JP2008158365A - 投射型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
レジストレーションずれを抑制しつつ長寿命化が可能な反射型の投射型映像表示装置を提供する。
【解決手段】
本発明に係る投射型映像表示装置は、色分離光学系 (6〜8、11、12)で分離された第１〜第３の色光をそれぞれ変調するための第１〜第３の反射型映像表示素子(22R、22G、22B)と、各反射型映像表示素子（22R、22G、22B）に対応して設けられた第１の偏光ビームスプリッタ（20R、20G、20B）とを備えており、上記各第１の偏光ビームスプリッタと、この第１の偏光ビームスプリッタを透過した光を合成するための色合成光学系(30)との間に、第２の偏光ビームスプリッタ（25R、25G、25B）を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、映像表示素子として反射型液晶パネルを使用して、スクリーン上に映像を投影する投射型映像表示装置、例えば、液晶プロジェクタ装置や、投射型リアプロジェクションテレビ等に関するものである。

映像表示装置を使用した投射型映像表示装置の一形態として、光源からの光を色分離光学系で光の３原色（例えば、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ））の色光に分離し、３つの映像表示素子として例えば反射型液晶パネルを用いて、各色光を光強度変調（以下、単に「変調」という）してそれぞれの光学像を形成し、色合成手段で合成してカラー画像光とし、投射手段でスクリーン上に拡大する投射型映像表示装置が知られている。

このような投射型映像表示装置では、一般に、各色光の反射型液晶パネルの前に配置された偏光ビームスプリッタの偏光分離部で偏光分離されて反射した光が反射型液晶パネルに入射して変調される。変調された光は、偏光ビームスプリッタを透過する検光光として検光された後、色合成手段によって各色光が合成されて、投射レンズで投影される。これらの詳細は、例えば特許文献１乃至２に記載されている。

特開平１１−３８３６５号公報 特開２００６−３０４２１号公報

投射型映像表示装置では、映像表示素子として反射型液晶パネルを用いた場合、例えば、特許文献１の図１に記載の如く、クロスダイクロイックプリズム（１３）と偏光ビームスプリッタ（１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ）は接着剤で一体型に固定されている。その理由は、使用環境の変化によって、取り付けられた部品の熱膨張係数の違いにより、レジストレーションずれが発生し、映像品質が劣化するのを防ぐためである。しかし、このように構成された投射型表示装置においては、偏光ビームスプリッタを透過する光には、反射型液晶パネルで変調し、検光された偏光成分以外に他の偏光成分が含まれてしまい、コントラストが低下するという問題があった。

一方、不要な偏光成分を減少させるために、偏光ビームスプリッタと色合成系の間に偏光子を用いた場合、例えば、特許文献２の図１に記載の如く、クロスダイクロイックプリズム（２２）と偏光ビームスプリッタ（１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂ）の間には、偏光子（２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ）が配置されている。しかし、パネルの出射側に配置される偏光子は吸収型の有機フィルムを利用した偏光板が用いられるため、Ｂ光路では、紫外領域の光線が含まれるため、吸収型偏光板は紫外線により劣化し、寿命が短くなる。また、偏光板の寿命を向上させるためには、冷却する必要がある為、特許文献２の図１の如く、偏光板の表面に空気を流すための空隙が必要となり、レジストレーションずれの課題がある。

