JP3609715B2 - 色分離合成素子及びそれを用いた液晶プロジェクタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は３枚の反射型液晶パネルを用いる３板式液晶プロジェクタに用いる色分離合成素子及びそれを用いた液晶プロジェクタに係り、特に小型化が図れる液晶プロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０の平面図に示すように、従来の３板式液晶プロジェクタは、光源部１と、色分離部合成部２と、分離された色成分を変調して各色の映像光に変換する３枚の液晶パネル３１、３２、３３からなる反射型光変調部３と、投射レンズを含む投射光学系４とを備えている。
【０００３】
光源部１は所定の偏光方向に偏光させた光を出射できるように、ランプ１１ａとリフレクタ１１ｂと、図示しないランプ１１ａからの光を所定の偏光方向の光に揃える偏光変換手段と、を備え、色分離合成部２には光源部１から入射する光を３原色の色成分に分離するために、２枚のダイクロイックミラー２１、２３と１枚の全反射ミラー２２が設けられる。この例では、偏光変換手段にて、ｓ偏向光に揃えている。
【０００４】
第１のダイクロイックミラー２１は、光源部１より入射した光のうち、例えば、ｓ偏光方向の赤色成分を直角に反射し、青色成分および緑色成分を透過することにより、赤色成分を分離し、第１の偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという。）、すなわち赤色用ＰＢＳ２４に入射させる。
【０００５】
全反射ミラー２２は、第１のダイクロイックミラー２１を透過したｓ偏光の青色成分および緑色成分を直角に反射し、第２のダイクロイックミラー２３に入射させる。第２のダイクロイックミラー２３は、青色成分を透過し、緑色成分を反射する。
【０００６】
第２のダイクロイックミラー２３を透過するｓ偏光の青色成分は第２のＰＢＳすなわち青色用ＰＢＳ２５に入射し、第２のダイクロイックミラー２３で直角に反射されるｓ偏光の緑色成分は第３のＰＢＳ、すなわち緑色用ＰＢＳ２６に入射させる。
【０００７】
赤色用ＰＢＳ２４はその内部にｓ偏光の光を直角に反射し、ｐ偏光の光を透過させる偏光分離面２４ａを有する。赤色用ＰＢＳ２４は、第１のダイクロイックミラー２１より入射した赤色成分を直角に反射して第１の液晶パネル３１に出射させ、この液晶パネル３１は、赤色の画像情報に基づいて、赤色に表示すべき部分に入射した赤色光の偏光方向を９０度回転、即ちｐ偏光に変換して反射する。赤色用ＰＢＳ２４は、液晶パネル３１により反射してきたｐ偏光の赤色映像光を透過させて合成用ダイクロイックプリズム２７に入射させる。
【０００８】
青色用ＰＢＳ２５はその内部にｓ偏光の光を直角に反射し、ｐ偏光の光を透過させる偏光分離面２５ａを有し、第２のダイクロイックイミラー２３を透過して入射したｓ偏光の青色成分を直角に反射して第２の液晶パネル３２に出射させ、この液晶パネル３２より反射してきたｐ偏光の青色映像光を透過させて赤色映像光と反対側から合成用ダイクロイックプリズム２７に入射させる。
【０００９】
緑色用ＰＢＳ２６はその内部にｓ偏光の光を直角に反射し、ｐ偏光の光を透過させる偏光面２６ａを有し、第２のダイクロイックイミラー２３を反射して入射したｓ偏光の緑色成分を直角に反射して第３の液晶パネル３３に出射させ、この液晶パネル３３より反射してきたｐ偏光の緑色映像光を透過させて赤色映像光および青色映像光と直交する方向から合成用ダイクロイックプリズム２７に入射させる。
【００１０】
合成用ダイクロイックプリズム２７内には互いに直交する２面のダイクロイック面２７ａ、２７ｂが設けられ、第１のダイクロイック面２７ａは、青色映像光を直角に反射するとともに赤色映像光及び緑色映像光を透過させることにより、青色映像光と緑色映像光とを合成する。また、第２のダイクロイック面２７ｂは、青色映像光および緑色映像光を透過し、赤色映像光を直角に反射することにより、これら３原色の映像光を合成する。
【００１１】
また、図１１の平面図に示すように、別の従来の３板式液晶プロジェクタでは、光源部１にランプ１１ａとリフレクタ１１ｂとからなる光源１１からの白色光のうちｐ偏光の光のみを通過させる偏光板１２を設けている。
【００１２】
色分離合成部５には、ｐ偏光の光の中から所定の波長、この例では赤色成分のみの偏光方向を９０°回転させてｓ偏光の光に変換する狭帯域位相差板５１、赤色分離用ＰＢＳ５２、赤色用ＰＢＳ５３、ｐ偏光の青色成分のみの偏光方向を９０°回転させてｓ偏光の光に変換する２枚の狭帯域位相差板５４、５６、ＢＧ分離合成用ＰＢＳ５５、および合成用ＰＢＳ５７が設けられる。
【００１３】
ランプ１１ａから出射された白色光は偏光板１２によりｐ偏光成分の白色光として出射されるが、第１の狭帯域位相差板５１により赤色成分のみｓ偏光の光に変換される。
【００１４】
ｓ偏光の赤色成分は、赤色分離用ＰＢＳ５２で直角に反射され、更に赤色用ＰＢＳ５３で直角に反射されて赤色用液晶パネル３１に照射される。
【００１５】
また、赤色分離用ＰＢＳ５２を透過するｐ偏光の青色成分は第２の狭帯域位相差板５４で偏光方向を９０°回転してｓ偏光に偏向方向を転換され、ＢＧ分離合成用ＰＢＳ５５で直角に反射されて青色用液晶パネル３２に照射される。
【００１６】
更に、赤色分離用ＰＢＳ５２を透過するｐ成分の緑色成分は第２の狭帯域位相差板５４、ＢＧ分離合成用ＰＢＳ５５をそのまま透過して、緑色用液晶パネル３３に照射される。
【００１７】
これらの液晶パネル３１、３２、３３は反射型液晶パネルであり、それぞれの色成分の画像情報に基づいて表示すべき画素に入射された光の偏光方向を９０°回転させて入射方向と逆の方向に映像光として反射し、他の画素に入射された光は偏光方向を変えることなく入射方向と逆の方向へ反射する。
【００１８】
赤色用液晶パネル３１より反射してきた赤色映像光はｐ偏光であり、赤色用ＰＢＳ５３および合成用ＰＢＳ５７をそのまま透過して投射光学系４に入射し、青色用液晶パネル３２より反射した青色映像光はｐ偏光であり、ＢＧ分離合成用ＰＢＳ５５を透過し、第３の狭帯域位相差板５６で再びｓ偏光に偏光方向を転換されてから合成用ＰＢＳ５７で直角に反射されて投射光学系４に入射する。
【００１９】
緑色用液晶パネル３３より反射した緑色映像光はｓ偏光であり、ＢＧ分離合成用ＰＢＳ５５で直角に反射された後、第３の狭帯域位相差板５６をそのまま透過し、合成用ＰＢＳ５７で直角に反射されて投射光学系４に入射する。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示された従来例では、赤色用ＰＢＳ２４、青色用ＰＢＳ２５、緑色用ＰＢＳ２６および合成用ダイクロイックプリズム２７の外形は立方形に形成され、この立方形の各面の一辺の長さは、光源部１より投射光学系４に至る間の光の拡散を考慮して、液晶パネル３１、３２、３３の一辺（または長辺）よりも長く形成される。また、２枚のダイクロイックミラー２１、２３および全反射ミラー２２はその入射方向および反射方向の投影が液晶パネル３１、３２、３３の面積よりも大きい正方形となるような長方形に形成される。
【００２１】
その結果、色分離合成部２の平面積は、１個のＰＢＳ２４、２５、２６或いはダイクロイックプリズム２７の平面積の９倍以上になり、色分離合成部２およびこれを用いる液晶プロジェクタの小型化を図る上でかなり不利になる。また、液晶パネル３１、３２、３３より投射光学系４までの各色成分の経路長が長いので、投射光学系４の口径もそれなりに大きくする必要があることも、液晶プロジェクタを小型化することを困難にしている。
【００２２】
図１１に示された他の従来例では、４個のＰＢＳ５２、５３、５５、５７が平面視において２列２行に並べられるので、図１０の従来例よりは色分離合成部５を小型にできる。
【００２３】
しかし、この小型化された従来の液晶プロジェクタでは色分離合成部５内に設定される色成分が平面上で分離され、合成されるという考えから放れることがないために、これ以上に色分離合成部５を小型化することはできないと考えられるようになっている。
