JP2010113266A

JP2010113266A - 投射型表示装置

Info

Publication number: JP2010113266A
Application number: JP2008287431A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Iinuma; 和幸飯沼
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2010-05-20

Abstract

【課題】光学エンジンを大型化することなく光利用効率を向上させることができる投射型
表示装置を提供すること。
【解決手段】反射偏光板６２と液晶パネル６１ｇ，６１ｒ，６１ｂとの間に凸レンズ４０
を設けることにより、凸レンズ４０を照明系のフィールドレンズとしても投射光学系の一
部（後玉）としても機能させることができる。また、凸レンズ４０は、照明光ＬＧ，ＬＲ
，ＬＢにおいてテレセントリックな特性を実現でき、投射光を集光し発散を抑えることが
できる。以上のことにより、均一化光学系３０のＦ値を小さく維持しつつ投射光学系のＦ
値を小さく設定することができる。また、凸レンズ４０により光線が集光するため、投射
レンズ本体８０の開口を小さくすることができる。また、これに伴い反射偏光板６２も小
さくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明光を光変調装置によって変調し、変調された像光を投射する投射型表示
装置に関する。

従来の投射型表示装置として、略平行光束を射出する光源と、光源からの平行光を偏光
分離し変調光を検光する偏光ビームスプリッタと、複数のプリズムと複数のダイクロイッ
ク膜とから構成され照明光を緑、青、赤の３色の光路に分離又は合成する色分解合成プリ
ズムと、３色の照明光によってそれぞれ照明される３つの反射型液晶ライトバルブと、こ
れら３つの反射型液晶ライトバルブからの像を色分解合成プリズムで合成後、拡大像を投
射する投射レンズとを備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２９２０２号公報

しかしながら、特許文献１のような反射型デバイスを有する投射型表示装置では、投射
レンズのバックフォーカスを長くとらざるをえず、その結果として、光利用効率が落ちる
という問題が生じる。また、投射レンズのＦ値を小さくしようとすると、色分離合成プリ
ズム等のサイズが大きくなり、光学エンジンが大型化するという問題が生じる。

そこで、本発明は、光学エンジンを大型化することなく光利用効率を向上させることが
できる投射型表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る投射型表示装置は、入射した光の偏光状態を変
化させることによって画像光の形成を可能にする反射型光変調素子と、反射型光変調素子
に入射した光の第１方向及び第２方向のうちいずれか一方の偏光を透過させ、他方の偏光
を反射する偏光分離素子と、反射型光変調素子と偏光分離素子との間に設けられた凸レン
ズと、反射型光変調素子から射出され凸レンズと偏光分離素子とを経た像光を投射する投
射レンズ本体と、を備え、凸レンズは、投射レンズ本体とともに投射光学系として機能す
る。

上記投射型表示装置では、反射型光変調素子と偏光分離素子との間に凸レンズを設ける
ことにより、凸レンズを照明系のフィールドレンズとしても投射光学系の一部（後玉）と
しても機能させることができる。この際、凸レンズは、照明光についてテレセントリック
な特性を実現でき、投射光を集光しその発散を抑えることができる。以上のことにより、
照明系のＦ値を小さく維持しつつも照明輝度を安定させることができ、投射光学系のＦ値
を簡易に小さく設定することができる。見方を変えれば、凸レンズにより光線が集光する
ため、投射レンズ本体の開口、つまり投射レンズ本体のサイズを小さくすることができる
。また、これに伴い偏光分離素子も小さくすることができる。

また、本発明の具体的な態様又は側面によれば、光を射出する光源と、光源から射出し
た光を複数の部分光束に分割するレンズアレイと、レンズアレイからの複数の部分光束を
重畳させる重畳レンズと、をさらに備える。この場合、レンズアレイにより光束を確実に
均一化することができる。

