JP2008281665A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学的配置が容易であり、且つ形状を小型化することが可能な投射型表示装置を提供する。
【解決手段】 ケスタタイプの色分離合成プリズムと、前記色分離合成プリズムの底辺に対向して配置された前記複数の反射型の空間光変調器と、を有し、前記色分離合成プリズムを構成する第１の接合プリズムの前記辺うち前記第２の接合プリズムが対向配置されない辺である面から入射された照明光を、前記空間光変調器が設けられたプリズムの底辺の法線に対して少なくとも１度以上の入射角度を有する光線として入射させると共に前記空間光変調器から反射される変調光のうち前記プリズムの底辺の法線方向に出射される変調光が前記色合成プリズム内を通過した後に合成光として前記照明光が入射された面と同一面から出射し、この出射光によって画像表示を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源から照射された光を色分離し、複数の空間光変調器で変調した後、変調光を合成する色分離合成プリズムを用いた投射型表示装置に関する。

従来、透過型液晶、反射型液晶、２次元にマイクロミラーアレイを配列したマイクロミラーデバイスなどの空間光変調器を用いた投射型表示装置が知られている。

空間光変調器は、微細な変調素子を数万〜数百万個並べたアレイ構造を有し、個々の変調素子によって、表示する画像の各画素が投影レンズを介してスクリーン上に拡大表示される。

投射型表示装置に用いられる空間光変調器は、大別して、液晶を透明基板間に封止して電位差を与えることで、入射光の偏光方向を変調する液晶デバイスと、微細なＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを静電力によって偏向させ、照明光の反射方向を制御するマイクロミラーデバイスが一般的に使用されている。

また、空間光変調器を用いた投影装置は、１つの空間光変調器を用いてカラー表示を行う単板式投影装置と、各原色成分に対応した複数の空間光変調器を用いてカラー表示を行う多板式投影装置がある。

多板式の投影装置は、単板方式に見られるような光の利用効率の低下、カラーブレイク（「カラーブレイクアップ」ともいう）といった問題は発生せず、高画質が求められる業務用途向けやハイエンドユーザー向けに実績がある。

さらに、光源から発せられた白色光を光路内に配置した色分離手段によりＲ，Ｇ，Ｂに分離し、各色に割り当てられた個別の空間光変調器に照射し、各空間光変調器によって変調された光線を光路合成手段によって再び合成したのち投影レンズによって投影する多板式投影装置の反射型空間光変調器に対応した光学構成例がある（特許文献１参照）。

従来の多板式投影装置に用いられている色分離合成手段とそれを用いた投射型表示装置を図１１に示す。

光源１１１から発生する照明光は無偏光の白色光である。光源１１１から発生した光源光は、楕円鏡１１２で集光もしくは平行光にされ、コンデンサーレンズ１１３よりＴＩＲプリズム（全反射プリズム）１１４へ導かれる。

ＴＩＲプリズム１１４は臨界角反射条件を利用し、コンデンサーレンズ１１３によって導かれた、光源からの白色光を前記ＴＩＲプリズム１１４のＴＩＲ面に臨界角以上で入射することで全反射させて、色分離合成光学系１１５へと導く。色分離合成光学系１１５からの投影光はＴＩＲ面に臨界角以下で入射することで全反射することなく透過して投影レンズ１１６へ導かれ、スクリーン１１７上へ投影される。

色分離合成光学系１１５は、第１のプリズム１１５_P1と第２のプリズム１１５_P2と第３のプリズム１１５_P3とからなり、第１プリズム１１５_P1と第３プリズム１１５_P3との間には、第１のプリズム面から順に、第１の波長選択フィルタ１１５_R1と空気層が存在し、第２プリズム１１５_P2と第３プリズム１１５_P3とは、その間に第２の波長選択フィルタ１１５_B1を介して接合されている。第１及び第２の波長選択フィルタ１１５_R1，１１５_B1は、光源からの照明光を波長によって選択的に透過または反射させる。

光源からの照明光は第１プリズム１１５_P1に入射された後に第１プリズム１１５_P1を透過し、第１プリズム１１５_P1の出射面側に設けられている第１の波長選択フィルタ１１５_R1によって、赤色波長である第１光Ｒは反射され、緑色波長である第２光Ｇと青色波長である第３光Ｂとは透過する。

