JP3562513B2 - 画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間光変調素子の像を投射レンズによってスクリーン等に投射して画像表示を行う画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、空間光変調素子を有し、この空間光変調素子の像を投射レンズによってスクリーン等に投射して画像表示を行う画像表示装置が提案されている。例えば、図１６に示すように、放電ランプ等の光源１０１を有する照明光学系１０２を有し、この照明光学系１０２により、液晶等の偏光を用いた空間光変調素子１０３を照明し、この空間光変調素子１０３の像を投射レンズ１０４によって図示しないスクリーンに投射する投射型の画像表示装置は、大型の画像表示装置として実用化されている。
【０００３】
そして、空間光変調素子としては、反射電極を有する反射型の空間光変調素子が使用されている。このような反射型の空間光変調素子は、開口率を大きくすることができ、小型化及び高精細化が図れる点で優れている。
【０００４】
また、この画像表示装置においては、偏光子及び検光子として、一般的に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０５が用いられている。すなわち、照明光学系１０２より出射された光束は、偏光子である偏光ビームスプリッタ１０５に入射し、特定の偏光方向の成分のみが選択されて、空間光変調素子１０３に入射することとなる。
【０００５】
そして、この偏光ビームスプリッタ１０５と空間光変調素子１０３と間には、色分離合成素子としてダイクロイックプリズム１０６が配設されている。すなわち、偏光ビームスプリッタ１０５を経た照明光は、ダイクロイックプリズム１０６において、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）及びＢ（青色）の各色成分に色分離される。そして、各色成分は、対応する空間光変調素子１０３，１０３，１０３に入射し、偏光変調されて反射される。
【０００６】
各空間光変調素子１０３，１０３，１０３からの反射光束は、ダイクロイックプリズム１０６において色合成されて、偏光ビームスプリッタ１０５に入射する。ここで、偏光ビームスプリッタ１０５は、検光子として作用し、特定の偏光成分のみを透過させることによって、各空間光変調素子１０３，１０３，１０３における偏光変調を強度変調に変換する。このようにして強度変調のなされた光束が投射レンズ１０４に入射されることにより、各空間光変調素子１０３，１０３，１０３における変調に対応した画像がスクリーン上に投射されて表示されることとなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような画像表示装置において、偏光子及び検光子として使用している偏光ビームスプリッタは、誘電体多層膜の界面におけるＰ偏光及びＳ偏光の反射率の差によって偏光成分の選択をするものであり、入射光の波長依存性及び角度依存性が大きい。
【０００８】
そのため、この画像表示装置においては、Ｆナンバーの低い明るい照明光学系を使用することができず、光利用効率を向上させることは困難である。
【０００９】
また、上述の画像表示装置において、色分離合成素子として使用しているダイクロイックプリズムにおいては、偏光依存性が大きい。すなわち、入射光（Ｓ偏光）と出射光（Ｐ偏光）についてのダイクロイック面の特性が異なり、空間光変調素子を経た変調光の偏光軸は入射光偏光軸に直交する方位となるため、光利用効率が低下する。
【００１０】
ここで、照明光学系の光軸を空間光変調素子に対して傾斜させることにより、偏光ビームスプリッタに変えて偏光板を用いる光学系が考えられる。しかしながら、投射レンズの鏡筒による照明光のケラレが生じないようにするためには、照明光学系の光軸の空間光変調素子に対する傾斜を大きくする必要がある。照明光学系の光軸が空間光変調素子に対して大きく傾斜されると、この傾斜に応じて投射レンズに入射される光束の光軸も傾き、投射レンズの特性が劣化し、また、偏光板や空間光変調素子への照明光の入射角度が増大し、照明効率が低下するとともに、表示画像のコントラストが低下する。
【００１１】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、Ｆナンバーの低い明るい照明光学系を使用することができるとともに、色分離合成素子における光利用効率の低下が防止され、明るい画像表示を行うことができる画像表示装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る画像表示装置は、反射電極を有する空間光変調素子と、偏光素子及び光源を有し、上記偏光素子を介して上記光源によって上記空間光変調素子を照明する照明光学系と、上記空間光変調素子の像を結像する投射レンズと、上記投射レンズと上記空間光変調素子との間に配置された透明光学ブロックとを備え、上記透明光学ブロックの一の面が、上記照明光学系から上記空間光変調素子に至る照明光の光路を内面反射によって折り返す反射面を有し、さらに、上記透明光学ブロックは、上記照明光学系から発せられた光束のうちの、上記反射面を経て上記空間光変調素子に至る照明光の余の光を上記投射レンズの入射瞳の外に出射させる出射面を有していることを特徴とする。
【００１３】
この画像表示装置においては、照明光学系から空間光変調素子に至る照明光の光路が反射面によって折り返されるので、該光路と投射レンズとの干渉を生ずることなく、照明光の空間光変調素子への入射角を小さくすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１７】
本発明に係る画像表示装置は、図１に示すように、例えば、反射型の液晶変調素子の如き、反射電極を有する空間光変調素子（ライトバルブ）１と、この空間光変調素子１を照明する照明光学系２と、空間光変調素子１の像を結像する投射レンズ３からなる投射型の画像表示装置である。照明光学系２は、図示しない放電ランプ等の光源及び偏光素子を有し、該光源が発した光束を偏光素子及び複数の光学素子を介して、照明光束として空間光変調素子１に対して傾斜して照射するように構成されている。照明光束は、直線偏光となされた光束である。そして、投射レンズ３は、空間光変調素子１の像を、図示しないスクリーン上に投射させ結像させる。
【００１８】
