JP2004309751A - 色分解合成光学系及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学系のＦ値を下げて明るい表示画像が得られるようにしても、表示画像のコントラスト比が低下することがなく、また、光源からの光束を効率よく利用することができ、さらに、光学系の小型化及び軽量化が可能で、製造が容易である画像表示装置を構成することができる色分解合成光学系を提供する。
【解決手段】反射型空間光変調素子１３１，１３２，１３３への入射光を偏光分離する素子として各反射型空間光変調素子１３１，１３２，１３３に対応された第１乃至第３の反射型偏光板１２０，１２１，１２２を用いている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示装置に関し、特に、反射型空間光変調素子を用いた３板式、投写型の画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、いわゆる３板式、投射型の画像表示装置（カラープロジェクタ）は、メタルハライドランプ等の強力な光源から得られる白色光から赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の３原色を分離し、色分解された各色光によって対応する映像信号で駆動される液晶パネル等の反射型空間光変調素子を照明し、この反射型空間光変調素子によって変調された各色の変調光を合成して投写する構成を有している。
【０００３】
図７は、従来の画像表示装置の構成を示す斜視図である。
【０００４】
反射型空間光変調素子を３枚備えた投射型の画像表示装置の構成例として、特開平１０−１９７９４９号公報には、図７に示すように、上下に２層構成になった光学系を有するものが記載されている。
【０００５】
この光学系の上層部分においては、光源１１から発せられた光束は、コリメートレンズ２０及び第１、第２のインテグレータ２１ａ，２１ｂを経て、コールドミラー２２に反射されて９０°偏向される。この光束は、第３のインテグレータ２１ｃ及び赤外線カットフィルタ２３を経て、３色分解クロスダイクロイックプリズム２４に前面部より入射される。なお、第１乃至第３のインテグレータ２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、インテグレータ２１を構成している。３色分解クロスダイクロイックプリズム２４に入射した光束は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の３原色光に分離されて、この３色分解クロスダイクロイックプリズム２４の両側面部及び背面部から３方向に出射される。これら３原色光は、それぞれ上層部偏光ビームスプリッタプリズム１２ｒ，１２ｇ，１２ｂに対応して入射され、これら上層部偏光ビームスプリッタプリズム１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの偏光反射面に対するＳ偏光成分が下層部分に向けて反射される。
【０００６】
各上層部偏光ビームスプリッタプリズム１２ｒ，１２ｇ，１２ｂよりの出射光束は、それぞれ凸レンズ１３ｒ，１３ｇ，１３ｂ及び偏光子１４ｒ，１４ｇ，１４ｂを経て、下層部分の下層部偏光ビームスプリッタプリズム１５ｒ，１５ｇ，１５ｂに対応して入射される。
【０００７】
この光学系の下層部分においては、各下層部偏光ビームスプリッタプリズム１５ｒ，１５ｇ，１５ｂに入射された光束がこれら各下層部偏光ビームスプリッタプリズム１５ｒ，１５ｇ，１５ｂの偏光反射面によって反射され、波長板１６ｒ，１６ｇ，１６ｂを経て、対応する反射型空間光変調素子１７ｒ，１７ｇ，１７ｂに入射する。これら波長板１６ｒ，１６ｇ，１６ｂは、偏光ビームスプリッタプリズムの偏光反射面に斜め光成分が入射した場合に、透過光の偏光状態が直線偏光からずれるために、透過光の位相特性を補正して直線偏光に戻すためのものである。また、これら波長板１６ｒ，１６ｇ，１６ｂは、反射型空間光変調素子１７ｒ，１７ｇ，１７ｂにおける液晶のプレチルトの補正も同時に行う。
【０００８】
そして、反射型空間光変調素子１７ｒ，１７ｇ，１７ｂにおいて画像信号に応じて変調されて反射された光束は、各下層部偏光ビームスプリッタプリズム１５ｒ，１５ｇ，１５ｂに戻り、変調された成分のみが、各下層部偏光ビームスプリッタプリズム１５ｒ，１５ｇ，１５ｂの偏光反射面を透過する。
【０００９】
各下層部偏光ビームスプリッタプリズム１５ｒ，１５ｇ，１５ｂの偏光反射面を透過した光束は、３色合成プリズム２５の両側面部及び背面部の３方向から入射される。この３色合成プリズム２５に入射された各色光は、合成され、この３色合成プリズム２５の前面部より出射されて、投射レンズ１８に入射される。
【００１０】
このようにして投射レンズ１８に入射された光束は、この投射レンズ１８によって図示しないスクリーン上に投射され、画像を表示する。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−１９７９４９号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述のような従来の画像表示装置において使用している偏光ビームスプリッタプリズムは、理想的には、偏光反射面において、入射光のＳ偏光成分を１００％反射し、Ｐ偏光成分を１００％透過する光学素子である。
【００１３】
偏光ビームスプリッタプリズムは、偏光反射面における膜構成によって様々な特性を実現しうるが、実際には、理想的な特性を得ることは不可能である。Ｓ偏光成分に対しては比較的高い消光比が実現されているが、Ｐ偏光成分に対しては、低い消光比しか得ることができない。すなわち、Ｓ偏光の直線偏光が入射した場合には、ほぼ１００％近い９９％以上が偏光反射面において反射され、偏光反射面を透過するＳ偏光成分は僅かである。ところが、Ｐ偏光成分の入射光については、図８に示すように、最大でも９０％程度しか透過せず、入射角度や波長によっては、２０％程度しか透過しない。Ｐ偏光成分の残りの約十％乃至数十％は、Ｓ偏光成分の反射光と同じ方向に、漏れ光として反射されてしまうという欠点がある。