反射された第１光Ｒはさらに全反射面１１５_P11で全反射された後に第１のプリズム１１５_P1から出射し、空間光変調器１１５_R2に導かれる。空間光変調器１１５_R2で変調された光は再び第１のプリズム１１５_P1に入射する。

第１プリズム１１５_P1を透過した第２光Ｇと第３光Ｂとは空気層を通って第３プリズム１１５_P3に入射する。第２光Ｇと第３光Ｂは、さらに第３プリズム１１５_P3を透過し、第２の波長選択フィルタ１１５_B1によって青色波長である第３光Ｂは反射され、緑色波長である第２光Ｇは透過する。

反射された第３光Ｂはさらに全反射面１１５_P31により全反射された後に、第３のプリズム１１５_P3から出射し、空間光変調器１１５_B2に導かれる。

空間光変調器１１５_B2で変調された光は再び第３のプリズム１１５_P3に入射する。

第２の波長選択フィルタ１１５_B1を透過して第２のプリズム１１５_P2に入射した緑色波長である第２光Ｇは、第２プリズム１１５_P2を透過した後に出射し、空間光変調器１１５_G2に導かれる。空間光変調器１１５_G2で変調された光は再び第２のプリズム１１５_P2に入射する。

空間光変調器１１５_R2で変調され第１のプリズム１１５_P1に入射した光と、空間光変調器１１５_B2で変調され第３のプリズム１１５_P3に入射した光と、空間光変調器１１５_G2で変調され第２のプリズム１１５_P2に入射した光は、それぞれ各空間光変調器に入射したのと別経路を戻り、第１のプリズム１１５_P1の全反射面１１５_P11を透過して、各光が合成された状態で投影レンズ１１６へ導かれる。
米国特許４９６９７３０号公報 特開平４−３３８７３９

しかしながら、図１１を用いて説明した特許文献１に記載されているような従来例の場合、第１のプリズム１１５_P1の全反射面１１５_P11と第３のプリズム１１５_P3の全反射面１１５_P31での臨界角全反射条件をそれぞれ満足させなくてはならず、光学的配置が難しいという欠点が存在していた。

このため、それぞれの条件を共に満足させようとした場合、必然的に第１光Ｒと第３光Ｂの光路長が長くなってしまい、色分離合成光学系を構成する全体構成が大きくなってしまうという欠点も存在する。また、前述のとおり、色分離合成光路長が長くなってしまうということは、光を投射する投射レンズ１１６のバックフォーカスが長くなってしまい、投射レンズ１１６に光学的負担をもたせなければならず、投射レンズ１１６の大型化といった欠点も含んでいる。

一方、特許文献２に示す光学系を採用した場合においても、その出射光学系側では、各原色にそれぞれ対応した集光レンズ群８に加えて図１ではさらに各原色に対応した投写レンズが必要であるものの、投写される映像品質を確保するためにはこの投写レンズの性能バラツキを抑えて同じレベルの出来栄えに揃える必要や組み付け誤差を高いレベルで管理する必要があり、あるいは図３の構成の場合は出射光学系側としてケスタープリズムを１つだけ用意すれば足りるため図１の構成のような性能バラツキや組み付け誤差を抑える必要は生じないものの、大型のケスタープリズムを２個使用することとなり、装置の大型化は避けられない。

本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、色分離合成光学系の光学的配置が容易であり、且つ形状を小型化することが可能な投射型表示装置を提供することである。

上記目的を達成する本発明の投射型表示装置は、光源からの照明光を複数の異なる周波数の色成分に分離して各色成分に対応した複数の反射型の空間光変調器に導き、かつ前記各空間光変調器からの変調光を合成して出射する色分離合成プリズムを有する投射型表示装置であって、接合面で接合された２つのプリズム要素を有すると共にその接合面を挟んで対称関係となる２つの辺部分を有すると共にその接合面上に波長分離を行うためのフィルタを有する第１の接合プリズムと、前記第１の接合プリズムの前記辺部分の一方の辺と所定の間隔を置いて平行に配置される辺部分を有する第２の接合プリズムであって、前記第１の接合プリズムの接合面上に設けられたフィルタと平行に配置された波長分離を行うためのフィルタをその接合面上に有すると共に、前記第１の接合プリズムの前記一方の辺と平行に配置される辺部分を第１の接合プリズムと対向する面に有する第１のプリズム要素と、前記第１の接合プリズムの一方の辺と平行な辺部分を第１の接合プリズムと対向しない側の面に有する第２のプリズム要素とを接合してなる第２の接合プリズムとを有するケスタタイプの色分離合成プリズムと、前記色分離合成プリズムの底辺に対向して配置された前記複数の反射型の空間光変調器と、を有し、前記色分離合成プリズムを構成する第１の接合プリズムの前記辺うち前記第２の接合プリズムが対向配置されない辺である面から入射された照明光を、前記空間光変調器が設けられたプリズムの底辺の法線に対して少なくとも１度以上の入射角度を有する光線として入射させると共に前記空間光変調器から反射される変調光のうち前記プリズムの底辺の法線方向に出射される変調光が前記色合成プリズム内を通過した後に合成光として前記照明光が入射された面と同一面から出射し、この出射光によって画像表示を行うことを特徴とする。

