ
２２…クロスダイクロイックプリズム
２３…投射レンズ
２３ａ…前群レンズ
２３ｂ…後群レンズ
２３ｃ…開口絞り
２４…時系列色分解光学系
３４〜３６…プリズム部材

Claims (10)

1. 光源からの光を複数の色光に色分解する色分解光学系と、
   前記色分解光学系によって色分解された各色光毎に配設され、前記色分解された光を偏光分離部で反射して各色毎に配設される反射型ライトバルブへ射出し、前記各色の反射型ライトバルブから入射された変調光を前記偏光分離部を透過させてそれぞれ射出する偏光ビームスプリッタと、
   前記各偏光ビームスプリッタから射出された前記各色の変調光を色合成する色合成光学系と、
   前記色合成された光による像を投射する開口絞りを備えた投射光学系とを有する投射型表示装置において、
   前記各色毎に配設された偏光ビームスプリッタはそれぞれ、
   前記偏光分離部と第１の三角柱プリズムおよび第２の三角柱プリズムを有し、
   前記第１の三角柱プリズムの断面形状は、９０度の第１頂角、４５度より大きい第２頂角、および４５度より小さい第３頂角を有する直角三角形であって、
   前記偏光分離部は、前記第１の三角柱プリズムの前記第１頂角に相対する面と前記第２の三角柱プリズムの一面とが接合される接合面に設けられており、
   前記色分解された光は、前記第１の三角柱プリズムの前記第３頂角と相対する面に入射し、
   前記第１の三角柱プリズムの入射面への前記色分解された光の光軸入射角は、前記第１の三角柱プリズムに入射された光の光軸が前記偏光分離部に対して前記第３頂角と同一角度の入射角で入射することを特徴とする投射型表示装置。
2. 請求項１に記載の投射型表示装置において、
   前記第１の三角柱プリズムの前記第２頂角と接合される前記第２の三角柱プリズムの頂角は、前記第１の三角柱プリズムの前記第３頂角と同一の角度であることを特徴とする投射型表示装置。
3. 請求項１または２に記載の投射型表示装置において、
   前記色合成光学系は、クロスダイクロイックプリズムで構成されることを特徴とする投射型表示装置。
4. 請求項１または２に記載の投射型表示装置において、
   前記色合成光学系は、互いに異なる断面形状を有する第３の三角柱プリズム、第４の三角柱プリズムおよび第５の三角柱プリズムを接着した複合プリズムで構成され、前記第３の三角柱プリズムおよび前記第４の三角柱プリズム間に第１のダイクロイック膜が形成され、前記第４の三角柱プリズムおよび前記第５の三角柱プリズム間に第２のダイクロイック膜が形成されていることを特徴とする投射型表示装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の投射型表示装置において、
   前記色分解光学系は、前記複数の色光のうち一方を反射する特性を有する第１のダイクロイックミラー、および他方を反射する特性を有する第２のダイクロイックミラーを互いに直交するように配設したクロスダイクロイックミラーと、
   前記クロスダイクロイックミラーによってそれぞれ反射された色光の進行方向をそれぞれ変えるように配設した複数の反射折り曲げミラーとを含むことを特徴とする投射型表示装置。
6. 光源からの光を複数の色光に色分解する色分解光学系と、
   前記色分解光学系によって色分解された各色光毎に配設され、前記色分解された光を偏光分離部で反射して各色毎に配設される反射型ライトバルブへ射出し、前記各色の反射型ライトバルブから入射された変調光を前記偏光分離部を透過させてそれぞれ射出する偏光ビームスプリッタと、
   前記各偏光ビームスプリッタから射出された前記各色の変調光を色合成する色合成光学系と、前記色合成された光による像を投射する開口絞りを備えた投射光学系とを有する投射型表示装置において、
   前記各色光毎に配設された偏光ビームスプリッタはそれぞれ、
   前記色分解された光の入射面への前記色分解された光の光軸の入射角を０度と異なる所定の角度とし、
   前記各色の反射型ライトバルブから前記ビームスプリッタに入射される前記変調光の光軸が、前記色分解光の入射面と平行になるように構成されることを特徴とする投射型表示装置。
7. 請求項１ないし６に記載の投射型表示装置において、
   前記色分解光学系は、前記光源からの光を赤、緑、青の３色の光に分解することを特徴とする投射型表示装置。
8. 光源からの光を偏光ビームスプリッタに入射し、偏光分離部を反射して射出される光を反射型ライトバルブに入射して変調反射される光を前記偏光ビームスプリッタに入射するとともに、変調光を前記偏光分離部の透過光として検光して取り出し、投射レンズにて投射する投射型表示装置において、
   前記偏光ビームスプリッタは、前記偏光分離部と第１の三角柱プリズムおよび第２の三角柱プリズムを有し、
   前記第１の三角柱プリズムの断面形状は、９０度の第１頂角、４５度より大きい第２頂角、および４５度より小さい第３頂角を有する直角三角形であって、
   前記偏光分離部は、前記第１の三角柱プリズムの前記第１頂角に相対する面と前記第２の三角柱プリズムの一面とが接合される接合面に設けられており、
   前記光源からの光は、前記第１の三角柱プリズムの前記第３頂角と相対する面に入射し、その面に対する入射光軸の入射角は、当該第１の三角柱プリズムに入射した光の光軸が偏光分離部に対して前記第３頂角と同じ角度の入射角にて入射するように構成されることを特徴とする投射型表示装置。
9. 光源からの光を偏光ビームスプリッタに入射し、偏光分離部を反射して射出される光を反射型ライトバルブに入射して変調反射される光を前記偏光ビームスプリッタに入射するとともに、変調光を前記偏光分離部の透過光として検光して取り出し、投射レンズにて投射する投射型表示装置において、
   前記偏光ビームスプリッタは、前記偏光分離部を挟んで接着される第１の三角柱プリズムおよび第２の三角柱プリズムで構成され、
   前記光源からの光は、前記第１の三角柱プリズムの第１面に入射光軸の入射角が０度と異なる所定角度で入射され、前記偏光分離部で反射射出される光は、前記第１の三角柱プリズムの第２面から出射光軸の出射角が０度で射出されるように構成されることを特徴とする投射型表示装置。
10. 請求項９に記載の投射型表示装置において、
    前記反射型ライトバルブで変調反射される光は、前記第１の三角柱プリズムの第２面に入射光軸の入射角が０度で入射され、前記偏光ビームスプリッタから取り出される検光光は、前記第２の三角柱プリズムの射出面から出射光軸の出射角が０度で射出されるように構成されることを特徴とする投射型表示装置。
    

Images