JP2006139059A - Light modulator and projector using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロプリズムアレイを有する光変調装置及びこれを用いたプロジェクタに関する。 The present invention relates to a light modulation device having a microprism array and a projector using the same.
光変調装置内の液晶パネルには、各画素に液晶をスイッチングするための薄膜トランジスタなどが内蔵されており、これらは、所謂ブラックマトリックスによって隠されている。しかし、このブラックマトリックスによって光が遮られるため、有効に光が利用できないという課題があった。 A liquid crystal panel in the light modulation device incorporates a thin film transistor for switching liquid crystal in each pixel, and these are hidden by a so-called black matrix. However, since the light is blocked by the black matrix, there is a problem that the light cannot be used effectively.
この課題を解決するために、例えばマイクロレンズアレイを用いて画素を通過する光を集光させて光量を上げるという方法が用いられている(特許文献1参照)。さらに、この際、径の大きな投射レンズを使わなくてすむように、ブラックマトリックスをはさむように両側にマイクロレンズアレイを設置する方法が提案されている(特許文献2参照)。また、レンズの形状を非球面化したものも知られている(特許文献3、4、5、6等参照)。
しかしながら、マイクロレンズアレイには、レンズの球面収差の影響があり、当該レンズとして非球面化したもの等を用いても、当該光変調装置からの射出光は完全に平行化されないという問題がある。 However, the microlens array is affected by the spherical aberration of the lens, and there is a problem that the emitted light from the light modulation device is not completely collimated even if an aspherical lens is used.
そこで、本発明は、画素を通過する又は反射される光を有効に利用し、また、径の大きな投射レンズを使わなくてすむ光変調装置を提供すること、及び、これを用いて、光の利用効率が良く、コンパクトなプロジェクタを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a light modulation device that effectively uses light that passes through or is reflected by a pixel and that does not require use of a projection lens having a large diameter. An object of the present invention is to provide a compact projector with high utilization efficiency.
上記課題を解決するために、本発明に係る光変調装置は、それぞれに電極が形成された一対の基板と、一対の基板間に挟持された液晶と、一対の基板にそれぞれ形成された電極と、一対の電極間に挟持された液晶とを含んで構成される複数の画素と、複数の画素のそれぞれの周囲を遮光する遮光部とを備える。さらに、上記一対の基板は、少なくとも一方が複数の画素に対応して設けられた複数のプリズムからなるプリズムアレイを有する。また、上記プリズムは、当該基板面に平行な底面と、直線によって構成される側面とを有し、プリズムの当該基板面に平行な断面の大きさは、底面から離れるに従って小さくなる。 In order to solve the above problems, an optical modulation device according to the present invention includes a pair of substrates each having an electrode formed thereon, a liquid crystal sandwiched between the pair of substrates, and an electrode formed on each of the pair of substrates. And a plurality of pixels including a liquid crystal sandwiched between a pair of electrodes, and a light shielding portion that shields the periphery of each of the plurality of pixels. Further, the pair of substrates has a prism array including a plurality of prisms, at least one of which is provided corresponding to the plurality of pixels. The prism has a bottom surface parallel to the substrate surface and a side surface constituted by a straight line, and the size of the cross section of the prism parallel to the substrate surface decreases as the distance from the bottom surface increases.
マイクロレンズアレイとして、非球面レンズ等を用いてもレンズの残存収差の影響があって平行光束の形成は困難であるが、本発明におけるプリズムは、当該基板面に平行な底面と、直線によって構成される側面とを有するため、レンズによる収差が発生しない。また、プリズムによって遮光部を回避することにより、光を有効に利用することができる。 Even if an aspherical lens or the like is used as the microlens array, it is difficult to form a parallel light beam due to the influence of the residual aberration of the lens, but the prism in the present invention is configured by a bottom surface parallel to the substrate surface and a straight line. Therefore, aberration due to the lens does not occur. Further, light can be effectively used by avoiding the light shielding portion by the prism.
尚、ここで、遮光部とは、例えば、薄膜トランジスタなどを隠すための所謂ブラックマトリックス等を含むが、ブラックマトリックス等に限らず、画素の形状を定めるための仕切りといった、結果として画素形成のために光を遮断するもの全般を示すものである。 Here, the light shielding portion includes, for example, a so-called black matrix for hiding a thin film transistor or the like, but is not limited to the black matrix or the like, and as a result, for example, a partition for determining the shape of the pixel for pixel formation. It shows all things that block light.
また、本発明の具体的な態様として、一対の基板のうち、一方が、光の入射面を形成する入射基板であり、他方が、光の射出面を形成する射出基板であり、入射基板と射出基板の双方がそれぞれプリズムアレイを有する。この場合、当該光変調装置は、光の入射側と反射側とが対峙する光透過型であり、彩度の高い像光形成が可能である。 As a specific aspect of the present invention, one of the pair of substrates is an incident substrate that forms a light incident surface, and the other is an emission substrate that forms a light emission surface, Both emission substrates each have a prism array. In this case, the light modulation device is a light transmission type in which the light incident side and the reflection side face each other, and can form image light with high saturation.