また、プリズムと投射レンズの間に例えば、反射型偏光板を配置した場合、例えば特許文献３の図１に記載の如く、クロスダイクロイックプリズム（５０）に対して、反射型偏光板（６２）を傾斜して配置する必要がある。これは反射光がパネルに戻ることを避ける為であるが、このため、反射型偏光板を配置するためのスペースが必要となり、投射レンズとしてバックフォーカスが長くなるため、投射レンズを構成するレンズ枚数が増え、コスト増加や性能低下を引き起こす。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、レジストレーションずれを抑制しつつ長寿命化が可能な反射型の投射型映像表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る投射型映像表示装置は、白色光源と、前記白色光源から射出された光源光を光の３原色の色光である第１、第２及び第３の色光に分離する色分離光学系と、前記色分離光学系で分離された第１乃至第３の色光をそれぞれ変調するための第１、第２及び第３の反射型映像表示素子と、前記第１、第２及び第３の反射型映像表示素子の各々に対応して設けられており、前記色分離光学系で分離された第１乃至第３の色光の各々を偏光分離して前記反射型映像表示素子に射出するとともに、前記反射型映像表示素子から入射した光を偏光分離して検光するの第１の偏光分離部を含む第１の偏光ビームスプリッタと、第１の偏光ビームスプリッタで検光された各色光を合成するための色合成光学系と、前記第１の偏光ビームスプリッタと前記色合成光学系との間の少なくとも一つの色光路に設けられ、前記偏光ビームスプリッタから入射した光を偏光分離して検光するための第２の偏光分離部を含む第２の偏光ビームスプリッタとを有することを特徴とする。

上記第２の偏光ビームスプリッタを誘電体多層膜で構成してもよい。これにより、従来の有機フィルムに比較し、長寿命化を図ること、及び、接着剤による一体化を可能とすることで、レジストレーションずれを抑制することができる。また、第２の偏光ビームスプリッタを第一の偏光ビームスプリッタに対して、光路長が短くなるように構成することで、投射レンズのバックフォーカスを長くする必要も無く、コストアップを抑えることが可能となる。

本発明によれば、レジストレーションずれを抑制しつつ長寿命化を可能にし、もって低コストな投射型映像表示装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度説明したものについてはその説明を省略する。

以下、図１、図２を用いて、第1実施例による投射型映像表示装置について説明する。

図１は、第１実施例による投射型映像表示装置の光学系の模式構成図、図２は第１実施例によるｇ光路の偏光の様子を説明する模式光線図である。

最初に図１を用いて本実施の形態による３板式の投射型映像表示装置について説明する。
図１において、投射型映像表示装置の光学系は、照明光学系（２，３，４，５）と、色分離光学系（６，７，１２）と、３つのフィールドレンズ（９，１３，１４）と、３つの反射型液晶パネル（２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ）と、光合成手段である光合成プリズム３０と、投射手段である投射レンズ５０とを備えている。反射型液晶パネル（２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ）と色分離光学系の間には、入射偏光板（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）と第１の偏光ビームスプリッタ（２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ）とλ／４位相差板が配置されている。また、第１偏光ビームスプリッタ（２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ）と光合成プリズム３０の間には、第２の偏光ビームスプリッタを備えている。そして、これらの光学素子は、図示しない基体に装着されて、光学ユニット（図示せず）を構成し、該光学ユニットは、液晶パネルを駆動する駆動回路（図示せず）や電源回路（図示せず）とともに、図示しない筐体に搭載され、投射型映像表示装置を構成する。

映像表示素子である反射型液晶パネル２２（２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ）を均一に照明する照明光学系は、光源ユニット１と、オプチカルインテグレータを構成す第１のアレイレンズ２および第２のアレイレンズ３と、偏光変換素子４と、集光レンズ（重畳レンズともいう）５を含んでなる。また、色分離光学系は、３つのダイクロイックミラー６，７、１２と、光路方向を変える反射ミラー８と１１とを有している。

光源１は、超高圧水銀ランプ，メタルハライドランプ，キセノンランプ，水銀キセノンランプ，ハロゲンランプ等の白色ランプである。リフレクタは、管球を背後側から覆うように配置された、例えば回転放物面形状の反射面を有するもので、円形ないし、多角形の出射開口を持つ。

光源１から射出された光は、例えば回転放物面形状の反射面を有するリフレクタによって反射され、光軸に略平行となり、光源から略平行の光束が射出される。光源1から射出された光は、第１のアレイレンズ２と第２のアレイレンズ３を通過し、偏光変換素子４に入射し、集光レンズ５及び、フィールドレンズ（９，１３，１４）によって、パネル上に照明光を形成する。偏光変換素子４は、偏光方向を所定偏光方向に揃える偏光ビームスプリッタアレイで構成されている。

