JP3570693B2 - 液晶ビデオプロジェクタ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本願発明は色分離された３原色光の各々に対して液晶表示パネルを用いて輝度変調し、この後これら３原色光を合成してカラー画像をスクリーン上に投影する液晶ビデオプロジェクタに関し、詳しくは、光源からの無偏光の光を光量を保持しつつ所定方向の直線偏光に変換する偏光方向整列素子を用いた液晶ビデオプロジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、色分離された３原色光を液晶表示パネルを用い所定の映像信号により変調し、これら各変調光をダイクロイックプリズムにより合成した後、所定のスクリーン上に拡大投射する液晶ビデオプロジェクタが広く知られている。
【０００３】
ところで、上記液晶表示パネルの本体である液晶セルはその性質上照明光の偏光方向を単一方向とする必要があり、そのため、通常液晶セルの前面および後面には偏光板が設けられていて所定の単一方向の偏光成分のみを液晶セル内に入射せしめるように構成されている。
【０００４】
しかし、これでは、液晶セルの前面に設けた偏光板において非選択方向の光成分はカットされてしまい、照明光としては光源光の全光量の半分しか利用できないこととなる。
【０００５】
このような問題を解決するための技術として特開平６−２０２０４１号公報等に記載されたものが知られている。
【０００６】
すなわち、この技術は光源と液晶表示パネルとの間に偏光ビームスプリッタ、全反射プリズムおよびλ／２光学位相板からなる偏光方向整列部材を設けたものである。この偏光方向整列部材は、偏光ビームスプリッタにより、光源からの光ビームのうちＰ偏光成分を透過するとともにＳ偏光成分を直角に反射し、反射されたＳ偏光成分を全反射プリズムによりさらに直角に反射して上記偏光ビームスプリッタを透過したＰ偏光成分と平行にそろえ、さらに、λ／２光学位相板によりこのＳ偏光成分の偏光方向を９０°回転せしめてＰ偏光成分に変換するようにしている。これにより光源から射出された光ビームの光量が液晶表示パネルの照明光として有効に利用されることとなる。
【０００７】
しかしながら、近年液晶ビデオプロジェクタによるスクリーン輝度をより高くしたいという要求は増々強くなりつつある。
【０００８】
そこで、プロジェクタの光源として２つの光源を用い、各光源からの光ビームを上述した如き偏光方向整列部材により各々単一方向の偏光成分とし、これら２系の偏光ビームを合成して液晶表示パネルの照明光とすることにより、その照明光の光量を２倍とする手法が考えられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したように光源を２つ用い、各々に対して偏光方向整列部材を使用し、この後ＰＢＳを用いてこれら２系の光ビームを合成して液晶表示パネルの照明光光量を２倍としても、ＰＢＳがＰ偏光とＳ偏光を合成するものであるため、その合成された光ビームはＰ偏光とＳ偏光の両成分を含むこととなる。そして、前述した如く液晶セル内には所定の単一方向の偏光成分のみしか入射されないような構成となっていることから、結局光源から射出された光ビームは、その光量の半分しか液晶セル内には入射することができないこととなる。
【００１０】
すなわち、液晶表示パネルの前面には２つの光源からの光ビームがそのまま照射されるが、有効に利用されるのは１つの光源からの光ビームの光量と同等の光量だけである。
【００１１】
これでは、２つの光源を使用したことが無意味となってしまう。
【００１２】
本願発明はこのような事情に鑑みなされたもので、２つの光源からの光ビームの光量を液晶表示パネルの照明光として有効に利用し得る液晶ビデオプロジェクタを提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願発明の液晶ビデオプロジェクタは、光源からの光を色分離用のダイクロイックミラーにより３つの原色光に分離して該各原色光に対応する液晶表示パネルに照射し、これら各液晶表示パネルにおいて該各原色光をその原色光に対応する映像信号により輝度変調し、これら変調された各原色光を色合成用のダイクロイックミラーにより合成し、合成された３つの原色光を所定のスクリーン上に拡大投射する液晶ビデオプロジェクタにおいて、