また、本発明の具体的な態様として、プリズムが、それぞれ対応する画素の中心を基準とする対称性を有し、平行入射する入射光の平行性を、上記直線を含む垂直断面内で保つ。この場合、光の平行性が確実に保たれることにより、光変調装置によって形成される像光を投射する場合に、径の大きな投射レンズを使わなくてすむ。尚、ここで、垂直断面とは、上記プリズムにおいて、上記直線を含み、当該光変調装置の入射面に対して垂直な断面を指す。 Further, as a specific aspect of the present invention, each prism has symmetry with respect to the center of the corresponding pixel, and the parallelism of incident light incident in parallel is maintained in a vertical section including the straight line. In this case, since the parallelism of light is reliably maintained, it is not necessary to use a projection lens having a large diameter when projecting image light formed by the light modulation device. Here, the vertical cross section refers to a cross section of the prism that includes the straight line and is perpendicular to the incident surface of the light modulation device.
また、本発明の具体的な態様として、入射光が、上記中心を基準として対称に交差する。この場合、光の均一性が保たれるとともに、遮光部によって光量が減衰されるのを防ぎ、結果として画素を通過する光の光量を上げることができる。 As a specific aspect of the present invention, incident light crosses symmetrically with respect to the center. In this case, the uniformity of the light can be maintained and the light amount can be prevented from being attenuated by the light shielding portion, and as a result, the light amount of the light passing through the pixel can be increased.
また、本発明の具体的な態様として、プリズムが、錐形状及び柱形状のいずれかを少なくとも一部に含み、底面が、複数の画素の形状に応じて形成される。この場合、底面が画素の形状に応じていることにより、光量を効率的に確保できる。また、錐形状及び柱形状のいずれかを少なくとも一部に含むことにより、球面収差等を発生させることなく画素を通過する又は反射される光の光量を上げることができる。 As a specific aspect of the present invention, the prism includes at least part of either a cone shape or a column shape, and the bottom surface is formed according to the shape of a plurality of pixels. In this case, the amount of light can be efficiently secured because the bottom surface corresponds to the shape of the pixel. In addition, by including at least part of either the cone shape or the column shape, it is possible to increase the amount of light that passes through or is reflected by the pixel without causing spherical aberration or the like.
また、本発明の具体的な態様として、プリズムが、円錐形状の少なくとも一部を含む。この場合、入射光が形成する光束が高い対称性を有する。 As a specific aspect of the present invention, the prism includes at least a part of a conical shape. In this case, the light beam formed by the incident light has high symmetry.
また、本発明の具体的な態様として、プリズムが、円錐形状を軸に沿って2分割した一対の錐部分の少なくとも一部をそれぞれ有する一対の端部と、当該一対の錐部分に挟まれた三角柱状の中央部分とを含み、前記複数の画素は、長方形である。この場合、端部と中央部分とはともに、収差を発生することなく画素を通過する又は反射される光の光量を上げる。また、長方形である画素の形状に合わせて三角柱状の中央部分を設計することにより、光量をより効率的に確保できる。 As a specific aspect of the present invention, a prism is sandwiched between a pair of end portions each having at least a part of a pair of cone portions obtained by dividing a cone shape into two along an axis, and the pair of cone portions. A plurality of pixels having a rectangular shape. In this case, both the end portion and the central portion increase the amount of light that passes through or is reflected by the pixel without causing aberration. In addition, the amount of light can be more efficiently ensured by designing the triangular columnar central portion in accordance with the shape of the rectangular pixel.
また、本発明の具体的な態様として、プリズムが、底面に対して平行に面取りされた頂部を有する台形状である。この場合、当該頂部を通過する光は屈折することなく当該画素に到達することができる。 Moreover, as a specific aspect of the present invention, the prism has a trapezoidal shape having a top portion chamfered in parallel to the bottom surface. In this case, the light passing through the top can reach the pixel without being refracted.
上記課題を解決するための本発明に係るプロジェクタは、照明光を射出する照明装置と、照明光を所定波長ごとに色分離する色分離光学系と、上記いずれかの複数の光変調装置と、複数の光変調装置で形成された各色光それぞれの像光を合成する色合成光学系と、色合成光学系で合成された像光を投射する投射光学系とを備える。この場合、当該光変調装置を用いることにより、光の利用効率が良く、径の大きな投射レンズを使わなくてすむことでコンパクトなプロジェクタを提供することができる。 In order to solve the above problems, a projector according to the present invention includes an illumination device that emits illumination light, a color separation optical system that color-separates illumination light for each predetermined wavelength, and any one of the plurality of light modulation devices, A color synthesis optical system that synthesizes image light of each color light formed by a plurality of light modulation devices, and a projection optical system that projects the image light synthesized by the color synthesis optical system. In this case, by using the light modulation device, it is possible to provide a compact projector by eliminating the need to use a projection lens with high light utilization efficiency and a large diameter.