そして、この画像表示装置は、照明光学系２から発せられた照明光束が投射レンズ３の鏡筒によって遮られないように、照明光束の光路を折り曲げるための反射面４を有している。この反射面４は、照明光束の空間光変調素子１の表示面に対する傾斜角度を最小限に抑えつつ、この照明光束と、空間光変調素子１により反射された変調光束とが交わらないようにするため、投射レンズ３の後玉（空間光変調素子１側のレンズ）にできるだけ近い位置に配置されている。また、反射面４は、照明光学系３からの照明光束が、空間光変調素子１、または、照明光学系３と空間光変調素子１との間に配設される色分離プリズムに重ならない角度となされて配置されている。
【００１９】
この画像表示装置においては、このように反射面４が設けられていることにより、投射レンズ３の鏡筒の大きさに拘わらず、照明光学系２からの照明光束の空間光変調素子１の表示面に対する傾斜角度を最小限に抑えることができる。なお、照明光束の空間光変調素子１の表示面に対する傾斜角度は、照明光学系２のＦナンバ、投射レンズ３のバックフォーカス、組み立てにおける余裕度など加味して決定することができる。
【００２０】
この画像表示装置においては、いわゆる偏心光学系を用いていることにより、コンパクトな光学システムとすることができる。すなわち、空間光変調素子１の照明光束の入射側には、照明光学系２におけるフィールドレンズが配設されているが、このフィールドレンズは、投射レンズ３のフィールドレンズも兼ねている。このフィールドレンズは、空間光変調素子１の反射面においてテレセントリックな光学系とする目的で配置されている。このフィールドレンズの光軸を投射レンズ３の光軸に対して適当にずらす、あるいは、フィールドレンズの光軸及び投射レンズ３の光軸を一致させたままで、空間光変調素子１の反射面を投射レンズ３の光軸に対して傾ける等により、空間光変調素子１に対する斜め照明を実現している。投射レンズ３の光軸に対するフィールドレンズの光軸のシフト及びチルト、空間光変調素子１位置は、投射レンズ３の特性（ＭＴＦ、画歪み）、口径や、斜め投射比率等に影響を与える。そのため、照明光学系２は、独立して設計できるものではなく、投射光学系３をも考慮して設計されるべきである。
【００２１】
そして、この画像表示装置においては、空間光変調素子１を液晶変調素子として場合において、この液晶変調素子に対応して、円偏光板を配設する。この円偏光板は、１個の液晶変調素子に対して１枚が対応して配設され、照明光学系２より液晶変調素子に入射される光束に対しては偏光子の機能を果たし、液晶変調素子により反射されて投射レンズ３に入射する光束に対しては検光子の機能を果たす。この画像表示装置においては、１枚の円偏光板及び液晶変調素子によって、入射光束の変調が行われる。
【００２２】
例えば、円偏光板の透過光が左回り円偏光（ＬＣＰ）であるとすると、液晶変調素子の液晶層において位相変化せずに反射面電極において反射された光線は、位相が１８０°変化し、右回り円偏光（ＲＣＰ）となるので、円偏光板を透過しない。
【００２３】
すなわち、液晶変調素子の液晶層において、０°乃至９０°の位相変化を生じさせることにより、この液晶変調素子を経て円偏光板を透過した光束において、黒レベルから白レベルまでの変調を行うことが可能となる。そして、液晶変調素子において、画素ごとに所定の位相変化を生じさせることにより、スクリーン上に画像表示を行うことができる。
【００２４】
円偏光板は、直線偏光板と、１／４λ（波長）板とによって構成することができる。直線偏光板としては、所定の一方向の直線偏光を吸収し、他の方向の偏光を透過させる吸収型直線偏光板、及び、所定の一方向の直線偏光を反射し、他の方向の偏光を透過させる反射型直線偏光板のいずれでもよい。なお、円偏光板として、コレステリック液晶ポリマからなる反射型円偏光板を用いることも可能である。
【００２５】
また、フィールドレンズと円偏光板の位置関係により２通りの構成が考えられる。すなわち、円偏光板がフィールドレンズと液晶変調素子との間に配置してある構成と、円偏光板がフィールドレンズと投射レンズとの間に配置してある構成とである。
【００２６】
また、この画像表示装置の照明光学系２は、空間光変調素子１を照明する効率を改善するため、図２に示すように、複数のエレメントがマトリクス状に配列されたインテグレータ（フライアイインテグレータ、または、ロッドインテグレータ）である第１及び第２のフライアイレンズ７，８を有している。すなわち、光源５から発せられた光束は、放物面鏡６によって略々平行光束となされ、インテグレータ７，８及び偏光素子９を介して、フィールドレンズ１０，１１を経て、空間光変調素子１に傾斜して入射される。
【００２７】
この照明光学系２においては、第１のフライアイレンズ７の各エレメントが、被照明物である空間光変調素子の表示面上に照明光束を結像させる。そして、この画像表示装置においては、図２中のθで示すように、空間光変調素子の表示面が照明光束の光軸に対して傾斜（チルト）しているので、この表示面においては、共軸系の場合に比較して、傾斜（チルト）方向に照明範囲が広がるため、照明効率が低下することとなる。
【００２８】
そこで、この照明光学系２においては、インテグレータ７，８の各エレメントのアスペクト比は、空間光変調素子の照明範囲のアスペクト比に等しい図３に示す通常のインテグレータの各エレメントのアスペクト比に対して、図４に示すように、照明光束の光軸の空間光変調素子に対する傾斜の方向に縮められたものとなっている。
【００２９】
これらのアスペクト比における照明光束の光軸の空間光変調素子に対する傾斜方向についての比率を、〔ｄ１／ｄ２〕とすると、傾斜角度をθとしたとき、以下の関係となっている。
【００３０】
ｄ１／ｄ２＝ｃｏｓθ
すなわち、フライアイレンズ７，８の各エレメントの形状は、通常のインテグレータの各エレメントの形状に対して、傾斜方向に関しては、ｃｏｓθを乗じた値となっている。ところで、照明光束の光軸が空間光変調素子に対して傾斜していない（垂直に入射の）場合の照明範囲をｄ１としたとき、照明光束の光軸が空間光変調素子に対してθだけ傾斜している場合の照明範囲は、〔ｄ１／ｃｏｓθ〕となり、これがｄ２ということになる。
【００３１】
この照明光学系においては、インテグレータ７，８の各エレメントのアスペクト比が上述のように調整されていることにより、照明光束の光軸の空間光変調素子に対する傾斜の方向への照明範囲の広がりが抑えられ、照明効率の低下が防止される。
【００３２】