【００２４】
このような事情に鑑み、色分離合成部を小型化するためのいろいろな試行錯誤を重ねるうちに、色成分を立体的に分離し、合成することにより、従来に比べて格段に小さい色分離合成素子を構成することに成功し、本発明を完成するに至ったのである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明に係る色分離合成素子は、従来に比べて格段に小型の色分離合成手段を提供するため、所定の偏光方向の光を出射する光源部と対向する光入射面と、それぞれ１つの反射型光変調素子と対向する３面の光出入射面と、投射光学系と対向する光出射面と、他の１面とを備える立方形に形成され、内部に前記光源部より入射した光を３原色の色成分に分光して対応する光出入射面より出射させるとともに、各光出入射面に対向して配置した反射型光変調素子で光の偏光方向を９０°回転させて反射した３原色の色成分を合成して投射光学系に出射させる色分離合成手段が設けられることを特徴とする。
【００２６】
これによれば、色分離合成素子の一つの面には、光源部、又は投射光学系、若しくは１枚の反射型光変調素子（液晶パネル）が配置され、光源部と１枚の反射型光変調素子（液晶パネル）、又は１枚の反射型光変調素子（液晶パネル）と投射光学系、或いは２枚の反射型光変調素子（液晶パネル）が並べて配置されないので、色分離合成素子を図１１に示す従来例に比べて４分の１の大きさに小型化できる。
【００２７】
又、光源部から色分離合成素子を経て各反射型光変調素子（液晶パネル）に至る光路長や、各反射型光変調素子（液晶パネル）から色分離合成素子を経て投射光学系に至る光路長が短くなり、光の分散を小さくすることができるので、光源部の低出力化および小型化、投射光学系の小型化等を図り、全体として、更に小型の液晶プロジェクタを得ることができる。
【００２８】
ところで、本発明において、立方体とは各面が正方形である平行六面体をいい、この立方体を形成する本発明の６面のうち５面に光源部、又は反射型光変調素子（液晶パネル）、若しくは投射光学系を対向して配置することにより液晶プロジェクタが構成されるのである。
【００２９】
本発明において、光入射面、光出入射面、および光出射面の位置関係は、特に限定されず、例えば、光入射面と光出射面とを互いに背反する面で構成し、両面の直行する４面のうちの３面で各光出入射面を構成するようにしてもよい。
【００３０】
しかしながら、光分離合成手段の構造を簡単にするとともに光分離合成素子の小型化を図るために、前記光入射面と光出射面とが互いに直交し、第１の光出入射面が光入射面に背反する面からなり、第２の光出入射面が光出射面に背反する面からなり、第３の光出入射面がこれら第１光出入射面、第２の光出射面、光入射面および光出射面に直交する面で構成されることが好ましい。
【００３１】
このように光入射面、３面の光出入射面、および光出射面を配置する場合、前記色分離合成手段としては、例えば、３面の光学面を備える簡単なものを採用することができる。
【００３２】
すなわち、前記色分離合成手段としては、光入射面および光出射面に対して４５°傾斜させた第１光学面と、第１、第３両光出入射面に対して４５°傾斜させた第２光学面と、第３光出入射面および光出射面に対して４５°傾斜させた第３光学面とを備えるものを用いればよいのである。
【００３３】
各光学面の特性は入射される３原色の色成分の偏光方向に対応させて、光入射面に入射した各色成分に分離して、各色成分を互いに直交する３方向に出射させ、これら３方向の逆方向から入射する各色成分を合成して光出射面より出射させるように適宜設計すればよい。
【００３４】
例えば、前記色分離合成手段の第１の光学面が、第１成分の光に対しては、両偏光方向の光とも透過し、第２、第３の成分の光に対しては、ｓ偏光に対して反射、ｐ偏光に対して透過する特性を有し、第２、第３の光学面は、第１成分の光に対しては、ｓ偏光に対して反射、ｐ偏光に対して透過し、第２、第３の光に対しては、両偏光方向の光とも透過する特性を有するように構成される。
【００３５】
ここで、光源部より光入射面に入射される３原色の色成分の偏光方向は、狭帯域位相差板、偏光ビームスプリッタなどを用いてこれら中の１色成分のそれを他の２色成分のそれらと異ならせる必要がある。
【００３６】
外形が立方形に形成された本発明の内部に上述した３面の光学面を形成する方法は、特に限定はされないが、本発明を６個の四面体に分割形成し、互いに対向する分割面の一方又は両方に、例えば公知の薄膜形成方法により所定の特性を有する光学面を形成した後、これら四面体を接合させて立方体に形成する方法を採用することができる。
【００３７】
【発明の実施の態様】
図１の斜視図に示す液晶プロジェクタは、光源部１０と、本発明の一実施形態に係る色分離合成素子２０と、３枚の反射型液晶パネル３１、３２、３３よりなる色成分変調部３０と、投射光学系４０とを備え、光源部１０から出射された所定の偏光方向を有する光を色分離合成素子２０の一面からなる光入射面２１に入射させ、この色分離合成素子２０内に設けた色分離合成手段５０で３原色の色成分、すなわち、この実施形態では、第１色成分としての青色成分、第２色成分としての緑色成分および第３色成分としての赤色成分に分離し、色成分変調部３０で各色成分を変調した後、変調された各色成分を合成し、前記光入射面２１と直交する光出射面２２より出射させ、投射光学系４０により拡大投射するように構成してある。
【００３８】
図２の平面図と図３の正面図に示すように、光源部１０はランプ１１と、このランプ１１が出射する光を前記光入射面２１の方向に反射するリフレクタ１２と、前記光入射面２１に向かう光を所定の偏光方向、例えば、図４の斜視図に傾斜した実線矢印で示す偏光方向（水平方向）の光のみ通過させる偏光板１３と、この偏光板１３を通過した光のうちの１色成分、例えば、緑色成分の偏光方向のみを９０°回転させて図４の斜視図に縦向きの実線矢印で示す偏光方向（垂直方向）に変化させる狭帯域位相差板１４とを備えている。
【００３９】
もっとも、上記狭帯域位相差板の代わりにダイクロイックミラー及び位相差板の組み合わせにより同等の効果を実現することができる。
【００４０】
ところで、ｐ偏光は、光の入射方向と反射面で規定される入射光及び透過光、反射光を含む平面内で振動する光であり、それに垂直な面内で振動する光がｓ偏光である。従って、光の入出射方向と反射面を基準にして、入射する光の振動方向によりｐ偏光またはｓ偏光が決定する。後述するように、この発明においては、色分離合成手段５０の３つの光学面では、光学面によって、入射される光の方向及び振動方向が同じであってもｐ偏光、ｓ偏光かが異なることになる。そこで、この発明においては、図４から図８に示すように、ｘｙｚ空間において、偏光の振動面がどの平面上にあるかで表現する。例えば、赤色の光でｘｙ平面が偏光の振動面であれば、Ｒｘｙと示すことにする。
【００４１】
図４の斜視図において、傾斜した実線矢印で示す偏光方向はｙｚ平面が偏光の振動面であり、図４の斜視図に縦向きの実線矢印で示す偏光方向はｘｙ平面が偏光の振動面である。そして、色分離合成素子２０の第１光学面５１に対しては、ｙｚ平面がｐ偏光になり、ｘｙ平面がｓ偏光となる。
【００４２】
一方、投射光学系４０を対向させる光出射面２２は、光入射面２１に背反する面、すなわち、光入射面２１と平行な面で構成してもよいが、ここでは色分離合成素子２０の内部構造を簡単にするとともに、色分離合成素子２０を小型化するために、光入射面２１に直交する色分離手段の前側面で光出射面２２を構成している。
【００４３】
反射型光変調素子を構成する液晶パネル３１、３２、３３を個別に対向させる３面の光出入射面、すなわち、第１色成分に対応させた第１光出入射面２３、第２色成分に対応させた第２光出入射面２４、および第３色成分に対応させた第３光出入射面２５には、色分離合成素子２０の残り４面のうちの３面が利用される。
【００４４】