前記光源が第１および第２の２つの光源からなり、
この第１の光源からの光をＰ偏光にそろえて出力する第１の偏光方向整列素子と、
前記第２の光源からの光をＳ偏光にそろえて出力する第２の偏光方向整列素子と、
これら２つの偏光方向整列素子からのＰ偏光およびＳ偏光を合成する偏光ビームスプリッタと、
この偏光ビームスプリッタにより合成された光が前記色分離用のダイクロイックミラーにより分離されてなる３原色光を、前記各液晶表示パネルの前段においてこの液晶表示パネルに応じた偏光にそろえて出力する第３、第４および第５の偏光方向整列素子とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１４】
なお、上記ダイクロイックミラーにダイクロイックプリズムも含まれるものとする。
【００１５】
また、上述した所定の「偏光にそろえる」とは、直交する２つの偏光成分のうち、入力された一方の偏光成分を他方の偏光成分に変換して出力するとともに入力された他方の偏光成分はそのまま出力することを意味する。
【００１６】
【作用および発明の効果】
上記構成によれば、２つの偏光方向整列素子を用い、２つの光源のうち一方をＰ偏光成分にそろえ、他方をＳ偏光成分にそろえて、これら２つの偏光成分をＰＢＳにより合成しているので、ＰＢＳ出力時において、２つの光源からの光ビームの合計光量を有効に保持することができる。
【００１７】
また、ＰＢＳで合成された２つの光源からの光はＰ偏光成分とＳ偏光成分を有しており、ダイクロイックミラーでＲ，Ｇ，Ｂの３原色に分離された後も各々上記両偏光成分を有しているが、これら３原色光が各々液晶表示パネルに入射する前に各液晶表示パネルの前段に配された偏光方向整列素子により液晶表示パネルに応じた偏光にそろえられるようになっているので、この液晶表示パネルに照射された光ビームはその光量を減じることなく液晶セル内に入射することとなる。この後、各液晶表示パネルを通過した、画像情報を担持した３原色光はダイクロイックミラーにより合成され、投影レンズを介してスクリーン上に拡大投射される。
【００１８】
これにより、２つの光源から出力された２系の光ビームは、その合計の光量が照明光として最大限利用されるので、スクリーン上に明るい画像を効率よく映出することが可能となる。
【００１９】
【実施例】
以下、本願発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２０】
図１は本願発明の一実施例に係る液晶ビデオプロジェクタを示す概略図である。この液晶ビデオプロジェクタは図示するように、反射手段である放物面反射鏡およびこの反射鏡の焦点位置近傍に配された、ハロゲンランプあるいはメタルハライドランプ等からなる２つの光源とからなる光源部１Ａ，１Ｂと、光源から直接または反射鏡を介して射出された自然光である光ビーム３Ａを、その光量を保持しつつＳ偏光３Ｃに変換する偏光方向整列素子２Ａおよび同様に自然光である光ビーム３Ｂを、その光量を保持しつつＰ偏光３Ｄに変換する偏光方向整列素子２Ｂと、偏光方向整列素子２ＡからのＳ偏光３Ｃを略１００ ％反射するとともに偏光方向整列素子２ＢからのＰ偏光３Ｄを略１００ ％透過せしめてこれら２つの偏光３Ｃ，３Ｄを合成するＰＢＳ４とを備えている。
【００２１】
さらに、ＰＢＳ４で合成された光ビーム３Ｅのうち青色光３Ｆを反射分離し、その余の色光を含む光ビーム３Ｇを透過せしめるダイクロイックミラー５Ａと、ダイクロイックミラー５Ａからの光ビーム３Ｇのうち赤色光３Ｈを反射分離し、緑色光３Ｉを透過せしめるダイクロイックミラー５Ｂと、ダイクロイックミラー５Ａで分離された青色光３Ｆのビーム方向を９０°変更せしめるアルミニウムコーティングの全反射ミラー６と、これら２つのダイクロイックミラー５Ａ，５Ｂと全反射ミラー６により分離されたＲ，Ｇ，Ｂの３原色光３Ｆ，３Ｈ，３Ｉを各々Ｐ偏光（もしくはＳ偏光）にそろえる、各原色光３Ｆ，３Ｈ，３Ｉに対応した３つの偏光方向整列素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃと、これらＲ，Ｇ，Ｂの各原色光３Ｆ，３Ｈ，３Ｉを所定の画像信号に応じて変調する、画像形成手段としての３つのモノクロ液晶表示パネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃを備えている。
