JP2005106898A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 投影像が良好でかつ製造コストを抑えた投射型表示装置用の色合成光学素子を提供する。
【解決手段】 色合成光学素子であって、３つのプリズムのうち１つは全反射面と透過面を兼ねる共通面であるプリズムを最も射出側に有し、２種類の交差しないダイクロイックミラー層を有し、共通面と射出側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ１、共通面と入射側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ２としたとき、２０度＜θ１＜３５度、４０度＜θ２＜５０度の条件式を満足し、かつ少なくとも１つの色合成光学素子光入射面にはプリズム内部の全反射を防ぐ部分を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は色合成光学素子及びそれを用いた投射型表示装置に関し、例えばカラー液晶パネルに基づく投影像原画をスクリーン面上に拡大投影するカラー液晶プロジェクターに好適なものである。

従来より、液晶ライトバルブなどに基づく投影像原画をスクリーン面上に拡大投影するようにした投射装置（液晶プロジェクター）が種々と提案されている。

この投射装置では、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色光の画像に基づく画像表示素子（液晶パネル）を光源からの光を色分解した色光で各々照明している。そして画像表示素子を透過したそれぞれの色光を色合成手段を介して一つの投射レンズでスクリーン面上等に投射している。

図７は従来のクロスダイクロプリズムを用いた投射型表示装置の要部概略図である。

図７に示す投射型表示装置で用いているクロスダイクロプリズム１０９は４つの直角プリズム１３１、１３２、１３３、１３４よりなり、２種類の反射波長域を有するダイクロイック層ＤＭ１０３，ＤＭ１０４をプリズム内部で交差させている。

図７において、光源部１０１から射出された白色光は、リフレクタ−１０２で反射され、フライアイレンズＡ１０３を通過し、ミラーＭ１０１で反射、フライアイレンズＢ１０４、偏光変換素子１０５、コンデンサーレンズ１０６等を通過した後、ダイクロイックミラーＤＭ１０１によって青色帯域の光は反射し、緑から赤色帯域光は透過する。一般に光源としては、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ等が使用される。

図８（ａ）に示す分光透過率を示すダイクロイックミラーＤＭ１０１を反射した青色帯域光は反射ミラーＭ１０２によって光路を９０度変え、フィールドレンズ１０７Ｂを介して画像表示素子１０８Ｂに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変調された光は、クロスダイクロイックプリズム１０９に入射し、図８（ｄ）に示す分光透過率を示すダイクロイックミラーＤＭ１０３で光路を９０度変えて投射レンズ１１０に入射する。

一方、ダイクロイックミラーＤＭ１０１を透過した緑〜赤色帯域光は図８（ｂ）に示す分光透過率を示すダイクロイックミラーＤＭ１０２に入射する。図８（ｂ）より、ダイクロイックミラーＤＭ１０２は緑色帯域光Ｇを反射する特性を有しているため、ここで緑色帯域光は反射され、その光路を９０度変え、フィールドレンズ１０７Ｇを介して画像表示素子１０８Ｇに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変調された緑色帯域光はクロスダイクロイックプリズム１０９、投射レンズ１１０の順に入射する。

ダイクロイックミラーＤＭ１０２を透過した赤色帯域光は、図８（ｃ）に示す分光透過率を示すトリミングフィルターＴＲ０、コンデンサーレンズ１１１、リレーレンズ1１２、反射ミラーＭ１０３、Ｍ１０４、フィールドレンズ１０７Ｒを介して、画像表示素子１０８Ｒに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変調された赤色帯域光は、クロスダイクロイックプリズム１０９に入射し、図８（ｅ）に示す分光透過率を示すダイクロイックミラーＤＭ１０４で光路を９０度変えて投射レンズ１１０に入射する。

図７に示す色合成プリズムとしてのクロスダイクロプリズム１０９は４つの直角プリズムの角度を正確に形成し、かつ各面を研磨して形成しないと、前記ダイクロイック層ＤＭ１０３，ＤＭ１０４が直角プリズムの頂角で折れ曲がってしまう。