【００１４】
したがって、前述した従来の画像表示装置においては、反射型空間光変調素子への入射光に不要な偏光成分が混じらないように、メインとなる下層部分の偏光ビームスプリッタプリズムの手前に、プリポラライザとして、上層部分の偏光ビームスプリッタプリズム、または、偏光子を配置して、Ｓ偏光成分の純度を高めている。すなわち、下層部分の偏光ビームスプリッタプリズムへの入射光へのＰ偏光成分の混入を防いで、この偏光ビームスプリッタプリズムの偏光反射面においてＳ偏光成分のみが反射されて反射型空間光変調素子に向かって反射されるようにしている。そして、反射型空間光変調素子において変調された反射光が再び偏光ビームスプリッタに入射したときに、不要光となるＳ偏光成分を偏光反射面によって１００％近く反射し、Ｐ偏光成分のみを透過させることで、表示画像のコントラスト比を向上させるようにしている。
【００１５】
このように、従来の画像表示装置においては、プリポラライザとしての偏光ビームスプリッタプリズムや偏光子が必要であるために、光学系を小型化することが困難となっている。
【００１６】
また、近年、明るい表示画像を得ることができる投射型表示装置が求められており、表示画像をできるだけ明るくするために、光学系のＦ値を小さくすることが求められている。光学系のＦ値を小さくすると、利用する光線の光軸に対する角度が大きくなり、偏光ビームスプリッタプリズムに対する斜め入射光の成分が増加する。すると、偏光ビームスプリッタプリズムにおける偏光分離特性が劣化し、結果として表示画像のコントラスト比の低下が招来されるという問題がある。
【００１７】
これは、偏光ビームスプリッタプリズムには、入射角度によってその偏光分離特性が大きく変わってしまうという欠点があるためである。偏光ビームスプリッタプリズムは、直角プリズムの斜面部に誘電体膜を数十層と蒸着して構成されたものであり、屈折率の異なる２種以上の誘電体が交互に積層され、これら各層の界面で屈折する光及び反射される光の位相干渉によって、Ｓ偏光成分を反射しＰ偏光成分を透過させるという特性をもたせているものである。これら各界面からの屈折光及び反射光は、その入射角度によって位相干渉関係が変化するために、入射角度によって偏光ビームスプリッタプリズムの偏光分離特性は変わってしまうのである。
【００１８】
図８は、偏光ビームスプリッタプリズムにおけるＰ偏光成分の透過率の可視波長領域での波長依存性を、入射光の透光面（入射面）に対する入射角βをパラメータとして示すグラフである。
【００１９】
この図８においては、入射光の透光面に対する入射角βが、ａでは０°、ｂでは−６°、ｃでは−１５°、ｄでは＋６°、ｅでは＋１５°の場合を示している。なお、偏光ビームスプリッタプリズムの透光面を光軸に対して垂直としており、入射角βは、偏光ビームスプリッタプリズムへの入射光が光軸に対してなす角に等しい。この図８に示すように、入射角βが±６°以内である場合には、Ｐ偏光成分の透過率の波長依存性は、比較的一定している。しかし、入射角βが±６°以上になると、Ｐ偏光成分の透過率は、大きな波長依存性を有するようになるとともに、透過率そのものも低下する。
【００２０】
このように偏光ビームスプリッタプリズムにおける偏光分離特性が劣化することにより、表示画像のコントラスト比が低下するのである。
【００２１】
さらに、偏光ビームスプリッタプリズムを使用した画像表示装置においては、投射画面においてシェーディング（ムラ）が発生することがある。これは、プリズムのガラス中で偏光面が部分的に回転してしまうために生ずる。この現象が発生しないようにするには、偏光ビームスプリッタプリズムに使用するガラス材料における複屈折（歪）を極力抑えるため、光弾性定数の小さい材料を用いる必要がある。
【００２２】
しかし、このような材料を用いることは、偏光ビームスプリッタプリズムの製造の困難化及びコスト上昇を招来する。また、このような材料は比重も大きいため、光学系全体の重量増加も招来される。特に、反射型空間光変調素子のサイズを大きくした場合は、反射型空間光変調素子のサイズに応じて偏光ビームスプリッタプリズムも大きくせざるを得ず、光学系全体の重量が非常に大きくなってしまう。
【００２３】
さらに、前述した従来の画像表示装置においては、色分解を行う上層部分においてもダイクロイックプリズムを用いており、色分解を行う上層部分と色合成を行う下層部分とが略同じ寸法となっている。このような構成においては、光源から反射型空間光変調素子に向かって光束が収束していくことを考えると、色分解を行う上層部分でケラレが発生し易く、実質的に必要な量の光束を利用するのが困難となっている。すなわち、このような構成においては、光利用率を向上させることが困難であり、充分な明るさの表示画像を得ることができない。
【００２４】
そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、光学系のＦ値を下げて明るい表示画像が得られるようにしても、表示画像のコントラスト比が低下することがなく、また、光源からの光束を効率よく利用することができ、さらに、光学系の小型化及び軽量化が可能で、製造が容易である画像表示装置を構成することができる色分解合成光学系を提供し、また、このような色分解合成光学系を用いて構成された画像表示装置を提供しようとするものである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、本発明に係る色分解合成光学系は、光源から入射される光束に含まれる第１乃至第３の原色光に対応される第１乃至第３の反射型空間光変調素子と、光源から３原色光を分離して各反射型空間光変調素子に導く色分解光学系と、各反射型空間光変調素子に入射される光束に含まれる直線偏光光のみを透過させて前記反射型空間光変調素子に入射させるとともに、該各反射型空間光変調素子に入射した前記直線偏光光を偏光変調して反射する第１乃至第３の反射型偏光板と、各反射型光変調素子によって反射され各反射型偏光板によって反射された第１乃至第３の原色光を合成する色合成手段とを備えている。
