JP2009150974A - 投影型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照明投影分離と色分離合成との機能を単純で安価・小型な構成で実現し、表示制御の容易な非反転表示が可能な光学部品を備える投影型表示装置を提供する。
【解決手段】プリズム１１，１２のプリズム接合面１３の異なる位置にダイクロイック膜１４と偏光膜１５とを有する色分離合成プリズム１０を備え、偏光方向を波長選択的に変換するフィルタ部材３を経て入射する照明光をダイクロイック膜１４により複数の色光に分離して対応する色光用のＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢに導き、複数のＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢで変調され照明光が当該ＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢに入射される際の角度と異なる角度で当該ＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢから射出される複数の色光を２ｎ（ｎは、０，１，…なる自然数）回反射させる光路上の偏光膜１５で色合成して投影レンズに向けて投影させるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の反射型空間光変調器を用いた投影型表示装置に関するものである。

従来、投影型表示装置としては、各種方式のものがあるが、その一例として、複数の反射型空間光変調器を用いる多板型の投影型表示装置がある。

このような投影型表示装置の一つに、特許文献１に示されるように反射型空間光変調器として反射型ライトバルブを用いた投影型表示装置がある。図１７は、特許文献１に示される投影型表示装置の概要を示す概略構成図である。この投影型表示装置では、まず、光源１０１からの照明光を偏光ビームスプリッタ１０２の偏光膜１０２ａを透過させて第１〜第３プリズム１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃの組合せからなる色分離合成用のプリズム１０３に入射させる。ここで、照明光の内、青色光Ｂは第１プリズム１０３Ａの青色反射ダイクロイック膜１０３ａで反射させることで色分離してプリズム面１０３ｂで全反射させ青色用の反射型液晶ライトバルブ１０４Ｂに導く。また、照明光の内、赤色光Ｒは第２，第３プリズム１０３Ｂ，１０３Ｃの接合面の赤色反射ダイクロイック膜１０３ｃで反射させることで色分離しプリズム面１０３ｄで全反射させて赤色用の反射型液晶ライトバルブ１０４Ｒに導く。照明光の内、緑色光Ｇは赤色反射ダイクロイック膜１０３ｃを透過させることで色分離してプリズム面１０３ｅで全反射させて緑色用の反射型液晶ライトバルブ１０４Ｇに導く。

反射型液晶ライトバルブ１０４Ｂ，１０４Ｒ，１０４Ｇは、いずれも多数の画素を有し、色信号によって選択された画素部分へのＰ偏光の入射光をＳ偏光に変換して反射・射出する変調機能を有する。これら反射型液晶ライトバルブ１０４Ｂ，１０４Ｒ，１０４Ｇからの反射光は、入射光（照明光）と逆の方向に進行し、プリズム面１０３ｂでは色合成光となって偏光ビームスプリッタ１０２に再び入射する。ここで、色合成光の内、変調光であるＳ偏光は、偏光膜１０２ａで反射されることで照明光と分離されて投影レンズ１０５に投影光として入射し、投影レンズ１０５によってスクリーン等に投影される。

また、非特許文献１に示されるように反射型空間光変調器としてＤＭＤ素子（Digital Micromirror Device）を用いたＤＬＰ（Digital Light Processing）方式の投影型表示装置がある。図１８は、非特許文献１に示される２チップ方式の投影型表示装置の概要を示す概略構成図である。この投影型表示装置では、まず、光源１１１から出射される照明光（白色光）中の赤色光Ｒと緑色光Ｇとを透過させるイエーロＹ領域と、赤色光Ｒと青色光Ｂとを透過させるマゼンタＭ領域とが光軸に対して時分割で交互に切り換えられるカラーホイール１１２を備える。このカラーホイール１１２、インテグレータロッド１１３およびリレー光学系１１４を透過した照明光は、プリズム１１５Ａ，１１５Ｂからなる照明投影分離用プリズム１１５に入射し、エアーギャップを有するプリズム面１１５ａで全反射されてプリズム１１６Ａ，１１６Ｂからなる色分離合成プリズム１１６に入射する。色分離合成プリズム１１６に入射した照明光のうち、赤色光Ｒは、赤色反射ダイクロイック膜１１６ａで反射させることで色分離され、プリズム面１１６ｂで全反射されて赤色用のＤＭＤ素子１１７Ｒに導かれる。一方、色分離合成プリズム１１６に入射した照明光のうち、緑色光Ｇまたは青色光Ｂは、カラーホイール１１２の回転に従い時分割で、赤色反射ダイクロイック膜１１６ａを透過させて色分離され、緑／青色用のＤＭＤ素子１１７ＧＢに導かれる。

ここで、ＤＭＤ素子１１７Ｒ，１１７ＧＢは、μｍサイズの無数の極小反射鏡を配列させた半導体型投影デバイスであり、色信号に基づき例えば所定の振れ角±１２°の高速な振れ動作により角度制御を行うことで偏向反射された色光を投影させるよう色光の変調を行うものである。ＤＭＤ素子１１７Ｒにより反射される赤色光Ｒは、色分離合成プリズム１１６のプリズム面１１６ｃに略垂直に入射し、プリズム面１１６ｂで全反射され、さらに赤色反射ダイクロイック膜１１６ａで反射され、照明投影分離用プリズム１１５を経て投影レンズ１１８に投影される。一方、ＤＭＤ素子１１７ＧＢにより時分割で反射される緑色光Ｇまたは青色光Ｂは、色分離合成プリズム１１６のプリズム面１１６ｄに略垂直に入射し、ダイクロイック膜１１６ａを透過して赤色光Ｒと色合成され、照明投影分離用プリズム１１５を透過して投影レンズ１１８に投影される。