【００２２】
さらに、これら液晶表示パネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃから出力された３原色光３Ｆ，３Ｈ，３Ｉを合成する、断面が直角二等辺三角形であるプリズム９および断面が平行四辺形である２つのプリズム１０，１１と、これらのプリズム９，１０，１１により３原色光が合成された光ビーム３Ｊをスクリーン１３上に拡大投射する投影レンズ１２とから構成されている。
【００２３】
なお、液晶表示パネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃの表面および裏面には、入射するＰ偏光（もしくはＳ偏光）の偏光方向に対して、その偏光透過容易軸の方向が４５°傾いた偏光板が配されていることから、入射光の偏光方向を光軸を中心として４５°回転させてから液晶表示パネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃに入射させるため、さらに射出されてからその偏光方向を光軸を中心として４５°回転させるために各液晶表示パネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃの前段および後段に旋光素子としての１／２光学位相板１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを備えている。
【００２４】
また、上記プリズム９とプリズム１０の接合面９Ａおよびプリズム１０とプリズム１１の接合面１０Ａはダイクロイックコートがなされたダイクロイック面とされており、この接合面９Ａでは青色光３Ｆを透過するとともに赤色光３Ｈを反射せしめてこれら両者を合成し、さらに接合面１０Ａではこれら合成光を透過するとともに緑色光３Ｉを反射せしめてＲ，Ｇ，Ｂの３原色光を合成するようになっている。なお、プリズム１１の端面１１Ａには反射コートが施されておりこのプリズム１１内で緑色光３Ｉの光ビームのビーム方向が９０°変更されるようになっている。
【００２５】
ところで、本発明においては各光源の後段、および各液晶表示パネルの前段に偏光方向整列素子を配設しており、この偏光方向整列素子が本発明の１つのポイントとなっている。以下、上記実施例における偏光方向整列素子２Ａ，２Ｂ，７Ａ，７Ｂ，７Ｃについて図２および図３を用いて詳細に説明する。
【００２６】
図２は、この偏光方向整列素子２Ａ，２Ｂ，７Ａ，７Ｂ，７Ｃを構成する単位素子110Ａを示すものである。すなわち、この単位素子110Ａは互いに隣接する面が接着された、偏光ビームスプリッタ111、第１の全反射プリズム112および第２の全反射プリズム113からなる。なお、偏光ビームスプリッタ111と第１の全反射プリズム112は同一サイズの立方体ブロック、第２の全反射プリズム113はこの立方体ブロックを半分に切断したサイズの三角柱ブロックからなる。光ビーム103Ａは偏光ビームスプリッタ111 に入射され、この偏光ビームスプリッタ111において互いに直交する２つの偏光成分に分離される。すなわち、第１の偏光成分114Ａは作用面（蒸着膜面）111Ａを透過し、この偏光ビームスプリッタ111の前面111Ｂから射出され、一方第２の偏光成分114Ｂは上記作用面111Ａにおいて側方に反射され、第１の全反射プリズム112の反射面112Ａにおいて上方に反射され、さらに第２の全反射プリズム113 の反射面113Ａにおいて前方に反射され、この第２の全反射プリズム113の前面113Ｂから射出される。上記２つの反射面112Ａ，113Ａは、第２の偏光成分114Ｂのビームが入射角45°で入射されるように配されており、第２の偏光成分114Ｂはこれらの反射面112Ａ，113Ａにおいて直角に反射される。したがって、第２の全反射プリズム113の前面113Ｂから射出された際の第２の偏光成分114Ｂは、偏光ビームスプリッタ111の作用面111Ａから反射された際の第２の偏光成分114Ｂに対し、偏光面が90°だけ回転した状態となり、結局、第２の全反射プリズム113の前面113Ｂから射出された第２の偏光成分114Ｂは偏光ビームスプリッタ111の前面111Ｂから射出された第１の偏光成分114Ａとそのビーム進行方向および偏光方向が互いに平行となる。