また、本発明の別の態様では、レンズアレイ及び重畳レンズを経て均一化され偏光分離
素子を経た光を第１色光、第２色光、及び第３色光に分離するとともに、第１色光に対応
して設けられた上述の反射型光変調素子である第１反射型光変調素子と、第２色光に対応
して設けられた第２反射型光変調素子と、第３色光に対応して設けられた第３反射型光変
調素子とを経た第１色光、第２色光、及び第３色光を合成するクロスダイクロイックプリ
ズムをさらに備える。この場合、第１及び第２分岐ミラーで分離された各色の光路を統合
することができ、各色の光路を経た変調光を合成したカラー投射光を形成することができ
る。

また、本発明のさらに別の態様では、第１色光はクロスダイクロイックプリズムを直進
し、第２色光及び第３色光はクロスダイクロイックプリズムで反射される。

また、本発明のさらに別の態様では、凸レンズは、偏光分離素子に対向する第１面とク
ロスダイクロイックプリズムに対向する第２面とを有し、第１面は凸面であり、第２面は
平面である。この場合、凸レンズは第１面に入射する光線を集光し、効率よく各反射型光
変調素子に導くことができる。また、第２面の平面はアライメントのための基準面として
用いることができる。

また、本発明のさらに別の態様では、凸レンズは、第２面においてクロスダイクロイッ
クプリズムに接合される。この場合、凸レンズの第２面が基準面としてクロスダイクロイ
ックプリズムの入射面と密着し、凸レンズとクロスダイクロイックプリズムとをアライメ
ントした状態で一括して固定することができる。

また、本発明のさらに別の態様では、凸レンズは、筺体にアライメントして支持される
。この場合、凸レンズの光線の入射領域以外の部分を支持することとなり、光利用効率を
損なわずに凸レンズを安定して支持することができる。この際、凸レンズの第２面を利用
して凸レンズだけでなくクロスダイクロイックプリズムをアライメントして設置すること
ができる。

また、本発明のさらに別の態様では、偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ及び反射
偏光板のいずれか一方である。この場合、偏光ビームスプリッタ及び反射偏光板のいずれ
か一方に入射した光の第１方向及び第２方向のうちいずれか一方の偏光を透過させ、他方
の偏光を反射させることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る投射型表示装置の構成を説明する概念図である。ま
た、図２は、図１の投射型表示装置の展開図である。また、図３は、図１の投射型表示装
置を構成する凸レンズ、色分離合成光学系、及び光変調部周辺を拡大した図である。

この投射型表示装置１０は、光源から射出された光束を画像情報に応じて変調してカラ
ーの光学像を形成し、この光学像をスクリーン上に拡大投射するための光学機器であり、
光源ランプユニット２０と、均一化光学系３０と、凸レンズ４０と、色分離合成光学系５
０と、光変調部６０と、投射レンズ本体８０とを備えて構成される。ここで、光源ランプ
ユニット２０と均一化光学系３０とは、色分離合成光学系５０等に入射させるための照明
光を生成する照明装置を構成する。また、凸レンズ４０と投射レンズ本体８０とは、拡大
投射用の投射光学系を構成する。

光源ランプユニット２０は、ランプ本体２１から周囲に放射された光束を集めて射出し
、均一化光学系３０等を介して光変調部６０を照明するための光源である。光源ランプユ
ニット２０は、発光管であるランプ本体２１と、ランプ本体２１から前方に射出された光
源光を反射する球面状の副鏡２２と、ランプ本体２１から後方に射出された光源光を反射
する楕円面状の主鏡２３と、コリメート用の凹レンズ２４とを備える。この光源ランプユ
ニット２０において、ランプ本体２１から射出された略白色の光源光は、副鏡２２を介し
て又は直接的に主鏡２３に入射して前方側に反射され、凹レンズ２４によって平行化され
た状態で均一化光学系３０側に射出される。なお、上述したランプ本体２１には、各色の
波長に亘って高輝度の光を射出することができる点で、通常高圧水銀ランプが使用される
が、光源ランプユニット２０に組み込み可能なランプは、高圧水銀ランプに限らず、各種
発光ランプとすることができ、ＬＥＤ等の固体発光素子とすることもできる。また、主鏡
２３としては、楕円面に限らず放物面等の反射面形状を有する各種リフレクタを用いるこ
とができる。放物面状の主鏡２３を用いた場合、主鏡２３の後段に凹レンズ２４等を設け
ることなく、光源ランプユニット２０から平行光束を射出させることができる。

