JP3578020B2

JP3578020B2 - Reflective LCD projector

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Publication number: JP3578020B2
Application number: JP32227199A
Authority: JP
Inventors: 隆嗣相崎
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2019-11-12
Also published as: JP2001142028A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フライアイインテグレータと偏光ビームスプリッタとを備えた反射型液晶プロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液晶素子上に表示される画像に対して平面偏光を照射し、その液晶素子上の画像に対応する画素により反射される楕円偏光から所定の方向の平面偏光を取り出し、これを投射レンズによりスクリーン上に投射する反射型液晶プロジェクタが知られている。図１は、このような反射型液晶プロジェクタの一例を示す。このプロジェクタは、光源手段（図示せず）と、偏光ビームスプリッタ２１と、液晶素子２３と、投射レンズ２５を備える。図１において、図示していない光源手段は、光軸がＹ軸に平行なレンズ（図示せず）を備え、偏光ビームスプリッタ２１は、スプリッタ面（２つのプリズムの接合面）の法線ｎがＹ−Ｚ平面内に存在し、かつ、Ｙ軸・Ｚ軸に対して４５°の角度をなすように配置されている。また、液晶素子２３はその表面がＺ軸に直交するようにされ、投射レンズ２５はその光軸がＺ軸と平行になるように配置されている。
【０００３】
光源手段からの光線Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２の内、Ｙ軸に平行な光線（主入射光線）Ｒ０は、偏光ビームスプリッタ２１のスプリッタ面に対して４５°の角度で入射される。偏光ビームスプリッタ２１は、入射光線が白色光の場合、入射光線Ｒ０のエネルギの内、Ｙ軸と偏光ビームスプリッタ２１の法線ｎで定義される主入射面２７に平行に振動するＰ波（Ｐ偏光成分）を透過させ、主入射面２７に直交する方向に振動するＳ波（Ｓ偏光成分）を反射させ、Ｚ軸に沿って液晶素子２３へ向かわせるよう構成されている。液晶素子２３により反射された光線は再びＺ軸に沿って偏光ビームスプリッタ２１へ向かう。
【０００４】
その際、液晶素子２３が鏡面として作用する部位から反射された光線は再びＳ波の直線偏光となる。従って、この光線は偏光ビームスプリッタ２１により反射され、光源手段側へ向かう。一方、液晶素子２３内の所定の画像を生ずる部位で反射された光線は、その部位における複屈折により楕円偏光となり、偏光ビームスプリッタ２１に入射される。そして、そのＳ波成分は偏光ビームスプリッタ２１により反射されて光源手段側へ向かい、そのＰ波成分は偏光ビームスプリッタ２１を透過し、投射レンズ２４を介して図示していないスクリーンへ投射され、所定の画像を形成する。
【０００５】
光源手段からの光は、光束として偏光ビームスプリッタ２１へ入射される。従って、光源手段からの光線は光線Ｒ０のみならず光線Ｒ１及び光線Ｒ２を含む。光線Ｒ１は、主入射面（Ｙ−Ｚ面）２７内でＹ軸に対して傾斜した角度で、偏光ビームスプリッタ２１へ入力される。この光線Ｒ１は、入射光軸がレンズ光軸Ｌと法線ｎとで定義される主入射面２７にあるため、偏光ビームスプリッタ２１により反射された反射光（Ｓ波）は主入射面２７に垂直に振動する。従って、この反射光は、液晶素子２３の内、鏡面として作用する部位に入射される場合、これによりそのまま反射され再び主入射面２７に直交する方向の直線偏光を有し、偏光ビームスプリッタ２１により反射され光源手段側へ向かう。
【０００６】
これに対して、光源手段からの光線の内、主入射面２７に対して傾斜した入射方向（これは、例えばＸ−Ｚ面内にあるとする）に沿って入射する光線Ｒ２は、偏光ビームスプリッタ２１により分離されると、偏光ビームスプリッタ２１による反射光は光線Ｒ２の入射方向と法線ｎにより定まる入射面に直交する方向へ振動する直線偏光となる。この直線偏光の方向は、図２においてＳ２で示される。図示の如く、この振動方向Ｓ２は主入射面２７に直交する軸（Ｘ軸）に対して、進行方向を向いて時計回りにずれた角度αを有する。この振動方向Ｓ２を有するＳ波が液晶素子２３により反射されると（より詳細には液晶素子２３の内、鏡面として作用する部位で反射されると）、液晶素子２３による反射光は図２においてＸ軸に対して同じ角度αだけずれた偏光方向Ｓ２′を有する。この偏光方向Ｓ２′の直線偏光が偏光ビームスプリッタ２１へ入力される。
【０００７】
ところで前述した通り、偏光ビームスプリッタ２１は、光線の入射方向と偏光ビームスプリッタ２１の法線ｎとで定義される入射面と垂直な振動方向を有する直線偏光を完全に反射し、入射面に平行な振動成分を完全に透過する機能を有する。液晶素子２３からの反射光（光線Ｒ２の反射光）が、偏光ビームスプリッタ２１の法線ｎとで作る入射面に直交する方向は、図２に示すように、Ｘ軸に対して（−α）の角度を有する方向Ｓ４である。従って、反射光の直線偏光Ｓ２′の内、Ｓ４と平行な成分は偏光ビームスプリッタ２１により反射されるが、Ｓ４と直交する方向の成分は偏光ビームスプリッタ２１を透過してスクリーン上へ投射される。これによりスクリーン上で、例えば黒くあるべきところが薄明るくなりコントラストが低下する。
【０００８】
図３は、図１に示す反射型液晶プロジェクタにおいて、偏光ビームスプリッタ２１から、意図することなく漏れ出る光の量を表す。ここに開口角は±６°に設定されている。図３において、それぞれの数字（％）は、それぞれ数字が位置する場所において、光量分布が均一である場合に漏れ出る光の量を表す。即ち、１％と記載されている場所では１％の光が漏れることを表す。これによれば、開口角が±６°に設定されているにもかかわらず、コントラストは０．０１以下に低下する。
【０００９】
図４は、コントラストの低下を防止するために、偏光ビームスプリッタ２１と液晶素子２３との間に、進相軸あるいは遅相軸を主入射面２７の方向に合わせた１／４波長板３１を置いた構成を示す。この構成においては、液晶素子２３で反射される光線は１／４波長板３１を２回通過する。従って、１／４波長板３１は、実質的に１／２波長板として作用する。このため、入射光線Ｒ２からの光線は、液晶素子２３で反射された後（１／２波長板が存在しない場合は、偏光面Ｓ２′を有するが、１／４波長板３１が存在する場合は）、偏光面Ｓ４（図２）を有する直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ２１へ入力されると偏光ビームスプリッタ２１により完全に反射され、投射レンズ２５の側へ透過することがない。
【００１０】
より詳細には以下の通りである。即ち、光線Ｒ２が偏光ビームスプリッタ２１に反射されて生成された反射光線において偏光方向の主入射面２７の直交方向からのずれ角度をαとする（図２）と、反射光線のジョーンズベクトルは
【数１】