【００２６】
この色分解合成光学系において、色分解光学系、反射型偏光板及び色合成手段における各原色光束の光軸は略同一平面上にあり、かつ、光源から各反射型空間光変調素子に至る各原色光束の光路長は互いに略等しくなっている。
【００２７】
また、色合成手段は、少なくとも２組の対向面を形成して配置された少なくとも３個のプリズムより構成されており、第１の対向面間には、第１の原色光を透過させ第２の原色光を反射する第１の反射層が形成され、第２の対向面間には、第１及び第２の原色光を透過させ第３の原色光を反射する第２の反射層が形成されている。
【００２８】
そして、この色合成手段においては、第１のプリズムから入射された第１の原色光は、第１の反射層を透過し第２のプリズムを透過し第２の反射層を透過して第３のプリズムを透過して出射し、第２のプリズムから入射された第２の原色光は、第１の反射層により反射され第２のプリズムを透過し第２の反射層を透過して第３のプリズムを透過して第１の原色光と合成されて出射し、第３のプリズムから入射された第３の原色光は、第２の反射層により反射され第３のプリズムを透過して第１及び第２の原色光と合成されて出射することを特徴とするものである。
【００２９】
この色分解合成光学系においては、反射型空間光変調素子への入射光を偏光分離する素子として反射型偏光板を用いているため、光学系のＦ値を下げ、画像表示装置として構成した場合に明るい表示画像が得られるようにしても、表示画像のコントラスト比が低下することがなく、また、光学系の小型化及び軽量化が可能で、製造が容易である。
【００３０】
また、この色分解合成光学系においては、色分解光学系、反射型偏光板及び色合成手段における各原色光束の光軸は略同一平面上にあることから、光学系全体を空間効率よく小型に構成することができ、また、光源から各反射型空間光変調素子に至る各原色光束の光路長は互いに略等しくなっていることから、各原色光束ごとに照明効率や反射型空間光変調素子への入射角度が異なることがなく、画像表示装置として構成した場合にカラーバランスの良好な表示画像を得ることができる。
【００３１】
さらに、この色分解合成光学系においては、色合成手段として、いわゆる「フィリップスプリズム」を用いることができ、色合成手段を小型に構成できるとともに、画像表示装置として構成した場合に、色合成手段にクロスダイクロイックプリズムを用いた場合と異なり、表示画像の中心部分にプリズムの継ぎ目による影響が生ずることがない。
【００３２】
そして、本発明に係る画像表示装置は、前述の色分解合成光学系と、少なくとも３原色光を含む光束を発し色分解合成光学系の色分解光学系に該光束を入射させる光源と、色分解合成光学系の色合成手段によって合成された光束が入射されこの光束を結像させる結像手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００３３】
この画像表示装置においては、反射型空間光変調素子への入射光を偏光分離する素子として反射型偏光板を用いているため、光学系のＦ値を下げて明るい表示画像が得られるようにしても、表示画像のコントラスト比が低下することがなく、また、光学系の小型化及び軽量化が可能で、製造が容易である。
【００３４】
また、この画像表示装置においては、色分解光学系、反射型偏光板及び色合成手段における各原色光束の光軸は略同一平面上にあることから、光学系全体を空間効率よく小型に構成することができ、また、光源から各反射型空間光変調素子に至る各原色光束の光路長は互いに略等しくなっていることから、各原色光束ごとに照明効率や反射型空間光変調素子への入射角度が異なることがなく、カラーバランスの良好な表示画像を得ることができる。
【００３５】
さらに、この画像表示装置においては、色合成手段として、いわゆる「フィリップスプリズム」を用いることができ、色合成手段を小型に構成できるとともに、色合成手段にクロスダイクロイックプリズムを用いた場合と異なり、表示画像の中心部分にプリズムの継ぎ目による影響が生ずることがない。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る色分解合成光学系及び画像表示装置の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３７】
図１は、本発明に係る色分解合成光学系を用いて構成された本発明に係る画像表示装置の構成を示す平面図である。
【００３８】
この画像表示装置における色分解合成光学系は、図１に示すように、同一平面上に光学素子が配置されて構成された光学系を有している。この光学系は、光源１０１からの光束を色分解する色分解光学系を有している。
【００３９】
この画像表示装置は、光源１０１を有している。この光源１０１は、超高圧（ＵＨＰ）水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどの如き放電ランプである発光体と、この発光体の背面側に配置された放物面形状のリフレクタから構成されている。この発光体からは、少なくとも可視光の３原色（赤色（以下Ｒという。）、緑色（以下Ｇという。）及び青色（以下Ｂという。））を含んだ光が発せられる。この光は、リフレクタに反射されることにより、略々平行光束となって光源１０１より出射される。なお、光源１０１の前面部（出力部）には、紫外光及び赤外光をカットする図示しない可視外光除去フィルタを配置してもよい。
【００４０】
光源１０１から出射された光束は、第１のフライアイレンズアレイ１０３ａを経て第２のフライアイレンズアレイ１０３ｂに入射される。これらフライアイレンズアレイ１０３ａ，１０３ｂは、対をなしてインテグレータを構成している。
【００４１】