〔実施例１〕
本発明に係る画像表示装置は、図５に示すように、円偏光板１３をフィ一ルドレンズ１１と空間光変調素子１の間に配置して構成することができる。この画像表示装置は、光源５、放物面鏡６、インテグレータ７，８、偏光素子９及びフィールドレンズ１０からなる照明光学系２と、この照明光学系２から発せられる照明光束を折り曲げる反射面（反射板）４と、フィールドレンズ１１及びクロスダイクロイックプリズム１２を通して照明光束により照明される空間光変調素子１と、この空間光変調素子１の像を図示しないスクリーン上に投射する投射レンズ３とを有して構成されている。
【００３３】
なお、円偏光板１３及び空間光変調素子１は、クロスダイクロイックプリズム１２によって色分離された３つの色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に対応して、このクロスダイクロイックプリズム１２の三方にそれぞれ１枚ずつ、計３枚が配置されている。
【００３４】
反射面４は、照明光学系２と空間光変調素子１との間の光路上であって、投射レンズ３の後端部近傍に配置されている。
【００３５】
〔実施例２〕
また、本発明に係る画像表示装置は、図６に示すように、円偏光板１３を投射レンズ３とフィールドレンズ１１との間に配置して構成してもよい。この場合には、フィールドレンズ１１と空間光変調素子１とは、光学的に一体化（オプティカルカップリング）するようにする。
【００３６】
また、この実施例では、クロス型ダイクロイックプリズム１２と投射レンズ３との間には、透明光学ブロック１５が配置されている。透明光学ブロック１５は、クロス型ダイクロイックプリズム１２と屈折率の同じ材料によって形成されている。これら透明光学ブロック１５及びクロス型ダイクロイックプリズム１２の互いに対向する界面１８は、これら透明光学ブロック１５及びクロス型ダイクロイックプリズム１２に略々等しい屈折率の接着剤によって、オプティカルカップリングされている。
【００３７】
照明光学系２は、上述の実施例におけると同様に、光源５、放物面鏡６、インテグレータ７，８、偏光素子９及びフィールドレンズ１０から構成されている。また、円偏光板１３、フィールドレンズ１１及び空間光変調素子１は、クロスダイクロイックプリズム１２によって色分離された３つの色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に対応して、このクロスダイクロイックプリズム１２の三方にそれぞれ１枚ずつ、計３枚が配置されている。
【００３８】
この画像表示装置においては、照明光学系２からの照明光束は、図７に示すように、透明光学ブロック１５の入射面１６から、この透明光学ブロック１５内に入射する。透明光学ブロック１５の、入射面１６に略々対向する面１７には、反射面４が形成されている。照明光束は、反射面４によって反射されて折り返され、クロス型ダイクロイックプリズム１２に接合された界面１８に向かう。反射面４は、照明光学系２と空間光変調素子１との間の光路上であって、投射レンズ３の後端部近傍となる位置に配置されている。
【００３９】
透明光学ブロック１５の界面１８より出射されてクロス型ダイクロイックプリズム１２に入射した照明光束は、このクロス型ダイクロイックプリズム１２によって色分離され、各色に対応したフィールドレンズ１１を経て各色に対応した空間光変調素子１に入射する。
【００４０】
各空間光変調素子１において変調されて反射された変調光は、クロス型ダイクロイックプリズム１２に入射して色合成され、このクロス型ダイクロイックプリズム１２に接合された透明光学ブロック１５の界面１８を経て、この透明光学ブロック１５に入射される。この変調光は、界面１８に対向する透明光学ブロック１５の出射面１９より出射されて、投射レンズ３に入射する。投射レンズ３は、入射された変調光を図示しないスクリーン上に投射し、空間光変調素子１の像をスクリーン上に結像させる。
【００４１】
この画像表示装置においては、照明光学系２からの照明光束が投射レンズ３の鏡胴によって遮光されることがない。また、この画像表示装置においては、図８に示すように、クロス型ダイクロイックプリズム１２の内面で反射されてしまい空間光変調素子１に到達しなかった照明光束は、透明光学ブロック１５の不要光出射面２０から外方側に出射され、投射レンズ３の入射瞳内に入射することがないので、表示画像のコントラストの低下が防止されている。
【００４２】
すなわち、この画像表示装置において、表示画像のコントラストを低下させる要因がいくつか存在する。照明光学系２からの照明光束が、円偏光板１３の表面等、円偏光板１３を通過する前の界面で反射され、直接投射レンズ３に入射してしまうと、表示画像のコントラストが低下する。なお、このような反射は、円偏光板として反射型偏光板を用いた場合に顕著となる。
【００４３】
そして、表示画像のコントラスを改善するには、上述のような、各光学部品における反射光束の発生を抑えるか、または、各光学部品における反射光束が投射レンズの入射瞳に入射しないようにする必要がある。光学部品の界面における反射で最も問題となるのは、エアーと光学部品との界面における反射である。そして、光学系の配置によって、このような反射光束が投射レンズの入射瞳に入射しないようにすることができる。
【００４４】
すなわち、この画像表示装置においては、透明光学ブロック１５の出射面２０の角度が、円偏光板１３により反射された不要光の反射が小さくなるように決定されており、この不要光が投射レンズ３に入射しないようにしている。
【００４５】
〔実施例３〕
この実施例においては、上述の実施例２における光学素子の配置を採用し、以下の数値的設定及び材料を採用した。
【００４６】
すなわち、照明光学系２による照明サイズを、０．５インチ（１６：９）とした。照明光学系のＦナンバは、Ｆ２．４とした。投射レンズ３の入射瞳径は、４０ｍｍとした。フィールドレンズ１１のシフト量は、投射レンズ３の光軸を基準として、１１．２ｍｍとした。
【００４７】
また、空間光変調素子１の斜め投射表示のためのエリアシフト量は、図９に示すように、１００％（空間光変調素子１の表示面（反射面）の縁部が投射レンズ３の光軸上となる状態）とした。空間光変調素子１の反射面のチルト量は、４．７°である。そして、反射面４のチルト量は、光軸に対して、１０°である。
【００４８】