で表される。すると、液晶素子２３で反射され１／４波長板３１を通過した後のジョーンズベクトルは、
【数２】

で表される。
【００１１】
ここで１／４波長板３１の進相軸あるいは遅相軸（光軸）は、主入射面２７に直交するように配置されている（即ち、Ｘ軸と平行に配置されている）。従って、１／４波長板３１を通過して出てきた光線の偏光方向は入射光線の偏光方向Ｓ２から−２α回転し、偏光方向Ｓ４を有することとなる。前述の通り、この偏光方向Ｓ４は、偏光ビームスプリッタ２１の法線ｎと反射光線の入射方向で定義される入射面に垂直であり、偏光ビームスプリッタ２１を通過する率は零であり、スクリーン上には光が達することはなく高いコントラストが得られる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の反射型液晶プロジェクタでは、偏光ビームスプリッタ２１の特性のために、１／４波長板３１からのＰ波（Ｐ波偏光成分）が依然として偏光ビームスプリッタ２１を透過することがあり、これにより画像のコントラストが低下するという問題点があった。また、コントラストが高い画像の方が見やすい場合と、コントラストは多少低下しても明るい画像の方が見やすい場合とがあり、従来の反射型液晶プロジェクタでは、その選択ができないという問題点があった。
【００１３】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、コントラストを優先する場合と明るさを優先する場合とを選択することができ、コントラストを優先する場合でも明るさの低下を最小限に抑えつつ、高いコントラストを保ちながら光源の発する光を高い効率で取り込み、明るい画像を形成することができる反射型液晶プロジェクタを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、光源からの光線を集光する第１及び第２フライアイインテグレータと、この第１及び第２フライアイインテグレータからの光線を偏光する偏光ビームスプリッタを備えた反射型液晶プロジェクタにおいて、前記偏光ビームスプリッタのスプリッタ面の法線と、前記第２フライアイインテグレータから前記偏光ビームスプリッタへと入射される光線の光軸とで作る前記光線の主入射面と平行な方向に幅を調整するスライドシャッタを、前記第２フライアイインテグレータの近傍に設けて構成したことを特徴とする反射型液晶プロジェクタを提供するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の反射型液晶プロジェクタの好適な概要について、添付図面を参照して説明する。上述した画像のコントラストが低下するという課題は、例えば液晶面から光源側を見た時の瞳の形状を、偏光ビームスプリッタ２１のスプリッタ面（接合面）の法線ｎと投射レンズ２５の光軸とで作られる主入射面２７方向の開口角をＰＩとし、主入射面２７に垂直な方向の開口角をＰＰとするとき、ＰＰ＞ＰＩとすることにより解決される。ここに主入射面２７とは、偏光ビームスプリッタ２１へ入射される入射光束の内、入射光束を射出する光学要素の光学軸に沿って進む光線と偏光ビームスプリッタ２１の法線ｎとで作られる面である。この面は本発明のプロジェクタの場合、その法線と投射レンズ２５の光軸とで作られる面と同一である。また、瞳の開口角は、液晶面の位置から見た場合の開口角である。
【００１６】
ここで、以上の構成によりコントラストが低下するという課題が解決されることを説明するために、問題点の発生原因である偏光ビームスプリッタの特性を説明する。
【００１７】
図５に示すように、偏光ビームスプリッタ２１のスプリッタ面は、その法線ｎに対して入射光線ｉが略θ＝４５°で入射する場合、入射光線のＳ波を完全に反射しＰ波を完全に透過するように設計されている。しかし、その入射角度が４５°から著しくずれた場合には、その機能が低下する。例えば図５に示すように、入射光の光束が太くなった場合、その光束の内の周辺光の光線ｉ’では、法線ｎに対する入射角度θ±φが４５°から所定角度（例えば±６°）以上にずれ、偏光ビームスプリッタ２１を透過するＳ波の振幅、及び、偏光ビームスプリッタ２１で反射されるＰ波の振幅が増大するおそれがある。この事情をより詳細に説明すると以下の通りである。
【００１８】
図６は、偏光ビームスプリッタ２１の特性の一例を示すものである。図６において、横軸は入射光の波長λ（単位はｎｍ）を示し、縦軸は偏光ビームスプリッタ２１の透過率Ｔ（％）を表す。図６に示される４５０ｎｍないし６００ｎｍの波長は緑色光線に対応する。図６において、Ｓ（４５°）で示される曲線は、入射光線と偏光ビームスプリッタ２１の法線ｎとが４５°をなす場合のＳ波の透過率を表す。即ち、この場合には４５０ｎｍ〜６００ｎｍで、Ｓ波は偏光ビームスプリッタ２１により完全に反射される。また、曲線Ｐ（４５°）で示すように、偏光ビームスプリッタ２１の法線ｎに対して４５°の角度で入射した光線のＰ波は偏光ビームスプリッタ２１を完全に透過する。
【００１９】
これに対して、曲線Ｓ（５１°）で示されるように、偏光ビームスプリッタ２１へその法線ｎに対して例えば５１°の入射角度で入射するＳ波は短波長では完全に反射されるが、６００ｎｍ前後の波長で、そのエネルギの一部が偏光ビームスプリッタ２１を透過してしまう。また、曲線Ｐ（３９°）で示されるように、偏光ビームスプリッタ２１へその法線ｎに対して例えば３９°の入射角度で入射するＰ波は、４５０ｎｍないし５００ｎｍの波長で、そのエネルギの一部が反射されてしまい明るさが減少する。
【００２０】
なお、上記では緑色の波長の光線に対する偏光ビームスプリッタ２１の特性を説明したが、赤色・青色の波長の光線に対する偏光ビームスプリッタ２１の特性も同様である。即ち、偏光ビームスプリッタ２１へその法線ｎに対して４５°からずれた角度で入射される光線では、Ｐ波とＳ波が所望の通りに完全に分離されない。
【００２１】
従って、入射光と偏光ビームスプリッタ２１の法線ｎのなす角度が４５°から著しくずれる（例えば±６°ずれる）と、図４で説明した１／４波長板３１の設置にもかかわらず、偏光ビームスプリッタ２１から光の漏れが発生し、コントラストが低下したり明るさが減少したりする。
【００２２】
図７及び図８は、入射光と偏光ビームスプリッタ２１の法線ｎのなす角度がほぼ４５°であり（例えば４５°との差違が±６°以内であり）、偏光ビームスプリッタ２１からの光の漏れが発生しない入射光の入射範囲を表す。ここに図７はポアンカレ球を示し、偏光ビームスプリッタは番号２１で表される。図６を参照して説明したように、偏光ビームスプリッタ２１へ入力される光線の内、法線ｎに対して４５°をなす光線を中心として、例えばその前後±６°の光線については、偏光ビームスプリッタ２１が正常に機能し、Ｓ方向の直線偏光とＰ方向の直線偏光が正しく分離される。図７における斜線部分（リング状部分）４１は、そのような光線が存在する範囲（即ち、法線ｎに対する入射光線の角度が例えば３９°ないし５１°である範囲）を示す。この斜線部分４１から入射される光線は、偏光ビームスプリッタ２１によりそのＳ方向直線偏光とＰ方向直線偏光が正しく分離され、Ｓ方向直線偏光は偏光ビームスプリッタ２１により完全に反射され、Ｐ方向直線偏光は偏光ビームスプリッタ２１を完全に通過する。
【００２３】
図８は、液晶素子２３の側から見た場合の、斜線部分（リング状部分）４１の形状を表す。図８において番号４１で示されるものは、図７における斜線部分４１のＸ−Ｙ面への射影である。偏光ビームスプリッタ２１を使用する反射型液晶プロジェクタでは、液晶素子２３の側から見て、円管部分４１を通る光線は、偏光ビームスプリッタ２１により正しくＳ波直線偏光とＰ波直線偏光が分離されるが、この領域の外側を通る光線はＳ波直線偏光とＰ波直線偏光が正しく分離されない。即ち、Ｓ波でも偏光ビームスプリッタ２１を透過する成分が存在し、Ｐ波でも偏光ビームスプリッタ２１により反射される成分が存在する。
【００２４】
さらに、偏光ビームスプリッタ２１と反射型液晶素子２３とを組み合わせた本発明のプロジェクタでは、液晶素子２３での光の反射後、反射光線が偏光ビームスプリッタ２１へ入射する際にその入射角度が逆転する。図９において、番号４２は、液晶素子２３からの反射光線が偏光ビームスプリッタ２１へ入射する際に、法線ｎに対する入射角度が例えば３９°ないし５１°となる反射光線の存在範囲を示す。
【００２５】
従って最終的に、偏光ビームスプリッタ２１によりＳ波直線偏光とＰ波直線偏光が正しく分離されるためには、光線は図９における領域４１と領域４２とが交差する細長範囲（細長領域）４３を通る必要がある。換言すれば、この細長範囲４３の外側を通る光線はＳ波偏光とＰ波偏光とが正しく分離されずコントラストの劣化を招く。なお、細長範囲４３のＸ軸方向の長さｂは、Ｙ軸方向の長さａに比較して５倍以上の長さを有する。
【００２６】
上記に鑑みて、本発明は、細長範囲４３に対応する形状の瞳が形成されるように構成した。即ち、液晶素子２３の液晶面から光源側を見たときの瞳の形状を、偏光ビームスプリッタ２１のスプリッタ面（接合面）の法線ｎと投射レンズ２５の光軸とで作られる主入射面２７方向の開口角をＰＩとし、主入射面２７に垂直な方向の開口角をＰＰとするとき、ＰＰ＞ＰＩとした。これにより、細長範囲４３の外側を通る光線は遮断され、高いコントラストの映像を実現することができる。また、細長範囲４３を通る光線は効率よく使用され、明るいプロジェクタを実現することができる。さらに、開口角ＰＰは、開口角ＰＩの１．２倍より大きいことが望ましい。これにより極めて明るいプロジェクタが実現できる。
【００２７】
上記の如く細長範囲４３の長幅ｂは、短幅ａの５倍以上の長さを有する。従って、この範囲に比例する開口角ＰＰと開口角ＰＩの比率の瞳を使用することにより極めて明るいプロジェクタを実現することができる。
【００２８】
さらに、図１０に示すように、偏光ビームスプリッタ２１がガラスプリズム４４で作られている場合、ガラスプリズム４４の入射出面（接合面）で入射光が屈折する。従ってこの場合には、図１１に示すように、Ｘ軸方向にさらに細長い細長範囲４５が形成される。なお、図１１の領域は、より詳細にはプリズムの屈折率が１．８である場合を示す。この場合、偏光ビームスプリッタ２１の法線ｎに対する主入射光線の光軸（Ｙ軸）のなす角度θは４５°であり、図１０に示すように、許容ずれ角度φは３．３２°となる。
【００２９】
なお、垂直方向の開口角ＰＰは、６０°より小さいのが望ましい。これによりレンズの収差補正が容易となる。開口角が６０°であることは、Ｆナンバーで１に相当する。従って、この角度を越える明るさの投射レンズ２５の実現は一般的には困難である。
【００３０】