このインテグレータを経て光束内の照度分布を均一化された光束は、偏光変換プリズムアレイ１０４に入射される。この偏光変換プリズムアレイ１０４は、偏光分離プリズムアレイと、λ／２位相差板とを有して、全体として平板状に構成されている。すなわち、この偏光変換プリズムアレイ１０４に入射した光は、まず、偏光分離プリズムアレイにおいて、この偏光分離プリズムアレイが有する偏光ビームスプリッタ膜面により、この偏光ビームスプリッタ膜面に対するＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離される。偏光ビームスプリッタ膜面は、偏光変換プリズムアレイ１０４において、平行なストライプ状に複数設けられており、それぞれが偏光変換プリズムアレイ１０４の主面に対して４５°の傾斜を有している。この偏光ビームスプリッタ膜面において、Ｐ偏光成分は透過して偏光変換プリズムアレイ１０４の裏面側に出射され、Ｓ偏光成分は反射される。一の偏光ビームスプリッタ膜面によって反射されたＳ偏光成分は、光路を９０°曲げられ、隣接する他の偏光ビームスプリッタ膜面によって再び反射されて光路を９０°曲げられて、偏光変換プリズムアレイ１０４の裏面側に出射される。そして、このようなＳ偏光成分が出射される領域（または、Ｐ偏光成分が出射される領域）には、λ／２位相差板が設けられている。このλ／２位相差板を透過したＳ偏光成分（または、Ｐ偏光成分）は、偏光方向を９０°回転され、偏光ビームスプリッタ膜面を透過したＰ偏光成分（または、偏光ビームスプリッタ膜面に２回反射されたＳ偏光成分）と同一の偏光方向となされる。このようにして、偏光変換プリズムアレイ１０４を透過した光は、所定の一方向の偏光光となされている。
【００４２】
この実施の形態においては、偏光変換プリズムアレイ１０４を透過した光は、図１中の符号で示すように、Ｐ偏光に変換されている。ただし、偏光変換プリズムアレイ１０４における偏光変換効率は１００％ではなく、この偏光変換プリズムアレイ１０４からの出射光には、数％乃至数十％のＳ偏光成分が混入している。
【００４３】
偏光変換プリズムアレイ１０４を透過した光は、第１のフィールドレンズ１０５を経て、第１のコールドミラー１０６によって反射されて光路を曲げられ、色分解光学系を構成する第１のダイクロイックミラー１０７に入射する。この第１のダイクロイックミラー１０７は、３原色のうちの２色の成分を透過させ、残りを反射する。この実施の形態においては、第１のダイクロイックミラー１０７は、例えばＲ光及びＧ光を透過させ、Ｂ光を反射する。
【００４４】
第１のダイクロイックミラー１０７を透過したＲ光及びＧ光は、第２のコールドミラー１０９によって反射され、第２のダイクロイックミラー１０８に入射する。この第２のダイクロイックミラー１０８は、例えばＲ光を透過させ、Ｇ光を反射する。
【００４５】
第２のダイクロイックミラー１０８を透過したＲ光は、第２のフィールドレンズ１１６及び偏光板９０を経て、第１の反射型偏光板（いわゆる「ワイヤグリッド」）１２０を透過して、Ｒ用反射型空間光変調素子１３０に入射される。第１の反射型偏光板１２０は、光路に対して４５°傾斜されており、Ｒ用反射型空間光変調素子１３０は、光路に対して垂直に配置されている。
【００４６】
第２のダイクロイックミラー１０８により反射されたＧ光は、第３のフィールドレンズ１１７及び偏光板９１を経て、第２の反射型偏光板（いわゆる「ワイヤグリッド」）１２１を透過して、Ｇ用反射型空間光変調素子１３１に入射される。第２の反射型偏光板１２１は、光路に対して４５°傾斜されており、Ｇ用反射型空間光変調素子１３１は、光路に対して垂直に配置されている。
【００４７】
一方、第１のダイクロイックミラー１０７により反射されたＢ光は、第３のコールドミラー１１０によって反射され、さらに、第４のコールドミラー１１２によって反射されて、第４のフィールドレンズ１１８及び偏光板９２を経て、第３の反射型偏光板（いわゆる「ワイヤグリッド」）１２２を透過して、Ｂ用反射型空間光変調素子１３２に入射される。第３の反射型偏光板１２２は、光路に対して４５°傾斜されており、Ｂ用反射型空間光変調素子１３２は、光路に対して垂直に配置されている。
【００４８】
このように構成された色分解光学系においては、光源１０１の発光体から各反射型空間光変調素子１３０，１３１，１３２に至る各原色光束（Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光）の光路長は、互いに略等しくなっている。
【００４９】
なお、第２乃至第４のコールドミラー１０９，１１０，１１２は、必ずしもコールドミラーでなくてもよく、入射する光を反射する特性であれば、通常の金属膜反射ミラーまたは各色光帯域を反射するダイクロイックミラーであってもよい。
【００５０】
ここで、各反射型偏光板１２０，１２１，１２２は、各反射型空間光変調素子１３０，１３１，１３２に入射される光束を偏光分離し、一方向の直線偏光成分（ここでは、Ｐ偏光成分）のみを透過させて各反射型空間光変調素子１３０，１３１，１３２に入射させる。
【００５１】
また、各反射型空間光変調素子１３０，１３１，１３２としては、シリコン基板上にアルミニウム等の金属からなる画素電極を設け、このシリコン基板と透明基板との間に液晶を封入した構成の液晶表示素子を用いている。このような液晶表示素子は、画素集積度が高いので高解像度画像に適しており、また、画素電極の内側に回路構造を積層できるので、開口率を９０％程度に高めることができ、明るく滑らかで細密な画像を表示できるという長所がある。
【００５２】
そして、各反射型空間光変調素子１３０，１３１，１３２において画像信号に応じて偏光変調されて反射された光束は、それぞれ対応する反射型偏光板１２０，１２１，１２２に戻る。これら反射型偏光板１２０，１２１，１２２においては、各反射型空間光変調素子１３０，１３１，１３２で偏光変調されて反射された光束を偏光分離し、他方向の直線偏光成分（ここでは、Ｓ偏光成分）のみを反射する。
【００５３】
各反射型空間光変調素子１３０，１３１，１３２で反射され、さらに、各反射型偏光板１２０，１２１，１２２により反射された光束は、色合成手段となる３色合成プリズム１４０の３方向から入射される。
【００５４】