この場合に、３色に分離された光線のただ一つの光線について、臨界角全反射条件が成り立てば、所望の条件を満足した状態の色分離合成装置の構成が導かれるため、光学的配置が非常に容易である。また、ケスタプリズムとＤＭＤチップ(デジタルマルチミラーデバイスあるいはデジタルマイクロミラーデバイス)等のような、反射型変調素子を組み合わせて使用し、さらに巧みに変調前と変調後での光線の進む光路を違わせるように構成したことにより、ただ１つのケスタプリズムを使用するのみで色分離と色合成のすべての機能を付与することができることで、装置の最適化が実現され、装置自体の究極とも言える小型化が実現できる。

また、前記複数の空間光変調器が同一平面上に配置される構成とすることにより、高い精度で各分離光の光路長がそろえられて各光線の光路長が等しくなることから、各色が同じように再現され、色ずれの無い合成画像を得ることができる。

また、前記各空間光変調器に入射する前記各照明光の入射角度θは、前記空間光変調器の変調面の法線に対して、
１°≦θ＜４８° ・・・（１）
であることを特徴とするので、光学系設計の際に自由度をもつことができる。

また、前記各空間光変調器から射出された後に少なくとも前記第２の接合プリズムを通過して投影されて画像情報を形成する前記各変調光は、前記各空間光変調器の前記変調面に対して垂直となるように、前記各照明光の入射角度θが決定されるため、ケスタプリズムに再入射する際の収差の発生を最小化して画像品質を向上させることができる。

また、前記空間光変調器は、単一の基板上に複数の異なる周波数の色成分に対応した領域に分けて配置された１枚のパネルとして形成されていることにより、組み立て作業や位置決め作業がさらに容易なることや、位置決め精度の向上も図れ、コスト的メリットも得られる。

さらに、前記色分離合成プリズムに入射される照明光を発生する光源と、前記色分離合成プリズムから射出した前記変調光をスクリーンに向けて投影する少なくとも投影レンズを含む投影光学系とをさらに備える構成とした投射型表示装置とすることもできる。

以上、本発明に係る投射型表示装置によれば、色分離合成装置の光学的配置が容易であり、且つ形状を小型化することが可能である。結果、色分離合成装置内の光線光路を短縮することができる。つまり投影レンズのバックフォーカスを短くすることができ、投影レンズに掛かる、光学的負担が軽減され、投影レンズの設計自由度が増し、小型化することも可能であり、投射型表示装置全体の小型化が可能である。特にケスタープリズムを使用する特許文献２においては、ケスタープリズムは分離光学系としてしか利用されておらず、出射光学系内には集光レンズと投写レンズが共に３枚ずつ必要であったり、あるいは合成光学系を設ける場合には分離光学系としてのケスタープリズムに加えてさらに同形状のケスタープリズムがもう１つ必要となってしまう等、小型化にも限界があったが、本願では、巧みな装置構成を採用したことにより、１つのケスタープリズムのみで光の分離と合成を兼用できるという非常に有用な作用効果を創出することができるものである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る色分離合成装置及びそれを用いた投影型表示装置の主要構成を示す図である。同図において、光源１は、高圧水銀ランプ、キセノンランプを適用でき、あるいはレーザダイオード（ＬＤ）やＬＥＤなどの単色光源、蛍光体を照射して多波長光を得る複合光源などを適用することも可能である。図１では、発生する照明光は無偏光の白色光であり、光源から発生した光源光は、楕円鏡２で集光され、インテグレータロッド３へ導かれる。