図１９は、非特許文献１に示される３チップ方式の投影型表示装置の概要を示す概略構成図である。この投影型表示装置では、まず、光源１２１から出射される照明光（白色光）は、インテグレータロッド１２２およびリレー光学系１２３を透過し、プリズム１２４Ａ，１２４Ｂからなる照明投影分離用プリズム１２４に入射し、エアーギャップを有するプリズム面１２４ａで全反射されてプリズム１２５Ａ，１２５Ｂ，１２５Ｃからなる色分離合成プリズム１２５に入射する。色分離合成プリズム１２５に入射した照明光のうち、青色光Ｂは、青色反射ダイクロイック膜１２５ａで反射させることで色分離され、プリズム面１２５ｂで全反射されて青色用のＤＭＤ素子１２６Ｂに導かれる。一方、色分離合成プリズム１２５に入射した照明光のうち、赤色光Ｒは、青色反射ダイクロイック膜１２５ａを透過後、赤色反射ダイクロイック膜１２５ｃで反射させることで色分離され、エアーギャップを有するプリズム面１２５ｄで全反射されて赤色用のＤＭＤ素子1２６Ｒに導かれる。さらに、緑色光Ｇは、青色反射ダイクロイック膜１２５ａ、赤色反射ダイクロイック膜１２５ｃを透過して緑色用のＤＭＤ素子１２６Ｇに導かれる。

ＤＭＤ素子１２６Ｂにより反射される青色光Ｂは、色分離合成プリズム１２５のプリズム面１２５ｅに略垂直に入射し、プリズム面１２５ｂで全反射され、さらに青色反射ダイクロイック膜１２５ａで反射され、照明投影分離用プリズム１２４を経て投影レンズ１２７に投影される。また、ＤＭＤ素子１２６Ｒにより反射される赤色光Ｒは、色分離合成プリズム１２５のプリズム面１２５ｆに略垂直に入射し、プリズム面１２５ｄで全反射され、さらに赤色反射ダイクロイック膜１２５ｃで反射され、照明投影分離用プリズム１２４を経て投影レンズ１２７に投影される。さらに、ＤＭＤ素子１２６Ｇにより反射される緑色光Ｇは、色分離合成プリズム１２５のプリズム面１２５ｇに略垂直に入射し、赤色反射ダイクロイック膜１２５ｃ、青色ダイクロイック膜１２５ａを透過して、赤色光Ｒおよび青色光Ｂと色合成され、照明投影分離用プリズム１２４を透過して投影レンズ１２７に投影される。

さらに、特許文献２に示されるように、反射型空間光変調器としてＤＭＤ素子を用いた３板型の投影型表示装置がある。図２０は、特許文献２に示される投影型表示装置の概要を示す概略平面図であり、図２１は、その概略側面図である。この投影型表示装置では、全反射型光分離プリズム１３１に入射した照明光は、全反射面１３１ａで全反射され、クロスダイクロイックプリズム１３２に入射する。クロスダイクロイックプリズム１３２に入射した照明光は、２つのクロスダイクロイック面１３２ａ，１３２ｂにおいて赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂの３原色に色分離される。色分離された各色光は、互いに直交する３方向に向かい、各色光に対応させたＤＭＤ素子１３３Ｒ，１３３Ｇ，１３３Ｂに入射する。各ＤＭＤ素子１３３Ｒ，１３３Ｇ，１３３Ｂは、極小反射鏡をオン／オフ制御することで各色光に対応する画像を形成し、これを偏向反射する。

各ＤＭＤ素子１３３Ｒ，１３３Ｇ，１３３Ｂで偏向反射された各色光（変調光）は、クロスダイクロイックプリズム１３２で再合成され、全反射型分離プリズム１３１を経て投影レンズ１３４へ向かい、スクリーン等に投影される。

特開２０００−１７１９２３号公報 特開２００７−２５２８７号公報 光技術情報誌「ライトエッジ」Ｎｏ．１９／特集 映像…デジタル化時代に向けて（２０００年７月発行）第３章

しかしながら、特許文献１に示される投影型表示装置の場合、照明投影分離を行うための偏光ビームスプリッタ１０２と色分離合成を行うプリズム１０３とが別体で構成されている。加えて、偏光ビームスプリッタ１０２は、２個のプリズム１０２Ａ，１０２Ｂからなり、色分離合成用のプリズム１０３は異なる種類の３個のプリズム１０３Ａ〜１０３Ｃからなり、合計５個のプリズムが必要となる。３板型の反射型液晶ライトバルブに代えて、２板型の反射型ライトバルブを用いる構成にしても、色分離合成用のプリズムは異なる種類の２個のプリズムからなり、合計４個のプリズムが必要となる。よって、照明投影分離および色分離合成のための光学部品の数や種類が多く、光学系が大型化・コストアップ化する要因となっている。