この３色合成プリズム１４０は、いわゆる「フィリップスプリズム」と呼ばれるものであり、例えば、特許第２５０５７５８号公報に記載されているように、画面対応部分に接合部を有さないプリズムであり、いわゆる「３板式ビデオカメラ」で色分解プリズムとして使用されているものである。この３色合成プリズム１４０は、少なくとも２組の対向面を形成して配置された少なくとも３個のプリズムより構成されている。図１に示す構成においては、３色合成プリズム１４０は、２組の対向面を形成して配置された３個のプリズムより構成されている。第１の対向面間には、第１の原色光（Ｇ光）を透過させ第２の原色光（Ｒ光）を反射する第１の反射層が形成され、第２の対向面間には、第１及び第２の原色光（Ｇ光及びＲ光）を透過させ第３の原色光（Ｂ光）を反射する第２の反射層が形成されている。
【００５５】
この３色合成プリズム１４０において、第１のプリズムから入射されたＧ光は、第１の反射層を透過し第２のプリズムを透過し、さらに、第２の反射層を透過して、第３のプリズムを透過して出射する。また、この３色合成プリズム１４０において、第２のプリズムから入射されたＲ光は、第１の反射層により反射され第２のプリズムを透過し、第２の反射層を透過して、第３のプリズムを透過して、Ｇ光と合成されて出射する。そして、この３色合成プリズム１４０において、第３のプリズムから入射されたＢ光は、第２の反射層により反射され第３のプリズムを透過してＧ光及びＲ光と合成されて出射する
なお、この３色合成プリズム１４０を構成する各プリズムの各研磨面の空気界面には、反射防止膜が施されている。第２のプリズムと第３のプリズムとの間には、エアギャップを設けるようにしてもよい。
【００５６】
このようにして、３色合成プリズム１４０に入射された各原色光は、合成され、この３色合成プリズム１４０の前面部より出射されて、結像手段となる投射レンズ１５０に入射される。このようにして投射レンズ１５０に入射された光束は、この投射レンズ１５０によって図示しないスクリーン上に投射されて実像を結像し、画像を表示する。
【００５７】
このように、この画像表示装置は、同一平面上に、色分解光学系、偏光分離、空間光変調及び色合成手段部、結像光学系を構成する光学素子を配置して構成されているので、装置全体を同一平面上において構成することができ、装置の高さを低くしてコンパクトに構成することができる。また、各原色光の光源から空間光変調素子に至る光路長が等しくなっていることにより、色分解光学系内においてリレーレンズが不要となっており、光学系の構成を簡素化することができ、製造の容易化及びコスト低廉化を図ることができる。
【００５８】
なお、この画像表示装置においては、色分解光学系が色合成手段よりも有効径が大きくなっており、光源１０１から反射型空間光変調素子１３０，１３１，１３２に向かって光束が収束していくようにしても、光源からの光束を効率よく利用することができる。
【００５９】
また、結像手段は、投射レンズ１５０に限定されず、虚像を結像する虚像光学系であってもよい。
【００６０】
前述のように構成された画像表示装置においては、従来の画像表示装置とは異なり、偏光分離手段として、立体的な偏光ビームスプリッタプリズムではなく、反射型偏光板を用いている。すなわち、反射型偏光板に照明光を入射させＰ偏光を透過させ、反射型空間光変調素子による変調後の光束を再び反射型偏光板に入射させ、Ｓ偏光を反射させて画像表示光として使用している。反射型偏光板においては、表面のワイヤグリッド面で光束を反射するために、このワイヤグリッド面の平面性を十分に高くしておくことで、非点収差の発生のない高解像度の画像表示が可能となる。
【００６１】
なお、画像情報を含んだ光束を反射型偏光板を透過させて使用すると、斜めに配置した基板を透過するので、非点収差が発生し、解像度が劣化する。
【００６２】
反射型偏光板は、例えば、米国特許６２３４６３４号などに開示されているように、板ガラス上にワイヤグリッド状の一方格子金属薄膜（アルミニウム）を波長の数分の１のピッチで形成したものである。金属膜から構成されているため、耐熱性に優れ、ガラスプリズムでサンドイッチする必要が無く、薄い板ガラス状の素子として光路中に配置することが可能である。したがって、プリズムに比べて、軽量であり、低コストである。
【００６３】
図２は、反射型偏光板を有する偏光分離部の構成を示す側面図である。
【００６４】
前述した画像表示装置においては、図２に示すように、各反射型偏光板１２０，１２１，１２２の上面部には４５°の入射光に対応した減反射コートが施されている。そして、各反射型偏光板１２０，１２１，１２２の反射型空間光変調素子１３０，１３１，１３２側にワイヤグリッドが形成されている。この反射型偏光板１２０に対する入射光は、Ｐ偏光として入射するので、不要なＳ偏光は反射されて図示しない不要光吸収体に吸収され、迷光にならないようになっている。反射型偏光板１２０，１２１，１２２において、Ｓ偏光は１００％近くが反射されるので、純度の高いＰ偏光光が反射型空間光変調素子１２０に入射する。
【００６５】
反射型空間光変調素子１３０，１３１，１３２は、前述したように、シリコン基板上にアルミニウムの如き金属からなる画素電極を設け、透明基板との間に液晶を封入した構成であり、電気的に選択した箇所の反射出射光の偏光を入射光とは位相の異なる偏光に変換（偏光変調）する機能を有するものである。
【００６６】
反射型空間光変調素子１３０，１３１，１３２の入射面の手前には、偏光変調層である液晶のプレチルト分を往復で補正するための波長板１２３が配置されている。波長板１２３を経て、画素電極に与えられた電気信号に応じて偏光変調されて画素電極において反射された光は、再び波長板１２３を透過して、反射型偏光板１２０，１２１，１２２に下面側より入射する。このとき、変調を受けてＳ偏光となった成分は、反射型偏光板１２０，１２１，１２２の金属膜で反射され、進行方向を９０°変えられ、３色合成プリズム１４０の入射面に向けて進む。
【００６７】
なお、これら各反射型空間光変調素子の前に配置する波長板１２３，１２４，１２５は、各色に対応した１／４波長板または１／２波長板を用いる構成としてもよい。
【００６８】
液晶プレチルト角分の補正は微量でよく、１／１０波長以下、さらには１／２０波長以下の微量な波長板である方が望ましい。実際の波長板の取り付けにあたって光学軸方向の設定は、反射型空間光変調素子を黒表示状態にし、スクリーンに投影した画像画最も黒に沈んだ状態になるように調整して行う。