〔第1実施形態〕
図1は、第1実施形態における光変調装置を説明するための断面図である。図示の光変調装置100は光透過型の光変調装置であり、入射基板1と、射出基板2と、表示層3と、マイクロプリズムアレイ4、5と、ガラス基板6、7とを備える。これらのうち、表示層3は、液晶画素8とブラックマトリックス部9とを備える。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the light modulation device according to the first embodiment. The illustrated
入射基板1と射出基板2とはともに、透明なガラス板で形成されており、一対の基板として対向して配置され、表示層3を挟持している。表示層3は、TFT(薄膜トランジスタ)駆動によるアクティブマトリクス駆動方式の所謂液晶パネルとしての機能の要部である。表示層3は、液晶分子を含み複数の画素を構成する複数の液晶画素8と、TFTを含む駆動回路等を内蔵するとともにこれらを隠すブラックマトリックスを設けたブラックマトリックス部9とを備える。両基板1、2の対向する面に透明電極が形成されており、これらにより、表示層3に画素単位で所定電圧が印加され、液晶画素8内の液晶分子が制御されることで表示パネルとしての役割を果たす。ここで、各液晶画素8を仕切るブラックマトリックス部9は、画素の周囲の光を遮断する遮光部となっている。
Both the
マイクロプリズムアレイ4、5は、円錐柱状のプリズム状部材4a、5a(図中点線による区切りを1単位とする)を各液晶画素8に対応して2次元配列させたものからなり、それぞれ入射基板1及び射出基板2上に形成されている。
The
図2を参照して、マイクロプリズムアレイ4、5の形状を説明する。図2は、図1のAA矢視断面でマイクロプリズムアレイ4、5を切り取ることで、各プリズム状部材4a、5aの円錐部分(プリズム)を取り出した斜視図である。逆に、図2のBB方向の断面が図1に対応する。ここで、円錐CNは、直円錐であり、側面は直線を母線として形成される。また、この場合、円錐CNの底面BSに対して平行な円錐CNの断面は、底面BSから離れるに従って小さくなる。尚、底面BSは、基板1、2に対して平行に配置されており、円錐CNの頂点Sから底面BSに垂直に下ろした直線上に液晶画素8の中心があるように設計されている。
The shape of the
図1に戻って、ガラス基板6、7は、それぞれ光変調装置100における光の入射面と射出面とを形成するとともに、マイクロプリズムアレイ4、5の凹凸を反転させた形状を有し、これらマイクロプリズムアレイ4、5に密着している。
Returning to FIG. 1, the
当該密着箇所は、例えば、入射基板1とガラス基板6との間に樹脂接着剤を挟んで両者を接着し、当該樹脂接着剤からなる接着部をマイクロプリズムアレイ4とすることにより形成される。射出基板2とガラス基板7とに関しても上記と同様の手法によって形成される。
The contact portion is formed by, for example, bonding a resin adhesive between the
マイクロプリズムアレイ4、5の材料とガラス基板6、7の材料とが異なる屈折率を有するので、双方の境界において屈折現象が生じる。図1の光変調装置100においては、マイクロプリズムアレイ4、5の屈折率がガラス基板6、7の屈折率より大きいものとし、これらの屈折率を適宜定めることにより、光変調装置100を透過する光の光路を制御する。尚、ここで、マイクロプリズムアレイ4とマイクロプリズムアレイ5とは同じ材料を使用し、かつ、同形状であるとする。また、ガラス基板6とガラス基板7とについても同じ材料を使用し、かつ、同形状であるとする。即ち、図1においてこれらは、表示層3を中心として幾何学的に対称なものとなっている。
Since the material of the
以下、図1を用いて本実施形態における光変調装置100による変調光の形成について各液晶画素8ごとにおける光路を辿ることにより説明する。そのために、まず、光路及び光路上に存在する要素等を次のように定義する。
Hereinafter, formation of modulated light by the
図1において、光変調装置100に対する入射光のうち、マイクロプリズムアレイ4内の1つのプリズム状部材4bにおける円錐CN1の側面SFを通過するものを入射光ILとする。入射光ILのうち、側面SFにおいて、円錐CN1の頂点S1より図面右側の領域D1を通過するものを入射光ILa、図面左側の領域D2を通過するものを入射光ILbとする。尚、ここで入射光ILは、入射時において平行光であり、光変調装置100に垂直入射するものとする。液晶画素8のうち、円錐CN1に対応するものを注目画素8aとする。注目画素8aに対応するマイクロプリズムアレイ5内の1つのプリズム状部材をプリズム状部材5bとし、プリズム状部材5bにおける円錐を円錐CN1′とし、頂点をS1′とする。即ち頂点S1と頂点S1′とを結んだ線上に注目画素8aの中心がくる。円錐CN1′の側面SF′のうち、頂点S1′より図面左側の領域を領域D1′、図面右側の領域を領域D2′とする。
In FIG. 1, light incident on the
入射光ILのうち、入射光ILaは、領域D1において進行方向に対し右側に折り曲げられる。屈折後、入射光ILaは、プリズム状部材4bから入射基板1、注目画素8a、射出基板2を経てプリズム状部材5bの領域D1′において進行方向に対し左側に折り曲げられ、射出光ELaとなる。
Of the incident light IL, the incident light ILa is bent to the right in the traveling direction in the region D1. After refraction, the incident light ILa is bent leftward with respect to the traveling direction in the region D1 ′ of the prism-shaped
この際、マイクロプリズムアレイ4とガラス基板6との屈折率差やそれぞれの形状、及び、マイクロプリズムアレイ4、5間の距離を適切に設定しておくことにより、仮に屈折せず直進した場合にはブラックマトリックス部9によって遮られてしまう周辺光を注目画素8a内に透過させるとともに、中央光が注目画素8a外へはみ出してしまうことのないようにすることができる。さらに、入射光ILの最外光(図面右端)が円錐CN1′の頂点S1′に到達するように設計することにより、領域D1と領域D1′とが対応する。つまり、領域D1を通過する入射光ILaは、全て領域D1′より射出光ELaとして外部に射出される。一方、対称性により同様にして、領域D2を通過する入射光ILbは、領域D2′より射出光ELbとして外部に射出される。射出光ELaと射出光ELbとを合わせて射出光ELが形成され、変調光として光変調装置100より射出される。
At this time, if the refractive index difference between the microprism array 4 and the
