JP2007232811A - Projection type display device and rear projection type display device using same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源からの光を3原色光に分離して各原色光に対応する映像信号の振幅により光の光強度を変調する手段を有する画素をマトリックス状に配置した映像表示素子に照射し、前記各原色光の強度を前記映像表示素子により映像信号に合せて変調した後、クロスプリズムで合成することで得られる画像をスクリーン上に拡大投射する投射型表示装置に関する。 The present invention irradiates a video display element in which pixels having means for separating light from a light source into three primary color lights and modulating the light intensity of the light according to the amplitude of the video signal corresponding to each primary color light are arranged in a matrix. The present invention relates to a projection display device that modulates the intensity of each primary color light in accordance with a video signal by the video display element, and then enlarges and projects an image obtained by combining with a cross prism on a screen.
下記特許文献1には、照明光を出射する光源およびこの光源からの出射光の照度分布を均一化する照度均一化手段を有する照明光学系と、この照明光学系から出射された照明光を複数色の照明光に分離する色分離光学系と、この色分離光学系によって分離された複数色の照明光をそれぞれ変調する複数の電気光学変調装置と、これら各電気光学変調装置から出射された変調光を合成する色合成光学系と、この色合成光学系から出射された合成光を表示画像として投写する投写光学系と、色分離光学系によって分離された複数色の照明光のうち少なくとも1色の照明光の経路内に位置するリレー光学系とを備えたプロジェクタの構成が開示されている。
In
下記特許文献2には、光源と、光源が発する光束が入射され、この光束を、第1の原色光と、第2及び第3の原色光とに、互いに180゜の分離角を有して分離させるクロスダイクロイックミラーと、クロスダイクロイックミラーを経た第1の原色光を90゜偏向させる第1のミラーと、第1のミラーにより偏向された第1の原色光を90゜偏向させ、第1の映像表示パネルを透過させて色合成プリズムの第1の入射面に入射させる第2のミラーと、クロスダイクロイックミラーを経た第2及び第3の原色光を90゜偏向させる第3のミラーと、第3のミラーにより偏向された第2及び第3の原色光を、第2の原色光と第3の原色光とに分離させ、第2の原色光を直進させるとともに、第3の原色光を90゜偏向させるダイクロイックミラーと、ダイクロイックミラーを経た第2の原色光を90゜偏向させ、第2の映像表示パネルを透過させて色合成プリズムの第1の入射面に対向する第2の入射面に入射させる第4のミラーと、ダイクロイックミラーにより偏向された第3の原色光を90゜偏向させ、第3の映像表示パネルを透過させて色合成プリズムの第1及び第2の入射面に対して垂直である第3の入射面に入射させる第5のミラーとを備え、色合成プリズムは、各映像表示パネルを透過した各原色光を合成して投影レンズに入射させ、各原色光の光源より対応する各映像表示パネルまでの光路長は、互いに略々等しくなされているプロジェクタ装置の構成が開示されている。
In
特許文献1では、B光用の液晶パネルまでの光路長は、R及びG光用の液晶パネルの光路長に対して長い。そこで、B光は、液晶パネルまでの途中にパネルの有効寸法に等しい大きさの像を一旦結像させ、この空間像をリレー系レンズで反転させて、再度液晶パネル上で結像させている。このため、B光は、液晶パネルの有効寸法に等しい大きさの像を直接結像するR及びG光に対して、B光用の液晶パネルでは像の向きが逆になり、スクリーン上で、輝度むらや色むらが発生するという問題がある。
In
また、特許文献1では、液晶パネル上での光量分布を均一とするため、光源からの光を第1のレンズアレイにより分割して、得られた複数の分割光を第2のレンズアレイと重畳レンズにより液晶パネル上に重ね合わせている。しかし、液晶パネル上に重ね合わせて拡大投射するためには、第1のレンズアレイ,第2のレンズアレイに高い形状精度と位置精度が要求され、高コスト化という問題がある。また、液晶パネルの入射側と出射側に偏光板が必要となる場合には、照明光学ユニットの高コスト化という問題がある。
Also, in
特許文献2では、第1及び第2のミラーと、第3及び第4のミラーとが、クロスダイクロイックミラーに対して対称な位置に配置され、さらに、第4のミラーと第5のミラーとがダイクロイックミラーに対して対称な位置に配置されることにより、光源から各原色光に対応する映像表示パネルまでの光学距離を等しくして、原理的に色むらを押さえている。しかし、色分離に用いるクロスダイクロイックミラーが映像表示パネルから離れた位置に配置されているため、クロスダイクロイックミラーの角度変化に対する映像表示パネル上の像位置変化の感度が高くなり、高精度な保持方法が必要となるという課題がある。また、クロスダイクロイックミラーの交点では、X状(クロス状)に組み合せるダイクロイックミラーに所定の厚みがあるため、クロスした領域で色分離できず、所望の特性が得られないという課題もある。特許文献1と同様に、特許文献2のプロジェクタ装置においても、レンズアレイ等の照明光学ユニットには高い形状精度と位置精度が要求され、高コスト化という問題がある。さらに、映像表示パネルの入射側と出射側に偏光板が必要となる場合には、照明光学ユニットの高コスト化という問題がある。
In
本発明は、上記した課題に鑑みてなされたもので、その目的は、色分離部としてクロスダイクロイックミラーを用いることなく、原理的に色むら、輝度むらが発生せず、レンズアレイを使用しないことで、製造が容易な投射型表示装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and its purpose is not to use a cross dichroic mirror as a color separation unit, and in principle, color unevenness and brightness unevenness do not occur, and a lens array is not used. Then, it is providing the projection type display apparatus with easy manufacture.