このため、不図示のスクリーン上の投影像が二重像となり、解像感が著しく悪くなるという問題があった。また、スクリーン上の解像力を良好に保つため、４つの直角プリズム１３１、１３２、１３３、１３４を接合する場合、接合面で段差が生じないように接合しなければならず、接合時に細心の注意を必要とした。また、直角プリズムの直角な稜線部分はピリやカケ等の欠陥が許されず、稜線部分の幅が広いと、クロスプリズムのクロスする部分が縦筋となってスクリーン上に投影されてしまうという問題もあった。このように、従来のクロスダイクロプリズムは、プリズム加工およびプリズム接合が極めて難しく、製造するのに大変な時間と費用とを必要としていた。

一方、クロスダイクロプリズムの以上述べたような問題点を回避する為、特開平１０−１０４７６３号、特開２００１−２９００１０号公報においては、ビデオカメラ等で色分解手段として使用されてきたプリズム、およびそれを改良したプリズムよりなる色合成プリズムを用いた液晶プロジェクターが提案されている。しかしながら、特開２００１−２９００１０公報に記載されているように特開平１０−１０４７６３では色分解プリズムの形状が、プリズムの光路長を最小にするような形状に最適化されていなかったため、同公報の図８（Ａ）に示すように、同公報の図７（Ａ）のクロスダイクロプリズムと比較して２倍近いプリズム光路長を必要とした。
特開平１０−１０４７６３号公報 特開２００１−２９００１０号公報

以上のように上記公報の提案では、プリズムの製造自体は、クロスダイクロプリズムに対し容易になってはいるが、プリズムが大きくてプリズム光路長が長いために、投射レンズのバックフォーカスをクロスダイクロプリズムを使用する場合と比較してかなり長くする必要が生じていた。このため、投射レンズは大型化し、投射レンズの光学性能面において、特に倍率色収差が増大してくるといった問題が生じてきた。

また、特開２００１−２９００１０公報では４つのプリズムおよび３つのプリズムからなる色合成プリズムを用いた液晶プロジェクターが提案されている。４つのプリズムの場合、３つに比べ製作時間、費用がかかり、また３つのプリズムとして例があげられている同公報の図３に示されている第二プリズム３７の形状では研磨では製作が難しく、また成型ではプリズムの材料が限定されてしまうなどといった問題があった。

本発明の目的は、光路長が短く、また製作費用、時間の少ない色合成光学素子と、この色合成光学素子を用いた投射型表示装置を提供することにある。

３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、該３つのプリズムのうちひとつは全反射面と透過面を兼ねる面であるプリズムを最も射出側に有し、２種類の異なる波長域の色光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず該共通の面と射出側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ１、該共通の面と入射側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ２としたとき、
２０度＜θ１＜３５度
４０度＜θ２＜５０度
の条件式を満足し、かつ少なくとも１つの色合成光学素子入射面はプリズム内部の全反射を防ぐ部分があることを特徴としている。

３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、該３つのプリズムのうちひとつは全反射面と透過面を兼ねる面であるプリズムを最も射出側に有し、２種類の異なる波長域の色光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず該共通の面と射出側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ１、該共通の面と入射側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ２としたとき、
２０度＜θ１＜３５度
４０度＜θ２＜５０度
の条件式を満足し、かつ投射レンズの光軸は最も出射側のプリズムの入射面側にずれて配置することを特徴としている。

図１において、光源部１から射出された白色光は、リフレクタ−２で反射され、フライアイレンズＡ３を通過し、ミラーＭ１で反射、フライアイレンズＢ４、偏光変換素子５、コンデンサーレンズ６等を通過した後、ダイクロイックミラーＤＭ１によって青色帯域の光は反射し、緑から赤色帯域光は透過する。一般に光源としては、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ等が使用される。

図２（ａ）に示す分光透過率を示すダイクロイックミラーＤＭ１を反射した青色帯域光は反射ミラーＭ２によって光路を９０度変え、フィールドレンズ７Ｂを介して画像表示素子８Ｂに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変調された光は、色合成プリズム９に入射し、色合成プリズム９で光路を９０度変えて投射レンズ１０に入射する。