さらに、フィールドレンズ１１をなす硝材は、「ＳＦ０３」である。このフィールドレンズ１１の曲率半径Ｒは、９０ｍｍである。透明光学ブロック１５をなす硝材としては、「ＢＫ７」を使用している。また、クロス型ダイクロイックプリズム１２を硝材としても、「ＢＫ７」を使用している。
【００４９】
そして、空間光変調素子１は、照明光学系２の光軸に対して、２２．５°の傾斜角を有している。空間光変調素子１のアスベクト比は１６：９であり、照明光学系は、この空間光変調素子１に対して、空間光変調素子１の短軸方向に傾斜していることになる。
【００５０】
インテグレータ７，８をなすフライアイレンズの各エレメントのアスペクト比は、１６：８．３（＝９×ｃｏｓ２２．５°）となっている。フライアイレンズの外形サイズは光源の大きさによって決まるため、各エレメントの個数は、区切りの良い個数とすることができる。例えば、図４に示すように、各エレメントの大きさを４．４４ｍｍ×２．３５ｍｍとし、エレメントの個数を、縦１７個、横９個とし、外形サイズを３９．９５ｍｍ×３９．９５ｍｍとすることができる。各エレメントのアスペクト比を調整しない場合は、図３に示すように、４．４４ｍｍ×２．５ｍｍであるので、アスペクト比の調整により、縦方向に９４％の比率となっている。
【００５１】
なお、フィールドレンズ１１を投射レンズ３の光軸に対してシフトさせることと、空間光変調素子１の反射面をチルトさせることとは、照明光束と変調光とを分離する機能としては同じである。しかし、フィールドレンズ１１のシフトのみで同じ偏心量を得ようとすると、シフト量が大幅に増え、フィールドレンズ１１の径が大きくなり、コスト増となり、フィールドレンズ１１の収差が大きくなって投射レンズ３の特性が劣化し、照明効率も低下することが問題となる。また、空間光変調素子１の反射面のチルトのみで同じ偏心量を得ようとすると、画歪み、像面湾曲が大きくなり、投射レンズ３の特性を劣化させる。したがって、適当量のフィールドレンズ１１のシフトと、空間光変調素子１の反射面のチルトとを組み合わせることにより、像面湾曲を補正することも可能となり、投射レンズ３の特性を改善することができる。なお、投射レンズ３は、実際の設計例としては、図１０に示すように、例えば、９群１０枚のレンズ構成によって実現することができる。
【００５２】
この画像表示装置の空間光変調素子１の位置における照明パターンは、図１１に示すように、フライアイレンズの各エレメントのアスペクト比の調整により、図１２に示すアスペクト比の調整をしない場合における照明パターンに比較して、空間光変調素子１の反射面の傾斜（チルト）に対応したものとなっており、照明効率の向上が図られている。なお、この画像表示装置においては、フライアイレンズの各エレメントのアスペクト比の調整により、図１３に示す偏心しない照明における照明パターンにおける照明効率と概ね同じ効率が得られている。
【００５３】
この画像表示装置の投射レンズ３の入射瞳位置における照度パターンは、図１４に示すように、図１５に示す偏心しない照明光学系における照明パターンと概ね同じ照明パターンが得られている。したがって、この画像表示装置においては、投射レンズ３を通した効率に関しても、偏心しない照明光学系を用いた場合と同等となっていることがわかる。また、この画像表示装置においては、投射レンズ３の設計においても、偏心しない照明光学系を用いる場合と概ね同じ設計が可能であることがわかる。
【００５４】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る画像表示装置においては、照明光学系から空間光変調素子に至る照明光の光路が反射面によって折り返されるので、該光路と投射レンズとの干渉を生ずることなく、照明光の空間光変調素子への入射角を小さくすることができ、投射レンズの特性劣化を少なくするとことができ、また、表示画像のコントラスト低下を抑えることができる。
【００５６】
すなわち、本発明は、Ｆナンバーの低い明るい照明光学系を使用することができるとともに、色分離合成素子における光利用効率の低下が防止され、明るい画像表示を行うことができる画像表示装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る画像表示装置の基本的な構成を示す側面図である。
【図２】上記画像表示装置における照明光学系の基本的な構成を示す側面図である。
【図３】照明光学系に使用されるインテグレータの一般的な構成を示す正面図である。
【図４】上記画像表示装置における照明光学系に使用されるインテグレータの構成を示す正面図である。
【図５】上記画像表示装置の実施例１における構成を示す側面図である。
【図６】上記画像表示装置の実施例２における構成を示す側面図である。
【図７】上記画像表示装置の実施例２の構成における照明光束の光路を示す側面図である。
【図８】上記画像表示装置の実施例２の構成における不要光の光路を示す側面図である。
【図９】上記画像表示装置における照明光学系のシフト量を説明する側面図である。
【図１０】上記画像表示装置の投射レンズの構成を含めた構成を示す側面図である。
【図１１】上記画像表示装置においてインテグレータの各エレメントのアスペクト比を調整した場合の照明光学系による照明パターンを示す正面図である。
【図１２】上記画像表示装置においてインテグレータの各エレメントのアスペクト比を調整しない場合の照明光学系による照明パターンを示す正面図である。
【図１３】傾斜のない照明光学系による照明パターンを示す正面図である。
【図１４】上記画像表示装置においてインテグレータの各エレメントのアスペクト比を調整した場合の投射レンズの入射瞳における照明光束の照度分布を示す正面図である。
【図１５】上記画像表示装置においてインテグレータの各エレメントのアスペクト比を調整しない場合の投射レンズの入射瞳における照明光束の照度分布を示す正面図である。
【図１６】従来の画像表示装置の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
１ 空間光変調素子、２ 照明光学系、３ 投射レンズ、４ 反射面、５，１１ フィールドレンズ、７，８ インテグレータ、１３ 円偏光板