本発明の一面は、第1のレンズ素子を通過した光を所望の偏光方向に揃える偏光変換部を設け、光源からの光を第1の原色光と、第2及び第3の原色光とに分離する第1の色分離部と、第2及び第3の原色光を分離する第2の色分離部を有し、第1のレンズ素子から各原色光に対応して配置された映像表示素子までの光学距離を等しく設計し、偏光変換部と第1の色分離部との間に偏光板を配置する。 In one aspect of the present invention, a polarization conversion unit that aligns light having passed through the first lens element in a desired polarization direction is provided, and light from the light source is converted into first primary color light and second and third primary color light. An image display element having a first color separation unit for separating and a second color separation unit for separating the second and third primary color lights, and arranged corresponding to each primary color light from the first lens element And the polarizing plate is disposed between the polarization conversion unit and the first color separation unit.
本発明によれば、製造が容易な投射型表示装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the projection type display apparatus with easy manufacture can be provided.
以下、本発明の最良の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において、同一な機能を有する要素には同一符号を付して示し、一度説明したものについては、その重複する説明を省略する。また、以下では、映像表示素子として液晶パネルを用いて説明する。 Hereinafter, the best mode of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the element which has the same function is attached | subjected and shown, and the overlapping description is abbreviate | omitted about what was once demonstrated. In the following description, a liquid crystal panel is used as the video display element.
図1は、実施例1を示す投射型表示装置の光学系の模式図である。 FIG. 1 is a schematic diagram of an optical system of a projection display apparatus showing Example 1. FIG.
同図において、101は光の光源であるランプ管球である。光源としては、例えば超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハロイドランプなどを用いることができる。リフレクタ102は、ランプ管球101から出射した光を反射させ照明系に集光させる働きを持ち、その内面の反射面形状は後述する数1に示す自由曲面形状を成している。そして、同じく自由曲面形状を有する第1のレンズ素子104との相互レンズ作用により、ランプ管球から出射する光の形状(光軸に直交する断面における光形状は、円形形状)を、その光断面形状が液晶パネル115(115R,115G,115B)の有効表示領域と相似な形状を有する矩形光に変換する。なお、光形状変換については後述する。
In the figure,
光源と第1のレンズ素子104との間に配置された紫外線反射フィルタ103は、ランプ管球101から出射した光のうち、紫外線領域(例えば430nm以下の波長領域)の光を反射する働きをする。
The
第1のレンズ素子104から出射した上記矩形光は、光源からの無偏の光(偏りのない光)を所定偏光方向に揃える偏光変換を行う偏光変換部105に入射する。
The rectangular light emitted from the
偏光変換部105は、プリズムブロック105aと、反射ミラー105bと、λ/2板105cとからなる。
The
プリズムブロック105aは、図示するように、3つのプリズムブロックのハの字状の接合面に誘電体多層膜もしくは有機多層膜の偏光分離膜S105aが形成されている。偏光分離膜S105aは、所望の偏波成分(例えばS波)を反射させP波を透過させる偏光分離作用を有している。偏光分離膜S105aで反射したS波は、λ/2板105cを通過してP波に変換され、反射ミラー105bの働きにより光軸に沿って出射する。なお、反射ミラー105bは、全反射ミラーでもよいが、所望の特性により、反射面に誘電体多層膜または金属反射膜が形成されたものを選択してもよい。 In the prism block 105a, as shown in the figure, a polarization separation film S105a of a dielectric multilayer film or an organic multilayer film is formed on the C-shaped joint surface of the three prism blocks. The polarization separation film S105a has a polarization separation function of reflecting a desired polarization component (for example, S wave) and transmitting P wave. The S wave reflected by the polarization separation film S105a passes through the λ / 2 plate 105c, is converted into a P wave, and is emitted along the optical axis by the action of the reflection mirror 105b. The reflection mirror 105b may be a total reflection mirror, but a mirror having a dielectric multilayer film or a metal reflection film formed on the reflection surface may be selected depending on desired characteristics.
