JP2007171256A - 合成光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの上昇及び画像の劣化が防止され、且つ信頼性（耐久性）も確保された合成光学装置を提供する。
【解決手段】反射型光変調素子３及び９と、反射型偏光板５及び１４と、不要偏光除去用偏光板７及び１２と、クロスダイクロイックプリズム１６と、投射レンズ１８とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像をスクリーン等に拡大投射するための画像表示装置に用いられる合成光学装置に関する。

合成光学装置は、画像を拡大投射するにあたって赤、緑、青の３原色光を合成するものであり、その一例としては、３個の反射型光変調素子と、ＰＢＳプリズムもしくは反射型偏光板とを有するものが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

図７は、上記の画像表示装置１００の構成図である。以下、本図を参照しつつ、その動作について説明する。

ランプならびに放物面鏡といった凹面鏡から構成される光源１００から発せられた略平行光束の光源光（白色光）１ａは、コールドミラー６５を経て水平方向に所定の角度、例えば略９０°方向転換され、偏光変換部６０に入射し、これにより偏光変換される。

なお、上記の偏光変換部６０は、複数のフライアイレンズ６１ａを有する第１のレンズ板６１と、複数のフライアイレンズ６２ａを有する第２のレンズ板６２とからなるフライアイインテグレータと、偏光ビームスプリッタをアレイ状に配置したＰＢＳ（Polarization Beam Splitter：偏光ビームスプリッタ）アレイ６３と、１／２波長位相板６４とから構成される。

偏光変換部６０により偏光変換された光は、コンデンサーレンズ５９を経て、Ｂ（青色）光を反射するダイクロイックミラー５７と、Ｒ（赤色）光とＧ（緑色）光を反射するダイクロイックミラー５８とが互いに直交するようにＸ型に配置されたクロスダイクロイックミラーに入射され、これらにより、入射光軸に直交し、互いに反対方向に進行するＢ光（図中右方へ進行）と、Ｒ光及びＧ光（図中左方へ進行）とに色分解される。

なお、偏光変換６０から出射した光の大部分はＳ偏光であるが、若干のＰ偏光が混在している。

ダイクロイックミラー５７により色分解されたＢ光は、ミラー５５により反射され、フィールドレンズ５３Ｂを経てプリポララリザー４１を透過し、ＰＢＳ用金属偏光板４５に入射される。

一方、ダイクロイックミラー５８により色分解されたＧ光及びＲ光は、ミラー５６により反射され、Ｇ光を反射するダイクロイックミラー５４に入射し、これにより、Ｇ光（図中右方へ進行）と、透過するＲ光（図中上方へ進行）とに色分解され、それぞれがフィールドレンズ５３Ｇ、５３Ｒ、プリポラライザー４２、４０を経て、ＰＢＳ用金属偏光板４３、４４のそれぞれに入射される。

なお、上記のプリポラライザ４０、４１、４２は、金属偏光板により構成され、ＰＢＳ用金属偏光板４３、４４、４５に前置されて透過光の偏光度を向上させるものである。

また、ポストポラライザ４６、４７、４８は、金属偏光板により構成され、ＰＢＳ用金属偏光板４３、４４、４５に後置され、反射型光変調素子８３、８４、８５で変調されず、さらにＰＢＳ用金属偏光板４３、４４、４５で透過されずに反射してしまった光（金属偏光板に対するＰ偏光）を阻止し、コントラストをより向上させるために用いられるものである。

反射型光変調素子８３、８４、８５でそれぞれ変調されたＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、それぞれポストポラライザー４７、４６、４５を介してクロスダイクロイックプリズム８１で合成され、投射レンズ８２方向に出射される。
特開２００４−２８６７６７号広報