一方、ダイクロイックミラーＤＭ１を透過した緑〜赤色帯域光は図２（ｂ）に示す分光透過率を示すダイクロイックミラーＤＭ２に入射する。図２（ｂ）より、ダイクロイックミラーＤＭ２は緑色帯域光Ｇを反射する特性を有しているため、ここで緑色帯域光は反射され、その光路を９０度変え、フィールドレンズ７Ｇを介して画像表示素子８Ｇに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変調された緑色帯域光は色合成プリズム９、投射レンズ１０の順に入射する。

ダイクロイックミラーＤＭ２を透過した赤色帯域光は、図２（ｃ）に示す分光透過率を示すトリミングフィルターＴＲ、コンデンサーレンズ１１、リレーレンズ１２、反射ミラーＭ３、Ｍ４、フィールドレンズ７Ｒを介して、画像表示素子８Ｒに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変調された赤色帯域光は、色合成プリズム９に入射し、色合成プリズム９で光路を変えて投射レンズ１０に入射する。

次に図１の実施形態１で用いた色合成プリズム９の構成について、図３を用いて詳しく説明する。

本実施形態の色合成プリズム（色合成光学素子）９は投射レンズからの白色光を複数の色光に分解する色分解プリズム（色分解光学素子）として使用することもできるが、ここでは色合成手段としての作用のみを述べる。色分解光学素子として用いるときは光束の入射，射出が逆となるだけであり、基本的な光学作用は全く同じである。

図３において、８Ｂ，８Ｇ，８Ｒは図１の画像表示素子に相当している。色合成プリズム９は、図３に示すように、光透過面でありかつ全反射面でもある共通の面９１Ｃと、赤色成分を反射させ青および緑色成分を透過させるダイクロイック膜が形成されたダイクロイック面９１Ａと、光透過面９１Ｂより構成される第１プリズム９１と、２つの光透過面９２Ａ、９２Ｂと、青色成分を反射させ緑色成分を透過させるダイクロイック膜が形成されたダイクロイック面９２Ｃより構成される第２プリズム９２と、２つの光透過面９３Ｂ，９３Ｃを有する第３プリズム９３より構成されている。

図３において、光透過面９１Ｂ、９２Ｂ、９３Ｂ、９１Ｃには、空気とガラスの界面で生ずる表面反射光による光量損失を防ぐため、反射防止コートを形成することが望ましい。

図４に示すようにＡ部（点線で囲まれた部分）は光線有効部に近傍しており、プリズム内部の内面反射によるゴーストが発生しやすいため、９２Ｂ面のＡ部は黒色塗料を塗布、あるいはＡ部に植毛紙を貼付すべきである。植毛紙を貼付する際の接着剤は、プリズムの屈折率より高いものを用いるのが全反射の発生を抑えるために望ましい。

９２Ｂ面のＡ部のプリズム内部の反射を防ぐ方法は上記の方法に限ったものではない。

第３プリズムの９３Ａ面はプリズム内部の内面反射によるゴーストを防ぐため、研磨面ではなく、砂ズリ面とするのが良く、さらには黒色の塗料を塗布するのが良い。

また、第１プリズム９１のダイクロイック面９１Ａに形成されているダイクロイック膜は第２プリズム９２の光透過面９２Ａに形成してもよい。第２プリズム９２のほうが、第１プリズム９１より小さいので、ダイクロイック膜を蒸着するときに、蒸着釜にたくさんプリズムを入れることができるので、製造コストが安くなる利点がある。

また、第２プリズム９２のダイクロイック面９２Ｃに形成されているダイクロイック膜は第３プリズム９３の光透過面９３Ｃに形成しても良い。

さらに、プリズムの空気換算時の光路長を短くするために、従来より屈折率の高いガラスを使用している。たとえば、（株）オハラ社製の商品名Ｓ−ＢＳＭ２５（ｄ線の屈折率１．６５８４４、アッベ数５０．９）、商品名Ｓ−ＢＳＭ１５（ｄ線の屈折率１．６２２９９、アッベ数５８．２）等が屈折率も高く、透過率も良いので好ましい。

さらに高屈折率のものとしては、同じく（株）オハラ社製の商品名Ｓ−ＬＡＬ１４（ｄ線の屈折率１．６９６８、アッベ数５５．５）、商品名Ｓ−ＬＡＬ８（ｄ線の屈折率１．７１３００、アッベ数５３．９）等が可視域全域で透過率が高く、本発明のプリズム用として適している。