フィールドレンズ123は、偏光変換部105から出射されたP波の矩形光を液晶パネル115に効率良く入射させる作用を持つ第2のレンズ素子である。
The field lens 123 is a second lens element having an effect of causing the P-wave rectangular light emitted from the
フィールドレンズ123の出射側に配置された第1の偏光板106は、偏光変換部105でP波に偏光方向が揃えられた光の偏光度を向上させるべく配置されたものである。第1の偏光板106には、分光前(色分離前)の光が通過するためエネルギー密度が高く、高耐光性材料として無機物で形成される偏光板が望ましい。更に光によるダメージを軽減するために、望ましくは、反射型の偏光板を選択すればより高い信頼性を得ることができる。図1に示したように、反射型の無機物偏光板を光軸に対して垂直に配置すると、反射した光はそのままランプ管球101に戻り、ランプにダメージを与える恐れがある。このような場合には、反射型の無機物偏光板を光軸に対して傾けて配置し、ランプ管球に直接戻り光が戻らないようにすればよい。ランプの寿命を損なうことが無い。
The first polarizing
第1の偏光板106で偏光度を高められた光は、第1のダイクロイックミラー107に入射する。第1のダイクロイックミラー107は、第1の原色光と第2及び第3の原色光とに分離する第1の色分離部である。一般的には、ダイクロイックミラーは、誘電体多層膜を硝子基板上に蒸着またはスパッタにより成膜して成るものである。ここでは青色光(第1の原色光)を反射する特性を有する。
The light whose degree of polarization is increased by the first polarizing
第1のダイクロイックミラー107を反射した青色光(B光ともいう)は、全反射ミラー112,第3のレンズ素子120Bを介してB光用の液晶パネル115Bに導光される。
The blue light (also referred to as B light) reflected from the first
第1のダイクロイックミラー107は、図1に示すように、その反射光の光軸(反射光軸ともいう)が入射光の光軸(入射光軸ともいう)の正方向(入射光の進行方向)に対して所定角度α(例えば110度以上)となるように配置されている。すなわち、入射光軸と第1のダイクロイックミラー107の法線とは、45度より小さい角度(角度αが110度の場合は35度)となるように設定されている(理由については後述する)。
As shown in FIG. 1, the first
一方、第1のダイクロイックミラー107を透過した第2の原色光と第3の原色光は、光軸に対して45度傾斜して配置された全反射ミラー109により光軸を90度曲げられ、第2のダイクロイックミラー110に入射する。
On the other hand, the second primary color light and the third primary color light transmitted through the first
第2のダイクロイックミラー110は、光軸に対して45度傾斜して配置された、第2の原色光と第3の原色光を分離する第2の色分離部である。ここでは、緑色光(第2の原色光)を反射する特性を有する。
The second
第2のダイクロイックミラー110を反射した第2の原色光である緑色光(G光ともいう)は、その光軸を90度曲げられ、さらに全反射ミラー111で光軸を90度曲げられて、第3のレンズ素子120Gを介してG光用の液晶パネル115Gに導光される。また、第2のダイクロイックミラー110を透過した第3の原色光である赤色光(R光ともいう)は、全反射ミラー113で光軸を90度曲げられて、第3のレンズ素子120Rを介してR光用の液晶パネル115Rに導光される。
The green light (also referred to as G light) that is the second primary color light reflected from the second
第3のレンズ素子120(120R,120G,120B)は、各原色光に対応した液晶パネル115(115R,115G,115B)の画面周辺部に入射する光の光線角度を小さくしコントラスト性能を向上させる働きを有する。なお、ここでは、第3のレンズ素子120は、一枚のレンズで形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば収差を補正するために、複数枚(例えば2枚)のレンズで形成してもよい。
The third lens element 120 (120R, 120G, 120B) reduces the light ray angle of light incident on the periphery of the screen of the liquid crystal panel 115 (115R, 115G, 115B) corresponding to each primary color light and improves the contrast performance. Has a function. Here, the
従来、液晶パネル115の入射側には偏光板が配置されるが、実施例1では、第1の偏光板106で偏光度を高めているため、入射側偏光板が省略されている。これにより、コストダウンが図れる。
Conventionally, a polarizing plate is disposed on the incident side of the
ここで、第1のダイクロイックミラー107と光軸との交点M点からB光用の液晶パネル115Bまでの光路長と、M点からR光用の液晶パネル115R,G光用の液晶パネル115Gまでの光路長についてのべる。
Here, the optical path length from the intersection M between the first
図1から明らかなように、R光路の光路長とG光路の光路長とは等しい。一方、既に述べたように、実施例1では、第1のダイクロイックミラー107は、入射光の光軸(入射光軸)と反射光の光軸(反射光軸)とのなす角度αが110度以上となるように配置されている。従って、入射する光の光軸(入射光軸)と第1のダイクロイックミラー107の法線とのなす角度は35度以下となり、M点からのB光路の光路長が長くなる。これにより、B光路の光路長をR光路の光路長およびG光路の光路長と等しくすることが可能となる。言い換えれば、他の原色光路の光路長と等しくなるように角度αを所定に設定している。但し、R光路の光路長とG光路の光路長とB光路の光路長の各々の光路のずれは、±5%以内であれば、実用上色むらは発生しない。
As is apparent from FIG. 1, the optical path length of the R optical path and the optical path length of the G optical path are equal. On the other hand, as already described, in the first embodiment, the first
各液晶パネル115に入射した各色光は、図示しない駆動回路により、図示しない各色の映像信号に応じた光強度変調(単に変調ともいう)を受け、光学像が形成される。各液晶パネル115で形成された各色光の光学像は、出射側偏光板116(116R,116G,116B)を介してクロスプリズム118に入射する。
Each color light incident on each
出射側偏光板116は、実施例1では、クロスプリズム118に粘着材もしくは接着材を使用して直接貼り付けられている。この時、冷却効率をより高めるためには、偏光板を熱伝導率がガラスより高いサファイア,水晶基板などに貼り付け、さらにこれらをクロスプリズム118に粘着材もしくは接着材を使用して貼り付けると良い。
In the first embodiment, the output-side
色合成部(光合成部ともいう)であるクロスプリズム118は、各色光の光学像を合成し、カラー画像とする。そして、該カラー画像は、投射光学ユニットである投射レンズ117により図示しないスクリーン上に拡大投射される。
A
次に、リフレクタ101と第1のレンズ素子104による光形状変換について、図7から図12を用いて説明する。
Next, light shape conversion by the
図7は、実施例1による、光源からの光を液晶パネルに導光する照明光学系の設計を実際に行った時の光学部品の配置を、光路折り曲げを直線的に置換えて示した、光軸を含む断面図である。図8は、図7の斜視図である。図9は、実施例1によるリフレクタと第1のレンズ素子の自由曲面形状を示す図である。図10は、実施例1による液晶パネルの有効表示領域に得られる光の形状を示す図である。図11は、実施例1による液晶パネル上で得られる光量分布を光線追跡により求めた結果を示す図である。図12は、実施例1による照明光学系のレンズデータを示す図である。なお、各図において、図1に示した部品と同一の作用を有するものには同一符号を付してある。 FIG. 7 shows the arrangement of optical components when the design of the illumination optical system for guiding the light from the light source to the liquid crystal panel according to Example 1 is actually performed, with the optical path bent linearly replaced. It is sectional drawing containing an axis | shaft. FIG. 8 is a perspective view of FIG. FIG. 9 is a diagram illustrating the free curved surface shapes of the reflector and the first lens element according to the first embodiment. FIG. 10 is a diagram illustrating the shape of light obtained in the effective display area of the liquid crystal panel according to the first embodiment. FIG. 11 is a diagram illustrating a result of light quantity distribution obtained by ray tracing obtained on the liquid crystal panel according to the first embodiment. FIG. 12 is a diagram illustrating lens data of the illumination optical system according to the first embodiment. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to what has the same effect | action as the component shown in FIG.