第１のアレイレンズ２は、照明光軸方向から見て液晶パネルとほぼ相似な矩形形状を有する複数のレンズセルがマトリックス状に配設されたもので、光源から入射した光を複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第２のアレイレンズ３と偏光変換素子４を通過するように導く。即ち、第１のアレイレンズ２は、光源１と第２のアレイレンズ３の各レンズセルとが光学的に共役な関係になるように設計されている。

第１のアレイレンズ２と同様に、照明光軸方向から見て矩形形状の複数のレンズセルがマトリクス状に配設された構成を有する第２のアレイレンズ３は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第１のアレイレンズ２のレンズセル形状を反射型液晶パネル２２（２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ）に投影（写像）する。

この時、偏光変換素子４で第２のアレイレンズ３からの光は所定の偏光方向に揃えられる。そして、第１のアレイレンズ２の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ５、およびフィールドレンズ９，１３，１４により各反射型液晶パネル２２（２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ）上に重ね合わせられる。

なお、第２のアレイレンズ３とこれに近接して配設される集光レンズ４とは、第１のアレイレンズ２の各レンズセルと反射型液晶パネル２２（２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ）とが、光学的に物体と像の関係（即ち、共役な関係）になるように設計されているので、第１のアレイレンズ２で複数に分割された光束は、第２のアレイレンズ３と集光レンズ４によって、反射型液晶パネル２２（２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ）上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。

以上述べたように、第１のアレイレンズ２，第２のアレイレンズ３，偏光変換素子４とで構成された偏光変換インテグレータは、光源からの偏光方向がランダムな光を所定偏光方向に揃えながら、液晶パネルを均一照明することができる。

次に色分離光学系の各照明光学系から射出された光（略白色光）は、色分離光学系に入射する。色分離光学系は、照明光学系からの略白色光を光の３原色の色光に色分離する。例えば第１の色光であるＲ光(赤色帯域の光)と、第２の色光であるＧ光(緑色帯域の光)と、第３の色光であるＢ光(青色帯域の光)とに分光する。そして、色分離した各色光を対応する反射型液晶パネル２２（２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ）に向かうそれぞれの光路（第１の色光のＲ光路，第２の色光のＧ光路，第３の色光のＢ光路）に導光する。すなわち、ダイクロイックミラー６により、例えばＲ光とＧ光は反射、さらにダイクロイックミラー１２によって、Ｒ光とＧ光に分離され、対応する反射型液晶パネル２２Ｒ（Ｒ光路）と２２Ｇに向かう。また、Ｂ光は、ダイクロイックミラー７で反射し、対応する反射型パネル２２Ｂ（Ｂ光路）に向かう。

色分離光学系の各光路について具体的に述べる。

ダイクロイックミラー６を反射したＲ光とＧ光は、反射ミラー１１を反射して、ダイクロイックミラー１２に入射する。ダイクロイックミラー１２はＧ光を反射、Ｒ光を透過する特性をもつため、Ｒ光は、フィールドレンズ１４、及び入射偏光板１０Ｒを通過して、第１の偏光ビームスプリッタ２０Ｒの偏光分離面で反射し、Ｒ光用の反射型液晶パネル２２Ｒに入射される。

一方、ダイクロイックミラー１２を反射したＧ光は、フィールドレンズ１３，及び入射偏光板１０Ｇを通して、第１の偏光ビームスプリッタ２０Ｇの偏光分離面で反射し、Ｇ光用の反射型液晶パネル２２Ｇに入射される。

また、ダイクロイックミラー７を反射したＢ光は、反射ミラー８を反射して、フィールドレンズ９、入射偏光板１０Ｂ、第１の偏光ビームスプリッタ２０Ｂの偏光分離面で反射し、Ｂ光用の反射型液晶パネル２２Ｂに入射する。