また、第１プリズム９１と第２プリズム９２の間のダイクロイック面９１Ａを第１プリズム９１の光射出面９１Ｃに対して２７度に設定することにより、プリズムの光路長を短くし、ダイクロイック面の反射によるゴーストの発生を抑えている。

また、第１プリズム９１の光射出面９１Ｃにおける全反射条件を十分に満足している。

また、第２プリズム９２と第３プリズム９３の間のダイクロイック面９２Ｃを第１プリズム９１の光射出面９１Ｃ対して４５度に設定することにより、プリズムの光路長を短くしている。

プリズムの光路長を短くすることにより、プリズム自体を小型化できるだけでなく、投射レンズのバックフォーカスを短くできるので、投射レンズとそれを用いる投射装置の小型化および高性能化を実現している。

次に色合成光学素子としての本発明の特徴について説明する。

３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、該３つのプリズムのうちひとつは全反射面と透過面を兼ねる面であるプリズムを最も射出側に有し、２種類の異なる波長域の色光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず該共通面と射出側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ１、該共通の面と入射側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ２としたとき、
２０度＜θ１＜３５度 ……（１）
４０度＜θ２＜５０度 ……（２）
の条件式を満足し、かつ少なくとも１つの色合成光学素子入射面はプリズム内部の全反射を防ぐ部分があることを特徴としている。

尚、本発明において、更に好ましくは以下の条件式を満足することが良い。

１．５６＜Ｎｄ ……（３）
４０＜νｄ ……（４）
ここで、Ｎｄ；プリズムのｄ線における屈折率
νｄ；プリズムのアッベ数
である。

本発明の投射型表示装置は、上記色合成光学素子を備えている。

次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。

条件式（１）は、光射出側のダイクロイックミラー層が形成されている面９１Ａと該色合成光学素子の光射出面９１Ｃとのなす角度θ１について限定したもので、条件式（１）の下限値を超える領域では、図３における最も光射出側のプリズム９１の該光透過面と全反射面を兼ねている光射出面９１Ｃにおいて全反射条件を満たさなくなり、画像のケラレが生じてくるので良くない。また、条件式（１）の上限値を超える領域では、最も光射出側のプリズム９１の有効光路が最も射出側のプリズムのダイクロイックミラー面９１Ａと干渉してくるので、それを防ぐために最も射出側のプリズム９１を大きくしなければならず、色合成プリズム全体の光路長が増大してくるので良くない。

条件式（２）は、該色合成光学素子の光射出面９１Ｃと該光入射側のダイクロイックミラー層が形成されている面９２Ｃのなす角度θ２について限定したもので、条件式（２）の下限値を超える領域では、図３における、プリズム９２の光入射面９２Ｂが反時計回転方向に傾くので、プリズム内部の有効光路にプリズム９２の光入射面９２Ｂが食い込んでくるので良くない。これを防ぐためには、プリズム９２を光源側に延長させねばならず、プリズムが大型化してくる。

また、条件式（２）の上限値を超える領域では、図３におけるプリズム９２の光入射面９２Ｂが時計回転方向に傾くので、図３に示す画像変調手段８Ｂと８Ｇが接近してきて、干渉してくるので良くない。

条件式（３）は、該色合成光学素子を構成しているプリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄについて限定したもので、条件式（３）の下限値を超える領域では、プリズム内部の空気換算時の光路長が増大してくるので良くない。また、最も射出側のプリズムの全反射面で全反射条件を満たさず、最も光射出側のプリズムを透過する光量が減少してくるので良くない。

条件式（４）は、該色合成光学素子を構成しているプリズムの材質のアッベ数νｄについて限定したもので、条件式（４）の下限値を超える領域では、現状存在するガラス材料においては、青の透過率が低下してくるので、光路長の長いプリズムに使用した場合、青チャンネルの光量が減少してしまうので良くない。