しかしながら、上記の画像表示においては、以下に示すような解決すべき課題が存在する。

上記の反射型光変調素子８３、８４、８５は、画素電極基板と、透明電極基板と、これらの間に封入され、特定方向に配向処理がなされた液晶とからなる。このため、特定方向にある種の光学的な癖が存在する。この一例としては、ディスクリネーションという現象が挙げられる。これは、表示画像のエッジにおいて、ＯＮの画素とＯＦＦの画素との間で横方向電界し、これにより表示画像において特定方向にエッジが滲む現象である。

また、上記に示したように、３原色に対応して３個の反射型液晶素子を用いる場合、滲みが生じる方向がスクリーン上で異なると、表示画像のエッジに色の滲みが生じ、画像を劣化させてしまう。

また、クロスダイクロイックプリズム８１による色合成においては、Ｂ光とＲ光は１回反射してからスクリーンに投影されるが、Ｇ光は反射せずにスクリーンに投影される。また、反射型光変調素子８３、８４、８５からクロスダイクロイックプリズム８１までの各経路でＰＢＳ用金属偏光板４３、４４、４５により１回反射されるため、Ｂ光及びＲ光は合計２回（偶数回）反射され、Ｇ光は１回のみ反射されることとなる。つまり、Ｂ光及びＲ光の反射回数と、Ｇ光の反射回数とが異なり、奇数と偶数になっている。このように反射回数が奇数と偶数になっている場合、これらの画像同士はスクリーン上で反転してしまい、一致しないこととなる。

図９は、上記の反転現象を模式的に示す図であり、図の右側の●印が画像の不一致を表している。なお、画像は信号処理で反転させることは可能であるが、スクリーン上での配向方向までは反転させることができないため、エッジの滲みの方向が逆となり、画像が劣化してしまう。

特に、上記のクロスダイクロイックプリズム８１を用いた場合、液晶素子上の画像の方向がスクリーン上で反転した関係となるために、エッジに色の滲みが生じ、画像が劣化してしまう。また、上記の癖の方向が逆となるために、色シェーディング等が発生してしまう。

上記の問題を解決する方法としては、反射型光変調素子を２種類用意し、これによりスクリーン上での方向を一致させる方法が挙げられる。しかし、２種類の反射型光変調素子を用意することは生産コスト等の上昇を招いてしまう。

一方、色合成を行うにあたってクロスダイクロイックプリズム８１に代えてフィリップタイプのプリズムを用いた場合、反射回数がＧ光では０回、Ｒ光が２回（偶数回）、Ｂ光が２回となり、スクリーン上での位置を一致させることができるが、このフィリップタイプのプリズムは、プロジェクタに用いるには大型であり、コストも高く、装置自体の構造も複雑化するために実用的ではない。

また、図８に示すように、Ｇ光用の反射型光変調素子８４の背面近傍をＢ光が通過するために、この反射型光変調素子８４の背面には空間的な余裕がほとんど存在しない。変調素子の背面には、空冷用のヒートシンクを設ける必要があるが、上記の点からヒートシンクを設置する空間を確保することができない。このため、反射型変調素子８４を十分に冷却できず、信頼性（耐久性）を確保することが困難となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、コストの上昇及び画像の劣化が防止され、且つ信頼性（耐久性）も確保された合成光学装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、互いに対向する一方及び他方の面を有しており、一方の面から入射する第１波長帯域の入射光のうちＰ偏光光を透過して他方の面から出射するとともに、他方の面へ入射するＳ偏光光を一方の面側とは異なる方向へ反射する第１反射型偏光板と、前記第１反射型偏光板の他方の面から出射するＰ偏光光を入射してこのＰ偏光光を画像信号で光変調して得た光変調光として他方の面側へ反射出力する第１反射型空間光変調素子と、前記第１反射型空間光変調素子から反射出力する光変調光を前記第１反射型偏光板の他方の面で反射したＳ偏光光変調光を入射する一方の入射面を有するプリズムと、互いに対向する一方及び他方の面を有しており、前記第１波長帯域とは異なる波長帯域である第２波長帯域の入射光のうちＳ偏光光をー方の面で反射するとともにこの一方の面から入射するＰ偏光光を前記プリズムの他方の面へ出射する第２反射型偏光板と、前記第２反射型偏光板の一方の面から反射するＳ偏光光を入射してこのＳ偏光光を画像信号で光変調して得た光変調光として一方の面側へ反射出力する第２反射型空間光変調素子と、を備え、前記プリズムにて、前記第１反射型空間光変調素子側から出射するＳ偏光光変調光と前記第２反射型空間光変調素子側から出射するＰ偏光光変調光とを合成出力することを要旨とする。