各色光用に配置された反射型液晶パネル２２Ｒ、２２Ｇ，２２Ｂに入射した各色光は、それぞれの色信号によって変調され、パネルから射出される。出射した光は、再度第１の偏光ビームスプリッタ２０Ｒ、２０Ｇ，２０Ｂにそれぞれ入射し、各偏光分離部を透過する変調光を検光光として分離する。各色光の検光光は、それぞれの色光用に配置された第２の偏光ビームスプリッタ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂを経て、色合成プリズム３０に入射する。第２の偏光ビームスプリッタ２５Ｂと色合成プリズム３０は、λ／２位相差板２３Ｂを介して結合され、第２の偏光ビームスプリッタ２５Ｒと色合成プリズム３０は、λ／２位相差板２３Ｒを介して結合される。

色合成プリズムの内部には、Ｒ光を反射するダイクロイック膜３０ＲとＢ光を反射するダイクロイック膜３０Ｂが直交して配置されている。従って、色合成プリズム３０に入射したＲ光とＢ光は、ダイクロイック膜３０Ｒ、３０Ｂで反射し、Ｇ光は、それぞれのダイクロイック膜を透過することで色合成がされ、投射レンズ５０に入射する。投射レンズ５０に入射した光は、図示しないスクリーン上に映像を拡大投影する。

次に図２を用いて、Ｇ光路を代表光路として、各光学素子の偏光に与える作用ついて詳細に説明する。図１の偏光変換素子４は、入射した円偏光光をＳ偏光に揃えて出射するように構成されている。ここで、光学素子を通過後のＳ偏光とＰ偏光の比率を消光比として表す。一般的に、偏光変換素子４を通過した後のＳ偏光の強度を１とすると、Ｐ偏光の強度はおよそ１／２０である。

従って、図２において、Ｓ偏光１０３とＰ偏光１０１の強度は、１：１／２０となる。従って、入射偏光板１０Ｇには、１の強度を持つＳ偏光と、１／２０の強度を持つＰ偏光が入射することになる。入射偏光板１０Ｇは、Ｓ偏光と透過し、Ｐ偏光を吸収する作用を持つものであり、その一般的な消光比は、１／１０００である。また、第１の偏光ビームスプリッタ２０Ｇは、第１の偏光分離部（膜）７０によってＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する作用をもつが、パネルに入射する光に着目した場合、パネルに入射するＳ偏光の強度を１とすると、Ｐ偏光の強度は、１／３０程度で表すことができる。すなわち、パネルに入射するＳ偏光１０３の強度を１とした場合、Ｐ偏光１０１は、（１／２０）×（１／１０００）×（１／３０）＝１／６００，０００の強度となる。

ここで、黒表示においては、パネルに入射した光は何の変調も受けずに出射するとすると、パネルから出射する光は、（１のＳ偏光）＋（１／６００，０００）のＰ偏光となる。これらの光が再度、第１の偏光ビームスプリッタに入射することになる。

次に第１の偏光ビームスプリッタの透過特性に着目する。第１の偏光ビームスプリッタに含まれる第１の偏光分離膜７０は、Ｐ偏光を透過してＳ偏光を反射する特性をもつ。ここで、第１の偏光ビームスプリッタを透過するＰ偏光の強度を１とすると、Ｓ偏光の強度は１／１５００である。従って、第１の偏光ビームスプリッタ２０Ｇにおける第１の偏光分離膜７０によって、（１４９９／１５００）の強度も持つＳ偏光１０４と、（１／１５００）のＳ偏光１０５と、（１／６００，０００）の強度をもつＰ偏光１０２に分離される。すなわち、第１の偏光ビームスプリッタを出射した時点で、黒の光量は、第１の偏光ビームスプリッタの消光比（１／１５００）が支配的であることが分かる。