【００２７】
これにより、無偏光の光ビーム１０３ Ａの略全光量が所定方向に偏光面を有する偏光に変換される。
【００２８】
また、図３に示すように、偏光ビームスプリッタ１１１ 、第１の全反射プリズム１１２ および第２の全反射プリズム１１３ からなる単位素子１１０ Ａと、この単位素子１１０ Ａに対し光学部材の配列が左右対称となる、偏光ビームスプリッタ１２１ 、第１の全反射プリズム１２２ および第２の全反射プリズム１２３ からなる単位素子１１０ Ｂとを前後方向に組み合わせることにより、２本の光ビーム１０３ Ａ，１０３ Ｂから４本の偏光成分１１４ Ａ，１１４ Ｂ，１２４ Ａ，１２４ Ｂを生成することができる。
【００２９】
すなわち、単位素子１１０ Ａにより、偏光ビームスプリッタ１１１ に入射する光ビーム１０３ Ａが、第１の偏光成分１１４ Ａ、およびこの第１の偏光成分１１４ Ａとビーム進行方向および偏光方向を平行とされた第２の偏光成分１１４ Ｂに変換され、また、単位素子１１０ Ｂにより、偏光ビームスプリッタ１２１ に入射する光ビーム１０３ Ｂが、第１の偏光成分１２４ Ａ、およびこの第１の偏光成分１２４ Ａとビーム進行方向および偏光方向を平行とされた第２の偏光成分１２４ Ｂに変換される。
【００３０】
２本の無偏光の光ビーム１０３ Ａ，１０３ Ｂのビーム進行方向が互いに平行であれば、これら２つの単位素子１１０ Ａ，１１０ Ｂから射出される偏光成分１１４ Ａ，１１４ Ｂ，１２４ Ａ，１２４ Ｂはビーム進行方向および偏光方向が互いに平行となる。
【００３１】
図２および図３においては単位素子１１０ Ａ，１１０ Ｂに入射する光ビーム１０３ Ａ，１０３ Ｂおよびこれらの単位素子１１０ Ａ，１１０ Ｂから射出される偏光成分１１４ Ａ，１１４ Ｂ，１２４ Ａ，１２４ Ｂのビームが各々直線で示されているが、実際には各光ビーム１０３ Ａ，１０３ Ｂは対応する偏光ビームスプリッタ１１１ ，１２１ の後面の全領域に入射し、偏光ビームスプリッタ１１１ ，１２１ および第２の全反射プリズム１１３ ，１２３ の前面の全領域から射出されるので、結局偏光ビームスプリッタ１１１ ，１２１ の前面の面積の４倍に相当する正方形状の面の全領域から同一の偏光方向にそろえられた偏光成分が射出されることとなる。
【００３２】
なお、単位素子１１０ Ａに入力される光ビーム１０３ Ａは単位素子１１０ Ｂの第１の全反射プリズム１２２ を透過し、単位素子１１０ Ｂから射出された偏光成分１２４ Ａは単位素子１１０ Ａの第１の全反射プリズム１１２ を透過することになるが、これらの第１の全反射プリズム１１２ ，１２２ は前後方向に略透明であり、これらの第１の全反射プリズム１１２ ，１２２ を通過しても実質的に光量は低下しない。
【００３３】
次に、上記実施例装置の作用について説明する。光源部１Ａから出力された光ビーム３Ａは偏光方向整列素子２ＡによりＰ偏光成分はＳ偏光に変換されて出力され、一方Ｓ偏光成分はそのままＳ偏光として出力されるため、全てＳ偏光にそろえられた光ビーム３ＣとされてＰＢＳ４に入力される。同様にして、光源部１Ｂから出力された光ビーム３Ｂは全てＰ偏光にそろえられた光ビーム３Ｄとされて上記光ビーム３Ｃとは直交する方向からＰＢＳ４に入力される。
【００３４】
Ｓ偏光である光ビーム３ＣはＰＢＳ４により直角方向に反射され、Ｐ偏光である光ビーム３ＤはＰＢＳ４を透過することになるからこれら２つの光ビーム３Ｃ，３ＤはＰＢＳ４により合成されて出力される。
【００３５】