以上において、まず、ブラックマトリックス部9によって入射光ILが遮光されることがないので、液晶画素8を透過する光の光量が上がる。また、垂直断面である入射断面と交差する側面SF及び垂直断面である射出断面と交差する側面SF′の直線性により、入射光ILa及び入射光ILbは、それぞれ縦断面内で平行性が保たれたまま射出光ELa及び射出光ELbとして射出される。従って、レンズを用いた場合に生じる球面収差が発生しない。さらに、入射光ILaと入射光ILbとは対称に交差するため、射出位置が入れ替わるが、上記設計により、射出光ELaと射出光ELbとが重畳して射出される領域がなく、入射光ILが均一であればその均一性が保たれる。また、入射光ILa、ILb及び射出光ELa、ELbについては、縦断面内での平行性が保たれることにより、入射光ILと射出光ELとの光束の方向及び形状が同一であるから、例えば、得られる変調光を像光として投射する際に、径の大きな投射レンズを使わなくて良い。
In the above, first, since the incident light IL is not shielded by the
図3は、図2のマイクロプリズムアレイ4、5の変形例を説明するための図である。図2と同様、図1のAA矢視断面でマイクロプリズムアレイ4、5をそれぞれ切り取ることで、各プリズム状部材4a、5aの突起部分(プリズム)を取り出した斜視図である。逆に、図3のBB方向の断面が図1に対応する。突起部PRは、直円錐を軸に沿って2分割した一対の錐部分CP1、CP2と、一対の錐部分CP1、CP2に挟まれた三角柱である中央部分TPとからなる。この場合、突起部PRの底面CSは、1つの矩形と2つの半円とからなるトラック形状となる。図2の円錐CNにおいては、底面BSは円であるから、対応する液晶画素8の形状が正方形等の場合に適するのに対し、本変形例は、液晶画素8の形状が長方形等である場合に適する。特に、当該長方形の辺の比率に応じて中央部分TPのサイズを適宜調節することにより、各プリズム状部材4a、5aに対して最適な形状の底面CSを有する突起部PRを設計できる。
FIG. 3 is a diagram for explaining a modification of the
〔第2実施形態〕
図4は、第2実施形態に係る光変調装置を説明するための断面図である。本実施形態の光変調装置200のうち、各マイクロプリズムアレイ204、205の形状及びそれに伴って変形するガラス基板206、207の形状を除いた各構成要素は、図1の光変調装置100と同様であるから説明を割愛する。本実施形態における各マイクロプリズムアレイ204、205を形成するプリズム状部材204a、205aにおいて、図1のプリズム状部材4a、5aの円錐CN等に相当する突起部PPは、円錐CNの先端部が、底面BSに対して平行に面取りされることで頂部SSが形成された台形状である。尚、光変調装置100の場合と同様、マイクロプリズムアレイ204とマイクロプリズムアレイ205とは同一形状・同質材料であり、対称性を有するものとする。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the light modulation device according to the second embodiment. In the
以下、図4を用いて本実施形態における光変調装置200による変調光の形成について各液晶画素8ごとにおける光路を辿ることにより説明する。図1の場合と同様、まず、光路及び光路上に存在する要素等を次のように定義する。
Hereinafter, the formation of modulated light by the
図4において、光変調装置200に対する入射光のうち、マイクロプリズムアレイ204内の1つのプリズム状部材204bにおける突起部PP1の表面PFを通過するものを入射光ILとする。表面PFは、上述した頂部SS1と、頂部SS1より図面右側の側面領域である右側面RSと、頂部SS1より図面左側の側面領域である左側面LSとからなる。入射光ILのうち、右側面RSを通過するものを入射光ILa、左側面LSを通過するものを入射光ILb、頂部SS1を通過するものをILcとする。尚、ここで入射光ILは、入射時において平行光であり、光変調装置200に垂直入射するものとする。液晶画素8のうち、突起部PP1に対応するものを注目画素8aとする。注目画素8aに対応するマイクロプリズムアレイ205内の1つのプリズム状部材をプリズム状部材205bとし、プリズム状部材205bにおける突起部を突起部PP1′とし、頂部をSS1′とする。突起部PP1′の表面PF′は、頂部SS1′と、頂部SS1′より図面右側の側面領域である右側面RS′と、頂部SS1′より図面左側の側面領域である左側面LS′とからなる。
In FIG. 4, incident light that enters the
入射光ILのうち、入射光ILaは、右側面RSにおいて進行方向に対し右側に折り曲げられる。屈折後、入射光ILaは、プリズム状部材204bから入射基板1、注目画素8a、射出基板2を経てプリズム状部材205bの領域LS′において進行方向に対し左側に折り曲げられ、射出光ELaとなる。
Of the incident light IL, the incident light ILa is bent to the right with respect to the traveling direction on the right side surface RS. After the refraction, the incident light ILa is bent leftward with respect to the traveling direction in the region LS ′ of the prism-shaped
この際、マイクロプリズムアレイ204とガラス基板206との屈折率差やそれぞれの形状、及び、マイクロプリズムアレイ204、205間の距離を適切に設定しておくことにより、仮に屈折せず直進した場合にはブラックマトリックス部9によって遮られてしまう周辺光を注目画素8a内に透過させるとともに、中央光が注目画素8a外へはみ出してしまうことのないようにすることができる。入射光ILaの最外光(図面右端)が頂部SS1′と左側面LS′との交わりに到達するように設計することにより、右側面RSと左側面LS′とが対応する。つまり、右側面RSを通過する入射光ILaは、全て左側面LS′より射出光ELaとして外部に射出される。一方、対称性により同様にして、左側面LSを通過する入射光ILbは、右側面RS′より射出光ELbとして外部に射出される。
At this time, if the refractive index difference between the
入射光ILcは、頂部SS1に垂直入射するので、折り曲げられることなく直進し、プリズム状部材204bから入射基板1、注目画素8a、射出基板2を経て、プリズム状部材205bの頂部SS1′に達し、頂部SS1′においても折り曲げられることなく射出光ELcとして外部に射出される。
Since the incident light ILc is perpendicularly incident on the top portion SS1, it travels straight without being bent, and reaches the top portion SS1 ′ of the prism-