これら３面の光出入射面と光入射面２１や光出射面２２との位置関係は入射される３色成分の偏光方向、光入射面２１の位置および光出射面２２の位置を考慮して自由に設計でき、ここでは、図２と図４とに示すように、色分離合成素子２０の右側面からなる光入射面２１に背反する左側面で第１光出入射面２３を、色分離合成素子２０の前側面からなる光出射面２２に背反する後側面で第２光出入射面２４を、光入射面２１、光出射面２２、第１光出入射面２３、および第２光出入射面２４に直交する色分離合成素子２０の上側面で第３光出入射面２５を構成している。
【００４５】
ところで、図４に示すように、前記色分離合成手段５０は３面の光学面、すなわち、第１光学面５１と第２光学面５２と第３光学面５３とで構成され、この第１光学面５１は、図５の斜視図に右上がりハッチングで強調して示すように、光入射面２１と光出射面２２とに対して４５°傾斜するとともに第３出入斜面２５及び下側面２６に直交し、平面視において光入射面２１及び第１光出入斜面２３とともにＺ字形になるように配置される。
【００４６】
また、第２光学面５２は、図６の斜視図に右下がりハッチングで強調して示すように、第１出入斜面２３と第３光出入射面２５とに対して４５°傾斜するとともに第２出入面２４及び光出射面２２に直交し、第２光出入射面２４側（後側）から見て第３光出入射面２５及び下側面２６とともにＺ字形になるように配置される。
【００４７】
更に、第３光学面５３は、図７の斜視図に右下がりのハッチングで強調して示すように、第３光出入射面２５と光出射面２２とに対して４５°傾斜するとともに光入射面２１及び第１入光出射面２３に直交し、光入射面２１側から見て第３光出入射面２５及び下側面２６とともにＺ字形になるように配置される。
【００４８】
第１光学面５１は、例えば、表１に示すように、所定の波長に対する選択性を有する偏光分離面とを備えた特性からなり、第１色成分としての青色成分（表１以下の各表においてＢと記す。）のｓ偏光成分と、第２色成分としての緑色成分（表１以下の各表においてＧと記す。）のｓ偏光成分とを反射させ、第１色成分としての青色成分のｐ偏光成分と第２色成分としての緑色成分のｐ偏光成分と第３の色成分としての赤色成分（表１以下の各表においてＲと記す。）のｓ偏光成分及びｐ偏光成分とを透過させる特性を備えている。
【００４９】
また、第２光学面５２は、例えば、表２に示すように、所定の波長に対する選択性を有する偏光分離面とを備えた特性からなり、赤色成分のｓ偏光成分のみを反射させ、赤色成分のｐ偏光成分と、緑色成分のｐ偏光成分及びｓ偏光成分と、青色成分のｐ偏光成分及びｓ偏光成分とを透過させる特性を備えている。
【００５０】
更に、第３光学面５３は、例えば、表３に示すように、所定の波長に対する選択性を有する偏光分離面とを備えた特性からなり、赤色成分のｓ偏光成分のみを反射させ、赤色成分のｐ偏光成分と、緑色成分のｐ偏光成分及びｓ偏光成分と、青色成分のｐ偏光成分及びｓ偏光成分とを透過させる特性を備えている。
【００５１】
【表１】
第１光学面の特性
【００５２】
【表２】
第２光学面の特性
【００５３】
【表３】
第３光学面の特性
【００５４】
なお、第２の光学面５２の特性と第３の光学面５３の特性とは、表２及び表３に示すように同じ特性のものである。つまり、色分離合成手段５０としては、第１光学面５１の特性のもの１枚と、第２光学面５２または第３光学面５３の特性のもの２枚とを備えていれば良いといえるのである。
【００５５】
さて、この色分離合成素子２０を用いると、図４、図５、図６に示すように、光入射面２１に入射したｙｚ平面が偏光の振動面である青色成分Ｂｙｚは、第１の光学面５１に対して、ｐ偏光となりこの第１の光学面５１を青色成分Ｂｙｚのまま透過する。青色成分Ｂｙｚは第２の光学面５２に対して、ｓ偏光となるが、第２の光学面５２は青色成分のｓ偏光は透過する特性を有しており、青色成分Ｂｙｚは第２の光学面５２を透過する。このように、青色成分Ｂｙｚは第１、第２のいずれの光学面５１、５２にも妨げられずに透過し、青色成分Ｂｙｚのまま第１光出入射面２３より出射する。
【００５６】
また、光入射面２１に入射したｘｙ平面が偏光の振動面である緑色成分Ｇｘｙは、第１の光学面５１に対してｓ偏光となり、９０°の方向で反射され、ｘｚ平面が偏光の振動面である緑色成分Ｇｘｚとして第２光出入射面２４より出射する。
【００５７】
更に、光入射面２１に入射したｙｚ平面が偏光の振動面である赤色成分Ｒｙｚは、図４、図５、図６に示すように、第１の光学面５１に対して、ｐ偏光となり、この第１の光学面５１を赤色成分Ｒｙｚのまま透過する。赤色成分Ｒｙｚは第２の光学面５２に対して、ｓ偏光となり、第２の光学面５２は赤色成分のｓ偏光は反射する特性を有しており、赤色成分Ｂｙｚは第２の光学面５２により９０°上向き方向に反射され、ｘｚ平面が偏光の振動面であるＲｘｚとして、第３光出入射面２５より出射する。
【００５８】
各液晶パネル３１、３２、３３は、それぞれ表示すべき画素で入射した光の偏光方向を９０°回転させて入射方向と逆方向に反射し、表示しない画素では光の偏光方向を回転させることなく入射方向と逆方向には反射するという方法で変調を行う。
【００５９】
したがって、第１光出入射面２３より出射した青色成分のＢｙｚは、青色用の第１液晶パネル３１で変調され、ｘｙ平面が偏光の振動面である青色成分Ｂｘｙに変換された青色映像光として第１光出入射面２３に入射する。この第１光出入射面２３から入射した青色成分青色成分Ｂｘｙは、第１の光学面５１に対してｓ偏光となり、第１の光学面５１で９０°の方向で反射され、ｘｚ平面が偏光の振動面である青色成分Ｂｘｚとして、光出射面２２から出射する。なお、第２、第３の光学面５２、５３は、青色成分に対しては、ｓ偏光、ｐ偏光とも透過する特性を有しているので、両光学面５２、５３に妨げられることなく、青色成分Ｂｘｚが光出射面２２から出射する。
【００６０】
また、第２光出入射面２４より出射した緑色成分Ｇｘｚは、緑色用の第２液晶パネル３２で変調され、ｙｚ平面が偏光の振動面である緑色成分Ｇｙｚに変換された緑色映像光として第２光出入射面２４に入射する。この第２光出入射面２４から入射した緑色成分Ｇｙｚは第１の光学面５１に対してｐ偏光となり、図５、図７および図８に示すように、第１光学面５１を透過して光出射面２２から出射する。なお、第２、第３の光学面５２、５３は、緑色成分に対しては、ｓ偏光、ｐ偏光とも透過する特性を有しているので、両光学面５２、５３に妨げられることなく、緑色成分Ｇｙｚが光出射面２２から出射する。
【００６１】
第３光出入射面２５より出射した赤色成分Ｒｘｚは、赤色用の第３液晶パネル３３で変調され、ｘｙ平面が偏光の振動面である赤色成分Ｒｘｙに変換され赤色映像光として第３光出入射面２５に入射する。図６、図７および図８に示すように、この第３光出入射面２５から入射した赤色成分Ｒｘｙは、第２の光学面５２に対して、ｐ偏光となり、この第２の光学面５２を透過する。そして、第３の光学面５３に対しては、赤色成分Ｒｘｙはｓ偏光となり、第３の光学面５３で前向きに反射され、赤色成分Ｒｙｚが光出射面２２から出射する。なお、第１の光学面５１は、赤色成分に対しては、ｓ偏光、ｐ偏光とも透過する特性を有しているので、光学面５１に妨げられることなく、赤色成分Ｒｙｚが光出射面２２から出射する。
【００６２】
換言すると、第１光学面５１は、光源部１０より入射された光の中の第２色成分である緑色成分を分離する機能と、第１液晶パネル３１から反射された第１色成分である青色映像光に第２液晶パネル３２より入射された第２色成分である緑色映像光を合成する機能を備える光学面であり、第２光学面５２は、光源部１０より入射された光の中の第３色成分である赤色成分を分離する機能を備える光学面であり、第３光学面５３は合成された第１、第２色成分である青色映像光および緑色映像光に第３液晶パネル３３より入射された第３色成分である赤色映像光を合成する機能を備える光学面である。
【００６３】
