JP2006084915A

JP2006084915A - 投射型画像表示装置

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Publication number: JP2006084915A
Application number: JP2004271006A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Okuyama; 奥山　　敦
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】高画質、小型及び低価格な投射型画像表示装置を提供する。
【解決手段】互いに色が異なる複数の画像を投射してカラー画像を形成する投射型画像表示装置であって、入射光を第１の光路の緑色光と第２の光路の赤色光及び青色光に分離する色分解系と、前記第１の光路に配置された第１の偏光ビームスプリッターと、当該第１の偏光ビームスプリッターに設けられ、前記緑色光の波長領域で反射率が極小を有する第１の反射防止膜と、前記第２の光路に配置された第２の偏光ビームスプリッターと、当該第２の偏光ビームスプリッターに設けられ、前記赤色光及び青色光の波長領域で反射率が極小を有する第２の反射防止膜とを有することを特徴とする投射型画像表示装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般には、液晶プロジェクタ等の投射型画像表示装置に係り、特に、反射型液晶表示素子を用いた液晶プロジェクタに使用される偏光ビームスプリッター（ＰｏｌａｒｉｚｉｎｇＢｅａｍＳｐｌｉｔｔｅｒ（以下、「ＰＢＳ」と呼ぶ。）に形成される反射防止膜に関する。

近年の液晶プロジェクタなどの投射型画像表示装置の普及により、投射型画像表示装置は高画質、小型化と低価格化が益々要請されている。高画質の画像を小型の装置で表示するために、特許文献１に開示されている散乱型の液晶プロジェクタでは高コントラストの画像を得られないという問題や、耐久性に問題があるため、偏光型の液晶プロジェクタ（特にＴＮ液晶を用いた液晶プロジェクタ）が主流である。

偏光型の液晶プロジェクタの例として、反射型液晶表示装置とＰＢＳを組み合わせた投射型画像表示装置が特許文献２に開示されている。ＰＢＳは、ランプからの照明光を変調する液晶表示装置からの光を検光し、投射光学系に導く作用を有する。また、特許文献３は、色分離合成手段であるＰＢＳと照明光学系との間又はＰＢＳと投射光学系との間に偏光板を設け、高いコントラストの画像を得る技術を提案している。

より最近では、本出願人は、特許文献４において、特許文献２及び３において見られる偏光の乱れ成分に起因する投射画像のコントラストの低下を防止する液晶プロジェクタを提案している。特許文献４においては、ランプからの白色光をダイクロイックミラーで２つの光路に分離し、第１の光路には第１の色光を第１のＰＢＳに導光し、第２の光路には第２及び第３の色光を第２のＰＢＳ導光する。２つのＰＢＳの出力を第３のＰＢＳで合成する。第１乃至第３の色光は、赤緑青（以下、「ＲＧＢ」呼ぶ。）の中から任意に選択することができる。

反射型液晶表示素子を用いた液晶プロジェクタでは、カラー画像のコントラストを向上させるために光学素子に反射防止膜が必要であり、特許文献４では、反射防止膜は、ＰＢＳにおいて光が入出射する端面に成膜される。従来、広帯域の波長範囲に対応した反射防止膜は図３に示すようなＷ型特性を有するものが広く使用されている。例えば、特許文献４において、第１及び第２のＰＢＳの光が入出射する端面に図３に示す特性を有する反射防止膜を各色に共通に使用するなどである。
特開平１０−３１４２５号公報米国特許第６，１８３，０９１号明細書特開２００１−１５４１５２号公報特開２００４−１２８６４号公報

しかし、図３から理解されるように、可視光領域全域で反射率を低く保つのは難しく、Ｇ光の波長帯域（即ち、波長約５０５〜約５８０ｎｍ）の中央部での反射率が高くなり、Ｇの反射光が再びスクリーンに投影され、コントラストを低下させる要因となる。特に、ＰＢＳの特性を高性能にするためにはＰＢＳを構成する硝材の屈折率を高くする必要があり、これに伴って、反射防止膜のＧの領域の特性が更に悪化する。これに対して、特許文献１が提案するように、各色光に対して最適化された、例えば、図６に示すＵ型特性を有する反射防止膜を対応する光通過面に形成することも考えられる。しかし、通過面に対応する光の色毎に異なる種類の反射防止膜を形成すると、反射防止膜を成膜するプロセスの増加、コストアップにより低価格化の要請に反することになる。