図8,図9において、第3のレンズ素子120は、光源からの光を収差なく液晶パネル115の有効表示領域の形状に合せて結像させるために、レンズ素子120aとレンズ素子120bの2枚に分割されている。また、偏光変換部105が図示されてないが、これは、第1のレンズ素子104の出射面からフィールドレンズ123までの面間隔を光学距離(2面間の面間距離×媒質の屈折率)が等価な空気(屈折率1.0)へ換算して設計しているためである。実施例1では、第1のレンズ素子104の出射面からフィールドレンズ123までの面間隔を換算値で58.6239mmとしている(詳細は図12参照)。
8 and 9, the
リフレクタ102は、ランプ管球101から出射した光を反射させ照明系に集光させる働きを持っている。ランプ管球から出射されるその断面形状が円形形状の光(円形光)を、液晶パネルの有効表示領域に相似な矩形形状を有する矩形光に変換するため、リフレクタ102の内面の反射面形状と、第1のレンズ素子の面形状は数1に示す自由曲面形状を成している。
The
ここで、以下の説明を容易とするために、直交座標系を導入する。照明光学系の光軸100をZ軸とし、Z軸に直交する面内で、液晶パネルの有効表示領域の矩形の長辺に平行な方向をX軸方向とし、前記矩形の短辺に平行な方向をY軸方向と定めるものとする。
Here, in order to facilitate the following description, an orthogonal coordinate system is introduced. The
実施例1では、リフレクタ102の形状は、図8,図9(a)に示すように、XZ断面とYZ断面では異なる断面形状を有する。また、第1のレンズ素子104の形状は、同じく図8,図9(b)に示すように、XZ断面とYZ断面では異なる断面形状の自由曲面形状を有する。すなわち、リフレクタ102と第1のレンズ素子104は、光源の発光中心を含む照明光学系の光軸100に対して回転非対称な自由曲面形状を有している。
In the first embodiment, the shape of the
リフレクタ102の回転非対称な自由曲面形状の反射面で反射され、回転非対称な反射作用を受けたランプ管球からの光は、回転非対称な自由曲面形状を有する第1のレンズ素子104で、さらに、回転非対称な屈折作用を受ける。その結果、リフレクタ102と第1のレンズ素子104との相互レンズ作用により、光の形状は、液晶パネル115の有効表示領域の形状と相似な形状を有する矩形光に変換される。第1のレンズ素子104を出射した矩形光は、光軸100と交差し、フィールドレンズ123,第3のレンズ素子120(120a,120b)で屈折作用を受けて、液晶パネル115に照射される。
The light from the lamp tube reflected by the reflecting surface of the rotationally asymmetric free curved surface of the
なお、ここでいう「光軸と交差」とは、リフレクタ102で反射されて第1のレンズ素子104に入射し、第1のレンズ素子104で屈折作用を受けてフィールドレンズ123に向かう光線が、ランプ管球101からの出射光線のリフレクタ102での交点と光軸100とで形成される平面に投影された場合に、光軸100を越えて光軸100で分割された逆側の領域に至るという意味である。
Here, “crossing the optical axis” means that a light beam reflected by the
すなわち、実施例1では、ランプ管球101から出射した光線で、例えば、リフレクタ102で反射した光線が、光軸100に対して点対称な方向の液晶パネル115の点に到達するように、リフレクタ102上の点と液晶パネル115上の点とを関連付けたマッピング方式を採用している。
That is, in the first embodiment, the light beam emitted from the
数1に対応した実施例1が取り得る係数を図12に示す。
The coefficients that can be taken by the first embodiment corresponding to
r2=x2+y2
ここで Z:Z軸方向のサグ量,C:頂点の曲率,k:コーニング係数
Cj:多項式のxmynの係数
r 2 = x 2 + y 2
Where Z: sag amount in the Z-axis direction, C: curvature of vertex, k: Corning coefficient Cj: coefficient of x m y n of polynomial
図12の読み方について説明する。同図より、光源から第1面S1であるリフレクタ反射面までの距離が6.5mmで、光源に対してリフレクタ反射面の原点が、図8に示す座標系において、Z軸の−方向(負方向)すなわち後方になる。第1面S1はリフレクタの反射面を示し、曲率半径が14.1992mmであり、その形状は球面系だけでなく、数1に対応した係数を有する自由曲面形状を有する。
How to read FIG. 12 will be described. From the figure, the distance from the light source to the reflector reflecting surface which is the first surface S1 is 6.5 mm, and the origin of the reflector reflecting surface with respect to the light source is the negative direction of the Z axis (negative) in the coordinate system shown in FIG. Direction), ie backwards. The first surface S1 is a reflecting surface of the reflector, has a radius of curvature of 14.1992 mm, and has a free-form surface shape having a coefficient corresponding to
第2面S2は、図7及び図8に示す紫外線反射フィルタ103の入射面で曲率半径が無限大すなわち平面であり、リフレクタ反射面から前記入射面(第2面)までの光軸に沿った距離が33.681mmである。また、第2面S2と第3面S3の面間距離すなわち紫外線反射フィルタ103の厚さは1.1mm、硝材はB270(コーニング社製)であることを示している。
The second surface S2 is an incident surface of the
第3面S3は、紫外線反射フィルタ103の出射面で曲率半径が無限大すなわち平面であり、第4面S4である第1のレンズ素子104の入射面までの距離が10mmで、硝材(媒質)は空気である。なお、硝材欄に表記が無い場合の媒質は、空気(屈折率1.0)である。
The third surface S3 is an exit surface of the
第4面S4は、第1のレンズ素子104の入射面で、曲率半径が無限大すなわち平面であり、その形状は球面系だけでなく、数1に対応した係数を有する自由曲面形状を有し、硝材(媒質)はK−VC79(住田光学(株)製)であることを示している。以上が図12に示した実施例1データの説明である。