なお、この色分離合成素子２０を製造する方法は特に限定されないが、例えば、図９の分解斜視図に示すように、立方体をなす全体を各光学面５１、５２、５３で分割した６個の４面体２０ａ〜２０ｆに分割形成し、これら４面体２０ａ〜２０ｆの互いに対向する接合面５１ａ〜５３ａ、５１ｂ〜５３ｂの一方（または両方）に対応する光学面部分５１ａ〜５３ａを形成した後、これらの４面体２０ａ〜２０ｆの互いに対向する接合面５１ａ〜５３ａ、５１ｂ〜５３ｂどうしを接着、融着などにより接合するという方法を採用すると、簡単に、且つ高精度にこの色分離合成素子２０を製造することができる。
【００６４】
ここで、図９において、符号２１ａ、２１ｂは分割された光入射面部分、２２ａ、２２ｂは分割された光出射面部分、２３ａ、２３ｂは分割された第１光出入射面、２４ａ、２４ｂは分割された第２光出入射面、２５ａ、２５ｂは分割された第３光出入射面、２６ａ、２６ｂは分割された他の１面（下側面）を示す。
【００６５】
第１の４面体２０ａの４面は直角２等辺３角形の光出射面部分２２ａおよび第１光出入射面部分２３ｂと、直角３角形の光学面部分５３ａおよび接合面５２ｂからなり、第２の４面体２０ｂの４面は直角２等辺３角形の光出射面部分２２ｂおよび第３光出入射面部分２５ｂと、直角３角形の光学面部分５２ａおよび接合面５１ｂからなる。
【００６６】
第３の４面体２０ｃの４面は直角２等辺３角形の光入射面部分２１ａおよび第３光出入射面部分２５ｂと、直角３角形の光学面部分５１ａおよび接合面５３ｂからなり、第４の４面体２０ｄの４面は直角２等辺３角形の第１光出入射面部分２３ａおよび他の１面部分２６ａと、直角３角形の光学面部分５１ａおよび接合面５３ｂからなる。
【００６７】
第５の４面体２０ｅの４面は直角２等辺３角形の第２光出入射面部分２４ｂおよび他の１面部分２６ｂと、直角３角形の光学面部分５２ａおよび接合面５１ｂからなり、第６の４面体２０ｆの４面は直角２等辺３角形の光入射面部分２１ｂおよび第２光出入射面部分２４ａと、直角３角形の光学面部分５３ａおよび接合面５２ｂからなる。
【００６８】
また、上述したように合成された３原色の色成分（映像光）は光出射面２２より投射光学系４０に入射させ、投射光学系４０により拡大投射されるが、この実施形態では、図２に示すように、必要に応じて緑色成分の偏光方向をｐ方向から９０°回転させてｓ方向に変換する狭帯域位相差板４１と、各色成分のｓ偏光を通過する偏光板４２とを設け、コントラストを改善させて投射レンズ系４３に入射させ、合成映像光を拡大投射させるようにしている。
【００６９】
以上に説明したように、この実施形態に係る色分離合成素子２０は、外形が、所定の偏光方向の光を出射する光源部１０を対向させる光入射面２１と、それぞれ１枚の液晶パネル３１、３２、３３を対向させる３面の光出入射面２３、２４、２５と、投射光学系４０を対向させる光出射面２２と、他の１面２６とを備える立方形に形成され、内部に前記光源部１０より入射した光を３原色の色成分に分光して対応する光出入射面２３、２４、２５より出射させるとともに、各光出入射面２３、２４、２５に対向して配置した液晶パネル３１、３２、３３で偏光方向を９０°回転させて反射した３原色の色成分を合成して光出射面２２より投射光学系４０に出射させる色分離合成手段５０が設けられる。
【００７０】
これにより、色分離合成素子２０の各面の１辺の長さを液晶パネル３１、３２、３３の１辺（液晶パネル３１、３２、３３が長方形の場合にはその長辺）の長さと同じ長さまで短くすることができるので、図１０の平面図に示した従来例に比べると９分の１の面積内で、また図１１の平面図に示した従来例に比べると、４分の１の面積内で３枚型液晶プロジェクタの色分離合成が行え、従来の色分離合成部に比べて格段に小型の色分離合成素子２０が得られ、また、この色分離合成素子２０を用いて格段に小型の液晶プロジェクタを作ることができる。
【００７１】
更に、光源部１０から投射光学系４０に至る各色成分の経路長を従来の３分の１程度以上に短縮できるので、光源部１０から投射光学系４０に至るまでの光のロスが少なくなるので、光源部１０の低出力化、低価格化および小型化を図ることができ、これにより、液晶プロジェクタを一層小型に、しかも、低価格にすることができる。
【００７２】
また、更に、液晶パネル３１、３２、３３から投射光学系４０に至る各色成分の経路長を従来の半分程度に短縮できるので、液晶パネル３１、３２、３３から投射光学系４０に至るまでの各色成分の拡散が小さくなるので、投射光学系４０の小型化を図ることができ、これにより、液晶プロジェクタをより一層小型にすることができる。
【００７３】
加えて、部品点数が少なくなるので、液晶プロジェクタの組立コストを大幅に削減することができるという利点も得ることができる。
【００７４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の色分離合成素子は、外形が、所定の偏光方向の光を出射する光源部を対向させる光入射面と、それぞれ１枚の反射型光変調素子を対向させる３面の光出入射面と、投射光学系を対向させる光出射面と、他の１面とを備える立方形に形成され、内部に前記光源部より入射した光を３原色の色成分に分光して対応する光出入射面より出射させるとともに、各光出入射面に対向して配置した反射型光変調素子で偏光方向を９０°回転させて反射した３原色の色成分を合成して光出射面より投射光学系に出射させる色分離合成手段が設けられる。
【００７５】
これにより、従来の色分離合成部に比べて各段に小型の色分離合成素子を得ることができるとともに、この色分離合成素子を用いることにより、従来に比べて格段に小型の３板式液晶プロジェクタを得ることができるという効果を得ることができる。
【００７６】
また、従来に比べて、光源部から投射光学系までの各色成分の経路長を従来の３分の１程度以上に短縮されるので、各色成分のロスが少なくなり、光源部の低出力化、低価格化および小型化を図ることができる効果が得られ、この色分離合成素子を用いることにより液晶プロジェクタを一層小型に、安価にすることができるとともに、消費電力を削減できるという効果も得られる。
【００７７】
更に、従来に比べて、液晶パネルから投射光学系までの各色成分の経路長を従来の３分の１程度以上に短縮されるので、液晶パネルから投射光学系に進む間の各色成分の拡散が小さくなり、投射光学系を小型にして、液晶プロジェクタをより一層小型にできる効果が得られる他、部品点数が少なくなるので、組立コストを大幅に削減して液晶プロジェクタを一層安価にできるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いる液晶プロジェクタの斜視図である。
【図２】本発明を用いる液晶プロジェクタの平面図である。
【図３】本発明を用いる液晶プロジェクタの正面図である。
【図４】本発明の斜視図である。
【図５】本発明の斜視図である。
【図６】本発明の斜視図である。
【図７】本発明の斜視図である。
【図８】本発明の斜視図である。
【図９】本発明の分解斜視図である。
【図１０】従来例の平面図である。
【図１１】従来例の平面図である。
【符号の説明】
１０ 光源部
２０ 色分離合成素子
２１ 光入射面
２２ 光出射面
２３ 第１光出入射面
２４ 第２光出入射面
２５ 第３光出入射面
２６ 他の１面
３１ 第１液晶パネル
３２ 第２液晶パネル
３３ 第３液晶パネル
４０ 投射光学系
５０ 色分離合成手段
５１ 第１光学面
５２ 第２光学面
５３ 第３光学面
【発明の属する技術分野】
本発明は３枚の反射型液晶パネルを用いる３板式液晶プロジェクタに用いる色分離合成素子及びそれを用いた液晶プロジェクタに係り、特に小型化が図れる液晶プロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０の平面図に示すように、従来の３板式液晶プロジェクタは、光源部１と、色分離部合成部２と、分離された色成分を変調して各色の映像光に変換する３枚の液晶パネル３１、３２、３３からなる反射型光変調部３と、投射レンズを含む投射光学系４とを備えている。
【０００３】