また、色分離合成用のプリズム１０３を構成する少なくとも２つのプリズム１０３Ａ，１０３Ｂは、全反射のためにエアーギャップを介して配置されるため、エアーギャップの精度を確保したまま両者を保持するのが難しく、プリズム１０３の作製が複雑で製造コストがかかるものとなる。色分離合成用のプリズム１０３と偏光ビームスプリッタ１０２との間についても、全反射のためにエアーギャップが必要であり、エアーギャップの精度を確保したまま両者を保持するのが難しく、プリズム１０３と偏光ビームスプリッタ１０２の作製が複雑で製造コストがかかるものとなる。また、投影レンズ１０５に達するまでに光軸に対して斜めに配置されたエアーギャップを透過する光（特に、エアーギャップを往復する赤色光Ｒと緑色光Ｇ）が存在し、その光量ロスが大きなものとなってしまう。

さらに、特許文献１の場合、各液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂで反射された光は、入射光軸と逆の方向に進行する、垂直照明垂直反射用の構成が示されているが、照明光と投影光の光路、ダイクロイック膜や偏光膜に対する照明光と投影光の入射角を異ならせれば、非特許文献１や特許文献２に示されるＤＭＤ素子のような偏向型映像表示素子を用いる構成や、反射型液晶ライトバルブに対する斜め照明用の構成も可能である。しかしながら、ダイクロイック膜や偏光膜を照明光と投影光の両方に作用するようにすると、照明光の入射角と投影光の入射角が異なるので、照明光に対するダイクロイック膜や偏光膜の特性と、投影光に対するダイクロイック膜や偏光膜の特性が異なり、光量低下やコントラスト低下などの問題を生ずる。

例えば、ダイクロイック膜の入射角依存性として、図２２に実線で示すように、照明光の入射角に対する特性が最適化されている場合において、投影光の入射角に対する最適化特性が破線のような特性であるとすると、領域Ａ部分は、ダイクロイック膜で反射すれば投影されるが、実際にはダイクロイック膜では反射されないので、投影されず、投影光のロスを生ずる部分となってしまう。偏光膜の場合も同様である。

これらの問題点は、非特許文献１における照明投影分離用プリズム１１５，１２４、色分離合成プリズム１１６，１２５や、特許文献２に示される全反射型光分離プリズム１３１、クロスダイクロイックプリズム１３２の場合も同様である。

即ち、これらの従来技術によれば、照明投影分離と色分離合成とを別体構成としていることによる問題点と、エアーギャップ介在に伴う問題点と、ダイクロイック膜や偏光膜に対する入射角の異なる照明光と投影光との共用に伴う問題点とがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、エアーギャップ介在に伴う問題点や、ダイクロイック膜や偏光膜に対する入射角の異なる照明光と投影光との共用に伴う問題点を解消して、照明投影分離と色分離合成との機能を単純で安価・小型な構成で実現し、表示制御の容易な非反転表示が可能な光学部品を備える投影型表示装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる投影型表示装置は、色信号に基づき色光を変調する複数の反射型空間光変調器と、照明光の偏光方向を波長選択的に変換するフィルタ部材と、投影レンズとを備える投影型表示装置であって、少なくとも第１と第２のプリズム要素を含みこの第１と第２のプリズム要素の接合面の異なる位置にダイクロイック膜と偏光膜とを有する色分離合成プリズムを備え、該色分離合成プリズムは、前記フィルタ部材を経て入射する照明光を前記ダイクロイック膜により複数の色光に分離して対応する色光用の前記反射型空間光変調器に導き、前記複数の反射型空間光変調器で変調され前記照明光が当該反射型空間光変調器に入射される際の角度と異なる角度で当該反射型空間光変調器から射出される複数の色光を２ｎ（ｎは、０，１，…なる自然数）回反射させる光路上の前記偏光膜で色合成して前記投影レンズに向けて出射させることを特徴とする。

また、本発明にかかる投影型表示装置は、上記発明において、前記ダイクロイック膜と前記偏光膜とは、同一平面上で重ならない位置に配設されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる投影型表示装置は、上記発明において、前記色分離合成プリズムは、異なる形状の２個のプリズムを接合させてなることを特徴とする。

また、本発明にかかる投影型表示装置は、上記発明において、前記反射型空間光変調器と前記色分離合成プリズムとの間にフィールドレンズを備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる投影型表示装置は、上記発明において、前記フィールドレンズを透過した投影光の主光線は、収束状態で、瞳位置が前記色分離合成プリズムの外部に形成されることを特徴とする。

また、本発明にかかる投影型表示装置は、上記発明において、前記反射型空間光変調器として、３原色のうちの１色用の反射型空間光変調器と、３原色のうちの残りの２色を時分割で共用する反射型空間光変調器とを備える２板型であることを特徴とする。