【００６９】
３色合成プリズム１４０の入射面には、ポストポラライザとしての偏光板１３３が配置されている。この偏光板１３３は、３色合成プリズム１４０への入射光の偏光状態を補正して表示画像のコントラスト比を向上させるためのものである。すなわち、前述したように、反射型偏光板１２０，１２１，１２２からの反射光には、Ｓ偏光のほかに若干のＰ偏光成分が混入しているためである。
【００７０】
この偏光板１３３としては、偏光フィルムを基板に貼り付けたものを用いる。この偏光板１３３の表面には、反射防止コートが施されている。なお、３色合成プリズム１４０の入射面に偏光フィルムを直接貼り付けることにより、部品点数及び不要光反射界面を少なくすることも可能である。
【００７１】
この図２においては、Ｒ光が入射される偏光分離部の構成を示しているが、Ｇ光及びＢ光についても同様である。
【００７２】
図３は、偏光分離部から３色合成プリズム１４０を経て投射レンズ１５０に光束が入射される状態を示す側面図である。
【００７３】
この図３においては、Ｇ光が入射される偏光分離部の構成を示しているが、Ｒ光及びＢ光についても同様である。
【００７４】
第３のフィールドレンズ１１７に入射された光束は、偏光板９１を経て、反射型偏光板１２１を透過し、波長板１２４を経て、反射型空間光変調素子１３１に入射される。この反射型空間光変調素子１３１によって偏光変調されて反射された光束は、反射型偏光板１２１に戻り、この反射型偏光板１２１においてＳ偏光成分が反射される。反射型偏光板１２１において反射されたＳ偏光成分は、３色合成プリズム１４０に入射される。
【００７５】
この３色合成プリズム１４０においては、波長特性上の理由から、Ｇ光は、この３色合成プリズム１４０の反射層に対するＰ偏光として透過させた方が、色純度及び光利用効率等を総合的に勘案して有利である。したがって、Ｇ光については、３色合成プリズム１４０の手前の偏光板１３６のさらに手前に、偏光面を９０°回転させる１／２波長板１３４を配置する。この場合、Ｇ光用の偏光板１３６は、Ｐ偏光を透過させるように配置する。
【００７６】
あるいは、Ｇ光用の偏光板１３６をＳ偏光を透過するものとし、この偏光板１３６の後に１／２波長板１３４を配置して、３色合成プリズム１４０への入射光がＰ偏光となるようにしてもよい。
【００７７】
ただし、必ずしも１／２波長板１３４でＧ光のみをＰ偏光に９０°回転する必要はなく、１／２波長板１３４を用いずにＳ偏光のままでもよい。
【００７８】
なお、この画像表示装置において、光源１０１から色分解光学系までの照明光学系は、表示画像における色ムラや輝度ムラの発生を防止するために、３色合成プリズム１４０等の多層膜への入射光が入射位置により入射角の差がないようにし、また、反射型空間光変調素子の液晶に対して面内で均一な光線が入射されるようにすることが望まれる。したがって、照明光学系及び結像光学系ともに、主光線が光軸に平行となるようなテレセントリック光学系とする。
【００７９】
前述のようにして３色合成プリズム１４０に入射した各色の光束は、この３色合成プリズム１４０において合成され、投射レンズ１５０へ入射される。
【００８０】
この図３において、３色合成プリズム１４０には、偏光板１３４を透過した後の光束が入射されるため、３色合成プリズム１４０をなすガラスの複屈折で偏光が少々回っても、表示画像におけるコントラスト比や照度ムラにはほとんど影響が生じない。したがって、このプリズムをなすガラスには「ＢＫ７」の如き通常広く用いられている安価なガラス材料を使用することが可能である。このような汎用の材料は、入手が容易でコストも安く、また、軽量である。
【００８１】
また、図３に示すように、３色合成プリズム１４０と投射レンズ１５０との間には、１／４波長板１４２を配置してもよい。これは、投射レンズ１５０を構成するレンズの表面からの微量な反射光が反射型空間光変調素子１３１に戻り、再度反射されてスクリーンに達し、ゴースト状に不要光が現われるのを防ぐためである。
【００８２】
すなわち、図３中に矢印の線で示すように、Ｐ偏光でＧ光用の反射型偏光板１２１を透過した成分がＧ光用の反射型空間光変調素子１３１で変調されＳ偏光となる。Ｇ光用の反射型偏光板１２１でＳ偏光成分が反射され、偏光板１３４によって不要なＰ偏光成分が除去される。そして、１／２波長板１３６でＳ偏光がＰ偏光に変換され、３色合成プリズム１４０を透過する。ここで、この光束は、１／４波長板１４２によって円偏光となり、投射レンズ１５０に入射する。投射レンズ１５０を構成するレンズの各表面には反射防止膜が施されているが、微量な反射光があり、入射光に対して逆周りの円偏光となって、再度１／４波長板１４２に戻ってくる。１／４波長板１４２はこの円偏光を直線偏光に戻すが、この直線偏光は、入射光の偏光方向に直交するＳ偏光となる。したがって、１／２波長板１３６への再入射によって再びＰ偏光となり、偏光板１３４において吸収される。
【００８３】
このような作用は、Ｒ光及びＢ光についても同様である。このようにして、ゴーストとなる不要な反射光成分が除去され、スクリーンには、ゴーストのないクリアな画像を表示することができる。
【００８４】
なお、反射型偏光板１２０、１２１、１２２は、全てのＳ偏光成分を反射するわけではなく、一部の光束を吸収し、自ら発熱する。したがって、反射型偏光板１２０、１２１、１２２に強力な光束を入射させた場合には、この反射型偏光板１２０、１２１、１２２の温度は、周囲温度に対して、数十度乃至１００度程度上昇する。この場合には、反射型偏光板１２０、１２１、１２２の放熱が必要となる。
【００８５】
反射型偏光板１２０、１２１、１２２は、取り付けられるベース部材に熱を逃がすとともに、両面側が空間となっているので、冷風をあてて冷却することができる。
【００８６】
また、反射型空間光変調素子も発熱するので、冷却が必要である。前述のような光学系の構成においては、各反射型空間光変調素子の背面部が他の光学部品に全く干渉しないので、この背面部にヒートシンクを取り付けて冷却するための十分なスペースを確保することができる。
【００８７】