本発明の他の側面は、偏光ビームスプリッタ２１と１／４波長板３１と投射レンズ２５を備えた反射型液晶プロジェクタにおいて、投射レンズ２５の前方（スクリーン側）から光源側を見たときの瞳の形状を、偏光ビームスプリッタ２１のスプリッタ面（接合面）の法線ｎと投射レンズ２５の光軸とで作られる主入射面２７方向の開口角をＰＩとし、主入射面２７に垂直な方向の開口角をＰＰとするとき、ＰＰ＞ＰＩとすることである。開口角ＰＰは、開口角ＰＩの１．２倍より大きいことが望ましい。
【００３１】
瞳は、好ましくは、偏光ビームスプリッタ２１と光源との間に置かれた絞りを、液晶素子２３の液晶面または投射レンズ２５のスクリーン側から見た場合の、絞りのレンズ系による像である。この絞りは、好ましくはフライアイインテグレータ（後述する実施態様における第２フライアイインテグレータ）である。
【００３２】
本発明の他の側面は、偏光ビームスプリッタ２１と１／４波長板３１と投射レンズ２５を備えた反射型液晶プロジェクタにおいて、光学系を通過する光線を定める機能を有する絞り手段の形状を、偏光ビームスプリッタ２１のスプリッタ面（接合面）の法線ｎと投射レンズ２５の光軸とで作られる主入射面２７に平行な方向の幅に比べて、当該方向に垂直な方向の幅が大きいものとしたことである。主入射面２７に垂直な方向の幅は、平行な方向の幅の１．２倍より大きいことが望ましい。
【００３３】
絞り手段の機能は、例えば光源と偏光ビームスプリッタ２１の間に配置されるフライアイインテグレータにより果たされる。この場合、絞りの形状は、フライアイインテグレータの外形形状である。
【００３４】
以下、図１２ないし図１５を参照して、本発明の反射型液晶プロジェクタの一実施形態を説明する。
【００３５】
図１２に示す実施形態には、光源としてのランプ１０１が設けてある。このランプ１０１から射出された光線はリフレクタ１０３により反射された後、コンデンサレンズ１０５により集束され、第１フライアイインテグレータ１０７へ入射される。ここに、リフレクタ１０３により反射され、コンデンサレンズ１０５により集束される光線はリフレクタ軸１０９に対して回転対称に分布する。従って、第１フライアイインテグレータ１０７は、図１３に示すように光線を最大限取り込めるように円形に近い外形形状に成形されている。
【００３６】
図１３に示すように、第１フライアイインテグレータ１０７は多数のレンズエレメント１１１から構成されている。そして、第１フライアイインテグレータ１０７の各レンズエレメント１１１による光源のスポット像が第２フライアイインテグレータ１１３の対応する各々のレンズエレメント１１５（図１４）の上に結像される。
【００３７】
第２フライアイインテグレータ１１３からの光線は、ダイクロイックミラー１１７及び１１９により例えば赤，青，緑の波長の光線に分光される。分光された各光線は、フィールドレンズ１２１，１２３，１２５（及び場合によってはリレーレンズ１２７，反射ミラー１２８、リレーレンズ１２９）を介してそれぞれの波長についての像形成を行う像形成装置１３１，１３３，１３５へ入射される。ここに、像形成装置１３１，１３３，１３５は、例えば図４に示したものと同様な構成を有し、それぞれ、偏光ビームスプリッタ２１と１／４波長板３１と液晶素子２３を備えている。像形成装置１３１，１３３，１３５からのそれぞれの波長を有する光線は色合成プリズム１３７で合成され、投射レンズ２５と同様の投射レンズ１３９を介して図示しないスクリーン上へ投射される。
【００３８】
図１５は、投射レンズ１３９をスクリーン側（図１２において左側）から覗いてみたときに投射レンズ１３９の中に見える像であり、投射レンズ１３９の瞳１３９ａの中に、第２フライアイインテグレータ１１３の像１１３′が見える。従って、この反射型液晶プロジェクタでは、第２フライアイインテグレータ１１３が実質的に開口絞りとして機能する。即ち、第１フライアイインテグレータ１０７からのスポット像は光源１０１の広がりにより第２フライアイインテグレータ１１３のエレメントからはみ出す場合があるが、はみ出した光線は液晶素子２３あるいは投射レンズ１３９により蹴られてしまい、実質的にこの反射型液晶プロジェクタの光学系を通過することができない。従って、このプロジェクタの光学系では第２フライアイインテグレータ１１３の外形形状のレンズ系による像が光学系全体の瞳形状となる。
【００３９】
ところで、既に図７ないし図９を参照して説明したように、偏光ビームスプリッタ２１の特性のため、偏光ビームスプリッタ２１の法線ｎと投射レンズ１３９（もしくは２５）の光軸で作られる主入射面２７と垂直な方向（図１２においてＸ軸方向）に細長い範囲４３を通過する光線では、偏光ビームスプリッタ２１により、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが正しく分離されるが、その細長い範囲４３の外側を通る光線ではＰ偏光成分とＳ偏光成分とが正しく分離されず、コントラストの低下を招く。
【００４０】
従って、偏光ビームスプリッタ２１の法線ｎと投射レンズ１３９の光軸で作られる主入射面２７と平行な方向（図１２においてＹ軸方向）における第２フライアイインテグレータ１１３の幅１１３ａ（図１４）は、比較的短く設計され、この第２フライアイインテグレータ１１３を通過して偏光ビームスプリッタ２１へ到達した光線が細長範囲４３のＹ軸方向の幅ａの中に入るように設定されている。これによりコントラストの高い画像をスクリーン上に形成できる。即ち、Ｙ軸方向の幅１１３ａを大きくすれば無駄になる光線の割合を少なくすることができるが、この幅１１３ａの外側を通る光線を使用すると、スクリーン上において画像のコントラストの低下を招く。
【００４１】
一方、偏光ビームスプリッタ２１の法線ｎと投射レンズ１３９の光軸で作られる主入射面２７と垂直な方向（図１２においてＸ軸方向）における第２フライアイインテグレータ１１３の幅１１３ｂ（図１４）は、比較的長く設計され、この第２フライアイインテグレータ１１３を通過して偏光ビームスプリッタ２１へ到達した光線が細長範囲４３のＸ軸方向の幅ｂの中に入るように設定されている。Ｘ軸方向の幅１１３ｂをＹ軸方向の幅１１３ａに比べて大きく設定することにより、ランプ１０１から射出された光線を効率良く液晶素子２３へ導きスクリーンをコントラストよく照らすことができる。
【００４２】
要するに、Ｘ軸方向の幅１１３ａを短くし、Ｙ軸方向の幅１１３ｂを長くすることにより、はみ出して無駄になる光線の割合を減らし、ランプ１０１から射出された光線を効率よく液晶素子２３へ導きスクリーンをコントラスト良く照らすことができる。なお、Ｘ軸方向幅１１３ｂを長くすることに対応して、光学系の他のエレメントの形状も対応する方向において大きくする必要があることは勿論である。
【００４３】
このように、偏光ビームスプリッタ２１と１／４波長板３１を組み合わせて使用する反射型液晶プロジェクタでは、瞳の形状を横長の形状にする（例えば主入射面２７と平行な方向の開口角ＰＩに対して主入射面２７と垂直な方向の開口角ＰＰを大きくする）ことによりコントラストを低下させずに明るいプロジェクタを実現することができる。即ち、光源系及び投射系の瞳形状を円形ではなく主入射面２７に垂直方向に伸ばすことにより、広い開口角で光源からの光をより多く取り込むことができ、もって明るいプロジェクタを実現することができる。
【００４４】
垂直方向に伸ばす割合は、主入射面２７と垂直な方向の開口角ＰＰを主入射面２７と平行な方向の開口角ＰＩの１．２倍より大きくするのが好ましい。さもないと、垂直方向に広げた効果が小さく輝度の向上が望めない。また、投射レンズ１３９を構成する一枚一枚のレンズの外形は一般に円形であり垂直方向の開口角ＰＰを平行方向の開口角ＰＩよりもあまり大きくすると投射像の形成に寄与しない無駄なレンズ領域が多くなる。
【００４５】
以上の構成により、明るい投射画像を確保しつつ（明るさの低下を最小限に抑えつつ）、コントラストを大きくするすることができる。本発明では、さらに、コントラストを優先する場合と明るさを優先する場合とを選択することができるよう、以下のように構成する。図１２に示すように、第２フライアイインテグレータ１１３の光線の射出側にスライドシャッタ１５０を設けている。このスライドシャッタ１５０はＹ方向にスライド自在となっており、第２フライアイインテグレータ１１３のＹ方向の幅を調節することができる。
【００４６】
図１６は、スライドシャッタ１５０を設けた場合の第２フライアイインテグレータ１１３を示している。図１４に示す第２フライアイインテグレータ１１３においては、予めＹ軸方向の幅１１３ａを短くし、Ｘ軸方向の幅１１３ｂを長くした形状のフライアイインテグレータを用いたが、スライドシャッタ１５０を設ける場合には、図１６に示すように、図１３に示す第１フライアイインテグレータ１０７と同様な形状のフライアイインテグレータを用い、スライドシャッタ１５０によってＹ軸方向の幅１１３ａを調整する。
【００４７】
図１６に示すように、スライドシャッタ１５０を破線で示す位置に移動させ、Ｙ軸方向の幅１１３ａを狭くすれば、図１４に示す第２フライアイインテグレータ１１３と同様となり、コントラストが優先される。スライドシャッタ１５０を実線で示す位置に移動させ、Ｙ軸方向の幅１１３ａを広くすれば、コントラストよりも明るさが優先される。なお、スライドシャッタ１５０は、レンズエレメント１１５のＹ方向の幅よりも小さい間隔にて複数段階的もしくは連続的に微調整するような構成としてもよく、最外部のレンズエレメント１１５の一列を塞ぐような構成としてもよい。スライドシャッタ１５０によって第２フライアイインテグレータ１１３のＹ方向の幅をどの程度塞ぐかは、適宜設定すればよい。
【００４８】
スライドシャッタ１５０は絞りとして動作しているが、通常よく用いられている円形の絞りではなく、一方向のみ、ここではＹ方向、即ち、偏光ビームスプリッタ２１のスプリッタ面の法線ｎと、第２フライアイインテグレータ１１３から偏光ビームスプリッタ２１へと入射される光線の光軸とで作る主入射面２７と平行な方向に幅のみに光線を絞ることに大きな意味を有する。本発明のような反射型プロジェクタでは、一方向のみの絞りを設けることによって、コントラストを優先する場合と明るさを優先する場合とを選択することができる。
【００４９】