そこで、本発明は、高画質、小型及び低価格な投射型画像表示装置を提供することを例示的目的とする。

本発明の一側面としての投射型画像表示装置は、互いに色が異なる複数の画像を投射してカラー画像を形成する投射型画像表示装置であって、入射光を第１の光路の緑色光と第２の光路の赤色光及び青色光に分離する色分解系と、前記第１の光路に配置された第１の偏光ビームスプリッターと、当該第１の偏光ビームスプリッターに設けられ、前記緑色光の波長領域で反射率が極小を有する第１の反射防止膜と、前記第２の光路に配置された第２の偏光ビームスプリッターと、当該第２の偏光ビームスプリッターに設けられ、前記赤色光及び青色光の波長領域で反射率が極小を有する第２の反射防止膜とを有することを特徴とする。

本発明の別の側面としての投射型画像表示装置は、互いに色が異なる複数の画像を投射してカラー画像を形成する投射型画像表示装置であって、入射光を第１の光路の第１の色の光と第２の光路の第２の色及び第３の色の光に分離する色分解系と、前記第１の光路に配置された第１の偏光ビームスプリッターと、当該第１の偏光ビームスプリッターの光通過面に設けられ、前記第１の光の波長領域において反射率が極小を有する第１の反射防止膜と、前記第２の光路に配置された第２の偏光ビームスプリッターと、当該第２の偏光ビームスプリッターの光通過面に設けられ、前記第２及び第３の色の光の波長領域において反射率が極小を有する第２の反射防止膜とを有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、高画質、小型及び低価格な投射型画像表示装置を提供することができる。

以下、図１を参照して、本発明の一実施例の投射型画像表示装置としての液晶プロジェクタ１００について説明する。ここで、図１は、液晶プロジェクタ１００の概略ブロック図である。液晶プロジェクタ１００は、図１に示すように、偏光光源部１０２と、ダイクロイックミラー１０４と、光生成部１１０と、光生成部１３０と、光合成プリズム１５０と、投射光学系１６０とを有する。

偏光光源部１０２は、所定の偏光状態の照明光をダイクロイックミラー１０４に導光する機能を有している。この偏光光源部は、連続スペクトルで白色光を発光する光源から発しリフレクターで反射された光を、色分離面（後段のダイクロイックミラー１０４や、偏光ビームスプリッター１２０等により色ごとに光路が分離される際、分離された後の複数の光路を含む平面のことであり、図１における紙面を含む平面）においては、アフォーカル系を用いて光束を圧縮し、色分離面に対して垂直で光軸（リフレクターの光軸及び／又は後段の各反射型液晶表示素子の有効部の中心に垂直に入射する光線）を含む所定平面内においては、この所定平面に沿って配列され、この所定平面内に屈折力を有する複数のレンズ（好ましくはシリンドリカルレンズ）を有する第１インテグレータと、その複数のレンズに対応し、この所定平面内に屈折力を有する複数のレンズを有する第２インテグレータとを有する。ここで、光源からの無偏光光を偏光光に変換する偏光変換素子は、前述の第１、２インテグレータにおける複数のレンズの配列方向に沿って、複数の偏光変換素子をアレイ状に配列した偏光変換素子アレイとしている。勿論、特許文献４に記載されているように、光源側から投射光学系１６０に向かって光路に沿って、発光部とその発光部から発した光を反射するリフレクターを含むランプと、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と、第１のフライアイレンズの個々のレンズに対応したレンズアレイからなる第２のフライアイレンズと、無偏光光を所定の偏光光に揃える偏光変換素子（好ましくはアレイ状の偏光変換素子とするのが良い）と、コンデンサーレンズで、折り曲げミラーと、フィールドレンズとを有する。

ダイクロイックミラー１０４は、可視光の特定波長域のみを反射し、他は透過する色分解用ミラーであり、本実施例では、赤色（Ｒ）（波長約５９０〜６５０ｎｍ）及び青色（Ｂ）（波長約４３０〜４９５ｎｍ）の波長領域の光を反射し、緑色（Ｇ）の波長領域の光を透過する。

光生成部１１０は、所定の偏光状態のＲＢ光を光合成プリズム１５０に導光し、色選択性位相差板１１２ａ及び１１２ｂと、反射型液晶表示素子１１４ａ及び１１４ｂと、１／４波長板１１６ａ及び１１６ｂと、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０とを有する。

色選択性位相差板１１２ａは、Ｂ光の偏光方向を９０度変換し、Ｒ光の偏光方向は変換しない。色選択性位相板１１２ｂは、Ｒ光の偏光方向を９０度変換し、Ｂ光の偏光方向は変換しない。反射型液晶表示素子１１４ａは、入射するＲ光を画像変調してＲ用画像を反射する。反射型液晶表示素子１１４ｂは、入射するＢ光を画像変調してＢ用画像を反射する。１／４波長板１１６ａ及び１１６ｂは、直線偏光を楕円偏光（円偏光も含む）に、楕円偏光を直線偏光に変化させ、１／４波長板１１６ａはＲ光用に設けられ、１／４波長板１１６ｂはＢ光用に設けられる。