一方、白表示時を考えた場合、反射型液晶パネル２２Ｇに入射した光は、偏光を90°回転させた変調を受ける。従って、１で入射したＳ偏光はＰ偏光となって出射する。図２おいては図示しないが、コントラスト＝白表示／黒表示で定義した場合、第一の偏光ビームスプリッタ２０Ｇを通過することによるコントラスト比は、１／１５００である。

次に、第２の偏光ビームスプリッタ２５の作用について説明する。第２の偏光ビームスプリッタ２５Ｇにおいて、第２の偏光分離部（膜）７１は、光線の入射角度が第１の偏光ビームスプリッタ２０Ｇの偏光分離膜と比較して、浅いため、偏光分離の消光比は低くなる。すなわち、第１の偏光分離膜７０よりも小さい入射角度とされた第２の偏光分離膜７１によって、第１の偏光分離膜７０を透過したＳ偏光１０５は、図２に示されるように当該第２の偏光分離膜７１によって全反射され、更に第１の偏光分離膜７０でも全反射される。従って、第１の偏光分離膜７０を透過したＳ偏光１０５は、色合成プリズム３０へ到達されない。

ここで、第２偏光ビームスプリッタ２５Ｇの消光比を１／２程度とすると、第２偏光ビームスプリッタ２５Ｇから出射するＳ偏光１０６の強度は、（１／１５００）×（１／２）＝（１／３０００）となり、コントラストの向上を図ることができる。Ｒ光とＢ光についても同様に考えることができ、第２の偏光ビームスプリッタ２５Ｒ、２５Ｇ、２５Ｂを出射した光のうち、Ｒ光とＢ光に関しては、λ／２位相差板２３Ｒ、Ｂを通過することによって、偏光を９０°回転させた状態で、色合成プリズム３０に入射し、色合成が行われたのち、投射レンズ５０から図示しないスクリーンに向かって出射される。

このように、第１の実施例においては、第１の偏光ビームスプリッタ２０Ｒ、２０Ｇまたは２０Ｂと色合成プリズム３０との間に第１の偏光ビームスプリッタ２０Ｒ、２０Ｇまたは２０Ｂを設けるとともに、第１の偏光ビームスプリッタにおける第１偏光分離膜７０へ入射される光の入射角よりも、この第１の偏光分離部を透過して第２の偏光分離膜へ入射される光の入射角を小さくしている。これにより、特に黒表示時におけるＳ偏光が色合成プリズム３０及び投射レンズ５０に入射されることを防止し、コントラストをより一層向上させることができる。そして、このようなコントラストの向上を、レジストレーションずれを防止しつつ長寿命化を図りながら行うことが可能となる。

次に、第２の実施例について、図３と図４を用いて説明する。第１の実施例と第２の実施例の違いは、第２の偏光ビームスプリッタの構成である。図３において、第１の偏光ビームスプリッタに光が入出射する作用については、第１の実施形態と同じであるため省略する。第２の実施形態は、第２の偏光ビームスプリッタ２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂにおける第２の偏光分離膜の角度が第１の実施形態に対して、大きい場合を示している。図４において、第１の偏光ビームスプリッタから出射したＳ偏光光１１０は、第２の偏光ビームスプリッタ２６Ｇに入射する。本実施例において、消光比を１／３ととなり、第２の偏光ビームスプリッタ２６Ｇから出射するＳ偏光の強度は、（１／１５００）×（１／３）＝（１／４５００）となり、さらにコントラストの向上を図ることができる。

次に図５、図６を用いて、ＰＢＳ膜の角度を４５度近辺に設定した場合を、第３の実施例として説明する。図５において、第２の偏光ビームスプリッタ２７Ｇの偏光分離膜７３は、光線角度に対して、略４５度で形成されている。かかる構成により、第１の偏光ビームスプリッタ２０Ｇと同様の消光比を得ることができる。このときの、第２の偏光ビームスプリッタを出射するＳ偏光の強度は、（１／１５００）×（１／１５００）＝（１／２，２５０，０００）と非常に小さくなり、コントラストの向上を図ることができる。