インテグレータロッド３は断面が四角形の角柱形状であり、一方の端面である光入射面３ａから入射して内部に入った光をその内部側面で全反射させて、照度分布を均一化して他方の端面である光出射面３ｂに導き、そこから出射させる。

本実施例では、照度分布均一化の具体例について、インテグレータロッドを用いて説明を行っているが、照度分布均一化のため、図２のような、微小なコンデンサーレンズを並列に多数配置した形状の第一のフライアイレンズ３１と第二のフライアイレンズ３２によって照度分布均一化を行う、フライアイタイプでの構成でも良い。

インテグレータロッド３によって、十分に照度分布が均一化された白色光は、コンデンサーレンズ４によって、色分離合成装置５へと導かれる。図１では、凸レンズ一枚による構成として説明しているが、レンズ形状、枚数は、これに限定されない。

次に図３を用いて色分離合成装置５の詳細を説明する。

色分離合成装置５は、光源１からの照明光Ｌ₁が入射する第１プリズム５_P1と、第１プリズム５_P1に第１波長選択フィルタ５_D1を介して接合される第２プリズム５_P2とからなる第１接合プリズム５_S1と、第１接合プリズム５_S1からの照明光が入射する第３プリズム５_P3と、第３プリズム５_P3に第１波長選択フィルタ５_D1とは異なる光学的特性を有する第２波長選択フィルタ５_D2を介して接合される第４プリズム５_P4からなる第２接合プリズム５_S2とからなる。

ここで、第３プリズム５_P3と第４プリズム５_P4とは対称な形状となっている。

第１接合プリズム５_S1の光線射出面と、第２接合プリズム５_S2の光線入射面は略平行に対向するように空間５_Aを介して配置されると共に、第１の接合プリズム５_S1の接合面に配置された第１の波長選択フィルタ５_D1と、第２の接合プリズム５_S2の接合面に配置された第２の波長選択フィルタ５_D2は互いに平行な位置に配置される。

第１プリズム５_P1は、第２プリズム５_P2との接合面以外に、第１面５₁と第２面５₂を有し、第２プリズム５_P2は、第１プリズム５_P1との接合面以外に、第３面５₃を有し、第３プリズム５_P3は、第４プリズム５_P4との接合面以外に、第４面５₄と第５面５₅を有し、第４プリズム５_P4は、第３プリズム５_P3との接合面以外に、第６面５₆と第７面５₇を有する。さらに第１プリズム５_P1は、第２プリズム５_P2の第３面５₃と平行で略同一面を形成するべく配置される第３１面５₃₁を有し、第２プリズム５_P2は第４プリズム５_P4の第６面５₆と平行で略同一面を形成するべく配置される第６１面５₆₁を有する。

第１面５₁と、第３面５₃と、第４面５₄は、互いに平行に配置されると共に、第６面５₆は、第２の波長選択フィルタ５_D2に対して第４面５₄と対称に配置され、第２面５₂、第５面５₅及び第７面５₇は、平行で略同一面を形成するべく配置される。

特に、本実施例では、第１接合プリズム５_S1と第２接合プリズム５_S2が配置された光学系全体の形状は、二等辺三角形断面である。即ち、接合面を挟んで対称関係となる２つの辺部分を有している。また、第１接合レンズプリズム５_S1の接合面（第一の波長選択フィルタ５_D1）は、光学系全体が形成する二等辺三角形形状の頂角を二等分する二等分面上に存在する。

このような構成の色分離合成装置５において、光源１からの照明光Ｌ₁は、第１面５₁から第１接合プリズム５_S1に入射し、第１波長選択フィルタ５_D1で第１照明光Ｌ_B1と第２照明光Ｌ_GR1に分離される。第１波長選択フィルタ５_D1で反射された青色波長である第１照明光Ｌ_B1は、さらに第１面５₁で全反射され、第２面５₂から第１接合プリズム５_S1の外に出射して第１の空間光変調器５_BDに入射する。

第１波長選択フィルタ５_D1を透過した緑色波長及び赤色波長を含む第２照明光Ｌ_GR1は、第３面５₃から第１接合プリズム５_S1の外に出射した後、第４面５₄から第２プリズム内５_S2に入射する。この第２照明光Ｌ_GR1は、第２波長選択フィルタ５_D2で緑色波長である第３照明光Ｌ_G1と赤色波長である第４照明光Ｌ_R1に分離される。