本発明にかかる投影型表示装置は、少なくとも第１と第２のプリズム要素を含みこの第１と第２のプリズム要素の接合面の異なる位置にダイクロイック膜と偏光膜とを有する色分離合成プリズムを備え、偏光方向を波長選択的に変換するフィルタ部材を経て入射する照明光をダイクロイック膜により複数の色光に分離して対応する色光用の反射型空間光変調器に導き、複数の反射型空間光変調器で変調され照明光が当該反射型空間光変調器に入射される際の角度と異なる角度で当該反射型空間光変調器から射出される複数の色光を偏光膜で色合成して投影レンズに向けて出射させるようにしたので、単純で安価・小型な１個の接合型の色分離合成プリズムによって照明投影分離と色分離合成の機能を実現することができるという効果を奏する。この際、各反射型空間光変調器で変調されて射出される複数の色光を２ｎ（ｎは、０，１，…なる自然数）回反射させる光路上の偏光膜で色合成して投影レンズに向けて出射させるので、各反射型空間光変調器による変調画像は、いずれも表示制御の容易な非反転表示でよいものとすることができるという効果を奏する。このためにも、プリズム接合面の異なる位置にダイクロイック膜と偏光膜とを有する接合型の１個の色分離合成プリズムを備えればよいので、照明光や投影光の光路上にエアーギャップが介在せず、よって、エアーギャップ介在に伴う光量ロス等の問題点も併せて解消できるという効果を奏する。さらには、ダイクロイック膜は照明光の色分離のみに使用し、偏光膜は投影光の色合成のみに使用するので、入射角のばらつきを抑制できるためダイクロイック膜や偏光膜の特性劣化が少なく、よって、ダイクロイック膜や偏光膜に対する入射角の異なる照明光と投影光との共用に伴う光量低下等の問題点も併せて解消できるという効果を奏する。

以下、本発明を実施するための最良の形態である投影型表示装置について図面を参照して説明する。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態にかかる投影型表示装置を示す概略構成図である。本実施の形態の投影型表示装置１は、反射型空間光変調器としてＤＭＤ素子（Digital Micromirror Device）を用いたＤＬＰ（Digital Light Processing）方式の２板型の投影型表示装置への適用例を示す。

本実施の形態の投影型表示装置１は、概略的には、光源２、波長選択性偏光素子３、インテグレータロッド４、リレー光学系５、色分離合成プリズム１０、２つのＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢ、および投影レンズ７を備える。

光源２は、ＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢを照明する照明光として白色光を発光出力するためのものである。波長選択性偏光素子３は、光源２から出射された白色光（照明光）の偏光方向を波長選択的にＰ偏光からＳ偏光に変換するためのフィルタ部材として設けられたものである。図２は、波長選択性偏光素子３の構成例を示す概略正面図である。本実施の形態で用いる波長選択性偏光素子３は、ホイール形状に形成されて中心軸周りに回転駆動されるもので、例えば、放射状に均等に４分割された領域Ｇ−ＣＳ，Ｂ−ＣＳを交互に有する。領域Ｇ−ＣＳは、白色光に含まれる３原色ＲＧＢ中の緑色光Ｇの偏光方向をＰ偏光からＳ偏光に変換する（緑色光Ｇを投影光として有効にする）領域であり、赤色光Ｒや青色光Ｂは偏光変換されずに透過する。領域Ｂ−ＣＳは、白色光に含まれる３原色ＲＧＢ中の青色光Ｂの偏光方向をＰ偏光からＳ偏光に変換する（青色光Ｂを投影光として有効にする）領域であり、赤色光Ｒや緑色光Ｇは偏光変換されずに透過する。よって、これら領域Ｇ−ＣＳ，Ｂ−ＣＳを白色光の光軸上に位置させて波長選択性偏光素子３を回転させることにより、緑色光Ｇと青色光Ｂとの偏光状態が時分割的に交互にＰ偏光からＳ偏光に変換され、赤色光Ｒは偏光変換されず、投影光として常に有効になる。なお、領域Ｇ−ＣＳ，Ｂ−ＣＳを構成する分割数は、適宜でよく、例えば均等２分割構成であってもよい。また、波長選択性偏光素子３の前段に、白色光の偏光状態をＰ偏光に揃える偏光変換素子を備えるようにすれば、光利用効率が向上する。

インテグレータロッド４は、照明光を均質化させるために必要に応じて設けられるもので、フライアイレンズ等であってもよい。リレー光学系５は、インテグレータロッド４を経た照明光を、色分離合成プリズム１０の所定位置に入射させるためのものである。

また、ＤＭＤ素子は、非特許文献１、特許文献２等に示されるように、μｍサイズの無数の極小反射鏡を配列させた半導体型投影デバイスであり、色信号に基づき例えば所定の振れ角±１２°の高速な振れ動作により角度制御（オンオフ制御）を行うことで偏向反射された色光を投影させるよう色光の変調を行うものである。本実施の形態では、３原色ＲＧＢのうちの１色である赤色光Ｒ用のＤＭＤ素子６Ｒと、残りの２色である緑色光Ｇと青色光Ｂとの２色分を波長選択性偏光素子３に従い時分割で共用するＤＭＤ素子６ＧＢとを備える２板型として構成されている。

さらに、投影レンズ７は、ＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢによって変調された色光として色分離合成プリズム１０から出射される投影光を図示しないスクリーンに向けて投影させるためのものである。