ＰＢＳ１２０は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する。ＰＢＳ１２０は、ＲＢの照明光が透過する端面１２１、反射型液晶表示素子１１４ｂに対してＢ光が透過する端面１２２、反射型液晶表示素子１１４ａに対してＲ光が透過する端面１２３、ＲＢの投射光が透過する端面１２４を有する。各端面（光通過面、ＰＢＳ１２０が空気と接する面のうち光が通過する面）１２１乃至１２４には、反射防止膜１２５が形成され、反射防止膜１２５は、図３に示すようにＲＢの色（波長領域）に極小値がある分光反射特性（Ｗ型特性、赤、青色波長領域内における反射率の最小値が、緑色波長領域内における反射率の最小値よりも低い、又は、赤、青色波長領域の光に対する反射率の平均値が緑色波長領域の光に対する反射率の平均値よりも低い特性）を有している。

光生成部１３０は、所定の偏光状態のＧ光を光合成プリズム１５０に導光し、反射型液晶表示素子１３２と、１／４波長板１３４と、ＰＢＳ１４０とを有する。

反射型液晶表示素子１３２は、入射光を画像変調してＧ用画像を反射する。１／４波長板１３４は、直線偏光を楕円偏光に、楕円偏光を直線偏光に変化させ、Ｇ光用に設けられる。

ＰＢＳ１４０は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する。ＰＢＳ１４０は、Ｇの照明光が透過する端面１４１、反射型液晶表示素子１３４に対してＧ光が透過する端面１４２、Ｇの投射光が透過する端面１４３を有する。各端面（光通過面、ＰＢＳ１４０が空気と接する面のうち光が通過する面）１４１乃至１４３には、反射防止膜１４５が形成され、反射防止膜１２５は、図２に示すようにＧの色（波長領域）に極小値がある分光反射特性（Ｕ型特性、赤、青色波長領域内における反射率の最小値が、緑色波長領域内における反射率の最小値よりも高い、又は、赤、青色波長領域の光に対する反射率の平均値が緑色波長領域の光に対する反射率の平均値よりも高い特性）を有している。

ＰＢＳは偏光分離膜に入射する角度が小さいほど偏光分離性能が高くなるので、波長５８７．６ｎｍの光に対して屈折率が高い１．６以上の硝材でＰＢＳ１２０及び１４０を製作するのが望ましい。特に、低光弾性（０．０３×ｅ−６Ｎ／ｍｍ^２以下であることが望ましい）も備え、波長５８７．６ｎｍの光に対して１．８以上（好ましくは４２０〜７００ｎｍのすべての光に対して屈折率が１．８３以上）の屈折率の硝材ではこのような構成が特に有効である。さらに、４２０〜７００ｎｍの２５ｍｍ厚の硝材に対する内部透過率が、９０％以上、好ましくは９２.５％以上であることが望ましい。

本実施例では、ＲＢ用の光に共通の反射防止膜１２５を使用しているため、各色光毎に異なる反射防止膜を設ける図６に示すような従来の構成よりも低価格化を図ることができる。一方、広帯域の反射防止膜１２５をＧ光にも使用すると、Ｇの波長領域の特性が悪化するので、Ｇ光には専用の反射防止膜１４５を備え、これにより高画質（高コントラスト）を維持している。

色合成プリズム１５０は、２つ色光を一つの光路に合成するＰＢＳである。色合成プリズム１５０のＲＢの光の入射面には反射防止膜１２５が形成され、色合成プリズム１５０のＧ光の入射面には反射防止膜１２５が形成されている。光源部１０２から投射光学系１６０に至る光束は反射型液晶表示素子１１４ａ、１１４ｂ及び１３２において一番細くなるので、反射型液晶表示素子の近傍に配置したＰＢＳ１２０、１４０を色合成プリズム１５０よりも小さく構成している。

投射光学系（投射レンズ）１６０は、図示しないスクリーンにカラー画像を投射する。投射光学系１６０のＦｎｏは、反射型液晶表示素子における回折や取り付け誤差による投射レンズの光軸と集光光学系の光軸のずれを考慮して照明系のＦｎｏよりも明るく設定している。