均一化光学系３０は、光源ランプユニット２０から射出された光束を複数の部分光束に
分割し対象とする照明領域に重畳して入射させることにより照度を均一化するとともに、
照明光を特定方向の偏光に変換する光学系であり、第１マルチレンズ３１と、第２マルチ
レンズ３２と、偏光変換装置３４と、重畳レンズ３５とを備えている。

第１マルチレンズ３１は、レンズアレイとも呼ばれ、ランプ本体２１から射出された光
束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子としての機能を有し、システム光軸ＯＡ
と直交する面内にマトリクス状に配列される複数の小レンズ３１ａを備えて構成される。
各小レンズ３１ａの輪郭形状は、後述する光変調部６０を構成する液晶パネル６１ｇ，６
１ｒ，６１ｂの画像形成領域の形状とほぼ相似形をなすように設定されている。第２マル
チレンズ３２は、前述した第１マルチレンズ３１により分割された複数の部分光束を集光
する光学素子である。第２マルチレンズ３２は、第１マルチレンズ３１と同様にシステム
光軸ＯＡに直交する面内にマトリクス状に配列される複数の小レンズ３２ａを備えている
が、集光を目的としているため、各小レンズ３２ａの輪郭形状が液晶パネル６１ｇ，６１
ｒ，６１ｂの画像形成領域の形状と正確に対応している必要はない。なお、以上の第１及
び第２マルチレンズ３１，３２と、以下に説明する重畳レンズ３５や凸レンズ４０とは、
入射光を分割と重ね合わせよって均一化する光インテグレータとして機能する。

偏光変換装置３４は、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）アレイ３４ａと複数の位相差板
３４ｂとで形成されており、第１マルチレンズ３１により分割された各部分光束の偏光方
向を一方向の直線偏光に揃える役割を有する。この偏光変換装置３４のＰＢＳアレイ３４
ａは、詳細な図示を省略しているが、システム光軸ＯＡに対して傾斜配置される偏光分離
膜及び反射ミラーを交互に配列した構成を具備する。前者の偏光分離膜は、各部分光束に
含まれるＰ偏光及びＳ偏光のうち、一方の偏光を透過し、他方の偏光を反射する。反射さ
れた他方の偏光は、後者の反射ミラーによって曲折され、一方の偏光の射出方向、すなわ
ちシステム光軸ＯＡに沿った方向に射出される。射出された偏光のいずれかは、偏光変換
装置３４の光束射出面にストライプ状に設けられる位相差板３４ｂによって偏光変換され
、すべての偏光の偏光方向が揃えられる。このような偏光変換装置３４を用いることによ
り、ランプ本体２１から射出される光束を、一方向の偏光に揃えることができるため、光
変調部６０で利用する光源光の利用率を向上させることができる。

重畳レンズ３５は、後述する凸レンズ４０と協働することにより、第１マルチレンズ３
１と、第２マルチレンズ３２と、偏光変換装置３４とを経た複数の部分光束を集光して、
液晶パネル６１ｇ，６１ｒ，６１ｂの画像形成領域上に重畳させて入射させる。つまり、
両マルチレンズ３１，３２と重畳レンズ３５とを経た照明光は、次段に設けたフィールド
レンズとしての凸レンズ４０等を経て光束の状態が調整され、光変調部６０の照明領域す
なわち各色の液晶パネル６１ｇ，６１ｒ，６１ｂの画像形成領域を均一に重畳照明する。