第２波長選択フィルタ５_D2で反射された第３照明光Ｌ_G1は、さらに第４面５₄で全反射され、第５面５₅から第２接合プリズム５_S2の外に出射して第２の空間光変調器５_GDに入射する。

第２波長選択フィルタ５_D2を透過した第４照明光Ｌ_R1は、第６面５₆で全反射され、第７面５₇から第２接合プリズム５_S2の外に出射して第３の空間光変調器５_RDに入射する。

第１の空間光変調器５_BDで反射された第１変調光Ｌ_B2は、第２面５₂から第１接合プリズム５_S1内に入射し、第１面５₁で全反射された後に、第１波長選択フィルタ５_D1に到達し反射される。また、第２の空間光変調器５_GDで反射された第３変調光Ｌ_G2は、第５面５₅から第２接合プリズム５_S2内に入射し、第４面５₄で全反射された後に、第２波長選択フィルタ５_D2に到達し反射される。さらに、第３の空間光変調器５_RDで反射された第４変調光Ｌ_R2は、第７面５₇から第２接合プリズム５_S2内に入射し、第６面５₆で全反射された後に、第２波長選択フィルタ５_D2に入射しこれを透過する。

第２波長選択フィルタ５_D2に到達して反射された第３変調光Ｌ_G2及び入射して透過した第４変調光Ｌ_R2は、合成された状態の第２変調光Ｌ_GR2となり、第４面５₄から第２接合プリズム５_S2外に射出され、続いて第３面５₃から第１接合プリズム５_S1内に入射し、さらに前記第１波長選択フィルタ５_D1に入射してこれを透過する。

そして、第１波長選択フィルタ５_D1に到達して反射された第１変調光Ｌ_B2及び入射して透過した第２変調光Ｌ_GR2は、合成された状態の変調光Ｌ₂となり、第１面５₁から第１接合プリズム５_S1外に射出される。この時、第１面５₁に入射する照明光Ｌ₁の光路と、第１面５₁から射出される変調光Ｌ₂の光路とはそれぞれ異なった経路を通過する光路となっている。その後、変調光Ｌ₂は、投射型表示装置に設けられた投影レンズ６を通り、スクリーン７に拡大投影される。

このような本実施形態の色分離合成装置５では、第１の波長選択フィルタ５_D1と第２波長選択フィルタ５_D2が平行であるように配置されていることから、第１波長選択フィルタ５_D1で反射された第１照明光５_B1と、第２波長選択フィルタ５_D2で反射された第２照明光５_GR1の光線進行角度は同一であり（即ち、各光線は互いに平行であり）、第２照明光５_GR1と第３照明光５_G1は第２波長選択フィルタ５_D2をはさんで、正負逆に光線の進行角度は同一である（即ち、フィルタに対する出射角が同一である）。

また、本実施形態の色分離合成装置５の光学系全体の形状が、二等辺三角形形状であることと、第２接合プリズム５_S2は第２波長選択フィルタ５_D2を中心として対称な形状であることから、分離される第１照明光５_B1、第３照明光５_G1及び第４照明光５_R1は、それぞれ第１面５₁、第４面５₄及び第６面５₆に対する臨界角全反射条件がすべて同一であり、全反射面である第１面５₁、第４面５₄及び第６面５₆に入射するそれぞれの光線の入射角度はすべて同一である。このため、分離された少なくとも一つの照明光に対して、全反射面での反射が成り立てば、すべての照明光に対して臨界角全反射条件が成り立つため、光学的配置がとても容易になる。

さらに、少なくとも一つの照明光に対する、臨界角全反射条件が成り立つだけで、色分離合成装置５の形状が導かれるため、他に制約をうけずに光線光路が決定される、従って、光路長の短縮が容易であり、その結果、色分離合成装置５を小型化することが可能である。

本実施形態における各空間光変調器は、図４に示すようなＤＭＤチップ(デジタルマルチミラーデバイスあるいはデジタルマイクロミラーデバイス)等のマイクロミラーデバイスの赤色５_RD、緑色５_GD及び青色５_BD用のものをそれぞれ一つずつ使用する。