ついで、本実施の形態の特徴とする色分離合成プリズム１０について説明する。本実施の形態で用いる色分離合成プリズム１０は、三角形状の断面形状を有するプリズム１１と、台形状の断面形状を有するプリズム１２とをプリズム接合面１３で一体に接合させてなる接合型プリズムであり、プリズム接合面１３にダイクロイック膜１４と偏光膜１５とを有する。この構成では、断面において、三角形と台形の斜辺とがプリズム接合面１３とされている。ダイクロイック膜１４と偏光膜１５とは、重ならないようにプリズム接合面１３内で異なる位置にずらして配設されている。また、プリズム接合面１３は、フラットな面として形成され、ダイクロイック膜１４と偏光膜１５とは同一平面上に配設されている。

ここで、ダイクロイック膜１４は、照明光の色分離用であり、赤色光Ｒは透過させ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂは反射させる特性に設定されている。このため、波長選択性偏光素子３を経て色分離合成プリズム１０のプリズム面１０ａに入射する照明光の光軸は、ダイクロイック膜１４に向かうように光路設定されている。なお、照明光は、紙面に対して垂直な面内で傾斜していてもよい。また、ダイクロイック膜１４を透過する赤色光Ｒは、プリズム面１０ｃから出射しＤＭＤ素子６Ｒを斜めに照明するように光路設定されている。また、ダイクロイック膜１４で反射される緑色光Ｇおよび青色光Ｂは、入射したプリズム面１０ａで全反射されてプリズム面１０ｂから出射しＤＭＤ素子６ＧＢを斜めに照明するように光路設定されている。

また、偏光膜１５は、ＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢで変調された色光である投影光の色合成用であり、Ｐ偏光は透過させ、Ｓ偏光は反射させる特性に設定されている。このため、ＤＭＤ素子６Ｒのオンオフ制御に伴う微小ミラーの振れ動作による偏向反射に従い、ＤＭＤ素子６Ｒによってプリズム面１０ｃに対して照明光と異なる角度で略垂直に再入射する投影光がそのまま偏光膜１５に向かうように光路設定されている。一方、ＤＭＤ素子６ＧＢのオンオフ制御に伴う微小ミラーの振れ動作による偏向反射に従い、ＤＭＤ素子６ＧＢによってプリズム面１０ｂに対して照明光と異なる角度で略垂直に再入射する投影光がプリズム面１０ａで全反射されて偏光膜１５に向かうように光路設定されている。ここで、本実施の形態では、ＤＭＤ素子６Ｒで偏向反射された赤色の投影光の進行方向が投影方向に設定され、入射面であるプリズム面１０ａが投影光の出射面となり、このプリズム面１０ａに対して投影レンズ７が所定位置に位置付けられている。すなわち、ＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢの上面に対しては、その斜め方向から照明光が入射するものであり、ＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢから出射される変調光のうちスクリーンに向かういわゆるオン光はＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢの上面に対して垂直に出射されるものである。

このような構成において、色分離合成プリズム１０の作用について、図３〜図６を参照して説明する。まず、光源２から出射された照明光中の緑色光Ｇ、青色光ＢのＰ偏光は波長選択性偏光素子３によって交互にＳ偏光に変換される。波長選択性偏光素子３を経てプリズム面１０ａに入射する照明光は、図３に示すように、ダイクロイック膜１４に入射することで色分離される。すなわち、照明光中の赤色光Ｒは、ダイクロイック膜１４を透過し、プリズム面１０ｃを経て赤色用のＤＭＤ素子６Ｒを照明する。一方、照明光中の緑色光Ｇおよび青色光Ｂは、波長選択性偏光素子３を透過し、一方のＰ偏光成分がＳ偏光成分に変換される。ここで、照明光路上に偏光ビームスプリッタが存在しないので、共用のＤＭＤ素子６ＧＢは、常にダイクロイック膜１４で反射されプリズム面１０ａで全反射された緑色光Ｇおよび青色光Ｂによって照明される。すなわち、ＤＭＤ素子６ＧＢは、緑色光Ｇ（Ｓ偏光）と青色光（Ｐ偏光）、または緑色光Ｇ（Ｐ偏光）と青色光Ｂ（Ｓ偏光）によって照明される。

赤色光Ｒで照明されたＤＭＤ素子６Ｒは、赤色用の色信号に基づき変調動作を行い、図４に示すように、赤色光Ｒを偏向させて、プリズム面１０ｃに対して照明光の場合と異なり略垂直となるように再入射させる。この赤色光Ｒは、Ｐ偏光のままであるので、プリズム面１０ｃから再入射した後、偏光膜１５を透過し、プリズム面１０ａから投影光として投影レンズ７に向けて出射する。

一方、緑色光Ｇおよび青色光Ｂで照明されたＤＭＤ素子６ＧＢは、波長選択性偏光素子３のＧ−ＣＳ領域に照明光が当っている場合には、緑色用の色信号に基づき変調動作を行い、図５（ａ）に示すように、緑色光Ｇおよび青色光Ｂを偏向させて、プリズム面１０ｂに対して照明光の場合と異なり略垂直となるように再入射させる。この際、緑色光ＧはＧ−ＣＳ領域を透過してＳ偏光に変換されているので、プリズム面１０ａにおいて照明光とは異なる位置、角度で全反射した後、偏光膜１５で反射され、プリズム面１０ａから投影光として投影レンズ７に向けて出射する。また、青色光ＢはＰ偏光のままであるので、プリズム面１０ａで全反射した後、偏光膜１５を透過し廃棄される。