凸レンズ４０は、後述する反射偏光板６２を透過した偏光を集光する平凸レンズである
。図３等に示すように、凸レンズ４０は、その第１面４０ａ（均一化光学系３０側）が凸
面となっており、第２面４０ｂ（クロスダイクロイックプリズム５１側）が平面となって
いる。また、凸レンズ４０の周縁部４０ｃは、筺体４１によってアライメントされた状態
で支持されている。凸レンズ４０の平坦な第２面４０ｂは、後述するクロスダイクロイッ
クプリズム５１の均一化光学系３０側の端面５１ｃに透明樹脂等を介して接合されている
。

凸レンズ４０は、均一化光学系３０の重畳レンズ３５と協働して、均一化光学系３０の
Ｆ値を一定以下に小さくしつつ、均一化光学系３０のテレセントリック性を確保している
。ここで、均一化光学系３０のＦ値は均一化光学系３０の明るさを意味し、Ｆ値が小さい
ほど均一化光学系３０は明るくなる。

色分離合成光学系５０は、クロスダイクロイックプリズム５１で構成される。クロスダ
イクロイックプリズム５１は、凸レンズ４０等を経た偏光を３原色に分離する色分離光学
系である。また、クロスダイクロイックプリズム５１は、液晶パネル６１ｇ，６１ｒ，６
１ｂから射出され各色光ＬＧ，ＬＲ，ＬＢ毎に変調された光学像を合成してカラー画像を
形成する色合成光学系でもある。クロスダイクロイックプリズム５１の端面５１ｃは、入
射光に対して垂直に配置されており、上述のように凸レンズ４０を接合して固定する部分
となっている。

このクロスダイクロイックプリズム５１は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視
略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた界面には、Ｘ字状に交差する一対の
誘電体多層膜５１ａ，５１ｂが形成されている。一方の第１誘電体多層膜５１ａは赤色光
ＬＲを反射させ、他方の第２誘電体多層膜５１ｂは青色光ＬＢを反射させる。

具体的には、クロスダイクロイックプリズム５１は、反射偏光板６２及び凸レンズ４０
等を経た偏光のうち赤色光ＬＲを第１誘電体多層膜５１ａで反射させて進行方向左側に射
出させ液晶パネル６１ｒに入射させる。また、反射偏光板６２及び凸レンズ４０等を経た
偏光のうち緑色光ＬＧを第１及び第２誘電体多層膜５１ａ，５１ｂを介して直進・射出さ
せ、液晶パネル６１ｇに入射させる。また、反射偏光板６２及び凸レンズ４０等を経た偏
光のうち青色光ＬＢを第２誘電体多層膜５１ｂで反射させて進行方向右側に射出させ液晶
パネル６１ｂに入射させる。以上により、クロスダイクロイックプリズム５１は、反射偏
光板６２及び凸レンズ４０等を経た偏光を赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離
する。

また、クロスダイクロイックプリズム５１は、液晶パネル６１ｒから射出された変調光
としての赤色光ＬＲを第１誘電体多層膜５１ａで反射させて進行方向右側に射出させる。
また、液晶パネル６１ｇから射出された変調光としての緑色光ＬＧを第１及び第２誘電体
多層膜５１ａ，５１ｂを介して直進・射出させる。また、液晶パネル６１ｂから射出され
た変調光としての青色光ＬＢを第２誘電体多層膜５１ｂで反射させて進行方向左側に射出
させる。以上により、クロスダイクロイックプリズム５１は、液晶パネル６１ｇ，６１ｒ
，６１ｂでそれぞれ変調された赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとを合成し、凸レン
ズ４０側へ射出する。

光変調部６０は、３色の照明光ＬＧ，ＬＲ，ＬＢがそれぞれ入射する３つの液晶パネル
６１ｇ，６１ｒ，６１ｂと、クロスダイクロイックプリズム５１を介在させることによっ
てこれら液晶パネル６１ｇ，６１ｒ，６１ｂに対して光学的に対向配置される反射偏光板
６２とを備える。