これらチップの各ピクセルは、図示しない制御回路からの駆動信号に従って、該ピクセルに入射する光を‘オン状態’または‘オフ状態’の向きにすることができる。駆動信号は投射される映像情報に基づいて生成されるが、詳細は省略する。各ピクセルは、個別に傾斜方向と変位時間を制御され、照明光を投影光路に沿って、変調光として反射する。図４ａに示すオン状態の光は再び色分離合成装置５に入射し、色合成され、色分離合成装置５から出射し、投影レンズ６へ導かれ、投射される画像情報となる。反対に図４ｂまたは図４ｃに示すオフ状態の光は投影レンズ６へ導かれないため画像情報とならずに実質的に暗いピクセルを生じることになる。

ところで、オフ状態の光が投影レンズに入り込んだ場合、本来暗いピクセルを生じる場所に光がうつり込み、コントラストの低下などの問題が発生してしまう。そこで、本発明では、前記オフ状態の変調光は、前記全反射面５₁、５₄、５₆で全反射せず、透過し投影レンズ６へは導かれないような構成がとられている。

また、図示しないが、オフ状態の変調光の光路には、光吸収部材などを備え、投影レンズ６にオフ状態の光を導かないような構成にしても良い。

複数のマイクロミラーデバイス５_BD、５_GD、５_RDは、色分離合成装置５として形成される二等辺三角形形状のプリズムの底部に配置されており、各分離された色光の光路長をそろえるために、同一平面上に配置されることが望ましい。

また、色分離合成装置５内での、各光線の変調前と変調後での光路が異なることが望ましい。

図５に示すように、各波長域帯に分離された照明光の各波長に対応するマイクロミラーデバイス５_BD、５_GD、５_RDに対する入射角度θは、マイクロミラーデバイス５_BD、５_GD、５_RDの変調面５_Mの法線Ｎに対して
１°≦θ＜４８° ・・・（１）
の角度で入射し、変調面５_Mに対して略垂直方向に変調されることが望ましい。

以上、本実施形態に係る色分離合成装置５及びそれを用いた投射型表示装置によれば、色分離合成装置５の光学的配置が容易であり、且つ形状を小型化することが可能である。結果、色分離合成装置５内の光線光路を短縮することができる。つまり投影レンズ６のバックフォーカスを短くすることができ、投影レンズ６に掛かる、光学的負担が軽減され、投影レンズ６の設計自由度が増し、小型化することも可能であり、投射型表示装置全体の小型化が可能である。

なお、本実施形態に係る色分離合成装置５及びそれを用いた投射型表示装置において、マイクロミラーデバイス５_MDの各色光に対応した各マイクロミラーデバイス要素５_BD、５_GD、５_RDを配置する場合に、図６に示すような構成とすることもできる。即ち、同図においては、各色光に対応したマイクロミラーデバイス要素５_BD、５_GD、５_RDは三原色の各色画像を変調する色ごとに領域を分けて配置した１枚のパネルとして構成してある。

マイクロミラーデバイス５_MDをこのような構成にすることで、各色の画像表示領域に相対的な位置関係は、単一基板上に構成されているため、常にその位置精度が保証されており、スクリーンに画像を投射した際に、三原色の画像間の面内の回転方向の位置ずれは、少なく、また、製造過程において、工程数及び、部材を削減できることから、コスト的にも優位である。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図７に示すように、第２実施形態は、第１実施形態における投射型表示装置の色分離合成装置５の前にＴＩＲプリズム（全反射プリズム）８を配置するものである。

ＴＩＲプリズム８は臨界角反射条件を利用し、コンデンサーレンズ４によって導かれた、光源からの白色光を前記ＴＩＲプリズム８のＴＩＲ面８ａに臨界角以上で入射することで全反射させて、色分離合成装置５へと導く。色分離合成装置５からの変調光はＴＩＲ面に臨界角以下で入射することで全反射を発生せず透過し、投影レンズ６へ導かれる。

第２実施形態に係る色分離合成装置５及びそれを用いた投射型表示装置によれば、照明光Ｌ₁と変調光Ｌ₂の進行方向角度を、完全に別方向に切り変えることが可能であり、投射型表示装置全体の各パーツである光源１、色分離合成装置５、投影レンズ６がその配置位置に対する制約を受けずに高い自由度を持って容易に配置することができ、全体を小型化することが可能である。