以上の説明から明らかなように、射出光ELa、射出光ELb及び射出光ELcを合わせて射出光ELが形成され、変調光として光変調装置200より射出される。
As is clear from the above description, the emission light ELa, the emission light ELb, and the emission light ELc are combined to form the emission light EL, which is emitted from the
本実施形態においても、ブラックマトリックス部9によって入射光ILが遮光されることなく、液晶画素8を透過する光の光量が上がる。また、入射光ILa、入射光ILb及び入射光ILcは、それぞれ縦断面内で平行性が保たれたまま射出光ELa、射出光ELb及び射出光ELcとして射出される。従って、レンズを用いた場合に生じる球面収差が発生しない。さらに、入射光ILaと入射光ILbとは対称に交差するため、射出位置が入れ替わるが、上記設計により、射出光ELa、射出光ELb及び射出光ELcが重畳して射出される領域がなく、入射光ILが均一であればその均一性が保たれる。また、入射光ILa、入射光ILb及び入射光ILc、並びに、射出光ELa、射出光ELb及び射出光ELcについては、縦断面内で平行性が保たれることにより、入射光ILと光束の方向及び形状が同一であるから、例えば、得られる変調光を像光として投射する際に、径の大きな投射レンズを使わなくて良い。
Also in this embodiment, the amount of light transmitted through the
〔第3実施形態〕
図5は、第3実施形態に係る光変調装置を説明するための断面図である。これまでの実施形態において、各マイクロプリズムアレイとガラス基板との屈折率については、いずれもマイクロプリズムアレイの屈折率がガラス基板の屈折率より大きいものとしたが、本実施形態では、これとは逆に、ガラス基板の屈折率がマイクロプリズムアレイの屈折率より大きいものについて説明する。図5において、本実施形態の光変調装置300のうち、各マイクロプリズムアレイ304、305の形状及びそれに伴って変形するガラス基板306、307の形状を除いた各構成要素は、第1及び第2実施形態の光変調装置100、200と同様であるから説明を割愛する。本実施形態では、ガラス基板306、307が図1、2の円錐CN等に相当する形状を有している。つまり、図5のAA矢視断面でガラス基板306、307を切り取った場合に、図2のような斜視図が得られる。また、このほかにも、例えば、ガラス基板306、307を切り取った部分が図4において説明した台形状であってもよい。特に、図5は、ガラス基板306、307を切り取った部分が図2のような直円錐である場合であり、マイクロプリズムアレイ304、305を形成するプリズム状部材304a、305aは、それぞれ当該直円錐に対応したすり鉢状の形状である凹部PQを含んでいる。図1での態様と同様、マイクロプリズムアレイ304、305は、プリズム状部材304a、305aを、各液晶画素8に対応して2次元配列させることで、それぞれ入射基板1及び射出基板2上に形成されおり、凹部PQの底点Qが、図1の頂点Sと同様に液晶画素8の各画素の中心に対応している。尚、マイクロプリズムアレイ304とマイクロプリズムアレイ305とは同一形状であり、同質材料であるものとする。
[Third Embodiment]
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the light modulation device according to the third embodiment. In the embodiments so far, the refractive index of each microprism array and the glass substrate is assumed to be larger than the refractive index of the glass substrate in the present embodiment. Conversely, the case where the refractive index of the glass substrate is larger than the refractive index of the microprism array will be described. In FIG. 5, in the
以下、図5を用いて本実施形態における光変調装置300による変調光の形成について各液晶画素8ごとにおける光路を辿ることにより説明する。図1、図4の場合と同様、まず、光路及び光路上に存在する要素等を次のように定義する。
Hereinafter, the formation of modulated light by the
図5において、光変調装置300に対する入射光のうち、マイクロプリズムアレイ304内の1つのプリズム状部材304bにおける凹部PQ1の側面QFを通過するものを入射光ILとする。入射光ILのうち、側面QFにおいて、凹部PQ1の底点Q1より図面右側の領域DD1を通過するものを入射光ILa、図面左側の領域DD2を通過するものを入射光ILbとする。尚、ここで入射光ILは、入射時において平行光であり、光変調装置300に垂直入射するものとする。液晶画素8のうち、凹部PQ1に対応するものを注目画素8aとする。注目画素8aに対応するマイクロプリズムアレイ305内の1つのプリズム状部材をプリズム状部材305bとし、プリズム状部材305bにおける凹部を凹部PQ1′とし、底点をQ1′とする。即ち底点Q1と底点Q1′とを結んだ線上に注目画素8aの中心がくる。凹部PQ1′の側面QF′のうち、底点Q1′より図面左側の領域を領域DD1′、図面右側の領域を領域DD2′とする。
In FIG. 5, incident light that enters the
入射光ILのうち、入射光ILaは、領域DD1において進行方向に対し右側に折り曲げられる。屈折後、入射光ILaは、プリズム状部材304bから入射基板1、注目画素8a、射出基板2を経てプリズム状部材305bの領域DD1′において進行方向に対し左側に折り曲げられ、射出光ELaとなる。
Of the incident light IL, the incident light ILa is bent to the right in the traveling direction in the region DD1. After refraction, the incident light ILa is bent leftward with respect to the traveling direction in the region DD1 ′ of the prism-shaped