したがって、ＰＢＳ４から出力された光ビーム３ＥはＰ偏光成分とＳ偏光成分の両成分を有しており、２つのダイクロイックミラー５Ａ，５Ｂによって分離された青色光３Ｆ、赤色光３Ｈおよび緑色光３Ｉも各々Ｐ偏光成分とＳ偏光成分を有することとなる。
【００３６】
次に、これら各色光３Ｆ，３Ｈ，３Ｉは各々対応する偏光方向整列素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃに入力され、Ｓ偏光成分（もしくはＰ偏光成分）はＰ偏光（もしくはＳ偏光）に変換されて出力され、一方Ｐ偏光成分（もしくはＳ偏光成分）はそのままＰ偏光（もしくはＳ偏光）として出力され、結局Ｐ偏光（もしくはＳ偏光）にそろえられる。
【００３７】
このように、この偏光方向整列素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃにより各色光を単一の偏光成分にそろえるのは液晶表示パネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃの照明光として利用されるのは単一の偏光成分のみであることに対応させたものであり、このように液晶表示パネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃの前段において、入射光をその光量を減じることなくＰ偏光成分とＳ偏光成分のいずれか一方の偏光成分にそえろることにより２つの光源部１Ａ，１Ｂから出力された光ビーム３Ａ，３Ｂを液晶表示パネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃの照明光として有効に利用することが可能となる。
【００３８】
この後、上記偏光方向整列素子７Ａ，７Ｂ，７ＣによりＰ偏光（もしくはＳ偏光）にそろえられた各色光３Ｆ，３Ｈ，３Ｉは１／２光学位相板１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃにより偏光方向を光軸を中心として４５°回転せしめられ、液晶表示パネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃの前側偏光板の偏光透過容易軸の方向に合致せしめられて上記各色光３Ｆ，３Ｈ，３Ｉが効率良く液晶セル内に入射するように配慮されている。
【００３９】
なお、一般に液晶表示パネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃの前側偏光板の偏光透過容易軸の方向（液晶セルの配列方向に対応する）はこのパネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃの上下方向に対して光軸を中心として４５°だけ傾いており、この場合には上述したように液晶表示パネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃの前段に１／２光学位相板１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃを挿入することが望ましいが、上記偏光透過容易軸の方向が上下方向に対して４５°以外の傾きを有している場合には１／２光学位相板の代わりにこの傾きに応じた所定の長さだけ位相をずらすことのできる光学位相板を用いることが望ましい。
【００４０】
また、上記液晶表示パネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃから出力された、画像情報を担持した各色光３Ｆ，３Ｈ，３Ｉの偏光はこの液晶表示パネル８Ａ，８Ｂ，８Ｃの後段に配された１／２光学位相板１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃによりその偏光方向がさらに４５°回転されてＳ偏光（もしくはＰ偏光）とされプリズム９，１０，１１内に入射される。
【００４１】
そして、プリズム９に入射した青色光３Ｆとプリズム１０に入射した赤色光３Ｈはダイクロイック面である接合面９Ａにおいて前者が透過、後者が反射せしめられて合成され、また、この合成光と、プリズム１１に入射し、反射面である端面１１Ａで反射せしめられた緑色光３Ｉはダイクロイック面である接合面１０Ａにおいて前者が透過、後者が反射せしめられて、３原色光を合成した光ビーム３Ｊとしてプリズム１１外に射出される。