また、図７に対して、入射側と出射側が逆に配置された構成でもよい。さらに、図示しないが、ＴＩＲプリズム８と色分離合成装置５を複数用いて、色再現性を向上させるような構成にしても良い。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。図８に示すように、第３実施形態は、第１実施形態における投射型表示装置の色分離合成装置５の形状を変形したものである。なお、前記第１実施形態に記載した内容と同様の内容に関しては、説明を省略する。

図８では、第１実施形態の色分離合成装置５に比して、白色光入射面、すなわち色分離合成装置１５が形成する二等辺三角形形状の頂角を二等分する二等分面１５_C上に存在する二等辺三角形形状において、一方の長辺である第１面１５₁を平行に切断し、二等辺三角形のまま形状を縮小した点が相違している。即ち、第１実施形態の色分離合成装置５に比して図８の色分離合成装置１５の点線部分をカットした形状となり、さらなる色分離合成装置１５の形状の小型化が可能である。

本実施例の色分離合成装置１５を配置した場合、例えば、第１の波長選択フィルタ１５_D1によって反射される青色波長である第１照明光１５_Bの光路長を揃えるため、色分離合成装置１５が形成する二等辺三角形形状の底辺部に対向して配置された各色光に対応したマイクロミラーデバイス５_BD、５_GD、５_RDのうち少なくとも一つ（本実施例ではマイクロミラーデバイス５_BD）が同一平面上にない構成となっており、二等辺三角形形状の底辺部からさらに突出した位置に配置されている。

第３実施形態に係る色分離合成装置１５及びそれを用いた投射型表示装置においても、色分離合成装置１５の光学的配置が容易であり、且つ形状を小型化することが可能である。結果、色分離合成装置１５内の光線光路を短縮することができる。つまり投影レンズ６のバックフォーカスを短くすることができ、投影レンズ６に掛かる光学的負担が軽減され、投影レンズ６の設計自由度が増し、小型化することも可能であり、投射型表示装置全体の小型化が可能である。

なお、変形例として、図９に示すように、第１プリズム２５_P1の底辺部である第２面２５₂を第２接合プリズム２５_S2の底辺部である第５面２５₅及び第７面２５₇よりも下方に延長して配置される構成としてもよい。このように構成することにより、プリズム内の光路長を同一にすることができ、空気中とプリズム内との屈折率の違いによる換算をする必要がなく、各色の光路長を揃えることが容易になる。

また、さらなる変形例として、図１０に示すように、色分離合成装置３５を形成する二等辺三角形形状の頂点部分を切り取り、光学的性能に影響がない無駄な形状を削減してもよい。図１０（ａ）は、図８の色分離合成装置の第１接合プリズム１５_S1の上部頂点部分を削除した形状の第１接合プリズム３５_S1を示しており、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の構成からさらに第１プリズム３５_P1の第１面３５₁と第２面３５₂の間の頂点部分を削除した形状であり、図１０（ｃ）は、図３の色分離合成装置の第１接合プリズム５_S1の頂点を削除した形状の第１接合プリズム３５_S1を示している。なお、各変形例における二等辺三角形形状の頂点部分の切り取り角度の条件や形状には、光学的性能に影響がない範囲において特に制約は設ける必要はない。

以上、本変形例に係る色分離合成装置３５及び投射型表示装置においても、色分離合成装置の光学的配置が容易であり、且つ形状を小型化することが可能である。その結果、色分離合成装置３５内の光線光路を短縮することができる。つまり投影レンズ６のバックフォーカスを短くすることができ、投影レンズ６に掛かる、光学的負担が軽減され、投影レンズ６の設計自由度が増し、小型化することも可能であり、投射型表示装置全体の小型化が可能である。

本発明の第１実施形態の投射型表示装置の全体構成を示す図である。 照明分布を均一化する構成としてフライアイタイプを採用した場合の構成を示す図である。 本発明の第１よる実施形態の色分離合成ユニットの詳細図である。 マイクロミラーデバイスの動作を説明する図である。 マイクロミラーデバイスへの光線の入射角度を定義する図である。 マイクロミラーデバイスの他の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態の投射型表示装置の全体構成を示す図である。 本発明の第３実施形態の色分離合成ユニットの詳細図である。 本発明の色分離合成ユニットの変形例を示す図である。 本発明の色分離合成ユニットの他の変形例を示す図である。 従来例を示す図である。