また、緑色光Ｇおよび青色光Ｂで照明されたＤＭＤ素子６ＧＢは、波長選択性偏光素子３のＢ−ＣＳ領域に照明光が当っている場合には、青色用の色信号に基づき変調動作を行い、図５（ｂ）に示すように、緑色光Ｇおよび青色光Ｂを偏向させて、プリズム面１０ｂに対して照明光の場合と異なり略垂直となるように再入射させる。この際、青色光ＢはＢ−ＣＳ領域を透過してＳ偏光に変換されているので、プリズム面１０ａにおいて照明光とは異なる位置、角度で全反射した後、偏光膜１５で反射され、プリズム面１０ａから投影光として投影レンズ７に向けて出射する。また、緑色光ＧはＰ偏光のままであるので、プリズム面１０ａで全反射した後、偏光膜１５を透過し廃棄される。

すなわち、図４に示す赤色光Ｒの投影を常に行うとともに、図５（ａ）（ｂ）に示す緑色光Ｇと青色光Ｂの投影を時分割で交互に行うこととなる。よって、投影レンズ７に対する投影光としては、偏光膜１５の機能により、図６に示すように、赤色光Ｒと緑色光Ｇ、または赤色光Ｒと青色光Ｂとの色合成が時分割で交互に行われ、これらの色合成されたカラー画像がスクリーン上に表示されることとなる。

ここで、ＤＭＤ素子６Ｒから射出される赤色光Ｒは、プリズム面１０ｃから再入射しそのまま直接偏光膜１５を透過しプリズム面１０ａから投影レンズ７に向けて出射するので、色分離合成プリズム１０内での反射回数は０回である。一方、ＤＭＤ素子６ＧＢから射出される緑色光Ｇまたは青色光Ｂは、プリズム面１０ｂから再入射しプリズム面１０ａで全反射され偏光膜１５で反射されプリズム面１０ａから投影レンズ７に向けて出射するので、色分離合成プリズム１０内での反射回数は２回である。すなわち、偏光膜１５は、ｎを０，１，…なる自然数としたとき、ＤＭＤ素子６Ｒからの赤色光Ｒはｎ＝０により２ｎ＝０回、ＤＭＤ素子６ＧＢからの緑色光Ｇまたは青色光Ｂはｎ＝１により２ｎ＝２回なる偶数回の反射を受ける光路上に配設されている。

このように本実施の形態の投影型表示装置１によれば、異なる断面形状の２個のプリズム１１，１２を接合させた単純で安価・小型な１個の色分離合成プリズム１０だけで、照明投影分離と色分離合成とを行わせることができ、照明投影分離および色分離合成のための光学系を構成する部品を減らすことができる。特に、色分離合成プリズム１０は、２個のプリズム１１，１２を接合させてなり、エアーギャップも存在しないので、製造や保持が容易となる。また、照明投影分離および色分離合成のための光学系を構成する色分離合成プリズム１０にエアーギャップが存在しないので、エアーギャップに伴う光量低下等の問題も回避することができる。また、ダイクロイック膜１４や偏光膜１５は、同一平面をなすプリズム接合面１３に形成されているので、これらの膜を作製する際のプリズムの取り扱いが容易であり、色分離合成プリズム１０自体の製造も容易となる。さらに、ＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢの上面に対する照明光の入射角と投影光の出射角との角度を異ならせることを利用して、ダイクロイック膜１４を照明光の色分離のみに使用し、偏光膜１５を投影光の色合成のみに使用することで、照明投影分離および色分離合成の機能を発揮させているので、ダイクロイック膜１４は照明光のみを考慮し、偏光膜１５は投影光のみを考慮した設計とすればよく、入射光に対する特性劣化を回避することができる。

さらに、偏光膜１５は、ＤＭＤ素子６Ｒからの赤色光Ｒがｎ＝０により２ｎ＝０回、ＤＭＤ素子６ＧＢからの緑色光Ｇまたは青色光Ｂがｎ＝１により２ｎ＝２回なる偶数回の反射を受ける光路上に配設されているので、各ＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢによる変調画像は、反転させる必要がなく、いずれも表示制御の容易な非反転表示でよいものとすることができる。

本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。以下、各種変形例を例示する。

（変形例１）
図７は、変形例１の投影型表示装置の要部構成例を示す正面図であり、図８は、その投影光の光路の主光線のみを示す正面図である。変形例１では、色分離合成プリズム１０のプリズム面１０ｃ，１０ｂと各ＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢとの間にフィールドレンズ８を配置させたものである。フィールドレンズ８は、照明系の一部であり投影系の一部でもあるので、照明系と投影系との双方の収差補正に寄与する。また、投影光学系は、フィールドレンズ８と投影レンズ７とにより構成されるとすると、この撮影光学系は、ＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢに対してテレセントリック光学系を構成するが、フィールドレンズ８によって投影レンズ７の瞳位置をＤＭＤ素子６Ｒ，６ＧＢ側に近づけている。この結果、フィールドレンズ８以降の投影光学系の光束径を小さくすることができ、色分離合成プリズム１０を一層小型化できる。また、投影レンズ７の大きさも小さくすることができる。