光源部１は所定の偏光方向に偏光させた光を出射できるように、ランプ１１ａとリフレクタ１１ｂと、図示しないランプ１１ａからの光を所定の偏光方向の光に揃える偏光変換手段と、を備え、色分離合成部２には光源部１から入射する光を３原色の色成分に分離するために、２枚のダイクロイックミラー２１、２３と１枚の全反射ミラー２２が設けられる。この例では、偏光変換手段にて、ｓ偏向光に揃えている。
【０００４】
第１のダイクロイックミラー２１は、光源部１より入射した光のうち、例えば、ｓ偏光方向の赤色成分を直角に反射し、青色成分および緑色成分を透過することにより、赤色成分を分離し、第１の偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという。）、すなわち赤色用ＰＢＳ２４に入射させる。
【０００５】
全反射ミラー２２は、第１のダイクロイックミラー２１を透過したｓ偏光の青色成分および緑色成分を直角に反射し、第２のダイクロイックミラー２３に入射させる。第２のダイクロイックミラー２３は、青色成分を透過し、緑色成分を反射する。
【０００６】
第２のダイクロイックミラー２３を透過するｓ偏光の青色成分は第２のＰＢＳすなわち青色用ＰＢＳ２５に入射し、第２のダイクロイックミラー２３で直角に反射されるｓ偏光の緑色成分は第３のＰＢＳ、すなわち緑色用ＰＢＳ２６に入射させる。
【０００７】
赤色用ＰＢＳ２４はその内部にｓ偏光の光を直角に反射し、ｐ偏光の光を透過させる偏光分離面２４ａを有する。赤色用ＰＢＳ２４は、第１のダイクロイックミラー２１より入射した赤色成分を直角に反射して第１の液晶パネル３１に出射させ、この液晶パネル３１は、赤色の画像情報に基づいて、赤色に表示すべき部分に入射した赤色光の偏光方向を９０度回転、即ちｐ偏光に変換して反射する。赤色用ＰＢＳ２４は、液晶パネル３１により反射してきたｐ偏光の赤色映像光を透過させて合成用ダイクロイックプリズム２７に入射させる。
【０００８】
青色用ＰＢＳ２５はその内部にｓ偏光の光を直角に反射し、ｐ偏光の光を透過させる偏光分離面２５ａを有し、第２のダイクロイックイミラー２３を透過して入射したｓ偏光の青色成分を直角に反射して第２の液晶パネル３２に出射させ、この液晶パネル３２より反射してきたｐ偏光の青色映像光を透過させて赤色映像光と反対側から合成用ダイクロイックプリズム２７に入射させる。
【０００９】
緑色用ＰＢＳ２６はその内部にｓ偏光の光を直角に反射し、ｐ偏光の光を透過させる偏光面２６ａを有し、第２のダイクロイックイミラー２３を反射して入射したｓ偏光の緑色成分を直角に反射して第３の液晶パネル３３に出射させ、この液晶パネル３３より反射してきたｐ偏光の緑色映像光を透過させて赤色映像光および青色映像光と直交する方向から合成用ダイクロイックプリズム２７に入射させる。
【００１０】
合成用ダイクロイックプリズム２７内には互いに直交する２面のダイクロイック面２７ａ、２７ｂが設けられ、第１のダイクロイック面２７ａは、青色映像光を直角に反射するとともに赤色映像光及び緑色映像光を透過させることにより、青色映像光と緑色映像光とを合成する。また、第２のダイクロイック面２７ｂは、青色映像光および緑色映像光を透過し、赤色映像光を直角に反射することにより、これら３原色の映像光を合成する。
【００１１】
また、図１１の平面図に示すように、別の従来の３板式液晶プロジェクタでは、光源部１にランプ１１ａとリフレクタ１１ｂとからなる光源１１からの白色光のうちｐ偏光の光のみを通過させる偏光板１２を設けている。
【００１２】
色分離合成部５には、ｐ偏光の光の中から所定の波長、この例では赤色成分のみの偏光方向を９０°回転させてｓ偏光の光に変換する狭帯域位相差板５１、赤色分離用ＰＢＳ５２、赤色用ＰＢＳ５３、ｐ偏光の青色成分のみの偏光方向を９０°回転させてｓ偏光の光に変換する２枚の狭帯域位相差板５４、５６、ＢＧ分離合成用ＰＢＳ５５、および合成用ＰＢＳ５７が設けられる。
【００１３】
ランプ１１ａから出射された白色光は偏光板１２によりｐ偏光成分の白色光として出射されるが、第１の狭帯域位相差板５１により赤色成分のみｓ偏光の光に変換される。
【００１４】
ｓ偏光の赤色成分は、赤色分離用ＰＢＳ５２で直角に反射され、更に赤色用ＰＢＳ５３で直角に反射されて赤色用液晶パネル３１に照射される。
【００１５】
また、赤色分離用ＰＢＳ５２を透過するｐ偏光の青色成分は第２の狭帯域位相差板５４で偏光方向を９０°回転してｓ偏光に偏向方向を転換され、ＢＧ分離合成用ＰＢＳ５５で直角に反射されて青色用液晶パネル３２に照射される。
【００１６】
更に、赤色分離用ＰＢＳ５２を透過するｐ成分の緑色成分は第２の狭帯域位相差板５４、ＢＧ分離合成用ＰＢＳ５５をそのまま透過して、緑色用液晶パネル３３に照射される。
【００１７】
これらの液晶パネル３１、３２、３３は反射型液晶パネルであり、それぞれの色成分の画像情報に基づいて表示すべき画素に入射された光の偏光方向を９０°回転させて入射方向と逆の方向に映像光として反射し、他の画素に入射された光は偏光方向を変えることなく入射方向と逆の方向へ反射する。
【００１８】
赤色用液晶パネル３１より反射してきた赤色映像光はｐ偏光であり、赤色用ＰＢＳ５３および合成用ＰＢＳ５７をそのまま透過して投射光学系４に入射し、青色用液晶パネル３２より反射した青色映像光はｐ偏光であり、ＢＧ分離合成用ＰＢＳ５５を透過し、第３の狭帯域位相差板５６で再びｓ偏光に偏光方向を転換されてから合成用ＰＢＳ５７で直角に反射されて投射光学系４に入射する。
【００１９】
緑色用液晶パネル３３より反射した緑色映像光はｓ偏光であり、ＢＧ分離合成用ＰＢＳ５５で直角に反射された後、第３の狭帯域位相差板５６をそのまま透過し、合成用ＰＢＳ５７で直角に反射されて投射光学系４に入射する。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示された従来例では、赤色用ＰＢＳ２４、青色用ＰＢＳ２５、緑色用ＰＢＳ２６および合成用ダイクロイックプリズム２７の外形は立方形に形成され、この立方形の各面の一辺の長さは、光源部１より投射光学系４に至る間の光の拡散を考慮して、液晶パネル３１、３２、３３の一辺（または長辺）よりも長く形成される。また、２枚のダイクロイックミラー２１、２３および全反射ミラー２２はその入射方向および反射方向の投影が液晶パネル３１、３２、３３の面積よりも大きい正方形となるような長方形に形成される。
【００２１】
その結果、色分離合成部２の平面積は、１個のＰＢＳ２４、２５、２６或いはダイクロイックプリズム２７の平面積の９倍以上になり、色分離合成部２およびこれを用いる液晶プロジェクタの小型化を図る上でかなり不利になる。また、液晶パネル３１、３２、３３より投射光学系４までの各色成分の経路長が長いので、投射光学系４の口径もそれなりに大きくする必要があることも、液晶プロジェクタを小型化することを困難にしている。
【００２２】
図１１に示された他の従来例では、４個のＰＢＳ５２、５３、５５、５７が平面視において２列２行に並べられるので、図１０の従来例よりは色分離合成部５を小型にできる。
【００２３】
しかし、この小型化された従来の液晶プロジェクタでは色分離合成部５内に設定される色成分が平面上で分離され、合成されるという考えから放れることがないために、これ以上に色分離合成部５を小型化することはできないと考えられるようになっている。
【００２４】
このような事情に鑑み、色分離合成部を小型化するためのいろいろな試行錯誤を重ねるうちに、色成分を立体的に分離し、合成することにより、従来に比べて格段に小さい色分離合成素子を構成することに成功し、本発明を完成するに至ったのである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明に係る色分離合成素子は、従来に比べて格段に小型の色分離合成手段を提供するため、所定の偏光方向の光を出射する光源部と対向する光入射面と、それぞれ１つの反射型光変調素子と対向する３面の光出入射面と、投射光学系と対向する光出射面と、他の１面とを備える立方形に形成され、内部に前記光源部より入射した光を３原色の色成分に分光して対応する光出入射面より出射させるとともに、各光出入射面に対向して配置した反射型光変調素子で光の偏光方向を９０°回転させて反射した３原色の色成分を合成して投射光学系に出射させる色分離合成手段が設けられることを特徴とする。