符号の説明

１…光源
２…楕円鏡
３…インテグレータロッド
３１…第一のフライアイレンズ
３２…第二のフライアイレンズ
４…コンデンサーレンズ
５…色分離合成装置
５_S1、１５_S1…第１接合プリズム
５_S2、１５_S2…第２接合プリズム
５_P1、１５_P1…第１プリズム
５_P2、１５_P2…第２プリズム
５_P3、１５_P3…第３プリズム
５_P4、１５_P4…第４プリズム
５_D1、１５_D1…第１波長選択フィルタ
５_D2、１５_D2…第２波長選択フィルタ
５_BD…第１マイクロミラー装置
５_GD…第２マイクロミラー装置
５_RD…第３マイクロミラー装置
５_M…変調面
５₁…第１面
５₂…第２面
５₃…第３面
５₄…第４面
５₅…第５面
５₆…第６面
５₇…第７面
６…投影レンズ
７…スクリーン
８…ＴＩＲプリズム（全反射プリズム）
８ａ…ＴＩＲ面
Ｌ₁…照明光
Ｌ_B1…第１照明光
Ｌ_GR1…第２照明光
Ｌ_G1…第３照明光
Ｌ_R1…第４照明光
Ｌ₂…変調光
Ｌ_B2…第１変調光
Ｌ_GR2…第２変調光
Ｌ_G2…第３変調光
Ｌ_R2…第４変調光

Claims (6)

1. 光源からの照明光を複数の異なる周波数の色成分に分離して各色成分に対応した複数の反射型の空間光変調器に導き、かつ前記各空間光変調器からの変調光を合成して出射する色分離合成プリズムを有する投射型表示装置であって、
   接合面で接合された２つのプリズム要素を有すると共にその接合面を挟んで対称関係となる２つの辺部分を有しさらにその接合面上に波長分離を行うためのフィルタを有すると共にその接合面に垂直な底辺を有する第１の接合プリズムと、前記第１の接合プリズムの前記辺部分の一方の辺と所定の間隔を置いて平行に配置される辺部分を有する第２の接合プリズムであって前記第１の接合プリズムの接合面上に設けられたフィルタと平行に配置された波長分離を行うためのフィルタをその接合面上に有すると共にその接合面に垂直な底辺を有しかつ前記第１の接合プリズムの前記一方の辺と平行に配置される辺部分を第１の接合プリズムと対向する面に有する第１のプリズム要素と前記第１の接合プリズムの他方の辺と平行な辺部分を第１の接合プリズムと対向しない側の面に有する第２のプリズム要素とを接合してなる第２の接合プリズムとを有するケスタタイプの色分離合成プリズムと、
   前記色分離合成プリズムの底辺に対向して配置された前記複数の反射型の空間光変調器と、
   を有し、
   前記色分離合成プリズムを構成する第１の接合プリズムの前記辺うち前記第２の接合プリズムが対向配置されない辺である面から入射された照明光を、前記空間光変調器が設けられたプリズムの底辺の法線に対して少なくとも１度以上の入射角度を有する光線として入射させると共に前記空間光変調器から反射される変調光のうち前記プリズムの底辺の法線方向に出射される変調光が前記色合成プリズム内を通過した後に合成光として前記照明光が入射された面と同一面から出射し、この出射光によって画像表示を行う
   ことを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記複数の空間光変調器が同一平面上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記各プリズムの底辺から前記空間光変調器に入射する前記各照明光の入射角度θは、前記空間光変調器の変調面の法線に対して
   1°≦θ＜48° ・・・（１）
   であることを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の投射型表示装置。
4. 前記各空間光変調器から射出された後に少なくとも前記第２の接合プリズムを通過して投影されて画像情報を形成する前記各変調光は、前記各空間光変調器の前記変調面に対して垂直となるように、前記各照明光の入射角度θが決定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
5. 前記空間光変調器は、単一の基板上に複数の異なる周波数の色成分に対応した領域に分けて配置された１枚のパネルとして形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
6. 前記色分離合成プリズムに入射される照明光を発生する光源と、前記色分離合成プリズムから射出した前記変調光をスクリーンに向けて投影する少なくとも投影レンズを含む投影光学系とをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の色分離合成装置を用いた投射型表示装置。

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