【００４２】
なお、本実施例においてはプリズム９，10，11に入射された各原色光３Ｆ，３Ｈ，３ＩはＳ偏光（もしくはＰ偏光）とされていて、単一方向成分の偏光とされていることからダイクロイック面である接合面９Ａ，10Ａにおいて２つの色光３Ｆ，３Ｈ，３Ｉを合成する際に該ダイクロイック面の各色光３Ｆ，３Ｈ，３Ｉに対する透過／反射特性の立上り、立下りの形状がシャープとなり、結局３色光３Ｆ，３Ｈ，３Ｉを精度よく合成することができる。
【００４３】
この後、上記画像情報を担持した３原色の合成光である光ビーム３Ｊは投影レンズ１２によりスクリーン１３上に拡大投射され、所望の画像がこのスクリーン１３上に映出されることになる。これにより２つの光源部１Ａ，１Ｂから射出された光ビーム３Ａ，３Ｂの全光量を有効に利用してスクリーン輝度を充分高くすることができる。
【００４４】
なお、本願発明の液晶ビデオプロジェクタとしては上記実施例のものに限られるものではなく、種々の態様の変更が可能である。例えば、偏光方向整列素子としては光源からの自然光の光量を減じることなく単一の偏光成分にそろえることができるものであればよく、従来技術において説明したような１／２光学位相板を用いた偏光方向整列部材であってもよい。
【００４５】
また、上述した合成系の３つのプリズムに代えて、ダイクロイックミラー面を有する２つのダイクロイックプリズム（ダイクロイックミラー）と１枚の全反射ミラーを用い、これら３つの部材の間に空気が介在するような構成としてもよい。ただし、このような構成とした場合には空気が介在することにより、空気とガラスの屈折率差や空気のじょう乱等による影響が生じることに注意する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る液晶ビデオプロジェクタを示す概略図
【図２】図１に示す実施例装置の偏光方向整列素子の一部を詳しく説明するための図
【図３】図１に示す実施例装置の偏光方向整列素子を詳しく説明するための図
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ 光源部
２Ａ，２Ｂ，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ 偏光方向整列素子
３Ａ，３Ｂ 光ビーム
３Ｆ 青色光
３Ｈ 赤色光
３Ｉ 緑色光
４ ＰＢＳ
５Ａ，５Ｂ ダイクロイックミラー
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ 液晶表示パネル
９，１０，１１ プリズム
９Ａ，１０Ａ 接合面（ダイクロイックミラー面）
１２ 投影レンズ
１３ スクリーン

Claims (1)

1. 光源からの光を色分離用のダイクロイックミラーにより３つの原色光に分離して該各原色光に対応する液晶表示パネルに照射し、これら各液晶表示パネルにおいて該各原色光をその原色光に対応する映像信号により輝度変調し、これら変調された各原色光を色合成用のダイクロイックミラーにより合成し、合成された３つの原色光を所定のスクリーン上に拡大投射する液晶ビデオプロジェクタにおいて、
   前記光源が第１および第２の２つの光源からなり、
   この第１の光源からの光をＰ偏光にそろえて出力する第１の偏光方向整列素子と、
   前記第２の光源からの光をＳ偏光にそろえて出力する第２の偏光方向整列素子と、
   これら２つの偏光方向整列素子からのＰ偏光およびＳ偏光を合成する偏光ビームスプリッタと、
   この偏光ビームスプリッタにより合成された光が前記色分離用のダイクロイックミラーにより分離されてなる３原色光を、前記各液晶表示パネルの前段においてこの液晶表示パネルに応じた偏光にそろえて出力する第３、第４および第５の偏光方向整列素子とを備えてなることを特徴とする液晶ビデオプロジェクタ。

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