次に本発明実施形態２の色合成プリズムについて説明する。図５に実施形態２の要部概略図、図６に色合成プリズム近辺の概略図（色合成方向断面図）を示す。

実施形態１と異なるのは色合成プリズムの配置する位置のみなので図５の説明および色合成プリズムの形状の説明は省略する。

図６に示すように投射レンズの光軸が、第１プリズム９１の９１Ｂ面側にシフトするように配置する。

このように配置すると９２Ｂ面と光線有効部とに余裕ができるため、９２Ｂ面の黒色塗料の塗布や植毛紙を貼付する必要がなくなり、製作費用および時間の削減につながる。

本発明の色合成光学素子を用いた投射型画像表示装置の実施形態１の要部概略図 本発明実施形態１のダイクロイックミラーの波長分光特性 図1の色合成光学素子近辺の概略図（色合成方向断面図） 図1の色合成光学素子の光線有効部を示す図（色合成方向断面図） 本発明の色合成光学素子を用いた投射型画像表示装置の実施形態２の要部概略図 図５の色合成光学素子の光線有効部を示す図（色合成方向断面図） 従来例の構成図 従来例のダイクロイックミラーの波長分光特性

符号の説明

1 光源
2 リフレクター
3 フライアイレンズＡ
4 フライアイレンズＢ
5 偏光変換素子
6 コンデンサーレンズ
7 フィールドレンズ
8 画像表示素子
9 色合成プリズム
10 投射レンズ
11 コンデンサーレンズ
12 リレーレンズ
Ｍ1,Ｍ２,Ｍ３,Ｍ４ 反射ミラー
ＤＭ１,ＤＭ２ ダイクロイックミラー
ＴＲ トリミングフィルター
101 光源
102 リフレクター
103 フライアイレンズＡ
104 フライアイレンズＢ
105 偏光変換素子
106 コンデンサーレンズ
107 フィールドレンズ
108 画像表示素子
109 クロスダイクロイックプリズム
110 投射レンズ
111 コンデンサーレンズ
112 リレーレンズ
Ｍ101,Ｍ102,Ｍ103,Ｍ104 反射ミラー
ＤＭ101,ＤＭ102 ダイクロイックミラー
ＴＲ０ トリミングフィルター

Claims (8)

1. ３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、該３つのプリズムのうちひとつは全反射面と透過面を兼ねる面であるプリズムを最も射出側に有し、２種類の異なる波長域の色光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず該共通の面と射出側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ１、該共通の面と入射側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ２としたとき、
   ２０度＜θ１＜３５度
   ４０度＜θ２＜５０度
   の条件式を満足し、かつ少なくとも１つの色合成光学素子光入射面にはプリズム内部の全反射を防ぐ部分を備えることを特徴とする色合成光学素子。
2. 前記プリズムの材質のｄ線における屈折率をＮｄ、プリズムの材質のアッベ数をνｄとしたとき、
   １．５６＜Ｎｄ
   ４０＜νｄ
   の条件式を満足することを特徴とする請求項１の色合成光学素子。
3. 該プリズム内部の全反射を防ぐ部分は、黒色塗料であることを特徴とする請求項１、２の色合成光学素子。
4. 該プリズム内部の全反射を防ぐ部分は、植毛紙をプリズム入射面に接合した部分であることを特徴とする請求項１、２、３の色合成光学素子。
5. 請求項１、２、３、４の色合成光学素子を用いたことを特徴とする投射型表示装置。
6. 投射レンズと３つ以上のプリズムより構成される色合成光学系であって、該３つのプリズムのうちひとつは全反射面と透過面を兼ねる面であるプリズムを最も射出側に有し、２種類の異なる波長域の色光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず該共通の面と射出側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ１、該共通の面と入射側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ２としたとき、
   ２０度＜θ１＜３５度
   ４０度＜θ２＜５０度
   の条件式を満足し、かつ該投射レンズの光軸は最も出射側のプリズムの入射面側にずれて配置することを特徴とする色合成光学系。
7. 前記プリズムの材質のｄ線における屈折率をＮｄ、プリズムの材質のアッベ数をνｄとしたとき、
   １．５６＜Ｎｄ
   ４０＜νｄ
   の条件式を満足することを特徴とする請求項６の色合成光学素子。
8. 請求項６、７の色合成光学素子を用いたことを特徴とする投射型表示装置。
   

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