本実施例では、図１２に示すように、第２フライアイインテグレータ１１３の光線の射出側にスライドシャッタ１５０を設けたが、第２フライアイインテグレータ１１３の光線の入射側にスライドシャッタ１５０を設けてもよい。いずれにしても、第２フライアイインテグレータ１１３の入射側か射出側の第２フライアイインテグレータ１１３近傍にスライドシャッタ１５０を設けることが好ましい。投射レンズ１３９の入射側にスライドシャッタ１５０を設けることも考えられるが、第２フライアイインテグレータ１１３近傍がより好ましい。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の反射型液晶プロジェクタは、偏光ビームスプリッタのスプリッタ面の法線と、第２フライアイインテグレータから偏光ビームスプリッタへと入射される光線の光軸とで作る光線の主入射面と平行な方向に幅を調整するスライドシャッタを、第２フライアイインテグレータの近傍に設けて構成したので、コントラストを優先する場合と明るさを優先する場合とを選択することができる。スライドシャッタを閉じてコントラストを優先する場合でも、主入射面と平行方向の開口角ＰＩと、前記主入射面と垂直な方向の開口角ＰＰとの関係が、ＰＰ＞ＰＩとなるよう瞳の形状を設定することにより、明るさの低下を最小限に抑えることができるので、高いコントラストを保ちながら光源の発する光を高い効率で取り込み、もって明るい画像を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の反射型液晶プロジェクタの構成を示す模式図である。
【図２】図１に示す反射型液晶プロジェクタに設けた液晶素子への入射光・反射光の偏光方向を示す模式図である。
【図３】図１に示す反射型液晶プロジェクタにおけるスクリーン上での光の漏れ量を示す模式図である。
【図４】他の従来の反射型液晶プロジェクタの構成を示す模式図である。
【図５】本発明の作用を示すための説明図であり、偏光ビームスプリッタに対する入射光線の入射角度を示す図である。
【図６】本発明の作用を示すための説明図であり、図５の入射角度に応じるＳ波・Ｐ波の透過率の変動を示す特性図である。
【図７】Ｓ波・Ｐ波の透過率が所望の値を有する範囲に存在する入射光線の（偏光ビームスプリッタに対する）入射角度範囲を表す模式図である。
【図８】図７の入射角度範囲をＸ−Ｙ面へ投影した範囲を示す模式図である。
【図９】図８の範囲及び液晶素子面での反射後の光線についての使用可能範囲を示す模式図である。
【図１０】偏光ビームスプリッタがガラスプリズムで作られている場合の、光線の入射経路を示す模式図である。
【図１１】偏光ビームスプリッタがガラスプリズムで作られている場合の、本発明の瞳の形状を表す模式図である。
【図１２】本発明の実施形態を示す模式図である。
【図１３】図１２に於けるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿って見た第１フライアイインテグレータの正面図である。
【図１４】図１２に於けるＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿って見た第２フライアイインテグレータの正面図である。
【図１５】図１２におけるＸＶ−ＸＶ線に沿って見た投射レンズの中の像の模式図である。
【図１６】本発明の実施形態であるスライドシャッタを設けた場合の第２フライアイインテグレータの正面図である。
【符号の説明】
２１偏光ビームスプリッタ
２３液晶素子
２５，１３９投射レンズ
３１１／４波長板
１０７第１フライアイインテグレータ
１１３第２フライアイインテグレータ
１５０スライドシャッタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a reflective liquid crystal projector including a fly eye integrator and a polarizing beam splitter.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the image displayed on the liquid crystal element is irradiated with plane polarized light, and the plane polarized light in a predetermined direction is extracted from the elliptically polarized light reflected by the pixel corresponding to the image on the liquid crystal element. A reflection-type liquid crystal projector that projects on a screen is known. FIG. 1 shows an example of such a reflective liquid crystal projector. The projector includes light source means (not shown), a polarizing beam splitter 21, a liquid crystal element 23, and a projection lens 25. In FIG. 1, the light source means (not shown) includes a lens (not shown) whose optical axis is parallel to the Y axis, and the polarization beam splitter 21 has a normal line n of the splitter surface (joint surface of two prisms). It exists in the YZ plane and is arranged so as to form an angle of 45 ° with respect to the Y-axis / Z-axis. The liquid crystal element 23 has a surface orthogonal to the Z axis, and the projection lens 25 is disposed so that its optical axis is parallel to the Z axis.
[0003]
Of the light rays R0, R1, and R2 from the light source means, a light ray (main incident light ray) R0 parallel to the Y axis is incident on the splitter surface of the polarization beam splitter 21 at an angle of 45 °. When the incident light beam is white light, the polarization beam splitter 21 oscillates in parallel with the main incident surface 27 defined by the Y axis and the normal line n of the polarization beam splitter 21 within the energy of the incident light beam R0 (P The S-wave (S-polarized component) that transmits in the direction orthogonal to the main incident surface 27 is reflected and directed toward the liquid crystal element 23 along the Z-axis. The light beam reflected by the liquid crystal element 23 travels again to the polarization beam splitter 21 along the Z axis.
[0004]
At that time, the light beam reflected from the portion where the liquid crystal element 23 acts as a mirror surface becomes S-polarized light again. Therefore, this light beam is reflected by the polarization beam splitter 21 and travels toward the light source means side. On the other hand, the light beam reflected by the part that produces a predetermined image in the liquid crystal element 23 becomes elliptically polarized light due to birefringence at the part, and enters the polarization beam splitter 21. Then, the S wave component is reflected by the polarizing beam splitter 21 and travels toward the light source means, and the P wave component is transmitted through the polarizing beam splitter 21 and projected onto a screen (not shown) via the projection lens 24, and is predetermined. The image is formed.
[0005]