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間光変調素子の像を投射レンズによってスクリーン等に投射して画像表示を行う画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、空間光変調素子を有し、この空間光変調素子の像を投射レンズによってスクリーン等に投射して画像表示を行う画像表示装置が提案されている。例えば、図１６に示すように、放電ランプ等の光源１０１を有する照明光学系１０２を有し、この照明光学系１０２により、液晶等の偏光を用いた空間光変調素子１０３を照明し、この空間光変調素子１０３の像を投射レンズ１０４によって図示しないスクリーンに投射する投射型の画像表示装置は、大型の画像表示装置として実用化されている。
【０００３】
そして、空間光変調素子としては、反射電極を有する反射型の空間光変調素子が使用されている。このような反射型の空間光変調素子は、開口率を大きくすることができ、小型化及び高精細化が図れる点で優れている。
【０００４】
また、この画像表示装置においては、偏光子及び検光子として、一般的に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０５が用いられている。すなわち、照明光学系１０２より出射された光束は、偏光子である偏光ビームスプリッタ１０５に入射し、特定の偏光方向の成分のみが選択されて、空間光変調素子１０３に入射することとなる。
【０００５】
そして、この偏光ビームスプリッタ１０５と空間光変調素子１０３と間には、色分離合成素子としてダイクロイックプリズム１０６が配設されている。すなわち、偏光ビームスプリッタ１０５を経た照明光は、ダイクロイックプリズム１０６において、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）及びＢ（青色）の各色成分に色分離される。そして、各色成分は、対応する空間光変調素子１０３，１０３，１０３に入射し、偏光変調されて反射される。
【０００６】
各空間光変調素子１０３，１０３，１０３からの反射光束は、ダイクロイックプリズム１０６において色合成されて、偏光ビームスプリッタ１０５に入射する。ここで、偏光ビームスプリッタ１０５は、検光子として作用し、特定の偏光成分のみを透過させることによって、各空間光変調素子１０３，１０３，１０３における偏光変調を強度変調に変換する。このようにして強度変調のなされた光束が投射レンズ１０４に入射されることにより、各空間光変調素子１０３，１０３，１０３における変調に対応した画像がスクリーン上に投射されて表示されることとなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような画像表示装置において、偏光子及び検光子として使用している偏光ビームスプリッタは、誘電体多層膜の界面におけるＰ偏光及びＳ偏光の反射率の差によって偏光成分の選択をするものであり、入射光の波長依存性及び角度依存性が大きい。
【０００８】
そのため、この画像表示装置においては、Ｆナンバーの低い明るい照明光学系を使用することができず、光利用効率を向上させることは困難である。
【０００９】
また、上述の画像表示装置において、色分離合成素子として使用しているダイクロイックプリズムにおいては、偏光依存性が大きい。すなわち、入射光（Ｓ偏光）と出射光（Ｐ偏光）についてのダイクロイック面の特性が異なり、空間光変調素子を経た変調光の偏光軸は入射光偏光軸に直交する方位となるため、光利用効率が低下する。
【００１０】
ここで、照明光学系の光軸を空間光変調素子に対して傾斜させることにより、偏光ビームスプリッタに変えて偏光板を用いる光学系が考えられる。しかしながら、投射レンズの鏡筒による照明光のケラレが生じないようにするためには、照明光学系の光軸の空間光変調素子に対する傾斜を大きくする必要がある。照明光学系の光軸が空間光変調素子に対して大きく傾斜されると、この傾斜に応じて投射レンズに入射される光束の光軸も傾き、投射レンズの特性が劣化し、また、偏光板や空間光変調素子への照明光の入射角度が増大し、照明効率が低下するとともに、表示画像のコントラストが低下する。
【００１１】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、Ｆナンバーの低い明るい照明光学系を使用することができるとともに、色分離合成素子における光利用効率の低下が防止され、明るい画像表示を行うことができる画像表示装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る画像表示装置は、反射電極を有する空間光変調素子と、偏光素子及び光源を有し、上記偏光素子を介して上記光源によって上記空間光変調素子を照明する照明光学系と、上記空間光変調素子の像を結像する投射レンズと、上記投射レンズと上記空間光変調素子との間に配置された透明光学ブロックとを備え、上記透明光学ブロックの一の面が、上記照明光学系から上記空間光変調素子に至る照明光の光路を内面反射によって折り返す反射面を有し、さらに、上記透明光学ブロックは、上記照明光学系から発せられた光束のうちの、上記反射面を経て上記空間光変調素子に至る照明光の余の光を上記投射レンズの入射瞳の外に出射させる出射面を有していることを特徴とする。
【００１３】
この画像表示装置においては、照明光学系から空間光変調素子に至る照明光の光路が反射面によって折り返されるので、該光路と投射レンズとの干渉を生ずることなく、照明光の空間光変調素子への入射角を小さくすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１７】
本発明に係る画像表示装置は、図１に示すように、例えば、反射型の液晶変調素子の如き、反射電極を有する空間光変調素子（ライトバルブ）１と、この空間光変調素子１を照明する照明光学系２と、空間光変調素子１の像を結像する投射レンズ３からなる投射型の画像表示装置である。照明光学系２は、図示しない放電ランプ等の光源及び偏光素子を有し、該光源が発した光束を偏光素子及び複数の光学素子を介して、照明光束として空間光変調素子１に対して傾斜して照射するように構成されている。照明光束は、直線偏光となされた光束である。そして、投射レンズ３は、空間光変調素子１の像を、図示しないスクリーン上に投射させ結像させる。
【００１８】
そして、この画像表示装置は、照明光学系２から発せられた照明光束が投射レンズ３の鏡筒によって遮られないように、照明光束の光路を折り曲げるための反射面４を有している。この反射面４は、照明光束の空間光変調素子１の表示面に対する傾斜角度を最小限に抑えつつ、この照明光束と、空間光変調素子１により反射された変調光束とが交わらないようにするため、投射レンズ３の後玉（空間光変調素子１側のレンズ）にできるだけ近い位置に配置されている。また、反射面４は、照明光学系３からの照明光束が、空間光変調素子１、または、照明光学系３と空間光変調素子１との間に配設される色分離プリズムに重ならない角度となされて配置されている。