以下、液晶プロジェクタ１００の動作について説明する。

所定の方向に偏光状態が揃えられた白色光を放射する偏光光源１０２からの光はダイクロイックミラー１０４でＢとＲの光は反射し、Ｇの光は透過する。

ダイクロイックミラー１０４を反射したＲとＢの光は、色選択性位相差板１１２ａに入射し、これにより、Ｂ光はＰ偏光として、Ｒの光はＳ偏光としてＰＢＳ１２０に入射する。ＰＢＳ１２０においてＲ光は偏光分離面を反射して反射型液晶表示素子１１４ａに至り、Ｂ光は偏光分離面を透過して反射型液晶表示素子１１４ｂに至る。この結果、２つの色光（ＲＢ）に分離される。

反射型液晶表示素子１１４ａは、Ｒ光を画像変調して反射する。反射されたＲ光のＳ偏光成分は再び偏光分離面で反射され、光源側に戻され、投射光から除去される。一方、Ｒの反射光のＰ偏光成分はＰＢＳ１２０の偏光分離面を透過、検光され、投射光となる。

反射型液晶表示素子１１４ｂは、Ｂ光を画像変調して反射する。反射されたＢ光のＰ偏光成分は再び偏光分離面で透過され、光源側に戻され、投射光から除去される。一方、Ｂの反射光のＳ偏光成分はＰＢＳ１２０の偏光分離面を反射、検光され、投射光となる。

この結果、ＢとＲの投射光は一つの光束に合成される。このとき、１／４波長板１１６ａ及び１１６ｂの遅相軸を調整してＲ、Ｂそれぞれの黒の表示の調整を行う。

合成されたＲとＢの投射光は色選択性位相差板１１２ｂに入射する。色選択性位相差板１１２ｂはＲの偏光方向のみを９０度回転し、Ｒ、ＢともにＳ偏光としたのち、色合成プリズム１５０に入射し、偏光分離面で反射することでＧの投射光と合成される。

Ｇの光路において、ダイクロイックミラー１０４を透過したＧ光はＰＢＳ１４０にＳ偏光として入射し、ＰＢＳ１４０の偏光分離面で反射され、反射型液晶表示素子１３２に至る。反射型液晶表示素子１３２は、Ｇ光を画像変調して反射する。反射されたＧ光のＳ偏光成分は再び偏光分離面で反射され、光源側に戻され投射光から除去される。一方、Ｇの反射光のＰ偏光成分はＰＢＳ１４０の偏光分離面を透過、検光され、投射光となる。

このとき全ての偏光成分をＳ偏光に変換した状態において１／４波長板１３４の遅相軸を所定の方向に調整し、ＰＢＳ１４０と反射型液晶表示素子１３２で発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えている。

ＰＢＳ１４０を透過した光は、色合成プリズム１５０に対しては略Ｐ偏光として入射し、不要なＳ偏光成分は除去され、投射光学系１６０へと至る。ＰＢＳ１２０を射出するＲＢの光とＰＢＳ１４０を射出するＧ光は色合成プリズム１５０で合成されて投射光学系１６０へと至り、スクリーンなどに投影される。反射防止膜１２５及び１４５により、スクリーンには高画質（高コントラスト）の画像が投射される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、本実施例は、ＲＢの光用にＷ型の分光反射特性を有する反射防止膜１２５を使用し、Ｇ光用にＵ型の分光反射特性を有する反射防止膜１４５を使用しているが、ＲＢの光用にＵ型の分光反射特性を有する反射防止膜を使用してもよい。かかる例を図４に示す。図４は、ＲＢの光用にＵ型の分光反射特性を有する反射防止膜１７０ａを使用し、Ｇ光用にＵ型の分光反射特性を有する反射防止膜１７０ｂを使用した場合の各反射防止膜の分光反射特性を示している。反射防止膜１７０ａのＲＢ光の波長領域における反射率は十分に低い反射率であるが、可視領域内における反射率の極小値の数は１つである。また、分光反射特性の広がりは緩やかであり、ＲＢ光の波長領域において十分小さい。反射防止膜１７０ｂは反射防止膜１４５と同様の特性を有する。反射防止膜１７０ａは反射防止膜１７０ｂの傾きが緩やかになった曲線に相当する。

また、本発明は、広義には、ＲＧＢを２色光と１色光に分離し、２色光には共通の反射防止膜を割り当てる場合も含む。従って、本実施例のように、１色光がＧに限定されない。かかる例を図５に示す。図５は、ＲＧの光用にＷ型の分光反射特性を有する反射防止膜１７２ａを使用し、Ｂ光用にＵ型の分光反射特性を有する反射防止膜１７２ｂを使用した場合の各反射防止膜の分光反射特性を示している。反射防止膜１７２ａはＲＧ光の波長領域において２つの極小を有するが、図４を参照して説明したように極小の数は２つに限定されない。反射防止膜１７０ｂは図６に示すＢ光用の反射防止膜と同様の特性を有する。