Light from the light source means enters the polarization beam splitter 21 as a light beam. Therefore, the light rays from the light source means include not only the light ray R0 but also the light rays R1 and R2. The light ray R1 is input to the polarization beam splitter 21 at an angle inclined with respect to the Y axis in the main incident surface (YZ plane) 27. Since the light ray R1 is on the main incident surface 27 whose incident optical axis is defined by the lens optical axis L and the normal line n, the reflected light (S wave) reflected by the polarization beam splitter 21 is incident on the main incident surface 27. Vibrates vertically. Therefore, when the reflected light is incident on a portion of the liquid crystal element 23 that acts as a mirror surface, the reflected light is reflected as it is and has linearly polarized light in a direction perpendicular to the main incident surface 27 again. Reflected toward the light source means side.
[0006]
On the other hand, among the light beams from the light source means, the light beam R2 incident along the incident direction inclined with respect to the main incident surface 27 (which is assumed to be in the XZ plane, for example) is a polarized beam. When separated by the splitter 21, the reflected light from the polarization beam splitter 21 becomes linearly polarized light that oscillates in a direction orthogonal to the incident plane determined by the incident direction of the light ray R2 and the normal line n. The direction of this linearly polarized light is indicated by S2 in FIG. As shown in the figure, the vibration direction S2 has an angle α that is shifted clockwise with respect to the axis (X axis) orthogonal to the main incident surface 27 in the traveling direction. When the S wave having the vibration direction S2 is reflected by the liquid crystal element 23 (more specifically, when reflected by a portion acting as a mirror surface in the liquid crystal element 23), the reflected light from the liquid crystal element 23 is shown in FIG. It has a polarization direction S2 'shifted by the same angle α with respect to the X axis. The linearly polarized light in the polarization direction S2 ′ is input to the polarization beam splitter 21.
[0007]
Incidentally, as described above, the polarizing beam splitter 21 completely reflects linearly polarized light having a vibration direction perpendicular to the incident surface defined by the incident direction of the light beam and the normal line n of the polarizing beam splitter 21, and is parallel to the incident surface. It has a function of completely transmitting a vibration component. As shown in FIG. 2, the direction perpendicular to the incident surface formed by the reflected light from the liquid crystal element 23 (the reflected light of the light ray R2) and the normal line n of the polarizing beam splitter 21 is (−α ) Direction S4 having an angle of). Therefore, the component parallel to S4 in the linearly polarized light S2 ′ of the reflected light is reflected by the polarization beam splitter 21, but the component in the direction orthogonal to S4 is transmitted through the polarization beam splitter 21 and projected onto the screen. . As a result, on the screen, for example, a portion that should be black is lightened and the contrast is lowered.
[0008]
FIG. 3 shows the amount of light leaking unintentionally from the polarization beam splitter 21 in the reflective liquid crystal projector shown in FIG. Here, the opening angle is set to ± 6 °. In FIG. 3, each number (%) represents the amount of light that leaks when the light amount distribution is uniform at the location where the number is located. That is, 1% of light leaks at a place described as 1%. According to this, the contrast is reduced to 0.01 or less despite the opening angle being set to ± 6 °.
[0009]
FIG. 4 shows a quarter-wave plate 31 having a fast axis or a slow axis aligned with the direction of the main incident surface 27 between the polarizing beam splitter 21 and the liquid crystal element 23 in order to prevent a decrease in contrast. The configuration is shown. In this configuration, the light beam reflected by the liquid crystal element 23 passes through the quarter-wave plate 31 twice. Accordingly, the quarter wavelength plate 31 substantially functions as a half wavelength plate. For this reason, the light beam from the incident light beam R2 is reflected by the liquid crystal element 23 (if there is no half-wave plate, it has the polarization plane S2 ', but if the quarter-wave plate 31 is present). ), Linearly polarized light having a polarization plane S4 (FIG. 2), and when it is input to the polarization beam splitter 21, it is completely reflected by the polarization beam splitter 21 and is not transmitted to the projection lens 25 side.
[0010]
More details are as follows. That is, if the angle of deviation of the polarization direction from the orthogonal direction of the main incident surface 27 in the reflected ray generated by the reflection of the ray R2 by the polarization beam splitter 21 is α (FIG. 2), the Jones vector of the reflected ray is
[Expression 1]