この際、マイクロプリズムアレイ304とガラス基板306との屈折率差やそれぞれの形状、及び、マイクロプリズムアレイ304、305間の距離を適切に設定しておくことにより、仮に屈折せず直進した場合にはブラックマトリックス部9によって遮られてしまう周辺光を注目画素8a内に透過させるとともに、中央光が注目画素8a外へはみ出してしまうことのないようにすることができる。本実施形態では、さらに、入射光ILの最外光(図面右端)が凹部PQ1′の底点Q1′に到達するように設計することにより、領域DD1と領域DD1′とが対応する。つまり、領域DD1を通過する入射光ILaは、全て領域DD1′より射出光ELaとして外部に射出される。一方、対称性により同様にして、領域DD2を通過する入射光ILbは、領域DD2′より射出光ELbとして外部に射出される。射出光ELaと射出光ELbとを合わせて射出光ELが形成され、変調光として光変調装置300より射出される。以上により、光変調装置100と同様の効果を得ることが可能となる。
At this time, if the refractive index difference between the
上記すべてにおいて、第1乃至第3実施形態における光変調装置100、200、300の構造は、幾何学的・光学的に対称なものとしているが、これに限らず、結果として光路差を生じることなく光の平行性を保つことが可能であれば、各マイクロプリズムアレイ4、5、204、205、304、305の形状・材質を異なるものとしても構わない。また、ガラス基板6、7、206、207、306、307の材質はガラスに限らず、必要とする屈折率等に応じて、例えば、プラスチック等としても良い。
In all of the above, the structures of the
また、プリズムである図2の円錐CN等の外形は、適宜変更することができる。例えば、当該形状が錐形状であれば、当該プリズムの底面の形は、円以外に、例えば、多角形や楕円といった形状であってもよい。 Further, the outer shape of the cone CN in FIG. 2 as a prism can be changed as appropriate. For example, if the shape is a cone shape, the shape of the bottom surface of the prism may be, for example, a polygon or an ellipse other than a circle.
〔第4実施形態〕
図6は、第4実施形態に係るプロジェクタを説明するための図である。本実施形態におけるプロジェクタ500は、照明装置410と、色分離光学系430と、光変調装置400と、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム470と、投射光学系である投射レンズ490とを備える。尚、本実施形態における光変調装置400は、第1乃至第3実施形態に示した光変調装置100、200、300のいずれかを複数用いたものであり、さらに後述する偏光子等をも含んでいる。
[Fourth Embodiment]
FIG. 6 is a diagram for explaining the projector according to the fourth embodiment. The
照明装置410は、光源光WLの発生し、光源光WLから均一な偏光光である照明光SLが形成される。
The
色分離光学系430は、ダイクロイックミラー31、32と、ミラー33、34、35と、リレーレンズ36、37と、フィールドレンズ38、39、40とを備える。ここで、ダイクロイックミラー31、32は、照明装置410によって形成された照明光SLを選択的に透過又は反射することによって所定波長帯域ごとに色分離し、各色の色光を形成する。特に、ダイクロイックミラー31は、赤色光RLを含む波長領域の成分を透過させる一方、その他の領域を反射する特性を有する。これにより、照明光SLから赤色光RLが分離される。また、ダイクロイックミラー32は、青色光BLを含む波長領域の成分を反射する一方、その他の領域を透過させる特性を有する。これにより、照明光SLの残りの成分から青色光BLが分離され、残りが緑色光GLとなる。ミラー33、34、35は、反射により各色光の光路を所定方向に変更する。リレーレンズ36、37は、各色光間の光路差、即ち照明装置410から各液晶ライトバルブ51r、51b、51gまでの光路の長さの相違のために必要となるビーム形状の補正を行う。フィールドレンズ38、39、40は、照明光の色分離によって得られる各色光の、後述する偏光子への入射角度を調整する。
The color separation
光変調装置400は、液晶ライトバルブ51r、51b、51gを備え、さらに、各液晶ライトバルブ51r、51b、51gは、それぞれ偏光子52r、52b、52gと、液晶パネル53r、53b、53gと、検光子54r、54b、54gとを備える。偏光子52r、52b、52gは、それぞれ光路上液晶パネルの入射側に位置し、各液晶パネル53r、53b、53gへの入射光の偏光方向をより狭い範囲に限定して偏光度を高めるための偏光板である。いずれの液晶パネル53r、53b、53gも、入射した各色光を、電気的信号として入力された駆動信号或いは画像信号に応じて画素単位でそれぞれ偏光状態について調整することにより、変調光を形成する。検光子54r、54b、54gは、各液晶パネル53r、53b、53gから射出された変調光から特定方向の偏光成分を選択するための偏光板である。
The
ここで、液晶パネル53g、53r、53bは、第1乃至第3実施形態で開示した光変調装置100、200、300のいずれかによって形成されている。液晶パネル53g、53r、53bに入射する各色光の波長帯域に応じて各マイクロプリズムアレイとガラス基板との屈折率差やそれぞれの形状、及び、マイクロプリズムアレイ間の距離を適切に設定することによって第1乃至第3実施形態で開示した所望の光変調装置400を形成することができる。
Here, the
クロスダイクロイックプリズム470は、各液晶パネル53r、53b、53gから射出された変調光に応じて得られる像光を結合し、合成光を形成するための色合成光学系である。
The cross
投射レンズ490は、形成された合成光を投射光として、不図示のスクリーン等へ投射するための投射光学系である。
The
以下、図6を用いて本画像形成部による画像形成の手順に従って、本画像形成部の機能を説明する。まず、照明装置410において形成された照明光SLは、色分離光学系430において、まず、第1のダイクロイックミラー31によって、赤色光RLを主成分として含む波長帯域が色分離される。次に、照明光SLの残りの成分については、第2のダイクロイックミラー32によって、青色光BLを主成分として含む波長帯域と緑色光GLを主成分として含む波長帯域とに色分離される。以上の各ダイクロイックミラーの機能により、照明光SLは、波長帯域ごとに赤色光RL、緑色光GL、青色光BLに分離される。赤色光RLは、ミラー33で反射され、さらに、フィールドレンズ38によって入射角度が調整され、光変調装置400の液晶ライトバルブ51rに導かれ、液晶ライトバルブ51rを照射する。青色光BLも同様に、ダイクロイックミラー32での反射により抽出された後、フィールドレンズ39によって入射角度が調整され、光変調装置400の液晶ライトバルブ51bに導かれ、液晶ライトバルブ51bを照射する。緑色光GLは、ダイクロイックミラー32での透過により抽出された後、ミラー34及び35で反射され、さらに、フィールドレンズ40によって入射角度が調整され、光変調装置400の液晶ライトバルブ51gに導かれ、液晶ライトバルブ51gを照射する。尚、色分離光学系430内において、緑色光GLの光路が、物理的に他の光の光路より長くなっている。よってビーム形状の補正が必要となり、かかる補正のためにリレーレンズ36、37等が緑色光GLの光路中に設けられている。