【００２６】
これによれば、色分離合成素子の一つの面には、光源部、又は投射光学系、若しくは１枚の反射型光変調素子（液晶パネル）が配置され、光源部と１枚の反射型光変調素子（液晶パネル）、又は１枚の反射型光変調素子（液晶パネル）と投射光学系、或いは２枚の反射型光変調素子（液晶パネル）が並べて配置されないので、色分離合成素子を図１１に示す従来例に比べて４分の１の大きさに小型化できる。
【００２７】
又、光源部から色分離合成素子を経て各反射型光変調素子（液晶パネル）に至る光路長や、各反射型光変調素子（液晶パネル）から色分離合成素子を経て投射光学系に至る光路長が短くなり、光の分散を小さくすることができるので、光源部の低出力化および小型化、投射光学系の小型化等を図り、全体として、更に小型の液晶プロジェクタを得ることができる。
【００２８】
ところで、本発明において、立方体とは各面が正方形である平行六面体をいい、この立方体を形成する本発明の６面のうち５面に光源部、又は反射型光変調素子（液晶パネル）、若しくは投射光学系を対向して配置することにより液晶プロジェクタが構成されるのである。
【００２９】
本発明において、光入射面、光出入射面、および光出射面の位置関係は、特に限定されず、例えば、光入射面と光出射面とを互いに背反する面で構成し、両面の直行する４面のうちの３面で各光出入射面を構成するようにしてもよい。
【００３０】
しかしながら、光分離合成手段の構造を簡単にするとともに光分離合成素子の小型化を図るために、前記光入射面と光出射面とが互いに直交し、第１の光出入射面が光入射面に背反する面からなり、第２の光出入射面が光出射面に背反する面からなり、第３の光出入射面がこれら第１光出入射面、第２の光出射面、光入射面および光出射面に直交する面で構成されることが好ましい。
【００３１】
このように光入射面、３面の光出入射面、および光出射面を配置する場合、前記色分離合成手段としては、例えば、３面の光学面を備える簡単なものを採用することができる。
【００３２】
すなわち、前記色分離合成手段としては、光入射面および光出射面に対して４５°傾斜させた第１光学面と、第１、第３両光出入射面に対して４５°傾斜させた第２光学面と、第３光出入射面および光出射面に対して４５°傾斜させた第３光学面とを備えるものを用いればよいのである。
【００３３】
各光学面の特性は入射される３原色の色成分の偏光方向に対応させて、光入射面に入射した各色成分に分離して、各色成分を互いに直交する３方向に出射させ、これら３方向の逆方向から入射する各色成分を合成して光出射面より出射させるように適宜設計すればよい。
【００３４】
例えば、前記色分離合成手段の第１の光学面が、第１成分の光に対しては、両偏光方向の光とも透過し、第２、第３の成分の光に対しては、ｓ偏光に対して反射、ｐ偏光に対して透過する特性を有し、第２、第３の光学面は、第１成分の光に対しては、ｓ偏光に対して反射、ｐ偏光に対して透過し、第２、第３の光に対しては、両偏光方向の光とも透過する特性を有するように構成される。
【００３５】
ここで、光源部より光入射面に入射される３原色の色成分の偏光方向は、狭帯域位相差板、偏光ビームスプリッタなどを用いてこれら中の１色成分のそれを他の２色成分のそれらと異ならせる必要がある。
【００３６】
外形が立方形に形成された本発明の内部に上述した３面の光学面を形成する方法は、特に限定はされないが、本発明を６個の四面体に分割形成し、互いに対向する分割面の一方又は両方に、例えば公知の薄膜形成方法により所定の特性を有する光学面を形成した後、これら四面体を接合させて立方体に形成する方法を採用することができる。
【００３７】
【発明の実施の態様】
図１の斜視図に示す液晶プロジェクタは、光源部１０と、本発明の一実施形態に係る色分離合成素子２０と、３枚の反射型液晶パネル３１、３２、３３よりなる色成分変調部３０と、投射光学系４０とを備え、光源部１０から出射された所定の偏光方向を有する光を色分離合成素子２０の一面からなる光入射面２１に入射させ、この色分離合成素子２０内に設けた色分離合成手段５０で３原色の色成分、すなわち、この実施形態では、第１色成分としての青色成分、第２色成分としての緑色成分および第３色成分としての赤色成分に分離し、色成分変調部３０で各色成分を変調した後、変調された各色成分を合成し、前記光入射面２１と直交する光出射面２２より出射させ、投射光学系４０により拡大投射するように構成してある。
【００３８】
図２の平面図と図３の正面図に示すように、光源部１０はランプ１１と、このランプ１１が出射する光を前記光入射面２１の方向に反射するリフレクタ１２と、前記光入射面２１に向かう光を所定の偏光方向、例えば、図４の斜視図に傾斜した実線矢印で示す偏光方向（水平方向）の光のみ通過させる偏光板１３と、この偏光板１３を通過した光のうちの１色成分、例えば、緑色成分の偏光方向のみを９０°回転させて図４の斜視図に縦向きの実線矢印で示す偏光方向（垂直方向）に変化させる狭帯域位相差板１４とを備えている。
【００３９】
もっとも、上記狭帯域位相差板の代わりにダイクロイックミラー及び位相差板の組み合わせにより同等の効果を実現することができる。
【００４０】
ところで、ｐ偏光は、光の入射方向と反射面で規定される入射光及び透過光、反射光を含む平面内で振動する光であり、それに垂直な面内で振動する光がｓ偏光である。従って、光の入出射方向と反射面を基準にして、入射する光の振動方向によりｐ偏光またはｓ偏光が決定する。後述するように、この発明においては、色分離合成手段５０の３つの光学面では、光学面によって、入射される光の方向及び振動方向が同じであってもｐ偏光、ｓ偏光かが異なることになる。そこで、この発明においては、図４から図８に示すように、ｘｙｚ空間において、偏光の振動面がどの平面上にあるかで表現する。例えば、赤色の光でｘｙ平面が偏光の振動面であれば、Ｒｘｙと示すことにする。
【００４１】
図４の斜視図において、傾斜した実線矢印で示す偏光方向はｙｚ平面が偏光の振動面であり、図４の斜視図に縦向きの実線矢印で示す偏光方向はｘｙ平面が偏光の振動面である。そして、色分離合成素子２０の第１光学面５１に対しては、ｙｚ平面がｐ偏光になり、ｘｙ平面がｓ偏光となる。
【００４２】
一方、投射光学系４０を対向させる光出射面２２は、光入射面２１に背反する面、すなわち、光入射面２１と平行な面で構成してもよいが、ここでは色分離合成素子２０の内部構造を簡単にするとともに、色分離合成素子２０を小型化するために、光入射面２１に直交する色分離手段の前側面で光出射面２２を構成している。
【００４３】
反射型光変調素子を構成する液晶パネル３１、３２、３３を個別に対向させる３面の光出入射面、すなわち、第１色成分に対応させた第１光出入射面２３、第２色成分に対応させた第２光出入射面２４、および第３色成分に対応させた第３光出入射面２５には、色分離合成素子２０の残り４面のうちの３面が利用される。
【００４４】
これら３面の光出入射面と光入射面２１や光出射面２２との位置関係は入射される３色成分の偏光方向、光入射面２１の位置および光出射面２２の位置を考慮して自由に設計でき、ここでは、図２と図４とに示すように、色分離合成素子２０の右側面からなる光入射面２１に背反する左側面で第１光出入射面２３を、色分離合成素子２０の前側面からなる光出射面２２に背反する後側面で第２光出入射面２４を、光入射面２１、光出射面２２、第１光出入射面２３、および第２光出入射面２４に直交する色分離合成素子２０の上側面で第３光出入射面２５を構成している。
【００４５】
ところで、図４に示すように、前記色分離合成手段５０は３面の光学面、すなわち、第１光学面５１と第２光学面５２と第３光学面５３とで構成され、この第１光学面５１は、図５の斜視図に右上がりハッチングで強調して示すように、光入射面２１と光出射面２２とに対して４５°傾斜するとともに第３出入斜面２５及び下側面２６に直交し、平面視において光入射面２１及び第１光出入斜面２３とともにＺ字形になるように配置される。
【００４６】