The fourth surface S4 is an incident surface of the
図12に記載したレンズデータにより液晶パネルの有効表示領域に得られる光の形状を図10に示す。高圧水銀ランプなどの光源は2つの電極間で発光するため有限寸法のアークサイズを有するが、設計上は光源を点光源として設計し、点光源の位置を前後に振って評価した。図10(b)に設計中心(ランプ管球の発光中心位置)での光線追跡結果を示す。図10(a)は、点光源位置を発光中心位置よりリフレクタ側(Z軸のマイナス方向)に0.5mm移動させて光線追跡を行った場合の結果を示したものである。一方、図10(c)は、点光源位置を発光中心位置よりリフレクタ側から遠い方向(Z軸のプラス方向)に0.5mm移動させて光線追跡を行った場合の結果を示したものである。 FIG. 10 shows the shape of light obtained in the effective display area of the liquid crystal panel based on the lens data described in FIG. A light source such as a high-pressure mercury lamp has an arc size of a finite size because it emits light between two electrodes. However, in the design, the light source was designed as a point light source, and the position of the point light source was moved back and forth for evaluation. FIG. 10B shows a ray tracing result at the design center (the light emission center position of the lamp tube). FIG. 10 (a) shows the result when ray tracing is performed by moving the point light source position by 0.5 mm from the light emission center position to the reflector side (minus direction of the Z-axis). On the other hand, FIG. 10C shows the result when the ray tracing is performed by moving the point light source position by 0.5 mm in the direction farther from the reflector side than the light emission center position (the positive direction of the Z axis). .
図10(b),(c)から明らかなように、設計中心位置および設計中心位置より0.5mmリフレクタから遠い位置から出射した光線は、実線の矩形枠で示される液晶パネルの有効表示領域を、矩形形状に照射していることがわかる。また、設計中心位置より0.5mmリフレクタに近い位置から出射した光線は、液晶パネルの有効表示領域を覆っていることが確認できる。すなわち、実施例1によれば、光源が有限長でも像面でのボケが少なく、アーク長1.0mmの光源に十分対応できる。 As is apparent from FIGS. 10B and 10C, the light beam emitted from the design center position and a position far from the reflector by 0.5 mm from the design center position passes through the effective display area of the liquid crystal panel indicated by the solid rectangular frame. It can be seen that the rectangular shape is irradiated. Further, it can be confirmed that the light beam emitted from the position closer to the 0.5 mm reflector than the design center position covers the effective display area of the liquid crystal panel. That is, according to the first embodiment, even when the light source is finite, there is little blur on the image plane, and the light source with an arc length of 1.0 mm can be sufficiently handled.
図11(a)は、上述したように、3種類の光源位置で評価光線本数を増やして光線追跡を行い、それぞれの結果を重ね合わせ、評価面である液晶パネル面での光量分布を計算により求め、等光量線表示したものである。 In FIG. 11A, as described above, the number of evaluation light beams is increased at three types of light source positions to perform light ray tracing, and the respective results are overlapped to calculate the light amount distribution on the liquid crystal panel surface that is the evaluation surface. It is obtained and displayed with an equal light intensity line.
図11(b)は、図11(a)に示した等光量線表示のA−A‘断面及びa−a’断面における光量分布の2次元表示である。同様に図11(c)は、図11(a)に示した等光量線表示のB−B‘断面及びb−b’断面における光量分布の2次元表示である。 FIG. 11B is a two-dimensional display of the light amount distribution in the A-A ′ cross section and the a-a ′ cross section of the equi-light line display shown in FIG. Similarly, FIG. 11C is a two-dimensional display of the light amount distribution in the B-B ′ cross section and the b-b ′ cross section of the equal light amount display shown in FIG.