請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記第１及び第２の反射型空間光変調素子側から前記プリズムに出射するまでの間に光が反射される回数は、奇数の組合せ、又は反射しないか偶数の組合せであることを要旨とする。

本発明によれば、コストの上昇及び画像の劣化を防止し、且つ信頼性（耐久性）も確保された合成光学装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る合成光学装置１ａの構成図である。

この合成光学装置１ａは、互いに異なる波長帯域を有する第１成分光と第２成分光とを合成するためのものであり、反射型光変調素子３及び９と、反射型偏光板５及び１４と、不要偏光除去用偏光板７及び１２と、ダイクロイックプリズム８０と、投射レンズ１８とからなる。

まず、第１成分光の経路においては、反射型偏光板５をＰ偏光成分のみが透過し、反射型光変調素子３に入射する。

第１成分光は、変調を受けた後、反射型偏光板５に反射され、不要偏光除去用偏光板７により不要な偏光光が除去され、ダイクロイックプリズム８０に入射する。

このダイクロイックプリズム８０の斜面部には、第１成分光を反射し、第２成分光を透過させるための多層膜が蒸着形成されている。

一方、第２成分光の経路においては、不要偏光除去偏光板１２により不要な偏光光が除去され、Ｓ偏光成分のみが反射型偏光板１４により反射され、反射型光変調素子９に入射する。

第２成分光は、変調を受けた後、反射型偏光板１４に反射され、不要偏光除去用偏光板ダイクロイックプリズム８０に入射する。

ダイクロイックプリズム８０においては、第１成分光が斜面部により反射され、外部に出射され、一方、第２成分光は斜面部を透過し、外部に出射される。これにより第１の成分光と第２の成分光とが合成される。

上記のダイクロイックプリズム８０により合成された光は投射レンズ１８によりスクリーン等に拡大投影される。

なお、反射型光変調素子３及び９により変調された後の反射回数は、第１成分光で２回（偶数回）、第２成分光で０回であり、奇数と偶数とにわかれておらず、２種類の成分光は●印で示したように、スクリーン上で一致する。

したがって、この合成光学装置１ａを画像表示装置に用いれば、表示画像の明部と暗部のエッジで色が滲むといった画像の劣化を防止でき、高品質な画像を得ることができる。この基本的な構成は、波長帯域の異なる光を合成する場合のみならず、偏光成分の異なる光を合成する場合にも適用可能である。

また、図示するようにＧ光用の反射型光変調素子９をダイクロイックプリズム８０と正対するように配置しているため、反射型光変調素子９の背面にヒートシンクを設置する空間を確保することができる。このため、反射型変調素子９を十分に冷却することができる。

なお、単一の光源から発せられた光を第１成分光と第２成分光とに分離させる場合には、予め光をＰ偏光光に変換した後、第２成分光のみを１／２波長板によりＳ偏光光に変換するよるようにする。また、この逆を行ってもよい。

図２は、本発明の実施例２に係る画像表示装置２０ｂの構成図であり、図３は、図２の合成光学装置１ｂの詳細を示す図である。

この画像表示装置２０ｂは、３原色光を合成し、その画像を拡大投影するためのものであり、光源５０と、偏光変換部７８と、コンデンサレンズ７９と、ミラー３４及び３６と、フィールドレンズ２８、２９及び３０と、ダイクロイックミラー３２、３８及び４０と、補正レンズ３０と、合成光学装置１ｂとからなる。