It is represented by Then, the Jones vector after being reflected by the liquid crystal element 23 and passing through the quarter-wave plate 31 is
[Expression 2]

It is represented by
[0011]
Here, the fast axis or slow axis (optical axis) of the quarter-wave plate 31 is arranged so as to be orthogonal to the main incident surface 27 (that is, arranged parallel to the X axis). Accordingly, the polarization direction of the light beam that has passed through the quarter-wave plate 31 is rotated by −2α from the polarization direction S2 of the incident light beam, and has a polarization direction S4. As described above, the polarization direction S4 is perpendicular to the incident surface defined by the normal line n of the polarizing beam splitter 21 and the incident direction of the reflected light, and the rate of passing through the polarizing beam splitter 21 is zero. High contrast can be obtained without light reaching.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional reflection type liquid crystal projector, due to the characteristics of the polarization beam splitter 21, the P wave (P wave polarization component) from the quarter wavelength plate 31 may still be transmitted through the polarization beam splitter 21. As a result, the contrast of the image is lowered. In addition, there are cases where an image with a high contrast is easier to see, and there are cases where a bright image is easier to see even if the contrast is somewhat reduced, and the conventional reflective liquid crystal projector cannot be selected.
[0013]
The present invention has been made in view of such problems, and it is possible to select a case where priority is given to contrast and a case where priority is given to brightness. Even when priority is given to contrast, a decrease in brightness is minimized. An object of the present invention is to provide a reflective liquid crystal projector capable of capturing light emitted from a light source with high efficiency while maintaining high contrast and forming a bright image.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems of the prior art, the present invention provides first and second fly eye integrators that condense light rays from a light source, and polarization that polarizes light rays from the first and second fly eye integrators. In a reflection-type liquid crystal projector provided with a beam splitter, the principal ray of the light beam formed by the normal line of the splitter surface of the polarizing beam splitter and the optical axis of the light beam incident on the polarizing beam splitter from the second fly eye integrator. The present invention provides a reflective liquid crystal projector characterized in that a slide shutter for adjusting the width in a direction parallel to the incident surface is provided in the vicinity of the second fly's eye integrator.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, a preferred outline of the reflective liquid crystal projector of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The above-described problem that the contrast of the image is lowered is that, for example, the shape of the pupil when the light source side is viewed from the liquid crystal surface, the normal line n of the splitter surface (joint surface) of the polarizing beam splitter 21 and the optical axis of the projection lens 25. And when the opening angle in the direction perpendicular to the main incident surface 27 is PP, and PP> PI. Here, the main incident surface 27 is formed by a light beam traveling along the optical axis of an optical element that emits the incident light beam and a normal line n of the polarizing beam splitter 21 among incident light beams incident on the polarizing beam splitter 21. Surface. In the case of the projector of the present invention, this surface is the same as the surface formed by the normal line and the optical axis of the projection lens 25. The pupil opening angle is the opening angle when viewed from the position of the liquid crystal surface.
[0016]
Here, in order to explain that the problem that the contrast is lowered by the above configuration is solved, the characteristics of the polarization beam splitter, which is the cause of the problem, will be described.
[0017]
As shown in FIG. 5, when the incident light i is incident on the normal line n at approximately θ = 45 °, the splitter surface of the polarizing beam splitter 21 completely reflects the S wave of the incident light and reflects the P wave. Designed to be completely transparent. However, if the incident angle deviates significantly from 45 °, its function is degraded. For example, as shown in FIG. 5, when the luminous flux of the incident light becomes thick, the incident angle θ ± φ with respect to the normal line n of the ambient light ray i ′ in the luminous flux is 45 ° to a predetermined angle (for example, ± 6 °) There is a risk that the amplitude of the S wave transmitted through the polarizing beam splitter 21 and the amplitude of the P wave reflected by the polarizing beam splitter 21 will increase. This situation will be described in more detail as follows.
[0018]
FIG. 6 shows an example of the characteristics of the polarization beam splitter 21. In FIG. 6, the horizontal axis represents the wavelength λ (unit: nm) of incident light, and the vertical axis represents the transmittance T (%) of the polarizing beam splitter 21. The wavelengths of 450 nm to 600 nm shown in FIG. 6 correspond to green light. In FIG. 6, the curve indicated by S (45 °) represents the transmittance of the S wave when the incident light beam and the normal line n of the polarization beam splitter 21 form 45 °. That is, in this case, the S wave is completely reflected by the polarization beam splitter 21 at 450 nm to 600 nm. Further, as indicated by the curve P (45 °), the P wave of the light beam incident at an angle of 45 ° with respect to the normal line n of the polarizing beam splitter 21 is completely transmitted through the polarizing beam splitter 21.
[0019]
On the other hand, as shown by a curve S (51 °), an S wave incident on the polarization beam splitter 21 at an incident angle of, for example, 51 ° with respect to the normal line n is completely reflected at a short wavelength. , A part of the energy is transmitted through the polarization beam splitter 21 at a wavelength of around 600 nm. Further, as indicated by the curve P (39 °), the P wave incident on the polarization beam splitter 21 with respect to the normal line n at an incident angle of 39 °, for example, has a wavelength of 450 nm to 500 nm and has a single energy. The part is reflected and the brightness decreases.
[0020]
In the above description, the characteristics of the polarizing beam splitter 21 with respect to the light having the green wavelength are described. However, the characteristics of the polarizing beam splitter 21 with respect to the light having the red and blue wavelengths are the same. That is, the P wave and the S wave are not completely separated as desired in the light beam incident on the polarization beam splitter 21 at an angle deviated from 45 ° with respect to the normal line n.
[0021]
Therefore, when the angle formed between the incident light and the normal line n of the polarization beam splitter 21 deviates significantly from 45 ° (for example, ± 6 °), the polarization is changed regardless of the installation of the quarter-wave plate 31 described with reference to FIG. Light leakage occurs from the beam splitter 21, and the contrast decreases and the brightness decreases.
[0022]
7 and 8, the angle formed between the incident light and the normal line n of the polarizing beam splitter 21 is approximately 45 ° (for example, the difference from 45 ° is within ± 6 °). Represents the incident range of incident light where no leakage occurs. Here, FIG. 7 shows a Poincare sphere, and the polarization beam splitter is denoted by reference numeral 21. As described with reference to FIG. 6, among the light beams input to the polarization beam splitter 21, the light beam having a angle of 45 ° with respect to the normal line n is centered. The beam splitter 21 functions normally, and the linearly polarized light in the S direction and the linearly polarized light in the P direction are correctly separated. A hatched portion (ring-shaped portion) 41 in FIG. 7 indicates a range where such a light ray exists (that is, a range where the angle of the incident light ray with respect to the normal line n is, for example, 39 ° to 51 °). The light incident from the oblique line portion 41 is correctly separated into the S-direction linearly polarized light and the P-direction linearly polarized light by the polarizing beam splitter 21, and the S-direction linearly polarized light is completely reflected by the polarizing beam splitter 21, Passes completely through the polarizing beam splitter 21.