【００１９】
この画像表示装置においては、このように反射面４が設けられていることにより、投射レンズ３の鏡筒の大きさに拘わらず、照明光学系２からの照明光束の空間光変調素子１の表示面に対する傾斜角度を最小限に抑えることができる。なお、照明光束の空間光変調素子１の表示面に対する傾斜角度は、照明光学系２のＦナンバ、投射レンズ３のバックフォーカス、組み立てにおける余裕度など加味して決定することができる。
【００２０】
この画像表示装置においては、いわゆる偏心光学系を用いていることにより、コンパクトな光学システムとすることができる。すなわち、空間光変調素子１の照明光束の入射側には、照明光学系２におけるフィールドレンズが配設されているが、このフィールドレンズは、投射レンズ３のフィールドレンズも兼ねている。このフィールドレンズは、空間光変調素子１の反射面においてテレセントリックな光学系とする目的で配置されている。このフィールドレンズの光軸を投射レンズ３の光軸に対して適当にずらす、あるいは、フィールドレンズの光軸及び投射レンズ３の光軸を一致させたままで、空間光変調素子１の反射面を投射レンズ３の光軸に対して傾ける等により、空間光変調素子１に対する斜め照明を実現している。投射レンズ３の光軸に対するフィールドレンズの光軸のシフト及びチルト、空間光変調素子１位置は、投射レンズ３の特性（ＭＴＦ、画歪み）、口径や、斜め投射比率等に影響を与える。そのため、照明光学系２は、独立して設計できるものではなく、投射光学系３をも考慮して設計されるべきである。
【００２１】
そして、この画像表示装置においては、空間光変調素子１を液晶変調素子として場合において、この液晶変調素子に対応して、円偏光板を配設する。この円偏光板は、１個の液晶変調素子に対して１枚が対応して配設され、照明光学系２より液晶変調素子に入射される光束に対しては偏光子の機能を果たし、液晶変調素子により反射されて投射レンズ３に入射する光束に対しては検光子の機能を果たす。この画像表示装置においては、１枚の円偏光板及び液晶変調素子によって、入射光束の変調が行われる。
【００２２】
例えば、円偏光板の透過光が左回り円偏光（ＬＣＰ）であるとすると、液晶変調素子の液晶層において位相変化せずに反射面電極において反射された光線は、位相が１８０°変化し、右回り円偏光（ＲＣＰ）となるので、円偏光板を透過しない。
【００２３】
すなわち、液晶変調素子の液晶層において、０°乃至９０°の位相変化を生じさせることにより、この液晶変調素子を経て円偏光板を透過した光束において、黒レベルから白レベルまでの変調を行うことが可能となる。そして、液晶変調素子において、画素ごとに所定の位相変化を生じさせることにより、スクリーン上に画像表示を行うことができる。
【００２４】
円偏光板は、直線偏光板と、１／４λ（波長）板とによって構成することができる。直線偏光板としては、所定の一方向の直線偏光を吸収し、他の方向の偏光を透過させる吸収型直線偏光板、及び、所定の一方向の直線偏光を反射し、他の方向の偏光を透過させる反射型直線偏光板のいずれでもよい。なお、円偏光板として、コレステリック液晶ポリマからなる反射型円偏光板を用いることも可能である。
【００２５】
また、フィールドレンズと円偏光板の位置関係により２通りの構成が考えられる。すなわち、円偏光板がフィールドレンズと液晶変調素子との間に配置してある構成と、円偏光板がフィールドレンズと投射レンズとの間に配置してある構成とである。
【００２６】
また、この画像表示装置の照明光学系２は、空間光変調素子１を照明する効率を改善するため、図２に示すように、複数のエレメントがマトリクス状に配列されたインテグレータ（フライアイインテグレータ、または、ロッドインテグレータ）である第１及び第２のフライアイレンズ７，８を有している。すなわち、光源５から発せられた光束は、放物面鏡６によって略々平行光束となされ、インテグレータ７，８及び偏光素子９を介して、フィールドレンズ１０，１１を経て、空間光変調素子１に傾斜して入射される。
【００２７】
この照明光学系２においては、第１のフライアイレンズ７の各エレメントが、被照明物である空間光変調素子の表示面上に照明光束を結像させる。そして、この画像表示装置においては、図２中のθで示すように、空間光変調素子の表示面が照明光束の光軸に対して傾斜（チルト）しているので、この表示面においては、共軸系の場合に比較して、傾斜（チルト）方向に照明範囲が広がるため、照明効率が低下することとなる。
【００２８】
そこで、この照明光学系２においては、インテグレータ７，８の各エレメントのアスペクト比は、空間光変調素子の照明範囲のアスペクト比に等しい図３に示す通常のインテグレータの各エレメントのアスペクト比に対して、図４に示すように、照明光束の光軸の空間光変調素子に対する傾斜の方向に縮められたものとなっている。
【００２９】
これらのアスペクト比における照明光束の光軸の空間光変調素子に対する傾斜方向についての比率を、〔ｄ１／ｄ２〕とすると、傾斜角度をθとしたとき、以下の関係となっている。
【００３０】
ｄ１／ｄ２＝ｃｏｓθ
すなわち、フライアイレンズ７，８の各エレメントの形状は、通常のインテグレータの各エレメントの形状に対して、傾斜方向に関しては、ｃｏｓθを乗じた値となっている。ところで、照明光束の光軸が空間光変調素子に対して傾斜していない（垂直に入射の）場合の照明範囲をｄ１としたとき、照明光束の光軸が空間光変調素子に対してθだけ傾斜している場合の照明範囲は、〔ｄ１／ｃｏｓθ〕となり、これがｄ２ということになる。
【００３１】
この照明光学系においては、インテグレータ７，８の各エレメントのアスペクト比が上述のように調整されていることにより、照明光束の光軸の空間光変調素子に対する傾斜の方向への照明範囲の広がりが抑えられ、照明効率の低下が防止される。
【００３２】
〔実施例１〕
本発明に係る画像表示装置は、図５に示すように、円偏光板１３をフィ一ルドレンズ１１と空間光変調素子１の間に配置して構成することができる。この画像表示装置は、光源５、放物面鏡６、インテグレータ７，８、偏光素子９及びフィールドレンズ１０からなる照明光学系２と、この照明光学系２から発せられる照明光束を折り曲げる反射面（反射板）４と、フィールドレンズ１１及びクロスダイクロイックプリズム１２を通して照明光束により照明される空間光変調素子１と、この空間光変調素子１の像を図示しないスクリーン上に投射する投射レンズ３とを有して構成されている。