液晶パネル６１ｇ，６１ｒ，６１ｂは、反射型光変調素子であり、各液晶パネル６１ｇ
，６１ｒ，６１ｂにそれぞれ入射した各色光ＬＧ，ＬＲ，ＬＢの偏光状態を、各液晶パネ
ルに電気的信号として入力された駆動信号或いは制御信号に応じて、画素単位で調整する
。

３つの液晶パネル６１ｇ，６１ｒ，６１ｂのうち緑色光ＬＧ用の液晶パネル６１ｇは、
その入出射面６ｇがクロスダイクロイックプリズム５１の端面５１ｄに接合されている。
また、赤色光ＬＲ用の液晶パネル６１ｒは、その入出射面６ｒがクロスダイクロイックプ
リズム５１の端面５１ｅに接合されている。また、青色光ＬＢ用の液晶パネル６１ｂは、
その入出射面６ｂがクロスダイクロイックプリズム５１の端面５１ｆに接合されている。

反射偏光板６２は、偏光分離素子であり、反射偏光板６２に入射した光の第１方向（具
体的にはＳ偏光）及び第２方向（具体的にはＰ偏光）のうちいずれか一方の偏光（例えば
、Ｐ偏光）を透過させ、他方の偏光（例えば、Ｓ偏光）を反射させる。すなわち、反射偏
光板６２は、各液晶パネル６１ｇ，６１ｒ，６１ｂに入射する照明光の偏光方向を調整す
るとともに、各液晶パネル６１ｇ，６１ｒ，６１ｂから射出される光から所定の偏光方向
の変調光を取り出す。

投射レンズ本体８０は、凸レンズ４０と協働することにより、拡大投影用の投射光学系
として機能する。ここで、凸レンズ４０はフィールドレンズとしての機能と投射光学系の
後玉としての機能とを兼用している。また、投射レンズ本体８０は、複数のレンズ８１，
８２，８３，８４，８５で構成される。なお、投射レンズ本体８０には、ズーム用の駆動
機構やフォーカス用の駆動機構を設けることができる。

クロスダイクロイックプリズム５１で合成された変調光は凸レンズ４０において集光さ
れ、反射偏光板６２において一方向の偏光が反射され、このように反射された変調光の投
射レンズ本体８０に入射する。投射レンズ本体８０を経た像光は、適当な拡大率でスクリ
ーン（不図示）にカラー画像として投射される。

以上説明した本実施形態の投射型表示装置１０では、反射偏光板６２と液晶パネル６１
ｇ，６１ｒ，６１ｂとの間に凸レンズ４０を設けることにより、凸レンズ４０を照明系の
フィールドレンズとしても投射光学系の一部（後玉）としても機能させることができる。
また、凸レンズ４０は、照明光ＬＧ，ＬＲ，ＬＢにおいてテレセントリックな特性を実現
でき、投射光を集光し発散を抑えることができる。以上のことにより、均一化光学系３０
のＦ値を小さく維持しつつ投射光学系のＦ値を小さく設定することができる。また、凸レ
ンズ４０により光線が集光するため、投射レンズ本体８０の開口を小さくすることができ
る。また、これに伴い反射偏光板６２も小さくすることができる。

また、凸レンズ４０の第２面４０ｂが基準面としてクロスダイクロイックプリズム５１
の端面５１ｃと密着することにより、凸レンズ４０とクロスダイクロイックプリズム５１
とをアライメント固定することができる。この際、筺体４１により凸レンズ４０の光線の
入射領域以外の部分（すなわち、周縁部４０ｃ）を支持することになり、光利用効率を損
なわずに凸レンズ４０を安定して支持することができる。

以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるもの
ではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能で
あり、例えば次のような変形も可能である。