[0023]
FIG. 8 shows the shape of the shaded portion (ring-shaped portion) 41 when viewed from the liquid crystal element 23 side. What is indicated by reference numeral 41 in FIG. 8 is a projection of the hatched portion 41 in FIG. 7 onto the XY plane. In the reflective liquid crystal projector using the polarizing beam splitter 21, the light passing through the circular tube portion 41 as viewed from the liquid crystal element 23 side is correctly separated into S wave linear polarization and P wave linear polarization by the polarization beam splitter 21. However, light rays passing outside this region are not correctly separated from S-wave linearly polarized light and P-wave linearly polarized light. That is, there are components that pass through the polarization beam splitter 21 even in the S wave, and there are components that are reflected by the polarization beam splitter 21 even in the P wave.
[0024]
Further, in the projector of the present invention in which the polarizing beam splitter 21 and the reflective liquid crystal element 23 are combined, the incident angle is reversed when the reflected light beam enters the polarizing beam splitter 21 after the light is reflected by the liquid crystal element 23. . In FIG. 9, reference numeral 42 indicates an existing range of the reflected light beam whose incident angle with respect to the normal n is, for example, 39 ° to 51 ° when the reflected light beam from the liquid crystal element 23 enters the polarization beam splitter 21.
[0025]
Therefore, finally, in order for the polarization beam splitter 21 to correctly separate the S-wave linearly polarized light and the P-wave linearly polarized light, the light beam passes through an elongated range (elongated region) 43 where the region 41 and the region 42 in FIG. 9 intersect. It is necessary to pass. In other words, light passing through the outside of the elongated range 43 is not correctly separated from S-wave polarized light and P-wave polarized light, resulting in deterioration of contrast. In addition, the length b in the X-axis direction of the elongated range 43 has a length five times or more compared with the length a in the Y-axis direction.
[0026]
In view of the above, the present invention is configured such that a pupil having a shape corresponding to the elongated range 43 is formed. That is, when the light source side is viewed from the liquid crystal surface of the liquid crystal element 23, the main incident surface formed by the normal line n of the splitter surface (joint surface) of the polarization beam splitter 21 and the optical axis of the projection lens 25. When the aperture angle in the 27 direction is PI and the aperture angle in the direction perpendicular to the main incident surface 27 is PP, PP> PI. As a result, light rays passing outside the elongated range 43 are blocked, and a high contrast image can be realized. Further, the light beam passing through the elongated range 43 is used efficiently, and a bright projector can be realized. Furthermore, it is desirable that the opening angle PP is larger than 1.2 times the opening angle PI. Thereby, an extremely bright projector can be realized.
[0027]
As described above, the long width b of the elongated range 43 has a length that is five times or more the short width a. Therefore, a very bright projector can be realized by using a pupil having a ratio of the opening angle PP and the opening angle PI proportional to this range.
[0028]
Furthermore, as shown in FIG. 10, when the polarizing beam splitter 21 is made of a glass prism 44, incident light is refracted on the incident / exit surface (joint surface) of the glass prism 44. Therefore, in this case, as shown in FIG. 11, an elongated region 45 that is further elongated in the X-axis direction is formed. In addition, the area | region of FIG. 11 shows the case where the refractive index of a prism is 1.8 in detail. In this case, the angle θ formed by the optical axis (Y axis) of the main incident light with respect to the normal n of the polarizing beam splitter 21 is 45 °, and the allowable deviation angle φ is 3.32 ° as shown in FIG. .
[0029]
The vertical opening angle PP is preferably smaller than 60 °. This facilitates lens aberration correction. An opening angle of 60 ° corresponds to an F number of 1. Therefore, it is generally difficult to realize the projection lens 25 having a brightness exceeding this angle.
[0030]
Another aspect of the present invention is a pupil when the light source side is viewed from the front (screen side) of the projection lens 25 in the reflective liquid crystal projector including the polarizing beam splitter 21, the quarter wavelength plate 31, and the projection lens 25. , Where PI is the opening angle in the direction of the main incident surface 27 formed by the normal n of the splitter surface (joint surface) of the polarizing beam splitter 21 and the optical axis of the projection lens 25, and the direction perpendicular to the main incident surface 27 When PP is the opening angle, PP> PI. The opening angle PP is preferably larger than 1.2 times the opening angle PI.
[0031]
The pupil is preferably an image by the lens system of the diaphragm when the diaphragm placed between the polarization beam splitter 21 and the light source is viewed from the liquid crystal surface of the liquid crystal element 23 or the screen side of the projection lens 25. This diaphragm is preferably a fly eye integrator (second fly eye integrator in an embodiment described later).
[0032]
According to another aspect of the present invention, in a reflection type liquid crystal projector including a polarizing beam splitter 21, a quarter wavelength plate 31, and a projection lens 25, the shape of a diaphragm unit having a function of determining a light beam that passes through an optical system is polarized. Compared with the width in the direction parallel to the main incident surface 27 formed by the normal n of the splitter surface (joint surface) of the beam splitter 21 and the optical axis of the projection lens 25, the width in the direction perpendicular to the direction is larger. It is that. The width in the direction perpendicular to the main incident surface 27 is preferably larger than 1.2 times the width in the parallel direction.
[0033]
The function of the diaphragm means is performed by, for example, a fly eye integrator disposed between the light source and the polarization beam splitter 21. In this case, the shape of the diaphragm is the outer shape of the fly eye integrator.
[0034]
Hereinafter, an embodiment of the reflective liquid crystal projector of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0035]
In the embodiment shown in FIG. 12, a lamp 101 as a light source is provided. The light beam emitted from the lamp 101 is reflected by the reflector 103, converged by the condenser lens 105, and enters the first fly eye integrator 107. Here, the light beam reflected by the reflector 103 and focused by the condenser lens 105 is distributed rotationally symmetrically with respect to the reflector axis 109. Therefore, as shown in FIG. 13, the first fly eye integrator 107 is formed in an outer shape close to a circle so as to capture light rays to the maximum extent.
[0036]
As shown in FIG. 13, the first fly eye integrator 107 includes a large number of lens elements 111. Then, a spot image of the light source by each lens element 111 of the first fly eye integrator 107 is formed on each corresponding lens element 115 (FIG. 14) of the second fly eye integrator 113.
[0037]
The light beam from the second fly eye integrator 113 is split into light beams of, for example, red, blue, and green wavelengths by the