次に図６を参照しつつ第４の実施例について説明する。本実施例は、図６に示されるように、図５のＰＢＳ膜の配置ピッチを細かくしたものであり、その効果については第３の実施例と変わらない。尚、第２の偏光ビームスプリッタの膜構成に関しては、反射したＳ偏光が投射レンズ方向に反射しない構成になっていれば良く、本実施の形態に限定されるものではない。また、第２の偏光ビームスプリッタの膜を誘電体多層膜とすることによって、吸収型偏光板に比べて、長寿命化を図れるだけでなく、色合成プリズム、第２の偏光ビームスプリッタ、第１の偏光ビームスプリッタを接着剤にて一体化することができるため、レジストレーションズレに対しても有利な構成と成すことができる。

また、第１〜第４の実施例においては、各色光路に第２の偏光ビームスプリッタを配置したが、例えばＧ光路にのみ配置することで、コントラストの向上を図ることが出来、その形態は、限定されるものではない。

第１の実施例における投射型映像表示装置の構成図である。 第１の実施例における偏光ビームスプリッタの詳細図である。 第２の実施例における投射型映像表示装置の構成図である。 第２の実施例における偏光ビームスプリッタの詳細図である。 第３の実施例における偏光ビームスプリッタの詳細図である。 第４の実施例における偏光ビームスプリッタの詳細図である。

符号の説明

１…光源、２…第１のアレイレンズ、３…第２のアレイレンズ、４…偏光変換素子、５…集光レンズ、５１…反射ミラー、６，７、１２…ダイクロイックミラー、９，１３，１４…フィールドレンズ、２１Ｒ、２１Ｇ，２１Ｂ…第１の偏光ビームスプリッタ、２２Ｒ、２２Ｇ，２２Ｂ…反射型液晶パネル、２５Ｒ、２５Ｇ，２５Ｂ…第２の偏光ビームスプリッタ、３０…色合成プリズム、５０…投射レンズ。

Claims (6)

1. 白色光源と、
   前記白色光源から射出された光源光を光の３原色の色光である第１、第２及び第３の色光に分離する色分離光学系と、
   前記色分離光学系で分離された第１乃至第３の色光をそれぞれ変調するための第１、第２及び第３の反射型映像表示素子と、
   前記第１、第２及び第３の反射型映像表示素子の各々に対応して設けられており、前記色分離光学系で分離された第１乃至第３の色光の各々を偏光分離して前記反射型映像表示素子に射出するとともに、前記反射型映像表示素子から入射した光を偏光分離して検光するの第１の偏光分離部を含む第１の偏光ビームスプリッタと、
   第１の偏光ビームスプリッタで検光された各色光を合成するための色合成光学系と、
   前記第１の偏光ビームスプリッタと前記色合成光学系との間の少なくとも一つの色光路に設けられ、前記偏光ビームスプリッタから入射した光を偏光分離して検光するための第２の偏光分離部を含む第２の偏光ビームスプリッタと、
   を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 前記第２の偏光ビームスプリッタにおける第２の偏光分離部は、誘電体多層膜で構成されることを特徴とする請求項１記載の投射型映像表示装置。
3. 前記第１及び第２の偏光ビームスプリッタに入射される色光が、前記第１及び第２の偏光分離部を透過して検光され、前記第２の偏光ビームスプリッタにおける透過光の光路長は、前記第１の偏光ビームスプリッタにおける透過光の光路長の半分以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の投射型映像表示装置。
4. 前記第１及び第２の偏光ビームスプリッタが、互いに結合されて一体化されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の投射型映像表示装置。
5. 前記第１及び第２の偏光ビームスプリッタが、接着剤によって互いに結合されろことを特徴とする請求項４に記載の投射型映像表示装置。
6. 前記反射型映像表示素子から前記第１の偏光分離部へ入射される光の入射角よりも、該第１の偏光分離部を透過して前記第２の偏光分離部へ入射される光の入射角が小さいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の投射型映像表示装置。

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