すなわち、上記実施形態の投射型表示装置１０では、偏光分離素子として反射偏光板６
２を用いているが、例えばキューブ状の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いることも
できる。

また、上記実施形態の投射型表示装置１０では、均一化光学系３０を第１及び第２マル
チレンズ３１，３２、偏光変換装置３４、及び重畳レンズ３５で構成したが、マルチレン
ズ３１，３２等についてはこれを省略することができ、或いはこれをロッドインテグレー
タに置き換えることができる。

また、本発明は、投射画像を観察する側から投射するフロント投射型投射型表示装置に
も、投射画像を観察する側とは反対の側から投写するリア投射型投射型表示装置にも適用
可能である。

また、上記実施形態において、照明光ＬＧ，ＬＲ，ＬＢの分離及び合成にクロスダイク
ロイックプリズム５１を用いたが、クロスダイクロイックミラーを用いてもよい。

本発明の一実施形態に係る投射型表示装置の構成を説明する概念図である。図１の投射型表示装置の展開図である。図１の投射型表示装置を構成する凸レンズ、色分離合成光学系、及び光変調部周辺を拡大した図である。

符号の説明

１０…投射型表示装置、２０…光源ランプユニット、３０…均一化光学系、４０
…凸レンズ、４１…筺体、５０…色分離合成光学系、５１…クロスダイクロイック
プリズム、６０…光変調部、６１ｇ，６１ｒ，６１ｂ…液晶パネル、６２…反射偏光
板、８０…投射レンズ本体、ＬＧ…緑色光、ＬＲ…赤色光、ＬＢ…青色光、Ｏ
Ａ…システム光軸

Claims

入射した光の偏光状態を変化させることによって画像光の形成を可能にする反射型光変
調素子と、
前記反射型光変調素子に入射した光の第１方向及び第２方向のうちいずれか一方の偏光
を透過させ、他方の偏光を反射する偏光分離素子と、
前記反射型光変調素子と前記偏光分離素子との間に設けられた凸レンズと、
前記反射型光変調素子から射出され前記凸レンズと前記偏光分離素子とを経た像光を投
射する投射レンズ本体と、
を備え、
前記凸レンズは、前記投射レンズ本体とともに投射光学系として機能する、投射型表示
装置。
光を射出する光源と、前記光源から射出した光を複数の部分光束に分割するレンズアレ
イと、前記レンズアレイからの前記複数の部分光束を重畳させる重畳レンズと、をさらに
備える、請求項１に記載の投射型表示装置。
前記レンズアレイ及び前記重畳レンズを経て均一化され前記偏光分離素子を経た光を第
１色光、第２色光、及び第３色光に分離するとともに、前記第１色光に対応して設けられ
た前記反射型光変調素子である第１反射型光変調素子と、前記第２色光に対応して設けら
れた第２反射型光変調素子と、前記第３色光に対応して設けられた第３反射型光変調素子
とを経た前記第１色光、前記第２色光、及び前記第３色光を合成するクロスダイクロイッ
クプリズムをさらに備える、請求項２に記載の投射型表示装置。
前記第１色光は前記クロスダイクロイックプリズムを直進し、前記第２色光及び前記第
３色光は前記クロスダイクロイックプリズムで反射される、請求項３に記載の投射型表示
装置。
前記凸レンズは、前記偏光分離素子に対向する第１面と前記クロスダイクロイックプリ
ズムに対向する第２面とを有し、
前記第１面は凸面であり、前記第２面は平面である、請求項３及び請求項４のいずれか
一項に記載の投射型表示装置。
前記凸レンズは、前記第２面において前記クロスダイクロイックプリズムに接合される
、請求項５に記載の投射型表示装置。
前記凸レンズは、筺体にアライメントして支持される、請求項５及び請求項６のいずれ
か一項に記載の投射型表示装置。
前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ及び反射偏光板のいずれか一方である、請
求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の投射型表示装置。