図11(a),(b)及び(c)の光量分布の評価結果からも判るように、実施例1によれば、光源が有限長でも像面内の光量分布は均等で、アーク長1.0mmの光源に十分対応できる。すなわち、インテグレータとしての1対のレンズアレイを用いていないが、一様な光量分布を実現している。 As can be seen from the evaluation results of the light quantity distributions in FIGS. 11A, 11B, and 11C, according to the first embodiment, the light quantity distribution in the image plane is uniform and the arc length is 1 even if the light source has a finite length. It can sufficiently handle a light source of 0 mm. That is, although a pair of lens arrays as an integrator is not used, a uniform light amount distribution is realized.
以上述べたように、実施例1による投射型表示装置においては、光源からの光を反射して第1のレンズ素子に入射させる反射部であるリフレクタの反射面形状と、前記第1のレンズ素子の形状と、を回転非対称な自由曲面形状とすることにより、光源から出射される光分布の形状(円形形状)を、映像表示素子の有効表示領域と相似な形状を有する矩形形状に変換できる。従って、従来照明系に存在した一対のレンズアレイが不要となり、コスト低減が実現できる。また、色分離する前に偏光度を高める第1の偏光板を配置したので、従来各液晶パネルの入射側に配置する入射側偏光板を省略でき、その分コスト低減が実現できる。 As described above, in the projection display device according to the first embodiment, the reflecting surface shape of the reflector, which is the reflecting portion that reflects the light from the light source and enters the first lens element, and the first lens element Is a rotationally asymmetric free-form surface, so that the shape of the light distribution emitted from the light source (circular shape) can be converted into a rectangular shape having a shape similar to the effective display area of the video display element. Therefore, a pair of lens arrays existing in the conventional illumination system is not necessary, and cost reduction can be realized. In addition, since the first polarizing plate that increases the degree of polarization is disposed before color separation, the incident-side polarizing plate that is conventionally disposed on the incident side of each liquid crystal panel can be omitted, and the cost can be reduced accordingly.
また、照明系の光軸に対して、ダイクロイックミラー107による反射光の光軸が成す角度を110度以上とすることで、光源から各原色光に対応した液晶パネルまでの光路長を互いに等しくできる。従って、色合成後に投射レンズによりスクリーン上に拡大投射した映像に生じる色むら、輝度むらを低減できる。また、等光路長とすることにより、リレーレンズ光学系を用いる必要がなくなり、コンパクトな照明光学系が実現できる。
Further, by setting the angle formed by the optical axis of the reflected light from the
さらに、レンズアレイを使用しない照明光学系とすることで、安価な照明光学系が実現でき、製造面においても一対のレンズアレイの相対位置を高精度に保持する必要がなく、組み立てが容易な投射型表示装置を提供することができる。 Furthermore, by using an illumination optical system that does not use a lens array, an inexpensive illumination optical system can be realized, and it is not necessary to maintain the relative position of the pair of lens arrays with high precision even on the manufacturing surface, making projection easy to assemble. A mold display device can be provided.
図2は、実施例2についての説明図である。図1に示した部品と同一の作用を有するものには同一符号を付してある。 FIG. 2 is an explanatory diagram of the second embodiment. Components having the same functions as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
図2に示した実施例2の投射型表示装置は、図1に示した実施例1の投射型表示装置に対して、液晶パネル115に効率良く入射させる作用を持つフィールドレンズ123と、各液晶パネルに対応した第3のレンズ素子120が省かれている。
The projection display device according to the second embodiment shown in FIG. 2 has a field lens 123 having an effect of efficiently entering the
実用上支障のないレベル、あるいは適用する用途に応じては、光量分布の一様性の性能を幾分落とし、低コスト化を狙う方式として、フィールドレンズや第3のレンズ素子を削除することも有り得る。 Depending on the level that does not impede practical use, or the application to be applied, the field lens or the third lens element may be deleted as a method for reducing the uniformity of the light intensity distribution and reducing the cost. It is possible.
実施例2によれば、更なるコスト低減が実現できる。 According to the second embodiment, further cost reduction can be realized.
図3は、実施例3についての説明図である。図1に示した部品と同一の作用を有するものには同一符号を付してある。 FIG. 3 is an explanatory diagram of the third embodiment. Components having the same functions as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
図3に示した実施例3と図1に示した実施例1の違いは、出射側偏光板116(116R,116G,116B)を青板ガラス、白板ガラスや熱伝導率が高いサファイア、水晶基板などに貼り付け、液晶パネルとクロスプリズムの間に配置し、出射側偏光板とその基板の両面を冷却可能とすることで、強制空冷の効率を向上している点である。 The difference between the third embodiment shown in FIG. 3 and the first embodiment shown in FIG. 1 is that the output side polarizing plate 116 (116R, 116G, 116B) is made of blue plate glass, white plate glass, sapphire having high thermal conductivity, a quartz substrate, or the like. And is disposed between the liquid crystal panel and the cross prism so that both sides of the output side polarizing plate and the substrate can be cooled, thereby improving the efficiency of forced air cooling.
図4は、実施例4についての説明図である。図1に示した部品と同一の作用を有するものには同一符号を付してある。 FIG. 4 is an explanatory diagram of the fourth embodiment. Components having the same functions as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
実施例4は、図3に示した実施例3において、第1の色分離部(ダイクロイックミラー107)と第2の色分離部(ダイクロイックミラー110)の間に、第2の偏光板である偏光板121を追加配置したものである。 In the fourth embodiment, in the third embodiment shown in FIG. 3, the polarization which is the second polarizing plate between the first color separation unit (dichroic mirror 107) and the second color separation unit (dichroic mirror 110). A plate 121 is additionally arranged.