（変形例２）
図９は、変形例２の投影型表示装置の要部構成例および投影光の光路の主光線のみを示す正面図である。変形例２では、フィールドレンズ８を透過した投影光の主光線が、収束状態で、瞳位置が色分離合成プリズム１０の外部に形成されるようにしたものである。これにより、投影レンズ７の入射瞳位置は、偏光膜１５付近あるいは偏光膜１５より投影レンズ７側（投影レンズ７内部を含む）となるようにしたものである。なお、図７〜図９に示すフィールドレンズ８の形状は模式的なものであり、実際の形状とは異なる。

変形例１では、色分離合成プリズム１０の小型化を優先して投影レンズ７の入射瞳をプリズム接合面１３の偏光膜１５の位置に設定したが、変形例２のように、投影レンズ７の入射瞳をプリズム射出後直後の位置に設定することで投影レンズ７の小型化を図ることができる。

（変形例３）
図１０は、変形例３の投影型表示装置の一部の構成例を示す正面図である。変形例３では、反射型空間光変調器としてＤＭＤ素子に代えて反射型液晶ライトバルブ３１を用いるようにしたものである。反射型液晶ライトバルブ３１の法線に対して照明光を図１０に示すように斜め入射させると、反射型液晶ライトバルブ３１で変調された投影光は斜めに正反射するので、照明光路と投影光路とを分離できる。よって、照明光がダイクロイック膜１４を経て反射型液晶ライトバルブ３１に斜め入射し、反射型液晶ライトバルブ３１で変調された投影光が偏光膜１５を経るようにすることで、２板型の反射型液晶ライトバルブの場合にも適用可能となる。

この際、図１１に示すように、フィールドレンズ８の中心を反射型液晶ライトバルブ３１の中心に対して偏心させることで、投影光の光軸を反射型液晶ライトバルブ３１に対して略垂直向きとなるようにし、ＤＭＤ素子の場合に近づけるようにしてもよい。

（変形例４）
図１２は、変形例４の波長選択性偏光素子３Ａの構成例を示す正面図であり、図１３は、領域Ｃ−ＣＳを透過した照明光に基づく投影光の様子を示す正面図である。変形例４では、波長選択性偏光素子３Ａを基本的に領域Ｇ−ＣＳ，Ｂ−ＣＳに２分割するとともに、その境界部の一部の領域にシアン光Ｃ（緑色光Ｇ＋青色光Ｂ）の偏光方向をＰ偏光からＳ偏光に変換する領域Ｃ−ＣＳを付加したものである。

照明光が波長選択性偏光素子３Ａの領域Ｃ−ＣＳを透過した場合、赤色光Ｒは、Ｐ偏光のままであり、図１３（ａ）に示すようにＤＭＤ素子６Ｒで偏向反射された後、偏光膜１５を透過して投影光として投射レンズ７に向かう。一方、緑色光Ｇは、領域Ｃ−ＣＳによってＰ偏光からＳ偏光に変換され、図１３（ｂ）に示すようにＤＭＤ素子６ＧＢで偏向反射された後、偏光膜１５で反射されて投影光として投射レンズ７に向かう。青色光Ｂも、領域Ｃ−ＣＳによってＰ偏光からＳ偏光に変換され、図１６（ｂ）に示すようにＤＭＤ素子６ＧＢで偏向反射された後、偏光膜１５で反射されて投影光として投射レンズ７に向かう。よって、照明光が波長選択性偏光素子３Ａの領域Ｃ−ＣＳを透過した場合、投影光としてはＲＧＢの白色光が投影されるので、明るさを向上させることができる。

（変形例５）
図１４は、変形例５の波長選択性偏光素子３Ｂの構成例としてＸＹ平面図、ＹＺ平面図およびその断面図を併せて示す図である。変形例５では、ホイール形状の波長選択性偏光素子３に代えて、ドラム状の波長選択性偏光素子３Ｂを用いたものである。波長選択性偏光素子３Ｂは、その外周面上に領域Ｇ−ＣＳ，Ｂ−ＣＳが交互に均等分割されて回転駆動されるもので、外周面の特定位置に入射する照明光に対して領域Ｇ−ＣＳ，Ｂ−ＣＳが時分割的に偏光方向変換機能を発揮し、内部に一体に形成された円錐台形状のミラー４１で所望の方向に反射させる。なお、図１４（ｂ）は、波長選択性偏光素子３Ｂの基準軸方向を示している。

入射光の偏光方向は各フィルタの基準軸方向と一致しており、この各フィルタの基準軸方向の偏光光を入射すると、各フィルタに対応する光の特定の波長の偏光方向を最も効率よく変えることができる。ここで、もし各フィルタの基準軸方向と入射光の偏光方向の相対的な位置関係がずれると光における特定の波長の偏光方向を変換する機能が劣化する。例えば、偏光方向を９０度回転させることを目的としている光の特定の波長域がずれてしまったり、入射光の透過率が落ちるなどの劣化を生じる。しかしながら、図１４に示すように、カラーセレクトホイール（波長選択性偏光素子）をドラム状にすることで、入射光の偏光方向と各フィルタの基準軸方向の相対的な位置関係が常に一定となり、光における特定の波長の偏光方向を変換する作用の劣化を抑制できる。

なお、波長選択性偏光素子３Ｂと一体的なミラー４１に代えて、図１５に示すように、固定配置させた固定ミラー４２によって波長選択性偏光素子３Ｂを透過した光を所望方向に反射させるようにしてもよい。