Hereinafter, the function of the main image forming unit will be described with reference to FIG. First, in the color separation
次に、光変調装置400において、各液晶ライトバルブ51r、51b、51gをそれぞれ照射した各色の色光RL、BL、GLは、まず、各液晶ライトバルブ51r、51b、51g内の偏光子52r、52b、52gにより、各液晶パネル53r、53b、53gへの入射光の偏光方向がより狭い範囲に限定され、偏光度が高められる。偏光度が高められた各色光のうち、赤色光RLと青色光BLと緑色光GLとは、それぞれ液晶パネル53r、53b、53gに入射する。各液晶パネル53r、53b、53gによって変調された各色光RL、BL、GLは、さらに検光子54r、54b、54gによって特定方向の偏光成分が選択される。以上により、各液晶ライトバルブ51r、51b、51gによって各色光RL、BL、GLの像光が形成される。
Next, in the
光変調装置400で形成された像光は、クロスダイクロイックプリズム470で互いに結合する。これにより形成された合成光は、投射レンズ490から投射光としてスクリーン等に投影され、当該スクリーン上に所望の拡大率のカラー合成画像が表示される。
The image lights formed by the
光変調装置400において、第1乃至第3実施形態で開示した光変調装置のいずれかを用いることにより、本実施形態におけるプロジェクタ500は、光の利用効率が良く、径の大きな投射レンズを使わなくてすむことでコンパクトなものとなる。
By using any of the light modulation devices disclosed in the first to third embodiments in the
〔第5実施形態〕
図7は、第5実施形態における光変調装置を説明するための断面図である。第1乃至第3実施形態における光変調装置はいずれも光透過型の光変調装置であり、これを用いる第4実施形態のプロジェクタも従って透過型のものである。これに対し、図示の本実施形態における光変調装置600は光反射型であり、反射型のプロジェクタに用いることが可能である。
[Fifth Embodiment]
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining the light modulation device according to the fifth embodiment. The light modulation devices in the first to third embodiments are all light transmission type light modulation devices, and the projector of the fourth embodiment using the light modulation device is also of a transmission type. On the other hand, the illustrated
光変調装置600は、入射射出基板601と、反射基板602と、表示層603と、マイクロプリズムアレイ604と、ガラス基板606とを備える。尚、構成要素について、特に詳しく説明しない点に関しては、第1実施形態等における同名のものと同等であるとする。
The
入射射出基板601と反射基板602とはともに、ガラスで形成されており、一対の基板として対向して配置され、表示層603を挟持している。表示層603は、第1実施形態における表示層3と同様所謂液晶パネルとしての機能の要部である。表示層603は、液晶分子を含み、複数の画素を構成する液晶画素608と、液晶画素608の画素間を仕切る遮光部609とを備える。基板601、602の対抗する面に電極が形成されている。入射射出基板601側には透明電極が施される一方、反射基板602側には反射電極が施されている。これにより、表示層603に所定電圧が印加され、液晶画素608内の液晶分子が制御される。この際、反射基板602側の反射電極により光が反射されるので、光反射型のパネルとしての役割を果たす。ここで、各液晶画素608を仕切る遮光部609は、画素の周囲の光を遮断する部分となっている。
Both the
マイクロプリズムアレイ604は、第1実施形態のプリズム状部材4aと同様、直円錐を含むプリズム状部材604aを各液晶画素608に対応して2次元配列させたものからなり、それぞれ入射射出基板601上に形成されている。
Similar to the prism-
ガラス基板606は、光変調装置600における光の入射・射出面を形成するとともに、マイクロプリズムアレイ604の凹凸を反転させた形状を有し、マイクロプリズムアレイ604に密着している。形成過程は、第1実施形態と同様である。
The
以下、本実施形態における光変調装置600による変調光の形成について各液晶画素608ごとにおける光路を辿ることにより説明する。そのために、まず、光路及び光路上に存在する要素等を次のように定義する。
Hereinafter, the formation of modulated light by the
図7において、光変調装置600に対する入射光のうち、マイクロプリズムアレイ604内の1つのプリズム状部材604bにおける円錐CN2の側面SFを通過するものを入射光ILとする。入射光ILのうち、側面SFにおいて、円錐CN2の頂点S2より図面右側の領域E1を通過するものを入射光ILa(図中実線)、図面左側の領域E2を通過するものを入射光ILb(図中破線)とする。尚、ここで入射光ILは、入射時において平行光であり、光変調装置600に垂直入射するものとする。液晶画素608のうち、円錐CN2に対応するものを注目画素608aとする。
In FIG. 7, incident light that enters the
入射光ILのうち、入射光ILaは、領域E1において進行方向に対し右側に折り曲げられる。屈折後、入射光ILaは、プリズム状部材604bから入射射出基板601を介して注目画素8aを透過し、反射基板602によって反射され、領域E2において進行方向に対し右側に折り曲げられ、射出光ELaとなる。
Of the incident light IL, the incident light ILa is bent to the right in the traveling direction in the region E1. After the refraction, the incident light ILa is transmitted from the prism-