この結果、比視感度が高い緑色及び赤色光の偏光度を更に高めることが可能となるので、図示しないスクリーン上に得られる拡大映像のコントラスト性能が向上する。 As a result, it is possible to further increase the degree of polarization of green and red light having a high specific visibility, so that the contrast performance of an enlarged image obtained on a screen (not shown) is improved.
偏光板121には緑色から赤色までの波長範囲の光が通過するためエネルギー密度が高く、高耐光性材料の有機偏光板もしくは無機物偏光板が望ましい。光によるダメージを軽減するために、望ましくは、反射型の偏光板を選択すればより高い信頼性を得ることができる。 Since light in the wavelength range from green to red passes through the polarizing plate 121, the energy density is high, and an organic polarizing plate or an inorganic polarizing plate made of a highly light-resistant material is desirable. In order to reduce damage caused by light, it is desirable to select a reflective polarizing plate to obtain higher reliability.
なお、図4に示したように、偏光板121としての反射型の無機物偏光板を光軸に対して垂直に配置すると、反射した光はそのままランプ管球に戻りランプにダメージを与える恐れがある。このような場合には、反射型の無機物偏光板を光軸に対して傾けて配置し、ランプ管球に直接戻り光が戻らないようにすればよい。ランプの寿命を損なうことが無い。 As shown in FIG. 4, when a reflective inorganic polarizing plate as the polarizing plate 121 is disposed perpendicular to the optical axis, the reflected light may return to the lamp tube as it is and damage the lamp. . In such a case, the reflection-type inorganic polarizing plate may be disposed so as to be inclined with respect to the optical axis so that the light does not return directly to the lamp tube. There is no loss of lamp life.
次に、上記した実施例1から4の投射型表示装置を背面投射型表示装置に適用した実施例5について説明する。 Next, a description will be given of a fifth embodiment in which the projection display devices of the first to fourth embodiments are applied to a rear projection display device.
図5は、実施例1から4の投射型表示装置を用いた背面投射型表示装置を示した正面図である。図5において、11は照明光学系、12は投射光学ユニット、15は筺体、16はスクリーン、17は光路折り返しミラーである。14は、光源からの光を照明光学系11で映像表示素子(図示せず)に照射し、映像表示素子で映像信号に応じて形成された画像を投射光学ユニット12で拡大投射する光学ユニットを示している。光学ユニット14をセットの画面中心に配置することで、生じた左右の空間に信号回路基板8aや電源回路基板8b等を組み込み、背面投射型表示装置を形成している。光学ユニット11は、図5のように、筐体15の中央下部に配置され、これから投射された画像光は直接スクリーン16の背面側から投射される。
FIG. 5 is a front view showing a rear projection display device using the projection display devices of Examples 1 to 4. In FIG. 5, 11 is an illumination optical system, 12 is a projection optical unit, 15 is a housing, 16 is a screen, and 17 is an optical path folding mirror.
図6は、実施例1から4の投射型表示装置を用いた背面投射型表示装置を示した側面図である。同図において、図5に示した部品と同じものには同一符号を付してある。 FIG. 6 is a side view showing a rear projection display device using the projection display devices according to the first to fourth embodiments. In the figure, the same components as those shown in FIG.
背面投射型表示装置の奥行きと高さを低減するために、鏡筒内部に光路折り返し部を設けた投射光学ユニット(投射レンズ)が主流と成りつつある。投射光学ユニット12で拡大された映像光は、装置のバックカバー18側に配設された光路折り返しミラー17によって一旦折り返された後、スクリーン16上に投影されるので、コンパクトな背面投射型表示装置が実現できる。
In order to reduce the depth and height of the rear projection type display device, a projection optical unit (projection lens) provided with an optical path turning part inside the lens barrel is becoming mainstream. The image light magnified by the projection
11…照明光学系、12…投射光学ユニット、14…光学ユニット、8a…信号回路基板、8b…電源回路基板、15…筐体、16…スクリーン、17…光路折り返しミラー、18…バックカバー、100…光軸、101…ランプ管球、102…リフレクタ、103…紫外線反射フィルタ、104…第1のレンズ素子、105…偏光変換部、123…フィールドレンズ、106…第1の偏光板、107…第1のダイクロイックミラー、109,111,112,113…光路折り返しミラー、110…第2のダイクロイックミラー、120…第3のレンズ素子、115…液晶パネル、116…出射側偏光板、117…投射レンズ、118…クロスプリズム、121…偏光板。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記光源からの光を反射するリフレクタと、
前記リフレクタからの光を透過する第1のレンズ素子と、
前記第1のレンズ素子からの光を所望の偏光方向に揃える偏光変換部と、
前記光源からの光を第1の原色光と、第2及び第3の原色光とに分離する第1の色分離部と、
前記第1の色分離部で分離された前記第2及び第3の原色光を分離する第2の色分離部と、
前記第1、第2及び第3の原色光の各々に対応して配置された第1、第2及び第3の映像表示素子と、
前記第1、第2及び第3の映像表示素子からの光を合成するクロスプリズムと、
前記クロスプリズムからの光を投射する投射レンズと、
前記偏光変換部と前記第1の色分離部との間に配置された偏光板とを有し、
前記第1のレンズ素子から前記各原色光に対応した映像表示素子までの光学距離が等しいことを特徴とする投射型表示装置。 A light source that emits light;
A reflector that reflects light from the light source;
A first lens element that transmits light from the reflector;
A polarization converter that aligns light from the first lens element in a desired polarization direction;
A first color separation unit that separates light from the light source into first primary color light and second and third primary color light;
A second color separation unit that separates the second and third primary color lights separated by the first color separation unit;
First, second, and third video display elements disposed corresponding to each of the first, second, and third primary color lights;
A cross prism for synthesizing light from the first, second and third video display elements;
A projection lens for projecting light from the cross prism;
A polarizing plate disposed between the polarization conversion unit and the first color separation unit,
The projection display device, wherein optical distances from the first lens element to the image display elements corresponding to the primary color lights are equal.