また、第２光学面５２は、図６の斜視図に右下がりハッチングで強調して示すように、第１出入斜面２３と第３光出入射面２５とに対して４５°傾斜するとともに第２出入面２４及び光出射面２２に直交し、第２光出入射面２４側（後側）から見て第３光出入射面２５及び下側面２６とともにＺ字形になるように配置される。
【００４７】
更に、第３光学面５３は、図７の斜視図に右下がりのハッチングで強調して示すように、第３光出入射面２５と光出射面２２とに対して４５°傾斜するとともに光入射面２１及び第１入光出射面２３に直交し、光入射面２１側から見て第３光出入射面２５及び下側面２６とともにＺ字形になるように配置される。
【００４８】
第１光学面５１は、例えば、表１に示すように、所定の波長に対する選択性を有する偏光分離面とを備えた特性からなり、第１色成分としての青色成分（表１以下の各表においてＢと記す。）のｓ偏光成分と、第２色成分としての緑色成分（表１以下の各表においてＧと記す。）のｓ偏光成分とを反射させ、第１色成分としての青色成分のｐ偏光成分と第２色成分としての緑色成分のｐ偏光成分と第３の色成分としての赤色成分（表１以下の各表においてＲと記す。）のｓ偏光成分及びｐ偏光成分とを透過させる特性を備えている。
【００４９】
また、第２光学面５２は、例えば、表２に示すように、所定の波長に対する選択性を有する偏光分離面とを備えた特性からなり、赤色成分のｓ偏光成分のみを反射させ、赤色成分のｐ偏光成分と、緑色成分のｐ偏光成分及びｓ偏光成分と、青色成分のｐ偏光成分及びｓ偏光成分とを透過させる特性を備えている。
【００５０】
更に、第３光学面５３は、例えば、表３に示すように、所定の波長に対する選択性を有する偏光分離面とを備えた特性からなり、赤色成分のｓ偏光成分のみを反射させ、赤色成分のｐ偏光成分と、緑色成分のｐ偏光成分及びｓ偏光成分と、青色成分のｐ偏光成分及びｓ偏光成分とを透過させる特性を備えている。
【００５１】
【表１】
第１光学面の特性
【表２】
第２光学面の特性
【表３】
第３光学面の特性
なお、第２の光学面５２の特性と第３の光学面５３の特性とは、表２及び表３に示すように同じ特性のものである。つまり、色分離合成手段５０としては、第１光学面５１の特性のもの１枚と、第２光学面５２または第３光学面５３の特性のもの２枚とを備えていれば良いといえるのである。
【００５５】
さて、この色分離合成素子２０を用いると、図４、図５、図６に示すように、光入射面２１に入射したｙｚ平面が偏光の振動面である青色成分Ｂｙｚは、第１の光学面５１に対して、ｐ偏光となりこの第１の光学面５１を青色成分Ｂｙｚのまま透過する。青色成分Ｂｙｚは第２の光学面５２に対して、ｓ偏光となるが、第２の光学面５２は青色成分のｓ偏光は透過する特性を有しており、青色成分Ｂｙｚは第２の光学面５２を透過する。このように、青色成分Ｂｙｚは第１、第２のいずれの光学面５１、５２にも妨げられずに透過し、青色成分Ｂｙｚのまま第１光出入射面２３より出射する。
【００５６】
また、光入射面２１に入射したｘｙ平面が偏光の振動面である緑色成分Ｇｘｙは、第１の光学面５１に対してｓ偏光となり、９０°の方向で反射され、ｘｚ平面が偏光の振動面である緑色成分Ｇｘｚとして第２光出入射面２４より出射する。
【００５７】
更に、光入射面２１に入射したｙｚ平面が偏光の振動面である赤色成分Ｒｙｚは、図４、図５、図６に示すように、第１の光学面５１に対して、ｐ偏光となり、この第１の光学面５１を赤色成分Ｒｙｚのまま透過する。赤色成分Ｒｙｚは第２の光学面５２に対して、ｓ偏光となり、第２の光学面５２は赤色成分のｓ偏光は反射する特性を有しており、赤色成分Ｂｙｚは第２の光学面５２により９０°上向き方向に反射され、ｘｚ平面が偏光の振動面であるＲｘｚとして、第３光出入射面２５より出射する。
【００５８】
各液晶パネル３１、３２、３３は、それぞれ表示すべき画素で入射した光の偏光方向を９０°回転させて入射方向と逆方向に反射し、表示しない画素では光の偏光方向を回転させることなく入射方向と逆方向には反射するという方法で変調を行う。
【００５９】
したがって、第１光出入射面２３より出射した青色成分のＢｙｚは、青色用の第１液晶パネル３１で変調され、ｘｙ平面が偏光の振動面である青色成分Ｂｘｙに変換された青色映像光として第１光出入射面２３に入射する。この第１光出入射面２３から入射した青色成分青色成分Ｂｘｙは、第１の光学面５１に対してｓ偏光となり、第１の光学面５１で９０°の方向で反射され、ｘｚ平面が偏光の振動面である青色成分Ｂｘｚとして、光出射面２２から出射する。なお、第２、第３の光学面５２、５３は、青色成分に対しては、ｓ偏光、ｐ偏光とも透過する特性を有しているので、両光学面５２、５３に妨げられることなく、青色成分Ｂｘｚが光出射面２２から出射する。
【００６０】
また、第２光出入射面２４より出射した緑色成分Ｇｘｚは、緑色用の第２液晶パネル３２で変調され、ｙｚ平面が偏光の振動面である緑色成分Ｇｙｚに変換された緑色映像光として第２光出入射面２４に入射する。この第２光出入射面２４から入射した緑色成分Ｇｙｚは第１の光学面５１に対してｐ偏光となり、図５、図７および図８に示すように、第１光学面５１を透過して光出射面２２から出射する。なお、第２、第３の光学面５２、５３は、緑色成分に対しては、ｓ偏光、ｐ偏光とも透過する特性を有しているので、両光学面５２、５３に妨げられることなく、緑色成分Ｇｙｚが光出射面２２から出射する。
【００６１】
第３光出入射面２５より出射した赤色成分Ｒｘｚは、赤色用の第３液晶パネル３３で変調され、ｘｙ平面が偏光の振動面である赤色成分Ｒｘｙに変換され赤色映像光として第３光出入射面２５に入射する。図６、図７および図８に示すように、この第３光出入射面２５から入射した赤色成分Ｒｘｙは、第２の光学面５２に対して、ｐ偏光となり、この第２の光学面５２を透過する。そして、第３の光学面５３に対しては、赤色成分Ｒｘｙはｓ偏光となり、第３の光学面５３で前向きに反射され、赤色成分Ｒｙｚが光出射面２２から出射する。なお、第１の光学面５１は、赤色成分に対しては、ｓ偏光、ｐ偏光とも透過する特性を有しているので、光学面５１に妨げられることなく、赤色成分Ｒｙｚが光出射面２２から出射する。
【００６２】
換言すると、第１光学面５１は、光源部１０より入射された光の中の第２色成分である緑色成分を分離する機能と、第１液晶パネル３１から反射された第１色成分である青色映像光に第２液晶パネル３２より入射された第２色成分である緑色映像光を合成する機能を備える光学面であり、第２光学面５２は、光源部１０より入射された光の中の第３色成分である赤色成分を分離する機能を備える光学面であり、第３光学面５３は合成された第１、第２色成分である青色映像光および緑色映像光に第３液晶パネル３３より入射された第３色成分である赤色映像光を合成する機能を備える光学面である。
【００６３】
なお、この色分離合成素子２０を製造する方法は特に限定されないが、例えば、図９の分解斜視図に示すように、立方体をなす全体を各光学面５１、５２、５３で分割した６個の４面体２０ａ〜２０ｆに分割形成し、これら４面体２０ａ〜２０ｆの互いに対向する接合面５１ａ〜５３ａ、５１ｂ〜５３ｂの一方（または両方）に対応する光学面部分５１ａ〜５３ａを形成した後、これらの４面体２０ａ〜２０ｆの互いに対向する接合面５１ａ〜５３ａ、５１ｂ〜５３ｂどうしを接着、融着などにより接合するという方法を採用すると、簡単に、且つ高精度にこの色分離合成素子２０を製造することができる。
【００６４】
ここで、図９において、符号２１ａ、２１ｂは分割された光入射面部分、２２ａ、２２ｂは分割された光出射面部分、２３ａ、２３ｂは分割された第１光出入射面、２４ａ、２４ｂは分割された第２光出入射面、２５ａ、２５ｂは分割された第３光出入射面、２６ａ、２６ｂは分割された他の１面（下側面）を示す。
【００６５】
第１の４面体２０ａの４面は直角２等辺３角形の光出射面部分２２ａおよび第１光出入射面部分２３ｂと、直角３角形の光学面部分５３ａおよび接合面５２ｂからなり、第２の４面体２０ｂの４面は直角２等辺３角形の光出射面部分２２ｂおよび第３光出入射面部分２５ｂと、直角３角形の光学面部分５２ａおよび接合面５１ｂからなる。