【００３３】
なお、円偏光板１３及び空間光変調素子１は、クロスダイクロイックプリズム１２によって色分離された３つの色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に対応して、このクロスダイクロイックプリズム１２の三方にそれぞれ１枚ずつ、計３枚が配置されている。
【００３４】
反射面４は、照明光学系２と空間光変調素子１との間の光路上であって、投射レンズ３の後端部近傍に配置されている。
【００３５】
〔実施例２〕
また、本発明に係る画像表示装置は、図６に示すように、円偏光板１３を投射レンズ３とフィールドレンズ１１との間に配置して構成してもよい。この場合には、フィールドレンズ１１と空間光変調素子１とは、光学的に一体化（オプティカルカップリング）するようにする。
【００３６】
また、この実施例では、クロス型ダイクロイックプリズム１２と投射レンズ３との間には、透明光学ブロック１５が配置されている。透明光学ブロック１５は、クロス型ダイクロイックプリズム１２と屈折率の同じ材料によって形成されている。これら透明光学ブロック１５及びクロス型ダイクロイックプリズム１２の互いに対向する界面１８は、これら透明光学ブロック１５及びクロス型ダイクロイックプリズム１２に略々等しい屈折率の接着剤によって、オプティカルカップリングされている。
【００３７】
照明光学系２は、上述の実施例におけると同様に、光源５、放物面鏡６、インテグレータ７，８、偏光素子９及びフィールドレンズ１０から構成されている。また、円偏光板１３、フィールドレンズ１１及び空間光変調素子１は、クロスダイクロイックプリズム１２によって色分離された３つの色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に対応して、このクロスダイクロイックプリズム１２の三方にそれぞれ１枚ずつ、計３枚が配置されている。
【００３８】
この画像表示装置においては、照明光学系２からの照明光束は、図７に示すように、透明光学ブロック１５の入射面１６から、この透明光学ブロック１５内に入射する。透明光学ブロック１５の、入射面１６に略々対向する面１７には、反射面４が形成されている。照明光束は、反射面４によって反射されて折り返され、クロス型ダイクロイックプリズム１２に接合された界面１８に向かう。反射面４は、照明光学系２と空間光変調素子１との間の光路上であって、投射レンズ３の後端部近傍となる位置に配置されている。
【００３９】
透明光学ブロック１５の界面１８より出射されてクロス型ダイクロイックプリズム１２に入射した照明光束は、このクロス型ダイクロイックプリズム１２によって色分離され、各色に対応したフィールドレンズ１１を経て各色に対応した空間光変調素子１に入射する。
【００４０】
各空間光変調素子１において変調されて反射された変調光は、クロス型ダイクロイックプリズム１２に入射して色合成され、このクロス型ダイクロイックプリズム１２に接合された透明光学ブロック１５の界面１８を経て、この透明光学ブロック１５に入射される。この変調光は、界面１８に対向する透明光学ブロック１５の出射面１９より出射されて、投射レンズ３に入射する。投射レンズ３は、入射された変調光を図示しないスクリーン上に投射し、空間光変調素子１の像をスクリーン上に結像させる。
【００４１】
この画像表示装置においては、照明光学系２からの照明光束が投射レンズ３の鏡胴によって遮光されることがない。また、この画像表示装置においては、図８に示すように、クロス型ダイクロイックプリズム１２の内面で反射されてしまい空間光変調素子１に到達しなかった照明光束は、透明光学ブロック１５の不要光出射面２０から外方側に出射され、投射レンズ３の入射瞳内に入射することがないので、表示画像のコントラストの低下が防止されている。
【００４２】
すなわち、この画像表示装置において、表示画像のコントラストを低下させる要因がいくつか存在する。照明光学系２からの照明光束が、円偏光板１３の表面等、円偏光板１３を通過する前の界面で反射され、直接投射レンズ３に入射してしまうと、表示画像のコントラストが低下する。なお、このような反射は、円偏光板として反射型偏光板を用いた場合に顕著となる。
【００４３】
そして、表示画像のコントラスを改善するには、上述のような、各光学部品における反射光束の発生を抑えるか、または、各光学部品における反射光束が投射レンズの入射瞳に入射しないようにする必要がある。光学部品の界面における反射で最も問題となるのは、エアーと光学部品との界面における反射である。そして、光学系の配置によって、このような反射光束が投射レンズの入射瞳に入射しないようにすることができる。
【００４４】
すなわち、この画像表示装置においては、透明光学ブロック１５の出射面２０の角度が、円偏光板１３により反射された不要光の反射が小さくなるように決定されており、この不要光が投射レンズ３に入射しないようにしている。
【００４５】
〔実施例３〕
この実施例においては、上述の実施例２における光学素子の配置を採用し、以下の数値的設定及び材料を採用した。
【００４６】
すなわち、照明光学系２による照明サイズを、０．５インチ（１６：９）とした。照明光学系のＦナンバは、Ｆ２．４とした。投射レンズ３の入射瞳径は、４０ｍｍとした。フィールドレンズ１１のシフト量は、投射レンズ３の光軸を基準として、１１．２ｍｍとした。
【００４７】
また、空間光変調素子１の斜め投射表示のためのエリアシフト量は、図９に示すように、１００％（空間光変調素子１の表示面（反射面）の縁部が投射レンズ３の光軸上となる状態）とした。空間光変調素子１の反射面のチルト量は、４．７°である。そして、反射面４のチルト量は、光軸に対して、１０°である。
【００４８】
さらに、フィールドレンズ１１をなす硝材は、「ＳＦ０３」である。このフィールドレンズ１１の曲率半径Ｒは、９０ｍｍである。透明光学ブロック１５をなす硝材としては、「ＢＫ７」を使用している。また、クロス型ダイクロイックプリズム１２を硝材としても、「ＢＫ７」を使用している。
【００４９】
そして、空間光変調素子１は、照明光学系２の光軸に対して、２２．５°の傾斜角を有している。空間光変調素子１のアスベクト比は１６：９であり、照明光学系は、この空間光変調素子１に対して、空間光変調素子１の短軸方向に傾斜していることになる。