この際、マイクロプリズムアレイ604とガラス基板606との屈折率差やそれぞれの形状、及び、マイクロプリズムアレイ604と表示層603との距離を適切に設定しておくことにより、仮に屈折せず直進した場合には遮光部609によって遮られてしまう周辺光を注目画素608a内に透過させるとともに、中央光が注目画素608a外へはみ出してしまうことのないようにすることができる。さらに、入射光ILaの最外光(図面右端)が射出光ELaとして領域E2から射出される際、円錐CN2の頂点S2に到達するように設計することにより、領域E1と領域E2とが対応する。つまり、領域E1から入射する入射光ILaは、全て領域E2より射出光ELaとして外部に射出される。逆に、対称性により、領域E2を通過する入射光ILbは、領域E1より射出光ELbとして外部に射出される。射出光ELaと射出光ELbとを合わせて射出光ELが形成され、変調光として光変調装置600より射出される。以上により、第1実施形態における各光変調装置と同様の効果を有する光反射型の光変調装置を得ることが可能となる。
At this time, the refractive index difference between the
尚、図7について、さらに、各プリズムが、図4において説明した台形状であっても良い。また、図7は、マイクロプリズムアレイとガラス基板との屈折率に関しては、マイクロプリズムアレイの屈折率がガラス基板の屈折率より大きいものについての説明であるが、第3実施形態における図5と同様にして、ガラス基板の屈折率がマイクロプリズムアレイの屈折率より大きいものについて考察することも可能である。 In FIG. 7, each prism may have the trapezoidal shape described in FIG. 4. FIG. 7 is an explanation of the refractive index of the microprism array and the glass substrate, in which the refractive index of the microprism array is larger than the refractive index of the glass substrate, but is the same as FIG. 5 in the third embodiment. Thus, it is possible to consider the case where the refractive index of the glass substrate is larger than the refractive index of the microprism array.
100、200、300、400、600…光変調装置、 1…入射基板、 2…射出基板、 3…表示層、 4、5…マイクロプリズムアレイ、 6、7…ガラス基板、 8…液晶画素、 9…ブラックマトリックス部9、 4a、4b、5a、5b…プリズム状部材、 CN、CN1、CN1′…円錐、 BS…底面、 S、S1、S1′…頂点、 8a…注目画素、 IL、ILa、ILb…入射光、 EL、ELa、ELb…反射光
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記一対の基板間に挟持された液晶と、
前記一対の基板にそれぞれ形成された前記電極と、前記一対の電極間に挟持された前記液晶とを含んで構成される複数の画素と、
前記複数の画素のそれぞれの周囲を遮光する遮光部と、
を備える光変調装置であって、
前記一対の基板は、少なくとも一方が前記複数の画素に対応して設けられた複数のプリズムからなるプリズムアレイを有し、
前記プリズムは、当該基板面に平行な底面と、直線によって構成される側面とを有し、前記プリズムの当該基板面に平行な断面の大きさは、前記底面から離れるに従って小さくなることを特徴とする光変調装置。 A pair of substrates each having an electrode formed thereon;
A liquid crystal sandwiched between the pair of substrates;
A plurality of pixels configured to include the electrodes respectively formed on the pair of substrates and the liquid crystal sandwiched between the pair of electrodes;
A light shielding portion that shields the periphery of each of the plurality of pixels;
A light modulation device comprising:
The pair of substrates includes a prism array including a plurality of prisms, at least one of which is provided corresponding to the plurality of pixels.
The prism has a bottom surface parallel to the substrate surface and a side surface constituted by a straight line, and a size of a cross section of the prism parallel to the substrate surface decreases as the distance from the bottom surface increases. Light modulation device.
前記照明光を所定波長ごとに色分離する色分離光学系と、
請求項1から請求項8のいずれか一項記載の複数の光変調装置と、
前記複数の光変調装置で形成された前記各色光それぞれの像光を合成する色合成光学系と、
前記色合成光学系で合成された像光を投射する投射光学系と、
を備えるプロジェクタ。
An illumination device that emits illumination light;
A color separation optical system that separates the illumination light for each predetermined wavelength; and
A plurality of light modulation devices according to any one of claims 1 to 8,
A color synthesizing optical system that synthesizes the image light of each of the color lights formed by the plurality of light modulation devices;
A projection optical system for projecting image light synthesized by the color synthesis optical system;
A projector comprising:
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