また、合成光学装置１ｂは、反射型光変調素子３、９及び２６と、反射型偏光板５、１４及び２４と、不要偏光除去用偏光板７、１２及び２２と、クロスダイクロイックプリズム１６と、投射レンズ１８とからなる。

以下、合成光学装置１ｂの動作について説明する。

ランプならびに放物面鏡といった凹面鏡から構成される光源５０から発せられた略平行光束の光源光（白色光）は、偏光変換部７８に入射し、これにより偏光変換される。

なお、上記の偏光変換部７８は、複数のフライアイレンズを有する第１のレンズ板７５と、複数のフライアイレンズを有する第２のレンズ板７６とからなるフライアイインテグレータと、偏光ビームスプリッタをアレイ状に配置したＰＢＳ（Polarization Beam Splitter：偏光ビームスプリッタ）アレイ７７とから構成される。

偏光変換部７８により偏光変換された光は、コンデンサーレンズ７９を経て、Ｂ（青色）光を反射するダイクロイックミラー３８と、Ｒ（赤色）光とＧ（緑色）光を反射するダイクロイックミラー４０とが互いに直交するようにＸ型に配置されたクロスダイクロイックミラーに入射され、これらにより、入射光軸に直交し、互いに反対方向に進行するＢ光（図中下方へ進行）と、Ｒ光及びＧ光（図中上方へ進行）とに色分解される。

ダイクロイックミラー３８により色分解されたＢ光は、ミラー３６により反射され、フィールドレンズ３０を経て、反射型偏光板２４に入射される。

一方、ダイクロイックミラー４０により色分解されたＧ光及びＲ光は、ミラー３４により反射され、Ｇ光を反射するダイクロイックミラー３２に入射し、これにより、Ｇ光（図中下方へ進行）と、透過するＲ光（図中右方へ進行）とに色分解され、それぞれがフィールドレンズ２９、２８を経て、ＰＢＳ用金属偏光板１４、１５のそれぞれに入射される。

なお、この際、不要偏光除去用偏光板７、１２、２２により不要な偏光成分が除去される。

反射型光変調素子３、９、２６により変調されたＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、クロスダイクロイックプリズム８１で合成され、投射レンズ３２方向に出射される。

上記の従来技術では、●印で示した成分光がスクリーン上で一致していなかったが、本実施例においては、図３に示すように、３原色光が一致している。

本実施例では、上記のように、Ｒ光及びＢ光については、反射型偏光板５もしくは２４に反射された光を合成対象とするのに対し、Ｇ光のついてのみ、反射型偏光板１４を透過した光を合成対象とする。

反射型光変調素子３、９及び２６から投射レンズ１８までの経路における光の反射回数は、Ｒ光及びＢ光が２回（偶数回）、Ｇ光が０回となっており、いずれも偶数か零である。このため、画像方向がスクリーン上で一致することとなり、エッジの滲みといった画像劣化が生じることを防止できる。

なお、反射型光変調素子９から投射レンズ１８までの経路は、画像を含む結像経路であり、傾斜配置されている反射型偏光板１４を通過するため、非点収差が発生し、スクリーンに投影される画像の解像度が著しく低下する場合がある。このため、本実施例においては、補正レンズ３３を設け、これによりＧ光の解像度を補正している。このため、高い解像度を得ることができる。

また、反射型偏光板５、１４、２４は、ガラス製の基板上に金属の一方格子を形成させたものであり、これにおけるコントラストを向上させるには、その光の出射側、つまりクロスダイクロイックプリズム１６の前に上記の不要偏光除去用偏光板７、１２及び２２を設ければよい。