【００５０】
インテグレータ７，８をなすフライアイレンズの各エレメントのアスペクト比は、１６：８．３（＝９×ｃｏｓ２２．５°）となっている。フライアイレンズの外形サイズは光源の大きさによって決まるため、各エレメントの個数は、区切りの良い個数とすることができる。例えば、図４に示すように、各エレメントの大きさを４．４４ｍｍ×２．３５ｍｍとし、エレメントの個数を、縦１７個、横９個とし、外形サイズを３９．９５ｍｍ×３９．９５ｍｍとすることができる。各エレメントのアスペクト比を調整しない場合は、図３に示すように、４．４４ｍｍ×２．５ｍｍであるので、アスペクト比の調整により、縦方向に９４％の比率となっている。
【００５１】
なお、フィールドレンズ１１を投射レンズ３の光軸に対してシフトさせることと、空間光変調素子１の反射面をチルトさせることとは、照明光束と変調光とを分離する機能としては同じである。しかし、フィールドレンズ１１のシフトのみで同じ偏心量を得ようとすると、シフト量が大幅に増え、フィールドレンズ１１の径が大きくなり、コスト増となり、フィールドレンズ１１の収差が大きくなって投射レンズ３の特性が劣化し、照明効率も低下することが問題となる。また、空間光変調素子１の反射面のチルトのみで同じ偏心量を得ようとすると、画歪み、像面湾曲が大きくなり、投射レンズ３の特性を劣化させる。したがって、適当量のフィールドレンズ１１のシフトと、空間光変調素子１の反射面のチルトとを組み合わせることにより、像面湾曲を補正することも可能となり、投射レンズ３の特性を改善することができる。なお、投射レンズ３は、実際の設計例としては、図１０に示すように、例えば、９群１０枚のレンズ構成によって実現することができる。
【００５２】
この画像表示装置の空間光変調素子１の位置における照明パターンは、図１１に示すように、フライアイレンズの各エレメントのアスペクト比の調整により、図１２に示すアスペクト比の調整をしない場合における照明パターンに比較して、空間光変調素子１の反射面の傾斜（チルト）に対応したものとなっており、照明効率の向上が図られている。なお、この画像表示装置においては、フライアイレンズの各エレメントのアスペクト比の調整により、図１３に示す偏心しない照明における照明パターンにおける照明効率と概ね同じ効率が得られている。
【００５３】
この画像表示装置の投射レンズ３の入射瞳位置における照度パターンは、図１４に示すように、図１５に示す偏心しない照明光学系における照明パターンと概ね同じ照明パターンが得られている。したがって、この画像表示装置においては、投射レンズ３を通した効率に関しても、偏心しない照明光学系を用いた場合と同等となっていることがわかる。また、この画像表示装置においては、投射レンズ３の設計においても、偏心しない照明光学系を用いる場合と概ね同じ設計が可能であることがわかる。
【００５４】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る画像表示装置においては、照明光学系から空間光変調素子に至る照明光の光路が反射面によって折り返されるので、該光路と投射レンズとの干渉を生ずることなく、照明光の空間光変調素子への入射角を小さくすることができ、投射レンズの特性劣化を少なくするとことができ、また、表示画像のコントラスト低下を抑えることができる。
【００５６】
すなわち、本発明は、Ｆナンバーの低い明るい照明光学系を使用することができるとともに、色分離合成素子における光利用効率の低下が防止され、明るい画像表示を行うことができる画像表示装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る画像表示装置の基本的な構成を示す側面図である。
【図２】上記画像表示装置における照明光学系の基本的な構成を示す側面図である。
【図３】照明光学系に使用されるインテグレータの一般的な構成を示す正面図である。
【図４】上記画像表示装置における照明光学系に使用されるインテグレータの構成を示す正面図である。
【図５】上記画像表示装置の実施例１における構成を示す側面図である。
【図６】上記画像表示装置の実施例２における構成を示す側面図である。
【図７】上記画像表示装置の実施例２の構成における照明光束の光路を示す側面図である。
【図８】上記画像表示装置の実施例２の構成における不要光の光路を示す側面図である。
【図９】上記画像表示装置における照明光学系のシフト量を説明する側面図である。
【図１０】上記画像表示装置の投射レンズの構成を含めた構成を示す側面図である。
【図１１】上記画像表示装置においてインテグレータの各エレメントのアスペクト比を調整した場合の照明光学系による照明パターンを示す正面図である。
【図１２】上記画像表示装置においてインテグレータの各エレメントのアスペクト比を調整しない場合の照明光学系による照明パターンを示す正面図である。
【図１３】傾斜のない照明光学系による照明パターンを示す正面図である。
【図１４】上記画像表示装置においてインテグレータの各エレメントのアスペクト比を調整した場合の投射レンズの入射瞳における照明光束の照度分布を示す正面図である。
【図１５】上記画像表示装置においてインテグレータの各エレメントのアスペクト比を調整しない場合の投射レンズの入射瞳における照明光束の照度分布を示す正面図である。
【図１６】従来の画像表示装置の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
１ 空間光変調素子、２ 照明光学系、３ 投射レンズ、４ 反射面、５，１１ フィールドレンズ、７，８ インテグレータ、１３ 円偏光板
Claims (1)
- 反射電極を有する空間光変調素子と、
偏光素子及び光源を有し、上記偏光素子を介して上記光源によって上記空間光変調素子を照明する照明光学系と、
上記空間光変調素子の像を結像する投射レンズと、
上記投射レンズと上記空間光変調素子との間に配置された透明光学ブロックとを備え、
上記透明光学ブロックは、一の面が、上記照明光学系から上記空間光変調素子に至る照明光の光路を内面反射によって折り返す反射面を有し、
さらに、上記透明光学ブロックは、上記照明光学系から発せられた光束のうちの、上記反射面を経て上記空間光変調素子に至る照明光の余の光を上記投射レンズの入射瞳の外に出射させる出射面を有していることを特徴とする画像表示装置。
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