さらに、図１６に示すように、波長選択性偏光素子３Ｂおよびミラー４１に対する入射方向を逆に設定してもよい。この際、光源２からの照明光を波長選択性偏光素子３Ｂとインテグレータロッド４との間付近に集光させるようにすれば、ドラム状の波長選択性偏光素子３Ｂおよびインテグレータロッド４における光束径を小さくすることができる。

（変形例６）
また、ダイクロイック膜１４と偏光膜１５は、図１紙面の垂直方向にずらして各々異なる位置に配設させ、両者が重ならないようにしてもよい。

（変形例７）
この他、フィルタ部材としては、カラーリンク社のカラースイッチ（登録商標）を用いるようにしてもよい。また、回転式の波長選択性偏光素子３，３Ａ，３Ｂに限らず、直線状に往復移動するタイプであってもよい。

また、反射型空間光変調器に関する２板型の構成として、本実施の形態では、緑色光Ｇ用と青色光Ｂ用とで時分割で共用するようにしたが、緑色光Ｇ用と赤色光Ｒ用とで時分割で共用し、あるいは、赤色光Ｒ用と青色光Ｂ用とで時分割で共用するようにしてもよい。波長選択性偏光素子３，３Ａ，３Ｂ（フィルタ部材）の構成も、このような構成に対応させて、偏光方向を変換させる色光を変更すればよい。

本発明の実施の形態にかかる投影型表示装置を示す概略構成図である。 波長選択性偏光素子の構成例を示す概略正面図である。 色分離合成プリズムの照明光に対する作用を示す正面図である。 色分離合成プリズムの赤色投影光に対する作用を示す正面図である。 色分離合成プリズムの緑色投影光および青色投影光に対する作用を示す正面図である。 色分離合成プリズムの投影光に対する作用を示す正面図である。 変形例１の投影型表示装置の要部構成例を示す正面図である。 図７の投影光の光路の主光線のみを示す正面図である。 変形例２の投影型表示装置の要部構成例および投影光の光路の主光線のみを示す正面図である。 変形例３の投影型表示装置の一部の構成例を示す正面図である。 変形例３の投影型表示装置の一部の別の構成例を示す正面図である。 変形例４の波長選択性偏光素子の構成例を示す正面図である。 透明領域Ｃ−ＣＳを透過した照明光に基づく投影光の様子を示す正面図である。 変形例５の波長選択性偏光素子の構成例としてＸＹ平面図、ＹＺ平面図およびその断面図を併せて示す図である。 変形例５の波長選択性偏光素子の別の構成例を示す断面図である。 変形例５の波長選択性偏光素子のさらに別の構成例としてＸＹ平面図、ＹＺ平面図およびその断面図を併せて示す図である。 特許文献１に示される投影型表示装置の概要を示す概略構成図である。 非特許文献１に示される２チップ方式の投影型表示装置の概要を示す概略構成図である。 非特許文献１に示される３チップ方式の投影型表示装置の概要を示す概略構成図である。 特許文献２に示される投影型表示装置の概要を示す概略平面図である。 図２０の概略側面図である。 ダイクロイック膜の入射角依存性を示す特性図である。

符号の説明

３，３Ａ，３Ｂ 波長選択性偏光素子
６Ｒ，６ＧＢ ＤＭＤ素子
７ 投影レンズ
１０ 色分離合成プリズム
１１，１２ プリズム
１３ プリズム接合面
１４ ダイクロイック膜
１５，２１ 偏光膜
３１ 反射型液晶ライトバルブ

Claims (6)

1. 色信号に基づき色光を変調する複数の反射型空間光変調器と、照明光の偏光方向を波長選択的に変換するフィルタ部材と、投影レンズとを備える投影型表示装置であって、
   少なくとも第１と第２のプリズム要素を含みこの第１と第２のプリズム要素の接合面の異なる位置にダイクロイック膜と偏光膜とを有する色分離合成プリズムを備え、該色分離合成プリズムは、前記フィルタ部材を経て入射する照明光を前記ダイクロイック膜により複数の色光に分離して対応する色光用の前記反射型空間光変調器に導き、前記複数の反射型空間光変調器で変調され前記照明光が当該反射型空間光変調器に入射される際の角度と異なる角度で当該反射型空間光変調器から射出される複数の色光を２ｎ（ｎは、０，１，…なる自然数）回反射させる光路上の前記偏光膜で色合成して前記投影レンズに向けて出射させることを特徴とする投影型表示装置。
2. 前記ダイクロイック膜と前記偏光膜とは、同一平面上で重ならない位置に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の投影型表示装置。
3. 前記色分離合成プリズムは、異なる形状の２個のプリズムを接合させてなることを特徴とする請求項１または２に記載の投影型表示装置。
4. 前記反射型空間光変調器と前記色分離合成プリズムとの間にフィールドレンズを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の投影型表示装置。
5. 前記フィールドレンズを透過した投影光の主光線は、収束状態で、瞳位置が前記色分離合成プリズムの外部に形成されることを特徴とする請求項４に記載の投影型表示装置。
6. 前記反射型空間光変調器として、３原色のうちの１色用の反射型空間光変調器と、３原色のうちの残りの２色を時分割で共用する反射型空間光変調器とを備える２板型であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の投影型表示装置。

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