前記第1の偏光板は、反射型偏光板であることを特徴とする投射型表示装置。 The projection display device according to claim 1,
The projection display device, wherein the first polarizing plate is a reflective polarizing plate.
前記第1の偏光板は、無機物で形成されることを特徴とする投射型表示装置。 The projection display device according to claim 1,
The projection display device, wherein the first polarizing plate is formed of an inorganic material.
前記光源からの光を反射するリフレクタと、
前記リフレクタからの光を透過する第1のレンズ素子と、
前記第1のレンズ素子からの光を所望の偏光方向に揃える偏光変換部と、
前記光源からの光を第1の原色光と、第2及び第3の原色光とに分離する第1の色分離部と、
前記第1の色分離部で分離された前記第2及び第3の原色光を分離する第2の色分離部と、
前記第1、第2及び第3の原色光の各々に対応して配置された第1、第2及び第3の映像表示素子と、
前記第1、第2及び第3の映像表示素子からの光を合成するクロスプリズムと、
前記クロスプリズムからの光を投射する投射レンズと、
前記偏光変換部と前記第1の色分離部との間に配置された第1の偏光板と、
前記第1の色分離部と前記第2の色分離部との間に配置された第2の偏光板とを有し、
前記第1のレンズ素子から前記原色光の各々に対応した映像表示素子までの光学距離が等しいことを特徴とする投射型表示装置。 A light source that emits light;
A reflector that reflects light from the light source;
A first lens element that transmits light from the reflector;
A polarization converter that aligns light from the first lens element in a desired polarization direction;
A first color separation unit that separates light from the light source into first primary color light and second and third primary color light;
A second color separation unit that separates the second and third primary color lights separated by the first color separation unit;
First, second, and third video display elements disposed corresponding to each of the first, second, and third primary color lights;
A cross prism for synthesizing light from the first, second and third video display elements;
A projection lens for projecting light from the cross prism;
A first polarizing plate disposed between the polarization conversion unit and the first color separation unit;
A second polarizing plate disposed between the first color separation unit and the second color separation unit,
The projection display device, wherein optical distances from the first lens element to the image display elements corresponding to the primary color lights are equal.
前記第1及び第2の偏光板は、反射型偏光板であることを特徴とする投射型表示装置。 The projection display device according to claim 1,
The projection display device, wherein the first and second polarizing plates are reflective polarizing plates.
前記第1及び第2の偏光板は、無機物で形成されることを特徴とする投射型表示装置。 The projection display device according to claim 1,
The projection display device, wherein the first and second polarizing plates are formed of an inorganic material.
前記第1のレンズ素子は、
但し、j={(m+n)2+m+3n}/2+1
r2=x2+y2
ここで Z:Z軸方向のサグ量,C:頂点の曲率,k:コーニング係数
Cj:多項式のxmynの係数
の式で定義される形状であることを特徴とする投射型表示装置。 The projection type display device according to claim 1,
The first lens element is:
However, j = {(m + n) 2 + m + 3n} / 2 + 1
r 2 = x 2 + y 2
Where Z: sag amount in the Z-axis direction, C: curvature of vertex, k: Corning coefficient Cj: coefficient of x m y n of polynomial
A projection-type display device having a shape defined by the formula:
前記リフレクタは、
但し、j={(m+n)2+m+3n}/2+1
r2=x2+y2
ここで Z:Z軸方向のサグ量,C:頂点の曲率,k:コーニング係数
Cj:多項式のxmynの係数
の式で定義される形状であることを特徴とする投射型表示装置。 The projection display device according to claim 1, wherein
The reflector is
However, j = {(m + n) 2 + m + 3n} / 2 + 1
r 2 = x 2 + y 2
Where Z: sag amount in the Z-axis direction, C: curvature of vertex, k: Corning coefficient Cj: coefficient of x m y n of polynomial
A projection-type display device having a shape defined by the formula:
前記第1の色分離部で分離した前記第1の原色光と、前記第2及び第3の原色光が成す角度は110度以上であることを特徴とする投射型表示装置。 The projection display device according to claim 1, wherein
An angle formed by the first primary color light separated by the first color separation unit and the second and third primary color lights is 110 degrees or more.
前記光源は、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハロイドランプの何れかであることを特徴とする投射型表示装置。 The projection display device according to claim 1,
The projection type display device, wherein the light source is any one of an ultra-high pressure mercury lamp, a xenon lamp, and a metal haloid lamp.
前記投射型表示装置からの光の光路を折り返す折り返しミラーと、
前記折り返しミラーからの光を表示するスクリーンとを有する背面投射型表示装置。
A projection display device according to claim 1;
A folding mirror that folds the optical path of the light from the projection display device;
A rear projection display device having a screen for displaying light from the folding mirror.
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