なお、図２及び図３においては、不要偏光除去用偏光板７、１２及び２２と、ダイクロイックプリズム１６とが離隔配置されている場合を示したが、これに限定されず、両者を密着させ、ダイクロイックプリズム１６に熱を効率よく逃がす構成としてもよい。

また、不要偏光除去用偏光板は、光が透過する際に使用する方が良好なコントラストを得ることができるため、Ｇ光用の不要偏光除去用偏光板１２を廃した構成とすることもできる。

また、投影する光束の偏光方向を一致させるために、Ｇ光用の不要偏光除去用偏光板１２の前または後ろに１／２波長板を設け、ＲＧＢ３色の偏光方向を一致させる構成とすることもできる。

例えば、偏光方向が色ごとで異なり、さらにスクリーンの偏光特性んも異なる場合、色シェーディング（色ムラ）が生じることがあり、リアプロジェクタ用のスクリーンは、光の入射角度が急であるために、その問題が顕著となる。

しかしながら、上記のように偏光方向を一致させることにより色ムラのない画像を実現できる。

図４は、本発明の実施例３に係る合成光学装置１ｃを有する画像表示装置２０ｃの構成図である。この画像表示装置２０ｃは、上記の画像表示装置２０ｂに変更を加えたものであり、この装置２０ｂにおいては、Ｒ光及びＢ光については反射型偏光板５もしくは２４を反射した光を合成対象とし、Ｇ光については反射型偏光板１４を透過した光を合成対象とする場合を示したが、本実施例の画像表示装置２０ｃにおいては、Ｒ光およびＢ光については反射型偏光板５もしくは２４を透過した光を合成対象とし、Ｇ光については反射型偏光板１４を反射した光を合成対象とする。

したがって、反射回数はＲ光、Ｇ光、Ｂ光の全てが１回（奇数回）となり、画像劣化が生じることを防止できる。

前記のようにＲ光及びＢ光については、反射型偏光板５もしくは２４を透過した光を合成対象とするため、これらに上記の非点収差が発生する場合がある。このため、本実施例においては、Ｒ光の解像度を収差による変動を見越して予め補正する補正レンズ６０と、Ｂ光の解像度を収差による変動を見越して予め補正する補正レンズ６２を設けている。

なお、Ｇ光については反射型偏光板１４を反射した光を合成対象とするため、図２及び図３に示した補正レンズ３３は必要としない。

図５は、本発明の実施例４に係る合成光学装置１ｄを有する画像表示装置２０ｄの構成図である。この画像表示装置２０ｄは、上記の画像表示装置２０ｂ及び２０ｃに変更を加えたものであり、ＲＧＢの各光を偏光させる偏光手段として、上記の反射型偏光板５、１４及び２４に代えて、ＰＢＳプリズム７０、７２及び７４を設けた場合を示している。

図示するように、Ｒ光と、Ｂ光については、プリズムにより反射された光が合成対象となり、Ｇ光については、透過した光が合成対象となる。

したがって、反射回数はＲ光及びＢ光が２回（偶数回）、Ｇ光が０回となり、画像劣化が生じることを防止できる。

なお、ＰＢＳプリズム７０、７２及び７４には、非点収差が生じないため、上記の補正レンズ３３、６０及び６２は必要とせずに高い解像度を得ることもできる。

また、上記の不要偏光除去用偏光板７及び２２に加えて、ＰＢＳプリズム７２の光の出射側には不要偏光除去用偏光板６８が新たに設けられており、これによりコントラストを向上させることができる。

また、図示するような配置をとることにより反射型光変調素子９の背面にヒートシンクの設置に必要な空間を確保でき、信頼性（耐久性）を向上できる。

図６は、本発明の実施例５に係る合成光学装置１ｅを有する画像表示装置２０eの構成図である。この画像表示装置２０ｅは、上記の画像表示装置２０ｄに変更を加えたものであり、図示するように、Ｒ光と、Ｂ光については、プリズムを透過した光が合成対象となり、Ｇ光については、反射した光が合成対象となる。