dichroic mirrors

117 and 119. Each of the dispersed light beams forms an image for each wavelength via

field lenses

121, 123, and 125 (and possibly relay lens 127, reflection mirror 128, and relay lens 129). 135 is incident. Here, the

image forming apparatuses

131, 133, and 135 have the same configuration as that shown in FIG. 4, for example, and include a polarizing beam splitter 21, a quarter-wave plate 31, and a liquid crystal element 23, respectively. Light beams having respective wavelengths from the

image forming apparatuses

131, 133, and 135 are combined by a color combining prism 137 and projected onto a screen (not shown) through a projection lens 139 similar to the projection lens 25.
[0038]
FIG. 15 is an image that can be seen in the projection lens 139 when the projection lens 139 is viewed from the screen side (left side in FIG. 12). The second fly-eye integrator 113 can be seen in the pupil 139 a of the projection lens 139. Image 113 'is visible. Therefore, in this reflective liquid crystal projector, the second fly eye integrator 113 substantially functions as an aperture stop. That is, the spot image from the first fly eye integrator 107 may protrude from the element of the second fly eye integrator 113 due to the spread of the light source 101, but the protruding light beam is kicked by the liquid crystal element 23 or the projection lens 139. It cannot substantially pass through the optical system of the reflective liquid crystal projector. Therefore, in the optical system of the projector, the image formed by the lens system having the outer shape of the second fly's eye integrator 113 becomes the pupil shape of the entire optical system.
[0039]
By the way, as already described with reference to FIGS. 7 to 9, due to the characteristics of the polarization beam splitter 21, the main incidence formed by the normal n of the polarization beam splitter 21 and the optical axis of the projection lens 139 (or 25). In the light beam passing through the elongated range 43 in the direction perpendicular to the surface 27 (X-axis direction in FIG. 12), the P-polarized component and the S-polarized component are correctly separated by the polarization beam splitter 21. For light rays passing outside, the P-polarized component and the S-polarized component are not correctly separated, resulting in a decrease in contrast.
[0040]
Accordingly, the width 113a (FIG. 14) of the second fly's eye integrator 113 in a direction (Y-axis direction in FIG. 12) parallel to the main incident surface 27 formed by the normal line n of the polarizing beam splitter 21 and the optical axis of the projection lens 139. Is designed to be relatively short, and is set so that the light beam that has passed through the second fly-eye integrator 113 and has reached the polarization beam splitter 21 falls within the width a of the elongated range 43 in the Y-axis direction. Thereby, an image with high contrast can be formed on the screen. That is, if the width 113a in the Y-axis direction is increased, the proportion of light rays that are wasted can be reduced. However, if light rays that pass outside the width 113a are used, the contrast of the image is reduced on the screen.
[0041]
On the other hand, the width 113b (FIG. 14) of the second fly's eye integrator 113 in the direction (X-axis direction in FIG. 12) perpendicular to the main incident surface 27 formed by the normal line n of the polarization beam splitter 21 and the optical axis of the projection lens 139. Is designed to be relatively long, and is set so that the light beam that has passed through the second fly-eye integrator 113 and reached the polarization beam splitter 21 falls within the width b of the elongated range 43 in the X-axis direction. By setting the width 113b in the X-axis direction to be larger than the width 113a in the Y-axis direction, the light beam emitted from the lamp 101 can be efficiently guided to the liquid crystal element 23 and the screen can be illuminated with high contrast.
[0042]
In short, by reducing the width 113a in the X-axis direction and increasing the width 113b in the Y-axis direction, the proportion of light rays that protrude and become useless is reduced, and light rays emitted from the lamp 101 are efficiently guided to the liquid crystal element 23. The screen can be illuminated with good contrast. It goes without saying that the shape of the other elements of the optical system needs to be increased in the corresponding direction in correspondence with the increase in the X-axis direction width 113b.
[0043]
As described above, in the reflection type liquid crystal projector using the polarization beam splitter 21 and the quarter wavelength plate 31 in combination, the shape of the pupil is a horizontally long shape (for example, the aperture angle PI in a direction parallel to the main incident surface 27). On the other hand, by increasing the aperture angle PP in the direction perpendicular to the main incident surface 27), a bright projector can be realized without lowering the contrast. That is, by extending the pupil shape of the light source system and the projection system in a direction perpendicular to the main incident surface 27 instead of a circle, more light from the light source can be taken in with a wide aperture angle, thereby realizing a bright projector. it can.
[0044]
The rate of extension in the vertical direction is preferably such that the opening angle PP in the direction perpendicular to the main incident surface 27 is greater than 1.2 times the opening angle PI in the direction parallel to the main incident surface 27. Otherwise, the effect of spreading in the vertical direction is small and improvement in luminance cannot be expected. Further, the outer shape of each of the lenses constituting the projection lens 139 is generally circular, and if the vertical aperture angle PP is made larger than the parallel aperture angle PI, it is a useless lens area that does not contribute to the formation of a projected image. Will increase.
[0045]
With the above configuration, it is possible to increase the contrast while securing a bright projection image (minimizing a decrease in brightness). The present invention is further configured as follows so that a case where priority is given to contrast and a case where priority is given to brightness can be selected. As shown in FIG. 12, a slide shutter 150 is provided on the light exit side of the second fly's eye integrator 113. The slide shutter 150 is slidable in the Y direction, and the width of the second fly eye integrator 113 in the Y direction can be adjusted.
[0046]
FIG. 16 shows the second fly's eye integrator 113 when the slide shutter 150 is provided. In the second fly eye integrator 113 shown in FIG. 14, a fly eye integrator having a shape in which the width 113a in the Y-axis direction is shortened in advance and the width 113b in the X-axis direction is lengthened is used. As shown in FIG. 16, the fly-eye integrator having the same shape as the first fly-eye integrator 107 shown in FIG. 13 is used, and the slide shutter 150 adjusts the width 113a in the Y-axis direction.
[0047]
As shown in FIG. 16, if the slide shutter 150 is moved to the position indicated by the broken line and the width 113a in the Y-axis direction is narrowed, the second fly-eye integrator 113 shown in FIG. If the slide shutter 150 is moved to the position indicated by the solid line and the width 113a in the Y-axis direction is widened, brightness is given priority over contrast. Note that the slide shutter 150 may be configured to finely adjust in multiple steps or continuously at intervals smaller than the width of the lens element 115 in the Y direction, and may block one row of the outermost lens elements 115. It is good also as a structure. What is necessary is just to set suitably how much the width | variety of the Y direction of the 2nd fly eye integrator 113 is block | closed with the slide shutter 150. FIG.
[0048]
Although the slide shutter 150 operates as a diaphragm, it is not a generally used circular diaphragm, but only in one direction, here the Y direction, that is, the normal n of the splitter surface of the polarization beam splitter 21, and the second It has a great significance to narrow the light beam only in the width in the direction parallel to the main incident surface 27 formed by the optical axis of the light beam incident on the polarization beam splitter 21 from the fly eye integrator 113. In a reflection type projector like the present invention, it is possible to select a case where priority is given to contrast and a case where priority is given to brightness by providing a diaphragm in only one direction.
[0049]
In this embodiment, as shown in FIG. 12, the slide shutter 150 is provided on the light emission side of the second fly's eye integrator 113, but the slide shutter 150 is provided on the light incidence side of the second fly's eye integrator 113. Also good. In any case, it is preferable to provide the slide shutter 150 in the vicinity of the second fly eye integrator 113 on the incident side or the exit side of the second fly eye integrator 113. Although it is conceivable to provide the slide shutter 150 on the incident side of the projection lens 139, the vicinity of the second fly eye integrator 113 is more preferable.
[0050]
【The invention's effect】
As described above in detail, the reflective liquid crystal projector of the present invention is a light beam formed by the normal line of the splitter surface of the polarizing beam splitter and the optical axis of the light beam incident on the polarizing beam splitter from the second fly eye integrator. Since the slide shutter for adjusting the width in the direction parallel to the main incident surface is provided in the vicinity of the second fly eye integrator, it is possible to select between giving priority to contrast and giving priority to brightness. . Even when the slide shutter is closed and priority is given to the contrast, the shape of the pupil is such that the relationship between the opening angle PI parallel to the main incident surface and the opening angle PP perpendicular to the main incident surface satisfies PP> PI. By setting, it is possible to minimize the decrease in brightness, so that it is possible to capture light emitted from the light source with high efficiency while maintaining a high contrast, thereby forming a bright image.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional reflective liquid crystal projector.
2 is a schematic diagram showing polarization directions of incident light and reflected light to a liquid crystal element provided in the reflective liquid crystal projector shown in FIG. 1. FIG.
3 is a schematic diagram showing the amount of light leakage on the screen in the reflective liquid crystal projector shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of another conventional reflective liquid crystal projector.
FIG. 5 is an explanatory diagram for illustrating the operation of the present invention, and is a diagram illustrating an incident angle of an incident light beam with respect to a polarizing beam splitter.
6 is an explanatory diagram for illustrating the operation of the present invention, and is a characteristic diagram showing fluctuations in the transmittance of S waves and P waves according to the incident angle in FIG. 5; FIG.
FIG. 7 is a schematic diagram showing an incident angle range (relative to a polarizing beam splitter) of incident light rays existing in a range in which the transmittance of S wave / P wave has a desired value.
8 is a schematic diagram showing a range in which the incident angle range of FIG. 7 is projected onto an XY plane. FIG.
9 is a schematic diagram showing the usable range of the light beam after reflection on the surface of FIG. 8 and the liquid crystal element surface.
FIG. 10 is a schematic diagram showing an incident path of a light beam when a polarizing beam splitter is made of a glass prism.
FIG. 11 is a schematic diagram showing the shape of the pupil of the present invention when the polarizing beam splitter is made of a glass prism.
FIG. 12 is a schematic diagram showing an embodiment of the present invention.
13 is a front view of the first fly's eye integrator viewed along line XIII-XIII in FIG.
14 is a front view of the second fly's eye integrator viewed along line XIV-XIV in FIG. 12. FIG.
15 is a schematic diagram of an image in the projection lens viewed along line XV-XV in FIG.
FIG. 16 is a front view of a second fly's eye integrator when a slide shutter according to an embodiment of the present invention is provided.
[Explanation of symbols]
21 Polarizing beam splitter
23 Liquid crystal elements
25,139 projection lens
31 1/4 wave plate
107 First fly eye integrator
113 Second Fly Eye Integrator
150 slide shutter

Claims

In a reflective liquid crystal projector including first and second fly eye integrators that collect light rays from a light source and a polarization beam splitter that polarizes light rays from the first and second fly eye integrators,
The width is adjusted in a direction parallel to the main incident surface of the light beam formed by the normal line of the splitter surface of the polarizing beam splitter and the optical axis of the light beam incident on the polarizing beam splitter from the second fly eye integrator. A reflective liquid crystal projector comprising a slide shutter provided in the vicinity of the second fly's eye integrator.

When the slide shutter is closed, the shape of the pupil is set so that the relationship between the opening angle PI parallel to the main incident surface and the opening angle PP perpendicular to the main incident surface satisfies PP> PI. The reflective liquid crystal projector according to claim 1.