【００６６】
第３の４面体２０ｃの４面は直角２等辺３角形の光入射面部分２１ａおよび第３光出入射面部分２５ｂと、直角３角形の光学面部分５１ａおよび接合面５３ｂからなり、第４の４面体２０ｄの４面は直角２等辺３角形の第１光出入射面部分２３ａおよび他の１面部分２６ａと、直角３角形の光学面部分５１ａおよび接合面５３ｂからなる。
【００６７】
第５の４面体２０ｅの４面は直角２等辺３角形の第２光出入射面部分２４ｂおよび他の１面部分２６ｂと、直角３角形の光学面部分５２ａおよび接合面５１ｂからなり、第６の４面体２０ｆの４面は直角２等辺３角形の光入射面部分２１ｂおよび第２光出入射面部分２４ａと、直角３角形の光学面部分５３ａおよび接合面５２ｂからなる。
【００６８】
また、上述したように合成された３原色の色成分（映像光）は光出射面２２より投射光学系４０に入射させ、投射光学系４０により拡大投射されるが、この実施形態では、図２に示すように、必要に応じて緑色成分の偏光方向をｐ方向から９０°回転させてｓ方向に変換する狭帯域位相差板４１と、各色成分のｓ偏光を通過する偏光板４２とを設け、コントラストを改善させて投射レンズ系４３に入射させ、合成映像光を拡大投射させるようにしている。
【００６９】
以上に説明したように、この実施形態に係る色分離合成素子２０は、外形が、所定の偏光方向の光を出射する光源部１０を対向させる光入射面２１と、それぞれ１枚の液晶パネル３１、３２、３３を対向させる３面の光出入射面２３、２４、２５と、投射光学系４０を対向させる光出射面２２と、他の１面２６とを備える立方形に形成され、内部に前記光源部１０より入射した光を３原色の色成分に分光して対応する光出入射面２３、２４、２５より出射させるとともに、各光出入射面２３、２４、２５に対向して配置した液晶パネル３１、３２、３３で偏光方向を９０°回転させて反射した３原色の色成分を合成して光出射面２２より投射光学系４０に出射させる色分離合成手段５０が設けられる。
【００７０】
これにより、色分離合成素子２０の各面の１辺の長さを液晶パネル３１、３２、３３の１辺（液晶パネル３１、３２、３３が長方形の場合にはその長辺）の長さと同じ長さまで短くすることができるので、図１０の平面図に示した従来例に比べると９分の１の面積内で、また図１１の平面図に示した従来例に比べると、４分の１の面積内で３枚型液晶プロジェクタの色分離合成が行え、従来の色分離合成部に比べて格段に小型の色分離合成素子２０が得られ、また、この色分離合成素子２０を用いて格段に小型の液晶プロジェクタを作ることができる。
【００７１】
更に、光源部１０から投射光学系４０に至る各色成分の経路長を従来の３分の１程度以上に短縮できるので、光源部１０から投射光学系４０に至るまでの光のロスが少なくなるので、光源部１０の低出力化、低価格化および小型化を図ることができ、これにより、液晶プロジェクタを一層小型に、しかも、低価格にすることができる。
【００７２】
また、更に、液晶パネル３１、３２、３３から投射光学系４０に至る各色成分の経路長を従来の半分程度に短縮できるので、液晶パネル３１、３２、３３から投射光学系４０に至るまでの各色成分の拡散が小さくなるので、投射光学系４０の小型化を図ることができ、これにより、液晶プロジェクタをより一層小型にすることができる。
【００７３】
加えて、部品点数が少なくなるので、液晶プロジェクタの組立コストを大幅に削減することができるという利点も得ることができる。
【００７４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の色分離合成素子は、外形が、所定の偏光方向の光を出射する光源部を対向させる光入射面と、それぞれ１枚の反射型光変調素子を対向させる３面の光出入射面と、投射光学系を対向させる光出射面と、他の１面とを備える立方形に形成され、内部に前記光源部より入射した光を３原色の色成分に分光して対応する光出入射面より出射させるとともに、各光出入射面に対向して配置した反射型光変調素子で偏光方向を９０°回転させて反射した３原色の色成分を合成して光出射面より投射光学系に出射させる色分離合成手段が設けられる。
【００７５】
これにより、従来の色分離合成部に比べて各段に小型の色分離合成素子を得ることができるとともに、この色分離合成素子を用いることにより、従来に比べて格段に小型の３板式液晶プロジェクタを得ることができるという効果を得ることができる。
【００７６】
また、従来に比べて、光源部から投射光学系までの各色成分の経路長を従来の３分の１程度以上に短縮されるので、各色成分のロスが少なくなり、光源部の低出力化、低価格化および小型化を図ることができる効果が得られ、この色分離合成素子を用いることにより液晶プロジェクタを一層小型に、安価にすることができるとともに、消費電力を削減できるという効果も得られる。
【００７７】
更に、従来に比べて、液晶パネルから投射光学系までの各色成分の経路長を従来の３分の１程度以上に短縮されるので、液晶パネルから投射光学系に進む間の各色成分の拡散が小さくなり、投射光学系を小型にして、液晶プロジェクタをより一層小型にできる効果が得られる他、部品点数が少なくなるので、組立コストを大幅に削減して液晶プロジェクタを一層安価にできるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いる液晶プロジェクタの斜視図である。
【図２】本発明を用いる液晶プロジェクタの平面図である。
【図３】本発明を用いる液晶プロジェクタの正面図である。
【図４】本発明の斜視図である。
【図５】本発明の斜視図である。
【図６】本発明の斜視図である。
【図７】本発明の斜視図である。
【図８】本発明の斜視図である。
【図９】本発明の分解斜視図である。
【図１０】従来例の平面図である。
【図１１】従来例の平面図である。
【符号の説明】
１０ 光源部
２０ 色分離合成素子
２１ 光入射面
２２ 光出射面
２３ 第１光出入射面
２４ 第２光出入射面
２５ 第３光出入射面
２６ 他の１面
３１ 第１液晶パネル
３２ 第２液晶パネル
３３ 第３液晶パネル
４０ 投射光学系
５０ 色分離合成手段
５１ 第１光学面
５２ 第２光学面
５３ 第３光学面
Claims (5)
- 所定の偏光方向の光を出射する光源部と対向する光入射面と、それぞれ１つの反射型光変調素子と対向する３面の光出入射面と、投射光学系と対向する光出射面と、他の１面とを備える立方形に形成され、内部に前記光源部より入射した光を３原色の色成分に分光して対応する光出入射面より出射させるとともに、各光出入射面に対向して配置した反射型光変調素子で光の偏光方向を９０°回転させて反射した３原色の色成分を合成して投射光学系に出射させる色分離合成手段が設けられることを特徴とする色分離合成素子。
- 前記光入射面と光出射面とが互いに直交し、第１光出入射面が光入射面に背反する面からなり、第２光出入射面が光出射面に背反する面からなり、第３光出入射面が第１および第２光出入射面に直交する請求項１に記載の色分離合成素子。
- 前記色分離合成手段は、光入射面および光出射面に対して４５°傾斜させた第１光学面と、第１および第３光出入射面に対して４５°傾斜させた第２光学面と、第３光出入射面および光出射面に対して４５°傾斜させた第３光学面とを備える請求項２に記載の色分離合成素子。
- 請求項１乃至３のいずれかに記載の色分離合成素子と、前記色分離合成素子の光入射面側に配置される所定の偏光方向の光を出射する光源部と、前記色分離合成素子の光出入射面にそれぞれ配置される第１、第２、第３の反射型光変調素子と、前記色分離合成素子の光出射面側に配置される投写光学系と、を備えたことを特徴とする液晶プロジェクタ。
- 前記光源部は、白色光源と、白色光源からの光を所定の偏光方向の光に揃える偏光変換手段と、ある波長の偏光方向を９０°回転させる手段と、を備えることを特徴とする請求項４に記載の液晶プロジェクタ。
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