したがって、反射回数はＲ光、Ｇ光、Ｂ光の全てが１回（奇数回）となり、画像劣化が生じることを防止できる。

このような構成を有する合成光学装置１ｅは、上記の合成光学装置１ｄと同様に、コントラストと信頼性（耐久性）を向上できる。

なお、上記の合成光学装置１ａから１ｅに加えて、これを有する上記の画像表示２０ａから２０ｅも本発明の範囲に含まれる。

以上のとおり本発明においては、反射型光変調素子から投射レンズまでの経路における光の反射回数を「零または偶数」、「全て奇数」とすることにより、投影される画像の方向を一致させるため、高品質な画像を得られる。

また、反射型光変調素子も同一種類のものを複数個用意すればよういので、コストの上昇を抑制できる。

また、反射型光変調素子の背面に冷却のためのヒートシンクを設置するための十分な空間を確保できるため、信頼性（耐久性）も向上できる。

本発明の実施例１に係る合成光学装置の構成図である。 本発明の実施例２に係る画像表示装置の構成図である。 図２の合成光学装置の詳細を示す図である。 本発明の実施例３に係る画像表示装置の構成図である。 本発明の実施例４に係る画像表示装置の構成図である。 本発明の実施例５に係る画像表示装置の構成図である。 従来の画像表示装置の構成図である。 従来の合成光学装置の問題点を説明するための図である。 従来の画像表示装置の問題点を説明するための図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ 合成光学装置
３、９、２６ 反射型光変調素子
５、１４、２４ 反射型偏光板
７、１２、２２、６８ 不要偏光除去用偏光板
１６ クロスダイクロイックプリズム
１８ 投射レンズ
２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ 画像表示装置
２８、２９、３０ フィールドレンズ
３２、３８、４０ ダイクロイックミラー
３３、６０、６２ 補正レンズ
３４、３６ ミラー
５０ 光源
７０、７２、７４ ＰＢＳプリズム
７５、７６ レンズ板
７７ ＰＢＳアレイ
７８ 偏光変換部
７９ コンデンサレンズ
８０ ダイクロイックプリズム

Claims (2)

1. 互いに対向する一方及び他方の面を有しており、一方の面から入射する第１波長帯域の入射光のうちＰ偏光光を透過して他方の面から出射するとともに、他方の面へ入射するＳ偏光光を一方の面側とは異なる方向へ反射する第１反射型偏光板と、
   前記第１反射型偏光板の他方の面から出射するＰ偏光光を入射してこのＰ偏光光を画像信号で光変調して得た光変調光として他方の面側へ反射出力する第１反射型空間光変調素子と、
   前記第１反射型空間光変調素子から反射出力する光変調光を前記第１反射型偏光板の他方の面で反射したＳ偏光光変調光を入射する一方の入射面を有するプリズムと、
   互いに対向する一方及び他方の面を有しており、前記第１波長帯域とは異なる波長帯域である第２波長帯域の入射光のうちＳ偏光光をー方の面で反射するとともにこの一方の面から入射するＰ偏光光を前記プリズムの他方の面へ出射する第２反射型偏光板と、
   前記第２反射型偏光板の一方の面から反射するＳ偏光光を入射してこのＳ偏光光を画像信号で光変調して得た光変調光として一方の面側へ反射出力する第２反射型空間光変調素子と、
   を備え、
   前記プリズムにて、前記第１反射型空間光変調素子側から出射するＳ偏光光変調光と前記第２反射型空間光変調素子側から出射するＰ偏光光変調光とを合成出力することを特徴とする合成光学装置。
2. 前記第１及び第２の反射型空間光変調素子側から前記プリズムに出射するまでの間に光が反射される回数は、奇数の組合せ、又は反射しないか偶数の組合せであることを特徴とする請求項１記載の合成光学装置。
   

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