さらに、反射型偏光板１２０、１２１、１２２のガラス基板中における複屈折が照度ムラを発生させないように、このガラス基板の材料としては、放熱性のよい材料（例えば、石英（熱伝導率ｋ≧１〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕）など）や、光弾性定数の比較的小さい材料（例えば、光弾性定数β≦２〔ｎｍ／ｃｍ／１０５Ｐａ〕のもの）を使用することが望ましい。
【００８８】
図４は、反射型空間光変調素子上にカバーガラスを設けた構成を示す側面図である。
【００８９】
この画像表示装置においては、反射型空間光変調素子上に塵挨（ホコリやゴミ）等の異物が付着すると、この異物の影が表示画像上に生じ、画像の品位を低下させてしまう。しかし、反射型空間光変調素子１３０，１３１，１３２に異物が付着した場合であっても、付着する位置が結像範囲外であれば表示画像の品位は低下しないので、図４に示すように、反射型空間光変調素子１３０上にカバーガラス１４５を設け、反射型空間光変調素子１３０の表面部のみが密閉されるようにすることができる。なお、波長板１２３の基板がこのカバーガラスを兼ねるようにしてもよい。例えば、カバーガラス１４５の厚さを４ｍｍ程度とすれば、このカバーガラス１４５の表面部に異物が付着しても、表示画像における異物の像はフォーカスがぼけるので、目立たなくなる。この場合には、反射型偏光板１２０，１２１，１２２とカバーガラス１４５との間の空間内に冷却風を流すことができるので、ポストポラライザとしての偏光板１３２にも十分な冷却風を与えることができる。
【００９０】
図５は、反射型空間光変調素子を密閉した構成を示す斜視図である。
【００９１】
この画像表示装置においては、図５に示すように、反射型偏光板１２０，１２１，１２２から３色合成プリズム１４０までの部分は、密閉した構成とすることができる。この場合には、基板１４５上に、３色合成プリズム１４０及び各反射型光変調素子を設置し、これらの上部を反射型偏光板１２０，１２１，１２２によって覆った状態とし、かつ、隙間部分を閉塞して密閉状態とする。
【００９２】
図６は、この画像表示装置における反射型偏光板の偏光分離特性を示すグラフである。
【００９３】
ここで、前述の画像表示装置において使用される反射型偏光板の偏光分離特性について説明する。図６は、反射型偏光板への入射光の入射角αをパラメータとしたときの、Ｐ偏光成分の透過率の波長依存性を示している。この図６において、ａは反射型偏光板への入射光の入射角αが０°、ｂは入射角αが−１５°、ｃは入射角αが＋１５°の場合を示している。なお、入射角αは、反射型偏光板への入射光が光軸に対してなす角度であり、反射型偏光板の入射面は光軸に対して４５°傾斜されている。
【００９４】
この反射型偏光板においては、図６に示すように、入射角αが±１５°に達しても、Ｐ偏光の透過率の波長依存性は、可視波長領域で極めて小さく、安定している。
【００９５】
このため、従来の偏光ビームスプリッタプリズムの代わりに反射型偏光板を用いると、明るく、色再現性の良好な表示画像が得られることがわかる。また、反射型偏光板は、偏光ビームスプリッタプリズムと異なり、一枚の板状の偏光分離板であるので、軽量である。また、画像表示装置内において、光源から発せられる光を吸収しにくいため、複屈折による表示画像の品質低下を抑えることができる。
【００９６】
画像表示装置においては、光学系としてＦ２．４程度のものを用いても、反射型偏光板の偏光分離特性にはほとんど変化がないことになる。ただ、反射型偏光板を、Ｐ偏光を透過させＳ偏光を反射させるようにして使うと、反射光に不要光であるＰ偏光が混入するので、このままでは表示画像のコントラスト比が低下する要因となる。そこで、前述の画像表示装置においては、反射型偏光板の出力側に不要な偏光を除去するための偏光板１３３，１３４，１３５を配置している。
【００９７】
なお、この偏光板１３３，１３４，１３５としては、液晶表示素子（ＬＣＤ）において使用されるものと同様の偏光板を使用することができる。現在、液晶表示素子用として量産実用化されている偏光板の多くは、基材フィルム（ポリビニルアルコール；ＰＶＡ）にヨウ素や有機染料などの二色性の材料を染色、吸着させ、高度に延伸、配向させることで、吸収二色性を発現させているものである。このＰＶＡ偏光層をＴＡＣ（トリアセチルセルロース）層で挟んだ偏光フィルムを、ガラス基板上に粘着材、または、接着剤で貼り付けた構成である。このような吸収二色性を基本原理とした偏光板は、入射する光束の直交する偏光成分のうち、二色性染料の配列と同方向の偏光成分を吸収し、他方の偏光を透過する。
【００９８】
この偏光板は吸収型であるので、耐熱性、放熱性を考慮し、水晶やサファイアなどの熱伝導性に優れた基板を用いて構成することが望ましい。光利用率の向上のためと、界面での不要反射光による表示画像の品位低下を防止するため、偏光板の空気界面には、減反射コートを施す必要がある。これらの偏光特性、反射防止膜特性は、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色について最適化されることが望ましい。
【００９９】
また、偏光板は、片面フィルムで構成してもよいが、フィルムの表面を波長オーダで平坦化するのは困難であるので、このフィルム表面の非平面性が波面収差となり、解像度を劣化させる要因となる。そこで、より高い解像度を実現するためには、この偏光フィルムを平坦な光学研磨の施された基板（白板ガラス、光学ガラス、水晶、石英、サファイアなど）で挟み、接着剤、または、粘着材でフィルムの凹凸を埋めることで、解像度劣化を防ぐことができる。
【０１００】
他に偏光板としては、反射型偏光板を用いることも可能である。反射型偏光板は、耐熱性、耐光性では、吸収型よりも優れている。しかし、反射型偏光板は、不要な偏光を吸収するのではなく、分離して反射するので、この不要光成分が投射レンズ１５０を介してスクリーンに達し、表示画像の品位を劣化させることがないようにする。この反射型偏光板には、減反射コートを施す必要がある。
【０１０１】