同様に、ＧＢ光が組み合わされてもよい。

更に、本実施例では、色合成プリズム１５０は、ＲＢ光の反射光とＧ光の透過光を投射光学系１６０に導光しているが、ＲＢ光の透過光とＧ光の反射光を投射光学系１６０に導光してもよい。

本発明の一実施例の投射型画像表示装置の概略ブロック図である。図１に示す投射型画像表示装置の緑色用の偏光ビームスプリッターに形成される反射防止膜の分光反射特性である。図１に示す投射型画像表示装置の赤色及び青色用の偏光ビームスプリッターに形成される反射防止膜の分光反射特性である。図１に示す投射型画像表示装置の赤色、緑色、青色用の光に使用される反射防止膜の変形例の分光反射特性を示す概略的なグラフである。図１に示す投射型画像表示装置の赤色、緑色、青色用の光に使用される反射防止膜の別の変形例の分光反射特性を示す概略的なグラフである。従来の投射型画像表示装置の赤色、青色及び緑色用に個別に使用される反射防止膜の分光反射特性である。

符号の説明

１００液晶プロジェクタ（投射型画像表示装置）
１２０、１４０偏光ビームスプリッター
１２５、１４５反射防止膜

Claims

互いに色が異なる複数の画像を投射してカラー画像を形成する投射型画像表示装置であって、
入射光を第１の光路の緑色光と第２の光路の赤色光及び青色光に分離する色分解系と、
前記第１の光路に配置された第１の偏光ビームスプリッターと、
当該第１の偏光ビームスプリッターに設けられ、前記緑色光の波長領域で反射率が極小を有する第１の反射防止膜と、
前記第２の光路に配置された第２の偏光ビームスプリッターと、
当該第２の偏光ビームスプリッターに設けられ、前記赤色光及び青色光の波長領域で反射率が極小を有する第２の反射防止膜とを有することを特徴とする投射型画像表示装置。
前記第１の反射防止膜は、前記第１の偏光ビームスプリッターの面のうち前記緑色光が通過する面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の投射型画像表示装置。
前記第２の反射防止膜は、前記第２の偏光ビームスプリッターの面のうち前記赤色光と前記青色光のうち少なくとも一方の光が通過する面に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の投射型画像表示装置。
第１の反射防止膜は、可視光の波長領域において波長に対してＵ型形状の分光反射特性を有することを特徴とする請求項１記載の投射型画像表示装置。
第２の反射防止膜は、可視光の波長領域において波長に対してＷ型形状の分光反射特性を有することを特徴とする請求項１乃至４いずれか一項に記載の投射型画像表示装置。
前記第１及び第２の偏光ビームスプリッターは、波長５８７．６ｎｍの光に対して屈折率が１．６以上であることを特徴とする請求項１乃至５いずれか一項に記載の投射型画像表示装置。
前記第１及び第２の偏光ビームスプリッターは、波長５８７．６ｎｍの光に対して屈折率が１．８以上であることを特徴とする請求項１乃至６いずれか一項に記載の投射型画像表示装置。
前記第２の光路に配置され、可視光の波長領域において所定の波長領域の光の偏光方向を９０度変換すると共にその他の波長の光の偏光方向は維持する、少なくとも一の色選択性位相差板を更に有することを特徴とする請求項１乃至７いずれか一項に記載の投射型画像表示装置。
前記第１の偏光ビームスプリッターから投射される前記緑色光と、前記第２の偏光ビームスプリッターから投射される前記赤色光及び青色光とを合成する色合成プリズムを有しており、
第３の偏光ビームスプリッターの前記緑色の入射面には、前記第１の反射防止膜が形成されており、
前記色合成プリズムの前記赤色光及び青色光の入射面には、前記第２の反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至８いずれか一項に記載の投射型画像表示装置。
互いに色が異なる複数の画像を投射してカラー画像を形成する投射型画像表示装置であって、
入射光を第１の光路の第１の色の光と第２の光路の第２の色及び第３の色の光に分離する色分解系と、
前記第１の光路に配置された第１の偏光ビームスプリッターと、
当該第１の偏光ビームスプリッターの光通過面に設けられ、前記第１の光の波長領域において反射率が極小を有する第１の反射防止膜と、
前記第２の光路に配置された第２の偏光ビームスプリッターと、
当該第２の偏光ビームスプリッターの光通過面に設けられ、前記第２及び第３の色の光の波長領域において反射率が極小を有する第２の反射防止膜とを有することを特徴とする投射型画像表示装置。