さらに、この偏光板としては、コレステリック液晶によって構成された反射型偏光板、または、例えば米国特許第５，４８６，９４９号に記載されているような、複屈折ポリマー積層体も使用することができる。
【０１０２】
前述のように、本発明に係る色分解合成光学系においては、反射型空間光変調素子への入射光を偏光分離する素子として反射型偏光板を用いているため、光学系のＦ値を下げ、この色分解合成光学系を用いた画像表示装置において明るい表示画像が得られるようにしても、表示画像のコントラスト比が低下することがなく、また、光学系の小型化及び軽量化が可能で、製造が容易である。
【０１０３】
また、この色分解合成光学系においては、色分解光学系、反射型偏光板及び色合成手段における各原色光束の光軸は略同一平面上にあることから、光学系全体を空間効率よく小型に構成することができ、また、光源から各反射型空間光変調素子に至る各原色光束の光路長は互いに略等しくなっていることから、各原色光束ごとに照明効率や反射型空間光変調素子への入射角度が異なることがなく、この色分解合成光学系を用いた画像表示装置においてカラーバランスの良好な表示画像を得ることができる。
【０１０４】
さらに、この色分解合成光学系においては、色合成手段として、いわゆる「フィリップスプリズム」を用いることができ、色合成手段を小型に構成できるとともに、この色分解合成光学系を用いた画像表示装置において、色合成手段にクロスダイクロイックプリズムを用いた場合と異なり、表示画像の中心部分にプリズムの継ぎ目による影響が生ずることがない。
【０１０５】
なお、色分解の色順は、実施例で述べた色配置に限らず、Ｒ，Ｇ，Ｂの順番が入れ替わるよう構成してもよい。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明は、光学系のＦ値を下げて明るい表示画像が得られるようにしても、表示画像のコントラスト比が低下することがなく、また、光源からの光束を効率よく利用することができ、さらに、光学系の小型化及び軽量化が可能で、製造が容易である画像表示装置を構成することができる色分解合成光学系を提供し、また、このような色分解合成光学系を用いて構成された画像表示装置を提供提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る色分解合成光学系を用いて構成された本発明に係る画像表示装置の構成を示す平面図である。
【図２】反射型偏光板を有する前記画像表示装置の偏光分離部の構成を示す側面図である。
【図３】前記偏光分離部から３色合成プリズムを経て投射レンズに光束が入射される状態を示す側面図である。
【図４】前記画像表示装置において、反射型空間光変調素子上にカバーガラスを設けた構成を示す側面図である。
【図５】前記画像表示装置において、反射型空間光変調素子を密閉した構成を示す斜視図である。
【図６】前記画像表示装置における反射型偏光板の偏光分離特性を示すグラフである。
【図７】従来の画像表示装置の構成を示す斜視図である。
【図８】従来の画像表示装置において使用されている偏光ビームスプリッタプリズムのＰ偏光成分の透過率の波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１…光源
１０３ａ，１０３ｂ…フライアイレンズアレイ
１０４…偏光変換プリズムアレイ
１０５…第１のフィールドレンズ
１０６…コールドミラー
１０７，１０８…ダイクロイックミラー
１０９，１１０，１１２…コールドミラー
１１６，１１７，１１８…フィールドレンズ
１２０，１２１，１２２…反射型偏光板
１２３，１２４，１２５…波長板
１３０，１３１，１３２…反射型空間光変調素子
１３３，１３４，１３５…偏光板
１３６…１／２波長板
１４０…３色合成プリズム
１４２…１／４波長板
１５０…投射レンズ

Claims (2)

1. 光源から入射される光束に含まれる第１乃至第３の原色光に対応される第１乃至第３の反射型空間光変調素子と、
   前記光源から前記３原色光を分離して前記各反射型空間光変調素子に導く色分解光学系と、
   前記各反射型空間光変調素子に入射される光束に含まれる直線偏光成分のみを透過させて該各反射型空間光変調素子に入射させるとともに、該各反射型空間光変調素子に入射した前記直線偏光光を偏光変調して反射する第１乃至第３の反射型偏光板と、
   前記各反射型光変調素子によって反射され前記各反射型偏光板によって反射された第１乃至第３の原色光を合成する色合成手段とを備え、
   前記色分解光学系、前記反射型偏光板及び前記色合成手段における各原色光束の光軸が略同一平面上にあり、かつ、前記光源から前記各反射型空間光変調素子に至る各原色光束の光路長が互いに略等しくなっており、
   前記色合成手段は、少なくとも２組の対向面を形成して配置された少なくとも３個のプリズムより構成されており、第１の対向面間には、第１の原色光を透過させ第２の原色光を反射する第１の反射層が形成され、第２の対向面間には、第１及び第２の原色光を透過させ第３の原色光を反射する第２の反射層が形成されており、
   第１のプリズムから入射された第１の原色光は、前記第１の反射層を透過し第２のプリズムを透過し前記第２の反射層を透過して第３のプリズムを透過して出射し、
   前記第２のプリズムから入射された第２の原色光は、前記第１の反射層により反射され前記第２のプリズムを透過し前記第２の反射層を透過して前記第３のプリズムを透過して前記第１の原色光と合成されて出射し、
   前記第３のプリズムから入射された第３の原色光は、前記第２の反射層により反射され前記第３のプリズムを透過して前記第１及び第２の原色光と合成されて出射することを特徴とする色分解合成光学系。
2. 請求項１記載の色分解合成光学系と、
   少なくとも３原色光を含む光束を発し、前記色分解合成光学系の色分解光学系に該光束を入射させる光源と、
   前記色分解合成光学系の前記色合成手段によって合成された光束が入射され、この光束を結像させる結像手段とを備えていることを特徴とする画像表示装置。

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